JPH0896395A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広帯域にわたって高精度の光強度変調を可能
とすると共に、レーザパワーの異常をリアルタイムで簡
便に検知する半導体レーザ装置を提供する。 【構成】 本発明による半導体レーザ装置は、半導体レ
ーザと、この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆
動回路と、半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、この光検出素子の出力電流が電流の形のまま負帰還
されて基準信号電流との誤差信号電流を出力して電流駆
動回路を制御する駆動電流制御手段と、前記誤差信号電
流が所定のスレショルドレベルを越えるときにレーザパ
ワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介して前記半
導体レーザの発光を停止させるレーザパワー異常検知手
段とを備える。

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装置に係
り、特に広帯域に渡って高精度の光強度変調を可能とし
た半導体レーザ装置を用いてレーザパワーの異常をリア
ルタイムで検知し得るようにした半導体レーザ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体レーザは、直接光
強度変調が可能であり、小型で低消費電力、かつ高効率
であるといった利点を有するため光学式情報記録再生装
置としての光ディスク装置やレーザ・プリンタ、光デー
タ通信システム等に広く利用されている。

【０００３】しかしながら、現状の半導体レーザは、次
のような理由により出射光量の変動が生じるという問題
がある。 （１）温度変化や経年変化による微分量子効率の変化。

【０００４】（２）温度変化や反射光（戻り光）による
しきい値電流の変化。 （３）戻り光によるモード・ホッピング雑音の発生。 したがって、半導体レーザを駆動する半導体レーザ装置
としては、その出射光量をモニターして安定化する制御
回路が不可欠である。

【０００５】特に光ディスク装置では、大容量化とデー
タの高速処理のために、広帯域に渡って精度の高い光強
度変調と再生時の低雑音化が強く要求されている。この
ため、従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザから
射出されたレーザ出力光をモニタする光検出器が設けら
れ、その検出信号は抵抗器等を用いてモニタ電圧信号に
変換される。

【０００６】このモニタ電圧信号は、演算増幅器の入力
端子に負帰環される。すなわち、演算増幅器は、望まし
い出射光量を示す基準電圧信号と、モニタ電圧信号とを
比較し、その差分に対応した誤差信号を生成する。

【０００７】この誤差信号は、半導体レーザの電流駆動
回路に制御信号として与えられ、これにより半導体レー
ザの出力光量は常に基準レベルに近づくように制御され
る。しかしながら、このような従来の半導体レーザ装置
の制御帯域は低く留まっており、レーザ光強度変調の精
度も未だ満足すべきものとはなっていない。

【０００８】その第１の理由は、モニタ用光検出器の接
合容量の存在が制御帯域を制限するからである。また、
第２の理由は、モニタ用光検出器のローパスフィルタ
（ＬＰＦ）特性もまた、制御帯域の拡張を阻む要因とな
るからである。

【０００９】さらに、第３の理由は、半導体レーザの制
御ループ内で必然的に発生する電圧帰還信号の伝送時間
の遅延が、制御系の位相マージンを減少させるからであ
る。なお、従来技術として１９８８年発行の三菱電気情
報公報、第６２巻、第７号、２６〜２９頁には、“書換
え型高性能光記録技術”を用い、光ディスクシステムに
適用され、二つの異なったレーザ発振安定化動作をおこ
なう半導体レーザの制御回路が開示されている。

【００１０】この制御回路は、半導体レーザのしきい値
変動補償には狭制御帯域のフィードバック（閉ループ）
制御方式を採用し、かつ微分量子効率の変動に対しては
開ループ制御方式を採用している。

【００１１】しかし、このような二種類のレーザ発振安
定化制御システムによれば、各制御系には独立した回路
構成が要求されるから、装置全体の構成は複雑化する。
そして、さらに重要なことには、光データ記録モードに
おいては、温度変化に原因した半導体レーザの微分量子
効率が変動することに起因して、半導体レーザを内蔵し
ている光学ヘッド部のハウジングの温度が上昇してしま
い、この結果、光強度変調の精度が劣化してしまうこと
である。このような精度劣化は、レーザ安定化制御の性
能を深刻に劣化させてしまう。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の半導
体レーザ装置では、広帯域が困難であると共に、半導体
レーザの微分量子効率およびしきい値電流の変動により
光強度変調を高精度に行うことが難しく、また制御回路
が複雑になる、という問題があった。

【００１３】また、光ディスク装置で情報の記録（ライ
ト）、再生（リード）及び消去（イレーズ）の各モード
に応じたレーザパワーにコントロールされる必要がある
と共に、これらの各モードにおけるレーザパワーの異常
に応じて直ちに半導体レーザを適切な状態にコントロー
ルしてやる必要があるにもかかわらず、レーザパワーの
異常をリアルタイムで簡便に検知し得るような従来技術
が存在していなかった。

【００１４】そこで本発明は、以上のような点に鑑みて
なされたもので、制御回路を複雑にすることなく、広帯
域にわたって高精度の光強度変調を可能とすると共にレ
ーザパワーの異常をリアルタイムで簡便に検知し得るよ
うにした半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上述し
た課題を解決するために、半導体レーザと、この半導体
レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路と、前記半導
体レーザの出力光を検出する光検出素子と、入力端子に
前記光検出素子の出力電流が負帰還される演算増幅器を
有し、この演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号を
前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号として供給する
駆動電流制御手段と、前記演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号が所定のスレショルドレベルを越えるとき
にレーザパワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介
して前記半導体レーザの発光を停止させるレーザパワー
異常検知手段と、を備えたことを特徴とする半導体レー
ザ装置が提供される。

