JP7259954B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

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Description

本開示は、半導体レーザ素子及びその周辺回路を備えた半導体レーザ装置に関し、特に、アヴァランシェトランジスタを含む周辺回路により半導体レーザ素子を駆動する半導体レーザ装置に関する。 The present disclosure relates to a semiconductor laser device having a semiconductor laser element and its peripheral circuit, and more particularly to a semiconductor laser device that drives a semiconductor laser element by a peripheral circuit including an avalanche transistor.

半導体レーザ素子を駆動するために、例えば特許文献1及び非特許文献1に開示されているように、アヴァランシェ降伏特性を有するスイッチング素子(アヴァランシェトランジスタ)を含む周辺回路を使用することがある。 In order to drive a semiconductor laser device, a peripheral circuit including a switching element (avalanche transistor) having an avalanche breakdown characteristic is sometimes used, as disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example.

特許文献1は、半導体レーザ素子をパルス光源として動作させるパルス電源装置を開示している。ここで、半導体レーザ素子のアノードはアヴァランシェトランジスタのエミッタに接続され、半導体レーザ素子のカソードは接地される。また、アヴァランシェトランジスタのコレクタは、抵抗及びもう1つのスイッチング素子(電界効果トランジスタ)を介して電源に接続され、さらに、キャパシタを介して接地される。 Patent Document 1 discloses a pulse power supply device that operates a semiconductor laser element as a pulse light source. Here, the anode of the semiconductor laser element is connected to the emitter of the avalanche transistor, and the cathode of the semiconductor laser element is grounded. Also, the collector of the avalanche transistor is connected to the power supply via a resistor and another switching element (field effect transistor), and grounded via a capacitor.

特許文献1の回路において、アヴァランシェトランジスタがオフされかつ電界効果トランジスタがオンされているとき、キャパシタは電源の電圧まで充電される。電源の電圧は、キャパシタにより、アヴァランシェトランジスタのコレクタ・エミッタ間の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がアヴァランシェトランジスタのコレクタ・エミッタ間に印加されるように設定される。キャパシタが電源の電圧まで充電されたとき、電界効果トランジスタはオフされる。ここで、アヴァランシェトランジスタのベースに印加される制御信号によりアヴァラシェ降伏がトリガされると、アヴァランシェトランジスタがオンされ、急速にコレクタ電流が流れる。このコレクタ電流により、アヴァランシェトランジスタに直列接続された半導体レーザ素子が駆動され、半導体レーザ素子が点灯する。このコレクタ電流は主にキャパシタに蓄積された電荷に由来するので、コレクタ電流が流れるにつれてコレクタの電位は低下する。アヴァランシェトランジスタのコレクタ・エミッタ間の電圧が降伏電圧BVceoより小さくなるまでコレクタの電位が低下すると、アヴァランシェ降伏は終息し、アヴァランシェトランジスタがオフされる。その後、キャパシタは再び電源の電圧まで充電され、一連の動作が繰り返される。 In the circuit of U.S. Pat. No. 5,700,000, the capacitor is charged to the voltage of the power supply when the avalanche transistor is turned off and the field effect transistor is turned on. The voltage of the power supply is set by the capacitor so that a voltage higher than the breakdown voltage BVceo between the collector and emitter of the avalanche transistor is applied between the collector and emitter of the avalanche transistor. When the capacitor is charged to the voltage of the power supply, the field effect transistor is turned off. Now, when an avalanche breakdown is triggered by a control signal applied to the base of the avalanche transistor, the avalanche transistor is turned on and collector current flows rapidly. This collector current drives the semiconductor laser device connected in series with the avalanche transistor, thereby lighting the semiconductor laser device. Since this collector current is mainly derived from charges accumulated in the capacitor, the potential of the collector decreases as the collector current flows. When the potential of the collector drops until the collector-emitter voltage of the avalanche transistor becomes lower than the breakdown voltage BVceo, the avalanche breakdown stops and the avalanche transistor is turned off. After that, the capacitor is charged again to the voltage of the power supply and the series of operations is repeated.

このように、アヴァランシェトランジスタを用いることにより、短い持続時間を有する強い光を繰り返し発生するように半導体レーザ素子を駆動することができる。 Thus, by using an avalanche transistor, a semiconductor laser device can be driven to repeatedly generate intense light having a short duration.

特開2007-042731号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-042731

N. Chadderton, "The ZTX415 Avalanche Mode Transistor: An Introduction to Characteristics, Performance and Applications", Zetex Application Note 8, Zetex, Issue 2 January 1996N. Chadderton, "The ZTX415 Avalanche Mode Transistor: An Introduction to Characteristics, Performance and Applications", Zetex Application Note 8, Zetex, Issue 2 January 1996.

特許文献1の回路において、アヴァランシェトランジスタ及び電界効果トランジスタの動作について、以下のようなタイミング制約が課される。 In the circuit of Patent Document 1, the following timing restrictions are imposed on the operations of the avalanche transistor and the field effect transistor.

第1のタイミング制約として、キャパシタを電源の電圧まで充電するために十分な時間長にわたって電界効果トランジスタをオンすることが求められる。電界効果トランジスタをオンする時間長が不十分であれば、キャパシタから半導体レーザ素子へ供給される電力が減少し、半導体レーザ素子の発光量が低下する。 The first timing constraint requires that the field effect transistor be turned on for a sufficient length of time to charge the capacitor to the voltage of the power supply. If the length of time during which the field effect transistor is turned on is insufficient, the power supplied from the capacitor to the semiconductor laser element will decrease, and the amount of light emitted from the semiconductor laser element will decrease.

また、キャパシタが電源の電圧まで充電された後、アヴァランシェトランジスタ及び電界効果トランジスタの両方がオフされているとき、アヴァランシェトランジスタのリーク電流により、コレクタの電位が低下する。この場合もまた、キャパシタから半導体レーザ素子へ供給される電力が減少し、半導体レーザ素子の発光量が低下する。従って、第2のタイミング制約として、アヴァランシェトランジスタをオンする直前に電界効果トランジスタをオフすることが求められる。 Also, after the capacitor is charged to the voltage of the power supply, when both the avalanche transistor and the field effect transistor are turned off, leakage current in the avalanche transistor causes the collector potential to drop. In this case also, the power supplied from the capacitor to the semiconductor laser element is reduced, and the light emission amount of the semiconductor laser element is reduced. Therefore, a second timing constraint is required to turn off the field effect transistor just before turning on the avalanche transistor.

例えば、半導体レーザ素子を可変な繰り返しレート(マルチレート)で点灯することが求められる場合がある。しかしながら、上記のタイミング制約により、半導体レーザ素子の点灯の繰り返しレートは制限される。従って、半導体レーザ素子の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子を高い自由度で駆動することが求められる。 For example, it may be required to turn on a semiconductor laser element at a variable repetition rate (multirate). However, due to the above timing restrictions, the repetition rate of lighting of the semiconductor laser element is limited. Therefore, it is required to drive the semiconductor laser device with a high degree of freedom without reducing the amount of light emitted from the semiconductor laser device.

