JPWO2015162964A1 - 光送信器および半導体レーザ温度制御方法 - Google Patents

光送信器および半導体レーザ温度制御方法 Download PDF

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Abstract

半導体レーザ(5)と、半導体レーザ(5)と接続され、半導体レーザ(5)を加熱または冷却する熱電素子(6)と、熱電素子(6)を介して半導体レーザ(5)の温度を検知するサーミスタ(7)と、半導体レーザ(5)を駆動するレーザ駆動回路部(2)と、サーミスタ(7)から半導体レーザ(5)の温度情報を取得し、サーミスタ(7)が検知する温度が設定値となるように熱電素子(6)に流す電流を制御する熱電素子駆動回路(4)と、半導体レーザ(5)から出力されるモニタ電流情報と、サーミスタ(7)から通知される半導体レーザ(5)の温度情報と、レーザ駆動回路部(2)から通知されるレーザ駆動電流情報とに基づき、設定値を変更する制御部(3)とを備えた。

Description

この発明は、光伝送システムにおいて、半導体レーザの温度を一定に保つための、ペルチェ素子などに代表される電流により発熱または冷却する熱伝素子を制御する光送信器、および、半導体レーザ温度制御方法に関するものである。
光送信器においては、一般的に、光送信器に用いられる半導体レーザの、温度上昇による電流−光変換効率(スロープ効率)の低下や、温度による波長シフトを防ぐために、半導体レーザの温度をある温度一定に保つよう、ペルチェ素子等に代表される電流により発熱・冷却する熱電素子、及びその熱電素子を制御するためのTEC(Thermo−Electric Cooler)コントローラを具備している。そして、従来のTECコントローラによる温度制御では、半導体レーザを駆動する温度を決定し、半導体レーザの現在の温度情報をサーミスタ等の温度センサで読み取り、温度に対応した電流・電圧等の情報をTECコントローラにフィードバックし、TECコントローラはその電流・電圧等が一定となるように熱電素子の温度(すなわち半導体レーザの温度)を制御する。
また、例えば、特許文献1には、レーザ・ダイオードを励起光源として、温度検出素子で検出した温度と、任意に設定された目標温度との高低関係を、加熱/冷却判別回路で得、これに基づいて、制御ブロックが、制御素子を駆動する電流のON/OFFの時間比を制御して、目標温度となるようにする温度制御回路が開示されている。
特開平5−241668号公報
一般的に半導体レーザは、温度により半導体レーザの発振波長がシフトする等、様々な温度依存を持った特性があり、その温度依存性を解消するため、上述のように、ペルチェ等の熱電素子、及びTECコントローラを用いて、基本的に全てのモジュールがある一定の設定温度(Tld)になるように温度制御する。その設定温度(Tld)は、レーザのスロープ効率が十分確保でき、かつ、装置の使用温度の高温側、低温側の温度に対し、熱電素子で加熱・冷却し得る範囲である程度制限される。例えば、Tldを低く設定すると、高温側で多くの電流を消費する。逆にTldを高く設定すると、低温側で加熱のために多くの電流を消費することになる。
ここで、例えば、一般的な半導体レーザは、半導体レーザに流す電流を光に変換する効率(スロープ効率)が低温では高く、高温では低くなる特性を持つ。しかしながら、高温側での電流を光に変換する効率の低下の仕方は物によって様々である。そのため、物によっては、高温においてもよく発光する半導体レーザが存在し、すなわち、熱電素子で制御する半導体レーザのTldを標準的なレーザに比べて高くしても、目的のパワーを出力することができることがある。
従来の技術では、このような半導体レーザの温度特性の良し悪しに関わらず、一定のTldとなるよう制御していたため、例えば、高温で特性が良い個体があったとしても一定の温度に制御され、電流素子への電流も多く消費することになってしまい、無駄な消費電力を使用して温度制御してしまっているという課題があった。
この発明は、このような課題を解決するものであり、Tldを個体ごと、また使用条件ごとに最適値に調整し、熱電素子に流れる電流を最小限にして、光送受信器の低消費電力化を実現できる光送信器、および、半導体レーザ温度制御方法を提供することを目的とする。
