JP5362301B2 - レーザシステム - Google Patents

Description

本発明は、レーザシステムに関し、特に可視光を出射するレーザシステムに関する。

近年、レーザ光を出力するレーザシステムは、様々な分野で用いられている。特に、安価なレーザシステムには、半導体レーザが用いられている。しかしながら、グリーン光を出射する半導体レーザは実現していない。

特許文献１には、半導体レーザから出射されたレーザ光を非線形光学素子を用い第２高調波に変換することにより、グリーン光を出射するレーザシステムが記載されている。
特開平６−１３２５９５号公報

例えば、プロジェクションにレーザ光を用いるレーザプロジェクションが検討されている。グリーン光（波長が５２０〜５５０ｎｍ、より好ましくは５３０〜５４０ｎｍ）を出射する半導体レーザが存在しないため、例えば特許文献１に記載のレーザシステムを用いることが考えられる。レーザプロジェクションでは、レーザ光を１００ＭＨｚ程度の高速変調を行う。特許文献１のレーザシステムにおいては、非線形光学素子の応答が速いため、１００ＭＨｚ程度の高速変調が可能である。

しかしながら、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めようとすると、許容される波長範囲が狭くなってしまう。半導体レーザが出射するレーザ光の波長を固定しようとすると、レーザ光の強度の変調が難しい。以上の例のように、グリーン光のような可視光を出射するレーザシステムにおいて、高効率化が難しいという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、レーザ光の強度の変調が可能で、かつ高効率化の可能なレーザシステムを提供することを目的とする。

本発明は、レーザプロジェクションに用いられるグリーン光を出射するレーザシステムであって、直流電流が印加されることにより、一定波長のレーザ光を出射するＤＦＢレーザと、前記レーザ光の波長を変化させずに、前記レーザ光の強度を変調する半導体光増幅器と、変調された前記レーザ光を前記レーザ光の高調波である前記グリーン光に変換する高調波生成素子と、を具備し、前記一定波長は、前記高調波生成素子の動作範囲の波長であることを特徴とするレーザシステムである。本発明によれば、レーザ光の強度の変調が可能で、高効率の高調波生成素子を用いることができ消費電力を削減できる。

上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、量子ドットＤＦＢレーザである構成とすることができる。

上記構成において、前記ＤＦＢレーザと前記半導体光増幅器は同じチップ上に形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記可視光はグリーン光である構成とすることができる。

上記構成において、前記高調波生成素子は、前記変調されたレーザ光を前記レーザ光の第２高調波に変換する構成とすることができる。

上記構成において。前記ＤＦＢレーザの温度を一定に制御する温度制御部を具備する構成とすることができる。

本発明によれば、レーザ光の強度の変調が可能で、かつ高効率の高調波生成素子を用いることができ消費電力を削減できる。

半導体レーザの高調波を出射するレーザシステムの課題について詳しく説明する。図１は比較例に係るレーザシステムのブロック図である。図１のように、比較例に係るレーザシステムは、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザ１０と高調波生成素子３０を有している。ＤＦＢレーザ１０は、コルゲーションを有し単一波長のレーザ光を出射するレーザであり、１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光５０を出射する。高調波生成素子３０は、非線形光学素子であり、レーザ光５０を高調波であるグリーン光５４に変換する。高調波生成素子３０は、例えばＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）であり、第２高調波である５３２ｎｍの波長を有するグリーン光（可視光）５４を出射する。以上により、グリーン光５４を出射するレーザシステムが実現できる。

図２の一点鎖線は、高調波生成素子３０としてＰＰＬＮの変換効率と波長の関係を模式的に示し、破線はＩｎＧａＡｓからなる量子井戸（ＱＷ）活性層を有するＤＦＢレーザ１０の素子電流を一定にした場合の温度と波長の関係を模式的に示している。ＰＰＬＮ等の高調波を生成する高調波生成素子３０は、基本波から高調波への変換効率を向上させようとすると、許容される波長範囲が狭くなってしまう。図２の例では、許容される波長範囲は、波長が１０６４ｎｍ近傍の領域Ａの狭い範囲である。一方、図２の破線のようにＤＦＢレーザ１０は、波長が温度に大きく依存する。そこで、ＤＦＢレーザ１０の温度を狭い範囲に制御することになる。図２の例では、ＤＦＢレーザ１０の温度を２０℃に制御する。

