JP2021076431A - 気体検知濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の半導体レーザで、誤差の少ない気体検知及び濃度測定を実現する。【解決手段】半導体レーザと、半導体レーザ駆動回路と、光出射部と、光受光部と、電力計と、制御回路を有する気体検知濃度測定装置において、前記半導体レーザから出力される光を測定光と参照光に分岐する光分岐素子と、前記参照光に所定の遅延を与える遅延線と、遅延された前記参照光と、前記光出射部から出力され前記光受光部で受光された前記測定光を差動で受光する差動受光回路と、前記差動受光回路の出力に接続されるフィルタ回路と、を有し、前記半導体レーザの主発光線のスペクトル線幅が２００ＭＨｚ以下であり、前記半導体レーザ駆動回路による変調周波数ｆ0が５０ｋＨｚ以下であり、前記フィルタ回路は、周波数ｎ×ｆ0（ｎ＝０、１、２、…）の信号を抽出し、前記フィルタ回路の出力に前記電力計が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、大気に微少に含まれる気体を検知して濃度測定する、気体検知濃度測定装置に関する。

従来の技術を図１３に示す。ここで２０１ａと２０１ｂは単一モード半導体レーザ、２０２ａと２０２ｂはレーザ駆動回路、２０３は波長合波素子、２０４は投射レンズ系、２０５は受光レンズ系、２０６は波長分離素子、２０７ａと２０７ｂは光検出器、２０８は信号処理回路である。単一モード半導体レーザ２０１ａ、及び２０１ｂの温度を調整し、単一モード半導体レーザ２０１ａから、検知すべき気体（以下、「気体Ｘ」とする）の吸収ピーク周波数に同調した光（以下、「Ｌ１」とする）を放射させ、単一モード半導体レーザ２０１ｂから、気体Ｘの吸収ピークから僅かに離れた周波数の光（以下、「Ｌ２」とする）を放射させる。波長合波素子２０３で、光Ｌ１とＬ２を合波し、投射レンズ系２０４で投射して、戻り光を受光レンズ系２０５で受光する。

波長分離素子２０６で光Ｌ１とＬ２を分離して、光検出器２０７ａと２０７ｂで独立に強度を測定する。投射レンズ系２０４から受光レンズ系２０５に至る経路で、気体Ｘを含有する気体（以下、「気体Ｙ」とする）中を同じ光路で伝搬させる。一般に、気体の吸収ピークの周波数幅が数ＧＨｚと狭いので、異なる気体の吸収ピークが一致することはまれである。適切な周波数を選択することによって、光Ｌ１が気体Ｘによってのみ吸収され、光Ｌ２を吸収する気体が気体Ｙに含有されないようにすることができる。光検出器２０７ａと２０７ｂで検出された光強度を信号処理回路２０８で比較対照することによって、気体Ｘの存在を検知し、その光学濃度を推定することができる。この手法の問題点は、２台の半導体レーザが必要でコストが高いこと、及び、２台の半導体レーザの出力光強度の変動が同期していないので、検知及び濃度測定の誤差が大きくなることである。

図１４は、別の従来の技術を示す（例えば、特許文献１参照）。ここで、２１１は半導体レーザ、２１２は制御回路、２１３は温度調整回路、２１４はレーザ変調回路、２１５は投射レンズ系、２１６は受光レンズ系、２１７は光検出器、２１８は増幅回路、２１９はフィルタ回路、２２０は信号処理回路である。

周波数ｆ₀で半導体レーザを駆動すると、発振波長も周波数ｆ₀で変動し、それに対応して、周波数２ｆ₀で変調された高調波成分が気体Ｘの透過信号に生じる。フィルタ回路２１９で周波数ｆ₀の成分を抽出して受光強度を測定し、周波数２ｆ₀の成分を抽出して、気体Ｘの光学濃度を推定する。この手法の問題点は、レーザの変調特性が非線形であるため、もともとの変調光にも周波数２ｆ₀の成分が含まれていて、検知及び濃度測定の誤差が大きい点である。また、周波数０の直流成分と、周波数ｆ₀の信号成分が強く、光検出器２１７と増幅回路２１８のダイナミックレンジを広げる必要があり、低雑音化が困難となり、高感度・高精度にすることが難しい。

