JPH067614B2 - Semiconductor laser drive system - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、半導体レーザを駆動する方法に関するもの
である。The present invention relates to a method for driving a semiconductor laser.
＜従来の技術＞ 半導体レーザは、ある種のＰＮ接合に順方向電流ＩＦを
流すことによりレーザ光を得るもので、ＩＦと光出力Ｐ
ｏとの関係はリニアではなく、ＩＦを増加していくと、
ある電流Ｉｔｈでレーザ発振が始まり、以後はＩＦの増
加と共にレーザ光出力Ｐｏも増加する。この特性を第２
図に示す。<Prior Art> semiconductor laser, so as to obtain a laser light by flowing a forward current I F to certain PN junction, I F and the optical output P
The relationship with o is not linear, and as I F increases,
Laser oscillation starts at a certain current Ith, and thereafter, the laser light output Po also increases as I F increases. This characteristic is the second
Shown in the figure.
ところが、Ｉｔｈや微分効率ηと呼ばれるＩＦの変化に
対するＰｏの変化の割合は一定ではなく、周囲温度や個
体によって変化する。However, the proportion of Po changes in the relative change of the I F called Ith and the differential efficiency η is not constant but varies with ambient temperature and individual.
このような半導体レーザを一定光出力で駆動するため
に、第３図に示す方式が一般に用いられている。１は半
導体レーザで、増幅器３の出力で制御される電流源４に
よって駆動される。また光出力はホトダイオード２によ
ってモニタされ、第３図では抵抗５によって電圧に変換
される。この電圧は増幅器３に入力され、全体で負帰還
ループを構成している。増幅器３の一方の入力には、基
準電圧Ｖrefが印加されており、結局光出力は基準電圧
で規定される一定値になる。In order to drive such a semiconductor laser with a constant light output, the method shown in FIG. 3 is generally used. Reference numeral 1 denotes a semiconductor laser, which is driven by a current source 4 controlled by the output of the amplifier 3. The light output is monitored by the photodiode 2 and converted into a voltage by the resistor 5 in FIG. This voltage is input to the amplifier 3 and constitutes a negative feedback loop as a whole. The reference voltage Vref is applied to one input of the amplifier 3, and the optical output eventually becomes a constant value defined by the reference voltage.
第３図は、定常的に一定光出力を得るための構成である
が、ある種の応用においては、一定光出力を高速でオン
・オフする必要が生じる。その場合は例えば、第４図に
示す構成が用いられる。第４図は第３図の構成に、アナ
ログスイッチ７と静電容量８で構成されるサンプルホー
ルド回路と、高速電流スイッチ６、およびバッファアン
プ９追加したものである。第４図の動作は次のようなも
のである。まず、電流スイッチ６を右側に、スイッチ７
をオンにして、基準電圧Ｖrefで規定される一定光出力
を得る。次に７をオープンにする。このとき、ホールド
容量８で電圧が保持されるので、半導体レーザを駆動す
る電流は、変化しない。そうして電流スイッチ６を高速
でオン・オフして、光出力をオン・オフする。Although FIG. 3 shows a configuration for constantly obtaining a constant light output, it is necessary to turn the constant light output on and off at a high speed in some applications. In that case, for example, the configuration shown in FIG. 4 is used. FIG. 4 shows the configuration of FIG. 3 in which a sample hold circuit composed of an analog switch 7 and an electrostatic capacitance 8, a high speed current switch 6 and a buffer amplifier 9 are added. The operation of FIG. 4 is as follows. First, the current switch 6 on the right side, the switch 7
Is turned on to obtain a constant light output defined by the reference voltage Vref. Then open 7. At this time, since the voltage is held by the hold capacitor 8, the current driving the semiconductor laser does not change. Then, the current switch 6 is turned on / off at high speed to turn on / off the optical output.
