JP2010527164A - 変調波長制御信号を用いるレーザ発振波長の波長変換ピークとの整合 - Google Patents

Abstract

発明の一実施形態にしたがえば、プログラマブル光源は、１つないしさらに多くの半導体レーザ（１０，１１０）、波長変換素子（２０，１２０）及びレーザコントローラ（１３０）を備える。コントローラは変調フィードバック制御信号を用いて半導体レーザ（１０，１１０）を動作させるようにプログラムされる。波長制御信号は、レーザ発振波長を波長変換素子（２０，１２０）の変換効率ピークと合わせるため、検出された強度信号のフィードパック信号との比較の結果に基づいて調節される。発明の制御概念にしたがって動作するレーザコントローラ（１３０）及び投影システムも提供される。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００７年５月１１日に出願された「半導体レーザの波長選択、位相及び利得領域における波長制御（WAVE CONTROL IN WAVELENGTH SELECTIVE, PHASE, AND GAIN REGIONS OF SEMICONDUCTOR LASERS）」に関する米国特許出願第６０/９２８７２５号、及び２００７年８月２２日に出願された「変調波長制御を用いるレーザ発振波長の波長変換ピークとの整合（ALIGNMENT OF LASING WAVELENGTH WITH WAVELENGTH CONVERSION PEAK USING MODULATED WAVELENGTH CONTROL）」に関する米国特許出願第１１/８９４８４６号に関する優先権を主張する。

本発明は全般的には、半導体レーザ、レーザコントローラ、レーザ投影システム及び、半導体レーザを組み込んでいる、その他の光学システムに関する。さらに詳しくは、限定ではなく説明例として、本発明の実施形態は全般的に、半導体レーザのレーザ発振波長をレーザの出力に光結合される波長変換素子の変換ピークと整合させる方法に関する。

例えば、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２次高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような波長変換素子と組み合わせることによって、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、１０６０ｎｍＤＢＲレーザまたは１０６０ｎｍＤＦＢ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ドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム（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素子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理解されるであろうように、ＳＨＧ結晶は非線形結晶の２次高調波発生特性を用いて結晶内に導かれるレーザ光の周波数を２逓倍する。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んだ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んだ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隔てられたレーザである。

ＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の帯域幅は非常に狭いことが多く−代表的なＰＰＬＮ ＳＨＧ素子について、半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅は０.１６〜０.２ｎｍの範囲でしかないことが多く、主として結晶の長さに依存する。駆動電流の変化によるレーザキャビティ内のモードホッピング及び無制御の大きな波長変動は、動作中に半導体レーザの出力波長をこの許容帯域幅の外にシフトさせ得る。半導体レーザ波長がＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の波長変換帯域幅の外に偏移してしまうと、目標波長における変換素子の出力パワーは激烈に低下する。例えば、ＤＢＲ区画温度は熱クロストーク効果によって利得区画駆動電流の振幅の影響を受ける。ＤＢＲレーザ波長をＰＰＬＮ波長と異ならせる、ＤＢＲレーザ及びＰＰＬＮの周囲温度変動及び製造許容差を含む、他の要因がある。ＤＢＲレーザ及びＰＰＬＮを備える光源を用いるレーザ投影システムにおいては、例えば、ＤＢＲレーザとＰＰＬＮの間の波長不整合が、映像の特定の箇所における欠陥として容易に目につくであろう、パワーの不随意な変化を生じ得るため、特に問題となる。そのような可視欠陥は一般に、生成される像は単に利得区画からＤＢＲ区画への温度クロストークの表徴であるから、映像にわたる、組織的で、パターン化された映像欠陥として現れる。

半導体レーザ源開発における波長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、波長変換素子の波長変換ピークとのレーザ発振波長の適切な整合を維持するように半導体レーザの波長を制御するための有益な手段を認識した。限定ではなく例として、本発明の概念にしたがって半導体レーザを動作させるようにプログラムされたレーザコントローラ−光源及びレーザ投影システムはそのようなコントローラで駆動される−が考えられる。本発明の概念は主として映像形成及びレーザ投影の文脈において説明されるが、本発明の様々な概念は、レーザ波長の反復可能な低周波数変動が問題となるいかなるレーザ応用にも適用可能であり得る。

本発明の課題は、波長変換素子の波長変換ピークとのレーザ発振波長の適切な整合を維持するように半導体レーザの波長を制御するための手段を提供することである。

図１は光波長変換素子に光結合されたＤＢＲまたは同様のタイプの半導体レーザの略図である。 図２は本発明の一実施形態にしたがうレーザ投影システムの略図である。 図３は、ＳＨＧ結晶について、変換効率曲線の例を示す。 図４は、半導体レーザにおける、増大する駆動電流の下での最適ＤＢＲ電圧及び実ＤＢＲ電圧の変遷を示す。 図５は本発明の一実施形態にしたがうプログラマブル光源の略図である。 図６は本発明の一実施形態にしたがうプログラマブルコントローラが構成され得る態様の略図である。 図７は本発明の特定の実施形態にしたがうプロセスを示すフローチャートである。

