JP5034405B2 - 光通信器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードを用いた光通信器に関する。

レーザダイオードの発光波長はレーザダイオードの温度と電流とに依存する。従って、レーザダイオードの発光波長を一定に保つためには、レーザダイオードに流す電流を一定にするだけでなく、レーザダイオードに対する温度制御（具体的には、レーザダイオードの温度補償）が不可欠となる。レーザダイオードの温度を補償する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の光送信器は、レーザダイオード、温度検出素子及び熱電子素子がパッケージ内に収容されたモジュールと、レーザダイオードに対する温度補償情報を取得する温度補償部とを備える。この光送信器は、温度検出素子により検出される検出温度と温度補償情報とを用いて熱電子素子を制御することにより、レーザダイオードの温度補償を行う温度制御回路を更に備える。温度補償部は、モジュール外部に設けられた温度検出回路を有しており、この温度検出回路により検出されるモジュール外部の温度に基づいて温度補償情報を算出する。
特開２００４−２８９０７５号公報

検出温度は、レーザダイオード自身の温度ではなく、このレーザダイオードの近傍に配置された温度検出素子により検出される温度である。そして、レーザダイオード及び温度検出素子は、レーザダイオードだけでなくレーザダイオード以外の他の熱源からの影響をそれぞれ受けている。このため、検出温度を用いて精度の高い温度補償を行うためには、温度検出素子（温度モニタ素子）に影響を与える熱源が、レーザダイオードと同等であることが望ましい。しかし、レーザダイオードと温度検出素子とは位置構成に違いがあり、熱源からの影響の受け方が異なる。従って、このような検出温度を用いても、レーザダイオードの温度制御を精度良く行うのは困難であり、結果として、レーザダイオードの出力波長を一定にすることが困難である。

本発明の目的は、レーザダイオードに対する温度補償精度を向上し、レーザダイオードの波長を一定にする光通信器を提供することである。

本発明は、１）レーザダイオードと、該レーザダイオードの温度を調整する電子加熱冷却素子と、該レーザダイオードの温度をモニタする第１の温度センサとを含む光モジュールと、２）前記光モジュールの外部に配置されており該光モジュールの外部温度をモニタする第２の温度センサと、３）前記電子加熱冷却素子を駆動する駆動電流をモニタする電流モニタ装置と、４）前記電流モニタ装置の出力と、前記第２の温度センサの出力とを受け、前記レーザダイオードを所定の設定温度にするための補償信号を生成する補償信号生成装置と、５）前記第１の温度センサの出力と前記補償信号との差分を生成する差分信号生成装置と、６）前記差分信号生成装置の出力を受け前記駆動電流を生成する駆動電流生成装置とを備える、ことを特徴とする。

第１の温度センサにより検出される電子加熱冷却素子により制御されたレーザダイオード近傍の温度は、レーザダイオードからの熱の影響だけでなく、光モジュール外部からの熱の影響と、光モジュール内部に設けられた電子加熱冷却素子に供給される駆動電流からの熱の影響とを受けている。これに対し、補償信号の表す補償温度は、所定の設定温度と、第２の温度センサにより検出される光モジュールの外部からの雰囲気の温度（光モジュール外部からの熱）と、電流モニタ装置によりモニタされる駆動電流（電子加熱冷却素子に供給される駆動電流）からの熱とに基づいている。従って、第１の温度センサにより検出されるレーザダイオード近傍の温度と補償温度との差分は、光モジュール外部からの熱と、電子加熱冷却素子に供給される駆動電流からの熱とが相殺されるので、第１の温度センサにより検出されるレーザダイオードからの熱による温度と設定温度との差分となる。本発明では、この差分に基づいてレーザダイオードの温度補償が行われるので、レーザダイオードの温度補償が精度良く行える。

また、本発明では、前記補償信号生成装置は記憶装置を更に有し、１）前記記憶装置は、前記補償信号に対応する温度情報を、前記レーザダイオードの設定温度、前記光モジュールの外部温度及び前記駆動電流に対応付けて格納し、２）前記補償信号生成装置は、前記第２の温度センサの出力、前記電流モニタ装置の出力、及び前記レーザダイオードの設定温度に基づき前記温度情報を前記記憶装置から取得し、この取得した温度情報を示す補償信号を出力してもよい。補償信号生成装置は、補償温度を算出する演算を行うことなく、温度情報を参照することによって補償信号を生成できる。よって、補償信号生成装置に生じる負荷は、補償温度を算出する場合に比較して低減される。

本発明によれば、レーザダイオードの温度補償の精度が向上され、レーザダイオードの波長が環境温度に関係なくより一定にすることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。図１は、実施形態に係る光通信器１００の構成を示す図である。

