JP2007042839A - レーザ光源の駆動回路および駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作温度上昇によるレーザダイオードの破壊防止機能を高精度かつ構造容易に実現する、レーザ光源の駆動回路および駆動方法を実現する。
【解決手段】 駆動回路１は、フォトダイオード１２Ｂの順方向にバイアスするよう、フォトダイオード１２Ｂへ電流を供給する定電流源２と、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧を検出する検出手段３と、検出手段３が検出した順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいか否かを判定する判定手段４と、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流の供給を制御する制御手段５と、を備え、制御手段５は、順方向電圧が所定の基準電圧よりも小さいと判定手段４が判定した場合、レーザダイオード１２Ａへの電流の供給を停止するよう電流源１１を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザダイオードと、このレーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動回路および駆動方法に関する。

レーザダイオード（ＬＤ）を有するレーザ光源（半導体レーザ）は、その内部に、レーザダイオードの発光強度を制御するための、レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）を有する。このようなレーザ光源として、レーザダイオードとフォトダイオードとが互いに近接して配置されたモジュール構造の形を有するものがある（例えば、特許文献１）。レーザ光源の駆動回路では、フォトダイオードによるレーザダイオードの発光強度の検知結果を用いて負帰還制御を実現し、レーザダイオードの発光強度を一定に保つ。

図１１は、レーザ光源の一般的な駆動回路を示す回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。

モジュール１１２内にはレーザダイオード１１２Ａとフォトダイオード１１２Ｂとが近接して配置されており、レーザダイオード１１２Ａとフォトダイオード１１２Ｂとは、光学的に結合される。レーザダイオード１１２Ａは、電流源１１１から供給される電流Ｉ_LDによって発光する。フォトダイオード１１２Ｂは、レーザダイオード１１２Ａが発する光を受光し、レーザダイオード１１２Ａが出力する光パワーに比例した電流Ｉ_PDを出力する。電流−電圧変換回路１１３は、入力されたフォトダイオード１１２Ｂの出力電流Ｉ_PDを電圧に変換して出力する。電流−電圧変換回路１１３は極めて小さな入力インピーダンスを有していることから、電流−電圧変換回路１１３の出力電圧は、レーザダイオード１１２Ａが出力する光パワーに対して、広い範囲にわたって線形に変化する。比較演算器１１４は、電流−電圧変換回路１１３の出力電圧と基準電圧設定器１１５によって設定された基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較する。ＬＤドライバ回路１１６は、比較演算器１１４の比較結果を用いて、電流−電圧変換回路１１３の出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆ１とが一致するよう、電流源１１１の電流Ｉ_LDを制御する。

配線基板の配線パターンを直接露光により形成するマスクレス露光装置では、光源として上述のようなレーザ光源、特に青色半導体レーザが使われる。

図１２は、一般的な青色半導体レーザの電圧−電流特性を示す図である。このグラフは日亜化学工業株式会社のデータシートから引用したものであり、同社製の青色半導体レーザ（型番：ＮＤＨＶ３１０ＡＰＣ）の電圧−電流特性を示している。このグラフでは、青色半導体レーザの動作温度をパラメータにとっている。このグラフからわかるように、青色半導体レーザは、順方向の電圧降下が大きいので、通常のＬＥＤに比べて電力損失が大きい。

図１３は、一般的な青色半導体レーザの光出力パワー−電流特性を示す図である。このグラフは、同じく日亜化学工業株式会社のデータシートから引用したものであり、同社製の青色半導体レーザ（型番：ＮＤＨＶ３１０ＡＰＣ）の光出力パワー−電流特性を示している。このグラフでは、青色半導体レーザの動作温度をパラメータにとっている。このグラフからわかるように、青色半導体レーザは、駆動電流が一定の場合、青色半導体レーザの動作温度が高いほど、光出力パワーが減衰する。

上述の青色半導体レーザのような電力損失が大きくかつ動作温度が高いほど光出力パワーが減衰するという特性を有するようなレーザダイオードは、電力損失による発熱で青色半導体レーザの動作温度が上昇すると、光出力パワーが減衰してしまう。

ここで、図１１に示したような負帰還制御を用いた駆動回路１００で、レーザダイオード１１２Ａの発光強度を一定に保とうとする場合を考える。レーザダイオード１１２Ａの電力損失による発熱のためにその光出力パワーが減衰すると、ＬＤドライバ回路１１６は、該光出力パワーを一定に保つようにするために、電流源１１１を制御してレーザダイオード１１２Ａの駆動電流Ｉ_LDを増加させる。すると、駆動電流Ｉ_LDの増加により、レーザダイオード１１２Ａはさらに発熱することになり、この発熱のため光出力パワーはさらに減衰する。以後、これが繰り返され、この結果、駆動回路１００は熱暴走することになる。駆動回路１００の熱暴走により、最終的にはレーザダイオード１１２Ａは破壊される。

