本発明は光通信素子を周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにするための温度補償装置及び方法に関し、特に、ＰＩＤ(Proportion Integration Derivation)制御回路を利用した低発熱温度補償装置及び方法に関する。

導波路列格子(Arrayed Waveguide Grating:ＡＷＧ)は波長分割多重方式(Wavelength Division Multiplexing:ＷＤＭ)光通信システムで多波長の光チャネルを多重化又は逆多重化させる多重化器／逆多重化器(Mux/DeMux)に主に使用される光通信素子である。 ＡＷＧのような光通信素子は温度、周囲環境変化に敏感に反応して光通信システム性能を劣化させる問題がある。

このような問題点を解決するために、光通信素子を周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにするための温度補償装置を利用する。 このような温度補償装置は主にＰＩＤ制御回路を利用することにより具現されることができる。

図１は従来のＰＩＤ制御回路を利用した温度補償装置の概略的な構成を示したブロック図である。

図１に示したように、従来の温度補償装置は、温度比較部１０、ＰＩＤ制御部２０、高電流駆動部３０、温度制御部４０及び温度センサー５０で構成される。

温度比較部１０では基準温度と現在温度を比較して基準温度の基準電圧値Ｖ _refと現在温度の現在電圧値Ｖ _curの差である誤差電圧値Ｖ _errを出力する。 基準電圧値Ｖ _refは直接電圧値を印加するか、又は、汎用マイクロコントローラによるＤＡＣ(Digital-to-analog converter)でフィードして電圧値を印加することにより、基準温度を設定するようになる。 現在電圧値Ｖ _curは、ＡＷＧのような光通信素子のために取り付けられた温度センサー５０の抵抗値を読み出した後、現在電圧値(Ｖ _cur )に変換することにより設定されるようになる。

ＰＩＤ制御部２０は高電流駆動部３０にＰＩＤ電圧値Ｖ _pidを出力することにより、基準温度の電圧値Ｖ _refと現在温度の電圧値Ｖ _curを一致させる役割を遂行する。 ＰＩＤ制御部は光通信素子の温度変化特性に応じてＰ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御回路などを含むことができる。

高電流駆動部３０はＰＩＤ制御回路の出力電圧Ｖ _pidを受信し、これを増幅して温度制御部４０に高電流Ｉ _outを供給する。 高電流駆動部３０にはパワー演算増幅器(power op-amp：ＯＰアンプ)が主に使用される。

温度制御部４０は印加された高電流Ｉ _outを利用して光通信素子の温度を制御する。 この時、温度制御部４０に印加される電流Ｉ _outの極性は、温度比較部１０での誤差電圧値Ｖ _errの極性により決定される。 誤差電圧値が正(＋)の電圧値を示すと、正の電流が供給され、反対に誤差電圧値が負(−)の電圧値を示すと、負の電流が供給される。 このような温度制御部４０にはヒーター(heater)とＴＥＣ(thermal electric cooler)などが使用される。 ヒーターは印加される電流Ｉ _outの極性とは無関係に光通信素子を加熱するように機能し、ＴＥＣは印加される電流Ｉ _outの極性に従って光通信素子を加熱／冷却するように機能する。

温度センサー５０は、温度を検知するように機能し、例えば、サーミスタ(thermistor)、ＲＴＤ(resistive thermal detector)などがある。 サーミスタは温度の上昇につれて、抵抗値が低くなる特性があり、ＲＴＤは温度の上昇につれて抵抗値が増加する特性がある。

しかし、前述のような構成を有する従来の温度補償装置の場合、高電流駆動部３０に使用されたパワーＯＰアンプの熱効率が悪く、多量の熱が発生するようになるので、必ず放熱板が必要であり、これによって、材料費の上昇及びモジュール全体が大きくなる欠点がある。

このような欠点を解決するために、パワーＯＰアンプの代わりに熱効率が良好なパルス幅変調(Pulse Width Modulation:ＰＷＭ)ドライバと電流整流回路を使用して防熱板の不要な低発熱温度補償装置が具現された。

