JP2010169625A - Gas detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検知対象ガスの吸収線を利用してガス検知を行うガス検知装置に関し、特に、複数のガスを高速検知可能なガス検知装置に関する。 The present invention relates to a gas detection device that performs gas detection using an absorption line of a detection target gas, and more particularly to a gas detection device that can detect a plurality of gases at high speed.
近年、環境問題に関して、地球温暖化ガスの排出削減、大気汚染物質の監視等のため、大気中の特定のガスを検知するという技術が必要とされている。 In recent years, with respect to environmental problems, a technique for detecting a specific gas in the atmosphere is required for reducing greenhouse gas emissions, monitoring air pollutants, and the like.
ガス分子はその種類に応じて特定波長の光を吸収する光吸収特性を有している。一般的にガス分子は赤外領域の電磁波を吸収する場合が多く、例えばメタンは1.6μm、3.3μm、7μmの波長の光を吸収する。したがって、測定対象の空間に特定波長のレーザ光を出射しその減衰状態を測定することにより、極めて簡便かつ迅速に検知対象ガスの有無、濃度を検知することができる。 The gas molecule has a light absorption characteristic that absorbs light of a specific wavelength according to its type. In general, gas molecules often absorb electromagnetic waves in the infrared region. For example, methane absorbs light having wavelengths of 1.6 μm, 3.3 μm, and 7 μm. Therefore, the presence and concentration of the detection target gas can be detected extremely simply and quickly by emitting laser light having a specific wavelength into the measurement target space and measuring the attenuation state.
このような光吸収特性を利用したガス検知装置は、例えば図10に示すように構成されている(例えば、特許文献1参照)。 A gas detector using such light absorption characteristics is configured as shown in FIG. 10, for example (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に開示されたガス検知装置においては、受光器131の受光素子131aが、半導体レーザモジュール120から出射され、測定雰囲気中の被測定ガス130を通り抜けたレーザ光を受光して受光電流に変換する。ガス検知部132は、受光器131で得られた受光電流を電流電圧変換器133にて電圧信号に変換する。さらに、ガス検知部132は、その電圧信号を用いて基本波信号検出器134、2倍波信号検出器135および基本波2倍波割算部136により検知対象ガスの検知を行い、最終的にガス検出信号を出力する。
In the gas detection device disclosed in
なお、被測定ガス130に出射されるレーザ光の波長を極めて急峻な検知対象ガスの吸収線に合わせるために、半導体レーザモジュール120には、検知対象ガスが封入された参照ガスセルに対する受光測定に基づいてペルチェ素子の温度を調整することにより、レーザ光の波長を安定にするレーザ光安定機構が付加されている。
In order to match the wavelength of the laser light emitted to the
しかしながら、特許文献1に開示された従来のガス検知装置は、レーザ光安定機構が参照ガスセルを一つしか有さないため、一種類の検知対象ガスしか検知することができなかった。
However, the conventional gas detection device disclosed in
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができるガス検知装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a gas detection device capable of detecting a plurality of detection target gases contained in a measurement atmosphere. .
本発明のガス検知装置は、検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子と、前記波長変調されたレーザ光を、測定すべき検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って前記波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段とを有し、当該波長掃引されたレーザ光を該検知対象ガスを含む測定雰囲気中に出射する光源部と、前記光源部からのレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光し、該受光されたレーザ光に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部からの前記信号に基づいて前記測定雰囲気中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部と、を備える構成を有している。 The gas detector of the present invention includes a semiconductor light emitting element that emits laser light that is wavelength-modulated with a predetermined wavelength width so as to straddle the line width of an absorption line for identifying a detection target gas, and the wavelength-modulated laser. Sweeping means for sweeping light at a sweep speed slower than the modulation speed of the wavelength modulation over a wavelength range including an absorption line of a gas to be detected to be measured, and detecting the laser light swept by the wavelength A light source unit that emits into the measurement atmosphere containing the target gas, and a laser beam that passes through the measurement atmosphere as the laser beam is emitted from the light source unit is received as measurement light, and the laser beam that corresponds to the received laser beam A light receiving unit that outputs a signal; and a gas detection unit that measures the concentration of the detection target gas in the measurement atmosphere based on the signal from the light receiving unit and outputs the measurement data. Yes.
この構成により、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。 With this configuration, it is possible to detect a plurality of detection target gases contained in the measurement atmosphere.
本発明のガス検知装置は、前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段と、前記波長認識手段によって認識された波長が前記吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合に前記ガス検知部に前記受光部からの前記信号を出力し、前記波長認識手段によって認識された波長が前記波長範囲外の波長である場合に前記ガス検知部への該信号の入力を遮断する信号スイッチと、をさらに備える構成を有している。 The gas detection apparatus of the present invention recognizes the wavelength of the laser light of the semiconductor light emitting element swept by the sweeping means, and outputs a signal corresponding to the recognized wavelength, and the wavelength recognition means When the wavelength recognized by is a wavelength within a predetermined wavelength range for each absorption line, the signal from the light receiving unit is output to the gas detecting unit, and the wavelength recognized by the wavelength recognizing unit is And a signal switch that cuts off the input of the signal to the gas detector when the wavelength is out of the wavelength range.
この構成により、測定雰囲気中に多数のガスが混在していても、測定雰囲気中の各ガスの種類および濃度を容易に特定することができる。 With this configuration, even if a large number of gases are mixed in the measurement atmosphere, the type and concentration of each gas in the measurement atmosphere can be easily specified.
本発明のガス検知装置は、前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段と、前記波長認識手段によって認識された波長と前記ガス検知部から出力された前記測定データとを関連付けて記憶する記憶部と、をさらに備える構成を有している。 The gas detection apparatus of the present invention recognizes the wavelength of the laser light of the semiconductor light emitting element swept by the sweeping means, and outputs a signal corresponding to the recognized wavelength, and the wavelength recognition means And a storage unit that stores the wavelength recognized by the measurement unit and the measurement data output from the gas detection unit in association with each other.
この構成により、掃引手段によって掃引される波長範囲に含まれるすべての被測定ガスを検知することができる。 With this configuration, it is possible to detect all measured gases included in the wavelength range swept by the sweep means.
