專利名稱：半導(dǎo)體激光器中的強制波長啁啾的制作方法
半導(dǎo)體激光器中的強制波長啁啾
相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求2007年1月23日提交的No. 60/886， 186的美國臨時申請的權(quán)益。
發(fā)明概述 本發(fā)明總地涉及半導(dǎo)體激光器、激光控制器、激光投影系統(tǒng)以及包含半導(dǎo)體激光器的其它光學(xué)系統(tǒng)。更具體地，作為示例并且不構(gòu)成限制，本發(fā)明的實施例總地涉及破壞半導(dǎo)體激光器的溫度演變特征的方案以及最小化二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體或其它光耦合于半導(dǎo)體激光器的波長轉(zhuǎn)換裝置的輸出中的系統(tǒng)強度變化的方案。 根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器可以多種方式配置而成。作為示例但不構(gòu)成限制，可通過將例如分布式反饋(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-佩羅特激光器的單波長半導(dǎo)體激光器與例如二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體的光波長轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合而配置短波長源用于高速調(diào)制。SHG晶體可配置成通過將例如1060nm DBR或DFB激光器調(diào)諧至將波長轉(zhuǎn)換至530nm的SHG晶體的光譜中心而產(chǎn)生基波激光信號的較高次諧波。然而，例如摻雜MGO的周期極化鈮酸鋰(PPLN)的SHG晶體的波長轉(zhuǎn)換效率強烈地取決于激光二極管和SHG裝置之間的波長匹配。如激光器設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所能理解的那樣，DFB激光器是將蝕刻在半導(dǎo)體材料內(nèi)的柵格結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)用作反射介質(zhì)的諧振腔激光器。DBR激光器是其中經(jīng)蝕刻的光柵與半導(dǎo)體激光器的電子泵激區(qū)物理分離的激光器。SHG晶體使用非線性晶體的二次諧波產(chǎn)生特性以倍頻激光發(fā)射。 PPLN SHG裝置的帶寬經(jīng)常非常小，對于典型PPLN SHG波長轉(zhuǎn)換裝置來說，半最大值全寬度(FWHM)波長轉(zhuǎn)換帶寬經(jīng)常僅在O. 16-0. 2nm范圍內(nèi)并大部分取決于晶體的長度。激光腔內(nèi)的模式跳變和不受控制的大波長變化會致使半導(dǎo)體激光器的輸出波長在工作中移動至該允許帶寬之外。 一旦半導(dǎo)體激光器波長背離到PPLN SHG裝置的波長轉(zhuǎn)換帶寬以外，轉(zhuǎn)換裝置在目標(biāo)波長處的輸出功率急劇下降。例如，在將DBR半導(dǎo)體激光器和SHG晶體用作光源的激光投影系統(tǒng)中，模式跳變是尤其成問題的，這是因為它們能產(chǎn)生容易視為在圖像中特定位置的缺陷的瞬時功率變化。這些可視缺陷典型地將其本身表現(xiàn)為橫跨圖像的有組織、有圖案的圖像缺陷，這是因為所產(chǎn)生的圖像僅為激光器不同部分的溫度演變的特征。 作為與開發(fā)半導(dǎo)體激光源時的波長匹配和穩(wěn)定化關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)通過強制半導(dǎo)體激光器中的波長啁啾而最小化二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體或光耦合于半導(dǎo)體激光器的其它波長轉(zhuǎn)換裝置的輸出的系統(tǒng)強度變化的有利方案。強制啁啾在熱模式效應(yīng)存在時有效地拓寬激光器的光譜并減少二次諧振光的強度變化。 根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，以相對高(即大約高于0. 1GHz)的速度調(diào)制DFB或DBR激光器的增益電流。該高速調(diào)制造成半導(dǎo)體激光器中的載流子密度振蕩，該振蕩進(jìn)而導(dǎo)致激光波長的振蕩?？赏ㄟ^使經(jīng)調(diào)制的增益電流的低電平低于激光器閾值電流而進(jìn)一步增加載流子密度和激光波長振蕩。本發(fā)明人已認(rèn)識到，盡管本發(fā)明的理念主要基于DBR和DFB激光器的背景予以說明，然而可構(gòu)想到本文中討論的控制方案在多種半導(dǎo)體激光器中也具有實用性，包括但不局限于法布里_佩羅特激光器以及許多類型的外腔式激光器。