JPH075033A

JPH075033A - レーザの周波数変調特性測定方法およびその装置ならびにその校正方法

Info

Publication number: JPH075033A
Application number: JP14449693A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Uchida; 昌彦内田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】変調振幅が大きくなってもレーザの周波数変
調特性を小さな誤差で容易に測定することができ、ガス
信号の補正が容易な方法およびその装置を提供する。【構成】駆動電流および温度に応じて光強度および光
周波数の変化するレーザ２０の駆動電流を変調し、変調
されたレーザ光を吸収係数および半値全幅が既知の吸収
ガスを含んだガスセル２７に透過させ、その透過光の強
度を検出してこの検出信号中の特定成分を位相敏感検波
し、この検波信号からレーザ２０の変調特性を測定する
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザの周波数変調特
性測定方法およびその装置ならびにその校正方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザのバイアス電流を変調する
と周波数変調が生じる。この特性を利用すると、ヘテロ
ダイン光通信システム等への応用ができる。このような
応用に際しては、半導体レーザの駆動電流を正弦波変調
したときの発振周波数偏移（ＦＭ振幅特性）および、変
調電流と変調された発振周波数との間の位相差（ＦＭ位
相特性）を把握することは極めて重要である。

【０００３】図８はレーザのＦＭ変調特性を測定する従
来の測定装置の構成図である。

【０００４】直流電源１で励起された半導体レーザ２が
発振器３で変調され、その変調されたレーザ光がハーフ
ミラー４を介して２つの光周波数弁別器に入射されてい
る。光周波数弁別器としては、ファブリ・ペロ・エタロ
ン５あるいは、コーナキューブ６ａ、６ｂ、コーナキュ
ーブ６ｂを移動させるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）
７、ＰＺＴ駆動電源８およびハーフミラー９からなるマ
イケルソン干渉計１０が用いられる（図では２つ記載さ
れているがいずれか一方でよい）。これら光周波数弁別
器５、１０は、入射光の光周波数の変化を透過光の強度
変化に変換するものである。次に光周波数弁別器５、１
０からの透過光をフォトダイオード（以下ＰＤという）
１１、１２でそれぞれ受光する。ＳＮ（信号対雑音）特
性を向上させるために、ＰＤ１１、１２からの検波信号
はプリアンプ１３、１４で増幅され、ロックインアンプ
１５、１６に入力されて位相敏感検波される（尚、位相
敏感検波とは、特定の周波数および位相をもつ成分だけ
を抽出して、その振幅を測定することである）。

【０００５】ここで、検出した透過光強度変化をＩ_tと
おく。半導体レーザのように、正弦波電流重畳により、
ＦＭ変調と同時にＡＭ変調のかかる場合、ＦＭ変調によ
る強度変化分をＩ_FM、ＡＭ変調による強度変化分をＩ_AM
とするとＩ_t、Ｉ_FMおよびＩ_AMの関係は数１で表され
る。

【０００６】

【数１】Ｉ_t＝Ｉ_FM＋Ｉ_AM ここで、透過光強度変化Ｉ_tとＡＭ変調成分Ｉ_AMとの位
相差をφ、ＦＭ変調成分Ｉ_FMとＡＭ変調成分Ｉ_AMとの位
相差をθとすると、位相差θは数２のように表される。

【０００７】

【数２】θ＝ｔａｎ^-1｛｜Ｉ_t｜ｓｉｎφ／（｜Ｉ_t｜
ｃｏｓφ−｜Ｉ_AM｜）｝以上よりＦＭ振幅特性およびＦＭ位相特性を測定するこ
とができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た装置には以下の問題点がある。

