JP2010534353A - 波長変換光パッケージにおける変換効率の拡大 - Google Patents

Abstract

本発明の特定の実施の形態は、半導体レーザ、およびＳＨＧ結晶または他の種類の波長変換素子を採用している光パッケージの実効変換効率曲線を変更することに関する。例えば、本発明の一実施の形態によれば、スペクトルフィルタを表す透過曲線の上昇部分を、波長変換素子を表す変換効率曲線の下降部分と位置合わせするように光パッケージを調整する、光パッケージ制御方法が提供される。フィルタと波長変換素子がこのように位置合わせされると、基本レーザ信号の波長が、透過および変換効率曲線の上昇および下降部分の位置合わせされた部分に相当する波長範囲内に位置するように、光パッケージはさらに調整される。さらなる実施形態が開示され主張される。

Description

関連出願の説明

本出願は、波長変換光パッケージにおける変換効率の拡大として２００７年７月２０日に出願された、同一出願人による同時係属の米国特許出願第１１／８８０，２３１号に関し、その利益を主張するものである。

本発明は、一般に半導体レーザ、レーザ制御装置、レーザプロジェクションシステム、およびその他の半導体レーザを組み込んだ光学系に関する。より詳細には、本発明は、半導体レーザが波長変換素子に結合されている光パッケージにおける変換効率の拡大に関する。

半導体レーザはさまざまな手法で構成することができる。例えば実例として、限定するものではないが、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ、またはファブリペロ型レーザなどの単一波長半導体レーザを、第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような光波長変換素子と組み合わせることにより、高速変調可能な短波長光源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば、波長を５３０ｎｍへと変換するＳＨＧ結晶のスペクトル中心に１０６０ｎｍのＤＢＲまたはＤＦＢレーザを同調させて基本波レーザ信号の高調波を生成するように構成することができる。

ＭｇＯ添加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素子間の波長整合に強く依存する。レーザ設計の当業者には明らかであろうが、ＤＦＢレーザは、半導体材料の中に反射媒体として格子または同様の構造のエッチングを施した共振器レーザである。ＤＢＲレーザは、半導体レーザの電子励起領域から物理的に分離させて、エッチング処理が施された回折格子を設けたレーザである。ＳＨＧ結晶は、非線形結晶の第２高調波発生特性を用いてレーザ放射の周波数を２逓倍とするものである。

ＳＨＧ結晶や他の種類の波長変換素子の変換帯域は非常に狭いことが多い。例えば、典型的なＰＰＬＮ−ＳＨＧ波長変換素子では、波長変換帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）はわずか０．１６から０．２ｎｍの範囲である可能性がある。レーザ共振器内のモードホッピングや制御されていない大きな波長変化によって、半導体レーザの出力波長は動作中この許容帯域外に出る可能性がある。一旦半導体レーザの波長がＰＰＬＮ−ＳＨＧ素子の波長変換帯域外に逸脱してしまうと、目的とする波長での変換素子の出力パワーは急激に減衰する。レーザプロジェクションシステムでは、例えば、こういった出力パワーの減衰は特に問題である、というのも画像内の特定の箇所に欠陥として容易に見えてしまうような瞬間的な変化を生成し得るためである。生成された像は単にレーザの異なる領域での熱発生の痕跡であるため、これらの可視欠陥は典型的には画像全域に亘って系統的なパターン化された画像欠陥として現れる。

一般的に、半導体レーザの利得電流が増加すると、利得領域の温度も上昇する。結果的に、共振器モードはより長波長側に移動する。共振器モードの波長は、ＤＢＲ領域の波長よりも早く移動する。そのため、より短波長の共振器モードがＤＢＲ反射率曲線の最大値により近づくポイントにレーザは到達する。そのポイントでは、短波長のモードは確立されたモードよりも低損失であり、レーザ物理の基本原理によれば、レーザはその後より低損失のモードに自動的にジャンプする。典型的には、放出波長はゆっくりと長波長側に移動し、さらにレーザ共振器の１つの自由スペクトル領域に振幅が等しい急激なモードホップを含む。