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種控制半導(dǎo)體激光器的方法。根據(jù)該方法，半導(dǎo)體激光器的至少一部分被調(diào)制以提供數(shù)據(jù)。作為示例但不構(gòu)成限制，在DBR半導(dǎo)體激光器和SHG晶體作為光源的激光投影系統(tǒng)的情形下，可調(diào)制增益電流IMIN以在投影圖像中形成灰度級。該調(diào)制產(chǎn)生激光器波長的一些波動，這導(dǎo)致投射光的強度的無意變化。在相對靜態(tài)的圖像中，該波長波動將逐幀地重復(fù)，導(dǎo)致容易被人眼所察覺的系統(tǒng)化和組織化圖像偏差。為了解決這個問題，通過在相對高的頻率下附加調(diào)制驅(qū)動電流而拓寬半導(dǎo)體激光器經(jīng)時間平均的光譜。 一般來說，該附加驅(qū)動電流調(diào)制的頻率足夠高以引起在增益電流信號中編碼的數(shù)據(jù)周期內(nèi)的波長啁啾。 更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供控制配置以實現(xiàn)經(jīng)編碼數(shù)據(jù)的光發(fā)射的半導(dǎo)體激光器的方法。根據(jù)該方法，經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)表示為一連串經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期。在每個數(shù)據(jù)周期內(nèi)的激光強度是注入到半導(dǎo)體激光器的增益部分內(nèi)的驅(qū)動電流IMIN的函數(shù)。通過以足以在每個經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期中選擇半導(dǎo)體激光器中的多個不同發(fā)射模式的頻率調(diào)制驅(qū)動電流，半導(dǎo)體激光器經(jīng)時間平均的光譜被拓寬。 還構(gòu)思出被編程以操作根據(jù)本發(fā)明理念的半導(dǎo)體激光器的激光器控制器；激光投影系統(tǒng)是由這些控制器驅(qū)動的。盡管本發(fā)明的這些理念主要以成像為背景予以描述，然而也構(gòu)想到將本發(fā)明的諸多理念應(yīng)用于任何激光器波長的重復(fù)低頻波動成問題的激光器應(yīng)用中。 附圖簡述 下面對本發(fā)明具體實施例的詳細(xì)說明可在參照附圖閱讀時得到最好的理解，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，在附圖中

圖1是光耦合于光波長轉(zhuǎn)換裝置的DBR或相似類型的半導(dǎo)體激光器的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的激光投影系統(tǒng)的示意圖； 圖3示出作為DBR激光器中的增益電流的函數(shù)的發(fā)射波長的演化； 圖4示出半導(dǎo)體激光器的典型單腔模式光譜； 圖5示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的經(jīng)波長啁啾的激光器的典型時間平均的光譜；
圖6示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的控制經(jīng)波長啁啾的半導(dǎo)體激光器的增益電流的方案；以及 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的增益電流調(diào)制的圖。
詳細(xì)說明 盡管包含本發(fā)明具體實施例的理念的各種類型半導(dǎo)體激光器的特定結(jié)構(gòu)可從容易獲得的與半導(dǎo)體激光器的設(shè)計和制造相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)中獲知，然而本發(fā)明的具體實施例
的理念可通過總體參照圖1中示意性示出的三部分Dm 式半導(dǎo)體激光器10而方便地給出。在圖1中，DBR激光器10光耦合于光波長轉(zhuǎn)換裝置20。由半導(dǎo)體激光器10射出的光束或者能夠直接耦合于波長轉(zhuǎn)換裝置20的波導(dǎo)或能夠通過準(zhǔn)直或聚焦光學(xué)器件或一些其它類型的合適光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)耦合。波長轉(zhuǎn)換裝置20將入射光轉(zhuǎn)換成較高次諧波并輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換的信號。這類構(gòu)造尤其利于從波長較長的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生較短波長的激光束，并且例如用作激光投影系統(tǒng)的可見激光源。 圖1中示意性示出的DBR激光器10包括波長選擇部分12、相位匹配部分14和增益部分16。也可稱為激光器10的DBR部分的波長選擇部分12典型地包括設(shè)置在激光腔的
