(57)【要約】  発明の特定の実施形態は全般的に半導体レーザ及びレーザ投影システムに関し、さらに詳しくは、半導体レーザを制御するための方式に関する。発明の一実施形態にしたがえば、利得区画(１６)、位相区画(１４)及び波長選択区画(１２)を有するレーザがコード化データの発光のために構成される。半導体レーザの位相区画(１４)に準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを印加することにより、複数のレーザキャビティモードにかけて発光がシフトされる。準周期信号の振幅は時間の経過にともなってランダムに変化する周波数で最大駆動レベル(Ａ)と最小駆動レベル(Ｂ)の間を周期的に遷移する。
2011527104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光源を備えるレーザ投影システムを制御する方法において、前記可視光源が半導体レーザ及び波長変換素子を備え、前記半導体レーザが利得区画、位相区画及び波長選択区画を有し、前記方法が、
コード化された画像データの発光のために前記半導体レーザを構成することによって走査レーザ画像の少なくとも一部を生成する工程及び複数の画像ピクセルまたはコード化データ周期にわたって前記可視光源の出力ビームを走査する工程、及び
前記半導体レーザの前記位相区画に準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを印加することによって複数のレーザキャビティモードにかけて前記発光をシフトさせる工程、
を含み、
前記準周期信号の振幅が時間の経過にともなってランダムに変化する周波数で最大駆動レベルと最小駆動レベルの間を周期的に遷移する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦが、前記位相区画内のキャリア密度を変えるために前記位相区画に印加される電流信号、前記位相区画内のキャリア密度を変えるために前記位相区画に印加される電圧信号、あるいは電気光学効果または熱効果によって前記位相区画の光学特性を変えるために前記位相区画に印加される信号を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦがモードシフトセグメントとベース位相制御セグメントの間で交互するように、前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦが前記位相区画に印加され、前記モードシフトセグメントの振幅が前記ベース位相制御セグメントの振幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦがモードシフトセグメントとベース位相制御セグメントの間で交互するように、前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦが前記位相区画に印加され、前記位相シフト信号Ｉ/ＶΦが前記モードシフトセグメントと前記ベース位相制御セグメントの間を遷移するときに前記半導体レーザのモード選択を変えるように前記モードシフトセグメント及び前記ベース位相制御セグメントのそれぞれの振幅が選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方法が前記半導体レーザの前記位相区画に少なくとも１つの別の準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを印加することによって複数のレーザキャビティモードにかけて前記発光をシフトさせる工程をさらに含み、
前記別の準周期信号の振幅が時間の経過にともなってランダムに変化する周波数で最大駆動レベルと最小駆動レベルの間を周期的に遷移し、
前記準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦが相異なる振幅プロファイルを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００８年７月３日に出願された、名称を「半導体レーザの位相区画における波長正常化(Wavelength Normalization In Phase Section Of Semiconductor Lasers)」とする、米国特許出願第１２/２１７４２７号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には、半導体レーザ、レーザコントローラ、レーザ投影システム、及び半導体レーザを組み込んでいるその他の光システムに関する。さらに詳しくは、本発明のいくつかの実施形態は半導体レーザにおけるレーザ波長変動を管理するための方式に関する。本発明の別の実施形態は、半導体レーザに光結合された波長変換素子の出力における系統的波長変動を最小限に抑えるための方式、及びレーザ投影システムの走査レーザ画像内の温度変遷サインを崩壊させるための方式に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は全般的には、様々な形式で構成することができる、半導体レーザに関する。例えば、限定ではなく説明として、分布帰還(ＤＦＢ)レーザ、分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザ、縦型キャビティ表面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ)、縦型外部キャビティ表面発光レーザ(ＶＥＣＳＥＬ)またはファブリ−ペロレーザのような、単一波長半導体レーザを、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り、高速変調のための短波長源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば、１０６０ｎｍＤＢＲまたはＤＦＢレーザを、この波長を５３０ｎｍに変換する、ＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調することによって、基本レーザ信号の高次高調波を発生するように構成することができる。しかし、ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ)のような、ＳＨＧ結晶の波長変換効率はレーザダイオードとＳＨＧ素子の間の波長整合に強く依存する。レーザ設計に詳しい技術者には理解されるであろうように、ＤＦＢレーザは、半導体材料にエッチングでつくり込まれた格子または同様の構造を反射媒体として用いる、共振キャビティレーザである。ＤＢＲレーザは、エッチングでつくられた回折格子が半導体レーザの電子ポンピング領域から物理的に隔てられた、レーザである。ＳＨＧ結晶は、非線形結晶の２次高調波発生特性を用いて、レーザ光周波数を２逓倍する。
