JP2015176977A - 劣化度合判定装置、劣化度合判定方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化している状態であることを検知することが可能な劣化度合判定装置を提供する。
【解決手段】劣化度合判定装置２０は、半導体レーザ１１が発した光の強度を波長域ごとに測定する測定部２１と、測定部２１の過去の測定結果を記憶する記憶部２２と、測定部２１の最新の測定結果および前記過去の測定結果を比較した比較値を求め、当該比較値に基づいて、半導体レーザ１１の劣化度合を判定する判定部２３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザの劣化度合判定装置、劣化度合判定方法、およびプログラムに関する。

近年、電子回路の製造に用いられる露光装置や、光通信装置などの分野で、光源として半導体レーザが用いられたものが普及している。半導体レーザの出力光は、初期状態では大部分が単一波長の光で占められており、僅かながら異なる波長域の光が含まれている。半導体レーザの使用が開始されると、経時的に劣化が進んで、初期状態と異なる波長域の光が増大し、最終的には発光しなくなる。半導体レーザの劣化が進む速度には個体差があり、素子毎に異なる。

特許文献１および特許文献２には、劣化が進む速度が遅い半導体レーザを選別する選別法が記載されている。この選別法は、半導体レーザが発した光の強度を波長域毎に測定して、各波長域の光の強度のうち、最も高い強度と２番目に高い強度との比が閾値未満である半導体レーザを劣化が進む速度が遅い半導体レーザとして選別する。これにより、劣化が進む速度が遅いと推定される半導体レーザを選別して用いることができるため、半導体レーザが安定して動作する期間を長くすることができる。

特開平０１−０６１０７８号公報 特開昭６２−０７８８９３号公報

しかしながら、劣化が進む速度が遅いと判定された半導体レーザであっても、経時的に劣化が進んで最終的には発光しなくなる。特許文献１および特許文献２に記載の選別法では、劣化する速度が遅いと推定される半導体レーザを使用前に選別することを目的としており、実際に使用が開始された後では、半導体レーザの劣化度合を判定することはできない。また、半導体レーザは、出力が一定となるように制御されていることが多く、この場合には、半導体レーザの劣化が進んでいても、半導体レーザが発した光の明るさは変わらない。このため、半導体レーザが発光しなくなるなど、半導体レーザの動作に異常が生じるまで、半導体レーザの劣化に気付かないことが多い。

本発明の目的は、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることを検知することが可能な劣化度合判定装置および劣化度合判定方法を提供することである。

本発明による劣化度合判定装置は、
半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定する測定部と、
前記測定部の過去の測定結果を記憶する記憶部と、
前記測定部の最新の測定結果および前記過去の測定結果を比較した比較値を求め、当該比較値に基づいて、前記半導体レーザの劣化度合を判定する判定部とを有する。

また、本発明による劣化度合判定方法は、
半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定し、
最新の測定結果および過去の測定結果を比較した比較値を求め、
前記比較値に基づいて前記半導体レーザの劣化度合を判定する。

また、本発明によるプログラムは、
半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定し、
最新の測定結果および過去の測定結果を比較した比較値を求め、
前記比較値に基づいて前記半導体レーザの劣化度合を判定する機能をコンピュータに実現させる。

本発明によれば、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることを検知することが可能である。

本発明の一実施形態にかかる光源装置および劣化度合判定装置の構成を示すブロック図である。 正常な状態の半導体レーザの発光状態を説明するための図である。 劣化した状態の半導体レーザの発光状態を説明するための図である。 図１の劣化度合判定装置の動作例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、同一の機能を有する構成要素については同じ符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態にかかる光源装置１０および劣化度合判定装置２０の構成を示すブロック図である。光源装置１０と劣化度合判定装置２０とは、別体の装置であってもよいし、劣化度合判定装置２０は、光源装置１０と同一の装置に含まれていてもよい。光源装置１０および劣化度合判定装置２０は、例えば、露光装置や光通信装置など半導体レーザを用いた装置に内蔵される。

光源装置１０は、半導体レーザ１１と、フィルタ１２とを有する。半導体レーザ１１は、半導体の再結合発光を利用したレーザであり、レーザ光を出射する。半導体レーザ１１が出射したレーザ光は、フィルタ１２を介して光源装置１０から出射される。

