JPH05198877A - レーザーダイオードの光度の調節装置及び方法 - Google Patents

レーザーダイオードの光度の調節装置及び方法

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JPH05198877A
JPH05198877A JP4210224A JP21022492A JPH05198877A JP H05198877 A JPH05198877 A JP H05198877A JP 4210224 A JP4210224 A JP 4210224A JP 21022492 A JP21022492 A JP 21022492A JP H05198877 A JPH05198877 A JP H05198877A
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザーダイオードにより発せられる光の強
度を調節するための閉ループ回路である。 【構成】 レーザーダイオードにより発せられる光の一
部が光学的帰還信号として用いられ、光検出器に印加さ
れる。光検出器により生成される電流と基準電流との間
の差は誤差電流となり、低インピーダンス通路を介して
積分増幅器へと通過される。積分された誤差電流は、レ
ーザーダイオードを通って流れる電流を制御するために
用いられ、それによって発生される光の強度が調節され
る。 【効果】 帰還信号として光検出器により発生される電
流を用いることにより、電圧を用いた場合の周波数依存
性の変化に起因するエラーが排除される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的にはレーザーダイ
オードの分野に関し、より詳しくはレーザーダイオード
から強度の調節可能な光のビームを発するための回路に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザーダイオードはコヒーレント光を
発するデバイスであり、その光の強度は２０：１のダイ
ナミックレンジにわたり、ダイオードを通って流れる電
流に大体比例する。レーザーダイオードの光度は、ダイ
オードを流れる電流を時間的に変化させることによって
有効に変調することができる。このような変調は種々の
用途において有用なものであって、その中には例えば、
連続的な色調イメージを一画素ずつ記録するための光源
としてレーザーダイオードが用いられる、イメージング
システムのようなものがある。
【０００３】レーザーダイオードの動作特性は温度に依
存しており、周囲温度の変化又は自己加熱に応じて幅広
く変化し得る。このような温度変化は、ダイオードを流
れる電流が一定である場合でも、発せられる光の強度に
かなりの変化を生じさせ得る。
【０００４】レーザーダイオードから発せられる光を調
節しまた安定化させるために、サーボループ回路を使用
することができる。ダイオードから発せられる光の一部
は帰還信号として用いられて、光検出器に印加される。
光検出器により発生される信号の大きさは、レーザーダ
イオードから発生される光の強度に関係（即ち比例）し
ている。光検出器により発生される信号と入力信号（基
準）とを比較することにより、差異信号又は誤差信号が
得られ、これがレーザーダイオードを通って流れる電流
を、従って発せられる光の強度を調節するために用いら
れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような帰還回路に
関して生ずる一つの問題は、レーザーダイオードを通っ
て流れる電流が比較的小さい（即ち光度が低い）場合に
はレーザーダイオードが非線形領域で動作することにな
り、ループ利得が減少するということである。この領域
では、レーザーダイオードを流れる電流の大きさの変化
が比較的大きい場合でも、レーザーダイオードにより発
せられる光の強度には小さな変化（従って帰還信号にお
ける小さな変化）しかもたらされない。従って、誤差信
号を積分して誤差を強制的にゼロにするようにすること
が望ましいが、これはループ利得と帯域幅とを引き換え
にする結果をもたらすことになる。
