JP3707775B2 - 光ディスクシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を有する半導体レーザなどの光源のための発振波長安定化装置に関し、また、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザと波長変換素子とから構成される短波長光源のための高調波出力安定化装置に関する。さらに、本発明は、それらを使用する光ディスクシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長７８０ｎｍ帯の近赤外半導体レーザや波長６７０ｎｍの赤色半導体レーザを用いた光ディスクシステムの開発が、活発に行われている。光ディスクの高密度化を実現するためには、小さなスポット形状を再生することが望まれる。そのためには、集光レンズの高ＮＡ（開口数）化や光源の短波長化が必要となる。短波長化技術の一つとして、近赤外半導体レーザと擬似位相整合（以下では、「ＱＰＭ」と記す）方式の分極反転型導波路デバイス（例えば、山本、他：Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ１．１６，Ｎｏ．１５，１１５６（１９９１）を参照）とを用いた第２高調波発生（以下では、「ＳＨＧ」と記す）技術がある。
【０００３】
分極反転型導波路デバイスを用いたブルー光源（ＳＨＧブルーレーザ）の概略構成図を、図１７に示す。
【０００４】
図１７において、２３は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザ、２４はＮＡ＝０．５のコリメートレンズ、２５はλ／２板（半波長板）、２６はＮＡ＝０．５のフォーカシングレンズ、及び２７は分極反転型導波路デバイスである。ＤＢＲ半導体レーザ２３には、発振波長を固定するためのＤＢＲ部が形成され、ＤＢＲ部の内部には、さらに発振波長を可変するための内部ヒータが形成されている。波長変換素子である分極反転型導波路デバイス２７は、ＬｉＴａＯ3基板２８に形成された光導波路２９と周期的な分極反転領域３０とより構成されている。コリメートレンズ２４で平行になったレーザ光は、λ／２板２５で偏光方向を回転され、フォーカシングレンズ２６で分極反転型導波路デバイス２７の光導波路２９の端面に集光され、分極反転領域３０を持つ光導波路２９を伝搬する。その結果、光導波路２９の出射端面より、変換された高調波及び変換されなかった基本波が出射される。
【０００５】
分極反転型導波路デバイス２７は、高効率に波長変換が行われる位相整合波長の許容幅が、約０．１ｎｍと小さい。そのため、ＤＢＲ半導体レーザ２３のＤＢＲ部への注入電流量を制御し、発振波長を、分極反転型導波路デバイス２７の位相整合波長の許容幅内に固定する。典型的には、光導波路２９への入射光強度約７０ｍＷに対し、波長４２５ｎｍのブルー光が約３ｍＷの強度で得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＢＲ半導体レーザは、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するためのＤＢＲ領域とより構成される。ＤＢＲ領域は、レーザ光の波長である８５０ｎｍに対して透明になるように、活性領域よりバンドギャップが大きな材料で形成されている。ＤＢＲ領域には回折格子が形成されていて、発振波長は、ＤＢＲ領域で反射する光の波長に制御される。
【０００７】
また、ＤＢＲ領域の屈折率を変化させることにより、発振波長を可変することができる。ＤＢＲ領域の屈折率を変化させる方法として、（１）ＤＢＲ領域に電流を注入する方法、（２）電子冷却素子（ペルチエ素子）などにより温度を変化させる方法、などがある。
【０００８】
しかし、ＤＢＲ領域に電流を注入して発振波長を可変する場合には、所望の波長値に正しく固定することが困難な場合がある。
【０００９】
一方、温度変化を通じて発振波長の制御を行う目的で電子冷却素子などで半導体レーザの温度制御を行うためには、１Ｗ程度の吸熱容量を有する電子冷却素子が必要となり、消費電力の点で問題となる。また、使用環境温度が広くなると、信頼性に悪影響を及ぼす。さらに、温度変化により波長可変を行うと、半導体レーザの温度変化により、レーザ光の出力強度も変化する。この出力強度の変動を補償するために活性領域への注入電流を調整すると、結果として位相条件が変化するために、好ましくないモードホップが生じる。
【００１０】
モードホップを解決する手段として、位相制御部を有する半導体レーザが提案されている。しかしながら、環境温度が変化しても安定に連続波長可変が行える制御方法の実現は、困難とされている。
【００１１】
また、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザと波長変換素子から構成される短波長光源においても、半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に一致させることが必要である。短波長光源では、環境温度変化などによる半導体レーザの発振波長と位相整合波長のずれから、得られる短波長光の出力変動が生じる。特に、波長変換素子として周期的分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換デバイスを用いた場合、その位相整合波長に対する波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、半導体レーザの発振波長制御が特に重要である。
【００１２】
さらに他の課題は、擬似位相整合型デバイスの基板であるＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3結晶の光損傷特性である。ここでいう光損傷とは、短波長光照射による屈折率変化である。屈折率が変化すると擬似位相整合型デバイスの位相整合波長がシフトするため、安定に高調波出力を得るためには、半導体レーザの波長が位相整合波長に一致するように、常に制御する必要がある。
【００１３】
本発明は、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ及びそれを用いた短波長光源における上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）安定した発振波長の制御を行う半導体レーザのための発振波長安定化装置を提供すること、（２）安定した短波長出力を提供できる光源の高調波出力安定化装置を提供すること、及び、（３）それらを使用した光ディスクシステムを提供すること、である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ディスクシステムは、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、前記半導体レーザが位相制御領域を有し、再生した信号を蓄積するためのメモリと、該メモリに蓄積された信号を利用して信号を外部に送出する所定の期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子からの出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の光ディスクシステムは、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、前記半導体レーザが位相制御領域を有し、再生した信号を蓄積するためのメモリと、該再生した信号を該メモリに蓄積するレートが該メモリより信号を取り出すレートより大きくて、該メモリが蓄積された信号により充填されていて、該メモリに蓄積された信号を利用する期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子から出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする。
【００２１】
前記位相制御領域へ注入する電流のリセットする工程において、その設定値が略０ｍＡであることを特徴とする。
【００２２】
前記波長変換素子が、周期的分極反転領域を有する擬似位相整合方式の波長変換素子であることを特徴とする。
【００２３】
前記波長変換素子が光導波路型であることを特徴とする。
【００２４】
前記波長変換素子がバルク型であることを特徴とする。
【００２５】
前記非線形光学結晶が、ＬｉＴａ x Ｎｂ 1-x Ｏ 3 ( ０≦ｘ≦１）結晶であることを特徴とする。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ（ＤＢＲ半導体レーザ）において、その発振波長の所望の波長への安定した固定や、波長可変を行う場合の安定した発振波長の制御を、実現しようとするものである。また、そのような半導体レーザを波長変換素子と組み合わせた短波長光源において、安定な高調波出力を実現することを目的としている。
【００４４】
具体的な実施形態の説明に先立って、まず、本発明に至る過程で本願発明者らによって行われた検討結果を説明する。
【００４５】
図２に、ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）と発振波長の関係を、図４に、半導体レーザの温度と発振波長の関係を示す。
【００４６】
図２に示すように、ＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変する場合、発振波長は、実際には、モードホップを繰り返しながら、ＤＢＲ電流の増加に対して長波長側に波長シフトしていく。また、ＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで、同じ電流量に対する発振波長が異なるヒステリシスな特性を示す。そのため、ＤＢＲ電流を値Ａ〜値Ｂの範囲で変化させて発振波長を可変する場合に、ＤＢＲ電流を値Ａから徐々に増加（或いは減少）させながら所望の波長に相当する電流値を見いだし、値Ｂに到達した後に値Ａに向けて減少（或いは増加）させて先に見いだした電流値に設定しても、得られる発振波長は所望の値ではなくなってしまう。これは、ヒステリシス特性のために、最初の上昇（或いは減少）過程と引き続く減少（或いは増加）過程との間で、同一のＤＢＲ電流に対して得られる発振波長が異なるためである。発明者らは、ＤＢＲ領域に電流を注入して発振波長を可変する場合に所望の波長値に正しく固定することが困難になるのは、このようなヒステリシス特性の影響であると考えた。
【００４７】
一方、半導体レーザ温度を変化させた場合は、図４に示すように連続的な波長可変が可能であり、半導体レーザ温度と発振波長が１対１の関係となる。しかし、図４に示されているように、温度変化の過程でモードホップ現象が生じて、波長変化が不連続になる場合があることが、発明者らの検討により確認された。発明者らは、使用環境温度の変化幅が大きくなると信頼性に悪影響が及ぼされるのは、このような点に起因する可能性があると考えた。
【００４８】
本発明は、上記のような検討結果に基づいてなされたものである。
【００４９】
以下、本発明の発振波長安定化装置及び高調波出力安定化装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００５０】
（ＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化）
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、ＤＢＲ領域へ注入するＤＢＲ電流を一方向に電流制御することにより、安定に発振波長を可変する方法について説明する。
【００５１】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、それらの各部を制御する３つの回路系７〜９と、各回路系７〜９を制御するシステム制御部６と、から構成される。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２への注入電流を制御するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。
【００５２】
半導体レーザ１は、ＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル成長により作製される。ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓを成長させた後、ＡｌＧａＡｓの導波領域と活性領域が形成され、クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓが積層される。次に、フォトリソグラフィー技術により、導波路が形成される。レジストがウェハ上にコートされ、干渉露光によりグレーティングパターンが形成された後、導波領域のみにエッチングによりグレーティング（ＤＢＲ）が形成される。２回目のＭＯＣＶＤ成長では、接触抵抗を低減するため、ウェハ上にｐ−ＧａＡｓが形成される。ＤＢＲ領域３及び活性領域２の上には、電流注入するための電極４ｂ及び４ａが形成される。得られたＤＢＲ半導体レーザ１は、典型的には、しきい電流値が約３０ｍＡで、約１００ｍＷ出力時の動作電流は約１５０ｍＡである。
【００５３】
本実施形態の発振波長を所望の波長に調整する方法について、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して詳しく説明する。
【００５４】
第１に、活性領域２上の電極４ａに電流注入するように、システム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように、電流注入を行う。第２に、レーザ光の発振波長を波長計５により検出し、波長検出部９より信号を出力する。次に、ＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３上の電極４ｂに電流を注入し、レーザ光の発振波長を調整する。
【００５５】
ここで、図２に示すＤＢＲ電流と発振波長の関係図に示されるように、ＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変すると、発振波長はモードホップを繰り返しながら、注入電流の増加に対して長波長側に波長シフトする。このときのＤＢＲ電流に対する波長シフトの傾きは、０．２１ｎｍ／１０ｍＡであった。そして、ＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで、電流量に対する発振波長が異なり、ヒステリシスな特性を示す。本発明では、このヒステリシス特性を回避し、発振波長を正確に調整するため、次のような方法で調整を行っている。
【００５６】
第１に、ＤＢＲ電流を０ｍＡから１００ｍＡまで増加させ、発振波長をスキャンする。このとき、波長検出部９から出力される信号を検出し、レーザ光の波長が設定波長と一致するＤＢＲ電流をシステム制御部６に記憶する。第２に、１００ｍＡレベルに到達したＤＢＲ電流を、記憶されたＤＢＲ電流よりも１０ｍＡ低い電流値まで下げる（ＤＢＲ電流リセット）。第３に、検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化させ（すなわち増加させ）、システム制御部６に記憶されたＤＢＲ電流に設定して、半導体レーザ１の発振波長を設定波長に調整する。
【００５７】
本実施形態のように、レーザ光の波長を設定波長に調整する際、ＤＢＲ電流を増加させながら設定波長に対応した電流値を検出し、その後にＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定してから、電流を再び増加させながら所望の注入電流に固定することで、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザのチューニング特性がもつヒステリシス特性を回避することができる。或いは、ＤＢＲ電流をまず所定の範囲で減少させ、所定の発振波長に相当する電流値を記憶した後に、あるレベルまで一旦増加させ、再び減少させながら記憶された電流値に設定してもよい。
【００５８】
ＤＢＲ電流をモードホップ電流近傍に固定すると、環境温度変化などに対してモードホップを起こしやすい。そのため、本実施形態では、図２においてモードホップを生じるＤＢＲ電流Ｉ1及びＩ2の中間のＤＢＲ電流Ｉ0＝（Ｉ1＋Ｉ2）／２に固定することで、より安定な波長制御を実現している。
【００５９】
ＤＢＲ電流により発振波長を可変するときのもう一つの課題は、モードホップ時にノイズが発生することである。このノイズ発生は、ＤＢＲ電流による波長可変が、ＤＢＲ領域内部のヒータでの熱的現象であることに起因する。しかし、モードホップ現象は１０ｎｓ以下の高速現象であるため、光ディスクなどで用いられる数１０ＭＨｚ以下の周波数帯域では無視し得る。そのため、モードホップが生じる近傍のみ電流注入のレートを遅くすることで、数１０ＭＨｚ以下の周波数帯域ではノイズ発生のない波長可変が実現できる。
【００６０】
図１８は、ＤＢＲ電流の注入レートの一例である。この場合では、連続波長可変領域では１ｍＡ／１０μｓ、モードホップが生じる電流の近傍では１ｍＡ／１００μｓで、ＤＢＲ電流を変化させる。図１８のような電流注入を行うことで、ノイズ発生のない波長可変が実現できる。
【００６１】
なお、図１８では、モードホップが生じる電流の近傍で１ｍＡ／１００μｓのレートで電流注入を行っているが、１ｍＡ／１００μｓよりも遅いレートで電流注入すれば、同様にノイズのない波長可変が実現できる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図３（ａ）は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、電子冷却素子（ペルチエ素子）１１により、半導体レーザ１の発振波長を可変する方法について説明する。
【００６３】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００６４】
図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、本実施形態のレーザ光の波長を設定波長に調整する方法について、詳しく説明する。
【００６５】
初期設定として、第１の実施形態と同様に、第１に、システム制御部６から活性領域２に電流を注入するようにレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値（１００ｍＷ）になるように、電流を制御する（ループＩ）。第２に、温度センサ１６で環境温度を検出し、半導体レーザ１の温度が環境温度の近傍に一定になるように、システム制御部６からペルチエ制御部１２に信号を入力し、電子冷却素子１１への電流を調整する（ループII）。第３に、第１の実施形態と同様の方法により、レーザ光の発振波長が設定波長近傍になるように、波長検出部９からの出力を検出しながらシステム制御部６からＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３への注入電流を制御する（ループIII）。このようにして、初期設定が完了する。
【００６６】
ＤＢＲ電流による波長可変では、その波長可変特性が連続的でなく、約０．１ｎｍ間隔のモードホップを有する不連続な特性となる。そのため、半導体レーザ１の発振波長を０．１ｎｍ以下の精度で所望の波長に固定することが、実際には困難である。本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化による連続波長可変を行う。
【００６７】
図４に、ＤＢＲ半導体レーザ温度と発振波長の関係を示す。ＤＢＲ半導体レーザの場合、温度変化に対して０．０７ｎｍ／℃の関係で、温度の上昇とともに発振波長は長波長側にシフトする。また、図２に示したようにモードホップを繰り返しながら波長可変するのではなく、１ｎｍ程度の波長範囲を連続的に波長可変することができる。そのため本実施形態では、初期設定後に、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【００６８】
