WO2005078880A1 - 波長可変半導体レーザ及びそれを用いるガス検知装置 - Google Patents

波長可変半導体レーザ及びそれを用いるガス検知装置 Download PDF

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WO2005078880A1
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layer
concentration
semiconductor laser
type
cladding layer
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PCT/JP2005/002053
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Hiroshi Mori
Tomoyuki Kikugawa
Yoshio Takahashi
Toshiyuki Suzuki
Kiyoshi Kimura
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Anritsu Corporation
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    • H01S5/1039—Details on the cavity length

Definitions

  • the present invention relates to a tunable semiconductor laser and a gas detection device using the same, and more particularly, to a tunable semiconductor laser in which the wavelength of emitted laser light is tunable, and a gas incorporating the tunable semiconductor laser. It relates to a detection device. Background art
  • Gases such as methane, carbon dioxide, acetylene, and ammonia are known to absorb light of a specific wavelength in response to rotation of molecules, vibration between constituent atoms, and the like.
  • Patent Document 1 A gas detection device using this light absorption characteristic is disclosed in Patent Document 1 below, for example.
  • Patent Document 1 JP-A-11-326199
  • a laser beam emitted from a semiconductor laser module in which a semiconductor laser is incorporated is transmitted through a gas to be measured made of, for example, methane or the like. Incident on the receiver.
  • the semiconductor laser incorporated in the semiconductor laser module is a tunable semiconductor laser whose oscillation wavelength ⁇ changes according to the applied drive current I, as shown in the wavelength characteristic C of FIG. 10B.
  • the oscillation wavelength ⁇ changes, and as shown in the intensity characteristic ⁇ of FIG. 10A, the laser emitted in response to the applied drive current I The light intensity X of light a also changes.
  • the laser drive control unit adjusts the center current value I (bias current value) to half.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser is a value corresponding to the center wavelength.
  • the wavelength ⁇ is changed from the semiconductor laser module around the absorption center wavelength ⁇ .
  • the laser light that is wavelength-modulated around the absorption center wavelength ⁇ transmits the gas to be measured.
  • the light After being absorbed in accordance with the absorption characteristic ⁇ during the transmission process, the light is received by a light receiver, converted into an electric signal, and input to the gas detector.
  • the electric signal has a frequency component on the order of the modulation frequency.
  • the conventional gas detection device as described above has the following problems to be solved yet.
  • this gas detection device is often used for detecting gas leaks at the actual gas pipe piping construction site, used for periodic inspections after laying pipes, and used for detecting abnormalities in chemical factories.
  • bias current value I current value
  • frequency modulation efficiency 7 the degree of change in the oscillation wavelength (frequency) when the drive current I is changed by a unit current. Is very low, eg, less than 0.1 GHzZmA.
  • the light intensity X of the laser beam a emitted from the semiconductor laser is not completely proportional to the current value I of the modulation signal b applied to the semiconductor laser. Near the upper limit of I, it tends to be saturated.
  • Patent Document 2 US Pat. No. 6,351,479 Although Patent Document 2 discloses a semiconductor laser capable of obtaining high luminous efficiency and high output, the above-mentioned non-linear state of the intensity characteristic B increases. Analysis and improvement and frequency modulation efficiency improvement That's what you're thinking about.
  • an object of the present invention is to provide a bias current value of a modulation signal to be applied to obtain a laser beam whose wavelength changes with an amplitude determined by an absorption characteristic around an absorption center wavelength. Can be set low, and the current amplitude of the modulation signal can be set small.As a result, power consumption can be suppressed.In addition, the nonlinear distortion of the intensity characteristic B can be improved to reduce the modulation distortion of the laser beam.
  • An object of the present invention is to provide a wavelength tunable semiconductor laser capable of greatly improving the measurement accuracy of gas detection and a gas detection device incorporating the wavelength tunable semiconductor laser.
  • a wavelength tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the element length indicating the length in the propagation direction of the light generated in the active layer (17) is about 200 ⁇ m to 500 ⁇ m
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a wavelength tunable semiconductor laser is provided.
  • the element length L indicates the length in the propagation direction of light generated in the active layer (17). 00 is set to / im.
  • the temperature change is small.
  • the frequency indicating the degree of the wavelength change with respect to the applied current is reduced. Modulation efficiency is low.
  • the area of the electrode to which a current is applied and the area of the active layer are reduced, so that the amount of current per unit area increases and the wavelength tunable.
  • the temperature of the active layer of the type semiconductor laser tends to increase.
  • the temperature of the active layer easily changes, and the oscillation wavelength ⁇ changes.
  • the frequency modulation efficiency that indicates the degree of wavelength change with respect to the applied current increases.
  • the noise current of the modulation signal to be applied to obtain a laser beam whose wavelength changes with an amplitude determined by the absorption characteristic around the absorption center wavelength is used.
  • the value can be set low, the current amplitude of the modulation signal can be set small, and power consumption can be reduced.
  • the optimum element length L is about 200 ⁇ m to 500 ⁇ m. Proven.
  • the experimental results shown in FIG. 4 were obtained by using a wavelength tunable semiconductor laser device having an active layer width of 2.2 ⁇ m .
  • the p-type cladding layer (22) located above the active layer (17) includes a low-concentration cladding layer (19) and a high-concentration cladding layer (20) in this order.
  • the detection accuracy of the gas detection device incorporating the tunable semiconductor laser can be improved.
  • a wavelength tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the width of the active layer (17), which is perpendicular to the direction of propagation of light generated in the active layer (17) and parallel to the n-type semiconductor substrate, is about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m. ⁇ m,
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a wavelength tunable semiconductor laser is provided.
  • the active layer width W indicating the length in the direction orthogonal to the propagation direction of the generated light in the active layer (17) is: It is set to about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the width W of the active layer similarly to the above-described element length L, the narrower the active layer width W is, the smaller the active layer width W is.
  • the width W of the active layer is optimally about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the tunable semiconductor laser according to the second aspect of the present invention can exhibit substantially the same effects as the tunable semiconductor laser according to the first aspect of the present invention.
  • a wavelength tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the element length indicating the length of the light generated in the active layer (17) in the propagation direction is about 200 ⁇ 111 to 500111, and
  • the width of the active layer (17), which is perpendicular to the direction of propagation of the light generated in the active layer (17) and parallel to the n-type semiconductor substrate (11), is about 1 ⁇ m.
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a wavelength tunable semiconductor laser is provided.
  • the element length L indicating the length of the light generated in the active layer (17) in the propagation direction is about 200 zm to about 200 zm.
  • the width W of the active layer (17) is set to about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m while being set to 500 ⁇ m.
  • the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment can exhibit the same operation and effect as those of the wavelength tunable semiconductor lasers according to the first and second embodiments.
  • a semiconductor laser module (la) incorporating a tunable semiconductor laser that emits laser light having a wavelength modulated at a predetermined frequency
  • a gas detection device comprising: a gas detection unit that detects a gas to be measured based on an electric signal output from the light receiver (4); and (6),
  • the tunable semiconductor laser incorporated in the semiconductor laser module (la) includes an n-type semiconductor substrate (11);
  • a wavelength-tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the element length indicating the length in the propagation direction of the light generated in the active layer (17) is about 200. / 1 111 to 500/1 111,
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a gas detection device comprising:
  • a semiconductor laser module (la) incorporating a tunable semiconductor laser that emits laser light having a wavelength modulated at a predetermined frequency
  • the tunable semiconductor laser incorporated in the semiconductor laser module (la) includes an n-type semiconductor substrate (11);
  • a wavelength tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the width of the active layer (17), which is perpendicular to the direction of propagation of light generated in the active layer (17) and parallel to the n-type semiconductor substrate (11), is about 1 ⁇ m. m to 2 ⁇ m,
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a gas detection device comprising:
  • a semiconductor laser module (la) incorporating a tunable semiconductor laser that emits laser light having a wavelength modulated at a predetermined frequency
  • a gas detection device comprising: a gas detection unit that detects a gas to be measured based on an electric signal output from the light receiver (4); and (5),
  • the tunable semiconductor laser incorporated in the semiconductor laser module (1A) includes an n-type semiconductor substrate (11);
  • a wavelength tunable semiconductor laser that can oscillate at the specific wavelength by injecting a current into the active layer (17) and change the specific wavelength by changing the magnitude of the current ( 27)
  • the element length indicating the length in the propagation direction of the light generated in the active layer (17) ranges from about 200/1 111 to 500/1 111,
  • the width of the active layer (17), which is perpendicular to the direction of propagation of the light generated in the active layer (17) and parallel to the n-type semiconductor substrate (11), is about 1 ⁇ m. ⁇ 2 ⁇ m,
  • the p-type cladding layer (22) includes a low-concentration cladding layer (19) having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer (20) having a high impurity concentration, which are arranged in order from the active layer (17) side.
  • a gas detection device comprising:
  • the wavelength tunable semiconductor laser configured as described above
  • a gas detection device incorporating the wavelength tunable semiconductor laser a laser beam whose wavelength changes with an amplitude determined by an absorption characteristic around an absorption center wavelength is obtained. Therefore, the bias current value of the modulation signal to be applied can be set low, and the current amplitude of the modulation signal can be set small, resulting in power consumption.
  • the modulation distortion of the emitted laser beam can be reduced by improving the nonlinear state of the intensity characteristic B, and the measurement accuracy of gas detection for the gas to be measured can be greatly improved.
  • the impurity concentration of the low-concentration cladding layer (19) is undoped or 3%.
  • the impurity concentration of the high-concentration cladding layer (20) is about IX 10 18 / cm 3, while the impurity concentration is about X 10 17 / cm 3 .
  • the concentration of the high-concentration cladding layer (20) is 8 ⁇ 10 17 Zcm 3 or more at the peak value, and preferably, the low-concentration cladding layer (20) is The concentration of the layer (19) is preferably undoped or 4 ⁇ 10 17 Zcm 3 or less and has a thickness of about 30 nm to 70 nm.