5活動區(qū)外部的第一級或第二級布拉格光柵。由于光柵充當(dāng)其反射系數(shù)取決于波長的鏡面，所以該部分提供波長選擇。DBR激光器10的增益部分16提供激光器的主要光學(xué)增益，而相位匹配部分14在增益部分16的增益材料和波長選擇部分12的反射性材料之間形成可調(diào)光學(xué)相移。波長選擇部分12可被設(shè)置成若干合適的替代構(gòu)造，這些結(jié)構(gòu)可采用或不采用布拉格光柵。 各控制電極2、4、6包含在波長選擇部分12、相位匹配部分14、增益部分16或其結(jié)合處，并且在圖1中僅示意地示出這些電極。能構(gòu)想到電極2、4、6采用各種形式。例如，控制電極2、4、6在圖1中表示為各自的電極對，但構(gòu)想到使部分12、14、16的一個或多個部分中的單個電極元件2、4、6也適于本發(fā)明具體實施例的實踐?？刂齐姌O2、4、6可用來將電流注入激光器10的相應(yīng)部分12、 14、 16。例如，可通過控制一個或多個激光器部分的溫度、將電流注入形成在激光器襯底的導(dǎo)電摻雜的半導(dǎo)體區(qū)、控制激光器10的波長選擇部分12和相位匹配部分14的折射率、控制激光器的增益部分16中的光學(xué)增益等，將注入的電流用來改變激光器的工作特性。 圖1所示波長轉(zhuǎn)換裝置20的波長轉(zhuǎn)換效率取決于半導(dǎo)體激光器10和波長轉(zhuǎn)換裝置20之間的波長匹配。在波長轉(zhuǎn)換裝置20包含SHG晶體的情形下，當(dāng)激光器10的輸出波長背離SHG晶體的波長轉(zhuǎn)換帶寬時，產(chǎn)生在SHG晶體20中的較高次諧振光的波的輸出功率急劇下降。例如，當(dāng)半導(dǎo)體激光器被調(diào)制以產(chǎn)生數(shù)據(jù)時，熱負(fù)載不斷變化。作為結(jié)果的激光器溫度變化和激光波長變化被稱為波長熱模式效應(yīng)。該熱模式效應(yīng)引起SHG晶體20的效率變化。在12mm長PPLNSHG裝置的情形下，半導(dǎo)體激光器10的大約2°的溫度變化一般足以使激光器10的輸出波長落在SHG晶體20的0. 16nm的半最大值全寬度(FWHM)波長轉(zhuǎn)換帶寬之外。 本發(fā)明人已認(rèn)識到在穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長方面存在挑戰(zhàn)，因為它們通常受波長偏移和關(guān)聯(lián)腔模式跳變的影響。作為示例且不構(gòu)成限制，圖3示出作為DBR激光器中的增益電流的函數(shù)的發(fā)射波長的演變。當(dāng)增益電流增加時，增益部分的溫度也增加。結(jié)果，腔模式移向更高的波長。腔模式的波長比DBR部分的波長移動得更快。因此，激光器到達(dá)較低波長的腔模式更接近DBR反射曲線的最大值的點。根據(jù)激光物理學(xué)的基本原理，在該點較低波長的模式具有比建立的模式更低的損耗，激光器隨后自動跳至較低損耗的模式。這個動作示出于圖3的曲線100。如圖3所示，波長緩慢地增加并包括突然模式跳變，該模式跳變的幅度等于激光腔的一個自由光譜范圍。 進(jìn)一步參照圖3，曲線101示出DBR激光器中的明顯不同的發(fā)射性能。具體地說，具有與參照曲線100示出的激光器相同的一般制造參數(shù)的激光器可表現(xiàn)出明顯不同的性能，即不具有帶一個激光器自由光譜范圍的幅度的波形跳變，而是激光器表現(xiàn)出具有多至六個或更多個光譜范圍幅度的波形跳變。對于許多應(yīng)用來說，這種很大的猝然波長變化是不可接受的。例如，在激光投影系統(tǒng)的情形下，這些大的跳變或會造成圖像從額定灰度值跳至接近零值的猝然強度跳動。本發(fā)明人已經(jīng)研究了這種現(xiàn)象以及激光器中的波長不穩(wěn)定性和遲滯，并注意到這些激光器發(fā)射缺陷可歸因于多種因素中的一種或多種，包括空間燒孔、光譜燒孔、不對稱增益飽和、增益曲線擴(kuò)展以及自感應(yīng)布拉格光柵。 一般認(rèn)為這些因素會將激光鎖定在已建立在激光腔內(nèi)的特定腔模式上或激勵更大的模式跳變。事實上，表現(xiàn)為一旦模式建立，則以具體波長進(jìn)入腔的光子通過以具體的能級耗盡和改變載流子密度或在腔中形成自感應(yīng)布拉格光柵而干擾激光器本身。 不管半導(dǎo)體激光器中的多模偏移原因如何，當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時，激光波長經(jīng)常表 現(xiàn)出異常的波長跳動，其等于諧振波形間距的倍數(shù)。