JPH07147443A - 半導体レーザ送信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザダイオードの経時的な電流光変換特性
の劣化を動作温度の変化を考慮して検知する。 【構成】 レーザダイオード１の動作温度をモニタする
サーミスタ３と、レーザダイオード１の温度上昇に伴う
駆動電流の増加率に基づき設定された温度電圧変換回路
６を設け、温度電圧変換回路６の出力値を参照電圧値と
して、自動出力制御回路５から出力されるレーザダイオ
ード１を駆動するための電圧値と比較し、前記参照電圧
を越えたときにレーザダイオード１の寿命として警告信
号を出力する。 【効果】 レーザダイオードの経時的な劣化を温度変化
による駆動電流の増加分を補償して判定する機能を有す
るので、レーザダイオードの正確な寿命判定が可能とな
り、レーザダイオードの交換時期を延ばし長期にわたっ
て使用することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信システムにおける
半導体レーザ送信器に関する。より詳細には発光素子と
してレーザダイオードを備えた光送信器において、レー
ザダイオードの寿命を検出する構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信に使用する光送信器では、送信す
べきデータに対応して変調された駆動電流を半導体レー
ザ送信器によりレーザダイオードに供給することにより
データに対応した光信号を発生させている。このとき、
図４に示すようにレーザダイオードは稼動時間に応じて
経時的に劣化し、同じ光出力を得るために必要なバイア
ス電流値は徐々に増加していくことが知られている。そ
こで、図５に示すように一般にレーザダイオード１の光
出力の一部を内蔵しているフォトダイオード２によりモ
ニタし、そのモニタ電流により光出力を一定にする自動
出力制御回路５を設け、内蔵する電流電圧変換回路８の
出力により、レーザダイオード１のバイアス電流となる
駆動電流を制御している。したがってレーザダイオード
１自身の劣化により光出力が低下した場合、自動出力制
御回路５により制御される駆動電流は経時的に増加する
ことになる。また、レーザダイオード１に流す電流を増
加させると、レーザダイオード１自身の発熱やレーザダ
イオード駆動回路４の発熱が大きくなり、所定の光出力
を得るためにさらに電流を増加させなければならず、レ
ーザダイオード１をより加速することになる。そこで従
来、自動出力制御回路５を備えた半導体レーザ送信器で
は、駆動電流値が所定の参照値を越えると何らかの警告
信号を発生させる寿命判定回路７を設けることが提案さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体レーザ送信器は、使用環境温度の変化あるいはレ
ーザダイオード１自身の自己発熱に伴う温度上昇に関わ
りなく、常温における初期駆動電流値の一定倍を越えた
か否かでレーザダイオード１の寿命を判定するというも
のであった。一般にレーザダイオード１の電流光変換特
性は温度依存性を有し、図３に示すように、温度の上昇
に伴い発振開始閾値電流は非線形的に増加する傾向にな
る。したがって一定の光出力を得るためには、レーザダ
イオード１の劣化がなくとも自動出力制御回路５による
駆動電流制御により動作温度の上昇に応じて駆動電流値
は増加することになる。このように温度上昇に伴う駆動
電流の増加分が、レーザダイオード１の寿命判定に誤差
を生じる大きな要因となり、従来レーザダイオード１が
事実上寿命に達していない状態であっても、周囲温度の
上昇および自己発熱に伴う駆動電流の増加により寿命と
判定してしまうことになり、レーザダイオードの交換時
期を早めてしまうという問題があった。さらに入力信号
のパターン効果によるモニタ電流の緩やかな変動に伴い
駆動電流が変化し、レーザダイオードの寿命を正確に判
定することが困難となるという問題もあった。

【０００４】本発明は上記の問題を解決するもので、レ
ーザダイオードの劣化状態を自己発熱や動作環境温度の
上昇に伴う駆動電流の増加分を補償するなどして正確に
検知することができる半導体レーザ送信器を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、レーザダイオードの光信号の一部をモニタ
して光出力が一定になるようにレーザダイオードに供給
する自動出力制御回路を備えた半導体レーザ送信器にお
いて、入力信号選択手段と、レーザダイオードの動作温
度を測定するサーミスタおよびサーミスタで測定した温
度を電圧値に変換する温度電圧変換手段と、レーザダイ
オードの発振開始電流の温度依存特性を近似する補償手
段と、自動出力制御回路に内蔵され、モニタした光信号
をもとに、レーザダイオードを流れる駆動電流を電圧に
変換する電流電圧変換手段の出力電圧と補償手段により
設定された参照電圧とを比較する比較手段を備え、駆動
電流が参照電圧を越えたときにレーザダイオードの寿命
として警告信号を発生するようにしたものである。

