CN100365717C - 半导体激光器驱动方法和光盘设备 - Google Patents

半导体激光器驱动方法和光盘设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体激光器驱动方法和光盘设备，该方法使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器，其特征是：矩形波被用作上述驱动电流的波形，且上述驱动电流的脉冲宽度被确定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脉冲宽度，而Td是上述半导体激光器的振荡延迟时间。

Description

半导体激光器驱动方法和光盘设备
本发明是申请号为98116757.8、发明名称为“半导体激光器驱动方法和光盘设备”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及到半导体激光器驱动方法和光盘设备，更确切地说是涉及到一种使用由高频调制驱动电流来驱动半导体激光器的半导体激光器驱动方法以及一种用此驱动方法来驱动用作光源的半导体激光器的光盘设备。
背景技术
就用于光盘设备中的光学摄像器装置的光源的半导体激光器而言，有些情况下使用由高频(RF)电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器，亦即，为了降低所谓的光反馈噪声而对半导体激光器进行了RF调制。在这种情况下，常规技术是根据使用半导体激光器的光学系统来优化RF调制频率、幅度和/或波形。
根据本发明人的最新研究，在用来再生记录密度比CD-ROM(小型盘ROM)高得多的DVD-ROM(数字化视盘ROM)的光盘设备中，尽管用作光学摄像器的光源的AlGaInP半导体激光器的RF调制很充分，在特定光输出处仍然证实发生了可能由噪声引起的不稳定性(jitter)的极大增加。由于这一反常的不稳定性增大会引起读出特性变坏，故需要采取对抗措施。
这一问题出现在高记录密度的DVD-ROM的再生过程中。但基本上推想是由光盘纹道尺寸减小以及记录密度的逐渐提高而引起的。以例如直径为12cm的光盘为例，当其容量约为千兆位时，问题变得很明显。例如，与振荡频率为650nm的半导体激光器一起使用的直径为12cm的光盘，其容量为4.7千兆位，而与振荡频率为780nm的半导体激光器一起使用的直径为12cm的光盘，其容量为0.64千兆位(640兆位)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体激光器驱动方法，它能够借助于在半导体激光器被RF调制时防止特定光输出处的不稳定性反常增大而在低噪声下使用半导体激光器，并提供一种采用此驱动方法的光盘设备。
本发明人为克服常规技术的上述问题进行了积极的研究，现总结如下。
此处更详细地重复一下常规技术的问题。本发明人在特定的RF电平处发现了不稳定性的反常增大，亦即，在大约1.3V(相当于大约2.5mW的光输出)处，在对用作DVD-ROM光盘设备中的光学摄像器光源的振荡频率为650nm的折射率波导AlGaInP半导体激光器进行350MHz的RF调制时，获得了不稳定性对RF电平的关系(线性响应于半导体激光器的光输出)。此现象在RF调制充足的条件下出现，而且总是出现在相同的RF电平处。因此，这不是光反馈引起的现象。此外，在不同类型的DVD半导体激光器中也发现了同样的现象。
图1示出了在有RF调制和没有RF调制的二种情况下的典型的光输出(L)对驱动电流(I)的特性。从图1可知，没有RF调制时，即处于直流驱动模式时，出现线性L-I特性；但有RF调制时，阈值电流Ith减小，L-I特性中出现非线性起伏。就微分量子效率的改变而言，此起伏是周期衰减性起伏。L-I特性中的这种起伏迄今尚不了解。
本发明人还发现了与L-I特性中的起伏基本同步的“成块”似地改变的本征噪声(量子噪声)。亦即，虽然RF调制的半导体激光器的相对强度噪声(RIN)对光输出(Pout)的典型特性如图2所示，但此处所示的RIN对Pout的特性表示与L-I特性中的起伏大致同步的本征噪声的“成块”似的改变。在图2中，P1、P2、P3、...是平均光输出，其中RIN被最大化。
