JP2664775B2

JP2664775B2 - 半導体レーザ駆動装置

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Publication number: JP2664775B2
Application number: JP1150476A
Authority: JP
Inventors: 宏明星
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1989-06-15
Publication date: 1997-10-22
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: JPH0318079A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光源としての半導体レーザの光出力を検出
し、該検出信号から、所望周波数帯域の信号を抽出して
注入電流に帰還するようにした半導体レーザ駆動装置に
関する。

［従来の技術］従来、光がデオディスクなどから、光学的に情報を再
生する情報再生装置においては、半導体レーザを光源と
して用いる時、光ディスクからの戻り光によって、半導
体レーザの出力光に戻り光によって誘起されるノイズが
乗り、情報再生に支障があった。また、光通信などの技
術分野においても、光学部品、例えば光ファイバーの端
からの反射光が半導体レーザに戻り、その戻り光によっ
てノイズが誘起され、問題であった。

このようなノイズ発生に対する対策としては、従来か
ら、特公昭59−9086号公報にも開示されているように、
半導体レーザが多重縦モード発振するように注入する直
流電流バイアスに一定の高周波電流を重置して雑音を低
減することが提唱されている。しかし、通常の駆動装置
のほかに、別途、高周波電流源が必要であって、しか
も、この電流源からの出力は、バイアス電流のしきい値
を深くきるような大きな変調度を得るように大きく設定
しなければならない。このため、装置の規模も大きくな
り、コストも高くなる。また、高周波電流源の出力が大
きいために、不用電磁輻射になる雑音が大きいという問
題点を有している。

そこで特開昭59−129948号、特開昭62−3534号公報に
開示されているように、半導体レーザからの光出力を検
出し、その検出信号の高周波成分、望ましくは、上記半
導体レーザの緩和振動の共振周波数成分を、上記半導体
レーザの注入電流に正帰還させる方式が提唱されてい
る。

この方式によれば、装置規模も小さくでき、雑音低減
のための電力も小さくてよい。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、この方式では、半導体レーザの光出力
の“ゆらぎ”、すなわち雑音を検出して、これをバイア
ス電流に正帰還するものであるから、半導体レーザがう
ける雑音強度により、正帰還による高周波発振の開始が
支配され、安定した高周波発振が常に得られるわけでは
ない。また、半導体レーザの特性、例えば、緩和振動の
共振周波数、レーザ容量、負荷などは、注入電流、温
度、半導体レーザへの戻り光量、その戻り光の遅延時間
などにより変化するため、高周波発振の安定度が悪く、
発振と非発振とが不安定に生じる。

また、前述の特開昭59−129948号公報で開示されてい
るような、この方式においても、前述の特公昭59−9086
号公報で開示したと同様に、半導体レーザのしきい値を
切るような大きな変調度がないと、雑音の低減効果は充
分に発揮できない。しかも、半導体レーザの光出力は、
高周波発振の周波数に応じてパルス発光となるので、同
じバイアス電流を注入していても、高周波発振時と非発
振時とでは、半導体レーザの平均光出力には大きな差を
生じることになる。すなわち、高周波の発振／非発振の
繰り返しにより、半導体レーザの光出力が変化してしま
うという問題を有している。更に加えて、前述のよう
に、高周波発振の最中においても不安定要素であり、光
出力の可能性が残される。

また、前述の特開昭62−3534号公報所載の方式におい
ては、半導体レーザの出力を、情報により変調する例が
示されているが、上記変調により、高周波発振の変調度
が変化するから、前述の問題点と考え合わせると、雑音
の変動と光出力の変動とが、実に上述の情報による変調
が変化され、S/N比が劣悪なものとなる。

［発明の目的］本発明は上記事情にもとづいてなされたもので、光学
的に情報を記録、再生、消去しあるいは伝送する際、半
導体レーザの雑音低減を充分にはたし、しかも、簡便な
手段でこれを達成でき、安定で信頼性の高い、低コスト
な半導体レーザ駆動装置を提供しようとするものであ
る。

