DE19522414A1 - Laserdioden-Direktmodulation mit hohem Dynamikbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Laserstrahlmodulation und insbe­ sondere die Modulation von Laserstrahlen, die bei Laserdruc­ kern bzw. -schreibeinrichtungen verwendet werden.

Mehrstufige Druck- und Schreibeinrichtungen unter Verwendung von sensibilisierten Medien erfordern die Belichtung der Medien auf modulierte Weise. Diese modulierte Belichtung er­ gibt unterschiedliche Bilddichten. Ein gängiges System be­ sitzt die Möglichkeit, Bilddichten von 0,2 bis 3,0 zu erzeu­ gen. Anhand von Daten zu dem ausgewählten Medium (d. h. Dich­ te bzw. Belichtung) kann bestimmt werden, daß ein Dichten­ bereich einen bestimmten Bereich der Belichtungsenergie er­ fordert. Der Dynamikbereich dieser Belichtungsenergien kann als Verhältnis der maximalen Belichtungsenergie zur minima­ len Belichtungsenergie definiert werden. Ein typisches System unter Verwendung von Halogensilberfilm oder sensibi­ lisiertem Papier kann ein Verhältnis der Dynamikbereiche der Belichtungsenergien erfordern, das größer als 100 : 1 ist.

Die Belichtungsmodulation bei Laserdruckern und -schreibein­ richtungen kann über die Amplitudenmodulation und/oder die Impulsbreitenmodulation des schreibenden Laserstrahls er­ reicht werden. Ein derzeit verwendetes Verfahren besteht darin, den Strahl eines Gaslasers (z. B. HeNe) oder eines Halbleiterlasers (z. B. eines Diodenlasers) mit einer exter­ nen Einrichtung, z. B. einem akustooptischen Modulator, zu modulieren. Dieses Verfahren ist ziemlich kostspielig, und es erfordert zusätzliche optische Elemente, um den Strahl für die Modulation durch eine derartige Einrichtung aus zu­ breiten und zu formen. Hinzu kommt, daß auch die Modula­ tionseinrichtungen selbst teuer sind.

Zur Kostensenkung einer Lasermodulationsvorrichtung ist es wünschenswert, die Ausgangsleistung der Laserquelle direkt zu modulieren. Dies kann z. B. über die Modulation des Treiberstroms einer Halbleiterlaserdiode erfolgen. Eine Einschränkung der Direktmodulation einer Laserdiode besteht darin, daß es einem Ausgangsleistungs-Schwellenwert gibt, oberhalb dessen die Diodenausgabe vorwiegend Laserlicht durch stimulierte Emission ist und unterhalb dessen die Diodenausgabe vorwiegend aus spontaner Emission besteht (Fig. 1). Eine Ausgabe mit vorwiegend spontaner Emission ist nicht wünschenswert, da sie sich nicht gleichmäßig durch das optische System zum Belichtungsmedium ausbreitet. Dies schränkt die nutzbare Ausgangsleistung der Laserdiode auf die Ausgangsleistungen ein, die oberhalb des Schwellenwerts erzeugt werden.

Das Verhältnis der maximalen Ausgangsleistung der Laserdiode zur oberhalb des Schwellenwerts verfügbaren Ausgangsleistung der Laserdiode wird als Dynamikbereich der Einrichtung be­ zeichnet. Bei einer typischen Laserdiode liegt dieser Dyna­ mikbereich in der Größenordnung von 15 : 1 bis 50 : 1. Dies ist unterhalb der Anforderungen vieler Druck-/Schreibeinrichtun­ gen.

Da die meisten Medien bezüglich der gesamten integrierten Belichtung empfindlich sind, kann zusätzlich zu einer gewissen Amplitudenmodulation der Ansatz einer Impulsbrei­ tenmodulation verwendet werden, um einen verbesserten Dyna­ mikbereich zu erzielen. Ein Beispiel eines derartigen Ver­ fahrens ist beschrieben in US-A-4,774,710. Zur Durchführung der Impulsbreitenmodulation mit den gewünschten Pixelraten ist allerdings eine schnellere Schaltungen erforderlich (d. h. ein Digital-Analog-Umsetzer mit schneller Arbeitswei­ se). Die schnellere Schaltung ist erforderlich, um eine be­ stimmte Durchsatzgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, da jedes Pixel jetzt in mehrere Subpixel unterteilt wird. Bei der Durchführung einer 4-Bit-Impulsbreitenmodulation werden z. B. sechzehn Subpixel geschrieben, wobei jedes Subpixel in einem Sechzehntel der Zeit geschrieben wird, die zum Schrei­ ben eines Pixels ohne Impulsbreitenmodulation aufgewendet wird. Dies kann eine individuelle Entwicklung von schnellen Einrichtungen aus Einzelkomponenten erfordern, da diese Schaltungen nicht als integrierte Bauelemente handelsüblich sind.

