(57)【要約】  光学パッケージの位置合せを最適化するための方法はレーザのビームスポットを折返し光路に沿って波長変換素子の導波路領域上に導く工程を含む。可調光学コンポーネントの位置を第１の走査軸及び第２の走査軸に関して調節し、よって波長変換素子の導波路領域上の第１及び第２の走査線に沿ってビームスポットを移動させながら波長変換素子の出力強度を測定する。次いで、可調光学コンポーネントの調節された位置に基づいて波長変換素子の出力強度の変化を決定する。次いで、波長変換素子の出力強度が最大化されるように、波長変換素子の出力強度の決定された変化に基づいて可調光コンポーネントを第１の走査軸及び第２の走査軸に関して位置決めする。
2013528297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ、波長変換素子及び、前記レーザと前記波長変換素子の間に折返し光路を形成するように配位された、少なくとも１つの可調光学コンポーネントを備える光学パッケージの位置合せを最適化するための方法において、前記方法が、
前記レーザのビームスポットを、前記ビームスポットが前記波長変換素子の導波路領域上に入射するように、前記可調光学コンポーネントにより前記折返し光路に沿って前記波長変換素子の入力面上に導く工程、
前記波長変換素子の出力強度を測定する工程、
前記可調光学コンポーネントの位置を第１の走査軸に関して調節し、よって前記ビームスポットを前記波長変換素子の前記導波路領域にわたり前記波長変換素子の前記導波路領域上の第１の走査線に沿って移動させる工程、
前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの調節された位置に基づいて前記波長変換素子の出力強度の変化を決定する工程、
前記可調光学コンポーネントの前記位置を第２の走査軸に関して調節し、よって前記ビームスポットを前記波長変換素子の前記導波路領域にわたり第２の走査線に沿って移動させる工程、
前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記調節された位置に基づいて前記波長変換素子の前記出力強度の変化を決定する工程、及び
前記ビームスポットの前記波長変換素子の前記導波路領域との前記位置合わせが最適化され、前記波長変換素子の前記出力強度が最大化されるように、前記波長変換素子の前記出力強度の前記決定された変化に基づいて前記第１の走査軸及び前記第２の走査軸に関して前記可調光学コンポーネントを位置決めし直す工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ビームスポットが前記波長変換素子の前記導波路領域上の前記第１の走査線を第１の方向及び第２の方向に移動するように、前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置が調節される、
前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記調節された位置に基づいて前記波長変換素子の前記出力強度の前記変化を決定する工程が、前記波長変換素子の前記出力強度の増大に対応して前記第１の走査線に沿う方向を決定する工程を含む、
前記ビームスポットが前記波長変換素子の前記導波路領域上の前記第２の走査線を第１の方向及び第２の方向に移動するように、前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置が調節される、及び
前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記調節された位置に基づいて前記波長変換素子の前記出力強度の前記変化を決定する工程が、前記波長変換素子の前記出力強度の増大に対応して前記第２の走査線に沿う方向を決定する工程を含む、
ことを特徴とする請求項１に方法。
【請求項３】
前記ビームスポットが前記第１の走査線または前記第２の走査線に沿って移動している間の前記波長変換素子の前記出力強度の前記変化の符号に基づいて、前記可調光学コンポーネントが前記第１の走査軸及び前記第２の走査軸に関して位置決めし直されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置を調節する工程及び前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置を調節する工程が同時に実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法
【請求項５】
前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置が、前記第１の走査軸に関して前記可調光学コンポーネントを振動させるための第１のディザー信号を前記可調コンポーネントに与えることによって調節される、
前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの前記位置が、先記第２の走査軸に関して前記可調光学コンポーネントを振動させるための第２のディザー信号を前記可調コンポーネントに与えることによって調節される、及び
前記第１のディザー信号の電圧または電流の少なくとも一方の変化に対する前記波長変換素子の前記出力強度の前記変化に基づいて、前記可調光学コンポーネントが前記第１の走査軸に関して位置決めし直され、前記第２のディザー信号の電圧または電流の変化の少なくとも一方に対する前記波長変換素子の前記出力強度の前記変化に基づいて、前記可調光学コンポーネントが前記第２の走査軸に関して位置決めし直される、
ことを特徴とする請求項１に方法。
【請求項６】
半導体レーザ、波長変換素子、レンズアセンブリ、１つ以上の可調光学コンポーネント、光検出器及びコントローラを備える光学システムにおいて、前記波長変換素子が導波路領域及び入力面を有し、前記光検出器がコントローラに接続され、前記波長変換素子の出力強度を測定するために配置され、前記レンズアセンブリ及び前記可調光学コンポーネントが前記半導体レーザと前記波長変換素子の間に折返し光路を形成するように配位され、前記半導体レーザのビームスポットを前記波長変換素子の前記入力面に向けて導くように構成され、前記コントローラが、
第１の走査軸及び第２の走査軸に関して前記可調光学コンポーネントの位置または状態を制御するために前記可調光学コンポーネントと協働する、
前記ビームスポットが第１の走査線に沿って前記波長変換素子の前記導波路領域を移動するように前記第１の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの位置を調節するための第１の信号を前記可調光学コンポーネントに与える、
