CN100407523C - 相干光源以及光学装置 - Google Patents

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Abstract

虽然宽条半导体激光器容易大功率输出，但是存在如下问题：即横模为多模，与单模波导路径和单模光纤的耦合效率低，难于用于相干性高的装置。因此，本发明公开一种相干光源，使从宽条半导体激光器输出的光，在其透过模式变换器和波长选择滤光器后，反馈向半导体激光器的活性层，从而能够将半导体激光器的振荡模式固定为单模。

Description

相干光源以及光学装置
技术领域
本发明涉及使用光波导路径装置的相干光源以及光源装置。
背景技术
半导体激光器较为小型且高输出，并能够进行电-光间变换效率超过40％的高效率变换。半导体激光器采用光波导路径构造，并利用将光封入光波导路径内而寻求高效率化。然而，由于该光的封入，半导体激光器的高输出化被受到限制。这是因为若提高光波导路径内功率密度，则出射部近旁的功率密度也变高并引起端面破坏，并且可靠性也劣化。为了解决这些问题，降低半导体激光器的光的功率密度较为有效。因此，通过把将光封入的光波导路径的剖面积增大而降低光的功率密度，从而进行高输出化。这种半导体激光器被称作宽条(wide stripe)的半导体激光器(以下，称半导体激光器)，并能够实现数百mW～数W的高输出特性。
另一方面，在半导体激光器中，将在光波导路径内传输的光保持为单模较为困难，光的场分布因多个多模的存在而变得不均匀。另外，该半导体激光器，与通常光盘和光通信中所使用的单模半导体激光器不同，聚焦特性大为降低。另外，因为存在多个模式，因此对于半导体激光器振荡的纵模也多模化，存在多个半波长波谱，因而以单一波长振荡很难。因此，空间和时间上的相干性劣化，难以用于单模光纤和光波导路径装置。
作为解决这些问题的方法，提出在半导体激光器中使用光反馈的方法。可以通过来自外部的光反馈而控制半导体激光器的导波模式。例如，公开了如下方案，即用窄带域波长选择滤光器和光纤光栅对半导体激光器的出射光进行波长选择后，在半导体激光器的共振器内通过反馈，从而能够将半导体激光器的振荡波长固定(例如，参照非专利文献1)。另外，提案了如下方法(例如参照非专利文献2)，即也可以进行半导体激光器的横模的控制，通过非线形反射镜使来自外部的光返回，并使半导体激光器单模振荡。
非专利文献1：Optics Letters，vol.22，No.16，pp.1250-1252(1997)
非专利文献2：Optics Letters，vol.22，No.11，pp.825-827(1998)。
然而，在非专利文献1等方法中，由于高输出的半导体激光器的光波导路径构造采用宽条构造，因此产生的光不仅是影响振荡波长的纵模，作为出射光的场分布的横模中，同时也成为多模状态。在以往的光反馈中，对于这种高输出的宽条的半导体激光器，虽然可以实现纵模的单模，但是存在不能够实现横模的单模的问题。为此，存在单模的光波导路径装置与半导体激光器的结合性极端地降低的问题。
另一方面，在非专利文献2等方法中，由于非线形反射镜效率较低，为了提高效率而需要非常高的功率。此外，也存在光学系统复杂，难于小型化、稳定化的问题。
发明内容
因此，本发明的相干光源的特征在于，具备：宽条的半导体激光器，其能够激发多个横模；模式变换器，其对来自半导体激光器的光进行光束整形；单模波导路径，来自半导体激光器的光通过模式变换器而耦合；波长选择滤光器，其将通过单模波导路径的光的一部分，反馈到半导体激光器的活性层。半导体激光器的振荡模式，被反馈的光限制，使得半导体激光器振荡通常单纵模和通常单横模。
藉此，能够实现半导体激光器和单模波导路径的高效率耦合，并能够实现较高的光变换效率。
此外，在本发明的相干光源中，其特征在于，与单模波导路径耦合后的光的一部分，也在单模波导路径的出射端面被反射，并被反馈到半导体激光器的活性层。
另外，波长选择滤光器其特征在于，也可以由带通滤光器和反射体构成，通过单模波导路径后的光，通过带通滤光器后，其一部分被反射体所反射，并被反馈到半导体激光器的活性层。
藉此，能够实现宽条激光器的横模控制，并能够实现与单模波导路径的高效率耦合。
带通滤光器和反射体，也可以作为布拉格反射光栅与单模波导路径一体化而形成。
另外，波长选择滤光器可以由体积光栅构成，也可以是光纤光栅。
藉此，能够实现宽条激光器的横模控制。
另外，波长选择滤光器，也可以作为布拉格反射光栅与半导体激光器一体化而形成。
藉此，能够强化布拉格衍射的效果，并能够使半导体激光器的输出功率调制高速化。
