JPH11126939A - 半導体レーザモジュールの温度制御方法及び半導体レーザモジュールの温度制御装置 - Google Patents

半導体レーザモジュールの温度制御方法及び半導体レーザモジュールの温度制御装置

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JPH11126939A
JPH11126939A JP29061997A JP29061997A JPH11126939A JP H11126939 A JPH11126939 A JP H11126939A JP 29061997 A JP29061997 A JP 29061997A JP 29061997 A JP29061997 A JP 29061997A JP H11126939 A JPH11126939 A JP H11126939A
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temperature
semiconductor laser
peltier
voltage
tec
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JP29061997A
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Manabu Komiyama
学 小宮山
Hironao Hakogi
浩尚 箱木
Yoshio Shimano
善雄 島野
Tetsuo Ishizaka
哲男 石坂
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof
    • F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＬＤモジュールの使用範囲を広げ、消費電力
を低減するＬＤモジュールの温度制御方法及びＬＤモジ
ュールの温度制御装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 ＬＤモジュールの温度制御装置におい
て、温度検出素子の抵抗を電圧に変換する温度モニタ手
段と、ＬＤの光出力特性の保証温度範囲をＴLOW からＴ
HOT までとした時、該ＴLOW に該当する温度モニタ手段
の出力電圧に等しい第１基準電圧と、温度モニタ手段の
出力電圧との第１差分電圧を出力する第１温度安定化手
段と、ＴHOT に該当する温度モニタ手段の電圧に等しい
第２基準電圧と、温度モニタ手段の出力電圧との第２差
分電圧を出力する第２温度安定化手段と、温度モニタ手
段の出力電圧がＬＤの温度ＴLDが、ＴLD≦ＴLOW を示す
時は、第１差分電圧を選択し、ＴLD≧ＴHOT の時は、第
２差分電圧を選択する選択手段と、選択手段の出力電圧
に基づいて、ＴＥＣを駆動するＴＥＣ駆動手段とを具備
して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザモジュ
ールの温度制御方法及び半導体レーザモジュールの温度
制御装置に関し、特に、ペルチェ電流の制御に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】マルチメディア時代を迎え、大容量高速
通信の必要性が高まり、２．４Ｇビット／秒以上の高速
変調の半導体レーザモジュールなどの光半導体デバイス
が開発され、大容量高速通信が可能となっている。
【０００３】半導体レーザモジュールに搭載する半導体
レーザ（以下、ＬＤと呼ぶ）は、温度変化に対して、出
力特性が変化する。特に、高速変調の半導体レーザに関
しては、高温時に、閾値電流の増加、微分効率の減少、
伝送特性（符号誤り率）の劣化、低温時に、スペクトル
のモードジャンプ現象による伝送特性の劣化等の問題が
発生する。このため、ＬＤの温度を一定にして制御する
方法が一般的に用いられている。
【０００４】図８は、従来のＬＤモジュールを示す図で
ある。この図に示すように、ＬＤモジュール２は、パッ
ケージ３に支持されて収容されたペルチェ素子（ＴＥ
Ｃ：Thermal Electorical Cooler) ４、フォトダイオー
ド（ＰＤ）５、サーミスタ６、ＬＤチップ８、レンズ１
０及びレンズＡＳ１２及びファイバＡＳ１４から構成さ
れる。
【０００５】ＬＤチップ８の電極には、２．４Ｇビット
／秒の高速変調信号が入力され、ＬＤチップ８が電流駆
動されて、ＬＤチップ８が発光する。ＬＤチップ８から
の発光したレーザ光線は、レンズ１０で平行光となり、
レンズＡＳ１２内に配設されたレンズを通過して集光さ
れ、ファイバＡＳ１２内に配設されたファイバとファイ
バ結合されて、光伝送される。ＬＤチップ８の出力光
は、ＰＤ５でモニタされて、出力光のパワーが一定とな
るように制御される。
【０００６】図９は、ＴＥＣの電圧−温度特性を示す図
である。この図に示すように、ＴＥＣ４の端子に電圧を
印加して、ペルチェ電流を流すと、ペルチェ効果によっ
て、ＴＥＣ４の上下面にて、一方が吸熱面、他方が発熱
面となり、ＴＥＣ４の上下面に温度差が生じる。逆方向
にペルチェ電流を流すとＴＥＣ４の上下面の吸熱／発熱
の関係は反転する。また、ペルチェ電流がある範囲を越
えるとＴＥＣ４の上下面の温度差の関係が飽和する特性
