JP6467166B2

JP6467166B2 - 波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置

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Publication number: JP6467166B2
Application number: JP2014166977A
Authority: JP
Inventors: 淳志藤原; 秀訓北島; 彰樋口; 秀幸内藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: JP2016046276A

Description

本発明は、波長掃引型半導体レーザ素子及びこれを用いたガス濃度測定装置に関する。

従来、レーザ光を測定対象のガスに照射して、その透過光強度を測定することにより、ガス濃度を求めるガス濃度測定装置が知られている。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度と光路長に比例するため（ランベルト・ベールの法則）、測定対象のガスの光吸収波長における吸光度が分かれば、ガス濃度を求めることができる。

そこで、従来のガス濃度測定装置では、測定対象のガスの光吸収ピーク波長の近傍において、レーザ光を波長掃引することにより、ガスに応じた吸収スペクトルを求め、この吸収スペクトルの示す吸光度から、ガス濃度を求めている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、従来のレーザ光の波長掃引は、レーザ光源とは別に、非線形光学結晶を用いて高調波を生成することで、波長の異なるレーザ光を生成し、波形掃引を行っている。

特開２００１−０７４６５４号公報特開２００７−７８５６６号公報

しかしながら、従来のガス濃度測定装置は、小型のレーザ光源として、半導体レーザ素子を用いているものの、波長掃引を行うために、数多くの高調波発生器を用いる必要があり、装置が大型化し、また、ガス濃度の検出精度にも改良の余地があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小型で、且つ、ガス濃度の検出精度の向上が可能な波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の態様に係る波長掃引型半導体レーザ素子は、駆動電流が与えられる活性層と、前記活性層を挟むクラッド層と、前記活性層において発生したレーザ光が入射する回折格子層と、を備え、前記活性層に駆動電流を流すためのコンタクト層を含む凸部を備え、前記駆動電流は、レーザ光の波長掃引を行うよう、直流成分が経時的に変化し、前記回折格子層の格子幅に基づいて選択されるレーザ光の波長λＭと、前記活性層において発生するレーザ光のピーク波長λｐとの関係は、１５℃から３５℃の温度範囲の空気中において、λｐ−２ｎｍ≦λＭ＜λｐを満たすことを特徴とする。
また、波長掃引型半導体レーザ素子は、レーザ光が出力される端面における、前記凸部の幅は、４μｍ±１０％であることを特徴とする。
また、波長掃引型半導体レーザ素子は、単一波長ピークのスペクトルが得られることを特徴とする。
また、レーザ光の出力強度微分値が一定に近くなる（温度が１５℃から３５℃の範囲内において、レーザ光立ち上がり後の出力強度微分値の変動幅は１５℃で０．７３Ｗ／Ａから０．７４Ｗ／Ａ、３５℃で０．６２Ｗ／Ａから０．６４Ｗ／Ａである）ことを特徴とする。
また、波長掃引型半導体レーザ素子は、１５．０℃〜４０．３℃の温度変化において、波長は７５８．６２ｎｍ〜７６０．１４ｎｍに変化することを特徴とする。

半導体レーザ素子の基本構造は、活性層をクラッド層で挟む構造を有しており、クラッド層を介して活性層に注入されたキャリアが再結合して発光し、この発光が誘導放出と共振により増幅され、レーザ光が外部に出力される。活性層内で発生したレーザ光は、回折格子層に入射する。回折格子層は、格子幅の２倍の波長の光を強めあって選択的に増幅するため、選択された単一の波長成分のレーザ光が増幅され、外部に出力される。

一方、活性層において固有に発生するレーザ光の波長は、活性層のエネルギーバンドギャップに基づいて決定される。活性層における単純な共振器構造に起因して発光を行う場合には、活性層内のレーザ光には、ファブリペロー型レーザとして機能した場合に発生する成分が含まれており、活性層の固有の波長の他に、この波長を中心のピーク波長として、その他にも、複数の波長の成分が含まれている。

