JP2008211245A - ガス検知用波長可変型半導体レーザ及びガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い変調特性を有したレーザ光を出力する。
【解決手段】ｎ型半導体基板１１と、ｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層１７と、この活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層２２と、活性層によって生成される光のなかから特定の波長のみを選択的に発振させる回折格子を備えたガス検知用波長可変型半導体レーザ２７であって、
活性層における生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長Ｌを、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい長さである２００μｍ乃至５００μｍに設定する。さらに、ｐ型クラッド層２２は、活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層１９と高不純物ｓ濃度を有する高濃度クラッド層２０を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、出射されるレーザ光の波長が可変であるガス検知用波長可変半導体レーザ、及びこのガス検知用波長可変半導体レーザが組込まれたガス検知装置に関する。

メタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の気体は、分子の回転や構成原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収することが知られている。例えば、メタンの場合には、１．６μｍ、３．３μｍ、７μｍの波長（吸収波長）の光を吸収する。したがって、測定対象の空間に前記吸収波長を有するレーザ光を照射して、その減衰状態を測定すれば、測定対象の空間に前記特定の気体（ガス）が存在すること、及びそのガス濃度を検知することができる。

この光吸収特性を利用したガス検知装置は、例えば、図９に示すように構成されている（特許文献１参照）。半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュール１から出射されるレーザ光ａは、例えばメタン等からなる被測定ガス３を透過して受光器４へ入射される。メタンからなる被測定ガス３は、例えば、図１０に示す吸収中心波長λ₀＝１．６５３７μｍを有する吸収特性Ａを有する。

半導体レーザモジュール１に組込まれた半導体レーザは、図１１（ｂ）の波長特性Ｃに示すように、印加される駆動電流Ｉに応じて発振波長λが変化する波長可変半導体レーザである。なお、当然、この波長可変半導体レーザにおいては、発振波長λが変化するとともに、図１１（ａ）の強度特性Ｂに示すように、印加される駆動電流Ｉに応じて出射されるレーザ光ａの光強度Ｘも変化する。

レーザ駆動制御部２は、図１０に示すように、中心の電流値Ｉ₀（バイアス電流値）が、半導体レーザの発振波長λが中心波長λ₀に対応する値であり、この中心電流値Ｉ₀（バイアス電流値）を中心に、振幅Ｉ_W、変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzである変調信号ｂを半導体レーザモジュール１に組込まれた半導体レーザに印加する。その結果、半導体レーザモジュール１から、波長λが、吸収中心波長λ₀を中心に振幅λ_Wで周波数ｆ₁＝１０ｋHzで変化するレーザ光ａが出力される。

このように、吸収中心波長λ₀を中心に波長変調されたレーザ光ａは、被測定ガス３を透過する過程で吸収特性Ａに応じて吸収された後、受光器４で受光され電気信号ｃに変換されてガス検出部５へ入力される。この受光器４はレーザ光ａの波長分解能を有していないので、電気信号ｃは変調周波数のオーダの周波数成分を有する。

ガス検出部５は、入力した電気信号ｃに含まれる変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzの信号成分である基本波信号ｄ₁と、入力した電気信号ｃに含まれる変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzの２倍の周波数ｆ₂（＝２０ｋHz）の信号成分である２倍波信号ｄ₂とを抽出する。そして、この２倍波信号ｄ₂の振幅Ｄ₂と基本波信号ｄ₁の振幅Ｄ₁との比（Ｄ₂／Ｄ₁）をガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｄ₂／Ｄ₁）とする。

なお、基本波信号ｄ₁には、図１１（ａ）に示すように、強度変調に起因する大きなオフセットが生じるので、２倍波信号ｄ₂の振幅Ｄ₂と基本波信号ｄ₁の振幅Ｄ₁との比（Ｄ₂／Ｄ₁）をガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｄ₂／Ｄ₁）とすることによって、測定精度を向上させている。
特開平１１−３２６１９９号公報

しかしながら、図９に示すガス検知装置においてもまだ解消すべき次のような課題があった。

すなわち、このガス検知装置は、実際のガス管の配管工事現場でガス漏れ検出に用いたり、配管敷設後の定期検査等に用いたり、化学工場における異常検出に用いられる場合が多い。したがって、ガス検知装置としてはできるだけ小型化、高性能化、及び小電力化が望まれる。

