本明細書には、光PA又はMO又はPOに関して用いられ得る、レーザーダイオードといった光放射装置を活性化するためのシステム及び技術の実施形態が記述される。多数のPAが単一のMOと用いることができ、MOPAシステムの出力エネルギーを更に高める。本明細書で参照される光放射装置は、単一の光放射体若しくは直列、並列に配列された光放射体のアレイ、若しくは直列接続の光放射体の並列セットとして構成され得る。簡潔さの目的のため、これらの光放射装置が、光放射アレイとして参照されるが、実際には、任意の上述の構成であり得る。
レーザーダイオードドライバーは、もっとも理想的な形態においては、特定用途での動作に必要な分の電流をレーザーダイオードに供給するリニア、ノイズレス、及び正確な定電流源である。この構成においては、異なる数の光放射ダイオードを含むレーザーダイオードアレイといった負荷ごとに一つのレーザーダイオードドライバーが用いられる。しかしながら、レーザー技術がより小さい実装面積に進展するに応じて、価値が、レーザーダイオードドライバーを含む全レーザー部品の空間、体積、及び質量要求に置かれる。本技術が、幾つかの構成において、多数のダイオードドライバーの機能を組み合わせ、これにより、負荷単位の一つ一つのレーザーダイオードドライバーの必要性を除去するマルチ出力ダイオードドライバーを提供することにより、これらの必要性を解決する。
一側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態が、共通のポテンシャル源から電流を引くために構成された多段階レーザー駆動回路を提供する。駆動回路は、電流ノード(ここで、電流ノードは、電流が流れる特定の電圧ノードとして規定される)と、共通のポテンシャル入力源と電流ノードの間で電気接続される第1光放射アレイを含む。駆動回路は、電流ノードと電気接続され、お互いに並列に配置された第1及び第2電流シンクも含む。第1電流シンクは、第1制御端子を有し、第1制御端子で受け取る各電流制御出力信号に応答して、電流ノードを介して、共通のポテンシャル源から第1電流を引くように構成される。同様に、第2電流シンクは、第2制御端子を有し、第2制御端子で受け取る各電流制御出力信号に応答して、電流ノードを介して、共通のポテンシャル源から第2電流を引くように構成される。第1光放射アレイを通じて引かれる合計電流が、第1及び第2電流の組み合わせにより実質的に決定される。第1光放射アレイは、更に、そこを通じて引かれる電流に応答して光を放射するように構成される。
本明細書に詳細に記述されるように、第1及び第2電流シンクは、第1及び第2電流源により置換可能であり、電流源が共通ポテンシャル入力源と光放射アレイの間に配置され、この構成において、詳細に後述のようにダイオードの過電流状態が阻止される。電流シンクを用いるシステム構成の本明細書の如何なる記述も、詳細に後述のように本開示の電流源に適用可能であることに留意されたい。
別側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態が、第1光放射アレイを駆動するための方法に関する。方法が、第1及び第2電流制御信号を受け取ることを含む。第1電流は、受け取った第1電流制御信号に応答して電流ノードを通じて共通のポテンシャル源から引かれる。第2電流は、受け取った第2電流制御信号に応答にして電流ノードを通じて共通のポテンシャル源から引かれる。第1及び第2電流は、お互いに並行である。合計電流が第1光放射アレイを通じて引かれる。合計電流は、第1及び第2電流の組み合わせ(IMO+IPA)により実質的に決定され、光放射アレイは、そこを通じて引かれる合計電流に応答して光を放射する。
幾つかの実施形態においては、方法は、電流駆動回路内への電流イネーブル信号を受け取ることを含む。電流イネーブル信号が、「アクティブ」(つまり、電流を引く)及び「スタンバイ」(つまり、電流を引かない)に対応する、少なくとも2つの状態を含む。電流レベル設定信号も受け取られ、第1及び第2電流制御出力信号の少なくとも一つが、受け取られた電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して決定される。幾つかの実施形態においては、電流イネーブル信号がアクティブ状態の間、受け取られる電流レベル設定信号が変動する。これにより、各電流シンクパルスについて任意波形生成(AWG(Arbitrary Waveform Generation))が許容される。第1及び第2電流の個別の一つが、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれる。
幾つかの実施形態においては、方法は、第1電流に応答して第2光放射アレイから光を放射することを更に含む。
幾つかの実施形態においては、方法は、少なくとも一つの前記光放射アレイから放射された光によりレーザー利得媒体をポンピングすることを含むことができる。
幾つかの実施形態においては、電流−駆動回路の電流レベル設定信号が、少なくとも一つの前記光放射アレイの瞬間ピーク出力電流を誘起するべく構成される瞬間ピークを含む。そのような瞬間ピークは、ポンプされる利得媒体を光学的に励起するように適合され、レーザー出力に関して光励起の同期を提供する。
また別の側面においては、本明細書に記述の少なくとも一つの実施形態がMOPAレーザー光ポンピングシステムを提供し、第1及び第2電流制御信号を受け取るための手段を含む。受け取った第1電流制御信号に応答して電流ノードを介して共通のポテンシャル源から第1電流を引くための手段と、受け取った第2電流制御信号に応答して電流ノードを介して共通のポテンシャル源から第2電流を引くための手段も提供される。第1及び第2電流が、お互いに並行である。MOPA電流源は、第1光放射アレイを通じて合計電流を引くための手段、合計電流(IMO+IPA)に応答して第1ポンプ光を放射するための手段、及び出力増幅器(PA)利得媒体内に第1ポンプ光を接続するための手段も含む。合計電流は、第1及び第2電流の組み合わせにより実質的に決定され、光放射装置は、そこを通じて引かれる合計電流に応答して光を放射する。
幾つかの実施形態においては、MOPAレーザー光ポンピングシステムは、第2光放射アレイを通じて第2電流を引くための手段を更に含み、光放射アレイが、そこを通じて引かれる電流(IMO)に応答して光を放射する。第2電流(IMO)に応答して第2ポンプ光を放射するための手段と、MO利得媒体内に第2ポンプ光を接続するための手段も提供される。
電流シンク(源)と前記電流シンク(源)用の制御端子の数は、3、4、5、又はこれ以上の並列の電流シンク(源)であり、合計電流のキャパシティーを高め、全体の集合の信頼性を高める。記述の簡単さのため、ただ2つの電流シンク(源)が、例の図示のため、本明細書で詳細に記述される。加えて、上述のように、電流シンクは、共通のポテンシャル源と上部第1及び第2光放射アレイの間に設けられる電流源として実施可能である。
この開示によれば、少なくとも2つの制御可能なローサイド電流シンク(又は2つのハイサイド電流源)を有するレーザーダイオード駆動回路が提供される。逆のことが明確に述べられない限り、電流シンクを用いるシステムの本明細書の詳細な記述が、電流源として電流シンクを用いるシステムに等しく適用可能である。各電流シンクは、レーザーダイオードのポンピングを通じて、蓄積キャパシタといった、共通の共用源から引かれる電流を制御するように動作できる。幾つかの実施形態においては、2つの電流シンクの各々が、全レーザーダイオード駆動電流の個別の一部(例えば、半分)を引き、これにより、両方の電流シンクの電流負荷を低減する。減じられた電流レベルでの電流シンクといった構成部品の動作が低温動作を許容し、装置及びシステム全体の信頼性を改善する。
他の実施形態においては、電流シンクの一つが、光利得媒体をポンプするように構成された第1レーザーダイオードアレイを通じて相対的に高い、第1電流を引くように動作される。別の電流シンクは、第2レーザーダイオードアレイを通じて相対的に低い電流を引くように動作され、レーザーMOをポンプし、これが、続いて、光シード信号を提供する。そのようなシード出力は、第1レーザーダイオードアレイにより適切にポンプされる光利得媒体に適用され、それにより増幅される。特には、両方のレーザーダイオードアレイが、直列構成において動作される。そのような構成により、共通の蓄積キャパシタの共有が許容される。そのような共有が、より少ない構成部品(つまり、一つの蓄積キャパシタ及び充電回路)に帰結し、これにより、独立の蓄積キャパシタを用いる従来の構成よりも改善された効率を提供する。
多段階レーザーダイオードドライバー100(PO)の実施形態のブロック図概要が図1に示される。レーザーダイオードドライバー100は、第1光放射アレイ102を含む。図示の実施形態においては、光放射アレイ102が、直列結合され、お互いに直列に配置されたレーザーダイオード104a、104b、104c(概して104)といった3つの半導体装置を含む。レーザーダイオード104の一端が、共通のポテンシャル源106の第1端子に電気的に接続される。共通のポテンシャル源106が、レーザーダイオード104を含む回路を通じて十分な大きさの電流をサポートするべく十分な電荷を提供する任意の適切な源であり得る。幾つかの例が、バッテリー、蓄積キャパシタ、及び電源を含む。直列接続のレーザーダイオード104の反対端が、電流ノード108に電気的に接続される。
第1電流シンク110は、電流ノード108及び共通のポテンシャル源106の反対(負の)端子に電気的に接続され、回路が完成する。第1電流シンク110は、電流ノード108を通じて共通のポテンシャル源106から第1電流I1を引くように構成される。図示の実施形態においては、第1電流シンク110は、個別の電流制御出力信号を受け取るように適合される第1制御端子112を有する。第2電流シンク120は、電流ノード108と共通のポテンシャル源106の反対(負の)端子の間で電気的に接続される。第2電流シンク120は、電流ノード108を通じて共通のポテンシャル源106から第2電流I2を引くようにも構成される。図示の実施形態においては、第2電流シンク120は、個別の電流制御出力信号を受け取るようにも適合される第1制御端子122を有する。第1及び第2電流シンク110、120は、お互いに並列に配置される。電流ノードへの第3独立回路の脚に位置付けられ、光放射アレイ102を通じて引かれる電流は、各電流シンク110、120により引かれる電流の合計である(つまり、I1+I2)。直列結合のレーザーダイオード104が、好適には、そこを通じて引かれる合計電流I1+I2に応答して光105を放射する。
