JPH0318079A - 半導体レーザ駆動装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は光源としての半導体レーザの光出力を検出し、
該検出信号から、所望周波数帯域の信号を抽出して注入
電流に帰還するようにした半導体レーザ駆動装置に関す
る。

［従来の技術］ 従来、光がデオディスクなどから、光学的に情報を再生
する情報再生装置においては、半導体レーザを光源とし
て用いる時、光ディスクからの戻り光によって、半導体
レーザの出力光に戻り光によって誘起されるノイズが乗
り、情報再生に支障があった。また、光通信などの技術
分野においても、光学部品、例えば光ファイバーの端か
らの反射光が半導体レーザに戻り、その戻り光によって
ノイズが誘起され、問題であった。

このようなノイズ発生に対する対策としては、従来から
、特公昭５９−９０８６号公報にも開示されているよう
に、半導体レーザが多重縦モード発振するように注入す
る直流電流バイアスに一定の高周波電流を重置して雑音
を低減することが提唱されている。しかし、通常の駆動
装置のほかに、別途、高周波電流源が必要であって、し
かも、この電流源からの出力は、バイアス電流のしきい
値を深くきるような大きな変調度を得るように大きく設
定しなければならない。このため、装置の規模も大きく
なり、コストも高くなる。また，高周波電流源の出力が
大きいために、不用電磁輻射になる雑音が大きいという
問題点を有している。

そこで特開昭５９−１２９９４８号、特開昭６２−３５
３４号公報に開示されているように、半導体レーザから
の光出力を検出し、その検出信号の高周波成分、望まし
くは、上記半導体レーザの緩和振動の共振周波数成分を
、上記半導体レーザの注入電流に正帰還させる方式が提
唱されている。

この方式によれば，装置規模も小さくでき、雑音低減の
ための電力も小さくてよい。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この方式では、半導体レーザの光出力の
“ゆらぎ”、すなわち雑音を検出して、これをバイアス
電流に正帰還するものであるから、半導体レーザがうけ
る雑音強度により、正帰還による高周波発振の開始が支
配され、安定した高周波発振が常に得られるわけではな
い。また、半導体レーザの特性、例えば、緩和振動の共
振周波数、レーザ容量、負荷などは、注入電流、温度、
半導体レーザへの戻り光量、その戻り光の遅延時間など
により変化するため、高周波発振の安定度が悪く、発振
と非発振とが不安定に生じる。

また、前述の特開昭５９−１２９９４８号公報で開示さ
れているような、この方式においても、前述の特公昭５
９−９０８６号公報で開示したと同様に、半導体レーザ
のしきい値を切るような大きな変調度がないと、雑音の
低減効果は充分に発揮できない。しかも、半導体レーザ
の光出力は、高周波発振の周波数に応じてパルス発光と
なるので、同じバイアス電流を注入していても、高周波
発振時と非発振時とでは、半導体レーザの平均光出力に
は大きな差を生じることになる。すなわち、高周波の発
振／非発振の繰り返しにより、半導体レーザの光出力が
変化してしまうという問題を有している。更に加えて、
前述のように、高周波発振の最中においても不安定要素
であり、光出力の可能性が残される。

また、前述の特開昭６２−３５３４号公報所載の方式に
おいでは、半導体レーザの出力を、情報により変調する
例が示されているが、上記変調により．高周波発振の変
調度が変化するから、前述の問題点と考え合わせると、
雑音の変動と光出力の変動とが、実に上述の情報による
変調で変化され、Ｓ／Ｎ比が劣悪なものとなる。

［発明の目的］ 本発明は上記事情にもとづいてなされたもので、光学的
に情報を記録、再生、消去しあるいは伝送する際、半導
体レーザの雑音低減を充分にはたし、しかも、簡便な手
段でこれを達或でき、安定で信頼性の高い、低コストな
半導体レーザ駆動装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ そこで、本発明では、光源としての半導体レーザの光出
力を検出し、該検出信号の少なくとも一部の周波数帯域
の信号を、上記半導体レーザに対し注入電流を通して正
帰還させる半導体レーザ駆動装置において、上記半導体
レーザの注入電流を通して信号を正帰還するフィードバ
ック手段に対して、上記電流の変調度に対応した変調信
号で、上記正帰還信号を含む周波数帯域の高周波信号源
を上記フィードバック手段に接続するように構成してい
る。