上述のような熱暴走によるレーザダイオードの破壊を防ぐ対応策の１つとして、循環する水や気体を用いた冷却システムが挙げられる。

あるいはまた、熱暴走によるレーザダイオードの破壊を防ぐ別の対応策として、異常高温時にレーザダイオードの駆動電流を強制的に停止する駆動回路が挙げられる。図１４は、熱暴走を防止する機能を備えたレーザ光源の駆動回路の従来例を示す回路図である。モジュール１１２内のレーザダイオード１１２Ａ付近には、温度センサ１１７が設置される。温度検出器１１８は、温度センサ１１７の出力を適切な電圧レベルに変換してこれを比較演算器１２０へ入力する。比較演算器１２０は、温度検出器１１８の出力電圧と基準電圧設定器１１９によって設定された基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較する。基準電圧設定器１１９によって生成される基準電圧Ｖｒｅｆ２は、レーザダイオード１１２Ａの動作可能最高温度に対応する値である。ＬＤドライバ回路１１６は、比較演算器１２０の比較結果に基づき、レーザダイオード１１２Ａの温度が、設定された動作可能最高温度を超えたと判断されたときに、電流源１１１に対して電流Ｉ_LDの供給を停止するための信号を、電流源１１１へ出力する。なお、これ以外の回路構成については図１１に示す回路構成と同様なので、同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

特開２００４−３４９３２０号公報

レーザ光源特に青色半導体レーザは非常に高価なものであることから、駆動回路が熱暴走してレーザダイオードが破壊されてしまうのは好ましくない。特に、マスクレス露光装置の光源としてレーザ光源が多数に用いられるときにはその経済的損失も甚大である。したがって、熱暴走によるレーザダイオードの破壊を防ぐことは、マスクレス露光装置の安定的な運用という観点以外に、無用な経済的損失を予防するという観点からも非常に重要な課題であるといえる。

しかしながら、上述のような循環する水や気体を用いた冷却システムは、そのほとんどが機械的なシステム構成であり、応答性も電気的なシステムに比べて悪い。また、フィルタの目詰まりや配管パイプの破損などといった機械的故障も発生し易く、これを防ぐためのメンテナンスも面倒なものである。

また、温度センサを用いて異常高温時にレーザダイオードの駆動電流を強制的に停止する機能を有する駆動回路では、温度センサおよびそのための制御系をレーザダイオードごとに個別に設置しなければならない。モジュール内のレーザダイオード付近に温度センサを取り付けることは、コスト的およびスペース的に好ましくない。また、装置全体の回路構成も複雑なものになる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、動作温度上昇によるレーザダイオードの破壊防止機能を高精度かつ構造容易に実現する、レーザ光源の駆動回路および駆動方法を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、レーザダイオードと、このレーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源について、フォトダイオードを順方向にバイアスし、このときのフォトダイオードの順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいとき、レーザダイオードへの電流の供給を停止するよう、駆動回路を駆動する。特に、順方向にバイアスされるようフォトダイオードへ供給される電流については、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流よりも十分に大きいものとする。なお、フォトダイオードを順方向にバイアスする理由については図３〜５を用いて後述する。

本発明の駆動回路は、好ましくは温度測定モードおよび光パワー測定モードの２つの動作モードを有する。温度測定モードと光パワー測定モードとは切替スイッチを介して切り替えられる。このうち、温度測定モード時においては、駆動回路は、順方向にバイアスされるよう電流が供給されているときのフォトダイオードの順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいとき、レーザダイオードへの電流の供給を停止するよう制御する。一方、光パワー測定モード時においては、駆動回路は、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流に基づいて、レーザダイオードの発光強度を制御する。

図１は、本発明によるレーザ光源の駆動回路の原理ブロック図である。モジュール１２内にはレーザダイオード１２Ａとフォトダイオード１２Ｂとが近接して配置されおり、レーザダイオード１２Ａとフォトダイオード１２Ｂとは、光学的に結合されると同時に、熱的にも結合される。レーザダイオード１２Ａは、電流源１１によって供給される電流によって発光する。本発明による駆動回路１は、フォトダイオード１２Ｂの順方向にバイアスするよう、フォトダイオード１２Ｂへ電流を供給する定電流源２と、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧を検出する検出手段３と、検出手段３が検出した順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいか否かを判定する判定手段４と、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流の供給を制御する制御手段５と、を備える。制御手段５は、順方向電圧が所定の基準電圧よりも小さいと判定手段４が判定した場合、レーザダイオード１２Ａへの電流の供給を停止するよう電流源１１を制御する。

本発明の駆動回路は、好ましくは温度測定モードおよび光パワー測定モードの２つの動作モードを有する。温度測定モードと光パワー測定モードとは切替スイッチを介して切り替えられる。図２は、本発明による、温度測定モードおよび光パワー測定モードを有するレーザ光源の駆動回路の原理ブロック図である。駆動回路１は、光パワー測定モードと温度測定モードとを切り替える切替スイッチ６と、温度測定モード時において、フォトダイオード１２Ｂの順方向にバイアスするよう、フォトダイオード１２Ｂへ電流を供給する定電流源２と、温度測定モード時におけるフォトダイオード１２Ｂの順方向電圧を検出する検出手段３と、検出手段３が検出した順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいか否かを判定する判定手段４と、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流の供給を制御する制御手段５と、を備える。制御手段５は、光パワー測定モード時においては、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオード１２Ｂが受光することに起因して生じる電流に基づいて、レーザダイオード１２Ａの発光強度を制御するために、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流の供給を制御する。一方、制御手段５は、温度測定モード時においては、順方向電圧が基準電圧よりも小さいと判定手段４が判定した場合に、レーザダイオード１２Ａへの電流の供給を停止するよう電流源１１を制御する。