前記ビームスポットが第２の走査線に沿って前記波長変換素子の前記導波路領域を移動するように前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの位置を調節するための第２の信号を前記可調光学コンポーネントに与える、
前記第１の走査軸及び前記第２の走査軸に関する前記可調光学コンポーネントの調節された位置に基づいて前記波長変換素子の前記出力強度の変化を決定する、及び
前記波長変換素子の前記出力強度が最大化されるように、前記波長変換素子の前記出力強度の前記決定された変化に基づいて、前記可調光学コンポーネントを前記第１の走査軸及び前記第２の走査軸に関して位置決めし直すために前記可調光学コンポーネントと協働する、
ようにプログラムされることを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２０１０年６月１１日に出願された、米国特許出願第１２/８１３６１０号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般に、半導体レーザ、レーザコントローラ、光学パッケージ、及び半導体レーザを組み込んでいるその他の光学システムに関する。さらに詳しくは、本発明は、とりわけ、半導体レーザ及び二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶または別のタイプの波長変換素子を備える、光学パッケージの位置合せを最適化するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
赤外または近赤外の、分布帰還(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザ、またはファブリ-ペロレーザのような、単一波長レーザを、二次高調波発生(ＳＨＧ)結晶のような、光波長変換素子と組み合わせることによって、短波長光源を形成することができる。一般にＳＨＧ結晶は基本レーザ信号の高次高調波を発生するために用いられる。そうするためには、レーザ発振波長が波長変換ＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調されることが好ましく、レーザの出力が波長変換結晶の入力面の導波路領域と位置合せされることが好ましい。
【０００４】
ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)結晶のような、代表的なＳＨＧ結晶の導波路光モードフィールド径は数μｍの範囲内にあり得る。この結果、本発明の発明者等は、レーザダイオードからのビームをＳＨＧ結晶の導波路と適切に位置合せすることは非常に達成困難な課題になり得ることを認識した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、長波長源(例えば近赤外レーザダイオード)から短波長光(例えば緑色レーザ光)を発生させるためにレーザダイオードをＳＨＧ結晶またはその他のタイプの波長変換素子とともに利用する光学パッケージ内においてコンポーネントを位置合せするための方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態にしたがえば、レーザ、波長変換素子及び、レーザと波長変換素子の間に折返し光路を形成するように配位された、少なくとも１つの可調光学コンポーネントを備える光学パッケージを位置合せするための方法は、レーザのビームを、ビームが波長変換素子の導波路領域に入射するように、折返し光路に沿って波長変換素子の入力面上に導く工程を含む。一実施形態において、可調光学コンポーネントは、レーザのビームスポットを波長変換素子の入力面上に向けるための、レンズアセンブリとともに用いられる可調微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)を備えることができる。次いで、可調光学コンポーネントの位置を第１の走査軸に関して調節し、よってビームを波長変換素子の導波路上の第１の走査線に沿ってビームを移動させながら、波長変換素子の出力強度を測定する。次いで、第１の走査軸に関する可調コンポーネントの調節された位置に基づいて、波長変換素子の出力強度の変化を決定する。次いで、可調光学コンポーネントを第２の走査軸に関して調節し、よって波長変換素子の導波路領域上の第２の走査線に沿ってビームを移動させる。次いで、第２の走査軸に関する可調光学コンポーネントの調節された位置に基づいて、波長変換素子の出力強度の変化を決定する。次いで、波長変換素子の出力強度の決定された変化に基づいて、波長変換素子の出力強度を最大化するように、第１の走査軸上及び第２の走査軸上の可調光学コンポーネントの位置を定める。
【０００７】
本発明の別の態様にしたがえば、光学システムは、半導体レーザ、波長変換素子、レンズアセンブリ、１つ以上の可調光学コンポーネント、光検出器及びコントローラを備える。波長変換素子は導波路領域及び入力面を有する。光検出器はコントローラに接続され、波長変換素子の出力強度を測定するために配置される。レンズアセンブリ及び可調光学コンポーネントはレーザのビームを波長変換素子の入力面に向けて導くように構成される。コントローラは、レーザのビームスポットを波長変換素子の導波路領域上に配置できるように、第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネントの位置を制御するためにプログラムされる。コントローラは、ビームが第１の走査線に沿って波長変換素子の導波路領域を移動するように第１の走査軸に関して可調光学素子の位置を調節するための第１の信号を可調光学コンポーネントに与える、ビームが第２の走査線に沿って波長変換素子の導波路領域上を移動するように第２の走査軸に関して可調光学素子の位置を調節するための第２の信号を可調光学コンポーネントに与える、第１の走査軸及び第２の走査軸に関する可調光学コンポーネントの調節された位置に基づいて波長変換素子の出力強度の変化を決定する、及び波長変換素子の出力強度の決定された変化に基づいて波長変換素子の強度を最大化するように第１の走査軸上及び第２の走査軸上の可調光学コンポーネントを位置決めし直すために可調光学コンポーネントと協働する、ように構成することもできる。
【０００８】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、または以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示しており、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