各電流シンク110、120が、各制御端子112、122での刺激に応答してノード108を通じて電流の個別分を引く。本明細書に記述の図示例においては電流「シンク」との用語が用いられるが、電流「源」で置換され、さもなければ参照され得る。シンク又は源の指定が見方に依存する。ハイサイド電流源の実施の場合、デュアル電流源が、共通のポテンシャル源106と光放射アレイ102の間で動かされる。光放射アレイの下部が、次に、共通のポテンシャル源106の負端子に結合される。ハイサイド電流源(ローサイド電流シンクではなく)を用いることにより提供される少なくとも一つの利点は、より大きい回路複雑さの代償ではあるが、改善された、例えば、グランドへの短絡からダイオードアレイの保護である。簡単な実施形態においては、各電流シンク110、120が、抵抗器と単極単投(SPST)アナログ又は機械スイッチの直列結合により提供できる。そのようなスイッチの動作は、個別の制御端子112、122で受け取られる刺激により、例えば、ソレノイド又は他の適切なアクチュエーターの動作により達成できる。幾つかの実施形態においては、トランジスタといった電子スイッチが、アナログスイッチの代わりに用いられる得ることが想定される。そのような電子スイッチの制御は、各制御端子で受け取られる刺激(例えば、ゲート電圧)により達成できる。スイッチが開けられる時、各電流シンク110、120により電流が引かれない。いずれかのスイッチが閉じられる時、各電流が、各抵抗器を通じて引かれる。引かれる電流の大きさは、少なくとも部分的に共通のポテンシャル源及びレーザーダイオード104を通じてトレースされる電気回路及び抵抗器の値に応じて決定される。そのような構成においては、制御端子刺激が、バイナリー形態で電流シンクを動作させ、刺激に応じて電流がオン又はオフのいずれかになる。少なくとも幾つかの実施形態においては、回路設計が、単純なスイッチではなく、むしろ、図4に示されるように、リニア、閉ループサーボシステムである。
図示例の2つの電流シンク110、120といった本明細書に記述の任意の電流源又はシンクが、制御可能な電流源を含み得ることも想定され、この場合、電流シンク110、120により引かれる電流の大きさが、各制御端子112、122で提供される電圧及び/又は電流刺激により決定される。そのような制御可能な電流シンク110、120が、トランジスタ装置といった1以上の能動素子を含むことができる。特定の実施形態においては、電流シンク110、120の少なくとも一つが、エル・セグンド、CAのインターナショナル・レクティファイアーから商業的に入手可能な部品番号No.IRFP4368PbF、HEXFET(登録商標)パワーMOSFETといったパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を含む。そのような装置においては、ドレイン−ソース間電流IDSが、ゲート−ソース間電圧VGSにより制御され、装置は、10ボルトのゲート−ソース電圧VGSで250アンペアを超えるドレイン−ソース電流IDSを吸い込むことができる。
レーザーパワースケーリング用途においては、レーザーダイオード104により放射される光105が光利得媒体140に結合できる。好適には、レーザーダイオード104から放射される光105の波長は、利得媒体140のイオンを高められたエネルギー状態に「ポンプ」するのに適切な帯域に存在し、また十分な振幅を有する。そのようなポンピングが、レーザーダイオード104からの放射エネルギーの1以上のパルスにより達成できる。そのようなポンピングモードの下、ダイオード104を通じて引かれる電流が、ポンピング電流IPA=I1+I2に対応する。典型的には、IPAは、レーザーダイオード104が光利得媒体140をポンプし、レーザー光142を放射させるのに十分な光エネルギーを放射させるのに十分な相当な電流(例えば、百アンペア以上)である。第1及び第2電流I1、I2が付加的なものであるため、各々が、出力増幅器電流未満であり得る。例えば、各電流が、実質的に等しく、出力増幅器電流の1/2であり得る。そのような電源共有により実現可能な少なくとも幾つかの利点が、減じられた動作温度であり、より一般的には、第1及び第2電流シンク110、120といった電子構成部品上への減じられたストレスにある。減じられた電子構成部品のストレスが、改善されたシステムの信頼性になる。並列に配置された2つよりも多い電流シンクを有する他の実施形態が可能であり、各電流シンクモジュール上の全レーザー電流負荷を更に共有する。たった2つの電流シンクが図1に図示されるが、特に、電流を共用することに良く適する高インピーダンス・エンティティである定電流シンク/源の観点から、2以上のものが用いられることが想定される。この場合、加えられた各電流シンク/源が、102で光放射ダイオードアレイを通じる全体の合計電流に貢献する。
多段階レーザーダイオードドライバーの別の実施形態のブロック図の概要が図2に示される。繰り返すが、レーザーダイオードドライバー200は、第1光放射アレイ102を含む。図示の実施形態においては、光放射アレイ102は、お互いに直列に配置されたレーザーダイオード104a、104b、104c(概して104)といった、直列結合された3つの半導体装置を含む。直列結合されたレーザーダイオード104の一端が、共通のポテンシャル源206の第1端子に電気的に接続される。この例の共通のポテンシャル源206が、蓄積キャパシタ206により提供される。キャパシタ充電回路207は、蓄積キャパシタ206に電子的に接続され、少なくとも充電期間の間に望まれる電圧レベルVCAPまでキャパシタを充電するように構成される。キャパシタ充電回路207は、概して、電源VSUPPLY(例えば、交流又は直流電源又は発電施設)といった別のソースにより電源供給される。
第1電流シンク110は、電流ノード108と蓄積キャパシタ206の反対(負の)端子の間で電気的に接続される。第1電流シンク110は、電流ノード108を通じて蓄積キャパシタ206から第1電流I1を引くように構成される。繰り返すが、第1電流シンク110は、個別の電流制御出力信号を受け取るように適合される第1制御端子212も有する。第2電流シンク120は、電流ノード108と蓄積キャパシタ206の反対(負)端子の間で電気的に接続される。第2電流シンク120は、電流ノード108を通じて蓄積キャパシタ206から第2電流I2を引くように構成される。図示の実施形態においては、第2電流シンク120が、個別の電流制御出力信号を受け取るようにも適合される第1制御端子222を有する。第1及び第2電流シンク110、120は、お互いに並列に配置される。各電流シンク110、120は、図1に関して記述のように動作し、例えば、各制御刺激(例えば、制御電圧)に応答して電流を引く。
幾つかの実施形態においては、1以上の電流シンク110、120が、各第2制御端子213、223を含む。各第2制御端子231、223は、個別の電流シンク110、120により引かれるべき好ましい電流レベルに対応する電流レベル制御信号を受け取るように構成される。より一般的には、少なくとも幾つかの実施形態においては、電流レベル制御信号は、また、各電流シンク110、120を通じて引かれるべき電流のパルス形状を制御する。そのような実施形態においては、各電流シンク110、120は、その個別の第1制御端子212、222での刺激の期間の間に電流を引くように構成され、引かれる(一定又は時間変化)電流の大きさが、その個別の第2制御端子213、223で受け取られる個別の電流レベル制御信号に対応する。特には、電流が引かれる期間の間のいずれかの電流レベル制御信号のバリエーションが、時間に関して変化する引かれる電流の値に帰結する。概して、いずれかの電流シンク110、120を通じて引かれる電流への任意のパルス形状が取得され得ることが想定される。例は、矩形パルス、傾斜パルス、三角パルス、段差パルス、そのようなパルスの組み合わせ、及び同所のものを含む。
レーザーダイオード104は、そこを通じて引かれる電流に応答して光105を放射する。実施形態例においては、電流値が、組み合わせIT=I1+I2である。上述のように、光アンプをポンプすることが、相当な電力を要求し、全電流ITが、100アンペア以上であり得る。有益には、いずれの電流シンク110、120も、全電流の一部(例えば、IT/2)を引くことのみ要求し、装置110、120が低電流で作動することを許容し、またより少ない熱を生成する。結果として、レーザーダイオードドライバー200の全信頼性が改善される。放射された光105は、光利得媒体140をポンプするために用いられ、増幅された光出力142が、励起された放射を通じて生成される。
少なくとも幾つかの実施形態においては、レーザーダイオードドライバー200が、コントローラー230を含む。コントローラー230は、少なくとも各電流シンク110、120の第1制御端子212、222に電気的に接続される。コントローラー230は、電流シンク110、120の各々に刺激(例えば、電圧)を提供するように適合され、レーザーダイオード104の所望の動作を達成するべく、各電流シンクに個別の電流を引くようにさせる。そのような刺激が、例えば、通電と無電流状態の間を区別する矩形パルスを含み得る。そのような刺激が、事前にプログラムされ、さもなければ、所望のデューティー・サイクルで所望の持続パルスを提供するように構成される。
電流シンク110、120のいずれもが第2制御端子213、223を含む実施形態については、コントローラーは、また、それと電気的に接続され、個別の電流レベル制御信号を提供するように構成される。繰り返すが、そのような刺激は、事前にプログラムされ、さもなければ、所望の電流パルス形状を提供するように構成される。少なくとも幾つかの実施形態においては、コントローラー230は、数値(例えば、デジタル)刺激を提供する。いずれの電流シンク110、120がアナログ電流レベル信号を受け取るように構成される実施形態については、個別のデジタル・アナログ変換器(DAC)214、224が提供され(幻影にて示される)、デジタル制御信号を電圧又は電流といったアナログ信号に変換する。
幾つかの実施形態においては、レーザーダイオードドライバー200は、1以上の電流センサー215、225を含む。図示の実施形態においては、個別の電流センサー215、225は、各電流シンク110、120を含む回路の各脚に提供される。そのような構成においては、各電流センサー215、225は、ノード108から引かれる各電流を検知するように構成される。例えば、電流センサーは、誘導性場を流れる電流を測定する誘導性電流センサー、又は電流を示す精密抵抗器に亘る電圧を測定する電圧センサーでシャントされた精密抵抗器(例えば、2.2ミリオーム)であり得る。各センサー215、225の各出力216、226が、コントローラー230に結合される。センサー出力がアナログ信号であり、コントローラー230がデジタル値を処理するように適合される実施形態については、個別のアナログ・デジタル変換器(ADC)217、227(幻影で示される)が、各電流センサー215、225とコントローラー230の間に設けられ得る。幾つかの実施形態においては、検知された電流が、フィードバックループ構成においてコントローラー230により用いられ、電流レベル制御信号213、223が、各電流シンク110、120により引かれる電流の値をより正確に制御する。
少なくとも幾つかの実施形態においては、コントローラー230が、更にキャパシタ充電回路207と接続されることが想定される。例えば、コントローラー230は、蓄積キャパシタ206の充電を制御するため、充電器207に充電制御信号232(幻影で示される)を提供できる。そのような信号は、充電速度、若しくは充電キャパシタ206に適用される電圧を制御する。代替若しくは加えて、コントローラー230は、例えば、蓄積キャパシタ206の状態(例えば、完充電、若しくは電圧レベル)を示す充電状態信号234(幻影で示される)を充電器207から受け取ることができる。コントローラーは、事前プログラムされた指令のセットを実行するように適合されたコンピューター上で実施され、さもなければそれとの動作のために構成できる。代替若しくは加えて、コントローラーは、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)により全体又は部分的に実施できる。