在發(fā)生大模式跳變前，激光器一般表現(xiàn) 出大的、連續(xù)的波長偏移。較大的波長偏移和異常的波長跳動能造成激光器信號中不可接 受的噪聲。例如，參照凸2，示出一種激光投影系統(tǒng)，包括圖像源(S)，其生成單色或多色圖 像數(shù)據(jù)流；圖像投影軟件和關(guān)聯(lián)的電子設(shè)備(S/E)，其用于為每一基本圖像顏色生成激光 器驅(qū)動信號；激光器驅(qū)動器(D)，其為配置成每一基本圖像顏色的各個激光器(LD)生成相 應(yīng)激光器驅(qū)動電流；以及掃描和投影光學(xué)裝置(O)，其用于生成包括圖像像素陣列的單色 或多色投影圖像(1)。如果上述現(xiàn)象系統(tǒng)地發(fā)生在圖2示出的半導(dǎo)體/SHG激光投影系統(tǒng) 中，則投影圖像中的噪聲會容易地為人眼所見。事實上，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)即使對僅表現(xiàn)出單 模跳變的半導(dǎo)體激光器來說也是此種情況，且相應(yīng)的猝然波長變化僅等于激光腔的一個自 由光譜范圍。 本發(fā)明人還認(rèn)識到，半導(dǎo)體激光器一般表現(xiàn)出溫度演變特征，這將形成不合時宜 的波長偏移和半導(dǎo)體激光器的輸出和耦合于激光器的波長轉(zhuǎn)換裝置的輸出的猝然變化。這 種不合時宜的圖案會在上述激光投影系統(tǒng)的背景下產(chǎn)生顯著的問題。 盡管本發(fā)明不局限于本文所述的波長變化和猝然模式跳變的任何具體表現(xiàn)形式， 然而在激光器投影系統(tǒng)的背景中，這些波長波動會造成平滑的強度變化且模式跳變會造成 通過掃描激光器形成的圖像的相對突然的強度偏移。由這些缺陷造成的圖像中的特定圖案 可以是數(shù)個因素的函數(shù)，這些因素包括但不局限于激光器溫度、激光器自由光譜范圍、PPLN 晶體光譜帶通、激光器DBR相對于PPLN晶體的光譜對準(zhǔn)等。不管缺陷圖案的特性如何，圖 案本身在圖像中表現(xiàn)出問題，由于它表現(xiàn)出在圖像中易于識別的、系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)。另外，對于 準(zhǔn)靜態(tài)圖像來說，這些缺陷一般逐幀地重復(fù)，使得識別出圖像中的缺陷變得非常容易。
本發(fā)明人已認(rèn)識到通過強制與轉(zhuǎn)換裝置耦合的半導(dǎo)體激光器波啁啾而使二次諧 波產(chǎn)生(SHG)晶體或其它波長轉(zhuǎn)換裝置的輸出中的這些系統(tǒng)強度變化最小化的有利方案。 強制啁啾有效地拓寬了激光器的光譜并在熱模式效應(yīng)存在的情形下減小二次諧振光的強 度變化。 更具體地，圖4是相對窄帶寬的半導(dǎo)體激光器在單腔模式下發(fā)出激光的光譜的曲 線圖。如圖4所示，激光器的有效光譜帶寬w，即光譜在波長域中的展寬，大約為0. 02nm。當(dāng) 該激光器的增益驅(qū)動電流改變以形成要求的功率輸出時，由于前面提到的熱模式效應(yīng)，峰 值波長——即圖4中最大強度的波長——經(jīng)歷逐步偏移和猝然模式跳變。峰值波長的這種 逐漸偏移和猝然模式跳變轉(zhuǎn)化為耦合于激光器的SHG的強度輸出的逐漸變化和猝然改變。
圖5描繪同一激光器的時間平均光譜，其中注入半導(dǎo)體激光器的增益部分的驅(qū)動 電流1③w通過大約0. 5GHz的方波被快速調(diào)制。增益驅(qū)動電流的低電平接近零持續(xù)lns，且 遠(yuǎn)高于閾值電流的高電平持續(xù)lns。如圖5所示，由于在調(diào)制中驅(qū)動電流IMIN下降至足夠 低以改變增益區(qū)中的載流子密度的值，在驅(qū)動電流Ic;，調(diào)制時形成載流子密度振蕩，因此 經(jīng)時間平均的光譜被拓寬大約3倍。結(jié)果，調(diào)制驅(qū)動電流時，在半導(dǎo)體中選擇多個不同發(fā)射 模式。例如，在圖5所示的時間平均的光譜中可獲得五個腔模式，當(dāng)增益驅(qū)動電流高于閾值 電流時，在lns內(nèi)可選擇它們中的每一個來發(fā)出激光。這些多個不同的腔模式的激光發(fā)射 有效地拓寬了像素持續(xù)時間tp內(nèi)的平均光譜。換句話說，波長啁啾在像素持續(xù)時間tp內(nèi)迫使激光器在數(shù)個腔模式之間振動，凌駕于任何較慢的效應(yīng)之上，例如因熱模式效應(yīng)引起的 模式跳變。 在DBR激光器耦合于SHG晶體的情形下，例如當(dāng)DBR激光器處于快速波長啁啾時， 用戶將看到SHG晶體的二次諧波強度的較少降低。另外，由于經(jīng)波長啁啾的激光器的有效 光譜寬度遠(yuǎn)比單波長激光器來得寬，因此波長啁啾放松了 DBR反射峰值與SHG中心波長的 精確匹配的嚴(yán)格要求。