【００１６】また、本発明によると、半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
と、前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還され
る演算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号
として供給する駆動電流制御手段と、この駆動電流制御
手段の出力端子と前記入力端子間に設けられて位相遅れ
を補償するための補償電流を前記入力端子に負帰還する
位相補償手段と、前記演算増幅器の出力端子に得られる
誤差信号が所定のスレショルドレベルを越えるときにレ
ーザパワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介して
前記半導体レーザの発光を停止させるレーザパワー異常
検知手段と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ装
置が提供される。

【００１７】また、本発明によると、半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
と、前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還され
る演算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号
として供給する駆動電流制御手段と、この駆動電流制御
手段の出力端子と前記入力端子間に設けられて位相遅れ
を補償するための補償電流を前記入力端子に負帰還する
位相補償手段と、前記演算増幅器の出力端子に得られる
誤差信号が所定のスレショルドレベルを越えるときにレ
ーザパワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介して
前記半導体レーザの発光を停止させるレーザパワー異常
検知手段と、を備え、前記位相補助手段は、キャパシタ
またはキャパシタと抵抗の直列回路により構成されてい
ることを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。

【００１８】また、本発明によると、半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
と、前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還され
る演算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号
として供給する駆動電流制御手段と、前記演算増幅器の
出力端子に得られる誤差信号が所定のスレショルドレベ
ルを越えるときにレーザパワーの異常を検知して前記電
流駆動回路を介して前記半導体レーザの発光を停止させ
るレーザパワー異常検知手段と、を備え、前記駆動電流
制御手段は、その伝達関係が、低周波領域の利得を大き
く保つ一つの極と、高周波領域の位相遅れを補償する零
点とを有することを特徴とする半導体レーザ装置が提供
される。

【００１９】また、本発明によると、半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
と、前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還され
る演算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号
として供給する駆動電流制御手段と、この駆動電流制御
手段の出力端子と前記入力端子間に設けられて位相遅れ
を補償するための補償電流を前記入力端子に負帰還する
位相補償手段と、前記演算増幅器の出力端子に得られる
誤差信号が所定のスレショルドレベルを越えるときにレ
ーザパワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介して
前記半導体レーザの発光を停止させるレーザパワー異常
検知手段と、を備え、前記駆動電流制御手段は、その伝
達関係が、低周波領域の利得を大きく保つ一つの極と、
高周波領域の位相遅れを補償する零点とを有することを
特徴とする半導体レーザ装置が提供される。

【００２０】さらに、本発明によれば、半導体レーザ
と、この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回
路と、前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子
と、入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還され
る演算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得ら
れる誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号
として供給する駆動電流制御手段と、この駆動電流制御
手段の出力端子と前記入力端子間に設けられて位相遅れ
を補償するための補償電流を前記入力端子に負帰還する
位相補償手段と、前記演算増幅器の出力端子に得られる
誤差信号が所定のスレショルドレベルを越えるときにレ
ーザパワーの異常を検知して前記電流駆動回路を介して
前記半導体レーザの発光を停止させるレーザパワー異常
検知手段と、を備え、前記駆動電流制御手段は、その伝
達関係が、低周波領域の利得を大きく保つ一つの極と、
高周波領域の位相遅れを補償する零点とを有し、前記位
相補助手段は、キャパシタまたはキャパシタと抵抗の直
列回路により構成されていることを特徴とする半導体レ
ーザ装置が提供される。

【００２１】

【作用】上述した解決手段によると、本発明では演算増
幅器の入力端子に半導体レーザの光出力をモニタする光
検出素子の出力を電流の形で負帰還することによって、
制御回路全体は等価的に、光検出素子の接合容量等が帰
還ループの外に出た、簡単な反転増幅器として見做すこ
とができるようになる結果、従来のように光検出素子の
接合容量に影響されることなく、帰還パラメータの調整
ができ、広帯域に渡って高精度のレーザ光強度変調の制
御が可能になると共に、レーザパワー異常検知手段によ
って前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所
定のスレショルドレベルを越えるときレーザパワーの異
常をリアルタイムで簡便に検知して前記電流駆動回路を
介して前記半導体レーザの発光を停止させる。

【００２２】

【実施例】先ず、本発明が適用される基本例を図面を参
照して説明する。図１は、本発明が適用される第１の基
本例の半導体レーザ装置の構成を示すブロック図であ
る。

【００２３】図示のようにこの装置は、半導体レーザ１
２、この半導体レーザ１２に駆動電流を供給する電流駆
動回路１６、半導体レーザ１２の出力光を検出する光検
出素子２２、外部からの制御電圧Ｖc によって電流駆動
回路１６を制御するための演算増幅器１４等により構成
される。

【００２４】外部からの制御電圧Ｖc は例えば、ライト
信号としてディジタル情報を表わすように強度変調され
た変調信号電圧であり、これが端子１８から抵抗素子Ｒ
i を介して制御電流Ｉi として演算増幅器１４の反転入
力端子２９に入力されている。

