JP5651983B2 - 補正回路、駆動回路、発光装置、および電流パルス波形の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、上面からレーザ光を射出する面発光型の半導体レーザに印加する電流パルス波形を補正する補正回路ならびにこれを備えた駆動回路および発光装置に関する。また、本発明は、上記半導体レーザに印加する電流パルス波形の補正方法に関する。

面発光型の半導体レーザは、従来のファブリペロー共振器型の半導体レーザとは異なり、基板に対して直交する方向に光を射出するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の共振器構造を配列することが可能である。そのため、近年、面発光型の半導体レーザは、データ通信やプリンタなどの技術分野で注目されている。

面発光型の半導体レーザは、一般に、基板上に、下部ＤＢＲ層、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、電流狭窄層、上部ＤＢＲ層およびコンタクト層をこの順に積層してなるメサ形状の共振器構造を備えている。このような半導体レーザでは、発振波長は共振器構造の実効的な共振器長によって決定され、光出力の大きさは活性層のバンドギャップに相当する発光波長において最も大きくなる。そのため、通常は、共振器構造の実効的な共振器長と活性層の発光波長とが互いに等しくなるように、共振器構造および活性層が構成されている（特許文献１参照）。

特開２００８−３０６１１８号公報 特開２００２−２５４６９７号公報

ところで、一般に、面発光型の半導体レーザでは、キャビティ長が１λ〜２λ（λは発振波長）程度と、極めて微小であることから、発振波長はキャビティ長によって固定される。そのため、面発光型の半導体レーザは、活性層の発光波長（利得が最大となる波長）とは異なる波長で発振することが可能である。従って、波長デチューニングΔλの設計しだいで、閾値電流が最小となる素子温度を任意に選択することができる。もっとも、現実的には、閾値電流が最小となる素子温度は、０℃〜６０℃の範囲内の値となる。

高温側で十分な光出力を得たい場合には、波長デチューニングΔλを大きく設計する必要がある。例えば、活性層５３が赤色系の材料（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ）を含んで構成された６６０ｎｍ〜６８０ｎｍ帯の面発光型の半導体レーザでは、波長デチューニングΔλを１９ｎｍ程度にすれば、素子温度Ｔ_oが５０℃程度で、閾値電流が極小となる。ところで、閾値電流が温度依存性を持つということは、一定電流下の光出力もまた、温度依存性を持つということである。

例えば、発振波長６８０ｎｍの面発光型の半導体レーザにおいて、５０℃、１ｍＷの駆動状態から、周囲温度を１０℃上昇させると、光出力が２０％ほど低下する。面発光型の半導体レーザをパルス動作させる場合であっても、電流パルスを素子に注入すると同時に素子の温度が徐々に上昇し、温度上昇に伴って光出力も徐々に低下していく。これは、「ドループ」と呼ばれる現象であり、半導体レーザにおいてはよく知られた現象である。この現象は、注入電力が大きいほど顕著に表れ、例えば、図６に示したように、注入電力が０．６ｍＷから１ｍＷに移行するにつれて、光出力の低下量が大きくなっていることがわかる。ドループを定量的に評価する場合には、例えば、以下の式が用いられる。
ΔＰ＝（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１×１００（％）

上記の式中でΔＰがドループ（光出力低下）量である。Ｐ１が、立ち上がり時から１μｓｅｃ経過したときの光出力であり、Ｐ２が、光出力が定常状態となったときの光出力である。

このドループを補正する方法として、例えば、特許文献２に記載されているようなものがある。特許文献２の段落００３８などには、「発熱量は、レーザ発光の有無よりも、流す電流に依存する傾向が大きいので、バイアス電流を流し続けている場合には、光量は、発光区間がとぎれとぎれであっても、同じような包絡線を描いて減少する」と記載されており、特許文献２に記載の発明では、この思想に基づいた補正が行われている。

閾値が大きく、かつスイッチング電流が小さい駆動条件においては、上述の主張は正しいと思われる。しかし、実際の駆動では、様々なパルスパターンが想定されるので、「発熱量は発光パターンに依存する」と考えるべきである。特に、面発光型の半導体レーザのような、低閾値レーザの場合には、スイッチング電流がバイアス電流を上回る駆動状態となることは、めずらしくない。特に、高温環境下での駆動の場合には、スイッチング電流がより大きくなるので、発光パターンによるドループ曲線（光出力低下曲線）の変化は顕著になる。例えば、図７に示したように、パルスパターンが密であればあるほど、ドループ曲線が右肩下がりになる。

このように、従来の方法では、発光パターン、電流値、温度などの駆動条件の違いによってドループ曲線が変化する場合にも、ドループを正確に補正することが容易ではなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、駆動条件の違いに応じたドループ補正を行うことの可能な補正回路ならびにこれを備えた駆動回路および発光装置を提供することにある。また、第２の目的は、駆動条件の違いに応じたドループ補正を行うことの可能な電流パルス波形の補正方法を提供することにある。

本発明による補正回路は、補正電流の時間変化を与える第１時定数回路と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流量を与える第２時定数回路とを含んで構成された第１ＲＣ時定数回路を備えたものである。この補正回路は、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、第１ＲＣ時定数回路を用いて半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正するようになっている。この補正回路は、電流パルスの波形を、電流パルスの波高値が第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正する。第１時定数回路および第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有している。この補正回路は、電流パルスの波形を、電流パルスの波高値が活性層の温度変動に対応して変動するように補正するようになっている。この補正回路は、最大電流量を、半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させるようになっている。