［課題を解決するための手段］そこで、本発明では、光源としての半導体レーザの光
出力を検出し、該検出信号の少なくとも一部の周波数帯
域の信号を、上記半導体レーザに対し注入電流を通して
正帰還させる半導体レーザ駆動装置において、上記半導
体レーザの注入電流を通して信号を正帰還するフィード
バック手段に対して、上記電流の変調度に対応した変調
信号で、上記正帰還信号を含む周波数帯域の高周波信号
源を上記フィードバック手段に接続するように構成して
いる。

［作用］このような構成では、外部情報、例えば記録、消去時
と再生時とで、上記注入電流の変調度をかえる時、再生
時においては上記正帰還信号を含む周波数帯域の高周波
信号がバイアス電流に重置され、所望の光出力値に安定
化することが出来、しかも雑音低減効果を充分に維持で
きる。また、高周波帯域が制限されているので、装置を
小規模、低コストで実現できる。

［実施例］以下、本発明の一実施例を、第１図および第２図を参
照して具体的に説明する。図において、符号１は光源と
しての半導体レーザであり、その後方にはモニタ用フォ
トダイオード２が配設されていて、上記半導体レーザ１
の後方出力をモニタしている。処理回路４には入力端子
３が接続してあって、ここには情報に応じたレベルで変
調された変調指令信号が入力される。上記処理回路４か
らの出力信号はアンプ５、比較器（１）９、比較器（I
I）14および高周波信号源（たとえば高周波電圧源）15
へと出力される。上記アンプ５の出力は電圧／電流変換
器６を介して（更に図示しないインダクタンス回路を介
して）半導体レーザ１に印加され、また、高周波電圧源
15の出力は、アンプ10に入力され、上記アンプ10の出力
は電圧／電流変換器11を介して（更に図示しないカップ
リングコンデンサを介して）上記半導体レーザ１に印加
される。上記モニタ用フォトダイオード２の出力電流は
ローパスフィルタ７を介して高周波成分を遮断した後、
電流／電圧変換器８を介して比較器（Ｉ）９に供給さ
れ、処理回路４からの信号と比較される。その結果の出
力信号はアンプ５に与えられて、モニタ用フォトダイオ
ード２から比較器（Ｉ）９、アンプ５などを通りレーザ
１へまでのネガティブフィードバック系により、オート
パワーコントロールを達成する。

一方、上記モニタ用フォトダイオード２の出力電流は
ハイパスフィルタ12を介して低周波成分を遮断した後、
電流／電圧変換器８を介して比較器（II）14に供給さ
れ、処理回路４からの信号と比較される。その結果の出
力信号は処理回路４に与えられ、また、アンプ10に与え
られるモニタ用フォトダイオード２から比較器（II）1
4、アンプ10を通りレーザ１へいたるポジティブフィー
ドバック系により、高周波発振が達成されるが、この
時、処理回路４からの指令信号によっては、高周波電圧
源15からは所定の高周波信号が上記アンプ10の信号に重
置される。