第４図の構成の場合、容量８でホールドされる電圧はア
ナログ量のため、長時間一定値を保持するのは困難であ
る。長時間にわたって光出力を一定に保つことができる
ように考えられたのが次の第５図の駆動方法である。In the case of the configuration of FIG. 4, since the voltage held by the capacitor 8 is an analog amount, it is difficult to maintain a constant value for a long time. The driving method shown in FIG. 5 was designed to keep the light output constant for a long time.
第５図は、第４図のサンプルホールド部とバッファアン
プを除いて、アップ／ダウン・カウンタ１１とＤ／Ａ変
換器１０と発振器１２を導入したもので、増幅器３はコ
ンパレータとして働く。アップ／ダウン・カウンタ１１
は、コンパレータ３の出力が“ＨＩＧＨ”の場合、発振
器１２の出力パルスをカウントアップして、逆に“ＬＯ
Ｗ”の場合カウントダウンする。カウント結果はＤ／Ａ
変換器１０でＩＦに変換され、レーザダイオード１を駆
動する。第５図では、電流スイッチ６が右側に倒れた場
合に、全体として負帰還ループを構成して光出力は基準
電圧Ｖrefで規定される値になる。第５図の場合１カウ
ント分の誤差は生じるが、帰還ループ中にディジタルコ
ードとなる部分があるため、長時間ホールドについても
問題ない。但し、前述のように半導体レーザのＩＦ−Ｐ
ｏ特性がリニアでないため、高精度で一定光出力を得る
には、高分解能のＤ／Ａ変換器が必要になる。FIG. 5 shows an arrangement in which an up / down counter 11, a D / A converter 10 and an oscillator 12 are introduced except for the sample and hold section and the buffer amplifier shown in FIG. 4, and the amplifier 3 functions as a comparator. Up / down counter 11
When the output of the comparator 3 is "HIGH", the output pulse of the oscillator 12 is counted up, and conversely "LO" is output.
If W ", count down. Count result is D / A.
It is converted into I F by the converter 10 and drives the laser diode 1. In FIG. 5, when the current switch 6 is tilted to the right, a negative feedback loop is formed as a whole and the optical output has a value defined by the reference voltage Vref. In the case of FIG. 5, an error of one count occurs, but since there is a portion that becomes a digital code in the feedback loop, there is no problem in holding for a long time. However, I F -P semiconductor laser as described above
Since the o characteristic is not linear, a high resolution D / A converter is required to obtain a constant light output with high accuracy.
＜発明が解決しようとする問題点＞ 第５図の方式において、半導体レーザのＩＦ−Ｐｏ特性
で、ＩＦがＩｔｈに満たない場合レーザ発振は起こらな
い。よって、ＩＦがＩｔｈ以下の領域は制御に用いるこ
とができない。そのために、ＩＦの量子化誤差に比べて
Ｐｏの量子化誤差は大きくなる。本発明は上述の問題点
を解決し、Ｐｏの制御精度を上げることを目的としてい
る。<Problems to be Solved by the Invention> In the system of FIG. 5, laser oscillation does not occur when I F is less than I th in the I F -Po characteristics of the semiconductor laser. Therefore, the region where I F is Ith or less cannot be used for control. Therefore, the quantization error of Po is larger than the quantization error of I F. An object of the present invention is to solve the above problems and improve Po control accuracy.
＜問題点を解決するための手段＞ 本発明の半導体レーザ駆動方式は、一定光出力を得るた
めの帰還ループ中に少なくとも２個のＤ／Ａ変換器を有
するシステムを用いて行う半導体レーザ駆動方式に於い
て、一の上記Ｄ／Ａ変換器で上記一定光出力に対して予
め設定された所定の値まで光出力を粗調整し、他の上記
Ｄ／Ａ変換器で、上記予め設定された所定の値から上記
一定光出力まで光出力を微調整し、高精度の光出力を得
ることを特徴とするものである。<Means for Solving the Problems> The semiconductor laser driving method of the present invention is a semiconductor laser driving method using a system having at least two D / A converters in a feedback loop for obtaining a constant optical output. In one of the above D / A converters, the light output is roughly adjusted to a predetermined value preset for the constant light output, and in the other D / A converter, the preset light output is set. The optical output is finely adjusted from a predetermined value to the constant optical output to obtain a highly accurate optical output.
