专利名称：防止激光二极管饱和的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器中的电压-电流特性，特别地，涉及防止 用于光盘技术中的半导体激光器在写入过程中的饱和。
技术背景半导体激光器用于光盘驱动器中以将信息写入到光介质上。半导体 激光器具有与二极管相似的电压-电流特性。例如，在光盘写入器所采用的激光器中，大约lmA的电流输入导致在激光器上大约0. 7V的电压 降。依赖于激光器波长和成分/结构，这个压降可能会更大。激光器上的 电压随电流的相应增加而升高。电阻快速支配经过激光器的电压的升 高，通常是指微分电阻。半导体激光器还具有功率-电流特性，其结果 是，只有达到一电流水平时(被称为阈值电流)，才会发射激光。在阈 值电流之上，激光器的功率电平随相应的电流升高基本上线性地升高， 直到达到饱和。饱和在较高的功率电平时开始出现，并且导致激光器特 性的变化，需要施加更高的电流来实现激光器的相同功率电平。所述的 饱和问题在较高的温度时更容易发生。另外，系统不允许在延长的周期 内过分地驱动激光器至饱和，因为这样做会损害激光器寿命。通常地，激光器由驱动器驱动，该驱动器具有附着于供电轨的电流 源。激光器峰值电压随着输入到供电轨中的峰值电流的相应增加而升高 到一定水平，其中在激光脉冲峰值期间，所述电流源驱动器达到其饱和 极限。 一旦达到饱和，通过改变电流源上的驱动设置不再增加电流是可 能的，除非增加电源电压。传统的驱动器设计基于这样的假设，即， 一旦确定了最佳功率校准 (0PC)，由OPC所确定的激光功率总是能够达到。存在的问题是，这个 假设在目前制造的更新型的光学驱动器中不是有效的。这些更新型的驱 动器通常使用局部恒定角速度(PCAV)写入方式(writing profile)。 在PCAV写入方式中，所述OPC通常以比在光盘外侧上写入期间会发生的 速度更低的写入速度确定。在光盘外侧上写入^"求较高的激光电流。施 加于以这些较低的写速度施加的写入功率可能非常高，以致于在写入过 程中温度显著地升高，导致激光电流需求也急剧增加。16x光驱研制期间
的测试表明，在某些条件下，激光器功率可以以最高的写入速度减少。该激光器功率的降低可能没有被16速光驱检测到，导致对光驱来说未知 的写入质量不高和劣质的刻录。已经进行了许多尝试来修正饱和的问题.这些尝试使用了在写入进 程中主动地监测媒体的技术。在使用区域恒定线速度(ZCLV)写入的驱 动器中，这些现有技术包含监测所述媒体。如果，在使用ZCLV监测期间， 错误在写入到所述媒体过程中开始产生，那么可能减少驱动器速度从而 减少所需的激光功率。使用ZCLV，现有技术包括经过媒体的不同区域来 降低激光功率，在使用CAV写入的驱动器中，采用相似的技术，而不是 在区域中进行调节，所述驱动器每分钟重新调整一次激光功率和媒体速 度。另外，已进行了很多尝试来通过监测驱动器内部的热电路(thermal circuit )来校正激光器饱和的潜在出现. 一旦热电路激活，所述驱动器 就降低写速度和激光强度，这些现有技术的问题是未考虑实际的激光饱 和阈值，且没有采取这些措施来防止激光饱和；它们没有提供在光盘上 写入的真正有效的方式。从前面的讨论中，很显然本领域需要一种能够以更有效的方式来防 止激光饱和的方法和装置。发明内容本发明阐述了现有技术的驱动器中防止激光电流饱和的缺点。本发 明允许在写入光盘媒体期间，在饱和的边缘进行工作。在饱和的边缘进 行工作意味着可以利用在该给定时刻实际的最高可能峰值激光峰功率， 导致达到在该给定时刻实际的最高写入速度。写入期间因激光电流饱和 r^导致的劣质刻录的问题通过探测激光电流饱和的潜在发生和避免以较 低速度激光电流饱和写入而得到避免，甚至于更加理想地，以与在饱和 边缘能得到的激光峰值功率相匹配的速度写入。本发明探测激光电流饱和的临近，并通过以一种可控的方式降低写入速度来避免与激光电流饱和相关联的问题。所述激光电流使用激光功率控制回路的一部分进行感测。探测通过 在功率控制回路内设定一个阈值探测水平以及控制激光功率使得不发生电流或功率饱和来实现。因此，本发明通过在阈值下保持写入速度来最 大化写入速度，使得不发生电流或功率饱和。一旦探测到超过阈值，所述驱动器软件在驱动器的数据通路部分内