【０００４】
ＳＨＧのような波長変換器の波長変換効率は、レーザダイオードと波長変換素子の間の波長整合に強く依存する。ＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の帯域幅は非常に狭いことが多い−代表的なＰＰＬＮ ＳＨＧ素子に対し、半値全幅(ＦＷＨＭ)波長変換帯域幅は０.１６〜０.２ｎｍの範囲でしかなく、ほとんど結晶の長さに依存する。レーザキャビティ内のモードホッピング及び無制御の大きな波長変動は動作中にこの許容帯域幅の外への半導体レーザの出力波長のシフトを生じさせ得る。半導体レーザ波長がＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の波長変換帯域幅から外れると、目標波長における変換素子の出力パワーが低下する。レーザ投影システムにおいて、例えば、モードホッピングは、画像の特定の場所における欠陥として容易に見ることができるであろう、パワーの瞬間的変化を生じさせ得るから、特に問題になる。そのような可視欠陥は一般に、生成される像は単にレーザの様々な区画の温度変遷のサインであるから、画像にかけて、組織的なパターン化された画像欠陥として現れる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
半導体レーザ源の開発において波長整合及び安定化に関わる課題を与えられて、本発明の発明者等は、半導体レーザにおけるレーザ波長変動を管理するための有益な方式に気付いた。発明者等は、半導体レーザの好ましくない温度変遷サインを崩壊させることによる、半導体レーザに光結合された波長変換素子の出力における系統的波長変動を管理するための有益な方式にも気付いた。
【０００６】
発明者等は、本発明のアイデアは主としてＤＢＲレーザの文脈において説明されるが、本明細書に論じられる制御方式は、ＤＦＢレーザ、ファブリ−ペロレーザ及び多くのタイプの外部キャビティレーザを含むがこれらには限定されない、様々なタイプの半導体レーザにも有用であろうと考えられることを認識している。本発明の特定の実施形態は、二次高調波発生がレーザ源に利用されるか否かにかかわらず、全般にレーザ源の波長安定化に関することにも注意されたい。
【０００７】
本発明の一実施形態にしたがえば、半導体レーザを組み込んでいるレーザ投影システムを制御する方法及びそのような方法を実行するようにプログラムされたレーザコントローラが提供される。さらに詳しくは、本方法は、走査レーザ画像の少なくとも一部を生成する工程及びレーザの位相区画に準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを印加する工程を含み、準周期信号の振幅は、時間の経過にともないランダムに変化する周波数で、最大駆動レベルと最小駆動レベルの間を周期的に遷移する。
【０００８】
本発明の別の実施形態にしたがえば、レーザ投影システムを制御する方法が提供され、本方法は、画像走査線及びフレームを含む走査レーザ画像の少なくとも一部を生成する工程、複数の波長回復部を含む駆動信号Ｉ利得を半導体レーザの利得区画に印加する工程、及び外部パワーフィードバックループの使用によって波長変換素子の位相整合波長にほぼ等しい半導体レーザの出力ビームの波長を維持する工程を含む。本方法はさらに、半導体レーザの位相区画に複数の準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを印加する工程によって半導体レーザの発光をシフトさせる工程を含み、準周期信号の振幅は互いに独立に、時間の経過にともないランダムに変化する周波数で、最大駆動レベルと最小駆動レベルの間を周期的に遷移する。
【０００９】
本発明のアイデアは主として画像形成の文脈で説明されるが、本発明の様々なアイデアは、レーザ波長の反復し得る低周波変動が問題になるいかなるレーザ用途にも適用可能であり得ると考えられる。
【００１０】
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、添付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】
【００１１】
【図１】図１は、光波長変換素子に光結合されている、ＤＢＲまたは同様のタイプの半導体レーザの略図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態にしたがうレーザ投影システムの略図である。
【図３】図３はＤＢＲレーザにおける発光波長の変遷を利得電流の関数として示す。
【図４】図４はＤＢＲレーザにおける発光波長の変遷を利得電流の関数として示す。
【図５】図５は半導体レーザの好ましくない温度変遷サインを崩壊させるための方式を示す。
【図６】図６は図５に示される方式に用いるための位相シフト信号プロファイルの一例を示す。
【図７】図７は図５に示される方式に用いるための位相シフト信号プロファイルの一例を示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態にしたがう、レーザ波長を制御するための方式を示す。
【図９】図９は図８に示される制御方式の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特定の実施形態のアイデアを組み入れることができる、様々なタイプの半導体レーザの特定の構造は、半導体レーザの設計及び作成に関する容易に入手可能な技術文献に教示されるが、本発明の特定の実施形態のアイデアは、図１に簡略に示される、３区画ＤＢＲ形半導体レーザ１０を全般に参照することで簡便に説明することができる。図１において、ＤＢＲレーザ１０は光波長変換素子２０に光結合されている。半導体レーザ１０によって発せられる光ビームは波長変換素子２０の導波路に、直接結合させることができ、あるいはコリメート及び集束光学系またはその他のタイプの適する光学素子または光学系を通して結合させることができる。波長変換素子２０は入射光を高次高調波に変換し、変換された信号を出力する。このタイプの構成は、長波長半導体レーザからの短波長レーザビームの発生に特に有用であり、例えばレーザ投影システムの用の可視レーザ源として、用いることができる。
