专利名称：用于激光投影系统的半导体激光器中的波长控制的制作方法
用于激光投影系统的半导体激光器中的波长控制
背景技术：
本发明一般地涉及半导体激光器，尤其涉及用于通过控制半导体激光器的激 光腔中的光子密度将激光器波长变化最小化的方案。本发明还涉及体现根据本发 明的波长控制方案的激光器控制器和激光投影系统。
发明概要
本发明一般地涉及可按照各种方式配置的半导体激光器。例如，且为了说明
而非限制，通过将诸如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射(DBR) 激光器或法布里-佩罗特激光器之类的单波长激光器与诸如二次谐波发生(SHG) 晶体之类的光波长转换设备组合，可将短波长源配置成用于高速调制。可将SHG 晶体配置成产生基波激光信号的较高次谐波，例如通过将1060nm的DBR或DFB 激光器调谐至SHG晶体的光谱中心，这会将波长转换成530nm。然而，诸如MgO 掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)之类的SHG晶体的波长转换效率强烈依赖于 激光二极管与SHG装置之间的波长匹配。如熟悉激光器设计的技术人员所能理 解地，DFB激光器是利用刻蚀到半导体材料中的格栅或类似结构作为反射介质的 谐振腔激光器。DBR激光器是其中刻蚀光栅与半导体激光器的电子泵浦区物理 分离的激光器。SHG晶体利用非线性晶体的二次谐波发生性质来使激光辐射的 频率翻倍。
PPLN SHG设备的带宽往往是非常小的，对于典型的PPLN SHG波长转换 设备而言，半最大值全带宽(FWHM)波长转换带宽仅在0.16至0.211111范围内
并且主要取决于晶体的长度。激光腔内的模式跳变和不受控制的大波长变化可以 引起半导体激光器的输出波长在操作期间移出此可允许带宽。 一旦半导体激光器 波长偏离出PPLNSHG设备的波长转换带宽，转换设备在目标波长的输出功率就 显著下降。特别地，在激光器投影系统中，模式跳变尤其成问题，因为模式跳变 会生成功率上的瞬时变化，这种变化将成为图像中具体位置中的缺陷而一目了
8然。
面对与发展半导体激光器源中波长匹配和稳定性相关联的挑战，本发明人已认识到用于控制激光腔内光子密度的潜在有益方案。
例如，本发明人已认识到，虽然本发明的概念主要是在DBR激光器的情况中描述的，但是可以想见，在此讨论的控制方案也可在各种类型的半导体激光器中有用，包括但不限于DFB激光器、法布里-佩罗特激光器、以及许多类型的外腔激光器。还应注意，本发明在一般性意义上涉及激光器源中的波长稳定性，而不考虑在激光器源中是否采用二次谐波发生。
根据本发明一实施例，提供了一种将半导体激光器中的激光器波长变化最小化的方法。根据该方法，激光器驱动电流中的一个或多个被配置成包括驱动部分和波长恢复部分。驱动电流的波长恢复部分包括不同于驱动振幅ID的恢复振幅
lK以及小于驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。恢复振幅lK和持续时间tR足以
恢复在恢复之前由增益压縮效应对所期望的载流子密度分布造成的失真。例如，且不是为了限制，可以想见，增益压縮效应可以由于激光腔中的光谱烧孔和空间烧孔而发生。所得之包括驱动部分和波长恢复部分的驱动电流被用来操作激光器。由于载流子密度分布的恢复，诸如大的波长漂移、异常波长模式跳变、以及滞后作用之类的不利现象中的一些会被消除。
附图简述
以下本发明的具体实施例的详细描述可在结合以下附图阅读时被最佳理解，附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，且其中
图1是光耦合到光波长转换装置的DBR或相似类型的半导体激光器的示例性图示；
图2是根据本发明的激光器投影系统的示意性图示；
图3和4示出DBR激光器中因变于增益电流的发射波长的演变；
图5示出根据本发明一实施例的用于控制激光器波长的方案；
图6是图5中所示的控制方案的进一步图示；
图7示出根据本发明另一实施例的用于控制激光器波长的方案；
图8是图7的控制方案的进一步图示。详细描述
虽然其中可体现本发明的概念的各种类型的半导体激光器的具体结构在很 容易得到的涉及半导体激光器的设计和制造的技术文献中有介绍，但是本发明的
概念可以一般地参考图1中示意性示出的三段式DBR型半导体激光器IO便利地 示出。在图1中，DBR激光器10与光波长转换设备20光耦合。由半导体激光 器10发射的光束可以直接耦合到波长转换设备20的波导中，或者可通过校准和 聚焦光学装置或某种其它适当类型的光学元件或光学系统耦合进去。波长转换设 备20将入射光转换成高次谐波并输出经转换的信号。此种类型的配置尤其可用 于从较长波长的半导体激光器生成较短波长的激光束时，并且可用作例如激光器 投影系统的可见激光源。
