(57)【要約】任意波形発生器は、レーザダイオードドライバ回路の入力信号を修正して、オーバーシュート／アンダーシュートを低減するとともに、「平坦な」信号をレーザダイオードドライバ回路に与える。入力信号は、元の受信信号及びレーザダイオードに元の信号を印加した後のレーザダイオードを流れる実電流を測定することによるレーザダイオードからのフィードバックに基づいて修正する。【選択図】  図６
2015508242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流パルスのデジタル記述であって、電流値及びレーザダイオードに前記電流値を適用する継続時間に関する情報を含む、デジタル記述を制御回路により受信するステップと、
前記電流パルスの前記デジタル記述に対応するアナログ駆動信号を前記制御回路により生成するステップと、
前記アナログ駆動信号を前記レーザダイオードに対して前記制御回路により伝達するステップと、
前記アナログ駆動信号の印加の際、前記レーザダイオードを流れる電流を示す情報を前記制御回路により受信するステップと、
前記電流パルスの前記デジタル記述及び前記レーザダイオードを流れる電流を示す前記情報に基づいて、前記電流パルスの新しいデジタル記述を前記制御回路により生成するステップと、
前記電流パルスの前記新しいデジタル記述に対応する新しいアナログ駆動信号を前記制御回路により生成するステップと、
前記新しいアナログ駆動信号を前記レーザダイオードに対して前記制御回路により与えるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記制御回路が任意波形発生器を備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記制御回路が、マイクロコントローラ、デジタル／アナログ変換器、及びアナログ／デジタル変換器を備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記制御回路に含まれるメモリユニットに前記電流パルスの前記新しいデジタル記述を格納するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記アナログ駆動信号の印加の際、前記レーザダイオードを流れる電流を示す前記情報を受信するステップが、前記レーザダイオードに結合された電流検出素子から前記情報を受信するサブステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記電流検出素子が抵抗器である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電流検出素子から前記情報を受信するサブステップが、前記レーザダイオードから出力され、フォトダイオードで取得された光に対応する信号を前記フォトダイオードから受信することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
レーザダイオードに印加する電流パルスを示す第１のデジタル情報であって、前記電流パルスが振幅及び継続時間を有し、前記振幅が電流値を示し、前記継続時間が、前記レーザダイオードに前記電流値を適用する時間を示す、第１のデジタル情報を制御装置により受信するステップと、
前記レーザダイオード用の対応する第１のアナログ駆動信号を生成するために用いられる前記第１のデジタル情報を、前記制御装置に結合されたレーザダイオードドライバに対して前記制御装置により与えるステップと、
前記アナログ駆動信号の印加の際、前記レーザダイオードを流れる実電流を示す信号を電流検出素子から前記制御装置により受信するステップと、
前記レーザダイオードに印加する新しい電流パルスを示す第２のデジタル情報であって、前記第１のデジタル情報及び前記レーザダイオードを流れる実電流に基づく、第２のデジタル情報を前記制御装置により生成するステップと、
前記第２のデジタル情報を前記レーザダイオードドライバに対して前記制御装置により与えるステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記制御装置に含まれるメモリ素子に前記第２のデジタル情報を格納するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電流検出素子が抵抗器である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記レーザダイオードを流れる実電流を示す前記信号を受信するステップが、前記レーザダイオードから出力され、フォトダイオードで取得された光に基づいて生成される信号を前記フォトダイオードから受信することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記制御装置が受光器を備え、前記第１のデジタル情報を受信するステップが、光信号を受信するサブステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２のデジタル情報が、光信号として前記レーザダイオードドライバに伝達される、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２のデジタル情報を生成するステップが、
前記レーザダイオードを流れる前記実電流と前記第１のデジタル情報に含まれる前記電流値とを前記制御装置により比較するサブステップと、
前記レーザダイオードを流れる前記実電流が前記第１のデジタル情報に含まれる前記電流値と実質的に等しくないことを前記制御装置により判定するサブステップと、
前記判定に基づいて、前記第２のデジタル情報を前記制御装置により生成するサブステップと、
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
制御回路と、
前記制御回路に結合されたレーザダイオードドライバ回路と、
前記レーザダイオードドライバ回路に結合されたレーザダイオードと、
前記レーザダイオードに結合され、前記レーザダイオードを流れる電流を測定するように構成された電流測定素子と、を備え、
前記制御回路が、
レーザダイオードに印加する電流パルスを示す第１のデジタル情報であって、前記電流パルスが振幅及び継続時間を有し、前記振幅が電流値を示し、前記継続時間が、前記レーザダイオードに前記電流値を適用する時間を示す、第１のデジタル情報を受信し、
前記レーザダイオード用の対応する第１のアナログ駆動信号を生成するために用いられる前記第１のデジタル情報を、前記レーザダイオードドライバ回路に対して与え、
前記アナログ駆動信号の印加により前記レーザダイオードを流れる実電流を示す信号を電流測定素子から受信し、
前記レーザダイオードに印加する新しい電流パルスを示す第２のデジタル情報であって、前記第１のデジタル情報及び前記レーザダイオードを流れる実電流に基づく、第２のデジタル情報を生成し、
前記第２のデジタル情報を前記レーザダイオードドライバに対して与えるように構成された、システム。
【請求項１６】
前記制御回路が受光器を備え、前記第１のデジタル情報が光信号を介して受信される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電流測定素子が、前記レーザダイオードからの光出力を取得し、前記レーザダイオードを流れる前記実電流を示す対応する信号を生成するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記電流測定素子がフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードが、
前記レーザダイオードからの光出力を取得し、
前記取得した光出力に対応する信号を生成し、
前記レーザダイオードを流れる前記実電流を決定するために前記制御回路で使用された前記信号を前記制御回路に与えるように構成された、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１のデジタル情報を生成するように構成されたビーム制御システムをさらに備えた、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記制御回路が、前記第２のデジタル情報を生成するために、
前記レーザダイオードを流れる前記実電流と前記第１のデジタル情報に含まれる前記電流値とを比較し、
前記レーザダイオードを流れる前記実電流が前記第１のデジタル情報に含まれる前記電流値と実質的に等しくないことを判定し、
前記判定に基づいて、前記第２のデジタル情報を生成するようにさらに構成された、請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下、２０１２年２月２２日付け出願の米国仮特許出願第６１／６０２０３７号の優先権を主張し、その全開示内容を本明細書に援用する。
【政府支援による研究開発の発明の権利の記載】
【０００２】
