DE3629436A1 - Treiberstufe fuer halbleiterlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe zum Ansteuern eines Halbleiterlasers, z.B. einer Laser-Diode.

Die Laserausgangsleistung/Treiberstrom-Kennlinien von Halbleiterlasern variieren in Abhängigkeit von der Be­ triebstemperatur erheblich. Genauer gesagt: zur Erzie­ lung einer gleich großen Laserausgangsleistung ist bei höherer Temperatur ein größerer Strom erforderlich.

Wenn bei einem herkömmlichen Laserdrucker unter Ver­ wendung eines Halbleiterlasers als Laserlichtquelle die Laserausgangsleistung (laser output) im Schreib­ modus nicht konstant ist, verschlechtert sich die Bild- oder Ausdruckgüte. Hierdurch ergeben sich Probleme bezüglich der Güte der aufgezeichneten Bilder.

Aus diesem Grund wurde bereits eine Treiberstufe für Halbleiterlaser vorgeschlagen, durch welche die Laser­ ausgangsleistung unabhängig von der Betriebstempera­ tur konstant gehalten werden kann. Diese Treiberstufe wird auch als automatische Leistungsregel- oder ALR- Schaltung bezeichnet.

Eine beispielhafte bisherige Halbleiterlaser-Treiber­ stufe besteht aus einer Kombination aus einer ALR- Schaltung zum Ansteuern eines Halbleiterlasers mit einer konstanten Spannung und einem Halbleiterlaser- Modulator.

Zur Erzielung einer Temperaturkompensation bei der mit konstanter Spannung ansteuernden ALR-Schaltung muß eine Treiber- oder Ansteuerspannung für den Halb­ leiterlaser in Abhängigkeit von der Umgebungstempera­ tur variiert werden, um die Laserausgangsleistung kon­ stant zu halten. Zu diesem Zweck wird z.B. die Umgebungs­ temperatur gemessen und in ein elektrisches Signal umge­ wandelt, und die Ansteuerspannung wird sodann nach Maß­ gabe des umgewandelten elektrischen Signals eingestellt.

In diesem Fall muß die Temperaturkennlinie des Halb­ leiterlasers im voraus geprüft oder bestimmt werden; dementsprechend muß eine angepaßte Steuerspannung er­ zeugt werden. Die Eigenschaften oder Kennlinien einzel­ ner Halbleiterlaser sind jedoch verschieden und auch einer zeitabhängigen Änderung unterworfen. Aus diesem Grund erweist sich eine genaue Temperaturkompensation als schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere, die Aus­ gangsleistung eines Halbleiterlasers unabhängig von durch Änderungen der Umgebungstemperatur und Ver­ schlechterung seiner Eigenschaften im Laufe der Zeit hervorgerufenen Änderungen seiner Kennlinie konstant zu halten, ohne die Temperaturkennlinie oder dergl. des Halbleiterlasers bestimmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird bei einer Treiberstufe für Halb­ leiterlaser, bei der eine Halbleiterlaserausgangs­ leistung erfaßt oder gemessen und eine Ansteuer­ spannung oder -strom für den Halbleiterlaser so ge­ regelt wird, daß die erfaßte Laserausgangsleistung auf eine vorbestimmte konstante Größe eingestellt wird, erfindungsgemäß gelöst durch einen Integrator zum Integrieren der erfaßten Laserausgangsleistung zwecks Heranziehung eines integrierten Signals als Halbleiterlaser-Treiber- oder -Ansteuersignal.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung einer Treiber­ stufe für Halbleiterlaser mit einem eine Abtast/Halte­ funktion aufweisenden Integrator, wobei ein Halbleiter­ laser nicht mit einer Überspannung oder einem Überstrom gespeist und damit eine Beschädigung und (Leistungs-) Verschlechterung des Halbleiterlasers vermieden wird.

Zu diesem Zweck werden bei einer Halbleiterlaser-Treiber­ stufe mindestens zwei Bezugsspannungen zum Einstellen der Halbleiterlaser-Ausgangsleistung benutzt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Treiberstufe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Ansteuern einer Laser-Diode als Beispiel für einen Halbleiterlaser,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Treiberstufe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung für eine Laser-Diode und

Fig. 3 ein Zeitsteuerdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Treiberstufe für Laser-Diode gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein Laserausgangsleistungs-Detektor 1 zum Abgreifen oder Messen einer Ausgangsleistung einer Laser-Diode vorgesehen. Im Detektor 1 ist ein Knoten­ punkt zwischen einer Photodiode 11 und einem Lastwider­ stand 12 an die nicht-invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 13 angeschlossen. Eine durch Teilung einer Ausgangsspannung des Operations­ verstärkers 13 durch Widerstände 14 und 15 erhaltene Spannung wird an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 13 rückgekoppelt. Wenn die von der Photodiode 11 abgenommene Laserausgangsleistung ansteigt, wird im Detektor 1 eine an die nicht-inver­ tierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 13 angelegte Spannung entsprechend erhöht, so daß damit eine höhere Spannung abgegeben wird.

