半導體雷射器的相區中的波長控制的製作方法

2023-10-08 21:28:44

專利名稱：半導體雷射器的相區中的波長控制的製作方法
半導體雷射器的相區中的波長控制優先權本申請要求2007年11月20日提交的題為「半導體雷射器的相區中的波長控制 (Wavelength Control In Phase Region Of Semiconductor Lasers)，，的美國專利申請 No. 11/986，139 的優先權。
背景技術：
本發明一般涉及半導體雷射器、雷射器控制器、雷射投影系統以及包含半導體激 光器的其它光學系統。更具體地，本發明的某些實施例涉及用於管理半導體雷射器中的激 光波長變化的方案。本發明的其他實施例涉及用於使光耦合至半導體雷射器的波長轉換器 件的輸出中的系統波長變化最少的方案，以及用於破壞雷射投影系統的掃描雷射圖像中的 溫度演變標誌(signature)的方案。

發明內容
本發明一般涉及可按照各種方式配置的半導體雷射器。作為示例並且為了說明而 非限制的目的，通過將諸如分布反饋式(DFB)雷射器、分布式布拉格反射鏡(DBR)雷射器、 垂直腔面發射雷射器(VCSEL)、垂直外腔面發射雷射器(VECSEL)或法布裡-珀羅雷射器之 類的單波長半導體雷射器與諸如二次諧波產生(SHG)晶體之類的光波長轉換器件組合，可 將短波長源配置用於高速調製。通過將例如lOeOnm的DBR或DFB雷射器調諧至SHG晶體的 光譜中心，這將波長轉換成530nm，可將SHG晶體配置成產生基波雷射信號的較高次諧波。 然而，諸如MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)之類的SHG晶體的波長轉換效率極大地依 賴於雷射二極體與SHG器件之間的波長匹配。如熟悉雷射器設計的技術人員所能理解地， DFB雷射器是利用蝕刻到半導體材料中的格柵或類似結構作為反射介質的諧振腔雷射器。 DBR雷射器是其中蝕刻光柵與半導體雷射器的電子泵浦區物理分離的雷射器。SHG晶體利 用非線性晶體的二次諧波發生性質來使雷射輻射倍頻。PPLN SHG器件的帶寬通常非常小——對於典型的PPLN SHG波長轉換器件，半最 大值全帶寬(FWHM)波長轉換帶寬僅在0. 16到0. 2nm範圍內，且主要取決於該晶體的長度。 雷射器腔中的模式跳變和不受控的大波長變化會導致半導體雷射器的輸出波長在工作期 間移出該允許帶寬。一旦半導體雷射器波長偏移出PPLN SHG器件的波長轉換帶寬，轉換器 件在目標波長下的輸出功率就降低。例如，在雷射投影系統中，模式跳變尤其是個問題，因 為它們會產生功率的即時變化，這些即時變化容易被視為圖像中的特定位置處的缺陷。這 些可視缺陷通常呈現為圖像上的有組織的、圖案化的圖像缺陷，因為所產生的圖像就是激 光器的不同區域的溫度演變的標誌。已知與開發半導體雷射器源時的波長匹配和穩定相關聯的挑戰，本發明人已經認 識到用於管理半導體雷射器中的雷射波長變化的有利方案。本發明還認識到用於通過破壞 雷射器的不利溫度演變標誌來管理光耦合至半導體雷射器的波長轉換器件的輸出的系統 波長變化的有利方案。
本發明人已經認識到，雖然主要在DBR雷射器的情境下描述了本發明的概念，但 可構想的是，本文中討論的控制方案也可用於多種類型的半導體雷射器，包括但不限於DFB 雷射器、法布裡-珀羅雷射器以及許多類型的外腔雷射器。還應注意的是，本發明的具體實 施例一般涉及雷射源中的波長穩定化，並不考慮在該雷射源中是否利用了二次諧波發生。根據本發明的一個實施例，提供了一種控制半導體雷射器的方法。根據該方法，半 導體雷射器的至少一個區域被調製成提供圖像數據。例如但不作為限制，在雷射投影的情 況下，增益電流I 可被調製成在投影圖像中產生灰度級。該調製產生雷射波長的一些波 動，這導致投影光的變化。在相對靜態圖像的情境下，波長波動將逐幀重複，從而產生容易 被人眼觀測到的系統和有組織的圖像偏差。本發明的一些實施例通過在雷射中利用一個或 多個附加信號以使該圖像偏差變得無組織從而更難被人眼檢測來應付該問題。根據本發明的附加實施例，提供了控制雷射投影系統的方法，該雷射投影系統包 括半導體雷射器和編程為執行此類方法的雷射器控制器。更具體地，該方法包括產生掃描 雷射圖像的至少一部分，並對該雷射的相區施加移相信號Ι/νφ，以使多個腔模在未移動狀 態與已移動狀態之間周期性地移動，其中該未移動狀態和已移動狀態分隔開雷射腔自由光 譜範圍的約一半。根據本發明的另一實施例，提供了一種控制雷射投影系統的方法，該方法包括選 擇納入驅動電流Iifis中的波長恢復部分周期tK，以使圖像行持續時間、不是波長恢復部分 周期tK的整數倍，其中波長恢復部分不在各幀的圖像行中的同一位置處出現，從而系統性 圖像缺陷減少。根據本發明的另一實施例，提供了一種控制雷射投影系統的方法，該方法包括產 生掃描雷射圖像的至少一部分，並將移相信號Ι/νφ施加至雷射器的相區，以使多個腔模在 各個圖像行持續時間、開始期間或各個圖像幀持續時間tF開始期間在未移動狀態與已移 動狀態之間周期性地移動，其中未移動狀態與已移動狀態分隔開雷射器腔自由光譜範圍的
