DE3603548A1 - Method for determining and regulating the temperature of laser diodes, and a circuit arrangement for carrying out the method - Google Patents
Method for determining and regulating the temperature of laser diodes, and a circuit arrangement for carrying out the methodInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur Procedure for determining and regulating temperature
von Laserdioden und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Haibleiterlaserdioden, insbesondere von in Laser-Xerographischen Druckern verwendeten GaAsA1/P-Laserdioden, wobei die Laserdiode impulsartig betrieben wird.of laser diodes and circuitry for carrying out the method The invention relates to a method for determining and regulating the temperature of semiconductor laser diodes, especially those used in laser xerographic printers GaAsA1 / P laser diodes, whereby the laser diode is operated in a pulsed manner.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention also relates to a circuit arrangement for implementation of the procedure.
Wie aus der Fachliteratur bekannt ist, hängt die Lebensdauer der Laserdioden im wesentlichen von Temperatur des aktiven Bereiches, des Diodenüberganges der Laserdiode ab. Wie 3wanne S. Manning bereits in 7.As is known from the specialist literature, the life of the laser diodes depends essentially on the temperature of the active area, the diode junction of the laser diode away. Like 3wanne S. Manning already in 7.
Appl.Phys. 52/5 Ausgabe 1981, Mai feststellte, verringert sich die Lebensdauer der Laserdiode bei Obererwärmung des Diodenüberganges mit Erhöhung der Temperatur exponentiell. Bei Unterkühlung des Überganges dagegen zerstört die sich erhöhende Laserausstrahlungsleistung den Laser und führt zum Abbruch des Laserbetriebes. In der Praxis wurden zahlreiche Lösungen entwickelt, die zur Verhinderung des Auftauchens der obigen Probleme dienen. So schlägt zum Beispiel die Firma Hitachi vor, die Laserdioden nur bis zu Hälfte oder bis zu zwei Dritteln ihrer maximalen Ausstrahlungsleistung zu betrieben (Hitachi laser diode application manuell HLP 1000-3000). Diese Lösung führt zu einer Verringerung der Leistungsausnutzung und einer Erhöhung des Kostenaufwandes der zu verwendenden Laserdiode.Appl.Phys. 52/5 Edition 1981, May noted, the decreases Service life of the laser diode when the diode junction is overheated with an increase in the Temperature exponential. If the junction is overcooled, however, it will be destroyed increasing the laser output power and leads to the interruption of laser operation. In practice, numerous solutions have been developed to prevent surfacing serve the above problems. For example, Hitachi suggests laser diodes only up to half or up to two thirds of their maximum broadcast power to be operated (Hitachi laser diode application manual HLP 1000-3000). This solution leads to a reduction in power utilization and an increase in costs the laser diode to be used.
Das Überschreiten der maximalen Ausstrahlungsleistung kann durch die unmittelbare Messung der abgegebenen Strahlungsleistung verhindert werden.Exceeding the maximum broadcast power can be caused by the immediate measurement of the emitted radiation power can be prevented.
Diese Möglichkeit nutzen die Lösungen der GB 2 045 516 und der GB 2 054 949, bei denen die abgegebene Strahlungsleistung mittels Photodioden gemessen wird, wobei die Photodiode über eine Steuerschaltung die abgegebene Strahlungsleistung in zugelassenen Grenzen hält.The solutions of GB 2 045 516 and GB use this possibility 2,054,949, in which the emitted radiant power is measured by means of photodiodes is, the photodiode via a control circuit the emitted radiant power keeps within permitted limits.
Diese Lösung ist zur Verwendung bei einem schnellen impulsartigen Betrieb der Laserdiode nicht geeignet und gibt keine eindeutige Information über die Temperatur der Laserdiode, erhöht jedoch die Kompliziertheit und die Kosten der Konstruktion. Eine ähnliche Lösungsmöglichkeit stellt die Temperaturmessung mittels Thermistor dar. Ein Beispiel dafür bilden die Dioden der Firma RCA, SCW, LCW, bei denen mittels Thermistor jedoch nur die Außentemperatur des Gehäuses der Laserdiode gemessen werden kann. Eine vorteilhafte Lösung ist die in den Laserdioden TXBD 8500 der Firma Telefunken oder der Firma Canon verwendete Lösung, bei der der Thermistor an der Wärmesenke der Laserdiode angeordnet ist und somit von außen die Temperatur des Laserchips mißt. Die Verwendung des Thermistors erhöht jedoch bei der Montage die Kompliziertheit der Konstruktion, sowie den Kostenaufwand, darüber hinaus sind zwei Anschlüsse erforderlich.This solution is for use in a fast pulse type Operation of the laser diode is not suitable and does not provide any clear information the temperature of the laser diode, however, adds complexity and cost of construction. Temperature measurement provides a similar solution by means of a thermistor. An example of this are the diodes from RCA, SCW, LCW, in which, however, only the outside temperature of the housing of the Laser diode can be measured. An advantageous solution is that in the laser diodes TXBD 8500 from Telefunken or Canon used solution in which the Thermistor is arranged on the heat sink of the laser diode and thus the outside Measures the temperature of the laser chip. However, the use of the thermistor increases assembly the complexity of the construction, as well as the expense, about it two connections are also required.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Thermistor die Temperatur des Diodenüberganges ungenau und mit einer Zeitverzögerung mißt.Another disadvantage is that the thermistor changes the temperature of the diode junction measures imprecisely and with a time delay.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausarbeitung eines Verfahrens und einer Schaltungsanordnung, zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, welche von den obenerwähnten Mängeln frei sind, d.h.The object of the invention is to develop a method and a circuit arrangement for determining and regulating the temperature of laser diodes, which are free from the above-mentioned defects, i. e.