在发明的相干光源中，其特征在于，模式变换器可以是锥形波导路径，也可以是锥形光纤。
藉此，能够产生高输出功率的单模光。
在本发明的相干光源中，其特征在于，单模波导路径具有周期状的极化反转构造；来自半导体激光器的光的一部分被极化反转构造进行波长变换。
由此，能够以高效率变换波长。
本发明的相干光源的特征在于，具备：宽条的半导体激光器，其能够激发多个横模；锥形波导路径，其具有将来自半导体激光器的光耦合的入射端面；单模波导路径，其形成于锥形波导路径的出射端面侧；带通滤光器，其使来自单模波导路径的光的一部分通过；反射体，其将通过带通滤光器后的光反射，并反馈到半导体激光器的活性层。半导体激光器的振荡模式，由反馈的光所限制，使得半导体激光器振荡通常单纵模和通常单横模。
由此，能够实现宽条激光器的横模控制，并能够实现与单模波导路径的高效率耦合。
带通滤光器，也可以作为布拉格反射光栅与单模波导路径一体化而形成。
另外，单模波导路径其特征在于，由非线性光学材料构成，并具有周期状的极化反转构造，来自半导体激光器的光，被极化反转构造所波长变换。
由此，能够以高效率变换波长。
另外，其特征在于，单模波导路径的端面具有对基波反射且使高次谐波透过的分光反射镜。
由此，能够将高次谐波输出到相干光源的外部。
优选为，宽条半导体激光器的活性层的宽度是100μm以下。
由此，能够确保半导体激光器和光波导路径之间的耦合。
半导体激光器的横模，通过来自波长选择滤光器的反射光，几乎被固定为单模振荡。
由此，在横模中也能够实现单模。
本发明的光学装置其特征在于，具有上述任一项的相干光源和图像变换光学系统，通过光学系统将来自相干光源的光变换为二维图像。
图像变换光学系统，优选为具有二维光束扫描光学系统，并优选为具有二维开关。
按照以上那样，本发明实现了，对宽条半导体激光器，通过光反馈将纵模和横模同时控制为接近单模的振荡状态，并实现与单模波导路径之间的高效率耦合。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的相干光源的结构例的图。
图2(a)是表示本发明所涉及的宽条(wide strip)半导体激光器的剖面的图。(b)是表示多模振荡时的宽条的半导体激光器的场强度分布的图。(c)是表示单模振荡时的宽条的半导体激光器的场强度分布的图。
图3是表示本发明第一实施方式所涉及的相干光源的其他结构例的图。
图4是表示本发明所涉及的体积光栅的透过特性的图。
图5是表示本发明第二实施方式所涉及的相干光源的结构例的图。
图6是表示本发明第三实施方式所涉及的相干光源的结构例的图。
图7是表示本发明第三实施方式所涉及的相干光源的其他结构例的图。
图8是表示本发明第四实施方式所涉及的相干光源的结构例的图。
图9是表示本发明第五实施方式所涉及的相干光源的结构例的图。
图10是表示本发明所涉及的光学装置的例子的图。
图11是表示本发明所涉及的光学装置的其他例子的图。
图中：101、301、401、501、601、701-半导体激光器，
102-模式变换器，
103、304、404、509、605、704-单模波导路径，
104、510、610-带通滤光器，
105、513、902、903-反射体，
120、620-体积光栅，
300-光波导路径，
303、402、503、604、703-锥形波导路径，
305、405、408、708-布拉格反射光栅，
406、506、603-极化反转，
407、707-光纤，
511、611-分光反射镜，
512-高次谐波，
606-反射膜，
709-锥形光纤，
801、901-光源，
802-二维开关，
803-棱镜，
804-透镜，
805-RGB激光器，
807-衍射元件，
904-激光，
905-显示屏。
实施方式
当能够在宽条半导体激光器中以单模振荡时，具有以下两个优点。第一，半导体激光器和单模的光波导路径装置的耦合效率提高。宽条半导体激光器与红光半导体激光器相比，具有高输出功率。例如，波长650nm～680nm的红光半导体激光器的输出功率，以CW(连续波)输出功率大约为70mW，以800nm带输出功率大约为150mW，以980nm带输出功率大约为500mW。与此相反，宽条半导体激光器的输出功率为数百毫瓦至数瓦，与红光半导体激光器相比能够有一个数量级以上的高输出功率。然而，考虑到与单模波导路径之间的耦合，宽条半导体激光器几乎不能被利用。虽然对于单模半导体激光器的情况，能够与单模波导路径以50～80％的高效率耦合，但是对于宽条半导体激光器的情况，仅能够达到百分之几的耦合效率。由于半导体激光器的大功率输出受光波导路径剖截面积的影响，因此在横模为单模的半导体激光器的大功率输出方面，存在一个极限。此外，由于宽条半导体激光器的横模容易变动，因此与光波导路径的耦合也有较大的变动，从而会变得不稳定。与此相反，在本发明的结构中，由于能够以高效率耦合宽条半导体激光器和单模光波导路径装置，因此能够在光波导路径装置的单模波导路径中导出高输出功率的光。此外，由于能够稳定地保持半导体激光器的波长和光波导路径的耦合状态，因此能够实现低噪声且稳定的特性。