劣化度合判定装置２０は、測定部２１と、記憶部２２と、判定部２３とを有する。測定部２１は、光源装置１０が出射したレーザ光を受光して、受光した光の波長域毎の強度を測定する。記憶部２２は、測定部２１が測定した測定結果を記憶する。記憶部２２は、少なくとも、測定結果の初期値を過去の測定結果として記憶する。また、記憶部２２は、測定部２１が測定を行う度に、測定結果を記憶してもよい。判定部２３は、測定部２１が測定した最新の測定結果と、記憶部２２に記憶された過去の測定結果とを比較した比較値を求め、求めた比較値に基づいて、半導体レーザ１１の劣化度合を判定する。例えば、判定部２３は、過去の測定結果および最新の測定結果の差異を変化量として求め、求めた変化量を比較値とすることができる。

図２は、半導体レーザ１１が劣化していない正常な状態における発光の状態を説明するための図である。半導体レーザ１１は、励起価電子帯１０１にある価電子１０２が、安定した価電子帯１０３に落ちて正孔と再結合する際に、励起した価電子１０２のエネルギー準位と価電子帯１０３に落ちた後の価電子のエネルギー準位との差分のエネルギーを光として放出する。この差分のエネルギーをΔＥ、プランク定数をｈ、放出される光の振動数をνとすると、アインシュタイン−ド・ブロイの関係式よりΔＥ＝ｈνの関係が成り立つ。放出される光の波長をλ、真空中の光速をｃとすると、λν＝ｃの関係が成り立つため、放出される光の波長λ＝ｈｃ／ΔＥとなる。このため、半導体レーザ１１が放出する光の波長は、エネルギーの差分ΔＥに反比例する。半導体レーザ１１が正常な状態である場合、この差分ΔＥの分散が小さく、その結果、放出される光の波長についても分散が小さくなる。

図３は、半導体レーザ１１が劣化した状態における発光の状態を説明するための図である。半導体レーザ１１が劣化した状態では、励起した価電子２０２のエネルギー準位の幅が大きくなり、励起価電子帯２０１の幅が大きくなる。このため、励起した価電子２０２のエネルギー準位と、価電子帯２０３に落ちた場合のエネルギー準位との差分ΔＥの分散が大きくなり、その結果、放出される光は、初期値と異なる波長成分の光が多く含まれるようになる。したがって、半導体レーザ１１が劣化するほど、測定部２１の測定結果と初期値との差異が大きくなる。

図４は、図１の劣化度合判定装置２０の動作例を説明するためのフローチャートである。劣化度合判定装置２０の測定部２１は、半導体レーザ１１が発した光を受光する（ステップＳ１００）。そして測定部２１は、受光した光の強度を波長域ごとに測定して測定結果を判定部２３に出力する（ステップＳ１０１）。

判定部２３は、測定結果を最新の測定結果として受け付け、測定結果の初期値を記憶部２２から取得する（ステップＳ１０２）。また、判定部２３は、取得した初期値および受け付けた最新の測定結果について、測定結果の初期値において最も強度が高い波長域である初期波長域と異なる波長域における光の強度を比較して、その差異を求める。そして、判定部２３は、初期値と最新の測定結果との差異が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。差異が閾値以上である場合、判定部２３は、半導体レーザ１１が劣化している状態であると判定する（ステップＳ１０４）。そして判定部２３は、判定結果を出力する。判定部２３は、例えば表示デバイスを用いて、判定結果を示すメッセージを表示させることで判定結果を出力してもよいし、例えば発光部を用いて、判定結果に応じて発光部を発光させることで判定結果を出力することもできる（ステップＳ１０５）。差異が閾値未満である場合、ステップＳ１０４およびＳ１０５は省略される。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

（変形例）
例えば、上記実施形態では、判定部２３が劣化度合を判定する基準の一例を示したが、本発明はかかる例に限定されない。判定部２３が用いる判定基準は、半導体レーザ１１が発する光に、初期波長域と異なる波長域の光が多く含まれるほど、半導体レーザ１１の劣化進んでいることを判定することができればよい。

