JPH04167860A - 半導体レーザ制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザプリンタ、光デイスク装置、光通信装置
等で光源として用いられる半導体レーザの光出力を制御
する半導体レーザ制御装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザは極めて小型であって、かつ駆動電流によ
り高速に直接変調を行うことができるので、近年、光デ
イスク装置、レーザプリンタ等の光源として広く使用さ
れている。この半導体レーザの駆動電流・光出力特性は
温度により著しく変化し、これは半導体レーザの光強度
を所望の値に設定しようとする場合に問題となる。この
問題を解決して半導体レーザの利点を活かすために様々
な半導体レーザ制御装置、所謂Ａ　Ｐ　Ｃ（Ａｕｔｏｍ
ａｔｉｃ　Ｐ　ｏｖｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路が提案
されている。このＡＰＣ回路は大きく分けて次の３つの
方式に分類できる。

（１）半導体レーザの光出力を受光素子によりモニター
し、この受光素子に発生する受光信号電流（半導体レー
ザの光出力に比例した電流）と、発光レベル指令信号電
流との差の電流を電流増幅部で増幅して半導体レーザに
順方向電流として流すことによって、受光信号電流と発
光レベル指令信号電流とが等しくなるように常時、半導
体レーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループ
により、半導体レーザの光出力を所望の値に制御する方
式。

なお、この方式では高速に負帰還をかける等の理由で電
流増幅部の初段に電界効果トランジスタを用い、電源電
圧を高く設定している。

（２）パワー設定期間には半導体レーザの光出力を受光
素子によりモニターしてこの受光素子に発生する受光信
号電流（半導体レーザの光出力に比例した電流）に比例
した信号と、発光レベル指令信号とが等しくなるように
半導体レーザの順方向電流を制御し、パワー設定期間外
にはパワー設定期間で設定した半導体レーザの順方向電
流の値を保持することによって半導体レーザの光出力を
所望の値に制御し、さらにパワー設定期間外には半導体
レーザの順方向電流を情報で変調することにより半導体
レーザの光出力に情報を乗せる方式。

（３）半導体レーザの温度を測定し、その測定した温度
によって半導体レーザの順方向電流を制御したり、また
は半導体レーザの温度を一定になるように制御したりし
て半導体レーザの光出力を所望の値に制御する方式。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記（１）の方式は、半導体レーザの光出力をモニター
して所望の値になるように常時、制御しているので、上
記（２）、（３）の方式に比べて確かに望ましい方式で
あり、半導体レーザの光出力制御を高速、高分解能で安
定に行えるものがいろいろ提案されている。しかし、電
流増幅部の初段に電界効果トランジスタを用い、電源電
圧を高く設定しているので、消費電力が大きくてコスト
高になる等の欠点を持っている。

本発明は上記欠点を改善し、高速、高分解能で、かつ省
電力、低コストにできる半導体レーザ制御装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、半導体レ
ーザの光出力を受光部により検知してこの受光部から得
られる受光信号電流と発光レベル指令信号電流との差の
電流を電流増幅部で増幅して半導体レーザに順方向電流
として流すことによって、受光信号電流と発光レベル指
令信号電流とが等しくなるように前記半導体レーザの順
方向電流を制御する光・電気負帰還ループを有する半導
体レーザ制御装置において、前記発光レベル指令電流が
ゲートに入力される第１の電界効果トランジスタと、こ
の第１の電界効果トランジスタのドレイン出力が入力さ
れる電圧シフ１−回路と、この電圧シフト回路の出力が
ゲート若しくはベースに入力されてドレイン出力若しく
はコレクタ出力を前記半導体レーザに出力する第２の電
界効果トランジスタ若しくはトランジスタとを有する電
流増幅部により前記電流増幅部を構成したものであり、
請求項２の発明は、請求項１記載の半導体装置ザ制御装
置において、前記電圧シフト回路をエミッタフォロワを
用いて構成したものであり、請求項３の発明は、請求項
１記載の半導体レーザ制御装置において、前記電圧シフ
ト回路をソースフォロワを用いて構成したものであり。

請求項４の発明は、請求項１記載の半導体レーザ制御装
置において、前記電圧シフト回路をダイオードを用いて
構成したものであり、 請求項５の発明は、請求項１記載の半導体レーザ制御装
置に台いて、前記電圧シフト回路をベース接地のトラン
ジスタを用いて構成したものであり、 請求項６の発明は、請求項１記載の半導体レーザ制御装
置において、前記電圧シフト回路をゲート接地の電界効
果トランジスタを用いて構成したものである。