启动降低旋转速度(spin-down)。在这个过程中，当前数据块被以当前 的写入速度写入，建立一个链接点，并重新启动一个较低的速度写入。 这个较低的速度立刻导致较低的激光功率要求，继而较低的激光电流要 求。可选地，所述驱动器可以通过少量(递增的或连续的)降低写入速 度来作出反应，而不中断写入进程。在另一个实施例中，所述驱动器通 过保持写入速度在当前值来作出反应，在给定的写入速度，改变(P)CAV 写入方式到CLV方式。本发明的这些目的，通过以下实现检测一个激光器中的电流，将 激光器中的电流与一个预定的阈值相比较；并且控制激光器内的电流以 便于激光器内的电流不超出预定的阈值。
图1是图示说明激光功率特性的图；图2a是具有传感器和反馈回路的激光器的图，该激光器使用为激光 器提供电流的典型的驱动器配置；图2b显示了图2a的一种可选方案，其中激光器具有传感器和反馈 回路、但使用从激光器吸入电流的典型的驱动器配置；图3是用于确定激光电流是否过高的流程图；图4是用于计算激光电流的流程图；图5是执行如本发明所构想的降低光盘的旋转速度的例行程序的图.具体实施方式
参考图l，其图示说明了 Y轴上的功率和电压相对于X轴上的激光电 流的激光特性图。所述激光功率特性显示为P"s" (T,) 14和P，"" (TO 16。所述激光电压由V"s"12表示。如图l所示，在所述激光器输出功率 之前，需要一定量的激光电流(。所迷激光的功率-电流特性导致 在达到一电流水平(称为阈值电流)才能发出激光。 一旦达到阈值电流， 激光的功率电平将随电流的相应增加而线性地增加，直到达到饱和。在 图1中在标示为饱和线18处饱和开始产生。在饱和线18水平之上，需 要更大量的电流来达到在由饱和线18所示的水平之下可以得到的功率的 相同增加。 一旦功率电平在由饱和线18所示的水平之上，所述激光特性 发生变化，要求供给施加更高的电流以便从激光器达到相同的功率电 平。这是饱和开始的点。如图1所示，所述激光功率特性Plas" (L) 14和(L) 16相对于彼此存在偏移。此偏移是在第一温度L的P，mr(T, ) 14和作为同一个激光器在第二温度L的特性的P,as" (L) 16:其 中T》T,。如图1所示，P"s" (TO 16不断地要求更大的电流来达到相 同的功率电平，在较高的温度饱和问题更容易发生。从图1可以看出，基于激光的驱动器系统在由饱和线18所示的水平 之上会产生问题，并导致这样一种情形生成期望的写入功率所必需的 激光电流达到一个太高以至于不能进一步增加激光电压的水平。在这一 点，所述系统开始对电流的进一步增加变得没有反应，并达到激光器不 能再对增长激光功率的需求做出响应的点。如果要确保正确地写入，必 须使用减小的激光电流来实现写入。降低写入速度具有降低写入所需要 的功率以及生成所述写入功率所需的电流的效果。应该注意的是，为了简化，只画了一条电压线，V,aswl2，但是应当认识到的是，在更高的温度，所述激光阈值电压和电阻会降低，导致这条线偏移，典型地以减小 的坡度下降。高激光电流主要由于温度升高和写入速度增加而引起的。在系统使 用局部恒定角速度(PCAV)方式的情况下，写入以更靠近媒体中心的较 低的初始速度开始，并向媒体的外侧边缘前进到较高的最终速度，导致 温度和写入速度的同时增长。另外，所述PCAV方式使得以在系统中使用 的最高写入速度来完成在媒体的外侧的写入成为必要，这是激光最佳功 率校准(OPC)确定尺寸的极限情况。在使用恒定线速度(CLV)方式的系统中，与温度和写入速度增加有 关的问题不会出现达到这样的程度，因为写入功率被固定在OPC.在CLV 方式内，只有在刻录过程中的温度升高会导致饱和问题。图3是一个流程图，其图示说明本发明使用的优选方式来检验激光 电流以测试激光器是否接近饱和。本发明希望在系统中建立一个饱和安 全网络，其探测所述激光功率已达到饱和极限或即将到达饱和极限的情 况。所述安全网络例行程序通过输入Laser Current too high (激光电 流过高)30开始，在该点，Check Delta — Actual (检查实际偏差A) 32 对目前正被使用的激光电流进行检查，优选地大约每一秒钟进行一次。 所述例行程序Check—Delta —Actual在图4中被更详细地示出。所述安 全网络使用一个可编程的值，称Max_Allowable_Value (最大允许值)
