JPH06334247A - 半導体レーザの駆動制御回路及び駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非常に短い一定幅を持った半導体レーザのパ
ルス駆動に対して好適な駆動を行えるようにする。 【構成】 本発明の半導体レーザの駆動制御回路は、パ
ルス駆動された半導体レーザのパルス光を受光素子で検
出して、半導体レーザの出力を制御する半導体レーザの
駆動制御回路であって、受光素子の検出出力を積分して
出力するチャージアンプと、チャージアンプの出力また
は受光素子の検出出力からサンプリングパルスを発生す
るサンプリングパルス発生回路と、サンプリングパルス
に応じてチャージアンプの出力をサンプル・ホールドす
るサンプル・ホールド回路と、サンプル・ホールド回路
の出力に基づいて半導体レーザに与える電圧を制御する
電圧制御回路とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザをパルス
駆動する際の駆動制御回路及び駆動回路に関し、特に、
大出力のパルスレーザ光を得る場合の回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスレーザ光によって距離といった様
々な計測などを行う場合、一定の出力であることが望ま
れることが多い。半導体レーザは小型軽量であることか
らこのような用途にも用いられることがあり、レーザ光
出力または電流を検出し、これをフィードバック制御し
て出力の安定化を行うのが通常である。図８は、このよ
うな場合の簡単な一例を示したものであり、半導体レー
ザＬＤ１からのレーザ光をフォトダイオードＤ４でモニ
タし、フォトダイオードＤ４の検出電流を演算増幅器Ｕ
２１で電圧値に変換した後、演算増幅器Ｕ１１で基準値
と比較してレーザ光出力の出力を一定にするようにフィ
ードバックが行われる。これによってレーザ光出力の安
定化がなされる。半導体レーザＬＤ１及びフォトダイオ
ードＤ４はモジュールＬＤとして１つのパッケージに封
入されている。

【０００３】図では、常時点灯の回路であるが、半導体
レーザＬＤ１に直列にスイッチ用のトランジスタを接続
することで、パルス駆動がなされる。また、「特開昭６
３−０６４４３８」、「特開昭６２−１６９４８６」、
「特開平０２−０４６５３７」にあるように、フィード
バックが点灯時になされるように構成されたものもあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、大出力のパルス
レーザ光が必要な用途が拡大しつつあり、例えば、車載
用のレーザレーダといった携帯性の良い機器において小
型軽量でピークパワーの大きなレーザ光源が要求されて
いる。このような用途では、半導体レーザの発熱を抑
え、レーザ光の照射時間を短くするために、ピークパワ
ーが非常に大きく、非常に短い一定幅を持った良好な波
形となるようにパルス駆動を行わねばならない。

【０００５】そして、レーザ光のパルス幅が長ければ上
記の方式で良いのだが、上述の用途においてはパルス幅
が数十ｎｓ程度になり、動作の遅い回路（例えば、電流
電圧変換回路など演算増幅器による回路）によってパル
スに対する応答性が悪化するので、上記方式では不可能
になる。そのため、半導体レーザの駆動制御を十分に行
えず、測定精度の悪化をまねくことになる。

【０００６】そこで、本発明は、上述の問題点に鑑み、
ピークパワーが非常に大きく、非常に短い一定幅を持っ
た良好な波形となるような半導体レーザのパルス駆動に
対して好適な駆動回路及び駆動制御回路を提供するのを
その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体レーザの駆動制御回路は、パルス駆
動された半導体レーザのパルス光を受光素子で検出し
て、半導体レーザの出力を制御する半導体レーザの駆動
制御回路であって、受光素子の検出出力を積分して出力
するチャージアンプと、チャージアンプの出力または受
光素子の検出出力から（例えば、チャージアンプの出力
の立上がり、或いは受光素子の検出出力を用いて）サン
プリングパルスを発生するサンプリングパルス発生回路
と、サンプリングパルスに応じてチャージアンプの出力
をサンプル・ホールドするサンプル・ホールド回路と、
サンプル・ホールド回路の出力に基づいて半導体レーザ
に与える電圧を制御する電圧制御回路とを備える。