〔作　用〕

光・電気負帰還ループが半導体レーザの光出力を受光部
により検知してこの受光部から得られる受光信号電流と
発光レベル指令信号電流との差の電流を電流増幅部で増
幅して半導体レーザに順方向電流として流すことによっ
て、受光信号電流と発光レベル指令信号電流とが等しく
なるように前記半導体レーザの順方向電流を制御する。

電流増幅部では入力電流が第１の電界効果トランジスタ
と第２の電界効果トランジスタ若しくはトランジスタと
により増幅され、第２の電界効果トランジスタのゲート
電圧若しくはトランジスタのベース電圧が電圧シフト回
路により第１の電界効果トランジスタのドレイン出力よ
りシフトされる。

〔実施例〕

第１図は請求項１の発明の一実施例を示す。

図中、１はレーザダイオードからなる被制御半導体レー
ザ、２は受光素子である。３は電界効果トランジスタ、
４電圧シフト回路は、５はバイポーラトランジスタ、６
はコンデンサ、７は抵抗、８は電流源であり、これら３
〜８は電流増幅部を構成している。この電流増幅部にお
いては電界効果トランジスタ３はソースが接地され、ド
レインが電流源８を介して電源ｖＣＣに接続されている
。

バイポーラトランジスタ５はベースが電圧シフト回路４
を介して電界効果トランジスタ３のドレインに接続され
てコレクタが半導体レーザ１のカソードに接続され、エ
ミッタが抵抗７を介して接地されている。さらに、バイ
ポーラトランジスタ５のエミッタ及び抵抗７の接続点が
コンデンサ６を介して電界効果トランジスタ３のドレイ
ンに接続されることにより負帰還ループが構成される。

なお、バイポーラトランジスタ５の代りに電界効果トラ
ンジスタを用いてもよい。この場合、電界効果トランジ
スタはドレインがバイポーラトランジスタ５のコレクタ
と同様に接続されてゲートがバイポーラトランジスタ５
のベースと同様に接続され、ソースがバイポーラトラン
ジスタ５のエミッタと同様に接続される。また、この電
流増幅部と受光素子２とは光・電気負帰還ループを構成
し、半導体レーザ１のアノードは電源Ｖｃｃに接続され
ている。

半導体レーザ１の光出力は受光素子２により検知され、
この受光素子２から得られる受光信号型流と発光レベル
指令信号電流とが電流加算点９に入力されて電流増幅部
で増幅される。この電流増幅部の出力電流は半導体レー
ザ１に順方向電流として供給され、半導体レーザ１が発
光する。電流増幅部では発光レベル指令信号電流が電流
加算点９を介して電界効果トランジスタ３のゲートに入
力され、この発光レベル指令信号電流が電界効果トラン
ジスタ３及びバイポーラトランジスタ５により増幅され
てその出力がコンデンサ６を介して電界効果トランジス
タ３のゲートに負帰還される。

この場合、バイポーラトランジスタ５のベース電圧は電
圧シフト回路４により電界効果トランジスタ３のドレイ
ン電圧より低い電圧にシフトされる。

受光素子２は半導体レーザｌの光出力の一部を検知して
半導体レーザ１の光出力に比例した受光信号電流を発生
する。この受光信号電流は電流加算点９で発光レベル指
令信号電流に加算されることにより負帰還され、受光信
号電流と発光レベル指令信号電流とが等しくなるように
半導体レーザ１の順方向電流が制御される。

この実施例においては、系（光・電気負帰還ループ）の
開ループゲインＡは Ａ＝Ｇ・η・α・Ｓ と表わすことができる。但し、 Ｇ：電界効果トランジスタ３．バイポーラトランジスタ
５を用いて構成された電流増幅部のゲイン η：半導体レーザ１の微分量子効率 α：受光素子２と半導体レーザ１との結合係数Ｓ：受光
素子２の受光放射感度 である。また、電流増幅部の利得Ｇは、近似的にＧ＝１
／ｊωＣＲ と表わせられる。ここで、 Ｃ：コンデンサ６の容量 Ｒ：抵抗７の抵抗値 である。また、受光信号電流ｉは半導体レーザ１の光出
力Ｐ０、受光素子２と半導体レーザ１との結合係数α、
受光素子２の受光放射感度Ｓを用いて １＝Ｐｏ・　α　・　Ｓ と表わせられ、また１発光レベル指令信号電流を工。と
すると、 Ｉｏ＝に−１（ｋ　：係数） であるので、半導体レーザ１の光出力Ｐ。はに−１とす
れば Ｐ、＝　Ｉｏ／α・Ｓ である。さらに、光・電気負帰還ループの交叉周波数ｆ
。はＡ＝１となる周波数であるので、ｆ、＝η・α・Ｓ
　／　２　πＣＲ となる。ここで、例えば η＝０．２（ｍＷ／ｍＡ） ａ　・Ｓ　＝０．１（ｍＡ／ｍＷ） Ｃ＝　５　（ＰＦ） Ｒ＝１０（Ω） となるように半導体レーザ１の特性と回路定数を設定す
れば、光・電気負帰還ループの交叉周波数ｆ、を ｆ　ｏ４６３．７　（ＭＨ２） 程度に設定することができ、高速な光・電気負帰還ルー
プを構成することが可能であって高速、高分解能な半導
体レーザ制御装置を実現することができる。

