JP2010507251A

JP2010507251A - 半導体レーザの波長制御

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Publication number: JP2010507251A
Application number: JP2009533317A
Authority: JP
Inventors: バティア，ヴィクラム; ゴルリエ，ジャック; エイチフゥ，マーティン; エイロエバー，デイヴィッド; オーリッケッツ，ダニエル; ザー，チュン−エン
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2010-03-04
Also published as: KR20090081399A; TW200838070A; EP2084795A2; WO2008048475A2; US20080089373A1; CN101523674B; US7483458B2; CN101523674A; WO2008048475A3

Abstract

【課題】半導体レーザを備えるレーザ走査型システムにおける半導体レーザの波長変動を制御する。
【解決手段】半導体レーザのレーザ波長変動を最小限に抑える方法が提供される。この方法によれば、１つ以上のレーザ駆動電流が駆動部分及び波長回生部分を含むように構成される。駆動電流の波長回生部分は駆動振幅Ｉ_Ｄとは異なる回生振幅Ｉ_Ｒ及び駆動継続時間ｔ_Ｄより短い回生継続時間ｔ_Ｒを有する。回生振幅Ｉ_Ｒ及び継続時間ｔ_Ｒは回生の前に利得圧縮効果により変形されたキャリア密度分布を回復するに十分である。他の実施形態も開示され、特許請求される。

Description

本発明は、全般的には半導体レーザに関し、さらに詳しくは、半導体レーザのレーザキャビティ内の光子密度を制御することによるレーザ波長変動を最小限に抑えるための方式に関する。本発明は、本発明にしたがう波長制御方式を組み込んでいるレーザコントローラ及びレーザ映写システムにも関する。

本発明の課題は、半導体レーザを備えるレーザ走査型システムにおける半導体レーザの波長変動を制御する手段を提供することである。

本発明は全般的に、様々な態様で構成することができる、半導体レーザに関する。限定ではなく、例示及び説明として、分布帰還（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザまたはファブリ・ペロレーザのような単一波長半導体レーザを二次高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような光波長変換デバイスと組み合わせることで高速変調のための短波長源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば１０６０ｎｍのＤＢＲレーザまたはＤＦＢレーザを、その波長を５３０ｎｍに変換する、ＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調させることにより、基本レーザ信号の高次高調波を発生するように構成することができる。しかし、ＭｇＯドープ周期分極化ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）のようなＳＨＧ結晶の波長変換効率はレーザダイオードとＳＨＧデバイスの間の波長整合に強く依存する。レーザ設計に堪能な技術者には当然であろうように、ＤＦＢレーザは、反射媒体として半導体材料にエッチングでつくり込まれた格子または同様の構造を用いる共振キャビティレーザである。ＤＢＲレーザは、エッチングでつくり込まれた格子が半導体レーザの電子ポンピング領域から物理的に分離されているレーザである。ＳＨＧ結晶は非線形結晶の二次高調波発生特性を用いてレーザ光の周波数を２逓倍する。

ＰＰＬＮＳＨＧデバイスの帯域幅は非常に狭いことが多い−代表的なＰＰＬＮＳＨＧ波長変換デバイスについて、半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅は、０.１６〜０.２ｎｍの範囲でしかなく、結晶の長さにほぼ依存する。レーザキャビティ内のモードホッピング及び制御されない大きな波長変動により、動作中、この許容帯域幅の外への半導体レーザの出力波長のシフトがおこり得る。半導体レーザ波長がＰＰＬＮＳＨＧデバイスの波長変換帯域幅の外側にずれてしまうと、目標波長における変換デバイスの出力パワーは激烈に低下する。特に、レーザ映写システムにおいて、モードホッピングは、画像の特定の位置における欠陥として容易に目につくであろうパワーの瞬時変化を生じさせ得るから、特に問題となる。

半導体レーザ源開発における波長の整合及び安定化にともなう課題を与えられて、本発明の発明者等は、レーザキャビティ内の光子密度を制御するための潜在的に有益な方式を認識した。

例えば、発明者等は、本発明の概念は主にＤＢＲレーザに関して説明されるが、本明細書に論じられる制御方式が、ＤＦＢレーザ、ファブリ・ペロレーザ及び多くのタイプの外部キャビティレーザを含むがこれらには限定されない、様々なタイプの半導体レーザにも有用であろうと考えられることを認識した。二次高調波発生がレーザ源に用いられるか否かに関わらず、本発明は全般的にレーザ源の波長安定化に関することにも注意されたい。

