(57)【要約】  内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る、低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動システムおよび半導体レーザの駆動方法を提供する。  半導体レーザ２から出射したレーザ光９の照射対象物からの戻り光９ｅが半導体レーザ２に入射するように構成された光ピックアップの半導体レーザの駆動システムは、半導体レーザ２を駆動する駆動回路３と、半導体レーザ２から出射したレーザ光９を分岐したレーザ光９ｂの光強度を検出して電気信号に変換する光検出器６と、駆動回路３および光検出器６の間に設けられた増幅回路７およびフィルタ回路８より成り、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に駆動回路３に負帰還を掛けて戻り光雑音を低減し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に駆動回路３に正帰還を掛けて内部雑音を低減する帰還回路とを具備して成る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムであって、
前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする半導体レーザの駆動システム。
【請求項２】
前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの駆動システム。
【請求項３】
前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザの駆動システム。
【請求項４】
半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動方法であって、
前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、
該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けることを特徴とする半導体レーザの駆動方法。
【請求項５】
前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザの駆動方法。
【請求項６】
前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする請求項４または５記載の半導体レーザの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける、半導体レーザの駆動システムおよび半導体レーザの駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光ディスク装置や光ファイバ通信装置等の光学デバイスの光源として利用されている。しかし、半導体レーザから出力されるレーザ光が光ディスクや光ファイバ端面等の照射対象物で反射して、その戻り光が半導体レーザに再入射した場合には、戻り光雑音と呼ばれる過剰な雑音を発生する。
そのような戻り光雑音の対策としては、既に広く実用化されている半導体レーザである「近赤外光半導体レーザ」では、半導体レーザの駆動回路において駆動電流に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波電流を重畳することにより戻り光雑音を低減する高周波重畳法（例えば非特許文献１参照）や、自励振動レーザの自励振動現象を用いて戻り光雑音を低減する方法（例えば非特許文献２参照）が確立されている。【０００３】
しかし、高密度のデータ記録が期待されている「青紫色半導体レーザ」では、戻り光雑音を低減することは当然必要であるが、半導体レーザの本質的な雑音である量子雑音の雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため、半導体レーザの内部雑音を量子雑音レベルよりも十分小さくなるまで低減することがより重要な課題になる。【０００４】
半導体レーザの内部雑音を低減する方法としては、半導体レーザから出射したレーザ光の光強度に応じた負帰還を半導体レーザの駆動回路に掛けることにより半導体レーザの内部雑音を低減する方法（例えば非特許文献３参照）を本願の発明者らが提案済みである。この方法は、近赤外光半導体レーザ等の注入型半導体レーザに適用した場合に、所定の内部雑音低減効果を得ることができる。【０００５】
【非特許文献１】A.Arimoto, M.Ojima, N.Chinone, A.Oishi, T.Gotoh, and N.Ohnuki:“ Optimum conditions for the high frequency noise reduction method in optical videodisc players”, Appl. Opt., vol.25, no.9, pp.1398-1403, 1986
【非特許文献２】M.Yamada:“Theoretical analysis of noise reduction effect in semiconductor lasers with help of self-sustained pulsation phenomena”, J.Appl.Phys., vol.79, no.1, pp.61-71, 1996
【非特許文献３】M.Yamada, N.Nakaya, M.Funaki:“Characteristics of Mode-Hopping Noise and Its Suppression with the Help of Electric Negative Feedback in Semiconductor Lesers”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, QE-23,No.8, pp.1297-1302, AUG. 1987
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した負帰還を半導体レーザの駆動回路に掛けることにより内部雑音を低減する方法は、近赤外光半導体レーザ等に適用した場合に所定の内部雑音低減効果を得ることができるが、青紫色半導体レーザに適用する場合には、戻り光雑音の低減方法との併用が必須である。しかしながら、例えば「負帰還による内部雑音低減方法」と「高周波重畳法または自励振動レーザの自励振動現象を用いる戻り光雑音低減方法」とを併用するように半導体レーザの駆動回路を構成した場合、半導体レーザの駆動回路が煩雑化するとともにコストアップを招いてしまう。【０００７】
本発明は、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動システムを提供することを第１の目的とする。
本発明は、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の第１発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムであって、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする。【０００９】
請求項２に記載の第２発明は、前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたことを特徴とする。【００１０】
請求項３に記載の第３発明は、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする。【００１１】
上記第２の目的を達成するため、請求項４に記載の第４発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動方法であって、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けることを特徴とする。【００１２】
請求項５に記載の第５発明は、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けることを特徴とする。【００１３】
請求項６に記載の第６発明は、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１発明によれば、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムは、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成るから、例えば前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に前記駆動回路に負帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより内部雑音を低減するとともに、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に前記駆動回路に正帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動システムを提供することができる。【００１５】
