(57)【要約】【課題】温度センサの出力にノイズが加わったことによる変動には応答しないようにするとともに、温度制御の精度が低下しない光送信装置を提供する。【解決手段】レーザダイオード１と、該レーザダイオードの温度を制御する熱電変換素子３と、該レーザダイオードの温度を検出する温度センサ２を備えた光送信装置である。温度センサ２の出力をＡ／Ｄ変換して設定値と比較し、その比較結果に基づいてレーザダイオード１の温度を所定温度にするための時定数と熱電変換素子３に供給する駆動電流とを算出し、該時定数と該駆動電流に基づき生成された信号をＡ／Ｄ変換し第１の制御信号として出力する第１の温度制御手段１０と、温度センサ２の出力を設定値と比較し、その比較結果に所定の常数を掛けて第２の制御信号を出力する第２の温度制御手段１１とを備える。そして、第１の制御信号及び第２の制御信号で熱電変換素子を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードと、該レーザダイオードの温度を制御する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度を検出する温度センサを備えた光送信装置であって、
前記温度センサの出力をアナログ−デジタル変換して設定値と比較し、その比較結果に基づいて前記レーザダイオードの温度を所定温度にするための時定数と前記熱電変換素子に供給する駆動電流とを算出し、該時定数と該駆動電流に基づき生成された信号をデジタル−アナログ変換し第１の制御信号として出力する第１の温度制御手段と、
前記温度センサの出力を前記設定値と比較し、その比較結果に所定の常数を掛けて第２の制御信号を出力する第２の温度制御手段とを備え、
前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号で前記熱電変換素子を駆動することを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
前記第２の制御信号は、上下限リミッタで制限されていることを特徴とする請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
レーザダイオードと、該レーザダイオードの温度を制御する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度を検出する温度センサを備えた光送信装置であって、
前記温度センサの出力をアナログ−デジタル変換して設定値と比較し、その比較結果に基づいて前記レーザダイオードの温度を所定温度にするための時定数と前記熱電変換素子に供給する駆動電流とを算出し、該時定数と該駆動電流に基づき生成された信号をデジタル−アナログ変換し第１の制御信号として出力する第１の温度制御手段と、
前記温度センサの出力を前記設定値と比較し、その比較結果に所定の常数を掛けて第２の制御信号を出力する第２の温度制御手段とを備え、
前記第１の制御信号と前記第２の制御信号を切替えて前記熱電変換素子を駆動することを特徴とする光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードの温度を、熱電変換素子を用いて制御する光送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重通信（ＷＤＭ）に用いられる光送信装置は、通常、レーザダイオード（ＬＤ）の発光波長を安定させるために、温度センサと温度制御デバイスを用いてＬＤの温度が一定になるように制御されている。
この温度制御には、一般的には帰還制御が用いられ、図３に示すような構成で、ＬＤ１の温度を温度センサ２により測定し、その測定値を目標とする設定値と比較器４により比較して、その差信号を出力する。そして、比較器４の出力信号に、乗算器５で所定の係数Ｋを掛けて制御信号とし、熱電変換素子３をこの制御信号に基づく電流で制御し、ＬＤ１の温度を目標とする設定温度になるようにしている。
【０００３】
しかし、上記のような単純な帰還制御では、例えば、目標の設定温度と周囲温度との差が大きい起動時等には、熱電変換素子３（例えば、ペルチェ素子）の駆動電流が大きくなることがある。この大きな駆動電流に対応するために、熱電変換素子３の駆動回路の大容量化、装置の大型化が必要になる。これを回避するために、例えば、特許文献１に開示されるように、目標の設定温度と周囲温度との差が大きい場合には、目標の設定温度を中心とした所定の温度範囲になるまでは、帰還制御の時定数が大きくなるようにした温度制御回路が提案されている。
【０００４】
図４（Ａ）は、上述の温度制御回路をデジタル的に行う回路のブロック図で、ＬＤ１の温度を温度センサ２により測定し、その測定値をアナログ−デジタル変換器７（Ａ／Ｄ−Ｃ）によりデジタル変換する。そして、デジタル値で設定されている目標の設定温度と測定されたＬＤの温度との差を、ＣＰＵ６で比較演算する。そして、図４（Ｂ）に示すように、ＣＰＵ６で演算された温度差に応じて、測定温度ＴＡが設定温度ＴＢになるまでの時定数を異ならせる。例えば、測定温度（起動時は周囲温度）と設定温度との温度差ΔＴが大きいほど、長い時間で設定温度ＴＢに到達するようにする。これにより、設定温度に到達するまでの時間はかかるが、熱電変換素子３の駆動電流の増大を抑え、駆動回路の大容量化と装置の大型化を抑制している。