本発明のガス検知装置は、前記光源部が、前記半導体発光素子が、2つの端面のうちの一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低く形成されてなり、前記掃引手段が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラーとを含んでなり、前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体発光素子の前記一方の端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記レーザ光を波長掃引するリトマン型の波長掃引光源でなる構成を有している。 In the gas detection device of the present invention, the light source unit is configured such that the semiconductor light emitting element is formed such that the reflectance of one of the two end surfaces is lower than the reflectance of the other end surface, and the sweep means includes: A diffraction grating that diffracts the light emitted from the one end face of the semiconductor light emitting element, and a rotatable rotating mirror that reflects the light diffracted by the diffraction grating and re-enters the diffraction grating through a reverse optical path. The diffraction grating diffracts the re-incident light and returns it to the one end face of the semiconductor light emitting element, and sweeps the wavelength of the laser light by the rotation of the rotating mirror. The wavelength sweeping light source is used.
この構成により、測定雰囲気中に出射するためのレーザ光を波長掃引することにより、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。 With this configuration, a plurality of detection target gases contained in the measurement atmosphere can be detected by sweeping the wavelength of the laser light emitted in the measurement atmosphere.
また、本発明のガス検知装置は、前記光源部が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を平行光に変換し、該平行光を前記回折格子に出射するコリメートレンズと、前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とではさまれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラーと、をさらに備え、前記半導体発光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる2つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、前記半導体発光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離r、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離L2、前記半導体発光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長L3、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長L4および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、r=(L3+L4−L2)/sin αの関係が成り立つ構成を有している。 Further, in the gas detection device of the present invention, the light source unit converts the light emitted from the one end face of the semiconductor light emitting element into parallel light, and emits the parallel light to the diffraction grating, and A space sandwiched between a plane extending the reflecting surface of the rotating mirror and a plane extending the diffraction surface of the diffraction grating toward the rotation center position of the rotating mirror, and a predetermined incident position of the diffraction grating and the A fixed mirror disposed at a position between the rotation center position of the rotation mirror and reflecting the parallel light emitted from the collimator lens toward a predetermined incident position of the diffraction grating; An element and the collimating lens are arranged on a space side including the diffraction grating in two spaces separated by a plane obtained by extending a reflection surface of the rotating mirror, and the diffraction grating is connected to the semiconductor light emitting element. The optical path up to the rotation mirror is non-intersecting with respect to the rotation mirror, a distance r from the rotation center position to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, and a plane obtained by extending the reflection surface from the rotation center position L2, the optical path length L3 from the effective resonance end face of the semiconductor light emitting element to the fixed mirror, the optical path length L4 from the fixed mirror to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, and the diffraction grating to the diffraction grating The relationship of r = (L3 + L4-L2) / sin α is established between the incident angle α and the light incident angle α.
この構成により、回動ミラーの構成が単純であるとともにr=(L3+L4−L2)/sin αの関係が成り立つことにより、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する高速な連続波長掃引を行うことができる。 With this configuration, the configuration of the rotating mirror is simple and the relationship r = (L3 + L4-L2) / sin α is established, so that high-speed continuous wavelength sweeping with respect to the emitted light of the semiconductor light-emitting element is performed without mode hopping. Can do.
また、本発明のガス検知装置は、前記光源部が発光素子駆動部をさらに有し、前記半導体発光素子は、半導体基板上に、活性層を含み、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域と、前記活性層と光学的に結合された導波路層を含み、前記発光領域によって発された光の位相を変化させる位相調整領域とが光軸方向に形成されてなり、前記発光素子駆動部により、光を発するための電流が前記発光領域に印加されるとともに、前記レーザ光の波長を変調するための変調電流が前記位相調整領域に印加される構成を有している。 In the gas detection device of the present invention, the light source unit further includes a light emitting element driving unit, and the semiconductor light emitting element includes an active layer on a semiconductor substrate and emits light upon receiving current injection to emit the light. A light emitting region that propagates along the active layer, and a phase adjustment region that includes a waveguide layer optically coupled to the active layer and changes a phase of light emitted by the light emitting region, are arranged in the optical axis direction. The light emitting element driving unit is configured so that a current for emitting light is applied to the light emitting region and a modulation current for modulating the wavelength of the laser light is applied to the phase adjusting region. have.
この構成により、半導体発光素子の出射光の光強度が変調電流によって変化しないため、変調歪みを抑制し、検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。 With this configuration, since the light intensity of the emitted light from the semiconductor light emitting element does not change depending on the modulation current, modulation distortion can be suppressed and the detection sensitivity of the detection target gas can be improved.
また、本発明のガス検知装置は、前記半導体発光素子は、前記半導体基板が、n型半導体基板でなり、前記発光領域が、前記n型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第1p型クラッド層とを有してなり、前記位相調整領域が、前記n型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第2p型クラッド層とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化するようになっており、前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成した構成を有していてもよい。 In the gas detection device of the present invention, the semiconductor light emitting element includes the active layer in which the semiconductor substrate is an n-type semiconductor substrate and the light emitting region is formed on the n-type semiconductor substrate, A first p-type cladding layer stacked on the active layer, wherein the phase adjustment region has an energy gap larger than the energy of the light on the n-type semiconductor substrate, and the light emitting region A waveguide layer optically coupled to the active layer; and a second p-type cladding layer stacked on the waveguide layer, the refractive index of the light from the light emitting region depending on the injection current The doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the phase adjustment region has a maximum value within a predetermined distance from the upper end of the waveguide layer. Having a structure formed as It can have.
また、本発明のガス検知装置は、前記所定距離の範囲が25〜150nmであってもよい。 In the gas detection device of the present invention, the range of the predetermined distance may be 25 to 150 nm.
また、本発明のガス検知装置は、前記発光領域の第1p型クラッド層と前記位相調整領域の第2p型クラッド層の上に第3p型クラッド層が形成され、該第3p型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝が形成されていてもよい。 In the gas detection device of the present invention, a third p-type cladding layer is formed on the first p-type cladding layer in the light emitting region and the second p-type cladding layer in the phase adjustment region, and the third p-type cladding layer includes the third p-type cladding layer. A separation groove having a predetermined width may be formed at a boundary portion between the light emitting region and the phase adjustment region.