約一半。雖然主要在成像的背景下描述本發明的概念，但可構想的是，本發明的多個概念 也可應用於其中雷射波長的可重複低頻波動會成為問題的任何雷射器應用。


本發明的特定實施例的以下詳細描述可在結合以下附圖閱讀時被最好地理解，在 附圖中相同的結構使用相同的附圖標記指示，而且在附圖中圖1是光耦合至光波長轉換器件的DBR或相似類型的半導體雷射器的示意圖；圖2是根據本發明的一個實施例的雷射投影系統的示意圖；圖3和4示出DBR雷射器中作為增益電流的函數的發射波長的演變；圖5示出根據本發明一實施例的用於控制雷射器波長的方案；圖6是圖5中所示控制方案的進一步圖示；圖7和8示出半導體雷射器的腔模的熱漂移；圖9示出用於破壞半導體雷射器的不利溫度演變標誌的方案；圖10示出用於圖9中所示方案的移相信號分布的示例。
具體實施例方式雖然可包含本發明的具體實施例的概念的多種類型的半導體雷射器的具體結構 在涉及半導體雷射器的設計和製造的容易獲得的技術文獻中有示教，但本發明的具體實施 例的概念可一般地參照對圖1中所示的三段DBR型半導體雷射器10而方便地示出。在圖 1中，DBR雷射器10光耦合至光波長轉換器件20。半導體雷射器10所發射的光束可以直 接耦合到波長轉換裝置20的波導中，或可通過校準和聚焦光學裝置或某些合適類型的光 學元件或光學系統耦合。波長轉換裝置20將入射光轉換成高次諧波並輸出經轉換的信號。 這種類型的配置在從較長波長的半導體雷射器產生較短波長的雷射束時尤其有用，而且可 用作例如雷射投影系統的可見雷射源。在雷射投影系統的情境下，掃描雷射圖像通過在由單個像素組成的圖像線上掃描 可見光的輸出光束而產生。各個圖像線和像素分別由持續時間、和tp、圖像線產生頻率和 圖像像素產生頻率表徵。多個圖像線組成一圖像幀。具有持續時間tF和圖像幀產生頻率 的這些圖像幀然後以期望頻率重複，以產生由觀看者觀測到的掃描雷射圖像。圖1中示意性示出的DBR雷射器10包括波長選擇區12、相區14以及增益區16。 可稱作雷射器10的DBR區域的波長選擇區12通常包括定位於雷射器腔的有源區外部的一 階或二階布拉格光柵。該區域提供波長選擇，因為光柵起反射鏡的作用，其反射係數取決於 波長。DBR雷射器10的增益區16提供雷射器的主要光增益，而相區14在增益區16的增益 材料和波長選擇區12的反射材料之間產生可調相移。至於DBR區，相區是無源的，因為它 不向雷射器10提供增益。向相區注入信號的效果是移動雷射腔模的波長。可按照採用或 不採用布拉格光柵的多種合適的替換配置設置波長選擇區12。微控制器30控制注入雷射器10的相應區12、14以及16的電流。所注入的電流 可用於例如通過控制雷射器的一個或多個區的溫度、向雷射器襯底中限定的導電摻雜的半 導體區注入電流、控制雷射器10的波長選擇和相區12、14的折射率、控制該雷射器的增益 區16中的光學增益等來改變該雷射器的操作性質。可通過向半導體結注入電流、通過向該 結施加反向電壓或通過利用位于波導附近的加熱器來解決DBR部分。圖1中所示的波長轉換器件20的波長轉換效率取決於半導體雷射器10與波長轉 換器件20之間的波長匹配。當雷射器10的輸出波長偏離波長轉換器件20的波長轉換帶 寬時，波長轉換器件20中所產生的高次諧波光波的輸出功率急劇降低。例如，當半導體激 光器被調製以產生數據時，熱負載恆定地變化。由此產生的雷射器溫度和激射波長的變化 產生SHG晶體20的效率的變化。在12mm長的PPLN SHG器件形式的波長轉換器件20的情 況下，半導體雷射器10中約2°C的溫度變化通常足以使雷射器10的輸出波長在波長轉換器 件20的0. 16nm的半最大值全帶寬(FWHM)波長轉換帶寬之外。當調製該雷射器以產生有 用信號時，該雷射器遭受快速熱負荷變化，這將產生快速波長波動。本發明的具體實施例通 過將雷射器波長變化限制為可接受的水平來解決該問題。本發明人已經認識到穩定半導體雷射器的發射波長時的挑戰，因為它們普遍遭受 波長漂移和相關聯的腔模跳變。作為示例而非限制，圖3示出了 DBR雷射器中作為增益電 流的函數的發射波長的演變。當增益電流增大時，增益區的溫度也升高。因此，腔模向更高 的波長移動。腔模的波長比DBR區的波長移動更快。因此，雷射器到達較低波長的腔模更 接近DBR反射率曲線的最大值的點。在該點處，較低波長的模式比根據雷射物理學的基本原理建立的模式的損耗更低，從而雷射器自動跳至具有較低損耗的模式。該行為在圖3的 曲線100上示出。如圖3所示，該波長緩慢增大，且包括幅值等於雷射腔的一個自由光譜範 圍的突然模式跳變。圖7和8示出由移動腔模引起的兩種可能的極端情形。當調製增益區時，對雷射 器施加的熱負載隨著時間恆定變化。因此，該雷射器的腔模恆定移動，波長波動的幅值和方 向成為對雷射器施加的信號的函數。另一方面，DBR光譜曲線相對穩定，因為與由增益區電 流引起的DBR加熱對應的增益區到DBR區的串擾通常是相對較慢的現象。因此，在單幀期 間，DBR光譜曲線不移動，而腔模恆定移動。圖7示出腔模105、106基本位於DBR曲線103的中心的情形。該DBR曲線103在 最優工作條件下基本位於PPLN曲線104的中心。腔模被表示為一系列垂直線，其中對準腔 模105位於DBR曲線103的中心，而未對準腔模104未處於DBR曲線103的中心。