JP4375282B2 - オートパワーコントロール回路およびレーザダイオード制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードの光出力を安定化するオートパワーコントロール回路およびレーザダイオード制御方法に関する。

レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）に供給する電流量を調整して光出力を一定に制御することを、オートパワーコントロール（Automatic Power Control：ＡＰＣ)という。ＡＰＣ回路の一例は、特開平１１−１３５８７１号公報に開示されている。このＡＰＣ回路は、ＬＤの周囲温度に応じてバイアス電流および変調電流を調整し、ＬＤの光出力および消光比を一定に制御する。また、このＡＰＣ回路は、モニタ用フォトダイオードの出力に基づいてＬＤの経時劣化を検出し、バイアス電流を調整する。
特開平１１−１３５８７１号公報

しかし、上記のＡＰＣ回路は、高温環境下における短期的な発光効率の低下を補償することは難しい。ＬＤは、高温時に閾値電流が上昇し、発光効率が大きく低下するという温度特性を有している。閾値電流の増加に伴い、ＬＤ駆動時にＬＤを流れる電流は増加し、それに応じてＬＤの発熱が増える。その結果、発光効率が更に下がり、ＬＤは次第に目標の光出力を生成することが難しくなる。このとき、ＡＰＣ回路は、光出力の低下を防ごうとしてバイアス電流をいっそう高めるため、悪循環を生み、光出力および消光比の安定化が困難になる。

本発明は、上記に鑑みなされたもので、高温下でレーザダイオードの発光効率が低下しても消光比を一定に保つことの可能なオートパワーコントロール回路およびレーザダイオード制御方法を提供することを課題とする。

一つの側面において、本発明は、レーザダイオードにバイアス電流および変調電流を供給する電流供給回路を制御してレーザダイオードの光出力および消光比を安定化するオートパワーコントロール回路に関する。このオートパワーコントロール回路は、所定の目標光出力の下で消光比が所定の値になるようにバイアス電流と変調電流との関係を定める第１の制御データを記憶する第１の記憶装置と、光出力を測定し、目標光出力と当該測定された光出力との差を用いてバイアス電流を計算し、第１の制御データに従って、当該バイアス電流に対応する変調電流を決定する演算部と、演算部によって決定されたバイアス電流および変調電流を与える制御信号を生成し、電流供給回路へ出力する信号生成部と、レーザダイオードの周囲温度に応じた光出力の補正値を定める第２の制御データを記憶する第２の記憶装置とを備えている。演算部は、バイアス電流を決定する前に、レーザダイオードの周囲温度を測定し、第２の制御データに従って、当該周囲温度に対応する光出力の補正値を決定し、目標光出力を当該補正値に基づいて補正した後、当該目標光出力と測定された光出力との差を用いてバイアス電流を計算する。バイアス電流の計算は、目標光出力と光出力の測定値との差に所定の定数を乗じるなど、所定の計算式に目標光出力と光出力の測定値との差を代入することにより行ってもよい。

周囲温度に対応する補正値は、当該周囲温度の下で演算部がバイアス電流を算出し、変調電流を決定したときに消光比を上記の所定値に安定化させるために必要な目標光出力の変化量であってもよい。

第２の制御データは、複数の周囲温度に一対一に対応する複数の補正値を格納するルックアップテーブルであってもよい。演算部は、測定された周囲温度がルックアップテーブル内に設定された周囲温度と異なるときに、ルックアップテーブル内の補正値を補間して、当該測定値に対応する補正値を計算してもよい。

別の側面において、本発明は、レーザダイオードにバイアス電流および変調電流を供給する電流供給回路を制御して、レーザダイオードの光出力および消光比を安定化するレーザダイオード制御方法に関する。この方法は、レーザダイオードの周囲温度を測定するステップと、周囲温度に応じた光出力の補正値を定める制御データに従って、測定された周囲温度に対応する光出力の補正値を決定するステップと、レーザダイオードの所定の目標光出力を、決定された補正値に基づいて補正するステップと、目標光出力を補正する前または後に光出力を測定するステップと、補正された目標光出力と測定された光出力との差を用いてバイアス電流を計算するステップと、上記所定の目標光出力の下で消光比が所定の値になるようにバイアス電流と変調電流との関係を定める制御データに従って、上記計算されたバイアス電流に対応する変調電流を決定するステップと、この計算されたバイアス電流および決定された変調電流を与える制御信号を生成し、電流供給回路へ供給するステップとを備えている。