第１図は本発明のブロック図であって、第１図におい
て、１はレーザダイオード、２は光出力モニタ用のホト
ダイオード、３，１４はコンパレータ、４，１３はそれ
ぞれ、Ｄ／Ａ変換器１０，１５で制御される電流源、５
は抵抗、６は高速電流スイッチ、１１，１６はアップ／
ダウン・カウンタ、１２は発振器である。第１図は、
１，２，３，１１，１０，４，６，１からなるフィード
バックループＡ、及び、１，２，１４，１６，１５，１
３，６，１からなるフイードバックループＢの２系統の
負帰還ループで構成されている。フィードバックループ
Ａで光出力の粗調整（大まかな調整）を行ない、フィー
ドバックループＢで微調整を行なう。1 is a block diagram of the present invention. In FIG. 1, 1 is a laser diode, 2 is a photodiode for monitoring an optical output, 3 and 14 are comparators, and 4 and 13 are D / A converters 10, respectively. , 15 controlled current source, 5
Is a resistor, 6 is a high-speed current switch, 11 and 16 are up /
A down counter, 12 is an oscillator. Figure 1 shows
Feedback loop A consisting of 1, 2, 3, 11, 10, 4, 6, and 1, and 1, 2, 14, 16, 15, 1
The feedback loop B is composed of 3, 6, and 1 and is composed of two negative feedback loops. The feedback loop A performs coarse adjustment (rough adjustment) of the optical output, and the feedback loop B performs fine adjustment.
＜作 用＞ 第１図で、各負帰還ループの動作は第５図と同じである
が、基準電圧１Ｖref１は目的とする光出力Ｐo2より少
し低い光出力Ｐo1を目標値として設定されており、基準
電圧２Ｖref２は目的とする光出力Ｐo2を目標値として
設定されている。まず両方のカウンタ１１，１６をリセ
ットして、電流源４，１３の電流をゼロにして、スイッ
チ６は右に倒してフィードバックループＡを動作させ
る。このとき、電流源４の電流は、光出力がＰo1になる
電流ＩF1を目標に増加して、やがて、ＩＦ１から±ΔＩ
F1の範囲で振動するようになる。ΔＩF1は（Ｄ／Ａ変換
器１０がフルスケールになった場合の電流源４の電流）
÷（Ｄ／Ａ変換器１０の分解能）、即ち、Ｄ／Ａ変換器
１０の１ＬＳＢに相当する電流源４の電流である。ここ
で、Ｄ／Ａ変換器１０の分解能とは達成可能なアナログ
レベル数である。次にカウンタ１１のカウントを停止し
て、その時点のカウント値をホールドする。このとき電
流源４の電流は、目標値ＩF1から±ΔＩF1の範囲内の定
電流ＩF1′になる。次にフィードバックループＢを動作
させる。レーザダイオード１の駆動電流は、ＩF1′に電
流源１３の電流が加算され、電流源１３の電流は光出力
がＰo2になる値ＩF2を目標に増加して、フィードバック
ループＡの場合と同様にＩF2から±ΔＩF2の範囲で振動
するようになる。ここにΔＩF2は、Ｄ／Ａ変換器１５の
１ＬＳＢ相当の電流源１３の電流である。ここで、カウ
ンタ１６のカウント動作を停止して、カウント値をホー
ルドすると、電流源１３の電流は、その目標値ＩF2から
±ΔＩF2の範囲内の定電流ＩF2′となる。結局レーザダ
イオード１の駆動電流は、ＩF1′＋ＩF2′になり、その
目標値からの誤差は、フィードバックループＡには依存
せず、フィードバックループＢでの誤差のみ、即ち、±
ΔＩF2以内となる。Ｄ／Ａ変換器１５がフルスケールに
なった場合の電流源１３の電流は、ＩF1に比べて小さく
選ぶことが可能なので、ΔＩF2は、１系統で同一分解能
のＤ／Ａ変換器を使用する場合に比較して、非常に小さ
くすることができ、光出力Ｐｏを高精度で制御できる。
以上の様子は第６図を参照されたい。尚基準電圧１Ｖre
fを目的とする光出力Ｐo2より少し高い値に設定して、
高い側から目的の光出力に接近させる場合と同様であ
る。In Figure 1 <a create>, but the operation of the negative feedback loop is the same as FIG. 5, the reference voltage 1Vref 1 is set the optical output Po 1 slightly lower than the optical output Po 2 of interest as a target value Therefore, the reference voltage 2Vref 2 is set with the target optical output Po 2 as the target value. First, both counters 11 and 16 are reset to zero the currents of the current sources 4 and 13, and the switch 6 is tilted to the right to operate the feedback loop A. At this time, the current of the current source 4 increases with the target of the current I F1 at which the optical output becomes Po 1 , and then, from I F1 to ± ΔI.
It will vibrate in the F1 range. ΔI F1 (current of current source 4 when D / A converter 10 is in full scale)