例えば、レーザプロジェクションに用いる光源は、光強度を変調させることが求められる。そこで、ＤＦＢレーザ１０の素子電流を変調することになる。図３のＱＷと示した破線は、温度を一定にした場合の素子電流と波長との関係を模式的に示し、一点鎖線はＰＰＬＮの変換効率と波長の関係を模式的に示した図である。図３のように、素子電流を変化させると波長が変化してしまい、ＰＰＬＮの許容される波長範囲（例えば、変換効率８０％の範囲Ａ）から外れてしまう。このように、比較例に係るレーザシステムでは、出射光の強度を変調しようとすると、波長範囲が広くなるため、高効率の高調波生成素子３０を用いることができない。よって、消費電力が増大するという課題がある。

図４は、上記課題を解決する第１の実施形態を示す図である。図４のようにレーザシステム１００は、ＤＦＢレーザ１０、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２０および高調波生成素子３０を有している。ＤＦＢレーザ１０は単一波長（１０６４ｎｍ）のレーザ光５０を出射する。ＳＯＡ２０は、レーザ光５０の光強度を変調し、波長が１０６４ｎｍの変調されたレーザ光５２を出射する。高調波生成素子３０は変調されたレーザ光５２を高調波であるグリーン光（可視光）５４に変換する。

図４のレーザシステム１００においては、ＤＦＢレーザ１０は、波長が高調波生成素子の動作範囲（例えば図２のＡの範囲）の波長となるようなレーザ光５０を出射する。ＳＯＡ２０は、レーザ光５０の波長を変化させずにレーザ光５０の強度を変調し、レーザ光５２を出射する。これにより、レーザ光５２の強度は変調され、かつレーザ光５２の波長は、高調波生成素子３０の許容範囲にあり変化しない。よって、高効率の高調波生成素子３０を用いることができ、消費電力を削減できる。ＤＦＢレーザは出力レーザ光の強度を高めようとすると単一モード性が悪化する。レーザシステム１００では、ＤＦＢレーザ２０のレーザ光５０の強度を抑えレーザ光５０の単一モード性を高めることができる。さらに、ＳＯＡ２０の増幅率を大きくすることにより、レーザ光５２の単一モード性を維持しつつ、レーザ光５２の強度を高めることができる。

図５は第２の実施形態に係るレーザシステム１００ａのブロック図である。レーザシステム１００ａは、ＱＤ（量子ドット）−ＤＦＢレーザ１０ａと高調波生成素子３０とを有している。ＱＤ−ＤＦＢレーザ１０ａは、量子ドット活性層を有するＤＦＢレーザであり、１０６４ｎｍのレーザ光５０を出射する。高調波生成素子３０は例えばＰＰＬＮであり、レーザ光５０を高調波である波長が５３２ｎｍのグリーン光５４に変換し出射する。

図６は、図３にＧａＡｓベース層にＩｎＧａＡｓからなる量子ドットを有するＱＤ−ＤＦＢレーザの温度を一定にした場合の素子電流と波長との関係をＱＤで示した実線で追加した図である。ＱＤはＱＤ−ＤＦＢレーザの場合、ＱＷはＱＷ（量子井戸）−ＤＦＢレーザの場合を示している。図６のように、ＱＤ−ＤＦＢレーザは、素子電流を変化させても波長の変化が少ない。図７は、ＰＰＬＮの出力光強度と素子電流の関係を模式的に示した図である。一点鎖線は、ＰＰＬＮに入射するレーザ光５０の強度と素子電流の関係を模式的に示している。図７のように、ＱＷ−ＤＦＢレーザでは、素子電流が４０〜６０ｍＡの範囲の場合でのみ光が出射される。一方、ＱＤ−ＤＦＢレーザでは、素子電流を素子電流０〜８０ｍＡに変化させることによりグリーン光５４の出力光強度の変調が可能となる。このように、高効率の高調波生成素子３０を用いることができ、消費電力を削減できる。

