CN1302587C - 光源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在周围温度变化及输出功率变动的情况下也能够实现稳定的高次谐波输出的光源装置。它包括：半导体激光器光源(4)；从半导体激光器光源(4)的出射光产生第二高次谐波的光波导型QPM-SHG器件(5)；控制半导体激光器光源(4)的出射光波长的波长控制部件(7)；使半导体激光器光源(4)的出射光波长变化的波长微量变动部件(8)；以及检测半导体激光器光源4的出射光波长变化了时的光波导型QPM-SHG器件(5)的输出光功率变化的部件。根据半导体激光器光源(4)的出射光波长变化了时的光导波路型QPM-SHG器件(5)的输出光功率的变化，控制半导体激光器光源(4)的出射光波长，使光波导型QPM-SHG器件(5)具有最佳波长。

Description

光源装置
技术领域
本发明涉及光源装置及其控制方法。更详细地说，本发明涉及由半导体激光装置和第二高次谐波发生器件构成的短波长光源及其输出光强度的控制方法。
背景技术
为了实现光盘的高密度化及显示器的高清晰化，小型短波长光源是必要的。作为小型短波长光源，采用半导体激光器和拟相位匹配(以下记为「QPM」)方式的光波导型第二高次谐波发生(以下记为「SHG」)器件(光波导型QPM-SHG器件)的相干光源受到重视(参阅山本等的论文，Optics Letters Vol.16，No.15，1156(1991))。
图20是表示采用光波导型QPM-SHG器件的SHG蓝色光源的结构略图。如图20所示，半导体激光器采用具有分布布喇格反射器(以下记为「DBR」)区域的波长可变DBR半导体激光器54。波长可变DBR半导体激光器54为0.85μm波段的100mW级AlGaAs系列波长可变DBR半导体激光器，它由活性层区域56、相位调整区域57和DBR区域58构成。而且，按照某固定的比率控制相位调整区域57和DBR区域58中的注入电流，能够使振荡波长连续变化。
作为第二高次谐波发生器件的光波导型QPM-SHG器件55由形成在X板MgO掺杂LiNbO3基板59上的光波导60和周期性的极化反转区域61构成。光波导60通过在焦磷酸中进行质子交换形成。另外，周期性极化反转区域61通过在X板MgO掺杂LiNbO3基板59上形成梳状电极并施加电场而制作。
在图20所示的SHG蓝色光源中，相对于100mW的激光输出，75mW的激光在光波导60中耦合。而且，通过控制波长可变DBR半导体激光器54的相位调整区域57和DBR区域58中的注入电流量，振荡波长固定在光波导型QPM-SHG器件55的相位匹配波长容许宽度内。使用这种SHG蓝色光源，可以获得约25mW的波长425nm的蓝光，而得到的蓝光在横模为TE00模时具有衍射极限的聚光特性，噪声也小，相对噪声强度在-140dB/Hz以下，还具有适合光盘再现的特性。
对作为第二高次谐波发生器件的光波导型QPM-SHG器件55对于基波光波长的蓝光输出特性加以评价时，可知该蓝光输出功率为一半的波长宽度(对应于相位匹配的波长容许宽度)很小约为0.1nm。这对于获得稳定的蓝光输出，是一个大问题。为了解决这个问题，作为基波光，传统上采用波长可变DBR半导体激光器，将基波光的波长(振荡波长)固定在光波导型QPM-SHG器件的相位匹配波长容许宽度内，实现稳定的蓝光输出。
半导体激光器光源的振荡波长通常随周围温度而变化，光波导型QPM-SHG器件的最佳波长也随周围温度而变化。因此，传统上通过使用珀耳帖元件，使半导体激光器光源和光波导型QPM-SHG器件的温度保持恒定，实现了稳定的蓝光输出。
但是考虑在光盘及激光打印机等光信息处理设备上装载的情况下，在运转状态下平均输出功率时时刻刻都变化。此时半导体激光器光源产生的热量变化，即使在通过珀耳帖元件等使周围温度保持恒定的情况下，因为半导体激光器光源本身的温度变化，进而振荡波长变化，所以存在不能获得稳定的蓝光输出的问题。
另外，在为了装置小型化而不使用珀耳帖元件等温度控制装置的情况下，周围温度的变动更大，从而引起光波导型QPM-SHG器件的输出变动。
发明内容
本发明旨在解决传统技术中存在的上述问题，其目的在于提供一种由半导体激光器光源与第二高次谐波发生器件组成的光源装置，它在周围温度变化及输出功率变动的情况下也能够实现稳定的高次谐波输出。另外，本发明的目的还在于提供一种能够实现这种光源装置的控制方法。
为了达到上述目的，本发明的光源装置的第一种结构的特征在于：它包括(1)半导体激光器光源、(2)从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)控制上述半导体激光器光源的出射光波长的部件、(4)使上述半导体激光器光源的出射光的波长变化的部件和(5)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化，控制上述半导体激光器光源的出射光波长，以使上述第二高次谐波发生器件具有最佳波长，使所述半导体激光器光源出射光的波长变化的部件，使所述半导体激光器光源出射光的波长周期性地变化。
另外，本发明的光源装置的第二种结构的特征在于：它包括(1)半导体激光器光源、(2)从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(4)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(5)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化，控制上述第二高次谐波发生器件的波长使之成为最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第三种结构的特征在于：它包括(1)半导体激光器光源、(2)从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)控制上述半导体激光器光源的输出光功率、使上述第二高次谐波发生器件出射的第二高次谐波的功率成为恒定的部件、(4)