このガス検知装置の小型化、高性能化、及び小電力化を図るためには、半導体レーザモジュール１から、被測定ガス３の図１０に示した吸収特性Ａに対応する、波長λが吸収中心波長λ₀を中心に振幅λ_Wで周波数ｆ₁＝１０ｋHzで変化するレーザ光ａが、より効率的に出射される必要がある。

しかしながら、半導体レーザモジュール１に組込まれた従来の半導体レーザにおいては、図１１（ａ）の強度特性Ｂ、図１１（ｂ）の波長特性Ｃに示すように、前述した必要な中心波長λ₀、光強度Ｘ₀を得るために、この半導体レーザに印加する変調信号ｂのバイアス電流値（電流値Ｉ₀）を大きな値に設定する必要があるので、電力消費が増大する。

また、図１１（ｂ）に示す波長特性Ｃにおいて、駆動電流Ｉを単位電流変化させた場合における発振波長（周波数）の変化の程度を周波数変調効率ηというが、この周波数変調効率ηが、例えば、０．１ＧHz／ｍＡ未満と非常に低い。したがって、波長λを、吸収中心波長λ₀を中心に振幅λ_Wで変化させるためには、この半導体レーザに印加する変調信号ｂの電流振幅Ｉ_Wが増大するので、電力消費が増大する。

さらに、図１１（ａ）の強度特性Ｂにおいて、半導体レーザから出射されるレーザ光ａの光強度Ｘは、半導体レーザに印加する変調信号ｂの電流値Ｉに完全に比例せずに、電流振幅Ｉ_Wの上限近傍においては飽和傾向になる。このように、強度特性Ｂの非線形状態が増大すると、レーザ光の変調歪みが大きくなり、検出された電気信号ｃから算出される検出値Ｄ（＝Ｄ₂／Ｄ₁）が正確にガス濃度に対応しなくて、測定精度が低下する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、波長が吸収中心波長を中心に吸収特性で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電流値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、結果として消費電力を抑制でき、さらに、レーザ光の変調歪みを低下でき、被測定ガスに対するガス検知の測定精度を大幅に向上できるガス検知用波長可変型半導体レーザ及び、このガス検知用波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置を提供することを目的とする。

上記課題を解消するために本発明は、ｎ型半導体基板と、このｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、この活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層と、活性層によって生成される光のなかから特定の波長のみを選択的に発振させる回折格子備え、活性層に電流を注入することによって特定の波長で発振すると共に、電流の大きさを変化させることによって活性層の温度を変化させて、特定の波長を変化させることのできるガス検知用波長可変型半導体レーザである。

そして、このガス検知用波長可変型半導体レーザおいては、活性層における前記生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長（Ｌ）は、単位面積当たりの電流量が増加して活性層の温度が上昇しやすい長さである２００μｍ乃至５００μｍである。

さらに、ｐ型クラッド層は、活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層純物濃度を有する高濃度クラッド層を有している。その結果、印加電流に対する波長変化度合いである周波数変調効率が高く、かつ印加電流に対する光強度変化の線形範囲が広がる。

このように構成されたガス検知用波長可変型半導体レーザにおいては、活性層における生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長Ｌは２００μｍ乃至５００μｍに設定されている。

一般に、波長可変型半導体レーザにおける活性層における生成された光の伝搬方向の長さで示される素子長Ｌが長いほど、電流が印加される電極の面積、活性層の面積が大きくなるので、単位面積当たりの電流量が低下して、波長可変型半導体レーザの活性層の温度が上昇しにくい。すなわち、印加電流を変化して発熱を変更させようとしても温度変化が少ない。その結果、印加電流に対する波長変化度合いを示す周波数変調効率ηは低い。

逆に、素子長Ｌを短くすると、電流が印加される電極の面積、活性層の面積が小さくなるので、単位面積当たりの電流量が増加して、波長可変型半導体レーザの活性層の温度が上昇しやすい。すなわち、印加電流を変化して発熱を変更させると、簡単に活性層の温度が変化し、発振波長λが変化する。その結果、印加電流に対する波長変化度合いを示す周波数変調効率ηは高くなる。

よって、波長が吸収中心波長を中心に吸収特性で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電流値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、消費電力を低減化できる。
発明者の実験結果によると、図４に示すように、前記素子長Ｌは２００μｍ乃至５００μｍが最適であることが実証された。なお、図４に示した実験結果は活性層幅が２．２μｍの素子を用いて得られた。