  • the p-type cladding layer (22) is a medium-concentration cladding layer having a medium impurity concentration arranged subsequent to the high-concentration cladding layer (20). (21) is preferably further included.
  • the p-type cladding layer (22) when Zn is a p-type impurity, has an impurity concentration of 5 ⁇ 10 It is preferably about 17 / cm 3 .
  • a lower SCH (Separate Confinement Heteros corture: light) formed above the n-type semiconductor substrate (11) via a spacer layer (10).
  • the structure of the tunable semiconductor laser (27) is changed.
  • DFB distributed feedback type
  • DR distributed reflection type
  • DBR distributed Bragg reflector type
  • PC partial diffraction grating type
  • EC external resonance type
  • FIG. 1 is a diagram showing a tunable semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention cut along a light propagation direction.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross section taken along line II-II of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing an impurity concentration distribution in a p-type cladding layer in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the element length L and the frequency modulation efficiency 77 in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an active layer width W and a frequency modulation efficiency 77 in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram showing characteristics of a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 6B is a diagram showing an example of characteristics of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6C is a diagram showing another example of the characteristics of the tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas detection device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor laser module and a laser drive control unit incorporated in a gas detection device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an absorption characteristic of a gas to be measured and a modulation signal according to a conventional gas detection device.
  • FIG. 10A is a diagram showing light intensity characteristics of a semiconductor laser incorporated in a conventional gas detection device.
  • FIG. 10B is a diagram showing oscillation wavelength characteristics of a semiconductor laser incorporated in a conventional gas detection device.
  • FIG. 11 is a connection diagram shown to explain the tunable characteristic (Tunability) of the tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a waveform diagram of a heterodyne beat signal shown for explaining the tunable characteristics (Tunability) of the tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a tunable semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention, cut along a light propagation direction.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the tunable semiconductor laser of FIG. 1 taken along the line II-II.
  • the tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment is a distributed feedback type (Distributed
  • FB Feedback: FB formed by a semiconductor laser.
  • the diffraction grating layer 12 made of n- type InGaAsP is formed on the upper surface of the n- type semiconductor substrate 11 made of n-type InP. .
  • the diffraction grating layer 12 is composed of a wavelength selecting means 15 having a plurality of gratings 13 and a plurality of gaps 14 existing between the plurality of gratings 13.
  • the gap 14 is filled with the spacer layer 10, which also has an n-type InP force.
  • n-type semiconductor substrate 11 Above the n-type semiconductor substrate 11, a lower SCH made of InGaAsP having an appropriate composition is used.
  • a p-type cladding layer 22 made of p-type InP is formed on the upper surface of the upper SCH layer 18.
  • the p-type cladding layer 22 includes a low-concentration cladding layer 19 having a low impurity concentration and a high-concentration cladding layer 20 having a high impurity concentration from the upper SCH layer 18 side.
  • the high-concentration cladding layer 20 blocks carriers from the active layer 17 and simultaneously
  • the concentration cladding layer 19 prevents Zn as an impurity from diffusing into the active layer 17.
  • the concentration of the high-concentration cladding layer 20 has a peak value of 8 ⁇ 10 17 / cm
  • the thickness of the low-concentration cladding layer 19 is made thinner than 30 nm, when Zn is used as an impurity, it diffuses to the active layer 17 and deteriorates the light emission characteristics. On the other hand, it becomes thicker than 70 nm. This is because carriers accumulate in the low-concentration cladding layer 19 and the effect of the carrier block cannot be obtained.
  • the high-concentration cladding layer 20 since the function of the high-concentration cladding layer 20 is a block of carriers overflowing from the active layer 17, the high-concentration cladding layer 20 generally covers the entire cladding layer having a thickness of several ⁇ m. If necessary, the upper side of the high-concentration cladding layer 20 may be formed as a medium-concentration cladding layer 21 having an intermediate concentration between low concentration and high concentration.
  • the peak value can be 7 ⁇ 10 17 / cm 3 or more even if the concentration is reduced by diffusion.
  • the concentration of the middle concentration cladding layer 21 is preferably 5 ⁇ 10 17 / cm 3 to 7 ⁇ 10 17 / cm 3
  • a lightly doped p-type cladding layer 19 and a heavily doped p-type cladding layer 19 are sequentially arranged from the upper SCH layer 18 side.
  • a structure having a layer 20 and a moderately doped p-type cladding layer 21 will be described.
  • FIG. 3 is a diagram showing an impurity concentration distribution in which Zn in the p-type cladding layer 22 is a p-type impurity.
  • the impurity concentration of the low concentration cladding layer 19 is undoped or about 3 ⁇ 10 17 Zcm 3
  • the impurity concentration of the high concentration cladding layer 20 is about 1 ⁇ 10 18 Zcm 3
  • the impurity concentration distribution in which Zn in the p-type cladding layer 22 shown in FIG. 3 is a p-type impurity is also disclosed in the above-mentioned Patent Document 2 (US Pat. No. 6,351,479) by the present inventors. As described later, the analysis of the increase in the nonlinear state of the intensity characteristic B, which is an important subject of the present invention, and its improvement, and the improvement of the frequency modulation efficiency are discussed below. Ttere, nare,
  • the impurity concentration of middle concentration cladding layer 21 is about 5 ⁇ 10 17 Zcm 3 .
  • a p-electrode 23 is attached to the upper surface of the p-type cladding layer 22 via a contact layer (not shown) made of p-type InGaAs, and an n-electrode 24 is attached to the lower surface of the n-type semiconductor substrate 11. ing
  • the element length L of the wavelength tunable semiconductor laser 27 in the light propagation direction is 300 Pm.
  • the upper part of the n-type semiconductor substrate 11, the diffraction grating layer 12, the lower SCH layer 16, the active layer 17, the upper SCH layer 18, and a part of the p-type cladding layer 22 It is formed in a mesa shape.
  • a p-type carrier layer 25 made of p-type InP and an n-type carrier layer 26 made of n-type InP are formed from below.
  • the active layer 1 in the direction orthogonal to the light propagation direction of the wavelength tunable semiconductor laser 27 is
  • the active layer width W of 7 is set to 1.5 / im.
  • the active layer 17 emits light having multiple wavelengths. Out of the light having this wavelength, a light having a single wavelength ⁇ determined by the period of the diffraction grating layer 12, the equivalent refractive index, and the temperature is selected. Output as a.
  • FIG. 4 shows the same structure as the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment.
  • the type of gas to be detected is methane as described above
  • only the element length L is 250 zm ⁇ 10%, 3 00 ⁇ ⁇ 10%, 350 1 m ⁇ 10%, 600 ⁇ m ⁇ 10%
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between the element length L and the frequency modulation efficiency 77 when the above-described frequency modulation efficiency 11 of each semiconductor laser is measured.
  • this wavelength tunable semiconductor laser 27 is used as a laser light source of a gas analyzer, the required frequency modulation efficiency is 0.1 from the power consumption and the like and the modulation distortion of the laser light.
  • the optimum range of the element length L of the tunable semiconductor laser 27 is about 200 zm to 500 zm (particularly, about 250 ⁇ m to 450 ⁇ m).
  • the element length L is set to be 600 xm or more.
  • the element length L is set to about 200 ⁇ —500 ⁇ , which is shorter than that of the conventional semiconductor laser.
  • a modulation efficiency of 77 can be ensured, and as described above, the wavelength ⁇ is
  • the bias current value I of the modulation signal b to be applied can be set low, and the current
  • the width I can be set small, and power consumption can be reduced.
  • FIG. 5 shows the same structure as the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment.
  • the type of the gas to be detected is methane as described above, only the active layer width W is 1. l / im ⁇ 10%, 1.7 ⁇ ⁇ 10%, 2.2 ⁇ ⁇ 10%
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a layer width W and a frequency modulation efficiency ⁇ .
  • the frequency modulation efficiency ⁇ needs to be 0.1 GHzZmA or more.
  • the optimum range of the active layer width W of the wavelength tunable semiconductor laser 27 is about 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the layer width W is set to 2 ⁇ m or more.
  • the active layer width W is set to about lzm—which is shorter than that of the conventional semiconductor laser, sufficient frequency modulation efficiency is obtained.
  • ⁇ can be secured, and as described above, the wavelength ⁇ is measured around the absorption center wavelength ⁇ .
  • the bias current value I of the modulation signal b can be set low, and the current amplitude I of the modulation signal b is reduced.
  • 0 W can be set, and power consumption can be reduced.
  • the P-type cladding layer 22 located above the active layer 17 is formed from the active layer 17 side with a low-concentration cladding having a low impurity concentration. It comprises a layer 19, a high-concentration cladding layer 20 having a high impurity concentration, and a medium-concentration cladding layer 21 having a medium impurity concentration for suppressing absorption of light by holes in the p-type cladding layer 22.
  • the p-type cladding layer 22 is constituted by the plurality of layers 19, 20, and 21 having different impurity concentrations, as described above. While sufficiently blocking carriers overflowing from the active layer 17, the diffusion of the p-type dopant into the active layer 17 is prevented, and the light absorption in the p-type cladding layer 22 is minimized. High luminous efficiency and high output can be obtained.
  • the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment since the nonlinear state of the intensity characteristic B shown in FIG. 10A is improved, it is possible to reduce the modulation distortion of the emitted laser light. .
  • the medium-concentration cladding layer 21 is not necessarily provided. It is a thing without it.
  • the gas detection device incorporating the tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment is Position detection accuracy can be improved.
  • FIGS. 6A, 6B, and 6C show the effect of shortening the element length L and the active width W of the tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment, and the effect of the high-concentration cladding layer 20 on the p-type cladding layer 22.
  • FIG. 9 is a diagram showing a comparison between the characteristics of the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment and the characteristics of a conventional semiconductor laser in order to explain the provided effects.
  • FIG. 6A shows intensity characteristics B and wavelength characteristics C of a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 6B shows the wavelength of the tunable semiconductor laser 27 according to the first embodiment of the present invention in which the element length L is reduced to about 300 ⁇ m and the width W of the active layer 17 is reduced to about 1.5 ⁇ m.