この発明は、半導体レーザと、半導体レーザと接続され、半導体レーザを加熱または冷却する熱電素子と、熱電素子を介して半導体レーザの温度を検知するサーミスタと、半導体レーザを駆動するレーザ駆動回路部と、サーミスタから半導体レーザの温度情報を取得し、サーミスタが検知する温度が設定値となるように熱電素子に流す電流を制御する熱電素子駆動回路と、半導体レーザから出力されるモニタ電流と、サーミスタから通知される半導体レーザの温度情報と、レーザ駆動回路部から通知されるレーザ駆動電流情報とに基づき、設定値を変更する制御部とを備えたものである。
この発明によれば、Tldを個体ごと、また使用条件ごとに最適値に調整し、熱電素子に流れる電流を最小限にして、光送受信器の低消費電力化を実現できる。
この発明の実施の形態1に係る光送信器の構成図である。 この発明の実施の形態1の制御部による温度制御の動作の一例を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態2に係る光送信器の構成図である。
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る光送信器の構成図である。
図1に示すように、光送信器は、半導体レーザ部1と、レーザ駆動回路部2と、制御部3と、熱電素子駆動回路4とを備える。
半導体レーザ部1は、半導体レーザ5と、熱電素子6と、サーミスタ7とからなる。
半導体レーザ5は、レーザ駆動回路部2からの電流に応じて発光、または、消光する。また、半導体レーザ5は、自身の発光パワーの情報を、モニタ電流としてレーザ駆動回路部2、および制御部3に通知する。制御部3では、その情報をアナログ/デジタル変換し保持することで、ホスト側に状態通知することができる。
なお、モニタ電流は、一般的に、半導体レーザ5と対となって実装されるモニタ用受光素子(受光電力に応じて電流量が変化する素子)であるモニタPDで生成される。モニタPDは、一般的に、半導体レーザ5の発光面とは逆の背面に実装され、半導体レーザ5の発光量に応じてモニタ電流が増減するという動作が実現される。
熱電素子6は、半導体レーザ5と接続され、熱電素子駆動回路4の電流制御に従い半導体レーザ5を加熱、または、冷却する。
サーミスタ7は、熱電素子6の温度を検知し、熱電素子駆動回路4に温度情報を通知する。なお、熱電素子6の温度とは、半導体レーザ5の温度が設定温度(Tld)となるよう制御をする際の温度である。また、サーミスタ7は、制御部3に、モニタ情報として、温度情報を通知する。
レーザ駆動回路部2は、制御部3を介して受信したホスト側からのデータに従い、半導体レーザ部1の半導体レーザ5に流す駆動電流を制御し、半導体レーザ5を駆動する。また、レーザ駆動回路部2は、自身が設定しているレーザ駆動電流情報を、制御部3に通知する。
制御部3は、半導体レーザ部1のサーミスタ7からの温度情報と、半導体レーザ5からのモニタ電流と、レーザ駆動回路部2からのレーザ駆動電流情報とを、それぞれモニタし、モニタした情報により、光送受信器としての特性は保持しつつ、Tldをなるべく周囲温度と近くするように制御する。なお、この実施の形態1において、周囲温度とは、光送信器の半導体レーザ5の温度制御においてサーミスタ7が検知する熱電素子6の温度のことをいう。
熱電素子駆動回路4は、サーミスタ7から通知される温度情報に基づき、制御部3が設定したTldとなるように、熱電素子6に流す電流を制御する。
なお、この発明の実施の形態1において、半導体レーザ5に関するモニタ情報(発光パワー、駆動電流の情報)は、DDM(Digital Diagnostics Monitoring)等の機能によりモニタするものとする。
図2は、この発明の実施の形態1の制御部3による温度制御の動作の一例を説明するフローチャートである。
なお、ここでは、光送信器の光出力パワーの制御方法として、Feed−Back APC(Automatic Power Control)方式を採用した光送信器とする。
なお、前提として、この発明の実施の形態1に係る光受信器が効果的に作用する環境としては、光送信器自身の温度、すなわち、周囲温度と、設定しているTldとが大きく乖離する時が挙げられる。そこで、この実施の形態1では、予めこの発明の実施の形態1に係る光送信器によるTldの制御が動作する温度閾値を設定し、制御部3に情報として保持しておくものとする。