[0002]米国政府は、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営に関し、Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ＥｎｅｒｇｙとＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間の契約ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に従って、本発明の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]現在、高平均出力ダイオード励起レーザを使用している又は組み込んでいるレーザシステムが増加している。ダイオード励起固体レーザは、レーザポインタから核融合エンジンに至る様々な用途で利用されている。多数のこのようなレーザを非常に高精度に制御する用途においては、レーザを制御する従来の手段が効果的でないことが分かっている。
【０００４】
[0004]大規模なダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）アレイを制御する方法及びシステムの進歩にも関わらず、当該技術分野においては、個々のレーザダイオード及び大規模ＤＰＳＳＬアレイの精密制御に関して、方法及びシステムの改善が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]本発明の実施形態は一般的に、レーザダイオードの動作に関する。具体的に、本発明の特定の実施形態は、任意波形発生器を用いてレーザダイオードを動作させる特定の方法を提供する。本明細書に開示の技術を用いれば、レーザダイオードに印加する電流を動的に変化させて、レーザダイオードの出力に効果を与えることができる。つまり、本明細書に開示の技術によれば、レーザダイオードに印加する電流を細かく制御可能であり、任意の所与の時間にわたって、わずかな時間（例えば、数マイクロ秒）の増加の間に上記電流を変化させることにより、レーザダイオードから所望の出力を得ることができる。これにより、レーザダイオードの動作を大幅に柔軟化でき、特に、時間とともにレーザダイオードからの出力を変化させる必要がある任意の用途に対して、このシステムが適したものとなる。また、本明細書に開示のシステムは、自己補正フィードバック機構を備えているため、仮想的に自己調整を行うことで信頼性及び精度がさらに高くなる。
【０００６】
[0006]本発明の特定の一実施形態は、レーザダイオードの動作方法を提供する。この方法は、特殊な制御回路によって実施可能であり、電流パルスのデジタル記述を受信するステップを含む。一実施形態において、このデジタル記述は、レーザダイオードに印加する電流の電流レベル、継続時間、及び変調に関する情報を含む。この方法は、電流パルスのデジタル記述に対応するアナログ駆動信号を生成するステップと、このアナログ駆動信号をレーザダイオードドライバ回路に伝達するステップとをさらに含む。その後、この方法は、アナログ駆動信号の印加によりレーザダイオードを流れる電流を示す情報を受信するステップと、電流パルスのデジタル記述及びレーザダイオードを流れる電流を示す情報に基づいて、電流パルスの新しいデジタル記述を生成するステップとを含む。その後、電流パルスの新しいデジタル記述に対応する新しいアナログ駆動信号を生成して、レーザダイオードドライバ回路に与える。
【０００７】
[0007]本発明の別の実施形態は、レーザダイオードの動作を制御する異なる方法を提供する。この方法は、レーザダイオードに印加する電流パルスを示す第１のデジタル情報を受信するステップを含む。この電流パルスは、振幅、継続時間、及び変調を有していてもよい。振幅は、ピーク電流値を示す。継続時間は、レーザダイオードに電流値を適用する時間を示す。この方法は、第１のデジタル情報に対応する第１のアナログ駆動信号を生成するステップと、レーザダイオードに結合されたレーザダイオードドライバに第１のアナログ駆動信号を与えるステップとをさらに含む。また、この方法は、レーザダイオードに印加する新しい電流パルスを示す第２のデジタル情報を受信するステップを含む。この第２のデジタル情報は、第１のデジタル情報及び電流値を適用した際にレーザダイオードを流れる実電流に基づく。この方法は、第２のデジタル情報に対応する第２のアナログ駆動信号を生成するステップと、レーザダイオードに結合されたレーザダイオードドライバに第２のアナログ駆動信号を与えるステップとをさらに含む。特定の一実施形態において、この方法は、後々の使用のため、第２のデジタル記述をメモリに格納するステップを含む。
【０００８】
[0008]一実施形態において、この方法は、任意波形発生器を備えた制御回路によって実施する。別の実施形態において、レーザダイオードを流れる実電流は、レーザダイオードに結合された電流検出素子を用いて測定する。電流検出素子の一例は、抵抗器である。別の実施形態においては、フォトダイオードを用いてレーザダイオードからの光出力を取得してもよく、これに基づいて、制御回路は、レーザダイオードを流れる電流を決定するようにしてもよい。さらに別の実施形態においては、電流値を適用した際にレーザダイオードを流れる実電流に関する情報をビーム制御ユニットが受信する。次いで、ビーム制御ユニットは、レーザダイオードを流れる実電流がレーザダイオードに適用する電流値と実質的に等しくないことを判定し、レーザダイオードに印加する新しい電流パルスを示す第２のデジタル情報を生成する。
【０００９】
[0009]一部の実施形態においては、レーザダイオードの動作システムが提供される。このシステムは、制御回路と、制御回路に結合されたレーザダイオードドライバ回路と、レーザダイオードドライバ回路に結合されたレーザダイオードと、レーザダイオードに結合された電流測定素子とを備える。電流測定素子は、レーザダイオードを流れる電流の測定又はレーザダイオードからの光出力の取得が可能であり、これを用いることにより、レーザダイオードを流れる電流を決定することができる。このシステムにおいて、制御回路は、レーザダイオードに印加する電流パルスの第１のデジタル情報を受信可能である。電流パルスの振幅及び継続時間は固定されていても変化してもよい。振幅は、電流値を示す。継続時間は、レーザダイオードに電流値を適用する時間を示す。制御回路は、第１のデジタル情報に対応する第１のアナログ駆動信号を生成するとともに、第１のアナログ駆動信号をレーザダイオードドライバ回路に与えることもできる。さらに、制御回路は、レーザダイオードに印加する新しい電流パルスを示す第２のデジタル情報をビーム制御ユニットから受信可能である。一部の実施形態において、第２のデジタル情報は、第１のデジタル情報及び電流測定素子によって決定するレーザダイオードを流れる実電流を基準とすることができる。次いで、制御回路は、第２のデジタル情報に対応する第２のアナログ駆動信号を生成するとともに、第２のアナログ駆動信号をレーザダイオードドライバ回路に与えて、レーザダイオードに印加することができる。特定の一実施形態において、制御回路はそれ自体で、電流測定素子からの入力に基づいて第２のデジタル情報を生成可能である。
【００１０】
[0010]一部の実施形態において、このシステムは、第１のデジタル情報及び第２のデジタル情報を生成可能なビーム制御システムも備える。ビーム制御システムは、レーザダイオードを流れる実電流に関する情報を電流測定素子から受信するとともに、レーザダイオードを流れる実電流に関する情報の少なくとも一部に基づいて、第２のデジタル情報を生成可能である。
【００１１】
[0011]本発明の本質及び利点は、以下の詳細な説明に添付の図面を併せて、さらに理解可能となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを制御するシステムの機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、複数のレーザダイオードアレイを制御するシステムのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、受光器が受信するデータのフォーマットを示した表である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを制御するプロセスのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態を用いて動作させていないレーザダイオードを流れる電流を示したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを動作させる回路のブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるプロセスのフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態を用いて動作させたレーザダイオードを流れる電流を示したグラフである。
