相干光源和使用相干光源的記錄再生裝置的製作方法

2023-05-22 00:24:36 1

專利名稱：相干光源和使用相干光源的記錄再生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有半導體雷射器和波長變換元件的、在光信息處理領域及光測量領域等中使用的相干光源和使用該相干光源的記錄再生裝置。


圖12表示以往所提案的全息光信息記錄再生系統的概略結構。這就是例如由Psaltis等人提出的移位多重記錄方式的光碟光學系統。
如圖12所示，從雷射光源46發射出的雷射光束由光束擴展器47將光束直徑擴大後，由半反射鏡48進行分割。分割後的一方的光束通過空間光調製器(以下，稱為SLM)49後，由付利葉變換透鏡50聚焦到全息圖盤51上，成為信號光。分割後的另一方的光束由光闌52變換為適當的光束直徑後，作為參照光照射到與全息圖盤51上的信號光相同的位置。全息圖盤51具有在2塊玻璃基板間封入了感光聚合物等全息圖媒體的結構，記錄信號光與參照光的幹涉條紋。
SLM49由配置成2維的光開關串構成，各個光開關與記錄的輸入信號對應地獨立地進行開/關動作。例如，使用1024單元×1024單元的SLM時，可以同時顯示1M比特的信息。在信號光通過SLM49時在SLM49上顯示的1M比特的信息變換為2維的光束串，作為幹涉條紋記錄到全息圖盤51上。在再生記錄的信號時，僅將參照光照射到全息圖盤51上，由CCD元件53接收全息圖的衍射光。
在使用全息圖的光記錄系統中，全息圖媒體的厚度約1mm，作為厚的光柵即所謂的布拉格(ブラッグ)光柵記錄幹涉條紋，所以，可以進行角度多重記錄。在圖12的系統中，通過將球面波參照光的照射位置移位取代改變參照光的入射角，實現角度的多重。即，通過將全息圖盤51略微轉動而在將記錄位置移位時全息圖媒體的各部分感光的參照光入射角略微變化，進行多重記錄。
全息圖媒體的厚度為1mm時，由再生信號強度規定的角度選擇性之半值全寬為0.014度，在參照光NA為0.5時，可以按約20μm間隔進行全息圖的多重。這時實現的記錄密度為200G比特/平方英寸，換算為12cm盤的容量，就是300GB。
布拉格光柵具有角度選擇性和波長選擇性，所以，在記錄、再生時，需要進行光源波長的控制。全息圖媒體的厚度為1mm時，光柵的波長選擇性為0.24nm。
為了實現上述高密度光信息記錄再生系統，小型而穩定的雷射光源和可以進行多重記錄的記錄媒體就成了重要的技術。作為雷射光源，振蕩波長的絕對值是穩定的，所以，通常可以使用YAG雷射器等固體雷射器或Ar雷射器等氣體雷射器。
另一方面，作為小型的短波長光源，使用半導體雷射器和模擬相位整合(以下，稱為QPM)方式的光波導型2次諧波發生(以下，稱為SHG)器件(光波導型QPM-SHG器件)的相干光源受到了人們的注目(參見山本他Optics Letters(光學通訊)Vol.16，No.15，1156(1991))。
圖13表示使用光波導型QPM-SHG器件的SHG藍色光源的概略結構。如圖13所示，作為半導體雷射器，使用了具有分布布拉格反射器(以下，稱為DBR)區域的波長可變DBR半導體雷射器54。波長可變DBR半導體雷射器54是0.85μm波段的100mW級AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器，由活性層區域56、相位調整區域57和DBR區域58構成。並且，通過同時改變向相位調整區域57和DBR區域58注入的注入電流，可以連續地改變振蕩波長。
作為波長變換元件的光波導型QPM-SHG器件55在X板Mg攙雜LNbO3基板59上形成，由光波導60和周期性的極化反相區域61構成。光波導60通過在焦磷酸中進行質子交換而形成。另外，周期性的極化反相區域61通過在X板MgO攙雜LiNbO3基板59上形成梳子形的電極並加上電場來製作。
在圖13所示的SHG藍色光源中，對於100mW的雷射輸出，60mW的雷射與光波導60耦合。並且，通過控制向波長可變DBR半導體雷射器54的相位調整區域57和DBR區域58注入的注入電流量，使振蕩波長固定在光波導型QPM-SHG器件55(波長變換元件)的相位整合波長允許範圍內。通過使用該SHG藍色光源，可以得到約10mW的波長425nm的藍色光，但是，得到的藍色光之橫模為TE00模，具有衍射極限的聚焦特性，噪音特性也小於相對噪音強度是-140dB/Hz以下。
如上所述，在使用全息圖的光記錄系統中，記錄的衍射圖形隨光的入射方向和波長而變化。因此，記錄時光的波長與再生時光的波長不同時，將引起串音信號增加或信號光強度降低。
圖12所示的全息圖盤51上的信息作為記錄的幹涉條紋的布拉格衍射光而再生。為了以足夠的光量再生全息圖盤51上的信息，需要滿足布拉格條件。即，對全息圖媒體的參照光光束的入射角度和參照光光束的波長必須分別調整為最佳值。
例如，假定全息圖媒體的厚度為1mm、光源的波長為515nm、幹涉條紋的周期為0.5μm的系統，對用衍射效率減半的波長的值定義的參照光光束的波長的布拉格條件的允許範圍為515nm±0.24nm。
另外，還需要考慮全息圖媒體的熱膨脹。即，由於全息圖媒體的熱膨脹，記錄的幹涉條紋的周期將發生變化，從而滿足布拉格條件的最佳再生波長也發生變化。