これらの複数の波長成分は、ガス濃度測定においては、ノイズとなるものであり、低減されることが好ましい。本発明では、回折格子層により規定される波長を、活性層におけるレーザ光の発振のピーク波長よりも小さく設定している。この場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光の複数の波長成分が抑制され、回折格子層によって規定された単一の波長成分が支配的になる傾向がある。この単一の波長成分は、活性層に供給される電流の直流成分の変化に伴って精密に掃引することができる。

この構造の波長掃引型半導体レーザ素子は、単独で波長掃引ができるため、従来の高調波発生器を用いた製品と比較して小型であり、単一の波長成分を精密に掃引することができるため、これをガス濃度測定装置に用いた場合には、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

なお、上述のように、前記回折格子層の規定する波長は、前記活性層における発振のピーク波長よりも小さい場合には、回折格子層に起因する単一の波長成分で発振する可能性があるが、小さすぎる場合には、回折格子層による選択波長成分の強調が行われず、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率が増加する場合がある。そこで、本発明の態様では、前記回折格子層の規定する波長は、空気中において、前記活性層における発振のピーク波長よりも２ｎｍ以下だけ、小さく設定しており、λｐ−２ｎｍ≦λＭ＜λｐを満たしている。

この場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率を抑制することができ、安定した単一の波長で波長掃引を行うことができる。

また、本発明の態様に係るガス濃度測定装置は、上述の波長掃引型半導体レーザ素子と、前記波長掃引型半導体レーザ素子に、前記駆動電流を供給する駆動回路と、前記波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子と、前記光検出素子の出力に基づいて、前記ガスの濃度を出力する制御装置とを備えることを特徴とする。

駆動回路は、経時的に直流成分が変化する電流を、波長掃引型半導体レーザ素子に供給する。電流の直流成分が増加すると、波長掃引型半導体レーザ素子の温度が上昇する。一般に、半導体のエネルギーバンドギャップは温度を上昇すると小さくなる。エネルギーバンドギャップＥｇと、Ｅｇに対応する波長λとの間には、λ＝１２４０／Ｅｇという関係があるので、Ｅｇが小さくなると、波長λは長くなる。また、回折格子層の回折格子幅は、温度上昇に伴って、大きくなるため、回折格子層により、選択される波長も大きくなる。したがって、駆動回路から活性層に供給される電流の直流成分を増加させると、レーザ光の波長を増加させることができ、波長掃引を行うことができる。

波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光が、測定対象のガスを通過する場合、ガス固有の波長成分が、このガスにより吸収される。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度に比例するため、ガスの透過光を光検出素子で検出する。単一波長を、時間に対して直線的に掃引できれば、ガスの濃度を精密に測定することができる。制御装置は、光検出素子の出力に基づいて、ガスの濃度を演算して出力するので、ガスの濃度を精密に求めることができる。

本発明の波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置によれば、小型で、且つ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

ガス濃度測定装置のブロック図である。波長掃引型半導体レーザ素子の正面図である。図２に示した波長掃引型半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印に沿った断面構成を示す図である。活性層において発生するレーザ光の波長と利得の関係を示すグラフである。実施例における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］と、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］及び出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］の関係を示すグラフである。実施例において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。比較例１における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］及び変動電流Ｉｍと、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］、出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］、電圧Ｖｆ［Ｖ］及び抵抗Ｒｄ［Ω］の関係を示すグラフである。レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］と、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］及び出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］の関係を示すグラフである。比較例１における、遠視野像（ＦＦＰ）の水平方向の広がり角度［degree］と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ（同図（Ａ））と、遠視野像（ＦＦＰ）の垂直方向の広がり角度［degree］と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ（同図（Ｂ））である。比較例１における、レーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。比較例２における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］と、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］及び出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］の関係を示すグラフである。比較例２において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。実施例における電流［ｍＡ］と、ＬＤ出力及びＰＤ出力［ａ．ｕ．］との関係を示すグラフである。実施例における電流［ｍＡ］と、ＰＤ出力の２次微分の値（規格化した値）との関係を示すグラフである。比較例における電流［ｍＡ］と、ＰＤ出力の２次微分の値（規格化した値）との関係を示すグラフである。波長掃引型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。

