JP2000077767A - 半導体レーザ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ駆動回路の故障検出後にリセッ
トしても、半導体レーザの平均光出力パワーを抑えて、
人体に危険な量のレーザ放射を行わない半導体レーザ駆
動回路を提供する。 【解決手段】 ＤＣバイアス電流供給回路３は、半導体
レーザ４にバイアス電流を供給する。モニターフォトダ
イオード５は、半導体レーザ４から出力されたレーザ光
を受けて光電変換し、故障検出回路９は、その受光量に
よって故障を検出して、半導体レーザ４の光出力を停止
し、その故障を制御信号（ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ）にて外部
に通知する。リセット遅延回路１０は、故障検出回路９
をリセットすると共に半導体レーザ４をオン指示するリ
セット信号（ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＥＬ）を受けて、あらか
じめ設定された遅延時間経過後、ＤＣバイアス電流供給
回路３の出力をオン指示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ駆動
回路の故障検出後にリセットしても、人体に危険な量の
レーザ放射を行わない半導体レーザ駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザを使用した製品では、レー
ザの持つエネルギーにより人体、特に眼や皮膚に障害が
発生するのを未然に防止するために、その危険度に応じ
てクラス分けを行うことが、規格および法律等により規
定されている。

【０００３】半導体レーザを光源とした光データリンク
では、レーザ安全をクラス１とすることが多い。このク
ラス１は、本質的に安全で、どのような条件の下でも人
体に対するレーザ放射の露光の管理値（これを最大許容
露光量という）を超えないことが求められる。このた
め、半導体レーザ駆動回路にレーザ安全クラス１の最大
許容露光量のレーザ放射を生じうる故障が発生した場合
には、半導体レーザの光出力を直ちに停止し、異常が発
生したことを制御信号等により外部に出力することが多
い。また、半導体レーザの光出力のオン／オフを、デー
タリンク外部から入力される信号により制御できるよう
にしている。ここで、簡便のために、その故障を検出す
る回路を単に「故障検出回路」、その故障を外部に通知
する制御出力信号を「ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ」、半導体レー
ザの光出力のオン／オフを制御する入力信号を「ＴＸ＿
ＤＩＳＡＢＬＥ」とする。

【０００４】図５に光データリンクの送信部の半導体レ
ーザ駆動回路の構成例を示す。ＤＣバイアス電流供給回
路３は、半導体レーザ４にバイアス電流を供給する。入
力バッファ１は、送信データを受けて、変調電流駆動回
路２を変調し、その変調電流を半導体レーザ４のバイア
ス電流に重畳する。モニターフォトダイオード５は、半
導体レーザ４から出力されたレーザ光を受けて、光電変
換する。そして積分回路６でその電流を積分して、基準
電圧発生器７からの基準電圧を誤差増幅器８にて比較増
幅して、ＤＣバイアス電流供給回路３にフィードバック
すると共に、故障検出回路９に出力する。故障検出回路
９は、モニターフォトダイオード５の受光量によって故
障を検出して、半導体レーザ４の光出力を停止し、その
故障を制御信号にて外部に通知する。

【０００５】半導体レーザは、しきい値電流が温度依存
性を持っている。そのため、上記構成に示すように、半
導体レーザ４の光出力パワーをフォトダイオード５によ
りモニターし、半導体レーザ４の光出力パワーが一定と
なるようにバイアス電流を負帰還制御するＡＰＣ(Autom
atic Power Control)回路が必要となる。ＡＰＣ制御を
正常に行っている場合には、フォトダイオード５の出力
電流は一定に保たれている。何らかの故障が発生し、半
導体レーザ４の光出力パワーが大きくなり過ぎた場合に
はフォトダイオード５の出力電流はそれに応じて増加す
る。例えば、モニターフォトダイオード５の出力が開放
状態になってしまった場合にはバイアス電流がＡＰＣに
よりバイアス電流供給回路３のドライブ能力の限界まで
流れうる。一方、半導体レーザの光出力パワーが低下し
ている場合にはフォトダイオード５の出力電流は減少す
る。また、半導体レーザ４が劣化してくると、しきい値
電流が次第に増加するためバイアス電流は次第に増加す
る。このため、半導体レーザ駆動回路の故障状態とし
て、第１にモニターフォトダイオード５の出力電流の値
が所定の値以下となった場合、第２にモニターフォトダ
イオード５の出力電流の値が所定の値を超えた場合、第
３に半導体レーザ４のバイアス電流が初期値の２倍程度
となった場合等を規定することが多い。

