半導體激光器驅動方法和光盤設備的制作方法

專利名稱：半導體激光器驅動方法和光盤設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及到半導體激光器驅動方法和光盤設備，更確切地說是涉及到一種使用由高頻調制驅動電流來驅動半導體激光器的半導體激光器驅動方法以及一種用此驅動方法來驅動用作光源的半導體激光器的光盤設備。
背景技術：
就用于光盤設備中的光學攝像器裝置的光源的半導體激光器而言，有些情況下使用由高頻(RF)電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器，亦即，為了降低所謂的光反饋噪聲而對半導體激光器進行了RF調制。在這種情況下，常規技術是根據使用半導體激光器的光學系統來優化RF調制頻率、幅度和/或波形。
根據本發明人的最新研究，在用來再生記錄密度比CD-ROM(小型盤ROM)高得多的DVD-ROM(數字化視盤ROM)的光盤設備中，盡管用作光學攝像器的光源的AlGaInP半導體激光器的RF調制很充分，在特定光輸出處仍然證實發生了可能由噪聲引起的不穩定性(jitter)的極大增加。由于這一反常的不穩定性增大會引起讀出特性變壞，故需要采取對抗措施。
這一問題出現在高記錄密度的DVD-ROM的再生過程中。但基本上推想是由光盤紋道尺寸減小以及記錄密度的逐漸提高而引起的。以例如直徑為12cm的光盤為例，當其容量約為千兆位時，問題變得很明顯。例如，與振蕩頻率為650nm的半導體激光器一起使用的直徑為12cm的光盤，其容量為4.7千兆位，而與振蕩頻率為780nm的半導體激光器一起使用的直徑為12cm的光盤，其容量為0.64千兆位(640兆位)。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種半導體激光器驅動方法，它能夠借助于在半導體激光器被RF調制時防止特定光輸出處的不穩定性反常增大而在低噪聲下使用半導體激光器，并提供一種采用此驅動方法的光盤設備。
本發明人為克服常規技術的上述問題進行了積極的研究，現總結如下。
此處更詳細地重復一下常規技術的問題。本發明人在特定的RF電平處發現了不穩定性的反常增大，亦即，在大約1.3V(相當于大約2.5mW的光輸出)處，在對用作DVD-ROM光盤設備中的光學攝像器光源的振蕩頻率為650nm的折射率波導AlGaInP半導體激光器進行350MHz的RF調制時，獲得了不穩定性對RF電平的關系(線性響應于半導體激光器的光輸出)。此現象在RF調制充足的條件下出現，而且總是出現在相同的RF電平處。因此，這不是光反饋引起的現象。此外，在不同類型的DVD半導體激光器中也發現了同樣的現象。
圖1示出了在有RF調制和沒有RF調制的二種情況下的典型的光輸出(L)對驅動電流(I)的特性。從圖1可知，沒有RF調制時，即處于直流驅動模式時，出現線性L-I特性；但有RF調制時，閾值電流Ith減小，L-I特性中出現非線性起伏。就微分量子效率的改變而言，此起伏是周期衰減性起伏。L-I特性中的這種起伏迄今尚不了解。
本發明人還發現了與L-I特性中的起伏基本同步的“成塊”似地改變的本征噪聲(量子噪聲)。亦即，雖然RF調制的半導體激光器的相對強度噪聲(RIN)對光輸出(Pout)的典型特性如圖2所示，但此處所示的RIN對Pout的特性表示與L-I特性中的起伏大致同步的本征噪聲的“成塊”似的改變。在圖2中，P1、P2、P3、...是平均光輸出，其中RIN被最大化。
然后，作為對應于RF調制的光波形的觀察結果，發現了與L-I特性中的起伏同步地出現弛豫振蕩的第一脈沖、第二脈沖和第三脈沖。各個脈沖的起始位置與L-I特性曲線中的最小值位置(底部)基本重合，且本征噪聲來自此處附近新的振蕩模式的出現。圖3示出了此現象的情況。在圖3中，D1和D2是L-I特性曲線的底部。由新的振蕩模式的出現而引起的本征噪聲主要是一種相似于出現彎折時引起的量子噪聲增大的現象，并可認為是本征噪聲成塊的根源。
