JPH07154034A

JPH07154034A - 半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JPH07154034A
Application number: JP32308193A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kimura; 潔木村; Kazuki Kondo; 一樹近藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザと集光レンズとの間、および半導
体レーザと参照ガスセルとの間に光アイソレータを挿入
せずに、戻り光の影響を軽減する。それにより、半導体
レーザの発振波長の安定化を図る。【構成】半導体レーザ３から前方に発光したレーザ光を
集光する集光レンズとして非球面レンズ２を用いる。ま
た、半導体レーザ３から後方に発光したレーザ光を入射
する波長安定化用ガスを封入した参照ガスセル５の面５
ａ、５ｂを射光軸に対して斜めにカットした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振光の発振波
長の設定、ならびに発振波長を高精度に安定化する装置
に使用する半導体レーザモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ（ＬＤ）の発振波長は半導
体レーザの動作温度により変化する性質があり、また半
導体レーザに流す電流値によっても変化する性質があ
る。この性質を利用して半導体レーザの発振波長を制御
し安定化する。一般に、半導体レーザモジュールを使用
している半導体レーザ発振波長安定化装置は、波長安定
化用ガスとしての測定対象ガスを封入した参照ガスセル
に周波数Ｆｍで変調したレーザ光を通す。その測定対象
ガスのレーザ光吸収帯のうちの一つの吸収線を利用して
その最大吸収点を見つけてそこに位置するように半導体
レーザの動作温度、または電流を変えている。すなわ
ち、周波数Ｆｍの成分を抽出増幅し、それを微分してそ
の微分波形出力値が零になるように半導体レーザの動作
温度、または半導体レーザの電流をフィードバックして
いる（信号位相微分検波）。

【０００３】信号位相微分検波した波形を図８（ｂ）の
破線で示す。図８（ｂ）のＡ点が目的の半導体レーザの
発振波長である。このＡ点の波長で発振するように半導
体レーザの動作温度、または半導体レーザの電流をマニ
ュアルで設定する。Ａ点に設定されたらフィードバック
手段により、Ａ点で安定するように半導体レーザの動作
温度、または半導体レーザの電流安定化回路を動作させ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
レーザモジュールを使用した場合では、図１０（ｂ）に
示すように、戻り光の影響によりフィードバック信号が
変動する。この変動が図８のＡ点の変動要因になる（図
１０中黒丸が、図８のＡ点に対応する）。この変動幅が
大きくなればなるほど目的の発振波長がずれ、半導体レ
ーザの発振波長の安定化がされないことになる。そこで
従来の技術では、半導体レーザと集光レンズとの間、お
よび半導体レーザと参照ガスセルとの間に光アイソレー
タを挿入し、戻り光の影響を軽減していた。そのため、
光学部品が増え、半導体レーザモジュールの小型化に限
界があった。

【０００５】また、本発明に関連した先行出願である、
特開平２−２４６１８２号公報「発振波長安定化半導体
レーザ装置」は、吸収セルの入射面に集光レンズを備
え、かつ出射面に直接又は隣接して受光部を備えた。受
光感度を上げると共に光吸収強度を高めた。しかし、戻
り光について、特に吸収セルと反対側の半導体レーザの
出射光に対しては記載されていない。

【０００６】さらに、特開平４−２２３４１２号公報
「レセプタクル形半導体レーザモジュール」は、ロッド
３のＢ面と、挿入されるフェルール４とを接触させ、光
ファイバ端面での半導体レーザ１への反射戻り光を抑制
している。つまり、集光レンズの他に戻り光の抑制のた
めの光学部品が必要となる。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、光アイソレータを用いずに、戻り光の影
響を軽減する半導体レーザモジュールを提供することを
課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の半導体レーザモジュールにおいては、従来の
集光レンズとして使用していたセルフォックレンズを非
球面レンズ（AsphericGlass Condenser Lens ）に置き
換え、参照ガスセルのレーザ光を通す面を射光軸に対し
て斜めにカットした構成とした。