【０００９】
本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、以下の図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の一実施形態にしたがうＭＥＭＳミラー作動型光学位置合せパッケージの略図である。
【図２】図２は波長変換素子の入力面に入射するビームの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
初めに図１を参照すれば、本発明の特定の実施形態の概念が組み込まれ得る光学パッケージの様々なタイプの一般的構造は、容易に入手できる周波数変換型または波長変換型の半導体レーザ源の設計及び作成に関する技術文献に教示されてはいるが、本発明の特定の実施形態の概念は、例えば、(図１に‘λ’と記される)半導体レーザ１０及び(図１に‘２ν’と記される)波長変換素子２０を有する、光学パッケージを全般的に参照して簡便に示すことができる。図１に示される構成において、半導体レーザ１０によって発せられる近赤外光は１つ以上の可調光学コンポーネント３０及びレンズアセンブリ３５により波長変換素子２０の導波路領域に結合され、レンズアセンブリ３５は単体構成または複コンポーネント構成の１つ以上の光学素子を含むことができる。図１に示される光学パッケージは、様々な長波長半導体レーザからの様々な短波長レーザビームの発生に特に有用であり、例えばレーザビーム投影システムにおける可視レーザ源として、用いることができる。
【００１２】
半導体レーザ１０によって発せられる出力ビームの波長変換素子２０の導波路領域への集束は困難であることが多いから、可調光学コンポーネント３０は特に有用である。例えば、ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)結晶のような代表的なＳＨＧ結晶の導波路光モードフィールド径は数μｍの範囲にあり得る。図１及び２を一括して参照すれば、レンズアセンブリ３５は可調光学コンポーネントと協働して波長変換素子２０の２２上に同等の径のビームスポット１５を形成する。可調光学コンポーネント３０は、可調光学コンポーネントの駆動機構を調節することによってビーム角偏位を導入するように構成され、したがって、波長変換素子３０の入力面２２上のビームスポット１５の位置を、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４と位置合せされるまで、変えることによってビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域２４と能動的に位置合せするために用いることができる。
【００１３】
一実施形態において、ビーム位置合せは、例えば波長変換素子２０の光路にビームスプリッタ４０及び光検出器５０を備えることによって、モニタすることができる。光検出器５０は(図１に‘μｃ’と記される)マイクロコントローラまたはコントローラ６０に、光検出器５０からの出力がコントローラ６０で受け取られるように、動作可能な態様で接続される。コントローラ６０は可調光学コンポーネント３０の駆動機構を調節することで可調光学コンポーネント３０の位置または状態を制御し、したがって、波長変換素子２０の入力面２２上に半導体レーザ１０の出力ビームの位置を制御するように構成することができる。一実施形態において、コントローラ６０は可調光学コンポーネント３０の位置または状態を光検出器５０から受け取られる出力信号の関数として制御するために用いることができる。別の実施形態において、コントローラ６０は、半導体レーザ１０のビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４と位置合せされるように、位置合せルーチンを実施するために用いることができる。
【００１４】
図１に簡略に示される可調光学コンポーネントは様々な従来のまたはこれから開発されるはずの形態をとることができる。一実施形態において、可調光学コンポーネントは、ビームスポット１５の位置が波長変換素子２０の入力面２２上で変わり得るようにミラーの角方位を２軸上で調節できるように駆動機構に動作可能な態様で結合されたミラーであると考えられる。別の実施形態において、可調光学コンポーネント３０の駆動機構は、ミラーの角方位を少なくとも２軸で調節できるようにミラーに動作可能な態様で結合された、１つ以上の可動微小光-電気機械システム(ＭＯＥＭＳ)または可動微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)を含むことができると考えられる。ＭＥＭＳデバイスまたはＭＯＥＭＳデバイスは波長変換素子２０の入力面２２上のビームスポット１５の位置を変えるように構成及び配置することができる。ミラーは光学システムにコリメートされているかまたはほぼコリメートされているビーム空間内に配置されるから、ミラー角の調節の結果、波長変換素子の入力面における再集束ビームスポットのｘ/ｙ位置に変化が生じるであろう。ＭＥＭＳデバイスまたはＭＯＥＭＳデバイスの使用により、再集束ビームスポット位置の調節を広い範囲にわたって極めて迅速に行うことが可能になる。例えば、機械的振れが±１°のＭＥＭＳミラーは、焦点距離が３ｍｍのレンズとともに用いられると、ビームスポットの波長変換素子の入力面上での±１００μｍの角変位を可能にし得る。ビームスポットの調節は、ＭＥＭＳデバイスまたはＭＯＥＭＳデバイスの高速応答時間により、１００Ｈｚから１０ｋＨｚのオーダーの周波数で行うことができる。あるいはまたはさらに、可調光学コンポーネント３０は、ビーム走査及び／またはビーム収束のために構成された、１つ以上の液体レンズを含むことができる。さらにまた、可調光学コンポーネント３０は、マイクロアクチュエータに取り付けられた、１つ以上のミラー及び／またはレンズを含むことができると考えられる。考えられる実施形態の１つにおいて、可調光学コンポーネント３０はレンズアセンブリ３５内の可動レンズまたは可調レンズの形態をとり、別の実施形態において、可調光学コンポーネント３０は固定ミラーの形態をとる。
【００１５】
１に示される光学構成において、可調光学コンポーネント３０は、比較的コンパクトな折返し光路系に組み込まれた微小光-電気機械ミラーである。図示される構成において、可調光学コンポーネント３０は光路を折り返し、よって光路が、初めにコリメートされているかまたはほぼコリメートされているビームとしてレンズアセンブリ３５を通過して可調光学コンポーネント３０に到達し、続いて同じレンズアセンブリを通過して波長変換素子３０上に集束されるように、構成される。このタイプの光学構成は、半導体レーザによって発生されるレーザビームの断面寸法が波長変換素子２０の入力面上の導波路の寸法に近い波長変換型レーザ源に特に適用可能であり、この場合、１に近い倍率によって波長変換素子２０の入力面上へのビームスポットの集束における最適結合が得られるであろう。本発明を定め、説明する目的のため、本明細書における「コリメートされているかまたはほぼコリメートされている」ビームへの言及は、ビームの発散度または収斂度が減じられ、ビームを一層コリメートされた状態に向ける、いかなるビーム構成も包含することが目的とされている。
