JPH0997938A

JPH0997938A - 半導体レーザの駆動方法

Info

Publication number: JPH0997938A
Application number: JP27368895A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hotta; 等堀田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1997-04-08
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: JP2783218B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光導波路の幅を狭くすることなく高出力まで
基本横モードを保持できるようにする。【構成】直流電流駆動の場合、閾値電流Ｉth以上キン
ク電流（キンクが現れ始める電流）Ｉｋ以下で基本横モ
ードで発振する半導体レーザに対し、ピーク値がキンク
電流Ｉｋを超え、その超えている時間（即ちパルス幅）
がホールバーニングにより横モードが変化するに要する
時間以内のパルス電流を供給する。これにより、高出力
までキンクが現れないようにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザにお
ける高出力での横モードを安定化させる半導体レーザの
駆動方式に関し、特に書き込み可能型光ディスクの光源
として用いられる半導体レーザ等に対して有用な駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザを光源として用いた
光ディスクが高密度情報記録媒体として注目されてい
る。光ディスクには読み出し専用型と書き込み可能型と
がある。書き込み可能型の光ディスクの記録方式として
は結晶相変化を用いる方式や磁気相転移を用いる方式が
あるが、いずれの方式にせよレーザ光のエネルギーを書
き込み時の熱源として用いるため、半導体レーザには高
出力動作が要求される。また、記録密度を高めるにはレ
ーザ光が一点に小さく絞りうること、および小さく絞ら
れたレーザスポットが書き込み中に位置ズレを起こさな
いことが必要であるため、半導体レーザには単一基本横
モードで高出力まで発振することが要求される。

【０００３】光ディスク用の半導体レーザの駆動方式は
消去、書き込み、読み出しでそれぞれ異なる。消去時は
一定の直流電流による高出力動作が用いられる。書き込
みの場合には消去時以上の高出力をピーク値とする１０
ｎｓオーダのパルス幅のパルス列に、信号に相当する変
調を加える場合が多い。直流電流ではなくパルス列を用
いる理由は、直流電流に信号の変調を加えた場合、長い
信号のとき光ディスク上の温度が信号の初期に比べ終わ
りの方で上昇するため、光ディスク上の記録が初期には
細く、終わりの方では太くなり、読み取りを誤る可能性
が高くなるからである。ただし、書き込みのためのパワ
ーが必要なため、少しでもパルス幅を長くしようとする
傾向にあり、パルス幅１０ｎｓ以下のパルス列を用いる
ことはなかった。

【０００４】読み出し時は光出力は数ｍＷ程度でよいが
戻り光雑音が小さいことが必要となる。読み出し専用型
に限ればレーザ光の利用効率を意図的に低下させること
により戻り光量をある程度まで低減させられ雑音を許容
内に抑えられる場合もあるが、一般的には戻り光雑音を
抑止するために半導体レーザの可干渉性を低減させ戻り
光とレーザ内部の光の結合しにくいようにする方法が用
いられる。具体的には外部から１００ＭＨｚオーダの高
周波重量をかける方法と（例えば特開昭５９−２０８８
８３号公報）、半導体レーザそのものの構造に工夫を凝
らし、直流電流で半導体レーザを駆動する方法とがあ
る。後者は、半導体レーザを利得導波型、または屈折率
差を弱めた屈折率導波型とすることにより、縦モードを
多モード化させたり、自励発振させたりして可干渉性を
低減させる方法である。

【０００５】しかしこのような半導体レーザの構造では
横モードが不安定になりやすく高出力動作を必要とする
書き込み可能型光ディスクには用いることができなかっ
た。この欠点を解消するために光導波路を二つの領域に
分けそれぞれ電流を制御して、低出力動作時には一方を
可飽和吸収体となるよう低電流値に設定し自励発振を生
じさせ、高出力動作時には可飽和吸収体にならないよう
に高電流値に設定する方法が提案されている（特開昭６
２−１２８５８４号公報）。

【０００６】以上、消去、書き込み、読み出しそれぞれ
の場合の半導体レーザの従来の駆動方式について説明し
たが、光ディスク用半導体レーザに望まれる単一横モー
ドで高出力まで発振することを実現するために半導体レ
ーザの駆動方法を工夫した例はこれまでにはなかった。

【０００７】これまで単一横モードで高出力まで発振さ
せるためには、いわゆる屈折率導波型の光導波路が採用
されている。光導波路の幅を１０μｍ以上と広くしたと
き遠視野像が単峰性となる場合もあるが（特開平５−１
９０９７７号公報）、一般的には多モード発振となりや
すく、レーザ光を一点に小さく絞ることができず、光デ
ィスク用光源として用いることはできない。高出力まで
基本横モードを保たせるためには光導波路の幅を狭くす
ることが有効である。

