JPH03270086A - 半導体レーザ制御装置 - 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〕 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の光出力を制御
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
導体レーザの光出力特性は温度により著しく変化し、半
導体レーザの光出力を所望の値とするために様々な半導
体レーザ制御装置、所謂Ａ　Ｐ　Ｃ（Ａ　ｕｔｏｍａｔ
ｉｃ　Ｐ　ｏｌｌｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が提案さ
れている。このＡＰＣ回路は大きく分けて次の３つの方
式に分類できる。

（１）半導体レーザの光出力を受光素子によりモニター
し、この受光素子から得られる半導体レーザの光出力に
比例した受光電流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常
時、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
素子でモニターしてこの受光素子から得られる半導体レ
ーザの光出力に比例した受光電流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設定
し、パワー設定期間外にはその設定値を保持するように
制御して半導体レーザの順方向電流を情報で変調する方
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、半導
体レーザの温度を一定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。

さらに、これらの方式より優れた第４の方式として、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
受光素子から得られる半導体レーザの光出力に比例した
受光電流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する光・電気負帰還ルー
プと、発光レベル指令信号を半導体レーザの順方向電流
に変換する電流変換器とを有し、この電流変換器により
生成された電流と上記光・電気負帰還ループの制御電流
との和または差の電流により半導体レーザを制御する方
式が提案されている。

〔発明が解決しようとするａ題〕

上記第４の方式では半導体レーザの微分量子効率が変動
した場合に、光・電気負帰還ループの開ループでの交叉
周波数が変動してしまうので、光・電気負帰還ループの
制御速度があらかじめ設定した値とは異なってしまい、
速度、精度および分解能が悪くなって外乱等の影響にも
弱くなる。

本発明は上記欠点を改善し、高速、高精度及び高分解能
で外乱等の影響に強い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、前記半導体レーザの光出力・順方向電流特性および
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あらかじめ
設定された変換規則に従い前記発光レベフレ指令信号を
前記半導体レーザの順方向電流に変換する変換手段と、
前記光・電気負帰還ループの制御電流を検出する検出手
段と、この検出手段からの検出信号により前記光・電気
負帰還ループの制御電流の絶対値が最小となるように前
記変換手段の変換特性の傾きを補正する第１の補正手段
と、前記検出手段からの検出信号により前記光・電気負
帰還ループの開ループでの交叉周波数を一定に補正する
第２の補正手段とを有し、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もの
であり、請求項２の発明は被駆動半導体レーザの光出力
を検知する受光部と、発光レベル指令信号を発光レベル
指令電流に変換し発光効率を可変できる変換手段と、こ
の変換手段からの発光レベル指令電流と前記受光部から
得られる受光信号との差の電流がゲートに入力される第
１の電界効果トランジスタと第２の電界効果トランジス
タあるいはトランジスタとを有し前記第１の電界効果ト
ランジスタのドレインが前記第２の電界効果トランジス
タのゲートあるいは前記トランジスタのベースに接続さ
れて前記第２の電界効果トランジスタのドレインあるい
は前記トランジスタのコレクタより出力信号を出力し前
記第２の電界効果トランジスタのソースあるいは前苫己
トランジスタのエミッタが前記第１の電界効果トランジ
スタのゲートに容量を介して接続された電流変換器とを
有し、この電流変換器の出力信号により前記半導体レー
ザの順方向電流を制御する半導体レーザ制御装置におい
て、前記変換手段の変換効率と前記電流増幅器の周波数
特性とを連動して変化させる可変手段を備えたものであ
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
ら柘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、変換手段が半導体レーザの光出
力・順方向電流特性および受光部と半導体レーザとの結
合係数、受光部の光入力・受光信号特性に基づいて受光
信号と発光レベル指令信号とが等しくなるようにあらか
じめ設定された変換規則に従い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。

光・電気負帰還ループの制御電流が検出手段により検出
され、この検出手段からの検出信号により第１の補正手
段が光・電気負帰還ループの制ｅ４＠流の絶対値が最小
となるように変換手段の変換特性の傾きを補正する。ま
た、検出手段からの検出信号により第２の補正手段が光
・電気負帰還ループの開ループでの交叉周波数を一定に
補正し、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半導
体レーザが制御される。