÷ (resolution of D / A converter 10), that is, the current of the current source 4 corresponding to 1 LSB of the D / A converter 10. Here, the resolution of the D / A converter 10 is the number of achievable analog levels. Next, the count of the counter 11 is stopped and the count value at that time is held. At this time, the current of the current source 4 becomes a constant current I F1 ′ within the range of the target value I F1 of ± ΔI F1 . Next, the feedback loop B is operated. The driving current of the laser diode 1 is obtained by adding the current of the current source 13 to I F1 ′, and the current of the current source 13 is increased by targeting the value I F2 at which the optical output becomes Po 2, and the current of the feedback loop A is the same. Similarly, it comes to oscillate within a range of I F2 to ± ΔI F2 . Here, ΔI F2 is the current of the current source 13 corresponding to 1 LSB of the D / A converter 15. Here, when the count operation of the counter 16 is stopped and the count value is held, the current of the current source 13 becomes a constant current I F2 ′ within the range of the target value I F2 of ± ΔI F2 . Eventually, the drive current of the laser diode 1 becomes I F1 ′ + I F2 ′, and the error from the target value does not depend on the feedback loop A, only the error in the feedback loop B, that is, ±
Within ΔI F2 . The current of the current source 13 when the D / A converter 15 becomes full scale can be selected smaller than I F1 , so ΔI F2 uses a D / A converter of the same resolution in one system. The light output Po can be controlled very accurately as compared with the case where the light output Po is performed.
Refer to FIG. 6 for the above situation. The reference voltage is 1Vre
Set f to a value slightly higher than the desired optical output Po 2 ,
This is similar to the case of approaching the target light output from the higher side.
＜実施例＞ 第７図に本発明の実施例を示す。第１図の電流スイッチ
６を１０６で構成、電流源４，１３をそれぞれ１０４，
１１３で構成している。なお、第１図のコンパレータ
３，１４および基準電圧１、基準電圧２は、第７図で
は、コンパレータ１０３と基準電圧Ｖref、および抵抗
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、トランジスタＱ１でまとめてあ
る。表１は、コントロールロジックと、カウンタ１，
２、Ｑ１および電流スイッチ１０６の動作の対応表であ
る。カウンタ２は大まかな調整用、カウンタ１は微調整
用で、コントロール信号Ｒ及びＣが１０→１１→０１→
００で一連の光出力設定サイクルになっている。<Example> FIG. 7 shows an example of the present invention. The current switch 6 in FIG. 1 is composed of 106, the current sources 4 and 13 are respectively 104,
It is composed of 113. The comparators 3 and 14 and the reference voltage 1 and the reference voltage 2 in FIG. 1 are collectively shown in FIG. 7 by the comparator 103, the reference voltage Vref, the resistors R 1 , R 2 and R 3, and the transistor Q 1. is there. Table 1 shows the control logic, counter 1,
2 is a correspondence table of operations of 2, Q 1 and the current switch 106. The counter 2 is for rough adjustment, the counter 1 is for fine adjustment, and the control signals R and C are 10 → 11 → 01 →
00 is a series of light output setting cycles.
