JP4164530B1 - 発振モード判定装置およびレーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方式により、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の発振モードを検出する発振モード判定装置及びそれを用いたレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を受光して、干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出する光反射手段と、光反射手段により射出された反射光の光強度を検出する光検出手段と、外部共振器型半導体レーザの駆動電流を所定の値だけ増加または減少させた場合のその前後での光検出手段で検出される光強度に基づく光検出信号の差分値に基づいて、外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する判定手段を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部共振器型半導体レーザを含むレーザ光源装置に関するものであり、特に、外部共振器型半導体レーザの発振モードを判定する発振モード判定装置および半導体レーザ光源装置に関する。

ホログラムを利用して情報記録媒体に情報を記録するホログラム記録は、一般的に、イメージ情報を含む物体光と記録用の参照光とを情報記録媒体の内部で重ね合わせ、その時にできる干渉パターンを情報記録媒体に書き込むことによって行なわれる。

情報記録媒体に記録された情報の再生時には、その情報記録媒体に再生用の参照光を照射することで、干渉パターンによる回折によりイメージ情報が再生される。

近年では、超高密度光記録のために、ボリュームホログラム、特に、デジタルボリュームホログラムが実用域で開発され、注目を集めている。ボリュームホログラムとは、情報記録媒体の厚み方向も積極的に活用して、情報記録媒体に対して３次元的に干渉パターンを書き込むホログラム記録方式である。

ボリュームホログラムでは、情報記録媒体の厚みを増すことで回折効率を高められ、多重記録を用いて記録容量の増大を図ることができるという特徴がある。

デジタルボリュームホログラムとは、ボリュームホログラムと同様の情報記憶媒体および記録方式を用いつつも、記録するイメージ情報は２値化されたデジタルパターンに限定されたコンピュータ指向のホログラム記録方式である。

デジタルボリュームホログラムでは、たとえば、アナログ的な絵のような画像情報も一旦デジタイズして２次元デジタルパターン情報に展開し、これをイメージ情報として記録する。

しかし、ホログラフィック記録の場合、記録時には物体光と記録用の参照光との干渉パターンを記録し、再生時には再生用の参照光と干渉パターンとの回折を再生する。このため、ホログラフィック記録の場合には、物体光および各参照光が記録時と再生時とにおいて同じ角度やフォーカシング状態で正確に入射しないと、記録時と再生時とで情報記録媒体に対する波面が異なり、ＳＮ比が極端に悪くなる現象が生じる可能性がある。

また、光源の波長に関しても記録時と同じ波長で再生しなければ、回折効率が極端に低下して再生が困難となるという問題があった。

それゆえ、ホログラフィック記録を実用化する際には、情報記録媒体と光ピックアップ装置との相対的な傾きや位置を補正したり、レーザ光の発振波長を正確に制御する手段が重要となってくる。

一方、ホログラム記録再生用の光源としては、シングルモードの光源であるガスレーザやＳＨＧレーザ(second harmonic generation laser)を用いられることも多いが、マルチモード発振であるレーザダイオードのような半導体レーザでも、外部共振器と組み合わせることによってシングルモード化することが可能であり、ホログラム記録再生用の光源として使用することが可能である。

図１４は、リトロー型と呼ばれる外部共振器型半導体レーザ１について説明する図である。

図１４を参照して、外部共振器型半導体レーザ１は、半導体レーザ２と、コリメータレンズ３と、回折格子４とを含む。

半導体レーザ２から出射されたマルチモードのレーザ光１２Ａは、コリメータレンズ３によって平行にされ、反射型の回折格子４に入射される。

回折格子４は、各モードの１次回折光を発生し、その配置角度に応じて、特定の１次回折光１２Ｂが、コリメータレンズ３を介して半導体レーザ２に帰還することになる。

この結果、半導体レーザ２に帰還した１次回折光１２Ｂに共振して単一モードの光が出射されるようになり、その光の波長は回折格子４から戻った１次回折光１２Ｂの波長と同じになる。

さらに、回折格子４に入射したレーザ光の０次光(反射光)１３は外部に出射され、ホログラム記録再生装置の外部共振器型半導体レーザ１の出射光となる。

このリトロー型の外部共振器型半導体レーザにおける波長可変の原理について説明する。

回折格子４は、格子溝方向に垂直な面内で回転可能な構造となっている。
半導体レーザ２に帰還される光の波長は、回転可動な回折格子４の配置角度(回転角度)を変えることによって調整することができる。

このような外部共振器型半導体レーザをホログラム記録再生装置に適用することで、記録または再生に最適な発振波長に微調整することが可能である。

図１５は、図１４で説明した外部共振器型半導体レーザから出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を説明する図である。

図１５に示されるグラフの横軸はレーザパワーを示し、縦軸は波長を示している。
ここで、レーザ光の波長は、模式的に表すとのこぎり状の変化を示す。外部共振器型半導体レーザでは、レーザパワーの増加、すなわち駆動電流の増加に伴って出射されたレーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップ領域と、レーザパワーが増加した場合に、出射されたレーザ光の波長が急激に小さくなる、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域とが存在する。

そのためレーザ光の波長は、レーザパワーの増加に伴い、ある程度離散的に変化する。
外部共振器モードホップ領域では、たとえば、完全な単一波長であるシングルモードとなっている場合と、外部共振器とレーザチップとの距離で決まる０．００５ｎｍ程度の波長間隔のモードが２〜３本発生するマルチモード状態が発生する。