アンリツテクニカルNo. 82, Mar. 2006, pp, 66-71

以上に鑑みて、本発明は、単一の半導体レーザで、誤差の少ない気体検知及び濃度測定を実現することを目的とする。

一つの態様では、単一の半導体レーザからの出射光を周波数ｆ₀で変調し、測定光と参照光に分岐する。測定対象の気体中を透過する測定光と、前記気体を透過しない参照光を、差動で受光し検波する。単一の半導体レーザから出力される変調光を差動受光することにより、半導体レーザの変調の非線形性による誤差を低減する。

第１の側面で、半導体レーザと、半導体レーザ駆動回路と、光出射部と、光受光部と、電力計と、制御回路を有する気体検知濃度測定装置において、
前記半導体レーザから出力される光を測定光と参照光に分岐する光分岐素子と、
前記参照光に所定の遅延を与える遅延線と、
遅延された前記参照光と、前記光出射部から出力され前記光受光部で受光された前記測定光を、差動で受光する差動受光回路と、
前記差動受光回路の出力に接続されるフィルタ回路と、
を有し、
前記半導体レーザの主発光線のスペクトル線幅が２００ＭＨｚ以下であり、
前記半導体レーザ駆動回路による変調周波数ｆ₀が５０ｋＨｚ以下であり、
前記フィルタ回路は、周波数ｎ×ｆ₀（ｎ＝０、１、２、…）の信号を抽出し、前記フィルタ回路の出力に前記電力計が接続されている。

上記の第１の側面の気体検知濃度測定装置の一つの構成例として、
半導体レーザ温度調整回路、
をさらに有し、
前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、検知すべき気体の吸収線ピークの一つを選択し、前記半導体レーザのしきい値電流の近傍において、

が成立するように、前記半導体レーザ温度調整回路を制御して前記半導体レーザの温度を制御してもよい。

上記の第１の側面の気体検知濃度測定装置の別の構成例では、前記半導体レーザに集積される発振周波数調整用のヒータ、をさらに有し、
前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、

が成立するように、前記半導体レーザの駆動電流ｒ×Ｉ_thと前記ヒータの温度を制御してもよい。ここで、Ｉ_thは前記半導体レーザのしきい値電流、ｒの値は、１．２〜１０である。

第２の側面で、半導体レーザと、半導体レーザ駆動回路と、光出射部と、光受光部と、電力計と、制御回路を有する気体検知濃度測定装置において、
半導体レーザ温度調整回路と、
前記半導体レーザに集積される発振周波数調整用の位相調整領域と、
前記半導体レーザから出力される光を測定光と参照光に分岐する光分岐素子と、
前記参照光に所定の遅延を与える遅延線と、
遅延された前記参照光と、前記光出射部から出力され前記光受光部で受光された前記測定光を、差動で受光する差動受光回路と、
前記差動受光回路の出力に接続されるフィルタ回路と、
を有し、
前記半導体レーザの主発光線のスペクトル線幅が２００ＭＨｚ以下であり、
前記半導体レーザ駆動回路による変調周波数ｆ₀が１００ｋＨｚ以上、１ＧＨｚ以下であり、
前記半導体レーザ駆動回路は、前記半導体レーザに集積された前記位相調整領域を周波数ｆ₀で駆動し、
前記フィルタ回路は、周波数ｎ×ｆ₀（ｎ＝０、１、２、３、…）の信号を抽出し、前記フィルタ回路の出力に前記電力計が接続されており、
前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、

が成立するように、前記半導体レーザの駆動電流ｒ×Ｉ_thと、前記半導体レーザの温度を制御する。ここで、Ｉ_thは前記半導体レーザのしきい値電流、ｒの値は１．２〜１０である。

第３の側面では、レーザ、レーザ駆動回路、周波数変調器、変調器駆動回路、光分岐素子、光出射部、光受光部、光遅延線、コヒーレント受信回路、及び制御回路を有する光検出及び測距システムを利用した気体検知濃度測定装置において、
前記コヒーレント受信回路は、受信光の位相変調成分と振幅変調成分を分離して受信し、気体による吸収によって変調された振幅波形を検波し、
前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報として、ｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、及び対応する吸収線幅ｆ_GWmを有し、前記光検出及び測距システムにおける搬送波周波数をｆc、チャープ周波数幅をｆpとすると、