ここで、フォトダイオードを順方向にバイアスする理由について説明する。

図３は、一般的な青色半導体レーザのモニタ電流−光出力パワー特性を示す図である。このグラフは、日亜化学工業株式会社のデータシートから引用したものであり、同社製の青色半導体レーザ（型番：ＮＤＨＶ３１０ＡＰＣ）のモニタ電流−光出力パワー特性を示している。モニタ電流とはレーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流のことである。このグラフでは、動作温度Ｔ_Cが２５℃の場合のみが示されているが、一般に、このモニタ電流−光出力パワー特性は、温度変化に対して極めて安定であることがよく知られている。

図４は、一般的なフォトダイオードの電圧−電流特性を示す図である。このグラフは、浜松ホトニクス株式会社の技術資料「Si PD technical information.pdf」から引用した、順方向バイアスおよび逆方向バイアスでの電流−電圧特性を示すものである。レーザ光源のモジュールでは、シリコンを原料としたＰＮ接合タイプのフォトダイオードが使用されるのが一般的である。つまり、フォトダイオードを順方向にバイアスすれば、一般的な整流用シリコンダイオードと同等の電流−電圧特性を示すことになる。一般に、ＰＮ接合に対して順方向電流を流した場合、このときに生じる順方向電圧は、ＰＮ接合の温度と順方向電流の大きさに比例する。特に順方向電流が一定の場合は、シリコンを材料とするＰＮ接合においては、ＰＮ接合の温度が１℃上昇するごとに順方向電圧が約２ｍＶ〜２．５ｍＶ減少することが知られている。また、順方向電流の順方向電圧に対する影響は対数的である。よって、フォトダイオードを外部の定電流源を用いて強制的に順方向にバイアスすれば、フォトダイオードの順方向電圧の変化からフォトダイオードの温度変化を観測できる。

図５は、一般的なフォトダイオードの等価回路を示す回路図である。図中、Ｉ_PDは、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流（∝レーザダイオードの光出力パワー）を示す。また、ＤはＰＮ接合ダイオードの性質をモデル化したものである。また、Ｃ_jは、ＰＮ接合の接合容量を示し、直流電流にとっては無視できる。Ｒ２は、もれ抵抗成分であり、実際には無視できるほど大きい。Ｒ１は、接触抵抗成分であり、実際には無視できるほど小さい。

上述の図３および４から、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流（図４のＩ_SC）は、レーザダイオードの光出力パワー（∝フォトダイオードに対する照度）に比例するものの、順方向の電圧降下に対する照度の影響は少ないことがわかる。すなわち、フォトダイオードを強制的に順方向にバイアスするための上述の外部の定電流源の電流値を、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流よりも十分に大きくしておけば、フォトダイオードにレーザダイオードの発する光が入射しても、フォトダイオードの順方向電圧に対する影響は無視できるほど小さい。図６は、一般的なフォトダイオードを、外部の定電流源を用いて強制的に順方向にバイアスしたときの等価回路を示す回路図である。フォトダイオードを強制的に順方向にバイアスする外部の定電流源Ｉ_BTの電流値を、レーザダイオードが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PDよりも十分に大きくしておけば、フォトダイオードにレーザダイオードの発する光が入射したとしても、その順方向電圧Ｖ_THに対する影響は無視できるほど小さいものとなり、なおかつ、フォトダイオードの順方向電圧の変化を測定することによりフォトダイオードの温度変化を検知することができる。上述のように、フォトダイオードとレーザダイオードとはモジュールの中で極めて近接して配置されており、したがって熱的にもよく結合されているから、フォトダイオードの温度変化は、レーザダイオードの温度変化とみなすことができる。

本発明は、レーザ光源のモジュール内のフォトダイオードの上記特性を利用したものであり、すなわち、フォトダイオードを、レーザダイオードからの光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流よりも十分に大きい電流でもって順方向にバイアスすることで、フォトダイオード自体に温度センサの機能をさらに持たせたこと最大の特徴とするものである。順方向にバイアスされるよう電流が供給されているときのフォトダイオードの順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいときは、動作可能な最高温度を超えたものとみなし、レーザダイオードへの電流の供給を停止する。もちろん、フォトダイオードには、レーザダイオードの発する光を受光する、光出力パワーセンサの機能も有している。したがって、フォトダイオードを、光出力パワーセンサの機能と温度センサの機能とで適宜使い分けるのが好ましい。

本発明によれば、レーザ光源の駆動回路においては、動作温度上昇によるレーザダイオードの破壊防止機能を高精度かつ構造容易に実現することができる。本発明では、レーザダイオードに極めて近接して配置されたフォトダイオードを、温度センサとしても使用するので、温度の検出精度が高く、応答も速い。すなわち、ほぼリアルタイムでレーザダイオードの異常高温状態を検知することができるので、レーザダイオードを熱的な破壊から確実に守ることができる。また、別体の温度センサをあらためて取り付ける必要もないので、装置の構造を単純にすることができる。

