(57)【要約】【課題】ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いた光伝送方式に求められる高精度の波長安定度を実現するために、ＬＤ発光素子１とＬＤモジュールに実装されている温度検出素子２との温度差による波長変動と、温度検出素子２自身が持っている温度依存性による波長変動を抑える技術を提供することを目的とする。【解決手段】ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）を用いたＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路において、温度検出素子２と比較器７との間に温度補償部５を接続し、温度補償部５を光送信器の波長変動と逆特性を持つように構成することで、温度検出素子２から得られたＬＤモジュール内の温度情報とＬＤ発光素子１の温度との温度差を補償して、高精度な波長安定性を実現する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体素子と、
前記光半導体素子を載置し、当該光半導体素子と熱的に接続された基板と、
前記基板に熱的に接続され、当該基板の温度を検出する温度検出素子と、
前記基板の周囲温度に対する温度補正情報が予め設定され、基板の周囲温度に基づいて温度検出素子の出力する温度情報を、予め設定された温度補正情報で補正する温度補償部と、
前記温度補償部の出力情報と予め設定された基準温度とを比較し、比較結果に基づいて温度制御信号を出力する温度制御部と、
前記温度制御部の制御信号に基づいて、前記基板を冷却もしくは加熱する電子冷却器と
を備えた光送信器。
【請求項２】
基板の周囲温度を検出する温度検出回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の光送信器。
【請求項３】
温度補正情報は、周囲温度の変化に伴なう光半導体素子の波長変化を補償するように設定されたことを特徴とする請求項１記載の光送信器。
【請求項４】
温度補正情報は、前記温度検出素子の温度依存性と、前記光半導体素子と前記温度検出素子との温度差に伴なう波長変動量を補正するように設定されたことを特徴とする請求項１記載の光送信器。
【請求項５】
光半導体素子と、
前記光半導体素子を載置し、当該光半導体素子と熱的に接続された基板と、
前記基板に熱的に接続され、当該基板の温度を検出する温度検出素子と、
前記基板の周囲温度を検出する温度検出回路と、
前記温度検出回路の出力に基づいて、前記温度検出素子の出力する温度情報を補正する温度補償部と、
前記温度補償部の出力情報と予め設定された基準温度とを比較し、比較結果に基づいて温度制御信号を出力する温度制御部と、
前記温度制御部の制御信号に基づいて、前記基板を冷却もしくは加熱する電子冷却器と
を備え、
前記温度検出回路は、周囲温度変化に伴なう前記光半導体素子の波長変動量に対して、逆の温度係数を有したことを特徴とする光送信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光半導体素子の光出力波長を安定化させるように、光半導体素子の温度制御を行う光送信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及によりネットワークの大容量化が急務となっている。回線を増強するには、物理的に基幹網を増設する方法が考えられるがコストが高くなってしまう。そこで、より多くの情報を経済的に伝送する方法として、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いた光伝送方式が採用されている。
【０００３】
この技術を用いてさらに伝送容量を増強するには、使用波長範囲を広帯域化すればよい。しかし、低損失で効率の良い光信号伝送を行なうには、限られた波長範囲しか使用することが出来ない。このため、より多くの波長分割多重化を行なうには、互いの波長間隔を狭めて高密度化を図る必要がある。
【０００４】
近年の高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いた光伝送方式では、光源として利用される半導体レーザ素子の発振波長範囲は１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍが主流である。隣り合う波長の間隔を０．８ｎｍとすると、約４０波の波長多重が可能である。この間隔が０．４ｎｍ、０．２ｎｍになっていくと８０波、１６０波の波長多重が可能となり光ファイバの大容量化が実現できる。
