(57)【要約】【課題】変調信号パターンに依存せずに安定した高階調の制御も可能な光波長変換装置ないし方法、その制御方法を提供することである。【解決手段】光波長変換装置は、DBRレーザ101と、DBRレーザ101から発せられた基本波光を入射してその第2高調波光108を出力する光波長変換素子104と、DBRレーザ101を制御する制御手段109を含む。制御手段109は、駆動電流の一周期を2つの時間領域に分けたとき、活性領域101aとDBR領域101cのいずれか一方に、2つの時間領域の夫々の領域で異なる一定の駆動電流を注入し、他方の領域に2つの時間領域の夫々で2値の駆動電流を注入し、かつ他方の領域に注入される駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに略一定となる様に、駆動電流の電流値及び注入時間を調整する。【選択図】図1
2007043067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と位相領域と分布ブラック反射器（DBR）が形成されたDBR領域とを有するDBRレーザと、前記DBRレーザから発せられる基本波光を入射してその第2高調波光を出力する光波長変換素子と、変調信号に応じてDBRレーザへの注入電流を周期ごとに制御してその発振波長と光出力を制御する制御手段を含む光波長変換装置であって、
DBRレーザに注入される駆動電流の一周期が第1の時間領域t1と第2の時間領域t2に分かれ、
前記第1の時間領域t1において、
前記活性領域と前記DBR領域のうち一方の領域には一定の電流I1、他方の領域には、ある時間t3において電流I3、前記第1の時間領域の残りの時間t4において電流I4の電流が注入され、
前記第2の時間領域t2において、
前記一方の領域には一定の電流I2、前記他方の領域には、ある時間t5において電流I5、前記第2の時間領域の残りの時間t6において電流I6の電流が注入され、
t1>t2
であって、かつ、前記他方の領域に注入される駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに一定となる様に、前記制御手段が駆動電流の電流値及び注入時間を調整することを特徴とする光波長変換装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電流I3、I4、I5、I6のときの前記他方の領域の駆動電圧が夫々V3、V4、V5、V6で表される場合、I3×V3×t3＋I4×V4×t4＋I5×V5×t5＋I6×V6×t6
が一定である様に前記駆動電流を調整することを特徴とする請求項1に記載の光波長変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記電流I3、I4、I5、I6及び駆動電圧V3、V4、V5、V6が
|I3×V3−I4×V4|<|I5×V5−I6×V6|
となる様に前記駆動電流を調整することを特徴とする請求項1または2に記載の光波長変換装置。
【請求項４】
前記一方の領域が活性領域であり、前記他方の領域がDBR領域であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光波長変換装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記電流I3を注入しているときの前記DBRレーザの発振波長が、前記電流I4、I5、I6を注入しているときの前記DBRレーザの発振波長に比べて、前記光波長変換素子の位相整合波長に近くなる様に、前記活性領域への駆動電流、前記位相領域への注入電流、及び前記DBR領域への駆動電流を調整することを特徴とする請求項4に記載の光波長変換装置。
【請求項６】
前記一方の領域がDBR領域であり、前記他方の領域が活性領域であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光波長変換装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記電流I3を注入しているときの前記DBRレーザの発振波長が、前記電流I5を注入しているときの前記DBRレーザの発振波長に比べて、前記光波長変換素子の位相整合波長に近くなる様に、前記活性領域への駆動電流、前記位相領域への注入電流、及び前記DBR領域への駆動電流を調整することを特徴とする請求項6に記載の光波長変換装置。
【請求項８】
前記第2高調波光の出力をモニターする第1の光検出器が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の光波長変換装置。
【請求項９】
前記基本光出力をモニターする第2の光検出器が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の光波長変換装置。
【請求項１０】
前記DBRレーザと前記光波長変換素子のうち少なくとも一方に温度調整手段が設けられていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の光波長変換装置。
【請求項１１】
活性領域と位相領域と分布ブラッグ反射器（DBR）が形成されたDBR領域とを有するDBRレーザから発せられる基本波光を光波長変換素子に入射させてその第2高調波光を出力させ、変調信号に応じてDBRレーザへの注入電流を周期ごとに制御してその発振波長と光出力を制御する光波長変換方法であって、
DBRレーザに注入される駆動電流の一周期が第1の時間領域t1と第2の時間領域t2に分かれ、
前記第1の時間領域t1において、
前記活性領域と前記DBR領域のうち一方の領域には一定の電流I1、他方の領域には、ある時間t3において電流I3、前記第1の時間領域の残りの時間t4において電流I4の電流を注入し、
前記第2の時間領域t2において、
前記一方の領域には一定の電流I2、前記他方の領域には、ある時間t5において電流I5、前記第2の時間領域の残りの時間t6において電流I6の電流を注入し、
t1>t2
であって、かつ、前記他方の領域に注入する駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに一定となる様に、駆動電流の電流値及び注入時間を調整することを特徴とする光波長変換方法。