【００１６】
レンズアセンブリ３５は、発散するレーザの光出力をコリメートし、パッケージの光路に沿って伝搬しているレーザ光を波長変換素子の導波路領域に再集束させるから、コリメーション及び集束の、二重機能光学コンポーネントとして説明することができる。この二重機能光学コンポーネントは、単一のレンズアセンブリ３５がコリメーション及び集束のいずれにも用いられるから、１に近い倍率を必要とする用途に十分に適している。さらに詳しくは、図１に示されるように、半導体レーザ１０からのレーザ光出力は、順次に、レンズアセンブリ３５の第１の面３２で屈折され、レンズアセンブリ３５の第２の面３１で屈折されて、可調光学コンポーネント３０によってレンズアセンブリ３５の方向に反射される。レーザ光が反射されてレンズアセンブリ３５の方向に戻されると、レーザ光は初めにレンズアセンブリ３５の第２の面３１で屈折され、続いてレンズアセンブリ３５の第１の面３２で屈折されて、波長変換素子２０の入力面上に集束される。
【００１７】
本発明の特定の実施形態において、可調光学コンポーネント３０は、波長変換素子２０の入力面２２上に入射する主光線が光学パッケージの出力における主光線とほぼ平行であることを保証するため、レンズアセンブリ３５の像焦点の十分近くに置かれる。図１に示される構成は収差に関してもいくつかの利点を提供することも示すことができる。実際、半導体レーザ１０の出力面と波長変換素子２０の入力面がレンズアセンブリ３５の物焦平面とほぼ位置を合わせて配置され、半導体レーザ１０の出力導波路と波長変換素子２０の入力導波路がレンズアセンブリ３５の光軸に対して対称である場合、コマ収差のような、反対称軸外色収差は自動的に補正され得ると考えられる。
【００１８】
ここで図１及び２を参照すれば、一実施形態において、半導体レーザ１０のビームスポット１５と波長変換素子２０の導波路領域２４との位置合せを最適化する方法は、半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域２４上に位置合せする工程を含む。次いで波長変換素子２０の導波路領域２４上のビームスポットの位置を、波長変換素子２０の出力強度の変化を決定するため、波長変換素子２０の出力強度をモニタしながら調節する。次いで可調光学コンポーネント３０を、波長変換素子２０の出力強度を最大化するように、波長変換素子２０の出力強度の変化に基づいて位置決めし直す。
【００１９】
本明細書に論じられるように、波長変換素子２０の出力強度は波長変換素子２０の出力の近くにビームススプリッタ４０及び光センサ５０を配置することによってモニタすることができる。一実施形態において、光センサ６０は波長変換素子２０を介して結合される電磁放射の強度を測定するように構成されたフォトダイオードとすることができる。電磁放射には、半導体レーザ１０から発せられる赤外光のような赤外光、または波長変換素子２０から発せられる緑色光のような可視光を含めることができる。
【００２０】
ビームスポット１５の波長変換素子２０の導波路領域２４との位置合せを最適化するため、初めに、半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の入力面２２上に集束させる。これは、波長変換素子２０の入力面２２と半導体レーザ１０の出力面がレンズアセンブリ３５の焦平面と実質的に共平面にあるように、波長変換素子２０及び半導体レーザ１０に対してレンズアセンブリ３５を位置決めすることによって達成することができる。
【００２１】
次いで、ビームスポット１５を、波長変換素子２０の導波路領域２４と粗く位置合せする。これは、名称を「光学パッケージを位置合せするための方法及びシステム(Methods And Systems For Aligning Optical Packaging)」とする、米国特許出願第１２/０７２３８６号の明細書に開示される位置合せ手法を含むが、これには限定されない、ビームスポットの波長変換素子２０の導波路領域との位置合せを達成するための多くの手法を用いることで達成することができる。この明細書は本明細書に参照として含められる。
【００２２】
ビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域２４と粗く位置合せすることで、波長変換素子２０の導波路領域２４上のビームスポット１５の位置を位置の変化の結果としての波長変換素子２０の出力強度の変化ビームをモニタしながら調節することによって位置合せを最適化することができる。スポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４と粗く位置合せされているときの可調光学コンポーネント３０の位置は位置合せを最適化する目的のための可調光学コンポーネントの出発位置または初期位置である。図１及び２を参照すれば、波長変換素子２０の導波路領域２４上のビームスポット１５の位置は、可調光学コンポーネント３０を第１の走査軸に関して回転させる場合のように、可調光学コンポーネント３０の位置を調節することによって変えることができる。図１に示される実施形態において、第１の走査軸は、可調光学コンポーネント３０を通って垂直に延び、ｙ軸に概ね平行な軸に対応する。第１の走査軸に関する可調光学コンポーネント３０の回転は、第１の走査線Ａ１の少なくとも一部に沿う、波長変換素子３０の入力面にかけてのビームスポット１５の移動を生じさせる。図２に示される実施形態において、第１の走査線Ａ１は図に示される座標系のｘ軸に概ね平行な直線である。一実施形態において、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が第１の走査線Ａ１の少なくとも一部を一方向に移動するように、第１の走査軸に関して一方向に回転させられる。別の実施形態において、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が第１の走査線Ａ１の少なくとも一部を両方向(ｘ軸に沿う正方向及び負方向)に移動するように、第１の走査軸に関して二方向に回転させられる。これを達成するため、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が初めに一方向に走査され、次いで第２の方向に走査されるように、第１の走査軸に関して回転させられる。可調光学コンポーネント３０の位置の調節は、コントローラ６０によって可調光学コンポーネント３０に与えられる電気信号により、コントローラ６０の制御の下で実施することができる。