【特許文献１】特開２００３−２７３４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長多重通信（ＷＤＭ）に用いられる光送信装置では、レーザダイオードの発光波長を厳密に固定する必要があり、例えば、小数点以下１桁の温度制御が必要とされる場合がある。これには、図４のように、ＬＤの温度制御に、デジタル信号によるＣＰＵ制御を用いることにより、帰還制御の時定数およびその閉ループ利得をダイナミックに変更することが可能となり、複雑な装置を用いることなく駆動電流の増加を抑えることを可能にすることができる。
【０００６】
しかしながら、ＣＰＵ６を用いたデジタル的制御では以下の様な問題を生ずる。すなわち、図５（Ａ）に示すように、レーザダイオードの温度が適正に制御され、温度センサからの出力値が安定していて、この安定した出力値が所定の設定値付近にあったとする。この場合、温度センサの出力にノイズが加わると、本来一定であるはずのデジタル変換結果が変動し、この結果に基づいて熱電変換素子が制御されると、安定している温度を不必要に変動させることとなる。
【０００７】
一方、温度センサの出力値と目標値との差が、ノイズによって変化する値以上になったときにのみ、熱電変換素子の制御出力を変化させることで、不必要な温度変化を抑制する方法が考えられる。しかし、この結果、図５（Ｂ）に示すように、実際のＬＤに、ノイズ相当分の温度変化が生じていてもこの変化は無視されることとなり、また、ノイズによって温度変化がキャンセルされて適正値と見なされたり、温度制御の精度を悪化させることになるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたもので、温度センサの出力にノイズが加わったことによる変動には応答しないようにするとともに、温度制御の精度が低下しない光送信装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による光送信装置は、レーザダイオードと、該レーザダイオードの温度を制御する熱電変換素子と、該レーザダイオードの温度を検出する温度センサを備えた光送信装置である。光送信装置は、温度センサの出力をアナログ−デジタル変換して設定値と比較し、その比較結果に基づいてレーザダイオードの温度を所定温度にするための時定数と熱電変換素子に供給する駆動電流とを算出し、該時定数と該駆動電流に基づき生成された信号をデジタル−アナログ変換し第１の制御信号として出力する第１の温度制御手段と、温度センサの出力を設定値と比較し、その比較結果に所定の常数を掛けて第２の制御信号を出力する第２の温度制御手段とを備える。そして、前記の第１の制御信号及び前記の第２の制御信号で熱電変換素子を駆動する。
【００１０】
また、前記の光送信装置は、第２の制御信号は、上下限リミッタで制限する構成とすることができる。また、光送信装置は、第１の制御信号と第２の制御信号を切替えて熱電変換素子を駆動する構成とするようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱電変換素子に供給する電流と帰還ループの時定数を制御して目標の設定温度近傍まで、主たる温度制御をデジタル処理による第１の温度制御手段により行うことで、熱電変換素子の駆動回路の大容量化を抑制し、装置の大型化を回避することができる。そして、アナログ処理による第２の温度制御手段により、ノイズ程度の小さな温度変動に対応して比例制御を行うことで、精度の高い温度制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１は第１の実施形態を示し、図２は第２の実施形態を示す図である。図中、１はレーザダイオード（ＬＤ）、２は温度センサ、３は熱電変換素子、１０は第１の温度制御手段、１１は第２の温度制御手段、１２はアナログーデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）、１３は比較部、１４は演算処理部、１５，１６はデジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ−Ｃ）、１７は比較器、１８は乗算器、１９はアナログ加算器、２０は上下限リミッタ、２１は切替え手段を示す。
【００１３】
本発明による光送信装置の信号光源であるレーザダイオード１（ＬＤ）は、その発光波長を安定させるために、温度センサ２（例えば、サーミスタ、熱電対）により、ＬＤ温度を常時検出される。温度センサ２の出力値が目標の設定値から外れた場合は、温度制御デバイスである熱電変換素子３（例えば、ペルチェ素子）に供給される駆動電流を制御して
、温度センサ２で検出する温度が所定の設定温度となるように、一般的には、ＰＩＤ制御（比例制御Ｐ＋積分制御Ｉ＋微分制御Ｄ）として知られる方法により熱電変換素子３は制御される。
所定の設定温度となるように、一般的には、ＰＩＤ制御（比例制御Ｐ＋積分制御Ｉ＋微分制御Ｄ）として知られる方法により温度制御される。