如上所述，已證實半導體激光器的RF調制導致本征噪聲在特定的光輸出處出現峰值的現象，而且，在光盤設備中用作光學攝像器光源的半導體激光器的RF調制在這些峰值處引起不穩定性的增大。此現象的性質可簡述如下。
RIN對Pout的特性中本征噪聲的成塊位置(光輸出位置)決定于半導體激光器弛豫振蕩頻率(fr)與RF調制頻率(RF調制周期)之間的關系、RF調制波形、RF調制幅度等等，并具有下列性質。
1.RF調制幅度越大，本征噪聲中的“成塊”位置的改變周期就越長。
2.RF調制頻率越高(RF調制周期越短)，本征噪聲中的“成塊”位置的改變周期就越長。
3.弛豫振蕩頻率越高，本征噪聲中的“成塊”位置的改變周期就越短。
4.隨著溫度的升高，本征噪聲中的“成塊”位置的改變周期就稍許變長。
5.當反饋光增加時，則噪聲量增加且本征噪聲中的“成塊”位置的改變周期縮短。
6.當RF調制頻率增高時，低功率光輸出時的噪聲量下降。
這些性質出自下列原因。圖4A-4C示出了響應于直流偏壓電流值的改變的光響應的改變，其中直流偏壓電流值從圖4A增大到圖4B到圖4C。當直流偏壓電流值低時(圖4A，表示只有弛豫振蕩的第一峰值被輸出)，弛豫振蕩的第一峰值響應直流偏壓電流而上升。當直流偏壓電流值增大到表示圖4B所示的狀態(有效脈沖寬度Wp覆蓋弛豫振蕩第二峰值的激發)時，弛豫振蕩的第二峰值開始產生。已知半導體激光器通常在開始出現新的振蕩模式時產生本征噪聲(起源于自發輻射的量子噪聲)。此時發現的振蕩模式是一種時間意義上的亦即按時間的新的振蕩模式。但作為一種現象，被認為是在出現新的振蕩模式的意義上的一種等效的物理現象，而且導致響應于新的振蕩模式而產生本征噪聲。隨著直流偏壓電流值的進一步增大，在弛豫振蕩的第三峰值出現的位置處，出現下一個噪聲(圖4C)。隨著時間的推移，連續地重復這些過程。在圖4A-4C中，Td表示半導體激光器振蕩的延遲時間。
如上所述，雖然RF調制的半導體激光器通常呈現帶有本征噪聲中的“成塊”的RIN對Pout的特性，但重要的是將“成塊”抑制在其光輸出實際可接受的水平以下，亦即在例如RIN＜-130dB/Hz。為此，考慮到上述討論，采取了下列對策。此對策的基本情況是(A)為了降低產生的本征噪聲而延遲弛豫振蕩第二脈沖的生成(將其移向高輸出)；或(B)一開始就產生較高階的弛豫振蕩脈沖(將其移向低輸出)來抑制其在以后的產生。
若實際的光輸出低于半導體激光器的指標，則方法(A)更有效。若高于指標，則方法(B)更有效。若希望將半導體激光器用于較低和較高光輸出二種情況，則最好優先用于較低的光輸出并采用方法(A)。
為了實現(A)，可應用下列方法。為了實現(B)，可采用與下列方法相反的辦法。
(A-1)增大RF調制幅度。
(A-2)提高RF調制頻率。
(A-3)降低半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
(A-4)使用窄的矩形波作為RF調制波形。
當采用(A-1)時，要注意由于過度增大弛豫振蕩的第一脈沖而可能使可靠性降低。雖然(A-2)涉及到與(A-1)相同的問題，但可借助于將RF調制幅度設定得稍小而加以克服。如性質6所述，由于(A-2)有助于抑制整個本征噪聲，故(A-2)是方便的。
借助于提高邊緣表面反射率、增大腔長和/或降低量子阱效應，可實現(A-3)。這些方法都使半導體激光器的主要特性變壞，因此是不可取的。雖然如此，如果找不到其它方法，也值得加以考慮。(A-4)是很有效的，但涉及到與(A-1)相同的問題。然而在其邊緣表面抗擊穿性能很強的高輸出半導體激光器的情況下，也值得使用。RF調制波形不一定要嚴格的矩形，相對于半導體激光器的弛豫振蕩頻率fr是短脈沖就足夠了。
上述的描述是針對光盤設備中的讀出過程。但也可基本相同地應用于寫入過程。
根據本發明的第一方面，提供了一種使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的半導體激光器驅動方法，其特征是表示上述半導體激光器的相對強度噪聲對平均光輸出特性的曲線至少有一個峰值；以及上述半導體激光器在平均光輸出偏離上述峰值的條件下被驅動，其中上述高頻電流的調制條件被確定為使上述峰值不進入P*±0.5mW的范圍，其中P*是上述激光器的平均光輸出。