【請求項１２】
請求項4乃至10のいずれかに記載の光波長変換装置の制御方法であって、
変調時の第2高調波光の出力または変換効率が極大になる条件を抽出する第1の工程と、
モードホップが起きにくい条件を抽出する第2の工程と、
第2高調波光の出力または変換効率を極大にする条件を抽出する第3の工程と、
第2高調波光の出力を目的の値にする条件を抽出する第4の工程、
を含み、前記第1から第4の工程を用いてDBR領域、位相領域、活性領域の注入電流を決定することを特徴とする光波長変換装置の制御方法。
【請求項１３】
前記第1の工程は、階調レベルが最大になる様に予め仮設定されたパルス幅及び変調電流を活性領域とDBR領域に注入する工程と、このときの第2高調波光の出力または変換効率が極大になる様に活性領域の注入電流、もしくはDBRレーザまたは光波長変換素子の温度を調整する工程を含んでおり、
前記第2の工程は、DBR領域の変調電流を仮設定値から前後にずらした場合に第2高調波光の出力もしくは基本波光の出力が大きく変化する電流値を検出して、出力の変動が小さい電流値に変調電流を設定する工程を含んでおり、
前記第3の工程は、モードホップしない関係を維持して位相領域の注入電流とDBR領域の変調電流を調整して第2高調波光の出力または変換効率が極大になる様に位相領域の注入電流とDBR領域の変調電流を設定する工程を含んでおり、
前記第4の工程は、DBRレーザの共振器波長が変化しない関係を維持した状態で活性領域の注入電流と位相領域の注入電流を制御して第2高調波光の出力が目的の値になる様に活性領域の注入電流と位相領域の注入電流を設定する工程を含んでいることを特徴とする請求項12に記載の光波長変換装置の制御方法。
【請求項１４】
設定された前記一方及び他方の領域の電流値を維持し、前記他方の領域の電流注入時間t3及びt5の比を一定に保ったままで階調ごとに変化させることで階調を表現することを特徴とする請求項12または13に記載の光波長変換装置の制御方法。
【請求項１５】
第2高調波光の出力を常時、もしくは一定間隔でモニターし、第2高調波光の出力が変動したときに、前記第4の工程を含んで前記第1から第4の工程のいずれか1つ以上の工程を行うことで第1高調波の出力を目的の値に調整することを特徴とする請求項12に記載の光波長変換装置の制御方法。
【請求項１６】
請求項1乃至10のいずれかに記載の光波長変換装置及び少なくとも1つの光走査素子を有し、前記光波長変換装置によって発せられた光を前記光走査素子で走査し、かつ変調信号に応じて第2高調波光の光量を調整することで画像が形成されることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１７】
請求項12乃至15のいずれかに記載の光波長変換装置の制御方法を用いて制御を行なうことを特徴とする請求項16に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ光を第2高調波に変換する光波長変換装置ないし方法に関するものである。特に、レーザーディスプレイ、電子写真方式の画像形成、光記録、光計測用などの光源として利用される、高速変調駆動も可能なレーザ光を出射する光波長変換装置ないし方法に関する。また、こうした光波長変換装置の制御方法、及びそれを用いたレーザーディスプレイ、レーザービームプリンタなどの画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、小型、高出力かつ低コストでの製造が可能であるという特徴を生かし、光通信システム、CD・DVD、計測機器等、様々な分野で利用されている。しかし、近年になりようやく青紫色レーザが実用化されたが、緑色や紫外域以下の波長帯の半導体レーザは未だ製品化されていない。色の三原色の一つである緑色や、レーザ加工機、高密度光メモリーなどに応用される短波長高出力の小型レーザに対する期待は大きい。
【０００３】
この様な背景のもと、短波長レーザ光源を得る方法として、これまでに第2高調波発生(SHG; Second Harmonic Generation)を用いた方式が種々提案されている。光波長変換素子(SHG素子)として一般的には、周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN;
Periodically Poled Lithium Niobate)が用いられる。また、SHG素子の波長選択幅は通常1nm以下と狭いので、基本波光源としては、シングルモード性と波長安定性の良いDFB(Distributed
Feedback)レーザやDBR(Distributed Bragg Reflector)レーザが用いられる。
【０００４】
この様な半導体レーザに変調電流を注入した場合、その変調パターンに依存した熱履歴によって発振波長が変動し、その結果としてSHG光の出力も変動してしまうという問題が知られている。そのため、その問題を考慮したSHGレーザ光源が開示されている（特許文献1参照）。図16はその構成を示す図である。このSHGレーザ光源は、図16に示される様に、DBR領域813、位相調整領域812、活性領域811を有するDBR半導体レーザ810と、SHG素子820と、駆動回路830を備えている。駆動回路830は、活性領域811からDBR領域813に伝達する熱量と位相領域812からDBR領域813に伝達する熱量の和が一定になる様に、活性領域811への注入電流量と位相領域812への注入電流量を制御している。これにより、DBR半導体レーザ810からの基本波光の波長を安定化させて、SHG素子820からのSHG光（第2高調波光）の変調パターン依存を低減している。
【０００５】
また、DBR半導体レーザと光波長変換素子を備えたSHGレーザ光源において、所望の高調波出力を得、且つ、出力安定化を図るために、DBR領域、活性領域、位相領域の夫々の電流値を制御する方法についても、提案がある（特許文献2参照）。
【特許文献１】特開2002-43698号公報