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(5)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(6)对使上述半导体激光器光源的出射光波长变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率的变化或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时上述半导体激光器光源的输出光功率或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化，控制上述半导体激光器光源的出射光波长，使上述第二高次谐波发生器件具有最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第四种结构的特征在于：它包括(1)半导体激光器光源、(2)从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)控制上述半导体激光器光源的输出光功率、使上述第二高次谐波发生器件出射的第二高次谐波的功率成为恒定的部件、(4)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(5)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(6)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率的变化或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化，控制上述第二高次谐波发生器件的波长使之成为最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第一种控制方法是设有半导体激光器光源和从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件的光源装置的控制方法，其特征在于：它至少采用(1)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(2)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(3)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化，控制上述半导体激光器光源的出射光波长使上述第二高次谐波发生器件具有最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第二种控制方法是设有半导体激光器光源和从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件的光源装置的控制方法，其特征在于：它至少采用(1)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(2)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(3)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化，控制上述第二高次谐波发生器件的波长使之成为最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第三种控制方法是设有半导体激光器光源和从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件的光源装置的控制方法，其特征在于：它至少采用(1)控制上述半导体激光器光源的输出光功率来使上述第二高次谐波发生器件出射的第二高次谐波的功率成为恒定的部件、(2)控制上述半导体激光器光源的出射光波长的部件、(3)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(4)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率的变化或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化，控制上述半导体激光器光源的出射光波长使上述第二高次谐波发生器件具有最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第四种控制方法是设有半导体激光器光源和从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件的光源装置的控制方法，其特征在于：它至少采用(1)控制上述半导体激光器光源的输出光功率、使上述第二高次谐波发生器件出射的第二高次谐波的功率成为恒定的部件、(2)控制上述第二高次谐波发生器件的最佳波长的部件、(3)使上述半导体激光器光源的出射光波长变化的部件和(4)对使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率的变化或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化加以检测的部件，根据使上述半导体激光器光源的出射光波长发生了变化时的上述半导体激光器光源的输出光功率或向上述半导体激光器光源注入的注入电流量的变化，控制上述第二高次谐波发生器件的波长使之成为最佳波长。
另外，本发明的光源装置的第五种结构中包括：(1)至少含有活性层区域和相位调整区域的半导体激光器光源、(2)在将上述半导体激光器光源的平均输出功率转换为低输出功率与高输出功率的至少二值以上的值而调制时将与向上述活性层区域注入的注入电流反相的电流注入到上述相位调整区域的部件和(3)转换后使上述相位调整区域的注入电流随即渐近地变化的部件。
