JP6819496B2

JP6819496B2 - 半導体レーザ駆動回路

Info

Publication number: JP6819496B2
Application number: JP2017140972A
Authority: JP
Inventors: 一郎福士; 章之門谷; 一馬渡辺
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: US20190027894A1; JP2019021839A; US10230213B2

Description

本発明は、半導体レーザのレーザ光をアナログ変調する半導体レーザ駆動回路に関する。

レーザ光を用いた分析計測機器では、システムの高スループットを図るために、しばしば、レーザ光の光強度を高速に変調して使用する。レーザ光の強度変調方式としては、レーザの励起強度（駆動電流等）を変調する直接変調方式と、光変調器を用いてレーザ装置の出射光を変調する外部変調方式がある。

近年、半導体レーザの波長が可視光領域まで拡大し、様々なアプリケーションに適用されている。

半導体レーザは、キャリアのライフタイムが短いため、駆動電流による高速変調が行える。一般的に、半導体レーザを用いたレーザ装置での変調方式は、直接変調による高速光強度変調が主流となっている。

直接変調方式には、デジタル変調とアナログ変調がある。デジタル変調は光通信等で用いられるように、光強度としては二値の変化をデジタル信号として捉えるため、制御が比較的容易である。アナログ変調は、外部から入力される目標値（変調信号）に追従して、光強度をアナログ的に変化させるため、制御が複雑になる。

対象物の個体差によって、レーザ光の光強度を調整するアプリケーションにおいては、高速にアナログ変調を行う必要がある。レーザ光の光強度をアナログ変調する方法としては、光出力をフィードバック制御して光出力を一定に保持するＡＰＣ（自動パワー制御）が一般的に用いられるが、フィードバックループの安定性を考慮すると、変調速度は、〜ＭＨｚにとどまる。

これに対して、半導体レーザの駆動電流をアナログ的に変化させて、所望の出力を得るＡＣＣ（自動電流制御）では、光出力のフィードバックループが存在しない。このため、ＡＰＣに比べて、高速なアナログ変調を実現することができる。

ＡＣＣを行う従来技術として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１は、半導体レーザの電流と発光出力との特性の微分量子効率を測定して、微小なバイアス電流を決定し、変調の初期段階において、バイアス電流に、閾値電流と変調電流と初期オン変調電流とからなる補正電流を加算して、加算された電流を半導体レーザに供給する。

特許第３４６６５９９号公報

しかしながら、閾値電流以下にバイアス電流の値を調整しても、自然放出光が存在するため、十分な消光比を確保することができない。

また、半導体レーザにバイアス電流や補正電流を流すために、複数の定電流源が必要となる。このため、加算された光出力と目標値との誤差が大きくなる可能性がある。

さらに、変調電流を構成する電流源の値が予め決定されるため、変調信号により動的に光出力を可変することができない。

本発明の課題は、十分な消光比を確保することができ、光出力の精度を確保でき、変調信号により動的に光出力を可変きる半導体レーザ駆動回路を提供する。

本発明に係る半導体レーザ駆動回路は、上記課題を解決するために、第１電極が電源に接続され、レーザ光を出力し且つアナログ変調信号により前記レーザ光が変調される半導体レーザと、一端が前記半導体レーザの第２電極に接続された第１インピーダンス素子と、一端が前記半導体レーザの前記第１電極と前記電源に接続された第２インピーダンス素子と、第１トランジスタの第１主電極が前記第１インピーダンス素子の他端に接続され、第２トランジスタの第１主電極が前記第２インピーダンス素子の他端に接続され、前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極が接続される差動対回路と、一端が前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とに接続される電流源と、前記アナログ変調信号により前記差動対回路の前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとのオンオフを切り替えるための差動電圧を生成する差動ドライバと、前記半導体レーザの閾値電流を生成する閾値電流生成部と、前記アナログ変調信号に対して所定のスロープ係数によりレベル変換してスロープ信号を生成するスロープ信号生成部と、前記スロープ信号生成部で生成されたスロープ信号と前記閾値電流生成部で生成された閾値電流とを加算し加算出力により前記電流源の電流値を制御する加算器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、差動対回路を用いて、アナログ変調信号により半導体レーザに流れる電流をスイッチするので、十分な消光比を確保することができる。また、スロープ信号生成部は、アナログ変調信号に対して所定のスロープ係数によりレベル変換してスロープ信号を生成する。加算器は、スロープ信号生成部で生成されたスロープ信号と閾値電流生成部で生成された閾値電流とを加算し加算出力により電流源の電流値を制御する。即ち、アナログ変調信号は、スロープ信号生成部で生成されたスロープ信号のみに寄与するため、アナログ変調信号に対して線形に光出力を制御することができる。