keinen gesonderten Thermistor und keine komplizierte Haltekonstruktion beanspruchen, zur unmittelbaren Bestimmung und Regelung der Temperatur des Diodenüberganges von Laserdioden geeignet sind, dadurch die Anwendung von Laserdioden mit geringerem Kostenaufwand und die Ausnutzung der maximalen A usstrahlungsleistung ermöglichen.no separate thermistor and no complicated support structure claim, for the direct determination and control of the temperature of the diode junction of laser diodes are suitable, thereby the use of laser diodes with less Allow costs and the utilization of the maximum radiation output.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Spannung der Laserdiode bei konstantem Strom von der Temperatur des Diodenüberganges der Chipdiode abhängt, und zwar sich in Abhängigkeit vom Typ der Diode um -2 bis -5 mV/OC ändert.The invention is based on the knowledge that the voltage of the laser diode at constant current depends on the temperature of the diode junction of the chip diode, namely changes by -2 to -5 mV / OC depending on the type of diode.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden entwickelt, bei welchem die Laserdiode im Impulsbetrieb betrieben wird und gemäß der Erfindung während der Aussetzdauer der Laserausstrahlung durch die Laserdiode ein ge- gen über dem zur Laserausstrahlung erforderlichen minimalen Strom geringerer, konstanter Strom geleitet wird, währenddessen mindestens einmal die Spannung der Laserdiode abgetastet wird, der abgetastete Wert gespeichert und ausgewertet wird, der erhaltene Wert gegebenenfalls angezeigt wird, und in Abhängigkeit von dem erhaltenen Resultat der die Laserdiode speisende Strom gesteuert wird.A method of determination was used to solve the problem and regulating the temperature of laser diodes at which the laser diode is operated in pulse mode and according to the invention during the intermittent period the laser radiation through the laser diode gen over that minimum current required for laser emission lower, constant current while the voltage of the laser diode is scanned at least once is, the sampled value is stored and evaluated, the value obtained is optionally displayed, and depending on the result obtained, the the current feeding the laser diode is controlled.
Es ist vorteilhaft, wenn zur Steuerung der Abtastung den Betrieb der Laserdiode steuernde Logiksignale verwendet werden. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die die Abtastung steuernden Signale nach der Aussetzung der Laserausstrahlung um 200-300 nsec verzögert werden.It is advantageous if the operation of the Logic signals controlling the laser diode are used. It is also an advantage when the signals controlling the scan after exposure to laser radiation delayed by 200-300 nsec.
Gemäß der Erfindung wurde weiterhin zur Durchführung des Verfahrens eine Schaltungsanordnung ausgebildet, welche mit einer die Laserdiode speisenden Stromquelle, einer Logikeinheit und gegebenenfalls einer Heiz-Kühl-Einheit versehen ist. Gemäß der Erfindung sind die Anschlüsse der Laserdiode über einen Spannungsfolger mit großem Eingangswiderstand an eine Abtast-und Halteeinheit (sample and hold circuit) angeschlossen. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, während ein Ausgang der Auswerteeinheit mit einem Steuereingang der die Laserdiode speisenden Stromquelle und/oder der Heiz-Kühl-Efnheit verbunden ist.According to the invention was also used to carry out the method a circuit arrangement is formed which feeds the laser diode with a Power source, a logic unit and, if necessary, a heating-cooling unit is. According to the invention, the connections of the laser diode are via a voltage follower with large input resistance to a sample and hold circuit connected. The output of the sample and hold unit is connected to an evaluation unit connected, while an output of the evaluation unit with a control input of the Laser diode feeding power source and / or the heating-cooling unit is connected.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Stromquelle durch einen steuerbaren Stromgenerator mit einer Genauigkeit von + 0,1 mA gebildet. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit über eine Verzögerungseinheit mit einer die Laserdiode steuernden Logikeinheit verbunden.In an advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention the power source is controlled by a controllable power generator with an accuracy of + 0.1 mA. In a further advantageous embodiment of the invention is a control input of the sample and hold unit via a delay unit connected to a logic unit controlling the laser diode.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit enthält.It is also advantageous if the evaluation unit is a display unit contains.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of preferred exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawing.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein allgemeines Blockschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden und Fig. 2 einen Ausschnitt eines anhand der Erfindung aufgebauten Laserdruckers.In the drawing, FIG. 1 shows a general block diagram of a device according to the invention trained circuit arrangement for determining and regulating the temperature from Laser diodes and FIG. 2 shows a section of a laser printer constructed on the basis of the invention.
