(57)【要約】本発明の特定の実施形態は、一般に周波数２逓倍のおよびその他の光学用途における波長の監視に関する。本発明の一実施の形態によれば、光源の波長を監視するためのシステムが提供される。このシステムは、導光部、光ベクトル発生器、および１以上の位置感知検出器を備える。光ベクトル発生器は、可変波長入力光に応じて反射型または透過型光共鳴効果を示すように構成された回折格子結合導波路を含む。光共鳴効果は、可変波長入力光に応じて回折格子結合導波路の局所出力ベクトル領域から生成される波長依存出力ベクトルを含む。回折格子結合導波路の範囲に沿った局所出力ベクトル領域の位置は、可変波長入力光の波長により変化する。位置感知検出器は、波長依存出力ベクトルの光路内に配置され、かつ回折格子結合導波路の範囲に沿った局所出力ベクトル領域の位置を示す信号の生成を補助するように構成される。さらなる実施形態が開示され主張される。
2010534415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源の波長を監視するためのシステムであって、該システムが、導光部、光ベクトル発生器、および１以上の位置感知検出器を備え、
前記導光部が、光源によって生成された光の少なくとも一部を、可変伝播ベクトル形状を含む湾曲した発散または集束波面を有している可変波長入力光として、光ベクトル発生器に向けて導くように構成され、
前記光ベクトル発生器が、前記可変波長入力光の前記光路に配置された回折格子結合導波路を含み、
前記回折格子結合導波路が、前記可変波長入力光に応じて反射型または透過型光共鳴効果を示すように構成され、
前記光共鳴効果が、可変波長入力光に応じて前記回折格子結合導波路の局所出力ベクトル領域から生成される、波長依存出力ベクトルを含み、
前記回折格子結合導波路の範囲に沿った前記局所出力ベクトル領域の位置が、前記可変波長入力光の波長により変化し、かつ、
前記位置感知検出器が、前記波長依存出力ベクトルの光路内に配置され、かつ前記回折格子結合導波路の前記範囲に沿った前記局所出力ベクトル領域の位置を示す信号の生成を補助するように構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記光ベクトル発生器が、略均一な空間格子形状を備えている回折格子結合導波路を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
その少なくとも一部が前記光ベクトル発生器に向けて導かれる前記光を、生成するように構成された波長可変光源と、該光源によって生成された前記光の光路内に配置された波長変換素子とをさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
その少なくとも一部が前記光ベクトル発生器に向けて導かれる前記光を、生成するように構成された波長可変光源、および、
前記位置感知検出器によって生成された前記信号に応じて少なくとも部分的に前記波長可変光源を調整するように構成されたコントローラ、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記光源によって生成された前記光の光路内に配置された波長変換素子、および、
前記位置感知検出器によって生成された前記信号に応じて前記波長変換素子の変換帯域を調整するように構成されたコントローラ、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記システムが、波長可変光源と、該光源によって生成された前記光の前記光路内に配置された波長変換素子とをさらに備え、
前記導光部が、前記波長変換素子の上流または下流の、前記波長可変光源によって生成された光の少なくとも一部を、ネイティブ波長入力光または周波数変換入力光として前記光ベクトル発生器に向けて導くように構成されていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、波長監視における位置感知検出器として２００７年７月２０日に出願された、同一出願人による同時係属の米国特許出願第１１／８８０，２５１号に関し、そ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、半導体レーザおよびその他の波長可変光源における波長の監視および制御に関する。より詳細には、本発明は、半導体レーザおよびその他の波長可変光源における波長の監視および制御を補助する位置感知検出器の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザはさまざまな手法で構成することができる。例えば実例として、限定するものではないが、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型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、高速変調可能な短波長光源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば、波長を５３０ｎｍへと変換するＳＨＧ結晶のスペクトル中心に１０６０ｎｍのＤＢＲまたはＤＦＢレーザを同調させて基本波レーザ信号の高調波を生成するように構成することができる。