然后，作为对应于RF调制的光波形的观察结果，发现了与L-I特性中的起伏同步地出现弛豫振荡的第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲。各个脉冲的起始位置与L-I特性曲线中的最小值位置(底部)基本重合，且本征噪声来自此处附近新的振荡模式的出现。图3示出了此现象的情况。在图3中，D1和D2是L-I特性曲线的底部。由新的振荡模式的出现而引起的本征噪声主要是一种相似于出现弯折时引起的量子噪声增大的现象，并可认为是本征噪声成块的根源。
如上所述，已证实半导体激光器的RF调制导致本征噪声在特定的光输出处出现峰值的现象，而且，在光盘设备中用作光学摄像器光源的半导体激光器的RF调制在这些峰值处引起不稳定性的增大。此现象的性质可简述如下。
RIN对Pout的特性中本征噪声的成块位置(光输出位置)决定于半导体激光器弛豫振荡频率(fr)与RF调制频率(RF调制周期)之间的关系、RF调制波形、RF调制幅度等等，并具有下列性质。
1·RF调制幅度越大，本征噪声中的“成块”位置的改变周期就越长。
2·RF调制频率越高(RF调制周期越短)，本征噪声中的“成块”位置的改变周期就越长。
3·弛豫振荡频率越高，本征噪声中的“成块”位置的改变周期就越短。
4·随着温度的升高，本征噪声中的“成块”位置的改变周期就稍许变长。
5·当反馈光增加时，则噪声量增加且本征噪声中的“成块”位置的改变周期缩短。
6·当RF调制频率增高时，低功率光输出时的噪声量下降。
这些性质出自下列原因。图4A-4C示出了响应于直流偏置电流值的改变的光响应的改变，其中直流偏置电流值从图4A增大到图4B到图4C。当直流偏置电流值低时(图4A，表示只有弛豫振荡的第一峰值被输出)，弛豫振荡的第一峰值响应直流偏置电流而上升。当直流偏置电流值增大到表示图4B所示的状态(有效脉冲宽度Wp覆盖弛豫振荡第二峰值的激发)时，弛豫振荡的第二峰值开始产生。已知半导体激光器通常在开始出现新的振荡模式时产生本征噪声(起源于自发辐射的量子噪声)。此时发现的振荡模式是一种时间意义上的亦即按时间的新的振荡模式。但作为一种现象，被认为是在出现新的振荡模式的意义上的一种等效的物理现象，而且导致响应于新的振荡模式而产生本征噪声。随着直流偏置电流值的进一步增大，在弛豫振荡的第三峰值出现的位置处，出现下一个噪声(图4C)。随着时间的推移，连续地重复这些过程。在图4A-4C中，Td表示半导体激光器振荡的延迟时间。
如上所述，虽然RF调制的半导体激光器通常呈现带有本征噪声中的“成块”的RIN对Pout的特性，但重要的是将“成块”抑制在其光输出实际可接受的水平以下，亦即在例如RIN＜-130dB/Hz。为此，考虑到上述讨论，采取了下列对策。此对策的基本情况是：
(A)为了降低产生的本征噪声而延迟弛豫振荡第二脉冲的生成(将其移向高输出)；或
(B)一开始就产生较高阶的弛豫振荡脉冲(将其移向低输出)来抑制其在以后的产生。
若实际的光输出低于半导体激光器的指标，则方法(A)更有效。若高于指标，则方法(B)更有效。若希望将半导体激光器用于较低和较高光输出二种情况，则最好优先用于较低的光输出并采用方法(A)。
为了实现(A)，可应用下列方法。为了实现(B)，可采用与下列方法相反的办法。
(A-1)增大RF调制幅度。
(A-2)提高RF调制频率。
(A-3)降低半导体激光器的弛豫振荡频率。
(A-4)使用窄的矩形波作为RF调制波形。
当采用(A-1)时，要注意由于过度增大弛豫振荡的第一脉冲而可能使可靠性降低。虽然(A-2)涉及到与(A-1)相同的问题，但可借助于将RF调制幅度设定得稍小而加以克服。如性质6所述，由于(A-2)有助于抑制整个本征噪声，故(A-2)是方便的。
