JPH08162705A

JPH08162705A - 半導体レーザ発振波長安定化装置

Info

Publication number: JPH08162705A
Application number: JP32942794A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kimura; 潔木村
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-21
Anticipated expiration: 2017-07-24
Also published as: JP3305904B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザのバイアス電流を変化させず歪の
影響を抑える。半導体レーザの発振波長を、確実に測定
対象ガスの最大吸収点に、再現性よく自動的に安定させ
る。【構成】電流安定化回路１４は、半導体レーザ３の発振
波長に変調をかける。レーザ光を測定対象ガスを封入し
た参照ガスセル５を介して検出するフォト検出器６で入
力する。信号微分検出器９は、フォト検出器６で検出し
た信号を位相微分検波し、安定化処理の初期設定をす
る。最終的な安定化は、信号同期検出器１１で変調周波
数の２倍波信号を検出し、その２倍波信号が最大になる
ように前記温度安定化ＰＩＤ回路１３にフィードバック
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振光の発振波
長設定、ならびに発振波長を高精度安定化する半導体レ
ーザ発振波長安定化装置に関する。特に、光の吸収を利
用して光学的なガス濃度の測定を行い、都市ガス、化学
プラント等のガス漏洩を検出するガス検出装置に使用す
る半導体レーザ発振波長安定化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】メタン等の気体には、分子の回転や構成
原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯
があることが知られている。以下、メタンガスの検出を
例として述べれば、メタンは、１．６μｍ、１．６６μ
ｍ、３μｍ、７μｍ帯に吸収帯を有する。このうちの一
つの吸収線を利用して、２波長差分吸収法を応用したガ
ス検出装置が種々発表されている (特開昭６２−２９０
１９０号公報）。このガス検出装置においては、光源の
波長をメタンガスの吸収線に安定させる手段が必要とな
る。

【０００３】半導体レーザ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。一般に使用されている半導体レーザ発振波長安定化
装置は、測定対象ガスを封入した参照ガスセルに周波数
Ｆｍで周波数変調したレーザ光を通す。その測定対象ガ
スのレーザ光吸収線を利用してその最大吸収点を見つけ
てその波長で、半導体レーザが発振するように半導体レ
ーザの電流または動作温度を変えている。

【０００４】（従来技術１の説明）半導体レーザの電流
を可変する従来技術１を、図９を用いて説明する。駆動
電流源３１によって駆動された半導体レーザ（ＬＤ）３
２から出射されたレーザ光の一部を、ビームスプリッタ
３３などで分岐して測定対象ガスであるメタンガスを封
入したガスセル３４に透過させ受光器３５で受光する。
この時、駆動電流源３１の電流値を掃引させるとレーザ
光の波長も電流に従って変化するので、受光器３５から
は図６（ａ）に示すメタンガスの吸収スペクトルが観測
できる。レーザ光の波長が、吸収線付近になるように駆
動電流（バイアス電流ともいう。）を調整しておき、周
波数Ｆｍの発振器３９よりの信号を駆動電流に重畳する
ことによりレーザ光の波長（光周波数）に僅かに周波数
変調をかけ、この時の受光器３５の出力を増幅器３６で
増幅し、同期検波器３７でＦｍを参照信号として同期検
波する。

【０００５】この検波出力は、図６（ｂ）の破線で示す
様な吸収線の吸収特性の微分波形となる。この微分波形
の中心になるように発振波長を設定し、その出力電圧を
サーボ回路３８を介して、ＰＩＤ（Proportional Integ
ration and Differential ）制御し、駆動電流源３１に
帰還することにより、レーザの波長が微分波形出力のゼ
ロクロス点（図６（ｂ）の破線Ａ点）、すなわち吸収ス
ペクトルのピーク点に安定化される。

【０００６】（従来技術２の説明）また、特開昭６１−
１６７２２５号公報に、「半導体発光素子のスペクトル
を安定化させるために原子共鳴により検出された同期信
号、つまり、ルビジウムに照射するマイクロ波の周波数
を制御するための低周波信号の２倍の周波数成分の変動
を検出して半導体発光素子への電圧が制御される。」と
開示されている。これは、制御系が同期したときに、変
調されたマイクロ波信号と原子または分子共鳴との相互
作用によって、変調信号の２倍波信号が取り出されるも
のである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術１で
は半導体レーザ電流値または半導体レーザ動作温度制御
帰還手段の誤差等により、吸収スペクトルのピーク点、
すなわち測定対象ガスの最大吸収点で安定に制御される
とは限らない。また、半導体レーザの目的動作点を設定
する手段は、半導体レーザ動作温度、または半導体レー
ザ電流をマニュアルで変えることにより図６（ｂ）のＡ
点に設定し、その後フィードバックを生かして半導体レ
ーザ発振波長をＡ点で安定するように操作している。