为激光电流峰值的最大值，其在优选的实施例中由一个8位数字系统内 的值250代表。典型地，Max-Allowable-Value将大约是2. 5mA。在LDD 中有一个带刻度的DAC，其允许Islope的值与激光器的K*Islope的最 大需要值相匹配。在典型的操作中，所述K的最大值是120,但是它可以 被安全地设置于40 - 120之间。这样，这里提到的参考值Islope通常在 0-2. 5mA之间工作，在一个优选实施例中，所述LDD将所述Islope值 放大一个系数K，来产生阈值之上的激光峰值电流。峰值电流是产生激光 峰值脉冲功率所需要的电流。 一旦达到对于Delta-Actual的 Max_Allowable_Value，就确定所述激光电流太高以致于达到饱和是明 显的，所述例行程序向数据通路(Datapath) 36启动一个回叫 (Callback)，其通过所述回叫机制从所述数据通路驱动一个降低光盘 旋转速度(s p in-down )算法。这里指的数据通路是所述驱动器中的进程， 其控制从主机(一般地是基于个人电脑的处理元件)到编码器的信息流。 所述数据通路进程能够控制所述写入速度，包括确定主机数据被编码的 快慢。本发明将所述激光电流过高的情况的出现指示到数据通路进程， 所以数据通路可以确定动作的过程。数据通路对所述回叫的反应经常会 通过一个降低光盘旋转速度算法，因为一个典型的应用数据通路将通过 降低光盘的旋转速度并以较慢的速度写入到光盘媒体上来降低写入速 度。其他的策略还可以用数据通路来实施，包括更复杂的策略，允许以 较短的光盘写入时间增加吞吐量。在CAV类型的写入模式中的一种策略 是保持当前的写入速度(实质上，从这一刻开始输入CLV写入模式)， 所述旋转速度自动、平稳地下降，而无需中断刻录。在CLV/ZCLV刻录模 式中的另一个策略是逐渐地降低旋转速度到一个新的较慢的速度，而不 会中断刻录过程。在本发明的优选实施例中，其希望如果能够构建程序来保证尽可能 少地激活所述降低旋转速度算法，那么所述产品的性能能最大化。为了 保证尽可能少发生激光饱和的确定，驱动器中的所述激光功率调节(LPA) 首先被重新限定到一定程度，其允许差不多10%的调节分布(adjustment spread)，同时紧记所述检测水平。这些分布是由于在I-Slope和激光 功率之间关系上的驱动和调节容限而产生的。前述内容已基于在研发阶 段使用烤炉执行的一些措施来确定。基于这些测试，对激光功率的所述 LPA设置(为每一种颜色)被调整来实现这个目的。这种方法用于消除作
为错误地降低旋转速度的潜在原因的调节分布。图2a是本发明所预想的一种激光驱动系统图，该激光驱动系统具有 用于感测激光功率的反馈回路。这是本发明的配置。所述激光功率的检 测通过前向感测27执行，该前向感测27其向激光功率控制(LPC) 23 生成一个反馈信号28 前向感测27优选地是一个光电检测器，其检测所 述激光输出的一个小的线性百分比，并发送反馈信号28来代表当前激光 功率的量。还有很多其他的检测机制可以用于确定激光功率。所述前向 感测控制可以直接到达LPC23或通过LDD24。另一个变量是FS27,其由 PDIC生成且向LPC传送一个直流电压或差分电压。应该注意的是，传送多种机制。用于确定"激光电流过高"的所述激光电流的检测如下所述 进行。所述LPC保证激光器将利用FS反馈信号提供的信息生成功率。这 通过控制器输出信号(I-threshold, 1 — slope)完成。在优选的实施例中 的所述信号I-slope与在所述激光器阈值之上所需的实际的激光电流成 正比。因此，通过观察所述控制器在I-slope上设置的值并且当它超出 预定值时作出反应来检测"激光电流过高"。对于本领域技术人员将是 显而易见的是，其他检测机制可以用于确定激光饱和水平，例如，电流 传感装置。本领域技术人员也会进一步理解，在一个光盘刻录系统中可 以使用多个激光器，且在那些情况下，前向感测27将检测所述激光器的 当前激光功率。