借助于提高边缘表面反射率、增大腔长和/或降低量子阱效应，可实现(A-3)。这些方法都使半导体激光器的主要特性变坏，因此是不可取的。虽然如此，如果找不到其它方法，也值得加以考虑。(A-4)是很有效的，但涉及到与(A-1)相同的问题。然而在其边缘表面抗击穿性能很强的高输出半导体激光器的情况下，也值得使用。RF调制波形不一定要严格的矩形，相对于半导体激光器的弛豫振荡频率fr是短脉冲就足够了。
上述的描述是针对光盘设备中的读出过程。但也可基本相同地应用于写入过程。
根据本发明的第一方面，提供了一种使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的半导体激光器驱动方法，其特征是：表示上述半导体激光器的相对强度噪声对平均光输出特性的曲线至少有一个峰值；以及上述半导体激光器在平均光输出偏离上述峰值的条件下被驱动，其中上述高频电流的调制条件被确定为使上述峰值不进入P*±0.5mW的范围，其中P*是上述激光器的平均光输出。
根据本发明的第二方面，提供了一种采用半导体激光器作为光源并构造成使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的光盘设备，其特征是：表示上述半导体激光器的相对强度噪声对平均光输出特性的曲线至少有一个峰值；以及上述半导体激光器在平均光输出偏离上述峰值的条件下被驱动，其中上述高频电流的调制条件被确定为使上述峰值不进入P*±0.5mW的范围，其中P*是上述半导体激光器的平均光输出。
图2示出了根据本发明的半导体激光器的相对强度噪声(RIN)对平均光输出(Pout)的例子。在图2中，峰P2和P3是本征噪声中的成块。
当半导体激光器使用的平均光输出(推荐平均光输出)为P*时，RF电流的调制条件一般确定成使峰值不处于P*±ΔP之中(其中ΔP是平均光输出(推荐平均光输出)的裕度(见图2))，更具体地说，不处于P*±0.5mW之中。以这种方式，借助于避免本征噪声中的“成块”，同时为激光使用效率提供可行的充分的裕度，半导体激光器可用于低噪声。例如，作为光盘设备，充分的裕度可确保用各种不同光学摄像器进行复制，从而可大大提高制造成品率。
为了在半导体激光器所用的平均光输出低于10mW时借助于避免本征噪声中的“成块”而使用低噪声半导体激光器，高频电流的频率fm被确定为满足fr≥fm≥fr/5，其中fr是半导体激光器的弛豫振荡频率。这相当于前述措施(A)的方法(A-2)。
为了借助于避免本征噪声中的“成块”而使用低噪声半导体激光器，可采用矩形波作为驱动电流的波形，将驱动电流的脉冲宽度Wp设定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Td是半导体激光器的振荡延迟时间。这相当于前述措施(A)的方法(A-4)。
为了在半导体激光器所用的平均光输出高于10mW时借助于避免本征噪声中的“成块”而使用低噪声半导体激光器，高频电流的频率fm被确定为满足fr≥fm≥fr/10，其中fr是半导体激光器的弛豫振荡频率。这相当于前述措施(A)的方法(A-2)。
倘若希望将半导体激光器实际用于较低和较高光输出二种情况，如果RF调制条件被固定满足一个要求，则用来满足其它要求的平均光输出被设定为充分偏离图2所示的各峰值。
就半导体材料、激光器结构、有源层结构等等来说，此处所用的半导体激光器基本上可以是任何一种。AlGaInP半导体激光器和AlGaAs半导体激光器是其特例。若有源层带有量子阱结构，则在例如是否使用应变量子阱结构、应该使用多大的应变、阱层的量子阱数目和厚度应该如何确定的问题上，有各种各样的选择余地。
因此，本发明的另一种使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的半导体激光器驱动方法，其特征是：矩形波被用作上述驱动电流的波形，且上述驱动电流的脉冲宽度被确定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脉冲宽度，而Td是上述半导体激光器的振荡延迟时间。
