JP3810393B2 - レーザダイオード駆動装置およびレーザダイオード駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオード駆動装置およびレーザダイオード駆動方法に関し、特に従来に比較してレーザダイオードの点灯開始時のフォトダイオードから出力されるモニタ電流の遅れを補完することで、ＡＰＣ(Auto Power Control)開始時間の短縮化による高速応答特性が可能なレーザダイオード駆動装置およびレーザダイオード駆動方法に関する。

一般にレーザダイオードは、電流変化に対する発光出力感度が高い素子である。加えて温度依存性もありレーザダイオード電流制御は大変重要な駆動技術である。
主なレーザダイオードの駆動方式としてＡＣＣ(Auto Current Control)駆動回路方式とＡＰＣ(Auto Power Control)駆動回路方式がある。
ＡＣＣ(Auto Current Control)駆動回路方式では、高温時及び低温時に発光出力が増減し光パルス出力が変動するため、耐環境性を満足させるにはレーザダイオード駆動回路方式として発光出力を温度依存性が無く一定にすることが可能なＡＰＣ駆動回路方式を採用する必要がある。

従来のＡＰＣ駆動回路方式によるレーザダイオード駆動装置（特許文献１ 参照）を図４〜図６を参照して説明する。
レーザダイオード駆動装置は、コンパレータ回路５７、サンプル／ホールド回路５５、ホールドコンデンサ５６、電流増幅回路５３、基準電流源（Ｉ₀）５４、第１のスイッチング回路５２、レーザダイオード（ＬＤ）５１、フォトダイオード（ＰＤ）６１、電流／電圧変換回路６２、加算器７１、電圧増幅回路８１、第２のスイッチング回路８２等から構成される。
コンパレータ回路５７の正極端子には第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１ が入力されており、その出力はサンプル／ホールド回路５５に入力されている。サンプル／ホールド回路５５には、ホールドコンデンサ５６が接続され、ホールドコンデンサの出力は、電流増幅回路５３の正極端子に入力される。
電流増幅回路５３には基準電流源（Ｉ₀）５４が接続されており、その出力は第１のスイッチング回路５２に入力されている。また、電流増幅回路５３の負極端子には、第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力されている。第１のスイッチング回路５２は入力されるＤａｔａ信号（パルス変調データ信号）によりオン／オフ動作する。
第１のスイッチング回路５２の出力端は、ＬＤ５１のカソードに接続されており、駆動電流Ｉｄを供給する。ＬＤ５１のアノードは電源＋Ｖｃｃに接続されている。ＬＤの発光量を検出するフォトダイオード（ＰＤ）６１のカソードは電源＋Ｖｃｃに接続されている。ＰＤのアノードは電流／電圧変換回路６２に接続され、モニタ電流Ｉｍをこれに流すことにより、モニタ電圧Ｖｍを発生させ、このモニタ電圧Ｖｍを加算器７１を介してコンパレータ回路５７の負極端子に帰還入力している。
電圧増幅回路８１の正極端子には、第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力されており、負極端子は出力端子と短絡してある。電圧増幅回路８１の出力は、第２のスイッチング回路８２に入力され、加算器７１を介してコンパレータ回路５７の負極端子に入力される。第２のスイッチング回路８１は、制御信号Ｓ１によってオン／オフ動作する。

図５を参照してレーザダイオード駆動装置の動作を説明する。
サンプル／ホールド回路５５がサンプリング状態にある期間中（ＡＰＣ動作中）、第１のスイッチング回路５２は、Ｄａｔａ信号（入力データ）により、ＬＤが全面発光状態になるように設定する。この状態で、ＬＤの発光量が所望の光量になるように、ＰＤでＬＤの発光量をモニタし、その発光量に比例したモニタ電流Ｉｍを発生させ、モニタ電圧Vmに変換する。
このモニタ電圧Ｖmが、目標値である第１の基準電圧Ｖref1と一致するように、電流増幅回路５３が基準電流源Ｉo５４をもとに駆動電流Ｉdを制御する。
また、サンプル／ホールド回路５５がホールド期間中にあるときには、Ｄａｔａ信号に応じて第１のスイッチング回路５２がオン・オフ動作し、駆動電流Ｉdにパルス幅変調を与える。さらに、制御信号Ｓ１のオンにより第１の基準電圧Ｖref1が電圧増幅回路８１、第２のスイッチング回路８２、加算器７１をを介してコンパレータ回路５７の負極端子に入力される。
時刻ｔ１において、Ｄａｔａ信号は消灯状態から点灯状態に変化する。時刻ｔ２において、サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）信号はホールド状態からサンプリング状態に変化し、ＡＰＣ動作が開始する。Ｓ１信号は、時刻ｔ１からｔ２の期間のみオン状態になり、この期間をモニタ電圧準備期間とする。すなわち、時刻ｔ１からｔ２の期間のみにおいて、Ｖref1がコンパレータ回路５７に入力される。なお、Ｓ１信号のオンからオフへの状態の変化は、サンプル／ホールド信号がサンプリング状態を示す前に終わっていることが望ましい。