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。

本発明の特定の実施形態の概念を組み入れる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、半導体レーザの構造及び製作に関する、容易に入手できる技術文献に教示されているが、本発明の特定の実施形態の概念は、図１に簡略に示される３区画ＤＢＲ型半導体レーザ１０を全般的に参照して、簡便に示すことができる。図１において、ＤＢＲレーザ１０は光波長変換素子２０に光結合されている。半導体レーザ１０によって放射される光ビームは、波長変換素子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／集束光学系またはいずれか他のタイプの適する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。波長変換素子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生成に特に有用であり、例えば、レーザ投影システムのための可視光源として、用いることができる。

本発明の概念は主としてＤＢＲレーザの文脈において説明されるが、本明細書で論じられる制御方式は、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。

図１に簡略に示される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区画と称することもできる、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側に配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作用するから、波長選択を提供する。ＤＢＲレーザ１０の利得区画１６がレーザの光利得の大半を提供して、位相整合区画１４が利得区画１６の利得材料と波長選択区画１２の反射材料の間の可調位相シフトをつくる。波長選択区画１２は、ブラッグ格子を用いても用いなくても差し支えない、数多くの適する別の構成で設けることができる。

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は、図１には簡略にしか示されていない、それぞれの制御電極２，４，６が組み込まれる。電極２，４，６は様々な形態をとり得ると考えられる。例えば、制御電極２，４，６はそれぞれの電極対として図１に示されるが、区画１２，１４，１６の内の１つないしさらに多くにおいて単電極素子２，４，６も本発明の特定の実施形態の実施に適するであろうと考えられる。制御電極２，４，６はレーザ１０の対応する区画１２，１４，１６に電流を注入するために用いることができる。例えば、注入電流は、レーザ区画の内の１つないしさらに多くの温度制御、レーザ基板に定められる導電性ドープト半導体領域への電流注入、レーザ１０の波長選択区画１２及び位相整合区画１４の屈折率制御、レーザの利得区画１６の光利得制御、等により、レーザの動作特性を変えるために用いることができる。

図１に示される波長変換素子２０の波長変換効率％Ｉは、半導体レーザ１０の出力と波長変換素子３０の波長変換効率曲線の間の波長整合に依存する。波長変換素子２０がＳＨＧ結晶を有する場合、レーザ１０の出力波長がＳＨＧ結晶の変換効率曲線のピークから外れると、ＳＨＧ結晶２０で発生される高次高調波光の出力パワーは激烈に低下する。ＳＨＧ結晶についての変換効率曲線の例が図３に示される。変換効率曲線のピークは約１０６０ｎｍに位置する。一般に、ＳＨＧ結晶２０で発生される高次高調波光の出力パワーはレーザ発振波長がこの値からドリフトするにつれて低下する。したがって、最大効率で動作させるためには、変換効率曲線のピーク（１０６０ｎｍ）の可能な限り近くにレーザ発振波長を維持するべきである。

しかし、レーザ発振波長の値には多くの要因が影響を与え得る。例えば、半導体レーザ１０がデータ生成のために変調されると、レーザの熱負荷が変動する。この結果のレーザ温度の変化がレーザ発振波長を変化させて、ＳＨＧ結晶２０の効率の変動を生じさせる。１２ｍｍ長ＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の場合、ＳＨＧ結晶２０の０.１６ｎｍ半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅の外に半導体レーザ１０の出力波長を出すには、一般にレーザ１０の約２℃の温度変化で十分であろう。

さらに、発明者等は、半導体レーザが普通に波長ドリフト及び付随キャビティモードホッピングを受けることを認識した。さらに詳しくは、利得区画１６に印加される注入電流が増大すると、利得区画の温度も高くなる。この結果、キャビティモードが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し、よって、レーザは短波長側のキャビティモードがＤＢＲ反射曲線の最大に近くなるポイントに達する。このポイントにおいて、短波長側のモードは確立されているモードより低い損失を有し、レーザ物理の基礎原理にしたがって、レーザは損失がより低いモードに自動的にジャンプする。波長は徐々に長くなり、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がおこる。上述の、共通に譲渡された、同時係属米国特許出願の明細書に、この挙動が詳細に説明されている。この明細書の開示は本明細書に参照として含まれる。発明者等は、半導体レーザが普通、レーザの出力及びレーザに結合された波長変換素子の出力に好ましくないパターニングを生じさせ得る温度変遷表徴を示すことも認識した。