【０００８】例えば、高出力ＡｌＧａＩｎＰ可視光半導
体レーザの場合には、図２に示すように、ＧａＩｎＰ／
ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸構造活性層１３がｎ型Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層１２とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッ
ド層１４で挟まれ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド１４は
メサストライプ状に加工されそのメサストライプ脇をｎ
型ＧａＡｓ電流狭窄層１６で埋め込まれた構造が用いら
れている。これは、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１６での光
吸収による屈折率導波構造である。この構造において、
メサストライプの幅、すなわち、光導波路の幅を狭くす
ることにより、横モードの安定化を図っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基本横
モードを高出力まで保持させるために光導波路の幅を狭
くすると、同じ光出力を得るのに必要な端面光密度は上
昇し、端面が光により破壊されやすくなるという欠点が
あった。この端面劣化は活性層の光閉じ込め率を小さく
することにより防ぐことができるが、そのためには活性
層を薄くする必要が生じ、活性層中のキャリア密度が高
くなり、発振閾値の上昇や温度特性の低下を招く欠点が
あった。

【００１０】また、上述した高出力ＡｌＧａＩｎＰ可視
光半導体レーザのように横モード制御に光の吸収を用い
ている場合には、光導波路の幅を狭くすると導波路損失
が増え、発振しきい値の増大や外部微分量子効率の低下
につながり、その結果、駆動電流が上昇し半導体レーザ
の劣化が進みやすくなるという欠点もあった。よって、
本発明の目的は、光導波路の幅を狭くすることなく高出
力で基本横モードを保持する半導体レーザの駆動方式を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体レーザの駆動方法は、第１の直流電
流以上第２の直流電流以下の電流を注入したときに基本
横モードで発振し、前記第２の直流電流を超えると横モ
ードが前記基本横モードから変化する半導体レーザに対
し、前記第２の直流電流を超える電流を横モードが変化
するに要する時間以内の持続時間で例えば該持続時間よ
り長い低電流注入時間をおいて繰り返し注入することを
特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明の実施の形態を説明するた
めの注入電流と光出力との関係を示す特性図である。い
ま、図２に示す半導体レーザに直流電流を注入し、電流
値を上げていくと、一定電流（閾値電流Ｉth）を超える
と基本横モードでの発振が開始する。さらに、電流を上
げていき一定電流（キンク電流Ｉｋ）を超えると横モー
ドの変化が始まり注入電流に対する光出力の直線性が劣
化しいわゆるキンクが現れる。そのため、書き込みに必
要な光出力Ｐｗを得ることができない。この状況は、パ
ルス電流列による駆動の場合でも、パルス幅が一定以上
（例えば５ｎｓ以上）であれば同様である。

【００１３】而して、後述するように、注入電流がキン
ク電流Ｉｋを超えても直ちに横モードに変化が起こるの
ではなく一定の時間遅れがある。そこで、本発明におい
ては、キンク電流Ｉｋを超えている時間をキンク電流Ｉ
ｋを超えた後に横モードが基本横モードから変化するま
での時間（３ｎｍ以下）に限定してパルス電流駆動など
を行う。例えば、パルス幅が１ｎｍ、パルス周期が４ｎ
ｍのパルス列を用いて駆動する場合、図１に示すよう
に、ピーク電流値がキンク電流を超えても横モードの変
化は起こらず、書き込み電流Ｉｗにより書き込みに必要
な書き込み光出力Ｐｗを得ることができる。

【００１４】次に、上記の駆動方法により、キンクの発
生を防止できる根拠について説明する。まず、横モード
の不安定性が活性層中のキャリアのホールバーニングに
起因していることを説明する（米津宏雄著、光通信素
子工学−発光・受光素子−工学図書株式会社、４．２節
２０９〜２４３ページ参照）。電流狭窄された構造にお
いては電流を注入して発振し始めたときには横方向に関
して中央ほど多く電流が注入されキャリア密度が高くな
っている。

【００１５】さらに電流が注入され光出力が強くなると
中央部の光強度が強くなるため誘導放出によりキャリア
が消費され、キャリア密度の横方向に対してホールバー
ニングが生じた分布となる。このホールバーニングを緩
和しようとして電流は中央部にさらに集中する。しかし
ながらさらに電流を流し光強度を強くすると電流注入量
が抵抗などにより制限されるため、ホールバーニングを
緩和するとができなくなる。このようにホールバーニン
グが強くなった状態では横方向に僅かな非対称性がある
だけでキャリアが横方向に移動し分布も非対称になって
しまう。

