專利名稱：校正電路、驅動電路、發(fā)光設備和校正電流脈沖波形的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及校正電路，其校正施加到從其頂部發(fā)射激光的表面發(fā)射半導體激光器 的電流脈沖波形，本發(fā)明還涉及都具有該校正電路的驅動電路和發(fā)光設備。另外，本發(fā)明涉 及校正施加到半導體激光器的電流脈沖波形的方法。
背景技術：
不同于過去的Fabry-Perot腔激光器的、在垂直于襯底的方向上發(fā)光的表面發(fā)射 半導體激光器可能具有在該襯底上以二維陣列排列的多個諧振器結構。因此，表面發(fā)射半 導體激光器當前在數(shù)據(jù)通信、打印機等的多種技術領域中受到關注。
表面發(fā)射半導體激光器通常包括通過將下部DBR層、下部間隔層、活性層、上部間 隔層、電流收窄(narrowing)層、上部DBR層和接觸層按此順序堆疊在襯底上而形成的臺式 (mesa)諧振器結構。在這樣的半導體激光器中，振蕩波長由諧振器結構的有效諧振器長度 確定，并且光輸出的幅度在與活性層的帶隙(band gap)對應的發(fā)射波長處最大。因此，諧 振器結構和活性層通常被配置為使得諧振器結構的有效諧振器長度等于活性層的發(fā)射波 長(參見日本專利申請公開No. 2008-306118)。發(fā)明內容
在表面發(fā)射半導體激光器中，元件溫度的改變導致在諧振器結構的有效諧振器長 度和活性層的發(fā)射波長之間的差的改變(波長失諧(detuning) Δ λ)，并且閾值電流與波 長失諧△ λ的幅度對應地變化。例如，元件溫度的改變導致如圖11所示的閾值電流的改 變。另外，如圖11所示，與小的波長失諧Δ λ (Δ λ = 15. 5nm)的情況相比較，在大的波長 失諧Δ λ (Δ λ = 18. 5nm)的情況下閾值電流在高元件溫度時最小。因此，優(yōu)選地增加波 長失諧△ λ以便降低不容易實現(xiàn)高溫度、高輸出操作的紅色或紅外表面發(fā)射半導體激光 器中的閾值電流。
但是，當波長失諧Δ λ增加時，出現(xiàn)了另一難題。例如，當在波長失諧Δ λ增加 時紅色或紅外表面發(fā)射半導體激光器被脈沖驅動時，與圖12所示的電流脈沖波形相比較， 光輸出波形變鈍。
期望提供可以降低由于波長失諧△ λ引起的光輸出波形的鈍度(dullness)的校 正電路、以及每個都具有該校正電路的驅動電路和發(fā)光設備。還期望提供校正電流脈沖波 形的方法，該方法能夠降低由于波長失諧△ λ引起的光輸出波形的鈍度。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例的校正電路包括RC時間常數(shù)電路。在該校正電路中，所述 RC時間常數(shù)電路用于校正從電流源輸出的電流脈沖的波形，以使得表面發(fā)射半導體激光 器的光輸出的脈沖波形近似為矩形，所述電流源以脈沖方式驅動所述表面發(fā)射半導體激光ο
根據(jù)本發(fā)明的一實施例的驅動電路包括以脈沖方式驅動表面發(fā)射半導體激光器 的電流源以及校正電路。根據(jù)本發(fā)明的一實施例的發(fā)光設備包括一個或多個表面發(fā)射半導體激光器、以脈沖方式驅動所述半導體激光器的電流源以及校正電路。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例的校正電流脈沖波形的方法包括步驟使用包括RC時間 常數(shù)電路的校正電路來校正從電流源輸出的電流脈沖的波形，以使得半導體激光器的光輸 出的脈沖波形近似為矩形，所述電流源以脈沖方式驅動所述表面發(fā)射半導體激光器。
在本發(fā)明的實施例的校正電路、驅動電路、發(fā)光設備和校正電流脈沖波形的方法 中，使用包括RC時間常數(shù)電路的校正電路來校正從電流源輸出的電流脈沖的波形，以使得 半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形，所述電流源以脈沖方式驅動所述表面發(fā)射 半導體激光器。以此方式，使用RC時間常數(shù)電路，由此不僅可以在脈沖上升后的逐漸傾斜 的區(qū)域中而且可以在脈沖上升期間的陡峭的曲線形區(qū)域中將電流脈沖波形定形為近似矩 形。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的校正電路、驅動電路、發(fā)光設備和校正電流脈沖波形的方 法，使用RC時間常數(shù)電路，由此不僅可以在脈沖上升后的逐漸傾斜的區(qū)域中而且可以在脈 沖上升期間的陡峭的曲線形區(qū)域中將電流脈沖波形定形為近似矩形。因此，可以降低由于 波長失諧△ λ引起的光輸出波形的鈍度。
