JPH11238932A - 半導体レーザ装置及びレーザ光受光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体レーザを自然発光領域からレーザ発光
領域の広い範囲で高速に変調動作させる。 【解決手段】 半導体レーザが発するレーザ光を受光す
る光電変換素子を備えていて入力された光量指令信号に
応じて変化するレーザ光の光量をモニタし、該光量に応
じた帰還信号を出力する光量モニタ部と、前記光量指令
信号と前記帰還信号との偏差に応じて半導体レーザ駆動
信号を生成する駆動制御部と、前記半導体レーザ駆動信
号に線形対応した駆動電流を出力する線形駆動部と、前
記半導体レーザ駆動信号に非線形対応した駆動電流を出
力する非線形駆動部とを有し、前記線形駆動部と前記非
線形駆動部の出力した駆動電流を重畳した半導体レーザ
駆動電流によって前記半導体レーザを駆動することを特
徴とする半導体レーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光走査記録装置や
光通信装置に用いられる半導体レーザを駆動する駆動回
路に関し、特に、半導体レーザの光出力をアナログ変調
する際の応答性を向上させた半導体レーザ装置と、レー
ザ光を受光してモニタ信号を出力するレーザ光受光装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば、光走査記録装置にお
いて、半導体レーザから発生する光ビームを感光性記録
材料上で走査し該記録材料にデータの記録を行う装置等
が実用化されており、また、光通信装置においても、半
導体レーザの光出力を変調した光信号を光ファイバーを
介して伝送する装置等が広く使用されている。

【０００３】これら光走査記録装置や光通信装置等の半
導体レーザ装置で使用される半導体レーザは、駆動電流
を変化させることによって、半導体レーザから発生する
光出力を直接変調することが可能である。この駆動電流
を制御する回路は、通常、光量指令信号によって設定さ
れる所望の光出力が半導体レーザから正確に発生するよ
うに、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ
ｎｔｒｏｌ）回路を設けて光出力を安定にするような制
御を行うことが多い。従来のＡＰＣ回路は、半導体レー
ザの前方出射光、あるいは後方出射光の一部を分岐させ
たモニタ光の光量を検出し、該光量と前記光量指令信号
が示す設定光量との差を解消する方向に半導体レーザの
駆動電流を制御するように構成されている。しかし、半
導体レーザは、図２に示すように、駆動電流に対する光
出力特性が自然発光領域（ＬＥＤ領域）とレーザ発光領
域とで著しく変化する。広範囲に光出力を変化させて半
導体レーザを用いるためには、駆動電流に対する光出力
特性が線形であるレーザ発光領域だけでなく、自然発光
領域でも半導体レーザを使用する必要があるが、自然発
光領域では駆動電流の変化に対する光出力変化が小さ
く、そのため、変調応答性が悪化するという問題があっ
た。

【０００４】そこで、上記のような問題を解決するため
の手段が種々提案されている。

【０００５】例えば、特開平２−２１１６８３号公報で
公知の半導体レーザ駆動回路においては、所定値以上の
信号を押さえる信号制限回路、及び信号の高周波成分を
抽出するハイパスフィルタに光量指令信号を入力して補
償信号を作成し、該補償信号を光量指令信号に加えるこ
とによって、低光量領域での変調応答性を向上させてい
る。つまり、図１６に示す自然発光領域における補償前
のフィードバックループの一巡伝達特性６１及びレーザ
発光領域における補償前のフィードバックループの一巡
伝達特性６２に対して、上記の補償信号を光量指令信号
に加えない場合の閉ループ特性は、図１７（ａ）の実線
７１で示したように、自然発光領域の特性は高速応答性
の低い特性となってしまう。そこで、光量指令信号を信
号制限回路及びハイパスフィルタに入力して補償信号を
作成し、該補償信号を光量指令信号に加えた、図１７
（ｂ）の破線に示すような信号を用いて半導体レーザを
駆動すると、自然発光領域における閉ループ特性は、図
１７（ａ）の破線で示す特性７１′のように、図１７
（ａ）の実線で示すレーザ発光領域の特性７２′と同等
の特性に改善される。なお特性７２′の曲線は仮想の特
性曲線であり、自然発光領域で高周波特性をレーザ発光
領域と同等に改善した状態の曲線である。

【０００６】また、例えば、特開昭６３−２０４５２２
号公報で公知のレーザ記録装置では、ＡＰＣ回路におけ
るフィードバック回路のループゲインを光量指令信号に
基づき一定に制御することによって、低光量領域での変
調応答性を向上させている。即ち、前述した図１６に示
す補償前のフィードバックの一巡伝達特性６１、６２に
対して、図１７に示すようなループゲインを一定に制御
する補償を特性６１に対して行い、図１８に示すような
補正後のフィードバックループの一巡伝達特性８１、８
２とすることによって、自然発光領域からレーザ発光領
域までの全光量で一定の伝達特性となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した特開
平２−２１１６８３号公報で公知の半導体レーザ駆動回
路では、半導体レーザの光量の変化に対応した信号が帰
還される前の光量指令信号から補償信号を作成し、該補
償信号を光量指令信号に重畳して付加するため、この補
償信号は、半導体レーザの光量の変化には対応していな
い開ループでの補償となっている。従って、特開平２−
２１１６８３号公報の半導体レーザ駆動回路では、光量
指令信号に対して実際の光量が変動した場合に、精密な
補償が行えないという問題がある。例えば、温度変化に
よって半導体レーザの駆動電流に対する光出力特性が変
化した場合に、変調応答性が大きく変動してしまうとい
う問題がある。

