JPH07506931A - レーザ・ダイオードのエネルギ出力を安定化する方法および装置 - Google Patents

レーザ・ダイオードのエネルギ出力を安定化する方法および装置

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JPH07506931A
JPH07506931A JP5515701A JP51570193A JPH07506931A JP H07506931 A JPH07506931 A JP H07506931A JP 5515701 A JP5515701 A JP 5515701A JP 51570193 A JP51570193 A JP 51570193A JP H07506931 A JPH07506931 A JP H07506931A
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カール,ジェイムズ・エイ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ・ダイオードのエネルギ出力を安定化する方法および装置(技術分野) 本発明は、レーザ・グイオートの光エネルギ出力の安定化に関し、特にレーザが オン/オフ状態にパルス動作させられる時レーザ・ダイオード出力エネルギを正 確に制御するための方法および装置に関する。
(背景技術) レーザ・ダイオードは半導体デバイスであり、その目的は、できる限り、特定の 波長およびパワー・レベルのコヒーレント光を生じることにある。このデバイス は、ダイオード・デバイスに似たPN接合を有する。半導体グイオート間の相違 は、ダイオードを生成してドープを施すため使用される材料、ならびにPN接合 構造にある。レーザ・ダイオードにおいては、接合構造は、正しい出力周波数、 即ち、所要のレイジング(lasing)波長に対する共振空洞を生じるミラ一 端部を持つ光チャンネルを提供するために使用される。
レーザ・ダイオードは、一般に多くのイメージ走査用途において用いられ、特に レーザ・ダイオードの出力がイメージ線に跨がって走査される時フィルムまたは 他の感光媒体を露出するために用いられる。典型的な用途においては、各線が走 査された後、媒体はこの媒体上の一連の線を逐次露出するための走査方向を横切 る方向に移動させられる。その結果は、例えば中間調の表現を含む多くの用途の いずれかにおいて使用することができるイメージである。
動作において、如何なるレーザにおけるように、電子が高エネルギ・レベルにポ ンプされてレイジング作用を生じる1、この作用は、反転分布(popu I  a tion 1nversion)を生じる。レーザ・ダイオードにおけるボ ンピング作用は、電流をPN接合に注入することにより得られ、従って、レイジ ング作用を発生させるためには、レーザ・グイオートは順方向にバイアスされね ばならない。
レーザが順方向バイアスされる時、レーザは適当な波長でエネルギを放出するこ とになる。しかし、グイオートが発熱し始めるに従い、レイジング作用が効率を 下げ、放出されるパワー・レベルは指数的に減少することになる。このパワー・ レベルの減少は当業界では[垂下(droop)Jとして知られ、レーザ・ダイ オードの多(の製造者はこのパラメータを指定している。このため、レーザ・ダ イオードの出力がその接合温度に従って変化するため、「冷却」を始めるレーザ ・グイオートは、最近使用されているレーザ・ダイオードとは所与の入力駆動電 流に対して異なる初期出力パワーを持ち、かつ高い温度で始動する接合を持つ。
このため、選択されるレーザ入力電流に対して、光エネルギ出力が上昇する接合 温度と共に減少することが知られている。
高精度のレーザ走査用途においては、「垂下」は、生成されるイメージの出力コ ピーにおけるトーン変動として現れる故に、特に重要課題である。このような現 象に対処するための公知の方法は、接合温度を高(保持することにより、(レー ザ・ダイオードがおそらくは「オフ」の状態にある時)レーザ・ダイオードを垂 下効果(droop effect)を減じるレイジングのレベルに維持するこ とを含む。しかし、この方法は、全効率を補償せず、フィルムのかぶり(f。
gging)という更なる欠陥、および(または)中性フィルタ(neutra l density filter)を加える必要を有する。
