JPH0992923A - レーザーモジュール温度制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ペルチェ素子を利用したレーザー発光素子の
温度制御を行うレーザモジュール温度制御回路の構成簡
素化と電源起動時のペルチェ素子の破損回避並びにレー
ザーモジュール使用装置の小型・低電圧化。 【解決手段】 レーザーモジュール２内蔵のペルチェ素
子21は２の内蔵レーザー発光素子と接合している。サー
ミスタ22は２の内部温度変化を抵抗変化として検知す
る。オペアンプ(1）11は低電圧の単極性電源電圧Ｖ_CCを
R2とR3で分圧した基準電圧を＋端子に入力しこれをR4，
R5で決定する利得のオペアンプ(2）12の−端子に供給す
る。オペアンプ(2）12の＋端子にはＶ_CCを基準抵抗R1と
サーミスタ22の抵抗Ｒ_thで分圧した電圧が印加されオペ
アンプ(2）12の出力とオペアンプ（1)11の出力はそれぞ
れペルチェ素子21に印加されてこれを電圧制御の下に温
度制御する。オペアンプ(1）11の出力する基準電圧はオ
ペアンプ(2）12の出力電圧の中心値として設定される一
種の仮想的グランド電位でありこのような動作によって
Ｖ_CCの単極性電源化が図れ小型化が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザーモジュール
温度制御回路に関し、特にレーザー発光素子を収容した
レーザーモジュールに内蔵され、レーザー発光素子と接
合してこれを運用状態に冷却するペルチェ素子を温度制
御し、以てレーザー発光素子の温度制御を行うレーザー
モジュール温度制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー発光素子を収容したレーザーモ
ジュール（以下単にレーザーモジュールという）の光出
力は、温度依存性を持っている。レーザーモジュールを
定電流駆動させた場合、温度が上昇するとレーザーモジ
ュールの光出力は減少もしくはレーザー発振が停止して
しまい、逆に温度が下降すると、光出力は増大し光出力
が最大定格を超える恐れがある。また、アナログ光伝送
にレーザーモジュールを使用する場合、光出力を一定に
しないと、歪特性が劣化し安定な通信を確保することが
できない。

【０００３】図４は、レーザーモジュールの発光パワー
対歪レベルの一例を示す特性図である。運用時には歪最
良領域での動作が望ましい。従って、レーザーモジュー
ルを保護し光出力を一定に保つために、レーザーモジュ
ールの温度を一定に保つ必要がある。そこで、一例とし
て、周囲温度の変化に対し、レーザーモジュールを一定
の温度に保つために、ペルチェ効果を利用し、吸熱・発
熱を行う方法がある。

【０００４】第５図は、ペルチェ素子による温度制御の
説明図である。レーザー発光素子であるチップダイオー
ドとしてのレーザーダイオード101 が低温ハンダ102 で
金属103 に結合され、さらにＰ型半導体104 およびＮ型
半導体105 に接着されている。ペルチェ効果とは、Ｐ型
半導体104 とＮ型半導体105 を電極金属106 および107
を介して接続して電流を流すと、各半導体中で正孔と電
子が移動し、この正孔・電子が熱エネルギーを運び、接
合部分で吸熱・発熱を起こす効果をいう。レーザーモジ
ュールに、ペルチェ効果を利用し吸熱・発熱を行うペル
チェ素子を内蔵し、電流の極性を変える（ペルチェ素子
に流す電流の方向を変える）ことにより、吸熱・発熱の
切換を行い、温度を一定に保つことができる。

【０００５】図３は、従来のレーザーモジュール温度制
御回路の構成を示すブロック図である。図３に示すレー
ザーモジュール温度制御回路は、外付の温度制御回路３
と、レーザーモジュール２に内設したペルチェ素子21と
レーザーモジュール内部温度センサーとしてのサーミス
タ22とを有する。また、温度制御回路３は、サーミスタ
22の検出温度に基づきペルチェ素子21を電流制御してレ
ーザーモジュールを冷却するための構成要素として、定
電流源31と、基準抵抗32と、コンパレータ33と、積分増
幅器を形成してコンパレータ33の出力増幅を行う増幅器
34および積分器35と、ペルチェ素子21の流通電流を検出
し増幅する電流検出抵抗36および増幅器37と、増幅器37
の出力するペルチェ素子21の流通電流フィードバック分
を増幅器34の出力に加算した入力を電流増幅する電流増
幅器38とを備える。