【０００９】(1) レーザ光源の変調度を大きくし、Ａ
Ｍ、ＦＭ変調成分を大きくすると測定誤差を生じる。

【００１０】(2) いくつかの光学部品を用いており、こ
れらの光軸調整を行わなければならず、煩わしい作業が
必要となる。

【００１１】(3) レーザ光源が劣化し、例えば半導体レ
ーザの電流−光出力特性、変調特性が変化したときに補
正することができないため、レーザの劣化を予想して定
期的にガス濃度−ガス信号の関係を求め直す必要があ
り、作業が煩わしい。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、変調振幅が大きくなってもレーザの周波数変調特性
を小さな誤差で容易に測定することができ、ガス信号補
正が容易な方法およびその装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、駆動電流および温度に応じて光強度および
光周波数の変化するレーザの駆動電流を変調し、変調さ
れたレーザ光を吸収係数および半値全幅が既知の吸収ガ
スを含んだガスセルに透過させ、その透過光の強度を検
出してこの検出信号中の特定成分を位相敏感検波し、こ
の検波信号からレーザの変調特性を測定するものであ
る。

【００１４】また、本発明は、測定対象となるレーザ
と、所定の電流値を中心として、ある振幅でレーザの駆
動電流を変調すると共に、レーザの温度を徐々に変化さ
せる温度制御装置と、レーザ光が透過するためのガスセ
ルと、そのガスセル内に濃度の異なるガスを置換するた
めのガスボンベと、透過したレーザ光の光周波数を測定
するスペクトルアナライザと、レーザ光強度を検出する
光検出器と、この光検出器の出力中の特定成分を位相敏
感検波してレーザの変調特性を測定する測定手段とを備
えたものである。

【００１５】さらに、本発明は、駆動電流および温度に
応じて光強度および光周波数の変化するレーザの駆動電
流あるいは温度を変えたときに発振するレーザ光を受光
素子あるいは光スペクトルアナライザに入力し、レーザ
の電流−光出力および電流−発振強度を測定し、さらに
前記レーザの駆動電流あるいは温度を変え、発振強度、
発振周波数の変化したレーザ光を既知濃度のガスセルに
透過させ、その透過光強度を測定してガスの吸収係数お
よび半値全幅の値を測定し、前記レーザの駆動電流ある
いは温度を変化させて所定の光周波数を中心にある大き
さで変調されたレーザ光を、一定濃度に保たれたガス雰
囲気に通して透過光強度を検出し、この検出信号中の特
定成分を位相敏感検波して、この検波信号からレーザの
変調特性を校正するために測定するものである。

【００１６】

【作用】まずＦＭ（周波数）変調およびＡＭ（振幅）変
調について述べる。

【００１７】（ＦＭ変調）吸収ガス濃度ｃ（ａｔｍ）、
光路長ｌ_e（ｍ）としたとき透過率Ｔは、ランベルト・
ベールの法則により数３で表される。

【００１８】

【数３】Ｔ＝ｅｘｐ（−α（ν）・ｃ・ｌ_e）但し、α（ν）は光周波数νでの吸収ガスの吸収係数
（ａｔｍ^-1・ｍ^-1）である。

【００１９】また、α（ν）・ｃ・ｌ_e＜０．０５の場
合の透過率Ｔは数４で表される。

【００２０】

【数４】Ｔ＝１−α（ν）・ｃ・ｌ_e 半導体レーザの発振周波数νは、温度と駆動電流との関
数であるが、温度を一定としたときに駆動電流を周波数
ωで変調すると、発振周波数νは数５に従って周波数ω
でＦＭ変調される。

【００２１】

【数５】ν（ｔ）＝ν₀＋ａ・ｃｏｓωｔ但し、ν₀はレーザの中心周波数、ａはＦＭ変調振幅、
ωは変調周波数である。

【００２２】吸収係数α（ν₀＋ａ・ｃｏｓωｔ）をフ
ーリエ級数で表すと数６となる。

【００２３】

【数６】

【００２４】Ｈ_n（ν）は、変調された吸収係数のｎ次
フーリエ成分である。吸収セルを透過したレーザ光を検
出器で集光・検出すると各々のフーリエ成分は、ロック
インアンプを変調周波数のｎ倍高調波を検出するように
設定すれば検出できる。この場合、処理信号は数７に比
例する。