【０００６】故障検出回路９が半導体レーザ駆動回路の
故障を検出した場合、故障検出回路９は半導体レーザ４
の光出力を停止し、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ出力をＡｃｔｉｖ
ｅ（たいていはＡｃｔｉｖｅ Ｈｉｇｈ）にする。そし
て、この半導体レーザ４の光出力が停止し、ＴＸ＿ＦＡ
ＵＬＴ出力がＡｃｔｉｖｅの状態がラッチされる。この
場合のタイミングチャートの例を図６に示す。

【０００７】しかしながら、予想し得ない事象により過
渡的に故障として検出する場合も起こりうるため、ラッ
チした故障検出状態をＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥ等の制御入
力信号を使用してリセットできるようにすることがあ
る。この場合のタイミングチャートの例を図７および図
８に示す。図７は検出された故障が過渡的な場合、図８
は検出された故障が継続的な場合である。このタイミン
グチャートの故障検出回路では、故障検出状態（ＴＸ＿
ＦＡＵＬＴがＨｉｇｈ、半導体レーザの光出力がオフの
状態）となっている時に、ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥを最小
ｔ＿ｒｅｓｅｔの間だけＨｉｇｈにすることで、故障検
出状態をリセットすることができる。検出された故障が
過渡的な場合には、図７に示すように、ＴＸ＿ＤＩＳＡ
ＢＬＥをＬｏｗにしてからｔ＿ｏｎ＿ｒｅｓｅｔ以内
に、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴをＬｏｗにし、半導体レーザの光
出力をオンにする。検出された故障が継続的な場合に
は、図８に示すように、ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥを最小ｔ
＿ｒｅｓｅｔの間だけＨｉｇｈにした後にＬｏｗにする
と故障検出状態をリセットするが、故障が継続している
ため、故障検出回路がその状態を検出する。そして、故
障を検出してからｔ＿ｆａｕｌｔ以内に半導体レーザの
光出力をオフにし、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ出力をＡｃｔｉｖ
ｅにする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
故障検出回路では、故障検出状態のリセットを行うと、
ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥをＬｏｗにしてからｔ＿ｏｎ＿ｒ
ｅｓｅｔ以内に、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴがＬｏｗに、半導体
レーザの光出力がオンになる。ここで、ｔ＿ｒｅｓｅｔ
は最小で１０μｓｅｃ程度の時間が要求され、ｔ＿ｆａ
ｕｌｔは最大で１００μｓｅｃ程度の時間が要求される
場合が多い。また、従来の技術では、ｔ＿ｏｎは、数１
０μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ程度に設定する場合が多い。