同樣的優(yōu)點也可發(fā)生在其中其它類型半導(dǎo)體激光器耦合于要求轉(zhuǎn)換 帶寬與激光器的發(fā)射光譜對準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換裝置的應(yīng)用中。 較佳地，盡管不是關(guān)鍵的，在調(diào)制過程中達(dá)到的低電平增益電流I^低于閾值電流 ITH并可置為低至零，因為這樣做可望提高載流子在振蕩期間的密度漂移。為了幫助消滅前 面提到的模式跳變和波長偏移的影響，腔模式振蕩的頻率應(yīng)當(dāng)大于半導(dǎo)體激光器否則將表 現(xiàn)出模式跳變的速率。結(jié)果，由腔模式振蕩產(chǎn)生的快速波長啁啾對由熱模式效應(yīng)形成的波 形跳變具有壓制作用。 高電平增益電流Im^、低電平增益電流Iww以及閾值電流ITH示意地示出于基于像 素的激光投影系統(tǒng)的背景下的圖7的曲線圖中。每個像素一般特征化為可以是逐像素變化 的像素持續(xù)時間tp以及正比于高電平增益電流Ij^H或目標(biāo)增益電流值IDATA的特定顏色的 亮度值。在目標(biāo)增益電流值1。皿作為像素亮度基準(zhǔn)的情形下，高電平增益電流Im^和低電 平增益電流IOT的各個值受到控制以使兩電流的組合正比于目標(biāo)增益電流值IDATA。對于低 電平增益電流低于閾值電流的特殊情形，僅高電平增益驅(qū)動電流IHIOT的幅度和占空比受到 控制以獲得目標(biāo)增益驅(qū)動電流值IDATA。像素亮度一般在投影像素之間變化，如以目標(biāo)增益 電流值IDATA的變化大小所表示的那樣。典型地，高電平增益電流IHreH高于半導(dǎo)體激光器的 激光發(fā)射閾值ITH并可以是半導(dǎo)體激光器的激光發(fā)射閾值ITH的大約100倍的數(shù)量級。增益 電流的波形可由圖7所示的脈沖波或例如方波或正弦波的其它波形構(gòu)成。
如上所述，調(diào)制頻率可以是約0. 5GHz的數(shù)量級，但可構(gòu)想到也可在較低的調(diào)制頻 率下——例如大約0. 1GHz那樣低——獲得合適的結(jié)果?；蛘撸杏玫氖?，可參照在激光器 驅(qū)動電流IMIN中編碼的各個數(shù)據(jù)周期的持續(xù)時間并控制調(diào)制以使調(diào)制周期明顯短于數(shù)據(jù) 周期的持續(xù)時間。例如，在大約40ns的周期點亮像素的激光投影系統(tǒng)的情形下，可在小于 約10ns的周期內(nèi)調(diào)制驅(qū)動電流IeAIN。又如，構(gòu)想到使驅(qū)動電流調(diào)制頻率受到控制以使驅(qū)動 電流Ie，循環(huán)占據(jù)每個顯示像素的至少大約4個周期。 圖6示出其中用來驅(qū)動半導(dǎo)體激光器的數(shù)據(jù)信號部分100可與根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)調(diào) 制的波長啁啾的信號部分200結(jié)合的方式。具體地說，如圖6所示，構(gòu)想到通過對激光器數(shù) 據(jù)信號100和適當(dāng)配置的經(jīng)調(diào)制信號部分200求和或求積來將增益注入電流的這些相應(yīng)信 號部分并入驅(qū)動電流300 。 在包括例如倍頻PPLN綠光源的激光投影系統(tǒng)的背景中，在沒有根據(jù)本發(fā)明的實 施例波長控制的情況下，由于多個腔模式跳變，在圖像顯示器的一根線上由光源發(fā)出的綠 色功率在功率上表現(xiàn)出猝然變化。結(jié)果，投影的圖像在功率方面將突然下降50%或更大幅 度的功率。然而，采用根據(jù)本發(fā)明具體實施例的其中調(diào)制驅(qū)動信號以形成前述波長啁啾的 激光器控制方案，可望完全消除或至少顯著緩解波長模式跳變。還構(gòu)想到本發(fā)明的激光器 控制方案可提高半導(dǎo)體激光器對外部反射的抵抗并由于半導(dǎo)體激光器的相干長度一般因 波長啁啾減小而減少激光投影系統(tǒng)中的斑點問題。
參照圖2中示意地示出的激光投影系統(tǒng)，注意根據(jù)本發(fā)明具體實施例的驅(qū)動電流 控制方案可在系統(tǒng)中以多種方式實現(xiàn)。例如但不構(gòu)成限制地，增益電流經(jīng)調(diào)制的啁啾部分 可通過在渲染期間藉由投影軟件和電子器件將經(jīng)調(diào)制的啁啾部分并入視頻信號而實現(xiàn)。在 本方法中，遍及圖像分布的像素可由經(jīng)調(diào)制的啁啾部分改變而與來自源圖像的要求強度無 關(guān)?；蛘?，增益電流的調(diào)制啁啾部分可并入激光器驅(qū)動電子器件。在這種方法中，可修正源 自圖像流的激光器驅(qū)動信號以在電流增減前并入經(jīng)調(diào)制的啁啾部分。 