以下、実施の形態に係る波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は、省略する。

図１は、ガス濃度測定装置のブロック図である。

燃焼炉や反応炉を有する工場などにおいては、煙突からガスＧが放出されている。このようなガスＧの各成分の濃度を測定することができれば、測定されたガス濃度に基づいて、工場の稼働条件を調整し、清浄な外気環境を維持することができる。本実施形態のガス濃度測定装置は、このような用途に用いられるが、これに限定されるものではない。

このガス濃度測定装置は、波長掃引型半導体レーザ素子１と、波長掃引型半導体レーザ素子１に、経時的に直流成分が変化する電流を供給する駆動回路５と、波長掃引型半導体レーザ素子１から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子２と、光検出素子２の出力に基づいて、ガスの濃度を出力する制御装置４とを備えている。

波長掃引型半導体レーザ素子１から出力されたレーザ光は、煙突などのガス通路の壁面に設けられた一方の窓９を介して、ガス通路内に入射し、ガス中を進行して、別の窓９から出力され、光検出素子２に入射する。光検出素子２は、好適にはフォトダイオードであるが、入射したレーザ光に感応して電気信号を出力する素子であれば、フォトダイオード以外のものを採用することができる。例えば、光電子増倍管、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳ型イメージセンサ、又は、入射光強度に応じて抵抗値が変化する光導電素子などを採用することが可能である。

光検出素子２の出力は、ロックインアンプ３に入力され、ノイズが低減された状態で増幅され、制御装置４に入力される。制御装置４は、コンピュータなどであり、入力装置７から指示された命令にしたがって、内部のプログラムが動作し、これに接続された外部機器に制御信号を出力する。光検出素子２の出力は、これに直接的にオシロスコープなどの表示装置を接続することにより、モニターすることができるが、本例では、光検出素子２からの出力は、制御装置４に入力することとし、ガス吸収スペクトルを求める。

波長掃引型半導体レーザ素子１は、波長掃引をしているので、制御装置４内の記憶装置には、レーザ光の波長と光検出素子２の出力との関係が対応づけて格納されることになる。光検出素子２の出力は、同一のレーザ光強度に対しては、ガスの濃度が高いほど、低下するため、吸光度を間接的に示している。制御装置４は、吸光度から、ガスの濃度を演算し、表示装置８に入力する。表示装置８は、特定されたガスの濃度などを表示する。

波長掃引型半導体レーザ素子１から出力されたレーザ光が、測定対象のガスＧを通過する場合、ガス固有の波長成分が、このガスにより吸収される。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度に比例するため、ガスＧの透過光を光検出素子２で検出している。ここで、単一波長を、時間に対して直線的に掃引できれば、ガスＧの濃度を精密に測定することができる。制御装置４は、光検出素子２の出力に基づいて、ガスの濃度を演算して出力するので、ガスの濃度を精密に求めることができる。レーザ光の吸光度は、ガスＧの濃度と光路長に比例するため（ランベルト・ベールの法則）、測定対象のガスＧの光吸収波長における吸光度が分かれば、ガス濃度を求めることができる。制御装置４は、吸光度とガス濃度との相関関係を記憶しているので、ガス濃度を求めて、表示装置８に出力することができる。

なお、特定のガスの濃度Ｃ、レーザ光の光路長Ｌ１（波長掃引型半導体レーザ素子１から光検出素子２までの光路長）、特定のガスの吸収係数α、光検出素子２の出力強度Ｐ_ＰＤ、波長掃引型半導体レーザ素子１から出力されるレーザ光の強度Ｐ_ＬＤは、以下の関係式を満たしている。なお、特定のガスとしては、酸素がよく計測に用いられる。

Ｃ＝−（１／αＬ１）×ｌｎ（Ｐ_ＰＤ／Ｐ_ＬＤ）

なお、制御装置４は、ファンクションジェネレータを含むことができる。ファンクションジェネレータは、任意の周波数と波形を持った交流電圧信号を生成することができる。ファンクションジェネレータの周波数と波形は、入力装置７によって設定することができる。

駆動回路５は、制御装置４からの制御信号に基づいて、波長掃引型半導体レーザ素子１の駆動電流を生成する。ファンクションジェネレータの出力に同期した駆動電流としてもよい。駆動回路５は、経時的に直流成分が変化する電流を、波長掃引型半導体レーザ素子１に供給する。駆動電流としては、高周波のパルス電流であって、その直流成分が時間と共に増加する場合や、時間と共に増加する直流電流の場合がある。