在多个激光源的实施例中，前向感测可能是针对于所有 多个激光器的单个检测元件或是多个传感元件.LPC28中的电路向由个人 电脑上的5V电源22供电的激光驱动器装置驱动器24提供I-slope和 I —threshold信号。本发明的一个可选实施例(对于蓝光激光器系统尤其具有吸引力) 使用一个具有一个电流吸入(current sinking)驱动器的浮动激光器 (floating laser )。这允许所述蓝光激光器连接到高电压(例如，8V )， 而LDD能够以5V或者更低的电压运行，这带来很多优点。应该注意的是， I —slope与LDD对来自激光器的激光电流吸入有关。对于本领域技术人 员显而易见的是，对于具有涉及LDD输出的多输出激光驱动器的多激光 器系统，这些驱动器或者象图2a那样提供电流(例如CD和DVD激光器) 或者象图2b那样吸入电流(如蓝光激光器)，可以建立一个混合系统， 其中在所有情况下，I-slope反映激光电流(由LDD提供或者吸入)，
从而，本发明对所有激光器都有效。图2b是根据本发明的可选实施例所构想的激光二极管电路，从其中 生成聚焦和跟踪信号。应该指出的是，本发明未来的配置将使用与图2b 中所示的类似的可选的设置，同样地，图2b构建了用于实施本发明所预 想的最佳模式。如前面关于图2a的讨论中所详细叙述的，激光功率的检 测由一个前向感测执行，其生成一个反馈信号到所述激光功率控制(LPC)。所述前向感测优选地是一个光电检测器，其检测激光输出的一 个小线性百分比，并发送反馈信号来代表当前的激光功率量。优选地， 所述激光二极管驱动电路用于LDD 24和激光器26，如图2a中所示。图 2b的电路使用电流吸入元件，取代电流源元件。所述激光器L1将其正极 连接到电源电压VS0，将其负极连接到激光电流驱动器10。所述激光电 流驱动器10通过电流吸入元件将来自激光器Ll的电流吸入到接地。所 述激光电流驱动器10的输出电压被表示为V。"，在图3中以箭头7表示。 由于激光器Ll上的压降，所述电压V。"比电源电压VS0小。如这里讨论的，"激光电流过高"的情况是基于实验已经证明的事。 这些实验在常规用途规格之外的温度进行，包括在65TC的烤炉中的非常 高的温度。这些实验表明可以建立这样的系统使得激光功率和I-slope 之间的关系被维持直到所述主功率控制器的写入功率控制信号(I-slope)的极限。在优选实施例中，所述主功率控制器位于主印刷电路板(PCB)上。所述写入功率控制信号(I-slope)通常根据以下关系控制激光驱动器中所生成的峰值电流量高于阈值K*I_slope = Ilaser一peak一total - I一threshold.其中，K是I-slope和LDD输出之间的放大系数。通过测量相对于电流 的典型的激光功率输出(高于阈值功率)可以确定K，并且在驱动校准过 程中通过使给定的0PU输出功率和I-slope的给定值相关可以被精细地 调节，Ilaser_peak_total是激光的最大电流，I-threshold是激光的 阈值电流。在优选实施例中，激光峰值功率(相对于偏压功率)通过一个对写 入功率控制信号(I-slope)的模拟参考值设定，写入功率控制信号 (I-slope )被从主PCB上的LPC发送。在0PU上，在峰值和偏压之间的 所有其他功率值由来自于一个写入策略生成器的控制信号所驱动的DAC 函数创建。这允许发动机使用I-slope的极限值作为检测标准。I-slope
通过激光功率控制反馈回路28实时控制，其确保根据LPC23内部的控制 器的设定值得到所需的激光功率。在优选实施例中，使用被读出的 delta —actual的数字值，作为本发明的检测标准。 一旦delta —actual 达到最大允许值(Max-Allowable —Value)，就达到饱和阈值极限，在优 选实施例中，Max —Allowable —Value大约是2. 5mA。在优选实施例中， Max_Allowable —Value在8位系统中被设定为二进制值250。前述的4艮 多种变型对于本领域技术人员都是显而易见的，包括但不限于对于不同 的激光器有不同的Max-Allowable-Value以及Max — Al lowable — Va lue 的不同的数字表示。