本発明は、レーザダイオードの周囲温度に応じて目標光出力を補正するので、高温下でレーザダイオードの発光効率が低下したときに、光出力の減少量に合わせて目標光出力を低減することが可能である。この結果、高温下で発光効率が低下してもレーザダイオードの消光比を一定に保つことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態のオートパワーコントロール（ＡＰＣ）回路の構成を概略的に示すブロック図である。ＡＰＣ回路２０は、Ａ／Ｄコンバータ２２、変数格納部２４、制御値格納部２６、温度モニタ２８、演算処理部３０およびＤ／Ａコンバータ３２を有している。これらの構成要素は、単一の回路基板上に実装されていてもよい。このＡＰＣ回路２０は、レーザモジュール１０内のＬＤ１２に供給されるバイアス電流および変調電流を調整して、ＬＤ１２の光出力および消光比を安定化する。レーザモジュール１０は、ＬＤ１２のほかに、ＬＤ１２の光出力を測定するモニタフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）１４を含んでいる。電流供給回路１８は、バイアス電流に変調電流を重畳してＬＤ１２に供給し、ＬＤ１２を駆動する。変調電流は、入力データが“１”か“０”かに応じてオン／オフされる。バイアス電流および変調電流の大きさは、ＡＰＣ回路２０から電流供給回路１８に供給される制御信号に応じて定まる。

モニタＰＤ１４は、ＬＤ１２の光出力の平均値に比例するモニタ電流Ｉｐｄを生成する。モニタ電流Ｉｐｄは、図示しない抵抗器によってアナログ電圧に変換される。Ａ／Ｄコンバータ２２は、そのアナログ電圧をディジタル値に変換する。このディジタル値は、変数格納部２４に一時的に記憶される。このディジタル値は、モニタＰＤ１４によって測定されたＬＤ１２の光出力を示すので、以下では「光出力モニタ値」と呼ぶことにする。一方、制御値格納部２６は、ＡＰＣに用いられる制御データを記憶する。

温度モニタ部２８は、ＬＤ１２の周囲温度を示すディジタル値を生成する。温度モニタ部２８は、ＬＤ１２の周囲温度を測定する温度センサと、温度センサのアナログ出力信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータとを含んでいる。このディジタル値は、温度センサによって測定されたＬＤ１２の周囲温度を示すので、以下では「温度モニタ値」と呼ぶことにする。

演算処理部３０は、変数格納部２４に記憶された光出力モニタ値と、温度モニタ部２８からの温度モニタ値を用いてバイアス電流および変調電流の大きさを決定する。演算処理部３０は、決定した大きさを示すディジタル値を生成し、Ｄ／Ａコンバータ３２に送る。Ｄ／Ａコンバータ３２は、そのディジタル値をアナログ制御信号に変換し、電流供給回路１８に送る。電流供給回路１８は、そのアナログ制御信号を受けて、演算処理部３０が決定した大きさを有するバイアス電流および変調電流をＬＤ１２に供給する。

演算処理部３０は、ＬＤ１２の光出力および消光比がそれぞれ所定の目標値に安定するようにバイアス電流Ｉｂおよび変調電流Ｉｍを決定する。具体的には、光出力モニタ値から計算される光出力と所定の目標値との差に定数を乗じることにより、バイアス電流Ｉｂを定めるディジタル値が算出される。一方、消光比が目標値になるようなバイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍの組み合わせは、ＬＤに固有の値として温度毎に決まる。そこで、所定の目標光出力の下で消光比が目標値になるようにバイアス電流に対する変調電流を定める制御データをあらかじめ取得しておく。例えば、所定の目標光出力の下でＡＰＣを実行しながら、複数の温度下で目標消光比が得られるＩｂ、Ｉｍを測定し、測定ポイント以外の温度でのＩｂ、Ｉｍを、測定値から線形補間または関数補間によって算出する。そして、演算処理部３０は、各温度でのＩｂ、Ｉｍからルックアップテーブル（Look-Up Table：ＬＵＴ）や、Ｉｍ＝ｆ（Ｉｂ）で表されるｎ次関数式（ｎは自然数）を作成し、それを制御値格納部２６に記憶する。本実施形態では、図２に示されるようなＬＵＴ３４が制御値格納部２６に格納されているものとする。ＡＰＣ中は、このような制御データに従ってバイアス電流Ｉｂに応じた変調電流Ｉｍが決定される。