図６に、時間に対するレーザダイオード光量及びフォトダイオードのモニタ電圧状態を示す。なお、ここではＡＰＣ動作期間についてのみ説明する。
時刻ｔ１において、Ｄａｔａ信号（点灯信号）によりレーザダイオードＬＤに駆動電流が供給される。それと同時に、Ｓ１信号(オン)により第２のスイッチング回路が導通状態となり、モニタ電圧Ｖｍを到達すべき目標電圧である基準電圧Ｖｒｅｆ１に急速にもっていくように動作する。
時刻ｔ２において、Ｓ１信号(オフ)により第２のスイッチング回路は開放状態になり、モニタ電圧準備動作を終了する。これと同時に、サンプル／ホールド回路がサンプリング状態となり、ＡＰＣ動作を開始する。
この時、既にモニタ電圧Ｖｍは目標値（Ｖｒｅｆ１）になっているので、ＡＰＣ動作開始直後の制御系の誤動作判定による発光量のハンチングを回避できる。
ハンチングについて説明すると、図７に示すように時刻ｔ１でレーザ光量がすでに目標値に達していたとしても、フォトダイオード端子の寄生容量とモニタ抵抗で時定数回路が構成されているので、消灯状態からＡＰＣ動作に移行した直後、モニタ電圧Ｖｍが目標電圧Ｖｒｅｆ１に達するまで時間がかかり、目標電圧Ｖｒｅｆ１になっていない。それゆえ、レーザダイオードの発光量が不足しているものと判定し、さらに駆動電流Ｉｄｒｖを大きくするように動作する、これにより、発光量は目標値を越えて大きくなり、モニタ電圧Ｖｍが遅れて目標値を越えた時（時刻ｔ２）、今度はＡＰＣ回路は発光量が過剰であると判断して駆動電流を少なくするように動作する。
その結果、ＡＰＣ動作の収束に必要な時間を短くすることができる。
レーザダイオード駆動装置は、ＡＰＣ動作を開始する前までに、モニタ電圧を故意且つ急速に目標電圧にすることにより、モニタ電圧の立ち上がりスピードの遅れによるＡＰＣ動作直後のコンパレータの誤動作判定をなくし、ハンチング現象を回避することができる。
これは、フォトダイオードの微少なモニタ電流を扱う場合に有効である。
特開２００１−２４４５５６（図２〜図５、段落（００３６〜００５５））

レーザダイオード出力とモニタフォトダイオード出力は図７に示す応答タイミングで動作している。モニタフォトダイオードの出力がレーザダイオード出力に対し遅れを持っているためレーザダイオードの出力光量にハンチング現象（オーバーシュート）が発生する（以下、単にピークまたはピーク発光と表現する。）。
このようなハンチング現象を回避するために、従来の発明では、レーザダイオードの駆動電流を制御する駆動手段を備えたレーザダイオード駆動装置であって、レーザダイオードの出力光量に対応したモニタ信号を出力する検出手段と、レーザダイオードの駆動電流を決定するために駆動手段が動作する期間（サンプリング期間）に先行して、モニタ信号を所定値まで強制的に変化させる補助手段とを備える。これは目標値Ｖｒｅｆ１及びフォトダイオード素子の遅延時間（ｔ1〜ｔ2）を既知として取り扱い、フォトダイオードによる遅延時間の間をデジタル制御信号により、第２のスイッチング回路を介して目標値信号Ｖref1の擬似のフォトダイオード出力として帰還回路に補填する方式である。
この方式では、レーザダイオード素子のばらつき、温度環境変化に伴うレーザダイオードに駆動電流が流れ始めてから発光するまでの時間変化、受光量の変換効率のばらつき、及びレーザダイオード素子自身の経時変化による影響等により、その最適化が遺失するという問題があった。