【００２５】この演算増幅器１４の非反転入力端子２０
には基準電圧Ｖr が入力されている。光検出素子２２は
例えば、ｐｉｎフォトダイオードであり、図のブロック
２４で示されるレーザピックアップ部内に半導体レーザ
１２と併置されている。

【００２６】光検出素子２２は端子２６に直流逆バイア
ス電圧Ｖbiasが印加されて、半導体レーザ１２からの出
力光の一部、例えば全出射光量の３％程度の光を検出す
るようになっている。

【００２７】この光検出素子２２の出力電流Ｉm は、そ
のまま帰還路２８を介して演算増幅器１４の非反転入力
端子２９に帰還されている。前記演算増幅器１４の出力
端子と帰還路の間には、光検出素子２２の応答特性を改
善するための位相補償回路３０として、この例ではキャ
パシタＣc が設けられている。

【００２８】したがって、この位相補償回路３０からの
補償電流と光検出素子２２からの出力電流Ｉm とが帰還
路上で加算されて、全帰還電流Ｉf として演算増幅器１
４の非反転入力端子２９に帰還されることになる。

【００２９】このような構成において、半導体レーザ１
２の出力光量が変動すると、その変動量は帰還電流Ｉf
として演算増幅器１４に負帰還される。このとき、制御
電圧Ｖc によって抵抗素子Ｒi に流れる制御電流Ｉi と
帰還電流Ｉf との間の差電流に応じて、演算増幅器１４
の出力には誤差電圧Ｖe が発生する。

【００３０】この誤差電圧Ｖe が電流駆動回路１６に制
御信号として与えられ、誤差電圧Ｖe が零となるよう
に、すなわち半導体レーザ１２の出力光量の変動が補償
されるように電流駆動回路１６が制御されることにな
る。

【００３１】このような半導体レーザ装置によれば、電
流モードでのフィードバック制御を行うことによって、
広帯域に渡って簡単な制御回路構成で高精度の半導体レ
ーザの光強度変調が可能になっている。その理由を次に
詳しく説明する。

【００３２】図２は、演算増幅器１４の帰還路の構成
を、等価的にブロック回路３８で表したものである。ブ
ロック３２は、図１の電流駆動回路１６の変換利得係数
Ｋi （Ａ／Ｖ）を表わす伝達要素である。

【００３３】ブロック３４は、半導体レーザ１２の微分
量子効率Ｋs （Ｗ／Ｖ）を表わす伝達要素である。ブロ
ック３６は、光検出素子２２のモニタ効率Ｋm （Ａ／
Ｗ）を表わす伝達要素である。

【００３４】これらの各伝達要素３２，３４，３６の直
列回路が等価的に、演算増幅器１４のための帰還抵抗素
子Ｒf として機能する。なぜなら、伝達要素Ｋi ，Ｋs
，Ｋm の直列回路の入力端子に、演算増幅器１４の出
力電圧（誤差電圧）Ｖe を印加したときは、結果として
得られる電流Ｉfは、以下の式により与えられるからで
ある。

【００３５】 Ｉf ＝Ｖe ・Ｋi ・Ｋs ・Ｋm …（１） したがって、ブロック回路部３８の抵抗Ｒf は、等価的
に Ｒf ＝１／Ｋi ・Ｋs ・Ｋm …（２） により定義される。

【００３６】このことは、上記ブロック回路部３８が、
等価的に、演算増幅器１４の帰還制御のための帰還抵抗
素子Ｒf として働くことを意味している。この場合の演
算増幅器１４の帰還回路構成は、図３に等価的に示され
ている。

【００３７】この等価回路において、演算増幅器１４の
反転入力と非反転入力間に接続されているキャパシタＣ
sjは、光検出素子２２それ自身の接合容量（浮遊容量を
含む）を表わしている。

【００３８】図３から明らかなように、図１に示す制御
回路全体の構成は演算増幅器を用いた簡単な反転増幅器
と等価になる。そして、演算増幅器１４の帰還パラメー
タは、光検出素子２２の接合容量等の影響を受けること
なく、調整することができ、したがって高精度の光強度
変調が可能になる。

【００３９】また演算増幅器１４のための帰還抵抗素子
を付加的に設ける必要性を排除できる。したがって、半
導体レーザ１２用の制御回路構成は簡略になる。

【００４０】また、位相補償用キャパシタＣc は、制御
ループ内での遅延時間による応答特性の劣化を補償して
おり、これにより広帯域に渡る制御が可能となってい
る。ところで、以上のような第１の基本例において、さ
らに広帯域化を図る上で障害になるのは、制御ループの
位相余有を劣化させる次の二つである。

【００４１】（ａ）第１には、電流駆動回路１６から光
検出素子２２に至る帰還ループの遅延時間と光検出素子
２２が持つ低域通過フィルタ（ＬＰＦ）特性とによって
生じる位相遅れである。

【００４２】（ｂ）第２には、入力部の容量Ｃsjと入力
抵抗Ｒi によるＬＰＦ特性による位相遅れである。具体
的に例えば、（ａ）の位相遅れについて数値例を挙げる
と、遅延時間が２ｎsec 、ＬＰＦの遮断周波数が１００
ＭＨｚである場合、周波数５０ＭＨｚにおいて位相遅れ
は６３度にもなる。

【００４３】これは、広帯域化を困難にするから、この
ような位相遅れに対する補償が一層の広帯域化のために
は必要である。以下には、このような位相遅れに対する
補償を行った第２，第３の基本例を説明する。