まず、波長計５により発振波長が検出されて波長検出部９から信号が出力され、設定波長との差分が、信号として得られる。その波長差分を補償するように、ペルチエ制御部１２に信号を入力し、電子冷却素子１１への電流を調整してレーザ光の発振波長を制御する（ループIV）。
【００６９】
これらのループを何回か繰り返して、設定波長にレーザ光の波長を一致させる。
【００７０】
このように半導体レーザ１の温度変化による波長可変を行うことにより、０．１ｎｍ以下の精度で波長可変することが可能となる。
【００７１】
本実施形態のように電子冷却素子１１により半導体レーザ１の波長可変を行う場合、電子冷却素子１１の吸熱容量が大きな問題となる。電子冷却素子１１の吸熱容量は、周辺温度と設定温度の差に大きく依存する。本実施形態では、初期状態において半導体レーザ１の温度を環境温度に設定するので、電子冷却素子１１の吸熱容量は極端に低減でき、その実用的効果は大きい。
【００７２】
また、波長可変や環境温度変化により半導体レーザ１の温度と環境温度の間に温度差が生じて、その結果として電子冷却素子１１の吸熱容量が増大した場合に、上記のような初期設定を繰り返すことで、半導体レーザ１の温度を環境温度に再設定し、電子冷却素子１１の吸熱容量を低減することができる。
【００７３】
（第３の実施形態）
図５は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、動作温度変化により発生した位相変化をＤＢＲ電流により補償する方法について説明する。
【００７４】
本実施形態の発振波長安定化装置は、第２の実施形態と同様に、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００７５】
初期設定として、第２の実施形態と同様に、活性領域２はレーザ駆動部７により電流注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態で説明したように、温度変化により発振波長を可変する場合、１ｎｍ程度の波長範囲で連続的な波長可変が可能となる。しかしながら、それ以上の波長範囲で波長可変を行うと、図４に示すようにモードホップを生じる。これは、ＤＢＲ領域３により光フィードバックされるＤＢＲ波長と、実効的ＤＢＲ長により定義される共振器長に対応するファブリペローモードの温度に対するシフト量に、微妙なずれがあるためである。本実施形態では、このずれを補償するため、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を調整する（ループIV）。
【００７６】
図６は、動作温度変化とモードホップが生じるＤＢＲ電流（以下では、「モードホップＤＢＲ電流」とも称する）の関係を示す。動作温度が変化すると、動作電流変化に対して生じるモードホップＤＢＲ電流が大きくなる。そのため、動作温度の上昇に対して、ＤＢＲ電流を増加することで位相変化を補償することが可能である。典型的には、動作温度１０℃の上昇に対して、ＤＢＲ電流を３ｍＡ程度増加することにより位相変化を補償でき、１ｎｍ以上の連続波長可変が実現される。
【００７７】
本実施形態のように、ＤＢＲ電流を調整することにより、いろいろな要因により生じる位相変化を補償することが可能であり、温度による連続波長可変を広範囲の波長領域で実現でき、その実用的効果は大きい。
【００７８】
（第４の実施形態）
図７は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、動作電流変化に対して発生した位相変化を、ＤＢＲ電流の可変により補償する方法について説明する。
【００７９】
本実施形態の発振波長安定化装置は、第２の実施形態と同様に、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００８０】
本実施形態では、半導体レーザ１の動作温度を電子冷却素子１１により調整することにより、発振波長を可変する。一般に半導体レーザ１は、動作温度を変化させると得られるレーザ出力が変動する。図８は、動作温度とレーザ出力の関係を示している。レーザ波長を１ｎｍ程度可変しようとすると、動作温度を３５℃程度変化する必要がある。しかし、動作温度が１５℃程度変化すると、レーザ出力は±７．５％変動する。
【００８１】
本実施形態では、レーザ出力が一定になるようにレーザ駆動部７を制御し、それにより生じた位相変化をＤＢＲ電流の可変により補償する。
【００８２】
発振波長の制御方法、レーザ出力の制御方法及びＤＢＲ制御部での位相補償について詳しく説明する。
【００８３】
初期設定として、第２の実施形態と同様に、活性領域２にレーザ駆動部７により設定電流が注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態と同様に、初期設定後は、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【００８４】
まず、波長計５により発振波長が検出され、波長検出部９から信号が出力されて、設定波長との差分が信号として得られる。その波長差分を補償するように、ペルチエ制御部１２に信号を入力して電子冷却素子１１の電流を調整し、レーザ光の発振波長を制御する（ループIV）。
【００８５】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長にレーザ光を波長を一致させる。
【００８６】
次に、温度変化により生じた出力変動を補償するように、レーザ駆動部７を制御する。以下では、設定波長を変化させてペルチエ制御部１２により連続的に波長シフトさせる場合について、説明する。
【００８７】
半導体レーザ１の波長を１ｎｍシフトさせるためには、半導体レーザ１の温度を１５℃程度可変する必要がある。このとき、レーザ出力は、７．５％程度変動する。本実施形態においては、出力検出器１３によりレーザ光出力は常に検出されている。そのため、出力検出器１３から得られた信号とシステム制御部６から出力される設定出力信号との差分を補償するように、レーザ駆動部７により活性領域２への注入電流量が制御され、レーザ出力が一定に保持される。
【００８８】
半導体レーザ１を１５℃程度温度変化させる場合には、出力変動が１０％程度あるために、活性領域２への動作電流量も１０％程度変化させる必要がある。図９は、動作電流と発振波長の関係を示している。動作電流が上昇すると活性領域の温度も上昇し、結果として位相変化が起こり、モードホップを生じる。波長シフトの傾きは、典型的には０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。動作電流が１５０ｍＡの時に、１５℃の温度変化に対して出力を一定に保持するためには、２０ｍＡ程度変化させる必要がある。しかし、このような幅の電流変化では、図９に示すようにモードホップが生じる。
【００８９】
本実施形態では、動作電流を調整することにより生した位相変化を、ＤＢＲ領域３により補償する。２０ｍＡの動作電流変化（△Ｉ）に対して、活性領域２の位相が変化し、ファプリペローモードが０．０４ｎｍシフトする。そのため、ＤＢＲ制御部８によりＤＢＲ電流を２ｍＡ（０．０２ｎｍ／０．２１ｎｍ×△Ｉ）程度だけ変化させることにより、モードホップを回避できる（ループＶ）。その後に、再びペルチエ制御部１２にて、発振波長が設定波長になるように調整する。
【００９０】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長及び設定出力に調整する。
【００９１】
本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化により生した出力変動を出力検出器１３で検出し、設定出力信号との差分を補償する際に、レーザ駆動部７とＤＢＲ制御部８を同時に制御して、モードホップのない制御によりレーザ出力も一定に保持される。そのため、広範囲での連続波長可変を出力一定で実現できるため、その実用的効果は大きい。
【００９２】
（第５の実施形態）
図１０（ａ）は、本実施形態における位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【００９３】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２、ＤＢＲ領域３及び位相領域１４を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１５と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入する電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、位相領域１４への注入電流を制御する位相制御部１５である。
【００９４】
図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して、本実施形態による位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化方法について詳しく説明する。
【００９５】
初期設定として、第１に、活性領域２に電流注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入を行う（ループＩ）。第２に、レーザ光の発振波長を波長計５により検出し、波長検出部９より信号を出力する。システム制御部６から設定の波長が出力され、その波長差を補償するようにＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３に電流を注入してレーザ光の発振波長を調整する（ループII）。調整方法は第１の実施形態と同様で、ＤＢＲ領域３への注入電流を０ｍＡ〜１００ｍＡの範囲で可変（具体的には、０ｍＡから１００ｍＡへ増加）させ、発振波長をスキャンする。このとき、波長検出部から出力される信号を検出し、レーザ光の波長が設定波長と一致する注入電流を記憶する。次に、その注入電流よりも１０ｍＡ低い電流まで注入電流を下げる。最後に、記憶された電流注入をＤＢＲ領域に注入し、レーザ光の発振波長を設定波長に調整する。
【００９６】
本実施形態では、初期設定以降において位相領域１４を用いて連続的な波長可変が実現される。その方法について説明する。
【００９７】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を変化させる方法には、一般に、以下の３つの方法がある。
【００９８】
（１）ＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）の変化
（２）ＤＢＲ半導体レーザの動作温度の変化
（３）活性領域への注入電流（動作電流）の変化
これらの方法では、ＤＢＲ電流により波長可変させたり（波長制御）、環境温度を変化させたり（温度制御）、レーザ出力制御のために動作電流を変化させたり（出力制御）することで、発振波長を変化させるが、その際に、半導体レーザの共振器モード（ファブリペローモード）の位相状態が変化してモードホップを生じる。本実施形態では、位相領域１４を用いて、モードホップのない各制御を可能にする。
【００９９】
位相領域１４への注入電流と発振波長の関係を、図１１に示す。連続波長可変部分の注入電流変化に対する波長シフトの割合は、０．０７ｎｍ／１０ｍＡである。ＤＢＲ電流変化及び動作電流変化に対する波長シフトの割合は、それぞれ０．２１ｎｍ／１０ｍＡ及び０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。そのため、波長制御に対しては、ＤＢＲ電流の変化量の３倍の電流を位相領域１４に注入し、また出力制御に対しては、動作電流の変化量の約３分の１の電流を位相領域１４に注入すればよいことになる。さらに、温度制御に対しては、約１０℃の動作温度上昇に対して、位相領域の注入電流を約５ｍＡ低減させればよい。
【０１００】
以上のことを考慮して、本実施形態では、環境温度変化、動作電流変化、及びＤＢＲ電流変化に対して、レーザ駆動部７及びＤＢＲ制御部８を用いて制御を行い、制御により生じた位相変化量の和を位相制御部１５で補償することにより、連続的な波長可変が実現される（ループIII）。
【０１０１】
本実施形態のように、位相領域１４をＤＢＲ半導体レーザ１に設けることにより、連続的な波長可変が実現できる。また、位相変化の和を位相領域１４で補償することで、出力が一定で広範囲の連続波長可変が実現される。
【０１０２】
また、本実施形態のように位相領域１４に電流注入する場合、一定の比で電流注入するとすれば、ＤＢＲ電流を１００ｍＡ程度注入して２ｎｍ程度の波長可変を行うには、位相領域に３００ｍＡ程度の電流を注入する必要がある。これは、消費電力の上で、実用上は大きな問題である。位相領域１４では、電流注入に対して位相変化が周期的に繰り返される。
【０１０３】
そこで、光ディスクシステムなどに応用する場合に、システムの動作待機時間などを利用して位相電流をリセットして電流値を低減すれば、大幅な消費電力低減を実現できる。
【０１０４】
第１〜第５の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザを例にとって説明したが、ＤＢＲ領域が集積化されたII−VI族系ＺｎＳ半導体レーザや、III−Ｖ族系ＧａＮ半導体レーザについても、同様の効果が得られる。
【０１０５】
（短波長光源の出力安定化）
（第６の実施形態）
第１〜第５の実施形態では、ＤＢＲ半導体レーザの発振波長の設定波長への制御、或いは連続的な波長可変を行う方法について説明した。一方、本実施形態においては、ＤＢＲ半導体レーザと波長変換素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力を安定化するため、ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する方法について説明する。
【０１０６】
図１２（ａ）は、本実施形態における、ＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長に調整する高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１０７】
本実施形態の高調波出力安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、それらの各部を制御する３つの回路系７、８、及び２２と、各回路系７、８、及び２２を制御するシステム制御部６と、から構成される。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３上へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。
【０１０８】
波長変換素子１７は、ＬｉＴａＯ3結晶基板上に作製された擬似位相整合方式（ＱＰＭ）の光導波路型波長変換素子であり、周期的な分極反転領域１８により基本波と高調波の位相ずれが補償され、高効率の波長変換が実現される。位相整合波長は８５１ｎｍであり、その波長許容幅は０．１３ｎｍである。ＱＰＭ−第２高調波発生（ＳＨＧ）デバイス１７の上の周期的分極反転領域１８は、例えば、瞬間熱処理法により形成される。また、光導波路１９は、例えばピロ燐酸を用いたプロトン交換法により形成される。
【０１０９】
半導体レーザ１の光は、図１２に図示されていない結合レンズにより、波長変換素子１７の上の光導波路１９に結合される。半導体レーザ１の波長が波長変換素子１７の位相整合波長に一致するときは、光導波路１９を導波するレーザ光が高調波光に変換される。典型的には、本実施形態で用いられるＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長は８５０〜８５２ｎｍであり、得られる高調波光の波長は４２５ｎｍ（ブルー光）である。
【０１１０】
本実施形態における、レーザ光の波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に調整し、高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１１１】
高調波出力を安定化するためには、半導体レーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に、安定して制御することが重要である。そのために、第１に、活性領域２に電流注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入（１５０ｍＡ）を行う。第２に、波長変換により得られた高調波出力を出力検出器２１により検出する。出力検出器２１としては、典型的にはＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードが用いられる。
【０１１２】
図２に示すように、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変すると、発振波長はモードホップを繰り返しながらＤＢＲ電流の増加に対して長波長側に波長シフトする。このとき、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで電流に対する発振波長が異なり、ヒステリシスな特性を示す。本発明では、このヒステリシス特性を回避し、ＤＢＲレーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に制御するため、次のような方法で調整を行っている。
【０１１３】
第１に、ＤＢＲ電流を０〜１００ｍＡまで可変（具体的には、０ｍＡから１００ｍＡまで増加）させ、発振波長をスキャンする。このとき、出力検出部２２から出力される信号を検出し、高調波出力がピークになる注入電流をシステム制御部６に記憶する。本実施形態では、典型的にはＤＢＲ電流が５０ｍＡの時に、ブルー光の最大出力２ｍＷが得られる。第２に、１００ｍＡからその注入電流よりも１０ｍＡ低い４０ｍＡに、ＤＢＲ電流の値を下げる。第３に、記憶されたＤＢＲ電流値（５０ｍＡ）までＤＢＲ電流を再上昇させることで、レーザ光の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長８５１ｎｍに調整する。高調波出力が低下した場合に上記の制御を繰り返すことにより、長期の出力安定性が実現される。
【０１１４】
本実施形態のように、レーザ光の波長を設定波長に調整する際に、ＤＢＲ電流を増加させながら設定波長に対応した電流値を検出し、その後にＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定してから、電流を再び増加させながら所望の注入電流に固定することで、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザのチューニング特性がもつヒステリシス特性を回避することができる。これにより、半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に正確に一致できるため、安定な高調波出力が実現される。或いは、ＤＢＲ電流をまず所定の範囲で減少させ、所定の発振波長に相当する電流値を記憶した後に、あるレベルまで一旦増加させ、再び減少させながら記憶された電流値に設定してもよい。
【０１１５】
特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ヒステリシス特性により生じる０．１ｎｍの波長変化は、大きな問題となる。そのため、ＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定し、電流を増加させながら所望のＤＢＲ電流に固定する方法は、実用的に大きな効果を有する。
【０１１６】
（第７の実施形態）
図１３は、本実施形態の電子冷却素子１１を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化方法の構成を示すブロック図である。
