JP2017511608A - レーザダイオードの波長制御 - Google Patents

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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.
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。
図１は、ジャンクション電圧制御下の周囲温度でのレーザダイオードの中心波長安定性を示す。 図２は、バタフライパッケージにおけるＤＦＢレーザダイオードの３Ｄモデルを示す。 図３は、レーザダイオードの波長安定化の従来の方法の調査を示す。 図４は、１５０ｍＡの一定の注入電流において、１５℃のサーミスタ温度に従来的に制御されながらの、周囲温度でのレーザダイオードの波長ドリフトを示す。 図５は、サーミスタ設定ポイントを使った、従来のレーザダイオード制御の「シーソー」モデルを示す。 図６は、３０℃の一定の周囲温度と、１５℃のサーミスタ温度と、１５０ｍＡの一定の注入電流における、レーザダイオードの長期波長安定性を示す。 図７は、ペルチェ電流の順方向電圧に基づく制御を示すフローチャートを示す。 図８は、レーザダイオードの波長を安定化する順方向電圧方法の概略を示す。 図９は、順方向電圧制御下の可変周囲温度でのレーザダイオードの波長安定性を示す。 図１０は、順方向電圧に基づく制御を使ったレーザダイオードの長期波長安定性のテストを示す。 図１１は、例示的なレーザダイオードの小信号モデルを示す。 図１２は、１０℃におけるサーミスタに基づく制御の下で動作するレーザダイオードの直列抵抗測定を示す。 図１３は、異なる温度におけるサーミスタに基づく制御の下で動作するレーザダイオードのＶ−Ｉプロットを示す。 図１４は、ジャンクション電圧を使ったレーザダイオードの波長安定化のためのフローチャートを示す。 図１５は、レーザダイオードの波長を安定化するためのジャンクション電圧方法の構成を示す。 図１６は、波長測定のために使われたガスセルからのメタン３ｆ信号を示す。 図１７は、ライン中心周りの線形領域を示す、図１６の拡大セクションを示す。実験ポイントを通したベストフィットの直線の式も与えられている。 図１８は、ジャンクション電圧に基づく制御を使ったレーザダイオードについての長期波長安定性を示す。 図１９は、１５℃と３５℃の周囲温度における、ジャンクション電圧制御の下でのメタンライン中心（１６５０．９６ｎｍ）からのレーザダイオードの波長ずれを示す。 図２０（ａ）−（ｃ）は、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に使われたLabviewコードを示す。
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
Figure 2017511608
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
Figure 2017511608
から導出できる。
Figure 2017511608
の時、それは熱電圧とも呼ばれ、そして
Figure 2017511608
ここで
Figure 2017511608
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。
Figure 2017511608
項は１に近く、飽和電流は、
Figure 2017511608
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、
Figure 2017511608
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、
Figure 2017511608
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、
Figure 2017511608
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。
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
Figure 2017511608
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、
Figure 2017511608
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
Figure 2017511608
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。
Figure 2017511608
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。
Figure 2017511608
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。
Figure 2017511608
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 請求項１０−１２のいずれか１つのシステムを含む分光計。
  14. 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。
  15. メタンを検出するための、請求項１３または１４の分光計。
  16. 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。
  17. 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。
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