本発明は本明細書に説明される波長変動のいかなる特定の表出にも限定されないが、その例が図２に簡略に示される、レーザ投影システムでそのような現象がおこれば、そのような波長変動は容易に人間の目につくであろう強度変動及び雑音を投影映像に生じさせ得る。本発明の一実施形態にしたがえば、この問題に対処するためにプログラマブル光源が導入される。図５を参照すれば、光源１００は、少なくとも１つの半導体レーザ１１０，波長変換素子１２０及び、半導体レーザ１１０を動作させるようにプログラムされた、レーザコントローラ１３０を備える。上述したように、レーザ１１０は一般に波長選択区画、利得区画、等を有するであろう。半導体レーザ１１０の出力は波長変換素子１２０の入力に結合され、レーザコントローラは本発明にしたがうステップまたは作業を実行するかまたは実行を監督するようにプログラムされる。

詳しくは、本発明の一実施形態にしたがえば、レーザコントローラ１３０は、半導体レーザ１１０の利得区画への利得電流Ｉ_Ｇの注入を制御することによって半導体レーザ１１０の周期的レーザ発振強度を制御するようにプログラムされる。一般に、利得電流Ｉ_Ｇの周期周波数ν_データはビデオ映像または何か別のタイプの符号化データ信号を表す。

コントローラ１３０は、波長制御信号を用いて波長選択区画の屈折率を制御することによって、続いて、熱効果に関して温度Ｔ_λを、またはキャリア効果によりキャリア密度を、または電気光学効果により電場を制御することによって、半導体レーザ１１０のレーザ発振波長λ_ｌを制御するようにもプログラムされる。熱効果は半導体レーザ１１０の波長選択区画に熱結合された電気抵抗加熱素子におけるヒータ電流またはＤＢＲ波長選択区画への注入電流によって簡便に実現することができる。あるいは、キャリア効果は半導体レーザ１１０の波長選択区画の注入電流によって実現することができる。さらに、電気光学効果は波長選択区画に印加されるバイアス電圧によって導入することができる。

上述したレーザ発振波長λ_ｌを制御できる能力が与えられれば、上述した波長制御機構の内の１つないしさらに多くを用いて変調フィードバック制御信号をつくることによってレーザ発振波長λ_ｌを直接変調するようにコントローラ１３０をプログラムできることにさらに注意されたい。本発明のこの態様にしたがえば、波長変換素子１２０の変調出力強度Ｉ（２ν_変調）に現れるような、変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調は、利得電流Ｉ_Ｇの制御において確立されるような、また波長変換素子１２０のデータ信号出力強度Ｉ（２ν_データ）に現れるような、データ信号の周期周波数ν_データとは実質的に異なる。説明の簡便のため、波長変換素子１２０の変調出力強度Ｉ（ν_変調）及びデータ信号出力強度Ｉ（ν_データ）は、本発明の多くの応用では波長変換素子１２０として周波数２逓倍ＳＨＧ結晶が用いられるであろうから、図５にはＩ（２ν_変調）及びＩ（２ν_データ）で示される。

波長変換素子１２０の出力信号の２つの別個の部分が与えられれば、レーザ発振波長λ_ｌが、その例が図３に示される、波長変換素子１２０の変換効率ピークより短波長であるかまたは長波長であるかを判定するように、コントローラをさらにプログラムすることができる。そうするため、変調出力強度Ｉ（２ν_変調）を変調フィードバック信号と比較して、レーザ発振波長λ_ｌが変換効率ピークより短波長であることを比較が示しているときはレーザ発振波長λ_ｌを長くし、レーザ発振波長λ_ｌが変換効率ピークより長波長であることを比較が示しているときはレーザ発振波長λ_ｌを短くするように波長制御信号を調節するように、コントローラ１３０をプログラムすることができる。

例えば、半導体レーザ１１０の波長選択区画の温度Ｔ_λを制御することによってレーザ１１０のレーザ発振波長λ_ｌが制御されるようにコントローラ１３０がプログラムされている場合、ヒータ電流を大きくすることでレーザ発振波長λ_ｌが長くなるであろう。変調フィードバック制御信号による変調がこのヒータ電流にかかっていれば、変調フィードバック制御信号を大きくすることは波長選択区画の温度Ｔ_λを高め、レーザ発振波長λ_ｌを長くすることに対応するであろう。したがって、変調フィードバック制御信号の挙動を波長変換素子の変調出力強度Ｉ（２ν_変調）と比較することによって、図３に示される変換効率ピークに対するレーザ発振波長λ_ｌの位置を決定できる。図３にλ_変調で示されるような変調フィードバック制御信号の波長を長くすることが変調出力強度Ｉ（２ν_変調）の大きさをΔＩだけ大きくするようにはたらけば、波長が長くなったフィードバック制御信号は変換効率曲線の増大領域と合っているであろうから、レーザ発振波長λ_ｌは波長変換効率ピークの短波長側にあるに違いないと推論できる。あるいは、変調フィードバック制御信号の波長を長くすることが変調出力強度Ｉ（２ν_変調）の大きさをΔＩだけ小さくするようにはたらけば、出力強度を低めるためには長くなったフィードバック制御信号波長が変換効率曲線と合っていない波長値を定めなければならないから、レーザ発振波長λ_ｌは波長変換効率ピークの長波長側にあるに違いないと推論できる。波長変換ピークに対するレーザ発振波長λ_ｌの位置が判定されてしまえば、レーザ発振波長制御信号に適する補正を施すことができる。