別の方法は、実際の画素(pel)を制御する。これは、生じる各画素毎にレー ザ・ダイオードを制御することによって行われる。高速度および高精度の場合は 、このことはコストの高い試みとなる。
従って、本発明の目的は、安価な安定した回路構成要素を用い、また余分なフィ ルタを用いることなく電流入力の関数としてレーザ・ダイオード出力エネルギを 安定化することにある。本発明の別の目的は、レーザ・ダイオードの接合温度に おける変動を補償することにある。
(発明の概要) 本発明は、レーザ・ダイオードからのil+!211!された正確なエネルギ出 力レベルを維持するための方法および装置に関するものである。本発明の方法は 、レーザ・ダイオードにスイッチング電流を与え、このスイッチング電流に熱安 定化電流を付加するステップを特徴とする。スイッチング電流は、ダイオードに おけるレイジング作用が存在しない第1の状態と、ダイオードにレイジング作用 が生じる第2の状態との間で変化する。熱安定化電流は、ダイオードの接合の予 測温度と対応する変動する値を有する。
本発明の特定の実施態様においては、当方法は更に、スイッチング電流が第2の 状態にある時、ダイオードの接合に対する発熱度と対応する第1の時定数に従っ て熱安定化電流を生成する信号を増加させ、スイッチング電流が第1の状態にあ る時、ダイオードの接合に対する冷却度と対応する第2の時定数に従って信号を 減少するステップを特徴とする。
当該方法は更に、熱安定化電流を安定化されるダイオード・レーザにマツチング させるためこの電流に与えられるべき利得を変化させ、スイッチング電流が第2 の状態にある時、この電流の値が変化するため熱安定化電流を変化させるステッ プを特徴とする。
本発明の装置は、スイッチング電流と熱安定化電流との組合わせをレーザ・ダイ オードに加えるための回路を提供することにより、レーザ・ダイオードからの制 御された正確なエネルギ出力を維持する。スイッチング電流は、ダイオードにレ イジング作用が存在しない第1の状態と、ダイオードにレイジング作用が存在す る第2の状態とを有する。熱安定化電流は、ダイオードの接合の予測温度と対応 する電流値を有する。特定の実施態様においては、熱安定化電流は、グイオート のスイッチング電流が第2の状態にある時ダイオードの接合に対する発熱度と対 応する、この熱安定化電流を増加させる時定数を持つRCネットワークを介して 生成される。ダイオードのスイッチング電流がその第1の状態に切換わると、熱 安定化電流生成回路は、スイッチング電流が第1の状態にある時ダイオードの接 合の冷却度と対応する時定数を持つRCネットワークを介して放電を許容するこ とにより減少する電流信号を生じる。本発明の装置は更に、この電流を安定化さ れるダイオード・レーザにマツチングさせるため熱安定化電流に与えられる利得 を変化させ、第2の動作モードの間にスイッチング電流が変化する時安定化電流 を変化させるための回路を特徴とする。
本発明の他の特徴、目的および利点については、図面に関して望ましい実施態様 の以降の記述を参照して明らかになるであろう。
(図面の簡単な説明) 図1は、レーザ・ダイオードが使用できる環境とこのダイオードを駆動する回路 のブロック図、 図2は、高精度のレーザ・ダイオード動作に対するスイッチング電流に加えられ る熱安定化電流を生成する特定の回路の更に詳細な電気的概略図、図3は、レー ザ・ダイオードの補償および未補償出力のグラフ、および図4は、レーザ・ダイ オードの電気的特性のモデルの図である。
(実施例) 図1において、回路10は、文書の表面を横切って走査するため用いられる時レ ーザ・ダイオード12の動作を制御するために用いられる。このダイオード12 は、典型的に線14における入力露出信号により決定される間隔でオン/オフ( 変調)される。この間隔は、周期的である必要もなく、また典型的にそうではな い。従って、レーザ・ダイオードの出力は、入力電流が一定であっても、先に述 べた垂下現象が生じるため、初期の「ターン・オン」時に変化する。レーザ・ダ イオードの接合温度の関数として出力を変化させるこの現象は、レーザ・ダイオ ード接合がその安定な動作温度に充分に緩めるに要する時間である100マイク ロ秒以上の大きさで継続し得る。
