JP2004186233A

JP2004186233A - 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

Info

Publication number: JP2004186233A
Application number: JP2002348709A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Okano; 英明岡野; Toru Sugiyama; 徹杉山; Akitaka Yamada; 明孝山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-07-02
Also published as: US20040164309A1

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成で半導体レーザを外部共振動作させることができ、出射光を集光して光ファイバへの入射効率を高め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から出射される光のうち、スロー軸（ｘ軸）方向にｚ軸に対して所定の角度θｘで出射される光を、平面鏡１５により半導体レーザ１１に戻すようにしている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部共振器型の半導体レーザ装置、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】
ところが、投射型映像表示装置の光源として半導体レーザを使用する技術は、まだまだ開発途上にある段階であり、種々の点で十分に実用に適し得るレベルにまで達しているとは言えないのが現状である。
【０００４】
すなわち、この種の光源に使用される端面発光型の半導体レーザは、高出力で扱い易くまた低価格であることから様々な分野で用いられており、例えば、材料加工や固体レーザの励起光源としてなくてはならないものとなっている。
【０００５】
しかしながら、光源として数Ｗ〜１０Ｗもの光出力の発生が要求される半導体レーザの光出射領域の形状は、その構造上、非常に細長くなっており、アスペクト比が５０：１から５００：１程度にまで及んでいる。
【０００６】
このため、光出射領域から放出される光ビームの品質は、その放射方向に応じて大きくばらつくことになる。一般に、ｐｎ接合面に対して垂直な方向（以下、ファスト軸方向という）は、ほぼ基本モードである。
【０００７】
ところが、ｐｎ接合面に対して平行な方向（以下、スロー軸方向という）は、導波層が幅広なため多数のモードが発振する。このため、スロー軸方向に放射される光ビームの品質は、ファスト軸方向に放射される光ビームの品質に比べて、数十倍悪化している。
【０００８】
ここで、半導体レーザから出射された光は、ファイバレーザに入射される。このファイバレーザは、光ファイバのコア部にレーザ媒質をドープし、入射されたレーザ光を用いて、光ファイバ内でレーザ発振を行なうものである。
【０００９】
すなわち、レーザ発振による励起光を光ファイバのコア部に集光していくことにより、高い光密度をもつ可視光を生成しているもので、この可視光が映像表示に利用されることになる。
【００１０】
しかしながら、上記したように、スロー軸方向に放射される光ビームの品質が極端に悪い半導体レーザでは、その出射光を集光することが困難になる。その結果、半導体レーザからの出射光を、細径な光ファイバのコア部に効率良く入射させることが困難になるという問題が生じている。
【００１１】
なお、非特許文献１として提示した“ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ”には、レーザダイオードからの出射光の一部を、反射鏡によってレーザダイオードに戻すことにより外部共振器を構成し、出射光を集光させる技術が開示されている。
【００１２】
しかしながら、この非特許文献１に開示された技術では、レーザダイオードから所定の広がり角をもって出射された光を、平行光に変換するためのレンズを必要とするので、部品点数が多くなり十分に実用に適する構成とは言えないものである。
【００１３】
【非特許文献１】
“ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ”、２００２年２月１日、Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３、ｐ．１６７−１６９
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
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を外部共振動作させることができ、出射光を集光して光ファイバへの入射効率を高め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。
【００１５】
【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のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、半導体レーザに戻す反射手段とを備えるようにしたものである。
【００１６】
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のファスト軸方向の広がりを制御する工程と、制御された光のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、半導体レーザに戻す工程とを備えるようにしたものである。
【００１７】
