JPH0758416A - レーザーダイオード冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外気温の急激な変動に対しても常に安定した
制御によってレーザーダイオードモジュールを冷却し使
用する。 【構成】 第２の温度センサ１２によって外気温を測定
し、第２の冷却デバイス８は、第１のヒートシンク７を
外気温の変動の影響を受けないほぼ一定の温度に冷却制
御する。この制御は、帰還制御に比べて精度は低いが応
答は早く、第１のヒートシンク７は適当な温度範囲で温
度が安定する。第１の冷却デバイス６はこの第１のヒー
トシンク７の温度下で、レーザーダイオード４を目標温
度に冷却するようにレーザーダイオードモジュール３の
温度制御を行う。この帰還制御によれば、高い精度でレ
ーザーダイオードモジュール３を冷却でき、しかも、応
答は早くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境温度の変化が激し
い場所で使用されるレーザーダイオードを一定の温度に
冷却するレーザーダイオード冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信等の分野では、電気信号を光信号
に変換し、情報を光エネルギーに変えて伝送するために
レーザーダイオードが使用される。また、光ファイバの
中を伝送される光信号をその光ファイバを用いて増幅す
る光増幅器には、予めその内部エネルギーを励起状態に
するためにレーザーダイオードが使用される。

【０００３】図２に、このようなレーザーダイオードを
搭載したレーザーダイオードモジュールの概略平面図を
示す。図に示すように、光ファイバ１は、コネクタ２を
介してレーザーダイオードモジュール３に接続されてい
る。レーザーダイオードモジュール３には、電気信号を
光信号に変換しレーザー光を発するレーザーダイオード
４が搭載されている。また、この他に、このレーザーダ
イオードモジュール３には、サーミスタ１６、アイソレ
ータ１７、冷却素子１８及び受光素子１９が搭載されて
いる。

【０００４】サーミスタ１６はレーザーダイオードモジ
ュール３の温度を測定し、冷却素子１８によるモジュー
ルの冷却制御に使用される。アイソレータ１７は、レー
ザーダイオード４とコネクタ２との間の光結合に使用さ
れる。受光素子１９はレーザーダイオード４の出力光を
モニタし制御するためのものである。このレーザーダイ
オードモジュール３のレーザーダイオード４が発光する
と次第に温度が上昇する。この温度が著しく高くなると
レーザーダイオード４が破損する。従って、冷却素子１
８を用いてその過熱防止が図られている。この冷却素子
１８には、通常、電子冷凍機等に使用されるペルチェ素
子が採用される。上記のようなレーザーダイオードモジ
ュール３を構成する各部品は、一体にパッケージ内に組
み込まれて使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、空調設備の
整ったオフィス等で上記のようなレーザーダイオードモ
ジュールを使った機器が使用される場合には、上記以上
の付属品を必要としないが、例えば比較的外部温度の変
化が大きい場所で使用されるような場合、光ダイオード
モジュールに対し更に同様のペルチェ素子を用いた冷却
装置を付加して冷却能力と精度を高めることが考えられ
る。

【０００６】図３に、上記のようなレーザーダイオード
モジュール３に対しそのような冷却機構を設けた場合の
一例を示す。（ａ）はユニットの側面図、（ｂ）は温度
特性図である。（ａ）に示すように、レーザーダイオー
ドモジュール３は冷却デバイス２１に搭載され、この冷
却デバイス２１には放熱のためのヒートシンク２２が設
けられている。このヒートシンク２２には光信号処理装
置全体を収容するケースや、あるいは特別に用意した放
熱板等を使用する。

【０００７】上記のような構成により、レーザーダイオ
ードモジュール３の熱は冷却デバイス２１によりヒート
シンク２２の側に吸収され、所定の温度に冷却保持され
る。この場合に、一般に、レーザーダイオードモジュー
ル３の表面に図示しない温度センサ等を取り付け、この
温度が設定温度になるように冷却デバイス２１の駆動電
流を制御する。この制御は、帰還制御と呼ばれ、非常に
精密な温度制御に適した方法と言われている。