を満たすように、前記気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、前記吸収線幅ｆ_GWm、前記搬送波周波数ｆc、及び前記チャープ周波数幅ｆpを設定する。

上記の構成により、単一の半導体レーザで、誤差の少ない気体検知と濃度測定が実現される。

第１実施形態の気体検知濃度測定装置の概略図である。 第１実施形態を説明する図である。 第１実施形態を説明する図である。 第２実施形態の半導体レーザの構成を示す三面図である。 第２実施形態を説明する図である。 第２実施形態を説明する図である。 第３実施形態の半導体レーザの構成を示す二面図である。 第３実施形態を説明する図である。 第３実施形態を説明する図である。 第４実施形態の気体検知濃度測定装置の概略図である。 第４実施形態を説明する図である。 第４実施形態を説明する図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

以下で、図面を参照して具体的な実施の形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の気体検知濃度測定装置１００の概略図である。１０１は半導体レーザ、１０２は半導体レーザ駆動回路、１０３は半導体レーザ温度調整回路、１０４は光分岐素子、１０５は光出射部、１０６は光受光部、１０７は光可変減衰器、１０８は光遅延線、１０９は差動受光回路、１１０は低雑音増幅器、１１１はフィルタ回路、１１２は電力計、１１３は制御回路である。

気体検知濃度測定装置１００は、気体Ｙ中に含有される気体Ｘを検知し、光学濃度を測定する。図中の実線の矢印は光の出力方向を示し、破線は気体Ｘで変調された戻り光を示す。太線の矢印は電気信号の出力方向を示す。

半導体レーザ１０１は、ＤＦＢレーザないしＤＢＲレーザなどの単一モードレーザであり、その発振周波数は、温度と注入電流に依存する。これらのレーザの、スペクトル線幅は２００ＭＨｚ以下であり、数ＧＨｚの気体の吸収線幅よりも十分に狭い。一般に、温度の上昇や電流値の増加に対して、発振周波数は低くなる。発振周波数の変化の係数は、−１０ＧＨｚ／Ｋ、−１ＧＨｚ／ｍＡ程度である。

制御回路１１３は、メモリ内蔵型のマイクロプロセッサや論理ＩＣによって実現され得る。制御回路１１３は、半導体レーザ１０１の中心周波数ｆ_T（Ｔ，Ｉ）の、温度Ｔ及び電流Ｉへの依存性に関する情報を有する。制御回路１１３はまた、気体Ｘの吸収線のスペクトル情報として、ｍ番目（ｍは自然数、すなわち、ｍ＝１、２、３、…）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWmを有している.
図２は、気体検知濃度測定装置１００の動作を説明する図である。制御回路１１３は、ｍ番目の吸収線に着目し、図２に示すように、初めに、しきい値電流（Ｉ_th）の近傍、例えば、Ｉ＝１．２×Ｉ_thにおいて、

が成立するように、半導体レーザ温度調整回路１０３を介して、半導体レーザ１０１の温度を制御する。このときの温度をＴ_mとする。

図３（Ａ）に示すように、半導体レーザ１０１を、周波数ｆ₀の正弦波電流で駆動する。電流最小値をｐＩ_th、電流最大値をｑＩ_thとする。ｐは０〜５、ｑは、ｐ＋０．１〜ｐ＋１０の間の値である。図３（Ａ）の例では、電流最小値はＩ_th、電流最大値は５Ｉ_thであり、ｐ＝１、ｑ＝５である。

典型的値として、Ｉ_th＝５ｍＡ、発振周波数の注入電流依存性を−１ＧＨｚ／ｍＡとすると、電流変調による周波数変位は２０ＧＨｚとなり、１０ＧＨｚ程度の吸収線幅ｆ_GWmを越える。

図３（Ｂ）に示すように、半導体レーザ１０１からの出射光強度は、ほぼ正弦波状になり、レーザ光の周波数は、図３（Ｃ）に示すように変化する。半導体レーザ１０１の周波数変化は、注入電流による局所的な温度上昇によるものであり、最大変調周波数は５０ｋＨｚ程度である。そのため、周波数ｆ₀は、１〜１０ｋＨｚ程度が好ましい。

