JP2013225557A

JP2013225557A - 劣化判定装置、発光装置及び劣化判定方法

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Publication number: JP2013225557A
Application number: JP2012096415A
Authority: JP
Inventors: Shizuka Matsubara; 静香松原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-31

Abstract

【課題】簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。
【解決手段】
劣化判定装置は、発光素子の温度である第１の温度と、発光素子の周囲の温度である第２の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、発光素子の初期状態における所定の駆動条件に対応する第１の温度と第２の温度との関係である初期特性、及び、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の第１の温度と第２の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は劣化判定装置、発光装置及び劣化判定法法に関する。

半導体レーザダイオード（semiconductor laser diode、ＬＤ）は、光通信装置の光源や光ディスクの読み出し及び書き込み用の光源として広く用いられている。ＬＤは半導体素子の劣化の進行に伴い発光の効率が低下するため、駆動電流を一定に維持していても劣化により光出力が低下する。このため、ＬＤの劣化の判定基準として、同一の駆動条件で光出力が初期値から所定の割合だけ低下した場合に劣化と判定することが行われている。例えば、ＬＤの光出力が初期状態から５０％低下した時点でＬＤが劣化したと判定される。

しかしながら、一般に、ＬＤ等の発光素子の劣化状態を外部から知ることは困難である。ＬＤの劣化が進行するとＬＤの光出力が次第に低下するが、装置の機能が損なわれる程度までＬＤの光出力が低下するまでは、ＬＤの劣化を知ることができない場合がある。

ＬＤの劣化の検出方法に関連して、特許文献１は、ＬＤの発熱量の増大によりペルチェ素子の消費電力が所定の値を超えるとＬＤの駆動電流を制限する半導体レーザ光源装置の構成を記載している。

ＬＤを初めとする半導体発光素子は、伝導帯のエネルギー準位にある励起された電子が安定した価電子帯のエネルギー準位に遷移する際に、そのエネルギー準位の差分のエネルギーを電磁波（光）として放出する。ここで、差分のエネルギーをΔＥ、プランク定数をｈ、光の振動数をνとすると、アインシュタインの関係式であるΔＥ＝ｈνを満たす振動数νの電磁波が放出される。νの振動数が光として放出可能な振動数の場合は光が放出され（発光遷移）、それ以外の場合は熱として放出される（非発光遷移）。

ＬＤが劣化していない場合は、励起された電子が価電子帯のエネルギーバンドに落ちる際、励起された電子のエネルギー準位と価電子帯のエネルギー準位との差分のエネルギーは全て光として放出される。しかし、ＬＤの活性層における結晶欠陥の拡大等の理由によりＬＤが劣化し、伝導帯から価電子帯への遷移に占める非発光遷移の割合が増加すると、非発光遷移により生じた熱によりＬＤの温度が上昇する。ＬＤの劣化が進行すると、光ではなく熱を発生させる価電子がさらに増加し、発光に与る価電子が減少する。従って、ＬＤが劣化すると光出力が低下するとともにＬＤの発熱量が増大する。

特開２００５−１９１２２３号公報

特許文献１に記載された半導体レーザ光源装置は、ペルチェ素子の消費電力の増大によりＬＤの劣化を検出し、ＬＤの駆動電流を低下させる。このため、ＬＤの劣化の検出のためにペルチェ素子やその制御回路が必要となる。また、ペルチェ素子は一般にＬＤと同等以上の電力を消費する。このため、特許文献１に記載された半導体レーザ光源装置は、小型化、低価格化及び低消費電力化が困難であるという課題がある。

本発明の目的は、簡単な構成で発光素子の劣化を判定することを可能とするための技術を提供することにある。

本発明の劣化判定装置は、発光素子の温度である第１の温度と、発光素子の周囲の温度である第２の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、発光素子の初期状態における所定の駆動条件に対応する第１の温度と第２の温度との関係である初期特性、及び、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の第１の温度と第２の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、を備える。

本発明の劣化判定方法は、発光素子の初期状態における所定の発光素子の駆動条件に対応する発光素子の温度と発光素子の周囲の温度との関係である初期特性、発光素子が所定の駆動条件で使用される際の発光素子の温度及び発光素子の周囲の温度、に基づいて発光素子が使用される際の劣化状態を判定する。

