JPH02292881A - 半導体レーザの保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は半導体レーザの保護回路に関し、さらに詳細に
いえば、直流駆動される半導体レーサ、あるいは大電力
光出力を得るために交流駆動またはパルス駆動して使用
される半導体レーザを静電破壊から保護する半導体レー
ザの保護回路に関する。

く従来の技術〉 半導体レーザは、位相の揃った光を出力するので光ファ
イバや光ディスクのように微小な領域に光を集中させる
のに適し、また、高速で変調するのにも最適である。こ
のため、光通信、画像情報処理等の分野において用いら
れる。

半導体レーザの駆動は、一般に電圧源と、半導体レーザ
に流す電流を制限する電流制限抵抗との組合せ、または
これらに代わる電流源によって行われる。

しかしながら、実際の駆動回路では、電源のオンオフ、
結合した他回路の影響、あるいは静電気の作用によって
瞬時的に高いサージ電圧が印加されるおそれがある。

この場合、半導体レーザは、静電破壊に弱い素子である
ことはよく知られている。その逆方向の耐圧は４００〜
８００Ｖ程度であり、順方向の耐圧は強い発光による端
面破壊が生じるため、強いものでも４００Ｖ程度、弱い
ものでは１００ｖ以下とされている。

このため、半導体レーザの駆動回路には、半導体レーザ
をサージから保護するために、従来から半導体レーザの
直ぐ近くに、ＲＣまたはＬＣからなるサージ吸収回路を
並列に付加している（第５図（ａ）　，　（ｂ）参照）
。素子の定数は、第５図（ａ）の回路では、例えばＲ−
５Ω、Ｃ　−　０．０４７μＦ１第５図（ｂ）の回路で
は、例えばＬ−１０〜１００μＨ１Ｃ　−　０．３〜１
．５μＦのように設定される。

これらのサージ吸収回路は、高周波に対する回路のイン
ピーダンスを下げることによって、高いサージ電圧がそ
のまま半導体レーザに印加されるのを防止するものであ
る。

く発明が解決しようとする課題〉 ところが、上記の半導体レーザの保護回路では、大電力
光出力を得るために半導体レーザを交流駆動またはパル
ス駆動する場合に有効に作用しなくなるおそれがある。

すなわち、上記の保護回路は、サージ電圧の周波数が高
いことによって正常な駆動電圧と弁別しようとするもの
であるから、駆動電圧の周波数が高くなるとサージ電圧
との弁別が困難になる。

例えば第５図（ａ）における時定数τは０．２４μＳｅ
Ｑであり、第５図（ｂ）の回路では時定数τは１．７〜
１２μｓｅｃである。これらの回路はインピーダンスブ
ロックで示すと第５図（ｄ）のようになり、半導体レー
ザ両端にかかる電圧比は、第５図（Ｃ）のグラフに示す
ように、時定数に相当するカットオフ周波数ｆｃにおい
て１／２になる。つまり、半導体レーザと並列になって
いる部分のインピーダンスＺ２が保護回路全体のインピ
ーダンス（Ｚｌ　＋２２　）の１／２になり、ｆｃより
も高周波になるほどインピーダンスＺ２が低下する。

したがって、ｆｃ付近あるいはそれより高い周波数の高
周波のサージ電圧が半導体レーザに直接印加されること
を防止できる。

しかし、これを逆にいえば、カットオフ周波数付近で半
導体レーザを駆動しようと思えば、正常な駆動電圧を半
導体レーザに与えることができなくなる。実際に半導体
レーザを交流駆動あるいはパルス駆動する場合、数ＭＨ
ｚ以上の周波数で駆動することが多い。そこで、半導体
レーザの駆動電圧の周波数が高くなった分だけ、保護回
路のカットオフ周波数を上げていくことが考えられるが
、それだけサージに対する保護特性が低下することにな
る。というのは、半導体レーザは低い周波数成分をもつ
サージに対するほど耐久性が弱《なるからである。例え
ば半導体レーザの耐久性は、パルス幅１　０　０　ｎｓ
ｅｃのサージの場合１０ＭＷ／−２程度とされているが
、パルス幅が広く　（つまり周波数が低く）なると，半
導体レーザ内部の温度上昇が大きくなるため、耐久性は
より低下する。したがって、周波数の低いサージからの
保護がより望まれる。現実には、サージの発生メカニズ
ムにもよるが、数百ｋＨｚ程度の広いパルス幅を有する
サージの発生も観測されているので、上記の問題は無視
できない。

さらに、周波数によってサージ電圧と駆動電圧とを弁別
するという従来の考えをとった場合、交流駆動あるいは
パルス駆動する場合だけでなく、直流駆動する場合にも
問題が残る。すなわち、保護回路のカットオフ周波数ｆ
ｃ程度またはこれ以下のサージが入った場合、周波数の
低いサージほど保護の必要性が大きいにもかかわらず、
保護回路では吸収できなくなるのである。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって
、サージ電圧の周波数にかかわらず、サ・−ジから半導
体レーザを保護し、しかも半導体レーザの駆動には何の
影響も与えることのない半導体レーザの保護回路を提供
することを目的とする。