本開示の目的は、簡単な回路構成でありながら、半導体レーザ素子の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子を駆動することができる半導体レーザ装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present disclosure is to provide a semiconductor laser that can drive a semiconductor laser element with a simple circuit configuration without reducing the amount of light emitted from the semiconductor laser element and by relaxing the timing restrictions of the peripheral circuits of the semiconductor laser element. It is to provide a device.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、
半導体レーザ素子と、
キャパシタと、
駆動回路と、
電源及び前記キャパシタの間において互いに並列に接続された第1及び第2の充電制御回路と、
前記第1及び第2の充電制御回路及び前記キャパシタの間のノードに接続されたコレクタと、前記半導体レーザ素子のアノードに接続されたエミッタと、前記駆動回路に接続されたベースとを有するNPN型アヴァランシェトランジスタである第1のスイッチング素子とを備え、
前記駆動回路は、前記第1のスイッチング素子をアヴァランシェ降伏によりオンするように前記第1のスイッチング素子を制御し、前記第1のスイッチング素子がオンしているとき、前記電源からの電流を阻止するように前記第1の充電制御回路を制御し、前記第1のスイッチング素子がオフしているとき、前記電源からの電流を通過又は阻止するように前記第1の充電制御回路を制御し、
前記第1の充電制御回路は、前記第1の充電制御回路を介して流れる前記電源からの電流による前記キャパシタの充電を制御し、
前記第2の充電制御回路は、前記第1のスイッチング素子がオフし、かつ、前記第1の充電制御回路が前記電源からの電流を阻止しているとき、前記キャパシタの電位を保持するように、前記第2の充電制御回路を介して流れる前記電源からの電流による前記キャパシタの充電を制御する。

A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure includes:
a semiconductor laser element;
a capacitor;
a drive circuit;
first and second charge control circuits connected in parallel between a power source and the capacitor;
An NPN type having a collector connected to a node between the first and second charge control circuits and the capacitor, an emitter connected to the anode of the semiconductor laser element, and a base connected to the drive circuit. and a first switching element that is an avalanche transistor,
The drive circuit controls the first switching element to turn on the first switching element by avalanche breakdown, and blocks current from the power supply when the first switching element is on. and controlling the first charging control circuit to pass or block current from the power supply when the first switching element is off;
The first charging control circuit controls charging of the capacitor by current from the power supply flowing through the first charging control circuit,
The second charge control circuit holds the potential of the capacitor when the first switching element is turned off and the first charge control circuit blocks current from the power supply. , controlling the charging of the capacitor by current from the power source flowing through the second charge control circuit.

これにより、簡単な回路構成でありながら、半導体レーザ素子の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子を駆動することができる。 As a result, the semiconductor laser device can be driven by relaxing the timing restrictions of the peripheral circuits of the semiconductor laser device without reducing the amount of light emitted from the semiconductor laser device with a simple circuit configuration.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、
前記第1の充電制御回路は、互いに直列接続された第2のスイッチング素子及び第1の抵抗を含む。
A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure includes:
The first charging control circuit includes a second switching element and a first resistor connected in series with each other.

これにより、駆動回路の制御下で、第1の充電制御回路を介して流れる電源からの電流によるキャパシタの充電を容易に制御することができる。 This makes it possible to easily control the charging of the capacitor by the current from the power supply flowing through the first charge control circuit under the control of the drive circuit.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、
前記第1の充電制御回路は、前記電源から前記キャパシタに一定の電流を供給して充電する定電流回路を含む。
A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure includes:
The first charge control circuit includes a constant current circuit that supplies a constant current from the power supply to the capacitor to charge the capacitor.

これにより、半導体レーザ素子の点灯の繰り返しレートを向上することができ、さらに、半導体レーザ素子の点灯のタイミング制約を緩和することができる。 As a result, it is possible to improve the repetition rate of lighting of the semiconductor laser element, and furthermore, it is possible to relax the timing restrictions of lighting of the semiconductor laser element.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、
前記定電流回路はカレントミラー回路を含む。
A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure includes:
The constant current circuit includes a current mirror circuit.

これにより、キャパシタの電位が電源の電位にほぼ等しくなったとき、キャパシタへの充電を自動的に停止することができ、駆動回路が定電流回路を制御するときのタイミング制約を緩和することができる。 As a result, when the potential of the capacitor becomes substantially equal to the potential of the power supply, the charging of the capacitor can be automatically stopped, and the timing restrictions when the drive circuit controls the constant current circuit can be relaxed. .

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、
前記第2の充電制御回路は第2の抵抗を含む。
A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure includes:
The second charge control circuit includes a second resistor.

これにより、第2の充電制御回路を介して流れる電源からの電流によるキャパシタの充電を容易に制御することができる。 This makes it possible to easily control the charging of the capacitor by the current from the power supply flowing through the second charge control circuit.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置によれば、簡単な回路構成でありながら、半導体レーザ素子の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子を駆動することができる。 According to the semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure, the semiconductor laser device has a simple circuit configuration and relaxes the timing restrictions of the peripheral circuits of the semiconductor laser device without reducing the light emission amount of the semiconductor laser device. can drive.

第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment; FIG. 図1の半導体レーザ装置の動作を示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing the operation of the semiconductor laser device of FIG. 1; 第2の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor laser device according to a second embodiment; FIG. 図3の半導体レーザ装置の動作を示すタイミングチャートである。4 is a timing chart showing the operation of the semiconductor laser device of FIG. 3; 第2の実施形態の実装例に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor laser device according to an implementation example of the second embodiment;

以下、本開示の一側面に係る実施形態(以下、「本実施形態」とも表記する)を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。 An embodiment (hereinafter also referred to as "the present embodiment") according to one aspect of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numerals denote similar components.

[第1の実施形態]
[第1の実施形態の構成]
図1は、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。図1の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子LD1、スイッチング素子Q1、スイッチング素子MN1、電源V1、抵抗R1、抵抗R2、キャパシタC1、及び駆動回路1を備える。
[First embodiment]
[Configuration of the first embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment. The semiconductor laser device of FIG. 1 includes a semiconductor laser element LD1, a switching element Q1, a switching element MN1, a power source V1, a resistor R1, a resistor R2, a capacitor C1, and a drive circuit 1.

本明細書では、抵抗R1及びキャパシタC1の間のノードを「ノードN1」といい、スイッチング素子Q1及び半導体レーザ素子LD1の間のノードを「ノードN2」といい、電源V1の正極を「ノードN3」ともいい、スイッチング素子MN1及び抵抗R2の間のノードを「ノードN4」という。 In this specification, the node between the resistor R1 and the capacitor C1 is called "node N1", the node between the switching element Q1 and the semiconductor laser element LD1 is called "node N2", and the positive electrode of the power supply V1 is called "node N3". ”, and the node between the switching element MN1 and the resistor R2 is called “node N4”.

半導体レーザ素子LD1はレーザダイオードである。半導体レーザ素子LD1のアノードはスイッチング素子Q1のエミッタに接続され、半導体レーザ素子LD1のカソードは接地される。 The semiconductor laser element LD1 is a laser diode. The anode of the semiconductor laser device LD1 is connected to the emitter of the switching device Q1, and the cathode of the semiconductor laser device LD1 is grounded.

スイッチング素子Q1はNPN型アヴァランシェトランジスタである。スイッチング素子Q1は、抵抗R1及びキャパシタC1の間のノードN1に接続されたコレクタと、半導体レーザ素子LD1のアノードに接続されたエミッタと、駆動回路1に接続されたベースとを有する。スイッチング素子Q1は、アヴァランシェ降伏特性を有し、所定のコレクタ・エミッタ間の降伏電圧BVceoを有する。アヴァランシェトランジスタは、コレクタ・エミッタ間の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がコレクタ・エミッタ間に印加されているとき、アヴァランシェ降伏のトリガとなる制御信号をベースに印加することによりオンされる。アヴァランシェトランジスタは、いったんアヴァランシェ降伏(「第1降伏」ともいう)を起こすと、即座に、低インピーダンス(「第2降伏」ともいう)の状態へ遷移する。この現象を用いることで、数ナノ秒のオーダーの高速スイッチングが実現される。 The switching element Q1 is an NPN avalanche transistor. The switching element Q1 has a collector connected to a node N1 between the resistor R1 and the capacitor C1, an emitter connected to the anode of the semiconductor laser element LD1, and a base connected to the driving circuit 1. Switching element Q1 has an avalanche breakdown characteristic and has a predetermined collector-emitter breakdown voltage BVceo. The avalanche transistor is turned on by applying a control signal that triggers avalanche breakdown to the base when a voltage higher than the collector-emitter breakdown voltage BVceo is applied between the collector and emitter. Once the avalanche transistor causes an avalanche breakdown (also called "first breakdown"), it immediately transitions to a low impedance state (also called "second breakdown"). By using this phenomenon, high-speed switching on the order of several nanoseconds is realized.

