JP2013225557A - 劣化判定装置、発光装置及び劣化判定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。
【解決手段】
劣化判定装置は、発光素子の温度である第1の温度と、発光素子の周囲の温度である第2の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、発光素子の初期状態における所定の駆動条件に対応する第1の温度と第2の温度との関係である初期特性、及び、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の第1の温度と第2の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】
劣化判定装置は、発光素子の温度である第1の温度と、発光素子の周囲の温度である第2の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、発光素子の初期状態における所定の駆動条件に対応する第1の温度と第2の温度との関係である初期特性、及び、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の第1の温度と第2の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、を備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は劣化判定装置、発光装置及び劣化判定法法に関する。
半導体レーザダイオード(semiconductor laser diode、LD)は、光通信装置の光源や光ディスクの読み出し及び書き込み用の光源として広く用いられている。LDは半導体素子の劣化の進行に伴い発光の効率が低下するため、駆動電流を一定に維持していても劣化により光出力が低下する。このため、LDの劣化の判定基準として、同一の駆動条件で光出力が初期値から所定の割合だけ低下した場合に劣化と判定することが行われている。例えば、LDの光出力が初期状態から50%低下した時点でLDが劣化したと判定される。
しかしながら、一般に、LD等の発光素子の劣化状態を外部から知ることは困難である。LDの劣化が進行するとLDの光出力が次第に低下するが、装置の機能が損なわれる程度までLDの光出力が低下するまでは、LDの劣化を知ることができない場合がある。
LDの劣化の検出方法に関連して、特許文献1は、LDの発熱量の増大によりペルチェ素子の消費電力が所定の値を超えるとLDの駆動電流を制限する半導体レーザ光源装置の構成を記載している。
LDを初めとする半導体発光素子は、伝導帯のエネルギー準位にある励起された電子が安定した価電子帯のエネルギー準位に遷移する際に、そのエネルギー準位の差分のエネルギーを電磁波(光)として放出する。ここで、差分のエネルギーをΔE、プランク定数をh、光の振動数をνとすると、アインシュタインの関係式であるΔE=hνを満たす振動数νの電磁波が放出される。νの振動数が光として放出可能な振動数の場合は光が放出され(発光遷移)、それ以外の場合は熱として放出される(非発光遷移)。
LDが劣化していない場合は、励起された電子が価電子帯のエネルギーバンドに落ちる際、励起された電子のエネルギー準位と価電子帯のエネルギー準位との差分のエネルギーは全て光として放出される。しかし、LDの活性層における結晶欠陥の拡大等の理由によりLDが劣化し、伝導帯から価電子帯への遷移に占める非発光遷移の割合が増加すると、非発光遷移により生じた熱によりLDの温度が上昇する。LDの劣化が進行すると、光ではなく熱を発生させる価電子がさらに増加し、発光に与る価電子が減少する。従って、LDが劣化すると光出力が低下するとともにLDの発熱量が増大する。
特許文献1に記載された半導体レーザ光源装置は、ペルチェ素子の消費電力の増大によりLDの劣化を検出し、LDの駆動電流を低下させる。このため、LDの劣化の検出のためにペルチェ素子やその制御回路が必要となる。また、ペルチェ素子は一般にLDと同等以上の電力を消費する。このため、特許文献1に記載された半導体レーザ光源装置は、小型化、低価格化及び低消費電力化が困難であるという課題がある。
本発明の目的は、簡単な構成で発光素子の劣化を判定することを可能とするための技術を提供することにある。
本発明の劣化判定装置は、発光素子の温度である第1の温度と、発光素子の周囲の温度である第2の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、発光素子の初期状態における所定の駆動条件に対応する第1の温度と第2の温度との関係である初期特性、及び、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の第1の温度と第2の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、を備える。
本発明の劣化判定方法は、発光素子の初期状態における所定の発光素子の駆動条件に対応する発光素子の温度と発光素子の周囲の温度との関係である初期特性、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の発光素子の温度及び発光素子の周囲の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する。