另外，本发明的光源装置的第六种结构中包括：(1)至少含有活性层区域、相位调整区域和分布布喇格反射器(DBR)区域的半导体激光器光源、(2)在将上述半导体激光器光源的平均输出功率转换为低输出功率与高输出功率的至少二值以上的值而调制时将与向上述活性层区域注入的注入电流反相的电流注入到上述相位调整区域和上述DBR区域的部件和(3)转换后使向上述相位调整区域和上述DBR区域注入的注入电流随即渐近地变化的部件。
另外，本发明的光源装置的第七种结构中包括：(1)至少含有活性层区域与相位调整区域的半导体激光器光源和(2)在将上述半导体激光器光源的平均输出功率转换为低输出功率与高输出功率的至少二值以上的值而调制时用上述活性层区域的驱动信号通过了滤波器后的信号驱动上述相位调整区域的部件。
另外，本发明的光源装置的第八种结构中包括：(1)至少含有活性层区域与相位调整区域的半导体激光器光源、(2)使得从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)在将上述半导体激光器光源的平均输出功率转换为低输出功率与高输出功率的至少二值以上的值而调制时将与向上述活性层区域注入的注入电流反相的电流注入到上述相位调整区域的部件和(4)控制向上述活性层区域注入的注入电流、使转换后上述第二高次谐波发生器件产生的第二高次谐波的功率成为恒定的部件。
另外，本发明的光源装置的第九种结构中包括：(1)至少含有活性层区域与相位调整区域的半导体激光器光源、(2)从上述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、(3)在将上述半导体激光器光源的平均输出功率转换为低输出功率与高输出功率的至少二值以上的值而调制时将与向上述活性层区域注入的注入电流反相的电流注入到上述相位调整区域的部件和(4)控制上述活性层区域和上述相位调整区域中的注入电流、使转换后上述第二高次谐波发生器件产生的第二高次谐波的功率成为恒定的部件。
另外，本发明的光信息记录再现装置结构中包括：(1)本发明的上述光源装置、(2)将来自上述光源装置的光导入信息载体的聚光光学系统和(3)检测来自上述信息载体的反射光的部件。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的光源装置的结构略图。
图2A是表示本发明实施例1的基波光的波长与出射的高次谐波的输出功率的对应关系图，图2B是表示同一实施例中的蓝光输出功率变动状况的示图。
图3是表示本发明实施例2的光源装置的结构略图。
图4A是表示本发明实施例2的基波光的波长与出射的高次谐波的输出功率的对应关系图，图4B是表示同一实施例中注入电流量的时间变化与波长微量变动之间的关系的示图。
图5是表示本发明实施例2的另一例光源装置的结构略图。
图6是表示本发明实施例3的光源装置的结构略图。
图7是表示本发明实施例3的薄膜加热器安装状态的透视图。
图8是原理上表示本发明实施例4的光盘装置上再现动作与记录动作转换时，即光源的平均输出功率从低输出功率状态转换为高输出功率状态时产生的输出光变动波形的示图。
图9是原理上表示本发明实施例4的输出功率转换时高次谐波输出功率和基波光的波长变动状况的示图。
图10是表示本发明实施例4的半导体激光器光源的简略剖面图。
图11是表示本发明实施例4的记录、再现转换时互补的驱动波形的示图，图11A表示活性层区域与相位调整区域中注入电流的时间变化，图11B表示此时活性层区域与相位调整区域的折射率时间变化。
图12是表示本发明实施例4的用以抑制因振荡波长变动引起的高次谐波的输出变动的记录、再现转换时驱动波形的示图，图12A表示活性层区域与相位调整区域中注入电流的时间变化，图12B表示此时活性层区域与相位调整区域的折射率时间变化。
图13是表示本发明实施例5的用以实现图12所示的相位调整区域的注入电流的电路结构的框图。
图14是表示本发明实施例5的用于实现图12所示的相位调整区域的注入电流的另一电路结构的框图。
图15是表示本发明实施例6的光源装置的控制电路的框图。
图16A～C是表示本发明实施例6的注入光源装置发光部的电流时间变化的示图。
图17是表示本发明实施例7的光源装置的控制电路的框图。
图18是表示本发明实施例7的采用的信号波形的示图。
图19是表示本发明实施例7的作为均衡部件使用的带通滤波器的原理图。
图20是传统技术中采用光波导型QPM-SHG器件的SHG蓝色光源的结构略图。
具体实施方式
下面用实施例更具体地说明本发明。
实施例1
图1是表示本发明实施例1的光源装置的结构略图。
如图1所示，在本实施例的光源装置中用以产生基波的半导体激光器光源采用0.85μm波段、100mW级AlGaAs系列波长可变DBR半导体激光器光源4，它具有分布布喇格反射器(以下记为「DBR」)区域1、通过注入电流调整激光器内光的相位的相位调整区域2和通过注入电流控制其输出功率的活性层区域3。
另外，作为第二高次谐波发生器件，采用拟相位匹配(以下记为「QPM」)方式的光波导型第二高次谐波发生(以下记为「SHG」)器件(光波导型QPM-SHG器件)5。也就是说，光波导型QPM-SHG器件5由形成在采用铌酸锂(LiNbO3)的光学晶体基板(厚度0.5mm的X板MgO掺杂LiNbO3基板)11上面的光波导12和用于补偿基波与高次谐波的传播常数之差的、与光波导12垂直的周期性极化反转区域构成。光波导12通过在焦磷酸中进行质子交换形成。另外，周期性极化反转区域通过在X板MgO掺杂LiNbO3基板11上形成梳状电极、施加电场而制成。光波导型QPM-SHG器件5能够利用大的非线性光学常数，并且由于是光波导型，能取长的相互作用长度，因此能够实现高的转换效率。
使半导体激光器光源4和光波导型QPM-SHG器件5在Si底座6上一体化，通过珀耳帖元件进行温度控制。作为基波光的半导体激光不用透镜而通过直接耦合与光波导型QPM-SHG器件5的光波导耦合。也就是说，从半导体激光器光源4出射的基波光入射在光波导型QPM-SHG器件5上，入射在光波导型QPM-SHG器件5上的基波光被约束在光波导12内部传播。在光波导12内部传播的基波光通过光学晶体(X板MgO掺杂LiNbO3)具有的非线性而变换为第二高次谐波，具有基波光的半波长的高次谐波从光波导型QPM-SHG器件5的出射端面射出。