多段階レーザーダイオードドライバー300のまた別の実施形態のブロック図概要が図3に示される。ドライバー300は、電流シンクの一つ(MO電流シンク220)に直列に結合された第2レーザーダイオードアレイ304(MOダイオードアレイ)を除いて、図2で上述したドライバー200に全側面において同様である。特には、そのような実施形態においては、第1電流シンク(PA電流シンク210)と第2電流シンク(MO電流シンク220)が、電流ノード208へPA光放射アレイ202を通じて蓄積キャパシタ206から出力増幅器(PA)ポンピング電流IPA+IMOを引くように構成される。結果として生じるダイオードレーザー光205が、レーザー光242が放射されるまでPA利得媒体240をポンプする。第2電流シンク220(MO電流シンク)は、MO利得媒体241をポンプするダイオードレーザー光305を放射するMOダイオードアレイを通じる電流を生成するため、主発振器(MO)電流シンク220として参照される。MO利得媒体241から結果として生じるシード光243が、PA利得媒体240への光学的な駆動周波数である。一例では、PAダイオードアレイ電流を200アンペアに設定することが望ましいとすれば、(プラナー導波路においては、一般的に、MO電流がPA電流に等しい若しくはそれ未満であることを考慮して)MOダイオードアレイ電流を150アンペアに設定する。従って、MO電流シンクは、入力222及び223により150アンペアに指令され、PA電流シンクは、入力212及び213により50アンペアに指令される。このアプローチの利点は、両方のレーザーダイオードアレイが直列に結合され、単一の共通のポテンシャル源から電源供給されることである。少なくとも幾つかの実施形態においては、MOダイオードアレイ304は、MO利得媒体241で適切にポンプされたイオンの励起された放射を通じて増幅されたパルスを生成することができる。この場合、シード光パルスは、MO利得媒体243から放出し、PA利得媒体240を駆動するパルスである。
単一のレーザーダイオード304が図示されるが、直列に配置された1以上のレーザーダイオード304のアレイにより置換できる。好ましくは、全てのダイオード204、304が、共通の方向を有する電流に応答して光を放射するように構成される。特には、そのような構成が、共通の蓄積キャパシタ206と直列に配置されたより多数のレーザーダイオード204、304を提供し、PA及びMOレーザーダイオードが独立して駆動される伝統的なMOPAレーザーダイオードドライバーを超える改善された効率を提供する。
本明細書に記述の様々な技術及び回路トポロジーでは、第2電流シンク(例えば、MO電流シンク220)と直列に構成される、第2レーザーダイオードアレイ(例えば、MOレーザーダイオードアレイ304)の周辺の第1制御可能電流シンク(例えば、PA電流シンク210)から電流を指令することができる。これは、第1及び第2レーザーダイオードアレイ202、304の両方の動作を可能とし、他方、同時に、共通のポテンシャル源から各ダイオードアレイを通じて異なる電流振幅を引く。図3に図示の例においては、両方のダイオードアレイ202、304が直列に結合されているにも関わらず、IPA+IMOの第1電流がPAレーザーダイオードアレイ202を通じて引かれ、Imoの異なる電流がMOレーザーダイオードアレイ304を通じて引かれる。
MO電流シンク220の一実施形態のより詳細な概略図が図4に示される。MO電流シンクトポロジー220及びPA電流シンクトポロジー210は同一であり得る。従って、MO電流シンクについて単一の概略が図示される。回路220は、主発振器ダイオードアレイ304(図3)と電気的に接続され、そこを通じる制御可能な電流IMOを引く、さもなければ「吸引」するように構成される制御可能な電流吸引装置Q4を含む。図示の実施形態においては、電流吸引装置Q4は、エル・セグンド、CAのインターナショナル・レクティファイアーから商業的に入手可能な装置モデルNo.IRFP4368PbFといったパワーMOSFETである。例の電流吸引装置Q4は、ゲート−ソース電圧VGSの制御の下、ドレイン−ソース電流IDSの350アンペアまで吸引することができる。例えば、25℃の接合温度で、IDSは、約4.6ボルトのVGSについて約100アンペアであり、約4.9ボルトのVGSについて約200アンペアである。
電流シンク220は、電流吸引装置Q4のゲート端子(G)と電気的に接続されるゲート駆動回路を含む。ゲート駆動回路は、閉ループ、ローサイド電流シンク(実施は、ローサイド又はハイサイドのいずれかであり得る)を形成するように接続された、U3Bの積分器と、U5の電流センス差動アンプを含む。ハイサイド構成においては、電流シンクは、MOダイオード304のノードに配置される。繰り返すが、ハイサイド電流駆動の少なくとも一つの利益は、MO又はPAレーザーダイオードアレイ202、304が意図せずにグランドに短絡されるならば、高価なレーザーダイオードが保護されることである。ハイサイド駆動の代償は、ローサイド電流シンクアプローチと比較する時、複雑さが増す。
実施形態例においては、積分器U3Bは、サンタクララ、CAのナショナル・セミコンダクター社から商業的に入手可能なモデルNo.LM6172である。積分器U3Bの非反転入力(+)は、制御可能なSPSTスイッチU8に電気的に接続される。実施形態例においては、スイッチU8は、ノーウッド、MAのアナログデバイス社から商業的に入手可能なモデルNo.ADG1401のiCMOS SPSTスイッチである。実施形態例においては、スイッチU8は、通常は閉じられ(例えば、DD_FIRE2が論理1である)、非反転入力を低電圧レベル(例えば、−0.6ボルト又はN_0.6V2)に接続し、電流シンクをオフに切り替える。制御可能なスイッチU8の制御入力は、第1信号入力222(例えば、DD_FIRE2)と電気的に接続される。適切な制御(例えば、DD_FIRE2が論理0である)に応答して、スイッチU8が開かれ、非反転入力から−0.6ボルトの低電圧参照を除去し、入力信号223(例えば、I_SET2)が電流シンクサーボループにより送られる電流量を制御することを許容する(例えば、図4に図示の特定の例においては、ボルト当たり50アンペア)。
アンプU3Bの非反転入力(+)は、更に、2つの抵抗器R44、R45を含む抵抗分割器ネットワークを通じて第2信号入力223に電気的に接続される。ここで、本明細書に含まれる、R44及びR45の抵抗器といった、任意の装置の値が、ただの図示例として提示され、さもなければ他の値、範囲、及び装置の選択を制限することを意図しないことに留意されたい。この入力が変化し、U8への入力信号222が論理ゼロの時、閉ループ電流シンク回路の出力が、電流センス抵抗器(R53);(少なくとも部分的にR49及びR52の値により決定される)U5Aでの差動アンプの利得;分圧器ネットワーク(R44及びR45)、及び電圧の大きさに比例する電流を生成する。図示例においては、ボルト当たりアンペアの式は:アンペア/ボルトでのI/V=[(R52)×(R45)]/[(R49)×(R53)×(R45+R44)]。ここで、「V」入力は、I_SET2電圧223である。
積分器U3Bの反転入力(−)は、電流モニタリング回路225の出力と、適切なプルアップ抵抗器R42を通じて接続された正の供給電圧(例えば、+15V)に電気的に接続される。積分器U3Bの出力は、キャパシタC29に直列のフィードバック抵抗器R43を含むRC回路を通じて反転入力に結合される。キャパシタC29は、少なくとも部分的に、積分器として装置U3Bを構成し、他方、C29と組み合わされてR43は、少なくとも部分的に、電流シンクのサーボループ補償のため「ラプラスゼロ」を生成するように構成される。RC組み合わせR43、C29は、そのカソードがアンプ出力に結合されるように設けられたダイオードCR2によりシャントされる。シャントダイオードCR2は、プルアップ抵抗器R42と組み合わされて、Q4が「オフ」状態に到達することを保証する負のクランプを生成する。シャントダイオードCR2は、積分器U3Bの出力をクランプし、従って、電流吸引装置Q4のゲートが約−0.7Vになる。特定の構成では、アンプU3Bの出力は、「発射」(例えば、スイッチU8が開回路である)される時、第2入力信号223(I_SET2)の二分の一と電流センス回路225の出力又はI_SENSE2信号228の間の積分差(integrated difference)を追随する。アンプ出力電圧は、直列抵抗器R48を通じて電流吸引装置Q4のゲート端子(G)に結合される。直列抵抗器R48は、Q4のゲートの高容量から積分器U3Bを隔離し、電流シンクサーボループの不要な共鳴(ringing)を阻止する。
この構成においては、電流吸引装置Q4は、第1信号入力222(DD_FIRE2)が0の論理入力の時、制御可能な電流を吸引又はさもなければ伝導させる。ゲート駆動電圧の値は、電流センス出力228(I_SENSE2)と第2入力信号223(I_SET2)の二分の一の間の積分差により決定される。第2入力信号223(I_SET2)は、実質的に一定であることができ、電流吸引装置Q4を通じるドレイン−ソース電流は、第1信号入力222(DD_FIRE2)に対応するパルス出力である。代替的若しくは加えて、電流吸引装置Q4を通じるドレイン−ソース電流は、第1信号入力がアクティブの間、第2入力信号223(I_SET2)の二分の一を追随する。第1入力信号222(DD_FIRE2)がアクティブである時の時間期間の間に第2信号が変化する時、出力ゲート電圧が対応の態様で変化し、電流シンク電流IDSも同様の態様で変化する。少なくとも幾つかの実施形態においては、同様の回路が、第1電流シンク210(PA電流シンク)のために設けることができる。
図示例においては、電圧モニタリング回路225は、電流シンクQ4のソース端子(S)に直列に接続された精密高電流検出抵抗器R53を含む。実施形態例においては、検出抵抗器R53は、1%の公差で、0.0022オームの値を有し、スウォンジ、MAのアイソテックから商業的に入手可能なモデルNo.SMV−R0022−1.0により提供される。検出抵抗器R53を通じて引かれる電流IMOは、対応の電圧降下を生じさせる。電圧降下は、第2、精密差動アンプU5Aの入力端子に適用される。図示の実施形態においては、第2アンプU5Aは、ノーウッド、MAのアナログデバイス社から商業的に入手可能なモデルNo.OP467GSである。
電流センス差動アンプU5Aへの入力は、図示のように抵抗器ネットワークを通じて結合される。つまり、検出抵抗器R53の第1側が、直列抵抗器R51とシャント抵抗器R50を通じて差動アンプU5Aの非反転入力(+)に結合される。検出抵抗器R53の反対側が、直列抵抗器R52を通じて反転入力(−)に結合される。フィードバック抵抗器R49は、アンプU5Aの出力と反転入力の間に結合される。抵抗器R49からR52が、op−ampU5Aで差動アンプトポロジーを形成する。図示例の電流対電圧利得は、I/V=(R52)/[(R49)×(R53)]アンペア/ボルトである。従って、検出抵抗器R53を通じて流れる電流の毎100アンペアについて、電流センス出力228(I_SENSE2)が、図4に図示の特定の実施形態について1.0Vになる。従って、アンプ出力電圧が、精密抵抗器に亘る電圧降下に追随する。少なくとも幾つかの実施形態においては、ドレイン−ソース電流IDSを示す出力電圧が、アナログ電流センス信号228(I_SENSE2)として提供される。更なる信号条件(例えば、増幅又はバッファリング)が、必要なようにアンプ出力に適用できる。