まず、制御部3は、サーミスタ7からの温度情報に基づくモニタ温度に基づき、現在の温度をモニタし、予め設定された高温側、または、低温側いずれかの閾値を超えているかどうかを判定する(ステップST1)。すなわち、制御部3は、高温側、低温側どちらかの制御をかけるかを判定する。なお、ここでは、モニタ温度そのものに閾値を設定するものとするが、これに限らず、温度モニタ値とTldの差分に閾値を予め設定し、温度モニタ値とTldの差分が閾値を超えたかどうかによって判定するようにしてもよい。
ステップST1において、高温側、低温側、いずれの閾値も超えていないと判断した場合(ステップST1の“NO”)、制御せず処理終了する。
一方、ステップST1において、高温側、または、低温側いずれかの閾値を超えていると判断した場合(ステップST1の“YES”の場合)、制御部3は、ステップST2へ進み、制御を開始する。
具体的には、高温側を例にとると、予め設定された高温側の閾値が50℃であった場合、現在のモニタ温度が49℃であれば何も制御しないが、現在のモニタ温度50℃をモニタした場合、制御部3は、制御を開始する。
制御部3は、ステップST1で超えたと判断した温度閾値が高温側であるかどうかを判定する(ステップST2)。
ステップST2において、超えた温度閾値は高温側であると判断した場合(ステップST2の“YES”の場合)、制御部3は、Tldを、周囲温度となるまで、または、熱電素子6が冷却しなければいけない温度ΔTldが予め設定した閾値に達するまで、Tldを上げる(ステップST3)。
ここで、ステップST3の動作について、詳しく説明する。
省電効果を得るためには、「Tldを可能な限り周囲温度に近づける」必要があるが、この際、中心波長の特性を考慮する必要がある。中心波長は、スペックで、例えば1260〜1280nmというように定められており、半導体レーザ5の温度によって変動する性質がある(例えば0.1nm/℃)。また、半導体レーザ5によっては、波長によって光出力パワー特性が変化するものもある。なお、ここでは、ある光送信器の中心波長、及び温度による変化量は、光送信器の初期調整試験時に設定されるものとする(ただし、必ずしも調整試験時の結果を用いなくとも、分布特性等から計算で求めるようにしてもよい)。そして、この、光送信器の中心波長、および温度による変化量から求まるのが、スペック上動かしてもよいΔTld、すなわち、中心波長の許容量であり、ΔTldの許容量である。そこで、制御部3は、ΔTldが予め設定した閾値に達しているかどうかの判断を行う。
その際、例えば、個体の中心波長変動の許容量(ΔTldの許容量)が2nm=20℃であるとすると、消費電力の観点からすると、Tld=周囲温度となる条件が一番低くなるため、例えば、周囲温度=55℃のように、ΔTldの限界、すなわち閾値まで動かさずとも、消費電力がミニマムとなる条件が存在する場合がある。
したがって、このステップST3において、制御部3は、ΔTldが許容量を超えていないか、と、Tldが周囲温度に達したかの判断をあわせて行うようにする。
図2のフローに戻る。
制御部3は、レーザ駆動回路部2から現在半導体レーザ5を駆動しているレーザ駆動電流情報を取得し、取得したレーザ駆動電流情報が、予め設定された閾値に達していないかを判定する(ステップST4)。
「Tldを可能な限り周囲温度に近づける」際、中心波長だけでなく、消光比(発光/消光の比)も考慮する必要がある。ステップST4では、この消光比を考慮し、ステップST3で上げたTldが適当であるかどうかの判定をする。
半導体レーザ5は、Tldの変動とは独立して、モニタ電流を見ながら一定のパワーで光るように制御がかかっている。すなわち、高温で著しく電流に対する光出力パワーの効率が悪くなる。なお、モニタ電流とは、半導体レーザ5の発光量に応じて変化する電流であり、出力光パワーの値そのものである。
つまり、高温で著しく電流に対する光出力パワーの効率が悪くなる半導体レーザ5であっても、目標のパワーで光るように、レーザ駆動回路部2は、レーザ駆動電流を流し続ける。しかしながら、半導体レーザ5の効率には限界があるので、温度が高くなり過ぎると、パワーは一定量出ていたとしても、消光比がとれなくなってしまうことがある。そのため、この発明の実施の形態1では、予め半導体レーザ5の分布データ等から、レーザ駆動電流の閾値を設定しておき、制御部3は、この閾値に達していないかどうかを判断することにより、ステップST3においてTldを上昇させたことによって、レーザ駆動電流が大きくなり過ぎていないかの判定を行う。
