CN1957402A - 提高激光器工作效率的方法 - Google Patents

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CN1957402A CNA2005800168270A CN200580016827A CN1957402A CN 1957402 A CN1957402 A CN 1957402A CN A2005800168270 A CNA2005800168270 A CN A2005800168270A CN 200580016827 A CN200580016827 A CN 200580016827A CN 1957402 A CN1957402 A CN 1957402A
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Abstract

描述了一种提高激光器(50)的激光器工作效率的方法，所述激光器(50)在光学数据读和/或写装置(10)中使用。所述方法不同之处在于，它包括以下步骤：a)产生具有一个或多个脉冲序列的脉冲激励信号，其脉冲频率基本在50MHz到250MHz之间的范围内；以及b)设置所述一个或多个脉冲序列以调制流经激光器(50)的激励电流，所述脉冲横跨激光器(50)的激光阈值。所述方法具有的有益之处在于，它能提高激光器(50)的工作效率，由此能够驱动激光器产生更多的光学输出，或者用于降低工作时激光器(50)中发生的温度升高。

Description

提高激光器工作效率的方法
本发明涉及提高激光器工作效率的方法，例如，用于在光学数据读/写装置中降低激光器的工作温度和/或增加这种装置的光学输出功率。另外，本发明还涉及被设置成根据本方法工作的激光器。此外，本发明涉及包括这种根据本方法工作的激光器的数据存储设备。
普遍公知的是，激光器用在诸如光盘(CD)驱动和数字化视频光盘(DVD)驱动的光学数据存储读/写驱动中；这种驱动通常用在当代消费产品中，例如用在语音系统、盘式视频记录器和个人电脑(PC)中。另外，还普遍公知的是，与从这些载体读取数据相比，当向这种CD和DVD驱动中的数据载体写数据时，需要相当大的激光器功率。
响应于执行数据写入和数据读取操作而调整激光器功率是已知的。例如，在已公布的欧洲专利申请no.EP 1,162,611中，描述了一种在光盘播放器中控制激光二极管的方法。该已公布的申请中，当使用输出的辐射从光盘或磁光盘读取数据时，激光二极管消耗的电学功率减小。激光二极管与可操作的激光二极管控制电路耦合，使得当光盘播放器或磁光盘播放器仍未稳定并被置入锁相状态时，即使数据回放时钟(PCK)信号被供给到激光二极管控制电路，激光二极管连续地发射而不是间歇地发射。当焦点被锁在电路上时，播放器处于锁相状态，这导致控制电路的模式切换电路将激光二极管的工作模式从连续工作切换到间歇工作。上述PCK信号的频率由倍频电路倍频以产生相应的高频信号，该高频信号的脉冲宽度是用于调制供给到激光二极管的电流的可调脉冲宽度。这样，一直采用较高的激光功率直到发生接通(pull-in)，在接通之后，激光二极管的电流降低以减小激光二极管中的功率耗散。
发明人意识到，尽管在较高频率通过脉冲宽度调制来调整激光二极管的电流以执行光学存储装置中的各种读取或写入功能已经公知，但这种调整至今不能优化地使用。另外，发明人还意识到，在采用激光二极管向相关数据载体(例如CD和DVD记录器)写入数据和/或从其读取数据的光学记录器中，需要激光二极管工作在更高的功率，以获得更快速的数据记录和数据读出速率。这些光学记录器的激光二极管中的功率耗散尤其与激光器功率升高时所延长的数据记录相关。
激光二极管功率耗散增加所遇到的问题是二极管工作温度升高。由于频繁热循环和在这种激光二极管的激光腔中产生的热感应缺陷，温度升高则易于降低激光二极管工作寿命。另外，激光二极管工作温度升高可能在某些条件下导致自发激光二极管的失效。
激光二极管功率增加所遇到的另一个问题是，用于读取目的以减小的激励电流连续地操作这种二极管受到从激光二极管发射的辐射中相对增加的输出噪声的影响。例如，由于光反馈不稳定性而导致信噪比减小，这种噪声增加可能对数据读出可靠性产生不利影响。
发明人已经意识到，激光器噪声可以减小，同时通过为激光二极管供给脉冲宽度调制(PWM)激励电流可以从激光二极管输出较少的功率。当使用PWM激光二极管产生的辐射束读取数字数据流时，基于尼奎斯特采样条件的考虑，有利的是，以数据读取速率至少两倍的频率来调制激励电流。然而常规实验采用300MHz到500MHz量级之间的很高的PWM频率。
发明人意识到激光二极管的这种常规PWM控制并非最佳，因此，发明了一种在降低激光器工作温度的同时还至少部分解决上述激光二极管噪声问题的方法。