本発明による駆動回路は、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源と、上記の補正回路とを備えたものである。本発明による発光装置は、１または複数の面発光型の半導体レーザと、半導体レーザをパルス駆動する電流源と、上記の補正回路とを備えたものである。

本発明による電流パルス波形の補正方法は、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、上述の第１ＲＣ時定数回路を含む補正回路を用いて半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正するステップを含むものである。この補正方法は、電流パルスの波形を、電流パルスの波高値が第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正するステップを含む。第１時定数回路および第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有している。この補正方法は、補正回路を用いて、電流パルスの波形を、電流パルスの波高値が活性層の温度変動に対応して変動するように補正するステップを含む。この補正方法は、補正回路を用いて、最大電流量を、半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させるステップを含む。

本発明による補正回路、駆動回路、発光装置、および電流パルス波形の補正方法では、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形が、上述の第１ＲＣ時定数回路を含む補正回路を用いて半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正される。このように、上述の第１ＲＣ時定数回路を用いることにより、温度上昇に伴って光出力も徐々に低下していくドループという現象を低減することができる。

ここで、本発明による補正回路、駆動回路、発光装置、および電流パルス波形の補正方法において、電流源から出力された電流パルスの波形を、上述の第１ＲＣ時定数回路と、電流パルスの波高値を経時的に減衰させる複数の第３時定数回路を含む第２ＲＣ時定数回路とを用いて、半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正するようにしてもよい。

本発明による補正回路、駆動回路、発光装置、および電流パルス波形の補正方法によれば、上述の第１ＲＣ時定数回路を用いることにより、温度上昇に伴って光出力も徐々に低下していくドループという現象を低減することができるようにしたので、駆動条件の違いに応じたドループ補正を行うことができる。

また、本発明による補正回路、駆動回路、発光装置、および電流パルス波形の補正方法において、電流源から出力された電流パルスの波形を、上述の第１ＲＣ時定数回路と、電流パルスの波高値を経時的に減衰させる複数の第３時定数回路を含む第２ＲＣ時定数回路とを用いて、半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正するようにしたので、ドループによる波形鈍りだけでなく、波長デチューニングΔλに起因する光出力の波形鈍りも低減することができる。

本発明による一実施の形態に係る発光装置の概略構成の一例を表す図である。 図１のレーザ駆動回路の内部構成の一例を表す図である。 図１のレーザ駆動回路で生成される電流パルス波形の一例を表す図である。 図１の半導体レーザ装置の光出力波形の一例を表す図である。 図２の電流源の出力波形と、図２の補正回路の出力波形との合成について説明するための波形図である。 ドループの、注入電力依存性の一例を表す図である。 パルスパターン密度とドループ曲線との関係の一例を表す図である。 図１のレーザ駆動回路の内部構成の他の例を表す図である。 図８のレーザ駆動回路で生成される電流パルス波形の一例を表す図である。 図１の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性の一例を表す図である。 図８の電流源の出力波形と、図８の補正回路の出力波形との合成について説明するための波形図である。 図１の半導体レーザ装置の概略構成および熱回路の一例を表す図である。 熱方程式に含まれる変数について説明するための波形図である。 （Ａ）熱方程式を解くことにより得られた活性層温度の時間変化と、（Ｂ）実際の測定によって得られた活性層温度と光出力との関係と、（Ｃ）図８（Ａ），（Ｂ）から得られる光出力の時間変化とを表す図である。 光出力の時間変化の実測値と計算値とを表す図である。

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。なお、説明は以下の順序で行う。

１．実施の形態（ドループ補正）
構成
動作
効果
２．変形例（ドループ補正＋立ち上がり補正）

＜第１の実施の形態＞
［構成］
図１は、本発明による一実施の形態に係る発光装置１の概略構成の一例を表したものである。発光装置１は、例えば、図１に示したように、システム制御回路１０、レーザ駆動回路２０、および光学系３０を備えたものである。

システム制御回路１０は、レーザ駆動回路２０を介して半導体レーザ装置３１の駆動を制御するものである。

光学系３０は、例えば、半導体レーザ装置３１、サーミスタ３２、コリメートレンズ３３、および対物レンズ３４を有している。半導体レーザ装置３１は、１または複数の面発光型の半導体レーザ（図示せず）を含んで構成されている。半導体レーザ装置３１に含まれている面発光型の半導体レーザ（以下、単に半導体レーザと称する。）は、例えば、図示しないが、基板上にレーザ構造部が設けられたものである。レーザ構造部は、一対の多層膜反射鏡（図示せず）で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有しており、上面からレーザ光を射出するようになっている。活性層は、例えば、赤色系の材料（例えば、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ）を含んで構成されている。このとき、活性層の発光波長と面発光型の半導体レーザの発振波長との差分である波長デチューニングΔλが１５ｎｍ以上となっている。なお、活性層は、他の材料によって構成されていてもよく、例えば、赤外系の材料（例えば、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ）を含んで構成されていてもよい。このとき、波長デチューニングΔλは１３ｎｍ以上となっている。

サーミスタ３２は、半導体レーザの基板近傍の温度（もしくは半導体レーザの周囲温度）を検知（測定）するものである。サーミスタ３２の抵抗値は、基板近傍の温度（もしくは半導体レーザの周囲温度）に応じて変化する。これにより、サーミスタ３２の抵抗値を読み取ることにより、基板近傍の温度（もしくは半導体レーザの周囲温度）を検知することが可能となっている。コリメートレンズ３３は、半導体レーザ装置３１から射出されたレーザ光を平行光に整形する光学素子である。対物レンズ３４は、コリメートレンズ３３で平行光化されたレーザ光を集光しつつ、図示しない被照射物に向けて照射する光学素子である。