【０００４】
ＭｇＯ添加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素子間の波長整合に強く依存する。レーザ設計の当業者には明らかであろうが、ＤＦＢレーザは、半導体材料の中に反射媒体として格子または同様の構造のエッチングを施した共振器レーザである。ＤＢＲレーザは、半導体レーザの電子励起領域から物理的に分離させて、エッチング処理が施された回折格子を設けたレーザである。ＳＨＧ結晶は、非線形結晶の第２高調波発生特性を用いてレーザ放射の周波数を２逓倍とするものである。
【０００５】
ＰＰＬＮ−ＳＨＧ素子の帯域は非常に狭いことが多く、典型的なＰＰＬＮ−ＳＨＧ波長変換素子では、波長変換帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）はわずか０．１６から０．２ｎｍの範囲であり結晶長にほとんど依存することから、波長変換素子を用いた波長可変光源において波長制御が重要であることを本発明者は認識していた。さらに、レーザ共振器内のモードホッピングや制御されていない大きな波長変化は、半導体レーザの出力波長が動作中に動く原因となるため、一般に半導体レーザの波長制御は重要となることが多いと本発明者は認識していた。波長変換光源の場合、一旦半導体レーザの波長がＰＰＬＮ−ＳＨＧ素子の波長変換帯域外に逸脱してしまうと、目的とする波長での変換素子の出力は減衰する。レーザプロジェクションシステムでは、例えば、こういった出力の減衰は特に問題である、というのも画像内の特定の箇所に欠陥として容易に見えてしまうような瞬間的な変化を生成し得るためである。生成された像は単にレーザの異なる領域での熱発生の痕跡であるため、これらの可視欠陥は典型的には画像全域に亘って系統的なパターン化された画像欠陥として現れる。
【０００６】
周波数２逓倍用途では波長変換素子の変換効率が波長変化に対し非常に敏感である可能性があり、波長揺らぎに起因する、周波数２逓倍光のリアルタイムの出力揺らぎを相殺するためには波長監視が必要であると本発明者は認識していた。波長を監視することにより、その変化を検出し相殺することが可能となる。一例として、赤外線レーザに注入される電流を増加させて変換効率の低下を相殺することができる。さらに、あるいは代替として、レーザの自由スペクトル領域よりも大きな波長変化が検出された場合には、レーザのＤＢＲ領域によって画定される名目上の波長に近いモードを選択させるように、短時間の間レーザを０にリセットしてもよい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施の形態によれば、光源の波長を監視するためのシステムが提供される。このシステムは、導光部、光ベクトル発生器、および１以上の位置感知検出器を備える。導光部は、光源によって生成された光の少なくとも一部を、可変波長入力光として光ベクトル発生器に向けて導くように構成される。光ベクトル発生器は、可変波長入力光の光路に配置された回折格子結合導波路を含む。回折格子結合導波路は、可変波長入力光に応じて反射型または透過型光共鳴効果を示すように構成される。光共鳴効果は、可変波長入力光に応じて回折格子結合導波路の局所出力ベクトル領域から生成される、波長依存出力ベクトルを含む。回折格子結合導波路の範囲に沿った局所出力ベクトル領域の位置は、可変波長入力光の波長により変化する。位置感知検出器は、波長依存出力ベクトルの光路内に配置され、かつ回折格子結合導波路の範囲に沿った局所出力ベクトル領域の位置を示す信号の生成を補助するように構成される。
【０００８】
本発明の別の実施の形態によれば、波長可変半導体レーザ、波長変換素子、および半導体レーザの波長を監視するためのシステムを備えている光パッケージが提供される。この監視システムは、導光部、波長依存光ベクトル発生器、１以上の位置感知検出器、およびコントローラを備えている。コントローラは、位置感知検出器によって生成された出力ベクトル位置信号に応じて、波長可変光源の波長、波長変換素子の変換帯域、または両方、を調整するように構成される。
【０００９】