具有上述结构的光波导型QPM-SH器件(以下记为「SHG光源」)5，由于光学晶体(X板MgO掺杂LiNbO3)具有的波长分散特性，对入射的基波光的波长具有图2A所示的波长特性。图2A表示入射的基波光波长与出射的高次谐波的输出功率的对应关系。高次谐波以基波光的最佳波长λ0为峰值，它相对于基波光波长λ有如下(公式1)所示的SINC函数表示的输出特性。
〔公式1〕
y＝Sinc{(λ-λ0)×π/a}
 ＝sin{(λ-λ0)×π/a}/{(λ-λ0)×π/a}
这里由高次谐波输出功率为最大值一半的波长宽度所表示的波长容许误差具有约0.1nm宽度，为了稳定地获得蓝色输出，必须精确、稳定地将基波光的波长控制在λ0上。
下面说明图1所示的半导体激光器光源4的振荡波长的控制方法。
一般地说，在半导体激光器光源中只有对前后反射面的光学距离L满足如下(公式2)的波长λ的光被激振。
〔公式2〕
2L＝nλ(n为整数)
满足如上(公式2)的波长λ的列称为「纵模」，这时的振荡波长取离散值。在图1所示的半导体激光器光源4中在DBR区域1与半导体激光器光源4的出射端面之间设置相位调整区域2，通过在相位调整区域2上施加的电流，能够使半导体激光器光源4的光学距离L变化，使纵模的波长λ变化。这样，通过在相位调整区域2上施加的电流，能够控制半导体激光器光源4的振荡波长。
但是按照下述的理由，在此波长控制方法中波长控制范围受到限制。也就是说，在图1所示的半导体激光器光源4的DBR区域1上形成光栅，只有其周期预定的波长的光被反射。具体地说，设DBR区域1的折射率为ndbr、DBR区域1的光栅周期为Λ时，在DBR区域1上反射而得到的光的波长范围约为2Λ/ndbr±0.1nm，只能对此范围内的波长进行控制。
在本实施例中为了扩大上述波长控制范围，采取以下方法。也就是说，通过在DBR区域1上形成电极、并在此电极上施加的电流使DBR区域1的有效光栅周期变化，同时使DBR区域1中的最佳波长变化。通过使DBR区域1的最佳波长变化来追踪因施加在相位调整区域2上的电流引起的纵模的波长变化，能够连续地控制振荡波长。实际上，在DBR区域1与相位调整区域2上要施加一定比率的电流。
下面参照图1，说明使本发明的光源装置的输出稳定的方法。
图中，7是波长控制部件，通过控制在DBR区域1与相位调整区域2上施加的电流，波长控制部件7将半导体激光器光源4的振荡波长控制在某一波长上。此时通过由波长微量变动部件8在半导体激光器光源4的DBR区域1与相位调整区域2上施加一定比率的电流，使半导体激光器光源4的振荡波长微小变化。此时的高次谐波输出光的一部分，例如约5％由半透明反射镜分光，由高次谐波光输出检测部件监视其时间变化。此时的蓝光输出功率的变动状况如图2B所示。
在半导体激光器光源4的振荡波长控制在光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0附近时，波长以工作点B为中心变化，高次谐波输出光按照半导体激光器光源4的波长变动信号2倍的周期调制。此时对于波长的微小变动量，波长向短波长一侧变动的情况与波长向长波长一侧变动的情况的高次谐波光的输出相等。
而半导体激光器光源4的振荡波长因周围温度变化及半导体激光器光源4的驱动电流变化而偏离了光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0的情况下，例如以工作点A为中心工作。在图2B中表示的是半导体激光器光源4的振荡波长向更短波长一侧偏离光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0的情况(工作点A)。此时的高次谐波输出光出现与波长变动相同的周期性输出变动，在波长长的情况下高次谐波输出更大，在波长短的情况下高次谐波输出更小。这样通过相位比较部件将波长微量变动部件8中产生的波长摆动信号的相位与来自高次谐波光输出检测部件的输出信号的相位进行比较，如图2B所示，在同相位的情况下，可以控制使波长更长。虽然未图示，但可知：在半导体激光器光源4的振荡波长向更长波长一侧偏离光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0的情况下，如果波长长，则高次谐波输出变得更小，如果波长短，则高次谐波输出变得更大。
总之，通过监视半导体激光器光源4的振荡波长微小变化时的高次谐波输出功率，就能检测光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长的偏移。另外，通过将此波长的偏移反馈到半导体激光器光源4的振荡波长上，就能控制半导体激光器光源4的振荡波长，使之常时成为光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0，对于一定的基波输出，能够常时保持固定且最大的光波导型QPM-SHG器件5的变换效率，使高次谐波输出稳定。
实施例2
在上述实施例1中说明的波长控制方法中，为了监视高次谐波输出功率，虽然微小但高次谐波输出功率要发生变动。在本实施例中说明更高精度地控制高次谐波输出功率的方法。图3是表示本发明实施例2的光源装置的结构略图。
如图3所示，在本实施例中在图1所示的结构中增加了高次谐波输出恒定控制部件9。也就是说，在使半导体激光器光源4的振荡波长微小变动时，通过波长微量变动部件8监视高次谐波输出，通过高次谐波输出恒定控制部件9反馈到半导体激光器光源4的活性层区域3中的注入电流上。在高次谐波输出下降的情况下，使向半导体激光器光源4的活性层区域3中的注入电流增加，通过增加基波光的输出，使高次谐波输出保持恒定。通过将反馈环路的响应频率设定得充分高于波长微量变动部件8的变动频率，即使在使波长发生了变动时也能将高次谐波输出的变动量抑制得充分小。
这时，通过监视波长微量变动部件8的信号与注入电流量的时间变化的相关值，能够探测到半导体激光器光源4的振荡波长与光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长之间的偏移。
