JP3638060B2

JP3638060B2 - 信号処理回路および半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3638060B2
Application number: JP26865696A
Authority: JP
Inventors: 豊岡田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH10117029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子を構成する回路を含んで構成された信号処理回路および半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ディスクのピックアップなどに用いられる半導体レーザ素子のアセンブリの構成について図３を参照して説明すると、この半導体レーザ素子１はステム２とこれを覆うキャップ３とを有し、このキャップ３内のステム２上にはブロック４が載置されている。ブロック４の側面上部には前面側をキャップ３のガラス付窓５に向け後面側をステム２に向けた状態で半導体チップからなるレーザダイオード６が取り付けられている。レーザダイオード６は前面側と後面側とからそれぞれ信号用レーザ光Ｌｆとモニタ用レーザ光Ｌｒとをそれぞれ出射するようになっていて、前面側と後面側とにはそれぞれ図示されていない反射膜がコーティングされているとともに、前面側から後面側までの長さを光共振器長とされている。そして、レーザダイオード６は、前面側反射膜の光反射率をＲｆ、後面側反射膜の光反射率をＲｒ、前面側から出射される信号用レーザ光Ｌｆの強度をＰｆ、後面側から出射されるモニタ用レーザ光Ｌｒの強度をＰｒとすると、これらの間には次式の関係式が成立することで知られている。
【０００３】
Ｐｆ／Ｐｒ＝〔（１−Ｒｆ）／（１−Ｒｒ）〕×（Ｒｒ／Ｒｆ）¹／²
レーザダイオード６はステム２に固定されたリード端子７からリード線８を介して図３で図示していないレーザダイオード駆動回路（後述の図４で符号９で示される回路）の出力部から駆動用電流Ｉｏｐを与えられて駆動されて前述のようにそれぞれ前面側と後面側とから強度がそれぞれＰｆ，Ｐｒの信号用とモニタ用のレーザ光を出射するようになっている。キャップ３内のステム２上のレーザダイオード６の後面側の下方位置にはピンフォトダイオード１０が該後面側からのモニタ用レーザ光Ｌｒが受光可能な位置に配置されている。ピンフォトダイオード１０はレーザダイオード６の後面側からの強度Ｐｒのモニタ用レーザ光Ｌｒを受光し、このレーザ光強度Ｐｒに対応した電流をモニタ用電流Ｉｍとしてリード線１１を介してステム２に固定されたリード端子１２から前記レーザダイオード駆動回路９の入力部に外部出力する。レーザダイオード６の前面側からは強度Ｐｆの信号用レーザ光Ｌｆがキャップ３のガラス付窓５を介して当該半導体レーザ素子１に対向している図示していない光ディスクに向けて出射されるようになっている。光ディスクで反射された信号用レーザ光Ｌｆはブロック４上に搭載された高周波受光素子１３で受光される。高周波受光素子１３は受光した信号用レーザ光Ｌｆを処理してその処理信号をリード線１４を介してステム２に固定されたリード端子１５から外部に接続された図示していない電子機器内の回路に出力するようになっている。
【０００４】
上述した半導体レーザ素子１は回路的には図４を参照するように点線で囲まれた回路ブロックで構成されている。図４は半導体レーザ素子１を構成する回路ブロックと該半導体レーザ素子１内のレーザダイオード６を駆動するレーザダイオード駆動回路９とからなる信号処理回路１６の回路図である。図４を参照して、この回路ブロック内のピンフォトダイオード１０の出力部とレーザダイオード６の入力部との間にレーザダイオード駆動回路９の入出力部が接続されている。レーザダイオード駆動回路９はピンフォトダイオード１０からのモニタ用電流Ｉｍを監視し、これに対応した駆動用電流Ｉｏｐをレーザダイオード６に出力してこれを駆動するようになっている。また、この回路ブロック内の高周波受光素子１３は高周波受光ダイオード１７ａとこの受光ダイオード１７ａ出力を増幅する増幅回路１７ｂなどから構成されている。レーザダイオード６の前面側から出射された信号用レーザ光Ｌｆは光ディスクで反射されて高周波受光素子１３内の高周波受光ダイオード１７ａで受光される一方、後面側から出射されたモニタ用レーザ光Ｌｒはピンフォトダイオード１０で受光されるようになっている。
