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JP4950519B2 - 光波長変換装置、光波長変換方法、及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

光波長変換装置、光波長変換方法、及びそれを用いた画像形成装置 Download PDF

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Description

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。
半導体レーザは、小型、高出力且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。
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以下と狭いため、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。
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20はその構成を示す図である。このSHGレーザ光源は、図20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。
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）。
特開2002-43698号公報 特許第3329446号公報
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。
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。
上記課題に鑑み、本発明の光波長変換装置は、DBRレーザ、DBRレーザから発せられる基本波光が入射されることで第2高調波光を出力する光波長変換素子、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DBRレーザの発振波長と光出力を制御する制御手段を含む。ここにおいて、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領域とを有する。前記制御手段は、前記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、前記活性領域に一定の電流、もしくは注入時間及び電流値が周期に依存しない2値からなる波形の電流を注入するとともに、前記DBR領域と前記位相領域とのうち少なくとも一方の領域に、前記一方の領域に注入される注入エネルギーを周期毎に一定とすることで前記一方の領域で発生する熱量が周期毎に一定となるように、周期毎に夫々注入時間を制御した3値以上の多値波形の電流を注入して、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。ここでは、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。これは、図4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である。また、DBR領域の注入電流対発振波長特性が一定となる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してもよい。
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、DBR領域の注入電流対発振波長特性が一定であるとは、例えば、図2(a)と図2(c)に示される様なDBR領域への注入電流と発振波長の関係が変化しないということである。更に、発生熱量一定態様とは、光波長変換素子の位相整合波長に最も近い波長の光がDBRレーザから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。これらの用法は、本明細書全体においても同じである。
上記構成において、前記制御手段は、例えば、前記活性領域には各周期において発生熱量一定態様で電流を注入し、前記DBR領域と前記位相領域のうち少なくとも一方には各周期において発生熱量一定態様で離散的な3値以上の多値波形の駆動電流を注入する。離散的な値は、2値でもよいが、それでは、変調信号に応じて暗レベルとすべき第2高調波光を充分低い光量にできなくて消光比が低下することが起こりやすいので、3値以上であることが好ましい。
また、上記課題に鑑み、本発明の光波長変換方法は、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。ここにおいて、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領域とを有する。そして、前記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、前記活性領域に一定の電流、もしくは注入時間及び電流値が周期に依存しない2値からなる波形の電流を注入するとともに、前記DBR領域と前記位相領域とのうち少なくとも一方の領域に、前記一方の領域に注入される注入エネルギーを周期毎に一定とすることで前記一方の領域で発生する熱量が周期毎に一定となるように、周期毎に夫々注入時間を制御した3値以上の多値波形の電流を注入して、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。ここでも、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。また、DBR領域の注入電流対発振波長特性が一定となる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してもよい。
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の工程と、第5の工程を含み、これらの第1から第5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。第5の工程では、所望の階調を実現可能な様にDBRレーザのDBR領域の変調電流を設定する。