【０００９】これは、発明者が、図１０（ａ）に示すよ
うにレーザ光を検出した出力値の変動が小さくなる実験
結果に基づいて発明したものである。なお、特開平４−
２２３４１２号公報には、集光レンズを戻り光の抑制と
して用いることの記載はなく、特に、明細書第３欄第１
２行に記載されているように、非球面レンズは一般的な
集光レンズの機能を持つものとしてのみ記載されてい
る。

【００１０】

【作用】このように構成された半導体レーザモジュール
によれば、大幅に戻り光の影響を抑えることができた。
従来技術と比較して、より精密に波長安定化用ガス（測
定対象ガス）の吸収線に半導体レーザの発振波長を制御
安定化することができる。その結果、半導体レーザ発振
波長安定化装置、ならびにそれを組み込んだシステムを
より安定した制御をすることができ、半導体レーザを利
用した測定装置、システム等を高性能化することができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。

【００１２】〔第１の実施例〕図１は半導体レーザモジ
ュールの外観図であり、構成部品の形状、および配置概
略を示す。半導体レーザ３は温度コントロールを可能と
するためペルチェ素子４ａの上に搭載され、温度により
波長を制御される。非球面レンズ２は半導体レーザ３の
前方出射光を集光するために位置を調整後、半導体レー
ザ３と共にペルチェ素子４ａ上に固定される。このとき
非球面レンズ２を集光用レンズとして使用することによ
り、非球面レンズ２は、図１、図２に示すように平な面
を持たないため半導体レーザ３に光が反射し戻ることを
防止できる。

【００１３】一方、参照ガスセル５は、半導体レーザ３
への戻り光を低減するために両端面５ａ、５ｂを斜めに
（例えば射光軸に対して約６度）する。また、参照ガス
セル５は、半導体レーザ３の後ろ側に、後方出射光が入
射しやすい位置に固定され、参照ガスセル５の後ろ側に
置かれたフォト検出器６に光が入射する構造とする。フ
ォト検出器６にはあらかじめ平凸レンズ（半球レンズ）
１６が取付けてあり受光量が十分にとれるようにする。

【００１４】〔第２の実施例〕第２の実施例は、第１の
実施例のフォト検出器６を、射光軸に対して約１０度角
度を付けてものである。図２は、半導体レーザモジュー
ルの具体的数値を示したものであり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図を示す。非球面レンズ２は、焦点距離が
約０．７ｍｍであり、外周には外径２．５ｍｍの金属性
の円筒が取りつけてある。この非球面レンズ２は、半導
体レーザ３の発光点より０．２ｍｍ離れた位置で出射光
が平行光になるように位置調整され、金属性の円筒部分
で基板２０の上にＹＡＧレーザ溶接で固定する。

【００１５】参照ガスセル５は、直径１０ｍｍ、長さ２
０ｍｍの円筒型で、材質ガラスで構成されている。両端
面５ａ、５ｂのガラス窓は、反射した戻り光を少なくす
るために約６度傾けてあり、半導体レーザ３の後方出力
光が効率よく内部を透過するように半導体レーザ３のす
ぐ後方に参照ガスセル５の中心と光軸が一致するように
配置する。受光面が直径１ｍｍのフォト検出器６の前側
に、直径６ｍｍ、焦点距離が約８ｍｍの平凸レンズ１６
を付ける。それにより、フォト検出器６が、効率よく光
を検出できる構造としている。また、フォト検出器６
を、光軸面に対して約１０度角度を付けて円筒型ケース
１７に取りつけてあるため、半導体レーザ３への戻り光
を少なくできる。

【００１６】また、参照ガスセル５には予めガスを封入
してある。ガスは固有の波長の光を吸収する性質がある
ため、本半導体レーザモジュールでは参照ガスセル５内
のガスの吸収線をフォト検出器６で検出し、半導体レー
ザ３の波長を安定化できる構成となっている。また、保
護ガラス１と円筒型ケース１７は、半導体レーザ３、非
球面レンズ２、参照ガスセル５、および温度制御素子４
をほこり等から守るために、これらの部品を外気から遮
断している。