請求項２の発明では被駆動半導体レーザの光出力が受光
部により検知され、変換手段が発光レベル指令信号を発
光レベル指令電流に変換する。この変換手段からの発光
レベル指令電流と受光部から得られる受光信号との差の
電流が電流変換器に入力され、この電流変換器の出力信
号により半導体レーザの順方向電流が制御される。そし
て、変換手段の変換効率と電流増幅器の周波数特性とが
可変手段により連動して変化される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す。

図中、１１はレーザダイオードからなる被制御半導体レ
ーザ、１２は受光素子である。１３は電界効果トランジ
スタ、１４はバイポーラトランジスタ、１５は定電圧ダ
イオード、１６はコンデンサ、１７は可変抵抗、１８は
抵抗、１９は直流電源であり、これら１３〜１９は第１
の電流増幅器を構成する。この第１の電流増幅器におい
ては電界効果トランジスタ１３はソースが直流電源１９
に接続され、ドレインが抵抗１８を介して電源Ｖｃｃに
接続されている。バイポーラトランジスタ１４はベース
が電界効果１〜ランジスタ１３のドレインに接続されて
コレクタが半導体レーザ１１のカソードに接続され、エ
ミッタが定電圧ダイオード１５及び可変抵抗１７を直列
に介して接地されている。さらに、定電圧ダイオード１
５及び可変抵抗１７の接続点はコンデンサ１６を介して
電界効果トランジスタ１３のトレインに接続されている
。

なお、バイポーラトランジスタ１４の代りに電界効果ト
ランジスタを用いてもよい。この場合、電界効果トラン
ジスタはドレインがパイボーラトランジスタ１４のコレ
クタと同様に接続されてゲートがバイポーラトランジス
タ１４のベースと同様に接続され、ソースがバイポーラ
トランジスタ１４のエミッタと同様に接続される。第１
の電流増幅器と電流源２０，２１、抵抗２２は第１の電
流変換器を構成し、この電流変換器と受光素子１２は光
・電気負帰還ループを構成している。

また、２３は半導体レーザ１１の光出力・順方向電流特
性および受光素子１２と半導体レーザ１１との結合係数
、受光素子１２の光入力・受光信号特性に基づいて受光
素子１２からの受光信号と発光レベル指令信号とが等し
くなるようにあらかじめ設定された変換規則に従い発光
レベル指令信号を半導体レーザ１１の順方向電流に変換
する電流変換器、２４は抵抗である。２５は半導体レー
ザの微分量子効率補正回路、　２６．２７は定数倍素子
である。半導体レーザの微分量子効率補正回路２５は可
変抵抗１７の両端間電圧を検出し、その検出信号に基づ
いて定数倍素子２６．２７を介して可変抵抗１７の値お
よび電流変換器２３の変換規則を可変するものである。

発光レベル指令信号は抵抗により第１の発光レベル指令
電流となり、電流源２１に入力されてその電流値を可変
させる。一方、受光素子１２が半導体レーザ１１の光出
力の一部を検知し、第１の電流増幅器１３〜１９が上記
第１の発光レベル指令電流と。

受光素子１２から得られる半導体レーザ１１の光出力に
比例した受光電流との差の電流が入力されてこの差の電
流を半導体レーザ１１に順方向電流として流すことによ
り、第１の発光レベル指令電流と受光電流とが等しくな
るように半導体レーザ１１の順方向電流が制御される。

また、発光レベル指令信号は電流変換器２３により半導
体レーザ１１の光出力・順方向電流特性および受光素子
１２と半導体レーザ１１との結合係数、受光素子１２の
光入力・受光信号特性に基づいて受光素子１２からの受
光信号と発光レベル指令信号とが等しくなるようにあら
かじめ設定された変換規則に従い第２の発光レベル指令
電流に変換されて半導体レーザ１１の順方向電流となる
。半導体レーザ１１は上記光・電気負帰還ループ１２〜
２２の制御電流と電流変換器２３により生成された電流
との和または差の電流により制御されることにより、光
出力が発光レベル指令信号に対応した値に制御される。