【０００８】しかしながら、図の（ｂ）に示すように、
外気温度の変化等に応じて冷却対象を設定温度に到達さ
せるまでの応答は、一定のなだらかな曲線に沿って変化
する。この応答時間は、レーザーダイオードモジュール
３とこれに取り付けられた温度センサとの間の熱伝導時
間や、制御ループの遅延時間により決定される。具体的
には、光通信等に使用されるレーザーダイオードモジュ
ールの場合、設定温度の８０％位までの応答時間が数十
秒程度となり、正確に設定温度に到達するための応答時
間はその１０倍とか１００倍といった値になる。

【０００９】従って、上記のような温度制御は、急激な
温度変化に対しては十分な追従が期待できない。例え
ば、ＣＡＴＶシステムの中継装置等に収容されるレーザ
ーダイオードモジュールは、電柱の上等に取り付けら
れ、直射日光に晒される。この場合、例えば雲の動き等
によって数分間の間に１０℃〜２０℃前後、温度が上下
動する場合もある。このような急激な温度変化に対し、
レーザーダイオードの温度を適当な設定温度に安定に保
持することは上記のような従来の構成では困難であっ
た。

【００１０】また、光信号増幅のために使用されるレー
ザーダイオードは、高いエネルギーの光を照射し、その
温度上昇も著しい。ところが、この種の素子は、使用温
度が高ければ寿命が短くなる傾向がある。例えば、使用
温度が１０℃上がれば、その寿命は数分の１に低下す
る。従って、より低い安定な温度でレーザーダイオード
モジュールを保持し、長寿命化を図りたい。

【００１１】本発明は以上の点に着目してなされたもの
で、外気温の急激な変動に対しても常に安定した制御に
よってレーザーダイオードモジュールを冷却し使用する
ことができるレーザーダイオード冷却装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザーダイオ
ード冷却装置は、レーザーダイオードを搭載した基板の
温度を測定する第１の温度センサと、この第１の温度セ
ンサの出力信号を受け入れて、帰還制御により前記レー
ザーダイオードを設定温度に保持するよう冷却する第１
の冷却デバイスと、前記第１の冷却デバイスの放熱のた
めの第１のヒートシンクを冷却する第２の冷却デバイス
と、前記第２の冷却デバイスの放熱のための第２のヒー
トシンクが置かれた環境温度を測定する第２の温度セン
サとを備え、前記第２の冷却デバイスは、前記第２の温
度センサの出力の変化に応じた駆動電力により、前記第
１のヒートシンクを一定の設定温度に冷却することを特
徴とするものである。

【００１３】

【作用】この装置は、第２の温度センサによって外気温
を測定し、第２の冷却デバイスは、第１のヒートシンク
を外気温の変動の影響を受けないほぼ一定の温度に冷却
制御する。この制御は、帰還制御に比べて精度は低いが
応答は早く、第１のヒートシンクは適当な温度範囲で温
度が安定する。第１の冷却デバイスはこの第１のヒート
シンクの温度下で、レーザーダイオードを目標温度に冷
却するようにレーザーダイオードモジュールの温度制御
を行う。この帰還制御によれば、高い精度でレーザーダ
イオードモジュールを冷却でき、しかも、応答は早くな
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図の実施例を用いて詳細に説
明する。図１は、本発明のレーザーダイオード冷却装置
実施例を示す斜視図である。この装置は、レーザーダイ
オード４を搭載したレーザーダイオードモジュール３の
基板５を第１の冷却デバイス６に接着固定している。な
お、レーザーダイオードモジュール３の構成やこれにコ
ネクタ２を介して接続された光ファイバ１等は、従来装
置を用いて説明したものと全く同様である。