駆動電流の直流成分が増加すると、波長掃引型半導体レーザ素子１の温度が上昇する。一般に、半導体のエネルギーバンドギャップは温度を上昇すると小さくなる。エネルギーバンドギャップＥｇと、Ｅｇに対応する波長λとの間には、λ＝１２４０／Ｅｇという関係があるので、Ｅｇが小さくなると、レーザ光の波長λは長くなる。また、波長掃引型半導体レーザ素子１の回折格子層の回折格子幅は、温度上昇に伴って、大きくなるため、回折格子層により、選択される波長も大きくなる。したがって、駆動回路５から、波長掃引型半導体レーザ素子１の活性層に供給される電流の直流成分を増加させると、レーザ光の波長を増加させることができ、波長掃引を行うことができる。

なお、波長掃引型半導体レーザ素子１には、温度制御装置６が設けられている。温度制御装置６は、ペルチェ素子やヒートシンクなどであり、制御装置４からの指令に基づいて、温度制御を行うことができるが、駆動電流の増加による急激な温度上昇制御を行うわけではなく、波長掃引型半導体レーザ素子１の動作を安定させるための時間的変化が緩い温度制御を行う。

図２は、波長掃引型半導体レーザ素子１の正面図、図３は、図２に示した波長掃引型半導体レーザ素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印に沿った断面構成を示す図である。

波長掃引型半導体レーザ素子１は、支持基板１０上に、バッファ層１１、第１クラッド層１２、第１光ガイド層１３、活性層１４、第２光ガイド層１５、第２クラッド層１６、第１エッチングストップ層１７、第２エッチングストップ層１８、第３クラッド層１９、回折格子層２０、第４クラッド層２１及びコンタクト層２２を順次積層してなる。

第１エッチングストップ層１７よりも上部の領域は、凸部が形成されるようにエッチングされており（凸部の幅Ｗ＝４μｍ）、リッジ型半導体レーザ素子が形成されている。第１エッチングストップ層１７及び凸部の側面には、絶縁膜２３が形成されており、絶縁膜２３上には上部電極層２４が形成され、上部電極層２４はコンタクト層２２に接触している。支持基板１０の裏面には、裏面側コンタクト層及び／又は裏面電極層２５が形成されている。

上部電極層２４と裏面電極層との間に電流を流すと、活性層１４において、正孔・電子の再結合が生じ、活性層１４が発光する。本例の活性層１４は、多重量子井戸構造を有しており、第１井戸層１４ａ、バリア層１４ｂ、第２井戸層１４ｃを順次積層してなる。活性層１４において生じた光は、回折格子層２０にも到達し、回折格子層２０の回折格子幅に応じた特定波長のレーザ光が選択的に増幅される。したがって、活性層１４においては、最終的には、回折格子層２０において選択された波長のレーザ光が、ＹＺ端面から出力される。

回折格子層２０のＸ軸方向に沿った間隔（格子幅）はΛｄとし、整数をｍとすると（図３参照）、波長掃引型半導体レーザ素子１の内部では、２×Λｄのｍ倍もしくはｍ分の１の波長のレーザ光が増幅される。次数ｍが１の波長が規定される波長にｍ倍する波長に合わせられた回折格子をｍ次回折格子と呼ぶ。波長掃引型半導体レーザ素子１の外部では、活性層１４の実効的な屈折率をｎｅｆｆとすると、λＭ＝２×Λｄ×ｎｅｆｆ／ｍのレーザ光が出射される。

以上のように、波長掃引型半導体レーザ素子１の基本構造は、経時的に直流成分が変化する電流が与えられる活性層１４と、活性層１４を挟むクラッド層１２．１６と、活性層１４において発生したレーザ光が入射する回折格子層２０とを備えている。