第２発明によれば、前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたから、所望の通り、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得るようになる。【００１６】
第３発明によれば、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであるから、青紫色半導体レーザは量子雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため特に内部雑音低減効果が要求されるので、本発明の駆動システムを適用する半導体レーザとして好適である。【００１７】
第４発明によれば、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザを駆動する際には、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けるから、例えば前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に前記駆動回路に負帰還を掛けることにより内部雑音を低減するとともに、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に前記駆動回路に正帰還を掛けることにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動方法を提供することができる。【００１８】
第５発明によれば、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるから、所望の通り、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得るようになる。【００１９】
第６発明によれば、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであるから、青紫色半導体レーザは量子雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため特に内部雑音低減効果が要求されるので、本発明の駆動方法を適用する半導体レーザとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの原理的構成を例示する図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は第１実施形態の半導体レーザの駆動システムにおける帰還回路を設計する際に用いる周波数特性を例示する図であり、（ｃ）は第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの雑音低減効果を説明するための図である。
【図３】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を確認するための測定装置の構成を例示する図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光なしおよび戻り光ありにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図５】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を確認するための測定装置の他の構成を例示する図である。
【図６】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を高周波重畳法を用いた場合と比較するための高周波重畳法用の測定装置の構成を例示する図である。
【図７】図５の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光なしにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図８】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図５の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光ありにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図９】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の半導体レーザの駆動システムおよび高周波重畳法を用いる半導体レーザの駆動システムにおけるサンプリングオッシロスコープの時間波形を例示する図である。
【図１０】本発明の半導体レーザの駆動システムおよび高周波重畳法を用いる半導体レーザの駆動システムにおける雑音周波数１０ＭＨｚでのＲＩＮと戻り光率の関係を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  光ピックアップ
２  半導体レーザ
３  駆動回路
４  ビームスプリッタ
５  信号再生用の光検出器
６  レーザ光検出用の光検出器
７  増幅回路
８  フィルタ回路
９，９ａ，９ｂ  レーザ光
９ｃ，９ｄ，９ｅ  戻り光
１０  光ディスク
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの原理的構成を例示する図である。図１は本発明の半導体レーザの駆動システムを光ディスク装置の光ピックアップに適用した例を示しており、図中１は光ピックアップを示す。【００２３】
上記半導体レーザの駆動システムは、光ピックアップ１と、駆動回路３と、増幅回路７と、フィルタ回路８等を具備して成り、上記光ピックアップ１は、半導体レーザ２と、ビームスプリッタ４と、信号再生用の光検出器５と、レーザ光検出用の光検出器６とから成る。【００２４】
上記半導体レーザ２としては、近赤外光半導体レーザや青紫色半導体レーザ等の各種半導体レーザを用いることができるが、特に、上記半導体レーザ２として青紫色半導体レーザを用いた場合に、本発明の狙いとする内部雑音低減効果が顕著になるので好ましい。【００２５】
上記駆動回路３は、半導体レーザ２を駆動するものであり、例えば、半導体レーザ２のアノードおよびカソードに接続される、コイル、抵抗および可変電圧源より成る直列回路と、半導体レーザ２のアノードおよび前記コイルの接続点とフィルタ回路８との間に接続されるコンデンサとから成る。【００２６】
上記ビームスプリッタ４は、入射したレーザ光９を透過方向および反射方向にそれぞれ所定の割合（例えば５０：５０）で分岐させてレーザ光９ａおよびレーザ光９ｂとするものである。
上記信号再生用の光検出器５は、半導体レーザ２から出射したレーザ光９がビームスプリッタ４を透過して光ディスク１０に照射されたときの光ディスク９からの戻り光９ｃが、ビームスプリッタ４で反射されて入射した光９ｄを電気信号として検出するものであり、光検出器５の出力信号は光ディスク９に記録されている信号の再生に用いられる。
上記レーザ光検出用の光検出器６は、半導体レーザ２から出射したレーザ光９がビームスプリッタ４で反射方向に分岐されたレーザ光９ｂが入射したときに、レーザ光９ｂの光強度を検出して電気信号に変換するものである。【００２７】
上記増幅回路７およびフィルタ回路８は、上記光検出器６および上記駆動回路３の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて駆動回路３に電気的負帰還（以下、単に負帰還という）および電気的正帰還（以下、単に正帰還という）を選択的に掛ける帰還回路を構成するものであり、半導体レーザ２の駆動電流に例えば数百ＭＨｚ程度の高周波電流を重畳することにより戻り光雑音を低減するとともに例えば１００ＭＨｚ程度以下の周波数の電流を重畳することにより内部雑音を量子雑音レベルよりも小さく低減する作用をなすものである。上記増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相特性は、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は半導体レーザ２の駆動回路３に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は半導体レーザ２の駆動回路３に正帰還を掛けるように設定されている。その際、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路の増幅率および位相変化の周波数特性は、内部雑音および戻り光雑音の低減化に最適な特性を利用するように、任意に設計し得るものとする。なお、図１に示す例では、光検出器６側に増幅回路７を配置するとともに駆動回路３側にフィルタ回路８を配置するように構成しているが、光検出器６側にフィルタ回路８を配置するとともに駆動回路３側に増幅回路７を配置するように変更してもよい。【００２８】