また、本発明のガス検知装置は、前記第3p型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲に設定された構成を有している。 In the gas detector of the present invention, the doping concentration at the end point in the thickness direction of the third p-type cladding layer is larger than the doping concentration at the start point in the thickness direction, and 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to It has the structure set to the range of 2.5 * 10 < 18 > (/ cm < 3 >).
この構成により、発光領域の膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減できるため、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する連続波長掃引を行うことができる。 With this configuration, the waveguide loss can be reduced without increasing the series resistance in the film thickness direction of the light emitting region, and therefore, continuous wavelength sweeping with respect to the emitted light of the semiconductor light emitting element can be performed in a mode hop free manner.
本発明は、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができるという効果を有するガス検知装置を提供するものである。 The present invention provides a gas detection device having an effect of being able to detect a plurality of detection target gases contained in a measurement atmosphere.
以下、本発明に係るガス検知装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係るガス検知装置の第1の実施形態の構成を示すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of a gas detection device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a first embodiment of a gas detection device according to the present invention.
即ち、図1に示すように、第1の実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子10と、波長変調されたレーザ光を、測定すべき検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段(コリメートレンズ11、回折格子12、回動ミラー13)とを有し、波長掃引されたレーザ光を検知対象ガスを含む測定雰囲気2中に出射する光源部としての波長掃引光源1と、波長掃引光源1からのレーザ光の出射に伴って測定雰囲気2を通過するレーザ光を測定光として受光し、受光されたレーザ光に応じた電流信号を出力する受光部3と、を備える。
That is, as shown in FIG. 1, the gas detection apparatus of the first embodiment emits laser light that is wavelength-modulated with a predetermined wavelength width so as to straddle the line width of the absorption line for identifying the detection target gas. A semiconductor
また、本実施形態のガス検知装置は、受光部3から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器4と、掃引手段によって波長掃引された半導体発光素子10のレーザ光の波長を認識し、認識された波長に応じた波長情報信号を出力する波長認識手段としての波長検出部6と、電流電圧変換器4からの電圧信号を用いて測定雰囲気2中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部5と、を備える。
Further, the gas detection device of the present embodiment is configured to change the wavelength of the laser light of the semiconductor
そして、本実施形態のガス検知装置は、波長検出部6によって検出された波長が吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合にガス検知部5に電流電圧変換器4によって変換された電圧信号を出力し、波長検出部6によって検出された波長が波長範囲外の波長である場合にガス検知部5への該電圧信号の入力を遮断する信号スイッチ7と、をさらに備える。
And the gas detection apparatus of this embodiment converts into the
波長検出部6は、例えば、波長掃引光源1から出射されたレーザ光を受けて複数の既知波長のレーザ光のみを通過(あるいは減衰)させる固定波長フィルタとその固定波長フィルタの出力光の強度を検出する受光素子とで構成される。固定波長フィルタとしてはエタロン等が使用できる。または、波長検出部6は、受光素子によって波長掃引光源1から出射されたレーザ光の光強度を検出し、既知の波長掃引光源1のレーザ光の光強度の波長依存性に基づいて、波長掃引光源1から出射されたレーザ光の波長を割り出すものであってもよい。
For example, the
信号スイッチ7は、n種(n≧1)の検知対象ガスGi(i=1〜n)それぞれについて、検出目標とする最適吸収中心波長λiおよび吸収線の線幅に基づいて定められた検出波長幅Δλiを記憶している。なお、通常、検知対象ガスには複数の最適吸収中心波長λi(およびΔλi)があり、信号スイッチ7はそれらを記憶している。
The
図2に示すように、この吸収中心波長λiは検出波長幅Δλiを含めて、他のガスの吸収中心波長λjおよび検出波長幅Δλj(j≠i)と十分な間隔を有して離れていることが必要である。例えば、メタン(CH4)の吸収中心波長および検出波長幅としては、それぞれ1653.72nmおよび1nmを採用するとよい。 As shown in FIG. 2, the absorption center wavelength λ i has a sufficient distance from the absorption center wavelength λ j and detection wavelength width Δλ j (j ≠ i) of other gases including the detection wavelength width Δλ i. It is necessary to be away. For example, 1653.72 nm and 1 nm may be employed as the absorption center wavelength and detection wavelength width of methane (CH 4 ), respectively.
波長掃引光源1は、2つの端面10a、10bのうちの一方の端面10aの反射率が他方の端面10bの反射率より低く形成された半導体発光素子10と、半導体発光素子10の一方の端面10aから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ11と、コリメートレンズ11から出射された平行光を回折する回折格子12と、回折格子12によって回折された光を反射して逆光路で回折格子12へ再入射させる回動可能な回動ミラー13と、を備え、回折格子12がその再入射された光を回折して半導体発光素子10の一方の端面10aに帰還させ、回動ミラー13の回動により出射光の波長を掃引するリトマン型の外部共振型波長掃引光源の構造を有している。
The wavelength swept
この構造の波長掃引光源では、半導体発光素子10から出射され回折格子12の回折面12aで回折された光の波長成分のうち、回動ミラー13の反射面13aに直交する特定波長のみが半導体発光素子10に戻る。これにより、半導体発光素子10においてその特定波長の光による誘導放出が生じるため、その特定波長(以下、共振波長と記す)の光を共振させることができる。
In the wavelength swept light source having this structure, only a specific wavelength orthogonal to the reflecting
この共振波長は、回折格子12の回折面12aと回動ミラー13の反射面13aのなす角度、回折格子12への入射光の入射角、回折格子12の刻線数、および半導体発光素子10から回折格子12を経て回動ミラー13に至る光路長で規定され、回折面12aに対する反射面13aの角度(または距離)を調整することで変化させることができる。