【０００５】
ところで、近年、このような半導体レーザ素子１および駆動回路９を備えた電子機器においてはレーザダイオード６を小さい駆動用電流Ｉｏｐで駆動できるようにしてその消費電力の低減化が強く要望されるようになってきている。
【０００６】
そのための従来におけるレーザダイオード６の低駆動用電流化においてはレーザダイオード６の後面側の反射率Ｒｒを大きくするようになっているものがある。この反射率Ｒｒを大きくすると、前記関係式から信号用レーザ光Ｌｆの強度Ｐｆを一定にするとモニタ用レーザ光Ｌｒの強度Ｐｒがこれに対して相対的に小さくなることになる。そして、駆動用電流Ｉｏｐとレーザダイオード６の前面側から出射されるレーザ光強度Ｐｆとの間には後面反射率Ｒｒに関して図５で示すような関係がある。ここで横軸は駆動用電流Ｉｏｐ、縦軸はレーザダイオード６の前面側からのレーザ光Ｌｆの強度Ｐｆである。この図５から明らかなように後面側反射率Ｒｒが例えば３０％から９０％のように大きくなると、同一のレーザ光強度Ｐｆ１であっても駆動用電流ＩｏｐがＩｏｐ１からＩｏｐ２のように小さくなってくる。したがって、レーザ光Ｌｒの後面側の反射膜のコーティング制御で該後面側の反射膜の反射率Ｒｒを大きくしてレーザダイオード６に対する低駆動用電流化を図ることができるので、これを用いた電子機器における低消費電力化を達成できることになるのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように後面側の反射率Ｒｒを大きくしたのでは、低駆動用電流化が可能となっても、この低駆動用電流化を進めると、後面側から出射されるレーザ光Ｌｒの強度Ｐｒが非常に小さくなり、これに伴いピンフォトダイオード１０からのモニタ電流Ｉｍが微小になってくることとなる。その結果、図４ではピンフォトダイオード１０からモニタ用電流Ｉｍをレーザダイオード駆動回路９に出力させる場合、これは図３ではピンフォトダイオード１０からリード線１１およびリード端子１２を介して半導体レーザ素子１のアセンブリ外のレーザダイオード駆動回路９に外部出力することとなってしまう。これでは、モニタ用電流Ｉｍに電気的ノイズが容易に混入しやすくなり、レーザダイオード駆動回路９から出力される駆動用電流Ｉｏｐによるレーザダイオード６の信号用レーザ光Ｌｆの発振制御が不正確になってしまう。この結果、低消費電力化を達成できるとしても光ディスクの信号用レーザ光Ｌｆとして用いることが困難になってしまうという課題があった。
【０００８】
このことからさらに、低駆動用電流化で消費電力を低減化を図るためには駆動用電流Ｉｏｐを小さくする場合に限界が生じてしまい、さらなる低消費電力化を図れないという課題にもつながるものとなっていた。
【０００９】
そこで、本発明においては、上述の課題に鑑みて、後面側の反射率が大きいレーザダイオードを用いてレーザ光を低駆動用電流で駆動できるようにして電子機器における低消費電力化の達成を図れる一方で、このようなレーザダイオードを用いてもこれを正確に駆動できるようにモニタ用電流に対するＳＮの向上が図れるような信号処理回路および半導体レーザ素子を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の信号処理回路においては、後面反射率が９０％とされたレーザダイオードの後面側から出射されるモニタ用レーザ光を受光しこれをモニタ用電流に変換する変換素子と、前記変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路と、前記カレントミラー型電流増幅回路で増幅された前記変換素子からのモニタ用電流に基づいて前記レーザダイオードに駆動用電流を制御出力して該レーザダイオードの前面側から出射される信号用レーザ光の強度を制御するレーザダイオード駆動回路と、外部からのレーザ光を受光する受光素子を構成する回路とを同一パッケージ内に収納し、前記受光素子とカレントミラー型電流増幅回路とを同一の半導体チップに一体化したことによって上述した課題を解決している。