【０００８】チャージアンプのコンデンサの電荷を、前
記パルス光の間隔よりも小さくかつ前記パルス光のパル
ス幅よりも大きい時定数で放電するための抵抗をさらに
有することを特徴としても良い。

【０００９】また、本発明の半導体レーザの駆動回路
は、半導体レーザと直列にサイリスタ及びインダクタン
スを接続し、この直列回路と並列にコンデンサを並列に
接続し、この並列回路に抵抗を介して電圧を与える構成
を有する。

【００１０】半導体レーザまたは半導体レーザ及びサイ
リスタに並列で、前記サイリスタの導通方向とは逆方向
に接続されたダイオードをさらに有することを特徴とし
ても良い。

【００１１】上記の半導体レーザの駆動制御回路におい
て、上記の半導体レーザの駆動回路を有することを特徴
としても良い。

【００１２】

【作用】本発明の半導体レーザの駆動制御回路では、半
導体レーザのパルス光が受光素子で検出され、この検出
出力がチャージアンプで積分されてこの積分値が保持さ
れてチャージアンプから出力される。そして、これがサ
ンプリングパルスにてサンプル・ホールドされる。ここ
で、チャージアンプで検出出力の積分をしていることか
ら、半導体レーザのパルス光のパルス幅が非常に狭いも
のであっても、これが積分値としてＳ／Ｎ比が良く検出
される。また、サンプリングパルスをチャージアンプの
出力または検出出力から生成していることから、検出出
力に対してタイミングのあったパルスを発生させ得る。

【００１３】サンプル・ホールド回路でサンプル・ホー
ルドされた出力は、パルス光のパワーに応じたものにな
っており、これが電圧制御回路にフィードバックされ、
半導体レーザに与える電圧の制御が行われる。こうし
て、安定した半導体レーザの出力パワーの駆動制御がな
される。

【００１４】また、パルス光の間隔はパルス光のパルス
幅よりも非常に大きいので、チャージアンプのコンデン
サの電荷を放電するための抵抗をさらに有する場合、放
電のためのリセット回路を設ける必要がなく、簡単な構
成になる。

【００１５】本発明の半導体レーザの駆動回路では、サ
イリスタがオンすると、コンデンサからインダクタンス
を介して半導体レーザに電流が流れ始め、レーザ光が出
力される。そして、コンデンサが放電しきってもインダ
クタンスの誘導電流が流れ、インダクタンスに蓄えられ
たエネルギーがすべて放出されると誘導電流が停止す
る。この時、コンデンサには逆方向に電荷が蓄えられ、
サイリスタが逆バイアスされてオフ状態になる。インダ
クタンス、半導体レーザに電流が流れず、コンデンサは
抵抗を介して充電される。

【００１６】こうして、コンデンサの放電開始から誘導
電流の停止までパルス状に半導体レーザに電流が流れ、
半導体レーザのパルス駆動がなされる。この動作はコン
デンサの放電・充電及びインダクタンスの自己誘導によ
ってなされることから、浮遊容量、寄生インダクタン
ス、リード抵抗などの誤差要因を無視すれば、コンデン
サの容量，インダクタンスの大きさでパルス光のパルス
幅が定まる。そのため、パルス光は、所定の非常に小さ
い一定幅を持った良好な波形にすることができる。

【００１７】逆方向に接続したダイオードを有する場
合、サイリスタの逆バイアス時において半導体レーザを
保護することができる。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。

