JP2010534355A - 波長変換光パッケージにおける強度変調 - Google Patents

Abstract

本発明の特定の実施形態は、概して、半導体レーザ（１０）、スペクトルフィルタ（３０）、および波長変換素子（２０）を備えている光パッケージを制御する方法に関する。スペクトルフィルタ（３０）および波長変換素子（２０）は、スペクトルフィルタ（３０）に帰属する伝送帯域成分と波長変換素子（２０）に帰属する変換帯域成分とを含む波長伝達関数を集合的に画定する。波長伝達関数の伝送帯域成分は、半導体レーザ（１０）の１つの自由スペクトル領域よりも小さい。この方法は、ネイティブレーザ出力をスペクトルフィルタ（３０）および波長変換素子（２０）を通して導く工程、および、ネイティブ波長スペクトルを半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さくシフトさせることによって、光パッケージにおける波長変換レーザ出力の強度を変調させるように半導体レーザ（１０）を調整する工程を含む。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強度変調として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１１／８８０，２８９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スペクトルのフィルタリングおよび強度変調に関する。

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。

ＰＰＬＮ−ＳＨＧ素子の帯域は非常に狭いことが多い。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の範囲であり、結晶長にほとんど依存する。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。１２ｍｍ長のＰＰＬＮ−ＳＨＧ素子の事例では、関連する半導体レーザの温度が約２℃変化すれば、典型的にはレーザの出力波長を半値全幅（ＦＷＨＭ）で０．１６ｎｍの結晶の波長変換帯域外とするのに十分である。

例えば、これに限定するつもりはないが、レーザプロジェクションシステムは１以上のレーザベース光源のピクセルごとの強度変化を通じて複合投影画像（complex projected images）を生成するように構成することができる。本発明者は、強度が変調されるこのようなパッケージにおいて、上述の熱痕跡が典型的には持続することを認識していた。多くの場合において、レーザベース光源における強度変調は熱痕跡を悪化させ得る。本発明による強度変調ルーチン、およびその関連する光パッケージと関連素子は、レーザベース光源における従来の強度変調の代替として有効であるとここでは考えられている。

実際に、本発明は、強度変調レーザベース光源の内部のモードホッピングおよび制御されていない大きな波長変化を、処理し、管理し、最小限に抑え、あるいはそうでなければ制御するように実施することができると考えられる。

本発明の一実施の形態によれば、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が提供される。スペクトルフィルタおよび波長変換素子は、スペクトルフィルタに帰属する伝送帯域成分と波長変換素子に帰属する変換帯域成分とを含む波長伝達関数を集合的に画定する。波長伝達関数の伝送帯域成分は、半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さい。半導体レーザは、波長伝達関数の伝送帯域成分および変換帯域成分よりも著しく広いネイティブ波長スペクトルを有するネイティブレーザ出力を生成するように構成される。この方法は、ネイティブレーザ出力をスペクトルフィルタおよび波長変換素子を通して導く工程、および、ネイティブ波長スペクトルを半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さくシフトさせることによって、光パッケージにおける波長変換レーザ出力の強度を変調させるように半導体レーザを調整する工程を含む。

本発明の別の実施の形態によれば、半導体レーザのネイティブ波長スペクトルの有意部分を波長伝達関数内の波長帯から波長伝達関数外の波長帯へとシフトさせることにより、光パッケージにおける波長変換レーザ出力の強度を変調させるように半導体レーザを調整する。

本発明のさらに別の実施の形態によれば、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が提供される。スペクトルフィルタおよび波長変換素子は、スペクトルフィルタに帰属する伝送帯域成分と波長変換素子に帰属する変換帯域成分とを含む波長伝達関数を集合的に画定する。波長伝達関数の伝送帯域成分は、半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さい。半導体レーザは、波長可変レーザ光源を含み、かつ波長伝達関数の伝送帯域成分および変換帯域成分よりも大きい範囲に亘って調整され得るネイティブ波長スペクトルを有するネイティブレーザ出力を生成するように構成される。光パッケージは、半導体レーザのネイティブレーザ出力をスペクトルフィルタおよび波長変換素子を通して導くように構成される。

本発明のさらに別の実施の形態によれば、半導体レーザは、半導体レーザのネイティブ波長スペクトルの有意部分を波長伝達関数内の波長帯から波長伝達関数外の波長帯へとシフトさせるように構成された、波長可変レーザ光源を含む。