このような構成では、入力端子３より処理回路４に、
情報に応じて変調された信号（デジタルあるいはアナロ
グ信号）が入力される。次に、本発明を情報の記録、再
生に適用した場合について説明する。再生時には、半導
体レーザ１の平均光出力を再生用光パワーP_Rのレベルに
するための信号が比較器（Ｉ）９、アンプ５、比較器
（II）14（高周波発振正帰還用比較器）に対して処理回
路４から与えられる。具体的には、予め常温でレーザパ
ワーがP_Rとなるように調整したモードになる電圧を与
え、アンプ（Ｉ）５から出力された電圧を電圧／電流変
換器６で対応した直流電流に変換し、半導体レーザ１に
注入する。また、高周波電圧源９からは、許容雑音レベ
ルの振幅を持つ高周波電圧がアンプ（II）10に入力さ
れ、これが電圧／電流変換器11を介して、高周波電流と
して半導体レーザ１に注入され、先きの直流電流成分に
重置される。半導体レーザ１の出力P_Rが周囲温度などの
影響により、高周波発振周波数より低い周波数で変動す
ると、フォトダイオード２の出力電流もこれに比例して
変動するから、その低周波成分のみをローパスフィルタ
７で抽出し、電流／電圧変換器８にて電圧として（ま
た、必要なら増幅して）比較器（Ｉ）９に入力する。上
記比較器（Ｉ）９では、処理回路４から入力された基準
電圧と、フォトダイオード２からの出力電圧とを比較
し、半導体レーザ１の出力の低周波変動を打消すよう
に、アンプ５に反転した誤差信号を送る。換言すれば、
半導体レーザ１に対しては、フォトダイオード２、ロー
パスフィルタ７、電流／電圧変換器８、比較器（Ｉ）
９、アンプ５および電圧／電流変換器６により低周波域
の負帰還がかけられ、光出力の低周波域が安定され、オ
ートパワーコントロールが達成される。また、この時、
上述と同様に、半導体レーザ１に対しては、フォトダイ
オード２、ハイパスフィルタ12、電流／電圧変換器13、
比較器（II）14、アンプ10および電圧／電流変換器11に
より高周波域の正帰還がかけられ、基本的には従来技術
と同じ原理で、情報信号周波数より充分高い高周波で発
振が可能となる。この時、比較器（II）14に与えられる
処理回路４からの基準電圧は、半導体レーザ１へのバイ
アスに対して正帰還されるように設定されている。換言
すれば、再生時に必要な半導体レーザ１の許容雑音（例
えば、相対雑音強度で10^-13/Hz）を越えるような雑音が
ある時必ず正帰還がかかり、許容雑音以下になるような
大きな振幅を持つ高周波発振が起り、半導体レーザ１に
大きな変調度を持つ高周波電流が注入されるようにする
のである。具体的には、許容雑音以下で発振を確実に保
つには、許容雑音レベルを小さく取り（ローパスおよび
ハイパスフィルタによって限られる周波数帯域）、正帰
還回路の各要素を高性能（マージンを取り、雑音レベ
ル、利得、位相の周波数特性を可成り良好にする）にす
る必要がある。そこで、本発明の実施例では高周波帯域
の信号源（電圧源）15を設け、その出力をアンプ10に入
力することで、正帰還回路の高性能化を不要にし、コス
ト的に低減できるようにしたのである。つまり、比較器
（II）14の出力として、許容雑音と検出された雑音の比
較出力があるが、これを処理回路４に入力し、これが小
さい場合、すなわち、許容雑音に近い雑音レベルの場合
について処理回路４から、信号源15に高周波帯域の信号
を出力させるための信号を送る。この高周波信号を、ア
ンプ10に入力することで、安定な正帰還を与えることに
なるのである。信号源15の出力波形としては、様々な周
波数、位相を含む波形が可能であるが、パルスまたは立
上り（立下り）の鋭いステップ状波形が回路も簡単なの
で、望ましい。このような簡単な回路の追加により、一
度、発振が始まれば、後は通常の正帰還回路で発振が持
続し、レーザ雑音が低減されるのである。

第２図は、半導体レーザ１の電流〜光出力特性を示す
模式図であり、横軸はアンプ５より注入される直流電
流、縦軸は高周波発振帯域を平均化した平均光出力であ
る。ここでは符号16が高周波発振していない時の特性で
あり、17が高周波発振している時の特性であり、実に、
18が高周波発振はしているが、前述のいづれかの原因で
高周波発振の振幅が小さくなった時の特性であり、平均
光出力が再生レベルP_Rである時の各特性19,20,21に対応
している。すなわち、アンプ５および10から半導体レー
ザに最終的に注入される電流波形の一例である。図から
明らかなように、高周波発振が不安定であると、パルス
発光が不安定で平均光出力が変動し、特性16,17の中間
で変動する。たとえば、最悪の場合、電流波形17で出力
P_Rが得られているが、バイアス電流が一定で、高周波発
振がバイアス電流値と異なる電流波形21のように停止す
ると、特性16からレーザ発振が行われないことが理解さ
れよう。しかし、本発明によれば、前述のように、高周
波発振周波数より低い周波数の平均出力の変動を、前述
のオート・パワーコントロールにより除去しているため
に、そのような不都合は生じ難い。つまり、第２図にお
いて、高周波の発振に変動があり、平均光出力に変化が
あると、オート・パワー・コントロールにより、バイア
ス電流値を制御し、たとえば、波形19,20,21というよう
に制御され、平均光出力を再生用パワーP_Rに保つように
動作するため、低い周波数領域で安定かつ低雑音の光出
力が得られる。