レーザ駆動回路２０は、半導体レーザに電流を注入し、それにより半導体レーザを発光させるものである。レーザ駆動回路２０は、例えば、図２に示したように、電流源２１と、補正回路２２とを有している。

電流源２１は、半導体レーザをパルス駆動させるものであり、例えば、図３（Ａ）に示したように、矩形状の電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））を出力するようになっている。電流源２１から出力される電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））の波高値の符号は、正となっている。

一方、補正回路２２は、ドループを補正するものである。補正回路２２は、ＲＣ時定数回路２２Ａを有しており、半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように、電流源２１から出力された電流パルスの波形を、ＲＣ時定数回路２２Ａを用いて補正するものである。補正回路２２は、例えば、図３（Ｃ）に示したように、電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））の波形を、その波高値がＲＣ時定数回路２２ＡのＲＣ時定数に応じて経時的に変化（飽和）するように補正するようになっている。

補正回路２２は、例えば、図３（Ｂ）に示したように、電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））の波高値の符号とは反対の符号（負）の波高値を有する電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））を出力するようになっている。電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））は、例えば、図３（Ｂ）に示したように、ＲＣ時定数回路２２ＡのＲＣ時定数に応じて経時的に変化（飽和）するパルス波形となっている。つまり、電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））の波高値の絶対値は、最初は大きく、次第に小さくなり、最終的にはゼロまたはゼロに近い値になる。

ＲＣ時定数回路２２Ａは、電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））の波高値を経時的に変化させる第１時定数回路（図示せず）を含んでいる。第１時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。補正回路２２は、電流パルス（Ｉ_op-none（ｔ））の波高値が第１時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に変化（飽和）するように、電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））の波高値を、第１時定数回路を用いて補正するようになっている。補正回路２２は、例えば、図３（Ｂ）に示したように、波高値が経時的に変化（飽和）した電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））を、上述の第１時定数回路を用いて出力するようになっている。具体的には、補正回路２２は、以下の数１に示す電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））を出力するようになっている。

ここで、ΔＩ_max#drpはパルス入力時（ｔ＝０）における補正電流である。Ｔ_th1は補正電流がゼロに到達するまでの時間変化を表す時定数であり、第１時定数回路のＲＣ時定数に対応するものである。

補正電流の初期値に相当するΔＩ_max#drp（ｔ）の絶対値は、後述するように、駆動電流が大きいときほど、大きくなる。そのため、ΔＩ_max#drp（ｔ）は、（補正前の）駆動電流Ｉ_op（ｔ）に比例する項をもつ。また、ΔＩ_max#drp（ｔ）の絶対値は、後述するように、半導体レーザの周囲温度が高いときほど、大きくなる。そのため、ΔＩ_max#drp（ｔ）は、半導体レーザの周囲温度Ｔ_aに比例する項をもつ。これらのことから、ΔＩ_max#drp（ｔ）は、以下の数２のように表される。

ここで、ＡおよびＢは、それぞれ、動作電流Ｉ_op（ｔ）と、周囲温度Ｔ_aとの依存性を表す正の定数であり、それらの最適値は、素子ごとに異なる。例えば、Ｉ−Ｌ特性のリニアリティが優れている素子の場合には、Ａは小さな値で十分である。また、例えば、Ｉ−Ｌ特性において閾値の温度依存性が大きい場合には、Ｂの値は大きい方が好ましい。Ｔ_xも定数であり、その最適値は波長デチューニングΔλに応じて異なる。波長デチューニングΔλが大きい場合には、波長デチューニングΔλが小さい場合と比べて、素子の温度が高い時のドループ量が少ないので、Ｔ_xの値は大きい方が好ましい。もっとも、波長デチューニングΔλ、および光出力の温度変化による振る舞いに関して言えば、素子ごとのばらつきはほとんどない。従って、Ｔ_xおよびＢは、素子ごとの調整をする必要の乏しい定数であり、各素子で共通の固定値となっていることが好ましい。一方、Ｉ−Ｌ特性のリニアリティは、生産ごと、素子ごとに若干異なるので、Ａについては、素子ごとに調整された値となっていることが好ましい。

ＲＣ時定数回路２２Ａは、電流源２１が電流パルスを連続して出力する場合には、さらに、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを調整する第２時定数回路（図示せず）を含んでいる。第２時定数回路は、電流源２１が電流パルスを出力して、半導体レーザを発光させたときに、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を備えた半導体レーザ内（活性層内）に残存する熱因子を考慮するために用いられるものである。第２時定数回路のＲＣ時定数は、半導体レーザの熱時定数程度の値となっており、具体的には、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。これにより、補正回路２２は、第２時定数回路を用いて、電流源２１から出力された電流パルスの波高値を半導体レーザ（活性層）の温度変動に対応して変動するように補正することが可能となっている。

ここで、半導体レーザ（活性層）の温度変動をＦ（ｔ）とし、半導体レーザの熱時定数（第２時定数回路のＲＣ時定数）をＴ_th2とすると、Ｆ（ｔ）は、以下の数３に示すように表される。式中のｔ は、各オンもしくは各オフからの時間経過を表す。