【００１３】
レーザ投影システムの文脈において、個々のピクセルで構成される画像走査線にかけて可視光の出力ビームを走査することにより、走査レーザ画像が生成される。それぞれの個別の画像走査線及びピクセルの特徴はそれぞれ、持続時間ｔＬ及びｔＰ、並びに画像走査線生成周波数及び画像ピクセル生成周波数で表される。複数本の画像走査線で画像フレームが構成される。持続時間ｔＦ及び画像フレーム生成周波数を有する、これらの画像フレームは次いで所望の周波数で反復されて、視聴者に見られる走査レーザ画像を形成する。
【００１４】
図１に簡略に示されるＤＢＲレーザ１０は、波長選択区画１２，位相区画１４及び利得区画１６を備える。レーザ１０のＤＢＲ区画とも称することができる、波長選択区画１２は一般に、レーザキャビティの活性領域の外側に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、反射係数が波長に依存するミラーとして格子がはたらくから、波長選択を提供する。ＤＢＲレーザ１０の利得区画１６はレーザの大半の光利得を提供し、位相区画１４は利得区画１６の利得材料と波長選択区画１２の反射性材料の間に可能位相シフトを生じさせる。利得区画１６及び波長選択区画１２はいずれも所望の出力変調パターン(例えば、レーザ投影装置におけるビデオ信号)の関数である。
【００１５】
波長選択区画１２によるように、位相選択はレーザ１０に利得を与えないという意味で受動である。位相区画１４への信号注入の効果はレーザキャビティモードの波長をシフトさせることである。位相区画１４に注入される信号は利得区画１６及び波長選択区画１２に注入される信号とは独立とすることができ、変調一貫性の達成、したがってレーザ投影装置における投影画像品質の向上の達成に役立ち得る。波長選択区画１２は、ブラッグ格子を用いても用いなくても差し支えない、多くの適する代替構成で設けることができる。
【００１６】
レーザマイクロコントローラμがレーザ１０の区画１２，１４及び１６のそれぞれに注入される電流を制御する。注入される電流は、例えば、レーザ区画の内の１つないしさらに多くの温度の制御、レーザ基板に定められた導電性ドープト半導体領域への電流注入、レーザ１０の波長選択区画１２及び位相区画１４の屈折率の制御、レーザの利得区画１６における光利得の制御、等によりレーザの動作特性を変えるために用いることができる。波長選択区画１２及び位相区画１４は、それぞれの半導体接合に電流を注入するか、接合に逆電圧を印加するか、または導波路の近傍に配置されたヒータを用いることによって、アドレスすることができる。
【００１７】
図１に示される波長変換素子２０の波長変換効率は、半導体レーザ１０と波長変換素子２０の間の波長整合に依存する。ＳＨＧ結晶のような、波長変換素子２０で発生される高次高調波光の出力パワーは、レーザ１０の出力波長が波長変換素子２０の波長変換帯域幅から外れると、激烈に低下する。例えば、データを形成するために半導体レーザが変調される場合は、熱負荷が絶えず変動する。この結果レーザ温度及びレーザ発振波長が変化し、ＳＨＧ結晶２０の効率の変動が生じる。１２ｍｍ長ＰＰＬＮ ＳＨＧ素子の形態の波長変換素子２０の場合、波長変換素子２０の０.１６ｎｍの半値全幅(ＦＷＨＭ)波長変換帯域幅の外側に半導体レーザ１０の出力波長を出すには一般に約２℃の半導体レーザ１０の温度変化で十分であろう。有用な信号をつくるためにレーザを変調すると、レーザは高速熱負荷変動を受け、これは高速波長変動を生じさせる。本発明の特定の実施形態はレーザ波長変動を許容レベルに制限することによってこの問題に対処する。
【００１８】
発明者等は、半導体レーザ１０の発光波長が波長ドリフト及び付随するキャビティモードホッピングを普通受けることから、発光波長の安定化が難題であることを認識した。限定ではなく例として、図３はＤＢＲレーザの発光波長の変遷を利得電流の関数として示す。利得電流が大きくなると、利得区画１６の温度も高くなる。例えば、利得区画１６に電流が注入されるから、利得区画１６の活性領域及びクラッド領域が加熱され、この結果、利得区画１６の屈折率が大きくなり、光路長も大きくなり得る。この結果、キャビティモードが長波長側にシフトする。ＤＢＲ区画１２の温度も上昇し、ブラッグ波長及びレーザ発振波長を長波長側にシフトさせる利得−ＤＢＲ熱クロストークを生じさせる。よって、レーザは短波長のキャビティモードがＤＢＲ反射率曲線の最大値に近接するポイントに達する。このポイントにおいて、短波長のキャビティモードは確立されるモードより損失が低くなり、レーザ物理の基本原理にしたがって、レーザは次いで損失が低くなるモードに自動的にジャンプする。この挙動が図３の曲線１００に示される。図３に示されるように、波長は緩やかに長くなり、振幅がレーザキャビティの一自由スペクトル範囲に等しい、急激なモードホッピングがおこる。
【００１９】
半導体レーザ１０と波長変換素子２０の波長変換周波数の間の公称位相整合条件を維持するため、多数の一般的制御方式の内のいずれかを利用することができる。限定ではなく例として、レーザ１０の出力波長を波長変換素子２０の位相整合波長にほぼ等しい波長に維持するために、例えば英国特許第２４３３６４４号明細書及び米国特許第６３２３９９０号明細書に開示されるフィードバック制御システムのような、フィードバックループ制御システムを用いることができる。さらに詳しくは、半導体レーザ１０及び波長変換素子２０に取り付けられた温度センサをフィードバックループ制御システムとともに用いてレーザ１０の温度をモニタし、制御することができる。同様に、ビームスプリッタ及び検出器をフィードバックループ制御システムとともに用いて半導体レーザ１０の出力パワー及び波長をモニタし、制御することもできる。しかし、そのような様々な制御方式をもってしても、まだ生の波長には画像投影にともなう変調中におこるであろう小さな(０.０３〜０.１２ｎｍ)変化がある。そのような小さな波長変動は一般に反復性であり、したがって、望ましくはないが反復性の強度変動として眼に見える。