【００１６】そうなると光の分布も横に移動することに
なり横モードが変化する。また、光の分布が横方向に移
動すると利得が減少するため、注入電流−光出力特性に
キンクが生じる。以上横モードがキャリアのホールバー
ニングに起因して変化することを述べてきたが、このメ
カニズムから横モードが変わるにはキャリアの横方向へ
の拡散時間が必要であることが分かる。その拡散時間
（１ｎｓ程度）より短い時間内では、キャリアのホール
バーニングが生じても基本横モードは維持されている。
本発明の方式を用いればレーザ発光が強制的にキャリア
の横方向の拡散時間（１ｎｓ程度）以内に抑えられるた
め、横モードが変化することはなくなる。すなわち高出
力まで単一基本モードでの発振を維持することができ
る。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。［第１の実施例］図３は、本発明の第１の実施例の駆動
方法を説明するためのブロック図であり、図４（ａ）は
半導体レーザをパルス列で駆動する場合の半導体レーザ
への注入電流の時間変化を示す図で、図４（ｂ）はその
ときのパルス幅に対するピーク光出力を示す図である。
図３に示すように、第１の実施例では、半導体レーザ１
には、高周波と直流電流とを混合するためのバイアス用
Ｔ回路２の混合信号出力側が接続され、そのＴ回路２の
高周波入力側には高周波増幅器３を通してパルス発生器
４が接続され、Ｔ回路２の直流電流入力側にはバイアス
用直流電流電源５が接続されている。このように構成す
ることにより、直流電流電源５から供給するバイアス電
流と、パルス発生器４で発生させ高周波増幅３で増幅し
たパルスとを混合して半導体レーザ１に流すことがで
き、図４（ａ）に示すような時間変化をする電流を半導
体レーザ１に流すことができる。直流電流電源５から
は、閾値電流Ｉthに相当する電流が供給される。

【００１８】パルス発生器４は、高周波増幅器３、Ｔ回
路２を介して半導体レーザ１を駆動するとき、パルスピ
ーク値が半導体レーザの直流電流駆動時での横モードが
不安定となる電流値（Ｉｋ）を超え、パルス幅が半導体
レーザの横モードが変化するまでの時間より短いパルス
を発生する。高周波増幅器３およびパルス発生器４は立
ち上がり、立ち下がり時間ともに０．１ｎｓ以下のもの
を用いた。半導体レーザ１としては図２に示すＡｌＧａ
ＩｎＰ系可視光半導体レーザを用いた。図２に示すよう
に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰク
ラッド層１２、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井
戸構造活性層１３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４
が積層されている。さらにｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層１４とｐ側電極２１との間にはｐ型ＧａＩｎＰ層１５
およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７が抵抗低減のため
に設けられている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４
はメサストライプ構造に形成され、そのメサストライプ
脇はｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１６で埋め込まれ、光吸収
を用いた光導波路が形成されている。

【００１９】光導波路から１５μｍ離れたところに活性
層１３を切るように溝１８が掘られており、その上はｐ
側電極２１の形成領域を除いてシリコン酸化膜１９によ
り被覆されている。この構造により電流狭窄層１６の周
囲のｐ−ｎ接合で生じる浮遊容量が低減され、数ＧＨｚ
の高周波での半導体レーザの駆動が可能となっている。
ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にはｎ側電極２０が形成さ
れている。

【００２０】本実施例で用いた半導体レーザ１は、図１
に示すように、直流電流駆動の電流−光出力特性におい
て５０ｍＷでキンクがみられ横モードが変化した。また
図４（ａ）に示すようなパルスパターンでパルス幅１０
ｎｓ、パルス周期４０ｎｓのパルス駆動の場合にも、電
流−光出力特性において５０ｍＷでキンクがみられ横モ
ードが変化した。一方、パルス幅１ｎｓ、パルス周期４
ｎｓの場合には、電流−光出力特性において７０ｍＷま
でではキンクがみられず横モードが変化しなかった。

【００２１】図４（ｂ）は、パルスピーク電流値一定、
パルス幅とパルス周期の比一定の条件の下でパルス幅を
変えたときのパルス幅とピーク光出力の関係をプロット
した図である。ピーク光出力は測定した平均光出力値か
ら時間重み付けを行って求めた。パルス幅１ｎｓ以下で
は光出力は横モードが変化しなかった場合と同じく高く
一定であったのに対し、パルス幅３ｎｓ以上で光出力の
低下がみられた。これは従来の駆動方式であるパルス幅
３ｎｓ以上で横モードが変化し利得が減少したことを示
す。このように従来の駆動方式では高出力で横モードが
不安定になる半導体レーザの場合でも、本発明の駆動方
式を用いることにより高出力まで安定な基本横モードが
得られる。

