JPH02205085A - 半導体レーザ制御装置 - Google Patents

半導体レーザ制御装置

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JPH02205085A
JPH02205085A JP1024924A JP2492489A JPH02205085A JP H02205085 A JPH02205085 A JP H02205085A JP 1024924 A JP1024924 A JP 1024924A JP 2492489 A JP2492489 A JP 2492489A JP H02205085 A JPH02205085 A JP H02205085A
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザプリンタ、光デイスク装置、光通信装置
等で光源として用いられる半導体レーザを制御する半導
体レーザ制御装置に関する。
〔従来の技術〕
半導体レーザは極めて小型であって、かつ駆動電流によ
り高速に直接変調を行うことができるので、近年光デイ
スク装置、レーザプリンタ等の光源として広く使用され
ている。
しかしながら、半導体レーザの駆動電流・光出力特性は
温度により著しく変化し、これは半導体レーザの光強度
を所望の値に設定しようとする場合に問題となる。この
問題を解決して半導体レーザの利点を活かす為にさまざ
まなA P C(A utoIIlatie Powe
r Control)回路が提案されている。
このAPC回路は次の3つの方式に分けられる。
(1)半導体レーザの光出力を受光素子によりモニター
し、この受光素子に発生する受光電流(半導体レーザの
光出力に比例する)に比例する信号と。
発光レベル指令信号とが等しくなるように常時半導体レ
ーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループを設
け、この光・電気負帰還ループにより半導体レーザの光
出力を所望の値に制御する方式。
(2)パワー設定期間には半導体レーザの光出力を受光
素子によりモニターしてこの受光素子に発生する受光電
流(半導体レーザの光出力に比例する)に比例する信号
と2発光レベル指令信号とが等しくなるように半導体レ
ーザの順方向電流を制御し、パワー設定期間外にはパワ
ー設定期間で設定した半導体レーザの順方向電流の値を
保持することによって半導体レーザの光出力を所望の値
に制御する。そしてパワー設定期間外にはパワー設定期
間で設定した半導体レーザの順方向電流の値を基準とし
て半導体レーザの順方向電流を情報で変調することによ
り半導体レーザの光出力に情報を載せる方式。
(3)半導体レーザの温度を測定し、その測定した温度
によって半導体レーザの順方向電流を制御したり、又は
半導体レーザの温度を一定になるように制御したりして
半導体レーザの光出力を所望の値に制御する方式。
〔発明が解決しようとする課題〕
半導体レーザの光出力を所望の値とするためには(1)
の方式が望ましいが、受光素子の動作速度。
光・電気負帰還ループを構成している増幅素子の動作速
度等の限界により制御速度に限界が生ずる。
例えばこの制御速度の目安として光・電気負帰還ループ
の開ループでの交叉周波数を考慮した場合この交叉周波
数をf。とじたとき半導体レーザの光出力のステップ応
答特性は次のように近似できる。
Pout=Po(1−exp(−2πf、t))Pou
t:半導体レーザの光出力 Po:半導体レーザの設定された光強度t:待時 間導体レーザの多くの使用目的では半導体レーザの光出
力を変化させた直後から、設定された時間τ。が経過す
るまでの全光量(光出力の積分値fPout)が所定の
値となることが必要とされ、2πf、τ。)]) となる。仮に、τ。=50ns、誤差の許容範囲を0.