また、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域では、大きな波長間隔０．０４ｎｍ程度異なるモードが発生するマルチモード状態となる。

前者の場合すなわち外部共振器モードホップ領域の場合は、マルチモードの間隔が小さいためホログラム記録再生特性には大きな影響は及ぼさず、使用可能領域であるのに対し、後者の場合すなわち半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域の場合は、マルチモード状態であるため記録再生特性に悪影響を与えるので、使用を避ける使用不可領域となる。

レーザパワーとレーザ光の波長との関係は、外部共振器型半導体レーザ内の温度によって変動するので、環境温度の変化やレーザ駆動電流による発熱等により、使用不可領域となるレーザパワーの位置が変化する。

その使用不可領域を回避する方式として、例えば特許文献１には、２分割検出器を用いて発振モードを判定し、レーザ駆動電流を補正して、効果的に使用不可領域に属するレーザパワーの使用を回避するという方式が提案されている。

これは、ウェッジプリズムを用いて外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を検出し、その検出結果に基づいて、使用不可領域のレーザ光が射出されないように外部共振器型半導体レーザ内の半導体レーザのパワーを制御しようとするものである。

図１６は、ウェッジプリズム７にレーザ光が入射された様子を説明する図である。
図１６を参照して、レーザ光は、ウェッジプリズム７で反射し、ガラス２に入射される。ｚ軸方向は、図１６の紙面の記載面または表示面の手前から裏側に向かう方向である。また、ｘ軸方向は、ウェッジプリズム７の表面および裏面に並行でかつｙ軸と垂直な方向であり、ｙ軸方向は、ｘ軸とｚ軸とに直交する方向である。

図１７は、ｚ軸方向に沿ってウェッジプリズム７が配置されている場合を横から見た図である。

図１７に示されるように角度αの傾きを有し、座標のｚ軸方向に進むにつれて、厚さｄが小さくなるように形成されている。

図１８は、光検出器８の受光面上での干渉縞のパターン２５の一例を示す図である。
図１８を参照して、明暗の干渉縞パターン２５が示されている。なお、干渉縞パターン２５の検出には、少なくとも２つのディテクタである２分割検出器が用いられる。

図１９は、厚さｄ及び角度αをある値に設定した場合のウェッジプリズム７により反射された光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。

図１９において、横軸は２分割検出器の受光面上のｚ方向の位置、縦軸は干渉縞の明暗のピーク値を１とした場合の相対的な強度値とした場合の波長λの干渉縞の強度パターン波形８１が示されている。

図２０は、厚さｄを所定の値に選択した場合のウェッジプリズム７により反射された別の光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。

図２０において、ここでは、図１９で説明した波長λの強度パターン波形８１に対して波長約０．０４ｎｍ長い波長になった場合の干渉縞の強度パターン波形８２が示されている。具体的には、強度パターン波形８１の位相が略反転した強度パターン波形８２が示されている。

これらの干渉縞の強度パターン波形は、波長λが長くなるとｘ（＋）方向にシフトし、角度αが大きくなるとピッチが狭くなる。

ここで、再び図１５を参照して、外部共振器型半導体レーザにおけるのこぎり状の周期的な波長変化を繰り返すレーザ光の波長変化における波長の下限をλＡ（一例として４０９．７２ｎｍ）、上限をλＢ（４０９．７６ｎｍ）とする。なお、その差、０．０４ｎｍである。

外部共振器型半導体レーザの駆動電流を上げてレーザパワーを増加させていくと、最初は、波長λＡの光の反射光による強度パターン波形８１が現れ、その後、外部共振器型半導体レーザのレーザパワーを増加していくと、波長はλＡからλＢの方向に徐々に変化して強度パターン波形８２に近づくことになる。その後、さらにレーザパワーを増加していくと、波長λＡと波長λＢの両方の強度パターン波形が存在する状態となる。

そして、その後、波長λＡの強度パターン波形８１のみとなる。その後はこのような干渉縞の強度パターン波形が周期的に現れる。

次に、この特許文献１における干渉縞の強度パターン波形（強度分布変化）から波長のモード状態を判定する方式について説明する。

図２１は、波長λＡ〜λＢまで波長が変化した場合の強度パターン波形を説明する図である。下限波長λＡを４０９．７２ｎｍ（強度パターン波形８１）、上限波長λＢを４０９．７６ｎｍ（強度パターン波形８２）、その中間の波長λＣとして４０９．７３ｎｍ（強度パターン波形８３）、波長λＤとして４０９．７４ｎｍ（強度パターン波形８４）、波長λＥとして４０９．７５ｎｍ（強度パターン波形８５）の波形曲線が示されている。

そして、図２１に示されるように、ある位置の前後に、それぞれ２分割検出器を構成する第１の受光素子８ｂと第２の受光素子８ｃを並べ、それによってそれぞれ検出された光強度の差を示す差動信号を生成する。

受光素子８ｂによって検出される光の位置は、矢印ＰＢによって示されており、受光素子８ｃによって検出される光の位置は、矢印ＰＣによって示されている。

上述したように外部共振器型半導体レーザのレーザパワーの増加、すなわち駆動電流の増加に伴って波長がλＡ〜λＢまで変化するが、さらに増加すると、急激に波長が変化して、再びλＡに戻り、この変化を周期的に繰り返すことになる。