【０１１７】
第６の実施形態では、半導体レーザの発振波長を位相整合波長内に固定することは可能であるが、ＤＢＲ電流変化による波長可変が０．１ｎｍ毎の不連続なチューニング特性である一方で、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの波長許容幅が０．１ｎｍｎ程度と小さいために最大の変換効率が得られる位相整合波長の中心に固定することが困難である。それに対して本実施形態では、温度変化による連続波長可変により、より高効率の波長変換が実現される。
【０１１８】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２及び２２と、各回路系７、８、１２、及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態において、波長変換素子１７としては、第６の実施形態と同様にＬｉＴａＯ3基板上に形成されたＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられた。
【０１１９】
本実施形態による、レーザ光の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に調整して、高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１２０】
高調波出力を安定化するためには、半導体レーザ１の波長を、波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に安定して制御することが重要である。そのための初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長の近傍に固定する。具体的には、第１に、活性領域２に電流を注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値（１００ｍＷ）になるように、注入電流を１５０ｍＡに制御する（ループＩ）。第２に、温度センサ１６で環境温度（２０℃）を検出し、半導体レーザ１の温度が２０℃に一定になるように、システム制御部６からペルチエ制御部１２に信号を入力して電子冷却素子１１への電流を調整する（ループII）。第３に、第６の実施形態と同様の方法で、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に固定するため、高調波出力を出力検出部２２にて検出し、システム制御部６からＤＢＲ制御部８に信号を入力する（ループIII）。このようにして、初期設定が完了する。
【０１２１】
ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長は８５１．０５ｎｍであり、初期設定において、ＤＢＲ半導体レーザの波長は８５１ｎｍに固定される。一方、ＤＢＲ電流の変化による波長可変では、そのモード間隔が０．１ｎｍであるために８５１．０５ｎｍに波長を制御することが不可能である。それに対して本実施形態においては、温度変化により、ＤＢＲ半導体レーザ１の波長が位相整合波長に微調整される。
【０１２２】
図４に示すように、ＤＢＲ半導体レーザの場合、温度変化に対して約０．０７ｎｍ／℃の関係で、温度の上昇とともに発振波長は長波長側に連続的にシフトする。また、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長は、約０．０３５ｎｍ／℃の関係で長波長側にシフトする。そのため本実施形態では、初期設定後に電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【０１２３】
まず、出力検出器２１により高調波出力が検出され、出力検出部２２から信号が出力される。この値が、初期値（Ｐ0）としてシステム制御部６に記憶される。次に、初期設定時の設定温度を、約２０．５℃上昇させる。ペルチエ制御部１２に信号が入力され、電子冷却素子１１への電流が調整されてレーザ光の発振波長が可変される（ループIV）。このときの高調波出力を出力検出器２１により検出し、出力検出部２２からシステム制御部６へ信号が出力される（Ｐ1）。Ｐ1＞Ｐ0である場合には、ループを繰り返して設定温度を約２１℃上昇させ、再び高調波出力を検出する（Ｐ2）。Ｐ2＜Ｐ1である場合には、設定温度を約２０℃降下させる（ループＶ）。
【０１２４】
本実施形態においては、ループIII及びＶを繰り返すことにより、温度が約２２℃の時に、高調波出力は、典型的にはピーク出力約２．３ｍＷに安定に固定される。ループＶの制御を常に繰り返すことにより、長期の高調波出力安定性が実現される。
【０１２５】
本実施形態のように、温度制御により高調波出力を安定化する方法は、半導体レーザの波長を連続的に可変できるため、ＤＢＲ電流の変化だけでは実現できない高調波出力のピーク出力検出が可能となり、第６の実施形態よりも１割程度強度が大きいブルー出力を得ることができ、その実用的効果は大きい。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠であり、本実施形態に示す温度制御による高調波出力安定化方法は、実用的効果が大きい。
【０１２６】
また、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の波長可変を行う場合、電子冷却素子１１の吸熱容量が大きな問題となる。本実施形態のように、初期状態において半導体レーザ１の温度を環境温度に設定することで、電子冷却素子１１の吸熱容量は極端に低減でき、その実用的効果は大きい。
【０１２７】
また、波長可変や環境温度変化により、半導体レーザ１の温度と環境温度の間に温度差が生じ、その結果として電子冷却素子１１の吸熱容量が増大した場合に、本実施形態の初期設定を繰り返して半導体レーザ１の温度を環境温度に再設定することで、電子冷却素子１１の吸熱容量を低減できる。
【０１２８】
（第８の実施形態）
図１４は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１２９】
本実施形態における発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２、及び２２と、各回路系７、８、１２、及び２２を制御するシステム制御系６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態においては、波長変換素子１７として、典型的には第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１３０】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長が波長変換素子１７の位相整合波長近傍に固定され、典型的には約２ｍＷのブルー出力が得られる。活性領域２にレーザ駆動部７により電流注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度（２０℃）に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。
【０１３１】
第２の実施形態で説明したように、温度変化により発振波長を可変する場合には、１ｎｍ程度の波長範囲で連続的な波長可変が可能となる。しかしながら、それ以上の波長範囲で波長可変を行うと、図４に示すようにモードホップを生じる。これは、ＤＢＲ領域３により光フィードバックされるＤＢＲ波長と、実効的ＤＢＲ長により定義される共振器長に対応するファブリペローモードの温度に対するシフト量に、微妙なずれがあるためである。本実施形態では、このずれを補償するため、ＤＢＲ領域３へ注入される電流も調整される（ループIV）。
【０１３２】
動作温度変化とモードホップ電流の関係は、先に図６を参照して説明した通りである。動作温度が変化すると、動作電流変化に対してモードホップが生じるＤＢＲ電流値が小さくなる。そのため、動作温度の上昇に対して、ＤＢＲ電流を低減することで位相変化を補償することが可能である。動作温度の約１０℃の上昇に対して、ＤＢＲ電流を約１．５ｍＡ程度低下させることにより、位相変化を補償でき、１ｎｍ以上の連続波長可変が実現される。
【０１３３】
本実施形態のようにＤＢＲ電流を調整することにより、いろいろな要因により生じる位相変化を補償することが可能である。その結果、広範囲での連続波長可変が実現でき、安定な高調波出力が実現される。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠である。その方法としては、温度変化による波長可変が有利である。本実施形態のようにＤＢＲ電流による温度変化による位相変化を補償することにより、広範囲の波長領域において連続波長可変特性が得られるため、安定な短波長光源が実現される。
【０１３４】
（第９の実施形態）
図１５は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１３５】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２、及び２２と、各回路系７、８、１２及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ駆動部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態において、波長変換素子１７として、典型的には、第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１３６】
本実施形態では、半導体レーザ１の動作温度を電子冷却素子１１により調整することにより、発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する。一般に半導体レーザは、動作温度を変化させると得られるレーザ出力が変動する。
【０１３７】
動作温度とレーザ出力の関係について図８を参照して先に説明したように、レーザ波長を１ｎｍ程度可変するには、動作温度を１５℃程度変化する必要がある。しかし、動作温度が１５℃程度変化すると、レーザ出力は±７．５％程度変動する。本実施形態では、レーザ出力が一定になるようにレーザ駆動部７を制御し、それにより生じた位相変化を、ＤＢＲ領域３で補償する。
【０１３８】
発振波長の制御方法、レーザ出力の制御方法、及びＤＢＲ制御部８での位相補償について詳しく説明する。
【０１３９】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長の近傍に固定する。具体的には、活性領域２にレーザ駆動部７により設定電流（１５０ｍＡ）が注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度（２０℃）に設定され（ループII）、さらに、ＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態と同様に、初期設定後は、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を制御する（ループIV）。
【０１４０】
これらのループを何回か繰り返して、高調波出力をピーク出力に制御する。
【０１４１】
次に、温度変化により生じた出力変動を補償するように、レーザ駆動部７を制御する。以下では、設定波長を変化させてペルチエ制御部１２により連続的に波長シフトさせる場合について、説明する。
【０１４２】
半導体レーザ１の波長を１ｎｍシフトさせるためには、半導体レーザ１の温度を１５℃程度可変する必要がある。このとき、レーザ出力は、７．５％程度変動する。本実施形態においては、出力検出器１３によりレーザ光出力は常に検出されている。そのため、出力検出器１３から得られた信号とシステム制御部６から出力される設定出力信号との差分を補償するように、レーザ駆動部７により活性領域２への注入電流量が制御され、レーザ出力が一定に保持される。
【０１４３】
半導体レーザ１を１５℃程度温度変化させる場合には、出力変動が７．５％程度あるために、活性領域２への動作電流量も１０％程度変化させる必要がある。動作電流と発振波長の関係を先に図９に示したが、動作電流が上昇すると活性領域の温度も上昇し、結果として位相変化が起こり、モードホップを生じる。波長シフトの傾きは、典型的には０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。動作電流が１５０ｍＡの時に、１５℃の温度変化に対して出力を一定に保持するためには、２０ｍＡ程度変化させる必要がある。しかし、このような幅の電流変化では、図９に示すようにモードホップが生じる。
【０１４４】
本実施形態では、動作電流を調整することにより生じた位相変化を、ＤＢＲ領域３により補償する。２０ｍＡの動作電流変化（△Ｉ）に対して、活性領域２の位相が変化し、ファプリペローモードが０．０４ｎｍシフトする。そのため、ＤＢＲ制御部８によりＤＢＲ電流を２ｍＡ（０．０２ｎｍ／０．２１ｎｍ×△Ｉ）程度だけ変化させることにより、モードホップを回避できる（ループＶ）。その後に、再びペルチエ制御部１２にて、発振波長が設定波長になるように調整する。
【０１４５】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長及び設定出力に調整する。
【０１４６】
本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化により生じた出力変動を出力検出器１３で検出し、設定出力信号との差分を補償する際に、レーザ駆動部７とＤＢＲ制御部８を同時に制御して、モードホップのない制御によりレーザ出力も一定に保持される。そのため、広範囲での連続波長可変を出力一定で実現できるため、安定な高調波出力が実現される。
【０１４７】
（第１０の実施形態）
図１６は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１４８】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２、ＤＢＲ領域３及び位相領域１４を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１５及び２２と、各回路系７、８、１５及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、位相領域１４への注入電流を制御する位相制御部１５である。本実施形態においても、波長変換素子１７として、典型的には、第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１４９】
本実施形態に従って、位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に調整して高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１５０】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長近傍に固定する。具体的には、第１に、システム制御部６から活性領域２に電流注入するようにレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入を行う（ループＩ）。第２に、高調波出力を出力検出器２１により検出し、出力検出部２２より信号を出力する。高調波出力がピークになるＤＢＲ電流をシステム制御部６に記憶し、記憶されたＤＢＲ電流を注入してレーザ光の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長に調整する（ループII）。
【０１５１】
本実施形態では、初期設定以降において、位相領域１４を用いて連続的な波長可変が実現される。その方法について説明する。
【０１５２】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を変化させる方法には、一般に、以下の３つの方法がある。
【０１５３】
（１）ＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）の変化
（２）ＤＢＲ半導体レーザの動作温度の変化
（３）活性領域への注入電流（動作電流）の変化
これらの方法では、ＤＢＲ電流により波長可変させたり（波長制御）、環境温度を変化させたり（温度制御）、レーザ出力制御のために動作電流を変化させたり（出力制御）することで、発振波長を変化させるが、その際に、半導体レーザの共振器モード（ファブリペローモード）の位相状態が変化してモードホップを生じる。本実施形態では、位相領域１４を用いて、モードホップのない各制御を可能にする。
【０１５４】
位相領域１４への注入電流と発振波長の関係は、図１１に示して説明した通りである。連続波長可変部分の注入電流変化に対する波長シフトの割合は、０．０７ｎｍ／１０ｍＡである。ＤＢＲ電流変化及び動作電流変化に対する波長シフトの割合は、それぞれ０．２１ｎｍ／１０ｍＡ及び０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。そのため、波長制御に対しては、ＤＢＲ電流の変化量の３倍の電流を位相領域１４に注入し、また出力制御に対しては、動作電流の変化量の約３分の１の電流を位相領域１４に注入すればよい。さらに、温度制御に対しては、１０℃の動作温度上昇に対して、位相領域の注入電流を５ｍＡ低減させればよい。
【０１５５】
以上のことを考慮して、本実施形態では、環境温度変化、動作電流変化、及びＤＢＲ電流変化に対して、レーザ駆動部７及びＤＢＲ制御部８を用いて制御を行い、制御により生じた位相変化量の和を位相制御部１５で補償することにより、連続的な波長可変が実現される（ループIII）。
【０１５６】
本実施形態では、環境温度変化などで生じる位相整合波長のシフトに対して、上記の位相領域１４を用いた連続波長可変により、常に高調波出力がピーク出力で一定になるように制御される。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠であり、本実施形態に示す位相制御部１５を用いた高調波出力安定化方法は、実用的効果が大きい。
【０１５７】
なお、第６〜第１０の実施形態では、波長変換素子として導波路型の擬似位相整合方式波長変換素子が用いられているが、バルク型の擬似位相整合方式の波長変換素子を用いても、同様の効果が得られる。また、複屈折性を利用した位相整合方式の波長変換素子を用いても、同様の効果が得られる。
【０１５８】
（第１１の実施形態）
光ディスクシステムで用いられる光源は、長期の出力安定性を必要とする。ＤＢＲレーザと波長変換素子から構成される短波長光源を光ディスクシステムに応用する場合、長期の出力安定性がひとつの課題である。この課題を解決するためには、波長変換素子の位相整合波長に半導体レーザの波長が常に一致するように、制御する必要がある。
【０１５９】
第７〜第１０の実施形態の構成では、半導体レーザの波長を連続的に可変して高調波出力を安定化する方法について説明してきた。しかしながら、環境温度の急激な変化などに対しては、電子冷却素子などが十分に応答できないために、出力変動を生じる可能性がある。また、第６の実施形態で説明した高調波出力安定化装置を有する短波長光源では、ＤＢＲ領域に注入するＤＢＲ電流の制御によって発振波長を変化させるが、その変化が不連続であるために、高調波出力調整時に大きな出力変動を発生する。また、この方法の他の課題は、電子冷却素子や位相領域に注入する電流が大きくなることで、消費電力が大きくなることである。
【０１６０】
本実施形態では、短波長光源を光ディスクシステムに応用する場合に、システム動作待機中を利用して高調波出力の安定化や電子冷却素子や位相領域への電流のリセットを行う、或いは、読み出した情報をメモリなどに一旦蓄積した上で高調波出力の安定化や電子冷却素子や位相領域への電流のリセットを行う、などの手法を用いることによって、常に安定したディスク再生特性を実現する方法について説明する。
【０１６１】
図１９（ａ）及び（ｂ）は、記録再生可能な光ディスクシステムの動作状態を模式的に示す図である。
