DE69404118T2

DE69404118T2 - Stromgesteuerter, spannungsempfindlicher Laserdiodentreiber

Info

Publication number: DE69404118T2
Application number: DE69404118T
Authority: DE
Inventors: Girmay K Girmay
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: DE69404118D1; EP0660471B1; EP0660471A3; US5414280A; JPH07202301A; EP0660471A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Eine Temperaturnachlaufschaltung zum Treiben einer Laserdiode, die eine innere Schleife beinhaltet, welche einen Lichtstärkedetektor umfasst zur Regulierung der Vorwärtsspannung der Laserdiode und ein Spannungs-zu-Strom-Wandler zum Treiben des Lasers.
Die richtigen Betriebswerte einer Laserdiode werden typischerweise außerhalb des Aktivabtastbereiches eingestellt, jedoch kann die Temperatur des Lasers während des aktiven Abtastens in Abhängigkeit der momentanen Arbeitszyklen variieren. Z.B. kann die augenblickliche Temperatur der Diode nach langen Folgen von "AN"- oder "AUS"-Pixeln steigen oder fallen und die Ausgabelichtintensität (Leistung) kann variieren.
Wenn der Laser durch eine Spannungsquelle getrieben wird, ist der Laser in einem bestimmten Maß selbstkorrigierend. D.h., die Variation der Lasertemperatur wird von einer Änderung der Ausgabeleistung begleitet, ebenso von einer Änderung im Vorwärtsspannungsabfall. Bei Laserdioden folgen diese zwei Parameter gut nach. Jedoch gibt es bei einer Spannungsquelle das Problem, dass sie empfindlich gegenüber kapazitiven Elementen des Lasers ist und kein bevorzugter Treiber in Systemen hoher Datenrate ist.
Ein bevorzugter Treiber, der hohe Datenraten ermöglicht, ist ein Stromtreiber; jedoch folgen der Stromtrieb und die Laserausgabeleistung nicht so gut nach wie die Spannung der Leistung. Ein optimales Design sollte die Fähigkeit des Stromtriebes zu hoher Bitrate umfassen, während die inhärenten Vorteile der Spannungs- und Leistungsnachfolge mit der Temperatur erhalten bleiben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Schaltung detektiert die Ausgabeleistung des Lasers und benutzt sie, um eine Spannungsquelle zu treiben. Ein Spannungs-zu-Strom-Wandler ist jedoch zwischen die Spannungsquelle und den Laser geschaltet. So hat die sich ergebende Schaltung die Vorteile beider Schaltungen des Standes der Technik. Der Laser wird nämlich durch die Stromquelle getrieben, jedoch wird die Schleife von einer Spannung reguliert, wodurch die besten Eigenschaften beider Schaltungen erhalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Blockdiagramm der Schaltung.
Figur 2 ist eine Darstellung der Leistung und des Stromes für drei Temperaturen.
Figur 3 ist eine Darstellung der Spannung und des Stromes für drei Temperaturen.
Figur 4 ist eine Darstellung der Leistung und der Spannung.
Figur 5 ist ein schematisches Diagramm der Schaltung.
Figur 6 ist ein Zeitablaufdiagramm.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Schaltung, die hierin beschrieben ist, benutzt einen Stromtreiber für den Laser, welcher zu der hohen Geschwindigkeit und der großen Bandbreite beiträgt und den Spannungsabfall über der Diode als Maß für die Diodenausgabeleistung gebraucht. Das Ergebnis ist eine automatische Leistungskontrollschaltung, die einen Betrieb mit großer Geschwindigkeit und großer Bandbreite aufweist, während eine überlegende Lichtstärkesteuerung und Temperaturkompensation erhalten bleibt.
Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen der Ausgabeleistung und dem Strom bei drei Temperaturen. Es gibt eine große Variation in der Ausgabeleistung, wenn die Temperatur bei konstantem Strom variiert. Figur 3 zeigt die Beziehung zwischen Strom und Spannung und aus den Figuren 2 und 3 können die Daten bezüglich der Leistung und Spannung entnommen werden und, wie in Figur 4 gezeigt, aufgetragen werden. Es sei angemerkt, dass für eine konstante Spannung in Figur 4 eine geringere Variation der Leistung vorliegt, als bei konstantem Strom der Figur 2.
Die sehr genau definierte Schwellenspannung und die relativ niedrige Temperaturabhängigkeit der Ausgabeleistung in Figur 4 deutet darauf hin, dass eine Spannungstreiberschaltung wünschenswert wäre. Spannungstreiber haben jedoch Begrenzungen bezüglich der Geschwindigkeit, die sie weniger attraktiv machen als Stromtreiber, speziell bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