【００１４】
本発明の温度制御ループは、温度センサ２により測定されたＬＤ温度を示す信号と目標とする設定温度を示す信号との差信号を、ＣＰＵ等によりデジタル的に処理する第１の温度制御手段１０と、アナログ的に処理する第２の温度制御手段１１とを含む。
第１の温度制御手段１０は、温度センサ２でアナログ的に出力されたＬＤ１の温度信号を、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）１２によりデジタル信号に変換し、目標とされる設定信号（デジタル値）と、比較部１３で比較演算する。この結果、ＬＤ１の測定温度と設定温度との温度差が算出され、次いで、演算処理部１４にて、前記の温度差に基づいた演算処理が実行され、前記の温度差をゼロにするための所定の制御信号が出力される。
【００１５】
ＬＤの測定温度と設定温度の温度差に基づいた演算処理とは、図４（Ｂ）に示すように、例えば、温度差ΔＴが大きい場合には、開始温度（ＴＡ）から所定の設定温度（ＴＢ）に向けて立下がる（冷却する場合。加熱する場合には立上がり）時の傾きに相当する時定数を大きくする。この結果、温度差ΔＴが大きい場合でも、時間をかけて所定の温度になるようにするので、熱電変換素子３の駆動電流を小さくすることが可能となり、温度差に比例した大きな駆動電流を流さなくて済む。また、温度差ΔＴが比較的小さい場合は、上記の立下がりに相当する時定数を小さくすることで、所定の温度に短時間で達するようにすることができる。
【００１６】
なお、演算処理部１４で出力されるデジタル制御信号は、デジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ−Ｃ）１５により、アナログ制御信号に変換され、後述する第２の温度制御手段１１からのアナログ制御信号とアナログ加算器１９で重畳されて、熱電変換素子３の駆動回路に入力される。
【００１７】
また、第１の温度制御手段１０は、図５（Ａ）で説明するように、温度センサからの出力値が安定していて、この安定した出力値が設定値の閾値付近にある場合、温度制御がデジタル的に行われるため、ノイズ等による短期的な変動がわずかに加わったような場合にも応答して、実際には安定状態にある温度を変化させてしまうことがある。
【００１８】
したがって、このようなノイズ等による温度信号の微少な変動には応答しないように、演算処理部１４ではループ利得を小さく設定することができる。しかし、第１の温度制御手段１０において、上記したように、ノイズ等による温度信号の微少な変動には応答しないように設定すると、図５（Ｂ）で説明したように、実際のＬＤの温度が、ノイズ相当分の温度変化が生じていても、制御が働かず温度制御の精度を悪化させる恐れがある。
【００１９】
なお、波長多重通信（ＷＤＭ）に用いられる光送信装置では、ＬＤの発光波長を厳密に固定する必要があり、このため、小数点以下１桁の温度制御が必要とされる。この温度制御を絶対温度で考えると、デジタル処理では４桁近くの制御が必要となる。上記のように、デジタル的な自動温度制御を行うには、市販のＡ／Ｄ−Ｃの分解能は、１０ビット（１０２４バイト）〜１６ビット（６４ｋバイト）であり、価格、動作の点からは１０ビット〜１２ビットのＡ／Ｄ−Ｃの使用が常套である。
【００２０】
上記１０〜１２ビットに相当する分解能が３桁強にしかならず、ＷＤＭ用信号光源に要求される動作温度範囲−４０℃〜８５℃に対して少数点以下１桁の制御を行う場合に、±１ビットの厳密な制御精度が必要となる。温度制御を向上させる方法として、Ａ／Ｄ−Ｃの基準電圧（ Vref )にオフセットを施し、基準電圧との差分について、１０ビット〜１２ビットの分解能で検知する方法が考えられる。しかし、この方法は、回路が大掛かりになり、特にＣＰＵの演算処理による論理制御が必要となり、低コスト化の妨げになる。
【００２１】
そこで、本発明においては、上記のようなコストのかかる制御を用いず、第１の温度制御手段１０に加えて、アナログ信号による第２の温度制御手段１１を用いることで、温度制御の精度を維持するようにしている。
第２の温度制御手段１１は、目標とされる設定温度を、温度センサ２が出力するＬＤ１の温度信号と、比較器１７でアナログ的に比較する。比較器１７からの出力信号は、ＬＤの測定温度と設定温度の差を示すアナログ信号で、これを乗算器１８でｋ倍することにより、温度差を示す所定のアナログ制御信号とすることができる。
【００２２】
第２の温度制御手段１１から出力されるアナログ制御信号は、ＬＤ１の測定温度と設定温度の差に比例する信号で、この信号を熱電変換素子３の駆動回路に入力することで、温度差がゼロになるまで熱電変換素子３の駆動回路を比例制御する。
この第２の温度制御手段１１から出力されるアナログ制御信号は、第１の温度制御手段１０からのアナログ制御信号と加算されて、双方のアナログ制御信号により、熱電変換素子３に駆動電流が制御される。
【００２３】
なお、第１の温度制御手段１０が、制御出力の変動がノイズ変動分以下では応答しないようにした場合でも、第２の温度制御手段１１は、実際の温度信号の変化が僅かであっても、比例制御による制御出力を生成し、ＬＤ１の測定温度が目標の設定温度になるまで制御することができる。