本発明のさらに別の実施の形態によれば、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、レーザ制御装置が考えられる。本発明による１以上の半導体レーザと対応するレーザ制御装置とを備えたレーザプロジェクションシステムもまた考えられる。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、レーザ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応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ともに読むと最も良く理解することができる。

比較的広いレーザ出力スペクトル、およびレーザに結合される波長変換素子の対応するスペクトル帯域を表すグラフ 図１に示した対応するスペクトル帯域に対する、波長変調された比較的広いレーザ出力スペクトルを表すグラフ 波長変調を用いて強度変調光出力を生成することができる、光パッケージおよび手法を示す概略図 本発明の一実施の形態による、フィルタ処理が施されたレーザ出力スペクトルと波長変換素子との組合せによって画定される、比較的狭い波長伝達関数を表すグラフ 図４に示した比較的狭い波長伝達関数との関連で、強度変調に適している波長変調の度合いを表すグラフ 比較的狭い波長伝達関数と、波長変調を用いて強度変調光出力を生成する手法とを画定している、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

まず図１〜３を参照すると、光波長変換素子２０と光学的に結合された半導体レーザ１０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。半導体レーザ１０によって発せられた光線１５は、波長変換素子２０の導波路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適当な光学素子すなわち光学系を通って結合される。波長変換素子２０は、入射光を高調波に変換して変換信号２５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。

波長変換素子２０の波長変換効率は半導体レーザ１０と波長変換素子２０との間の波長整合に依存するから、変換信号２５の強度は半導体レーザ１０の波長を変調することにより変調することができる。より具体的には、レーザ出力スペクトルの例が示されている図１を参照すると、最高強度の縦モードλ_MAXが波長変換素子２０のスペクトル変換帯域ｗと位置合わせされているとき、変換信号２５の強度は最大値近傍になる。これに対し、図２のように、高強度縦モードを波長変換素子２０のスペクトル帯域ｗの十分外側にシフトさせるようにレーザが調整されると、変換信号２５の強度は著しく低下する。この発振波長におけるシフトおよびそれに対応する強度低下については、図３にも概略的に示されている。上記強度低下を生じさせるように発振波長をシフトさせる度合いは、図２に波長変調λ_MODとして示されている。λ_MODの幅は、典型的には光線１５が完全消光に至るのに十分な大きさである。典型的には、その幅はスペクトル曲線全体の半値全幅（ＦＷＨＭ）の少なくとも２または３倍を必要とする。

強度変調のために必要な波長調整λ_MODの度合いは波長ドリフトを生じさせる温度変化を発生させ得ることから、図１〜３に示されているオーダーでの波長変調は多くの場合、著しい熱パターンを生じさせる可能性があることを本発明者は認識していた。さらに、特に波長変調λ_MODの幅が図１および２の事例のようにレーザの自由スペクトル領域よりも大きい場合、上記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、ＰＰＬＮ結晶のスペクトルバンドパス、ＰＰＬＮ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。本発明者は、レーザがいくらかモードホップを経験するとき、モードが選択される方法はいくらか無作為な規則に従うようであることも認識していた。結果として、モード選択が予想不可能な性質のものであるために、レーザの自由スペクトル領域よりも大きい幅での波長変化を含む全ての変調方法は制御が非常に困難である。

本発明による、波長調整を通して強度変調を実現する種々の光パッケージおよび関連の制御方法については、図４〜６を参照し、チューナブル半導体レーザ１０、スペクトルフィルタ３０、および波長変換素子２０を備えている光パッケージに関連して説明することができる。スペクトルフィルタ３０および波長変換素子２０は集合的に波長伝達関数を画定し、この伝達関数はスペクトルフィルタ３０の伝送帯域および波長変換素子２０の変換帯域成分の組合せであるから、波長伝達関数については便宜的に伝達関数帯域ｗ´の観点から説明することができる。一般に、伝達関数帯域ｗ´は波長変換素子２０およびスペクトルフィルタ３０によって画定されるそれぞれの帯域の限界を超えて拡大することはない。例えば、波長変換素子２０およびスペクトルフィルタ３０の各帯域が互いに略位置合わせされ、かつ幅が略等しいとき、伝達関数帯域ｗ´はそれぞれの成分帯域と同等になる。波長変換素子２０およびスペクトルフィルタ３０の各帯域が互いに略位置合わせされているが異なる値を有しているとき、伝達関数帯域ｗ´は２つの帯域成分のうち狭い方の値を取る。波長変換素子２０およびスペクトルフィルタ３０の各帯域が単に重複しているとき、伝達関数帯域ｗ´はその重複している帯域に限定される。