本発明の概念は主に画像形成と関連して説明されているが、本発明の種々の概念は、光源の波長揺らぎが問題となり得る任意の光源用途にも適応できるであろうと考えられる。
【００１０】
以下の本発明の特定の実施形態に関する詳細な説明は、同様の構造を同様の参照符号で示した以下の図面と共に読むと最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】波長可変半導体レーザと、波長変換素子と、本発明の一実施の形態による、半導体の波長を監視するためのシステムとを備えている光パッケージの概略図
【図２】本発明の別の実施の形態による、半導体の波長を監視するためのシステムの概略図
【図３】本発明のさらに別の実施の形態による、半導体の波長を監視するためのシステムの概略図
【図４】本発明の特定の実施形態の範囲での使用に適した代替の光ベクトル発生器を示す概略図
【図５】本発明の特定の実施形態の範囲での使用に適した代替の光ベクトル発生器を示す概略図
【図６】本発明の特定の実施形態の範囲での使用に適した代替の光ベクトル発生器を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず図１を参照すると、波長可変半導体レーザ１０、波長変換素子３０、および半導体レーザ１０の波長を監視するためのシステム２０を備えている光パッケージを参照し、本発明のいくつかの実施形態の詳細な特徴を説明することができる。概して、監視システム２０は、導光部３２、光ベクトル発生器３４、および１以上の位置感知検出器３６を備えている。
【００１３】
導光部３２は、図１ではビームスプリッタ３２Ａおよび光学レンズ３２Ｂとして概略的に示されており、半導体レーザ１０により生成された光１５の少なくとも一部を光ベクトル発生器３４に向けて導くよう構成される。半導体レーザ１０により生成された光１５は、その波長が前述のモードホッピングや熱パターンの影響などを受けて変化しやすいため、ここでは可変波長入力光として参照する。本発明を説明および画定するため、可変波長入力光という表現は、波長が単に規定の参照値やターゲット値から変化する伝播光をも称するものであり、モードホッピングに関連する事例のように値が徐々に変化することを必要とするものではないことに留意されたい。
【００１４】
例示の実施形態において、光ベクトル発生器３４は、回折格子結合導波路を備え、かつ可変波長入力光１５の光路内に配置され、可変波長入力光１５に応じて反射型光共鳴効果を示す。本発明での使用に適したさまざまな回折格子結合導波路の構造、機能、および特性は、本主題に関連する文献から集めることができるが、回折格子結合導波路は一般に、入射光が、従来の分光器では一般的であった長い光路長を必要としない特性である特定の入射角および特定の波長を有する場合にのみ光を反射することに留意されたい。典型的には、波長可変光源１０から波長変換素子３０までと、さらに光ベクトル発生器３４および位置感知検出器３６を含めて測定したシステムの光路は、約１００ｍｍよりも短く、また１５ｍｍ以下である可能性もある。一般に、導光部３２、光ベクトル発生器３４、および位置感知検出器３６は、システムの全光路長のうち約５０ｍｍよりも短い部分を占め、あるいは事例によっては５ｍｍ程である。
【００１５】
したがって、一般に回折格子結合導波路は、コンパクトな波長監視光源が要求されるような用途、または光源が携帯用ユニットすなわち機械的支援なしに人間が容易に運搬するまたは移動させることができるようなものの、一般的な筐体の内部に収容されるような用途に特に適している。本発明の概念は、特定の光ベクトル発生器、すなわち本文献で現在教示しているような回折格子結合導波路の設計のみに限定されるものではないことにも留意されたい。
【００１６】
回折格子結合導波路３４内で発生する光共鳴効果は波長依存出力ベクトル５０を含み、この出力ベクトルは可変波長入力光１５に応じて回折格子結合導波路３４の局所出力ベクトル領域Ｖλから生成される。回折格子結合導波路３４に沿った局所出力ベクトル領域Ｖλの位置は、可変波長入力光１５の波長により変化する。したがって、波長依存出力ベクトル５０の光路内に検出器３６を配置しかつ検出器によって生成される位置信号を、波長を示すものとして使用すると、位置感知検出器３６を可変波長入力光１５の波長の判定に使用することができる。
【００１７】