［作　用１ このような構成では、外部情報、例えば記録、消去時と
再生時とで、上記注入電流の変調度をかえる時、再生時
においては上記正帰還信号を含む周波数帯域の高周波信
号がバイアス電流に重置され、所望の光出力値に安定化
することが出来、しかも雑音低減効果を充分に維持でき
る。また、高周波帯域が制限されているので、装置を小
規模、低コストで実現できる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を、第１図および第２図を参照
して具体的に説明する。図において、符号ｌは光源とし
ての半導体レーザであり、その後方にはモニタ用フォト
ダイオード２が配設されていて、上記半導体レーザ１の
後方出力をモニタしている。処理回路４には入力端子３
が接続してあって、ここには情報に応じたレベルで変調
された変調指令信号が入力される。上記処理回路４から
の出力信号はアンブ５、比較器（■）９、比較器（ｎ）
１４および高周波信号源（たとえば高周波電圧源）１５
へと出力される。上記アンプ５の出力は電圧／電流変換
器６を介して（更に図示しないインダクタンス回路を介
して）半導体レーザ１に印加され、また、高周波電圧源
１５の出力は、アンプｌＯに入力され、上記アンプ１０
の出力は電圧／電流変換器１１を介して（更に図示しな
いカップリングコンデンサを介して）上記半導体レーザ
１に印加される。上記モニタ用フォトダイオード２の出
力電流はローパスフィルタ７を介して高周波成分を遮断
した後、電流／電圧変換器８を介して比較器（Ｉ）９に
供給され、処理回路４からの信号と比較される。その結
果の出力信号はアンブ５に与えられて、モニタ用フォト
ダイオード２から比較器（Ｉ）９、アンプ５などを通り
レーザ１へまでのネガティブフィードバック系により、
オートバワーコントロールを達成する。

一方、上記モニタ用フォトダイオード２の出力電流はハ
イパスフィルタｌ２を介して低周波成分を遮断した後、
電流／電圧変換器８を介して比較器（ＩＩ）１４に供給
され、処理回路４からの信号と比較される。その結果の
出力信号は処理回路４に与えられ、また、アンブ１０に
与えられるモニタ用フォトダイオード２から比較器（Ｉ
Ｉ）１４、アンプ１０を通りレーザｌへいたるポジティ
ブフィードバック系により、高周波発振が達成されるが
、この時、処理回路４からの指令信号によっては、高周
波電圧源ｌ５からは所定の高周波信号が上記アンブ１０
の信号に重置される。

このような構成では、入力端子３より処理回路４に、情
報に応じて変調された信号（デジタルあるいはアナログ
信号）が入力される。次に、本発明を情報の記録、再生
に適用した場合について説明する。再生時には、半導体
レーザｌの平均光出力を再生用光パワーＰ，Ｉのレベル
にするための信号が比較器（Ｉ）９、アンプ５、比較器
（ＩＩ）１４（高周波発振正帰還用比較器）に対して処
理回路４から与えられる。具体的には、予め常温でレー
ザバワーがＰＲとなるように調整したモードになる電圧
を与え、アンプ（■）５から出力された電圧を電圧／電
流変換器６で対応した直流電流に変換し、半導体レーザ
ｌに注入する。また、高周波電圧源９からは、許容雑音
レベルの振幅を持つ高周波電圧がアンプ（ＩＩ）１０に
入力され、これが電圧／電流変換器１ｌを介して、高周
波電流として半導体レーザ１に注入され、先きの直流電
流成分に重置される。半導体レーザｌの出力ＰＲが周囲
温度などの影響により、高周波発振周波数より低い周波
数で変動すると、フォトダイ才一ド２の出力電流らこれ
に比例して変動するから、その低周波成分のみをローパ
スフィルタ７で抽出し、電流／電圧変換器８にて電圧と
して（また、必要なら増幅して）比較器（Ｉ）９に入力
する。

