JP2004184437A - 半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法、映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることを可能とした半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法と、この半導体レーザ装置を用いた映像表示装置を提供することを目的としている。
【解決手段】半導体レーザ１１から出射される光をシリンドリカルレンズ１３，１４により平行光に変換する。そして、このシリンドリカルレンズ１３，１４を通過した光を、途中の所定位置から入射端面部１６に向けて、断面積を一定としたままで入射端面部１６におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた光ファイバ１５に入射させる。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザ１１から出射される光をシリンドリカルレンズ１３，１４により平行光に変換する。そして、このシリンドリカルレンズ１３，１４を通過した光を、途中の所定位置から入射端面部１６に向けて、断面積を一定としたままで入射端面部１６におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた光ファイバ１５に入射させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザから出射する光を高効率及び高光密度で光ファイバに結合する半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法に関する。また、この発明は、上記の半導体レーザ装置を光源として使用した投射型の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、近年では、例えば液晶プロジェクタ等のような投射型の映像表示装置における光源として、半導体レーザを使用するための開発が盛んに行なわれている。
【０００３】
この種の映像表示装置にあっては、数Ｗ〜１０Ｗもの強い光出力を発生する半導体レーザからの出射光を、ファイバレーザを構成する光ファイバに入射させることにより、高い光密度の可視光を生成して映像表示に利用している。
【０００４】
ところで、半導体レーザは、一般に高出力になるとマルチモードになり、その出射領域が細長い形状となる。例えば、１Ｗを出力する半導体レーザの出射領域は、スロー軸方向が１００μｍ、ファスト軸方向が１μｍとなっている。
【０００５】
また、このような半導体レーザから出射される光は、出射領域面に垂直な光軸に対して、例えば、スロー軸方向に±４°、ファスト軸方向に±２０°の広がり角を持って放出される。
【０００６】
ここで、半導体レーザからの出射光が入射される光ファイバの受光角は、光軸対称となっており、例えば、スロー軸方向とファスト軸方向とが共に同じ２０°になっているとする。
【０００７】
そして、半導体レーザからの出射光を、レンズを介して光ファイバの受光角に合わせた場合、そのビーム径は正弦条件（ビーム径Ｄと広がり角θとの関係、Ｄｓｉｎθ＝一定）にしたがうため、スロー軸方向で４０μｍ、ファスト軸方向で２μｍとなり、ビーム径も細長い形状となる。
【０００８】
光ファイバのコア断面形状は一般に円形なので、このような細長い形状のビーム径を有する光を、全て光ファイバに入射するためには、４０μｍのコア径が必要となる。
【０００９】
これにより、半導体レーザから出射する光を、全て光ファイバに入射することが可能となるが、ファスト軸方向にかなりの余裕をもって入射しているために、入射した光の光密度（入射光パワー／光ファイバコア断面積）は低下する。つまり、光密度が高い状態で光を入射するには、光ファイバのコア断面形状がビーム径と一致していることが望ましいことになる。
【００１０】
特許文献１として提示する米国特許第５６７７９２０号明細書には、光ファイバレーザに使用するダブルクラッドファイバにおいて、励起光を入力する内側クラッドの断面形状を長方形にした例が開示されている。
【００１１】
しかしながら、コア断面が長方形の光ファイバは、製造が非常に困難であるとともに、長方形断面の光ファイバに通常の円形断面の光ファイバを容易に接続することができないという問題が生じている。
【００１２】
また、この特許文献１には、複数の光ファイバの出力を合成して、別の光ファイバに光接続することを考慮して、断面が長方形の複数の光ファイバを重ねて、別の光ファイバに光接続する例も開示されている。
【００１３】
ところが、光ファイバを重ねる際に高度な位置合わせが必要になるとともに、接続先の光ファイバの形状に合わせて長方形形状を設計する必要があり、実用的な構成とは言えないものである。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５６７７９２０号明細書
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来は、コア断面形状が円形の光ファイバを用いた場合には、マルチモードの半導体レーザから出射した光を高効率及び高光密度で光ファイバに入射させることが困難である。
【００１６】
また、コア断面形状が長方形の光ファイバを用いた場合には、製造が困難であるとともに、通常の円形断面の光ファイバと容易に接続することができないという問題が生じる。
【００１７】
さらに、コア断面形状が長方形の光ファイバを複数本合成し、別の光ファイバに光接続する場合には、接続先の光ファイバに合わせて断面形状を設計する必要があり、実用に不向きとなる。
【００１８】
そこで、この発明は上記事情を考慮してなされたもので、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることを可能とした半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法を提供することを目的とする。また、この発明は、上記した半導体レーザ装置を用いた映像表示装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを備えるようにしたものである。