  • the intensity characteristics B and wavelength characteristics C of the tunable semiconductor laser are shown.
  • Modulation signal b applied to this tunable semiconductor laser to obtain 10 and light intensity X
  • the intensity characteristic B and the wavelength characteristic C of the tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment shown in FIG. 6B the amplitude required for the emitted wavelength-modulated laser light a
  • the amplitude I of signal b is significantly lower than the amplitude I of the conventional semiconductor laser shown in Figure 6A.
  • FIG. 6C shows that the device length L of the wavelength tunable semiconductor laser 27 and the width W of the active layer 17 of the first embodiment of the present invention are reduced to 300 zm and 1. Characteristics B and wave characteristics of the wavelength-tunable semiconductor laser 27 with the high-concentration cladding layer 20
  • the nonlinear state is greatly improved compared to the intensity characteristic B of the conventional semiconductor laser shown in Fig. 6A and the intensity characteristic B of the wavelength-tunable semiconductor laser shown in Fig. 6B.
  • the modulation distortion of the emitted laser light a can be reduced. As a result, it is possible to improve the detection accuracy of the gas detection device in which the wavelength tunable semiconductor laser 27 is incorporated.
  • FIG. 11 is a connection diagram shown to explain the tunable property (Tunability) of the tunable semiconductor laser 27 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a waveform diagram of a heterodyne beat signal according to the heterodyne beat method shown for explaining the tunability (Tunability) of the tunable semiconductor laser 27 according to the first embodiment of the present invention.
  • the tunable characteristic (Tunability) is obtained by a heterodyne beat method using a measuring apparatus configuration as shown in FIG.
  • the laser diode LD1 as a test chip has a frequency of 10K biased at 50mA.
  • the other laser diode LD2 for obtaining the probe light as the reference light is operated by DC, and the wavelength of the laser light is close to the wavelength of the modulated laser light of the laser diode LD1. ing.
  • Each of the laser diodes LD1 and LD2 is mounted on a bonded SiC block, and is thermally controlled by a thermoelectric cooler.
  • Each laser diode LD1 and L is mounted on a bonded SiC block, and is thermally controlled by a thermoelectric cooler.
  • Both laser beams from D2 are focused and coupled via a 3dB coupler 101 and an optical isolator (not shown).
  • the combined laser light is detected by an optical-electrical (O / E) converter 102, and its output signal is observed by a spectrum analyzer 103.
  • O / E optical-electrical
  • Fig. 12 shows the laser diode LD1 as a test chip, which has approximately 0
  • the R (3) absorption line of methane has a full width at half maximum of about 3.4 GHz
  • the laser diode LD1 as this test chip can change the wavelength over the FWHM of methane by modulating the power of 12mA.
  • FWHM full width at half-maximum
  • the method of measuring the wavelength tunability (Tunability) using the heterodyne beat method is the same as the method of measuring the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment of the present invention, The data that is most useful when used in a detector is obtained, and the characteristics of the tunable semiconductor laser 27 are compared.
  • a laser diode LD (hereinafter, referred to as LD1) on the upper side of the figure is the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment of the present invention, and includes a laser diode and a modulation circuit as the test chip.
  • the laser diode LD1 is modulated with an amplitude of 5 mA (10 mA) peak-to-peak, for example, centered at 50 mA, and the wavelength (optical frequency) of the light output from the laser diode LD1 is also corresponding to the modulation. Modulated.
  • the lower laser diode LD (hereinafter, referred to as LD 2) in the drawing corresponds to the other laser diode LD 2 for obtaining the probe light as the above-described reference light.
  • the laser diode LD2 Since the laser diode LD2 operates at DC, the light wavelength (optical frequency) is fixed, and the wavelength of light from the laser diode LD2 is close to that of the laser diode LD1 (LD1).
  • the difference frequency between LD2 and LD2 is within the band of the O / E converter described later.
  • the light from laser diode LD1 and the light from laser diode LD2 are multiplexed by 3-dB power blur 101, and the multiplexed light is received by ⁇ / E converter 102, and the frequency difference between the two is obtained.
  • An electric signal (beat) having the following frequency is observed by the spectrum analyzer 103.
  • the frequency difference between the light of the laser diode 1 and the light of the laser diode LD2 also changes according to the modulation, that is, the beat frequency also changes according to the modulation.
  • the beat frequency changed by 3.4 GHz
  • the laser diode LD the laser diode LD
  • the frequency variable width of 1 can be estimated to be 3.4 GHz.
  • Active layer width W l.7 zm, with an average of 0.6 GHz / mA. ing.
  • the wavelength tunable characteristic of the wavelength tunable semiconductor laser 27 of the first embodiment is at least three to seven times the wavelength tunable characteristic of the conventional semiconductor laser. I understand that there is.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the gas detection device according to the second embodiment of the present invention.
  • the tunable semiconductor laser 27 according to the first embodiment is incorporated in a semiconductor laser module la.
  • the laser beam “a” emitted from the semiconductor laser module la in which the tunable semiconductor laser 27 is incorporated passes through the gas to be measured 3 made of, for example, methane or the like, and enters the light receiver 4.
  • the measured gas 3 composed of methane has, for example, an absorption center wavelength shown in FIG.
  • the laser drive control unit 2a sends out the modulation signal b to the tunable semiconductor laser 27 incorporated in the semiconductor laser module la.
  • FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the semiconductor laser module la and the laser drive control unit 2a.
  • the temperature of the tunable semiconductor laser 27 is controlled by the Peltier device 31.
  • the laser light a emitted from one emission end of the tunable semiconductor laser 27 is output to the outside of the semiconductor laser module la via the focusing lens 29 and the protective glass 30.
  • the laser light emitted from the other emission end of the wavelength tunable semiconductor laser 27 is After being converted into parallel light by a lens 32, the light is transmitted through a reference gas cell 33 filled with the same methane gas as the measured gas 3 as a reference gas, and is incident on a light receiver 34.
  • the light receiver 34 converts the intensity of the incident laser light into an electric (current) signal and inputs the electric signal to the current / voltage converter 35 in the laser drive control unit 2a.
  • the laser drive control unit 2a includes a current-voltage converter 35, a fundamental wave signal amplifier 36, a signal differentiation detector 37, a wavelength stabilization control circuit 38, a temperature stabilization PID circuit 39, a laser drive And a circuit 40.
  • Current-voltage converter 35 converts the electric signal of light receiver 34 into a voltage.
  • the fundamental wave signal amplifier 36 amplifies the voltage converted by the current-voltage converter 35.
  • the signal differentiation detector 37 differentiates the voltage waveform amplified by the fundamental wave signal amplifier 36 to generate a shift signal of the absorption center wavelength ⁇ power of the reference gas.
  • the wavelength stabilization control circuit 38 controls to stabilize the emission wavelength ⁇ of the tunable semiconductor laser 27 to the absorption center wavelength ⁇ of the reference gas.
  • the wavelength stabilization control circuit 38 converts the shift signal from the signal differential detector 37 into the temperature of the wavelength-tunable semiconductor laser 27, outputs the temperature to the temperature stabilization PID circuit 39, and performs control based on the shift signal.
  • the signal is output to the laser drive circuit 40.
  • the temperature stabilization PID circuit 39 controls the Peltier element 31. That is, the temperature stabilization D circuit 39 performs PID control in accordance with the temperature signal from the wavelength stabilization control circuit 38 so that the wavelength of the wavelength tunable semiconductor laser 27 becomes a temperature at which the semiconductor laser 27 oscillates at a desired wavelength. The temperature of the laser 27 is stably maintained at a constant temperature.
  • the laser drive circuit 40 is configured such that the current value I (bias current value) at the center is a tunable semiconductor.
  • the oscillation wavelength ⁇ of the laser 27 is a value corresponding to the absorption center wavelength ⁇ of the absorption characteristic ⁇ ⁇ ⁇ of the reference gas (gas 3 to be measured) as shown in FIG.
  • the voltage is applied to the tunable semiconductor laser 27 incorporated in a.
  • the laser driving circuit 40 operates in accordance with the temperature signal from the wavelength stabilization control circuit 38.
  • the cardiac current value I bias current value
  • the laser beam emitted from the tunable semiconductor laser 27 is transmitted through the reference gas cell 33 in which the same methane gas as the gas 3 to be measured is sealed.
  • the wavelength tunable semiconductor laser 2 is adjusted so that the center wavelength of the laser light matches the absorption center wavelength; I of the absorption characteristic A of the reference gas (gas 3 to be measured) as shown in FIG.
  • the laser light a wavelength-modulated to 0 is absorbed according to the absorption characteristic A as shown in FIG. 9 in the process of passing through the gas 3 to be measured, and then received by the light receiver 4 to receive an electric (current) signal c. And is input to the gas detector 5. Since the light receiver 4 does not have the wavelength resolution of the laser light a, the electric (current) signal c has a frequency component on the order of the modulation frequency.
  • the gas detector 5 includes a current-to-voltage converter 41, a fundamental signal detector 42, a second harmonic signal detector 43, and a divider 44.
  • the current-voltage converter 41 converts the input electric (current) signal c into a voltage electric signal c and sends it to the fundamental signal detector 42 and the second harmonic signal detector 43.
  • the divider 44 calculates the ratio (D / ⁇ ) between the amplitude D of the second harmonic signal d and the amplitude D of the fundamental signal d.
  • the element length L is about 300 zm
  • the active width W is about 300 zm. Reduced to about 1.
  • the p-type cladding layer 22 The wavelength tunable semiconductor laser 27 provided with the cladding layer 20 is employed.
  • this gas detection device can suppress power consumption in the semiconductor laser module la and the laser drive control unit 2a, and greatly suppress modulation distortion of the laser light a incident on the gas to be measured 3. Therefore, as described above, the measurement accuracy for the measured gas 3 is greatly improved.
  • the present invention has been made with respect to a wavelength tunable semiconductor laser that simultaneously controls light output and oscillation wavelength with a single current, and a gas detection device using the same.