这样，本发明的一个目的是提供一种提高激光器工作效率的方法，例如，用于减小光学存储装置中激光器工作温度和/或增加激光器光学输出。
根据本发明的第一方面，提供一种提高激光器的激光器工作效率的方法，该激光器包括在光学数据读和/或写装置中，该方法其特征在于，它包括以下步骤：
a)产生具有一个或多个脉冲序列的脉冲激励信号，其脉冲频率基本在50MHz到250MHz之间的范围内；以及
b)设置该一个或多个脉冲序列以调制流经激光器的激励电流，该脉冲横跨激光器的激光阈值。
本发明的优势在于，通过利用这种激光器在不同的激励频率呈现的阻抗特性的差异，可以提高激光器工作效率。
优选地，该方法还包括应用激光器产生的光辐射以用于下面一个或多个目的的步骤：从光学数据载体读取数据，向光学数据载体写入数据。和相似类型的现有装置相比，将该方法应用于激光器，可能获得潜在更高的数据写入和/或数据读取速度。
优选地，在该方法中，与以基本400MHz的脉冲重复频率激励相比，以基本在50MHz到250MHz范围内的脉冲重复频率使用本方法来激励时，可以操作激光器以呈现较低的电学阻抗。这种较低的频率范围的使用使得激光器及其相关的激光器驱动器可以更有效地工作。
优选地，为减小使用该方法的耗散，在一个或多个序列中的激励脉冲之间将流经激光器的激励电流基本减小至零。与400MHz的频率相比，在50MHz到250MHz范围内的频率较易实现将激励电流基本减小至零。
优选地，为减小使用该方法的功率耗散，对于停止(dwell)周期，将脉冲之间的激励电流基本维持在零。更优选地，停止周期至少与每个脉冲的激励周期一样长，在所述激励周期期间向该激光器施加激励电流。
优选地，为了防止违反尼奎斯特采样定理，设置本方法使得脉冲频率足够高，以当从驱动的数据载体读取数据或向其写入数据时可以避免混叠。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于光学数据读和/或写装置的光学捡拾单元，该单元包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器，该激光器被设置成根据本发明第一方面的方法工作。
根据本发明的第三方面，提供了一种光学数据读和/或写装置，该装置包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器，该激光器被设置成根据本发明的第一方面的方法工作。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于控制光学数据读和/或写装置操作的软件，该光学数据读和/或写装置包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器，该软件可在一个或多个计算装置上执行以实施根据本发明的第一方面的方法。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于光学数据读和/或写装置的数据处理单元，该光学数据读和/或写装置包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器，该处理单元被构造成用于执行根据本发明的第一方面的方法。
根据本发明的第六方面，提供了一种用于光学数据读和/写装置的激光器，该激光器可以根据本发明的第一方面的方法工作。
应当理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，本发明的特征易于以任意组合方式组合。
现在将仅参考附图通过实例来描述本发明的实施例，其中：
图1是光学存储装置的示意图，该光学存储装置包括光学数据载体、包括有激光二极管和光学传感器的光学捡拾单元(OPU)以及用于相对于数据载体移动捡拾单元的执行装置；
图2是图1的激光二极管的激光作用特性图；
图3是图1存储装置的激光二极管的相对阻抗特性的示意图；
图4的图表示出了与施加至图1的激光二极管的阈值电流相对的调制激励电流。
图5的图表示出了各种激光二极管激励电流调制条件下与二极管激励电流相对的图1激光二极管的光学输出功率；
图6是图1的激光二极管的光学输出的第一图表，所述光学输出是工作时提供给激光二极管的激励电流的函数，该二极管被设置成以常规模式操作；以及
图7是图1的激光二极管的光学输出的第二图表，所述光学输出是工作时提供给激光二极管的激励电流的函数，该二极管被设置成根据本发明的模式工作。
将参考附图描述本发明的实施例，其中图1是光学存储装置的示意图，由10概括表示。例如，存储装置10能够形成CD读/写设备、DVD读/写设备和个人电脑的光学存储器的基础；装置10其它潜在的应用也是可以实现的。