図２は従来の低発熱温度補償装置の概略的な構成を示すブロック図である。

図２に示したように、従来の低発熱温度補償装置は図１の構成でパワーＯＰアンプの代わりにＰＷＭドライバ３１と電流整流器３２を使用した構成を有する。 図３はＰＷＭドライバ３１と電流整流器３２で構成された高電流駆動部３０の出力特性を示した図である。 アナログＰＩＤ制御部２０は誤差電圧値Ｖ _errに基づいた温度補償信号Ｖ _pidを出力する(図３Ａ)。 ＰＷＭドライバ３１は増幅信号Ｉ _pwm （図３Ｂ）を生成するためにＶ _pidを増幅する。 増幅号Ｉ _pwmは電流整流器３２を通過しながらＤＣ(direct current)信号に変変換される(図３Ｃ)。

しかし、図２に示したような従来の低発熱温度補償装置の場合、誤差電圧値(Ｖ _err )が０になるように制御するためアナログＰＩＤ制御回路における比例器(Ｐ)、積分器(Ｉ)、微分器(Ｄ)を利用する。 このため、従来の低発熱温度補償装置では、高性能ＯＰアンプ、Ｒ(抵抗)、Ｃ(キャパシタ)などの多量の電気部品の使用が必要になる。 従って、このようなアナログＰＩＤ制御回路は温度補償モジュールの材料費を上昇させ及びモジュールの体積を大きくさせる原因になっている。 また、極端な環境下で電気部品の特性が急激に悪化すると、温度補償モジュール全体の性能を劣化させる傾向がある。

さらに、上述したように温度比較部で誤差電圧値Ｖ _errは、差動増幅器、計測増幅器(Instrument op-amp)などを利用して現在温度の電圧値Ｖ _curと基準温度の電圧値Ｖ _refの差を求めることにより得られる。 しかし、一般的に誤差電圧値Ｖ _errの極性は温度測定に使用される温度センサー、例えば、温度の増加につれて抵抗値が低くなる特性を有するサーミスタ、温度の増加につれて抵抗値が増加する特性を有するＲＴＤの種類に依存する。 上述したように、誤差電圧値Ｖ _errの極性が変わると、ヒーターやＴＥＣのような温度制御部に印加される電流Ｉ _outの極性も変わるようになるので、光通信素子に印加される温度制御部の機能が変わるようになる。 その結果、温度比較部は温度センサー種類に従って相異なる回路基板(Printed Circuit Board:ＰＣＢ)を使用しなければならないといった問題がある。

従って、前述の問題を解決するための本発明の目的は、温度補償装置の大きさを小型化し、製作費用を節減することができる低発熱温度補償装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、温度センサーの種類とは無関係に、一つのＰＣＢの使用により、多様な温度センサーを受容することができる低発熱温度補償装置及び方法を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償装置は、光通信素子の使用温度を検出する温度センサーと、温度センサーの検出温度に対応する信号と光通信素子の基準温度に対応する信号とをディジタル信号処理し、この二つの信号差を示すディジタル誤差値を発生する温度比較部と、温度比較部のディジタル誤差値をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、アナログ信号に変換された誤差値が０になるように、アナログ手法によりＰＩＤ制御して温度補償信号を発生するアナログＰＩＤ制御部と、温度補償信号に応じて光通信素子の温度を制御する温度制御部と、からなることを特徴とする。

この低発熱温度補償装置における二つの信号はそれぞれ電圧信号で構成されるとよい。

この低発熱温度補償装置は、アナログＰＩＤ制御部からの温度補償信号を受信して増幅し、高電流として温度制御部に供給する高電流駆動部をさらに含むと好ましい。

高電流駆動部はＰＷＭドライバと電流整流器で構成されるとなお好ましい。

また、本発明では、光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償装置において、光通信素子の使用温度を検出する温度センサーと、温度センサーの検出温度に対応する信号と光通信素子の基準温度に対応する信号の二つの信号差を示す誤差値を発生する温度比較部と、温度比較部の誤差値をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、ディジタル信号に変換された誤差値が０になるように、ディジタル手法によりＰＩＤ制御してディジタル温度補償信号を発生するディジタルＰＩＤ制御部と、ディジタル温度補償信号をアナログ温度補償信号に変換するＤ／Ａコンバータと、アナログ温度補償信号に応じて光通信素子の温度を制御する温度制御部と、からなることを特徴とする低発熱温度補償装置を提供する。