Ein Bezugsspannungsgenerator 2 enthält eine Reihen­ schaltung aus einem Festwertwiderstand 21 und einem variablen oder Regelwiderstand 22. Eine über den Regelwiderstand 22 anliegende Spannung wird durch eine Zener-Diode 23 konstant gehalten. Dabei sind zwei verschiedene Bezugsspannungen vorgesehen, näm­ lich eine Spannung Vf 1 an der Zener-Diode 23 und eine Spannung Vf 2 vom Regelwiderstand 22.

Ein Differentialverstärker 3 umfaßt einen Operations­ verstärker 31 sowie Widerstände 32 und 33 zum Bestim­ men eines (einer) Rückkopplungspegels (oder -größe) des Operationsverstärkers 31. Der Differentialverstär­ ker 3 vergleicht die Ausgangsspannung vom Laserausgangs­ leistungs-Detektor 1 mit der Spannung vom Regelwider­ stand 22 im Bezugsspannungsgenerator 2, und er gibt eine Vergleichsspannung ab. Letztere wird dabei - ge­ nauer gesagt - verringert, wenn die Ausgangsspannung vom Detektor 1 ansteigt. Durch Einstellung des Wider­ standswerts des Regelwiderstands 22 im Bezugsspannungs­ generator 2 wird die Spannung Vf 2 zum Einstellen der Vergleichsbezugsspannung geändert. Auf diese Weise können Abweichungen zwischen den Einzelbauelementen eingestellt oder ausgeglichen werden.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht in einem Integrator(kreis) 4, der einen Operationsverstärker 41, einen zwischen die Ausgangsklemme und die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 41 geschalte­ ten Kondensator 42 und einen an die invertierende Ein­ gangsklemme des Operationsverstärkers 41 angeschlosse­ nen Widerstand 43 aufweist. Eine Ausgangsspannung vom Differentialverstärker 3 wird dem Widerstand 43 aufge­ prägt, und die Bezugsspannung Vf 1 wird an die nicht­ invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 41 angelegt.

Der Integrator 4 integriert eine Differenz zwischen der Bezugsspannung Vf 1 und der Ausgangsspannung des Differen­ tialverstärkers 3 als Funktion der Zeit. Wenn diese Spannungen miteinander koinzidieren, beendet der Inte­ grator 4 die Integration, und die Ausgangsspannung des Integrators 4 wird zu einer festen Größe. Mit anderen Worten: der Integrator 4 integriert das abgegriffene Laserausgangssignal und gibt ein integriertes Signal als Treiber- oder Ansteuersignal für die Laser-Diode ab.

Ein Ausgangskreis 5 umfaßt einen Operationsverstärker 51, einen Ausgangstransistor 53, eine Laser-Diode 54, Wider­ stände 55 und 56, einen Lastwiderstand 57 und einen Modu­ lationstransistor 58. Der Operationsverstärker 51 nimmt an seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme die Be­ zugsspannung Vf 1 und an seiner invertierenden Eingangs­ klemme die Ausgangsspannung vom Integrator 4 ab. Der Ausgangstransistor 53 wird über einen Widerstand 52 nach Maßgabe der Ausgangsspannung vom Operationsver­ stärker 51 (an)gesteuert. Die Laser-Diode 54 wird durch den Transistor 53 gespeist (powered). Die Widerstände 55 und 56 koppeln ein für den Leistungspegel der Laser- Diode 54 repräsentatives Signal zum Operationsverstär­ ker 51 zurück. Der Modulationstransistor 58 moduliert (EIN/AUS) die Laser-Diode 54 mittels des Lastwider­ stands 57 für die Laser-Diode 54 und der modulierten Ausgangsspannung von einem Modulator 6.

Die Laser-Diode 54 ist an die Photodiode 11 optisch so angekoppelt, daß ein Teil des von der Diode 54 erzeug­ ten Laserstrahls auf die Photodiode 11 fällt. Die Strom­ versorgung der Photodiode 11 erfolgt durch die Ausgangs­ spannung vom Ausgangstransistor 53.