多段階レーザーダイオードドライバーの蓄積キャパシタ充電回路207の一実施形態の概略図が図5に示される。回路は、外部電源VSUPPLYと蓄積キャパシタ206VCAP(図2、3)の間に結合される電力モジュールPS1を含む。図示例においては、電力モジュールPS1は、DC−DC変換器、アンドーバー、MAのバイコー社から商業的に入手可能なモデルNo.V28C36T100BLである。この例においては、電力モジュールPS1は、9〜36ボルトの範囲の入力電圧について動作可能である。正の出力電圧は、相対的に高パワーの直列抵抗器R5を通じて蓄積キャパシタ206の正側に結合される。図示例においては、直列抵抗器R5は、20.0オームの値を有し、約100ワットの電力損失に定格される。蓄積キャパシタの充電時間定数τは、少なくとも部分的にキャパシタ値(例えば、30,000μファラッド)及び直列抵抗器R5により決定される。ここでは、τ=RC、若しくは約0.6秒である。VCAPの初期ターンオン及び満充電の後;R5が、だいぶ小さい抵抗器(例えば、1.00オーム−不図示)によりシャントされ、VCAPが、より急速にその満電圧まで充電できる。これは、上限30Hzのパルス繰り返し周波数(PRF)の動作を許容する。
適合抵抗ネットワークが、電力モジュールPS1の第2制御端子SCに結合される。特には、第2制御端子SCでの電圧は、必要なように、上又は下にサプライモジュールPS1の出力電圧の値を「トリム(trim)」又はさもなければ調整するように変更できる。図示の実施形態においては、第1抵抗器R6は、電力モジュールPS1の正の出力端子(+OUT)と第2制御端子SCの間に結合される。R6は、例えば、PS1の標準出力から上にトリムすることが望まれる時、組み込むことができる。上にトリムすることが要求されないならば、R6を組み込む必要はない。第2抵抗器R7は、第2制御端子と電力モジュールPS1の負の出力端子(−OUT)の間に結合される。R7は、例えば、PS1の標準出力から下にトリムすることが望まれる時、組み込むことができる。下にトリムすることが要求されないならば、R7を組み込む必要はない。2つのシャント抵抗器R76、R77は、第2抵抗器R7に並行に提供される。特には、シャント抵抗器R76、R77は、第2制御端子SCと負の出力端子の間の抵抗値を変更するため、第2抵抗器R7と独立して又は併せて選択的にシャントできる。
シャント抵抗器R76、R77のいずれかの適用が、SPSTスイッチU9及びU10の選択的な制御により取得される。各スイッチU9、U10は、個別の入力信号V0、V1により独立して制御可能である。実施形態例においては、スイッチU9、U10も、モデルNo.ADG1401である。スイッチU9、U10は、1の論理入力の間に閉じられ、0の論理入力の間に開かれる。少なくとも幾つかの実施形態においては、出力モニター端子234が、電力モジュールPS1の出力電圧をモニタリングするために提供される。出力モニター端子234での電圧は、電力モジュール出力電圧レベルの指標としてコントローラー230(図2、3)への入力として提供される。出力電圧が低すぎる若しくは高すぎると決定されるならば、例えば、コントローラー230からTTL制御端子V0、V1により適切な調整が為される。図5に図示の実施形態におけるU9及びU10により提供される下等の調整が、例えば、コントローラー230内のFPGAにより制御される「デジタルポテンショメーター」により簡単に置換できることに留意されたい。これは、従って、電力モジュールPS1からキャパシタ電圧(VCAP)のより精密な調整を与える。VCAP電圧は、電流シンクMOSFETQ4(図4)に亘る電圧降下を最小化する目的で調整され、同時に、これらの同一のMOSFETQ4をそれらのリニア領域に維持する。電流シンクパス素子により消費される電力(電力=(Vds)×(Ids))を最小化することにより効率が最大化される。この概念は、両方のレーザーダイオード(図3の204及び304)の温度と、蓄積キャパシタの近くの回路基板の温度をモニタリングすることにより高めることができる。これらの2つの温度をモニタリングすることにより、PS1は、蓄積キャパシタの等価直列抵抗(ESR)の変動と、204及び304でのレーザーポンプダイオードの電圧降下の変動を保証するように調整される。MOSFETQ4のドレイン−ソース電圧Vdsを約+0.7Vに維持することにより、最大効率が達成できる。
モジュール化された多段階レーザーダイオードドライバーの一実施形態のブロック図概要が図6に示される。図示の実施形態は、3つのモジュール:制御論理モジュール450;ダイオード駆動モジュール460;及び光モジュール470を含む。分離された電源409が、駆動モジュールのいずれにも含まれないように図示される。電源409は、サプライキャパシタ406を充電するのに十分な電流及び電圧を供給する(sourcing)ことができる任意の適切な電源であり得る。例が、バッテリー、発電施設、他のac及び/又はdc電源を含む。電力が、交流、直流、又は交流及び直流の組み合わせであり得る。
モジュール間の回路及び/又は機能の分割と同様、モジュール450、460、480の特定の構成及び数が、例として提供される。他のモジュール構成が可能であることが想定される。モジュールは、別々であり、相互接続可能である。例えば、3つのモジュール450、460、470の各々が別々のシャーシ及び/又はハウジング内に提供でき、ケーブルといった1以上の相互接続部がモジュール間に提供され得る。幾つかの実施形態においては、2以上のモジュール450、460、470が共通のハウジング又はシャーシ内に含められ得る。モジュール間の相互接続は、モジュール自体上、例えば、共通のバックプレーン沿い、又はマザーボード−ドーターボード配置として構成される相互接続部により達成することもできる。
光モジュール470は、第1ポンプ又は駆動電流、例えば、IPA+IMOを受け取るように構成される1以上のポンプダイオード404の第1アレイを含む。ポンプダイオード404の第1アレイは、駆動電流に応答してポンプ光474を放射するように構成される。ポンプ光474は、出力増幅器(PA)光利得媒体(不図示)に向けられ、良く知られた技法を介して利得媒体のイオンを所定の高められたエネルギー状態までポンプするように構成される。1以上の主発振器ダイオード405の第2アレイは、少なくとも名目上第1駆動電流に等しい若しくはそれ未満の大きさを有する第2駆動電流、例えば、IMOを受け取るように構成される。主発振器ダイオード405の第2アレイは、また、駆動電流に応答して光475を放射するように構成される。主発振器光475は、また、完全に分離された主発振器光利得媒体(不図示)に向けられ、高められたエネルギー状態にポンプされた利得媒体イオンの放射を刺激するように構成される。主発振器(MO)利得媒体からの出力光エネルギーが、出力増幅器(PA)利得媒体を駆動するために用いられ、これが、MO利得媒体からの光を増幅する。効果的に、主発振器シード光(不図示)が、PA光利得媒体により増幅される。
ダイオード駆動モジュール460が、蓄積キャパシタ406、キャパシタ充電器407、及び第1及び第2電流シンク410、420を含む。キャパシタ充電器407は、外部電源409と蓄積キャパシタ406の間で電気的に接続され、電源からの電力を変換又はさもなければ調整して蓄積キャパシタ406を充電する。蓄積キャパシタ406は、ダイオード404、405の第1及び第2アレイの直列の組み合わせと更に接続される。第1電流シンク410は、ダイオード404、405の第1及び第2アレイの間に設けられた回路ノード408に結合される。ノード408は、モジュールの一つ(例えば、ダイオード駆動モジュール460、光モジュール470)に設けられ、若しくは、両方のモジュール460、470を相互接続する相互接続ケーブル又は配線沿いに設けられ得る。第1電流シンク410は、回路ノード408と蓄積キャパシタ406のリターン(return)(例えば、グランド)の間に接続される。ダイオード405の第2アレイは、ノード408と第2電流シンク420の間に位置付けられる。第2電流シンク420は、蓄積キャパシタ406のリターン(例えば、グランド)とも電気的に接続される。
第1及び第2電流シンク410、420の1以上は、個別の電流モニター回路415、425を含む又はさもなくば電気的に接続され得る。電流モニター回路は、個別の電流シンク410、420を通じて引かれる電流レベルの指標を提供するように構成される。ダイオード駆動モジュール460の少なくとも幾つかの実施形態においては、キャパシタ充電指標回路434aといった追加の回路が提供され、例えば、事前決定された充電値まで蓄積キャパシタ406が充電されたか否かの指標を提供する。代替として又は加えて、ダイオード駆動モジュール460が、蓄積キャパシタ電圧モニタリング回路434bを含むことができる。
図示例においては、制御論理モジュール450は、コントローラー回路又はモジュール430を含む。コントローラー430は、一般的にフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)と呼ばれる、プログラム可能な相互接続部を介して接続される構成可能な論理ブロックのマトリクスに基づくプログラム可能半導体装置を含む又はさもなければそれにより実施される。そのような装置は、例えば、サンホセCAのXILINX社、Virtex−6Q装置類から商業的に入手可能である。そのような装置は、レーザーダイオードドライバー400の動作に関して本明細書に記述されたものといった、様々な機能の制御及びモニタリングを実施するため、既知の技術を通じて構成できる。少なくとも幾つかの実施形態において含められることができるコンピューターといった、幻影で示される別又は予備のコントローラー431も示される。
幾つかの実施形態においては、図示のように、制御論理モジュール450は、1以上のADC(アナログデジタル変換器)を含む。図示の実施形態においては、ADC417、427は、個別の検知されたアナログ電流値をコントローラーモジュール430による更なる処理のためデジタル値に変換するために提供される。別のADC457が、検知された蓄積キャパシタ電圧のアナログ値をデジタル値に変換するように提供され得る。同様に、温度センサー458といったアナログ出力信号を提供する任意の他のセンサーが、個別のADC459を介してコントローラーモジュール430に結合され得る。幾つかの温度センサーがシリアルデジタル出力を有し、ADC459の必要がない。
同様に、制御論理モジュール450は、1以上のデジタルアナログ変換器(DAC)を含み、適切な時、コントローラーモジュール430から提供される任意のデジタル出力をアナログ値に変換することができる。例が、デジタル値から、個別にアナログ制御信号413、423で個別の電流シンク410、420を制御することに適するアナログ電圧レベルに個別の電流シンク駆動信号を変換するように提供されたDAC414、424を含む。
光出力パルスに配列された代表の電流駆動パルスの一連のトレースが図7に示される。MOPA構成(例えば、図3)のPAレーザーダイオードアレイに適用されるであろう電流パルスIPA+IMOの指標の、第1波形が図示される。例のパルスが、参照時間trefの先行端を有し、パルス持続時間Tパルスの間で継続する。パルスの振幅は、1以上の個別電流IPA、IMOの値に応じて調整できる。少なくとも幾つかの実施形態においては、パルス振幅が、第1波形に対応する電流により駆動されるレーザーダイオードアレイによりポンプされる光増幅器の好適な出力パルスエネルギーを生成するレベルに設定される。