【０００８】また一般に、矩形波、鋸波などは波長の異
なる正弦波の成分に分解できる。特開昭６３−２０４５
２２号公報で公知のレーザ記録装置では、例えば矩形波
の様にステップ状に急変する光量指令信号が入力される
と波長の異なる複数の正弦波が入力された状態となり、
発振もしくは応答性劣化が生じることがあるという問題
がある。即ち、ステップ状に急変する光量指令信号が自
然発光領域の信号成分とレーザ発光領域の信号成分を含
む場合は、特開昭６３−２０４５２２号公報で公知のレ
ーザ記録装置は自然発光領域に適したゲインとレーザ発
光領域に適したゲインのいずれが選択されるのかが不定
になってしまう。つまり、ループゲインを一定に制御し
ようとしても同時に異なる２つのループゲインを選択す
ることは不可能だから、適正なループゲインが選択され
るとは限らない。このために、ステップ状に急変する光
量指令信号が入力された場合、該光量指令信号の立ち上
がり時にループゲインが高すぎて発振し、または立ち下
がり時にループゲインが低すぎて駆動電流がなかなか下
がらないという現象が発生し、回路の動作が極めて不安
定になるという問題がある。従って特開昭６３−２０４
５２２号公報で公知のレーザ記録装置は階調変化が極め
てなだらかな光量指令信号でないと実用に耐えず、あら
ゆる光量指令信号に対応しようとする光記録装置や光通
信装置には採用しがたいという問題がある。

【０００９】本発明は上記問題点に着目してなされたも
ので、半導体レーザ装置において安定で精密な補償が可
能な閉ループでの補償を可能とし、かつ、光量０を含む
あらゆる光量指令信号に対応してゲインの補償を行い、
高速に変調する入力信号に対して安定かつ正確に追従す
るように変調応答特性を向上することを課題とする。

【００１０】また、これらの半導体レーザ装置では、半
導体レーザの発したレーザ光を受光し受光量に応じたモ
ニタ信号を出力する光電変換素子を備える場合がある。
また、レーザ光を利用して検査を行う検査装置などのレ
ーザ光受光装置も光電変換素子を備える場合がある。こ
れらの光電変換素子を備えた半導体レーザ装置やレーザ
光受光装置では、例えば半導体レーザーチップのパッケ
ージ内にモニター用のフォトダイオードを備えたデバイ
スのように、前記半導体レーザの陽極端子と陰極端子の
いずれか一方と、前記光電変換素子の陽極端子と陰極端
子のいずれか一方とが電気的に接続される場合がある。
このように接続されると、半導体レーザを駆動する駆動
電流の高周波成分が光電変換素子の持つ接合容量や浮遊
容量に因る寄生容量成分を通過して光電変換素子の端子
に現れてしまい、受光量から期待されるモニタ信号のレ
ベルに対して不正確なレベルのモニタ信号が出力され、
モニタ精度が不正確になるとの問題がある。

【００１１】本発明は上記問題点にも着目してなされた
もので、受光用の光電変換素子に生じる誤差成分を低減
・除去し、モニタ精度を向上することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は以下の半
導体レーザ装置によって解決できた。即ち請求項１に記
載の半導体レーザ装置は、入力された光量指令信号に基
づき半導体レーザを駆動し、該半導体レーザから発せら
れるレーザ光の光量を制御する半導体レーザ装置におい
て、該半導体レーザが発するレーザ光を受光する光電変
換素子を備えていて入力された光量指令信号に応じて変
化するレーザ光の光量をモニタし、該光量に応じた帰還
信号を出力する光量モニタ部と、前記光量指令信号と前
記帰還信号との偏差に応じて半導体レーザ駆動信号を生
成する駆動制御部と、前記半導体レーザ駆動信号に線形
対応した駆動電流を出力する線形駆動部と、前記半導体
レーザ駆動信号に非線形対応した駆動電流を出力する非
線形駆動部とを有し、前記非線形駆動部は、入力された
前記半導体レーザ駆動信号の増加に伴い前記半導体レー
ザの微分量子効率の変化率のなだらかな部分に合わせて
出力ゲインを非線形に減少させる第一の非線形特性段
と、入力された前記第一の非線形特性段の出力信号の増
加に伴い前記半導体レーザの微分量子効率の変化率の急
峻な部分に合わせて出力ゲインを前記第一の非線形特性
段よりも急峻かつ非線形に減少させる第二の非線形特性
段と、入力された前記第二の非線形特性段の出力信号が
設定値以下の場合は前記第二の非線形特性段の出力した
信号をそのまま出力し、前記設定値以上の場合は一定値
の信号を出力する第三の非線形特性段とを備えていて、
前記第一から第三の非線形特性段により前記非線形対応
した駆動電流のレベルを制御し、前記線形駆動部と前記
非線形駆動部の出力した駆動電流を重畳した半導体レー
ザ駆動電流によって前記半導体レーザを駆動することを
特徴とする。

【００１３】請求項１に記載の半導体レーザ装置によれ
ば、安定で精密な補償が可能な閉ループでの補償を可能
とし、かつ、光量０を含むあらゆる光量指令信号に対応
してゲインの補償を行い、高速に変調する入力信号に対
して安定かつ正確に追従するように変調応答特性を向上
することができた。

【００１４】また、請求項９に記載の半導体レーザ装置
は、入力された光量指令信号に基づき半導体レーザを駆
動し、該半導体レーザから発せられるレーザ光の光量を
制御する半導体レーザ装置において、該半導体レーザが
発するレーザ光を受光する光電変換素子を備えていて入
力された光量指令信号に応じて変化するレーザ光の光量
をモニタし、該光量に応じた帰還信号を出力する光量モ
ニタ部と、前記光量指令信号と前記帰還信号との偏差に
応じて半導体レーザ駆動信号を生成する駆動制御部と、
前記半導体レーザ駆動信号に応じて駆動電流を出力する
駆動部と、前記駆動電流に比例する信号の高周波成分の
みを通過させる帯域特性を備えたハイパスフィルタとを
備えていて、前記半導体レーザの陽極端子、陰極端子の
いずれか一方と、前記光電変換素子の陽極端子、陰極端
子のいずれか一方とが電気的に接続され、前記光量モニ
タ部は前記光電変換素子の出力と前記ハイパスフィルタ
の出力との偏差に応じた出力を前記帰還信号として出力
することを特徴とする。