從以下描述中，本發(fā)明的其它和另外的目標、特征和優(yōu)點將變得更完整。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的發(fā)光設備的示意圖配置的圖。
圖2是示出圖1中的激光器驅動電路的內部配置的示例的圖。
圖3Α到圖3C是示出由圖1中的激光器驅動電路產(chǎn)生的電流脈沖波形的示例的 圖。
圖4是圖1中的半導體激光器設備的I-L特性的示例的圖。
圖5Α和圖5Β是示出圖1中的半導體激光器設備的光輸出波形的例子的圖。
圖6是示出圖1中的半導體激光器設備的示意性配置的示例以及該半導體激光器 設備的熱電路的示例的圖。
圖7是用于圖示熱方程中的變量的波形圖。
圖8Α到圖8C是如下各圖，其中圖8Α示出了通過求解熱方程獲得的活性層的溫度 的時間改變，圖8Β示出了通過實際測量獲得的活性層的溫度與光輸出之間的關系，并且圖 8C示出了從圖8Α和圖8Β獲得的光輸出的時間改變。
圖9是示出光輸出的時間改變的測量值及其計算值的圖。
圖10㈧到圖10(E)是用于圖示圖2中的電流源的輸出波形和校正電路的輸出波 形的組成的波形圖。
圖11是示出波長失諧與閾值電流最小時的元件溫度之間的關系的示例的曲線 圖。
圖12㈧和圖12⑶是示出電流脈沖波形的示例和光輸出脈沖波形的示例的圖。
具體實施方式
下文中，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。按以下順序做出描述。
1.配置
2.操作
3.原理
4.優(yōu)點
配置
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的發(fā)光設備1的示意性配置的示例。如圖1所 示，例如，發(fā)光設備1包括系統(tǒng)控制電路10、激光器驅動電路20和光學系統(tǒng)30。
系統(tǒng)控制電路10控制經(jīng)由激光器驅動電路20對半導體激光器設備1的驅動。
例如，光學系統(tǒng)30包括半導體激光器件31、熱敏電阻(thermistor) 32、準直透鏡 33和物鏡34。半導體激光器件31包括一個或多個表面發(fā)射半導體激光器(未示出)。半 導體激光器件31中的表面發(fā)射半導體激光器(下文中簡稱為半導體激光器)包括例如 如圖6所示的在襯底51上的激光器結構52。激光器結構52具有包括由一對多層反射器 (reflector)(未示出)夾住的活性層53的垂直諧振器結構，且因此從該結構的頂部發(fā)射激 光。例如，活性層53包括紅色材料(GalnPjKialnP等)。在此情況下，作為活性層53的發(fā) 射波長和表面發(fā)射半導體激光器的振蕩波長之間的差的波長失諧△ λ是15nm或更大。活 性層53可以包括另一材料，例如紅外材料(GaAS、AlGaAS等)。在該情況下，波長失諧Δ λ 是13nm或更大。
熱敏電阻32感測(測量)半導體激光器的溫度。熱敏電阻的阻值依據(jù)半導體激 光器的溫度而變化。因此，可以通過讀取熱敏電阻32的阻值來感測半導體激光器的溫度。 準直透鏡33是將從半導體激光器件31發(fā)射的激光定形(shape)為平行光的光學元件。物 鏡34是收集由準直透鏡33定形為平行光的激光并同時將所收集的激光照射到未示出的照 射物體的光學元件。
激光器驅動電路20將電流注入半導體激光器中以誘導半導體激光器的發(fā)光。例 如，如圖2所示，激光器驅動電路20具有電流源21和校正電路22。
電流源21要以脈沖方式驅動半導體激光器，并且例如輸出如圖3A所示的矩形電 流脈沖(電流I。p-n_(t))。校正電路22具有RC時間常數(shù)電路22A，其用于校正從電流源21 輸出的電流脈沖的波形使得半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似是矩形。