图1中示意性示出的DBR激光器IO包括波长选择段12、相位匹配段14、 以及增益段16。还可称为激光器10的DBR段的波长选择段12通常包括定位在 激光腔的有源区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。此段提供波长选择，因为光 栅起到其反射系数取决于波长的反射镜的作用。DBR激光器10的增益段16提 供激光器的主要光增益，而相位匹配段14在增益段16的增益材料与波长选择段 12的反射材料之间产生可调整的相移。波长选择段12可以按可采用或可不采用 布拉格光栅的诸多适当可替换性配置进行设置。
相应的控制电极2、 4、 6被结合在波长选择段12、相位匹配段14、增益段 16、或其组合之中，在图1中仅示意性地示出。可以构想，电极2、 4、 6可采用 各种形式并且通常与形成在激光器基板中相对应的导电掺杂半导体区协同。例 如，控制电极2、 4、 6在图1中示为相应的电极对，但可构想在段12、 14、 16 中一个或多个中的单个电极元件2、 4、 6也将适于实践本发明。
图1中示出的波长转换设备20的波长转换效率取决于半导体激光器10与波 长转换设备20之间的波长匹配。波长转换设备20中生成的高次谐振光波的输出 功率在激光器10的输出波长偏离波长转换设备20的波长转换带宽时显著下降。 例如，当对半导体激光器进行调制产生数据时，热负载不断地改变。激光器温度 和发射激光波长中所发生的变化生成了 SHG晶体20效率上的改变。如果波长转 换设备20是长度为12mm的PPLN SHG设备，半导体激光器10中约2°C的温 度变化通常将足以将激光器10的输出波长带出波长转换设备20的0.16 nm的半 最大值全带宽(FWHM)波长转换带宽。本发明通过将激光器波长变化限制到可接受的水平上来解决此问题。
本发明人已认识到稳定半导体激光器的发射波长时的挑战，因为这些挑战普遍受制与波长漂移以及相关联的腔模式跳变。例如，且不是为了限制，图3示出
在DBR激光器中以任意单位示出的发射波长因变于同样以任意单位示出的增益电流I的演变。当增益电流增大时，增益段的温度也升高。结果，腔模式移向更高的波长。腔模式的波长移动地比DBR段的波长快。所以，激光器就到达一个其中较低波长的腔模式更接近于DBR反射率曲线最大值的点。在该点处，较低波长的模式具有比所建立的模式更低的损耗，根据激光物理学的基本原理，激光器于是自动地跳到具有较低损耗的模式。此特性在图3的曲线100上示出。如图3中示出，波长缓慢增大并且包括其振幅等于激光腔的一个自由光谱范围的突然模式跳变。这些单模式跳变并非必然是严重的问题。确实，例如在倍频PPLN应用的情况下，那些模式跳变的振幅小于PPLN的光谱带宽。所以，与那些小模式跳变相关联的图像噪声维持在可接受的幅度内。
还是参考图3，曲线101示出DBR激光器中的显著不同的发射特性。具体地，具有与参考曲线100示出的激光器相同的总体制造参数的激光器可以显示出显著不同的特性，因为激光器将显示出幅度高达6个或更多个自由光谱范围的模式跳变，而不是具有一个激光器自由光谱范围的模式跳变幅度。对于许多应用而言，这样大的突然波长变化将是不可接受的。例如，在激光器投影系统的情况下，这些大的跳变将在图像中引起从标称灰度等级值到接近零的值的突然强度跳跃。本发明人已研究此种现象、以及激光器中的波长不稳定性和滞后作用，并且注意这些激光器发射缺陷可归因于多个因素中的一个或多个，包括空间烧孔、光谱烧孑L、增益曲线展宽(gain profile broadening)、以及自诱导布拉格光栅(self inducedBragg gratings)。可以构想这些因素可将激光生成锁定在已在激光腔中建立的特定腔模式之上或者鼓励更大的模式跳变。确实，模式一旦建立，腔内部特定波长上光子就通过耗尽特定能级的载流子密度或通过在腔中创造自诱导布拉格光栅来对激光器本身造成扰动。
图4的曲线102示出特殊模式跳变特性的另一情况。在所示情况下，以任意单位示出的发射波长X是不稳定的，因为它包括归因于位于激光器外部的元件的背反射即称为外腔效应的现象。通过外腔效应，外部反射产生出扰乱激光腔并且能够生成非常大幅度的模式跳变的寄生法布里-佩罗特腔。不管半导体激光器中的不可接受的波长漂移的来源是什么，本发明旨在将波长波动最小化并使激光器 的时间平均激光器振荡光带宽变窄。