【００１９】図１は、半導体レーザの駆動装置の実施例
の概要を示したものである。この駆動制御回路は、サイ
リスタ（ＳＣＲ）Ｑ１によってパルス駆動される半導体
レーザＬＤ１からのパルス光をフォトダイオードＤ４で
検出し、電源（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１５０にシリー
ズに接続されたトランジスタＴＲ１で半導体レーザＬＤ
１への電圧を制御して半導体レーザの出力を安定化させ
るもので、半導体レーザの駆動制御回路は、チャージア
ンプ１３０，サンプリングパルス生成回路１４０，サン
プル・ホールド回路Ｕ７，電圧制御回路１２０で構成さ
れる。フォトダイオードＤ４と半導体レーザＬＤ１とは
モジュール化されたものを用いているが、別個のもので
も良い。図１の各部ついては、図２〜６に具体的な回路
図が示され、これを用いて各部の説明をする。

【００２０】図２は、半導体レーザへの電源であるＤＣ
−ＤＣコンバータ１５０を示したもので、＋５Ｖの電圧
を半導体レーザのパルス駆動に十分な正電圧＋Ｖに変換
する。この回路は、スイッチングレギュレータ用ＩＣな
どを用いて構成される。

【００２１】図３は、電圧制御回路１２０と半導体レー
ザの駆動回路などを示したものである。電圧制御回路１
２０は、コンデンサＣ１９に蓄えられる電圧の制御を行
うものである。この回路では、差動増幅器Ｕ１１がサン
プル・ホールド回路Ｕ７の出力ＣＮＴと可変抵抗ＶＲ２
及び抵抗Ｒ１１の分圧電圧と比較し、その出力でトラン
ジスタＴＲ２によりトランジスタＴＲ１のベース電圧が
制御されることによって、電圧の制御がなされる。電圧
の制御の目標値は上記分圧電圧で与えられることにな
る。

【００２２】半導体レーザの駆動回路は、半導体レーザ
ＬＤ１と直列接続されたサイリスタＱ１及びインダクタ
ンスＬ６、これらに並列接続されたコンデンサＣ１９、
このコンデンサＣ１につながれた抵抗Ｒ１とで構成さ
れ、電圧制御回路１２０からの電圧が抵抗Ｒ１を介して
与えられる。また、半導体レーザに並列で逆方向にダイ
オードＤ７が接続され、半導体レーザＬＤ１の保護を行
っている。ダイオードＤ７はサイリスタＱ１及び半導体
レーザＬＤ１の直列回路に並列にしても良い。

【００２３】この回路では高速動作を要求されることか
ら、サイリスタＱ１には通常の商用電源で用いるものよ
りも高速のものを用いている。パルストランスＴ１，ダ
イオードＤ８はサイリスタＱ１のトリガ回路を構成し、
トリガパルスTRIGにてサイリスタＱ１をオンさせるため
のものである。サイリスタＱ１と同程度の容量、高速性
を持つものであれば、サイリスタＱ１にフォトサイリス
タを用いることができ、トリガ回路のトランス等を省略
することが可能である。

【００２４】図４のトリガパルス発生回路１６０は、サ
イリスタＱ１へのトリガパルスTRIGを発生するための回
路であり、パルス間隔を設定するためのプログラマブル
オシレータＵ５，パルス幅を設定するためのリトリガラ
ブルワンショットマルチバイブレータＵ１２Ａ，出力ド
ライブ用のトランジスタＴＲ３等で構成され、この構成
によりトリガパルスTRIGのパルス間隔及びパルス幅が調
整可能になっている。ジャンパスイッチJUMP及び可変抵
抗Ｖ１で最適な値に調整される。

【００２５】ここで、半導体レーザの駆動回路の動作に
ついて説明しておく。

【００２６】トリガパルス発生回路１６０からのトリガ
パルスTRIGがパルストランスＴ１を介してサイリスタＱ
１に与えられ、ジャンパスイッチJUMPで設定されたパル
ス間隔でサイリスタＱ１がオンになる。サイリスタＱ１
がオンすると、コンデンサＣ１９からインダクタンスＬ
６を介して半導体レーザＬＤ１に電流が流れ始める。そ
して、コンデンサＣ１９が放電しきってもインダクタン
スＬ６の自己誘導によって誘導電流が流れる。半導体レ
ーザＬＤ１に電流が流れることによってレーザ光が出力
される。