その他の実施例を第８図に示す。第９図は当該実施例に
おける調整動作の時間変化を示す図である。 Another embodiment is shown in FIG. FIG. 9 is a diagram showing a change with time of the adjusting operation in the embodiment.
第７図の前記実施例においてはフィードバックループＡ
（粗調整）の光出力目標値は最終的な光出力目標値以下
に設定されるが、第８図の実施例ではフイードバックル
ープＡ（粗調整）の光出力目標値（Ｐo1）は最終的な光
出力目標値（Ｐo2）以上に設定される。In the embodiment of FIG. 7, the feedback loop A
Although the optical output target value of (coarse adjustment) is set to be equal to or lower than the final optical output target value, in the embodiment of FIG. 8, the optical output target value (Po 1 ) of feedback loop A (coarse adjustment) is final. It is set to be equal to or higher than the target light output value (Po 2 ).
表２は当該実施例における動作を表１に対応させて表わ
したものである。Table 2 shows the operation in the embodiment in correspondence with Table 1.
更にその他の実施例を第１０図に示す。第１１図は当該
実施例の調整動作の時間変化を示す図である。表３は本
実施例における動作を表わしたものである。 Still another embodiment is shown in FIG. FIG. 11 is a diagram showing the change over time in the adjusting operation of this embodiment. Table 3 shows the operation in this embodiment.
本実施例では粗調整時の光出力目標値は最終的な光出力
目標値と同値に設定する。この方式では第７図、第８図
の実施例に比べ基準電圧切換え回路（Ｒ１，Ｒ２，
Ｒ３，Ｑ１）が不要となることなどの利点がある。In this embodiment, the light output target value at the time of coarse adjustment is set to the same value as the final light output target value. In this method, compared with the embodiment of FIGS. 7 and 8, the reference voltage switching circuits (R 1 , R 2 ,
There is an advantage such that R 3 and Q 1 ) are unnecessary.
なおフィードバックループＢ（微調整）を構成するカウ
ンタ１のイニシャライズ値はフルカウントの1/2にセッ
トされる。The initialization value of the counter 1 which constitutes the feedback loop B (fine adjustment) is set to 1/2 of the full count.
＜発明の効果＞ 以上詳細に説明したように、本発明は、一のＤ／Ａ変換
器を有する帰還ループを用いた場合の光出力の精度と同
等の精度の光出力を得るシステムを、実現が容易な、上
記一のＤ／Ａ変換器の分解能より低分解能のＤ／Ａ変換
器で構成できるため、製品の低価格化が図れるという効
果を奏するものである。 <Effects of the Invention> As described in detail above, the present invention realizes a system that obtains an optical output with the same accuracy as the optical output when a feedback loop having one D / A converter is used. Since it can be configured with a D / A converter having a lower resolution than the resolution of the above-mentioned one D / A converter, it is possible to reduce the cost of the product.