多くの用途において、半導体レーザを組み込んだ光パッケージの出力強度の変調はしばしば必要となる。半導体レーザがデータを作り出すように変調されると、熱負荷は絶えず変化する。結果的に生じるレーザ温度と発振波長の変化により、ＳＨＧ結晶の効率は変化する。

本発明者は、ＳＨＧ結晶や他の種類の波長変換素子を採用している光パッケージに関し、その実効変換効率曲線を変更することに伴う利点を認識していた。

例えば、本発明の一実施の形態によれば、スペクトルフィルタを表す透過曲線の上昇部分を、波長変換素子を表す変換効率曲線の下降部分と位置合わせするように光パッケージを調整する、光パッケージ制御方法が提供される。フィルタと波長変換素子がこのように位置合わせされると、基本レーザ信号の波長が、透過および変換効率曲線の上昇および下降部分の位置合わせされた部分に相当する波長範囲内に位置するように、光パッケージはさらに調整される。

本発明の別の実施の形態によれば、スペクトルフィルタを表す上方の透過曲線からの透過の凹みを、波長変換素子を表す下方の変換効率曲線からの変換効率のピークと位置合わせするように光パッケージを調整する、光パッケージ制御方法が提供される。この形態の範囲内で、基本レーザ信号の波長は、下方の変換効率曲線における変換効率のピークに相当する範囲内にその基本レーザ信号の波長が位置するように調整される。

本発明のさらに別の実施の形態は、本発明の種々の実施形態の概念に従って動作するように構成された光パッケージおよびレーザプロジェクションシステムに関する。本発明の概念は主に画像形成と関連して説明されているが、本発明の種々の概念は、基本レーザ信号の波長の繰り返される低周波揺らぎが問題となり得る任意のレーザ用途にも適用できるであろうと考えられる。

以下の本発明の特定の実施形態に関する詳細な説明は、同様の構造を同様の参照符号で示した以下の図面と共に読むと最も良く理解することができる。

本発明の一実施の形態による光パッケージを示す概略図 各透過および変換効率曲線が本発明の特定の実施の形態により位置合わせされる手法を示す図 本発明の特定の実施の形態により、透過および変換効率それぞれの曲線が位置合わせされる手法を示す図 本発明の特定の実施形態の概念を用いたレーザ信号における、期待される向上された強度安定性の近似値を表す図

まず図１〜３を参照すると、半導体レーザ１０、スペクトルフィルタ２０、および光波長変換素子３０を備えている光パッケージを概略的に参照し、本発明の特定の実施形態に関する概念を便宜的に説明することができる。ＳＨＧ結晶および他の種類の波長変換素子を参照して上述したように、波長変換素子３０は入射光を高調波に変換し、変換レーザ信号３５を出力する。この種の構造は長波長半導体レーザから短波長レーザ光線を生成する際に特に有益であり、例えば、レーザプロジェクションシステム用の緑色可視レーザ光源として使用することができる。

変換信号３５の強度を変調する具体的手法は、当技術における従来のあるいは今後開発される教示から集めることができるが、一般に半導体レーザ１０の強度を変調することによって変換信号３５の強度を変調することができる。代替として、あるいは追加として、波長変換素子３０の波長変換効率は半導体レーザ１０と波長変換素子３０との間の波長整合に依存するから、半導体レーザ１０の波長を変調することによって変換信号の強度を変調することができる。

