JP2017511608A - レーザダイオードの波長制御 - Google Patents
レーザダイオードの波長制御 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017511608A JP2017511608A JP2016562209A JP2016562209A JP2017511608A JP 2017511608 A JP2017511608 A JP 2017511608A JP 2016562209 A JP2016562209 A JP 2016562209A JP 2016562209 A JP2016562209 A JP 2016562209A JP 2017511608 A JP2017511608 A JP 2017511608A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- forward voltage
- temperature
- wavelength
- laser diode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 50
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 24
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 6
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 6
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 5
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 5
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 5
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
- H01S5/06808—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the electrical laser parameters, e.g. voltage or current
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0047—Organic compounds
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/20—Metals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
- H01S5/02415—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling by using a thermo-electric cooler [TEC], e.g. Peltier element
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
- H01S5/06804—Stabilisation of laser output parameters by monitoring an external parameter, e.g. temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/396—Type of laser source
- G01N2021/399—Diode laser
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/062—LED's
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
この発明は、全体的に、発光デバイスの発光波長を制御する方法と、発光デバイスの波長制御のためのシステム、例えばレーザダイオードの波長安定化のためのシステム、に関する。発光デバイスの発光波長を制御する1つの方法は、デバイスの直列抵抗の指標を決定することであって、直列抵抗は、デバイスのオーム抵抗からなることと、デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域と直列抵抗のインピーダンスを含んだインピーダンスに跨っていることと、測定された順方向電圧と決定された直列抵抗の指標に基づいて、デバイスの活性領域電圧の指標を決定することと、決定された活性領域電圧の指標に基づいて、デバイスの温度を制御することと、を含む。
Description
この発明は、全体的に、発光デバイスの発光波長を制御する方法と、発光デバイスの波長制御のためのシステム、例えば、レーザダイオードの波長安定化のためのシステム、に関する。
レーザダイオード温度は、周囲温度と、ジャンクション加熱と、レーザダイオードパッケージの熱的デザインの関数である。レーザダイオード閾値電流と発光波長の両方は、温度の関数である。レーザダイオード温度安定性は、遠距離通信と分光法のような応用において最も重要なものである。高いスペクトル解像度は、単一モード動作と波長選択素子の使用を要求する。それらの応用で使われた従来のレーザは、典型的には分布帰還型(DFB)レーザダイオードであり、そこでは波長選択素子は、活性領域に沿ってかまたはそれの上に埋め込まれた格子、あるいは垂直キャビティ面発光レーザ(VCSELs)であり、そこでは波長選択素子は、活性領域の上と下に横たわる干渉層から形成される。
LEDsが、より低い解像度の、非分散型分光法においてしばしば使われる。この技術のために、2つ以上のブロードバンド分光チャネルが、ナローバンドフィルタを使って規定され、1つはターゲットガスによる高い光学的吸収の領域に対応し(測定チャネル)、2つ目は最小吸収の領域に対応する(参照チャネル)。参照チャネルは、ブロードバンドソースの発光強度における変化を補償する。ソース発光におけるあらゆるスペクトル差、即ち、測定および参照チャネルに不釣合いに影響を与えるものは、ターゲット種によって正または負の光学的吸収として誤って解釈されて、結果におけるエラーに繋がる。但し、LEDsへの温度変化は、スペクトルの歪みを引き起こすことができ、それにより、スペクトルのUV、可視または赤外領域のどこにおいても、これと全く同じ問題を引き起こすことが知られている。非分散型分光法で使われたLEDsの温度制御は従って、検出の限界への重要な貢献者である。
レーザダイオード動作温度は、従来、ペルチェ素子のような熱電クーラー(TEC)を使って制御される。レーザダイオードの温度は、活性領域から短距離にあるサーミスタで感知される。この技術の温度精度は、典型的には0.01°Kである。但し、この技術は、レーザではなくサーミスタの温度を感知するので、低減された正確さに悩まされる。サーミスタとレーザの間には、チップ加熱によって引き起こされる温度勾配がある。良好な熱的デザインと筐体の使用にも拘わらず、周囲温度における変化は、熱的勾配に変化を引き起こし得て、周囲温度(レーザパッケージの外部の温度)が変動する時、発光波長における系統的なエラーに結果としてなる。潜在的な代替的技術は、ジャンクションの温度を測定するためにレーザダイオードに跨った電圧低下を使うことである。この技術は、数十年間の間ダイオードベースの温度計で幅広く使われてきた。ダイオードのジャンクション電圧を使った温度計は、1mKの感度で1K−400Kの範囲の温度を感知できる。
レーザダイオード中心波長はまた、注入電流で変動する。2つのファクターが働く。(i)注入電流の増加に続く、増加された加熱が、波長選択素子の熱的膨張を引き起こし、より長い波長の発光に結果としてなる。このジャンクション加熱は、非放射過程(そこでは電気的エネルギーを光に変換する際のレーザダイオードの効率が1より少ない)と、レーザダイオードゲインチップによる光の放射的再吸収による。(ii)注入電流における変化が、レーザダイオードキャビティの反射率における変化を引き起こす。 結果は、増加する注入電流と共にレーザダイオード発光波長が増加することである。
よって、発光デバイス制御の分野は、向上された波長制御についての必要を提供し続けている。
本発明を理解するのに使われるために、以下の開示が参照される。
J. H. Jeong, K. C. Kim, J. L. Lee, H. J. Kim, and I. K. Han. “Junction temperature measurement of InAs quantum-dot laser diodes by utilizing voltage-temperature method”, IEEE Photonics Technology Letters 20 (16), 1354 - 1356, 2008.
H.Y. Ryu, K. H. Ha, J. H. Chae, O. H. Nam, and Y. J. Park. “Measurement of junction temperature in GaN-based laser diodes using voltage-temperature characteristics”, Applied Physics Letters 87 (9), 093506, 2005.
Y. Xi, T. Gessman, J. Xi, J. K .Kim, J. M. Shah, E. F. Schubert, A.J,Fischer, M. H. Crawford, K. H. A. Bogart and A. A. Allerman. “Junction temperature in ultraviolet light-emitting diodes”, Japanese Journal of Applied Physics 44 (10), 7260-7266, 2005.
J. M. Smith. “Temperature compensation for gas detection” patent :WO/2009/019467.
K. Uehara and K. Katakura. “New method of frequency stabilization of semiconductor lasers”, Japanese Journal of Applied Physics 27(2), 244-246, 1988.
H.Y. Ryu, K. H. Ha, J. H. Chae, O. H. Nam, and Y. J. Park. “Measurement of junction temperature in GaN-based laser diodes using voltage-temperature characteristics”, Applied Physics Letters 87 (9), 093506, 2005.