本发明人已认识到图3和4中所示的大的波长波动及相关联的模式跳变效应 至少部分地取决于激光腔中的光子密度，并且会在具有显著外腔效应时得到放 大。本发明人还已认识到激光波长可跳跃不止一个模式并且此多模跳跃可以完全 地或部分地归因于光谱和空间烧孔以及诸如外腔效应之类的附加发射激光现象。
不管半导体激光器中的多模漂移的原因是什么，当此现象发生时，激光波长 通常显示出等于腔模式间隔的倍数的异常波长跳跃。在大的模式跳变发生之前， 激光器通常显示出大的连续波长漂移。教大的波长漂移和异常波长跳跃会在激光 器信号中引起不可接受的噪声。例如，如果此现象在激光器投影系统中系统地发 生，其示例在图2中示意性地示出，则投影图像中的噪声人一眼就能看出来。
如上所述，本发明一般涉及控制方案，其中半导体激光器驱动电流包括驱动 部分和波长恢复部分。图5和6示出一种用于控制单模激光器信号中的波长的方 案，其中驱动部分包括作为电流注入半导体激光器增益段的数据部分。因此，在 所示实施例中，驱动电流包括数据部分和波长恢复部分。特别参考图5，驱动电 流或增益注入电流(Ic)的这些部分可通过取激光器数据信号(DS)和适当配置 的波长恢复信号(WR)的乘积来引入。例如，且不是为了限制，激光器数据信 号可携带用于在激光器投影系统中投影的图像数据。如图6所示，波长恢复信号 被配置得使增益段驱动电流的数据部分(即增益注入电流)包括驱动持续时间tD 相对长的相对高的驱动振幅ID，而驱动电流的波长恢复部分包括恢复持续时间tR 相对短的相对低的恢复振幅IR。数据部分的相对高的驱动振幅Id足以在激光腔 内在激光模式X()发射激光。驱动电流的波长恢复部分的相对低的恢复振幅Ir不
同于驱动振幅ID，在图6中示为较之于驱动振幅lD低AI。
增益段驱动电流的数据部分的驱动振幅lD和持续时间tD用来产生具有适当 功率和波长的光信号——当然是取决于使用信号的具体应用。恢复振幅IK和恢复
持续时间fe足以在至少一部分的激光腔内降低光子密度。通过将光子密度降低到 较低值(在许多情况下接近零)，引起诸如光谱烧孔、空间烧孔、增益曲线展宽、 或自诱导布拉格光栅之类的大的波长漂移即行消失。结果，当大量电流在恢复期 间结束时被重新注入增益段时，激光器自动地选择最接近DBR反射曲线的最大 值的模式当中的模式。因此，波长波动可被限制到一个激光器自由光谱范围之内，并且消除多腔模式跳变，或至少显著地减少之。所产生的包括数据部分和波长恢复部分的增益段驱动电流可被用来将波长漂移最小化并使激光器的时间平均激光器振荡光带宽变窄。
换言之，增益段驱动电流的数据部分的驱动振幅lD和持续时间tD增大了激
光波长将经历不可接收的漂移的概率，例如但不局限于波长的变化超过0.05 nm。增益段驱动电流的密度恢复部分相对低的恢复振幅IR紧随在驱动电流的数据部分之后，并且降低了不可接收的波长漂移的概率。如果驱动电流的恢复部分具有足够高的发生频率，则激光腔模式在它积累成大的波长漂移并且新的腔模式被选择之前即被关掉，因此减少了大的波长漂移。
在包括例如倍频PPLN绿色激光器而没有根据本发明的波长控制的激光器投影系统的情况中，由激光器发射在图像显示器的单条线上的绿色功率会由于多腔模式跳变而显示出功率上的突然变化。结果，投影图像在功率上的突然下降在幅度上在50%左右甚至更高。然而，采用根据本发明的波长控制方案，其中驱动信号针对每一像素而改变，例如通常是每40纳秒，可以想见，激光器功率的不良下降将被大大缓解。例如，在本发明的一种执行方式中，在恢复振幅lK设置为接近零、恢复持续时间^在约10纳秒、且驱动持续时间b在约40纳秒时，图像中的残余噪声标准偏离在8%左右。观察到的图像缺陷具有相对较高的空间频率，这通常对于肉眼而言不是非常明显的。
虽然恢复振幅k可以是零，但是它可以是足以消除多腔模式跳变的源泉或者以其他方式改善激光器的波长特性的任何值。增益段驱动电流的恢复振幅IR要低于驱动振幅lD，但可以明显在零之上。相对高的驱动振幅Id可以是基本逢续的，但是往往是在强度上有所改变的，尤其是在半导体激光器被结合在图像投影系统之中时，如以下更详细描述。
在激光器被配置用于编码数据的光发射时，表示编码数据的数据信号被施加至激光器。例如，且不是为了限制，数据信号可作为注入激光器的增益段的驱动信号的强度或脉宽调制数据部分被引入。本发明的波长恢复操作在执行时成至少部分地独立于编码在数据信号中的数据。例如，在驱动电流是被注入激光器的增益段的，其驱动部分可以进行强度调制以编码数据。驱动电流的波长恢复部分与所编码数据无关地叠加在驱动电流上。类似地，在驱动部分进行脉宽调制以编码数据时，驱动电流的波长恢复部分也将被叠加在该驱动电流上。