さらに、活性層の上方に位置するｐ型クラッド層は、活性層側から順番に、低濃度クラッド層、高濃度クラッド層で構成している。

すなわち、一般的に、半導体レーザにおいて、高出力化を図るための一つの手法として、活性層へ注入されたキャリア（電子と正孔）を高い確率で発光再結合させることが重要である。そのためには、クラッド層のｐ型ドーパントにより活性層からあふれるキャリアをブロックし、活性層へのキャリア閉じ込めを強くすることが望ましい。

そこで、活性層の上方に位置するｐ型クラッド層を上述した構成とすることにより、活性層からあふれる電子（キャリア）を高濃度ｐ型クラッド層でブロック可能である。さらに、高濃度ｐ型クラッド層からのＺｎ等の不純物の拡散が低濃度ｐ型クラッド層でとまり、活性層まで達しない。

その結果、十分なキャリアブロックを行いつつ、この半導体レーザの製造時に注入されたｐ型ドーパントの活性層への拡散を防止し、高発光効率、高出力を得ることができる。よって、図１１（ａ）に示した強度特性Ｂの非線形状態が改善され、出射されるレーザ光の変調歪が低下する。よって、このガス検知用波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置の検出精度を向上できる。

また別の発明は、上述したガス検知用波長可変型半導体レーザにおいて、活性層における前記生成された光の伝搬方向と直交し、かつ基板に平行な方向の長さを示す活性層幅（Ｗ）は、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい幅である１μｍ乃至２μｍである。

さらに、ｐ型クラッド層は、活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層純物濃度を有する高濃度クラッド層を有している。その結果、印加電流に対する波長変化度合いである周波数変調効率が高く、かつ印加電流に対する光強度変化の線形範囲が広がる。

このように構成されたガス検知用波長可変型半導体レーザにおいては、活性層における生成された光の伝搬方向と直交する方向の長さを示す活性層幅Ｗは１μｍ乃至２μｍに設定している。この活性層の幅Ｗにおいても、前述した素子長Ｌと同様に、活性層幅Ｗが狭いほど、電流が印加される活性層の面積が小さくなるので、単位面積当たりの電流量が増加して、波長可変型半導体レーザの活性層の温度が上昇しやすい。すなわち、印加電流を変化して発熱を変更させると、簡単に活性層の温度が変化し、発振波長λが変化する。その結果、印加電流に対する波長変化度合いを示す周波数変調効率ηは高くなる。

発明者の実験結果によると、図５に示すように、前記活性層幅Ｗは１μｍ乃至２μｍが最適であることが実証された。なお、図５に示した実験結果は素子長が６００μｍの素子を用いて得られた。

したがって、先の発明のガス検知用波長可変型半導体レーザとほぼ同じ効果を奏することが可能である。

さらに別の発明は、上述した発明のガス検知用波長可変型半導体レーザにおいて、素子長Ｌを２００μｍ乃至５００μｍに設定すると共に、活性層幅Ｗを１μｍ乃至２μｍに設定している。したがって、上述した各発明を相乗した作用効果を奏することができる。

さらに別の発明は、所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュールと、この半導体レーザモジュールから出射されて被測定ガスを透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、この受光器から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検知部とを備えたガス検知装置において、半導体レーザモジュールに組込まれた半導体レーザに、上述した各発明のガス検知用波長可変型半導体レーザを採用している。

このように構成されたガス検知用波長可変型半導体レーザ、及びこのガス検知用波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置においては、波長が吸収中心波長を中心に吸収特性で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電流値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、結果として消費電力を抑制でき、さらに、出射されるレーザ光の変調歪みを低下でき、被測定ガスに対するガス検知の測定精度を大幅に向上できる。

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わるガス検知用波長可変型半導体レーザ（以下、本明細書においては、単に波長可変型半導体レーザと表記する。）を光の伝搬方向に沿って切断した断面図である。図２は図１の波長可変型半導体レーザをＡ―Ａ’線で切断した場合の断面図である。この第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７は、分布帰還型（Distributed Feedback ＤＦＢ）半導体レーザで形成されている。

ｎ型InPからなるｎ型半導体基板１１の上面に、ｎ型InGaAsPからなる回折格子層１２が形成されている。回折格子層１２は、複数の格子１３と格子相互間に存在する複数の隙間１４と有する回折格子１５で構成されている。この回折格子層１２の上方に、それぞれ適当な組成のInGaAsPからなる、下側ＳＣＨ層１６、ＭＱＷ層からなる活性層１７、上側ＳＣＨ層１８が形成されている。この上側ＳＣＨ層１８の上面には、ｐ型InPからなるｐ型クラッド層２２が形成されている。

