JP4312573B2 - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザプリンタ、光ディスク、光通信装置等に光源として用いられる半導体レーザを駆動制御する半導体レーザ駆動回路に関する。
半導体レーザであるレーザダイオードは小型であり、駆動電流により高速光変調を行うことができるため、近年レーザプリンタ等の光源として多用されている。しかし、レーザダイオードの駆動電流(以下、LD駆動電流と呼ぶ)と光出力の関係は温度により著しく変化するため、光量を一定に制御しようとするAPC(Automatic Power Control)回路が必要であり、従来さまざまな回路が提案されている。その中の1つにサンプルホールド(以下、S/Hと呼ぶ)型のAPC回路がある。
本方式では、光量設定期間に、レーザダイオードの光出力を受光素子で電流(以下、これをモニタ電流と呼ぶ)に変換し更に該モニタ電流を電圧に変換する。光量とモニタ電流が温度に関係なく比例関係にあることから、該変換した電圧が所定の光量を得るために設定された基準電圧に等しくなるようにLD駆動電流を制御する。また光量設定期間外では、設定されたLD駆動電流の値を保持することで所望の光量に変調する。
従来のS/H型APC回路では、レーザダイオードの異常検出時や電源の異常検出時等に、リセット動作によるレーザダイオードの強制消灯を行い、その際S/H容量の電荷を放電して駆動電流を減らし、レーザダイオードの劣化を防止していた(例えば、特許文献1参照。)。しかし、S/H容量の電荷を放電すると、その次にAPC動作する場合には新たにゼロから充電を始めなければならず、S/H容量の充電に時間がかかるという問題があった。この問題を解決するため、APC動作に先立ってS/H容量を一定の電圧に充電する方法があった(例えば、特許文献2参照。)。
特許第3302352号明細書 特開平10−93171号公報
この方法では、あらかじめS/H容量を充電することができるメリットを有しているものの、所定の一定電圧にS/H容量が充電されるのみであった。したがって、該一定電圧に対応したLD駆動電流値がレーザダイオードを過発光させ、破壊に至らしめないようにする必要がある。しかし、S/H容量の電圧に対するLD駆動電流は、APC回路内の電流‐電圧変換精度によってばらつきがあった。また、レーザダイオードは温度によって、しきい値電流が大きく変化する特性を持つ。また、製造時の該しきい値電流のばらつきも大きい。このようなばらつきを加味しつつ、レーザダイオードを過発光させず、また破壊させないようにするためには、前記所定の一定電圧はある程度制限せざるを得ないこととなるが、これではAPC動作終了時のS/H容量の電圧に対しては差が依然として大きいままであるという問題があった。
また、近年の機器の高速化により、リセット解除からAPC制御終了までに許されるセットアップ時間は短くなる傾向にある。したがって、S/H容量電圧はAPC動作終了時の電圧値に対して、できるだけ近い値まで急速に充電できれば前記セットアップ時間をより短縮することができる。また、そのとき使用するレーザダイオードの種類や、使用時の温度等を気にすることなく、レーザダイオードの破壊を防止して充電できることが望ましい。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、APC回路の精度、LD製造バラツキや温度を含めた使用状態に関わらず、APC動作終了時のS/H容量端子電圧に急速充電を行うことによって、半導体レーザを使用したあらゆる機器におけるAPC動作の高速化を図ることができる半導体レーザ駆動回路を得ることを目的とする。
この発明に係る半導体レーザ駆動回路は、供給された電流に応じた光量で発光する半導体レーザの光量をモニタし、該光量に応じた電圧Vmを生成して出力する光量検出回路部を備え、該光量検出回路部の出力電圧Vmに基づいて前記半導体レーザの光量が所定値になるように制御するサンプルホールド型のAPC回路を備えた半導体レーザ駆動回路において、
入力された電圧を電流に変換して前記半導体レーザに供給する電圧‐電流変換回路部と、
充電された電圧を該電圧‐電流変換回路部に出力するS/Hコンデンサと、
前記光量検出回路部からの出力電圧Vmがあらかじめ設定された所定値Vrefになるように該S/Hコンデンサを充放電することにより、前記電圧‐電流変換回路部の入力電圧を制御して前記半導体レーザの光量を制御する第1演算増幅回路部と、
該第1演算増幅回路部の出力電流に加えて前記S/Hコンデンサの充電を行う急速充電回路部と、
を備え、
前記急速充電回路部は、半導体レーザが消灯してから再度点灯させる際、前記出力電圧Vmと前記所定値Vrefとの電圧を比較しながら前記S/Hコンデンサの充電を行い、前記出力電圧Vmが前記所定値Vref未満の所定値以上になるまで前記S/Hコンデンサの充電を行い、前記出力電圧Vmが前記所定値以上になると該充電を終了し、該充電終了後、前記S/Hコンデンサは、第1演算増幅回路部からのみ充放電が行われるものである。