【００４４】図４は、第２の基本例の半導体レーザ装置
を示している。図４において、図１と対応する部分には
図１と同一符号を付して詳細な説明は省略する。この第
２の基本例では、位相補償回路３０として、キャパシタ
Ｃc と抵抗Ｒc の直列回路によって理想抵抗化したもの
を用いている。

【００４５】通常、半導体レーザの緩和周波数は１ＧＨ
ｚ以上であり、制御信号Ｖに対する演算増幅器１４の出
力Ｖe の応答特性がそのまま半導体レーザ１２の光出力
に反映される。

【００４６】したがって、制御ループの広帯域化を考え
る場合、反転増幅器として働く演算増幅器１４の応答特
性のみに着目すれば良いことになる。上述した（ａ）の
位相遅れによる障害は、光検出素子２２からの帰還電流
Ｉfの応答遅延と高周波域での減衰特性として現れる。

【００４７】この第２の基本例では、位相補償回路３０
をキャパシタＣc と抵抗Ｒc の直列回路として、補償電
流Ｉc の応答遅れをなくすことによって、これを解決し
ている。

【００４８】この第２の基本例によって広帯域化が図ら
れる理由を以下に解析的に説明する。図５は、この第２
の基本例の演算増幅器１４の帰還ループの構成を、先の
第１の基本例の図２と同様の方法でブロックで示したも
のである。

【００４９】図示のように演算増幅器１４の帰還制御ル
ープは、伝達関数Ｋi ，Ｋs ，Ｋm(s)を夫々もつ３つの
伝達要素３２′，３４′，３６′の直列回路３８′とし
て等価的に表わすことができる。

【００５０】この直列回路３８′は、帰還抵抗Ｒf 及び
帰還インダクタンスＬf の直列回路と見ることができ
る。図５において、光検出素子２２のモニタ効率Ｋm
（Ａ／Ｗ）を表わす伝達要素３６′が、上述した遅延時
間をもち、かつＬＰＦ特性を含む。

【００５１】したがって、伝達要素３６′の伝達関数Ｋ
m(s)は、 Ｋm(s)＝Ｋm ・ωd ・ωp ／（ｓ＋ωd ）（ｓ＋ωp ） …（３） となる。

【００５２】但し、ωd は遅延時間を一次近似して得ら
れる極を表わし、ωp はＬＰＦ特性の極を表わしてい
る。（３）式においては、ｓ² の項は制御系に影響を与
えることがないので無視している。

【００５３】式（２）と式（３）とを考慮すれば、帰還
インピーダンスＺf(s)）は、 Ｚf(s)＝Ｒf ＋ｓＬf ＝Ｒf ＋ｓ｛Ｒfs・ωd ・ωｐ／（ωd ＋ωp ）｝ …（４） となる。

【００５４】この式（４）は、演算増幅器１４の帰還路
は、図５に示されているように、抵抗Ｒf とインダクタ
ンスＬf の直列回路と等価であることを示している。し
たがって、この半導体レーザ装置は、図６に示されてい
るように、帰還インピーダンス部Ｚt(s)をもつ反転増幅
回路として等価的に考えることができる。

【００５５】この帰還インピーダンスＺt(s)は、 Ｚt(s)＝Ｒc ｛ｓ² ＋ｓ（Ｒf ／Ｌf ＋Ｒc ／Ｌf ）＋Ｒf ／Ｒc Ｌc ｝ ／｛ｓ² ＋ｓ（Ｒf ／Ｌf ＋１／Ｒc Ｃc ）＋Ｒf ／Ｒc Ｌc ｝ …（５） で与えられる。

【００５６】したがって、（５）式の分母と分子を等し
くすることによって、帰還インピーダンスＺt(s)を理想
抵抗化することができる。すなわち、理想抵抗化の条件
は、 Ｒc ＝Ｒf …（６） Ｃc ＝Ｌf ／Ｒf ² …（７） として求められる。

【００５７】このようにして、この第２の基本例によれ
ば、理想抵抗化の条件を満たすように位相補償回路３０
を構成することによって、帰還ループの遅延時間と光検
出素子２２の持つＬＰＦ特性に起因して生じる位相遅れ
を補償することができ、その結果半導体レーザ光強度制
御の広帯域化が可能になる。

【００５８】次に、もう一つの広帯域化の障害は、上述
の（ｂ）すなわち、入力部の容量Ｃsjと入力抵抗Ｒi に
よるＬＰＦ特性による位相遅れである。例えば、入力部
の容量Ｃsjは前述のように光検出素子２２の接合容量で
ほぼ決まり、その値は数ｐＦとなる。

【００５９】入力抵抗Ｒi を２ｋΩとした場合、このＬ
ＰＦの遮断周波数は十数ＭＨｚとなり、制御帯域を大幅
に制限することになる。この制御帯域の制限とこれに対
する対策を、図７に参照して説明する。

【００６０】図７は、図１の半導体レーザ装置を電流モ
ードに変換して表したものである。等価帰還抵抗Ｒf に
よる帰還電流Ｉf は、加算点５０に帰還される。この加
算点５０で、制御電圧Ｖc と抵抗Ｒc を等価的に示した
電流源５２からの制御電流Ｉi と帰還電流Ｉf が加算さ
れる。