4%とした場合f。) 800MH2としなければから
す、これは極めて困難である。
また(2)の方式では(1)の方式の上記問題は発生せ
ず、半導体レーザを高速に変調することが可能であるの
で、多く使用されている。しかしながらこの(2)の方
式では半導体レーザの光出力を常時制御しているわけで
はないので、外乱等により容易に半導体レーザの光量変
動が生ずるす外乱としては例えば半導体レーザのドウル
ープ特性があり、半導体レーザの光量はこのl−″:リ
ループ特性により容易に数%程度の誤差が生じでしまう
。半導体レーザのドウループ特性を抑制する試みとして
、半導体レーザの熱時定数に半導体レーザ駆動電流の周
波数特性を合わせ補償する方法かどが提案されているが
、半導体レーザの熱時定数は各半導体レーザ毎に個別に
バラツキがあり、また半導体レーザの周囲環境により異
なる等の問題がある。
また光デイスク装置などにおいて問題とされる半導体レ
ーザめ戻り光の影響による光量変動などの問題がある。
本発明は上記欠点を改善し、高速、高精度、高分解能な
半導体レーザ制御装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、請求項1の発明は被駆動半導
体レーザの光出力を受光部により検知してこの受光部か
ら得られる前記半導体レーザの光出力に比例した受光信
号と発光レベル指令信号とが等しくなるように前記半導
体レーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループ
と、前記受光信号と前記発光レベル指令信号とが等しく
なるように前記半導体レーザの光出力・順方向電流特性
及び前記受光部と前記半導体レーザとの結合係数。
前記受光部の光入力・受光信号特性に基づいて前記発光
レベル指令信号を前記半導体レーザの順方向電流に変換
する変換手段とを有し、前記光・電気負帰還ループの制
御電流と前記変換手段により生成された電流との和また
は差の電流によって前記半導体レーザを制御するように
したものであり、請求項2の発明は請求項1の半導体レ
ーザ制御装置において、スイッチング信号によりオフセ
ット電流をオン・オフする回路を備え、前記和または差
の電流に前記オフセット電流を加算した電流によって前
記半導体レーザを制御するようにしたものであり、 請求項3の発明は請求項1の半導体レーザ制御装置にお
いて、前記光・電気負帰還ループの制御電流を検出する
ことにより前記変換手段の変換誤差を検出する検出手段
を備えるようにしたものであり、 請求項4の発明は請求項3の半導体レーザ制御装置にお
いて、スイッチング信号によりオフセット電流をオン・
オフする回路を備え、前記和または差の電流に前記オフ
セット電流を加算した電流によって前記半導体レーザを
制御するようにしたものである。
〔作 用〕
請求項1の発明では光・電気負帰還ループが半導体レー
ザの光出力を受光部により検知してこの受光部から得ら
れる半導体レーザの光出力に比例した受光信号と発光レ
ベル指令信号とが等しくなるように半導体レーザの順方
向電流を制御し、変換手段が前記受光信号と前記発光レ
ベル指令信号とが等しくなるように半導体レーザの光出
力・順方向電流特性及び前記受光部と半導体レーザとの
結合係数、前記受光部の光入力・受光信号特性に基づい
て前記発光レベル指令信号を半導体レーザの順方向電流
に変換する。半導体レーザは光・電気負帰還ループの制
御電流と変換手段により生成された電流との和または差
の電流によって制御さ机る。
請求項2の発明では更に前記回路にてスイッチング信号
によりオフセット電流がオン・オフされ、前記和または
差の電流に前記オフセット電流を加算した電流によって
半導体レーザが制御される。
請求項3の発明では検出手段で光・電気負帰還ループの
制御電流が検出されることにより変換手段の変換誤差が
検出される。
請求項4の発明では前記回路にてスイッチング信号によ
りオフセット電流がオン・オフされ、前記和または差の
電流に前記オフセット電流を加算した電流によって半導
体レーザが制御される。
〔実施例〕
第1図は請求項1の発明の一実施例を示す。
発光レベル指令信号は比較増幅器1及び電流変換器2に
入力され、被駆動半導体レーザ3の光出力の一部が受光
素子4によりモニターされる。比較増幅器1と半導体レ
ーザ3.受光素子4は光・電気負帰還ループを形成し、
比較増幅器1は受光素子4に誘起された光起電流(半導