具体的には、前記急速充電回路部は、
前記光量検出回路部からの出力電圧Vmがあらかじめ設定された所定値(Vref−Vx)になるように前記S/Hコンデンサを充放電する第2演算増幅回路と、
該第2演算増幅回路の動作制御を行う制御回路と、
を備え、
前記出力電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になるまで前記第2演算増幅回路が動作し、前記出力電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になると前記第2演算増幅回路の動作が停止するようにした。
また具体的には、前記急速充電回路部は、
前記光量検出回路部からの出力電圧Vmが、前記所定値Vref未満のあらかじめ設定された所定値(n×Vref)になるように前記S/Hコンデンサを充放電する第2演算増幅回路と、
該第2演算増幅回路の動作制御を行う制御回路と、
を備え、
前記出力電圧Vmが所定値(n×Vref)以上になるまで前記第2演算増幅回路が動作し、前記出力電圧Vmが所定値(n×Vref)以上になると前記第2演算増幅回路の動作が停止するようにした。
一方、前記急速充電回路部は、一方の入力端に入力オフセット電圧を有する第2演算増幅回路を備え、該第2演算増幅回路は、前記光量検出回路部からの出力電圧Vmが、あらかじめ設定された所定値Vrefから前記入力オフセット電圧を減算した電圧になると、自動的に前記S/Hコンデンサの充電動作を停止するようにした。
また、前記電圧‐電流変換回路部、第1演算増幅回路部及び急速充電回路部の第2演算増幅回路は、1つのICに集積されるようにしてもよい。
また、前記電圧‐電流変換回路部、第1演算増幅回路部及び急速充電回路部は、1つのICに集積されるようにしてもよい。
本発明の半導体レーザ駆動回路によれば、半導体レーザが消灯してから再度点灯させる際、設定された所定値Vrefと光量検出回路部からの出力電圧Vmとを比較しながら、第1演算増幅回路部の出力電流と急速充電回路部からの出力電流でS/Hコンデンサを充電するようにした。例えば、前記出力電圧Vmが、Vref>Vmの範囲の所定値になると、急速充電回路部はS/Hコンデンサの充電動作を終了し、第1演算増幅回路部のみでS/Hコンデンサの充放電を行うようにした。このことから、半導体レーザの製造バラツキや、温度・光量を含めた使用状態や、S/Hコンデンサの容量値等に関わらず、また、半導体レーザを破壊することなく、APC動作終了時に近い電圧値までS/Hコンデンサを急速充電することができ、その結果、半導体レーザを使用したあらゆる機器におけるAPC動作の高速化を図ることができる。
また、半導体レーザが消灯してから再度点灯させる際、第1演算増幅回路部及び急速充電回路部の各出力電流でS/Hコンデンサを充電し、例えば前記電流‐電圧変換回路部からの出力電圧Vmが、あらかじめ設定された所定値Vrefから第2演算増幅回路に設けられた入力オフセット電圧を減算した電圧になるとS/Hコンデンサの充電動作を終了し、第1演算増幅回路部のみによってS/Hコンデンサの充放電を行うようにした。このことから、半導体レーザの製造バラツキや、温度・光量を含めた使用状態や、S/Hコンデンサの容量値等に関わらず、半導体レーザを使用したあらゆる機器におけるAPC動作の高速化を図ることができると共に、第2演算増幅回路の動作制御を行う制御回路をなくすことができ、回路を簡素化してコストの低減を図ることができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体レーザ駆動回路の構成例を示した図である。
図1において、半導体レーザ駆動回路1は、演算増幅器AMP1,AMP2、スイッチSW1,SW2、演算増幅器AMP1及びAMP2の出力電圧を記憶するS/Hコンデンサ2、電圧‐電流変換回路3、可変抵抗VR1及び所定の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路4を備えている。
更に、半導体レーザ駆動回路1は、入力されたAPCを制御する信号であるAPC信号Sapc及びレーザダイオードLDを強制的に消灯させるリセット動作を開始させるためのリセット信号RESに応じてスイッチSW1,SW2及び演算増幅器AMP2の動作制御をそれぞれ行う制御回路5と、フォトダイオードPDとを備えている。なお、図1では、演算増幅器AMP1及びAMP2の出力電圧が大きくなるほどレーザダイオードLDに流れる電流が増加する場合を例にして示している。また、演算増幅器AMP1は第1演算増幅回路部を、演算増幅器AMP2及び制御回路5が急速充電回路部を、演算増幅器AMP2が第2演算増幅回路を、フォトダイオードPD及び可変抵抗VR1が光量検出回路部をそれぞれなす。