本発明の一実施形態にしたがえば、半導体レーザのレーザ波長変動を最小限に抑える方法が提供される。本方法にしたがえば、１つ以上のレーザ駆動電流が駆動部分及び波長回生部分を有するように構成される。駆動電流の波長回生部分は駆動振幅Ｉ_Ｄとは異なる回生振幅Ｉ_Ｒ及び駆動継続時間ｔ_Ｄより短い回生継続時間ｔ_Ｒを有する。回生振幅Ｉ_Ｒ及び回生継続時間ｔ_Ｒは、回生の前に利得圧縮効果によって変形された所望のキャリア密度分布を回復するに十分である。限定ではなく、例として、利得圧縮効果はレーザキャビティ内のスペクトルホールバーニング及び空間的ホールバーニングの結果としておこり得ると考えられる。得られる、駆動部分及び波長回生部分を有する駆動電流は、レーザを動作させるために用いられる。キャリア密度分布の回復により、大波長ドリフト、異常波長モードホッピング及びヒステリシスのような、不利な現象のいくつかが排除される。

図１は光波長変換デバイスに光結合されたＤＢＲ型または同様のタイプの半導体レーザの略図である。図２は本発明にしたがうレーザ映写システムの略図である。図３はＤＢＲレーザにおける発光波長の変遷を利得電流の関数として示す。図４はＤＢＲレーザにおける発光波長の変遷を利得電流の関数として示す。図５は本発明の一実施形態にしたがうレーザ波長を制御するための方式を示す。図６は図５に示される制御方式の別の図である。図７は本発明の別の実施形態にしたがうレーザ波長を制御するための方式を示す。図８は図７の制御方式の別の図である。

本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。

本発明の概念を組み込むことができる様々なタイプの半導体レーザの特定の構造は、容易に入手できる、半導体レーザの設計及び作成に関する技術文献に教示されるが、本発明の概念は、図１に簡略に示される３区画ＤＢＲ型半導体レーザ１０を全般的に参照することで簡便に示すことができる。図１において、ＤＢＲレーザ１０は光波長変換デバイス２０に光結合されている。半導体レーザ１０から放射された光ビームは波長変換デバイス２０の導波路に、直接に結合させることができ、あるいはコリメート／集束光学系または何か他の適するタイプの光学素子または光学系を介して結合させることができる。波長変換デバイス２０は入射光を高次高調波に変換し、変換された信号を出力する。このタイプの構成は、長波長半導体レーザからの短波長レーザビームの発生に特に有用であり、例えば、レーザ映写システムのための可視レーザ源として用いることができる。

図１に簡略に示されているＤＢＲレーザ１０は、波長選択区画１２，位相整合区画１４及び利得区画１６を有する。レーザ１０のＤＢＲ区画とも称することができる波長選択区画１２は一般にレーザキャビティの活性領域の外部に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、その反射係数が波長に依存するミラーとして格子がはたらくから、波長選択を提供する。ＤＢＲレーザ１０の利得区画１６はレーザの光利得の大半を提供し、位相整合区画１４は利得区画１６の利得材料と波長選択区画１２の反射性材料の間に可調位相シフトを生じさせる。波長選択区画１２は、ブラッグ格子の使用の有無にかかわらない、多くの適する別の構成で提供することができる。

波長選択区画１２，位相整合区画１４，利得区画１６、またはこれらの組合せに、それぞれの制御電極２，４，６が組み込まれるが、図１には簡略にしか示されていない。電極２，４，６は様々な形態をとることができ、一般に、レーザ基板に定められた対応する導電性ドープ半導体領域と協働すると考えられる。例えば、制御電極２，４，６はそれぞれ電極対として図１に示されるが、区画１２，１４，１６の内の１つ以上における単電極素子２，４，６も本発明の実施に適するであろうと考えられる。

図１に示される波長変換デバイス２０の波長変換効率は、半導体レーザ１０と波長変換デバイス２０の間の波長整合に依存する。波長変換デバイス２０内で発生する高次高調光波の出力パワーは、レーザ１０の出力波長が波長変換デバイス２０の波長変換帯域幅から外れると、激烈に低下する。例えば、半導体レーザがデータ形成のために変調されると、熱負荷が絶え間なく変化する。この結果のレーザ温度及びレーザ発振波長の変化により、ＳＨＧ結晶２０の効率の変動が生じる。１２ｍｍ長ＰＰＬＮＳＨＧデバイスの形態の波長変換デバイス２０の場合、半導体レーザ１０の約２℃の温度変化は一般にレーザ１０の出力波長を波長変換デバイス２０の０.１６ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅の外に出すに十分であろう。本発明はレーザ波長変動を許容レベルに制限することによってこの問題に対処する。

発明者等は、半導体レーザは普通、波長ドリフト及び付随するキャビティモードホッピングを受けるから、半導体レーザの発光波長の安定化における難題を認識していた。限定ではなく、例として、図３は、任意単位で示される、発光波長λの変遷をＤＢＲレーザにおける、同じく任意単位で示される、利得電流Ｉの関数として示す。利得電流が増加すると、利得区画の温度も上がる。この結果、キャビティモードは長波長側にシフトする。キャビティモードの波長はＤＢＲ区画の波長より速くシフトする。よって、レーザは短波長のキャビティモードがＤＢＲ反射率曲線の最大値に近接する時点に達する。この時点において、短波長のモードは確立されたモードより低い損失を有し、レーザはレーザ物理の基本原理にしたがって損失がより低いモードに自動的にジャンプする。この挙動が図３の曲線１００に示されている。図３に示されるように、波長は緩やかに長くなり、その振幅がレーザキャビティの一自走スペクトル範囲に等しい、急激なモードホッピングを含む。そのような単モードホッピングは必ずしも重大な問題ではない。実際、例えば、周波数２逓倍ＰＰＬＮに用いる場合、これらのモードホッピングの振幅はＰＰＬＮのスペクトル帯域幅より小さい。よって、そのような小さなモードホッピングにともなう画像雑音は許容振幅範囲内にとどまる。

