JP2001102681A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ特有のスペックルパターンの影響を低
減した滑らかな強度分布特性のレーザ光源を得るととも
に、設計の自由度が大きいディスプレイ用光源を提供す
ることにある。 【解決手段】 半導体レーザ１０１への注入電流Ｉを高
速で断続させることによりスペックルパターンは、視覚
上見えない滑らかな分布となり、その影響を低減でき
る。単に注入電流Ｉの制御だけでスペックルパターンの
影響を低減できる半導体レーザ１０１は、その配置に制
約を受ける影響を小さくでき、設計の自由度の向上を図
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光源に係
り、特にプロジェクションなどのディスプレイに適した
レーザー光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】短波長のため製造が困難とされてきた青
色発光の半導体レーザが発表され、これによりディスプ
レイ用の光源を、赤・緑・青の発光レーザで構成するこ
とが有望視されている。

【０００３】半導体レーザは、高効率で電力を光に変換
できたり、狭い波長帯内で発光するので色純度が高いな
どの特長を持っている。従って、低消費電力で広い色再
現範囲を持つディスプレイを作ることができると考えら
れる。

【０００４】ところが、半導体レーザは時間的にも空間
的にも位相が揃ったコヒーレントな光を発光するので、
出力レーザ光が透過や拡散される際に干渉して、ランダ
ムに明暗の斑点をちりばめたようなパターン、いわゆる
スペックルパターンが生じてしまう。スペックルパター
ンは明暗の差が激しく、また、固定位置で観察するとパ
ターンが固定して見えるため、ディスプレイの観察品位
を著しく損なってしまう。

【０００５】このスペックルパターンを除去する公知の
技術として、特開平１１−６４７８９号公報がある。こ
れは、レーザと空間変調素子間に光軸を中心に回転する
フライアイなどを設けることで、スペックルパターンを
重畳して平均化し、スペックルパターンを低減するもの
である。

【０００６】しかし、光軸を中心として回転させるなど
大掛かりになる問題がある。また、従来のプロジェクシ
ョンなどのディスプレイ光源は、光学的な制限から配置
の自由度が小さい、という問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、レー
ザをディスプレイ光源として用いた場合は、スペックル
パターンの影響を軽減させる対策が必要で、従来この対
策を施すには大掛かりな装置を必要とし、ディスプレイ
光源としては配置の自由度が小さい、という問題があっ
た。

【０００８】この発明の目的は、レーザ特有のスペック
ルパターンの影響を低減した滑らかな強度分布特性のレ
ーザ光源を得るとともに、設計の自由度が大きいディス
プレイ用光源を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、この発明のレーザ光源装置では、レーザ共振器
構造を持つ半導体発光手段である半導体レーザと、発光
した光を伝搬する光ファイバ手段と、前記半導体レーザ
の出力端と前記光ファイバ手段の入力端とを光結合する
光導波手段と、前記光ファイバ手段の出力端からの出力
光分布が滑らかとなるよう、前記レーザ光源のパラメー
タを制御するパラメータ制御手段とを具備してなること
を特徴とする。

【００１０】また、片方の端面を反射面とし他方の端面
を無反射コーティングされた面とした端面発光形の半導
体発光手段と、前記発光手段により発光された光を伝搬
する光ファイバ手段と、前記発光手段と前記光ファイバ
手段の入力端とを光結合する光導波手段と、前記発光手
段の反射面と間に反射を繰り返して光共振構造を形成す
る光反射手段と、前記光ファイバ手段の出力端からの出
力光分布が滑らかとなるよう、前記レーザ光源のパラメ
ータを制御するパラメータ制御手段とを具備してなるこ
とを特徴とする。

【００１１】上記した各手段によれば、レーザ光源のパ
ラメータを制御することにより、レーザ光の出力分布を
滑らかにすることで、スペックルパターンの影響を低減
できる。また、レーザ出力を光ファイバから取り出すこ
とにより、設計の自由度も向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの
発明の第1 の実施の形態について説明するための構成図
である。ここでは、ディスプレイ用光源をなす赤・緑・
青光源の1 色分の光源構成を示し、3 色分の構成は省略
する。