演算増幅器AMP1の非反転入力端には基準電圧発生回路4からの基準電圧Vrefが入力されている。演算増幅器AMP2の非反転入力端には、制御回路5からの電圧(Vref−Vx)が入力されている。演算増幅器AMP1及びAMP2の出力端は接続され、該接続部はスイッチSW1の一端に接続されている。スイッチSW1の他端は電圧‐電流変換回路3に接続され、該接続部と接地電圧との間にはS/Hコンデンサ2とスイッチSW2が並列に接続されている。
スイッチSW1は、制御回路5から制御信号CTL1が入力され、該入力された制御信号CTL1に応じてスイッチングを行い、スイッチSW2は、制御回路5から制御信号CTL2が入力され、該入力された制御信号CTL2に応じてスイッチングを行う。このことにより、スイッチSW1は、S/Hコンデンサ2の高圧側電圧(以下、S/Hコンデンサ2の電圧と呼ぶ)VSHをホールドするために、S/Hコンデンサ2と演算増幅器AMP1及びAMP2の各出力端との接続の切断制御を行う。また、スイッチSW2は、レーザダイオードLDを強制的に消灯させるとき、例えば電源が投入されたとき等のリセット時にS/Hコンデンサ2の放電を行う。
電圧‐電流変換回路3は、入力された電圧をレーザダイオードLDの駆動電流iopに変換するものであり、レーザダイオードLDのカソードに接続され、レーザダイオードLDのアノードは電源電圧Vddに接続されている。一方、フォトダイオードPDのカソードは電源電圧Vddに接続され、フォトダイオードPDのアノードと接地電圧との間に可変抵抗VR1が接続されている。また、フォトダイオードPDのアノードと可変抵抗VR1との接続部は演算増幅器AMP1及びAMP2の各反転入力端にそれぞれ接続されている。一方、制御回路5には基準電圧Vrefが入力されており、制御回路5は、入力された基準電圧Vrefから所定の値Vxを減算して得た所定値(Vref−Vx)を算出して演算増幅器AMP2の非反転入力端に出力する。また、演算増幅器AMP2は、制御回路5からの制御信号ENAに応じて作動する。
演算増幅器AMP2は、制御信号ENAがハイレベルになると作動し、(Vref−Vx)>Vmのとき演算増幅器AMP2によって急速充電を行い、(Vref−Vx)≦Vmになると出力端がハイインピーダンス状態になって急速充電を終了する。また、演算増幅器AMP2は、制御信号ENAがローレベルのときは動作を停止して出力端がハイインピーダンス状態になる。ここで、制御回路5は、リセット解除後、所定の時間T1だけ制御信号ENAをハイレベルにし、所定の時間T1経過後は制御信号ENAをローレベルにする。所定の時間T1は、リセットが解除されてからモニタ電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上に十分になる時間にあらかじめ設定されている。
受光素子であるフォトダイオードPDは、レーザダイオードLDの光量に比例したモニタ電流imを生成して出力し、可変抵抗VR1は、モニタ電流imをモニタ電圧Vmに変換する。演算増幅器AMP1は、基準電圧発生回路4からの基準電圧Vrefとモニタ電圧Vmを比較してその差分に応じた電圧を出力し、演算増幅器AMP2は、作動すると、モニタ電圧Vmと制御回路5からの電圧(Vref−Vx)とを比較してその差分に応じた電圧を出力する。
このような構成において、図2は、図1の各信号のタイミング例を示したタイミングチャートであり、図2を参照しながら図1の半導体レーザ駆動回路1の動作について説明する。
レーザダイオードLDの異常点灯等が起こった場合、レーザダイオードLDを強制的に消灯するリセット動作が行われる。該リセット時には、制御信号CTL1がローレベルになりスイッチSW1がオフして遮断状態になると共に制御信号CTL2がハイレベルになってスイッチSW2がオンして導通状態になり、電圧VSHが0Vになっている。このことから、レーザダイオードLDに電流が流れないようになっている。
次にリセットが解除されて、APC動作が開始され、制御信号CTL1がハイレベルになってスイッチSW1がオンすると共に制御信号CTL2がローレベルになってスイッチSW2がオフすることでS/Hコンデンサ2の放電パスを切断し、APCの制御ループが形成される。同時に、リセット解除直後はレーザダイオードが点灯していないことから、(Vref−Vx)>Vmの関係が成り立つため、制御信号ENAがハイレベルになると直ちにS/Hコンデンサ2への急速充電が演算増幅器AMP2によって行われる。なお、急速充電用の演算増幅器AMP2は、演算増幅器AMP1よりも出力電流が大きくなるように設計されるようにしてもよい。