また、このステップST4においては、同時に、半導体レーザ5が過発光状態になり得ないように、また、故障状態に陥らないようにチェックすることができる。
ステップST4において、レーザ駆動電流が閾値に達したと判断した場合(ステップST4の“NO”の場合)、制御部3は、Tldを下げる(ステップST5)。すなわち、ステップST3においてTldを上昇させたことによって、レーザ駆動電流が大きくなりすぎたと判断し、Tldを下げて、レーザ駆動電流を閾値以下まで下げる。
ステップST4において、レーザ駆動電流が閾値に達していないと判断した場合(ステップST4の“YES”の場合)、制御部3は、半導体レーザ5から取得したモニタ電流に基づき、出力光パワーが、予め設定された閾値に達していないかどうかを判定する(ステップST6)。これは、「Tldを可能な限り周囲温度に近づける」際に、中心波長、消光比の他に注意しなければならない光出力パワーの特性を考慮した処理である。
ステップST6において、出力光パワーが閾値に達していると判断した場合(ステップST6の“NO”の場合)、制御部3は、目的のパワーを出力できていないと判断し、Tldを下げ(ステップST7)、ステップST6の処理を繰り返す。
ステップST6において、出力光パワーが閾値に達していないと判断した場合(ステップST6の“YES”の場合)、制御部3は、適切にTldの制御が行えたと判断し、処理終了する。
一方、ステップST2において、超えた温度閾値は高温側ではないと判断した場合(ステップST2の“NO”の場合)、制御部3は、Tldを、周囲温度となるまで、または、熱電素子6が加熱しなければいけない温度ΔTldが予め設定した閾値に達するまで、Tldを下げる(ステップST8)。
制御部3は、半導体レーザ5から取得したモニタ電流に基づき、出力光パワーが、予め設定された閾値に達していないかどうかを判定し(ステップST9)、閾値に達している場合(ステップST9の“NO”の場合)は、Tldを上げ(ステップST10)、ステップST9の処理を繰り返し、閾値に達していない場合(ステップST9の“YES”の場合)は、処理終了する。この、ステップST8、9の処理は、高温側の処理(ステップST3、6)の逆の処理であるため、詳細な説明は省略する。
なお、低温側は、高温側に対し、効率(半導体レーザ5に流す電流に対する発光パワー)が良くなる方向であるため、消光比が低すぎて取れないということが考えられないため、ここでは、低温側での、レーザ駆動電流が閾値に達していないかの判定(高温側のステップST4の判定)は省略しているが、低温側において、高温側同様、レーザ駆動電流が閾値に達していないかの判定を行うようにしてもよい。
以上、図2で説明したように、この発明の実施の形態1において、制御部3は、中心波長と、消光比と、光出力パワーとの3つの特性を考慮し、基本的には、これらの特性のどれか1つが上限に達するまで、Tldを周囲温度に近づける制御を行う。
以上のように、この実施の形態1によれば、半導体レーザの特性をモニタ情報からある程度計算し、Tldをその素子の特性に応じた最適値(熱電素子に極力電流を流さず、特性を確保できるTld)に自動的に調整して、すなわち、光送信器の動作保証温度が高温側、または、低温側になった際でもなるべくTldを周囲温度に近づけられるため、熱電素子6へ流す電流を最適化することができ、結果的に光送信器の低消費電力化を可能にすることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、Tldを周囲温度の変化に追従させ動的に変化させていたが、制御部の不揮発性メモリ領域にLook Up Tableを保持し、実施の形態1で示した処理をFeed Foward制御するようにしてもよい。
図3は、この発明の実施の形態2に係る光送信器の構成図である。
なお、実施の形態1において、図1を用いて説明したものと同様の構成については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