装置10包括驱动电机20和用于啮合光盘数据载体30的相关元件。可以操作电机20以使载体30相对于光学捡拾单元(OPU)(以40概括表示)旋转。单元40包括产生询问辐射束的激光二极管50，该询问辐射束通过光学设备70聚焦，以工作时在载体30的数据承载表面上产生精细聚焦的辐射光斑。捡拾单元(OPU)40还被布置成接收从数据承载表面反射和反向散射回的辐射，该返回的辐射通过光学设备70传播到光学传感器60。传感器60依次产生传送数据流的信号，该数据流被传送至外部以进行处理。该捡拾单元40机械耦合至执行单元80，可以操作该执行单元以在箭头90指示的方向上相对于载体30横向移动单元40，以便选择载体30的优选区域。装置10还包括用于控制装置10的工作的处理控制单元100，例如，用于预处理数据以通过传感器60向载体30进行写入和/或用于处理从载体30读取的数据，例如，以产生如110指示的输出数据流。
装置10能够以很多种不同的模式工作。为了优化功能，由控制单元100施加至激光二极管50的电学激励或是连续性的或是暂时间歇性的，即脉冲的，这将在随后进行详细描述。在装置10的工作模式中，它能够在记录模式和记录暂停模式工作；记录暂停模式对应于装置10准备在数据载体30上做记录。在记录模式和记录暂停模式，发明人已经意识到，可以减小施加于激光二极管50的驱动功率，尤其通过向激光器50应用脉冲激励电流，使得：
a)以比常规采用更低的频率施加脉冲电流以调制现有CD或DVD读/写驱动中的激光二极管；以及
b)使用比常规采用的更高峰值二极管电流。
发明人已经证实上述a)和b)的组合可以产生与常规激光二极管结构相当的激光二极管光学输出功率，但是激光二极管工作温度降低。这种工作温度的降低还提供了热学优势，可以利用该热学优势以在给定的工作温度提高激光输出功率。有利地，当使用装置10向其数据载体30记录数据时，这种记录不涉及读取RF和DPD信号，仅涉及较不严格的摆动和伺服信号。
现在将详细描述使用方式(a)和(b)所产生的优势。图2中，所示出的以200表示的图表示出了激光二极管50的光学输出功率，该光学输出功率是激光二极管50的激励电流的函数。图表200包括横坐标轴210，用于表示激励电流从左到右增大。另外，图表200包括纵坐标轴220，表示激光二极管50的光学输出功率，其中输出功率从图表200的底部向顶部增加。轴210、220的交点对应于零。激光二极管50的特性由曲线260表示。沿着曲线260，示出了虚线230、240、250，使得：
a)线230对应于向数据载体30上写入数据时需要从激光二极管50输出的光学功率；
b)线240对应于从数据载体30读取数据时需要从激光二极管50输出的光学功率；
c)线250对应于激光二极管50的激光阈值，在该激光阈值二极管50中的光学反馈仅够维持其中的激光作用。
从图2可以看出，与为数据写入目的以较高的功率工作相比，激光二极管50在为数据读取目的时以相当低的功率工作。线240相对比较接近由线250表示的激光阈值。在激光阈值之下，激光二极管50的工作有噪声且不可靠。然而实际上，对于用于数据记录时其中功率耗散增加，希望优化激光二极管50的光学输出并使二极管50充分远离激光阈值工作以使得用于读取目的的激光二极管50的光学输出没有噪声。
发明人还意识到对于向二极管50施加的脉冲激励电流，激光二极管50的电学阻抗特性以脉冲频率为函数而变化。图3提供的图表中示出了这种阻抗特性，该图表以300概括表示。图表300包括横坐标轴310，表示从0mA到60mA的平均激励电流。另外，图表300包括纵坐标轴320，表示相对于激励电流的激光二极管50的电学阻抗Z；纵坐标320绘出的范围为0ohm到100ohm。在图表300中，包括分别对应于100MHz和400MHz脉冲激励的曲线330、340。图3中可以理解，与400MHz相比，激光二极管50在100MHz呈现更低的阻抗。另外，应当理解的是，常规CD和DVD读/写装置采用对应于曲线340的400MHz量级的激光二极管脉冲激励，而装置10采用50MHz到250MHz的较低脉冲频率，在100MHz时对应于曲线330。在沿着纵坐标轴320画出的阻抗Z不是纯电抗性而是包括有效的实数电阻分量的情况下，与400MHz量级的更常规脉冲激励频率相比，对于给定的平均激励电流，激光二极管50在100MHz(即在50MHz到250MHz范围内)的脉冲激励频率时的功率耗散更低。当脉冲激励电流增加时，与大约400MHz相比，在大约100MHz处这种减少的功率耗散持续，如图300所示。对于激光二极管50的激励电流，最优选的脉冲激励频率是基本150MHz，例如在120MHz到180MHz的范围内。
