JP5510135B2

JP5510135B2 - 半導体レーザの判定装置、および、半導体レーザの判定方法

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Publication number: JP5510135B2
Application number: JP2010155265A
Authority: JP
Inventors: 潤松井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: US20120008656A1; US8503496B2; JP2012018067A

Description

本発明は、半導体レーザの判定装置、および、半導体レーザの判定方法に関する。

近年の通信容量の増大に伴い、光信号を用いたシステムが広く用いられている。光の適用範囲が広がるにつれ、システムに用いられる光素子の信頼性の確保が重要な課題となり、光素子の故障予測も重要な技術となっている。

一般に、半導体レーザ（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）に関して故障を予兆検出する方法に、受光素子（ＰＤ：ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）を用いていた。具体的には、半導体レーザの出射光の一部を受光素子で受光し、光パワーの低下の度合いを検出することにより、故障予測をしていた。しかしながら、受光素子を用いた場合には、外部回路が必要になるうえ、受光素子の光学的な実装が必要となる。その結果、コストがかかるという問題がある。

そこで、半導体レーザの微分抵抗値を測定することにより、半導体レーザの故障検出を行う方法等が提案されている(例えば、特許文献１参照)。特許文献１の技術では、モニタリングした微分抵抗値と、微分抵抗故障判定値との比較により、故障(劣化)を判定している。

特開２００９−２６８８９号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、半導体レーザにおける微分抵抗の測定に不確定性があり、測定値のバラツキが大きくなるおそれがある。また、半導体レーザの微分抵抗値は素子ごとにばらつくために、判定値に変更を加える必要があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、半導体レーザの状態の判定精度を向上させることができる、半導体レーザの判定装置および半導体レーザの判定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、明細書開示の半導体レーザの判定装置は、半導体レーザの動作範囲において、Ｌｏｗ側に第１周波数の交流信号が重畳されＨｉｇｈ側に前記第１周波数と異なる第２周波数の交流信号が重畳された駆動電流を前記半導体レーザに供給する駆動電流供給手段と、前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第１周波数の成分を抽出する第１フィルタと、前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第２周波数の成分を抽出する第２フィルタと、前記第１フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値と前記第２フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値とに基づいて前記半導体レーザの状態を判定する判定手段と、を備えるものである。

上記課題を解決するために、明細書開示の半導体レーザの判定方法は、半導体レーザの動作範囲において、Ｌｏｗ側に第１周波数の交流信号が重畳されＨｉｇｈ側に前記第１周波数と異なる第２周波数の交流信号が重畳された駆動電流を前記半導体レーザに供給する駆動電流供給ステップと、前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第１周波数の成分を抽出する第１抽出ステップと、前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第２周波数の成分を抽出する第２抽出ステップと、前記第１抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値と前記第２抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値とに基づいて前記半導体レーザの状態を判定する判定ステップと、を含むものである。

明細書開示の半導体レーザの判定装置および半導体レーザの判定方法によれば、半導体レーザの状態の判定精度を向上させることができる。

半導体レーザの微分抵抗値の変動を説明するための図である。実施例１に係る半導体レーザの判定装置の全体構成を説明するためのブロック図である。半導体レーザの状態を判定する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。駆動電流に重畳される交流信号について説明するための図である。各周波数成分に対応する電圧を説明するための図である。実施例２に係る半導体レーザの判定装置の全体構成を説明するためのブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。

まず、半導体レーザの微分抵抗値の特性について説明する。図１は、半導体レーザの微分抵抗値の変動を説明するための図である。図１において、横軸は半導体レーザに供給される動作電流値を表し、縦軸は半導体レーザの微分抵抗値を表す。なお、微分抵抗値とは、半導体レーザの抵抗値の微分値を意味する。

図１において、実線は正常時の半導体レーザの微分抵抗値を表し、破線は異常が生じている（例えば劣化している）半導体レーザの微分抵抗値を表す。図１を参照して、正常時においては、半導体レーザに供給される動作電流値が発振しきい値Ｉ_ｔｈ（半導体レーザの正常時における発振しきい値）となった場合に微分抵抗値が急激に低下し、光出力が発生してレーザ発振が生じる。その後、動作電流値が大きくなっても、微分抵抗値はほとんど低下しない。したがって、発振しきい値Ｉ_ｔｈを上回る電流範囲（半導体レーザの動作範囲）において、Ｌｏｗ側の動作電流に対する微分抵抗値とＨｉｇｈ側の動作電流に対する抵抗値との差分ΔＲｄは小さい。