この発明の実施の形態2に係る光送信器は、図3に示すように、実施の形態1の光送信器と比べ、制御部3がLook Up Table19を保持する点が異なるのみである。
Look Up Table19には、予め周囲温度、すなわち、サーミスタ7からの温度情報に基づくモニタ温度とTldの関係が決定され収録されている。
この実施の形態2においては、光送信器の温度調整時に、制御部3は、実施の形態1において図2に沿って説明した動作に則り、モニタされた温度情報から、Look Up Table19を参照し、逐次Tldを設定する。つまり、図2のステップST3、または、図2のステップST8の処理において、Tldを上げる、または、Tldを下げる際に、Look Up Table19を参照して、周囲温度に対応付けられたTldを設定するようにする。
なお、Look Up Table19については、光送信器全体の調整試験時に温度試験を実施し、予め最適なモニタ温度に対するTldをテーブル化しておくようにしておけばよい。
その他の動作は実施の形態1で図2を用いて説明したものと同様であるので詳細な説明は省略する。
以上のように、この実施の形態2によれば、半導体レーザの特性をモニタ情報からある程度計算し、Tldをその素子の特性に応じた最適値(熱電素子に極力電流を流さず、特性を確保できるTld)に自動的に調整して、すなわち、光送信器の動作保証温度が高温側、または、低温側になった際でもなるべくTldを周囲温度に近づけられるため、熱電素子6へ流す電流を最適化することができ、結果的に光送信器の低消費電力化を可能にすることができる。また、現在のモニタ温度に基づきテーブルを参照してTldを変化させる、という、シンプルな動作となるため、ソフトウェアの複雑さを軽減することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
また、各実施の形態1,2における光送信器の制御に用いられる各部は、ソフトウェアに基づくCPUを用いたプログラム処理によって実行される。
この発明の光送信器および半導体レーザ温度制御方法は、Tldを個体ごと、また使用条件ごとに最適値に調整し、熱電素子に流れる電流を最小限にして、光送受信器の低消費電力化を実現できるため、光伝送システムにおいて、半導体レーザの温度を一定に保つための、ペルチェ素子などに代表される電流により発熱または冷却する熱伝素子を制御する光送信器、および、半導体レーザ温度制御方法等に適用することができる。
1 半導体レーザ部、2 レーザ駆動回路部、3 制御部、4 熱電素子駆動回路、5 半導体レーザ、6 熱電素子、7 サーミスタ、19 Look Up Table。

Claims (6)

  1. 半導体レーザと、
    前記半導体レーザと接続され、前記半導体レーザを加熱または冷却する熱電素子と、
    前記熱電素子を介して前記半導体レーザの温度を検知するサーミスタと、
    前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動回路部と、
    前記サーミスタから前記半導体レーザの温度情報を取得し、前記サーミスタが検知する温度が設定値となるように前記熱電素子に流す電流を制御する熱電素子駆動回路と、
    前記半導体レーザから出力されるモニタ電流情報と、前記サーミスタから通知される前記半導体レーザの温度情報と、前記レーザ駆動回路部から通知されるレーザ駆動電流情報とに基づき、前記設定値を変更する制御部とを備えた光送信器。
  2. 前記制御部は、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された高温側の第1の閾値を超えた場合に、
    前記設定値が前記サーミスタの検知する温度となるまで、または、前記熱電素子が前記半導体レーザを冷却しなければならない温度が予め設定された第2の閾値に達するまで、前記設定値を上げ、
    前記設定値を上げたことにより、前記レーザ駆動電流情報に基づくレーザ駆動電流が予め設定された第3の閾値を超えた場合には、前記設定値を下げるように修正し、
    前記モニタ電流情報に基づく光出力パワーが、予め設定された第4の閾値を超えた場合には、前記修正後の前記設定値を下げるように修正して前記設定値を変更し、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された低温側の第5の閾値を超えた場合に、