また、この急激な変化が生じる際には、波長λＡ付近の波長の光とλＢ付近の波長の光とが混在して、ホログラム記録等には適さない光（使用不可領域の光）となる。

図２２は、波長λＡ付近の波長の光と波長λＢ付近の波長の光とが混在した場合を説明する図である。

図２２に示されるように、この場合、２つの位相が略反転した波長λＡおよびλＢの強度パターン波形８１Ａおよび８２Ｂが生じることとなる。すなわち、干渉縞が重なるため、一様分布に近いコントラストの小さい明暗パターンとなる。

したがって、図２１で説明した２分割検出器で検出した場合の光強度の差を示す差分値は０に近い値となる。

一方、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の波長が、レーザパワーの増
加に応じて単調に上昇する場合（使用可能領域）ではシングルモード、あるいは非常に近い波長の２モード、あるいは３モードの光となる場合は、代表的なピークを構成する波長のシングルモードの光が射出されると仮定する。

再び図２１を参照して、波長が、４０９．７３ｎｍ（強度パターン波形８３）である場合には、２分割検出器を構成する受光素子８ｂおよび受光素子８ｃによって検出される光量には大きな差があり、差分値も大きな値となる。波長４０９．７４ｎｍ（強度パターン波形８４）については、光量にそれほど差がなく０に近い差分値が得られる。

図２３は、波長変化に対する差分値を説明する図である。
図２３に示されるように、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域の差分値の絶対値は、外部共振器モードホップ領域において得られた差分値の絶対値よりも大きいことが示されている。したがって、特許文献１においては、当該差分値に基づいてレーザ光の波長λＡが下限の４０９．７２ｎｍ（あるいは波長λＢである上限の４０９．７６ｎｍ）に近づいたことを検出し、モード状態を判定している。そして、その場合に、半導体レーザのレーザパワーを所定の値だけ変化させて、これらの波長の光が混在するモードすなわち使用不可領域を回避するよう制御する方式が提案されている。
特開２００５−３４０７８３号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、ウェッジプリズムの反射光の干渉縞から２分割検出器を用いて波長判定を行う場合、２分割光検出器の差分値を安定的に検出するには、ウェッジプリズムのウェッジ角度公差を極めて小さくする必要がある。

角度公差が大きい場合、すなわち形成される干渉縞のピッチが設計値より大きくずれる場合には正常な差分値信号が得られなくなる可能性がある。

また、２分割検出器の形状、配置、位置公差に厳しい制約が課されることにもなる。
本発明の目的は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、簡易な方式により、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の発振モードを検出する発振モード判定装置及びそれを用いたレーザ光源装置を提供することである。

本発明に係る発振モード判定装置は、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を受光して、干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出する光反射手段と、光反射手段により射出された反射光の光強度を検出する光検出手段と、外部共振器型半導体レーザの駆動電流を所定の値だけ増加または減少させた場合のその前後での光検出手段で検出される光強度に基づく光検出信号の差分値と所定のしきい値との比較に基づいて、外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する判定手段とを備える。

好ましくは、判定手段は、光検出信号の差分値および光検出信号の信号レベルに基づいて、外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する。

好ましくは、光検出手段は、単一の受光素子で構成される。
好ましくは、光反射手段は、ウェッジプリズムを含む。

好ましくは、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の波長は、外部共振器型半導体レーザの駆動電流の変化に従って周期的に変化し、外部共振器型半導体レーザの駆動電流の増加または減少させる所定の値は、外部共振器型半導体レーザのレーザ光の周期的に変化する波長範囲の１／８〜１／１６の波長変化に相当する電流値に設定される。

本発明に係るレーザ光源装置は、外部共振器型半導体レーザと、外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を受光して、干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出する光反射手段と、光反射手段により射出された反射光の光強度を検出する光検出手段とを備える。外部共振器型半導体レーザの駆動電流を所定の値だけ増加または減少させた場合のその前後での光検出手段で検出される光強度に基づく光検出信号の差分値と所定のしきい値との比較に基づいて、外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する判定手段と、判定手段の判定結果に基づいて外部共振器型半導体レーザの駆動電流を調整する調整手段とをさらに備える。

本発明に従う発振モード判定装置においては、１つの光検出手段を用いて、ある初期状態のレーザ光において、所定の電流値だけ変化させ、その前後の出力値の差分値の大小関係によって、波長の発振状態(シングルモードあるいはマルチモード)を検出判定するため、従来のような複数個の光検出器は必要でなく、簡易な方式により、外部共振器型半導体レーザから射出されるレーザ光の発振モードを検出することが可能である。また、ウェッジの角度公差が大きく干渉縞のピッチが設計値より大きくずれている場合でも、電流値の変化分をピッチに合わせて調整するだけで、感度変化のない正常な信号を検出することができる。すなわちウェッジ角度や取付公差のマージンを大幅に拡大することができるため、製造コストを低減することが可能である。

また、本発明に係る発振モード判定装置を用いたレーザ光源装置により、ホログラム記録再生装置において、使用不可領域の発振モード状態を容易に回避することが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従うホログラム情報処理装置の概略的な構成を説明する図である。