【０００６】レーザーモジュール２に内蔵されているサ
ーミスタ22は、温度検出に用いられる感熱抵抗体であ
り、温度により抵抗値が変化する特性を持っている。そ
こで、コンパレータ33でサーミスタ22の抵抗値と基準抵
抗32の抵抗値とを比較するために、定電流源31で一定の
電流を流す。コンパレータ33の出力には入力差が電圧と
して出力され、積分器35と増幅器34に入力される。レー
ザーモジュール２に内蔵しているペルチェ素子21に流れ
る電流のフィードバック分も加え、電流増幅器38で電流
増幅する。この増幅した電流をペルチェ素子21に流すこ
とにより、ペルチェ素子21の温度を制御し、レーザーモ
ジュール２の発光パワーを一定に保つ。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
ーモジュール温度制御回路は、ペルチェ素子に対しての
制御として、極性を切り換えて吸熱・発熱動作を行うた
め、両極性電源が必要となり、回路構成としても定電流
源回路、コンパレータ回路、積分増幅回路、リニア増幅
回路、電流増幅回路等の回路を駆動させるために、ペル
チェ素子の制御に必要な電圧差（一例として約３Ｖ）に
対し、比較的大きい電圧（一例として±12Ｖ）が必要と
なる。このため回路構成が複雑になり、部品点数も多く
なり、回路の小型化が困難となる。

【０００８】また、図６には、ペルチェ素子の入力電位
差（Ｖ_TEC)に対してのペルチェ素子の変化温度（Ｔ）を
表している。Ｖ_TEC ＝ 2.5Ｖでは約80℃、Ｖ_TEC ＝−0.
7 Ｖでは約０℃となる特性である。Ｖ_TEC が３Ｖ以上に
なると、ペルチェ素子は過熱して破損する恐れがある。
従来回路では、±12Ｖで各回路を駆動させているため、
電源起動時に、＋電源と−電源の立ち上がり特性の差な
どにより、Ｖ_TEC の電圧が３Ｖ以上になる可能性があ
る。よって、過電圧が印加されるため、ペルチェ素子に
過電流が流れ、ペルチェ素子が過熱し、低温ハンダが溶
け、破損する恐れがある。なお、レーザーダイオードの
チップは、非常に高温に弱く、製造上、低温ハンダでし
か接着できない。以上、この問題は、電源電圧がペルチ
ェ素子の制御に必要な電圧よりはるかに大きいため起こ
る問題である。

【０００９】本発明の目的は上述した問題点を解決し、
単極性電源かつ低電圧でペルチェ素子の制御が可能であ
り、電源起動時の過電流によるペルチェ素子の過熱、低
温ハンダ溶解による破損を排除した、電圧制御に基づく
簡素な構成のレーザーモジュール温度制御回路を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するために次の手段構成を有する。即ち、レーザ
ーモジュール温度制御回路に関する本発明の第１の構成
は、レーザー発光素子を収容したレーザーモジュールに
内蔵してレーザー発光素子と接合されたペルチェ素子に
対する電圧制御に基づいてレーザー発光素子の運用温度
を所定の範囲に制御するレーザーモジュール温度制御回
路であって、レーザーモジュール内部に配置しレーザー
モジュール内部の温度に対応した抵抗値を示すサーミス
タと、正負いずれかの単極性電源電圧Ｖ_CCを抵抗分圧し
て０Ｖと単極性電源電圧Ｖ_CCとの間で任意に設定する電
圧を前記ペルチェ素子の電圧制御における基準電圧とし
て＋端子に入力し、出力と接続した−端子から仮想グラ
ンド電圧を出力して前記ペルチェ素子の−端子に印加す
る一定の仮想グランド電圧供給源のボルテージフォロア
ーとしての第１のオペアンプと、前記単極性電源電圧Ｖ
_CCを前記サーミスタの温度依存性を有する抵抗値と前記
レーザー発光素子の運用温度に基づいて予め設定する所
定の基準抵抗とによって分圧した電圧を＋端子に入力し
前記第１のオペアンプの出力する前記仮想グランド電圧
を−端子に入力してこれら＋および−端子入力を比較し
つつ出力電圧を前記ペルチェ素子の＋端子に印加し前記
サーミスタの環境温度による抵抗値変化に対応した前記
＋および−端子入力の差を常時零とするように動作する
差動増幅器としての第２のオペアンプとを備える。