This resonance wavelength is determined by the angle formed by the
さらに、波長掃引光源1は、出射光の波長を変調するための周波数f1の変調電流としての変調電流Ieを、後述する半導体発光素子10に印加する発光素子駆動部14を有する。変調電流Ieは、中心電流値I0を中心に、振幅Iw、周波数f1(例えば10kHz)で変調された電流である。
Further, the wavelength swept
ここで、図3に示すように、回折格子12の回折面12aを延長した平面をH1、半導体発光素子10の実効共振端面10cを延長した平面をH2、回動ミラー13の反射面13aを延長した平面をH3とする。
Here, as shown in FIG. 3, H1 is a plane obtained by extending the
回動ミラー13の回動中心位置Oが、平面H1に含まれ、かつ平面H1と平面H2とが交わる位置より回折格子12側に設けられ、平面H1と平面H3とが、回動ミラー13の回動中心位置Oと回折格子12の間で交わるように設定されるとともに、回動ミラー13の回動中心位置Oから回折格子12に入射する光の所定入射位置Pまでの距離r、所定入射位置Pから半導体発光素子10までの実効光路長L1、回動ミラー13の回動中心位置Oから平面H3までの距離L2および回折格子12に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで共振波長の連続波長掃引を行うことが可能となる。
r=(L1−L2)/sin α ・・・・・・(1)
The rotation center position O of the
r = (L1-L2) / sin α (1)
ガス検知部5は、電流電圧変換器4によって変換された電圧信号に含まれる周波数f1の信号成分である基本波電圧信号h1を検出する基本波信号検出器51と、該電圧信号に含まれる周波数f1の2倍の周波数f2の信号成分である2倍波電圧信号h2を検出する2倍波信号検出器52と、2倍波信号検出器52によって検出された2倍波電圧信号h2の振幅H2を基本波信号検出器51によって検出された基本波電圧信号h1の振幅H1で割り算して得られる値を測定雰囲気2に含まれる検知対象ガスGiの濃度に対応する検出値Di(=H2/H1)として出力する基本波2倍波割算部53と、を備える。
The
なお、このような信号操作(割り算)を行うのは、受光部3によって受光された光が測定雰囲気2の透過以外の理由によってもある程度のレベル変動を生じるため、そのレベル変動を除去して正確な濃度検出を行うためである。
This signal operation (division) is performed because the light received by the light receiving unit 3 causes a level fluctuation to some extent for reasons other than the transmission through the
なお、ガス検知部5の後段に、ガス検知部5から出力される検出値Diを記憶する記憶部8を設けてもよい。記憶部8は波長検出部6で検出された検出波長も入力されるようになっており、検出値Diと検出波長値とを関連付けて保存する。記憶部8に記憶されたデータは、例えば、不図示の操作部からの操作信号により記憶部8から取り出され、不図示の表示部に検知結果として表示することができる。
A
次に、本実施形態のガス検知装置に使用される半導体発光素子10に関して、図面を用いて説明する。図4は、半導体発光素子10を光の伝搬方向に沿って切断した断面図である。
Next, the semiconductor
この半導体発光素子10は、例えば、n型InP(インジウム・リン)からなるn型半導体基板101の上に、InGaAsP(インジウム・ガリウム・砒素・リン)からなる活性層102(なお、ここで言う活性層102は、MQWとそれを挟むSCH層を含む)、p型InPクラッド層103、InGaAs(インジウム・ガリウム・砒素)からなるコンタクト層104が順次積層されて構成される。
The semiconductor
さらに、コンタクト層104上には上部電極106、n型半導体基板101の下面には下部電極105が蒸着形成されている。
Further, an
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、発光素子駆動部14によって半導体発光素子10の上部電極106と下部電極105との間に、中心電流値I0、振幅Iw、周波数f1の変調電流Ieが印加されることにより、活性層102内部が発光状態となる。
Next, the operation of the gas detector of the present embodiment configured as described above will be described.
First, by applying a modulation current I e having a center current value I 0 , an amplitude I w , and a frequency f 1 between the
活性層102で生成された光は、活性層102に沿って伝搬し、他方の端面10b、回動ミラー13で構成された共振器において、活性層102の屈折率等によって決まる実効的な光路長と、回折格子12の回折面12aと回動ミラー13の反射面13aのなす角度と、変調電流Ieとに応じた波長λeで発振する。ここで、波長λeの中心波長λ0は、中心電流値I0が半導体発光素子10に印加された場合の共振波長である。
The light generated in the
これにより、中心波長λ0を中心に振幅λw(例えば10pm)、周波数f1で振動する光が波長掃引光源1から測定雰囲気2へ出射される。このとき、図1に示すように、回折格子12の0次回折光Wが波長検出部6に入射される。
As a result, light oscillating with an amplitude λ w (for example, 10 pm) and a frequency f 1 around the center wavelength λ 0 is emitted from the wavelength sweep
なお、波長掃引光源1から出射された光を図示しないハーフミラー等を用いて2つに分配し、1つを測定雰囲気2へ出射させ、もう1つを回折格子12の0次回折光Wの代わりに波長検出部6に入射させてもよい。
Note that the light emitted from the wavelength swept
波長掃引光源1から測定雰囲気2へ出射された光は、測定雰囲気2を透過して受光部3に受光されて電流信号に変換される。受光部3によって変換された電流信号は、電流電圧変換器4に入力されて電圧信号に変換される。電流電圧変換器4によって変換された電圧信号は信号スイッチ7を介してガス検知部5に入力される。
一方、波長掃引光源1から波長検出部6へ出射された光は、波長検出部6によってその波長を検出される。
The light emitted from the wavelength swept
On the other hand, the wavelength of the light emitted from the wavelength swept
ここでは、波長掃引光源1が出射する光の波長λeが短波長側から長波長側に掃引される場合を例にとって説明するが、波長λeが長波長側から短波長側に掃引されてもよいことは言うまでもない。
Here, a case where the wavelength λ e of the light emitted from the wavelength swept
波長検出部6によって波長λi−Δλi(i=1〜n)が検出されると、信号スイッチ7がオン状態となり、ガス検知部5への電圧信号の入力が開始される。
When the wavelength λ i −Δλ i (i = 1 to n) is detected by the
波長検出部6によって波長λi+Δλiが検出されると、信号スイッチ7がオフ状態となり、ガス検知部5への電圧信号の入力が遮断される。
When the wavelength λ i + Δλ i is detected by the
信号スイッチ7がオン状態となる期間(即ちλi−Δλiからλi+Δλiまでの波長範囲をレーザ光が通過する期間)Δtでは、電圧信号はガス検知部5の基本波信号検出器51および2倍波信号検出器52に入力され、基本波電圧信号h1および2倍波電圧信号h2が検出される。
In the period when the
そして、基本波2倍波割算部53によって、2倍波電圧信号h2の振幅H2を基本波電圧信号h1の振幅H1で割り算して得られる値が、測定雰囲気2に含まれる検知対象ガスGiの濃度に対応する検出値Di(=H2/H1)として出力される。
Then, the fundamental wave the second
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、出射光の波長を変調させながら検知対象ガスの吸収線を含む波長掃引範囲で掃引することにより、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。 As described above, the gas detection device of the present embodiment sweeps in the wavelength sweep range including the absorption line of the detection target gas while modulating the wavelength of the emitted light, thereby detecting a plurality of detection targets included in the measurement atmosphere. Gas can be detected.
