JP2009527902A - ファーストループレーザーダイオードドライバ - Google Patents

Abstract

レーザーダイオードに電流を供給するファーストループドライバ部及び閉ループドライバ部を備えたレーザーダイオードドライバデバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にレーザーダイオードドライバに関し、より具体的にはファーストループ（fast-loop）レーザーダイオードドライバに関する。

コンパクトディスク（ＣＤ）及び／又はデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）に記録する能力を備えたディスクドライブは、かなり普及している。ディスク上への書き込みは、大変精密な動作であり、一定のパワー出力を持つレーザーの緊密な制御を必要とする。レーザーダイオードは、時間及び温度とともに変動する効率を持つ相対的に不安定なデバイスであるという事実により、多少問題のあるものとされている。レーザーダイオードはまた、その性能に影響を及ぼす経年劣化の影響を受けやすい。

ＤＶＤ及びＣＤ記録可能ドライブにおいて、書き込み及び読み出しモード中にメディアに伝送されるレーザーパワーは、非常に低い周波数のパワーモニタリングフィードバックループにより制御される。フィードバックに基づいて、ダイオードを流れる電流が適正に調整される。フィードバックループの必要性は、時間及び温度にともなうレーザーダイオードの効率の変動から起きている。フィードバックループによりサンプリングされているイベントは、一般的に１０ナノ秒未満の幅を持つレーザー光パルスである。フィードバックループの帯域幅はやや低く、一般的に１００ｋＨｚ未満である。さらに、自動パワーコントロール（ＡＰＣ）として知られているこのフィードバックループは、ドライブ動作（例えば、読み出し、消去、書き込み、アニール等）の各レベルの振幅を取り込む。カレントアクティブドライブ（current active drive）動作モードにおいて、適正な制御電圧がレーザーダイオードドライバ（ＬＤＤ）にフィードバックされる。一般的には、ドライブ動作モードのそれぞれのレベルごとに１つのチャンネルが必要とされるであろう。

図１は、部分的偏向ミラーを介したオプティカルフィードバック１０４などによるごくわずかのレーザービームをモニタするＡＰＣ回路１０２を含むループの既存設計を示す。ＡＰＣ１０２のパルスパターン出力は、マザーボードへのピックアップヘッド・フレックスケーブルに伝送されるが、そのマザーボードでは、Ａ／Ｄコンバータ１００などのサンプルホールド回路がそれぞれのレベルを取り込む。さらに、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０８でデジタル信号処理が行われ、制御信号がＬＬＤ１１２にフィードバックされる。この構造の基本的なスピード制限は、ＡＰＣ／サンプルホールド混合回路の応答時間と、立ち上がり時間が非常に速いパルスをフレックスケーブルに伝送する必要性にかかっている。
前記の既存アプローチについて、温度感度、非線形性、ノイズを含むいくつかの問題点が明らかとなっている。すべてのパワーは、デバイスの小さい領域に集中される。いくつかのチャンネルとともに、デバイスは、温度勾配を生成し、熱的不安定性を生じさせるいくつかのホットスポットを持ち得る。そのため、チップ温度は、電流動作モードによって決まるだろう。もうひとつの問題点は、電圧が上昇するにしたがい、ダイオードは、普通のダイオードというより、むしろ開ループカレントミラーやショートサーキットに近い動きをする。非線形の効果は、デバイス動作に否定的な影響を及ぼす結果となる。生成され得るどんなノイズも、大きなファクタによって乗ぜられる。この膨大なゲインはまた、電流伝送機能において固有の非線形性を発生させる。電流たわみの問題は、デバイスの動作を実質上妨げる結果となり得る。また、必然的に、フレックスケーブルが長くなるほど、多くのノイズが発生し、さらにコストがかかる。

図２は、レーザーダイオードドライバ回路２００の一実施形態を示す図である。レーザーダイオード２０２は、ＣＤプレイヤやＤＶＤプレイヤなどの装置内でオプティカルパワーを提供するのに使用される。フォトダイオードなどのフォトディテクタ２０４は、レーザーダイオード２０２からのオプティカルフィードバック２０６を受けることができる。オプティカルフィードバック２０６は、レーザーダイオード２０２からフォトディテクタ２０４へのオプティカルパワーの一定のパーセンテージを指示するオプティカルエレメント（図示せず）を用いて転換することができる。