したがって、演算増幅器AMP2は、S/Hコンデンサ2を充電するよう作動し、電圧VSHが上昇する。電圧VSHが、ゼロから電圧Vshaまで増加したとすると、そのときのモニタ電圧Vmはゼロから電圧(Vref−Vx)まで増加していることが分かる。なお、この場合、演算増幅器AMP1も基準電圧Vrefとモニタ電圧Vmとの差分に応じた電圧を出力している。S/Hコンデンサ2への急速充電は、基準電圧Vrefとモニタ電圧Vmとを比較しながら行われるために、APC制御終了時の光量に対して過大な光量となるような電圧VSH及びLD駆動電流iopにはならず、レーザダイオードLDの破壊を防止することができる。
また、温度等によってレーザダイオードLDのしきい値電流が変動していたとしても、基準電圧Vrefとモニタ電圧Vmを比較しながらS/Hコンデンサ2が充電されるため、レーザダイオードLDを過発光させることなくS/Hコンデンサ2の充電を行うことができる。更に、外部システムからの光量設定変更指令は基準電圧Vrefの電圧変更によって行われるが、いかなる基準電圧Vrefの電圧値にも対応することができる。
モニタ電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になると、演算増幅器AMP2の出力端はハイインピーダンス状態になり、S/Hコンデンサ2への急速充電動作は終了する。APC動作が終了した時の電圧VSHまでの残差に対して、S/Hコンデンサ2は演算増幅器AMP1によって充電され、レーザダイオードLDから所定の光量を得ることができる。すなわち、演算増幅器AMP1に演算増幅器AMP2を並列に接続したことで、APC制御に要する時間を短縮させることができる。なお、図3で示すように、図1の演算増幅器AMP1,AMP2、スイッチSW1,SW2及び電圧‐電流変換回路3は1つのICに集積するようにしてもよい。
一方、前記説明では、制御回路5は、入力された基準電圧Vrefから所定値(Vref−Vx)を生成して第2演算増幅器AMP2の非反転入力端に出力するようにしたが、制御回路5は、入力された基準電圧Vrefから所定値(n×Vref)を生成して第2演算増幅器AMP2の非反転入力端に出力するようにしてもよい。但し、nは、n<1であり、所定値(n×Vref)は基準電圧Vref未満の値である。
ここで、演算増幅器AMP2に制御回路5から所定値(Vref−Vx)又は(n×Vref)を入力するようにしたが、演算増幅器AMP2の差動増幅回路の入力にオフセット電圧を持たせ、演算増幅器AMP2が充電動作を自ら停止するようにするようにしてもよい。この場合、図1は、図4のようになり、図4における図1との相違点は、制御回路5が、基準電圧Vrefから所定値(Vref−Vx)又は(n×Vref)を生成して第2演算増幅器AMP2の非反転入力端へ出力する動作を行うことなく、第2演算増幅器AMP2の非反転入力端にはモニタ電圧Vmが入力されることにある。
また、図4では、演算増幅器AMP2が急速充電回路部をなし、演算増幅器AMP2において、前記オフセット電圧は、反転入力端の電圧が非反転入力端の電圧に対して小さいにも関わらず、出力端が反転する方向に付けるようにすればよい。演算増幅器AMP2は、例えばオフセット電圧が100mVである場合、図5で示すように、モニタ電圧Vmが(Vref−100mV)、基準電圧Vrefが1Vであるとすれば、モニタ電圧Vmが0.9VになればS/Hコンデンサ2の充電動作を終了する。
ただし、演算増幅器AMP2の出力回路は充電のみを行う回路構成とし、S/Hコンデンサ2を放電する素子は不要である。これは、演算増幅器AMP2にこのような放電素子があると、出力レベルが反転する際にS/Hコンデンサ2の放電が行われてしまい、本回路の目的に反するからである。したがって、APC動作終了時のレーザダイオードLDが過発光することなく、演算増幅器AMP2は自ら充電動作を終了し、後は演算増幅器AMP1のみでAPC制御を行うことができる。なお、図6で示すように、図4の演算増幅器AMP1,AMP2、スイッチSW1,SW2及び電圧‐電流変換回路3は1つのICに集積するようにしてもよい。
このように、本第1の実施の形態における半導体レーザ駆動回路は、レーザダイオードLDを点灯させるとき、例えばリセット解除直後に演算増幅器AMP2を作動させ、演算増幅器AMP1及びAMP2でS/Hコンデンサ2を急速に充電させ、モニタ電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になると演算増幅器AMP2の動作を停止させて演算増幅器AMP1のみでS/Hコンデンサ2の充電を行ってAPC制御を行うようにした。このことから、レーザダイオードLDの製造バラツキや、温度・光量を含めた使用状態や、S/Hコンデンサの容量値等に関わらず、半導体レーザを使用したあらゆる機器におけるAPC動作の高速化を図ることができる。
