JP2546714B2 - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光走査記録装置や光通信装置等に用いられ
る半導体レーザを駆動する駆動回路、特に詳細には、光
出力の変化の応答性の向上が図られた半導体レーザ駆動
回路に関するものである。

（従来の技術） 従来より、光ビームを光偏向器により偏向して感光性
記録材料上を走査させ、該記録材料に記録を行なう光走
査記録装置が広く実用に供されている。また、光信号を
光ファイバーによって伝送する光通信装置も実用化され
ている。このような光走査記録装置や光通信装置におい
て光ビームを発生する光源の１つとして、半導体レーザ
が従来から用いられている。この半導体レーザは、小
型、安価で消費電力も少なく、また駆動電流を変えるこ
とによって直接変調が可能である等、数々の長所を有し
ている。

上述のような半導体レーザを駆動する駆動回路におい
ては、通常、光量指令信号が示す通りの光量が正確に得
られるように、いわゆるAPC（Automatic Power Contr
ol）回路を設けて光出力安定化制御を行なうことが多
い。従来のこの種のAPC回路は、半導体レーザの後方出
射光（画像記録等に供される前方出射光とは反対の方向
に出射する光ビーム）や、あるいは上記前方出射光の一
部をハーフミラー等で分岐させた光の光量を検出し、そ
の検出光量と光量指令信号が示す目標光量との差を解消
する方向に半導体レーザの駆動電流を制御するように形
成されている。

（発明が解決しようとする課題） ところが上記後方出射光や、分岐された光の光量は、
半導体レーザが発する全光量に比べればかなり低いの
で、光出力安定化制御のためのフィードバック信号のレ
ベルが低くなりがちである。したがってこのフィードバ
ック信号を電気的にかなり増幅する必要があるが、そう
すると増幅器の段数が増大する等により制御系における
位相遅れが大きくなり、そのためフィードバックループ
の帯域を広くとることが難しくなって制御の応答性が悪
くなる、という問題が従来より認められていた。また、
半導体レーザにおいて光出力の広いダイナミックレンジ
を得るためには、応答性の悪い、光出力の小さい領域も
使用する必要があり、光出力の大小による応答性の変動
も問題となっていた。

制御の応答性が悪くなると、たとえば光量指令信号の
値がステップ的に変化した場合等において、半導体レー
ザの発光光量が光量指令信号の値の変化に追随して変化
するまでに時間遅れが生じ、光走査記録装置や光通信装
置等の高速化への障害となる、という問題点があった。

この応答性が悪いという問題を解決する手段が種々提
案されており、本出願人も、たとえば特開昭63−167558
号公報（以下、従来例１と呼ぶ。）に記載された、リー
ドラグフィルタを通過した後の光量指令信号を用いて制
御する方式や、特開昭63−175573号公報（以下、従来例
２と呼ぶ。）に記載された、半導体レーザにバイアス電
流を供給する方式等を提案している。

しかし、たとえば、上記従来例１に記載された方式で
は、光出力に広いダイナミックレンジが要求される場合
には、光出力レベルが高い時に光出力にリンギングが生
じたり波形が歪むという問題点があった。また上記従来
例２に記載された方式では半導体レーザの応答性は向上
するが、バイアス電流の分だけダイナミックレンジが減
ってしまい、広いダイナミックレンジを必要とする場合
にはわずかしかバイアス電流を供給することができず、
広いダイナミックレンジを必要とする場合には高速化に
対してあまり効果がない、という問題点があった。

本発明は、上記各問題点に鑑み、広いダイナミックレ
ンジを維持しかつオーバーシュートやリンギング等の波
形歪を発生させずに、光量指令信号の変化に追随して半
導体レーザの発光光量が変化する際の応答速度を向上さ
せた半導体レーザ駆動回路を提供することを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ駆動回路は、光量指令信号を入
力して半導体レーザを駆動し該半導体レーザから発せら
れるレーザ光の光量を制御する半導体レーザ駆動回路に
おいて、 前記光量指令信号を入力して所定値以上の信号を押え
る、たとえばクリップ回路等の信号制限回路と、該信号
制限回路の出力の高周波成分を抽出するハイパスフィル
タと、前記レーザ光の光量をモニタするモニタ回路と、
前記光量指令信号と前記ハイパスフィルタの出力とを加
算するとともに該加算値と前記モニタ回路によりモニタ
された光量値との偏差を求める加減算回路とを備え、該
加減算回路の出力により前記半導体レーザを駆動するこ
とを特徴とするものである。