また、変調電流を生成する電流源は、単一であり、各信号生成部のパラメータが定期的に出力校正されるため、アナログ変調信号に対する光出力の精度を確保できる。

本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の構成図である。本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の半導体レーザの電流光出力特性とスロープ信号と閾値電流参照電圧との関係を示す図である。本発明の実施例１の半導体レーザ駆動回路の各部の波形を示す図である。本発明の実施例２の半導体レーザ駆動回路の構成図である。本発明の実施例２の半導体レーザ駆動回路のスロープ効率を示す図である。本発明の実施例２の半導体レーザ駆動回路の定数G_th及びスロープ効率を算出するためのフローチャートである。

（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザ駆動回路を図面を参照しながら詳細に説明する。

半導体レーザ駆動回路は、ＬＤ駆動部１、差動駆動部２、電流制御部３を備えている。

ＬＤ駆動部１は、半導体レーザＬＤ、インピーダンス素子１１，１２、バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２、電流源１３、電流設定回路１４を備え、光通信等で一般的に使用されるデジタル変調回路である。ＬＤ駆動部１は、差動対に印加する差動電圧ｖｄｆｆの極性をスイッチすることで、電流源１３の電流を高速にオンオフする。

半導体レーザＬＤは、レーザ光を出力し且つアナログ変調信号によりレーザ光が変調される。

半導体レーザＬＤのアノード（第１電極）は電源ＶＬＤに接続され、カソード（第２電極）にはインピーダンス素子１１（第１インピーダンス素子）の一端が接続されている。

半導体レーザＬＤのアノードと電源ＶＬＤには、インピーダンス素子１２（第２インピーダンス素子）の一端が接続されている。

インピーダンス素子１１の他端には、バイポーラトランジスタ（第１トランジスタ）Ｑ１のコレクタ（第１主電極）が接続されている。インピーダンス素子１２の他端には、バイポーラトランジスタ（第２トランジスタ）Ｑ２のコレクタ（第１主電極）が接続されている。

バイポーラトランジスタＱ１のエミッタ（第２主電極）とバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ（第２主電極）とは、共通に接続されている。バイポーラトランジスタＱ１とバイポーラトランジスタＱ２とで差動対回路を構成している。

なお、実施例では、バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２による差動対を示したが、これらに代えて、Ｑ１，Ｑ２をＦＥＴで構成しても良い。

バイポーラトランジスタＱ１のエミッタとバイポーラトランジスタＱ２のエミッタとには、電流源１３が接続されている。電流設定回路１４は、電流制御部３の出力電圧を基に、電流源１３の電流を設定する。

差動駆動部２は、基準電源V_ref1、比較器２１、差動ドライバ２２を備えている。比較器２１は、基準電源V_ref1の基準電圧とアナログ変調信号部３１からのアナログ変調信号v_MODとを比較し、アナログ変調信号v_MODが基準電圧以上の場合には、Ｈレベルからなる出力信号v_IOを差動ドライバ２２に出力する。