【００１３】図１において、半導体レーザ１０１は、出
力電流制御が可能な制御電源１０４から半導体レーザ１
０１のしきい値以上の電流を注入することによりレーザ
発振し、その端面１０１ａからレーザ光を出力する。半
導体レーザ１０１内では、光が活性層１０１ｂに閉じ込
められており、活性層１０１ｂの端面１０１ｃからレー
ザが放射される。端面１０１ａ，１０１ｄはそれぞれ反
射面であり、これらによって、半導体レーザ１０１より
発光されたレーザ光を共振させる構造となっている。

【００１４】出力されるレーザ光は、光導波路１０３に
入力する。光導波路１０３のコア部１０３ａの半導体レ
ーザ１０１に面する側は、半導体レーザ１０１の活性層
１０１ｂの断面とほぼ等しく、光ファイバ１０２に面す
る側は、光ファイバ１０２のコア１０２ａの断面と一致
するように形作られており、光導波路１０３のコア部１
０３ａの外周は、コア部より屈折率の小さいクラッド部
１０３ｂで囲まれている。従って、光は光導波路１０３
のコア部１０３ａおよびクラッド部１０３ｂに閉じ込め
られ、スポットサイズが変換されて光ファイバ１０２へ
伝搬する。

【００１５】光ファイバ１０２では、入射された光のう
ち、コア直径ｄ，コア部１０２ａとクラッド部１０２ｂ
の相対屈折率差（比屈折率差）Δなどで与えられる伝搬
可能モードのみが光ファイバ１０２の出力端までロスな
く伝搬する。

【００１６】光ファイバ１０２の出力端から放射された
光は、伝搬可能モードに応じた光強度分布をしており、
図示しない光学系を通してディスプレイ光源として使用
される。

【００１７】半導体レーザ１０１に電力を供給する制御
電源１０４は、注入電流Ｉを高速に可変制御できる電源
である。ここで、半導体レーザ１０１の注入電流Ｉ対光
出力Ｐの一般的な特性を図２に示す。注入電流Ｉの増加
に対し、光出力Ｐが急激な増加に転ずる点の電流値はし
きい値電流Ｉｔｈと呼ばれる。図２に示すように、制御
電源１０４はレーザ発振しない小電流からしきい値電流
Ｉｔｈを含んで最大Ｉmax まで可変制御範囲である。

【００１８】制御電源１０４の電流制御の一例について
図３を示す。周期ｔｐ，振幅Ｉmaxの矩形波状に注入電
流Ｉを制御する。この周期ｔｐは、観察者の眼にフリッ
カとして感じられないよう短い周期にする。例えば、図
示していない後段の空間変調素子への映像更新周期がｔ
ｐの整数倍であるよう設定してもよいし、周期ｔｐを映
像更新周期と比べてはるかに短くして、映像更新周期と
の関係をなくしてもよい。

【００１９】なお、電流波形は矩形波に限らない。ま
た、デューティについても５０％に限らない。波形やデ
ューティの制御も行い、赤・緑・青の強度比や輝度を調
整する手段として兼用してもよい。

【００２０】以上のように注入電流Ｉを制御することに
より、半導体レーザ１０１はパルス駆動され、過渡応答
を示し、注入電流Ｉの変化に応じてスペックルパターン
が変動する。前述したように周期ｔｐでのパルス駆動に
おいては、固定スペックルパターンで生じていた明暗が
高速に変動するスペックルパターンでは平均化され、視
覚上観察者にはフリッカとしては感じられない良好な光
源となる。

【００２１】図４は、この発明の第2 の実施の形態につ
いて説明するための構成図である。スーパールミネッセ
ントダイオード（ＳＬＤ）と同様の構造を持つ端面半導
体発光素子２０１は、電源２０４から電流が注入される
ことにより発光し、その端面２０１ａから光を出力す
る。半導体発光素子２０１内では、光が活性層２０１ｂ
に閉じ込められる導波路構造となっている。また、図１
の半導体レーザ１０１と似た構造で誘導放出利得はある
ものの、端面反射による帰還のない構造となっており、
半導体発光素子２０１単体ではレーザ発振しない。すな
わち、半導体発光素子２０１の光を取り出さない側の端
面２０１ｄは反射面となっており、光を取り出す側の端
面２０１ａは無反射コーティングとなっている。