【０００８】また、従来技術２は、発光電圧制御器の出
力電圧を可変し、半導体発光素子を制御しているため、
そのまま適用すると、半導体発光素子のバイアス点が変
化し、歪が発生、または歪量が変化するおそれがある。
基本の変調周波数Ｆｍに歪が生じる。結果的に図８のＣ
による、２Ｆｍ検出の精度に影響を与える。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、歪の影響を抑え、半導体レーザの発振波
長を、確実に測定対象ガスの最大吸収点に自動的に安定
させる半導体レーザ発振波長安定化装置を提供すること
を課題とする。

【００１０】

【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発振波長安定化装置において
は、図６（ｂ）の実線に示すように、測定対象ガスのレ
ーザ光吸収線の最大吸収点では変調周波数Ｆｍの２倍の
周波数成分が最大に生成されることを利用したものであ
る。

【００１１】次に、半導体レーザの発振波長だけが、電
流変調により変化すると仮定した場合のガスセル通過光
の変化の様子を、図８に示す。つまり、半導体レーザを
電流変調すると光出力と波長は変調電流と同相で変化す
る（図８の最上段）。一方、吸収線の最大吸収点に波長
をλ₀とし、中心波長がλ₁の半導体レーザを周波数Ｆ
ｍで電流変調した時、吸収線によるガスセル通過光の変
化は、

【００１２】λ₁＜λ₀：光出力は電流と逆相で変化
（図８のＡ、Ｂ） λ₁＞λ₀：光出力は電流と同相で変化（図８のＤ、
Ｅ） λ₁＝λ₀：光出力のＦｍ成分は零で２Ｆｍ成分だけ
（図８のＣ）となる。

【００１３】以上説明した原理で２倍の周波数成分を抽
出するため、変調周波数の基本波に歪等が発生しないよ
うにする必要がある。そこで、請求項１の発明は、Ｆｍ
の２倍の周波数成分が最大の点で半導体レーザ発振波長
が安定制御されるようにＦｍの２倍の周波数成分の信号
を検出する手段を設ける。また、その検出値が最大にな
るように、半導体レーザ動作温度を微小調整（２倍波出
力最大点発振波長安定化フィードバック）する。具体的
には、参照ガスセルを通過した半導体レーザの変調周波
数の２倍波信号を検出する信号同期検出器と、２倍波信
号が最大となるように信号同期検出器の出力を、温度安
定化ＰＩＤ回路に、フィードバックする波長安定化制御
回路とを備え、参照ガスセルのレーザ光吸収線に再現性
よく半導体レーザ発振波長を安定化することとした。

【００１４】また、請求項２の発明は、請求項１の電流
安定化回路が、変調周波数の基本波変調電流を供給する
手段と共に、その変調周波数の２倍波歪を抑圧するため
の２倍波歪抑圧電流加算手段を備えた。

【００１５】

【作用】このように構成された請求項１の半導体レーザ
発振波長安定化装置によれば、半導体レーザのバイアス
電流を変化させないため、２次歪の影響を抑え、再現性
よく自動的に半導体レーザ発振波長の安定化ができる。
また、より正確に測定対象ガスの吸収線に半導体レーザ
発振波長を安定化することができる。そのため、遠隔制
御装置等により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リモート制御すること
により、半導体レーザを利用した測定装置、システム等
を無人自動運転することが可能となる。さらに、電源投
入後の自動波長安定化も可能となる。

【００１６】また、請求項２の半導体レーザ発振波長安
定化装置によれば、初期条件で発生する２次歪を予め求
めておくことにより、適切な２次歪を打ち消す抑圧電流
を重畳することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。〔第１の実施例〕図１は半導体レーザ発振波長安定化装
置のブロック図、図２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３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４は温度安定化ＰＩＤ
回路のブロック図、図５は電流安定化回路のブロック図
を示す。

【００１８】（構成）第１の実施例の構成を、図１に基
づいて説明する。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駆動電流とし
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の前面、後面にレーザ光を出射す
る。前面に出射したレーザ光はコリメートレンズ２によ
り集光され保護ガラス１を通して放射する。後面に射出
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（Ｓ
２）、信号微分検出器９により位相微分検波され（Ｓ
３）、図６（ｂ）破線に示す出力波形になる。

【００１９】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６（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３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、マイクロプロッセッ
サ、メモリ等から成り、以下に説明する図７等の処理を
実行する。

【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３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
（ＤＡＣ）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６（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３の動作条件、例えば半導体レーザバイア
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
振波長初期設定の処理を図７のフローチャートに基づい
て説明する。半導体レーザ３の動作温度をＢ点の温度に
設定する（ａ）。つぎにＣ点の波長になるまで半導体レ
ーザ３の温度を徐々に変えていく（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）。

【００２２】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
がりマエ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３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。

【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
の処理を説明する。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、２倍波を検出する信号同期検出器１１の検出出力値
を常に監視し（ｎ）、最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、所定の吸収線の最大吸収点に、半導体レーザ３
の発振波長を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２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倍波歪抑圧動作について、図５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。

【００２６】半導体レーザ３により変調波２倍波歪が出
る場合には、２倍波歪抑圧電流となるＬＤ抑圧電流値を
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。