【００２７】インダクタンスＬ６に蓄えられたエネルギ
ーがすべて放出されると誘導電流が停止し、この時、誘
導電流によってコンデンサＣ１９には逆方向に電荷が蓄
えられる。コンデンサＣ１９の電圧は逆方向のものにな
っているため、サイリスタＱ１が逆バイアスされてオフ
状態になる。これによって、インダクタンス、半導体レ
ーザに電流が流れなくなり、一方、コンデンサＣ１９に
は抵抗を介して電圧制御回路１２０から充電がなされ
る。また、半導体レーザＬＤ１は、ダイオードＤ７が準
バイアスされることから、このときの逆バイアスから保
護される。

【００２８】そして、つぎのトリガパルスTRIGによって
同じ動作が繰り返される。こうして、コンデンサＣ１９
の放電開始から誘導電流の停止までパルス状に半導体レ
ーザＬＤ１に電流が流れ、トリガパルスTRIGによって同
じ動作が繰り返され、半導体レーザＬＤ１のパルス駆動
がなされる。

【００２９】また、この回路はスイッチ素子としてサイ
リスタを使っていることから、トランジスタと比較すれ
ば大きな電力の制御が可能になっており、トリガ回路の
容量は小さくて済み、より小さな素子が使えるなど装置
の小形化が可能である。さらに、同じパルス波形を得る
にはトランジスタではトリガパルスTRIGは正確に制御さ
れることを要し、特に、単に半導体レーザＬＤ１を通電
制御するような場合、トリガパルスTRIGが方形波であれ
ば、浮遊容量、寄生インダクタンス、リード抵抗などの
誤差要因の影響を受け、セットによるバラツキが悪くあ
まり良い波形を得られない。

【００３０】これに対して、この駆動回路では、動作が
コンデンサＣ１９の放電・充電及びインダクタンスＬ６
の自己誘導によってなされることから、コンデンサＣ１
９及びインダクタンスＬ６が浮遊容量、寄生インダクタ
ンス、リード抵抗などに対して大きいものであれば、誤
差要因を無視できる程度になる。したがって、コンデン
サＣ１９の容量，インダクタンスＬ６の大きさでパルス
光のパルス幅が定まり、セットによるバラツキが小さく
なる。そのため、パルス光は、図７（ａ）に示すよう
に、ピークパワー約１５Ｗ，パルス幅約１０ｎｓで非常
に小さい一定幅を持った良好な波形にすることができ
る。

【００３１】図５は、チャージアンプ１３０，サンプリ
ングパルス生成回路１４０，サンプル・ホールド回路Ｕ
７の具体的回路構成を示したものである。

【００３２】チャージアンプ１３０は、フォトダイオー
ドＤ４の検出出力電流DET を積分して出力するものであ
り、積分用のコンデンサＣ８，Ｃ５をそれぞれ、反転増
幅器の入力と、入力及び出力の間に接続して構成され
る。また、コンデンサＣ５と並列に抵抗Ｒ２を接続し、
パルス光のパルス間隔よりも小さくかつパルス幅よりも
大きい時定数でコンデンサの電荷を放電するようにして
いる。

【００３３】サンプリングパルス生成回路１４０は、チ
ャージアンプ１３０の出力の立上がりからサンプリング
パルスを発生し、サンプル・ホールド回路Ｕ７のサンプ
リングタイミングを与えるための回路である。この回路
は、コンパレータＵ９，リトリガラブルワンショットマ
ルチバイブレータＵ８Ａ等で構成され、コンパレータＵ
９でチャージアンプ１３０の出力を抵抗Ｒ１５，Ｒ１６
の分圧された電圧と比較することにより立上がりを検出
し、これをマルチバイブレータＵ８ＡのトリガとしてＣ
２２，ＶＲ１で与えられるパルス幅のサンプリングパル
スをマルチバイブレータＵ８Ａで発生する。サンプル・
ホールド回路Ｕ７は、サンプル・ホールドＩＣが用いら
れ、Ｕ８Ａのピン１３からのサンプリングパルスにてチ
ャージアンプ１３０の出力をホールドする。