上記比較器（工）９では、処理回路４から入力された基
準電圧と、フォトダイ才一ド２からの出力電圧とを比較
し、半導体レーザｌの出力の低周波変動を打消すように
、アンブ５に反転した誤差信号を送る．換言すれば、半
導体レーザｌに対しては、フォトダイオード２、ローパ
スフィノレタ７，電流／電圧変換器８、比較ｆｆｌ（１
）９、アンブ５および電圧／電流変換器６により低周波
域の負帰還がかけられ、光出力の低周波域が安定され、
オートバワーコントロールが達成される。また、この時
、上述と同様に、半導体レーザ１に対しては，フォトダ
イオード２、ハイパスフィノレタｌ２、電流／電圧変換
器ｌ３、比較器（Ｉ１）ｌ４、アンプＩＯおよび電圧／
　ｒｓ流変換器ｌ１により高周波域の正帰還がかけられ
、基本的には従来技術と同じ原理で、情報信号周波数よ
り充分高い高周波で発振が可能となる．この時、比較器
（ＩＩ）１４に与えられる処理回路４からの基準電圧は
，半導体レーザ１へのバイアスに対して正帰還されるよ
うに設定されている．ＦＩＡ言すれば、再生時に必要な
半導体レーザｌの許容雑音（例えば、相対雑音強度でＩ
　Ｏ−”／＋１２）を越えるような雑音がある時必ず正
帰還がかかり、許容雑音以下になるような大きな振幅を
持つ高周波発振が起り、半導体レーザ１に大きな変調度
を持つ高周波電流が注入されるようにするのである。具
体的には、許容雑音以下で発振を確実に保つには、許容
雑音レベルを小さく取り（ローパスおよびハイパスフィ
ルタによって限られる周波数帯域）、正帰還回路の各要
素を高性能（マージンを取り、雑音レベル、利得、位相
の周波数特性を可成り良好にする）にする必要がある。

そこで、本発明の実施例では高周波帯域の信号源（電圧
＃ｔ）１５を設け、その出力をアンプ１０に入力するこ
とで、正帰還回路の高性能化を不要にし、コスト的に低
減できるようにしたのである。つまり、比較器（Ｉ１）
１４の出力として、許容雑音と検出された雑音の比較出
力があるが、これを処理回路４に入力し、これが小さい
場合、すなわち、許容雑音に近い雑音レベルの場合につ
いて処理回路４から、信号源１５に高周波帯域の信号を
出力させるための信号を送る。この高周波信号を、アン
プｌＯに入力することで、安定な正帰還を与えることに
なるのである。信号源１５の出力波形としては、様々な
周波数、位相を含む波形が可能であるが、パルスまたは
立上り（立下り）の鋭いステップ状波形が回路も簡単な
ので、望ましい。このような簡単な回路の追加により、
一度、発振が始まれば、後は通常の正帰還回路で発振が
持続し、レーザ雑音が低減されるのである。

第２図は、半導体レーザ１の電流〜光出力特性を示す模
式図であり、横軸はアンブ５より注入される直流電流、
縦軸は高周波発振帯域を平均化した平均光出力である。

ここでは符号１６が高周波発振していない時の特性であ
り、ｌ７が高周波発振している時の特性であり、実に、
ｌ８が高周波発振はしているが、前述のいづれかの原因
で高周波発振の振幅が小さくなった時の特性であり、平
均光出力が再生レベルＰＲである時の各特性１９，２０
．２１に対応している。すなわち、アンプ５およびｌＯ
から半導体レーザに最終的に注入される電流波形の一例
である。図から明らかなように、高周波発振が不安定で
あると、パルス発光が不安定で平均光出力が変動し、特
性１６，１７の中間で変動する。たとえば、最悪の場合
、電流波形ｌ７で出力Ｐ，ｌが得られているが、バイア
ス電流が一定で、高周波発振がバイアス電流値と異なる
電流波形２１のように停止すると、特性ｌ６からレーザ
発振が行われないことが理解されよう。しかし、本発明
によれば、前述のように、高周波発振周波数より低い周
波数の平均出力の変動を、前述のオート・パワーコント
ロールにより除去しているために、そのような不都合は
生じ難い。つまり、第２図において、高周波の発振に変
動があり、平均光出力に変化があると、オート・パワー
・コントロールにより、バイアス電流値を制御し、たと
えば、波形１９，２０．２１というように制御され、平
均光出力を再生用パワーＰＲに保つように動作するため
、低い周波数領域で安定かつ低雑音の光出力が得られる
。