【００２５】

【数７】Ｉ（ν₀）・Ｈ_n（ν）・ｌ_e（ｎ≧１）さらに変調振幅が小さければ、フーリエ級数は吸収線の
導関数に比例する。

【００２６】ガス雰囲気圧力が１ａｔｍ近傍では、吸収
線形状は圧力広がりが優勢であり、この場合吸収係数α
（ν）はローレンツ関数となり数８で表される。

【００２７】

【数８】

【００２８】但しα₀は吸収線中心での吸収係数であ
り、２・Δνは吸収線の半値全幅である。

【００２９】ここで、２つの無次元パラメータｘ、ｍを
それぞれ数９、数１０で表わすと、吸収係数α^L（ｘ，
ｍ）は数１１で表される。

【００３０】

【数９】ｘ＝（ν−ν₀）／Δν

【００３１】

【数１０】ｍ＝ａ／Δν

【００３２】

【数１１】α^L（ｘ，ｍ）＝α₀／｛１＋（ｘ＋ｍｃｏ
ｓωｔ）²｝変調された吸収係数α^L（ｘ，ｍ）の第１高調波成分を
求めると数１２で表される。

【００３３】

【数１２】

【００３４】変調された吸収係数α^L（ｘ，ｍ）の第２
高調波成分を求めると数１３で表される。

【００３５】

【数１３】

【００３６】ここで、Ｍは数１４で表される。

【００３７】

【数１４】Ｍ＝１−ｘ²＋ｍ^２その結果、透過率Ｔは２次の項までで近似すると数１５
で表される。

【００３８】

【数１５】

【００３９】（ＡＭ変調）上述したＦＭ変調の説明で
は、レーザの発振周波数だけが変化するものと考えられ
てきたが、半導体レーザの駆動電流を変調すると、発振
強度も同時に変調をうける。発振強度Ｉは数１６で表さ
れる。

【００４０】

【数１６】Ｉ＝Ｉ（ν_０）＋ｂ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ）但し、Ｉ（ν₀）はレーザ出力の中心強度であり、ｂは
強度変調振幅である。

【００４１】ガス透過後のレーザ光強度Ｐは、発振強度
と透過率とに比例するので、数１７で表される。

【００４２】

【数１７】Ｐ＝Ａ・Ｉ・Ｔただし係数Ａは伝送路損失等に依存する定数である。

【００４３】数１７に数１５および数１６を代入すると
数１８が得られる。

【００４４】

【数１８】

【００４５】ここで、レーザの中心波長がガスの吸収線
の中心に一致する場合、ｘ＝０となるので、数１９及び
数２０が得られる。

【００４６】

【数１９】

【００４７】

【数２０】

【００４８】得られた透過光について、ｃｏｓ（ωｔ＋
θ）の位相で検波するとＰ_ωは、数２１で表される。

【００４９】

【数２１】

【００５０】同様にｃｏｓ２ωｔの位相で検波するとＰ
_2ωは数２２で表される。

【００５１】

【数２２】

【００５２】数２１と数２２との比Ｒを求めると数２３
が得られる。

【００５３】

【数２３】

【００５４】この比Ｒには伝送損失に依存する定数Ａが
含まれていないので、伝送損失に関係なく、比Ｒからガ
スの濃度・光路長積ｃ・ｌ_eを求めることができる。

【００５５】すなわち、変調振幅が大きくなっても測定
誤差の小さなレーザの周波数変調特性を容易に測定する
ことができる。

【００５６】但し、上述したレーザの変調特性の測定に
あたり以下の制限事項があげられる。

【００５７】・レーザの電流あるいは温度が変化したと
きにレーザの光強度、光周波数が連続的に変化するこ
と。

【００５８】・レーザの発振スペクトル幅が吸収ガスの
スペクトル幅に比べて十分小さいこと。

【００５９】・測定に用いるガスの吸収線は孤立吸収線
であり、２つ以上の吸収線が近接していないこと。

【００６０】また、一般に変調周波数は一定であるの
で、変調電流とそのときの光周波数の変調振幅の関係を
求め、各種パラメータおよび検出対象とするガスを示す
形状パラメータが求まり、ガス濃度とガス信号との関係
がわかり容易に補正することができる。

【００６１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００６２】図１は本発明のレーザの周波数変調特性測
定方法を適用した装置の一実施例の概略図である。

【００６３】測定対象となる光源を、単一モード発振す
る半導体レーザ２０とする。半導体レーザ２０は温度制
御素子（例えばペルチェ素子）２１上にマウントされ、
このペルチェ素子２１上にはサーミスタ（又は熱電対）
２２が設けられている。