【００２０】
本発明は波長変動及び急激なモードホッピングのいかなる特定な現出にも限定されないが、レーザ投影システムの文脈において、そのような波長変動は滑らかな強度変動を生じさせ得るし、モードホッピングはレーザ走査によってつくられる画像に比較的急激な強度シフトを生じさせ得る。これらの欠陥によって画像に生じる特定のパターンは、レーザ温度、レーザ自由スペクトル範囲、ＰＰＬＮ結晶スペクトル帯域、ＤＢＲレーザのＰＰＬＮ結晶に対するスペクトル整合、等を含むがこれらには限定されない多くの要因の関数であり得る。欠陥パターンの性質にかかわらず、パターン自体は、容易に認識できる系統的構造を画像内に示すから、画像に問題を生じさせ得る。
【００２１】
以下で詳細に説明されるように、このような性質の画像欠陥は、半導体レーザの位相区画１４への位相シフト信号の印加によって、検出を難しくすることができる。限定ではなく例として、位相信号がランダムに変えられると、いくつかのピクセル、走査線またはフレームが欠陥パターンを有する結果になるであろうが、パターンの性質、すなわちパターン内の暗領域及び明領域の位置がランダムに変化し、眼は画像の全てを時間積分するからいかなる系統的欠陥も検出困難になるであろう。この結果、組織化された系統的画像欠陥は崩壊し、いかなる画像欠陥も人間の眼で認識することがさらに一層困難になる。
【００２２】
図３をさらに参照すれば、かなり異なるＤＢＲレーザの発光挙動を曲線１０１が示す。詳しくは、曲線１００に関して説明したレーザと同じ全般的製造パラメータを有するレーザが、振幅が一レーザ自由スペクトル範囲のモードホッピングを示す代わりに、６自由スペクトル範囲までないしさらに大きい振幅のモードホッピングをレーザが示すであろうという意味で、かなり異なる挙動を示し得る。多くの用途に対し、このような大きく急激な波長変動は許容され得ないであろう。例えば、レーザ投影システムの場合、このような大きなホッピングは公称グレイスケール値からゼロに近い値までの急激な強度ジャンプを画像に生じさせるであろう。発明者等はこの現象をレーザの波長不安定性及びヒステリシスとともに調べて、これらのレーザ発光欠陥が、空間ホールバーニング、スペクトルホールバーニング、利得プロファイル拡大及び自己誘起ブラッグ格子を含む様々な要因の内の１つないしさらに多くに帰因させ得ることに気付いた。これらの要因は、レーザキャビティ内に確立された特定のキャビティモードにレーザ発振をロックするかあるいはより大きなモードホッピングを助長することができると考えられる。実際、モードがいったん確立されると、特定の波長においてキャビティ内部にある光子は、特定のエネルギーレベルにおける電子密度を減耗させることによるかあるいはキャビティ内に自己誘起ブラッグ格子を形成することによって、レーザ自体を妨害するように見える。
【００２３】
図４の曲線１０２は別の特殊なモードホッピング挙動の場合を示す。図示される場合では、発光波長が、外部キャビティ効果と称される現象である、レーザの外側に配置されたコンポーネントに帰因される後方反射を含むため、不安定である。外部キャビティ効果があると、レーザキャビティを妨害し、振幅が非常に大きなモードホッピングをおこすことができる、寄生ファブリ−ペロキャビティが外部反射により生じる。半導体レーザにおける許容できない波長ドリフトの源にかかわらず、本発明の特定の実施形態はレーザの波長変動管理に向けられる。
【００２４】
発明者等は、図３及び４に示される大きな波長変動及び付随するモードホッピング効果がレーザキャビティ内の光子密度に少なくともある程度依存し、有意な外部キャビティ効果がある場合に増幅され得ることを認識した。発明者等は、レーザ発振波長が１モードより大きくジャンプし得ること及びこの多モードジャンプが、完全にまたはある程度、スペクトルホールバーニング及び空間ホールバーニング並びに外部キャビティ効果のような余分のレーザ発振現象に帰因され得ることも認識した。
【００２５】
半導体レーザにおける多モードドリフトの原因にかかわらず、この現象がおこると、レーザ発振波長は通常、キャビティモード間隔の整数倍に等しい異常波長ジャンプを示す。大モードホッピングがおこる前に、レーザは通常、大きな連続波長シフトを示す。大波長ドリフト及び異常波長ジャンプは、レーザ信号に許容できない雑音を生じさせ得る。例えば、一例が図２に簡略に示される、レーザ投影システムにおいてこの現象が系統的におこると、投影画像内の雑音を人間の眼で容易に見ることができるであろう。
【００２６】
発明者等は、半導体レーザの出力及び半導体レーザに結合された波長変換素子の出力に好ましくないパターンを生じさせ得る温度変遷サインを半導体レーザが普通に示すことを認識した。そのような好ましくないパターンは上述したレーザ投影システムの文脈においてかなりの問題をひきおこし得る。補償されなければ、熱誘起波長変化の結果、高次高調波光出力にパターンを生じさせるパワー変動が生じる。したがって、本発明では、半導体レーザの温度変遷サインを崩壊させるため、あるいはそうではなくとも、半導体レーザのレーザ発振波長を制御するための、位相変更方式も考えられる。
【００２７】
初めに図１及び５を参照すれば、本発明の一実施形態は、例えば、波長選択区画１２，位相区画１４及び利得区画１６を備える半導体レーザ１０の位相区画１４を制御するために用いられる駆動信号Ｉ/Ｖ位相を改変するための準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを供給する位相制御機構を備えるレーザコントローラを利用することに注意されたい。図５に示されるように、駆動信号Ｉ/Ｖ位相の改変は加減乗除またはこれらの組合せを用いて実行され得るが、いずれか適するアルゴリズムまたは改変プロセスを位相シフト信号Ｉ/ＶΦとともに用い得ると考えられる。位相区画１４の屈折率を変えるために多くの様々な制御方法を用いることができる。例えば、位相シフト信号Ｉ/ＶΦ及び駆動信号Ｉ/Ｖ位相は半導体レーザの構造に依存して電圧ベースまたは電流ベースの制御信号とすることができる。信号は、位相区画１４と熱が通じるマイクロヒータの使用による熱効果により、位相区画１４への直流の電流注入または電圧印加によるキャリア効果により、あるいは位相区画１４の電極に印加される電圧が電場を形成して位相区画１４の非線形電気光学材料の屈折率を変化させる電気光学効果により、半導体レーザ１０の位相区画１４に印加することができる。