【００１１】また、本発明の第２の構成は、前記第１の
構成において、前記ペルチェ素子を、Ｐ型半導体および
Ｎ型半導体の接合体とした構成を有する。

【００１２】また、本発明の第３の構成は、前記第１ま
たは第２の構成において、前記第１のオペアンプと前記
第２のオペアンプとを前記レーザーモジュールと別構成
とした構成を有する。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、前記の如く構成される本発
明について説明する。ペルチェ素子を電流制御し、この
ペルチェ素子と低温ハンダで結合されたレーザーダイオ
ードの如きレーザー発光素子の温度制御を行う従来のレ
ーザーモジュール温度制御回路は、ペルチェ素子に通電
する電流の方向性を切り換えて吸熱、発熱を行わせるた
めに両極性電源が必要となる。このため、回路構成も複
雑化して小型化が困難となる。

【００１４】また、両極性電源の必要性に加えて、電源
電圧自体もペルチェ素子の制御に必要な、たかだか数Ｖ
程度の電圧よりもかなり高い１０数Ｖ程度必要となり、
特に電源起動時の＋電圧、−電圧の立ち上がり特性差な
どの要因でペルチェ素子印加電圧が過電圧となって過電
流が流れ、低温ハンダが溶解して破損する恐れがある。

【００１５】本発明では、ペルチェ素子を単極性電源に
よる電圧制御とし、ペルチェ素子の電圧制御における基
準電圧を供給するボルテージフォロワー(voltage follo
wer)としての第１のオペアンプと、この第１のオペアン
プの出力する基準電圧を１入力とし、他入力としては基
準電源を基準抵抗とレーザーモジュールに内包したサー
ミスタの抵抗とによって分圧した電圧を利用する第２の
オペアンプとをサーミスタとともに基本的構成とする簡
易な回路構成を実現している。

【００１６】第２のオペアンプの基準電圧入力と他入力
とは、差動増幅器として機能する第２のオペアンプによ
って入力差がなくなるように制御され、このことはサー
ミスタの抵抗変化をもたらすレーザーモジュール内部の
温度変化に対応してペルチェ素子がレーザーモジュール
内の温度変化を所定の許容範囲に制御することを意味し
ている。この単極性電源の電圧自体も、電圧制御に基づ
く構成回路の簡素化によって、ペルチェ素子に電源起動
時を含む過電圧の印加が根本的に回避できる低電圧とす
ることができる。

【００１７】上述した第１のオペアンプによって設定さ
れ第２のオペアンプに提供される基準電圧とは、第２の
オペアンプから出力されてペルチェ素子に印加される制
御電圧の基準電位を設定する電圧であり、本発明では仮
想的グランド（ＧＮＤ）レベルを指定する観点から仮想
ＧＮＤ電圧とも呼ぶもので、０Ｖと単極性電源電圧Ｖ_CC
との間の任意のレベル、例えば１／２レベルに設定さ
れ、第２のオペアンプによるペルチェ素子の電圧制御に
おける基準レベルを設定している。

【００１８】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図
である。図１の実施例は、破線で示す温度制御回路１
と、レーザーモジュール２とを備え、温度制御回路１
は、第１のオペアンプとしてのオペアンプ（1)11と、第
２のオペアンプとしてのオペアンプ（2)12のほか、単極
性電源電圧Ｖ_CCを分圧して基準電圧すなわち仮想ＧＮＤ
電圧を設定する抵抗Ｒ２、Ｒ３と、Ｖ_CCをサーミスタ22
と分圧する基準抵抗Ｒ１と、オペアンプ（2)12の増幅利
得設定抵抗Ｒ４、Ｒ５とを有し、またレーザーモジュー
ル２は、ペルチェ素子21と、温度制御回路１とともにレ
ーザーモジュール温度制御回路を構成するサーミスタ22
とを有する。

【００１９】次に、本実施例の動作について説明する。
仮想ＧＮＤ電圧設定抵抗Ｒ２とＲ３で基準電圧を設定
し、ボルテージフォロワーとして動作するオペアンプ
（1)11を介して、ペルチェ素子の−端子に基準電圧すな
わち仮想ＧＮＤ電圧を供給する。オペアンプ（2)12は差
動増幅器であり、サーミスタ22と基準抵抗Ｒ１による分
圧回路で得られた電圧と、オペアンプ（1)11の出力電圧
とを比較し、ペルチェ素子の＋端子に制御電圧として与
え、オペアンプ（2)12の＋端子と−端子が同電位になる
ように制御している。