半導体レーザ素子の基本構造は、活性層１４をクラッド層１２，１６で挟む構造を有しており、クラッド層１２，１６を介して活性層１４に注入されたキャリアが再結合して発光し、この発光が誘導放出と共振により増幅され（共振長Ｌ＝１０００μｍ）、レーザ光が外部に出力される。活性層１４内で発生したレーザ光は、回折格子層２０に入射する。回折格子層２０は、格子幅Λｄの２×ｎｅｆｆ／ｍ倍の波長の光を強めあって選択的に増幅するため、選択された単一の波長成分のレーザ光が増幅され、外部に出力される。

ここで、回折格子層２０の格子幅Λｄに基づいて選択されるレーザ光の波長λＭと、活性層１４において発生するレーザ光のピーク波長λｐとの関係は、空気中において、λｐ−２ｎｍ≦λＭ＜λｐを満たしている。

図４は、活性層において発生するレーザ光の波長と利得の関係を示すグラフである。各層の構造は、適宜、図２及び図３を参照する。

活性層１４において固有に発生するレーザ光の波長は、活性層１４のエネルギーバンドギャップに基づいて決定される。活性層１４における単純な共振器構造に起因して発光を行う場合には、活性層１４内のレーザ光には、ファブリペロー型レーザとして機能した場合に発生する成分が含まれており、活性層１４の固有の波長の他に、この波長を中心のピーク波長として、その他にも、複数の波長の成分が含まれている。

これらの複数の波長成分は、ガス濃度測定においては、ノイズとなるものであり、低減されることが好ましい。この実施形態では、回折格子層２０により規定される波長λＭを、活性層１４におけるレーザ光の発振のピーク波長λｐよりも小さく設定している。

回折格子層２０により規定される波長λＨが、活性層１４におけるレーザ光の発振のピーク波長λｐ以上の場合、ファブリペロー型レーザとして複数の波長成分を有するレーザ光が発生する。一方、回折格子層２０により規定される波長がλＭの場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光の複数の波長成分が抑制され、回折格子層２０によって規定された単一の波長成分λＭが支配的になる傾向がある。この単一の波長成分は、活性層１４に供給される電流の直流成分の変化に伴って精密に掃引することができる。

この構造の波長掃引型半導体レーザ素子１は、単独で波長掃引ができるため、従来の高調波発生器を用いた製品と比較して小型であり、単一の波長成分を精密に掃引することができるため、これをガス濃度測定装置に用いた場合には、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

なお、回折格子層２０の規定する波長λＭは、活性層１４における発振のピーク波長λｐよりも小さい場合には、回折格子層２０に起因する単一の波長成分で発振する可能性があるが、小さすぎる場合（回折格子層２０の規定する波長がλＬの場合）には、回折格子層２０による選択波長成分の強調が行われず、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率が増加する場合がある。そこで、回折格子層２０の規定する波長λＭは、空気中において、活性層１４における発振のピーク波長λｐよりも２ｎｍ以下だけ、小さく設定しており、λｐ−２ｎｍ≦λＭ＜λｐを満たしている。すなわち、図４におけるΔλ＝２ｎｍである。

なお、上記の各層の材料／厚みは、以下の通りである。なお、厚みと組成は、±１０％の誤差がある場合でも、同様の効果を奏することができる。
・支持基板１０：Ｎ型ＧａＡｓ
・バッファ層１１：Ｎ型ＧａＡｓ（Ｓｉドープ）／１．０μｍ
・第１クラッド層１２：Ｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ｓｉドープ）／２．０μｍ
・第１光ガイド層１３：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成３８％：ノンドープ）／６０ｎｍ
・第１井戸層１４ａ：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成２０％：ノンドープ）／９ｎｍ
・バリア層１４ｂ：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成３８％：ノンドープ）／９ｎｍ
・第２井戸層１４ｃ：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成２０％：ノンドープ）／９ｎｍ
・第２光ガイド層１５：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成３８％：ノンドープ）／６０ｎｍ
・第２クラッド層１６：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成４８％：Ｚｎドープ）／７０ｎｍ
・第１エッチングストップ層１７：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％：Ｚｎドープ）／２０ｎｍ
・第２エッチングストップ層１８：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％から４８％になるように上部に向かって傾斜：Ｚｎドープ）／５０ｎｍ
・第３クラッド層１９：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成４８％：Ｚｎドープ）／１４０ｎｍ
・回折格子層２０：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成３０％：Ｚｎドープ）／５０ｎｍ
・第４クラッド層２１：Ｐ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成４８％：Ｚｎドープ）／１．２μｍ
・コンタクト層２２：Ｐ型ＧａＡｓ（Ｚｎドープ）／０．２μｍ
・絶縁膜２３：ＳｉＮｘからなるが、他の絶縁材料も用いることができる。
・上部電極層２４：ＡｕＧｅなどを用いることができるが、他の絶縁材料も用いることができる。裏面電極層も同一又はＡｇ等の類似の材料から構成することができる。