說明作為全息圖媒體使用了杜邦公司製造的感光聚合物、即オムニデクス352原版的例子。其線熱膨脹率為7.1×10-5(參見特開平5-16538號公報)，對溫度變化範圍25℃的最佳波長的變化量為0.18％，換算為Ar雷射器的振蕩波長，就是515+0.9nm。該值是布拉格條件的允許範圍515±0.24nm的3倍以上的大的值。對於全息圖媒體的溫度變化範圍，為了穩定地進行全息圖再生，必須與再生中的全息圖媒體的溫度變化對應地對再生光源的波長進行最佳控制。
為了達到上述目的，本發明的相干光源的第1結構是包括具有第1波長的基波光和用於使上述基波光的波長減半的波長變換元件並由上述波長變換元件將上述基波光變換為具有第2波長的諧波光的相干光源，其特徵在於通過檢測上述基波光的波長並將上述基波光的波長控制為所希望的波長，進行上述諧波光的波長控制。
另外，在上述本發明的相干光源的第1結構中，上述基波光最好是從具有波長可變功能的半導體雷射器發射出的光。另外，這時，具有波長可變功能的半導體雷射器最好至少由活性區域、相位調整區域和DBR(分布布拉格反射)區域構成。這時，最好上述所希望的波長處於上述波長變換元件的相位整合波長允許範圍內，改變向上述相位調整區域或上述DBR區域注入的注入電流來補償與上述基波光的工作電流變化對應的上述基波光的波長變化。
另外，本發明的相干光源的第2結構是包括具有第1波長的基波光和用於使上述基波光的波長減半的波長變換元件並且由上述波長變換元件將上述基波光變換為具有第2波長的諧波光的相干光源，其特徵在於具有檢測上述基波光的波長並將上述基波光的波長控制為所希望的波長的第1機構和將上述波長變換元件的相位整合波長控制為上述基波光的波長的第2機構，使用上述第1和第2機構進行上述諧波光的波長控制和輸出控制。
另外，在上述本發明的相干光源的第1或第2結構中，最好檢測透過上述波長變換元件後的上述基波光的波長，將上述基波光的波長控制為所希望的波長。
另外，在上述本發明的相干光源的第1或第2結構中，最好在由上述波長變換元件進行波長變換後的光通過的光路上，設置將上述基波光與上述諧波光分離並只檢測上述基波光的裝置。
另外，在上述本發明的相干光源的第1或第2結構中，最好進而具有衍射光柵和受光元件，由上述受光元件檢測由上述衍射光柵衍射後的上述基波光。另外，這時，最好上述波長變換元件具有光波導，在上述光波導上形成上述衍射光柵。按照該理想的例子，不需要反射型衍射光柵和波長分離功能等部件，所以，可以實現小型而廉價的波長穩定化機構。這時，最好上述受光元件設置在形成上述光波導的基板的側面。另外，這時，最好由上述受光元件檢測由上述衍射光柵衍射後的上述基波光的位置。另外，這時，上述衍射光柵最好由光柵間隔隨場所而變化的線性調製光柵構成。
另外，在上述本發明的相干光源的第1或第2結構中，最好進而具有Cs(銫)氣體單元和受光元件，由上述受光單元檢測透過上述Cs氣體單元後的上述基波光。
另外，在上述本發明的相干光源的第2結構中，最好通過利用電光效應或溫度變化改變上述波長變換元件的折射率，來改變上述波長變換元件的相位整合波長。
另外，本發明的記錄再生裝置的第1結構是安裝了上述本發明的相干光源的記錄再生裝置，其特徵在於在再生記錄在媒體上的全息圖信息時，將上述相干光源調整為最佳波長，以便滿足布拉格條件。
另外，本發明的記錄再生裝置的第2結構的特徵在於具有上述本發明的相干光源和將從上述相干光源發射出的光聚焦到信息載體上的光學系統。
圖2是表示本發明實施例1的相干光源的受光部的結構的模式圖。
圖3是由本發明實施例1的相干光源的受光部檢測的信號波形圖。
圖4是表示本發明實施例2的相干光源的結構的模式圖。
圖5是表示本發明實施例2的相干光源的另一結構的模式圖。
圖6是表示本發明實施例2的相干光源的又一結構的模式圖。
圖7是表示本發明實施例3的相干光源的結構的模式圖。
圖8是表示本發明實施例4的相干光源的結構的模式圖。
圖9是表示本發明實施例4的相干光源的另一結構的模式圖。
圖10是表示本發明實施例4的波長檢測系統的結構的模式圖。
圖11是表示注入本發明實施例4的活性層區域的電流與波長可變DBR半導體雷射器的振蕩波長的關係的圖。
圖12是現有技術的全息光信息記錄再生系統的概略結構圖。
圖13是使用現有技術的光波導型QPM-SHG器件的SHG藍色光源的概略結構圖。
本實施例的相干光源由具有第1波長的基波和用於將上述基波的波長減半的波長變換元件即2次諧波發生(以下，稱為SHG)器件構成。特別是在以下的各實施例中，說明作為基波使用800nm波段的近紅外半導體雷射器、作為諧波而得到藍色光～紫色光的結構。
圖1是表示本發明實施例1的相干光源的結構的模式圖。
如圖1所示，作為基波而使用的半導體雷射器1是具有活性層區域1a、分布布拉格反射(以下，稱為DBR)區域1b和相位調整區域1c的輸出100mW、波長820nm的AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器。並且，通過按一定的比率向DBR區域1b和相位調整區域1c注入電流，可以改變波長。