半導体レーザ１０１からの出射光は、光分岐素子１０４で、測定光と参照光に分岐される。測定光は、光出射部１０５で投射されて、気体Ｙを透過して光受光部１０６で受光、導光され、差動受光回路１０９に入射する。変調光が気体Ｙを透過すると、変調光の周波数が気体Ｘの吸収線を横切るときに透過光強度が減衰するので、図３（Ｄ）に示すような波形となる。変調周期内で気体Ｘの吸収線を２回横切るので、この透過波形には、２ｆ₀の成分が存在する。半導体レーザ１０１からの出射光は、変調が非線形であることから、ｎ×ｆ₀（ｎ＝０、１、２、３、…；すなわち、ｎはゼロまたは正の整数）の周波数成分をもともと有している。最も強い周波数成分がｆ₀であり、次いで周波数０の成分が強い。

一方、光分岐素子１０４で分岐された参照光の強度を光可変減衰器１０７で調整して、気体Ｘを透過して光受光部１０６で検出された透過光の強度とほぼ等しくする。強度調整された参照光と、気体Ｘを透過した測定光の双方を差動受光回路１０９で差動受光することによって、図３（Ｅ）に示すように、２ｆ₀以外のほとんどの周波数成分を減衰させることができる。同時に、半導体レーザ１０１からの出射光にもともと含まれている２ｆ₀成分も差し引かれるため、高精度な測定が可能である。

フィルタ回路１１１で各周波数成分を分離して、電力計１１２で各周波数成分の強度を測定した値を用いて、制御回路１１３は光可変減衰器１０７を正確に制御できる。また、光遅延線１０８で気体Ｘを透過した測定光と参照光の光路差を短くすることによって、半導体レーザ１０１の特性の時間変動による測定誤差を低減することができる。

第１実施形態では、周波数ｆ₀と周波数０の成分を低減できるので、後段の低雑音増幅器１１０が必要とするダイナミックレンジを下げ、低雑音増幅器１１０の低雑音化が可能となる。電力計１１２で２ｆ₀の周波数成分信号強度を測定することによって、気体Ｘの光学濃度が得られる。気体Ｘ中の伝搬距離が分かれば、気体Ｘの濃度が求められることは言うまでもない。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態で用いられるヒータが集積された半導体レーザ１０１ｂの三面図である。ここで、１２０は半導体レーザを構成する導波路である。半導体レーザそのものは公知であるので、詳細は記載しない。導波路１２０の近傍、たとえば１０〜１００ミクロン離れた位置に、ヒータ１２１を集積する。ヒータ１２１として、例えば、厚さ０．５ミクロン、幅１０ミクロン、導波路１２０とほぼ等しい長さのＴｉＮ薄膜が利用できる。

ヒータ１２１に電流を流すための電極１２２が接続されている。ヒータ１２１で導波路１２０の温度を変えて発振周波数を制御できる。半導体レーザ１０１ｂへの注入電流は一定とするので、発振周波数が変わっても半導体レーザ１０１ｂの出力光の強度はほとんど変化しない。ヒータ１２１への注入電流に対する周波数変化は、−１ＧＨｚ／ｍＡ程度である。半導体レーザ１０１を半導体レーザ１０１ｂとすることで、半導体レーザ温度調整回路１０３を省略してもよい。その他の構成は、第１実施形態の構成例と同様である。

図５と図６は、第２実施形態の気体検知濃度測定装置の動作を説明する図である。制御回路１１３は、半導体レーザ１０１ｂの中心周波数ｆ_T（Ｔ，Ｉ）の温度依存性と電流依存性に関する情報、気体Ｘの吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数、すなわち、ｍ＝１、２、３、…）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、及び対応する吸収線幅ｆ_GWmを有している。

制御回路１１３は、ｍ番目の吸収線に着目し、図４に示すように、例えばＩ＝３Ｉ_thにおいて、

が成立するように、ヒータ１２１を制御して半導体レーザ１０１ｂの温度を制御する。このときの温度をＴ_mとする。

図６（Ａ）に示すように、ヒータ１２１を周波数ｆ₀の正弦波電流で駆動し、半導体レーザ１０１ｂへの注入電流を、ｒＩ_thとする。ｒは、好ましくは１．２〜１０の間の値である。第２実施形態では、一例として、半導体レーザ１０１ｂへの注入電流を、３Ｉ_thとする。典型的値として、ヒータ１２１への注入電流に対するレーザ発振周波数の変化を−１ＧＨｚ／ｍＡ、ヒータ電流の最大値を２０ｍＡとすると、電流変調による周波数変位は２０ＧＨｚとなり、１０ＧＨｚ程度の吸収線幅ｆ_GWmを越える。