【０００６】しかしながら、在来の積分帰還回路は、入
力信号が幅広いダイナミックレンジにわたって急激に変
化する用途においては、十分な帯域幅をもたらさない。
そのような用途の一つは、先に参照した連続的色調イメ
ージングであり、これは典型的には、大きなダイナミッ
クレンジにわたり、レーザーダイオードにより発せられ
る光を極めて迅速に変調することを必要とする。
【０００７】帰還ループにおける光検出器としてフォト
ダイオード（典型的にはＰＩＮダイオードが選択され
る）が用いられる場合には、追加的な問題が生ずる。ダ
イオード接合の静電容量のために、フォトダイオードの
両端の電圧降下は周波数の関数となり、その電圧降下が
帰還信号として用いられ、周波数に大きな変化がある場
合には、ループ中にかなりの誤差が導入されうる。
【０００８】先行技術における一つの構成では、ダイオ
ードからの電流は抵抗を通って流れ、その結果生ずる抵
抗の両端の電圧が、単一利得増幅器に印加される。この
増幅器の出力が、サーボループのための帰還信号とな
る。
【０００９】単一利得増幅器の出力はまたフォトダイオ
ードにも帰還され、理想的にはフォトダイオードの両端
の電圧はコンスタントにゼロ（ＡＣ）電圧に維持される
（フォトダイオードの接合静電容量の影響を打ち消すた
めに）。しかしながら、この増幅器の積は利得帯域が限
定されており、このことは、高い周波数においてはフォ
トダイオードの両端にゼロでない電圧が現れ、系の中に
誤差が導入されることを意味している。さらに、高い周
波数においては単一利得増幅器は大きな入力電流を必要
とし、一般にノイズが多い。
【００１０】
【課題を解決するための手段】簡単に概略を述べると、
本発明は、アナログ入力信号により変調されるレーザー
ダイオードにより発せられる光の強度を調節するための
閉ループ回路又はサーボを提供するものである。本発明
は、レーザーダイオードが低い光レベルで動作している
場合について、帯域幅の実質的な改善をもたらす。例示
的な実施例においては、サーボループは２０：１のダイ
ナミックレンジにわたり、−３ｄＢ、大体５０ＭＨｚの
帯域幅をもたらす。
【００１１】サーボはレーザーダイオードを通って流れ
る電流を連続的に調節し、それにより、発せられる光の
強度を入力信号に対応するように調節する。レーザーダ
イオードにより発せられる光の一部は帰還信号として用
いられて光検出器に印加され、光検出器は入射する光の
強度に比例した電流を生成する。入力信号電流と光検出
器により生成された電流の間の差は誤差信号（電流）で
あり、トランスインピーダンス増幅器により積分され
る。トランスインピーダンス増幅器は、その出力部にお
いて電圧制御信号を生成する。この電圧制御信号は緩衝
され、レーザーダイオードを通って流れる電流を調節す
る広帯域トランスコンダクタンス増幅器に印加される。
【００１２】トランスインピーダンス増幅器は、演算増
幅器と、この演算増幅器により駆動される一段の個別(d
iscrete)増幅器と、この個別増幅器に負荷インピーダン
スを与える抵抗とコンデンサーの並列の組み合わせを含
むのが好ましい。これらの要素は協動して、誤差信号の
広い周波数範囲にわたり、積分動作を営む。低い周波数
において、演算増幅器は、その出力と反転入力との間に
連結された帰還コンデンサーと協動して、誤差電流を積
分する。積分された誤差電流は、個別増幅器の負荷イン
ピーダンスによって電圧へと変換される。
【００１３】高い周波数においては、演算増幅器に連結
された帰還コンデンサーは短絡として現れ、演算増幅器
を事実上バイパスして、誤差電流を個別増幅器のエミッ
タへと直接に印加する。個別増幅器は従ってベース接地
構成で動作し、低い入力インピーダンスと、高い出力イ
ンピーダンス、及び１に近い電流利得によって特徴付け
られる。従って、誤差信号の高い周波数成分は、負荷コ
ンデンサーによって有効に積分される。
【００１４】
【作用】光検出器の両端の電圧降下を用いるのとは全く
異なり、帰還信号として光検出器により発生される電流
を用いることにより、電圧降下における周波数に依存し
た変化に起因するエラーは実質的に排除される。