【０００９】故障が継続している状態でリセット動作を
繰り返して行うと、図９に示すように半導体レーザの光
出力がそれに応じてオンになり、ｔ₁ 経過後に半導体レ
ーザの光出力はオフとなる、というパルス状に発光する
状態を繰り返す。半導体レーザの光出力がオンの状態が
継続する時間ｔ１は、最悪の場合、故障が検出され故障
検出状態となるｔ＿ｆａｕｌｔに等しくなる。短時間の
間にこのリセット動作を繰り返すと、リセット動作が繰
り返されている間の平均光出力パワーはかなり大きくな
ることが予想される。リセット動作が繰り返されている
間の平均光出力パワーをＰａｖｅ＿ｒｅｓｅｔとする
と、Ｐａｖｅ＿ｒｅｓｅｔ＝Ｐｏ・ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）
…となり、光出力のオンとオフのデューティ比が大き
いほど平均光出力パワーが大きくなる。故障状態、特に
ＡＰＣ回路に故障がある場合には、Ｐｏはかなり大きく
なり、Ｐａｖｅ＿ｒｅｓｅｔはレーザ安全クラス１の最
大許容露光量を超える可能性が大きい。光データリンク
にこの故障検出回路が盛り込まれている場合、このリセ
ット動作は光データリンクが設置されるシステムにより
制御されるため、光データリンク単体でレーザ安全クラ
ス１を満足することはできなくなる。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するため、半導
体レーザ駆動回路の故障検出後にリセットしても、半導
体レーザの平均光出力パワーを抑えて、人体に危険な量
のレーザ放射を行わない半導体レーザ駆動回路を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】式より、リセット動作
が繰り返されている間の平均光出力パワーを小さくする
ためには、半導体レーザの光出力が オフになっている
時間ｔ₂を大きくすれば良いことがわかる。しかしなが
ら、光データリンク側の回路はスレーブとなっているた
め、システムがリセット動作を繰り返す間隔を制御する
ことができない。そこで、故障検出回路のリセット後に
半導体レーザの光出力がオンになるまでの時間ｔ＿ｏｎ
＿ｒｅｓｅｔ（図７参照）を長くすれば、半導体レーザ
の光出力がオフになっている時間ｔ₂を大きくすること
ができる。

【００１２】この目的を達成するため、本発明の半導体
レーザ駆動回路は、半導体レーザに駆動電流を供給する
電流供給回路と、前記半導体レーザの発するレーザ光を
受光する受光素子と、この受光素子の出力の変化を検出
して故障の判定を行う故障検出回路と、この故障検出回
路をリセットすると共に前記半導体レーザをオン指示す
るリセット信号を受けて、あらかじめ設定された遅延時
間経過後、前記電流供給回路の出力をオン指示するリセ
ット遅延手段とを具備することを特徴とする。

【００１３】以上の構成によって、故障検出回路がリセ
ット信号を受けた際、半導体レーザの出力がオンとなる
のを遅らせる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明の半導体レーザ駆動回路の
構成例を示す。ＤＣバイアス電流供給回路３は、半導体
レーザ４にバイアス電流を供給する。入力バッファ１
は、送信データを受けて、変調電流駆動回路２を変調
し、その変調電流を半導体レーザ４のバイアス電流に重
畳する。モニターフォトダイオード５は、半導体レーザ
４から出力されたレーザ光を受けて、光電変換する。そ
して積分回路６でその電流を積分して、基準電圧発生器
７からの基準電圧を誤差増幅器８にて比較増幅して、Ｄ
Ｃバイアス電流供給回路３にフィードバックすると共
に、故障検出回路９に出力する。故障検出回路９は、モ
ニターフォトダイオード５の受光量によって故障を検出
して、半導体レーザ４の光出力を停止し、その故障を制
御信号（ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ）にて外部に通知する。リセ
ット遅延回路１０は、故障検出回路９をリセットすると
共に半導体レーザ４をオン指示するリセット信号（ＴＸ
＿ＤＩＳＡＢＥＬ）を受けて、あらかじめ設定された遅
延時間経過後、ＤＣバイアス電流供給回路３の出力をオ
ン指示する。

【００１６】図２は、本発明による故障検出回路のリセ
ット時のタイミングを示す。故障検出状態になっている
場合、ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＥＬを最小ｔ＿ｒｅｓｅｔの間
Ｈｉｇｈに保持した後、Ｌｏｗにすると故障検出状態を
リセットできる。そしてｔ＿ｉｎｔの後、半導体レーザ
の光出力がオンとなる。そしてｔ₁後に再び故障を検出
して半導体レーザの光出力がオフとなる。

【００１７】図３は、リセット動作が繰り返されたとき
のタイミング例を示す。時間間隔ｔ₃ でリセット動作が
繰り返されている間（ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＥＬの破線で囲
んだ部分Ｒ）は、送信部光出力はオンとはならない（な
お、このリセット動作が繰り返されている時間はｔ＿ｉ
ｎｔよりも短い時間であり、周期的にということではな
い）。ｔ＿ｉｎｔ内に、リセット信号を繰り返し受け付
けて、最後のリセット信号を受け付けてからｔ＿ｉｎｔ
経過後、ＤＣバイアス電流供給回路３の出力をオン指示
して、半導体レーザの光出力がオンとなる。