【特許文献２】特許第3329446号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献1に開示される方法によれば、変調電流パターンによるDBR領域813の温度変化は或る程度小さくなる。しかしながら、活性領域811に変調電流を入力して基本波光を変調しているので、SHG素子820に入力される光エネルギーが変動する。そのため、SHG素子820の温度が変動し、その位相整合波長が安定化しないことになる。その結果、SHG素子820からのSHG光の出力が不安定となってしまう。
【０００７】
また、前記特許文献2に開示される方法は、連続発振状態の光出力安定化についてのみの技術であり、変調時の光出力安定化については考慮されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の光波長変換装置は、DBRレーザと、DBRレーザから発せられた基本波光を入射して、その第2高調波光を出力する光波長変換素子と、DBRレーザを制御する制御手段を含む。ここで、DBRレーザは、活性領域と位相領域と分布ブラック反射器（DBR）が形成されたDBR領域とを有する。そして、前記制御手段は、次の条件を満たす様に、駆動電流の電流値及び注入時間を調整する。即ち、1つの条件は、駆動電流の一周期を2つの時間領域に分けたとき、活性領域とDBR領域のいずれか一方に、2つの時間領域で夫々異なる一定の駆動電流を注入し、他方に2つの時間領域夫々で2値の駆動電流を注入することである。もう1つの条件は、前記他方の領域に注入する駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに概略一定となる様にすることである。
【０００９】
より詳細には、本発明の光波長変換装置は、上記の如きDBRレーザと、上記の如き光波長変換素子と、変調信号に応じてDBRレーザへの注入電流を周期ごとに制御してその発振波長と光出力を制御する制御手段を含む。そして、DBRレーザに注入される駆動電流の一周期が第1の時間領域t1と第2の時間領域t2に分かれて次の様に電流注入が制御手段によってなされる。即ち、第1の時間領域t1において、活性領域とDBR領域の一方の領域には一定の電流I1、他方の領域には、ある時間t3において電流I3、前記第1の時間領域の残りの時間t4において電流I4の電流が注入される。また、第2の時間領域t2において、一方の領域には一定の電流I2、他方の領域には、ある時間t5において電流I5、第2の時間領域の残りの時間t6において電流I6の電流が注入される。更に、t1>t2であって、かつ、他方の領域に注入する駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに概略一定となる様に、制御手段が駆動電流の電流値及び注入時間を調整する。
【００１０】
上記構成においては、次の2つの条件を満たしつつ、変調信号に応じてDBRレーザへの注入電流を制御してその発振波長と光出力を制御し、光波長変換素子からの第2高調波光の光量を変調信号に応じて変調することができる。1つは、光波長変換素子に入力される各周期における光エネルギーが一定となる様にDBRレーザの光出力態様を制御する条件（これは、図2に示す様な光波長変換素子のSHG光出力の波長依存性を変化させないための条件である）である。もう1つは、DBR領域の注入電流対発振波長特性が一定となる様に（すなわち、DBR領域への注入電流とDBRレーザの発振波長の関係が変化しない様に）活性領域と位相領域とDBR領域の夫々へ各周期において発生熱量一定態様で電流を注入する条件である。なお、上記構成の説明における「一定」は、厳密に一定である場合は勿論であるが、一定程度の効果を奏する限り概略一定である場合も含む意味で用いている。また、発生熱量一定態様とは、DBRレーザから光波長変換素子の位相整合波長に最近の波長の光が発せられる時間を少なくとも含む一周期内の時間では電流が一定で、一周期に渡る注入電流により発生する熱量が各周期ごとに一定となる態様を意味する。
【００１１】
また、上記構成において、t1>t2の条件下では、発生熱量一定態様を満たすために電流I3、電流I4、電流I5、電流I6は通常は図1(b)に示す様に夫々異なるが、特別な条件（下記の式2参照）を付ければ3値にすることができる（図4、図5参照）。
【００１２】
また、上記課題に鑑み、本発明の光波長変換方法は、上記の如きDBRレーザから発せられる基本波光を光波長変換素子に入射させてその第2高調波光を出力させ、変調信号に応じてDBRレーザへの注入電流を周期ごとに制御してその発振波長と光出力を制御する。そして、DBRレーザに注入される駆動電流の一周期を第1の時間領域t1と第2の時間領域t2に分けて、次の様に、電流注入をなす。即ち、第1の時間領域t1において、活性領域とDBR領域の一方の領域には一定の電流I1、他方の領域には、ある時間t3において電流I3、前記第1の時間領域の残りの時間t4において電流I4の電流を注入する。また、第2の時間領域t2において、一方の領域には一定の電流I2、他方の領域には、ある時間t5において電流I5、第2の時間領域の残りの時間t6において電流I6の電流を注入する。更に、t1>t2であって、かつ、他方の領域に注入する駆動電流によって一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに概略一定となる様に、駆動電流の電流値及び注入時間を調整する。
【００１３】
また、上記課題に鑑み、本発明の光波長変換装置の制御方法は、次に述べる第1の工程と、第2の工程と、第3の工程と、第4の工程を含み、これらの第1から第4の工程を用いてDBRレーザのDBR領域、位相領域、活性領域の注入電流を決定する。ここで、第1の工程では、変調時の光波長変換素子からの第2高調波光の出力または変換効率が概ね極大になる条件を抽出する。第2の工程では、DBRレーザでモードホップが起きにくい条件を抽出する。第3の工程では、光波長変換素子からの第2高調波光の出力または変換効率を極大にする条件を抽出する。第4の工程では、光波長変換素子からの第2高調波光の出力を所望の値にする条件を抽出する。更に、所望の階調を実現可能な様にDBR領域の変調電流を設定する第5の工程を含んでもよい。
【００１４】