【００１５】また、誤差信号（電流）は幅広い周波数帯
域にわたって積分されるから、レーザーダイオードの特
性はその帯域にわたって事実上線形化され、従って高い
入力信号周波数においてさえも、レーザーダイオードの
光度のより正確な制御がもたらされる。
【００１６】
【実施例】本発明の上記の利点及びさらなる利点は、添
付図面に関連して以下の説明を参照することによってよ
り良好に理解されよう。
【００１７】図１は、アナログ入力信号により変調され
るレーザーダイオードにより発せられる光の強度を調節
するための、閉ループ回路即ちサーボ２を示している。
乗算形デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）４が、デジ
タルデータ及び乗数値を入力信号として受け取るように
接続されている。ＤＡＣ４から結果として得られたアナ
ログ出力は、抵抗６を介して光検出器即ちフォトダイオ
ード１０のアノード及び演算増幅器８の反転入力に接続
されている。フォトダイオード１０のカソードは電源＋
Ｖに接続されており、この電源はフォトダイオードを逆
バイアスするように働く。演算増幅器８の非反転入力は
接地されている。接地と演算増幅器８の出力の間にはコ
ンデンサー１５が接続されており、この出力はまた、ト
ランジスタ１４のベースに接続されている。トランジス
タ１４のエミッタと演算増幅器８の反転入力の間には、
帰還コンデンサー１２が接続されている。トランジスタ
１４のエミッタと電源−Ｖの間には、抵抗１６が接続さ
れている。
【００１８】抵抗１８とコンデンサー２０の並列の組み
合わせからなる負荷インピーダンスが、トランジスタ１
４のコレクタにあるノード２１と接地との間に接続され
ている。電流Ｉｂを給電する定電流源２２が、電源＋Ｖ
とノード２１との間に接続されている。緩衝増幅器２４
の入力がまた、ノード２１に接続されている。
【００１９】便宜上、及び明確化のために、回路構成要
素の抵抗分又は静電容量をそれぞれ「Ｒ」又は「Ｃ」で
表し、その要素の参照番号に対応する下付き文字を付す
る。下記に詳細に説明するように、Ｒ18Ｃ20という積
は、Ｒ16Ｃ12という積に等しいのが好ましい。
【００２０】参照番号７によって示された点線の中の構
成要素は、以下では集合的に、トランスインピーダンス
積分増幅器７と称する。
【００２１】緩衝増幅器２４の出力は、トランジスタ３
０のベースへと接続されている。このトランジスタ３０
のエミッタと電源＋Ｖの間には、抵抗２８が接続されて
いる。抵抗２８とトランジスタ３０は集合的に、トラン
スコンダクタンス増幅器２６として動作する。
【００２２】レーザーダイオード３２のアノードはトラ
ンジスタ３０のコレクタに接続され、またそのカソード
は接地されている。レーザーダイオード３２により発せ
られる光は、ビームスプリッター３４を通過する。ビー
ムスプリッター３４を通過する光の一部は光路３６に沿
って通過し、フォトダイオード１０に入射する。ビーム
スプリッター３４に入る光の大部分は、出力ビームとし
てビームスプリッターを通過する。
【００２３】トランジスタ１４及び３０は、１−２ＧＨ
ｚに及ぶ周波数範囲にわたって動作するよう設計された
型式のものであることが好ましく、そのようなトランジ
スタは幾つもの出所から市販されている。緩衝増幅器２
４は、トランジスタ１４及び３０に類したトランジスタ
を用いて、縦続接続された一対のエミッタフォロワ増幅
器として実施されるのが好ましい。
【００２４】図２により詳細に示されているように、光
路３６には一連の光学的要素が含まれる。レーザーダイ
オード３２により発せられる光を受け取るように、コリ
メーターレンズ３８が配置されている。レンズ３８を通
過する光は、偏光子４０を介して導かれる。偏光された
光は次いで、ビームスプリッター３４へと導かれる。好
ましくは、ビームスプリッター３４に入る光の大体２０
％が反射鏡４２へと導かれ、次いで集束レンズ４４を介
してフォトダイオード１０へと導かれる。反射鏡４２
は、フォトダイオード１０をレーザーダイオード３２と
同じ取り付け表面上に設けることを可能とし、ダイオー
ド相互間の距離を最小のものとする。