本発明は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。

本発明の第１の実施形態である発光装置の構成を示す図である。第１の実施形態の発光装置の動作を示すフローチャートである。ＬＤの初期特性に基づいてＬＤの劣化を判定する手順を説明する図である。本発明の第２の実施形態である劣化判定装置の構成を示す図である。

（第１の実施形態）
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態である発光装置１００の構成を示す図である。発光装置１００は、ＬＤ１１、ＬＤ温度センサ１２、周囲温度センサ１３、判定部１４、記録部１５、駆動回路１６、光導波体１７及び出力部１８を備える。

ＬＤ１１は劣化の判定の対象となる半導体レーザダイオードである。ＬＤ１１は、駆動回路１６により駆動されて光導波体１７へ光を出力する。ＬＤ温度センサ１２はＬＤ１１の素子内部あるいは直近に置かれた温度センサであり、ＬＤ１１の温度を電気信号として出力する。周囲温度センサ１３はＬＤ１１の周囲の温度を電気信号として出力する温度センサである。周囲温度センサ１３は、ＬＤ１１の温度と相互に影響を与えるＬＤ１１の近傍の温度を出力する。例えば、ＬＤ１１が密封された小型の筐体に実装されている場合には、周囲温度センサ１３は当該筐体の内部の温度を出力する。これらの温度センサとしては例えばサーミスタや熱電対を使用することができる。

駆動回路１６は、ＬＤ１１を所定の駆動条件で駆動する。駆動回路１６は、判定部１４の指示に基づいてＬＤ１１を駆動してもよい。また、駆動回路１６は、ＬＤ１１の駆動条件を電気信号として判定部１４に出力する。ＬＤ１１の駆動条件は、例えばＬＤの駆動電流である。

光導波体１７は典型的には光ファイバであるが光を伝搬させる媒体であれば他のものでもよい。例えば、光導波体１７は光導波路でもよく、あるいは固定された媒体ではなく自由空間であってもよい。

判定部１４は、ＬＤ１１の劣化状態、すなわちＬＤ１１が劣化しているか否かを判定する。判定部１４は、ＬＤ温度センサ１２及び周囲温度センサ１３から入力される温度、駆動回路１６から入力されるＬＤ１１の駆動条件及び記録部１５に記録された情報に基づいてＬＤの劣化状態を判定する。ＬＤ１１が劣化すると、ＬＤ１１の発熱量が初期状態よりも増加してＬＤ温度が上昇する。そして、判定部１４は、ＬＤ１１の使用中のＬＤ温度が初期状態よりも所定の閾値以上上昇した場合には、ＬＤ１１が劣化したと判定する。判定部１４は、ＬＤ１１の劣化状態を判定すると、判定結果を出力部１８に出力する。

判定部１４は、ＬＤ温度センサ１２が示す温度と周囲温度センサ１３が示す温度との関係を、ＬＤ１１の駆動条件と対応づけて記録部１５に記録する。なお、判定部１４は、駆動回路１６にＬＤ１１の駆動条件を指示する機能を備えていてもよい。

記録部１５は半導体メモリ等の記憶装置である。記録部１５は、ＬＤ温度センサ１２及び周囲温度センサ１３が示す温度を、それらの温度を測定した際のＬＤ１１の駆動条件と対応づけて記録している。また、記録部１５は、ＬＤが劣化したと判定するためのＬＤ１１の所定の駆動条件におけるＬＤ温度あるいは周囲温度の少なくとも一方の閾値を記録している。なお、記録部１５は、判定部１４の内部に備えられていてもよい。

出力部１８は、判定部１４における判定結果を出力する。出力部１８は電気信号によって判定結果を外部の装置に出力してもよい。あるいは、出力部１８は、ＬＤ１１が劣化したと判定されるとランプの点灯等の表示を行ってもよい。

次に、第１の実施形態の発光装置の動作を、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施形態の発光装置の判定部の動作を示すフローチャートである。

図２において、判定部１４は、ＬＤ１１の初期状態においてＬＤ温度センサ１２の示す温度と周囲温度センサ１３が示す温度との関係を測定して記録部１５に記録する（図２のステップＳ１〜Ｓ３）。初期状態とはＬＤ１１の製造後、使用が開始された直後の状態であり、初期状態においてＬＤ１１は劣化していないものとする。