  • specific semiconductor laser structures include distributed feedback (DFB), distributed reflection (DR), distributed Bragg reflector (DBR), partial diffraction grating (PC), and external resonance type.
  • DFB distributed feedback
  • DR distributed reflection
  • DBR distributed Bragg reflector
  • PC partial diffraction grating
  • a force using only the InP substrate and a material that can be epitaxially grown thereon is not limited to these, and a GaN system, a GaAs system, or the like can also be used. is there.
  • the present invention it is possible to set a low bias current value of a modulation signal to be applied to obtain a laser beam whose wavelength changes with an amplitude determined by an absorption characteristic around an absorption center wavelength, and The current amplitude of the modulation signal can be set small, resulting in reduced power consumption.
  • the nonlinearity of the intensity characteristics can be improved to reduce the modulation distortion of the laser beam, and the measurement accuracy of gas detection for the gas to be measured can be greatly improved. It is possible to provide a wavelength tunable semiconductor laser that can be improved to a high degree, and a gas detection device incorporating the wavelength tunable semiconductor laser.

Abstract

　波長可変型半導体レーザは、ｎ型半導体基板と、前記ｎ型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、前記活性層の上方に配置されたｐ型クラッド層及び前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる波長選択手段とを含む。前記波長可変型半導体レーザは、前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることができる。前記活性層において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約２００μｍ乃至５００μｍであり、及びまたは前記活性層において生成された前記光の伝搬方向と直交し、かつ基板に平行な方向の長さを示す前記活性層の幅は約１μｍ乃至２μｍである。前記ｐ型クラッド層は、前記活性層側から順番に配列された、低不純物濃度を有する低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含む。

Description

明 細 書
波長可変半導体レーザ及びそれを用いるガス検知装置
技術分野
[0001] 本発明は波長可変半導体レーザ及びそれを用いるガス検知装置に係り、特に、出 射されるレーザ光の波長が可変である波長可変半導体レーザ、及びこの波長可変 半導体レーザが組込まれたガス検知装置に関する。 背景技術
[0002] メタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の気体は、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ことが知られている。
[0003] 例えば、メタンの場合には、 1. 6 /i m、 3. 3 μ ΐη、 7 μ mの波長（吸収波長）の光を 吸収する。
[0004] したがって、測定対象の空間に前記吸収波長を有するレーザ光を照射して、その 減衰状態を測定すれば、測定対象の空間に前記特定の気体 (ガス）が存在すること、 及びそのガス濃度を検知することができる。
[0005] この光吸収特性を利用したガス検知装置は、例えば、下記の特許文献 1に開示さ れている。
特許文献 1 :特開平 11一 326199号公報 すなわち、このガス検知装置においては、 半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュールから出射されるレーザ光は、例 えば、メタン等からなる被測定ガスを透過して受光器へ入射される。
[0006] ここで、メタンからなる被測定ガスは、例えば、図 9に示す吸収中心波長; I = 1. 65
0
37 μ mを有する吸収特性 Αを有する。
[0007] また、半導体レーザモジュールに組込まれた半導体レーザは、図 10Bの波長特性 Cに示すように、印加される駆動電流 Iに応じて発振波長 λが変化する波長可変半 導体レーザである。
[0008] なお、当然、この波長可変半導体レーザにおいては、発振波長 λが変化するととも に、図 10Aの強度特性 Βに示すように、印加される駆動電流 Iに応じて出射されるレ 一ザ光 aの光強度 Xも変化する。 [0009] レーザ駆動制御部は、図 9に示すように、中心の電流値 I (バイアス電流値）が、半
0
導体レーザの発振波長えが中心波長え に対応する値であり、この中心電流値 I (バ
0 0 ィァス電流値）を中心に、振幅 I 、変調周波数 f = 10KHzである変調信号 bを半導
W 1
体レーザモジュールに組込まれた半導体レーザに印加する。
[0010] その結果、半導体レーザモジュールから、波長 λが、吸収中心波長 λ を中心に振
0 幅 λ で周波数 f = 10KHzで変化するレーザ光が出力される。
W 1
[0011] このように、吸収中心波長 λ を中心に波長変調されたレーザ光は、被測定ガスを
0
透過する過程で吸収特性 Αに応じて吸収された後、受光器で受光され電気信号に 変換されてガス検出部へ入力される。
[0012] この受光器はレーザ光の波長分解能を有していないので、電気信号は変調周波数 のオーダの周波数成分を有する。
[0013] ガス検出部は、入力された電気信号に含まれる変調周波数 f = 10KHzの信号成 分である基本波信号 dと、入力した電気信号に含まれる変調周波数 f = 10KHzの 2
1 1
倍の周波数 f ( = 20KHz)の信号成分である 2倍波信号 dとを抽出することにより、こ
2 2
の 2倍波信号 d振幅 Dと基本波信号 dの振幅 Dとの比（D /D )をガス濃度に対
2 2 1 1 2 1
応する検出値 D ( = D /Ό )とする。
2 1
[0014] なお、基本波信号 dには、図 10Aに示すように、強度変調に起因する大きなオフセ ットが生じるので、 2倍波信号 dの振幅 Dと基本波信号 dの振幅 Dとの比（D /Ό )
2 2 1 1 2 1 をガス濃度に対応する検出値 D ( = D /Ό )とすることによって、測定精度を向上さ
2 1
せている。
[0015] し力 ながら、上述したような従来のガス検知装置においては、まだ解消すべき次 のような課題がある。
[0016] すなわち、このガス検知装置は、実際のガス管の配管工事現場でガス漏れ検出に 用いたり、配管敷設後の定期検査等に用いたり、化学工場における異常検出に用い られる場合が多い。
[0017] したがって、この種のガス検知装置としては、できるだけ小型化、高性能化、及び小 電力化が望まれている。
[0018] このガス検知装置の小型化、高性能化、及び小電力化を図るためには、半導体レ 一ザモジュール 1から、被測定ガス 3の図 9に示した吸収特性 Aに対応する、波長え が吸収中心波長え を中心に振幅え で周波数 f = 10KHzで変化するレーザ光力
0 W 1
より効率的に出射される必要がある。
[0019] しかしながら、半導体レーザモジュールに組込まれた従来の半導体レーザにおい ては、図 1 OAの強度特性 B及び図 10Bの波長特性 Cに示すように、前述した必要な 中心波長 λ 、光強度 Xを得るために、この半導体レーザに印加する変調信号 bの
0 0
バイアス電流値 (電流値 I )を大きな値に設定する必要があるので、電力消費が増大
0
する。
[0020] また、図 10Bに示す波長特性 Cにおいて、駆動電流 Iを単位電流変化させた場合 の発振波長 (周波数）の変化の程度を周波数変調効率 7]というが、従来の半導体レ 一ザにおいては、この周波数変調効率 77力 例えば、 0. lGHzZmA未満と非常に 低い。
[0021] したがって、波長えを、吸収中心波長え を中心に振幅 λ で変化させるためには、
0 W
この半導体レーザに印加する変調信号 bの電流振幅 I が増大するので、電力消費が w
増大する。
[0022] さらに、図 10Aの強度特性 Bにおいて、半導体レーザから出射されるレーザ光 aの 光強度 Xは、半導体レーザに印加する変調信号 bの電流値 Iに完全に比例せずに、 電流振幅 I の上限近傍にぉレ、ては飽和傾向になる。
W
[0023] このように、強度特性 Bの非線形状態が増大すると、レーザ光の変調歪みが大きく なり、検出された電気信号から算出される検出値 D ( = D /D )が正確にガス濃度に
2 1
対応しなくて、測定精度が低下する。
[0024] ところで、本願の発明者等は、特許文献 2に開示される半導体レーザにおいて、後 述する本発明が適用される図 3とほぼ同様な、 p型クラッド層における Znを p型不純 物とする不純物濃度分布を有することにより、高発光効率、高出力を得ることができる 半導体レーザを提唱してレ、る。
特許文献 2 : USP6, 351， 479 しかるに、この特許文献 2では、高発光効率、高出 力が得られる半導体レーザについては開示されているものの、上述した強度特性 B の非線形状態が増大することへの分析及びその改良と、周波数変調効率の改善とに っレ、ての考察がなされてレ、なレ、。
発明の開示
[0025] 本発明の目的は、上述のような事情に鑑み、波長が吸収中心波長を中心に吸収特 性で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電 流値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、結果として消費電 力を抑制でき、さらに、強度特性 Bの非線形状態を改善してレーザ光の変調歪みを 低下でき、被測定ガスに対するガス検知の測定精度を大幅に向上できる波長可変型 半導体レーザ及び、この波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置を提 供することである。
[0026] 本発明の第 1の態様によれば、
n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 μ m乃至 500 μ mであるとともに、
前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とする波長可変型半導体レーザが提供される。
[0027] この第 1の態様のように構成された波長可変型半導体レーザにおいては、活性層（ 17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長 L力 約 200 /i m乃至 5 00 /i mに設定されている。
[0028] 通常、波長可変型半導体レーザにおける活性層において生成された光の伝搬方 向の長さで示される素子長 Lが長いほど、電流が印加される電極の面積、活性層の 面積が大きくなるので、単位面積当たりの電流量が低下して、波長可変型半導体レ 一ザの活性層の温度が上昇しにくい。
[0029] すなわち、このように素子長 Lが長い波長可変型半導体レーザでは、印加電流を変 化させて発熱を変更させようとしても温度変化が少ない結果、印加電流に対する波 長変化度合いを示す周波数変調効率 は低い。
[0030] 逆に、素子長 Lを短くした波長可変型半導体レーザでは、電流が印加される電極の 面積、活性層の面積が小さくなるので、単位面積当たりの電流量が増加して、波長 可変型半導体レーザの活性層の温度が上昇しやすい。
[0031] すなわち、このように素子長 Lが短い波長可変型半導体レーザでは、印加電流を変 化して発熱を変更させると、簡単に活性層の温度が変化し、発振波長 λが変化する 結果、印加電流に対する波長変化度合いを示す周波数変調効率 は高くなる。
[0032] よって、素子長 Lが短い波長可変型半導体レーザでは、波長が吸収中心波長を中 心に吸収特性で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号 のノくィァス電流値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、消費 電力を低減することができる。