【００２５】偏光子４０は、光路３６に沿って運ばれる
光学的な帰還信号を線形にするよう動作するものである
ことに注目すべきである。偏光子４０が設けられない場
合には、ビームスプリッター３４から外へと通過する光
の相対的な割合は、光のレベルが低い場合には変動し、
それによって系内に誤差が導入される。
【００２６】光路３６に沿って通過する光学的な帰還信
号は、レーザーダイオード３２により発せられる光の強
度を示している。帰還ループ内に過剰の位相遅れが導入
されるのを防止するために、光路３６の長さを制限する
ことが好ましい。
【００２７】以下に、図１に示された回路の詳細な動作
を説明する。乗算形ＤＡＣ４はその出力において電流Ｉ
dacを生成するが、これは受け取ったデジタルデータと
乗数値の積を表している。このデジタルデータ及び乗数
値は、マイクロプロセッサ又はメモリ（図示せず）のよ
うな在来のソースに由来するものである。デジタルデー
タは例えば、写真フィルムその他の媒体上にイメージを
形成するための情報を表すものであり、他方、乗数値
は、イメージ媒体上にわたってレーザー出力ビームを掃
引するスキャナー（図示せず）の走査速度における差を
補償するための補正係数を表すものでありうる。
【００２８】光路３６に沿って送られる光学的帰還信号
がフォトダイオード１０に入射すると、フォトダイオー
ドにより電流Ｉdが生成される。この電流Ｉdは、入射す
る帰還信号の強度に比例している。ノード５に流れ込む
電流とノード５から出て行く電流は等しくなければなら
ないから、ＩdacとＩdの間の差（もしあるならば）は誤
差電流Ｉeである。すなわちＩeの大きさは、レーザーダ
イオード３２により発せられる光の実際の強度と、Ｉ
dacによって表される「正確な」強度との間の差を表し
ている。サーボ２は、Ｉeを本質的にゼロに維持すべく
レーザーダイオードの出力を制御するように動作する。
【００２９】より詳しく述べると、低周波数において
は、トランジスタ１４は演算増幅器８の出力のトランス
コンダクタンス増幅器として動作する。そのコレクタ電
流の信号成分は抵抗１８を通って流れ、従って抵抗値Ｒ
18に比例した制御電圧へと変換されるが、コンデンサー
２０はこの周波数においては殆ど影響を及ぼさない。ト
ランジスタ１４はまた、演算増幅器８の帰還路において
エミッタフォロワ増幅器としても動作し、演算増幅器８
の出力をコンデンサー１２に印加する。コンデンサー１
２は次いで、誤差信号Ｉeの所望の積分を行い、緩衝増
幅器２４に印加される制御電圧を生成する。
【００３０】また、演算増幅器８の周りでの負帰還によ
り、その反転入力端子における電圧はゼロへと強制され
る。これにより、フォトダイオード１０からの電流Ｉd
に対するインピーダンスはゼロになる。この低インピー
ダンスにおいて、フォトダイオード１０は電流源として
動作し、その接合静電容量の影響が本質的に排除され、
それによってフォトダイオードの周波数範囲は拡大され
る。
【００３１】制御電圧は、好ましくは単一利得の緩衝増
幅器２４によって緩衝され、トランスコンダクタンス増
幅器２６（トランジスタ３０のベース）に印加される。
レーザーダイオード３２を通って流れる電流と同じ、ト
ランジスタ３０のコレクタを通って流れる電流は、トラ
ンジスタ３０のベースに印加される電圧によって効果的
に制御される。
【００３２】高周波数においては、演算増幅器８の利得
は減少し、コンデンサー１５は非常に低いインピーダン
スを示すようになる。演算増幅器８は従って、回路の動
作には実質的な影響を持たなくなる。しかしながら、コ
ンデンサー１２のインピーダンスは低く、従ってこのコ
ンデンサーと、トランジスタ１４のベース−エミッタ接
合及びコンデンサー１５を通る低インピーダンス通路が
もたらされる。これによってこの場合も、フォトダイオ
ード１０の電流源としての所望の動作が提供される。さ
らにまた、この電流通路により、トランジスタ１４はこ
の周波数においてベース接地増幅器として動作する。こ
の増幅器段の出力は主としてコンデンサー２０を通って
流れるが、このコンデンサー２０は誤差信号の積分器と
して働く。なぜならコンデンサーの両端の電圧は、それ