（作用） 本発明の半導体レーザ駆動回路は、光量指令信号がス
テップ的に変化したとき、その変化量を強調するように
ハイパスフィルタが配されているため、半導体レーザの
光出力の応答が速くなる。ただし、前述したように、半
導体レーザは光出力の高い領域（光量指令信号の大きい
領域）と比べ光出力の低い領域（光量指令信号の小さい
領域）においてその応答性が悪いという特性を有する。
そこでその応答性の改善を光量指令信号の大きな領域ま
で光量指令信号の小さな領域と同じような方式で行なう
と、光量指令信号の大きな領域においてステップ的な変
化があった場合にオーバーシュートやリンギングを生じ
て光出力波形が歪むため、ハイパスフィルタの前段に、
光量指令信号の所定値以上の信号を押える信号制限回路
を設け、オーバーシュートやリンギングの発生による光
出力波形の歪みを防止したものである。これにより特に
光出力の低い領域における高速応答性の改善と特に光出
力の高い領域における波形歪を発生させないこととの両
立を果たし、しかも光出力のダイナミックレンジを低下
させることもない。また、光量指令信号が変化しない定
常状態においては上記モニタ回路により安定した光出力
が得られる。

（実 施 例） 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

第１図は、本発明の半導体レーザ駆動回路の一実施例
を示した回路ブロック図、第２図は第１図に示すクリッ
プ回路の入出力特性を表わした図である。第２図の横軸
は光量指令信号S₀（クリップ回路の入力信号）、縦軸は
該クリップ回路の出力信号S₁である。

第１図の左端の入力端子11は図示しない制御用コンピ
ュータに接続され、該制御用コンピュータから光量指令
信号S₀が入力される。光量指令信号S₀は、加減算器14に
入力されるとともに本発明の信号制限回路の一例である
クリップ回路12に入力される。該クリップ回路12は、第
２図に示すように、その出力信号S₁の大きさがS_1C以下
の範囲においては入出力は比例関係にあるが、入力S₀が
それ以上の場合出力はS_1Cに固定されるという特性を有
する。クリップ回路12の出力信号S₁は第１図に示すハイ
パスフィルタ13に入力され、該ハイパスフィルタ13から
微分信号S₂が出力され、加減算回路14に入力される。加
減算回路14の出力は電圧／電流変換器15を経由して電流
信号（駆動電流）に変換され、該駆動電流が半導体レー
ザ16に入力され、この半導体レーザ16から該駆動電流の
大きさに応じたレーザ光Ｌが発せられる。該レーザ光の
一部が、本発明のモニタ回路の一例を構成するフォトダ
イオード17によりモニタされ、電流／電圧変換器18で電
圧信号（モニタ信号S₃）に変換された後、モニタ信号S₃
が加減算回路14に入力される。加減算回路14では、光量
指令信号S₀と微分信号S₂とを加算するとともにモニタ信
号S₃を減算し、この演算結果が該加減算回路14から出力
される。尚、第１図の回路ブロック図には信号の大きさ
を調整する増幅器等は示されていないが、必要に応じて
各回路内において適宜増幅等が行なわれる。

第3A図〜第3D図は第１図の回路ブロック図の各部の信
号波形の一例を示した図である。

第3A図は制御用コンピュータ（図示せず）から入力さ
れる光量指令信号S₀の信号波形図である。時刻toにおい
て、それまで零であった光量指令信号S₀がS₀₂にステッ
プ的に立ち上がっている。

第3B図は、クリップ回路12の出力信号S₁の信号波形図
である。図の一点鎖線は入力信号S₀がクリップされない
と仮定した場合の信号波形である。時刻to以前は光量指
令信号S₀が零であるためこれと対応して出力S₁も零であ
る。時刻toにおいてクリップ電圧S_1Cまで立ち上がって
ている。これは、光量指令信号の立ち上がり（立ち下が
り）の幅が大きいか、または光出力の大きな範囲内（光
量指令信号S₀値の大きな範囲内）で立ち上がり（立ち上
がり）があった場合にハイパスフィルタ13の微分出力S₃
の大きさを制限するために、出力をS_1Cをクリップする
ものである。

第3C図は微分信号S₂の信号波形図である。時刻toにお
いて立ち上がった、パルス状の波形となっている。

第3D図はレーザ光Ｌの光量波形図である。第3D図の破
線は、ハイパスフィルタ13から微分信号S₂が出力されな
いように該ハイパスフィルタ13の出力端子を接地したと
きの応答が遅れた光量波形を示している。クリップ回路
12とハイパスフィルタ13とを設けたことにより、実線で
示すように、その応答性が改善される。

このように、クリップ回路12のクリップ電圧S_1Cおよ
びハイパスフィルタ13の周波数特性（微分の時定数）を
適切に定めることにより、光量指令信号S₀がステップ的
に変化した際に、オーバーシュートやリンギング等の波
形歪を生じさせず、しかも応答特性を改善することがで
きる。またこの方式では光出力のダイナミックレンジを
制限することもない。