[0033] 本願の発明者等の実験結果によると、この種の波長可変型半導体レーザでは、図 4に示すように、前記素子長 Lが約 200 μ m乃至 500 μ mが最適であることが実証さ れている。
[0034] なお、図 4に示した実験結果は、活性層幅が 2. 2 β mの波長可変型半導体レーザ 素子を用いて得られている。
[0035] さらに、本発明の第 1の態様のように構成された波長可変型半導体レーザ（27)に おいては、活性層（17)の上方に位置する p型クラッド層（22)は、活性層（17)側から 順番に、低濃度クラッド層（19)と、高濃度クラッド層（20)とで構成されている。
[0036] すなわち、一般的に、半導体レーザにおいて、高出力化を図るための一つの手法 として、活性層へ注入されたキャリア（電子と正孔）を高い確率で発光再結合させるこ とが重要である。
[0037] そのためには、クラッド層の p型ドーパントにより活性層からあふれるキャリアをブロッ クし、活性層へのキャリア閉じ込めを強くすることが望ましい。 [0038] そこで、活性層（17)の上方に位置する p型クラッド層（22)を上述した構成とするこ とにより、活性層からあふれる電子（キャリア）を高濃度 p型クラッド層（20)でブロック することが可能である。
[0039] さらに、高濃度 p型クラッド層（20)からの Zn等の不純物の拡散が低濃度 p型クラッド 層（19)でとまり、活性層（17)まで達しない。
[0040] その結果、十分なキャリアブロックを行いつつ、この半導体レーザの製造時に注入 された p型ドーパントの活性層（17)への拡散を防止し、高発光効率、高出力を得るこ とができる。よって、図 1 OAに示した強度特性 Bの非線形状態が改善され、出射され るレーザ光の変調歪が低下する。
[0041] よって、この波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置の検出精度を向 上させることができる。
[0042] 本発明の第 2の態様によれば、
n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型半導 体基板に平行な方向の長さを示す前記活性層（17)の幅は約 1 μ m乃至 2 μ mであ り、
前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とする波長可変型半導体レーザが提供される。
[0043] この第 2の態様のように構成された波長可変型半導体レーザにおいては、活性層（ 17)における生成された光の伝搬方向と直交する方向の長さを示す活性層幅 Wが、 約 1 μ m乃至 2 μ mに設定されている。
[0044] この活性層の幅 Wにおいても、前述した素子長 Lと同様に、活性層幅 Wが狭いほど
、電流が印加される活性層の面積が小さくなるので、単位面積当たりの電流量が増 加して、波長可変型半導体レーザの活性層の温度が上昇しやすい。
[0045] すなわち、活性層幅 Wが狭い波長可変型半導体レーザでは、印加電流を変化させ て発熱を変更させると、簡単に活性層の温度が変化し、発振波長 λが変化する結果
、印加電流に対する波長変化度合いを示す周波数変調効率 は高くなる。
[0046] 本願の発明者等の実験結果によると、図 5に示すように、前記活性層幅 Wは約 1 μ m乃至 2 μ mが最適であることが実証されている。
[0047] なお、図 5に示した実験結果は素子長が 600 z mの波長可変型半導体レーザ素子 を用いて得られている。
[0048] したがって、本発明の第 2の態様による波長可変型半導体レーザは、先の本発明 の第 1の態様による波長可変型半導体レーザとほぼ同じ効果を奏することが可能で ある。
[0049] 本発明の第 3の態様によれば、
n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 〃111乃至500 111でぁり、
前記活性層（17)において生成された前記光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型 半導体基板（11)に平行な方向の長さを示す前記活性層（17)の幅は約 1 μ m乃至 2 z mであり、 前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とする波長可変型半導体レーザが提供される。
[0050] この第 3の態様のように構成された波長可変型半導体レーザにおいては、活性層（ 17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長 L力 S、約 200 z m乃至 5 00 μ mに設定されてレ、るとともに、活性層（17)の幅 Wが約 1 μ m乃至 2 μ mに設定 されている。
[0051] したがって、第 3の態様による波長可変型半導体レーザは、上述した第 1及び第 2 の態様による波長可変型半導体レーザの作用効果を合わせた作用効果を奏するこ とが可能である。
[0052] 本発明の第 4の態様によれば、
所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュール（la)と、
前記半導体レーザモジュール（la)から出射されて被測定ガスを透過したレーザ光 を受光して電気信号に変換する受光器 (4)と、
前記受光器 (4)から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検 知部と（6)を具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュール（la)に組込まれた前記波長可変型半導体レーザが n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 /1 111乃至500 /1 111でぁり、
前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とするガス検知装置が提供される。
[0053] 本発明の第 5の態様によれば、
所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュール（la)と、
前記半導体レーザモジュール（la)から出射されて被測定ガスを透過したレーザ光 を受光して電気信号に変換する受光器 (4)と、
前記受光器 (4)から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検 知部（5)とを具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュール（la)に組込まれた前記波長可変型半導体レーザが n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型半導 体基板（11)に平行な方向の長さを示す前記活性層（17)の幅は約 1 μ m乃至 2 μ m であり、
前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とするガス検知装置が提供される。
[0054] 本発明の第 6の態様によれば、 所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュール（la)と、
前記半導体レーザモジュール（la)から出射されて被測定ガスを透過したレーザ光 を受光して電気信号に変換する受光器 (4)と、
前記受光器 (4)から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検 知部と（5)を具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュール（1A)に組込まれた前記波長可変型半導体レーザが n型半導体基板（11)と、
前記 n型半導体基板（ 11 )の上方に配置され光を生成する活性層（ 17)と、 前記活性層（17)の上方に配置された p型クラッド層（22)と、
前記活性層（17)によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振 させる波長選択手段（15)とを具備し、
前記活性層（17)に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共 に、前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることの できる波長可変型半導体レーザ（27)であって、
前記活性層（17)において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 /1 111乃至500 /1 111でぁり、
前記活性層（17)において生成された前記光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型 半導体基板（11)に平行な方向の長さを示す前記活性層（17)の幅は約 1 μ m乃至 2 μ mであり、
前記 p型クラッド層（22)は、前記活性層（17)側から順番に配列された、低不純物 濃度を有する低濃度クラッド層（19)と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層（20) を含むことを特徴とするガス検知装置が提供される。
このように構成された波長可変型半導体レーザ、及びこの波長可変型半導体レー ザが組込まれたガス検知装置においては、波長が吸収中心波長を中心に吸収特性 で定まる振幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電流 値を低く設定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、結果として消費電力 を抑制でき、さらに、強度特性 Bの非線形状態を改善して出射されるレーザ光の変調 歪みを低下でき、被測定ガスに対するガス検知の測定精度を大幅に向上させるでき る。
[0056] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、前記 p型クラッド層（22)は、 Znを p型 不純物とする場合、前記低濃度クラッド層（19)の不純物濃度はアンドープ又は 3 X 1 017/cm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層（20)の不純物濃度は I X 1018 /cm3程度であることが好ましレ、。
[0057] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、望ましくは、前記高濃度クラッド層（20 )の濃度はピーク値で 8 X 1017Zcm3以上であり、望ましくは、前記低濃度クラッド層（ 19)の濃度はアンドープか 4 X 1017Zcm3以下で 30nm乃至 70nm程度の厚さを有 することが好ましい。
[0058] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、前記 p型クラッド層（22)は、前記高濃 度クラッド層 (20)に続いて配列された中不純物濃度を有する中濃度クラッド層（21) をさらに含むことが好ましい。
[0059] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、前記 p型クラッド層（22)は、 Znを p型 不純物とする場合、前記中濃度クラッド層（21)の不純物濃度は 5 X 1017/cm3程度 であることが好ましい。
[0060] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、前記 n型半導体基板（11)の上方にス ぺーサ層（10)を介して形成される下側 SCH (Separate Confinement Heteros tructure :光閉込構造)層（16)と、前記活性層（17)として前記下側 SCH層（16)の 上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層と、前記活性 層（17)の上方に形成される上側 SCH層（18)とを含むことが好ましい。
[0061] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、前記 n型半導体基板（11)の上部、前 記波長選択手段（15)、前記下側 SCH層（16)、前記活性層（17)、前記上側 SCH 層（18)及び前記 p型クラッド層（22)の一部はメサ型に形成されているとともに、 前 記メサの両側には、下側から、 p型坦込層（25)、 n型坦込層（26)が形成されているこ とが好ましい。
[0062] 上記本発明の第 1乃至第 6の態様において、波長可変型半導体レーザ（27)の構 造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、分布ブラッグ反射器型 (DBR)、 部分回折格子型（PC)、外部共振型 (EC)のうちのいずれか一つが採用されている ことが好ましい。
図面の簡単な説明
[図 1]図 1は、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザを光の伝搬方 向に沿って切断して示す図である。
[図 2]図 2は、図 1の II一 II線断面を示す断面図である。
[図 3]図 3は、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザにおける p型ク ラッド層における不純物濃度分布を示す図である。