ヒータ電流以外の機構がレーザ発振波長の制御を支配している場合にも類似の手法を施すことができる。例えば、ＤＢＲレーザの場合、ＤＢＲ注入電流が小さいと、変調ＤＢＲ注入電流に帰因するキャリア効果は注入電流に帰因する熱効果より一般に強く、変調フィードバック制御信号が大きくなるにつれてレーザ発振波長は実際に短くなる。したがって、変調／波長制御関係は上述した関係と逆になるであろう。さらに詳しくは、変調フィードバック制御信号の増大が変調出力強度の大きさを減じるようにはたらけば、フィードバック制御信号の増大は変換効率曲線の上昇領域から外れていなければなければならないから、レーザ発振波長は波長変換効率ピークの短波長側にあるに違いないと推論できる
発明者等は、フィードフォワード制御方式を上述したフィードバック制御方式とともに導入することで得られる利点を認識した。詳しくは、本発明では、本明細書に説明されるフィードバック制御手順の適用に先立ち、変換効率ピークのほぼ近傍にレーザ発振波長を合わせるように設計されたフィードフォワード方式の使用が考えられる。本発明のこの態様にしたがえば、利得電流Ｉ_Ｇの関数として半導体レーザのパラメータのフィードフォワード制御を実行するようにコントローラがプログラムされる。一般に、利得電流Ｉ_Ｇは、強度が変動するデータを搬送するから、時間の経過にともなって連続的に変化するであろう。この意図的なＩ_Ｇの変動により、波長選択区画の不随意な温度変動がおこり、この結果不随意な波長変動が生じる。この波長変動は、波長選択区画の温度Ｔ_λまたは波長選択区画に注入される電流I_λの大きさあるいはいずれをも利得電流Ｉ_Ｇの関数として制御することによって、フィードフォワード態様で少なくともある程度は補正することができる。例えば、フィードフォワード制御は、選択された利得電流Ｉ_Ｇを対応する温度Ｔ_λまたはＤＢＲ制御信号値と相関させるルックアップテーブルを参照することによって、符号化データ信号に施すことができる。例えば、図４を参照すれば、一般に出力強度Ｉは利得電流Ｉ_Ｇを大きくするにしたがって大きくなるから、ＤＢＲレーザのＤＢＲヒータに印加される最適ＤＢＲ電圧Ｖ_ＤＢＲ'は最小値に向かって降下するであろう。したがって、対応する利得電流Ｉ_Ｇに関連付けられるＤＢＲ電圧（ＦＦ Ｖ_ＤＢＲ）のセットを確立するために、上述したルックアップテーブルまたはその他の手段を用いることができる。この態様において、フィードフォワード動作は、本明細書に説明されるフィードバック手法の内の１つの適用に先立って変換効率曲線のピークの近傍にレーザ発振波長制御信号を合わせるために、本発明で用いることができる。本発明のこの態様は、変換効率曲線が複雑で、最大効率ピークの近くに１つないしさらに多くの小ピークがある場合に、特に有用である。

発明者等は、変調フィードバック信号がＤＢＲレーザのレーザ発振波長を有効に変調するためには、ゼロ復帰（ＲＺ）と呼ばれる手法が有用であることに気付いた。ＤＢＲレーザには時に特定のキャビティモードにロックする傾向があるから、波長選択区画に変調フィードバック信号を印加してもレーザ発振波長の変調が非常に弱くなることがあり、制御方式の有効性が低下する。変調フィードバック信号へのレーザ発振波長の応答を高めるため、利得区画駆動電流は周期的にゼロにリセットされる。

