(57)【要約】ビームスポットを波長変換素子の導波路部と位置合わせする方法が、波長変換素子の入力面でビームスポットを走査すると同時に、複数の高速走査線それぞれの出力強度を生成するように、波長変換素子の出力強度を測定する工程を含む。高速走査線それぞれの平均出力強度に基づいて第１位置合わせ設定点がその後決定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線上でのビームスポットの第２走査が次いで実行され、同時に、高速走査線に沿った各点での出力強度が測定される。第２走査中に測定された出力強度に基づいて、第２位置合わせ設定点がその後決定される。第１位置合わせ設定点および第２位置合わせ設定点を用いて、ビームスポットは導波路部にその後位置付けられる。
2011511318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ、波長変換素子、および少なくとも１つの調整可能光学部品を備えている光パッケージを位置合わせする方法であって、
前記レーザのビームスポットを、前記調整可能光学部品を用いて前記波長変換素子の入力面に導く工程、
前記波長変換素子の出力強度を測定する工程、
前記調整可能光学部品を第１走査軸の周りで該調整可能光学部品の駆動機構の略共振周波数で振動させることにより、前記波長変換素子の入力面を横切る、前記ビームスポットの第１走査を実行する工程、
前記波長変換素子の前記入力面を横切る複数の高速走査線に対する複数の出力強度を生成するように、前記ビームスポットの前記走査を直交走査線に沿って進める工程、
前記複数の高速走査線に対する前記複数の出力強度に基づいて、第１位置合わせ設定点を前記直交走査線に沿って決定する工程、
前記波長変換素子の前記入力面を横切る、前記ビームスポットの第２走査を、前記第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿って実行し、該第２走査に沿った点に対する出力強度を生成する工程、
前記第２走査中に生成された出力強度に基づいて、第２位置合わせ設定点を前記第２走査に沿って決定する工程であって、前記第１位置合わせ設定点および前記第２位置合わせ設定点が、前記ビームスポットが前記波長変換素子の前記導波路部と位置合わせされる位置を画成する工程、および、
前記第１位置合わせ設定点および前記第２位置合わせ設定点を用いて、前記ビームスポットを前記波長変換素子の前記導波路部に位置付ける工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１走査が相対的に迅速な走査であり、前記第２走査が相対的に低速の走査であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２走査中に生成された前記出力強度に基づいて、最も大きい出力強度を有する点を決定することにより、前記第２位置合わせ設定点が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記波長変換素子の出力強度を測定しながら、前記波長変換素子の前記入力面を横切る、前記ビームスポットの第３走査を、前記第１位置合わせ設定点および前記第２位置合わせ設定点を含む前記高速走査線の一部に沿って実行する工程であって、該第３走査の速さと該第３走査の時間との積が、前記波長変換素子の導波路部のモード径の所定割合より少ない工程、および、
該測定された出力強度に基づいて、該波長変換素子の出力強度が最大となるように前記第２位置合わせ設定点を調整する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記光パッケージがレンズアセンブリおよびコントローラをさらに備え、
前記レンズアセンブリおよび前記調整可能光学部品が、前記レーザのビームスポットを前記波長変換素子の入力面に向けて導くように、かつ、前記波長変換素子の前記入力面での該ビームスポットの位置を変化させるように、構成されたものであり、
前記コントローラが、前記調整可能光学部品の位置または状態を制御するようにプログラムされたものであり、かつ、
前記調整可能光学部品が調整可能なミラーを含み、かつ、前記レーザから前記波長変換素子への折返し光路に沿って伝播しているレーザ光が、前記調整可能光学部品によって反射される前に前記レンズアセンブリによって最初にコリメートまたは略コリメートされ、かつ前記調整可能なミラーによって反射された後に前記同じレンズアセンブリにより前記波長変換素子の前記入力面上で集束されるように前記レンズアセンブリおよび該調整可能光学部品が該折返し光路を画成するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１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、参照することにより本書に組み込まれる、光パッケージを位置合わせする方法およびシステムとして２００８年１月３０日に出願された米国特許出願第６１／０６２，９７３号の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、半導体レーザ、レーザコントローラ、光パッケージ、および半導体レーザを組み込んだ他の光学系に関する。より具体的には、本発明は、特に半導体レーザと、第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶または別の種類の波長変換素子とを含む、光パッケージを位置合わせする方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