Y. Xi, T. Gessman, J. Xi, J. K .Kim, J. M. Shah, E. F. Schubert, A.J,Fischer, M. H. Crawford, K. H. A. Bogart and A. A. Allerman. “Junction temperature in ultraviolet light-emitting diodes”, Japanese Journal of Applied Physics 44 (10), 7260-7266, 2005.
J. M. Smith. “Temperature compensation for gas detection” patent :WO/2009/019467.
K. Uehara and K. Katakura. “New method of frequency stabilization of semiconductor lasers”, Japanese Journal of Applied Physics 27(2), 244-246, 1988.
本発明の第1の側面によると、発光デバイスの発光波長を制御する方法であって、デバイスの直列抵抗の指標を決定することであって、直列抵抗は、デバイスのオーム抵抗からなることと、デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域と直列抵抗のインピーダンスを含んだインピーダンスに跨っていることと、測定された順方向電圧と決定された直列抵抗の指標に基づいて、デバイスの活性領域電圧の指標を決定することと、決定された活性領域電圧の指標に基づいて、デバイスの温度を制御することと、を含む方法、が提供される。
よって、実施形態では、発光デバイスの発光波長を制御する方法であって、デバイスの直列抵抗の指標を決定することと、デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域と関連する接触を含んだインピーダンスに跨っていることと、測定された順方向電圧と決定された直列抵抗の指標に基づいて、活性領域電圧の指標を決定することと、決定された活性領域電圧の指標に基づいて、デバイスの温度を制御することと、を含む方法、が提供される。
実施形態のために、活性領域電圧は、デバイスの活性領域に跨る電圧と呼ばれても良い。
活性領域電圧は、活性領域から結果として得られる電圧を含んでいても良く、例えば、pnジャンクションを含んだ活性デバイスのためのジャンクション電圧と呼ばれても良い。直列抵抗は、直列抵抗のエレメンツが活性領域と共同設置されていても良いものの、デバイスが活性領域と直列に小さな抵抗を有するかのように振る舞うように、オーム接触の抵抗のみならずデバイスの活性領域のオーム抵抗も含んだ、等価回路におけるデバイスの実効オーム抵抗を含んでいても良い。(そのような振る舞いが実施形態において起こり得るので、対象の抵抗は好ましくは「直列」抵抗と呼ばれる。)順方向電圧は、活性領域電圧と、注入電流を掛けられた直列抵抗を含む、デバイスに跨って測定された電圧を含んでいても良い。
直列抵抗は、デバイスの生来の(固有の)抵抗を含んでいても良く、および/またはデバイスのオーム接触の抵抗を含んでいても良い。
有利なことに、レーザダイオードのようなデバイスからの発光の波長(例えば、中心、平均またはピーク波長)は、よって、発光デバイスの内部および/または外部温度が変動するところでさえも、(好ましくは、実施形態において注入電流と呼ばれても良い、実質的に、例えば厳密に、一定の電流で駆動された時に)正確に設定および/または安定化され得る。実施形態では、活性領域電圧指標は、デバイス全体の温度ではなく、デバイスの活性領域(例えば、p−n半導体ジャンクション(好ましくは、その空乏領域)または量子ドット)の温度が、制御され、それにより発光波長を設定および/または安定化することを、実効的に許容する。そのような温度制御は、注入電流によるデバイスの活性領域の加熱の波長への効果および/または周囲温度の変化の波長への効果を補償し得る。実施形態では、発光デバイスは、量子カスケードレーザ(そのようなレーザは、ダイオードとしては厳密には記載され得ない)またはインターバンドカスケードレーザ、またはそのブロードバンド(LED的)バージョンであっても良い。
直列抵抗の指標を決定することは、発光を維持するためにデバイスを通して振幅変調された前記電流を提供することと、振幅変調された電流を提供しながら、デバイスの順方向電圧のAC成分を抽出することと、抽出されたAC成分と振幅変調された電流の変調振幅に基づいて、動的抵抗指標を決定し、それにより直接抵抗の指標を得ることと、を含む、方法が更に提供されても良い。
例えば、直列抵抗の指標を決定することは、周波数fにおいて発光を維持するためにデバイスを通して振幅変調された電流を提供することと、振幅変調された電流を提供しながら、デバイスの順方向電圧のAC(周知の用語「交流」から略された)成分(または高周波数と呼ばれても良い周波数を有する成分、ACおよび/または高周波数成分は好ましくは変調周波数fの第1高調波)を抽出することと、振幅変調された電流を提供しながら、デバイスの順方向電圧のDC(周知の用語「直流」から略された)成分(またはfより少ない、好ましくはfよりはるかに少ない、周波数における成分)を検出することと、抽出されたAC成分と印加されたAC電流の既知の振幅に基づいて、直列抵抗指標を決定することと、を含む。そのような振幅変調は、正弦波状であっても良く、または、例えばパルス状、ランピング状等の、あらゆるその他の周期的波形を有していても良い。抽出されたAC成分は、一般に、電流の振幅変調に対応する、例えば、電流の振幅変調と同じ周波数における、ものである。好ましくは、変調深さは、電流のDC振幅の5%より少なく、好ましくは3%より少なく、より好ましくは1%または0.5%よりも少ない。
そのような実施形態は、前記AC成分を抽出することを行うために、位相検波器に順方向電圧を入力することを含んでいても良い。そのような検波器は、ロックイン増幅器であっても良い。
直列抵抗の指標は電圧(例えば、デバイスを通した電流と直列抵抗の積)であり、デバイスの順方向電圧を測定することは、デバイスのDC順方向電圧を検出することを含み、活性領域電圧の指標は、検出されたDC順方向電圧と直列抵抗の電圧指標の間の差に基づいて決定される、方法が更に提供されても良い。(この直列抵抗の電圧指標は、基準化される必要があっても良い。)検出されたDC順方向電圧は、順方向電圧内で検出可能な直流信号の最大サイズであっても良い。検出されたDC順方向電圧は、順方向電圧からあらゆるAC成分をフィルタリングすることによって得られても良い。
測定された順方向電圧と直列抵抗の指標を比較することと、比較の結果を所定の値と比較し、それによりエラー信号を生成することと、エラー信号に基づいて、前記温度を制御することを行うことと、を含む、方法が更に提供されても良い。測定された順方向電圧と直列抵抗の指標を比較することは、順方向電圧と、電流と直列抵抗の電圧積との間の差を得ても良い。所定の値は、好ましくは、確立された順方向電圧設定ポイントまたは閾値である。
デバイスの周囲温度が15℃と35℃の間で変動する時、デバイスの最大波長ドリフトは、±0.03pm/℃より少なく、好ましくは±0.02pm/℃より少ない、方法が更に提供されても良い。(これは、例えば、InPリッジ型導波管レーザと1650nmの動作波長を使って達成可能である。)波長ドリフトは、レーザダイオードの発光波長(好ましくは、中心および/またはピーク)の標準偏差の周囲温度係数として考えられても良い。前記標準偏差のいずれもは、好ましくは、固定された期間、例えば1時間、に渡って測定され、その間デバイスを通した電流のDC成分は実質的に一定である。
デバイスの発光波長(好ましくは、中心および/またはピーク)の標準偏差は、20℃の周囲温度において、±0.7pmより少なく、好ましくは±0.5pmまたは±0.3pmより少ない、方法が更に提供されても良い。再度、前記標準偏差のいずれもは、好ましくは、固定された期間、例えば1時間、に渡って測定され、その間デバイスを通した電流のDC成分は実質的に一定である。
