JPS59130494A - 半導体レ−ザの駆動方法 - 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】 本発明は、半導体レーザの駆動方法、特にレーデノイズ
を抑止した駆動方法に関する。

半導体レーザは小型、軽量、光学系との結合効率が高い
等の利点を有し、光情報処理の光源として盛んに利用さ
れている。例えば、光ビデオディスクや光ＰＣＭオーデ
ィオディスクから光学的に情報を再生する情報再生装置
には、光源として半導体レーザを用いた光学的ピックア
ップが用いられ、装置の小型、軽量化に大いに貢献して
いる。

この光学的ピックアップには従来二種類のものがある。

その第１は、情報記録媒体からの反射光を光源たる半導
体レーザに帰還することにより、反射光の変化を半導体
レーデの出力・光の変化に変換しこの出力光の変化を受
光器で検出することによって記録情報に対応した電気信
号を得るものである。

この光学的ピックアップは、いわゆる８ＣＯＯＰ（５ｅ
ｌｆ−Ｃｏｕｐｌｅｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐｉｃｋｕｐ
　）と呼ばれている。

第１図は、上記５ｃｏｏｐによる情報再生装置の概略構
成図である。１は半導体レーザ、２は情報記憶媒体を有
するディスクである。その媒体は例えば円板状の基板に
設けられておυ、凹凸あるいは反射率変化として、情報
を記録する。３は光検出器、４１？ｉ半導体ンーデから
の光を平行光束にするだめのレンズ、４２けレーザ光を
、ディスク２の表面上で、光の波長程度の長さのスポッ
ト径に集光するためのレンズである。半導体レーザ１か
らのレーザ光はレンズ４１．４２によシディスク２の情
報記憶媒体上に照射され、記録情報に対応した変調を受
けて反射される。この変調された反射光は同じ光路を戻
って半導体レーザｌに帰還される。この装置では、ディ
スク２が半導体ン−ザの発振器の一部になっていること
が特徴である。即ち半導体結晶の２つのへき面と、ディ
スク２との、３枚の鏡でつくる光共振器によって、レー
ザ発振が起こる。

この装置に於てはディスク２がらの反射光の光量の変化
に応じて、半導体レーザの発振先出力か変化するので、
この発振光出力の変化を光検出器３で検出することによ
り、反射光の変化を検出してディスクに記録されである
情報信号に対応した電気信号を得る。この装置の特徴は
、構成部品点数が少なくて済むので、小型化、軽量化、
低価格化ができ、更に光学調整が容易な点にある。一方
、この方式の欠点の一つに、信号の雑音レベルが高い事
があげられる。

第２の光ピツクアップは、上記光ディスクからの反射光
を半導体レーザに帰還することなく、直接光検出器で受
光することにょ９、記録情報に対応した電気信号を得る
ものである。この第２の光ピツクアップは、例えば第１
図に示す装置において説明すれば、次のように構成され
る。即ち、光ディスク？からの反射光が、半導体レーザ
１に帰還されないように、半導体レーザ１とディスク２
との間に１／４波長板と偏光プリズムを挿入するのであ
る。この場合の光ピツクアップを以下に於ては、従来型
の光学的ピックアップと呼ぶことにする。従来型の光ピ
ツクアップにおいても、ディスクからの反射光がレーザ
に全く帰還しないわけではない。ＰＣＭオーディオディ
スクやビデオディスクでは高分子樹脂を用いて、レプリ
カディスクを大量生産するが、レプリカ成型時に生じる
応　　　　・力のために、レプリカディスクはわずかな
複屈折性を持つ。従って、従来型光ピツクアップでレプ
リカディスクかい情報再生する場合には、レプリカディ
スクの持つ複屈折性のために、ディスクからの反射光の
一部が、半導体レーザに帰還される。

更に１／４波長板や偏光プリズムの光学的調整すれや、
部品性能のばらつき等の原因によっても、ディスクから
の反射光が、半導体レーザに帰還される。結局、従来型
のピックアップにおいても、ディスクからの反射光の数
％は、半導体レーザに帰還され、レーザの雑音レベルを
高くしてしまう。