図６（Ｂ）に示すように、半導体レーザ１０１ｂからの出射光強度はほぼ一定になり、レーザ光の周波数は、図６（Ｃ）に示すように変化する。半導体レーザ１０１ｂの周波数変化は、ヒータ１２１による局所的な温度上昇によるものであるため、最大変調周波数は５０ｋＨｚ程度である。そのため、ｆ₀は１〜１０ｋＨｚ程度が好ましい。

半導体レーザ１０１からの出射光は、光分岐素子１０４で、測定光と参照光に分岐される。測定光は、光出射部１０５で投射されて、気体Ｙを透過して光受光部１０６で受光、導光され、差動受光回路１０９に入射する。変調光が気体Ｙを透過すると、変調光の周波数が気体Ｘの吸収線を横切るときに透過光強度が減衰するので、図６（Ｄ）に示すような波形となる。変調周期内で気体Ｘの吸収線を２回横切るので、この透過波形には、２ｆ₀の成分が存在する。半導体レーザ１０１ｂからの出射光は、周波数０の成分がほとんどであり、僅かに温度変化に伴う周波数ｆ₀の成分が存在するが、周波数２ｆ₀以上の成分は測定限界以下となる。

一方、光分岐素子１０４で分岐された参照光の強度を光可変減衰器１０７で調整して、気体Ｘを透過して光受光部１０６で検出された透過光の強度とほぼ等しくする。強度調整された参照光と、気体Ｘを透過した測定光の双方を差動受光回路１０９で差動受光することによって、図６（Ｅ）に示すように、周波数０及び周波数ｆ₀の成分を減衰させることができる。

フィルタ回路１１１で各周波数成分を分離して、電力計１１２で周波数０の成分の強度を測定した値を用いて、制御回路１１３は光可変減衰器１０７を正確に制御できる。

第２実施形態では、周波数０の成分を低減できるので、後段の低雑音増幅器１１０が必要とするダイナミックレンジを下げ、低雑音増幅器１１０の低雑音化が可能となる。第１実施形態と比較して、半導体レーザ１０１ｂからの出射光に周波数２ｆ₀以上の高調波成分が含まれないので、測定誤差がさらに小さくなる。

＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態で用いられる位相調整領域が集積された半導体レーザ１０１ｃの二面図である。半導体レーザ１０１ｃは、ＤＢＲ反射器１３０、活性領域１３１、位相調整領域１３２を有する波長可変レーザである。積層方向でみたときに、活性領域１３１と位相調整領域１３２の上方に、電極１３３、１３４が個別に設けられている。このレーザの構成は公知であるので、詳細は記述しない。

半導体レーザ１０１ｃの発振周波数は、レーザの温度、活性領域１３１への注入電流、または位相調整領域１３２への注入電流により変化するが、第３実施形態では、活性領域１３１への注入電流を一定として、位相調整領域１３２への注入電流を周波数ｆ₀で変調して発振周波数を変化させる。

図８と図９は、第３実施形態の気体検知濃度測定装置の動作を説明する図である。第２実施形態との相違点は、第９（Ａ）に示されるように、位相調整領域１３２への注入電流を変調することにより周波数変調を行う点である。

半導体レーザ１０１ｃの活性領域１３１への注入電流は一定なので、図９（Ｂ）に示すように、発振周波数が変わっても半導体レーザ１０１ｃの出力光の強度はほとんど変化しない。位相調整領域１３２への注入電流に対する周波数変化は、＋１ＧＨｚ／ｍＡ程度である。

半導体レーザ１０１に替えて半導体レーザ１０１ｃを用いることを除いて、その他の基本構成は、第１実施形態、及び第２実施形態と同様である。

制御回路１１３は、半導体レーザ１０１ｂの中心周波数ｆ_T（Ｔ，Ｉ）の温度依存性と電流依存性に関する情報、気体Ｘの吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数、すなわち、ｍ＝１、２、３、…）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、及び対応する吸収線幅ｆ_GWmを有している。