【００６１】また位相補償回路３０の等価インピーダン
スＺ(s) による補償電流Ｉc は加算点５２に帰還され、
ここで加算点５０からの出力電流と加算される。以上の
加算電流は、入力抵抗Ｒi 、入力部の容量Ｃsi、演算増
幅器１４の入力抵抗Ｒg 、および位相補償回路３０の容
量Ｃc を含む並列インピーダンス５６に流れて、入力部
の誤差電圧が得られる。

【００６２】したがって、制御ループの伝達関数の中
に、並列インピーダンス５６で決定される極、すなわち
一次のＬＰＦ特性が付加されることになる。このＬＰＦ
特性が帯域制限の原因となる。

【００６３】そしてこのＬＰＦ特性による制御帯域の制
限を補償するには、図から容易に理解されるように、演
算増幅器１４の伝達関数Ｆ(s) に別の零点を追加すれば
よい。

【００６４】図８は、このような観点から広帯域化を図
った第３の基本例の半導体レーザ装置である。図１と対
応する部分にはここでも図１と同一符号を付してある。

【００６５】この第３の基本例では、図１の演算増幅器
１４の部分を、演算増幅器６２と補償増幅器６４を組み
合わせた駆動電流制御回路６０として構成している。演
算増幅器６２は、上述した一次のＬＰＦ特性を持つ汎用
の演算増幅器である。

【００６６】これに対して補償用増幅器６４は、演算増
幅器６２の伝達関数に零点を追加して高周波特性を補償
するために、演算増幅器６２に並列接続されている。こ
れら増幅器６２，６４の出力は加算点６６で並列加算結
合される。

【００６７】但し、演算増幅供給６２は反転増幅器であ
るから、加算点６６では実際には出力の減算になる。こ
の第３の基本例による制御帯域の広帯域化を、次に解析
的に説明する。

【００６８】汎用演算増幅器６２の伝達関数をＡ(s) と
すると、 Ａ(s) ＝Ｋa ・ω1 ／（ｓ＋ω1 ） …（８） として表わされる。ω1 は零点である。

【００６９】一方、増幅器６２，６４が並列接続されて
構成される駆動電流制御回路６０の所望の伝達関数Ｆ
(s) を、 Ｆ(s) ＝Ｋa ・ω1 ・（ｓ＋ω2 ）／（ｓ＋ω1 ）・ω2 …（９） とすれば、これを満たす補償増幅器６４の伝達関数Ｈ
(s) は、 Ｈ(s) ＝Ｆ(s) −Ａ(s) ＝（Ｋa ・ω1 ／ω2 ）｛ｓ／（ｓ＋ω1 ）｝ …（１０） として求まる。

【００７０】ω2 は、補償のために追加されるもう一つ
の零点である。すなわち、補償増幅器６４は、式（１
０）に示されるようにゲインＫa ・ω1／ω2 を持つ一
次ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）特性を持つようにすれ
ば、駆動電流制御回路６０として（９）式で表わされる
特性が得られる。

【００７１】第２の零点ω2 は、補償増幅器６４のゲイ
ンを調整することにより、伝達関数Ｆ(s) 特性の所望の
位置に配置することができる。つまり、第２の零点ω2
を、演算増幅器６２の極ω1 で決まる制限帯域外の高周
波領域の所望の位置に設定することによって、駆動電流
制御回路６０全体として広帯域化を図ることができる。

【００７２】図９は、この第３の基本例による制限帯域
拡大の様子を示す利得−周波数特性である。演算増幅器
６２の伝達関数Ａ(s) は曲線７０で示され、補償用増幅
器６４の伝達関数Ｈ(s) は曲線７２〜７４で示され、全
体としての駆動電流制御回路６０の伝達関数Ｆ(s) はこ
れらを合成した曲線７０〜７４で示される。

【００７３】補償用増幅器６４のゲインＫh は、（１
０）式から、Ｋh ＝Ｋa ・ω1 ／ω2である。例えば、
演算増幅器６２の制御帯域の零点ω1 を２０ＭＨｚと
し、そのゲイン交差周波数ωh を６０ＭＨｚとすれば、
追加する零点ω2 をほぼωh に設定して、補償用増幅器
６４に必要なゲインは、演算増幅器６２のそれの１／３
となる。

【００７４】これはトランジスタ一段で実現可能なゲイ
ンであり、したがってこの補償用増幅器６４の接続によ
って制御ループの遅延時間は一層短くなる。図１０は、
以上に説明した第１乃至第３の基本例を全て考慮に入れ
て具体化した第４の基本例の半導体レーザ装置を示して
いる。

【００７５】図１０における演算増幅器８０が先の実施
例で説明した演算増幅器１４或いは６２に相当する。ｎ
ｐｎトランジスタ８２，８４の部分が補償用増幅器６４
を構成している。

【００７６】トランジスタ８２のエミッタ出力とトラン
ジスタ８４のベース間に設けられたキャパシタ８６がこ
の補償用増幅器の一次のＨＰＦ特性を決定している。こ
れら二つの増幅器の出力加算は、ｎｐｎトランジスタ８
４と８８の電流加算により実現している。

【００７７】加算比は、抵抗９４，９６および９０によ
り設定され、この加算結果により所望の伝達関数Ｆ(s)
が決定される。二つの増幅器の出力加算結果は、バッフ
ァ用トランジスタ９２を介して出力される。