[図 4]図 4は、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザにおける素子 長 Lと周波数変調効率 77との関係を示す図である。
[図 5]図 5は、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザにおける活性 層幅 Wと周波数変調効率 77との関係を示す図である。
[図 6A]図 6Aは、従来の半導体レーザの特性を示す図である。
[図 6B]図 6Bは、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザの特性の一 例を示す図である。
[図 6C]図 6Cは、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザの特性の他 の例を示す図である。
[図 7]図 7は、本発明の第 2実施形態に係るガス検知装置の概略構成を示す模式図 である。
[図 8]図 8は、本発明の第 2実施形態に係るガス検知装置に組込まれた半導体レーザ モジュール及びレーザ駆動制御部の概略構成を示す図である。
[図 9]図 9は、従来のガス検知装置に係る被測定ガスの吸収特性と変調信号との関係 を示す図である。
[図 10A]図 10Aは、従来のガス検知装置に組込まれた半導体レーザの光強度特性を 示す図である。
[図 10B]図 10Bは、従来のガス検知装置に組込まれた半導体レーザの発振波長特 性を示す図である。 [図 11]図 11は、本発明の第 1実施形態の波長可変型半導体レーザの波長可変特性 (Tunability)を説明するために示す接続図である。
[図 12]図 12は、本発明の第 1実施形態の波長可変型半導体レーザの波長可変特性 (Tunability)を説明するために示すヘテロダインビート信号の波形図である。
発明を実施するための最良の形態
[0064] 以下、本発明による波長可変型半導体レーザ及びこの波長可変型半導体レーザ が組み込まれたガス検知装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
[0065] (第 1実施形態）
図 1は、本発明の第 1実施形態に係る波長可変型半導体レーザを光の伝搬方向に 沿って切断した断面図である。図 2は図 1の波長可変型半導体レーザを II一 II線で切 断した場合の断面図である。
[0066] この第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27は、分布帰還型（Distributed
Feedback： FB)半導体レーザで形成されてレ、る。
[0067] すなわち、図 1に示すように、この波長可変型半導体レーザ 27では、 n型 InPからな る n型半導体基板 11の上面に、 n型 InGaAsPからなる回折格子層 12が形成されて いる。
[0068] この回折格子層 12は、複数の格子 13と該複数の格子 13の相互間に存在する複 数の隙間 14とを有する波長選択手段 15で構成されている。
[0069] この隙間 14は、 n型 InP力もなるスぺーサ層 10によって埋め込まれている。
[0070] n型半導体基板 11の上方に、それぞれ適当な組成の InGaAsPからなる下側 SCH
(Separate Confinement Heterostructure :光閉込構造）層 16と、 MQW (Mul ti Quantum Well :多重量子井戸）層からなる活性層 17と、上側 SCH層 18とが形 成されている。
[0071] この上側 SCH層 18の上面には、 p型 InPからなる p型クラッド層 22が形成されてい る。
[0072] この p型クラッド層 22は、上側 SCH層 18側から、低不純物濃度を有する低濃度クラ ッド層 19と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層 20とを含んでいる。
[0073] ここで、高濃度クラッド層 20は活性層 17からのキャリアをブロックすると同時に、低 濃度クラッド層 19は不純物である Znが活性層 17へ拡散することを防いでいる。
[0074] これらの効果を得るために、高濃度クラッド層 20の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm
3以上が望ましぐ低濃度クラッド層 19の濃度はアンドープ力 4 X 1017/cm3以下で 3
Onm乃至 70nm程度の厚さを有することが望ましレ、。
[0075] これは、低濃度クラッド層 19の厚さを 30nmより薄くすると、不純物として Znを用い た場合、活性層 17まで拡散してしまって発光特性が悪くなり、一方、 70nmより厚くす ると、低濃度クラッド層 19にキャリアが溜まってしまってキャリアブロックの効果が得ら れないためである。
[0076] さらに、高濃度クラッド層 20の機能は活性層 17からあふれでたキャリアのブロックで あることから、この高濃度クラッド層 20が通常数 μ mの厚さを有するクラッド層の全体 に亘つている必要はなぐ高濃度クラッド層 20の上側を低濃度と高濃度の中間的な 濃度を有する中濃度クラッド層 21とすることもできる。
[0077] 高濃度クラッド層 20の厚さとしては 30nm以上あれば拡散によって濃度が低減して もピーク値を 7 X 1017/cm3以上とすることができる。
[0078] 一方、中濃度クラッド層 21の濃度は 5 X 1017/cm3乃至 7 X 1017/cm3が望ましい
[0079] これは、中濃度クラッド層 21の濃度が低すぎると電気抵抗が増大して過剰な発熱を 引き起こし、素子の特性が劣化するとともに、逆に、中濃度クラッド層 21の濃度が高 すぎると価電子帯間吸収の増大によって光の損失が増大してしまい、高出力動作に 不利となるためである。
[0080] 以下、本実施形態では、 p型クラッド層 22として上側 SCH層 18側から順に低濃度 クラッド層 (lightly doped p-type clading layer) 19、高濃度クラッド層 (heavil y doped p— type clading layer) 20、中濃度クラッド層 (moderately doped p-type clading layer) 21を有する構造について述べる。
[0081] 図 3は、 p型クラッド層 22における Znを p型不純物とする不純物濃度分布を示す図 である。
[0082] 低濃度クラッド層 19の不純物濃度はアンドープ又は 3 X 1017Zcm3程度であるとと もに、高濃度クラッド層 20の不純物濃度は 1 X 1018Zcm3程度である。 [0083] なお、この図 3に示す p型クラッド層 22における Znを p型不純物とする不純物濃度 分布については、前述した本願の発明者等による特許文献 2 (USP6, 351 , 479) にも開示されている力 後述するように本願の発明の重要な主題である強度特性 Bの 非線形状態が増大することへの分析及びその改良と、周波数変調効率の改善とに っレ、ての考察がなされてレ、なレ、。
[0084] さらに、中濃度クラッド層 21の不純物濃度は 5 X 1017Zcm3程度である。
[0085] p型クラッド層 22の上面に、 p型 InGaAsからなるコンタクト層（図示せず）を介して、 p電極 23が取付けられ、 n型半導体基板 11の下面には n電極 24が取付けられている
[0086] なお、この波長可変型半導体レーザ 27の光の伝搬方向の素子長 Lは、 300 μ mで ある。
[0087] 図 2の断面図に示すように、 n型半導体基板 11の上部、回折格子層 12、下側 SCH 層 16、活性層 17、上側 SCH層 18、 p型クラッド層 22の一部はメサ型に形成されてい る。
[0088] そして、メサの両側には、下側から、 p型 InPからなる p型坦込層 25、 n型 InPからな る n型坦込層 26が形成されている。
[0089] なお、この波長可変型半導体レーザ 27の光の伝搬方向と直交する方向の活性層 1
7の活性層幅 Wは、 1. 5 /i mに設定されている。
[0090] このように構成された第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27において、 p電 極 23と n電極 24との間に駆動電流 Iを印加すると、活性層 17は多波長を有する光を 放出するが、この波長を有する光のうち、回折格子層 12の周期と等価屈折率と温度 とで定まる単一波長 λを有した光が選択されてこの波長可変型半導体レーザから、 レーザ光 aとして出力される。
[0091] 次に、このように構成された第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の特徴を 説明する。
[0092] 図 4は、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27と同一構造で、検出対象ガス の種類が前述したようなメタンの場合において、素子長 Lのみが 250 z m± 10%， 3 00 μ πι± 10%, 350 1 m± 10%, 600 μ m± 10%と異なる複数種類の半導体レー ザを作成して、各半導体レーザにおける前述した周波数変調効率 11を測定した場合 、すなわち、素子長 Lと周波数変調効率 77との関係を示す特性図である。
[0093] この波長可変型半導体レーザ 27をガス分析装置のレーザ光源に用いた場合に、 消費電力等やレーザ光の変調歪み等から必要な周波数変調効率 としては、 0. 1
GHz/mA以上である。
[0094] また、 200 m未満の素子長 Lの半導体レーザを安定的に製造することは、現在の 製造技術水準では非常に煩雑で困難であるうえ、光出力が低下してくる。
[0095] したがって、波長可変型半導体レーザ 27の素子長 Lは約 200 z m— 500 z m (特 には、約 250 μ m— 450 μ m)が最適範囲である。
[0096] なお、従来の一般の半導体レーザにおいては、出射するレーザ光を波長変調する 必要はないので、周波数変調効率 77を考慮することはなぐ出力を最大にするため に、発熱を考慮して、素子長 Lは 600 x m以上に設定されている。
[0097] このように、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27では、素子長 Lを、従来の 半導体レーザより短い、約 200 μ ΐη— 500 μ ΐηに設定しているので、十分な周波数 変調効率 77を確保することができ、前述したように、波長 λが吸収中心波長え を中
0 心に被測定ガスの吸収特性 Αで定まる振幅 λ で変化するレーザ光 aを得るために
W
印加すべき変調信号 bのバイアス電流値 Iを低く設定でき、かつ変調信号 bの電流振
0
幅 I を小さく設定でき、消費電力を低減することができる。
W
[0098] 図 5は、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27と同一構造で、検出対象ガス の種類が前述したようなメタンの場合において、活性層幅 Wのみが 1. l /i m± 10% , 1. 7 μ ΐη± 10%, 2. 2 μ ΐη± 10%と異なる複数種類の半導体レーザを作成して、 各半導体レーザにおける前述した周波数変調効率 を測定した場合、すなわち、活 性層幅 Wと周波数変調効率 ηとの関係を示す特性図である。
[0099] 前述したように、この種の波長可変型半導体レーザでは、周波数変調効率 ηとして は、 0. lGHzZmA以上が必要である。
[0100] また、 1 μ m未満の活性層幅 Wの半導体レーザを安定的に製造することは、現在の 製造技術水準では非常に煩雑で困難である上、 1 β m未満の活性層幅 Wの半導体 レーザは利得が十分に得られず、光出力が著しく低下する。 [0101] したがって、波長可変型半導体レーザ 27の活性層幅 Wは、約 1 μ m— 2 μ mが最 適範囲である。
[0102] なお、従来の一般の半導体レーザにおいては、出射するレーザ光を波長変調する 必要はないので、周波数変調効率 77を考慮することはなぐ発熱を考慮し、高出力を 優先して、活性層幅 Wは 2 μ m以上に設定されている。
[0103] このように、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27では、活性層幅 Wを、従 来の半導体レーザより短い、約 l z m— に設定しているので、十分な周波数変 調効率 ηを確保でき、前述したように、波長 λが吸収中心波長 λ を中心に被測定
0
ガスの吸収特性 Αで定まる振幅 λ で変化するレーザ光 aを得るために印加すべき変
W
調信号 bのバイアス電流値 Iを低く設定でき、かつ変調信号 bの電流振幅 I を小さく
0 W 設定でき、消費電力を低減することができる。
[0104] さらに、この第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27においては、活性層 17の 上方に位置する P型クラッド層 22を、活性層 17側から、低不純物濃度を有する低濃 度クラッド層 19、高不純物濃度を有する高濃度クラッド層 20、及び p型クラッド層 22 内での正孔による光の吸収を抑えるための中不純物濃度を有する中濃度クラッド層 2 1で構成している。
[0105] このように、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27では、 p型クラッド層 22を、 不純物濃度が異なる複数の層 19、 20、 21で構成することによって、前述したように、 活性層 17からあふれでるキャリアに対して十分なキャリアブロックを行いつつ、 p型ド 一パントの活性層 17への拡散を防止し、かつ p型クラッド層 22での光吸収を最小限 に抑えて高発光効率、高出力を得ることができる。