従って、レーザ・ダイオードがある期間だけ「オン」でありその後オフとなり、 更に非常に短期間(例えば、5マイクロ秒)以内に再びオンとなるならば、その 先エネルギ出力は初めに実質的な期間だけオフであった後にオンになるレーザ・ ダイオードとは異なる。先に本文に述べた(特に、図2において)回路が補償し ようとするのはこの現象である。
本発明によれば、レーザ・ダイオードに対するスイッチング電流が電流ドライバ およびpelスイッチ回路16により生成され、典型的には時間的に変化する2 進特性を有する。その「オン」の状態においては、線14における電流値は、例 えば47ミリアンペアであり得、そのオフ状態では、バイアス電流は例えば33 ミリアンペアであり得る。
本発明の図示した実施例においては、「オン」電流は使用されるフィルムに応じ て変化する。この「オン」電流は、レーザ・ダイオードによるレイジング作用を 生じるが、オフ電流はレイジング閾値より僅かに小さなレーザ・ダイオードに対 する順方向バイアスを生じる。以下に述べるように、これ以上の訂正を行うこと なく、「垂下」効果が生じることになろう。
従って、線22上の熱安定化電流をスイッチング電流に加えて、これによりスイ ッチング電流を修正(加算)する温度安定化回路20が提供される。先に述べた ように、レーザ・ダイオード接合が低温である時、回路16からの所与のダイオ ード駆動の値に対するその初期出力は、この接合が温まる時よりも高い。
本発明によれば、レーザ・ダイオードに対する適当な熱モデルが得られ、この偏 差から関連する時定数が決定される。次に、熱安定化回路が熱的変化を補償する ため合成される。このモデルにおいては、図4に示されるように、下記の項が用 いられる。即ち、 Po=レーザ・ダイオードにより発散される熱エネルギT、=接合温度 Tc=ケース温度 TA=周囲温度 Rn1C=接合からケースへの熱抵抗 RocA=ケースから周囲への熱抵抗 CIe=接合からケースへの熱キャパシタンスCcA−ケースから周囲への熱キ ャパシタンス3w、=レーザ・ダイオードのオン/オフ機能を表わすスイッチ更 に、モデルの記述および簡素化のため下記の前提がなされる。即ち、1、Crt は、ダイオード自体の非常に小さな質量により非常に小さい。この小さなキャパ シタンスは、バイアス電流により補償されることになる。従って、CI。はゼロ に設定される。
2、RocAは、マウント・アセンブリの質量の熱抵抗(mounLing a sscmbly mass thermal resistance)を勘案す る。
3、ccAは、マウント・アセンブリの熱キャパシタンスを勘案する。
4.7Aは1、一定であるものとする。
ダイオードの当該モデルによれば、2つの作用条件を考察しなければならない。
第1の条件は、レーザ・ダイオードがオンにされ発熱する時に満たされる。これ は、図4におけるスイッチSW、の閉路と対応する。第2の条件は、スイッチS W1の開路およびレーザ・ダイオードの「オフ」と対応し、このためこのスイッ チを冷却させる。
ダイオードの発熱に対する熱時定数が下式により与えられることが判った。即ち 、 ダイオードの冷却のための熱時定数は、下式となるように決定される。即ち、( B) T2=R,l、CACCA (これらの式の微分演算については、付属書Aに詳細が示される。)これは、2 つの別個の時定数が、動作の発熱および冷却モードを個々に補償するように提供 されることを要求する。発熱時定数は、冷却時定数よりも短い、即ち、T、<T 2゜図2のブロック図に示される回路は、接合モデルを実現するもので、接合に おける熱効果を補償するために用いられる。この回路においては、R2oはR8 1cをモデル化し、R26はRocAをモデル化し、C21はCCAをモデル化 している。
動作において、図1によれば、レーザ・ダイオードに対する通常の露出レベルが サーボ・システム回路26の使用によって設定される。特定のフィルムに対して 要求される所定露出量は、ユーザにより設定される。特定のレーザに対して較正 された露出サーボ回路が、レーザ・ダイオード・パッケージ28の一部であるフ ィードバック・フォトダイオード27からの線でフィードバック信号を受取る。
次に、レーザからの光出力のレベルが、所定露出量に対して要求されるレベルに 達するようにサーボ回路により制御される。
熱電流安定化回路が、サーボされた露出レベルを受取り追跡して、所定露出量に おける変化によるレーザ強さにおける変動を補償する。線29上のB E AM ON指令信号は、レーザ・ダイオードをオンにして画素を生じるために使用され る。