根據本發明的第二方面，提供了一種采用半導體激光器作為光源并構造成使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的光盤設備，其特征是表示上述半導體激光器的相對強度噪聲對平均光輸出特性的曲線至少有一個峰值；以及上述半導體激光器在平均光輸出偏離上述峰值的條件下被驅動，其中上述高頻電流的調制條件被確定為使上述峰值不進入P*±0.5mW的范圍，其中P*是上述半導體激光器的平均光輸出。
圖2示出了根據本發明的半導體激光器的相對強度噪聲(RIN)對平均光輸出(Pout)的例子。在圖2中，峰P2和P3是本征噪聲中的成塊。
當半導體激光器使用的平均光輸出(推薦平均光輸出)為P*時，RF電流的調制條件一般確定成使峰值不處于P*±ΔP之中(其中ΔP是平均光輸出(推薦平均光輸出)的裕度(見圖2))，更具體地說，不處于P*±0.5mW之中。以這種方式，借助于避免本征噪聲中的“成塊”，同時為激光使用效率提供可行的充分的裕度，半導體激光器可用于低噪聲。例如，作為光盤設備，充分的裕度可確保用各種不同光學攝像器進行復制，從而可大大提高制造成品率。
為了在半導體激光器所用的平均光輸出低于10mW時借助于避免本征噪聲中的“成塊”而使用低噪聲半導體激光器，高頻電流的頻率fm被確定為滿足fr≥fm≥fr/5，其中fr是半導體激光器的弛豫振蕩頻率。這相當于前述措施(A)的方法(A-2)。
為了借助于避免本征噪聲中的“成塊”而使用低噪聲半導體激光器，可采用矩形波作為驅動電流的波形，將驅動電流的脈沖寬度Wp設定為滿足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Td是半導體激光器的振蕩延遲時間。這相當于前述措施(A)的方法(A-4)。
為了在半導體激光器所用的平均光輸出高于10mW時借助于避免本征噪聲中的“成塊”而使用低噪聲半導體激光器，高頻電流的頻率fm被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fr是半導體激光器的弛豫振蕩頻率。這相當于前述措施(A)的方法(A-2)。
倘若希望將半導體激光器實際用于較低和較高光輸出二種情況，如果RF調制條件被固定滿足一個要求，則用來滿足其它要求的平均光輸出被設定為充分偏離圖2所示的各峰值。
就半導體材料、激光器結構、有源層結構等等來說，此處所用的半導體激光器基本上可以是任何一種。AlGaInP半導體激光器和AlGaAs半導體激光器是其特例。若有源層帶有量子阱結構，則在例如是否使用應變量子阱結構、應該使用多大的應變、阱層的量子阱數目和厚度應該如何確定的問題上，有各種各樣的選擇余地。
因此，本發明的另一種使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的半導體激光器驅動方法，其特征是矩形波被用作上述驅動電流的波形，且上述驅動電流的脈沖寬度被確定為滿足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脈沖寬度，而Td是上述半導體激光器的振蕩延遲時間。
本發明的又一種使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的半導體激光器驅動方法，其特征是當上述半導體激光器的平均光輸出高于10mW時，上述高頻電流的頻率被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高頻電流的頻率，而fr是上述半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
本發明的再一種采用半導體激光器作為光源，并構造成使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的光盤設備，其特征是矩形波被用作上述驅動電流的波形，且上述驅動電流的脈沖寬度被確定為滿足Td+1/fr≤Wp≤Td+2/fr，其中Wp是上述脈沖寬度，而Td是上述半導體激光器的振蕩延遲時間。