【００２０】
また、この発明に係る半導体レーザの制御方法は、半導体レーザから出射される光を平行光に変換する工程と、変換された光を、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバに入射させる工程とを備えるようにしたものである。
【００２１】
さらに、この発明に係る映像表示装置は、半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを備える半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置の第１の光ファイバから出射される光を励起する第２の光ファイバと、
この第２の光ファイバによって励起された光を、映像信号に基づいて空間変調する変調手段と、
この変調手段から得られる光出力をスクリーンに投射して表示させる表示手段とを備えるようにしたものである。
【００２２】
上記のような構成及び方法によれば、半導体レーザから出射される光を、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバに入射させるようにしたので、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることが可能となる。これにより、高効率な光源を実現することができることから、映像表示装置の低消費電力化、製造コストの低下を実現することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態で説明する半導体レーザ装置の概略を示している。図１において、符号１１は半導体レーザで、その端面に細長い形状の出射領域１２が形成されている。
【００２４】
この半導体レーザ１１の出射領域１２から出射される光は、シリンドリカルレンズ１３によりファスト軸方向にコリメートされ、シリンドリカルレンズ１４によりスロー軸方向にコリメートされて、光ファイバ１５に入射される。
【００２５】
この光ファイバ１５の入射端面部１６は、その途中の所定位置から端面に向けて、径方向に順次深く潰していくことにより、断面積を一定としたままコア断面形状が楕円形となるように連続的にテーパ状に変化させて形成されている。
【００２６】
例えば、入射端面部１６のコア断面形状が２０×５μｍである場合、テーパ長は１０ｍｍであり、入射端面部１６のコア断面形状が４０×１０μｍである場合、テーパ長は２０ｍｍとなる。
【００２７】
そして、シリンドリカルレンズ１３，１４は、半導体レーザ１１の出射領域１２と、光ファイバ１５の入射端面部１６のコア断面形状とが共役関係となるように設計する。
【００２８】
ここで、入射端面部１６のコア断面形状について説明する。まず、半導体レーザ１１の出射領域１２のスロー軸方向の長さをＤｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向の長さをＤｆａｓｔ＿ＬＤとする。また、半導体レーザ１１の出射光の広がり角を、スロー軸方向でθｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向でθｆａｓｔ＿ＬＤとする。
【００２９】
さらに、光ファイバ１５の入射端面部１６上におけるビーム径を、スロー軸方向でＤｓｌｏｗ＿ＦＢ、ファスト軸方向でＤｆａｓｔ＿ＦＢとし、広がり角をスロー軸方向でθｓｌｏｗ＿ＦＢ、ファスト軸方向でθｆａｓｔ＿ＦＢとする。
【００３０】
すると、正弦条件により、
Ｄｓｌｏｗ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＬＤ）＝Ｄｓｌｏｗ＿ＦＢ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＦＢ）…（１）
Ｄｆａｓｔ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＬＤ）＝Ｄｆａｓｔ＿ＦＢ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＦＢ）…（２）
が成立する。
【００３１】
光ファイバ１５は、受光角が光軸対称であるため、光ファイバ１５に入射する時点で、半導体レーザ１１から出射した光の広がり角が光軸対称になっていることが望ましいことになる。
【００３２】
入射端面部１６で、スロー軸方向の広がり角とファスト軸方向の広がり角とが等しくなるように、シリンドリカルレンズ１３，１４を用いて広がり角を変換すると、θｓｌｏｗ＿ＦＢ＝θｆａｓｔ＿ＦＢより、入射端面部１６でのビーム径のスロー軸方向とファスト軸方向との比は、
Ｄｓｌｏｗ＿ＦＢ／Ｄｆａｓｔ＿ＦＢ
＝［Ｄｓｌｏｗ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＬＤ）］／［Ｄｆａｓｔ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＬＤ）］…（３）
となり、この比に応じてコア断面における楕円の長軸短軸比を設定することが望ましいこととなる。
【００３３】
半導体レーザ１１の出射光をなるべく高い光密度で入射するためには、
θｓｌｏｗ＿ＦＢ＝θｆａｓｔ＿ＦＢ＝光ファイバの最大受光角
として、（１），（２）式よりコア断面の断面形状を決定すれば良い。
【００３４】
光ファイバ１５は、その入射端面部１６から奥方向に向けて、コア断面が楕円から正円に連続的に変化している。このため、入射端面部１６に入射した光は、光ファイバ１５内を伝播するにしたがって、楕円の長軸方向では正円に近づくにつれて径が小さくなるため、広がり角が大きくなる傾向があり、楕円の短軸方向では正円に近づくにつれて径が大きくなるため、広がり角が小さくなる傾向がある。
【００３５】
しかしながら、光ファイバ１５は、コアの側面が楕円の長軸短軸に対して斜めとなっている。このため、コア内で光が複数回反射することによって、前記した広がり角が大きくなる傾向と小さくなる傾向とが相殺され、楕円と正円との面積が一定なら広がり角は変化しない。
【００３６】
これにより、光の広がり角が変化しないまま楕円から正円にビーム径が変換されることが可能となる。この効果により、半導体レーザ１１から出射した光を高効率及び高光密度の状態で、コア断面形状が正円の光ファイバ１５に入射することが可能となる。
【００３７】