BEAMONがレーザ・ダイオードをオンにすると同時に、このレーザ・ダイオ ードは、コンデンサC21を抵抗R2oを経て充電させる回路内のスイッチを開 路する。
コンデンサを充電するための時定数T、は、先の式(A)により与えられる。
BEAMON指令がダイオードのオフを信号する時、スイッチが開路した後の回 路に対する時定数は、式(B)により与えられる。
その結果、レーザ・ダイオード動作の履歴に依存する電流の加算接合点32にお ける加算がレーザの接合の温度における変化により生じるエネルギ出力に対して ダイオードを補償するため使用できることが結論付けられる。また、先に述べた ように、ダイオードのレイジング電流より僅かに小さな値を持つ線33上のバイ アス電流が、電流ドライバ16がオフである時に与えられる。
図2において、レーザ接合の温度は、実際に、レーザの接合に対するパワーの印 加によるレーザ接合の発熱と対応する第1の時定数T1と、(非レイジング−バ イアス電流を除いて)パワーがレーザ・ダイオードから除去される時接合の冷却 を補償する第2の時定数T2とによって決定される。従って、この情報を利用す ることにより、エネルギ出力がレーザの過去の履歴とは独立的に一定となること を許容するようにレーザ・グイオートに対する電流を調整する熱安定化電流が生 成される。
図2において、露出信号は、ダイオ−)・からの所要のエネルギ出力と共に変化 する値を持ち、前記露出信号を反転させるよう働く第1の増幅器30へ与えられ る。増幅器30の出力は、レーザ光がオンにされる時常に動作させられるスイッ チ要素32を通過する。「ビーム・オン」信号(BEAMON)は、スイッチ3 2を制御するため線29上に与えられる。スイッチ32の出力は、コンデンサ3 8を充電するため可変抵抗36を通過する。可変抵抗36.50およびコンデン サ38は、レーザーダイオードの発熱時定数と対応する時定数T、を持つRC回 路を形成している。更に、コンデンサが充電するレベルは、「オン」露出信号の 値に依存する。(ねじ込みプラグがグイオートのベースをハウジングに設置する アルミニウム・ハウジングに挿入された5HARPのタイプ LTO27MDレ ーザ・グイオートに対する本発明の図示された一実施例においては、ねじ込みプ ラグにより、レーザ・ダイオードのベースのエツジ周囲およびこのベースの背面 に沿ってこのダイオードとの熱接触が行われる。このような構成においては、T 1は約171マイクロ秒に等しく、T2は約190マイクロ秒に等しい。)コン デンサの出力は、出力が可変抵抗44を通る増幅器40を介してバッファされ、 回路の接合点31におけるレーザ・ダイオード12に対する反転された「通常の 」露出量に加算される。ダイオードに対する反転された「通常の」露出は、反転 増幅器回路48から得られる。(この実施例においては、(0,01マイクロフ アラツドのコンデンサ38の場合)抵抗36および50の公称値はそれぞれ17 0にΩおよび19にΩである。) ビームがオフにされると、即ち、スイッチ32が開路されると、コンデンサは可 変抵抗50を介して放電する。これは、電流が低減される解きのダイオードの接 合の冷却と対応し、かつ時定数T2と対応している。このため、ビームがBEA MON指令信号によりオン/オフ(変調)される時、コンデンサ38は、ダイオ ードの接合(diode junction)における温度変化をモデル化する ようにそれぞれ充電し放電する。露出電流の「オン」の値と比例する値を持つ結 果として生じる安定化電流が、レーザ・ダイオードに対する通常の露出電流へ加 算され、レーザ・ダイオードからの出力エネルギの安定した正確なレベルを提供 する。図3は、線(a)により、「垂下」現象に対する補償のない典型的なレー ザ・ダイオードの出力エネルギを示し、線(b)により、垂下現象に対する本発 明による補償を行う同じレーザ・ダイオードの出カバターンを示している。
本発明の開示された実施例の追加、割愛、削除および他の修正は当業者には明ら かであろうし、請求の範囲内に含まれるものである。
(付属書A) ケース1 スイッチの閉路 式(1)および(2)から、下記を得る。即ち、用いる。