がある。
【０００７】このＴＥＣ４を使用して、ＬＤレーザモジ
ュール２の温度制御は、以下のように行われる。図１０
は、ＬＤモジュールの温度制御回路ブロック図である。
【０００８】この図に示すように、ＴＥＣ４の上面に支
持されたＬＤチップ８の温度によって、温度検出素子６
の抵抗が変化する。温度検出素子６の抵抗値は、温度モ
ニタ１６にて、電圧ＶTHに変換される。
【０００９】温度安定化回路１８は、ＬＤチップ８の設
定温度ＴSET に該当する温度モニタ１６の出力電圧Ｖ
ref と電圧ＶTHとの差電圧をＴＥＣ４に繋がるＴＥＣ駆
動回路２０に出力して、差電圧に該当する温度差を発生
するだけの電圧をＴＥＣ４に供給して、ＴＥＣ４にペル
チェ電流を流して、Ｖref とＶTHが同電位になるように
制御する。
【００１０】図１１は、従来のＬＤモジュールの温度制
御方法を示す図であり、特に、同図（ａ）は、ＬＤの温
度ＴLD−ＬＤの周囲温度Ｔa との関係を示す図であり、
同図（ｂ）は、ペルチェ電流ＩTEC −ＬＤの周囲温度Ｔ
a の関係を示す図である。
【００１１】この図１１（ａ）に示すように、上述した
ように、Ｖref とＶREF とが同電位になるように制御す
るために、ＬＤチップ８の温度ＴLDは、設定温度ＴSET
に等しくなるように制御される。そのため、図１１
（ｂ）に示すように、周囲温度Ｔ a が設定温度よりも高
くなるにつれて、正のペルチェ電流がリニアに増大し、
周囲温度Ｔa が設定温度よりも低くなるにつれて、負の
ペルチェ電流がリニアに増大する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来のＬＤモジュール
温度制御方法には、以下のような課題があった。 （ａ） ＴＥＣ４の制御によって発生する周囲温度Ｔa
とＬＤ温度ＴLDとの差の最大値ΔＴは、ＴＥＣ４の特性
及びＴＥＣ４の熱引き条件に左右されるが、限界があ
る。すなわち、ＬＤ温度をＴSET に設定すると、使用可
能周囲温度範囲Ｔ a は、ＴSET −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴSET ＋
ΔＴとなる。
【００１３】Ｔa がこの範囲外の時に使用すると、ＬＤ
温度ＴLDをＴSET に一致させるべく大きなペルチェ電流
がＴＥＣ４に流れて、ＴＥＣ４に使用する半導体素子な
どにジュール熱が発生して、半導体素子が発熱して、温
度上昇する。
【００１４】そのために温度の低い発熱面に熱が流れ込
み、発熱面の温度が上昇して、温度安定化回路１８によ
るフィードバック制御によって、更に、ペルチェ電流が
増大して、温度制御不能となって、熱暴走を起こしてし
まう。このため、広範囲の周囲温度では、ＬＤモジュー
ルを使用できないという問題があった。
【００１５】（ｂ） ＴＥＣ４は、ＬＤチップ８などと
比較して、多くの電力を消費するという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、
ＬＤモジュールの使用範囲を広げ、消費電力を低減する
ＬＤモジュールの温度制御方法及びＬＤモジュールの温
度制御装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
ある。この図（ａ）に示すように、本発明は、ＬＤ２２
と、該ＬＤ２２に近接して配置され、ペルチェ電流を流
して、ＬＤ２２の温度調節をするＴＥＣ２３と、ＬＤ２
２の温度により抵抗が変化する温度検出素子２４とを有
するＬＤモジュールの温度制御装置において、温度検出
素子の抵抗を電圧に変換する温度モニタ手段２５と、Ｌ
Ｄ２２の光出力特性の保証温度範囲をＴLOW からＴHOT
までとした時、該ＴLOW に該当する温度モニタ手段２５
の出力電圧に等しい第１基準電圧ＶREF1と、温度モニタ
手段２５の出力電圧との第１差分電圧を出力する第１温
度安定化手段２６と、ＴHOT に該当する温度モニタ手段
２５の電圧に等しい第２基準電圧ＶREF2と、温度モニタ
手段２５の出力電圧との第２差分電圧を出力する第２温
度安定化手段２７と、温度モニタ手段の出力電圧がＬＤ
２２の温度ＴLDが、ＴLD≦ＴLOW を示す時は、第１差分
電圧を選択し、ＴLD≧ＴHOT の時は、第２差分電圧を選
択する選択手段２８と、選択手段２８の出力電圧に基づ
いて、ＴＥＣ２３を駆動するＴＥＣ駆動手段２９とを具
備したことを特徴とする。
【００１７】以上のような構成によれば、ＬＤ２２の光
出力特性の保証温度範囲をＴLOW からＴHOT までとした
時、この温度範囲内で高速変調などをして、ＬＤ２２を
使用しても、伝送特性が劣化することがない。
【００１８】ＬＤ２２の温度ＴLDにより温度検出素子２
４の抵抗値が変化して、温度モニタ手段２５により温度
検出素子２４の抵抗値を電圧ＶTHに変換する。第１温度
安定化手段２６により、ＴLOW に該当する温度モニタ手
段２５の出力電圧に等しい第１基準電圧ＶREF1と温度モ
ニタ手段２５の出力電圧ＶTHとの差分電圧を出力する。
【００１９】第２温度安定化手段２６により、ＴHIGHに
該当する温度モニタ手段２５の出力電圧に等しい第２基
準電圧ＶREF2と温度モニタ手段２５の出力電圧ＶTHとの
差分電圧を出力する。
【００２０】選択手段２８により温度モニタ手段２５の
