(57)【要約】【課題】  半導体レーザ素子に供給される電流の上限を温度に応じて調節するレーザ駆動回路を提供する。【解決手段】  レーザ駆動回路１００は、半導体レーザ素子１０に電流を供給する電流源１１と、この電流源から半導体レーザ素子に供給される電流Ｉｂを制限する電流制限回路２１を有している。この電流制限回路は、抵抗２２とサーミスタ２５との並列回路を含んでおり、このサーミスタは負の温度係数を有している。温度の上昇に伴ってサーミスタの抵抗値が低下し、それに応じて抵抗とサーミスタの合成抵抗値も低下する。このため、より高い温度下ほど、半導体レーザ素子に供給される電流の上限が上昇する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
この半導体レーザ素子に直列に接続された電流源と、
前記電流源から前記半導体レーザ素子に供給される電流を制限する電流制限回路と、
を備えるレーザ駆動回路であって、
前記電流制限回路が、抵抗とサーミスタとの並列回路を含んでおり、該サーミスタが負の温度係数を有している、レーザ駆動回路。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子を変調する変調器を更に備え、
前記電流源は、前記半導体レーザ素子にバイアス電流を供給するバイアス電流源と、前記変調器に変調電流を供給する変調電流源とを含んでおり、
前記電流制限回路は、前記バイアス電流源と前記半導体レーザ素子との間に挿入された、第１の抵抗と第１のサーミスタとの第１並列回路、および前記変調電流源と前記半導体レーザ素子との間に挿入された、第２の抵抗と第２のサーミスタとの第２並列回路を含んでおり、該第１および第２のサーミスタが負の温度係数を有している、請求項１に記載のレーザ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ素子を駆動するレーザ駆動回路に関し、特に、半導体レーザ素子に流れる電流を制限するレーザ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−１２３４１４号公報に開示されるレーザ駆動回路は、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」）に変調電流（同公報では「駆動電流」と表記）およびバイアス電流を供給する二つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を有する。変調電流およびバイアス電流の大きさは、各トランジスタのベースに接続された光出力制御回路の出力（光出力制御信号）によって制御される。各トランジスタのコレクタ（電流出力端子）とＬＤとの間には、電流制限用の抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続されており、それにより、変調電流およびバイアス電流が制限されている。オートパワーコントロール（Automatic Power Control：ＡＰＣ）ループにおいて異常が生じ、モニタ電圧信号が現れなくなった場合、光出力制御回路は、このモニタ電圧信号の値を光出力設定電圧に一致させようとその出力を大きくする。これは、各トランジスタのコレクタ電流が際限なく増加されることを意味する。しかし、各トランジスタを流れる電流が増加すると、そのコレクタに接続された電流制限抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端に発生する電圧、すなわち、Ｒ１、Ｒ２での電圧降下がそれだけ大きくなって、電流帰還作用が働き、各トランジスタのコレクタ電流を制限する。
【特許文献１】特開２００５−１２３４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、単に抵抗を挿入して電流帰還作用を働かせるのみでは次の様な問題が生じる。例えば、図１に示す電流−光出力特性を有するＬＤに、レーザの安全規格の一つであるClass 1を満足させる場合を考える。ここで、図１の横軸はＬＤを流れる順方向電流Ｉｆ、縦軸はＬＤの光出力Ｐｆを表す。ＬＤの動作温度範囲としては、−４０℃〜８５℃を想定する。Class 1の光強度規格が１０ｍＷであるから、最も発光効率の良い−４０℃の環境下では、ＬＤへの供給電流（バイアス電流＋変調電流）は６０ｍＡを上回ることはできない。そこで、ＬＤへの供給電流に６０ｍＡの上限を定めることが考えられる。