丁c(0)−工人−α・Req+k ork −a −α・Req+TA” + 111− Req”cA (これらの式は、スイッチの閉路ζこ対する)(付属 書A) ケース2 スイッチの開路 開閉路された状態で得られる安定状態の温度スイッチSW1が開路された後にの み 妥当する この条件に対する熱時定数は: 12.h −Rθ仏・CcA従って、対処すべ き2つの時定数がある。
補正書の翻訳文提出書 (特許法第184条の8) 平成 6年97’lよぬ 特5′「庁長官 高 島 章 殿 1 特許用1翰の表示 PCT/USQ3101465 2、発明の名称 レーザ・ダイオードのエネルギ出力を安定化する方法および装置3、特許出願人 住 所 アメリカ会衆ri1マサチューセッツ州01.876゜チュークスバリ ー、クラーク・ロード 554名 称 イージーアールエム・トラスト4、代理 人 住 所 東!;テ都「−代Il+区人丁町二丁「12番1号新人手町ビル 20 6区 電話 3274)−6641〜6646(1) 捕i[8の翻訳文 1通 1994年2月14日付34条補正 英文明細書第4頁第1行から第4頁第37行迄(翻訳文明細書第3頁第20行か ら第4頁第10行迄)(中略)特定の実施態様においては、熱安定化電流は、ダ イオードのスイッチング電流が第2の状態にある時ダイオードの接合に対する発 熱度と対応する、この熱安定化電流を増加させる時定数を持つRCネットワーク を介して生成される。
ダイオードのスイッチング電流がその第1の状態に切換わると、熱安定化電流生 成回路は、スイッチング電流が第1の状態にある時ダイオードの接合の冷却度と 対応する時定数を持つRCネットワークを介して放電を許容することにより減少 する電流信号を生じる。本発明の装置は更に、この電流を安定化されるダイオー ド・レーザにマツチングさせるため熱安定化電流に与えられる利得を変化させ、 第2の動作モードの間にスイッチング電流が変化する時安定化電流を変化させる ための回路を特徴とする。
本発明の他の特徴、目的および利点については、図面に関して望ましい実施態様 の以降の記述を参照して明らかになるであろう。
(図面の簡単な説明) 図1は、レーザ・ダイオードが使用できる環境とこのダイオードを駆動する回路 のブロック図、 図2は、高精度のレーザ・ダイオード動作に対するスイッチング電流に加えられ る熱安定化電流を生成する特定の回路の更に詳細な電気的概略図、図3Aは、従 来のレーザ・ダイオードの出力のグラフ、図3Bは、本発明により補償されたレ ーザ・ダイオードの出力のグラフ、および 図4は、レーザ・ダイオードの電気的特性のモデルの図である。
英文明細書第10頁第1行から第10頁第10行迄(翻訳文明細書第8頁第22 行から第8頁第27行迄)(中略)レーザ・ダイオードからの出力エネルギの安 定した正確なレベルを提供する。図3Aは、「垂下」現象に対する補償のない典 型的なレーザ・ダイオードの出力エネルギを示し、図3Bは、垂下現象に対する 本発明による補償を行う同じレーザ・ダイオードの出カバターンを示している。
本発明の開示された実施例の追加、割愛、削除および他の修正は当業者には明ら かであろうし、請求の範囲内に含まれるものである。
英文明細書第13頁第1行から第14頁第30行迄(翻訳文明細書請求の範囲第 2項、第3項、第4項、第6項、第7項および第8項) 請求の範囲 2、レーザーダイオード接合を有するレーザ・ダイオードからの制御された正確 なエネルギ出力レベルを維持する方法において、スイッチング電流を前記レーザ ーダイオードに印加するステップを含み、該スイッチング電流は、グイオートに レイジング作用が存在しない第1の状態と、ダイオードにレイジング作用が存在 する第2の状態との間で切換わり、前記ダイオードのスイッチング電流が前記第 2の状態にある時は、該ダイオード接合の発熱度と対応する第1の時定数に従っ て前記熱安定化電流を生成するための信号を増加することにより、かつ、前記ス イッチング電流が前記第1の状態にある時は、前記ダイオード接合に対する冷却 度と対応する第2の時定数に従って前記信号を減少することにより、前記スイッ チング電流に前記ダイオード接合の温度と対応する値を持つ熱安定化電流を付加 するステップを含む方法。
3、前記付加ステップが、安定化される前記レーザ・ダイオードの特性をマツチ ングするため前記熱安定化電流に印加される利得を変化させるステップを更に含 む請求の範囲第2項記載の方法。
