JP5011914B2 - レーザダイオード制御装置及びａｔｃ回路の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードの温度を制御する制御装置と、ＡＴＣ回路の駆動方法とに関する。

下記特許文献１には、ＤＷＤＭや長距離伝送用に用いるレーザダイオードの発振波長に対する制御技術が開示されている。レーザダイオードの発振波長は、ＡＴＣ回路（ATC：Automatic Temperature Control）を用いて制御され、ＡＴＣ回路は、ペルチェ素子（熱電変換素子）、サーミスタ、ＴＥＣドライバを備える。この制御技術によれば、レーザダイオードを開始する場合、まずレーザダイオードを発光させる前にＡＴＣ回路を作動させ、ＡＴＣ回路を用いたレーザダイオードの温度制御を開始する。そして、ＡＴＣ回路によりレーザダイオードが目標温度に至り、温度が安定した後にレーザダイオードの発光を開始する。なお、下記非特許文献１は、光データリンクの電源起動時の消費電流の絶対値（絶対的な最大値）と上昇率とを規定している。
特開２００３−２９８５２４号公報 XENPAK 10 Gigabit Ethernet MSA, A Cooperation Agreement for 10 Gigabit Ethernet Transceiver Package, Issue 3.0, P.24, Fig.10, [online] September 18, 2002, XenPak, XENPAK MSA Rev 3.0, [retrieved on 2006-06-1], Retrieved from the Internet: <URL:http://www.xenpak.org/MSA/XENPAK_MSA_R3.0.pdf>

温度制御を開始した時のレーザダイオードの温度が目標温度と大きく乖離している場合、熱電変換素子の駆動電流は大きな上昇率を伴って増大する。しかし、熱電変換素子の駆動電流を制限するための回路は実現されているので、このような回路を用いれば、レーザダイオードの使用開始時に熱電変換素子の駆動電流を上記規格等に適合させることは可能である。これに対し、レーザダイオードの使用開始時に駆動電流の上昇率を制限し、上記規格等に適合させるのは未だ困難である。そこで本発明は、レーザダイオードの使用開始時に熱電変換素子の駆動電流の上昇率を制限できるレーザダイオード制御装置とＡＴＣ回路の駆動方法とを提供することを目的とする。

本発明は、レーザダイオードと、該レーザダイオードを加熱及び冷却する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度をモニタするための温度検出素子と、前記熱電変換素子を駆動する駆動回路とを含み、前記レーザダイオードの温度を制御するＡＴＣ回路と、前記ＡＴＣ回路を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記駆動回路の動作を停止し、この駆動回路の停止後に前記温度検出素子から出力される出力信号に基づいて前記レーザダイオードの温度を特定し、この特定した前記レーザダイオードの温度に基づいて前記駆動回路に参照温度を設定し、この参照温度の設定後に前記駆動回路を作動させ、この駆動回路の作動後に前記参照温度を予め設定された目標温度に至るまでステップ状に設定する、ことを特徴とする。

また、本発明は、レーザダイオードと、該レーザダイオードを加熱及び冷却する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度をモニタするための温度検出素子と、前記熱電変換素子を駆動する駆動回路とを有し、前記レーザダイオードの温度を制御するＡＴＣ回路の駆動方法であって、前記駆動回路を停止する駆動回路停止工程と、前記停止後、前記温度検出素子から出力される出力信号に基づいて前記レーザダイオードの温度を特定する温度特定工程と、前記特定された前記レーザダイオードの温度に基づいて前記駆動回路に参照温度を設定し、当該設定後に前記駆動回路を作動させる駆動回路作動工程と、当該作動後に前記参照温度を予め設定された目標温度に至るまでステップ状に上昇させ、このステップ状の参照温度を前記駆動回路に設定する温度設定工程とを含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、駆動回路の動作を停止した後に、レーザダイオードの現在の温度に基づいて参照温度を駆動回路に設定し、この後、駆動回路を作動させるので、この駆動回路の動作開始に伴う駆動電流の急激な増大（突入電流）が回避できる。更に、参照温度のステップ幅とステップ段差とを調整することにより、熱電変換素子に供給する駆動電流の絶対値と上昇率とが調整できるので、駆動電流の上昇率の抑制が可能となり、光データリンクの電源起動時の消費電流の絶対値と上昇率を抑えることができる。