この低発熱温度補償装置における二つの信号はそれぞれ電圧信号で構成されるとよい。

この低発熱温度補償装置は、アナログＤ／Ａコンバータからのアナログ温度補償信号を受信して増幅し、高電流として温度制御部に供給する高電流駆動部をさらに含むと好ましい。

高電流駆動部はＰＷＭドライバと電流整流器で構成されるとなお好ましい。

さらに、本発明では、光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償装置において、光通信素子の使用温度を検出する温度センサーと、温度センサーの検出温度に対応する信号と光通信素子の基準温度に対応する信号とをディジタル信号処理して、この二つの信号差を示すディジタル誤差値を発生する温度比較部と、ディジタル誤差値が０になるように、ディジタル手法によりＰＩＤ制御してディジタル温度補償信号を発生するディジタルＰＩＤ制御部と、ディジタル温度補償信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、アナログ温度補償信号に応じて光通信素子の温度を制御する温度制御部と、からなることを特徴とする低発熱温度補償装置をも提供する。

この低発熱温度補償装置における二つの信号はそれぞれ電圧信号で構成されるとよい。

この低発熱温度補償装置は、アナログＤ／Ａコンバータからのアナログ温度補償信号を受信して増幅し、高電流として温度制御部に供給する高電流駆動部をさらに含むと好ましい。

高電流駆動部はＰＷＭドライバと電流整流回路で構成されるとなお好ましい。

さらにまた、本発明では、光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償方法において、光通信素子の使用温度を検出し、検出温度に対応する信号と光通信素子の基準温度に対応する信号とをディジタル信号処理して、この二つの信号差を示すディジタル誤差値を発生する過程と、ディジタル誤差値をＤ／Ａ変換してアナログ信号に変換する過程と、アナログ信号に変換された誤差値が０になるように、アナログ手法によりＰＩＤ制御して温度補償信号を発生する過程と、温度補償信号に基づいてアナログ手法により光通信素子の温度補償を遂行する過程と、からなることを特徴とする低発熱温度補償方法を提供する。

さらに、本発明では、光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償方法において、光通信素子の使用温度を検出し、検出温度に対応する電圧信号と光通信素子の基準温度に対応する電圧信号の差である誤差電圧値を計算する過程と、誤差電圧値をＡ／Ｄ変換してディジタル信号処理する過程と、ディジタル信号に変換された誤差値が０になるように、ディジタル手法によりＰＩＤ制御してディジタル温度補償信号を発生する過程と、ディジタル温度補償信号をＤ／Ａ変換してアナログ信号に変換する過程と、アナログ温度補償信号に基づいてアナログ手法により光通信素子の温度補償を遂行する過程と、からなることを特徴とする低発熱温度補償方法も提供する。

これら低発熱温度補償方法における二つの信号はそれぞれ電圧信号であるとよい。

また、これら低発熱温度補償方法は、温度補償信号を受信する過程と、温度補償信号を増幅する過程と、温度補償信号を高電流として供給する過程と、をさらに含むと好ましい。

増幅及び供給過程は、ＰＷＭドライバと電流整流回路を使用して遂行されるとよい。

さらにまた、本発明では、光通信素子が周囲温度変化とは無関係に一定の温度特性を有するようにする低発熱温度補償方法において、光通信素子の使用温度を検出し、検出温度に対応する信号と光通信素子の基準温度に対応する信号とをディジタル信号処理して、二つの信号差を示すディジタル誤差値を発生する過程と、ディジタル誤差値が０になるように、ディジタル手法によりＰＩＤ制御してディジタル温度補償信号を発生する過程と、ディジタル温度補償信号をＤ／Ａ変換してアナログ温度補償信号に変換する過程と、アナログ温度補償信号に基づいてアナログ手法により光通信素子の温度補償を遂行する過程と、からなることを特徴とする低発熱温度補償方法をも提供する。