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Laserdioden-Modulationsschemas, das ohne die Verwendung von Impulsbreitenmodulation einen Dynamikbereich von wesentlich mehr als 256 : 1 erreichen kann, so daß eine Implementierung bei angemessenem Pixelraten möglich ist.

Gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung werden zwei Laserdioden bei einer ausgewählten Auflösung (z. B. 8 Bit) über ihren jeweiligen nutzbaren Bereich moduliert (d. h. vom Schwellenwert bis zur Maximalleistung). Jede Laserdiode ist in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt (d. h. mit einer Pig­ tail-Anschlußfaser), dessen Kerndurchmesser so ausgewählt ist, daß er bei der Betriebswellenlänge der Laserdiode ein Einmodenleiter ist.

Ein optischer Dämpfer ist an das Ausgangsende eines der Lichtwellenleiter angeschlossen. Der Dämpfungsfaktor ist so ausgewählt, daß, wenn die dazugehörige Laserdiode mit maximaler Ausgabe arbeitet, die Ausgabe des Dämpfers größer ist als die Ausgabe der jeweils anderen Laserdiode, die bei Minimaleinstellung arbeitet (d. h. gerade oberhalb des Schwellenwerts). Der mit der Laserdiode ohne Dämpfer verbun­ dene Lichtwellenleiter und der Ausgang des Dämpfers sind je­ weils mit Eingängen eines Lichtwellenleiter-Kombinators ver­ bunden. Die Ausgabe des Kombinators ist die Summe der beiden Signale abzüglich der Kopplungsverluste.

Zur Kalibrierung der Vorrichtung wird jede Laserdiode über jede einzelne der hierfür ausgewählten Einstellungen ange­ steuert (z. B. 256 von einem 8-Bit-Digital-Analog-Umsetzer bestimmte Stufen), während die Ausgabe überwacht wird. An­ schließend wird eine Suchtabelle erzeugt, deren Ausgabe aus einem Wert für jede der beiden Laserdioden zusammengesetzt ist (z. B. mit 8 Bit für jede Laserdiode). Diese Suchtabelle wird aufgestellt, um die gewünschten Ausgangsintensitäten für einen vorgegebenen Bereich von Eingabewerten bereitzu­ stellen. Dies kann z. B. erfolgen, um die korrekten Intensi­ täten bereitzustellen, so daß sich eine lineare Beziehung zwischen dem Eingabewert und der Dichte des belichteten Mediums nach der Verarbeitung ergibt.

Die gegenwärtige Erfindung stellt Belichtungsdynamikbereiche von mehr als 256 : 1 mit 8-Bit-Auflösungssystemen bereit. Es ist auch möglich, für die Modulationen der einzelnen Laser­ dioden andere Auflösungen als 8-Bit-Auflösungen zu verwenden und/oder mehr als zwei Laserdioden einzusetzen, um größere oder kleinere Werte der Modulationsauflösung, des Dynamik­ bereichs und/oder der maximalen Ausgangsleistung der Vor­ richtung zu erreichen. Bei der Vorrichtung können weiter zu­ sätzliche Vorteile erzielt werden, da die Lichtwellenleiter- Elemente der Vorrichtung bereits eigenständig eine gewisse Verbesserung des Dynamikbereichs bereitstellen, indem sie die spontanen Emissionen der Laserdiode weniger wirksam lei­ ten als die stimulierte Emission, so daß der Schwellenwert des Ausgabepegels relativ zum Pegel der maximalen Ausgabe gesenkt wird. Die Lichtwellenleiter-Elemente gewährleisten weiter durch die Steckanschlußverbindung der Fasern eine leichte Austauschbarkeit jeder einzelnen Laserdiode, wobei die verwendeten Techniken den bei Telekommunikationsanwen­ dungen eingesetzten Techniken ähnlich sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Treiberstrom und Ausgangsleistung einer typischen Laserdiode;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Optik einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm der Elektronik der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Gruppe von grafischen Darstellungen der Laser­ leistung als Funktion des Treiberstroms an verschie­ denen Positionen in der Vorrichtung; und

Fig. 5 die Auswahl eines groben Einstellpegels und einer Pegelfeineinstellung zur Erzielung eines gewünschten Pegels in zeichnerischer Darstellung.