以下では、ＡＰＣ回路２０によるＡＰＣの特徴を詳細に説明する。理解を容易にするため、まず、従来のＡＰＣのアルゴリズムを説明する。図３は、ＬＤに供給される電流Ｉと光出力Ｐとの関係（Ｉ−Ｐ特性）および、その温度依存性を示すグラフである。ここで、低温、常温、高温時の閾値電流は、それぞれＩｔｈ＿Ｌ、Ｉｔｈ＿Ｍ、Ｉｔｈ＿Ｈと表され、低温、常温、高温時のバイアス電流は、それぞれＩｂ＿Ｌ、Ｉｂ＿Ｍ、Ｉｂ＿Ｈと表されている。

供給電流ＩがＬＤの閾値電流Ｉｔｈを越えると、ＬＤが発光し始める。ＬＤの光出力は、供給電流の増加とともに一定のスロープ効率で増加する。また、高温になるほど閾値電流は増加し、スロープ効率は低下するため、一定の光出力を得るために必要な供給電流は高温になるほど増加する。そこで、温度変化に対応して光出力と消光比を一定に保つために、特開平１１−１３５８７１号公報に記載のＡＰＣ回路は、ＬＤへ供給するバイアス電流および変調電流をＬＤの周囲温度に応じて調整する。

本発明者は、供給される電流が多いほど変調感度の周波数帯域が高周波まで延びるというＬＤの特性に注目している。このような特性を考慮すると、良好な光出力波形を得るためには、ＡＰＣでの目標光出力をより高く設定して、供給電流を増加させることが望ましい。

しかし、供給電流を増やすとＬＤの温度が上昇し、ＬＤの発光効率が低下するため、低温から高温まで光出力を一定に保つことは難しい。図４は、ある目標光出力の下でＡＰＣを実行したときに消光比が目標値となるようなバイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍの関係（Ｉｂ−Ｉｍ特性）を示している。ここで、グラフ３０１は、比較的低い目標光出力の下でのＩｂ−Ｉｍ特性を示している。上述のように、バイアス電流を増やすためには、目標光出力を高くする必要がある。そこで、より高い目標光出力の下で消光比が同じ目標値となるようなバイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍの関係をグラフ３０２に示す。これらのグラフは、図２に示されるＬＵＴ３４と同様に、複数の温度でＩｂ、Ｉｍを測定し、それらを補間することによって計算することができる。

高温下でバイアス電流を増やすと、それに伴ってＬＤの温度がさらに上昇し、ＬＤ発光効率の低下が起こる。消光比は、変調電流がオフのときの光出力（データ“０”に対応する光出力）に対する変調電流がオンのときの光出力（データ“１”に対応する光出力）の比率である。このため、発光効率が低下すると、目標消光比を得るための変調電流は、発光効率が低下しないと仮定したときの変調電流よりも大きくなる。しかし、変調電流の値にはリミットがあるため、図４に示されるように、高温下では、理想的なＩｂ−Ｉｍ特性であるグラフ３０２よりも低い変調電流を与える点線３０３が実際のＩｂ−Ｉｍ特性となる。

発光効率が低下すると、ＡＰＣ回路２０は光出力が目標値に達していないことを検知し、バイアス電流を増加させる。これにより、ＬＤ１２の発熱が増え、発光効率がいっそう低下する。このため、最終的には、光出力と消光比を安定化することが不可能になる。そこで、本実施形態に係るＡＰＣ回路２０は、高温時にＡＰＣの目標光出力を補正してバイアス電流および変調電流を抑えることにより、光出力と消光比を安定化する。

以下では、図５を参照しながら、光出力および消光比の安定化の原理を説明する。図５は、目標光出力の補正を示す図である。図５には、低温Ｔｃ１、常温Ｔｃ２、高温Ｔｃ３の各々におけるＬＤ１２の電流−光出力特性が示されている。高温Ｔｃ３に関しては、理想的な特性が実線で示され、発光効率の低下を反映した実際の特性は点線で示されている。

目標光出力をＰｒと表記すると、発光効率の顕著な低下がない理想的なケースでは、温度Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３の下でＰｒに等しい光出力を得るためのバイアス電流の目標値は、それぞれＩｂ１、Ｉｂ２、Ｉｂ３となる。一方、高温下で発光効率が大きく低下する実際のケースでは、図５中の点線に示されるように、バイアス電流に応じた光出力の上昇が飽和する。そこで、本実施形態では、高温Ｔｃ３の下で目標光出力をＰｒ’に低減し、ＡＰＣによってバイアス電流がＩｂ３よりも低いＩｂ３’に設定されるようにする。これにより、バイアス電流によるＬＤ１２の温度上昇が緩和され、光出力の飽和を防ぐことができる。