図１を参照して、本発明の実施の形態に従うホログラム情報処理装置は、記録再生用の波長可変レーザ光源１と、レーザ調整部１１と、第１のビームスプリッタ６２と、第１の反射ミラー６３と、空間光変調器６４と、第１のリレーレンズ６５（６５ａ，６５ｂ）と、第２の反射ミラー６６と、第２のビームスプリッタ６７と、第２のリレーレンズ６８（６８ａ，６８ｂ）と、対物レンズ６９と、撮像素子７０と、第３の反射ミラー６１と、第１のガルバノミラー７２と、レンズ系７３（７３ａ，７３ｂ）と、第２のガルバノミラー７４とを備える。

波長可変レーザ光源１から出た光は、後述するレーザ調整部の第３のビームスプリッタ６を通過後、第１のビームスプリッタ６２および第１の反射ミラー６３で反射され、空間光変調器６４で反射される。そして、第１のリレーレンズ６５を通過した後、さらに第２の反射ミラー６６で反射されて、第２のビームスプリッタ６７および第２のリレーレンズ６８を通過した後、第１対物レンズ６９によりホログラム記録媒体７１に照射される。

空間光変調器６４は、例えば、多数の微小ミラーがその反射面を変更可能に格子状に配列されたＤＭＤ（Digital Mirror Device）からなり、デジタルデータを構成する各ビットに微小ミラーを対応させ、当該ビットの内容（「０」か「１」）に応じて反射角を変化させることよりホログラム記録媒体２０に照射すべき記録すべきデジタルデータに応じた光像を生成するものである。

この光は記録光として、対物レンズ６９によりホログラム記録媒体７１の記録層に結像するように焦点が調節されている。

また、第１ビームスプリッタ６２を透過した光は、さらに第３の反射ミラー６１で反射され、第１のガルバノミラー７２によりその光軸が記録光の光軸側に変更される。そして、レンズ系７３を通過した後、参照光として記録光の光軸に対して所定の入射角でホログラム記録媒体７１に入射される。

ホログラム記録媒体７１に入射された記録光と参照光とは、互いに干渉してホログラムを発生し、このホログラムがホログラム記録媒体７１に記録される。

再生時は、記録時と同じく参照光を照射するが、ホログラム記録媒体７１を通過した後、第２のガルバノミラー７４で往路と同じ角度で反射された光によって発生する回折光(再生光)を用いる。

この回折光は第１の対物レンズ６９、第２のリレーレンズ６８を通って第２のビームスプリッタ６７により、撮像素子７０に入射される。

撮像素子７０は、複数の光電変換素子が空間光変調器６４以上の解像度で格子状に配列されたエリアセンサからなり、例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）エリアセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）を採用したＣＭＯＳセンサーなどが用いられる。

そしてこの撮像素子７０で検出された信号をもとに２次元パターン情報を再生し、ホログラム記録媒体に記録されていた記録データを読み取る。

図２は、本発明の実施の形態に従う記録再生用の波長制御システムの構成図である。
なお、波長制御システムは、波長可変レーザ光源１およびレーザ調整部１１とで構成される。

本発明は、外部共振器型半導体レーザのレーザ光の一部を受光して、ウェッジプリズムにより干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出し、干渉縞の強度パターンの変化より、レーザ光の発振モード状態を判別し、使用不可領域であるマルチモード状態のレーザ光の使用を回避させるレーザ制御に関するものである。

図２を参照して、本発明の実施の形態に従う波長可変レーザ光源１は、半導体レーザと外部共振器とを組み合わせたリトロー型と呼ばれる外部共振器型半導体レーザを構成している。外部共振器構造を用いて発振スペクトルの狭窄化と、シングルモード発振が可能となる。

波長可変レーザ光源１は、半導体レーザ２と、コリメータレンズ３と、回折格子４と、回転機構５とを含む。

半導体レーザ２から出射されたマルチモード発振しているレーザ光１２Ａが、コリメータレンズ３によって平行にされ、反射型の回折格子４に入射される。

回折格子４は、各モードの１次回折光を発生し、その配置角度に応じて、特定の１次回折光１２Ｂが、コリメータレンズ３を介して半導体レーザ２に帰還する。

この結果、半導体レーザ２に帰還した１次回折光１２Ｂに共振して単一モードの光を出射するようになり、その光の波長は回折格子４から戻った１次回折光１２Ｂの波長と同じになる。

さらに、回折格子４に入射されたレーザ光の０次光(反射光)１３は外部に出射される。
レーザ調整部１１は、第３のビームスプリッタ６と、ウェッジプリズム７と、光電素子８ａを１つ含む光検出器８と、光検出器８の検出結果に基づいてレーザ光の発振モードを判定する発振モード判定回路９と、波長可変レーザ光源１の半導体レーザ２の駆動電流を制御するレーザ制御回路１０とを含む。なお、レーザ制御回路１０は、図示しないが外部からの指示に応答して半導体レーザ２の駆動電流を制御するとともに、発振モード判定回路９からの判定結果に基づいて半導体レーザ２の駆動電流を制御するものとする。