【００２２】［第２の実施例］図５は、本発明の第２の
実施例の駆動方法を説明するためのブロック図であり、
図６（ａ）は半導体レーザへの注入電流の時間変化を示
す図で、図６（ｂ）はそのときの注入電流がキンク電流
Ｉｋを連続して超えている時間ｔ_exと時間平均光出力と
の関係を示す図である。本実施例での駆動回路の構成
は、図５に示すように、パルス発生回路４の代わりに高
周波発生回路６を用いている点を除いて図３に示した第
１の実施例での回路構成と同様である。

【００２３】高周波発生器６は、高周波増幅器３、Ｔ回
路２を介して半導体レーザ１を駆動するとき、ピーク電
流が半導体レーザ１の直流電流駆動時の横モードが不安
定となる電流値（Ｉｋ）を超え、その超えている時間が
半導体レーザ１の横モードが変化するのに要する時間よ
り短い振動電流を発生する回路である。この駆動回路に
より、図６（ａ）に示す注入電流にて図２に示すＡｌＧ
ａＩｎＰ系可視光半導体レーザを駆動した。図６（ａ）
に示すように、注入電流は直流電流に高周波電流を重畳
したものであり、そのピーク値はキンク電流Ｉｋを超え
ており、そのキンク電流を超過時間ｔ_exにわたって連続
して超えている。また、注入電流の最低値は閾値電流Ｉ
thになされている。

【００２４】この回路で振動電流の周波数を変えて電流
−光出力特性を測定した。図６（ｂ）は、そのときの時
間平均光出力をプロットしたものである。横軸は振動電
流のうち直流電流駆動時のキンク電流値Ｉｋを連続的に
超えている超過時間ｔ_exであって、これは周波数から換
算したものである。超過時間ｔ_exが１ｎｓ以下では光出
力は一定であったのに対し、３ｎｓ以上では光出力は低
下した。この低下は横モードが変化し利得が減少したこ
とによる。このように第１の実施例同様に第２の実施例
の駆動方式を用いることにより高出力まで安定な基本横
モードが得られた。

【００２５】なお、以上実施例においてはＡｌＧａＩｎ
Ｐ系可視光半導体レーザの場合について説明したが、本
発明は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＰＡｓ系、ＧａＳｂ
系、ＧａＮ系、II−VI系半導体など他の材料を用いた半
導体レーザにも適用がが可能なものである。また、本発
明は光ディスク用半導体レーザに対して有利に適用され
るが、この用途に限定されるものではない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体レーザの駆動方法は、半導体レーザの直流電流注入時
のキンク電流レベルを超える連続時間が横モードが変化
する時間以下の振動電流あるいはパルス電流によって駆
動するものであるので、光導波路の幅が広い半導体レー
ザでも基本横モードにおいて高出力まで駆動することが
可能になる。したがって、本発明によれば、活性層を薄
くすることなく光出力による端面破壊に対する耐力を向
上させることができ、また外部微分量子効率の上昇によ
る駆動電流の低減を図ることができ、半導体レーザの長
寿命化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザへの注入電流と光出力との関係を
示す特性図。

【図２】本発明の実施例および従来例を説明するための
半導体レーザの斜視図。

【図３】本発明の第１の実施例を説明するためのブロッ
ク図。

【図４】本発明の第１の実施例を説明するための注入電
流波形図と、注入電流のパルス幅とピーク光出力との関
係を示す特性図。

【図５】本発明の第２の実施例を説明するためのブロッ
ク図。

【図６】本発明の第２の実施例を説明するための注入電
流波形図と、注入電流と平均光出力との関係を示す特性
図。

【符号の説明】

１半導体レーザ２Ｔ回路３高周波増幅器４パルス発生器５バイアス用直流電流電源６高周波発生器１１ｎ型ＧａＡｓ基板１２ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸構造活
性層１４ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５ｐ型ＧａＩｎＰ層１６ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１７ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８溝１９シリコン酸化膜２０ｎ側電極２１ｐ側電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の直流電流以上第２の直流電流以下
の電流を注入したときに基本横モードで発振し、前記第
２の直流電流を超えると横モードが前記基本横モードか
ら変化する半導体レーザに対し、前記第２の直流電流を
超える電流を横モードが変化するに要する時間以内の持
続時間で低電流注入時間をおいて繰り返し注入すること
を特徴とする半導体レーザの駆動方法。
【請求項２】直流電流電源による注入電流に、パルス
発生器または高周波発生器に由来する電流を重畳して注
入することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの
駆動方法。
【請求項３】最低注入電流が前記第１の直流電流であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの駆動
方法。
【請求項４】前記持続時間が３ｎｍ以下であることを
特徴とする請求項１記載の半導体レーザの駆動方法。