レーザーダイオード２０２は、２つの異なるタイプの要素、すなわち閉ループ（closed-loop）ドライバ部２０８とファーストループ（fast-loop）ドライバ部２１０とから電流が供給されるようにすることができる。閉ループドライバ部２０８の出力は、フォトディテクタ２０４から独立している。閉ループドライバ部２０８は、レーザーダイオード２０２用の公称電流の大部分を供給することができる。一実施形態では、レーザーダイオード２０２用の公称電流の８０％以上である。ファーストループドライバ部２１０は、フォトディテクタ２０４からフィードバックを受ける。ファーストループドライバ部は、レーザーダイオード２０２の出力における電流に対する変化を反映させるために、レーザーダイオード２０２への電流を調整するのに、このフィードバックを使用することができる。閉ループドライバ部２０８がフォトダイード２０２への電流の一部を供給するのであるから、ファーストループドライバ部はフォトダイード２０２の電流を強いて流すように努める必要はない。

閉ループドライバ部２０８とファーストループドライバ部２１０の両方を使用することは、多くの利点を提供することができる。ファーストループドライバ部２１０は電流の一部だけを供給することを必要とされるので、トータルノイズを低く維持することが可能になる。閉ループドライバ部２０８の出力のノイズを非常に低く抑えることが可能になる。閉ループドライバ部２０８が極めて高速になるので、ドライバ回路全体のスピードが改善される（一実施形態では、立ち上がり時間が１ナノ秒未満である）。

閉ループドライバ部２０８は、ドライバブロック２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄなどの多重のドライバブロックを具備するものとすることができる。これらのドライバブロックは、本質的に同一の最大出力電流を持つ実質的に同じものとすることができる。これらのドライバブロックは、閉ループドライバ部２０８の出力を生成するためにそれらの出力を結合することができる。

このレーザーダイオードドライバ回路は、多数のチャンネル又は出力モードを持つことができる。これらのモードは、読み出し、書き込み１、書き込み２を含むことができる。追加的なモードとして、消去及びアニールを含むことができる。それぞれのモードは、レーザーダイオード２０２からのオプティカルパワーの所望のレベルと関連させることができる。一実施形態において、閉ループドライバ部２０８とファーストループドライバ部２１０の両方の出力を異なるモードに調整することができる。

図２及び図３は、ファーストループドライバ部２１０及び閉ループドライバ部２０８の一実施形態の詳細を示すが、本発明に係るシステムに、他の設計もまた用いることができる。

本発明の一実施形態は、リアルタイムでパルスをサンプリングして、オプティカルパワー出力をほとんど瞬時に制御する能力を有するファーストフィードバックループを使用する「ファーストループ（fast-loop）」レーザーダイオードドライバ（ＬＤＤ）を開示している。本発明は、広帯域のアナログデータをフレックスケーブルに伝送する必要性を排除することができる。さらに、新しいＬＤＤ構造は、今日使用されている従来のカレントミラー構造より極めて低ノイズである閉ループカレントドライバを採用することを提案している。

新しいＬＤＤ構造は、複数のドライバブロックを含めることができ、それぞれが同一の最大出力電流能力を持つものとすることができる。一実施形態によると、最大出力電流は約１２５ｍＡである。それぞれのドライバブロックは、それぞれが異なるドライバ動作モードに関連した各チャンネルをドライブするためにプログラムされるようにすることもできる。

追加の１つのカレントドライバは、レーザー出力パワーをモニタするファーストフィードバックループ内にある。このカレントドライバは、ライトストラテジジェネレータ（write strategy generator）から受信した振幅変調したパルスパターンに適合させるために各ドライバブロックの出力レベルをリアルタイムで調整する。このドライバのフルスケール出力能力は、デバイス動作時の時間及び温度に基づいてレーザーダイオード電流の期待される範囲が可能となるように設定される。ファーストループドライバ部は、出力パワーを一定のレベルに維持することができる。これは、パワーをモニタしてその結果をＬＤＤブロックへフィードバックするために、レーザーによって放出された光の小さい部分を測定するフォトディテクタと関連している。デジタルシグナルプロセッシングコントローラ（図示せず）は、Ｄ／Ａコンバータを制御し、ＬＤＤの転送機能に関連してレーザーダイオードドライバのフルスケール電流を必要に応じて調整することが可能である。