図６は、本発明の一実施形態にしたがうプログラマブルコントローラ１３０を、上述したフィードフォワード制御セグメント１５０及びフィードバック制御セグメント１６０の機能を組み込むように、構成できる態様を示す。フィードフォワード制御セグメント１５０は、上述したような、ルックアップテーブル１５０Ａ、及び適する信号フィルタリングコンポーネント１５０Ｂを含む。フィードバック制御セグメント１６０は、上述した周期周波数がν_変調の変調フィードバック制御信号を生成するように構成され、さらに、信号フィルタリングコンポーネント１６０Ａ，利得電流Ｉ_Ｇスケーリングロジック１６０Ｂ及び、変調フィードバック制御信号をスケーリングされたフィードバック制御信号と比較するための、ロジック１６０Ｃを含む。さらに詳しくは、本発明の特定の実施形態にしたがえば、コントローラ１３０は、周波数変換された変調出力強度Ｉ（２ν_変調）の強度を表すフィードバック信号１５５を変調フィードバック制御信号１６５と、変調フィードバック制御信号と変調出力強度Ｉ（２ν_変調）の積を与えられた変調期間にわたって積分することにより、比較するようにプログラムすることができる。コントローラは、変調出力強度Ｉ（２ν_変調）のフィルタリング及び検出の際に生じた遅延を、積分に先立って、変調フィードバック制御信号を変調出力強度Ｉ（ν_変調）に対して時間的にシフトさせることで補償するようにプログラムすることもできる。上述した比較を表す出力信号、変調フィードバック制御信号及びフィードフォワード制御セグメント１５０の出力は適する加算コンポーネント１７０によって結合されてレーザ１１０のＤＢＲ区画を駆動するために用いられる。

図６は、周波数変換出力強度だけと対照して、変換効率の解析を強化するために本発明の方法に組み入れることができる信号規格化機構も示す。詳しくは、図６を参照すれば、コントローラ１３０は、得られる制御信号を規格化するため、フィルタリングされたフィードバック制御信号をフィルタリングされた利得電流信号で除算するようにプログラムすることができる。この結果、フィードバック制御セグメント１６０は比較的低いレーザパワー及び比較的高いレーザパワーに同様の応答を有し、入力データ信号の周波数成分の変動に比較的不感になるであろう。様々な信号フィルタリングコンポーネントに対して挙げられる周波数値は、例として示されるに過ぎず、本発明の範囲を限定するととられるべきではないことに注意されたい。

本発明の特定の実施形態にしたがうプロセスは、利得電流データ信号がレーザ発振強度及びレーザ発振波長を制御するための入力として示され（データ信号入力２０２及び強度／波長制御ステップ２０４を見よ）、変調フィードバック制御信号がレーザを変調するための入力として示される（フィードバック信号入力２０６及び波長変調ステップ２０８を見よ）、図７のフローチャートを参照して説明することができる。変換効率ピークに対するレーザ発振波長λ_ｌの位置が、ステップ２１０において、変調出力強度Ｉ（２ν_変調）を表すデータ（入力２１２を見よ）及び変調フィードバック制御信号（入力２１４を見よ）から決定される。変換効率ピークに対するレーザ発振波長λ_ｌの位置が決定されると、レーザ発振波長制御信号に適する補正が施される（波長制御信号調節ステップ２１６を見よ）。このフィードバックループは連続モードで巡回することができる。

本発明の一態様にしたがえば、データ信号とフィードバック制御信号の間の混同を避けるために変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調がデータ信号周波数成分を極めて僅かしか含んでいないことを保証するために注意が払われる。例えば、ビデオ投影システムの場合、変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調は、ビデオ信号成分、及びその高次高調波が、最小になる値に設定される。約６０Ｈｚのフレームレートで動作するビデオ投影システムに対し、波長変換素子の変調出力強度Ｉ（ν_変調）に現れるような、変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調は、利得電流Ｉ_Ｇの周期周波数ν_データの値の約０.５倍、１.５倍、２.５倍、３.５倍、等に設定することができる。このようにすれば、本発明のこの態様を実施することで、ビデオデータを表すそれぞれの信号部分が変調フィードバック制御信号を表すそれぞれの信号部分から弁別され得ることを保証することができる。一般に、変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調を利得電流Ｉ_Ｇの周期周波数ν_データより高い値に確立することが最も簡便である。

本明細書に説明される変調フィードバック制御信号を用いることで、正常なデータ信号処理中に極めて頻繁にレーザが停止される場合には特に、レーザ出力の急激な変化の平滑化または平均化もできることに注意することも重要である。したがって、本発明の態様は、例えば、共通に譲渡された、同時係属出願の、２００６年１０月１６日出願された、「半導体レーザにおける波長制御（WAVELENGTH CONTROL IN SEMICONDUCTOR LASERS）」に対する米国特許出願第１１/５４９８５６号（Ｄ２０１０６/ＳＰ０６-１５７）の明細書に教示される制御方式を含む、正常なデータ信号処理中に極めて頻繁にレーザが停止されるレーザ制御方式に特に良く適している。この明細書の開示は本明細書に参照として含まれる。