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のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、半導体レーザに戻す反射手段を備えた半導体レーザ装置と、この半導体レーザ装置から出射される光が入射されることにより励起される光ファイバと、こ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。
【００１８】
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のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、半導体レーザに戻すようにしているので、簡易な構成で半導体レーザを外部共振動作させることができ、出射光を集光して光ファイバへの入射効率を高め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。
【００１９】
【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、こ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は半導体レーザである。
【００２０】
この半導体レーザ１１としては、その光出射端面１２に露出された光出射領域１３（図１では図示せず）が、図２（ａ）に示すように１つの活性層１３ａで構成される、いわゆる、シングルストライプのマルチモード発振型のものが使用される。
【００２１】
ただし、この半導体レーザ１１としては、その光出射領域１３が、図２（ｂ）に示すように複数の活性層１３ａで構成される、いわゆる、マルチストライプのマルチモード発振型のものでもよいことはもちろんである。
【００２２】
そして、この半導体レーザ１１の光出射領域１３は、そのスロー軸方向が２００μｍ、ファスト軸方向が１．５μｍに形成されている。また、この光出射端面１２は、光反射率が３％以下となるようにＡＲコートが施されている。
【００２３】
ここで、以下の説明において、上記光出射端面１２に垂直となる方向をｚ軸、上記光出射領域１３のスロー軸方向をｘ軸、光出射領域１３のファスト軸方向をｙ軸と定義する。
【００２４】
上記光出射領域１３から放射された光は、コリメートレンズ１４によりｙ軸方向にコリメートされる。このコリメートレンズ１４としては、例えば、ｙ軸方向にのみ屈折力を持つロッドレンズやシリンドリカルレンズ等が使用される。
【００２５】
そして、このコリメートレンズ１４を通過した光は、そのｘ軸方向にｚ軸に対して所定の角度で広がる一部が、反射手段としての平面鏡１５で反射され、光出射領域１３に戻されることにより外部共振動作が行なわれる。
【００２６】
これにより、光出射領域１３からは、先に出射され平面鏡１５で反射された光の方向ｖに対し、ｚ軸を挟んで光軸対称となる方向ｗに、外部共振動作により集光された光が出射される。
【００２７】
図３は、上記半導体レーザ１１の光出射領域１３と平面鏡１５との位置関係を詳細に示している。すなわち、半導体レーザ１１の光出射端面１２から、距離Ｌだけ離間させて平面鏡１５が設置される。
【００２８】
この場合、平面鏡１５は、光出射領域１３から、ｘ軸方向でｚ軸に対して一方側に所定の角度θｘ（この角度θｘについては後述する）で出射された光が、垂直に入射されるように配置されている。
【００２９】
ここで、半導体レーザ１１が通常の発振動作を行なった場合、その光出射領域１３から出射される光は、多モード発振のため、ｘ軸方向にｚ軸に対して半角で数度程度の広がり角をもっている。
【００３０】
図４（ａ）は、光出射領域１３から出射される光の、ｘ軸（スロー軸）方向の広がり角特性を示している。ｚ軸に対するｘ軸方向の広がり角度が半角で４°もある上、±４°付近に光強度の最も高い光が出射されている。
【００３１】
このため、先に述べたように、光出射領域１３のｘ軸方向の長さが２００μｍであり、広がり角度が半角で４°もある光を、コア径が２０μｍ、開口数が０．３の光ファイバに入射する場合、その入射効率は、
２０×０．３／２００×ｓｉｎ４°＝０．４３
となり、４３％の入射効率が理論的な限界となって、半分以上の出射光が光ファイバに入射されないことになる。
【００３２】
そこで、図３に示す構成において、角度θｘを−４°とするように平面鏡１５を設置すれば、光出射領域１３から出射される光のうち、光強度の最も高い部分を光出射領域１３に戻す状態で、外部共振動作が行なわれることになる。
【００３３】
そして、この外部共振動作により集光された光は、先に光出射領域１３から平面鏡１５に対して垂直に出射された光に対して、ｚ軸対称となるほぼｘ軸方向に＋４度の角度で出射される。
【００３４】
ここで、平面鏡１５で反射され光出射領域１３に戻ることによって、外部共振動作に供することのできる光は、光出射領域１３から出射される際の角度によって制限される。
【００３５】
つまり、光出射領域１３のｘ軸（スロー軸）方向の長さをｄとすると、その一方の端部１３ｂから平面鏡１５に対して垂直に出射される光Ｓ１と、光出射領域１３の一方の端部１３ｂから、平面鏡１５で反射された後、他方の端部１３ｃに戻るように出射される光Ｓ２とのなす角θの範囲内となる。
【００３６】
この角度θは、ｄ≪Ｌであることを考慮すると、
θ＝ｔａｎ^−１［（ｄ／２）／Ｌ］
となる。
【００３７】
つまり、光出射領域１３から出射される光のうち、外部共振動作により増幅される可能性のある光は、平面鏡１５に対して垂直に出射される光に対して、上式で示される角度θまでの広がり角をもつものとなる。例えば、ｄ＝２００μｍ、Ｌ＝５ｍｍの場合、θ＝１．１５°となる。
【００３８】
このため、外部共振動作で半導体レーザ１１により増幅されたレーザ光は、広がり角がθ以下に抑えられて、平面鏡１５の光軸中心に対してｚ軸対称となる方向ｗに出射される。
【００３９】
図４（ｂ）は、スロー軸方向の長さが２００μｍの光出射領域１３に対して、上記平面鏡１５による外部共振動作を行なわせた場合の、出射光のスロー軸方向の広がり角特性を示している。