Die Laserausgangsleistung der Laser-Diode 54 wird durch die Photodiode 11 abgegriffen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das durch den Operationsverstärker 13 verstärkt wird. Ein Ausgangssignal des Operations­ verstärkers 13 wird durch den Differentialverstärker 3 mit der Bezugsspannung Vf 2 verglichen, so daß eine Differenz zwischen beiden Signalen berechnet wird. Eine Differenzspannung wird durch den Integrator 4 integriert. Ein integriertes Signal wird zur Laser- Diode 54 geliefert, wodurch letztere durch- oder ein­ geschaltet wird. Der Laserausgang wird zum Laseraus­ gang-Detektor 1 rückgekoppelt.

Im Bereitschaftsmodus (Schreib- oder Ausdruck-Wartemodus) des Laserdruckers wird der integrierende Kondensator 42 auf einen zweckmäßigen Pegel aufgeladen. Die Ausgangs­ spannung dieses Kondensators 42 ist hoch genug, um die Laser-Diode 54 durchzuschalten. In diesem Fall bleibt der Modulationstransistor 58 im Sperrzustand.

Wenn anschließend der Transistor 58 und damit die Laser- Diode 54 durchschaltet, wird die (das) Laserausgangs­ leistung (oder -signal) durch die Photodiode 11 abge­ griffen oder gemessen. Die Ausgangsspannung am Detek­ tor 1 steigt an, während die Ausgangsspannung vom Dif­ ferentialverstärker 3 abnimmt. Infolgedessen wird ein Ausgangssignal vom Integrator 4 und demzufolge die Laserausgangsleistung geändert.

Die beschriebene Arbeitsweise dauert an, bis die Aus­ gangsspannung des Differentialverstärkers 3 mit der an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operations­ verstärkers 41 im Integrator 4 angelegten Spannung ko­ inzidiert. Wenn Koinzidenz erreicht ist, ist die Laser­ ausgangsleistung auf eine konstante Größe eingestellt.

Wenn in diesem Fall die Temperaturkennlinien der Schal­ tungsbauelemente, mit Ausnahme der Laser-Diode 54, ver­ nachlässigt werden, setzt der Integrator 4 seinen Be­ trieb fort, bis die Laserausgangsleistung unabhängig von Temperaturänderungen die durch den Bezugsspannungs­ generator 2 vorherbestimmte oder vorgegebene Größe erreicht. Die Laserausgangsleistung kann mithin ohne Beeinflussung durch Temperaturänderungen jederzeit konstant gehalten werden.

Wenn bei der beschriebenen Schaltungsanordnung der Inte­ grator 4 weggelassen wird, ist das Laserabgreif- oder -meßsignal von der Photodiode 11 der an den Ausgangs­ kreis 5 angelegten Spannung proportional. In diesem Fall kann die Laserausgangsleistung der Laser-Diode 54 häufig nicht so geregelt werden, daß sie die Sollgröße ent­ sprechend der Bezugsspannung Vf 1 erreicht. Auch wenn die Laserausgangsleistung der Laser-Diode 54 unver­ ändert bleibt, ist bei einer höheren Temperatur der Diode 54 ein größerer Strom erforderlich. In einer Regelschleife (loop) ohne den Integrator 4 kann keine Feineinstellung vorgenommen werden. Dieses Problem kann durch Verwendung des Integrators 4 gelöst werden. Das­ selbe gilt auch für zeitabhängige Schwankungen der Laserausgangsleistung der Laser-Diode 54.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Treiber­ stufe für eine Laser-Diode. Die Schaltungsanordnung ge­ mäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich nur in den im folgenden angegebenen Einzelheiten von derjenigen nach Fig. 1.

Ein Bezugsspannungsgenerator 2 enthält einen Widerstand 24 zum Abnehmen einer Spannung von einem Schleifer eines variablen oder Regelwiderstands 22, einen mit dem Wider­ stand 24 zum Teilen der abgenommenen (extracted) Span­ nung zusammenwirkenden Widerstand 25 und einen Analog­ schalter 26 zum Ein- und Ausschalten des Widerstands 25, zusätzlich zu einem Festwertwiderstand 21, dem Regel­ widerstand 22 und einer Zener-Diode 23. Dabei sind zwei Bezugsspannungen vorgesehen, nämlich eine Spannung Vf 1 von der Zener-Diode 23 und eine Spannung Vf 2 von einem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 24 und 25. Der Analogschalter 26 wird in Abhängigkeit von einem Zeit­ steuer- oder Taktsignal von einem Zeitsteuerkreis 7 ge­ schlossen und geöffnet.