【０００６】

【作用】本発明による半導体レーザ送信器は、レーザダ
イオードの動作温度をモニタするとともに実際に流れる
駆動電流から動作温度上昇に伴う駆動電流の増加分を補
償してレーザダイオードの劣化を判定しているため、環
境温度の変化やレーザダイオードの自己発熱による誤っ
た劣化判定を防止することが可能となる。したがって、
レーザダイオードの正確な寿命判定ができ、レーザの保
守交換時期を早めることなく長期にわたって使用するこ
とが可能となる。

【０００７】さらに、通常のレーザ送信器の動作時の入
力信号であるディジタル信号を用いてレーザダイオード
の劣化を判定する代りに、一定のＤＣ信号を入力信号と
して用いれば、より詳細な判定が可能となる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例の半導体レーザ送信器の
基本構成を示すブロック図である。図１において、１は
レーザダイオード、２はフォトダイオード、３は温度検
出手段としてのサーミスタ、４はレーザダイオード駆動
回路である。５はレーザダイオード１をモニタするフォ
トダイオード２のモニタ電流により光出力が一定になる
ようにレーザダイオード駆動回路４を制御する自動出力
制御回路で、フォトダイオード２のモニタ電流を電圧に
変換する電流電圧変換回路８を内蔵する。６はサーミス
タ３が検出した信号を電圧に変換する温度電圧変換回
路、７は電流電圧変換回路８の出力と温度電圧変換回路
６の出力を比較してレーザダイオードの寿命を判定する
寿命判定回路である。また９は入力選択回路で、入力信
号として通常のレーザ送信器の動作時のディジタル信号
と一定のＤＣ信号とを選択することができる。

【０００９】上記構成において、レーザダイオード駆動
回路４は外部からの入力信号に対応して変調された電流
をレーザダイオード１に供給する機能を有している。フ
ォトダイオード２はレーザダイオード１の光出力信号の
一部を受光してモニタ電流を出力する。自動出力制御回
路５はこのモニタ電流を電流電圧変換回路８により電圧
値に変換し、これに基づいてレーザダイオード１の光出
力が一定となるようにレーザダイオード１のバイアス電
流を制御する。サーミスタ３は温度変化を抵抗値の変化
としてとらえる素子であり、周囲環境温度の変化やレー
ザダイオード１の自己発熱およびレーザダイオード駆動
回路４などによる温度上昇をモニタすることができ、温
度電圧変換回路６はこの温度変化を電圧値に変換する。
また温度電圧変換回路６における電圧値の変換はレーザ
ダイオード１の温度変化に伴う駆動電流増加分に対応し
た電圧値に近似されている。寿命判定回路７はモニタ電
流に対応した自動出力制御回路５の出力電圧と、参照電
圧として温度上昇によるバイアス電流増加分が補償され
た温度電圧変換回路６の出力電圧を入力し、自動出力制
御回路５の出力電圧がこの参照電圧値を越えたときにレ
ーザダイオード１の寿命と判定する警告信号を出力す
る。また、入力信号選択回路９は通常のレーザ送信器の
動作時はディジタル信号が選択された状態でレーザダイ
オード１の劣化を判定するが、より詳細に判定する場合
には一定のＤＣ信号に切り替えられる。

【００１０】次にレーザダイオード１の寿命判定におい
て温度特性を考慮する必要性について説明する。図４は
レーザダイオード１の発振開始電流が動作時間の経過と
ともに増加することを示している。一般にレーザダイオ
ード１は動作時間の蓄積により電気光変換特性に劣化を
生じ、同じ駆動電流を供給した場合光出力が次第に低下
する。しかし自動出力制御回路５により実際の光出力は
一定となるが、その光出力を維持するにはレーザダイオ
ード１に流す電流値を増加させる必要がある。したがっ
て、時間の経過とともに所定の光出力を得るためにレー
ザダイオード駆動回路４に供給されるバイアス電流が増
加することになる。この性質はレーザダイオードに共通
であり、一般に寿命は初期のバイアス電流の１．２倍か
ら１．５倍となった時点として定められる。

【００１１】一方、図３はバイアス電流が温度変化によ
って変化することを示している。この場合、半導体レー
ザ送信器の動作温度範囲を−１０から６０℃とすると常
温２５℃に対して最大約２０％程度の増加となる。した
がってレーザダイオード１はそれ自身の劣化がなくとも
環境温度の変化によりレーザダイオード駆動回路４によ
り供給される駆動電流は増加することになる。レーザダ
イオード１の寿命時期を判定する基準レベルをたとえば
単に初期電流の１．５倍とするだけでは、環境温度や自
己発熱による温度変化により、劣化があまり進んでいな
い状態のレーザダイオード１を寿命と判定してしまう恐
れが生じるこのため、本実施例では温度変化に対する駆
動電流増加分を補償してレーザダイオード１の劣化判定
をし、正確な警告信号を報知できるようにしている。