【図９】従来動作のレーザダイオードと本発明の実施形態に係る技術を用いて動作させたレーザダイオードとの電流を比較した図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る、従来の駆動信号と図６及び／又は図１２に示す回路により出力された駆動信号との比較を示した図である。
【図１１】図１０に示す駆動信号の一部の詳細を示した図である。
【図１２】本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードを動作させる回路のブロック図である。
【図１３−１】本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるプロセスのフローチャートである。
【図１３−２】図１３−１に続く図であり、本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるプロセスのフローチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを流れる電流パルスの経時的な動的変化を示した図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る、システムの動作に使用可能なサンプルコードである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0027]本発明の実施形態は一般的に、レーザに関する。本発明の特定の実施形態は、単一のレーザダイオード又はレーザダイオードのアレイを制御して、アレイの各レーザダイオードの精密な動作を可能とする方法及びシステムを提供する。
【００１４】
[0028]ＩＦＥ（慣性核融合エンジン）発電所に利用可能なレーザ増幅器励起用の高平均出力ダイオードレーザアレイは、出力調整システムを用いることにより、正確な電流、パルスレート、及び占有率でダイオードレーザアレイをパルス化する。ＩＦＥ発電所において最適な条件を作り出すには、電流レベル、パルスレート、及びアレイのレーザダイオードを起動するタイミングの精密な制御が必要である。
【００１５】
[0029]従来、アレイの各レーザダイオードは、レーザの出射タイミング並びにレーザダイオードに供給する電流レベル及びレーザダイオードに電流パルスを印加する継続時間（パルスレートとしても知られる）を示す信号を与える中央制御システムに配線接続されてきた。配線に基づく信号伝達システムは、それぞれに一定の待ち時間を有する。待ち時間は、システムで発生する時間遅延の尺度である。レーザダイオードアレイシステムにおいては、末端間の待ち時間として、レーザ制御装置とレーザダイオードとの間の制御信号の送信に関する遅延、制御信号を処理するレーザダイオードドライバの処理時間、レーザドライバから電流を受け、制御信号に含まれるパラメータに基づいてレーザビームを出力するレーザダイオードに関する遅延等が挙げられる。また、システムが古くなると、これらの待ち時間が長くなるため、制御信号を定期的に調整してレーザダイオードの動作／出力を正確に制御することが必要となる可能性がある。
【００１６】
[0030]ＩＦＥ発電用途においては、核融合反応を開始させるための最適なエネルギーを与えるため、すべてのレーザダイオードから同時に出射するのが効果的である。すべてのレーザダイオードから同時に出射しなければ、核融合エンジンに与えられるエネルギーが少なくなり、核融合反応が失敗となってしまう場合がある。配線に基づくシステムが古くなると、システム末端間の待ち時間が変化するだけではなく、各レーザダイオードとの個々の接続における待ち時間も変化する場合があり、これらレーザダイオードの動作パラメータを正確に保つのが困難となる。また、レーザダイオードの出力を狭い許容範囲で制御するのが効果的である。レーザダイオードからの出力が大きく変化すると、核融合反応に悪影響が生じる場合があるためである。
【００１７】
[0031]本発明の実施形態は、個々のレーザダイオードの起動時間等の動作パラメータを制御するための光学制御機構を提供する。本発明の実施形態によれば、従来の方法に対して多くの利点が実現される。レーザダイオードを流れる実電流を積極的に検出することによって個々のレーザダイオードの入力をカスタマイズすることにより、オーバーシュート／アンダーシュートを防止して、各レーザダイオードの動作期間中に、より均一な出力を与えるようにしてもよい。
【００１８】
[0032]一部の高出力レーザシステムにおいては、８００アンペア以下及びそれを超える出力レベルでレーザダイオードが動作する。また、一部の用途においては、１０〜３００回／秒の範囲でレーザダイオードを起動可能である。このような高電流レベル及び動作周波数においては、レーザダイオードが電流変化の影響を非常に受け易くなる。レーザダイオードの起動ごとに印加電流がオーバーシュートすると、たとえわずかであっても、ストレスによりレーザダイオードが早期故障してしまう可能性がある。各アレイには、５００個ものレーザダイオードが含まれる場合があるため、レーザダイオードの高い故障率は許されない。本明細書に開示の技術は、レーザダイオードのより高信頼性かつ堅牢な制御システムを提供する。
【００１９】
[0033]図１は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードシステム１００のブロック図である。システム１００は、ビーム制御サブシステム１０２、信号発生器１０４、送光器１０６、受光器１０８、レーザダイオードドライバ１１０、及びレーザダイオード１１２を備える。
【００２０】
[0034]ビーム制御サブシステム１０２は、レーザダイオード１１２が出力するレーザビームのパラメータを制御するように構成されている。一部の実施形態において、ビーム制御サブシステム１０２は、レーザダイオードに印加する電流と、レーザダイオードに電流パルスを印加する継続時間とを決定するようになっていてもよい。つまり、ビーム制御サブシステム１０２は、レーザダイオード１１２が出力するレーザビームの出力レベルと、レーザダイオード１１２がレーザビームを出力する継続時間とを決定するようになっていてもよい。例えば、レーザダイオード１１２に印加する電流は、およそ２００アンペアであってもよい。電流パルス継続時間は、最大３００マイクロ秒で、２つの連続する電流パルス間の間隔が最大６０ミリ秒であってもよい。一部の実施形態においては、ビーム制御サブシステム１０２を用いて、個々のレーザダイオード１１２の電流及び／又はパルス幅を調整するようにしてもよい。これは、ダイオードアレイ全体の光出力を一定の所望レベルに維持するのに役立つ。各レーザダイオード１１２の出力を制御できると、ダイオード又はダイオードアレイの経時的な劣化に対する調整を行う際に役立つ場合がある。一部の実施形態において、ビーム制御サブシステム１０２は、電流レベル及びパルス継続時間の情報を信号発生器１０４に伝達してもよい。また、一部の実施形態において、ビーム制御サブシステムは、１つ又は複数の外部システムと通信して出力レベル及び継続時間を決定する制御及び処理回路を備えていてもよい。
【００２１】
[0035]信号発生器１０４は、一般的に入手可能な光信号発生器、例えば、Ｘｉｌｉｎｘ，Ｉｎｃ．から入手可能なフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を用いて実装可能である。信号発生器は、アナログ又はデジタル領域において、反復又は非反復電子信号を生成する電子装置である。一部の実施形態において、信号発生器１０４は、ビーム制御サブシステム１０２からの入力を受信し、この入力に基づいて光信号を生成可能である。例えば、信号発生器は、ビーム制御サブシステム１０２から電流レベル及びパルス継続時間の情報を受信し、この電流レベル及びパルス継続時間の情報を符号化した光信号を生成し、この光信号を送光器１０６に伝達してもよい。また、一部の実施形態において、信号発生器１０４は、２位相符号化データを含む光信号を生成してもよい。この２位相符号化データは、電流レベル及び継続時間の情報を含んでいてもよい。この場合、光信号は、符号化データを送信するための搬送波信号として機能する。
【００２２】
[0036]送光器１０６は、光信号を受信及び送信可能な任意の送信器が可能であることができる。一部の実施形態において、送光器は、赤外線フォトダイオードを備えていてもよい。特定の一実施形態においては、例えばＯＳＲＡＭ  ＳＨＦ４２０又はＳＨＦ４２５等の送光器を用いてもよい。なお、その他の種類の送光器を用いてもよく、良好な結果が得られる。一部の実施形態において、信号発生器１０４及び送光器１０６は、１つの統合ユニットとして実装してもよい。
【００２３】
[0037]受光器１０８は、光信号を受信して復号化し、電流レベル及び継続時間の情報を抽出可能な任意の従来型受光器を用いて実装可能である。一部の実施形態において、受光器１０８は、混合信号マイクロコントローラに結合されたフォトダイオードを備えていてもよい。フォトダイオードが光信号を受信し、マイクロコントローラが光信号に含まれるデータを復号化して、光信号に埋め込まれた電流レベル及びパルス継続時間の情報を決定するようにしてもよい。