【００２８】
一般に、準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦは半導体レーザの発光における系統的波長変動を崩壊させるように選ばれる。さらに詳しくは、準周期信号は互いに異なる最大駆動レベルと最小駆動レベルの間で遷移する信号である。図６及び７に示されるように、位相シフト信号Ｉ/ＶΦの変調周波数はランダムに変えられ得る。最小駆動レベルから最大駆動レベルに遷移して最小駆動レベルに戻るまでの周期の持続時間は時間の経過とともにランダムに変化する。したがって、準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦ内の周期は信号全体にわたって不規則に生じる。周波数の変化は与えられた周波数範囲内でおこり得る。例えば、位相シフト信号Ｉ/ＶΦの周期のｔΦ'及びｔΦ"は１０ナノ秒から２００ｎｍ秒までの範囲内で変わることができ、よって準周期信号の周波数は５ＭＨｚと１００ＭＨｚの間で変わり得る。キャビティモードの温度ドリフトに周波数がランダムに変化する周波数変調信号を加えることによって、モード選択がランダムな態様で改変される。
【００２９】
レーザ投影システムにおける位相シフト信号Ｉ/ＶΦの印加の効果は半導体レーザ１０のレーザ発振波長を、ランダムに、また利得電流変調とは独立に、攪乱し、よってレーザモジュールに内在する通常のパターン効果を崩壊させることである。例えば、レーザ投影システムにおいては、通常パターン効果を崩壊させることによって、反復されるパターンは人間の眼で検出できず、よって生成される画像の品質が向上する。
【００３０】
ｘ軸で時間を示す、図６は準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦの一例を、周波数がランダムに変化する周波数変調方形波として、示す。位相シフト信号Ｉ/ＶΦの振幅プロファイルは、複数のモードシフトセグメントＡ及び複数のベース位相制御セグメントＢを有する。モードシフトセグメントＡの振幅はベース位相制御セグメントＢの振幅より大きく、モードシフトセグメントＡがレーザのキャビティモードをシフトするように構成される。モードシフトセグメントＡの振幅はキャビティモードをシフトさせ得るいずれか適する振幅とすることができる。逆に、ベース位相制御セグメントＢの振幅は、キャビティモードが自然状態に維持されるかまたはモードシフトセグメントに続いてシフトして自然状態に戻るように構成される。
【００３１】
ｘ軸で時間を示す、図７は位相シフト信号Ｉ/ＶΦの一例を、周波数がランダムに変化する周波数変調正弦波として、示す。正弦波の大振幅領域はモードシフトセグメントＡとすることができ、モードシフトセグメントＡの振幅はレーザのキャビティモードをシフトさせる。信号の小振幅領域は、ベース位相制御セグメントＢを含むことができ、その振幅は、キャビティモードを自然状態に維持するかまたはモードシフトセグメントＡに続いてシフトさせて自然状態に戻すような振幅である。
【００３２】
図６及び７は電圧がゼロであるかまたは電流がゼロであるベース位相制御セグメントＢを示すが、ベース位相制御セグメントＢの振幅はキャビティモードをシフトされていない状態におく振幅であればどのような振幅であっても差し支えない。モードシフトセグメントＡ及びベース位相制御セグメントＢの振幅の結果、レーザ１０の位相区画１４に注入または印加されるべき所望の平均電流または電圧が得られる。
【００３３】
多くの様々なレベルをもつアナログ信号ではなく、モードシフトセグメントＡ及びベース位相制御セグメントＢのような１つの比較的高い駆動レベル及び１つの比較的低い駆動レベルで位相シフト信号Ｉ/ＶΦを構成することにより、系統的パターンを単純で低コストの態様で崩壊させることが可能になる。複雑なデジタル−アナログコンバータ(ＤＡＣ)またはその他の同様な回路を必要とするアナログ線形回路とは異なり、相異なる２つの駆動レベルからなる位相シフト信号Ｉ/ＶΦは、レーザ１０の位相区画１４を駆動するための単純で低コストの回路を利用することで生成することができる。さらに、得られる位相制御機構回路は、線形モードではなく、オン−オフ切換えモードで動作することができるから、複雑な回路を付加しなくとも高電子効率及び高速度を達成することができる。シフト信号Ｉ/ＶΦを供給するためのスイッチング回路には数１０ナノ秒内の位相区画調節が要求されることがあり、これはＤＡＣでは実施できない。
【００３４】
最小レベル駆動信号に対する最大レベル駆動信号の平均時間比を変えることによって、位相制御機構、したがってレーザ１０の電力消費を最適化することができる。レーザ１０が必要とする電力は位相区画１４に注入される電流の大きさに関係する。したがって、時間平均電流レベルが最小限に抑えられるように、遷移間の最大時間を確保しながら２つの駆動レベルの分布を調節することによって、位相制御電力消費を最小限に抑えることができる。位相制御機構の電力消費の最適化及び最小化により、レーザの温度上昇も低く抑えることができる。
【００３５】
特定の実施形態は半導体レーザの位相区画１４に複数の準周期位相シフト信号Ｉ/ＶΦを導入することができる。例えば、他の信号とは時間的に独立してランダムに変わる周波数を有する複数の位相シフト信号Ｉ/ＶΦを足し合わせて、より多くの相異なる駆動レベルを達成することができる。位相シフト信号Ｉ/ＶΦのそれぞれは相異なる振幅プロファイルを有することができ、よって位相区画１４には相異なる振幅の信号が注入される。例えば、相異なる２つ及び４つの位相シフト信号Ｉ/ＶΦの間の足し合わせによって、重要なコスト及び電力消費の利点を維持しながら、画像品質を高めることが可能になり得る。
【００３６】