なお、これらの化合物半導体層の不純物濃度に関して、Ｎ型の場合に添加されるＳｉの濃度は各層において１×１０^１８／ｃｍ^３であり、Ｐ型の場合に添加されるＺｎの濃度は各層において１×１０^１８／ｃｍ^３であり、これらの不純物濃度は±３０％の誤差がある場合でも、同様の効果を奏することができる。また、Ｐ型とＮ型の導電型を入れ替えても、レーザ素子は動作する。

図５は、実施例（回折格子層における選択波長＝λＭ）における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］と、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］及び出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］の関係を示すグラフである。ガスが導入されていない場合には、これらの値は、レーザ光の出力強度と出力強度微分値と同じである。

実施例は、回折格子層２０における選択波長として、λｐよりも小さなλＭを採用したものである（図４参照）。具体的には、λｐ＝７６０．６ｎｍ、λＭ＝７５９．２ｎｍである。

電流Ｉｆの増加に伴って、波長掃引型半導体レーザ素子１の温度は上昇する。電流Ｉｆに対して、出力強度が直線的に増加することが好ましい。すなわち、出力強度微分値ＳＥは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値であることが望ましい。図５に示す例では、出力強度微分値ＳＥは一定に近い状態になっている。温度が１５℃から３５℃の範囲内において、レーザ光立ち上がり後のＳＥの変動幅は１５℃で０．７３Ｗ／Ａから０．７４Ｗ／Ａ、３５℃で０．６２Ｗ／Ａから０．６４Ｗ／Ａであった。

また、λＭ＝７６６．２ｎｍ、ちょうどλｐ−２ｎｍの波長差になるデバイスにおいても、ノイズを除いて、出力強度微分値ＳＥの変動幅は、それぞれ、１５℃で０．６５Ｗ／Ａから０．７６Ｗ／Ａ、３５℃で０．５０Ｗ／Ａから０．６０Ｗ／Ａとなる結果が得られた。

図６は、実施例において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。

温度の上昇に伴って、レーザ光スペクトルのピーク波長が大きくなっていることがわかる。このように、電流増加に伴う温度上昇により、レーザ光の波長を掃引することができる。具体的には、１５．０℃、２０．２℃、２５．２℃、２９．９℃、２５．３℃、４０．３℃と温度が上昇すると、波長は７５８．６２ｎｍ、７５８．９４ｎｍ、７５９．１８ｎｍ、７５９．４４ｎｍ、７５９．７８ｎｍ、７６０．１４ｎｍになる。また、ピーク位置に対して、波長の分布が対称である。

図７は、比較例１における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］及び変動電流Ｉｍと、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］、出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］、電圧Ｖｆ［Ｖ］及び抵抗Ｒｄ［Ω］の関係を示すグラフである。

比較例１は、回折格子層２０における選択波長として、λｐよりも大きなλＨを採用したものである（図４参照）。具体的には、λｐ＝７５５．６ｎｍ、λＨ＝７５８．５ｎｍである。

出力強度微分値ＳＥは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値を保持できていない。また、電圧Ｖｆ［Ｖ］及び抵抗Ｒｄ［Ω］は、それぞれ１．６８Ｖ、１．６Ωを示しており、グラフからは波長パラメータ変化に対応する電圧、抵抗値の変化はないということが分かる。