【００６４】ペルチェ素子２１およびサーミスタ２２は
温度制御部２３に接続され、この温度制御部２３は、サ
ーミスタ２２からの温度情報に基づいてペルチェ素子２
１に流す電流の方向と大きさとを制御して、半導体レー
ザ２０の温度を安定させたり、温度掃引を行ったりする
等の制御を行う。

【００６５】半導体レーザ２０の駆動には定電流源２４
によりバイアス電流を流すとともに発振器２５からの出
力により変調電流が重畳されることにより行われる。
尚、定電流源２４の出力側には発振器２５の出力による
影響を防止するため、インダクタンスＬが接続されてお
り、逆に発振器２５の出力側にはコンデンサＣが接続さ
れている。

【００６６】半導体レーザ２０の出射側には集光レンズ
からなる光学系２６が配置され、光学系２６の出射側に
は測定用のガスを収容するガスセル２７が設けられてい
る。測定に用いるガスとしてはＣ₂Ｈ₂（アセチレン）
が用いられる。よってこの半導体レーザ２０の発振周波
数はアセチレンの吸収線に一致しているものとする。ガ
スセル２７は、長さ約１０ｃｍの光路長ｌ_eを有してお
り、このガスセル２７には、濃度１００％の窒素ガスを
収容するガスボンベ２８、濃度１０％のアセチレンを含
んだ窒素混合ガスを収容するガスボンベ２９および濃度
５０００ｐｐｍのアセチレンを含んだ窒素混合ガスを収
容するガスボンベ３０がそれぞれバルブ３１〜３４を介
して接続されている。操作者はガスセル２７に設けられ
た圧力ゲージ３５を見ながらバルブ３１〜３３と、ガス
セル２７に接続されたバルブ３６とを操作することによ
り、それぞれどのガスについても１気圧でガスセル内に
封入することができるようになっている。

【００６７】半導体レーザ２０から出射し、光学系２６
およびガスセル２７を透過したレーザ光は、ハーフミラ
ー３７を介してｐｉｎ−ＰＤ（ピンフォトダイオード）
３８で受光されるようになっている。ｐｉｎ−ＰＤ３８
からの出力信号は、プリアンプ３９で増幅された後、直
流電圧計４０および基本波（Ｓ（ω））検波用ロックイ
ンアンプ（発振器２５の発振周波数ωに同期している）
４１、２倍波（Ｓ（２ω））検波用ロックインアンプ
（倍周器４２の周期２ωに同期している）４３に入力さ
れる。ロックインアンプ４１から位相敏感検波された検
波信号Ｓ（ω）が割算器４４に入力され、ロックインア
ンプ４３から位相敏感検波された検波信号Ｓ（２ω）が
割算器４４に入力されて、ガス信号（Ｓ（２ω）／Ｓ
（ω））をＸ−Ｙレコーダ４５に出力し、Ｘ−Ｙレコー
ダ４５に記録するようになっている。また、ハーフミラ
ー３７からの反射光は、反射ミラー４６で反射されスペ
クトルアナライザ４７に入射するようになっている。

【００６８】次に測定について述べる。

【００６９】測定の第１段階は、まず一定の温度下での
半導体レーザ２０の電流−光出力特性を測定するもので
ある。

【００７０】バルブ３１、３４、３６を操作してガスセ
ル２７内のガスを濃度１００％の窒素ガスで置換してお
く。温度制御部２３およびペルチェ素子２１により、半
導体レーザ２０の温度を安定化する。半導体レーザ２０
の温度が安定化した後、発振器２５の出力を「零」と
し、定電流源２４の出力を「零」から「定格値」まで上
昇させ、そのときのプリアンプ３９の出力を電圧計で読
み取る。

【００７１】図２は図１に示した半導体レーザの電流−
光出力特性を示す図であり、横軸が半導体レーザの駆動
電流を示し、縦軸が光出力を示している。この特性曲線
から後述する第４段階の測定でバイアス電流を１００ｍ
Ａとし、変調電流振幅をｉｍＡとすることにより得られ
る関係式（数２４）が得られる。