【００２４】
[0038]一部の実施形態において、受光器１０８は、電流レベル及びパルス継続時間の情報をレーザダイオードドライバ１１０に伝達してもよい。レーザダイオードドライバ１１０は、レーザダイオード１１２を駆動し、所望の継続時間にわたって適用された電流レベルによりレーザビームを生成するために使用される。一部の実施形態において、レーザダイオードドライバ１１０は、電流レベル及びパルス継続時間の情報を受光器１０８から受信し、この情報を用いて、それらパラメータに適合したレーザビームをレーザダイオード１１２に生成させることができる。一部の実施形態において、レーザダイオードドライバ１１０及び受光器１０８は、１つの容器にパッケージングされ、相互に結合されていてもよい。また、別の実施形態において、受光器１０８は、レーザダイオードドライバ１１０に対して物理的に取り付けられていてもよい。一部の実施形態においては、１つのレーザダイオードドライバにより１つのレーザダイオードを制御するようにしてもよい。また、別の実施形態においては、１つのレーザダイオードドライバにより、レーザダイオードバーに取り付けられた複数のレーザダイオードを制御するようにしてもよい。例えば、レーザダイオードバーには、最大５０個のレーザダイオードを含んでいてもよい。レーザダイオードドライバは、ダイオードタイルとして構成された複数のダイオードバーを制御するようになっていてもよい。各タイルは、最大５０本のダイオードバーを有することができる。また、レーザダイオードドライバは、複数のダイオードタイルを制御するようになっていてもよい。１つのダイオードドライバにより、１５個ものダイオードアレイ／タイルを制御するようにしてもよい。さらに別の実施形態においては、１つのレーザダイオードドライバにより、レーザダイオードのアレイを制御するようにしてもよい。本発明の実施形態において使用可能なレーザダイオードドライバの詳細については、２０１０年６月１１日付け出願の米国特許出願第１２／８１３，６６２号（共同所有かつ同時係属中）に開示されており、その全開示内容を本明細書に援用する。
【００２５】
[0039]レーザダイオードドライバ１１０は、レーザダイオード１１２に結合されている。レーザダイオード１１２は、特にＮｏｒｔｈｒｏｐ  Ｇｒｕｍｍａｎ  Ｃｏｒｐ．及びｎＬｉｇｈｔ  Ｃｏｒｐ．等の企業から市販されているレーザダイオードのうちのいずれかを用いて実装可能である。一部の実施形態において、レーザダイオード１１２は、特定の継続時間（例えば、５０マイクロ秒）にわたってレーザダイオードドライバ１１０からの電流を受信する。これにより、レーザダイオード１１２は、この特定の継続時間にわたる入力電流に基づいてレーザビームを出力する。このプロセスは、１秒間に最大３００回繰り返してもよく、これにより、レーザダイオード１１２はパルス動作する。
【００２６】
[0040]さらに、本明細書においては、特定のブロックを参照してシステム１００を説明しているが、当然のことながら、これらのブロックは説明の便宜上規定したものであり、構成要素部品の特定の物理的構成を含意することを意図したものではない。また、これらのブロックは、物理的に異なる構成要素に対応している必要はない。例えばプロセッサをプログラミングする又は適当な制御回路を設けることによって、様々な動作を行うようにブロックを構成可能である。また、初期構成の取得方法に応じて、様々なブロックを再構成可能であってもよいし、再構成可能でなくてもよい。本発明の実施形態は、回路及びソフトウェアを任意に組み合わせて実装した電子装置を含む多様な装置において実現可能である。
【００２７】
[0041]上述の通り、各レーザダイオードは、レーザダイオードを駆動してレーザビームを出力させる対応するレーザダイオードドライバに結合されている。従来システムにおいては、各レーザダイオードドライバがビーム制御サブシステムまで配線で接続されている。ＩＦＥのような用途においては、最大１０００個のレーザダイオードタイルが同時に「出射」又は「オン」となって一定の所望出力を与える場合がある。上述の通り、レーザダイオードの出射タイミングを精密に制御することが重要である。また、すべてのレーザダイオードが指定の継続時間にわたって特定の出力レベルを有するレーザビームを出力するのが望ましい。上述のような非常に多くのレーザダイオードを有するシステムにおいては、特定のレーザダイオードが他のレーザダイオードに比べて古くなっている場合がある。レーザダイオードが古くなると、固定された電流入力に対する光出力が時間とともに低下する。このため、古いレーザダイオードは、同じ出力を得るため、新しいレーザダイオードよりも高い入力電流レベルで駆動することが必要となる場合がある。例えば、レーザダイオード＃１２が新しく、レーザダイオード＃４５６が数年間にわたって動作してきた古いレーザダイオードであるものとする。両レーザダイオードは、同じアレイ又は別のアレイのいずれにも配置可能である。この場合、レーザダイオード＃４５６を駆動して一定の出力を有するレーザビームを出力させるには、レーザダイオード＃１２よりも大きな電流が必要となる。一方、レーザダイオード＃１２は、同じ出力レベルを有するレーザビームを出力するのに、レーザダイオード＃４５６よりも小さな電流又は短いパルス幅で済む。このため、レーザダイオード＃４５６に送信する符号化データは、レーザダイオード＃１２に送信する符号化データと異なるパラメータを有することになる。
【００２８】
[0042]１０００個程度のレーザダイオードすべてが同一又は実質的に同一の出力レベルのレーザビームを出力するようになるには、上述の通り、一部のレーザダイオードにおいて、他のレーザダイオードと異なる電流入力又はパルス幅入力が必要となる場合がある。また、各レーザダイオードを個別に制御可能とするため、レーザダイオードと関連したレーザダイオードドライバに一意のアドレスを割り当てるようにしてもよい。一部の実施形態において、光信号は、レーザダイオードドライバと関連した一意のアドレスを含んでいてもよい。例えば、各レーザダイオードドライバに一意の１０ビットアドレスを割り当てるようにしてもよい。送信する光信号は、電流レベル及びパルス継続時間の情報と併せて、レーザドライバの１０ビットアドレスを含んでいてもよい。受光器は、光信号を受信した場合に、アドレス情報を抽出してレーザドライバに与えるようにしてもよい。レーザドライバは、抽出したアドレスがそれ自体のアドレスと整合するかを判定するようにしてもよい。抽出したアドレスがレーザダイオードドライバに割り当てられたアドレスと整合する場合、レーザダイオードドライバは、光信号からの電流レベル及びパルス継続時間の情報を用いて、関連するレーザダイオードを駆動可能である。アドレスが整合しない場合、レーザダイオードドライバは、光信号中の情報を無視可能である。このように、個々のレーザダイオードを精密に制御することによって、所望のレベルを出力可能である。
【００２９】
[0043]同じ継続時間にわたって同じレベルを出力することに加えて、１０００個程度のレーザダイオードすべてから同時に出射することにより、核融合プロセスの開始のために最大出力を得られるようにするのが望ましい。すべてのレーザダイオードから確実に同時に出射するため、一部の実施形態においては、ビーム制御サブシステムが各レーザダイオードドライバに適当なタイミングで「即出射」信号を送信するようにしてもよい。一部の実施形態において、レーザダイオードは、１秒間に１０〜３００回の範囲で動作する。このため、レーザダイオードには、１秒間に１０〜３００回の範囲で「即出射」信号を伝達するようにしてもよい。各レーザダイオードドライバは、「即出射」信号を受信したら、指定時間にわたる指定の電流レベルを関連するレーザダイオードに適用する。その結果として、各レーザダイオードは、レーザダイオードドライバから受信したパラメータに基づいてレーザビームを出力する。
【００３０】
[0044]一部の実施形態において、２つの連続する「即出射」信号間には、電流レベル及びパルス継続時間の情報を含む２位相符号化データを伝達する光信号を送信可能である。したがって、レーザダイオードドライバは、「即出射」信号を受信した際に、関連するレーザダイオードに使用する電流レベル及びパルス継続時間の情報を既に受信していることになる。一部の実施形態においては、動作サイクルごとに各レーザダイオードの出力が監視され、その監視情報がビーム制御サブシステム及び／又はレーザダイオードドライバにフィードバックされる。そして、ビーム制御サブシステム及び／又はレーザダイオードドライバは、レーザダイオードの出力調整が必要かを判定するとともに、所望のレベルを出力するために、どれだけ調整するかを判定する。一部の実施形態においては、出力調整が必要なレーザダイオードのみが「即出射」信号の前に信号を受信するようにしてもよい。フィードバックに基づいて出力の変更が必要ない場合、その特定のレーザダイオードには、信号を送る必要がない。この場合、レーザダイオードドライバは、「即出射」信号の前に電流レベル及び継続時間のパラメータを受信していない場合、最後に受信したパラメータを用いてレーザダイオードを動作させるようにしてもよい。一部の実施形態においては、これを実現するため、新しいパラメータと併せて、該当するレーザダイオードのアドレス情報を光信号に含んでいる。したがって、光信号中のアドレスと整合するアドレスを有するレーザダイオードドライバのみが新しいパラメータを抽出することになる。その他すべてのレーザダイオードドライバは、光信号中の情報を無視するとともに、最後に受信したパラメータを用いて関連するレーザダイオードを動作させるようにしてもよい。