ここで、仮りに電流変換器２３により設定された光量（
ＰＳとする）がｔ（時間）＝■における光出力（ＰＬと
する）に等しければ、瞬時に半導体レーザ１１の光出力
がＰＬに等しくなる。この場合、光・電気負帰還ループ
１２〜２２により半導体レーザ１１へ出力される制御電
流は変化しない。しかしながら、温度変動、外乱等によ
り半導体レーザ１１の光出力・順方向電流特性が変動し
てＰＳが変動した場合には、電流変換器２３による過不
足の電流が光・電気負帰還ループ１２〜２２により出力
される制御電流として半導体レーザ１１の順方向に流さ
れる。ここに、この制御電流はバイポーラトランジスタ
１４のコレクタ電流（＝エミッタ電流）の変動であり、
このコレクタ電流がほぼ可変抵抗１７に流れるので、一
定期間発光レベル指令信号を変化させたときの可変抵抗
１７の両端間電圧を計測することによりその変動量を検
出することができる。そこで、半導体レーザの微分量子
効率補正回路２５が可変抵抗１７の両端間電圧を検出し
、その検出信号を定数倍素子２７を介して電流変換器２
３に入力することにより、上記一定期間に上記変動量の
絶対値が最小となるように電流変換器２３の変換規則を
制御して他の期間にはその変換規則を保持させる。

さらに、半導体レーザ１１の光出力・順方向電流特性の
変動は光・電気負帰還ループ１２〜２２の周波数特性に
も影響を及ぼす。この光・電気負帰還ループ１２〜２２
の開ループゲインＡの近似式は理論により ｊ　ωＣ１，Ｒ工。

となる。ここに、 Ｃ１６：コンデンサ１６の容量、 Ｒ□７：可変抵抗１７の抵抗値、 α：受光素子１２と半導体レーザ１１との結合係数、Ｓ
：受光素子１２の受光放射感度、 η：半導体レーザ１１の微分量子効率 である。この光・電気負帰還ループ１２〜２２の交叉周
波数ｆは、Ａ＝１となる周波数であるから、２π　　Ｃ
工、Ｒ４７ である。つまり、光・電気負帰還ループ１２〜２２の交
叉周波数ｆ（光・電気負帰還ループ１２〜２２の制御速
度）と半導体レーザ１１の微分量子効率ηとは比例関係
となる。そこで、半導体レーザの微分量子効率補正回路
２５の出力信号で定数倍回路２６を介して可変抵抗１７
の値を制御することにより、光・電気負帰還ループ１２
〜２２の制御速度の変動を抑制することができる。なお
、この実施例では可変抵抗１７の値を制御することによ
り光・電気負帰還ループ１２〜２２の制御速度の変動を
抑制しているが、コンデンサ１６の容量を半導体レーザ
の微分量子効率補正回路２５の出力信号で制御すれば同
様に光・電気負帰還ループ１２〜２２の制御速度の変動
を抑制することができる。

第２図は上記電流変換器２３の特性を示す。

電流変換器２３に入力される発光レベル指令信号をＶ、
電流変換器２３の増幅率をＢ、半導体レーザの微分量子
効率補正回路２５の出力信号が定数倍素子２７を介して
電流変換器２３に入力された際の減衰係数をｋ、電流変
換器２３の出力電流を工とすると。

定数倍素子２７から電流変換器２３への入力がない場合
には第２図の実線で表わされるようにＩ＝ＢＶとなる。

しかし、定数倍素子２７から電流変換器２３への入力ｋ
がある場合には第２図の点線で表わされるようにＩ＝に
−ＢＶとなる。

このように本実施例によれば半導体レーザの微分量子効
率補正回路２５の出力信号が定数倍素子２６を介して可
変抵抗１７に入力されて光・電気負帰還ループの開ルー
プでの交叉周波数が一定に補正され、かつ半導体レーザ
の微分量子効率補正回路２５の出力信号が定数倍素子２
７を介して電流変換器２３に入力されて光・電気負帰還
ループの制御電流の絶対値が最小となるように電流変換
器２３の変換特性の傾きが補正されるので、半導体レー
ザ１１の微分量子効率が変動しても光・電気負帰還ルー
プの開ループでの交叉周波数が変動しなくなって高速度
、高精度および高分解能になり、外乱等の影響に強くな
る。