【００２３】
可調光学コンポーネント３０の位置が調節されている間、波長変換素子２０の出力強度が、出力強度に対応する信号をコントローラ６０に与える光センサ５０によって測定される。光センサ５０から受け取られる信号に基づいて、コントローラ６０はビームスポット１５が第１の走査線Ａ１上を移動している間の波長変換素子２０の出力強度の変化を決定する。決定された出力強度変化は出力強度変化の大きさを、また出力強度の増減に対応する変化の符号(＋/−)も、含むことができる。一実施形態において、ビームスポット１５が第１の走査線Ａ１に沿って二方向に走査されるように可調光学コンポーネント３０が回転させられる場合、コントローラは第１の走査線に沿うそれぞれの方向に対して波長変換素子２０の出力強度の変化を決定することができる。別の実施形態において、コントローラは出力強度変化及び可調光学コンポーネント３０の対応する調節された位置を、動作可能な態様でコントローラに付帯する、メモリ(図示せず)に記録することができる。
【００２４】
波長変換素子２０の導波路領域２４に沿う第２の走査線Ａ２に沿って出力強度の変化を決定するために、同様の手順を実施することができる。第２の走査線Ａ２は第１の走査線Ａ１に概ね垂直である。したがって、第２の走査線Ａ２に沿ってビームスポット１５を移動させるため、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４にかけて第２の走査線上を移動するように、可調光学コンポーネント３０の位置が第２の走査軸に関して調節される。図１に示される実施形態において、第２の走査軸は、図示される座標系のｘ軸に概ね平行な、可調光学コンポーネント３０を通過する軸である。第２の走査軸に関する可調光学コンポーネント３０の調節を容易にするため、コントローラ６０は可調光学コンポーネント３０を第２の走査軸に関して回転させる電気信号を可調光学コンポーネント３０に与えることができる。一実施形態において、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が第２の走査線Ａ２の少なくとも一部を一方向に移動するように、第２の走査軸に関して一方向に回転させられる。別の実施形態において、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が第２の走査線Ａ２の少なくとも一部を両方向(ｙ軸に沿う正方向及び負方向)に移動するように、第２の走査軸に関して二方向に回転させられる。これを達成するため、可調光学コンポーネント３０は、ビームスポット１５が初めに一方向に走査され、次いで第２の方向に走査されるように、第２の走査軸に関して回転させられる。
【００２５】
可調光学コンポーネント３０の位置が第２の走査軸に関して調節されている間、波長変換素子２０の出力強度が、出力強度に対応する信号をコントローラ６０に与える光センサ５０によって測定される。光センサ５０から受け取られる信号に基づいて、ビームスポット１５が第２の走査線Ａ２上を移動している間の波長変換素子２０の出力強度の変化をコントローラ６０が決定する。決定された出力強度変化は出力強度変化の大きさを、また出力強度の増減に対応する変化の符号(＋/−)も、含むことができる。一実施形態においてビームスポット１５が第２の走査線Ａ２に沿って二方向に走査されるように可調光学コンポーネント３０が回転させられる場合、コントローラは第２の走査線に沿うそれぞれの方向に対して波長変換素子２０の出力強度の変化を決定することができる。別の実施形態において、コントローラは出力強度変化及び可調光学コンポーネント３０の対応する調節された位置を、動作可能な態様でコントローラに付帯するメモリに記録することができる。
【００２６】
第１の走査軸に沿う可調光学コンポーネント３０の位置の調節及び第２の走査軸に沿う可調光学コンポーネント３０の調節は同時に行うことができ、コントローラは第１の走査軸及び第２の走査軸のいずれに関しても可調光学コンポーネント３０の調節された位置に基づいて出力強度の変化を決定することができる。
【００２７】
別の実施形態において、第１の走査軸及び第２の走査軸に関する可調光学コンポーネント３０の位置は、可調光学コンポーネント３０にディザー信号を与えて可調光学コンポーネント３０を第１の走査軸及び／または第２の走査軸に関して振動させることによって調節することができる。例えば、可調光学コンポーネント３０がＭＥＭＳミラーを備えていれば、コントローラはＭＥＭＳミラーに第１のディザー信号を与え、よってＭＥＭＳミラーを第１の走査軸に関して振動させ、続いて、ビームスポット１５に波長変換素子２０の導波路領域２４にわたり第１の走査線Ａ１に沿って両方向に走査させることができる。一実施形態において、可調光学コンポーネント３０は可調光学コンポーネント３０のほぼ共振周波数で振動させることができる。ディザー信号は、信号の電圧または電流が指定された時間にわたり振動する電気信号とすることができる。適宜に、ディザー信号は、正弦波信号、方形波信号、鋸歯状波信号等とすることができる。第２のディザー信号を可調光学コンポーネント３０に与えて可調光学コンポーネント３０を第２の走査軸に関して振動させ、続いて、ビームスポット１５に波長変換素子２０の導波路領域２４上を第２の走査線Ａ２に沿って走査させることができる。
【００２８】
一実施形態において、可調光学コンポーネントがＭＥＭＳデバイスである場合、可調光学コンポーネントに与えられるディザー信号は、技術上既知であり、ビー・キャグディサー(B. Cagdaser)及びビー・イー・ボサー(B. E. Boser)の文献，「共振駆動：単ＭＥＭＳキャパシタ及び低電圧エレクトロニクスを用いる検知及び高電圧静電駆動(Resonant drive: sense and high voltage electrostatic drive using single MEMS capacitor and low voltage electronics)」，Micro Electro Mechanical System，２００５年，MEMS 2005 18th IEEE International Conference，２００５年１月３０日〜２月３日，ｐ.１４２〜１４６、に開示されているように、ＬＣ共振タンク回路によってつくることができる。この文献は本明細書に参照として含められる。ＬＣ共振タンク回路(図示せず)は、コントローラ６０が可調光学コンポーネント３０のディザー信号を選択的に与えて可調光学コンポーネント３０を第１の走査軸及び第２の走査軸に関して振動させるように、コントローラ６０に動作可能な態様で付帯することができる。ＬＣ共振タンク回路の使用により、比較的可小振幅の入力電圧しか必要とせずに可調光学コンポーネント３０の位置の大規模な変化が可能になる。したがって、ＬＣ共振タンク回路の使用により回路の入力に小さな電圧変化しか必要とせずに可調光学コンポーネント３０の位置を大きく調節することが容易になる。これは、可調光学コンポーネントが、比較的大きな電圧(ほぼ１００Ｖ)がデバイスの作動に必要になり得る静電型ＭＥＭＳデバイスである場合に特に有用である。ＬＣ共振タンク回路はディザー信号をＭＥＭＳデバイスに与えるための実施形態の一例を提供するが可調光学コンポーネントにディザー信号を与えるために他の回路を用い得ることは当然である。