第二个优点为能够实现高输出功率的单模半导体激光光源。使半导体激光器的大功率输出变得较为困难的另一个主要原因是半导体激光器的端面劣化。若在半导体激光器中所导波的光的功率密度增大，则在半导体激光器的端面附近产生由光破坏引起的端面劣化。这是由于随着构成半导体激光器的晶体稍微地吸收光而逐渐发热所引起的。宽条半导体激光器，为了对此加以防止，而将半导体激光器的光波导路径尺寸扩大，并降低功率密度，从而能够实现大功率输出。然而，由于宽条半导体激光器是纵模和横模并存的多模，因此存在噪声大、耦合劣化、不稳定的问题。与此相反，本发明的结构主要是将同时地进行波长选择和模式选择的光反馈到半导体激光器。具体地，采用如下结构，即通过控制横模的模式变换器和波长选择滤光器，对从半导体激光器输出的光进行波长选择和模式选择后，将光反馈到活性层。以下详细说明利用该现象的相干光源的例子。
(第一实施方式)
图1是本发明的相干光源的结构图。从半导体激光器101出射的光，通过模式变换器102而被光束整形，并被入射到单模波导路径103。通过单模波导路径103的光的一部分，通过带通滤光器104后由反射体105所反射，并通过相同的出射路径而反馈到半导体激光器101的活性层。另外，与单模半导体波导路径103耦合后光的一部分，在单模波导路径的出射端面也被反射，并被反馈到半导体激光器的活性层。这里，带通滤光器104和反射体105，构成波长选择滤光器。
由于在宽条激光器的情况下横模是多模，因此所输出的光的近场图案(NFP)是具有图2(b)所示的强度分布的光。虽然通常模式变换器，横模相对于单模的光有效，但是不能将具有图2(b)所示的那样的随机分布的光，形成为，近似于单模波导路径的传输光束的形状。因此，即使通过模式变换器102，半导体激光器101和单模波导路径103之间的耦合效率也为10％以下。与此相反，若使通过带通滤光器和模式变换器的光反馈，则NFP形成为图2(c)所示的形状。由此，由模式变换器102所变换的光，能够以50％以上的高效率与单模波导路径103耦合。即，通过利用模式变换器102和波长滤光器104而进行光反馈，能够控制宽条激光器的横模，并实现了与单模波导路径的高效率耦合。
接下来，说明在本实施方式的结构中实现高效率耦合的原理。在通常的法布里-佩洛半导体激光器(以下，称FP-LD)，具有较宽的增益(gain)。例如，虽然在单模的FP-LD中，在光波导路径中传输的横模是固定(单模)，但是也能够以较宽增益的波长范围振荡。确定该振荡波长的是半导体激光器的损失(loss)和增益。半导体激光器以损失最小、增益最大的波长振荡。通过光栅反馈等而使半导体激光器的振荡波长可变的方法是利用该特性。若在半导体激光器的能够振荡的较宽波长区域中，将特定的波长(增益的范围内)反馈，则由于反馈波长的光在共振器内增加，因此外观上反馈波长的传输损失相比于其他波长降低。由此，损失最小的反馈波长成为半导体激光器的振荡波长并被固定。
本发明的结构，提案了如下方法，其利用由增益和损失的关系确定半导体激光器的振荡这一原理，而控制宽条FP-LD的纵模、横模。由于宽条FP-LD中光波导路径宽度较宽，因此横模为多模。为此，纵模、横模均具有较宽的振荡范围。通过在半导体激光器中对特定的波长和特定的横模，选择性地实施光反馈，能够控制宽条激光器的横模、纵模、振荡波长。
关于横模也与振荡模式相同地，按照横模以单模振荡时实施最强的光反馈的方式进行设计，能够选择性地激发半导体激光器的横模。为此，关于横模，通过模式变换器的反馈也是有效的。由于模式变换器安装有棱镜，因此有如下作用：使宽条激光器的具有大纵横(aspect)比的振荡模式，与单模波导路径的纵横比一致。通过模式变换器，在半导体激光器的横模以单模振荡的情况下，能够实现与单模波导路径的最高耦合效率。因此，在半导体激光器的横模以单模振荡的情况下，与单模波导路径最强地耦合，耦合后的光通过光波导路径，由外部反射体所反射，而再次反馈到半导体激光器。也就是说，在半导体激光器的振荡为单模时，半导体激光器活性层内的光功率密度为最高。为此，变成半导体激光器的横模选择性地激发单模的状态。
<变形例1>
也可以是如下构造，即在单模波导路径上形成周期状的极化反转构造，由此将来自半导体激光器的光的一部分进行波长变换。