レーザダイオードに供給する電流を制御して発光量を制御するレーザダイオード駆動装置のＡＰＣ動作において、レーザダイオードの光量を検出するフォトダイオードの出力とレーザダイオード駆動電流Ｉdを微分して得られる高速パルス信号の双方をＡＰＣ制御部にフィードバックすることにより（高周波変調駆動において）レーザダイオードの出力光量を一定に保つことができる。
本発明は、レーザダイオードの発光量をモニタするフォトダイオードがモニタ電流として出力し、モニタ電流によって発光光量を制御できるまでの間、レーザダイオード駆動電流Ｉdによる出力を微分回路を通して得られる高速パルス信号をリミッタ回路を介して帰還することでレーザダイオードの光量にピークを発生せずに制御する回路方式である。
前述したようにレーザダイオードの発光に対しモニタフォトダイオード出力が遅れるためＡＰＣ動作開始が遅れる。微分回路は、この遅れ時間を補完する機能を持つ。微分回路の次段部にリミッタ回路を付加する理由は、高温時レーザダイオード駆動電流Ｉdは増加するため微分回路のみの場合、過帰還となりレーザダイオードの発光を過大に減少させることになる。このため、本構成により、温度依存性をもつレーザダイオードの発光量を一定に制御することが実現できる。その結果、ピーク発光部の消費電力が削減され、レーザダイオードの自己発熱を低減する効果となる。

また、レーザダイオード変調方式及び通信レートによっては、高価で高電圧が必要なペルチェ素子等のレーザダイオードの温度制御回路を不要にできる効果となる。レーザダイオード点灯開始時の過大なピーク発光は、レーザダイオードの寿命を低下させてしまい、場合によってはレーザダイオードの破壊を招くことになる。従ってこのピークを発生させないことが長寿命化のために重要である。
さらに、このピーク発光は、レーザダイオード素子特性のばらつき、温度依存性及び経時変化等に左右され一定でなく既知として取り扱うことは容易ではない。

本発明は、レーザダイオード素子のもつ温度依存性、経年変化等に影響されず、レーザダイオードの応答速度の高速化及び過大なピーク発光を抑制して長寿命化を図るレーザダイオードの駆動を実現できる。

本発明は、レーザダイオードの駆動電流を発光量をモニタしてフィードバック制御して、発光量を一定に制御するレーザダイオード駆動装置において、ＡＰＣ動作へ急速に遷移させるものである。
レーザダイオード駆動回路において、ＡＰＣ動作開始前に、帰還電圧を故意にかつ急速に目標電圧にすることによって、モニタ電圧の立ち上がり時間遅れを補うことができ、ＡＰＣ動作直後のハンチングを防ぐことができる。その結果、ＡＰＣ動作に必要な制御時間を短縮することができる。

図１に本発明によるレーザダイオード駆動装置のブロック図、図２にレーザダイオード駆動装置の各信号を示した制御タイミングチャートを示す。
図１において、レーザダイオード駆動装置は、レーザダイオード（ＬＤ）１１とＬＤ駆動回路１２、フィードバック部を構成するＬＤ電流検出・電流／電圧変換回路１３、微分回路１４、リミッタ回路１５、フォトダイオード（ＰＤ）２１、ＰＤ電流検出・電流／電圧変換回路２２、及び加算器３２、減算器３１から構成される。
減算器３１にはＣＭＤ信号（Ｄａｔａ信号）と加算器３２の出力信号（フィードバック信号）Ｖf（＝ＶdsL＋Ｖm）が入力される。減算器３１の出力信号（ＣＭＤ−Ｖf）はＬＤ駆動回路１２に入力されレーザダイオード電流Ｉdを制御する。すなわち、フィードバック信号Ｖfが増加するとＬＤの駆動電流Ｉdを減少させ、フィードバック信号Ｖfが減少すると駆動電流Ｉdを増加させてＬＤの発光光量を一定に制御する。
ＬＤ電流検出・電流／電圧変換回路１３は、ＬＤ駆動電流Ｉdを検出すると共にこの電流に比例した電圧Ｖdに変換する。ＬＤ電流検出・電流／電圧変換回路１３の出力信号Ｖdは、微分回路１４により微分され、リミッタ回路１５により所定値（ＬＤ基準発光光量に基づいた目標電圧Ｖo）に制限されて加算器３２に入力される。フォトダイオード（ＰＤ）２１は、レーザダイオード（ＬＤ）１１からの発光出力をモニタし、ＰＤ電流検出・電流／電圧変換回路２２はモニタ電流Ｉmを検出してこの電流に比例した電圧Ｖmに変換する。