差動ドライバ２２は、アナログ変調信号v_MODによりバイポーラトランジスタＱ１とバイポーラトランジスタＱ２とのオンオフを切り替えるための差動電圧v_diffを生成する。差動電圧v_diffは、バイポーラトランジスタＱ１のベースに印加されるベース電圧と、バイポーラトランジスタＱ２のベースに印加されるベース電圧との差電圧である。

差動ドライバ２２は、比較器２１からのＨレベルからなる出力信号v_IOにより、差動電圧の極性が正（バイポーラトランジスタＱ１のベース電位がバイポーラトランジスタＱ２のベース電位よりも高い）となるので、バイポーラトランジスタＱ１をオンさせて、半導体レーザＬＤに電流ｉＬＤを流す。

また、基準電源V_ref1の基準電圧は、アナログ変調信号部３１からのアナログ変調信号v_MODの下限値に設定されている。半導体レーザＬＤのオフ指令時には、比較器２１は、Ｌレベルからなる出力信号v_IOを差動ドライバ２２に出力するので、差動ドライバ２２は、比較器２１からのＬレベルからなる出力信号v_IOにより、差動電圧の極性が負（バイポーラトランジスタＱ２のベース電位がバイポーラトランジスタＱ１のベース電位よりも高い）となる。このため、バイポーラトランジスタＱ２をオンさせて、半導体レーザＬＤを完全に消灯し、消光比を確保することができる。

電流制御部３は、アナログ変調信号部３１、スロープ信号生成部３２、時定数回路３３、閾値電流生成部３４、加算器３５を備えている。

アナログ変調信号部３１は、半導体レーザＬＤの光強度を制御するアナログ変調信号v_MODを生成し、アナログ変調信号v_MODを比較器２１とスロープ信号生成部３２に出力する。

スロープ信号生成部３２は、アナログ変調信号部３１からのアナログ変調信号v_MODに所定のスロープ係数を乗算することによりレベル変換してスロープ信号v_SLOPEを生成する。

時定数回路３３は、スロープ信号生成部３２で生成されたスロープ信号に対して時定数τを乗算する。時定数τは、例えば、抵抗ＲとコンデンサＣとの積ＲＣであり、このとき、時定数回路３３は、抵抗ＲとコンデンサＣとの直列回路又は抵抗ＲとコンデンサＣとの並列回路で構成される。時定数τを必要な変調速度を満足する最大値に設定することにより、出力波形が緩やかになり、アナログ変調時の過渡的なリンギングを防止することができる。

閾値電流生成部３４は、基準電源V_ref2の基準電圧に定数G_thを乗算することによりレベル変換して閾値電流参照電圧v_THを生成する。閾値電流参照電圧v_THは、半導体レーザＬＤが発光する閾値を流すための閾値電流を生成する信号である。

加算器３５は、時定数回路３３を介するスロープ信号生成部３２で生成されたスロープ信号v_SLOPEと閾値電流生成部３４で生成された閾値電流参照電圧v_THを加算し加算出力により電流設定回路１４を介して電流源１３の電流値i_CTRLを制御する。

図２に、実施例１の半導体レーザ駆動回路の半導体レーザＬＤの電流光出力特性とスロープ信号v_SLOPEと閾値電流参照電圧v_THとの関係を示す。

閾値電流参照電圧v_THは、電流と光出力特性の閾値電流を生成する信号であり、アナログ変調信号v_MODのレベルに関わらず、定常的にＬＤ駆動部１に入力される。

次に、図３の各部のタイミングチャートを参照しながら、半導体レーザ駆動回路の動作を説明する。

まず、差動電圧v_diffが負であり、半導体レーザＬＤが消灯している状態から任意の光出力に相当するアナログ変調信号v_MODが時刻ｔ０において、ステップ入力される。

アナログ変調信号v_MODの立ち上がり直後に、アナログ変調信号v_MODが基準電圧以上となるので、比較器２１は、Ｈレベルからなる出力信号v_IOを差動ドライバ２２に出力する。