为了达到稳健性，对于任何给定的检验点取了许多 delta-actual的样本，只有一定百分比的这些样本一旦处于(或高于) Max-Allowable-Value,就通过指示"激光电路过高"来激活回叫。优 选地，生成许多 delta-actual 样本的平均值，并与所述 Max-Allowable-Value进行比较。可选地，也可以使用许多 delta —actual样本的中间值。优选地，在Check Delta —Actual (实际检验A)被执行之后，在步 骤34所述系统将许多delta-actual样本的平均值与阈值(最大允许值) 进行比较来检测激光电流过高的状态是否存在。如果电流过高的状态存 在，会产生一个分支回叫数据通路36，其经应用程序接口 (API)接口中 的"激光电流过高"位向数据通路发送一个回叫。 一旦由于检测到"激 光电流过高"系统就启动一个回叫，那么所述数据通路将通过降低旋转 速度程序响应。图4是一个显示了实施Check Delta-Actual 40的优选方式的流程 图。读取delta-actual并对15个不同的激光电流样本存储42个样本激 光电流水平。 一旦取了 15个样本，那么判定模块44向计算激光电流的 15个样本的平均值的Calculate Average (计算平均值)46传递操作。 如果所述平均值高于一个预定的阈值，那么数据通路回叫36启动一个降 低旋转速度算法。图5是一个图3中启动的数据通路回叫执行的程序流程图，其如本 发明所预想的，执行降低光盘的旋转速度。 一旦确定激光电流处于即将 或者已经驱动激光器处于饱和的水平，在附图标记50处进入数据通路回 叫。 一旦在50处进入降低旋转速度算法，激光电流过高中断设置(Laser Current too High Interrupt Set) 52就检验是否已经设置了 一个中 断，显示已经检测到潜在的激光饱和状态。 一旦激光电流过高中断设置52证实已经设置了这个中断，执行降低旋转速度(Execute Spin Down) 54被执行。执行降低旋转速度54将根据光盘写入系统采用的写入速度控 制策略改变写入速度。在CAV策略的情况下，优选地，保持当前速度， 并转换到CLV写入模式。 一旦执行降低旋转速度54被执行，清空"激光 电流过高"中断就重置所述中断且处理结束58，并返回，如图3所示。本发明具有在光写入系统方面的应用，特别是高速数据写入系统， 如基于蓝光激光器的系统。可以想到本发明可以被实施于单一写入器的 系统以及基于多写入器的系统中。还可以想到的是，本发明能使用蓝光、 绿红光、红外激光器或任意组合激光器来实施多写入器系统.前面描述了发明者最希望的实施本发明的实施例。对于本领域技术 人员，前述实施例的变型是显而易见的，因此，本发明的范围应由后面 的权利要求限定。
权利要求
1.一种用于在一个具有激光入射到旋转的光媒体上的光刻录系统内控制激光电流和功率的方法，包括监测(27)至少一个激光器(26)并生成一个表示所述激光器产生的激光功率的信号(28)；将所述信号与一个表示激光饱和的预定(34)值作比较(32)；以及控制激光器内的电流(36)使得所述激光器消耗的电流不进入到激光饱和或者电压饱和区域。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述控制进一步包括利用控 制信号和被所述至少一个激光器使用的电流之间的已知关系。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中利用控制信号和所述至少一 个激光器使用的电流之间的已知关系进一步包括在所述控制信号的一个 给定水平上出现的激光饱和水平。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中降低所述功率设定值进一步 包括降低所述写入速度。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中监测步骤进一步包括检测来 自于所述激光器的光，并生成代表所述至少一个激光功率的反馈。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中控制进一步包括为所述至少 一个激光器降低激光功率设定值.