く課題を解決するための手段および作用〉上記の目的を
達成するための本発明の半導体レーザの保護回路は、半
導体レーザに対して、半導体レーザの発振電圧よりも高
い導過電圧を有するダイオードを半導体レーザと並列に
接続し、このダイオードの方向は、半導体レーザの順方
向に電圧がかかった場合、ダイオードが導通する方向に
とった回路である。

上記の構成であれば、半導体レーザの発振電圧よりも高
い電圧がかかろうとした時は、ダイオードが急速に動作
し半導体レーザ両端の電圧をダイオードの導通電圧まで
下げるので、半導体レーザに直接高電圧がかかるのを防
止できる。

上記ダイオードの導通電圧は、いうまでもなく半導体レ
ーザの破壊電圧よりも十分低いので、半導体レーザをサ
ージによる破壊から確実に保護することができる。

なお、ダイオードの導過電圧は、半導体レーザの発振電
圧よりも高く設定されているので、半導体レーザを正常
に駆動している時には、ダイオードは動作しない。した
がって、半導体レーザの駆動に支障を与えることはない
。請求項記載の「半導体レーザの発振電圧よりも高い導
通電圧」という意味は、ダイオードの導過電圧は、半導
体レーザの駆動に影響を与えない程度に半導体レーザの
発振電圧よりも高く設定されているという意味である。

詳説すると、半導体レーザの電圧一電流特性は、一定の
発振電圧を越えると電流が急峻に立ち上がる特性となっ
ている。したがって、半導体レーザの発振電圧を少し越
えたところにダイオードの導過電圧を設定しておいても
、半導体レーザの駆動電圧はこの範囲で、半導体レーザ
に十分な電流を流すことができる。つまり、ダイオード
の導通電圧を、半導体レーザの発振電圧よりも所定値だ
け高く設定することにより、半導体レーザの駆動に支障
を与えることなく、サージによる破壊から半導体レーザ
を有効に防止できるのである。

なお、上記ダイオードの導過電圧は、例えばシリコンダ
イオードを複数接続しその順方向動作電圧を合計しても
実現できるし、ツェナーダイオードのツエナー電圧（逆
方向の降伏電圧）を利用してもよい。

また、本発明の半導体レーザの保護回路は、ダイオード
のスイッチング時間よりも短い時定数を有するサージ吸
収回路を半導体レーザに付加接続したものであってもよ
い。

この構成においては、ダイオードのスイッチング時間よ
りも短い時定数を有するサージ吸収回路を半導体レーザ
に接続しているので、ダイオードが追従できない程の高
速のサージが現れたときは、サージ吸収回路で吸収する
ことができる。なお、中城から低域のサージに対しては
、ダイオードで吸収することができる。

〈実施例〉 以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図は半導体レーザの保護回路の一例を示し、半導体
レーザ（１）にツエナーダイオード（２）が並列接続さ
れ、抵抗（４）を通して交流駆動電圧源（３）により駆
動される回路構成である。ツェナーダイオード（２）と
半導体レーザ（１）とはζ一方のアノードが他方のカソ
ードに、一方のカソードが他方のアノードに接続されて
いる。

半導体レーザ（１）の順方向発振電圧（正電圧が端子（
Ａ）にかかる場合を順方向という）は、一般的なシリコ
ンダイオードの導通電圧より高く、おそよ１．５〜３ｖ
程度である。例えば発振電圧２．５■の半導体レーザ（
１）に対しては、ツェナーダイオード（２）の降伏電圧
を２．６〜２．８ｖ程度に設定することにより、常に正
常な発振をさせることができる。

また、半導体レーザ（１）の順方向破壊電圧は、素子に
より差はあるが、前述したように１００〜数ｔｏｏ　ｖ
であるので、上記のように低い降伏電圧のツェナーダイ
オード■を使用することにより、半導体レーザ（１）に
かかる電圧をクリップし、半導体レーザ（１）の破壊を
防ぐことができる。

さらに、ツェナーダイオード（２）は、逆方向電圧（正
電圧が端子（Ａ′）にかかる場合）に対しては、通常の
ダイオード同様低インピーダンス動作をするので０．７
ｖ程度で逆方向電圧をクリップしてしまう。このため、
半導体レーザ（１）を逆方向のサージ電圧から保護する
こともできる。

以上のように、ツエナーダイオード■を使用した利点は
、クリップされる電圧が、周波数とは無関係であること
である。したがって半導体レーザ（１）をＩＭＨｚの交
流で駆動した場合、ＩＭＨｚまたはこれより低い周波数
のサージが入っても、確実に除くことができるのである
。