このｐ型クラッド層２２は、上側ＳＣＨ層１８側から、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層１９と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層２０とを含んでいる。高濃度クラッド層２０によって活性層１７からのキャリアをブロックすると同時に、低濃度クラッド層１９によって不純物であるＺｎが活性層１７へ拡散することを防いでいる。

これらの効果を得るために、高濃度クラッド層２０の濃度はピーク値で８×１０¹⁷／ｃｍ³以上が望ましく、低濃度クラッド層１９の濃度はアンドープか４×１０¹⁷／ｃｍ³以下で３０ｎｍ乃至７０ｎｍ程度の厚さを有することが望ましい。

低濃度クラッド層１９の厚さを３０ｎｍより薄くすると、不純物としてＺｎを用いた場合、活性層１７まで拡散してしまって発光特性が悪くなり、一方、７０ｎｍより厚くすると、低濃度クラッド層１９にキャリアが溜まってしまってキャリアブロックの効果が得られないためである。

さらに、高濃度クラッド層２０の機能は活性層１７からあふれでたキャリアのブロックであることから、この高濃度クラッド層２０が通常数μｍの厚さを有するクラッド層の全体に亘っている必要はなく、高濃度クラッド層２０の上側を低濃度と高濃度の中間的な濃度を有する中濃度クラッド層２１とすることもできる。

高濃度クラッド層２０の厚さとしては３０ｎｍ以上あれば拡散によって濃度が低減してもピーク値を７×１０¹⁷／ｃｍ³以上とすることができる。一方、中濃度クラッド層２１の濃度は５×１０¹⁷／ｃｍ³乃至７×１０¹⁷／ｃｍ³が望ましい。中濃度クラッド層２１の濃度が低すぎると電気抵抗が増大して過剰な発熱を引き起こし、素子の特性が劣化する。逆に、濃度が高すぎると価電子帯間吸収の増大によって光の損失が増大してしまい、高出力動作に不利となるためである。

以下、本実施形態では、ｐ型クラッド層２２として上側ＳＣＨ層１８側から順に低濃度クラッド層１９、高濃度クラッド暦２０、中濃度クラッド層２１を有する構造について述べる。

図３はｐ型クラッド層２２におけるＺｎをｐ型不純物とする不純物濃度分布を示す図である。低濃度クラッド層１９の不純物濃度はアンドープ又は３×１０¹⁷／cm³程度である。高濃度クラッド層２０の不純物濃度は１×１０¹⁸／cm³程度である。さらに、中濃度クラッド層２１の不純物濃度は５×１０¹⁷／cm³程度である。

ｐ型クラッド層２２の上面に、ｐ型InGaAsからなるコンタクト層（図示せず）を介して、ｐ電極２３が取付けられ、ｎ型半導体基板１１の下面にはｎ電極２４が取付けられている。
なお、この波長可変型半導体レーザ２７の光の伝搬方向の素子長Ｌは３００μｍである。

図２の断面図に示すように、ｎ型半導体基板１１の上部、回折格子層１２、下側ＳＣＨ層１６、活性層１７、上側ＳＣＨ層１８、ｐ型クラッド層２２の一部はメサ型に形成されている。そして、メサの両側には、下側から、ｐ型InPからなるｐ型埋込層２５、ｎ型InPからなるｎ型埋込層２６が形成されている。
なお、この波長可変型半導体レーザ２７の光の伝搬方向と直交する方向の活性層１７の活性層幅Ｗは１．５μｍに設定されている。

このように構成された第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７において、ｐ電極２３とｎ電極２４との間に駆動電流Ｉを印加すると、活性層１７は多波長を有する光を放出するが、この波長を有する光のうち、回折格子層１２の周期と等価屈折率と温度とで定まる単一波長λを有した光が選択されてこの波長可変型半導体レーザから、レーザ光ａとして出力される。

次に、このように構成された第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７の特徴を説明する。
第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７と同一構造で、素子長Ｌのみが異なる複数種類の半導体レーザを作成して、各半導体レーザにおける前述した周波数変調効率ηを測定した。図４は、素子長Ｌと周波数変調効率ηとの関係を示す特性図である。この波長可変型半導体レーザ２７をガス分析装置のレーザ光源に用いた場合に、消費電力等やレーザ光の変調歪み等から必要な周波数変調効率ηとしては、０．１ＧHz／ｍＡ以上である。また、２００μｍ未満の素子長Ｌの半導体レーザを安定的に製造することは現在の製造技術水準では非常に煩雑で困難であるうえ、出力が低下してくる。したがって、波長可変型半導体レーザ２７の素子長Ｌは２００μｍ〜５００μｍが最適範囲である。