より具体的には、図１に示した本発明の実施形態において、導光部３２は可変波長入力光１５を、複数の個別ベクトル成分４２を有する湾曲波面４０として光ベクトル発生器３４に向けて導くように構成される。本発明の特定の実施形態の実施において、波面４０は図１に示すように発散する放射で形成してもよいし、または収束する放射で形成してもよい。湾曲波面４０が与えられると、入力光１５の光ベクトル発生器３４上の入射角は、光ベクトル発生器３４の入射面３５の側面範囲に沿って変化する。光ベクトル発生器３４は回折格子結合導波路のような共鳴構造であるから、反射型光共鳴効果を示すが、その光共鳴は特定の入射角θλすなわち入力光１５の波長に対応するある角度でのみ示される。したがって、特定の入力波長λが与えられると、光共鳴効果は対応する入射角θλでのみ示され、他の入射角、例えばθ０では示されない。結果として、出力ベクトル５０は波長依存であり、かつ、光ベクトル発生器３４の局所出力ベクトル領域Ｖλすなわち入力光１５の波長に依存する特定位置から生成される。
【００１８】
局所出力ベクトル領域Ｖλの位置は、さまざまな手法で推定、測定、概算、あるいはそうでなければ判定することができるが、本発明の一実施の形態によれば、波長依存出力ベクトル５０の光路内に１以上の位置感知検出器３６を挿入し、以下の近似式を用いることにより入力光１５の波長を判定することができる。
【００１９】
ηeff＋ｍ（λ／Λ）＝θAVG＋ｘ／Ｒ
ここでηeffは光導波路の実効屈折率、ｍは整数（正または負）、λは入力光１５の波長、Λは回折格子周期、θAVGは平均入射角、ｘは共鳴の位置、Ｒは入射波の曲率半径である。共鳴の位置ｘは、位置感知検出器３６を位置感知検出器３６の入力面３８上の波長依存出力ベクトル５０の位置Ｐλを示す信号を生成するように用いることにより判定することができる。上記の式に基づいて、任意の波長変化は下記式で与えられるビームシフトｄｘを生じる。
【００２０】
ｄｘ＝Ｒｍ（ｄλ／Λ）
したがって、比較的大きな曲率半径Ｒを有する湾曲波面４０を用いると、小さな波長変化に対し大きなビームずれを達成することができる。
【００２１】
位置感知検出器３６は、任意の従来のまたは今後開発される検出器を備えてもよく、かつ、さまざまな入力面３８構造を画定していてもよい。例えば、限定するものではないが、それぞれが平面的な入力面３８を画定している１以上の感光性検出器アレイ３６を位置感知検出器が備え、波長依存出力ベクトル５０がさまざまな角度に亘って光ベクトル発生器３４のさまざまな位置から生成されるとき、この波長依存出力ベクトルを受け取るように入力面３８を配置してもよい。前述したような、可変波長入力光の入射角θλと波長λとの関連付けは、さまざまな手法で実行することができ、例えば、限定するものではないが、幾何的アルゴリズム、ルックアップテーブルなどの使用が挙げられる。
【００２２】
図１および２を集合的に参照すると、光ベクトル発生器３４は回折格子結合導波路を含み、かつ可変波長入力光１５に応じて、図１のように反射型光共鳴効果を示すように構成してもよいし、または図２のように透過型光共鳴効果を示すように構成してもよいことに留意されたい。いずれの場合でも、反射型または透過型光共鳴効果が波長依存出力ベクトル５０を含むように光ベクトル発生器は構成され、この波長依存出力ベクトルが、上述の手法で可変波長入力光の入射角θλと波長λとを関連付けるために用いられる。
【００２３】
図１に示した本発明の実施形態では、光ベクトル発生器３４は略均一な空間格子形状を備え、一方可変波長入力光１５は湾曲波面４０と可変伝播ベクトル形状とを画定する複数の個別ベクトル成分４２を含む。これに対し、図３に示した本発明の実施形態を参照すると、光ベクトル発生器３４の入力面上の位置関数として変化する空間格子形状を備えるように光ベクトル発生器３４を代替として構成することができ、一方可変波長入力光１５は平面的な波面４０と略均一な伝播ベクトル形状とを画定する複数の個別ベクトル成分４２を含む。結果として、図３の実施形態では、波長依存出力ベクトルが生成される空間位置Ｐ1、Ｐ2、Ｐiが可変波長入力光の波長の関数として変化するから、光ベクトル発生器に沿った空間位置が波長関連付けの基礎となる。
【００２４】
より具体的には、図３を参照すると、導光部は可変波長入力光を略平面的な波面４０として光ベクトル発生器３４に向けて導くように構成されており、この略平面的な波面は、平面的な波面４０と略均一な伝播ベクトル形状とを画定する複数の個別ベクトル成分４２を含んでいる。光ベクトル発生器３４は、波長依存出力ベクトル５０が光ベクトル発生器３４の入力面３５の特定空間位置Ｐ1、Ｐ2、Ｐiで生成されるように構成されている。波長依存出力ベクトル５０が生成される空間位置Ｐ1、Ｐ2、Ｐiは可変波長入力光１５の波長λの関数であるから、位置感知検出器３６の入力面３８上の波長依存出力ベクトル５０の位置Ｐλは、光ベクトル発生器３４の入力面３５上の空間位置Ｐ1、Ｐ2、Ｐi、および可変波長入力光の波長と関連付けることができる。
【００２５】