本發明的再一種采用半導體激光器作為光源，并構造成使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的光盤設備，其特征是當上述半導體激光器的平均光輸出高于10mW時，上述高頻電流的頻率被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高頻電流的頻率，而fr是上述半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
根據具有上面所總結的結構的本發明，由于表示半導體激光器相對強度噪聲對平均光輸出的特性至少包括一個峰值，且半導體激光器在確保平均光輸出偏離各峰值的條件下被驅動，故借助于避免本征噪聲中的“成塊”，可在低噪聲下使用半導體激光器。
結合附圖，從本發明的下列詳細描述中，本發明的上述和其它的目的、特點和優點將更加明顯。


圖1示意圖示出了有RF調制和沒有RF調制的半導體激光器的光輸出對驅動電流的特性；圖2示意圖示出了半導體激光器的相對強度噪聲對平均光輸出的特性；圖3示意圖解釋了半導體激光器中微分量子效率周期性起伏隨弛豫振蕩脈沖的變化和噪聲的產生；圖4A、4B和4C示意圖解釋了半導體激光器的光響應隨直流偏壓電流值的變化；圖5是半導體激光器的驅動電路圖；圖6示意圖示出了一種折射率波導AlGaInP半導體激光器；以及圖7示意圖示出了一種光盤錄制和/或再生設備。
以下參照附圖來解釋本發明的一些實施例。
具體實施例方式
首先解釋的是對應于前述措施(A)的方法(A-2)的本發明的第一實施例。
圖5示出了半導體激光器的驅動電路。在圖5中，參考號1表示半導體激光器，2表示直流偏壓電流源，3表示RF電流源。加于半導體激光器1并對其進行驅動的是用來自RF電流源3的RF電流對來自直流偏壓電流源的直流偏壓電流進行調制的驅動電流。
在第一實施例中，RF調制頻率fm設定為600MHz或更高，而RF調制幅度am按照ΔIth設定為大約5mA。半導體激光器1的弛豫振蕩頻率fr在大約5mW下保持在大約3GHz以下。為此，在不會不可接受地損害半導體激光器1的基本特性和對可靠性無不利影響的范圍內，選擇一個或更多的方法，亦即，增大半導體激光器1的邊緣表面反射、加大腔長、或在半導體激光器1帶有量子阱結構時減弱其量子阱效應。
圖6示出了半導體激光器1的一個例子，即一個帶有量子阱結構有源層的折射率波導AlGaInP半導體激光器。
根據第一實施例，將RF調制頻率fm設定為不低于600MHz，RF調制幅度am按照ΔIth設定為大約5mA，而弛豫振蕩頻率fr在大約5mW時設定為低于大約3GHz，如圖2所示，有可能避免本征噪聲中的“成塊”，并在為光輸出盡量減小噪聲的低噪聲條件下使用半導體激光器1。
因此，當根據第一實施例的驅動方法被用來驅動用作圖7所示光盤錄制和/或再生設備中的光學攝像器光源的半導體激光器時，就有可能在足夠低的實際用在讀出和/或寫入過程中的電平下的讀出和/或寫入過程中抑制不穩定性，從而獲得極好的讀出特性和寫入特性。即使在存在光反饋時，由于大的噪聲出現在本征噪聲的“成塊”附近，根據第一實施例的驅動方法也可以用來有效地抑制噪聲的產生并得到極好的讀出特性和/或寫入特性。而且，單獨一個半導體激光器被用來產生諸如用于讀出和寫入的多個光輸出，借助于采用第一實施例的驅動方法，讀出特性和寫入特性二者都可得到改善。采用振蕩頻率為650nm的折射率波導AlGaInP半導體激光器作為其光學攝像器光源的DVD-ROM再生設備，是一種示范性光盤錄制和/或再生設備。
下面解釋的是本發明的第二實施例，它在使用較高光輸出的半導體激光器1的要求下采用了前述的措施(B)。
在第二實施例中，RF調制頻率fm被設定為不高于500MHz。若fm太低，則如性質6所述，本征噪聲可能整個增加。此外，此處的實施例是針對較高光輸出的半導體激光器。因此，fm的最小值可在100MHz附近。RF調制幅度在能夠抑制光反饋噪聲的范圍內被設定為盡可能低。具體地說，雖然依賴于fm，但仍然設定為按ΔIth不大于約7mA。半導體激光器1的弛豫振蕩頻率fr在大約5mW下被設定為不低于4GHz。