第４図は、第１図に示したクリップ回路12とハイパス
フィルタ13の具体的な回路構成の一例を示した回路図で
ある。

入力端子20は、第１図に示す入力端子11と接続され、
該入力端子20から光量指令信号S₀が入力される。該入力
端子20は演算増幅器（オペアンプ）21の＋入力端子21a
と接続されている。オペアンプ21の−入力端子21bは抵
抗22を介して接地されている。また該−入力端子21bと
オペアンプ21の出力端子21cは抵抗23を介して接続され
ている。このオペアンプ21は入力された光量指令信号S₀
のボルテージフォロワとしての役割と、該光量指令信号
S₀を適切に増幅する役割を担っている。オペアンプ21の
出力端子21cには抵抗24の一端が接続され、該抵抗24の
他端には抵抗25の一端およびダイオード26のアノードが
接続されている。該ダイオード26のカソードは接地され
ている。抵抗25の他端にはダイオード27のアノードが接
続され、該ダイオード27のカソードは接地されている。
これらの抵抗24,25とダイオード26,27によりオペアンプ
21から出力された信号が一定電圧を越えたとき、その信
号を該一定電圧、つまりダイオード26,27の順方向降下
電圧にクリップする。本回路例ではオペアンプ21とその
周辺、各抵抗22,23および、狭義のクリップ回路（抵抗2
4,25、ダイオード26,27）により、本発明のクリップ回
路の一例が構成されている。

抵抗25の上記他端部とダイオード27のアノードとの接
続点にはコンデンサ28の一端が接続され、該コンデンサ
28の他端がこの回路の出力端子30と接続されている。ま
たこの出力端子30は抵抗29を介して接地されている。こ
のコンデンサ28と抵抗29によりハイパスフィルタ13（微
分回路）が構成され、出力端子30から微分信号S₂が出力
される。

このような回路構成により、クリップ回路12とハイパ
スフィルタ13を実現することができる。尚、第１図にブ
ロック図で示した各回路14〜17については、公知の種々
の技術を用いることができるため、ここでは言及しな
い。

第５図は、本発明の信号制限回路の他の一例の入出力
特性を表わした図である。

この信号制限回路は、第２図に示した単純なクリップ
回路12と異なり、第５図に示すように入力信号S₀₃（出
力信号S_1M）以下では増幅率が大きく、入力信号S₀₃以上
入力信号S₀₄以下では増幅率が小さく、入力信号S₀₄以上
では出力信号S_1Cにクリップされる特性を有している。
このような特性を有する信号制限回路を用いると、半導
体レーザ16の光出力が小さく、応答遅れの大きな領域ほ
ど、光量指令信号S₀の変化量に比して大きな微分信号S₂
を得ることができ、これにより半導体レーザ16の応答遅
れのきめ細かな改善が図られる。またこの信号制限回路
もクリップ電圧S_1Cを有しており、光出力の大きな領域
におけるステップ的な変化に対しオーバーシュートやリ
ンギング等の波形歪を生じることもない。

第６図は、第５図に示した入出力特性を有する信号制
限回路の一構成例を示す回路図である。

この信号制限回路は、第１図、第２図に示したクリッ
プ回路12に代えて用い得るものである。

入力端子40は、第１図に示す入力端子11と接続され、
該入力端子40から光量指令信号S₀が入力される。該入力
端子40は、それぞれ抵抗41,42を介して各オペアンプ43,
44の−入力端子43b,44bと接続されている。各オペアン
プ43,44の＋入力端子43a,44aは接地されている。また各
オペアンプ43,44の−入力端子43b,44bと出力端子43c,44
cは、それぞれ抵抗45,46を介して接続されている。また
オペアンプ44の−入力端子44bには抵抗47の一端が接続
されており、該抵抗47を介してオペアンプ44の−入力端
子44bにバイアスS₀₃（第５図参照）が入力されている。

各オペアンプ43,44の出力端子43c,44cには各抵抗48,4
9の一端が接続され、該各抵抗48,49の他端には各抵抗5
0,51の一端および各ダイオード52,53のカソードが接続
されている。該各ダイオード52,53のアノードは接地さ
れている。各抵抗51,52の他端には各ダイオード54,55の
カソードが接続され、該各ダイオード54,55のアノード
は接地されている。ダイオード54,55の各カソードとオ
ペアンプ56の−入力端子56bとの間には、各抵抗57,58が
接続されている。オペアンプ56の＋入力端子56aは接地
されている。オペアンプ56の−入力端子56bと出力端子5
6cとの間には抵抗59が接続されている。オペアンプ56の
出力端子56cは、この信号制限回路の出力端子60と接続
されている。