スイッチング素子MN1は、例えば、エンハンスメント型のNチャネル電界効果トランジスタである。スイッチング素子MN1は、電源V1に接続されたドレインと、抵抗R1を介してノードN1に接続されたソースと、駆動回路1に接続されたゲートとを有する。 The switching element MN1 is, for example, an enhancement-type N-channel field effect transistor. The switching element MN1 has a drain connected to the power supply V1, a source connected to the node N1 via the resistor R1, and a gate connected to the driving circuit 1.

抵抗R2は、電源V1及びキャパシタC1の間に接続される。言い換えると、抵抗R2は、電源V1及びキャパシタC1の間において、スイッチング素子MN1及び抵抗R1と並列に接続される。 A resistor R2 is connected between the power supply V1 and the capacitor C1. In other words, resistor R2 is connected in parallel with switching element MN1 and resistor R1 between power supply V1 and capacitor C1.

電源V1は、所定電圧を発生する直流電源である。電源V1の正極は抵抗R2を介してキャパシタC1に接続され、電源V1の正極はさらにスイッチング素子MN1及び抵抗R1を介してキャパシタC1に接続され、電源V1の負極は接地される。キャパシタC1の一端は、スイッチング素子Q1のコレクタに接続されたホットエンド(変動する電位が印加される端子)であり、キャパシタC1の他端は、接地されたコールドエンド(安定した電位が印加される端子)である。 The power supply V1 is a DC power supply that generates a predetermined voltage. The positive electrode of the power source V1 is connected to the capacitor C1 via the resistor R2, the positive electrode of the power source V1 is further connected to the capacitor C1 via the switching element MN1 and the resistor R1, and the negative electrode of the power source V1 is grounded. One end of the capacitor C1 is a hot end (terminal to which a varying potential is applied) connected to the collector of the switching element Q1, and the other end of the capacitor C1 is a grounded cold end (to which a stable potential is applied). terminal).

スイッチング素子Q1のエミッタと半導体レーザ素子LD1のアノードとが互いに接続され、スイッチング素子Q1及び半導体レーザ素子LD1は互いに直列に接続される。キャパシタC1の電圧は、スイッチング素子Q1及び半導体レーザ素子LD1の両端、すなわち、スイッチング素子Q1のコレクタと半導体レーザ素子LD1のカソードとにわたって印加される。スイッチング素子Q1がオフされているとき、半導体レーザ素子LD1には駆動電流が流れないのでその順方向電圧は発生せず、従って、キャパシタC1の電圧がスイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間に印加される。電源V1の電圧は、スイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間の降伏電圧BVceoよりも高く設定される。 The emitter of switching element Q1 and the anode of semiconductor laser element LD1 are connected to each other, and switching element Q1 and semiconductor laser element LD1 are connected to each other in series. The voltage of the capacitor C1 is applied across the switching element Q1 and the semiconductor laser element LD1, that is, across the collector of the switching element Q1 and the cathode of the semiconductor laser element LD1. When the switching element Q1 is turned off, no driving current flows through the semiconductor laser element LD1, so that no forward voltage is generated, and therefore the voltage of the capacitor C1 is applied between the collector and emitter of the switching element Q1. . The voltage of the power supply V1 is set higher than the collector-emitter breakdown voltage BVceo of the switching element Q1.

駆動回路1は、スイッチング素子Q1のアヴァランシェ降伏をトリガする制御信号をスイッチング素子Q1のベースに印加する。スイッチング素子Q1のアヴァラシェ降伏がトリガされると、スイッチング素子Q1がオンされ、キャパシタC1に充電された電力を放電することにより半導体レーザ素子LD1が駆動される。また、駆動回路1は、スイッチング素子MN1をオン/オフする制御信号をスイッチング素子MN1のゲートに印加する。駆動回路1は、スイッチング素子Q1がオンしているとき、電源V1からの電流を阻止するようにスイッチング素子MN1を制御し、スイッチング素子Q1がオフしているとき、電源V1からの電流を通過又は阻止するようにスイッチング素子MN1を制御する。 The drive circuit 1 applies a control signal to the base of the switching element Q1 that triggers the avalanche breakdown of the switching element Q1. When the avalache breakdown of the switching element Q1 is triggered, the switching element Q1 is turned on, and the semiconductor laser element LD1 is driven by discharging the electric power charged in the capacitor C1. Further, the drive circuit 1 applies a control signal for turning on/off the switching element MN1 to the gate of the switching element MN1. The drive circuit 1 controls the switching element MN1 to block the current from the power supply V1 when the switching element Q1 is on, and allows or passes the current from the power supply V1 when the switching element Q1 is off. Control the switching element MN1 to block.

スイッチング素子MN1及び抵抗R1は、駆動回路1の制御下で、スイッチング素子MN1及び抵抗R1を介して流れる電源V1からの電流によるキャパシタC1の充電を制御する。 Switching element MN1 and resistor R1, under the control of drive circuit 1, control charging of capacitor C1 by current from power source V1 flowing through switching element MN1 and resistor R1.

抵抗R2は、スイッチング素子Q1がオフし、かつ、スイッチング素子MN1が電源V1からの電流を阻止しているとき、キャパシタC1の電位を保持するように、抵抗R2を介して流れる電源V1からの電流によるキャパシタC1の充電を制御する。 Resistor R2 allows current from power supply V1 to flow through resistor R2 so as to hold the potential of capacitor C1 when switching element Q1 is turned off and switching element MN1 blocks current from power supply V1. controls the charging of capacitor C1 by .

電源V1は、少なくとも、アヴァランシェトランジスタの降伏電圧BVceoより高い電圧、例えば170~260Vの電圧を発生する。 The power supply V1 generates at least a voltage higher than the breakdown voltage BVceo of the avalanche transistor, eg, 170-260V.

抵抗R2は、抵抗R1の抵抗値よりもずっと大きな抵抗値、例えば100倍の抵抗値を有してもよい。 Resistor R2 may have a much higher resistance value than that of resistor R1, for example 100 times the resistance value.

本明細書では、スイッチング素子Q1を「第1のスイッチング素子」ともいい、スイッチング素子MN1を「第2のスイッチング素子」ともいう。また、本明細書では、スイッチング素子MN1及び抵抗R1を「第1の充電制御回路」又は「第1の充電用回路」ともいい、抵抗R2を「第2の充電制御回路」又は「第2の充電用回路」ともいう。 In this specification, the switching element Q1 is also called "first switching element", and the switching element MN1 is also called "second switching element". Further, in this specification, the switching element MN1 and the resistor R1 are also referred to as a “first charging control circuit” or a “first charging circuit”, and the resistor R2 is referred to as a “second charging control circuit” or a “second charging circuit”. Also called charging circuit.

スイッチング素子MN1は、Nチャネル電界効果トランジスタに代えてPチャネル電界効果トランジスタであってもよく、スイッチング可能な他の任意の素子であってもよい。 Switching element MN1 may be a P-channel field effect transistor instead of an N-channel field effect transistor, or any other switchable element.

[第1の実施形態の動作]
図2は、図1の半導体レーザ装置の動作を示すタイミングチャートである。図1の半導体レーザ装置は以下のように動作する。
[Operation of the first embodiment]
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the semiconductor laser device of FIG. The semiconductor laser device of FIG. 1 operates as follows.