図３をさらに参照すれば、曲線１０１はＤＢＲレーザにおけるかなり異なる発光挙動を示す。詳しくは、曲線１００に関して示されるレーザと同じ全般的作成パラメータを有するレーザが、一レーザ自走スペクトル範囲の振幅でモードホッピングを行う代りに、レーザは６までないしそれ以上の自走スペクトル範囲振幅を有するモードホッピングを示すであろうという意味で、かなり異なる挙動を示し得る。多くの用途に対し、そのような大きく急激な波長変動は許容され得ないであろう。例えば、レーザ映写システムの場合、そのような大きなホッピングは画像において公称グレイスケール値からゼロに近い値までの急激な強度ジャンプをおこさせるであろう。発明者等はこの現象を、レーザにおける波長不安定性及びヒステリシスとともに、研究して、そのようなレーザ発光欠陥が、空間的ホールバーニング、スペクトルホールバーニング、利得プロファイル拡大及び自己誘起ブラッグ格子を含む、様々な要因の１つ以上に帰因させ得ることに気付いた。これらの要因は、レーザキャビティに確立された特定のキャビティモードにレーザ発振をロックすることができ、あるいはより大きなモードホッピングを助長することができると考えられる。実際、あるモードが確立されると、特定の波長においてキャビティ内部にある光子が、特定のエネルギーレベルにおけるキャリア密度を減少させるか、またはキャビティ内に自己誘起ブラッグ格子を形成することによって、レーザ自体を妨害するように見える。

図４の曲線１０２は別の特別なモードホッピング挙動の場合を示す。図示される場合において、任意単位で示される発光波長λは、レーザ外部に配置されたコンポーネントに帰因させ得る、外部キャビティ効果と称される現象である、後方反射を含むため、不安定である。外部キャビティ効果によれば、外部反射が、レーザキャビティを妨害し、振幅が非常に大きなモードホッピングを発生させ得る、寄生ファブリ・ペロキャビティを生じさせる。半導体レーザにおける許容できない波長ドリフトの源にかかわらず、本発明はレーザの波長変動最小化及び時間平均レーザ発振光帯域幅挟化に向けられる。

発明者等は、図３及び４に示される大きな波長変動及び付随するモードホッピング効果がレーザキャビティ内の光子密度に少なくともある程度依存し、かなりの外部キャビティ効果がある場合に増幅され得ることを認識した。発明者等は、レーザ発振波長が１つより多くのモードをジャンプし得ること及びこの多モードジャンプが、スペクトルホールバーニング及び空間的ホールバーニング並びに外部キャビティ効果のような付加レーザ発振現象に、完全にまたはある程度、帰因させ得ることも認識した。

半導体レーザの多モードドリフトの原因にかかわらず、この現象がおこると、レーザ発振波長はキャビティモード間隔の倍数に等しい異常波長ジャンプを通常示す。大モードホッピングがおこる前に、レーザは大きな連続波長シフトを通常示す。大波長ドリフト及び異常波長ジャンプは、レーザ信号に許容できない雑音を生じさせ得る。例えば、その例が図２に簡略に示されるレーザ映写システムにおいてこの現象が系統的におこれば、映写画像内の雑音は人間の眼に容易に見えるであろう。

上述したように、本発明は全般的に、半導体レーザ駆動電流が駆動部分及び波長回生部分を含む、制御方式に関する。図５及び６は、半導体レーザの利得区画に電流として注入されるデータ部分を駆動部分が含む、単一モードレーザ信号において波長を制御するための方式を示す。したがって、図示される実施形態において、駆動電流はデータ部分及び波長回生部分を含む。特に図５を参照すれば、駆動電流すなわち利得注入電流（Ｉ_Ｇ）のこれらの部分はレーザデータ信号（ＤＳ）と適するように構成された波長回生信号（ＷＲ）の積をとることによって導入することができる。限定ではなく、例として、レーザデータ信号はレーザ映写システムにおける映写のための画像データを搬送することができる。図６に示されるように、波長回生信号は、利得区画駆動電流、すなわち利得注入電流のデータ部分が比較的長い駆動継続時間ｔ_Ｄをもつ比較的高い駆動振幅Ｉ_Ｄを有し、駆動電流の波長回生部分が比較的短い回生継続時間ｔ_Ｒをもつ比較的低い回生振幅Ｉ_Ｒを有するように、構成される。データ部分の比較的高い駆動振幅Ｉ_Ｄは、レーザ発振モードλ_０におけるレーザキャビティ内のレーザ発振に十分である。駆動電流の波長回生部分の比較的低い回生振幅Ｉ_Ｒは、駆動振幅Ｉ_Ｄと異なり、図６には駆動振幅Ｉ_ＤよりΔＩ低いとして示される。