【００１５】請求項９に記載の半導体レーザ装置によれ
ば、受光用の光電変換素子に生じる誤差成分を低減・除
去し、モニタ精度を向上することができた。

【００１６】また、請求項１０に記載のレーザ光受光装
置によれば、入力された光量指令信号に基づき半導体レ
ーザを駆動し、該半導体レーザから発せられるレーザ光
を光電変換素子で受光してレーザ光の光量に応じたモニ
タ信号を出力するレーザ光受光装置において、前記半導
体レーザの陽極端子、陰極端子のいずれか一方と、前記
光電変換素子の陽極端子、陰極端子のいずれか一方とが
電気的に接続され、前記光量指令信号に応じた駆動電流
を出力する駆動部と、前記駆動電流に比例する信号の高
周波成分のみを通過させる帯域特性を備えたハイパスフ
ィルタとを備えていて、前記光電変換素子の出力と前記
ハイパスフィルタの出力との偏差に応じた出力を前記モ
ニタ信号として出力することを特徴とする。

【００１７】請求項１０に記載のレーザ光受光装置によ
れば、受光用の光電変換素子に生じる誤差成分を低減・
除去し、モニタ精度を向上することができた。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。

【００１９】図１は、半導体レーザ装置の主要部たる半
導体レーザ駆動回路の回路図を示している。なお半導体
レーザ駆動回路は、光走査記録装置、光通信装置等の半
導体レーザ装置の主要部となる回路である。

【００２０】図１において入力端子１１は、図示しない
制御用コンピュータ等に接続されるための端子である。
該制御用コンピュータ等は変調信号源であり、半導体レ
ーザＬＤから所望の光出力が発せられるよう半導体レー
ザＬＤの駆動電流を制御する光量指令信号Ｓが制御用コ
ンピュータ等から入力端子１１に入力される。光量指令
信号Ｓは後段の各回路に適するようにインピーダンス、
レベル等が調整されている。

【００２１】モニタ回路４００は、半導体レーザＬＤか
ら発せられる前方もしくは後方出射光の一部を受光し電
流信号に変換するフォトダイオードＰＤと、該フォトダ
イオードＰＤから発生する電流信号を電圧信号に変換し
かつ所望の電圧レベルまで増幅する演算増幅器Ａ１とを
含んで構成される。演算増幅器Ａ１はフォトダイオード
ＰＤで発生した電流信号を電流電圧変換して電圧出力で
ある光量モニタ信号Ｍとして出力する。

【００２２】駆動制御回路２００は加算点２０１と演算
増幅器Ａ２を含み、加算点２０１にて光量指令信号Ｓと
光量モニタ信号Ｍとが加算され、演算増幅器Ａ２には光
量指令信号Ｓと光量モニタ信号Ｍの偏差を示す信号が入
力される。演算増幅器Ａ２は入力された該偏差を示す信
号を増幅して半導体レーザ駆動信号を出力する。

【００２３】線形駆動電流出力回路３００は、線形増幅
部３０１と電圧電流変換を担うトランジスタＴｒ４を含
んで構成されている。線形増幅部３０１は半導体レーザ
駆動信号の増減に線形対応した信号を出力する回路で、
線形増幅部３０１の入力端子は駆動制御回路２００の出
力端子に接続され、出力端子はトランジスタＴｒ４のベ
ースに接続されている。トランジスタＴｒ４はコレクタ
が半導体レーザＬＤのカソード電極と接続され、またエ
ミッタが抵抗を介して接地されている。半導体レーザＬ
Ｄのアノード電極は正電源に接続されている。駆動制御
回路２００の出力した前記半導体レーザ駆動信号は線形
駆動電流出力回路３００で増幅されてトランジスタＴｒ
４に加わり、トランジスタＴｒ４には半導体レーザ駆動
信号の増減に線形に対応したコレクタ電流が流れる。ト
ランジスタＴｒ４のコレクタ電流は半導体レーザＬＤの
駆動電流である。

【００２４】非線形駆動電流出力回路５００は、演算増
幅器Ａ３と、電圧電流変換を担うトランジスタＴｒ３
と、非線形の特性をつくる分圧回路５１０、５２０及び
スイッチング回路５３０とを含んで構成され、半導体レ
ーザ駆動信号の増減に非線形対応した信号を出力する。

【００２５】分圧回路５１０は本発明の第一の非線形特
性段の一例で、直列に接続した抵抗Ｒ１とダイオードＤ
１を備えていて、抵抗Ｒ１とダイオードＤ１のアノード
との間から駆動制御回路２００の出力した半導体レーザ
駆動信号の増減に非線形対応した出力を得る。分圧回路
５１０の回路常数は、半導体レーザＬＤの微分量子効率
の変換率がなだらかな部分の特性に合わせて出力ゲイン
が非線形に変化するように設定してある。

【００２６】演算増幅器Ａ３は分圧回路５１０の出力を
増幅して分圧回路５２０に出力する。

【００２７】分圧回路５２０は本発明の第二の非線形特
性段の一例で、直列に接続した抵抗Ｒ２とダイオードＤ
２を備えていて、抵抗Ｒ２とダイオードＤ２のアノード
との間から駆動制御回路２００の出力した半導体レーザ
駆動信号の増減に非線形対応した出力を得る。分圧回路
５２０の回路常数は、半導体レーザＬＤの微分量子効率
の変換率が急峻な部分の特性に合わせてゲインが非線形
に変化するように設定してある。

【００２８】分圧回路５１０、分圧回路５２０のそれぞ
れの応答出力は、半導体レーザ駆動信号の増加に非線形
に対応するものの、ゲインの減少傾向は互いに異なる。
また、分圧回路５１０、分圧回路５２０のそれぞれの応
答出力が非線形になる範囲は互いにずれている。そして
分圧回路５１０、演算増幅器Ａ３、分圧回路５２０のト
ータルの出力ゲインは、入力される半導体レーザ駆動信
号に非線形対応した出力ゲインとなる。

【００２９】スイッチング回路５３０は、本発明の第三
の非線形特性段の一例で、２つのトランジスタＴｒ１、
Ｔｒ２を備えている。トランジスタＴｒ１のベースは分
圧回路５２０の出力回路に接続され、エミッタは抵抗を
介してトランジスタＴｒ２に接続され、コレクタは接地
されている。トランジスタＴｒ２のコレクタは正電源に
接続され、エミッタは抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴ
ｒ３のベースに接続され、トランジスタＴｒ３のベース
は半導体レーザ駆動回路の基板外に設けた制御基板（不
図示）に接続されて制御信号Ｃが入力されている。スイ
ッチング回路５３０はトランジスタＴｒ１のスイッチン
グ動作により、半導体レーザ駆動信号の出力が一定値以
上の場合は一定値の電流を出力し、一定値以下の場合は
分圧回路５２０の出力をそのまま出力する。