また、本実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスごとに異なる検出波長幅Δλiを予め記憶しているため、各検知対象ガスの吸収線の線幅に応じた適切な処理時間を設定することができる。 In addition, since the gas detection device of this embodiment stores in advance a detection wavelength width Δλ i that differs for each detection target gas, an appropriate processing time is set according to the line width of the absorption line of each detection target gas. be able to.
また、本実施形態のガス検知装置は、信号スイッチを備えることにより、測定雰囲気が多数のガスが混在してなるものであっても、測定雰囲気中の各ガスの種類および濃度を容易に特定することができる。 Further, the gas detection device of the present embodiment includes a signal switch, so that even if the measurement atmosphere is a mixture of many gases, the type and concentration of each gas in the measurement atmosphere can be easily specified. be able to.
(第2の実施形態)
本発明に係るガス検知装置の第2の実施形態について図面を用いて説明する。第1の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the gas detector according to the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
第1の実施形態では、信号スイッチ7によって予め設定したn種(n≧1)の検知対象ガスGi(i=1〜n)についてのみガス検知する構成となっていた。これに対し、この第2の実施形態においては、波長掃引光源1で掃引する波長範囲に含まれるすべての被測定ガスを検知し、その後に所望の被測定ガスの有無を確認する構成となっている。
In the first embodiment, gas detection is performed only for n types (n ≧ 1) of detection target gases G i (i = 1 to n) preset by the
図5に示すように、第2の実施形態のガス検知装置は、第1の実施形態における信号スイッチ7を備えていない。第1の実施形態と同様に、基本波2倍波割算部53で算出された被測定ガスの検出値Diは記憶部8に入力される。また、波長検出部6で検出された検出波長も記憶部8に入力される。
As shown in FIG. 5, the gas detection device of the second embodiment does not include the
本実施形態において記憶部8は、波長掃引光源1で掃引する波長範囲に含まれるすべての被測定ガスの検知結果と、波長検出部6から受け取った検出波長値とを関連付けて蓄積する。そして、例えば、操作部9からの操作信号により、所望の被測定ガスのデータが記憶部8より取り出され、不図示の表示部に検知結果として表示することができる。
In the present embodiment, the
(第3の実施形態)
本発明に係るガス検知装置の第3の実施形態について図面を用いて説明する。第1および第2の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the gas detector according to the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration as in the first and second embodiments is omitted.
即ち、図6に示すように、第3の実施形態のガス検知装置は、第1および第2の実施形態の半導体発光素子10および発光素子駆動部14に代えて、2つの端面20a、20bのうちの一方の端面20aの反射率が他方の端面20bの反射率より低く形成された半導体発光素子20および発光素子駆動部44を備える。ここで、図6(a)は、半導体発光素子20の外観図、図6(b)は平面図、図6(c)は図6(b)のA−A線断面を示している。
That is, as shown in FIG. 6, the gas detector of the third embodiment replaces the semiconductor
発光素子駆動部44は、図6(c)に示すように、後述する半導体発光素子20の発光領域22に光を発するための電流Ieを印加するとともに、後述する半導体発光素子20の位相調整領域23に光の波長を変調するための変調電流Ipcを印加する。
As shown in FIG. 6C, the light emitting
変調電流Ipcは、中心電流値Ipc0を中心に、振幅Ipcw、周波数f1(例えば10kHz)で変調された電流である。 The modulation current I pc is a current modulated with the amplitude I pcw and the frequency f 1 (for example, 10 kHz) around the center current value I pc0 .
半導体発光素子20は、InPからなるn型半導体基板21(以下、単に基板21と記す)を有している。基板21は、ほぼ一定のドーピング濃度(例えば1×1018/cm3)を有している。
The semiconductor
基板21の上の一端側(図6(b)、(c)で右端側)には光を発する発光領域22が形成され、他端側(図6(b)、(c)で左端側)には発光領域22によって発された光の位相を変化させる位相調整領域23が形成されている。
A
発光領域22には、基板21の上の中央にほぼ一定幅(例えば5μm)でInGaAsPからなる活性層24が形成され、その上にInPからなる第1p型クラッド層25が所定厚さ(例えば250nm)で形成されている。なお、ここで言う活性層24は、MQWとそれを挟むSCH層を含むものとする。
In the
一方、位相調整領域23側の基板21の上の中央には、InGaAsPからなる導波路層26が活性層24と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層24は、ある波長範囲の光に対して利得を有し、長さ方向に光を伝搬させるように形成されているのに対し、導波路層26は主にその光に対する導波作用を有するが、その光に対して利得を有していてもよい。
On the other hand, a
導波路層26は、発光素子駆動部44からの変調電流Ipcの印加によってキャリアが注入されると、プラズマ効果によりその実効屈折率が低下する。これにより、導波路層26を透過する光の位相が変化するため、半導体発光素子20を備えた波長掃引光源1から出射されるレーザ光の波長が変調される。
When carriers are injected by the application of the modulation current I pc from the light emitting
なお、導波路層26のエネルギーギャップは、前記光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での前記光の吸収は生じない。
The energy gap of the
この導波路層26の上には、第2p型クラッド層27が第1p型クラッド層25とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層24と導波路層26の接続位置と、第1p型クラッド層25と第2p型クラッド層27との接続位置は一致している。
A second p-
そして、第1p型クラッド層25と第2p型クラッド層27の上および側方には、InPからなる第3p型クラッド層28が形成されている。
A third p-
また、活性層24の側部の基板21の上部にはp型のInPからなる埋め込み層29が形成され、その埋め込み層29の上部にはn型のInPからなる埋め込み層30が形成されている。
A buried
そして、第3p型クラッド層28の発光領域22と位相調整領域23の境界部分は、活性層24と導波路層26とが光学的に結合された橋渡部31と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝32、33から構成されている。橋渡部31は、半導体発光素子20のサイズ(例えば、長さ1000μm、幅400μm、厚さ100μm)に対して、例えば長さ50μm、幅15μm、深さ7.5μm程度を有している。
The boundary between the
この分離溝32、33は、第3p型クラッド層28だけでなく、埋め込み層29、30と基板21との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。
The
橋渡部31の素子長方向の長さは、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性領域長が減少すると発光強度が低下したり、位相調整領域長が減少したりすると最大位相調整量が減少してしまうため、25μm〜100μmの範囲とすることが好ましい。
The length of the bridging
また、橋渡部31の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層24や導波路層26の幅(例えば5μm)に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して10μm〜20μmの範囲とすることが好ましい。深さについては、基板21と埋め込み層29、30の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため5μm〜10μmの範囲とすることが好ましい。
Further, the narrower the width of the bridging
分離溝32、33を境にして発光領域22側の第3p型クラッド層28の上には、InGaAsからなるコンタクト層34が形成され、位相調整領域23側の第3p型クラッド層28の上にも、同様にInGaAsからなるコンタクト層35が形成され、それぞれのコンタクト層34、35の上には、金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)からなる第1の上部電極36、第2の上部電極37が蒸着形成されている。また、基板21の下面側全体に、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)からなる下部電極38が蒸着形成されている。
A
ところで、従来の位相調整領域を有する半導体発光素子では、位相調整領域の導波路層とp型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔEcが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大位相調整量が制限されてしまうという問題があった。 By the way, in the conventional semiconductor light emitting device having the phase adjustment region, the conduction band discontinuity ΔEc between the waveguide layer and the p-type cladding layer in the phase adjustment region is small. There is a problem that the amount of phase adjustment is limited.