【００３１】
[0045]上述の通り、光信号は、各レーザダイオードドライバに送られるとともに、それぞれのレーザダイオードドライバのアドレス情報を含む。一部の実施形態において、レーザダイオードはアレイ形状に配置されており、その中では、何千個ものレーザダイオードが共通フレーム上に一体結合され、レーザダイオードから出力された光がコリメートされている場合がある。この場合は、光信号を用いてレーザダイオードのアレイ全体に情報を伝達可能であり、このレーザダイオードアレイは、一意のアドレスを１つ有していてもよい。
【００３２】
[0046]図２は、２つのレーザダイオードアレイを備えたシステム２００を示している。なお、図２においては、説明を簡単にするため、アレイを２つだけ示している。当業者であれば、システム２００に３つ以上のアレイを備えることも可能であることが理解されよう。アレイ２０２は、１つ又は複数のレーザダイオード２０８及びレーザダイオードドライバ２０４を備える。各レーザダイオード２０８及びレーザダイオードドライバ２０４は、受光器２０６に結合されている。また、第２のアレイ２１０は、１つ又は複数のレーザダイオード２１６及びレーザダイオードドライバ２１２を備えていてもよく、各レーザダイオード２１６及びレーザダイオードドライバ２１２は、受光器２１４に結合されている。一部の実施形態においては、各アレイ２０２、２１０にアドレスを割り当て、当該アレイのすべてのレーザダイオードドライバがそのアドレスに応答するようにしてもよい。この場合、光信号は、個々のレーザダイオードではなく各アレイの電流レベル及びパルス継続時間の情報を含んでいてもよい。アレイ中のすべてのレーザダイオードドライバは、同じ電流レベル及びパルス継続時間の情報を用いることにより、レーザダイオードを駆動してレーザビームを生成するようにしてもよい。これにより、光信号の複雑さを大幅に抑えることが可能となる。
【００３３】
[0047]別の実施形態においては、要素２０８が１つのレーザダイオードではなくレーザダイオードバー２０８に対応していてもよい。各レーザダイオードバー２０８は、複数（例えば、５０個）のレーザダイオードを備えていてもよい。この場合、レーザダイオードドライバ２０４は、レーザダイオードバー２０８のすべてのレーザダイオードを駆動するようになっていてもよい。また、各レーザダイオードドライバ２０４に一意のアドレスを割り当てるようにしてもよい。したがって、光信号は、レーザダイオードドライバ２０４と関連するアドレスの電流及び継続時間の情報を含む場合、その電流及び継続時間の情報を用いてレーザダイオードバー２０８のすべてのレーザダイオードを動作させるようになっていてもよい。
【００３４】
[0048]上述の通り、光信号は、レーザダイオードを動作させるための電流レベル及び継続時間の情報を含む２位相符号化データと、１つ又は複数のレーザダイオードドライバと関連するアドレス情報とを含む。図３は、本発明の一実施形態に係る、光信号を用いて伝達可能な２位相データのフォーマットを示した表３００である。表３００には、データの種類を表すためのビット数を示すデータ長フィールド３０２と、当該ビット数の対応するデータペイロードを示すペイロードフィールド３０４とを示している。表３００から分かるように、光信号は、最大８０ビットのデータ（１０バイト）を含むことができる。なお、表３００は説明を目的としたものに過ぎず、当業者であれば、個々の情報のビット長が異なるその他多くのフォーマットを符号化データが有し得ることが理解されよう。
【００３５】
[0049]フレーム同期情報の指定には、８０程度のビットから最大１６ビットを使用可能である。フレーム同期パターンは、送信する各データフレームの先頭に現れるパターンである。上述の通り、各レーザダイオードドライバには、一意のアドレスを割り当て可能である。一部の実施形態においては、各レーザダイオードドライバに最大１０ビットを割り当て可能である。これにより、１０００（２１０）個を超えるレーザダイオードドライバ装置をアドレス指定可能となる。アドレスフィールドは、アドレス指定する個々のレーザダイオードドライバ装置の数に基づいて、１２又は１６ビットまで増やすことができる。一部の実施形態においては、レーザダイオードに印加する入力電流に対応可能な電流レベル情報の伝達に対して、最大１０ビットを使用してもよい。また、一部の実施形態において、電流レベルは、１〜５５０アンペアの範囲が可能である。一部の実施形態において、電流レベルは１アンペアずつ増やすことができるが、その他の間隔を用いてもよい。
【００３６】
[0050]一部の実施形態において、レーザダイオードが同時にオンとなる継続時間に対応可能なパルス継続時間又はパルス幅の指定には、最大９ビットを使用してもよい。一部の実施形態において、パルス継続時間の範囲は１μｓ〜３００μｓであり、１μｓずつ増やしてもよい。当業者であれば、その他の増加間隔も可能であることが理解されよう。一部の実施形態において、レーザダイオードへの「即出射」コマンドの伝達には、１ビットを使用してもよい。例えば、当該ビットを「１」とすることによって、コマンドの受信によりレーザダイオードがレーザビームを即座に出力可能であることを示すようにしてもよい。また、周期的冗長検査（ＣＲＣ）等のエラーチェックの実行には、最大１６ビットを使用可能である。電流レベルやアドレス情報等の任意のパラメータの範囲を大きくする場合は、利用可能な８０ビットから任意の未使用ビットを用いることができる。例えば、およそ１０００個からそれ以上の装置にアドレス指定能力を拡張する場合は、ビットを追加するようにしてもよい。
【００３７】
[0051]なお、表３００は説明を目的としたものに過ぎず、表３００に示すデータフォーマットは一例に過ぎない。当業者であれば、例えば個々のデータ種類に割り当てるビット数を表３００に示すビット数から増減させる等、その他のデータフォーマットも使用可能であることが理解されよう。
【００３８】
[0052]上述の通り、光信号には、レーザダイオードを駆動して一定の継続時間にわたる一定の出力レベルのレーザビームを与えるための２位相符号化データを含んでいてもよい。図４は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるプロセス４００のフローチャートである。プロセス４００は、受光器と併せて、レーザダイオードドライバ（例えば、図１のレーザダイオードドライバ１１０）により実施可能である。
【００３９】
[0053]レーザダイオードドライバは、受光器が取得した光信号を受信可能である（ステップ４０２）。上述の通り、光信号は、２位相符号化データを含んでいてもよい。レーザダイオードドライバは、光信号を受信すると、当該光信号を解析して、２位相符号化データに含まれる電流レベル及びパルス幅（継続時間）の情報を決定可能である（ステップ４０４）。レーザダイオードドライバは、光信号から電流レベル及び継続時間の情報を決定したら、光信号中に規定の電流を与えることにより、継続時間の情報で規定された時間にわたってレーザダイオードを動作させることができる（ステップ４０６）。その結果、レーザダイオードは、次いで、電流パルスを印加した継続時間と実質的に等しい継続時間にわたって、印加した電流に基づくレーザビームを出力する。
【００４０】
[0054]当然のことながら、図４に示す特定のステップは、本発明の一実施形態に係るレーザダイオードを動作させる特定の方法を提供している。別の実施形態によれば、その他の一連のステップを実行するようにしてもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記概説したステップを異なる順序で実行するようにしてもよい。さらに、図４に示す個々のステップは、当該個々のステップの必要に応じて様々な順序で実行可能な複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途に応じて、別のステップを追加又は削除してもよい。当業者には、多くの変形形態、変更形態、及び代替形態が理解されよう。
【００４１】