を通って流れる電流の積分値だからである。
【００３３】これらの動作モードについてのクロスオー
バー周波数は、演算増幅器８の場合には時定数Ｒ16Ｃ12
に対応し、トランジスタ１４の出力については時定数Ｒ
18Ｃ20に対応している。従ってこれらの時定数は等しい
ことが好ましく、また５０−１００ｋＨｚのオーダーで
ある。このようにして、積分増幅器７は幅広い入力周波
数範囲について積分された誤差信号を生成することがで
き、従って系の作動周波数帯域を実質的に増大すること
ができる。
【００３４】
【発明の効果】光検出器の両端の電圧降下を用いるのと
は全く異なり、帰還信号として光検出器により発生され
る電流を用いることにより、電圧降下における周波数に
依存した変化に起因するエラーは実質的に排除される。
【００３５】また、誤差信号（電流）は幅広い周波数帯
域にわたって積分されるから、レーザーダイオードの特
性はその帯域にわたって事実上線形化され、従って高い
入力信号周波数においてさえも、レーザーダイオードの
光度のより正確な制御がもたらされる。
【００３６】以上の説明は、本発明の特定の実施例に限
定されたものであった。しかしながら、本発明の利点の
幾らか又は全部を達成しつつ、本発明に対して修正及び
変更を加えることができることは明らかである。従って
特許請求の範囲は、本発明の真の思想及び範囲内に包蔵
されるそのようなすべての修正及び変更をカバーするこ
とを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例に従って構成された、
レーザーダイオードにより発せられた光の強度を調節す
るための回路線図である。
【図２】図１に示された光路の詳細な線図である。
【符号の説明】
２ サーボ ４ 乗算形デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ） ７ トランスインピーダンス積分増幅器 ８ 演算増幅器 １０ フォトダイオード １２ 帰還コンデンサー １４ トランジスタ １５ コンデンサー １８ 抵抗 ２０ コンデンサー ２６ トランスコンダクタンス増幅器 ３０ トランジスタ ３２ レーザーダイオード ３４ ビームスプリッター ３８ コリメーターレンズ ４０ 偏光子 ４２ 反射鏡 ４４ 集束レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロジャー・ディ・ドウド アメリカ合衆国マサチューセッツ州02172 ウォータータウン，ローレル・ストリー ト・62エィ

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザーダイオードから強度の調節可能
    な光ビームを発生するための装置であって、該装置が、 レーザーダイオードと、 レーザーダイオードに連結され、制御信号に応答して前
    記レーザーダイオードを通って流れる電流の大きさを調
    節する電流制御手段と、 レーザーダイオードに連結され、レーザーダイオードに
    より発せられた光の一部を光検出手段へと通過させる光
    学的帰還手段と、該光検出手段が帰還手段から受け取っ
    た光の強度に関連する大きさを有する第一の電流を生成
    するためのものであることと、 低入力インピーダンス通路を有し、第一の電流と時変基
    準電流との間の差である誤差電流を受け取って該誤差電
    流の積分値である出力信号を生成する積分増幅手段と、
    及び積分増幅手段の出力信号を受け取ってそれを制御信
    号に変換し、電流制御手段に印加する変換手段とからな
    る装置。
  2. 【請求項２】 前記電流制御手段がトランスコンダクタ
    ンス増幅器からなる、請求光１の装置。
  3. 【請求項３】 前記光学的帰還手段が、コリメーターレ
    ンズと、偏光子と、ビームスプリッターと、反射鏡と、
    集束レンズとからなり、これらはレーザーダイオードか
    ら発せられた光がビームスプリッターに入る前にコリメ
    ーターレンズ及び偏光子を介して通過し、ビームスプリ