図2の1段目は、駆動回路1からスイッチング素子MN1のゲートに印加される制御信号を示す。図2の2段目は、ノードN1におけるキャパシタC1の電位を示す。図2の3段目は、駆動回路1からスイッチング素子Q1のベースに印加される制御信号を示す。図2の4段目は、半導体レーザ素子LD1の発光量を示す。 The first row in FIG. 2 shows the control signal applied from the driving circuit 1 to the gate of the switching element MN1. The second row in FIG. 2 shows the potential of capacitor C1 at node N1. The third row in FIG. 2 shows the control signal applied from the drive circuit 1 to the base of the switching element Q1. The fourth row in FIG. 2 shows the amount of light emitted from the semiconductor laser element LD1.

初期状態(時刻t1)において、スイッチング素子Q1のアヴァランシェ降伏は発生していない(すなわち、スイッチング素子Q1がオフされている)。 In the initial state (time t1), the avalanche breakdown of switching element Q1 does not occur (that is, switching element Q1 is turned off).

スイッチング素子Q1がオフされ、かつ、スイッチング素子MN1がオンされている時間期間(時刻t1~t2、時刻t4~t5、及び時刻t8~t9)において、スイッチング素子MN1及び抵抗R1を介して流れる電源V1からの電流によりキャパシタC1が充電され、図2の2段目に示すように、キャパシタC1の電位はほぼ電源V1の電位まで上昇する。その結果、キャパシタC1により、スイッチング素子Q1の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がスイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間に印加される。 During the time periods (time t1-t2, time t4-t5, and time t8-t9) in which the switching element Q1 is turned off and the switching element MN1 is turned on, the power supply V1 flows through the switching element MN1 and the resistor R1. The capacitor C1 is charged by the current from , and the potential of the capacitor C1 rises almost to the potential of the power supply V1, as shown in the second row of FIG. As a result, a voltage higher than the breakdown voltage BVceo of the switching element Q1 is applied between the collector and the emitter of the switching element Q1 by the capacitor C1.

キャパシタC1の電位が十分に上昇したとき(時刻t2、t5、及びt9)、スイッチング素子MN1はオフされる。スイッチング素子MN1がオフされた後も、抵抗R2を介して流れる電源V1からの電流により、キャパシタC1の電位は保持される(時刻t5~t6)。 When the potential of capacitor C1 rises sufficiently (time t2, t5, and t9), switching element MN1 is turned off. Even after the switching element MN1 is turned off, the potential of the capacitor C1 is held by the current from the power supply V1 flowing through the resistor R2 (time t5-t6).

ここで、スイッチング素子Q1のベースに印加される制御信号によりアヴァラシェ降伏がトリガされると(時刻t2、t6、及びt9)、スイッチング素子Q1において自由電子に起因するアヴァランシェ降伏(第1降伏)が生じ(すなわち、スイッチング素子Q1がオンされ)、急速にコレクタ電流が流れる。このコレクタ電流により半導体レーザ素子LD1は点灯する。スイッチング素子Q1のコレクタ電流は主にキャパシタC1に蓄積された電荷に由来するので、コレクタ電流が流れるにつれてキャパシタC1の電位は低下する。キャパシタC1の電位が低下しても、スイッチング素子Q1の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がスイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間に印加されている間は、スイッチング素子Q1はコレクタ・エミッタ間において低インピーダンス(第2降伏)の状態にある。 Here, when an avalanche breakdown is triggered by a control signal applied to the base of the switching element Q1 (time t2, t6, and t9), an avalanche breakdown (first breakdown) due to free electrons occurs in the switching element Q1. (that is, the switching element Q1 is turned on) and the collector current flows rapidly. The semiconductor laser element LD1 is lit by this collector current. Since the collector current of switching element Q1 is mainly derived from the charges accumulated in capacitor C1, the potential of capacitor C1 decreases as the collector current flows. Even if the potential of the capacitor C1 drops, the switching element Q1 has a low impedance ( second yield).

キャパシタC1に蓄積された電荷が減少し、スイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間の電圧が降伏電圧BVceoより小さくなるまでキャパシタC1の電位が低下すると、アヴァランシェ降伏は終息し、スイッチング素子Q1がオフされる。 When the charge accumulated in the capacitor C1 decreases and the potential of the capacitor C1 drops until the collector-emitter voltage of the switching element Q1 becomes lower than the breakdown voltage BVceo, the avalanche breakdown ends and the switching element Q1 is turned off. be.

その後、再び、スイッチング素子MN1及び抵抗R1を介して流れる電源V1からの電流によりキャパシタC1が充電され、キャパシタC1の電位はほぼ電源V1の電位まで上昇し、以後、一連の動作が繰り返される。 After that, the capacitor C1 is again charged by the current from the power supply V1 flowing through the switching element MN1 and the resistor R1, the potential of the capacitor C1 rises almost to the potential of the power supply V1, and thereafter a series of operations are repeated.

このように、アヴァランシェトランジスタであるスイッチング素子Q1を用いることにより、短い持続時間を有する強い光を繰り返し発生するように半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。 Thus, by using the switching element Q1, which is an avalanche transistor, the semiconductor laser element LD1 can be driven to repeatedly generate strong light having a short duration.

スイッチング素子Q1のベースはフローティング状態と見做される。スイッチング素子Q1のベース・エミッタ間には、ビルトインポテンシャルに基づく電位差が維持される。スイッチング素子Q1のベース・コレクタ間には、高い逆バイアス電圧が印加されて空乏層が拡大し、強電界が生じる。このとき流れるコレクタ電流(すなわちリーク電流)は、コレクタ・エミッタ間の電位差に起因する電流と、エミッタからベースへの正孔の拡散に起因する電流(すなわち、ベース電流の電流増幅率hFE倍のコレクタ電流)との総和である。このため、大きく(数μA~数十μAのオーダー)かつ変動するリーク電流が発生する。The base of switching element Q1 is assumed to be floating. A potential difference based on the built-in potential is maintained between the base and emitter of the switching element Q1. A high reverse bias voltage is applied between the base and collector of the switching element Q1 to expand the depletion layer and generate a strong electric field. The collector current (that is, leakage current) that flows at this time consists of the current due to the potential difference between the collector and the emitter and the current due to the diffusion of holes from the emitter to the base (that is, the current amplification factor h FE times the base current). collector current). Therefore, a large (on the order of several μA to several tens of μA) and fluctuating leakage current is generated.

スイッチング素子Q1のリーク電流の大きさは、抵抗R1の抵抗値に依存する。また、半導体レーザ素子LD1の点灯の繰り返しレートは、抵抗R1及びキャパシタC1の時定数に依存する。半導体レーザ素子LD1へ供給される電力は電源V1の電圧とキャパシタC1の容量値とに依存するので、半導体レーザ素子LD1を所定の発光量で点灯させる場合、所望の繰り返しレートを設定するためにキャパシタC1の容量値を変更可能な範囲は制限される。従って、繰り返しレートは主に抵抗R1の抵抗値に依存する。この場合、リーク電流を低減するために抵抗値を増大すると、繰り返しレートが低下し、逆に、繰り返しレートを増大するために抵抗値を低下すると、リーク電流が増大する。 The magnitude of the leakage current of switching element Q1 depends on the resistance value of resistor R1. Also, the repetition rate of lighting of the semiconductor laser element LD1 depends on the time constant of the resistor R1 and the capacitor C1. Since the power supplied to the semiconductor laser element LD1 depends on the voltage of the power source V1 and the capacitance value of the capacitor C1, when the semiconductor laser element LD1 is to be lit with a predetermined amount of light emission, the capacitor C1 is used to set a desired repetition rate. The range in which the capacitance value of C1 can be changed is limited. Therefore, the repetition rate mainly depends on the resistance value of resistor R1. In this case, if the resistance value is increased to reduce the leakage current, the repetition rate will decrease, and conversely, if the resistance value is decreased to increase the repetition rate, the leakage current will increase.