図１と同様の光パッケージにおいて実行される強度変調やその他の動作ルーチンは、多くの場合、変換信号の強度において著しい熱パターンを生じる可能性があることを本発明者は認識していた。この熱パターンは一般に、波長ドリフトを生じさせるパッケージ内の温度変化の結果である。さらに、特に波長変調の幅がそのレーザのレーザ自由スペクトル領域よりも大きい場合、上記強度変調および波長調整はモードホップをも発生させる可能性がある。本発明はいかなる特定の波長変化や急激なモードホップの出現にも限定されるものではないが、レーザプロジェクションシステムや半導体レーザ光源を用いるその他の種類の装置では、このような波長揺らぎが平滑な強度変化を生み出し、モードホップが比較的急速な強度シフトを生み出す可能性がある。このような欠陥によって画像内に生成される特定のパターンは、多数の因子、例えば限定するものではないが、レーザの温度、レーザの自由スペクトル領域、ＳＨＧ結晶のスペクトルバンドパス、ＳＨＧ結晶に対するＤＢＲレーザのスペクトルアライメントなどの関数になり得る。欠陥パターンの性質にかかわらず、パターン自体が、容易に認識できる系統的な構造物を画像内に提示するため、画像内に問題を提示し得る。また、準静的な画像に対しては、これらの欠陥が典型的にはフレームからフレームへとそれ自体を反復しその欠陥の画像内での認識を極めて容易にする。

このような挑戦について記してきたが、半導体レーザと共にＳＨＧ結晶または他の種類の波長変換素子を使用する際のより複雑な問題の１つは、結晶のスペクトル感度である。実際には、多くのＳＨＧ結晶の変換効率は、レーザ１０によって発せられた基本レーザ信号１５の波長に大いに依存する。波長の揺らぎをより許容するようにＰＰＬＮを設計することは可能であるが、そうした場合、典型的には変換効率との著しいトレードオフがある。結果として、ＰＰＬＮのパラメータは典型的には変換効率とパワー揺らぎとの間にいくらかバランスを呈する。さらに、パワー揺らぎを最小限に抑え変換効率を最大限にするために最適化されたＰＰＬＮ設計は、その複雑な設計のため、また製造工程において結晶のポーリングを極めて正確に制御しなければならないことが多いため、製造が困難であることが多い。こういったＰＰＬＮ設計の多くは、温度勾配に対し許容できないほどの感受性があるように思われる。従って、本発明者は、こういった類の問題を招かずに系のスペクトル帯域を増加させる方法を継続的に探す必要があることを認識していた。

本発明による光パッケージを制御する一方法については、図１および２を参照して説明することができる。ここでは光パッケージと、スペクトルフィルタ２０の透過曲線である曲線Ａ、および波長変換素子３０の変換効率曲線である曲線Ｂがそれぞれ例示されている。一般に、半導体レーザ１０は相対的に低周波の基本レーザ信号１５を生成するように動作する。例えば、光パッケージの出力で緑色レーザ光を生成するためには、基本レーザ信号は波長領域の赤外部分範囲内に低下する。

図示のように、スペクトルフィルタ２０および波長変換素子３０は、半導体レーザ１０の出力から延びている共通の光路に沿って配置される。本発明の概念を説明するため、例示の光路は複雑ではない。しかしながら、半導体レーザ１０によって発せられた基本レーザ信号１５は、スペクトルフィルタ２０および波長変換素子３０に直接結合されるか、あるいは平行および集束光学系または何らかの他の種類の適当な光学素子すなわち光学系を経て結合させることができることに留意されたい。上述したように、波長変換素子３０は基本レーザ信号１５を相対的に高周波の変換レーザ信号３５に変換する。

本発明を実施するにあたって、さまざまスペクトルフィルタを採用することができるが、スペクトルフィルタ２０の透過曲線Ａは、曲線Ａの上昇部分Ａ↑間に位置する少なくとも１つの局所的透過最小値Ａ_MINを波長領域λ（ｎｍ）内で含むべきであることに留意されたい。例えば、スペクトルフィルタ２０は、各透過最大値および透過最小値間で周期的に変化する透過関数を示すファブリペロフィルタを含んでもよい。このように本発明を実施すると、波長値が局所的透過最小値Ａ_MINから離れていくにつれて透過が増加するから、部分Ａ↑がここで「上昇する」部分と称されることは明らかであろう。同様に、波長変換素子３０は、曲線Ｂの下降部分Ｂ↓間に位置する少なくとも１つの局所的変換最大値Ｂ_MAXを波長領域λ（ｎｍ）内で含んでいる変換効率曲線Ｂによって特徴付けることができる。