图4B表示注入电流量的时间变化与波长微量变动之间的关系。例如对于半导体激光器光源4的振荡波长向更短波长一侧偏离光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长λ0时(图4A中的工作点A)的信号变化进行说明。在通过波长微量变动部件8使半导体激光器光源4的振荡波长变短的情况下，光波导型QPM-SHG器件5的变换效率下降。但是这种情况下通过高次谐波输出恒定控制部件9增加向半导体激光器光源4的活性层区域3注入的注入电流，增加基波光的输出，使高次谐波输出保持恒定。相反地，在通过波长微量变动部件8使半导体激光器光源4的振荡波长变长的情况下，通过高次谐波输出恒定控制部件9减少向半导体激光器光源4的活性层区域3注入的注入电流。这样，在注入电流的变化对于波长变动信号为反相的情况下，使半导体激光器光源4的振荡波长缓慢地向长波长一侧变化；相反地，在注入电流的变化对于波长变动信号为同相的情况下，使半导体激光器光源4的振荡波长缓慢地向短波长一例变化，从而能将半导体激光器光源4的振荡波长控制在光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长上，使高次谐波输出功率稳定。
总之，在由波长微量变动部件8使半导体激光器光源4的振荡波长微小变动、进行探寻最佳波长的控制时，通过结合高次谐波输出恒定控制来检测向半导体激光器光源4的活性层区域3中的注入电流的增减，能够抑制高次谐波输出的变动。
另外，不检测向半导体激光器光源4的活性层区域3中的注入电流的增减，而通过从基波功率的时间变化检测波长偏移，也可以获得同样的效果。这种情况与监视半导体激光器光源4的活性层区域3中的注入电流量的情况不同，由于不受半导体激光器光源4的发光效率变化的影响，因此能更精确地控制波长。如图5所示，通过在构成光波导型QPM-SHG器件5的光学晶体基板(X板MgO掺杂LiNbO3基板)11上配置基波功率检测部件10，在来自半导体激光器光源4的出射光中检出光波导型QPM-SHG器件5中未被耦合的光，可以实现这种控制方法。
实施例3
在上述实施例1与实施例2中说明了控制半导体激光器光源的振荡波长的光源装置，但通过控制光波导型QPM-SHG器件的最佳波长也能使高次谐波(第二高次谐波)输出功率稳定。图6表示其大致结构。
如图6所示，在光波导型QPM-SHG器件5中，在光学晶体基板(X板MgO掺杂LiNbO3基板)11的设有光波导12的一侧的表面上设置薄膜加热器13。薄膜加热器13例如通过蒸镀铝等、再采用光刻蚀法加以图案化而形成。如图7所示，薄膜加热器13以沿着光波导12的条状形成，使光波导部的局部温度上升。
另外，虽然未图示，但可知：为了抑制因薄膜加热器13中的光吸收引起的光波导12的功率损失，在光波导12与薄膜加热器13之间设置由例如二氧化硅等折射率小于光学晶体基板材料的介质膜组成的缓冲层。
在薄膜加热器13上施加电流时，由于焦耳热使光波导部的温度上升，折射率会发生变化。在这种情况下由于在光波导12内传播的基波与高次谐波产生的折射率变化量不同，因而在基波与高次谐波之间出现传播常数差，最佳振荡波长变化，所以能够使半导体激光器光源4的振荡波长与光波导型QPM-SHG器件5的最佳波长一致。另外，由于只能通过薄膜加热器13加热，在光源的初期发光状态下预先在薄膜加热器13上施加一定量的电流，然后增减此电流，就能获得加热和冷却的效果。
如上述实施例1或2中所示的方法那样，在由DBR区域1与相位调整区域2上注入的电流控制半导体激光器光源4的振荡波长时，由于各自的电流使半导体激光器光源4的温度上升，有可能使半导体激光器光源4的发光效率降低、寿命缩短。而如本实施例那样，按照通过光波导型QPM-SHG器件5的温度控制而控制半导体激光器光源4的振荡波长的方法，则可以抑制半导体激光器光源4的温度上升，实现更高效率、更长寿命的SHG光源。
另外，在本实施例中以在光波导型QPM-SHG器件5的表面上设置薄膜加热器13的结构为例进行了说明，但在例如将薄膜加热器设置在底座6表面的光波导12的正下方的情况下，也能获得同样的效果。另外，采用如下的结构也能同样地进行波长控制：将薄膜加热器设置在底座6的半导体激光器光源4的装载部分上，使半导体激光器光源4的温度变化，从而使半导体激光器光源4的振荡波长变化。在这种情况下与通过在半导体激光器光源4的DBR区域1与相位调整区域2上注入的电流量控制振荡波长的情况相比，虽然存在因半导体激光器光源4的温度上升引起的寿命特性、发光效率特性劣化的可能性，但由于半导体激光器光源4的各个区域中的电流量(进而电流密度)减少，因此寿命特性、发光效率特性劣化的程度会更加轻微。
实施例4
在上述实施例1～例3中就对于半导体激光器光源振荡波长的缓慢时间变化的稳定化控制进行了说明。
本发明人发现了在光盘装置中采用本光源装置时通过在光盘装置中采用的调制动作产生的特征性的波长变动的主要原因。
图8是原理上表示光盘装置中再现动作与记录动作转换时，即光源的平均输出功率从低输出功率状态转换为高输出功率状态时产生的输出光变动波形的示图。
本发明人观察了记录/再现转换时的蓝色光输出波形，观测了图8所示的输出波形。也就是说，在记录时实现了高速调制波形的场合也发现了在转换后输出缓慢下降的现象。本发明人认为：转换到高输出功率状态后的半导体激光器光源的输出保持恒定而高次谐波的输出下降，是由于半导体激光器光源的振荡波长发生变化的缘故。
图9是原理上表示输出功率转换时高次谐波输出功率和基波光的波长变动状况的图。图9中实线、虚线表示的曲线分别表示高输出功率时、低输出功率时高次谐波输出功率与基波波长的相关性。在输出功率转换时半导体激光器光源的发光功率急剧上升，而转换后的半导体激光器光源的振荡波长由于注入电流的变化引起的热效应而缓慢变化，引起高次谐波输出的缓慢下降。下面详细说明这种现象。
