DE3587243T2

DE3587243T2 - Steuerschaltung für einen Halbleiterlaser.

Info

Publication number: DE3587243T2
Application number: DE85109420T
Authority: DE
Inventors: Kenji Koishi; Tamotsu Matsuo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-07-27
Filing date: 1985-07-26
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2005-07-27
Also published as: US4701609A; EP0169579A2; EP0169579B1; DE3587243D1; EP0169579A3; JPS6139243A; JPH0821173B2

Description

Ein Halbleiterlaser wird als Lichtquelle zur Aufzeichnung und Wiedergabe in einer optischen Informationsaufzeichnungs/Wiedergabeeinrichtung verwendet. Halbleiterlaser haben eine große Variation bei der Lichtabstrahlungsausgangsleistung aufgrund einer Veränderung in der Umgebungstemperatur. Im allgemeinen variiert der Schwellwertstrom Ith für die Lichtausgangsleistung eines Halbleiterlasers entsprechend einer Änderung in der Temperatur so wie durch die folgende Gleichung gezeigt.
Ith = (Tj) α exp (Tj/T&sub0;)
T&sub0; = 100-150 ºK,
Tj (ºK) ist die Sperrschichttemperatur des Halbleiterlasers.
Daher wird das Ausgangslicht von dem Halbleiterlaser gewöhnlich durch eine photoempfindliche Einrichtung wie eine PIN-Diode oder dergleichen überwacht und zu einer Treiberschaltung des Halbleiterlasers zurückgekoppelt und ein Regelsystem gebildet, wodurch das Ausgangslicht des Halbleiterlasers geregelt wird. In optischen Informationsaufzeichnungs/Wiedergabeeinrichtungen ist es notwendig, im Aufzeichnungsmodus das Ausgangslicht des Halbleiterlasers durch ein Aufzeichnungssignal zu modulieren. Jedoch ist der Pegel des Ausgangslichts zur Aufzeichnung einige Male größer als der Pegel des Ausgangslichts zur Wiedergabe und es wird auch das Ausgangslicht zur Aufzeichnung mit einer hohen Frequenz moduliert, so daß es schwierig ist, zur Aufzeichnung das Regelsystem durch Rückkopplung des überwachten Signals zu bilden. Daher wird das Ausgangslicht nicht durch das Aufzeichnungssignal moduliert, sondern es wird die mit dem Ausgangslichtgleichpegel zur Wiedergabe erhaltene Spannung des Regelsystems gehalten und ein zur Aufzeichnung benötigter vorgegebener Ausgangslichtpegel wird weiter zu dieser gehaltenen Spannung addiert und dadurch das Ausgangslicht zu seiner Stabilisierung bei der Aufzeichnung kontrolliert und geregelt. Fig. 1 zeigt ein praktisches Beispiel. Bezugsziffer 1 bezeichnet einen Halbleiterlaser; 2 ist eine PIN-Diode zum überwachen des Ausgangslichts des Halbleiterlasers; 3 ein Operationsverstärker zum Erzeugen einer Regelspannung des Regelsystems; 4a und 4b Transistoren zum Modulieren eines durch den Halbleiterlaser 1 fließenden Stroms durch ein Aufzeichnungssignal 5; 6 ein variabler Widerstand, der gestattet, daß eine Bezugsspannung zum Einstellen des Ausgangslichts zur Wiedergabe erzeugt wird; und 7a bis 7d analoge Torschalter. Lediglich die Schalter 7a und 7b werden im Wiedergabemodus eingeschaltet, wogegen lediglich die Schalter 7c und 7d im Aufzeichnungsmodus eingeschaltet werden. Ein Umschalten zwischen Aufzeichnung und Wiedergabe wird durchgeführt, indem das EIN/AUS der Analogschalter 7a bis 7d durch ein Aufzeichnungstorsignal 8 gesteuert wird. Das durch die PIN-Diode 2 erfaßte Überwachungssignal wird bei der Wiedergabe mit der Bezugsspannung verglichen und die Bezugsspannung wird durch den Operationsverstärker 3 ausgegeben. Diese Regelspannung wird nur für die Wiedergabe in eine Tast- und Halte-Schaltung 9 eingegeben. Da die analogen Torschalter 7a und 7b zur Aufzeichnung ausgeschaltet sind, wird das Regelsystem für die Rückkopplung des Überwachungssignals unwirksam gemacht. Auf der einen Seite werden die analogen Torschalter 7c und 7d eingeschaltet und der Halbleiterlaser wird unter Verwendung der unmittelbar vor der Aufzeichnung durch die Tast- und Halte-Schaltung 9 abgetasteten und gehaltenen Regelspannung getrieben. Weiterhin wird eine durch einen Transistor 10 gebildete Stromquelle eingeschaltet, um den für die Aufzeichnung benötigten Ausgangslichtpegel sicherzustellen. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem durch den Halbleiterlaser 1 in der Anordnung von Figur fließenden Vorwärtsstrom und dem Ausgangslichtpegel. PP bezeichnet den Wiedergabeleistungspegel und PR bedeutet den Aufzeichnungsleistungspegel. T bedeutet die Umgebungstemperatur des Halbleiterlasers. ist ein durch die Rückkopplung des Überwachungssignals geregelter Stromwert. Selbst wenn sich die Umgebungstemperatur auf T' ändert und sich die Vorwärtsstrom/Ausgangslichtpegel-Charakteristik ändert, wird der stromwert auf geregelt. Daher wird die Wiedergabeleistung auf einem konstanten Pegel PP gehalten. Bei der Aufzeichnung wird der Stromwert 2 durch den Transistor 10 hinzuaddiert und dadurch der Aufzeichnungsleistungspegel PR sichergestellt. Der hinzuzuaddierende Stromwert von ist immer konstant. Die oben erläuterte Lichtausgangsleitungsregelmethode benötigt eine Voraussetzung solchermaßen, daß obwohl der Schwellwertstrom Ith aufgrund einer Änderung in der Umgebungstemperatur stark variiert, der Gradient der Vorwärtsstrom/Ausgangslichtpegel-Charakteristik, nämlich K = ΔPW/ΔI für die Temperaturänderung stets konstant ist. Jedoch verändert sich der Gradient K tatsächlich stark über einen weiten Temperaturbereich, so daß er nicht außer acht gelassen werden kann und weiterhin variiert der Gradient K ebenso aufgrund der zeitabhängigen Veränderung des Halbleiterlasers.
Fig. 2 zeigt den Betriebsmodus derart, daß bei einer Änderung der Umgebungstemperatur auf T' sich der Gradient K ändert und der Ausgangslichtpegel zur Aufzeichnung nicht stabil geregelt werden kann. Genauer gesagt wird der Vorwärtsstrom mit der Änderung des Schwellwertstroms Ith' zu und der Ausgangslichtpegel PP ist zur Wiedergabe sichergestellt; jedoch ist ein zur Aufzeichnung hinzuaddierter Stromwert konstant unabhängig von der Umgebungstemperatur und der Stromwert ist ebenfalls gleich. Daher ändert sich die Aufzeichnungsleistung von PR nach PR' und das Ausgangslicht kann nicht stabil für die Aufzeichnung geregelt werden. Trotzdem ist es notwendig, die Aufzeichnungsbitlänge klein zu machen, um die Aufzeichnungsdichte auf der optischen Platte zu erhöhen. Um die Signalqualität in dem wiedergegebenen Signal solcher kleinen Aufzeichnungsbits sicherzustellen, ist eine strenge Stabilität der Aufzeichnungsleistung erforderlich, weil sie stark von der Aufzeichnungsleistung abhängig ist.
Die GB-A-1 539 624 beschreibt eine Halbleiterlasertreiberschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wie oben beschrieben kann die herkömmlich vorgeschlagene Halbleitertreiberschaltung das Ausgangslicht zur Aufzeichnung nicht stabil regeln, wenn man einen weiten Temperaturbereich und ebenso eine zeitabhängige Änderung des Halbleiterlasers betrachtet.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Probleme bei dem vorstehenden herkömmlichen Beispiel zu lösen und es ist ein Ziel der Erfindung, eine Halbleiterlaserschaltung von einfacher Anordnung zur Konstantregelung des Ausgangslichtpegels selbst im Aufzeichnungsmodus des Modulierens des Ausgangslichts eines Halbleiterlasers mittels eines Aufzeichnungssignals zu schaffen. Die Halbleiterlasertreiberschaltung gemäß der Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben.