出力電圧ＶTHと第１基準電圧ＶREF1及び第２基準電圧Ｖ
REF2とを比較して、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT 、例えば、Ｖ
REF1≦ＶTH≦ＶREF2を示す時は、ＴＥＣ２３にペルチェ
電流を流さなくとも、伝送特性が劣化しないので、例え
ば、０Ｖを選択し、ＴLD＜ＴLOW 、例えば、ＶTH＜Ｖ
REF1を示す時は、第１温度安定化手段２６の出力電圧を
選択して、ＴHOT ＜ＴLD、例えば、ＶREF2＜ＶHIGHを示
す時は、第２温度安定化手段２７の出力電圧を選択す
る。
【００２１】ＴＥＣ駆動手段２９は、選択手段２８の出
力電圧に従って、例えば、出力電圧に相当する温度差を
生じる電圧をＴＥＣ２３に印加して、ＴＥＣ２３にペル
チェ電流を流す。
【００２２】この時、図１（ｂ）に示すように、ＴLOW
≦ＴLD≦ＴHOT を示す時は、ＴＥＣ２３にペルチェ電流
は流れず、ＬＤ２２の温度ＴLDは、変化せず、ＴLD＜Ｔ
LOWの時は、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT 、例えば、ＴLD ＝
ＴLOW へと変化し、ＴLD＞Ｔ HOT の時は、ＴLOW ≦ＴLD
≦ＴHOT 、例えば、ＴLD＝ＴHOT へと変化する。
【００２３】これにより、ＴＥＣ２３の消費電流を低減
することができるとともに、ＬＤモジュールの使用可能
範囲は、ＴLOW −ΔＴからＴHOT ＋ΔＴにまで広がる。
また、代替案によれば、ＬＤ２２と、該ＬＤ２２に近接
して配置され、ペルチェ電流を流して、ＬＤ２２を冷却
するＴＥＣ２３とを有するＬＤモジュールの温度制御装
置において、ＴＥＣ２３に流すペルチェ電流により該Ｔ
ＥＣ２３に発生するジュール熱により熱暴走を起こさな
いペルチェ電流ＩTEC の範囲を下限電流ＩLLIMから上限
電流ＩHLIMまでとした時、ペルチェ電流ＩTEC が、Ｉ
LLIM≦ＩTE C ≦ＩHLIMとなるようにペルチェ電流を流す
ように構成する。
【００２４】これにより、ペルチェ電流ＩTEC が、Ｉ
LLIM≦ＩTEC ≦ＩHLIMとなるように、ＴＥＣ２３にペル
チェ電流ＩTEC を流すので、ジュール熱により熱暴走を
起こすようなことが回避されて、ＩTEC ＝ＩHLIM又はＩ
TEC ＝ＩLLIMでペルチェ電流を流した時にも、ＬＤ２３
の温度ＴLDが使用可能範囲で使用可能となって、使用可
能範囲を広げることができる。
【００２５】また、ペルチェ電流がＩLLIM≦ＩTEC ≦Ｉ
HLIMを満たす場合は、ＬＤ２２の温度ＴLDが設定温度Ｔ
SET に等しくなるようにペルチェ電流ＩTEC を流し、Ｉ
TEC≧ＩHLIMとなると、ＩTEC ＝ＩHLIMとなるようにペ
ルチェ電流を流して、Ｔa ≧ＴLD≧ＴSET として使用温
度範囲を広げる。
【００２６】ペルチェ電流がＩTEC ≦ＩLLIMとなると、
ＩTEC ＝ＩLLIMとなるようにペルチェ電流を流すように
して、Ｔa ≦ＴLD≦ＴSET として使用温度範囲を広げ
る。更に、ＬＤ２２と、該ＬＤ２２に近接して配置さ
れ、ペルチェ電流を流して、ＬＤ２２の温度調節をする
ＴＥＣ２３と、ＬＤ２２の温度により抵抗が変化する第
１温度検出素子２４とを有するＬＤモジュールの温度制
御装置において、ＬＤ２２の外気温度Ｔa により抵抗が
変化する第２温度検出素子と、第１温度検出素子２４の
抵抗を電圧に変換する第１温度モニタ手段２５と、第２
温度検出素子の抵抗を電圧に変換する第２温度モニタ手
段と、ＬＤ２２の光出力特性の保証温度範囲をＴLOW か
らＴHOT までとした時、該ＴLOW に該当する第１温度モ
ニタ手段２５の出力電圧に等しい第１基準電圧と、第１
温度モニタ手段２５の出力電圧との第１差分電圧を出力
する第１温度安定化手段２６と、ＴHOT に該当する第１
温度モニタ手段２５の出力電圧に等しい第２基準電圧
と、第１温度モニタ手段２５の出力電圧との第２差分電
圧を出力する第２温度安定化手段２７と、第２温度モニ
タ手段の出力電圧が、Ｔa ≦ＴLOW を示す時、第１差分
電圧を選択し、Ｔa ≧ＴHOT を示す時、第２差分電圧を
選択する選択手段と、選択手段の出力電圧に基づいて、
ＴＥＣ２３を駆動するＴＥＣ駆動手段２９とを具備して
構成する。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。第１実施形態 図２は、本発明の第１実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路を示す構成図であり、図中の要素と実質的
に同一の要素には、同一の符号を付している。
【００２８】この図に示すＬＤモジュールの温度制御回
路は、図８と同様に構成されるＬＤモジュール２内に収
容されたＬＤチップ８の温度制御を行うものである。Ｌ
Ｄモジュール２は、図８に示すように、概略、長さ３ｃ
ｍ、幅２ｃｍ、高さ１ｃｍのパッケージ３に収容された
ＴＥＣ４、ＰＤ５、温度検出素子６、ＬＤチップ８、レ
ンズ１０、レンズＡＳ１２，ファイバＡＳ１４から構成
されている。
【００２９】ＴＥＣ４は、上下面がアルミナなどからな
る電極、電極間をＮ型とＰ型の半導体素子が対向して配
設されており、電極間に流すペルチェ電流によって、電