利得区画駆動電流のデータ部分の駆動振幅Ｉ_Ｄ及び継続時間ｔ_Ｄは、用いられるべき特定の用途に当然依存する、適切なパワー及び波長をもつ光信号を形成するためにはたらく。回生振幅Ｉ_Ｒ及び回生継続時間ｔ_Ｒはレーザキャビティの少なくとも一部内の光子密度を下げるに十分である。光子密度を低い値まで、多くの場合にはゼロ近くまで、下げることにより、大波長ドリフトをおこす、スペクトルホールバーニング、空間的ホールバーニング、利得プロファイル拡大または自己誘起ブラッグ格子のような、様々な現象が消失する。この結果、回生期間の終りにかなりの電流が利得区画に再注入されると、レーザはＤＢＲ反射率曲線の最大値の最も近くにあるモードの中からモードを自動的に選択する。したがって、波長変動を一レーザ自走スペクトル範囲に制限することができ、多キャビティモードホッピングは排除されるか、あるいは少なくともかなり低減される。得られる、データ部分及び波長回生部分を含む利得区画駆動電流は、レーザの波長ドリフトを最小限に抑え、時間平均レーザ発振光帯域幅を狭めるために用いることができる。

言い換えれば、利得区画駆動電流のデータ部分の駆動振幅Ｉ_Ｄと継続時間ｔ_Ｄはレーザ発振波長が許容できないドリフト、限定ではなく、例として、０.０５ｎｍをこえる波長の変化、を受けるであろう確率を高める。利得区画駆動電流の波長回生部分の比較的低い回生振幅Ｉ_Ｒが駆動電流のデータ部分に続き、許容できない波長ドリフトの確率を低める。駆動電流の回生部分の出現頻度が十分高ければ、レーザ発振キャビティモードは波長ドリフトが蓄積されて大きくなって新しいキャビティモードが選択される前に遮断され、よって大波長ドリフトが抑制される。

本発明の実施形態にしたがう波長制御が用いられていない、例えば、周波数２逓倍ＰＰＬＮ緑色レーザを備える、レーザ映写システムの場合、画像ディスプレイの一走査線にかけてレーザにより放射される緑色パワーは多キャビティモードホッピングによる急激なパワー変動を示すであろう。この結果、映写画像は、振幅が５０％程度ないしそれより大きい、急激なパワーの低下を示すであろう。しかし、駆動信号が画素毎に、例えば一般に４０ｎｓ毎に、変えられる本発明にしたがう波長制御方式を用いれば、望ましくないレーザパワーの減少は大きく緩和されるであろうと考えられる。例えば、回生振幅Ｉ_Ｒをゼロ近くに設定し、回生継続時間ｔ_Ｒを約１０ｎｓ、駆動継続時間ｔ_Ｄを約４０ｎｓに設定した、本発明の一実行において、画像の残留雑音標準偏差は８％程度であった。画像には、空間周波数が比較的高い欠陥があることも認められたが、そのような欠陥は一般に肉眼では容易には見えない。

回生振幅Ｉ_Ｒはゼロとすることができるが、多キャビティモードホッピングの源を排除するに十分であるか、そうではなくともレーザの波長挙動を改善するに十分な、いかなる値とすることもできる。利得区画駆動電流の回生振幅Ｉ_Ｒは駆動振幅Ｉ_Ｄより低くなれば、ゼロよりかなり大きくすることができる。比較的高い駆動振幅Ｉ_Ｄは実質的に連続であるが、以下でさらに詳細に説明されるように、半導体レーザが画像映写システムに組み込まれている場合には特に、強度が変動することが多いであろう。

レーザがコード化データ光を発光するように構成されている場合、コード化データを表すデータ信号がレーザに与えられる。限定ではなく、例として、データ信号はレーザの利得区画に注入される駆動信号の強度変調データ部分またはパルス幅変調データ部分として組み入れることができる。本発明の波長回生動作はデータ信号のコード化データとは少なくともある程度独立であるように実行される。例えば、レーザの利得区画に駆動電流が注入される場合に、その駆動部分はデータをエンコードするために強度変調することができる。駆動電流の波長回生部分は、コード化データとは独立に、駆動電流に重畳される。同様に、データをエンコードするために駆動部分がパルス幅変調される場合も、駆動電流の波長回生部分は駆動電流に重畳されるであろう。