従来技術(例えば特許文献1)によれば、前述のように、キャパシタC1を電源V1の電圧まで充電するために十分な時間長にわたってスイッチング素子MN1をオンするというタイミング制約が課される。また、従来技術(例えば特許文献1)によれば、リーク電流の影響を低減するために、前述のように、スイッチング素子Q1をオンする直前にスイッチング素子MN1をオフするというタイミング制約が課される。図1の半導体レーザ装置によれば、スイッチング素子MN1がオフされた後も、抵抗R2を介して流れる電源V1からの電流により、キャパシタC1の電位は保持される。従って、図1の半導体レーザ装置によれば、スイッチング素子Q1がオフされている時間期間のうちの任意の部分において、キャパシタC1に充電することができる。このように、図1の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和することができる。 According to the prior art (for example, Patent Document 1), as mentioned above, a timing constraint is imposed to turn on the switching element MN1 for a sufficient length of time to charge the capacitor C1 to the voltage of the power supply V1. Further, according to the prior art (for example, Patent Document 1), in order to reduce the influence of leakage current, as described above, the timing constraint is imposed that the switching element MN1 is turned off immediately before the switching element Q1 is turned on. . According to the semiconductor laser device of FIG. 1, even after the switching element MN1 is turned off, the potential of the capacitor C1 is held by the current from the power supply V1 flowing through the resistor R2. Therefore, according to the semiconductor laser device of FIG. 1, the capacitor C1 can be charged during any part of the time period during which the switching element Q1 is turned off. As described above, according to the semiconductor laser device of FIG. 1, timing restrictions on the peripheral circuits of the semiconductor laser element LD1 can be relaxed.

[第1の実施形態の効果]
図1の半導体レーザ装置は、スイッチング素子MN1及び抵抗R1(第1の充電制御回路)を介してキャパシタC1に急速に充電することができる。また、図1の半導体レーザ装置は、抵抗R2(第2の充電制御回路)を備えたことにより、スイッチング素子Q1及びMN1がオフしているときであってもキャパシタC1の電位を保持することができる。このように、図1の半導体レーザ装置は、2つの充電制御回路を備えたことにより、半導体レーザ素子LD1の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。これにより、例えば、半導体レーザ素子LD1を可変な繰り返しレートで点灯する半導体レーザ装置を容易に実現することができる。
[Effects of the first embodiment]
The semiconductor laser device of FIG. 1 can rapidly charge the capacitor C1 through the switching element MN1 and the resistor R1 (first charging control circuit). Further, since the semiconductor laser device of FIG. 1 includes the resistor R2 (second charge control circuit), the potential of the capacitor C1 can be held even when the switching elements Q1 and MN1 are off. can. As described above, the semiconductor laser device of FIG. 1 is provided with two charge control circuits, so that timing restrictions on the peripheral circuits of the semiconductor laser element LD1 can be relaxed without reducing the light emission amount of the semiconductor laser element LD1. The semiconductor laser element LD1 can be driven. As a result, for example, it is possible to easily realize a semiconductor laser device in which the semiconductor laser element LD1 is lit at a variable repetition rate.

図1の半導体レーザ装置は、非常に簡単な回路構成を有するので、例えば、駆動すべき複数の半導体レーザ素子を含むモノリシックなカソードコモンの半導体レーザ装置を容易に実現することができる。 Since the semiconductor laser device of FIG. 1 has a very simple circuit configuration, for example, a monolithic cathode-common semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements to be driven can be easily realized.

このように、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、簡単な回路構成でありながら、半導体レーザ素子LD1の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。 As described above, according to the semiconductor laser device according to the first embodiment, although the circuit configuration is simple, the timing restriction of the peripheral circuit of the semiconductor laser element LD1 can be reduced without reducing the light emission amount of the semiconductor laser element LD1. The semiconductor laser device LD1 can be driven with relaxation.

[第2の実施形態]
[第2の実施形態の構成]
図3は、第2の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。図3の半導体レーザ装置は、図1のスイッチング素子MN1、抵抗R1、及び駆動回路1に代えて、定電流回路I1及び駆動回路1Aを備える。
[Second embodiment]
[Configuration of Second Embodiment]
FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the semiconductor laser device according to the second embodiment. The semiconductor laser device of FIG. 3 includes a constant current circuit I1 and a drive circuit 1A instead of the switching element MN1, resistor R1 and drive circuit 1 of FIG.

定電流回路I1は、電源V1及びキャパシタC1の間に接続され、定電流回路I1を介して流れる電源V1からの電流によるキャパシタC1の充電を制御する。定電流回路I1は、電源V1からキャパシタC1に一定の電流を供給して充電する。 The constant current circuit I1 is connected between the power supply V1 and the capacitor C1, and controls charging of the capacitor C1 by current from the power supply V1 flowing through the constant current circuit I1. The constant current circuit I1 supplies a constant current from the power source V1 to the capacitor C1 to charge it.

本明細書では、定電流回路I1を「第1の充電制御回路」ともいう。 In this specification, the constant current circuit I1 is also referred to as a "first charging control circuit".

駆動回路1Aは、図1の駆動回路1と同様に、スイッチング素子Q1のアヴァランシェ降伏をトリガする制御信号をスイッチング素子Q1のベースに印加する。また、駆動回路1Aは、スイッチング素子Q1がオンしているとき、電源V1からの電流を阻止するように定電流回路I1を制御し、スイッチング素子Q1がオフしているとき、電源V1からの電流を通過又は阻止するように定電流回路I1を制御する。 The drive circuit 1A, like the drive circuit 1 of FIG. 1, applies to the base of the switching element Q1 a control signal that triggers the avalanche breakdown of the switching element Q1. Further, the drive circuit 1A controls the constant current circuit I1 to block the current from the power supply V1 when the switching element Q1 is on, and controls the current from the power supply V1 when the switching element Q1 is off. is controlled to pass or block the constant current circuit I1.

[第2の実施形態の動作]
図4は、図3の半導体レーザ装置の動作を示すタイミングチャートである。図3の半導体レーザ装置は以下のように動作する。
[Operation of Second Embodiment]
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the semiconductor laser device of FIG. The semiconductor laser device of FIG. 3 operates as follows.

図2の3段目は、駆動回路1から定電流回路I1に印加される制御信号を示す。図4の1段目、2段目、及び4段目は、図2の対応する部分と同様である。 The third row in FIG. 2 shows the control signal applied from the drive circuit 1 to the constant current circuit I1. The first, second, and fourth rows of FIG. 4 are the same as the corresponding parts of FIG.

初期状態(時刻t11)において、スイッチング素子Q1のアヴァランシェ降伏は発生していない(すなわち、スイッチング素子Q1がオフされている)。 In the initial state (time t11), the avalanche breakdown of switching element Q1 does not occur (that is, switching element Q1 is turned off).

スイッチング素子Q1がオフされ、かつ、定電流回路I1がオンされている時間期間(時刻t11~t12、時刻t14~t15、及び時刻t18~t19)において、電源V1から定電流回路I1を介して流れる一定の電流によりキャパシタC1が充電され、図2の2段目に示すように、キャパシタC1の電位はほぼ電源V1の電位まで上昇する。その結果、キャパシタC1により、スイッチング素子Q1の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がスイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間に印加される。このとき、キャパシタC1には一定の電流が供給されるので、キャパシタC1の電位はランプ関数として変化する。 During the time periods (time t11-t12, time t14-t15, and time t18-t19) in which the switching element Q1 is turned off and the constant current circuit I1 is turned on, the current flows from the power supply V1 through the constant current circuit I1. A constant current charges the capacitor C1, and the potential of the capacitor C1 rises almost to the potential of the power supply V1, as shown in the second row of FIG. As a result, a voltage higher than the breakdown voltage BVceo of the switching element Q1 is applied between the collector and the emitter of the switching element Q1 by the capacitor C1. At this time, since a constant current is supplied to the capacitor C1, the potential of the capacitor C1 changes as a ramp function.