【００１２】図２は本実施例の半導体レーザ送信器をよ
り具体的に示す回路図である。本実施例の半導体レーザ
送信器は、電気信号を光出力に変換するレーザダイオー
ド駆動回路部４とこの光出力を一定にするよう制御する
自動出力制御回路部５および温度変化を電圧値の変化に
変換する温度電圧変換回路部６と劣化判定を行う寿命判
定回路部７から構成される。

【００１３】図２において、レーザダイオード駆動回路
部４は、送信される電気信号が入力端子Ｄ１およびＤ２
に入力され、互いにエミッタを共通に接続された１対の
トランジスタＱ１およびＱ２と、トランジスタＱ１のコ
レクタと直列に接続されたレーザダイオード１とで構成
されている。入力端子Ｄ１、Ｄ２に入力される相補的な
デジタル信号によりトランジスタＱ１、Ｑ２の一方が導
通、他方が非導通となり、トランジスタＱ１が導通した
ときレーザダイオード１が発光する。また、トランジス
タＱ３のコレクタはトランジスタＱ１のコレクタとレー
ザダイオード１との接続点にインダクタＬ１を介して接
続されレーザダイオード１の駆動電流のバイパスとして
機能する。

【００１４】自動出力制御回路部５は、レーザダイオー
ド１の光出力信号の一部を受光するフォトダイオード２
と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と反転増幅器を構成するＩＣ１と、
抵抗Ｒ３、Ｒ４、容量Ｃ１などと積分器を構成するＩＣ
２とで主に構成されている。ＩＣ１はフォトダイオード
２の出力する電流を電圧に変換して、光入力に対応する
電圧信号を発生する。またＩＣ２は抵抗Ｒ３を介してＩ
Ｃ１の出力を反転入力に受けるとともに、反転入力と出
力との間にコンデンサＣ１と抵抗Ｒ３との並列回路が接
続されて反転積分回路として機能する。この自動出力制
御回路５において、フォトダイオード２のモニタ電流は
ＩＣ１で構成される反転増幅器により逆相の電圧信号と
して出力され、ＩＣ２などで構成される積分器を介して
レーザダイオード駆動回路４のトランジスタＱ３のベー
スに印加される。

【００１５】したがってレーザダイオード１の光出力が
不足する場合にはトランジスタＱ３のベース電圧が上昇
しレーザダイオード１に流れる電流を増加させ光出力が
増大するよう作用する。逆にレーザダイオード１の光出
力が高くなるとトランジスタＱ３のベース電圧が低くな
りレーザダイオード１に流れる電流を減少させ光出力を
低下させるよう作用する。

【００１６】温度電圧変換部６は、環境温度やレーザ駆
動回路およびレーザダイオード１自身の発熱をモニタす
るものであり、温度によって抵抗値が変化するサーミス
タ３と、モニタ温度範囲での温度電圧変換特性の直線性
を決定する抵抗Ｒ１０と、常温における基準電圧レベル
を設定する抵抗Ｒ８、Ｒ９と、差動増幅器ＩＣ３と、差
動増幅器ＩＣ３のゲインを決定する可変抵抗ＶＲ２とで
構成されている。サーミスタ３は温度に対して負の温度
係数を持ち、温度の上昇とともに抵抗値が低下する特性
を有する。サーミスタ３の抵抗値と抵抗Ｒ１０の抵抗分
圧による電圧レベルが差動増幅器ＩＣ３の逆相入力に入
力され、また一方の正相入力には抵抗Ｒ８、Ｒ９で分圧
される基準電圧レベルが入力される。温度が上昇する
と、サーミスタ３の抵抗値が低下し逆相入力レベルが低
くなり、２つの入力レベルの差分が差動増幅器ＩＣ３に
より増幅され、作動増幅器ＩＣ３の出力電圧が高くな
る。抵抗Ｒ１０は、レーザ送信器の動作保証範囲内でレ
ーザダイオード１の駆動電流の温度特性により近似され
るように選定され、おおよそには直線的に近似しても差
し支えない。そして差動増幅器ＩＣ３のゲインを決定す
る可変抵抗ＶＲ２はレーザダイオード１の温度変化によ
るモニタ電流増加に相当する電圧値に基づいて調整さ
れ、差動増幅器ＩＣ３の出力は寿命判定回路部７である
比較器ＩＣ４の逆相入力に参照電圧値として接続され
る。そしてこの参照電圧は、通常常温ではレーザダイオ
ード１に駆動される電流値に相当する電圧レベルの１．
５倍程度に設定され動作温度に従って変動することにな
る。