MOPA構成(例えば、図3)のMOレーザーダイオードアレイに適用されるだろう電流パルスIMOの指標の、第2波形が図示される。例のパルスが、trefの同時の先行端を有し、パルス持続時間Tパルスの間で継続する。パルスの振幅は、1以上の個別電流IMOの値に応じて調整できる。少なくとも幾つかの実施形態においては、パルス振幅は、TREFに対して測定される、出射時間Tfireで好ましい出力パルスを生成するレベルに設定される。第3波形は、第1及び第2配線(トレース:trace)の電流により駆動されるレーザーダイオードにより活性化されるMOPA利得媒体の光出力の指標である。図示の実施形態においては、出射時間は、約240μsである。少なくとも幾つかの実施形態においては、出射時間に関連するジッターがあり得、パルスは、TREFに関してTfireで一貫して再現されず、むしろジッター時間だけ異なる値に再現される。
本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である例の非矩形電流駆動パルス520及び対応の蓄積キャパシタ電圧510が図8に示される。電流駆動パルス520は、3500μsの基本幅、200アンペアのピーク振幅を有し、及び50アンペア毎、各々500μs幅で変化し、概して階段状の三角形状を呈する。蓄積キャパシタ電圧が、最大値で開始し、次に、電流が引かれる各ステップ内でリニアにより低い値に減少する。蓄積キャパシタ電圧は、次パルスのため最大値に再び充電される。そのような駆動電流パルスは、例えば、アクティブパルス期間の間、電流−レベル制御信号を変えることにより、取得することができる。
本明細書に記述の種類の多段階レーザーダイオードドライバーにより取得可能である非矩形電流駆動パルス及び対応の蓄積キャパシタ電圧の別例が図9に示される。より端的には、第1波形550、560は、PAレーザーダイオード電流パルス(例えば、IMO+IPA)の指標である。パルスは、約151msで約200アンペアの値まで急峻に立ち上がる。パルスは、パルス振幅が実質的に立ち上がるパルスの末尾の短期間を除いて、残部のパルス幅において実質的に一定を維持する。図示例においては、全パルス幅が約255μsであり、はじめのおよそ200μsの間に200アンペアの初期振幅を有し、次に、およそ最後の15μsの間に約300アンペアに立ち上がる。第2波形540は、主発振器レーザーダイオード駆動パルス(例えば、IMO)の指標である。パルスは、約150アンペアより僅かに小さい値に、第1パルスに同期して急速に立ち上がる。パルスは、255μsの残部のパルス幅に亘り実質的に一定を維持する。第1(IMO+IPA)電流パルス及び第2(IMO)電流パルスを生成する放電過程で蓄積キャパシタ電圧の代表波形530も示される。
第1パルスの複雑な形状は、本明細書に記述のレーザードライバー回路の任意の波形生成能力により生成できる。有利には、そのような電流スパイク560は、電流ピークに対応するより正確な時間(例えば、240μs)に利得媒体から光パルス出力を誘起するように用いることができる(従って、パルス・トゥ・パルスジッターを低減する)。このQスイッチングの方法は、「ポンプトリガー(複合パルス)飽和可能吸収体(Pump-triggered (composite pulse) Saturable Absorber)」と呼ばれる。レーザーダイオード駆動電流のそのような急増は、MOPA構成の利得媒体に向かうレーザーダイオード出力の対応の増加を生成し、光パルスを誘起する。そのようなパルススキームが、ブリーチングダイオード(bleaching diode)及びブリーチングダイオードドライバー回路(bleaching diode driver circuitry)を除去することにより、回路を単純化するために用いられる。
図10は、第1光放射アレイを駆動するための工程600を図示する。方法は、610で第1及び第2電流制御信号を受け取ることを含む。第1電流は、620で電流ノードから共通のポテンシャル源から引かれる。第1電流は、受け取られた第1電流制御信号に応答して引かれる。第2電流は、630で電流ノードを介して共通のポテンシャル源から引かれる。第2電流は、受け取った第2電流制御信号に応答して引かれる。特には、第1及び第2電流は、お互いに関して並列に配列される。合計電流が、640で第1光放射アレイを通じて引かれる。合計電流は、第1及び第2電流の組み合わせにより実質的に決定される。光放射アレイは、そこを通じて引かれた合計電流に応答して光を放射する。
第1及び第2電流が共通のポテンシャル源から引かれるように記述されるが、電流の特定の方向が、1以上の光放射アレイと共通のポテンシャル極性により決定される。例えば、電流は、半導体光放射アレイの順方向バイアス接合を通じて正にバイアスされた共通のポテンシャル源から「引かれる」ことができる。同様に、電流は、半導体光放射アレイの順方向バイアス接合を通じて負にバイアスされた共通のポテンシャル源に「押される」ことができる。
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、例えば、アクティブ及びスタンバイに対応する少なくとも2つの状態を有する電流イネーブル信号を受け取ること、及び電流レベル設定信号を受け取ることを含む。電流レベル設定信号は、受け取った電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して第1及び第2電流制御信号の少なくとも一つを決定する。第1及び第2電流の個別の一つは、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれる。
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、第1電流に応答して第2光放射アレイから光を放射することを含む。例えば、図3に示される実施形態といった回路構成においては、第2光放射アレイ(例えば、少なくとも一つのレーザーダイオード)は、適切な大きさの第1電流IMOがレーザーダイオードの順方向バイアス接合を通じて引かれる時に光を放射する。
幾つかの実施形態においては、方法は、アクティブ及びスタンバイに対応する少なくとも2つの状態を含む電流イネーブル信号を受け取ること;電流レベル設定信号を受け取ること;受け取った電流イネーブル及び電流レベル設定信号に応答して第1及び第2電流制御信号の少なくとも一つを決定することにして、第1及び第2電流の個別の一つが、アクティブ状態の電流イネーブル信号に応答して選択的に引かれることを含む。
幾つかの実施形態においては、方法は、更に、少なくとも一つの前記光放射アレイから放射される光によりレーザー利得媒体をポンピングすることを含む。
幾つかの実施形態においては、受け取られた電流レベル設定信号は、電流イネーブル信号がアクティブ状態の間に変化する。
幾つかの実施形態においては、電流レベル設定信号が、ポンプされる利得媒体を光学的に励起するように適合される少なくとも一つの前記直列接続された光放射アレイの瞬間ピーク出力を誘起するように構成される瞬間ピークを備え、レーザー出力に関する光学的励起の同期を提供する。
本明細書に記述の任意の光放射装置が、光出力増幅器をポンピング又はシーディング(seeding)するための任意の適切な光源であり得る。そのような装置が、半導体レーザーダイオード、フラッシュランプ、光放射ダイオード及び同種のものを含む。
電流シンク及び前記電流シンク用の制御端子の数が、合計電流キャパシティーを高め、全体集合信頼性を高めるべく並列の3、4、5又はそれ以上の電流シンクであり得る。簡潔さのためこの文章の残部においてはただ2つの電流シンクが議論される。加えて、本明細書に記載のように、電流シンクは、共通のポテンシャル源と上部第1光放射アレイの間に設けられる電流源として実施され得る。
図11は、同一のDC駆動電流で2つの負荷を駆動する多数の出力ダイオードドライバーを示す。一実施形態においては、ダイオードドライバー700は、同一のDC駆動電流で2つの直列接続負荷730a、730bを駆動するためのハイサイド電流源710を含む。負荷730a及び730bは、例えば、レーザーダイオード、多数のレーザーダイオード、若しくはそこに変化する数の光放射ダイオードを有するレーザーダイオードアレイであり得る。例えば、負荷730a及び730bは、上に詳細に記述された任意の光放射アレイ及び/又はポンプダイオード構成102、104、202、204、304、404、405のいずれかであり得る。実施形態例においては、単一のダイオードドライバー700が、同時に、主発振器利得段階のためのポンプダイオード730bと同様、プリアンプ利得段階又は出力増幅器利得段階のためのポンプダイオード730aを駆動することができる。この構成においては、ダイオードドライバー寄生電圧損失が出力電圧の小さいパーセントであり、ダイオードドライバー寄生電力損失が、出力パワーの小さいパーセントであるため、効率が高められる。
ハイサイド駆動電流源710は、上に詳細に記述したローサイド駆動電流シンクとは対照的に、調整された出力電流を提供し、過電流状態からポンプダイオード730a、730bを保護する。しかしながら、ローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420の上述の詳細な記述が、ハイサイド駆動電流源710にも適用可能であることに留意されたい。つまり、ハイサイド駆動電流源710は、当業者により理解されるように、適切に修正及び上述のように接続された、上に詳細に記述のローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420のいずれかであり得る。ハイサイド駆動電流源710を用いると、ポンプダイオード730a、730bは、ポンプダイオードを通過する無制御のダイオード電流無しでダイオード・ストリングのどの場所でもグランドに直接的に短絡(シャント)できる。対照的に、詳細に上述したようなローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420を用いると、ダイオードカソードからグランドへの短絡により、キャパシタが放電するまで無制限の電流がダイオードに流れることが生じ、ポンプダイオード730a、730bを損傷する。
本開示が2つの直列接続された負荷730a、730bを記述するが、本開示は、この点に限定されるものではなく、任意の複数の直列接続された負荷で在り得るものと理解されることに留意されたい。ポンプ電流は、DC電流に限定されず、パルス電流、又は2つの直列結合した負荷を駆動することができる任意の他の電流で在り得ることにも留意されたい。
幾つかの実施形態においては、電流源710は、全体のダイオードドライバー効率を高めるため、ゼロ電流切り替え疑似共振バックコンバーターであり得る。しかしながら、任意のリニア電流源ダイオードドライバー、ハード切り替えコンバーター電流源、又はソフト切り替えコンバーター電流源が、トポロジーとは関係なく、本開示の範囲内で用いられ得るものと理解されるべきである。疑似共振電流源の詳細な記述が、米国特許番号5,287,372;題「疑似共振ダイオード駆動電流源」に提示されており、この全体が参照により本明細書に組み込まれる。
図12乃至19は、異なるDC駆動電流であるが、2つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを示す。これらの実施形態においては、多数の出力ダイオードドライバー800が、電流源810及びシャント装置820を含む。シャント装置820は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合され、レーザー最適化のため2つの異なる駆動電流を提供する。しかしながら、減じられたポンプダイオード電流が、単一若しくは組み合わせで、利得段階2のポンプダイオード830b又は利得段階1のポンプダイオード830aのいずれかに供給できるものと理解される。