短波長光源は、赤外や近赤外の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ、またはファブリペローレーザなどの単一波長半導体レーザを、第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶などの光波長変換素子と組み合わせることによって形成することができる。典型的には、ＳＨＧ結晶は基本波レーザ信号の高調波を生成するために用いられる。その際には、発振波長を波長変換用ＳＨＧ結晶のスペクトル中心に合わせることが好ましく、またレーザ出力を波長変換結晶の入力面で導波路部と位置合わせすることが好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭｇＯ添加周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶など典型的なＳＨＧ結晶の導波光のモードフィールド径は数μｍの範囲となり得る。そのため、本発明者らは、レーザダイオードのビームをＳＨＧ結晶の導波路と正確に位置合わせすることは非常に難しい課題となり得ることを認識していた。したがって、本発明の１つの目的は、レーザダイオードをＳＨＧ結晶または他の種類の波長変換素子とともに用いて、長波長光源（例えば、近赤外レーザダイオード）から短波長放射（例えば、グリーンレーザ光）を生成する、光パッケージの部品の位置合わせ方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施の形態によれば、レーザ、波長変換素子、および少なくとも１つの調整可能光学部品を備えている光パッケージを位置合わせする方法が、レーザのビームスポットを、調整可能光学部品を用いて波長変換素子の入力面に導く工程を含む。一実施の形態において調整可能光学部品は、調整可能なマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）ミラーを含んでもよく、このＭＥＭＳミラーは、単レンズとともに用いられて、レーザのビームスポットを波長変換素子の入力面に導く。このとき、波長変換の出力強度を測定しながら、波長変換素子の入力面を横切る、高速走査線上でのビームスポットの第１走査が実行される。第１走査は、調整可能光学部品を第１走査軸周りで調整可能光学部品の略共振周波数で振動させることにより実行される。ビームスポットの第１走査は、複数の高速走査線それぞれの出力強度を生成するように、その後直交走査線に沿って進められる。複数の高速走査線それぞれの出力強度に基づいて、直交走査線に沿った第１位置合わせ設定点が決定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線上でのビームスポットの第２走査が次いで実行されると同時に、第２走査に沿った各点での出力強度が生成されるように、波長変換素子の出力強度が測定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿って測定された出力強度に基づいて、第２位置合わせ設定点がその後決定される。第１位置合わせ設定点および第２位置合わせ設定点は、ビームスポットが波長変換素子の導波路部と位置合わせされる位置を画成する。この第１位置合わせ設定点および第２位置合わせ設定点を用いて、ビームスポットは波長変換素子の導波路部にその後位置付けられる。
【０００６】
本発明の別の実施形態によれば、ビームスポットを波長変換素子の導波路部と位置合わせする方法が、調整可能光学部品の位置または状態を調整することにより波長変換素子の入力面を横切って高速走査線に沿ってビームスポットを迅速に走査し、これと同時に、波長変換素子の出力強度を測定する工程を含む。ビームスポットの迅速走査は、複数の高速走査線それぞれの複数の出力強度を生成するように、その後直交走査線に沿って進められる。高速走査線それぞれの平均出力強度に基づいて、直交走査線に沿った第１位置合わせ設定点が決定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線上でのビームスポットの低速走査が次いで実行されると同時に、第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿った複数の点に対する複数の出力強度が生成されるように波長変換素子の出力強度が測定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿って測定された出力強度に基づいて、第２位置合わせ設定点がその後決定される。第１位置合わせ設定点および第２位置合わせ設定点は、ビームスポットが波長変換素子の導波路部と位置合わせされる位置を画成する。この第１位置合わせ設定点および第２位置合わせ設定点を用いて、ビームスポットは波長変換素子の導波路部にその後位置付けられる。
【０００７】
本発明の別の実施形態においては、光学システムが、レーザ、波長変換素子、レンズアセンブリ、１以上の調整可能光学部品、光検出器、およびコントローラを含む。波長変換素子は、導波部および入力面を有する。光検出器はコントローラに連結され、かつ波長変換素子の出力強度を測定するよう位置付けられる。レンズアセンブリおよび調整可能光学部品は、レーザのビームスポットを波長変換素子の入力面へと導くよう構成される。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入力面上で適切に位置付けることができるように、調整可能光学部品の位置を第１走査軸および第２走査軸の周りで制御するよう構成される。コントローラを、さらに、波長変換素子の入力面を横切るビームスポットの第１走査を高速走査線に沿って実行すると同時にこの第１走査を直交走査線に沿って進めるように構成してもよいし、複数の高速走査線に対する複数の出力強度に基づいて第１位置合わせ設定点を決定するように構成してもよいし、第１位置合わせ設定点を含む高速走査線上においてビームスポットの第２走査を実行するように構成してもよいし、そして第２走査中に測定された出力強度に基づいて第２位置合わせ設定点を決定するように構成してもよい。コントローラをさらに、第１および第２位置合わせ設定点を用いて、ビームスポットが波長変換素子の導波路部と位置合わせされるように調整可能光学部品を位置付けるよう構成してもよい。
