JP3908730B2 - 光源装置及びその変調方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、光源装置及びその変調方法に関する。さらに詳細には、本発明は、半導体レーザ装置と第２高調波発生デバイスとにより構成される短波長光源及びその変調方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
光ディスクの高密度化、及びディスプレイの高繊細化を実現するためには、小型の短波長光源が必要とされる。小型の短波長光源として、半導体レーザと擬似位相整合（以下『ＱＰＭ』と記す）方式の光導波路型第２高調波発生（以下『ＳＨＧ』と記す）デバイス（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス）を用いたコヒーレント光源が注目されている（山本他、Optics Letters Vol.16, No.15, 1156 (1991)参照）。
【０００３】
図２０に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを用いたＳＨＧ青色光源の概略構成図を示す。図２０に示すように、半導体レーザとして、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域を有する波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４が用いられている。波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４は、０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザであり、活性層領域５６と位相調整領域５７とＤＢＲ領域５８とにより構成されている。そして、位相調整領域５７とＤＢＲ領域５８への注入電流を或る一定の比率で制御することにより、連続的に発振波長を変化させることができる。
【０００４】
第２高調波発生デバイスである光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５５は、Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板５９上に形成された、光導波路６０と周期的な分極反転領域６１とにより構成されている。光導波路６０は、ピロリン酸中でプロトン交換することによって形成される。また、周期的な分極反転領域６１は、櫛形の電極をＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板５９上に形成し、電界を印加することによって作製される。
【０００５】
図２０に示すＳＨＧ青色光源においては、１００ｍＷのレーザ出力に対して７５ｍＷのレーザ光が光導波路６０に結合する。そして、波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４の位相調整領域５７及びＤＢＲ領域５８への注入電流量を制御することにより、発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５５の位相整合波長許容幅内に固定される。このＳＨＧ青色光源を用いることにより、波長４２５ｎｍの青色光が２５ｍＷ程度得られているが、得られた青色光は、横モードがＴＥ00モードで回折限界の集光特性を有し、ノイズ特性も相対雑音強度が−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下と小さく、光ディスクの再生に適した特性を有する。
【０００６】
第２高調波発生デバイスである光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは、基本波光の波長に対する青色光出力特性を評価すると、その青色光出力が半分になる波長幅（位相整合に対する波長許容幅）が０．１ｎｍ程度と小さいことが分かる。これは、青色光出力を安定に得るためには大きな問題となる。この問題を解決するために、従来においては、基本波光として波長可変ＤＢＲ半導体レーザが用いられ、基本波光の波長（発振波長）を光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長許容幅内に固定し、安定な青色光出力を実現している。
【０００７】
一般に、半導体レーザ光源の発振波長は周囲温度によって変化し、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの最適波長も周囲温度によって変化する。このため、従来においては、半導体レーザ光源及び光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを、ペルチエ素子等を利用してその温度を一定に保つことにより、青色光の出力安定化を図っていた。
【０００８】
しかし、光ディスクやレーザプリンタ等の光情報処理機器への搭載を考えた場合、稼働状態において、平均的な出力パワーは時々刻々と変化する。このとき、半導体レーザ光源の発生する熱量が変化し、ペルチエ素子等を利用して周囲温度を一定に保っている場合であっても、半導体レーザ光源自体の温度が変化し、ひいては発振波長が変化するために、安定な青色光出力が得られないという問題がある。
【０００９】
また、装置の小型化のためにペルチエ素子等の温度制御装置を用いない場合には、周囲温度の変動はより大きくなり、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの出力変動を引き起こすことになる。
【００１０】
（発明の開示）
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ光源と第２高調波発生デバイスとからなる光源装置であって、周囲温度の変化や出力パワーの変動が生じた場合であっても、安定な高調波出力を実現することのできる光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる光源装置を実現することのできる変調方法を提供することを目的とする。
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明に係る光源装置の第１の構成は、少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる手段とを備えたものである。
【００２０】
また、本発明に係る光源装置の第２の構成は、少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる手段とを備えたものである。
【００２１】
また、前記本発明の光源装置の第１又は第２の構成においては、前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動することが好ましい。
また、本発明に係る第１の変調方法は、少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する第１ステップと、前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする。
また、本発明に係る第２の変調方法は、少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する第１ステップと、前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする。
また、前記本発明の第１又は第２の変調方法においては、前記第２ステップにおいて、前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動することが好ましい。
【００２５】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における光源装置を示す概略構成図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態の光源装置においては、基本波として用いられる半導体レーザ光源として、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域１と、注入電流によってレーザ内の光の位相を調整する位相調整領域２と、注入電流によってその出力パワーを制御する活性層領域３とを有する０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源４が用いられている。
【００２８】
また、第２高調波発生デバイスとしては、擬似位相整合（以下『ＱＰＭ』と記す）方式の光導波路型第２高調波発生（以下『ＳＨＧ』と記す）デバイス（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス）５が用いられている。すなわち、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を用いた光学結晶基板（０．５ｍｍ厚のＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１の上面に形成された、光導波路１２と、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するための、光導波路１２と直交する周期的な分極反転領域とにより構成されている。光導波路１２は、ピロリン酸中でプロトン交換することによって形成される。また、周期的な分極反転領域は、櫛形の電極をＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板１１上に形成し、電界を印加することによって作製される。光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、大きな非線形光学定数を利用することができ、また、光導波路型であり、長い相互作用長とすることが可能であるため、高い変換効率を実現することができる。
【００２９】
半導体レーザ光源４と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、Ｓｉサブマウント６上で一体化され、ペルチエ素子によって温度コントロールされている。基本波光である半導体レーザ光は、レンズを用いることなく、直接結合によって光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の光導波路に結合する。すなわち、半導体レーザ光源４から出射された基本波光は、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に入射され、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に入射した基本波光は、光導波路１２の内部に閉じ込められて伝搬する。光導波路１２内を伝搬する基本波光は、光学結晶（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 ）が有する非線形性によって第２高調波に変換され、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の出射端面から基本波光の２分の１の波長を有する高調波光が出射される。
【００３０】
上記の構造を有する光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス（以下『ＳＨＧ光源』ともいう）５は、光学結晶（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 ）が有する波長分散特性により、入射される基本波光の波長に対して、図２Ａに示すような波長特性を有する。図２Ａは、入射した基本波光の波長に対して、出射される高調波光の出力パワーを示す。高調波光は、基本波光の最適波長λ０をピークとして、基本波光の波長λに対して、下記（数１）に示すようなＳＩＮＣ関数によって表される出力特性を示す。
［数１］
ここで、高調波出力パワーが最大値の半分になる波長幅によって表される波長許容度は、約０．１ｎｍの幅を有し、安定に青色出力を得るためには、基本波光の波長を正確かつ安定にλ０に制御する必要がある。
【００３１】
以下、図１に示す半導体レーザ光源４の発振波長を制御する方法について説明する。
【００３２】
半導体レーザ光源においては、一般に、前後の反射面の光学的距離Ｌに対して下記（数２）を満たす波長λの光のみが励振される。
［数２］
２Ｌ＝ｎλ（ｎ：整数）
上記（数２）を満たす波長λの列は『縦モード』と呼ばれ、この場合の発振波長は離散的な値をとる。図１に示す半導体レーザ光源４においては、ＤＢＲ領域１と半導体レーザ光源４の出射端面との間に位相調整領域２が設けられており、位相調整領域２に印加される電流によって半導体レーザ光源４の光学的距離Ｌを変化させて、縦モードの波長λを変化させることができる。このように位相調整領域２に印加される電流によって半導体レーザ光源４の発振波長を制御することができる。
【００３３】