本発明の特定の実施形態は、例えばＩＧまたはＩＤＢＲのような、半導体レーザ駆動電流が波長選択区画１２または利得区画１６に印加することができる駆動部分及び波長回復部分を有する、制御方式を導入することもできる。図８及び９は、半導体レーザの利得区画１４またはＤＢＲ区画１２に電流として注入されるデータ部分を駆動部分が含む、単一モードレーザ信号において波長を制御するための方式を示す。したがって、図示される実施形態において、駆動電流はそれぞれのデータ部分Ａ及び波長回復部分Ｂを含む。図８を特に参照すれば、駆動電流または利得注入電流(ＩＧ)のこれらの部分は、レーザデータ信号(ＤＳ)と適するように構成された波長回復信号(ＷＲ)の積をとることによって導入することができる。限定ではなく例として、レーザデータ信号はレーザ投影システムにおける投影のための画像データを搬送することができる。図９に示されるように、利得区画駆動電流すなわち利得注入電流のデータ部分は比較的長い駆動持続時間ｔＤをもつ比較的大きい駆動振幅ＩＤを有するが、駆動電流の波長回復部分は比較的短い回復持続時間ｔＲをもつ比較的小さい回復振幅ＩＲを有するように、波長回復信号が構成される。データ部分の比較的大きい駆動振幅ＩＤはレーザ発振モードλ０においてレーザキャビティ内でレーザ発振をおこすに十分である。駆動電流の波長回復部分の比較的小さい回復振幅ＩＲは駆動振幅ＩＤと異なり、駆動振幅ＩＤよりΔＩ小さいとして図９に示される。比較的小さい回復振幅ＩＲはゼロとすることができ、あるいはレーザをリセットするであろうレーザ閾値に近くするかまたはレーザ閾値より小さくすることができる。
【００３７】
利得区画駆動電流のデータ部分の駆動振幅ＩＤ及び駆動持続時間ｔＤは、用いられることになる特定の用途に当然依存する、適するパワー及び波長をもつ光信号を生成するためにはたらく。回復振幅ＩＲ及び回復持続時間ｔＲはレーザキャビティ内の少なくとも一部において光子密度を減じるに十分である。光子密度を小さな値に、多くの場合はゼロ近くに、減じることによって、大きな波長ドリフトを生じさせる、スペクトルホールバーニング、空間ホールバーニング、利得プロファイル拡大または自己誘起ブラッグ格子のような、様々な現象が消滅する。この結果、回復周期の終りにおいて利得区画に有意な電流が再注入されると、レーザはＤＢＲ反射率曲線の最大値に最も近いモードの中からモードを自動的に選択する。したがって、波長変動を一レーザ自由スペクトル範囲に制限することができ、多キャビティモードホッピングは排除されるか、または少なくともかなり抑制される。得られる、データ部分及び波長回復部分を含む、利得区画駆動電流は、レーザの、波長ドリフトを最小限に抑え、時間平均レーザ発振光帯域幅を狭めるために、用いることができる。
【００３８】
言い換えれば、利得区画駆動電流のデータ部分の駆動振幅ＩＤ及び駆動持続時間ｔＤは、レーザ発振波長が、限定ではなく例として、０.０５ｎｍをこえて波長が変化する、許容できないドリフトを受けるであろう確率を高める。利得区画駆動電流の波長回復部分の比較的低い回復振幅ＩＲが駆動電流のデータ部分に続き、許容できない波長ドリフトの確率を低める。駆動電流の回復部分が十分に高い頻度で生じれば、波長ドリフトが累積して大きくなる前にレーザ発振キャビティモードが停止されて、新しいキャビティモードが選択され、したがって大きな波長変動が抑制される。
【００３９】
例えば、周波数２逓倍ＰＰＬＮ緑色レーザを備えるレーザ投影システムの文脈において、本発明の実施形態にしたがう波長制御がなければ、画像ディスプレイの一走査線にかけてレーザにより放射される緑色光パワーは、多キャビティモードホッピングによるパワーの急激な変動を示すであろう。この結果、投影された画像には５０％程度ないしさらに大きなパワーの急激な低下があるであろう。しかし、駆動信号がピクセル毎に、例えば一般には４０ナノ秒毎に、変えられる、本発明の特定の実施形態にしたがう波長制御方式を用いれば、レーザパワーの望ましくない低下が大きく軽減されるであろうと考えられる。例えば、本発明の一実施形態を実行すると、回復振幅ＩＲをほぼゼロに設定して、回復持続時間ｔＲを約１０ナノ秒、駆動持続時間ｔＤを約４０ナノ秒に設定した場合に、画像内残留雑音の標準偏差は８％程度であった。画像には空間周波数が比較的高い欠陥も観察されてはいたが、そのような欠陥は一般に肉眼には容易に明らかにならない。
【００４０】
回復振幅ＩＲはゼロにすることができるが、多キャビティモードホッピング源を排除するか、そうではなくともレーザの波長挙動を改善するに十分ないずれかの値とすることができる。利得区画駆動電流の回復振幅ＩＲは駆動振幅ＩＤより小さいであろうし、実質的にゼロより上になることができる。比較的大きい駆動振幅ＩＤは実質的に連続とすることができるが、以下でさらに詳細に説明されるように、半導体レーザが画像投影システムに組み込まれている場合は特に、強度が変化することが多いであろう。
【００４１】
レーザがコード化データの発光用に構成されている場合、コード化データを表すデータ信号がレーザに印加される。限定ではなく例として、データ信号はレーザの利得区画に注入される駆動信号の強度変調またはパルス幅変調データ部分として組み入れることができる。本発明の特定の実施形態の波長回復動作は、データ信号にコード化されたデータに少なくともある程度は独立であるように実行される。例えば、レーザの利得区画に駆動電流が注入される場合、その駆動部分を強度変調してデータをコード化することができる。駆動電流の波長回復部分は、コード化データに独立に、駆動電流に重畳される。同様に、駆動部分をパルス幅変調してデータをコード化する場合も、駆動電流の波長回復部分は駆動電流に重畳されるであろう。
【００４２】
上述した重畳はコード化データに完全に独立とすることができ、あるいはコード化データを表す駆動電流の強度またはパルス幅の持続時間が閾値に達したときにだけ印加することができ、この場合はコード化データにある程度依存することになろう。しかし、重畳されてしまえば、独立な波長回復部分の大きさは十分な波長回復が得られることを保証するに十分である必要があろう。言い換えれば、駆動電流の波長回復部分は、これがなければデータ信号が波長回復を妨げるであろう条件の下で駆動電流に卓越すべきである。例えば、パルス幅変調データ信号の文脈において、比較的短い大振幅パルス幅に対して波長回復は必要ないであろうと考えられる。しかし、コード化データが比較的長い大振幅パルス幅を含む場合には、許容できない波長ドリフトが見られる前に波長回復が達成され得ることを保証するに十分に、駆動動作及び波長回復動作によって定められるデューティサイクルの大振幅パルス幅の最大持続時間を制限すべきである。例えば、パルス幅の最大持続時間は駆動動作と波長回復動作で定められるデューティサイクルの持続時間の約９０％をこえることができないことを補償することが好ましいであろう。さらに、パルス幅変調データの文脈においては、波長回復部分の回復振幅ＩＲが半導体レーザのレーザ発振閾電流より低いか、あるいは波長を回復するに十分に低いことを保証するためにも注意が払われるべきである。