当向激光二极管50施加脉冲激励时，优选地在激光阈值(如图2的线250所示)下以图4所示的方式调制激励电流。在图4中，示出了由400概括表示的时间图。图表400包括横坐标轴410和纵坐标轴420，横坐标轴410从左向右指示时间的流逝，纵坐标轴420表示施加到激光二极管50的脉冲激励电流，其中在图表400中激励电流从底部向顶部增加。虚线430对应于激光阈值电流，相当于线250。这样，为了使控制单元100以脉冲模式操作激光二极管50，优选地向激光二极管50施加曲线440表示的激励电流。优选地，曲线440对应于频率在50MHz到250MHz之间范围的激励，更优选地在120MHz到180MHz之间，最优选地是基本为150MHz，此时发现产生最大功率效率收益。
为了进一步阐述本发明，将参考图5，其中图表由500概括示出。图表500包括横坐标轴510，表示施加于激光二极管50的激励电流，从左到右增大，还包括纵坐标520，表示光学输出功率，从底到顶部增大。轴510、520的交点对应于零。图表500包括以下4条曲线：
a)曲线530对应于当使用非脉冲的稳定直流电流激励时激光二极管50的光学输出功率；
b)曲线540对应于当使用450MHz频率的脉冲电流激励时(即常规已知CD或DVD读/写装置所使用的)激光二极管50的光学输出功率；
c)曲线550对应于根据本发明在使用基本为100MHz频率的脉冲激励条件下，激光二极管50的光学输出功率；
d)曲线560对应于同样根据本发明在使用与上述(c)一样频率的脉冲激励，但具有更大的峰值脉冲电流的条件下，激光二极管50的光学输出功率。
从图表500中可以看出，曲线540、550对应于给定的平均激励电流下激光二极管50增加的光学输出功率，如轴510所表示，因此对应于经过激光二极管50电学功率向光学功率的转换效率更高。
本发明还提供益处在于，与450MHz附近的相对较高频率相比，在100MHz附近相对较低频率下更容易实现激光二极管50的激励电流的调制，尤其是在图3中10mA附近相对较低的激励电流处，其中曲线340对应于比曲线330更高的阻抗。
本发明不仅提供向数据载体30写入数据过程中的益处，还提供从其中读取数据时的益处，使得激光二极管50受到读和写功能的脉冲激励。
参考图6，示出了由600概括表示的图。图表600包括从左到右表示时间流逝对应的横坐标轴610。另外，图表600还包括纵坐标620，在其区域640中对应于施加到激光二极管50的脉冲激励电流，在其区域630中对应于激光二极管50的光学输出功率。线650涉及与上述激光阈值对应的激励电流，即线250、430。另外，线660对应于激光二极管50基本为零的光学输出。光学脉冲670、680对应于激光二极管50以全功率工作的周期，例如当执行特定的记录或搜索功能时；光学脉冲670、680分别与激励电流脉冲700、710对应。另外，例如包括光学脉冲695的由690表示的一系列光学脉冲，对应于720表示的脉冲激励电流，例如激励电流脉冲725对应于光学脉冲695。可以看出基本在激光阈值线650附近的区域调制脉冲激励电流720。另外，从图表600应当理解的是，区域690对应于激光二极管50相对低效的工作。图表600还示出了激光二极管50更常规的工作区域，此处区域690，720对应于400MHz量级频率处的激励。
与图6相对照，激光二极管50可以以在图5中曲线540、550表示的方式工作，以增加激光二极管50的工作效率。为了阐述这种工作方式，现在将参考图7，其中由800概括表示图表。图表800包括横坐标轴810，从左到右表示时间的流逝。另外，图表800包括纵坐标轴820，在区域830对应于施加至激光二极管50的激励电流，在区域880对应于激光二极管50的光学输出功率。在区域830，横坐标轴810对应于向激光二极管50施加零电流。另外，与线250、430、650的方式类似，线840对应于激光二极管50的激光阈值。峰值850、860代表施加至激光二极管50的峰值激励电流，并在时间上将其与图6中的峰值700、710相比。在峰值850、860之间的区域870中，示出了一系列电流脉冲，例如电流脉冲875。
在区域880，激光二极管50的零光学输出功率对应于虚线890。光学输出峰值900，910分别对应于电流峰值850，860。另外，峰值900、910之间由920表示的区域中的光学峰值对应于区域870中的电流峰值。
当比较图6和图7时，需要注意一些重要的差异，它有助于区分代表现有技术的图6和表示本发明的图7。在图6中，例如在区域720，以400MHz量级的脉冲激励频率激励激光二极管50时，由于存在困难，供给到激光二极管50的激励电流并不基本切换到零；与此相反，在图7中，当以100MHz量级的脉冲激励频率工作时，在区域870中的脉冲之间激励电流可以减小到零。另外，在区域870中的脉冲之间是周期的，例如停止时间878a，其中经过激光二极管50的激励电流基本为零；优选地，停止时间878a至少与相邻的激励周期878b一样长。图7中区域920中的光学输出脉冲比图6中区域690中的光学脉冲具有更大的幅值；然而，尽管和区域690相比，二极管50中区域920涉及较少的损耗，但是区域920中产生的平均光学功率与区域690中产生的平均光学功率相似。