以上を要するに、光源に半導体レーザを用いた場合５ｃ
ｏｏｐでも、従来型でも、反射光帰還による、半導体レ
ーザのノイズ発生が問題である。

半導体レーザのノイズレベルが高いと、ＰＣＭｔ−デイ
オプレーヤでは、音質の劣化を、ビデオディスクプレー
ヤでは画質の劣化を引き起こす。

本発明の目的は、半導体レーデを光源として用いる際に
、上述の雑音を抑止する駆動方法を提供するものである
。かがる目的を達成するために、本発明は半導体レーザ
を多重縦モードで発振せしメルことを特徴とするのであ
る。

以下まず半導体レーザを光源として用いた場合に発生す
る雑音について詳細に説明する。第１図に示す装置にお
いて、ディスク２がなく、シたがって反射光の帰還が、
半導体レーザ１に施こされない場合に、横モードが制御
された半導体レーザを直流電流で駆動すると、単−縦モ
ード発振する。

これは半導体し〜ザが、はぼ均一な利得スペクトルを有
しているために、直流電流駆動による定常発振時には、
利得が損失を上まわった、ある一つの縦モードに、レー
デ光エネルギーが集中するからである。

しかしながら、ディスク２が有シ、反射光の帰還が半導
体レーザに施こされる場合、半導体レーデを直流電流で
駆動すると、ディスクの微小変位に伴なって、単−発振
縦モードが、隣りの単−縦モードヘジャンプしたり、数
本の縦モードが同時発振したシする。反射光帰還がある
半導体レーザの雑計レベルが高い原因は、このような、
発振縦モードの変化にある。

発振縦モードの変化は、半導体レーザのディスク側面と
、ディス多゛面とでつくる外部光共振器の共振モードと
、半導体結晶の２つのへ言開面でつくる光共振器の共振
モー（゛（縦モード）とが競合し、かっディ、スフの変
位に伴なって外部共振器の共振モードスペクトルが変化
することによって引き起こされる。

単−縦モード発振と多重縦モード発振とは、ディスクが
レーデ発振波長の半分（１／２≧０．４μｍ）変位する
毎に、交互に起こる。これは、ディスクと半導体レーザ
端面とがつくる外部共振器の共振条件が、同一波長に対
しては、λ／２毎に同一になるからである。

反射光帰還時に発生するレーザノイズには、２種類あり
、第１のノイズは、単−縦モード発振と多重縦モード発
振とが、ディスクのλ／２毎の変位に対応して交互に起
こることに原因する。単−縦モード発振時の光出力は大
きく、多重縦モード発振時の光出力は小さい。従がって
、レーザ光出力は、ディスクがλ／２変位する毎に変化
する。

発振縦モードが、単一か多重かに依って、光出力が異な
る原因は、外部共振器を一枚の鏡とみなした場合の有効
反射率が、単−縦モード発振時は大きく多重縦モード発
振時は小さいことにある。単−縦モード発掘は、外部共
振器の有効反射率が最大となるようなモードが選択され
て起こる。多重縦モード発振では、発振している幾本か
のモードのすべてについて、外部共振部の有効反射率を
最大にすることはできないので、平均としては、単−縦
モード発振時の有効反射率より小さくなる。