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子においては、ステムとこれを覆うキャップとを備え、かつ前記ステム上に固定されたブロックの側面に前記レーザダイオードがその前面側を前記キャップ方向に、その後面反射率が９０％とされた後面側を前記ステム方向に向けて固定され、前記ステム上の前記レーザダイオード後面に対向する位置に、該後面から出射されるモニタ用レーザ光を受光し、これをモニタ用電流に変換する変換素子と、この変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路が設けられるとともに、外部からのレーザ光を受光する受光素子が、カレントミラー型電流増幅回路と同一の半導体チップに一体化されていることによって上述した課題を解決している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は構造的には後述のように高周波受光素子を除いては図３と同様であるため、この実施の形態において詳しい説明は省略するものの、再度、図３を参照して説明すると、この実施の形態に係る半導体レーザ素子１はステム２とこれを覆うキャップ３とを有している。このキャップ３内のステム２上にはブロック４が載置されている。ブロック４の側面には前面側をキャップ３のガラス付窓５に向け後面側をステム２に向けた状態でレーザダイオード６が取り付けられている。レーザダイオード６は前面側と後面側とからそれぞれ信号用レーザ光Ｌｆとモニタ用レーザ光Ｌｒをそれぞれ出射するようになっていて、前面側と後面側とにはそれぞれ反射膜がコーティングされているとともに、前面側から後面側までの長さを共振器長とされている。
【００１４】
レーザダイオード６はステム２に固定されたリード端子７からリード線８を介して外部のレーザダイオード駆動回路９から駆動電流Ｉｏｐを与えられてそれぞれ前面側レーザ光出射端面と後面側レーザ光出射端面とから強度がそれぞれＰｆ，Ｐｒの信号用レーザ光Ｌｆとモニタ用レーザ光Ｌｒを出射するようになっている。キャップ３内のステム２上のレーザダイオード６の後面側の下方位置にはピンフォトダイオード１０が該後面側からのモニタ用レーザ光Ｌｒが受光可能な位置に配置されている。ピンフォトダイオード１０はレーザダイオード６の後面側からの強度Ｐｒのモニタ用レーザ光Ｌｒを受光し、このモニタ用レーザ光Ｌｒの強度Ｐｒに対応した電流をモニタ用電流Ｉｍとしてリード線１１を介してステム２に固定されたリード端子１２から外部のレーザダイオード駆動回路９に出力する。レーザダイオード６の前面側からは強度Ｐｆの信号用レーザ光Ｌｆがキャップ３の窓５を介して当該半導体レーザ素子１に対向している図示していない光ディスクに向けて出射されるようになっている。光ディスクで反射された信号用レーザ光Ｌｆはブロック４上に搭載された高周波受光素子１３で受光される。高周波受光素子１３は受光した信号用レーザ光Ｌｆを処理してその処理信号をリード線１４を介してステム２に固定されたリード端子１５から外部に出力するようになっている。
【００１５】
次に上述した半導体レーザ素子１の回路を図１を参照して説明すると、半導体レーザ素子１は、レーザダイオード６と、上述の請求項に言う変換素子としてのピンフォトダイオード１０と、高周波受光素子１３とを有し、さらに、本発明においては、ピンフォトダイオード１０からのモニタ用電流Ｉｍを増幅するカレントミラー回路などからなる電流増幅回路１８を有している。
【００１６】
そして、この半導体レーザ素子１内のピンフォトダイオード１０からのモニタ用電流Ｉｍは電流増幅回路１８で増幅された後、レーザダイオード駆動回路９に与えられる。このレーザダイオード駆動回路９は、電流増幅回路１８で増幅されたピンフォトダイオード１０からのモニタ用電流Ｉｍを監視し、これに対応した駆動用電流Ｉｏｐでレーザダイオード６を駆動するようになっている。
【００１７】