半導体レーザが劣化してくると、動作電流値を大きくしないとレーザ発振が生じなくなる。すなわち、半導体レーザが劣化するに伴って、発振しきい値が大きくなる。この場合、上記Ｌｏｗ側の動作電流が発振しきい値を下回っていれば、Ｌｏｗ側の動作電流に対する微分抵抗値とＨｉｇｈ側の動作電流に対する抵抗値との差分ΔＲ´ｄは大きくなる。このように、半導体レーザに劣化等の異常が生じた場合に、Ｌｏｗ側微分抵抗値がＨｉｇｈ側微分抵抗値に比較して相対的に大きくなる。この性質を利用して、半導体レーザの状態を判定することができる。

具体的には、微分抵抗値の差分ΔＲｄが所定の基準値ΔＲｄ_ｒｅｆを上回る場合に、半導体レーザに異常が生じていると判定することができる。逆に、微分抵抗値の差分ΔＲｄが上記基準値ΔＲｄ_ｒｅｆを上回っていなければ、しきい値電流が所定値以上には大きくなっていないことになるため、半導体レーザの状態が正常であると判定することができる。すなわち、微分抵抗値の差分ΔＲｄに基づいて、半導体レーザの状態を判定することができる。

また、Ｌｏｗ側微分抵抗値とＨｉｇｈ側微分抵抗値との比に基づいて半導体レーザの状態を判定することができる。具体的には、Ｌｏｗ側微分抵抗値のＨｉｇｈ側微分抵抗値に対する比が所定値以上に大きくなっていれば、Ｌｏｗ側微分抵抗値がＨｉｇｈ側微分抵抗値に比較して相対的に大きくなっていることになる。したがって、上記の比が所定値を上回った場合に、半導体レーザに異常が生じていると判定することができる。

以上のように、Ｌｏｗ側微分抵抗値がＨｉｇｈ微分抵抗値に対して相対的に大きくなっているか否かを判定できるパラメータを用いれば、半導体レーザの状態を判定することができる。

以下に説明する半導体レーザの判定装置１００は、一例として、検出された微分抵抗値の差分ΔＲｄに基づいて、半導体レーザの状態を判定する。図２は、実施例１に係る半導体レーザの判定装置１００の全体構成を説明するためのブロック図である。図２を参照して、判定装置１００は、ドライバ回路１０、バイアス電源２０、加算器３０、半導体レーザ４０、抵抗５０、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）６０、デジタルフィルタ７０ａ，７０ｂ、および、判定部８０を含む。

ドライバ回路１０は、入力デジタル信号に対応して変化する変調電流Ｉ_ｍｏｄを生成して出力する。ドライバ回路１０は、半導体レーザ４０と直流結合されている。バイアス電源２０は、半導体レーザ４０にバイアス電流を供給するためのバイアス電流Ｉ_ｂｉａｓを生成して出力する。加算器３０は、変調電流Ｉ_ｍｏｄとバイアス電流Ｉ_ｂｉａｓとを加算することによって、半導体レーザ４０を駆動するための駆動電流Ｉ_ＬＤを生成して出力する。半導体レーザ４０は、動作電流が増加する際に発振しきい値が介在する半導体レーザであり、例えば、直接変調型の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。

抵抗５０は、所定の大きさの抵抗値を有する。ＡＤＣ６０は、抵抗５０を介して入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルフィルタ７０ａおよびデジタルフィルタ７０ｂに出力する。デジタルフィルタ７０ａ，７０ｂは、半導体レーザ４０に印加される電圧値を検出する電圧計として機能し、それぞれ、所定の周波数成分を抽出して判定部８０に出力する。判定部８０は、デジタルフィルタ７０ａ，７０ｂから入力される各周波数成分に基づいて、半導体レーザ４０のＬｏｗ側微分抵抗値とＨｉｇｈ側微分抵抗値との差分ΔＲｄを求める。

以下、図２〜図５を参照しつつ、具体的な式等を用いて半導体レーザ４０の状態を判定するための手法について説明する。図３は、半導体レーザ４０の状態を判定する際に実行されるフローチャートの一例を説明するための図である。図３を参照して、ドライバ回路１０は、入力されるデジタル信号に応じて、半導体レーザ４０を駆動する（ステップＳ１）。

図４を参照して、本実施例においては、駆動電流Ｉ_ＬＤとして、Ｌｏｗ側に第１周波数ｆ_Ｌの交流信号が重畳され、Ｈｉｇｈ側に第１周波数と異なる第２周波数ｆ_Ｈの交流信号が重畳された信号を用いる。Ｌｏｗ側に交流信号を重畳するために、一例として、バイアス電流Ｉ_ｂｉａｓを下記式（１）のように設定する。一方、Ｈｉｇｈ側に交流信号を重畳するために、一例として、変調信号を下記式（２）、（３）のように設定する。下記式（２）、（３）において、「ω_Ｌ」は、第１周波数ｆ_Ｌに対応する角周波数であり、「ω_Ｈ」は、第２周波数ｆ_Ｈに対応する角周波数である。したがって、角周波数ω_Ｈと角周波数ω_Ｌとは、互いに異なっている。
Ｉ_ｂｉａｓ＝Ｉ_Ｌｓｉｎω_Ｌｔ（１）
Ｉ_ｍｏｄ（ａｔＨｉｇｈ）＝Ｉ_Ｈｓｉｎω_Ｈｔ−Ｉ_Ｌｓｉｎω_Ｌｔ（２）
Ｉ_ｍｏｄ（ａｔＬｏｗ）＝０（３）