作為波長變換元件，使用模擬相位整合(以下，稱為QPM)方式的光波導型SHG器件(光波導型QPM-SHG器件)2。光波導型QPM-SHG器件2可以利用大的非線性光學常數，另外，由於是光波導，可以採用長的相互作用長度，所以，可以實現高的變換效率。光波導型QPM-SHG器件2由在X板MgO攙雜LiNbO3基板3上形成的光波導4和與其正交的周期性的極化反相區域5構成。光波導4通過在焦磷酸中進行質子交換而形成。另外，周期性的極化反相區域5通過在X板MgO攙雜LiNbO3基板3上形成梳子形的電極並加上電場來製作。
半導體雷射器1和光波導型QPM-SHG器件2在Si小固定架6上一體化地由帕耳帖元件進行溫度控制。作為基波光的半導體雷射器的光不使用透鏡而是通過直接耦合、與光波導型QPM-SHG器件2的光波導4耦合。對於100mW的雷射輸出，60mW的雷射與光波導4耦合，通過控制向半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)1的DBR區域1b和相位調整區域1c注入的注入電流量，振蕩波長固定於光波導型QPM-SHG器件(波長變換元件)2的相位整合波長820nm。通過使用該相干光源，可以得到約10mW的波長410nm的藍色光。另外，對相位整合的波長允許範圍是，藍色光輸出的半值全寬為0.1nm。
如圖1所示，從光波導4發射出的基波光和諧波光由波長分離功能7進行分離。分離後的基波光導入反射型衍射光柵8，其1次衍射光通過聚焦透鏡10聚焦到受光元件9上。作為反射型衍射光柵8，使用具有1000/mm(＝1/d)的間距d的光柵，作為聚焦透鏡10，使用焦距f＝50mm的透鏡。對波長λ的光的衍射角θ由下述(數式1)規定，聚焦平面上的光點位置的變化量δx由下述(數式2)表示。[數式1]λ＝d·sinθ[數式2]δx＝f·θ對于波長變化820nm±0.04nm的光點位置的變化量為δx＝±50×0.00007＝±3.5μm。
在本實施例中，作為受光元件9，使用Si-PIN光電二極體。另外，如圖2所示，受光元件9分割為2個受光部分11，各個受光部分11的大小為50μm×50μm，受光部分11的間隔為10μm。受光元件9上的光點直徑為20μm。如圖2所示，受光元件9調整為基波光的波長為820nm時聚焦到分割後的2個受光部分11的正中間。
通過獲得來自2個受光部分11的輸出之差，對基波光的波長變動可以得到圖3所示的信號。為了使通過差動而得到的信號為零，通過控制作為基波的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)1的振蕩波長，即通過按一定的比率控制注入DBR區域1b和相位調整區域1c的電流，可以使基波光的波長穩定為820nm±0.02nm。這時，在波長變換元件(光波導型QPM-SHG器件2)的相位整合波長允許範圍內，可以將振蕩波長固定於所希望的波長，諧波光的波長也穩定在410nm±0.01nm的範圍內。
在使用全息圖的存儲器中，布拉格光柵具有角度選擇性和波長選擇性，所以，在記錄和再生時需要進行光源波長的控制。全息圖媒體的厚度為1mm時的光柵的波長選擇性為0.24nm。由本實施例得到的諧波光的波長穩定性為410±0.01nm，充分滿足該波長選擇性。因此，可以得到良好的再生特性。
在本實施例中，模塊溫度即半導體雷射器1和光波導型QPM-SHG器件2的溫度利用帕耳帖元件而獲得穩定，所以，相位整合波長几乎沒有變化，可以穩定得到藍色光輸出。
在本實施例中，由波長變換元件進行了波長變換的諧波光(2次諧波光)作為向全息圖媒體的記錄再生光利用。在利用2次諧波發生(SHG)的波長變換中，變換效率約為20％，所以，基波光的波長几乎不發生變換，從光波導4射出。在本實施例中，利用基波光進行波長檢測，是因為有以下(1)～(5)的優點。即，(1)可以總是對基波光進行監視。
(2)受光元件9對基波光的靈敏度比對諧波光的靈敏度高。
(3)可以利用波長變換後的不需要的光。
(4)基波光的輸出比諧波光大。
(5)基波光的波長長，所以，衍射角大。
在SHG藍色光源時，基波光的波長偏離光波導型QPM-SHG器件(SHG元件)2的相位整合波長時，諧波光的輸出減少。因此，如果檢測諧波光進行波長控制，則在基波光的波長偏離光波導型QPM-SHG器件(SHG元件)2的相位整合波長時，由於不能檢測光，所以，就不能進行波長檢測。另一方面，基波光總是從光波導4發射出，所以，通過利用基波光，可以總是實現穩定的波長控制。另外，在Si-PIN光電二極體等受光元件9中，波長短時，量子效率降低，所以，受光靈敏度變低。此外，通過波長變換而得到的諧波光比基波光小，另外，作為向全息圖媒體的記錄再生光利用，所以，希望用于波長檢測的光的強度儘可能小。這樣，在利用基波光進行波長控制時，就可以獲得可以利用受光元件9檢測的信號強度，所以，可以進行穩定的波長控制。另外，根據上述(數式1)，基波光的波長比諧波光的波長長，所以，對於相同的衍射光柵的間距，可以得到大的衍射角。
通過利用基本波光進行波長檢測，不僅可以進行穩定的波長控制，而且可以提高諧波光的利用效率，即幾乎可以將進行了波長變換的所有的諧波光用於向全息圖媒體的記錄再生，所以，其實用效果很大。
在本實施例中，使用了二分割的受光元件9，但是，這是用於檢測衍射光(基波光)的位置的單元，即使受光元件是陣列型的位置檢測單元，也可以獲得同樣的效果。