Entsprechend dem Schließen/Öffnen des Analogschalters 26 weist die Bezugsspannung Vf 2 vom Bezugsspannungs­ generator 2 zwei Pegel oder Größen auf. Wenn der Ana­ logschalter 26 offen ist, liegt die Bezugsspannung Vf 2 auf einem durch den Schleifer des Regelwiderstands 22 eingestellten hohen Pegel, d.h. auf einem Schreib- oder Druckspannungspotential. Wenn dagegen der Analogschal­ ter 26 geschlossen ist, liegt die Bezugsspannung Vf 2 auf einem niedrigen Pegel, der durch Teilung der Span­ nung am Schleifer durch die Widerstände 24 und 25 be­ stimmt wird. Die Spannung niedrigen Pegels ist zur Er­ zeugung einer Null-Laserausgangsleistung eingestellt.

Ein Integrator 4 enthält neben einem Operationsverstär­ ker 41, einem Kondensator 42 und einem Widerstand 43 einen Analogschalter 44 zum Ein- und Ausschalten der Eingangsspannung. Die EIN/AUS-Takte (timings) des Ana­ logschalters 44 werden durch den Zeitsteuerkreis 7 ge­ steuert.

Wenn bei dieser Ausführungsform der Analogschalter 44 offen ist, wird der Betrieb des Integrators 4 zwangs­ weise beendet, so daß die entsprechende Spannung über den Integrator-Kondensator 42 unverändert bleibt. Mit anderen Worten: der Analogschalter 44 steuert die Ab­ tast/Haltetakte.

Wenn die Laser-Diode 54 während einer langen Zeitspanne abgeschaltet bleibt, arbeitet der Integrator 4 weiter, um die Treiber- oder Ansteuerspannung zu erhöhen, bis sie ihren Höchstwert erreicht. Dieser Betriebszustand wird durch eine getrennte, nicht dargestellte Meß- oder Detektoreinheit erfaßt. Wenn die Ansteuerspannung als übermäßig hoch festgestellt wird, wird der Analog­ schalter 26 durch den Zeitsteuerkreis 7 vorübergehend geschlossen, bevor die Laser-Diode 54 ein- oder durch­ geschaltet wird, so daß die Bezugsspannung Vf 2 auf eine kleine Größe übergeht. Der integrierende Konden­ sator 42 wird entladen (oder aufgeladen), um die An­ steuerspannung für die Laser-Diode 54 vorübergehend auf Null einzustellen. Wenn der Analogschalter 26 zum Einstellen der Bezugsspannung Vf 2 auf einen hohen Pegel wieder geöffnet wird, steigt die Ansteuerspannung all­ mählich an. Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich, bis die Laser-Diode 54 ein- oder durchschaltet. Die Ar­ beitsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist in einem Zeit­ steuerdiagramm in Fig. 3 veranschaulicht. Aufgrund die­ ser Arbeitsweise wird die Anlegung einer Überspannung oder eines Überstroms an die Laser-Diode 54 verhindert.

Claims (8)

1. Treiberstufe für Halbleiterlaser, bei der eine Halb­ leiterlaserausgangsleistung erfaßt oder gemessen und eine Ansteuerspannung oder -strom für den Halb­ leiterlaser so geregelt wird, daß die erfaßte Laser­ ausgangsleistung auf eine vorbestimmte konstante Größe eingestellt wird, gekennzeichnet durch einen Integrator (4) zum Integrieren der erfaßten Laser­ ausgangsleistung zwecks Heranziehung eines integrier­ ten Signals als Halbleiterlaser-Treiber- oder -An­ steuersignal.

2. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung entsprechend der erfaßten Laseraus­ gangsleistung und einer Bezugsspannung entsprechend der vorbestimmten konstanten Größe der Laserausgangs­ leistung integriert.

3. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung zum Einstellen der Laseraus­ gangsleistung des Halbleiterlasers mindestens zwei Bezugsspannungen umfaßt.

4. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bezugsspannungen nach Maßgabe eines Steuersignals von einem getrennten Zeitsteuerkreis selektiv umgeschaltet werden.

5. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abtast/Haltefunktion zum Aufrechterhal­ ten des Ansteuerstroms für den Halbleiterlaser für eine vorbestimmte Zeitspanne aufweist.

6. Treiberstufe für Halbleiterlaser, gekennzeichnet durch einen Halbleiterlaser,
einen Meß- oder Detektorkreis zum Umwandeln des Aus­ gangssignals des Halbleiterlasers in ein elektrisches Signal,
einen Bezugssignalerzeugungskreis, einen Vergleichskreis zum Vergleichen des Ausgangs­ signals vom Detektorkreis mit dem Bezugssignal, einen Integrierkreis zum Integrieren des Signals vom Vergleichskreis und
einen Treiber- oder Ansteuerkreis zum Ansteuern der Halbleiterlaser-Treiberstufe nach Maßgabe des Signals vom Integrierkreis.

7. Treiberstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskreis ein Differentialkreis ist.

8. Treiberstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitsteuerkreis zum Umschalten des Bezugs­ signals vorgesehen ist.