【００２９】
一実施形態において、第１のディザー信号及び第２のディザー信号が第１の走査軸及び第２の走査軸に関する可調光学コンポーネント３０の位置を調節するために用いられる場合に、波長変換素子２０の出力強度を光センサ５０で測定することができ、コントローラ６０に動作可能な態様で付帯するメモリに光センサの出力信号を、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４上を走査している間の時間の関数として、格納することができる。
【００３０】
一実施形態において、可調光学コンポーネント３０の位置が、ビームスポットが第１の走査線Ａ１または第２の走査線Ａ１２に沿って単方向に走査されるように第１の走査軸または第２の走査軸に関して調節される場合、コントローラは波長変換素子２０の出力強度の決定された変化に基づき、第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネント３０を位置決めし直す。例えば、可調光学コンポーネント３０の特定の調節された位置に対する波長変換素子２０の出力強度の決定された変化が正であれば、コントローラは出力強度の増大をもたらした調節された位置に可調光学コンポーネント３０を位置決めし直す。しかし、出力強度の変化が負であれば、コントローラは適切な走査軸に沿う光学コンポーネントの位置の調節プロセスを反復することができ、このときは、出力強度の負の変化を生じた方向とは逆の方向にだけ可調光学コンポーネント３０を回転させる。第２の調節された位置も出力強度に負の変化をもたらせば、可調光学コンポーネント３０の走査軸上の初期位置が最適位置であり、位置決めし直しは必要ではない。第２の調節された位置が出力強度に正の変化を生じさせれば、可調光学コンポーネント３０は第２の調節された位置に位置決めし直される。いずれの場合にも、波長変換素子２０の出力強度の変化がゼロであれば、可調光学コンポーネント３０は初期位置に維持される。
【００３１】
別の実施形態において、ビームスポットが第１の走査線Ａ１または第２の走査線Ａ２に沿って両方向に走査されるように、可調光学コンポーネント３０の位置が第１の走査軸または第２の走査軸に関して調節される場合、コントローラは走査線に沿うそれぞれの方向について出力強度の決定された変化を比較し、波長変換素子２０の出力強度の増大に対応する調節された位置に、可調光学コンポーネント３０を走査軸に関して位置決めし直す。いずれの方向も出力強度の増大をもたらさなければ(例えば、波長変換素子２０の出力強度の変化が走査線に沿ういずれの方向においても負の場合)、可調光学コンポーネント３０の初期位置が波長変換素子２０について最大出力強度をもたらし、位置決めし直しは必要ではない。同様に、出力強度の決定された変化がゼロであれば(例えば、可調光学コンポーネント３０の位置決めし直しによる波長変換素子２０の出力強度の増減がない場合)、可調光学コンポーネント３０は初期位置に維持される。
【００３２】
別の実施形態において、可調光学コンポーネント３０の位置を調節するために第１及び第２のディザー信号が用いられる場合、コントローラ６０は、光センサ５０の出力信号を第１のディザー信号及び／または第２のディザー信号と比較し、これにしたがって第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネント３０を位置決めし直すことによって、波長変換素子２０の導波路領域２４とビームスポット１５の位置合せを最低化することができる。一実施形態において、光センサ５０から集められた信号から決定されるような、波長変換素子２０の出力強度の正の変化は同じ時間区間にわたるディザー信号の電圧及び／または電流の変化と比較される。波長変換素子２０の出力強度が高められるように第１の走査軸及び／または第２の走査軸に関して可調光学コンポーネントを初期位置から位置決めし直すため、電圧及び／または電流の対応する変化が用いられる。別の実施形態において、光センサからの出力信号は同じ時間区間にわたる第１のディザー信号または第２のディザー信号と直接比較される。次いで、光センサの出力信号の位相と第１のディザー信号または第２のディザー信号の位相の差が波長変換素子２０の出力強度が最大化されるように、第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネント３０を位置決めし直すために用いられる。
【００３３】
別の実施形態において、コントローラは、第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネント３０を位置決めし直すため、波長変換素子２０の出力強度の決定された変化を、当業者には明らかであろうように、比例-積分-微分(ＰＩＤ)制御技法とともに用いることができる。
【００３４】
したがって、位置合せを最適化するための方法が、波長変換素子の出力強度を最大化するために半導体レーザのビームスポットが波長変換素子の導波路領域上に位置決めされるように可調光学コンポーネントの位置を調節するため、閉ループ帰還制御を用いて実施され得ることは今では当然である。さらに、波長変換素子の出力強度が最大化されるまで、光学パッケージの位置合せを最適化する方法が感服して実施され得ることは理解されるであろう。
【００３５】
図１及び２に示される座標系に関し、第１の走査線、第２の走査線、第１の走査軸及び第２の走査軸の方位に対して本明細書では特定の基準がつくられているが、本明細書で別途に言明されていない限り、特定の座標系に関するいずれの特定の走査軸の方位に関しても、特定の限定は全く意図されていないことは当然である。しかし、波長変換素子２０の入力面２２に沿う第１の走査線が入力面２２に沿う第２の走査線に対して概ね垂直であろうこと、及び可調光学コンポーネント３０の第１の走査軸が可調光学コンポーネント３０の第２の走査軸に概ね直交するであろうことは当然である。さらに、可調光学コンポーネント３０の第１の走査軸は第１の入力面２２に沿う第１の走査線に概ね直交するであろうし、可調光学コンポーネント３０の第２の走査軸は入力面２２に沿う第２の走査線に概ね直交するであろう。