【００７２】

【数２４】

【００７３】半導体レーザ２０の駆動電流あるいは温度
を変化させるとこれに伴い光周波数が変化する。

【００７４】測定の第２段階は、半導体レーザ２０の駆
動電流を一定にしておき、半導体レーザ２０の温度を変
化させたときの発振周波数の変化率を測定するものであ
る（駆動電流値は、次の第３段階での測定時の駆動電流
と同じ値とする）。図３は、図１に示した半導体レーザ
の駆動電流を一定にし、半導体レーザの温度を変化させ
たときの発振周波数の変化を示した図であり、横軸が半
導体レーザの温度を示し、縦軸が発振周波数を示してい
る。

【００７５】測定の第３段階は、ガスの吸収線の形状測
定である。はじめにバルブ３２、３４、３６を操作して
ガスセル２７内のガスを、１０％のアセチレンを含む窒
素混合ガスで置換する。次に、半導体レーザ２０の駆動
電流を固定したまま半導体レーザ２０の温度を変化させ
て、半導体レーザ２０の中心周波数をガス吸収線上で掃
引する。ガスセル２７を透過したレーザ光は、ハーフミ
ラー３７を介してｐｉｎ−ＰＤ３８で受光され、プリア
ンプ３９で増幅され信号光として検出される。

【００７６】図４は図１に示した半導体レーザの駆動電
流を一定（１００ｍＡ）とし、半導体レーザの温度を変
化させたときのガスセルを透過したレーザ光を受光した
ｐｉｎ−ＰＤの光出力変化を示した図であり、横軸が温
度を示し、縦軸が光出力（相対値）を示している。尚、
ガスの光吸収の測定は上述したように駆動電流を固定
し、半導体レーザ２０の温度を変化させる方法とは別
に、半導体レーザ２０の温度を固定し駆動電流を変化さ
せる方法をとってもよい。

【００７７】得られた結果より吸収線の形状計算を行
う。透過率Ｔを求めるには、別途光吸収を受けないとき
の光出力を測定し、ベースラインを求める必要がある。
本実施例では、吸収ガスを透過したときの光出力より、
接線を引いてベースラインを求めた（図４に併記してあ
る）。尚、ガスセル２７に窒素１００％で置換したとき
の光出力を求め、ベースラインを求めてもよい。各周波
数νでの透過係数Ｔ（ν）は２つの比をとり得ることが
できる。

【００７８】各波長でのガスの吸収係数α（ν）は、数
２５より得ることができる。

【００７９】

【数２５】

【００８０】図５は図１に示した装置で得られるガス吸
収線の形状を表わす図であり、横軸は図３を用いて半導
体レーザの温度から光周波数に変換したものを示し、縦
軸は透過率の自然対数をとったものを示している。

【００８１】図５よりガス吸収線の中心周波数での吸収
係数と半値全幅とを求める。対象とする吸収線に対して
は、吸収係数α₀＝９５ａｔｍ^-1・ｍ^-1、半値全幅２ν
＝０．１６ｃｍ^-1を得た。尚、半導体レーザ２０の駆動
電流（温度）を掃引したときにいくつもガス吸収線が表
われたときは、吸収係数の一番大きいものを用いると測
定精度がよい。本実施例では半導体レーザ２０の温度が
約２５℃近辺の発振周波数に一致するガスの吸収線を用
いた。

【００８２】尚、使用する吸収ガスの吸収線形状があら
かじめわかっているのであれば、第２段階および第３段
階の測定を省略することができる。

【００８３】測定の第４段階は、半導体レーザの変調特
性の測定である。

【００８４】バルブ３３、３４、３６を操作して、ガス
セル２７内のガスを、濃度５０００ｐｐｍのアセチレン
を含むＣＨ₄（メタン）混合ガスで置換しておく。半導
体レーザ駆動用の定電流源２４にはバイアス電流を流し
た後、発振器２５より変調電流を重畳する。ここでは、
バイアス電流を１００ｍＡとした。測定は半導体レーザ
２０の温度を変化させてレーザ光の中心周波数をガス吸
収線上に掃引したときのそれぞれのロックインアンプ４
１、４３からの検波信号を得て、割算器４４からのガス
信号Ｓ（２ω）／Ｓ（ω）を求める。