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、且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。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。
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。
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、活性領域には一定の電流が注入されており、DBR領域または位相領域に注入される駆動電流が少なくとも3値以上の多値波形を有している。この多値波形の駆動電流は、一周期において注入エネルギーが一定になる様に設定される。
活性領域には、上記の如く一周期に渡って一定の電流、すなわち持続して一定の電流、が注入されてもよいが、上記発生熱量一定態様であるなら他の態様で電流が注入されてもよい。例えば、DBR領域または位相領域に注入される駆動電流が多値波形の1つの値を採るときに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て、この注入時間は各周期中で高々その半分である様な場合、次の様にしてもよい。すなわち、活性領域には、一周期の半分の時間は一定の電流が注入され、残りの半分の時間は他の値の電流が注入されてもよい。この様にできる理由は、次の通りである。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光が発せられる。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、最も要求されるからである。
以下、更に詳細に説明する。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、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。
図1(b)は、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、多値波形の駆動電流がDBR領域に注入される。変調信号に応じて、周期tごとに、高レベル、中間レベル、低レベルの電流（夫々Ihi、I0、Ilo）を注入する時間を制御している。ここで、各電流のときのDBR領域の駆動電圧を夫々Vhi、V0、Vloとし、各電流が注入される時間を夫々thin、t-(thin+tlon)、tlon（nは変調信号の周期の順番を表す任意の数）とした場合、次の関係を満たす様に注入時間が周期ごとに決定されている。
(Ihin×Vhin-I0×V0)×thin=(I0×V0-Ilon×Vlon)×tlon （式1）
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、変調信号に応じて時間thinと時間tlonのみ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。
このとき、時間thinでの注入エネルギーの過剰分は時間tlon での注入エネルギーの過少分で打ち消されて（すなわち、温度補償されて）、DBR領域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。そのため、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。従って、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。
図2を用いて更に説明する。図2(a) に示す様に、或る時間から同じ変調パターンを繰り返した上記条件を満たす駆動電流をDBR領域に注入した場合を例に採り説明する。このときの発熱量は変調パターンを加える前とほぼ同じであり、DBR領域の温度は殆ど一定である（図2(b)）。その結果、レーザの発振波長の時間変化は図2(c)の様に安定的に一定となる。電流が増加（電流Ihi）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（波長λhi）し、逆に電流が減少（電流Ihi）するとDBR領域の屈折率が増加して発振波長が増加（波長λlo）する。ただし、ここでは、レーザの発振波長は時間変化しても、各周期において発光時間は一定であり、SHG素子に入力される光エネルギーは一定に保たれて温度も一定になる。従って、ここでSHG素子の位相整合波長を波長λhiに合わせておくと、図2(d)の様に一定したSHG光の出力が得られる。
比較のため、図3(a) に示す様に、或る時間から温度補償を考慮していない変調パターンを繰り返した駆動電流をDBR領域に注入した場合を説明する。このときの発熱量は変調パターンを加える前と比べて増えているため、DBR領域の温度は徐々に増加する（図3(b)）。その結果、レーザの発振波長の時間変化は、図3(c)の様に、キャリア効果による波長シフトに熱効果による長波長側への波長シフトが加わった形となる。こうして、変調パターンを加え始めた当初の波長変化態様に比べて、熱の影響が無視できない時間経過後では、大きく波長変化態様が変化することになる。よって、SHG素子の変換効率は時間とともに変化し、図3(d)の様な不安定なSHG光の出力となる。
パルス幅がランダムな場合でも同様に、温度補償を考慮していない図3(a)の様な駆動電流では安定したSHG光の変調は実現できないのに対し、温度補償を考慮した図2(a)または図1(b)の様な駆動電流では安定したSHG光の変調を実現することが可能となる。
更に、上述した様に、各周期で活性領域に注入している電流は一定であるため、DBRレーザ自体の光出力は常に発光状態でほぼ一定の値であり、光の波長の変化態様は変化するとしてもSHG素子に結合する光エネルギーが変調パターンによって変動することはない。従って、変調信号パターンに依らずSHG素子の温度は一定であり、位相整合波長が変動することはない。
また、DBR領域に3値の駆動電流波形を入力しているが、4値以上の多値波形でも同様に平均発熱量が一定である様に電流値、パルス時間幅を決めれば安定なSHG出力を得ることができる。