更に、本発明によれば、高周波信号源15から前述のよ
うに、適宜、高周波信号が加えられると、より安定な高
周波発振が得られ、戻り光量、戻り光遅延時間（戻り光
の位相）などによる第２図に示したような変動が少なく
なる。

次に、記録の時には、記録すべき情報に対応した変調
信号が入力端子３から処理回路４に与えられるが、ここ
では波形整形が行なわれアンプ５に半導体レーザ１を変
調する信号が与えられる。

たとえば、２値記録の場合、通常、再生用光パワーP_R
と高出力光パワーP_Wとを２値に対応させて変調するとす
ると、その時、比較器（II）９へ与える基準電圧も、そ
のP_R,P_Wに対応した２値に変調されたものが与えられ
る。これにより、オート・パワーコントロールで、それ
ぞれの光出力P_R,P_Wに安定化され、良好な光変調が行な
える。

また、処理回路４は高周波発振の正帰還用の比較器
（II）14の基準電圧として、レーザの光出力の変調に対
応して正帰還のオン・オフを行なうように与えられる。
それは光出力が大きいP_Wの時、高周波発振が起らないよ
うに、正帰還回路をカットすること、また、負帰還にな
るように基準電圧の極性を変えるなどして、光出力が小
さいP_Rの時、再生時と同じ電圧を与え、高周波発振を可
能とし、雑音を低減する。また、処理回路４から信号源
15に与えられる制御信号も、同様に、光出力がP_Wの時
は、高周波発振が起らないように、パルスやステップ波
形を出力しないようにし、光出力P_Rの時、再生時と同様
に高周波発振させるように制御し、雑音を低減するので
ある。

このようにして、P_R,P_Wのどちらの光出力レベルで
も、また、高周波発振が変動する要因が発生しても、前
記オートパワーコントロールと、高周波帯域信号源15に
より、目的通りの低雑音のP_R,P_Wが半導体レーザ１から
出力され、安定な記録動作が行なわれる。

なお、上述において、光出力がP_Wのときに、正帰還を
中止し、高周波発振を行なわないのは次の理由にする。
すなわち、第２図に示されるように、バイアス電流が高
くなると、高周波発振の電流振幅が、特性17のように大
きくなっても、対応する電流波形が谷側のピークが、既
にしきい値を切らなくなり、それが特性17（第２図で）
と特性16とがバイアス電流の高い方で一致してしまうか
らである。つまり、高出力では高周波の変調度が低下
し、雑音低減効果が期待できないのである。それだけで
なく、電流波形の山側のピークが、レーザの最大定格を
越える可能性があり、レーザの寿命を短縮するおそれが
あり、そこで高出力側では高周波の変調を中断するので
ある。

なお、上記実施例において、信号源15の出力端には、
望ましくは、高周波帯域のみを通過させるバンドパスフ
ィルタを設けるとよい。

また、上記実施例では雑音のレベル判定出力を比較器
（II）14からとり、処理回路４に導いたが、アンプ10で
増幅した出力を用いてもよい。また、信号源15の出力を
アンプ10に入力したが、これも、正帰還回路中であれ
ば、フィルタ12からレーザ１の端子までの間のどこに入
力してもよい。この場合の入力信号は、その入力個所に
適合した信号を最適化される。このようにして、本発明
の上述の構成によって、半導体レーザ１の雑音を十分に
低減され、しかも、半導体レーザ１の出力の変調の有無
によらず、安定な信頼性の高いレーザ駆動が可能とな
る。