極と半導体素子との一方の接合面が発熱面、他方の接合
面が吸熱面となり、ＬＤチップ８の温度を調節するもの
であり、パッケージ３の底面に固定されている。
【００３０】ＰＤ５は、ＬＤチップ８の出力光をモニタ
して、出力光のパワーを一定に制御するものであり、Ｔ
ＥＣ４の上面に固定されている。ＬＤチップ８は、高速
変調のための分布帰還型半導体レーザなどであり、ＴＥ
Ｃ４の上面に固定されている。
【００３１】このＬＤチップ８は、温度ＴLDを一定の温
度ＴSET にしなくても、一定の範囲（以下、保証範囲と
呼ぶ）であれば、ＬＤモジュールとしての品質を満たす
ことができる。この保証範囲は、ＬＤモジュールの使用
環境、例えば、変調速度などに応じて、実験などをする
ことにより得ることができる。以下、保証範囲をＴLO W
からＴHOT までとする。
【００３２】レンズ１０は、ＬＤチップ８のレーザ光を
平行光にするものであり、ＬＤチップ８に対向して、Ｔ
ＥＣ４の上面に固定されている。レンズＡＳ１２は、平
行光を集光するレンズを収容しており、パッケージ３に
固定されている。ファイバＡＳ１４は、ファイバと光結
合をするものであり、レンズＡＳ１２と一体となって、
パッケージ３に固定されている。
【００３３】このＬＤモジュール２の温度制御回路は、
ＬＤモジュール２内に収容された温度検出素子（サーミ
スタ）６、温度モニタ１６、温度安定化回路３０、温度
安定化回路３２、選択回路３４及びＴＥＣ駆動回路２０
からなる。
【００３４】温度検出素子６は、ＬＤチップ８の温度に
よって、抵抗値が変化するサーミスタであり、図７中の
ＴＥＣ４の上面に固定されている。温度モニタ１６は、
温度検出素子６の抵抗値を電圧ＶTH（例えば、温度ＴLD
の上昇とともに、電圧ＶTHが上昇する）に変換するもの
である。
【００３５】温度安定化回路３０は、ＬＤチップ８の保
証下限温度ＴLOW に該当する温度モニタ１６の出力電圧
に等しい基準電圧Ｖref(LOW)を一方の入力端子に入力
し、温度モニタ１６の出力電圧ＶTHを他方の入力端子に
入力して、差電圧（ＶTH−Ｖre f(LOW)）をスイッチ素子
３４に出力するオペアンプである。
【００３６】温度安定化回路３２は、ＬＤチップ８の保
証上限温度ＴHOT に該当する温度モニタ１６の出力電圧
に等しい基準電圧Ｖref(HIGH) を一方の入力端子に入力
し、温度モニタ１６の出力電圧ＶTHを他方の入力端子に
入力して、差電圧（ＶTH−Ｖ ref(HIGH) ）を選択回路３
４に出力するオペアンプである。
【００３７】選択回路３４は、温度モニタ１６の出力電
圧ＶTHが、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT を示す、例えば、Ｖ
ref(low)≦ＶTH≦Ｖref(HIGH) ならば、出力端子Ｏをハ
イインピーダンス状態（０Ｖとしてもよい）にし、ＴLD
≦ＴLOW を示す、例えば、ＶTH≦ＶLOW ならば、温度安
定化回路３０の出力電圧を選択し、ＴLD≧ＴHOT を示
す、例えば、ＶTH≧Ｖref(HIGH) ならば、温度安定化回
路３２の出力電圧を選択して、ＴＥＣ駆動回路２０に出
力する選択回路である。
【００３８】図３は、図２中の選択回路の回路図であ
る。この図に示すように、選択回路３４は、比較器３
５，３６、制御回路３７及びスイッチ回路３８を有す
る。
【００３９】比較器３５は、基準電圧ＶREF(LOW)と温度
モニタ１６の出力電圧ＶTHを入力して、ＶREF(LOW)≦Ｖ
THならば、ローレベルを出力し、ＶTH＜ＶREF(LOW)なら
ば、ハイレベルを出力するものである。
【００４０】比較器３６は、基準電圧ＶREF(HIGH) と温
度モニタ１６の出力電圧ＶTHを入力して、ＶTH≦Ｖ
REF(HIGH) ならば、ローレベルを出力し、ＶREF(HIGH)
＜ＶTHならば、ハイレベルを出力するものである。
【００４１】制御回路３７は、比較器３５，３６の出力
信号がともにローレベルの時、スイッチ回路３８の出力
端子Ｏをハイインピーダンス状態（グラウンドに接続し
てもよい）にし、比較器３５の出力信号がハイレベルの
時、スイッチ回路３８の入力端子Ｉ１と出力端子Ｏとを
接続し、比較器３６の出力信号がハイレベルの時、スイ
ッチ回路３８の入力端子Ｉ２と出力端子Ｏとを接続する
ものである。
【００４２】スイッチ回路３８は、制御回路３７によっ
て、入力端子Ｉ１，Ｉ２と出力端子Ｏとの接続が制御さ
れるものである。ＴＥＣ駆動回路２０は、選択回路３４
の出力電圧を入力して、出力電圧に該当する温度差をＴ
ＥＣ４の上下面に発生させるのに必要なペルチェ電流を
流すための駆動電圧をＴＥＣ４に供給するものである。
【００４３】図４は、図２のＬＤモジュールの温度制御
回路による温度制御方法を示す図であり、特に、同図
（ａ）は、横軸に外気温度（Ｔa ）、縦軸にＬＤチップ
温度（ＴLD）を表しており、同図（ｂ）は横軸に外気温
度（Ｔa ）、縦軸にペルチェ電流（ＩTEC ）を表してい
る。ここで、外気温度Ｔa とは、ＬＤチップ８の周辺の
温度をいう。
【００４４】以下、これらの図を参照して、図２のＬＤ
モジュールの温度制御回路の動作及びＬＤモジュールの
温度制御方法の説明をする。ＴＥＣ４の上面に配置され