光通信器１００は、ハウジング２、光モジュール４、制御装置６及び基板８を備える。光モジュール４、制御装置６及び基板８は、ハウジング２内に収容されており、制御装置６（特に、制御装置６の温度センサ１０）は、基板８上に設けられている。温度センサ１０は、光モジュール４の筐体１２の外部に設けられており、ハウジング２内部の雰囲気の温度もしくは光モジュール４の筐体１２の外部雰囲気温度を検出する。

光モジュール４は、筐体１２、レーザダイオード１４、温度センサ１６及び電子加熱冷却素子１８を有する。レーザダイオード１４、温度センサ１６及び電子加熱冷却素子１８は、筐体１２内に収容されている。レーザダイオード１４は、入力された電流値に応じてレーザ光を発光する。レーザ光の波長は、レーザダイオード１４の温度に応じて変動する。電子加熱冷却素子１８は、レーザダイオード１４上に設けられている。電子加熱冷却素子１８は、入力される駆動電流Ａ６に応じて吸熱及び発熱することにより、レーザダイオード１４を昇温及び降温する。温度センサ１６は、光モジュール４の筐体１２内部の雰囲気の温度を検出する。具体的には、温度センサ１６は、レーザダイオード１４近傍に配置されており、レーザダイオード１４近傍の雰囲気の温度を検出する。

図２は、制御装置６の構成を示す図である。制御装置６は、温度センサ１０、外部温度モニタ装置２０、内部温度モニタ装置２２、電流モニタ装置２４、補償信号生成装置２６、演算器２８（差分信号生成装置）、駆動電流生成装置３０及びレーザダイオード駆動装置３２を有する。

外部温度モニタ装置２０は、温度センサ１０により検出される筐体１２外部の雰囲気温度Ｔ２を示す外部温度信号Ａ２を、補償信号生成装置２６に出力する。内部温度モニタ装置２２は、温度センサ１６により検出されるレーザダイオード１４近傍の雰囲気温度を示す内部温度信号Ａ４を、演算器２８の反転入力端子Ｋ１に出力する。電流モニタ装置２４は、電子加熱冷却素子１８を駆動するための駆動電流Ａ６をモニタし、このモニタした駆動電流Ａ６の値を示すモニタ信号Ａ８を補償信号生成装置２６に出力する。

補償信号生成装置２６は、電流モニタ装置２４により検出される駆動電流Ａ６と、温度センサ１０により検出される筐体１２（光モジュール４）の外部の雰囲気温度Ｔ２とに基づいて、レーザダイオード１４の温度を所定の設定温度Ｔ_Ｓに補償するための補償温度Ｔ_ＣＯＭ（温度を示すパラメータ）を得る。補償信号生成装置２６は、ＤＡコンバータ４０を介して、補償温度Ｔ_ＣＯＭ（温度情報）を示す補償信号Ａ１０（アナログ信号）を、演算器２８の非反転入力端子Ｋ２に出力する。演算器２８は、利得が十分であれば、補償温度Ｔ_ＣＯＭと、温度センサ１６により検出される筐体１２（光モジュール４）の内部温度Ｔ１（温度センサ１６の温度）とが等しくなるような信号Ａ１２を駆動電流生成装置３０に出力する。駆動電流生成装置３０は、信号Ａ１２に応じて駆動電流Ａ６を生成し、電子加熱冷却素子１８に出力する。電子加熱冷却素子１８は駆動電流Ａ６によって加熱または冷却を行い、この加熱または冷却により温度センサ１６の温度が内部温度Ｔ１になる。レーザダイオード駆動装置３２は、レーザダイオード１４に電流を供給することによりレーザダイオード１４を発光させる。

補償信号生成装置２６は、ＡＤコンバータ３４、ＡＤコンバータ３６、演算部３８、ＤＡコンバータ４０及び通信部４２を有する。ＡＤコンバータ３４は、電流モニタ装置２４から出力されるモニタ信号Ａ８（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、このデジタル信号を演算部３８に出力する。ＡＤコンバータ３６は、外部温度モニタ装置２０から出力される外部温度信号Ａ２（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、このデジタル信号を演算部３８に出力する。通信部４２は、外部機器とデータ通信を行うためのインタフェースを有する。通信部４２は、レーザダイオード１４の設定温度Ｔ_Ｓを示す情報を外部機器から受信する。

演算部３８は、ＲＡＭ等の記憶装置３８ａを有しており、通信部４２を介して外部機器から受信した設定温度Ｔ_Ｓ等を示す情報を、記憶装置３８ａに格納する。演算部３８は、設定温度Ｔ_Ｓと、ＡＤコンバータ３４から入力されるデジタル信号（モニタ信号Ａ８がデジタル化された信号）と、ＡＤコンバータ３６から入力されるデジタル信号（外部温度信号Ａ２がデジタル化された信号）とに基づいて補償温度Ｔ_ＣＯＭを算出する。