【００３４】図６は、−５Ｖの電源から５Ｖの正電源を
生成する回路であり、５Ｖの正電圧は各部に供給され
る。

【００３５】つぎに、半導体レーザの駆動制御回路の動
作について説明する。

【００３６】図７は、半導体レーザＬＤ１の１つのパル
ス光に対する各部の動作例を示したものであり、（ａ）
はパルス光の波形、（ｂ）はフォトダイオードＤ４の出
力電流DET の波形、（ｃ）はチャージアンプ１３０の出
力波形、（ｄ）はサンプリングパルスの波形、（ｅ）は
サンプル・ホールド回路Ｕ７の出力波形の一例を示した
ものである。

【００３７】前述したように、トリガパルスTRIGにより
半導体レーザに電流が流れ、トリガパルスTRIGと同じ間
隔で、時刻ｔ₁ でピークを持つパルス光（図７（ａ））
が繰り返し出力される。パルス光はフォトダイオードＤ
４で検出され、検出出力電流DET （図７（ｂ））がチャ
ージアンプ１３０で積分される。この積分値は、パルス
光がなくなった後も保持されており、これがチャージア
ンプ１３０から出力される（図７（ｃ））。一方、チャ
ージアンプ１３０の出力の立上がりが所定の電圧を越え
る時、コンパレータＵ９の出力がハイになり（時刻
ｔ₂ ）、サンプリングパルスがマルチバイブレータＵ８
Ａから出力される（図７（ｄ））。サンプル・ホールド
回路Ｕ７では、このアンプリングパルスにてチャージア
ンプ１３０の出力がサンプル・ホールドされる（図７
（ｅ））。サンプル・ホールド回路Ｕ７の出力ＣＮＴ
は、検出出力電流DET が大きければ大きく、小さければ
小さいものになる。すなわち、サンプル・ホールド回路
Ｕ７の出力ＣＮＴは、半導体レーザＬＤ１のパルス光に
応じたものになっている。

【００３８】ここで、図７（ａ）のようなパルス光のパ
ワーがそのピークに比例するような波形であり、チャー
ジアンプ１３０で出力電流DET の積分をしていることか
ら、半導体レーザＬＤ１のパルス光の幅が非常に狭いも
のであっても、これが積分値としてＳ／Ｎ比が良く検出
される。また、サンプリングパルスをチャージアンプ１
３０の出力から生成していることから、出力電流DET す
なわちパルス光に対してタイミングのあったサンプリン
グパルスを発生させ得る。さらに、チャージアンプ１３
０で出力を保持していることから、サンプル・ホールド
回路Ｕ７には、パルス光の幅と比較して低速のものを用
い得る。回路の動作が１００ｎ〜３００ｎｓ程度に対応
できれば十分なものになっている。

【００３９】また、パルス光の間隔はパルス光の幅より
も非常に大きいので、つぎのパルス光があるまでにチャ
ージアンプ１３０の抵抗Ｒ２によってコンデンサの電荷
が放電されてリセット状態になる。そのため、放電のた
めのリセット回路を設ける必要がなく、簡単な構成にな
る。

【００４０】サンプル・ホールド回路Ｕ７でサンプル・
ホールドされた出力ＣＮＴは、電圧制御回路にフィード
バックされる。電圧制御回路１２０では、差動増幅器Ｕ
１１でサンプル・ホールド回路Ｕ７の出力ＣＮＴと可変
抵抗ＶＲ２及び抵抗Ｒ１１の分圧電圧と比較し、出力Ｃ
ＮＴが大きければトランジスタＴＲ１のエミッタ電圧が
小さくなるように、出力ＣＮＴが小さければエミッタ電
圧が大きくなるように制御される。これによって、コン
デンサＣ１９に蓄えられる電圧が制御されて半導体レー
ザＬＤ１に与える電圧の制御が行われる。こうして、安
定した半導体レーザＬＤ１の出力パワーの駆動制御がな
されて一定に保たれる。

