JP2019120665A - ガス検出器用光源、ガス検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】波長可変半導体レーザを用いたガス検出器用光源において、消費電力を削減する。【解決手段】ＶＣＳＥＬチップとＭＥＭＳチップとを接合したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザと、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザを収容する密封容器と、を備え、密封容器が熱電素子を実装していないことを特徴とするガス検出器用光源。【選択図】図１

Description

本発明は、光の吸収量を測定することによりガス漏洩を検出するガス検出器およびガス検出器用の光源に関する。

ガス漏洩を検出するガス検出器として、特許文献４に記載されているように、波長可変半導体レーザを用いた分光分析技術によるガス検出器が知られている。

分光分析技術によるガス検出器では、光の吸収量を測定することによりガス濃度を求めるため、所望のガス検出のためには特定の吸収スペクトルを取得する必要がある。この吸収スペクトルは、波長可変半導体レーザ（レーザダイオード）の発振波長を掃引することにより得ることができる。

従来のレーザダイオードの波長可変幅は数ｎｍであったが、近年、ＭＥＭＳ技術を適用して、より広波長範囲な波長可変半導体レーザが開発されている。

特開２０１２−１０８０９５号公報 特開２００４−２８１７３３号公報 特開２００５−２２３１１１号公報 特開２００８−３０９５８３号公報

図８は、広波長範囲な波長可変半導体レーザを用いたガス検出器用光源３００を示す図である。本図に示すように、ガス検出器用光源３００は、波長可変半導体レーザとしてＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ３１０を用いている。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ３１０は、半面発光型半導体レーザ（ｈａｌｆ−ＶＣＳＥＬ）チップ３１１にＭＥＭＳチップ３１２を接合した構造であり、例えば、特許文献２、特許文献３に記載された構成とすることができる。

ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ３１０は、セラミック等の基板３２０に実装される。基板３２０には、温度センサ３９２も実装されている。基板３２０は、ＴＥＣ素子（ThermoElectric Cooler：ペルチェ素子）３３０に実装される。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ３１０は、ＶＣＳＥＬドライバ３７０、ＭＥＭＳドライバ３８０により制御される。

ＴＥＣ素子３３０は、温度制御ユニット３９０に接続される。温度制御ユニット３９０には、温度センサ３９２も接続される。温度制御ユニット３９０は、温度センサ３９２の測定値に基づいて、基板３２０の温度が一定になるようにＴＥＣ素子３３０を制御する。

ＴＥＣ素子３３０は、光半導体用ステム３４０に実装される。光半導体用ステム３４０にＴＥＣ素子３３０、基板３２０、温度センサ３９２、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ３１０が実装された状態で、キャップ式の密封容器３５０で覆われる。なお、ＴＥＣ素子３３０は密封容器３５０の外側に実装してもよい。

波長可変半導体レーザの発振波長は温度により変化することから、従来から、波長可変半導体レーザを用いる場合は、温度制御することが前提となっており、ＴＥＣ素子３３０は必須の構成として扱われている。

しかし、ＴＥＣ素子３３０は、消費電力が大きく電力効率が悪いという問題がある。このため、例えば、ガス検知器を電池駆動する場合に駆動時間の制約要因となっていた。

そこで、本発明は、波長可変半導体レーザを用いたガス検出器用光源において、消費電力を削減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様であるガス検出器用光源は、ＶＣＳＥＬチップとＭＥＭＳチップとを接合したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザと、前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザを収容する密封容器と、を備え、前記密封容器がＴＥＣ素子等の熱電素子を実装していないことを特徴とする。
ここで、前記ＶＣＳＥＬチップを駆動して出力パワーを制御するＶＣＳＥＬドライバと、前記ＭＥＭＳチップを駆動して発振波長を制御するＭＥＭＳドライバと、をさらに備えることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様であるガス検出器は、上述のガス検出器用光源を備えたことを特徴とする。
ここで、下限基準温度における前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザの波長可変幅と、上限基準温度における前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザの波長可変幅との共通波長可変幅に、測定帯域を収めることができる。