た温度検出素子６は、その上面の温度（ＬＤチップ８の
温度ＴLD）によって、抵抗値が変化する。温度モニタ１
６は、温度検出素子６の抵抗値を電圧ＶTHに変換して、
温度安定化回路３０，３２及び選択回路３４に出力す
る。
【００４５】温度安定化回路３０は、基準電圧Ｖ
ref(LOW)と温度モニタ１６の出力電圧ＶTHの差電圧（Ｖ
TH−Ｖref(LOW)）を選択回路３４の入力端子Ｉ１に出力
する。温度安定化回路３２は、基準電圧Ｖref(HIGH) と
温度モニタ１６の出力電圧ＶTHの差電圧（ＶTH−Ｖ
ref(HIGH) ）を選択回路３４の入力端子Ｉ２に出力す
る。
【００４６】選択回路３４中の比較器３５は、基準電圧
ＶREF(LOW)と温度モニタ１６の出力電圧ＶTHを入力し
て、ＶREF(LOW)≦ＶTHならば、ローレベルを出力し、Ｖ
TH＜Ｖ REF(LOW)ならば、ハイレベルを出力する。
【００４７】選択回路３４中の比較器３６は、基準電圧
ＶREF(HIGH) と温度モニタ１６の出力電圧ＶTHを入力し
て、ＶTH≦ＶREF(HIGH) ならば、ローレベルを出力し、
ＶRE F(HIGH) ＜ＶTHならば、ハイレベルを出力する。
【００４８】制御回路３７は、比較器３５，３６の出力
信号がともにローレベルの時、スイッチ回路３８の出力
端子Ｏをハイインピーダンス状態にし、比較器３５の出
力信号がハイレベルの時、スイッチ回路３８の入力端子
Ｉ１と出力端子Ｏとを接続し、比較器３６の出力信号が
ハイレベルの時、スイッチ回路３８の入力端子Ｉ２と出
力端子Ｏとを接続する。
【００４９】即ち、選択回路３４は、温度モニタ１６の
出力電圧ＶTHが、Ｖref(LOW)≦ＶTH≦Ｖref(HIGH) 、つ
まり、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT ならば、出力端子Ｏをハイ
インピーダンス状態にし、ＶTH＜Ｖref(LOW)、つまり、
ＴLD＜ＴLOW ならば、温度安定化回路３０の差電圧（Ｖ
TH−Ｖref(LOW)）を選択し、Ｖref(HIGH) ＜ＶTH、つま
り、ＴLD＞ＴHOT ならば、温度安定化回路３２の差電圧
（ＶTH−Ｖref(HIGH) ）を選択して、ＴＥＣ駆動回路２
０に出力する。
【００５０】ＴＥＣ駆動回路２０は、選択回路３４の出
力電圧を入力して、この出力電圧に相当する温度差をＴ
ＥＣ４に発生させるために、該当するペルチェ電流Ｉ
TEC に相当する駆動電圧をＴＥＣ４に供給する。
【００５１】これにより、図４（ｂ）に示すように、Ｔ
LOW ≦Ｔa ≦ＴHOT ならば、ＴLOW≦ＴLD≦ＴHOT とな
り、ＩTEC ＝０となり、ＴＥＣ４がＯＦＦされるため、
ＴLO W は変化しない。
【００５２】Ｔa ＜ＴLOW で、ＴLD＜ＴLOW ならば、温
度安定化回路３０の差電圧（ＶTH−Ｖref(LOW)）の温度
差に相当する負のペルチェ電流ＩTEC がＴＥＣ駆動回路
２０に流れて、ＴLD＝ＴLOW となるように制御される。
【００５３】ＴHOT ＜Ｔa で、ＴHOT ＜ＴLDならば、温
度安定化回路３２の差電圧（ＶTH−Ｖref(HIGH) ）の温
度差に相当する正のペルチェ電流がＴＥＣ駆動回路２０
に流れて、ＴLD＝ＴHOT となるように制御される。
【００５４】ＴＥＣ駆動回路２０には、ＴＥＣ駆動回路
２０から供給される電圧に従って、ペルチェ電流ＩTEC
が流れて、ＴＥＣ４の上下面にて、一方が吸熱面、他方
が発熱面となり、ＴＥＣ４の上面に配置されたＬＤチッ
プ８の温度調節が行われる。
【００５５】この結果、図４（ａ）に示すように、Ｔ
LOW ≦Ｔa ≦ＴHOT ならば、ペルチェ電流ＩTEC ＝０な
ので、ＬＤチップ８の温度制御は行わないため、ＴLD＝
Ｔa となり、Ｔa ＜ＴLOW ならば、ＴLD＝ＴLOW とな
り、ＴLD＞ＴHOT ならば、ＴLD＝ＴHOT となる。
【００５６】一方、ＬＤチップ８には、２．４Ｇビット
／秒などの高速変調信号が入力され、変調信号に応じた
電流が流れて、ＬＤチップ８が発光する。ＬＤチップ８
からの発光したレーザ光線は、レンズ１０で平行光とな
り、レンズＡＳ１２内に配設されたレンズを通過して集
光され、ファイバＡＳ１２内に配設されたファイバとフ
ァイバ結合されて、光伝送される。
【００５７】これにより、ＬＤモジュールは、従来、Ｔ
SET −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴSET ＋ΔＴの温度範囲から、Ｔ
LOW −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴHOT ＋ΔＴの温度範囲に拡大でき
る。ここでΔＴは、ＴLD＝ＴHOT 又はＴLD＝ＴHOT とし
た時に熱暴走を起こさない上限値又は下限のペルチェ電
流ＩTEC を流した時の周囲温度とＴHOT との差である。
【００５８】以上説明した第１実施形態によれば、外気
温度がＬＤチップの保証温度範囲内であれば、ＴＥＣに
ペルチェ電流を流さないので、ＴＥＣの消費電力を削減
することができる。
【００５９】このＴＥＣの消費電力を削減できることに
より、ＴＥＣの消耗、経年変化などが小さくなり、ＬＤ
モジュールの信頼度を上げることができる。更に、ＬＤ