4、レーザ・ダイオードの露出値に従って、前記熱安定化電流を変化させるステ ップを更に含む請求の範囲第2項記載の方法。
6、レーザ・ダイオードの接合を持つレーザ・ダイオードからの制御された正確 なエネルギ出力レベルを維持する装置において、スイッチング電流を前記レーザ ・ダイオードに印加する手段を偏え、該スイッチング電流が、前記ダイオードに おいてレイジング作用が存在しない第1の状態と、前記ダイオードにおいてレイ ジング作用が存在する第2の状態との間で切換わり、 前記スイッチング電流に、前記ダイオード接合の温度と対応する値を持つ熱安定 化電流を付加する手段を備え、該付加手段が、前記スイッチング電流が前記第2 の状態にある時、前記ダイオード接合の発熱度と対応する第1の時定数に従って 前記安定化電流を生成するための信号を増加る冷却度と対応する第2の時定数に 従って前記信号を減少させる手段とを含む 装置。
7、前記付加手段が、前記熱安定化電流に印加される利得を変化させて、前記安 定化電流を安定化される前記ダイオード・レーザにマツチングさせる手段を更に 含む請求の範囲第6項記載の装置。
8、レーザ・ダイオードの露出値に従つて前記熱安定化電流を変化させる手段を 更に備える請求の範囲第6項記載の装置。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.レーザ・ダイオードの接合を有するレーザ・ダイオードからの制御された正 確なエネルギ出力レベルを維持する方法において、スイッチング電流を前記レー ザ・ダイオードに印加するステップを含み、該スイッチング電流は、ダイオード にレイジング作用が存在しない第1の状態と、ダイオードにレイジング作用が存 在する第2の状態との間で切換わり、前記スイッチング電流に熱安定化電流を付 加するステップを含み、該熱安定化電流は、ダイオードの接合の温度と対応する 値を持つ方法。
  2. 2.前記印加ステップが、 前記ダイオードのスイブチング電流が前記第2の状態にある時、前記ダイオード の接合の発熱度と対応する第1の時定数に従って前記第2の熱安定化電流を生成 する信号を増加するステップと、 前記スイッチング電流が前記第1の状態にある時、前記ダイオードの接合に対す る冷却度と対応する第2の時定数に従って前記信号を減少するステップとを含む 請求の範囲第1項記載の方法。
  3. 3.前記付加ステップが、安定化される前記レーザ・ダイオードの特性をマッチ ングするため前記熱安定化電流に印加される利得を変化させるステップを更に含 む請求の範囲第2項記載の方法。
  4. 4.レーザ・ダイオードの露出値に従って、前記熱安定化電流を変化させるステ ップを更に含む請求の範囲第2項記載の方法。
  5. 5.レーザ・ダイオードの接合をもつレーザ・ダイオードからの制御された正確 なエネルギ出力レベルを維持する装置において、スイッチング電流を前記レーザ ・ダイオードに印加する手段を備え、該スイッチング電流が、前記ダイオードに おいてレイジング作用が存在しない第1の状態と、前記ダイオードにおいてレイ ジング作用が存在する第2の状態との間で切換わり、 前記スイッチング電流に熱安定化電流を付加する手段を備え、該熱安定化電流が 、前記ダイオードの接合の温度と対応する値を持つ装置。
  6. 6.前記付加手段が、 前記ダイオードのスイッチング電流が前記第2の状態にある時、該ダイオードの 接合の発熱度と対応する第1の時定数に従って前記安定化電流を生成する信号を 増加する手段と、 前記スイッチング電流が前記第1の状態にある時、前記ダイオードの接合に対す る冷却度と対応する第2の時定数に従って前記信号を減少させる手段と、を含む 請求の範囲第5項記載の装置。
  7. 7.前記付加手段が、前記熱安定化電流に印加される利得を変化させて、安定化 される前記ダイオード・レーザに対する前記安定化電流をマッチングさせる手段 を更に含む請求の範囲第6項記載の装置。
  8. 8.レーザ・ダイオードの露出値に従って前記熱安定化電流を変化させる手段を 更に備える請求の範囲第6項記載の装置。
JP5515701A 1992-03-02 1993-02-18 レーザ・ダイオードのエネルギ出力を安定化する方法および装置 Pending JPH07506931A (ja)

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