對準的 腔模105是具有最低腔損耗的腔模，因此它是在調製雷射時優選的腔模。在雷射投影系統 的情境下，因為對準模式位於PPLN曲線的中心上，所以它將對應於該圖像中的最亮區域。圖8示出對應於雷射投影系統所產生的圖像中的較暗區域的情形。DBR曲線103 也基本位於PPLN曲線104的中心。然而，這些腔模現被移動雷射自由光譜範圍的一半，如 圖8中的箭頭所示。在這種情況下，這些腔模相對於DBR曲線對稱。因此，每當雷射器被調 制時，與DBR最大值最靠近的兩個腔模105被選擇的可能性相同，而其他模式106被選擇的 可能性非常小。因此，該情況將對應於圖像中的較暗區域，因為不論隨機選擇了哪個模式， 雷射器波長都不再位於PPLN曲線104的中心。雖然本發明不限于波長變化和突然模式跳變的任何具體顯示，但在雷射投影系統 的情境下，這些波長波動會產生平滑的強度變化，而且模式跳變會在通過掃描雷射產生的 圖像中產生相對突然的強度移動。由這些缺陷在圖像中產生的特定圖案會是多個因子的函 數，這多個因子包括但不限於雷射器溫度、雷射自由光譜範圍、PPLN晶體光譜帶通、雷射器 DBR相對於PPLN晶體的光譜對準等。不論缺陷圖案的本質如何，圖案本身會在圖像中呈現 問題，因為它在圖像中呈現容易識別的系統化結構。當調製雷射器增益區時，腔模在圖7和8的兩種極端情況下連續演變，從而在圖像 中產生較亮和較暗的區域。所得圖像缺陷的形狀和位置是可重複的，因為這些缺陷是雷射 的熱漂移的結果，其擁有具有多個時間常數的指數函數。例如，在準靜態圖像中，當內容從 一幀到另一幀變化不大時，雷射器對於各幀加熱的方式是完全可重複的。其結果是圖像缺 陷將逐幀重複，從而使在圖像中非常容易識別這些缺陷。如下文詳細描述的那樣，通過對半導體雷射器的相區施加移相信號，可使該本質 的圖像缺陷更難檢測。作為示例而非限制，如果相位信號對所產生的各幀保持恆定，但逐幀 變化，則其結果將是各個單幀將具有缺陷圖案，但該圖案的性質即該圖案中的暗區和亮區 的位置將逐幀變化。因此，肉眼將在時間上將所有圖像整合到一起，從而難以檢測到任何系 統性的缺陷。作為另一示例，本發明還構想改變每個圖像線或像素的相位信號。因此，有組 織的系統性圖像缺陷被破壞，這使肉眼識別任一圖像缺陷要困難得多。還構想施加至雷射器的控制信號可完全隨機或以一些更精細的功能呈現。例如， 控制信號可被注入雷射器的相區和/或DBR區中，以使它對應於雷射光譜範圍的一半，從而 有效地倒置圖像缺陷的形狀。如上所述，該倒置可逐幀、逐行或逐像素引入。
進一步參照圖3，曲線101示出了 DBR雷射器中的顯著不同的發射行為。具體而 言，具有與參照曲線100示出的雷射器相同的一般製造參數的雷射器可呈現顯著不同的行 為，其不同之處在於，代替具有一個雷射自由光譜範圍的幅值的模式跳變，該雷射器將呈現 具有多達六個或更多自由光譜範圍幅值。對於許多應用，該大的突然波長變化可能無法接 受。例如，在雷射投影系統的情況下，這些大跳變會引起圖像中從標準灰度值到接近零的值 的突然強度跳變。本發明人已經調查了該現象以及雷射器中的波長不穩定性和遲滯，並注 意到這些雷射發射缺陷可歸因於多個因素中的一個或多個，包括空間燒孔、光譜燒孔、增益 譜展寬以及自誘導布拉格光柵。構想這些因素可能鎖定雷射器腔中已建立的特定腔模上的 激射，或促使較大的模式跳變。實際上，看起來一旦模式建立，腔內特定波長的光子通過耗 盡特定能級的載流子密度或通過在腔內產生自誘導布拉格光柵可幹擾雷射器自身。圖4的曲線102示出了特定模式跳變行為的另一種情況。在所示情況中，發射波 長是不穩定的，因為它包括可歸因於位於雷射器外部的部件的背射，即稱為外腔效應的現 象。在該外腔效應的情況下，外反射產生幹擾雷射器腔的寄生法布裡_珀羅腔，且能產生非 常大幅值的模式跳變。不管半導體雷射器中的不可接受的波長漂移的起源為何，本發明的 具體實施例涉及管理雷射器的波長波動。本發明人已經認識到圖3和4中所示的大波長波動和相關聯的模式跳變效應至少 部分地取決於雷射器腔中的光子密度，而且在具有顯著的外腔效應時會被放大。本發明人 還認識到激射波長可能跳躍一個以上模式，而且該多模跳變可全部或部分歸因於光譜和空 間燒孔以及諸如外腔效應之類的其他激射現象。不論半導體雷射器中的多模漂移的起因為何，當該現象出現時，激射波長通常顯 示出等於腔模間距倍數的異常波長跳躍。在大模式跳變出現之前，雷射器通常顯示出大的 連續波長漂移。較大的波長漂移和異常波長跳躍會在雷射信號中引起不可接受的噪聲。例 如，如果作為如圖2示意性示出示例的該現象在雷射投影系統中系統地發生，則投影圖像 中的噪聲將容易對人眼可見。如上所述，本發明的具體實施例一般涉及半導體雷射器驅動電流包括驅動部分和 波長恢復部分的控制方案。圖5和6示出用於控制單模雷射信號中的波長的方案，其中驅 動部分包括作為電流注入半導體雷射器的增益區的數據部分。因此，在所示實施例中，該驅 動電流包括相應的數據部分A和波長恢復部分B。具體參照圖5，可通過取雷射數據信號與 適當配置的波長恢復信號的乘積來引入驅動電流或增益注入電流的這些部分。作為示例而 非限制，該雷射數據信號可攜帶用於雷射投影系統中的投影的圖像數據。