[0055]上述の通り、レーザダイオードは、アレイ上に配置してもよい。この場合は、プロセス４００により、アレイ上の各レーザダイオードを制御可能である。一部の実施形態において、各アレイには、各レーザダイオードドライバのアドレスのほかに一意のアドレスが付与されていてもよい。この場合、光信号は、レーザダイオードドライバのアドレスに加えて、アレイのアドレスを含んでいてもよい。
【００４２】
[0056]一部の実施形態において、光信号中の２位相符号化データは、基準クロックに由来するクロック信号も含むことができる。クロック信号を用いることにより、すべてのレーザダイオードドライバを同期状態に保つことができる。一部の実施形態において、クロック信号は、１５５ＭＨｚの信号であってもよい。すべてのレーザダイオードドライバは、そのクロックを維持することによって、同時に出射可能となる。これは、ＩＦＥのような発電所システムにおいて望ましい。
【００４３】
[0057]一部の実施形態において、レーザダイオードは、非線形低インピーダンス負荷であってもよい。このような場合、ビーム制御サブシステム、レーザダイオードドライバ、及びレーザダイオード自体を含む回路の応答は、当該回路のインダクタンス及びレーザダイオード負荷の非線形性によって決まる。レーザダイオード負荷のインピーダンスは小さいため（例えば、ミリオームオーダー）、わずかなループインダクタンスがレーザダイオードの非線形性と組み合わさっただけでも、回路の立ち上がり及び立ち下がり時間に大きく影響する可能性がある。特に、回路の時定数は、抵抗に対するインダクタンスの比率に支配されているため、レーザダイオードの電流が制御システムの要求に対して大幅に遅れる可能性がある。ドライバ回路が対応可能な速度よりも急速に制御システムが電流変化を求める場合は、制御ループが飽和して出力電流を一時的に制御できなくなり、所望の波形に対して電流のオーバーシュート及び／又はアンダーシュートとして現れる可能性がある。
【００４４】
[0058]図５は、本明細書に記載の技術を実装していない場合のレーザダイオードを流れる実電流を示したグラフである。図５に示すように、電流の公称設定点は、およそ２５０Ａである。図から分かるように、レーザダイオードドライバに駆動信号を印加してレーザダイオードを動作させると、レーザダイオードの電流が大きくオーバーシュートした後、アンダーシュートしている。継続時間がおよそ３００〜３１５μｓの電流パルスの場合、レーザダイオードの電流は、設定点で一定とはならない。
【００４５】
[0059]以下に記載の技術によれば、ドライバの制御ループに印加するアナログゲート駆動信号を事前に調整しておくことによって、レーザダイオードドライバ回路の性能を向上させることができる。これは、レーザダイオードドライバ回路に任意波形発生器（ＡＷＧ）を用いることにより、レーザダイオードドライバの性能を向上させることができる。特に、ＡＷＧは、レーザダイオードに伝わるパルス電流の立ち上がり及び立ち下がりを調整可能である。ＡＷＧは、ビーム制御サブシステムが与えるデジタル入力信号に従って、パルスの継続時間及びパルス全体の振幅を設定する。ビーム制御サブシステムは、上述の通り、光通信システムであってもよい。特定の一実施形態においては、各レーザダイオード又はレーザダイオードアレイと関連するレーザダイオードドライバ回路に送光器を結合して、２位相符号化データを含む光信号を送信するようにしてもよい。光信号は、各ダイオードを駆動する際の電流レベル及びパルス継続時間の情報を含む。レーザダイオードドライバ回路のＡＷＧは、起動信号の受信により、電流レベル及びパルス継続時間の情報を用いてレーザダイオードを動作させ、レーザビームを出力させる。
【００４６】
[0060]上述の通り、回路の応答は、ループのインダクタンス及びレーザダイオードの非線形性によって支配されている。これらのパラメータは、レーザダイオードドライバ回路のＡＷＧを用いてある範囲に維持可能であり、制御ループの飽和を防止できる。別の実施形態において、レーザダイオードの非線形特性は、回路の応答を制限する場合がある。これらの影響は、主制御ループへのＡＷＧ入力を調整することによって補償可能であり、より望ましい矩形電流パルスが得られる。
【００４７】
[0061]図６は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを動作させる回路の機能ブロック図である。図６に示すように、制御システム６０２（例えば、図１のビーム制御サブシステム１０２に類似）は、レーザダイオード６０４に対する所望の電流値を含む信号を出力する。この信号は、上述のような光信号の形態であってもよく、電流値及びレーザダイオード６０４に電流を印加する継続時間を含む２位相符号化データを含んでいてもよい。制御回路６０２の出力は、特にＣＰＵ６２２を備えた実時間制御回路６２０に与えられる。ＣＰＵ６２２は、算術演算を行って、所望の電流パルス情報を表すデジタル信号を出力可能である。一実施形態において、実時間制御回路６２０は、上記図１の信号発生器１０４に類似した信号発生器（図示せず）を備えていてもよい。実時間制御回路６２０は、同時に光リンクを使用して、１つ又は複数のレーザドライバユニット６０６と通信可能である。レーザドライバユニット６０６は、マイクロコントローラ６０８、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）６１０、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）６１２、電流検出抵抗器６１６、及びトランジスタスイッチ６１４を備える。ＡＤＣ６１２は、回路のフィードバックループ内に配置されている。また、レーザダイオード６０４には、電源６２４から電力供給する。一部の実施形態においては、実時間制御装置６２０が電源６２４を制御するようになっていてもよい。
【００４８】
[0062]制御システム６０２は、所望の出力電流波形のデジタル記述を実時間制御装置６２０に送信する。実時間制御装置６２０は、この情報を１つ又は複数のレーザダイオードドライバユニット６０６に送信する。レーザダイオードドライバユニット６０６は、対応するアナログゲート駆動信号を生成し、スイッチ６１４を介してレーザダイオード６０４に与える。電流検出抵抗器６１６は、レーザダイオード６０４を流れる実電流を検出し、アナログフィードバック信号を生成してＡＤＣ６１２に与える。ＡＤＣ６１２は、アナログフィードバック信号をデジタル信号に変換して、マイクロコントローラ６０８に送信する。マイクロコントローラ６０８は、フィードバック信号と制御システム６０２が求める元の波形とを比較する。この差に基づいて、マイクロコントローラ６０８は、所望のゲート駆動信号の新しいデジタル記述を演算する。ＤＡＣ６１０は、この新しいデジタル信号を入力として受信し、レーザダイオード６０４に印加する新しいアナログゲート駆動信号を生成する。このプロセスは複数回繰り返してもよく、システムが自己調整して所望の波形を再生成するようにしてもよい。実際の電流パルス波形と所望の電流パルス波形とを比較してレーザダイオード６０４を駆動するための修正アナログ電流パルス信号を生成する任意波形発生器（ＡＷＧ）は、マイクロコントローラ６０８、ＤＡＣ６１０、及びＡＤＣ６１２により一体的に構成されている。このように、レーザダイオード６０４に伝わった電流はアナログ電流フィードバックシステムで調整され、このシステムでは、ＡＷＧがデジタル入力をこの制御ループに与える。マイクロコントローラ６０８は、制御システム６０２から受信した入力とＡＤＣ６１２から受信した測定入力とを比較して新しいデジタル信号を演算するための命令を格納するオンボードメモリを有していてもよい。修正電流パルスの比較及び生成に使用可能なファームウェアコード／命令の一例を図１６に示す。
【００４９】
[0063]一部の実施形態において、抵抗器６１６は、レーザダイオード６０４からの光出力を取得可能なフォトダイオード６２６で置き換えてもよい。フォトダイオード６２６は、取得した光出力に対応する信号を生成して、ＡＤＣ６１２に伝達可能である。そして、この信号を用いることにより、レーザダイオード６０４を流れる実電流を決定可能である。つまり、このシステムは、フォトダイオード６２６が取得した光に基づいて、レーザダイオード６０４を流れる電流を決定可能である。このシステムのその他の部分は、上述の通り動作可能である。この別の実施形態については、図６に点線で示す。
【００５０】
[0064]さらに、図６においては、特定のブロックを参照してレーザダイオードを動作させる回路を説明しているが、当然のことながら、これらのブロックは説明の便宜上規定したものであり、構成要素部品の特定の物理的構成を含意することを意図したものではない。また、これらのブロックは、物理的に異なる構成要素に対応している必要はない。例えばプロセッサをプログラミングする又は適当な制御回路を設けることによって、様々な動作を行うようにブロックを構成可能である。本発明の実施形態は、回路及びソフトウェアを任意に組み合わせて実装した装置を含む多様な装置において実現可能である。
【００５１】