しかし、この波長制御方法では、以下に述べる理由により、波長制御範囲が制限される。すなわち、図１に示す半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１にはグレーティングが形成されており、その周期によって規定される波長の光のみが反射される。具体的には、ＤＢＲ領域１の屈折率をｎdbr 、ＤＢＲ領域１のグレーティング周期をΛとしたとき、ＤＢＲ領域１で反射され得る光の波長の範囲は、２Λ／ｎdbr ±０．１ｎｍ程度であり、この範囲内の波長制御しか行うことができない。
【００３４】
本実施の形態においては、上記の波長制御範囲を拡大するために以下の方法が採られる。すなわち、ＤＢＲ領域１には電極が形成されており、この電極に印加される電流によって、ＤＢＲ領域１の実効的なグレーティング周期が変化すると共に、ＤＢＲ領域１での最適波長が変化する。位相調整領域２に印加される電流による縦モードの波長の変化に追従するように、ＤＢＲ領域１の最適波長を変化させることにより、連続的に発振波長を制御することが可能となる。実際には、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に、一定比率の電流を印加することになる。
【００３５】
次に、本発明の光源装置の出力を安定化する方法について、図１を参照しながら説明する。
【００３６】
図１中、７は波長制御手段であり、波長制御手段７は、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に印加する電流を制御することにより、半導体レーザ光源４の発振波長を或る波長に制御している。その際、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１及び位相調整領域２に一定比率の電流を印加することにより、半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変化させる。このときの高調波出力光の一部、例えば、５％程度をハーフミラーによって分波し、高調波光出力検出手段によってその時間変化をモニタする。そのときの青色光出力パワーの変動の様子を、図２Ｂに示す。
【００３７】
半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０付近に制御されている場合には、動作点Ｂを中心に波長が変化し、高調波出力光は半導体レーザ光源４の波長変動信号の２倍の周期で変調される。このとき、波長の微小な変動量に対して、波長を短波長側に変動させた場合と長波長側に変動させた場合の高調波光の出力が等しくなる。
【００３８】
これに対して、半導体レーザ光源４の発振波長が、周囲の温度の変化や半導体レーザ光源４の駆動電流の変化によって光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０からずれた場合には、例えば、動作点Ａを中心とした動作になる。図２Ｂにおいては、半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも短波長側にずれた場合（動作点Ａ）を示している。このときの高調波出力光は、波長変動と同じ周期の出力変動を示し、波長が長い場合に高調波出力がより大きく、波長が短い場合には高調波出力がより小さくなる。このように波長微小量変動手段８で生じる波長ウォブル信号の位相と、高調波光出力検出手段からの出力信号の位相とを位相比較手段によって比較し、図２Ｂのように同位相の場合には、波長がより長くなるように制御すればよい。図示していないが、半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも長波長側にずれた場合には、波長が長いときに高調波出力がより小さく、波長が短いときには高調波出力がより大きくなる。
【００３９】
以上のように、半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変化させたときの高調波出力パワーをモニタすることにより、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０からのずれを検出できるようになる。そして、この波長のずれを、半導体レーザ光源４の発振波長にフィードバックすることにより、半導体レーザ光源４の発振波長を、常に光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０となるように制御し、一定の基本波出力に対して、常に一定かつ最大の光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５での変換効率を保持し、高調波出力を安定化させることができる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態で説明した波長制御方法では、高調波出力パワーをモニタするために、微小ながら高調波出力パワーが変動する。本実施の形態においては、より高精度に高調波出力パワーを制御する方法について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態における光源装置を示す概略構成図である。
【００４１】
図３に示すように、本実施の形態においては、図１に示した構成に加え、高調波出力一定化制御手段９が用いられている。すなわち、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変動させる際に、高調波出力をモニタし、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流にフィードバックする。高調波出力が低下した場合には、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流を増加させ、基本波光の出力を増加させることによって高調波出力を一定に保持する。このフィードバックループの応答周波数を波長微小量変動手段８の変動周波数よりも十分高く設定することにより、波長変動させた場合であっても高調波出力の変動量を十分小さく抑えることができる。
【００４２】
この場合、半導体レーザ光源４の発振波長と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長とのずれは、波長微小量変動手段８の信号と注入電流量の時間変化との相関をモニタすることによって検知される。
【００４３】
図４Ｂに、注入電流量の時間変化と波長微小量変動との関係を示す。例えば半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも短波長側にずれた場合（図４Ａにおける動作点Ａ）の信号変化を説明する。波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長がより短くなった場合には、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５での変換効率が低下する。しかし、この場合には、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流が増加し、基本波光の出力が増加することによって高調波出力は一定に保持される。逆に、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長が長くなった場合には、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流が減少する。このように、波長変動信号に対して注入電流の変化が逆相になった場合には半導体レーザ光源４の発振波長を緩やかに長波長側に変化させ、逆に波長変動信号に対して注入電流の変化が同相になった場合には半導体レーザ光源４の発振波長を緩やかに短波長側に変化させることにより、半導体レーザ光源４の発振波長を光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長に制御して、高調波出力パワーを安定化することが可能である。
【００４４】
以上のように、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変動させて最適波長を探索する制御を行う際に、高調波出力一定化制御を組み合わせて、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流の増減を検知することにより、高調波出力の変動を抑制することができる。
【００４５】
また、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流の増減を検知する代わりに、基本波パワーの時間変化から波長ずれを検出することによっても同様の効果が得られる。この場合、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流量をモニタする場合と異なり、半導体レーザ光源４の発光効率の変化の影響を受けることがないため、より正確な波長制御が可能となる。この制御方法は、図５に示すように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５を構成する光学結晶基板（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１上に基本波パワー検出手段１０を配置し、半導体レーザ光源４からの出射光のうち、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に結合されなかった光を検出することによって実現することができる。
【００４６】
［第３の実施の形態］
上記第１及び第２の実施の形態においては、半導体レーザ光源の発振波長を制御する光源装置について説明したが、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの最適波長を制御することによっても高調波（第２高調波）出力パワーを安定化することができる。図６に、その概略構成を示す。
【００４７】
図６に示すように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５には、光学結晶基板（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１の光導波路１２が装荷された側の表面に薄膜ヒータ１３が装荷されている。薄膜ヒータ１３は、例えば、アルミニウム等を蒸着し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングすることによって形成される。図７に示すように、薄膜ヒータ１３は、光導波路１２に沿ったストライプ状に形成され、光導波路部分の局所的な温度上昇をもたらす。
【００４８】
また、図示していないが、薄膜ヒータ１３での光吸収による光導波路１２のパワーロスを抑制するために、光導波路１２と薄膜ヒータ１３との間には、例えば二酸化シリコンのような、光学結晶基板材料よりも屈折率の小さい誘電体膜からなるバッファ層が設けられている。
【００４９】
薄膜ヒータ１３に電流を印加すると、ジュール熱によって光導波路部分の温度が上昇し、屈折率変化が生じる。この場合、光導波路１２内を伝搬する基本波と高調波の感じる屈折率変化量が異なるため、基本波と高調波との間に伝搬定数差が生じて、最適な発振波長が変化するので、半導体レーザ光源４の発振波長と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長を一致させることができる。尚、薄膜ヒータ１３では加熱することしかできないため、光源の初期発光状態で一定量の電流を薄膜ヒータ１３に加えておき、その電流を増減させることにより、加熱、冷却の効果を得ることになる。
【００５０】
上記第１あるいは第２の実施の形態において示した方法のように、半導体レーザ光源４の発振波長を、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に注入する電流によって制御する場合には、それぞれの電流によって半導体レーザ光源４の温度が上昇し、半導体レーザ光源４の発光効率が低下したり寿命が短くなったりする可能性があった。これに対し、本実施の形態のように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の温度制御によって半導体レーザ光源４の発振波長を制御する方法によれば、半導体レーザ光源４の温度上昇を抑え、より高効率かつ長寿命のＳＨＧ光源を実現することができる。
【００５１】
尚、本実施の形態においては、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の表面に薄膜ヒータ１３を設けた構成を例に挙げて説明したが、例えば、薄膜ヒータをサブマウント６の表面の光導波路１２の直下部分に設けた場合であっても、同様の効果を得ることができる。また、薄膜ヒータをサブマウント６の半導体レーザ光源４の装荷部分に設け、半導体レーザ光源４の温度を変化させて半導体レーザ光源４の発振波長を変化させる構成であっても、同様に波長制御を行うことができる。この場合、半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１、位相調整領域２に注入する電流量によって発振波長を制御する場合と比較して、半導体レーザ光源４の温度上昇による寿命特性、発光効率特性の劣化が生じる可能性はあるが、半導体レーザ光源４の各領域での電流量（ひいては電流密度）は低減するため、寿命特性、発光効率特性の劣化の程度はより軽微になる。