加算器３２は、リミッタ回路１５とＰＤ電流検出・電流／電圧変換回路２２の出力を加算してフィードバック信号Ｖfを出力し減算器３１に入力する。
図２にレーザダイオード駆動装置の各信号を示したタイミングチャートを示す。
(a)ＣＭＤ信号（Ｄａｔａ信号）がｔ１においてハイレベルとなると、(b)減算器３１を介してＬＤ駆動回路１２に入力され、ＬＤに駆動電流Ｉdが供給される。(c)ＬＤ駆動電流Ｉdがｉth（閾値：ＬＤの発光光量が増大する電流）となると、ＬＤは発光を開始し徐々に光量が増加する。ＬＤ電流検出・電流/電圧変換回路１３は、駆動電流Ｉdを検出し、駆動電流Ｉdに比例した電圧Ｖdに変換し、微分回路１４に入力する。(e)微分回路１４は、ＬＤ電流検出・電流/電圧変換回路１３から出力される電圧を微分する。次に、(f)リミッタ回路１５は、微分回路１４の出力Ｖdsを予め設定された閾値Ｖo（ＬＤ基準発光光量に基づいた目標電圧）に制限して出力する。この時、リミッタ電圧ＶdsL＝ＣＭＤ電圧＝Ｖo（基準発光光量に基づいた電圧）である。

また、ＰＤ２１はＬＤ１１の発光を受光し、モニタ電流Ｉmは(t3−t1)の遅延時間（すなわち、ＰＤの特性、回路定数等による遅延時間）をもって立ち上がり、ＰＤ電流検出・電流/電圧変換回路２２は、モニタ電流Ｉmを検出して、この電流に比例した電圧Ｖmに変換して、加算器３２に入力する。
(d)加算器３２は、リミッタ回路１５の出力信号ＶdsLとＰＤ電流検出・電流/電圧変換回路２２の出力信号Ｖmを加算してフィードバック信号Ｖf(＝ＶdsL＋Ｖm)を出力して減算器３１に入力する。
減算器３１は、ＣＭＤ信号（入力信号）とフィードバック信号Ｖfのレベル差に応じた電圧信号を出力してＬＤ駆動回路１２に供給する。

時刻ｔ３において、ＶdsLが減少し、Ｖmが立ち上がることでＡＰＣ動作を開始する。この時、フィードバック信号ＶfはＣＭＤ電圧と同一となっているため、ＡＰＣ動作開始直後の制御系の誤動作判定による発光量のハンチングを回避できる。その結果、ＡＰＣ動作の収束に必要な時間を短くすることができる。
本実施形態によれば、レーザダイオードの温度環境下でのｉthの増減によるｔ２の遅れ、およびｔ３の遅れ時間の変化に対しＶdの保持時間も自動的に変化させることができる。
レーザダイオードが高温（低温）の時はｉthの増加（減少）する。すると、微分回路のキャパシタにチャージされる電荷量が増加（減少）するため、ディスチャージにかかる時間が増加（減少）する。よって、Ｖdsが減少し始めると時間が遅く（早く）なる。

図３にレーザダイオード駆動回路を示す。
制御増幅器の正極端子にはＣＭＤ信号、負極端子にはフィードバック信号が入力され、両者のレベル差に応じた信号を出力し、ｎｐｎトランジスタＱのベースに入力される。
レーザダイオードＬＤ１１のアノードは＋Ｖccに接続され、カソードはトランジスタＱのコレクタに接続される。またトランジスタＱのエミッタは抵抗ＲLを介して接地される。抵抗ＲLによりＬＤ駆動電流Ｉdに比例した電圧に変換し増幅器Iに入力する。増幅器Ｉの出力ＶdはコンデンサＣｓと抵抗Ｒｓからなる微分回路に入力される。電圧Ｖdを微分した信号は増幅器IIにより増幅され、ツェナーダイオードＺＤにより所定の電圧（Ｖo：ＬＤ基準発光光量に基づいた目標電圧）に制限され、信号VdsLを出力する。
一方、フォトダイオードＰＤ２１のカソードは＋Ｖccに接続され、アノードは抵抗Ｒmを介して接地される。ＰＤはＬＤの発光を受光し、発光量に比例したモニタ電流Ｉmが流れる。モニタ電流Ｉmは抵抗Ｒmにより電圧に変換され増幅器IIIにより増幅し、信号Ｖmを出力する。設定された電圧Ｖoに制限された信号ＶdsLとモニタ電流Ｉmに比例した電圧Ｖmは加算され、制御増幅器の負極端子に入力される。
本発明は、レーザダイオードの発光量をモニタフォトダイオードがモニタ電流として出力し、モニタ電流によって制御できるまでの間(t1〜t3)、ＬＤの駆動電流Ｉdによる出力を微分回路を通して得られる高速パルス信号をリミッタ回路を介して帰還することで、光量にピークを発生せずに制御する回路方式である。図２に示すようにレーザダイオードの発光に対しモニタフォトダイオード出力が遅れるため、ＡＰＣ動作開始が遅れる、微分回路は、この遅れ時間を補完する機能を持つ。微分回路の次段部にリミッタ回路を付加する理由は、高温時レーザダイオード駆動電流Ｉdは増加するため微分回路のみの場合、過帰還となりレーザダイオードの発光を過大に減少させることになる。このため、リミッタ回路を付加することでこの過帰還を制限する。この構成により温度依存性をもつレーザダイオードの発光量を一定に制御することができる。その結果、ピーク発光部の消費電力が削減され、レーザダイオードの自己発熱を低減する効果を奏する。また、レーザダイオード変調方式及び通信レートによっては、高価で高電圧が必要なペルチェ素子等のレーザダイオードの温度制御回路を不要にできる効果を有する。
レーザダイオード点灯開始時の過大なピーク発光は、レーザダイオードの寿命を低下させてしまい、場合によってはレーザダイオードの破壊を招くことになる。従ってピークを発生させないことが長寿命化のために重要である。
また、このピーク発光は、レーザダイオード素子特性のばらつき、温度依存性及び経時変化等に左右され一定ではなく既知として取り扱うことは容易ではない。
本発明は、レーザダイオードのもつ温度依存性、経年変化等に左右され易い特性にも拘わらず、回路上の調整を特に行わず、ＡＰＣ回路を実現できる。