【０００４】
ところが、６０ｍＡの電流制限が付与されたレーザ駆動回路を用いて、ＬＤの通常使用状態で５ｍＷの光出力を得ようとした場合、−４０℃の環境下では何の問題も生じないが、高温下ではＬＤの発光効率が低下するため、例えば８５℃の温度下で６０ｍＡの供給電流では、４ｍＷ強の光出力しか得られない。したがって、高温下では６０ｍＡの電流制限を解除し、少なくとも７０ｍＡ程度の電流がＬＤに供給されるようにしないと、目的とする５ｍＷの発光強度は得られない。一方、８５℃では、ＬＤに対し図１のグラフに示される範囲内で如何なる電流を供給しようとも、光出力１０ｍＷ以下というClass 1の規格は満足される。むしろ、１０ｍＷもの光出力を高温下で得ようとする場合には、過電流によるＬＤの破壊を防ぐ観点から電流を制限することが必要となってくる。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体レーザ素子に供給される電流の上限を温度に応じて調節するレーザ駆動回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るレーザ駆動回路は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に直列に接続された電流源と、この電流源から半導体レーザ素子に供給される電流を制限する電流制限回路とを備えている。電流制限回路は、抵抗とサーミスタとの並列回路を含んでおり、このサーミスタは負の温度係数を有している。
【０００７】
温度の上昇に伴ってサーミスタの抵抗値が低下し、それに応じて抵抗とサーミスタの合成抵抗値も低下する。このため、より高い温度下ほど、半導体レーザ素子に供給される電流の上限が上昇する。高温下では半導体レーザ素子の発光効率が低下するが、それを補うように電流の上限が上昇するので、半導体レーザ素子の出力不足が起こりにくい。
【０００８】
このレーザ駆動回路は、半導体レーザ素子を変調する変調器を更に備えていてもよい。電流源は、半導体レーザ素子にバイアス電流を供給するバイアス電流源と、変調器に変調電流を供給する変調電流源とを含んでいてもよい。電流制限回路は、上記の並列回路として、バイアス電流源と半導体レーザ素子との間に挿入された、第１の抵抗と第１のサーミスタとの第１並列回路、および変調電流源と半導体レーザ素子との間に挿入された、第２の抵抗と第２のサーミスタとの第２並列回路を含んでいてもよい。第１および第２のサーミスタは負の温度係数を有していてもよい。
【０００９】
バイアス電流および変調電流は、第１および第２並列回路によってそれぞれ制限される。温度の上昇に伴って第１および第２サーミスタの抵抗値が低下し、それに応じて第１および第２並列回路の合成抵抗値も低下する。このため、より高い温度下ほど、バイアス電流および変調電流の上限が上昇する。高温下では半導体レーザ素子の発光効率が低下するが、それを補うようにバイアス電流および変調電流の上限が上昇するので、半導体レーザ素子の出力不足が起こりにくい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るレーザ駆動回路は、半導体レーザ素子に供給する電流の上限を温度に応じて調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
第１実施形態