【００２４】
また、乗算器１８で比較器１７の出力をｋ倍することに加えて、第２の温度制御手段１１から出力されるアナログ制御信号を、上下限リミッタ２０を通してアナログ加算器１９に加え、比例制御による制御が所定の範囲内で行われるようにしてもよい。上下限リミッタ２０の設定値は、例えば、第１の温度制御手段１０で、ＬＤ１の温度が安定しているときに、ノイズの影響を抑制するために制御出力を変化させない範囲と同じになるように設定することができる。これにより、熱電変換素子３の駆動電流が過大になるのを防止することもできる。
【００２５】
図２は、第２の実施形態を示し、図１で説明したのと同様に、温度センサ２により測定されたＬＤ温度を示す信号と目標とする設定温度を示す信号との差信号を、ＣＰＵ等を用いてデジタル的に処理する第１の温度制御手段１０と、アナログ的に処理する第２の温度制御手段１１とで行われる。そして、第１の温度制御手段１０から出力される制御信号と、第２の温度制御手段１１から出力される制御信号は、切替え手段２１のそれぞれ端子に供給される。
【００２６】
なお、第１の温度制御手段１０は、温度センサ２でアナログ出力されたＬＤ１の温度信号を、Ａ／Ｄ−Ｃ１２によりデジタル信号に変換し、目標とされる設定信号（デジタル値）と、比較部１３で比較演算し、次いで、演算処理部１４にて温度差に応じた演算処理を実行し、Ｄ／Ａ−Ｃ１５でアナログ信号とされ、所定の制御信号を出力する。
また、第２の温度制御手段１１は、目標とされる設定信号（デジタル値）をアナログ信号に変換して、温度センサ２で出力されたＬＤ１の温度を示すアナログ信号と、比較器１７で温度差を示すアナログ信号を出力させ、次いで、これに乗算器１８でｋ倍することにより所定の制御信号を出力する。
【００２７】
上記の構成において、熱電変換素子３には、切替え手段２１により選択された第１の温度制御手段１０から出力される制御信号、または、第２の温度制御手段１１から出力される制御信号の何れか一方の制御信号が加えられ、それぞれの制御信号に応じた駆動電流で駆動される。この場合、ＬＤ１の測定温度と目標とする設定温度の温度差が大きい場合は、第１の温度制御手段１０による制御信号により制御し、ＬＤの測定温度が目標とする設定温度に近くなり温度差が小さくなったときに第２の温度制御手段１１による制御信号により制御するようにしてもよい。
【００２８】
また、ＬＤの温度制御が安定し、ノイズによる温度変動を抑制するために、第１の温度制御手段１０において、温度センサ出力と目標の設定値との差がノイズ変化分以上となるまで制御出力を変化させない状態のときに、第２の温度制御手段１１による制御信号により制御するように切替える。すなわち、ＬＤの温度制御が安定したときに、第１の温度制御手段１０による制御から、第２の温度制御手段１１による制御に切替え、ノイズ相当分の温度変動を精度よく比例制御するようにしてもよい。
【００２９】
なお、第２の温度制御手段１１のアナログ比例制御に切替わるときは、第１の温度制御手段１０により温度センサ出力と目標の設定値との差は近づいているので、図３に示した従来のアナログ比例制御のみの場合に生じる、熱電制御素子の駆動電流が大きくなり過ぎることはない。
【００３０】
上記のようにＬＤの温度制御をＰＩＤ制御するような場合、通常、最も不安定要因となるのが積分制御（Ｉ）の部分である。これは、温度制御のフィードバックの影響が現れるまでに時間を要するためで、帰還効果が直接的には現れにくいということにある。然るに、本発明では、特に、この（Ｉ）部分をデジタル処理によりループ時定数を自在に制御して、目標の設定温度に効率よく近づけて、温度の早期安定化を図っている。そして、温度が設定温度近くになったときに、アナログ処理による（Ｐ）部分の比例制御を行い、温度を高精度で安定化させている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による第１の実施形態を説明する図である。
【図２】本発明による第２の実施形態を説明する図である。
【図３】従来のアナログ処理による温度制御の例を示す図である。
【図４】従来のマイコン処理（デジタル処理）による温度制御の例を示す図である。
【図５】図４の温度制御における問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…レーザダイオード（ＬＤ）、２…温度センサ、３…熱電変換素子（ペルチェ素子）、１０…第１の温度制御手段、１１…第２の温度制御手段、１２…アナログーデジタル変換器（Ａ／Ｄ−Ｃ）、１３…比較部、１４…演算処理部、１５，１６…デジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ−Ｃ）、１７…比較器、１８…乗算器、１９…アナログ加算器、２０…上下限リミッタ、２１…切替え手段。
【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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