【００２０】レーザーモジュール２の内部温度が上昇す
ると、サーミスタ22は負の温度係数をもっているため、
サーミスタ抵抗値Ｒ_thが小さくなり、オペアンプ（2)12
の＋入力端子電圧が小さくなる。これによりオペアンプ
（2)12の出力電圧が小さくなり、ペルチェ素子21の＋端
子電圧が小さくなるので、ペルチェ素子21の温度が低く
なり冷却動作をする。その結果、温度が下降するとサー
ミスタ抵抗値Ｒ_thが大きくなり、オペアンプ（2)12の＋
入力端子電圧が大きくなる。これによりオペアンプ（2)
12の出力電圧が大きくなり、ペルチェ素子21の＋端子電
圧が大きくなるので、ペルチェ素子21の温度が高くな
る。このような動作でレーザーモジュール２の温度を一
定に保つ。なお、オペアンプ（1)11と（2)12には、ペル
チェ素子21を充分制御できる吐き出し電流、吸い込み電
流特性を有したパワーオペアンプを使用している。

【００２１】このような構成、動作に基づく本実施例に
よるレーザーモジュール温度制御回路の特長は、次の
（１）ないし（４）に示すとおりである。 （１）単極性電源でペルチェ素子を制御する。 従来回路は、両極性電源が必要であったのに対し、本実
施例では、単極性電源のみでペルチェ素子が制御でき
る。それゆえ、両極性電源を必要とする従来回路の場
合、電源起動時に、＋電源と−電源の立ち上がりシーケ
ンス上の問題でどちらか一方の極性の電圧が先に立ち上
がった時、もう一方の極性の電圧が立ち上がるまでの
間、先に立ち上がった電圧に張り付いてしまい、ペルチ
ェ素子に過電圧を印加する恐れがあったが、本実施例で
は、電源起動時において、単極性電源の中間電圧の仮想
ＧＮＤ電圧をペルチェ素子に印加するので、過電圧によ
るペルチェ素子の破損を生じることがない。また、単極
性電源ゆえに、回路構成および電源回路が簡素化される
ので、回路の小型化、部品点数の削減、信頼性の向上が
図れる。さらに、回路の小型化ができるゆえに、チップ
ＩＣ化し、レーザーモジュール内部に内蔵することも可
能である。

【００２２】（２）低電圧でペルチェ素子を制御する。 従来回路は前述した如く、種々の回路を駆動させるため
にペルチェ素子21の制御に必要な電圧差（一例として約
３Ｖ）に対し、比較的大きい電圧（一例として±12Ｖ）
が必要であった。本実施例では、ペルチェ素子21の制御
に必要な電圧差分の低電圧駆動（一例として＋５Ｖ単極
性電源）ゆえに、ペルチェ素子21に過電圧が印加されて
過電流が流れることはなく、ペルチェ素子21を破損する
恐れがない。かつ、低消費電流で動作できるので、回路
の簡素化が図れ、発熱が少ない。従来は制御回路の自己
発熱量が大きかったため、レーザーモジュール２が温度
制御回路３の温度の影響を受けやすかった。本実施例で
は、温度制御回路１の自己発熱量が少ないため、レーザ
ーモジュール２に与える影響が少ない。

【００２３】（３）電源起動時の過電流が原因で、ペル
チェ素子が過熱し、低温ハンダが溶け、破損することが
ない。 本実施例の回路においては、電源起動時に、ペルチェ素
子21の−端子に印加される電圧はオペアンプ（1)11の出
力電圧である。オペアンプ（1)11の出力電圧は図２に示
す如く仮想ＧＮＤ電圧、即ち電源電圧Ｖ_S の０Ｖから例
えば＋5.0 Ｖの単極性電源電圧Ｖ_CCと０Ｖ間の任意の電
圧（一例として電源電圧の１／２）である。一方、ペル
チェ素子21の＋端子に印加される電圧はオペアンプ（2)
12の出力電圧である。オペアンプ（2)12は、オペアンプ
（1)11の出力電圧と、サーミスタ22と基準抵抗Ｒ１の分
圧回路の電圧を入力とする差動増幅器である。電源起動
時のオペアンプ（2)12の出力電圧は、温度によりサーミ
スタの抵抗値が変化するため、一例として図２に示す如
く約 0.7Ｖ〜電源電圧−0.7 Ｖ(0.7Ｖはオペアンプの飽
和電圧。飽和電圧はオペアンプの種類により異なる）の
範囲である。この範囲は、単極性電源電圧Ｖ_CCを５Ｖと
すると、図２に示す如く約 0.7Ｖ〜 4.3Ｖの範囲にな
る。