Die Beschreibung behandelt insbesondere Elemente, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind oder die direkt damit zusammenwirken. Selbstverständlich können nicht spezifisch dargestellte oder beschriebene Elemente verschie­ dene Formen haben, die Fachleuten auf diesem Gebiet bereits bekannt sind.

In Fig. 2 ist ein direktes Halbleiterlaser-Modulationsschema mit einem Dynamikbereich, der wesentlich größer als 256 : 1 ist, in einer Vorrichtung mit zwei Laserdioden 10 und 12 realisierbar. Bei einer bevorzugten Anordnung ist jede der Laserdioden permanent mit jeweils einem kurzen Längen­ abschnitt eines Einmoden-Lichtwellenleiterkabels (d. h. mit einer Pigtail-Anschlußfaser) 14 bzw. 16 gekoppelt. Laser­ dioden, die mit dieser Art von Lichtwellenleitern gekoppelt sind, sind handelsüblich. Die Ausgabe eines dieser Lichtwel­ lenleiter (wobei der Lichtwellenleiter 16 in der Darstellung wiedergegeben ist) ist mit einem Lichtwellenleiter-Dämpfer 18 gekoppelt. Die Ausgabe des anderen Lichtwellenleiters und die Ausgabe des Dämpfers sind in die Eingabefasern eines Lichtwellenleiter-Kombinators 20 eingebunden. Die Ausgabe des Lichtwellenleiter-Kombinators ist die Summe der beiden Eingaben, abzüglich der Kopplungsverluste an den Faserver­ bindungen in der Vorrichtung.

Die über einen Lichtwellenleiter direkt mit dem Kombinator 20 verbundene Laserdiode 10 wird als Grobeinstellung für die Vorgabe der Ausgangsleistung verwendet. Die Laserdiode 12, die über einen Lichtwellenleiter durch den Dämpfer 18 mit dem Kombinator verbunden ist, wird als Feineinstellung für die Vorgabe der Ausgangsleistung verwendet.

In Fig. 3 wird die Ausgabe eines 8-Bit-Digital-Analog-Umset­ zers 22 dazu verwendet, den Treiberstrom der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung vorzugeben. Die Ausgabe eines 8-Bit- Digital-Analog-Umsetzers 24 wird dazu verwendet, den Trei­ berstrom der Laserdiode 12 für die Feineinstellung vorzuge­ ben.

In Fig. 4 muß die optische Dämpfung der Laserdiode 12 für die Feineinstellung so gewählt werden, daß, wenn die Laserdiode für die Feineinstellung mit maximaler Ausgangs­ leistung betrieben wird, die Ausgabe größer ist als die Aus­ gabe, wenn die Laserdiode 10 für die Grobeinstellung auf ihren Schwellenwertpegel eingestellt ist. Die kombinierten Ausgaben stellen dann einen Dynamikbereich bereit, der gleich der Ausgabe beider Laserdioden ist, wenn diese bei vollem Ausgangspegel arbeiten, geteilt durch die Ausgabe bei ausgeschalteter Laserdiode 10 für die Grobeinstellung und mit auf den Schwellenwertpegel eingestellter Laserdiode 12. Man beachte, daß der Schwellenwertpegel übertrieben darge­ stellt ist, um in den Abbildungen sichtbar zu sein. Man be­ achte weiter, daß der Strom "I" im Schaubild mit der Dar­ stellung der Vorrichtungsausgabe kein tatsächlicher Strom ist. Es handelt sich um einen normierten Strom, der eine Kombination der Ströme zu den einzelnen Dioden und damit einen Bezugswert für den Auftrag der Ausgangsleistung dar­ stellt.

Das beschriebene Verfahren kann z. B. verwendet werden, um eine genaue Amplitudenmodulation mit einem Dynamikbereich von 512 : 1 bereitzustellen, wobei zwei Laserdioden verwendet werden, die jeweils einen individuellen Dynamikbereich von 30 : 1 haben. Die Dämpfung der Laserdiode 12 für die Feinein­ stellung ist so vorgegeben, daß eine maximale Ausgabe be­ reitgestellt wird, die hinsichtlich des Schwellenwertpegels der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung gleich oder ge­ ringfügig größer ist. Eine Suchtabelle 26 (Fig. 3) wird ver­ wendet, die 9-Bit-Werte als Eingaben nimmt und zwei 8-Bit- Werte als Ausgaben erzeugt. Eine der 8-Bit-Ausgaben wird verwendet, um die Ausgabe des Digital-Analog-Umsetzers 22 zur Steuerung der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung vor­ zugeben. Die andere 8-Bit-Ausgabe wird verwendet, um die Ausgabe des Digital-Analog-Umsetzers 24 zur Steuerung der Laserdiode 12 für die Feineinstellung vorzugeben.