如圖6所示，該波 長恢復信號被配置為使增益區驅動電流即增益注入電流的數據部分包括相對長驅動持續 時間tD的相對高驅動幅值ID，而該驅動電流的波長恢復部分包括相對短恢復持續時間tK的 相對低恢復幅值Ικ。該數據部分的相對高驅動幅值Id足以在雷射腔內在激射模式λ ^下激 射。該驅動電流的波長恢復部分的相對低恢復幅值Ik與驅動幅值Id不同，且在圖6中示為 比驅動幅值Id低Δ I。該相對低恢復幅值Ik可能為零，或接近或小於將重置雷射器的雷射 器閾值。增益區驅動電流的數據部分的驅動幅值Id和持續時間tD用於產生具有適當功率 和波長的光學信號，該功率和波長當然取決於將使用該雷射器的具體應用。該恢復幅值Ik 和恢復持續時間tK足以降低雷射器腔的至少一部分中的光子密度。通過將光子密度降低至較低值——在很多情況下接近零，諸如光譜燒孔、空間燒孔、增益譜展寬或自誘導布拉格 光柵之類的引起大波長漂移的多種現象消失。因此，當大電流在恢復周期末端重新注入增 益區時，雷射器自動選擇最靠近DBR反射率曲線最大值的諸模式中的模式。因此，波長波動 可被限制為一個雷射自由光譜範圍，且多腔模跳變被消除或至少顯著減少。所得的包括數 據部分和波長恢復部分的增益區驅動電流可用於使波長漂移最小化，並使雷射器的時間平 均雷射振蕩光學帶寬變窄。換言之，該增益區驅動電流的數據部分的驅動幅值Id和持續時間tD提高了激射波 長將承受不可接受的漂移(作為示例而非限制，超過0.05nm的波長變化)的概率。增益區 驅動電流的密度恢復部分的相對低恢復幅值Ik仿效驅動電流的數據部分，且降低不可接受 的波長漂移的概率。如果該驅動電流的恢復部分具有足夠高的發生頻率，則激射腔模在積 累大波長漂移並選擇新腔模之前被停止，從而減少了大波長漂移。在包括例如倍頻PPLN綠色雷射的雷射投影系統的情境下，在沒有根據本發明的 波長控制的情況下，雷射器在圖像顯示的單行上發射的綠色功率將因為多腔模跳變而呈現 突然的功率變化。因此，投影的圖像將具有50%或更高幅值量級的突然功率降低。然而， 採用根據本發明的具體實施例的其中驅動信號對每個像素改變(例如通常每40ns)的波長 控制方案，可構想雷射功率的非期望降低將顯著減輕。例如，在本發明的實施例的一個執行 中，圖像中的殘餘噪聲標準差在恢復幅值Ik設定為接近零、恢復持續時間tK約為10納秒以 及驅動持續時間tD約為40納秒的情況下為8%量級。該圖像還被觀測到具有相對高空間 頻率的缺陷，該缺陷通常不容易被裸眼看到。雖然恢復幅值Ik可能為零，但它也可以是足以消除多腔模跳變的起源或改善雷射 器的波長行為的任何值。增益區驅動電流的恢復幅值。將小於驅動幅值ID，且可顯著大於 零。該相對高驅動幅值Id可能基本連續但密度經常變化，尤其當半導體雷射器被納入雷射 投影系統中時，如下文進一步詳細描述的那樣。在雷射器被配置用於編碼數據的光發射的情況下，代表已編碼數據的數據信號被 施加至該雷射器。作為示例而非限制，該數據信號可被納入作為注入雷射器的增益區的驅 動信號的強度或脈寬調製數據部分。本發明的具體實施例的波長恢復操作的執行至少部分 地與數據信號中編碼的數據無關。例如，在驅動電流被注入雷射器的增益區的情況下，其驅 動部分可被強度調製以編碼數據。該驅動電流的波長恢復部分被疊加在該驅動電流上，而 與已編碼數據無關。類似地，在驅動部分被脈寬調製以編碼數據的情況下，該驅動電流的波 長恢復部分也將被疊加在驅動電流上。上述疊加可與已編碼數據完全無關，或可僅在代表已編碼數據的驅動電流的強度 或脈寬的持續時間到達閾值時施加，在這種情況下它可能與已編碼數據部分相關。然而，一 旦疊加，波長恢復部分的無關程度將需要足以確保可獲得足夠的波長恢復。換言之，驅動電 流的波長恢復部分在數據信號可能阻止波長恢復的情況下應當支配驅動電流。例如，在脈 寬調製數據信號的情境下，可構想相對短和高幅值的脈寬可能不需要波長恢復。然而，在已 編碼數據包括相對長、高幅值脈寬的情況下，驅動操作和波長恢復操作所限定的佔空比應 當足以限制高幅值脈寬的最大持續時間，以確保在觀測到不可接受的波長漂移之前能實現 波長恢復。例如，可能優選確保脈寬的最大持續時間不能超過驅動操作和波長恢復操作所 限定的佔空比的持續時間的約90%。此外，在脈寬調製數據的情境下，應當小心地確保波長恢復部分的恢復幅值Ik小於半導體雷射器的閾值激射電流，或充分低以恢復波長。還應注意波長恢復信號不需要以規則的周期性的形式實現。相反，該恢復信號可 按需施加。例如，如果檢測到超過可接受值(例如一個以上腔模間距)的波長漂移，則通過 在驅動電流上疊加波長恢復信號從而迫使雷射器選擇新波長，可實現波長恢復操作。就恢復周期的頻率而言，它一般需要足夠頻繁以將兩個恢復周期之間的波長變化 限制為可接受的幅值。理想頻率和途逕取決於與利用雷射器的應用相關聯的具體需求。此 外，通過以與電子電路和雷射器速度兼容的最高可能頻率執行恢復，圖像中的任何噪聲將 以較高空間頻率出現，從而使該噪聲更難以檢測。作為示例，對雷射投影而言，可能優選隨機開始恢復周期或使恢復周期與圖像像 素產生同步，以避免數據內容即圖像與恢復信號之間的任何混疊問題。