上述のようにピンフォトダイオード１０とレーザダイオード駆動回路９との間に該ピンフォトダイオード１０からのモニタ用電流Ｉｍを増幅する電流増幅回路１８を設けた場合では、低駆動用電流化のためにレーザダイオード６の後面側の反射膜の反射率Ｒｒを大きくすることができる。これは、このレーザダイオード６の後面側の反射膜の反射率Ｒｒを大きくした場合では、低消費電力化のためにレーザダイオード駆動回路９からの駆動用電流Ｉｏｐを小さくしても信号用レーザ光Ｌｆの強度Ｐｆは同一のまま維持できる。そして、この場合、モニタ用レーザ光Ｌｒの強度Ｐｒは上述の関係式から明らかなように小さくなるから、このモニタ用レーザ光Ｌｒを受光するピンフォトダイオード１０から出力されるモニタ用電流Ｉｍも小さくなるのであるが、電流増幅回路１８でこのモニタ用電流Ｉｍが増幅されるので、このモニタ用電流Ｉｍに混入する電気的ノイズのＳＮは向上する。その結果、電流増幅回路１８を介してピンフォトダイオード１０に外部接続されるレーザダイオード駆動回路９側ではＳＮの良好なモニタ用電流Ｉｍに基づいて駆動用電流Ｉｏｐを制御することができることになるので、正確にこの駆動電流Ｉｏｐを制御してレーザダイオード６の前面側から出射される信号用レーザ光Ｌｆの正確な制御ができることとなる。
【００１８】
なお、上述した本発明の実施の形態において、高周波受光素子１３は図２を参照して説明するようにそれを構成する回路素子である高周波受光ダイオード１７ａおよび増幅回路１７ｂなどが半導体チップ１９内に構成されているとともに、それと同一の半導体チップ１９内に前記した電流増幅回路１８が構成されていてもよい。この半導体チップ１９内への回路素子の形成は、高周波受光素子１３も電流増幅回路１８もレイアウト設計上、同一の半導体製造工程で可能であり、同一の半導体チップ１９内に形成しても、半導体チップとしての面積はせいぜい数％程度の増大であり、したがって、電流増幅回路１８を高周波受光素子１３とは別に構成する場合とくらべてみてコスト的な増大はほとんどない一方で、別に構成する場合では半導体レーザ素子１のアセンブリ内に占めるスペースは増大してしまうが、同一の半導体チップ内で構成する場合ではアセンブリ内のスペースの増大は無いという利点がある。なお、図２について詳しく説明すると、これは半導体チップ１９の平面構成であり、第１の領域２０は高周波受光素子１３の形成領域であり、第２の領域２１は電流増幅回路１８の形成領域である。高周波受光素子形成領域２０には、複数の電極パッド２２、グランド用パッド２３が形成され、また、フォーカシングの制御とかトラッキングの制御などのため光ディスクから反射された信号用レーザ光Ｌｆを受光するための複数の受光領域２４が形成されている。これら受光領域２４と信号用レーザ光Ｌｆがどのようにしてこれら受光領域２４で受光されるかなどのこれ以上の詳しい説明は本発明とは直接的には無関係であるので省略する。このように図２の場合では電流増幅回路１８の形成領域２１は高周波受光素子の形成領域２０の空き領域に形成される。
【００１９】
なお、上述した本発明の実施の形態においては、モニタ用レーザ光Ｌｒをモニタ用電流Ｉｍに変換する変換素子としてピンフォトダイオード１０であったが、これに限定されるものではなく、他の変換素子であっても構わない。
【００２０】
なお、上述した本発明の実施の形態における半導体レーザ素子は光ディスクのような電子機器の適用だけに限定されるものではなく他の電子機器にも適用できるものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば次の効果を得られる。
【００２２】
請求項１の発明
後面反射率が９０％とされたレーザダイオードの後面側から出射されるモニタ用レーザ光を受光しこれをモニタ用電流に変換する変換素子と、前記変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路と、前記カレントミラー型電流増幅回路で増幅された前記変換素子からのモニタ用電流に基づいて前記レーザダイオードに駆動用電流を制御出力して該レーザダイオードの前面側から出射される信号用レーザ光の強度を制御するレーザダイオード駆動回路と、外部からのレーザ光を受光する受光素子を構成する回路とを同一パッケージ内に収納し、前記受光素子とカレントミラー型電流増幅回路とを同一の半導体チップに一体化した構成とされるので、レーザダイオードとしては後面側の反射率が９０％と高いものを用いたためにレーザダイオードの後面側からの出射されるモニタ用レーザ光が小さくなり、これに伴い前記変換素子からのモニタ用電流が微小になってもカレントミラー型電流増幅回路でそれが増幅されるので、このモニタ用電流のＳＮが向上する結果、レーザダイオード駆動回路はモニタ用電流に基づいて正確にレーザダイオードを駆動制御できる。その結果、レーザダイオードを低駆動電流で正確に駆動できる一方で、これを用いた電子機器における低消費電力を図れる。