演算部３８は、補償温度Ｔ_ＣＯＭを示すデジタル信号をＤＡコンバータ４０に出力する。ＤＡコンバータ４０は、演算部３８から出力される補償温度Ｔ_ＣＯＭを示すデジタル信号を、アナログ信号（補償信号Ａ１０）に変換し、この補償信号Ａ１０を演算器２８の非反転入力端子Ｋ２に出力する。

補償温度Ｔ_ＣＯＭは
式１：Ｔ_ＣＯＭ＝α×（Ｔ2＋β×S2−Ｔs）＋Ｔs
によって表現できる。Ｔ２は温度センサ１０により得られた光モジュール４の外部の雰囲気温度であり、Ｓ２は駆動電流Ａ６の値を示しており、設定温度Ｔｓはレーザダイオード１４の設定温度である。例えば、光通信器１００が波長分割多重システム（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）に用いられる場合、Ｔｓは、レーザダイオード１４から発光されるレーザ光を、ＷＤＭに固有のグリッド波長に合わせるための温度である。比例係数α及び係数βは、光モジュールの構造により決めることができる定数である。比例係数αは、光モジュール４の筐体１２からの熱が、温度センサ１６への熱抵抗とレーザダイオード１４への熱抵抗との違いより生じる温度センサ１６とレーザダイオード１４との温度差として影響する度合いを示す係数である。光モジュール４の筐体１２からの熱は、光モジュール４の外部温度と内部温度との差に比例しており、この外部温度は、駆動電流Ａ６からの熱により上昇した温度β×Ｓ２を光モジュール４の外部の雰囲気温度Ｔ２に加えた値である。係数βは、駆動電流Ａ６（電流値Ｓ２）を電子加熱冷却素子に流し、この駆動電流Ａ６を熱量として変換させた後に光モジュール４の筐体１２の温度を上昇させた時の上昇温度を示す変換パラメータ（電流から温度への変換パラメータ）である。

次に、式１の内容を説明する。レーザダイオード１４自体の温度Ｔ_ＬＤは、内部温度Ｔ１（温度センサ１６の温度）とは異なる。レーザダイオード１４の温度Ｔ_ＬＤと内部温度Ｔ１との温度差ΔＴは、レーザダイオード１４周囲の熱源からの影響と考えられる。レーザダイオード１４周囲の熱源としては、少なくとも光モジュール４の外部雰囲気と駆動電流Ａ６とによる熱が考えられる。従って、補償温度Ｔ_ＣＯＭは、内部温度Ｔ１に含まれている温度差ΔＴを打ち消すため、この温度差ΔＴを含む必要がある。このように、補償温度Ｔ_ＣＯＭは、レーザダイオード１４の設定温度Ｔ_Ｓに温度差ΔＴが加えられることにより得られる。式１において、温度センサ１０により得られる光モジュール４の雰囲気温度Ｔ２と、駆動電流Ａ６を熱変換した後に上昇する温度となるような係数βをこの駆動電流Ａ６の値Ｓ２に乗じることにより得られる温度β×Ｓ２とで光モジュール４の筐体１２の温度となる。この温度を示す値から設定温度Ｔｓを示す値を差し引いた値により、レーザダイオード１４周囲の熱源が表現できる。そして、この差し引き後の値は温度差ΔＴと比例関係にある。この比例係数αの求め方は、筐体１２の温度とレーザダイオード１４の温度Ｔ_ＬＤとの差分と、温度差ΔＴとの関係がわかれば求まる。例えば、補償温度Ｔ_ＣＯＭを用いずに設定温度Ｔｓを固定する制御方法を用いる。また、Ｔｓの設定を摂氏１度変化させた場合に波長変動が１００ｐｍ変化する光モジュール４において、熱電対を用いて光モジュール４の筐体１２の温度を直接温度モニタし、Ｔ_ＬＤの代わりに光波長を読み取る。この時、環境温度を変えることにより、筐体１２の温度が摂氏１００度変動し、光波長が１０ｐｍ変動したとすれば、レーザダイオード１４の温度は摂氏０．１度変化したことになる。このときの比例係数αは、摂氏０．１度／摂氏１００度であり、α＝０．００１となる。次に、係数βは、駆動電流Ａ６が及ぼすモジュール温度上昇に関係しており、駆動電流Ａ６を変えることによって生じる駆動電流１ｍＡ当りの上昇温度を表す。この上昇温度の測定は、例えば、比例係数αと同様に熱電対を用いて光モジュール４の筐体１２の温度を直接モニタすることにより可能となる。これらは、光モジュール４の構造並びに電子加熱冷却素子の抵抗値による発熱に依存する係数なので、ばらつきは少なく、一度測定すれば固定値として引用することが可能である。