[0106] よって、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27では、図 10Aに示した強度特 性 Bの非線形状態が改善されるので、出射されるレーザ光の変調歪を低下させること ができる。
[0107] なお、図 10Aに示した強度特性 Bの非線形状態を改善するための観点からは、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27において、中濃度クラッド層 21は必ずしも 備えられてレ、なくてもょレ、ものである。
[0108] よって、この第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27が組込まれたガス検知装 置の検出精度を向上させることができる。
[0109] 図 6A, B, Cは、上述した第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素子長 L 及び活性幅 Wを短縮した効果、及び p型クラッド層 22に高濃度クラッド層 20を設けた 効果を説明するために、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の特性と従来 の半導体レーザの特性を比較して示す図である。
[0110] 図 6Aは、従来の半導体レーザの強度特性 B及び波長特性 Cを示す。
[0111] 図 6Bは、本発明による第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素子長 Lを 約 300 μ m及び活性層 17の幅 Wを約 1. 5 μ mに短縮した状態の波長可変型半導 体レーザの強度特性 B及び波長特性 Cを示す。
1 1
[0112] この図 6Bに示す第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の強度特性 B及び
1 波長特性 Cによれば、出射される波長変調されたレーザ光 aに必要な中心波長; I
1 0 及び光強度 Xを得るために、この波長可変型半導体レーザに印加する変調信号 b
0
のバイアス電流値（電流値 I )を、図 6Aに示す従来の半導体レーザのバイアス電流
01
値 (電流値 I )に比較して、大幅に低下させることができることに伴って、電力消費を
0
低減させることができる。
[0113] さらに、この図 6Bに示す第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の強度特性 B及び波長特性 Cによれば、出射される波長変調されたレーザ光 aに必要な振幅え
1 1
を得るために、この第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27に印加する変調信
W
号 bの振幅 Iを、図 6Aに示す従来の半導体レーザの振幅 I に比較して、大幅に低下
W
させることができることに伴って、電力消費を低減させることができる。
[0114] 図 6Cは、本発明による第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素子長 L及 び活性層 17の幅 Wを 300 z m及び 1. に短縮し、さらに、 p型クラッド層 22に高 濃度クラッド層 20を設けた状態の波長可変型半導体レーザ 27の強度特性 B及び波
2 長特性 Cを示す。
[0115] この図 6Bに示す第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の強度特性 Bにお
2 いては、図 6Aに示す従来の半導体レーザの強度特性 B、及び図 6Bに示す波長可 変型半導体レーザの強度特性 Bに比較して、非線形状態が大幅に改良されることに
1
よって、出射されるレーザ光 aの変調歪を低下させることができる。 [0116] その結果、この波長可変型半導体レーザ 27が組込まれたガス検知装置の検出精 度を向上させることができる。
[0117] 次に、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の波長可変特性 (Tunability) について説明する。
[0118] 図 11は、本発明の第 1実施形態による波長可変型半導体レーザ 27の波長可変特 性 (Tunability)を説明するために示す接続図である。
[0119] 図 12は、本発明の第 1実施形態による波長可変型半導体レーザ 27の波長可変特 性 (Tunability)を説明するために示すヘテロダインビート法によるへテロダインビ ート信号の波形図である。
[0120] 波長可変特性 (Tunability)は、ヘテロダインビート法を用いて、図 11に示すような 測定装置構成によって求められる。
[0121] テストチップとしてのレーザダイオード LD1は、 50mAでバイアスされた周波数 10K
Hz、振幅 5mA (ピークツーピーク 10mA)の正弦波信号によって変調されている。
[0122] 参照光としてのプローブライトを得るための他方のレーザダイオード LD2は、 DCで 動作され、そのレーザ光の波長は、上記変調されているレーザダイオード LD1のレ 一ザ光の波長に近接している。
[0123] 各レーザダイオード LD1及び LD2は、 SiCブロックに接合して搭載され、サーモェ レクトトリック冷却器によって熱的に制御されている。各レーザダイオード LD1及び L
D2からの両レーザ光は、 3dBカプラ 101及びォプチカルアイソレータ（図示せず）を 介して集束結合される。結合されたレーザ光は、光-電気（O/E)変換器 102によつ て検出され、その出力信号がスペクトラムアナライザ 103によって観測される。
[0124] 図 12は、このテストチップとしてのレーザダイオード LD1力 ΙΟΚΗζにおレ、て、約 0
. 68GHz/mAの波長可変特性（Tunability)を有してレ、ることを示してレ、る。
[0125] メタンの R (3)吸収線は、室温及び大気圧下において、約 3. 4GHzの半値全幅 （
Full Width at Half— Maximum : FWHM)を有しており、このテストチップとして のレーザダイオード LD1力 12mAの変調によってメタンの FWHMに渡って波長を 可変することができる。これらの特性は、ポータブルバッテリーパワードメタンセンサと しての使用を可能とすることをサポートしてレ、る。 [0126] すなわち、このへテロダインビート法を用いた波長可変特性 (Tunability)の測定 法は、本発明の第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27を後述する本発明の第 2実施形態のガス検知装置に使う場合に最も参考になるデータが取れ、波長可変型 半導体レーザ 27の特性の比較になる。
[0127] 図 12において、図示上側のレーザダイオード LD (以下、 LD1とする）は本発明の 第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27であって、上記テストチップとしてのレ 一ザダイオード及び変調されたレーザダイオード LD1に相当する。
[0128] このレーザダイオード LD1は、例えば、 50mAを中心として振幅 5mA (10mA)ピ ークツーピーク）で変調されており、当該変調に対応してレーザダイオード LD1から 出力される光の波長（光周波数)も変調されている。
[0129] また、図 11において、図示下側のレーザダイオード LD (以下、 LD2とする）は、上 記参照光としてのプローブライトを得るための他方のレーザダイオード LD2に相当す る。
[0130] このレーザダイオード LD2は、 DCで動作しているため、光の波長（光周波数）は固 定されており、このレーザダイオード LD2からの光の波長は、レーザダイオード LD1 のそれと近い（LD1と LD2の差周波数が、後述する O/E変換器の帯域内であること を意味する)。
[0131] そして、レーザダイオード LD1からの光とレーザダイオード LD2からの光とを 3— dB 力ブラ 101で合波して、合波した光を〇/E変換器 102で受け、両者の周波数差の 周波数を有する電気信号 (ビート）をスペクトラムアナライザ 103で観測する。
[0132] レーザダイオード LD1への注入電流を変調していることから、レーザダイオード LD
1とレーザダイオード LD2の両者の光の周波数差もその変調に対応して変化する、 すなわち、ビートの周波数も変調に対応して変化する。
[0133] このビートの周波数の近傍をスペクトラムアナライザで拡大 (横軸を拡大）してみると
、図 12に示すように、 beatの周波数は 3. 4GHz変化しており、レーザダイオード LD
1の周波数可変幅を 3. 4GHzと見積もることができる。
[0134] このデータは、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素子長 L = 350 x m
,活性層幅 W= l . 7 z mの場合の特性であって、平均して 0. 6GHz/mAが得られ ている。
[0135] なお、図示は省略されているが、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素 子長 L = 300 /i m,活性層幅 W= 2. 2 /i mの場合の特性では、平均 0. 25GHz/m A程度が得られている。
[0136] そして、本発明の枠外である、第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の素子 ^ = 600 μ ΐη,活性層幅 W = 2. 2 z mの従来の半導体レーザでは、平均 0. 08G Hz/mA程度である。
[0137] これらの比較によって、この第 1実施形態の波長可変型半導体レーザ 27の波長可 変特性は、従来の半導体レーザに対して少なくとも 3倍乃至 7倍以上の波長可変特 性を有していることが分かる。
[0138] (第 2実施形態）
図 7は、本発明の第 2実施形態に係るガス検知装置の概略構成を示す模式図であ る。
[0139] この第 2実施形態に係るガス検知装置は、半導体レーザモジュール laに第 1実施 形態による波長可変型半導体レーザ 27が組込まれている。
[0140] 波長可変型半導体レーザ 27が組込まれた半導体レーザモジュール laから出射さ れるレーザ光 aは、例えば、メタン等からなる被測定ガス 3を透過して受光器 4へ入射 される。メタンからなる被測定ガス 3は、例えば、図 9に示す吸収中心波長え = 1. 65
0
37 /i mを有する吸収特性 Aを有する。
[0141] レーザ駆動制御部 2aは半導体レーザモジュール laに組込まれた波長可変型半導 体レーザ 27に対して変調信号 bを送出する。
[0142] 図 8は、半導体レーザモジュール la及びレーザ駆動制御部 2aの概略構成を示す 図である。
[0143] 波長可変型半導体レーザ 27はペルチェ素子 31にて温度制御される。
[0144] 波長可変型半導体レーザ 27の一方の出射端から出射されたレーザ光 aは、集光レ ンズ 29、保護ガラス 30を介してこの半導体レーザモジュール laの外部へ出力されて
、被測定ガス 3へ入射される。
[0145] 波長可変型半導体レーザ 27の他方の出射端から出射されたレーザ光は、集光レ ンズ 32で平行光に変換されたのち被測定ガス 3と同一のメタンガスを参照ガスとして 封入した参照ガスセル 33を透過して、受光器 34へ入射される。
[0146] 受光器 34は入射したレーザ光の強度を電気（電流)信号に変換して、レーザ駆動 制御部 2a内の電流電圧変換器 35へ入力する。
[0147] レーザ駆動制御部 2aは、電流電圧変換器 35と、基本波信号増幅器 36と、信号微 分検出器 37と、波長安定化制御回路 38と、温度安定化 PID回路 39と、レーザ駆動 回路 40とで構成されている。
[0148] 電流電圧変換器 35は、受光器 34の電気信号を電圧に変換する。基本波信号増 幅器 36は、電流電圧変換器 35で変換された電圧を増幅する。信号微分検出器 37 は、基本波信号増幅器 36で増幅された電圧波形を微分し、参照ガスの吸収中心波 長 λ 力 のずれ信号を生成する。
0
[0149] 波長安定化制御回路 38は波長可変型半導体レーザ 27の発光波長 λを参照ガス の吸収中心波長 λ に安定化させる制御を行う。
0
[0150] すなわち、波長安定化制御回路 38は信号微分検出器 37からのずれ信号を波長 可変型半導体レーザ 27の温度に変換し温度安定化 PID回路 39に出力するとともに 、そのずれ信号に基づき制御信号をレーザ駆動回路 40に対して出力する。
[0151] 温度安定化 PID回路 39はペルチェ素子 31を制御する。すなわち、温度安定化 ΡΙ D回路 39は、波長安定化制御回路 38からの温度信号に従って波長可変型半導体 レーザ 27が所望の波長で発振する温度となるよう PID制御を行い、波長可変型半導 体レーザ 27の温度を一定温度に安定に保持する。
[0152] レーザ駆動回路 40は、中心の電流値 I (バイアス電流値)が、波長可変型半導体
01
レーザ 27の発振波長 λが参照ガス (被測定ガス 3)の図 9に示すような吸収特性 Αの 吸収中心波長 λ に対応する値であり、この中心電流値 I (バイアス電流値）を中心
0 01