第１および第２の実施形態によれば、半導体レーザの出射することが難しい可視光を出射する安価で高速変調可能で高効率なレーザシステムを提供することができる。特に、レーザプロジェクション等の用途に用いられるグリーン光を得ることができる。

高調波生成素子３０は、第２高調波でなく高次の高調波を生成してもよい。しかし、変換効率の観点から、高調波生成素子３０は、変調されたレーザ光（図４のレーザ光５２、図５のレーザ光５０）をレーザ光の第２高調波に変換することが好ましい。

以下に、上記実施形態の実施例を説明する。

実施例１は、第１の実施形態の実施例である。図８は実施例１に係るレーザシステム１００ｂの上面図である。レーザシステム１００ｂは、ＤＦＢレーザ１０、ＳＯＡ２０、コリメートレンズ４２、４４およびＰＰＬＮ３２を有している。ＤＦＢレーザ１０の上面には、素子電流を印加するための電極１２、ＤＦＢレーザ１０の温度を制御するための電流を流すヒータ１４が形成されている。ＤＦＢレーザ１０のレーザ光が出射しない一端面にはレーザの発振波長である１０６４ｎｍの光に対するＨＲ（高反射）膜１６が形成されている。ＳＯＡ２０の上面には、レーザ光を変調するための電流を印加する電極２２が形成されている。ＳＯＡ２０のレーザ光５２が出射する一端面には１０６４ｎｍに対するＡＲ（反射防止）膜２８が形成されている。ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０は同一チップ上に形成されており、ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０の光軸は一致している。

ＳＯＡ２０から出射した変調されたレーザ光５２はコリメートレンズ４２および４４によりＰＰＬＮ３２の一端面に入射する。コリメートレンズ４２および４４の表面は、１０６４ｎｍ波長に対するＡＲ膜（不図示）がコーティングされている。ＰＰＬＮ３２のレーザ光５２が入射する端面には１０６４ｎｍ波長に対するＡＲ膜３６がコーティングされている。ＰＰＬＮ３２のグリーン光５４が出射する端面には高調波の波長である５３２ｎｍに対するＡＲ膜３８が形成されている。

図９は、ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０の断面図である。図９を参照に、ｎ型ＧａＡｓ基板６０上に、ｎ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなるｎ型クラッド層６２が形成されている。基板６０下には電極７８が形成されている。ｎ型クラッド層６２上に、ＧａＡｓからなるベース層６４内にＩｎＡｓからなる量子ドット６６を有する量子ドット活性層６５が形成されている。量子ドット活性層６５上にｐ型ＧａＡｓからなるｐ型層６８が形成されている。ｐ型層６８上にｐ型ＩｎＧａＰからなるｐ型クラッド層７２が形成されている。ＤＦＢレーザ１０のｐ型層６８とｐ型クラッド層７２との間には出射するレーザ光の波長を決めるコルゲーション７０が形成されている。基板６０からｐ型クラッド層７２までは、ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０で共通である。

ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０のｐ型クラッド層７２上に、それぞれｐ^＋ＧａＡｓからなるコンタクト層７４が形成されている。ＤＦＢレーザ１０において、コンタクト層７４上には電極１２が形成されている。電極１２上に酸化シリコンからなる絶縁膜７６が形成されている。絶縁膜７６上にＰｔからなるヒータ１４が形成されている。ヒータ１４は、ＤＦＢレーザ１０の温度を一定に制御する温度制御部として機能する。ＳＯＡ２０において、コンタクト層７４上に電極２２が形成されている。制御部９０は、ワイヤ８０を介し、電極１２、２２およびヒータ１４に電圧を印加する。電極７８は、一定電位に接続されている。例えば接地されている。