【０００８】
本発明のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中で明らかにされ、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかであろうし、あるいは以下の詳細な説明や請求項、添付の図面を含め、本書で説明されたように本発明を実施することにより認識されるであろう。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の実施の形態を示していること、さらに、請求される本発明の本質および特性を理解するための概要または構想を提供するよう意図されていることを理解されたい。
【０００９】
本発明の具体的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面とともに読むことで最もよく理解できる。ここで、同様の構造は同様の参照番号で示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態による、ＭＥＭＳミラーで可能となる光学的位置合わせパッケージを示す概略図
【図２】波長変換素子の入力面上でのビームスポットを示す概略図
【図３】波長変換素子の入力面でのビームスポットの迅速走査を示す概略図
【図４】波長変換素子の入力面上の第１位置合わせ設定点を含む高速走査線上における、ビームスポットの低速走査を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特定の実施形態の概念を含み得る種々の光パッケージの一般的構造は、周波数または波長が変換された半導体レーザ光源の設計および製造に関係する容易に入手可能な技術文献から知ることができるが、最初に図１を参照し、本発明の特定の実施形態の概念を便宜上、例えば半導体レーザ１０（図１で「λ」と記す）および波長変換素子２０（図１で「２ν」と記す）を含む光パッケージを一般に参照して説明する。図１に描かれた構造において、半導体レーザ１０から放射された近赤外光は、１以上の調整可能な光学部品３０と適切なレンズアセンブリ３５とによって波長変換素子２０の導波路部に結合される。なお、このレンズアセンブリ３５は単一または多要素の構造の１以上の光学素子を含んでもよい。図１に示した光パッケージは、種々の短波長レーザビームを種々の長波長半導体レーザから生成するのに特に有益であり、例えば、レーザプロジェクションシステムの可視レーザ光源として使用することができる。
【００１２】
半導体レーザ１０から放射された出力ビームを波長変換素子２０の導波路部に集束させることは困難であることが多いため、特に調整可能光学部品３０が役に立つ。例えば、ＭｇＯ添加周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）結晶など典型的なＳＨＧ結晶の導波光のモードフィールド径は数μｍの範囲となり得る。図１および２をあわせて参照すると、レンズアセンブリ３５が調整可能光学部品３０とともに作用して同程度の大きさのビームスポット１５を波長変換素子２０の入力面２２上に生成する。調整可能光学部品３０は、この調整可能光学部品の駆動機構を調整してビーム角度を偏向させるよう構成されている。したがって、調整可能光学部品３０を用いて、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせされるまで波長変換素子２０の入力面２２上のビームスポット１５の位置を変更させることにより、ビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路部２４に積極的に位置合わせすることができる。
【００１３】
一実施の形態においては、波長変換素子２０の光路に例えばビームスプリッタ４０および光検出器５０を提供して、ビームの位置合わせを監視してもよい。光検出器５０を、マイクロコントローラまたはコントローラ６０（図１で「μｃ」と記す）と操作可能に接続し、光検出器５０からの出力信号をコントローラ６０が受け取るようにしてもよい。コントローラ６０を、調整可能光学部品の駆動機構を調整して調整可能光学部品３０の位置または状態を制御するよう、したがって半導体レーザ１０の出力ビームを波長変換素子２０の入力面２２上で位置付けるよう、構成することもできる。一実施の形態においては、コントローラ６０を使用して、調整可能光学部品３０の位置または状態を、光検出器５０から受け取った出力信号の関数として制御することができる。別の実施形態においては、コントローラ６０を使用して、半導体レーザ１０のビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせされるように位置合わせルーチンを実行することができる。
【００１４】
図１に概略的に示した調整可能光学部品は、さまざまな従来のまたは今後開発される形をとることができる。例えば、調整可能光学部品３０の駆動機構は、ミラーに作動的に連結された、１以上の可動のマイクロオプトエレクトロメカニカルシステム（ＭＯＥＭＳ）またはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を含んでもよいと意図されている。ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳデバイスは、波長変換素子２０の入力面２２上でのビームスポット１５の位置を変化させるように構成および配置することができる。ミラーは、ビームがコリメートまたは略コリメートされた光学系の空間に位置しているため、ミラー角度を調整すると、波長変換素子の入力面上での再集束されたビームスポットのｘ／ｙ位置が変化する。ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳデバイスを用いると、再集束されたビームスポットの位置を広範囲に亘って極めて迅速に調整することができる。