【００５２】
［第４の実施の形態］
上記第１〜第３の実施の形態においては、半導体レーザ光源の発振波長の緩やかな時間変化に対する安定化制御について説明した。
【００５３】
本光源装置を光ディスク装置に用いる場合には、光ディスク装置で用いられる変調動作によって生じる特徴的な波長変動要因があることを本発明者らは見出した。図８は、光ディスク装置において、再生動作と記録動作の切替時、すなわち、平均的な光源出力パワーが低出力状態から高出力状態へ切り替わるときに生じる出力光変動波形を概念的に示した図である。
【００５４】
本発明者らは、記録／再生切替時の青色出力波形を観察し、図８に示すような出力波形を観測した。すなわち、記録時の高速な変調波形が実現された場合であっても、切替後に緩やかな出力低下が生じることを見出した。高出力状態への切り替え後の半導体レーザ光源の出力は一定に保たれており、高調波出力の低下は、半導体レーザ光源の発振波長の変化によるものと考えられる。
【００５５】
図９は出力パワー切替時の高調波出力パワー及び基本波光の波長の変動の様子を概念的に示した図である。図９中、実線、破線で示した曲線は、それぞれ高出力時、低出力時の高調波出力パワーの基本波波長依存性を示している。出力パワー切替時に半導体レーザ光源の発光パワーは急峻に立ち上がるが、切替後の半導体レーザ光源の発振波長は注入電流の変化が引き起こす熱的な振る舞いによって緩やかに変化し、高調波出力の緩やかな低下を引き起こす。以下に、この現象を詳細に説明する。
【００５６】
図１０は本発明の第４の実施の形態における半導体レーザ光源を示す概略断面図である。高速変調時に、活性層領域３への注入電流の変化によって活性層領域３の温度が変化し、半導体レーザ光源４の実効的な光学的距離Ｌが変化する。これに対して、活性層領域３に注入される電流（注入電流）と相補的な電流を位相調整領域２に印加することにより、半導体レーザ光源４全体での発熱量をほぼ一定に保つことができる。このとき、活性層領域３での光学的距離と位相調整領域２での光学的距離がほぼ対称変化し、半導体レーザ光源４の実効的な光学的距離Ｌが一定に保たれる。しかし、記録／再生切替後には、平均的な注入電流値が長時間にわたって変化する。活性層領域３や位相調整領域２に印加される電流はそれぞれの領域の温度を変化させるだけでなく、図１０中に矢印で示したように、半導体レーザ光源４の厚み方向や半導体レーザ光源４を固定しているサブマウント６の方向へ熱が伝搬して、周囲温度を変化させる。この場合、位相調整領域２と活性層領域３とは異なる位置に配置されているため、同一の電流による温度上昇の時間変化の様子が異なる。このため、それぞれの領域での光学的距離の変化が相補的条件から外れ、半導体レーザ光源４の発振波長の変動を引き起こし、ひいては青色光出力パワーが変動することとなる。
【００５７】
図１１に、上記の記録／再生切替時における相補的な駆動波形を示す。図１１Ａに示すように、活性層領域３に実線で示したような駆動電流を与えると同時に、位相調整領域２に破線で示したような矩形の電流を注入する。このとき、図１１Ｂに示すように、活性層領域３と位相調整領域２の屈折率変化はほぼ対称となり、相補的な変動を示す。上記したように、位相調整領域２、活性層領域３で生じる温度変動の時間波形が異なるため、半導体レーザ光源４が感じるトータルの屈折率変化には、一点鎖線で示されるように一定値からのずれが生じ、発振波長の変動を引き起こす。
【００５８】
そこで、本実施の形態においては、上記の課題を解決し、波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとから構成される青色光源であって、平均的な出力パワーが切り替えられた後にも安定な出力光パワーを得ることのできる光源装置を実現する。
【００５９】
本実施の形態の光源装置においては、上記発振波長の変動による高調波の出力変動を抑制するために、図１２に示すように、記録／再生切替後に位相調整領域２に漸近的に変化する電流を注入することにより、位相調整領域２と活性層領域３での熱的な振る舞いの違いを補償するようにされている。
【００６０】
波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを試作し、変調実験を行った。その結果、活性層領域３への注入電流を５０ｍＡから１５０ｍＡに、位相調整領域２への注入電流を１００ｍＡから４５ｍＡに切り替えて、ともに矩形波形の電流で駆動したところ、切替後の高調波出力に時定数０．１５ｍｓｅｃ、変動量−１２％の漸近的な出力変動が見られた。そこで、本実施の形態のように、ステップ状波形の電流に加え、切替後の位相調整領域２への注入電流に振幅−９ｍＡ、時定数０．１５ｍｓｅｃの漸近的な時間変化を与えた。その結果、高調波出力変動は観測限界以下に抑えられ、本発明の制御方法によって波長変動が抑えられ、安定な光源装置が実現されることが実証された。
【００６１】
尚、以上においては、切替後の波長変動の補償を位相調整領域２への注入電流のみによって行う例を示したが、上記第１の実施の形態で説明したように、半導体レーザ光源の波長を制御する方法としては、位相調整領域２への注入電流とＤＢＲ領域１への注入電流とを用いる方法があり、位相調整領域２及びＤＢＲ領域１に一定比率の漸近的な時間変動を示す電流を注入することによっても同様の効果を得ることができる。この場合、位相調整領域２のみに漸近的な時間変動を示す電流を注入する場合に比べ、記録／再生切替時により大きな電流振幅を起こす（ひいてはより大きな波長変動を示す）半導体レーザ光源に対しても効果的に波長の安定化を図ることができる。
【００６２】
［第５の実施の形態］
上記第４の実施の形態においては、単純に記録／再生の切替が１回行われ、かつ、それぞれの状態が長時間継続する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の光源装置が実際の光ディスク装置で用いられる場合には、記録／再生切替が短時間の間にランダムなタイミングで繰り返される可能性がある。この場合、位相調整領域あるいは位相調整領域とＤＢＲ領域に印加される電流値が漸近的に変化している最中に再度記録／再生の切替が行われることになる。そして、この場合には、単純な補償電流波形のみでなく活性層領域への注入電流波形を適切なフィルタ回路を通して得られる信号を用いて、位相調整領域への注入電流を変調する方法が効果的である。例えば図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するには、図１３に示すようなブロック図で表される回路が用いられる。すなわち、位相調整領域注入電流は、変調信号波形の極性を逆転し、かつ、定数αを乗じた信号と、変調信号波形を積分フィルタを通して得られた信号との和で近似することができる。積分フィルタと定数加算回路で表される回路特性は、位相調整領域２と活性層領域３との熱応答特性の差を表しており、任意の変調信号に対して、図１３に示すフィルタ回路を通すことにより、活性層領域３と位相調整領域２とに相補的な温度変化を生じさせることができる。
【００６３】
本実施の形態においては、位相調整領域２での熱応答の遅い成分が活性層領域３での熱応答の遅い成分よりも小さい場合、すなわち、記録／再生切替後に位相調整領域２に注入する電流量を漸次増加させることにより熱応答の差を補償できる場合を示した。しかし、半導体レーザ光源の構成が異なる場合、例えば、位相調整領域と活性層領域の位置関係を逆にして半導体レーザ光源を構成した場合には、上記の場合とは逆の補正が必要になる。すなわち、位相調整領域での熱応答の遅い成分が活性層領域での熱応答の遅い成分よりも大きい場合には、記録／再生切替後に位相調整領域に注入する電流量を漸次減少させる必要がある。この場合には、図１４に示すブロック図ように、積分フィルタの代わりに微分フィルタを用いることにより、同様の出力安定化が可能となる。
【００６４】
［第６の実施の形態］
以上説明したように、半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとからなる光源装置を変調して用いる場合には、ゆるやかな温度変化等を補償する波長制御方法と、変調時の半導体レーザ光源の発熱を補償する波長変動補償方法とによって出力安定化が図られる。しかし、上記２つの方法は、それぞれ別個の方式ではなく、両方法を同時に、かつ、適切に組み合わせて用いることによって、より効果的となる。
【００６５】
本実施の形態においては、特に波長可変レーザの発光部と波長可変部に係る制御ループ（速いループと遅いループ）の具体的態様について、図１５、図１６を参照しながら説明する。図１５は本発明の第６の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図、図１６は本発明の第６の実施の形態における光源装置の発光部に注入される電流の時間変化を示す図である。
【００６６】
図１５において、４００は波長可変レーザであり、この波長可変レーザ４００は、発光部４０１と波長可変部４０２とにより構成されている。４１０は光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスである。光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０から出射される第２高調波は、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２によってその一部が電気信号に変換され、ヘッドアンプ４２３を介して、差演算手段４２４、積分手段４２５、電流変換アンプ４２６及び上記発光部４０１により構成されるフィードバックループ（速いループ）に供給される。すなわち、第２高調波と一定の関係にあるヘッドアンプ４２３の出力信号が目標値と一致するように、発光部４０１に注入される電流ＩＬが制御される。このループの応答周波数は、下記の遅いループとの関係上、１００ｋＨｚ程度としておくのが望ましい。
【００６７】
遅いループは、図１５において、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、バンドパスフィルタ４２７、乗算手段４２８、信号源４２９、積分手段４３０、加演算手段４３１、電流変換アンプ４３２及び上記波長可変部４０２により構成される。まず、信号源４２９より、電流変換アンプ４３２を介して、所定周波数（１ｋＨｚ程度）の重畳信号Ｓｄが電流変換されて波長可変部４０２に注入される。このとき、その信号に応じて、波長可変レーザ４００の発振波長が変化する。発振波長が変化すれば、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０に固有の最大効率変換波長との関係に応じて、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率が変化する。もし、上記した『速いフィードバックループ』が動作していなければ、この変換効率の変化はそのまま第２高調波の出力変化として現れる。しかし、この変化の周波数（１ｋＨｚ程度）に比べて、上記速いフィードバックループの応答周波数は１００ｋＨｚと十分高く、変換効率の低下による第２高調波の出力低下は、即、発光部４０１に注入される電流ＩＬの増加としてフィードバックされるため、第２高調波の出力変化は殆ど観測されない（本実施の形態の場合、約１／１００に抑圧される）。しかし、発光部４０１に注入されるフィードバック電流ＩＬに係るフィードバック信号ＳＬは、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率に応じて、図１６Ａ、Ｂ、Ｃのように変化する。すなわち、波長可変部４０２に重畳された外乱電流に応じて発生する変換効率の変化を相殺すべく、フィードバック信号ＳＬ（フィードバック電流ＩＬ）が生成される。
【００６８】
ここで、波長可変部４０２に注入される電流の中心値をＳ０とすると、この中心値Ｓ０と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０に固有の最大効率変換波長（ＳＨＧ中心波長）との関係に応じて、上記フィードバック信号ＳＬは、これに重畳される信号Ｓｄと同相（図１６Ｃ）あるいは逆相（図１６Ａ）に変化する。Ｓ０がＳＨＧ中心周波数に一致している場合には、図１６Ｂのように、Ｓｄの基本周波数成分（１ｋＨｚ）は消失し、倍の周波数成分のみが残る。従って、この揺動信号Ｓｄと（バンドパスフィルタ４２７を通過した後の）フィードバック信号ＳＬとを積算し、その時間積分をフィードバック値Ｓ０として波長可変部４０２に供給するようなループを構成すれば、常に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の最大変換効率付近の波長で波長可変レーザ４００を動作させることができる。
【００６９】
参考のために、上記遅いループの動作を、数式を用いて説明する。まず、信号源４２９によって生成された正弦波信号Ｓｄを下記（数３）によって表記し、波長可変部４０２に供給される電流Ｉｓを下記（数４）で正規化する。
［数３］
Ｓｄ＝ａsin（ωｔ）
（ａ：定数）
［数４］
Ｓ＝Ｓｄ＋Ｓ０
ここで、波長可変電流Ｓ（Ｉｓ）に対する（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率に係わる）フィードバック信号ＳＬが下記（数５）で近似されるとすると、下記（数５）に上記（数４）を代入することにより、下記（数６）の関係が得られる。