レーザ共振器を構成する鏡の反射率が高い程、損失は小
さく、発振しきい電流が小さくなシ、一定電流下では光
出力が大きい。従って、単−縦モード発振時の方が、光
出力は大きい。発振縦モードが単一か多重かによる光出
力変動の周波数帯域は、ディスクと半導体レーザとの距
離が、λ／２変化する速さによって決まり、ディスクの
ばたつき、回転数や自動焦点制御の性能に依存するが、
はぼ、Ｋ　Ｈｚ　〜数１°Ｑ　Ｋ　Ｈｚの低帯域にある
Ｏ第２のノイズは、０〜２　Ｇ　Ｈｚにわたる連続スペ
クトルノイズで、多重縦モード発振時に生じる０ピデオ
ンイスクかも〜の再生で、ビデオ信号のＳ／Ｎを劣化さ
せる。ここでは、この第２種のノイズをビデオ帯域ノイ
ズと呼ぶことにする。このノイズは反射光帰還がある場
合でも、発振縦モードが単一である場合には発生しない
。反射光帰還によって多重縦モード発振しているときに
限って、ビデオ帯域ノイズが発生する。実際には、ディ
スクがλ／２変動する毎に、単−縦モード発振と多重縦
モード発振とが交互に起こるので、ビデオ帯域ノ・ｆズ
は必ず発生する。

次に、図を用いてノイズ発生の実際を詳しく説明する。

ディスクと半導体レーデとの間の距離が、時間とともに
変化する場合、発振縦モードの変化に伴なう半導体レー
ザの光出力変動が、情報の再生信号や、光スボ、ト制御
信号等における信号対雑音比を劣化させる。例えば、デ
ィスクからの情報再生の場合、回転に伴なうディスクの
ばたつきによシ、ディスクと半導体レーデとの間の距離
が変化し、半導体レーザの光出力変動が生ずる。第２図
はこの状況を示す図である。

第２図において、縦軸は、半導体レーザの光出力（ｍ　
Ｗ　）を示し、横軸は、ディスクのばたつきによるディ
スク変位（μｍ）を示し、実線が、直流電流による駆動
を行った場合の光出力の変化を表わしている。なお、直
流電流による駆動は第３図に示す如き実線で行なわれる
。第３図において、縦軸は電流の大きさくｍＡ）、横軸
は時間（ｎＳ）を示している。

第２図において、ディスクが、元スポット焦点位置から
±１０μｍずれると、半導体レーザ出力が減ることを示
している。とれはディスクからの反射光のうち、半導体
レーザの出射口に帰還される光量が減ることによる。デ
ィスクの１μｍ以下の微小な変位によって、上記の大ま
かな変化以外に、λ／２毎に細かな光出力変動が生ずる
。これが第１種の低帯域ノイズである。この光出力変動
は、光出力ＤＣ分のＬＯ＝２０の大きさである。

光出力が落ち込んだときは、縦モード多重発振しており
、このとき（ビデオノイズが増加する。

光スポットの１動、焦点制御によって、光スポツト焦点
位置を、ディスク変位に追従させることができる。しか
しディスクと光スポツト焦点位置とを１μｍ以下の精度
で一定に保つことは、自動制御技術をもってしても困難
であム発振縦モードの変化に伴なう光出力変動は、自動
焦点制御をかけても、除くことは難かしい。

本発明は、半導体レーザの駆動方法に特徴をもたせるこ
とによシ、発振縦モードの変化に伴なう光出力変動を抑
止することである。第４図に、本発明の一実施例の構成
を示す。第４図の１，２゜３．４１．４２は、第１図に
示したものと同一である。半導体レーザは、直流電流源
５と、高周波電流源６と、２つの電流源から供給される
電流によって駆動される。第４図における、Ｒ，Ｌ、Ｃ
は各々、抵抗、コイル、コンデンサであＪ、Ｌ及びＣは
、２つの電流源が独立に半導体レーザを駆動できるよう
にするために挿入されている。高周波交流電流によって
駆動することによって、反射光帰鏝による半導体レーザ
の光出力変動を抑止することができる。なお、直流電流
と高周波電流とによる半導体レーザ駆動は、第３図に示
す如く、直流電流（実線で示す）に高周波電流（点線で
示す）を重畳した形式でなされる。

かかる本発明の駆動方法を用いた場合の作用及び効果に
ついて、図面によシ説明する。

第５図（ａ）〜（ｄ）は、半導体レーザの縦モード発振
スペクトルを示しており、その縦軸は光強度、その横軸
は波長を示している。直流電流駆動で定常発振させ、反
射光帰還がない場合は、第５図（ａ）のように単−縦モ
ード発嵌する。反射光帰還があるとディスクが変動して
いる場合、時間平均してスペクトルを見れば、第５図（
ｂ）のように多重縦モード発振している。