図７は、本発明の第１の実施例によるレーザ光源の駆動回路を示す回路図である。また、図８は、本発明の第１の実施例によるレーザ光源の駆動回路のモード切替動作を説明する状態遷移図である。

モジュール１２内にはレーザダイオード１２Ａとフォトダイオード１２Ｂとが近接して配置されており、レーザダイオード１２Ａとフォトダイオード１２Ｂとは、光学的に結合されると同時に、熱的に結合される。レーザダイオード１２Ａは、電流源１１により供給される電流Ｉ_LDによって発光する。フォトダイオード１２Ｂは、レーザダイオード１２Ａが出力する光パワーに比例した電流Ｉ_PDを出力する。

本実施例による駆動回路１は、温度測定モードおよび光パワー測定モードの２つの動作モードを有する。図１を参照して説明した温度測定モードと光パワー測定モードとを切り替えるための切替スイッチ６として、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３が設けられる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３は、それぞれＰ接点とＴ接点とを有する。Ｐ接点は光パワー測定モード時に選択され、Ｔ接点は温度測定モード時に選択される。図７では、一例として、駆動回路１が光パワー測定モードにあり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３はＰ接点が選択されている場合が示されている。また、図７において破線はディジタル制御信号線を示す。ディジタル制御信号はクロック２７のクロック信号に同期して処理される。

まず、光パワー測定モード時に主として動作する回路系について説明する。

光パワー測定モード時では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３では、Ｐ接点が選択されている。

レーザダイオード１２Ａは、電流源１１から供給される電流Ｉ_LDによって発光する。フォトダイオード１２Ｂは、レーザダイオード１２Ａが出力する光パワーに比例した電流Ｉ_PDを出力する。

ＰＤドライバ回路３０は、フォトダイオード１２Ｂを強制的に順方向にバイアスするための定電流源２を制御する。定電流源２は、電流Ｉ_BTを出力する。光パワー測定モード時にはスイッチＳＷ１ではＰ接点が選択されるので、定電流源２から出力される電流Ｉ_BTは、グランドへ流れ込み、フォトダイオード１２Ｂには流れない。

電流−電圧変換回路１３は、スイッチＳＷ２のＰ接点を介して入力されたフォトダイオード１２Ｂの出力電流Ｉ_PDを電圧に変換して出力する。電流−電圧変換回路１３は極めて小さな入力インピーダンスを有していることから、電流−電圧変換回路１３の出力電圧は、レーザダイオード１２Ａが出力する光パワーに対して、広い範囲にわたって線形に変化する。

サンプル・ホールド回路２１は、電流−電圧変換回路１３の出力電圧を一定の時間間隔でサンプリングして保持する。

比較演算器１４は、サンプル・ホールド回路２１によって保持された電圧と、基準電圧設定器１５によって設定された基準電圧Ｖｒｅｆ１と、を比較する。ＬＤドライバ回路１６は、比較演算器１４の比較結果を用いて、サンプル・ホールド回路２１によって保持された電圧と基準電圧Ｖｒｅｆ１とが一致するよう、電流源１１の電流Ｉ_LDを制御する。

電圧増幅器２２は、フォトダイオード１２Ｂのアノード・カソード間に発生した電圧を適切なレベルに増幅するためのものである。光パワー測定モード時においては、スイッチＳＷ３ではＰ接点が選択されているので、電圧増幅器２２の入力端子には、フォトダイオード１２Ｂのアノード・カソード間に発生した電圧が印加されるのではなく、基準電圧設定器１９によって設定された基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加されることになる。電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２は、電圧増幅率（ゲイン）をＡｖとしたとき、Ａｖ×Ｖｒｅｆ２となる。ここで、Ａｖ×Ｖｒｅｆ２＝Ｖｒｅｆ２Ｃと定義する。基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｃは、レーザダイオード１２Ａの通常動作時における適当な温度を代表する電圧であり、その具体的な大きさについては後述する。

比較演算器２０は、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２と、Ａ接点およびＢ接点を有するスイッチＳＷ４を経由して印加される基準電圧Ｖｒｅｆ２ＡもしくはＶｒｅｆ２Ｂと、を比較する。基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａは、基準電圧設定器２３によって設定され、基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂは、基準電圧設定器２４によって設定される。ここでは、「Ｖｒｅｆ２Ｃ＞Ｖｒｅｆ２Ｂ＞Ｖｒｅｆ２Ａ」なる関係が常に成り立つものとする。基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａは、レーザダイオード１２Ａの動作可能最高温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧であり、その詳細については後述する。また、基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂは、レーザダイオード１２Ａの復帰温度（Ｔｒｅｃ）に対応する電圧であり、その詳細については後述する。なお、上述した基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｃは、レーザダイオード１２Ａの通常動作時における温度を代表する電圧であり、「Ｖｒｅｆ２Ｃ＞Ｖｒｅｆ２Ｂ」を満足する電圧値であれば、どのような値であってもよい。