上述した重畳はコード化データと完全に独立とすることができ、あるいは駆動電流の強度またはコード化データを表すパルス幅の持続時間が閾値に達したときにのみ施すことができ、いずれの場合にもコード化データとはある程度独立であろう。しかし、重畳されたときには、波長回生部分の独立度は十分な波長回生が得られることを保証するに十分であることが必要であろう。言い換えれば、駆動電流の波長回生部分は、データ信号がそうでなければ波長回生を妨げる条件の下で駆動電流より優位になるべきである。例えば、パルス幅変調データ信号の場合、比較的短い大振幅パルス幅に対して波長回生は必要にならないと考えられる。しかし、コード化データが比較的長い大振幅パルス幅を含んでいる場合には、駆動動作及び波長回生動作で定められるデューティサイクルは、許容できない波長ドリフトが認められる前に波長回生が達成され得ることを保証するため、大振幅パルス幅の最大持続時間を制限するに十分であるべきである。例えば、駆動動作及び波長回生動作で定められるデューティサイクルの持続時間の約９０％をパルス幅の最大持続時間が上回り得ないことを保証することが好ましいことであり得る。さらに、パルス幅変調データの場合、波長回生部分の回生振幅Ｉ_Ｒが半導体レーザの閾レーザ発振電流より小さいか、あるいは波長を回生するに十分に小さいことを保証するためにも注意が払われるべきである。

波長回生信号は規則的な周期ベースで実施される必要はないことにも注意されたい。むしろ、回生信号は必要に応じて適用することができる。例えば、許容値をこえる、例えば一キャビティモード間隔より大きい、波長ドリフトが検出された場合に、駆動電流に波長回生信号を重畳して、レーザに新しい波長の選択を強制することによって、波長回生動作を実施することができる。

回生期間の頻度に関しては、一般に、２つの回生期間の間の波長変動を許容できる振幅に制限するに十分に頻繁であることが必要である。理想的な頻度及び手法はレーザが利用される用途にともなう特定の要求に依存する。一例として、レーザ映写に対し、回生期間はランダムに開始されるか、またはデータ内容、すなわち画像と、回生信号の間のいかなるエイリアシング問題も回避するために回生期間を画素生成と同期させることが好ましいことがあり得る。また、エレクトロニクス及びレーザ速度と同等な可能な最大の頻度で回生を実施することにより、画像内のいかなる雑音もさらに高い空間周波数で生じ、雑音の検出は一層困難になるであろう。

図７及び８は、半導体レーザ駆動電流の上述した駆動部分が半導体レーザの波長選択区画に注入される波長制御信号（λ_Ｓ）を含む、単一モードレーザ信号において波長を制御するための方式を示す。したがって、半導体レーザの波長選択区画に注入される駆動電流は波長制御部分及び波長回生部分を含む。上述したように、この駆動電流は、ＤＢＲレーザの波長選択区画はレーザのＤＢＲ区画と普通称されるから、本明細書ではＤＢＲ注入電流（Ｉ_ＤＢＲ）とも称される。

特に図７を参照すれば、ＤＢＲ注入電流の波長制御部分及び波長回生部分は、標準ＤＢＲ波長制御信号（λ_Ｓ）と本発明にしたがって適切に構成された波長回生信号（ＷＲ）の積をとることによって導入することができる。図８に示されるように、ＤＢＲ注入電流の波長制御部分は比較的長い駆動継続時間ｔ_Ｄをもつ駆動振幅Ｉ_Ｄを有するが、駆動電流の波長回生部分は比較的短い回生継続時間ｔ_Ｒをもつ回生振幅Ｉ_Ｒを有するように、波長回生信号が構成される。ＤＢＲ注入電流の波長回生部分の回生振幅Ｉ_Ｒは、駆動振幅Ｉ_Ｄと異なり、駆動振幅Ｉ_Ｄより低くまたは高くすることができ、ΔＩまたはΔＩ’だけ駆動振幅Ｉ_Ｄと異なるとして図８に示される。

波長制御部分の振幅Ｉ_Ｄは、周波数２逓倍ＰＰＬＮの場合にレーザが２逓倍結晶の波長で固定されるに十分な波長にＤＢＲ波長を同調させておくに十分である。ＤＢＲ電流が駆動振幅Ｉ_Ｄとは十分に異なる回生振幅Ｉ_Ｒに変えられると、ブラッグ波長は異なる波長にシフトされ、新しいキャビティモードでのレーザ発振が開始する。元のレーザキャビティモードは停止される。新しいキャビティモードが元のレーザ発振キャビティモードから十分離れていれば、レーザ公称目標波長における多キャビティモードホッピングの原因となる現象は、消失するか、または実質的に消散するであろう。ＤＢＲ回生パルスが終るとＤＢＲ電流は元のレベルに戻され、ブラッグ波長はシフトされて元の位置に戻される。この時点で、新しいキャビティモードは停止され、回生された光利得スペクトルの下で、元のブラッグ波長またはその近傍の回生されたモードでのレーザ発振が再開する。得られる画像は、図５及び６の制御方式に関して上で論じた属性と同様の属性を有するであろうと考えられる。