制御部９０は、ＤＦＢレーザ１０の電極１２に電圧を印加することにより、電極１２と電極７８との間に電流を流す。これにより、量子ドット活性層６５で誘導放出が生じ、活性層６５付近に１０６４ｎｍのレーザ光が伝搬する。また、制御部９０は、ヒータ１４に電流を流すことにより、ＤＦＢレーザの温度を一定に保つことができる。さらに、制御部９０は、電極２２と電極７８との間に電圧を印加することにより、活性層６５内のレーザ光を増幅させる。電極２２と電極７８との間に電圧を変化させることにより、ＳＯＡ２０の増幅率を変化させ、ＳＯＡ２０から出射するレーザ光を変調することができる。

図１０は、制御部９０の制御を示すフローチャートである。まず、制御部９０は、ヒータ１４に流す電流を制御し、ＤＦＢレーザ１０の温度を一定に保つ（ステップＳ１０）。この状態で、制御部９０は、ＤＦＢレーザ１０の電極１２と電極７８との間に直流電流またはパルス電流を流す。これにより、ＤＦＢレーザ１０は、ＰＰＬＮ３２の許容動作範囲内の波長のレーザ光を出射する（ステップＳ１２）。制御部９０は、ＳＯＡ２０の電極２２に変調電圧を印加し、レーザ光を変調させる（ステップＳ１４）。

実施例１によれば、ＤＦＢレーザ１０が、ＰＰＬＮ３２の効率が大きくなる波長のレーザ光を出射する。ＳＯＡ２０がレーザ光の波長を変化させずにレーザ光の強度を変調する。ＰＰＬＮ３２が第２高調波を出射する。これにより、レーザ光５２は強度が変調されており、かつ波長が変化していない。よって、高効率のＰＰＬＮ３２を用いることができ、消費電力を削減できる。

ＤＦＢレーザ１０は、量子ドットを有さない量子井戸型ＤＦＢレーザでもよい。しかし、実施例１のように、ＤＦＢレーザ１０として量子ドットＤＦＢレーザを用いることにより、ＤＦＢレーザ１０が出射するレーザ光の波長をより安定させることができる。よって、ＰＰＬＮ３２の変換効率をより高効率にすることができる。

図９のように、ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０とは同じチップ上に形成され、共通の活性層６５を有している。これにより、ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０との間のレーザ光の損失を抑制することができる。

さらに、ＳＯＡ２０とＰＰＬＮ３２とがコリメートレンズ４２および４４で光結合しているため、ＳＯＡ２０のレーザ光５２の出射方向と異なる方向にグリーン光５４を出射させることができる。

図１１は、実施例２に係るレーザシステム１００ｃの上面図である。図１１を参照に、レーザシステム１００ｃにおいては、ＳＯＡ２０とＰＰＬＮ３２とを直接結合している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例２のように、コリメートレンズ４２および４４を用いず、ＳＯＡ２０とＰＰＬＮ３２とを直接光結合させてもよい。これにより、光結合のための部品を減らすことができる。

図１２は、実施例３に係るレーザシステム１００ｄの上面図である。図１２を参照に、レーザシステム１００ｄにおいては、ＳＯＡ２０とＰＰＬＮ３２とが光ファイバ４６を介し光結合している。光ファイバ４６のＳＯＡ２０側の部分４８は楔形状をしている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例３によれば、光ファイバ４６のＳＯＡ２０側の形状が楔形状であることにより、ＳＯＡ２０から出射されるレーザ光の形状が上下に長い楕円形状を有している場合も、レーザ光の形状を円形に変換することができる。

実施例４は第２の実施形態の実施例である。図１３は、実施例４に係るレーザシステム１００ｅの上面図である。図１３を参照に、量子ドットＤＦＢレーザ１０ａのレーザ光５０を出射する端面には１０６４ｎｍに対するＡＲ膜１８が形成されている。レーザ光５０はコリメートレンズ４２および４４によりＰＰＬＮ３２の端面に入射する。その他の構成は実施例１の図８と同じであり説明を省略する。