更に、本発明では、前記コントローラから出力されるステップ状の参照信号を積分して前記駆動回路に出力する積分フィルタを更に備えるのが好ましい。積分フィルタから出力される信号は、積分フィルタを通過する前のステップ状の参照信号に比較してより滑らかな形状の信号となる。ステップ状の参照信号に応じて生成される駆動電流は、このステップ形状のステップ段差に応じて急激に増加するが（突発電流）、本発明のように積分フィルタを用いれば、このステップ段差に応じて生じる駆動電流の急激な増加が低減される。

本発明によれば、レーザダイオードの使用開始時に熱電変換素子の駆動電流の上昇率を制限可能なレーザダイオード制御装置とＡＴＣ回路の駆動方法とが提供できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係るレーザダイオード制御装置２の機能構成を示すブロック図である。レーザダイオード制御装置２は、光データリンクの光送信部（図示略）が備える装置である。レーザダイオード制御装置２は、ＡＴＣ回路４、コントローラ６、ＤＡＣ８及びＡＤＣ１０を備える。ＡＴＣ回路４は、レーザダイオード４ａ、熱電変換素子４ｂ、温度検出素子４ｃ及び駆動回路４ｄを有する。レーザダイオード４ａは、図示しないレーザダイオードの駆動装置から供給されるバイアス電流等によってレーザ光を発光する。熱電変換素子４ｂは、レーザダイオード４ａを加熱及び冷却するペルチェ素子である。熱電変換素子４ｂは、駆動回路４ｄから出力される駆動電流Ａ１により発熱及び吸熱を行う。この熱電変換素子４ｂの発熱及び吸熱により、レーザダイオード４ａが加熱及び冷却される。

温度検出素子４ｃは、レーザダイオード４ａの温度をモニタするためのサーミスタである。温度検出素子４ｃは、アナログ出力信号Ａ２を駆動回路４ｄ及びＡＤＣ１０に出力する。駆動回路４ｄは、熱電変換素子４ｂに駆動電流Ａ１を供給することにより熱電変換素子４ｂを駆動する。駆動回路４ｄは、温度検出素子４ｃから出力されるアナログ出力信号Ａ２からレーザダイオード４ａの温度を特定する。駆動回路４ｄは、この特定したレーザダイオード４ａの温度と、コントローラ６からＤＡＣ８を介して入力されるアナログ温度信号Ａ５の示す後述の参照温度や目標温度とを比較し、このアナログ出力信号Ａ２から特定したレーザダイオード４ａの温度と、上記参照温度や目標温度との温度差を減少するように熱電変換素子４ｂを駆動する。よって、この温度差が大きいほど、駆動電流Ａ１の絶対値及び上昇率は大きくなる。

コントローラ６は、ＡＴＣ回路４を制御する。コントローラ６によるＡＴＣ回路４の制御内容については、下記のレーザダイオード制御装置２の動作の説明において詳述する。コントローラ６は、ＡＤＣ１０から出力されるデジタル出力信号Ａ６からレーザダイオード４ａの温度を特定する。デジタル出力信号Ａ６は、温度検出素子４ｃから出力されたアナログ出力信号Ａ２がデジタル化された信号である。コントローラ６は、駆動回路４ｄに対し制御信号Ａ３を出力し、駆動回路４ｄの動作制御（オン・オフ）を行う。コントローラ６は、駆動電流Ａ１の調整を駆動回路４ｄに指示する信号（デジタル温度信号Ａ４）を出力する。

ＤＡＣ８は、コントローラ６から出力されるデジタル温度信号Ａ４をアナログ信号（アナログ温度信号Ａ５）に変換し、このアナログ温度信号Ａ５を駆動回路４ｄに出力する。ＡＤＣ１０は、温度検出素子４ｃから出力されるアナログ出力信号Ａ２をデジタル信号（デジタル出力信号Ａ６）に変換し、このデジタル出力信号Ａ６をコントローラ６に出力する。