パワー測定モード時において、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態にない場合は、スイッチＳＷ４ではＡ接点が常に選択され、したがって、この場合、比較演算器２０の出力は常にハイ（Ｈｉｇｈ）となる。

続いて、温度測定モード時に主として動作する回路系について説明する。

図８に示すように、光パワー測定モード時において、温度測定モードから光パワー測定モードへ切り替わってから所定の時間が経過したときに、すなわちタイムアウトしたときに、光パワー測定モードから温度測定モードへ切り替わる。

温度測定モード時においては、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３ではＴ接点が選択される。

温度測定モード時であっても、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態にない場合には、電流源１１はレーザダイオード１２Ａに電流Ｉ_LDを供給し続けていることから、レーザダイオード１２Ａは発光している。フォトダイオード１２Ｂは、レーザダイオード１２Ａの発する光を受光して、レーザダイオード１２Ａが出力する光パワーに比例した電流Ｉ_PDを出力する。

一方、スイッチＳＷ１ではＴ接点が選択されているので、定電流源２が出力した電流Ｉ_BTは、フォトダイオード１２Ｂに流れ込む。このため、フォトダイオード１２Ｂは強制的に順方向にバイアスされることになる。

スイッチＳＷ２ではＴ接点が選択されているので、電流−電圧変換回路１３への入力電流はゼロである。したがって、電流−電圧変換回路１３は電圧を出力しない。しかし、サンプル・ホールド回路２１が、パワー測定モードから温度測定モードへ切り替わる直前の、パワー測定モード時における電圧を保持しているので、比較演算器１４およびＬＤドライバ回路１６は、上述のパワー測定モード時における動作を維持し続け、このため、レーザダイオード１２Ａへ供給される電流Ｉ_LDも流れ続けることになる。

上述したように、フォトダイオード１２Ｂを強制的に順方向にバイアスする定電流源２の電流Ｉ_BTは、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオードが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PDよりも十分に大きいので、フォトダイオード１２Ｂにレーザダイオード１２Ａの発する光が入射していても、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧に対する影響は無視できるほど小さいものであり、なおかつ、フォトダイオードの順方向電圧の変化はフォトダイオード１２Ｂの温度変化に対応したものとなる。また、フォトダイオード１２Ｂとレーザダイオード１２Ａとはモジュール１２の中で極めて近接して配置されており、したがって熱的にもよく結合されているので、フォトダイオード１２Ｂの温度変化をレーザダイオード１２Ａの温度変化とみなすことができる。

スイッチＳＷ３ではＴ接点が選択されているので、フォトダイオード１２Ｂのアノード・カソード間に発生した電圧は、スイッチＳＷ３のＴ接点を介して電圧増幅器２２の入力端子に印加される。

電圧増幅器２２は、フォトダイオード１２Ｂのアノード・カソード間に発生した電圧を適切なレベルに増幅する。

比較演算器２０は、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２と、Ａ接点およびＢ接点を有するスイッチＳＷ４を経由して印加される基準電圧Ｖｒｅｆ２ＡもしくはＶｒｅｆ２Ｂと、を比較する。なお、この直前までレーザダイオード１２Ａが異常高温状態になかった場合は、スイッチＳＷ４ではＡ接点が選択されているはずであり、したがってこの場合、比較演算器２０は、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２と、Ａ接点を経由して印加される基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａと、を比較する。

ここで、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が、レーダダイオード１２Ａの動作可能最高温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａよりも小さくなった場合を仮定する。この場合、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａよりも小さくなることから、比較演算器２０の出力は、ハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）へ切り替わる。上述したように、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａよりも小さいということは、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態にあることを意味する。つまり、比較演算器２０の出力がハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗ）になったときは、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態になったことを意味する。

サンプル・ホールド回路２５は、比較演算器２０の出力電圧を一定の時間間隔でサンプリングして保持する。サンプル・ホールド回路２５の出力はディジタルインタフェース回路２６に送られる。

ディジタルインタフェース回路２６は、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態になったことを検知すると、ＬＤドライバ回路１６に信号を送り、これを受けてＬＤドライバ回路１６は、レーザダイオード１２Ａへの電流Ｉ_LDの供給を停止するよう電流源１１を制御する。

この電流源１１に対する制御と同時に、ディジタルインタフェース回路２６は、コントローラ２８に信号を送り、これを受けてコントローラ２８は、スイッチＳＷ４の接続先をＡ接点からＢ接点へ切り替えるよう制御する。この結果、比較演算器２０は、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２と、Ｂ接点を経由して印加される基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂと、を比較することになる。基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂは、レーザダイオード１２Ａの復帰温度（Ｔｒｅｃ）に対応する電圧である。上述のように「Ｖｒｅｆ２Ｂ＞Ｖｒｅｆ２Ａ」なる関係が常に成り立っており、また、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態にあるということは「Ｖｒｅｆ２Ａ＞Ｖ２２」なる関係が成り立っていることから、「Ｖｒｅｆ２Ｂ＞Ｖｒｅｆ２Ａ＞Ｖ２２」であるといえるので、比較演算器２０への２つの入力の電位差はより一層広がる。したがって、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が多少変動することがあっても、基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂと電圧Ｖ２２との大小関係は維持されるので、比較演算器２０の出力はロー（Ｌｏｗ）を維持する。