デバイスの発光(好ましくは、中心および/またはピーク)波長の標準偏差の最大偏差は、デバイスの周囲温度が15℃と35℃の間で変動する時、±0.6pmより少なく、好ましくは±0.4pmより少ない、方法が更に提供されても良い。
発光デバイスが、発光ダイオードまたはレーザ、好ましくは分布帰還型レーザを含む、および/または分布ブラッグ反射器を含む、方法が更に提供されても良い。例えば、デバイスは、UVLED(紫外発光ダイオード)、InPおよび/またはGaNレーザ、および/またはVCSEL(垂直キャビティ面発光レーザ)であっても良い。
直列抵抗の効果についての補償が、サーミスタからの読み取り値によって提供され、そのような読み取り値は、測定された順方向電圧の温度に対する波長のドリフトに対抗する温度に対する波長のドリフトを表示している、方法が更に提供されても良い。
発明の別の側面によると、発光デバイスの波長制御のためのシステムであって、デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して振幅変調された電流を提供する電流ドライバと、デバイスの制御可能な加熱および冷却のための熱電素子と、デバイスの順方向電圧のDC成分を検出するDC電圧検出器と、順方向電圧のAC成分を抽出する位相検波器と、検出されたDC成分を抽出されたAC成分と比較し、それによりデバイスの活性領域電圧を指し示す比較器と、活性領域電圧の指標に基づいて熱電素子を制御するように構成された温度コントローラと、を含むシステム、が提供される。
熱電素子は、例えばペルチェ素子であっても良い。
デバイスを通して提供された電流は、好ましくは、位相検波が起こることを許容するためにAC成分から更になる一方で、DC注入電流でデバイスをバイアスするものである。
温度コントローラは、活性領域電圧の指標に基づいて熱電素子を制御するように構成された比例積分微分コントローラを含む、システムが更に提供されても良い。
発光デバイスが、発光ダイオードまたはレーザ、好ましくは分布帰還型レーザ、を含む、および/または、分布ブラッグ反射器を含む、システムが更に提供されても良い。
システムを含む分光計であって、分光計は、好ましくは、デバイスによって発光された波長の範囲内に入る吸収スペクトルを有する1つ以上のガスを検出するための分光計、例えばメタンを検出するための分光計、が提供されても良い。
発明の更なる側面によると、発光デバイスの発光波長を制御する方法であって、デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域とデバイスの直列抵抗を含んだインピーダンスに跨っていることと、発光デバイスに熱的に結合された温度感応デバイスの温度の指標を決定することと、測定された順方向電圧と決定された温度の指標に基づいて、修正順方向電圧を決定することと、決定された修正順方向電圧に基づいて、発光デバイスの温度を制御することと、を含む方法、が提供される。
熱的な結合は、温度感応デバイスを発光デバイスの近くに配置することによって達成されても良い。
当側面の実施形態では、直列抵抗の効果がサーミスタからの読み取り値によって提供されるので、そのような読み取り値は、測定された順方向電圧の温度に対する波長のドリフトに対抗する温度に対する波長のドリフトを表示している。
実施形態におけるサーミスタ読み取り値と順方向電圧読み取り値は、外部温度の変化に対する波長に反対の効果を有し得るので、従ってもしコントローラが適切な比率で両方からの読み取り値を加えることに基づいていれば、これは両方の測定を適切に補償し、安定した波長を与え得る。
発明の別の側面によると、パッケージされた発光デバイスの波長制御のためにシステムであって、デバイスパッケージに熱的に結合された温度感応デバイスと、デバイスの順方向電圧のDC成分を検出するDC電圧検出器と、温度感応デバイスからの読み取り値を検出されたDC成分と比較して、修正DC順方向電圧を与える比較器と、修正DC順方向電圧の指標に基づいて熱電素子を制御し、それにより発光デバイスの温度を制御するように構成された温度コントローラと、を含むシステム、が提供される。
温度感応デバイスは、サーミスタを含んでも良い、および/またはデバイスパッケージ内に埋め込まれるかあるいはパッケージの外側の近くに配置されても良い。
当側面の実施形態では、直列抵抗の効果がサーミスタからの読み取り値によって提供されるので、そのような読み取り値は、測定された順方向電圧の温度に対する波長のドリフトに対抗する温度に対する波長のドリフトを表示している。
好ましい実施形態は、添付された従属請求項において規定される。
上記側面のいずれか1つ以上および/または好ましい実施形態の上記オプションの特徴のいずれか1つ以上は、あらゆる並べ替えにおいて、組み合わされても良い。
発明のより良い理解のためと、同発明がどのように実施され得るかを示すために、ここで付随する図面への参照が、例としてなされる。
一般に、実施形態は、レーザダイオードのジャンクション電圧、活性領域電圧とも言う、の測定を介したレーザダイオードの波長制御を提供する。特定には、波長安定化は、サーミスタの代わりに活性媒体の温度を測定するためにレーザダイオードに跨った電圧低下を使うことによって、実施形態では達成されても良い。有利なことに、順方向電圧ではなくジャンクション電圧が使われる。それらのデバイスの直列抵抗は、順方向電圧を測定する時に小さいが顕著なエラーを課すので、この抵抗を測定し、それを補償することによって、ジャンクション電圧だけが測定され、測定の正確さが顕著に向上され、および/または周囲温度が15−35℃の範囲で変動する時に、好ましくは測定可能な系統的エラー無しで、発光波長が安定化される。ジャンクション温度がより正確に測定されても良く、および/または周囲温度の効果が補償されても良い。
理解を助けるため、レーザダイオードのV−I関係をここで最初に考える。
注入電流とレーザダイオードジャンクション電圧は、ショックレー方程式
によって表されることができ、ここでIfとIsは、それぞれレーザダイオードの順方向および飽和電流である。Vjはレーザダイオードのジャンクション電圧であり、eは電子の電荷、kはボルツマン定数、Tはケルビンでの熱力学的温度である。ηは理想係数であり、閾値より上で動作されたレーザダイオードについては近似的に1に等しい。
レーザダイオードの電圧は、ショックレー方程式
から導出できる。
の時、それは熱電圧とも呼ばれ、そして
ここで
Egはボルトで測定されたバンドギャップエネルギー、γは定数である。
項は1に近く、飽和電流は、
として近似されることができ、ここでCは定数である。式(5)を式(3)に代入すると、
上記の関係は、レーザダイオードジャンクション電圧の温度依存性を与える。レーザダイオードの順方向電圧Vfは、
Vf=Vj+IfRs (7)
として記載でき、VfとRsは、レーザダイオードの端子に跨って測定された電圧とレーザダイオードの直列抵抗である。順方向電圧に関してのジャンクション電圧の微分は、
Vf=Vj+IfRs (7)
として記載でき、VfとRsは、レーザダイオードの端子に跨って測定された電圧とレーザダイオードの直列抵抗である。順方向電圧に関してのジャンクション電圧の微分は、
として書くことができる。
ここで従来のサーミスタに基づく制御を使ったレーザダイオードの波長安定性を考えると、従来のレーザダイオード温度制御システムでは、レーザダイオードチップの温度は、図2に示されるような距離をおいて置かれたサーミスタで感知される、ということに注意する。サーミスタは、その直ぐ周辺の温度測定を与える。