【０００５】
波長分割多重の高密度化を可能にするためには、波長安定度が非常に重要となる。波長安定度が悪いと、本来独立していなければならない光信号が隣の信号に漏れ込み、光信号伝送が出来なくなる恐れがある。通常、波長間隔が０．８ｎｍの波長分割多重システムでは、波長変動量を０．１ｎｍ以下にする必要があり、波長間隔が０．４ｎｍ、０．２ｎｍになると波長変動量を０．０５ｎｍ、０．０２５ｎｍ以下にしなくてはならない。
【０００６】
波長分割多重には、光半導体素子として半導体レーザ素子（ＬＤ）が用いられている。ＬＤの発振波長は、ＬＤの活性層の温度に強く依存する。この温度依存性は約０．１ｎｍ／℃であるため、非常に高精度な温度制御が必要となる。
【０００７】
ＬＤの活性層の温度を制御するために、従来ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が用いられていた。ＡＴＣ回路は、ＬＤが収納されているパッケージ（以後ＬＤモジュールと言う）に実装されている温度検出素子から、ＬＤモジュール内部の温度情報を取得し、発振させたい波長に相当する温度（以後基準温度と言う）との差を検知する。そして、その温度差をなくすように、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）に流す電流を制御する（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０７−０９５１５９号公報  （第６頁  図６）
【特許文献２】
特開平１１−２５１６７４号公報  （第５頁  図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
光送信器の周囲温度を変化させたときのＬＤの出力波長の変動要因として、駆動電流の変化による波長変動、ＬＤと温度検出素子との温度差による波長変動の二つが挙げられる。このうち、駆動電流の変化による波長変動はＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）によって、光出力を一定に保つように制御することによって、波長変動量を少なくすることができる。
【００１０】
一方、ＡＴＣ回路は、ＴＥＣを使用して温度検出素子の温度が基準温度に一致するように制御している。ＬＤと温度検出素子の間には、図７に模式的に示したように熱抵抗があることから、温度検出素子の検出温度が基準温度に達しても、ＬＤと基準温度との間には温度差が存在する。この温度差によって、ＬＤの出力波長が設定したい波長からずれるため、高精度の波長制御が求められている波長分割多重方式の光通信では問題が生じる。また、ＬＤと温度検出素子間の熱抵抗を取り除くために、それぞれの配置を変更することは、ＬＤモジュールの構造上難しい。さらに、温度検出素子自身が持っている温度依存性によっても、波長変動が生じる。従来の温度制御方式では、温度検出素子自身が持っている温度依存性による波長変動を考慮していなかった。
【００１１】
この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、光半導体素子と温度検出素子との温度差に伴なう、光半導体素子の波長変動量を補正し、波長変動量の小さい光送信器を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明による光送信器は、光半導体素子と、前記光半導体素子を載置し、当該光半導体素子と熱的に接続された基板と、前記基板に熱的に接続され、当該基板の温度を検出する温度検出素子と、前記基板の周囲温度に対する温度補正情報が予め設定され、基板の周囲温度に基づいて温度検出素子の出力する温度情報を、予め設定された温度補正情報で補正する温度補償部と、前記温度補償部の出力情報と予め設定された基準温度とを比較し、比較結果に基づいて温度制御信号を出力する温度制御部と、前記温度制御部の制御信号に基づいて、前記基板を冷却もしくは加熱する電子冷却器とを備えたものである。
【００１３】