さて、第３図の点線で示したような、直流分と高周波の
交流電流とを重ね合わせた電流で半導体レーザを駆動す
ると、発振スペクトルは第５図（Ｃ）のように多重縦モ
ード発振となる。ここで、重要なことはレーザ発振が高
周波でオン・オフされるように、高周波電流の振幅を十
分大きくする必要があることである。すなわち、直流分
と高周波分の重ね合わせた電流の最、小値は、発振しき
い電流よシ小さくなるようにする。レーザ発振の立ち上
がシ時には、均一なスペクトル広がりをもつ半導体レー
ザにおいても、いくつかの縦モードがレーザ発振する。

従って、高周波でレーデ発振がオン・オフされると、多
重縦モード発振状態が保たれることになる。

高周波電流を流すことにより、多重縦モード発振させる
と、第２図の点線で示したように、半導体レーザの光出
力はディスク変位に対して、なめらかに変化し、λ／２
毎の光出力変動は抑止される。す、なわち、単−縦モー
ドと多重縦モードとが交互に起こることによって生じる
第１種の低帯域ノイズは、完全に抑止される。高周波駆
動により常に多重縦モード発振状態が保たれ、単−縦モ
ード発振することはないからである。

更に高周波電流駆動により、第２種のビデオ帯域ノイズ
も、かなシの程度抑止される。第５図（ｄ）は、反射光
帰還があるとき高周波駆動した場合の発振スペクトルで
ある。第５図（ａ）と第５図（Ｃ）とではビデオノイズ
がないが、第５図（ｂ）ではビデオノイズが大きく、第
５図（ｄ）ではビデオノイズが第５図（ｂ）より小さく
なる。

第６図は、ビデオノイズレベルが高周波駆動によって抑
止されることを示す特性曲線図である。

なお、その縦軸は反射帰還量を対数表示しである。

使用したレーザは、Ｃ８Ｐ型（ＣｈａｎｎｅｌｅｄＳｕ
ｂｓｔｒａｔｅ　Ｐｌａｎｅｒ　）半導体レーザで、発
撮しきい電流が６０ｍＡのものである。図において、本
発明によらない場合を実線で示し、本発明による場合（
直流分７５ｍＡに対し、１２０　ＭＨｚ　ｓ５０ｍＡｐ
ｐの高周波分を重畳して変調した場合）を点線で示しで
ある。反射光帰還が１００％のとき、すなわち、５ＣＯ
ＯＰの場合の光ピツクアップの場合、ビデオノイズは約
１０ｄＢ　抑止されている。従来型の光ヘッドでも数％
の反射光帰還は避けられないが、この場合にも高周波駆
動によってビデオノイズを抑止できることが第６図から
れかる。

高周波駆動にｉ角”する周波数に対するビデオノイズ抑
止効果を第７図に示した。但し、特性曲線はＣ８Ｐレー
ザ、直流電流７５ｍＡ変調電流振幅５０ｍＡｐｐでの場
合を示している。第７図から周波数は５０ＭＨｚ以上で
ノイズ抑止効果が著しい。

これは５０ＭＨｚ以上で縦モード多重発振となるからで
ある。なお、第７図において、実線は１ｏ。

％帰還した場合を示し、一点鎖線は０．５％帰還の場合
を示す曲線である。

高周波駆動電流の周波数は、ディスクから再生しようと
する情報の周波数よシ、十分高い周波数である必要があ
ることは当然である。光検出器の周波数特性を考慮して
再生情報の周波数の５倍以上、好ましくは１０倍以上と
なすのが好ましい。