本発明の例示の実施形態を実施するとき、透過曲線Ａの上昇部分Ａ↑が変換効率曲線Ｂの下降部分Ｂ↓と波長領域λ（ｎｍ）内で少なくとも部分的に位置合わせされるように、光パッケージは調整される。言い方を変えると、透過曲線Ａは、少なくとも１つの透過の凹みを波長領域内のＡ_MINで有している、上方の透過曲線として特徴付けることができる。同様に、変換効率曲線Ｂは、少なくとも１つの変換効率のピークを波長領域内のＢ_MAXで有している、下方の変換効率曲線として特徴付けることができる。このような点からは、上方曲線Ａの透過の凹みＡ_MIN が下方曲線Ｂの変換効率のピークＢ_MAXと少なくとも部分的に位置合わせされるように、光パッケージは調整される。

上述のような位置合わせの結果、光路に沿って伝播している光は、波長変換素子３０の局所的変換最大値Ｂ_MAXよりも低い変換最大値Ｃ_MAXを有する、結果として生じた合成変換効率曲線Ｃを経ることになる。さらに、半導体レーザの約±２つ分の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に及ぶ波長範囲に亘って、合成変換効率曲線Ｃでは変換効率偏差ΔＣが劇的に小さくなり、すなわち、ΔＢ＞＞ΔＣとなる。変換効率を低下させる任意の動作または設計パラメータは典型的には推奨されないであろうが、図２に示すように、特に比較的広い波長範囲に亘って変換効率偏差を縮小させることができる場合には、変換効率の低下を多くの用途で許容できることを本発明者は認識していた。光パッケージが、半導体レーザの約±２つ分の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に及ぶ波長範囲に亘って劇的に縮小された変換効率偏差ΔＣを呈するから、このパッケージは、変換レーザ信号の強度を劇的に変化させることなく基本レーザ信号の波長における著しい変化を許容できる。図２に示した特定の値、目盛り、および曲線グラフは、説明を明瞭にするために示されたものであり、本発明の概念は、図２の特定の値、目盛り、およびグラフに限定されるものではないことに留意されたい。

動作中、合成変換効率曲線Ｃの、拡大された変換効率グラフの比較的平坦な部分の範囲内に基本レーザ信号１５の波長が確実に位置するように、光パッケージをさらに調整することができる。このグラフ形状は、透過曲線Ａおよび変換効率曲線Ｂの間の位置合わせの度合いと、透過曲線Ａの上昇部分および変換効率曲線Ｂの下降部分の各形状の、直接的な結果である。例えば、図２に示した実施形態では、透過曲線Ａの上昇部分Ａ↑は変換効率曲線Ｂの下降部分Ｂ↓と約０．４ｎｍの幅に亘って位置合わせされる。結果として、合成変換効率曲線Ｃの変換効率偏差ΔＣは、±２つ分のＦＳＲの波長範囲すなわち約０．２ｎｍよりも広い範囲に亘って約±５％をはるかに下回る。

本発明の追加の実施形態が図３に図示されており、変換効率偏差ΔＣが約±５％よりも小さくなる範囲を拡大することを意図している。より具体的には、例示の実施形態において波長変換素子が備えているＳＨＧ結晶は、その結晶に亘ってポーリング周期（poling period）が変化している、またはその波長変換素子内に少なくとも２つの波長変換成分を画定するように複数の個別結晶領域が結合されているものである。この手法で結合される各成分は、基本レーザ信号の波長領域内でそれぞれ個別の変換効率曲線により特徴付けることができる。結果として、この種の波長変換素子の結合変換効率曲線Ｂ´は、複数の局所的変換最大値Ｂ_MAXを含む。同様に、スペクトルフィルタの透過曲線Ａ´は、複数の局所的透過最小値Ａ_MINを含む。この実施形態では、結合変換効率曲線Ｂ´の局所的変換最大値Ｂ_MAXそれぞれが、スペクトルフィルタの局所的透過最小値Ａ_MINそれぞれと少なくとも部分的に位置合わせされるように光パッケージは調整される。結果として、合成変換効率曲線Ｃ´の変換効率偏差は、±３つ分のＦＳＲの波長範囲すなわち約０．３ｎｍよりも大きい範囲に亘って約±５％よりも小さくなる。その結晶に亘ってポーリング周期が変化している、または少なくとも２つの波長変換成分を画定するように複数の個別結晶領域が結合されている、ＳＨＧ結晶の設計に関するさらなる詳細は、例えば米国特許第６，７２６，７６３号明細書など、さまざまな原典から集めることができる。