差動ドライバ２２は、比較器２１からのＨレベルからなる出力信号v_IOにより、差動電圧v_diffの極性が正に反転し、電流源１３をバイポーラトランジスタＱ１側にスイッチし、バイポーラトランジスタＱ１がオンして、半導体レーザＬＤに電流i_LDが流れる。

このとき、電流源１３の電流i_CTRLは、閾値電流参照電圧v_THにより制御された閾値電流であり、電流i_LDを高速に閾値付近まで立ち上げることができる。その後、時定数回路３３により、時定数τに応じた速度でスロープ信号v_SLOPEが立ち上がり、電流源１３の電流i_CTRLが増加して、電流i_LDを目標の光出力に相当する電流値まで立ち上げる。

一方、アナログ変調信号v_MODが時刻ｔ１において、ステップ状に立ち下がった場合には、比較器２１は、Ｌレベルからなる出力信号v_IOを差動ドライバ２２に出力する。

差動ドライバ２２は、比較器２１からのＬレベルからなる出力信号v_IOにより、差動電圧v_diffの極性が負に反転する。このため、時定数τを伴わずに、半導体レーザＬＤを消灯させることができる。

このように実施例１の半導体レーザ駆動回路によれば、差動対回路のバイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２を用いて、アナログ変調信号v_MODにより半導体レーザＬＤに流れる電流をスイッチするので、十分な消光比を確保することができる。

また、スロープ信号生成部３２は、アナログ変調信号v_MODに対して所定のスロープ係数によりレベル変換してスロープ信号v_SLOPEを生成する。加算器は、スロープ信号生成部で生成されたスロープ信号v_SLOPEと閾値電流生成部で生成された閾値電流とを加算し加算出力により電流源１３の電流値i_CTRLを制御する。

即ち、アナログ変調信号v_MODは、スロープ信号生成部３２で生成されたスロープ信号v_SLOPEのみに寄与するため、アナログ変調信号v_MODに対して線形に光出力を制御することができる。

また、変調電流を生成する電流源は、単一であり、各信号生成部３２，３４のパラメータが定期的に出力校正されるため、アナログ変調信号v_MODに対する光出力の精度を確保できる。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２の半導体レーザ駆動回路の構成図である。実施例２の半導体レーザ駆動回路は、図１に示す実施例１の半導体レーザ駆動回路の構成に、さらに、マイクロコンピュータ４、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）５、フォトダイオード（ＰＤ）６、スイッチ７を備えている。

半導体レーザＬＤの電流光出力特性は、経年的に変化するので、少なくとも、レーザ起動時毎に定数G_th及びスロープ信号v_SLOPEを更新することが望ましい。

図５は、実施例２の半導体レーザ駆動回路のスロープ効率を示す図である。図５では、レーザ起動時に半導体レーザＬＤの電流光出力特性のスロープ部における任意の２点（ｉ_１，ｐ_１），（ｉ_２，ｐ_２）によりスロープ効率ｄｐ／ｄｉの求め方と、任意の２点（ｉ_１，ｐ_１），（ｉ_２，ｐ_２）を結ぶ直線が横軸（電流軸）に交差する点、即ち、閾値電流ｉｔｈを示している。

次に、図６に示すフローチャートを参照しながら、実施例２の半導体レーザ駆動回路の定数G_th及びスロープ効率の算出処理を説明する。

まず、図４に示すシステムが安定するのを待つ（ステップＳ１１）。次に、マイクロコンピュータ４は、切替信号によりスイッチ７の端子ａを選択してＤＡＣ５を電流源１３に接続する。

ＤＡＣ５は、マイクロコンピュータ４からのデジタル信号をアナログ信号に変換し、電流ｉ_１に対応したアナログ信号を電流源１３に出力する（ステップＳ１２）。これにより、半導体レーザＬＤには電流ｉ_１が流れる。電流ｉ_１の値に応じて半導体レーザＬＤが発光するので、その光出力ｐ_１をＰＤ６で検知する。そして、光出力が安定するのを待つ（ステップＳ１３）。