【００４０】
図４（ａ）に示した広がり角特性と比較して、４°以上ある広がり角が１°以下に抑えられる。例えば、この光出力を上記した光ファイバに入射させる場合、その入射効率は、
２０×０．３／２００×ｓｉｎ１°＞１
となり、原理的には全出射光を光ファイバに入射させることが可能となる。
【００４１】
上記した実施の形態において、光出射領域１３からの出射光を反射させる手段として平面鏡１５を使用したが、これは、凹面鏡または凸面鏡を使用しても同様な効果を得ることができる。また、上記角度θｘは−４°に限られるものでないことはもちろんである。
【００４２】
平面鏡１５を使用した場合、スロー軸方向の広がり角度の制限は、光出射端面１２からの距離Ｌで決まるが、凹面鏡または凸面鏡を使用することで、それらの曲率半径により制御することが可能となる。すなわち、距離Ｌに何らかの制限がある場合、曲率半径を最適にすることにより、距離Ｌに無関係に広がり角を制御することができる。
【００４３】
図５は、上記した半導体レーザ装置を用いたファイバレーザの一例を示している。図５において、符号１６はコリメートレンズで、半導体レーザ１１から出射するレーザ光をｘ軸方向にのみコリメートするものである。
【００４４】
また、図５において、符号１７は集光レンズで、コリメートレンズ１６によってコリメートされたレーザ光を集光し、光ファイバ１８に入射させている。この光ファイバ１８は、そのコア部に半導体レーザ１１からの出射光を励起光とするレーザ媒質が添加されている。
【００４５】
上述したように、平面鏡１５を用いて半導体レーザ１１を外部共振させると、平面鏡１５の光軸中心に対して対称な方向にビーム品質のよい、広がり角の抑えられた光ビームを得ることができる。
【００４６】
この光ビームは、コリメートレンズ１４によりｙ軸方向にのみコリメートされているが、さらにコリメートレンズ１６によりｘ軸方向にもコリメートされて、集光レンズ１７に入射される。そして、集光レンズ１７により光ファイバ１８のコア端面上に集光される。
【００４７】
この場合、上記したように、ほとんどのレーザ光が光ファイバ１８に入射される。このように効率良く入射したレーザ光は、光ファイバ１８内のレーザ媒質を励起し、発振を得る。
【００４８】
このように、上記した半導体レーザ装置を用いることにより、高効率なファイバレーザを得ることができる。特に、アップコンバージョンを利用して、赤外光から可視光のレーザ光を得るようなファイバレーザでは、高い励起光密度が必要であるが、この実施の形態によれば、高効率なアップコンバージョンファイバレーザが実現可能となる。
【００４９】
図６は、図５に示したファイバーレーザを用いた映像表示装置として、液晶プロジェクションＴＶ（Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）受信機の一例を示している。すなわち、図６において、符号１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂは、それぞれ、Ｒ（Ｒｅｄ），Ｇ（Ｇｒｅｅｎ），Ｂ（Ｂｌｕｅ）の出射光を得るためのファイバレーザである。
【００５０】
これらファイバレーザ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂは、それぞれ、図５に示したものと同様な構成となっている。このため、図６では、内部の各構成要素に、図５に付した番号にＲ，Ｇ，Ｂの添字を付して示している。
【００５１】
なお、各ファイバレーザ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂにおいては、それぞれ、Ｒ，Ｇ，Ｂの光出力が得られるように、光ファイバ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂに添加する希土類や、半導体レーザ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの発振波長等が設定されている。
【００５２】
例えば、光ファイバ１８Ｒ，１８Ｇには、希土類としてＰｒ^３＋，Ｙｂ^３＋等が使用され、光ファイバ１８Ｂには、希土類としてＴｍ^３＋等が使用されている。
【００５３】
そして、各ファイバレーザ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂから得られるＲ，Ｇ，Ｂ光は、それぞれの光に対応して設置された、空間変調手段を構成する液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに入射される。
【００５４】
一方、アンテナ２１で受信したテレビジョン放送信号は、チューナ２２で選局され、信号処理部２３で復調された映像信号が、ドライバ２４を介して、各液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに入射される。
【００５５】
これにより、各液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに入射されたＲ，Ｇ，Ｂ光は、それぞれ、映像信号によって空間変調を受け、ダイクロイックプリズム２５等の合成手段によって合成される。
【００５６】
そして、この合成光が、投射レンズ２６を介してスクリーン２７に拡大投射されることにより、テレビジョン放送の映像が表示されることになる。
【００５７】
図７は、図５に示したファイバーレーザを用いた映像表示装置の他の例を示している。図７において、図６と同一部分には同一符号を付して説明すると、各ファイバレーザ１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂから得られるＲ，Ｇ，Ｂ光を１つにまとめて巨視的（全体的）に見た場合の白色光を生成する。