再生情報の周波数は、ビデオディスクやＰＣＭオーディ
オディスクの場合、１〜１０ＭＨｚである。

一方、半導体レーザを、多重縦モード発振させるために
は５０ＭＨｚ以上の高周波電流で駆動する必要がある。

発振器、光検出の検出回路の実用上の観点から数１００
ＭＨｚ程度迄を使用する。従って、５０ＭＨ２以上の高
周波電流で半導体レーザを駆動すれば、多重縦モード発
振によって、光出力変動を抑止でき、かつ、ディスクか
らの再生信号よシも、十分高い周波数なので、再生信号
に不都合な影響を及ぼすこともない。すなわち、光検出
器及び検出回路系の、周波数応答特性は、再生信号帯域
までのびており、半導体レーザ駆動の高周波域では応答
しないようにしておけばよい。

第８図は、ノイズ抑止効果の高周波電流の振幅依存性を
示している。但し、第８図は、Ｃ８Ｐレーザ、発振しき
い電流６０ｍＡ、　　直流動作電流７５ｍＡ変調電流周
波数１２０ＭＨｚにてとったものである。レーザ発振が
オン・オフして縦モード多重となってはじめてノイズ抑
止効果がでる。

第８図からノイズ抑止効果が （７５ｍＡ−６０ｍＡ）Ｘ２＝３０ｍＡｐｐ以上で著し
く、上記のことを支持する。

なお、第８図において、実線は１００％帰還の場合によ
る曲線を示し、一点鎖線は、２．７％帰還の場合による
曲線啼・示している。

第９図は反射光帰還による半導体レーザノイズ発生を調
べる測定系の構成を示す図である。半導体レーｆ１から
出た光はレンズ９０で平行光束にされてから集光レンズ
９１で、ディスク２上に集光される。半導体レーデ１と
ディスク２との間の距離は約３ｃｍである。ディスク２
は、ボイスコイル９２によって光スポットの焦点深度方
向に振動できるようになっている。レーザ出力は、ディ
スク２側とは反対側に出射されるレーザ光を光検出器３
で検出する。光検出器の出力を、ＣＲ，Ｔｅ３上に表示
したり、ビデオアンプ９４で増幅した後、スペクトルア
ナライザ９５で周波数分析する。レーザ駆動電流は直流
源５からの直流分と、高周波発振器６からの交流分との
重ね合わせた直流である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、５ＣＯＯＰによる情報再生装置の概略構成図
、第２図は、ディスク変位に対・ｒる半導体レーザ光出
力の関係を示した図、第３図は、半導体レーザの駆動電
流の時間変化を示した図、第４図は本発明の一実施例の
構成を示す図、第５図（ａ）〜（ｄ）は、半導体レーザ
の縦モード発振スペクトルを示す図、第６．７．８図は
、ビデオノイズレベルが高周波駆動により抑止されるこ
とを説明する図、第９図は、半導体レーデのノイズを測
定する測定系の構成を示す図である。 第　１　　図 第　Ｚ　図 テ７スク夜＜１）１町 第　３　　口 、ｓ、−２ 時　間　（斡Ｓ） 不　４　図 シＳ義 第６図 反射フィード八７ソエ（°刈 第　７　　反 変調電流周波数（ＭＨｉ少 冨　８　図 ↑ 変　古川　グーニ　しかＬ才展中晶　（ヶＡｐ−〜第　
　ｑ　　図 手続補正書（方式） ％式％ 事件の表示　　　　　昭和５８年特許願第１４３８７４
号発明の名称　　　　　半導体レーザの駆動方法補正を
する者 事件との関係　　　特許出願人 名　称（５１０）　　株式会社日　立　製　作　所代理
人 居　所〒１００　　東京都千代田区丸の内−丁目５番１
号株式会社日立製作所内 補正の対象　　　　　明細書の図面の簡単な説明の欄、
および図面。 ２、第５図を別紙のとおり補正する。　　　　　′　　
　　ノ葬ら１コ 破義

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体レーｆを高周波の重畳された電流により駆動
   して多重縦モード発振させることを特徴とする半導体レ
   ーザの駆動方法。