光出力ｐ_１は、図示しないＡＤＣ（アナログデジタル変換器）によりデジタル信号に変換されて、マイクロコンピュータ４に送られる（ステップＳ１４）。

次に、ＤＡＣ５は、電流ｉ_２に対応したアナログ信号を電流源１３に出力する（ステップＳ１５）。これにより、半導体レーザＬＤには電流ｉ_２が流れる。電流ｉ_２の値に応じて半導体レーザＬＤが発光するので、その光出力ｐ_２をＰＤ６で検知する。そして、光出力が安定するのを待つ（ステップＳ１６）。

光出力ｐ_２は、図示しないＡＤＣによりデジタル信号に変換されて、マイクロコンピュータ４に送られる（ステップＳ１７）。

マイクロコンピュータ４は、電流ｉ_１、光出力ｐ_１、電流ｉ_２、光出力ｐ_２に基づいて、スロープ効率ｄｐ／ｄｉを算出し、２点（ｉ_１，ｐ_１），（ｉ_２，ｐ_２）を結ぶ直線が横軸に交差する点である閾値電流ｉｔｈを算出する（ステップＳ１８）。

パラメータを算出した後、アナログ変調信号レベルに対する光出力、例えば、１ｍＷ／Ｖを設定することにより、スロープ効率ｄｐ／ｄｉに基づきスロープ信号v_SLOPEを決定することができる。また、定数G_thに基づき閾値電流ithを直ちに決定することができる。

次に、半導体レーザＬＤを消灯させ（ステップＳ１９）、スイッチ７を端子bに接続して、レーザオペレーションを行う。

本発明は、レーザ光を利用した分析計測機器に搭載されるレーザ装置に適用可能である。

ＬＤ半導体レーザ
ＶＬＤ電源
Ｑ１，Ｑ２バイポーラトランジスタ
V_ref1，V_ref2 基準電源
１ＬＤ駆動部
２差動駆動部
３電流制御部
４マイクロコンピュータ
５デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
６フォトダイオード（ＰＤ）
１１，１２インピーダンス素子
１３電流源
１４電流設定回路
２１比較器
２２差動ドライバ
３１アナログ変調信号部
３２スロープ信号生成部
３３時定数回路
３４閾値電流生成部
３５加算器

Claims

第１電極が電源に接続され、レーザ光を出力し且つアナログ変調信号により前記レーザ光が変調される半導体レーザと、
一端が前記半導体レーザの第２電極に接続された第１インピーダンス素子と、
一端が前記半導体レーザの前記第１電極と前記電源に接続された第２インピーダンス素子と、
第１トランジスタの第１主電極が前記第１インピーダンス素子の他端に接続され、第２トランジスタの第１主電極が前記第２インピーダンス素子の他端に接続され、前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極が接続される差動対回路と、
一端が前記第１トランジスタの第２主電極と前記第２トランジスタの第２主電極とに接続される電流源と、
前記アナログ変調信号により前記差動対回路の前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとのオンオフを切り替えるための差動電圧を生成する差動ドライバと、
前記半導体レーザが発光する閾値を流すための閾値電流を生成する閾値電流生成部と、
前記アナログ変調信号に対して所定のスロープ係数によりレベル変換してスロープ信号を生成するスロープ信号生成部と、
前記スロープ信号生成部で生成されたスロープ信号と前記閾値電流生成部で生成された閾値電流とを加算し加算出力により前記電流源の電流値を制御する加算器と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ駆動回路。
前記閾値電流生成部で生成される閾値電流及び前記閾値電流生成部で生成されるスロープ信号は、定期的に更新されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ駆動回路。
レーザ起動時に前記半導体レーザの電流と光出力特性のスロープ部における任意の２点において、前記半導体レーザの電流及び光出力を測定し、測定結果に基づき前記閾値電流及び電流変化に対する光出力の変化を示すスロープ効率を算出し、算出されたスロープ効率に基づき前記スロープ信号を決定する決定部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザ駆動回路。