また、上記課題に鑑み、本発明のレーザーディスプレイ、レーザービームプリンタなどの画像形成装置は、上記光波長変換装置及び少なくとも1つの光走査素子を有する。ここでは、光波長変換装置によって発せられた光を光走査素子で走査し、かつ変調信号ないし画像データに応じて第2高調波光の光量を調整することで、画像が形成される。また、上記光波長変換装置の制御方法を用いた制御が行なわれてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、比較的簡便な制御方法で、DBRレーザ及び光波長変換素子の熱的安定性を確保でき、変調信号パターンに依存せずに安定した高階調の制御も可能な光波長変換装置ないし方法、更には光波長変換装置の制御方法を実現できる。また、本発明による光波長変換装置或いは制御方法を用いて、高精細の階調表現を有する画像も形成可能な画像形成装置を実現できる。
【発明の実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明による光波長変換装置ないし方法の一実施形態を説明する。本実施形態に係る光波長変換装置は、DBRレーザと、このDBRレーザから発せられた基本波光を入射してその第2高調波光を出力する光波長変換素子（SHG素子）と、何らかの変調信号に応じてDBRレーザを制御する制御手段を含む。DBRレーザは、活性領域と位相領域と分布ブラッグ反射器（DBR）が形成されたDBR領域を有する。ここでは、駆動電流の一周期を2つの時間領域に分けたとき、活性領域とDBR領域のいずれか一方に、前記2つの時間領域の夫々の領域で異なる一定の駆動電流を注入する。したがって、この領域に注入する駆動電流によって一周期内で発生する熱量の和は、当然、各周期ごとに一定となっている。そして、他方に前記2つの時間領域の夫々で2値の駆動電流を注入し、かつ前記他方の領域に注入する駆動電流によって一周期内で発生する熱量の和が各周期ごとに概略一定となる様に駆動電流の電流値及び注入時間が調整されている。
【００１７】
DBRレーザから光波長変換素子の位相整合波長に最近の波長の光が発せられるときに光波長変換素子から高光量（明レベル）のSHG光が発せられ。そして、このときのDBRレーザからの基本波長光の波長の安定性が、安定した変調及び充分大きい消光比の確保のためにも、最も要求されるが、上記構成はこの要求を満たしている。
【００１８】
以下、さらに詳細に説明する。図1(a)は、本実施形態に係る光波長変換装置の構成を示す模式図である。図1(a)において、101は半導体DBRレーザ、101a、101b、101cは夫々活性領域、位相領域、DBR領域である。102はコリメータレンズ、103は集光レンズ、104はSHG素子、105は分極反転領域、106は光導波路、107は波長フィルタ、108はSHG光である。更に、109は、変調信号に応じてDBRレーザ101への注入電流を制御してその発振波長と光出力を制御する制御手段である。
【００１９】
図1(b)は、活性領域101aとDBR領域101cに注入している駆動電流を模式的に示したものである。本実施形態では、活性領域101aに、2つの時間領域の夫々の領域で異なる一定の駆動電流を注入し、DBR領域101cに、2つの時間領域の夫々で2値の駆動電流を注入する。一周期tが時間t1、t2の2つの時間領域に分かれており、活性領域101aには、第1の時間領域t1のときI1の電流、第2の時間領域t2のときI2の電流が注入されている。このときI1>I2かつt1>t2を満たす様に設定し、一周期t内での光出力をできるだけ損なわないようしている。
【００２０】
一方、DBR領域101cには、変調信号に応じて、一周期ｔごとに、駆動電流の電流値と時間を制御している。ここで、第1の時間領域t1におけるDBR領域の電流値をI3n、I4n、第2の時間領域t2におけるDBR領域の電流値をI5n、I6nとする。そして、各電流のときのDBR領域の駆動電圧を夫々V3n、V4n、V5n、V6n、各電流が注入される時間を夫々t3n、t4n、t5n、t6n
（nは変調信号の周期の順番を表す任意の数）とする。このとき、次の関係を満たす様に各電流値及び時間が各周期ごとに決定されている。
I3n×V3n×t3n＋I4n×V4n×t4n＋I5n×V5n×t5n＋I6n×V6n×t6n＝一定      (式1)
|I3n×V3n−I4n×V4n|<|I5n×V5n−I6n×V6n|                  (式2)
式2の様な関係を満たす様にすれば、t1>t2の条件の下での変調信号に応ずる駆動電流の制御が行い易くなる。ここでは、式1と式2を満たす様に制御したが、式１のみを満足させる様に制御することも可能である。
【００２１】
このとき、DBR領域101cに注入されるエネルギー（I・Vの時間積分）は各周期ごとに一定となるため、DBR領域101cで一周期内に発生する熱量は、変調信号によらず概ね一定となる。勿論、活性領域101a及び位相領域101bからDBR領域101cに伝わる熱量の和も一定になる様に、活性領域への注入電流と位相領域への注入電流も制御されている。したがって、DBRレーザ101の発振波長とDBR領域101cへの注入電流値の関係を一定にでき、変調信号に応じて発振波長を安定的に制御できる。これにより、光波長変換素子の位相整合波長に最近の波長の光とこの波長からずれた波長の光を制御性良くSHG素子104へ入力できる。この際、各周期において、入力光の波長は変化するとしても、SHG素子104へ入力される光エネルギーは一定であり、SHG素子104の温度は一定に保たれる。その結果、SHG素子104の波長変換効率も一定になることから、変調信号に応じた安定したSHG光108の変調を実現できる。
【００２２】
この様に、制御手段109は、駆動電流ないし注入電流を構成する多値の電流値は一周期ごとに一定であり、その電流を注入する時間は変調信号に応じて一周期ごとに可変であり、その注入時間を制御することで周期ごとの第2高調波光の光量を調整する。
【００２３】
上記構成において、DBR領域101cの電流値I3、I4、I5、I6のいずれの電流値のときの発振波長でも、光波長変換素子104の分極反転周期や素子温度を変えることにより、位相整合波長に合わせることが可能である。ただし、図1(b)の様に活性領域101a