【００２４】ペルチェ素子21の＋，−端子間に印加され
る電圧は、オペアンプ（1)11の出力電圧が電源電圧の１
／２の仮想ＧＮＤ電圧(2.5Ｖ）に固定されている為、−
1.8Ｖ(0.7Ｖ−2.5 Ｖ）から＋1.8 Ｖ(4.3Ｖ−2.5 Ｖ）
の範囲であり、ペルチェ素子に過電圧を印加する恐れが
ない。従って、過電圧による過電流が原因で、ペルチェ
素子が過熱し、低温ハンダが溶け、破損することがな
い。さらに、オペアンプと抵抗のみで構成できるので、
回路の小型化、簡素化が図れるので、信頼性の向上が望
める。

【００２５】（４）電圧制御に着目した制御をする。 従来回路は、サーミスタの抵抗値と基準抵抗の抵抗値と
を比較し、その差を電流増幅器で電流増幅してペルチェ
素子を電流制御をしていたが、本実施例では、ペルチェ
素子を電圧制御しているので、従来回路で必要とされて
いた積分器や定電流回路等の回路が必要なくなり、差動
増幅器としてのオペアンプ（2)12とボルテージフォロワ
ーとしてのオペアンプ（1)11と抵抗のみで構成できるの
で、回路の小型化、簡素化が図れ、信頼性の向上が望め
る。

【００２６】以上、本実施例では、単極性電源かつ低電
圧でペルチェ素子を制御することにより、過電流による
ペルチェ素子破壊の防止、回路の簡素化、部品点数の削
減、小型化、信頼性の向上が図れる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のレーザーモ
ジュール温度制御回路は、サーミスタと基準抵抗とによ
る単極性電源の分圧電圧と、ペルチェ素子の印加電圧の
基準電圧とを入力とするオペアンプと、このオペアンプ
に対する基準電圧を出力するオペアンプ並びにサーミス
タを含む簡素な回路で、電源起動時におけるペルチェ素
子の破損の防止を図ることができる効果がある。また、
小型、低電圧化が可能であるゆえ、レーザーモジュール
を使用した装置の小型化を図ることができるという効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のレーザーモジュール温度制
御回路の構成を示すブロック図である。

【図２】図１の実施例の動作の説明図である。

【図３】従来のレーザーモジュール温度制御回路の構成
を示すブロック図である。

【図４】レーザー発光素子の発光パワー対歪レベルの一
例を示す特性図である。

【図５】ペルチェ効果の一例を示す原理図である。

【図６】ペルチェ素子の入力電位差に対応する変化温度
の一例を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 温度制御回路 ２ レーザーモジュール ３ 温度制御回路 11 オペアンプ（1) 12 オペアンプ（2) 21 ペルチェ素子 22 サーミスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー発光素子を収容したレーザーモ
   ジュールに内蔵してレーザー発光素子と接合されたペル
   チェ素子に対する電圧制御に基づいてレーザー発光素子
   の運用温度を所定の範囲に制御するレーザーモジュール
   温度制御回路であって、レーザーモジュール内部に配置
   しレーザーモジュール内部の温度に対応した抵抗値を示
   すサーミスタと、正負いずれかの単極性電源電圧Ｖ_CCを
   抵抗分圧して０Ｖと単極性電源電圧Ｖ_CCとの間で任意に
   設定する電圧を前記ペルチェ素子の電圧制御における基
   準電圧として＋端子に入力し、出力と接続した−端子か
   ら仮想グランド電圧を出力して前記ペルチェ素子の−端
   子に印加する一定の仮想グランド電圧供給源のボルテー
   ジフォロアーとしての第１のオペアンプと、前記単極性
   電源電圧Ｖ_CCを前記サーミスタの温度依存性を有する抵
   抗値と前記レーザー発光素子の運用温度に基づいて予め
   設定する所定の基準抵抗とによって分圧した電圧を＋端
   子に入力し前記第１のオペアンプの出力する前記仮想グ
   ランド電圧を−端子に入力してこれら＋および−端子入
   力を比較しつつ出力電圧を前記ペルチェ素子の＋端子に
   印加し前記サーミスタの環境温度による抵抗値変化に対
   応した前記＋および−端子入力の差を常時零とするよう
   に動作する差動増幅器としての第２のオペアンプとを備
   えて前記ペルチェ素子の温度制御を介して前記レーザー
   発光素子の温度制御を行うことを特徴とするレーザーモ
   ジュール温度制御回路。
2. 【請求項２】 前記ペルチェ素子が、Ｐ型半導体および
   Ｎ型半導体の接合体であることを特徴とする請求項１記
   載のレーザーモジュール温度制御回路。
3. 【請求項３】 前記第１のオペアンプと前記第２のオペ
   アンプとを前記レーザーモジュールと別構成としたこと
   を特徴とする請求項１または２記載のレーザーモジュー
   ル温度制御回路。