上述した手法で曲線Ａ、Ｂを位置合わせするためには、光パッケージの１以上の構成要素の調整が必要となることが多い。例えば、例示の実施形態では、波長変換素子３０に動作可能に連結された適切な温度制御機構４０を用いて波長変換素子３０の温度を制御することにより、光パッケージは調整される。さらに、基本レーザ信号１５の波長の制御が必要となることが多い。半導体レーザ設計の当業者には明らかであろうが、波長調整はさまざまな手法で行うことができ、例えば半導体レーザの１以上の領域の温度制御、半導体レーザの１以上の領域への電流注入、または両方が挙げられる。

図１に示した本発明の特定の実施形態では、スペクトルフィルタ２０を半導体レーザ１０の出力と波長変換素子３０の入力面との間に配置して示しているが、波長変換素子を半導体レーザ１０の出力とスペクトルフィルタ２０の入力面との間に配置してもよいことに留意されたい。本発明に関するこの代替の実施形態を実施するにあたっては、相対的に低周波の基本レーザ信号１５の波長領域と対極にある、相対的に高周波の変換レーザ信号３５の波長領域で、曲線Ａ、Ｂそれぞれの上昇および下降部分を共通の波長座標軸に沿って位置合わせすることが必要となる。さらに、相対的に高周波の変換レーザ信号３５の波長領域でスペクトルフィルタ２０が動作可能であることを確実にするよう注意する必要がある。

同様に、図１に示した本発明の特定の実施形態では、スペクトルフィルタ２０を波長変換素子３０と異なる光学要素として示しているが、スペクトルフィルタ２０を波長変換素子３０内に形成されたブラッグ格子として提供することもできると考えられる。

図４は、本発明の特定の実施形態の概念を用いた変換レーザ信号における強度安定性の示度を提供するように設計された実験の結果を示している。図４には、スペクトルフィルタを備えた場合、および備えていない場合の、可視スペクトルの緑色部分における高周波変換レーザ信号の相対的強度が時間経過と共にプロットされている。図４に示されているように、プロットの相対的高強度部分すなわちスペクトルフィルタを備えていない場合を参照すると、変換レーザ信号の強度は時間経過と共に著しく変化している。これに対し、プロットの相対的低強度部分を参照すると、変換レーザ信号の強度は比較的静的である。

本発明を画定および説明するため、本書では特定の波長スペクトルを「相対的に低周波」または「相対的に高周波」のいずれかであると説明あるいは詳述している。本書ではこのようなスペクトルを、単に互いに対して「低周波」または「高周波」であると説明および詳述しているのであって何らかのその他の値や基準に対するものではないことを理解して、この説明および請求項は読まれるべきである。

本発明の概念は主にＤＢＲレーザに関連して説明されているが、ここで論じられた制御方式は、限定するものではないが、ＤＦＢレーザ、ファブリペロレーザ、および多くの外部共振器レーザを含むさまざまな種類の半導体レーザでも有用性があるであろうと考えられる。

本発明の概念は、限定するものではないが、画素ベースのプロジェクションシステム、空間光変調器ベースのシステム（ＤＬＰ（digital light processing）、透過型液晶ディスプレイ、およびＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）を含む）を含むさまざまな環境において適用性を享受するであろうと考えられる。