以上のことから、駆動電流Ｉ_ＬＤは、Ｈｉｇｈ側およびＬｏｗ側の両方において、電流に所定の大きさの振幅が現れる。したがって、駆動電流Ｉ_ＬＤのＬｏｗ側およびＨｉｇｈ側のそれぞれに対応して、半導体レーザ４０に印加される電圧が変化する。ここで、駆動電流Ｉ_ＬＤのＨｉｇｈ側における電流変化量をΔＩ_Ｈｉｇｈとし、Ｌｏｗ側における電流変化量をΔＩ_Ｌｏｗとする。また、駆動電流Ｉ_ＬＤのＨｉｇｈ側に対応する電圧差をΔＶ_Ｈｉｇｈとし、Ｌｏｗ側に対応する電圧差をΔＶ_Ｌｏｗとする。この場合、駆動電流Ｉ_ＬＤのＬｏｗ側を用いて求まる微分抵抗値ＲＤ_Ｌｏｗは下記式（４）のように表され、駆動電流Ｉ_ＬＤのＨｉｇｈ側を用いて求まる微分抵抗値Ｒｄ_Ｈｉｇｈは下記式（５）のように表される。
Ｒｄ_Ｌｏｗ＝ΔＶ_Ｌｏｗ／ΔＩ_Ｌｏｗ（４）
Ｒｄ_Ｈｉｇｈ＝ΔＶ_Ｈｉｇｈ／ΔＩ_Ｈｉｇｈ（５）

本実施例においては、デジタルフィルタ７０ａは、スペクトル分解によって、第１周波数ｆ_Ｌの周波数成分を抽出するように設定されている。デジタルフィルタ７０ｂは、スペクトル分解によって、第２周波数ｆ_Ｈの周波数成分を抽出するように設定されている。したがって、デジタルフィルタ７０ａ，７０ｂは、図５で説明されるように、各周波数成分に対応する電圧を検出する（ステップＳ２）。検出された電圧値Ｖ_Ｌ，Ｖ_ＨとＨｉｇｈ側交流成分の設定振幅値とＬｏｗ側交流成分の設定振幅値とに基づいて、判定部８０は、Ｌｏｗ側の微分抵抗値Ｒｄ_ＬｏｗおよびＨｉｇｈ側の微分抵抗値Ｒｄ_Ｈｉｇｈを取得する。なお、電圧値Ｖ_ＬはＬｏｗ側電圧であり、電圧値Ｖ_ＨはＨｉｇｈ側電圧である。

判定部８０は、微分抵抗値Ｒｄ_Ｌｏｗと微分抵抗値Ｒｄ_Ｈｉｇｈとの差分ΔＲｄ（＝Ｒｄ_Ｌｏｗ−Ｒｄ_Ｈｉｇｈ）があらかじめ定められたしきい値（基準値ΔＲｄ_ｒｅｆ）を上回っているか否かを判定する（ステップＳ３）。差分ΔＲｄがしきい値を上回る場合には、判定部８０は、半導体レーザ４０に異常が生じていると判定する（ステップＳ４）。一方、差分ΔＲｄがしきい値以下である場合には、判定部８０は、半導体レーザ４０が正常であると判定する（ステップＳ５）。

本実施例によれば、微分抵抗値の差分を取得していることから、微分抵抗測定そのものの不正確さの影響を抑制することができる。また、正常時の微分抵抗差分値と判定時の微分抵抗差分値とを比較するため、半導体レーザ個体間の微分抵抗値のバラツキを抑制することができる。以上のことから、半導体レーザの状態の判定精度を向上させることができる。また、本実施例によれば、半導体レーザの動作中に微分抵抗値を取得することができる。それにより、半導体レーザの動作を停止して状態判定する必要がなくなる。

なお、第１周波数ｆ_Ｌおよび第２周波数ｆ_Ｈは、駆動電流Ｉ_ＬＤのデジタル信号周波数ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}に比較して小さいことが好ましい。また、第１周波数ｆ_Ｌおよび第２周波数ｆ_Ｈの交流信号の振幅は、駆動電流Ｉ_ＬＤの変調振幅に比較して小さいことが好ましい。第１周波数ｆ_Ｌおよび第２周波数ｆ_Ｈの交流信号の駆動電流Ｉ_ＬＤへの影響を抑制できるからである。