【０１６２】
具体的には、光ディスクシステムをコンピュータ用途で用いる場合、図１９（ａ）のように、常にコンピュータと情報のやり取りを行っているのではなく、再生時や記録時のみシステムは動作している。そのため、図１９（ａ）のシステムの動作待機中に高調波出力の安定化を図ることで、安定な記録・再生特性を実現できる。高調波出力の安定化は、各実施形態で説明した以下のような方法を用いることができる。
【０１６３】
第１に、ＤＢＲ領域のみで波長可変を行う場合、第６の実施形態のように、位相整合波長の検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化させて、半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に固定することで、ヒステリシス特性を回避して安定に高調波出力を得ることはできる。
【０１６４】
第２に、電子冷却素子により波長可変を行う場合には、第７の実施形態のように、電子冷却素子により連続的な波長可変を行う。波長変換素子の位相整合波長が何かの要因でシフトし波長可変幅が大きくなると、環境温度と短波長光源温度に差が生じる。そうなると、電子冷却素子の吸熱容量が大きくなるため、消費電力も大きくなる。そこで、システムの動作待機中に短波長光源の温度を環境温度に再設定し、ＤＢＲ電流を再調整して半導体レーザの波長を位相整合波長に固定すれば、消費電力の低減を図ることができる。
【０１６５】
第３に、位相領域とＤＢＲ領域で波長可変を行う場合、電子冷却素子により波長可変を行う場合と同様に、波長可変幅が大きくなると位相領域に注入する電流が大きくなる。そこで、システムの動作待機中に位相領域への電流をリセットし、再び半導体レーザの波長を位相整合波長に調整することで、消費電力の低減を図ることができる。
【０１６６】
一方、映画などのソフトが記録されている光ディスクを再生する場合には、図１９（ｂ）のように、２時問程度の連続再生を行う。そのため、２時間以上にわたり出力を安定に維持することが望まれる。そこで、本実施形態では、そのような場合には、再生したディスクの情報をメモリなどに一旦蓄積し、高調波出力の安定化制御を行うときにはメモリに蓄積された情報を画像として取り出すことによって、常に安定な再生特性を実現する。
【０１６７】
ビデオ再生システムの構成を、図２０に示す。通常、メモリ３４としては半導体メモリが用いられ、本実施形態では、例えばＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やフラッシュメモリが用いられる。光ピックアップ３１により再生された光ディスク３２の情報は、転送レートＲ１でメモリ３４に送られ、さらに転送レートＲ２で、メモリ３４からディスプレイ３５に情報が送られる。ここでＲ１＞Ｒ２の時に、メモリ３４には、光ディスク３２より再生された情報が徐々に蓄積される。メモリ３４の内部に情報がフルに蓄積されると、メモリ３４の情報がディスプレー３５に転送され、その間に、高調波出力の安定化制御が安定化制御御回路３３により行われる。安定化制御が終了すると、再びメモリ３４への情報蓄積が始まる。
【０１６８】
この動作を繰り返すことにより、長時間安定な再生特性を実現する。
【０１６９】
ＤＢＲ領域を有する半導体レーザは、発振波長を所望の波長に可変することができるため、いろいろな用途に有用なレーザである。ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスのような波長変換素子と半導体レーザにより構成されるＳＨＧレーザにおいては、半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長の許容幅内に固定する必要がある。それに対して、ＤＢＲ半導体レーザを用いれば、上記の点に起因して大きな効果を得ることができる。
【０１７０】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を可変する方法には、（１）ＤＢＲ領域に電流注入する方法、（２）電子冷却素子などにより半導体レーザ全体の温度を変化させる方法、などがある。しかしながら、（１）の方法では、モードホップ現象の発生やヒステリシスな波長可変特性の発現が、実用化における大きな課題となる。また、（２）の方法では、電子冷却素子の容量などが、実用化における大きな課題となる。
【０１７１】
（１）の課題を解決するため、本発明では、ＤＢＲ電流を検出時と同方向に上昇させながら波長可変を行うことでヒステリシス特性を回避し、安定な波長可変を可能にする。特にＳＨＧブルーレーザにおいては、その位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、安定な波長可変が、高調波（ブルー光）の出力安定化の絶対条件となる。これに対して、上記の波長制御を用いることで、ＳＨＧブルーレーザの立ち上がり時においても波長変換素子の位相整合波長の検出が確実に行われ、瞬時の立ち上がり特性が実現できるため、その実用的効果は大きい。
【０１７２】
また、温度制御による波長可変は、連続的な波長可変が可能であるために有用な方法である。特に、ＳＨＧブルーレーザにおいては、その位相整合波長許容度が０．１ｎｍ程度であり、高調波出力を安定化するためには、波長を細かく制御することが必要である。ＳＨＧブルーレーザの応用用途は、光ディスクやレーザプリンターなどであり、その低消費電力化は、実用化に対して重要な点である。温度制御による波長可変では、電子冷却素子の消費電力が大きな課題となる。電子冷却素子は、環境温度と制御温度の差が大きいと消費電力が大きくなるため、本発明のように初期設定温度を環境温度にすることで、小さな消費電力で連続的な波長可変を実現できる。
【０１７３】
また、温度制御による波長可変においても、環境温度や動作電流の変化に対して、安定に連続波長可変を実現することは困難である。本発明では、ＤＢＲ領域を、波長可変の目的だけに用いるのではなく、位相変化を補償するためにも用いる。これによって、安定な連続波長可変が実現できる。そのため、より信頼性が高く且つブルー出力が安定化された、ＳＨＧブルーレーザが実現される。
【０１７４】
連続波長可変を実現する手段として、位相制御部を有する半導体レーザが提案されている。しかしながら、環境温度や動作電流の変化に対して、安定に連続波長可変を実現することは困難である。ＤＢＲ半導体レーザにおいて、環境温度、ＤＢＲ電流、動作電流、位相制御部電流などの変化に対する波長変化量は、それぞれ一定の値である。そのため、本発明では、環境温度、ＤＢＲ電流及び動作電流の変化に対して発生する位相変化を、それぞれの位相変化量の和として求め、位相制御部電流で補償することにより、安定な連続波長可変を実現する。これにより、電子冷却素子を用いなくても連続波長可変が実現でき、低消費電力の光源が実現される。消費電力が低減されると、ＳＨＧブルーレーザなどを携帯型の光ディスクにも応用できるため、その効果は大きい。
【０１７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備えた半導体レーザにおいて、ＤＢＲ領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を所望の波長に固定する際に、ＤＢＲ電流を一方向に増加または減少させて半導体レーザの波長を所望の波長に対応するＤＢＲ電流を検出し、検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化する。これにより、波長可変時のヒステリシス特性を回避した安定な発振波長制御を実現する。
【０１７６】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備えた半導体レーザにおいて、ＤＢＲ領域への電流注入により発振波長を所望の波長に制御する際に、モードホップが生じるＤＢＲ電流近傍と連続的に波長可変するＤＢＲ電流近傍で、ＤＢＲ電流の電流注入レートを異ならせる。これによって、モードホップ時のノイズ発生を回避した発振波長制御を実現する。
【０１７７】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、初期状態においては半導体レーザは電子冷却素子により環境温度の近傍に温度設定され、ＤＢＲ電流を可変することにより発振波長を所望の波長に固定し、初期状態以降は電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させて波長可変する。これによって、電子冷却素子の消費電力を低減した発振波長制御を実現する。
【０１７８】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより波長可変する際に、半導体レーザの温度変化に対して生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、温度変化に対するモードホップを回避した連続波長可変を実現する。
【０１７９】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより波長可変する際に、半導体レーザの出力変化に対して活性領域への注入電流を調整し、生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、レーザ出力変動を低減するとともにモードホップを回避した連続波長可変を実現する。
【０１８０】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、位相制御領域と、温度センサと、を備えた半導体レーザにおいて、半導体レーザの出力が一定になるように活性領域に注入する電流を調整する第１の制御手段と、発振波長を所望の波長になるようにＤＢＲ領域へ注入する電流を調整する第２の制御手段と、第１の制御手段と第２の制御手段と環境温度変化に対して生じる位相変化量を補償するため位相制御領域へ注入する電流を調整する第３の制御手段と、を設ける。これによって、モードホップのない連続波長可変を実現する。
【０１８１】
さらに本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子と、から構成される短波長光源において、ＤＢＲ領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する際に、ＤＢＲ電流を一方向に増加または減少して発振波長を位相整合波長に対応するＤＢＲ電流を検出し、検出時と同方向にＤＢＲ電流を可変する。これによって、波長可変時のヒステリシス特性を回避し、安定な高調波出力を実現する。
【０１８２】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源において、初期状態において短波長光源は電子冷却素子により環境温度の近傍に温度設定され、ＤＢＲ部領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整し、初期状態以降は電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより発振波長を位相整合波長に可変する。これによって、電子冷却素子の消費電力を低減するとともに、連続波長可変による高調波出力のピーク出力検出を実現する。
【０１８３】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源において、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する際に、半導体レーザの温度変化に対して生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、温度変化に対するモードホップを回避した高調波出力安定化を実現する。
【０１８４】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子上に固定されている短波長光源において、半導体レーザが、活性領域への電流注入によりレーザ発振を起こし、得られたレーザ光が波長変換素子に導かれ、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより、発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する。その際に、半導体レーザの出力変化に対して活性領域への注入電流を調整し、生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、レーザ出力変動を低減し、かつモードホップを回避した高調波出力安定化を実現する。
【０１８５】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と位相制御領域と温度センサとを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子と、から構成される短波長光源において、半導体レーザの出力が一定になるように活性領域に注入する電流を調整する第１の制御手段と、発振波長を波長変換素子の位相整合波長になるようにＤＢＲ領域に注入する電流により可変する第２の制御手段と、第１の制御手段と第２の制御手段と環境温度変化に対して生じる位相変化量を補償するため位相制御領域へ注入する電流を調整する第３の制御手段と、を設ける。これによって、連続波長可変を実現し、高調波光のピーク出力検出を実現する。
【０１８６】
さらに本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源を用いて、短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号を記録または再生する光ディスクシステムにおいて、光ディスクシステムの動作待機中や、光ディスクの再生から記録動作へ移行、または記録から再生動作への移行時の頭出しに要する時間（シークタイム）中に、短波長光源の動作温度を電子冷却素子により環境温度に再調整し、さらにＤＢＲ領域への注入電流を変化させて半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に再制御する。これによって、長時間において良好な再生特性を保証する光ディスクシステムを実現する。
【０１８７】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源を用いて、短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号を記録または再生する光ディスクシステムにおいて、再生した情報を蓄積するためのメモリを設ける。これによって、長時間において良好な再生特性を保証する光ディスクシステムを実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図２】ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ電流と発振波長のと関係を表す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図４】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度と発振波長との関係を表す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図６】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度とモードホップ現象が生じるＤＢＲ電流値との関係を表す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図８】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度とレーザ出力との関係を表す図である。
【図９】ＤＢＲ半導体レーザの動作電流と発振波長との関係を表す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第５の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図１１】ＤＢＲ半導体レーザの位相制御部電流と発振波長との関係を表す図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の第６の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図１３】本発明の第７の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】ＳＨＧブルーレーザの構成を示す図である。
【図１８】本発明に従ったＤＢＲ領域への注入電流レートの一例を表す図である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、光ディスクシステムの動作状態を表す図である。
【図２０】本発明に従った光ディスクシステムの構成を表す図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ
２ 活性領域
３ ＤＢＲ領域
４ａ 電極
４ｂ 電極
４ｃ 電極
５ 波長計
６ システム制御部
７ レーザ駆動部
８ ＤＢＲ制御部
９ 波長検出部
１０ サブマウント
１１ 電子冷却素子
１２ ペルチエ制御部
１３ 出力検出器
１４ 位相領域
１５ 位相制御部
１６ 温度センサ
１７ 波長変換素子
１８ 分極反転領域
１９ 光導波路
２０ ＬＤカットフィルタ
２１ 出力検出器
２２ 出力検出部
２３ ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザ
２４ コリメートレンズ
２５ λ／２板（半波長板）
２６ フォーカシングレンズ
２７ 分極反転型導波路デバイス
２８ ＬｉＴａＯ3基板
２９ 光導波路
３０ 分極反転領域
３１ 光ピックアップ
３２ 光ディスク
３３ 安定化制御回路
３４ メモリ
３５ ディスプレイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を有する半導体レーザなどの光源のための発振波長安定化装置に関し、また、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザと波長変換素子とから構成される短波長光源のための高調波出力安定化装置に関する。さらに、本発明は、それらを使用する光ディスクシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長７８０ｎｍ帯の近赤外半導体レーザや波長６７０ｎｍの赤色半導体レーザを用いた光ディスクシステムの開発が、活発に行われている。光ディスクの高密度化を実現するためには、小さなスポット形状を再生することが望まれる。そのためには、集光レンズの高ＮＡ（開口数）化や光源の短波長化が必要となる。短波長化技術の一つとして、近赤外半導体レーザと擬似位相整合（以下では、「ＱＰＭ」と記す）方式の分極反転型導波路デバイス（例えば、山本、他：Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ１．１６，Ｎｏ．１５，１１５６（１９９１）を参照）とを用いた第２高調波発生（以下では、「ＳＨＧ」と記す）技術がある。
【０００３】
分極反転型導波路デバイスを用いたブルー光源（ＳＨＧブルーレーザ）の概略構成図を、図１７に示す。
【０００４】
図１７において、２３は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザ、２４はＮＡ＝０．５のコリメートレンズ、２５はλ／２板（半波長板）、２６はＮＡ＝０．５のフォーカシングレンズ、及び２７は分極反転型導波路デバイスである。ＤＢＲ半導体レーザ２３には、発振波長を固定するためのＤＢＲ部が形成され、ＤＢＲ部の内部には、さらに発振波長を可変するための内部ヒータが形成されている。波長変換素子である分極反転型導波路デバイス２７は、ＬｉＴａＯ3基板２８に形成された光導波路２９と周期的な分極反転領域３０とより構成されている。コリメートレンズ２４で平行になったレーザ光は、λ／２板２５で偏光方向を回転され、フォーカシングレンズ２６で分極反転型導波路デバイス２７の光導波路２９の端面に集光され、分極反転領域３０を持つ光導波路２９を伝搬する。その結果、光導波路２９の出射端面より、変換された高調波及び変換されなかった基本波が出射される。