7. 根据权利要求1所述的方法，其中监测步骤进一步包括检测电 压电平并与所述预定值比较生成一个代表被激光器消耗的电流的反馈。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中监测步骤进一步包括电流水 平传感器，其监测激光器内的电流，并与所述预定值相比较生成一个代 表被激光器消耗的电流的反馈。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中控制电流步骤进一步包括减 慢旋转的光媒体。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中控制电流步骤进一步包括减 慢旋转的光媒体，以及减慢写入到所述光盘媒体上的速度，使得不超过 所述的预定值。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中控制控制电流步骤进一步包 括逐步地减慢所述旋转的光媒体使得能够维持写入。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中控制电流步骤进一步包括减 慢所述旋转的光媒体使得线性写入速度保持不变。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中控制电流步骤进一步包括根 据一组预定参数中的至少一个来改变所述预定值。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中改变所述预定值进一步包括 响应所述那组预定参数中的所述至少一个来实时地改变所述预定值.
15. —种光刻录系统包括至少一个激光器(26)，其配置有光学部件，以将聚焦的光斑置于 光媒体上；传感器(27)，其被配置来检测所述至少一个激光设备(26)产生 的功率，并生成代表所述激光器生成的功率的信号(2);测量设备(23)，其确定所述信号是否指示所述的至少一个激光器 接近饱和；以及激光器电流控制设备(24)，其维持所述至少一个激光器内的电流， 使得在所述至少一个激光器内的电流不达到饱和。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器进一步包括光电 探测器，其根据激光产生电流，所述电流表示所述的至少一个激光器的 功率。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器进一步包括电压 水平传感器，其生成表示被所述至少一个激光器消耗的电流的信号。
18. 根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器进一步包括电流 水平传感器，其生成表示被所述至少一个激光器消耗的电流的信号.
19. 根据权利要求15所述的系统，进一步包括一个例行程序，如果 所述测量设备确定所述至少一个激光器正接近饱和，则该例行程序被调 用，其中所述例行程序使所述旋转的光媒体减慢并减慢写入到所述光盘 媒体的速度。
20. 根据权利要求15所述的系统，其中所述例行程序进一步包括改 变被测量设备用来确定所述至少一个激光器是否正接近饱和的一组预定 参数中的至少一个，其中改变所述测量设备实时地改变所述那组预定参 数中的所述至少一个。
全文摘要
一种用于防止高速光驱中激光电流饱和(18)的方法和装置。高速光驱中激光电流的饱和在观测到激光功率到达极限前被防止，允许系统维持所述激光功率增长的需求。所述激光电流饱和问题在高温和在高写入功率时比较明显，尤其是结合低电源电压时，该问题通过保证激光器在接近但是在饱和之下进行工作来避免。根据需求增加激光功率的能力被维持用，提供因而产生的且可用的良好写入质量。激光电流饱和的潜在发生被检测(34)，并通过降低到一个需要较低写入功率的较低写入速度从而防止激光电流饱和来避免(36)。
文档编号G11B7/125GK101120408SQ200680002054
公开日2008年2月6日 申请日期2006年1月5日 优先权日2005年1月10日
发明者J·J·a·麦克科麦克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司