【００７８】このバッファ出力が抵抗８７とキャパシタ
８９を介して演算増幅器８０の反転入力端子に補償電流
として帰還されている。すなわち、抵抗８７とキャパシ
タ８９が、前述の位相補償回路３０を構成する抵抗Ｒc
とキャパシタＣc に相当する。

【００７９】但し、厳密には、抵抗８７は、抵抗Ｒc か
らバッファ用トランジスタ９２の出力抵抗を引いた値に
なる。この補償電流の負帰還によって、広帯域化時の制
御特性の安定化が図られることになる。

【００８０】バッファ用トランジスタ９２の出力は、電
流駆動回路１６を構成するトランジスタ１００，１０２
のベースに供給されている。これらのトランジスタ１０
０，１０２のコレクタが半導体レーザ１２に接続され
て、半導体レーザ１２に駆動電流が供給される。

【００８１】トランジスタ１０２のエミッタは抵抗１０
４，１０６を介して接地されている。抵抗１０６は駆動
電流検出用であって、その電位降下をトランジスタ１０
１が検出する。検出結果はトランジスタ１１４に与えら
れ、このトランジスタ１１４が半導体レーザ１２の駆動
電流を制限する。

【００８２】電流検出用のトランジスタ１０１のエミッ
タに設けられた抵抗１１６は、電流制限特性を緩やかに
動作させるためのものである。電流検出用トランジスタ
１０１に並列に接続されたトランジスタ１１８は、外部
的にこのレーザ制御回路動作をオン，オフ制御するため
に設けられている。

【００８３】異常が発生した場合にこのトランジスタ１
１８をオンにすることによって、電流制御用トランジス
タ１１４をオフにし、もって半導体レーザ１２の出力を
完全にオフすることができる。

【００８４】以上の回路構成では、制御ループのゲイン
交差周波数近傍で動作するのは、トランジスタ８２，８
４，８８，９４の４段のみであり、ここでの遅延時間は
１ｎsec 以下とすることが容易であり、しかも、制御帯
域の広帯域化が図られる。

【００８５】そして、この広帯域化によって、半導体レ
ーザが発生するノイズもより広帯域で抑圧することがで
きる。この場合の実験によれば、帰還制御を全く行わな
い場合と比較して、以上のような帰還制御を施すことに
より１０ｄＢ以上のノイズ低減が可能であることが確認
されている。

【００８６】図１１乃至図１３は、実験の測定結果であ
り、図１１は、駆動電流制御回路のゲイン特性（曲線１
５０）と位相特性（曲線１５２）である。これに対して
図１２は、図１０に示した第４の基本例の半導体レーザ
制御ループのゲイン特性（曲線１６０）と位相特性（曲
線１６２）である。

【００８７】制御帯域が１７５ＭＨｚと高周波域まで安
定にレーザ光出力制御が行われていることがわかる。ま
た図１３は、以上による帰還制御をオン，オフした場合
のノイズ低減の効果を示すもので、１０ｄＢ以上のノイ
ズ低減が図られていることが分かる。

【００８８】図１４は、以上のような基本例による半導
体レーザ装置を光ディスク装置に適用した例を示してい
る。演算増幅器１４と電流駆動回路１６を含む制御駆動
回路部２０１は、制御電圧Ｖc 、基準電圧Ｖf 等を発生
する記録／再生コントローラ２１０によって制御され
る。

【００８９】半導体レーザ１２及びモニタ用光検出素子
２（ｐｉｎフォトダイオード）２２は、固定された光学
ユニット２００内に設けられている。データ書込み時、
半導体レーザ１２は、情報によりアナログ的にまたはデ
ジタル的に変調された制御電圧Ｖc に従ってレーザビー
ムを出射する。

【００９０】この半導体レーザ１２の出力光ビームは、
レンズ、複合プリズム、ミラー等により構成される光学
系２０２により、読出し／書込み用光学ヘッド２０４に
導かれる。

【００９１】光学ヘッド２０４はこの光ディスク装置に
セットされて回転する光ディスク２０６の半径方向に直
線的に移動可能である。半導体レーザ１２が光ディスク
２０６に光学的に記録された情報を読出しまたは再生す
るための弱い光強度のレーザビームを出力する場合に
も、その読出しビームは、同様にして光学系２０２及び
ヘッド２０４により、光ディスク２０６に導かれる。

【００９２】半導体レーザ１２からの出力光の一部は複
合プリズムによって分離されて、光検出素子２２に入力
され、モニターが行われる。ここで、光検出素子２２の
前面には集光レンズ２０８が設けられ、モニタ光ビーム
を収束させて効率よく、光検出素子２２に入力するよう
になっている。光ディスク２０６の表面に近接して、温
度センサ２１２が配置されている。コントローラ２１０
は、温度センサ２１２からの雰囲気温度検出信号Ｓt に
応答して、制御電圧Ｖc の平均値或いは基準電圧Ｖr の
レベルを適切に更新するようになっている。

【００９３】以上説明したように本発明の基本例によれ
ば、外部からの制御電圧を抵抗を介して制御電流の形で
演算増幅器の入力端子に与え、モニタ用光検出素子の出
力電流をやはり電流の形で演算増幅器の入力端子に負帰
還することによって、半導体レーザ制御回路全体を、等
価的に、帰還パラメータが光検出素子の接合容量の影響
を受けずに調整できる簡単な反転増幅器として扱えるよ
うにし、もって半導体レーザの光強度変調を広帯域に渡
って高精度で行うことができる。