図４は、光出力と、素子温度と、補正電流との関係の一例を表すものである。図４に示すように、一つ目のパルスが入力されると、自己発熱によって、半導体レーザの素子温度は上昇する。次に、二つ目のパルスが入力される。ここで、一つ目のパルスから二つ目のパルスが入力されるまでのオフ期間Ｔ_offが長いほど、自己発熱によって生じた熱は外部へ放出されるので、半導体レーザの素子温度は、周囲温度Ｔ_aに近づく。従って、オフ期間Ｔ_offの長さに応じて、与えるべき補正電流は（負の方向に）大きくなる。これらのことから、任意のパルスパターンに対する補正電流ΔＩ_max#drp（ｔ）は、以下の数４に示すように表される。

ところで、上の式の右辺は、周囲温度Ｔ_aが低温で、かつ駆動電流Ｉ_opが低い場合には、正の値を取る可能性がある。これは、そのような条件では、正方向に補正電流ΔＩ_max#drp（ｔ）が与えられる可能性があることを示唆している。しかし、そのような条件では、発生する自己発熱は小さいので、ドループはほとんど発生しない。従って、補正電流ΔＩ_max#drp（ｔ）を正方向に与えるべきではなく、上の式の右辺が正となった場合は、数５に示したように、補正電流ΔＩ_max#drp（ｔ）をゼロにする。

レーザ駆動回路２０では、例えば、図２に示したように、電流源２１および補正回路２２の出力端子は互いに接続されている。従って、レーザ駆動回路２０は、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルス（Ｉ_op（ｔ）＝Ｉ_op-none（ｔ）＋Ｉ_A（ｔ））を出力するようになっている。これにより、例えば、電流源２１の出力だけを半導体レーザに印加したときに、半導体レーザの光出力のパルス波形が、図５（Ａ）に示したように、電流源２１から出力された電流パルスの波形と比べて鈍ってしまう場合に、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルスを半導体レーザに印加することにより、半導体レーザの光出力のパルス波形を矩形に近づけることが可能となる。

［動作］
このような構成の発光装置１では、電流源２１から矩形状の電流パルス（電流Ｉ_op-none（ｔ））が出力される（図５（Ａ））。このとき、補正回路２２では、ＲＣ時定数回路２２Ａを用いて、半導体レーザ内（活性層内）に残存する熱因子の変動に対応した変動を示すＦ（ｔ）（図５（Ｂ））、補正電流の初期値を規定するΔＩ_max#drp（ｔ）（図５（Ｃ））が導出される。続いて、補正回路２２において、半導体レーザをオンオフ駆動したときのオン期間の開始時点（ｔ_2n）でΔＩ_max#drp（ｔ）の値を保持し、さらに、その値を起点にしてｅｘｐ（−ｔ／Ｔ_th1）に従って減衰させる電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））が導出されたのち（図５（Ｄ））、補正回路２２から電流パルス（ΔＩ_drp（ｔ））が出力される。その後、レーザ駆動回路２０によって、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルス（Ｉ_op（ｔ）＝Ｉ_op-none（ｔ）＋ΔＩ_drp（ｔ））が半導体レーザ装置３１に印加される（図５（Ｅ））。これにより、半導体レーザ装置３１から矩形状の光出力が外部に射出される。

［効果］
次に、本実施の形態の発光装置１の効果について説明する。

通常、面発光型の半導体レーザでは、共振器構造が微小であることから、電流注入による活性層の温度上昇が大きく、その温度上昇に伴って光出力の低下が生じる。例えば、発振波長６８０ｎｍの面発光型の半導体レーザにおいて、５０℃、１ｍＷの駆動状態から、周囲温度を１０℃上昇させると、光出力が２０％ほど低下する。面発光型の半導体レーザをパルス動作させる場合であっても、電流パルスを素子に注入すると同時に素子の温度が徐々に上昇し、温度上昇に伴って光出力も徐々に低下していく。

このドループと呼ばれる現象を補正する方法として、例えば、特許文献２に記載されているようなものがある。しかし、特許文献２に記載の方法では、発光パターン、電流値、温度などの駆動条件の違いによってドループ曲線が変化する場合に、ドループを正確に補正することが容易ではないという問題があった。

一方、本実施の形態では、補正回路２２が、補正電流の時間変化を与える第１時定数回路（時定数Ｔ_th1を含む回路）と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流ΔＩ_max#drp（ｔ）を与える第２時定数回路（時定数Ｔ_th2を含む回路）とを含んで構成されている。ここで、最大電流ΔＩ_max#drp（ｔ）が、半導体レーザの周囲温度Ｔ_a、駆動電流Ｉ_op（ｔ）および半導体レーザ（活性層）の温度変動Ｆ（ｔ）に応じて変化するようになっている。さらに、半導体レーザ（活性層）の温度変動Ｆ（ｔ）が時定数Ｔ_th2に応じて変化するようになっている。これにより、発光パターン、電流値、温度などの駆動条件の違いによってドループ曲線が変化する場合であっても、ドループを正確に補正することが可能である。

＜変形例＞
［構成］
上記実施の形態において、補正回路２２は、ドループ補正の他に、立ち上がり補正も一緒に行うようになっていてもよい。以下、「立ち上がり補正」について詳細に説明する。

補正回路２２は、ＲＣ時定数回路２２Ｂを有しており、電流源２１から出力された電流パルスの波形を、ＲＣ時定数回路２２Ｂを用いて半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正するようになっている。