従って、比例係数αと、駆動電流Ａ６の値Ｓ２の係数βとを予め求めておくことにより、内部温度Ｔ１に含まれるレーザダイオード１４以外の熱源からの影響（筐体１２外部の雰囲気の温度を示す外部温度Ｔ２及び駆動電流Ａ６）が演算器２８により打ち消される。

また、式１が外部温度Ｔ２と駆動電流Ａ６の値Ｓ２との１次式であるため、演算部３８は、大きな負荷を伴うことなく、式１を用いた演算処理を行える。なお補償信号生成装置２６は、設定温度Ｔ_Ｓ、駆動電流Ａ６及び外部温度Ｔ２に対応付けられた補償温度情報（補償温度Ｔ_ＣＯＭに対応）を格納する記憶装置３８ａを有していてもよい。この場合、演算部３８は、補償温度Ｔ_ＣＯＭを取得するための演算を、式１を用いて行うことなく、補償温度情報を参照するだけで補償温度Ｔ_ＣＯＭを得ることができる。よって、演算部３８に生じる負荷は、式１を用いる場合に比較して低減できる。

以上説明したように、温度センサ１６により検出される光モジュール４の内部温度Ｔ１は、光モジュール４からの熱の影響だけでなく、光モジュール４外部からの熱の影響と、光モジュール４内部に設けられた電子加熱冷却素子１８に供給される駆動電流Ａ６からの熱の影響とを受けている。これに対し、補償温度Ｔ_ＣＯＭは、所定の設定温度Ｔ_Ｓと、温度センサ１０により検出される外部温度Ｔ２（光モジュール４外部からの熱）と、電流モニタ装置２４によりモニタされる駆動電流Ａ６からの熱とに基づいている。従って、温度センサ１６により検出される光モジュール４の内部温度Ｔ１と補償温度Ｔ_ＣＯＭとの差分Ｔは、光モジュール４外部からの熱と、電子加熱冷却素子１８に供給される駆動電流Ａ６からの熱とが相殺されるので、温度センサ１６により検出されるレーザダイオード１４からの熱による温度と設定温度Ｔ_Ｓとの差分となる。本発明では、この差分に基づいてレーザダイオード１４の温度補償が行われるので、レーザダイオード１４の温度補償が精度良く行え、レーザダイオード１４の波長は外部温度に関係なくより一定にすることができる。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

実施形態に係る光通信器の概略構成を示す図である。 実施形態に係る制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

２…ハウジング、４…光モジュール、６…制御装置、８…基板、１０，１６…温度センサ、１２…筐体、１４…レーザダイオード、１８…電子加熱冷却素子、２０…外部温度モニタ装置、２２…内部温度モニタ装置、２４…電流モニタ装置、２６…補償信号生成装置、２８…演算器、３０…駆動電流生成装置、３２…レーザダイオード駆動装置、３４，３６…ＡＤコンバータ、３８…演算部、３８ａ…記憶装置、４０…ＤＡコンバータ、４２…通信部、４４…ＤＡコンバータ、１００…光通信器、Ａ２…外部温度信号，Ａ４…内部温度信号、Ａ６…駆動電流，Ａ８…モニタ信号、Ａ１０…補償信号、Ａ１２…差分信号、Ｋ１…反転入力端子、Ｋ２…非反転入力端子。

Claims (1)

1. レーザダイオードと、該レーザダイオードの温度を調整する電子加熱冷却素子と、該レーザダイオードの温度をモニタする第１の温度センサとを含む光モジュールと、
   前記光モジュールの外部に配置されており該光モジュールの外部温度をモニタする第２の温度センサと、
   前記電子加熱冷却素子を駆動する駆動電流をモニタする電流モニタ装置と、
   前記電流モニタ装置の出力と、前記第２の温度センサの出力とを受け、前記レーザダイオードを所定の設定温度にするための補償温度を示す補償信号を生成する補償信号生成装置と、
   前記第１の温度センサの出力と前記補償信号との差分を生成する差分信号生成装置と、 前記差分信号生成装置の出力を受け前記駆動電流を生成する駆動電流生成装置と
   を備え、
   前記補償信号生成装置は、
   前記補償温度をＴ _ＣＯＭ とし、前記所定の設定温度をＴｓとし、前記外部温度をＴ２とし、前記駆動電流の値をＳ２とし、予め求められた係数をα及びβとしたときに、
   「Ｔ _ＣＯＭ ＝α×（Ｔ２+β×Ｓ２−Ｔｓ）＋Ｔｓ」なる関係式を用いて補償温度を得て、該補償温度を示す補償信号を生成する、ことを特徴とする光通信器。

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