図２は、この発明の第２の実施の形態を示している。図２において、図１と同一部分には同一符号を付して説明すると、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した半導体レーザ装置を、光ファイバレーザの励起光入力に用いている。
【００３８】
図２において、符号１７はコア内にレーザ活性物質が添加された光ファイバ、１８は半導体レーザ１１から出射する光（励起光）を透過し、光ファイバ１７で発生するレーザ光を反射する反射素子、１９は光ファイバ１７で発生するレーザ光を一部反射する反射素子である。図２における（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、光ファイバ１５，１７の各箇所における断面形状を示している。
【００３９】
具体的に言えば、例えば、半導体レーザ１１の波長は８３０〜８５０ｎｍ、光ファイバ１７のコア内のレーザ活性物質はＰｒ３＋／Ｙｂ３＋、反射素子１８は８３０〜８５０ｎｍの光を全透過し６３５ｎｍの光を全反射、反射素子１９は６３５ｎｍの光を一部反射する。
【００４０】
半導体レーザ１１から出射された８３０から８５０ｎｍの励起光は、シリンドリカルレンズ１３，１４、光ファイバ１５を介して光ファイバ１７に入射する。この励起光は、光ファイバ１７内のＰｒ３＋／Ｙｂ３＋に吸収され、６３５ｎｍの光を発生する。
【００４１】
発生した６３５ｎｍの光は、反射素子１８と１９との間に形成される共振器により、６３５ｎｍのレーザ光に生成され、反射素子１９側から出力されることになる。光ファイバレーザの励起光には、高出力及び高光密度が必要となり、第１の実施の形態の半導体レーザ装置を利用することで光ファイバレーザを実現することが可能となる。
【００４２】
図３は、この発明の第３の実施の形態を示している。図３において、図２と同一部分には同一符号を付して示している。第２の実施の形態との違いは、入射端面部１６を楕円に加工した光ファイバ１５のコア径と、レーザ活性物質を添加した光ファイバ１７のコア径とが違う点にある。
【００４３】
光ファイバ１５に関しては、楕円加工の容易さによってコア径を決定することが望ましい。例えば、光ファイバ１５にプラスチックファイバを用いれば、プラスチックファイバの端面を加熱した状態で圧力を加えることにより、偏平化（楕円化）することが可能になる。
【００４４】
プラスチックファイバのコア径は、一般に１００μｍ以上である。一方、レーザ活性物質が添加された光ファイバ１７のコア径は、数１００μｍ〜数μｍであり、用途により様々である。
【００４５】
このため、両者のコア径が一致するとは限らない。そこで、この第３の実施の形態では、光ファイバ１５で楕円から正円へのビーム形状の変換を行なった後、レンズ２０を用いて光ファイバ１７のコア径への変換を行なっている。
【００４６】
ここで、光ファイバ１５の入射端面部１６のコアの楕円形状は、長軸短軸比が上記（３）式にしたがうようにするとともに、半導体レーザ１１の出射領域１２の形状と、光ファイバ１５の入射端面部１６のコア楕円形状とが共役関係となるように、シリンドリカルレンズ１３，１４を設定する。
【００４７】
光ファイバレーザの動作としては、第２の実施の形態と同様なので省略する。なお、コア径を変換するための変換手段としては、レンズ２０に限らず、コア径が連続的に変化するテーパファイバ等、他の光学手段を用いても構わない。
【００４８】
図４は、この発明の第４の実施の形態を示している。図４において、図２と同一部分には同一符号を付している。第２の実施の形態との違いは、複数（図４では４つ）の半導体レーザ装置を並列に配置し、各光ファイバ１５を束ねた後、レーザ活性物質を添加光した光ファイバ１７に光を入射する点にある。
【００４９】
第２の実施の形態で示した光ファイバレーザで得られるレーザ光の出力以上の出力が必要となる場合、第２の実施の形態の構成をそのまま複数個配置すると光ファイバ１７、反射素子１８，１９が複数本必要となる。
【００５０】
また、光ファイバレーザの出力を別の光ファイバに光接続する場合、接続する光ファイバも複数本必要となりコストが増加する。このため、複数の光ファイバ１５を束ねた状態で、光ファイバ１７に光接続しコストを低下している。
【００５１】
図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図４の（ａ）部分の断面図を示している。光密度が高い状態で光ファイバ１５を束ねるためには、光ファイバ１５はクラッドの厚みが薄いものを使用することが望ましい。
【００５２】
また、図５（ａ）に示すように、単に束ねるだけでなく、同図（ｂ）〜（ｄ）に示すようにコアが密着し、かつ、光ファイバ１７のコア断面形状と同形状となるように端面部を加工することが望ましい。
【００５３】
密着した状態での各光ファイバ１５の断面形状は、正円から図５（ｂ）〜（ｄ）に示す形状に面積一定のまま連続的に変化していく必要がある。しかしながら、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように整形された状態でなく、同図（ｄ）に示すように外形のみが整形されていれば良いため加工が容易となる。
【００５４】
加工部分と未加工部分とでコア断面積一定のまま連続的に変化しているため、光の広がり角は変化せず、高効率及び高光密度を保ったまま光ファイバ１７への光接続が可能となる。
【００５５】
図６は、この発明の第５の実施の形態を示している。図６において、図３と同一部分には同一符号を付している。この第５の実施の形態は、第３及び第４の実施の形態を組み合わせたものであり、束ねた光ファイバ１５のコア径と、レーザ活性物質を添加した光ファイバ１７のコア径との違いを、レンズ２０で補正している。
【００５６】
なお、上記した各実施の形態においては、光ファイバ１５の入射端面部１６を加工した際、加工部分と未加工部分とで面積が一定になるように説明した。肝要な点は、ビーム形状を変換していることである。
【００５７】
すなわち、面積が一定の場合には、加工部分と未加工部分とで広がり角は一定であるが、面積が一定でない場合には、加工部分と未加工部分との面積比に反比例して広がり角が変化することになる。このため、広がり角を変化させたい、あるいは面積も変化させたい場合には、加工部分と未加工部分とで面積が異なるようにしても良い。
【００５８】