この低発熱温度補償方法における二つの信号はそれぞれ電圧信号であるとよい。

また、この低発熱温度補償方法は、温度補償信号を受信する過程と、温度補償信号を増幅する過程と、温度補償信号を交流電流として供給する過程と、をさらに含むと好ましい。

本発明の低発熱温度補償装置によれば、温度比較部とアナログＰＩＤ制御部をディジタル信号処理するように構成したので、電気部品の数を節減することができ、これによって材料費節減効果及びモジュールサイズの小型化効果を期待することができるようになる。

また、温度比較部をディジタル信号処理させることにより、一つのＰＣＢの使用によっても多様な温度センサーを受容することができる汎用低発熱温度補償装置を構成することができるようになる。

本発明は、光通信素子などの温度補償のための低発熱温度補償装置を構成する場合、温度比較部で現在温度と基準温度の差である誤差値をディジタル信号処理してディジタル誤差電圧値を求めるようにするか、または、ＯＰアンプ及び抵抗(Ｒ)、キャパシタ(Ｃ)などの電気部品が必要なアナログＰＩＤ回路の代わりにディジタルＰＩＤ制御を遂行するようにすることを特徴とする。

以下、本発明に従う好適な一実施形態について図４〜図７を参照しつつ詳細に説明する。 下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図４は本発明一実施形態による温度比較部がディジタル信号処理される低発熱温度補償装置の構成を示すブロック図である。

図４に示したように、本実施形態による低発熱温度補償装置は、温度センサー１と、温度比較部１００、ＰＩＤ制御部２００、高電流駆動部３００、Ａ／Ｄコンバータ１１０、Ｄ／Ａコンバータ１２０で構成される温度補償モジュール２と、温度制御部３と、を含む構成を有する。

温度センサー１は光通信素子などの現在使用温度を検出し、この検出温度に対応する電圧信号はＡ／Ｄコンバータ１１０を通じてディジタル信号に変換される。 温度比較部１００はＡ／Ｄコンバータを通じてディジタル信号に変換された現在温度に対応する電圧値Ｖ _curと設定温度に対応する基準電圧値Ｖ _refとの差であるディジタル誤差電圧値Ｖ _errを計算する。 この時、一般的に現在温度の電圧値を測定する回路は基準電圧(３Ｖ)、抵抗、温度センサー及びＧＮＤの順に閉ループが構成された電圧デバイダ回路(divider circuit)が主に使用される。

使用する温度センサーの種類に対する補償のためにディジタル基準電圧値Ｖ _ref及び／又はディジタル現在温度電圧値Ｖ _curがディジタル信号処理されると好ましい。 ここで、例えば、温度センサーとしてサーミスタが使用される場合、温度が上昇するにつれて温度センサーの抵抗値が低くなり、現在温度電圧値Ｖ _curも低くなる傾向がある。 従って、現在温度電圧値Ｖ _curはディジタルＶ _curを生成するために増加され、又は、基準電圧値Ｖ _refはディジタルＶ _refを生成するために減少され、又は、両ディジタル値が部分的に調節される。 一方、温度センサーとしてＲＴＤが使用される場合、温度が上昇するにつれて温度センサーの抵抗値が高くなり、現在温度電圧値Ｖ _curも高くなる傾向がある。 従って、現在温度電圧値Ｖ _curはディジタルＶ _refを生成するために減少され、又は、基準電圧値Ｖ _refはディジタルＶ _curを生成するために増加され、又は、両ディジタル値が部分的に調節される。 温度比較部１００はディジタル値で誤差電圧値を比較するので、温度センサーの種類とは無関係にＰＣＢにその温度比較部の具現が可能になる。 すなわち、後述のように、ＰＩＤ制御機能のフィードバックを通じて誤差電圧値が０になるようにする。