【０００５】
分極反転型導波路デバイス２７は、高効率に波長変換が行われる位相整合波長の許容幅が、約０．１ｎｍと小さい。そのため、ＤＢＲ半導体レーザ２３のＤＢＲ部への注入電流量を制御し、発振波長を、分極反転型導波路デバイス２７の位相整合波長の許容幅内に固定する。典型的には、光導波路２９への入射光強度約７０ｍＷに対し、波長４２５ｎｍのブルー光が約３ｍＷの強度で得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＢＲ半導体レーザは、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するためのＤＢＲ領域とより構成される。ＤＢＲ領域は、レーザ光の波長である８５０ｎｍに対して透明になるように、活性領域よりバンドギャップが大きな材料で形成されている。ＤＢＲ領域には回折格子が形成されていて、発振波長は、ＤＢＲ領域で反射する光の波長に制御される。
【０００７】
また、ＤＢＲ領域の屈折率を変化させることにより、発振波長を可変することができる。ＤＢＲ領域の屈折率を変化させる方法として、（１）ＤＢＲ領域に電流を注入する方法、（２）電子冷却素子（ペルチエ素子）などにより温度を変化させる方法、などがある。
【０００８】
しかし、ＤＢＲ領域に電流を注入して発振波長を可変する場合には、所望の波長値に正しく固定することが困難な場合がある。
【０００９】
一方、温度変化を通じて発振波長の制御を行う目的で電子冷却素子などで半導体レーザの温度制御を行うためには、１Ｗ程度の吸熱容量を有する電子冷却素子が必要となり、消費電力の点で問題となる。また、使用環境温度が広くなると、信頼性に悪影響を及ぼす。さらに、温度変化により波長可変を行うと、半導体レーザの温度変化により、レーザ光の出力強度も変化する。この出力強度の変動を補償するために活性領域への注入電流を調整すると、結果として位相条件が変化するために、好ましくないモードホップが生じる。
【００１０】
モードホップを解決する手段として、位相制御部を有する半導体レーザが提案されている。しかしながら、環境温度が変化しても安定に連続波長可変が行える制御方法の実現は、困難とされている。
【００１１】
また、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザと波長変換素子から構成される短波長光源においても、半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に一致させることが必要である。短波長光源では、環境温度変化などによる半導体レーザの発振波長と位相整合波長のずれから、得られる短波長光の出力変動が生じる。特に、波長変換素子として周期的分極反転構造を有する擬似位相整合型波長変換デバイスを用いた場合、その位相整合波長に対する波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、半導体レーザの発振波長制御が特に重要である。
【００１２】
さらに他の課題は、擬似位相整合型デバイスの基板であるＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3結晶の光損傷特性である。ここでいう光損傷とは、短波長光照射による屈折率変化である。屈折率が変化すると擬似位相整合型デバイスの位相整合波長がシフトするため、安定に高調波出力を得るためには、半導体レーザの波長が位相整合波長に一致するように、常に制御する必要がある。
【００１３】
本発明は、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ及びそれを用いた短波長光源における上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）安定した発振波長の制御を行う半導体レーザのための発振波長安定化装置を提供すること、（２）安定した短波長出力を提供できる光源の高調波出力安定化装置を提供すること、及び、（３）それらを使用した光ディスクシステムを提供すること、である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光ディスクシステムは、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、前記半導体レーザが位相制御領域を有し、再生した信号を蓄積するためのメモリと、該メモリに蓄積された信号を利用して信号を外部に送出する所定の期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子からの出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の光ディスクシステムは、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、前記半導体レーザが位相制御領域を有し、再生した信号を蓄積するためのメモリと、該再生した信号を該メモリに蓄積するレートが該メモリより信号を取り出すレートより大きくて、該メモリが蓄積された信号により充填されていて、該メモリに蓄積された信号を利用する期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子から出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする。
【００２１】
前記位相制御領域へ注入する電流のリセットする工程において、その設定値が略０ｍＡであることを特徴とする。
【００２２】
前記波長変換素子が、周期的分極反転領域を有する擬似位相整合方式の波長変換素子であることを特徴とする。
【００２３】
前記波長変換素子が光導波路型であることを特徴とする。
【００２４】
前記波長変換素子がバルク型であることを特徴とする。
【００２５】
前記非線形光学結晶が、ＬｉＴａ x Ｎｂ 1-x Ｏ 3 ( ０≦ｘ≦１）結晶であることを特徴とする。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザ（ＤＢＲ半導体レーザ）において、その発振波長の所望の波長への安定した固定や、波長可変を行う場合の安定した発振波長の制御を、実現しようとするものである。また、そのような半導体レーザを波長変換素子と組み合わせた短波長光源において、安定な高調波出力を実現することを目的としている。
【００４４】
具体的な実施形態の説明に先立って、まず、本発明に至る過程で本願発明者らによって行われた検討結果を説明する。
【００４５】
図２に、ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）と発振波長の関係を、図４に、半導体レーザの温度と発振波長の関係を示す。
【００４６】
図２に示すように、ＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変する場合、発振波長は、実際には、モードホップを繰り返しながら、ＤＢＲ電流の増加に対して長波長側に波長シフトしていく。また、ＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで、同じ電流量に対する発振波長が異なるヒステリシスな特性を示す。そのため、ＤＢＲ電流を値Ａ〜値Ｂの範囲で変化させて発振波長を可変する場合に、ＤＢＲ電流を値Ａから徐々に増加（或いは減少）させながら所望の波長に相当する電流値を見いだし、値Ｂに到達した後に値Ａに向けて減少（或いは増加）させて先に見いだした電流値に設定しても、得られる発振波長は所望の値ではなくなってしまう。これは、ヒステリシス特性のために、最初の上昇（或いは減少）過程と引き続く減少（或いは増加）過程との間で、同一のＤＢＲ電流に対して得られる発振波長が異なるためである。発明者らは、ＤＢＲ領域に電流を注入して発振波長を可変する場合に所望の波長値に正しく固定することが困難になるのは、このようなヒステリシス特性の影響であると考えた。
【００４７】
一方、半導体レーザ温度を変化させた場合は、図４に示すように連続的な波長可変が可能であり、半導体レーザ温度と発振波長が１対１の関係となる。しかし、図４に示されているように、温度変化の過程でモードホップ現象が生じて、波長変化が不連続になる場合があることが、発明者らの検討により確認された。発明者らは、使用環境温度の変化幅が大きくなると信頼性に悪影響が及ぼされるのは、このような点に起因する可能性があると考えた。
【００４８】
本発明は、上記のような検討結果に基づいてなされたものである。
【００４９】
以下、本発明の発振波長安定化装置及び高調波出力安定化装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００５０】
（ＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化）
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、ＤＢＲ領域へ注入するＤＢＲ電流を一方向に電流制御することにより、安定に発振波長を可変する方法について説明する。
【００５１】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、それらの各部を制御する３つの回路系７〜９と、各回路系７〜９を制御するシステム制御部６と、から構成される。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２への注入電流を制御するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。
【００５２】
半導体レーザ１は、ＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル成長により作製される。ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓを成長させた後、ＡｌＧａＡｓの導波領域と活性領域が形成され、クラッド層としてｐ−ＡｌＧａＡｓが積層される。次に、フォトリソグラフィー技術により、導波路が形成される。レジストがウェハ上にコートされ、干渉露光によりグレーティングパターンが形成された後、導波領域のみにエッチングによりグレーティング（ＤＢＲ）が形成される。２回目のＭＯＣＶＤ成長では、接触抵抗を低減するため、ウェハ上にｐ−ＧａＡｓが形成される。ＤＢＲ領域３及び活性領域２の上には、電流注入するための電極４ｂ及び４ａが形成される。得られたＤＢＲ半導体レーザ１は、典型的には、しきい電流値が約３０ｍＡで、約１００ｍＷ出力時の動作電流は約１５０ｍＡである。
【００５３】
本実施形態の発振波長を所望の波長に調整する方法について、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して詳しく説明する。
【００５４】
第１に、活性領域２上の電極４ａに電流注入するように、システム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように、電流注入を行う。第２に、レーザ光の発振波長を波長計５により検出し、波長検出部９より信号を出力する。次に、ＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３上の電極４ｂに電流を注入し、レーザ光の発振波長を調整する。
【００５５】
ここで、図２に示すＤＢＲ電流と発振波長の関係図に示されるように、ＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変すると、発振波長はモードホップを繰り返しながら、注入電流の増加に対して長波長側に波長シフトする。このときのＤＢＲ電流に対する波長シフトの傾きは、０．２１ｎｍ／１０ｍＡであった。そして、ＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで、電流量に対する発振波長が異なり、ヒステリシスな特性を示す。本発明では、このヒステリシス特性を回避し、発振波長を正確に調整するため、次のような方法で調整を行っている。
【００５６】
第１に、ＤＢＲ電流を０ｍＡから１００ｍＡまで増加させ、発振波長をスキャンする。このとき、波長検出部９から出力される信号を検出し、レーザ光の波長が設定波長と一致するＤＢＲ電流をシステム制御部６に記憶する。第２に、１００ｍＡレベルに到達したＤＢＲ電流を、記憶されたＤＢＲ電流よりも１０ｍＡ低い電流値まで下げる（ＤＢＲ電流リセット）。第３に、検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化させ（すなわち増加させ）、システム制御部６に記憶されたＤＢＲ電流に設定して、半導体レーザ１の発振波長を設定波長に調整する。
【００５７】
本実施形態のように、レーザ光の波長を設定波長に調整する際、ＤＢＲ電流を増加させながら設定波長に対応した電流値を検出し、その後にＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定してから、電流を再び増加させながら所望の注入電流に固定することで、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザのチューニング特性がもつヒステリシス特性を回避することができる。或いは、ＤＢＲ電流をまず所定の範囲で減少させ、所定の発振波長に相当する電流値を記憶した後に、あるレベルまで一旦増加させ、再び減少させながら記憶された電流値に設定してもよい。
【００５８】
ＤＢＲ電流をモードホップ電流近傍に固定すると、環境温度変化などに対してモードホップを起こしやすい。そのため、本実施形態では、図２においてモードホップを生じるＤＢＲ電流Ｉ1及びＩ2の中間のＤＢＲ電流Ｉ0＝（Ｉ1＋Ｉ2）／２に固定することで、より安定な波長制御を実現している。
【００５９】
ＤＢＲ電流により発振波長を可変するときのもう一つの課題は、モードホップ時にノイズが発生することである。このノイズ発生は、ＤＢＲ電流による波長可変が、ＤＢＲ領域内部のヒータでの熱的現象であることに起因する。しかし、モードホップ現象は１０ｎｓ以下の高速現象であるため、光ディスクなどで用いられる数１０ＭＨｚ以下の周波数帯域では無視し得る。そのため、モードホップが生じる近傍のみ電流注入のレートを遅くすることで、数１０ＭＨｚ以下の周波数帯域ではノイズ発生のない波長可変が実現できる。
【００６０】
図１８は、ＤＢＲ電流の注入レートの一例である。この場合では、連続波長可変領域では１ｍＡ／１０μｓ、モードホップが生じる電流の近傍では１ｍＡ／１００μｓで、ＤＢＲ電流を変化させる。図１８のような電流注入を行うことで、ノイズ発生のない波長可変が実現できる。
【００６１】
なお、図１８では、モードホップが生じる電流の近傍で１ｍＡ／１００μｓのレートで電流注入を行っているが、１ｍＡ／１００μｓよりも遅いレートで電流注入すれば、同様にノイズのない波長可変が実現できる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図３（ａ）は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、電子冷却素子（ペルチエ素子）１１により、半導体レーザ１の発振波長を可変する方法について説明する。
【００６３】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００６４】
図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、本実施形態のレーザ光の波長を設定波長に調整する方法について、詳しく説明する。
【００６５】
初期設定として、第１の実施形態と同様に、第１に、システム制御部６から活性領域２に電流を注入するようにレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値（１００ｍＷ）になるように、電流を制御する（ループＩ）。第２に、温度センサ１６で環境温度を検出し、半導体レーザ１の温度が環境温度の近傍に一定になるように、システム制御部６からペルチエ制御部１２に信号を入力し、電子冷却素子１１への電流を調整する（ループII）。第３に、第１の実施形態と同様の方法により、レーザ光の発振波長が設定波長近傍になるように、波長検出部９からの出力を検出しながらシステム制御部６からＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３への注入電流を制御する（ループIII）。このようにして、初期設定が完了する。
【００６６】
ＤＢＲ電流による波長可変では、その波長可変特性が連続的でなく、約０．１ｎｍ間隔のモードホップを有する不連続な特性となる。そのため、半導体レーザ１の発振波長を０．１ｎｍ以下の精度で所望の波長に固定することが、実際には困難である。本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化による連続波長可変を行う。
【００６７】
図４に、ＤＢＲ半導体レーザ温度と発振波長の関係を示す。ＤＢＲ半導体レーザの場合、温度変化に対して０．０７ｎｍ／℃の関係で、温度の上昇とともに発振波長は長波長側にシフトする。また、図２に示したようにモードホップを繰り返しながら波長可変するのではなく、１ｎｍ程度の波長範囲を連続的に波長可変することができる。そのため本実施形態では、初期設定後に、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【００６８】
まず、波長計５により発振波長が検出されて波長検出部９から信号が出力され、設定波長との差分が、信号として得られる。その波長差分を補償するように、ペルチエ制御部１２に信号を入力し、電子冷却素子１１への電流を調整してレーザ光の発振波長を制御する（ループIV）。
【００６９】
これらのループを何回か繰り返して、設定波長にレーザ光の波長を一致させる。
【００７０】
このように半導体レーザ１の温度変化による波長可変を行うことにより、０．１ｎｍ以下の精度で波長可変することが可能となる。
【００７１】
本実施形態のように電子冷却素子１１により半導体レーザ１の波長可変を行う場合、電子冷却素子１１の吸熱容量が大きな問題となる。電子冷却素子１１の吸熱容量は、周辺温度と設定温度の差に大きく依存する。本実施形態では、初期状態において半導体レーザ１の温度を環境温度に設定するので、電子冷却素子１１の吸熱容量は極端に低減でき、その実用的効果は大きい。
【００７２】
また、波長可変や環境温度変化により半導体レーザ１の温度と環境温度の間に温度差が生じて、その結果として電子冷却素子１１の吸熱容量が増大した場合に、上記のような初期設定を繰り返すことで、半導体レーザ１の温度を環境温度に再設定し、電子冷却素子１１の吸熱容量を低減することができる。
【００７３】
（第３の実施形態）
図５は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、動作温度変化により発生した位相変化をＤＢＲ電流により補償する方法について説明する。
【００７４】
本実施形態の発振波長安定化装置は、第２の実施形態と同様に、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００７５】