Gemäß dieser Erfindung wird im Aufzeichnungsmodus des Modulierens des Ausgangslichts des Halbleiterlasers durch das Aufzeichnungssignal ein auf das Ausgangslicht des Halbleiterlasers ansprechendes Überwachungssignal durch eine photoempfindliche Einrichtung erfaßt; dieses Überwachungssignal wird zum Halten des Spitzenwerts des Eingangssignals in eine Spitzenwerthalteschaltung eingegeben; ein Differentialkompensationsregelsignal wird aus einem Ausgangssignal der Spitzenwerthalteschaltung erlangt und zurückgekoppelt und dadurch ein optisches Regelsystem gebildet; die Regelung erfolgt in der Weise, daß das Ausgangslicht des Halbleiterlasers zu einem Signal mit einer bestimmten konstanten Amplitudenmodulation wird; das Ausgangslicht kann über einen weiten Temperaturbereich stabil geregelt werden, selbst wenn die Charakteristik des Halbleiterlasers sich mit dem Lauf der Zeit ändert; und diese Halbleiterlasertreiberschaltung kann in einer einfachen Schaltungsanordnung verwirklicht werden.
Die obigen und weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den folgenden begleitenden Zeichnungen noch klarer werden
Fig. 1 ist ein Diagramm, das eine Anordnung einer herkömmlichen Halbleiterlasertreiberschaltung zeigt;
Fig. 2 ist ein charakteristisches Diagramm des Ausgangslichtpegels bei dem herkömmlichen Beispiel;
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Anordnung einer Halbleiterlasertreiberschaltung eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das Signalschwingungsformen in jeweiligen Bereichen in Fig. 3 zeigt; und
Fig. 5 ist ein charakteristisches Diagramm des Ausgangslichtpegels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Anordnung einer Halbleiterlasertreiberschaltung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 3 sind gleiche Teile und Komponenten wie die bei der Anordnung des in Figur 1 gezeigten herkömmlichen Beispiels durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Fig. 4a bis 4e sind Diagramme, welche Signalschwingungsformen in jeweiligen Bereichen von a bis e in Fig. 3 zeigen. Zuerst soll die Regelung der Lichtausgangsleistung für den Aufzeichnungsmodus, bei dem das Ausgangslicht des Halbleiterlasers durch ein Aufzeichnungssignal moduliert wird, erläutert werden. Ein Aufzeichnungssignal a ist ein Impulssignal mit Frequenzkomponenten in einem Frequenzband von Gleichstrom bis zu einigen MHz. Dieses Aufzeichnungssignal a wird vom Anschluß 5 eingegeben und ein durch den Halbleiterlaser 1 fließender Strom wird durch die Transistoren 4a und 4b moduliert. Die Signalschwingungsform des durch das Aufzeichnungssignal modulierten Ausgangslichts des Halbleiterlasers 1 wird so wie in Fig. 4e gezeigt. Dieses Ausgangslicht wird von der in dem gleichen Gehäuse wie der Halbleiterlaser angeordneten PIN- Diode 2 empfangen, so daß von der PIN-Diode ein Photostrom erzeugt wird. Ziffer 11 bezeichnet einen Breitbandoperationsverstärker zum Umwandeln des durch die PIN-Diode fließenden Stroms in eine Spannung und dann zur Ausgabe derselben. Fig. 4c zeigt die Ausgangsschwingungsform des Verstärkers 11. Lediglich ein analoger Torschalter 7f wird im Aufzeichnungsmodus eingeschaltet. Ziffer 12 ist ein variabler Widerstand zum Erzeugen einer Bezugsspannung, um den Pegel des Ausgangslichts des Halbleiterlasers i im Aufzeichnungsmodus einzustellen; 13 ist ein variabler Widerstand, der zum Einstellen des Pegels des Ausgangslichts des Lasers im Wiedergabemodus vorgesehen ist; und 14 ist eine Spitzenwerthalteschaltung, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Diode 15 und einen Kondensator 16 gebildet ist. Das Ausgangssignal c