図２は、第１の実施の形態に係るレーザ駆動回路１００を示す回路図である。このレーザ駆動回路１００は、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」）１０を直接変調して駆動する。ＬＤ１０のアノードには電源電圧Ｖｃｃ１が接続されており、ＬＤ１０のカソードには、ＬＤ１０にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源であるトランジスタ１１と、ＬＤ１０に変調電流Ｉｍを供給する変調電流源であるトランジスタ１２が接続されている。ＬＤ１０のカソードとトランジスタ１２のコレクタ（電流出力端子）との間には、変調器１３が挿入されている。この変調器１３は、相補的な変調信号Ｄａｔａ＋およびＤａｔａ−を受けてオンまたはオフとなり、オンの時は変調電流ＩｍをＬＤ１０に供給し、オフの時は変調電流Ｉｍを阻止する。このような変調電流Ｉｍのスイッチングにより、ＬＤ１０の光出力が変調される。
【００１３】
レーザ駆動回路１００は、ＬＤ１０の光出力の一部（背面光である場合が多い）を受けるフォトダイオード（以下、「ＰＤ」）１４と、ＰＤ１４の電流出力に基づいてＬＤ１０の光出力を安定化するオートパワーコントロール回路（以下、「ＡＰＣ回路」）１５をさらに有している。ＰＤ１４のカソードには、電源電圧Ｖｃｃ２が接続されている。ＰＤ１４の電流出力ＩｍｏｎはＬＤ１０の光出力と相関を有しており、ＡＰＣ回路１５は、この電流出力Ｉｍｏｎに基づいてトランジスタ１１および１２のベース電流を制御する。
【００１４】
ＡＰＣ回路１５は、電流電圧変換回路１６、基準電圧源１７、および光出力制御回路１８を含んでいる。電流電圧変換回路１６は、ＰＤ１４の電流出力Ｉｍｏｎを電圧信号Ｖｍｏｎに変換し、光出力制御回路１８の第１の入力端子に供給する。一方、基準電圧源１７は、基準電圧Ｖｒｅｆを光出力制御回路１８の第２の入力端子に供給する。光出力制御回路１８は、ＶｍｏｎとＶｒｅｆを比較し、両者の差に応じた制御電圧Ｖｃをトランジスタ１１および１２の各ベース（制御端子）に印加する。制御電圧Ｖｃは、ＶｍｏｎがＶｒｅｆよりも大きい場合に減少し、ＶｍｏｎがＶｒｅｆよりも小さい場合は増加する。制御電圧Ｖｃの大小に応じてトランジスタ１１、１２のベース電流が増減し、それに応じてバイアス電流Ｉｂおよび変調電流Ｉｍも増減する。なお、ＡＰＣ回路１５の出力、すなわち制御電圧Ｖｃはトランジスタ１１、１２の双方のベースに供給されているが、トランジスタの大きさ（コレクタサイズ）を適宜選択することにより、同じ制御電圧Ｖｃに対してトランジスタ１１、１２のコレクタ電流の大きさを違えることが可能である。
【００１５】
ＬＤ１０のカソードとトランジスタ１１のコレクタ（電流出力端子）との間には、電流制限抵抗２２とサーミスタ２３との並列回路である電流制限回路２１が接続されている。また、トランジスタ１２のコレクタと変調器１３との間には、電流制限抵抗２５とサーミスタ２６との並列回路である電流制限回路２４が接続されている。バイアス電流Ｉｂおよび変調電流Ｉｍの各経路上に抵抗とサーミスタの合成抵抗が挿入されているので、バイアス電流Ｉｂおよび変調電流Ｉｍの大きさが制限される。
【００１６】
本実施形態の特徴は、電流制限抵抗２２、２５にサーミスタ２３、２６が並列接続されていることである。これらのサーミスタ２３、２６は、負の温度係数を有しており、周囲温度の上昇に伴いその抵抗値が低下する。
【００１７】
以下では、抵抗とサーミスタの温度係数を比較する。抵抗の温度係数は、一般的なカーボンベースの市販品では１０００ｐｐｍ／℃以下であり、金属抵抗になると±１００ｐｐｍ／℃以下となる。どちらかと言えば、後者の種類の抵抗を使うのが一般的である。いずれにしても、抵抗は、以下に説明するサーミスタの温度係数に比較して十分に小さい温度係数を有する。
【００１８】
サーミスタの温度特性には幾つか種類がある。図３は、具体例として、負の温度係数を有する三つのサーミスタの温度特性５１〜５３を示している。たとえば、温度特性５１を有するサーミスタは、０°Ｃで約２ｋΩの抵抗値を有するが、８５°Ｃでは約２００Ωと抵抗値が１／１０に低下し、逆に−４０°Ｃでは約２０ｋΩと抵抗値が一桁大きくなる。つまり、このサーミスタの抵抗値は、−４０℃〜８５℃の温度範囲内で二桁以上もの変化を示す。
【００１９】