【００２２】半導体発光素子２０１より出力された光
は、光導波路２０３に入力する。光導波路２０３のコア
部２０３ａの半導体発光素子２０１に面する側は、半導
体発光素子２０１の活性層２０１ｂの断面とほぼ等し
く、光ファイバ２０２に面する側は、光ファイバ２０２
のコア２０２ａ断面と一致するように形作られており、
光導波路２０３のコア部２０３ａの外周は、コア部２０
３ａより屈折率の小さいクラッド部２０３ｂで囲まれて
いる。従って、光は光導波路２０３のコア部２０３ａお
よびクラッド部２０３ｂに閉じ込められ、スポットサイ
ズが変換されて光ファイバ２０２へ伝搬する。

【００２３】光ファイバ２０２では、入射された光のう
ち、コア直径ｄ，相対屈折率差Δなどで与えられる伝搬
可能モードのみが光ファイバ２０２内をロスなく伝搬す
る。光ファイバ２０２の出力端側には、使用波長に対す
るグレーティング２０２ｂが施してあり、伝搬してきた
光のほとんどを反射する。反射した光は、光ファイバ２
０２を伝搬し、光導波路２０３を経て半導体発光素子２
０１へ伝搬する。半導体発光素子２０１には十分な誘導
放出利得を持つので、光増幅されて再び光導波路２０
３，光ファイバ２０２へと反射・伝搬・増幅を繰り返
し、レーザ発振に至る。

【００２４】従って、この実施の形態の場合、半導体発
光素子２０１の反射端面２０１ｄから光ファイバグレー
ティング部２０２ｂ間がレーザ共振器構造となってい
る。光ファイバグレーティング部２０２ｂで反射せずに
光ファイバ２０２の出力端から放射された光は、光ファ
イバ２０２の伝搬可能モードに応じた光強度分布をして
おり、図示しない光学系を通してディスプレイ光源とし
て使用される。

【００２５】なお、光導波路２０３には、印加電界Ｅに
応じて屈折率が変化するポッケルス効果など電気光学効
果を示す媒質部分を含んでいる。この媒質部分に電極対
２０３ｃ１，２０３ｃ２が設けてあり、電極対２０３ｃ
１，２０３ｃ２間には変調電源２０５により振動電界Ｅ
が与えられている。

【００２６】この振動電界Ｅの時間変化は、図５に示す
ように、周期ｔｐで繰り返している。このため周期ｔｐ
で電界印加領域の電気光学効果媒質では屈折率が振動し
ており、振動に応じて伝搬する光の位相も振動すること
になる。周期ｔｐは少なくとも視覚上フリッカと感じな
いよう短く設定してある。

【００２７】このように印加電界を振動制御することに
より、印加電界の振動に応じてスペックルパターンが変
動する。固定スペックルパターンで生じていた明暗が高
速に変動するスペックルパターンとなり平均化され、ま
た観察者にはフリッカとしては感じられない良好な光源
となる。

【００２８】この実施の形態では、光導波路２０３の位
置に電極対２０３ｃ１，２０３ｃ２と変調電源２０５と
からなる光位相器を持つ構成として説明した。しかし、
光導波路２０３の光伝搬特性または光導波路２０３に入
出力される光分布自体を変更すれば、その効果を得るこ
とができるものであることから、光位相器は、光導波路
２０３の入力側あるいは出力側に配置してもよい。

【００２９】次に図６の構成図を用い、この発明の第３
の実施の形態について説明するが、第２の実施の形態と
同一の構成部分には同一の符号を付して説明する。すな
わち、半導体発光素子２０１より放射された光は、光導
波路３０３へ入力する。光導波路３０３のコア部３０３
ａに面する半導体発光素子２０１の端面２０１ａ側は、
半導体発光素子２０１の活性層２０１ｂの断面とほぼ等
しく、光ファイバ３０２に面する側は、光ファイバ３０
２のコア部３０２ａの断面と一致するように形作られて
いる。光導波路３０３のコア部３０２ａの外周は、コア
部３０２ａより屈折率の小さいクラッド部３０２ｂで囲
まれている。従って、光は光導波路３０３のコア部３０
１ａおよびクラッド部３０２ｂに閉じ込められ、スポッ
トサイズが変換されて光ファイバ３０２へ伝搬する。