例えば、上記実施形態では、過去の測定結果として測定結果の初期値を用いたが、本発明はかかる例に限定されない。過去の測定結果は、最新の測定結果以前に取得された測定結果であればよい。判定部２３は、初期値および最新の測定結果を比較した比較値に代えて、初期値以外の過去の測定結果および最新の測定結果を比較した比較値に基づいて、劣化度合を判定することができる。

また、図４の例では、判定部２３は、過去の測定結果および最新の測定結果について、初期波長域と異なる波長域における光の強度の差異を比較値として用いたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、判定部２３は、過去の測定結果および最新の測定結果について、光の強度を波長域ごとに比較し、各波長域の光の強度の差を合算した合計値を比較値として用いてもよい。この場合、全ての波長域における光の強度の差を合算した合計値を比較値としてもよいし、初期波長域以外の波長域における光の強度の差を合算した合計値を比較値としてもよい。

また、上記実施形態では、判定部２３は、測定結果の初期値と最新の測定結果とを比較した比較値のみに基づいて劣化度合を判定することとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、判定部２３は、測定結果の初期値と最新の測定結果とを比較した比較値に代えて、或いは測定結果の初期値と最新の測定結果とを比較した比較値に加えて、過去の比較値の履歴に基づいて、劣化度合を判定してもよい。この場合、判定部２３は、比較値を比較値の履歴として記憶部２２に記憶させ、新たな測定結果が取得された場合、測定結果の初期値に加えて、過去の比較値を取得する。

比較値の履歴を用いることで、判定部２３は、初期状態からの測定結果の変化の状態をより細かく把握することが可能になる。例えば、半導体レーザ１１の劣化度合が所定の状態となってからの経過時間が所定の時間を超えると、半導体レーザ１１の劣化が急激に進む傾向があることが分かっているとする。この場合、判定部２３は、比較値の履歴から、劣化度合が所定の状態となってからの経過時間を求め、当該経過時間に基づいて、半導体レーザ１１の現在の劣化度合を判定することができる。

また、上記実施形態では、判定部２３は、測定部２１が測定した各波長域の光の強度をそのまま用いて、強度の差異を比較値として求めたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、判定部２３は、測定結果に基づいて、強度が所定の値以上となる波長域の数をカウントし、この数の差を比較値として用いてもよい。この場合にも、判定部２３は、比較値が所定の閾値以上である場合に、半導体レーザ１１が劣化した状態であると判定することができる。

また、上記実施形態では、判定部２３は、半導体レーザ１１の劣化度合を、劣化した状態と劣化していない状態の２つの状態のいずれかであると判定することとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、判定部２３は、半導体レーザ１１の劣化度合を、劣化の程度に応じて、３以上の複数の状態のいずれかであると判定することができる。この場合、劣化の程度に応じた複数の閾値を用いて、劣化度合を判定することができる。

また、上記実施形態では、判定部２３は、閾値を用いて、半導体レーザ１１の劣化度合を、劣化した状態か否か判定したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、判定結果は、劣化度合に応じた数値で表されてもよい。この場合、判定部２３は、比較値に基づいて、劣化度合を示す数値を求める。

また、上記実施形態では、劣化度合判定装置と劣化度合判定方法について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、上記の劣化度合判定装置および劣化度合判定方法を実現するためのプログラムや、そのプログラムを記憶した記憶媒体なども本発明の範囲に含まれる。

以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、測定部は、半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定し、記憶部は、測定部の過去の測定結果を記憶する。そして、判定部は、測定部の最新の測定結果および過去の測定結果を比較した比較値を求め、当該比較値に基づいて、半導体レーザの劣化度合を判定する。これにより、半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定した最新の測定結果と過去の測定結果とを比較した比較値に基づいて、半導体レーザの劣化度合いが判定される。したがって、半導体レーザの現在の劣化度合を判定することができるため、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることを検知することが可能になる。