要注意本文對單模激光器或配置成單模發(fā)光的激光器的參考不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是將本 發(fā)明的范圍排他地限制成工作在單模狀態(tài)下的激光器。相反，本文對單模激光器或配置成 單模發(fā)光的激光器的參考僅含蓄地表明根據(jù)本發(fā)明具體實施例構(gòu)想的激光器的特征在于 其中寬帶寬或窄帶寬的單模在本文中不可辨的輸出光譜或通過適當(dāng)?shù)臑V波或其它裝置將 單模從中區(qū)別開來的輸出光譜。 本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，參照上文并示出于圖7的活動像素持續(xù)時間tp可因 掃描速度變化而適度和周期性地在圖像間變化。因此，以"像素持續(xù)時間"或"經(jīng)編碼的數(shù) 據(jù)周期"為特征的投影系統(tǒng)的參考不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是表示圖像中的每個像素具有相同的像素持 續(xù)時間。相反，構(gòu)想到顯示器中的每個像素可具有不同的像素持續(xù)時間，這完全落入以活動 像素持續(xù)時間tp為特征的顯示的一般理念中。 多音調(diào)圖像可通過配置圖像投影電子器件和相應(yīng)激光器驅(qū)動電流以建立在圖像 像素陣列中變化的像素強度由圖像投影系統(tǒng)來產(chǎn)生。在本情形下，驅(qū)動電流的經(jīng)調(diào)制波長 啁啾部分重疊在對變化的像素強度編碼的信號上。有關(guān)掃描激光器圖像投影系統(tǒng)的配置和 圖像中產(chǎn)生變化的像素強度的方式的更多細(xì)節(jié)是超過本發(fā)明的范圍的，并可從該主題的多 個既得教義中搜集。 盡管已主要參照基于像素的投影系統(tǒng)對本發(fā)明進(jìn)行了說明，然而構(gòu)想到包含基于 激光器的光源的其它投影系統(tǒng)，例如基于空間光調(diào)制器的系統(tǒng)(包括數(shù)字光處理(DLP)、透 射型LCD、硅上液晶(LC0S))可從本文中描述的波長穩(wěn)定和抖動技術(shù)獲益。在這類其它系統(tǒng) 中，外生于激光器的相對周期不是像素周期，而是屏幕刷新率的倒數(shù)或其分?jǐn)?shù)。
本申請中對多種流進(jìn)行參考。為了便于描述和定義本發(fā)明，注意使這些流意指電 流。此外，為了定義和描述本發(fā)明，注意在本文中對電流"控制"的參考不一定暗示主動地 控制該流或作為任何基準(zhǔn)值的函數(shù)予以控制。相反，構(gòu)想到僅通過建立電流量級而控制電 流。 要理解，本發(fā)明前面的詳細(xì)說明旨在提供理解本發(fā)明如權(quán)利要求書所述的性質(zhì)和 特征的總覽或框架。顯然本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員很清楚，可對本發(fā)明作出多種修正和變化而不 脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明旨在覆蓋本發(fā)明的修改和變化，倘若它們落在所附 權(quán)利要求書及其等效物的內(nèi)。 為了定義和描述本發(fā)明，要注意本文中關(guān)于值的"某一數(shù)量級"的特定大小應(yīng)當(dāng)認(rèn) 為是涵蓋不背離特定大小一個或多個數(shù)量級的任何值。 要注意在本文中使用的類似"較佳地"、"通常地"和"典型地"的術(shù)語不旨在限制 所要求的本發(fā)明的范圍或暗示某些特征對于所要求發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能來說是關(guān)鍵的、必要 的甚至是重要的。相反，這些術(shù)語僅旨在強調(diào)可用于或可不用于本發(fā)明具體實施例的替換 特征或附加特征。此外，要注意作為另一值、參數(shù)或變量的"函數(shù)"的值、參數(shù)或變量不應(yīng)當(dāng)
9認(rèn)為是表示該值、參數(shù)或變量作為一個且僅僅一個值、參數(shù)或變量的函數(shù)。 為了描述本發(fā)明和定義本發(fā)明，要注意術(shù)語"基本上"在本文中用來表示可歸因于
任何定量比較、值、測量值或其它表示的固有不確定程度。術(shù)語"基本上"在本文中也用來
表示例如"基本大于零"的定量表示與例如"零"的規(guī)定基準(zhǔn)值的背離的程度，并應(yīng)當(dāng)解釋
成要求該定量表示背離規(guī)定的基準(zhǔn)值一可辨別量。
權(quán)利要求
