JP6757290B2

JP6757290B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP6757290B2
Application number: JP2017093369A
Authority: JP
Inventors: 真志阿部; 真下小園; 石井　啓之; 啓之石井; 松崎　秀昭; 秀昭松崎; 笠原　亮一; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: JP2018190868A

Description

本発明は、半導体レーザに係り、特に光学的分光手法を使ったセンサーの波長（周波数）を相対的に校正することができる光源装置に関する。

半導体レーザを使った分光測定は広い波長範囲で行われている。特に波長可変半導体レーザ吸収分光（ＴＤＬＡＳ）は近赤外領域で多くの実施例がある（非特許文献１参照）。吸収分光で分子の濃度や温度の測定精度を向上するには、光源の波長掃引を広い範囲で行い、より多くの吸収線を一度に測定できることが望まれる。これまでＴＤＬＡＳで使用されていたレーザは通信帯の波長１．４μｍ〜１．７μｍの分布帰還形（ＤＦＢ）レーザが多く、これは温度による波長同調をしてもたかだか１つのレーザモジュールあたり２ｎｍ程度の可変量である。一般的にＤＦＢレーザの電流変調の結果、温度変化が生じ、これにより周波数掃引が実現するが、この場合１ｎｍ掃引するのがやっとである。

一方、通信波長では分布型ブラック反射器（ＤＢＲ）を備えた半導体レーザ（ＤＢＲレーザ）が開発・製造されている。連続掃引波長範囲も１０ｎｍ以上のものもあり、通信用の信号光源として使われてきた。また、ＤＢＲ層のキャリア変化による高速掃引が可能で、ＧＨｚの応答もしうる。

近年波長２μｍ帯でも発振する半導体レーザが入手できるようになってきており、これを使ったＴＤＬＡＳが行われている（非特許文献２参照）。２μｍ帯は１．５μｍ帯に比べＣＯ₂の吸収が比較的強く、またファイバを使った光の伝送も可能であるのでセンシング応用でのレーザの普及が期待されている。２０１６年に広帯域、高速の掃引ができるＤＢＲレーザが開発された（非特許文献３参照）。

可視波長域から通信波長帯（０．４μｍ〜１．７μｍ）では産業応用されていることもあり、検出器、ミラー、レンズといった光学素子は高性能・高信頼性を有している。これを使った波長計や光スペクトラムアナライザが多くのメーカから発売されており、手軽にレーザの発振波長や発振スペクトルを知ることができる。

一方、１．８μｍ帯より波長が長い場合、受光する検出器は存在するが、可視波長域から通信波長帯に比べると普及は遅れている。また、光学素子の成膜技術も十分ではないので、波長計や光スペクトラムアナライザは限られたメーカからしか発売されていないうえに高価である。

牟田研二ら、『近赤外半導体レーザを用いた高感度ガス分析技術』、三菱重工報Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．５ R.M. Mihalcea, M.E.Webber1, D.S. Baer1, R.K. Hanson1, G.S. Feller, W.B. Chapman, Applied Physics B 67, 283 (1998). T. Kanai, N. Fujiwara, Y. Ohiso, H. Ishii, M. Shimokozono, and M. Itoh, IEICE Electronics Express 13, 20160655 (2016).

以上のように波長２μｍ帯では、可視・近赤外波長域に比べ波長計や光スペクトラムアナライザが高価であり、容易に波長を知ることが難しいという課題を有していた。また、一般的に光スペクトラムアナライザや波長計を使ったとしても、分解能の高い相対的な波長を波長掃引と同期して知ることはできない。本発明は、上記課題を波長計や光スペクトラムアナライザがなくても簡単に相対波長（周波数）の校正を可能とすることを目的とする。