【００１７】寿命判定回路部７は比較器ＩＣ４からな
り、正相入力に電流電圧変換回路ＩＣ２の出力が、また
逆相入力に参照電圧として温度電圧変換回路ＩＣ３の出
力がそれぞれ接続される。レーザダイオード１の経時的
劣化が起こると、動作電流の増加とともに電流電圧変換
回路ＩＣ２の出力が上昇し、比較器ＩＣ４により参照で
ある温度電圧変換回路ＩＣ３の出力を越えたとき、レー
ザダイオード１の寿命として警告信号が発生される。

【００１８】このように寿命判定における参照電圧は一
定の値ではなく、レーザダイオード１の温度上昇に伴う
駆動電流の増加分を補償するように温度変化とともに増
減するために、より正確な寿命の判定を行うことが可能
であり、従来寿命に達していないレーザダイオードを周
囲環境温度の変化などにより誤って寿命と判定すること
がないためレーザダイオードの交換時期を延ばすことが
可能となる。なお本実施例では温度検出手段としてサー
ミスタを用いて説明したが、他の温度検出素子であって
も本実施例の半導体レーザ送信器を実施可能であること
は言うまでもない。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体レーザ送信器は、レーザダイオードの経時的な劣化を
温度変化による駆動電流の増加分を補償して判定する機
能を有しており、したがってレーザダイオードの正確な
寿命判定が可能となり、レーザダイオードの交換時期を
延ばし長期にわたって使用することが可能となる。ま
た、入力信号として一定のＤＣ電圧を選択すれば、より
詳細な判定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のレーザ送信器を示すブロッ
ク図

【図２】本発明の一実施例のレーザ送信器を詳細に示す
実体的回路図

【図３】レーザダイオード発振回路電流の動作温度依存
を示す図

【図４】レーザダイオード発振開始電流の動作時間依存
を示す図

【図５】従来例のレーザ送信器を示すブロック図

【符号の説明】

１ レーザダイオード ２ フォトダイオード ３ サーミスタ ４ レーザダイオード駆動回路 ５ 自動出力制御回路 ６ 温度電圧変換回路 ７ 寿命判定回路 ８ 電流電圧変換回路 ９ 入力信号選択回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザダイオードと、入力信号に対応し
   た電流でレーザダイオードを駆動するレーザダイオード
   駆動回路と、前記レーザダイオードの光出力をモニタす
   るフォトダイオードと、前記フォトダイオードのモニタ
   電流により光出力が一定となるように前記レーザダイオ
   ードの駆動電流を制御する自動出力制御回路を備えた半
   導体レーザ送信器にあって、前記レーザダイオードの動
   作温度を測定する温度検出手段と、前記温度検出手段で
   測定した温度を電圧値に変換する温度電圧変換回路とを
   設け、前記レーザダイオードの駆動電流を制御する自動
   出力制御回路の出力電圧と前記レーザダイオードの温度
   特性に基づき設定された温度電圧変換回路の出力電圧を
   参照電圧として比較し、前記参照電圧値を越えたときレ
   ーザダイオードの寿命時点として警告信号を発生するよ
   うに構成したことを特徴とする半導体レーザ送信器。
2. 【請求項２】 温度検出手段にサーミスタを用いたこと
   を特徴とする請求項１記載の半導体レーザ送信器。
3. 【請求項３】 温度電圧変換回路の出力をレーザダイオ
   ード発振開始電流の温度依存特性に直線的または非直線
   的に近似したことを特徴とする請求項１記載の半導体レ
   ーザ送信器。
4. 【請求項４】 レーザダイオードと、入力信号に対応し
   た電流でレーザダイオードを駆動するレーザダイオード
   駆動回路と、前記レーザダイオードの光出力をモニタす
   るフォトダイオードと、前記フォトダイオードのモニタ
   電流により光出力が一定となるように前記レーザダイオ
   ードの駆動電流を制御する自動出力制御回路を備えた半
   導体レーザ送信器にあって、前記レーザダイオード駆動
   回路の入力信号として一定電圧値を選択する信号選択回
   路を設け、前記レーザダイオードの駆動電流を制御する
   自動出力制御回路の出力電圧と所定の参照電圧を比較
   し、前記参照電圧値を越えたときレーザダイオードの寿
   命時点として警告信号を発生するように構成したことを
   特徴とする半導体レーザ送信器。