図８に示すように、λＨ＝λｐの場合、出力強度微分値ＳＥの変動幅は、１５℃で０．７１Ｗ／Ａから０．９１Ｗ／Ａ、３５℃で０．５２Ｗ／Ａから０．７１Ｗ／Ａであった。

図９は、比較例１における、遠視野像（ＦＦＰ）の水平方向の広がり角度［degree］と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ（同図（Ａ））と、遠視野像（ＦＦＰ）の垂直方向の広がり角度［degree］と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ（同図（Ｂ））である。比較例１においてはガウス分布に従うレーザ光が得られた。また、実施例においても、同様の分布を有するレーザ光が得られた。

図１０は、比較例１における、レーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。

このグラフから、比較例１においては、スペクトルにおけるＥＬ発光の比率が高い割合であることがわかる。以上のことから、実施例は比較例１よりも、スペクトルの波長単一性の観点において優れていることが分かった。

図１１は、比較例２における、レーザ素子に供給される電流Ｉｆ［ｍＡ］と、光検出素子の出力強度Ｐｏ［ｍＷ］及び出力強度微分値ＳＥ［Ｗ／Ａ］の関係を示すグラフである。

比較例２は、回折格子層２０における選択波長として、λｐを大きく下回るλＬを採用したものである（図４参照）。具体的には、λｐ＝７６３．５ｎｍ、λＬ＝７５９．６ｎｍである。

電流Ｉｆの増加に伴って、波長掃引型半導体レーザ素子１の温度は上昇する。電流Ｉｆに対して、出力強度が直線的に増加することが好ましい。すなわち、出力強度微分値ＳＥは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値であることが望ましいが、図１１に示す例では、出力強度微分値ＳＥは緩やかに低下している。

図１２は、比較例２において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル（波長［ｎｍ］と強度［ｄＢｍ］の関係）を示すグラフである。

温度の上昇に伴って、レーザ光スペクトルのピーク波長が大きくなっている。具体的には、１５．０℃、２０．２℃、２５．２℃、３０．０℃と温度が上昇すると、波長は７５９．０２ｎｍ、７５９．３２ｎｍ、７６３．５２ｎｍ、７６５．３８ｎｍになる。このように、電流増加に伴う温度上昇により、レーザ光の波長を掃引することができるが、ピーク位置に対して、波長の分布が非対称である。この場合、酸素吸収測定の際の波長掃引が不連続になるという不具合がある。

図１３は、実施例における電流［ｍＡ］と、波長掃引型半導体レーザ素子１の出力（ＬＤ出力）Ｐ_ＬＤ及び光検出素子２の出力（ＰＤ出力）Ｐ_ＰＤ［ａ．ｕ．］との関係を示すグラフである。

波長掃引型半導体レーザ素子１に供給される電流が８０ｍＡの近傍において、ＰＤ出力が低下しており、これに対応する波長付近に、ガスの吸収帯があると考えられる。

図１４は、実施例における電流［ｍＡ］と、ＰＤ出力の２次微分の値（規格化した値）との関係を示すグラフである。

ＰＤ出力は、８０ｍＡの近傍を中心として、左右対称となる。透過光学密度の変化量は吸光度に相当し、ガス濃度Ｃは当該吸光度から算出される。換算式は、Ｃ＝−（１／αＬ１）×ｌｎ（Ｐ_ＰＤ／Ｐ_ＬＤ）で与えられる。図１４に示されるグラフから、ガスの濃度Ｃを求めるには、既知の酸素濃度での測定データと測定データのバックグラウンドからの信号強度変化を照らし合わせればよい。ガスの種類は酸素であるが、これは吸収の起こる波長をガス固有の吸収波長と比較することにより、同定することができる。この測定では、ＴＤＬＡＳ（波長可変半導体レーザ吸収分光）法を用いることができる。