制御回路１１３は、ｍ番目の吸収線に着目し、図８に示すように、例えばＩ＝３Ｉ_thにおいて、

が成立するように、半導体レーザ１０１ｃの温度を制御する。このときの温度をＴ_mとする。

図９（Ａ）に示すように、位相調整領域１３２を周波数ｆ₀の正弦波電流で駆動し、活性領域１３１への注入電流を３Ｉ_thとする。典型的値として、位相調整領域１３２への注入電流に対するレーザ発振周波数の変化を＋１ＧＨｚ／ｍＡ、位相調整領域１３２への注入電流の最大値を２０ｍＡとすると、変調による周波数変位は２０ＧＨｚとなり、１０ＧＨｚ程度の吸収線幅ｆ_GWmを越える。

図９（Ｂ）に示すように、半導体レーザ１０１ｃからの出射光の強度は、ほぼ一定になり、レーザ光の周波数は、図９（Ｃ）に示すように変化する。半導体レーザ１０１ｃの周波数変化は、キャリア密度変化による屈折率変化であるため、最大変調周波数は１ＧＨｚ程度である。変調周波数が低いと、局所的な温度変化による周波数変化が逆向きに働く。位相調整領域１３２の駆動周波数ｆ₀は５００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚ程度が好ましい。

半導体レーザ１０１ｃからの出射光は、光分岐素子１０４で、測定光と参照光に分岐される。測定光は、光出射部１０５で投射されて、気体Ｙを透過して光受光部１０６で受光、導光され、差動受光回路１０９に入射する。変調光が気体Ｙを透過すると、変調光の周波数が気体Ｘの吸収線を横切るときに透過光強度が減衰するので、図９（Ｄ）に示すような波形となる。変調周期内で気体Ｘの吸収線を２回横切るので、この透過波形には、２ｆ₀の成分が存在する。半導体レーザ１０１ｃからの出射光は、周波数０の成分がほとんどであり、僅かに温度変化に伴う周波数ｆ₀の成分が存在するが、周波数２ｆ₀以上の成分は測定限界以下となる。

一方、光分岐素子１０４で分岐された参照光の強度を光可変減衰器１０７で調整して、気体Ｘを透過して光受光部１０６で検出された透過光の強度とほぼ等しくする。強度調整された参照光と、気体Ｘを透過した測定光の双方を差動受光回路１０９で差動受光することによって、図９（Ｅ）に示すように、周波数０及び周波数ｆ₀の成分を減衰させることができる。

フィルタ回路１１１で各周波数成分を分離して、電力計１１２で周波数０の成分の強度を測定した値を用いて、制御回路１１３は光可変減衰器１０７を正確に制御できる。

第２実施形態では、周波数０の成分を低減できるので、後段の低雑音増幅器１１０が必要とするダイナミックレンジを下げ、低雑音増幅器１１０の低雑音化が可能となる。第１実施形態及び第２実施形態と比較して、ｆ₀がより高周波であるため、測定時間を短くすることができる。

＜第４実施形態＞
図１０は、第４実施形態の気体検知濃度測定装置５００の模式図である。５０１はレーザ、５０２はレーザ駆動回路、５０３は周波数変調器、５０４は変調器駆動回路、５０５は光分岐素子、５０６は光出射部、５０７は光受光部、５０８は光遅延線、５０９はコヒーレント受信回路、５１０は制御回路である。この構成は、周波数変調連続波（Frequency Modulation Continuous Wavelength；以下「ＦＭＣＷ」とする）ライダー（LiDAR: Light Detection And Ranging；光検出及び測距）を利用している。

一般的なＦＭＣＷライダーは、送信光と受信光の遅延時間差に比例するビート信号を取り出す機能を有するが、振幅波形を取り出す機能が無い。第４実施形態では、コヒーレント受信回路５０９に、振幅変調信号を取り出す機能を付加する。

制御回路５１０は、気体Ｘの吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数、すなわち、ｍ＝１、２、３、…）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWmを有している。ｍ番目の吸収線に着目し、図１１に示すように、ＦＭＣＷライダーにおける搬送波周波数がｆc、チャープ周波数幅がｆpであるとき、次式