図12に示されるように、シャント装置820は、固定抵抗器822である。この実施形態においては、シャント電流が、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器822の抵抗により設定される固定電流である。この実施形態においては、シャント電流が、一度設定されると変化できないものと理解される。
図13は、図12のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、シャント電流が、時間又は動作条件の関数としてオン又はオフにスイッチングされ得る。この実施形態においては、シャント装置820は、スイッチング装置824に直列に結合した抵抗器822を含む。図12の実施形態と同様、シャント電流は、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器822の抵抗により設定される固定電流であるが、時間又は動作条件の関数としてオン及びオフにスイッチングされ得る。この実施形態においては、スイッチング装置824がトランジスタであるが、スイッチング装置は、時間又は動作条件の関数としてシャント電流をオン及びオフにスイッチングできる任意の既知の装置であり得るものと理解されるべきである。
図14は、図12のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを示し、シャント電流の値が、負荷に亘る抵抗の値を変化することにより変化できる。この実施形態においては、シャント装置は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合した多数の切り替えシャント装置(switched shunting device)822a/824a、822b/824b、822c/824cを含み、レーザー最適化のために2つの異なる駆動電流を提供する。この実施形態においては、シャント電流は、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下と有効化される多数の切り替えシャント装置822a/824a、822b/824b、822c/824cの抵抗により設定される可変電流である。この構成においては、並列な抵抗器の抵抗値が変化でき、続いてシャント電流を変化させる。この構成の抵抗器が同一又は異なる値を有し得るものと理解される。
図15は、図12のマルチ出力ダイオードドライバーの別のバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置820は、制御される電流シンクであり、シャント電流が検知され、レーザー制御エレクトロニクス(不図示)に結合した可変コマンド(VCMD)により決定される値に調整され、シャント電流が、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下とは独立である。この構成においては、シャント電流は、所与の範囲内の任意の値に設定できる。シャント装置820について示された回路は、電流シンクレギュレーターの代表であり、開示は、この点に限定されないものと理解されるべきである。
図16は、図15のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置820は、制御される電流シンクであり、ポンプダイオード電流が検知され、レーザー制御エレクトロニクス(不図示)に結合した可変コマンド(VCMD)により決定される値に調整され、ポンプ電流が、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下とは独立であり得る。この構成においては、シャント電流が、所与の範囲内の任意の値に設定できる。
図17は、図12の多数の出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、同一のDC駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間tの間に用いられ、ダイオードの一つへの駆動電流が、時間期間の残部の間にシャントされる。一つの実施形態においては、シャント装置820は、トランジスタといったスイッチング装置824であり、レーザー最適化のためポンプダイオード830bのシャント電流を本質的にデューティー・サイクル変調する利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合される。動作においては、シャント装置820は、ポンプダイオード830bから電流をシャントすることにより駆動電流をオフに切り替え、シャント装置820に亘る電圧がゼロボルトに近いため、シャント装置820により損失される電力がゼロに近づく。両方のポンプダイオード830a、830bが駆動される時間の間、出力電力は、2×VF×IFであり、VFは、ポンプダイオードの順方向電圧であり、IFは、ポンプ電流であり、入力電力は、(2×VF×IF)/効率である。この実施形態においては、2つのポンプされるダイオード830a、830bが一致されるが、一致は、要求されないものと理解されるべきである。ポンプダイオード830bがシャントされる時間の間、出力電力はVF×IFであり、VFは、ポンプダイオード830aの順方向電圧であり、IFはポンプ電流であり、入力電力は、(VF×IF)/効率である。この動作モードにおいては、入力電力が(2×VF×IF)/効率から(VF×IF)/効率、2:1の変化に変化することに留意されたい。従って、実際、このダイオードドライバー構成で損失される電力に何らのペナルティーもない。
図18は、図13のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示し、同一のDC駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間tの間に用いられ、駆動電流が、時間期間の残部の間、ポンプダイオードの一つからダミー負荷に切り替えられる。この実施形態においては、シャント装置820は、スイッチング装置824に直列に結合された抵抗器822(ダミー負荷)を含み、抵抗器822の値は、全電流がポンプダイオード830bから逃げるようにシャントされるように選択される。抵抗器822(ダミー負荷)により消費される電力がポンプダイオード830bで消費される電力に一致するならば、ダイオードドライバー800の出力電力が変化せず、従って、ダイオードドライバー800への入力電力も変化しないことに留意されたい。従って、ポンプ電流の変調が、伝導性放射として電源に戻るように反射されない。
図19は、図18のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置820は、追加のトランジスタ826を含み、シャントスイッチ824がオンになる時にポンプダイオード電流がゼロに切り替えられることを確実にする。
図20は、図13のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、シャント装置800は、スイッチング装置824に直列に結合した抵抗器822を含む。しかしながら、シャント装置820は、ポンプダイオード電流を低減するべく利得段階1のポンプダイオード830aに並列に結合し、レーザー最適化のため2つの異なる駆動電流を提供する。シャント電流は、ポンプダイオード830aに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器822の抵抗により設定される固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えられ得る。
図21は、図13のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、第1シャント装置820aが利得段階1のポンプダイオード830aに並列に結合し、第2シャント装置820bが、利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合される。この構成においては、シャント電流は、利得段階1、利得段階2、若しくはこれらの組み合わせに亘り切り替えられ得る。
図22は、図17のマルチ出力ダイオードドライバーのバリエーションを示す。この実施形態においては、第1シャント装置820aは、トランジスタといったスイッチ824aを含み、利得段階1のポンプダイオード830aに並列に結合され、第2シャント装置820bが、利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合されるトランジスタといったスイッチ824bを含む。この構成においては、ポンプ電流は、ポンプダイオード830a、ポンプダイオード830b、又はこれらの組み合わせに亘りシャントされ得る。
本明細書に詳細に記述される実施形態例においては、抵抗器は、シャント素子として用いられる。しかしながら、本開示は、シャント素子としての抵抗器の使用に限られない。実施形態例においては、任意の種類の受動又は能動負荷素子が用いられ得る。また、NPNバイポーラトランジスタ及び簡略化された調整回路が、実施形態例との関係で図示及び記述される。しかしながら、実施形態例は、任意の多数の異なる半導体、IC、及び調整回路を用いて実施することができる。
詳細に上述のように、実施形態例の幾つかの可能なバリエーションがある。幾つかのレーザー構成においては、多数の利得段階への等しい電流が許容でき、追加の電流制御の必要がない。他のレーザー構成においては、一つの利得段階についてのポンプダイオード駆動電流仕様が、別の利得段階についてのものとは異なり得る。他のレーザー構成においては、ポンプダイオード駆動電流は、デューティー・サイクル変調される。これらの最後の2つの構成について、追加の電流制御がダイオードドライバーに追加される。しかしながら、この追加の電流制御は、別の全体のダイオードドライバーよりも顕著に小さい回路を要求する。上述の実施形態の任意のものが一つのドライバーに組み込むことができるものと理解される。更には、本明細書に記述されていない任意の他の既知のドライバー構成がこの実施形態例に適合できるものと理解されるべきである。幾つかの実施形態においては、本技術が、アクティブラインフィルターを利用してエネルギー蓄積キャパシタを充電し、入力電流を調整及び最小化し、構成部品ストレスを低減する。
参照によりその全体において本明細書に組み込まれる、譲受人の先行の特許出願、米国出願No.13/764,409、アトニードケット番号RAY−157(以降、‘409出願)、及び米国出願No.13/215,873、アトニードケット番号RAY−053(以降、‘873出願)には、ダイオードドライバーが記述されている。米国特許番号5,287,372(以降、‘372特許);5,736,881(以降、‘881特許); 7,019,503 (以降、‘503特許); 7,038,435(以降、‘435特許);及び7,041,940(以降、‘940特許)も、ダイオードドライバーに関連した回路を記述する。‘372特許、‘881特許、‘503特許、‘435特許、及び‘940特許の全てが、参照によりその全体において本明細書に組み込まれる。
‘873出願においては、ダイオードドライバーが、詳細に上述のローサイド駆動電流シンクレギュレーターを用いる。これらの装置においては、全ての電流制御がローサイド駆動シンクレギュレーター内にある。結果として、この構成においては、ダイオードカソードからグランドへの短絡回路が、キャパシタが放電するまでダイオードに無制限の電流を流し、従って、ポンプダイオードを損傷する。