更に、DBR領域ではなく位相領域を3値以上の多値波形駆動とする場合も、位相領域の電流と電圧の関係から上記と同様に設定することができる。また、DBR領域と位相領域の両方を3値以上の多値波形駆動とすることも可能である。DBR領域と位相領域のうち一方を3値以上の多値波形駆動とし、他方を2値以上の多値波形駆動とすることも可能である。この場合、一方の駆動電流と、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含む時間では少なくとも同期して、他方の駆動電流を注入すればよいので、これを2値波形駆動ともできるのである。この様に、第1の駆動電流と、1つの変調電流を注入している時間を含む時間では少なくとも同期して、位相領域に2値以上の電流値からなる第2の駆動電流を注入する様に制御することができる。
消光比は大きいほど望ましいことは言うまでもない。明レベルと暗レベルの比（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。上記の構成はこうした条件を満たすものである。
上記説明では、波長λhiにSHG素子の位相整合波長を合わせた例を示したが、波長λloに合わせても同様な効果を得ることができる。また、波長λ0に合わせることもできる。
DBRレーザの波長は、DBRレーザとして発振可能でありSHG素子の非線形効果がある波長帯であれば何でもよい。また、SHG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。
以下に、図面に沿って本発明の実施例を説明する。
（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。
制御手段109によって活性領域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 SHG素子104に集光される。SHG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SHG光108に変換することができる。SHG素子104からは基本波レーザ光、SHG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。
図4にSHG光出力の波長依存性を示す。このSHG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4の縦軸はSHG出力の最大値を1として規格化している。図5は、活性領域101aと位相領域101bには夫々一定電流IG=100mA、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。本実施例では、DBR領域101cに入力する駆動電流を、バイアス電流I0=40mAを中心としてIhi=60mA、Ilo=20mAと設定する。図5より、DBR領域駆動電圧はVhi=1.72V、V0=1.55V、Vlo=1.35Vである。従って、次の関係を満たす様にパルス幅の比をthi:tlo=1:1.18に設定すると、thi時間にDBR領域101cで発生する熱をtlo時間に補償することができる。
(Ihi×Vhi-I0×V0)×thi=(I0×V0-Ilo×Vlo)×tl （式2）
また、活性領域101aの電流は一定であり、SHG素子104に入力される光エネルギーは一定であるため、SHG素子自体の温度変動も無く、その位相整合波長は1064.0nmに保たれる。
本実施例では、更に、予めλlo=1064.27nm、λ0=1064.12nm、λhi=1064.0nmになる様に活性領域101aと位相領域101bの電流及びDBR領域101cの駆動電流の各電流値を設定しており、電流Ihiを注入しているときにSHG光108の出力が最大となる様な構成となっている。
以上の様な光波長変換装置において、図6(a)の様に、周期ｔが50nsで、（thi、tlo）=（0ns、0ns）、1/4×（23ns、27ns）、1/2×（23ns、27ns）、3/4×（23ns、27ns）、（23ns、27ns）の5つの変調パターンを含んだ駆動電流をDBR領域101cに入力した場合、図6(b)の様なSHG光の出力波形を得た。各周期内のSHG光パワーは夫々、0.03、0.63、1.21、1.80、2.40mWであり、変調信号に応じた上記変調パターンのパルス幅にほぼ比例した光出力を得ることができた。また、消光比は1:80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。
こうして、設定された第1の変調電流、第2の変調電流、第3の変調電流を維持し、第1の変調電流のパルス幅と第3の変調電流のパルス幅をそ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ができる。
（実施例2）
実施例1では、半導体DBRレーザ101のDBR領域101cへ電流Ihiを注入しているときの波長λhiをSHG素子104の位相整合波長に合わせた例を示した。これに対して、本実施例では、DBR領域101cへ電流I0を注入しているときの波長λ0をSHG素子104の位相整合波長に合わせている。それと共に、本実施例のDBR領域101cの駆動電流の変調では、各周期において、電流Ihiを注入する時間幅が1つの基準時間である前側の端から伸びて変化し、電流Iloを注入する時間幅が他の基準時間である中間の位置から伸びて変化する。
本実施例の光波長変換装置の構成は、実施例1の図1と同様であるため説明は割愛する。ただし、SHG素子104の擬似位相整合波長が1064.12nm近傍になる様に、SHG素子104の温度或いは分極反転領域105の周期が調節されている。
