CN1745415A - 光学读取装置和数据读取方法 - Google Patents

Abstract

这种装置具有用于读取存储于光学载体(1)中的数据的光头(15－图1)，该装置包括：由用于照射所述载体的第一激光器(50)或主激光器构成的光源，和用于将来自所述载体的反射光引导到设置有非线性光学元件(80)的检测分支(65)的光学配件(58)。在由通常的检测器(75)检测之前，所述非线性光学元件(80)通过其非线性特性可改进信噪比。本发明可用于DVD播放器和/或刻录机。

Description

光学读取装置和数据读取方法

本发明涉及一种装置或驱动器，具有用于读取存储于光学载体中的数据的光头，该装置或驱动器包括：

--用于照射所述载体的光源，

--用于将从所述载体反射的光引导到检测分支的光学配件。

这种装置具有许多应用，特别用于由光盘构成的数据载体。通常，存储于光盘中的数据的输出信号质量差，需要通过处理来改进其可读性。

本发明提出了上述的装置，在该装置中采用多种手段来改进输出信号的输出质量。

根据本发明，所述装置具有用于读取存储于光学载体中的数据的光头，包括：

--用于照射所述载体的光源或主光源，

--用于将来自所述载体的反射光引导到检测分支的光学配件，在该检测分支中设置有非线性光学元件，选择所述非线性元件的类型以改进所述检测信息的信噪比。

本发明还提出了一种读取光学数据载体的方法，包括步骤：

--将来自主光源的光在数据载体上反射后射入到副激光器中，

--提供检测设备以检测来自数据载体的光，通过使用非线性光学元件来提供对所检测信息信噪比的改进。

本发明的思路是使用光学的方法来获得更好的信号。本发明所提到的所述非线性光学设备已在专利文件GB2118765和US4,748,630中公开了。但本发明所提供的检测不需要使用电路就可以改进信噪比。

通过非限制性的实施例，参照下面所描述的实施方案，将阐明本发明的所述和其它方面并使其明了。

图1示出了依据本发明的装置。

图2示出了所述依据本发明的装置中所包括的光头。

图3是说明本发明工作原理的曲线。

图4示出了依照本发明第二实施方案的光头。

图5示出了所述第二实施方案的响应函数。

图6示出了依照本发明的第三实施方案的光头。

图7示出了用于解释本发明的图表。

图8示出了将能量射入副激光器的方法。

图9示出了第三实施方案的调制波形。

图1示出了一种装置，数据载体1尤其是光盘放置于其中。该数据载体以横截面示出。透镜12将光束14聚焦在由马达3驱动做圆周运动的所述载体上。光源安装在光头15(OPU)上，该光头位于副激光器的边缘16。借助马达17所述副激光器边缘能够大位移移动。所述位移沿着由箭头28表示的方向进行。将单元16输出处的信号OPT施加到信号分配器27上，其提供多个信号给显示单元30以便可以显示该盘的内容以及和该装置使用相关的一些其它信息。

图2示出了依据本发明实现的光头16。该光头包括一个光源，在该实施方案中由二极管激光器50构成，该二极管激光器50提供线性偏振光，该偏振光的方向由通常的标记51来表示。来自二极管激光器50的光束由准直透镜55准直并透射过偏振立方光束分离器58。光束穿过1/4波片(λ/4片)60后，由物镜62聚焦在光盘1的信息层上。被该盘反射的光具有以标记63表示的偏振态的通过该(λ/4-片)60传输并由光束分离器58反射向检测分支65。在检测分支65中，被该盘反射的光由准直透镜78聚焦在检测器75上。

依照本发明的一方面，在检测分支中配置非线性光学元件80。该非线性光学元件可以由典型的响应曲线来限定，并给出作为输入功率函数的该元件的输出功率。图3中示出了一个实施例。适合本发明的其它非线性曲线的实施例将在下面公开。

在所述图3中，示出了作为输入强度Pin函数的典型的输出强度Pout。所述曲线示出了本发明方法所需的非线性的类型。在该附图中，能够观察到滞后的现象。然而，滞后并不总是必要条件。

图4中所示的第一实施方案提供了光的放大。该非线性光学元件80包括第二激光二极管100，与射入到所述激光二极管100中的光量相比其具有高输出功率。激光器50被视作主激光器，而所述激光器100被视作副激光器。所述副激光器100接收来自盘1经过偏振光束分离器110的光。所述光由透镜115聚焦在激光器100上，聚焦方式经过计算从而干扰其工作。该激光器100的光经透镜78被引导到检测器75上。所述第二实施方案是以激光器100的光偏振的变化为基础，该变化是接收到的来自主激光器50的光的函数。副激光器100的偏振方向(标记116)垂直于射入到副激光器100的光的偏振方向(标记117)。然而，如果反射光的量超过了一定的阈值，则该副激光器100的偏振方向被改变并且与所射入光的偏振方向对准。因此，对于低值的射入光，由副激光器100发出的光透射过偏振光束分离器110。如果射入光的量超过了该阈值，则该副激光器100的偏振改变并由PBS58反射。由此，该元件80的输出是“高”或是“低”，分别取决于所射入光量是高于还是低于阈值THL。