設備と実験構成については、1650nmの波長をもったInPリッジ型導波管レーザ(HHI TO8 MTE Module)が、従来のサーミスタに基づく制御を使って波長安定性について調査された。レーザダイオードパッケージ内部のサーミスタは、温度コントローラ(Thorlabs TED200)に接続され、それは一方で、サーミスタ温度を制御するためにパッケージ中のペルチェ素子に接続された。レーザダイオードへの注入電流は、電流ドライバ(Thorlabs LDC200)を使って供給された。図3に示されるように、一定の外部周囲温度を±1℃内に維持するために、環境チャンバが使われた。レーザダイオードの波長は、波長計(Agilent AG86122B)で測定された。この波長計の解像度は100fmであり、その絶対確度は0.3pmであった。波長計は、1650nmより長い波長を測定することができないので、このテストのために、レーザダイオードは1649nmで動作された。
レーザダイオードは、15−35℃の範囲にある環境チャンバ中に置かれ、異なる周囲温度において閾値より上で動作された。レーザダイオード注入電流は、150mA±0.5mAで一定に保たれ、サーミスタ温度は、15℃±0.01℃に維持された。
従来の制御についての結果を考えると、図4は、レーザダイオード波長への可変周囲温度の効果を実証する。レーザダイオードについての周囲温度は、環境チャンバ温度を変えることによって5℃のステップで変動された。
周囲温度が15℃から35℃まで増加されるにつれて、レーザダイオード発光波長は、一定の注入電流とサーミスタ温度を有するにも拘わらず、より短い波長にドリフトした。これは、サーミスタが、レーザダイオードの実際の温度を測定しておらず、周囲温度が増加されるにつれて、チップとサーミスタの間の温度勾配が影響された、という仮説と整合している。従って、レーザダイオードチップは、更に冷却された。図5は、単純な「シーソー」モデルでこの原理を描く。
よって、レーザダイオード波長は、15−35℃の温度範囲に渡って77pmの総波長シフトで、より短い波長に向けてドリフトした。周囲温度でのレーザダイオード波長における変化は、一定のサーミスタ温度において、−3.8pm±0.5pm/℃であった。
従来のサーミスタ制御方法は、長期レーザ波長安定性についてもテストされた。レーザダイオードへの注入電流は、150mA±0.5mAで一定に保たれ、サーミスタ温度は、15℃±0.01℃に制御された。周囲温度は30℃に設定され、波長が30分間監視された。図6は、結果として得られた長期波長安定性を示す。レーザダイオード波長は、30分の時間に渡ってσ=±0.4pmの標準偏差で、時間に渡って安定であり続けた。
ここで、順方向電圧に基づく制御を使ったレーザダイオード波長安定性の評価に転じると、レーザ順方向電圧が、レーザダイオードの波長を安定化するための温度センサとして使われた。設備と実験設定は、レーザダイオード波長安定化の従来の方法の上記調査において使われたのと同じDFBレーザが関与した。レーザは、順方向電圧方法を使って波長安定性について調査された。レーザダイオードは、同じ電流ドライバ(Thorlabs LDC200)を使って駆動され、その発光が、レーザダイオード波長安定化の従来の方法の調査の上記議論において記載されたのと同じ波長計(Agilent AG86122B)を使って測定された。レーザダイオードは、その温度が15−35℃の範囲で変化させることができる環境チャンバ中に再度置かれた。図7にフローチャートで示されるように、Labview(National Instruments)に基づく比例積分微分(PID)コントローラが、順方向電圧に基づく温度コントローラを実装するのに使われた。
レーザダイオードは、150mA±0.5mAの一定の注入電流で駆動された。サーミスタが15℃に制御される間に測定された電圧低下が、PIDコントローラについての設定ポイント電圧として使われた。環境チャンバの周囲外部温度が、15−35℃の範囲に渡って5℃のステップで変動された。
レーザダイオードに跨った電圧低下が測定され、電圧設定ポイントと比較された。それらの電圧の間の差は、エラー信号として働き、それは図8に記載された通りレーザダイオードの温度を安定化するためにPIDコントローラ中に送り込まれた。
結果に関して、図9は、順方向電圧制御の下での周囲温度とレーザダイオード発光波長の間の関係を示す。セクション(3.2)に記載された通り波長がより短くなる従来の方法を使って観察されたドリフトとは対照的に、レーザダイオード波長は、より高い周囲温度でより長い波長に向けてドリフトすることが見つけられた。この技術は、図9のグラフで観察できるように、周囲温度における変化で4.5pm/℃の系統的エラーに悩まされることが見つけられた。
図9は、より高い周囲温度においてレーザダイオード波長がより長い波長に向けてドリフトしたことを示し、順方向電圧は、レーザジャンクション温度の測定についての唯一の重要なパラメータではないことを指し示している。総波長ドリフトは、15−35℃の範囲に渡って90pmであった。可変周囲温度でのレーザダイオードの波長を安定化する際の順方向電圧方法の性能は、従って、従来のサーミスタに基づく制御のそれと比肩し得る。
順方向電圧技術は、長期波長安定性についてもテストされた。レーザダイオードは、30℃±1℃の一定の温度における環境チャンバ中に保持された。レーザダイオードチップは、150mA±0.5mAの注入電流でバイアスされ、波長が30分の期間に渡って(レーザダイオード波長安定化の従来の方法との関係で上述された)波長計で測定された。
図10は、一定の温度と注入電流におけるレーザダイオードの長期波長安定性を示す。波長安定性は±0.32pm(1σ)であって、それは再度従来のサーミスタに基づく制御と比肩し得る。
周囲温度変化での長期波長安定性と系統的エラーは、順方向電圧方法を使う温度制御とサーミスタを使う温度制御について比肩し得るものであった。但し、吸収線の半値半幅が50pm(大気圧で100%のメタン濃度)である、メタンのようなガスの可同調ダイオードレーザ分光法は、変動する周囲温度に直面する時、より安定なレーザダイオード波長を要求する。従って、向上された波長制御方法が望ましい。
ここで、レーザダイオードのジャンクション電圧に基づく制御を考える。順方向電圧は、レーザダイオードの陽極と陰極に跨って測定された電圧である。順方向電圧は、ジャンクション電圧と、式(7)で記載された通りのRs、レーザダイオードの直列抵抗に跨った電圧低下、の合計である。ジャンクション電圧と直列抵抗の両方は、式(8)に示されたように温度依存性である。以下で記載される通り、順方向電圧と直列抵抗への温度の効果が調査される。レーザダイオードジャンクション電圧が、可変周囲温度に直面した際に長い時間的尺度に渡ってレーサダイオードの波長を安定化することの目的のために調査される。
レーザダイオード直列抵抗は、以下のように測定できる。式(7)と組み合わされたショックレー方程式(1)の1次導関数から、およびVf>>VTを仮定して、
となり、それは
R=Rj+Rs (10)
と書き直すことができる。RとRjは、それぞれレーザダイオードの総動的抵抗と実効的ジャンクション抵抗である。Rsは、デバイス内のオーム効果によって引き起こされたレーザダイオードの追加の直列抵抗である。図11は、レーザダイオードの小信号モデルを示し、それはどのようにレーザダイオードが振る舞うかを理解するために使われ得る等価回路であり得る。
R=Rj+Rs (10)
と書き直すことができる。RとRjは、それぞれレーザダイオードの総動的抵抗と実効的ジャンクション抵抗である。Rsは、デバイス内のオーム効果によって引き起こされたレーザダイオードの追加の直列抵抗である。図11は、レーザダイオードの小信号モデルを示し、それはどのようにレーザダイオードが振る舞うかを理解するために使われ得る等価回路であり得る。
レーザダイオード直列抵抗Rsは、増加する温度と共に増加する。Rsの値を決定するために、レーザダイオードの順方向電圧が、異なる動作温度において注入電流の範囲について測定された。注入電流(I)に対して
をプロットすることによって、レーザダイオード抵抗は、図12に示されるように測定されることができる。
図12は、10℃におけるレーザダイオード直列抵抗を示し、プロットは、