【００９４】次に、以上のような基本例の構成により広
帯域に渡って高精度で光強度変調を可能とした半導体レ
ーザ装置において、レーザパワーの異常を簡便にリアル
タイムで検知し得るようにした本発明の実施例について
図面を参照して説明する。

【００９５】図１５は本発明の一実施例が適用される半
導体レーザ装置の要部の構成を概念的に示すブロック図
である。図１５において、レーザパワーコントロール回
路２００は半導体レーザ１２の出力パワーを制御する。

【００９６】この半導体レーザ１２からのレーザ光はプ
リズム２０７で光ディスク２０６に照射されると共に、
その一部が光検出素子２２でモニタされる。そして、光
検出素子からの光電変換電流はレーザパワーコントロー
ル回路２２０に負帰還される。

【００９７】図１６は、レーザパワーコントロール回路
２２０はの詳細構成を示すブロックであり、上述した基
本例の半導体レーザ装置における抵抗Ｒi 、（誤差検出
用）演算増幅器１４、（レーザ）電流駆動回路１６及び
位相補償回路３０を含むと共に、レーザパワーしきい値
設定回路２２１及びレーザパワー異常検出回路２２２を
含んでいる。

【００９８】すなわち、演算増幅器１４、電流駆動回路
１６及び位相補償回路３０は先に示した各基本例のそれ
と同様に、半導体レーザ装置が広帯域に渡って高精度で
光強度変調を簡単な構成で実現することに寄与してい
る。

【００９９】そして、レーザパワー異常検知回路２２２
は、演算増幅器１４からの誤差電流Ｉerr をレーザパワ
ーしきい値設定回路２２１からの後述るようなしきい値
でもってモニタすることにより、レーザパワーの異常が
生じたときはそれをリアルタイムで検知して直ちに電流
駆動回路１６を介して半導体レーザ１２の駆動を停止さ
せる如く機能する。

【０１００】具体的には、第４の基本例で述べたように
図１０に示すトランジスタ１１８をオンすることによっ
て、電流制限用トランジスタ１１４をオフにして半導体
レーザ１２の出力を完全にオフにするようにしてやれば
よい。

【０１０１】次に、以上のようなレーザパワーの異常を
リアルタイムで検知する機能を有する本発明の実施例と
して光ディスク装置に適用した場合について説明する。
なお、図１５及び図１６において前述した各基本例と対
応する部分には図１乃至図１４の該当部と同一符号を付
してそれらの詳細な説明は省略するものとする。

【０１０２】光ディスク装置のレーザパワー（光量）コ
ントロール部の構成を示す１５，図１６において、ま
ず、レーザパワーコントロール回路２２０の内部の基準
信号生成回路２２３または外部のコントローラ２１０
で、リードモード、ライトモード、イレーズモードの各
モードでの基準信号を生成し、この信号に応じた光量だ
け発光するように半導体レーザ（以下ＬＤと記す）１２
を発光させる。

【０１０３】次に発光したＬＤ１２の光は、プリズム２
０７を通して、レーザパワーコントロール専用の光検出
素子（以下ＰＤと記す）２２に入射する。ＰＤ２２に入
った光は、電気信号に変換され、レーザパワーコントロ
ール回路２２０に伝えられる。

【０１０４】次にレーザパワーコントロール回路２２０
に伝えられたＰＤ２２からの電気信号は、各モードでの
基準信号と比較し、誤差がなくなるようにＬＤ１２を発
光させる。

【０１０５】これにより、プリズム２０７により偏向さ
れて光ディスク２０６に照射されるレーザパワーを一定
に保つことができる。ここで、各モード時の基準信号
と、ＰＤ２２からの電気信号との比較は、図１６に示す
レーザパワーコントロール回路２１０内の誤差検出用演
算増幅器１４で行われるようになっている。

【０１０６】ＰＤ２２からの電気信号をＩpd、各モード
時の基準信号をＩref 、比較した誤差信号をＩerr とす
ると、 Ｉerr ＝Ｉref ＋Ｉpd …（１１） であり、基準信号Ｉref に応じた光量でＬＤ１２が発光
している場合、Ｉerr は０となっている（図１７に示す
ａ領域参照）。

【０１０７】しかし、通常レーザパワーは、温度などの
影響により、わずかに変動するためＩpdもわずかに変化
し、誤差信号Ｉerr に表れる（図１７のｂ領域参照）。
次に、レーザパワーが大きく変化、もしくは基準信号Ｉ
ref に応じた光量と大きく異なる光量の場合、誤差信号
Ｉerr も大きな値を示す（図１７のｃ領域参照）。

【０１０８】このことより、誤差信号Ｉerr はレーザパ
ワーが、各モード時の基準信号Ｉref に応じたレーザパ
ワーとの光量比較として用いることができる。よって、
各モード時において誤差信号Ｉerr に図１７に示すよう
なスレショルドレベルＴＨ1 ，ＴＨ2 を設け、その値を
誤差信号Ｉerr が越えたとき、レーザパワーが異常であ
るとの判断が行えるので、これにより、レーザパワーを
リアルタイムに異常検知することができる。

【０１０９】すなわち、演算増幅器１４からの誤差信号
Ｉerr は、前述したように（レーザ）電流駆動回路１６
に供給されると共に、レーザパワー異常検知回路２２２
にも供給される。