なお、上記においては本発明の半導体レーザの駆動システムを光ピックアップに適用したが、本発明の半導体レーザの駆動システムは、光ファイバ通信用光源や各種光計測器光源等の、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物（光ディスク等）からの戻り光（図１の例の場合は戻り光９ｅ）が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスであれば、どのような光学デバイスにも適用することができる。【００２９】
次に、本発明の半導体レーザの駆動システムの作用について説明する。
図１において、半導体レーザ２から出射したレーザ光９は、ビームスプリッタ４で２つのレーザ光９ａ、９ｂに分岐され、ビームスプリッタ４を透過したレーザ光９ａは光ディスク１０で反射され、戻り光９ｃとなる。この戻り光９の約半分の光は、ビームスプリッタ４で反射されて光検出器５に入射し、そこで信号再生用の電気信号として検出される。しかし、光ディスク１０からの戻り光９ｃの約半分の光９ｅは、ビームスプリッタ４を透過して半導体レーザ２に戻り、半導体レーザ２に入射する。これに伴い、半導体レーザ２が「戻り光雑音」と呼ばれる過剰雑音を発生することになる。【００３０】
そこで、本発明の半導体レーザの駆動システムでは、半導体レーザ２から出射したレーザ光９をビームスプリッタ４で２つに分岐したレーザ光の一方であるレーザ光９ｂを光検出器６に入射させて光検出器６で電気信号に変換し、その電気信号を増幅回路７で増幅し、フィルタ回路８で振幅や位相特性を整えてから、半導体レーザ２の駆動回路３に帰還させるようにしている。【００３１】
本発明の半導体レーザの駆動システムの最大の特徴は、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路によって半導体レーザ２の駆動回路３に帰還を掛ける際に、負帰還を掛ける周波数帯域と、正帰還を掛ける周波数帯域との双方が共存できるように、増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相特性を設計するようにしたことである。
つまり、光ピックアップで信号として利用する角周波数帯域を図２（ａ）〜（ｃ）に示す０≦ω≦ω１ とすると、その角周波数帯域では負帰還を掛け、その角周波数帯域よりも高い角周波数側のω＝ω０ では、正帰還を掛けることにより、「半導体レーザ２の駆動回路３に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路」を実現している。【００３２】
以下、本発明の半導体レーザの駆動システムの動作原理を数式等を用いて説明する。
図１において、半導体レーザ２に流れる交流電流をＩ（ω）とし、この交流電流から半導体レーザ２の出力光への伝達関数をＴ（ω）とし、半導体レーザ２の量子雑音をＸ（ω）とすると、半導体レーザ２の出力光のゆらぎ成分（交流成分）である内部雑音Ｓ（ω）は、
Ｓ（ω）＝Ｉ（ω）Ｔ（ω）＋Ｘ（ω）                        （１）
と書ける。この半導体レーザ２で発生する内部雑音Ｓ（ω）が大きいことが問題となっているため、内部雑音Ｓ（ω）を量子雑音Ｘ（ω）よりも十分に小さくなるまで低減することが本発明の課題である。【００３３】
一方、光検出器６や増幅回路７の入力段で発生する雑音をＮ（ω）とし、増幅回路７およびフィルタ回路８の合成の伝達関数をＡ（ω）とすると、半導体レーザ２に帰還される電流Ｉ（ω）は、
Ｉ（ω）＝｛Ｓ（ω）＋Ｎ（ω）｝Ａ（ω）                    （２）
となる。
式（１）および式（２）より、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、
Ｓ（ω）＝｛Ｎ（ω）Ａ（ω）Ｔ（ω）＋Ｘ（ω）｝／｛１−Ａ（ω）Ｔ（ω）｝(3)
となる。【００３４】
このとき、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯を０≦ω≦ω１ とすると、その角周波数帯域よりも高い角周波数側のω≒ω０ ＞ω１ では、
Ａ（ω０ ）Ｔ（ω０ ）≒｜Ａ（ω０ ）Ｔ（ω０ ）｜≦１
という正帰還が掛かるように、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路を設計する。具体的には、図２（ａ）に示すｌｏｇ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜の周波数特性および図２（ｂ）に示すＡ（ω）Ｔ（ω）の位相角の周波数特性となるように増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相角を設計する。それに伴い、上記角周波数成分における光子数および電子密度が増加するため、図２（ｃ）に示すように、電気的正帰還を掛ける本発明の場合は、半導体レーザ２の出力光の交流成分Ｓ（ω）の絶対値である｜Ｓ（ω０ ）｜が急増する。この｜Ｓ（ω０ ）｜の急増により、上述した非特許文献２に記載された「自励振動レーザの自励振動現象を用いて戻り光雑音を低減する方法」と同様に、半導体レーザ２中に非線形光学現象が生じるため、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ における戻り光雑音が低減する。したがって、戻り光雑音をほぼ量子雑音レベルまで低減させることができる。【００３５】
一方、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ においては、
Ａ（ω）Ｔ（ω）＜０  かつ  ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜＞＞１
という負帰還が掛かるように、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路を設計する。具体的には、図２（ａ）に示すｌｏｇ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜の周波数特性および図２（ｂ）に示すＡ（ω）Ｔ（ω）の位相角の周波数特性となるように増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相角を設計する。それに伴い、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、式（３）より、
Ｓ（ω）＝−Ｎ（ω）                                      （４）
となる。
一般的に、光検出器６や増幅回路７の入力段で発生する雑音Ｎ（ω）は、半導体レーザの量子雑音Ｘ（ω）よりも十分小さい。したがって、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、半導体レーザの量子雑音Ｘ（ω）よりも十分小さくなる。【００３６】
本発明の半導体レーザの駆動システムによれば、光ピックアップで信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ で負帰還を掛けることにより内部雑音を低減するとともに、それよりも高い角周波数であるω＝ω０ で正帰還を掛けることにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、本発明によれば、近赤外光半導体レーザは勿論、量子雑音レベルが高いため内部雑音も高くなりやすく、かつ、戻り光雑音も発生しやすい半導体レーザである青紫色半導体レーザを、低雑音で動作させることができる半導体レーザの駆動システムを、低価格かつ低消費電力で実現することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の半導体レーザの駆動システムの実施例について説明する。【００３８】
［雑音低減効果の測定；その１］
本発明の半導体レーザの駆動システムにおける、光ピックアップで信号として利用する０≦ω≦ω１での負帰還による内部雑音の低減効果および０≦ω≦ω１ よりも高い角周波数ω≒ω０ での正帰還による戻り光雑音の低減効果を確認するため、図３に示す測定装置を用意した。【００３９】
図３において、ＬＤは、図１の半導体レーザ２に対応する青紫色半導体レーザ（発振波長：４１０ｎｍ、発振閾値電流：４２．５ｍＡ）であり、Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ  Ｌｅｎｓは図１には記載を省略した集光レンズであり、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  Ｌｅｎｓは図１には記載を省略した対物レンズであり、ＰＤ１は図１の光検出器５に対応する信号再生用の光検出器であり、ＰＤ２は図１の光検出器６に対応するレーザ光検出用の光検出器であり、Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒは図１のビームスプリッタ４に対応するものであり、ＡＴＴは戻り光率調整用のアッテネータであり、ＭＩＲＲＯＲは光ディスクの反射面を模したものであり、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２は図１の増幅回路７に対応するものであり、ＬＰＦは図１のフィルタ回路８に対応するものであり、ＤＣ  Ｂｉａｓ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｏｕｒｃｅおよびコイル、コンデンサは図１の駆動回路３に対応するものである。なお、レーザ光を観察するためにスペクトルアナライザー（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）を設け、ＰＤ１で検出した再生信号の強度を測定するためにパワーメータ（Ｐｏｗｅｒ  Ｍｅｔｅｒ）を設けた。【００４０】