本発明のさらなる実施形態では、符号化データ信号の対応するフレームレートを変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調がこえるような半導体レーザの周期レーザ発振強度の制御が考えられる。したがって、利得電流Ｉ_Ｇの周期周波数ν_データがピクセルアレイにかけて投影されるビデオ映像を表す本発明の応用に対し、それぞれの映像ピクセルに対する複数の変調フィードバック制御信号期間にわたる投影システムのサイクルを保証するに十分に、変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調が高いことが有利であり得る。さらに、変調出力強度Ｉ（ν_変調）がデータ信号出力強度Ｉ（ν_データ）の振幅に比して僅かでしかないことを保証するように、半導体レーザのレーザ発振波長λ_ｌが制御されることを確実にすることが役立ち得る。

あるいは、またはさらに、いくつかの状況の下では、半導体レーザのレーザ発振波長λ_ｌが複数の周波数成分を含む変調フィードバック制御信号で変調されることを保証することが有益であり得る。そうすれば、特定の状況の下では特定の変調周波数が他の変調周波数より良くはたらくことがあり得るから、変調出力強度Ｉ（ν_変調）を変調フィードバック制御信号の１つより多くの周波数成分と比較することによってレーザ投影を強化することができる。複数の周波数における同時変調が実用的でないかまたは望ましくなければ、時間の経過にしたがってランダムであるかまたは周期的な態様で変化する周期周波数ν_変調を用いてレーザ発振波長λ_ｌを変調するようにコントローラをプログラムできると考えられる。さらに、フィードバック動作を強化するためにフィードバック信号の波形及び／または振幅を時間の経過にしたがって変えることもできると考えられる。最後に、変調フィードバック制御信号は、以降の波長制御信号の調節のための符号化相関データを搬送するように変調できることに注意されたい。

ＤＢＲレーザ及び、利得区画及び波長選択区画を利用する、その他の多くの半導体レーザに対し、レーザのＤＢＲ区画の適切な制御は利得区画のＤＢＲ区画へのクロストークによって規定される。基本的に、利得区画が様々な利得電流信号によって駆動される間、利得区画で発生する熱の一部はＤＢＲ区画に伝達されてしまう。したがって、慎重にＤＢＲ区画にクロストーク補償信号を印加することによってこのクロストークを補償することができる。一般に、クロストーク効果は、利得区画からＤＢＲ区画への熱伝搬には若干の時間がかかるから、比較的低速の、例えば１０〜３０ｍｓ台の、過程である。したがって、この観点から、ＤＢＲ制御ループは過剰に速い必要はなく、フィードバック変調信号の周波数は約１００Ｈｚとすることができる。しかし、用いるレーザのパラメータに依存して、第２の機構が、特に、利得区画で発生する光子がＤＢＲ区画に吸収されてしまい、ＤＢＲ区画の若干の加熱を生じさせる場合に、かなり高速のクロストークを発生させ得る。この結果の熱はほぼ瞬時に、または比較的低速なクロストークより少なくともかなり高速で、伝達される。実際、この準瞬時クロストーク機構は約１μｓ台の時間スケールにかけて２５％のパワー変動を生じさせ得る。この変動を補償するため、本発明を実施する技術者は約１００Ｈｚより十分に高いフィードバック信号の変調周波数を用いることができる。別に考えられる手法にしたがえば、比較的高速のＤＢＲ区画から利得区画へのクロストークを較正し、開ループで制御することができる手法を、上述した比較的低速のフィードバックループに加えて、適用することができる。

半導体レーザの波長選択区画またはＤＢＲ区画の制御に関して本発明を説明したが、ＤＢＲレーザのレーザ発振波長に影響するような位相区画の特性を制御することによって同様の恩恵を享受できることに注意されたい。

図５に戻って、プログラマブルコントローラ１３０はさらに変調フィードバック制御信号の周期周波数ν_変調と利得電流Ｉ_Ｇの周期周波数ν_データとを弁別するように構成された周波数ベースフィルタを有し得ることに注意されたい。適するように構成された光スプリッタ１４０を利用することで、波長変換素子１２０からの信号出力に概ね全てＩ_{（ディスプレイ）}をフィルタリングせずに投影することができ、出力信号の小部分Ｉ_{（フィードバック）}をプログラマブルコントローラ１３０及び付帯回路に向けることができる。コントローラ１３０は、変調出力強度Ｉ（ν_変調）の変調フィードバック制御信号との比較を可能にするためにデータ信号出力強度の一部から符号化データ信号成分を除去するようにプログラムされる。