回折格子４から出射された光は、第３のビームスプリッタ６で一部のレーザ光を反射する。

そして、光反射手段であるウェッジプリズム７でビーム１５および１６に分離された後、光検出器８上で重ね合わされる。

このリトロー型の外部共振器型半導体レーザである波長可変レーザ光源１においては、回折格子４は、回転機構５によって格子溝方向に垂直な面内で回転させ、半導体レーザ２に帰還される光の波長をかえることによって、レーザとしての発振波長を調整することが可能である。

次に、上記光検出器８の検出信号を用いた発振モードの判定（シングルモードかマルチモード）及び使用不可のマルチモード回避の方式について説明する。

本実施の形態に従う方式は、従来の方式と比較して、ウェッジプリズム７を用いて波長可変レーザ光源１から射出されるレーザ光の波長を検出し、その検出結果に基づいて、使用不可領域のレーザ光が射出されないように外部共振器型半導体レーザ内の半導体レーザのパワーを制御しようとする目的については同様であるが、光検出器の構成および発振モード状態の検出方式等が異なる。

本例における、ウェッジプリズム７を用いて、光検出器上に干渉縞パターンを生成する方式等については、図１６〜図１８で説明したのと同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。

図２において、ウェッジプリズム７は、図１７に示すように角度αの傾きを有し、座標のｚ軸方向に進むにつれて、厚さｄが小さくなるように形成されており、角度αによって決まるピッチで、光検出器８上に図１８と同様の干渉縞パターンが生成される。

本例においては、光検出器上に少なくとも所定距離離れた異なる２つの受光素子を備えた従来の方式とは異なり、単一の受光素子８ａで検出を行う構成である。

次に、この光検出器を用いて干渉縞の強度パターン変化を検出する方式について説明する。

図３は、外部共振器型半導体レーザである波長可変レーザ光源１から出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を説明する図である。なお、ここでは、回折格子２の回転角を所定の値に設定した場合に、駆動電流を変化させて、即ち、レーザパワーを変化させていった場合の波長変化の一例が示されている。

図３に示されるグラフの横軸はレーザパワーを示し、縦軸は波長を示している。
図１５で説明したのと同様にレーザ光の波長は、模式的に表すとのこぎり状の変化を示す。上述したように外部共振器型半導体レーザでは、レーザパワーの増加、すなわち駆動電流の増加に伴って出射されたレーザ光の波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップ領域と、レーザパワーが増加した場合に、出射されたレーザ光の波長が急激に小さくなる、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域とが存在する。

そのためレーザ光の波長は、レーザパワーの増加に伴い、ある程度離散的に変化する。
この場合の波長変化における波長の下限をλ４１、上限をλ４２として説明する。

上述したように外部共振器型半導体レーザの駆動電流を上げてレーザパワーを増加させていくと、平均的にはレーザ光の波長はλ４１〜λ４２に変化していくが、この間は、外部共振器型半導体レーザによる発振モードが複数発生する場合が起こるので、その中で完全なシングルモード、あるいは２または３本のマルチモード状態が繰り返し発生する。

図４は、図３の状態Ｐ〜Ｒにおける波長スペクトラムを説明する図である。
図４（ａ）および（ｂ）には、外部共振器モードホップ領域の状態ＰおよびＱの波長スペクトラムが示されている。また、図４（ｃ）には、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域における状態Ｒの波長スペクトラムが示されている。

外部共振器モードホップ領域における、完全なシングルモード（図４（ａ））あるいは２または３本のマルチモード（図４（ｂ））状態が繰り返し発生する場合であっても、外部共振器によるモード間隔は一般に小さいため、ホログラム記録再生用の光源として用いる場合には影響はほとんどない。

しかしながら、図４（ｃ）に示されるように、波長が上限のλ４２から下限λ４１へ変化する状態すなわち半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域では、波長変化が大きいので、ホログラム記録再生用の光源として用いる場合には影響が大きい。

特に、図４（ｃ）に示されるように波長の上限λ４２あるいは下限λ４１付近においては、波長λ４１とλ４２の大きな波長差の光が同時に発生することになる。

なお、以下においては、説明を簡易にするべく電流を変化させた場合の波長変化を示す波長変化パターンを曲線１８で表すこととする。

次に、波長が変化したときの干渉縞の強度パターンの変化と光検出器の出力について説明する。

図５は、厚さｄ及び角度αを所定の値に設定した場合のウェッジプリズム１５により反射された光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。

図５において、横軸は検出器の受光面上のｚ方向の位置、縦軸は干渉縞の明暗のピーク値を１とした場合の相対的な強度値が示されている。

ここでは、波長λ４１〜λ４５にそれぞれ対応する干渉縞の強度パターン波形が示されている。なお、波長λ４１＜波長λ４３＜波長λ４４＜波長λ４５＜波長λ４２の関係が成り立っているものとする。

上述したように厚さｄを適当に選択することで、図５に示されるように、波長が下限のλ４１から上限のλ４２に変化した場合に、干渉縞の位相パターンが略反転するようになる。

これらの干渉縞の強度パターン波形は、波長λが長くなるとｘ（＋）方向にシフトし、角度αが大きくなるとピッチが狭くなる。

半導体レーザの駆動電流を上げて、レーザパワーを増加させていくと、最初は、波長λ１の光の反射光による波長λ４１の強度パターン波形が現れ、その後、半導体レーザのレーザパワーを増加していくと、波長はλ４１→λ４３→λ４４→λ４５→λ４２に徐々に変化して波長λ４２の強度パターン波形に近づくことになる。