<变形例2>
也可以采用在单模波导路径和带通滤光器之间配置分光反射镜的结构。此时，被波长变换为高次谐波的光，由分光反射镜所反射，并出射到外部。对于该动作，在后边的实施方式中详述。
<变形例3>
波长选择滤光器也可以由体积光栅构成。图3中示出了该例。图3(a)是通过准直透镜110而配置体积光栅120的例子，图3(b)是单模波导路径103和体积光栅120直接耦合的例子。
所谓体积光栅是具有周期性折射率变化的块体材料，由以紫外线硬化材料为主要成分的材料构成，并利用光的干涉而在块体内形成光栅构造。通过由块体内形成的周期状折射率光栅所产生的布拉格反射，具有半值宽度较窄的窄带域反射特性。图4表示体积光栅的透过特性。示出了在波长变换元件的相位匹配波长λ附近，基于布拉格反射的窄带域反射特性。为了固定半导体激光器的波长，布拉格反射的半值宽度λ1优选为0.6nm以下。进一步，优选为0.2nm以下。通过设计为0.2nm以下，能够寻求半导体激光器的波长稳定化，并在用于波长变换等情况下能够得到稳定的输出。
此外，在将波长变换元件组合地使用的情况下，需要考虑高次布拉格反射。如图4所示的那样，作为体积光栅的高次模式，在λ/2近旁也产生高次布拉格反射。为了用于本发明的结构，需要对波长λ的光具有窄带域反射特性，而对作为高次谐波的λ/2的波长变得透明。为此，必须将作为高次布拉格反射的λ/2近旁的反射与高次谐波的波长稍微错开一点。为此，优选为利用构成体积光栅的材料的折射率分散性。由此，能够使用折射率分散度大的材料，并能够变化波长λ和波长λ/2的折射率。并能够将布拉格反射波长错开。由于波长变换元件的相位匹配波长容许度的半值宽度是相位匹配波长的0.1％，因此体积光栅对波长λ的光的折射率n1与对波长λ/2的折射率n2的差(n2-n1)/n1，优选为0.2％以上。由此，能够将高次布拉格反射和高次谐波的波长错开。进一步优选为0.5％以上。若是0.5％以上的折射率差，则几乎能够消除高次布拉格反射的影响。
〔第二实施方式〕
然而，已经判明了在仅以实施方式1所述的模式变换器，不能够充分地激发单模模式。对于宽条半导体激光器的情况，不仅存在多个横模，也存在多个纵模，因此存在波长不同的多个横模，且将纵模、横模组合的模式数非常至多。在该种状态下，仅在模式变换器中不能较大地得到与其他模式的损失差。对于半导体激光器，虽然其振荡状态被固定于损失最小的状态，但是在多个模式的损失和增益差较小的状态下，成为多个模式存在的不稳定状态。为了选择性地激发单一模式，需要建立相对于其他模式损失足够小的状态，即对特定模式的反馈相对于对其他模式的反馈足够大的状态。为了解决该问题，在本实施方式中，将半导体激光器的振荡波长固定，同时保持横模的选择性，并限制可振荡的横模的数目，实现稳定的横模的单一振荡。
图5是利用该原理的本实施方式的相干光源的例子。光波导路径装置，由连接于宽条半导体激光器301的出射侧的锥形波导路径303以及单模波导路径304构成。在单模波导路径304中，波长选择滤光器作为布拉格反射光栅305而被一体化构成。从半导体激光器301出射的光，与锥形波导路径303耦合后，在单模波导路径304中传输。耦合到单模波导路径304中的光，由布拉格反射光栅305所反射，并被反馈到半导体激光器301。半导体激光器301的横模被自动地固定于反馈最大的模式。也就是说，在从半导体激光器301通过锥形波导路径303而与单模波导路径304最大程度地耦合时，基于单模波导路径304的布拉格反射的反射光变得最大，向半导体激光器301的光反馈也变得最大。为此，半导体激光器的振荡横模，被自动固定于与单模波导路径304最佳耦合的模式。
作为锥形波导路径的材质，使用对半导体激光器的振荡波长透明的材质。例如，LiNbO3、LiTaO3、SiO2、GaN、Al2O3等透明度高的物质。在锥形波导路径的出射部，导波光的出射功率非常高，使用吸收较少的材料能够防止端面劣化。
作为进行光波导路径模式分析的结果是，通过锥形波导路径而与单模波导路径的耦合变得最大的情况，是半导体激光器的横模大致接近于单模的情况。图2表示宽条的FP-LD的端面的横模(宽条方向)的场强度分布。在通常的状态中，图2(b)所示的横模以多模状态振荡。与此相反，按照本发明的结构，可知图2(c)所示的横模以大致单模振荡。
另外，在单模波导路径中进一步传输的导波光，由于场分布的状态单一，因此有效折射率唯一地确定。为此，由布拉格反射光栅所反射的模式单一，反射到半导体激光器的波长、模式同时被固定为一种。因此，半导体激光器的振荡的纵模、横模一同成为大致单模的状态，并且非常稳定地动作。