图10是表示本发明实施例4中半导体激光器光源的简略剖面图。在高速调制时活性层区域3的温度由于活性层区域3中的注入电流的变化而变化，致使半导体激光器光源4的有效光学距离L发生变化。而通过在相位调整区域2上施加与注入活性层区域3上的电流(注入电流)互补的电流，能使半导体激光器光源4整体中的发热量大致保持恒定。此时活性层区域3中的光学距离与相位调整区域2中的光学距离大致对称变化，从而可以使半导体激光器光源4的有效光学距离L保持恒定。但是在记录/再现转换后，均衡的注入电流值经长时间后发生变化。施加在活性层区域3与相位调整区域2上的电流不仅使各自区域的温度变化，而且如图10中箭头所示，热向半导体激光器光源4的厚度方向及固定半导体激光器光源4的底座6的方向传播，使周围温度变化。在这种情况下因为相位调整区域2与活性层区域3配置在不同的位置，所以由相同的电流引起的温度上升的时间变化不同。因此各自区域中的光学距离的变化偏离互补条件，必然引起半导体激光器光源4的振荡波长变动，进而使蓝光输出功率变动。
图11表示上述记录/再现转换时互补的驱动波形。如图11A所示，在活性层区域3上施加实线所示的驱动电流，同时在相位调整区域2上注入虚线所示的矩形电流。如图11B所示，此时活性层区域3与相位调整区域2的折射率变化大致是对称的，表示互补的变动。如上所述，由于在相位调整区域2与活性层区域3中产生的温度变动的时间波形不同，所以如点划线所示，在半导体激光器光源4产生的折射率的整个变化中从一定值出现偏离，引起振荡波长的变动。
因此，在本实施例中实现的光学装置能够解决上述课题，对于由波长可变DBR半导体激光器光源与光波导型QPM-SHG器件构成的蓝色光源，能够获得在均衡的输出功率转换后也稳定的输出光功率。
如图12所示，在本实施例的光源装置中为了抑制因上述振荡波长的变动引起的高次谐波输出变动，在记录/再现转换后在相位调整区域2注入渐近的变化的电流，能够补偿相位调整区域2与活性层区域3中的热效应的不同。
试作了波长可变DBR半导体激光器光源与光波导型QPM-SHG器件，并进行了调制实验。活性层区域3中的注入电流从50mA转换为150mA，相位调整区域2中的注入电流从100mA转换为45mA，均采用矩形波形的电流驱动，结果在转换后的高次谐波输出中发现时间常数为0.15msec、变动量为-12％的渐近的输出变动。所以如本实施例那样，在阶梯状波形电流上施加，加到向转换后的相位调整区域2注入的注入电流中的振幅为-9mA、时间常数为0.15msec的渐近的时间变化。结果实际证明高次谐波输出变动能控制在观测范围以下，根据本发明的控制方法能实现可抑制波长变动、稳定的光源装置。
另外，在以上的说明中表示的是仅通过相位调整区域2中的注入电流进行转换后的波长变动补偿的例子，而如上述实施例1中已说明的，作为控制半导体激光器光源波长的方法，有采用在相位调整区域2的注入电流与在DBR区域1的注入电流的方法，通过在相位调整区域2与DBR区域1中注入一定比率、具有渐近的时间变动的电流，也能获得同样的效果。这种情况与仅在相位调整区域2中注入具有渐近的时间变动的电流的情况相比，对于在记录/再现转换时产生更大的电流振幅(进而出现更大的波长变动)的半导体激光器光源，也能有效地实现波长的稳定化。
实施例5
在上述实施例4中对简单地只作一次记录/再现转换的、且各自的状态长时间继续的情况为例进行了说明。但是在实际的光盘装置中采用本发明的光源装置的情况下，有可能在短时间内以任意的定时重复进行记录/再现转换。在这种情况下在施加于相位调整区域或者相位调整区域与DBR区域的电流值正渐近地变化之中会再次进行记录/再现转换。而且在这种情况下，采用通过适当的滤波电路不仅得到单纯的补偿电流波形、而且得到向活性层区域注入的注入电流波形的信号，是对调制活性层区域中的注入电流进行调整的有效方法。例如在实现图12所示的相位调整区域注入电流中采用以图13所示的框图表示的电路。也就是说，相位调整区域的注入电流，可以用将调制信号波形的极性反转并乘以常数α的信号与通过积分滤波器得到调制信号波形的信号之和来加以近似。由积分滤波器与常数加法电路表示的电路特性，表示相位调整区域2与活性层区域3的热响应特性之差；对于任意的调制信号，通过图13所示的滤波器电路，可以在活性层区域3与相位调整区域2产生互补的温度变化。
在本实施例中，表示的是相位调整区域2中的热响应慢的成分小于活性层区域3中的热响应慢的成分的情况，即通过记录/再现转换后逐渐增加注入相位调整区域2中的电流量，能补偿热响应之差的情况。但是在半导体激光器光源的结构不同的情况下，例如在相位调整区域与活性层区域的位置关系颠倒而构成半导体激光器光源的情况下，必须进行与上述情况相反的补偿。也就是说，在相位调整区域中的热响应慢的成分大于活性层区域中的热响应慢的成分的情况下，在记录/再现后必须逐渐减少注入相位调整区域中的电流量。如图14的框图所示，在这种情况下不用积分滤波器，而采用微分滤波器，同样能使输出稳定。
实施例6
正如以上说明的，在对于由半导体激光器光源与光波导型QPM-SHG器件组成的光源装置进行调制而使用的情况下，采用对缓慢的温度变化等进行补偿的波长控制方法与对调制时半导体激光器光源的发热进行补偿的波长变动补偿方法，能够实现输出稳定化。但是，通过适当地组合、同时采用这两种方法，而不是各自采用上述两种方法，会更加有效。
在本实施例中，参照图15、图16特别说明波长可变激光器的发光部以及与波长可变部有关的控制环路(快速环路与慢速环路)的具体形态。图15是表示本发明实施例6中光源装置的控制电路的框图。图16是表示本发明实施例6中注入光源装置发光部的电流的时间变化的示图。
在图15中400是波长可变激光器，波长可变激光器400由发光部401与波长可变部402构成。410是光波导型QPM-SHG器件。从光波导型QPM-SHG器件410出射的第二高次谐波的一部分，通过分光元件421、光探测器422变换为电气信号，经由前置放大器423供给由减法运算部件424、积分部件425、电流变换放大器426及上述发光部401构成的反馈环路(快速环路)。也就是说，对注入发光部401的电流IL加以控制，以使与第二高次谐波具有固定关系的前置放大器423的输出信号与目标值一致。考虑与下述慢速环路的关系，最好将此环路的响应频率预先设为约100kHz。