一種控制半導(dǎo)體激光器的方法，所述方法包括配置所述半導(dǎo)體激光器用于由多個經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期表征的經(jīng)編碼數(shù)據(jù)的光發(fā)射，所述光發(fā)射的至少一個參數(shù)是注入到所述半導(dǎo)體激光器的增益部分中的驅(qū)動電流IGAIN的函數(shù)；以及通過調(diào)制所述驅(qū)動電流來拓寬所述半導(dǎo)體激光器的經(jīng)時間平均的光譜，其中所述驅(qū)動電流調(diào)制的頻率使得在各個相應(yīng)的經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期內(nèi)在半導(dǎo)體激光器中選擇多個不同的發(fā)射模式。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述驅(qū)動電流Ic;，在低電平增益電流1^和高電平增益電流Im^之間受到調(diào)制；以及所述低電平增益電流1^低于所述半導(dǎo)體激光器的激光發(fā)射閾值ITH。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述高電平增益電流IHKH高于半導(dǎo)體激光器的激光發(fā)射閾值ITH。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述高電平增益電流IHKH是所述半導(dǎo)體激光器的激光發(fā)射閾值ITH的約100倍的數(shù)量級。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述驅(qū)動電流Ic;，在低電平增益電流1^和高電平增益電流Im^之間受到調(diào)制；并且所述低電平增益電流1^被置為大約零。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述驅(qū)動電流Ic;，在低電平增益電流1^和高電平增益電流Im^之間受到調(diào)制；并且所述高電平增益電流IHreH表示經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)并在經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期上變化。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述驅(qū)動電流Ic;，在低電平增益電流1^和高電平增益電流Im^之間受到調(diào)制；并且所述高電平增益電流Im^和所述低電平增益電流1^被結(jié)合在一起以表示經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)以及在經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期中的變化。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動電流1③w被調(diào)制成足以在各個相應(yīng)的經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期內(nèi)產(chǎn)生載流子密度振蕩的程度。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動電流1③w被調(diào)制成足以在所述半導(dǎo)體激光器的至少兩個腔模式之間產(chǎn)生波長振蕩的程度。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述腔模式振蕩的頻率大于所述半導(dǎo)體激光器否則將由于波長熱模式效應(yīng)表現(xiàn)出模式跳變的速率。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器的有效光譜寬度被拓寬大約三倍。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器的有效光譜寬度從小于約0. 02nm拓寬至大于約0. 06nm。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動電流1③w在至少約0. lGHz的頻率下受到調(diào)制。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動電流Ic;，在大約0. 5GHz數(shù)量級的頻率下受到調(diào)制。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期的各持續(xù)時間為大約40ns的數(shù)量級而所述驅(qū)動電流Ie細(xì)在至少約10ns的周期內(nèi)受到調(diào)制。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動電流調(diào)制的頻率使得驅(qū)動電流 IMIN的循環(huán)占據(jù)各經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期中的相應(yīng)周期中的至少大約4個周期。