次に、図２及び図３を参照してレーザダイオード制御装置２の動作を説明する。図２は、コントローラ６による制御内容を説明するためのフローチャートであり、図３は、コントローラ６による制御内容を示すタイミングチャートである。まず、コントローラ６は、ＡＤＣ１０から入力されるデジタル出力信号Ａ６に基づいて、レーザダイオード４ａの現在の温度を特定し、この特定したレーザダイオード４ａの現在の温度に基づいて熱電変換素子４ｂに供給する駆動電流Ａ１の値を予測する。コントローラ６は、この駆動電流Ａ１の予測値が、所定の基準値を超え、レーザダイオード４ａの現在の温度に基づいて熱電変換素子４ｂに供給する駆動電流Ａ１が突入電流になると判定すると、図２のフローチャートに示す処理を行う。この場合、コントローラ６は、まず、駆動回路４ｄの動作を停止する（ステップＳ１：駆動回路停止工程）。この時、制御信号Ａ３はコントローラ６によりディスネーブルを示す“Ｌｏｗ”とされている（図３の図中符号Ｔ１に示す箇所を参照。）。次に、コントローラ６は、この駆動回路４ｄの停止時に、レーザダイオード４ａの温度をデジタル出力信号Ａ６に基づいて特定する（ステップＳ２：温度特定工程）。この温度は、レーザダイオード４ａの現在の温度を表している（図３の図中符号Ｔ２に示す箇所を参照。）。

次に、コントローラ６は、ステップＳ２において特定したレーザダイオード４ａの現在の温度と等しい参照温度Ｔ３（図３を参照。）をデジタル温度信号Ａ４を用いて駆動回路４ｄに設定し、この設定後に駆動回路４ｄを作動させる（ステップＳ３：駆動回路作動工程）。この時、制御信号Ａ３はコントローラ６により“Ｌｏｗ”からイネーブルを示す“Ｈｉｇｈ”に切り替えられる（図３の図中符号Ｔ４に示す箇所を参照。）。なお、参照温度Ｔ３は、レーザダイオード４ａの現在の温度と等しいので、駆動電流Ａ１はほとんど流れない（図３の図中符号Ｔ５に示す箇所を参照。）。次に、コントローラ６は、駆動回路４ｄの作動後に参照温度Ｔ３をステップ状に目標温度Ｔ６（図３を参照。）まで上昇させる（ステップＳ４及びステップＳ５：温度設定工程）。この間、コントローラ６は、デジタル温度信号Ａ４を用いて上昇後の参照温度（図３の図中符号Ｔ７に示すステップ状の参照温度。）を駆動回路４ｄに設定する。この時、駆動電流Ａ１は、ステップ状のデジタル温度信号Ａ４に応じて上昇する（図３の図中符号Ｔ８に示す箇所を参照。）。このステップ状のデジタル温度信号Ａ４のステップ幅Ｋ１（秒）とステップ段差Ｋ２（温度）とを調整することにより、駆動電流Ａ１の絶対値と上昇率とが調整できる。このステップ状の参照温度の上昇は、例えば、摂氏１度／ｍｓ（１ｍｓあたり摂氏１度だけ上昇。）が好ましい。

なお、ステップ状のデジタル温度信号Ａ４のステップ幅Ｋ１（秒）とステップ段差Ｋ２（温度）とは、ＡＴＣ回路４のループ利得により決定される。このループ利得が大きいと、図３の図中符号Ｔ７に示すようにステップ状に参照温度を上昇させたとしても、各ステップの遷移時に比較的大きな駆動電流Ａ１が流れる。そこで、参照温度の各ステップの遷移時に流れる駆動電流Ａ１を抑制するため、レーザダイオード制御装置２のループ利得を５０ｍＡ／温度（摂氏）（摂氏１度あたり５０ｍＡの利得。）。そして、コントローラ６は、デジタル温度信号Ａ４を用いて目標温度Ｔ６を駆動回路４ｄに設定した後、安定した駆動電流Ａ１の値Ｔ９とレーザダイオード４ａの温度Ｔ１０（図３を参照。）とを実現し、駆動回路４ｄの動作を安定させる（ステップＳ６）。