des Breitbandoperationsverstärkers 11 wird der Spitzenwerthalteschaltung 14 eingegeben und der Spitzenwert der durch das Aufzeichnungssignal modulierten eingegebenen Signalschwingungsform wird gehalten und dann von der Schaltung 14 ausgegeben. Die Ausgangsschwingungsform der Schaltung ist in Fig. 4d gezeigt. Der ausgegebene Spitzenwert ist proportional zum spitzenwert der Modulationssignalamplitude bei der Aufzeichnung, nämlich der Änderung im Lichtausgangspegel im Aufzeichnungsmodus. Daher kann durch Verwendung des Ausgangssignals d der Spitzenwerthalteschaltung 14 als eine Differentialkompensationsregelspannung des Regelsystems der Spitzenwert der Modulationsamplitude bei der Aufzeichnung, das heißt der Lichtausgangspegel bei der Aufzeichnung stabil geregelt werden. Es ist allgemein schwierig, das durch das breitbandige Signalkomponenten von Gleichstrom bis zu einigen MHz aufweisende Aufzeichnungssignal modulierte Lichtausgangssinal des Halbleiterlasers mittels einer photoempfindlichen Einrichtung zu erfassen und dieses Erfassungssignal als ein solches Differentialkompensationssignal des Regelsystems zu verwenden. Dies hat seinen Grund darin, daß das Regelsystem mit einer Frequenzcharakteristik ausgebildet sein muß, die auf das breitbandige Differentialregelsignal von Gleichstrom bis zu einigen MHz anspricht. Selbst wenn ein solches Regelsystem ausgebildet ist, wird die Schaltungsanordnung kompliziert werden und es besteht auch eine merkliche Wahrscheinlichkeit, daß in der Regelschleife eine Schwingung oder dergleichen induziert wird mit dem Ergebnis einer instabilien Regelung. Jedoch ist es durch Halten lediglich des Spitzenwerts des Erfassungssignals und Verwenden dieser gehaltenen Spannung als Differentialregelspannung für die Frequenzcharakteristik des sich ergebenden Regelsystems ausreichend, lediglich die Übergangszeit in Betracht zu ziehen, während welcher der Ausgangslichtpegel des Halbleiterlasers 1 beim umschalten zwischen Aufzeichnung und Wiedergabe stabilisiert wird. Das Ziel kann in ausreichender Weise erreicht werden, indem das Regelsystem mit einer Verstärkungsübergangsfrequenz in der Größenordnung von ungefähr einigen zehn kHz ausgebildet wird. Der Operationsverstärker 3 in der Regelschleife gibt die Regelspannung unter Verwendung des Ausgangssignals d der Spitzenwerthalseschaltung 14 als Differentialsignal aus. Die Stromquelle zum Treiben des Halbleiterlasers 1 wird durch diese Steuerspannung und einen Transistor 17 gebildet. Der Lichtausgangspegel bei der Aufzeichnung kann stabil geregelt werden durch Modulieren der Stromquelle, die einen Stromwert aufweist, dessen Spitzenwert geregelt wurde, durch das Aufzeichnungssignal. Der Grund, weswegen ein führender Impuls 18 des Impulszugs des Aufzeichnungssignals in Fig. 4e nicht als eine vollkommene Rechteckschwingung geformt wird, ist deswegen, weil es von der Frequenzcharakteristik der Spitzenwerthalfeschaltung 14 und des Regelsystems in der nächsten Stufe abhängig ist. Weil ein Vorlaufsignal oder ein Synchronsignalzug, welcher zur Wiedergabe eines Taktes notwendig ist, in dem führenden Bereich des Aufzeichnungssignals angeordnet ist, selbst wenn eine solche Lichtausgangsansprechcharakteristik, wie in Fig. 4e gezeigt, vorhanden ist, wird die Wiedergabe der Daten überhaupt nicht beeinflußt. Fig. 4b zeigt das Aufzeichnungstorsignal zum Steuern von EIN/AUS der analogen Torschalter 7e bis 7g. Bei der Wiedergabe ist es notwendig, das Lichtausgangssignal auf einen konstanten Pegel zu regeln, der nicht durch das Aufzeichnungssignal moduliert ist. Wenn die Spitzenwerthalseschaltung 14 auch freigegeben wird, wenn der Betriebsmodus vom Aufzeichnungsmodus in den Wiedergabemodus umgeschaltet wird, dauert es infolge der Zeitkonstante der Spitzenwerthalteschaltung ein lange Zeitspanne bis der Ausgangslichtpegel vom Aufzeichnungspegel in den Wiedergabepegel zurückkehrt.