本発明の一連の実施形態によれば、ライトストラテジジェネレータは、シリアルペリフェラルインターフェイス（ＳＰＩ）ポート２０２を介して制御される。ライトストラテジジェネレータ２２０は、ＬＤＤライトパルスパターンを制御するシリアルシフトレジスタを備えている。ドライバは、Ｄ／Ａコンバータのアレイを含み、それぞれは、ドライバ動作モード又はチャンネルの１つに対するパルスの振幅をリアルタイムで制御する。図２は、３つのドライバ動作モードと４つのドライバブロックを使用した一例を示している。チャンネルの数とドライバブロックの数は変更可能である。

本発明は、温度変化とダイオードの経年劣化による変動を補償すると同時に、一定のパワーを維持することができる。ＣＤ又はＤＶＤ用途における典型的な場合のように、レーザーの帯域幅が非常に低いとき、例えば約１０ｋＨｚのとき、モニタされたイベントは１０ナノ秒のパルスになり得る。

流れる電流の総量に関係なく、ドライブブロック２０８ａ，２０８ｂ，２０８ｃ，２０８ｄのそれぞれは等量の電力を消費し得るので、電力消費はチップ全域で一様となり得る。フォトディテクタは、オプティカルフィードバックを促進するため、レーザーダイオードにきわめて接近して配置され得る。フォトディテクタとライトパルスジェネレータは、ファーストループドライバ部２１０に組み入れることが可能である。ファーストループドライバ部２１０は、必要なトータル電流の低いパーセンテージ（一例として、約１０％）を流すことができ、ドライバブロックは、大部分の電流（一例として、９０％）を流す。図３に示すように、各ドライバブロックは、レーザーダイオードを横切る広い電圧範囲にわたって一定の電流を流す閉ループカレントソースとすることができる。

トランジスタによる信頼性のある電流は、計測抵抗３０２の設置によって保証される。計測抵抗３０２は、例えば約５オームの抵抗値を持ち得る。計測抵抗３０２を横切る電圧降下は、プログラミング電流を利用してドライバブロックによりプログラムされ得る。

デバイス２００と関係するノイズは、主にファーストループドライバ部２１０からである。もし一例のように、ループ内の電流がトータル電流の１０％の場合、ノイズは同様に、他のアプローチに存在するであろうノイズの１０％にすぎない。この回路は、ノイズの削減量が大きくかつ高度の線形性を持った確かな閉ループカレントソースを表している。ファーストループドライバ部２１０は、オプティカル出力パワーを一定のレベルに維持するための補正電流を流すことができる。

ファーストループドライバ部２１０は、トータル電流の低いパーセンテージ（一例として、約１０％）を流せば十分であるので、このシステムは、フル電流の１％以内に安定させるためには、その最終値の１０％以内に安定させればよい。したがって、本発明に係るドライバは、電流に関してきわめて安定している。もし、前述したように、レーザーダイオードの立ち上がり時間が１０ナノ秒の場合、ファーストループデバイスは、１ナノ秒以下の立ち上がり時間を持つだろう。スピードと低ノイズと高精度の組み合わせは、既存技術では不可能である。

本発明の好適な実施形態の前記説明は、実例と説明を目的として与えられた。これは、網羅的であること、または開示された形態通りに本発明を制限することを意図したものではない。多くの修正と変形は、当業者にとって明らかであろう。前記実施形態は、本発明の原則とその実践的用途の最良の説明のために選択されて説明され、それにより、考えられた特定用途に適合するように種々の形態及び種々の変更を伴う本発明を当業者が理解することを可能にする。特許請求の範囲及びその均等物により本発明の要旨が規定されることを意図するものである。

従来のレーザーダイオードドライバシステムを示す図である。 本発明に係るレーザーダイオードドライバシステムの一実施形態を示す図である。 図２のシステムに用いられるドライバブロックの一実施形態を示す図である。