図７及び８に示される本発明の実施形態に対する理論的基礎の１つの考えられる説明は、本方式が基本的に利得圧縮波長における光子定在波の波長をスペクトルホールバーニング領域の外側の別の波長に変えることである。定在波の変化の継続時間は比較的短く、一般に、スペクトルホールバーニングを除去し、元の利得スペクトルを回復するに十分に長いだけである。回生振幅Ｉ_Ｒの下に誘起される波長シフトは、絶対値は変わり得るが、好ましくは少なくともほぼ２つのレーザ発振モードの波長シフトに等価であることが多いであろうと考えられる。実際上、波長シフトはレーザキャビティによるレーザ発振を停止させ得るほど非常に大きくなり得ると考えられる。図７及び８の制御方式は、キャリアがスペクトルホールを埋めるためにレーザ発振波長を元の位置から一時的にシフトさせるように外部フィードバックを変えることによって、外部キャビティ半導体レーザにも適用できると考えられる。

図２に簡略に示されるレーザ映写システムを参照すれば、本発明にしたがう駆動電流制御方式がシステム内において様々な形態で実行され得ることに注意されたい。限定ではなく、例として、駆動電流の波長回生部分は映写ソフトウエア及びエレクトロニクスによるレンダリング中にビデオ信号に回生部分を組み込むことによって実行することができる。この手法において、画像全体にわたって分布する画素は原画像に必要な強度とは独立な波長回生信号による変化を受けるであろう。この間断の頻度は人間の眼及び知覚される光パワーへの影響を最小限に抑えるように選ばれるべきである。あるいは、駆動信号の波長回生部分はレーザ駆動エレクトロニクスに組み込むことができる。この手法においては、波長回生信号が周期的に、画像ストリームから導かれる駆動信号に、電流スケーリングに先立って、優先するであろう。この場合も、この間断の頻度及びデューティサイクルは人間の眼及び知覚される光パワーへの影響を最小限に抑えるように選ばれるべきである。また別の形態として、所望の強度レベルとは独立に駆動電流を減じるかまたは改変するために、レーザへの駆動電流を周期的にシャントするか、そうではなくとも減じることができるであろう。

図５〜８は単一モードレーザ信号内の雑音を低減するために択一的にまたは合せて用い得るレーザ動作方式を示していると考えられる。さらに、図５〜８の方式は１つ以上の単一モードレーザが組み込まれているシステムに用いることができる。例えば、以下でさらに詳細に説明されるように、図５〜８の方式は１つ以上の単一モードレーザが組み込まれている走査型レーザ画像映写システムに択一的にまたは合せて用いることができると考えられる。単一モードレーザまたは単一モード発光用に構成されたレーザへの本明細書における言及は、本発明の範囲を単一モードでしか動作しないレーザに限定するととられるべきではないことにも注意されたい。むしろ、単一モードレーザまたは単一モード発光用に構成されたレーザへの本明細書における言及は、本発明にしたがって考えられるレーザは広帯域幅または挟帯域幅の単一モードがその中に認められる出力スペクトルあるいは適するフィルタリングまたはその他の手段によって単一モードの弁別をそれから行うことができる出力スペクトルを特徴とするであろうことを意味するに過ぎないととられるべきである。

駆動継続時間ｔ_Ｄと回生継続時間ｔ_Ｒの相対値は最適度のレーザ効率が維持されると同時に十分な波長回生が保証されるように制御されるべきである。例えば、本発明の一態様にしたがえば、駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約８０％が駆動継続時間ｔ_Ｄで占められ、駆動信号のデューティサイクルの約２０％未満が回生継続時間ｔ_Ｒで占められる。多くの場合に、回生継続時間ｔ_Ｒは約１０ｎｓ未満、おそらく約５ｎｓ未満であることを保証すれば十分であろう。さらに、駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約９５％が駆動継続時間ｔ_Ｄで占められ、デューティサイクルの約５％未満が回生継続時間ｔ_Ｒで占められる制御方式が考えられる。駆動信号を制御している電気回路の応答が十分速い場合には、駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約９７.５％が駆動継続時間ｔ_Ｄで占められ、デューティサイクルの約２.５％未満が回生継続時間ｔ_Ｒで占められる、十分な制御方式が考えられる。