RC時間常數(shù)電路22A包括多個第一時間常數(shù)電路(未示出)，其隨時間衰減從電 流源21輸出的電流脈沖(電流I。p_n。ne(t))的峰值(crest value) 0各第一時間常數(shù)電路 具有彼此不同的RC時間常數(shù)。具體地，各第一時間常數(shù)電路的至少一個第二時間常數(shù)電 路(未示出)具有值在20到50nSec (含兩者)的范圍內的RC時間常數(shù)。各第一時間常 數(shù)電路中不是第二時間常數(shù)電路的一個或多個第三時間常數(shù)電路(未示出)具有值大于 50nsec(通常是300到1500nsec并含300nsec和1500nsec)的RC時間常數(shù)。校正電路22 使用第一時間常數(shù)電路來校正從電流源21輸出的電流脈沖的峰值，以使得根據(jù)RC時間常 數(shù)電路的RC時間常數(shù)隨時間衰減峰值。例如，校正電路22使用第一時間常數(shù)電路以輸出 峰值隨時間衰減的電流脈沖(電流Ia (t))，如圖;3B所示。
例如，RC時間常數(shù)電路22A包括兩個第一時間常數(shù)電路，并且該兩個第一時間常 數(shù)電路之一(第二時間常數(shù)電路)具有值在20到50nSec (含20nSec和50nSec)范圍內的 RC時間常數(shù)Tai，而該兩個第一時間常數(shù)電路中的另一個(第三時間常數(shù)電路)具有值大于 50nsec(通常是300到1500nsec并含300nsec和1500nsec)的RC時間常數(shù)Ta2在此情況下，校正電路22輸出以如下數(shù)值表達式1所示的輔助(assist)電流IA(t)。
[數(shù)值表達式1] (V \
IA(t): *g(t)J
在該數(shù)值表達式中，κ是用于將輔助電流因子VaR換成電流值的常數(shù)。輔助電流 因子Va由以下數(shù)值表達式2表示。此外，數(shù)值表達式1中的g(t)由以下數(shù)值表達式3表 示，并且其定義了隨時間衰減從電流源21輸出的電流脈沖(電流I。p_n_(t))的峰值的程 度。
[數(shù)值表達式2]
VA = Voffset+Viop-Vib-V0
[數(shù)值表達式3]
g(t) = ν · exp ———+ (1 - ν) · exp ———_ a\ __ TA2 __
在數(shù)值表達式3中，ν表示對于RC時間常數(shù)Tai項的加權因子，并具有大于0. 5的 值，因為RC時間常數(shù)Tai在輔助電流IA(t)中是主要的。
數(shù)值表達式1中的輔助電流因子Va包括確定元件溫度Ttl(環(huán)境溫度)的因子％、 確定偏置電流的因子Vib以及確定工作電流的因子νωρ。即，校正電路22根據(jù)確定元件溫度 Ttl(環(huán)境溫度)的因子Vtl、確定偏置電流的因以及確定工作電流的因子Vwp來改變從 電流源21輸出的電流脈沖的峰值。
數(shù)值表達式1中的輔助電流因子Va還包括偏移電壓V。ffsrt。該偏移電壓V。ffsrt用 于將輔助電流Ia(t)的幅度的變化補償為所需的，該變化可能是由如圖4中的A和B所示的 I-L特性的變化導致的，且該I-L特性的變化是因為作為活性層53的發(fā)射波長和半導體激 光器的振蕩波長之間的差的波長失諧△ λ的變化而引起的。因此，校正電路22可以調整 偏移電壓V。ffsrt的值以根據(jù)波長失諧△ λ的幅度來改變從電流源21輸出的電流脈沖的峰 值。
數(shù)值表達式1包括常數(shù)κ。因此，校正電路22可以調整用于將輔助電流因子Va 轉換成電流值的常數(shù)κ的值以改變從電流源21輸出的電流脈沖的峰值。
在電流源21連續(xù)輸出電流脈沖的情況下，RC時間常數(shù)電路22Α還包括調整從電 流源21輸出的電流脈沖的峰值的多個第四時間常數(shù)電路(未示出)。當電流源21輸出用 于半導體激光器的發(fā)光的電流脈沖時，第四時間常數(shù)電路用于考慮半導體激光器中(活性 層53中)的剩余熱度因子來校正該波形。因此，校正電路22可以使用第四時間常數(shù)電路 來校正從電流源21輸出的電流脈沖的峰值，使得該峰值對應于活性層53的溫度的變化而 變化。
各第四時間常數(shù)電路具有彼此不同的RC時間常數(shù)。具體地，第四時間常數(shù)電路中 的至少一個第五時間常數(shù)電路(未示出)具有值在20到50nSec (含兩者)的范圍內的RC 時間常數(shù)Tthl。第四時間常數(shù)電路中不是第五時間常數(shù)電路的一個或多個第六時間常數(shù)電 路(未示出)具有值大于50nsec (通常是300到1500nsec，含300nsec和1500nsec)的RC時間常數(shù)Tth2。