Um ein schnelles Schalten vom Aufzeichnungsmodus in den Wiedergabemodus zu realisieren, ist der analoge Torschalter 7e vorgesehen und das Ausgangssignal des Breitbandoperationsverstärkers wird vorbeigeleitet, und bei der Wiedergabe wird der Spitzenwerthaltezustand der Spitzenwerthalteschaltung durch Steuerung des Aufzeichnungstorsignals aufgehoben. Da die Ausgangsimpedanz des Breitbandoperationsverstärkers 11 niedrig ist, entladen sich die in dem Kondensator 16 gespeicherten Ladungen schnell über den analogen Torschalter 7e. Daher wird im Falle eines Umschaltens aus dem Aufzeichnungsmodus in den Wiedergabemodus das Differentialregelsignal, welches in den Operationsverstärker 3 eingegeben wird, schnell von der Spitzenwertspannung der Spitzenwerthalseschaltung auf die Spannung des Gleichpegels für den Wiedergabemodus umgeschaltet. Wie oben beschrieben kann durch Vorsehen des analogen Torschalters 7e zur Vorbeileitung des Ausgangssignals des Verstärkers 11 die Regelung der Lichtausgangsleistung, die sowohl für den Aufzeichnungs- als auch den Wiedergabemodus stabil gemacht ist und bei der die Umschaltgeschwindigkeit hoch ist, durch eine einfache Anordnung verwirklicht werden.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Charakteristik der Lichtausgangsregelung bei diesem Ausführungsbeispiel zeigt. Diese grafische Darstellung zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangslichtpegel des Halbleiterlasers, wenn sich die Umgebungstemperatur von T nach T' ändert, und dem Vorwärtsstrom. Wie aus dieser grafischen Darstellung verständlich ist, ändert sich im Zusammenhang mit der Änderung der Umgebungstemperatur des Halbleiterlasers der Schwellwertstrom von Ith nach Ith'' und auch wenn sich der Gradient K stark ändert, wird der Ausgangslichtpegel auf den Ausgangslichtpegel des Spitzenwerts bei der Aufzeichnung geregelt. Durch Steuerung des Stromwerts von nach wird daher der Aufzeichnungsleistungspegel PR konstant zu PR' gemacht und das Ausgangslicht stabil geregelt. Andererseits wird durch Aufheben des Haltezustands des Spitzenwerts durch die Spitzenwerthalteschaltung durch Vorbeileiten mittels des analogen Torschalters 7e der Leistungspegel mit einer hohen Geschwindigkeit auf den eingestellten Wiedergabeleistungspegel Pp umgeschaltet und dadurch die Regelung durchgeführt.
Bei der Halbleiterlasertreiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei der Aufzeichnung, bei der das Ausgangslicht des Halbleiterlasers durch das Aufzeichnungssignal moduliert wird, das auf das Ausgangslicht des Halbleiterlasers ansprechende Überwachungssignal mittels der photoempfindlichen Einrichtung erfaßt, dieses Überwachungssignal in die Spitzenwerthalteschaltung eingegeben, um den Spitzenwert des Eingangssignals zu halten, das Differentialregelsignal vom Ausgang der Spitzenwerthalteschaltung erhalten und zurückgekoppelt, und dadurch das optische Regelsystem gebildet. Eine Regelung erfolgt solchermaßen, daß das Ausgangslicht des Halbleiterlasers zu einer bestimmten konstanten Modulationsamplitude wird. Selbst bei der Aufzeichnung kann ebenso das Ausgangslicht innerhalb eines weiten Temperaturbereichs stabil geregelt werden, selbst wenn die Charakteristik des Halbleiterlasers sich im Verlauf der Zeit ändert, und auch kann diese Treiberschaltung durch eine einfache Anordnung verwirklicht werden.