ディジタル誤差電圧値Ｖ _errはＤ／Ａコンバータ１２０を通じてアナログ誤差電圧値Ｖ _errに変換された後、アナログＰＩＤ制御部２００に入力される。 ＰＩＤ制御部２００は誤差電圧値Ｖ _errが０になるようにＰＩＤ制御機能を遂行して温度補償信号Ｖ _pidを発生する。

ＰＩＤ制御部２００から出力される温度補償信号Ｖ _pidは高電流駆動部３００で増幅されて温度制御部３に供給され、温度制御部３は印加された高電流により光通信素子の温度を制御するようになる。 この一実施形態における高電流駆動部３００は、ＰＷＭドライバ３１０と電流整流器３２０で構成される。 ＰＷＭドライバ３１０は出力抵抗が低く、熱効率が高いので、別途の防熱板が必要ない。 このような理由から、ＰＷＭドライバは低発熱素子に主に使用されている。

図５は本発明の他の実施形態を示すブロック図であり、ディジタルＰＩＤ制御器を含む低発熱温度補償装置の構成を示している。

図５に示したように、本発明の他の実施形態による低発熱温度補償装置は、温度センサー１と、温度比較部１００、ディジタルＰＩＤ制御部２２０、高電流駆動部３００、Ａ／Ｄコンバータ２１０及びＤ／Ａコンバータ２３０で構成された温度補償モジュール２と、温度制御部３と、を含む構成を有する。

この実施形態は、図１に示したアナログＰＩＤ制御部２００の代わりにディジタルＰＩＤ制御部２２０で構成される点に差異がある。 また、ＰＩＤ制御のために、ディジタルＰＩＤ制御部２２０の入力端及び出力端にＡ／Ｄコンバータ２１０及びＤ／Ａコンバータ２３０を設けている。

温度比較部１００は現在温度の電圧値と基準温度の電圧値の差である誤差電圧値を計算する。 誤差電圧値はＡ／Ｄコンバータ２１０によりディジタル誤差電圧値に変換されて、ディジタルＰＩＤ制御部２２０に入力される。

ディジタルＰＩＤ制御部２２０は誤差電圧値が０になるようにディジタルＰＩＤ制御を遂行する。 ディジタルＰＩＤ制御は汎用マイクロプロセッサを通じて遂行され、ディジタルＰＩＤサンプリング方式のＰＩＤ制御の基本式は次の通りである。

操作量＝Ｋ _ｐ ｘ誤差(比例Ｐ)＋
Ｋ _ｉ ｘ誤差の累積器(積分Ｉ)＋
Ｋ _ｄ ｘ前回誤差との差(微分Ｄ)
これを記号に示すと、
ｎＶ _pid ＝(ｎ−１)Ｖ _pid ＋Ｄ _ｎ Ｖ _pid
Ｄ _ｎ Ｖ _pid ＝Ｋ _ｐ ｘ(ｎＶ _err −(ｎ−１)Ｖ _err )＋
Ｋ _ｉ ｘｎＶ _err ＋
Ｋ _ｄ ｘ((ｎＶ _err −(ｎ−１)Ｖ _err )−((ｎ−１)Ｖ _err −(ｎ−２)Ｖ _err ))

前式でｎＶ _pidと(ｎ−１)Ｖ _pidはそれぞれ今回制御量、前回制御量を示し、Ｄ _ｎ Ｖ _pidは今回制御量微分を意味し、ｎＶ _err 、(ｎ−１)Ｖ _err 、(ｎ−２)Ｖ _errはそれぞれ今回、前回、前前回誤差を示す。 Ｋ _ｐ 、Ｋ _ｉ 、Ｋ _ｄはそれぞれ比例定数、積分定数、微分定数を意味する。

ディジタルＰＩＤ制御部２２０の出力値はＤ／Ａコンバータ２３０を通じてアナログ値に変換される。 このアナログ値は高電流としてＰＷＭドライバ３１０と電流整流器３２０で構成された高電流駆動部３００を通じて、ヒーターやＴＥＣのような温度制御部３に供給される。 温度制御部３は高電流駆動部３００からの信号に基づいて現在温度を基準温度に近接するようにする。 ディジタルＰＩＤ制御は必要によって、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御などが使用される。