次に、第３図を参照して、本発明の別の実施例につい
て説明する。ここでは、高周波発振用の正帰還と、光出
力安定用の負帰還とを１つの帰還回路系で構成してい
て、装置の簡素化を実現している。すなわち、入力端子
３から、情報に応じた変調信号を処理回路４に入力す
る。ここでは、前記実施例と同じように、情報の記録、
再生についての装置に適用して説明する。

再生時には、半導体レーザ１の出力を再生用光パワー
P_Rに一定に保ち、高周波発振を行なう。前述の実施例と
同様に、処理回路４よりパワーP_Rに対応した電圧がアン
プ22に与えられる。そして、上記アンプ22の出力電圧を
電圧／電流変換器23により電流に変換し、半導体レーザ
１に注入し、再生用パワーP_Rを得る。モニタ用フォトダ
イオード２の出力電流は、高周波発振帯域まで、周波数
特性が伸びている電流／電圧変換器24により、半導体レ
ーザ１の出力光に対応した電圧を得る。ここで電流／電
圧変換器24は、その周波特性が２段階に切替え可能であ
って、処理回路４からの信号により、高周波発振帯域の
周波数特性が制御される。具体的には、高速のアナログ
スイッチでフィルタ特性を切替えるか、デジタルフィル
タを用いて特性を切換えるように構成される。こうして
得られたモニタ用電圧は、比較器25に入力され、前実施
例と同様に、処理回路４より入力される基準電圧と比較
され、その反転誤差信号がアンプ22に入力される。

したがって、処理回路４から比較器25に与えられる基
準電圧をもとにして、半導体レーザ１に対してフォトダ
イオード２、電流／電圧変換器24、比較器25、アンプ2
2、電圧／電流変換器23により帰還がかけられる。その
帰還のゲインと位相の周波数特性は電流／電圧変換器24
の周波数特性で決定され、基本的には、反転増幅器によ
る負帰還の構成である。そして、低周波においては、位
相が180度ずれており、通常の負帰還がかかり、前記実
施例と同様、オートパワーコントロールが行なわれ、高
周波においては、実に位相がまわり、360度のずれで正
帰還がかかる。その帯域でのゲインは１以上に設定され
ており、発振が開始される。再生時には高周波発振が可
能な周波数特性をもった帰還が選択されている。具体的
には高周波発振帯域で帰還のゲインが１以上でかつ位相
が360゜（またはその整数倍）まわるように、電流／電
圧変換器24の周波数特性を切換える。

また、前述の実施例と同様に、処理回路４により出力
が制御される高周波帯域信号源26により、高周波発振の
安定化を実現している。比較器25から、許容雑音と検出
雑音との比較出力が得られ、それをもとに処理回路４が
信号源26を制御する。信号源26が処理回路４から出力命
令を受けると、高周波帯域を含むパルスやステップ状波
形を出力する。それが比較器25に入力され、前記実施例
と同様、強制的正帰還により高周波帯域で安定な発振が
始まる。このように、本発明により、部品点数を少なく
して、出力の安定化、低雑音化が実現できる。

記録時には、前述の実施例と同様に、入力端子３より
与えられた変調信号を処理回路４で波形整形して、アン
プ22、電圧／電流変換器23を介してレーザ１のバイアス
を変調する。また、比較器25には、変調に対応して変調
された基準電圧を与え、変調に対応したオートパワーコ
ントロールを実現する。実に、本実施例においても、記
録時の高出力レベルの際には高周波発振をやめ、低出力
レベルで発振させる。それには、処理回路４からの変調
に対応した信号により、電流／電圧変換器24の高周波発
振帯域の周波数特性を切換えて行なう。具体的には、前
記の帰還の高周波発振帯域でのゲインを１未満あるいは
位相を360度（またはその整数倍）からずらすことで、
もしくはその２つを同時に実現することで達成すること
が可能である。また、高出力時に信号源26の出力を禁止
し、高周波発振を起さず、低出力時に、再生時と同様
に、信号源26から適宜の出力により高周波発振を安定に
起させるのである。