図７は、この発明の第６の実施の形態を示す映像表示装置の構成図である。第６の実施の形態では、第２〜第５の実施の形態の光ファイバレーザを投射型映像表示装置の光源として使用している。
【００５９】
図７において、符号２１，２２，２３は、それぞれ、光ファイバレーザを示している。この光ファイバレーザ２１〜２３では、波長のアップコンバージョンにより赤、緑、青のレーザ光が得られるように、光ファイバ１７に添加するレーザ活性物質や、半導体レーザ１１の発振波長等がそれぞれ設定されている。
【００６０】
また、符号２４，２５，２６は、それぞれ、光ファイバレーザ２１，２２，２３から発生されたレーザ光を出力する光ファイバ、２７はレンズ、２８は映像入力端子、２９は液晶駆動部、３０は液晶パネル、３１は投射レンズ、３２はスクリーンである。
【００６１】
映像表示装置の動作について説明する。すなわち、光ファイバ２４〜２６の端面から出射された光は、レンズ２７にて平行光となり、液晶パネル３０に入射される。
【００６２】
一方、映像信号は、映像入力端子２８から入力され、液晶駆動部２９が映像信号に基づいて液晶パネル３０を駆動する。これにより、液晶パネル３０に入射され光は、映像信号に沿った空間変調が施される。
【００６３】
空間変調された光は、投射レンズ３１を介してスクリーン３２に結像される。投射形映像表示装置の光源には、数Ｗ程度の赤、緑、青の光が必要だが、第２〜第５の実施の形態で示した光ファイバレーザを用いることにより、低コストで実現できる。
【００６４】
以上に述べたように、光ファイバ１５の端面部分のみを連続的に変形させることで任意にビーム形状を変換する。加工部分と未加工部分とが面積一定の場合には、両者で光の広がり角は変化しない。
【００６５】
この特徴を利用して、光ファイバ１５の入射端面部１６を楕円化すれば、半導体レーザ１１から出射される光を、高効率及び高光密度で光ファイバ１５に入射させることが可能となる。また、その出力を通常のコア断面が円形の光ファイバに光接続することが可能となる。
【００６６】
さらに、複数の光ファイバ１５を束ねて、１本の光ファイバ１７に結合する際に、複数本束ねた光ファイバ１５の外形断面と、１本の光ファイバ１７の断面とが同形状になるように、複数本の光ファイバ１５の端面部分を加工することで、両者の光接続が高効率及び高光密度で実現できる。
【００６７】
また、この利点を用いて半導体レーザ１１を励起光に用いた光ファイバレーザを構成し、光ファイバレーザを用いた波長のアップコンバージョンにより高出力の赤、緑、青を発生させ、投射型映像表示装置の光源として利用することが可能となる。
【００６８】
なお、この発明は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることを可能とした半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法を提供することができる。また、この発明によれば、上記した半導体レーザ装置を用いた映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を説明するために示す図。
【図２】この発明の第２の実施の形態を説明するために示す図。
【図３】この発明の第３の実施の形態を説明するために示す図。
【図４】この発明の第４の実施の形態を説明するために示す図。
【図５】同第４の実施の形態における要部を詳細に説明するために示す図。
【図６】この発明の第５の実施の形態を説明するために示す図。
【図７】この発明の第６の実施の形態を説明するために示す図。
【符号の説明】
１１…半導体レーザ、
１２…出射領域、
１３，１４…シリンドリカルレンズ、
１５…光ファイバ、
１６…入射端面部、
１７…光ファイバ、
１８，１９…反射素子、
２０…レンズ、
２１〜２３…光ファイバレーザ、
２４〜２６…光ファイバ、
２７…レンズ、
２８…映像入力端子、
２９…液晶駆動部、
３０…液晶パネル、
３１…投射レンズ、
３２…スクリーン。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザから出射する光を高効率及び高光密度で光ファイバに結合する半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法に関する。また、この発明は、上記の半導体レーザ装置を光源として使用した投射型の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、近年では、例えば液晶プロジェクタ等のような投射型の映像表示装置における光源として、半導体レーザを使用するための開発が盛んに行なわれている。
【０００３】
この種の映像表示装置にあっては、数Ｗ〜１０Ｗもの強い光出力を発生する半導体レーザからの出射光を、ファイバレーザを構成する光ファイバに入射させることにより、高い光密度の可視光を生成して映像表示に利用している。
【０００４】
ところで、半導体レーザは、一般に高出力になるとマルチモードになり、その出射領域が細長い形状となる。例えば、１Ｗを出力する半導体レーザの出射領域は、スロー軸方向が１００μｍ、ファスト軸方向が１μｍとなっている。
【０００５】
また、このような半導体レーザから出射される光は、出射領域面に垂直な光軸に対して、例えば、スロー軸方向に±４°、ファスト軸方向に±２０°の広がり角を持って放出される。
【０００６】
ここで、半導体レーザからの出射光が入射される光ファイバの受光角は、光軸対称となっており、例えば、スロー軸方向とファスト軸方向とが共に同じ２０°になっているとする。
【０００７】
そして、半導体レーザからの出射光を、レンズを介して光ファイバの受光角に合わせた場合、そのビーム径は正弦条件（ビーム径Ｄと広がり角θとの関係、Ｄｓｉｎθ＝一定）にしたがうため、スロー軸方向で４０μｍ、ファスト軸方向で２μｍとなり、ビーム径も細長い形状となる。
【０００８】
光ファイバのコア断面形状は一般に円形なので、このような細長い形状のビーム径を有する光を、全て光ファイバに入射するためには、４０μｍのコア径が必要となる。
【０００９】
これにより、半導体レーザから出射する光を、全て光ファイバに入射することが可能となるが、ファスト軸方向にかなりの余裕をもって入射しているために、入射した光の光密度（入射光パワー／光ファイバコア断面積）は低下する。つまり、光密度が高い状態で光を入射するには、光ファイバのコア断面形状がビーム径と一致していることが望ましいことになる。