以下では、ＬＤ１０の動作温度範囲を−４０℃〜８５℃、ＬＤ１０の順方向電圧Ｖｆを１．６Ｖとし、−４０℃において６０ｍＡの電流ＩｆがＬＤ１０に流れた時に１０ｍＷの発光出力が得られるものとし、さらに電源電圧Ｖｃｃ１を３．３Ｖとする。ＬＤ１０に流れる電流Ｉｆは、変調器１３がオンの時にバイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍの和であり、変調器１３がオフの時はバイアス電流Ｉｂとなる。したがって、変調電流ＩｍがＬＤ１０に流れている時にＬＤ１０の光出力が最大となる。バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍをそれぞれ仮に２０ｍＡと４０ｍＡとし（これらの値は実際のＬＤに対してごく一般的なものである）、また、トランジスタ１１、１２の飽和電圧（トランジスタがオンとなった時のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ１、ＶＣＥ２の値）を０．５Ｖとすると、バイアス電流Ｉｂの経路上に（３．３−１．６−０．５）／２０ｍＡ＝６０Ω、変調電流Ｉｍの経路上に（３．３−１．６−０．５）／４０ｍＡ＝３０Ωの抵抗があれば、発効効率が最も良い低温（−４０°Ｃ）下でClass 1規格に対して適正な電流制限が施されることになる。
【００２０】
今、バイアス電流Ｉｂの経路上に配置された電流制限回路２１のうち、サーミスタ２３として室温（２５℃）で２００Ωの抵抗値を示すものを用い、電流制限抵抗２２としては６０Ωの抵抗値を示すものを用いる場合を考えると、電流制限抵抗２２とサーミスタ２３との合成抵抗（並列抵抗）の値は、図４に示す通りになる。低温（−４０℃）では、サーミスタ２３の抵抗値は室温での値２００Ωの一桁以上大きい値となるので、合成抵抗値は、実質上、６０Ωの電流制限抵抗２２のみによって決定される。室温（２５°Ｃ）では、合成抵抗値は約４６Ωとなり、さらに、高温（８５°Ｃ）になると、サーミスタ２５の抵抗値が３０Ωを僅かに下回る程度にまで低下するので、合成抵抗値は約２０Ωとなる。
【００２１】
図５は、バイアス電流Ｉｂ、変調電流Ｉｍ、およびＬＤ１０の順方向電流Ｉｆ（＝Ｉｂ＋Ｉｍ）の上限値の温度特性６１〜６３を示している。図５には、サーミスタ２３、２６を取り除いたときの電流Ｉｂ、Ｉｍ、Ｉｆの上限値の温度特性も一点鎖線６４、６５、６６で表されている。電流制限回路２１、２４は電流制限抵抗とサーミスタとの並列回路であり、一般に、電源電圧Ｖｃｃ１およびトランジスタ１１、１２の飽和電圧ＶＣＥ１、ＶＣＥ２の温度依存性は、電流制限回路２１、２４のそれに比較して十分に小さい。このため、ＬＤ１０に流れる電流Ｉｂ、ＩｍおよびＩｆの上限は、実質上、電流制限回路２１、２４の合成抵抗値の温度特性のみに依存し、図５に示す通りになる。
【００２２】
電流制限抵抗２２，２５にサーミスタ２３，２６が並列接続されていない場合、図５において一点鎖線６４〜６６で示すように、低温でのバイアス電流上限値２０ｍＡと変調電流上限値Ｉ４０ｍＡとの合計６０ｍＡが、ＬＤ１０に流れる電流の上限値として、そのまま高温まで維持される。これに対し、本実施形態では電流制限抵抗２２、２５にサーミスタ２３、２６が並列接続されているため、例えば、バイアス電流Ｉｂ用の電流制限回路２１では、その合成抵抗値が８５℃で２２Ω程度になり、バイアス電流Ｉｂの上限電流値は、（３．３−０．５−１．６）／２２Ω≒５５ｍＡ程度となる。同様に、変調電流Ｉｍの上限電流値は、８５℃で約７０ｍＡとなる。したがって、ＬＤ１０を流れる電流Ｉｆの上限値は約１２５ｍＡとなり、ＬＤ１０が図１に示される温度特性を有していても、十分な大きさの光出力Ｐｆを得ることができる。
【００２３】
このように、サーミスタ２３、２６によって電流制限回路２１、２４の合成抵抗値が温度に応じて変化するので、ＬＤ１０を流れる電流Ｉｆの上限を温度に応じて調節することができる。特に、サーミスタ２３，２６が負の温度係数を有するため、温度の上昇に伴って各電流制限回路の合成抵抗値が増加する。この結果、温度の上昇に伴うＬＤ１０の発光効率の低下を補うように電流Ｉｆの上限が増加するので、電流制限によるＬＤ１０の出力不足が起こりにくい。
【００２４】