【００８５】図６は図１に示した装置の中心周波数を掃
引したときの割算器の出力（ガス信号）Ｓ（２ω）／Ｓ
（ω）の変化を示す図であり、横軸が周波数を示し、縦
軸がＳ（２ω）／Ｓ（ω）を示している。同図よりある
温度でその値はピーク値を示しているのが分かる。この
ピークは半導体レーザ２０の中心発振周波数がガスの中
心での周波数に一致したときを表わす。このピーク値は
数２３を示している。そのうち、Ｉ（ν₀）／ｂは、半
導体レーザ２０に流したバイアス電流と変調電流が分か
れば測定の第１段階で得られた半導体レーザ２０の電流
−光出力特性から求めることができる。その値を用いて
Ｈ^L ₂（０，ｍ）が求まり、その値に相当するｍを求め
ることで、変調振幅が大きくなっても半導体レーザ２０
の周波数変調特性を小さな誤差で容易に測定することが
できる。

【００８６】ＦＭ位相特性は、Ｐ_ω、Ｐ_2ωを求めると
きの２つのロックインアンプ４１、４３の位相差から得
ることができる。

【００８７】以上において本実施例によれば、駆動電流
および温度に応じて光強度および光周波数の変化する半
導体レーザの駆動電流を変調し、変調されたレーザ光を
吸収係数および半値全幅が既知の吸収ガスを含んだガス
セルに透過させ、その透過光の強度を検出してこの検出
信号中の特定成分を位相敏感検波し、この検波信号から
レーザの変調特性を測定することにより、伝送損失Ａに
依存しない比Ｒを求めることができるので、変調振幅が
大きくなっても半導体レーザの周波数変調特性を、小さ
な誤差で容易に測定することができる。従って半導体レ
ーザの変調特性を正確に把握することができ、光通信、
計測等の分野に貢献するところが大きい。

【００８８】尚、本実施例では測定対象とする半導体レ
ーザの光周波数に一致するガスとしてアセチレンを用い
たが、これに限定されるものではなく、他の赤外吸収を
もつガス（例えばＣＯ₂（１．４３μｍ）、ＣＨ
₄（１．６５μｍ））を用いてもよい。

【００８９】ところで、特定波長のレーザ光がある種の
気体に吸収されやすいことを利用して気体の有無を検出
できることが知られており、この原理を応用したセンシ
ング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられてい
る。また、このレーザ光を光ファイバ伝送路とすれば、
遠隔地のガス検出も可能となる。

【００９０】そこで本発明者らは、光ファイバを伝送路
とした遠隔メタンガス検出装置を開発した。この原理を
利用した方法では、光源の駆動電流を所定の電流を中心
として高周波数で変調し、波長および強度の変調された
レーザ光を発振させる。さらに電流および温度を制御し
て発信の中心波長がメタン吸収線の中心になるように半
導体レーザの出射光の一部をモニタ用として用いる。そ
うして安定し前方に出射されたレーザ光を光ファイバを
介して未知濃度のガスを含む測定用のガスセルに透過さ
せ、その透過光を対向する他の光ファイバで受光部まで
導き、レーザ光の２倍波検波信号または基本波検波信号
よりガス濃度を高いＳＮ比で検出することができる。

【００９１】このガス濃度測定では、ガス信号値とその
信号値に対応するガス濃度を求めるためには、測定に先
立ち、測定対象となるガスセルにあらかじめ既知の濃度
のガスを何種類か入れておき、出力信号とガス濃度との
関係を調べておき、未知の濃度のガス検出においては、
その関係式を用いて、得られたガス信号からガス濃度を
求める必要がある。またこの方法によるガス検出では圧
力依存制御があるので、測定ガスの圧力変化が生じる場
合には、圧力の異なるガス濃度とガス信号値との関係式
も求めておく必要がある。

【００９２】しかしながら、半導体レーザが劣化し、例
えば半導体レーザの電流−光出力特性、変調特性が変化
したときには補正することができない。従って半導体レ
ーザの劣化を予想して定期的にガス濃度−信号値の関係
式を求め直す必要があり、作業が煩わしい。