【００１０】
特許文献１として提示する米国特許第５６７７９２０号明細書には、光ファイバレーザに使用するダブルクラッドファイバにおいて、励起光を入力する内側クラッドの断面形状を長方形にした例が開示されている。
【００１１】
しかしながら、コア断面が長方形の光ファイバは、製造が非常に困難であるとともに、長方形断面の光ファイバに通常の円形断面の光ファイバを容易に接続することができないという問題が生じている。
【００１２】
また、この特許文献１には、複数の光ファイバの出力を合成して、別の光ファイバに光接続することを考慮して、断面が長方形の複数の光ファイバを重ねて、別の光ファイバに光接続する例も開示されている。
【００１３】
ところが、光ファイバを重ねる際に高度な位置合わせが必要になるとともに、接続先の光ファイバの形状に合わせて長方形形状を設計する必要があり、実用的な構成とは言えないものである。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第５６７７９２０号明細書
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来は、コア断面形状が円形の光ファイバを用いた場合には、マルチモードの半導体レーザから出射した光を高効率及び高光密度で光ファイバに入射させることが困難である。
【００１６】
また、コア断面形状が長方形の光ファイバを用いた場合には、製造が困難であるとともに、通常の円形断面の光ファイバと容易に接続することができないという問題が生じる。
【００１７】
さらに、コア断面形状が長方形の光ファイバを複数本合成し、別の光ファイバに光接続する場合には、接続先の光ファイバに合わせて断面形状を設計する必要があり、実用に不向きとなる。
【００１８】
そこで、この発明は上記事情を考慮してなされたもので、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることを可能とした半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法を提供することを目的とする。また、この発明は、上記した半導体レーザ装置を用いた映像表示装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを備えるようにしたものである。
【００２０】
また、この発明に係る半導体レーザの制御方法は、半導体レーザから出射される光を平行光に変換する工程と、変換された光を、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバに入射させる工程とを備えるようにしたものである。
【００２１】
さらに、この発明に係る映像表示装置は、半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを備える半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置の第１の光ファイバから出射される光を励起する第２の光ファイバと、
この第２の光ファイバによって励起された光を、映像信号に基づいて空間変調する変調手段と、
この変調手段から得られる光出力をスクリーンに投射して表示させる表示手段とを備えるようにしたものである。
【００２２】
上記のような構成及び方法によれば、半導体レーザから出射される光を、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバに入射させるようにしたので、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることが可能となる。これにより、高効率な光源を実現することができることから、映像表示装置の低消費電力化、製造コストの低下を実現することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態で説明する半導体レーザ装置の概略を示している。図１において、符号１１は半導体レーザで、その端面に細長い形状の出射領域１２が形成されている。
【００２４】
この半導体レーザ１１の出射領域１２から出射される光は、シリンドリカルレンズ１３によりファスト軸方向にコリメートされ、シリンドリカルレンズ１４によりスロー軸方向にコリメートされて、光ファイバ１５に入射される。
【００２５】
この光ファイバ１５の入射端面部１６は、その途中の所定位置から端面に向けて、径方向に順次深く潰していくことにより、断面積を一定としたままコア断面形状が楕円形となるように連続的にテーパ状に変化させて形成されている。
【００２６】
例えば、入射端面部１６のコア断面形状が２０×５μｍである場合、テーパ長は１０ｍｍであり、入射端面部１６のコア断面形状が４０×１０μｍである場合、テーパ長は２０ｍｍとなる。
【００２７】
そして、シリンドリカルレンズ１３，１４は、半導体レーザ１１の出射領域１２と、光ファイバ１５の入射端面部１６のコア断面形状とが共役関係となるように設計する。
【００２８】
ここで、入射端面部１６のコア断面形状について説明する。まず、半導体レーザ１１の出射領域１２のスロー軸方向の長さをＤｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向の長さをＤｆａｓｔ＿ＬＤとする。また、半導体レーザ１１の出射光の広がり角を、スロー軸方向でθｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向でθｆａｓｔ＿ＬＤとする。
【００２９】
さらに、光ファイバ１５の入射端面部１６上におけるビーム径を、スロー軸方向でＤｓｌｏｗ＿ＦＢ、ファスト軸方向でＤｆａｓｔ＿ＦＢとし、広がり角をスロー軸方向でθｓｌｏｗ＿ＦＢ、ファスト軸方向でθｆａｓｔ＿ＦＢとする。
【００３０】
すると、正弦条件により、
Ｄｓｌｏｗ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＬＤ）＝Ｄｓｌｏｗ＿ＦＢ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＦＢ）…（１）