【００１５】第１の冷却デバイス６は、レーザーダイオ
ードモジュール３を固定した面と反対側の面に放熱のた
めの第１のヒートシンク７を固定している。この第１の
ヒートシンク７は、例えばアルミニウムの板等から構成
される。また、第１のヒートシンク７の裏面には第２の
冷却デバイス８と第２のヒートシンク９が順に接続され
ている。上記第１の冷却デバイス６と第２の冷却デバイ
ス８は、いずれもペルチェ素子等の電子冷凍素子から構
成される。また、第２のヒートシンク９は装置全体を収
容する容器や、あるいは特別に設けられたアルミニウム
の板等から構成される。

【００１６】ここで、上記レーザーダイオードモジュー
ル３にはその温度を測定するための第１の温度センサ１
１が固定され、その出力は第１の冷却制御部１３に入力
するよう構成されている。第１の冷却制御部１３はこの
第１の温度センサ１１の温度検出出力を受け入れて、そ
の温度が予め設定された温度になるように第１の冷却デ
バイス６を駆動する帰還制御ループを構成している。従
って、例えばレーザーダイオードモジュール３の温度が
上昇すれば、第１の冷却デバイス６の駆動電流を増や
し、冷却能力を高める。また、逆の場合には駆動電流を
減らし、冷却能力を落とす。これによって、レーザーダ
イオードモジュール３を一定の温度に保つように動作す
る。

【００１７】また、第２のヒートシンク９には温度セン
サ１２が接続され、これが第２の冷却制御部１４に入力
するよう構成されている。第２の冷却制御部１４は第２
の冷却デバイス８を駆動し、その冷却能力を制御する構
成とされている。本発明において、この第２の冷却制御
部１４は第２の温度センサ１２によって環境温度を測定
すると、第２の冷却デバイス８を予め設定された一定の
温度に保つように、その駆動電流を制御する構成となっ
ている。例えば、設定温度を０℃とした場合、外気温が
５℃上昇すれば、この設定温度を０℃に保つために、ど
れだけの多くの駆動電流を第２の冷却デバイス８に供給
するか、そのデータを第２の冷却制御部１４に記憶させ
ておく。従って、この第２の冷却制御部１４によれば、
温度センサ１２の検出温度によって、直ちに第２の冷却
デバイス８の駆動電流が決定され制御される。

【００１８】第２の冷却制御部１４によるこのような制
御は極めて応答が早く、環境温度が急激に上下動した場
合にも、第２の冷却デバイス８によって第１のヒートシ
ンク７の温度を０℃付近に安定に保持することができ
る。なお、この制御は予め設定された一定の経験的な条
件に基づくもので、帰還制御ほど高精度なものは期待で
きない。

【００１９】これに対して、第１の冷却制御部１３の制
御は、レーザーダイオードモジュール３の温度を測定
し、これを設定温度と比較し、その差に応じて第１の冷
却デバイス６を駆動して、その結果レーザーダイオード
モジュール３の温度が設定温度に近づけば、更にその温
度に対応した制御電流によって限りなく設定温度に近付
けていく。そのため、高い精度で温度制御が可能であ
る。しかし、従来技術の説明で紹介したように、この場
合には制御ループの応答速度が極めて遅くなる。ここ
で、本発明の構成によれば、第１のヒートシンク７が第
２の冷却制御部１４によって比較的安定な温度、例えば
１０℃±１℃程度に制御され、この温度下で第１の冷却
制御部１３がレーザーダイオードモジュール３の温度を
制御する。従って、見かけ上環境温度の変動が少ないか
ら、レーザーダイオードモジュール３の温度を、例えば
０℃±０．１〜０．２℃程度まで高い精度で制御するこ
とができる。

【００２０】上記のように高い精度でレーザーダイオー
ドモジュール３の温度を制御し冷却することによって、
レーザーダイオード４を大きな電流で駆動し使用する場
合でも、その出力特性の安定化と長寿命化を図ることが
できる。