通过如上那样将宽条半导体激光器和锥形波导路径设计成混合构造，能够实现高输出功率的单模光源。另外，通过利用布拉格反射，纵模和横模能够一同被固定于单模状态，并能够实现低噪声、高输出功率、纵横模单一、稳定的光源。
这种结构有利于大功率输出。由于半导体激光器如前所述因光波导路径内功能密度的增大而产生端面破坏、可靠性劣化等，因此单模的大功率输出较为困难。与此相反，电介质的光波导路径中损失较小，耐大输出功率性优良。并且由于折射率等的控制较为容易，因此能够形成较大形状的单模波导路径。为此，通过光波导路径能够实现单模化，并能够实现光束质量高、输出功率大的相干光源。此外，通过在光波导路径中集成化功能元件，能够实现功能强的元件。
另外，由于将半导体激光器和光波导路径接合，因此产生了复合腔问题。所述复合腔，通过由半导体激光器的两端面构成的谐振体，以及包含布拉格反射体的谐振体构成。此外，光波导路径的端面反射也构成谐振体。若存在多个谐振体则振荡模式变得不稳定，因此优选为，将光波导路径的出射端面设计为倾斜的，以防止来自出射端面的反射。
另外，为了将来自布拉格反射体的返回光充分地返回到活性层内，对于导体激光器的与光波导路径耦合一侧的出射端面，优选为将反射率抑制为1％以下。
另一方面，根据半导体激光器的谐振体和布拉格反射的谐振关系，而提高纵模的选择性。由于半导体激光器的谐振体的长度较短，因此纵模的间隔较大。因此，即使布拉格反射体的反射波谱的宽度为数埃的程度，也能够对纵模进行充分的控制。另外，由于由半导体激光器的谐振体以及与布拉格反射体的谐振体而构成复合谐振体的构造，因此能够寻求振荡波长的窄带化。
另外，在本发明的结构中，示出了将来自半导体激光器的光从单模波导路径取出的结构，但也可以是从半导体激光器的后端面侧出射的结构。此时，需要将布拉格反射器的反射率设计为50％以上，从半导体激光器侧高效地将光取出。提高将波导路径元件集成化于半导体激光器，能够构成高输出功率的单模激发半导体激光器。
另外，宽条半导体激光器的活性层宽度优选为100μm以下。这里，所谓活性层宽度与宽条宽度同义。由于单模波导路径的宽度为数μm至大约10μm，因此若单模波导路径的宽度与半导体激光器的模式宽度的差过大，则锥形波导路径的单模波导路径变换效率降低。进一步优选为20μm以下。若为20μm以下，则能够以80％以上的效率与单模波导路径耦合。
〔第三实施方式〕
在本实施方式中说明将本发明的结构适用于波长变换元件的例子。
利用了非线性光学效果的波长变换元件能够将半导体激光器的光变换为短波长的高次谐波。为此，使用大功率输出容易并且可靠性高的红外半导体激光器，能够实现小型的高输出短波长光源。
作为能够高效率变换的波长变换元件，是由周期状的极化反转构造构成的模拟相位匹配型波长变换元件。作为非线性光学材料，是掺镁的LiNbO3、LiTaO3、或KTiPO4等。通过变化极化反转构造，能够实现任意的波长变换，并能够进行高效率的变换。此外，通过设计为光波导路径构造，能够实现更高的变换效率。然而，波长变换元件，可变换的波长容许度非常窄。例如，对于大约10mm的元件长度的情况，波长容许度为大约0.1nm。为此，可变换的波长具有0.1nm以下的振荡波谱，并且需要单模波导路径。因此，需要纵模、横模均是单模。本发明的结构，最适于用于波长变换元件。
图6表示本实施方式的相干光源的结构图。在图6(a)中，宽条半导体激光器401直接耦合于锥形波导路径402。来自半导体激光器401的光，通过锥形波导路径402，而与单模波导路径404耦合。在单模波导路径404中，形成布拉格反射光栅405，被波长选择后的光一部分反馈到半导体激光器401。由此，半导体激光器401以单纵模且单横模振荡，并高效地与单模波导路径404耦合。在单模波导路径404上，形成周期性的极化反转构造406，未被布拉格反射光栅所反射的光，在极化反转构造406中被变换为其波长为出射光的波长的一半的第二高次谐波。例如，以功率500mW驱动波长880nm的半导体激光器，通过被波长变换元件所变换，能够实现大约300mW的440nm的兰色光。
这种结构能够适用于数个方式。例如，图6(a)的布拉格反射光栅的位置可以在极化反转构造406的后方、出射端面近旁。此时，由于半导体激光器的光更多地透过极化反转部因此变换效率提高，从而是优选的。
另外，如图6(b)所示的那样，能够将极化反转构造406作为布拉格反射光栅而使用。虽然极化反转构造通过施加高电压而强制地使结晶方向反转，但是此时通过残留于极化畴的变形能够产生轻微的折射率变化。利用该特性，将极化反转构造作为周期性折射率变化而利用，能够构成布拉格反射光栅。但是，由于此时需要将布拉格波长和用于波长变换的相位匹配波长匹配，因此可利用的变换波长受到限制。