次に、‘409出願及び‘873出願に関するある新規及び非自明な修正及び改善を詳細に記述する。例えば、本開示によれば、ローサイド駆動電流シンクではなく、ハイサイド駆動電流源が、調整された出力電流を提供するために用いられる。結果としては、本開示によれば、ポンプダイオードが、常に過電流状態から保護される。つまり、ポンプダイオードは、ポンプダイオードへの無制限のダイオード電流無しでダイオード・ストリングのどこでもグランドに直接的に短絡(シャント)され得る。ポンプダイオードは、短絡がどこで発生するに関わらずに常に保護される。
また、本開示によれば、ダイオード駆動電流源、又はダイオードドライバーへの入力電流が制御される。実施形態例によれば、ダイオードドライバーが、エルネギー蓄積キャパシタといった容量性エネルギーストレージ装置を含み、そこから制御された駆動電流が引かれ、それが、ピーク電流の引き出しを変調する。キャパシタ充電回路又は装置が、容量性エネルギーストレージを充電する。本開示のダイオードドライバーは、レーザー制御エレクトロニクス及び駆動電流源も含む。以降に詳細に記述のように幾つかの実施形態においては、容量性エネルギーストレージを充電するための回路又は装置は、アクティブラインフィルターである。フロントエンド・アクティブラインフィルター(active line filter front end)は、蓄積キャパシタを充電し、電源から引かれる入力電流を制御、調整、及び最小化し、直列抵抗器を除去し、従って、電力損失を低減し、効率を高め、また構成部品ストレスを低減する。
図23〜41は、詳細に上述された図11〜22の修正されたバージョンであり、本開示の実施形態例に係る新規及び非自明な修正及び改善を図示する。
詳細には、図23は、幾つかの実施形態例に係るレーザーダイオード・駆動システム900Aの概略ブロック図を含む。図23を参照すると、システム900Aは、キャパシタ充電回路904の出力及びハイサイド駆動電流源906の入力に結合したエネルギー蓄積キャパシタ902を含む。ハイサイド駆動電流源906への入力電流がエネルギー蓄積キャパシタ902から引かれ、これは、キャパシタ充電回路904により充電される。駆動システム900Aは、レーザー制御エレクトロニクス908の制御の下で動作する。図2、3、5及び6、並びにそれらの対応の本明細書の詳細な記述を参照すると、エネルギー蓄積キャパシタ902が、詳細に上述のキャパシタ206又は406と同一又は同種であり得る。同様に、キャパシタ充電器904は、詳細に上述のキャパシタ充電器207又は407と同一又は同種であり得る。レーザー制御エレクトロニクス908は、図2、3、及び6に関して詳細に図示及び記述した制御回路と同一又は同種であり得る。レーザー制御回路908は、例えば、詳細に上述の1以上のコントローラー230又は430、ADC217、227、417、427、459、457、DAC214、224、414、424、及び温度センサー458を含むことができる。幾つかの実施形態においては、詳細に上述のように、コントローラーは、例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)を含み若しくはとして実施され得る。
様々な実施形態例においては、ハイサイド駆動電流源906は、実施形態例においては、ローサイド駆動電流シンク110、120、410及び420に代えてハイサイド駆動電流源が用いられる点を除いて、図1〜3及び6に関して詳細に図示及び上述した種類である。さもなければ、図23〜41の実施形態の電流源は、図1〜3及び6に図示のものと同一である。
幾つかの実施形態においては、アクティブラインフィルター(ALF)910は、キャパシタ充電器904に代替として、エネルギー蓄積キャパシタ902を充電するための入力として用いられる。キャパシタ充電器904に代えてALF910を用いる実施形態例が図25、26、29、及び30に図示される。ALF910フロントエンドが、電源(不図示)から引かれる電流を制御、調整、及び最小化する。電力損失を低減し、従って効率が高められる。アクティブラインフィルター910は、入力電力における過渡電流、スパイク及びノイズを除去するように動作する。結果として、入力電流が制御、調整、及び最小化される。
図23〜41に図示のレーザーダイオード・駆動システム900は、モジュール901を含むことができ、これは、例えば、プリント回路ボード(PCB)、若しくはその上又はその中に電子回路が実装される任意の種類のモジュールである。実施形態例によれば、アクティブラインフィルター910、キャパシタ充電器904、エネルギー蓄積キャパシタ902、及びハイサイド駆動電流源906が、モジュール901内又は上に含められ得る。図24、26、28及び30〜41に図示されたものといった幾つかの実施形態においては、レーザー制御エレクトロニクス908も、モジュール901内又は上に含められる。図23、25、27、及び29に図示されたものといった他の実施形態例においては、レーザー制御エレクトロニクス908がモジュール901内又は上に含められない。
図23〜26は、同一のDC駆動電流で2つの負荷を駆動するマルチ出力ダイオードドライバーを図示する。幾つかの実施形態においては、ダイオードドライバー900A、900B、900C、及び900Dが、同一のDC駆動電流で2つの直列接続された負荷730a、730bを駆動するハイサイド電流源906を含む。負荷730a及び730bは、例えば、レーザーダイオード、多数のレーザーダイオード、若しくはそこに変化する数の光放射ダイオードを有するレーザーダイオードアレイであり得る。例えば、負荷730a及び730bは、詳細に上述した光放射アレイ及び/又はポンプダイオード構成102、104、202、204、304、404、405のいずれかであり得る。実施形態例においては、単一のダイオードドライバー900A、900B、900C、及び900Dが、同時に主発振器利得段階についてのポンプダイオード730bを駆動することと同様、プリアンプ利得段階又は出力増幅器利得段階についてのポンプダイオード730aを駆動することができる。この構成においては、ダイオードドライバー寄生電圧損失が出力電圧の小さいパーセントであり、ダイオードドライバー寄生電力損失が出力電力の小さいパーセントであるため、効率が高められる。
ハイサイド駆動電流源906は、詳細に上述したローサイド駆動電流シンクとは対照的に、調整された出力電流を提供し、過電流状態からポンプダイオード730a、730bを保護する。しかしながら、ローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420の上述の詳細な記載が、ハイサイド駆動電流源906にも適用できることに留意されたい。つまり、ハイサイド駆動電流源906は、当業者により理解されるように、適切に修正され、上述に記述のように結合された、詳細に上述したローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420のいずれかであり得る。ハイサイド駆動電流源906を用いると、ポンプダイオード730a、730bは、ポンプダイオードを通過する無制御のダイオード電流無くして、ダイオード・ストリングのどこでもグランドに直接的に短絡(シャント)される。対照的に、詳細に上述のローサイド駆動電流シンク110、120、210、220、410、420を用いると、ダイオードカソードからグランドへの短絡が、キャパシタ902が放電するまでダイオードに無制限の電流が流れることを生じさせ、ポンプダイオード730a、730bを損傷する。
本開示が2つの直列接続の負荷730a、730bを記述するが、本開示が、この点に限定されるものではなく、複数の直列接続の負荷の任意のものであり得ることに留意されたい。ポンプ電流はDC電流に限定されず、パルス電流、若しくは2つの直列結合負荷を駆動することができる任意の他の電流であることにも留意されたい。
幾つかの実施形態例においては、電流源906は、ゼロ電流切り替え疑似共振バックコンバーターであり、全体のダイオード駆動効率を高める。しかしながら、トポロジーに関わらず、任意のリニア電流源ダイオードドライバー、ハード切り替えコンバーター電流源、若しくはソフト切り替えコンバーター電流源が、本開示の範囲内で用いることができるものと理解されるべきである。疑似共振電流源の詳細な記述が、参照により本明細書に全内容が組み込まれる、米国特許番号5,287,372:題「疑似共振ダイオード駆動電流源」に提供される。
図27〜30のレーザーダイオード・駆動システム900E、900F、900G及び900Hが、各々、単一の源906ではなく、2つのハイサイド駆動電流源906a、906bを含むことを除いて、図27〜30は、各々、図23〜26と同一である。各源は906a及び906bは、本明細書に詳細に記述された源906と同一である。多数の源906a、906bの使用が、追加のポンプダイオード利得段階を駆動する能力を提供する。詳細には、図27〜30に図示のように、源906aは、ポンプダイオード利得段階1及び2、つまり、ポンプダイオード730a及び730bを駆動することができ、源906bは、ポンプダイオード利得段階3及び4、つまり、ポンプダイオード730c及び730dを駆動することができる。
各図31〜41は、ダイオードドライバー900I、900J、900K、900L、900M、900N、900P、900Q、900R、900S、900Tを示し、各々、異なるDC駆動電流であるが、2つの負荷を駆動する。これらの実施形態においては、各ダイオードドライバー900は、電流源906及びシャント装置920を含む。シャント装置920は、利得段階2のポンプダイオード830bに対して並列に結合され、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のため2つの異なる駆動電流を提供する。しかしながら、減じられたポンプダイオード電流が、単独若しくは組み合わせで、利得段階2のポンプダイオード830b若しくは利得段階1のポンプダイオード830aのいずれかに供給できるものと理解されるべきである。
図31においては、シャント装置920は、固定抵抗器922である。この実施形態においては、シャント電流が、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器922の抵抗により設定される固定電流である。この実施形態においては、シャント電流は、一度設定されると変更できないものと理解されるべきである。
図32は、図31のダイオードドライバー900Iのバリエーションであるダイオードドライバー900Jを示し、シャント電流が、時間若しくは動作条件の関数としてオン又はオフに切り替えることができる。この実施形態においては、シャント装置920は、スイッチング装置924に直列に結合した抵抗器922を含む。図31の実施形態と同様、シャント電流は、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器922の抵抗により設定された固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えることができる。この実施形態においては、スイッチング装置924がトランジスタであるが、スイッチング装置は、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフにシャント電流をスイッチングすることができる既知の任意の装置であることができるものと理解されるべきである。