また、光半導体素子と、前記光半導体素子を載置し、当該光半導体素子と熱的に接続された基板と、前記基板に熱的に接続され、当該基板の温度を検出する温度検出素子と、前記基板の周囲温度を検出する温度検出回路と、前記温度検出回路の出力に基づいて、前記温度検出素子の出力する温度情報を補正する温度補償部と、前記温度補償部の出力情報と予め設定された基準温度とを比較し、比較結果に基づいて温度制御信号を出力する温度制御部と、前記温度制御部の制御信号に基づいて、前記基板を冷却もしくは加熱する電子冷却器とを備え、前記温度検出回路は、周囲温度変化に伴なう前記光半導体素子の波長変動量に対して、逆の温度係数を有したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の光送信器は、光送信器の周囲温度と光半導体素子の波長変動とに依存性があることに着目し、周囲温度に基づいて温度検出素子の温度を補償する温度補償部を設置することで、光半導体素子の波長変動量を少なくして、高精度の波長制御を可能とするものである。以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１に本発明の実施形態における光送信器の構成図を示し、図２に本発明の実施形態における光送信器のブロック図を示す。図１はＬＤモジュールの上面を覆う上蓋を外した状態の上面図である。
【００１６】
図１において、ＬＤモジュール１０は、半導体レーザ素子（ＬＤ）１、温度検出素子２、および熱電子冷却素子（ＴＥＣ）３を、パッケージ１００内に搭載して構成される。半導体レーザ素子（ＬＤ）１は、入力された電気信号を光信号に変換する。温度検出素子２は、ＬＤ１を搭載する基板５０上に載置され、ＬＤモジュール１０内部の温度情報を取得する。ＬＤ１と温度検出素子２は基板５０を介在させて熱的に接続されている。また、基板５０は箱型のパッケージ１００内に収納され、パッケージ内部は気密化されている。パッケージ１００の側面には、信号端子１５０が設けられて、パッケージ内外で電気信号を伝送する。パッケージ１００の前面には、ＬＤ２の出力光が端面に入射する光ファイバが固定されている。熱電子冷却素子（ＴＥＣ）３は、ＬＤ１および温度検出素子２の温度を一定に保つように、基板５０を加熱あるいは冷却する。熱電子冷却素子（ＴＥＣ）３は、パッケージ１００内側の底面に接合される。
【００１７】
基板３００には、温度制御回路（ＡＴＣ）４、温度補償部５、比較器７、基準温度記憶回路６が搭載される。基板３００はＬＤモジュール１０の外部に配置され、パッケージ１００の信号端子１５０は基板３００と電気的に接続される。温度制御回路（ＡＴＣ）４および比較器７は、基板３００を介在させてＬＤモジュール１０と電気的に接続される。
【００１８】
図２において、温度制御回路（ＡＴＣ）４は、ＴＥＣ３に供給する制御電流を調整して、ＬＤ１および温度検出素子２が一定の温度になるように、ＴＥＣ３の加熱量および冷却量を制御する。温度補償部５は、温度検出素子２で取得したＬＤモジュール内部の温度情報を補償する補償情報を出力する。この図の例では、温度検出素子２から得たＬＤモジュール１０内部の温度情報と温度補償部５の温度情報とが加算され、加算結果が比較器７に入力される。基準温度記憶回路６は、ＬＤ１と温度検出素子２の基準温度情報を保存している。比較器７は、基準温度記憶回路６に記憶されているＬＤ１および温度検出素子２の基準温度情報と、温度検出素子２から得られた温度情報を温度補償部５の補償情報で補償した補正後の温度情報とを比較し、そのずれを検知する。また、比較器７は、補償した温度情報と、基準温度記憶回路６に書き込まれている基準温度情報との比較に基づいて、加熱するのか冷却するのかという情報を、温度誤差信号としてＡＴＣ回路４に伝える。
【００１９】
ここで、この実施の形態１による温度補償の概念を説明するために、図３に、光送信器の周囲温度と波長変動量との関係図を示す。
従来の光送信器では、ＬＤ１と温度検出素子２との温度差による波長変動と、温度検出素子自身が持っている温度依存性による波長変動の補償をしていないため、光送信器の周囲温度に対して波長変動が起こる。このため、図３の点線のグラフに示すように、周囲温度の変化に対して、波長変動量が大きく変化する。
【００２０】
これに対して、図２に示す実施の形態１による光送信器は、光送信器の周囲温度の変化に対する波長変動量の変化と、温度補償部５の周囲温度の変化に対する波長変動量の変化とが、逆の変化特性となるように、温度補償部５に対して温度補償係数を設定する。例えば、図３において、周囲温度に対するＬＤ１の出力光の波長変動量の変化が右上がりの温度係数を持つ場合（図の点線）、温度補償部５の周囲温度に対する波長変動量の変化が右下がりの温度係数を持つ（図の一点鎖線）ように、温度補償係数を設定する。これによって、温度検出素子２から得たＬＤモジュール１０内部の温度情報に対して温度補償部５による補正を行うことができる。例えば、図３の例では、温度補償後のＬＤ１の周囲温度に対する波長変動量の変化を、図の二点鎖線の範囲内に収めることができる。