In Fig. 1 ist ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung veranschaulicht.In Fig. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of the Circuit arrangement according to the invention illustrated.
Eine Laserdiode 1 wird von einer Stromquelle 2 gespeist. Die Stromquelle 2 ist als steuerbarer Stromgenerator mit einer Genauigkeit von + 0,1 mA ausgebildet.A laser diode 1 is fed by a current source 2. The power source 2 is designed as a controllable current generator with an accuracy of + 0.1 mA.
Die Anschlüsse der Laserdiode 1 sind an einen mit großem Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 geführt. Ein Ausgang des Spannungsfolgers 3 ist mit einer Abtast- und Halteeinheit 4 verbunden, deren Ausgang an einen Eingang einer Auswerteinheit 5 angeschlossen ist. Ein Ausgang der Auswerteeinheit 5 ist mit Steuereingängen der die Laserdiode 1 speisenden Stromquelle 2 und einer Heiz-Kühl-Einheit 8 verbunden. Ein Steuereingang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist über eine Verzögerungseinheit 6 an eine Logikeinheit 7 - die auf bekannte Weise als eine bei den handelsüblichen Laserdrucken übliche Logikeinheit ausgebildet sein kann - geführt.The connections of the laser diode 1 are to one with a large input resistance trained voltage follower 3 out. An output of the voltage follower 3 is connected to a sample and hold unit 4, the output of which is connected to an input of a Evaluation unit 5 is connected. An output of the evaluation unit 5 has control inputs the power source 2 feeding the laser diode 1 and a heating-cooling unit 8. A control input of the sample and hold unit 4 is via a delay unit 6 to a logic unit 7 - which in a known manner as one in the commercially available Laser printing customary logic unit can be designed - guided.
Ein weiterer Ausgang der Logik einheit 7 ist mit einem weiteren Steuereingang der Stromquelle 2 verbunden. Die Eingänge der Logikeinheit 7 sind an weitere Einheiten eines Zeilendruckers (in der Zeichnung nicht dargestellt) angeschlossen.Another output of the logic unit 7 is with a further control input the power source 2 connected. The inputs of the logic unit 7 are connected to other units a line printer (not shown in the drawing) connected.
Der Laserbetriebsstrom beträgt in Abhängigkeit vom Typ der Laserdiode 50-200 mA, die Modulationstiefe (zur Ein- und Ausschaltung der Laserstrahlung) beträgt im allgemeinen 10-30 %.The laser operating current depends on the type of laser diode 50-200 mA, the modulation depth (for switching the laser radiation on and off) is generally 10-30%.
Gemäß der Erfindung fließt auch außerhalb des Laserbetriebszustandes der Laserdiode über die Laserdiode ein Grundstrom, dessen Wert gerade unter dem Laserschwellenstrom liegt und vom Typ der jeweiligen Laserdiode 1 abhängt.According to the invention, flows also outside of the laser operating state the laser diode via the laser diode a basic current, the value of which is just below the Laser threshold current and depends on the type of laser diode 1 in question.
Die Genauigkeit der verwendeten Stromquelle 1 beträgt sowohl in Hinsicht auf den G?undstrom als auch in Hinsicht auf den Laserbetriebsstrom + 0,1 mA. Die Verwendung des Crundstromes verbessert die Schalteigenschaften der Laserdiode 1, und trägt darüber hinaus dazu bei, die Temperatur der Laserdiode 1 zu stabilisieren, da dadurch die durch den Strom, welcher durch die Laserdiode fließt, hervorgerufene joule-Wärme einen annähernd konstanten Wert annimmt. Die jeweilige Spannung der Laserdiode 1 erscheint über den mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildeten Spannungsfolger 3 an der Abtast- und Halteeinheit 4. Der mit einem großen Eingangswiderstand ausgebildete Spannungsfolger 3 dient dazu, die Einwirkung der Abtast- und Halteeinheit 4 auf die Funktion der Laserdiode 1 zu verhindern.The accuracy of the current source 1 used is in both respects on the G? and current as well as with regard to the laser operating current + 0.1 mA. The use of the basic current improves the switching properties of the laser diode 1, and also helps to stabilize the temperature of the laser diode 1, as this is caused by the current flowing through the laser diode joule heat assumes an approximately constant value. The respective voltage of the Laser diode 1 appears over the one formed with a large input resistance Voltage follower 3 on the sample and hold unit 4. The one with a large input resistance trained voltage follower 3 is used to control the action of the sample and hold unit 4 to prevent the function of laser diode 1.