    ッターにより抽出された光の一部が反射鏡により反射さ
    れ集束レンズを通って光検出手段へと到達するよう配置
    されている、請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 前記光検出手段がＰＩＮダイオードから
    なる、請求項１の装置。
  5. 【請求項５】 前記時変基準電流がデジタル−アナログ
    変換器により生成される、請求項１の装置。
  6. 【請求項６】 前記積分増幅手段がトランスインピーダ
    ンス増幅器からなる、請求項１の装置。
  7. 【請求項７】 前記積分増幅手段が、第二の増幅器に連
    結された第一の増幅器からなり、所定の周波数より低い
    周波数については第一の増幅器が誤差電流を積分し、所
    定の周波数より高い周波数については第二の増幅器が誤
    差電流を積分手段へと通過させる、請求項１の装置。
  8. 【請求項８】 前記第一の増幅器が積分演算増幅器から
    なる、請求項７の装置。
  9. 【請求項９】 前記第二の増幅器が、前記所定の周波数
    より低い周波数についてはトランスコンダクタンス増幅
    器として動作し、前記所定の周波数より高い周波数につ
    いては単一利得電流増幅器として動作する、請求項７の
    装置。
  10. 【請求項１０】 前記変換手段が積分された誤差電流を
    電圧へと変換するよう接続された並列の抵抗及びコンデ
    ンサーからなる、請求項１の装置。
  11. 【請求項１１】 レーザーダイオードから強度の調節可
    能な光ビームを発生するための方法であって、該方法
    が、 レーザーダイオードにより発せられた光の一部を抽出し
    て光学的帰還信号として用い、 前記光学的帰還信号を光検出器に印加して、印加された
    光の強度に関連する大きさを有する第一の電流を発生
    し、 前記第一の電流と時変基準電流との間の差である誤差電
    流を生成し、 前記誤差電流を低入力インピーダンス通路を有する積分
    増幅器に印加して積分された誤差信号を生成し、 積分された誤差信号を制御信号へと変換してレーザーダ
    イオードを通って流れる電流の大きさを変調し、それに
    よりレーザーダイオードにより発せられる光の強度を調
    節する方法。
  12. 【請求項１２】 前記制御信号が、レーザーダイオード
    を通って流れる電流の大きさを調節するために用いられ
    るトランスコンダクタンス増幅器に印加される、請求項
    １１の方法。
  13. 【請求項１３】 前記レーザーダイオードにより発せら
    れる光が、ビームスプリッターに入る前にコリメーター
    レンズ及び偏光子を介して通過し、ビームスプリッター
    が光の一部を抽出して光学的帰還信号として用いる、請
    求項１１の方法。
  14. 【請求項１４】 前記光学的帰還信号がＰＩＮダイオー
    ドに印加される、請求項１１の方法。
  15. 【請求項１５】 前記時変基準電流がデジタル−アナロ
    グ変換器により発生される、請求項１１の方法。
  16. 【請求項１６】 前記誤差電流が積分トランスインピー
    ダンス増幅器に印加される、請求項１１の方法。
  17. 【請求項１７】 前記積分増幅器が、第二の増幅器に連
    結された第一の増幅器からなり、所定の周波数より低い
    周波数については第一の増幅器が誤差電流を積分し、所
    定の周波数より高い周波数については第二の増幅器が誤
    差電流を積分手段へと通過させる、請求項１１の方法。
  18. 【請求項１８】 前記第一の増幅器が積分演算増幅器か
    らなる、請求項１７の方法。
  19. 【請求項１９】 前記第二の増幅器が、前記所定の周波
    数より低い周波数についてはトランスコンダクタンス増
    幅器として動作し、前記所定の周波数より高い周波数に
    ついては単一利得電流増幅器として動作する、請求項１
    ７の方法。
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