在上述實施例1中，從光波導4發射出的基波光和諧波光利用波長分離功能7進行分離，僅將基波光導入反射型衍射光柵8，通過將其1級衍射光聚焦到受光元件9上，進行諧波光的波長控制。在本實施例中，說明在波長變換元件中的光波導上形成衍射光柵並使用其衍射光進行諧波光的波長控制的結構。
圖4是表示本發明實施例2的相干光源的結構的模式圖。
如圖4所示，和上述實施例1一樣，作為基波的半導體雷射器12，使用具有活性層區域12a、DBR區域12b和相位調整區域12c的輸出100mW、波長820nm的AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器。並且，通過按一定的比率將電流注入DBR區域12b和相位調整區域12c，可以改變基波光的波長。在本實施例的結構中，希望設計為僅把基波光作為衍射光而取出，使諧波光的衍射效率儘可能減小。
作為波長變換元件，使用光波導型QPM-SHG器件13。光波導型QPM-SHG器件13由在X板MgO攙雜LiNbO3基板14上形成的光波導15和與其正交的周期性的極化反相區域16構成。圖4中，18是用於使從半導體雷射器12發射出的基波光與光波導15耦合的耦合透鏡。
基波光的波長為820nm，進行波長變換後的諧波光的波長為410nm。在X板MgO摻雜LiNbO3基板14上形成的光波導15的有效折射率n約為2.2。
在光波導型QPM-SHG器件13的光波導15上，形成衍射光柵17。對波長λ的光的衍射角θ在空氣側和基板側分別由下述(數式3)和(數式4)規定。[數式3]空氣側d·(n-sinθ)＝λ[數式4]基板側nd·(1-sinθ)＝λ因此，設計為在空氣側的45度方向衍射時，衍射光柵17的間距(周期)d為549nm。這時，基波光(1次)衍射到基板側的19度方向，諧波光(1次)衍射到基板側的41度方向。
如圖4所示，由衍射光柵17在空氣側的45度方向衍射的基波光成為圓弧狀的射出光束，聚焦到受光元件19上。衍射光柵17與受光元件19的距離設定為20mm，與受光元件19上的波長變化820nm±0.04nm對應的光點位置的變化量為δx＝±20×0.0001＝±2μm。
在本實施例中，作為受光元件19，也是使用Si-PIN光電二極體。另外，受光元件19分割為2個受光部分19a，並且調整為基波光的波長為820nm時聚焦到分割後的2個受光部分19a的正中間。
通過取得來自2個受光部分19a的輸出之差，對基波光的波長變動可以得到S字信號。為了使通過差動而得到的信號成為零，通過控制作為基波的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)12的振蕩波長，即通過按一定的比率控制DBR12b和相位調整區域12c的電流，可以使基波光的波長穩定為820nm±0.02nm。這時，可以將振蕩波長在波長變換元件(光波導型QPM-SHG器件13)的相位整合波長允許範圍內固定為所希望的波長，諧波光的波長也可以穩定在410nm±0.01nm的範圍內。
下面，說明有關本實施例的波長變換元件的光波導型QPM-SHG器件13的製造方法。首先，在形成光波導15和周期性的極化反相區域16的X板MgO攙雜LiNbO3基板14上，塗布抗蝕劑。通過以膜片狀來形成衍射光柵17，可以聚焦衍射光。形成衍射光柵時的掩模，設計為光波導15的入射端側的周期大於549nm、射出端側的周期小於549nm。這樣，就可以將圓弧狀的射出光束聚焦到相距20mm的位置的受光元件19上。其次，在形成的抗蝕劑光柵上，形成由SiO2構成的濺射膜，通過溼法腐蝕除去抗蝕劑，利用分離法在光波導15上製作成由SiO2構成的衍射光柵。
光柵長採用2mm。受光元件19上的圓弧狀的射出光束的寬度約為10μm。光柵的深度設計得淺，基波光的衍射效率為5％。這時，諧波光的衍射效率為5％以下。
在本實施例中，模塊溫度即半導體雷射器12和光波導型QPM-SHG器件13的溫度利用帕耳帖元件實現穩定。因此，相位整合波長几乎沒有變化，從而可以穩定地得到藍色光輸出。
另外，在圖5所示的結構中，僅基波光通過方向耦合器20與相鄰的光波導21耦合。另外，在相鄰的光波導21上形成衍射光柵22。在圖4所示的結構中，諧波光通過在光波導15上形成的衍射光柵17的衍射效率為5％以下。但是，在這樣的結構中，通過波長變換而得到的諧波光的利用效率已降低了。在本結構中，方向耦合器20降低了諧波光的損耗，未進行波長變換而傳播來的基波光由方向耦合器20取出，用于波長的穩定，所以，可以大幅度地提高諧波光的利用效率。
如圖5所示，在光波導型QPM-SHG器件23的射出部形成方向耦合器20，在其光波導21上形成和圖4一樣的衍射光柵22。方向耦合器20設計成波導的間隔為3μ、耦合長度為0.5mm。在具有通過質子交換而製造的光波導的波長變換元件中，基波光的模大於諧波光的模，因此，模的滲透也大。波導間隔為3μm時，幾乎沒有諧波的耦合係數，僅基波光與相鄰的光波導21耦合。這時，基波光的耦合係數約10％，諧波光的損耗為0.5％。