ＲＣ時定数回路２２Ｂは、電流源２１から出力された電流パルス（電流Ｉ_op-none（ｔ））の波高値を経時的に減衰させる複数の第３時定数回路（図示せず）を含んでいる。各第３時定数回路のＲＣ時定数は、互いに異なっている。具体的には、複数の第３時定数回路のうち少なくとも１つの時定数回路である第４時定数回路（図示せず）のＲＣ時定数は、２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。一方、複数の第３時定数回路のうち第４時定数回路以外の時定数回路である１または複数の第５時定数回路（図示せず）のＲＣ時定数は、５０ｎｓｅｃを超える値（典型的には、３００ｎｓｅｃ以上１５００ｎｓｅｃ以下）となっている。補正回路２２は、複数の第３時定数回路を用いて、電流源２１から出力された電流パルスの波高値がＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に減衰するように補正するようになっている。補正回路２２は、例えば、図９（Ｂ）に示したように、波高値が経時的に減衰した電流パルス（電流Ｉ_A（ｔ））を、上述の第３時定数回路を用いて出力するようになっている。

例えば、ＲＣ時定数回路２２Ｂが、２つの第３時定数回路を含んでおり、一方の第３時定数回路（第４時定数回路）のＲＣ時定数Ｔ_A1が２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、他方の第３時定数回路（第５時定数回路）のＲＣ時定数Ｔ_A2が５０ｎｓｅｃを超える値（典型的には、３００ｎｓｅｃ以上１５００ｎｓｅｃ以下）となっているとする。このとき、補正回路２２は、以下の数６に示すアシスト電流Ｉ_A（ｔ）を出力するようになっている。

ここで、κはアシスト電流因子Ｖ_Aを電流値に変換する定数である。アシスト電流因子Ｖ_Aは、以下の数７で表される。また、数７中のｇ（ｔ）は、以下の数８で表される。ｇ（ｔ）は、電流源２１から出力された電流パルス（電流Ｉ_op-none（ｔ））の波高値を経時的に減衰させる減衰度を規定するものである。

νはＲＣ時定数Ｔ_A1に関する項に対する重みであり、アシスト電流Ｉ_A（ｔ）においてＲＣ時定数Ｔ_A1は支配的であることから、０．５よりも大きな値となっている。

数６中のアシスト電流因子Ｖ_Aには、素子温度Ｔ_o（周囲温度）を決定する因子Ｖ_oと、バイアス電流を決定する因子Ｖ_ibと、動作電流を決定する因子Ｖ_iOPとが含まれている。つまり、補正回路２２は、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを、素子温度Ｔ_o（周囲温度）を決定する因子Ｖ_oと、バイアス電流を決定する因子Ｖ_ibと、動作電流を決定する因子Ｖ_iOPとに応じて変化させるようになっている。

また、数６中のアシスト電流因子Ｖ_Aには、オフセット電圧Ｖ_offsetが含まれている。オフセット電圧Ｖ_offsetは、例えば、活性層５３の発光波長と面発光型の半導体レーザの発振波長との差分である波長デチューニングΔλのばらつきにより、図１０のＡ、Ｂに示したように、Ｉ−Ｌ特性にばらつきが生じ、必要となるアシスト電流Ｉ_A（ｔ）の大きさにばらつきが生じた場合に、そのばらつきを補償するものである。従って、補正回路２２は、オフセット電圧Ｖ_offsetの値を調整することにより、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを、波長デチューニングΔλの大きさに応じて変化させることが可能となっている。

また、数６中には、κが含まれている。従って、補正回路２２は、アシスト電流因子Ｖ_Aを電流値に変換する定数κの値を調整することにより、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを変化させることも可能となっている。

ＲＣ時定数回路２２Ｂは、電流源２１が電流パルスを連続して出力する場合には、さらに、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを調整する複数の第６時定数回路（図示せず）を含んでいる。複数の第６時定数回路は、電流源２１が電流パルスを出力して、半導体レーザを発光させたときに、半導体レーザ内（後述の活性層５３内）に残存する熱因子を考慮するために用いられるものである。これにより、補正回路２２は、複数の第６時定数回路を用いて、電流源２１から出力された電流パルスの波高値を活性層５３の温度変動に対応して変動するように補正することが可能となっている。

各第６時定数回路のＲＣ時定数は、互いに異なっている。具体的には、複数の第６時定数回路のうち少なくとも１つの時定数回路である第７時定数回路（図示せず）のＲＣ時定数Ｔ_th3は、２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっている。一方、複数の第６時定数回路のうち第７時定数回路以外の時定数回路である１または複数の第８時定数回路（図示せず）のＲＣ時定数Ｔ_th4は、５０ｎｓｅｃを超える値（典型的には、３００ｎｓｅｃ以上１５００ｎｓｅｃ以下）となっている。

例えば、ＲＣ時定数回路２２Ｂが、２つの第６時定数回路を含んでおり、一方の第６時定数回路（第７時定数回路）のＲＣ時定数Ｔ_th3が２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、他方の第６時定数回路（第８時定数回路）のＲＣ時定数Ｔ_th4が５０ｎｓｅｃを超える値（典型的には、３００ｎｓｅｃ以上１５００ｎｓｅｃ以下）となっているとする。このとき、補正回路２２は、以下の数９に示すアシスト電流Ｉ_A（ｔ）を出力するようになっている。

数９中のＩ_max（ｔ）は、以下の数１０で表される。Ｉ_max（ｔ）は，アシスト電流Ｉ_A（ｔ）の最大値を規定するものである。数１０中のｆ（ｔ）は、以下の数１１で表される。ｆ（ｔ）は、半導体レーザ内（活性層５３内）に残存する熱因子の変動に対応した変動を示すものである。従って、補正回路２２は、まるで、活性層５３の温度変動をリアルタイムにモニタリングしているかのような、精度の高い補正を行うことを可能にしている。