と注入電流の逆数の間の線形関係を示す。このグラフのY軸切片は、レーザダイオード直列抵抗の測定を与え、それは表1に与えられるように増加するサーミスタ温度と共に増加する。式(10)におけるRsの温度依存性は顕著であり、もし順方向電圧が温度制御の目的で使われるものとするならば、補償を要求する、ということが見つけられた。式(9)における
のような動的抵抗の測定は、その温度との変動が直列抵抗Rsのそれによって実質的に影響を受けるような値を与え、これは従ってこの補償を提供するために使われることができる。
表1に示されるようなレーザダイオードの直列抵抗、それは増加する、とは対照的に、図13における温度範囲10−40℃に渡る電圧対注入電流のプロットは、増加する温度と共に、順方向電圧が減少することを示す。
図12と図13のグラフは、レーザダイオード内に小さな追加の直列抵抗があり、それは表1に示されるように温度依存性である、ということを確認する。レーザダイオード直列抵抗による電圧低下は、温度と注入電流の両方に依存する小さな電圧を加えることによって順方向電圧に貢献する。従って、この潜在性は、レーザダイオードの順方向電圧を使うレーザダイオード温度の測定に、系統的エラーを加える。順方向電圧を使った温度感知におけるこの系統的エラーは、図9で観察されることができ、そこではレーザダイオード発光は、増加する周囲温度により、より長い波長に向けてドリフトしている。
設備と実験設定に関しては、図14のフローチャートが、単なる順方向電圧(順方向電圧は、一般にデバイスの陽極と陰極の間で低下した、例えば、図11の完全な等価回路によって表されたインピーダンスに跨った、ものである)と対照的に、デバイスの活性領域に跨った電圧(例えば、レーザダイオードジャンクション電圧、ジャンクションは一般に半導体pnジャンクションである)を使ったレーザダイオード波長を安定化するプロセスを示す。およそ閾値のDC注入電流を同時に引加しながら、レーザダイオードの動的抵抗Rが、相対的に小さな変調深さの正弦波電流(それは振幅変調された電流と呼ばれても良い)を使ってレーザダイオードを変調することによって測定された。レーザダイオードに跨った電圧低下は、増幅器のロック中に送り込まれて、1fで復調された。復調された信号は、DC電流における∂Vf/∂Ifとしてレーザダイオードの動的抵抗Rの測定を与えた。実施形態では、ロックイン増幅器の形の位相検波器が、検出された順方向電圧VfからAC成分δVを抽出するのに使われ、抽出された信号は、好ましくは∂Vf/∂Ifとしてレーザ抵抗の測定を提供するために、処理される(例えば、変調された電流の変調振幅δIによって割られるおよび/または変調された電流のDC振幅Ifによって掛けられることによって基準化される)。
順方向電圧に基づく制御を使ったレーザダイオードの波長安定性のための設備と実験設定との関係で上述されたのと同じPIDコントローラが使われた。順方向電圧に基づく制御を使ったレーザダイオードの波長安定性のための上記実験設定のために使われたLabviewコード(図20)が、次のように変形された。RMS変調された電圧が、ロックイン増幅器を使って測定され、経験的に決定されたファクター(図14のI/δI)によって掛けられて、レーザ抵抗による追加の電圧の指標(IR)を与えた。これがDC順方向電圧から差し引かれて、ジャンクション電圧Vjの測定の形での活性領域電圧の指標を与えた。設定ポイント値VsetがVjから差し引かれて、ペルチェ素子へのPIDフィードバックループにおけるエラー信号を提供した。
実際には、図14に示されたスケールファクターが、電圧補償のための好適な開始ポイントを与えるのに使われ、それからRjのマイナーな効果とあらゆる追加のオーム接触を考慮するために経験的に調節される。
図15は、レーザダイオードジャンクション電圧を使ったレーザダイオード波長制御のための実験的構成を示す。レーザダイオードは、5.2mAの頂点間振幅をもって31kHzで変調された。165.8mAのDC注入電流でダイオードをバイアスするのに、電流ドライバ(Thorlabs LDC200)が使われた。1f変調された順方向電圧を測定するのに、ロックイン増幅器(Stanford Research SR850)が使われて、図14に示されたような順方向電圧を補償するための抵抗測定を提供した。結果として得られたジャンクション電圧が、PIDへのエラー信号を提供するために設定ポイント電圧と比較された。電圧は、データ収集カード(National Instruments PCI6259)を使って測定された。電圧補償とPIDは、全てLabviewに実装された。PIDからの出力は、ペルチェクーラーへのフィードバックループを閉じるために、第2の電流ドライバ(Thorlabs ITC510)の変調入力に送られた。
光学スペクトル分析器の解像度は、この方法から結果として得られる波長安定性のレベルを測定するには粗すぎ、加えてそれは印加されたAC電流から結果として得られる波長変調のエンベロープに対応する時間平均発光を測定したであろう。従って、レーザダイオード発光波長は、メタン参照セル、約2.5%の容量でメタンで満たされInGaAsフォトダイオードを含んだ8nm長のTOカン、の助けで測定された。フォトダイオードのプリアンプからの信号は、波長変調分光法のやり方で、ロックイン増幅器(Stanford SRS850)を使って3fで復調された。3f信号は、ガスライン中心で0を通過し(図16参照)、従ってこの信号は、1650.96nmにおけるライン中心からの発光波長のずれの便利な測定を供する。この技術では、中心波長のずれが測定され、小さな波長変調は、波長が常に変動していることを意味する。
ここでガス参照セルの波長カリブレーションを考えると、構成には、周波数31kHzとp−p振幅5.2mAをもった正弦波信号を使って駆動されたレーザダイオードが関与し、115pmのp−p波長変調を与える。同時DCバイアスが、164−168mAの範囲で印加された。
波長カリブレーションを確立するために、正弦波変調を同時に印加しながら、レーザダイオードの中心波長が、メタンガスに跨ってスキャンされた。検出器出力がそれから、ロックイン増幅器中に送り込まれ、第3高調波が測定された。結果が図16に示されている。3f信号の165.8mAの印加電流におけるゼロ交差は、メタンガスラインのピークに対応する。ライン中心が同定されていることを確かにするために、1f、2fおよび3f信号を観察しながら、カリブレーションプロセスが繰り返された。
中心波長λをもった3f信号の変化のレートが与えられると、波長カリブレーションは、次のように確立された。
レーザダイオード波長同調係数d(λ)/d(If)は、光学スペクトル分析器を使って異なるDC注入電流において波長を測定することによって、23pm/mAであると確立された。下の図17に示される線形領域が与えられると、d(3f信号)/d(If)の値は、図16のプロットを拡張することによって確立された。これは、1.90V/Aの勾配を与えた。
この方法により、3fロックイン増幅器からの電圧出力が、d(3f信号)/d(λ)=81μV/pmのカリブレーション係数を有することが確立された。
結果に関して、レーザは、20℃の一定の周囲温度と165.8mAのDC注入電流で1時間の期間の間、ジャンクション電圧制御の下で動作された。ロックイン増幅器3f信号は、ガス参照セル波長カリブレーションとの関係で上述したカリブレーション手順を使って、記録され波長に変換された。図18は、時間に渡るガスライン中心からの結果として得られる波長のずれを示す。
レーザダイオードは、σ=±0.7pmの波長標準偏差で1時間の期間に渡って安定し続けた。順方向電圧でのレーザダイオードの長期波長安定性は、従って、サーミスタと順方向電圧制御方法のそれと比肩し得るものであった。
ジャンクション電圧制御技術は、15−35℃の範囲中の周囲温度における変化での波長安定性についてもテストされた。