【００３６】
実施において、本明細書に説明される位置合せ方法は光学パッケージの組立中に半導体レーザのビームの波長変換素子２０の導波路領域との位置合せを最適化するために用いることができる。本明細書に説明される位置合せ方法は、半導体レーザの波長変換素子２０との位置合せが環境条件、熱衝撃、機械的衝撃等によって悪影響を受けた場合のように、光学パッケージの位置合せを維持するかまたは位置合せをし直すために光学パッケージの寿命を通じて用いることもできる。
【００３７】
一実施形態において、本明細書に説明される位置合せ方法は、半導体レーザ１０のビームスポット１５の波長変換素子２０の導波路領域２４との位置合せを最適化するため、光学パッケージの組立中に他の位置合せ手法とともに用いることができる。例として、光学パッケージの組立中、初めに、波長変換素子２０が半導体レーザ１０の上に、半導体レーザ１０の出力面と波長変換素子２０の入力面が実質的に共平面にあるように組み立てられる。次いで、可調光学コンポーネント３０及びレンズアセンブリ３５が波長変換素子２０及び半導体レーザ１０に対して、ｘ/ｙ平面にまたｚ方向に、配置される。可調光学コンポーネント３０及びレンズアセンブリ３５のそれぞれは、それぞれのコンポーネントの中心線が半導体レーザ１０と波長変換素子２０の間の中心線から数１００μｍ内にあるように配置される。
【００３８】
レンズアセンブリ３５の焦点距離がはっきり分かっている場合は、波長変換素子２０の入力面２２と半導体レーザ１０の出力面が実質的にレンズアセンブリ３５の物焦平面にまたはそれと共平面にあるように、レンズアセンブリ３５及び可能光学コンポーネント３０をｚ方向に沿って光学パッケージ内に配置することができる。例えば、一実施形態において、レンズアセンブリ３５の焦点距離は約３ｍｍである。したがって、レンズアセンブリ３５と波長変換素子２０の入力面２２及び半導体レーザ１０の出力面との間隔を約３ｍｍにし得るように、光学パッケージのコンポーネントが配置される。可調光学コンポーネント３０も同様にレンズアセンブリ３５に対して配置される。コンポーネントのそれぞれが光学パッケージ内に適切に配置されると、レンズアセンブリ３５，波長変換素子２０／半導体レーザ１０複合体及び可調光学コンポーネント３０のそれぞれは、次いで、エポキシ樹脂、レーザ溶接あるいは現在知られているかまたは今後開発され得るようなその他の取付手法を用いて光学パッケージ内の所定の場所に永久的に固定される。
【００３９】
光学パッケージのコンポーネントが所定の場所に固定された後、光学パッケージに電力を与えることができ、半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域と粗く位置合せすることができる。一実施形態において、ビームスポット１５は、波長変換素子２０の出力強度をモニタしながら波長変換素子２０の導波路領域２４と粗く位置合せすることができる。次いで、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路領域２４と粗く位置合せされるように、波長変換素子２０の出力強度にしたがってビームスポット１５が位置決めされる。別の実施形態において、ビームスポット１５は、米国特許出願第１２/０７２６８６号明細書に開示される位置合せ方法を用いることで導波路領域２４と概ね位置合せされ得る。
【００４０】
その後、本明細書に開示される光学パッケージの位置合せを最適化する方法は、波長変換素子２０の導波路領域２４に対するビームスポット１５の位置を最適化するため、コントローラによって実施することができる。さらに詳しくは、コントローラ６０は、可調光学コンポーネント３０に信号を与えることで第１の走査軸及び第２の走査軸に関して可調光学コンポーネント３０の位置を調節する工程を実施するように構成することができる。コントローラ６０は、可調光学コンポーネント３０の位置の調節によって生じる波長変換素子２０の導波路領域２４上のビームスポット１５の位置の変化による波長変換素子２０の出力強度の変化に対応する、光センサ５０からの信号を受け取るように構成することもできる。光センサ５０から受け取られる信号を用いて、コントローラ６０は波長変換素子２０の出力が最大化されるように可調光学コンポーネント３０を位置決めし直し、よってビームスポット１５の波長変換素子２０との位置合せを最適化するため、閉ループ帰還制御を実施する。本明細書に説明される位置合せ方法が、光学パッケージの組立中、あるいは光学パッケージ全体が組み立てられて始めて電力が与えられた後及びその後はいつでも、光学パッケージを位置合せするために用いられ得ることがここでは当然である。
【００４１】
別の実施形態において、レンズアセンブリ３５の焦点距離がわかっていない場合は、光学パッケージのそれぞれのコンポーネントを配置して、位置合せを行うときに、ビームスポット１５の波長変換素子２０との位置合せの微調及び最適化を行うために本発明の閉ループ位置合せ方法を用いることができる。例えば、レンズアセンブリ３５の焦点距離が分かっていない場合、レンズアセンブリ３５及び可調光学コンポーネント３０を光学パッケージに挿入し、波長変換素子２０及び半導体レーザ１０と粗く位置合せして配置することができる。この手法において、ｘ/ｙ平面におけるコンポーネントの位置合せは数１００μｍ内であることしか必要ではないが、レンズアセンプリ３５の波長変換素子２０の入力面２２との位置合せはレンズアセンブリ３５の一焦点距離に近くなるべきである。コンポーネントを粗く位置合せしておいて、光学パッケージに電力を供給し、本明細書で上述した位置合せ手法の１つ以上を用いてビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域２４と概ね位置合せする。
【００４２】
次いで、レンズアセンブリ３６と可調光学コンポーネント３０のそれぞれの位置が調節されているから、コントローラ６０がビームスポット１５の波長変換素子２０との位置合せを動的に維持するために本明細書に説明される位置合せ最適化方法を実施している間に、光学パッケージの特性を最適化するため、レンズアセンブリ３５と可調光学コンポーネント３０の位置をｚ方向に調節することができる。光学パッケージのコンポーネントがｚ方向に適切に配位されると、それぞれのコンポーネントは指定の場所に固定される。次いで、コントローラ６１は、波長変換素子２０の出力が最大化されるようにビームスポット１５の導波路領域２４との位置合せを最適化するため、本明細書に説明される位置合せ最適化方法を実施することができる。