13上述叠加可以完全独立于编码数据，或者可以仅在驱动电流的强度或表示编码数据的脉冲宽度的持续时间到达阈值时才予以施加，在这种情形中，将是部分地依赖于编码数据。然而， 一旦叠加，波长恢复部分的独立性的程度必需足以确保获得充足的波长恢复。换言之，驱动电流的波长恢复部分应当在数据信号如若不然将阻碍止波长恢复的条件下支配驱动电流。例如，在脉宽调制数据信号的情况下，可以想见，波长恢复对于相对短的、高振幅的脉宽而言是不需要的。然而，如果编码数据包括相对长的、高振幅的脉宽时，由驱动操作和波长恢复操作所确定的占空因数应足以限制高振幅脉宽的最大持续时间以确保波长恢复可在观察到不可接受的波长漂移之前实现。例如，可优选确保脉冲宽度的最大持续时间不
能超过由驱动操作和波长恢复操作所确定的占空因数的持续时间的约90%。此
外，在脉宽调制数据的情况下，还需务必确保波长恢复部分的恢复振幅lR低于半
导体激光器的阈值激光发生电流或者低到足以恢复波长。
还应注意，波长恢复信号不需要在规则的、周期性的基础上实现。相反，可按需施加恢复信号。例如，如果检测到超过可接受值的波长漂移，例如大于一个腔模式间隔，则波长恢复操作可通过在驱动电流上叠加波长恢复信号、迫使激光器选择新的波长来实现。
就恢复周期的频率而言， 一般需要足够地频繁，以将两个恢复周期之间的波长变化限制到可接受的幅度。理想的频率和方法取决于与其中利用了激光器的应用相关联的特定需求。作为示例，对于激光器投影，可以优选随机地启动恢复周期或者使恢复周期与图像像素产生同步，来避免数据内容(即图像)与恢复信号之间的任何混叠问题。此外，通过在与电子设备和激光器速度兼容的最高可能频率执行恢复，图像中出现任何噪声的空间频率将更高，使得更加难以检测到噪声。
图7和8示出用于在单模激光器信号中控制波长的方案，其中半导体激光器驱动电流的前述驱动部分包括注入到半导体激光器的波长选择段中的波长控制信号as)。因此，注入到半导体激光器的波长选择段的驱动电流包括该波长控
制部分和波长恢复部分。如上所述，此驱动电流在此也称为DBR注入电流(lDBK)，
因为DBR激光器的波长选择段通常称为激光器的DBR段。
具体参考图7， DBR注入电流的波长控制部分和波长恢复部分可根据本发明通过取标准DBR波长控制信号as)与适当配置的波长恢复信号(WR)的乘积来引入。如图8所示，波长恢复信号被配置得使DBR注入电流的波长控制部分包括驱动持续时间tD相对长的驱动振幅lD，而驱动电流的波长恢复部分包括恢
复持续时间k相对短的恢复振幅IR。 DBR注入电流的波长恢复部分的恢复振幅
lK不同于驱动振幅lD，可以低于或高于驱动振幅ID，在图8中示为与驱动振幅lD
的差为AI或AI'。
波长控制部分的振幅Id足以保持DBR波长调谐到适当的波长，该波长在倍频PPLN激光器的情况下由倍频晶体的波长所固定。当DBR电流被改变成与驱动振幅Id有充分差昇的恢夏振幅Ik吋，布拉格波长被移动到不同的波长，新的腔模式开始发射激光。原始的激光腔模式被停用。如果新的腔模式充分偏离原始激光腔模式，则造成多腔模式跳变的现象将在激光器标称目标波长处消失、或者基本上消散。在DBR恢复脉冲的结束时，DBR电流返回到其原始电平，将布拉格波长移回其原始状态。此时，新的腔模式被停用，发射激光在恢复模式下在原始布拉格波长或在接近原始布拉格波长下按照恢复的光增益谱重新开始。可以想见，所得图像将具有与以上参考图5和6的控制方案所讨论的属性类似的属性。
对图7和8中示出的本发明的实施例的理论基础的一种预期解释是该方案本质上将在增益一压縮波长的光子驻波变成了光谱烧孔区域以外的另一波长。驻波发生改变的持续时间相对短暂，长度通常仅足以去除光谱烧孔并恢复原始增益
谱。可以想见，在恢复振幅IK下诱导的波长移动其大小可以改变，但往往优选等
于至少约两个激光模式的波长移动。确实，可以想见，波长移动可以大到足以使激光腔不能发射激光。还可想见，图7和8的控制方案可以应用于外腔半导体激光器，方式是通过改变外部反馈来将激光波长暂时移出原始位置以便于使载流子填充光谱孔。
参考图2中示意性示出的激光器投影系统，应注意，根据本发明的驱动电流控制方案可在系统内以各种形式执行。例如，且不是为了限制，驱动电流的波长恢复部分可通过在由投影软件和电子设备呈现期间将恢复部分整合到视频信号中来执行。在此方法中，遍布整个图像的像素将独立于源图像所需要的强度由波长恢复信号予以改变。应当对此种中断的频率进行选择，将对与人眼睛、以及对感受到的光功率的影响最小化。替换地，驱动信号的波长恢复部分可被整合到激光器驱动器电子设备。在此方法中，由图像流导出的驱动信号将在电流縮放之前被波长恢复信号周期性地超控。同样，应当对此种中断的频率和占空因数进行选择来最大限度地减小化对人眼睛、以及对所感受的光功率的影响。作为另一替换