例えば、±１°の機械的偏向を伴うＭＥＭＳミラーを焦点距離３ｍｍのレンズとともに用いると、ビームスポットを波長変換素子の入力面上で角度的に±１００μｍ変位させることができる。ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳデバイスの応答時間が速いため、ビームスポットの調整をおよそ１００Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数で行ってもよい。代わりにまたはさらに、調整可能光学部品３０は、ビームの操縦および／またはビームの集束のために構成された１以上の液体レンズ部品を含んでもよい。さらに、調整可能光学部品３０はマイクロアクチュエータに取り付けられた１以上のミラーおよび／またはレンズを含んでもよいと意図されている。考えられる一実施の形態においては、調整可能光学部品はレンズアセンブリ３５の中の可動または調整可能なレンズの形をとり、別の調整可能光学部品３０が、固定されたミラーの形をとる。
【００１５】
図１に示した光学的構造において、調整可能光学部品３０は比較的小型の折返し経路型光学系に組み込まれるマイクロオプトエレクトロメカニカルミラーである。図示の構造において調整可能光学部品３０は、光路が最初にレンズアセンブリ３５を通過しコリメートあるいは略コリメートされたビームとして調整可能光学部品３０に到達すると、次いでこの光路が同じレンズアセンブリ３５を通過して戻り、波長変換素子２０上で集束されるように光路を折り返すよう構成されている。この種の光学的構造は、半導体レーザにより生成されたレーザビームの断面サイズが波長変換素子２０入力面での導波路のサイズと近似している波長変換レーザ光源に特に適しており、この場合倍率が１に近いと、波長変換素子２０の入力面上でビームスポットを集束させるときに最適な結合をもたらすであろう。本発明を画成および説明するため、本書で参照する「コリメートまたは略コリメートされた」ビームとは、ビームをよりコリメートされた状態に導くような、ビームの広がりまたは集中の程度を低減させた任意のビーム構造を含むことを意図していることに留意されたい。
【００１６】
レンズアセンブリ３５は、レーザから出力される発散光をコリメートし、かつパッケージの光路に沿って伝播するレーザ光を波長変換素子の導波路部へと再集束する働きをするため、コリメートおよび集束の二重機能を有する光学部品と言える。単一のレンズアセンブリ３５がコリメートおよび集束の両方に用いられるため、１に近い拡大係数を必要とする用途にこの二重機能光学部品は非常に適している。より具体的には、図１に示すように、半導体レーザ１０から出力されたレーザ光は、順に、レンズアセンブリ３５の第１面３１で屈折し、レンズアセンブリ３５の第２面３２で屈折し、そして調整可能光学部品３０によってレンズアセンブリ３５方向に反射される。レーザ光がレンズアセンブリ３５方向に反射されると、波長変換素子２０の入力面上で集束させるために、このレーザ光は最初にレンズアセンブリ３５の第２面３２で屈折し、次いでレンズアセンブリ３５の第１面３１で屈折する。
【００１７】
本発明の特定の実施形態において、波長変換素子２０の入力面２２に入射する主光線が光パッケージ出力の主光線と確実に略平行になるよう、調整可能光学部品３０はレンズアセンブリ３５の像焦点の十分近くに設置される。図１に示した構造が収差条件についていくらかの利点をさらに提供することを示すこともできる。実際には、半導体レーザ１０の出力面と波長変換素子２０の入力面とがレンズアセンブリ３５の対物焦点面と略位置合わせされて位置付けられ、かつ半導体レーザ１０の出力導波路と波長変換素子２０の入力導波路とがレンズアセンブリ３５の光軸に対して対称であるとき、コマなどの非対称的な像面収差を自動的に修正することができると考えられる。
【００１８】
ここで図１および３〜４を参照すると、一実施の形態において、半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせする方法は、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせされる第１位置合わせ設定点１６および第２位置合わせ設定点１７を決定するために、波長変換素子２０の出力を監視しながら、ビームスポット１５を、波長変換素子２０の入力面２２を横切り横断させる工程を含む。
【００１９】
本書で論じたように、波長変換素子２０の出力に近接してビームスプリッタ４０および光検出器５０を位置付けることにより、波長変換素子２０の出力強度を監視することができる。一実施の形態において、光検出器５０は、波長変換素子２０を通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でもよい。この電磁放射には、半導体レーザ１０から放射された赤外放射のような赤外放射、または波長変換素子２０から放射された緑色光のような可視光放射を含むことができる。
【００２０】
半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせするため、ビームスポット１５を波長変換素子２０の入力面２２で集束させる。これは、波長変換素子２０の入力面２２および半導体レーザ１０の出力面がレンズアセンブリ３５の焦点面と実質的に同一平面上にあるようにレンズアセンブリ３５を波長変換素子２０および半導体レーザ１０に対して位置付けることによって達成することができる。
【００２１】