例えば、限定するものではないが、図４〜６は図３に示した実施形態の範囲内での使用に適した回折格子結合導波路型光ベクトル発生器の類を表す概略図である。具体的には、回折格子周期がＹ軸方向で光ベクトル発生器３４の全長に亘って変化するチャープ格子（図４参照）、回折格子結合導波路の導波路部分の厚さをＹ軸方向に沿って変えることにより回折格子構造内に実効屈折率変化を組み込んだ変厚型回折格子（図５参照）、あるいは非平行の回折格子線を光ベクトル発生器の全長に沿ってＹ軸方向に組み込むことで回折格子周期を変化させる非平行回折格子（図６参照）を提供することにより、光ベクトル発生器３４は、光ベクトル発生器３４入力面上の位置関数として変化する空間格子形状を備えるように構成することができる。
【００２６】
図１を参照すると、本発明の特定の実施形態は、波長可変光源１０と、位置感知検出器３６によって生成された出力ベクトル位置信号に応じて波長可変光源の波長を調整するように構成されたコントローラ６０とを備えている光パッケージと関連付けて適用される。代替として、あるいは追加として、出力ベクトル位置信号に応じて波長変換素子３０の変換帯域を調整するようにコントローラ６０を構成することもできる。例示の実施形態では波長変換素子３０の上流の可変波長入力光１５のサンプリングを示しているが、波長変換素子３０の下流の、波長可変光源によって生成された光の一部をサンプリングするように導光部３２を構成することもできると考えられ、この場合には周波数変換光の波長を測定することができる。さらに下流サンプリングは、波長変換素子３０の出力に残存する赤外光を検出することによって実行することもできると考えられる。
【００２７】
前述の本発明の詳細な説明は、主張される本発明の性質および特徴を理解するための概要または構想を提供するように意図されてい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、本発明に対する種々の改変および変形例が作製可能であることは当業者には明らかであろう。このため、本発明は、添付の請求項およびその同等物の範囲内で提供される本発明の改変および変形例を含むと意図されている。
【００２８】
例えば、本発明の種々の概念は半導体レーザと関連して説明されているが、本発明の特定の態様は、波長変化や波長誤差に陥りやすいさまざまな励起光源および非励起光源に適用できるであろうと考えられる。
【００２９】
本発明を説明および画定するため、あるパラメータまたは別の可変物の「関数」である可変物へのここでの言及は、その可変物が排他的にその記載されたパラメータまたは可変物の関数であると示すことを意図するものではないことに留意されたい。むしろ、ある記載されたパラメータの「関数」である可変物へのここでの言及は、無制限のものであることを意図しており、その可変物は単一のパラメータまたは複数のパラメータの関数である可能性がある。
【００３０】
「好ましくは」「一般的には」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ときには、主張された本発明の範囲を限定すること、または、特定の特徴が主張された本発明の構造物または機能にとって重大、不可欠、あるいはまさに重要であるという意味を含むことを意図しているものではない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において利用できる、または利用できない代替の、または追加の特徴を強調することを単に意図している。
【００３１】
さらに、特定の手法で、あるいは特定の性質や機能を具象化するために「構成された」本発明の要素に関するここでの詳説は、目的とされている使途の詳説とは対照的な構造的な詳説である。例えば、光を光ベクトル発生器に向けて導くように「構成された」導光部へのここでの言及は、導光部の存在している物理的状態を示し、それ自体、導光部の構造的特徴の明確な詳説とされる。
【００３２】
本発明を説明および画定するため、「略」および「約」という用語は本書において、任意の定量比較、値、測定値、あるいは他の表現に起因し得る、内在する不確実さの度合いを表すために用いられることに留意されたい。
【符号の説明】
【００３３】
１０    波長可変半導体レーザ
１５    可変波長入力光
２０    監視システム
３０    波長変換素子
３２    導光部
３４    光ベクトル発生器
３６    位置感知検出器
５０    波長依存出力ベクトル
６０    コントローラ
【図１】
2010534415.tif 000003
【図２】
2010534415.tif 000004
【図３】
2010534415.tif 000005
【図４】
2010534415.tif 000006
【図５】
2010534415.tif 000007
【図６】
2010534415.tif 000008
【国際調査報告】
2010534415.tif 000009