［数５］
ＳＬ＝−ｂ(Ｓ−Ｓｘ)2 ＋ｃ
（ｂ、ｃ：定数）
［数６］
上記（数６）において、Ｓｘは未知数であり、以降の探査によって得られる解である。
【００７０】
上記フィードバック信号ＳＬは、乗算手段４２８によって源信号Ｓｄと積（プロダクト）演算される。すなわち、下記（数７）の演算が実行される。
［数７］
この積出力信号を積分手段４３０で積分すると、sinθ、sin３θは奇関数であるから積分値は０となる。従って、第２項のみを計算すると、下記（数８）のようになって、注入電流の中心値Ｓ０に対して線形に比例する信号が得られる。
［数８］
従って、この乗算信号＝０となるようなフィードバックループを形成すれば、必然的にＳ０＝Ｓｘとなり、波長可変部４０２には常に最適電流が供給されることとなる。
【００７１】
尚、上記遅いフィードバックループの動作周波数は、信号源４２９より供給される外乱信号の周波数を１ｋＨｚとすれば、その１／１０程度、すなわち１００Ｈｚ程度であるのが望ましい。
【００７２】
［第７の実施の形態］
図１７は本発明の第７の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図である。図１７において、４００は波長可変レーザであり、この波長可変レーザ４００は、発光部４０１と波長可変部４０２と位相可変部４０３とにより構成されている。尚、波長可変レーザ４００の発光部４０１、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、電流変換アンプ４２６は、第２高調波出力の変動分を、発光部４０１に注入される電流を制御して補正する、いわゆる速いフィードバックループを構成している。また、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、バンドパスフィルタ４２７、乗算手段４２８、信号源４２９、積分手段４３０、加演算手段４３１、電流変換アンプ４３２、４３５、係数器４３３及び上記波長可変部４０２は、常時光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の最大点を探査する、いわゆる遅いループを構成している。以上の速いループと遅いループは、上記第６の実施の形態における速いループ、遅いループと同等の機能を有する。本実施の形態の特徴は、上記第６の実施の形態に加えて、信号記録時に所望の出力及び変調波形の第２高調波を出力する構成要素を備えたことにある。以下、これについて説明する。
【００７３】
まず、再生モードから記録モードへ切り替えた後（Ｒ／Ｗ→Ｈ）、記録信号ストリームに応じて、記録波形生成手段４４０は記録信号ＳＧを生成する。図１８に示される記録信号ＳＧは、記録媒体が相変化媒体である場合を想定している。すなわち、情報“１”を記録する場合には、上記相変化媒体上にアモルファスマークを成形すべく最大パワーのパルス列を出力し、情報“０”を記録する場合（情報を消去する場合）には、上記相変化媒体を局部的に結晶化させるべく中間パワーの一定値を出力する。この記録信号ＳＧは、変調器４５０を介して、発光部４０１に注入される電流ＩＬに重畳され、変調光として（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０によって変換された後に）記録媒体に照射される。このときの速いループの目標値は、所望の変調光の平均パワーに係る値としておいてもよいが、図１７に示すように、記録波形生成手段４４０によって生成される変調信号（記録信号）ＳＧそのものを目標値（いわば期待値）としてもよい。
【００７４】
変調信号（記録信号）ＳＧは、さらに、反転手段４４１、等化手段４４２を経て波長可変レーザ４００の位相可変部４０３に供給される。以下、これについて説明する。上記第６の実施の形態においては、波長可変レーザ４００の波長可変部４０２に注入される電流量のみで発振波長が変化する旨を述べたが、実際の波長可変レーザ４００においては、波長変化時のモードホップを避けるために、位相整合をとるための位相可変部４０３が設けられている。すなわち、波長可変部４０２に電流Ｉｓを注入させると同時に、この定数（ｋ）倍の電流Ｉｐを位相可変部４０３に注入する。位相可変部４０３といってもその実はいわゆるヒータであって、注入電流による発熱によってレーザ導波路の屈折率を変化させるものである。
【００７５】
ここで、再生動作から記録動作に移行する場合、レーザパワーを高くするために、当然、発光部４０１へ注入される電流は増えるが、そのときの発熱によって発光部４０１の温度が上昇する。発光部４０１も導波路構造となっているため、発熱による屈折率変化が位相及び波長のずれを引き起こす。その結果、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の低下やモードホッピングが発生する。これを防止するために、本実施の形態においては、発光部４０１へ注入されるのとほぼ逆相の電流を加算手段４３４を介して位相可変部４０３へ供給している。すなわち、まず、反転手段４４１によって反転波形Ｓｉ（図１７）を生成し、等化手段４４２で得られた補償値Ｓｅを電流変換する。その結果、発光部４０１に注入される電流が増加する一方、位相可変部（ヒータ）４０３に注入される電流が減少し、全体として、発熱量は、記録時・再生時にかかわらず、一定に保たれる。
【００７６】
但し、反転波形Ｓｉそのままを位相可変部４０３に供給し続けたのでは、却って過補正になることが本発明者らの実験によって明らかになっている。レーザ内部の熱の伝搬・蓄積が関係していると考えられる。そこで、本発明者らは、等化手段４４２によって反転波形Ｓｉを、図１８に示すような波形（Ｓｅ）、つまりパワー変化直後には補正量を最大にし、その後徐々に１００μｓで１０％程度補正量を減らすような波形に変換することを検討した。これにより、効果的に熱補正を行うことができることが分かった。等化手段４４２は、具体的には、例えば図１９に示すようなバンドパスフィルタを用いて実現することができる。
【００７７】
尚、上記反転手段４４１、等化手段４４２などによって構成される熱補正手段は、いわばオープンループであり、補正精度には限界がある。すなわち、若干の熱補正残差が存在する。このため、若干の波長ずれが発生するが、これについては速いフィードバックループが１００ｋＨｚ、つまり１０μｓ程度のレスポンスで追従するために、第２高調波の出力そのものは影響を受けない。ただ、波長のずれによる光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の低下を、源発振の発光パワーで補おうとするため、速いフィードバック制御の結果、発光部４０１に注入される電流ＩＬは一時的に多少増えるが、やがて遅いループによる最大効率探査が実行されることとなる。
【００７８】
以上のように、本実施の形態によれば、熱等化補償手段、速いループ、遅いループと順次適用することにより、再生から記録へのパワー切り替え時の波長ずれによって生じる第２高調波の変動を、効果的に吸収することができる。
【００７９】
尚、上記第６及び第７の実施の形態においては、それぞれのフィードバックループが動作を開始した（いわゆる引き込んだ）後の動作について説明したが、引き込み以前に両フィードバックループを同時に動作させると、以下のような問題が生じる。一般に、フィードバックループの動作点に安定に引き込むためには、引き込む直前の目標値と変数が所定の範囲内（キャプチャーレンジ）にあることが必要とされる。上記したように、一般に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの波長依存性は顕著であり、レーザ発振波長とＳＨＧ中心波長の誤差が大きく、例えば１ｎｍ程度ずれているような場合、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの変換効率はほとんどゼロである。従って、第２高調波は生成されず、受光素子によって検出される光量もゼロである。このとき、速いフィードバックループが動作したとすると、受光光量を所定の目標値にすべく、波長可変レーザの発光部に注入される電流を際限なく増加し続けることになる。そして、このような状態を放置しておくと、レーザは当然に破損してしまう。
【００８０】
そこで、引き込み以前には、速いフィードバックループの機能を停止させておくか、あるいは応答速度を極端に低下させておく必要がある。例えば、引き込み以前には、波長可変レーザの発光部に一定の電流を流しておき、レーザ波長が遅いフィードバックループによって最大効率波長近傍に到達したのを見計らって、速いフィードバックループを動作させる（閉じる）ようなシーケンスを組んでおけばよい。また、このときの遅いフィードバックループにおける外乱信号の振幅は、キャプチャーレンジを拡大するために、通常の状態よりも大きくしておくのが望ましい。例えば、通常の状態における外乱信号の振幅を、波長換算で０．１ｎｍとした場合、引き込み時には１ｎｍ程度の振幅としておくのが望ましい。デフォルト状態における波長可変レーザの発振波長とＳＨＧ中心波長の誤差はほぼ１ｎｍ程度に収まるからである。
【００８１】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明によれば、周囲温度の変化や出力パワーの変動が生じた場合であっても、安定な高調波出力を実現することができるので、光ディスクの高密度化、及びディスプレイの高繊細化を実現するための小型の短波長光源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図２】 図２Ａは本発明の第１の実施の形態における基本波光の波長に対して出射される高調波光の出力パワーを示す図、図２Ｂは同実施の形態における青色光出力パワーの変動の様子を示す図
【図３】 本発明の第２の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図４】 図４Ａは本発明の第２の実施の形態における基本波光の波長に対して出射される高調波光の出力パワーを示す図、図４Ｂは同実施の形態における注入電流量の時間変化と波長微小量変動との関係を示す図
【図５】 本発明の第２の実施の形態における光源装置の他の例を示す概略構成図
【図６】 本発明の第３の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図７】 本発明の第３の実施の形態における薄膜ヒータの取付け状態を示す斜視図
【図８】 本発明の第４の実施の形態における光ディスク装置において、再生動作と記録動作の切替時、すなわち、平均的な光源出力パワーが低出力状態から高出力状態へ切り替わるときに生じる出力光変動波形を概念的に示した図
【図９】 本発明の第４の実施の形態における出力パワー切替時の高調波出力パワー及び基本波光の波長の変動の様子を概念的に示した図
【図１０】 本発明の第４の実施の形態における半導体レーザ光源を示す概略断面図
【図１１】 本発明の第４の実施の形態の記録／再生切替時における相補的な駆動波形を示す図であり、図１１Ａは活性層領域と位相調整領域に注入する電流の時間変化を示す図、図１１Ｂはそのときの活性層領域と位相調整領域の屈折率の時間変化を示す図
【図１２】 本発明の第４の実施の形態の発振波長の変動による高調波の出力変動を抑制するための記録／再生切替時における駆動波形を示す図であり、図１２Ａは活性層領域と位相調整領域に注入する電流の時間変化を示す図、図１２Ｂはそのときの活性層領域と位相調整領域の屈折率の時間変化を示す図
【図１３】 本発明の第５の実施の形態における図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するための回路構成を示すブロック図
【図１４】 本発明の第５の実施の形態における図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するための他の回路構成を示すブロック図
【図１５】 本発明の第６の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図
【図１６】 図１６Ａ〜Ｃは本発明の第６の実施の形態における光源装置の発光部に注入される電流の時間変化を示す図
【図１７】 本発明の第７の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図
【図１８】 本発明の第７の実施の形態で用いられる信号波形を示す図
【図１９】 本発明の第７の実施の形態における等化手段として用いられるバンドパスフィルタを示す概念図
【図２０】 従来技術における光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを用いたＳＨＧ青色光源の概略構成図
（技術分野）
本発明は、光源装置及びその変調方法に関する。さらに詳細には、本発明は、半導体レーザ装置と第２高調波発生デバイスとにより構成される短波長光源及びその変調方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