本発明によれば、波長可変半導体レーザを用いたガス検出器用光源において、消費電力を削減することができる。

波長可変半導体レーザを用いた本実施形態のガス検出器用光源を示す図である。 本実施形態のガス検出器用光源を用いたガス検出器を説明する図である。 本実施形態のＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザの例を説明する図である。 ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザにおける温度変化と発振波長との関係を説明する図である。 ガス検出器用光源の第１変形例を示す図である。 ガス検出器用光源の第２変形例を示す図である。 ガス検出器用光源の第３変形例を示す図である。 ＴＥＣ素子を搭載した従来構成のガス検出器用光源を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のガス検出器用光源１００の構成を示す図である。

本図に示すように、ガス検出器用光源１００は、波長可変半導体レーザとしてＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０を用いている。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ１１０は、半面発光型半導体レーザ（ｈａｌｆ−ＶＣＳＥＬ）チップ１１１にＭＥＭＳチップ１１２を接合した構造である。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０は、ＶＣＳＥＬドライバ１８０、ＭＥＭＳドライバ１９０により制御される。

ＶＣＳＥＬドライバ１８０は、半導体レーザの出力パワーを電流制御し、ＭＥＭＳドライバ１９０は、半導体レーザの発振波長を電圧制御して掃引を行なう。すなわち、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０は、出力パワーと発振波長とを独立に制御することができる。このため、出力パワーの一定制御を容易に行なうことができる。

ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０は、セラミック等の基板１２０に直接実装される。基板１２０は、光半導体用ステム１３０に実装される。光半導体用ステム１３０に基板１２０、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０が実装された状態で、キャップ式の密封容器１４０で覆われる。

本図に示すように、本実施形態のガス検出器用光源１００は、ＴＥＣ素子等の温度制御用の熱電素子を備えていない。このため、波長可変半導体レーザを用いたガス検出器用光源において、消費電力を削減することができる。なお、熱電素子を備えていないことから、温度センサ、温度制御ユニットも不要である。ただし、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０の温度特性に基づく補正等を行なう場合には温度センサを設けてもよい。

ガス検出器用光源１００を用いたガス検出器２００は、例えば、図２に示すような構成とすることができる。本図において、光源１００から出射した光は、ビームスプリッタ２１０によって３つに分割され、１本は、測定対象の漏洩ガス２２０を通ってから第１光検出器２３０に入射し、１本は、メタン等の特定のガスを封入した波長校正ガスセル２５０を通って第２光検出器２４０に入射する。第２光検出器２４０の検出信号には特定の封入ガスに起因する吸収ピークが生じるため、そのピークにより波長校正が可能である。残りの１本は、光強度参照用として第３光検出器２６０に直接入射する。

各レーザ光強度は、第１光検出器２３０、第２光検出器２４０、第３光検出器２６０中の回路によって電気信号に変換された後、計算機上で吸収スペクトルに変換され、多変量解析手法等によって濃度が計算される。

図３は、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０の構造例を示す図である。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０は、片面に多層反射膜１１３を形成した半面発光型半導体レーザ（ｈａｌｆ−ＶＣＳＥＬ）チップ１１１に、静電力駆動のＭＥＭＳチップ１１２を接合した構造となっている。

ＭＥＭＳチップ１１２の可動反射膜部１１４はシリコンメンブレン構造となっており、回折損失を避けるための凹面形状の誘電体多層反射膜１１５が形成されている。ＭＥＭＳドライバ１９０により、可動反射膜部１１４を駆動し、光共振器長を変化させることで、レーザ波長を広域に高速掃引することができる。

本実施形態において、ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０は、５０ｎｍを超える広可変波長幅を有している。このため、環境温度の変化により発振波長が変化しても、所望のガスの吸収線を取得できるように波長可変範囲を広帯域に設定することができる。