本発明は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。
(第1の実施形態)
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態である発光装置100の構成を示す図である。発光装置100は、LD11、LD温度センサ12、周囲温度センサ13、判定部14、記録部15、駆動回路16、光導波体17及び出力部18を備える。
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態である発光装置100の構成を示す図である。発光装置100は、LD11、LD温度センサ12、周囲温度センサ13、判定部14、記録部15、駆動回路16、光導波体17及び出力部18を備える。
LD11は劣化の判定の対象となる半導体レーザダイオードである。LD11は、駆動回路16により駆動されて光導波体17へ光を出力する。LD温度センサ12はLD11の素子内部あるいは直近に置かれた温度センサであり、LD11の温度を電気信号として出力する。周囲温度センサ13はLD11の周囲の温度を電気信号として出力する温度センサである。周囲温度センサ13は、LD11の温度と相互に影響を与えるLD11の近傍の温度を出力する。例えば、LD11が密封された小型の筐体に実装されている場合には、周囲温度センサ13は当該筐体の内部の温度を出力する。これらの温度センサとしては例えばサーミスタや熱電対を使用することができる。
駆動回路16は、LD11を所定の駆動条件で駆動する。駆動回路16は、判定部14の指示に基づいてLD11を駆動してもよい。また、駆動回路16は、LD11の駆動条件を電気信号として判定部14に出力する。LD11の駆動条件は、例えばLDの駆動電流である。
光導波体17は典型的には光ファイバであるが光を伝搬させる媒体であれば他のものでもよい。例えば、光導波体17は光導波路でもよく、あるいは固定された媒体ではなく自由空間であってもよい。
判定部14は、LD11の劣化状態、すなわちLD11が劣化しているか否かを判定する。判定部14は、LD温度センサ12及び周囲温度センサ13から入力される温度、駆動回路16から入力されるLD11の駆動条件及び記録部15に記録された情報に基づいてLDの劣化状態を判定する。LD11が劣化すると、LD11の発熱量が初期状態よりも増加してLD温度が上昇する。そして、判定部14は、LD11の使用中のLD温度が初期状態よりも所定の閾値以上上昇した場合には、LD11が劣化したと判定する。判定部14は、LD11の劣化状態を判定すると、判定結果を出力部18に出力する。
判定部14は、LD温度センサ12が示す温度と周囲温度センサ13が示す温度との関係を、LD11の駆動条件と対応づけて記録部15に記録する。なお、判定部14は、駆動回路16にLD11の駆動条件を指示する機能を備えていてもよい。
記録部15は半導体メモリ等の記憶装置である。記録部15は、LD温度センサ12及び周囲温度センサ13が示す温度を、それらの温度を測定した際のLD11の駆動条件と対応づけて記録している。また、記録部15は、LDが劣化したと判定するためのLD11の所定の駆動条件におけるLD温度あるいは周囲温度の少なくとも一方の閾値を記録している。なお、記録部15は、判定部14の内部に備えられていてもよい。
出力部18は、判定部14における判定結果を出力する。出力部18は電気信号によって判定結果を外部の装置に出力してもよい。あるいは、出力部18は、LD11が劣化したと判定されるとランプの点灯等の表示を行ってもよい。
次に、第1の実施形態の発光装置の動作を、図2を用いて説明する。図2は、第1の実施形態の発光装置の判定部の動作を示すフローチャートである。
図2において、判定部14は、LD11の初期状態においてLD温度センサ12の示す温度と周囲温度センサ13が示す温度との関係を測定して記録部15に記録する(図2のステップS1〜S3)。初期状態とはLD11の製造後、使用が開始された直後の状態であり、初期状態においてLD11は劣化していないものとする。
判定部14は、まず、ある周囲温度においてLD11の駆動条件ごとにLD温度を測定する(ステップS1)。LD温度は、LD11への供給電力が一定となる駆動条件ごとに測定される。温度変化や駆動条件の変化に対してLD11の電圧降下の変動が小さい場合には、LD11の駆動電流を駆動条件としてもよい。判定部14は、同様の測定を複数の周囲温度について繰り返し行う(ステップS1〜S2:NO)。判定部14は、測定結果に基づいてLD11の駆動条件と対応づけられたLD温度及び周囲温度との関係(以下、「初期特性」という。)を求め、その関係を記録部15に記録する(ステップS3)。
なお、判定部14は、LD11の初期特性を、必ずしもLD毎に実測しなくともよい。類似する初期特性が入手可能と判断される場合は初期特性の測定を省略し、例えば他のLDで測定した初期特性を記録部15に記憶させてもよい。あるいは、初期特性として経験的あるいは理論的に知られた関係を利用できる場合には、その関係を記録部15に記憶させて用いてもよい。