なお、従来の一般の半導体レーザにおいては、出射するレーザ光を波長変調する必要はないので、周波数変調効率ηを考慮することはなく、出力を最大にするために、発熱を考慮して、素子長Ｌは６００μｍ以上に設定されていた。

このように、素子長Ｌを、従来の半導体レーザより短い、２００μｍ〜５００μｍに設定しているので、十分な周波数変調効率ηを確保でき、前述したように、波長λが吸収中心波長λ₀を中心に被測定ガスの吸収特性Ａで定まる振幅λ_Wで変化するレーザ光ａを得るために印加すべき変調信号ｂのバイアス電流値Ｉ₀を低く設定でき、かつ変調信号ｂの電流振幅Ｉ_Wを小さく設定でき、消費電力を低減化できる。

さらに、第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７と同一構造で、活性層幅Ｗのみが異なる複数種類の半導体レーザを作成して、各半導体レーザにおける前述した周波数変調効率ηを測定した。図５は、活性層幅Ｗと周波数変調効率ηとの関係を示す特性図である。前述したように、周波数変調効率ηとしては、０．１ＧHz／ｍＡ以上が必要である。また、１μｍ未満の活性層幅Ｗの半導体レーザを安定的に製造することは現在の製造技術水準では非常に煩雑で困難である。したがって、波長可変型半導体レーザ２７の活性層幅Ｗは１μｍ〜２μｍが最適範囲である。

なお、従来の一般の半導体レーザにおいては、出射するレーザ光を波長変調する必要はないので、周波数変調効率ηを考慮することはなく、発熱を考慮し、高出力を優先して、活性層幅Ｗは２μｍ以上に設定されていた。

このように、活性層幅Ｗを、従来の半導体レーザより短い、１μｍ〜２μｍに設定しているので、十分な周波数変調効率ηを確保でき、前述したように、波長λが吸収中心波長λ₀を中心に被測定ガスの吸収特性Ａで定まる振幅λ_Wで変化するレーザ光ａを得るために印加すべき変調信号ｂのバイアス電流値Ｉ₀を低く設定でき、かつ変調信号ｂの電流振幅Ｉ_Wを小さく設定でき、消費電力を低減化できる。

さらに、この第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７においては、活性層１７の上方に位置するｐ型クラッド層２２を、活性層１７側から、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層１９、高不純物濃度を有する高濃度クラッド層２０、及びｐ型クラッド層２２内での正孔による光の吸収を抑えるための中不純物濃度を有する中濃度クラッド層２１で構成している。

このようにｐ型クラッド層２２を、不純物濃度が異なる複数の層１９、２０、２１で構成することによって、前述したように、活性層１７からあふれるキャリアに対して十分なキャリアブロックを行いつつ、ｐ型ドーパントの活性層１７への拡散を防止し、かつｐ型クラッド層２２での光吸収を最小限に抑えて高発光効率、高出力を得ることができる。よって、図１１（ａ）に示した強度特性Ｂの非線形状態が改善され、出射されるレーザ光の変調歪が低下する。よって、この波長可変型半導体レーザ２７が組込まれたガス検知装置の検出精度を向上できる。

図６は、上述した素子長Ｌ及び活性幅Ｗを短縮した効果、及びｐ型クラッド層２２に高濃度クラッド層２０を設けた効果を示す波長可変型半導体レーザ２７の特性図である。

図６（ａ）に従来の半導体レーザの強度特性Ｂ及び波長特性Ｃを示す。図６（ｂ）に素子長Ｌ及び活性幅Ｗを３００μｍ及び１．５μｍに短縮した状態の波長可変型半導体レーザの強度特性Ｂ₁及び波長特性Ｃ₁を示す。この強度特性Ｂ₁及び波長特性Ｃ₁によれば、出射される波長変調されたレーザ光ａに必要な中心波長λ₀、光強度Ｘ₀を得るために、この波長可変型半導体レーザに印加する変調信号ｂのバイアス電流値（電流値Ｉ₀₁）を、図６（ａ）に示す従来の半導体レーザのバイアス電流値（電流値Ｉ₀）に比較して、大幅に低下できる。したがって、電力消費が低減する。