15方案，激光器的驱动电流可被周期性地分流或以其他方式减小，以便独立于所需 强度级减小或修改驱动电流。
可以想见，图5-8示出可以替换地或合在一起用来减少单模激光器信号中噪 声的激光器操作方案。更进一步地，图5-8的方案可被用在结合一个或多个单模 激光器的系统中。例如，如以下更详细所述，可设想图5-8的方案可替换地或合 在一起用在结合一个或多个单模激光器的扫描激光器图像投影系统中。还应注 意，在此引用单模激光器或配置成用于单模光发射的激光器不应当被用来将本发
明的范围全部限制在以单模操作的激光器。相反，在此引用单模激光器或配置成 用于单模光发射的激光器应当仅用来暗示根据本发明构思的激光器，以可在其中
辨别出宽或窄带宽的单模的输出光谱为特征，或者以可从中通过适当的滤波器或 其它方式区别出单模的输出光谱为特征。
可以设想，应当对驱动持续时间tD和恢复持续时间^的相对大小进行控制， 以便在确保适当的波长恢复的同时保持最佳程度的激光器效率。例如，根据本发 明的一个方面，驱动信号的至少约80%的占空因数被驱动持续时间b占据，并 且该驱动信号的小于约20%的占空因数由恢复持续时间^占据。在许多情况中， 确保恢复持续时间k小于IO纳秒，或许短于约5纳秒就足够了。还设想了其中 驱动信号的至少约95%的占空因数被驱动持续时间tD占据、而小于约5%的占空 因数被恢复持续时间tR占据的控制方案。在控制驱动信号的电路反应足够灵敏的 情况下，设想驱动信号的至少约95%的占空因数被驱动持续时间b占据、而小 于约2.5%的占空因数被恢复持续时间tR占据的足够控制方案。
在激光器投影系统的情况下建立驱动持续时间tD、恢复持续时间tR的相应 值时，需要说明附加的考虑。例如，且不是为了限制，图2中所示的激光器投影 系统包括图像源(S)，其生成单或多色图像数据流；图像投影软件和相关联 的电子设备(S/E)，其用于为每一基本图像颜色生成激光器驱动信号；激光器 驱动器(D)，其为配置成生成每一基本图像颜色的各个激光器(LD)生成相应 激光器驱动电流；以及扫描和投影光学装置(0)，其操作以成生成包括图像像 素阵列的单或多色投影图像(I)。在此类型和其它类型的扫描激光器图像投影 系统中的每一图像像素由有效像素持续时间tp表征。例如，且不是为了限制，图 像中的像素的有效像素持续时间可以是40纳秒或更短。 一般而言，恢复持续时 间^将小于像素持续时间tP。优选地，恢复持续时间tR比像素持续时间tp至少小50%。相反，驱动持续时间tD可以根据系统设计者的偏好大于、小于、或等于像
素持续时间tp。
本领域的技术人员将认识到有效像素持续时间tp可作为扫描速度变化的结 果在图像上适当且周期性地改变。因此，所谓"由有效像素持续时间表征"的投 影系统不应当视作是指图像中的每一像素具有相同的像素持续时间。相反，可以 设想，显示器内的各个像素可具有不同的像素持续时间，像素持续时间各自落在 由有效像素持续时间tp表征的显示器的总体概念之下。
多色调图像可由图像投影系统通过配置图像投影电子设备和相应的激光器 驱动电流以便建立在图像像素的阵列上有所改变的像素强度来生成。在此情况 下，驱动电流的波长恢复部分被叠加在编码变化的像素强度的信号上。关于扫描 激光器图像投影系统的配置以及改变的像素强度在图像上生成的方式的进一步 详情超出了本发明的范围，但可从有关该主题的各种可容易获得的资料上找到。
可以想见，诸如基于空间光调制器的系统(包括数字光处理(DLP)、穿透 式LCD、以及硅基液晶(LCOS))之类的结合基于激光器的光源的其他投影系 统可从在此描述的波长稳定技术中获益。在这些其它系统中，外生于激光器的相 关周期不是像素周期而是屏幕刷新率的倒数或其分数。在这些情况下，输入激光 器的输入信号将以编码数据周期tp为特征，且驱动电流将被配置成使波长恢复部
分的恢复持续时间tR小于所述编码数据周期tP。
在本申请中通篇引用了各种类型的电流。为了描述和限定本发明，应注意此 类电流即指电流。此外，为了限定和描述本发明，应注意在此所谓之电流的"控 制"不一定意味着主动地控制电流或因变于任何基准值来控制电流。相反，可以 设想，可仅通过确立电流的大小来控制电流。
可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的 本质和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可对本发明做出 各种修改和变型而不背离本发明的精神和范围。因而，本发明旨在涵盖本发明的 所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中 即可。