次に、LD11が劣化したと判定するための基準となる温度上昇量に基づいて閾値が設定される(ステップS4)。閾値は、ある周囲温度(例えば25℃)において、対応するLD温度が初期特性の値よりも一定の温度(例えば5℃上昇)上昇した場合にLD11が劣化したと判定するように設定される。この場合、閾値は+5℃である。また、閾値は、LD温度あるいは周囲温度に関わらず一定値としてもよいし、LD温度あるいは周囲温度により異なる値としてもよい。判定部14は、設定された閾値を記録部15に書き込む。閾値は、発光装置100の外部から記録部15に直接書き込まれてもよい。なお、閾値は温度の絶対値(この場合は30℃)として設定してもよい。
LD11の初期特性が測定された後、LD11の使用が開始される。判定部14は、LD温度センサ12及び周囲温度センサ13によって測定されたLD11の使用中のLD温度及び周囲温度を受信する。また、判定部14は、駆動回路16からLD11の駆動条件を受信する(ステップS5)。
次に、判定部14は、LD11の使用中に測定された周囲温度とその際の駆動条件を初期特性における同一の周囲温度及び駆動条件に当てはめる。そして、判定部14はLD11の初期特性が維持されているとした(すなわちLD11が劣化していないとした)場合のLD11のLD温度を推定する(ステップS6)。
判定部14は、現在の駆動条件及び周囲温度から初期特性に基づいて推定されたLD温度よりも現在のLD温度が閾値以上高ければ(ステップS7:YES)、LD11が劣化していると判定する(ステップS8)。推定されたLD温度に対する現在のLD温度の上昇量が閾値未満であれば(ステップS7:NO)、LD11が劣化していないと判定する(ステップS9)。
ステップS8あるいはステップS9で何らかの判定を行ったのち、判定部14は出力部18に判定結果を出力し(ステップS10)、ステップS5に戻ってLD温度、周囲温度及び駆動条件の収集を継続する。ステップS5〜S8あるいはS9のフローは、定期的あるいは不定期に繰り返し実行されてもよい。
続いて、判定部14におけるLD11の劣化を判定する手順についてさらに具体的に説明する。図3は、LD11の初期特性に基づいてLD11の劣化を判定する手順を説明する図である。図3の横軸は周囲温度であり、縦軸はLD温度である。図3の曲線は、図2のステップS1において測定された、LD11の初期状態における周囲温度とLD温度との関係を示す。図3の特性は、所定の駆動条件ごとに作成され、記録部15に記録されている。図3は、LD11の駆動電流Idが50mAの場合の測定結果の例を示す。図2のステップS1〜S2は、図3に示す特性を異なる駆動条件(例えばId=10mA、20mA、・・・、100mA)で作成する手順に相当する。
図2のステップS6におけるLD11のLD温度の推定は、以下の手順で行われる。まず、判定部14は、使用中のLDの駆動条件に対応する特性を記録部15から読み出す。本実施形態ではLD11は駆動電流Id=50mAで使用されているとする。判定部14は駆動条件がId=50mAであることを駆動回路16からの情報で知ることができる。そして、判定部14は記録部15からId=50mAである図3の特性を読み出す。
判定部14は、使用中のLD11の周囲温度Taを周囲温度センサ13から入手すると、周囲温度がTaである場合のLD温度TLD1を図3から求める。使用中のLD11が劣化しておらず、劣化に起因するLD11の温度上昇がない場合には、使用中のLD温度TLD2は図3から求めたLD温度TLD1に等しくなる。しかしながら、LD11が劣化していると、非発光遷移により発生する熱のために、使用中のLD温度TLD2はTLD1よりも高くなる。そして、LD11が劣化したと判定する温度上昇量の閾値をΔTとした場合、TLD2≧TLD1+ΔTであれば、判定部14はLD11が劣化していると判定する。
このように、第1の実施形態の発光装置は、使用中のLD温度と周囲温度との関係をあらかじめ測定された初期特性と比較して、同一の周囲温度においてLD温度が初期特性よりも閾値以上高いかどうかでLDの劣化の有無を判定している。このような構成を備えることにより、第1の実施形態の発光装置は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とするという効果を奏する。
また、第1の実施形態の発光装置は、初期状態のLD温度と周囲温度との関係に基づいて使用中のLDの劣化の有無を判定している。その結果、第1の実施形態の発光装置は、使用中のLDの周囲温度が変動しても、LDの温度上昇の原因がLDの劣化によるものか、あるいは周囲温度の上昇によるものかを区別することができる。
以上の説明では、初期状態と同一の周囲温度において使用中のLDのLD温度が初期状態に比べて閾値以上高ければLD11は劣化していると判定した。一方、第1の実施形態の変形例として以下のような構成も考えられる。
すなわち、判定部14は、初期状態と同一のLD温度において周囲温度を比較した際に、使用中のLDの周囲温度が初期状態に比べて閾値以上低い場合にLD11は劣化していると判定してもよい。
さらに、LD11の使用中の駆動条件と一致する初期特性が記録部15に記憶されていない場合、記憶部15に記憶されている、駆動条件が異なる初期特性に対して補間または外挿を行い、使用中の駆動条件における初期特性を推定してもよい。