以上の様な光波長変換装置において、図7(a)の様に、周期ｔが50nsで、（thi、tlo）=（0ns、0ns）、1/4×（23ns、27ns）、1/2×（23ns、27ns）、3/4×（23ns、27ns）、（23ns、27ns）の5つの変調パターンを含んだ駆動電流をDBR領域101cに入力した場合、図7(b)の様なSHG光の出力波形を得た。各周期内のSHG光パワーは夫々、4.52、3.73、2.49、1.30、0.13mW（比で言えば、概略1：3/4：1/2：1/4：0）であり、上記thiとtloのパルス幅が大きいほど光出力が小さいほぼ線形な特性を得ることができた。また、消光比は1:35であった。本実施例では、実施例1に比べ、暗レベル（低出力のSHG光パワーレベル）が若干大きいが（λhiからλloに切り替える際にλ0を通るので瞬間的にSHG光パワーが大きくなることによる）、明レベルが大きくなるという効果がある。このことにより、本実施例によっても、実施例1と同様に、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が分かる。
（実施例3）
実施例1、2では活性領域101aに一定電流を注入する場合を示したが、本実施例では、活性領域101aに変調電流を注入した例を示す。本実施例のDBR領域101cへの注入電流は、実施例2の図7(a)と同様であり、改めて図8(a)に示す。活性領域101aへの注入電流を図8(b)に示す。この例では、パルス幅が周期に依存しないIG、Ithの2値からなる変調電流が活性領域に注入されている。Ithはレーザのしきい値電流若しくはそれ以下に設定しておく。Ithとなる位置は、DBR領域101cへ注入する変調電流がIhiからIloに（またはIloからIhiに）切り替わる可能性がある位置に配置する。こうした可能性がある位置としては、実施例2で言及した各周期における基準時間の位置がある。Ithとなるパルス幅は、実施例2において瞬間的にSHG光パワーが大きくなる部分を取り除くことが可能な幅であることが望ましく、本実施例では、周期の20分の1の幅としている。パルス幅は周期に依存していないため、活性領域に注入される熱量は一定である。この様に、本実施例では、活性領域には各周期ごとに同一の2値からなる電流が注入される。
以上の様な光波長変換装置において、図8(a)、図8（b）の電流を注入した場合、図8(c)の様なSHG光の出力波形を得た。実施例2に比べ、最大SHG光パワーは若干減少する。一方、活性領域への電流注入がしきい値と同程度でレーザ光の強度が非常に小さいため、λhiからλloに切り替える際に生じていた瞬間的なSHG光の発生を抑えることが可能となる。その結果、実施例2に比べ、消光比を向上させることが可能となる。
（実施例4）
本発明による光波長変換装置の制御方法の実施例について図面を用いて説明する。光波長変換装置の構成を図9に示す。図1(a)とほぼ同様であり、SHG光の光強度を検出する光検出器402が付加されている。図10は、制御方法のフローを説明する図であり、図11から図15は図10中の各工程のフローを説明する図である。以下、各工程を詳細に説明する。
(1) 第1の工程：初期調整を図11の手順にて行う。
周期を50nsとし、DBR領域101cに、Ihi=200mA、Ilo=5mA、パルス幅が夫々10ns、40nsの2値からなる変調電流を注入する。更に、位相領域101bにIP=30mAの一定電流を注入する。これらの値は予め設定していた初期設定値（駆動電流初期値）である。次に、活性領域101aに注入する一定電流IGを増加させ、SHG光の光強度が極大になる様に調整する。このとき、DBRレーザからの光の波長とパワーが変化する。Iloを注入している時間の方が長いため、Iloで決定される発振波長がSHG素子の位相整合波長に近接したときに極大となる。
(2)第2の工程：発振モード安定化を行う（図12）。
DBR領域101cの下側（低レベル）の電流値Iloは固定したまま、Ihiを200mAを中心に上下に変化させ、SHG光の光出力が大きく低下する点（モードホップ点）を200mAの両側で検出する。それらの平均値に電流値Ihiを設定する。
(3)第3の工程：光出力の最大ないし極大化を行う（図13）。
この工程ではモードホップが起きない条件のもと、DBR領域の上側（高レベル）の電流値Ihi及び位相領域の電流IPを調整し、光出力を最大化する。
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ほぼ等しいと仮定してｎで表現している。
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。
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）
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、次の様に書き直せる。
(LG+LP)ΔPDBR/LD=ΔPPhase （式6）
ここで、LDはDBR領域の長さである。
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領域の上側の電流値Ihi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領域の上側の電流値Ihi及び位相領域の電流IPを設定する。
(4)第4の工程：光出力調整を行う（図14）。
ここでは所望の光出力に合わせるために、活性領域の電流と、位相領域の電流を決定する。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。
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）
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。
(5)第5の工程：最小階調の設定を行う（図15）。
DBR領域の変調電流の下側の電流Iloを注入するパルス幅を0に設定した場合に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様にDBR領域の変調電流の上側の電流Ihiのパルス幅を決定する。DBR領域の変調電流の中側（中間レベル）の電流IOは予め定められた値を用いる。ここにおいて、電流Ihiと電流IOの関係は逆にしてもよい。すなわち、電流Ihiのパルス幅を予め定められた値とし、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様に、電流IOの値を定めてもよい。