においてI1>I2かつt1>t2の場合には、電流I3またはI4のときに位相整合させると、最も第2高調波光の出力が大きくなる。このとき、電流I3とI4を調整することによってDBRレーザ101の発振波長を光波長変換素子104の位相整合波長に合わせたり、それから外したりして、第2高調波出力の明レベルと暗レベルの比（消光比）を調整することができる。消光比は大きいほど望ましいことは言うまでもない。消光比が10倍以上あるとディスプレイといった表示デバイスなどには特に有効である。これには、半導体レーザのDBR領域への注入電流と発振波長の関係が安定していて発振波長が制御性良く変調信号により変調されることと、SHG素子の温度が安定していてその位相整合波長を規定するSHG光出力の波長依存性が安定していることが重要である。本発明の構成はこうした条件を満たすものである。
【００２４】
上記の如く、制御手段109は、例えば、電流I3を注入しているときのDBRレーザの発振波長が、電流I4、I5、I6を注入しているときのDBRレーザの発振波長に比べて、光波長変換素子の位相整合波長に近くなる様にする。そして、活性領域への駆動電流、位相領域への注入電流、及びDBR領域への駆動電流を調整する。このとき、制御手段109は、好適には、電流I3を注入しているときの第2高調波光の出力が、電流I4、I5、I6を注入しているときの第2高調波光の出力に比べて10倍以上大きくなる様に、各駆動電流を調整する。
【００２５】
ここでは、DBR領域に、第1と第2の時間領域において夫々2値の駆動波形を入力している。しかしながら、第1の時間領域が3値以上の多値波形で、第2の時間領域が一定値（この値は上下に変化させてもよい）または3値以上の多値波形の場合も、同様に、式1と同様の関係を満たす様に制御できることもある。
【００２６】
DBRレーザの波長は、DBRレーザとして発振可能であり光波長変換素子の非線形効果がある波長帯であれば任意に選択可能である。また、光波長変換素子としては、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）、ＫＮｂＯ3（ＫＮ）、ＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、ＬｉＴａＯ3（ＬＴ）などの非線形光学結晶を用いることができる。
【実施例】
【００２７】
以下に、図面に沿って本発明の実施例を説明する。
【００２８】
（実施例1）
図1(a)に本発明による実施例1の構成図を示す。半導体DBRレーザ101は、活性領域101a、位相領域101b、及び回折格子構造を有するDBR領域101cからなる。位相領域101b及びDBR領域101cは、pn接合に垂直に電流を流すことにより活性層の屈折率を変化させることで発振波長を変化させることができる。
【００２９】
制御手段109により活性領域101a、位相領域101b、DBR領域101cに電流を流すことによってこの半導体DBRレーザ101より発生された基本波レーザ光は、コリメータレンズ102、集光レンズ103を通じて 光波長変換素子104に集光される。光波長変換素子104は、素子長12mmのニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなり、分極反転領域105が周期的に作られた光導波路106を有する導波路型擬似位相整合素子であり、基本波レーザ光を半分の波長の第2高調波光108に変換することができる。光波長変換素子104からは基本波レーザ光、第2高調波光ともに出力されるため、波長フィルタ107を用いて基本波レーザ光をカットしている。
【００３０】
図2に第2高調波光出力の波長依存性を示す。この光波長変換素子104は、上記分極反転領域105の分極反転周期を調整することにより位相整合波長を1064.0nmに合わせている。また、図2の縦軸は第2高調波光出力の最大値を1として規格化している。図3は、活性領域101aと位相領域101bに夫々一定電流IG＝120mA、Ip＝20mAを注入したときのDBR領域101cの電流と電圧の関係を表す図である。
【００３１】
本実施例では、図4に示す様に、活性領域101aの電流をI1＝160mA、I2＝35mA、パルス幅t1＝34ns、t2＝16nsとする。I2＝35mAはここで用いているDBRレーザ101の発振閾値以下の電流であるので、第2の時間領域での光出力はゼロである。位相領域101bには一定の電流20mAを注入し、DBR領域101cの電流値はI3＝40mA、I4＝20mA、I5＝60mA、I6＝20mAとする。このとき、図3に示す電圧値を考慮すると、t3n:t5n＝2.12:1の比を保つことで上記式1、式2の関係を満たすことができ、DBR領域101cで発生する熱量が略一定になる。
【００３２】
DBR領域101cの電流が増加するとキャリア効果によりDBR領域の屈折率が低下して発振波長が低下し、逆に電流が減少するとDBR領域の屈折率が増加して発振波長が増加する。よって、このときの発振波長はI3＝40mAのとき1064.0nm（上記位相整合波長）、I4＝20mAのとき1064.15nmであった。
【００３３】
ここで、DBR領域の駆動電流の各周期の時間を（t3n、t5n）＝（0ns、16ns）、（1/4×34ns、3/4×16ns）、1/2×（34ns、16ns）、（3/4×34ns、1/4×16ns）、（34ns、0ns）の5つの変調パターンとして駆動電流を入力した。そのとき、各周期の第2高調波出力は、夫々0.10、0.66、1.40、2.15、2.82mW（比で言えば、概略0：1/4：1/2：3/4：1）であった。結果として、略パルス幅に比例した光出力を得ることができた。また、消光比は1:28であった。このことから本実施例によって、パルス幅を制御することでSHG光出力を制御可能であること、すなわち変調信号に応じて短波長（532nm）のSHG光出力を変調可能であることが分かる。
【００３４】
（実施例2）
実施例1では、半導体DBRレーザ101は、活性領域101aに一定の変調駆動波形を注入し、DBR領域101cの変調駆動波形を調整して第2高調波出力を変調する例を示した。これに対して、本実施例では、逆にDBR領域101cに一定の変調駆動波形を注入し、活性領域101aの変調駆動波形を調整する例を示す。本実施例の光波長変換装置の構成は、実施例1の図1(a)と同様であるため説明は割愛する。
【００３５】