【００４３】
波長回復信号が定期的な周期ベースで実施される必要はないことにも注意されたい。むしろ、回復信号は必要に応じて印加することができる。例えば、一キャビティモード間隔より大きいような、許容値をこえる波長ドリフトが検出された場合に、駆動電流に波長回復信号を重畳し、レーザに新しい波長を強制的に選ばせることによって、波長回復動作を実施することができる。
【００４４】
回復周期の頻度に関しては、一般に２つの回復周期の間の波長変動を許容できる振幅に制限するに十分に頻繁である必要がある。理想的頻度及び手法はレーザが利用される用途にともなう特定の要求に依存する。また、エレクトロニクス及びレーザの速度と同等の最高可能周波数で回復を実施することにより、画像内のいかなる雑音も一層高い空間周波数で生じ、雑音の検出はさらに困難になるであろう。
【００４５】
一例として、レーザ投影に対しては、回復周期をランダムに開始することが好ましく、あるいはデータ内容、すなわち画像と回復信号の間のいかなるエイリアシング問題も回避するために、回復周期を画像ピクセル生成と同期させることが好ましいであろう。回復周期をランダムに開始すれば、それぞれの画像走査線の同じ場所で回復周期が生じないことが保証されることによって、走査線毎に生じる周期的画像欠陥を防止することができるであろう。
【００４６】
図２に簡略に示されるレーザ投影システムを参照すれば、本発明の特定の実施形態にしたがう駆動電流制御方式がシステム内において様々な形態で実行され得ることに気がつく。限定ではなく例として、駆動電流の波長回復部分は投影ソフトウエア及びエレクトロニクスによる描画中にビデオ信号に回復部分を載せることによって実行することができる。この手法においては、画像全体にわたって分布するピクセルへの原画像から要求される強度とは独立な波長回復信号による割込みがおこるであろう。この割込みの頻度は人間の眼への効果及び知覚される光パワーへの影響を最小限に抑えるように選ばれるべきである。あるいは、駆動信号の波長回復部分はレーザドライバエレクトロニクスに載せることができる。この手法においては、電流スケーリングに先立って、画像ストリームから得られる駆動信号が周期的に波長回復信号に乗っ取られるであろう。この場合も、この割込みの頻度及びデューティサイクルは人間の眼への効果及び知覚される光パワーへの影響を最小限に抑えるように選ばれるべきである。さらなる別形として、所望の強度レベルとは独立に駆動電流を減じるかまたは改変するため、レーザへの駆動電流を周期的にシャントするか、そうではなくとも減じることができるであろう。
【００４７】
図８及び９は単一モードレーザ信号内の雑音を減じるために用いることができるレーザ動作方式を示す。さらに、図８及び９の方式は１基ないしさらに多くの単一モードレーザを組み込んでいるシステムに用いることができる。例えば、以下でさらに詳細に説明されるように、図８及び９の方式は１基ないしさらに多くの単一モードレーザを組み込んでいるレーザ走査型画像投影システムに用いることができると考えられる。単一モード発光用に構成された１基ないし複数の単一モードレーザへの本明細書における言及が本発明の範囲を単一モードでしか動作しないレーザに限定するととられるべきではないことにも注意されたい。むしろ、単一モード発光用に構成された１基ないし複数の単一モードレーザへの本明細書における言及は、本発明の特定の実施形態にしたがって考えられるレーザの特徴が、帯域幅が広いかまたは狭い単一モードがその中に認められる出力スペクトルによるかあるいは適するフィルタリングまたはその他の手段により単一モードをそこから弁別することができる出力スペクトルによって表されるであろうことを意味しているに過ぎないととられるべきである。
【００４８】
駆動持続時間ｔＤと回復持続時間ｔＲの相対比は、十分な波長回復を保証すると同時に、最適なレーザ効率を維持するように制御されるべきである。例えば、本発明の一態様にしたがえば、駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約８０％が駆動持続時間ｔＤで占められ、駆動信号のデューティサイクルの約２０％未満が回復持続時間ｔＲで占められる。多くの場合、回復持続時間ｔＲが約１０ナノ秒未満であること、おそらくは約５ナノ秒より短いことを保証すれば十分であろう。駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約９５％が駆動持続時間ｔＤで占められ、デューティサイクルの約５％未満が回復持続時間ｔＲで占められる、別の制御方式が考えられる。駆動信号を制御している電気回路の応答が十分に速い場合、駆動信号のデューティサイクルの少なくとも約９７.５％が駆動持続時間ｔＤで占められ、デューティサイクルの約２.５％未満が回復持続時間ｔＲで占められる、十分な制御方式が考えられる。
【００４９】
レーザ投影システムの文脈において駆動持続時間ｔＤ及び回復持続時間ｔＲのそれぞれの値を確立するときにはさらに考察を加える必要がある。限定ではなく例として、図２に示されるレーザ投影システムは、単色または多色のデータストリームを生成する画像源Ｓ，それぞれの原色画像に対するレーザ駆動信号Ｄを生成するための画像投影ソフトウエア及び付帯エレクトロニクスＳ/Ｅ，それぞれの原色画像を生成するように構成された個々のレーザに対してそれぞれのレーザ駆動電流を発生するレーザドライバＬＤ，及び画像ピクセルのアレイからなる単色または多色の投影画像Ｉを生成するために動作する走査及び投影光学系Ｏを備える。上記及びその他のタイプのレーザ走査型画像投影システムの画像ピクセルのそれぞれの特徴は活性ピクセル持続時間ｔＰで表される。限定ではなく例として、画像内の一ピクセルの活性ピクセル持続時間は４０ナノ秒以下とすることができる。一般に、回復持続時間ｔＲはピクセル持続時間ｔＰより短いであろう。回復持続時間ｔＲはピクセル持続時間ｔＰより少なくとも５０％は短いことが好ましい。対照的に、駆動持続時間ｔＤは、システム設計者の好みに応じて、ピクセル持続時間ｔＰより長くするか、短くするか、またはピクセル持続時間ｔＰと等しくすることができる。