なお、実施回路例はカソード駆動タイプのレーザダイオードとカソード電流出力タイプのフォトダイオードに対して記載してあるが、レーザダイオードの駆動タイプとフォトダイオードの電流出力タイプは、カソード、アノードとに組み合わせに対しても同様の原理で本実施形態を採用できる。
また、フォトダイオードの電流出力を電圧に変換する回路において、フォトダイオードの出力電流を抵抗により電圧に変換する回路にて記載してあるが、オペアンプによる電流／電圧変換回路に対しても、同様の原理で本実施形態を採用できる。
さらに、リミッタ回路において、オペアンプの出力をツェナーダイオードで制限する回路にて記載してあるが、この回路構成以外の電圧制限回路に対しても同様の原理で本実施の形態を採用できる。

本発明によるレーザダイオード駆動装置のブロック図。 本発明によるレーザダイオード駆動装置の各信号を示したタイミングチャート。 本発明のレーザダイオード駆動装置の回路図。 従来のレーザダイオード駆動装置の回路図。 従来のレーザダイオード駆動回路の制御信号タイミングチャート。 従来のレーザダイオード駆動装置の時間に対するレーザ光量及びモニタ電圧の変化を示す図。 従来のレーザダイオード駆動装置の時間に対するレーザ光量及びモニタ電圧の変化を説明する図。

符号の説明

１１・・・レーザダイオード、１２・・・ＬＤ駆動回路、１３・・・ＬＤ電流検出・電流／電圧変換回路、１４・・・微分回路、１５・・・リミッタ回路、２１・・・フォトダイオード、２２・・・ＰＤ電流検出・電流／電圧変換回路
３１・・・減算器、３２・・・加算器

Claims (2)

1. レーザダイオードと、レーザダイオードの駆動電流を制御する駆動回路と、レーザダイオードの出力光量をモニタしてモニタ信号を出力するモニタ信号検出回路と、モニタ信号をレーザダイオードの駆動電流を制御する駆動回路にフィードバックしてレーザダイオードの出力光量が一定になるように制御する制御回路と、を備えたレーザダイオード駆動装置において、
   制御回路は、
   レーザダイオードの駆動電流を検出する検出回路と、
   レーザダイオード駆動電流出力信号を微分する微分回路と、
   微分回路の出力信号を設定された電圧に制限するリミッタ回路と、
   リミッタ回路の出力信号をモニタ信号と加算する加算回路と、を備え、
   加算回路の出力信号をレーザダイオードの駆動電流を制御する駆動回路に入力することにより応答速度を高速化すると共に、過帰還を制限し、レーザダイオードの出力光量を一定に保つことを特徴とするレーザダイオード駆動装置。
2. レーザダイオードの出力光量をモニタするモニタ信号をフィードバックしてレーザダイオードの駆動電流を制御し、レーザダイオードの出力光量が一定になるようにしたレーザダイオード駆動方法において、
   レーザダイオードの駆動電流出力信号を微分し、微分した信号にリミッタを付加し、設定された電圧に制限し、リミッタ出力信号とモニタ信号と加算しフィードバックしてレーザダイオードの駆動電流を制御し、
   応答速度を高速化すると共に、過帰還を制限し、レーザダイオードの出力光量を一定に保つことを特徴とするレーザダイオード駆動方法。
   

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