さらに、出射される波長変調されたレーザ光ａに必要な振幅λ_Wを得るために、この波長可変型半導体レーザに印加する変調信号ｂの振幅Ｉ_W1を、図６（ａ）に示す従来の半導体レーザの振幅Ｉ_Wに比較して、大幅に低下できる。したがって、電力消費がさらに低減する。

図６（ｃ）は、素子長Ｌ及び活性幅Ｗを３００μｍ及び１．５μｍに短縮し、さらに、ｐ型クラッド層２２に高濃度クラッド層２０を設けた状態の波長可変型半導体レーザ２７の強度特性Ｂ₂及び波長特性Ｃ₁を示す。この強度特性Ｂ₂においては、図６（ａ）に示す従来の半導体レーザの強度特性Ｂ、及び図６（ｂ）に示す波長可変型半導体レーザの強度特性Ｂ₁に比較して、非線形状態が大幅に改良される。よって、出射されるレーザ光ａの変調歪が低下する。その結果、この波長可変型半導体レーザ２７が組込まれたガス検知装置の検出精度を向上できる。

（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態に係わるガス検知装置の概略構成を示す模式図である。図９に示す従来のガス検知装置と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。このガス検知装置には、第１実施形態の波長可変型半導体レーザ２７が組込まれている。

波長可変型半導体レーザ２７が組込まれた半導体レーザモジュール１ａから出射されるレーザ光ａは、例えばメタン等からなる被測定ガス３を透過して受光器４へ入射される。メタンからなる被測定ガス３は、例えば、図１０に示す吸収中心波長λ₀＝１．６５３７μｍを有する吸収特性Ａを有する。レーザ駆動制御部２ａは半導体レーザモジュール１ａに組込まれた波長可変型半導体レーザ２７に対して変調信号ｂを送出する。

図８は半導体レーザモジュール１ａ及びレーザ駆動制御部２ａの概略構成を示す図である。

波長可変型半導体レーザ２７はペルチェ素子３１にて温度制御される。波長可変型半導体レーザ２７の一方の出射端から出射されたレーザ光ａは、集光レンズ２９、保護ガラス３０を介してこの半導体レーザモジュール１ａの外部へ出力されて、被測定ガス３へ入射される。波長可変型半導体レーザ２７の他方の出射端から出射されたレーザ光は、集光レンズ３２で平行光に変換されたのち被測定ガス３と同一のメタンガスを参照ガスとして封入した参照ガスセル３３を透過して、受光器３４へ入射される。受光器３４は入射したレーザ光の強度を電気（電流）信号に変換して、レーザ駆動制御部２ａ内の電流電圧変換器３５へ入力する。

レーザ駆動制御部２ａは、電流電圧変換器３５と、基本波信号増幅器３６と、信号微分検出器３７と、波長安定化制御回路３８と、温度安定化ＰＩＤ回路３９と、レーザ駆動回路４０とで構成されている。

電流電圧変換器３５は、受光器３４の電気信号を電圧に変換する。基本波信号増幅器３６は、電流電圧変換器３５で変換された電圧を増幅する。信号微分検出器３７は、基本波信号増幅器３６で増幅された電圧波形を微分し、参照ガスの吸収中心波長λ₀からのずれ信号を生成する。

波長安定化制御回路３８は波長可変型半導体レーザ２７の発光波長λを参照ガスの吸収中心波長λ₀に安定化させる制御を行う。すなわち信号微分検出器３７からのずれ信号を波長可変型半導体レーザ２７の温度に変換し温度安定化ＰＩＤ回路３９に出力するとともに、そのずれ信号に基づき制御信号をレーザ駆動回路４０に対して出力する。

温度安定化ＰＩＤ回路３９はペルチェ素子３１を制御する。すなわち、温度安定化ＰＩＤ回路３９は、波長安定化制御回路３８からの温度信号に従って波長可変型半導体レーザ２７が所望の波長で発振する温度となるようＰＩＤ制御を行い、波長可変型半導体レーザ２７の温度を一定温度に安定に保持する。

レーザ駆動回路４０は、中心の電流値Ｉ₀₁（バイアス電流値）が、波長可変型半導体レーザ２７の発振波長λが参照ガス（被測定ガス３）の吸収特性Ａの吸収中心波長λ₀に対応する値であり、この中心電流値Ｉ₀₁（バイアス電流値）を中心に、振幅Ｉ_W、変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzである変調信号ｂを半導体レーザモジュール１ａに組込まれた波長可変型半導体レーザ２７に印加する。その結果、半導体レーザモジュール１ａから、波長λが、吸収中心波長λ₀を中心に振幅λ_Wで周波数ｆ₁＝１０ｋHzで変化するレーザ光ａが出力される。なお、レーザ駆動回路４０は、波長安定化制御回路３８からの温度信号に従って中心電流値Ｉ₀₁（バイアス電流値）を、出力されるレーザ光ａにおける上述した波長特性が得られるように制御する。