レーザ映写システムの場合において、駆動継続時間ｔ_Ｄ及び回生継続時間ｔ_Ｒのそれぞれの値を確立する時にはさらに考慮すべき問題がある。限定ではなく、例として、図２に示されるレーザ映写システムは、単色または多色の画像データストリームを発生する画像源（Ｓ），それぞれの原色像のためのレーザ駆動信号を発生するための画像映写ソフトウエア及び付帯エレクトロニクス（Ｓ/Ｅ），それぞれの原色像を生成するように構成された個々のレーザ（ＬＤ）のためのそれぞれのレーザ駆動電流を発生するためのレーザドライバ（Ｄ）及び画素アレイからなる単色または多色の映写画像（Ｉ）を生成するために動作する走査／映写光学系（Ｏ）を備える。本タイプ及びその他のタイプの走査型レーザ画像映写システムの画素のそれぞれの特徴は、能動画素持続時間ｔ_Ｐである。限定ではなく、例として、画像の画素の能動画素持続時間は４０ｎｓ以下とすることができる。一般に、回生継続時間ｔ_Ｒは画素持続時間ｔ_Ｐより短いであろう。回生継続時間ｔ_Ｒは画素持続時間ｔ_Ｐより少なくとも５０％は短いことが好ましい。対照的に、駆動継続時間ｔ_Ｄは、システム設計者の好みに応じて、画素持続時間ｔ_Ｐより長くまたは短く、あるいは画素持続時間ｔ_Ｐと等しく、することができる。

当業者であれば、能動画素持続時間ｔ_Ｐが走査速度変化の結果として画像にかけて穏やかに及び周期的に変わり得ることを認めるであろう。したがって、「能動画素持続時間を特徴とする」映写システムという言辞は、画像におけるそれぞれの画素が同じ画素持続時間を有することを表すととられるべきではない。むしろ、ディスプレイ内の個々の画素は、能動画素持続時間ｔ_Ｐを特徴とするディスプレイの一般的概念の下にそれぞれがとる、相異なる画素持続時間を有し得ると考えられる。

画素アレイにかけて変化する画素強度を確立するように画像映写エレクトロニクス及び対応するレーザ駆動電流を構成することにより、画像映写システムによって多階調画像を生成することができる。この場合、駆動電流の波長回生部分は変化する画素強度をコード化する信号に重畳される。走査型レーザ画像映写システムの構成及び変化する画素強度が画像にわたって生成される態様に関するさらなる詳細は本発明の範囲をこえ、これらのテーマに関する、様々な容易に利用できる教示から拾集することができる。

レーザベース光源を組み込んでいる、（デジタル光処理（ＤＬＰ），透過型ＬＣＤ及びシリコン上液晶（ＬＣＯＳ）を含む）空間光変調器ベースシステムのような、その他の映写システムも、本明細書に説明される波長安定化手法から恩恵を受け得ると考えられる。そのようなその他のシステムにおいて、レーザに対する外因性該当期間は画素期間ではなく、スクリーンリフレッシュレートの逆数またはその分数である。そのような場合、レーザへの入力信号の特徴はコード化データ期間ｔ_Ｐであり、駆動電流は波長回生部分の回生継続時間ｔ_Ｒがコード化データ期間ｔ_Ｐより短くなるように構成されるであろう。

本出願明細書を通して様々なタイプの（電）流が参照される。本発明を説明し、定める目的のため、そのような（電）流は電流を指すことに注意されたい。さらに、本発明を定め、説明する目的のため、本明細書における電流の「制御」への言及は、電流が能動的に制御されるかまたはいずれかの基準値の関数として制御されることを必ずしも意味しないことに注意されたい。むしろ、電流は電流の大きさを確立するだけで制御され得るであろうと考えられる。

前述の本発明の詳細な説明は、特許請求されるような本発明の性質及び特徴を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。本発明の精神及び範囲を逸脱せずに本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、添付される特許請求項またはそれらの等価物の範囲内に本発明の改変及び変形が入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

例えば、本明細書に説明される制御方式は半導体レーザの利得区画または波長選択ＤＢＲ区画に印加される駆動電流における波長回生動作の組込みに関するが、レーザ動作方式における本発明の波長回生動作組込みの方法はレーザのそれらの部分だけに印加される駆動電流に限定されないと考えられる。限定ではなく、例として、レーザは回生信号がレーザに印加されたときに光子を吸収するように構成された回生領域を有することができる。その場合、回生領域は、本明細書に説明される利得区画及びＤＢＲ区画に対して用いられる態様と同様の態様で、必要に応じて光子密度を減少させるために用いることができる。

「好ましい」、「普通に」及び「一般に」のような語句には、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定する目的はなく、あるいはいくつかの特徴が特許請求される本発明の構造または機能に決定的であるか、肝要であるか、または重要であるかさえ、意味する意図もない。むしろ、これらの語句には本発明の特定の実施形態に利用されるかもしれず、利用されないかもしれない、別のまたは追加の特徴を強調する意図があるに過ぎない。さらに、別の値、パラメータまたは変数の「関数」である値、パラメータまたは変数への言及は、その値、パラメータまたは変数が唯一無二の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味するととられるべきではないことに注意されたい。

本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は本明細書において、いずれかの量的な比較、値、測定値またはその他の表示に帰因させ得る不確定性の本質的な度合いを表すために用いられることに注意されたい。語句「実質的に」は本明細書において、量的表現、例えば、「実質的にゼロより大きい」は言明された基準、例えば「ゼロ」から変化する度合いを表すためにも用いられ、量的表現が言明された基準から容易に認識できる大きさだけ変化することが必要とされると解されるべきである。