さらに、この実施例では電圧シフト回路４を用いたこと
により電源電圧を引き下げることができ、この点につい
て第２図を用いて以下に説明する。

第２図は第１図の実施例において、電圧シフト回路４を
用いず定電圧ダイオード２０を追加した半導体レーザ制
御装置を示し、第１図と同一部分には同一符号が付しで
ある。第１図の実施例は第２図の装置より電源電圧が低
くても動作するが、これらの電源電圧を簡単に見積もっ
てみる。まず、電界効果トランジスタ３の動作領域にお
けるドレイン・ソース間電圧が５ｖ、バイポーラトラン
ジスタ５の動作領域におけるコレクタ・エミッタ間電圧
が２■、半導体レーザ１の動作電圧が２．５Ｖ程度と仮
定すると、第２図の装置では電源電圧Ｖｃｃは、 Ｖｃｃ＝（ドレイン・ソース間電圧）＋（コレクタ・エ
ミッタ間電圧）＋（半導体レーザ１の動作電圧） ＝４＋２＋２．５ ＝７．８Ｖ 程度は必要とされる。これに対して、第１図の実施例で
は電圧シフト回路４で自由に電圧をシフトできるので、
電源電圧ｖＣＣは、抵抗７の両端間電圧を０．５Ｖ程度
と仮定すると、 Ｖｃｃ＝（抵抗７の両端間電圧）＋（コレクタ・エミッ
タ間電圧）＋（半導体レーザ１の動作電圧） ＝０．５Ｖ＋　２　＋２．５Ｖ ＝５Ｖ 程度となり、第２図の装置と比べて約６５％程度の電源
電圧で動作させることが可能となる。この電源電圧の差
は流す電流が第１図の実施例と第２図の装置とで同一で
あるとすれば、即消費電力の差となり、約３５％の省電
力ができて低コストにできる。

第３図は請求項２の発明の一実施例を示す。

第３図において、第１図と同一部分は同一符号が付して
あって同様な動作を行うので、その説明は省略する。こ
の第３図の実施例では上記電圧シフト回路４がエミッタ
フォロワとして用いられるバイポーラトランジスタ１０
．定電圧ダイオード１１及び電流源１２により構成され
ている。この電圧シフト回路では電界効果トランジスタ
３のドレイン電圧がエミッタフォロワとして用いている
バイポーラトランジスタ１０と定電圧ダイオード１１と
によりバイポーラトランジスタ１０のベース・エミッタ
間電圧Ｖｂｅと定電圧ダイオード１１の電圧降下Ｖｄと
の和（Ｖｂｅ＋Ｖｄ）だけ電圧降下された後にバイポー
ラトランジスタ１０のベースに入力されることで、信号
が電装される。この第３図の実施例においても第１図の
実施例と同様に電源電圧を低く設定することができ、第
１図の実施例と同様な効果が得られる。

また、第３図の実施例においては電圧シフト回路４をエ
ミッタフォロワを用いて構成したが、電圧シフト回路４
をソースフォロワを用いて構成して同様な効果を得るこ
ともできる。

第４図は請求項４の発明の一実施例を示す。

第４図において、第１図と同一部分は同一符号が付して
あって同様な動作を行うので、その説明は省略する。こ
の第４図の実施例では電圧シフト回路４を、受動素子で
ある定電圧ダイオード１３゜コンデンサ１４及び電流源
１５により構成している。

この電圧シフト回路では直流的には定電圧ダイオード１
３の電圧降下分が電界効果トランジスタ３のドレインと
バイポーラトランジスタ１０のベースとの間にかかって
おり、交流的にはコンデンサ１４によって信号をパスす
る。また、電流源１５は定電圧ダイオード１３に電流を
流している。この第４図の実施例においても第１図の実
施例と同様に電源電圧を低く設定することができ、第１
図の実施例と同様な効果が得られる。