與相鄰的光波導21耦合的基波光由衍射光柵22衍射到受光元件的方向，和圖4的情況一樣，檢測基波光的波長。因此，通過控制作為基波的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)24的振蕩波長，可以將振蕩波長在波長變換元件(光波導型QPM-SHG器件23)的相位整合波長允許範圍內固定為所希望的波長，從而可以得到波長穩定的藍色光。
在使用全息圖的存儲器中，布拉格光柵同時具有角度選擇性和波長選擇性，所以，需要進行記錄、再生時的光源波長的控制。全息圖媒體的厚度為1mm時的光柵的波長選擇性為0.24nm。由本實施例得到的諧波光的波長穩定性為410±0.01nm，充分滿足其波長選擇性。因此，可以得到良好的再生特性。
另外，在圖6所示的結構中，通過由設置在作為波長變換元件的光波導型QPM-SHG器件74的側面的受光元件75檢測由衍射光柵72衍射後的基波光，進行諧波光的波長控制。圖6中，73表示周期性的極化反相區域。
基波光的波長為820nm、進行了波長變換的諧波光的波長為410nm。在X板MgO攙雜LiNbO3基板上形成的光波導71的有效折射率n約為2.2。按照上述(數式4)，衍射光柵72的間距(周期)d為373nm時，衍射角θ為0度，即基波光的衍射角相對於前進方向為90度，聚焦到設置在衍射光柵72的橫向的受光元件75上。衍射光柵72和在光波導型QPM-SHG器件13上形成的一樣，是膜片狀的衍射光柵。衍射光柵72利用和在光波導型QPM-SHG器件13上形成的相同的方法來形成。
光柵長採用2mm。受光元件75上的縫隙狀的射出光束的寬度約為10μm。光柵的深度設計得淺，基波光的衍射效率為5％。這時，諧波光的衍射效率也為5％以下。衍射光柵72與受光元件75的距離設定為10mm。
在本結構中，作為受光元件75，也使用二分割的Si-PIN光電二極體，並且調整為基波光的波長為820nm時聚焦到2分割後的受光部分的正中間。
通過取得來自2個受光部分的輸出之差，對於基波光的波長變動可以得到S字信號。為了使通過差動而得到的信號成為零，通過控制作為基波的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)70的振蕩波長，可以使基波的振蕩波長穩定。因此，可以將振蕩波長在波長變換元件(光波導型QPM-SHG器件74)的相位整合波長允許範圍內固定為所希望的波長，諧波光的波長也可以穩定。
按照本實施例，通過在波長變換元件的光波導上形成衍射光柵，就不需要反射型衍射光柵及波長分離功能等部件了，所以，可以實現小型而廉價的波長穩定機構。
在本實施例中，利用不進行波長變換而從光波導射出的基波光進行波長檢測，所以，可以大幅度地提高諧波光的利用效率，其實用的效果很大。
在上述實施例1中，從光波導4射出的基波光和諧波光利用波長分離功能7進行分離，僅將基波光導入反射型衍射光柵8，通過使其1次衍射光聚焦到受光元件9上，進行諧波光的波長控制。在本實施例中，說明利用Cs吸收線將基波光的波長控制為852nm而進行諧波光的波長控制的結構。
圖7是表示本發明實施例3的相干光源的結構的模式圖。
如圖7所示，和上述實施例1一樣，作為基波的半導體雷射器25，使用具有活性層區域25a、DBR區域25b和相位調整區域25c的輸出100mW、波長850nm波段的AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器。並且，通過按一定的比率將電流注入DBR區域25b和相位調整區域25c，可以改變基波光的波長。
在本實施例中，設計光波導型QPM-SHG器件26的周期性的極化反向區域27的周期，以使相位整合波長成為852nm。從光波導型QPM-SHG器件26的光波導28射出的基波光和諧波光利用波長分離功能29進行分離。分離後的基波光導入封裝了Cs氣體的Cs氣體單元30，由受光元件31檢測其透過光。Cs吸收線的中心波長為852nm。通過控制基波光的波長以使由受光元件31檢測的Cs氣體單元30的透過光強度成為最小，可以將基波光的波長控制為相位整合波長852nm，同時可以將諧波光的波長穩定地控制為426nm。
在本實施例中，模塊溫度即半導體雷射器25和光波導型QPM-SHG器件26的溫度利用帕耳帖元件實現穩定。因此，相位整合波長几乎也沒有變化，從而也可以穩定地得到藍色光輸出。
在光柵或光波導上的衍射光柵上，由於溫度變化及隨著時間的變化等，絕對波長發生微妙的變化，但是，通過如本實施例那樣使用Cs氣體單元30等物質的吸收線，可以使波長絕對化，從而可以更高精度地進行波長控制。
在本實施例中，利用不進行波長變換而從光波導射出的基波光進行波長檢測，所以，可以大幅度地提高諧波光的利用效率，其實用的效果很大。
在上述實施例1～實施例3中，通過將基波光的波長控制在波長變換元件的相位整合波長允許範圍內(約0.1nm)，使諧波光的波長實現穩定。但是，對於全息圖媒體的溫度變化範圍25℃，根據線膨脹係數計算，最佳波長的變化量為0.18％(杜邦公司制的感光聚合物、即オムニデクス352原版)，換算為Ar雷射器的振蕩波長，就是515nm+0.9nm。
在本實施例中，說明對溫度變化範圍穩定地進行全息圖再生用的與再生中的全息圖媒體的溫度變化對應地將波長控制為最佳的相干光源。
圖8是表示本發明實施例4的相干光源的結構的模式圖。