【００１８】図４は、上記リセット遅延回路の一構成例
を示す。Ｕ１は、電源投入時にマイクロコンピュータ等
の自動リセット動作を行うパワー・オン・リセット（ま
たは電圧検出器）のＩＣ（または、同等の機能を有する
回路）である。これに相当するＩＣの例としては、Maxi
m Integrated Products社のＭＡＸ６３１４シリーズが
ある。

【００１９】ＦＡＵＬＴ＿ＤＥＴＥＣＴは駆動回路中の
故障が検出された場合にＨｉｇｈとなり、これはフリッ
プフロップＧ１によりラッチされ、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴに
Ｈｉｇｈが出力される。ＲＥＳＥＴはフリップフロップ
Ｇ１のリセットを行うための端子であり、Ｕ１のリセッ
ト出力が接続されている。ＲＥＳＥＴにはリセットを行
う場合Ｌｏｗが入力される。ＲＥＳＥＴにＬｏｗが入力
されるのは、半導体レーザ駆動回路への電源投入時、お
よび故障検出状態のリセット動作時である。ＴＸ＿ＤＩ
ＳＡＢＬＥは外部から半導体レーザ駆動回路を制御する
ための入力信号であり、Ｈｉｇｈが入力された場合には
光出力はオフ、Ｌｏｗが入力された場合には光出力はオ
ンとなる。ＬＤ＿ＥＮＢ＋は半導体レーザの光出力のオ
ン／オフを最終的に制御する信号であり、ＴＸ＿ＦＡＵ
ＬＴおよびＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥの両方がＬｏｗの場合
にのみＨｉｇｈとなり、半導体レーザの光出力をオンに
できる。また、ＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥにより故障検出状
態のリセットを行うことができる。

【００２０】次に図４の故障検出回路の論理真理値表を
以下の表１に示す。

【００２１】

【表１】 ここで、Ｈ：High，Ｌ：Low，Ｘ：High or Low ↑：立ち上がり(Low to High)，↓：立ち下がり(High t
o Low)を示す。

【００２２】この表１の論理に従い、故障検出状態のリ
セットを行う時の動作は以下の様になる。

【００２３】（１）ＦＡＵＬＴ＿ＤＥＴＥＣＴ入力がＬ
ｏｗからＨｉｇｈに還移することで故障を検出すると、
ＴＸ＿ＦＡＵＬＴにＨｉｇｈを出力し、ＬＤ＿ＥＮＢ＋
にＬｏｗを出力する（信号状態４）。これにより、半導
体レーザの光出力はオフとなる。

【００２４】（２）ＦＡＵＬＴ＿ＤＥＴＥＣＴ入力がＨ
ｉｇｈからＬｏｗに還移しても、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴおよ
びＬＤ＿ＥＮＢ＋出力はラッチされていて変化しない
（信号状態５）。

【００２５】（３）ＴＸ＿ＦＡＵＬＴがＨｉｇｈの状態
でＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥにＨｉｇｈを入力するとＲＥＳ
ＥＴ＿ＥＮにＬｏｗが出力される（信号状態６）。

【００２６】（４）ＲＥＳＥＴ＿ＥＮにＬｏｗが出力、
つまりＵ１のマスターリセット入力（バーＭＲ）にＬｏ
ｗが入力される。

【００２７】（５）Ｕ１のマスターリセット入力にＬｏ
ｗが入力されると、Ｕ１はリセット出力（バーＲＥＳＥ
Ｔ）をＬｏｗとする。

【００２８】（６）上記（３）でＴＸ＿ＤＩＳＡＢＬＥ
にＨｉｇｈが入力されてからｔ＿ｒｅｓｅｔ後にＴＸ＿
ＤＩＳＡＢＬＥはＬｏｗとなる。この時、ＲＥＳＥＴ＿
ＥＮ出力はＨｉｇｈになる（信号状態７）。