如图15所示，慢速环路由分光元件421、光探测器422、前置放大器423、减法运算部件424、积分部件425、带通滤波器427、乘法部件428、信号源429、积分部件430、加法运算部件431、电流变换放大器432与上述波长可变部402构成。首先预定频率(约1kHz)叠加信号Sd从信号源429经由电流变换放大器432进行电流变换，注入波长可变部402。此时波长可变激光器400的振荡波长对应于此信号变化。如果振荡波长变化，则按照与固有的最大效率变换波长的关系，在光波导型QPM-SHG器件410中，光波导型QPM-SHG器件410的变换效率变化。如果上述的「快速反馈环路」不工作，则此变换效率的变化直接作为第二高次谐波的输出变化表现出来。但是与此变化的频率(约1kHz)相比，上述快速反馈环路的响应频率足够高，高达100kHz，因变换效率下降引起的第二高次谐波的输出下降作为注入到发光部401中的电流IL的增加被加以反馈，所以第二高次谐波的输出变化几乎观测不到(在本实施例中抑制在1/100左右)。但是与注入到发光部401中的反馈电流IL有关的反馈信号SL，根据光波导型QPM-SHG器件410的变换效率，如图16A、B、C那样地变化。也就是说，生成将根据叠加于波长可变部402的干扰电流而发生的变换效率的变化相互抵消的反馈信号SL(反馈电流IL)。
在这里，如果以注入到波长可变部402中的电流的中心值为S0，则根据该中心值S0与光波导型QPM-SHG器件410固有的最大效率变换波长(SEG中心波长)的关系，上述反馈信号SL与其中叠加的信号Sd同相(图16(c))或者反相(图16(a))地变化。如图16(b)所示，在S0与SEG中心频率一致的情况下，Sd的基本频率成分(1kHz)消失，仅成倍的频率成分留下。因此，如果构成将摆动信号Sd与(通过带通滤波器427后的)反馈信号SL相乘、其时间积分作为反馈值S0供给波长可变部402中的环路，则能够使波长可变激光器400在光波导型QPM-SHG器件410的最大变换效率附近的波长处常时工作。
作为参考，用公式说明上述慢速环路的动作。首先由如下(公式3)所示的由信号源429生成的正弦波信号Sd，用公式4将供给波长可变部402的电流Is规格化。
〔公式3〕
Sd＝asin(ωt)
(a：常数)
〔公式4〕
S＝Sd+S0
这里，如果将对于波长可变电流(Is)(与光波导型QPM-SHG器件410的变换效率有关)的反馈信号SL用公式5加以近似，则将上述(公式4)代入下述(公式5)，可以得到下述(公式6)的关系。
〔公式5〕
SL＝-b(S-Sx)2+c
(b、c：常数)
〔公式6〕
SL＝-b(S0+Sd-Sx)2+c
  ＝-b{S0-Sx+asin(ωt)}2+c
在上述(公式6)中Sx是未知数，是根据以后的探测得到的解。
上述反馈信号SL通过乘法部件428与源信号Sd进行积(乘积)运算。也就是说，进行下述(公式7)的运算。
〔公式7〕
SL×asin(ωt)＝(ab(S0-Sx)2+C)sinθ
               +2a2b(S0-Sx)sin2θ
               +a3b sin3θ
                (θ＝ωt)
如果通过积分部件430将此乘积输出信号积分，则由于sinθ、sin3θ都是奇函数，所以积分值为0。因此如果仅计算第二项，则成为下述(公式8)，可以得到与注入电流的中心值S0成线性比例关系的信号。
〔公式8〕
∫(SL×asinθ)dθ＝2a2b(S0-Sx)∫sin2θdθ
＝2πa2b(S0-Sx)
因此，如果形成该乘法信号＝0的反馈环路，则必然有S0＝Sx，最佳电流必然会常时供给波长可变部402。
另外，如果将从信号源429供给的干扰信号的频率取为1kHz，则上述慢速反馈环路的工作频率最好约为其1/10，即约为100Hz。
实施例7
图17是表示本发明实施例7的光源装置的控制电路的框图。在图17中，400是波长可变激光器，该波长可变激光器400由发光部401、波长可变部402和相位可变部403构成。另外，波长可变激光器400的发光部401、分光元件421、光探测器422、前置放大器423、减法运算部件424、积分部件425、电流变换放大器426，构成控制注入发光部401中的电流而补偿第二高次谐波输出的变动成分的所谓快速反馈环路。另外，分光元件421、光探测器422、前置放大器423、减法运算部件424、积分部件425、带通滤波器427、乘法部件428、信号源429、积分部件430、加法运算部件431、电流变换放大器432、435、系数器433及上述波长可变部402，构成常时探测光波导型QPM-SHG器件410的变动效率的最大点的所谓慢速环路。以上的快速环路和慢速环路具有与上述实施例6中快速环路和慢速环路相同的功能。本实施例的特征在于：在上述实施例6中增设了在信号记录时将所想要的输出及将调制波形的第二高次谐波输出的构成部件。下面对此加以说明。
首先，从再现模式转换为记录模式后(R/W→H)，记录波形生成部件440根据记录信号流生成记录信号SG。假定图18所示的记录信号SG的记录介质为相变型介质。也就是说，在记录信息“1”时，输出能在上述相变型介质上形成非晶形痕(amorphous mark)的最大功率的脉冲串，在记录信息“0”(擦除信息)时，为了使上述相变型介质局部晶体化，输出中间功率值的定值。记录信号SG，经由调制器450叠加在注入到发光部401的电流IL上，作为调制光(经光波导型QPM-SHG器件410变换后)照射在记录介质上。此时快速环路的目标值可以预先设为与所想要的调制光的平均功率有关的值，但是，如图17所示，也可以将由记录波形生成部件440生成的调制信号(记录信号)SG本身设为目标值(譬如说期待值)。
调制信号(记录信号)SG，再经反相部件441、均衡部件442供给波长可变激光器400的相位可变部403。下面对此加以说明。在上述实施例6中对于仅通过注入波长可变激光器400的波长可变部402的电流量使振荡波长变化进行了说明，但为了避免实际的波长可变激光器400中波长变化时的波形跳变，设有用以取得相位匹配的相位可变部403。也就是说，在使电流Is注入波长可变部402的同时，在相位可变部403中注入为其常数(k)倍的电流Ip。相位可变部403实际上是所谓的加热器，通过注入电流产生的热，使激光器波导的折射率变化。