第３図は本発明の他の実施例を示す。

１１はレーザダイオードからなる被制御半導体レーザ、
１２は受光素子である。１３は電界効果１〜ランジスタ
、１４はバイポーラトランジスタ、１５は定電圧ダイオ
ード、１６ａは可変容量、１７ａは抵抗、１８は抵抗、
１９は直流電源であり、これら１３〜１９は電流増幅器
を構成する。この電流増幅器は上記実施例における第１
の電流実施例と略同様に構成され、ただコンデンサ１６
の代りに可変容量１６ａが用いられて可変抵抗１７の代
りに抵抗１７ａが用いられている。なお、前述のように
バイポーラトランジスタ１４は電界効果トランジスタを
用いてもよい。この電流増幅器と電流源２０、バイポー
ラトランジスタ２８、可変抵抗２９、抵抗３０〜３２は
電流変換器を構成し、この電流変換器と受光素子１２は
光・電気負帰還ループを構成している。この光・電気負
帰還ループは上記実施例における光・電気負帰還ループ
と同様に動作する。３２．３３は図示しない可変手段か
らの連動信号が入力される補正回路である。

発光レベル指令信号と半導体レーザ１１の光出力の関係
を設定する初期設定においては図示しない可変手段から
の連動信号により、補正回路３３が可変抵抗２９の抵抗
値を変化させるのと連動して補正回路３２が可変容量＋
６ａの容量値を変化させることで、光・電気負帰還ルー
プの交叉周波数が一定に保持される。

ここで、光・電気負帰還ループの開ループゲインＡは理
論により Ｊ　ωＣ工Ｇ　ａ　Ｒ１？ とむる。ここに、 Ｃ□５．：可変容量１６ａの容量、 Ｒエフ８：抵抗１７ａの抵抗値 である。光・電気負帰還ループの交叉周波数ｆ。

はＡ＝１となる周波数であるから。

である。ここで１発光レベル指令信号電圧をＶ。

としたとき、半導体レーザ１１の光出力がＰ。となるよ
うに初期設定を行う。このとき、発光レベル指令電流と
受光素子１２の受光電流とが等しいので、可変抵抗２９
の抵抗値をＲ４とすると、Ｖｏ／Ｒ□＝αＳＰ。

となるので、 となり、この式を整理すると、 ・・・・・（１） となる。すなわち、Ｃ工、　、Ｒ１＝ｃｏｎｓｔ（一定
）となるように補正回路３２．３３がＣ□ＧａｖＲユを
連動して設定することにより、光・電気負帰還ループの
制御速度が一定に保持される。この実施例では抵抗１７
ａの抵抗値を一定として可変容量１６ａの容量値Ｃ０゜
、を可変したが、逆に可変容量１６ａの容量値Ｃ１６１
を定数として抵抗１７ａの抵抗値を補正回路３２で可変
するようにしても同様である。ここで、補正回路３２．
３３は（１）式を満たすように設定されている。

また、この実施例では発光レベル指令信号を発光レベル
指令電流に変換する変換手段として可変抵抗２９を用い
たが、変換手段の変換効率を変化させることができれば
他の手段を用いてもよい。

この実施例によれば補正回路３２．３３でＣｘｓ、ｐＲ
□を連動して可変設定することにより上記変換手段の変
換効率と上記電流増幅器の周波数特性とを連動して変化
させるので、当該半導体レーザ制御装置の入力に対する
半導体レーザの光出力の関係を定めれば自動的に光・電
気負帰還ループの制御速度をＷｓ整することになり、半
導体レーザ１１．受光素子１２のバラツキに対しても簡
単に調整できて調整コストを大幅に低減でき、高速、高
精度及び高分解能にできて外乱等の影響に強くなる。