上記のように構成された回路に入力端子40から光量指
令信号S₀が入力すると、該光量指令信号S₀はオペアンプ
43により増幅されるとともに、オペアンプ44によりバイ
アスS₀₃と加算されて増幅される。各オペアンプ43,44か
らの出力はクリップされた後オペアンプ56により加算さ
れる。尚、オペアンプ56の出力信号S₁′は、第５図に示
す出力信号S₁と異なり直流成分が重畳されるが、この直
後のハイパスフィルタ13（第１図、第４図参照）により
該直流成分はカットされるため問題はない。このような
信号制限回路を用いることにより、前述したように、半
導体レーザ16の応答遅れの程度（光出力の程度）に応じ
た応答遅れのきめ細かな改善が図られる。

尚、本発明の信号制限回路は、第２図または第６図に
示した回路に限定されるものではない。

第7A図、第7B図は本発明の信号制限回路の入出力特性
の他の例を示した図である。

第7A図は、クリップ電圧S_1Cに至るまでに増幅率を３
段に変化させた例である。このように段数を増やすこと
により、半導体レーザの応答性のいっそうきめ細かな改
善を図ることができる。

第7B図は、特定のクリップ電圧を有しない例である。
入力信号（光量指令信号）が大きくなるにつれ出力信号
S₁も漸増しているが、その傾きは入力信号S₀が大きくな
るにつれて徐々に低下している。このように、入力信号
の大きな領域ほど出力信号が徐々に制限されているた
め、実質的にクリップ電圧を有することと同様の効果を
有する。これらの例に示すように信号制限回路として種
々の入出力特性を有するものを採用することができる。

またハイパスフィルタも第２図に示した回路例に限定
されるものではなく、公知の種々のフィルタを用いるこ
とができる。

第８図は本発明の半導体レーザ駆動回路の他の実施例
を示した回路ブロック図である。第２図と同一の作用を
有するブロックには第２図と同一の番号を付し説明は省
略する。

この実施例では、光量指令信号S₀とモニタ信号S₃との
差を求める減算回路14aと、この減算回路14aの出力を電
流信号に変換した後の信号と、微分信号S₂を電圧／電流
変換器19で電流信号に変換した後の信号を加算する加算
器14bとが備えられている。この場合、減算器14aと加算
器14b、および電圧／電流変換器15,19を含めて本発明の
加減算回路と観念される。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザ駆動回路は、光量指令信号を入
力して所定値以上の信号を押える信号制限回路と、該信
号制限回路の出力の高周波成分を抽出するハイパスフィ
ルタと、レーザ光の光量をモニタするモニタ回路と、光
量指令信号とハイパスフィルタの出力とを加算するとと
もに該加算値とモニタ回路によりモニタされた光量値と
の偏差を求める加減算回路とを備え、該加減算回路の出
力により半導体レーザを駆動するようにしたため、半導
体レーザの発光光量を変化させる際の応答性が、オーバ
ーシュートやリンギング等の波形歪を生じさせることな
く改善される。またこれにより光出力のダイナミックレ
ンジが制限されることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体レーザ駆動回路の一実施例を
示した回路ブロック図、 第２図は第１図に示すクリップ回路の入出力特性を表わ
した図、 第3A図〜第3D図は第１図に示す回路ブロック図の各部の
信号波形の一例を示した図、 第４図は、第１図に示したクリップ回路12とハイパスフ
ィルタの具体的な回路構成の一例を示した回路図、 第５図は、本発明の信号制限回路の他の一例の入出力特
性を表わした図、 第６図は、第５図に示した入出力特性を有する信号制限
回路の一構成例を示す回路図、 第7A図、第7B図は本発明の信号制限回路の入出力特性の
他の例を示した図、 第８図は本発明の半導体レーザ駆動回路の他の実施例を
示した回路ブロック図である。 12……クリップ回路、13……ハイパスフィルタ 14……加減算回路、15……電圧／電流変換器 16……半導体レーザ、17……フォトダイオード 18……電流／電圧変換器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光量指令信号を入力して半導体レーザを駆
   動し該半導体レーザから発せられるレーザ光の光量を制
   御する半導体レーザ駆動回路において、 前記光量指令信号を入力して所定値以上の信号を押える
   信号制限回路と、該信号制限回路の出力の高周波成分を
   抽出するハイパスフィルタと、前記レーザ光の光量をモ
   ニタするモニタ回路と、前記光量指令信号と前記ハイパ
   スフィルタの出力とを加算するとともに該加算値と前記
   モニタ回路によりモニタされた光量値との偏差を求める
   加減算回路とを備え、該加減算回路の出力により前記半
   導体レーザを駆動することを特徴とする半導体レーザ駆
   動回路。