このように、被測定ガス３と同一のメタンガスを封入した参照ガスセル３３に波長可変型半導体レーザ２７から出射されるレーザ光を透過させて、このレーザ光の中心波長が参照ガス（被測定ガス３）の吸収特性Ａの吸収中心波長λ₀に一致するように、波長可変型半導体レーザ２７の温度と、波長可変型半導体レーザ２７に印加する変調信号ｂの中心電流値Ｉ₀₁（バイアス電流値）とが自動制御される。

図７において、半導体レーザモジュール１ａから出力された吸収中心波長λ₀を中心に波長変調されたレーザ光ａは、被測定ガス３を透過する過程で吸収特性Ａに応じて吸収された後、受光器４で受光され電気（電流）信号ｃに変換されてガス検出部５へ入力される。この受光器４はレーザ光ａの波長分解能を有していないので、電気（電流）信号ｃは変調周波数のオーダの周波数成分を有する。

ガス検出部５は、電流電圧変換器４１と、基本波信号検出器４２と、２倍波信号検出器４３と、割算器４４とで構成されている。電流電圧変換器４１は入力した電流の電気（電流）信号ｃを電圧の電気信号ｃに変換して、基本波信号検出器４２及び２倍波信号検出器４３へ送出する。

基本波信号検出器４２は、入力した電気信号ｃに含まれる変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzの信号成分である基本波信号ｄ₁を抽出して割算器４４へ送出する。２倍波信号検出器４３は、入力した電気信号ｃに含まれる変調周波数ｆ₁＝１０ｋHzの２倍の周波数ｆ₂（＝２０ｋHz）の信号成分である２倍波信号ｄ₂を抽出して割算器４４へ送出する。割算器４４は、２倍波信号ｄ₂の振幅Ｄ₂と基本波信号ｄ₁の振幅Ｄ₁との比（Ｄ₂／Ｄ₁）を算出して、この算出した比（Ｄ₂／Ｄ₁）をこのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｄ₂／Ｄ₁）として出力する。

このように構成されたガス検出装置においては、被測定ガス３に入射するレーザ光ａを出射する半導体レーザモジュール１ａに組込む半導体レーザとして、素子長Ｌ及び活性幅Ｗを３００μｍ及び１．５μｍに短縮し、さらに、ｐ型クラッド層２２に高濃度クラッド層２０を設けた状態の波長可変型半導体レーザ２７を採用している。

したがって、半導体レーザモジュール１ａ及びレーザ駆動制御部２ａにおける電力消費が抑制できるとともに、被測定ガス３に入射するレーザ光ａの変調歪みが大幅に抑制されるので、前述したように、被測定ガス３に対する測定精度が大幅に向上する。

本発明は単一の電流で光出力と発振波長とを同時に制御する波長可変型半導体レーザ及びそれを用いたガス検知装置に関してなされたものである。したがって、具体的な半導体レーザの構造としては、分布帰還型（ＤＦＢ）、分布反射型（ＤＲ）、分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）、部分回折格子型（ＰＣ）、外部共振型（ＥＣ）等が採用できる。

基板及び材料系については、本実施形態においては、InP基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料のみを採用したが、これらに限定されるものではなく、GaN系、GaAs系なども採用可能である。

本発明の第１実施形態に係わる波長可変型半導体レーザを光の伝搬方向に沿って切断した断面図 同波長可変型半導体レーザをＡ―Ａ’線で切断した場合の断面図 同波長可変型半導体レーザにおけるｐ型クラッド層におけ不純物濃度分布を示す図 波長可変型半導体レーザにおける素子長Ｌと周波数変調効率ηとの関係を示す図 波長可変型半導体レーザにおける活性層幅Ｗと周波数変調効率ηとの関係を示す図 実施形態波長可変型半導体レーザの特性と従来の半導体レーザの特性との比較を示す図 本発明の第２実施形態に係わるガス検知装置の概略構成を示す模式図 同ガス検知装置に組込まれた半導体レーザモジュール及びレーザ駆動制御部の概略構成を示す図 従来のガス検知装置の概略構成を示す模式図 被測定ガスの吸収特性と変調信号との関係を示す図 従来のガス検知装置に組込まれた半導体レーザの特性を示す図