本発明の種々の実施形態を実施する際には、波長変換素子２０とスペクトルフィルタ３０の成分帯域間の重複を少なくともある程度確実にするよう留意する必要があり、というのも重複しない場合には、光パッケージが伝送するレーザ出力に有意な変換がなされないためである。例えば、限定するものではないが、スペクトルフィルタ３０がファブリペロフィルタを備え、波長変換素子２０がＰＰＬＮ−ＳＨＧ結晶を備えている場合、スペクトルフィルタ３０の伝送帯域は０．０６ｎｍよりも小さく、結晶２０の変換帯域は０．０６ｎｍ、０．１ｎｍ、０．２ｎｍまたはそれよりも小さくなり得る。この例では、伝達関数帯域ｗ´は０．０６ｎｍ以下となるであろう。

図４に示すように、波長変換素子２０の出力で生成された変換信号２５´の強度は、最高強度の縦モードλ_MAXが波長変換素子２０の伝達関数帯域ｗ´の中心と位置合わせされているときに最大値近傍になる。これに対し、図５のように、高強度縦モードλ_MAXを波長変換素子２０の伝達関数帯域ｗ´の外側にシフトさせるようにレーザが調整されると、変換信号２５´の強度は著しく低下する。この発振波長におけるこのシフトおよびそれに対応する強度低下については、図６にも概略的に示されている。典型的には、半導体レーザ１０はネイティブ赤外線（native IR）または近赤外線レーザ出力１５を生成するように構成され、波長変換素子２０は波長変換青色または緑色レーザ出力２５´を生成するように構成される。

上記強度低下を生じさせるように発振波長をシフトさせる度合いは波長変調λ´_MODとして図５に示されているが、その大きさはスペクトルフィルタが提供されていない図２〜３に示されている対応する波長変調λ_MODよりも著しく小さい。結果として、スペクトルフィルタ３０を提供し、かつスペクトルフィルタ３０の伝送帯域が波長伝達関数の成分となるように光パッケージを構成することにより、比較的大きさの小さい波長変調を採用して変換信号２５´に有意な強度変調を発生させることができる。さらに、スペクトルフィルタの伝送帯域成分が半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さくなるように光パッケージを構成して、このように本発明を実施すると、強度変調レーザベース光源の内部のモードホッピングおよび制御されていない大きな波長変化を、処理し、管理し、最小限に抑え、あるいはそうでなければ制御することができる。

動作中半導体レーザ１０はネイティブ波長スペクトル（native wavelength spectrum）を有するネイティブレーザ出力１５を生成するが、このネイティブ波長スペクトルは図１および２に示されているものと同様に、波長伝達関数の伝送帯域および変換帯域成分よりも著しく広い。しかしながら、図４〜６に示されているように、比較的広いネイティブレーザ出力１５はスペクトルフィルタ３０および波長変換素子２０を通って導かれ、半導体レーザ１０は図５に示した比較的狭い波長変調λ´_MODを超え調整される。この変調方式によれば、ネイティブ波長スペクトルにおける半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さいシフトが、光パッケージの波長変換レーザ出力２５´の強度変調には十分である。ネイティブレーザ出力１５の全幅が比較的大きい場合、典型的には半導体レーザ１０のネイティブ波長スペクトルの一部を伝達関数帯域ｗ´内から図５に示されているように伝達関数帯域ｗ´外の波長帯に単にシフトさせることで十分である。