本出願人は、上記構造の半導体発光素子20について種々の実験を行った結果、位相調整領域23における導波路層26上の第2p型クラッド層27のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層26から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの位相調整領域23におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大位相調整範囲を拡大できることを見出した。
As a result of conducting various experiments on the semiconductor
この構成を表したのが図7である。各種実験を行った結果、特性Fのように位相調整領域23の導波路層26に接する第2p型クラッド層27の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層26の上端から所定範囲、特に25〜150nmの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域23における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性F′は実際のドーピング濃度分布の一例である。
FIG. 7 shows this configuration. As a result of various experiments, the doping concentration in the thickness direction of the second p-
このように導波路層26に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア(電子)のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。
Thus, it has been found that setting the maximum position relatively close to the
また、第3p型クラッド層28のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。
The doping profile of the third p-
発光領域22の膜厚方向の直列(シリーズ)抵抗が高いと、モードホップが起こり易い。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモードに変わるまでの電流差分をモードホップ電流Ihopと呼ぶが、このモードホップ電流Ihopが高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。
If the series resistance in the film thickness direction of the
つまりモードホップ電流Ihopを高くするために、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層24、導波路層26に近い領域のドーピング濃度を高く設定すると、損失が増加する。
That is, in order to increase the mode hop current I hop , it is desirable to set the doping concentration high and lower the series resistance. On the other hand, if the doping concentration in the region close to the
よって、第3p型クラッド層28のドーピングプロファイルは、第3p型クラッド層28全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるようにするとともに、活性層24、導波路層26に近い下層領域(厚さ方向の始点部分)では低くする必要がある。
Therefore, the doping profile of the third p-
その一つのドーピングプロファイルの特性を図8に示す。この特性Hでは、ドーピング濃度を、活性層24、導波路層26に近い下層領域(厚さ方向の始点部分)から活性層24、導波路層26から遠い上層領域(厚さ方向の終点部分)に向かって、3.0×1017、8.5×1017、1.8×1018(/cm3)と段階的に大きくなるようにしている。この結果、前記直列抵抗値0.5Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては0.7Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲にすればよいことを確認している。
The characteristic of one doping profile is shown in FIG. In this characteristic H, the doping concentration is changed from the lower layer region (starting portion in the thickness direction) close to the
さらに、その層厚tを2μm〜3.2μmの範囲に制限することで、導波路層26の近傍の損失を低減しつつ、発光領域22から位相調整領域23への分離抵抗を1kΩにすることができた。なお、第3p型クラッド層28の層厚tをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなる。また、層厚を3.2μmより大きくすると第3p型クラッド層28の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。
Further, by limiting the layer thickness t to the range of 2 μm to 3.2 μm, the loss from the vicinity of the
なお、図8において、ドーピング濃度を3段階で大きくしていたが、変化段数は2段でも4段以上でもよく、また、直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。 In FIG. 8, the doping concentration is increased in three steps. However, the number of change steps may be two or four or more, or may be increased linearly, and the step change and the linear change are changed. You may use together.
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、発光素子駆動部44によって半導体発光素子20の発光領域22側の第1の上部電極36と下部電極38との間に所定電流(数100mA〜1A)が印加されることにより、活性層24内部が発光状態となる。
Next, the operation of the gas detector of the present embodiment configured as described above will be described.
First, a predetermined current (several hundred mA to 1 A) is applied between the first
活性層24で生成された光は、活性層24と導波路層26に沿って伝搬し、他方の端面20b、回折格子12、回動ミラー13で構成された共振器において、活性層24と導波路層26の屈折率等によって決まる実効的な光路長と、回折格子12の回折面12aと回動ミラー13の反射面13aのなす角度に応じた共振波長λ0で発振する。
The light generated in the
なお、上述の記載では、位相調整領域23側の一方の端面20aの反射率を発光領域22側の他方の端面20bの反射率よりも低いものとしたが、発光領域22側の他方の端面20bの反射率を位相調整領域23側の一方の端面20aの反射率よりも低く構成し、発光領域22側に回折格子12、回動ミラー13を配置してもよい。
In the above description, the reflectance of one
次に、発光素子駆動部44によって位相調整領域23側の第2の上部電極37と下部電極38との間に、中心電流値Ipc0、振幅Ipcw、周波数f1の変調電流Ipcが印加される。変調電流Ipcの印加により、振幅λw(例えば10pm)、周波数f1で振動する光が波長掃引光源1から測定雰囲気2へ出射される。
Next, a modulation current I pc having a center current value I pc0 , an amplitude I pcw , and a frequency f 1 is applied between the second
この後の波長検出部6、受光部3、電流電圧変換器4、ガス検知部5に関する動作は第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Subsequent operations relating to the
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、半導体発光素子の出射光の光強度が変調電流によって変化しないため、第1および第2の実施形態のガス検知装置と比較して、変調歪みを抑制し、検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。 As described above, in the gas detection device of this embodiment, since the light intensity of the emitted light of the semiconductor light emitting element does not change depending on the modulation current, it is modulated as compared with the gas detection devices of the first and second embodiments. Distortion can be suppressed and the detection sensitivity of the detection target gas can be improved.