モジュールは、従来、ＴSET −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴSET ＋Δ
Ｔの温度範囲から、ＴLOW −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴHOT ＋ΔＴ
の温度範囲に拡大することができる。
【００６０】第２実施形態 図５は、本発明の第２実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路の構成図であり、図２中の要素と実質的に
同一の要素には、同一の符号を付している。
【００６１】第２実施形態によるＬＤモジュールの温度
制御回路は、ＬＤモジュール４０の中にＬＤ温度検出素
子６とは別に、周囲温度検出素子４２及び温度モニタ４
４を設けたことが第１実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路と異なる。
【００６２】周囲温度検出素子４２は、図７のＬＤモシ
ュールと同様の位置に配置されるＬＤチップ８の周囲温
度Ｔa を測定するためのものであり、ＬＤチップ８が配
置されるＴＥＣ４の上面以外の所（ＬＤモジュール外で
も可）に配置されている。温度モニタ４４は、周囲温度
検出素子４２の抵抗値を電圧Ｖa に変換するものであ
る。他の構成要素は、図２の構成要素と実質的に同一な
ので説明を省略する。
【００６３】以下、図４の第２実施形態によるＬＤモジ
ュールの温度制御回路の動作及びＬＤモジュールの温度
制御方法の説明をする。ＴＥＣ４の上面に配置された温
度検出素子６及び温度モニタ１６は、ＬＤチップ８の温
度を測定して、電圧ＶTHに変換する。また、ＴＥＣ４の
上面以外の所に配置された温度検出素子４２及び温度モ
ニタ４４は、ＬＤチップ８の周囲温度Ｔ a を測定して、
電圧Ｖa に変換する。
【００６４】温度安定化回路３０は、基準電圧Ｖ
ref(LOW)と温度モニタ１６の出力電圧ＶTHの差電圧（Ｖ
TH−Ｖref(LOW)）を選択回路３４の入力端子Ｉ１に出力
する。温度安定化回路３２は、基準電圧Ｖref(HIGH) と
温度モニタ１６の出力電圧ＶTHの差電圧（ＶTH−Ｖ
ref(HIGH) ）を選択回路３４の入力端子Ｉ２に出力す
る。
【００６５】選択回路３４は、温度モニタ４４の出力電
圧Ｖa が、Ｖref(LOW)≦Ｖa ≦Ｖref(HIGH) 、つまり、
ＴLOW ≦Ｔa ≦ＴHOT ならば、出力端子Ｏをハイインピ
ーダンス状態にし、Ｖa ＜Ｖref(LOW)、つまり、Ｔa ＜
ＴLOW ならば、温度安定化回路３０の差電圧（ＶTH−Ｖ
ref(LOW)）を選択し、Ｖref(HIGH) ＜Ｖa 、つまり、Ｔ
a ＞ＴHOT ならば、温度安定化回路３２の差電圧（ＶTH
−Ｖref(HIGH) ）を選択して、ＴＥＣ駆動回路２０に出
力する。
【００６６】これにより、ＴLOW ≦Ｔa ≦ＴHOT の場合
は、周囲温度検出素子４２は、ＬＤチップ８の周囲に配
置しているので、Ｔa ＝ＴLDとなり、第１実施形態と同
じになる。
【００６７】Ｔa ＜ＴLOW の場合は、第１実施形態で
は、ＴLDが温度制御によって、既に、ＴLD＝ＴLOW にな
っている時は、選択回路３４によって、出力端子Ｏがハ
イインピーダンス状態となり、ＴＥＣ４のペルチェ電流
＝０となっており、第２実施形態では、ＴLD＝ＴLOW に
なるように制御されるが、ＴLD＝ＴLOW なので、（Ｖre
f(LOW)−ＶTH）＝０Ｖとなり、結果は、第１実施形態と
同じである。
【００６８】Ｔa ≧ＴHOT の場合も、Ｔa ≦ＴLOW の場
合と同様の理由により、第１実施形態と同じになる。こ
れにより、第１実施形態と同様に、ＴLOW ≦Ｔa ≦Ｔ
HOT の場合は、ペルチェ電流ＩTEC ＝０なので、ＬＤチ
ップ８の温度制御は行わないため、ＬＤチップ８のＴLD
＝Ｔa 、Ｔa ＜ＴLOW の場合は、ＴLD＝ＴLOW となり、
Ｔa ＞ＴHOT の場合は、ＴLD＝ＴHOT となる。
【００６９】そのため、ＬＤモジュールは、従来、Ｔ
SET −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴSET ＋ΔＴの温度範囲から、Ｔ
LOW −ΔＴ≦Ｔa ≦ＴHOT ＋ΔＴの温度範囲に拡大でき
る。以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態
と同様の効果がある。
【００７０】第３実施形態 図６は、本発明の第３実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路の構成図であり、図２中の要素と実質的に
同一の要素には、同一の符号を付している。
【００７１】第３実施形態によるＬＤモジュールの温度
制御回路は、ＴＥＣ駆動回路２０とＴＥＣ４との間にリ
ミッタ回路５０を設けたことが従来のＬＤモジュールの
温度制御回路と異なる。
【００７２】ＴＥＣ４は、その特性と熱引き条件によっ
て異なるが、リミットを越えるペルチェ電流ＩTEC が流
れると、半導体素子などに発生するジュール熱によっ
て、熱暴走を起こしてしまう。
【００７３】そこで、ＴＥＣ４が熱暴走を起こさない上
限のペルチェ電流のリミット電流ｌｉｍｉｔを、実験な
どによって求めておく。ＴＥＣ４に流れるペルチェ電流