【００２１】図４に、本発明の装置による具体的な温度
制御結果を示すグラフを図示した。このグラフは、縦軸
に温度、横軸に時間をとったものである。図に示すよう
に、気温は１日のうちで、昼と夜、あるいは雲やその他
の外部要因によって図に示すように変化する。これに対
して第１のヒートシンク７の温度は、例えば１０℃±１
℃程度に制御される。なお、第２の冷却制御部１４にお
ける温度制御パラメータには、外気温だけでなくレーザ
ーダイオード４の駆動電流等も含めておく。レーザー光
の出力によって第１のヒートシンク７の平均温度が上昇
するためである。また、第１の冷却制御部１３の制御に
より、上記のような第１のヒートシンク温度に対しレー
ザーダイオードの基板５の温度は、図４に示すようにほ
ぼ０℃±０．１℃程度に制御される。

【００２２】本発明は以上の実施例に限定されない。上
記の実施例ではレーザーダイオードモジュール３の中に
組み込まれた冷却素子とは別に第１の冷却デバイス６を
設け、更にこれを第１のヒートシンク７を介して冷却す
る第２の冷却デバイス８を設けて冷却するようにした
が、レーザーダイオードモジュール３の中に組み込まれ
た冷却素子が帰還制御を行うような構成のものである場
合、これを第１の冷却デバイスとし、レーザーダイオー
ドモジュールを第２の冷却デバイスに搭載して、図１に
示す第２の冷却制御部１４等を用いて冷却制御するよう
な構成であってもよい。また、本発明の装置は、図１に
示した第２の冷却制御部１４による冷却ユニットを２組
以上設けるようにしても差し支えない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した本発明のレーザーダイオー
ド冷却装置によれば、第２の冷却デバイスが第２の温度
センサの出力の変化に応じた駆動電力により、第１の冷
却デバイスのヒートシンクを一定の設定温度に冷却し、
このヒートシンクの温度下でレーザーダイオードを搭載
した基板の温度をいわゆる帰還制御によって第１の冷却
デバイスが設定温度に保持するよう冷却するので、外気
温度の急激な変動は第１の冷却デバイスが吸収し、一定
の温度に保持された第１のヒートシンク７の温度下で、
第１の冷却デバイスがレーザーダイオードモジュールを
高い精度で安定に冷却できる。これにより、温度変化の
著しい環境において、レーザーダイオードモジュールを
一定の温度に冷却し、長期間安定な特性で使用すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザーダイオード冷却装置実施例を
示す斜視図である。

【図２】一般のレーザーダイオードモジュールの内部構
成を示す平面図である。

【図３】従来のレーザーダイオードモジュールの冷却方
法を示し、（ａ）はそのユニットの側面図、（ｂ）は応
答温度特性図である。

【図４】本発明の装置による各部の温度変化を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ３ レーザーダイオードモジュール ４ レーザーダイオード ５ 基板 ６ 第１の冷却デバイス ７ 第１のヒートシンク ８ 第２の冷却デバイス ９ 第２のヒートシンク １１ 第１の温度センサ １２ 第２の温度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザーダイオードを搭載した基板の温
   度を測定する第１の温度センサと、 この第１の温度センサの出力信号を受け入れて、帰還制
   御により前記レーザーダイオードを設定温度に保持する
   よう冷却する第１の冷却デバイスと、 前記第１の冷却デバイスの放熱のための第１のヒートシ
   ンクを冷却する第２の冷却デバイスと、 前記第２の冷却デバイスの放熱のための第２のヒートシ
   ンクが置かれた環境温度を測定する第２の温度センサと
   を備え、 前記第２の冷却デバイスは、前記第２の温度センサの出
   力の変化に応じた駆動電力により、前記第１のヒートシ
   ンクを一定の設定温度に冷却することを特徴とするレー
   ザーダイオード冷却装置。