図３に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛けたとき、および電気的帰還を掛けないときの相対雑音強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｉｚｅ；ＲＩＮ）の周波数特性を測定した。その際の測定条件は、出力光強度＝２．０ｍＷ（直流駆動電流：４４ｍＡ）、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２の利得＝合計＋３０ｄＢであった。
その結果、戻り光なしの場合には図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率＝０．００４８）の場合には図４（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られた。【００４１】
図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性および図４（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図４（ｂ）の電気的帰還あり）は、電気的帰還を掛けない場合（図４（ａ）の電気的帰還なし）と比較して、約１０ＭＨｚ以下の周波数帯域において戻り光雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。また、図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約１０ＭＨｚ以下の周波数帯域において内部雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。【００４２】
［雑音低減効果の測定；その２］
本発明の半導体レーザの駆動システムにおける、光ピックアップで信号として利用する０≦ω≦ω１での負帰還による内部雑音の低減効果および０≦ω≦ω１ よりも高い角周波数ω≒ω０ での正帰還による戻り光雑音の低減効果を確認するとともに高周波重畳法（従来技術）を用いた場合の雑音低減効果と比較するために、図５および図６に示す測定装置を用意した。【００４３】
図５の測定装置は電気的正帰還・負帰還を用いた場合の雑音低減効果を測定するものであり、図３の測定装置に対し、スペクトルアナライザーおよびＡＭＰ２間のＬＰＦを削除するとともに、ＡＭＰ１とＰＤ２との接続点およびＡＭＰ２とコンデンサとの接続点間に、ＡＭＰ１に入る電気信号の時間波形を観察するためのサンプリングオッシロスコープ（Ｓａｍｐｌｉｎｇ  Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）を追加したものであり、それ以外の部分は図３の測定装置と同様に構成されている。なお、今回使用した図５の測定装置は、ＡＭＰ１およびＡＭＰ２の設計を最適化したため、図３の測定装置に比べて、雑音低減効果が向上している。
図６の測定装置は高周波重畳法（従来技術）を用いた場合の雑音低減効果を測定するものであり、図５の測定装置に対し、スペクトルアナライザーおよびコンデンサ間のＡＭＰ２を削除するとともに、サンプリングオッシロスコープとコンデンサとの接続点に発振器（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を追加したものであり、それ以外の部分は図５の測定装置と同様に構成されている。【００４４】
まず、図５に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛けたとき、および電気的帰還を掛けないときの相対雑音強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｉｚｅ；ＲＩＮ）の周波数特性を測定した。その際の測定条件は、出力光強度＝３．０ｍＷ（直流駆動電流：４５ｍＡ）、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２の利得＝合計＋３５ｄＢであった。
その結果、戻り光なしの場合には図７に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率Γ＝０．０１５）の場合には図８（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率Γ＝０．０７）の場合には図８（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られた。【００４５】
図７に示すＲＩＮの周波数特性および図８（ａ），（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図８（ａ），（ｂ）の電気的帰還あり）は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において戻り光雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。また、図７に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において内部雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。【００４６】
次に、図６に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに所定周波数の高周波重畳（従来技術）を行ない、戻り光率（Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｒａｔｉｏ）Γと相対雑音強度ＲＩＮを測定して、「本発明の電気的帰還ありの場合」および「高周波重畳無し、電気的帰還無しの場合」と比較した。その際の測定条件は、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、発振閾値電流Ｉth＝４２．５ｍＡ、直流駆動電流Ｉ＝４５ｍＡであった。
この測定において、ＰＤ２で検出されたサンプリングオシロスコープに示される電気信号の時間波形が、図９に示すように、高周波重畳ありの場合（従来技術）と本発明の時間波形（電気的帰還あり）とで一致するように、発振器（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の周波数と強度を調整した。
この方法で測定した雑音周波数１０ＭＨｚにおけるＲＩＮと戻り光率Γの関係を示す図が図１０である。【００４７】
図１０に示す雑音周波数１０ＭＨｚでのＲＩＮと戻り光率の関係に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図１０の電気的帰還あり）は、高周波重畳ありの場合（従来技術）に対して、全域において戻り光雑音が低減されていること」を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の半導体レーザの駆動システムおよび半導体レーザの駆動方法は、光ピックアップや光ファイバ通信用光源や各種光計測器光源等の、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスに、好適に用いることができる。
【図１】
2007026826.tif 000002
【図２】
2007026826.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年2月22日(2008.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムであって、
前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする半導体レーザの駆動システム。
【請求項２】
前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの駆動システム。
【請求項３】
前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザの駆動システム。
【請求項４】
半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動方法であって、
前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、
該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けることを特徴とする半導体レーザの駆動方法。
【請求項５】
前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザの駆動方法。
【請求項６】