図19は、周囲温度における変化への、時間に渡るレーザダイオード波長の応答を示す。両図において、3f電圧出力は、ゼロ交差ポイントの近くであり続け、レーザダイオード波長がメタンガスラインの中心の近くであったことを指し示した。
測定は、変動する周囲温度でのレーザダイオード波長ドリフトを示してきた。レーザダイオード波長は、≦0.03pm/℃の周囲温度係数で安定し続けた。ジャンクション電圧を使った周囲温度でのレーザダイオード波長安定性は、従って、従来のサーミスタ制御を使い順方向電圧制御技術を使って達成されたものよりも2桁より良い。
ジャンクション電圧制御の下の周囲温度でのレーザダイオード中心波長安定性に関しては、図1を参照する。
上記の点から見て、DFBレーザダイオード電圧と温度の間の近似的に線形な関係が、温度センサとして、および制御ループ内で、レーザダイオードの中心波長を安定化するために、使われることができる。レーザダイオード順方向電圧は、増加する動作温度と共に近似的に線形に減少した。従来のレーザダイオード温度制御では、距離をおいて置かれたサーミスタが、レーザダイオードチップの温度を感知するのに使われた。サーミスタは、その直ぐ周辺の温度を測定する。しかしながら、チップとサーミスタの間には温度勾配があり、周囲温度が変化する時のレーザダイオード波長ドリフトに結果としてなる。従来のサーミスタ制御の下では、レーザダイオード波長は、増加する周囲温度と共に減少したことが、実験的に実証された。
レーザダイオードに跨った電圧(順方向電圧)は、レーザダイオードの発光波長を安定化するのに使われることができる。順方向電圧制御技術の性能は、従来のサーミスタ制御のそれと比肩し得るものであった。但し、可変周囲温度では、レーザダイオード波長は、レーザダイオード直列抵抗の温度依存性により、ドリフトした。レーザダイオード順方向電圧は、増加する温度と共に減少した一方、レーザダイオード直列抵抗は、増加する温度と共に増加した。従って、周囲温度が増加された時、順方向電圧は減少して、より長い波長に向けてのレーザダイオード波長ドリフトに結果としてなった。
レーザダイオード直列抵抗は、動作温度の範囲に渡って測定された。レーザダイオード抵抗は、順方向電圧における減少と対照的に、増加する温度と共に増加した。その波長を安定化するためのレーザダイオードのジャンクション電圧の測定に基づいた制御システムが開発された。レーザダイオード抵抗は、閾値より上のDCバイアスで注入電流を変調することによって、動的に測定された。レーザダイオードは、変調によって発生される追加の熱を最小化するために、小さな振幅をもった高周波数(31kHz)で変調された。1f復調出力は、基準化され、レーザダイオードに跨って測定された電圧低下から差し引かれた。結果として得られたジャンクション電圧は、電圧設定ポイントから差し引かれ、結果はPID制御ループにおけるエラー信号として使われた。
スペクトル分析器の制限された解像度のため、ジャンクション電圧制御を使う時のレーザダイオードの波長安定性をチェックするのに、メタンガスラインが使われた。レーザダイオードの中心波長が、可変周囲温度の下で、長期安定性についてチェックされた。レーザダイオード中心波長は、表2で下に示されるように、順方向電圧およびサーミスタ制御方法のそれと同様の長期安定性を有した。但し、異なる周囲温度に直面する時、ジャンクション電圧制御は、サーミスタまたは順方向電圧制御のどちらかのそれよりも、2桁より良い平均波長安定性を示した。
可同調レーザダイオード分光法は、ガス吸収線が非常に狭い、例えば、1650.96nmにおけるメタン吸収は100%の濃度について50pmの線幅(HWHM)を有するので、非常に安定なレーザダイオード波長を要求する。20℃の周囲温度変化について、従来のサーミスタ制御は1650.96nmにおけるメタンガス線幅よりも大きい、76pmの波長変化に悩まされるであろう。
ジャンクション電圧制御を使うことは、これをより扱いやすい0.6pmまで下げ、それはガス線幅よりもはるかに小さく、固定された温度における時間に渡った波長安定性のレベルと同様であるだろう。
技術は、様々なパッケージ、例えば、全て同じかまたは他の波長における、TOカン−ここで記載されたパッケージされたDFB、バタフライパッケージされたDFBおよびVCSEL、およびUV、可視またはIRのLED、に適用可能である。一般的に、レーザは、分布帰還型レーザであっても良く、そこではレーザの活性領域が回折格子を含む。レーザは、分布ブラッグ反射器を含んでいても良く、例えば、垂直キャビティ面発光レーザであっても良い。レーザは、InPまたはGaNベースであっても良い。レーザは、量子ドットレーザであっても良い。
多くの他の効果的な代替形が当業者に起こるであろうことに疑いは無い。発明は、記載された実施形態に限定されるものではなく、ここに添付された請求項の精神と範囲内に横たわる、当業者に明白な変形を包括する、ということが理解されるであろう。
Claims (17)
- 発光デバイスの発光波長を制御する方法であって、
デバイスの直列抵抗の指標を決定することであって、直列抵抗は、デバイスのオーム抵抗からなることと、
デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、
前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域と直列抵抗のインピーダンスを含んだインピーダンスに跨っていることと、
測定された順方向電圧と決定された直列抵抗の指標に基づいて、デバイスの活性領域電圧の指標を決定することと、
決定された活性領域電圧の指標に基づいて、デバイスの温度を制御することと、
を含む方法。 - 直列抵抗の指標を決定することは、
発光を維持するためにデバイスを通して振幅変調された前記電流を提供することと、
振幅変調された電流を提供しながら、デバイスの順方向電圧のAC成分を抽出することと、
抽出されたAC成分と振幅変調された電流の変調振幅に基づいて、動的抵抗指標を決定し、それにより直接抵抗の指標を得ることと、
を含む、請求項1の方法。 - 前記AC成分を抽出することを行うために、位相検波器に順方向電圧を入力することを含む、請求項2の方法。
- 直列抵抗の指標は電圧であり、
デバイスの順方向電圧を測定することは、デバイスのDC順方向電圧を検出することを含み、
活性領域電圧の指標は、検出されたDC順方向電圧と直列抵抗の電圧指標の間の差に基づいて決定される、
請求項1−3のいずれか1つの方法。 - 測定された順方向電圧と直列抵抗の指標を比較することと、
比較の結果を所定の値と比較し、それによりエラー信号を生成することと、
エラー信号に基づいて、前記温度を制御することを行うことと、
を含む、請求項1−4のいずれか1つの方法。 - デバイスの周囲温度が15℃と35℃の間で変動する時、デバイスの最大波長ドリフトは、±0.03pm/℃より少なく、好ましくは±0.02pm/℃より少ない、請求項1−5のいずれか1つの方法。
- デバイスの発光波長の標準偏差は、20℃の周囲温度において、±0.7pmより少なく、好ましくは±0.3pmより少ない、請求項1−6のいずれか1つの方法。
- デバイスの発光波長の標準偏差の最大偏差は、デバイスの周囲温度が15℃と35℃の間で変動する時、±0.6pmより少なく、好ましくは±0.4pmより少ない、請求項1−7のいずれか1つの方法。
- 発光デバイスが、発光ダイオードまたはレーザ、好ましくは分布帰還型レーザ、を含む、および/または、分布ブラッグ反射器またはVCSELを含む、請求項1−8のいずれか1つの方法。
- 発光デバイスの波長制御のためのシステムであって、
デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して振幅変調された電流を提供する電流ドライバと、
デバイスの制御可能な加熱および冷却のための熱電素子と、
デバイスの順方向電圧のDC成分を検出するDC電圧検出器と、
順方向電圧のAC成分を抽出する位相検波器と、
振幅変調された電流の変調振幅に基づいて抽出されたAC成分を基準化する基準化回路と、