    前記設定値が前記サーミスタの検知する温度となるまで、または、前記熱電素子が前記半導体レーザを加熱しなければならない温度が予め設定された第6の閾値に達するまで、前記設定値を下げ、
    前記設定値を下げたことにより、前記モニタ電流情報に基づく前記光出力パワーが、予め設定された第7の閾値を超えた場合には、前記設定値を上げるように修正して前記設定値を変更する
    ことを特徴とする請求項1記載の光送信器。
  3. 前記制御部は、前記サーミスタが検知する温度と前記設定値とが対応付けられたテーブルを保持し、前記設定値を変更する際に、前記テーブルを参照する
    ことを特徴とする請求項1記載の光送信器。
  4. 前記制御部は、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された高温側の第1の閾値を超えた場合に、
    前記テーブルに基づき、前記設定値を変更し、
    前記設定値を変更したことにより、前記レーザ駆動電流情報に基づくレーザ駆動電流が予め設定された第3の閾値を超えた場合には、前記設定値を下げるように修正し、
    前記モニタ電流情報に基づく光出力パワーが、予め設定された第4の閾値を超えた場合には、前記修正後の前記設定値を下げるように修正して前記設定値を変更し、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された低温側の第5の閾値を超えた場合に、
    前記テーブルに基づき、前記設定値を変更し、
    前記設定値を変更したことにより、前記モニタ電流情報に基づく前記光出力パワーが、予め設定された第7の閾値を超えた場合には、前記設定値を上げるように修正して前記設定値を変更する
    ことを特徴とする請求項3記載の光送信器。
  5. 半導体レーザと、
    前記半導体レーザと接続され、前記半導体レーザを加熱または冷却する熱電素子と、
    前記熱電素子を介して前記半導体レーザの温度を検知するサーミスタと、
    前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動回路部とを備える光送信器における半導体レーザ温度制御方法であって、
    熱電素子駆動回路が、前記サーミスタから前記半導体レーザの温度情報を取得し、前記サーミスタが検知する温度が設定値となるように前記熱電素子に流す電流を制御するステップと、
    制御部が、前記半導体レーザから出力されるモニタ電流情報と、前記サーミスタから通知される前記半導体レーザの温度情報と、前記レーザ駆動回路部から通知されるレーザ駆動電流情報とに基づき、前記設定値を変更するステップとを備えた半導体レーザ温度制御方法。
  6. 前記制御部が、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された高温側の第1の閾値を超えた場合に、
    前記設定値が前記サーミスタの検知する温度となるまで、または、前記熱電素子が前記半導体レーザを冷却しなければならない温度が予め設定された第2の閾値に達するまで、前記設定値を上げるステップと、
    前記設定値を上げたことにより、前記レーザ駆動電流情報に基づくレーザ駆動電流が予め設定された第3の閾値を超えた場合には、前記設定値を下げるように修正するステップと、
    前記モニタ電流情報に基づく光出力パワーが、予め設定された第4の閾値を超えた場合には、前記修正後の前記設定値を下げるように修正して前記設定値を変更するステップとを備え、
    前記温度情報に基づくモニタ温度が予め設定された低温側の第5の閾値を超えた場合に、
    前記設定値が前記サーミスタの検知する温度となるまで、または、前記熱電素子が前記半導体レーザを加熱しなければならない温度が予め設定された第6の閾値に達するまで、前記設定値を下げるステップと、
    前記設定値を下げたことにより、前記モニタ電流情報に基づく前記光出力パワーが、予め設定された第7の閾値を超えた場合には、前記設定値を上げるように修正して前記設定値を変更するステップとを備えた
    ことを特徴とする請求項5記載の半導体レーザ温度制御方法。
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