Da die Ausgabe eines Digital-Analog-Umsetzers nicht voll­ ständig linear ist, werden einige Fehler eingeführt. Die Laserdiode 12 für die Feineinstellung kann auch verwendet werden, um diese Arten von Fehlern der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung zu kompensieren. Der gesamte Amplitudenmodu­ lationsfehler eines derartigen Systems (d. h. unter der An­ nahme von +/- 1/2 Bit Ungenauigkeit des Digital-Analog- Umsetzers) wäre besser als 0,01% (d. h. 1 Teil auf 7680). Dabei wird für beide Laserdioden ein individueller Dynamik­ bereich von 30 : 1 angenommen, und für den Dämpfer der Laser­ diode 12 für die Feineinstellung wird angenommen, daß er so voreingestellt ist, daß eine maximale Ausgabe bereitgestellt wird, die hinsichtlich der Ausgabe der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung bei Schwellenwertpegel-Einstellung gleich bis doppelt so groß ist.

Zur Erzeugung der geeigneten Suchtabelle wird jede Laser­ diode mit jeder der Einstellungen des Digital-Analog-Umset­ zers individuell angesteuert. Die Ausgangsleistung der Vor­ richtung wird aufgezeichnet. Für jeden gewünschten Ausgangs­ pegel der Vorrichtung (d. h. für jede Eingabe in die Such­ tabelle) wird die diesem Wert am nächsten kommende Einstel­ lung der Laserdiode 10 für die Grobeinstellung ausgewählt, mit der der gewünschte Ausgangswert nicht überschritten wird. Eine geeignete Einstellung für die Laserdiode 12 für die Feineinstellung wird so ausgewählt, daß, wenn die Aus­ gabe der Vorrichtung bei der betreffenden Einstellung zur Ausgabe der Vorrichtung bei der gewählten Grobeinstellungs­ vorgabe addiert wird, die kombinierte Ausgabe möglichst nah an der gewünschten Vorrichtungsausgabe liegt (siehe Fig. 5).

Falls die maximale Ausgabe der Vorrichtung einstellbar sein soll, ohne den Dynamikbereich zu verändern, kann nach dem Lichtwellenleiter-Kombinator ein variabler optischer Dämpfer installiert sein, um diese Einstellung vorzunehmen.

In Fig. 3 wird zusätzlich zum Modulationsstrom ein geeigne­ ter Schwellenwertstrom für alle Modulationsvorgaben ungleich null bereitgestellt. Dies erfolgt mittels einer analogen Spannung, die für jede der Laserdioden 10 und 12 von einem Digital-Analog-Umsetzer 28 bzw. 30 geliefert und jeweils zu der Spannung von den Digital-Analog-Umsetzern 22 bzw. 24 für die Modulation addiert wird. Diese Spannung, die den Schwel­ lenwert-Treiberstrom bestimmt, wird geschaltet, wenn der Digital-Analog-Umsetzer für die Modulation mit einem Wert ungleich null beaufschlagt wird; und die Spannung wird auf null Volt gesteuert, wenn der Digital-Analog-Umsetzer für die Modulation mit einem Wert gleich null beaufschlagt wird.

Jeder Schwellenwert-Treiberstrom wird durch Ausgaben aus der Suchtabelle 26 gesteuert.

Falls Reflexionen von den Enden der Lichtwellenleiter oder anderen optischen Elementen zur Laserdiode zurückkehren, können sich Instabilitäten des Lasers ergeben. Um diese Eventualität zu berücksichtigen, kann ein hochfrequentes Signal hinzugefügt werden, so daß der Treiberstrom der Laserdiode moduliert wird. Die Frequenz des Signals wird so ausgewählt, daß Laserlicht, das durch optische Komponenten in der Vorrichtung reflektiert wird, während des Zeitraums, in dem der Strom zur Laserdiode gleich null ist, zurück zur Laserdiode gelangt. Das zurückkehrende Laserlicht trägt so­ mit nicht zu den Instabilitäten der Ausgabe der Laserdiode bei.