レーザダイオード１２Ａへの電流源１１による電流Ｉ_LDの供給の停止後しばらくの間は、駆動回路１は温度測定モードにとどまる。つまり、図８に示すように、温度測定モード時において、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧が、レーザダイオード１２Ａの最高許容動作温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａよりも小さい間は、温度測定モードを維持する。

レーザダイオード１２Ａへの電流源１１による電流Ｉ_LDの供給が停止されてからある程度の時間が経過すると、レーザダイオード１２Ａの温度は徐々に下がってくる。上述のように、フォトダイオード１２Ｂとレーザダイオード１２Ａとはモジュール１２の中で極めて近接して配置されており、したがって熱的にもよく結合されているから、フォトダイオード１２Ｂの温度も次第に下り、これに対応して、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２は徐々に大きくなる。レーザダイオード１２Ａの温度が下がって復帰温度（Ｔｒｅｃ）に達すると、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２は、レーザダイオード１２Ａの復帰温度（Ｔｒｅｃ）に対応する基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂよりも大きくなる。この結果、比較演算器２０の出力はロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉｇｈ）に切り替わる。上述したように、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が、「基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａよりも大きい基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂ」よりも大きいということは、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態から脱して、少なくとも復帰温度（Ｔｒｅｃ）以下になったことを意味する。

サンプル・ホールド回路２５は、比較演算器２０の出力電圧を一定の時間間隔でサンプリングして保持しており、また、サンプル・ホールド回路２５の出力はディジタルインタフェース回路２６に送られる。

ディジタルインタフェース回路２６は、レーザダイオード１２Ａが異常高温状態から脱し、少なくとも復帰温度（Ｔｒｅｃ）以下になったことを検知すると、ＬＤドライバ回路１６に信号を送り、これを受けてＬＤドライバ回路１６は、レーザダイオード１２Ａへの電流Ｉ_LDの供給を再開するよう電流源１１を制御する。

この電流源１１に対する制御と同時に、ディジタルインタフェース回路２６は、コントローラ２８に信号を送る。これを受けてコントローラ２８は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３の接続先を、Ｔ接点からＰ接点へ切り替えるように制御するとともに、スイッチＳＷ４の接続先をＢ接点からＡ接点へ切り替えるよう制御する。この結果、比較演算器２０は、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２と、Ａ接点を経由して印加される基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａと、を比較することになる。上述したように「Ｖｒｅｆ２Ｂ＞Ｖｒｅｆ２Ａ」なる関係が常に成り立っており、また、レーザダイオード１２Ａが通常の温度状態にあるということは「Ｖ２２＞Ｖｒｅｆ２Ｂ」なる関係が成り立っていることから、「Ｖｒｅｆ２２＞Ｖｒｅｆ２Ｂ＞Ｖｒｅｆ２Ａ」であるといえるので、比較演算器２０への２つの入力の電位差はより一層広がる。したがって、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が多少変動することがあっても、基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａと電圧Ｖ２２との大小関係は維持されるので、比較演算器２０の出力はハイ（Ｈｉｇｈ）を維持する。

すなわち、図８に示すように、温度測定モード時において、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧が、「レーザダイオード１２Ａの動作可能最高温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａ」よりも大きい「レーザダイオード１２Ａの復帰温度（Ｔｒｅｃ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂ」を超えた時点で、温度測定モードから光パワー測定モードへ切り替わることになる。

これ以降、駆動回路１の動作モードは、光パワー測定モードと温度測定モードとの間で交互に切り替えられる。なお、ディジタルインタフェース回路２６は、検出したレーザダイオード１２Ａの温度に関するデータをディジタル出力するようにしてもよい。

本発明の第１の実施例における、光パワー測定モードおよび温度測定モードと各種基準電圧との関係についてまとめると次の通りである。図９は、本発明の第１の実施例における、光パワー測定モードおよび温度測定モードと各種基準電圧との関係を説明する図である。

図７のレーザダイオード１２Ａが通常の温度にあるとき、すなわち復帰温度Ｔｒｅｃ以下にあるときは、駆動回路１は光パワー測定モードにあり、電流源１１はレーザダイオード１２Ａへ電流Ｉ_LDを供給する。このとき、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２は、上述の通りＶｒｅｆ２Ｃ（ただし、Ｖｒｅｆ２Ｃ＞Ｖｒｅｆ２Ｂ）である。図８を参照して説明したように、本実施例では、光パワー測定モードから温度測定モードへは、温度測定モードから光パワー測定モードへ切り替わってから所定の時間が経過したときに自動的に切り替わる。レーザダイオード１２Ａが通常の温度にある間、すなわち復帰温度Ｔｒｅｃ以下にある間は、所定の時間が経過すれば光パワー測定モードから温度測定モードへ自動的に切り替わる。温度測定モードに入ると、レーザダイオード１２Ａの温度（換言すればフォトダイオード１２Ｂの温度）の測定が開始される。このとき、レーザダイオード１２Ａの異常高温状態が検知されないときは、駆動回路１は温度測定モードから光パワー測定モードへ戻る。