また、本発明は、ＴＤＬＡＳにおけるＤＢＲレーザの電流−周波数の非線形性を校正することを目的とする。

本発明の２μｍ帯ＤＢＲレーザシステムは、２μｍ帯ＤＢＲレーザからなり、レーザからの出力光の一部を取り出し、その光を半導体基板のエタロンを透過させその光を検出器で検出する手段を備え、出力光のもう一方の気体サンプルの吸収信号を検出した信号と同時に測定することで相対波長（周波数）の校正を可能とする。

本発明の光源装置の一様態は、
レーザと、
前記レーザから出射した光の一部の光路中にある半導体の平行平板と、
受光器と、を含み、
前記レーザは、連続掃引可能な波長掃引範囲が３ｎｍ以上であり、
前記半導体の平行平板はエタロンの機能を有し、波長範囲３ｎｍにわたり２本以上のフリンジを跨ぐ厚さを有し、前記レーザの発振波長において屈折率が３よりも大きい
ことを特徴とする波長掃引可能な光源装置である。

前記レーザは、発振波長が２μｍ以上であり、ブラック回折格子を有し、電流注入により前記ブラック回折格子の屈折率を変化させることが可能である。

前記半導体の平行平板がＧｅ及びＳｉのグループから選ばれた材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

前記半導体の平行平板がＩｎＰ及びＧａＡｓのグループから選ばれた材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

前記半導体の平行平板は、前記レーザの発振波長において透明であることが好ましい。

本発明により、波長計や光スペクトラムアナライザがなくても簡単に相対波長（周波数）の校正を実現できる。

また、本発明により、ＴＤＬＡＳにおけるＤＢＲレーザの電流−周波数の非線形性を校正できる。

３以上の屈折率が高い材料をエタロンに使用すれば、実行長を稼ぐことができるので、周波数間隔の狭いエタロンを使用することができる。また、周波数間隔が狭くできると、ピークの観測の数を増やすことができ、少しの変動でも検出器でパワーの変動を見ることができ、周波数の校正精度が向上させることができる。

また、本実施の形態のように、３以上の屈折率が高い材料をエタロンに使用すれば、バタフライパッケージ等既存パッケージに載せる際も厚さが１/３以下にすることが可能であり、実装自由度を上げることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光源装置の構成を示すブロック図である。横軸がＤＢＲ層への、縦軸が位相層への注入電流でそれぞれの設定値に対する発振波長を示したグラフである。時間（横軸）に対する信号強度（縦軸）を示す図である。時間（横軸）に対する波長校正用の信号として検出された信号強度（縦軸）を示す図である。図３の時間軸を周波数に校正したグラフを示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の光源装置の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

［第１の実施の形態］
以下、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は本発明の第１の実施の形態に係る光源装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長校正可能な光源装置は、レーザ素子のＤＢＲレーザ１０１と波長校正用のエタロン１０２とエタロンの透過光を受光する検出器１０８とから構成される。ＤＢＲレーザ１０１はブラック回折格子を有する。レーザ端面の一方からの光はレンズ系１０３を通してファイバ１０４にカップリングする。ファイバ１０４はタップカプラ１０５を用いて分光測定用の光路１０７と周波数校正用の光路１０６に分岐される。周波数校正用の光路１０６を通った光はコリメータレンズ（図示しない）で平行光とされ、Ｇｅのエタロン１０２を透過し検出器１０８で受光する。

本実施の形態のＤＢＲレーザはＤＢＲ層と位相層を有しており、この２つの層に電流を注入することで発振波長を変えることができ、分光測定でよく使われるＤＦＢレーザよりも広い波長範囲（３ｎｍ以上）有している。図２は横軸がＤＢＲ層への、縦軸が位相層への注入電流でそれぞれの設定値に対する発振波長を示したグラフである。この図からわかるように電流値が小さい範囲では発振波長の変化は急峻であるが、電流値が大きくなるにつれ、発振波長変化はゆるやかになる。また、波長が不連続になる部分はモード飛びが発生しており、この境界をまたぐような電流掃引はＴＤＬＡＳでは不利になる。そこでこの境界をまたがないように、図２の矢印のような注入電流を同期して掃引することで、モード飛びなしに連続掃引が可能となるので、本実施の形態ではこの矢印に沿うように電流注入を行った。