光ディスクの高密度化、及びディスプレイの高繊細化を実現するためには、小型の短波長光源が必要とされる。小型の短波長光源として、半導体レーザと擬似位相整合（以下『ＱＰＭ』と記す）方式の光導波路型第２高調波発生（以下『ＳＨＧ』と記す）デバイス（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス）を用いたコヒーレント光源が注目されている（山本他、Optics Letters Vol.16, No.15, 1156 (1991)参照）。
【０００３】
図２０に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを用いたＳＨＧ青色光源の概略構成図を示す。図２０に示すように、半導体レーザとして、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域を有する波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４が用いられている。波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４は、０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザであり、活性層領域５６と位相調整領域５７とＤＢＲ領域５８とにより構成されている。そして、位相調整領域５７とＤＢＲ領域５８への注入電流を或る一定の比率で制御することにより、連続的に発振波長を変化させることができる。
【０００４】
第２高調波発生デバイスである光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５５は、Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板５９上に形成された、光導波路６０と周期的な分極反転領域６１とにより構成されている。光導波路６０は、ピロリン酸中でプロトン交換することによって形成される。また、周期的な分極反転領域６１は、櫛形の電極をＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板５９上に形成し、電界を印加することによって作製される。
【０００５】
図２０に示すＳＨＧ青色光源においては、１００ｍＷのレーザ出力に対して７５ｍＷのレーザ光が光導波路６０に結合する。そして、波長可変ＤＢＲ半導体レーザ５４の位相調整領域５７及びＤＢＲ領域５８への注入電流量を制御することにより、発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５５の位相整合波長許容幅内に固定される。このＳＨＧ青色光源を用いることにより、波長４２５ｎｍの青色光が２５ｍＷ程度得られているが、得られた青色光は、横モードがＴＥ00モードで回折限界の集光特性を有し、ノイズ特性も相対雑音強度が−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下と小さく、光ディスクの再生に適した特性を有する。
【０００６】
第２高調波発生デバイスである光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは、基本波光の波長に対する青色光出力特性を評価すると、その青色光出力が半分になる波長幅（位相整合に対する波長許容幅）が０．１ｎｍ程度と小さいことが分かる。これは、青色光出力を安定に得るためには大きな問題となる。この問題を解決するために、従来においては、基本波光として波長可変ＤＢＲ半導体レーザが用いられ、基本波光の波長（発振波長）を光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの位相整合波長許容幅内に固定し、安定な青色光出力を実現している。
【０００７】
一般に、半導体レーザ光源の発振波長は周囲温度によって変化し、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの最適波長も周囲温度によって変化する。このため、従来においては、半導体レーザ光源及び光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを、ペルチエ素子等を利用してその温度を一定に保つことにより、青色光の出力安定化を図っていた。
【０００８】
しかし、光ディスクやレーザプリンタ等の光情報処理機器への搭載を考えた場合、稼働状態において、平均的な出力パワーは時々刻々と変化する。このとき、半導体レーザ光源の発生する熱量が変化し、ペルチエ素子等を利用して周囲温度を一定に保っている場合であっても、半導体レーザ光源自体の温度が変化し、ひいては発振波長が変化するために、安定な青色光出力が得られないという問題がある。
【０００９】
また、装置の小型化のためにペルチエ素子等の温度制御装置を用いない場合には、周囲温度の変動はより大きくなり、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの出力変動を引き起こすことになる。
【００１０】
（発明の開示）
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ光源と第２高調波発生デバイスとからなる光源装置であって、周囲温度の変化や出力パワーの変動が生じた場合であっても、安定な高調波出力を実現することのできる光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる光源装置を実現することのできる変調方法を提供することを目的とする。
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明に係る光源装置の第１の構成は、少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる手段とを備えたものである。
【００２０】
また、本発明に係る光源装置の第２の構成は、少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる手段とを備えたものである。
【００２１】
また、前記本発明の光源装置の第１又は第２の構成においては、前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動することが好ましい。
また、本発明に係る第１の変調方法は、少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する第１ステップと、前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする。
また、本発明に係る第２の変調方法は、少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する第１ステップと、前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする。
また、前記本発明の第１又は第２の変調方法においては、前記第２ステップにおいて、前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動することが好ましい。
【００２５】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における光源装置を示す概略構成図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態の光源装置においては、基本波として用いられる半導体レーザ光源として、分布ブラッグ反射器（以下『ＤＢＲ』と記す）領域１と、注入電流によってレーザ内の光の位相を調整する位相調整領域２と、注入電流によってその出力パワーを制御する活性層領域３とを有する０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源４が用いられている。
【００２８】
また、第２高調波発生デバイスとしては、擬似位相整合（以下『ＱＰＭ』と記す）方式の光導波路型第２高調波発生（以下『ＳＨＧ』と記す）デバイス（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス）５が用いられている。すなわち、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を用いた光学結晶基板（０．５ｍｍ厚のＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１の上面に形成された、光導波路１２と、基本波と高調波の伝搬定数差を補償するための、光導波路１２と直交する周期的な分極反転領域とにより構成されている。光導波路１２は、ピロリン酸中でプロトン交換することによって形成される。また、周期的な分極反転領域は、櫛形の電極をＸ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板１１上に形成し、電界を印加することによって作製される。光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、大きな非線形光学定数を利用することができ、また、光導波路型であり、長い相互作用長とすることが可能であるため、高い変換効率を実現することができる。
【００２９】
半導体レーザ光源４と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５は、Ｓｉサブマウント６上で一体化され、ペルチエ素子によって温度コントロールされている。基本波光である半導体レーザ光は、レンズを用いることなく、直接結合によって光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の光導波路に結合する。すなわち、半導体レーザ光源４から出射された基本波光は、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に入射され、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に入射した基本波光は、光導波路１２の内部に閉じ込められて伝搬する。光導波路１２内を伝搬する基本波光は、光学結晶（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 ）が有する非線形性によって第２高調波に変換され、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の出射端面から基本波光の２分の１の波長を有する高調波光が出射される。
【００３０】
上記の構造を有する光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス（以下『ＳＨＧ光源』ともいう）５は、光学結晶（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 ）が有する波長分散特性により、入射される基本波光の波長に対して、図２Ａに示すような波長特性を有する。図２Ａは、入射した基本波光の波長に対して、出射される高調波光の出力パワーを示す。高調波光は、基本波光の最適波長λ０をピークとして、基本波光の波長λに対して、下記（数１）に示すようなＳＩＮＣ関数によって表される出力特性を示す。
［数１］
【００３１】
以下、図１に示す半導体レーザ光源４の発振波長を制御する方法について説明する。
【００３２】
半導体レーザ光源においては、一般に、前後の反射面の光学的距離Ｌに対して下記（数２）を満たす波長λの光のみが励振される。
［数２］
２Ｌ＝ｎλ（ｎ：整数）
上記（数２）を満たす波長λの列は『縦モード』と呼ばれ、この場合の発振波長は離散的な値をとる。図１に示す半導体レーザ光源４においては、ＤＢＲ領域１と半導体レーザ光源４の出射端面との間に位相調整領域２が設けられており、位相調整領域２に印加される電流によって半導体レーザ光源４の光学的距離Ｌを変化させて、縦モードの波長λを変化させることができる。このように位相調整領域２に印加される電流によって半導体レーザ光源４の発振波長を制御することができる。
【００３３】
しかし、この波長制御方法では、以下に述べる理由により、波長制御範囲が制限される。すなわち、図１に示す半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１にはグレーティングが形成されており、その周期によって規定される波長の光のみが反射される。具体的には、ＤＢＲ領域１の屈折率をｎdbr 、ＤＢＲ領域１のグレーティング周期をΛとしたとき、ＤＢＲ領域１で反射され得る光の波長の範囲は、２Λ／ｎdbr ±０．１ｎｍ程度であり、この範囲内の波長制御しか行うことができない。
【００３４】
本実施の形態においては、上記の波長制御範囲を拡大するために以下の方法が採られる。すなわち、ＤＢＲ領域１には電極が形成されており、この電極に印加される電流によって、ＤＢＲ領域１の実効的なグレーティング周期が変化すると共に、ＤＢＲ領域１での最適波長が変化する。位相調整領域２に印加される電流による縦モードの波長の変化に追従するように、ＤＢＲ領域１の最適波長を変化させることにより、連続的に発振波長を制御することが可能となる。実際には、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に、一定比率の電流を印加することになる。
【００３５】
次に、本発明の光源装置の出力を安定化する方法について、図１を参照しながら説明する。
【００３６】