半導体レーザの動作に異常が生じるまで劣化している状態であることを検知できない場合には、半導体レーザを用いた露光装置や光通信装置などが稼働している状態で、半導体レーザが突然機能しなくなることがある。このため、露光装置を用いた電子回路の製造や、光通信装置を用いた通信が予期しないタイミングで中断されてしまうことがあった。しかしながら、半導体レーザの現在の劣化度合を判定することで、半導体レーザが劣化している状態であることを半導体レーザの動作に異常が生じる前に検知することが可能になる。このため、例えば露光装置の稼働を止めても電子回路の製造に影響が少ないタイミングで半導体レーザを交換したり、通信経路を一時的に変更して光通信装置の稼働を止めても通信に影響が出ないようにしてから半導体レーザを交換したりすることができるようになる。

また、本実施形態では、測定結果の初期値において光の強度が最も高い波長域とは異なる波長域における光の強度の変化量が比較値として求められる。これにより、半導体レーザが劣化して、初期状態と異なる波長の光の強度が高まると、半導体レーザが劣化した状態であると判定されるため、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることをより確実に検知することが可能になる。

また、本実施形態では、最新の測定結果および過去の測定結果における各波長域の光の強度の差を合算した合計値が比較値として求められる。これにより、半導体レーザが劣化すると、発する光の波長が変化するため、この変化を波長域毎の強度差として検知することができるようになり、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることをより確実に検知することが可能になる。

また、本実施形態では、記憶部が過去の測定結果として測定結果の初期値を記憶する。これにより、初期値と最新の測定結果を比較した比較値に基づいて、劣化度合が判定される。このため、初期状態からの変化に基づいて半導体レーザが発する光の状態を検知することが可能になり、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることをより確実に検知することが可能になる。

また、本実施形態では、記憶部が比較値をさらに記憶し、比較値の履歴に基づいて劣化度合が判定される。これにより、より細かく測定結果の変化の状態を把握することが可能になり、より精度高く、半導体レーザの現在の劣化度合を判定することができる。このため、半導体レーザの動作に異常が生じる前に、半導体レーザが劣化していることをより確実に検知することが可能になる。

また、本実施形態では、比較値が所定の閾値以上である場合、半導体レーザが劣化している状態であると判定される。これにより、半導体レーザの現在の劣化度合を、半導体レーザが劣化しているか否かで判定することが可能になる。この場合、例えば、閾値を半導体レーザの交換が必要である劣化度合に対応する値に設定しておけば、半導体レーザを交換するタイミングを容易に判定することが可能になる。

１０ 光源装置
１１ 半導体レーザ
２０ 劣化度合判定装置
２１ 測定部
２２ 記憶部
２３ 判定部

Claims (8)

1. 半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定する測定部と、
   前記測定部の過去の測定結果を記憶する記憶部と、
   前記測定部の最新の測定結果および前記過去の測定結果を比較した比較値を求め、当該比較値に基づいて、前記半導体レーザの劣化度合を判定する判定部と、を備える劣化度合判定装置。
2. 前記判定部は、前記測定結果の初期値において光の強度が最も高い波長域とは異なる波長域における光の強度の変化量を前記比較値として求める、請求項１に記載の劣化度合判定装置。
3. 前記判定部は、前記最新の測定結果および前記過去の測定結果における各波長域の光の強度の差を合算した合計値を前記比較値として求める、請求項１に記載の劣化度合判定装置。
4. 前記記憶部は、前記過去の測定結果として、前記測定結果の初期値を記憶する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の劣化度合判定装置。
5. 前記記憶部は、前記比較値の履歴をさらに記憶し、
   前記判定部は、前記比較値の履歴に基づいて、前記劣化度合を判定する、請求項１ないし４のいずれかに記載の劣化度合判定装置。
6. 前記判定部は、前記比較値が所定の閾値以上である場合、前記半導体レーザが劣化している状態であると判定する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の劣化度合判定装置。
7. 半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定し、
   最新の測定結果および過去の測定結果を比較した比較値を求め、
   前記比較値に基づいて前記半導体レーザの劣化度合を判定する、半導体レーザの劣化度合判定方法。
8. 半導体レーザが発した光の強度を波長域ごとに測定し、
   最新の測定結果および過去の測定結果を比較した比較値を求め、
   前記比較値に基づいて前記半導体レーザの劣化度合を判定する機能をコンピュータに実現させるためのプログラム。

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