上述の構成及び動作のレーザダイオード制御装置２によれば、駆動回路４ｄの動作を停止した後に、レーザダイオード４ａの現在の温度と等しい参照温度Ｔ３を、デジタル温度信号Ａ４を用いて駆動回路４ｄに設定し、この後、駆動回路４ｄを作動させる。このため、駆動回路４ｄの動作開始に伴う駆動電流Ａ１の急激な増大（突入電流）が回避できる。更に、ステップ状のデジタル温度信号Ａ４のステップ幅Ｋ１（秒）とステップ段差Ｋ２（温度）とを調整することにより、駆動電流Ａ１の絶対値と上昇率とが調整できるので、駆動電流Ａ１の上昇率の抑制が可能となる。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

例えば、ＤＡＣ８は、積分フィルタ１２を有していてもよい。コントローラ６から出力される参照温度を示すステップ状の信号（デジタル温度信号Ａ４がアナログ化された参照信号。）を積分しアナログ温度信号Ａ５として前記駆動回路に出力する。積分フィルタ１２の時定数は、デジタル温度信号Ａ４のステップ幅Ｋ１に相当する値である。従って、ＤＡＣ８は、デジタル温度信号Ａ４をアナログ信号にそれぞれ変換し、変換後の各アナログ信号を、上記の積分フィルタ１２に入力し、この入力後の信号をアナログ温度信号Ａ５として駆動回路４ｄに出力させれば、このアナログ温度信号Ａ５は、ステップ状に上昇するデジタル温度信号Ａ４に比較してより滑らかに上昇する信号となる。このようなステップ状の信号に応じて駆動回路４ｄにより生成される駆動電流Ａ１はステップ段差Ｋ２に応じて急激に増加するが、積分フィルタ１２を用いれば、ステップ段差Ｋ２に応じて生じる駆動電流Ａ１の急激な増加が低減される。

実施形態に係るレーザダイオード制御装置の機能構成を示すブロック図である。 実施形態に係る制御内容を説明するためのフローチャートである。 実施形態に係る制御内容を示すタイミングチャートである。

符号の説明

２…レーザダイオード制御装置、４…ＡＴＣ回路、４ａ…レーザダイオード、４ｂ…熱電変換素子、４ｃ…温度検出素子、４ｄ…駆動回路、６…コントローラ、８…ＤＡＣ、１０…ＡＤＣ、１２…積分フィルタ。

Claims (3)

1. レーザダイオードと、該レーザダイオードを加熱及び冷却する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度をモニタするための一の温度検出素子と、前記熱電変換素子を駆動する駆動回路とを含み、前記レーザダイオードの温度を制御するＡＴＣ回路と、
   前記ＡＴＣ回路を制御するコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記温度検出素子により特定される前記レーザダイオードの温度に基づいて前記熱電変換素子に供給する駆動電流の値を予測し、前記駆動電流の予測値が所定の基準値を超えると判定した場合に前記駆動回路の動作を停止し、この駆動回路の停止後に前記温度検出素子から出力される出力信号に基づいて前記レーザダイオードの温度を特定し、この特定した前記レーザダイオードの温度に基づいて前記駆動回路に参照温度を設定し、この参照温度の設定後に前記駆動回路を作動させ、この駆動回路の作動後に前記参照温度を予め設定された目標温度に至るまでステップ状に設定する、
   ことを特徴とするレーザダイオード制御装置。
2. 前記コントローラから出力されるステップ状の参照信号を積分して前記駆動回路に出力する積分フィルタを更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオード制御装置。
3. レーザダイオードと、該レーザダイオードを加熱及び冷却する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度をモニタするための一の温度検出素子と、前記熱電変換素子を駆動する駆動回路とを有し、前記レーザダイオードの温度を制御するＡＴＣ回路の駆動方法であって、
   前記温度検出素子により特定される前記レーザダイオードの温度に基づいて前記熱電変換素子に供給する駆動電流の値を予測し、前記駆動電流の予測値が所定の基準値を超えると判定した場合に前記駆動回路を停止する駆動回路停止工程と、
   前記停止後、前記温度検出素子から出力される出力信号に基づいて前記レーザダイオードの温度を特定する温度特定工程と、
   前記特定された前記レーザダイオードの温度に基づいて前記駆動回路に参照温度を設定し、当該設定後に前記駆動回路を作動させる駆動回路作動工程と、
   当該作動後に前記参照温度を予め設定された目標温度に至るまでステップ状に上昇させ、このステップ状の参照温度を前記駆動回路に設定する温度設定工程と
   を含む、ことを特徴とするＡＴＣ回路の駆動方法。

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