例如，RC時間常數(shù)電路22A包括兩個第四時間常數(shù)電路，并且該兩個第四時間常數(shù)電路之一(第五時間常數(shù)電路)具有值在20到50nSec (含20nSec和50nSec)的范圍內 的RC時間常數(shù)Tthl，而該兩個第四時間常數(shù)電路中的另一個(第六時間常數(shù)電路)具有值 大于50nsec(通常是300到1500nsec，含300nsec和1500nsec)的RC時間常數(shù)Tth2。在此 情況下，校正電路22輸出如以下數(shù)值表達式4所示的輔助電流Ia(t)。
[數(shù)值表達式4]
Ia (t) = Imax (t) · g(t)
數(shù)值表達式4中的Imax (t)由以下數(shù)值表達式5表示，并且定義了輔助電流IA (t) 的最大值。數(shù)值表達式5中的函數(shù)f(t)由以下數(shù)值表達式6表示，并且表示與半導體激光 器中(活性層53中)的剩余熱度因子的變化對應的波形的變化。從而，校正電路22可以 準確地校正該波形，就像該電路實時監(jiān)視活性層53的溫度的變化那樣。
[數(shù)值表達式5]
Zmax (0 =K‘(1-/(0)
[數(shù)值表達式6]
開時段1 - exp關時段u · exp
TlhtTm j+r-
\n/WI/MUV +/)· exp1 - expTth2 J)Tth2 J三m
在數(shù)值表達式6中，u表示對于RC時間常數(shù)Tthl項的加權因子，并具有大于0. 5的 值，因為RC時間常數(shù)Tthl在輔助電流IA(t)中是主要的。在表達式6中，表達式左側的t表 示當通過開/關驅動操作半導體激光器時開時段或關時段的開始點。
在激光器驅動電路20中，例如，電流源21的輸出端連接到校正電路22的輸出端， 如圖2所示。因此，激光器驅動電路20輸出通過將電流源21的輸出疊加在校正電路22的 輸出上而形成的電流脈沖(I。p(t) = I。p_n_(t)+IA(t))。因此，例如，在僅電流源21的輸出 被施加到半導體激光器、并且與如圖5A所示的從電流源21輸出的電流脈沖的波形相比較 半導體激光器的光輸出的脈沖波形變鈍的情況下，通過將電流源21的輸出疊加在校正電 路22的輸出上而形成的電流脈沖被施加到半導體激光器，由此半導體激光器的光輸出的 脈沖波形可以被定形為近似矩形，例如，如圖5B所示。
操作
在具有這樣的配置的發(fā)光設備1中，電流源21輸出矩形電流脈沖(電流 I。p-n_(t))(圖10中的部分(A))。這時，校正電路22使用RC時間常數(shù)電路22A來導出定 義了隨時間衰減從電流源21輸出的電流脈沖(電流I。p_n_(t))的峰值的程度的g(t)、表示 與半導體激光器中(活性層53中)的剩余熱度因子的變化對應的波形的變化的f (t)(圖 10中的部分(B))、以及定義了輔助電流Ia(t)的最大值的Imax(t)(圖10中的部分(C))。 接下來，校正電路22在通過開/關驅動操作半導體激光器時的開時段的開始點(t2n)保持 Ifflax(t2n)的值，并且此外還以Imax(t2n)的值作為開始點根據(jù)g(t)導出衰減峰值的輔助電流Ia(t)(圖10中的部分(D))，且然后校正電路輸出該輔助電流Ia(t)。然后，激光器驅動電 路20將通過將電流源21的輸出疊加在校正電路22的輸出上而形成的電流脈沖(I。p(t)= lop-none (t)+IA (t))施加到半導體激光器3 1 (圖10中的部分(E))。因此，半導體激光器31向 外部發(fā)射例如如圖5B所示的矩形光。
原理
接下來，描述為何按此方式半導體激光器的光輸出的脈沖波形變?yōu)榻凭匦蔚脑?因。圖6示出了半導體激光器件31中的半導體激光器的熱電路。假設襯底51的溫度是Ttl， 其熱電容是Cth，其熱電阻是Rth，活性層53的溫度(活性層溫度)在任意時間t是Ta。t (t)， 由于偏置電流(<閾值電流)引起的元件溫度的升高是Tb (t)，注入的能量是P61，并且光輸 出是P。ut，則活性層溫度Ta。t(t)的熱方程由以下數(shù)值表達式7和8表示。IithCth表示熱時間 常數(shù)。
[數(shù)值表達式7]
權利要求
1.一種校正電路，包括RC時間常數(shù)電路，其中，所述RC時間常數(shù)電路用于校正從電流源輸出的電流脈沖的波形，以使得表面發(fā) 射半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形，所述電流源以脈沖方式驅動所述半導體 激光器。
2.如權利要求1所述的校正電路，其中，所述電流脈沖的波形被校正以使得根據(jù)所述RC時間常數(shù)電路的RC時間常數(shù)隨 時間衰減所述電流脈沖的峰值。