図１中、７は波長制御手段であり、波長制御手段７は、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に印加する電流を制御することにより、半導体レーザ光源４の発振波長を或る波長に制御している。その際、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１及び位相調整領域２に一定比率の電流を印加することにより、半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変化させる。このときの高調波出力光の一部、例えば、５％程度をハーフミラーによって分波し、高調波光出力検出手段によってその時間変化をモニタする。そのときの青色光出力パワーの変動の様子を、図２Ｂに示す。
【００３７】
半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０付近に制御されている場合には、動作点Ｂを中心に波長が変化し、高調波出力光は半導体レーザ光源４の波長変動信号の２倍の周期で変調される。このとき、波長の微小な変動量に対して、波長を短波長側に変動させた場合と長波長側に変動させた場合の高調波光の出力が等しくなる。
【００３８】
これに対して、半導体レーザ光源４の発振波長が、周囲の温度の変化や半導体レーザ光源４の駆動電流の変化によって光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０からずれた場合には、例えば、動作点Ａを中心とした動作になる。図２Ｂにおいては、半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも短波長側にずれた場合（動作点Ａ）を示している。このときの高調波出力光は、波長変動と同じ周期の出力変動を示し、波長が長い場合に高調波出力がより大きく、波長が短い場合には高調波出力がより小さくなる。このように波長微小量変動手段８で生じる波長ウォブル信号の位相と、高調波光出力検出手段からの出力信号の位相とを位相比較手段によって比較し、図２Ｂのように同位相の場合には、波長がより長くなるように制御すればよい。図示していないが、半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも長波長側にずれた場合には、波長が長いときに高調波出力がより小さく、波長が短いときには高調波出力がより大きくなる。
【００３９】
以上のように、半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変化させたときの高調波出力パワーをモニタすることにより、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０からのずれを検出できるようになる。そして、この波長のずれを、半導体レーザ光源４の発振波長にフィードバックすることにより、半導体レーザ光源４の発振波長を、常に光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０となるように制御し、一定の基本波出力に対して、常に一定かつ最大の光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５での変換効率を保持し、高調波出力を安定化させることができる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態で説明した波長制御方法では、高調波出力パワーをモニタするために、微小ながら高調波出力パワーが変動する。本実施の形態においては、より高精度に高調波出力パワーを制御する方法について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態における光源装置を示す概略構成図である。
【００４１】
図３に示すように、本実施の形態においては、図１に示した構成に加え、高調波出力一定化制御手段９が用いられている。すなわち、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変動させる際に、高調波出力をモニタし、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流にフィードバックする。高調波出力が低下した場合には、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流を増加させ、基本波光の出力を増加させることによって高調波出力を一定に保持する。このフィードバックループの応答周波数を波長微小量変動手段８の変動周波数よりも十分高く設定することにより、波長変動させた場合であっても高調波出力の変動量を十分小さく抑えることができる。
【００４２】
この場合、半導体レーザ光源４の発振波長と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長とのずれは、波長微小量変動手段８の信号と注入電流量の時間変化との相関をモニタすることによって検知される。
【００４３】
図４Ｂに、注入電流量の時間変化と波長微小量変動との関係を示す。例えば半導体レーザ光源４の発振波長が光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長λ０よりも短波長側にずれた場合（図４Ａにおける動作点Ａ）の信号変化を説明する。波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長がより短くなった場合には、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５での変換効率が低下する。しかし、この場合には、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流が増加し、基本波光の出力が増加することによって高調波出力は一定に保持される。逆に、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長が長くなった場合には、高調波出力一定化制御手段９によって半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流が減少する。このように、波長変動信号に対して注入電流の変化が逆相になった場合には半導体レーザ光源４の発振波長を緩やかに長波長側に変化させ、逆に波長変動信号に対して注入電流の変化が同相になった場合には半導体レーザ光源４の発振波長を緩やかに短波長側に変化させることにより、半導体レーザ光源４の発振波長を光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長に制御して、高調波出力パワーを安定化することが可能である。
【００４４】
以上のように、波長微小量変動手段８によって半導体レーザ光源４の発振波長を微小に変動させて最適波長を探索する制御を行う際に、高調波出力一定化制御を組み合わせて、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流の増減を検知することにより、高調波出力の変動を抑制することができる。
【００４５】
また、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流の増減を検知する代わりに、基本波パワーの時間変化から波長ずれを検出することによっても同様の効果が得られる。この場合、半導体レーザ光源４の活性層領域３への注入電流量をモニタする場合と異なり、半導体レーザ光源４の発光効率の変化の影響を受けることがないため、より正確な波長制御が可能となる。この制御方法は、図５に示すように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５を構成する光学結晶基板（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１上に基本波パワー検出手段１０を配置し、半導体レーザ光源４からの出射光のうち、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５に結合されなかった光を検出することによって実現することができる。
【００４６】
［第３の実施の形態］
上記第１及び第２の実施の形態においては、半導体レーザ光源の発振波長を制御する光源装置について説明したが、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの最適波長を制御することによっても高調波（第２高調波）出力パワーを安定化することができる。図６に、その概略構成を示す。
【００４７】
図６に示すように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５には、光学結晶基板（Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3 基板）１１の光導波路１２が装荷された側の表面に薄膜ヒータ１３が装荷されている。薄膜ヒータ１３は、例えば、アルミニウム等を蒸着し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングすることによって形成される。図７に示すように、薄膜ヒータ１３は、光導波路１２に沿ったストライプ状に形成され、光導波路部分の局所的な温度上昇をもたらす。
【００４８】
また、図示していないが、薄膜ヒータ１３での光吸収による光導波路１２のパワーロスを抑制するために、光導波路１２と薄膜ヒータ１３との間には、例えば二酸化シリコンのような、光学結晶基板材料よりも屈折率の小さい誘電体膜からなるバッファ層が設けられている。
【００４９】
薄膜ヒータ１３に電流を印加すると、ジュール熱によって光導波路部分の温度が上昇し、屈折率変化が生じる。この場合、光導波路１２内を伝搬する基本波と高調波の感じる屈折率変化量が異なるため、基本波と高調波との間に伝搬定数差が生じて、最適な発振波長が変化するので、半導体レーザ光源４の発振波長と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の最適波長を一致させることができる。尚、薄膜ヒータ１３では加熱することしかできないため、光源の初期発光状態で一定量の電流を薄膜ヒータ１３に加えておき、その電流を増減させることにより、加熱、冷却の効果を得ることになる。
【００５０】
上記第１あるいは第２の実施の形態において示した方法のように、半導体レーザ光源４の発振波長を、ＤＢＲ領域１と位相調整領域２に注入する電流によって制御する場合には、それぞれの電流によって半導体レーザ光源４の温度が上昇し、半導体レーザ光源４の発光効率が低下したり寿命が短くなったりする可能性があった。これに対し、本実施の形態のように、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の温度制御によって半導体レーザ光源４の発振波長を制御する方法によれば、半導体レーザ光源４の温度上昇を抑え、より高効率かつ長寿命のＳＨＧ光源を実現することができる。
【００５１】
尚、本実施の形態においては、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス５の表面に薄膜ヒータ１３を設けた構成を例に挙げて説明したが、例えば、薄膜ヒータをサブマウント６の表面の光導波路１２の直下部分に設けた場合であっても、同様の効果を得ることができる。また、薄膜ヒータをサブマウント６の半導体レーザ光源４の装荷部分に設け、半導体レーザ光源４の温度を変化させて半導体レーザ光源４の発振波長を変化させる構成であっても、同様に波長制御を行うことができる。この場合、半導体レーザ光源４のＤＢＲ領域１、位相調整領域２に注入する電流量によって発振波長を制御する場合と比較して、半導体レーザ光源４の温度上昇による寿命特性、発光効率特性の劣化が生じる可能性はあるが、半導体レーザ光源４の各領域での電流量（ひいては電流密度）は低減するため、寿命特性、発光効率特性の劣化の程度はより軽微になる。
【００５２】
［第４の実施の形態］
上記第１〜第３の実施の形態においては、半導体レーザ光源の発振波長の緩やかな時間変化に対する安定化制御について説明した。
【００５３】
本光源装置を光ディスク装置に用いる場合には、光ディスク装置で用いられる変調動作によって生じる特徴的な波長変動要因があることを本発明者らは見出した。図８は、光ディスク装置において、再生動作と記録動作の切替時、すなわち、平均的な光源出力パワーが低出力状態から高出力状態へ切り替わるときに生じる出力光変動波形を概念的に示した図である。
【００５４】
本発明者らは、記録／再生切替時の青色出力波形を観察し、図８に示すような出力波形を観測した。すなわち、記録時の高速な変調波形が実現された場合であっても、切替後に緩やかな出力低下が生じることを見出した。高出力状態への切り替え後の半導体レーザ光源の出力は一定に保たれており、高調波出力の低下は、半導体レーザ光源の発振波長の変化によるものと考えられる。
【００５５】
図９は出力パワー切替時の高調波出力パワー及び基本波光の波長の変動の様子を概念的に示した図である。図９中、実線、破線で示した曲線は、それぞれ高出力時、低出力時の高調波出力パワーの基本波波長依存性を示している。出力パワー切替時に半導体レーザ光源の発光パワーは急峻に立ち上がるが、切替後の半導体レーザ光源の発振波長は注入電流の変化が引き起こす熱的な振る舞いによって緩やかに変化し、高調波出力の緩やかな低下を引き起こす。以下に、この現象を詳細に説明する。