本发明的又一种使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的半导体激光器驱动方法，其特征是：当上述半导体激光器的平均光输出高于10mW时，上述高频电流的频率被确定为满足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高频电流的频率，而fr是上述半导体激光器的弛豫振荡频率。
本发明的再一种采用半导体激光器作为光源，并构造成使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的光盘设备，其特征是：矩形波被用作上述驱动电流的波形，且上述驱动电流的脉冲宽度被确定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脉冲宽度，而Td是上述半导体激光器的振荡延迟时间。
本发明的再一种采用半导体激光器作为光源，并构造成使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的光盘设备，其特征是：当上述半导体激光器的平均光输出高于10mW时，上述高频电流的频率被确定为满足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高频电流的频率，而fr是上述半导体激光器的弛豫振荡频率。
根据具有上面所总结的结构的本发明，由于表示半导体激光器相对强度噪声对平均光输出的特性至少包括一个峰值，且半导体激光器在确保平均光输出偏离各峰值的条件下被驱动，故借助于避免本征噪声中的“成块”，可在低噪声下使用半导体激光器。
结合附图，从本发明的下列详细描述中，本发明的上述和其它的目的、特点和优点将更加明显。
附图说明
图1示意图示出了有RF调制和没有RF调制的半导体激光器的光输出对驱动电流的特性；
图2示意图示出了半导体激光器的相对强度噪声对平均光输出的特性；
图3示意图解释了半导体激光器中微分量子效率周期性起伏随弛豫振荡脉冲的变化和噪声的产生；
图4A、4B和4C示意图解释了半导体激光器的光响应随直流偏置电流值的变化；
图5是半导体激光器的驱动电路图；
图6示意图示出了一种折射率波导AlGaInP半导体激光器；以及
图7示意图示出了一种光盘录制和/或再生设备。
以下参照附图来解释本发明的一些实施例。
具体实施方式
首先解释的是对应于前述措施(A)的方法(A-2)的本发明的第一实施例。
图5示出了半导体激光器的驱动电路。在图5中，参考号1表示半导体激光器，2表示直流偏置电流源，3表示RF电流源。加于半导体激光器1并对其进行驱动的是用来自RF电流源3的RF电流对来自直流偏置电流源的直流偏置电流进行调制的驱动电流。
在第一实施例中，RF调制频率fm设定为600MHz或更高，而RF调制幅度am按照ΔIth设定为大约5mA。半导体激光器1的弛豫振荡频率fr在大约5mW下保持在大约3GHz以下。为此，在不会不可接受地损害半导体激光器1的基本特性和对可靠性无不利影响的范围内，选择一个或更多的方法，亦即，增大半导体激光器1的边缘表面反射、加大腔长、或在半导体激光器1带有量子阱结构时减弱其量子阱效应。
图6示出了半导体激光器1的一个例子，即一个带有量子阱结构有源层的折射率波导AlGaInP半导体激光器。
根据第一实施例，将RF调制频率fm设定为不低于600MHz，RF调制幅度am按照ΔIth设定为大约5mA，而弛豫振荡频率fr在大约5mW时设定为低于大约3GHz，如图2所示，有可能避免本征噪声中的“成块”，并在为光输出尽量减小噪声的低噪声条件下使用半导体激光器1。
因此，当根据第一实施例的驱动方法被用来驱动用作图7所示光盘录制和/或再生设备中的光学摄像器光源的半导体激光器时，就有可能在足够低的实际用在读出和/或写入过程中的电平下的读出和/或写入过程中抑制不稳定性，从而获得极好的读出特性和写入特性。即使在存在光反馈时，由于大的噪声出现在本征噪声的“成块”附近，根据第一实施例的驱动方法也可以用来有效地抑制噪声的产生并得到极好的读出特性和/或写入特性。而且，单独一个半导体激光器被用来产生诸如用于读出和写入的多个光输出，借助于采用第一实施例的驱动方法，读出特性和写入特性二者都可得到改善。采用振荡频率为650nm的折射率波导AlGaInP半导体激光器作为其光学摄像器光源的DVD-ROM再生设备，是一种示范性光盘录制和/或再生设备。