这里，在从再现动作转到记录动作时，为了提高激光器功率，注入到发光部401中的电流自然就增加，但发光部401的温度由于此时的发热而上升。因为发光部401也形成为波导结构，所以会因发热产生的折射率变化引起相位和波长的偏移。结果，会发生光波导型QPM-SHG器件410的变换效率降低或波形跳变的现象。为了防止这种现象，在本实施例中，经由加法部件434向相位可变部403供给与注入到发光部401的电流大致反相的电流。也就是说，先通过反相部件441生成反相波形Si(图17)，对均衡部件442中得到的补偿值Se加以电流变换。结果，注入到发光部401中的电流增加，而注入到相位可变部(加热器)403中的电流减少，在整体上发热量与记录时/再现时无关而保持恒定。
但是，在相位可变部403中原封不动地连续供给反相波形Si反而会造成过补偿，这一点通过本发明人的实验已被证实。据认为，这与激光器内部中热的传播、蓄积有关。因此，本发明人研究了通过均衡部件442将反相波形Si变换为图18所示的波形(Se)，即变换为在功率刚发生变化后就使补偿量成为最大、然后慢慢地在100μs内减少约10％的补偿量的波形。已经明确，由此能够有效地进行热补偿。具体地说，均衡部件442例如可采用图19所示的带通滤波器加以实现。
另外，由上述反相部件441、均衡部件442等构成的热补偿部件，可以说是开放式环路，其补偿精度上是受限的。也就是说，存在一定的热补偿残差。因此会发生若干波长偏移，但就此而言，因为快速反馈环路以100Hz即10μs左右的响应进行跟踪，所以第二高次谐波输出本身不会受到影响。不过，为用源振荡的发光功率补充因波长偏移引起的光波导型QPM-SHG器件410变换效率的降低而进行快速反馈控制，其结果是使注入到发光部401中的电流IL暂时稍有增加，不久就由慢速环路进行最大效率探测。
总之，依据本发明，通过依次采用热均衡补偿部件、快速环路、慢速环路，能够有效地消除因从再现方式到记录方式的功率转换时的波长偏移产生的第二高次谐波的变动。
另外，在上述实施例6和实施例7中说明了各自的反馈环路开始动作(所谓导入)后的动作，而如果在导入前两个反馈环路同时动作，则会出现以下的问题。一般地说，为了在反馈环路的工作点稳定地导入，有必要使即将导入前的目标值和变数设于预定的范围内(俘获范围)。如上所述，一般光波导型QPM-SHG器件的波长相关性是显著的，在激光器振荡波长与SHG中心波长的误差大时，例如偏移约1nm时，光波导型QPM-SHG器件的变换效率几乎为0。因此第二高次谐波不被生成，由感光元件检测出的光量也为0。如果此时快速反馈环路已动作，则为了使接收光量成为预定的目标值，就将无限地继续增加注入到波长可变激光器的发光部中的电流。如果对这种状态放置不管，激光器当然将损坏。
所以，在导入前必须预先使快速反馈环路的功能停止，或者预先使响应速度极度降低。例如可以编入这样的程序：在导入前先在波长可变激光器的发光部中流入一定的电流，待估计激光波长通过慢速反馈环路到达最大效率波长附近时，使快速反馈环路动作(关闭)的。另外，为了扩大俘获范围，最好将该时慢速反馈环路中干扰信号的振幅预先设置得比通常状态的大。例如通常状态时的干扰信号的振幅通过波长换算为0.1nm时，导入时预先最好设为约1nm的振幅。这是因为缺省状态时的波长可变激光器的振荡波长与SHG中心波长的误差大致终止在1nm左右。
工业上的应用可能性
总之，由于即使在周围温度变化及输出功率变动时也能实现稳定的高次谐波输出，因此，本发明的装置与方法能够在用以实现光盘高密度化及显示器高清晰化的小型短波长光源中得到应用。

Claims (8)

1.一种光源装置，其特征在于：它设有：半导体激光器光源、从所述半导体激光器光源的出射光产生第二高次谐波的第二高次谐波发生器件、控制所述半导体激光器光源出射光的波长的部件、使所述半导体激光器光源出射光的波长变化的部件、和对使所述半导体激光器光源出射光的波长发生了变化时的所述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化加以检测的部件，根据使所述半导体激光器光源出射光的波长发生了变化时的所述第二高次谐波发生器件的输出光功率的变化，控制所述半导体激光器光源出射光的波长，以使所述第二高次谐波发生器件具有最佳波长，使所述半导体激光器光源出射光的波长变化的部件，使所述半导体激光器光源出射光的波长周期性地变化。
2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于：所述半导体激光器光源为具有分布布喇格反射器(DBR)区域的DBR半导体激光器光源。
3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于：所述半导体激光器光源具有相位调整区域。
4.如权利要求3所述的光源装置，其特征在于：通过使向所述半导体激光器光源的所述相位调整区域注入的注入电流量变化，使所述半导体激光器光源出射光的波长变化。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光源装置，其特征在于：通过在所述半导体激光器光源的附近设置加热器并使所述加热器的加热量变化，使所述半导体激光器光源出射光的波长变化。
6.如权利要求1至3中任一项所述的光源装置，其特征在于：在所述第二高次谐波发生器件的波导附近设置加热器。
7.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于：所述半导体激光器光源具有相位调整区域，通过使向所述半导体激光器光源的相位调整区域注入的注入电流量变化，控制所述半导体激光器光源出射光的波长，使所述第二高次谐波发生器件具有最佳波长。
8.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于：通过在所述半导体激光器光源的附近设置加热器并使所述加热器的加热量变化，控制所述半导体激光器光源出射光的波长，使所述第二高次谐波发生器件具有最佳波长。
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