体レーザ3の光出力に比例する)に比例する受光信号と
発光レベル指令信号とを比較してその結果により半導体
レーザ3の順方向電流を受光信号と発光レベル指令信号
とが等しくなるように制御する。また電流変換器2は前
記受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなるように
発光レベル指令信号に従って予め設定された電流(半導
体レーザ3の光出力・順方向電流特性及び受光素子4と
半導体レーザ3との結合係数、受光素子3の光入力・受
光信号特性に基づいて予め設定された電流)を出力する
この電流変換器2の出力電流と、比較増幅器1より出力
される制御電流との和の電流が半導体レーザ3の順方向
電流となる。
ここで、前記光・電気負帰還ループの開ループでの交叉
周波数をf。とじ、DCゲインを10000とした場合
、半導体レーザ3の光出力Poutのステップ応答特性
は次のように近似できる。
Pout= PL+ (PS −PL)exp(−2t
t f ot )pt、:t=ωにおける光出力 PS:電流変換器2により設定された光量光・電気負帰
還ループの開ループでのDCゲインを10000として
いるので、設定誤差の許容範囲を0.1%以下とした場
合には、PLは設定した光量に等しいと考えられる。
したがって、仮に電流変換器2により設定された光量P
SがPLに等しければ、瞬時に半導体レーザ3の光出力
がPLに等しくなる。また、外乱等によりPSが5%変
動したとしてもf 0= 40MH2程度であれば、I
ons後には半導体レーザ3の光出力は設定値に対する
誤差が0.4%以下になる。
また半導体レーザ3の光出力を変化させた直後から設定
された時間τ。が経過するまでの全光量(光出力の積分
値f Pout)の誤差が0.4%以下になるための光
・電気負帰還ループの交叉周波数は、τ。= 50ns
とした場合40MHz以上であればよく、この程度の交
叉周波数ならば容易に実現できる。
さらに、この実施例では電流変換器2の出力電流を光・
電気負帰還ループの制御電流に加算する構成であるが、
半導体レーザ3と並列に電流変換器2を接続する構成と
すれば電流変換器2の出力電流と光・電気負帰還ループ
の制御電流との差の電流により半導体レーザ3を制御す
る構成が実現できる。
このように請求項1の発明の実施例によれば高速、高精
度、高分解能な半導体レーザ制御装置が実現できる。
第4図は請求項2の発明の一実施例を示す。
発光レベル指令信号は比較増幅器1及び電流変換器2に
入力され、被駆動半導体レーザ3の売出力の一部が受光
素子4によりモニターされる。比較増幅器1と半導体レ
ーザ3.受光素子4は光・電気負帰還ループを形成し、
比較増幅器1は受光素子4に誘起された光起電流(半導
体レーザ3の光出力に比例する)に比例する受光信号と
発光レベル指令信号とを比較してその結果により半導体
レーザ3の順方向電流を受光信号と発光レベル指令信号
とが等しくなるように制御する。また電流変換器2は前
記受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなるように
発光レベル指令信号に従って予め設定された電流(半導
体レーザ3の光出力・順方向電流特性及び受光素子4と
半導体レーザ3との結合係数、受光素子3の光入力・受
光信号特性に基づいて予め設定された電流)を出力する
トランジスタ5,6、電流源7及びバイアス電源8はス
イッチング回路を構成し、半導体レーザ3を発光させる
タイミングでスイッチング信号がトランジスタ5のベー
スに入力される。このスイッチング信号が入力されてい
ないときにはバイアス電源8のバイアス電圧によりトラ
ンジスタ6がオンしてトランジスタ5がオフし、電流源
7からの電流(オフセット電流)が半導体レーザ3に供
給されなくて半導体レーザ3が発光しない。スイッチン
グ信号がトランジスタ5のベースに入力されると、トラ
ンジスタ5がオンしてトランジスタ6がオフし、電流源
7からの電流が半導体レーザ3に供給されなくて半導体
レーザ3が発光する。この場合半導体レーザ3はスイッ
チング回路による駆動電流と、電流変換器2の出力電流
と、光・電気負帰還ループの制御電流との和の電流によ
り制御される。
ここで、前記光・電気負帰還ループの開ループでの交叉
周波数をf、とじ、DCゲインを1ooooとした場合
、半導体レーザ3の光出力P outのステップ応答特