図１５は、比較例における電流［ｍＡ］と、ＰＤ出力の２次微分の値（規格化した値）との関係を示すグラフである。

ＰＤ出力は、８０ｍＡの近傍を中心として、左右非対称となる。したがって、図１４に示したロジックにしたがって、精密なガスの濃度Ｃを求めることができない。

図１６は、波長掃引型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。

上述の波長掃引型半導体レーザ素子を製造する場合、まず、（Ａ）に示すように、支持基板１０上に、バッファ層１１、第１クラッド層１２、第１光ガイド層１３、活性層１４、第２光ガイド層１５、第２クラッド層１６、第１エッチングストップ層１７、第２エッチングストップ層１８、第３クラッド層１９、及び、回折格子層２０の元になる層（回折格子層と同一符号で示す）を順次積層する。各層の成長には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いる。Ａｌ、Ｇａ及びＡｓから選択される元素によって、各半導体層は形成されているので、それぞれの原材料として、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いることができる。ＧａＡｓの成長温度は７００℃、ＡｌＧａＡｓの成長温度は７００℃である。ドーパントのＺｎとＳｉは、それぞれ、原料として、ＤＭＺｎ（ジメチルジンク）、モノシラン（ＳｉＨ_４）を用いた。

次に、（Ｂ）に示すように回折格子層２０の元になる層上にフォトレジストを塗布し、これを干渉露光法を用いて感光させ、しかる後、現像して、フォトレジストに回折格子パターンを形成する。次に、この回折格子パターンを用いて、回折格子層２０の元になる層をエッチングして、回折格子層２０を形成する。エッチング液は、ブロムメタノールである。

しかる後、（Ｃ）に示すように、第４クラッド層２１及びコンタクト層２２を順次積層する。各層の成長には、上述のＭＯＣＶＤ法を用い、クラッド層を構成するＡｌＧａＡｓの成長温度は７００℃、コンタクト層を構成するＧａＡｓの成長温度は７００℃である。

以上、説明したように、上述の波長掃引型半導体レーザ素子は、回折格子層を用いた分布帰還型（ＤＦＢ）レーザである。電流をランプ状に上昇させた場合、ＬＤ出力が４０ｍＷ程度までキンクが起こらず電流−出力効率が一定となった。また、比較例２では、吸収曲線に出ていた歪み（図１５）を解消することができ、高精度な吸収曲線(図１４)を得ることができた。また、上述の素子は、酸素吸光分析用の７６０ｎｍＤＦＢ−ＬＤに適用できるが、その他の電流掃引型のＤＦＢ−ＬＤにも適用することが可能である。

なお、上述の数値は、特に言及しない限り、±１０％の誤差を有することができる。

１０…支持基板、１１…バッファ層、１３…第１光ガイド層、１４…活性層、１５…第２光ガイド層、１２，１６…クラッド層、１７…第１エッチングストップ層、１８…第２エッチングストップ層、１９…クラッド層、２０…回折格子層、２１…クラッド層（埋め込み層）、２２…コンタクト層、２３…絶縁膜、２４…上部電極層。

Claims

駆動電流が与えられる活性層と、
前記活性層を挟むクラッド層と、
前記活性層において発生したレーザ光が入射する回折格子層と、
を備え、
前記活性層に駆動電流を流すためのコンタクト層を含む凸部を備え、
前記駆動電流は、レーザ光の波長掃引を行うよう、直流成分が経時的に変化し、
前記回折格子層の格子幅に基づいて選択されるレーザ光の波長λＭと、前記活性層において発生するレーザ光のピーク波長λｐとの関係は、１５℃から３５℃の温度範囲の空気中において、λｐ−２ｎｍ≦λＭ＜λｐを満たすことを特徴とする波長掃引型半導体レーザ素子。
レーザ光が出力される端面における、前記凸部の幅は、４μｍ±１０％である、
ことを特徴とする請求項１に記載の波長掃引型半導体レーザ素子。
単一波長ピークのスペクトルが得られることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長掃引型半導体レーザ素子。
温度が１５℃から３５℃の範囲内において、レーザ光立ち上がり後の出力強度微分値の変動幅は１５℃で０．７３Ｗ／Ａから０．７４Ｗ／Ａ、３５℃で０．６２Ｗ／Ａから０．６４Ｗ／Ａであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の波長掃引型半導体レーザ素子。
１５．０℃〜４０．３℃の温度変化において、レーザ光の波長は７５８．６２ｎｍ〜７６０．１４ｎｍに変化することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の波長掃引型半導体レーザ素子。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の波長掃引型半導体レーザ素子と、
前記波長掃引型半導体レーザ素子に、前記駆動電流を供給する駆動回路と、
前記波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて、前記ガスの濃度を出力する制御装置と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。