如圖8所示，和上述實施例1一樣，作為基波的半導體雷射器32，使用具有活性層區域32a、DBR區域32b和相位調整區域32c的輸出100mW、波長820nm的AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器。並且，通過按一定的比率將電流注入DBR區域32b和相位調整區域32c，可以改變基波光的波長。
和上述實施例1一樣，作為波長變換元件，使用光波導型QPM-SHG器件33。在本實施例中，和上述實施例1不同，在光波導34上形成加熱器35。作為基板的X板MgO攙雜LiNbO3基板的折射率具有溫度依賴性。因此，改變波長變換元件的溫度時，極化反向區域36的有效周期發生變化。另外，光波導34的有效折射率也發生變化。這樣，相位整合波長就具有溫度依賴性。
本實施例的光波導型QPM-SHG器件33具有0.06nm/℃的溫度依賴性，通過增大向加熱器35的注入電流，光波導34部分的溫度上升，相位整合波長向長波長側移動。具體而言，通過向加熱器35的電流注入，光波導34部分的溫度上升30℃，相位整合波長移動約1.8nm。
對於100mW的雷射輸出，60mW的雷射與光波導34耦合，通過控制向半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)32的DBR區域32b和相位調整區域32c的注入電流量，振蕩波長固定為光波導型QPM-SHG器件(波長變換元件)33的相位整合波長820nm。通過利用該相干光源，可以得到約10mW的波長410nm的藍色光。另外，對相位整合的波長允許範圍，在藍色輸出的半值全寬中是0.1nm。
在具有DBW區域32b和相位調整區域32c的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)32中，在約2nm的範圍內可以連續地改變波長。因此，通過控制向光波導型QPM-SHG器件(波長變換元件)33上的加熱器35的注入電流量和向半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)32的DBR區域32b和相位調整區域32c的注入電流量，可以使基波光的波長在820nm到821.8nm的範圍內改變，可以在410nm到410.9nm的範圍內使諧波光的輸出保持一定而改變波長。
將Ar雷射器(515nm)作為光源使用時，本實施例的相干光源對於全息圖媒體的溫度變化範圍25℃可以在所需要的光源的波長可變範圍0.9nm中改變波長，所以，對於全息圖媒體的溫度變化，總是可以得到穩定的再生特性。
圖9是表示本發明實施例4的相干光源的另一結構的模式圖。
如圖9所示，作為基波的半導體雷射器37，和圖8的結構一樣，使用具有活性層區域37a、DBR區域37b和相位調整區域37c的輸出100mW、波長820nm的AlGaAs系波長可變DBR半導體雷射器。並且，通過按一定的比率將電流注入DBR區域37b和相位調整區域37c，可以改變基波光的波長。
作為波長變換元件，和圖8的結構一樣，使用光波導型QPM-SHG器件38。在本結構中，和圖8的結構不同，在光波導39的兩側形成平行電極40。作為基板的X板MgO攙雜LiNbO3基板具有電光效應，加上電場時，折射率發生變化。因此，將電壓加到在光波導39的兩側形成的平行電極40上時，光波導39的折射率發生變化。這樣，便可改變相位整合波長。本結構的光波導型QPM-SHG器件38對於施加電壓5V，可以實現2nm的波長改變。
對於100mW的雷射輸出，60mW的雷射與光波導39耦合，通過控制向半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)37的DBR區域37b和相位調整區域37c的注入電流量，振蕩波長固定為光波導型QPM-SHG器件(波長變換元件)38的相位整合波長820nm。通過使用該相干光源，可以得到約10mW的波長410nm的藍色光。
在具有DBR區域37b和相位調整區域37c的半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)37中，在約2nm的範圍內可以連續地改變波長。因此，通過控制向光波導型QPM-SHG器件(波長變換元件)38上的平行電極40的注入電流量和向半導體雷射器(波長可變DBR半導體雷射器)37的DBR區域37b和相位調整區域37c的注入電流量，可以使基波光的波長在820nm到822nm的範圍內改變，可以在410nm到411nm的範圍內保持諧波光的輸出一定而改變波長。
將Ar雷射器(振蕩波長515nm)作為光源使用時，本實施例的相干光源對於全息圖媒體的溫度變化範圍25℃，可以在所需要的光源的波長可變範圍0.9nm中改變波長，所以，對於全息圖媒體的溫度變化，也總是可以得到穩定的再生特性。
在圖8和圖9的結構中，為了滿足全息圖媒體的布拉格條件，必須將對全息圖媒體的參照光光束的波長調整為最佳值。因此，使用上述實施例1～實施例3所示的基波光的波長檢測單元是有效的。另外，如果使用圖8和圖9所示的相干光源，則通過跟蹤光源的波長，對於全息圖媒體的溫度變化可以得到穩定的再生特性。在上述實施例1和實施例2中，使用了二分割的受光元件，但是，在本實施例中，為了檢測波長的絕對值，使用陣列型的受光元件。