判定部１４は、まず、ある周囲温度においてＬＤ１１の駆動条件ごとにＬＤ温度を測定する（ステップＳ１）。ＬＤ温度は、ＬＤ１１への供給電力が一定となる駆動条件ごとに測定される。温度変化や駆動条件の変化に対してＬＤ１１の電圧降下の変動が小さい場合には、ＬＤ１１の駆動電流を駆動条件としてもよい。判定部１４は、同様の測定を複数の周囲温度について繰り返し行う（ステップＳ１〜Ｓ２：ＮＯ）。判定部１４は、測定結果に基づいてＬＤ１１の駆動条件と対応づけられたＬＤ温度及び周囲温度との関係（以下、「初期特性」という。）を求め、その関係を記録部１５に記録する（ステップＳ３）。

なお、判定部１４は、ＬＤ１１の初期特性を、必ずしもＬＤ毎に実測しなくともよい。類似する初期特性が入手可能と判断される場合は初期特性の測定を省略し、例えば他のＬＤで測定した初期特性を記録部１５に記憶させてもよい。あるいは、初期特性として経験的あるいは理論的に知られた関係を利用できる場合には、その関係を記録部１５に記憶させて用いてもよい。

次に、ＬＤ１１が劣化したと判定するための基準となる温度上昇量に基づいて閾値が設定される（ステップＳ４）。閾値は、ある周囲温度（例えば２５℃）において、対応するＬＤ温度が初期特性の値よりも一定の温度（例えば５℃上昇）上昇した場合にＬＤ１１が劣化したと判定するように設定される。この場合、閾値は＋５℃である。また、閾値は、ＬＤ温度あるいは周囲温度に関わらず一定値としてもよいし、ＬＤ温度あるいは周囲温度により異なる値としてもよい。判定部１４は、設定された閾値を記録部１５に書き込む。閾値は、発光装置１００の外部から記録部１５に直接書き込まれてもよい。なお、閾値は温度の絶対値（この場合は３０℃）として設定してもよい。

ＬＤ１１の初期特性が測定された後、ＬＤ１１の使用が開始される。判定部１４は、ＬＤ温度センサ１２及び周囲温度センサ１３によって測定されたＬＤ１１の使用中のＬＤ温度及び周囲温度を受信する。また、判定部１４は、駆動回路１６からＬＤ１１の駆動条件を受信する（ステップＳ５）。

次に、判定部１４は、ＬＤ１１の使用中に測定された周囲温度とその際の駆動条件を初期特性における同一の周囲温度及び駆動条件に当てはめる。そして、判定部１４はＬＤ１１の初期特性が維持されているとした（すなわちＬＤ１１が劣化していないとした）場合のＬＤ１１のＬＤ温度を推定する（ステップＳ６）。

判定部１４は、現在の駆動条件及び周囲温度から初期特性に基づいて推定されたＬＤ温度よりも現在のＬＤ温度が閾値以上高ければ（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ＬＤ１１が劣化していると判定する（ステップＳ８）。推定されたＬＤ温度に対する現在のＬＤ温度の上昇量が閾値未満であれば（ステップＳ７：ＮＯ）、ＬＤ１１が劣化していないと判定する（ステップＳ９）。

ステップＳ８あるいはステップＳ９で何らかの判定を行ったのち、判定部１４は出力部１８に判定結果を出力し（ステップＳ１０）、ステップＳ５に戻ってＬＤ温度、周囲温度及び駆動条件の収集を継続する。ステップＳ５〜Ｓ８あるいはＳ９のフローは、定期的あるいは不定期に繰り返し実行されてもよい。