を満たすように、ｆ_Gm、ｆ_GWm、ｆc、及びｆpを設定する。

図１２（Ａ）に示すように、ＦＭＣＷライダーの光出力は一定で、図９（Ｂ）に示すように、周波数は三角波状に変調される。気体Ｙを透過した光は、気体Ｘによる吸収によって、図１２（Ｃ）に示すように振幅変調される。

従来のＦＭＣＷライダーでは、受信信号ともとの出射信号のビート信号の周波数を計測して対象物までの距離を計測するが、第４実施形態のコヒーレント受信回路５０９は、光通信におけるコヒーレント受信回路と同様に、光９０°ハイブリッドによる位相ダイバーシティによって、気体Ｘでの吸収により振幅変調された成分も分離して受信できる。光９０°ハイブリッドを２組用いて偏波ダイバーシティを行う場合は、偏光擾乱にも耐性がある。

制御回路５１０は、復調された振幅変調成分から気体Ｘの光学濃度を求めることができる。第４実施形態では、コヒーレント受信をすることにより、感度を向上することができる。また、ライダーと組み合わせることで、物体への距離計測とともに、経路上の気体についての情報も得ることが可能となり、環境計測に有用である。

＜実施形態の効果＞
第１に、実施形態の気体検知濃度測定装置は検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報を有し、検知すべき気体に合わせて動作するので、複数の種類の気体を検知して、その光学濃度を測定できる。

第２に、周波数ｆ₀で直接変調したレーザ光を用いる場合に生じる周波数０の成分と高調波成分を、差動受信することによって相殺し、高感度かつ高精度な気体検知と光学濃度測定を可能とする。

第３に、半導体レーザにヒータを集積する構成では、ヒータ温度を変化させることによってレーザの周波数を変調し、周波数ｆ₀成分と高調波成分を抑圧して、高感度かつ高精度な気体検知と光学濃度測定を可能とする。

第４に、半導体レーザに位相調整領域を設ける構成では、位相調整領域への電流注入によりレーザの周波数を変調し、周波数ｆ₀及び高調波成分を抑圧して、高速、高感度かつ高精度な気体検知と光学濃度測定を可能とする。

第５に、ＦＭＣＷライダーを利用する構成では、コヒーレント受信回路が振幅変調を受信できる構成を有し、気体の吸収による振幅変調波形を計測することによって、高感度かつ高精度な気体検知と光学濃度測定を可能とする。

１０１、１０１ｂ、１０１ｃ：半導体レーザ、
１０２：半導体レーザ駆動回路、１０３：半導体レーザ温度調整回路、
１０４：光分岐素子、１０５：光出射部、１０６：光受光部、１０７：光可変減衰器、
１０８：光遅延線、１０９：差動受光回路、１１０：低雑音増幅器、
１１１：フィルタ回路、１１２：電力計、１１３：制御回路、
１２０：導波路、１２１：ヒータ、１２２：電極、
１３０：ＤＢＲ反射器、１３１：活性領域、１３２：位相調整領域、
５０１：レーザ、５０２：レーザ駆動回路、５０３：周波数変調器、
５０４：変調器駆動回路、５０５：光分岐素子、５０６：光出射部、５０７：光受光部、
５０８：光遅延線、５０９：コヒーレント受信回路、５１０：制御回路。

Claims (8)

1. 半導体レーザと、半導体レーザ駆動回路と、光出射部と、光受光部と、電力計と、制御回路を有する気体検知濃度測定装置において、
   前記半導体レーザから出力される光を測定光と参照光に分岐する光分岐素子と、
   前記参照光に所定の遅延を与える遅延線と、
   遅延された前記参照光と、前記光出射部から出力され前記光受光部で受光された前記測定光を、差動で受光する差動受光回路と、
   前記差動受光回路の出力に接続されるフィルタ回路と、
   を有し、
   前記半導体レーザの主発光線のスペクトル線幅が２００ＭＨｚ以下であり、
   前記半導体レーザ駆動回路による変調周波数ｆ₀が５０ｋＨｚ以下であり、
   前記フィルタ回路は、周波数ｎ×ｆ₀（ｎ＝０、１、２、…）の信号を抽出し、前記フィルタ回路の出力に前記電力計が接続されている、
   ことを特徴とする気体検知濃度測定装置。
2. 半導体レーザ温度調整回路、
   をさらに有し、
   前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、検知すべき気体の吸収線ピークの一つを選択し、前記半導体レーザのしきい値電流の近傍において、
   