上記の電流注入方法を使って、たとえば、分光測定用のファイバ端の光をＣＯ₂が封入された吸収セルに通した時の光信号を検出器で測定すると、時間（横軸）に対する信号強度（縦軸）を示す図３のスペクトルが得られる。この信号と同時に測定したエタロン透過の波長校正用の信号を検出すると図４のようになる。図４は、時間（横軸）に対する波長校正用の信号として検出された信号強度（縦軸）を示す。波長校正用の信号は

と書ける。ここで、Ｉ_dはエタロンの透過光強度、Ｒは反射率、Ｄは透過率、Ｌはエタロンの長さ（厚さ）、νはレーザの発振周波数、ｃは真空中の光速、ｎはエタロン媒質の屈折率、Ｉ₀はエタロンへの入射光強度である（非特許文献４：霜田光一、『レーザー物理入門』）。反射面での散乱損失などがないと仮定すると、

が成り立つ。式（１）は屈折率変化が小さいとすると周波数（波長）の周期関数
である。校正には少なくとも２点は必要であり、掃引の最短波長λ₁、最長波長をλ₂とすると、以下の条件が必要となる。

ここで、Δλ＝λ₁−λ₂である。この実施の形態ではエタロンに透過方向の厚さ１ｍｍの平行研磨されたＧｅ基板を使用しており、波長２μｍのレーザ光が透過する。なお、エタロンは、検出器でモニターが確実にできるように、２本以上のフリンジを跨ぐ厚さを有するものを用いる。フリンジとは、半導体の平行平板を通過する光のある波長範囲における最大透過率を含む透過率を表すピークである。フリンジは、そのフリンジと隣接するフリンジとの間で谷を有する。谷と隣接する谷との間に一本のフリンジがある。Ｇｅ基板の屈折率は波長２μｍで４．１であるのでフリースペクトラルレンジは３７ＧＨｚとなる。また、これはΔλ＝３ｎｍのとき、式（２）の条件を満たしている。エタロンを透過する光のフリンジ間隔は周波数に対しては線形性を有しているので、波長校正用の信号のフリンジピークの時間を表１のようにリスト化しこれをプロットすることで、図３で観測された時間に対する周波数の非線形性の大きい（フリンジ間隔のばらつきが大きい）掃引の周波数校正が可能となる。もっとも簡単な校正法としてはリスト全体を一つの高次展開式にフィッティングすることで、周波数校正を行う方法である。この周波数校正を行う方法はコンピュータで行ってもよい。図３の時間軸を周波数に校正したものが図５になる。図５は、周波数（横軸）に対する波長校正用の信号として検出された信号強度（縦軸）を示す。図５では、フリンジ間隔のばらつきが小さくなっている。図３〜５において、ピークの頂点と、そのピークと隣接するピークの頂点との間をフリンジ間隔という。

実施方式としてはＧｅは屈折率が高いのでガラスのエタロンで用いられる反射コートを入射面、出射面にかけることをしなくても波長マーカーとして十分なフィネスを有するが、ガラスのエタロン同様入出射面に反射コートかけても良い。本実施の形態では基板厚１ｍｍのＧｅ基板を使用したが、基板厚を厚くすることでさらに高精度に相対周波数の校正が可能となる。また、Ｇｅ基板の代わりに、Ｓｉ基板を用いてもよい。

図１に記載された構成部品は一般的なバタフライマウントに実装されている。また、レーザとエタロンであるＧｅの基板を個別にもしくは同時に温調をかける機構を有している。

エタロンにＧｅ、Ｓｉ、ＩｎＰ又はＧａＡｓを用いた場合、レーザの発振波長の屈折率が３よりも大きくなる。エタロンに関してはＩｎＰやＧａＡｓに限らず、良く知られる化合物半導体材料元素の組成を調整して得られる、２μｍでの吸収がない或いは少ない特性を有する化合物半導体を用いても良く、その場合であっても、本発明の趣旨を失うものではない。