【００２３】
請求項２の発明
反射膜がコーティングされた前面側からは信号用レーザ光を、また同じく反射膜がコーティングされた後面側からはモニタ用レーザ光をそれぞれ出射するよう構成されたレーザダイオードと、ステムとこれを覆うキャップとを備え、かつ前記ステム上に固定されたブロックの側面に前記レーザダイオードがその前面側を前記キャップ方向に、その後面反射率が９０％とされた後面側を前記ステム方向に向けて固定され、前記ステム上の前記レーザダイオード後面に対向する位置に、該後面から出射されるモニタ用レーザ光を受光し、これをモニタ用電流に変換する変換素子と、この変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路が設けられるとともに、外部からのレーザ光を受光する受光素子が、カレントミラー型電流増幅回路と同一の半導体チップに一体化されているので、前記カレントミラー型電流増幅回路で増幅された前記変換素子からのモニタ用電流をレーザダイオード駆動回路に出力することができることになり、レーザダイオードとして後面側の反射率が９０％と大きいものを用いたために、レーザダイオードの後面側からの出力されるモニタ用レーザ光が小さくなってこれに伴い前記変換素子からのモニタ用電流のＳＮを向上させられる結果、この半導体レーザ素子に外部接続されるレーザダイオード駆動回路はそのモニタ用電流に基づいて正確にレーザダイオードを駆動制御できる。その結果、レーザダイオードを低駆動電流で正確に駆動できる一方、これを用いた電子機器における低消費電力を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を含む信号処理回路の回路図である。
【図２】図１で示されている高周波受光素子と電流増幅回路とを有する半導体チップの平面図である。
【図３】半導体レーザ素子のアセンブリ構成を示す部分切り欠き斜視図である。
【図４】従来の技術に係る半導体レーザ素子を信号処理回路の回路図である。
【図５】レーザダイオードの後面側の反射率の変化に対してレーザダイオード駆動回路からの出力される駆動用電流とレーザダイオードの前面側から出射される信号用レーザ光の強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１半導体レーザ素子
２ステム
３キャップ
４ブロック
５窓
６レーザダイオード
９レーザダイオード駆動回路
１０ピンフォトダイオード（変換素子）
１３高周波受光素子
１６信号処理回路
１８電流増幅回路
１９半導体チップ

Claims

後面反射率が９０％とされたレーザダイオードの後面側から出射されるモニタ用レーザ光を受光しこれをモニタ用電流に変換する変換素子と、前記変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路と、前記カレントミラー型電流増幅回路で増幅された前記変換素子からのモニタ用電流に基づいて前記レーザダイオードに駆動用電流を制御出力して該レーザダイオードの前面側から出射される信号用レーザ光の強度を制御するレーザダイオード駆動回路と、外部からのレーザ光を受光する受光素子を構成する回路とを同一パッケージ内に収納し、前記受光素子とカレントミラー型電流増幅回路とを同一の半導体チップに一体化したことを特徴とする信号処理回路。
反射膜がコーティングされた前面側からは信号用レーザ光を、また同じく反射膜がコーティングされた後面側からはモニタ用レーザ光をそれぞれ出射するよう構成されたレーザダイオードと、ステムとこれを覆うキャップとを備え、かつ前記ステム上に固定されたブロックの側面に前記レーザダイオードがその前面側を前記キャップ方向に、その後面反射率が９０％とされた後面側を前記ステム方向に向けて固定され、前記ステム上の前記レーザダイオード後面に対向する位置に、該後面から出射されるモニタ用レーザ光を受光し、これをモニタ用電流に変換する変換素子と、この変換素子からのモニタ用電流を増幅するカレントミラー型電流増幅回路が設けられるとともに、外部からのレーザ光を受光する受光素子が、カレントミラー型電流増幅回路と同一の半導体チップに一体化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。