[0065]図７は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを制御するプロセス７００のフローチャートである。プロセス７００は、例えば上述のＡＷＧを含むレーザダイオードドライバにより実施可能である。
【００５２】
[0066]ステップ７０２において、レーザダイオードドライバのマイクロコントローラは、制御システムから信号を受信可能である。この信号は、レーザダイオードに印加する電流パルスの振幅及び継続時間の値を含むデジタル情報の形態であってもよい。一部の実施形態において、振幅は、レーザダイオードドライバに結合されたレーザダイオードに適用する電流値を示す。継続時間は、電流を印加する時間を示していてもよい。また、一部の実施形態において、入力信号は光信号であってもよい。ステップ７０４において、マイクロコントローラは、レーザダイオードドライバのＤＡＣとともに、入力信号に基づいて、レーザダイオードを駆動するアナログ駆動信号を生成する。一実施形態において、マイクロコントローラは、ＤＡＣとともに、入力信号から電流値及び継続時間の情報を抽出して、対応するアナログ信号を生成するようにしてもよい。ステップ７０６においては、アナログ駆動信号をレーザダイオードに与える。ステップ７０８においては、レーザダイオードを流れる実電流を測定して、レーザダイオードドライバに与える。一部の実施形態において、この実測定電流は、レーザダイオードに適用する電流値と等しくてもよいし、等しくなくてもよい。次いで、ステップ７１０においては、測定した電流を対応するデジタル信号に変換し、レーザダイオードドライバのマイクロコントローラに第２の入力として与える。
【００５３】
[0067]その後、ステップ７１２において、マイクロコントローラは、実測定電流と制御システムから受信した所望の電流とを比較し、ＤＡＣとともに、レーザダイオードに印加する第２のアナログ駆動信号を生成する。ステップ７１４においては、この第２のアナログ駆動信号をレーザダイオードに印加する。このプロセスは、レーザダイオードを流れる実測定電流が制御システムから受信した所望の電流値と同一又は実質的に同一となるまで繰り返してもよい。
【００５４】
[0068]当然のことながら、図７に示す特定のステップは、本発明の一実施形態に係るレーザダイオードを動作させる特定の方法を提供している。別の実施形態によれば、その他の一連のステップを実行するようにしてもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記概説したステップを異なる順序で実行するようにしてもよい。さらに、図７に示す個々のステップは、当該個々のステップの必要に応じて様々な順序で実行可能な複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途に応じて、別のステップを追加又は削除してもよい。当業者には、多くの変形形態、変更形態、及び代替形態が理解されよう。
【００５５】
[0069]図８は、本発明の一実施形態に係る、上述のＡＷＧ事前調整を用いた場合のレーザダイオードの実測定電流を示している。図８から明らかなように、オーバーシュート／アンダーシュートが大幅に低減しており、パルスの継続時間にわたって、実質的に設定点（例えば、この場合は２５０Ａ）周りに収まる非常に「平坦な」曲線が得られている。
【００５６】
[0070]上述の通り、本明細書に記載の技術を用いると、レーザダイオードのストレスが大幅に少なくなって、回路のインダクタンス及び非線形性が補償される。レーザダイオードは、その最大定格電流近くで動作させると壊れ易い負荷である。継続過渡時間が短くても、ダイオードは損傷する可能性がある。多くの用途において、「平坦な」波形（設定点周り十分調整された波形）が望ましい。上述のようにＡＷＧを用いると、電流パルスの忠実性が向上可能であるとともに、レーザダイオードを損傷から保護可能である。
【００５７】
[0071]図５に示すように、従来のシステムにおいて、２５０アンペア（公称設定点）の電流をレーザダイオードに印加する場合、電流信号は、設定点近くに落ち着く前に、およそ６〜１０％だけオーバーシュートする場合がある。レーザダイオードはこれらの電流において非常に影響を受け易いため、図５に示すようなわずかなオーバーシュートであっても、レーザダイオードが損傷して、寿命が大幅に短くなる可能性がある。
【００５８】
[0072]図９は、本発明の一実施形態に係る、補償なしの電流プロファイル及び事前補償した電流プロファイルを重ね、オーバーシュート部分の詳細を拡大して示したものである。特定の一実施形態において、ＡＷＧ事前補償信号は、調整が大幅に改善しており、オーバー／アンダーシュートが大きく低減している。また、特定の一実施形態においては、オーバーシュートがおよそ＋６．４％から＋１．６％未満に低減しており、４倍の改善である。アンダーシュートは、およそ−２．６％からおよそ−０．８％まで３．２５倍低減している。事前補償システムにおける調整の全誤差は、未補償回路に対しておよそ３．８倍だけ改善している。この場合の誤差は、測定した出力電流と要求電流（すなわち、２５０Ａ）との絶対値の差の３５μｓから３１５μｓまでの積分に等しい。
【００５９】
[0073]レーザダイオードにおいて所望の電流結果（例えば、図８に示す）を得るには、上述の通り、制御システムからの入力電流パルス情報をＡＷＧにより修正する。図１０は、本発明の一実施形態に係る、矩形アナログ駆動信号とＡＷＧにより出力された事前補償駆動信号との差を示したグラフである。図１１は、図１０のグラフの上部周りを詳細に示している。図１０及び図１１に見られるように、補償なしのアナログ駆動信号は本質的に、矩形パルスである。ただし、上述の技術に基づいてＡＷＧにより出力されたアナログ駆動信号は、レーザダイオードドライバへの全電圧印加時に、左上部において一定の傾斜を有する。つまり、事前補償したアナログ駆動信号の電圧の上昇速度は、補償なしの信号よりも低速／緩やかである。図１０の事前補償した信号をレーザダイオードドライバに印加すると、ダイオードの電流が図６に示す曲線ではなく図８に示す曲線に沿う結果となる。
【００６０】
[0074]一実施形態において、ＡＷＧのマイクロコントローラは、アナログ駆動信号に沿った多くの通過点を用いることにより、信号の電圧を制御された状態で漸増させるようにプログラムされている。通過点の数は、所望の制御の細かさに基づいて増減可能である。通過点が増えると曲線の微調整が可能となり、その逆も同様である。曲線をさらに微調整可能とすると、印加する電流のさらなる微調整のため、マイクロコントローラにより多くのデータを格納する必要が出てくることから、マイクロコントローラのオンボードメモリに対する記憶容量の要求が増大する場合がある。これにより、システムの複雑さ／コストが増大する場合がある。このシステムの如何なる所与の用途に対しても、制御の度合いとコストとのバランスを実現可能である。
【００６１】
[0075]図１２は、本発明の別の実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるシステム１２００の機能ブロック図である。本実施形態と図６に記載の実施形態との相違は、フォトダイオード６２６又は抵抗器６１６からのフィードバック先であるＡＤＣ６１２が、本実施形態においては実時間制御装置６２０の一部となっている点である。このため、本実施形態においては、実時間制御装置６２０が測定信号と所望信号との比較を行い、修正デジタル信号をレーザダイオードドライバ６０６に出力する。システム１２００のその他の部分は、図６の実施形態と実質的に同様に動作する。本実施形態の主要な利点の１つとして、１つの実時間制御装置６２０が複数のレーザダイオードドライバと通信可能であることから、フィードバックに基づく補正電流パルスの比較及び生成の演算を実時間制御装置に移すことによって、レーザダイオードドライバの設計及び複雑さが大幅に簡素化される。また、これによって、図６の実施形態のようにすべてのレーザダイオードドライバがＡＤＣを持つ必要がなくなるため、システム全体のコストが低減される。ただし、図６の実施形態は、レーザダイオードに対する入力信号の補正／修正の応答時間が短いという利点がある。これは、実時間制御装置においてではなく、ローカルに補正を行うためである。このように、図６の実施形態及び図１２の実施形態の両者は、それぞれに対して一定の利点があり、いずれの実施形態を選定して実装するかは、システムの特定の用途と、応答時間とコスト／複雑さのどちらを求めるかとによって決まる。一部の実施形態においては、電流検出抵抗器６１６を用いてレーザダイオード６０４を流れる実電流を測定し、フィードバック信号を実時間制御装置６２０に提供するようにしてもよい。
【００６２】
[0076]上記実施形態は、１つのレーザダイオードを例として説明したが、当然のことながら、実際には、複数のレーザダイオード（例えば、最大１０００個のレーザダイオード）を含むレーザダイオードアレイでこの１つのレーザダイオードを置き換えてもよい。本明細書に記載の技術は、レーザダイオードアレイを制御する状況においても同様に適用可能である。