そして、その後、さらにレーザパワーを増加していくと、波長λ４１と波長λ４２の強度パターン波形の両方が存在する状態となり、その後、波長λ４１の光の反射光による強度パターン波形のみとなる。その後はこのような干渉縞の変化が周期的に現れる。

ここで本発明においては、一例として光検出器の受光素子８ａを例えば波長変化の上限の波長λ４２と下限の波長λ４１の中間である波長λ４４のときの干渉縞のピークの部分に位置するように配置させる。

図６は、光検出器の受光素子で検出される出力値を説明する図である。
図６を参照して、光検出器の受光素子８ａを波長λ４４のときの干渉光のピークの部分に位置するように配置させることにより、ピーク値を１とすると、波長λ４４をピークとして、波長変化の下限波長λ４１及び上限波長λ４２に近づくにつれて、ほぼ０．５に近づくことになる。

また波長の上限波長λ４２と下限波長λ４１付近においては、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップした２つの波長の光が同時または交互に発生するため、お互い反転した干渉縞が重なり、図２２で示したのと同様にコントラストが０に近い波形曲線となる。この場合の出力としては０．５付近である。

図７は、図６に対して横軸を波長から半導体レーザ内に流れる駆動電流及びレーザパワーに変換して説明する図である。

温度が一定の場合、駆動電流に対してレーザパワーの変化はリニアな関係にあるので、図７に示される波形の如く表すことが可能である。

次に、干渉縞の強度パターン波形（強度分布変化）から波長の発振モード状態を判別する方式について説明する。

本発明においては、発振モード状態を判別する駆動電流またはレーザパワー状態に対して、駆動電流を微小範囲変化させて、その前後での検出器出力を検出し、その差分値を用いて、発振モード状態を判別するというものである。すなわち、使用可能領域か使用不可領域かを判別するものである。

図８は、駆動電流の変化に対して周期的に変化するレーザ光の波長変化を説明する図である。なお、ここでは、図３で説明したように模式的に表すとのこぎり状の変化を示す曲線１８が示されている。

ここで、例えば図８において、波長の上限波長λ４２と下限波長λ４１の中間付近である波長λ５３および波長λ５３よりも上限波長付近の波長λ５６でレーザ発振している状態において、駆動電流を所定値ΔＤｍだけ減少および増加させた場合について考える。

図８においては、波長λ５３でレーザ発振している場合に所定値ΔＤｍだけ駆動電流を減少および増加させた波長λ５４（＜λ５３）およびλ５５（＞λ５３）がそれぞれ示されている。また、波長λ５６でレーザ発振している場合に所定値ΔＤｍだけ駆動電流を減少および増加させた波長λ５７（＜λ５６）およびλ５８（＞λ５６）がそれぞれ示されている。

図９は、駆動電流を微小範囲変化させた場合の干渉縞の強度パターン波形の移動を説明する図である。

図９を参照して、波長の上限波長λ４２と下限波長λ４１の中間付近である波長λ５３でレーザ発振している状態において、駆動電流を所定値ΔＤｍだけ減少および増加させた波長λ５４（＜λ５３）およびλ５５（＞λ５３）がそれぞれ左および右方向に移動した場合が示されている。

また、波長λ５６でレーザ発振している場合に所定値ΔＤｍだけ駆動電流を減少および増加させた波長λ５７（＜λ５６）およびλ５８（＞λ５６）が左および右方向に移動した場合が示されている。

なお、上述したように光検出器の受光素子８ａを例えば波長変化の上限の波長λ４２と下限の波長λ４１の中間である波長λ４４のときの干渉縞のピークの部分の位置Ｐに位置するように配置させた場合が示されている。

図１０は、波長変化に従う検出器出力を説明する図である。
図１０を参照して、ここでは、上述した位置Ｐにおいて、波長λ４４の干渉光の強度パターンを光検出器の受光素子８ａが受光して出力した検出器出力のピーク値を１とした場合の相対的な波長変化に従う検出器出力の値が示されている。

具体的には、上述した波長λ５４から波長λ５５に変化した場合の検出器出力の値および上述した波長λ５７から波長λ５８に変化した場合の検出器出力の値がそれぞれ示されている。

図１１は、図１０で示される検出器出力に基づいて計算された波長変化に従う差分値を説明する図である。

図１１に示されるように、波長λ５３でレーザ発振している状態において、駆動電流を所定値ΔＤｍだけ減少および増加させた場合の検出器出力の差分値ｄ５３が示されている。具体的には、図１０で示されている波長λ５４からλ５５に変化した検出器出力の差分値（駆動電流を増加させた場合の値から、減少させた場合の値を減算した値）に対応している。また、波長λ５６でレーザ発振している状態において、駆動電流を所定値ΔＤｍだけ減少および増加させた場合の検出器出力の差分値ｄ５６が示されている。具体的には、図１０で示されている波長λ５７からλ５８に変化した検出器出力の差分値に対応している。