キャパシタC1の電位が十分に上昇したとき(時刻t12、t15、及びt19)、定電流回路I1はオフされる。定電流回路I1がオフされた後も、抵抗R2を介して流れる電源V1からの電流により、キャパシタC1の電位は保持される(時刻t15~t16)。 When the potential of capacitor C1 rises sufficiently (time t12, t15, and t19), constant current circuit I1 is turned off. Even after the constant current circuit I1 is turned off, the potential of the capacitor C1 is held by the current from the power supply V1 flowing through the resistor R2 (time t15-t16).

ここで、スイッチング素子Q1のベースに印加される制御信号によりアヴァラシェ降伏がトリガされると(時刻t12、t16、及びt19)、スイッチング素子Q1において自由電子に起因するアヴァランシェ降伏(第1降伏)が生じ(すなわち、スイッチング素子Q1がオンされ)、急速にコレクタ電流が流れる。このコレクタ電流により半導体レーザ素子LD1は点灯する。スイッチング素子Q1のコレクタ電流は主にキャパシタC1に蓄積された電荷に由来するので、コレクタ電流が流れるにつれてキャパシタC1の電位は低下する。キャパシタC1の電位が低下しても、スイッチング素子Q1の降伏電圧BVceoよりも高い電圧がスイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間に印加されている間は、スイッチング素子Q1はコレクタ・エミッタ間において低インピーダンス(第2降伏)の状態にある。 Here, when an avalanche breakdown is triggered by a control signal applied to the base of the switching element Q1 (time t12, t16, and t19), an avalanche breakdown (first breakdown) due to free electrons occurs in the switching element Q1. (that is, the switching element Q1 is turned on) and the collector current flows rapidly. The semiconductor laser element LD1 is lit by this collector current. Since the collector current of switching element Q1 is mainly derived from the charges accumulated in capacitor C1, the potential of capacitor C1 decreases as the collector current flows. Even if the potential of the capacitor C1 drops, the switching element Q1 has a low impedance ( second yield).

キャパシタC1に蓄積された電荷が減少し、スイッチング素子Q1のコレクタ・エミッタ間の電圧が降伏電圧BVceoより小さくなるまでキャパシタC1の電位が低下すると、アヴァランシェ降伏は終息し、スイッチング素子Q1がオフされる。 When the charge accumulated in the capacitor C1 decreases and the potential of the capacitor C1 drops until the collector-emitter voltage of the switching element Q1 becomes lower than the breakdown voltage BVceo, the avalanche breakdown ends and the switching element Q1 is turned off. be.

その後、再び、定電流回路I1を介して流れる電源V1からの電流によりキャパシタC1が充電され、キャパシタC1の電位はほぼ電源V1の電位まで上昇し、以後、一連の動作が繰り返される。 After that, the capacitor C1 is again charged by the current from the power supply V1 flowing through the constant current circuit I1, the potential of the capacitor C1 rises almost to the potential of the power supply V1, and thereafter a series of operations are repeated.

このように、アヴァランシェトランジスタであるスイッチング素子Q1を用いることにより、短い持続時間を有する強い光を繰り返し発生するように半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。 Thus, by using the switching element Q1, which is an avalanche transistor, the semiconductor laser element LD1 can be driven to repeatedly generate strong light having a short duration.

図3の半導体レーザ装置によれば、電源V1から定電流回路I1を介して流れる一定の電流によりキャパシタC1を充電するので、図1の半導体レーザ装置の場合よりも、キャパシタC1の充電時間を短縮することができる。これにより、半導体レーザ素子LD1の点灯の繰り返しレートを向上することができ、さらに、半導体レーザ素子LD1の点灯のタイミング制約を緩和することができる。また、定電流回路I1を流れる電流の大きさを調整することにより、キャパシタC1に効果的に充電することができる。 According to the semiconductor laser device of FIG. 3, since the capacitor C1 is charged with a constant current flowing from the power source V1 through the constant current circuit I1, the charging time of the capacitor C1 is shortened as compared with the semiconductor laser device of FIG. can do. As a result, the repetition rate of lighting of the semiconductor laser element LD1 can be improved, and furthermore, the restriction on the timing of lighting of the semiconductor laser element LD1 can be relaxed. Also, by adjusting the magnitude of the current flowing through the constant current circuit I1, the capacitor C1 can be effectively charged.

また、図3の半導体レーザ装置によれば、図1の半導体レーザ装置と同様に、定電流回路I1がオフされた後も、抵抗R2を介して流れる電源V1からの電流により、キャパシタC1の電位は保持される。従って、図3の半導体レーザ装置によれば、スイッチング素子Q1がオフされている時間期間のうちの任意の部分において、キャパシタC1に充電することができる。 Further, according to the semiconductor laser device of FIG. 3, as in the semiconductor laser device of FIG. 1, even after the constant current circuit I1 is turned off, the current from the power source V1 that flows through the resistor R2 maintains the potential of the capacitor C1. is retained. Therefore, according to the semiconductor laser device of FIG. 3, the capacitor C1 can be charged during any part of the time period during which the switching element Q1 is turned off.

このように、図3の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子LD1の点灯の繰り返しレートを向上し、さらに、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和することができる。 As described above, according to the semiconductor laser device of FIG. 3, the repetition rate of lighting of the semiconductor laser element LD1 can be improved, and the timing restrictions of the peripheral circuits of the semiconductor laser element LD1 can be relaxed.

アヴァランシェトランジスタにはリーク電流が流れやすいので、図1の抵抗R1の抵抗値を小さくすることが困難である。一方、半導体レーザ素子LD1へ供給される電力は、キャパシタC1の容量によって決まるので、キャパシタC1の容量を小さくすることも困難である。図3の半導体レーザ装置によれば、定電流回路I1を備えたことにより、リーク電流を増大することなく、キャパシタC1の充電時間を短縮することができる。 Leakage current tends to flow through the avalanche transistor, so it is difficult to reduce the resistance value of the resistor R1 in FIG. On the other hand, since the power supplied to the semiconductor laser element LD1 is determined by the capacity of the capacitor C1, it is also difficult to reduce the capacity of the capacitor C1. According to the semiconductor laser device of FIG. 3, since the constant current circuit I1 is provided, the charging time of the capacitor C1 can be shortened without increasing the leakage current.

[第2の実施形態の実装例]
図5は、第2の実施形態の実装例に係る半導体レーザ装置の構成を示す回路図である。図3の定電流回路I1は、例えば、電界効果トランジスタMP1,MP2と、スイッチング素子SW1と、定電流源I1aとを備える。電界効果トランジスタMP1,MP2は、例えば、Pチャネル型電界効果トランジスタであり、カレントミラー回路を構成する。スイッチング素子SW1は、駆動回路1Aの制御下でオン/オフする。スイッチング素子SW1がオンされているとき、定電流源I1aに流れる電流と同じ大きさの電流が、電源V1からキャパシタC1に供給される。
[Example of implementation of the second embodiment]
FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of a semiconductor laser device according to an implementation example of the second embodiment. The constant current circuit I1 in FIG. 3 includes, for example, field effect transistors MP1 and MP2, a switching element SW1, and a constant current source I1a. The field effect transistors MP1 and MP2 are, for example, P-channel field effect transistors and constitute a current mirror circuit. The switching element SW1 is turned on/off under the control of the drive circuit 1A. When the switching element SW1 is turned on, a current having the same magnitude as the current flowing through the constant current source I1a is supplied from the power supply V1 to the capacitor C1.