   

   が成立するように、前記半導体レーザ温度調整回路を制御して前記半導体レーザの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の気体検知濃度測定装置。
3. 前記半導体レーザ駆動回路は、前記半導体レーザを前記変調周波数ｆ₀で駆動し、レーザ発振のしきい値電流はＩ_th、電流最小値はｐＩ_th、電流最大値はｑＩ_thであり、
   ｐは０〜５、ｑはｐ＋０．１〜ｐ＋１０の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の気体検知濃度測定装置。
4. 前記半導体レーザに集積される発振周波数調整用のヒータ、
   をさらに有し、
   前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、
   

   

   が成立するように、前記半導体レーザの駆動電流ｒ×Ｉ_thと前記ヒータの温度を制御し、
   ここで、Ｉ_thは前記半導体レーザのしきい値電流、ｒの値は１．２〜１０であることを特徴とする請求項１に記載の気体検知濃度測定装置。
5. 半導体レーザと、半導体レーザ駆動回路と、光出射部と、光受光部と、電力計と、制御回路を有する気体検知濃度測定装置において、
   半導体レーザ温度調整回路と、
   前記半導体レーザに集積される発振周波数調整用の位相調整領域と、
   前記半導体レーザから出力される光を測定光と参照光に分岐する光分岐素子と、
   前記参照光に所定の遅延を与える遅延線と、
   遅延された前記参照光と、前記光出射部から出力され前記光受光部で受光された前記測定光を、差動で受光する差動受光回路と、
   前記差動受光回路の出力に接続されるフィルタ回路と、
   を有し、
   前記半導体レーザの主発光線のスペクトル線幅が２００ＭＨｚ以下であり、
   前記半導体レーザ駆動回路による変調周波数ｆ₀が１００ｋＨｚ以上、１ＧＨｚ以下であり、
   前記半導体レーザ駆動回路は、前記半導体レーザに集積された前記位相調整領域を周波数ｆ₀で駆動し、
   前記フィルタ回路は、周波数ｎ×ｆ₀（ｎ＝０、１、２、３、…）の信号を抽出し、前記フィルタ回路の出力に前記電力計が接続されており、
   前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報であるｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gmと、対応する吸収線幅ｆ_GWm、及び前記半導体レーザの主発光線の中心周波数ｆ_Lの温度依存性情報を有し、
   

   

   が成立するように、前記半導体レーザの駆動電流ｒ×Ｉ_thと前記半導体レーザの温度を制御し、
   ここで、Ｉ_thは前記半導体レーザのしきい値電流、ｒの値は１．２〜１０であることを特徴とする気体検知濃度測定装置。
6. 前記光分岐素子と前記遅延線の間に接続される光可変減衰器、
   をさらに有し、
   前記光可変減衰器は、前記参照光の強度が、気体を透過した前記測定光の光強度とほぼ等しくなるように、前記参照光の強度を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気体検知濃度測定装置。
7. 前記光可変減衰器は、周波数ｎ×ｆ₀（ｎは２を除く正の整数、またはゼロ）の電力成分をゼロまたは最小にし、
   前記電力計は、周波数２ｆ₀の成分の電力を測定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の気体検知濃度測定装置。
8. レーザ、レーザ駆動回路、周波数変調器、変調器駆動回路、光分岐素子、光出射部、光受光部、光遅延線、コヒーレント受信回路、及び制御回路を有する光検出及び測距システムを利用した気体検知濃度測定装置において、
   前記コヒーレント受信回路は、受信光の位相変調成分と振幅変調成分を分離して受信し、気体による吸収によって変調された振幅波形を検波し、
   前記制御回路は、検知すべき気体の吸収線のスペクトル情報として、ｍ番目（ｍは自然数）の気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、及び対応する吸収線幅ｆ_GWmを有し、前記光検出及び測距システムにおける搬送波周波数をｆc、チャープ周波数幅をｆpとすると、
   

   

   を満たすように、前記気体吸収線ピーク周波数ｆ_Gm、前記吸収線幅ｆ_GWm、前記搬送波周波数ｆc、及び前記チャープ周波数幅ｆpを設定することを特徴とする気体検知濃度測定装置。

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