ｕはＲＣ時定数Ｔ_th3に関する項に対する重みであり、アシスト電流Ｉ_A（ｔ）においてＲＣ時定数Ｔ_th3は支配的であることから、０．５よりも大きな値となっている。 数１１中の左辺に含まれるｔは、半導体レーザをオンオフ駆動したときのオン期間の開始時点またはオフ期間の開始時点を指している。

レーザ駆動回路２０では、例えば、図８に示したように、電流源２１および補正回路２２の出力端子は互いに接続されている。従って、レーザ駆動回路２０は、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルス（Ｉ_op（ｔ）＝Ｉ_op-none（ｔ）＋Ｉ_drp（ｔ）＋Ｉ_A（ｔ））を出力するようになっている。これにより、例えば、電流源２１の出力だけを半導体レーザに印加したときに、半導体レーザの光出力のパルス波形が、電流源２１から出力された電流パルスの波形と比べて鈍ってしまう場合に、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルスを半導体レーザに印加することにより、半導体レーザの光出力のパルス波形を矩形に近づけることが可能となる。

［動作］
このような構成の発光装置１では、電流源２１から矩形状の電流パルス（電流Ｉ_op-none（ｔ））が出力される（図１１（Ａ））。このとき、補正回路２２では、ＲＣ時定数回路２２Ａを用いて、電流源２１から出力された電流パルス（電流Ｉ_op-none（ｔ））の波高値を経時的に減衰させる減衰度を規定するｇ（ｔ）や、半導体レーザ内（活性層５３内）に残存する熱因子の変動に対応した変動を示すｆ（ｔ）（図１１（Ｂ））、アシスト電流Ｉ_A（ｔ）の最大値を規定するＩ_max（ｔ）が導出される（図１１（Ｃ））。続いて、補正回路２２において、半導体レーザをオンオフ駆動したときのオン期間の開始時点（ｔ_2n）でＩ_max（ｔ_2n）の値を保持し、さらに、その値を起点にしてｇ（ｔ）に従って減衰させるアシスト電流Ｉ_A（ｔ）が導出されたのち（図１１（Ｄ））、補正回路２２からアシスト電流Ｉ_A（ｔ）が出力される。その後、レーザ駆動回路２０によって、電流源２１の出力と、補正回路２２の出力とを互いに重ね合わせた電流パルス（Ｉ_op（ｔ）＝Ｉ_op-none（ｔ）＋Ｉ_drp（ｔ）＋Ｉ_A（ｔ））が半導体レーザ装置３１に印加される（図１１（Ｅ））。これにより、半導体レーザ装置３１から、矩形状の光出力が外部に射出される。

［原理］
次に、半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づく理由について説明する。図１２は、半導体レーザ装置３１に含まれている面発光型の半導体レーザの熱回路を表したものである。基板５１の温度をＴ_o、熱容量をＣ_th、熱抵抗をＲ_th、任意の時刻ｔにおける活性層５３の温度（活性層温度）をＴ_act（ｔ）、バイアス電流（＜閾値電流）による素子温度の上昇量をＴ_b（ｔ）、注入したエネルギーをＰ_el、光出力をＰ_outとすると、活性層温度Ｔ_act（ｔ）に関する熱方程式は、以下の数１２，数１３のように表される。なお、Ｒ_thＣ_thは熱時定数である。

上記の数１２，数１３を解くと、上記の数１２，数１３は、以下の数１４，数１５に変形することができる。

数１４中のｔ_2n（ｎは０以上の整数）は、図１３に示したように、半導体レーザをオンオフ駆動したときのオン期間の開始時点を指している。一方、数１０中のｔ_2n+1は、図１３に示したように、半導体レーザをオンオフ駆動したときのオフ期間の開始時点を指している。数１４中のτは、数１４のＴ_act(ｔ)と数１５のＴ_act(ｔ)とを連続に保つ係数である。なお、熱時定数Ｒ_thＣ_thの値を１μｓｅｃとしたときに、数１４，数１５をグラフに表すと、図１４（Ａ）のようになる。

ところで、一般に、面発光型の半導体レーザでは、キャビティ長が１λ〜２λ（λは発振波長）程度と、極めて微小であることから、発振波長はキャビティ長によって固定される。そのため、面発光型の半導体レーザは、活性層５３の発光波長（利得が最大となる波長）とは異なる波長で発振することが可能である。従って、波長デチューニングΔλの設計しだいで、閾値電流が最小となる素子温度を任意に選択することができる。もっとも、現実的には、閾値電流が最小となる素子温度は、０℃〜６０℃の範囲内の値となる。

高温側で十分な光出力を得たい場合には、波長デチューニングΔλを大きく設計する必要がある。例えば、活性層５３が赤色系の材料（ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ）を含んで構成された６６０ｎｍ〜６８０ｎｍ帯の面発光型の半導体レーザでは、波長デチューニングΔλを１９ｎｍ程度にすれば、素子温度Ｔ_oが５０℃程度で、閾値電流が極小となる。ところで、閾値電流が温度依存性を持つということは、一定電流下の光出力もまた、温度依存性を持つということである。例えば、図１４（Ｂ）に示したように、波長デチューニングΔλが１９ｎｍで設計された面発光型の半導体レーザの場合には、素子温度Ｔ_oが５０℃ぐらいで最大の光出力となり、素子温度Ｔ_oが５０℃前後である場合には、光出力が減少する。これにより、光出力の時間変化を描くことができる。図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、ＡからＢに移行するときには、活性層温度Ｔ_act（ｔ）が上昇すると共に、光出力Ｐ_outも上昇し、電流がオフしている期間にＢからＣに移行すると、活性層温度Ｔ_act（ｔ）が減少し、このタイミングで光出力Ｐ_outがゼロとなる。