【００３０】光ファイバ３０２はマルチモード光ファイ
バであり、基本モード以外の高次のモードにもカットオ
フとならず伝搬可能なモードがある。伝搬可能なモード
に対応する光のみロスなく伝搬し、ファイバグレーティ
ング部３０２ｂでほとんどが反射される。第２の実施の
形態と同様に、半導体発光素子２０１の反射端面２０１
ａから光ファイバグレーティング部３０２ｂ間がレーザ
共振器構造となって、レーザ発振する。

【００３１】マルチモード光ファイバ３０２には、ファ
イバの一部に応力を加える圧電アクチュエータ３０５が
取り付けてあり、制御電源３０６からの制御電圧で駆動
されている。ファイバ３０２は圧電アクチュエータ３０
５から応力を受けるとわずかに変形し、摂動が加えられ
た構造となる。

【００３２】従って、応力のない理想状況では各伝搬モ
ードが独立に単独で伝搬できるのに対し、摂動構造では
伝搬とともに他のモードのパワーに変換されたり他のモ
ードからパワーを受け取ったりする相互作用が起こる。
これはモード結合と呼ばれている。

【００３３】この実施の形態では、圧電アクチュエータ
３０５によってファイバ３０２に与える応力の時間変化
は図７に示すようになる。加える応力が時間変化するの
でモード結合の結合係数も時間変化することになる。す
なわち、発振している複数モードのパワー比が時間変化
するので、干渉の状態が変動し、スペックルパターンも
時間変化する。

【００３４】応力の時間変化周期ｔｐは、少なくとも視
覚上眼にフリッカと感じないほど短時間としているの
で、従来固定スペックルパターンで生じていた明暗は、
この実施の形態では高速に変動するスペックルパターン
となる。従って、強度分布は滑らかに平均化され良好な
ディスプレイ光源となる。

【００３５】なお、圧力を加える手段としては、圧電ア
クチュエータを使用して説明したが、電磁的に圧力を加
える素子を用いても良い。この発明は、上記した実施の
形態に限定されるものではない。例えば、図１の実施の
形態では、半導体発光手段として半導体レーザ１０１，
光ファイバ手段として光ファイバ１０２を用いて説明し
たが、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）と
同様の構造を持つ端面発光形の半導体発光素子２０１
と、ファイバグレーティング部２０２ｂを持つ光ファイ
バ２０２を用いた図８に示す構成にすると共振パラメー
タが変化し、同様の効果が得られる。

【００３６】また、図４の第２の実施の形態では、半導
体発光手段として端面発光形の半導体素子２０１と、フ
ァイバグレーティング部２０２ｂを持つ光ファイバ２０
２を用いて説明したが、半導体レーザ１０１と光ファイ
バ１０２を用いた図９に示す構成にすると伝搬パラメー
タが変化し、同様の効果が得られる。

【００３７】また、図６の実施の形態では、半導体発光
手段として端面発光形の半導体素子２０１と、ファイバ
グレーティング部３０２ｂを持つマルチモード光ファイ
バ３０２を用いて説明したが、半導体レーザ１０１とマ
ルチモード光ファイバ４０２を用いた図１０の構成にす
ると、伝搬パラメータが変化し、同様の効果が得られ
る。

【００３８】また、端面発光形の半導体素子２０１の反
射端面２０１ｄを無反射コーディング面及び光導波路、
ファイバグレーティングをもつ光ファイバの構成で反射
端面としてもよい。すなわち、出力側の無反射コーティ
ング面２０１ａ、光導波路２０３、ファイバグレーティ
ングをもつ光ファイバ２０２と同様の構成としてもよ
い。