ＩTE C の方向（正負）にかかわらず、発生するジュール
熱の大きさは、ペルチェ電流の絶対値によって、決定さ
れるので、熱暴走を起こさない下限のペルチェ電流は、
−ｌｉｍｉｔとなる。
【００７４】リミッタ回路５０は、±ｌｉｍｉｔのペル
チェ電流ＩTEC でＴＥＣ４を駆動するＴＥＣ駆動回路２
０の出力電圧±Ｖlimit でＴＥＣ駆動回路２０の出力電
圧をカットして、ＴＥＣ４に流すペルチェ電流ＩTEC を
熱暴走の起きない範囲に制御するものである。他の構成
要素は、図２の構成要素と実質的に同一なので説明を省
略する。
【００７５】図７は、図６のＬＤモジュールの温度制御
回路による温度制御方法を示す図である。以下、図７を
参照しつつ、第３実施形態による図５のＬＤモジュール
の温度制御回路及びＬＤモジュールの温度制御方法の説
明をする。
【００７６】ＴＥＣ４の上面に配置された温度検出素子
６は、図８と同様に構成されたＬＤチップ８の温度ＴLD
によって、抵抗値が変化する。温度モニタ１６は、温度
検出素子６の抵抗値を電圧ＶTHに変換して、温度安定化
回路１８に出力する。
【００７７】温度安定化回路１８は、差電圧（ＶTH−Ｖ
ref ）を求めて、ＴＥＣ駆動回路２０に出力する。ＴＥ
Ｃ駆動回路２０は、差電圧（ＶTH−Ｖref ）に相当する
温度差（ＴLD−ＴSET ）を生じるペルチェ電流ＩTEC を
流す駆動電圧をＴＥＣ４に出力する。ここで、Ｔ
SET は、ＬＤチップ８の設定温度であり、例えば、２５
°Ｃとする。
【００７８】リミッタ回路５０は、駆動電圧が±Ｖ
limit を越える場合は、±Ｖlimit にカットして、ＴＥ
Ｃ４に駆動電圧を供給する。ＴＥＣ４には、駆動電圧に
従って、ペルチェ電流ＩTEC が流れて、ＴＥＣ４の上面
に配置したＬＤチップ８を冷却又は暖める。これによ
り、図７（ｂ）に示すように、ペルチェ電流ＩTEC は、
±ｌｉｍｉｔを越えなければ、ＬＤチップ８は、温度Ｔ
LD＝ＴSET となるように制御される。また、ペルチェ電
流ＩTEC は、±ｌｉｍｉｔを越えると、図７（ｂ）に示
すように、ＩTEC ＝±ｌｉｍｉｔと一定となり、熱暴走
は防止されるが、図７（ａ）に示すように、ＬＤチップ
８の温度ＴLDは、ＴSET ＋ΔＴ又はＴSET −ΔＴからリ
ニアに増加又は減少してゆく。ここで、ΔＴは、ペルチ
ェ電流ＩTEC ＝ｌｉｍｉｔと一定となる時の最小のＴa
とＴSET との差である。
【００７９】そのため、ＬＤチップ８の保証温度をＴ
LOW からＴHOT までとした時、ＬＤモジュール２は、Ｔ
LD＝ＴLOW となる外気温度からＴLD＝ＴHOT となる外気
温度までに拡大して使用することができる。
【００８０】以上説明した第３実施形態によれば、ＬＤ
モジュールは、ＴSET −ΔＴ≦Ｔa≦ＴSET ＋ΔＴの温
度範囲から、更に、下限のリミット電流（ＩTEC ＝−ｌ
ｉｍｉｔ）を流した時に、ＴLD＝ＴLOW となる外気温度
から、上限のリミット電流（ＩTEC ＝ｌｉｍｉｔ）を流
した時に、ＴLD＝ＴHOT となる外気温度までに拡大して
使用することができる。
【００８１】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜請求項
５記載の発明によれば、ＬＤモジュールの使用可能範囲
を従来よりも拡大して使用することができる。
【００８２】請求項１及び請求項４、５記載の発明によ
れば、ＴＥＣの消費電流を少なくすることができ、ＬＤ
モジュールの信頼性向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路の構成図である。
【図３】図２中の選択回路の構成図である。
【図４】図２のＬＤモジュールの温度制御回路による温
度制御方法を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路の構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるＬＤモジュールの
温度制御回路の構成図である。
【図７】図５のＬＤモジュールの温度制御回路による温
度制御方法を示す図である。
【図８】従来のＬＤモジュールを示す図である。
【図９】ＴＥＣの温度特性を示す図である。
【図１０】従来のＬＤモジュールの温度制御回路の構成
図である。
【図１１】従来のＬＤモジュールの温度制御方法を示す
図である。
【符号の説明】
２２ ＬＤ ２３ ＴＥＣ ２４ 温度検出素子 ２５ 温度モニタ手段 ２６ 第１温度安定化手段 ２７ 第２温度安定化手段 ２８ 選択手段 ２９ ＴＥＣ駆動手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島野 善雄 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 石坂 哲男 北海道札幌市中央区北一条西２丁目１番地 富士通北海道ディジタル・テクノロジ株 式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体レーザと、該半導体レーザに近接
    して配置され、ペルチェ電流を流して、前記半導体レー
    ザの温度調節をするペルチェ素子と、前記半導体レーザ