图5给出了图4所示的元件80的输出特性。虚线曲线是由副激光器100提供的输出功率Pout，而Pin是光盘反射后激光器接收的来自主激光器的输入功率。由此能够看出来输出功率是“高”还是“低”。在图5中，这些输出功率的值分别用HI和LO作参考标记。当该输入值高于该阈值THL或低于该阈值时，该值分别为HI或LO。输入功率或射入功率是1mW的数量级，且“高”与“低”之间的切换时间是几百个微微秒。

另一种方法是利用激光器100的阈值条件。对于从该盘反射的少量光，该副激光器在激光阈值以下工作并发射可忽略的光量。随着所反射光的量增加，该副激光器强制在该阈值以上工作，结果输出功率大幅增加。当电流低于阈值时所发射光功率非常低。HI值与LO值之间的输出功率比由发生自发射的模的总数来确定。所述比例的典型值是106-107。所述实施方案在图6中示出。该图中相同的实体被标以与前图相同的参考标记。不具有从盘反射的射入光的副激光器恰好保持低于阈值。空转副激光器的波长是λ2。图1中由主激光器发射(且由此在从盘反射后射入到副激光器中)的光具有λ1的波长。这样可以区别两种情况：

-(a)射入到副激光器中的光波长λ1非常接近(空转)副激光器的波长λ2，即 $\mathrm{\λ}1\≅\mathrm{\λ}2,$ 和

-(b)射入到副激光器中的光波长远小于副激光器的发射波长，

即λ1＜＜λ2。

为了了解该差别，认为高于阈值操作的半导体激光器的增益G和吸收ABS是能量EN的函数，参见图7。该函数关系的特征在于正增益区域的最大值决定激光波长的位置(图7中示出的E_tr)。假设该副激光器在红外光谱附近工作具有E_tr＝1.57eV(-790nm)。该副激光器增益区域的宽度大约为25meV，其对应于大约15nm的波长。

对于 $\mathrm{\λ}1\≅\mathrm{\λ}2$ 的情况，射入波长λ1在副激光器正增益区域的范围内。这里主激光器和副激光器的类型相同，具有几乎相同的发射波长。假设副激光器，在空转模下，正好低于阈值操作，则在所述情况下，光的射入对应于激光腔光损耗的减小。射入光的结果是强制激光器在所射入的波长处超过阈值。如果λ1＜＜λ2，则吸收射入到副激光器的光并将其转换为电子空穴对。额外产生的电子空穴对的作用与增加射入电流水平的作用相似。因此，以这种方式，能够强制激光器高于阈值工作。

而另一种实施方式是利用横模切换，其由从信息载体反射的射入光来诱发。没有(或者仅仅具有少量的)射入光的情况下，该副激光器在空转横模下工作，参照图8A。通过射入，另一种横模具有比空转模下更低的损耗，因此这也就是新的激光模，参见图8B。由于模竞争的非线性方面的原因，将会导致模的切换。可以将检测器放置在一种模的波节处，该波节是另一种模的波腹(图8A和8B，由此该检测器应该设置在光轴上)。VCSEL型(垂直腔表面发射激光器)和边缘发射器型激光器可以使用横模切换。

除了使用边缘发射器半导体激光器以外，还可以在检测分支中使用VCSEL。在这种情况下，图2所示的主激光器是传统的边缘发射激光器，而图4和图6示出的副激光器是VCSBL。由于由VCSEL发射的光的偏振方向能够通过改变偏流来改变，因此VCSEL非常适合基于偏振切换的非线性元件80。VCSBL的镜面反射比边缘发射器的相应反射高的多。如果所射入光的波长接近VCSEL的发射波长时，会使得难以将光射入到VCSEL中。因此，当在非线性元件80中使用VCSEL时，保持VCSEL的波长比所射入的光的波长更长是有利的。

在实际情况下，副激光器在电流调制下产生脉冲。在正好低于阈值时，该副激光器对来自主激光器的射入是非常敏感的。

对于非线性光学元件表现出滞后的情况来说，图5中示出的响应函数由图9中示出的响应函数所替代。假设来自盘的反射光具有如图9上面的曲线所示的时间关系。不论何时，只要射入值超过PTE-TM，该副激光器就将其状态从TE变化为TM：图9下面的曲线。当反射光的水平低于PTM-TE时，该副激光器的状态回到TE。该反射光实际上并不需要具有狭窄的脉冲特性，如图9上面曲线所示的。应该满足的条件是所射入光的量要超过PTE-TM或者低于PTM-TE。

如果所选择的偏置水平接近阈值那么副激光器在TM状态具有激光器作用，但是当其处于TE状态时并不发射激光。集成监测光电二极管(MPD)可以用于比特检测。MPD具有大的带宽(几个GHz)且非常适合检测该激光器是否在发射激光。