典型的なレーザ発振波長の温度特性は、０．１ｎｍ／℃程度であるため、一般にレーザが発光する上限である６０℃程度から氷点下の−５０℃までの波長可変幅のシフト量は単純計算で１１ｎｍ程度である。さらに、高温になるにつれて特に短波長側において波長可変幅が狭まり、かつ全体が長波長側にシフトする。

しかし、本実施形態のガス検出器用光源１００は、図４に示すように、上下限温度における共通波長可変幅に所望の測定帯域が収まるように可変波長幅を設定することで、−５０℃〜６０℃の範囲のどのような温度であっても、吸収ピークλ_１を外さずに測定を行なうことが可能となる。もちろん、対象とする温度範囲は実際の状況に合わせて任意に設定することができる。

すなわち、本実施形態のガス検出器用光源１００では、温度制御による波長の安定化の必要がなくなる。したがって、ＴＥＣ素子等の消費電力が大きい熱電素子が不要となり、消費電力を削減することができる。例えば、小型ＴＥＣ素子を省くことにより、７Ｗ程度（２Ａ×３．５Ｖ）程度の電力削減を見込むことができる。これにより、例えば、電池式の長時間駆動型のガス検出器を実現可能となり、ポータブル化や無線化が促進される。

図５は、本実施形態の第１変形例であるガス検出器用光源１０１の構成を示す図である。上述のガス検出器用光源１００と同一の部位については同一の符号を付している。

第１変形例であるガス検出器用光源１０１は、光半導体用ステム１３０の部品実装面側が凸型に形成されており、凸型の盛上がり部分に基板１２０が直接実装されている。

図６は、本実施形態の第２変形例であるガス検出器用光源１０２の構成を示す図である。第２変形例であるガス検出器用光源１０２は、光半導体用ステム１３０と基板１２０との間にスペーサ１５０が実装されている。

図７は、本実施形態の第３変形例であるガス検出器用光源１０３の構成を示す図である。第３変形例であるガス検出器用光源１０３は、光半導体用ステム１３０にスペーサ１５０が実装され、スペーサ１５０にＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ１１０と基板１２０とが実装されている。

１００…ガス検出器用光源、１０１…ガス検出器用光源、１０２…ガス検出器用光源、１０３…ガス検出器用光源、１１０…ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザ、１１１…半面発光型半導体レーザ（ｈａｌｆ−ＶＣＳＥＬ）チップ、１１２…ＭＥＭＳチップ、１１３…多層反射膜、１１４…可動反射膜部、１１５…誘電体多層反射膜、１２０…基板、１３０…光半導体用ステム、１４０…密封容器、１５０…スペーサ、１８０…ＶＣＳＥＬドライバ、１９０…ＭＥＭＳドライバ、２００…ガス検出器、２１０…ビームスプリッタ、２２０…漏洩ガス、２３０…第１光検出器、２４０…第２光検出器、２５０…波長校正ガスセル、２６０…第３光検出器

Claims (4)

1. ＶＣＳＥＬチップとＭＥＭＳチップとを接合したＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザと、
   前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザを収容する密封容器と、を備え、
   前記密封容器が熱電素子を実装していないことを特徴とするガス検出器用光源。
2. 前記ＶＣＳＥＬチップを駆動して出力パワーを制御するＶＣＳＥＬドライバと、
   前記ＭＥＭＳチップを駆動して発振波長を制御するＭＥＭＳドライバと、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス検出器用光源。
3. 請求項１または２に記載のガス検出器用光源を備えたことを特徴とするガス検出器。
4. 下限基準温度における前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザの波長可変幅と、上限基準温度における前記ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ半導体レーザの波長可変幅との共通波長可変幅に、測定帯域が収まっていることを特徴とする請求項３に記載のガス検出器。