【００２９】（７）Ｕ１のリセット出力は、ＲＥＳＥＴ
＿ＥＮがＨｉｇｈに還移してから数１００ｍｓｅｃの間
（ｔ＿ｉｎｔ）は、Ｌｏｗに保たれる。Ｕ１のリセット
出力がＬｏｗつまり故障検出回路のＲＥＳＥＴ入力がＬ
ｏｗの間は、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴにはＨｉｇｈ、ＬＤ＿Ｅ
ＮＢ＋にはＬｏｗが出力される。

【００３０】（８）ｔ＿ｉｎｔ後にＵ１のリセット出力
がＨｉｇｈつまり故障検出回路のＲＥＳＥＴ入力がＨｉ
ｇｈになると、ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ出力はＬｏｗ、ＬＤ＿
ＥＮＢ＋出力はＨｉｇｈとなり、半導体レーザの光出力
はオンとなる（信号状態２）。

【００３１】（９）上記（７）により、ｔ＿ｉｎｔより
短い時間内に再度（１）〜（６）のリセット動作が繰り
返されたとしても、最後のリセット信号から、さらにｔ
＿ｉｎｔの期間はＬＤ＿ＥＮＢ＋はＨｉｇｈ、つまり半
導体レーザの光出力はオンとはならない。

【００３２】（１０）再度故障を検出した場合には上記
（１）となる。

【００３３】上記（１）〜（１０）の動作により、ｔ＿
ｉｎｔが数１００ｍｓｅｃ（またはそれ以上）となるよ
うに、パワーオンリセットのＩＣ（または同等の機能を
有する回路）を選択すれば、リセット動作繰り返し時の
平均光出力パワーＰａｖｅ＿ｒｅｓｅｔを、従来の技術
の数１００〜数１０００分の１程度に抑えることができ
る。

【００３４】以上のリセット遅延機能をパワーオンリセ
ット回路を用いて行うことによって、安価にかつ安定し
た動作を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の半導体レー
ザ駆動回路は、故障検出回路がリセット信号を受けた
際、半導体レーザの出力がオンとなるのを遅らせるの
で、故障検出回路のリセットを繰り返している間の半導
体レーザの平均光出力パワーを抑えることができ、レー
ザ安全クラス１を満足するレベルにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザ駆動回路の構成例を示す
図である。

【図２】本発明による故障検出回路のリセット時のタイ
ミングを示す図である。

【図３】リセット動作が繰り返されたときのタイミング
例を示す図である。

【図４】本発明によるリセット遅延回路の一構成例を示
す図である。

【図５】従来の半導体レーザ駆動回路の構成例を示す図
である。

【図６】従来の半導体レーザ駆動回路のタイミングチャ
ートである。

【図７】従来の半導体レーザ駆動回路のリセットのタイ
ミングチャートである。

【図８】従来の半導体レーザ駆動回路のリセットのタイ
ミングチャートである。

【図９】従来の半導体レーザ駆動回路の繰り返しリセッ
ト時のタイミングチャートである。

【符号の説明】

１…入力バッファ，２…変調電流駆動回路，３…ＤＣバ
イアス電流供給回路，４…半導体レーザ，５…モニター
フォトダイオード，６…積分回路，７…基準電圧発生
器，８…誤差増幅器，９…故障検出回路，１０…リセッ
ト遅延回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザに駆動電流を供給する電流
   供給回路と、 前記半導体レーザの発するレーザ光を受光する受光素子
   と、 この受光素子の出力の変化を検出して故障の判定を行う
   故障検出回路と、 この故障検出回路をリセットすると共に前記半導体レー
   ザをオン指示するリセット信号を受けて、あらかじめ設
   定された遅延時間経過後、前記電流供給回路の出力をオ
   ン指示するリセット遅延手段とを具備することを特徴と
   する半導体レーザ駆動回路。
2. 【請求項２】 前記リセット遅延手段が、前記遅延時間
   内に、前記リセット信号を繰り返し受け付けて、最後の
   リセット信号を受け付けてから前記遅延時間経過後、前
   記電流供給回路の出力をオン指示することを特徴とする
   請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。