通過確保恢復周期 不會在各個圖像行中的同一位置處出現而是在不同位置出現，隨機開始恢復周期將阻止在 行間出現周期性圖像缺陷。在另一示例中，通過選擇恢復周期以使圖像行的持續時間不是恢復周期的整數 倍，或換言之使恢復以不是行頻率的整數倍的頻率出現，可防止在各幀的行中的同一位置 處出現因恢復周期引起的周期性圖像缺陷。這將能確保恢復周期始終在變化的位置處出 現，從而使人員難以檢測到該圖像缺陷。參照圖2中示意性示出的雷射投影系統，可注意到，根據本發明的具體實施例的 驅動電流控制方案可在該系統中以多種形式執行。作為示例而非限制，通過在投影軟體和 電子電路的渲染期間將該驅動電流的波長恢復部分整合到視頻信號中，可執行該驅動電流 的波長恢復部分。在這種方法中，不論源圖像所要求的強度如何，分布於該圖像中的像素都 可被波長恢復信號改變。該中斷的頻率應被選擇成使其對人眼以及感知的光功率的影響最 少。或者，該驅動信號的波長恢復部分可被整合到雷射器驅動電子電路中。在這種方法中， 從圖像流中推導出的驅動信號在電流縮放之前會被波長恢復信號周期性地超馳。同樣，該 中斷的頻率和佔空比應被選擇成使其對人眼以及感知的光功率的影響最少。作為另一替代 方案，與所需強度水平無關，對雷射器的驅動電流可周期性地被分路或以其它方式降低，以 減小或修改驅動電流。可構想，圖5和6示出了可用於降低單模雷射信號中的噪聲的雷射操作方案。此 外，圖5和6的方案可用於結合有一個或多個單模雷射器的系統。例如，如下文進一步詳細 描述地，構想圖5和6的方案可用於結合有一個或多個單模雷射器的掃描雷射投影系統。還 應注意，本文對單模雷射器或配置成單模光發射的雷射器的引用不應當被理解為將本發明 的範圍限制為僅工作於單模的雷射器。相反，對單模雷射器或配置成單模光發射的雷射器 的引用應當僅理解為，根據本發明的具體實施例構想的雷射器將以其中寬或窄帶寬的單模 可分辨的輸出光譜為特徵，或以通過適當的濾波或其他手段容易從其中區分單模的輸出光 譜為特徵。構想驅動持續時間tD和恢復持續時間tK的相對大小應當被控制以保持雷射效率 的最優程度，同時確保足夠的波長恢復。例如，根據本發明的一個方面，驅動信號的佔空比 的至少約80%被驅動持續時間tD佔據，而驅動信號的佔空比的少於約20%被恢復持續時 間、佔據。在許多實例中，確保恢復持續時間tK小於約10ns、可能短於約5ns就足夠。此 外，可構想其中驅動信號的佔空比的至少約95%被驅動持續時間tD佔據、而該佔空比的少
11於約5%被恢復持續時間tK佔據的控制方案。在其中控制驅動信號的電路的反應充分迅速 的情況下，可構想其中驅動信號的佔空比的至少約97. 5%被驅動持續時間tD佔據、而該佔 空比的至少約2. 5%被恢復持續時間tK佔據的適當控制方案。當在雷射投影系統的情境下建立驅動持續時間tD和恢復持續時間tK的相應值時， 需要考慮附加事項。例如而非限制，圖2中所示的雷射投影系統包括產生單色或多色圖像 數據流的圖像源S、用於為各個原始圖像顏色產生雷射驅動信號D的圖像投影軟體和相關 聯的電子器件S/E、為配置成產生各個原始圖像顏色的各個雷射器產生相應的雷射器驅動 電流的雷射器驅動LD、以及用於產生包括圖像像素陣列的單色或多色投影圖像I的掃描和 投影光學器件0。這種或其他類型的掃描雷射圖像投影系統中的各個圖像像素以有效像素 持續時間tP為特徵。作為示例而非限制，該圖像中的像素的有效像素持續時間可以是40納 秒或更短。一般而言，該恢復持續時間tK將短於像素持續時間tP。優選地，該恢復持續時 間、將至少比像素持續時間tP短50%。反之，根據系統設計者的偏好，該驅動持續時間tD 可能大於、小於或等於像素持續時間tP。本領域技術人員將認識到，有效像素持續時間可能因掃描速度變化而在圖像上適 度地或周期性地變化。因此，對「以有效像素持續時間為特徵」的投影系統的引用不應理解 為表示圖像中的各個像素具有同樣的像素持續時間。相反，可構想顯示中的各個像素可能 具有不同的像素持續時間，這些像素持續時間均屬於以有效像素持續時間tp為特徵的顯示 的一般概念。通過配置圖像投影電子電路和相應的雷射驅動電流來建立在圖像像素陣列上變 化的像素強度，該圖像投影系統可產生多色調圖像。在這種情況下，驅動電流的波長恢復部 分疊加在編碼變化的像素強度的信號上。有關掃描雷射圖像投影系統的配置以及在圖像上 產生變化的像素強度的方式的進一步細節超出了本發明的範圍，並可從針對該主題的多個 容易獲得的示教中收集。本發明人已經認識到半導體雷射器通常呈現溫度演變標誌，該溫度演變標誌會在 雷射器的輸出和耦合至該雷射器的波長轉換器件的輸出中產生不利的圖案化。該不利的圖 案化會在上述雷射投影系統的情境下產生嚴重的問題。因此，本發明還構想用於破壞半導 體雷射器的溫度演變標誌或者以其它方式控制半導體雷射器的激射波長的相變方案。參照圖1和9，應注意本發明的一個實施例利用移相信號ΙΛΦ來修改用於控制半 導體雷射器10的相區14的驅動信號Ι/νΛ，該半導體雷射器10包括例如波長選擇區12、相 區14以及增益區16。如圖9所示，驅動信號的修改可利用乘法、除法、加法或它們的 組合來執行，但構想任何合適的算法或修改過程可結合移相信號I/V 來使用。