性は次のように近似できる。
Pout= PL+ (PS −PL)exp(−2x
 f 、 t )PL:t=ωにおける光出力 PS:電流変換器2の出力電流とスイッチング回路の駆
動電流との和の電流により設定された光量 光・電気負帰還ループの開ループでのDCゲインを10
000としているので、設定誤差の許容範囲を0.1%
以下とした場合には、PLは設定した光量に等しいと考
えられる。
したがって、仮に電流変換器2により設定された光量P
SがPLに等しければ、半導体レーザ3の光出力が瞬時
にPLに等しくなり、スイッチング回路による駆動電流
値まではスイッチング回路の動作が高速で行われるため
に電流変換器2の立上り速度に依存しないで高速に立ち
上がる。さらに、−船釣に半導体レーザの光出力・電流
特性は第6図に示すようにしきい値電流までは半導体レ
ーザが発信しないので、オフセット電流による消光比の
劣化がほとんど発生しない。また、外乱等によりPSが
5%変動したとしてもf。= 40MH2程度であれば
、10ns後には半導体レーザ3の光出力は設定値に対
する誤差が0.4%以下になる。
また半導体レーザ3の光出力を変化させた直後から設定
された時間τ。が経過するまでの全光量(光出力の積分
値J Pout)の誤差が0.4%以下になるための光
・電気負帰還ループの交叉周波数は、τ。= 50ns
とした場合40M)12以上であればよく、この程度の
交叉周波数ならば容易に実現できる。
第2図は請求項3の発明の一実施例を示す。
発光レベル指令信号は比較増幅器1及び電流変換器2に
入力され、被駆動半導体レーザ3の光出力の一部が受光
素子4によりモニターされる。比較増幅器1と半導体レ
ーザ3.受光素子4は光・電気負帰還ループを形成し、
トランジスタ9,10、電流源12及びバイアス電源1
3は差動増幅器14を構成している。比較増幅器1は受
光素子4に誘起された光起電流(半導体レーザ3の光出
力に比例する)に比例する受光信号と発光レベル指令信
号とを比較してその結果により差動増幅器14を介して
半導体レーザ3の順方向電流を受光信号と発光レベル指
令信号とが等しくなるように制御する。また電流変換器
2は前記受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなる
ように発光レベル指令信号に従って予め設定された電流
(半導体レーザ3の光出力・順方向電流特性及び受光素
子4と半導体レ−ザ3との結合係数、受光素子3の光入
力・受光信号特性に基づいて予め設定された電流)を出
力する。こめ電流変換器2の出力電流と、差動増幅11
!14より出力される制御電流との和の電流が半導体レ
ーザ3の順方向電流となる。
ここで、前記光・電気負帰還ループの開ループでの交叉
周波数をfoとし、DCゲインを10000とした場合
、半導体レーザ3の光出力P outのステップ応答特
性は次のように近似できる。
Pout= ’PL+ (PS −PL)exp(−2
tc f ot )PL:’t=ψにおける光出力 PS:電流変換器2により設定された光量光・電気負帰
還ループの開ループでのDCゲインを10000として
いるので、設定誤差の許容範囲を0.1%以下とした場
合には、PLは設定した光量に等しいと考えられる。
したがって、仮に電流変換器2により設定された光量P
SがPLに等しければ、瞬時に半導体レーザ3の光出力
がPLに等しくなる。この場合にはPoL+t:PLで
あるので、比較増幅器1の出力は変化しない。すなわち
、抵抗11に流れる電流値は変化しないので、抵抗11
の両端間電圧は変化しない。
しかしながら外乱等によりPSが変動した場合には、電
流変換器2による過不足の電流を比較増幅器1により半
導体レーザ3の順方向に流す。この電流値は、抵抗11
を流れる電流を、電流源12により設定された電流から
引いた値となる。したがって、抵抗11は半導体レーザ
3の制御電流を検出することになり、抵抗11の両端間
電圧を測定することにより、電流変換器2の変換誤差に
相当する電流値を検出することができる。
第3図は請求項3の発明の他の実施例を示す。
この実施例は第2図の実施例において、比較増幅器1の
出力電流を電流検出用抵抗15を介して半導体レーザ3
に供給し、電流検出用抵抗15の両端間電圧を差動増幅
器16により取り出すようにしたものである。したがっ
て、光・電気負帰還ループの制御電流が電流検出用抵抗