Claims

1. Halbleiterlasertreiberschaltung für eine Aufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung mit optischer Platte, enthaltend

einen Halbleiterlaser (1) zur Aufzeichnung und Wiedergabe von einer optischen Platte,

eine Modulations- und Treibereinrichtung (4a, 4b) zum Modulieren des Ausgangslichts des Halbleiterlasers (1) mit einem Aufzeichnungssignal (a) und zum Treiben des Halbleiterlasers zum Emittieren eines Wiedergabesignals mit Gleichstrompegel

eine photoempfindliche Einrichtung (2) zur Überwachung des Ausgangslichts des Halbleiterlasers (1),

eine Spitzenwerthalteschaltung (14) zum Halten eines Spitzenwerts des Ausgangssignals der photoempfindlichen Einrichtung (2) beim Modulieren des Halbleiterlasers (1) mit dem Aufzeichnungssignal,

eine Einrichtung (3) zum Vergleichen des Ausgangssignals der Spitzenwerthalteschaltung (14) mit einem Bezugswert und Erzeugen eines entsprechenden Differenzsignals, und

eine Einrichtung (17) zum Steuern des Halbleiterlasers (1) in Ansprache auf das Differenzsignal und Kompensieren von Abweichungen des Ausgangssignals der Spitzenwerthalseschaltung (14) von dem Bezugswert, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (7f, 12) zur Versorgung der Vergleichseinrichtung (3) mit einem ersten Bezugswert zur steuerung des Laserausgangssignals derart, daß es für die Aufzeichnung eine dem ersten Bezugswert entsprechende Konstante Modulationsamplitude aufweist,

eine Einrichtung (7e) zur Überbrückung der Spitzenwerthalteschaltung (14) in Ansprache auf ein Wiedergabemodussignal (8), und

eine Einrichtung (7g, 13) zur Versorgung der Vergleichseinrichtung (3) mit einem zweiten Bezugswert in Ansprache auf das Wiedergabemodussignal zur Steuerung des Laserausgangssignals so, daß es für die Wiedergabe einen dem zweiten Bezugswert entsprechenden konstanten Gleichstrompegel aufweist,

wobei im Wiedergabemodus die Vergleichseinrichtung (3) das Ausgangssignal der photoempfindlichen Einrichtung (2) und den zweiten Bezugswert vergleicht.

2. Halbleiterlasertreiberschaltung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine Niederimpedanzumwandlungseinrichtung (11), welche das Ausgangssignal der photoempfindlichen Einrichtung in eine niedrige Impedanz umwandelt und das Niederimpedanzausgangssignal der Spitzenwerthalteschaltung (14) hinzufügt.

3. Halbleiterlasertreiberschaltung nach Anspruch 2, bei der die Überbrückungseinrichtung aus einem Schalter (7e) zum Kurzschließen des Eingangs und Ausgangs der Spitzenwerthalteschaltung (14) besteht,

und die Spitzenwerthalteschaltung aus einem Kondensator (16) zum Halten der Spitzenwertspannung des Eingangssignals und einer Diode (15) zum Verhindern eines Umkehrstroms von dem Kondensator (16) besteht.