この様に、第5の工程では、一方の変調電流のパルス幅を予め定められた0を含む最小幅に設定し、且つ、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係を維持して、他方の変調電流のパルス幅及び第2の変調電流の値を調整して第2高調波の出力が最小となる様にする。この為に、第5の工程は、他方の変調電流のパルス幅及び第2の変調電流の値を設定する工程を含む。前記DBR領域に注入する熱量が一定になる関係は予め求められている。
以上の様な工程を行った結果、IG=512mA、IP=35.2mA、Ilo=5mA、IO=70mA、Ihi=211.0mA、最大階調時のDBR領域のパルス幅は上側10ns、下側40ns、最小階調時のパルス幅は上側0.3ns、下側0nsとなった。中間階調を表示する場合は、最大階調時、最小階調時のパルス幅を線形に補間することで実現できる。
本実施例では、SHG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、SHG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。
また、DBR領域に上側の電流Ihiを注入しているときにSHG光が強くなる様に設定することもできる。その場合は、上記のフローの上側の電流と下側の電流を入れ替えて制御すればよい。
（実施例5）
実施例5における第5の工程では、DBR領域の変調電流の中側の電流IOは予め定められた値を用いたが、図16に示す様な工程を用いてもよい。この例を説明する。
(5-2)第5の工程：最小階調の設定を行う（図16）。
DBR領域の変調電流の下側の電流Iloを注入するパルス幅を0に設定した場合に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様にDBR領域の変調電流の上側の電流Ihiのパルス幅を決定する。DBR領域の変調電流の中側の電流IOは予め定められた値を用いる。
更に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係を維持したままでDBR領域の変調電流の上側の電流Ihiのパルス幅及びDBR領域の変調電流の中側の電流IOを調整し、SHG光の光強度が最小になる様に設定する。本実施例では、最小階調時のSHG光強度を小さくできるので、消光比を向上させることが可能になる。
本工程における最小階調の設定方法は、これに限ったものではなく、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様にパルス幅や電流値を調整することで実現できる。
（実施例6）
図17は本発明による実施例6の光波長変換装置の構成図である。基本的な構成は図9と同様であり詳細な説明は省略する。図17中、401はDBRレーザ101を搭載しているペルチェ素子である。制御方法のフローは図10に示したものとほぼ同様であるが、第1の工程が異なる。この例を説明する。
(1-2) 第1の工程：初期調整を図18の手順にて行う。
周期を50nsとし、DBR領域101cに、Ihi=200mA、Ilo=5mA、パルス幅が夫々10ns、40nsの2値からなる変調電流を注入する。更に、位相領域101bにIP=30mAの一定電流を注入する。活性領域101aに一定電流IG=400mAを注入する。これらの値は予め設定していた初期設定値である。次に、ペルチェ素子401の温度を制御して、SHG光の光強度が極大になる様に調整する。
本実施例では、SHG素子の位相整合波長とDBRレーザの発振波長に差がある場合でも、DBRレーザの温度を調整することで波長のずれを補正することができる。その結果、各デバイスの高精度なスクリーニングが不要となり、歩留まりが向上する。
また、本実施例においては、DBRレーザ101全体の温度を調節できる様にペルチェ素子401を用いた例を示したが、それに限ったものではない。例えば、DBRレーザのDBR領域を選択的に加熱できる様な薄膜ヒーターがDBRレーザ上に集積化されたものや、SHG素子104がペルチェ素子の様な温度調節手段に搭載されているものでもよい。
（実施例7）
本発明による光波長変換装置の制御方法の実施例について図面を用いて説明する。光波長変換装置の構成は図9と同様である。基本的な制御方法のフローは図10と同様である。本実施例では、DBR領域に中側の電流IOを注入しているときにSHG光が強くなる様に設定している。以下、各工程を詳細に説明する。
(1-3) 第1の工程：初期調整
周期を50nsとし、DBR領域101cに、IO=70mAの一定電流を注入する。更に、位相領域101bにIP=30mAの一定電流を注入する。これらの値は予め設定していた初期設定値である。次に、活性領域101aに注入する一定電流IGを増加させ、SHG光の光強度が極大になる様に調整する。ここで、DBR領域101cに大部分がIO=70mAの電流で、わずかな時間Ihi=200mAのパルス電流を加えた様な変調電流を注入してもよい。これは発振状態を安定化させる効果がある。
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0を含んだパルス幅を有する第1の変調電流と、予め仮設定された第2の変調電流からなる変調電流をDBR領域に注入する工程を含む。そして更に、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、若しくは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いる。
(2-3)第2の工程：発振モード安定化
IOを70mAを中心に上下に変化させ、SHG光の光出力が大きく低下する点（モードホップ点）を70mAの両側で検出する。それらの平均値に電流値IOを設定する。この様に、第2の工程は、第2の変調電流を仮設定値から前後にずらした場合に第2高調波光の出力若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第2の変調電流を設定する工程を含んでいる。
(3-3)第3の工程：光出力最大化
この工程ではモードホップが起きない条件（式6）のもと、DBR領域の中側の電流値IO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第2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第2の変調電流を設定する工程を含んでいる。