図5の半導体レーザ装置によれば、電界効果トランジスタMP1,MP2のカレントミラー回路を備えたことにより、電界効果トランジスタMP1に流れる電流が電界効果トランジスタMP2に鏡映され、この電流によりキャパシタC1が充電される。キャパシタC1の充電が終了に近づき、キャパシタC1の電位が電源V1の電位にほぼ等しくなったとき、電界効果トランジスタMP1,MP2の電流の鏡映関係が崩れて電界効果トランジスタMP2の電流は自動的に停止し、従って、キャパシタC1への充電を自動的に停止することができる。キャパシタC1への充電を停止するように駆動回路1Aが制御信号を発生する必要がないので、駆動回路1Aが定電流回路I1を制御するときのタイミング制約を緩和することができる。 According to the semiconductor laser device of FIG. 5, since the current mirror circuit of the field effect transistors MP1 and MP2 is provided, the current flowing through the field effect transistor MP1 is mirrored by the field effect transistor MP2, and the capacitor C1 is charged by this current. be done. When the charging of the capacitor C1 approaches the end and the potential of the capacitor C1 becomes substantially equal to the potential of the power source V1, the mirror relationship between the currents of the field effect transistors MP1 and MP2 is broken and the current of the field effect transistor MP2 automatically becomes , and thus the charging of capacitor C1 can be automatically stopped. Since the drive circuit 1A does not need to generate a control signal to stop charging the capacitor C1, it is possible to relax the timing constraint when the drive circuit 1A controls the constant current circuit I1.

[第2の実施形態の効果]
図3及び図5の半導体レーザ装置は、定電流回路I1(第1の充電制御回路)を介してキャパシタC1に急速に充電することができる。また、図3及び図5の半導体レーザ装置は、抵抗R2(第2の充電制御回路)を備えたことにより、スイッチング素子Q1及び定電流回路I1がオフしているときであってもキャパシタC1の電位を保持することができる。このように、図3及び図5の半導体レーザ装置は、2つの充電制御回路を備えたことにより、半導体レーザ素子LD1の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子LD1の点灯の繰り返しレートを向上し、また、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。これにより、例えば、半導体レーザ素子LD1を可変な繰り返しレートで点灯する半導体レーザ装置を容易に実現することができる。
[Effect of Second Embodiment]
The semiconductor laser devices of FIGS. 3 and 5 can rapidly charge the capacitor C1 through the constant current circuit I1 (first charge control circuit). In addition, the semiconductor laser devices of FIGS. 3 and 5 are provided with the resistor R2 (second charge control circuit), so that even when the switching element Q1 and the constant current circuit I1 are off, the capacitor C1 is kept charged. A potential can be held. As described above, the semiconductor laser devices of FIGS. 3 and 5 are provided with two charging control circuits, thereby improving the lighting repetition rate of the semiconductor laser element LD1 without reducing the light emission amount of the semiconductor laser element LD1. In addition, the semiconductor laser device LD1 can be driven by relaxing the timing restrictions on the peripheral circuits of the semiconductor laser device LD1. As a result, for example, it is possible to easily realize a semiconductor laser device in which the semiconductor laser element LD1 is lit at a variable repetition rate.

図3及び図5の半導体レーザ装置は、非常に簡単な回路構成を有するので、例えば、駆動すべき複数の半導体レーザ素子を含むモノリシックなカソードコモンの半導体レーザ装置を容易に実現することができる。 Since the semiconductor laser devices of FIGS. 3 and 5 have a very simple circuit configuration, for example, a monolithic cathode-common semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements to be driven can be easily realized.

このように、第2の実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、簡単な回路構成でありながら、半導体レーザ素子LD1の発光量を低下させることなく、半導体レーザ素子LD1の周辺回路のタイミング制約を緩和して半導体レーザ素子LD1を駆動することができる。 As described above, according to the semiconductor laser device according to the second embodiment, although the circuit configuration is simple, the timing restriction of the peripheral circuit of the semiconductor laser element LD1 can be reduced without reducing the light emission amount of the semiconductor laser element LD1. The semiconductor laser device LD1 can be driven with relaxation.

[実施例]
本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置は、例えば、LiDAR(Light Detection and Ranging)の測距装置に適用可能である。LiDAR技術によれば、TOF(Time of Flight)として、大別して、パルス光の送受信による直接TOFと、連続光の送受信による間接TOFとのいずれかが測定される。本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置は、直接TOFを用いたLiDARの測距装置に適用可能であり、特に、パルス光を効果的に送信するために適用可能である。
[Example]
The semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure is applicable to, for example, a LiDAR (Light Detection and Ranging) rangefinder. According to the LiDAR technology, TOF (Time of Flight) is roughly classified into either direct TOF by transmission/reception of pulsed light or indirect TOF by transmission/reception of continuous light. The semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure can be applied to a LiDAR ranging device using direct TOF, and in particular, can be applied to effectively transmit pulsed light.

本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、短い持続時間(例えば、5ナノ秒以下の半値全幅)及び大きなピーク電力(例えば、100Wの尖頭値)を有するパルス光を送信することができ、これにより、直接TOFを高精度に測定することができる。 According to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, it is possible to transmit pulsed light having a short duration (e.g., full width at half maximum of 5 nanoseconds or less) and high peak power (e.g., peak value of 100 W). , which enables direct TOF measurement with high accuracy.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、可視光~近赤外線光の波長を有するパルス光を送信する場合、アイセーフの制約を満たすように、送信されるパルス光のパワーを制御することができる。 Further, according to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, when transmitting pulsed light having a wavelength from visible light to near-infrared light, the power of the transmitted pulsed light is adjusted so as to satisfy eye-safe constraints. can be controlled.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、環境に依存して、又は、劣化によって変動する半導体レーザ素子(レーザダイオード)の特性を補償するように、送信されるパルス光のパワーを制御することができる。例えば、半導体レーザ素子の劣化に応じて、電源V1の電圧を高く設定してもよい。 Further, according to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, the transmitted pulsed light is adjusted so as to compensate for the characteristics of the semiconductor laser element (laser diode) that varies depending on the environment or due to deterioration. Power can be controlled. For example, the voltage of the power supply V1 may be set higher according to deterioration of the semiconductor laser element.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、パルス光を送信する繰り返しレートを増大することにより(例えば、100kHzより高い繰り返しレート)、直接TOFの単位時間当たりの計測回数を増大し、LiDARの計測精度を向上することができる。 Further, according to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, by increasing the repetition rate of transmitting pulsed light (for example, a repetition rate higher than 100 kHz), the number of direct TOF measurements per unit time is increased. and the measurement accuracy of LiDAR can be improved.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子を可変な繰り返しレートで点灯する半導体レーザ装置を容易に実現することができる。 Further, according to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, it is possible to easily realize a semiconductor laser device in which the semiconductor laser element is lit at a variable repetition rate.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、LiDARの計測範囲を拡大するために、例えば、複数の半導体レーザ素子を含むカソードコモンの半導体レーザ装置を備えたLiDARの測距装置を提供することができる。 Further, according to the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure, in order to expand the measurement range of LiDAR, for example, a LiDAR ranging device including a cathode common semiconductor laser device including a plurality of semiconductor laser elements can be provided.

また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置は、パルスレーザ光を用いた加工装置に適用可能である。本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によって発生されたレーザ光のエネルギーを、直接的に用いて対象物を加工してもよい。また、本開示の各実施形態に係る半導体レーザ装置によって発生されたレーザ光をトリガ信号として、より高いエネルギーのレーザ光を発生して対象物を加工してもよい。 Also, the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure can be applied to a processing device using pulsed laser light. The energy of laser light generated by the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure may be directly used to process an object. Further, the laser light generated by the semiconductor laser device according to each embodiment of the present disclosure may be used as a trigger signal to generate laser light with higher energy to process the object.

[まとめ]
本開示の各側面に係る半導体レーザ装置は、以下のように表現されてもよい。
[summary]
A semiconductor laser device according to each aspect of the present disclosure may be expressed as follows.