Ｄｆａｓｔ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＬＤ）＝Ｄｆａｓｔ＿ＦＢ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＦＢ）…（２）
が成立する。
【００３１】
光ファイバ１５は、受光角が光軸対称であるため、光ファイバ１５に入射する時点で、半導体レーザ１１から出射した光の広がり角が光軸対称になっていることが望ましいことになる。
【００３２】
入射端面部１６で、スロー軸方向の広がり角とファスト軸方向の広がり角とが等しくなるように、シリンドリカルレンズ１３，１４を用いて広がり角を変換すると、θｓｌｏｗ＿ＦＢ＝θｆａｓｔ＿ＦＢより、入射端面部１６でのビーム径のスロー軸方向とファスト軸方向との比は、
Ｄｓｌｏｗ＿ＦＢ／Ｄｆａｓｔ＿ＦＢ
＝［Ｄｓｌｏｗ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＬＤ）］／［Ｄｆａｓｔ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＬＤ）］…（３）
となり、この比に応じてコア断面における楕円の長軸短軸比を設定することが望ましいこととなる。
【００３３】
半導体レーザ１１の出射光をなるべく高い光密度で入射するためには、
θｓｌｏｗ＿ＦＢ＝θｆａｓｔ＿ＦＢ＝光ファイバの最大受光角
として、（１），（２）式よりコア断面の断面形状を決定すれば良い。
【００３４】
光ファイバ１５は、その入射端面部１６から奥方向に向けて、コア断面が楕円から正円に連続的に変化している。このため、入射端面部１６に入射した光は、光ファイバ１５内を伝播するにしたがって、楕円の長軸方向では正円に近づくにつれて径が小さくなるため、広がり角が大きくなる傾向があり、楕円の短軸方向では正円に近づくにつれて径が大きくなるため、広がり角が小さくなる傾向がある。
【００３５】
しかしながら、光ファイバ１５は、コアの側面が楕円の長軸短軸に対して斜めとなっている。このため、コア内で光が複数回反射することによって、前記した広がり角が大きくなる傾向と小さくなる傾向とが相殺され、楕円と正円との面積が一定なら広がり角は変化しない。
【００３６】
これにより、光の広がり角が変化しないまま楕円から正円にビーム径が変換されることが可能となる。この効果により、半導体レーザ１１から出射した光を高効率及び高光密度の状態で、コア断面形状が正円の光ファイバ１５に入射することが可能となる。
【００３７】
図２は、この発明の第２の実施の形態を示している。図２において、図１と同一部分には同一符号を付して説明すると、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した半導体レーザ装置を、光ファイバレーザの励起光入力に用いている。
【００３８】
図２において、符号１７はコア内にレーザ活性物質が添加された光ファイバ、１８は半導体レーザ１１から出射する光（励起光）を透過し、光ファイバ１７で発生するレーザ光を反射する反射素子、１９は光ファイバ１７で発生するレーザ光を一部反射する反射素子である。図２における（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、光ファイバ１５，１７の各箇所における断面形状を示している。
【００３９】
具体的に言えば、例えば、半導体レーザ１１の波長は８３０〜８５０ｎｍ、光ファイバ１７のコア内のレーザ活性物質はＰｒ３＋／Ｙｂ３＋、反射素子１８は８３０〜８５０ｎｍの光を全透過し６３５ｎｍの光を全反射、反射素子１９は６３５ｎｍの光を一部反射する。
【００４０】
半導体レーザ１１から出射された８３０から８５０ｎｍの励起光は、シリンドリカルレンズ１３，１４、光ファイバ１５を介して光ファイバ１７に入射する。この励起光は、光ファイバ１７内のＰｒ３＋／Ｙｂ３＋に吸収され、６３５ｎｍの光を発生する。
【００４１】
発生した６３５ｎｍの光は、反射素子１８と１９との間に形成される共振器により、６３５ｎｍのレーザ光に生成され、反射素子１９側から出力されることになる。光ファイバレーザの励起光には、高出力及び高光密度が必要となり、第１の実施の形態の半導体レーザ装置を利用することで光ファイバレーザを実現することが可能となる。
【００４２】
図３は、この発明の第３の実施の形態を示している。図３において、図２と同一部分には同一符号を付して示している。第２の実施の形態との違いは、入射端面部１６を楕円に加工した光ファイバ１５のコア径と、レーザ活性物質を添加した光ファイバ１７のコア径とが違う点にある。
【００４３】
光ファイバ１５に関しては、楕円加工の容易さによってコア径を決定することが望ましい。例えば、光ファイバ１５にプラスチックファイバを用いれば、プラスチックファイバの端面を加熱した状態で圧力を加えることにより、偏平化（楕円化）することが可能になる。
【００４４】
プラスチックファイバのコア径は、一般に１００μｍ以上である。一方、レーザ活性物質が添加された光ファイバ１７のコア径は、数１００μｍ〜数μｍであり、用途により様々である。
【００４５】
このため、両者のコア径が一致するとは限らない。そこで、この第３の実施の形態では、光ファイバ１５で楕円から正円へのビーム形状の変換を行なった後、レンズ２０を用いて光ファイバ１７のコア径への変換を行なっている。
【００４６】
ここで、光ファイバ１５の入射端面部１６のコアの楕円形状は、長軸短軸比が上記（３）式にしたがうようにするとともに、半導体レーザ１１の出射領域１２の形状と、光ファイバ１５の入射端面部１６のコア楕円形状とが共役関係となるように、シリンドリカルレンズ１３，１４を設定する。
【００４７】
光ファイバレーザの動作としては、第２の実施の形態と同様なので省略する。なお、コア径を変換するための変換手段としては、レンズ２０に限らず、コア径が連続的に変化するテーパファイバ等、他の光学手段を用いても構わない。
【００４８】
図４は、この発明の第４の実施の形態を示している。図４において、図２と同一部分には同一符号を付している。第２の実施の形態との違いは、複数（図４では４つ）の半導体レーザ装置を並列に配置し、各光ファイバ１５を束ねた後、レーザ活性物質を添加光した光ファイバ１７に光を入射する点にある。
【００４９】