與第一實施例相似，根據第二實施例，有可能避免圖2所示的本征噪聲中的“成決”，并在為光輸出盡量減小噪聲的低噪聲條件下使用半導體激光器1。
此處，當根據第二實施例的驅動方法被用來驅動用作光盤錄制和/或再生設備中的光學攝像器光源的半導體激光器時，再次獲得了極好的讀出特性和/或寫入特性。
至此，已參照附圖描述了本發明的具體最佳實施例，應該理解的是，本發明不局限于這些具體的實施例，而是可由本技術領域的熟練人員作出各種改變和修正而不超越所附權利要求所規定的本發明的范圍和構思。
例如，第一實施例已被解釋為設定RF調制頻率fm不低于600MHz，設定RF調制幅度am按ΔIth約為5mA，并限制半導體激光器1的弛豫振蕩頻率fr于5mA下在約3GHz的范圍內。但僅僅設定RF調制頻率fm為不低于600MHz以及設定RF調制幅度am為按ΔIth約5mA，也可以得到實際足夠的效果。如果即使當RF調制幅度am提高時，半導體激光器1的可靠性仍然沒有受到不利的影響，則對RF調制幅度am的限制就沒有必要。從措施(A)的效果的觀點看，RF調制幅度am越大，效果就越大。當希望在低噪聲條件下將半導體激光器1用于低光輸出和高光輸出二種情況時，這是特別有效的。
在第二實施例中，借助于采用較大脈沖寬度的矩形波作為脈沖波形，半導體激光器可用于低噪聲條件。當一種措施被用在半導體激光器1本身部分上時，例如使條寬變窄，或采用增益波導結構來沿橫向擴散注入電流以及衰減弛豫振蕩時，效果更大。
如上所述，根據本發明的半導體激光器驅動方法可防止半導體激光器被RF調制時在特定的光輸出處出現不穩定性的反常增大，半導體激光器因此可用于低噪聲條件。
根據本發明的光盤設備，由于半導體激光器可用于低噪聲條件，故獲得了極好的讀出特性和/或寫入特性。
權利要求
1.一種使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的半導體激光器驅動方法，其特征是當上述半導體激光器的平均光輸出高于10mW時，上述高頻電流的頻率被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高頻電流的頻率，fr是上述半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
2.根據權利要求1的半導體激光器驅動方法，其中所述的半導體激光器是AlGaInP半導體激光器。
3.根據權利要求2的半導體激光器驅動方法，其中所述的半導體激光器帶有量子阱有源層。
4.種采用半導體激光器作為光源，并構造成使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器的光盤設備，其特征是當上述半導體激光器的平均光輸出高于10mW時，上述高頻電流的頻率被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高頻電流的頻率，而fr是上述半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
5.根據權利要求4的光盤設備，其中所述的半導體激光器是AlGaInP半導體激光器。
6.根據權利要求5的光盤設備，其中所述的半導體激光器帶有量子阱有源層。
全文摘要
本發明涉及半導體激光器驅動方法和光盤設備，該方法使用由高頻電流調制直流電流而產生的驅動電流來驅動半導體激光器，其特征是當上述半導體激光器的平均光輸出高于10mW時，上述高頻電流的頻率被確定為滿足fr≥fm≥fr/10，其中fm是上述高頻電流的頻率，而fr是上述半導體激光器的弛豫振蕩頻率。
文檔編號G11B7/125GK1921245SQ20061009981
公開日2007年2月28日 申請日期1998年8月4日 優先權日1997年8月5日
發明者平田照二, 阿河圭吾 申請人:索尼株式會社