此外，作为波长滤光器也可以使用图6(c)所示的光纤光栅。光纤光栅能够实现高精度的波长控制，并且通过控制光纤光栅部分的温度，能够控制半导体激光器的振荡波长。由此，能够将半导体激光器的振荡波长调整为波长变换元件的相位匹配波长。若通过光纤407而获得距离，则没有温度传递，能够稳定地进行波长控制。并且，具有从光纤407取出波长变换后的光的优点。
另外，也可以利用图7所示的使用带通滤光器510的结构。这里，带通滤光器510是窄带域的带通滤光器，能够实现透过波长宽度为大约0.2μm，透过率为大约80％。若使用窄带域滤光器，与集成化的情况相比，虽然不利于小型化，但是具有容易调整的优点。另外，带通滤光器510也可以是多层膜。
首先，说明图7(a)的结构。从波长880nm的半导体激光器501输出的光，通过锥形波导路径503而与单模波导路径509耦合。与单模波导路径509耦合后的光，通过周期状的极化反转电极506而变换为高次谐波。未被变换的光从单模波导路径509出射，通过带通滤光器510并由反射镜511所反射。带通滤光器510的特性为，相对于基波，在波长880nm±0.1nm处有80％以上的透过率。另外分光反射镜511对880nm的光95％透过，对于440nm的光95％以上反射。因此，高次谐波，被分光反射镜511所反射而变换为高次谐波512，并出射。另一方面，波长880nm的基波被带通滤光器510波长选择后，由反射体513所反射，再次通过相同的路径反馈到半导体激光器501的活性层。通过带通滤光器510和锥形波导路径503一并选择横模、纵模，半导体激光器501的横模、纵模一并被固定为单模，并能够实现与单模波导路径509的稳定的高效的耦合。虽然为了高效率变换而需要将半导体激光器的振荡波长调整为相位匹配波长，但是通过变化带通滤光器510的角度，能够实现滤光器的透过波长可变。半导体激光器的输出功率为500mW，耦合效率为60％，作为高次谐波能够得到150mW的输出功率。由于波长稳定性、耦合稳定性优良，因此能够实现稳定的高输出变换。
接下来，说明图7(b)的结构。这里，将图7(a)的结构进一步简化，将部件数目减少，并将光学系统精简。从波长880nm的半导体激光器501输出的光，通过锥形波导路径503而与单模波导路径509耦合。耦合后的光被周期状的极化反转构造506变换为高次谐波。未被变换的光从光波导路径出射，通过带通滤光器510并由分光反射镜511所反射。带通滤光器510的特性为，相对于基波，在波长880nm±0.1nm处有80％以上的透过率。另一方面，对波长440nm的高次谐波具有85％以上的透过率。分光反射镜511将880nm的光99％反射，将440nm的光95％以上透过。因此，高次谐波通过带通滤光器510、分光反射镜511而成为高次谐波512，并出射。另一方面，波长880nm的基波，被带通滤光器510波长选择后，由分光反射镜511所反射，再次入射到光波导路径509，并反馈到半导体激光器501的活性层。通过带通滤光器510和锥形波导路径503，横模、纵模均被选择，半导体激光器501的横模、纵模均被固定于单模，并能够与单模波导路径509实现稳定的高效耦合。半导体激光器的输出功率为500mW，耦合效率为60％，作为高次谐波能够得到120mW的输出功率。另外，能够削减部件点数，并且由于光学系统也是直线光学系统而易于调整，并能够实现小型化、稳定化。
〔第四实施方式〕
图8是表示本发明的其他相干光源的例子图。
这里，将作为波长选择滤光器的布拉格反射光栅集成于半导体激光器中。由于通过将布拉格反射光栅集成于半导体激光器，能够强化布拉格衍射的效果，因此能够使半导体激光器的输出调制高速化。
在图8(a)中，从宽条半导体激光器601输出的光，通过锥形波导路径604而与单模波导路径605结合。在单模波导路径605中传输的光，被周期状的极化反转构造603变换为高次谐波。形成于波导路径605端面的反射膜606由电介质多层膜构成，成为高次谐波95％衍射透过，基波80％以上反射的结构。被反射后的基波，再次与半导体激光器601的活性层耦合。通过被设于半导体激光器601的布拉格反射光栅波长选择，并被锥形波导路径604和单模波导路径605模式选择，半导体激光器601的横模和纵模均以单模振荡。由此，能够实现高效的波长变换。另外，由于构造简单，因此小型化容易，且稳定性高。
此外，相干光源也可以是图8(b)所示的在波导路径605的端面形成带通滤光器610和分光反射镜611的结构，或者也可以是图8(c)所示的在波导路径端面形成体积光栅620的结构。
按照以上那样，通过将光栅集成于半导体激光器，能够实现高速的输出调制。