本発明の別の実施形態では、変調出力強度Ｉ（ν_変調）の雑音変動を変調フィードバック制御信号と比較することによってレーザ発振波長λ_ｌが波長変換素子１２０の変換効率ピークより短いかまたは長いかを判定するようにプログラムされたコントローラが考えられる。例えば、変調フィードバック制御信号が波長変換素子の変換効率曲線と合っているかまたは外れているかを判定するため、変調フィードバック制御信号の振幅の増減を対応する変調出力強度Ｉ（ν_変調）の雑音の量の増減と相関させるようにコントローラをプログラムすることができる。本発明のまた別の実施形態では、変調出力強度Ｉ（ν_変調）の振幅変動を変調フィードバック制御信号と比較することによってレーザ発振波長λ_ｌが変換効率ピークより短いかまたは長いかを判定するようにプログラムされたコントローラが考えられる。例えば、本発明のこの態様にしたがうコントローラは、変調フィードバック制御信号が波長変換素子の変換効率曲線と合っているか否かを判定するため、変調フィードバック制御信号の振幅の増減を対応する変調出力強度Ｉ（ν_変調）の振幅の増減と相関させるようにプログラムすることができる。

本明細書における単一モード発光のために構成された１つまたは複数の単一モードレーザへの言及は、本発明の範囲を単一モードで動作するレーザだけに限定するととられるべきではない。むしろ、本明細書における単一モード発光のために構成された１つまたは複数の単一モードレーザへの言及は、本発明の特定の実施形態にしたがって考えられるレーザが、広帯域または狭帯域の単一モードが識別され得る出力スペクトルを特徴とするか、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を弁別することが可能な出力スペクトルを特徴とするであろうことを意味しているに過ぎないととられるべきである。

映像ピクセルのアレイにかけて変化するピクセル強度を確立するように映像投影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、本発明にしたがう映像投影システムによって多調映像を生成することができる。例えば、図２を参照すれば、投影システムは、単色または多色の映像データストリームを生成する映像源（Ｓ）、映像のそれぞれの原色についてレーザ駆動電流を発生する映像投影ソフトウエア及び付帯エレクトロニクス（Ｓ/Ｅ）、映像のそれぞれの原色を発生するように構成された個々のレーザ（ＬＤ）に対するそれぞれの駆動電流を発生するレーザドライバ（Ｄ）、及び映像ピクセルのアレイからなる単色または多色の投影映像（Ｉ）を生成するように動作する走査／投影光学系を備える。ピクセルベースレーザ投影システム内にプログラマブル光源が備えられている場合、符号化データ信号が投影システムのフレームレートに対応する複数の符号化データ周期を有するように半導体レーザの周期レーザ発振強度を制御するように、本発明にしたがうコントローラをプログラムすることができる。

本発明にしたがうプログラマブル光源は、少なくとも１つが波長変換素子に結合され、本発明で考えられる制御手順の内の１つないしさらに多くにしたがって制御される、複数の半導体レーザを備えることができると考えられる。走査型レーザ映像投影システム及び可変ピクセル強度を映像にわたって発生させる態様に関するさらなる詳細は、容易に入手できる、この主題に関する様々な教示から学ぶことができる。本発明をピクセルベース投影システムに適用できることは明らかであるが、レーザベース光源が組み込まれている（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、その他の投影システムも本明細書に説明される波長制御手法により恩恵を受け得ると考えられる。

本出願明細書全体にわたり様々なタイプの「流」への言及がなされている。本発明を説明し、定める目的のため、そのような「流」は電流を指すことに注意されたい。さらに、本発明を説明し、定める目的のため、電流の「制御」への本明細書における言及が、電流が実際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意味する必要は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。

本発明の上記の詳細な説明は、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概観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様々な改変及び変形が本発明に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、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

本発明を説明し、定める目的のため、指定された大きさ「の台」の値への本明細書における言及は指定された大きさから１桁ないしさらに大きくは変わらないいかなる値も包含するととられるべきであることに注意されたい。添付される特許請求項の１つないしさらに多くが１つないしさらに多くの列挙された作業を実行するように「プログラムされた」コントローラを挙げていることにも注意されたい。本発明を説明し、定める目的のため、この語句は特許請求項において可変転換語句として導入され、さらに普通に用いられる可変前置語「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。さらに、本明細書における、特定の特性、特定の態様の機能、等を実現するように「プログラムされている」コントローラのような、本発明のコンポーネントの叙述は、目的用途の叙述とは対照的な、構造的叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、本明細書におけるコンポーネントが「プログラムされる」態様への言及はコンポーネントの既存の物理的条件を表し、したがって、コンポーネントの構造特性の明確に限定された叙述としてとられるべきである。