Die Einstellung des Zeitpunktes der Abtastung wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausschnittes eines Laserdruckers veranschaulicht. Wie aus Fig.The setting of the point in time of scanning is carried out using the method shown in Fig. 2 illustrates the section of a laser printer shown. As shown in Fig.
2 ersichtlich ist, gelangt die Laserstrahlung der Laserdiode 1 über einen Drehspiegel 9 bis zum Papier. In dem vom Zeilenranddetektor 10 bis zum Zeilenbeginn 11 anhanitenden Abstand erfolgt die Aussetzung des Laserbetriebes. Die Zeitdauer der Aussetzung des Zeilenlaufes beträgt im allgemeinen 1-3 msec, meistens 1,7 msec. In dieser Zeitspanne wird die Abtastung mindestens einmal vorgenommen. Zur Steuerung dieser Abtastung werden die Signale der die Laserdiode 1 steuernden Logikeinheit 7 verwendet.2 as can be seen, the laser radiation reaches the laser diode 1 a rotating mirror 9 to the paper. In that from the line edge detector 10 to the beginning of the line At the following distance, laser operation is suspended. The length of time the suspension of the line run is generally 1-3 msec, mostly 1.7 msec. During this period of time, the scanning is carried out at least once. For controlling the signals of the logic unit controlling the laser diode 1 become this scanning 7 used.
Zwischen der Logikeinheit 7 und der Abtast- und Halteeinheit 4 ist eine Verzögerungseinheit 6 eingefügt. Dieses ist deshalb erforderlich, um zu vermeiden, daß die Spannungsschwankungen, welche infolge der bei der Ein-und Ausschaltung des Laserbetriebes gegebenenfalls auftretenden Stromtransienten entstehen, die zur Bestimmung der Temperatur bei Grundstrom gemessenen Spannungspegel beeinflussen, und somit zu Meßfehletn führen würden. Die Verzögerungzeit beträgt 200-300 nsec. Der Ausgang der Abtast- und Halteeinheit 4 ist an die Auswerteeinheit 5 angeschlossen, welche bei einer für die Laserdiode gefährlichen Temperatur durch Steuerung der Stromquelle 2 und der Heiz-Kühl-Einheit 8 den Strom der Laserdiode 1 auf einen Grundwert einstellt.Between the logic unit 7 and the sample and hold unit 4 is a delay unit 6 is inserted. This is necessary to avoid that the voltage fluctuations which occur as a result of the switching on and off of the Current transients that may occur during laser operation are necessary for the determination affect the temperature at the base current measured voltage level, and thus would lead to measurement errors. The delay time is 200-300 nsec. The exit the sample and hold unit 4 is connected to the evaluation unit 5, which at a dangerous temperature for the laser diode by controlling the power source 2 and the heating-cooling unit 8 sets the current of the laser diode 1 to a basic value.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur der Laserdiode ohne Verwendung eines Temperaturmeßelementes unmittelbar überwacht werden, somit kann bei Erreichen einer schädlich auf die Laserdiode einwirkenden Temperatur durch die Steuerung des Laserbetriebs abgeschaltet (auf den Pegel des Grundstromes) werden, wodurch die hochwertige Laserdiode vor einer schädlichen Übererwärmung oder vor einer noch schädlicher wirkenden Laserleistungserhöhung bei Unterkühlung geschützt werden kann.With the help of the method according to the invention, the temperature of the Laser diodes can be monitored directly without the use of a temperature measuring element, thus, when a temperature which is harmful to the laser diode is reached switched off by the control of the laser operation (to the level of the base current), whereby the high-quality laser diode from a harmful Overheating or before an even more damaging increase in laser power Hypothermia can be protected.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Temperatur des Laserbetriebsbereiches beim Einschalten (d.h. ohne Laserbetriebsstrom, bei Einstellen der Temperatur) ebenfalls unmittelbar meßbar ist, des weiteren ist die bei Ein- und Ausschalten und während des Betriebes erfolgende Temperaturänderung (in der Laserbetriebspause) im aktiven Bereich der Laserdiode genau überprüfbar.Another advantage of the method according to the invention is that that the temperature of the laser operating range when switching on (i.e. without laser operating current, when setting the temperature) is also directly measurable, furthermore the temperature change that occurs when switching on and off and during operation (in the laser operating pause) can be precisely checked in the active area of the laser diode.
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