第２の実施の形態で示した光ファイバレーザで得られるレーザ光の出力以上の出力が必要となる場合、第２の実施の形態の構成をそのまま複数個配置すると光ファイバ１７、反射素子１８，１９が複数本必要となる。
【００５０】
また、光ファイバレーザの出力を別の光ファイバに光接続する場合、接続する光ファイバも複数本必要となりコストが増加する。このため、複数の光ファイバ１５を束ねた状態で、光ファイバ１７に光接続しコストを低下している。
【００５１】
図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図４の（ａ）部分の断面図を示している。光密度が高い状態で光ファイバ１５を束ねるためには、光ファイバ１５はクラッドの厚みが薄いものを使用することが望ましい。
【００５２】
また、図５（ａ）に示すように、単に束ねるだけでなく、同図（ｂ）〜（ｄ）に示すようにコアが密着し、かつ、光ファイバ１７のコア断面形状と同形状となるように端面部を加工することが望ましい。
【００５３】
密着した状態での各光ファイバ１５の断面形状は、正円から図５（ｂ）〜（ｄ）に示す形状に面積一定のまま連続的に変化していく必要がある。しかしながら、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように整形された状態でなく、同図（ｄ）に示すように外形のみが整形されていれば良いため加工が容易となる。
【００５４】
加工部分と未加工部分とでコア断面積一定のまま連続的に変化しているため、光の広がり角は変化せず、高効率及び高光密度を保ったまま光ファイバ１７への光接続が可能となる。
【００５５】
図６は、この発明の第５の実施の形態を示している。図６において、図３と同一部分には同一符号を付している。この第５の実施の形態は、第３及び第４の実施の形態を組み合わせたものであり、束ねた光ファイバ１５のコア径と、レーザ活性物質を添加した光ファイバ１７のコア径との違いを、レンズ２０で補正している。
【００５６】
なお、上記した各実施の形態においては、光ファイバ１５の入射端面部１６を加工した際、加工部分と未加工部分とで面積が一定になるように説明した。肝要な点は、ビーム形状を変換していることである。
【００５７】
すなわち、面積が一定の場合には、加工部分と未加工部分とで広がり角は一定であるが、面積が一定でない場合には、加工部分と未加工部分との面積比に反比例して広がり角が変化することになる。このため、広がり角を変化させたい、あるいは面積も変化させたい場合には、加工部分と未加工部分とで面積が異なるようにしても良い。
【００５８】
図７は、この発明の第６の実施の形態を示す映像表示装置の構成図である。第６の実施の形態では、第２〜第５の実施の形態の光ファイバレーザを投射型映像表示装置の光源として使用している。
【００５９】
図７において、符号２１，２２，２３は、それぞれ、光ファイバレーザを示している。この光ファイバレーザ２１〜２３では、波長のアップコンバージョンにより赤、緑、青のレーザ光が得られるように、光ファイバ１７に添加するレーザ活性物質や、半導体レーザ１１の発振波長等がそれぞれ設定されている。
【００６０】
また、符号２４，２５，２６は、それぞれ、光ファイバレーザ２１，２２，２３から発生されたレーザ光を出力する光ファイバ、２７はレンズ、２８は映像入力端子、２９は液晶駆動部、３０は液晶パネル、３１は投射レンズ、３２はスクリーンである。
【００６１】
映像表示装置の動作について説明する。すなわち、光ファイバ２４〜２６の端面から出射された光は、レンズ２７にて平行光となり、液晶パネル３０に入射される。
【００６２】
一方、映像信号は、映像入力端子２８から入力され、液晶駆動部２９が映像信号に基づいて液晶パネル３０を駆動する。これにより、液晶パネル３０に入射され光は、映像信号に沿った空間変調が施される。
【００６３】
空間変調された光は、投射レンズ３１を介してスクリーン３２に結像される。投射形映像表示装置の光源には、数Ｗ程度の赤、緑、青の光が必要だが、第２〜第５の実施の形態で示した光ファイバレーザを用いることにより、低コストで実現できる。
【００６４】
以上に述べたように、光ファイバ１５の端面部分のみを連続的に変形させることで任意にビーム形状を変換する。加工部分と未加工部分とが面積一定の場合には、両者で光の広がり角は変化しない。
【００６５】
この特徴を利用して、光ファイバ１５の入射端面部１６を楕円化すれば、半導体レーザ１１から出射される光を、高効率及び高光密度で光ファイバ１５に入射させることが可能となる。また、その出力を通常のコア断面が円形の光ファイバに光接続することが可能となる。
【００６６】
さらに、複数の光ファイバ１５を束ねて、１本の光ファイバ１７に結合する際に、複数本束ねた光ファイバ１５の外形断面と、１本の光ファイバ１７の断面とが同形状になるように、複数本の光ファイバ１５の端面部分を加工することで、両者の光接続が高効率及び高光密度で実現できる。
【００６７】
また、この利点を用いて半導体レーザ１１を励起光に用いた光ファイバレーザを構成し、光ファイバレーザを用いた波長のアップコンバージョンにより高出力の赤、緑、青を発生させ、投射型映像表示装置の光源として利用することが可能となる。
【００６８】
なお、この発明は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、簡易な構成で半導体レーザからの出射光を高効率及び高光密度で光ファイバに容易に入射させることを可能とした半導体レーザ装置、半導体レーザの制御方法を提供することができる。また、この発明によれば、上記した半導体レーザ装置を用いた映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を説明するために示す図。
【図２】この発明の第２の実施の形態を説明するために示す図。
【図３】この発明の第３の実施の形態を説明するために示す図。
【図４】この発明の第４の実施の形態を説明するために示す図。
【図５】同第４の実施の形態における要部を詳細に説明するために示す図。
【図６】この発明の第５の実施の形態を説明するために示す図。
【図７】この発明の第６の実施の形態を説明するために示す図。
【符号の説明】
１１…半導体レーザ、
１２…出射領域、
１３，１４…シリンドリカルレンズ、
１５…光ファイバ、
１６…入射端面部、
１７…光ファイバ、
１８，１９…反射素子、