【００３０】分圧回路５２０の出力が一定値を越えると
トランジスタＴｒ１のスイッチング作用により、トラン
ジスタＴｒ２のエミッタ出力がトランジスタＴｒ３のベ
ースに加わり、トランジスタＴｒ１のエミッタ出力はト
ランジスタＴｒ３のベースには加わらなくなる。トラン
ジスタＴｒ２のベースには一定電圧の制御信号Ｃが入力
されているので、分圧回路５２０の出力が一定値を超え
るとトランジスタＴｒ３のコレクタ電流は一定値をと
る。

【００３１】分圧回路５２０の出力が一定値以下ならば
トランジスタＴｒ１のエミッタ出力、即ち半導体レーザ
駆動信号の増加に非線形に対応した応答出力がトランジ
スタＴｒ３のベースに加わってトランジスタＴｒ３が駆
動される。

【００３２】非線形駆動電流出力回路５００全体として
は、回路定数によって、分圧回路５１０、分圧回路５２
０の順にゲインの減少率が大きくなるように設定してあ
り、またスイッチング回路５３０のスイッチング動作は
ゲインの減少率が無限小になったとみなせるので、半導
体レーザＬＤが消灯状態から次第に輝度を増すに連れ
て、まず非線形駆動電流出力回路５００のゲインが緩や
かに減少し、次に半導体レーザ駆動信号がさらに大きく
なると非線形駆動電流出力回路５００のゲインが急峻に
減少し、しかるのちに半導体レーザ駆動信号が設定値に
達して非線形駆動電流出力回路５００のゲインがカット
されて、実質的に非線形駆動電流出力回路５００はそれ
以上の駆動電流を出力しない状態になる。

【００３３】半導体レーザＬＤは、線形駆動電流出力回
路３００のトランジスタＴｒ４（ドライブトランジス
タ）のコレクタ電流と、非線形駆動電流出力回路５００
のトランジスタＴｒ３（ドライブトランジスタ）のコレ
クタ電流の和により駆動され発光する。

【００３４】既に説明したモニタ回路４００は半導体レ
ーザＬＤの光量の変化を電気信号である光量モニタ信号
Ｍとして出力し、駆動制御回路２００に負帰還し制御す
るため、半導体レーザＬＤの発光する光量は光量指令信
号Ｓに従って安定するように動作する。

【００３５】次に、実施の形態に示した半導体レーザ駆
動回路の動作と出力ゲインの特性を図２から図８を利用
して説明する。

【００３６】図２は半導体レーザの駆動電流（注入電
流）として直流電流を流したときの電流レベルと光出力
の一般的な関係を示す図である。半導体レーザは駆動電
流のレベルをあげていくと自然発光からレーザ発光に切
り替わるが、駆動電流のレベルがＩｔｈよりも小さいと
自然発光が支配的で、この自然発光領域では駆動電流量
の増加に対して光出力のパワーは非線形に増加する。一
方、駆動電流のレベルがＩｔｈを越えるとレーザ発光
し、このレーザ発光領域では駆動電流量の増加に対して
光出力のパワーは略線形に比例して増加する。また駆動
電流が電流値Ｉｔｈより小さい自然発光領域では、駆動
電流値が大きいほどに駆動電流の変化量に対する光出力
の変化量が大きくなる傾向を示す。

【００３７】図３は半導体レーザの駆動電流と微分量子
効率の関係を示す図である。図２で駆動電流と光出力の
関係が線形となる領域、つまり、駆動電流がＩｔｈを越
えた領域では微分量子効率は半導体レーザＬＤの駆動電
流のレベルにかかわらずに略一定値をとる。図中で直線
Ｌを用いて駆動電流がＩｔｈを越えたレーザ発光領域で
の半導体レーザの微分量子効率を示している。また、駆
動電流がＩｔｈを下回るときは、微分量子効率は駆動電
流の増加に従って増加する。また、図中で曲線Ｎを用い
て駆動電流がＩｔｈを越えない自然発光領域での半導体
レーザの微分量子効率を示している。

【００３８】微分量子効率は半導体レーザの素子単体の
ゲインとみなせるので、半導体レーザ駆動回路は入力に
対してゲインの変動する素子をクローズドループ内に備
えていることがわかる。

【００３９】図４は非線形駆動電流出力回路５００の入
力値（半導体レーザ駆動信号）に対する出力ゲインの関
係を示す図である。非線形駆動電流出力回路５００の特
性曲線は、図３に示した曲線Ｎに対して、逆数の関係を
満たす曲線に設定すると良い。入力値に対する非線形駆
動電流出力回路５００の出力ゲインの関係は、分圧回路
５１０の特性（図５）、演算増幅器Ａ３の特性（図
６）、分圧回路５２０の特性（図７）、スイッチング回
路５３０の特性（図８）のそれぞれを合成して実現した
もので、おおよそａ１の部分は分圧回路５１０と演算増
幅器Ａ３の特性に、ｂ１の部分は分圧回路５２０の特性
に、ｃ１の部分はスイッチング回路５３０の特性に依存
する。

【００４０】図５は入力に対する分圧回路５１０の出力
ゲイン（入出力特性）の関係を示す図で、この特性曲線
のａ２の部分は図４の特性曲線の一部であるａ１の部分
とゲインの変化率を一致させている。

【００４１】図６は入力に対する演算増幅器Ａ３の出力
ゲイン（入出力特性）の関係を示す図で、演算増幅器Ａ
３は入力値のレベルにかかわらずに一定値の出力ゲイン
が得られる。

【００４２】図７は入力に対する分圧回路５２０の出力
ゲイン（入出力特性）の関係を示す図で、この特性曲線
のｂ２の部分は、図４の特性曲線の一部であるｂ１の部
分と一致する。