15により検出されて差動増幅器16を介して取り出さ
れる。
第5図は請求項4の発明の一実施例を示す。
発光レベル指令信号は比較増幅器1及び電流変換器2に
入力され、被駆動半導体レーザ3の光出力の一部が受光
素子4によりモニターされる。比較増幅器1と半導体レ
ーザ3.受光素子4は光・電気負帰還ループを形成し、
トランジスタ17.18、電流源20及びバイアス電源
21は差動増幅器22を構成している。比較増幅器1は
受光素子4に誘起された光起電流(半導体レーザ3の光
出力に比例する)に比例する受光信号と発光レベル指令
信号とを比較してその結果により差動増幅器22を介し
て半導体レーザ3の順方向電流を受光信号と発光レベル
指令信号とが等しくなるように制御する。またトランジ
スタ23.24.電流源25及びバイアス電源26はス
イッチング回路を構成し、電流変換器2は前記受光信号
と発光レベル指令信号とが等しくなるように発光レベル
指令信号に従って予め設定された電流(半導体レーザ3
の光出力・順方向電流特性及び受光素子4と半導体レー
ザ3との結合係数、受光素子3の光入力・受光信号特性
に基づいて予め設定された電流)から、電流源25によ
り設定された電流値(オフセット電流値)だけ少ない電
流を出力する。
トランジスタ23のベースには半導体レーザ3を発光さ
せるタイミングでスイッチング信号が入力される9この
スイッチング信号が入力されていないときにはバイアス
電源26のバイアス電圧によりトランジスタ24がオン
してトランジスタ23がオフし、電流源25からの電流
が半導体レーザ3に供給されなくて半導体レーザ3が発
光しない。スイッチング信号がトランジスタ23のベー
スに入力されると、トランジスタ23がオンしてトラン
ジスタ24がオフし、電流源25からの電流が半導体レ
ーザ3に供給されなくて半導体レーザ3が発光する。こ
の場合半導体レーザ3はスイッチング回路による駆動電
流と、電流変換器2の出力電流と、光・電気負帰還ルー
プの制御電流との和の電流により制御される。
ここで、前記光・電気負帰還ループの開ループでの交叉
周波数をfoとし、DCゲインを10000とした場合
、半導体レーザ3の光出力P outのステツブ応答特
性は次のように近似できる。
Pout= PL+(PS −PL)exp(−2tc
 f 、 t )PL:t=ωにおける光出力 PS:電流変換器2の出力電流とスイッチング回路の駆
動電流との和の電流により設定された光量 光・電気負帰還ループの開ループでのDCゲインを1o
oooとしているので、設定誤差の許容範囲を0.1%
以下とした場合には、PLは設定した光量に等しいと考
えられる。
したがって、仮に電流変換器2により設定された光量P
SがPLに等しければ、半導体レーザ3の光出力が瞬時
にPLに等しくなり、この場合にはPout=PLであ
るので、比較増幅器1の出力は変化しない。すなわち、
抵抗19に流れる電流値は変化しないので、抵抗19の
両端間電圧は変化しない。
しかしながら外乱等によりPSが変動した場合には、電
流変換器2による過不足の電流を比較増幅器1により半
導体レーザ3の順方向に流す。この電流値は、抵抗19
を流れる電流を、電流源20により設定された電流から
引いた値となる。したがって、抵抗19は半導体レーザ
3の制御電流を検出することになり、抵抗19の両端間
電圧を測定することにより、電流変換器2の変換誤差に
相当する電流値を検出することができる。またスイッチ
ング回路による駆動電流値まではスイッチング回路動作
が高速に行われるので、電流変換器2の立上り速度に依
存しないで高速に立ち上がる。さらに、−船釣に半導体
レーザの光出力・電流特性は第6図に示すようにしきい
値電流までは半導体レーザが発振しないので、オフセッ
ト電流による消光比の劣化はほとんど発生しない。
〔発明の効果〕
以上のように請求項1の発明によれば被駆動半導体レー
ザの光出力を受光部により検知してこの受光部から得ら
れる前記半導体レーザの光出力に比例した受光信号と発
光レベル指令信号とが等しくなるように前記半導体レー
ザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループと、前
記受光信号と前記発光レベル指令信号とが等しくなるよ
うに前起生導体レーザの光出力・順方向電流特性及び前
記受光部と前記半導体レーザとの結合係数、前記受光部