このように、熱方程式と、光出力Ｐ_outの活性層温度依存性とから、光出力Ｐ_outの時間変化を導くことができる。そこで、例えば、図１５に示したように、この結果（計算値）と、実際の測定によって得られた光波形（実測値）とを比較してみた。すると、熱時定数Ｒ_thＣ_thを８００ｎｓｅｃとしたときに、両者が、パルス立ち上がり後、数１００ｎｓｅｃ以降において一致することがわかった。しかし、パルス立ち上がり時においては、両者は一致しないことがわかった。パルス立ち上がり時は、熱時定数Ｒ_thＣ_thが８００ｎｓｅｃよりも一桁以上小さな値（おおよそ、２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下）で変化していることがわかった。

光波形に２つの時定数が存在するのは、パルス立ち上がり後と、パルス立ち上がり時とにおいて、面発光型の半導体レーザにおける発熱状態が異なっているのが原因である考えられる。パルス立ち上がり後では、面発光型の半導体レーザにおけるメサ全体が発熱しており、そのために時定数が大きくなっていると考えられる。一方、パルス立ち上がり時では、活性層が局所的に発熱しており、そのために時定数が小さくなっていると考えられる。熱方程式は、メサ全体が発熱していることを前提としていることから、パルス立ち上がり時の光波形を正確に表現しきれていない。

［効果］
そこで、本変形例では、上述したように、補正回路２２内のＲＣ時定数回路２２Ｂにおいて、時定数の互いに異なる複数の時定数回路（第４時定数回路、第５時定数回路）が設けられている。これにより、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源２１から出力された電流パルスの波形を、ＲＣ時定数回路２２Ｂを含む補正回路２２を用いて半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正することができる。このように、本変形例では、ＲＣ時定数回路２２Ｂを用いることにより、電流源２１から出力された電流パルスの波形のうち立ち上がり後の緩やかなスロープの部分だけでなく、立ち上がり時の急激にカーブする部分についても、矩形に近づけることができる。その結果、波長デチューニングΔλに起因する光出力の波形鈍りを低減することができる。

また、本変形例では、補正回路２２において、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークが、素子温度Ｔ_o（周囲温度）を決定する因子Ｖ_oに応じて変化する。これにより、環境温度（例えば、プリンタ筐体内の温度）が変化し、それに伴って波長デチューニングΔλに変化が生じた場合であっても、光出力の波形鈍りを低減することができる。

また、本変形例では、補正回路２２において、電流源２１から出力された電流パルスの波高値が活性層５３の温度変動に対応して変動する。これにより、電流源２１から電流パルスが連続して出力され、半導体レーザ内（活性層５３内）に熱因子が残存している場合であっても、当該電流パルスの波高値の補正量を適切な値に設定することができる。その結果、電流源２１が電流パルスを連続して出力しているときであっても、光出力の波形鈍りを低減することができる。

また、本変形例では、補正回路２２において、オフセット電圧Ｖ_offsetの値を調整するか、または、アシスト電流因子Ｖ_Aを電流値に変換する定数κの値を調整することにより、電流源２１から出力された電流パルスの波高値のピークを、波長デチューニングΔλの大きさに応じて変化させることが可能となっている。いずれの値を調整するかは、温度変化に対する光出力の変動の傾向から判断することが好ましい。例えば、製造バラツキによって、面発光型の半導体レーザの電流狭窄径が所望の値よりも大きくなってしまったとする。この場合には、温度変化に対する光出力の変動量が大きくなる（つまり、光出力の温度依存性が高くなる）ので、定数κの値を調整することが好ましい。また、例えば、製造バラツキによって、面発光型の半導体レーザの波長デチューニングΔλが大きくなったとする。この場合には、光出力が最大となる温度が高温側にシフトする（つまり、光出力の温度依存性が高温側にシフトする）ので、オフセット電圧Ｖ_offsetの値を調整することが好ましい。このように、本実施の形態では、温度変化に対する光出力の変動の傾向に基づいて、好ましい補正方法を選択することができるので、光出力の波形鈍りを確実に低減することができる。

なお、立ち上り鈍りは低パワー・低温であるほど顕著に現れる。一方、ドループは低パワー・低温時にはほとんど現れない。したがって、低温・低パワー時で駆動する限りは、ドループ補正は不要である。逆に、高温・高パワーでは、立ち上がりは改善するが、ドループは悪化するので、ドループ補正は、高温・高パワー時に、より必要となる。以上のことから、本変形例では、立ち上がり補正およびドループ補正の両方の機能が設けられているので、レーザの駆動範囲（温度、光出力）を広げることが可能になる。赤色面発光型半導体レーザでは、温度範囲０℃〜６０℃、光出力ダイナミックレンジ５倍程度が必要であり、実用化のためには、本変形例のような２種類の補正機能が不可欠である。