前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする請求項４または５記載の半導体レーザの駆動方法。
【請求項７】
半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光ディスク装置であって、
前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、
前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする光ディスク装置。
【請求項８】
増幅回路およびフィルタ回路により構成され、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性が設定されるようにしたことを特徴とする請求項７記載の光ディスク装置に用いる帰還回路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける、半導体レーザの駆動システムおよび半導体レーザの駆動方法ならびに光ディスク装置およびそれに用いる帰還回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光ディスク装置や光ファイバ通信装置等の光学デバイスの光源として利用されている。しかし、半導体レーザから出力されるレーザ光が光ディスクや光ファイバ端面等の照射対象物で反射して、その戻り光が半導体レーザに再入射した場合には、戻り光雑音と呼ばれる過剰な雑音を発生する。
そのような戻り光雑音の対策としては、既に広く実用化されている半導体レーザである「近赤外光半導体レーザ」では、半導体レーザの駆動回路において駆動電流に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波電流を重畳することにより戻り光雑音を低減する高周波重畳法（例えば非特許文献１参照）や、自励振動レーザの自励振動現象を用いて戻り光雑音を低減する方法（例えば非特許文献２参照）が確立されている。
【０００３】
しかし、高密度のデータ記録が期待されている「青紫色半導体レーザ」では、戻り光雑音を低減することは当然必要であるが、半導体レーザの本質的な雑音である量子雑音の雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため、半導体レーザの内部雑音を量子雑音レベルよりも十分小さくなるまで低減することがより重要な課題になる。
【０００４】
半導体レーザの内部雑音を低減する方法としては、半導体レーザから出射したレーザ光の光強度に応じた負帰還を半導体レーザの駆動回路に掛けることにより半導体レーザの内部雑音を低減する方法（例えば非特許文献３参照）を本願の発明者らが提案済みである。この方法は、近赤外光半導体レーザ等の注入型半導体レーザに適用した場合に、所定の内部雑音低減効果を得ることができる。
【０００５】
【非特許文献１】A.Arimoto, M.Ojima, N.Chinone, A.Oishi, T.Gotoh, and N.Ohnuki:" Optimum conditions for the high frequency noise reduction method in optical videodisc players", Appl. Opt., vol.25, no.9, pp.1398-1403, 1986
【非特許文献２】M.Yamada:"Theoretical analysis of noise reduction effect in semiconductor lasers with help of self-sustained pulsation phenomena", J.Appl.Phys., vol.79, no.1, pp.61-71, 1996
【非特許文献３】M.Yamada, N.Nakaya, M.Funaki:"Characteristics of Mode-Hopping Noise and Its Suppression with the Help of Electric Negative Feedback in Semiconductor Lesers", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, QE-23,No.8, pp.1297-1302, AUG. 1987
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した負帰還を半導体レーザの駆動回路に掛けることにより内部雑音を低減する方法は、近赤外光半導体レーザ等に適用した場合に所定の内部雑音低減効果を得ることができるが、青紫色半導体レーザに適用する場合には、戻り光雑音の低減方法との併用が必須である。しかしながら、例えば「負帰還による内部雑音低減方法」と「高周波重畳法または自励振動レーザの自励振動現象を用いる戻り光雑音低減方法」とを併用するように半導体レーザの駆動回路を構成した場合、半導体レーザの駆動回路が煩雑化するとともにコストアップを招いてしまう。
【０００７】
本発明は、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動システムを提供することを第１の目的とする。
本発明は、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動方法を提供することを第２の目的とする。
本発明は、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な光ディスク装置およびそれに用いる帰還回路を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の第１発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムであって、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の第２発明は、前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の第３発明は、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする。
【００１１】
上記第２の目的を達成するため、請求項４に記載の第４発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動方法であって、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の第５発明は、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の第６発明は、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであることを特徴とする。
【００１４】
上記第３の目的を達成するため、請求項７に記載の第７発明は、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光ディスク装置であって、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成ることを特徴とする。
【００１５】
上記第３の目的を達成するため、請求項８に記載の第８発明は、第７発明の光ディスク装置に用いる帰還回路は、増幅回路およびフィルタ回路により構成され、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性が設定されるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１発明によれば、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザの駆動システムは、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成るから、例えば前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に前記駆動回路に負帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより内部雑音を低減するとともに、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に前記駆動回路に正帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動システムを提供することができる。
【００１７】
第２発明によれば、前記帰還回路を増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたから、所望の通り、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得るようになる。
【００１８】
第３発明によれば、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであるから、青紫色半導体レーザは量子雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため特に内部雑音低減効果が要求されるので、本発明の駆動システムを適用する半導体レーザとして好適である。