【００４３】図８は入力に対するスイッチング回路５３
０の出力ゲイン（入出力特性）の関係を示す図で、この
特性曲線のｃ２の部分は、図４の特性曲線の一部である
ｃ１の部分と一致する。この特性曲線は、トランジスタ
Ｔｒ１の回路常数によって実現する。駆動電流がＩｔｈ
となるときにトランジスタＴｒ１のベースに加わる電圧
をＶｔｈとすると、トランジスタＴｒ１のベースに加わ
る電圧がＶｔｈが以下のときは半導体レーザ駆動信号の
入力値にかかわらず出力ゲインは一定で、電圧がＶｔｈ
に達するとトランジスタＴｒ１のスイッチング動作によ
り出力ゲインが極めて急激に減少する。

【００４４】抵抗Ｒ１とダイオードＤ１による分圧の比
によって図５の特性曲線を得ることが可能であり、抵抗
Ｒ１とダイオードＤ２による分圧の比によって図７の特
性曲線を設定できる。また分圧回路５１０の出力ゲイン
を演算増幅器Ａ３により引き上げて、図４のａ１の部分
の特性を実現している。

【００４５】以上のように、非線形駆動電流出力回路５
００は光量指令信号Ｓによって半導体レーザＬＤが自然
発光領域（駆動電流が閾値Ｉ_th以下）で動作するときに
微分量子効率に応じた高いゲインで増幅をし、自然発光
領域からレーザ発光領域に近づくに従ってゲインがなだ
らかに減少し、微分量子効率が一定値をとるようになる
レーザ発光領域ではゲインが略−∞になるような非線形
駆動電流を出力する入出力特性の回路である。

【００４６】このように非線形駆動電流出力回路５００
は第一の非線形特性段たる分圧回路５１０と第二の非線
形特性段たる分圧回路５２０が備えられており、駆動制
御回路２００の半導体レーザ駆動信号のレベルが、駆動
電流がＩｔｈ以下となるべき電圧より小さければ、非線
形駆動電流出力回路５００によって、駆動電流の立ち上
がり時点で半導体レーザＬＤの注入電流に対する発光量
の関係の逆数に比例する駆動電流が流れて、線形駆動電
流出力回路３００の出力電流と重畳される。

【００４７】本実施の形態の半導体レーザ駆動回路は非
線形駆動電流出力回路５００を備えることでゲインが変
動する素子を含めた回路のループゲインを入力レベルに
対して安定化させて、半導体レーザＬＤの駆動電流に対
する自然発光領域の応答特性とレーザ発光領域の応答特
性を一致させるように補正している。

【００４８】従って、上述の半導体レーザ駆動回路によ
れば、半導体レーザＬＤを自然発光領域からレーザ発光
領域の広い範囲で一定の応答性で高速に変調動作させる
ことが可能となる。また非線形駆動電流出力回路５００
による補償が、線形駆動電流出力回路３００における半
導体レーザＬＤの光量の変化に対応した閉ループ内で行
われるため、矩形波状の光量指令信号のように階調変化
の幅が大きい光量指令信号が入力されても適切な駆動電
流が出力され、光量追従性が向上する。

【００４９】次に、図９、１０を用いて、半導体レーザ
駆動回路の温度補償について説明する。

【００５０】図９は温度変動が生じた場合の半導体レー
ザの駆動電流（注入電流）に対する微分量子効率の変化
を示す図である。特性曲線は任意に設定した基準温度で
の微分量子効率を示している。特性曲線Ｈｉは基準温度
よりも半導体レーザＬＤの温度が上昇した状態を示して
いる。特性曲線Ｌｏｗは基準温度よりも半導体レーザＬ
Ｄの温度が下降した状態を示している。図９から明らか
なように、温度条件を変更すると半導体レーザＬＤに等
しい駆動電流を注入しても、温度が高いほど発光量は減
少し、逆に周辺温度が低いほどに発光量は増加すること
がわかる。

【００５１】図１０は、温度補償を行う半導体レーザ駆
動回路の制御ブロック図を一例として示している。図中
ドライブ回路１０は、図１で説明した駆動制御回路２０
０、線形駆動電流出力回路３００、モニタ回路４００、
非線形駆動電流出力回路５００を備えている。但し、図
１で示した半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤは
後述のように取り出してある。端子１１は既に図１で説
明した光量指令信号Ｓの入力端子である。端子１２は端
子５１１、端子５２１、端子５３１に接続されている端
子である。ＬＤチップ１３は半導体レーザＬＤとフォト
ダイオードＰＤを一体にパッケージしたデバイスで、ア
ルミニュウムで作成したホルダー１４に固定してある。
ＬＤチップ１３と電源との接続は省略した。ホルダー１
４はアルミニュウム製なので、その全体の温度は略均一
に保たれる。温度測定部１６はホルダー１４に埋め込ま
れていて、ホルダー１４の温度に応じた信号を出力し、
例えばサーミスタ等を利用できる。温度調整部１５はホ
ルダー１４に接触していて、ホルダー１４を冷却、また
は加温するもので、例えばペルチェ素子等を用いること
ができる。ペルチェ素子を用いる場合は、通電時に冷却
される面をホルダー１４に接触させて、ＬＤチップ１３
の発熱で過熱したホルダー１４を冷却する。ＬＤチップ
温度制御部１７は温度測定部１６の出力した信号に応じ
て温度調整部１５の動作を制御し、この結果、ＬＤチッ
プ１３が備える半導体レーザＬＤの温度は一定の範囲内
に制御される。