また、駆動電流Ｉ_ＬＤのＬｏｗ側は、正常時の半導体レーザ４０の発振しきい値Ｉ_ｔｈを上回り、かつ、劣化が生じている半導体レーザ４０の発振しきい値未満に設定されていることが好ましい。なお、劣化が生じている半導体レーザ４０の発振しきい値は、あらかじめ定めておくことができる。また、駆動電流Ｉ_ＬＤのＨｉｇｈ側は、上記の劣化が生じている半導体レーザ４０の発振しきい値を上回って設定されていることが好ましい。

図６は、実施例２に係る半導体レーザの判定装置１００ａの全体構成を説明するためのブロック図である。判定装置１００ａが実施例１に係る判定装置１００と異なる点は、ドライバ回路１０と加算器３０との間にキャパシタ９０が設けられ、ドライバ回路１０と半導体レーザ４０とが交流結合されている点である。本実施例においては、バイアス電流Ｉ_ｂｉａｓを所定の一定値とし、ドライバ回路１０において変調信号Ｉ_ｍｏｄのＬｏｗ側およびＨｉｇｈ側の両方に交流信号を重畳することができる。

このような構成においても、Ｌｏｗ側およびＨｉｇｈ側に重畳する交流信号の周波数を互いに異ならせることによって、Ｌｏｗ側およびＨｉｇｈ側の両方に基づく微分抵抗値を取得することができる。これらの微分抵抗値に基づいて判定することによって、半導体レーザの状態の判定精度を向上させることができる。

なお、上記各実施例において、ドライバ回路１０およびバイアス電源２０が、駆動電流供給手段として機能する。また、デジタルフィルタ７０ａが、第１周波数成分を抽出するための第１フィルタとして機能する。また、デジタルフィルタ７０ｂが、第２周波数成分を抽出するための第２フィルタとして機能する。また、判定部８０が、半導体レーザの状態を判定する判定手段として機能する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ドライバ回路
２０バイアス電源
３０加算器
４０半導体レーザ
５０抵抗
６０アナログデジタルコンバータ
７０デジタルフィルタ
８０判定部
１００判定装置

Claims

半導体レーザの動作範囲において、Ｌｏｗ側に第１周波数の交流信号が重畳されＨｉｇｈ側に前記第１周波数と異なる第２周波数の交流信号が重畳された駆動電流を前記半導体レーザに供給する駆動電流供給手段と、
前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第１周波数の成分を抽出する第１フィルタと、
前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第２周波数の成分を抽出する第２フィルタと、
前記第１フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値と前記第２フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値とに基づいて前記半導体レーザの状態を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする半導体レーザの判定装置。
前記第１周波数および前記第２周波数は、前記駆動電流のデジタル信号周波数に比較して小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの判定装置。
前記第１周波数および前記第２周波数の交流信号の振幅は、前記駆動電流の変調振幅に比較して小さいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザの判定装置。
前記判定手段は、前記第２フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値から前記第１フィルタの抽出結果から求まる微分抵抗値を差し引くことによって得られる差分が、しきい値を上回る場合に、前記半導体レーザに異常が生じていると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザの判定装置。
前記半導体レーザ駆動電流供給手段は、変調電流を生成するドライバ回路と、前記変調電流にバイアス電流を重畳するバイアス電源と、を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザの判定装置。
前記ドライバ回路と前記半導体レーザとは直流結合され、
前記バイアス電源は、前記第１周波数の交流信号を生成し、
前記駆動電流は、Ｈｉｇｈの場合に、前記第１周波数の交流電流と前記第２周波数の交流電流との差分によって構成されることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの判定装置。
半導体レーザの動作範囲において、Ｌｏｗ側に第１周波数の交流信号が重畳されＨｉｇｈ側に前記第１周波数と異なる第２周波数の交流信号が重畳された駆動電流を前記半導体レーザに供給する駆動電流供給ステップと、
前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第１周波数の成分を抽出する第１抽出ステップと、
前記半導体レーザに印加される電圧のうち前記第２周波数の成分を抽出する第２抽出ステップと、
前記第１抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値と前記第２抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値とに基づいて前記半導体レーザの状態を判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする半導体レーザの判定方法。
前記第１周波数および前記第２周波数は、前記駆動電流のデジタル信号周波数に比較して小さいことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザの判定方法。
前記第１周波数および前記第２周波数の交流信号の振幅は、前記駆動電流の変調振幅に比較して小さいことを特徴とする請求項６または７記載の半導体レーザの判定方法。
前記判定ステップにおいて、前記第２抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値から前記第１抽出ステップの抽出結果から求まる微分抵抗値を差し引くことによって得られる差分が、しきい値を上回る場合に、前記半導体レーザに異常が生じていると判定することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の半導体レーザの判定方法。