【００１７】なお、第１の実施例、および第２の実施例
として半導体レーザモジュールは円筒型をしているが、
用途に応じて角型にすることも可能である。

【００１８】〔波長安定化装置への応用〕戻り光の影響
を受けないで状態で、基本波、２倍波を検出し、発振波
長を精度よく安定化する手段を説明する。図３は半導体
レーザ発振波長安定化装置のブロック図、図４は２倍波
信号増幅器および信号同期検出器のブロック図、図５は
基本波信号増幅器および信号微分検出器のブロック図、
図６は温度安定化ＰＩＤ（Proportional Integration a
nd Differential ）回路のブロック図、図７は電流安定
化回路のブロック図である。

【００１９】（構成）本発明の半導体レーザモジュール
を使用した、半導体レーザ発振波長安定化装置の構成を
図３で説明する。電流安定化回路１４は、半導体レーザ
バイアス電流と、半導体レーザ変調電流を設定する。こ
れらの電流設定値を加算して半導体レーザ電流として半
導体レーザ３に流す。半導体レーザ３に電流が流れると
半導体レーザ３の前方、後方にレーザ光を出射する。前
方に出射したレーザ光は非球面レンズ２により集光され
保護ガラス１を通して放射する。後方に出射したレーザ
光は参照ガスセル５を通りフォト検出器６で検出され電
流電圧変換プリアンプ７により増幅される。参照ガスセ
ル５内部には測定対象ガスが封入されており、その吸収
線によりレーザ光が吸収され２倍波が生成される。電流
電圧変換プリアンプ７により増幅された信号（Ｓ１）
は、基本波信号増幅器８で増幅され（Ｓ２）、信号微分
検出器９により位相微分検波され（Ｓ３）、図８（ｂ）
破線に示す出力波形になる。また、２倍波は２倍波信号
増幅器１０で増幅され（Ｓ５）、信号同期検出器１１に
よりレベル検出され（Ｓ６）、図８（ｂ）実線に示す出
力波形になる。温度安定化ＰＩＤ回路１３は、温度セン
サ４ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果をペル
チェ素子４ｂに出力し、半導体レーザの動作温度を所定
の温度に設定する。波長安定化制御回路１５は、マイク
ロプロセッサ、メモリ等を使用し、以下に説明する図９
等の処理を実効する。

【００２０】（設定温度の検索）まず、温度を設定する
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３は、半導体
レーザの温度設定値を、吸収線の中心波長に一致する温
度、例えば２６℃に設定する。この際、波長安定化制御
回路１５から入力したデジタル信号をＤ／Ａ変換器（Ｄ
ＡＣ）１３ｄでアナログ信号に変換する。また、電流安
定化回路１４により半導体レーザ３のバイアス電流を、
例えば１００ｍＡに、半導体レーザ３の変調電流を、例
えば２５ｍＡに設定する。次に、温度安定化ＰＩＤ回路
１３で、動作温度バイアス値を徐々に高くし、そのとき
の信号微分検出器９の信号強度を測定し、図８（ｂ）破
線に示す出力波形を得る。なお、本設定温度の検索は、
半導体レーザの動作条件、例えばバイアス電流を変更し
た際に、行えばよい。

【００２１】（初期設定の説明）次に、半導体レーザ発
振波長初期設定処理を図９のフローチャートを用いて説
明する。半導体レーザ動作温度をＢ点の温度に設定する
（ａ）。つぎにＣ点の温度まで徐々に変えていく
（ｂ）。Ｂ点の動作温度からＣ点の動作温度まで変える
（ｅ）間に信号微分検出器９の出力を監視し（ｃ）、出
力が最大値および最小値となる半導体レーザ３の動作温
度を記憶する（ｄ）。最小値の動作温度と最大値の動作
温度とのちょうど中間の動作温度を算出し（ｆ）、その
動作温度を温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する
（ｇ）。動作温度を設定した後、信号微分検出器９の出
力がほぼ零であることを確認する（ｈ）。つぎに動作温
度を少し高く設定し、信号微分検出器９の出力が下がり
マイナス方向に変動することを確認し、反対に温度を低
く設定すると出力が上がりプラス方向に変動することを
確認する（ｉ）。この確認が終了した後、スイッチ１２
をオンにして温度安定化ＰＩＤ回路１３にフィードバッ
クする（ｊ）。その後、半導体レーザの温度が安定して
いることを確認する（ｋ）。温度が安定していればフィ
ードバックが正しく動作していることになる。