続いて、判定部１４におけるＬＤ１１の劣化を判定する手順についてさらに具体的に説明する。図３は、ＬＤ１１の初期特性に基づいてＬＤ１１の劣化を判定する手順を説明する図である。図３の横軸は周囲温度であり、縦軸はＬＤ温度である。図３の曲線は、図２のステップＳ１において測定された、ＬＤ１１の初期状態における周囲温度とＬＤ温度との関係を示す。図３の特性は、所定の駆動条件ごとに作成され、記録部１５に記録されている。図３は、ＬＤ１１の駆動電流Ｉｄが５０ｍＡの場合の測定結果の例を示す。図２のステップＳ１〜Ｓ２は、図３に示す特性を異なる駆動条件（例えばＩｄ＝１０ｍＡ、２０ｍＡ、・・・、１００ｍＡ）で作成する手順に相当する。

図２のステップＳ６におけるＬＤ１１のＬＤ温度の推定は、以下の手順で行われる。まず、判定部１４は、使用中のＬＤの駆動条件に対応する特性を記録部１５から読み出す。本実施形態ではＬＤ１１は駆動電流Ｉｄ＝５０ｍＡで使用されているとする。判定部１４は駆動条件がＩｄ＝５０ｍＡであることを駆動回路１６からの情報で知ることができる。そして、判定部１４は記録部１５からＩｄ＝５０ｍＡである図３の特性を読み出す。

判定部１４は、使用中のＬＤ１１の周囲温度Ｔａを周囲温度センサ１３から入手すると、周囲温度がＴａである場合のＬＤ温度Ｔ_ＬＤ１を図３から求める。使用中のＬＤ１１が劣化しておらず、劣化に起因するＬＤ１１の温度上昇がない場合には、使用中のＬＤ温度Ｔ_ＬＤ２は図３から求めたＬＤ温度Ｔ_ＬＤ１に等しくなる。しかしながら、ＬＤ１１が劣化していると、非発光遷移により発生する熱のために、使用中のＬＤ温度Ｔ_ＬＤ２はＴ_ＬＤ１よりも高くなる。そして、ＬＤ１１が劣化したと判定する温度上昇量の閾値をΔＴとした場合、Ｔ_ＬＤ２≧Ｔ_ＬＤ１＋ΔＴであれば、判定部１４はＬＤ１１が劣化していると判定する。

このように、第１の実施形態の発光装置は、使用中のＬＤ温度と周囲温度との関係をあらかじめ測定された初期特性と比較して、同一の周囲温度においてＬＤ温度が初期特性よりも閾値以上高いかどうかでＬＤの劣化の有無を判定している。このような構成を備えることにより、第１の実施形態の発光装置は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とするという効果を奏する。

また、第１の実施形態の発光装置は、初期状態のＬＤ温度と周囲温度との関係に基づいて使用中のＬＤの劣化の有無を判定している。その結果、第１の実施形態の発光装置は、使用中のＬＤの周囲温度が変動しても、ＬＤの温度上昇の原因がＬＤの劣化によるものか、あるいは周囲温度の上昇によるものかを区別することができる。

以上の説明では、初期状態と同一の周囲温度において使用中のＬＤのＬＤ温度が初期状態に比べて閾値以上高ければＬＤ１１は劣化していると判定した。一方、第１の実施形態の変形例として以下のような構成も考えられる。

すなわち、判定部１４は、初期状態と同一のＬＤ温度において周囲温度を比較した際に、使用中のＬＤの周囲温度が初期状態に比べて閾値以上低い場合にＬＤ１１は劣化していると判定してもよい。

さらに、ＬＤ１１の使用中の駆動条件と一致する初期特性が記録部１５に記憶されていない場合、記憶部１５に記憶されている、駆動条件が異なる初期特性に対して補間または外挿を行い、使用中の駆動条件における初期特性を推定してもよい。

また、ＬＤ１１の電圧降下の変動が大きい場合には、ＬＤ１１の駆動条件のパラメータを駆動電流と電圧降下の積としてもよい。この場合、駆動回路１６は駆動条件ごとにＬＤ１１の電圧降下Ｖｄと駆動電流Ｉｄを測定して判定部１４に出力する。そして、判定部１４はＬＤ１１への供給電力であるＶｄ×ＩｄをパラメータとしたＬＤ１１の初期特性を記録部１５に記録する。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態である劣化判定装置２００の構成を示す図である。劣化判定装置２００は、判定部２０と入力部２１とを備える。判定部２０は、入力部２１から入力される情報に基づいて、発光素子の劣化の判定を行う。