例如，虽然在此所描述的控制方案涉及在施加到半导体激光器的增益段或波 长选择DBR段的驱动电流中结合进波长恢复部分，但是可以想见，在激光器操 作方案中体现本发明的波长恢复操作的方法不限于施加到激光器的仅仅这些部分的驱动电流。例如且不是为了限制，激光器可包括恢复部分，该恢复部分被配 置成在恢复信号被施加到其上时吸收光子。在此情况下，恢复部分可被用来按需
以与用于在此所述的增益和DBR段类似的方法减小光子密度。
注意，类似"优选"、"普遍"和"通常"之类的术语在本文中采用时不是旨在限 制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至比要 求保护的本发明的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出可或可不在本 发明的具体实施例中采用的替换的或附加的特征。更进一步地，应注意提及值、 参数、或变量"因变于"另一值、参数、或变量时，不应当视作意味着值、参数、 或变量因变于一个且仅一个值、参数、或变量。
为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语"显著地"来表示可归因于任 何数量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。在此还使用术语"明 显"来表示例如"明显在零之上"的定量表示不同于例如"零"的指定参考值的 程度，并且应解释为要求该定量表示以可容易辨别的量不同于所指定参考值。
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权利要求
1. 一种操作用于生成扫描激光器图像的系统的方法，所述系统包括至少一个半导体激光器，所述方法包括通过在所述图像上扫描所述半导体激光器的输出束生成扫描激光器图像，其中所扫描激光器图像包括图像像素的阵列，所述图像像素的每一个由有效像素持续时间tP表征；通过在所述半导体激光器的驱动电流中结合进波长恢复操作来使所述半导体激光器的波长波动变窄，其中所述波长恢复操作足以耗尽在所述半导体激光器的目标波长的声子密度，所述波长恢复操作被结合在所述驱动电流中以便于至少部分地独立于表示所述扫描激光器图像的数据，以及所述波长恢复操作的持续时间小于所述有效像素持续时间tP。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述驱动电流中结合所述 波长恢复操作的所述步骤包括将所述驱动电流注入所述半导体激光器的增益段；以及 将所述驱动电流配置成包括数据部分和波长恢复部分。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述驱动电流的所述波长恢 复部分包括与所述数据部分的驱动振幅lD不同的恢复振幅Ir以及小于所述数 据部分的驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述驱动电流中结合所述 波长恢复操作的所述步骤包括将所述驱动电流注入所述半导体激光器的波长选择段；以及将所述驱动电流配置成包括波长控制部分和波长恢复部分。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述驱动电流的所述波长恢 复部分包括与所述波长控制部分的驱动振幅Id不同的恢夏振幅IR以及小于所 述波长控制部分的驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。
6. —种控制半导体激光器中的激光器波长变化的方法，所述方法包括配置所述激光器用于经编码数据的单模光发射，所述光发射的至少一个参 数因变于注入到所述半导体激光器的驱动电流；将所述驱动电流配置成包括驱动部分和波长恢复部分，其中所述驱动电流 的所述驱动部分包括驱动振幅ID以及驱动持续时间tD，所述驱动电流的所述波 长恢复部分包括恢复振幅lK以及恢复持续时间tR，所述恢复振幅Ik不同于所述驱动振幅ID，所述恢复持续时间tK小于所述驱动持续时间tD，所述恢复振幅 ^和所述恢复持续时间tK至少部分地独立于所编码数据；以及利用包括所述驱动部分和所述波长恢复部分的所述驱动电流来操作所述 激光器。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，选择所述恢复振幅lK和所述 恢复持续时间tR，以使所述半导体激光器的波长波动作为所述驱动电流的所述 波长恢复部分的结果变窄。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于-所述驱动振幅Id対于在所述激光腔内在激光模式^发射激光是足够的；所述驱动振幅lD和持续时间tD足以增大所述激光模式Xo将经受显著波长变化的概率；以及所述恢复振幅^和所述恢复持续时间tK足以减小所述显著波长变化的概率。