【００９３】そこで、ガス信号の補正を簡略化する方法
を説明する。

【００９４】図７は本発明のレーザの周波数変調特性測
定装置の校正方法を適用したガス濃度測定装置の概略図
である。尚、図１に示した実施例と共通の部材には共通
の符号を用いた。

【００９５】図１に示した装置との相違点は、積分器５
０、オフセット５１、両極性定電流源５２、切替スイッ
チ５３および温度制御部５４を有する点である。すなわ
ち、ロックインアンプ４１の出力線が積分器５０の入力
端子に接続され、積分器５０にはオフセット５１および
切替スイッチ５３の端子５３ａが接続されている。切替
スイッチ５３の端子５３ｂには温度制御部５４が接続さ
れ、共通端子５３ｃには両極性定電流源５２が接続され
ている。両極性定電流源５２にはペルチェ素子２１が接
続されている。

【００９６】測定の第１段階から第３段階までは図１に
示した実施例と同様であるため省略する（但し切替スイ
ッチは温度制御装置側に設定しておく）。

【００９７】測定の第４段階は、半導体レーザ２０の変
調特性の測定である。前述と同様、バルブ３３、３４、
３６を操作してガスセル２７内のガスを濃度５０００ｐ
ｐｍのアセチレンを含むメタン混合ガスに置換してお
く。半導体レーザ２０を駆動するための定電流源２４に
は、バイアス電流を流した後、発振器２５より変調電流
を重畳する（バイアス電流は１００ｍＡとした）。切替
スイッチ５３を反対側（破線で示す）に切り替え、ロッ
クインアンプ４１により検出した基本波成分の強度変調
バイアス電圧をオフセット５１で差分し、差分した信号
を誤差信号として積分器５０で積分し、その積分値を用
いて両極性定電流源５２からペルチェ素子２１に「正」
または「負」の電流を流して半導体レーザ２０の温度を
制御する。このようにして半導体レーザ２０の周波数を
アセチレン吸収線の中心に安定化した後、ロックインア
ンプ４１より検波信号Ｓ（ω）、ロックインアンプ４３
より検波信号Ｓ（２ω）を得て、割算器でガス信号Ｓ
（２ω）／Ｓ（ω）を出力させる。尚この値は数２６を
示している。

【００９８】

【数２６】

【００９９】そのうち、Ｉ（ν₀）／ｂは、半導体レー
ザ２０に流したバイアス電流と変調電流とがわかれば測
定の第１段階で得られた半導体レーザ２０の電流−光出
力特性から求めることができる。その値を用いてＨ^L ₂
（０，ｍ）が求まり、その値に相当するｍを求めること
で半導体レーザ２０の変調特性を求めることができる。

【０１００】バイアス電流を１００ｍＡとし、変調電流
振幅をｉｍＡとし、光周波数特性をｋｃｍ^-1／ｍＡとす
ると、数２７が得られる。

【０１０１】

【数２７】ａ＝ｋ・ｉこの値ｋは変調周波数と変調電流との依存する値であ
る。

【０１０２】一般に変調周波数は、一定であるので、変
調電流とそのときの光周波数の変調振幅との関係を求め
ればよい。半導体レーザ２０の特性として得られた数２
４、数２７に示されるパラメータおよび検出対象とする
ガスを示すパラメータ（吸収係数α₀＝９５ａｔｍ^-1・
ｍ^-1、半値全幅２ν＝０．１６ｃｍ^-1）がわかれば、ガ
ス濃度とガス信号との関係を得ることができる。さらに
ガス雰囲気の圧力が変わった場合は数２６、数２８より
その雰囲気圧力でのガス吸収線の形状パラメータをまず
求め、その値を数２３に代入すれば圧力補正もできる。

【０１０３】

【数２８】

【０１０４】ここで、ガス吸収線の圧力依存性について
説明する。

【０１０５】ガス吸収線は数６でも示したように有限の
幅をもつ。この要因としてガス分子の衝突が起因してい
る。このときのスペクトル幅は全圧力Ｐｒに比例して広
がる（数２８）。