本実施例おいて、位相領域101bには一定の電流20mAを注入し、図5に示す様に、DBR領域101cの電流をI1＝40mA、I2＝20mA、パルス幅t1＝34ns、t2＝16nsとする。一方、活性領域101aの電流値をI3＝160mA、I4＝35mA、I5＝270mA、I6＝35mAとする。I4＝
I6 ＝35mAはここで用いているDBRレーザ101の発振閾値以下の電流であるので、この領域での光出力はゼロである。また、このときの活性領域101aの駆動電圧はV3＝1.62V、V5＝1.85V、V4＝
V6＝1.29Vであったので、t3n:t5n＝2.12:1の比を保つことで上記式1、式2の関係を満たすことができ、活性領域101aで発生する熱量が略一定になる。
【００３６】
以上の様に駆動電流の設定を行なったとき、発振波長はI3＝160mAのとき1064.0nm（SHG素子104の位相整合波長）、I5＝270mAのとき1063.8nmであった。ここで、活性領域の駆動電流の各周期の時間を（t3n、t5n）＝（0ns、16ns）、（1/4×34ns、3/4×16ns）、1/2×（34ns、16ns）、（3/4×34ns、1/4×16ns）、（34ns、0ns）の5つの変調パターンとして駆動電流を入力した。このとき、各周期の第2高調波出力は、夫々0.05、0.75、1.60、2.38、3.15mW（比で言えば、概略0：1/4：1/2：3/4：1）であった。結果として、略パルス幅に比例した光出力を得ることができた。また、消光比は1:63であった。このことから本実施例によって、活性領域のパルス幅を制御することでSHG光出力を制御可能であること、すなわち変調信号に応じて短波長（532nm）のSHG光出力を変調可能であることが分かる。
【００３７】
本実施例の様に活性領域のパルス幅を変調する方式の利点は、変調周波数を速くできることである。活性領域の電流変調による光強度変調時間はDBR電流変調による波長変調時間より短いことが知られており、変調周波数を速くできる。本実施例では20MHzの周波数での例を示したが、活性領域の駆動電流をパルス幅変調することで100MHz程度の変調も可能である。
【００３８】
この場合、制御手段は、例えば、前記電流I3を注入しているときのDBRレーザの発振波長が、前記電流I5を注入しているときのDBRレーザの発振波長に比べて、光波長変換素子の位相整合波長に近くなる様に、駆動電流ないし注入電流を調整することができる。また、制御手段は、前記電流I3を注入しているときの第2高調波光の出力が、前記電流I5を注入しているときの第2高調波光の出力に比べて10倍以上大きくなる様に、駆動電流ないし注入電流を調整することができる。
【００３９】
また、上記実施例において位相領域には一定の電流を注入しているが、DBR領域の駆動電流と同期した駆動電流を入力し、位相領域において同様に式1、式2を満たす様に設定することも可能である。この場合、位相領域の電流値を調整することによって共振器のレーザ発振条件が正確に満たされるので、レーザ発振スペクトルがシングルモードで安定し、より高出力の第2高調波出力を得ることができる。この様に、制御手段は、位相領域にDBR領域の駆動電流と同期した駆動電流を注入して、位相領域に一周期内に発生する熱量の和が各周期ごとに概略一定となる様に駆動電流の電流値及び注入時間を調整することができる。
【００４０】
以上に説明した様に、パルス幅を制御することで安定に第2高調波光出力を制御可能であることが分かる。この変調方式は、パルス幅変調（PWM）である。PWMでは、駆動電流を構成する多値の電流値は周期ごとに一定であり、その電流を注入する時間は変調信号に応じて周期ごとに可変であり、その注入時間を制御手段109のパルス幅変調回路が制御することで周期ごとの第2高調波光の光量を調整する。この方式によれば、変調信号に応じてパルス時間幅を変化させればよいので、制御手段109の変調回路の構成を比較的簡単にできる。この様にして、設定された一方及び他方の領域の電流値を維持し、他方の領域の電流注入時間t3及びt5の比を一定に保ったままで階調ごとに変化させることにより所望の階調を表現することができる。
【００４１】
（実施例3）
図6に本発明による実施例3の構成図を示す。本実施例では、実施例1の図1(a)の構成に、ペルチェ素子401及び光検出器402を加えている。半導体DBRレーザ101は、ペルチェ素子401によって温度調節可能な基板上に搭載されており、ペルチェ素子に流す電流を制御することによって半導体DBRレーザ101の温度を制御できる。また、第2高調波光108を測定する光検出器402を設け、この光検出器402の出力を制御手段109に入力している。この測定データをもとに、半導体レーザの活性領域101a、位相領域101b、DBR領域101c、及びペルチェ素子401の駆動電流を制御する。
【００４２】
この構成において、図7に示す手順にしたがって第2高調波出力の調整を行う。各工程の詳細手順は図8〜図13に示す。
【００４３】
まず、第1の工程：初期調整を図8の手順にて行う。予め設定していた初期設定値を参照し、図14に示す様に、活性領域101aの電流をI1＝500mA、I2＝35mA、パルス幅t1＝800ns、t2＝200nsとする。I2＝35mAは、ここで用いているDBRレーザ101の発振閾値以下の電流であるので、第2の時間領域での光出力はゼロである。位相領域101bには一定の電流25mAを注入し、DBR領域101cの電流値はI3＝40mA、I6＝20mAとする。I4とI5は無い。このとき、ペルチェ素子401の温度を調整し、35℃とすることで、第2高調波光出力は略極大値30.5mWであった。この様に、第1の工程は、階調レベルが最大になる様に予め仮設定された所望のパルス幅及び変調電流を活性領域とDBR領域に注入する工程を含んでいる。そして、このときの第2高調波光の出力または変換効率が概ね極大になる様に、活性領域の注入電流、もしくはDBRレーザまたは光波長変換素子の温度を調整する工程も含んでいる。ただし、本実施例ではDBRレーザの温度を調整している。
【００４４】
次に、第2の工程：発振モード安定化を図9の手順にて行う。DBR領域101cの電流値I6＝20mAは固定したまま、I3を上下に変化させたところ、38mA及び43mAを超えたときに第2高調波出力が大きく低下した。そのため、その平均値である40.5mAに電流値I3を設定した。この様に、第2の工程は、DBR領域の変調電流を仮設定値から前後にずらした場合に第2高調波光の出力もしくは基本波光の出力が大きく変化する電流値を検出して、出力の変動が小さい電流値に変調電流を設定する工程を含んでいる。ただし、本実施例では、第2高調波光の出力が大きく変化する電流値を検出している。