本発明の第1の実施の形態における半導体レーザ駆動回路の構成例を示した図である。 図1の各信号のタイミング例を示したタイミングチャートである。 図1の半導体レーザ駆動回路を集積化した場合の例を示した図である。 本発明の第1の実施の形態における半導体レーザ駆動回路の他の構成例を示した図である。 図4の各信号のタイミング例を示したタイミングチャートである。 図4の半導体レーザ駆動回路を集積化した場合の例を示した図である。
符号の説明
1 半導体レーザ駆動回路
2 S/Hコンデンサ
3 電圧‐電流変換回路
4 基準電圧発生回路
5 制御回路
AMP1,AMP2 演算増幅器
SW1,SW2 スイッチ
VR1 可変抵抗
PD フォトダイオード
LD レーザダイオード

Claims (6)

  1. 供給された電流に応じた光量で発光する半導体レーザの光量をモニタし、該光量に応じた電圧Vmを生成して出力する光量検出回路部を備え、該光量検出回路部の出力電圧Vmに基づいて前記半導体レーザの光量が所定値になるように制御するサンプルホールド型のAPC回路を備えた半導体レーザ駆動回路において、
    入力された電圧を電流に変換して前記半導体レーザに供給する電圧‐電流変換回路部と、
    充電された電圧を該電圧‐電流変換回路部に出力するS/Hコンデンサと、
    前記光量検出回路部からの出力電圧Vmがあらかじめ設定された所定値Vrefになるように該S/Hコンデンサを充放電することにより、前記電圧‐電流変換回路部の入力電圧を制御して前記半導体レーザの光量を制御する第1演算増幅回路部と、
    該第1演算増幅回路部の出力電流に加えて前記S/Hコンデンサの充電を行う急速充電回路部と、
    を備え、
    前記急速充電回路部は、半導体レーザが消灯してから再度点灯させる際、前記出力電圧Vmと前記所定値Vrefとの電圧を比較しながら前記S/Hコンデンサの充電を行い、前記出力電圧Vmが前記所定値Vref未満の所定値以上になるまで前記S/Hコンデンサの充電を行い、前記出力電圧Vmが前記所定値以上になると該充電を終了し、該充電終了後、前記S/Hコンデンサは、第1演算増幅回路部からのみ充放電が行われることを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
  2. 前記急速充電回路部は、
    前記光量検出回路部からの出力電圧Vmがあらかじめ設定された所定値(Vref−Vx)になるように前記S/Hコンデンサを充放電する第2演算増幅回路と、
    該第2演算増幅回路の動作制御を行う制御回路と、
    を備え、
    前記出力電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になるまで前記第2演算増幅回路が動作し、前記出力電圧Vmが所定値(Vref−Vx)以上になると第2演算増幅回路の動作が停止することを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動回路。
  3. 前記急速充電回路部は、
    前記光量検出回路部からの出力電圧Vmが、前記所定値Vref未満のあらかじめ設定された所定値(n×Vref)になるように前記S/Hコンデンサを充放電する第2演算増幅回路と、
    該第2演算増幅回路の動作制御を行う制御回路と、
    を備え、
    前記出力電圧Vmが所定値(n×Vref)以上になるまで前記第2演算増幅回路が動作し、前記出力電圧Vmが所定値(n×Vref)以上になると、前記第2演算増幅回路の動作が停止することを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動回路。
  4. 前記急速充電回路部は、一方の入力端に入力オフセット電圧を有する第2演算増幅回路を備え、該第2演算増幅回路は、前記光量検出回路部からの出力電圧Vmが、あらかじめ設定された所定値Vrefから前記入力オフセット電圧を減算した電圧になると、自動的に前記S/Hコンデンサの充電動作を停止することを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ駆動回路。
  5. 前記電圧‐電流変換回路部、第1演算増幅回路部及び急速充電回路部の第2演算増幅回路は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項2又は3記載の半導体レーザ駆動回路。
  6. 前記電圧‐電流変換回路部、第1演算増幅回路部及び急速充電回路部は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項4記載の半導体レーザ駆動回路。
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