Die Erfindung gebraucht Stromtreiber, um die hohe Geschwindigkeitsleistung zu erreichen, benutzt jedoch die Spannung als Schlüsselparameter, um die Höhe der Ausgabeleistung zu steuern, was in guter Steuerung der Leistungshöhe und minimaler Empfindlichkeit gegenüber Temperaturvariationen resultiert.
Die gewünschte Leistung wird auf einen vorbestimmten Wert gesetzt und die Leistungsausgabe wird überwacht. Der Unterschied zwischen dem vorbestimmten Wert und der tatsächlichen Leistung, die von einem Fotodetektor nachgewiesen wird, wird zur Steuerung der Spannung rückgekoppelt und diese Spannung wird dann gebraucht, um den Strom zu steuern, so dass die Leistung mit dem benötigten Wert übereinstimmt. Der Detektor ist vor dem Start des Abtastens außerhalb des aktiven Bereiches, so dass die Abfragerate einmal pro Abtastung ist. Das verbleibende Problem ist es, wie die Temperaturvariationen kompensiert werden, die aus langen Abfolgen von AN- oder AUS-Bits resultieren, die während der Abtastung auftreten.
Die Schaltung, die hierin beschrieben ist, ist in Figur 1 gezeigt. Die äußere Schleife, welche den Leistungswert einmal pro Abtastlinie kalibriert, besteht aus der Laserdiode 10, dessen Ausgabe als gepunktete Linie gezeigt ist. Die Leistung wird durch einen Fotodetektor 17 detektiert und durch den Verstärker 16 verstärkt. Der Gleichspannungswert der Ausgabe dieses Verstärkers wird durch den Verstärker 15 verschoben und das Ergebnis wird an eine Abfrage- und Halteeinrichtung 14 gegeben, welche eine Eingabe in die Addierverbindung 13 macht. Die andere Eingabe in die Verbindung ist der vorbestimmte Wert, auf den der Laser gesetzt werden soll. Die Ausgabe der Addierverbindung 13 ist die endgültige Korrekturspannung, welche an die innere Schleife angelegt wird, wie unten beschrieben. Diese Korrektur wird einmal für jedes Abtasten gemacht.
Das Problem beim Korrigieren der Laserleistung einmal pro Abtastung, typischerweise entweder vor oder beim Start der Abtastung, ist es, dass während der Abtastung eine lange Abfolge von AN-Pixeln die Temperatur des Lasers nach oben treiben kann. Im schlimmsten Fall kann eine Schädigung des Lasers resultieren. Aus diesem Grund verringern manche Designs die Leistung des Lasers nach und nach, wenn die Zeit nach der letzten Kalibrierung länger wird.
Die innere Schleife in dieser Schaltung ist so ausgestaltet, dass der Laser während der Abtastung reguliert wird. Die Spannung über dem Laser 10 wird von dem Spannungs-zu Strom- Wandler 18 abgefragt, dessen Ausgabe zu einer zweiten Addierverbindung 12 geliefert wird, welche diesen Korrekturstrom zu demjenigen, der von der äußeren Schleife an der Ausgabe der ersten Addierverbindung 13 erzeugt wird, addiert. Die Summe der beiden Korrekturströme wird dann an den Stromgenerator 11 gegeben, welcher den Laser 10 treibt. Die innere Schleife minimiert so jeden Drift der Laserausgabe zwischen den Kalibrierungen der Lichtausgabe (äußere Schleife).
Ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform und ein Zeitablaufdiagramm dafür sind in den Figuren 5 und 6 gezeigt, wobei die vollständige Schaltung eine innere und eine äußere Schleife umfaßt.
Die äußere Schleife dient zwei Zwecken. Der erste ist es, die Laserdiodenspannung zu dem Ausgabelaser zu kalibrieren. Dies wird durch Abfragen der Laserleistung unter Gebrauch eines Abtastdetektors erreicht. Der Detektor wird bei jeder Abtastlinie einem Vollständig-AN-Leistungswert ausgesetzt. Wenn der Detektor diesem Lichtwert ausgesetzt ist, fragt eine Abfrage- und Halteschaltung die entsprechende Vorwärtslaserspannung ab. Dieser abgefragte Spannungswert wird als Referenz für die innere Spannung zwischen den Abtastlinien gebraucht. Für eine Lichtquelle mit mehreren Strahlen kann das gleiche Konzept angewendet werden, außer das zeitlicher Mehrkanalbetrieb nötig ist, um die zwei Strahlintensitätswerte unabhängig und als isolierte Fälle abzufragen.
Der zweite Zweck ist es, den Lichtintensitätswert zu regulieren und zu variieren, wie es von dem Beleuchtungssignal erfordert wird. Typischerweise wird die Leistungsanforderung des Systemes durch ein analoges Beleuchtungswertsignal dargestellt. Basierend auf diesem Beleuchtungswert, der ihm eingegeben wird, justiert der Treiber den Stromwert so, dass der geforderte Beleuchtungswert mit der Leistungsausgabe übereinstimmt.