根據半導體 雷射器的結構，該移相信號ΙΛΦ和驅動信號可以是基於電壓或電流的控制信號，而且 可利用與相區14熱連通的微加熱器經由到相區14的直接電流注入或通過對相區14施加 合適的電壓而施加至半導體雷射器10的相區14。一般而言，移相信號ΙΛΦ被選擇成破壞半導體雷射器的光發射中的系統性波長 變化。更具體地，移相信號Ι/νφ通過將雷射的相位從未移動狀態移動自由光譜範圍的一半 變為已移動狀態來破壞系統性波長變化，從而改變半導體雷射器10中的模式選擇。例如， 在顯示了靜態圖像的雷射投影系統中，相移可用於破壞圖像中的系統性圖像缺陷。更具體 地，如果存在對應於圖7情形的圖像的一個像素，則腔模位於PPLN曲線的中心，且該像素最亮。然而，如果相在顯示下一幀時被移動自由光譜範圍的一半，則對應於圖7情形的所有亮 像素變成對應於圖8情形的較暗像素。因此，通過逐幀將相改變自由光譜範圍的一半，就可 顯示具有給定較亮偽像的圖像，其後是具有互補的較暗偽像的圖像。當在時間上取平均時， 則該缺陷消失。該原理可逐幀、逐行或逐像素地應用。當利用本文所描述的RZ調製技術時，在許多實例中，每當雷射器被重置時雷射腔 模獲得選擇，且雷射波長在兩次重置操作之間保持變化而無模式跳變。因此，雖然上述相移 方法通常逐幀、逐行或逐像素地執行，但可構想利用雷射重置操作來同步移相信號也是有 利的。圖10示出根據本發明的一個實施例與波長恢復部分同步的作為方波的移相信號 I/V」移相信號Ι/νφ的幅值分布包括多個模式移動部分C和基相控制部分D。驅動電流 I增益包括在時間上插入數據部分A之間的波長恢復部分B。該波長恢復部分可按如圖10 所示的波長恢復頻率出現，或可在時間上隨機出現。根據本發明的一個實施例，移相信號I/ νΦ以波長恢復頻率的一半與波長恢復部分B同步。更具體地，移相信號Ι/νφ在驅動電流I
中的多個波長恢復部分A中的一個期間在模式移動部分C與基相控制部分D之間轉換。 該技術確保各個較亮像素之後為較暗像素，藉此使圖像偽像在空間上取平均從而消失。雖 然圖10示出了以確定頻率出現的波長恢復部分，但可構想該波長恢復部分可在時間上隨 機出現。或者，移相信號ΙΛΦ可與波長恢復部分無關地在諸如各個圖像行持續時間、或 各個圖像幀持續時間tF之前、期間或之後轉換。模式移動部分C的幅值大於基相控制部分D的幅值，且被配置成使模式移動部分C 在波長恢復部分期間將腔模移動雷射器的自由光譜範圍的一半。反之，基相控制信號D的 幅值被配置成使腔模以自然狀態保持，或在模式移動部分C之後的波長恢復部分期間移回 自然狀態。通過將方波調製添加到腔模的熱漂移，模式選擇得以修改。腔模通過加或減雷射 器的自由光譜範圍的一半而來回移動。因此，位於中心且對準的腔模(圖7)或對稱腔模 (圖8)所產生的圖像缺陷得以避免，因為這些腔模在各個波長恢復部分下在兩種情況之間 移動。換言之，這些腔模來回移動，從而防止極端情況在隨後的數據部分中發生。這導致破 壞系統性圖像缺陷的抖動，且人眼難以檢測。作為示例而非限制，當這些腔模靠近DBR波長時，波長在最高功率(腔模在DBR曲 線上對準)與最低功率(腔模失準自由光譜範圍的一半)之間振蕩。因此，在兩個毗鄰像素 上取平均的功率波動得以降低，且任何圖像缺陷更難檢測。本發明人已經發現，像素之間的 功率波動從8%降至2%。此外，當使用本發明的一些實施例時，作為對許多相同圖像幀上 的圖像的各個像素計算的標準差的圖像噪聲被發現約為7%。本發明的另一優點是雷射器 的電能轉換效率被提高。通過向相區發送方波信號而不是提供高電流注入，施加至相區的 功率降低。作為示例和說明而非限制，本發明的一個實施例僅需要90mW的功率進入相區。雖然已經參照基於像素的投影系統描述了本發明，但可構想諸如基於空間光調製 器的系統(包括數字光處理(DLP)、透射型LCD以及矽上液晶(LCOS))之類的包含基於激 光器的光源的其它投影系統也能從本文中描述的波長穩定和擾動技術中獲益。在這些其他 系統中，雷射器外生的相關周期不是像素周期，而是屏幕刷新率的倒數或分數。在這些情況 下，對雷射器的輸入信號將由已編碼數據周期tP表徵，而驅動電流將被配置成使波長恢復部分的恢復持續時間tK小於已編碼數據周期tp。在本申請中通篇引用了各種類型的電流。為了描述和限定本發明，應注意這樣的 電流指代電流。此外，為了限定和描述本發明，應注意本文中引用「控制」電流不一定意味 著主動控制電流或因變於任意基準值控制電流。相反，可構想可僅通過建立電流大小來控 制電流。可以理解，本發明的以上詳細描述旨在提供用於理解所要求保護的本發明的本質 和特性的概觀或框架。對本領域的技術人員顯而易見的是，可在不背離本發明的精神和範 圍的情況下對本發明作出各種修改和變化。因而，本發明旨在涵蓋本發明的所有這些修改 和變型，只要它們落在所附權利要求書及其等價技術方案的範圍中即可。例如，雖然本文中所描述的控制方案涉及在施加給半導體雷射器的增益區或波長 選擇DBR區的驅動電流中納入波長恢復部分，但構想在雷射操作方案中納入波長恢復操作 的方法不限於僅施加至雷射器的這些部分的驅動電流。作為示例而非限制，該雷射器可包 括恢復部分，該恢復部分被配置成當對該恢復部分施加恢復信號時其吸收光子。