【００３９】また、上記したレーザ光源を複数用意し、
ファイバ出力側を近接させたり光ファイバカプラに入力
したりして１組の光源とし、それぞれの共振パラメータ
制御手段を組み合わせ制御して、高出力化するとともに
さらにスペックルパターンを低減することもできる。共
振パラメータ制御手段をも組み合わせてもよく、スペッ
クルパターンをさらに低減できる。

【００４０】さらに、各の実施の形態では半導体発光手
段と光ファイバ手段との光結合に光導波路を用いたが、
レンズ光学系を用いてもよい。出力側に光ファイバを配
置する構成としているので、光ファイバを曲げて引き回
すことにより、例えば発熱する半導体発光手段を、放熱
性のよい位置におくなどの光源配置の自由度が向上す
る。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のレーザ
光源装置によれば、スペックルパターンを高速に変動さ
せることで、視覚上の平均化を行い滑らかな分布を持っ
た光源とすることができる。また、光ファイバを出力側
に持つため、光ファイバを曲げる等して光学的配置の自
由度が大きい光源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第1 の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図２】半導体レーザの注入電流対光出力の特性例につ
いて説明するための説明図。

【図３】図１の制御電源の注入電流制御例について説明
するための説明図。

【図４】この発明の第2 の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図５】図４の変調電源による電極対間の振動電界例に
ついて説明するための説明図。

【図６】この発明の第３の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図７】図６の圧電アクチュエータによる応力の時間変
化例について説明するための説明図。

【図８】図１の実施の形態の変形例について説明するた
めの構成図。

【図９】図４の実施の形態の変形例について説明するた
めの構成図。

【図１０】図６の実施の形態の変形例について説明する
ための構成図。

【符号の説明】

１０１…半導体レーザ、１０２，２０２…光ファイバ、
１０３，２０３，３０３…光導波路、１０４，３０６…
制御電源、１０１ａ，１０１ｄ，２０１ａ，２０１ｄ…
端面、１０１ｂ，２０１ｂ…活性層、２０２ａ，３０２
ａ…ファイバグレーティング部、２０３ｃ１，２０３ｃ
２…電極対、２０４…電源、２０５…変調電源、３０
２，４０２…マルチモード光ファイバ、３０５…圧電ア
クチュエータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ共振器構造を持つ半導体発光手段
   である半導体レーザと、 前記半導体レーザより発光された光を伝搬する光ファイ
   バ手段と、 前記半導体レーザの出力端と前記光ファイバ手段の入力
   端とを光結合する光導波手段と、 前記光ファイバ手段の出力端からの出力光分布が滑らか
   となるよう、前記レーザ光源のパラメータを制御するパ
   ラメータ制御手段とを具備してなることを特徴とするレ
   ーザ光源装置。
2. 【請求項２】 片方の端面を反射面とし他方の端面を無
   反射コーティングされた面とした端面発光形の半導体発
   光手段と、前記発光手段により発光された光を伝搬する
   光ファイバ手段と、前記発光手段と前記光ファイバ手段
   の入力端とを光結合する光導波手段と、光反射手段と、
   前記発光手段の反射面と前記光反射手段との間に反射を
   繰り返してレーザ共振構造をなすレーザ光源において、 前記光ファイバ手段の出力端からの出力光分布が滑らか
   となるよう、前記レーザ光源のパラメータを制御するパ
   ラメータ制御手段とを具備してなることを特徴とするレ
   ーザ光源装置。
3. 【請求項３】 前記パラメータ制御手段は、半導体発光
   手段への注入電流量を高速に可変可能な注入電流制御手
   段であることを特徴とする請求項１または２に記載のレ
   ーザ光源装置。
4. 【請求項４】 前記パラメータ制御手段は、伝搬する光
   の位相を高速に変化可能な光位相器であることを特徴と
   する請求項１または２に記載のレーザ光源装置。
5. 【請求項５】 前記パラメータ制御手段は、前記光ファ
   イバ手段に圧力を加えてモード間結合量を高速に変化可
   能な加圧制御手段であることを特徴とする請求項１また
   は２に記載のレーザ光源装置。