3.如權利要求2所述的校正電路，其中，所述RC時間常數(shù)電路包括隨時間衰減所述電流脈沖的峰值的多個第一時間常 數(shù)電路，所述第一時間常數(shù)電路具有彼此不同的RC時間常數(shù)，所述多個第一時間常數(shù)電路中的至少一個第二時間常數(shù)電路具有值在20nsec到 50nsec并含20nsec和50nsec的范圍內的RC時間常數(shù)，以及所述多個第一時間常數(shù)電路中不是所述第二時間常數(shù)電路的一個或多個第三時間常 數(shù)電路具有值大于50nSec的RC時間常數(shù)。
4.如權利要求3所述的校正電路，其中，所述半導體激光器具有包括被一對多層反射器夾住的活性層的垂直諧振器結 構，以及所述校正電路校正所述電流脈沖的波形，使得所述電流脈沖的峰值與所述活性層的溫 度的變化對應地變化。
5.如權利要求4所述的校正電路，其中，所述RC時間常數(shù)電路包括調整所述電流脈沖的峰值的多個第四時間常數(shù)電路，所述第四時間常數(shù)電路具有彼此不同的RC時間常數(shù)，所述多個第四時間常數(shù)電路中的至少一個第五時間常數(shù)電路具有值在20nsec到 50nsec并含20nsec和50nsec的范圍內的RC時間常數(shù)，以及所述多個第四時間常數(shù)電路中不是所述第五時間常數(shù)電路的一個或多個第六時間常 數(shù)電路具有值大于50nSec的RC時間常數(shù)。
6.如權利要求1所述的校正電路，其中，所述校正電路依據(jù)環(huán)境溫度、偏置電流或驅動電流來改變所述電流脈沖的峰值。
7.如權利要求6所述的校正電路，其中，所述半導體激光器具有包括被一對多層反射器夾住的活性層的垂直諧振器結 構，以及所述校正電路根據(jù)作為所述活性層的發(fā)射波長和所述垂直諧振器結構的振蕩波長之 間的差的波長失諧的幅度來改變所述電流脈沖的峰值。
8.如權利要求6所述的校正電路，其中，所述校正電路調整用于將電壓值轉換成電流值的轉換常數(shù)的值，以使得改變所 述電流脈沖的峰值，其中所述電壓值依據(jù)環(huán)境溫度、偏置電流或驅動電流而設置。
9.如權利要求1所述的校正電路，其中，所述活性層包括feilnP或Alfe^nP，以及作為所述活性層的發(fā)射波長和所述垂直諧振器結構的振蕩波長之間的差的波長失諧 是15nm或更大。
10.如權利要求1所述的校正電路，其中，所述活性層包括GaAs或AlGaAs，以及作為所述活性層的發(fā)射波長和所述垂直諧振器結構的振蕩波長之間的差的波長失諧 是13nm或更大。
11.一種驅動電路，包括電流源，其以脈沖方式驅動表面發(fā)射半導體激光器；以及校正電路，具有RC時間常數(shù)電路，并使用所述RC時間常數(shù)電路來校正從所述電流源輸 出的電流脈沖的波形，以使得所述半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形。
12.一種發(fā)光設備，包括一個或多個表面發(fā)射半導體激光器；電流源，以脈沖方式驅動所述表面發(fā)射半導體激光器；以及校正電路，具有RC時間常數(shù)電路，并使用所述RC時間常數(shù)電路來校正從所述電流源輸 出的電流脈沖的波形，以使得所述半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形。
13.一種校正電流脈沖波形的方法，其中，使用包括RC時間常數(shù)電路的校正電路來校正從電流源輸出的電流脈沖的波形， 以使得表面發(fā)射半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形，所述電流源以脈沖方式驅 動所述半導體激光器。
全文摘要
提供了校正電路、驅動電路、發(fā)光設備和校正電流脈沖波形的方法。該校正電路可以降低由于波長失諧引起的光輸出波形的鈍度。該校正電路包括RC時間常數(shù)電路。該RC時間常數(shù)電路用于校正從電流源輸出的電流脈沖的波形，使得表面發(fā)射半導體激光器的光輸出的脈沖波形近似為矩形，其中所述電流源以脈沖方式驅動所述半導體激光器。
文檔編號H01S5/18GK102035134SQ20101028768
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者興邊孝一, 前田修, 大尾桂久, 荒木田孝博, 谷口健博 申請人:索尼公司