在這種情 況下，該恢復部分可用於按照與本文所述的用於增益和DBR區的方式相似的方式按需降低 光子密度。注意，類似「優選」、「普遍」和「通常」之類的術語在本文中採用時不旨在限制要求 保護的本發明的範圍或者暗示某些特徵是關鍵性的、必要的、或甚至對要求保護的本發明 的結構或功能而言重要。相反，這些術語僅旨在突出在本發明的具體實施例中可採用或可 不採用的替換的或附加的特徵。此外，應注意對值、參數或變量為另一值、參數或變量的「函 數」的引用應當被理解為表示該值、參數或變量是一個且僅一個值、參數或變量的函數。為了描述和定義本發明，注意在本文中採用術語「顯著地」來表示可歸因於任何數 量的比較、值、測量、或其它表示的固有不確定程度。本文中還使用了術語「顯著」以表示例 如「顯著大於零」的量化表示與例如「零」的陳述基準相差的程度，而且應當被解釋為要求 該量化表示與陳述基準相差容易辨別的量。
權利要求
一種控制包括可見光源的雷射投影系統的方法，其中所述可見光源包括半導體雷射器和波長轉換器件，所述方法包括通過配置所述半導體雷射器以用於已編碼圖像數據的光發射並在多個圖像像素或已編碼數據周期上掃描所述可見光源的輸出光束而產生掃描雷射圖像的至少一部分，所述半導體雷射器包括增益區、相區以及波長選擇光學元件；以及對所述半導體雷射器的所述相區施加移相信號I/VΦ，以使多個腔模在未移動狀態與已移動狀態之間周期性地移動，其中所述未移動狀態與所述已移動狀態分隔開所述雷射器腔自由光譜範圍的約一半。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述移相信號ΙΛΦ以約等於或低於所述激 光投影系統所限定的圖像像素產生頻率的頻率移動所述腔模。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括對所述半導體雷射器的所 述增益區施加驅動信號Iif^所述驅動信號Iifis包括多個數據部分和在時間上插入相應數 據部分之間的相應波長恢復部分，其中所述數據部分包括相應的驅動幅值Id和驅動持續時 間tD，且所述波長恢復部分包括與所述數據部分的所述驅動幅值Id不同的恢復幅值Ik和小 於所述數據部分的所述驅動持續時間tD的恢復持續時間tK。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述波長恢復部分以約等於或小於所述雷射投影系統所限定的圖像像素產生頻率的 頻率出現；以及所述移相信號ΙΛΦ的所述頻率以所述波長恢復頻率的一半同步，其中所述多個腔模 的所述移動與所述波長恢復部分同步。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述波長恢復部分在所述驅動信號Iifis中以隨機間隔出現；以及所述移相信號Ι/νφ的所述頻率與所述波長恢復部分同步。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述多個圖像像素或已編碼數據周期被排列成限定包括多個圖像行的圖像幀；各個圖像行以圖像行產生頻率出現；以及各個圖像幀以圖像幀產生頻率出現。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述移相信號Ι/νφ以約等於所述圖像幀產 生頻率的頻率移動所述腔模。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述移相信號Ι/νφ以約等於所述圖像行產 生頻率的頻率移動所述腔模。
9.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述多個圖像像素或已編碼數據周期被排列成限定包括多個圖像行的圖像幀，各個圖 像幀以圖像幀產生頻率出現；所述波長恢復部分以約等於或小於所述雷射投影系統所限定的圖像像素產生頻率的 頻率出現；以及所述移相信號ΙΛΦ以約等於所述圖像幀產生頻率的頻率移動所述腔模。
10.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述多個圖像像素或已編碼數據周期被排列成限定包括多個圖像行的圖像幀，各個圖像行以圖像行產生頻率出現；所述波長恢復部分以約等於或小於所述雷射投影系統所限定的圖像像素產生頻率的 頻率出現；以及所述移相信號ΙΛΦ以約等於所述圖像行產生頻率的頻率移動所述腔模。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述移相信號Ι/νφ被施加至所述相區，以 使所述相區在模式移動部分與基相控制部分之間交替。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述移相信號ΙΛΦ被配置為方波。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述模式移動部分的所述幅值大於所述 基相控制部分的幅值。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述移相信號ΙΛΦ被施加至所述相區， 以使所述相區在所述驅動電流Iifis中的多個波長恢復部分之一期間在所述高幅值模式移 動部分與所述低幅值基相控制部分之間轉換。