【００２７】この処理は、手動で可能であるが、次の手
順で自動的に行うことができる。予め、ＬＤバイアス電
流値、基本波変調電流値、および動作温度により定まる
２倍波歪の大きさをテーブル（図示せず）に記憶する。
初期設定をした、ＬＤバイアス電流値、基本波変調電流
値、および図７のフローチャートの（ｆ）で算出した動
作温度により、テーブルを参照し、２倍波歪抑圧電流を
決定する。

【００２８】〔温度安定化のための他の実施例〕半導体
レーザ３の温度制御をより高速、かつ高精度に行う場
合、同一出願人による「半導体素子用温度制御装置」
（特開平２−２６６５５２号公報）に示すように、ペル
チェ素子４ｂの表面に電気的絶縁層を設け、その上に薄
膜吸発熱体（図示せず）を備える。温度安定化ＰＩＤ回
路１３は、温度設定値をペルチェ素子４ｂに出力し、温
度を微調整する動作温度バイアス値を薄膜吸発熱体に出
力する。さらに、温度センサ４ａを、同一出願人による
「半導体素子の温度制御装置」（特開平４−１５１５３
０号公報）に示すように、熱抵抗を小さくした小型薄膜
温度センサを用いる。その温度センサ４ａを半導体レー
ザ３と薄膜吸発熱体（例えば、ペルチェ素子）の間に備
える。

【００２９】〔ガス検出装置への適用〕本発明を利用す
れば大気中のメタンガス濃度を、精度よく自動的に連続
測定することができる。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、ガスに照射し、その減衰量を測定し適当な係数を掛
けることでガスの濃度を推定することができる。

【００３０】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。

【００３１】本発明の特徴は、参照ガスセルを通過した
半導体レーザ３の変調周波数の２倍波信号を検出し、そ
れが最大となるように制御することである。これを精度
よく実現するためには、検出信号の変動を除去しなけれ
ばならない。そのための手段として、コリメートレンズ
２を非球面レンズとし、参照ガスセル５のレーザ光が通
過する面を射光軸に対して所定の角度（例えば、６度）
をもたせ、半導体レーザ３への戻り光を軽減する構成と
する。そのため、光アイソレータを使用する必要がない
ため、光学部品が減り、装置の小型化、可搬性が実現で
きる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の半導体レ
ーザ発振波長安定化装置によれば、波長安定条件の設定
を自動的にし、半導体レーザ変調周波数Ｆｍの２倍周波
数を検出する信号同期検出器１１と、その検出信号がピ
ークになるよう温度安定化ＰＩＤ回路１３を制御する波
長安定化制御回路１５とを備えた。そのため、２次歪量
が変化せず、測定対象ガスの吸収線への発振波長安定化
が再現性よく正確に行えるようになった。

【００３３】また、請求項２の半導体レーザ発振波長安
定化装置によれば、２倍波歪抑圧電流加算手段を備え
た。そのため、２次歪の影響を抑圧することができ、低
いガス濃度が正確に測定できるようになった。また、装
置の操作の簡便さが飛躍的に改善され、ならびに装置の
自動遠隔制御が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】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３】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４】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５】電流安定化回路の一実施例を示すブロック図で
ある。

【図６】（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７】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８】波長安定化の原理を説明するための参照ガスセ
ルにおける波長−光出力の波形図である。

【図９】従来の波長安定化手段を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１…保護ガラス、２…コリメートレンズ、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、１４ｇ，
１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ…２
倍波歪抑圧電流加算手段、１５…波長安定化制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ（３）と、半導体レーザの発
振波長に変調をかける電流安定化回路（１４）と、半導
体レーザの発振波長を安定化するための温度安定化ＰＩ
Ｄ回路（１３）と、半導体レーザのレーザ光を検出する
フォト検出器（６）と、前記半導体レーザとフォト検出
器との間の光路に設置し、測定対象ガスを封入した参照
ガスセル（５）と、フォト検出器で検出した信号を位相
微分検波する信号微分検出器（９）と、その位相微分検
波出力信号から安定化すべき発振波長からのずれを検出
し、温度安定化ＰＩＤ回路にフィードバックする波長安
定化制御回路（１５）とを備えた半導体レーザ発振波長
安定化装置において、前記参照ガスセルを通過した半導体レーザ変調周波数の
２倍波信号を検出する信号同期検出器（１１）とを備
え、前記波長安定化制御回路が２倍波信号が最大となる
ように該信号同期検出器の出力を前記温度安定化ＰＩＤ
回路にフィードバックして、参照ガスセルのレーザ光吸
収線に半導体レーザ発振波長を安定化することを特徴と
する半導体レーザ発振波長安定化装置。
【請求項２】前記電流安定化回路が、変調周波数の基本
波変調電流を供給する手段と共に、その変調周波数の２
倍波歪を抑圧するための２倍波歪抑圧電流加算手段（１
４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４
ｍ）を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レ
ーザ発振波長安定化装置。