【００５０】
当業者であれば、活性ピクセル持続時間ｔＰが走査速度変動の結果として画像内で穏やかにまた周期的に変化し得ることを認めるであろう。したがって、「特徴が活性ピクセル持続時間で表される」投影システムへの言及は画像内のそれぞれのピクセルが同じピクセル持続時間を有することを表すととられるべきではない。むしろ、ディスプレイ内の個々のピクセルは、活性ピクセル持続時間ｔＰで特徴が表されるディスプレイの一般概念の下にそれぞれが入る、相異なるピクセル持続時間を有し得ると考えられる。
【００５１】
画像ピクセルのアレイにかけて変化するピクセル強度を確立するように画像投影エレクトロニクス及び対応するレーザ駆動電流を構成することによって、多調画像を画像投影システムで生成することができる。この場合、駆動電流の波長回復部分は可変ピクセル強度をコード化する信号に重畳される。可変ピクセル強度が画像にわたって生成されるレーザ走査型画像投影システムの構成及び態様に関するさらなる詳細は本発明の範囲をこえており、その主題に関する容易に入手できる様々な教示から習得することができる。
【００５２】
ピクセルベース走査型投影システムを主に参照して本発明を説明したが、レーザベース光源を組み込んでいる、(デジタル光処理(ＤＬＰ)、透過型ＬＣＤ及びシリコン上液晶(ＬＣＯＳ)を含む)空間光変調器ベースシステムのような、別の非走査型投影システムも本明細書に説明される波長安定化及び攪乱手法から恩恵を受け得る。そのような非走査型システムにおいて位相シフト信号Ｉ/ＶΦを用いれば、システム内のパワー安定性及び再現性を高めることができる。そのような別のシステムにおいて、レーザにとって妥当な外因性周期はピクセル周期ではなく、スクリーンリフレッシュレートの逆数であるか、または逆数の分数になる。そのような場合、レーザへの入力信号の特徴はコード化データ周期ｔＰで表され、駆動電流は波長回復部分の回復持続時間ｔＲがコード化データ周期ｔＰより短くなるように構成されるであろう。
【００５３】
本出願明細書を通して様々なタイプの流れが参照される。本発明を説明し、定める目的のため、そのような流れは電流を指すことに注意されたい。さらに、本発明を定め、説明する目的のため、電流の「制御」への本明細書における言及は、電流が能動的に制御されるかあるいはいずれかの基準値の関数として制御されることを必ずしも意味していないことに注意されたい。むしろ、単に電流の大きさを確立することによって電流を制御できるであろうと考えられる。
【００５４】
前述の本発明の詳細な説明が、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解の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物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【００５５】
例えば、本明細書に説明される制御方式は半導体レーザの利得区画または波長選択ＤＢＲ区画に印加される駆動電流への波長回復部分の組込みに関するが、レーザ動作方式に波長回復動作を組み込む方法はレーザの利得区画または波長選択ＤＢＲ区画だけに印加される駆動電流に限定されない。限定ではなく例として、レーザは、回復信号がそこに印加されると光子を吸収するように構成された回復部分を有することができる。そのような場合、本明細書に説明される利得区画またはＤＢＲ区画に対して用いられる態様と同様に態様で、必要に応じて光子密度を減じるために回復部分を用いることができる。
【００５６】
「好ましくは」及び「一般に」のような語句は、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、肝要であるかまたは重要であることさえも意味することは、意図されていないことにも注意されたい。むしろ、これらの語句は、本発明の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、代わりのまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。さらに、別の値、パラメータまたは変数の「関数」である値、パラメータまたは変数への言及は、その値、パラメータまたは変数が唯一無二の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味するととられるべきではないことに注意されたい。
【００５７】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」及び「ほぼ」は、いずれかの定量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の固有の大きさを表すために本明細書で用いられることに注意されたい。語句「実質的に」及び「ほぼ」は、定量的表現、例えば「実質的にゼロより上」が言明された基準、例えば「ゼロ」から変わる度合いを表すためにも本明細書で用いられ、定量的表現が容易に知覚される大きさだけ言明された基準から変わることを必要であると解されるべきである。
【符号の説明】
【００５８】
１０    半導体ＤＢＲレーザ
１２    波長選択区画
１４    位相区画
１６    利得区画
２０    光波長変換素子
【図１】
2011527104.tif 000003
【図２】
2011527104.tif 000004
【図３】
2011527104.tif 000005
【図４】
2011527104.tif 000006
【図５】
2011527104.tif 000007
【図６】
2011527104.tif 000008
【図７】
2011527104.tif 000009
【図８】
2011527104.tif 000010
【図９】
2011527104.tif 000011
【国際調査報告】
2011527104.tif 000012
2011527104.tif 000013