「好ましくは」「一般的には」および「典型的には」のような用語が本書で用いられているときには、主張された本発明の範囲を限定すること、または、特定の特徴が主張された本発明の構造物または機能にとって重大、不可欠、あるいはまさに重要であるという意味を含むことを意図しているものではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の実施形態の特定の態様を認定すること、あるいは本発明の特定の実施形態において利用できる、または利用できない代替の、または追加の特徴を強調することを単に意図している。

前述の本発明の詳細な説明は、主張される本発明の性質および特徴を理解するための概要または構想を提供するように意図されていることを理解されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対する種々の改変および変形例が作製可能であることは当業者には明らかであろう。このため、本発明は、添付の請求項およびその同等物の範囲内で提供される本発明の改変および変形例を含むと意図されている。

１０ 半導体レーザ
１５ 基本レーザ信号
２０ スペクトルフィルタ
３０ 波長変換素子
３５ 変換レーザ信号
４０ 温度制御機構

Claims (5)

1. 半導体レーザ、スペクトルフィルタ、および波長変換素子を備えている光パッケージを制御する方法であって、
   前記半導体レーザを、波長領域内で相対的に低周波のスペクトルを有する基本レーザ信号を生成するように動作させ、
   前記スペクトルフィルタおよび前記波長変換素子が、前記半導体レーザの出力から延びている共通の光路に沿って配置され、
   前記スペクトルフィルタが透過曲線によって特徴付けられ、該透過曲線が、該曲線の上昇部分間に位置する少なくとも１つの局所的透過最小値を前記波長領域内で含み、
   前記波長変換素子が変換効率曲線によって特徴付けられ、該変換効率曲線が、該曲線の下降部分間に位置する少なくとも１つの局所的変換最大値を前記波長領域内で含み、
   前記波長変換素子が、相対的に高周波の波長スペクトルを有する変換レーザ信号に前記基本レーザ信号を変換するように構成され、
   前記透過曲線の前記上昇部分が前記変換効率曲線の前記下降部分と前記波長領域内で少なくとも部分的に位置合わせされるように、前記光パッケージが調整され、かつ、
   前記基本レーザ信号の前記波長が、前記透過および変換効率曲線の前記上昇および下降部分が位置合わせされた部分に相当する波長範囲内に位置するように、前記光パッケージがさらに調整されることを特徴とする方法。
2. 前記位置合わせの度合いと、前記透過および変換効率曲線の前記上昇および下降部分の各形状は、前記波長変換素子の前記局所的変換最大値よりも低い変換最大値と、前記半導体レーザの約±２つ分のＦＳＲの波長範囲すなわち約０．２ｎｍよりも大きい範囲に亘る、前記変換効率曲線よりも小さい変換効率偏差とを有する合成変換効率曲線を結果として生じるようなものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記スペクトルフィルタが、前記共通の光路に沿って前記半導体レーザの前記出力と前記波長変換素子の入力面との間に配置され、かつ、
   前記透過曲線の前記上昇部分が、前記変換効率曲線の前記下降部分と、共通の波長座標軸に沿って、前記相対的に低周波の基本レーザ信号の前記波長領域内で少なくとも部分的に位置合わせされるように、前記光パッケージが調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記波長変換素子が、前記共通の光路に沿って前記半導体レーザの前記出力と前記スペクトルフィルタの入力面との間に配置され、かつ、
   前記透過曲線の前記上昇部分が、前記変換効率曲線の前記下降部分と、共通の波長座標軸に沿って、前記相対的に高周波の変換レーザ信号の前記波長領域内で少なくとも部分的に位置合わせされるように、前記光パッケージが調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記透過曲線が、少なくとも１つの透過の凹みを前記波長領域内で有している上方の透過曲線を備え、
   前記変換効率曲線が、少なくとも１つの変換効率のピークを前記波長領域内で有している下方の変換効率曲線を備え、かつ、
   前記上方の透過曲線の前記透過の凹みが、前記下方の変換効率曲線の前記変換効率のピークと、前記波長領域内で少なくとも部分的に位置合わせされるように、前記光パッケージが調整されることを特徴とする請求項１記載の方法。

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