【００６３】
[0077]図１３−１及び図１３−２は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを動作させるプロセス１３００の高水準フローチャートである。まず、制御システム６０２は、レーザダイオード６０４に印加する電流パルスのデジタル記述を実時間制御装置に出力してもよい（ステップ１３０２）。実時間制御装置は、受信した信号を１つ又は複数のレーザダイオードドライバに出力可能である。マイクロコントローラは、ＤＡＣと併せて（両者ともレーザダイオードドライバ回路に含まれる）、スイッチ回路を介してレーザダイオードに提供される対応するアナログ駆動信号を生成可能である（ステップ１３０４）。次いで、生成したアナログ駆動信号は、レーザダイオードに与えられる（ステップ１３０６）。レーザダイオードは、上記電流パルスが印加されたら、光信号（例えば、レーザ光）を出射してもよい。この光信号は、フォトダイオード等の光学素子が取得可能である（ステップ１３０８）。フォトダイオードは、取得した光信号に基づいて、出力電気信号を生成可能である。出力信号は、レーザダイオードを流れる実電流を示すことができる。また、フォトダイオードからの出力信号は、実時間制御ユニットに与えることもできる（ステップ１３１０）。実時間制御ユニットにおいては、レーザダイオードを流れる実電流と第１のデジタル記述に含まれる所望の電流値とを比較する（ステップ１３１２）。レーザダイオードを流れる実測定電流が所望の電流値と同一又は実質的に同一である場合は、電流パルスのデジタル記述をメモリに格納して後々使用可能である（ステップ１３１４）。特定の一実施形態において、このメモリは、実時間制御ユニットのＣＰＵ内のオンボードメモリであってもよい。
【００６４】
[0078]ステップ１３１２において、実電流が所望の電流と同一又は実質的に同一でないと判定した場合、実時間制御装置は、フォトダイオードから受信した情報及び第１のデジタル記述に基づいて、所望の電流パルスの第２のデジタル記述を生成可能であり（ステップ１３１６）、例えば光リンクを介して、この信号を１つ又は複数のレーザダイオードドライバ回路に与える。その後、電流パルスの第２のデジタル記述に基づいて、第２のアナログ駆動信号を生成する（ステップ１３１８）。次いで、第２のアナログ駆動信号をレーザドライバに与える（ステップ１３２０）。その後、このプロセスは、ステップ１３０８に戻る。このプロセスは、電流パルスの最終的なデジタル記述が生成されるまで複数回繰り返してもよい。これは、システムの「学習」段階と称することができる。その後、レーザダイオードの起動が必要となったらいつでも、格納したデジタル記述をメモリから呼び出し、対応するアナログ駆動信号に変換してレーザダイオードドライバに与えることができる。
【００６５】
[0079]一部の実施形態において、フォトダイオードは、「学習」段階の完了後に無効としてもよく、制御システムには、それ以上フィードバックが与えられなくなる。また、例えばケーブル、レーザダイオード、及び／又はレーザダイオードドライバ等のシステムの任意の構成要素が変更された場合に、フォトダイオードを周期的に起動して、検査及び／又はシステムの再校正を行うようにしてもよい。上記説明においてはフォトダイオードを使用しているが、当業者であれば、光信号を取得して対応する電気信号に変換可能なフォトダイオードと類似の任意の素子も使用可能であることが理解されよう。
【００６６】
[0080]当然のことながら、図１３−１及び図１３−２に示す特定のステップは、本発明の一実施形態に係るレーザダイオードを動作させる特定の方法を提供している。別の実施形態によれば、その他の一連のステップを実行するようにしてもよい。例えば、本発明の別の実施形態では、上記概説したステップを異なる順序で実行するようにしてもよい。さらに、図１３−１及び図１３−２に示す個々のステップは、当該個々のステップの必要に応じて様々な順序で実行可能な複数のサブステップを含んでいてもよい。また、特定の用途に応じて、別のステップを追加又は削除してもよい。当業者には、多くの変形形態、変更形態、及び代替形態が理解されよう。
【００６７】
[0081]図１４は、本発明の一実施形態に係る、レーザダイオードを流れる変調ダイオード電流を示している。図１４に示すように、本発明の実施形態では、レーザダイオードを流れる電流をある時間にわたって動的に変化させることができる。図１４は、見て分かるように、およそ２５０μｓにわたって測定した非常に複雑なパターンのダイオード電流値を示している。本明細書に開示の技術を用いると、任意の所与の時間にわたって、レーザダイオードを流れる電流を動的に変化させることができる。また、本明細書に開示の技術によれば、例えばマイクロ秒オーダーのわずかな時間の増加の間に、電流を非常に細かく制御可能である。例えば、図１４に示すように、レーザダイオードを流れる電流をおよそ２５０μｓの間に連続して変化させる。本明細書に開示の技術を用いると、任意の形状を有する電流パルスを制御可能である。さらに、本明細書に開示の技術によれば、レーザダイオードに印加する電流を動的に変化及び制御可能である。したがって、用途及びレーザダイオードの所望の出力に応じて、上述のレーザドライバ回路及び任意波形発生器を用いることにより、レーザダイオードの入力を動的に変化させることができる。
【００６８】
[0082]本明細書に記載の技術を用いることにより、複数の利点が認められる。例えば、上記実施形態によれば、立ち上がり電流の優れた制御によって、レーザダイオード電流のオーバーシュートを回避可能である。このようなレーザダイオード電流のオーバーシュートは、特に最大１５回／秒でレーザダイオードを起動する用途において、レーザダイオードが著しく損傷する可能性がある。レーザダイオードのアレイの制御に上述の技術を用いる場合は、アレイの各回路が自己調整を行って、回路の差異を補償する。回路の差異の一例としては、様々なケーブル長が挙げられ、アレイの各回路が異なるインダクタンス／抵抗を有することになる。上述の技術がなければ、このようなアレイの各回路を個別に調整することが必要になる。一部の実施形態においては、ダイオードの経年及び／又は非線形ダイオード応答に起因するレーザ出力の低下等の要因に合わせた調整のため、波形を容易に調整可能である。このための１つの方法として、ダイオード電流に「傾斜」を導入し、経時的により均一なレーザ出力を生成するようにしてもよい。
【００６９】
[0083]一部の実施形態において、このシステムは「開ループ」動作させてもよい。この場合はアナログフィードバックを用いるとともに、レーザダイオードドライバ回路のＡＷＧが「プリエンファシス」を設けて、所望の波形を生成する。この開ループの状況においては、元の波形を歪ませて、レーザダイオードの既知の性能問題を補償するようにしてもよい。この「プリエンファシス」は、標準的なアナログフィードバック技術でも実現可能であるが、デジタル制御であれば、回路の物理的な変更を行うことなくオペレータによる変更が可能となる。
【００７０】
[0084]以上、説明及び記述を目的として本発明を説明したが、網羅的に説明すること又は本発明を上記厳密な構成に限定することを意図したものではなく、上述の教示内容を踏まえて、多くの変更及び変形が可能である。上記実施形態は、本発明の原理及びその実際の適用を最も良く説明するために選定し、記述している。本明細書によれば、種々実施形態において、特定の用途に適した種々変更を加えることにより、当業者が本発明を最大限に利用及び実施可能となる。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４】
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【図１５−１】
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【図１５−２】
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【図１５−３】
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【図１５−４】
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【図１５−５】
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【図１５−６】
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【図１５−７】
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【図１５−８】
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【国際調査報告】
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