【００５６】
図１０は本発明の第４の実施の形態における半導体レーザ光源を示す概略断面図である。高速変調時に、活性層領域３への注入電流の変化によって活性層領域３の温度が変化し、半導体レーザ光源４の実効的な光学的距離Ｌが変化する。これに対して、活性層領域３に注入される電流（注入電流）と相補的な電流を位相調整領域２に印加することにより、半導体レーザ光源４全体での発熱量をほぼ一定に保つことができる。このとき、活性層領域３での光学的距離と位相調整領域２での光学的距離がほぼ対称変化し、半導体レーザ光源４の実効的な光学的距離Ｌが一定に保たれる。しかし、記録／再生切替後には、平均的な注入電流値が長時間にわたって変化する。活性層領域３や位相調整領域２に印加される電流はそれぞれの領域の温度を変化させるだけでなく、図１０中に矢印で示したように、半導体レーザ光源４の厚み方向や半導体レーザ光源４を固定しているサブマウント６の方向へ熱が伝搬して、周囲温度を変化させる。この場合、位相調整領域２と活性層領域３とは異なる位置に配置されているため、同一の電流による温度上昇の時間変化の様子が異なる。このため、それぞれの領域での光学的距離の変化が相補的条件から外れ、半導体レーザ光源４の発振波長の変動を引き起こし、ひいては青色光出力パワーが変動することとなる。
【００５７】
図１１に、上記の記録／再生切替時における相補的な駆動波形を示す。図１１Ａに示すように、活性層領域３に実線で示したような駆動電流を与えると同時に、位相調整領域２に破線で示したような矩形の電流を注入する。このとき、図１１Ｂに示すように、活性層領域３と位相調整領域２の屈折率変化はほぼ対称となり、相補的な変動を示す。上記したように、位相調整領域２、活性層領域３で生じる温度変動の時間波形が異なるため、半導体レーザ光源４が感じるトータルの屈折率変化には、一点鎖線で示されるように一定値からのずれが生じ、発振波長の変動を引き起こす。
【００５８】
そこで、本実施の形態においては、上記の課題を解決し、波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとから構成される青色光源であって、平均的な出力パワーが切り替えられた後にも安定な出力光パワーを得ることのできる光源装置を実現する。
【００５９】
本実施の形態の光源装置においては、上記発振波長の変動による高調波の出力変動を抑制するために、図１２に示すように、記録／再生切替後に位相調整領域２に漸近的に変化する電流を注入することにより、位相調整領域２と活性層領域３での熱的な振る舞いの違いを補償するようにされている。
【００６０】
波長可変ＤＢＲ半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを試作し、変調実験を行った。その結果、活性層領域３への注入電流を５０ｍＡから１５０ｍＡに、位相調整領域２への注入電流を１００ｍＡから４５ｍＡに切り替えて、ともに矩形波形の電流で駆動したところ、切替後の高調波出力に時定数０．１５ｍｓｅｃ、変動量−１２％の漸近的な出力変動が見られた。そこで、本実施の形態のように、ステップ状波形の電流に加え、切替後の位相調整領域２への注入電流に振幅−９ｍＡ、時定数０．１５ｍｓｅｃの漸近的な時間変化を与えた。その結果、高調波出力変動は観測限界以下に抑えられ、本発明の制御方法によって波長変動が抑えられ、安定な光源装置が実現されることが実証された。
【００６１】
尚、以上においては、切替後の波長変動の補償を位相調整領域２への注入電流のみによって行う例を示したが、上記第１の実施の形態で説明したように、半導体レーザ光源の波長を制御する方法としては、位相調整領域２への注入電流とＤＢＲ領域１への注入電流とを用いる方法があり、位相調整領域２及びＤＢＲ領域１に一定比率の漸近的な時間変動を示す電流を注入することによっても同様の効果を得ることができる。この場合、位相調整領域２のみに漸近的な時間変動を示す電流を注入する場合に比べ、記録／再生切替時により大きな電流振幅を起こす（ひいてはより大きな波長変動を示す）半導体レーザ光源に対しても効果的に波長の安定化を図ることができる。
【００６２】
［第５の実施の形態］
上記第４の実施の形態においては、単純に記録／再生の切替が１回行われ、かつ、それぞれの状態が長時間継続する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の光源装置が実際の光ディスク装置で用いられる場合には、記録／再生切替が短時間の間にランダムなタイミングで繰り返される可能性がある。この場合、位相調整領域あるいは位相調整領域とＤＢＲ領域に印加される電流値が漸近的に変化している最中に再度記録／再生の切替が行われることになる。そして、この場合には、単純な補償電流波形のみでなく活性層領域への注入電流波形を適切なフィルタ回路を通して得られる信号を用いて、位相調整領域への注入電流を変調する方法が効果的である。例えば図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するには、図１３に示すようなブロック図で表される回路が用いられる。すなわち、位相調整領域注入電流は、変調信号波形の極性を逆転し、かつ、定数αを乗じた信号と、変調信号波形を積分フィルタを通して得られた信号との和で近似することができる。積分フィルタと定数加算回路で表される回路特性は、位相調整領域２と活性層領域３との熱応答特性の差を表しており、任意の変調信号に対して、図１３に示すフィルタ回路を通すことにより、活性層領域３と位相調整領域２とに相補的な温度変化を生じさせることができる。
【００６３】
本実施の形態においては、位相調整領域２での熱応答の遅い成分が活性層領域３での熱応答の遅い成分よりも小さい場合、すなわち、記録／再生切替後に位相調整領域２に注入する電流量を漸次増加させることにより熱応答の差を補償できる場合を示した。しかし、半導体レーザ光源の構成が異なる場合、例えば、位相調整領域と活性層領域の位置関係を逆にして半導体レーザ光源を構成した場合には、上記の場合とは逆の補正が必要になる。すなわち、位相調整領域での熱応答の遅い成分が活性層領域での熱応答の遅い成分よりも大きい場合には、記録／再生切替後に位相調整領域に注入する電流量を漸次減少させる必要がある。この場合には、図１４に示すブロック図ように、積分フィルタの代わりに微分フィルタを用いることにより、同様の出力安定化が可能となる。
【００６４】
［第６の実施の形態］
以上説明したように、半導体レーザ光源と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスとからなる光源装置を変調して用いる場合には、ゆるやかな温度変化等を補償する波長制御方法と、変調時の半導体レーザ光源の発熱を補償する波長変動補償方法とによって出力安定化が図られる。しかし、上記２つの方法は、それぞれ別個の方式ではなく、両方法を同時に、かつ、適切に組み合わせて用いることによって、より効果的となる。
【００６５】
本実施の形態においては、特に波長可変レーザの発光部と波長可変部に係る制御ループ（速いループと遅いループ）の具体的態様について、図１５、図１６を参照しながら説明する。図１５は本発明の第６の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図、図１６は本発明の第６の実施の形態における光源装置の発光部に注入される電流の時間変化を示す図である。
【００６６】
図１５において、４００は波長可変レーザであり、この波長可変レーザ４００は、発光部４０１と波長可変部４０２とにより構成されている。４１０は光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスである。光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０から出射される第２高調波は、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２によってその一部が電気信号に変換され、ヘッドアンプ４２３を介して、差演算手段４２４、積分手段４２５、電流変換アンプ４２６及び上記発光部４０１により構成されるフィードバックループ（速いループ）に供給される。すなわち、第２高調波と一定の関係にあるヘッドアンプ４２３の出力信号が目標値と一致するように、発光部４０１に注入される電流ＩＬが制御される。このループの応答周波数は、下記の遅いループとの関係上、１００ｋＨｚ程度としておくのが望ましい。
【００６７】
遅いループは、図１５において、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、バンドパスフィルタ４２７、乗算手段４２８、信号源４２９、積分手段４３０、加演算手段４３１、電流変換アンプ４３２及び上記波長可変部４０２により構成される。まず、信号源４２９より、電流変換アンプ４３２を介して、所定周波数（１ｋＨｚ程度）の重畳信号Ｓｄが電流変換されて波長可変部４０２に注入される。このとき、その信号に応じて、波長可変レーザ４００の発振波長が変化する。発振波長が変化すれば、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０に固有の最大効率変換波長との関係に応じて、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率が変化する。もし、上記した『速いフィードバックループ』が動作していなければ、この変換効率の変化はそのまま第２高調波の出力変化として現れる。しかし、この変化の周波数（１ｋＨｚ程度）に比べて、上記速いフィードバックループの応答周波数は１００ｋＨｚと十分高く、変換効率の低下による第２高調波の出力低下は、即、発光部４０１に注入される電流ＩＬの増加としてフィードバックされるため、第２高調波の出力変化は殆ど観測されない（本実施の形態の場合、約１／１００に抑圧される）。しかし、発光部４０１に注入されるフィードバック電流ＩＬに係るフィードバック信号ＳＬは、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率に応じて、図１６Ａ、Ｂ、Ｃのように変化する。すなわち、波長可変部４０２に重畳された外乱電流に応じて発生する変換効率の変化を相殺すべく、フィードバック信号ＳＬ（フィードバック電流ＩＬ）が生成される。
【００６８】
ここで、波長可変部４０２に注入される電流の中心値をＳ０とすると、この中心値Ｓ０と光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０に固有の最大効率変換波長（ＳＨＧ中心波長）との関係に応じて、上記フィードバック信号ＳＬは、これに重畳される信号Ｓｄと同相（図１６Ｃ）あるいは逆相（図１６Ａ）に変化する。Ｓ０がＳＨＧ中心周波数に一致している場合には、図１６Ｂのように、Ｓｄの基本周波数成分（１ｋＨｚ）は消失し、倍の周波数成分のみが残る。従って、この揺動信号Ｓｄと（バンドパスフィルタ４２７を通過した後の）フィードバック信号ＳＬとを積算し、その時間積分をフィードバック値Ｓ０として波長可変部４０２に供給するようなループを構成すれば、常に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の最大変換効率付近の波長で波長可変レーザ４００を動作させることができる。
【００６９】
参考のために、上記遅いループの動作を、数式を用いて説明する。まず、信号源４２９によって生成された正弦波信号Ｓｄを下記（数３）によって表記し、波長可変部４０２に供給される電流Ｉｓを下記（数４）で正規化する。
［数３］
Ｓｄ＝ａsin（ωｔ）
（ａ：定数）
［数４］
Ｓ＝Ｓｄ＋Ｓ０
ここで、波長可変電流Ｓ（Ｉｓ）に対する（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率に係わる）フィードバック信号ＳＬが下記（数５）で近似されるとすると、下記（数５）に上記（数４）を代入することにより、下記（数６）の関係が得られる。
［数５］
ＳＬ＝−ｂ(Ｓ−Ｓｘ)2 ＋ｃ
（ｂ、ｃ：定数）
［数６］
【００７０】
上記フィードバック信号ＳＬは、乗算手段４２８によって源信号Ｓｄと積（プロダクト）演算される。すなわち、下記（数７）の演算が実行される。
［数７］
［数８］
【００７１】
尚、上記遅いフィードバックループの動作周波数は、信号源４２９より供給される外乱信号の周波数を１ｋＨｚとすれば、その１／１０程度、すなわち１００Ｈｚ程度であるのが望ましい。
【００７２】
［第７の実施の形態］