【００１９】
第４発明によれば、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスにおける半導体レーザを駆動する際には、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換し、該電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記半導体レーザの駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛けるから、例えば前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に前記駆動回路に負帰還を掛けることにより内部雑音を低減するとともに、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に前記駆動回路に正帰還を掛けることにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な半導体レーザの駆動方法を提供することができる。
【００２０】
第５発明によれば、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるから、所望の通り、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得るようになる。
【００２１】
第６発明によれば、前記半導体レーザは青紫色半導体レーザであるから、青紫色半導体レーザは量子雑音レベルが近赤外光半導体レーザの場合よりも高くなるため特に内部雑音低減効果が要求されるので、本発明の駆動方法を適用する半導体レーザとして好適である。
【００２２】
第７発明によれば、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光ディスク装置は、前記半導体レーザを駆動する駆動回路と、前記半導体レーザから出射したレーザ光の光強度を検出して電気信号に変換する光検出器と、前記駆動回路および前記光検出器の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて、前記駆動回路に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路とを具備して成るから、例えば前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合に前記駆動回路に負帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより内部雑音を低減するとともに、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合に前記駆動回路に正帰還を掛けるように帰還回路を構成することにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な光ディスク装置を提供することができる。
【００２３】
第８発明によれば、帰還回路を、増幅回路およびフィルタ回路により構成し、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は前記半導体レーザの駆動回路に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は前記半導体レーザの駆動回路に正帰還を掛けるように、前記増幅回路の増幅率および前記フィルタ回路の位相特性を設定するようにしたから、所望の通り、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得るようになり、この帰還回路は、第７発明の光ディスク装置に用いるのに適した帰還回路となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの原理的構成を例示する図である。図１は本発明の半導体レーザの駆動システムを光ディスク装置の光ピックアップに適用した例を示しており、図中１は光ピックアップを示す。
【００２５】
上記半導体レーザの駆動システムは、光ピックアップ１と、駆動回路３と、増幅回路７と、フィルタ回路８等を具備して成り、上記光ピックアップ１は、半導体レーザ２と、ビームスプリッタ４と、信号再生用の光検出器５と、レーザ光検出用の光検出器６とから成る。
【００２６】
上記半導体レーザ２としては、近赤外光半導体レーザや青紫色半導体レーザ等の各種半導体レーザを用いることができるが、特に、上記半導体レーザ２として青紫色半導体レーザを用いた場合に、本発明の狙いとする内部雑音低減効果が顕著になるので好ましい。
【００２７】
上記駆動回路３は、半導体レーザ２を駆動するものであり、例えば、半導体レーザ２のアノードおよびカソードに接続される、コイル、抵抗および可変電圧源より成る直列回路と、半導体レーザ２のアノードおよび前記コイルの接続点とフィルタ回路８との間に接続されるコンデンサとから成る。
【００２８】
上記ビームスプリッタ４は、入射したレーザ光９を透過方向および反射方向にそれぞれ所定の割合（例えば５０：５０）で分岐させてレーザ光９ａおよびレーザ光９ｂとするものである。
上記信号再生用の光検出器５は、半導体レーザ２から出射したレーザ光９がビームスプリッタ４を透過して光ディスク１０に照射されたときの光ディスク９からの戻り光９ｃが、ビームスプリッタ４で反射されて入射した光９ｄを電気信号として検出するものであり、光検出器５の出力信号は光ディスク９に記録されている信号の再生に用いられる。
上記レーザ光検出用の光検出器６は、半導体レーザ２から出射したレーザ光９がビームスプリッタ４で反射方向に分岐されたレーザ光９ｂが入射したときに、レーザ光９ｂの光強度を検出して電気信号に変換するものである。
【００２９】
上記増幅回路７およびフィルタ回路８は、上記光検出器６および上記駆動回路３の間に設けられ、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内であるか否かに応じて駆動回路３に電気的負帰還（以下、単に負帰還という）および電気的正帰還（以下、単に正帰還という）を選択的に掛ける帰還回路を構成するものであり、半導体レーザ２の駆動電流に例えば数百ＭＨｚ程度の高周波電流を重畳することにより戻り光雑音を低減するとともに例えば１００ＭＨｚ程度以下の周波数の電流を重畳することにより内部雑音を量子雑音レベルよりも小さく低減する作用をなすものである。上記増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相特性は、前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域内である場合は半導体レーザ２の駆動回路３に負帰還を掛けるとともに前記電気信号の周波数が信号として利用する周波数帯域外である場合は半導体レーザ２の駆動回路３に正帰還を掛けるように設定されている。その際、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路の増幅率および位相変化の周波数特性は、内部雑音および戻り光雑音の低減化に最適な特性を利用するように、任意に設計し得るものとする。なお、図１に示す例では、光検出器６側に増幅回路７を配置するとともに駆動回路３側にフィルタ回路８を配置するように構成しているが、光検出器６側にフィルタ回路８を配置するとともに駆動回路３側に増幅回路７を配置するように変更してもよい。
【００３０】
なお、上記においては本発明の半導体レーザの駆動システムを光ディスク装置の光ピックアップに適用したが、本発明の半導体レーザの駆動システムは、光ファイバ通信用光源や各種光計測器光源等の、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物（光ディスク等）からの戻り光（図１の例の場合は戻り光９ｅ）が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスであれば、どのような光学デバイスにも適用することができる。
【００３１】
次に、本発明の半導体レーザの駆動システムの作用について説明する。
図１において、半導体レーザ２から出射したレーザ光９は、ビームスプリッタ４で２つのレーザ光９ａ、９ｂに分岐され、ビームスプリッタ４を透過したレーザ光９ａは光ディスク１０で反射され、戻り光９ｃとなる。この戻り光９の約半分の光は、ビームスプリッタ４で反射されて光検出器５に入射し、そこで信号再生用の電気信号として検出される。しかし、光ディスク１０からの戻り光９ｃの約半分の光９ｅは、ビームスプリッタ４を透過して半導体レーザ２に戻り、半導体レーザ２に入射する。これに伴い、半導体レーザ２が「戻り光雑音」と呼ばれる過剰雑音を発生することになる。
【００３２】
そこで、本発明の半導体レーザの駆動システムでは、半導体レーザ２から出射したレーザ光９をビームスプリッタ４で２つに分岐したレーザ光の一方であるレーザ光９ｂを光検出器６に入射させて光検出器６で電気信号に変換し、その電気信号を増幅回路７で増幅し、フィルタ回路８で振幅や位相特性を整えてから、半導体レーザ２の駆動回路３に帰還させるようにしている。