(4-3)第4の工程：光出力調整
発振波長を変化させない条件（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高調波光の出力または変換効率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む。
(5-3)第5の工程：最小階調の設定
DBR領域の変調電流を、下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiからなる2値の変調電流とした場合に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様に夫々のパルス幅を決定する。DBR領域の変調電流の下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiは予め定められた値を用いる。ここにおいて、電流のパルス幅と値の関係は逆にしてもよい。この様に、第5の工程は、第2の変調電流のパルス幅を0に設定し、且つ、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係を維持して第1の変調電流の値とパルス幅及び第3の変調電流の値とパルス幅を設定する工程を含んでいる。
以上の様な工程を行った結果、IG=478mA、IP=32.2mA、Ilo=5mA、IO=67.2mA、Ihi=200.0mA、最大階調時のDBR領域のパルス幅は上下ともに0ns、最小階調時のパルス幅は上側11ns、下側39nsとなった。中間階調を表示する場合は、最大階調時、最小階調時のパルス幅を線形に補間することで実現できる。
（実施例8）
実施例7における第5の工程では、DBR領域の変調電流の下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiは予め定められた値を用いていたが、更に最小階調時の出力を下げる様な調整を施してもよい。この例を説明する。
(5-4)第5の工程：最小階調の設定
DBR領域の変調電流を、下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiからなる2値の変調電流とした場合に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様に夫々のパルス幅を決定する。DBR領域の変調電流の下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiは予め定められた値を用いる。
更に、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係を維持したままで、夫々のパルス幅を固定してDBR領域の変調電流の下側の電流Ilo、及び上側の電流Ihiを調整し、SHG光の光強度が最小になる様に設定する。
以上の如く、本実施例の第5の工程では、第2の変調電流のパルス幅を0に設定し、且つ、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係を維持し、且つ、決定された所定のパルス幅を維持して、第1の変調電流の値及び前記第3の変調電流の値を調整する。この為に、第5の工程は、第2高調波の出力が最小となる様に第1の変調電流の値及び第3の変調電流の値を設定する工程を含む。
本実施例では、最小階調時のSHG光強度を小さくできるので、消光比を向上させることが可能になる。本工程における最小階調の設定方法は、これに限ったものではなく、DBR領域に注入する熱量が一定になる関係が維持される様にパルス幅や電流値を調整することで実現できる。
（実施例9）
実施例4から実施例8で述べた様な制御方法に加え、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。その例を説明する。
まず、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。
本実施例により、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。
（実施例10）
実施例10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19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、例えば上記実施例2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。
更に、実施例4から実施例9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、電源投入時に実施例4から実施例8に記載の制御を行って初期光出力を決定する。すなわち、装置を立ち上げたときに前記第1から第5の工程を行う。また、画像を描画していない時間帯に、実施例9に記載の制御を行って光出力を一定に保つことができる。
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。
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。 本発明の実施例のDBR駆動電流とDBR領域温度、発振波長とSHG光出力の関係を示す図である。 比較例のDBR駆動電流とDBR領域温度、発振波長とSHG光出力の関係を示す図である。 本発明の実施例のSHG素子の波長とSHG光出力の関係を説明する図である。 本発明の実施例のDBR領域の電流と電圧の関係を説明する図である。 本発明の実施例1のDBR駆動電流とSHG光出力の関係を示す図である。 本発明の実施例2のDBR駆動電流とSHG光出力の関係を示す図である。 本発明の実施例3のDBR駆動電流、活性領域電流とSHG光出力の関係を示す図である。 本発明の実施例4の光波長変換装置の模式的な構成を説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法のフローを説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法の第1の工程を説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法の第2の工程を説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法の第3の工程を説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法の第4の工程を説明する図である。 本発明の実施例4の制御方法の第5の工程を説明する図である。 本発明の実施例5の制御方法の第5の工程を説明する図である。 本発明の実施例6の光波長変換装置の模式的な構成を説明する図である。 本発明の実施例6の制御方法の第1の工程を説明する図である。 本発明の実施例10の画像表示装置の模式図である。 従来例の構成を示す模式図である。