これを各波長においてΔＤｍだけ増減させたときの差分値を表した値が図１１に示される曲線１９である。

したがって、この図１１に示される曲線１９から、図９で示した位置に光検出器の受光素子を配置した場合、波長の上限と下限の中間、すなわち半導体レーザチップのモードホップが最も発生しにくい状態では、図１１で示される差分値は０となり、上限波長あるいは下限波長付近、すなわち半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域に近づくにつれて差分値の絶対値が大きくなる。あるいは差分値が０付近となる。

したがって、評価するレーザ発振状態で、駆動電流を微小範囲増減させてそのときの干渉縞の強度パターンから得られる検出器出力の差分値の絶対値を計算することで、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップが発生する可能性が高い状態かどうかを判定することができる。

具体的には、所定のしきい値と差分値の絶対値とを比較することにより当該判定が可能である。たとえば、図１１においては、検出器出力の差分値ｄ５３の絶対値は、小さいため半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップが発生する可能性は低いが、検出器出力の差分値ｄ５６の絶対値は大きいため半導体レーザチップによるモードホップが発生する可能性が高い状態であると判定することも可能である。

ただし、モードホップが発生し、波長の上限波長および下限波長の２つの波長の光が同時に発振している使用不可領域では、従来例の図２２で示したような干渉縞の強度パターン波形になる。この場合、図９においては、光検出器の受光素子８ａの位置が波長λ４１と波長λ４２とが交差する付近に位置するため、差分値は０付近となり、使用可能領域の中間値である０付近と区別ができなくなる可能性がある。

しかしながら、図８でも示されるように、光検出器の出力は波長の上限波長あるいは下限波長領域と上限波長および下限波長の間の中間領域とでは大きく異なる。具体的には、上限波長あるいは下限波長の領域においては、光検出器の出力は０．５に近づくことになる。一方、上限波長および下限波長の間の中間領域においては、光検出器の出力は０．５よりも大きい値となっている。

したがって、差分値の０付近に対して、さらに光検出器の出力値を用いることで、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域である使用不可領域か、上限波長あるいは下限波長の間の中間付近である使用可能領域かを判別することができる。例えば、光検出器の出力値が０．７５以上であるか否かに基づいて半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域である使用不可領域か、使用可能領域かを判別することが可能である。

そして、上記判別に基づいて、仮に使用不可領域あるいはそれに近い状態である場合には、発振モード判定回路９は、レーザ制御回路１０に対して、判定結果を出力する。レーザ制御回路１０は、発振モード判定回路からの判定結果に基づいて、波長可変レーザ光源１の半導体レーザの駆動電流を調整する。

具体的には、半導体レーザの駆動電流（レーザパワー）を所定の値だけ変化させて、これらの波長の光が混在するモード、すなわち使用不可領域を回避して、ホログラム記録再生に利用する。

なお、本例においては、光検出器の受光素子８ａを例えば波長変化の上限の波長λ４２と下限の波長λ４１の中間である波長λ４４のときの干渉縞のピークの部分の位置Ｐに位置するように配置させた場合について説明したが、特にこの位置に限定されるものではなく、任意の位置に配置することが可能である。波長変化の上限の波長λ４２と下限の波長λ４１の位相パターンは略反転した特性を有しているため任意の位置に置いた場合においても、光検出器の受光素子８ａの出力の差分値は、上限波長あるいは下限波長付近、すなわち半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップ領域に近づくにつれて差分値の絶対値が大きくなる。あるいは差分値が０付近となる。したがって、上述の方式に基づいて使用不可領域か、使用可能領域かを判別することが可能である。

次に、駆動電流の増減値(可変ステップ)ΔＤｍと差分値の関係について説明する。
可変ステップの値を波長の上限と下限の範囲に対して、分割数を小さくするに従って波長変化に対する差分値の感度は高くなる。

図１２は、波長の上限および下限の範囲に対して、８分割または１６分割した量を可変ステップとした場合の波長変化に従う差分値を説明する図である。

分割数を小さく（可変ステップを大きく）すれば感度は高くなるが、評価範囲（単調減少範囲）が小さくなるので、１／８から１／１６ステップ程度が適切な範囲と考えられる。

次に、本発明の実施の形態で用いるウェッジプリズム５５の角度αがずれた場合について説明する。上述したように、ウェッジプリズムの角度αが所定値より大きくなったり、小さくなると、図５または図９で示す検出器上の干渉縞のピッチが小さくなったり、大きくなったりすることになる。したがって、従来の方式で説明された如く、干渉縞のピッチに合せて２分割ディテクタの距離を設定していると、差分値の感度が大きく変化し、正常な曲線が得られなくなる可能性がある。

しかしながら、本発明の実施の形態に従う方式においては、駆動電流値（レーザパワー）を微小量変化させて、干渉縞の強度パターン変化を検出するため、ウェッジプリズムの角度ずれ（すなわち初期の干渉縞ピッチずれ）には影響を受けることはない。

したがって、量産時にウェッジプリズムの角度に大きな製造公差があった場合でも、基本的に波長の上限および下限の波長差をもとに電流の可変ステップを決定しているので、受光素子面上での干渉縞ピッチに対しては許容量が大きい。

なお、上記の実施形態においては、評価する発振波長に対して、ΔＤｍだけ増加および減少させることによりある程度マージンを確保した２点間の出力差から発振モード状態を判別する方式について説明したが、発振波長の出力とΔＤｍだけ増加あるいは減少させた一方の発振波長の出力との出力差から判別する方式とすることも可能である。また、２ステップ以上の電流を変化させ、２点以上の測定値を用いることで、より高精度に発振モード状態を検出することも可能である。