ここで、補正後の目標光出力Ｐｒ’は、図４においてＬＤの光出力が飽和しないと仮定して計算したＩｂ−Ｉｍ特性グラフ３０２に基づいてＬＵＴ３４を作成し、このＬＵＴ３４を用いてＡＰＣを実行したときに消光比を目標値に安定化するように補正した目標光出力である。そして、あらかじめ複数の温度下で光出力の補正値ΔＰ（＝Ｐｒ−Ｐｒ’）を測定し、測定ポイント以外での温度でのΔＰを測定値から線形補間または関数補間によって算出し、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として制御値格納部２６に記憶する。図６はＬＤ１２の周囲温度Ｔｃと目標光出力の補正値ΔＰｒとの関係を示す図である。ここで、（ａ）はこの関係を表すグラフを示し、（ｂ）は様々な周囲温度Ｔｃに補正値ΔＰｒを対応付けるＬＵＴ３６を示している。なお、理解の容易のため、図６（ｂ）ではＬＵＴ３６内に実温度を記載してあるが、この代わりに、温度モニタ部２８によって測定された温度モニタ値（温度に対応するディジタル値）がＬＵＴ３６に格納されていてもよい。

以下では、図７および図８を参照しながら、本実施形態のＡＰＣ処理を具体的に説明する。図７は、本実施形態のＡＰＣを概略的に示す制御ブロック図であり、図８は、本実施形態のＡＰＣの手順を示すフローチャートである。

演算処理部３０は、温度モニタ部２８から温度モニタ値を読み込み、温度に換算する（ステップＳ８０２）。この温度は、ＬＤ１２の周囲温度Ｔｃの測定値である。次いで、演算処理部３０は、周囲温度Ｔｃの測定値と制御値格納部２６に記憶されたＬＵＴ３６を用いて目標光出力Ｐｒを補正する（ステップＳ８０４）。ステップＳ８０４において演算処理部３０は、ＬＵＴ３６を参照し、周囲温度Ｔｃの測定値に応じた補正値ΔＰｒを決定し、そのΔＰｒをＰｒから減算する。周囲温度Ｔｃの測定値がＬＵＴ３６に格納された温度と異なる場合には、最も近い温度に対応付けられた値をΔＰｒとしてもよいし、あるいは、ＬＵＴ３６内のデータを内挿法または外挿法により補間してΔＰｒを算出することもできる。

この後、演算処理部３０は、モニタＰＤ１４から光出力モニタ値を取得し、光出力Ｐ＿ｍｏｎに換算する（ステップＳ８０６）。次いで、演算処理部３０は、補正後の出力目標値Ｐｒ’と光出力の測定値Ｐ＿ｍｏｎとの差に応じてバイアス電流Ｉｂを計算する（ステップＳ８０８）。ステップＳ８０８において演算処理部３０は、Ｐ＿ｍｏｎを補正後の出力目標値Ｐｒ’から減算し、得られた（Ｐｒ’−Ｐ＿ｍｏｎ）に定数を乗じてＩｂを計算する。

次に、演算処理部３０は、制御値格納部２６に記憶されたＬＵＴ３４に基づいて変調電流Ｉｍを決定する（ステップＳ８１０）。この後、演算処理部３０は、決定したバイアス電流および変調電流を示す制御信号を生成し、電流供給回路１８へ出力する（ステップＳ８１２）。電流供給回路１８は、制御信号に応じたバイアス電流、変調電流をＬＤ１２に供給し、ＬＤ１２を駆動する。ＬＤ１２からの光出力はモニタＰＤ１４によって演算処理部３０にフィードバックされ、上述のＡＰＣ処理が繰り返される。このようにして、ＬＤ１２の発光効率の低下を補償可能なＡＰＣループが実現される。

上記のように、ＡＰＣ回路２０は、高温下でＬＤ１２の発光効率が大きく低下したときに、光出力の減少量に合わせて目標光出力Ｐｒを低減するので、高温下でもＬＤ１２の消光比を目標値に保つことができる。高温下では目標光出力を低減するものの、より低い温度では目標光出力を高く設定できるので、ＬＤ１２への供給電流を増やし、変調感度の周波数帯域を高周波側に延ばすことができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記の実施形態では、ＬＤ１２の周囲温度に対する補正値を定める制御データがＬＵＴ３６として制御値格納部２６に記憶されているが、この代わりに、ΔＰ＝ｆ（Ｔｃ）で表されるｎ次関数式（ｎは自然数）として記憶されていてもよい。