【００４１】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。

【００４２】例えば、サンプリングパルスを発生するの
に、チャージアンプの出力の立上がりを用いたが、事情
が許せば或いは受光素子の検出出力を用いることができ
る。また、トランジスタＴＲ１をシリーズに接続して電
圧を制御するようにしたが、ＤＣ−ＤＣコンバータの出
力電圧を調整するようにしても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上の通り本発明の半導体レーザの駆動
制御回路によれば、チャージアンプで検出出力の積分を
し、アンプリングパルスをチャージアンプの出力または
検出出力から生成していることから、タイミングのあっ
たサンプル・ホールドでＳ／Ｎ比が良いパルス光のパワ
ーの検出が可能になり、安定した半導体レーザの出力パ
ワーの駆動制御をすることができる。

【００４４】また、本発明の半導体レーザの駆動回路に
よれば、誤差要因を無視すればコンデンサの容量，イン
ダクタンスの大きさで決まる非常に小さい一定幅を持っ
た良好な波形のパルス駆動をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザの駆動装置の実施例の概要を示し
た図。

【図２】半導体レーザへの電源であるＤＣ−ＤＣコンバ
ータ１５０の回路図。

【図３】電圧制御回路１２０と半導体レーザの駆動回路
などを示した回路図。

【図４】トリガパルス発生回路１６０の回路図。

【図５】チャージアンプ１３０，サンプリングパルス生
成回路１４０，サンプル・ホールド回路Ｕ７の具体的回
路構成を示した図。

【図６】−５Ｖの電源から５Ｖの正電源を生成する回路
を示した図。

【図７】半導体レーザＬＤ１の１つのパルス光に対する
各部の動作例を示した図。

【図８】従来例の構成図。

【符号の説明】

１２０…電圧制御回路、１３０…チャージアンプ、１４
０…サンプリングパルス発生回路、Ｃ１９…コンデン
サ、Ｌ６…インダクタンス、Ｄ７…ダイオード、Ｄ４…
フォトダイオード、ＬＤ１…半導体レーザ、Ｒ２…抵
抗。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス駆動された半導体レーザのパルス
   光を受光素子で検出して、前記半導体レーザの出力を制
   御する半導体レーザの駆動制御回路であって、 前記受光素子の検出出力を積分して出力するチャージア
   ンプと、 前記チャージアンプの出力または前記検出出力からサン
   プリングパルスを発生するサンプリングパルス発生回路
   と、 前記サンプリングパルスに応じて前記チャージアンプの
   出力をサンプル・ホールドするサンプル・ホールド回路
   と、 前記サンプル・ホールド回路の出力に基づいて前記半導
   体レーザに与える電圧を制御する電圧制御回路とを備え
   た半導体レーザの駆動制御回路。
2. 【請求項２】 前記チャージアンプのコンデンサの電荷
   を、前記パルス光の間隔よりも小さくかつ前記パルス光
   のパルス幅よりも大きい時定数で放電するための抵抗を
   さらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体レ
   ーザの駆動制御回路。
3. 【請求項３】 半導体レーザと直列にサイリスタ及びイ
   ンダクタンスを接続し、この直列回路と並列にコンデン
   サを並列に接続し、この並列回路に抵抗を介して電圧を
   与える構成を有する半導体レーザの駆動回路。
4. 【請求項４】 前記半導体レーザまたは前記半導体レー
   ザ及び前記サイリスタに並列で、前記サイリスタの導通
   方向とは逆方向に接続されたダイオードをさらに有する
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザの駆動回
   路。
5. 【請求項５】 前記半導体レーザと直列にサイリスタ及
   びインダクタンスを接続し、この直列回路と並列にコン
   デンサを並列に接続し、この並列回路に抵抗を介して電
   圧を与える構成を有することを特徴とする請求項１記載
   の半導体レーザの駆動制御回路。