初期設定として、第２の実施形態と同様に、活性領域２はレーザ駆動部７により電流注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態で説明したように、温度変化により発振波長を可変する場合、１ｎｍ程度の波長範囲で連続的な波長可変が可能となる。しかしながら、それ以上の波長範囲で波長可変を行うと、図４に示すようにモードホップを生じる。これは、ＤＢＲ領域３により光フィードバックされるＤＢＲ波長と、実効的ＤＢＲ長により定義される共振器長に対応するファブリペローモードの温度に対するシフト量に、微妙なずれがあるためである。本実施形態では、このずれを補償するため、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を調整する（ループIV）。
【００７６】
図６は、動作温度変化とモードホップが生じるＤＢＲ電流（以下では、「モードホップＤＢＲ電流」とも称する）の関係を示す。動作温度が変化すると、動作電流変化に対して生じるモードホップＤＢＲ電流が大きくなる。そのため、動作温度の上昇に対して、ＤＢＲ電流を増加することで位相変化を補償することが可能である。典型的には、動作温度１０℃の上昇に対して、ＤＢＲ電流を３ｍＡ程度増加することにより位相変化を補償でき、１ｎｍ以上の連続波長可変が実現される。
【００７７】
本実施形態のように、ＤＢＲ電流を調整することにより、いろいろな要因により生じる位相変化を補償することが可能であり、温度による連続波長可変を広範囲の波長領域で実現でき、その実用的効果は大きい。
【００７８】
（第４の実施形態）
図７は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。本実施形態では、動作電流変化に対して発生した位相変化を、ＤＢＲ電流の可変により補償する方法について説明する。
【００７９】
本実施形態の発振波長安定化装置は、第２の実施形態と同様に、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１２と、各回路系７〜９及び１２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。
【００８０】
本実施形態では、半導体レーザ１の動作温度を電子冷却素子１１により調整することにより、発振波長を可変する。一般に半導体レーザ１は、動作温度を変化させると得られるレーザ出力が変動する。図８は、動作温度とレーザ出力の関係を示している。レーザ波長を１ｎｍ程度可変しようとすると、動作温度を３５℃程度変化する必要がある。しかし、動作温度が１５℃程度変化すると、レーザ出力は±７．５％変動する。
【００８１】
本実施形態では、レーザ出力が一定になるようにレーザ駆動部７を制御し、それにより生じた位相変化をＤＢＲ電流の可変により補償する。
【００８２】
発振波長の制御方法、レーザ出力の制御方法及びＤＢＲ制御部での位相補償について詳しく説明する。
【００８３】
初期設定として、第２の実施形態と同様に、活性領域２にレーザ駆動部７により設定電流が注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態と同様に、初期設定後は、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【００８４】
まず、波長計５により発振波長が検出され、波長検出部９から信号が出力されて、設定波長との差分が信号として得られる。その波長差分を補償するように、ペルチエ制御部１２に信号を入力して電子冷却素子１１の電流を調整し、レーザ光の発振波長を制御する（ループIV）。
【００８５】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長にレーザ光を波長を一致させる。
【００８６】
次に、温度変化により生じた出力変動を補償するように、レーザ駆動部７を制御する。以下では、設定波長を変化させてペルチエ制御部１２により連続的に波長シフトさせる場合について、説明する。
【００８７】
半導体レーザ１の波長を１ｎｍシフトさせるためには、半導体レーザ１の温度を１５℃程度可変する必要がある。このとき、レーザ出力は、７．５％程度変動する。本実施形態においては、出力検出器１３によりレーザ光出力は常に検出されている。そのため、出力検出器１３から得られた信号とシステム制御部６から出力される設定出力信号との差分を補償するように、レーザ駆動部７により活性領域２への注入電流量が制御され、レーザ出力が一定に保持される。
【００８８】
半導体レーザ１を１５℃程度温度変化させる場合には、出力変動が１０％程度あるために、活性領域２への動作電流量も１０％程度変化させる必要がある。図９は、動作電流と発振波長の関係を示している。動作電流が上昇すると活性領域の温度も上昇し、結果として位相変化が起こり、モードホップを生じる。波長シフトの傾きは、典型的には０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。動作電流が１５０ｍＡの時に、１５℃の温度変化に対して出力を一定に保持するためには、２０ｍＡ程度変化させる必要がある。しかし、このような幅の電流変化では、図９に示すようにモードホップが生じる。
【００８９】
本実施形態では、動作電流を調整することにより生した位相変化を、ＤＢＲ領域３により補償する。２０ｍＡの動作電流変化（△Ｉ）に対して、活性領域２の位相が変化し、ファプリペローモードが０．０４ｎｍシフトする。そのため、ＤＢＲ制御部８によりＤＢＲ電流を２ｍＡ（０．０２ｎｍ／０．２１ｎｍ×△Ｉ）程度だけ変化させることにより、モードホップを回避できる（ループＶ）。その後に、再びペルチエ制御部１２にて、発振波長が設定波長になるように調整する。
【００９０】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長及び設定出力に調整する。
【００９１】
本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化により生した出力変動を出力検出器１３で検出し、設定出力信号との差分を補償する際に、レーザ駆動部７とＤＢＲ制御部８を同時に制御して、モードホップのない制御によりレーザ出力も一定に保持される。そのため、広範囲での連続波長可変を出力一定で実現できるため、その実用的効果は大きい。
【００９２】
（第５の実施形態）
図１０（ａ）は、本実施形態における位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【００９３】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２、ＤＢＲ領域３及び位相領域１４を有する半導体レーザ１と、発振波長を検出するための波長計５と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７〜９及び１５と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、レーザ光の波長を検出するための波長検出部９である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入する電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、位相領域１４への注入電流を制御する位相制御部１５である。
【００９４】
図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して、本実施形態による位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長安定化方法について詳しく説明する。
【００９５】
初期設定として、第１に、活性領域２に電流注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入を行う（ループＩ）。第２に、レーザ光の発振波長を波長計５により検出し、波長検出部９より信号を出力する。システム制御部６から設定の波長が出力され、その波長差を補償するようにＤＢＲ制御部８に信号を入力し、ＤＢＲ領域３に電流を注入してレーザ光の発振波長を調整する（ループII）。調整方法は第１の実施形態と同様で、ＤＢＲ領域３への注入電流を０ｍＡ〜１００ｍＡの範囲で可変（具体的には、０ｍＡから１００ｍＡへ増加）させ、発振波長をスキャンする。このとき、波長検出部から出力される信号を検出し、レーザ光の波長が設定波長と一致する注入電流を記憶する。次に、その注入電流よりも１０ｍＡ低い電流まで注入電流を下げる。最後に、記憶された電流注入をＤＢＲ領域に注入し、レーザ光の発振波長を設定波長に調整する。
【００９６】
本実施形態では、初期設定以降において位相領域１４を用いて連続的な波長可変が実現される。その方法について説明する。
【００９７】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を変化させる方法には、一般に、以下の３つの方法がある。
【００９８】
（１）ＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）の変化
（２）ＤＢＲ半導体レーザの動作温度の変化
（３）活性領域への注入電流（動作電流）の変化
これらの方法では、ＤＢＲ電流により波長可変させたり（波長制御）、環境温度を変化させたり（温度制御）、レーザ出力制御のために動作電流を変化させたり（出力制御）することで、発振波長を変化させるが、その際に、半導体レーザの共振器モード（ファブリペローモード）の位相状態が変化してモードホップを生じる。本実施形態では、位相領域１４を用いて、モードホップのない各制御を可能にする。
【００９９】
位相領域１４への注入電流と発振波長の関係を、図１１に示す。連続波長可変部分の注入電流変化に対する波長シフトの割合は、０．０７ｎｍ／１０ｍＡである。ＤＢＲ電流変化及び動作電流変化に対する波長シフトの割合は、それぞれ０．２１ｎｍ／１０ｍＡ及び０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。そのため、波長制御に対しては、ＤＢＲ電流の変化量の３倍の電流を位相領域１４に注入し、また出力制御に対しては、動作電流の変化量の約３分の１の電流を位相領域１４に注入すればよいことになる。さらに、温度制御に対しては、約１０℃の動作温度上昇に対して、位相領域の注入電流を約５ｍＡ低減させればよい。
【０１００】
以上のことを考慮して、本実施形態では、環境温度変化、動作電流変化、及びＤＢＲ電流変化に対して、レーザ駆動部７及びＤＢＲ制御部８を用いて制御を行い、制御により生じた位相変化量の和を位相制御部１５で補償することにより、連続的な波長可変が実現される（ループIII）。
【０１０１】
本実施形態のように、位相領域１４をＤＢＲ半導体レーザ１に設けることにより、連続的な波長可変が実現できる。また、位相変化の和を位相領域１４で補償することで、出力が一定で広範囲の連続波長可変が実現される。
【０１０２】
また、本実施形態のように位相領域１４に電流注入する場合、一定の比で電流注入するとすれば、ＤＢＲ電流を１００ｍＡ程度注入して２ｎｍ程度の波長可変を行うには、位相領域に３００ｍＡ程度の電流を注入する必要がある。これは、消費電力の上で、実用上は大きな問題である。位相領域１４では、電流注入に対して位相変化が周期的に繰り返される。
【０１０３】
そこで、光ディスクシステムなどに応用する場合に、システムの動作待機時間などを利用して位相電流をリセットして電流値を低減すれば、大幅な消費電力低減を実現できる。
【０１０４】
第１〜第５の実施形態では、ＡｌＧａＡｓ半導体レーザを例にとって説明したが、ＤＢＲ領域が集積化されたII−VI族系ＺｎＳ半導体レーザや、III−Ｖ族系ＧａＮ半導体レーザについても、同様の効果が得られる。
【０１０５】
（短波長光源の出力安定化）
（第６の実施形態）
第１〜第５の実施形態では、ＤＢＲ半導体レーザの発振波長の設定波長への制御、或いは連続的な波長可変を行う方法について説明した。一方、本実施形態においては、ＤＢＲ半導体レーザと波長変換素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力を安定化するため、ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する方法について説明する。
【０１０６】
図１２（ａ）は、本実施形態における、ＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長に調整する高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１０７】
本実施形態の高調波出力安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、それらの各部を制御する３つの回路系７、８、及び２２と、各回路系７、８、及び２２を制御するシステム制御部６と、から構成される。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３上へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。
【０１０８】
波長変換素子１７は、ＬｉＴａＯ3結晶基板上に作製された擬似位相整合方式（ＱＰＭ）の光導波路型波長変換素子であり、周期的な分極反転領域１８により基本波と高調波の位相ずれが補償され、高効率の波長変換が実現される。位相整合波長は８５１ｎｍであり、その波長許容幅は０．１３ｎｍである。ＱＰＭ−第２高調波発生（ＳＨＧ）デバイス１７の上の周期的分極反転領域１８は、例えば、瞬間熱処理法により形成される。また、光導波路１９は、例えばピロ燐酸を用いたプロトン交換法により形成される。
【０１０９】
半導体レーザ１の光は、図１２に図示されていない結合レンズにより、波長変換素子１７の上の光導波路１９に結合される。半導体レーザ１の波長が波長変換素子１７の位相整合波長に一致するときは、光導波路１９を導波するレーザ光が高調波光に変換される。典型的には、本実施形態で用いられるＤＢＲ半導体レーザ１の発振波長は８５０〜８５２ｎｍであり、得られる高調波光の波長は４２５ｎｍ（ブルー光）である。
【０１１０】
本実施形態における、レーザ光の波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に調整し、高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１１１】
高調波出力を安定化するためには、半導体レーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に、安定して制御することが重要である。そのために、第１に、活性領域２に電流注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入（１５０ｍＡ）を行う。第２に、波長変換により得られた高調波出力を出力検出器２１により検出する。出力検出器２１としては、典型的にはＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードが用いられる。
【０１１２】
図２に示すように、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を変化させて発振波長を可変すると、発振波長はモードホップを繰り返しながらＤＢＲ電流の増加に対して長波長側に波長シフトする。このとき、ＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を上昇させるときと下降させるときで電流に対する発振波長が異なり、ヒステリシスな特性を示す。本発明では、このヒステリシス特性を回避し、ＤＢＲレーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に制御するため、次のような方法で調整を行っている。
【０１１３】
第１に、ＤＢＲ電流を０〜１００ｍＡまで可変（具体的には、０ｍＡから１００ｍＡまで増加）させ、発振波長をスキャンする。このとき、出力検出部２２から出力される信号を検出し、高調波出力がピークになる注入電流をシステム制御部６に記憶する。本実施形態では、典型的にはＤＢＲ電流が５０ｍＡの時に、ブルー光の最大出力２ｍＷが得られる。第２に、１００ｍＡからその注入電流よりも１０ｍＡ低い４０ｍＡに、ＤＢＲ電流の値を下げる。第３に、記憶されたＤＢＲ電流値（５０ｍＡ）までＤＢＲ電流を再上昇させることで、レーザ光の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長８５１ｎｍに調整する。高調波出力が低下した場合に上記の制御を繰り返すことにより、長期の出力安定性が実現される。
【０１１４】
本実施形態のように、レーザ光の波長を設定波長に調整する際に、ＤＢＲ電流を増加させながら設定波長に対応した電流値を検出し、その後にＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定してから、電流を再び増加させながら所望の注入電流に固定することで、ＤＢＲ領域を有する半導体レーザのチューニング特性がもつヒステリシス特性を回避することができる。これにより、半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に正確に一致できるため、安定な高調波出力が実現される。或いは、ＤＢＲ電流をまず所定の範囲で減少させ、所定の発振波長に相当する電流値を記憶した後に、あるレベルまで一旦増加させ、再び減少させながら記憶された電流値に設定してもよい。
【０１１５】
特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ヒステリシス特性により生じる０．１ｎｍの波長変化は、大きな問題となる。そのため、ＤＢＲ電流を設定波長に対応した電流よりも低い値に一度設定し、電流を増加させながら所望のＤＢＲ電流に固定する方法は、実用的に大きな効果を有する。
【０１１６】
（第７の実施形態）
図１３は、本実施形態の電子冷却素子１１を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化方法の構成を示すブロック図である。
【０１１７】
第６の実施形態では、半導体レーザの発振波長を位相整合波長内に固定することは可能であるが、ＤＢＲ電流変化による波長可変が０．１ｎｍ毎の不連続なチューニング特性である一方で、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの波長許容幅が０．１ｎｍｎ程度と小さいために最大の変換効率が得られる位相整合波長の中心に固定することが困難である。それに対して本実施形態では、温度変化による連続波長可変により、より高効率の波長変換が実現される。
【０１１８】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２及び２２と、各回路系７、８、１２、及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態において、波長変換素子１７としては、第６の実施形態と同様にＬｉＴａＯ3基板上に形成されたＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられた。
【０１１９】
本実施形態による、レーザ光の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に調整して、高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１２０】
高調波出力を安定化するためには、半導体レーザ１の波長を、波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に安定して制御することが重要である。そのための初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長の近傍に固定する。具体的には、第１に、活性領域２に電流を注入するようにシステム制御部６からレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値（１００ｍＷ）になるように、注入電流を１５０ｍＡに制御する（ループＩ）。第２に、温度センサ１６で環境温度（２０℃）を検出し、半導体レーザ１の温度が２０℃に一定になるように、システム制御部６からペルチエ制御部１２に信号を入力して電子冷却素子１１への電流を調整する（ループII）。第３に、第６の実施形態と同様の方法で、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長許容幅内に固定するため、高調波出力を出力検出部２２にて検出し、システム制御部６からＤＢＲ制御部８に信号を入力する（ループIII）。このようにして、初期設定が完了する。