第５図は請求項５の発明の一実施例を示す。

第５図において、第１図と同一部分は同一符号が付して
あって同様な動作を行うので、その説明は省略する。こ
の第５図の実施例では電圧シフト回路４を、バイポーラ
トランジスタ１６．電流源１７及び電源１８により構成
している。バイポーラトランジスタ１６はエミッタが電
界効果トランジスタ３のドレインに接続されてコレクタ
がバイポーラトランジスタ５のベースに接続され、ベー
スが電源１８に接続されることでベース接地のトランジ
スタとして用いられる。この電圧シフト回路では電界効
果トランジスタ３のドレイン電流の変化がバイポーラト
ランジスタ１６のコレクタ電流の変化としてバイポーラ
トランジスタ５のベースに電装される。また、バイポー
ラトランジスタ１６のコレクタ電圧は、バイポーラトラ
ンジスタ５のベース・エミッタ間電圧と、抵抗７の両端
間電圧によって決定される。この第５図の実施例におい
ても第１図の実施例と同様に電源電圧を低く設定するこ
とができ、第１図の実施例と同様な効果が得られる。

また、第１図の実施例において、電圧シフト回路４をゲ
ート接地の電界効果トランジスタを用いて構成して第１
図の実施例と同様な効果を得ることもできる。

〔発明の効果〕 以上のように請求項１の発明によれば、光・電気負帰還
ループの電流増幅部において信号を電圧シフト回路を介
して伝達するようにしたので、電源電圧を低く設定する
ことができ、高速、高分解能で、かつ省電力、低コスト
の半導体レーザ制御装置を実現することができる。

また、請求項２の発明によれば、前記電圧シフト回路を
エミッタフォロワを用いて構成したので。

請求項１の発明と同様な効果が得られ、請求項３の発明
によれば、請求項１記載の半導体レーザ制御装置におい
て、前記電圧シフト回路をソースフォロワを用いて構成
したので、請求項１の発明と同様な効果が得られ、 請求項４の発明によれば、請求項１記載の半導体レーザ
制御装置において、前記電圧シフト回路をダイオードを
用いて構成したので、請求項１の発明と同様な効果が得
られ、 請求項５の発明によれば、請求項１記載の半導体レーザ
制御装置において、前記電圧シフト回路をベース接地の
トランジスタを用いて構成したので、請求項１の発明と
同様な効果が得られ、請求項６の発明によれば、請求項
１記載の半導体レーザ制御装置において、前記電圧シフ
ト回路をゲート接地の電界効果トランジスタを用いて構
成したので、請求項１の発明と同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１の発明の一実施例を示す回路図、第２
図は従来の半導体レーザ制御装置の一例を示す回路図、
第３図乃至第５図は各請求項の発明の例を示す回路図で
ある。 １・・・半導体レーザ、２・・・受光素子、３・・・電
界効果トランジスタ、４・・・電圧シフト回路、５・・
・バイポーラトランジスタ、６・・・コンデンサ、７・
・・抵抗、８・・・電流源、１０・・・エミッタフォロ
ワ、１３・・・定電圧ダイオード、１６・・・ベース接
地のトランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザの光出力を受光部により検知してこの
   受光部から得られる受光信号電流と発光レベル指令信号
   電流との差の電流を電流増幅部で増幅して半導体レーザ
   に順方向電流として流すことによって、受光信号電流と
   発光レベル指令信号電流とが等しくなるように前記半導
   体レーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループ
   を有する半導体レーザ制御装置において、前記発光レベ
   ル指令電流がゲートに入力される第１の電界効果トラン
   ジスタと、この第１の電界効果トランジスタのドレイン
   出力が入力される電圧シフト回路と、この電圧シフト回
   路の出力がゲート若しくはベースに入力されてドレイン
   出力若しくはコレクタ出力を前記半導体レーザに出力す
   る第２の電界効果トランジスタ若しくはトランジスタと
   を有する電流増幅部により前記電流増幅部を構成したこ
   とを特徴とする半導体レーザ制御装置。 ２、請求項１記載の半導体レーザ制御装置において、前
   記電圧シフト回路をエミッタフォロワを用いて構成した
   ことを特徴とする半導体レーザ制御装置。 ３、請求項１記載の半導体レーザ制御装置において、前
   記電圧シフト回路をソースフォロワを用いて構成したこ
   とを特徴とする半導体レーザ制御装置。 ４、請求項１記載の半導体レーザ制御装置において、前
   記電圧シフト回路をダイオードを用いて構成したことを
   特徴とする半導体レーザ制御装置。 ５、請求項１記載の半導体レーザ制御装置において、前
   記電圧シフト回路をベース接地のトランジスタを用いて
   構成したことを特徴とする半導体レーザ制御装置。 ６、請求項１記載の半導体レーザ制御装置において、前
   記電圧シフト回路をゲート接地の電界効果トランジスタ
   を用いて構成したことを特徴とする半導体レーザ制御装
   置。