その後、波長変換素子２０の入力面２２上で集束されたビームスポットにより、（続くビームスポット１５の低速走査と比較して）相対的に迅速なビームスポット１５の走査が図３に示すように波長変換素子２０の入力面２２で高速走査線（Ａ１）に沿って実行され、同時に波長変換素子２０の出力強度（Ｉ）が光検出器５０により測定される。波長変換素子２０の入力面２２でのビームスポット１５の迅速走査を助けるため、コントローラ６０が調整可能光学部品３０の位置または状態を第１走査軸の周りで迅速に調整し、これが、波長変換素子２０の入力面２２に入射するビームスポット１５を、波長変換素子２０の入力面２２で高速走査線に沿って横断させる。一実施の形態においては、調整可能光学部品３０を第１走査軸の周りで振動させるマイクロアクチュエータやＭＥＭＳデバイスなどの駆動機構に正弦波信号、矩形波信号、のこぎり波信号などの発振信号を適用することにより、調整可能光学部品を第１走査軸の周りで振動させる。参照として、調整可能光学部品３０の第１走査軸は、図１および３〜４に示した座標系のｙ軸に平行な軸に相当し、一方入力面２２に沿った高速走査線は、図１および３〜４に描かれた座標系のｘ軸に平行な直線に相当する。
【００２２】
一実施の形態においては、測定された波長変換素子の出力強度（Ｉ）が、ビームスポット１５が横断する高速走査線上の波長変換素子２０の平均出力強度を表すように、調整可能光学部品３０の駆動機構を、波長変換素子２０の出力に位置付けられた光検出器５０の信号積分値より著しく高い周波数で第１走査軸の周りで振動させる。別の実施形態では、調整可能光学部品を振動させる周波数よりも光検出器５０の信号積分は十分早く、したがって波長変換素子の出力強度（Ｉ）はビームスポット１５が横断する高速走査線上の最大出力強度を表す。
【００２３】
別の実施形態において、調整可能光学部品３０の駆動機構を略共振周波数で振動させてもよい。これは、調整可能光学部品の駆動機構の第１固有周波数またはこれに近い周波数を有する発振信号で調整可能光学部品の駆動機構を振動させることにより達成し得る。例えば、調整可能光学部品が約５００Ｈｚの共振周波数を有するＭＥＭＳミラーである一実施の形態においては、約５００Ｈｚの周波数を有する正弦波信号をＭＥＭＳミラーの対応する軸に適用することにより、ＭＥＭＳミラーを第１走査軸の周りで約５００Ｈｚで振動させることができる。調整可能光学部品がＭＥＭＳミラーを含むとき、ＭＥＭＳミラーを略共振周波数で振動させると、ミラーの走査軸周りにおける高周波数での大振幅変位（および波長変換素子入力面上でのビームスポットの大きな変位）を最小の電力消費で実現することができる。
【００２４】
コントローラ６０は、波長変換素子２０の入力面２２におけるビームスポット１５の迅速走査を、調整可能光学部品３０を第１走査軸に垂直な第２走査軸の周りで回転させる次の段階へと進める。ここでは、波長変換素子の入力面２２上の複数の高速走査線それぞれに対する平均出力強度または最大出力強度を光検出器５０により生成するように、ビームスポット１５の迅速走査を、波長変換素子２０の入力面２２を横切り直交走査線（例えば、図３および４のＡ２）に沿って横断させる。参照として、調整可能光学部品３０の第２走査軸は、図１および３〜４に示した座標系のｘ軸に平行な軸に相当し、一方波長変換素子２０の入力面２２に沿った直交走査線は、図１および３〜４に描かれた座標系のｙ軸に平行な直線に相当する。複数の高速走査線それぞれに対する平均出力強度または最大出力強度は、図３に示すように、調整可能光学部品３０の第２走査軸周りの向きの関数として、その後コントローラ６０により記録される。
【００２５】
本書では、高速走査線、直交走査線、第１走査軸、および第２走査軸の向きについて図１および３〜４に描かれた座標系に関連して具体的に言及しているが、本書において他に提示されていなければ、具体的な座標系に関連する任意の特定の直線や走査軸の向きについて、具体的に制限することは意図されていないことを理解されたい。しかしながら、波長変換素子２０の入力面２２に沿った高速走査線は、一般に入力面２２に沿った直交走査線に垂直であり、また調整可能光学部品３０の第１走査軸は、一般に調整可能光学部品３０の第２走査軸に垂直であることを理解されたい。さらに、調整可能光学部品３０の第１走査軸は、一般に入力面２２に沿った高速走査線に垂直であり、調整可能光学部品３０の第２走査軸は、一般に入力面２２に沿った直交走査線に垂直である。
【００２６】
一実施の形態において、波長変換素子２０の入力面２２でのビームスポット１５の迅速走査が完了した後、コントローラ６０は複数の高速走査線それぞれの平均出力強度に基づいて第１位置合わせ設定点１６を決定する。図３に示すように、波長変換素子２０の導波路部２４は、最も大きい平均出力強度を有する高速走査線に沿って位置付けられる。したがって、第１位置合わせ設定点１６は、波長変換素子２０の導波路部２４を含む高速走査線が通過する、直交走査線に沿った点に相当するように決定され、これが、波長変換素子２０の導波路部２４を含む高速走査線上にビームスポット１５を位置付ける、調整可能光学部品３０の第２走査軸周りの回転の向きに相当する。代わりに、測定された強度の出力が高速走査線それぞれに対する最大出力強度であるときには、第１位置合わせ設定点１６は、複数の高速走査線のうち最も大きい最大出力強度を有する高速走査線が通過する、直交走査線に沿った点に相当するように決定される。
【００２７】
図４を参照すると、第１位置合わせ設定点が決定された後、ビームスポット１５を、第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿って波長変換素子２０の入力面２２を横切って走査させる。一実施の形態においては、ビームスポット１５の（迅速走査と比較して）相対的に低速の走査が第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線に沿って実行される。波長変換素子２０の入力面２２でのビームスポット１５の低速走査を助けるため、コントローラ６０は最初に、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線上にビームスポット１５が位置するように調整可能光学部品３０を第２走査軸の周りで配向する。コントローラ６０は次いで、強度センサ５０を用いて波長変換素子の出力強度（Ｉ）を測定しながら、ビームスポット１５を、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線上に横断させる。