なお、第１図において破線で示したように、交流駆動電
圧源（３）の代わりに直流電圧源（３′）を用いた駆動
回路に対しても、ツエナーダイオード（２）を接続して
同様の効果を得ることが可能である。

第２図は、第１図のツェナーダイオードの代わりに、一
般にスイッチング用等で使用されるシリコンダイオード
を複数個使用した例である。

シリコンダイオード１個の順方向導通電圧は約０．７ｖ
であるから、第１図のツエナーダイオード（クの降伏電
圧に相当する導通電圧を得るために、４個を直列に接続
して使用している（符号２２）。

また、逆方向のサージ電圧をクリップするためにシリコ
ンダイオード（２ｌ）を逆に接続している。

したがって、第２図の回路は、第１図の回路と同様に機
能することができる。

第３図は、第２図のダイオード（２１）（２２）と並列
に、キャパシタ（７）を挿入した回路を示す。

一般にダイオードのスイッチング時間は数ｎｓｅｃとさ
れているが、これより短いサージ電圧が入ったときは、
ダイオードは動作せず半導体レーザ（１）に直接電圧が
かかってしまう。しかし、極めて短い時間であるので半
導体レーザ（１）が破壊されることは少ないと考えられ
るが、保護回路をさらに確実なものとするため、キャパ
シタｑ》を挿入し、抵抗（４）との組み合わせによるサ
ージ吸収回路を構成したのである。

抵抗（４）とキャパシタ（７）の値は、ＲＣ回路の時定
数が、ダイオード（２１）（２２）のターンオン／ター
ンオフ（切替え）時間と同程度かこれより短くなるよう
に、例えば１０１ｓｅｃに設定されている。このため、
半導体レーザ（１）を数ＭＨｚ程度で交流駆動しても、
ＲＣ回路の影響を受けることはない。

以上のように、抵抗（４）とキャパシタ（７）からなる
ＲＣ回路によって、ダイオード（２１）（２２）のスイ
ッチング周波数より高い周波数におけるサージを吸収す
ることができる。これによりダイオード（２１》（２２
）が動作できない程の短時間のサージから半導体レーザ
（１）を保護することができる。

第４図は、インダクタ［Ｆ］》とキャパシタθ）とから
なるＬＣ回路を設けたものである。ＬＣ共振回路の時定
数は、ダイオード（２１）（２２）のスイッチング時間
と同程度かこれより短くなるように設定されているのも
第３図と同様である。

半導体レーザ（１）と直列に入ったインダクタ（８）は
高周波に対して高いインピーダンスを示し、並列に入っ
たキャパシタ（９）は低いインピーダンスを示すので、
高周波における半導体レーザ（１）両端のインピーダン
スと駆動電圧源（３）両端のインピーダンスとの比は、
第３図の場合よりさらに低下し、より確実なサージ吸収
効果を得ることができる。

なお、第４図の例において、キャパシタ（９）を除去し
、インダクタと抵抗からなる回路を使用してもよい。

また、以上第３図、第４図の実施例において、ダイオー
ド（２１）　（２２）の代わりにツェナーダイオードを
用い、ＲＣ回路、ＬＣ回路、ＬＲ回路等をツェナーダイ
オードと組合せてもよい。その他本発明の要旨を変更し
ない範囲内において、種々の設計変更を施すことが可能
である。

く発明の効果〉 以上のように、本発明の半導体レーザの保護回路によれ
ば、半導体レーザの発振電圧よりも高めの導過電圧を有
するダイオードを接続することによって、半導体レーザ
に印加されるサージを、そのサージの周波数にかかわら
ず、吸収できる。したがって、半導体レーザの長寿命化
を達成し、光源装置の信頼性を向上させることができる
。

また、ダイオードのスイッチング時間よりも短い時定数
を有するサージ吸収回路を付加した場合には、ダイオー
ドが動作しない程の高い周波数のサージに対しても、半
導体レーザを有効に保護することができ、半導体レーザ
の劣化をより確実に防止しすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかるレーザダイオードの
保護回路の回路図、 第２図〜第４図はそれぞれ他の実施例にかかる半導体レ
ーザの保護回路の回路図、 第５図（ａ）　．　（ｂ）は従来の半導体レーザの保護
回路を示す回路図、 第５図（Ｃ）は電圧比を表すグラフ、 第５図（ｄ）はインピーダンスブロックで表した回路図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザを駆動する回路において、半導体レー
   ザの発振電圧よりも高い導通 電圧を有するダイオードを半導体レーザ と並列に接続し、当該ダイオードの方向 は半導体レーザの順方向に電圧がかかっ た場合、ダイオードが導通する方向であ ることを特徴とする半導体レーザの保護 回路。 ２、上記ダイオードのスイッチング時間よ り短い時定数を有するサージ吸収回路を 半導体レーザに接続したことを特徴とす る請求項１記載の半導体レーザの保護回 路。