上記の実施形態では、目標光出力Ｐｒを補正した後に光出力モニタ値を取得、すなわち光出力を測定している。しかし、光出力の測定は、目標光出力Ｐｒを補正する前に行ってもよい。

図１は、実施形態のオートパワーコントロール回路を概略的に示すブロック図である。 図２は、消光比を一定にするバイアス電流と変調電流を格納するルックアップテーブルを示す概略図である。 図３は、ＬＤの電流−光出力特性とその温度依存性を示すグラフである。 図４は、目標消光比を与えるバイアス電流と変調電流の関係を示すグラフである。 図５は、目標光出力の補正を示す図である。 図６は、ＬＤの周囲温度と目標光出力の補正値との関係を示す図である。 図７は、実施形態のオートパワーコントロールを概略的に示す制御ブロック図である。 図８は、実施形態のオートパワーコントロールの手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…レーザモジュール、１２…レーザダイオード（ＬＤ）、１４…モニタフォトダイオード（ＰＤ）、１８…電流供給回路、２０…オートパワーコントロール（ＡＰＣ）回路、２２…Ａ／Ｄコンバータ、２４…変数格納部、２６…制御値格納部、２８…温度モニタ部、３０…演算処理部、３２…Ｄ／Ａコンバータ、３４、３６…ルックアップテーブル（ＬＵＴ）

Claims (4)

1. レーザダイオードにバイアス電流および変調電流を供給する電流供給回路を制御して前記レーザダイオードの光出力および消光比を安定化するオートパワーコントロール回路であって、
   所定の目標光出力の下で前記消光比が所定の値になるように前記バイアス電流と前記変調電流との関係を定める第１の制御データを記憶する第１の記憶装置と、
   前記光出力を測定し、前記目標光出力と当該測定された光出力との差を用いて前記バイアス電流を計算し、前記第１の制御データに従って、当該バイアス電流に対応する前記変調電流を決定する演算部と、
   前記演算部によって計算されたバイアス電流および決定された変調電流を与える制御信号を生成し、前記電流供給回路へ出力する信号生成部と、
   前記レーザダイオードの周囲温度に応じた前記光出力の補正値を定める第２の制御データを記憶する第２の記憶装置と、
   を備え、
   前記演算部は、前記バイアス電流を計算する前に、前記周囲温度を測定し、前記第２の制御データに従って、当該周囲温度に対応する前記光出力の補正値を決定し、前記目標光出力を当該補正値に基づいて補正した後、当該目標光出力と前記測定された光出力との差を用いて前記バイアス電流を計算する、
   オートパワーコントロール回路。
2. 前記周囲温度に対応する前記補正値は、当該周囲温度の下で前記演算部がバイアス電流を計算し、変調電流を決定したときに前記消光比を前記所定の値に安定化させるために必要な前記目標光出力の変化量である、請求項１に記載のオートパワーコントロール回路。
3. 前記第２の制御データは、複数の前記周囲温度に一対一に対応する複数の前記補正値を格納するルックアップテーブルであり、
   前記演算部は、前記測定された周囲温度が前記ルックアップテーブル内に設定された周囲温度と異なるときに、前記ルックアップテーブル内の補正値を補間して、当該測定値に対応する補正値を計算する、
   請求項１または２に記載のオートパワーコントロール回路。
4. レーザダイオードにバイアス電流および変調電流を供給する電流供給回路を制御して、前記レーザダイオードの光出力および消光比を安定化するレーザダイオード制御方法であって、
   前記レーザダイオードの周囲温度を測定するステップと、
   前記周囲温度に応じた前記光出力の補正値を定める制御データに従って、前記測定された周囲温度に対応する前記光出力の補正値を決定するステップと、
   前記レーザダイオードの所定の目標光出力を、前記決定された補正値に基づいて補正するステップと、
   前記目標光出力を補正する前または後に、前記光出力を測定するステップと、
   前記補正された目標光出力と前記測定された光出力との差を用いて前記バイアス電流を計算するステップと、
   前記所定の目標光出力の下で前記消光比が所定の値になるように前記バイアス電流と前記変調電流との関係を定める制御データに従って、前記計算されたバイアス電流に対応する前記変調電流を決定するステップと、
   前記計算されたバイアス電流および前記決定された変調電流を与える制御信号を生成し、前記電流供給回路へ供給するステップと、
   を備えるレーザダイオード制御方法。

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