符号の説明
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）
106 …第2高調波光（SHG光）
109 …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
402 …光検出器
401 …温度調整手段（ペルチェ素子）

Claims (13)

  1. 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レーザと、前記ＤＢＲレーザから発せられる基本波光が入射されることで第２高調波光を出力する光波長変換素子と、変調信号に応じて前記ＤＢＲレーザへの注入電流を周期ごとに制御して前記ＤＢＲレーザの発振波長と光出力を制御する制御手段と、を含み、
    前記制御手段は、
    前記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、前記活性領域に一定の電流、もしくは注入時間及び電流値が周期に依存しない２値からなる波形の電流を注入するとともに、
    前記ＤＢＲ領域と前記位相領域とのうち少なくとも一方の領域に、前記一方の領域に注入される注入エネルギーを周期毎に一定とすることで前記一方の領域で発生する熱量が周期毎に一定となるように、周期毎に夫々注入時間を制御した３値以上の多値波形の電流を注入して、
    前記光波長変換素子からの第２高調波光の光量を前記変調信号に応じて変調することを特徴とする光波長変換装置。
  2. 前記制御手段は、前記ＤＢＲ領域に、大きい方から順に第１の変調電流、第２の変調電流、第３の変調電流の３値からなる多値波形の電流を注入する請求項１記載の光波長変換装置。
  3. 前記制御手段は、前記第１、第２、第３の変調電流のいずれか１つの変調電流を注入しているときの前記ＤＢＲレーザの発振波長が、前記１つの変調電流以外の変調電流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、前記活性領域への注入電流、前記位相領域への注入電流、及び前記ＤＢＲ領域への注入電流を調整する請求項２記載の光波長変換装置。
  4. 前記３値以上の多値波形の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前記変調信号に応じて周期ごとに可変であり、前記制御手段は、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請求項１記載の光波長変換装置。
  5. 前記第２高調波光の出力をモニターする光検出器が設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の光波長変換装置。
  6. 前記基本波光の出力をモニターする第２の光検出器が設けられている請求項５記載の光波長変換装置。
  7. 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請求項１乃至６のいずれかに記載の光波長変換装置。
  8. 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第２高調波光を出力させ、変調信号に応じて前記ＤＢＲレーザへの注入電流を周期ごとに制御して前記ＤＢＲレーザ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、
    前記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、前記活性領域に一定の電流、もしくは注入時間及び電流値が周期に依存しない２値からなる波形の電流を注入するとともに、
    前記DBR領域と前記位相領域とのうち少なくとも一方の領域に、前記一方の領域に注入される注入エネルギーを周期毎に一定とすることで前記一方の領域で発生する熱量が周期毎に一定となるように、周期毎に夫々注入時間を制御した３値以上の多値波形の電流を注入して、
    前記光波長変換素子からの第2高調波光の光量を前記変調信号に応じて変調することを特徴とする光波長変換方法。
  9. 前記ＤＢＲ領域に、大きい方から順に第１の変調電流、第２の変調電流、第３の変調電流の３値からなる多値波形の電流を注入する請求項８記載の光波長変換方法。
  10. 前記ＤＢＲ領域に前記第１の変調電流と第３の変調電流のうちどちらか一方を注入している場合に第２高調波光の出力のピークを合わせる請求項９記載の光波長変換方法。
  11. 前記ＤＢＲ領域に前記第２の変調電流を注入している場合に第２高調波光の出力のピークを合わせる請求項９記載の光波長変換方法。
  12. 設定された第１の変調電流、第２の変調電流、第３の変調電流を維持し、第１の変調電流のパルス幅と第３の変調電流のパルス幅をその比を一定に保ったままで前記変調信号に応じて階調ごとに変化させることで階調を表現する請求項９乃至１１のいずれかに記載の光波長変換方法。
  13. 請求項１乃至７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、且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。
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