実施例４によれば、量子ドットＤＦＢレーザ１０ａを用いるため、素子電流を変化させレーザ光５０の強度を変調してもレーザ光５０の波長は大きくは変化しない。よって、高効率のＰＰＬＮ３２を用いることができ、消費電力を削減できる。

図１４は、実施例５に係るレーザシステム１００ｆの上面図である。図１４を参照に、量子ドットＤＦＢレーザ１０ａとＰＰＬＮ３０とが直接結合している。ＤＦＢレーザ１０ａのＰＰＬＮ３０側の端面には１０６４ｎｍの波長に対しＡＲ膜であり５３２ｎｍの波長に対しＨＲ膜である光学膜１８ａが形成されている。一方、ＰＰＬＮ３０の光を出射する端面には、１０６４ｎｍの波長に対しＨＲ膜であり５３２ｎｍの波長に対しＡＲ膜である光学膜３８ａが形成されている。これにより、ＰＰＬＮ３２で生成した５３２ｎｍの光はＤＦＢレーザ１０ａ内には入射しない。このため、ＨＲ膜１６とともに光学膜３８ａでも１０６４ｎｍの光を反射できるため、ＤＦＢレーザ１０ａの発振効率を向上させることができる。また、ＤＦＢレーザ１０ａとＰＰＬＮ３２とが直接結合しているため部品を削減することができる。

実施例１〜５によれば、半導体レーザの出射することが難しい可視光を出射する安価で高速変調可能で高効率なレーザシステムを提供することができる。特に、実施例１〜５によれば、レーザプロジェクション等の用途に用いられるグリーン光を得ることができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は、比較例に係るレーザシステムのブロック図である。 図２は、ＤＦＢレーザのレーザ光の波長と素子温度、レーザ光の波長と高調波生成素子の変換効率を示す模式図である。 図３は、ＤＦＢレーザの素子電流とレーザ光の波長の関係を示す模式図である。 図４は、第１の実施形態のブロック図である。 図５は、第２の実施形態のブロック図である。 図６は、素子電流とレーザ光の波長、高調波生成素子の変換効率とＤＦＢレーザのレーザ光の波長を示す模式図である。 図７は、高調波生成素子の出力光強度とＤＦＢレーザの素子電流の関係を示す模式図である。 図８は、実施例１に係るレーザシステムの上面図である。 図９は、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの断面図である。 図１０は、制御部の制御を示すフローチャートである。 図１１は、実施例２に係るレーザシステムの上面図である。 図１２は、実施例３に係るレーザシステムの上面図である。 図１３は、実施例４に係るレーザシステムの上面図である。 図１４は、実施例５に係るレーザシステムの上面図である。

符号の説明

１０ ＤＦＢレーザ
１０ａ 量子ドットＤＦＢレーザ
２０ ＳＯＡ
３０ 高調波生成素子
３２ ＰＰＬＮ

Claims (5)

1. レーザプロジェクションに用いられるグリーン光を出射するレーザシステムであって、
   直流電流が印加されることにより、一定波長のレーザ光を出射するＤＦＢレーザと、
   前記レーザ光の波長を変化させずに、前記レーザ光の強度を変調する半導体光増幅器と、
   変調された前記レーザ光を前記レーザ光の高調波である前記グリーン光に変換する高調波生成素子と、
   を具備し、
   前記一定波長は、前記高調波生成素子の動作範囲の波長であることを特徴とするレーザシステム。
2. 前記ＤＦＢレーザは、量子ドットＤＦＢレーザであることを特徴とする請求項１記載のレーザシステム。
3. 前記ＤＦＢレーザと前記半導体光増幅器とは同じチップ上に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザシステム。
4. 前記高調波生成素子は、前記変調されたレーザ光を前記レーザ光の第２高調波に変換することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のレーザシステム。
5. 前記ＤＦＢレーザの温度を一定に制御する温度制御部を具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のレーザシステム。

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