検出されたDC成分を基準化され抽出されたAC成分と比較し、それによりデバイスの活性領域電圧を指し示す比較器と、
活性領域電圧の指標に基づいて熱電素子を制御するように構成された温度コントローラと、
を含むシステム。 - 温度コントローラは、活性領域電圧の指標に基づいて熱電素子を制御するように構成された比例積分微分コントローラを含む、請求項10のシステム。
- 発光デバイスが、発光ダイオードまたはレーザ、好ましくは分布帰還型レーザ、を含む、および/または、分布ブラッグ反射器またはVCSELを含む、請求項10または11のシステム。
- 請求項10−12のいずれか1つのシステムを含む分光計。
- デバイスによって発光された波長の範囲内に入る吸収スペクトルを有する1つ以上のガスを検出するための、請求項13の分光計。
- メタンを検出するための、請求項13または14の分光計。
- 発光デバイスの発光波長を制御する方法であって、
デバイスの発光を維持するためにデバイスを通して電流を提供することと、
前記発光中にデバイスの順方向電圧を測定することであって、順方向電圧は、デバイスの活性領域とデバイスの直列抵抗を含んだインピーダンスに跨っていることと、
発光デバイスに熱的に結合された温度感応デバイスの温度の指標を決定することと、
測定された順方向電圧と決定された温度の指標に基づいて、修正順方向電圧を決定することと、
決定された修正順方向電圧に基づいて、発光デバイスの温度を制御することと、
を含む方法。 - パッケージされた発光デバイスの波長制御のためにシステムであって、
デバイスパッケージに熱的に結合された温度感応デバイスと、
デバイスの順方向電圧のDC成分を検出するDC電圧検出器と、
温度感応デバイスからの読み取り値を検出されたDC成分と比較して、修正DC順方向電圧を与える比較器と、
修正DC順方向電圧の指標に基づいて熱電素子を制御し、それにより発光デバイスの温度を制御するように構成された温度コントローラと、
を含むシステム。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1406664.1A GB2525187B (en) | 2014-04-14 | 2014-04-14 | Wavelength control of laser diodes |
GB1406664.1 | 2014-04-14 | ||
PCT/GB2015/051077 WO2015159049A1 (en) | 2014-04-14 | 2015-04-09 | Wavelength control of laser diodes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017511608A true JP2017511608A (ja) | 2017-04-20 |
Family
ID=50844953
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016562209A Pending JP2017511608A (ja) | 2014-04-14 | 2015-04-09 | レーザダイオードの波長制御 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20170047709A1 (ja) |
EP (1) | EP3132511B1 (ja) |
JP (1) | JP2017511608A (ja) |
GB (1) | GB2525187B (ja) |
WO (1) | WO2015159049A1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019110164A (ja) * | 2017-12-15 | 2019-07-04 | 株式会社堀場製作所 | 半導体レーザ装置及びその製造方法並びにガス分析装置 |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9755399B2 (en) | 2015-05-05 | 2017-09-05 | Boreal Laser Inc. | Packaged laser thermal control system |
JP6115609B2 (ja) * | 2015-10-07 | 2017-04-19 | ウシオ電機株式会社 | レーザ光源装置 |
US10451479B2 (en) * | 2015-11-11 | 2019-10-22 | The Curators Of The University Of Missouri | Multichannel ultra-sensitive optical spectroscopic detection |
CN108983064B (zh) * | 2018-08-10 | 2024-05-31 | 武汉盛为芯科技有限公司 | 半导体激光二极管芯片高速直调动态光谱测试方法及装置 |
CN109473868A (zh) * | 2018-12-24 | 2019-03-15 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种用于cpt原子钟的vcsel温度点扫描方法及系统 |
GB2600904A (en) * | 2019-11-27 | 2022-05-18 | Perkinelmer Singapore Pte Ltd | Laser temperature stabilisation |
RU2744397C1 (ru) * | 2020-08-21 | 2021-03-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ отбраковки квантово-каскадных лазеров |
CN112903588A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-04 | 四川虹信软件股份有限公司 | 基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4062632A (en) * | 1976-06-21 | 1977-12-13 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Constant modulation index technique for measuring the derivatives of device parameters |
US4680810A (en) * | 1985-06-28 | 1987-07-14 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Labs | Means for controlling a semiconductor device and communication system comprising the means |
EP0238484A1 (en) * | 1985-09-24 | 1987-09-30 | Bell Communications Research, Inc. | Temperature stabilization of injection lasers |
EP0618653B1 (en) * | 1993-03-30 | 1997-07-16 | Nec Corporation | Frequency stabilization method of semiconductor laser and frequency-stabilized light source |
US6922423B2 (en) * | 2003-04-11 | 2005-07-26 | Robert L. Thornton | Control system for a semiconductor laser |