Falls Laserlicht von einer der Laserdioden durch Komponenten in der Vorrichtung reflektiert wird und zur jeweils anderen Laserdiode zurückkehrt, kann dieses Licht auch Instabilitä­ ten bei der betreffenden Laserdiode verursachen. Um diese Art einer Kopplung zu vermeiden, können die Phasenbeziehun­ gen zwischen den hochfrequenten Signalen, die zur Modulation der beiden Laserdioden verwendet werden, so geändert werden, daß die reflektierten Signale wiederum während des "AUS"- Abschnitts des Treiberstromsignals der Laserdiode zu den Dioden zurückkehren.

Obwohl eine Implementierung mit zwei Laserdioden beschrieben wurde, darf dies nicht als Einschränkung gesehen werden. Dieser Ansatz kann mit mehr als zwei Laserdioden verwirk­ licht werden, um den Dynamikbereich zusätzlich zu verbessern und/oder um die maximal verfügbare Ausgangsleistung zu erhö­ hen, falls zusätzliche Leistung gefordert ist.

Die Erfindung wurde ausführlich mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, doch können selbstverständlich im Rahmen und innerhalb des Schutz­ bereichs der Erfindung Änderungen und Abwandlungen vorgenom­ men werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Amplitudenmodulation der Energieausgabe einer Halbleiterlaservorrichtung, gekennzeichnet durch zwei Halbleiterlaser (10, 12), wobei jeder Laser eine maximale Ausgangsleistung hat und eine Schwellenwert- Ausgangsleistung, wobei die Laserausgabe oberhalb die­ ses Werts vorwiegend Laserlicht durch stimulierte Emis­ sion ist und wobei die Laserausgabe unterhalb dieses Werts vorwiegend Laserlicht durch spontane Emission ist, so daß ein nutzbarer Bereich jedes Lasers von einer Ausgangsleistung gerade oberhalb des Schwellen­ werts bis zur maximalen Ausgangsleistung reicht; durch Mittel (22, 24) zur Modulation der Laser über deren je­ weilige nutzbare Bereiche; durch einen optischen Dämp­ fer (18) am Ausgang eines der Laser (12); und durch Mittel (20) zur Kombination der Ausgabe des optischen Dämpfers (18) und der Ausgabe des jeweils anderen Lasers (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsmittel (20) ein Lichtwellenleiter- Kombinator ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsmittel (22, 24) mit einer ausgewähl­ ten Auflösung arbeiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (20) einen Dämpfungsfaktor hat, der so ausgewählt ist, daß, wenn einer der Laser bei im wesentlichen maximaler Leistungsausgabe arbeitet, die Leistungsausgabe des Dämpfers (20) größer ist als die Leistungsausgabe des jeweils anderen Lasers, wenn die­ ser mit einer Leistungsausgabe gerade oberhalb seines Schwellenwerts arbeitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kopplungsmittel (14, 16) vorgesehen sind, die Lichtwellenleiter sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laser (10, 12) eine Betriebswellenlänge hat und daß der Lichtwellenleiter (14, 16) einen Kerndurch­ messer hat, der so ausgewählt ist, daß er bei der Betriebswellenlänge des entsprechenden Lasers ein Ein­ modenleiter ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Laser (10, 12) permanent mit seinem dazu­ gehörigen Lichtwellenleiter (14, 16) gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Laser (10, 12) einen Treiberstrom hat, der durch Ausgabewerte einer Suchtabelle (26) vorgege­ ben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabewerte der Suchtabelle (26) korrekte Intensitäten bereitstellen, so daß sich eine im wesent­ lichen lineare Beziehung zwischen den Eingabewerten der Suchtabelle und einer Bilddichte der durch die von der Laservorrichtung abgegebenen Energie belichteten Medien ergibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Suchtabelle (26) erzeugt wird, indem beide Laser (10, 12) individuell über eine Vielzahl von Ein­ gabevorgaben gesteuert werden, wobei die am nächsten am gewünschten Vorrichtungsausgabepegel liegende Vorgabe ermittelt wird, die den gewünschten Ausgabepegel für den nicht gedämpften Laser (10) nicht überschreitet, und wobei eine Vorgabe für den gedämpften Laser (12) ausgewählt wird, so daß, wenn die Ausgabe der Vorrich­ tung bei der betreffenden Vorgabe zur Ausgabe der Vor­ richtung bei der für den nicht gedämpften Laser ausge­ wählten Vorgabe addiert wird, die kombinierte Ausgabe möglichst nah an der gewünschten Vorrichtungsausgabe liegt.