符号の説明

１，１ａ…半導体レーザモジュール、２，２ａ…レーザ駆動制御部、３…被測定ガス、４，３４…受光器、５…ガス検出部、１１…ｎ型半導体基板、１２…回折格子層、１５…回折格子、１６…下側ＳＣＨ層、１７…活性層、１８…上側ＳＣＨ層、１９…低濃度クラッド層、２０…高濃度クラッド層、２１…中濃度クラッド層、２２…ｐ型クラッド層、２５…ｐ型埋込層、２６…ｎ型埋込層、２７…波長可変型半導体レーザ、３１…ペルチェ素子、３３…参照ガスセル、３６…基本波信号増幅器、３７…信号微分検出器、３８…波長安定化制御回路、３９…温度安定化ＰＩＤ回路、４０…レーザ駆動回路、４２…基本波信号検出器、４３…２倍波信号検出器、４４…割算器

Claims (4)

1. ｎ型半導体基板（１１）と、このｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層（１７）と、この活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層（２２）と、前記活性層によって生成される光のなかから特定の波長のみを選択的に発振させる回折格子（１５）を備え、前記活性層に電流を注入することによって前記特定の波長で発振すると共に、前記電流の大きさを変化させることによって前記活性層の温度を変化させて、前記特定の波長を変化させることのできるガス検知用波長可変型半導体レーザ（２７）であって、
   前記活性層における前記生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長（Ｌ）は、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい長さである２００μｍ乃至５００μｍであり、
   前記ｐ型クラッド層（２２）は、前記活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層（１９）と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（２０）を有し、
   印加電流に対する波長変化度合いである周波数変調効率が高く、かつ前記印加電流に対する光強度変化の線形範囲が広がる
   ことを特徴とするガス検知用波長可変型半導体レーザ。
2. ｎ型半導体基板（１１）と、このｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層（１７）と、この活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層（２２）と、前記活性層によって生成される光のなかから特定の波長のみを選択的に発振させる回折格子（１５）を備え、前記活性層に電流を注入することによって前記特定の波長で発振すると共に、前記電流の大きさを変化させることによって前記活性層の温度を変化させて、前記特定の波長を変化させることのできるガス検知用波長可変型半導体レーザ（２７）であって、
   前記活性層における前記生成された光の伝搬方向と直交し、かつ基板に平行な方向の長さを示す活性層幅（Ｗ）は、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい幅である１μｍ乃至２μｍであり、
   前記ｐ型クラッド層（２２）は、前記活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層（１９）と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（２０）を有し、
   印加電流に対する波長変化度合いである周波数変調効率が高く、かつ前記印加電流に対する光強度変化の線形範囲が広がる
   ことを特徴とするガス検知用波長可変型半導体レーザ。
3. ｎ型半導体基板（１１）と、このｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層（１７）と、この活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層（２２）と、前記活性層によって生成される光のなかから特定の波長のみを選択的に発振させる回折格子（１５）を備え、前記活性層に電流を注入することによって前記特定の波長で発振すると共に、前記電流の大きさを変化させることによって前記活性層の温度を変化させて、前記特定の波長を変化させることのできるガス検知用波長可変型半導体レーザ（２７）であって、
   前記活性層における前記生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長（Ｌ）は、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい長さである２００μｍ乃至５００μｍであり、
   前記活性層における前記生成された光の伝搬方向と直交し、かつ基板に平行な方向の長さを示す活性層幅（Ｗ）は、単位面積当たりの電流量が増加して前記活性層の温度が上昇しやすい幅である１μｍ乃至２μｍであり、
   前記ｐ型クラッド層（２２）は、前記活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層（１９）と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（２０）を有し、
   印加電流に対する波長変化度合いである周波数変調効率が高く、かつ前記印加電流に対する光強度変化の線形範囲が広がる
   ことを特徴とするガス検知用波長可変型半導体レーザ。
4. 所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュール（１ａ）と、この半導体レーザモジュールから出射されて被測定ガス（３）を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器（４）と、この受光器から出力された電気信号に基づいて前記被測定ガスを検知するガス検知部（５）とを備えたガス検知装置において、
   前記半導体レーザモジュールに組込まれた半導体レーザは、請求項１から３のいずれか１項記載のガス検知用波長可変型半導体レーザ（２７）である
   ことを特徴とするガス検知装置。

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