US20110217045A1 (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-08 | Onechip Photonics Inc. | Crosstalk mitigation in optical transceivers |
US8619824B2 (en) * | 2010-09-03 | 2013-12-31 | Teraxion Inc. | Low white frequency noise tunable semiconductor laser source |
-
2014
- 2014-04-14 GB GB1406664.1A patent/GB2525187B/en active Active
-
2015
- 2015-04-09 JP JP2016562209A patent/JP2017511608A/ja active Pending
- 2015-04-09 EP EP15717211.5A patent/EP3132511B1/en active Active
- 2015-04-09 WO PCT/GB2015/051077 patent/WO2015159049A1/en active Application Filing
- 2015-04-09 US US15/304,153 patent/US20170047709A1/en not_active Abandoned
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019110164A (ja) * | 2017-12-15 | 2019-07-04 | 株式会社堀場製作所 | 半導体レーザ装置及びその製造方法並びにガス分析装置 |
JP7049820B2 (ja) | 2017-12-15 | 2022-04-07 | 株式会社堀場製作所 | 半導体レーザ装置及びその製造方法並びにガス分析装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20170047709A1 (en) | 2017-02-16 |
EP3132511A1 (en) | 2017-02-22 |
GB2525187A (en) | 2015-10-21 |
GB2525187B (en) | 2020-02-12 |
EP3132511B1 (en) | 2021-02-24 |
GB201406664D0 (en) | 2014-05-28 |
WO2015159049A1 (en) | 2015-10-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2017511608A (ja) | レーザダイオードの波長制御 | |
US11275059B2 (en) | Apparatus and method for in-situ calibration of a photoacoustic sensor | |
Wang et al. | Fiber-ring laser intracavity QEPAS gas sensor using a 7.2 kHz quartz tuning fork | |
US9755399B2 (en) | Packaged laser thermal control system | |
JP6394920B2 (ja) | 外部空洞レーザ吸収分光方法及び装置 | |
US9142937B2 (en) | Wavelength referencing by monitoring a voltage across a laser diode | |
US7443894B2 (en) | System and method for laser temperature compensation | |
Weldon et al. | Laser diode based oxygen sensing: A comparison of VCSEL and DFB laser diodes emitting in the 762 nm region | |
CN110987867B (zh) | 用于激光光谱学的光学测量系统中的目标气体的相对定位的方法和系统 | |
Leis et al. | A temperature compensation technique for near-infrared methane gas threshold detection | |
Scholz et al. | Photoacoustic-based detector for infrared laser spectroscopy | |
Romadhon et al. | Longitudinal modes evolution of a GaN-based blue laser diode | |
Asmari et al. | All-electronic frequency stabilization of a DFB laser diode | |
Civiš et al. | Near-infrared wafer-fused vertical-cavity surface-emitting lasers for HF detection | |
Asmari et al. | Wavelength stabilisation of a DFB laser diode using measurement of junction voltage | |
Vicet et al. | Tunability of antimonide-based semiconductor lasers diodes and experimental evaluation of the thermal resistance | |
Mu et al. | Measurement of frequency stability in tunable lasers by using an FP interferometer | |
Schilt et al. | Long-Term Frequency Stability and Noise Evolution of a Free-Running Distributed Feedback Quantum Cascade Laser | |
Nadezhdinskii et al. | Quantum noise of diode laser radiation | |
Lee et al. | Operation Principles of Wavelength Sensing Using Transparent Properties of SemiconductorOptical Diodes | |
CA2889953C (en) | Packaged laser thermal control system | |
Milde et al. | Comparison of the spectral excitation behavior of methane according to InP, IC, and QC lasers as excitation source by QEPAS | |
Azevedo et al. | Higher harmonic detection and sensitivity to instrument drifts in trace-gas sensors | |
Asmari | A novel laser diode wavelength stabilisation technique for use in high resolution spectroscopy | |
Yu et al. | Near-infrared distributed-feedback laser sources and system for gas sensing based on TDLAS techniques |