下面解释的是本发明的第二实施例，它在使用较高光输出的半导体激光器1的要求下采用了前述的措施(B)。
在第二实施例中，RF调制频率fm被设定为不高于500MHz。若fm太低，则如性质6所述，本征噪声可能整个增加。此外，此处的实施例是针对较高光输出的半导体激光器。因此，fm的最小值可在100MHz附近。RF调制幅度在能够抑制光反馈噪声的范围内被设定为尽可能低。具体地说，虽然依赖于fm，但仍然设定为按ΔIth不大于约7mA。半导体激光器1的弛豫振荡频率fr在大约5mW下被设定为不低于4GHz。
与第一实施例相似，根据第二实施例，有可能避免图2所示的本征噪声中的“成块”，并在为光输出尽量减小噪声的低噪声条件下使用半导体激光器1。
此处，当根据第二实施例的驱动方法被用来驱动用作光盘录制和/或再生设备中的光学摄像器光源的半导体激光器时，再次获得了极好的读出特性和/或写入特性。
至此，已参照附图描述了本发明的具体最佳实施例，应该理解的是，本发明不局限于这些具体的实施例，而是可由本技术领域的熟练人员作出各种改变和修正而不超越所附权利要求所规定的本发明的范围和构思。
例如，第一实施例已被解释为设定RF调制频率fm不低于600MHz，设定RF调制幅度am按ΔIth约为5mA，并限制半导体激光器1的弛豫振荡频率fr于5mA下在约3GHz的范围内。但仅仅设定RF调制频率fm为不低于600MHz以及设定RF调制幅度am为按ΔIth约5mA，也可以得到实际足够的效果。如果即使当RF调制幅度am提高时，半导体激光器1的可靠性仍然没有受到不利的影响，则对RF调制幅度am的限制就没有必要。从措施(A)的效果的观点看，RF调制幅度am越大，效果就越大。当希望在低噪声条件下将半导体激光器1用于低光输出和高光输出二种情况时，这是特别有效的。
在第二实施例中，借助于采用较大脉冲宽度的矩形波作为脉冲波形，半导体激光器可用于低噪声条件。当一种措施被用在半导体激光器1本身部分上时，例如使条宽变窄，或采用增益波导结构来沿横向扩散注入电流以及衰减弛豫振荡时，效果更大。
如上所述，根据本发明的半导体激光器驱动方法可防止半导体激光器被RF调制时在特定的光输出处出现不稳定性的反常增大，半导体激光器因此可用于低噪声条件。
根据本发明的光盘设备，由于半导体激光器可用于低噪声条件，故获得了极好的读出特性和/或写入特性。

Claims (6)

1.一种使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器的半导体激光器驱动方法，其特征是：
矩形波被用作上述驱动电流的波形，且上述驱动电流的脉冲宽度被确定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脉冲宽度，fr是上述半导体激光器的驰豫振荡频率，而Td是上述半导体激光器的振荡延迟时间。
2.根据权利要求1的半导体激光器驱动方法，其中所述的半导体激光器是AlGaInP半导体激光器。
3.根据权利要求2的半导体激光器驱动方法，其中所述的半导体激光器带有量子阱有源层。
4.一种光盘设备，其采用半导体激光器作为光源，并构造成使用由高频电流调制直流电流而产生的驱动电流来驱动半导体激光器，其特征是：
矩形波被用作上述驱动电流的波形，且上述驱动电流的脉冲宽度被确定为满足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脉冲宽度，fr是上述半导体激光器的驰豫振荡频率，而Td是上述半导体激光器的振荡延迟时间。
5.根据权利要求4的光盘设备，其中所述的半导体激光器是AlGaInP半导体激光器。
6.根据权利要求5的光盘设备，其中所述的半导体激光器带有量子阱有源层。
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