また、本実施形態のガス検知装置は、発光領域の膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減できるため、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する連続波長掃引を行うことができる。 In addition, since the gas detection device of this embodiment can reduce the waveguide loss without increasing the series resistance in the film thickness direction of the light emitting region, it performs continuous wavelength sweep on the emitted light of the semiconductor light emitting element in a mode hop free manner. be able to.
(第4の実施形態)
本発明に係るガス検知装置の第4の実施形態について図面を用いて説明する。第1〜3の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A gas detection device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration as in the first to third embodiments is omitted.
図9に本実施形態で用いられる波長掃引光源40の要部の構成を示す。
FIG. 9 shows a configuration of a main part of the wavelength swept
波長掃引光源40は、第1〜3の実施形態で用いられた半導体発光素子10、20と、半導体発光素子10、20の低反射端面である一方の端面10a、20aから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ81と、コリメートレンズ81から出射された平行光を後述する回折格子82の回折面82aの所定入射位置Gに向けて反射する固定ミラー83と、固定ミラー83から反射された光を回折するための回折格子82と、回折格子82で回折された回折光を垂直に入射した波長成分のみの光を逆光路で回折格子82へと反射させる反射板85を有する回動ミラー84から構成されている。
The wavelength swept
ここで、回折格子82の回折面82aを延長した平面をH1、半導体発光素子10、20の内部の屈折率を考慮した実効共振端面10c、20cを延長した平面をH2、反射板85の反射面85aを延長した平面をH3とする。
Here, a plane obtained by extending the
固定ミラー83は、平面H3と平面H1で挟まれた空間内で、且つ回動中心位置Oと回折面82aの所定入射位置Gとの間に配置される。また、半導体発光素子10、20とコリメートレンズ81は、平面H3で区切られてなる2つの空間のうち、回折格子82が含まれる方の空間に配置される。また、半導体発光素子10、20から回折格子82までの光路は回動ミラー84に対して非交差である。
The fixed
この回折格子82の回折面82aに対する反射板85の反射面85aの角度が、回動中心位置Oを中心に駆動装置(図示せず)によって所定角度範囲で周期的に変化されることで、反射面85aにより半導体発光素子10、20に逆光路で戻される光の波長が連続的にかつ周期的に変化する。これに伴って波長掃引光源40から出射されるレーザ光の波長も連続的にかつ周期的に変化する。
The angle of the
ここで、反射板85の回動の周波数(波長の掃引速度に相当)は例えば700Hzである。なお、半導体発光素子10、20に印加される変調電流の周波数は例えば10kHzである。
Here, the rotation frequency (corresponding to the wavelength sweep speed) of the reflecting
図9に示す半導体発光素子10、20の実効共振端面10c、20cと固定ミラー83までの光路長L3と、固定ミラー83から所定入射位置Gまでの光路長L4と、回動ミラー84の反射板85の回動中心位置Oから平面H3までの距離L2と、回動中心位置Oから回折格子82の所定入射位置Gまでの距離rと、回折格子82に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで連続波長掃引を行うことが可能となる。
r=(L3+L4−L2)/sin α ・・・・・・(2)
9, the optical path length L3 from the effective resonance end faces 10c, 20c of the semiconductor
r = (L3 + L4-L2) / sin α (2)
また、固定ミラー83を介して回折格子82に光を入射して、反射板85と光路とを交差させない配置であるので、反射板85に光通過用の穴などを設ける必要がなく、その剛性低下による変形が起こらず、薄い板でも安定で高速な波長掃引を行うことができる。
Further, since light is incident on the
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、波長掃引光源がモードホップフリーで高速かつ安定な連続波長掃引を行うことができるため、さらに検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。 As described above, the gas detection device of this embodiment can further improve the detection sensitivity of the detection target gas because the wavelength sweep light source can perform mode hop-free, high-speed and stable continuous wavelength sweep. .
1、40 波長掃引光源(光源部)
2 測定雰囲気
3 受光部
5 ガス検知部
6 波長検出部(波長認識手段)
7 信号スイッチ
8 記憶部
10、20 半導体発光素子
10a、20a 一方の端面
10b、20b 他方の端面
10c、20c 実効共振端面
11、81 コリメートレンズ(掃引手段)
12、82 回折格子(掃引手段)
12a、82a 回折面
13、84 回動ミラー(掃引手段)
13a 反射面
14、44 発光素子駆動部
21 n型半導体基板
22 発光領域
23 位相調整領域
24 活性層
25 第1p型クラッド層
26 導波路層
27 第2p型クラッド層
28 第3p型クラッド層
32、33 分離溝
83 固定ミラー
85 反射板
85a 反射面
1, 40 wavelength swept light source (light source)
2 Measurement atmosphere 3
7
12, 82 Diffraction grating (sweep means)
12a,
Claims (10)
前記光源部からのレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光し、該受光されたレーザ光に応じた信号を出力する受光部(3)と、
前記受光部からの前記信号に基づいて前記測定雰囲気中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部(5)と、を備えることを特徴とするガス検知装置。 A semiconductor light emitting element (10, 20) that emits laser light that is wavelength-modulated with a predetermined wavelength width so as to straddle the line width of an absorption line for identifying a detection target gas, and the wavelength-modulated laser light, Sweeping means (11, 12, 13, 81, 82, 84) for sweeping the wavelength at a sweep speed slower than the modulation speed of the wavelength modulation over the wavelength range including the absorption line of the detection target gas to be measured; A light source unit (1, 40) that emits the wavelength-swept laser light into a measurement atmosphere (2) containing the detection target gas;
A light receiving unit (3) that receives, as measurement light, laser light that passes through the measurement atmosphere as the laser light is emitted from the light source unit, and outputs a signal corresponding to the received laser light;
A gas detection device comprising: a gas detection unit (5) that measures the concentration of the detection target gas in the measurement atmosphere based on the signal from the light receiving unit and outputs the measurement data.