の光入力・受光信号特性に基づいて前記発光レベル指令
信号を前記半導体レーザの順方向電流に変換する変換手
段とを有し、前記光・電気負帰還ループの制御電流と前
記変換手段により生成された電流との和または差の電流
によって前記半導体レーザを制御するので、高速、高精
度、高分解能な半導体レーザ制御装置を*現できる。
また請求項2の発明によれば請求項1記載の半導体レー
ザ制御装置において、スイッチング信号によりオフセッ
ト電流をオン・オフする回路を備え、前記和または差の
電流に前記オフセット電流を加算した電流によって半導
体レーザを制御するので、半導体レーザを発光していな
い状態から発光させる場合でも半導体レーザの光出力を
高速に所定光量とすることができる。
請求項3の発明によれば請求項1記載の半導体レーザ制
御装置において、前記光・電気負帰還ループの制御電流
を検出することにより前記変換手段の変換誤差を検出す
る検出手段を備えたので、変換手段が最適かどうかを知
ることができ、これにより変換手段を最適になるように
設定することができる。
さらに請求項3の発明によれば請求項3記載の半導体レ
ーザ制御装置において、スイッチング信号によりオフセ
ット電流をオン・オフする回路を備え、前記和または差
の電流に前記オフセット電流を加算した電流によって半
導体レーザを制御するので、変換手□段が最適かどうか
を知ることができて変換手段を最適になるように設定す
ることができ、かつ高速に半導゛体し−ザの光出力をオ
ン・オフさせることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は請求項1の発明の一実施例を示すブロック図、
第2図及び第3図は請求項3の発明の各実施例を示すブ
ロック図、第4図は請求項2の発明の一実施例を示すブ
ロック図、第5図は請求項4の発明の一実施例を示すブ
ロック図、第6図は半導体レーザの光出力・電流特性を
示す特性図である。 1・・・電流変換器、2・・・比較増幅器、3・・・半
導体レーザ、4・・・受光素子、5〜8・・・スイッチ
グ回路、11・・・電流検出用抵抗、14・・・差動増
幅器、15・・・電流検出用抵抗、16・・・差動増幅
器、19・・・電流検出用抵抗、22・・・差動増幅器
、23〜26・・・スイッチグ回路・

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、被駆動半導体レーザの光出力を受光部により検知し
    てこの受光部から得られる前記半導体レーザの光出力に
    比例した受光信号と発光レベル指令信号とが等しくなる
    ように前記半導体レーザの順方向電流を制御する光・電
    気負帰還ループと、前記受光信号と前記発光レベル指令
    信号とが等しくなるように前記半導体レーザの光出力・
    順方向電流特性及び前記受光部と前記半導体レーザとの
    結合係数、前記受光部の光入力・受光信号特性に基づい
    て前記発光レベル指令信号を前記半導体レーザの順方向
    電流に変換する変換手段とを有し、前記光・電気負帰還
    ループの制御電流と前記変換手段により生成された電流
    との和または差の電流によって前記半導体レーザを制御
    することを特徴とする半導体レーザ制御装置。 2、請求項1記載の半導体レーザ制御装置において、ス
    イッチング信号によりオフセット電流をオン・オフする
    回路を備え、前記和または差の電流に前記オフセット電
    流を加算した電流によって前記半導体レーザを制御する
    ことを特徴とする半導体レーザ制御装置。 3、請求項1記載の半導体レーザ制御装置において、前
    記光・電気負帰還ループの制御電流を検出することによ
    り前記変換手段の変換誤差を検出する検出手段を備えた
    ことを特徴とする半導体レーザ制御装置。 4、請求項3記載の半導体レーザ制御装置において、ス
    イッチング信号によりオフセット電流をオン・オフする
    回路を備え、前記和または差の電流に前記オフセット電
    流を加算した電流によって前記半導体レーザを制御する
    ことを特徴とする半導体レーザ制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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