さらに別の方式として、初期段階で、半導体レーザ内のレーザチップによるモードホップが繰り返し発生する可変範囲全体にわたって駆動電流(レーザパワー)を変化させ、図１３に示されるように駆動電流（レーザパワー）に対する検出器出力の差分値を取得することも可能である。このグラフを用いて任意の電流値(レーザパワー)に制御することも可能である。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に従うホログラム情報処理装置の概略的な構成を説明する図である。 本発明の実施の形態に従う記録再生用の波長制御システムの構成図である。 外部共振器型半導体レーザである波長可変レーザ光源１から出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を説明する図である。 図３の状態Ｐ〜Ｒにおける波長スペクトラムを説明する図である。 厚さｄ及び角度αを所定の値に設定した場合のウェッジプリズム１５により反射された光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。 光検出器の受光素子で検出される出力値を説明する図である。 図６に対して横軸を波長から半導体レーザ内に流れる駆動電流及びレーザパワーに変換して説明する図である。 駆動電流の変化に対して周期的に変化するレーザ光の波長変化を説明する図である。 駆動電流を微小範囲変化させた場合の干渉縞の強度パターン波形の移動を説明する図である。 波長変化に従う検出器出力を説明する図である。 図１０で示される検出器出力に基づいて計算された波長変化に従う差分値を説明する図である。 波長の上限および下限の範囲に対して、８分割または１６分割した量を可変ステップとした場合の波長変化に従う差分値を説明する図である。 駆動電流（レーザパワー）に対する検出器出力の差分値を説明する図である。 リトロー型と呼ばれる外部共振器型半導体レーザ１について説明する図である。 図１４で説明した外部共振器型半導体レーザから出力されるレーザ光のレーザパワーと波長との関係を説明する図である。 ウェッジプリズム７にレーザ光が入射された様子を説明する図である。 ｚ軸方向に沿ってウェッジプリズム７が配置されている場合を横から見た図である。 光検出器８の受光面上での干渉縞のパターン２５の一例を示す図である。 厚さｄ及び角度αをある値に設定した場合のウェッジプリズム７により反射された光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。 厚さｄを所定の値に選択した場合のウェッジプリズム７により反射された別の光の干渉縞の強度パターンを説明する図である。 波長λＡ〜λＢまで波長が変化した場合の強度パターン波形を説明する図である。 波長λＡ付近の波長の光と波長λＢ付近の波長の光とが混在した場合を説明する図である。 波長変化に対する差分値を説明する図である。

符号の説明

１ 波長可変レーザ光源、２ 半導体レーザ、３ コリメータレンズ、４ 回折格子、５ 回転機構、６ 第３のビームスプリッタ、７ ウェッジプリズム、８ 光検出器、９ 発振モード判定回路、１０ レーザ制御回路、１１ レーザ調整部、６２ 第１のビームスプリッタ、６３ 第１の反射ミラー、６４ 空間光変調器、６５ 第１のリレーレンズ、６６ 第２の反射ミラー、６７ 第２のビームスプリッタ、６８ 第２のリレーレンズ、６９ 対物レンズ、７０ 撮像素子、６１ 第３の反射ミラー、７２ 第１のガルバノミラー、７３ レンズ系、７４ 第２のガルバノミラー。

Claims (6)

1. 外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を受光して、干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出する光反射手段と、
   前記光反射手段により射出された反射光の光強度を検出する光検出手段と、
   前記外部共振器型半導体レーザの駆動電流を所定の値だけ増加または減少させた場合のその前後での前記光検出手段で検出される光強度に基づく光検出信号の差分値と所定のしきい値との比較に基づいて、前記外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する判定手段とを備える、発振モード判定装置。
2. 前記判定手段は、前記光検出信号の差分値および前記光検出信号の信号レベルに基づいて、前記外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する、請求項１に記載の発振モード判定装置。
3. 前記光検出手段は、単一の受光素子で構成される、請求項１に記載の発振モード判定装置。
4. 前記光反射手段は、ウェッジプリズムを含む、請求項１に記載の発振モード判定装置。
5. 前記外部共振器型半導体レーザから出射される前記レーザ光の波長は、前記外部共振器型半導体レーザの駆動電流の変化に従って周期的に変化し、
   前記外部共振器型半導体レーザの駆動電流の増加または減少させる所定の値は、前記外部共振器型半導体レーザの前記レーザ光の周期的に変化する波長範囲の１／８〜１／１６の波長変化に相当する電流値に設定される、請求項１に記載の発振モード判定装置。
6. 外部共振器型半導体レーザと、
   外部共振器型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を受光して、干渉縞の強度パターンを生じさせる反射光を射出する光反射手段と、
   前記光反射手段により射出された反射光の光強度を検出する光検出手段とを備え、
   前記外部共振器型半導体レーザの駆動電流を所定の値だけ増加または減少させた場合のその前後での前記光検出手段で検出される光強度に基づく光検出信号の差分値と所定のしきい値との比較に基づいて、前記外部共振器型半導体レーザの発振状態を判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果に基づいて前記外部共振器型半導体レーザの駆動電流を調整する調整手段とをさらに備える、レーザ光源装置。

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