図６は本発明の他の実施形態を示すブロック図であり、ディジタル温度比較部とディジタルＰＩＤ制御器を含む低発熱温度補償装置の構成を示している。

図６に示したように、本実施形態による低発熱温度補償装置は、温度センサー１と、温度比較部１００、ディジタルＰＩＤ制御部２２０、高電流駆動部３００、Ａ／Ｄコンバータ１１０、Ｄ／Ａコンバータ２３０で構成された温度補償モジュール２と、温度制御部３と、から構成される。

この実施形態は、図１に示したアナログＰＩＤ制御部２００の代わりにディジタルＰＩＤ制御部２２０で構成される点に差異がある。 さらに、ＰＩＤ制御のために、ディジタルＰＩＤ制御部２２０出力端にＤ／Ａコンバータ２３０を設けている。

温度センサー１で検出された現在温度の電圧値は、Ａ／Ｄコンバータ１１０を通じてディジタル電圧値であるディジタルＶ _curに変換される。 温度比較部１００は基準温度の電圧値であるディジタルＶ _refと現在温度の電圧値であるディジタルＶ _curの差である誤差電圧値であるディジタルＶ _errを計算する。 誤差電圧値であるディジタルＶ _errは前述した汎用マイクロコントローラによりＰＩＤ制御を実行するディジタルＰＩＤ制御器に入力される。 このディジタルＰＩＤ制御器からのＰＩＤ出力値はＤ／Ａコンバータ２３０を通じてアナログ値に変換され、高電流としてＰＷＭドライバ３１０と電流整流器３２０を通じて温度制御部３に供給される。 このようにして、低発熱温度補償装置は基準温度と現在温度を一定に維持するように構成される。

図７は多重化器／逆多重化器(ＷＤＭ Mux/DeMux)素子の一種類であるＡＷＧの温度特性を安定化するために、そのＡＷＧに本発明の実施形態による低発熱温度補償装置を適用した例を示す図である。

温度センサー１はＡＷＧ素子４の現在使用温度を検出する。 温度センサー１の検出温度が基準温度から外れる場合、これを補償するために温度補償モジュール２はヒーターやＴＥＣなどの温度制御部３を駆動するべく制御信号をその温度制御部３に供給する。 このようにして、周囲温度変化とは無関係にＡＷＧ素子１０が一定の温度(基準温度)特性を有するようになる。 この場合、ヒートスプレッダ(heat spreader)５はＡＷＧ素子１０に対して熱が偏らないように均一に伝達されるようにする。

以上、具体的な実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、各種の変形が本発明の特許請求の範囲を逸脱しない限り、該当技術分野における通常の知識をもつ者により可能なのは明らかである。

従来のＰＩＤ制御回路を利用した温度補償装置の概略的な構成を示すブロック図。

従来の低発熱温度補償装置の概略的な構成を示すブロック図。

図２の装置による出力特性を示した図。

本発明一実施形態による温度比較部がディジタル信号処理される低発熱温度補償装置の構成を示すブロック図。

本発明の他の実施形態によるディジタルＰＩＤ制御器を含む低発熱温度補償装置の構成を示すブロック図。

本発明の他の実施形態によるディジタル温度比較部及びディジタルＰＩＤ制御器を含む低発熱温度補償装置の構成を示すブロック図。

多重化器／逆多重化器素子の一種類であるＡＷＧの温度特性を安定化するために、ＡＷＧに本発明の実施形態による低発熱温度補償装置を適用した例を示す図。

符号の説明

１ 温度センサー２ 温度補償モジュール３ 温度制御部１００ 温度比較部１１０，２１０ Ａ／Ｄコンバータ１２０，２３０ Ｄ／Ａコンバータ２００ ＰＩＤ制御部２２０ ディジタルＰＩＤ制御部３００ 高電流駆動部３１０ ＰＷＭドライバ３２０ 電流整流器