なお、ＬＤ１０自体の有する温度特性は、光出力制御回路１８に与える基準電圧Ｖｒｅｆを温度に応じて変化させることで補償することができる。すなわち、高温下では基準電圧Ｖｒｅｆを大きくし、バイアス電流Ｉｂおよび変調電流Ｉｍを大きく設定することが好ましい。この場合でも、適切なサーミスタ２３、２６を用いて高温下での上限電流を十分に高めることにより、ＬＤ１０を流れる電流Ｉｆが電流制限回路２１、２４によって制限されることを防止できる。
【００２５】
第２実施形態
図６は、第２の実施の形態に係るレーザ駆動回路２００を示す回路図である。このレーザ駆動回路２００は、ＬＤ１０をＤＣ駆動し、そのＣＷ光出力をＬＤ１０外に配置された外部変調器２８に入力して変調する、外部変調型の駆動回路である。外部変調型への変更に伴い、変調電流Ｉｍを生成および制限するためのトランジスタ１２および電流制限回路２４が不要になる。
【００２６】
ＬＤ１０に流れる電流はバイアス電流Ｉｂのみとなる。第１実施形態におけるバイアス電流、変調電流をＩｂ（１）、Ｉｍ（１）とし、第２実施形態におけるバイアス電流をＩｂ（２）とすると、Ｉｂ（２）≒｛Ｉｂ（１）＋Ｉｍ（１）｝／２である。電流制限回路２１によるバイアス電流の制限作用は、第１実施形態と同様である。
【００２７】
第３実施形態
図７は、第３の実施の形態に係るレーザ駆動回路３００を示す回路図である。このレーザ駆動回路３００も、外部変調型の一形態である。本実施形態では、バイアス電流ＩｂがＬＤ１０のアノードに供給される。このアノードには、バイアス電流源であるトランジスタ１１のエミッタが接続されている。トランジスタ１１のコレクタは電源電圧Ｖｃｃ１に接続されており、コレクタと電源電圧Ｖｃｃ１の間には電流制限回路２１が接続されている。バイアス電流Ｉｂは、電流制限回路２１を流れた後、トランジスタ１１のコレクタおよびエミッタを順次に通過し、ＬＤ１０のアノードに流れ込む。電流制限回路２１によるバイアス電流の制限作用は、上記実施形態と同様である。
【００２８】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００２９】
第３実施形態において電流制限回路２１は、トランジスタ１１のエミッタとＬＤ１０のアノードとの間に挿入してもよい。電流制限回路２１をエミッタに接続した場合には、光出力制御回路１８の出力電圧Ｖｃが、電流制限回路２１での電圧降下分を補償する様に設定される。第２実施形態でも、電流制限回路２１をトランジスタ１１のエミッタに接続することができる。外部変調型のレーザ駆動回路では、トランジスタのコレクタまたはエミッタのいずれに電流制限回路を接続しても、その特性に大きな違いは生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】レーザダイオードの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図２】第１実施形態を示す回路図である。
【図３】負の温度係数を有する様々なサーミスタの温度特性を示すグラフである
【図４】抵抗とサーミスタの合成抵抗値の温度特性を示すグラフである。
【図５】レーザダイオードに流れる電流の上限の温度特性を示すグラフである。
【図６】第２実施形態を示す回路図である。
【図７】第３実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…レーザダイオード、１１、１２…トランジスタ、１３…変調器、１４…フォトダイオード、１５…ＡＰＣ回路、１６…電流電圧変換回路、１７…基準電圧源、１８…光出力制御回路、２１、２４…電流制限回路、２２、２５…電流制限抵抗、２３、２６…サーミスタ、１００、２００、３００…レーザ駆動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007317959.tif 000007
【図６】
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【図７】
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