更に、本発明によれば、高周波信号源１５から前述のよ
うに、適宜、高周波信号が加えられると、より安定な高
周波発振が得られ、戻り光量、戻り光遅延時間（戻り光
の位相）などによる第２図に示したような変動が少なく
なる。

次に，記録の時には、記録すべき情報に対応した変調信
号が入力端子３から処理回路４に与えられるが、ここで
は波形整形が行なわれアンプ５に半導体レーザｌを変調
する信号が与えられる。

たとえば、２値記録の場合、通常、再生用光パワーＰ７
と高出力半パワーＰ．とを２値に対応させて変調すると
すると、その時、比較器Ｎｌ）９へ与える基準電圧も、
そのＰＲ，Ｐ．に対応した２値に変調されたものが与え
られる。これにより、オート・パワーコントロールで、
それぞれの光出力ＰＲ，Ｐｌｌに安定化され、良好な光
変調が行なえる。

また，処理回路４は高周波発振の正帰還用の比較器（Ｉ
Ｉ）１４の基１！電圧として、レーザの光出力の変調に
対応して正帰還のオン・オフを行なうように与えられる
。それは光出力が大きいＰｗの時，高周波発振が起らな
いように、正帰還回路をカットすること、また、負帰還
になるように基準電圧の極性を変えるなどして、光出力
が小さいＰ，ｌの時、再生時と同じ電圧を与え、高周波
発振を可能とし，雑音を低減する。また、処理回路４か
ら信号源１５に与えられる制御信号も、同様に、光出力
がＰｗの時は、高周波発振が起らないように、パルスや
ステップ波形を出力しないようにし、光出力ＰＩＩの時
、再生時と同様に高周波発振させるように制御し、雑音
を低減するのである。

このようにして、ＰＲ，Ｐ．のどちらの光出力レベルで
も、また、高周波発振が変動する要因が発生しても、前
記才一トバワーコントロールと、高周波帯域信号源ｌ５
により、目的通りの低雑音のＰｌｌ，Ｐｗが半導体レー
ザ１から出力され、安定な記録動作が行なわれる。

なお、上述において、光出力がＰｗのときに、正帰還を
中止し、高周波発振を行なわないのは次の理由による。

すなわち、第２図に示されるように、バイアス電流が高
くなると、高周波発振の電流振幅が、特性ｌ７のように
大きくなっても、対応する電流波形の谷側のピークが、
既にしきい値を切らなくなり、それが特性１７（第２図
で）と特性１６とがバイアス電流の高い方で一致してし
まうからである。つまり、高出力では高周波の変調度が
低下し、雑音低減効果が期待できないのである。それだ
けでなく、電流波形の山側のピークが、レーザの最大定
格を越える可能性があり、レーザの寿命を短縮するおそ
れがあり、そこで高出力側では高周波の変調を中断する
のである。

なお、上記実施例において、信号源１５の出力端には、
望ましくは、高周波帯域のみを通過させるパンドパスフ
ィルタを設けるとよい。

また、上記実施例では雑音のレベル判定出力を比較器（
ＴＩ）１４からとり、処理回路４に導いたが、アンブ１
０で増幅した出力を用いてもよい。また、信号源１５の
出力をアンプ１０に入力したが、これら、正帰還回路中
であれば、フィルタｌ２からレーザ１の端子までの間の
どこに入力してもよい。この場合の人力信号は、その入
力個所に適合した信号に最適化される。このようにして
、本発明の上述の構成によって、半導体レーザ１の雑音
を十分に低減させ、しかも、半導体レーザ１の出力の変
調の有無によらず、安定な信頼性の高いレーザ駆動が可
能となる。