〔第五实施方式〕
图9是表示本发明的其他相干光源的例子的图。
这里，表示使用形成了布拉格反射光栅的光纤光栅的结构。图9(a)表示通过锥形波导路径703和单模波导路径704而将单模光纤707耦合于宽条半导体激光器701上的结构。在光纤707上，形成布拉格反射光栅708，将来自布拉格反射光栅708的反射光反馈到半导体激光器701。通过该反馈光，半导体激光器701的横模、纵模均被固定为单模。也可以如图9(b)所示的那样使用锥形光纤709。来自半导体激光器701的输出，能够从光纤侧或半导体激光器的后端面输出。
〔第六实施方式〕
这里作为使用本发明的相干光源的光学装置，说明激光显示器。
在激光显示器中，若使用RGB激光器则能够实现色再现性高的显示器。作为激光光源，红色已经开发出高输出功率的半导体激光器。但是，兰色尚未实现大功率输出，至于绿色，其半导体激光器的形成依然很难。在本发明的相干光源中，由于能够利用宽条半导体激光器，因此能够与波长变换元件组合而输出大输出功率的兰、绿色光。作为兰色输出，能够通过对880nm的半导体激光器进行波长变换而实现440nm的兰色光，作为绿色输出，能够通过对1060nm的半导体激光器进行波长变换而实现530nm的绿色光。
将这些光源一体化，并通过棱镜803投射在二维开关802，通过透镜804将被开关的光投射到显示屏，由此能够投射二维图像(图10)。作为二维开关802，可以使用利用微型机械制造的MEMS、液晶开关等。输出功率，因显示屏的尺寸而定，大约从数十mW到数百mW。按照以上那样，根据本发明的相干光源，能够实现小型的短波长光源，激光显示器也能够小型化和高效率化。
作为激光显示装置，图11所示的方式也有效。激光借助于反射体902和反射体903进行扫描，从而在显示屏上描绘二维图像。此时，在激光光源中需要高速的开关功能，通过对半导体激光器的输出功率进行调制，能够实现高速的输出功率调制。本发明的相干光源能够实现大功率输出，用于激光显示器前景广阔。并且通过光反馈而成为宽条激光器，同时由于纵模、横模均被固定于单模，因此能够高速地进行激光的输出调制。由此，能够实现扫描型的激光显示器。
以上，通过例举在导波型光装置中使用SHG元件的例子，而说明了本发明的实施方式。由于在使用SHG元件的光源中作为半导体激光器使用高输出功率的半导体激光器的情况较多，因此作为高输出功率激光器若能够使用宽条半导体激光器，则能够实现小型、高输出的光源。为此，通过使用本发明的构造，能够实现高输出化、稳定化。
另外，导波型光装置不特别限于SHG元件。作为波导型光装置可以考虑各种功能、结构的器件，例如高速调制元件和相位偏移、频率偏移、偏振控制元件等。在使用如此而设计的导波型光装置和相干光源的光学系统中，均可以使用本发明的导波型光装置。
另外，虽然作为光学装置说明了激光显示器，但是本发明对于其他光盘装置、测量装置也有效。特别是，在光盘装置中，出于写入速度的高速化而要求激光输出功率的提高，因此本发明有效。此外，对于激光需要衍射极限的聚焦特性，因此必须单模化。由于本发明的光源具有高输出功率且高相干性，因此应用于光盘等也是有效的。
如上所述，本发明的相干光源，对易于大功率输出的宽条激光器施加波长选择和模式选择后使光反馈，由此能够将宽条激光器的横模和纵模固定为单模振荡。由此，能够实现高输出功率的单模振荡激光器。
由于高输出功率的单模振荡激光器具有优良的聚焦特性且相干性较高，因此能够实现直至衍射极限的聚焦，能够应用于光盘、激光加工，或利用光的衍射特性的测量装置、或者利用单模波导路径的各种光装置。
此外，若将本发明的高输出功率激光器与波长变换元件一并使用，则能够实现利用高输出功率特性的、高效且高输出功率的短波长光源。
此外，使用本发明的相干光源，能够实现高输出功率的小型RGB光源，因此除了首先能够应用于激光显示器、还能够应用于光盘装置等各种光学装置。

Claims (26)

1.一种相干光源，具备：
宽条的半导体激光器，其能够激发多个横模；
模式变换器，其对来自所述半导体激光器的光进行光束整形；
单模波导路径，其通过所述模式变换器将来自所述半导体激光器的光耦合；及
波长选择滤光器，其将通过所述单模波导路径的光的一部分，反馈到所述半导体激光器的活性层，
所述半导体激光器的振荡模式被反馈的光所限制，使得半导体激光器振荡通常单纵模和通常单横模。
2.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
耦合到所述单模波导路径后的光的一部分，在所述单模波导路径的出射端面被反射，反馈到所述半导体激光器的活性层。