第１図は、２系統の負帰還ループで構成した半導体レー
ザ駆動回路を示す図。第２図は、レーザダイオードの順
方向電流ＩＦと光出力Ｐｏとの関係を示す図。第３図
は、一定光出力を得るための半導体レーザ駆動回路ブロ
ック例を示す図。第４図は、サンプルホールド回路を用
いた、一定光出力の高速スイッチングを行なうための半
導体レーザ駆動回路ブロック例を示す図。第５図は、光
出力設定フィードバックループにＤ／Ａ変換器を挿入し
た、一定光出力の高速スイッチングを行なうための半導
体レーザ駆動回路ブロック例を示す図。第６図は、半導
体レーザのドライブ電流の時間変化及びＩＦ−Ｐｏ特性
（２系統）を示す図。第７図は、本発明の実施例を示す
図。第８図は、本発明による他の実施例を示す図。第９
図は同他の実施例における半導体レーザのドライブ電流
の時間変化及びＩＦ−Ｐｏ特性（２系統）を示す図。第
１０図は本発明による更に他の実施例を示す図。第１１
図は同更に他の実施例における半導体レーザのドライブ
電流の時間変化及びＩＦ−Ｐｏ特性図である。 １，１０１…半導体レーザ（レーザダイオード）、 ２，１０２…光出力モニタ用ホトダイオード、 ３，１０３…増幅器（コンパレータ）、 ４，１０４…電流源、 ５，１０５…抵抗、 ６，１０６…高速電流スイッチ、 ７…アナログスイッ
チ、 ８…電圧ホールド用静電容量、９…バッファアン
プ、 １０，１１０…Ｄ／Ａ変換器、 １１，１１１…
アップ／ダウン・カウンタ、 １２，１１２…発振器、
１３，１１３…電流源、 １４…増幅器（コンパレー
タ）、 １５，１１５…Ｄ／Ａ変換器、 １６，１１６
…アップ／ダウン・カウンタ。FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor laser drive circuit composed of two negative feedback loops. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the forward current I F of the laser diode and the optical output Po. FIG. 3 is a diagram showing an example of a semiconductor laser drive circuit block for obtaining a constant light output. FIG. 4 is a diagram showing an example of a semiconductor laser drive circuit block for performing high-speed switching of a constant light output using a sample hold circuit. FIG. 5 is a diagram showing an example of a semiconductor laser drive circuit block in which a D / A converter is inserted in a light output setting feedback loop for performing high-speed switching of a constant light output. Figure 6 is a diagram showing a time change and I F -Po characteristics of the semiconductor laser drive current (2 strains). FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing another embodiment according to the present invention. 9th
Figure is a diagram showing a temporal change and I F -Po characteristics of the drive current of the semiconductor laser in the same alternative embodiment (2 strains). FIG. 10 is a view showing still another embodiment according to the present invention. 11th
Figure is a time change and I F -Po characteristic diagram of the drive current of the semiconductor laser in the further embodiment. 1, 101 ... Semiconductor laser (laser diode), 2, 102 ... Photo output monitoring photodiode, 3, 103 ... Amplifier (comparator), 4, 104 ... Current source, 5, 105 ... Resistor, 6, 106 ... High-speed current switch , 7 ... Analog switch, 8 ... Capacitance for voltage hold, 9 ... Buffer amplifier, 10, 110 ... D / A converter, 11, 111 ...
Up / down counter, 12, 112 ... Oscillator,
13, 113 ... Current source, 14 ... Amplifier (comparator), 15, 115 ... D / A converter, 16, 116
… Up / down counter.
Claims (1)
なくとも２個のＤ／Ａ変換器を有するシステムを用いて
行う半導体レーザ駆動方式に於いて、 一の上記Ｄ／Ａ変換器で上記一定光出力に対して予め設
定された所定の値まで光出力を粗調整し、 他の上記Ｄ／Ａ変換器で、上記予め設定された所定の値
から上記一定光出力まで光出力を微調整し、高精度の光
出力を得ることを特徴とする半導体レーザ駆動方式。1. A semiconductor laser driving method using a system having at least two D / A converters in a feedback loop for obtaining a constant optical output, wherein one D / A converter is used. The light output is roughly adjusted to a predetermined value set in advance for a constant light output, and the other D / A converter finely adjusts the light output from the predetermined value set to the constant light output. The semiconductor laser driving method is characterized by obtaining high-precision optical output.
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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