２波長選択区画制御電極
４位相整合区画制御電極
６利得区画制御電極
１０ＤＢＲレーザ
１２波長選択区画
１４位相整合区画
１６利得区画
２０光波長変換デバイス

Claims

走査レーザ画像を生成するためのシステムの動作方法において、前記システムが少なくとも１つの半導体レーザを備え、前記方法が、
前記画像にかけて前記半導体レーザの出力ビームを走査することによって走査レーザ画像を生成する工程であって、前記走査レーザ画像は画素アレイを有し、前記画素のそれぞれの特徴は能動画素持続時間ｔ_Ｐである工程、および
前記半導体レーザの駆動電流に波長回生動作を組み込むことにより前記半導体レーザの波長変動幅を挟化する工程、
を含み、ここで、
前記波長回生動作は前記半導体レーザの目標波長における光子密度を減少させるに十分であり、
前記波長回生動作は前記走査レーザ画像を表すデータとは少なくともある程度独立であるように前記駆動電流に組み込まれ、
前記波長回生動作の継続時間は前記能動画素持続時間ｔ_Ｐより短い、
ことを特徴とする方法。
前記駆動電流に前記波長回生動作を組み込む前記工程が、
前記半導体レーザの利得区画に前記駆動電流を注入する工程、及び
データ部分及び波長回生部分を有するように前記駆動電流を構成する工程、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記駆動電流に前記波長回生動作を組み込む前記工程が、
前記半導体レーザの波長選択区画に前記駆動電流を注入する工程、及び
波長制御部分及び波長回生部分を有するように前記駆動電流を構成する工程、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
半導体レーザにおけるレーザ波長変動の制御方法において、前記方法が、
コード化データ光の単一モード発光のために前記レーザを構成する工程であって、前記発光の少なくとも１つのパラメータは前記半導体レーザに注入される駆動電流の関数である工程、
駆動部分及び波長回生部分を有するように前記駆動電流を構成する工程であって、前記駆動電流の前記駆動部分は駆動振幅Ｉ_Ｄ及び駆動継続時間ｔ_Ｄを有し、前記駆動電流の前記波長回生部分は回生振幅Ｉ_Ｒ及び回生継続時間ｔ_Ｒを有し、前記回生振幅Ｉ_Ｒは前記駆動振幅Ｉ_Ｄと異なり、前記回生継続時間ｔ_Ｒは前記駆動継続時間ｔ_Ｄより短く、前記回生振幅Ｉ_Ｒ及び前記回生継続時間ｔ_Ｒは前記コード化データとは少なくともある程度独立である工程、及び
前記レーザを動作させるために前記駆動部分及び前記波長回生部分を有する前記駆動電流を用いる工程、
を含むことを特徴とする方法。
前記駆動振幅Ｉ_Ｄがレーザ発振モードλ_０におけるレーザキャビティ内のレーザ発振に十分であり、
前記駆動振幅Ｉ_Ｄ及び前記駆動継続時間ｔ_Ｄが、前記レーザ発振モードλ_０が実質的な波長変化を受けるであろう確率を高めるに十分であり、
前記回生振幅Ｉ_Ｒ及び前記回生継続時間ｔ_Ｒが前記実質的な波長変化の確率を低めるに十分である、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記半導体レーザがレーザ映写システム内に備えられ、前記方法が、
前記半導体レーザの出力ビームを用いてレーザ画像を生成する工程、ここで、前記出力ビームはコード化データ期間ｔ_Ｐを特徴とする画像信号で変調される、
前記波長回生部分が前記走査レーザ画像を表すデータとは少なくともある程度独立に前記駆動電流に組み込まれるように、また前記回生継続時間ｔ_Ｒが前記コード化データ期間ｔ_Ｐより短くなるように、前記駆動電流を構成する工程、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記半導体レーザがレーザ映写システム内に備えられ、前記方法が、
前記画像にかけて前記半導体レーザの出力ビームを走査することによって走査レーザ画像を生成する工程、ここで、前記走査レーザ画像は画素アレイを有し、前記画素のそれぞれの特徴は能動画素持続時間ｔ_Ｐである、
前記波長回生部分が前記走査レーザ画像を表すデータとは少なくともある程度独立に前記駆動電流に組み込まれるように、また前記回生継続時間ｔ_Ｒが前記画素持続時間ｔ_Ｐより短くなるように、前記駆動電流を構成する工程、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記駆動電流が前記半導体レーザの利得区画に注入され、
前記駆動電流の前記駆動部分が強度変調データ部分またはパルス幅変調データ部分を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記駆動電流が前記半導体レーザの波長選択区画に注入され、
前記駆動電流の前記駆動部分が波長制御部分を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記駆動電流の前記波長制御部分が比較的長い駆動継続時間ｔ_Ｄをもつ駆動振幅Ｉ_Ｄを有し、
前記波長選択区画駆動電流の前記波長回生部分が比較的短い回生継続時間ｔ_Ｒをもつ回生振幅Ｉ_Ｒを有する、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。