15.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述高幅值模式移動部分和所述基相控 制部分各自的幅值被選擇成當所述移相信號ΙΛΦ在所述高幅值模式移動部分與所述低 幅值基相控制部分之間轉換時，使模式選擇改變所述半導體雷射器的所述自由光譜範圍的 一半。
16.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述高幅值模式移動部分和所述基相控 制部分各自的幅值被選擇成使所述高幅值模式移動部分和所述基相控制部分使所述半導 體雷射器中的模式選擇在對準發射模式與兩個失準發射模式中的一個之間改變，其中所述 對準發射模式與所述分布式布拉格反射鏡波長大致對準，而所述兩個失準發射模式相對於 所述分布式布拉格反射鏡波長失準所述半導體雷射器的所述自由光譜範圍的約一半。
17.如權利要求1所述的方法，其特徵在於驅動信號ι/νΛ被施加至所述半導體雷射器的所述相區，以控制所述多個雷射器腔模 的所述波長；以及所述附加的驅動信號1八《被所述移相信號ι/νφ利用乘法、除法、加法或它們的組合進 行修改。
18.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述掃描雷射圖像的至少一部分通過利用 波長轉換器件將來自所述半導體雷射器的光信號轉換成較高次諧波而產生。
19.一種控制包括可見光源的雷射投影系統的方法，其中所述可見光源包括半導體激 光器和波長轉換器件，所述方法包括通過配置所述半導體雷射器以用於已編碼圖像數據的光發射並在多個圖像像素或已 編碼數據周期上掃描所述可見光源的輸出光束而產生掃描雷射圖像的至少一部分，所述多 個圖像像素或已編碼數據周期被排列成限定包括多個圖像行的圖像幀，其中所述多個圖像 行中的每行以圖像行持續時間込和圖像幀持續時間、為特徵，所述半導體雷射器包括增益 區、相區以及波長選擇光學元件；以及對所述半導體雷射器的所述相區施加相移信號Ι/νφ，以使多個腔模在各個圖像行持續 時間、開始時或在各個圖像幀持續時間tF開始時在未移動狀態與已移動狀態之間周期性 地移動，其中所述未移動狀態與所述已移動狀態分隔開所述雷射器腔自由光譜範圍的約一 半。3
20.一種控制包括可見光源的雷射投影系統的方法，其中所述可見光源包括半導體激 光器和波長轉換器件，所述方法包括通過配置所述半導體雷射器以用於已編碼圖像數據的光發射並在多個圖像像素或已 編碼數據周期上掃描所述可見光源的輸出光束而產生掃描雷射圖像的至少一部分，所述半 導體雷射器包括增益區、相區以及波長選擇光學元件；以及向所述半導體雷射器的增益區中施加驅動信號I &，所述驅動信號I 包括多個數據 部分和在時間上插入相應數據部分之間的相應波長恢復部分，其中所述數據部分包括相應的驅動幅值Id和驅動持續時間tD，所述波長恢復部分包括與所述數據部分的所述驅動幅值Id不同的恢復幅值Ικ，以及小 於所述數據部分的所述驅動持續時間tD的恢復持續時間tK，以及所述波長恢復部分被發起，以使所述波長恢復部分在由所述雷射投影系統所限定的圖 像行集合中的不同位置處出現。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述波長恢復部分被隨機發起。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述波長恢復部分以不是圖像行產生頻 率的整數倍的頻率出現。
23.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述波長恢復部分被發起，以使所述波長 恢復部分在由所述雷射投影系統所限定的圖像行集合中的不同位置處出現。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述波長恢復部分被隨機發起。
25.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述波長恢復部分以不是圖像行產生頻 率的整數倍的頻率出現。
全文摘要
本發明的具體實施例一般涉及半導體雷射器和雷射掃描系統，更具體地涉及用於控制半導體雷射器的方案。根據本發明的一個實施例，雷射器被配置用於已編碼數據的光發射。該光發射的至少一個參數是注入該半導體雷射器的增益區(16)的驅動電流I增益和一個或多個附加驅動電流I/V相、I/VDBR的函數。通過向相區(14)施加與驅動電流I增益中的波長恢復部分(tB)同步的移相信號I/VΦ，以使多個腔模在每個波長恢復部分下被移動自由光譜範圍的一半，可改變半導體雷射器中的模式選擇。以此方式，雷射器的波長或強度分布中的圖案化變化可被破壞，以掩飾否則在雷射器的輸出中容易識別的圖案化缺陷。
文檔編號H04N9/31GK101904063SQ200880123055
公開日2010年12月1日 申請日期2008年11月18日 優先權日2007年11月20日
發明者J·高裡爾 申請人:康寧股份有限公司