次に、第３図を参照して、本発明の別の実施例について
説明する。ここでは、高周波発振用の正帰還と、光出力
安定用の負帰還とを１つの帰還回路系で構成していて、
装置の簡素化を実現している。すなわち、入力端子３か
ら、情報に応じた変調信号を処理回路４に人力する。こ
こでは，前記実施例と同じように，情報の記録、再生に
ついての装置に適用して説明する。

再生時には、半導体レーザｌの出力を再生用光パワーＰ
Ｒに一定に保ち、高周波発振を行なう。

前述の実施例と同様に５処理回路４よりパワーＰ．に対
応した電圧がアンブ２２に与えられる。

そして、上記アンブ２２の出力電圧を電圧／電流変換器
２３により電流に変換し、半導体レーザｌに注入し、再
生用パワーＰＲを得る。モニタ用フォトダイオード２の
出力電流は、高周波発振帯域まで、周波数特性が伸びて
いる電流／電圧変換器２４により、半導体レーザｌの出
力光に対応した電圧を得る。ここで電流／電圧変換器２
４は、その周波特性が２段階に切替え可能であって、処
理回路４からの信号により、高周波発振帯域の周波数特
性が制御される。具体的には、高速のアナログスイッチ
でフィルタ特性を切替えるか、デジタルフィルタを用い
て特性を切換えるように構成される。こうして得られた
モニタ用電圧は、比較器２５に人力され、前実施例と同
様に、処理回路４より入力される基準電圧と比較され、
その反転誤差信号がアンブ２２に入力される。

したがって，処理回路４から比較器２５に与えられる基
準電圧をもとにして、半導体レーザｌに対してフォトダ
イオード２、電流／電圧変換器２４、比較器２５、アン
ブ２２、電圧／電流変換器２３により帰還がかけられる
。その帰還のゲインと位相の周波数特性は電流／電圧変
換器２４の周波数特性で決定され、基本的には、反転増
幅器による負帰還の構成である。そして、低周波におい
ては、位相が１８０度ずれており、通常の負帰還がかか
り、前記実施例と同様，オートバワーコントロールが行
なわれ、高周波においては、実に位相がまわり、３６０
度のずれで正帰還がかかる。その帯域でのゲインは１以
上に設定されており、発振が開始される。再生時には高
周波発振が可能な周波数特性をもった帰還が選択されて
いる。具体的には高周波発振帯域で帰還のゲインが１以
上でかつ位相が３６０”　　（またはその整数倍）まわ
るように、電流／電圧変換器２４の周波数特性を切換え
る。

また、前述の実施例と同様に、処理回路４により出力が
制御される高周波帯域信号源２６により、高周波発振の
安定化を実現している。比較器２５から、許容雑音と検
出雑音との比較出力が得られ、それをもとに処理回路４
が信号源２６を制御する。信号源２６が処理回路４から
出力命令を受けると、高周波帯域を含むパルスやステッ
プ状波形を出力する。それが比較器２５に入力され、前
記実施例と同様、強制的正帰還により高周波帯域で安定
な発振が始まる。このように、本発明により、部品点数
を少なくして、出力の安定化、低雑音化が実現できる。

記録時には、前述の実施例と同様に、入力端子３より与
えられた変調信号を処理回路４で波形整形して、アンプ
２２、電圧／電流変換器２３を介してレーザｌのバイア
スを変調する。また、比較器２５には、変調に対応して
変調された基準電圧を与え、変調に対応した才−トパワ
ーコントロールを実現する。実に、本実施例においても
、記録時の高出力レベルの際には高周波発振をやめ、低
出力レベルで発振させる。それには、処理回路４からの
変調に対応した信号により、電流／電圧変換器２４の高
周波発振帯域の周波数特性を切換えて行なう。具体的に
は、前記の帰還の高周波発振帯域でのゲインを１未満あ
るいは位相を３６０度（またはその整数倍）からずらす
ことで、もしくはその２つを同時に実現することで達成
することが可能である。また、高出力時に信号源２６の
出力を禁止し、高周波発振を起さず、低出力時に，再生
時と同様に、信号源２６から適宜の出力により高周波発
振を安定に起させるのである。