【００２１】
ＡＴＣ回路４では、比較器７から供給される温度誤差信号に基づいて、ＴＥＣ３に流すＴＥＣ制御信号としての電流の向きと大きさを制御し、ＴＥＣ３を用いてＬＤ１の加熱および冷却を行なう。そして、温度検出素子２で再びＬＤモジュール内の温度情報を得る。そして、得られた温度情報が基準温度情報と等しくなっているかどうかを、上記記述した一連の動作で比較する。この一連の動作について帰還制御を行なうことにより、光送信器の波長を一定に保っている。
【００２２】
図４に、本発明の実施の形態１による温度補償部のブロック図を示す。
図において、温度補償部５は、基板３００上に配置された温度検出回路８を、独自に持っている。これは、光送信器の周囲温度情報を取得するために用いている。補償内容記憶回路１０は、光送信器の周囲温度に対応する温度補償係数を記憶している。温度検出回路８で取得した温度情報に基づいて、補償係数制御回路９が補償内容記憶回路１０から周囲温度に対応した温度補償係数を読み出す。読み出した温度補償係数を用いて、補償係数制御回路９がＬＤモジュール内に実装されている温度検出素子２から得られた温度情報を補償する補償情報を出力する。
【００２３】
以上説明したように、この実施の形態１による光送受信器は、ＬＤと温度検出素子との温度差に伴なう、ＬＤの波長変動量を補正し、波長変動量の小さい光送信器を得ることができる。また、温度検出素子自身が持っている温度依存性による波長変動をも補償することができる。
【００２４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による温度補償部５のブロック図を示す。
図５においては、図４に記載した補償内容記憶回路１０を除去し、補償係数制御回路９の代わりに補償係数制御回路９ｂを備えた構成としている。この方式では、補償係数制御回路９ｂ自体が温度依存性を持っている。このため、温度検出回路８で得られた周囲温度情報からその周囲温度情報に対応する補償係数を補償情報として出力し、ＬＤモジュール１０内の温度検出素子２から得られた温度情報の補償を行う。
【００２５】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による温度補償部５のブロック図を示す。
図６においては、図４に記載した補償係数制御回路９と補償内容記憶回路１０を除去し、温度検出回路８の代わりに温度検出回路８ｂを備えた構成としている。この方式では、温度検出回路８ｂ自体が温度依存性を持っている。この温度依存性をそのまま利用して、温度検出回路８ｂを波長変動量に対して逆特性を持つように構成する。これによって、温度検出回路８ｂで得られた周囲温度情報をそのまま補償情報として出力し、温度検出素子２から得られたＬＤモジュール１０内部の温度情報の補償を行う。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、光半導体素子と温度検出素子との温度差に伴なう、光半導体素子の波長変動量を補正するともに、温度検出素子自身が持っている温度依存性による波長変動をも補償することができ、波長変動量の小さい光送信器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＬＤモジュールの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による温度制御回路のブロック図である。
【図３】周囲温度と波長変動量の関係を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態１の温度補償部のブロック図を示す。
【図５】本発明の実施の形態２の温度補償部のブロック図を示す。
【図６】本発明の実施の形態３の温度補償部のブロック図を示す。
【図７】ＬＤ発光素子と温度検出素子の光送信器のケースまでの熱抵抗を示した図である。
【符号の説明】
１  ＬＤ
２  温度検出素子
３  ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）
４  ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路
５  温度補償部
６  基準温度記憶回路
７  比較器
８  温度検出回路
９  補償係数発生回路
１０  補償内容記憶回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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