２０…レンズ、
２１〜２３…光ファイバレーザ、
２４〜２６…光ファイバ、
２７…レンズ、
２８…映像入力端子、
２９…液晶駆動部、
３０…液晶パネル、
３１…投射レンズ、
３２…スクリーン。
Claims (13)
- 半導体レーザと、
この半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、
この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から前記入射端面に向けて、断面積を一定としたままで前記入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを具備してなることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記第１の光ファイバは、途中の所定位置から前記入射端面に向けて、径方向に順次深くなるように潰されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
- 前記光学手段は、前記半導体レーザの出射領域と、前記第１の光ファイバの入射端面におけるコア形状とを共役関係とするように設定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザの出射領域のスロー軸方向の長さをＤｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向の長さをＤｆａｓｔ＿ＬＤとし、前記半導体レーザの出射光の広がり角を、スロー軸方向でθｓｌｏｗ＿ＬＤ、ファスト軸方向でθｆａｓｔ＿ＬＤとしたとき、
前記第１の光ファイバは、その入射端面における長軸／短軸比を、
Ｄｓｌｏｗ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｓｌｏｗ＿ＬＤ）／Ｄｆａｓｔ＿ＬＤ・ｓｉｎ（θｆａｓｔ＿ＬＤ）
に設定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。 - 前記第１の光ファイバを通過して出射される光を、コア内にレーザ活性物質を添加した第２の光ファイバに入射させることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとのコア径が異なる場合、前記第１の光ファイバを通過して出射される光を、前記第２の光ファイバのコア径に対応するように変換する変換手段を備えることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ装置。
- 複数の半導体レーザと、
この複数の半導体レーザから出射される光が一端部にそれぞれ入射され、他端部が束ねられた複数の第１の光ファイバと、
この複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部から出射される光がまとめて入射される第２の光ファイバとを具備し、
前記複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部のコア断面形状を、前記第２の光ファイバのコア断面形状に対応させるようにしたことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部と前記第２の光ファイバとのコア径が異なる場合、前記複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部から出射される光を、前記第２の光ファイバのコア径に対応するように変換する変換手段を備えることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ装置。
- 半導体レーザから出射される光を平行光に変換する工程と、変換された光を、途中の所定位置から入射端面に向けて、断面積を一定としたままで前記入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバに入射させる工程とを具備してなることを特徴とする半導体レーザの制御方法。
- 前記第１の光ファイバを通過して出射される光を、コア内にレーザ活性物質を添加した第２の光ファイバに入射させる工程を備えることを特徴とする請求項９記載の半導体レーザの制御方法。
- 前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとのコア径が異なる場合、前記第１の光ファイバを通過して出射される光を、前記第２の光ファイバのコア径に対応するように変換する工程を備えることを特徴とする請求項１０記載の半導体レーザの制御方法。
- 半導体レーザから出射される光を平行光に変換する光学手段と、この光学手段を通過した光を入射する入射端面を有し、途中の所定位置から前記入射端面に向けて、断面積を一定としたままで前記入射端面におけるコア形状が楕円形となるように連続的に変化させた第１の光ファイバとを備える半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置の第１の光ファイバから出射される光を励起する第２の光ファイバと、
この第２の光ファイバによって励起された光を、映像信号に基づいて空間変調する変調手段と、
この変調手段から得られる光出力をスクリーンに投射して表示させる表示手段とを具備してなることを特徴とする映像表示装置。 - 複数の半導体レーザから出射される光が一端部にそれぞれ入射され、他端部が束ねられた複数の第１の光ファイバと、この複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部から出射される光がまとめて入射される第２の光ファイバとを備え、前記複数の第１の光ファイバの束ねられた他端部のコア断面形状を、前記第２の光ファイバのコア断面形状に対応させるようにした半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置の第２の光ファイバから出射される光を、映像信号に基づいて空間変調する変調手段と、
この変調手段から得られる光出力をスクリーンに投射して表示させる表示手段とを具備してなることを特徴とする映像表示装置。
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