【０１１０】ここで、レーザパワー異常検知回路２２２
は、上記誤差信号Ｉerr が内部のレーザパワーしきい値
設定回路２２１または外部のコントローラ２１０から設
定される上述したようなスレショルドレベルＴＨ1 ，Ｔ
Ｈ2 （Ｖt ）を越えたとき即レーザパワーの異常をリア
ルタイムで検知して、上述したように電流駆動回路１６
を介してＬＤ１２の発光を停止せしめると共に、コント
ローラ２１０にレーザパワーが異常であることを通知す
る。これにより、コントローラ２１０は以後の必要な措
置をとることをオペレータ等に報知することができるよ
うになる。

【０１１１】

【発明の効果】従って、以上詳述したように、本発明に
よれば、制御回路を複雑にすることなく、広帯域にわた
って高精度の光強度変調を可能とすると共にレーザパワ
ーの異常をリアルタイムで簡便に検知し得るようにした
半導体レーザ装置及びそれを用いる光学式情報記録再生
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の基本例の半導体レーザ装置の構成を示す
図。

【図２】同基本例の帰還路の等価構成を示す図。

【図３】同基本例の装置の全体構成を等価的に反転増幅
器として示す図。

【図４】第２の基本例の半導体レーザ装置の構成を示す
図。

【図５】同基本例の帰還路の等価構成を示す図。

【図６】同基本例の装置の全体構成を等価的に反転増幅
器として示す図。

【図７】図１の装置構成を電流モードで表わした等価回
路図。

【図８】第３の基本例の半導体レーザ装置の構成を示す
図。

【図９】同基本例による制御回路部の周波数特性を示す
図。

【図１０】より具体化した第４の基本例の半導体レーザ
装置構成を示す図。

【図１１】同基本例の制御回路部の周波数特性を示す
図。

【図１２】同基本例の制御ループの周波数特性を示す
図。

【図１３】同基本例の制御によるノイズ低減の効果を示
す図。

【図１４】本発明の基本例による装置を応用した光ディ
スク装置の構成を示す図。

【図１５】本発明の一実施例が適用される光ディスク装
置の要部の概略構成を示すブロック図。

【図１６】同実施例のレーザパワーコントロール回路の
具体例を示すブロック図。

【図１７】同実施例の動作を説明するための図。

【符号の説明】

１２…半導体レーザ（ＬＤ）、１４…演算増幅器（駆動
電流制御回路）、１６…電流駆動回路、２２…光検出素
子（ＰＤ）、３０…位相補償回路、１８…制御電圧入力
端子、２０…基準電圧入力端子（非反転入力端子）、２
９…反転入力端子、Ｒi …抵抗素子、６２…汎用演算増
幅器、６４…補償増幅器、６０…駆動電流制御回路、２
２０…レーザパワーコントロール回路、２０３…光ディ
スク、２０７…プリズム、２２１…レーザパワーしきい
値設定回路、２２２…レーザパワー異常検出回路、２２
３…基準信号生成回路、２１０…光学データ記録／再生
コントローラ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 この駆動電流制御手段の出力端子と前記入力端子間に設
   けられて位相遅れを補償するための補償電流を前記入力
   端子に負帰還する位相補償手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 この駆動電流制御手段の出力端子と前記入力端子間に設
   けられて位相遅れを補償するための補償電流を前記入力
   端子に負帰還する位相補償手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備え、 前記位相補助手段は、キャパシタまたはキャパシタと抵
   抗の直列回路により構成されていることを特徴とする半
   導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備え、 前記駆動電流制御手段は、その伝達関係が、低周波領域
   の利得を大きく保つ一つの極と、高周波領域の位相遅れ
   を補償する零点とを有することを特徴とする半導体レー
   ザ装置。
5. 【請求項５】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 この駆動電流制御手段の出力端子と前記入力端子間に設
   けられて位相遅れを補償するための補償電流を前記入力
   端子に負帰還する位相補償手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備え、 前記駆動電流制御手段は、その伝達関係が、低周波領域
   の利得を大きく保つ一つの極と、高周波領域の位相遅れ
   を補償する零点とを有することを特徴とする半導体レー
   ザ装置。
6. 【請求項６】 半導体レーザと、 この半導体レーザに駆動電流を供給する電流駆動回路
   と、 前記半導体レーザの出力光を検出する光検出素子と、 入力端子に前記光検出素子の出力電流が負帰還される演
   算増幅器を有し、この演算増幅器の出力端子に得られる
   誤差信号を前記電流駆動回路に駆動電流の制御信号とし
   て供給する駆動電流制御手段と、 この駆動電流制御手段の出力端子と前記入力端子間に設
   けられて位相遅れを補償するための補償電流を前記入力
   端子に負帰還する位相補償手段と、 前記演算増幅器の出力端子に得られる誤差信号が所定の
   スレショルドレベルを越えるときにレーザパワーの異常
   を検知して前記電流駆動回路を介して前記半導体レーザ
   の発光を停止させるレーザパワー異常検知手段と、 を備え、 前記駆動電流制御手段は、その伝達関係が、低周波領域
   の利得を大きく保つ一つの極と、高周波領域の位相遅れ
   を補償する零点とを有し、 前記位相補助手段は、キャパシタまたはキャパシタと抵
   抗の直列回路により構成されていることを特徴とする半
   導体レーザ装置。