図33は、図31のダイオードドライバー900Iの別のバリエーションであるダイオードドライバー900Kを示し、シャント電流の値が、負荷に亘る抵抗の値を変化することにより変化できる。この実施形態においては、シャント装置920は、利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合し、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のために2つの異なる駆動電流を提供する多数の切り替えシャント装置922a/924a、922b/924b、922c/924cを含む。この実施形態においては、シャント電流は、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下とイネーブルにされた多数の切り替えシャント装置922a/924a、922b/924b、922c/924cの抵抗により設定される可変電流である。この構成においては、並列な抵抗器の抵抗の値が変化でき、続いてシャント電流を変化させる。この構成の抵抗器が同一又は異なる値を有することができるものと理解されるべきである。
図34は、図31のダイオードドライバー900Iの別のバリエーションであるダイオードドライバー900Lを示す。この実施形態においては、シャント装置920は、制御された電流シンクであり、シャント電流が、検知され、レーザー制御エレクトロニクス(不図示)に結合された可変コマンド(VCMD)により決定された値に調整され、シャント電流は、ポンプダイオード830bの順方向電圧(VF)降下とは無関係であり得る。この構成においては、シャント電流は、所与の範囲内で任意の値に設定され得る。シャント装置920について図示された回路は代表的な電流シンクレギュレーターであるものと理解されるべきであり、本開示は、この点に限定されない。
図35は、図34のダイオードドライバー900Lのバリエーションであるダイオードドライバー900Mを示す。この実施形態においては、シャント装置920は、制御された電流シンクであり、ポンプダイオード電流が、検知され、レーザー制御エレクトロニクス(不図示)に結合した可変コマンド(VCMD)により決定される値に調整され、ポンプ電流が、ポンプダイオード830bに亘る順方向電圧(VF)降下とは独立であり得る。この構成においては、シャント電流が、所要の範囲内の任意の値に設定できる。
図36は、図31のダイオードドライバー900Iの別のバリエーションであるダイオードドライバー900Nを示し、同一のDC駆動電流が、両方のポンプダイオードについて時間tの間に用いられ、ダイオードの一つへの駆動電流が、時間期間の残部の間にシャントされる。一実施形態においては、シャント装置920は、レーザー最適化のためにポンプダイオード830bのシャント電流を本質的にデューティー・サイクル変調する利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合された、トランジスタといった、スイッチング装置924である。動作においては、シャント装置920は、ポンプダイオード830bからの電流をシャントすることにより駆動電流をオフに切り替え、シャント装置920に亘る電圧がゼロボルトに近づくため、シャント装置920で消費される電力がゼロに近づく。両方のポンプダイオード830a、830bが駆動される時間の間、出力電力は、2×VF×IFであり、VFは、ポンプダイオードの順方向電圧であり、IFは、ポンプ電流であり、入力電力は、(2×VF×IF)/効率である。この実施形態においては、2つのポンプされるダイオード830a、830bが一致されるが、一致は、要求されないものと理解されるべきである。ポンプダイオード830bがシャントされる時間の間、出力電力はVF×IFであり、VFは、ポンプダイオード830aの順方向電圧であり、IFはポンプ電流であり、入力電力は、(VF×IF)/効率である。この動作モードにおいては、入力電力が(2×VF×IF)/効率から(VF×IF)/効率、2:1の変化に変化することに留意されたい。従って、実際、このダイオードドライバー構成で損失される電力に何らのペナルティーもない。
図37は、図32のダイオードドライバー900Jのバリエーションであるダイオードドライバー900Pを示し、同一のDC駆動電流が両方のポンプダイオードについて時間tの間に用いられ、駆動電流が、時間期間の残部の間にポンプダイオードの一つからダミー負荷に切り替えられる。この実施形態においては、シャント装置920は、スイッチング装置924に直列に結合した抵抗器922(ダミー負荷)を含み、抵抗器922の値は、全電流がポンプダイオード830bから逃げるようにシャントされるように選択される。抵抗器922(ダミー負荷)により消費される電力がポンプダイオード830bで消費される電力に一致するならば、ダイオードドライバー900Pの出力電力が変化せず、従って、ダイオードドライバー900Pへの入力電力も変化しないことに留意されたい。従って、ポンプ電流の変調が、伝導性放射として電源に戻るように反射されない。
図38は、図37のダイオードドライバー900Pのバリエーションであるダイオードドライバー900Qを示す。この実施形態においては、シャント装置920は、追加のトランジスタ926を含み、シャントスイッチ924がオンにされる時間でポンプダイオード電流がゼロになることを保証する。
図39は、図32のダイオードドライバー900Jのバリエーションであるダイオードドライバー900Rを示す。この実施形態においては、シャント装置920は、スイッチング装置924に直列に結合した抵抗器922を含む。しかしながら、シャント装置920は、利得段階1のポンプダイオード830aに並列に係合され、ポンプダイオード電流を低減し、レーザー最適化のために2つの異なる駆動電流を提供する。シャント電流は、ポンプダイオード830aに亘る順方向電圧(VF)降下と抵抗器922の抵抗により設定される固定電流であるが、時間若しくは動作条件の関数としてオン及びオフに切り替えられることができる。
図40は、図32のダイオードドライバー900Jのバリエーションであるダイオードドライバー900Sを示す。この実施形態においては、第1シャント装置920aは、利得段階1のポンプダイオード830aに並列に係合され、第2シャント装置920bは、利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合される。この構成においては、シャント電流が、利得段階1、利得段階2、又はこれらの組み合わせに亘りスイッチングされ得る。
図41は、図36のダイオードドライバー900Nのバリエーションであるダイオードドライバー900Tを示す。この実施形態においては、第1シャント装置920aは、利得段階1のポンプダイオード830aに並列に結合されたトランジスタといったスイッチ924aを含み、第2シャント装置920bは、利得段階2のポンプダイオード830bに並列に結合されたトランジスタといったスイッチ924bを含む。この構成においては、ポンプ電流が、ポンプダイオード830a、ポンプダイオード830b、又はこれらの組み合わせに亘りシャントされ得る。
図42〜46は、5つの異なるダイオードドライバーシステムを示す概略ブロック図を含み、先行技術のダイオードドライバーシステムと実施形態例のダイオードドライバーシステムの差を図示する。図42を参照すると、図3に関して詳細に図示及び上述されたダイオードドライバーシステム300が図示される。キャパシタ充電器207が、入力電力を受け取り、キャパシタ902を充電する。PA電流I_PA及びMO電流I_MOが電流ノード208を通じて流れる。MO電流シンク220が、MOダイオード(群)304を通じてMO電流I_MOを吸い込み、PA電流シンク210が、グランドへ電流ノード208からPA電流I_PAを吸い込み、全ダイオード電流I_PA+I_MOが、ダイオード204を含むPA光放射アレイ202を通じて流れる。システム300は、コントローラー230も含み、これが、各々、高速DAC214及び224といった制御/インターフェイス回路を介して電流シンク210及び220を制御する。
図43〜46は、詳細に上述のようにダイオード204a及び304aにおける過電流の問題が除去されるように、図42のシステム300の電流シンク210及び220が電流源210a及び220bとして接続されたダイオードドライバーシステムを図示する。図43〜46のシステムにおいては、全ダイオード電流I_PA+I_MOが電流ノード208aに流れる。PA電流源210aは、グランドへ、ダイオード204aを含むPA光放射アレイ202aを通じて電流ノード208aからPA電流I_PAを供給する。図45及び46のシステムにおいては、MO電流I_MOが、ノード209aでPA電流源210aから電流I_PAに加えられ、全ての電流I_MO+I_PAが、グランドへ、ダイオード204aを含むPA光放射アレイ202aを通じてノード209aから流出する。対照的に、図43及び44のシステムにおいては、MO電流源220aが、グランドへMOダイオード(群)304aを通じて電流ノード208aからMO電流I_MOを供給する。コントローラー230aは、各々、高速DAC214及び224といった制御/インターフェイス回路を介して電流源210及び220を制御する。
図43及び45においては、キャパシタ充電器207が、入力電力を受け取り、キャパシタ902を充電する。従って、図43及び45に図示のシステムは、各々、図23、24、27、28、及び31〜41に図示の任意のシステム900A、900B、900E、900F、900I、900J、900K、900L、900M、900N、900P、900Q、900R、900S、及び900Tと同一、若しくは同種であり得る。図44及び46においては、アクティブラインフィルター910が入力電力を受け取り、キャパシタ902を充電する。従って、図44及び46に図示のシステムが、各々、図25、26、29、及び30に図示のシステム900C、900D、900G、及び900Hの任意のシステムと同一若しくは同種であり得る。
上述の詳細な記述を通じて、実施形態例に係るダイオード駆動システムが、2つの電流源を有し、2つの個別のセットの出力ダイオードを駆動するように記述されることに留意されたい。詳細には、本明細書に詳細に記述の実施形態例の幾つかにおいては、ダイオード駆動システムが、主発振器/出力増幅器(MOPA)タイプのものであり、一つの電流源が主発振器(MO)ダイオードのセットを駆動し、別の電流源が、出力増幅器(PA)ダイオードのセットを駆動する。この開示は、任意数のダイオードセットを駆動する任意数の電流源に適用できるものと理解される。例えば、本開示は、主発振器/プリアンプ/出力増幅器(MOPAPA)ダイオードドライバーシステムにも適用可能であり、第1電流源が主発振器(MO)ダイオードのセットを駆動し、第2電流源が、プリアンプダイオードのセットを駆動し、及び第3電流源が、出力増幅器(PA)ダイオードのセットを駆動する。
当業者は、本明細書に記述の発明が、この精神又は本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態において具現化されることを理解する。上述の実施形態は、従って、本明細書に記述の発明を限定するよりは、全ての側面において説明のものであるものと考えられる。本発明の範囲は、従って、上述の記述ではなく次の請求項により示され、請求項と均等の意味及び範囲内の全ての変化が、従って、請求項に包含されることが意図される。