9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体激光器被包括在 激光器投影系统内，且所述方法包括利用所述半导体激光器的输出束生成激光器图像，其中所述输出束使用由 所编码数据周期tp表征的图像信号调制；配置所述驱动电流，以使所述波长恢复部分至少部分地独立于表示所扫描 激光器图像的数据地结合在所述驱动电流中，并且以使所述恢复持续时间tR 小于所编码数据周期tP。
10. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体激光器被包括在 激光器投影系统内，且所述方法包括通过在所述图像上扫描所述半导体激光器的输出束生成扫描激光器图像， 其中所扫描激光器图像包括图像像素的阵列，所述图像像素的每一个由有效像素持续时间tp表征；配置所述驱动电流，以使所述波长恢复部分至少部分地独立于表示所扫描 激光器图像的数据地结合在所述驱动电流中，并且以使所述恢复持续时间tR 小于所述像素持续时间tp。
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，所述恢复持续时间tK小于 所述像素持续时间tP的50%。
12. 如权利要求10所述的方法，其特征在于所述图像投影电子设备被配置成使所述驱动电流在所述图像像素的阵列 上建立变化的像素强度；以及所述驱动电流的波长恢复部分被叠加在所述变化的像素强度上。
13. 如权利要求6所述的方法，其特征在于 所述半导体激光器被包括在激光器投影系统内；所述激光器投影系统包括至少一个附加的半导体激光器，被配置成在不同于所述激光模式XQ的波长的相应激光波长发射激光；所述激光器投影系统进一步包括操作成生成包括图像像素的阵列的投影 图像的图像投影电子设备以及激光器扫描和投影光学装置；以及所述方法进一步包括操作所述半导体激光器以及所述附加的激光器，以使 由此照明所述图像像素的至少 一个。
14. 如权利要求6所述的方法，其特征在于 所述驱动电流被注入所述半导体激光器的增益段；以及 所述驱动电流的所述驱动部分包括强度调制或脉宽调制的数据部分。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述增益段驱动电流的所 述数据部分和所述波长恢复部分彼此相对而言包括驱动持续时间tD相对长的 相对高的驱动振幅ID以及恢复持续时间tK相对短的相对低的恢复振幅IR。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述增益段驱动电流被配 置成使所述相对低的恢复振幅^明显在零之上。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述增益段驱动电流被配 置成使所述相对低的恢复振幅IR相对于零而言更接近于所述激光腔的阈值激 光发生电流。
18. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述相对高的驱动振幅ID 高于所述激光腔的阈值激光电流，且所述相对低的恢复振幅Ir低于所述激光腔 的所述阈值激光电流。
19. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述相对高的驱动振幅ID 在强度上有所变化。
20. 如权利要求6所述的方法，其特征在于 所述驱动电流被注入所述半导体激光器的波长选择段；以及 所述驱动电流的所述驱动部分包括波长控制部分。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于所述驱动电流的所述波长控制部分包括的驱动持续时间tD相对长的驱动 振幅Id;以及所述波长选择段驱动电流的所述波长恢复部分包括恢复持续时间tR相对 短的恢复振幅^。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述恢复振幅^与所述驱 动振幅Id充分不同，以在所述恢复持续时间tR的至少一部分上改变所述激光 模式^o的波长。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述激光模式X()的波长中 的所述变化等于至少约两个在所述激光腔内确定的激光模式的波长移动。
24. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述恢复振幅^与所述驱 动振幅ID的差异足以使所述激光腔内不发射激光。
25. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述驱动信号的至少约80% 的占空因数由所述驱动持续时间tD占据，且所述驱动信号的小于约20%的占空 因数由所述恢复持续时间tR占据。
26. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述恢复持续时间tR小于 约IO纳秒。
27. 如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述恢复持续时间k小于 约5纳秒。
28. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述驱动信号的至少约95% 的占空因数由所述驱动持续时间tD占据，且所述驱动信号的小于约5%的占空因数由所述恢复持续时间tR占据。
29. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述驱动信号的至少约97.5% 的占空因数由所述驱动持续时间tD占据，且所述驱动信号的小于约2.5%的占 空因数由所述恢复持续时间tR占据。
30. 如权利要求6所述的方法，其特征在于所述激光器被配置成用于对施加到所述激光器的增益段的数据信号进行 脉宽调制；所述脉宽的最大持续时间由所述驱动持续时间tD和所述恢复持续时间tR确定的占空因数限制。
31. 如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述脉宽的所述最大持续 时间不大于所述占空因数的约90%的持续时间。
32. 如权利要求30所述的方法，其特征在于施加到所述激光器的所述增益段的所述脉宽调制数据信号包括所述增益 段驱动电流的所述波长恢复部分；以及所述波长恢复段的所述恢复振幅IR低于所述半导体激光器的阈值激光发 生电流。
33. —种编程操作半导体激光器的激光器控制器，其中 所述激光器控制器包括激光器驱动电流输出端；所述激光器控制器被编程以在所述驱动电流输出端生成激光器驱动电流； 所述激光器驱动电流适于控制激光器的至少一个参数，所述激光器包括配置用于至少部分地响应于所述驱动电流的单模光发射； 所述激光器驱动电流包括驱动部分和波长恢复部分； 所述激光器驱动电流的所述驱动部分包括驱动振幅ID; 所述驱动电流的所述波长恢复部分包括不同于所述驱动振幅ID的恢复振幅IR以及小于驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。
34. —种激光器系统，所述激光器系统包括至少一个半导体激光器以及编 程为操作所述半导体激光器的激光器控制器，其中所述激光器控制器包括与所述半导体激光器耦合的激光器驱动电流输出4山顺；所述激光器控制器被编程以在所述驱动电流输出端生成激光器驱动电流； 所述激光器驱动电流适于控制激光器的至少一个参数，所述激光器包括配置用于基于所述驱动电流注入到所述半导体激光器的单模光发射； 所述激光器驱动电流包括驱动部分和波长恢复部分； 所述激光器驱动电流的所述驱动部分包括驱动振幅Id;以及 所述驱动电流的所述波长恢复部分包括不同于所述驱动振幅Id的恢复振幅IR以及小于驱动持续时间tD的恢复持续时间tR。
全文摘要
本发明一般地涉及半导体激光器和激光器扫描系统，尤其涉及用于控制半导体激光器中波长的方案。根据本发明一实施例，提供了一种将半导体激光器中的激光器波长变化最小化的方法。根据该方法，激光器驱动电流中的一个或多个被配置成包括驱动部分A和波长恢复部分B。驱动电流的波长恢复部分包括不同于驱动振幅I<sub>D</sub>的恢复振幅I<sub>R</sub>以及小于驱动持续时间t<sub>D</sub>的恢复持续时间t<sub>R</sub>。恢复振幅I<sub>R</sub>和持续时间t<sub>R</sub>足以恢复由恢复之前的增益压缩效应扭曲的载流子密度分布。揭示并要求保护其它实施例。
文档编号H01S5/062GK101523674SQ200780038362
公开日2009年9月2日 申请日期2007年10月11日 优先权日2006年10月16日
发明者C·-E·扎, D·A·洛伯, D·O·里基茨, J·高里尔, M·H·胡, V·巴蒂亚 申请人:康宁股份有限公司