典型的には、半導体レーザ１０のネイティブ波長スペクトル１５をスペクトルフィルタ３０に帰属する伝送帯域成分よりも小さい量シフトさせることによって半導体レーザを強度変調することができる。例えば、限定するものではないが、スペクトルフィルタの伝送帯域成分が０．０６ｎｍよりも小さい場合、半導体レーザのネイティブ波長スペクトルを約０．０６ｎｍよりも小さくシフトさせることによって強度変調は実現できる。波長伝達関数の成分が波長変換素子２０にも帰属することに留意すると、半導体レーザ１０のネイティブ波長スペクトル１５を波長変換素子２０に帰属する変換帯域成分よりも小さい量シフトさせることによって、半導体レーザを強度変調できると考えられる。例えば、限定するものではないが、波長伝達関数の変換帯域成分が約０．２ｎｍよりも小さい場合、半導体レーザのネイティブ波長スペクトルを約０．０６ｎｍよりも小さくシフトさせることによって強度変調は実現できる。スペクトルフィルタおよび波長変換素子がより著しく狭い帯域を有していると意図されている事実がある場合には、波長変換光パッケージでの強度変調を実現するために、０．１ｎｍをはるかに下回る、すなわち０．０１ｎｍオーダーでの波長シフトを採用することもできると考えられる。

本発明の特定の実施形態では、半導体レーザ１０がＤＢＲレーザを含み、ＤＢＲレーザの位相領域に電流を印加することによって波長をシフトさせる。本発明の他の実施形態では、半導体レーザ１０がＤＢＲレーザを含み、半導体レーザ内のモードホップを防ぐためにレーザの位相領域およびＤＢＲ領域に電流を印加することによって波長をシフトさせる。本発明のさらに別の実施形態では、半導体レーザ１０がＤＢＲレーザを含み、熱ドリフトを防ぐために半導体レーザ１０の位相領域に逆電圧を印加することによって波長をシフトさせる。

図６では、波長変換素子２０の上流にスペクトルフィルタ３０が示されているが、ネイティブレーザ出力１５をスペクトルフィルタ３０に通して導くのは、波長変換素子２０に通過させる前、または後、あるいは前後両方でもよいと考えられる。スペクトルフィルタ３０および波長変換素子２０の選択および構成に関し、スペクトルフィルタ３０に帰属する伝送帯域成分が波長変換素子２０に帰属する変換帯域成分以下となるように光パッケージを構成するとより有益になることが多いことに留意されたい。

本発明の概念は、種々のレーザベース光源に採用することができると考えられ、例えば、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（シリコン上液晶(liquid crystal on silicon)）を含む）などに用いられるものが挙げられる。本書に記述された手法で、半導体レーザのネイティブ波長スペクトルをシフトさせて光パッケージの波長変換出力を強度変調させるようにプログラムされたレーザ制御装置を、このパッケージとともに提供することにより、本発明の特定の態様を具象化するように光パッケージを構成することができるとも考えられる。

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。

「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。

本発明を説明および画定するため、「約」という用語は本書において、任意の定量比較、値、測定値、あるいは他の表現に起因し得る、内在する不確実さの度合いを表すために用いられていることに留意されたい。

１０ 半導体レーザ
１５ ネイティブレーザ出力
２０ 波長変換素子
２５´ 変換信号
３０ スペクトルフィルタ

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、
   前記スペクトルフィルタおよび前記波長変換素子が、前記スペクトルフィルタに帰属する伝送帯域成分と前記波長変換素子に帰属する変換帯域成分とを含む波長伝達関数を集合的に画定し、
   前記半導体レーザが、前記波長伝達関数の前記伝送帯域成分および前記変換帯域成分よりも著しく広いネイティブ波長スペクトルを有するネイティブレーザ出力を生成するように構成され、かつ、
   前記ネイティブレーザ出力を前記スペクトルフィルタおよび前記波長変換素子を通して導く工程、および、前記半導体レーザの前記ネイティブ波長スペクトルの有意部分を前記波長伝達関数内の波長帯から前記波長伝達関数外の波長帯へとシフトさせることにより、前記光パッケージの波長変換レーザ出力の強度を変調させるように前記半導体レーザを調整する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記波長伝達関数の前記伝送帯域成分が前記半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さく、かつ前記ネイティブ波長スペクトルを前記半導体レーザの１つの自由スペクトル領域よりも小さくシフトさせることによって、前記半導体レーザを調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記半導体レーザの前記ネイティブ波長スペクトルを前記波長伝達関数の前記伝送帯域成分よりも小さい量シフトさせることによって、前記半導体レーザを調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記半導体レーザの前記ネイティブ波長スペクトルを前記波長伝達関数の前記変換帯域成分よりも小さい量シフトさせることによって、前記半導体レーザを調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記波長伝達関数の前記伝送帯域成分が、前記波長伝達関数の前記変換帯域成分よりも小さいまたは略同等であることを特徴とする請求項１記載の方法。

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