本開示の第1の側面に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子LD1、第1のスイッチング素子Q1、電源V1、第1及び第2の充電制御回路、キャパシタC1、及び駆動回路1,1Aを備える。第1及び第2の充電制御回路は、電源V1及びキャパシタC1の間において互いに並列に接続される。第1のスイッチング素子Q1は、第1及び第2の充電制御回路及びキャパシタC1の間のノードに接続されたコレクタと、半導体レーザ素子LD1のアノードに接続されたエミッタと、駆動回路1,1Aに接続されたベースとを有するNPN型アヴァランシェトランジスタである。駆動回路1,1Aは、第1のスイッチング素子Q1をアヴァランシェ降伏によりオンするように第1のスイッチング素子Q1を制御し、第1のスイッチング素子Q1がオンしているとき、電源V1からの電流を阻止するように第1の充電制御回路を制御し、第1のスイッチング素子Q1がオフしているとき、電源V1からの電流を通過又は阻止するように第1の充電制御回路を制御する。第1の充電制御回路は、第1の充電制御回路を介して流れる電源V1からの電流によるキャパシタC1の充電を制御する。第2の充電制御回路は、第1のスイッチング素子Q1がオフし、かつ、第1の充電制御回路が電源V1からの電流を阻止しているとき、キャパシタC1の電位を保持するように、第2の充電制御回路を介して流れる電源V1からの電流によるキャパシタC1の充電を制御する。 A semiconductor laser device according to a first aspect of the present disclosure includes a semiconductor laser element LD1, a first switching element Q1, a power source V1, first and second charge control circuits, a capacitor C1, and drive circuits 1 and 1A. . The first and second charge control circuits are connected in parallel with each other between the power supply V1 and the capacitor C1. The first switching element Q1 has a collector connected to a node between the first and second charge control circuits and the capacitor C1, an emitter connected to the anode of the semiconductor laser element LD1, and the driving circuits 1 and 1A. NPN avalanche transistor with base connected. The drive circuits 1 and 1A control the first switching element Q1 so as to turn on the first switching element Q1 by avalanche breakdown, and when the first switching element Q1 is on, the current from the power supply V1 is and control the first charging control circuit to pass or block the current from the power source V1 when the first switching element Q1 is off. The first charge control circuit controls charging of the capacitor C1 with current from the power supply V1 flowing through the first charge control circuit. The second charge control circuit maintains the potential of the capacitor C1 when the first switching element Q1 is turned off and the first charge control circuit blocks the current from the power source V1. 2 control the charging of the capacitor C1 by the current from the power supply V1 flowing through the charge control circuit 2;

本開示の第2の側面に係る半導体レーザ装置によれば、第1の側面に係る半導体レーザ装置において、第1の充電制御回路は、互いに直列接続された第2のスイッチング素子MN1及び第1の抵抗R1を含む。 According to the semiconductor laser device according to the second aspect of the present disclosure, in the semiconductor laser device according to the first aspect, the first charging control circuit includes the second switching element MN1 and the first switching element MN1 connected in series with each other. Includes resistor R1.

本開示の第3の側面に係る半導体レーザ装置によれば、第1の側面に係る半導体レーザ装置において、第1の充電制御回路は、電源V1からキャパシタC1に一定の電流を供給して充電する定電流回路I1を含む。 According to the semiconductor laser device according to the third aspect of the present disclosure, in the semiconductor laser device according to the first aspect, the first charging control circuit supplies a constant current from the power supply V1 to the capacitor C1 to charge the capacitor C1. It includes a constant current circuit I1.

本開示の第4の側面に係る半導体レーザ装置によれば、第3の側面に係る半導体レーザ装置において、定電流回路I1はカレントミラー回路を含む。 According to the semiconductor laser device according to the fourth aspect of the present disclosure, in the semiconductor laser device according to the third aspect, the constant current circuit I1 includes a current mirror circuit.

本開示の第5の側面に係る半導体レーザ装置によれば、第1~第4のうちの1つの側面に係る半導体レーザ装置において、第2の充電制御回路は第2の抵抗R2を含む。 According to the semiconductor laser device according to the fifth aspect of the present disclosure, in the semiconductor laser device according to one of the first to fourth aspects, the second charging control circuit includes the second resistor R2.

本開示の一側面に係る半導体レーザ装置は、例えば、LiDARの測距装置に適用可能であり、また、パルスレーザ光を用いた加工装置に適用可能である。 A semiconductor laser device according to one aspect of the present disclosure can be applied to, for example, a LiDAR ranging device, and can be applied to a processing device using pulsed laser light.

1,1A…駆動回路、
C1…キャパシタ、
I1…定電流回路、
I1a…定電流源、
LD1…半導体レーザ素子、
MP1,MP2…電界効果トランジスタ
Q1,MN1,SW1…スイッチング素子、
R1,R2…抵抗、
V1…電源。
1, 1A... drive circuit,
C1... Capacitor,
I1... constant current circuit,
I1a... constant current source,
LD1... semiconductor laser element,
MP1, MP2...field effect transistors Q1, MN1, SW1...switching elements,
R1, R2... Resistance,
V1 . . . power supply.

Claims (5)

半導体レーザ素子と、
キャパシタと、
駆動回路と、
電源及び前記キャパシタの間において互いに並列に接続された第1及び第2の充電制御回路と、
前記第1及び第2の充電制御回路及び前記キャパシタの間のノードに接続されたコレクタと、前記半導体レーザ素子のアノードに接続されたエミッタと、前記駆動回路に接続されたベースとを有するNPN型アヴァランシェトランジスタである第1のスイッチング素子とを備え、
前記駆動回路は、前記第1のスイッチング素子をアヴァランシェ降伏によりオンするように前記第1のスイッチング素子を制御し、前記第1のスイッチング素子がオンしているとき、前記電源からの電流を阻止するように前記第1の充電制御回路を制御し、前記第1のスイッチング素子がオフしているとき、前記電源からの電流を通過又は阻止するように前記第1の充電制御回路を制御し、
前記第1の充電制御回路は、前記第1の充電制御回路を介して流れる前記電源からの電流による前記キャパシタの充電を制御し、
前記第2の充電制御回路は、前記第1のスイッチング素子がオフし、かつ、前記第1の充電制御回路が前記電源からの電流を阻止しているとき、前記キャパシタの電位を保持するように、前記第2の充電制御回路を介して流れる前記電源からの電流による前記キャパシタの充電を制御する、
半導体レーザ装置。
a semiconductor laser element;
a capacitor;
a drive circuit;
first and second charge control circuits connected in parallel between a power source and the capacitor;
An NPN type having a collector connected to a node between the first and second charge control circuits and the capacitor, an emitter connected to the anode of the semiconductor laser element, and a base connected to the drive circuit. and a first switching element that is an avalanche transistor,
The drive circuit controls the first switching element to turn on the first switching element by avalanche breakdown, and blocks current from the power supply when the first switching element is on. and controlling the first charging control circuit to pass or block current from the power supply when the first switching element is off;
The first charging control circuit controls charging of the capacitor by current from the power supply flowing through the first charging control circuit,
The second charge control circuit holds the potential of the capacitor when the first switching element is turned off and the first charge control circuit blocks current from the power supply. , controlling charging of the capacitor by current from the power source flowing through the second charge control circuit;
Semiconductor laser device.
前記第1の充電制御回路は、互いに直列接続された第2のスイッチング素子及び第1の抵抗を含む、
請求項1記載の半導体レーザ装置。
wherein the first charging control circuit includes a second switching element and a first resistor connected in series with each other;
2. The semiconductor laser device according to claim 1.
前記第1の充電制御回路は、前記電源から前記キャパシタに一定の電流を供給して充電する定電流回路を含む、
請求項1記載の半導体レーザ装置。
The first charging control circuit includes a constant current circuit that supplies a constant current from the power supply to the capacitor to charge the capacitor.
2. The semiconductor laser device according to claim 1.
前記定電流回路はカレントミラー回路を含む、
請求項3記載の半導体レーザ装置。
the constant current circuit includes a current mirror circuit;
4. The semiconductor laser device according to claim 3.
前記第2の充電制御回路は第2の抵抗を含む、
請求項1~4のうちの1つに記載の半導体レーザ装置。
the second charging control circuit includes a second resistor;
5. The semiconductor laser device according to claim 1.
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