    の温度により抵抗が変化する温度検出素子を有する半導
    体レーザモジュールの温度制御方法において、 前記半導体レーザの光出力特性の保証温度範囲をＴLOW
    からＴHOT までとし、前記半導体レーザの外気温度をＴ
    a 、前記温度検出素子の抵抗に基づいて測定される前記
    半導体レーザの温度をＴLDとした時、 ＴLOW ≦Ｔa ≦ＴHOT の時に、前記ペルチェ素子には、
    前記ペルチェ電流を流さないようにし、 ＴHOT ＜Ｔa の時に、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT となるよう
    に、前記ペルチェ素子に前記ペルチェ電流を流し、 Ｔa ＜ＴLOW の時に、ＴLOW ≦ＴLD≦ＴHOT となるよう
    に、前記ペルチェ素子に前記ペルチェ電流を流すように
    制御することを特徴とする半導体レーザモジュールの温
    度制御方法。
  2. 【請求項２】 半導体レーザと、該半導体レーザに近接
    して配置され、ペルチェ電流を流すことによって、前記
    半導体レーザの温度調節をするペルチェ素子とを有する
    半導体レーザモジュールの温度制御方法において、 前記ペルチェ素子に流す前記ペルチェ電流により該ペル
    チェ素子に発生するジュール熱により熱暴走を起こさな
    いペルチェ電流の範囲をＩLLIMからＩHLIMまでとした
    時、前記ペルチェ電流ＩTEC が、ＩLLIM≦ＩTEC ≦Ｉ
    HLIMとなるように前記ペルチェ電流を流すように制御す
    ることを特徴とする半導体レーザモジュールの温度制御
    方法。
  3. 【請求項３】 前記ペルチェ電流がＩLLIM≦ＩTEC ≦Ｉ
    HLIMを満たす場合は、前記半導体レーザの温度ＴLDが設
    定温度ＴSET に等しくなるように前記ペルチェ電流Ｉ
    TEC を流し、ＩTEC ＞ＩHLIMとなると、ＩTEC ＝ＩHLIM
    となるように前記ペルチェ電流を流し、ＩTEC ＜ＩLLIM
    となると、ＩTEC ＝ＩLLIMとなるように前記ペルチェ電
    流を流すようにしたことを特徴とする請求項２記載の半
    導体レーザモジュールの温度制御方法。
  4. 【請求項４】 半導体レーザと、該半導体レーザに近
    接して配置され、ペルチェ電流を流して、前記半導体レ
    ーザを冷却するペルチェ素子と、前記半導体レーザの温
    度により抵抗が変化する温度検出素子とを有する半導体
    レーザモジュールの温度制御装置において、 前記温度検出素子の抵抗を電圧に変換する温度モニタ手
    段と、 前記半導体レーザの光出力特性の保証温度範囲をＴLOW
    からＴHOT までとした時、該ＴLOW に該当する前記温度
    モニタ手段の出力電圧に等しい第１基準電圧と、前記温
    度モニタ手段の出力電圧との第１差分電圧を出力する第
    １温度安定化手段と、 前記ＴHOT に該当する前記温度モニタ手段の電圧に等し
    い第２基準電圧と、前記温度モニタ手段の出力電圧との
    第２差分電圧を出力する第２温度安定化手段と、 前記温度モニタ手段の出力電圧が前記半導体レーザの温
    度ＴLDが、ＴLD＜ＴLO W を示す時は、前記第１差分電圧
    を選択し、ＴLD＞ＴHOT の時は、前記第２差分電圧を選
    択する選択手段と、 前記選択手段の出力電圧に基づいて、前記ペルチェ素子
    を駆動するペルチェ素子駆動手段と、 を具備したことを特徴とする半導体レーザモジュールの
    温度制御装置。
  5. 【請求項５】 半導体レーザと、該半導体レーザに近接
    して配置され、ペルチェ電流を流して、前記半導体レー
    ザの冷却をするペルチェ素子と、前記半導体レーザの温
    度により抵抗が変化する第１温度検出素子とを有する半
    導体レーザモジュールの温度制御装置において、 前記半導体レーザの外気温度Ｔa により抵抗が変化する
    第２温度検出素子と、 前記第１温度検出素子の抵抗を電圧に変換する第１温度
    モニタ手段と、 前記第２温度検出素子の抵抗を電圧に変換する第２温度
    モニタ手段と、 前記半導体レーザの光出力特性の保証温度範囲をＴLOW
    からＴHOT までとした時、該ＴLOW に該当する前記第１
    温度モニタ手段の出力電圧に等しい第１基準電圧と、前
    記第１温度モニタ手段の出力電圧との第１差分電圧を出
    力する第１温度安定化手段と、 前記ＴHOT に該当する前記第１温度モニタ手段の出力電
    圧に等しい第２基準電圧と、前記第１温度モニタ手段の
    出力電圧との第２差分電圧を出力する第２温度安定化手
    段と、 前記第２温度モニタ手段の出力電圧が、Ｔa ＜ＴLOW を
    示す時、前記第１差分電圧を選択し、Ｔa ＞ＴHOT を示
    す時、前記第２差分電圧を選択する選択手段と、 前記選択手段の出力電圧に基づいて、前記ペルチェ素子
    を駆動するペルチェ素子駆動手段と、 を具備したことを特徴とする半導体レーザモジュールの
    温度制御装置。
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