図１７は本発明の第７の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図である。図１７において、４００は波長可変レーザであり、この波長可変レーザ４００は、発光部４０１と波長可変部４０２と位相可変部４０３とにより構成されている。尚、波長可変レーザ４００の発光部４０１、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、電流変換アンプ４２６は、第２高調波出力の変動分を、発光部４０１に注入される電流を制御して補正する、いわゆる速いフィードバックループを構成している。また、分光素子４２１、フォトディテクタ４２２、ヘッドアンプ４２３、差演算手段４２４、積分手段４２５、バンドパスフィルタ４２７、乗算手段４２８、信号源４２９、積分手段４３０、加演算手段４３１、電流変換アンプ４３２、４３５、係数器４３３及び上記波長可変部４０２は、常時光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の最大点を探査する、いわゆる遅いループを構成している。以上の速いループと遅いループは、上記第６の実施の形態における速いループ、遅いループと同等の機能を有する。本実施の形態の特徴は、上記第６の実施の形態に加えて、信号記録時に所望の出力及び変調波形の第２高調波を出力する構成要素を備えたことにある。以下、これについて説明する。
【００７３】
まず、再生モードから記録モードへ切り替えた後（Ｒ／Ｗ→Ｈ）、記録信号ストリームに応じて、記録波形生成手段４４０は記録信号ＳＧを生成する。図１８に示される記録信号ＳＧは、記録媒体が相変化媒体である場合を想定している。すなわち、情報“１”を記録する場合には、上記相変化媒体上にアモルファスマークを成形すべく最大パワーのパルス列を出力し、情報“０”を記録する場合（情報を消去する場合）には、上記相変化媒体を局部的に結晶化させるべく中間パワーの一定値を出力する。この記録信号ＳＧは、変調器４５０を介して、発光部４０１に注入される電流ＩＬに重畳され、変調光として（光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０によって変換された後に）記録媒体に照射される。このときの速いループの目標値は、所望の変調光の平均パワーに係る値としておいてもよいが、図１７に示すように、記録波形生成手段４４０によって生成される変調信号（記録信号）ＳＧそのものを目標値（いわば期待値）としてもよい。
【００７４】
変調信号（記録信号）ＳＧは、さらに、反転手段４４１、等化手段４４２を経て波長可変レーザ４００の位相可変部４０３に供給される。以下、これについて説明する。上記第６の実施の形態においては、波長可変レーザ４００の波長可変部４０２に注入される電流量のみで発振波長が変化する旨を述べたが、実際の波長可変レーザ４００においては、波長変化時のモードホップを避けるために、位相整合をとるための位相可変部４０３が設けられている。すなわち、波長可変部４０２に電流Ｉｓを注入させると同時に、この定数（ｋ）倍の電流Ｉｐを位相可変部４０３に注入する。位相可変部４０３といってもその実はいわゆるヒータであって、注入電流による発熱によってレーザ導波路の屈折率を変化させるものである。
【００７５】
ここで、再生動作から記録動作に移行する場合、レーザパワーを高くするために、当然、発光部４０１へ注入される電流は増えるが、そのときの発熱によって発光部４０１の温度が上昇する。発光部４０１も導波路構造となっているため、発熱による屈折率変化が位相及び波長のずれを引き起こす。その結果、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の低下やモードホッピングが発生する。これを防止するために、本実施の形態においては、発光部４０１へ注入されるのとほぼ逆相の電流を加算手段４３４を介して位相可変部４０３へ供給している。すなわち、まず、反転手段４４１によって反転波形Ｓｉ（図１７）を生成し、等化手段４４２で得られた補償値Ｓｅを電流変換する。その結果、発光部４０１に注入される電流が増加する一方、位相可変部（ヒータ）４０３に注入される電流が減少し、全体として、発熱量は、記録時・再生時にかかわらず、一定に保たれる。
【００７６】
但し、反転波形Ｓｉそのままを位相可変部４０３に供給し続けたのでは、却って過補正になることが本発明者らの実験によって明らかになっている。レーザ内部の熱の伝搬・蓄積が関係していると考えられる。そこで、本発明者らは、等化手段４４２によって反転波形Ｓｉを、図１８に示すような波形（Ｓｅ）、つまりパワー変化直後には補正量を最大にし、その後徐々に１００μｓで１０％程度補正量を減らすような波形に変換することを検討した。これにより、効果的に熱補正を行うことができることが分かった。等化手段４４２は、具体的には、例えば図１９に示すようなバンドパスフィルタを用いて実現することができる。
【００７７】
尚、上記反転手段４４１、等化手段４４２などによって構成される熱補正手段は、いわばオープンループであり、補正精度には限界がある。すなわち、若干の熱補正残差が存在する。このため、若干の波長ずれが発生するが、これについては速いフィードバックループが１００ｋＨｚ、つまり１０μｓ程度のレスポンスで追従するために、第２高調波の出力そのものは影響を受けない。ただ、波長のずれによる光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス４１０の変換効率の低下を、源発振の発光パワーで補おうとするため、速いフィードバック制御の結果、発光部４０１に注入される電流ＩＬは一時的に多少増えるが、やがて遅いループによる最大効率探査が実行されることとなる。
【００７８】
以上のように、本実施の形態によれば、熱等化補償手段、速いループ、遅いループと順次適用することにより、再生から記録へのパワー切り替え時の波長ずれによって生じる第２高調波の変動を、効果的に吸収することができる。
【００７９】
尚、上記第６及び第７の実施の形態においては、それぞれのフィードバックループが動作を開始した（いわゆる引き込んだ）後の動作について説明したが、引き込み以前に両フィードバックループを同時に動作させると、以下のような問題が生じる。一般に、フィードバックループの動作点に安定に引き込むためには、引き込む直前の目標値と変数が所定の範囲内（キャプチャーレンジ）にあることが必要とされる。上記したように、一般に、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの波長依存性は顕著であり、レーザ発振波長とＳＨＧ中心波長の誤差が大きく、例えば１ｎｍ程度ずれているような場合、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスの変換効率はほとんどゼロである。従って、第２高調波は生成されず、受光素子によって検出される光量もゼロである。このとき、速いフィードバックループが動作したとすると、受光光量を所定の目標値にすべく、波長可変レーザの発光部に注入される電流を際限なく増加し続けることになる。そして、このような状態を放置しておくと、レーザは当然に破損してしまう。
【００８０】
そこで、引き込み以前には、速いフィードバックループの機能を停止させておくか、あるいは応答速度を極端に低下させておく必要がある。例えば、引き込み以前には、波長可変レーザの発光部に一定の電流を流しておき、レーザ波長が遅いフィードバックループによって最大効率波長近傍に到達したのを見計らって、速いフィードバックループを動作させる（閉じる）ようなシーケンスを組んでおけばよい。また、このときの遅いフィードバックループにおける外乱信号の振幅は、キャプチャーレンジを拡大するために、通常の状態よりも大きくしておくのが望ましい。例えば、通常の状態における外乱信号の振幅を、波長換算で０．１ｎｍとした場合、引き込み時には１ｎｍ程度の振幅としておくのが望ましい。デフォルト状態における波長可変レーザの発振波長とＳＨＧ中心波長の誤差はほぼ１ｎｍ程度に収まるからである。
【００８１】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明によれば、周囲温度の変化や出力パワーの変動が生じた場合であっても、安定な高調波出力を実現することができるので、光ディスクの高密度化、及びディスプレイの高繊細化を実現するための小型の短波長光源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図２】 図２Ａは本発明の第１の実施の形態における基本波光の波長に対して出射される高調波光の出力パワーを示す図、図２Ｂは同実施の形態における青色光出力パワーの変動の様子を示す図
【図３】 本発明の第２の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図４】 図４Ａは本発明の第２の実施の形態における基本波光の波長に対して出射される高調波光の出力パワーを示す図、図４Ｂは同実施の形態における注入電流量の時間変化と波長微小量変動との関係を示す図
【図５】 本発明の第２の実施の形態における光源装置の他の例を示す概略構成図
【図６】 本発明の第３の実施の形態における光源装置を示す概略構成図
【図７】 本発明の第３の実施の形態における薄膜ヒータの取付け状態を示す斜視図
【図８】 本発明の第４の実施の形態における光ディスク装置において、再生動作と記録動作の切替時、すなわち、平均的な光源出力パワーが低出力状態から高出力状態へ切り替わるときに生じる出力光変動波形を概念的に示した図
【図９】 本発明の第４の実施の形態における出力パワー切替時の高調波出力パワー及び基本波光の波長の変動の様子を概念的に示した図
【図１０】 本発明の第４の実施の形態における半導体レーザ光源を示す概略断面図
【図１１】 本発明の第４の実施の形態の記録／再生切替時における相補的な駆動波形を示す図であり、図１１Ａは活性層領域と位相調整領域に注入する電流の時間変化を示す図、図１１Ｂはそのときの活性層領域と位相調整領域の屈折率の時間変化を示す図
【図１２】 本発明の第４の実施の形態の発振波長の変動による高調波の出力変動を抑制するための記録／再生切替時における駆動波形を示す図であり、図１２Ａは活性層領域と位相調整領域に注入する電流の時間変化を示す図、図１２Ｂはそのときの活性層領域と位相調整領域の屈折率の時間変化を示す図
【図１３】 本発明の第５の実施の形態における図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するための回路構成を示すブロック図
【図１４】 本発明の第５の実施の形態における図１２に示す位相調整領域注入電流を実現するための他の回路構成を示すブロック図
【図１５】 本発明の第６の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図
【図１６】 図１６Ａ〜Ｃは本発明の第６の実施の形態における光源装置の発光部に注入される電流の時間変化を示す図
【図１７】 本発明の第７の実施の形態における光源装置の制御回路を示すブロック図
【図１８】 本発明の第７の実施の形態で用いられる信号波形を示す図
【図１９】 本発明の第７の実施の形態における等化手段として用いられるバンドパスフィルタを示す概念図
【図２０】 従来技術における光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを用いたＳＨＧ青色光源の概略構成図
Claims (6)
- 少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる手段とを備えた光源装置。
- 少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替えて変調するに際して、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する手段と、前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入した後に、前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる手段とを備えた光源装置。
- 前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動する請求項１又は２に記載の光源装置。
- 少なくとも活性層領域と位相調整領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、
前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域に注入する第１ステップと、
前記活性層領域と前記位相調整領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする変調方法。 - 少なくとも活性層領域と位相調整領域と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）領域とを有する半導体レーザ光源の平均的出力パワーを低出力と高出力の少なくとも２値以上の値に切り替える変調方法であって、
前記活性層領域への注入電流と逆相の電流を前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域に注入する第１ステップと、
前記活性層領域と前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域との熱応答の差を補償するように、前記位相調整領域と前記ＤＢＲ領域への注入電流を変化させる第２ステップとを有することを特徴とする変調方法。 - 前記第２ステップにおいて、前記活性層領域の駆動信号をフィルタに通した信号を用いて、前記位相調整領域を駆動する請求項４又は５に記載の変調方法。
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