【０１２１】
ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長は８５１．０５ｎｍであり、初期設定において、ＤＢＲ半導体レーザの波長は８５１ｎｍに固定される。一方、ＤＢＲ電流の変化による波長可変では、そのモード間隔が０．１ｎｍであるために８５１．０５ｎｍに波長を制御することが不可能である。それに対して本実施形態においては、温度変化により、ＤＢＲ半導体レーザ１の波長が位相整合波長に微調整される。
【０１２２】
図４に示すように、ＤＢＲ半導体レーザの場合、温度変化に対して約０．０７ｎｍ／℃の関係で、温度の上昇とともに発振波長は長波長側に連続的にシフトする。また、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長は、約０．０３５ｎｍ／℃の関係で長波長側にシフトする。そのため本実施形態では、初期設定後に電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を可変する。
【０１２３】
まず、出力検出器２１により高調波出力が検出され、出力検出部２２から信号が出力される。この値が、初期値（Ｐ0）としてシステム制御部６に記憶される。次に、初期設定時の設定温度を、約２０．５℃上昇させる。ペルチエ制御部１２に信号が入力され、電子冷却素子１１への電流が調整されてレーザ光の発振波長が可変される（ループIV）。このときの高調波出力を出力検出器２１により検出し、出力検出部２２からシステム制御部６へ信号が出力される（Ｐ1）。Ｐ1＞Ｐ0である場合には、ループを繰り返して設定温度を約２１℃上昇させ、再び高調波出力を検出する（Ｐ2）。Ｐ2＜Ｐ1である場合には、設定温度を約２０℃降下させる（ループＶ）。
【０１２４】
本実施形態においては、ループIII及びＶを繰り返すことにより、温度が約２２℃の時に、高調波出力は、典型的にはピーク出力約２．３ｍＷに安定に固定される。ループＶの制御を常に繰り返すことにより、長期の高調波出力安定性が実現される。
【０１２５】
本実施形態のように、温度制御により高調波出力を安定化する方法は、半導体レーザの波長を連続的に可変できるため、ＤＢＲ電流の変化だけでは実現できない高調波出力のピーク出力検出が可能となり、第６の実施形態よりも１割程度強度が大きいブルー出力を得ることができ、その実用的効果は大きい。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠であり、本実施形態に示す温度制御による高調波出力安定化方法は、実用的効果が大きい。
【０１２６】
また、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の波長可変を行う場合、電子冷却素子１１の吸熱容量が大きな問題となる。本実施形態のように、初期状態において半導体レーザ１の温度を環境温度に設定することで、電子冷却素子１１の吸熱容量は極端に低減でき、その実用的効果は大きい。
【０１２７】
また、波長可変や環境温度変化により、半導体レーザ１の温度と環境温度の間に温度差が生じ、その結果として電子冷却素子１１の吸熱容量が増大した場合に、本実施形態の初期設定を繰り返して半導体レーザ１の温度を環境温度に再設定することで、電子冷却素子１１の吸熱容量を低減できる。
【０１２８】
（第８の実施形態）
図１４は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１２９】
本実施形態における発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２、及び２２と、各回路系７、８、１２、及び２２を制御するシステム制御系６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態においては、波長変換素子１７として、典型的には第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１３０】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長が波長変換素子１７の位相整合波長近傍に固定され、典型的には約２ｍＷのブルー出力が得られる。活性領域２にレーザ駆動部７により電流注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度（２０℃）に設定され（ループII）、またＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。
【０１３１】
第２の実施形態で説明したように、温度変化により発振波長を可変する場合には、１ｎｍ程度の波長範囲で連続的な波長可変が可能となる。しかしながら、それ以上の波長範囲で波長可変を行うと、図４に示すようにモードホップを生じる。これは、ＤＢＲ領域３により光フィードバックされるＤＢＲ波長と、実効的ＤＢＲ長により定義される共振器長に対応するファブリペローモードの温度に対するシフト量に、微妙なずれがあるためである。本実施形態では、このずれを補償するため、ＤＢＲ領域３へ注入される電流も調整される（ループIV）。
【０１３２】
動作温度変化とモードホップ電流の関係は、先に図６を参照して説明した通りである。動作温度が変化すると、動作電流変化に対してモードホップが生じるＤＢＲ電流値が小さくなる。そのため、動作温度の上昇に対して、ＤＢＲ電流を低減することで位相変化を補償することが可能である。動作温度の約１０℃の上昇に対して、ＤＢＲ電流を約１．５ｍＡ程度低下させることにより、位相変化を補償でき、１ｎｍ以上の連続波長可変が実現される。
【０１３３】
本実施形態のようにＤＢＲ電流を調整することにより、いろいろな要因により生じる位相変化を補償することが可能である。その結果、広範囲での連続波長可変が実現でき、安定な高調波出力が実現される。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠である。その方法としては、温度変化による波長可変が有利である。本実施形態のようにＤＢＲ電流による温度変化による位相変化を補償することにより、広範囲の波長領域において連続波長可変特性が得られるため、安定な短波長光源が実現される。
【０１３４】
（第９の実施形態）
図１５は、本実施形態における電子冷却素子１１を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１３５】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２及びＤＢＲ領域３を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、半導体レーザ１を温度制御するための電子冷却素子１１と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１２、及び２２と、各回路系７、８、１２及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ駆動部８である。第４の回路系は、半導体レーザ１を温度制御するためのペルチエ制御部１２である。本実施形態において、波長変換素子１７として、典型的には、第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１３６】
本実施形態では、半導体レーザ１の動作温度を電子冷却素子１１により調整することにより、発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する。一般に半導体レーザは、動作温度を変化させると得られるレーザ出力が変動する。
【０１３７】
動作温度とレーザ出力の関係について図８を参照して先に説明したように、レーザ波長を１ｎｍ程度可変するには、動作温度を１５℃程度変化する必要がある。しかし、動作温度が１５℃程度変化すると、レーザ出力は±７．５％程度変動する。本実施形態では、レーザ出力が一定になるようにレーザ駆動部７を制御し、それにより生じた位相変化を、ＤＢＲ領域３で補償する。
【０１３８】
発振波長の制御方法、レーザ出力の制御方法、及びＤＢＲ制御部８での位相補償について詳しく説明する。
【０１３９】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長の近傍に固定する。具体的には、活性領域２にレーザ駆動部７により設定電流（１５０ｍＡ）が注入され（ループＩ）、半導体レーザ１の温度はペルチエ制御部１２により環境温度（２０℃）に設定され（ループII）、さらに、ＤＢＲ制御部８により発振波長は設定波長近傍に調整される（ループIII）。第２の実施形態と同様に、初期設定後は、電子冷却素子１１により半導体レーザ１の温度を変化させて、発振波長を制御する（ループIV）。
【０１４０】
これらのループを何回か繰り返して、高調波出力をピーク出力に制御する。
【０１４１】
次に、温度変化により生じた出力変動を補償するように、レーザ駆動部７を制御する。以下では、設定波長を変化させてペルチエ制御部１２により連続的に波長シフトさせる場合について、説明する。
【０１４２】
半導体レーザ１の波長を１ｎｍシフトさせるためには、半導体レーザ１の温度を１５℃程度可変する必要がある。このとき、レーザ出力は、７．５％程度変動する。本実施形態においては、出力検出器１３によりレーザ光出力は常に検出されている。そのため、出力検出器１３から得られた信号とシステム制御部６から出力される設定出力信号との差分を補償するように、レーザ駆動部７により活性領域２への注入電流量が制御され、レーザ出力が一定に保持される。
【０１４３】
半導体レーザ１を１５℃程度温度変化させる場合には、出力変動が７．５％程度あるために、活性領域２への動作電流量も１０％程度変化させる必要がある。動作電流と発振波長の関係を先に図９に示したが、動作電流が上昇すると活性領域の温度も上昇し、結果として位相変化が起こり、モードホップを生じる。波長シフトの傾きは、典型的には０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。動作電流が１５０ｍＡの時に、１５℃の温度変化に対して出力を一定に保持するためには、２０ｍＡ程度変化させる必要がある。しかし、このような幅の電流変化では、図９に示すようにモードホップが生じる。
【０１４４】
本実施形態では、動作電流を調整することにより生じた位相変化を、ＤＢＲ領域３により補償する。２０ｍＡの動作電流変化（△Ｉ）に対して、活性領域２の位相が変化し、ファプリペローモードが０．０４ｎｍシフトする。そのため、ＤＢＲ制御部８によりＤＢＲ電流を２ｍＡ（０．０２ｎｍ／０．２１ｎｍ×△Ｉ）程度だけ変化させることにより、モードホップを回避できる（ループＶ）。その後に、再びペルチエ制御部１２にて、発振波長が設定波長になるように調整する。
【０１４５】
これらのループを何回か繰り返し、設定波長及び設定出力に調整する。
【０１４６】
本実施形態では、半導体レーザ１の温度変化により生じた出力変動を出力検出器１３で検出し、設定出力信号との差分を補償する際に、レーザ駆動部７とＤＢＲ制御部８を同時に制御して、モードホップのない制御によりレーザ出力も一定に保持される。そのため、広範囲での連続波長可変を出力一定で実現できるため、安定な高調波出力が実現される。
【０１４７】
（第１０の実施形態）
図１６は、本実施形態における電子冷却素子を用いたＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【０１４８】
本実施形態の発振波長安定化装置は、活性領域２、ＤＢＲ領域３及び位相領域１４を有する半導体レーザ１と、周期的な分極反転領域１８と光導波路１９を有する波長変換素子１７と、高調波出力を検出するための出力検出器２１と、半導体レーザ１を温度を検出するための温度センサ１６と、レーザ出力を検出するための出力検出器１３と、それらの各部を制御する４つの回路系７、８、１５及び２２と、各回路系７、８、１５及び２２を制御するシステム制御部６と、からなる。第１の回路系は、半導体レーザ１の活性領域２へ電流を注入するためのレーザ駆動部７である。第２の回路系は、高調波出力を検出するための出力検出部２２である。第３の回路系は、発振波長を所望の波長に調整するためにＤＢＲ領域３へ注入するＤＢＲ電流を制御するためのＤＢＲ制御部８である。第４の回路系は、位相領域１４への注入電流を制御する位相制御部１５である。本実施形態においても、波長変換素子１７として、典型的には、第６の実施形態と同様にＱＰＭ−ＳＨＧデバイスが用いられる。
【０１４９】
本実施形態に従って、位相領域１４を有するＤＢＲ半導体レーザ１の波長を波長変換素子１７の位相整合波長の許容幅内に調整して高調波出力を安定化する方法について、詳しく説明する。
【０１５０】
初期設定として、第６の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ１の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長近傍に固定する。具体的には、第１に、システム制御部６から活性領域２に電流注入するようにレーザ駆動部７に信号を入力し、半導体レーザ１の光強度が設定値である１００ｍＷになるように電流注入を行う（ループＩ）。第２に、高調波出力を出力検出器２１により検出し、出力検出部２２より信号を出力する。高調波出力がピークになるＤＢＲ電流をシステム制御部６に記憶し、記憶されたＤＢＲ電流を注入してレーザ光の発振波長を波長変換素子１７の位相整合波長に調整する（ループII）。
【０１５１】
本実施形態では、初期設定以降において、位相領域１４を用いて連続的な波長可変が実現される。その方法について説明する。
【０１５２】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を変化させる方法には、一般に、以下の３つの方法がある。
【０１５３】
（１）ＤＢＲ領域への注入電流（ＤＢＲ電流）の変化
（２）ＤＢＲ半導体レーザの動作温度の変化
（３）活性領域への注入電流（動作電流）の変化
これらの方法では、ＤＢＲ電流により波長可変させたり（波長制御）、環境温度を変化させたり（温度制御）、レーザ出力制御のために動作電流を変化させたり（出力制御）することで、発振波長を変化させるが、その際に、半導体レーザの共振器モード（ファブリペローモード）の位相状態が変化してモードホップを生じる。本実施形態では、位相領域１４を用いて、モードホップのない各制御を可能にする。
【０１５４】
位相領域１４への注入電流と発振波長の関係は、図１１に示して説明した通りである。連続波長可変部分の注入電流変化に対する波長シフトの割合は、０．０７ｎｍ／１０ｍＡである。ＤＢＲ電流変化及び動作電流変化に対する波長シフトの割合は、それぞれ０．２１ｎｍ／１０ｍＡ及び０．０２ｎｍ／１０ｍＡである。そのため、波長制御に対しては、ＤＢＲ電流の変化量の３倍の電流を位相領域１４に注入し、また出力制御に対しては、動作電流の変化量の約３分の１の電流を位相領域１４に注入すればよい。さらに、温度制御に対しては、１０℃の動作温度上昇に対して、位相領域の注入電流を５ｍＡ低減させればよい。
【０１５５】
以上のことを考慮して、本実施形態では、環境温度変化、動作電流変化、及びＤＢＲ電流変化に対して、レーザ駆動部７及びＤＢＲ制御部８を用いて制御を行い、制御により生じた位相変化量の和を位相制御部１５で補償することにより、連続的な波長可変が実現される（ループIII）。
【０１５６】
本実施形態では、環境温度変化などで生じる位相整合波長のシフトに対して、上記の位相領域１４を用いた連続波長可変により、常に高調波出力がピーク出力で一定になるように制御される。特に、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとＤＢＲ半導体レーザから構成される短波長光源においては、ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長に対する許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、ＤＢＲ半導体レーザの連続波長可変が必要不可欠であり、本実施形態に示す位相制御部１５を用いた高調波出力安定化方法は、実用的効果が大きい。
【０１５７】
なお、第６〜第１０の実施形態では、波長変換素子として導波路型の擬似位相整合方式波長変換素子が用いられているが、バルク型の擬似位相整合方式の波長変換素子を用いても、同様の効果が得られる。また、複屈折性を利用した位相整合方式の波長変換素子を用いても、同様の効果が得られる。
【０１５８】
（第１１の実施形態）
光ディスクシステムで用いられる光源は、長期の出力安定性を必要とする。ＤＢＲレーザと波長変換素子から構成される短波長光源を光ディスクシステムに応用する場合、長期の出力安定性がひとつの課題である。この課題を解決するためには、波長変換素子の位相整合波長に半導体レーザの波長が常に一致するように、制御する必要がある。
【０１５９】
第７〜第１０の実施形態の構成では、半導体レーザの波長を連続的に可変して高調波出力を安定化する方法について説明してきた。しかしながら、環境温度の急激な変化などに対しては、電子冷却素子などが十分に応答できないために、出力変動を生じる可能性がある。また、第６の実施形態で説明した高調波出力安定化装置を有する短波長光源では、ＤＢＲ領域に注入するＤＢＲ電流の制御によって発振波長を変化させるが、その変化が不連続であるために、高調波出力調整時に大きな出力変動を発生する。また、この方法の他の課題は、電子冷却素子や位相領域に注入する電流が大きくなることで、消費電力が大きくなることである。
【０１６０】
本実施形態では、短波長光源を光ディスクシステムに応用する場合に、システム動作待機中を利用して高調波出力の安定化や電子冷却素子や位相領域への電流のリセットを行う、或いは、読み出した情報をメモリなどに一旦蓄積した上で高調波出力の安定化や電子冷却素子や位相領域への電流のリセットを行う、などの手法を用いることによって、常に安定したディスク再生特性を実現する方法について説明する。
【０１６１】
図１９（ａ）及び（ｂ）は、記録再生可能な光ディスクシステムの動作状態を模式的に示す図である。
【０１６２】
具体的には、光ディスクシステムをコンピュータ用途で用いる場合、図１９（ａ）のように、常にコンピュータと情報のやり取りを行っているのではなく、再生時や記録時のみシステムは動作している。そのため、図１９（ａ）のシステムの動作待機中に高調波出力の安定化を図ることで、安定な記録・再生特性を実現できる。高調波出力の安定化は、各実施形態で説明した以下のような方法を用いることができる。
【０１６３】
第１に、ＤＢＲ領域のみで波長可変を行う場合、第６の実施形態のように、位相整合波長の検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化させて、半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に固定することで、ヒステリシス特性を回避して安定に高調波出力を得ることはできる。
【０１６４】
第２に、電子冷却素子により波長可変を行う場合には、第７の実施形態のように、電子冷却素子により連続的な波長可変を行う。波長変換素子の位相整合波長が何かの要因でシフトし波長可変幅が大きくなると、環境温度と短波長光源温度に差が生じる。そうなると、電子冷却素子の吸熱容量が大きくなるため、消費電力も大きくなる。そこで、システムの動作待機中に短波長光源の温度を環境温度に再設定し、ＤＢＲ電流を再調整して半導体レーザの波長を位相整合波長に固定すれば、消費電力の低減を図ることができる。