优点

典型的光盘驱动器中盘上的光学读取功率大约为0.5mW。增加该读取功率超过上述值会消除记录在RW媒质上的信息。对于+RW盘实际的反射系数是0.15(未写的)和0(已写的)，给定的平均反射系数是0.075。也就是说检测器中所诱发的典型电流(假设转换增益是0.2A/W)是：

             i＝0.5mW×0.075×0.2A/W≈8μA

该检测器噪声对于整个噪声的影响由下式给出：

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{1}{\⟨i\⟩}\sqrt{2k_B\mathrm{Tf\ωC}}$

其中<i>是检测器上的平均电流，ωC是该检测器的电容电阻，k_BT是相当于温度T的能量，且f是检测器的频率带宽。对于高速应用，必须增加检测器的频率带宽，其意味着来自检测器噪声的影响相应增加。

在BLU-RAY(BD)播放器中，主要的噪声源是激光器噪声(RIN)和检测器噪声(如由表达式△V/V给出)。

RIN随着频率f的增长线性增长。然而，RIN应该可以与检测器噪声功率相比较，(△V/V)²，其随着f²的增长而增长。对于1X BD，该RIN是主要的噪声项。在高速下，该检测器噪声成为主要的噪声项。

如上面所提及的，检测分支中所设置的非线性光学元件包括其自己的激光器(边缘发射器或VCSEL)。假设，当NOE的输出高时，所发射的光功率为～0.5mW。

所述光照射到该检测器上并诱发电流：

                  i＝0.5mW×0.2A/W≈100μA

与没有非线性光学元件(NOE)的情况相比，该电流增益为100/8-12.5，对应于22dB。对于这种情况，NOE的引入减少了检测器的噪声影响22dB。这样也就增加了频率的带宽。

由此，以BD播放器中的检测器为实施例，所介绍的思路提供了一种减小检测器噪声(对于高速应用来说检测器噪声是主导的噪声)影响的可能性。

使用非线性光学元件读取的另一个优点是对媒质噪声的敏感度降低。如上面所描述的，当从盘反射的光与阈值交叉时，可检测到比特。也就是说只要盘材料的固有反射率的改变不是很大以致于与阈值交叉，则该盘材料的固有反射率的改变就并不起重要的作用。

此外，由于比特的检测已减小到对于在两种状态(HI和LOW)之间转换的检测，这就意味着在当前的盘驱动器中实现的限幅器是多余的。限幅器的作用是检测DC电平，在所检测的DC电平附近调制从盘反射的光(所述DC电平不必须是常量而可以是变量)。然而，参见图5，该DC电平对于非线性光学元件是常量。

动态范围，即，标记与空白区之间的反射率之差取决于盘的类型，例如，+RW盘具有与ROM盘不同的动态范围。再者，由于将信息的检测减小到阈值转换，使用非线性光学元件读取大大增长了兼容稳定性。

与低功率的二极管激光器相比，在405nm附近工作的高功率二极管激光器公知是有噪声的。因而，射入来自低功率二极管激光器的低噪光，非常有望减小激光器的噪声。

引用一些参考以说明本发明。

[1]A.Sapia，P.Spano，和B.Daino，“Polarization switchingin semiconductor lasers driven via injection from an externalradiation”，

Appl.Phys.Lett.50，57-59，1987.

[2]Y.Mori，J，Shibata，和T.Kajiwara，“High switching-speed optical RS flip-flop constructed of a TM-wave injectedsemiconductor laser”，Int.Electron Devices Meeting TechnicalDigest，610-613，Los Angeles，1986.

[3]Z.G.Pan等，“Optical injection induced polarizationbistability in verticalcavity surface emitting lasers”，

Appl.Phys.Lett.63，2999-3001，1993.

[4]G.Knowles，S.J.Sweeney，T.E.Sale，和A.R.Adams，

“Self-heating effects in red(665nm)VCSELs”，

IEEE Proc.Optoelectron.5/6，256-260，2001.

Claims (9)

1.一种具有用于读取存储于光学载体中的数据的光头的装置，包括：

--用于照射所述载体的光源或主光源，

--用于将从所述载体反射的光引导到检测分支的光学配件，在该检测分支中设置有非线性光学元件，选择所述非线性元件的类型以改进所检测信息的信噪比。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述主光源是激光器。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述非线性光学元件由第二激光器或副激光器构成，在该元件中射入反射光以便发射光到光检测器从而提供所述检测信息，所述发射光的量与反射光的量成非线性的单调关系。

4.如权利要求1或2或3所述的装置，其中所述非线性元件的第二光束具有不同于所述第一光束的波长。

5.如前述任一项权利要求所述的装置，其中与第一激光器相比，第二激光器是高功率的激光器。

6.如前述任一项权利要求所述的装置，其中该第二激光器依照射入到其中的光的偏振来改变其偏振。

7.如前述任一项权利要求所述的装置，其中该第二激光器根据从光源所射入的光量来改变其横模。

8.一种读取光学数据载体的方法，包括步骤：

--使来自主光源的光在数据载体上反射后射入到副激光器中，

--提供检测设备以检测来自数据载体的光，通过使用非线性光学元件来提供对所检测信息的信噪比的改进。

9.一种适于权利要求1-7所述装置的光盘驱动器。

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