符号の説明

１０２ ＡＰＣ回路
１０４，２０６ オプティカルフィードバック
１０８ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
１１２ ＬＬＤ
２００ レーザーダイオードドライバ回路
２０２ レーザーダイオード
２０４ フォトディテクタ
２０８ 閉ループドライバ部
２０８ａ〜２０８ｄ ドライバブロック
２１０ ファーストループドライバ部
２２０ ライトストラテジジェネレータ
３０２ 計測抵抗

Claims (22)

1. レーザーダイオードと、
   前記レーザーダイオードからオプティカルフィードバックを受けるように構成されたフォトディテクタと、
   前記レーザーダイオードの電流の第１の部分を供給する閉ループドライバ部と、
   前記レーザーダイオードの電流の第２の部分を供給するファーストループドライバ部と、を有し、
   前記閉ループドライバ部の出力が前記フォトディテクタから独立であり、
   前記ファーストループドライバ部は、前記ファーストループドライバ部の出力を決定するために、前記フォトディテクタの出力を使用することを特徴とするレーザーダイオードドライバ回路。
2. 前記閉ループドライバ部は、多重のドライバブロックを有することを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
3. 前記多重のドライバブロックは実質的に同じであることを特徴とする請求項２記載のレーザーダイオードドライバ回路。
4. 前記多重のドライバブロックは、それらの電流を組み合わせて前記閉ループドライバ部の出力に供給することを特徴とする請求項２記載のレーザーダイオードドライバ回路。
5. 前記ドライバブロックのそれぞれは、本質的に同じ最大出力電流を有することを特徴とする請求項２記載のレーザーダイオードドライバ回路。
6. 前記レーザーダイオードドライバ回路が、それぞれのチャンネルごとに異なる電流が供給される複数のチャンネルを有することを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
7. 前記ファーストループドライバ部は、前記レーザーダイオードが動作するのに使用されるトータル公称電流の約２０％未満の電流を流すことを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
8. 前記レーザーダイオードドライバ回路の立ち上がり時間が約１ナノ秒未満であることを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
9. 読み出しモードと、書き込みモードとを含むドライバ動作モードを有することを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
10. 前記ドライバ動作モードは、第２の書き込みモードと、消去モードと、アニールモードとをさらに有することを特徴とする請求項９記載のレーザーダイオードドライバ回路。
11. 前記レーザーダイオードドライバ回路がＣＤプレイヤに使用されることを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
12. 前記レーザーダイオードドライバ回路がＤＶＤプレイヤに使用されることを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオードドライバ回路。
13. レーザーダイオード及びフォトディテクタに接続されるレーザーダイオードドライバであって、
    前記レーザーダイオードの電流の第１の部分を供給する閉ループドライバ部と、
    前記レーザーダイオードの電流の第２の部分を供給するファーストループドライバ部と、を有し、
    前記閉ループドライバ部の出力が前記フォトディテクタから独立であり、
    前記ファーストループドライバ部は、前記ファーストループドライバ部の出力を決定するために、前記フォトディテクタの出力を使用することを特徴とするレーザーダイオードドライバ。
14. 前記閉ループドライバ部は、多重のドライバブロックを有することを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
15. 前記多重のドライバブロックは実質的に同じであることを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
16. 前記多重のドライバブロックは、それらの電流を組み合わせて前記閉ループドライバ部の出力に供給することを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
17. 前記ドライバブロックのそれぞれは、本質的に同じ最大出力電流を有することを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
18. 前記レーザーダイオードドライバが、それぞれのチャンネルごとに異なる電流が供給される複数のチャンネルを有することを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
19. 前記ファーストループドライバ部は、前記レーザーダイオードが動作するのに使用されるトータル公称電流の約２０％未満の電流を流すことを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
20. 前記レーザーダイオードドライバの立ち上がり時間が約１ナノ秒未満であることを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
21. 読み出しモードと、書き込みモードとを含むドライバ動作モードを有することを特徴とする請求項１３記載のレーザーダイオードドライバ。
22. 前記ドライバ動作モードは、第２の書き込みモードと、消去モードと、アニールモードとをさらに有することを特徴とする請求項２１記載のレーザーダイオードドライバ。

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