また、LD11の電圧降下の変動が大きい場合には、LD11の駆動条件のパラメータを駆動電流と電圧降下の積としてもよい。この場合、駆動回路16は駆動条件ごとにLD11の電圧降下Vdと駆動電流Idを測定して判定部14に出力する。そして、判定部14はLD11への供給電力であるVd×IdをパラメータとしたLD11の初期特性を記録部15に記録する。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態である劣化判定装置200の構成を示す図である。劣化判定装置200は、判定部20と入力部21とを備える。判定部20は、入力部21から入力される情報に基づいて、発光素子の劣化の判定を行う。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態である劣化判定装置200の構成を示す図である。劣化判定装置200は、判定部20と入力部21とを備える。判定部20は、入力部21から入力される情報に基づいて、発光素子の劣化の判定を行う。
入力部21には、発光素子の温度である第1の温度と、発光素子の周囲の温度である第2の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される。判定部20は、第1の温度、第2の温度及び駆動条件を記録する機能をも備える。入力部21は、入力される情報ごとに備えられていてもよい。
判定部20は、発光素子の初期状態において所定の駆動条件における第1の温度(発光素子の温度)と第2の温度(発光素子の周囲の温度)との関係を記録する。そして、判定部20は、発光素子が駆動条件で使用される際の第1の温度及び第2の温度と記録された特性との比較結果に基づいて、発光素子の劣化状態を判定する。
例えば、判定部20は、発光素子の初期状態における第1の温度と第2の温度との関係を初期特性として記録する。判定部20は、使用状態と同一の駆動電流で測定した初期特性の第2の温度に現在の周囲温度を適用して、現在の周囲温度に対応する第1の温度(発光素子の温度)を推定する。そして、判定部20は、入力部21から入力されている現在の第1の温度が推定された第1の温度よりも高ければ、発光素子が劣化していると判定する。
使用中の発光素子が劣化により光出力が低下すると、発光素子の温度が初期状態と比べて上昇する。判定部20は、この温度上昇を検出すると発光素子が劣化したと判定する。
このように、第2の実施形態の劣化判定装置200は、あらかじめ測定された発光素子の温度と周囲温度との関係と、使用中の発光素子の温度(第1の温度)及び周囲温度(第2の温度)のみを用いて発光素子の劣化状態を判定する。すなわち、第2の実施形態の劣化判定装置は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
100 発光装置
200 劣化判定装置
11 LD(半導体レーザダイオード)
12 LD温度センサ
13 周囲温度センサ
14、20 判定部
15 記録部
16 駆動回路
17 光導波体
18 出力部
21 入力部
200 劣化判定装置
11 LD(半導体レーザダイオード)
12 LD温度センサ
13 周囲温度センサ
14、20 判定部
15 記録部
16 駆動回路
17 光導波体
18 出力部
21 入力部
Claims (7)
- 発光素子の温度である第1の温度と、前記発光素子の周囲の温度である第2の温度と、前記発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、
前記発光素子の初期状態における所定の前記駆動条件に対応する前記第1の温度と前記第2の温度との関係である初期特性、及び、前記発光素子が前記所定の駆動条件で使用される際の前記第1の温度と前記第2の温度、に基づいて前記発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、
を備える劣化判定装置。 - 前記所定の駆動条件における前記第1の温度に対する第1の閾値を設定し、
前記発光素子の使用状態における前記第1の温度が、前記発光素子の前記第2の温度を前記初期特性に適用して求めた前記第1の温度よりも前記第1の閾値以上高い場合に前記発光素子が劣化したと判定する、請求項1に記載された劣化判定装置。 - 前記所定の駆動条件における前記第2の温度に対する第2の閾値を設定し、
前記発光素子の使用状態における前記第2の温度が、前記発光素子の前記第1の温度を前記初期特性に適用して求めた前記第2の温度よりも前記第2の閾値以上低い場合に前記発光素子が劣化したと判定する、請求項1に記載された劣化判定装置。 - 前記駆動条件は、前記発光素子に供給される電力に基づいて定められている、請求項1乃至3のいずれかに記載された劣化判定装置。
- 前記発光素子が使用される際の前記所定の駆動条件に対応する前記初期特性を、他の前記駆動条件に対応する前記初期特性からの補間または外挿によって求める、請求項1乃至4のいずれかに記載された劣化判定装置。
- 発光素子と、
前記発光素子の温度である第1の温度を出力する第1の温度センサと、
前記発光素子の周囲の温度である第2の温度を出力する第2の温度センサと、
前記発光素子を駆動して駆動条件を出力する駆動回路と、
請求項1乃至5のいずれかに記載された劣化判定装置と、を備える発光装置。 - 発光素子の初期状態における所定の前記発光素子の駆動条件に対応する発光素子の温度と前記発光素子の周囲の温度との関係である初期特性、前記発光素子が前記所定の駆動条件で使用される際の前記発光素子の温度及び前記発光素子の周囲の温度、に基づいて前記発光素子が使用される際の劣化状態を判定する、劣化判定方法。
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