【００２２】このとき、図１０（ｂ）のようにフィード
バック信号が変動していると、半導体レーザの発振波長
は変動する。それに対し本発明の半導体レーザモジュー
ルを用いると、図１０（ａ）のようにフィードバック信
号が滑らかなため、半導体レーザの発振波長は安定す
る。

【００２３】（２倍波ピーク安定化の説明）続いて処理
する、半導体レーザ３の発振波長の２倍波ピーク安定化
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３の動作温度
バイアス値を増減する（ｌ）。信号同期検出器１１の出
力を監視し、出力が最大値になる動作温度バイアス値を
温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する（ｍ）。その後、
信号ピーク検出出力値を常に監視し（ｎ）、常に極大値
になるように動作温度バイアス値を変化させ温度安定化
ＰＩＤ回路１３に設定する。この処理を短い間隔で繰り
返すことにより測定対象ガスの最大吸収点（波長λ₀）
に半導体レーザ３の発振波長を維持し安定にすることが
できる。設定温度の検索、および初期設定をした後、２
倍波ピーク安定化の処理をするため、半導体レーザ３の
発振波長を、所定の吸収線の最大吸収点に安定化するこ
とができる。

【００２４】（信号同期検出器の説明）信号同期検出器
１１の詳細を、図４に基づいて説明する。フォト検出器
７で受けた信号を増幅器１０ａで増幅する。混合器１０
ｃは、その信号と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０ｉで
発振させた周波数信号と混合し、中間周波数を生成す
る。本実施例は、局部発振器１１ａの周波数を４５５ｋ
Ｈｚ−２Ｆｍとし、中間周波数を４５５ｋＨｚとした。
これを狭帯域フィルタ１０ｄに通し、位相同期検波器１
１ｇで同期検波する。同期検波した信号を低域フィルタ
１１ｈを経て直流アンプ１１ｉで増幅する。この増幅さ
れた信号の最大値が２倍波信号のピークとなる。ここ
で、位相シフト器１１ｂで、光学系等で遅延した信号の
位相と、発振器１１ａの２Ｆｍの位相とを調整する。

【００２５】（２倍波歪抑圧動作の説明）電流安定化回
路１４の２倍波歪抑圧動作を図７で説明する。電流安定
化回路１４は、波長安定化制御回路１５からの制御信号
（Ｓ９）により、半導体レーザ３に駆動電流（Ｓ１２）
を発生する。ＬＤバイアス電流値により、半導体レーザ
３のバイアス電流を設定する。基本波変調電流値によ
り、変調周波数の基本波であるＦｍのレベル（電流値）
を設定する。ＬＤ抑圧電流値により、変調周波数の２倍
波（２Ｆｍ）のレベル（電流値）を設定する。これらの
電流が加算器１４ｎで重畳され、バッファ１４ｏを介し
て半導体レーザ３に供給される。戻り光の影響を無くし
ても、半導体レーザにより変調波２倍波歪が出ることが
ある。その場合には、２倍波歪抑圧電流を設定して、基
本波に重畳し、２倍波歪が最小になるようにする。具体
的には、発振器１４ｇの２Ｆｍの位相を、位相シフト器
１４ｈで逆相にして、基本波に重畳する。その際、重畳
するレベルを、基本波から発生する２倍波の歪をキャン
セルするように、減衰器（ＡＴＴ）１４ｍを調整する。