优选地脉冲670、680、900和910与向数据载体30写入数据的光学写入脉冲对应，而区域690，920与从数据载体30读取数据的读取数据照明对应。
这样，通过将激光激励电流频率从400MHz减小到100MHz以及增加向激光二极管50施加的峰值脉冲电流的幅值二者相结合，当用在诸如CD或DVD读/写驱动器中时，就可能增加激光二极管50中电学功率到光学功率的转换效率。
尽管当激励光学数据载体读/写装置中的激光二极管时常规实践基本上是采用尽可能高的脉冲调制频率，例如高达接近1GHz的频率，然而本发明利用了这样一种工作状态，其中向激光二极管50施加的电流激励充分地高，以避免向数据载体30读和/或写数据时的混叠效应，但又足够低，以使与现有方法相比该激励电流具有更大的调制深度来激励激光二极管。由此得出的工作效率增益可以用于降低工作时激光二极管50发生的温度升高，或者用于在给定的工作温度下增加激光二极管50的光学输出；当以提高的速度从光学数据载体30读取数据或向其写入数据时，增加光学输出具有潜在的益处。
应当理解的是，在不偏离所附权利要求书所定义的本发明范围的情况下，前面描述的本发明的实施例很容易进行变型。
所附权利要求书括号中的标号是要帮助理解权利要求，而并非是要限制权利要求的范围。
诸如“包括”、“包含”、“结合”、“含有”、“是”和“具有”这样的表述，在解释该描述和其相关的权利要求时，应以非排他的方式理解，也就是理解成允许没有明确定义的其它项目或元件的存在。单数的引用也应理解成复数引用，反之亦然。

Claims (12)

1.一种提高激光器(50)的激光器工作效率的方法，所述激光器(50)在光学数据读和/或写装置(10)中使用，该方法其特征在于，包括以下步骤：
a)产生具有一个或多个脉冲序列(690，720)的脉冲激励信号，其脉冲频率基本在50MHz到250MHz之间的范围内；以及
b)设置所述一个或多个脉冲序列(690，720)以调制流经激光器(50)的激励电流，所述脉冲横跨激光器(50)的激光阈值(650)。
2.权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括应用激光器(50)产生的光辐射以用于下面一个或多个目的的步骤：从光学数据载体(30)读取数据，向光学数据载体(30)写入数据。
3.权利要求1所述的方法，其中与以基本400MHz的脉冲重复频率激励相比，以基本在50MHz到250MHz范围内的脉冲重复频率使用本方法来激励时，可以操作激光器(50)以呈现较低的电学阻抗。
4.权利要求1所述的方法，其中在一个或多个序列(690，720)中的激励脉冲(725)之间将经过激光器(50)的激励电流基本减小到零。
5.权利要求4所述的方法，其中脉冲之间的激励电流在停止周期(878a)基本维持在零。
6.权利要求5所述的方法，其中停止周期(878a)至少与向激光器(50)施加激励电流过程中每个脉冲(875)的激励周期(878b)一样长。
7.权利要求1所述的方法，其中脉冲频率足够高，以当从驱动(10)的数据载体读取数据或向其写入数据时避免混叠。
8.一种用于光学数据读和/或写装置(10)的光学捡拾单元(40)，所述单元(40)包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器(50)，所述激光器(50)被设置成根据权利要求1所述的方法工作。
9.一种光学数据读和/或写装置(10)，所述装置(10)包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器(50)，所述激光器(50)被设置成根据权利要求1所述的方法工作。
10.一种用于控制光学数据读和/或写装置(10)操作的软件，所述光学数据读和/或写装置(10)包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器(50)，所述软件可在一个或多个计算装置(100)上执行以实施根据权利要求1所述的方法。
11.一种用于光学数据读和/或写装置(10)的数据处理单元(100)，所述光学数据读和/或写装置(10)包括产生用于读和/或写入数据的光辐射的激光器(50)，该处理单元(100)被构造成用于执行根据权利要求1所述的方法。
12.一种用于光学数据读和/或写装置(10)的激光器(50)，所述激光器(50)可以根据权利要求1所述的方法工作。
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