なお，上記実施例では本発明を光学的情報記録再生装置
について説明したが、勿論、情報の消去を行なう場合、
光通信、光計測などの分野にも適用可能である。また、
レーザの光出力を変調せず，低出力のみ用いている場合
、例えば、再生のみの場合、処理回路４や比較器の基準
電圧切換え、間波数帯域の切換えが不要であり、常に高
周波発振する状態に固定するケースでは、装置の単純化
が更に進む。

また、上記実施例では、変調の低出力、高出力状態で、
高周波発振、非発振を切換えているが、例えば、光ディ
スクメモリ装置などで、半導体レーザの雑音が再生時の
情報信号帯域（例えば１　００Ｋ〜２０ＭＨｚ）でのみ
問題となり、サーボ帯域（０〜５０ｋＨ．）や、記録、
消去時（記録媒体の記録、消去のしきい値が明確で、い
わゆるガンマが高い場合）では、レーザの雑音が問題に
ならないなら、再生時のみに高周波発振させるだけでも
よい。

また、高周波発振を安定化させるために発振の振幅増大
により本帰還回路の一部（例えばアンプ）を飽和するよ
うにして、実質のゲイン（損先も含む）が１になるよう
に設定する方式をとってもよい。

また、本実施例では正帰還回路として、フィルタ、比較
器、アンプ、電流／電圧変換器、電圧／電流変換器、信
号源などの構成を示しているが，これに限定されるもの
ではなく、高周波発振帯域で正帰還がかかり、それより
低周波域で負帰還がかかる構成であればよい。また、レ
ーザ光の検出器を，高周波用、低周波用に分けて設けて
ちよく、他の信号検出器と兼用してもよい。更に、これ
らの回路の全部または一部を、半導体レーザと集積化し
て作成してもよい。

また、上記実施例では負帰還による才一トパワーコント
ロールの周波数帯域を、高周波帯域近くまでとっている
が、高周波発振の不安定による光出力の変動の周波数帯
域が、ちつと低くければ、それに合わせればよい。また
、使用する情報信号帯域以下、またはサーボ帯域以下、
温度変動帯域以下にすることも可能である。また、これ
ら複数の帯域に分割して独立にオートパワーコントロー
ルすることも可能である。

また、半導体レーザの出力光のモニタとして、半導体レ
ーザのパッケージ内のフォトダイオードを使用している
が、記録や消去に必要な高い出力を半導体レーザから取
出すのに、通常、レーザの前端面に低反射率、後端面に
高反射率の部材を設けていて、戻り光があると、前方出
力と後方出力との相似性が崩れることがあるから、望ま
しくは前方出力の一部を別途に設けた光検出器でモニタ
するとよい。

また、高周波帯域信号源は本帰還が確実にかかるもので
あればよく、パルス波形やステップ波形に限定されるも
のではない。

［発明の効果コ 本発明は、以上詳述したようになり、許容雑音レベルの
範囲で高周波発振により、高周波帯域で正帰還してレー
ザの雑音を低減し、かつ高周波発振を安定化することが
でき、半導体レーザの駆動が、比較的簡素で低コストな
構成により、安定で信頼性のある状態で実現できる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の一実旅例を示すブロック図、第２図は
高周波発振駆動を行った場合のレーザの出力特性を説明
するグラフ、第３図は別の実施例を示すブロック図であ
る。 ■・・・半導体レーザ ２・・・フォトダイオード ９，ｌ４・・・比較器 ８．１３・・・電流／電圧変換器 ６，１ｌ・・・電圧／電流変換器 １５・・・信号源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　光源としての半導体レーザの光出力を検出し、該検出
   信号の少なくとも一部の周波数帯域の信号を、上記半導
   体レーザの光出力に対して注入電流を通して正帰還させ
   るようにした半導体レーザ駆動装置において、上記半導
   体レーザの注入電流を通して、半導体レーザーに信号を
   正帰還する帰還手段に対して、上記電流に対応した変調
   信号で、上記正帰還信号を含む周波数帯域の高周波信号
   源を上記帰還手段に接続するように構成したことを特徴
   とする半導体レーザ駆動装置。