【００４５】
次に、第3の工程：光出力最大化を図10の手順にて行う。この工程では、モードホップが起きない条件のもと、DBR領域の電流I3及び位相領域の電流Ipを調整し、光出力を最大化する。この様に、第3の工程は、モードホップしない関係を維持して位相領域の注入電流とDBR領域の変調電流を調整して第2高調波光の出力または変換効率が極大になる様に位相領域の注入電流とDBR領域の変調電流を設定する工程を含んでいる。ただし、本実施例では、第2高調波光の出力が極大になる様に位相領域の注入電流とDBR領域の変調電流を設定している。
【００４６】
モードホップが起きない条件について説明する。
DBR領域の屈折率がΔnDだけ変化したときのブラッグ波長（λBRAGG）の変化ΔλBRAGGは、次の式で表される。
ΔλBRAGG/λBRAGG＝ΔnD/n      （式3）
ここで、DBRレーザの各領域の屈折率は略等しいと仮定してｎで表現している。
【００４７】
また、DBR領域の屈折率がΔnD、位相領域の屈折率がΔnP、だけ変化したときの共振器波長（λCAVITY）の変化ΔλCAVITYは、次の式で表される。
ΔλCAVITY/λCAVITY＝(ΔnD・LDeff＋ΔnP・LP)/n(LDeff＋LP＋LG)      （式4）
ここで、LGは活性領域の長さ、LPは位相領域の長さ、LDeffはDBR領域の実効的な長さである。
【００４８】
モードホップが起きない条件とは、式3、式4における波長変化率が等しい場合であるので、式3、式4の右辺同士が等しいとして、解くと、次の関係を得る。
(LG＋LP)ΔnD＝LP・ΔnP      （式5）
【００４９】
各領域の屈折率変化量は投入パワーの単位長さあたりの変化量に比例する。そこで、DBR領域、位相領域の投入パワーの変化量を夫々ΔPDBR、ΔPPhaseとすると、式5は、次の様に書き直すことができる。
(LG＋LP)ΔPDBR/LD＝ΔPPhase      （式6）
ここで、LDはDBR領域の長さである。
【００５０】
従って、式6（DBR変調電流vs位相電流の関数）を満たす様にDBR領域の電流値I3及び位相領域の電流IPを調整することでモードホップを生じさせることなく発振波長を連続して変化させることができる。各領域の投入パワー量は、予め電流と電圧の関係を把握しておくことで算出することができる。すなわち、前記モードホップしない関係は予め求められている。本工程では式6の関係を保ったままでSHG光の光出力が最大になる様に調整して、DBR領域の電流値I3及び位相領域の電流IPを設定する。
【００５１】
式6の関係を保ったままでSHG光の光出力が最大になる様に調整を行った結果、Ip＝30.0mA、I3＝40.0mAとなり、第2高調波出力は31.0mWであった。
【００５２】
次に、第4の工程：光出力調整を図11の手順にて行う。ここでは所望の光出力に合わせるために、発振波長を変えずに活性領域の変調電流と、位相領域の電流値を決定する。発振波長を変えずにDBRレーザ出力のみ変化させるためには、共振器波長を一定に保てばよい。すなわち、次の関係を満足すればよい。
ΔnG・LG＋ΔnP・LP＝0      （式7）
ここで、ΔnGは活性領域の屈折率変化量である。
【００５３】
各領域の屈折率変化量は投入パワーの単位長さあたりの変化量に比例する。そこで、活性領域の投入パワーの変化量をΔPGainとすると、式7は、次の様に書き直せる。
ΔPGain＋ΔPPhase＝0      （式8）
【００５４】
従って、式8（活性領域電流vs位相電流の関数）を満たす様に活性領域の電流IG及び位相領域の電流IPを調整することで発振波長を維持したままで、DBRレーザの光出力を変化させることができる。各領域の投入パワー量は、予め電流と電圧の関係を把握しておくことで算出することができる。すなわち、前記共振器波長が変化しない関係は予め求められている。本工程では式8の関係を保ったままでSHG光の光出力が所望の値になる様に調整して、活性領域の電流IG及び位相領域の電流IPを設定する。このSHG光の光出力の所望の値は、例えば、フルカラーの画像表示を行なう場合に、赤や青などの他の色の光出力強度などとの関係で要求されるものである。この条件のもと、調整を行い、第2高調波出力30.0mWを得た。この様に、第4の工程は、DBRレーザの共振器波長が変化しない関係を維持した状態で活性領域の注入電流と位相領域の注入電流を制御して第2高調波光の出力が所望の値になる様に活性領域の注入電流と位相領域の注入電流を設定する工程を含んでいる。
【００５５】
以上で、光出力の調整が完了した。以上の様な工程を行った結果、I1＝498mA、I2＝35mAとなった。
【００５６】
この第2高調波光出力を初期出力として維持したまま、階調出力を行う。まず、パルスパターンを最大階調のパターンに合わせ、光検出器402にて光出力を検出し、初期出力の5%以内であるか否かを判定する。このときは光出力変動が初期出力の5%以内であったため、調整は行わなかった（第5の工程）。第5の工程の手順は図12に示されている。
【００５７】
次に図15に示す様に各周期でパルス幅を変え、実施例1と同様に出力を測定した。このときのDBR電流値I5は、実施例1と同様にDBR領域の電流・電圧の関係から1周期内で発生する熱量を一定にできる値であるI5＝100mAとした。DBR領域の駆動電流の各周期の時間を（t3n、t5n）＝（0ns、200ns）、（1/4×800ns、3/4×200ns）、1/2×（800ns、200ns）、（3/4×800ns、1/4×200ns）、（800ns、0ns）の5つの変調パターンとして駆動電流を入力した。このとき、各周期の第2高調波出力は、夫々0.50、7.66、14.5、22.0、30.2mW（比で言えば、概略0：1/4：1/2：3/4：1）であった（第6の工程）。第6の工程の手順は図13に示されている。
【００５８】