【００４３】
また別の実施形態において、ビームスポット１５の波長変換素子２０の導波路領域２４との位置合せを最適化する方法は、ビーム位置合せをチェックするため及び／またはビームスポット１５を導波路領域２４と位置合せし直すため、光パッケージの組立後に定期的に実施することができる。例えば、光学パッケージの寿命を通して、光学パッケージは、ビームスポット１５と波長変換素子２０の導波路領域２４との位置合せに悪影響を与え得る、熱、湿気、振動、機械的衝撃等のような、様々な環境条件及び機械的条件にさらされ得る。ビームスポット１５の波長変換素子２０の導波路町域２４との位置合せをチェックし、必要に応じて、ビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路領域２４と位置合せし直すため、本明細書に説明される方法を定期的に用いることができる。
【００４４】
例えば、レーザを作動させている間、本明細書に説明される位置合せ最適化方法を定期的に用いることができる。一実施形態において、コントローラ６０は、定期的な時間間隔で本発明の位置合せ方法を実施するように構成することができる。別の実施形態において、コントローラ６０は特定のイベントまたは状態が生じた後に位置合せ方法を実施するようにプログラムすることができる。例えば、光学パッケージがレーザ投影装置に用いられる場合、コントローラ６０は画像フレームが表示または投影される毎に１回位置合せ方法を実施するようにプログラムすることができる。
【００４５】
また別の実施形態において、本明細書に説明される位置合せ最適化方法はユーザにより開始され得る。例えば、コントローラ６０に動作可能な態様で接続することができる、ボタン、スイッチ、タッチパッド等を含むユーザインターフェース(図示せず)を備える光学パッケージを構成することができる。コントローラは指定されたユーザ入力をユーザインターフェースから受け取ると位置合せ最適化方法を実施するように構成することができる。したがって、ユーザは、光学パッケージの電源が入れられている限り、いつでも位置合せ最適化方法を開始することができる。
【００４６】
本明細書に説明される方法が半導体レーザのビームの波長変換素子の導波路領域との位置合せの最適化に適することがここでは当然である。本位置合せ方法は、光学パッケージの初期組立中に、または光学パッケージのライフサイクルを通していつでも、ビームの波長変換素子との位置合せを最適するに十分に適する。
【００４７】
本発明の方法は、カラー画像形成レーザ投影システムまたは自動車のヘッドアップディスプレイのようなレーザベースディスプレイに、あるいは光学的位置合せ及び／または波長同調が問題になるいかなるレーザ応用にも、適用可能であり得ると考えられる。さらに、本明細書に論じられる位置合せ方法は、ＤＢＲレーザ、ＤＦＢレーザ、ファブリ−ペロレーザ及び多くのタイプの外部共振器レーザを含むがこれらには限定されない、様々な半導体レーザとともに使用するに有用であると考えられる。
【００４８】
本発明の上記の詳細な説明が特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【００４９】
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような用語は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定することあるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるかまたは肝要であることを意味すると、または重要であることを意味するとさえ、読解されるべきではないことに注意されたい。むしろ、これらの用語は本発明の特定の実施形態に用いられても用いられなくても差し支えない別のまたは追加の特徴を強調することが目的とされているに過ぎない。
【００５０】
本発明を説明し、定める目的のため、用語「実質的に」及び「ほぼ」は、いずれかの定量的な比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る本質的な不確定性の度合いを表すために本明細書に用いられることに注意されたい。用語「実質的に」及び「ほぼ」は、定量的表現がとりあげられている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から変わり得る度合いを表すためにも本明細書に用いられる。
【００５１】
特定の様式で「プログラムされている」か、あるいは特定の特性または機能を具現化するために「構成されている」か、または「プログラムされている」、コンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対するものとしての、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「プログラムされている」または「構成されている」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造の特徴の限定的叙述としてとられるべきである。例えば、特定の態様でレーザビームを向ける(導く)ように「構成されている」レンズアセンブリ及び可調光学コンポーネントへの本明細書における言及は、レンズアセンブリ及び可調光学コンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがってレンズアセンブリ及び可調光学コンポーネントの構造の特徴の限定的叙述であるととられるべきである。
【００５２】
本発明を詳細に、また本発明の特定の実施形態を参照して、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本発明のいくつかの態様は好ましいかまたは特に有利であると本明細書で認別されるが、本発明が本発明のそれらの好ましい態様に限定される必要はないと考えられる。
【符号の説明】
【００５３】
１０    半導体レーザ
１５    ビームスポット
２０    波長変換素子
２２    波長変換素子入力面
２４    波長変換素子導波路領域
３０    可調光学コンポーネント
３１，３２    レンズアセンブリ面
３５    レンズアセンブリ
４０    ビームスプリッタ
５０    光検出器
６０    コントローラ
【図１】
2013528297.tif 000003
【図２】
2013528297.tif 000004
【国際調査報告】
2013528297.tif 000005
2013528297.tif 000006