圖10表示使用陣列型的受光元件和反射型衍射光柵的波長檢測系統的結構。如圖10所示，從光波導射出的基波光和諧波光利用波長分離功能41進行分離。分離後的基波光導入反射型衍射光柵42，其1次衍射光通過聚焦透鏡43聚焦到受光元件44上。作為反射型衍射光柵42，使用具有1000條/mm(＝1/d)的間距d的光柵，作為聚焦透鏡43，使用焦距f＝20mm的透鏡。與波長變化820nm+0.4nm對應的光點位置的變化量為δx＝20×0.0007＝14μm。
作為受光元件44，使用了Si-PIN光電二極體。此外，把受光元件44陣列狀地分割為5個受光部分45，各個受光部分45的大小為9μm×9μm，受光部分45的間隙為5μm。基波光的波長為820nm(諧波光的波長410nm)時，調整為在受光部分45的1～5中受光部分45的光檢測強度成為最大。這樣，在受光部分45的2中的光檢測強度成為最大時，可以將基波光的波長控制為820.4nm(諧波光的波長410.2nm)。另外，在受光部分45的5中的光檢測強度成為最大時，可以將基波光的波長控制為822nm(諧波光的波長411nm)。即，可以使諧波光的波長在410nm到411nm的範圍內每隔0.2nm不連續地變化。
將Ar雷射器(振蕩波長515nm)作為光源使用時，對於全息圖媒體的溫度變化範圍25℃，所需要的光源的波長可變範圍為0.9nm。本實施例的相干光源是不連續的，但可以在1nm的波長範圍內檢測波長並使之變化，所以，對於全息圖媒體的溫度變化，也可以選擇對再生最佳的波長，從而可以得到穩定的再生特性。
下面，參照表示使用先有的光波導型QPM-SHG器件的SHG藍色光源的圖13進一步說明穩定的控制方式。
在SHG藍色光源中，如圖13所示，通過對與光波導型QPM-SHG器件55的光波導60耦合的基波光進行波長變換，可以得到諧波光。得到的諧波光的輸出與基波光的輸出的平方成正比，所以，為了使諧波光的輸出保持一定，必須使與光波導60耦合的基波光的輸出保持一定。但是，在SHG藍色光源中，由於模塊即波長可變DBR半導體雷射器54和光波導型QPM-SHG器件55的畸變等，光耦合狀態發生變化，所以，與光波導60耦合的基波光的輸出也發生變化。因此，為了得到穩定的諧波光的輸出，必須控制作為基波的波長可變DBR半導體雷射器54的輸出。下面，說明其控制方法。
圖11表示注入活性層區域56(參見圖13)的電流與波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長的關係。電流注入活性層區域56時，該電流中未變換為光的部分變換為熱，使波長可變DBR半導體雷射器(半導體雷射晶片)54的溫度上升。因此，活性層區域56、相位調整區域57(參見圖13)和DBR區域58(參見圖13)的溫度也分別上升。並且，由於它們的溫度上升，將發生以下的(a)、(b)這2種現象。即(a)由於活性層區域56的溫度上升，活性層區域56的折射率發生變化，從而有效的共振器長度發生變化。結果，光的相位狀態發生變化，從而波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長發生變化。
(b)由於從活性層區域56向DBR區域58的熱的傳導，DBR區域58的衍射光柵的折射率增大，結果，向活性層區域56反饋的光的波長向長波長側移動。
如圖11所示，隨著注入活性層區域56的電流增大，波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長向長波長側移動。由圖11可知，對波長可變DBR半導體雷射器54進行強度調製時，其振蕩波長移動約0.1～0.2nm。
如果上述結果可以補償改變波長可變DBR半導體雷射器54的輸出時發生的溫度變化(相位變化)，則在波長可變DBR半導體雷射器54的輸出變化時，可以使振蕩波長保持為一定。
這裡，使用在相位調整區域57發生的熱量補償改變波長可變DBR半導體雷射器54的輸出時在活性層區域56發生的熱量。
設向活性層區域56的注入電流(mA)為I1、活性層區域56的工作電壓為V1、雷射輸出為P時，在活性層區域56發生的熱量可以由下述(數式5)表示。[數式5]I1×V1-P通過使用在相位調整區域57發生的熱量補償該熱量，可以使波長可變DBR半導體雷射器(半導體雷射晶片)54的溫度保持一定。
在活性層區域56發生的熱量可以如以下那樣用在相位調整區域57發生的熱量進行補償。即，在光耦合狀態發生變化，與光波導60耦合的基波光的輸出降低，相應地向活性層區域56的注入電流增加時，就減少向相位調整區域57的注入電流。相反，在減少向活性層區域56的注入電流時，就增加向相位調整區域57的注入電流。具體而言，設向相位調整區域57的注入電流(mA)為I2、相位調整區域57的工作電壓為V2時，可以控制為滿足下述(數式6)的關係。[數式6]I1×V1+I2×V2-P＝一定通過控制為滿足上述(數式6)的關係，可以使波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長保持一定。