〔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む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
記半導体レーザの光出力・順方向電流特性および前記受
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あらかじめ設定さ
れた変換規則に従い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、前記光・
電気負帰還ループの制御電流を検出する検出手段と、こ
の検出手段からの検出信号により前記光・電気負帰還ル
ープの制御電流の絶対値が最小となるように前記変換手
段の変換特性の傾きを補正する第１の補正手段と、前記
検出手段からの検出信号により前記光・電気負帰還ルー
プの開ループでの交叉周波数を一定に補正する第２の補
正手段とを有し、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、
高精度及び高分解能で外乱等の影響に強くなる。

また、請求項２の発明によれば被駆動半導体レーザの光
出力を検知する受光部と、発光レベル指令信号を発光レ
ベル指令電流に変換し発光効率を可変できる変換手段と
、この変換手段からの発光レベル指令電流と前記受光部
から得られる受光信号との差の電流がゲートに入力され
る第１の電界効果トランジスタと第２の電界効果Ｉ・ラ
ンジスタあるいはトランジスタとを有し前記第１の電界
効果トランジスタのトレインが前記第２の電界効果トラ
ンジスタのゲートあるいは前記トランジスタのベースに
接続されて前記第２の電界効果トランジスタのドレイン
あるいは前記１−ランジスタのコレクタより出力信号を
出力し前記第２の電界効果トランジスタのソースあるい
は前記１ヘランジスタのエミッタが前記第１の電界効果
トランジスタのゲートに抵抗を介して接続された電流変
換器とを有し、この電流変換器の出力信号により前記半
導体レーザの順方向電流を制御する半導体レーザ制御装
置において、前記変換手段の変換効率と前記電流増幅器
の周波数特性とを連動して変化させる可変手段を備えた
ので、高速、高精度及び高分解能で外乱等の影響に強く
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は同実
施例の電流変換器の特性を示す特性図、第３図は本発明
の他の実施例を示す回路図である。 １１・・・半導体レーザ、１２〜２２．２８〜３２・・
・光・電気負帰還ループ、２３・・・電流変換器、２５
・・・半導体レーザの微分量子効率補正回路、１３・・
・電界効果トランジスタ、１４・・・バイポーラトラン
ジスタ、１６・・・コンデンサ、１６ａ・・・可変容量
、３２．３３・・・補正回路。

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、前記半導体レーザの光出力・順方向
   電流特性およ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
   うにあらかじめ設定された変換規則に従い前記発光レベ
   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、前記光・電気負帰還ループの制御電流を検
   出する検出手段と、この検出手段からの検出信号により
   前記光・電気負帰還ループの制御電流の絶対値が最小と
   なるように前記変換手段の変換特性の傾きを補正する第
   １の補正手段と、前記検出手段からの検出信号により前
   記光・電気負帰還ループの開ループでの交叉周波数を一
   定に補正する第２の補正手段とを有し、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、被駆動半導体レーザの光出力を検知する受光部と、
   発光レベル指令信号を発光レベル指令電流に変換し発光
   効率を可変できる変換手段と、この変換手段からの発光
   レベル指令電流と前記受光部から得られる受光信号との
   差の電流がゲートに入力される第１の電界効果トランジ
   スタと第２の電界効果トランジスタあるいはトランジス
   タとを有し前記第１の電界効果トランジスタのドレイン
   が前記第２の電界効果トランジスタのゲートあるいは前
   記トランジスタのベースに接続されて前記第２の電界効
   果トランジスタのドレインあるいは前記トランジスタの
   コレクタより出力信号を出力し前記第２の電界効果トラ
   ンジスタのソースあるいは前記トランジスタのエミッタ
   が前記第１の電界効果トランジスタのゲートに容量を介
   して接続された電流変換器とを有し、この電流変換器の
   出力信号により前記半導体レーザの順方向電流を制御す
   る半導体レーザ制御装置において、前記変換手段の変換
   効率と前記電流増幅器の周波数特性とを連動して変化さ
   せる可変手段を備えたことを特徴とする半導体レーザ制
   御装置。