コントローラ６０は、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線に沿った個別の点にビームスポットを位置付けるよう、調整可能光学部品３０を第１走査軸の周りで徐々に回転させて、ビームスポット１５を高速走査線上に横断させる。したがって、低速走査中の光検出器５０の出力は、高速走査線に沿ったビームスポット１５の個別の位置それぞれに対する波長変換素子２０の出力を表している。マイクロアクチュエータまたはＭＥＭＳデバイスに信号を適用して調整可能光学部品３０を第１走査軸の周りで回転させ、それによりビームスポット１５をゆっくりと高速走査線上に走査させることにより、ビームスポット１５の高速走査線に沿った低速走査を助けることができる。低速走査において用いられる信号は、ビームスポット１５が高速走査線方向に幅Ｗ１を有し、かつ導波路２４が高速走査線に沿って幅Ｗ２を有している場合、走査の速さＶ（例えば、ビームスポットが高速走査線を横断する速さ）を乗じた走査時間Ｔ（例えば、ビームスポットが走査線に沿って横断するのにかかる時間）が和Ｗ１＋Ｗ２より小さく（例えば、Ｖ×Ｔ＜（Ｗ１＋Ｗ２））なるような信号でもよい。ビームスポット１５の各個別の位置に対応する出力強度（Ｉ）は、図４に示すように、調整可能光学部品３０の第１走査軸周りの向きの関数として低速走査中にコントローラ６０により記録される。
【００２８】
別の実施形態において、第１位置合わせ設定点が決定された後、第１位置合わせ設定点を含む高速走査線に沿って波長変換素子２０の入力面２２を横切るビームスポット１５の迅速走査が実行され、第２位置合わせ設定点が決定される。第１位置合わせ設定点を含む高速走査線でのビームスポット１５の迅速走査を助けるため、コントローラは最初に、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線上にビームスポット１５が位置するように調整可能光学部品３０を第２走査軸の周りで配向する。コントローラ６０は次いで、上述と同様の手法で、光検出器５０を用いて波長変換素子の出力強度（Ｉ）を測定しながら、調整可能光学部品を第１走査軸の周りで振動させることにより、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線上にビームスポット１５を迅速に横断させる。光検出器の出力が、高速走査線に沿った個別の点それぞれに対する出力強度（Ｉ）に対応するように、光検出器５０の信号積分を、調整可能光学部品を振動させる周波数より十分に速いものとしてもよい。ビームスポット１５の高速走査線に沿った各個別の位置に対応する出力強度は、図４に示すように、調整可能光学部品３０の第１走査軸周りの向きの関数として迅速走査中にコントローラ６０により記録される。
【００２９】
第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線の、ビームスポット１５による（迅速または低速の）走査が完了すると、コントローラ６０は、走査中に光検出器５０から受け取った出力強度に基づいて第２位置合わせ設定点１７を決定する。図４に示すように、最も大きい出力強度を示すビームスポット位置に対応する高速走査線上の点に、波長変換素子２０の導波路部２４は位置付けられる。したがって、第２位置合わせ設定点１７は、波長変換素子２０が最も大きい出力強度を示す位置に対応する高速走査線に沿ったビームスポット１５の位置に決定され、これが、波長変換素子２０の導波路部２４上にビームスポット１５を位置付ける、調整可能光学部品３０の第１走査軸周りの回転の向きに相当する。
【００３０】
一実施の形態において、第２位置合わせ設定点１７が決定された後、最も大きい出力強度に対応する高速走査線上の点に隣接する点に位置するビームスポット１５、および／または最も大きい出力強度を有する点に隣接する複数の点の間に位置するビームスポット１５で、波長変換素子２０の出力強度を測定することにより、第２位置合わせ設定点１７を調整またはチューニングしてもよい。第２位置合わせ設定点１７を、その後隣接する点の測定された出力強度に基づいて高速走査線に沿って補間してもよい。この手法においては、波長変換素子の出力強度が最大となるように第２位置合わせ設定点を調整およびチューニングすることができる。
【００３１】
別の実施形態において、第２位置合わせ設定点１７が決定された後、波長変換素子２０の出力強度を測定しながら、第１および第２位置合わせ設定点両方を含む高速走査線上をビームスポット１５で走査する別の走査を実行することにより、この第２位置合わせ設定点１７を調整またはチューニングしてもよい。波長変換素子２０の出力強度を調整可能光学部品の第１走査軸周りの向きの関数としてコントローラにより記録してもよい。この走査では、第１位置合わせ設定点１６を含む高速走査線に沿った走査の範囲を、第２位置合わせ設定点１７を含む高速走査線の部分に限定してもよい。調整可能光学部品に適用される信号は、ビームスポットが高速走査線を横断する速さＶを乗じた走査時間Ｔが、波長変換素子の導波路部２４のモード径Ｄより小さく（例えば、Ｖ×Ｔ＜Ｄ）なるような信号でもよい。あるいは、積Ｖ×Ｔはモード径の所定の割合より小さくてもよい。例えば、一実施の形態において、積Ｖ×Ｔはモード径の１０％より小さくてもよい（例えば、Ｖ×Ｔ＜０．１０×Ｄ）。波長変換素子の出力強度が最大となるように、走査中に記録された出力強度および向きに基づいて、第２位置合わせ設定点１７をその後調整またはチューニングすることができる。
【００３２】
第１位置合わせ設定点１６および第２位置合わせ設定点１７の両方が決定されかつ調整された後、コントローラ６０は第１位置合わせ設定点１６および第２位置合わせ設定点１７を利用して、ビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路部２４に入射するように、調整可能光学部品３０を第１走査軸および第２走査軸それぞれの周りで配向することができる。