１…発光装置、１０…システム制御回路、２０…レーザ駆動回路、２１…電流源、２２…補正回路、２２Ａ，２２Ｂ…ＲＣ時定数回路、３０…光学系、３１…半導体レーザ装置、３２…サーミスタ、３３…コリメートレンズ、３４…対物レンズ、５１…基板、５２…レーザ構造部、５３…活性層、ｆ（ｔ）…変動、ｇ（ｔ）…減衰度、Ｉ_A（ｔ）…アシスト電流、Ｉ_op-none（ｔ）…電流、Ｉ_max（ｔ）…最大値、Ｐ_el…エネルギー、Ｐ_out…光出力、Ｒ_thＣ_th…熱時定数、ｔ_2n…オン期間の開始時点、ｔ_2n+1…オフ期間の開始時点、Ｔ_act（ｔ）…活性層温度、Ｔ_el（ｔ）…素子温度の上昇量、Ｔ_A1，Ｔ_A2，Ｔ_th1，Ｔ_th2…時定数、Ｔ_o…素子温度、Ｖ_A…アシスト電流因子、Ｖ_ib，Ｖ_iOP，Ｖ_o…因子、Ｖ_offset…オフセット電圧、Δλ…波長デチューニング、κ…定数、ν…重み。

Claims (9)

1. 補正電流の時間変化を与える第１時定数回路と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流量を与える第２時定数回路とを含んで構成された第１ＲＣ時定数回路を備え、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、前記第１ＲＣ時定数回路を用いて前記半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正し、
   前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正し、
   前記第１時定数回路および前記第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有し、
   前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記活性層の温度変動に対応して変動するように補正し、
   前記最大電流量を、前記半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させる
   補正回路。
2. 前記電流パルスの波高値を経時的に減衰させる複数の第３時定数回路を含む第２ＲＣ時定数回路を備え、前記電流源から出力された電流パルスの波形を、前記第１ＲＣ時定数回路および前記第２ＲＣ時定数回路を用いて前記半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正する
   請求項１のいずれか一項に記載の補正回路。
3. 各第３時定数回路のＲＣ時定数は、互いに異なっており、
   前記複数の第３時定数回路のうち少なくとも１つの時定数回路である第４時定数回路のＲＣ時定数は、２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記複数の第３時定数回路のうち前記第４時定数回路以外の時定数回路である１または複数の第５時定数回路のＲＣ時定数は、５０ｎｓｅｃを超える値となっている
   請求項２に記載の補正回路。
4. 前記第２ＲＣ時定数回路は、前記電流パルスの波高値のピークを調整する複数の第６時定数回路を含み、
   各第６時定数回路のＲＣ時定数は、互いに異なっており、
   前記複数の第６時定数回路のうち少なくとも１つの時定数回路である第７時定数回路のＲＣ時定数は、２０ｎｓｅｃ以上５０ｎｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記複数の第６時定数回路のうち前記第７時定数回路以外の時定数回路である１または複数の第８時定数回路のＲＣ時定数は、５０ｎｓｅｃを超える値となっている
   請求項３に記載の補正回路。
5. 前記活性層は、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰを含み、
   前記活性層の発光波長と前記垂直共振器構造の発振波長との差分である波長デチューニングが、１５ｎｍ以上となっている
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の補正回路。
6. 前記活性層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含み、
   前記活性層の発光波長と前記垂直共振器構造の発振波長との差分である波長デチューニングが、１３ｎｍ以上となっている
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の補正回路。
7. 面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源と、
   補正電流の時間変化を与える第１時定数回路と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流量を与える第２時定数回路とを含んで構成された第１ＲＣ時定数回路を有し、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、前記第１ＲＣ時定数回路を用いて前記半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正する補正回路と
   を備え、
   前記補正回路は、前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正し、
   前記第１時定数回路および前記第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有し、
   前記補正回路は、前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記活性層の温度変動に対応して変動するように補正し、
   前記補正回路は、前記最大電流量を、前記半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させる
   駆動回路。
8. １または複数の面発光型の半導体レーザと、
   前記半導体レーザをパルス駆動する電流源と、
   補正電流の時間変化を与える第１時定数回路と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流量を与える第２時定数回路とを含んで構成された第１ＲＣ時定数回路を有し、面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、前記第１ＲＣ時定数回路を用いて前記半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正する補正回路と
   を備え、
   前記補正回路は、前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正し、
   前記第１時定数回路および前記第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有し、
   前記補正回路は、前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記活性層の温度変動に対応して変動するように補正し、
   前記補正回路は、前記最大電流量を、前記半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させる
   発光装置。
9. 面発光型の半導体レーザをパルス駆動する電流源から出力された電流パルスの波形を、補正電流の時間変化を与える第１時定数回路と、補正電流の初期値に相当する各パルス開始時の最大電流量を与える第２時定数回路とを含んで構成された第１ＲＣ時定数回路を含む補正回路を用いて、前記半導体レーザの光出力のパルス波形が矩形に近づくように補正し、
   前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記第１ＲＣ時定数回路のＲＣ時定数に応じて経時的に飽和するように補正し、
   前記第１時定数回路および前記第２時定数回路のＲＣ時定数は、１μｓｅｃ以上３μｓｅｃ以下の範囲内の値となっており、
   前記半導体レーザは、一対の多層膜反射鏡で活性層を挟み込んだ垂直共振器構造を有し、
   前記補正回路を用いて、前記電流パルスの波形を、前記電流パルスの波高値が前記活性層の温度変動に対応して変動するように補正し、
   前記補正回路を用いて、前記最大電流量を、前記半導体レーザの周囲温度、駆動電流および温度変動に応じて変化させる
   電流パルス波形の補正方法。
   

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