【０１６５】
第３に、位相領域とＤＢＲ領域で波長可変を行う場合、電子冷却素子により波長可変を行う場合と同様に、波長可変幅が大きくなると位相領域に注入する電流が大きくなる。そこで、システムの動作待機中に位相領域への電流をリセットし、再び半導体レーザの波長を位相整合波長に調整することで、消費電力の低減を図ることができる。
【０１６６】
一方、映画などのソフトが記録されている光ディスクを再生する場合には、図１９（ｂ）のように、２時問程度の連続再生を行う。そのため、２時間以上にわたり出力を安定に維持することが望まれる。そこで、本実施形態では、そのような場合には、再生したディスクの情報をメモリなどに一旦蓄積し、高調波出力の安定化制御を行うときにはメモリに蓄積された情報を画像として取り出すことによって、常に安定な再生特性を実現する。
【０１６７】
ビデオ再生システムの構成を、図２０に示す。通常、メモリ３４としては半導体メモリが用いられ、本実施形態では、例えばＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）やフラッシュメモリが用いられる。光ピックアップ３１により再生された光ディスク３２の情報は、転送レートＲ１でメモリ３４に送られ、さらに転送レートＲ２で、メモリ３４からディスプレイ３５に情報が送られる。ここでＲ１＞Ｒ２の時に、メモリ３４には、光ディスク３２より再生された情報が徐々に蓄積される。メモリ３４の内部に情報がフルに蓄積されると、メモリ３４の情報がディスプレー３５に転送され、その間に、高調波出力の安定化制御が安定化制御御回路３３により行われる。安定化制御が終了すると、再びメモリ３４への情報蓄積が始まる。
【０１６８】
この動作を繰り返すことにより、長時間安定な再生特性を実現する。
【０１６９】
ＤＢＲ領域を有する半導体レーザは、発振波長を所望の波長に可変することができるため、いろいろな用途に有用なレーザである。ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスのような波長変換素子と半導体レーザにより構成されるＳＨＧレーザにおいては、半導体レーザの発振波長を波長変換素子の位相整合波長の許容幅内に固定する必要がある。それに対して、ＤＢＲ半導体レーザを用いれば、上記の点に起因して大きな効果を得ることができる。
【０１７０】
ＤＢＲ半導体レーザの発振波長を可変する方法には、（１）ＤＢＲ領域に電流注入する方法、（２）電子冷却素子などにより半導体レーザ全体の温度を変化させる方法、などがある。しかしながら、（１）の方法では、モードホップ現象の発生やヒステリシスな波長可変特性の発現が、実用化における大きな課題となる。また、（２）の方法では、電子冷却素子の容量などが、実用化における大きな課題となる。
【０１７１】
（１）の課題を解決するため、本発明では、ＤＢＲ電流を検出時と同方向に上昇させながら波長可変を行うことでヒステリシス特性を回避し、安定な波長可変を可能にする。特にＳＨＧブルーレーザにおいては、その位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さいため、安定な波長可変が、高調波（ブルー光）の出力安定化の絶対条件となる。これに対して、上記の波長制御を用いることで、ＳＨＧブルーレーザの立ち上がり時においても波長変換素子の位相整合波長の検出が確実に行われ、瞬時の立ち上がり特性が実現できるため、その実用的効果は大きい。
【０１７２】
また、温度制御による波長可変は、連続的な波長可変が可能であるために有用な方法である。特に、ＳＨＧブルーレーザにおいては、その位相整合波長許容度が０．１ｎｍ程度であり、高調波出力を安定化するためには、波長を細かく制御することが必要である。ＳＨＧブルーレーザの応用用途は、光ディスクやレーザプリンターなどであり、その低消費電力化は、実用化に対して重要な点である。温度制御による波長可変では、電子冷却素子の消費電力が大きな課題となる。電子冷却素子は、環境温度と制御温度の差が大きいと消費電力が大きくなるため、本発明のように初期設定温度を環境温度にすることで、小さな消費電力で連続的な波長可変を実現できる。
【０１７３】
また、温度制御による波長可変においても、環境温度や動作電流の変化に対して、安定に連続波長可変を実現することは困難である。本発明では、ＤＢＲ領域を、波長可変の目的だけに用いるのではなく、位相変化を補償するためにも用いる。これによって、安定な連続波長可変が実現できる。そのため、より信頼性が高く且つブルー出力が安定化された、ＳＨＧブルーレーザが実現される。
【０１７４】
連続波長可変を実現する手段として、位相制御部を有する半導体レーザが提案されている。しかしながら、環境温度や動作電流の変化に対して、安定に連続波長可変を実現することは困難である。ＤＢＲ半導体レーザにおいて、環境温度、ＤＢＲ電流、動作電流、位相制御部電流などの変化に対する波長変化量は、それぞれ一定の値である。そのため、本発明では、環境温度、ＤＢＲ電流及び動作電流の変化に対して発生する位相変化を、それぞれの位相変化量の和として求め、位相制御部電流で補償することにより、安定な連続波長可変を実現する。これにより、電子冷却素子を用いなくても連続波長可変が実現でき、低消費電力の光源が実現される。消費電力が低減されると、ＳＨＧブルーレーザなどを携帯型の光ディスクにも応用できるため、その効果は大きい。
【０１７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備えた半導体レーザにおいて、ＤＢＲ領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を所望の波長に固定する際に、ＤＢＲ電流を一方向に増加または減少させて半導体レーザの波長を所望の波長に対応するＤＢＲ電流を検出し、検出時と同方向にＤＢＲ電流を変化する。これにより、波長可変時のヒステリシス特性を回避した安定な発振波長制御を実現する。
【０１７６】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備えた半導体レーザにおいて、ＤＢＲ領域への電流注入により発振波長を所望の波長に制御する際に、モードホップが生じるＤＢＲ電流近傍と連続的に波長可変するＤＢＲ電流近傍で、ＤＢＲ電流の電流注入レートを異ならせる。これによって、モードホップ時のノイズ発生を回避した発振波長制御を実現する。
【０１７７】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、初期状態においては半導体レーザは電子冷却素子により環境温度の近傍に温度設定され、ＤＢＲ電流を可変することにより発振波長を所望の波長に固定し、初期状態以降は電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させて波長可変する。これによって、電子冷却素子の消費電力を低減した発振波長制御を実現する。
【０１７８】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより波長可変する際に、半導体レーザの温度変化に対して生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、温度変化に対するモードホップを回避した連続波長可変を実現する。
【０１７９】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、を備え、電子冷却素子が実装された半導体レーザにおいて、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより波長可変する際に、半導体レーザの出力変化に対して活性領域への注入電流を調整し、生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、レーザ出力変動を低減するとともにモードホップを回避した連続波長可変を実現する。
【０１８０】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と、発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と、位相制御領域と、温度センサと、を備えた半導体レーザにおいて、半導体レーザの出力が一定になるように活性領域に注入する電流を調整する第１の制御手段と、発振波長を所望の波長になるようにＤＢＲ領域へ注入する電流を調整する第２の制御手段と、第１の制御手段と第２の制御手段と環境温度変化に対して生じる位相変化量を補償するため位相制御領域へ注入する電流を調整する第３の制御手段と、を設ける。これによって、モードホップのない連続波長可変を実現する。
【０１８１】
さらに本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子と、から構成される短波長光源において、ＤＢＲ領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する際に、ＤＢＲ電流を一方向に増加または減少して発振波長を位相整合波長に対応するＤＢＲ電流を検出し、検出時と同方向にＤＢＲ電流を可変する。これによって、波長可変時のヒステリシス特性を回避し、安定な高調波出力を実現する。
【０１８２】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源において、初期状態において短波長光源は電子冷却素子により環境温度の近傍に温度設定され、ＤＢＲ部領域へ注入する電流を可変することにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整し、初期状態以降は電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより発振波長を位相整合波長に可変する。これによって、電子冷却素子の消費電力を低減するとともに、連続波長可変による高調波出力のピーク出力検出を実現する。
【０１８３】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源において、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する際に、半導体レーザの温度変化に対して生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、温度変化に対するモードホップを回避した高調波出力安定化を実現する。
【０１８４】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子上に固定されている短波長光源において、半導体レーザが、活性領域への電流注入によりレーザ発振を起こし、得られたレーザ光が波長変換素子に導かれ、電子冷却素子により半導体レーザの温度を変化させることにより、発振波長を波長変換素子の位相整合波長に調整する。その際に、半導体レーザの出力変化に対して活性領域への注入電流を調整し、生じる位相変化量をＤＢＲ電流を可変して補償する。これによって、レーザ出力変動を低減し、かつモードホップを回避した高調波出力安定化を実現する。
【０１８５】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を固定するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と位相制御領域と温度センサとを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子と、から構成される短波長光源において、半導体レーザの出力が一定になるように活性領域に注入する電流を調整する第１の制御手段と、発振波長を波長変換素子の位相整合波長になるようにＤＢＲ領域に注入する電流により可変する第２の制御手段と、第１の制御手段と第２の制御手段と環境温度変化に対して生じる位相変化量を補償するため位相制御領域へ注入する電流を調整する第３の制御手段と、を設ける。これによって、連続波長可変を実現し、高調波光のピーク出力検出を実現する。
【０１８６】
さらに本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源を用いて、短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号を記録または再生する光ディスクシステムにおいて、光ディスクシステムの動作待機中や、光ディスクの再生から記録動作へ移行、または記録から再生動作への移行時の頭出しに要する時間（シークタイム）中に、短波長光源の動作温度を電子冷却素子により環境温度に再調整し、さらにＤＢＲ領域への注入電流を変化させて半導体レーザの波長を波長変換素子の位相整合波長に再制御する。これによって、長時間において良好な再生特性を保証する光ディスクシステムを実現する。
【０１８７】
また本発明は、利得を与えるための活性領域と発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えた半導体レーザと、非線形光学結晶からなる波長変換素子とが、電子冷却素子とともに一体化された短波長光源を用いて、短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号を記録または再生する光ディスクシステムにおいて、再生した情報を蓄積するためのメモリを設ける。これによって、長時間において良好な再生特性を保証する光ディスクシステムを実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図２】ＤＢＲ半導体レーザのＤＢＲ電流と発振波長のと関係を表す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図４】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度と発振波長との関係を表す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図６】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度とモードホップ現象が生じるＤＢＲ電流値との関係を表す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図８】ＤＢＲ半導体レーザの動作温度とレーザ出力との関係を表す図である。
【図９】ＤＢＲ半導体レーザの動作電流と発振波長との関係を表す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第５の実施形態におけるＤＢＲ半導体レーザの発振波長安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図１１】ＤＢＲ半導体レーザの位相制御部電流と発振波長との関係を表す図である。
【図１２】（ａ）は、本発明の第６の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、その制御方法を表すフローチャートである。
【図１３】本発明の第７の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態におけるＳＨＧブルーレーザの高調波出力安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】ＳＨＧブルーレーザの構成を示す図である。
【図１８】本発明に従ったＤＢＲ領域への注入電流レートの一例を表す図である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、光ディスクシステムの動作状態を表す図である。
【図２０】本発明に従った光ディスクシステムの構成を表す図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ
２ 活性領域
３ ＤＢＲ領域
４ａ 電極
４ｂ 電極
４ｃ 電極
５ 波長計
６ システム制御部
７ レーザ駆動部
８ ＤＢＲ制御部
９ 波長検出部
１０ サブマウント
１１ 電子冷却素子
１２ ペルチエ制御部
１３ 出力検出器
１４ 位相領域
１５ 位相制御部
１６ 温度センサ
１７ 波長変換素子
１８ 分極反転領域
１９ 光導波路
２０ ＬＤカットフィルタ
２１ 出力検出器
２２ 出力検出部
２３ ＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）半導体レーザ
２４ コリメートレンズ
２５ λ／２板（半波長板）
２６ フォーカシングレンズ
２７ 分極反転型導波路デバイス
２８ ＬｉＴａＯ3基板
２９ 光導波路
３０ 分極反転領域
３１ 光ピックアップ
３２ 光ディスク
３３ 安定化制御回路
３４ メモリ
３５ ディスプレイ
Claims (7)
- 発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、
前記半導体レーザが位相制御領域を有し、
再生した信号を蓄積するためのメモリと、
該メモリに蓄積された信号を利用して信号を外部に送出する所定の期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子からの出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする光ディスクシステム。 - 発振波長を制御するための分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域を備える半導体レーザと、非線形光学結晶からなり該半導体レーザから出力される光の波長を第２高調波光に変換して出力する波長変換素子と、が一体化されている短波長光源を備え、該短波長光源からの光を光ディスク上で走査して信号の記録動作或いは再生動作の少なくとも一方を行う光ディスクシステムであって、
前記半導体レーザが位相制御領域を有し、
再生した信号を蓄積するためのメモリと、
該再生した信号を該メモリに蓄積するレートが該メモリより信号を取り出すレートより大きくて、該メモリが蓄積された信号により充填されていて、該メモリに蓄積された信号を利用する期間に、該半導体レーザの発振波長を該波長変換素子から出力される第２高調波光の出力に基づいて、前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御するとともに、前記位相制御領域への注入電流を制御することにより、該波長変換素子の略位相整合波長に制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記半導体レーザの発振波長を前記波長変換素子の略位相整合波長に制御する際に、前記位相制御領域へ注入する電流をリセットし、その後前記位相制御領域および前記ＤＢＲ領域へ注入する電流をともに変化させて再制御することを特徴とする光ディスクシステム。 - 前記位相制御領域へ注入する電流のリセットする工程において、その設定値が略０ｍＡであることを特徴とする請求項１または２に記載の光ディスクシステム。
- 前記波長変換素子が、周期的分極反転領域を有する擬似位相整合方式の波長変換素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ディスクシステム。
- 前記波長変換素子が光導波路型であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ディスクシステム。
- 前記波長変換素子がバルク型であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ディスクシステム。
- 前記非線形光学結晶が、ＬｉＴａxＮｂ1-xＯ3(０≦ｘ≦１）結晶であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ディスクシステム。
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