上述のエタロンは、上述のレーザの発振波長において透明であることが好ましい。「透明である」とは、レーザの発振波長において、光線透過率が５０％以上１００％未満のことをいう。

本実施の形態のように、３以上の屈折率が高い材料をエタロンに使用すれば、実行長を大きくことができるので、周波数間隔の狭いエタロンを使用することができる。また、周波数間隔が狭くできると、フリンジの観測の数を増やすことができ、少しの変動でも検出器でパワーの変動を見ることができ、周波数の校正精度が向上させることができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明の第２の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長校正可能なレーザモジュールは、第１の実施の形態と同様にレーザ素子のＤＢＲレーザ６０１と波長校正用のエタロン６０２とエタロン６０２の透過光を受光する検出器６０３とから構成される。レーザ端面の一方からの光はレンズ系６０４を通してファイバ６０５にカップリングし、分光測定に使用できる。もう一方の端面側には波長校正用のエタロン６０２と検出器６０３（リアモニタ）が配置されている。波長校正方法は第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は本発明の第３の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長校正可能なレーザモジュールは、第１の実施の形態と同様にレーザ素子のＤＢＲレーザ７０１と波長校正用のエタロン７０２とエタロン７０２の透過光を受光する検出器７０３とから構成される。レーザ端面の一方からの光はビームスプリッタ７０４で２つの光路に分けられる。一方はレンズ系７０５を通してファイバ７０６にカップリングし、分光測定に使用できる。もう一方の光路には波長校正用のエタロンと検出器が配置されている。波長校正方法は第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態について説明する。図８は本発明の第４の実施の形態に係るレーザモジュールの構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長校正可能なレーザモジュールは、第１の実施の形態と同様にレーザ素子のＤＢＲレーザ８０１と波長校正用のエタロン８０２とエタロン８０２の透過光を受光する検出器８０３とから構成される。レーザ端面の一方からの光はレンズ系８０４を通してファイバ８０５にカップリングし、分光測定に使用できる。もう一方の端面側の光はレンズ系８０４を通してファイバ８０６にカップリングし、波長校正用のエタロンと検出器（リアモニタ）を備えたモジュールが配置され、周波数校正に使用できる。波長校正方法は第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。

本発明は、半導体レーザを使った計測技術に適用することができる。

１０１ＤＢＲレーザ
１０２エタロン
１０３レンズ系
１０４ファイバ
１０５タップカプラ
１０６周波数校正用の光路
１０７分光測定用の光路
１０８検出器
６０１ＤＢＲレーザ
６０２エタロン
６０３検出器
６０４レンズ系
６０５ファイバ
７０１ＤＢＲレーザ
７０２エタロン
７０３検出器
７０４ビームスプリッタ
７０５レンズ系
７０６ファイバ
８０１ＤＢＲレーザ
８０２エタロン
８０３検出器
８０４レンズ系
８０５ファイバ
８０６ファイバ

Claims

レーザと、
前記レーザから出射した光の一部の光路中に半導体の平行平板と、
受光器と、を含み、
前記レーザは、連続掃引可能な波長掃引範囲が３ｎｍ以上であり、
前記半導体の平行平板はエタロンの機能を有し、波長範囲３ｎｍにわたり２本以上のフリンジを跨ぐ厚さを有し、前記レーザの発振波長において屈折率が３よりも大きい
ことを特徴とする波長掃引可能な光源装置。
前記レーザは、発振波長が２μｍ以上であり、ブラック回折格子を有し、電流注入により前記ブラック回折格子の屈折率を変化させることができることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記半導体の平行平板がＧｅ及びＳｉのグループから選ばれた材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
前記半導体の平行平板がＩｎＰ及びＧａＡｓのグループから選ばれた材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
前記半導体の平行平板は、前記レーザの発振波長において透明であることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の光源装置。