【０１０６】また、光の吸収Ａは分子密度に比例し、数
２９のように表される。

【０１０７】

【数２９】

【０１０８】このため中心での吸収係数α₀は数２６に
示すように全圧力Ｐｒに反比例する。したがって吸収係
数α₀を求めることにより全圧力Ｐｒを補正することが
できる。

【０１０９】以上において、本実施例によれば、ガス濃
度に対するガス信号の補正を簡略化することができる。

【０１１０】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【０１１１】(1) 変調振幅が大きくなっても測定誤差が
小さい。

【０１１２】(2) 簡易な測定が行える。

【０１１３】(3) ガス信号の補正が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザの周波数変調特性測定方法を適
用した装置の一実施例の概略図である。

【図２】図１に示した半導体レーザの電流−光出力特性
を示す図である。

【図３】図１に示した半導体レーザの駆動電流を一定に
し、半導体レーザの温度を変化させたときの発振周波数
の変化を示した図である。

【図４】図１に示した半導体レーザの駆動電流を一定と
し、半導体レーザの温度を変化させたときのガスセルを
透過したレーザ光を受光したｐｉｎ−ＰＤの光出力変化
を示した図である。

【図５】図１に示した装置で得られるガス吸収線の形状
を表わす図である。

【図６】図１に示した装置の中心周波数を掃引したとき
の割算器の出力Ｓ（２ω）／Ｓ（ω）の変化を示す図で
ある。

【図７】本発明のレーザの周波数変調特性測定装置の校
正方法を適用したガス濃度測定装置の概略図である。

【図８】レーザのＦＭ変調特性を測定する従来の測定装
置の構成図である。

【符号の説明】

２０半導体レーザ（レーザ）２７ガスセル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動電流および温度に応じて光強度およ
び光周波数の変化するレーザの駆動電流を変調し、変調
されたレーザ光を吸収係数および半値全幅が既知の吸収
ガスを含んだガスセルに透過させ、その透過光の強度を
検出してこの検出信号中の特定成分を位相敏感検波し、
この検波信号からレーザの変調特性を測定することを特
徴とするレーザの周波数変調特性測定方法。
【請求項２】上記レーザの駆動電流あるいは温度を変
え発振強度、発振周波数の変化率を測定し、この値を用
いて未知の吸収係数および半値全幅の値をもつ吸収ガス
を含んだガスセルに、レーザ光を透過させ、駆動電流あ
るいは温度を変え発振強度の変化から未知のガスの吸収
形状を測定することを特徴とする請求項１記載のレーザ
の周波数変調特性測定方法。
【請求項３】測定対象となるレーザと、所定の電流値
を中心として、ある振幅で前記レーザの駆動電流を変調
すると共に、レーザの温度を徐々に変化させる温度制御
装置と、前記レーザ光が透過するためのガスセルと、そ
のガスセル内に濃度の異なるガスを置換するためのガス
ボンベと、前記透過したレーザ光の光周波数を測定する
スペクトルアナライザと、レーザ光強度を検出する光検
出器と、この光検出器の出力中の特定成分を位相敏感検
波してレーザの変調特性を測定する測定手段とを備えた
ことを特徴とするレーザの周波数変調特性測定装置。
【請求項４】駆動電流および温度に応じて光強度およ
び光周波数の変化するレーザの駆動電流あるいは温度を
変えたときに発振するレーザ光を受光素子あるいは光ス
ペクトルアナライザに入力し、レーザの電流−光出力お
よび電流−発振強度を測定し、さらに前記レーザの駆動
電流あるいは温度を変え、発振強度、発振周波数の変化
したレーザ光を既知濃度のガスセルに透過させ、その透
過光強度を測定してガスの吸収係数および半値全幅の値
を測定し、前記レーザの駆動電流あるいは温度を変化さ
せて所定の光周波数を中心にある大きさで変調されたレ
ーザ光を、一定濃度に保たれたガス雰囲気に通して透過
光強度を検出し、この検出信号中の特定成分を位相敏感
検波して、この検波信号からレーザの変調特性を校正す
るために測定することを特徴とするレーザの周波数変調
特性測定装置の校正方法。