Die innere Schleife dient einem einzigen Zweck. Sie benutzt die Laserspannung als Referenz und reguliert den Vorwärtsspannungsabfall über dem Laser auf diesen Wert. Diese innere Schleife kann auf verschiedene Weisen aufgebaut sein. Das Wesentliche der Schaltung ist es, dass der Spannungsabfall über dem Laser überwacht wird und der Treiberstromwert zur Erreichung eines konstanten Spannungsabfalles über der Diode justiert wird.
Figur 6 zeigt ein Zeitablaufdiagramm, das die Abfolge der Ereignisse zeigt. Nicht gezeigt in diesem Diagramm ist, dass der LASER-AUS-STROM durch den Beleuchtungssteuerungsaufbau oder irgendwelche anderen Mittel der Justierung bestimmt wird. Dieser Aufbau bestimmt den AUS-Leistungswert, den das ROS ohne signifikanten Kontrastverlust tolerieren kann. Wenn der Abtastdetektor den Laser-AUS-Leistungswert misst, wird die Laserspannung abgefragt und als Referenz für die gewünschte AUS-Wertspannung innerhalb der Abfragelinie (zwischen den Abtastdetektorabfragen) gehalten. Nachdem die AUS-Wert-Referenzspannung bestimmt worden ist, wird ein AN- Wert durch das Beleuchtungssignal gegeben. Dieselbe Routine wird ausgeführt, um einen entsprechenden Spannungswert über der Diode für den Vollständig-AN-Wert zu nehmen.
Nachdem diese zwei Punkte bestimmt worden sind, werden die Laserleistungswerte durch das indirekte Verfahren der Regulierung des Laserspannungsabfalles reguliert. Jeder der Fehler der entsprechenden gesetzten Punkte des Vorwärtsspannungsabfalles über der Diode wird durch die Erhöhung oder die Erniedrigung des Diodenstromes kompensiert. Da die Leistung und der Spannungsabfall bei einer Laserdiode die Nachfolgeeigenschaft haben, ist das Ergebnis eine gut regulierte und Temperatur kompensierte Leistungsausgabe.
In der Figur 6 ist ein Fenster gezeigt, während der Abtastdetektor beleuchtet wird, und der zeitliche Ablauf der Laserabfrage ist gezeigt, welche in der äußeren Schleife gebraucht wird. Als nächstes ist eine Abfrage von Videodaten gezeigt, die sechs Pixel umfassen, die alle AN sind, sechs, die AUS sind und weitere sechs, die AN sind. Die innere Schleife beleuchtet den Spannungsdetektor mit der Laserleistung, während dieser AN- und AUS-Perioden.
Figur 5 zeigt ein detailliertes Diagramm der Schaltung. Der Laser 10 wird durch eine äußere Schleife gesteuert, die aus einem Lichtdetektor 17 besteht, dessen Ausgabesignal in dem Verstärker 16 verstärkt wird, von der Abfrage- und Halteschaltung abgefragt wird, und zu der Addierverbindung 13 zusammen mit dem vorbestimmten Beleuchtungssignal gegeben wird. Die Ausgabe der Addierverbindung 13 wird verstärkt 20 und zu der Addierverbindung 12 der inneren Schleife gegeben.
In der inneren Schleife fragt der Verstärker 23 die Spannung über dem Laser 10 ab. Wenn der Laser vollständig AN ist, wird die Ausgabe des Verstärkers 23 über die Abfrage- und Halteeinrichtung 22 und Verstärker 21 zu der positiven Eingabe der inneren Verbindung 12 gegeben. Wenn der Laser vollständig AUS ist, wird die Ausgabe des Verstärkers 23 über die Abfrage- und Halteeinrichtung 24 und den Verstärker 26 zu der negativen Eingabe der inneren Verbindung 12 gegeben, deren Ausgabe benutzt wird, um den Stromgenerator 11 zu treiben.
Während die Erfindung mit Bezug zu einer speziellen Ausführungsform beschrieben worden ist, wird es von den Fachleuten so verstanden werden, dass verschiedene Änderungen gemacht werden können und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in Anspruch 1 definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Eine Schaltung zur Regulierung der Leistung der Lichtausgabe einer Laserdiodenvorrichtung (10), die Folgendes umfasst:

einen spannungsgesteuerten Stromgenerator (11) zum Treiben der Laservorrichtung,

eine äußere Schleife, die Folgendes umfasst:

a) eine Lichtdetektoreinrichtung (16, 17) zur Detektierung der Ausgabeleistung der Lasereinrichtung und zum Erzeugen eines Leistungssignales,

b) eine Addiereinrichtung (13) der äußeren Schleife, die in Abhängigkeit der Lichtdetektoreinrichtung das Leistungssignal mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein korrigiertes Leistungssignal erzeugt,und

c) eine Addiereinrichtung (12) einer inneren Schleife zur Einkopplung des korrigierten Leistungssignales in den Stromgenerator und

eine innere Schleife, die eine innere Spannungsdetektoreinrichtung (18) umfaßt, zur Bestimmung der Spannung über der Lasereinrichtung, zur Erzeugung eines Spannungskorrektursignales und zur Eingabe des Spannungskorrektursignales in die Addiereinrichtung (12) der inneren Schleife, als eine Eingabe, die zu dem korrigierten Leistungssignal addiert werden soll.