再び図12に示す第5の工程に戻って、光出力を確認したところ、28.0mWに低下していたため、第4の工程に戻って調整する。再度式8の関係に従って調整したところ、第2高調波光出力は29.8mWになった。以上より、光出力の調整が可能であることが分かった。
【００５９】
この様に、常時もしくは一定間隔ごとに光量をモニターして制御を行う工程を加えることで光量を安定化させることができる。その為に、例えば、最大階調時の光量をモニターする。そして、その値が所定値に比べて大きく変動している場合、例えば5％以上の変動がある場合には、第4の工程、第5の工程を再び行うことで光量が所定値になる様に調整する。この作業で所定値に調整できない場合は、第3の工程から第5の工程までを再び実施する。更に、調整不能の場合は、第2の工程から第5の工程、第1の工程から第5の工程、の順の優先度で光量の調整を行う（図12参照）。これにより、環境温度の変化などでSHG光の光量の変動があった場合でも所望の値に制御することができる。
【００６０】
本実施例においては、DBRレーザの温度調整をペルチェ素子401によって行ったが、DBRレーザにヒーター電極を集積化して、そのヒーター電流によって調整することも可能である（すなわち、温度調整手段がDBRレーザに集積化されたヒーターからなる）。また、DBRレーザの温度を調整する機構がない場合でも、第1の工程においては活性領域の注入電流で調整することも可能である。
【００６１】
また、モードホップを起こさない関係を式6で表したが、この方法以外にも、発熱量は電流の2乗に比例することを考慮して、発振波長をIp及びI3の2次関数で表すなどの方法でも同様の効果が得られる。
【００６２】
本実施例では、第2高調波光の光量をモニターする光検出器402を用いたが、加えてDBRレーザの基本波光の光量をモニターする別の光検出器を設けてもよい。その場合、第2高調波光への変換効率を把握できるので、上記工程において、この変換効率を極大ないし最大化することで、より高精度な調整が可能になる。
【００６３】
（実施例4）
実施例4は本発明による光波長変換装置を用いた画像表示装置に係る。図16に本実施例の画像表示装置の模式的構成図を示す。本画像表示装置において、上記実施例で説明した緑色の変調光を発する光波長変換装置301、赤色レーザを発する変調光源302、青色レーザを発する変調光源303より出力されたレーザ光はダイクロイックミラー304によって合波される。合波されたレーザ光は水平走査素子305、垂直走査素子306によって走査され、スクリーン307上に走査線を形成する。フルカラーの画像情報から生成された赤、緑、青各色の階調情報により、各光源301、302、303の出力を変調することにより、スクリーン307上に2次元のフルカラー画像が表示される。ここでは、スクリーン307上の画像の画素に対応した変調信号に応じて画素の周期ごとに変調電流を制御すればよい。
【００６４】
更に、実施例3で述べた様な制御方法を用いた場合、本実施例の光画像形成装置において、環境温度変化などによる光出力変動を小さくできる。具体的には、電源投入時に第1の工程から第4の工程までを行って初期光出力を決定し、画像を描画していない時間帯に、第5の工程を行って、光出力を一定に保つことができる。すなわち、装置を立ち上げたときに前記第1から第4の工程を行ったり、画像を描画していない時間内に図12に示す工程による第2高調波光出力の調整を行うのである。
【００６５】
本発明による光波長変換装置は、赤色の半導体レーザなどと同等の変調性能を持つので、上記画像表示装置は、高精細の階調表現を有する画像を表示できる。本発明の光波長変換装置ないし方法は、上記レーザーディスプレイの他に、レーザービームプリンタ、複写機などの画像形成装置にも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態及び実施例の光波長変換装置の模式的な構成と動作を説明する図である。
【図２】本発明の実施例1のSHG素子の波長と第2高調波出力の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例1のDBR領域の電流と電圧の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例1の駆動電流波形及び第2高調波出力を説明する図である。
【図５】本発明の実施例2の駆動電流波形及び第2高調波出力を説明する図である。
【図６】本発明の実施例3の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例3の制御方法の概略を表す図である。
【図８】本発明の実施例3の制御方法の第1の工程を表す図である。
【図９】本発明の実施例3の制御方法の第2の工程を表す図である。
【図１０】本発明の実施例3の制御方法の第3の工程を表す図である。
【図１１】本発明の実施例3の制御方法の第4の工程を表す図である。
【図１２】本発明の実施例3の制御方法の第5の工程を表す図である。
【図１３】本発明の実施例3の制御方法の第6の工程を表す図である。
【図１４】本発明の実施例3の制御方法の第1の工程において活性領域とDBR領域に注入される電流波形を表す図である。
【図１５】本発明の実施例3の制御方法の第6の工程において活性領域とDBR領域に注入される電流波形、そのときの第2高調波光出力波形を表す図である。
【図１６】本発明の実施例4の画像表示装置の模式図である。
【図１７】従来例の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
101 …DBRレーザ
101a …DBRレーザの活性領域
101b …DBRレーザの位相領域
101c …DBRレーザのDBR領域
104 …光波長変換素子（SHG素子）
108 …第2高調波光（SHG光）
109 …半導体DBRレーザの制御手段
301 …本発明の光波長変換装置（緑色変調光源）
302 …赤色変調光源
303 …青色変調光源
305 …光走査素子（水平走査素子）
306 …光走査素子（垂直走査素子）
307 …スクリーン
401 …温度調整手段（ペルチェ素子）
402 …光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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