入力部２１には、発光素子の温度である第１の温度と、発光素子の周囲の温度である第２の温度と、発光素子の駆動条件と、が入力される。判定部２０は、第１の温度、第２の温度及び駆動条件を記録する機能をも備える。入力部２１は、入力される情報ごとに備えられていてもよい。

判定部２０は、発光素子の初期状態において所定の駆動条件における第１の温度（発光素子の温度）と第２の温度（発光素子の周囲の温度）との関係を記録する。そして、判定部２０は、発光素子が駆動条件で使用される際の第１の温度及び第２の温度と記録された特性との比較結果に基づいて、発光素子の劣化状態を判定する。

例えば、判定部２０は、発光素子の初期状態における第１の温度と第２の温度との関係を初期特性として記録する。判定部２０は、使用状態と同一の駆動電流で測定した初期特性の第２の温度に現在の周囲温度を適用して、現在の周囲温度に対応する第１の温度（発光素子の温度）を推定する。そして、判定部２０は、入力部２１から入力されている現在の第１の温度が推定された第１の温度よりも高ければ、発光素子が劣化していると判定する。

使用中の発光素子が劣化により光出力が低下すると、発光素子の温度が初期状態と比べて上昇する。判定部２０は、この温度上昇を検出すると発光素子が劣化したと判定する。

このように、第２の実施形態の劣化判定装置２００は、あらかじめ測定された発光素子の温度と周囲温度との関係と、使用中の発光素子の温度（第１の温度）及び周囲温度（第２の温度）のみを用いて発光素子の劣化状態を判定する。すなわち、第２の実施形態の劣化判定装置は、簡単な構成で発光素子の劣化状態を判定することを可能とする。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１００発光装置
２００劣化判定装置
１１ＬＤ（半導体レーザダイオード）
１２ＬＤ温度センサ
１３周囲温度センサ
１４、２０判定部
１５記録部
１６駆動回路
１７光導波体
１８出力部
２１入力部

Claims

発光素子の温度である第１の温度と、前記発光素子の周囲の温度である第２の温度と、前記発光素子の駆動条件と、が入力される入力部と、
前記発光素子の初期状態における所定の前記駆動条件に対応する前記第１の温度と前記第２の温度との関係である初期特性、及び、前記発光素子が前記所定の駆動条件で使用される際の前記第１の温度と前記第２の温度、に基づいて前記発光素子が使用される際の劣化状態を判定する判定部と、
を備える劣化判定装置。
前記所定の駆動条件における前記第１の温度に対する第１の閾値を設定し、
前記発光素子の使用状態における前記第１の温度が、前記発光素子の前記第２の温度を前記初期特性に適用して求めた前記第１の温度よりも前記第１の閾値以上高い場合に前記発光素子が劣化したと判定する、請求項１に記載された劣化判定装置。
前記所定の駆動条件における前記第２の温度に対する第２の閾値を設定し、
前記発光素子の使用状態における前記第２の温度が、前記発光素子の前記第１の温度を前記初期特性に適用して求めた前記第２の温度よりも前記第２の閾値以上低い場合に前記発光素子が劣化したと判定する、請求項１に記載された劣化判定装置。
前記駆動条件は、前記発光素子に供給される電力に基づいて定められている、請求項１乃至３のいずれかに記載された劣化判定装置。
前記発光素子が使用される際の前記所定の駆動条件に対応する前記初期特性を、他の前記駆動条件に対応する前記初期特性からの補間または外挿によって求める、請求項１乃至４のいずれかに記載された劣化判定装置。
発光素子と、
前記発光素子の温度である第１の温度を出力する第１の温度センサと、
前記発光素子の周囲の温度である第２の温度を出力する第２の温度センサと、
前記発光素子を駆動して駆動条件を出力する駆動回路と、
請求項１乃至５のいずれかに記載された劣化判定装置と、を備える発光装置。
発光素子の初期状態における所定の前記発光素子の駆動条件に対応する発光素子の温度と前記発光素子の周囲の温度との関係である初期特性、前記発光素子が前記所定の駆動条件で使用される際の前記発光素子の温度及び前記発光素子の周囲の温度、に基づいて前記発光素子が使用される際の劣化状態を判定する、劣化判定方法。