【００５２】一方、非線形駆動電流出力回路５００の特
性曲線（図４参照）は、端子５１１、５２１、５３１
（図１参照）に入力するバイアス電圧と半導体レーザ駆
動信号とによって横軸方向に移動することができる。温
度補償回路６００は、基準温度の状態で適切な特性曲線
が得られる様に端子１２に印可する基準バイアス電圧を
設定してある。そして温度測定部１６の出力から、半導
体レーザＬＤの温度が高いときは端子１２に入力するバ
イアス電圧を基準バイアス電圧より高くし、半導体レー
ザＬＤの温度が低いときは端子１２に入力するバイアス
電圧を基準バイアス電圧より低くするように制御する。
即ち、図９に示した半導体レーザＬＤの温度変化に伴う
特性変化に対し、温度補償回路６００により回路の特性
を追従させることが可能となり、半導体レーザＬＤの温
度変化の影響を受けずに応答させることが可能となって
いる。端子１２と端子５１１、端子１２と５２１、端子
１２と５３１との間にそれぞれ抵抗成分を設けて、端子
毎にバイアス電圧が異なるようにしても良い。

【００５３】ホルダー１４に複数のＬＤチップ１３を取
り付けた場合、またＬＤチップ１３を取り付けたホルダ
ー１４を複数個、互いに近接して配置した場合には、半
導体レーザ駆動回路は各ＬＤチップ１３に対して１つず
つドライブ回路１０を備える。ホルダー１４に複数のＬ
Ｄチップ１３を備えた場合、熱伝導によって各ＬＤチッ
プ１３の温度は略一定になるし、複数のホルダー１４を
互いに近接して配置した場合、輻射や対流により各ホル
ダー１４、ひいてはＬＤチップ１３の温度は略一定とな
るので、各半導体レーザＬＤは略同一温度になってい
る。従って、温度補償回路６００で各ドライブ回路１０
に対して共通のバイアス電圧を印可すれば回路の簡略化
ができる。

【００５４】次に図１１を用いて半導体レーザＬＤの特
性に自動的に追従して線形駆動電流出力回路３００の特
性を設定する半導体レーザ駆動回路を説明する。

【００５５】図１１は自動的に非線形駆動電流出力回路
５００の特性を設定する半導体レーザ駆動回路の制御ブ
ロック図を示している。図中ドライブ回路１０は、図１
で説明した駆動制御回路２００、線形駆動電流出力回路
３００、モニタ回路４００、非線形駆動電流出力回路５
００を備えている。但し、図１で示した半導体レーザＬ
ＤとフォトダイオードＰＤは後述のように取り出してあ
る。端子１１は既に図１で説明した光量指令信号Ｓの入
力端子である。端子１２は端子５１１、端子５２１、端
子５３１に接続されている端子である。ＬＤチップ１３
は半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤを一体にパ
ッケージしたデバイスで、アルミニュウムで作成したホ
ルダー１４に固定してある。ＬＤチップ１３と電源の接
続は省略した。発光波形解析部１８は本発明の発光波形
解析手段と修正情報取得手段をかねている。

【００５６】発光波形解析部１８は光量モニタ信号Ｍの
波形を解析して、解析情報を出力する。解析情報として
は、光量モニタ信号Ｍの波形のピーク値、遅延量などを
取得する。

【００５７】非線形特性入力部６１０は、発光波形解析
部１８で取得した解析情報に対して適切なバイアス電圧
を端子１２に印可する。

【００５８】図１１の半導体レーザ駆動回路によれば、
半導体レーザＬＤの特性が未知であり、または経時劣化
して特性が変化した場合でも、使用する半導体レーザの
特性に適した動作条件で駆動することが可能になる。ま
た、半導体レーザ駆動回路を正確な温度計測のできない
システムに搭載した場合でも、適切な動作条件で半導体
レーザＬＤを駆動することが可能になる。

【００５９】次に図１２、図１３、図１４を用いて、半
導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤのごとき光電変
換素子とを組み合わせて使用した場合に寄生容量が原因
で発生するノイズを軽減または除去する半導体レーザ駆
動回路の例を説明する。

【００６０】図１２は半導体レーザＬＤとフォトダイオ
ードＰＤを共通の電源で駆動する場合の概念を示す回路
図である。図１３は発生するノイズを軽減または除去す
る半導体レーザ駆動回路の実施の形態を説明する回路図
である。図１４はノイズと半導体レーザ駆動回路の光量
モニタ信号Ｍの波形を説明する図である。

【００６１】図１２で電源Ｐｗは、半導体レーザＬＤに
電源を供給し、またフォトダイオードＰＤに逆バイアス
を供給する電源で、半導体レーザＬＤのアノードとフォ
トダイオードＰＤのカソードを接続してある。寄生容量
ＣｓはフォトダイオードＰＤの端子間の浮遊容量、フォ
トダイオードＰＤの接合容量等の合計であり、図ではコ
ンデンサの記号を用いてフォトダイオードＰＤと並列に
示した。駆動電流Ｉｄは半導体レーザＬＤを駆動する駆
動電流、光電変換電流ＩｐｄはフォトダイオードＰＤの
出力である。トランジスタＴｒ１０は半導体レーザＬＤ
のドライブトランジスタでベースへの入力信号に応じて
駆動電流Ｉｄの電流値を制御する。

【００６２】図１２の回路で半導体レーザＬＤが発光す
るとフォトダイオードＰＤは受光波形に応じた光電変換
電流Ｉｐｄを出力する。このとき寄生容量Ｃｓの容量に
応じて半導体レーザの駆動電流Ｉｄによるノイズ電流Ｉ
ｎが発生する。ノイズ電流Ｉｎは駆動電流Ｉｄの高周波
成分が寄生容量Ｃｓを通過したノイズ成分であり、寄生
容量Ｃｓを経て光電変換電流Ｉｐｄに重畳される。

【００６３】即ち、半導体レーザ駆動回路の半導体レー
ザの入力端子、出力端子のいずれか一方と、モニタ回路
４００のフォトダイオードＰＤのような光電変換素子の
入力端子、出力端子のいずれか一方とが電気的に接続さ
れた回路構成を、例えば先の図１に示したごとき光電変
換素子の出力に基づく負帰還をかけた半導体レーザ駆動
回路に採用すると、前記ノイズ電流Ｉｎにより負帰還の
制御が不正確になるという問題がある。

【００６４】次に図１３をもちいてこの問題を解決する
半導体レーザ駆動回路の実施の形態を説明する。

【００６５】図１３で、駆動制御回路２００、線形駆動
電流出力回路３００、非線形駆動電流出力回路５００は
既に図１で説明したものと同じなので説明を省略する。
但し線形駆動電流出力回路３００と非線形駆動電流出力
回路５００に含まれるトランジスタＴｒ４とトランジス
タＴｒ３は便宜的に図中に明示した。