【００３３】
本発明の半導体レーザの駆動システムの最大の特徴は、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路によって半導体レーザ２の駆動回路３に帰還を掛ける際に、負帰還を掛ける周波数帯域と、正帰還を掛ける周波数帯域との双方が共存できるように、増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相特性を設計するようにしたことである。
つまり、光ピックアップで信号として利用する角周波数帯域を図２（ａ）〜（ｃ）に示す０≦ω≦ω１ とすると、その角周波数帯域では負帰還を掛け、その角周波数帯域よりも高い角周波数側のω＝ω０ では、正帰還を掛けることにより、「半導体レーザ２の駆動回路３に負帰還および正帰還を選択的に掛ける帰還回路」を実現している。
【００３４】
以下、本発明の半導体レーザの駆動システムの動作原理を数式等を用いて説明する。
図１において、半導体レーザ２に流れる交流電流をＩ（ω）とし、この交流電流から半導体レーザ２の出力光への伝達関数をＴ（ω）とし、半導体レーザ２の量子雑音をＸ（ω）とすると、半導体レーザ２の出力光のゆらぎ成分（交流成分）である内部雑音Ｓ（ω）は、
Ｓ（ω）＝Ｉ（ω）Ｔ（ω）＋Ｘ（ω）                        （１）
と書ける。この半導体レーザ２で発生する内部雑音Ｓ（ω）が大きいことが問題となっているため、内部雑音Ｓ（ω）を量子雑音Ｘ（ω）よりも十分に小さくなるまで低減することが本発明の課題である。
【００３５】
一方、光検出器６や増幅回路７の入力段で発生する雑音をＮ（ω）とし、増幅回路７およびフィルタ回路８の合成の伝達関数をＡ（ω）とすると、半導体レーザ２に帰還される電流Ｉ（ω）は、
Ｉ（ω）＝｛Ｓ（ω）＋Ｎ（ω）｝Ａ（ω）                    （２）
となる。
式（１）および式（２）より、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、
Ｓ（ω）＝｛Ｎ（ω）Ａ（ω）Ｔ（ω）＋Ｘ（ω）｝／｛１−Ａ（ω）Ｔ（ω）｝(3)
となる。
【００３６】
このとき、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯を０≦ω≦ω１ とすると、その角周波数帯域よりも高い角周波数側のω≒ω０ ＞ω１ では、
Ａ（ω０ ）Ｔ（ω０ ）≒｜Ａ（ω０ ）Ｔ（ω０ ）｜≦１
という正帰還が掛かるように、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路を設計する。具体的には、図２（ａ）に示すｌｏｇ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜の周波数特性および図２（ｂ）に示すＡ（ω）Ｔ（ω）の位相角の周波数特性となるように増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相角を設計する。それに伴い、上記角周波数成分における光子数および電子密度が増加するため、図２（ｃ）に示すように、電気的正帰還を掛ける本発明の場合は、半導体レーザ２の出力光の交流成分Ｓ（ω）の絶対値である｜Ｓ（ω０ ）｜が急増する。この｜Ｓ（ω０ ）｜の急増により、上述した非特許文献２に記載された「自励振動レーザの自励振動現象を用いて戻り光雑音を低減する方法」と同様に、半導体レーザ２中に非線形光学現象が生じるため、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ における戻り光雑音が低減する。したがって、戻り光雑音をほぼ量子雑音レベルまで低減させることができる。
【００３７】
一方、光ピックアップにおいて信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ においては、
Ａ（ω）Ｔ（ω）＜０  かつ  ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜＞＞１
という負帰還が掛かるように、増幅回路７およびフィルタ回路８より成る帰還回路を設計する。具体的には、図２（ａ）に示すｌｏｇ｜Ａ（ω）Ｔ（ω）｜の周波数特性および図２（ｂ）に示すＡ（ω）Ｔ（ω）の位相角の周波数特性となるように増幅回路７の増幅率およびフィルタ回路８の位相角を設計する。それに伴い、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、式（３）より、
Ｓ（ω）＝−Ｎ（ω）                                      （４）
となる。
一般的に、光検出器６や増幅回路７の入力段で発生する雑音Ｎ（ω）は、半導体レーザの量子雑音Ｘ（ω）よりも十分小さい。したがって、半導体レーザ２の内部雑音Ｓ（ω）は、半導体レーザの量子雑音Ｘ（ω）よりも十分小さくなる。
【００３８】
本発明の半導体レーザの駆動システムによれば、光ピックアップで信号として利用する角周波数帯域である０≦ω≦ω１ で負帰還を掛けることにより内部雑音を低減するとともに、それよりも高い角周波数であるω＝ω０ で正帰還を掛けることにより戻り光雑音を低減することができる。したがって、本発明によれば、近赤外光半導体レーザは勿論、量子雑音レベルが高いため内部雑音も高くなりやすく、かつ、戻り光雑音も発生しやすい半導体レーザである青紫色半導体レーザを、低雑音で動作させることができる半導体レーザの駆動システムを、低価格かつ低消費電力で実現することができる。また、本発明の半導体レーザの駆動システムを光ピックアップに適用した、内部雑音および戻り光雑音の双方を同時に低減し得る低価格かつ低消費電力な光ディスク装置を提供することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の半導体レーザの駆動システムの実施例について説明する。
【００４０】
［雑音低減効果の測定；その１］
本発明の半導体レーザの駆動システムにおける、光ピックアップで信号として利用する０≦ω≦ω１ での負帰還による内部雑音の低減効果および０≦ω≦ω１ よりも高い角周波数ω≒ω０ での正帰還による戻り光雑音の低減効果を確認するため、図３に示す測定装置を用意した。
【００４１】
図３において、ＬＤは、図１の半導体レーザ２に対応する青紫色半導体レーザ（発振波長：４１０ｎｍ、発振閾値電流：４２．５ｍＡ）であり、Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ  Ｌｅｎｓは図１には記載を省略した集光レンズであり、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  Ｌｅｎｓは図１には記載を省略した対物レンズであり、ＰＤ１は図１の光検出器５に対応する信号再生用の光検出器であり、ＰＤ２は図１の光検出器６に対応するレーザ光検出用の光検出器であり、Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒは図１のビームスプリッタ４に対応するものであり、ＡＴＴは戻り光率調整用のアッテネータであり、ＭＩＲＲＯＲは光ディスクの反射面を模したものであり、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２は図１の増幅回路７に対応するものであり、ＬＰＦは図１のフィルタ回路８に対応するものであり、ＤＣ  Ｂｉａｓ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｏｕｒｃｅおよびコイル、コンデンサは図１の駆動回路３に対応するものである。なお、レーザ光を観察するためにスペクトルアナライザー（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）を設け、ＰＤ１で検出した再生信号の強度を測定するためにパワーメータ（Ｐｏｗｅｒ  Ｍｅｔｅｒ）を設けた。
【００４２】
図３に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛けたとき、および電気的帰還を掛けないときの相対雑音強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｉｚｅ；ＲＩＮ）の周波数特性を測定した。その際の測定条件は、出力光強度＝２．０ｍＷ（直流駆動電流：４４ｍＡ）、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２の利得＝合計＋３０ｄＢであった。
その結果、戻り光なしの場合には図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率＝０．００４８）の場合には図４（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られた。
【００４３】