3.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述波长选择滤光器由带通滤光器和反射体构成，
通过所述单模波导路径的光，在通过所述带通滤光器后，其一部分被所述反射体所反射，并反馈到所述半导体激光器的活性层。
4.根据权利要求3所述的相干光源，其特征在于，
所述带通滤光器和所述反射体，作为布拉格反射光栅，与所述单模波导路径一体地形成。
5.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述波长选择滤光器由体积光栅构成。
6.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述波长选择滤光器是光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述波长选择滤光器，作为布拉格反射光栅，与所述半导体激光器一体地形成。
8.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述模式变换器是锥形波导路径。
9.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述模式变换器是锥形光纤。
10.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述单模波导路径具有周期状的极化反转构造；
来自所述半导体激光器的光的一部分由所述极化反转构造进行波长变换。
11.一种相干光源，其特征在于，具备：
宽条的半导体激光器，其能够激发多个横模；
锥形波导路径，其具有将来自所述半导体激光器的光耦合的入射端面；
单模波导路径，其形成于所述锥形波导路径的出射端面侧；
带通滤光器，其使来自所述单模波导路径的光的一部分通过；
反射体，其反射通过所述带通滤光器后的光，并反馈到所述半导体激光器的活性层，
所述半导体激光器的振荡模式被反馈的光所限制，使得半导体激光器振荡通常单纵模和通常单横模。
12.根据权利要求11所述的相干光源，其特征在于，
所述带通滤光器，作为布拉格反射光栅，与所述单模波导路径一体地形成。
13.根据权利要求11所述的相干光源，其特征在于，
所述单模波导路径由非线性光学材料构成，并具有周期状的极化反转构造，
来自所述半导体激光器的光的一部分，由所述极化反转构造进行波长变换。
14.一种相干光源，具备：
宽条的半导体激光器，其具有布拉格反射光栅，并能够激发多个横模；
锥形波导路径，其具有将来自所述半导体激光器的光耦合的入射端面；
单模波导路径，其形成于所述锥形波导路径的出射端面侧；
反射体，其反射来自所述单模波导路径的光的一部分，并反馈到所述半导体激光器的活性层，
所述半导体激光器的振荡模式被反馈的光所限制，使得半导体激光器振荡通常单纵模和通常单横模。
15.根据权利要求14所述的相干光源，其特征在于，
所述单模波导路径由非线性光学材料构成，具有周期状的极化反转构造，
来自所述半导体激光器的光的一部分由所述极化反转构造进行波长变换。
16.根据权利要求14所述的相干光源，其特征在于，
所述单模波导路径的出射端面具有反射基波且使高次谐波透过的分光反射镜。
17.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述宽条的半导体激光器的活性层宽度是100μm以下。
18.根据权利要求1所述的相干光源，其特征在于，
所述半导体激光器的横模，通过被反馈的光，大致被固定为单模振荡。
19.一种光学装置，具有权利要求1所述的相干光源和图像变换光学系统，由所述光学系统将来自所述相干光源的光变换为二维图像。
20.根据权利要求19所述的光学装置，其特征在于，
所述图像变换光学系统，具有二维光束扫描光学系统。
21.根据权利要求19所述的光学装置，其特征在于，
所述图像变换光学系统，具有二维开关。
22.根据权利要求14所述的相干光源，其特征在于，
所述宽条的半导体激光器的活性层宽度是100μm以下。
23.根据权利要求14所述的相干光源，其特征在于，
所述半导体激光器的横模，通过被反馈的光，大致固定为单模振荡。
24.一种光学装置，具有权利要求14所述的相干光源和图像变换光学系统，并通过所述光学系统将来自所述相干光源的光变换为二维图像。
25.根据权利要求24所述光学装置，其特征在于，
所述图像变换光学系统，具有二维光束扫描光学系统。
26.根据权利要求24所述光学装置，其特征在于，
所述图像变换光学系统，具有二维开关。
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