【００６６】図１３の半導体レーザ駆動回路はコンデン
サＣｈと抵抗Ｒ５を備えるハイパスフィルタ７００を介
して半導体レーザＬＤのアノード端子と演算増幅器Ａ１
１の入力端子とを接続してある。この結果、演算増幅器
Ａ１１は光電変換電流Ｉｐｄとハイパスフィルタ７００
の偏差に応じた信号を光量モニタ信号Ｍとして出力する
点が図１の演算増幅器Ａ１と異なる。

【００６７】次に図１４を用いて図１３の回路の動作を
説明する。駆動電流Ｉｄの波形が図１４（Ａ）に示した
状態のとき、仮にハイパスフィルタ７００を備えていな
い場合は、光電変換電流Ｉｐｄにノイズ電流Ｉｎが重畳
した上で演算増幅器Ａ１１で増幅されて、演算増幅器Ａ
１１の出力信号は図１４（Ｂ）に示した状態になる。ノ
イズ電流Ｉｎは寄生容量Ｃｓを通過したパルス状のノイ
ズであり、ハイパスフィルタ７００は半導体レーザＬＤ
の駆動電流Ｉｄに比例する信号の高周波成分を切り出し
た信号として図１４（Ｃ）に示すキャンセル信号Ｓｃを
出力する。ハイパスフィルタ７００の遮断周波数は、ノ
イズ成分が通過し、信号成分が遮断されるように設定し
た。

【００６８】図１３に示した例では演算増幅器Ａ１１は
図１４（Ｂ）に示したノイズ成分を含んだ信号と図１４
（Ｃ）に示したキャンセル信号Ｓｃの差を出力するた
め、図１４（Ｄ）に示すように、光量モニタ信号Ｍから
はノイズ成分がキャンセルされる。

【００６９】一般的に半導体レーザ駆動回路の半導体レ
ーザの入力端子、出力端子のいずれか一方と、フォトダ
イオードＰＤのような光電変換素子の入力端子、出力端
子のいずれか一方が電気的に接続される半導体レーザＬ
ＤとフォトダイオードＰＤは共通の端子に接続される。
この場合、カソード同士を共通の端子に接続する場合、
アノード同士を共通の端子に接続する場合、半導体レー
ザＬＤのカソードとフォトダイオードＰＤのアノードを
共通の端子に接続する場合もあるが、この例では半導体
レーザＬＤのアノードとフォトダイオードＰＤのカソー
ドを共通の電源Ｐｗに接続した例で説明した。

【００７０】また、半導体レーザの入力端子、出力端子
のいずれか一方と、フォトダイオードＰＤのような光電
変換素子の入力端子、出力端子のいずれかを接続するの
に、抵抗、インダクタンス、リアクタンスの成分を介し
ても良い。

【００７１】図１５は半導体レーザ駆動回路を備える光
走査記録装置の概略構成を説明する概念図である。

【００７２】レーザ光源１は図１に示した半導体レーザ
駆動回路を収納してある。レーザ光源１から照射された
光ビーム（レーザビーム）は、ポリゴンミラー２の回転
により偏向され、ｆθレンズ３に入射される。ｆθレン
ズ３は、ポリゴンミラー２により偏向されたレーザビー
ムを収束し、走査面上で等速度となるようにして射出す
る。記録媒体Ｐは例えばシート状やロール状の感光材
で、レーザビームにより露光されて潜像が形成される。
この潜像が形成された記録媒体Ｐを現像装置により現像
して、出力画像を得る。設定入力部４は図１０に示した
温度補償回路６００と図１１に示した非線形特性入力部
６１０を備えている。

【００７３】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ駆動回路によれ
ば、半導体レーザＬＤを自然発光領域からレーザ発光領
域の広い範囲で適正に変調動作させることが可能とな
る。また矩形波状の光量指令信号のように階調変化の幅
が大きい光量指令信号が入力されても適切な駆動電流が
出力され、光量追従性が向上する。

【００７４】また、本発明のレーザ光受光装置によれ
ば、受光用の光電変換素子に生じる誤差成分を低減・除
去し、モニタ精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザ駆動回路の回路図である。

【図２】半導体レーザの駆動電流として直流電流を流し
たときの電流レベルと光出力の一般的な関係を示す図で
ある。

【図３】半導体レーザの駆動電流と微分量子効率の関係
を示す図である。

【図４】非線形駆動電流出力回路の入力値に対する出力
ゲインの関係を示す図である。

【図５】分圧回路５１０の出力ゲインの関係を示す図で
ある。

【図６】演算増幅器Ａ３の出力ゲインを示す図で

【図７】分圧回路５２０の出力ゲインの関係を示す図で
ある。

【図８】スイッチング回路の出力ゲインを示す図であ
る。

【図９】温度変動が生じた場合の半導体レーザの駆動電
流に対する微分量子効率を示す図である。

【図１０】温度補償を行う半導体レーザ駆動回路の制御
ブロック図である。

【図１１】自動的に非線形駆動電流出力回路の特性を設
定する半導体レーザ駆動回路の制御ブロック図である。

【図１２】半導体レーザとフォトダイオードを共通の電
源で駆動する場合の概念を示す回路図である。

【図１３】半導体レーザの寄生容量が原因で発生するノ
イズを軽減または除去する半導体レーザ駆動回路を説明
する回路図である。

【図１４】ノイズと半導体レーザ駆動回路の光量モニタ
信号の波形を説明する図である。

【図１５】半導体レーザ駆動回路を備える光走査記録装
置の概略構成を説明する概念図である。

【図１６】従来の半導体レーザ駆動回路の特性図であ
る。

【図１７】従来の半導体レーザ駆動回路の特性図であ
る。

【図１８】従来の半導体レーザ駆動回路の特性図であ
る。

【符号の説明】

１３ ＬＤチップ １７ ＬＤチップ温度制御部 １８ 発光波形解析部 ２００ 駆動制御回路 ３００ 線形駆動電流出力回路 ４００ モニタ回路 ５００ 非線形駆動電流出力回路 ６００ 温度補償回路 ７００ ハイパスフィルタ Ｓ 光量指令信号 Ｍ 光量モニタ信号 ＰＤ フォトダイオード ＬＤ 半導体レーザ Ｉｄ 駆動電流 Ｉｐｄ 光電変換電流 Ｉｎ ノイズ電流