【００２６】〔ガス検出装置への適用〕本発明の参照ガ
スセルに、メタンガスを封入し、非球面レンズ２で集光
したレーザ光を大気中に出射することにより、大気中の
メタンガス濃度の自動連続測定ができる。ここで、吸収
線の最大吸収点（波長λ₀）における減衰量はメタンガ
スの濃度に比例する。したがって、λ₀の発振波長をも
つ半導体レーザ光を作り、メタンガスに照射し、その減
衰量を測定し適当な係数を掛けることでメタンガスの濃
度を推定することができる。

【００２７】なお、半導体レーザ３の発振波長をその他
のガスの吸収帶に適合したものを使用すれば、二酸化炭
素ガス、アセチレンガス等にも応用でき、半導体レーザ
３をセンサにした大気汚染測定装置を実現できる。その
他、共同溝、都市ガス配管のガス漏れ検出装置、化学プ
ラント等のガスモニタリングシステムにも応用できる。
特に、これらのガス検知装置に本発明を用い、光アイソ
レータ等の光学部品を減らすことにより、装置を小型化
し、可搬性を増すことができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体レー
ザモジュールによれば、集光レンズとして非球面レンズ
２を使用し、参照ガスセル５のレーザ光を通す面５ａ、
５ｂを射光軸に対して所定の角度を持たせたる構成とし
た。そのため、光アイソレータを用いずに半導体レーザ
３への戻り光を軽減でき、測定対象ガスの吸収線への発
振波長安定化が精密に行えるようになる。つまり、光学
部品を減らすことにより、光学的にも安定した発振波長
安定化用の半導体レーザモジュールを小型、および安価
に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体レーザモジ
ュールの外観図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す半導体レーザモジ
ュールの外観図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面
図を示す。

【図３】本発明を用いた半導体レーザ発振波長安定化装
置の一実施例を示すブロック図である。

【図４】２倍波信号増幅器および信号同期検出器の一実
施例を示すブロック図である。

【図５】基本波信号増幅器および信号微分検出器の一実
施例を示すブロック図である。

【図６】温度安定化ＰＩＤ回路の一実施例を示すブロッ
ク図である。

【図７】電流安定化回路の一実施例を示すブロック図で
ある。

【図８】（ａ）は、参照ガスセル内の測定対象ガスのレ
ーザ光吸収波形を示し、（ｂ）破線は信号微分波形を示
し、（ｂ）実線は２倍波信号ピーク検出波形を示す。

【図９】本発明に係わる半導体レーザ発振波長安定化の
処理を示すフローチャートである。

【図１０】（ａ）は本発明の半導体レーザモジュールを
用いた電流電圧変換プリアンプ７の出力波形、（ｂ）は
従来の半導体レーザモジュールを用いた電流電圧変換プ
リアンプ７の出力波形である。

【符号の説明】

１…保護ガラス、２…非球面レンズ、３…半導体レー
ザ、４…温度制御素子、５…参照ガスセル、６…フォト
検出器、７…電流電圧変換プリアンプ、８…基本波信号
増幅器、９…信号微分検出器、１０…２倍波信号増幅
器、１１…信号同期検出器、１２…スイッチ、１３…温
度安定化ＰＩＤ回路、１４…電流安定化回路、１５…波
長安定化制御回路、１６…半球レンズ、５ａ…面、５ｂ
…面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ（３）と、半導体レーザから
前方に発光したレーザ光を集光するレンズ（２）と、半
導体レーザから後方に発光したレーザ光を入射する波長
安定化用ガスを封入した参照ガスセル（５）と、参照ガ
スセルを通ったレーザ光を検出するフォト検出器（６）
と、フォト検出器の出力に対応して半導体レーザの温度
を安定化する温度制御素子（４）とを備えた半導体レー
ザモジュールにおいて、前記レンズを非球面レンズと
し、かつ前記参照ガスセルのレーザ光を通す面（５ａ、
５ｂ）を射光軸に対して所定の角度をもたせたことを特
長とする半導体レーザモジュール。