【００３３】
ここで、本書で説明した方法は、半導体レーザ１０のビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路部２４と迅速かつ効率的に位置合わせすることを可能とするものであることを理解されたい。一例として、図３を参照するが、波長変換素子２０の入力面２２が高速走査線上および直交走査線上にそれぞれＮ個の空間的位置を含み、かつ各空間的位置が波長変換素子２０の導波路部２４の断面積におおよそ相当する場合、入力面２２上の最大Ｎ2個の個別の空間的位置の１つに導波路部２４は位置付けられ得る。しかしながら、本発明者らは、本書で説明した迅速走査／低速走査による位置合わせの方法論を用いると、導波路部２４を見つけ出しそして波長変換素子２０の導波路部２４とビームスポット１５とを位置合わせするために、たった２Ｎの個別の空間的測定しか必要としないことを見出していた。
【００３４】
さらに、本発明者らは、調整可能光学部品の略共振周波数を用いて波長変換素子の入力面をビームスポットで走査すると、ビームスポットを波長変換素子の導波路部と正確に位置合わせするのに必要な時間を著しく減少させることもすでに見出していた。
【００３５】
実際には、本発明の位置合わせ方法を、光パッケージの製造中に採用してもよい。一実施の形態においては、光パッケージの組立ての一例として、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同一平面上になるように波長変換素子２０を半導体レーザの上に取り付けてもよい。
【００３６】
次いで、調整可能光学部品３０およびレンズアセンブリ３５を波長変換素子２０および半導体レーザ１０に対しｚ方向のｘ／ｙ平面内に位置付けてもよい。調整可能光学部品３０およびレンズアセンブリ３５それぞれは、各部品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百μｍ以内となるようにｘ／ｙ平面内に位置付けられる。
【００３７】
レンズアセンブリ３５の焦点距離が十分に特徴付けられるとき、波長変換素子２０の入力面２２および半導体レーザ１０の出力面が実質的にレンズアセンブリ３５の対物焦点面内またはこの面と同一平面内にあるように、レンズアセンブリ３５および調整可能光学部品３０をｚ方向に沿って光パッケージに位置付けてもよい。例えば、一実施の形態において、レンズアセンブリ３５の焦点距離は約３ｍｍである。このため、レンズアセンブリ３５と波長変換素子２０の入力面および半導体レーザ１０の出力面との間の距離が約３ｍｍとなり得るように光パッケージの部品が位置付けられる。調整可能光学部品３０も同様にレンズアセンブリ３５に対して位置付けられる。部品それぞれが適切に光パッケージ内で位置付けられると、レンズアセンブリ３５、波長変換素子２０／半導体レーザ１０の組合せ、および調整可能光学部品３０のそれぞれは、エポキシ樹脂、レーザ溶接、または現在知られているまたは今後開発され得る他の接着技術を用いて光パッケージ内の所定の位置に恒久的に固定される。
【００３８】
光パッケージの部品が所定の位置に固定されると、光パッケージに電圧を加え、半導体レーザ１０のビームスポット１５が波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせされるよう、本書で説明した位置合わせ方法をコントローラ６０によって実施することができる。本書で説明した位置合わせ方法を用いて光パッケージを位置合わせするのは、光パッケージの組立て中でもよいし、あるいは光パッケージ全体が組み立てられ光パッケージに初めて電源が入れられた後でもよいことを理解されたい。
【００３９】
別の実施形態において、レンズアセンブリ３５の焦点距離が十分に特徴付けられないときには、本発明の方法をフィードバックループの位置合わせ技術とともに用いることにより、光パッケージの各部品が位置合わせされた状態となるようにビームスポット１５と波長変換素子２０の位置合わせを微調整することができる。例えば、レンズアセンブリ３５の焦点距離が十分に特徴付けられないときには、レンズアセンブリ３５と調整可能光学部品３０とを光パッケージの中に挿入し、これらを波長変換素子２０および半導体レーザ１０と大まかに位置合わせさせて位置付けてもよい。この技術において、ｘ／ｙ平面内での部品の位置合わせは数百μｍ以内であることのみを必要とするが、一方レンズアセンブリ３５の波長変換素子２０の入力面２２との位置合わせは、レンズアセンブリ３５の一焦点距離と近くするべきである。
【００４０】
部品が大まかに位置合わせされた状態で、光パッケージの電源を入れ、本書で説明した位置合わせ方法をコントローラを用いて実施し、ビームスポット１５を波長変換素子２０の導波路部２４と位置合わせする。レンズアセンブリ３５および調整可能光学部品３０それぞれの位置を調整しながら、コントローラ６０が個別のフィードバック制御ループ位置合わせ技術を用いてビームスポット１５と波長変換素子２０の位置合わせを動的に維持すると同時に、レンズアセンブリ３５および調整可能光学部品３０をｘ／ｙ平面内でおよびｚ方向に調整して光パッケージの特性を最適化する。光パッケージの部品がｘ／ｙ平面内でおよびｚ方向に適切に配向されると、各部品は所定の位置で固定される。
【００４１】
別の実施形態においては、光パッケージが組み立てられた後、および光パッケージの耐用期間に亘り、本発明の方法を利用してビームスポットを調整可能光学部品と位置合わせまたは再位置合わせすることができる。例えば、ビームスポットと導波路との再位置合わせは、組み立てられた光パッケージが、ビームと導波路の位置合わせに悪影響を与え得る熱的または環境条件、機械的衝撃、あるいはその他の条件にさらされた場合に必要となり得る。ビームスポットを光パッケージの導波路部と位置合わせするために、本書で説明した位置合わせ方法を、光パッケージに作動的に接続されたコントローラの制御の下で実施することができる。一実施の形態において、例えばコントローラが光パッケージの出力強度の減少を検出したときなどには、光パッケージを再位置合わせするために、本書で説明した位置合わせ方法を自動的に実施するようにしてもよい。別の実施形態においては、光パッケージの耐用期間を通じて、この位置合わせ方法を定期的に実施してもよい。さらに別の実施形態においては、光パッケージを再位置合わせするために、本書で説明した位置合わせ方法をユーザが起動してもよい。