這樣，在控制波長可變DBR半導體雷射器54的輸出，使與光波導60耦合的基波光的輸出保持一定而使得到的諧波光的輸出穩定時，在圖1的結構中，通過進行上述控制也使由受光元件9檢測的信號(參見圖3)的差分成為零，可以使波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長保持一定。這時，可以簡單地進行波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長的控制，所以，可以高速地進行諧波光的波長控制和輸出控制。
在本實施例中，通過改變向相位調整區域57的注入電流，補償波長可變DBR半導體雷射器54的振蕩波長的變化，但是，通過改變向DBR區域58的注入電流，也可以獲得同樣的效果。
另外，在本實施例中，說明了使用將波長控制最佳的相干光源的全息圖規則。即，在本實施例中，通過控制基波光的波長，控制導入全息圖媒體的諧波光的波長，即使全息圖媒體的溫度發生變化，也可以選擇對再生最佳的波長，從而可以實現穩定的再生特性。在SHG藍色光源中，使用基波光進行波長控制的方式也可以利用於全息圖記錄以外的情況。在將SHG藍色光源應用於光碟的記錄再生時，使用塑料透鏡等時，透鏡的色差就成為問題。另外，記錄媒體(相變化盤或磁光磁碟)的記錄靈敏度也隨波長而異。這時，像本實施例那樣通過控制光源的波長，便可實現更穩定的記錄再生。
如上所述，按照本發明，可以任意改變諧波光的波長。結果，在使用需要全息圖存儲器等的絕對波長的光源時，不僅波長穩定，而且，還可以改變波長，所以，其實用的效果很大。
權利要求
1.一種包括具有第1波長的基波光和用於使上述基波光的波長減半的波長變換元件並且由上述波長變換元件將上述基波光變換為具有第2波長的諧波光的相干光源，其特徵在於通過檢測上述基波光的波長並將上述基波光的波長控制為所希望的波長，進行上述諧波光的波長控制。
2.按權利要求1所述的相干光源，其特徵在於上述基波光是從具有波長可變功能的半導體雷射器發射出的光。
3.按權利要求2所述的相干光源，其特徵在於具有波長可變功能的半導體雷射器至少由活性區域、相位調整區域和DBR(分布布拉格反射)區域構成。
4.按權利要求3所述的相干光源，其特徵在於上述所希望的波長處於上述波長變換元件的相位整合波長允許範圍內，改變向上述相位調整區域或上述DBR區域的注入電流，補償與上述基波光的工作電流變化對應的上述基波光的波長變化。
5.一種包括具有第1波長的基波光和用於使上述基波光的波長減半的波長變換元件並且由上述波長變換元件將上述基波光變換為具有第2波長的諧波光的相干光源，其特徵在於具有檢測上述基波光的波長並將上述基波光的波長控制為所希望的波長的第1機構和將上述波長變換元件的相位整合波長控制為上述基波光的波長的第2機構，使用上述第1和第2機構進行上述諧波光的波長控制和輸出控制。
6.按權利要求1或權利要求5所述的相干光源，其特徵在於檢測透過上述波長變換元件後的上述基波光的波長，將上述基波光的波長控制為所希望的波長。
7.按權利要求1或權利要求5所述的相干光源，其特徵在於在由上述波長變換元件進行波長變換後的光通過的光路上，設置將上述基波光與上述諧波光分離並只檢測上述基波光的裝置。
8.按權利要求1或權利要求5所述的相干光源，其特徵在於進而具有衍射光柵和受光元件，由上述受光元件檢測由上述衍射光柵衍射後的上述基波光。
9.按權利要求8所述的相干光源，其特徵在於上述波長變換元件具有光波導，在上述光波導上形成上述衍射光柵。
10.按權利要求8所述的相干光源，其特徵在於由上述受光元件檢測在上述衍射光柵衍射後的上述基波光的位置。
11.按權利要求8所述的相干光源，其特徵在於上述衍射光柵由光柵間隔隨場所而變化的線性調製光柵構成。
12.按權利要求9所述的相干光源，其特徵在於上述受光元件設置在形成上述光波導的基板的側面。
13.按權利要求1或權利要求5所述的相干光源，其特徵在於進而具有銫氣體單元和受光元件，由上述受光元件檢測透過上述銫氣體單元後的上述基波光。
14.按權利要求5所述的相干光源，其特徵在於通過利用電光效應或溫度變化改變上述波長變換元件的折射率，來改變上述波長變換元件的相位整合波長。
15.一種安裝了權利要求1～14的任一權項所述的上述相干光源的記錄再生裝置，其特徵在於在再生記錄在媒體上的全息圖信息時，將上述相干光源調整為最佳波長以便滿足布拉格條件。
16.一種記錄再生裝置，其特徵在於具有權利要求1～14的任一權項所述的上述相干光源和將從上述相干光源發射出的光聚焦到信息載體上的光學系統。
全文摘要
提供具有半導體雷射器和波長變換元件並控制為所希望的波長的短波長相干光源。由具有第1波長的半導體雷射器1、作為用於使半導體雷射器1的波長減半的波長變換元件的光波導型QPM－SHG器件2、波長分離功能7、衍射光柵8和受光元件9構成相干光源。通過利用波長分離功能7將作為基波光的半導體雷射分離並使用衍射光柵8進行波長控制,將通過波長變換而得到的諧波光的波長控制為所希望的波長。
文檔編號G11B7/125GK1351332SQ0114278
公開日2002年5月29日 申請日期2001年10月31日 優先權日2000年10月31日
發明者北岡康夫, 笠澄研一, 山本和久 申請人:松下電器產業株式會社