「好ましい」、「普通に」、「一般に」のような語は、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こと、またはある特徴が特許請求される本発明の構造または機能に、肝要であるか、本質的であるか、または重要であることさえも、意味することは目的とされていないことに注意されたい。むしろ、これらの語は、本発明の特定の実施形態に利用され得るかまたは利用され得ない、別のまたはさらなる特徴の強調が目的とされているに過ぎない。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「実質的に」はいずれかの量的比較、値、測定またはその他の表現に帰因させることができる内在的な不確定度を表すために本明細書で用いられることに注意されたい。語「実質的に」も量的表現、例えば「実質的にゼロより大きい」が明言された規準、例えば「ゼロ」から変動する度合いを表すために本明細書で用いられ、量的表現が明言された規準から容易に認識できる大きさだけ変動する必要があると解されるべきである。

２，４，６ 制御電極
１０，１１０ ＤＢＲレーザ
１２ 波長選択区画
１４ 位相整合区画
１６ 利得区画
２０，１２０ 光波長変換素子
１３０ コントローラ

Claims (6)

1. 少なくとも１つの半導体レーザ（１０，１１０）、波長変換素子（２０，１２０）及び前記半導体レーザ（１０，１１０）を動作させるようにプログラムされたレーザコントローラ（１３０）を備えるプログラマブル光源において、前記半導体レーザ（１０，１１０）が波長選択区画及び利得区画を有し、前記半導体レーザ（１０，１１０）の出力が前記波長変換素子（２０，１２０）の入力に結合され、前記レーザコントローラ（１３０）が、
   前記半導体レーザ（１０，１１０）の前記利得区画に注入される利得電流Ｉ_Ｇの大きさを制御することによって前記半導体レーザ（１０，１１０）のレーザ発振強度を制御する、ここで前記利得電流Ｉ_Ｇの周波数ν_データは符号化データ信号を表す、
   前記波長選択区画の温度Ｔ_λまたは前記波長選択区画に注入される電流Ｉ_λの大きさを、あるいはいずれをも、制御するための波長制御信号を用いることによって前記半導体レーザ（１０，１１０）のレーザ発振波長λ_ｌを制御する、
   前記波長選択区画の温度Ｔ_λまたは前記波長選択区画に注入される電流Ｉ_λの大きさを、あるいはいずれをも、制御するために、周波数ν_変調において、前記半導体レーザ（１０，１１０）の前記レーザ発振波長λ_ｌを変調する、ここで前記変調制御信号の前記周波数ν_変調は、前記周波数ν_データで変調された前記符号化データ信号が前記周波数ν_変調において比較的小さいデータ成分を有するように、選ばれる、
   前記変調出力強度を前記変調制御信号と比較することによって前記レーザ発振波長λ_ｌが前記波長変換素子（２０，１２０）の変換効率ピークより短波長であるかまたは長波長であるかを判定する、
   前記レーザ発振波長λ_ｌが前記変換効率ピークより短波長であることを前記比較が示した場合には前記レーザ発振波長λ_ｌを長くし、前記レーザ発振波長λ_ｌが前記変換効率ピークより長波長であることを前記比較が示した場合には前記レーザ発振波長λ_ｌを短くするように前記波長制御信号を調節する、及び
   前記調節された波長制御信号を用いることによって前記半導体レーザ（１０，１１０）の前記レーザ発振波長λ_ｌを制御する、
   ようにプログラムされることを特徴とするプログラマブル光源。
2. 前記符号化データ信号の高次周波数高調波が前記周波数ν_変調において比較的小さいデータ成分を有するように、前記変調制御信号の前記周波数ν_変調が選ばれることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブル光源。
3. 前記半導体レーザ（１０，１１０）の特定のキャビティモードにロックする傾向を弱めることによって、前記波長制御信号への前記半導体レーザ（１０，１１０）の前記レーザ発振波長λ_ｌの応答性を高めるように前記コントローラがプログラムされることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブル光源。
4. 前記利得区画に注入される前記利得電流Ｉ_Ｇを周期的にゼロにリセットすることによって前記半導体レーザ（１０，１１０）の特定のキャビティモードにロックする傾向を弱めるように前記コントローラがプログラムされることを特徴とする請求項３に記載のプログラマブル光源。
5. 前記変調出力強度の振幅変動を前記変調制御信号と比較することによって前記レーザ発振波長λ_ｌが前記波長変換素子（２０，１２０）の変換効率ピークより短波長であるかまたは長波長であるかを判定するように前記コントローラがプログラムされることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブル光源。
6. 前記波長選択区画の温度Ｔ_λまたは前記波長選択区画に注入される電流Ｉ_λの大きさの、あるいはいずれもの、前記利得電流Ｉ_Ｇの関数としてのフィードフォワード制御を実行するように前記コントローラがプログラムされることを特徴とする請求項１に記載のプログラマブル光源。

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