【００５８】
そして、この白色光が、カラーフィルタ付きの液晶パネル２８に入射され、映像信号による空間変調が施された後、投射レンズ２６を介してスクリーン２７に拡大投射される。
【００５９】
上記したような映像表示装置によれば、高効率な光源を実現することができることから、低消費電力、製造コストの低下を促進させることが可能となる。
【００６０】
なお、この発明は上記した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。
【００６１】
【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を外部共振動作させることができ、出射光を集光して光ファイバへの入射効率を高め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】この発明の実施の形態を示すもので、半導体レーザ装置を説明するために示す概略図。
【図２】同実施の形態における半導体レーザのシングルストライプタイプとマルチストライプタイプとを説明するために示す図。
【図３】同実施の形態における半導体レーザと平面鏡との位置関係を詳細に説明するために示す図。
【図４】同実施の形態における半導体レーザの出射光のスロー軸方向の広がり角特性を説明するために示す図。
【図５】同実施の形態における半導体レーザ装置を用いたファイバレーザの構成を説明するために示す図。
【図６】同実施の形態におけるファイバレーザを用いた映像表示装置の一例を説明するために示す図。
【図７】同実施の形態におけるファイバレーザを用いた映像表示装置の他の例を説明するために示す図。
【符号の説明】
１１…半導体レーザ、
１２…光出射端面、
１３…光出射領域、
１４…コリメートレンズ、
１５…平面鏡、
１６…コリメートレンズ、
１７…集光レンズ、
１８…光ファイバ、
１９…ファイバレーザ、
２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ…液晶パネル、
２１…アンテナ、
２２…チューナ、
２３…信号処理部、
２４…ドライバ、
２５…ダイクロイックプリズム、
２６…投射レンズ、
２７…スクリーン。

Claims

半導体レーザと、
この半導体レーザから出射される光のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、前記半導体レーザに戻す反射手段とを具備してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記反射手段は、平面鏡であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記反射手段は、凹面鏡または凸面鏡であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザから出射される光のファスト軸方向の広がりを制御する光学手段を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザは、シングルストライプのマルチモード発振半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記反射手段による外部共振動作で光強度が増幅された前記半導体レーザからの出射光を集光する集光手段と、
この集光手段で集光された光が入射される光ファイバとを具備してなることを特徴とする請求項１記載のファイバレーザ。
半導体レーザから出射される光のファスト軸方向の広がりを制御する工程と、
制御された光のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、前記半導体レーザに戻す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。
光が前記半導体レーザに戻されることによる外部共振動作で光強度が増幅された前記半導体レーザからの出射光を集光して光ファイバに入射する工程を具備してなることを特徴とする請求項７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のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、前記半導体レーザに戻す反射手段を備えた半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置から出射される光が入射されることにより励起される光ファイバと、
こ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。
前記半導体レーザ装置、前記光ファイバ及び前記変調手段は、Ｒ，Ｇ，Ｂ光にそれぞれ対応して設置され、前記表示手段は、Ｒ，Ｇ，Ｂ光に対応する各変調手段からの光出力を合成して前記スクリーンに投射することを特徴とする請求項９記載の映像表示装置。
前記半導体レーザ装置及び前記光ファイバは、Ｒ，Ｇ，Ｂ光にそれぞれ対応して設置され、前記変調手段は、Ｒ，Ｇ，Ｂ光に対応する各光ファイバの出力光をまとめた白色光を空間変調することを特徴とする請求項９記載の映像表示装置。
受信したテレビジョン放送信号を選局するチューナと、このチューナで選局されたテレビジョン放送信号から映像信号を復調する信号処理手段と、
半導体レーザから出射される光のうち、スロー軸方向に所定の角度範囲で出射される光を、前記半導体レーザに戻す反射手段を備えた半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置から出射される光が入射されることにより励起される光ファイバと、
この光ファイバによって励起された光を、前記信号処理手段から出力される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プロジェクションＴＶ受信装置。