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された光量指令信号に基づき半導体
   レーザを駆動し、該半導体レーザから発せられるレーザ
   光の光量を制御する半導体レーザ装置において、 該半導体レーザが発するレーザ光を受光する光電変換素
   子を備えていて入力された光量指令信号に応じて変化す
   るレーザ光の光量をモニタし、該光量に応じた帰還信号
   を出力する光量モニタ部と、 前記光量指令信号と前記帰還信号との偏差に応じて半導
   体レーザ駆動信号を生成する駆動制御部と、 前記半導体レーザ駆動信号に線形対応した駆動電流を出
   力する線形駆動部と、 前記半導体レーザ駆動信号に非線形対応した駆動電流を
   出力する非線形駆動部とを有し、 前記非線形駆動部は、入力された前記半導体レーザ駆動
   信号の増加に伴い前記半導体レーザの微分量子効率の変
   化率のなだらかな部分に合わせて出力ゲインを非線形に
   減少させる第一の非線形特性段と、 入力された前記第一の非線形特性段の出力信号の増加に
   伴い前記半導体レーザの微分量子効率の変化率の急峻な
   部分に合わせて出力ゲインを前記第一の非線形特性段よ
   りも急峻かつ非線形に減少させる第二の非線形特性段
   と、 入力された前記第二の非線形特性段の出力信号が設定値
   以下の場合は前記第二の非線形特性段の出力した信号を
   そのまま出力し、前記設定値以上の場合は一定値の信号
   を出力する第三の非線形特性段とを備えていて、前記第
   一から第三の非線形特性段により前記非線形対応した駆
   動電流のレベルを制御し、 前記線形駆動部と前記非線形駆動部の出力した駆動電流
   を重畳した半導体レーザ駆動電流によって前記半導体レ
   ーザを駆動することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記第一の非線形特性段は抵抗とダイオ
   ードによる第一の分圧回路を備え、 前記第二の非線形特性段は抵抗とダイオードによる第二
   の分圧回路を備え、前記第三の非線形特性段はトランジ
   スタによるスイッチング回路を備えることを特徴とする
   請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記半導体レーザの微分量子効率はレー
   ザ発光領域と自然発光領域で略３０倍以上の差があるこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ
   装置。
4. 【請求項４】 前記第一の非線形特性段の入出力特性の
   バイアス分を調整する第一の設定信号と、前記第二の非
   線形特性段の入出力特性のバイアス分を調整する第二の
   設定信号と、前記第三の非線形特性段の前記設定値とを
   調整する設定信号を制御する設定値入力手段を備えるこ
   とを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体レ
   ーザ装置。
5. 【請求項５】 前記光量モニタ部、前記駆動制御部、前
   記線形駆動部、前記非線形駆動部を備えるレーザ発光制
   御基板と、前記レーザ発光制御基板の外部に配置した設
   定値入力手段とを備えることを特徴とする請求項４に記
   載の半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 前記設定値入力手段は温度条件に対応す
   る前記設定信号を出力することを特徴とする請求項４ま
   たは５に記載の半導体レーザ装置。
7. 【請求項７】 前記半導体レーザ装置内部の略同一の温
   度環境下に複数の前記レーザ発光制御基板を配置し、前
   記設定値入力手段は共通の前記設定信号を前記複数のレ
   ーザ発光制御基板に入力することを特徴とする請求項
   ４、５または６に記載の半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】 前記半導体レーザの発光波形を解析する
   発光波形解析手段と、前記解析の結果を取得して修正情
   報を出力する修正情報取得手段とを備え、前記設定値入
   力手段は取得した前記修正情報に従って前記設定信号を
   調整して出力することを特徴とする請求項４、５、６ま
   たは７に記載の半導体レーザ装置。
9. 【請求項９】 入力された光量指令信号に基づき半導体
   レーザを駆動し、該半導体レーザから発せられるレーザ
   光の光量を制御する半導体レーザ装置において、 該半導体レーザが発するレーザ光を受光する光電変換素
   子を備えていて入力された光量指令信号に応じて変化す
   るレーザ光の光量をモニタし、該光量に応じた帰還信号
   を出力する光量モニタ部と、 前記光量指令信号と前記帰還信号との偏差に応じて半導
   体レーザ駆動信号を生成する駆動制御部と、前記半導体
   レーザ駆動信号に応じて駆動電流を出力する駆動部と、
   前記駆動電流に比例する信号の高周波成分のみを通過さ
   せる帯域特性を備えたハイパスフィルタとを備えてい
   て、前記半導体レーザの陽極端子、陰極端子のいずれか
   一方と、前記光電変換素子の陽極端子、陰極端子のいず
   れか一方とが電気的に接続され、前記光量モニタ部は前
   記光電変換素子の出力と前記ハイパスフィルタの出力と
   の偏差に応じた出力を前記帰還信号として出力すること
   を特徴とする半導体レーザ装置。
10. 【請求項１０】 入力された光量指令信号に基づき半導
    体レーザを駆動し、該半導体レーザから発せられるレー
    ザ光を光電変換素子で受光してレーザ光の光量に応じた
    モニタ信号を出力するレーザ光受光装置において、前記
    半導体レーザの陽極端子、陰極端子のいずれか一方と、
    前記光電変換素子の陽極端子、陰極端子のいずれか一方
    とが電気的に接続され、前記光量指令信号に応じた駆動
    電流を出力する駆動部と、前記駆動電流に比例する信号
    の高周波成分のみを通過させる帯域特性を備えたハイパ
    スフィルタとを備えていて、前記光電変換素子の出力と
    前記ハイパスフィルタの出力との偏差に応じた出力を前
    記モニタ信号として出力することを特徴とするレーザ光
    受光装置。