図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性および図４（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図４（ｂ）の電気的帰還あり）は、電気的帰還を掛けない場合（図４（ａ）の電気的帰還なし）と比較して、約１０ＭＨｚ以下の周波数帯域において戻り光雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。また、図４（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約１０ＭＨｚ以下の周波数帯域において内部雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。
【００４４】
［雑音低減効果の測定；その２］
本発明の半導体レーザの駆動システムにおける、光ピックアップで信号として利用する０≦ω≦ω１ での負帰還による内部雑音の低減効果および０≦ω≦ω１ よりも高い角周波数ω≒ω０ での正帰還による戻り光雑音の低減効果を確認するとともに高周波重畳法（従来技術）を用いた場合の雑音低減効果と比較するために、図５および図６に示す測定装置を用意した。
【００４５】
図５の測定装置は電気的正帰還・負帰還を用いた場合の雑音低減効果を測定するものであり、図３の測定装置に対し、スペクトルアナライザーおよびＡＭＰ２間のＬＰＦを削除するとともに、ＡＭＰ１とＰＤ２との接続点およびＡＭＰ２とコンデンサとの接続点間に、ＡＭＰ１に入る電気信号の時間波形を観察するためのサンプリングオッシロスコープ（Ｓａｍｐｌｉｎｇ  Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）を追加したものであり、それ以外の部分は図３の測定装置と同様に構成されている。なお、今回使用した図５の測定装置は、ＡＭＰ１およびＡＭＰ２の設計を最適化したため、図３の測定装置に比べて、雑音低減効果が向上している。
図６の測定装置は高周波重畳法（従来技術）を用いた場合の雑音低減効果を測定するものであり、図５の測定装置に対し、スペクトルアナライザーおよびコンデンサ間のＡＭＰ２を削除するとともに、サンプリングオッシロスコープとコンデンサとの接続点に発振器（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を追加したものであり、それ以外の部分は図５の測定装置と同様に構成されている。
【００４６】
まず、図５に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛けたとき、および電気的帰還を掛けないときの相対雑音強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｎｏｉｚｅ；ＲＩＮ）の周波数特性を測定した。その際の測定条件は、出力光強度＝３．０ｍＷ（直流駆動電流：４５ｍＡ）、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２の利得＝合計＋３５ｄＢであった。
その結果、戻り光なしの場合には図７に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率Γ＝０．０１５）の場合には図８（ａ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られ、戻り光あり（戻り光率Γ＝０．０７）の場合には図８（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性が得られた。
【００４７】
図７に示すＲＩＮの周波数特性および図８（ａ），（ｂ）に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図８（ａ），（ｂ）の電気的帰還あり）は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において戻り光雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。また、図７に示すＲＩＮの周波数特性に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合は、電気的帰還を掛けない場合と比較して、約３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において内部雑音が量子雑音レベル未満に低減されていること」を確認することができた。
【００４８】
次に、図６に示す測定装置を用いて、青紫色半導体レーザに所定周波数の高周波重畳（従来技術）を行ない、戻り光率（Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｒａｔｉｏ）Γと相対雑音強度ＲＩＮを測定して、「本発明の電気的帰還ありの場合」および「高周波重畳無し、電気的帰還無しの場合」と比較した。その際の測定条件は、レーザ温度＝２５℃、青紫色半導体レーザとＭＩＲＲＯＲとの間の距離＝１５ｃｍ、発振閾値電流Ｉth＝４２．５ｍＡ、直流駆動電流Ｉ＝４５ｍＡであった。
この測定において、ＰＤ２で検出されたサンプリングオシロスコープに示される電気信号の時間波形が、図９に示すように、高周波重畳ありの場合（従来技術）と本発明の時間波形（電気的帰還あり）とで一致するように、発振器（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の周波数と強度を調整した。
この方法で測定した雑音周波数１０ＭＨｚにおけるＲＩＮと戻り光率Γの関係を示す図が図１０で９る。
【００４９】
図１０に示す雑音周波数１０ＭＨｚでのＲＩＮと戻り光率の関係に基づき、「電気的帰還を掛ける本発明の場合（図１０の電気的帰還あり）は、高周波重畳ありの場合（従来技術）に対して、全域において戻り光雑音が低減されていること」を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の半導体レーザの駆動システムおよび半導体レーザの駆動方法は、光ピックアップや光ファイバ通信用光源や各種光計測器光源等の、半導体レーザから出射したレーザ光の照射対象物からの戻り光が前記半導体レーザに入射するように構成された光学系を有する光学デバイスに好適に用いることができ、特に、光ディスク装置に好適に用いることができる。また、本発明の帰還回路は、本発明の光ディスク装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの原理的構成を例示する図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は第１実施形態の半導体レーザの駆動システムにおける帰還回路を設計する際に用いる周波数特性を例示する図であり、（ｃ）は第１実施形態の半導体レーザの駆動システムの雑音低減効果を説明するための図である。
【図３】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を確認するための測定装置の構成を例示する図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光なしおよび戻り光ありにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図５】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を確認するための測定装置の他の構成を例示する図である。
【図６】本発明の半導体レーザの駆動システムにおける雑音低減効果を高周波重畳法を用いた場合と比較するための高周波重畳法用の測定装置の構成を例示する図である。
【図７】図５の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光なしにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図８】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図５の測定装置を用いて青紫色半導体レーザに電気的帰還を掛ける場合および電気的帰還を掛けない場合の、戻り光ありにおける相対雑音強度ＲＩＮの周波数特性を比較して説明するための図である。
【図９】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の半導体レーザの駆動システムおよび高周波重畳法を用いる半導体レーザの駆動システムにおけるサンプリングオッシロスコープの時間波形を例示する図である。
【図１０】本発明の半導体レーザの駆動システムおよび高周波重畳法を用いる半導体レーザの駆動システムにおける雑音周波数１０ＭＨｚでのＲＩＮと戻り光率の関係を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  光ピックアップ
２  半導体レーザ
３  駆動回路
４  ビームスプリッタ
５  信号再生用の光検出器
６  レーザ光検出用の光検出器
７  増幅回路
８  フィルタ回路
９，９ａ，９ｂ  レーザ光
９ｃ，９ｄ，９ｅ  戻り光
１０  光ディスク
【国際調査報告】
2007026826.tif 000012
2007026826.tif 000013