17. 如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器作為可見光源的一部分 耦合于波長轉(zhuǎn)換裝置并包含在激光投影系統(tǒng)中，所述方法包括通過掃描圖像間的可見光源的輸出光束產(chǎn)生經(jīng)掃描的激光器圖像，其中所述經(jīng)掃描的 激光器圖像包括圖像像素陣列，所述圖像像素由對應(yīng)的活動像素持續(xù)時間tp表征；以及調(diào)制所述驅(qū)動電流IMIN以在各個相應(yīng)的活動像素持續(xù)時間tp上選擇多個不同的發(fā)射 模式。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器是可見光源的一部分并 包含在激光投影系統(tǒng)中，且所述方法包括利用可見光源的輸出光束產(chǎn)生激光器圖像，其中所述驅(qū)動電流IMIN的幅度在數(shù)據(jù)信號頻率下利用圖像信號受到調(diào)制，以控制經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期的輸出光束的強度；以及以高于所述數(shù)據(jù)信號頻率的頻率調(diào)制所述驅(qū)動電流IMIN，使得在各個相應(yīng)的經(jīng)編碼的 數(shù)據(jù)周期tp上選擇多個不同的發(fā)射模式。
19. 一種編程以操作半導(dǎo)體激光器的激光器控制器，其中所述控制器被編程以使至少 下列條件應(yīng)用于所述半導(dǎo)體激光器的操作所述激光器控制器包括要注入所述半導(dǎo)體激光器的增益部分的驅(qū)動電流IMIN的至少 一個輸出；所述激光器控制器被編程以至少部分響應(yīng)所述驅(qū)動電流I③w控制所述半導(dǎo)體激光器 的至少一個參數(shù)；以及所述激光器被進(jìn)一步編程以通過配置所述半導(dǎo)體激光器用于由多個經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周 期表征的經(jīng)編碼數(shù)據(jù)的光發(fā)射來改變所述半導(dǎo)體激光器的模式選擇，所述光發(fā)射的至少一 個參數(shù)作為注入所述半導(dǎo)體激光器的增益部分的驅(qū)動電流IeAIN的函數(shù)并通過調(diào)制所述驅(qū) 動電流拓寬所述半導(dǎo)體激光器經(jīng)時間平均的光譜，其中所述驅(qū)動電流調(diào)制的頻率使得在各 個相應(yīng)的經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期中在半導(dǎo)體激光器中選擇多個不同的發(fā)射模式。
20. —種激光投影系統(tǒng)，包括至少一個半導(dǎo)體激光器和被編程以操作所述半導(dǎo)體激光 器的激光器控制器，其中所述控制器被編程以使至少下列條件應(yīng)用于所述半導(dǎo)體激光器的 操作所述激光器控制器包括要注入所述半導(dǎo)體激光器的增益部分的驅(qū)動電流IMIN的至少 一個輸出；所述激光器控制器被編程以至少部分響應(yīng)驅(qū)動電流IMIN控制所述半導(dǎo)體激光器的至 少一個參數(shù)；以及所述激光器被進(jìn)一步編程以通過配置所述半導(dǎo)體激光器用于由多個經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周 期表征的經(jīng)編碼數(shù)據(jù)的光發(fā)射來改變所述半導(dǎo)體激光器的模式選擇，所述光發(fā)射的至少一 個參數(shù)作為注入所述半導(dǎo)體激光器的增益部分的驅(qū)動電流IeAIN的函數(shù)并通過調(diào)制所述驅(qū) 動電流拓寬所述半導(dǎo)體激光器經(jīng)時間平均的光譜，其中所述驅(qū)動電流調(diào)制的頻率使得各個 相應(yīng)的經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)周期中在半導(dǎo)體激光器中選擇多個不同的發(fā)射模式。
全文摘要
提供控制半導(dǎo)體激光器的方法，其中通過以相對高的頻率調(diào)制驅(qū)動電流而拓寬半導(dǎo)體激光器經(jīng)時間平均的光譜?？偟貋碚f，驅(qū)動電流調(diào)制的頻率足夠高以引起在增益電流信號中編碼的數(shù)據(jù)周期中的波長啁啾。還給出了根據(jù)所公布的方法操作的激光器控制器和投影系統(tǒng)。
文檔編號H01S5/068GK101711444SQ200880002767
公開日2010年5月19日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者M·H·胡 申請人:康寧股份有限公司