レーザダイオード１２Ａの温度が上昇していくと、電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が徐々に低下していく。電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が、レーザダイオード１２Ａの動作可能最高温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａ以下になると、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流Ｉ_LDの供給が停止し、温度測定モードに入る。電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が、レーザダイオード１２Ａの動作可能最高温度（Ｔｍａｘ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ａ以下である間は、レーザダイオード１２Ａへは電流Ｉ_LDは供給されないままであり、駆動回路１は温度測定モードを維持する。

レーザダイオード１２Ａへの電流源１１による電流Ｉ_LDの供給が停止してからある程度の時間が経過すれば、レーザダイオード１２Ａの温度は下がってくる。これに対応して電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２は徐々に大きくなる。電圧増幅器２２の出力電圧Ｖ２２が、レーザダイオード１２Ａの復帰温度（Ｔｒｅｃ）に対応する電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ２Ｂよりも大きくなると、レーザダイオード１２Ａの温度が下がって復帰温度（Ｔｒｅｃ）に戻ったことを意味するので、電流源１１によるレーザダイオード１２Ａへの電流Ｉ_LDの供給が再開され、駆動回路１は光パワー測定モードに入る。

これ以降、駆動回路１の動作モードは、光パワー測定モードと温度測定モードとが交互に切り替えられることになる。

上述した本発明の第１の実施例では、フォトダイオード１２Ｂを強制的に順方向にバイアスする定電流源２の電流Ｉ_BTが、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオード１２Ｂが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PDよりも十分に大きいので、フォトダイオード１２Ｂにレーザダイオード１２Ａの発する光が入射しても、フォトダイオード１２Ｂの順方向電圧に対する影響は無視できるほど小さいと近似した。異常高温状態によるレーザダイオード１２Ａの破壊を防ぐという目的の下では、このような近似で十分である。これに対し、本発明の第２の実施例は、レーザダイオード１２Ａの温度をより高精度に検出するようにしたものである。図１０は、本発明の第２の実施例によるレーザ光源の駆動回路を示す回路図である。

本発明の第２の実施例による駆動回路１は、図７に示した駆動回路１において、ゲインコントローラ２９をさらに備えるものである。ゲインコントローラ２９は、電圧増幅器２２の電圧増幅率（ゲイン）を制御する。なお、これ以外の回路構成については図７に示す回路構成と同様なので、同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

温度測定モード時では、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオード１２Ｂが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PDと、フォトダイオード１２Ｂを強制的に順方向にバイアスする定電流源２の電流Ｉ_BTとの合計電流が、図６に示した等価回路におけるダイオードＤ（すなわちフォトダイオード１２ＢのＰＮ接合をモデル化したもの）に流れ込む。すなわち、上述した第１の実施例では、この合計電流の流入により生じる順方向電圧に基づいて、フォトダイオード１２Ｂの温度変化（すなわち、フォトダイオード１２Ｂに近接配置されるレーザダイオード１２Ａの温度変化）を検出することになるので、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオード１２Ｂが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PD分が、温度検出の際の言わば誤差成分となっている。これに対し、本発明の第２の実施例では、上記誤差成分を打ち消すよう、ゲインコントローラ２９によって電圧増幅器２２の電圧増幅率を調整する。上述したように温度測定モード時では、レーザダイオード１２Ａが発する光をフォトダイオード１２Ｂが受光することに起因して生じる電流Ｉ_PDと、フォトダイオード１２Ｂを強制的に順方向にバイアスする定電流源２の電流Ｉ_BTと、の合計電流に対応した電圧が、電圧増幅器２２に入力される。ゲインコントローラ２９は、サンプル・ホールド回路２１が保持している、直前の光パワー測定モードにおけるＩ_PDに比例した電圧に関する情報を用いて、電圧増幅器２２の電圧増幅率を当初設定した値より若干下げることでより正確な温度検出を実現する。

本発明は、レーザダイオードと、このレーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動回路および駆動方法に適用することができる。

本発明によれば、レーザ光源の駆動回路において、動作温度上昇によるレーザダイオードの破壊防止機能を高精度かつ構造容易に実現することができる。本発明では、レーザダイオードに極めて近接して配置されたフォトダイオードを、温度センサとしても使用するので、温度の検出精度が高く、応答も速い。すなわち、ほぼリアルタイムでレーザダイオードの異常高温状態を検知することができるので、レーザダイオードを熱的な破壊から確実に守ることができる。また、別体の温度センサをあらためて取り付ける必要もないので、装置の構造を単純にすることができる。

本発明は、特に、マスクレス露光装置の光源としてレーザ光源が多数用いられる場合に非常に有効である。このようなマスクレス露光装置においては、露光対象物に光を照射するための面光源が、複数のレーザ光源が配列されて構成される。