前記波長認識手段によって認識された波長が前記吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合に前記ガス検知部に前記受光部からの前記信号を出力し、前記波長認識手段によって認識された波長が前記波長範囲外の波長である場合に前記ガス検知部への該信号の入力を遮断する信号スイッチ(7)と、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のガス検知装置。 Wavelength recognition means (6) for recognizing the wavelength of the laser light of the semiconductor light emitting element swept by the sweep means and outputting a signal corresponding to the recognized wavelength;
When the wavelength recognized by the wavelength recognizing unit is a wavelength within a predetermined wavelength range for each absorption line, the signal from the light receiving unit is output to the gas detecting unit and recognized by the wavelength recognizing unit. 2. The gas detection according to claim 1, further comprising: a signal switch (7) that cuts off the input of the signal to the gas detection unit when the measured wavelength is outside the wavelength range. apparatus.
前記波長認識手段によって認識された波長と前記ガス検知部から出力された前記測定データとを関連付けて記憶する記憶部(8)と、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のガス検知装置。 Wavelength recognition means (6) for recognizing the wavelength of the laser light of the semiconductor light emitting element swept by the sweep means and outputting a signal corresponding to the recognized wavelength;
The gas detection according to claim 1, further comprising a storage unit (8) for storing the wavelength recognized by the wavelength recognition unit and the measurement data output from the gas detection unit in association with each other. apparatus.
前記半導体発光素子が、2つの端面のうちの一方の端面(10a、20a)の反射率が他方の端面(10b、20b)の反射率より低く形成されてなり、
前記掃引手段が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を回折する回折格子(12、82)と、前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラー(13、84)とを含んでなり、
前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体発光素子の前記一方の端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記レーザ光を波長掃引するリトマン型の波長掃引光源でなる、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガス検知装置。 The light source unit is
The semiconductor light emitting element is formed such that the reflectance of one of the two end faces (10a, 20a) is lower than the reflectance of the other end face (10b, 20b),
The sweeping means diffracts the light emitted from the one end face of the semiconductor light emitting element (12, 82), and reflects the light diffracted by the diffraction grating to the diffraction grating through a reverse optical path. A rotatable mirror (13, 84) for re-incidence,
The diffraction grating diffracts the re-entered light and feeds it back to the one end face of the semiconductor light emitting element, and comprises a Littman-type wavelength swept light source that sweeps the wavelength of the laser light by rotating the rotating mirror. The gas detection device according to claim 1, wherein the gas detection device is a gas detection device.
前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を平行光に変換し、該平行光を前記回折格子に出射するコリメートレンズ(81)と、
前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とではさまれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラー(83)と、をさらに備え、
前記半導体発光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる2つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、
前記半導体発光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、
前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離r、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離L2、前記半導体発光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長L3、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長L4および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、
r=(L3+L4−L2)/sin α
の関係が成り立つことを特徴とする請求項4に記載のガス検知装置。 The light source unit is
A collimating lens (81) for converting light emitted from the one end face of the semiconductor light emitting element into parallel light, and emitting the parallel light to the diffraction grating;
A space sandwiched between a plane extending the reflecting surface of the rotating mirror and a plane extending the diffraction surface of the diffraction grating toward the rotation center position of the rotating mirror, and a predetermined incident position of the diffraction grating and the A fixed mirror (83) arranged at a position between the rotation center position of the rotation mirror and reflecting the parallel light emitted from the collimating lens toward a predetermined incident position of the diffraction grating;
The semiconductor light emitting element and the collimating lens are arranged on the space side including the diffraction grating among two spaces separated by a plane extending the reflection surface of the rotating mirror,
An optical path from the semiconductor light emitting element to the diffraction grating is non-intersecting with respect to the rotating mirror;
A distance r from the rotation center position to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, a distance L2 from the rotation center position to a plane extending the reflection surface, and the fixed from the effective resonance end face of the semiconductor light emitting device Between the optical path length L3 to the mirror, the optical path length L4 from the fixed mirror to the predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, and the light incident angle α from the fixed mirror to the diffraction surface of the diffraction grating,
r = (L3 + L4-L2) / sin α
The gas detection device according to claim 4, wherein:
前記半導体発光素子は、
半導体基板(21)上に、
活性層(24)を含み、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域(22)と、
前記活性層と光学的に結合された導波路層(26)を含み、前記発光領域によって発された光の位相を変化させる位相調整領域(23)とが光軸方向に形成されてなり、
前記発光素子駆動部により、光を発するための電流が前記発光領域に印加されるとともに、前記レーザ光の波長を変調するための変調電流が前記位相調整領域に印加される、ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のガス検知装置。 The light source unit further includes a light emitting element driving unit (44),
The semiconductor light emitting element is
On the semiconductor substrate (21),
A light emitting region (22) including an active layer (24), emitting light upon receiving current injection and propagating the light along the active layer;
A waveguide layer (26) optically coupled to the active layer, and a phase adjustment region (23) for changing the phase of light emitted by the light emitting region, is formed in the optical axis direction;
A current for emitting light is applied to the light emitting region by the light emitting element driver, and a modulation current for modulating the wavelength of the laser light is applied to the phase adjustment region. The gas detection device according to any one of claims 1 to 5.
前記半導体基板が、n型半導体基板でなり、
前記発光領域が、前記n型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第1p型クラッド層(25)とを有してなり、
前記位相調整領域が、前記n型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第2p型クラッド層(27)とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化するようになっており、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項6に記載のガス検知装置。 The semiconductor light emitting element is
The semiconductor substrate is an n-type semiconductor substrate;
The light emitting region includes the active layer formed on the n-type semiconductor substrate, and a first p-type cladding layer (25) stacked on the active layer,
The waveguide layer having an energy gap larger than the energy of the light on the n-type semiconductor substrate and optically coupled to the active layer of the light emitting region; and A second p-type cladding layer (27) laminated thereon, and a refractive index for light from the light emitting region changes according to an injection current,
The second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the phase adjustment region is formed so that a doping concentration in a thickness direction has a maximum value within a predetermined distance from an upper end of the waveguide layer. The gas detection device according to claim 6.
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