【００４２】
本書で説明した方法が光パッケージの初期組立中にビームスポットを導波路部と位置合わせするために用いられるときには、調整可能光学部品の位置を調整するために用いられるアクチュエータは、光パッケージの外部に、位置合わせのみのために調整可能光学部品に作動的に取り付けられたものでもよいことを理解されたい。
【００４３】
さらに、本書で説明した方法が光パッケージの初期組立中にビームスポットを導波路部と位置合わせするために用いられるとき、調整可能光学部品がＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳ駆動ミラーである場合などには、光パッケージに集積された内部アクチュエータによって調整可能光学部品を調整することができることも理解されたい。
【００４４】
本書で説明した方法は、半導体レーザのビームスポットを波長変換素子の導波路部と位置合わせするのに適していることをここで理解されたい。この位置合わせ方法は、光パッケージの組立中にビームスポットと波長変換素子の初期位置合わせを実施するのに特に適している。しかしながらこの位置合わせ方法は、光パッケージの作動中またはこのパッケージのライフサイクルの任意の時期に、ビームスポットと波長変換素子の位置合わせを維持するため、またはその再位置合わせを実施するためにも利用できることを理解されたい。
【００４５】
本発明の方法は、カラー画像を形成するレーザプロジェクションシステム、自動車のヘッドアップディスプレイなどのレーザベースディスプレイ、または光学的位置合わせおよび／または波長のチューニングが問題となっている任意のレーザ用途に適用できると考えられる。本書で説明した位置合わせ方法は、これらに限定されるものではないが、ＤＢＲおよびＤＦＢレーザ、ファブリペローレーザ、およびさまざまな外部空洞レーザを含む、種々の半導体レーザとともに用いると有用であるとも考えられている。
【００４６】
前述した本発明の詳細な説明は、請求される本発明の本質および特性を理解するための概要または構想を提供することを意図したものであることを理解されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の種々の改変および変形が作製可能であることは当業者には明らかであろう。すなわち、本発明の改変および変形が添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本発明はこのような改変および変形を含むと意図されている。
【００４７】
「好ましくは」、「通常」、および「典型的には」のような用語が本書で用いられている場合には、請求される本発明の範囲を限定するものではないと解釈されるべきであるし、あるいは請求される本発明の構造または機能に対して特定の特徴が重大であるとか、不可欠であるとか、または重要であるとさえ、意味するものではないと解釈されるべきであることに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態で利用され得る、または利用できない、代わりのまたは追加の特徴を強調することを単に意図している。
【００４８】
本発明を説明および画成するために、「実質的に」および「略」という用語を、本書では、任意の定量比較、値、大きさ、または他の表現に起因し得る、固有の不確実性の程度を表すために用いることに留意されたい。さらに本書では、「実質的に」および「略」という用語を用いて、その論じられている主題の基本機能を変えずに定量的表現を述べられた参照から変化させることができる程度を表している。
【００４９】
特定の手法に「プログラムされている」、または特定の性質や機能を具象化するように「構成されている」あるいは「プログラムされている」部品に関する本書での記述は、意図される使用に関する記述ではなく、構造的記述であることに留意されたい。より具体的には、部品が「プログラムされている」または「構成されている」手法への本書での言及は、その部品の現在の物理的状態を示し、したがって、その言及はその部品の構造特性の明確な記述と解釈されるべきである。例えば、特定の手法においてレーザビームを導くよう「構成されている」レンズアセンブリおよび調整可能光学部品への本書での言及は、レンズアセンブリおよび調整可能光学部品の現在の物理的状態を示し、したがって、その言及はレンズアセンブリおよび調整可能光学部品の構造特性の明確な記述と解釈されるべきである。
【００５０】
本発明について詳細に、そしてその具体的な実施形態を参照して説明してきたが、添付の請求項において画成される本発明の範囲から逸脱することなく、改変および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様は、本書において好適または特に有益であるとされているが、本発明は必ずしもこれらの好適な態様に限定されないと考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１０    半導体レーザ
１５    ビームスポット
２０    波長変換素子
２２    入力面
２４    導波路部
３０    調整可能光学部品
３５    レンズアセンブリ
５０    光検出器
６０    コントローラ
【図１】
2011511318.tif 000003
【図２】
2011511318.tif 000004
【図３】
2011511318.tif 000005
【図４】
2011511318.tif 000006
【国際調査報告】
2011511318.tif 000007