本発明によるレーザ光源の駆動回路の原理ブロック図である。 本発明による、温度測定モードおよび光パワー測定モードを有するレーザ光源の駆動回路の原理ブロック図である。 一般的な青色半導体レーザのモニタ電流−光出力パワー特性を示す図である。 一般的なフォトダイオードの電圧−電流特性を示す図である。 一般的なフォトダイオードの等価回路を示す回路図である。 一般的なフォトダイオードを、外部の定電流源を用いて強制的に順方向にバイアスしたときの等価回路を示す回路図である。 本発明の第１の実施例によるレーザ光源の駆動回路を示す回路図である。 本発明の第１の実施例によるレーザ光源の駆動回路のモード切替動作を説明する状態遷移図である。 本発明の第１の実施例における、光パワー測定モードおよび温度測定モードと各種基準電圧との関係を説明する図である。 本発明の第２の実施例によるレーザ光源の駆動回路を示す回路図である。 レーザ光源の一般的な駆動回路を示す回路図である。 一般的な青色半導体レーザの電圧−電流特性を示す図である。 一般的な青色半導体レーザの光出力パワー−電流特性を示す図である。 熱暴走を防止する機能を備えたレーザ光源の駆動回路の従来例を示す回路図である。

符号の説明

１ レーザ光源の駆動回路
２ 定電流源
３ 検出手段
４ 判定手段
５ 制御手段
６ 切替スイッチ
１１ 電流源
１２ モジュール
１２Ａ レーザダイオード
１２Ｂ フォトダイオード

Claims (9)

1. レーザダイオードと、該レーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、前記レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動回路であって、
   前記フォトダイオードの順方向にバイアスするよう、該フォトダイオードへ電流を供給する定電流源と、
   前記フォトダイオードの順方向電圧を検出する検出手段と、
   該検出手段が検出した前記順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいか否かを判定する判定手段と、
   前記レーザダイオードへの電流の供給を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記順方向電圧が前記所定の基準電圧よりも小さいと前記判定手段が判定した場合、前記レーザダイオードへの電流の供給を停止するよう制御することを特徴とするレーザ光源の駆動回路。
2. レーザダイオードと、該レーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、前記レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動回路であって、
   光パワー測定モードと温度測定モードとを切り替える切替スイッチと、
   前記温度測定モード時において、前記フォトダイオードの順方向にバイアスするよう、該フォトダイオードへ電流を供給する定電流源と、
   前記温度測定モード時における前記フォトダイオードの順方向電圧を検出する検出手段と、
   該検出手段が検出した前記順方向電圧が、第１の基準電圧よりも小さいか否かを判定する第１の判定手段と、
   前記レーザダイオードへの電流の供給を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記光パワー測定モード時においては、前記レーザダイオードが発する光を前記フォトダイオードが受光することに起因して生じる電流に基づいて、前記レーザダイオードの発光強度を制御し、前記温度測定モード時においては、前記順方向電圧が前記第１の基準電圧よりも小さいと前記第１の判定手段が判定した場合に、前記レーザダイオードへの電流の供給を停止するよう制御することを特徴とするレーザ光源の駆動回路。
3. 前記定電流源が前記フォトダイオードへ供給する電流は、前記レーザダイオードが発する光を前記フォトダイオードが受光することに起因して生じる電流よりも十分に大きい請求項１または２に記載のレーザ光源の駆動回路。
4. 前記切替スイッチは、前記光パワー測定モード時において、前記温度測定モードから前記光パワー測定モードへ切り替わってから所定の時間が経過したときに、前記光パワー測定モードから前記温度測定モードへ切り替える請求項２に記載のレーザ光源の駆動回路。
5. 前記切替スイッチは、前記温度測定モード時において、前記順方向電圧が前記第１の基準電圧よりも小さいと前記第１の判定手段が判定している間は、前記温度測定モードを維持する請求項２に記載のレーザ光源の駆動回路。
6. 前記検出手段が検出した前記順方向電圧が、前記第１の基準電圧よりも大きい第２の基準電圧よりも大きいか否かを判定する第２の判定手段をさらに備え、
   前記切替スイッチは、前記温度測定モード時において、前記順方向電圧が前記第２の基準電圧よりも大きいと前記第２の判定手段が判定した場合に、前記温度測定モードから光パワー測定モードへ切り替える請求項２に記載のレーザ光源の駆動回路。
7. レーザダイオードと、該レーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、前記レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動方法であって、
   順方向にバイアスされるよう電流が供給されているときの前記フォトダイオードの順方向電圧が、所定の基準電圧よりも小さいとき、前記レーザダイオードへの電流の供給を停止することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
8. レーザダイオードと、該レーザダイオードの発光強度を制御するために近接配置された、前記レーザダイオードの発する光を受光するフォトダイオードと、からなるレーザ光源の駆動方法であって、
   温度測定モードと光パワー測定モードとを有し、
   前記温度測定モード時においては、順方向にバイアスされるよう電流が供給されているときの前記フォトダイオードの順方向電圧が、第１の基準電圧よりも小さいとき、前記レーザダイオードへの電流の供給を停止し、
   前記光パワー測定モード時においては、前記レーザダイオードが発する光を前記フォトダイオードが受光することに起因して生じる電流に基づいて、前記レーザダイオードの発光強度を制御することを特徴とするレーザ光源の駆動方法。
9. 順方向にバイアスされるよう前記フォトダイオードへ供給された前記電流は、前記レーザダイオードが発する光を前記フォトダイオードが受光することに起因して生じる電流よりも十分に大きい請求項７または８に記載のレーザ光源の駆動方法。

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