なお、上記実施例では本発明を光学的情報記録再生装
置について説明したが、勿論、情報の消去を行なう場
合、光通信、光計測などの分野にも適用可能である。ま
た、レーザの光出力を変調せず、低出力のみ用いている
場合、例えば、再生のみの場合、処理回路４や比較器の
基準電圧切換え、周波数帯域の切換えが不要であり、常
に高周波発振する状態に固定するケースでは、装置の単
純化が更に進む。

また、上記実施例では、変調の低出力、高出力状態
で、高周波発振、非発振を切換えているが、例えば、光
ディスクメモリ装置などで、半導体レーザの雑音が再生
時の情報信号帯域（例えば100K〜20MHz）でのみ問題と
なり、サーボ帯域（０〜50kHz）や、記録、消去時（記
録媒体の記録、消去のしきい値が明確で、いわゆるガン
マが高い場合）では、レーザの雑音が問題にならないな
ら、再生時のみに高周波発振させるだけでもよい。

また、高周波発振を安定化させるために発振の振幅増
大により本帰還回路の一部（例えばアンプ）を飽和する
ようにして、実質のゲイン（損先も含む）が１になるよ
うに設定する方式をとってもよい。

また、本実施例では正帰還回路として、フィルタ、比
較器、アンプ、電流／電圧変換器、電圧／電流変換器、
信号源などの構成を示しているが、これに限定されるも
のではなく、高周波発振帯域で正帰還がかかり、それよ
り低周波数で負帰還がかかる構成であればよい。また、
レーザ光の検出器を、高周波用、低周波用に分けて設け
てもよく、他の信号検出器と兼用してもよい。更に、こ
れらの回路の全部または一部を、半導体レーザと集積化
して作成してもよい。

また、上記実施例では負帰還によるオートパワーコン
トロールの周波数帯域を、高周波帯域近くまでとってい
るが、高周波発振の不安定による光出力の変動の周波数
帯域が、もっと低くければ、それに合わせればよい。ま
た、使用する情報信号帯域以下、またはサーボ帯域以
下、温度変動帯域以下にすることも可能である。また、
これら複数の帯域に分割して独立にオートパワーコント
ロールすることも可能である。

また、半導体レーザの出力光のモニタとして、半導体
レーザのパッケージ内のフォトダイオードを使用してい
るが、記録や消去に必要な高い出力を半導体レーザから
取出すのに、通常、レーザの前端面に低反射率、後端面
に高反射率の部材を設けていて、戻り光があると、前方
出力と後方出力との相似性が崩れることがあるから、望
ましくは前方出力の一部を別途に設けた光検出器でモニ
タするとよい。

また、高周波帯域信号源は本帰還が確実にかかるもの
であればよく、パルス波形やステップ波形に限定される
ものではない。

［発明の効果］本発明は、以上詳述したようになり、許容雑音レベル
の範囲で高周波発振により、高周波帯域で正帰還してレ
ーザの雑音を低減し、かつ高周波発振を安定化すること
ができ、半導体レーザの駆動が、比較的簡素で低コスト
な構成により、安定で信頼性のある状態で実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
高周波発振駆動を行った場合のレーザの出力特性を説明
するグラフ、第３図は別の実施例を示すブロック図であ
る。１……半導体レーザ２……フォトダイオード 9,14……比較器 8,13……電流／電圧変換器 6,11……電圧／電流変換器 15……信号源

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源としての半導体レーザの光出力を検出
し、該検出信号の少なくとも一部の周波数帯域の信号
を、上記半導体レーザの光出力に対して注入電流を通し
て正帰還させるようにした半導体レーザ駆動装置におい
て、上記半導体レーザの注入電流を通して、半導体レー
ザーに信号を正帰還する帰還手段に対して、上記電流に
対応した変調信号で、上記正帰還信号を含む周波数帯域
の高周波信号源を上記帰還手段に接続するように構成し
たことを特徴とする半導体レーザ駆動装置。