に、振幅 I 、変調周波数 f = 10KHzである変調信号 bを半導体レーザモジュール 1
W 1
aに組込まれた波長可変型半導体レーザ 27に印加する。
[0153] その結果、半導体レーザモジュール laから、波長 λ 、吸収中心波長 λ を中心に
0 振幅 λ で周波数 f = 10KHzで変化するレーザ光 aが出力される。
W 1
[0154] なお、レーザ駆動回路 40は、波長安定化制御回路 38からの温度信号に従って中 心電流値 I (バイアス電流値）を、出力されるレーザ光 aにおける上述した波長特性
01
が得られるように制御する。
[0155] このように、第 2実施形態に係るガス検知装置では、被測定ガス 3と同一のメタンガ スを封入した参照ガスセル 33に波長可変型半導体レーザ 27から出射されるレーザ 光を透過させて、このレーザ光の中心波長が参照ガス（被測定ガス 3)の図 9に示す ような吸収特性 Aの吸収中心波長; I に一致するように、波長可変型半導体レーザ 2
0
7の温度と、波長可変型半導体レーザ 27に印加する変調信号 bの中心電流値 I (バ
01 ィァス電流値）とが自動的に制御される。
[0156] 図 7において、半導体レーザモジュール laから出力された吸収中心波長 λ を中心
0 に波長変調されたレーザ光 aは、被測定ガス 3を透過する過程で図 9に示すような吸 収特性 Aに応じて吸収された後、受光器 4で受光され電気（電流)信号 cに変換され てガス検出部 5へ入力される。この受光器 4はレーザ光 aの波長分解能を有していな いので、電気 （電流)信号 cは変調周波数のオーダの周波数成分を有する。
[0157] ガス検出部 5は、電流電圧変換器 41と、基本波信号検出器 42と、 2倍波信号検出 器 43と、割算器 44とで構成されている。電流電圧変換器 41は入力した電流の電気（ 電流)信号 cを電圧の電気信号 cに変換して、基本波信号検出器 42及び 2倍波信号 検出器 43へ送出する。
[0158] 基本波信号検出器 42は、入力した電気信号 cに含まれる変調周波数 f = 10KHz の信号成分である基本波信号 dを抽出して割算器 44へ送出する。
[0159] 2倍波信号検出器 43は、入力した電気信号 cに含まれる変調周波数 f = 10KHz の 2倍の周波数 f ( = 20KHz)の信号成分である 2倍波信号 dを抽出して割算器 44
2 2
へ送出する。
[0160] 割算器 44は、 2倍波信号 dの振幅 Dと基本波信号 dの振幅 Dとの比（D /Ό )を
2 2 1 1 2 1 算出して、この算出した比（D /D )をこのガス濃度に対応する検出値 D ( = D /
2 1 2
D )として出力する。
1
[0161] このように構成されたガス検出装置においては、被測定ガス 3に入射するレーザ光 aを出射する半導体レーザモジュール laに組込む半導体レーザとして、素子長 Lを 約 300 z m及び活性幅 Wを約 1. に短縮し、さらに、 p型クラッド層 22に高濃度 クラッド層 20を設けた状態の波長可変型半導体レーザ 27を採用している。
[0162] したがって、このガス検出装置は、半導体レーザモジュール la及びレーザ駆動制 御部 2aにおける電力消費を抑制することができるとともに、被測定ガス 3に入射する レーザ光 aの変調歪みが大幅に抑制されるので、前述したように、被測定ガス 3に対 する測定精度が大幅に向上する。
[0163] 本発明は単一の電流で光出力と発振波長とを同時に制御する波長可変型半導体 レーザ及びそれを用いたガス検知装置に関してなされたものである。
[0164] したがって、具体的な半導体レーザの構造としては、分布帰還型（DFB)、分布反 射型 (DR)、分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 （
EC)等が採用できる。
[0165] なお、本発明で被測定ガス 3として前述したようなメタン以外に適用可能な検出対 象のガスの種類と、それらの代表的な吸収線波長は以下の通りである。
[0166] HC1 (1. 74 /i m) , ΝΟ (1. 8 μ m) , CO (l . 57 μ ΐη) , N 0 (1. 96 ^ m) , NH (1
2 3
. 54 /i m) , HF (1. 3 μ m) , H 0 (1. 38 ^ m) , H S (l . 57 ^ m) , C H (1. 51—
2 2 2 2
1. 54 /i m) , HCN (1. 53— 1· 56 /i m) , CO (2. 0 /i m) .
2
また、基板及び材料系については、本実施形態においては、 InP基板とそれにェピ タキシャル成長可能な材料のみを採用した力 これらに限定されるものではなぐ Ga N系、 GaAs系なども採用可能である。
[0167] したがって、本発明によれば、波長が吸収中心波長を中心に吸収特性で定まる振 幅で変化するレーザ光を得るために印加すべき変調信号のバイアス電流値を低く設 定でき、かつ変調信号の電流振幅を小さく設定でき、結果として消費電力を抑制でき 、さらに、強度特性の非線形状態を改善してレーザ光の変調歪みを低下でき、被測 定ガスに対するガス検知の測定精度を大幅に向上できる波長可変型半導体レーザ 及び、この波長可変型半導体レーザが組込まれたガス検知装置を提供することが可 能となる。

Claims

請求の範囲
[1] n型半導体基板と、
前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された p型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 /i m 乃至 500 /i mであり、
前記 P型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする 波長可変型半導体レーザ。
[2] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017Zcm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018Zcm3程度であることを特徴とする請求項 1に記載の波長可 変型半導体レーザ。
[3] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 2に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[4] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 1に記載の波長可変型 半導体レーザ。
[5] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017/cm3程度であることを特徴とする請求項 4に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[6] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 1 に記載の波長可変型半導体レーザ。
[7] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 6に記載の波長可変型半導体レーザ。
[8] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 1に記載の波長可変型半導 体レーザ。
[9] n型半導体基板と、
前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された P型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型半導体基板 に平行な方向の長さを示す前記活性層の幅は約 1 μ m乃至 2 μ mであり、 前記 p型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする 波長可変型半導体レーザ。
[10] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017/cm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018/cm3程度であることを特徴とする請求項 9に記載の波長可 変型半導体レーザ。
[11] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 10に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[12] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 9に記載の波長可変型 半導体レーザ。
[13] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017/cm3程度であることを特徴とする請求項 12に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[14] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 9 に記載の波長可変型半導体レーザ。
[15] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 14に記載の波長可変型半導体レーザ。
[16] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 9に記載の波長可変型半導 体レーザ。
[17] n型半導体基板と、 前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された P型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 μ m 乃至 500 z mであり、
前記活性層において生成された前記光の伝搬方向と直交し、かつ基板に平行な 方向の長さを示す活性層幅は約 1 μ m乃至 2 μ mであり、
前記 p型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする 波長可変型半導体レーザ。
[18] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017/cm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018/cm3程度であることを特徴とする請求項 17に記載の波長可 変型半導体レーザ。
[19] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 18に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[20] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 17に記載の波長可変 型半導体レーザ。
[21] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017Zcm3程度であることを特徴とする請求項 20に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[22] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 17 に記載の波長可変型半導体レーザ。
[23] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 22に記載の波長可変型半導体レーザ。
[24] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 17に記載の波長可変型半 導体レーザ。
[25] 所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールから出射されて被測定ガスを透過したレーザ光を受 光して電気信号に変換する受光器と、
前記受光器から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検知部 とを具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュールに組込まれた波長可変型半導体レーザが、 n型半導体基板と、
前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された p型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 /i m 乃至 500 /i mであり、
前記 p型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする ガス検知装置。
[26] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017Zcm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018Zcm3程度であることを特徴とする請求項 25に記載のガス検 知装置。
[27] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 26に記載のガス検知装置
[28] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 25に記載のガス検知装 置。
[29] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017/cm3程度であることを特徴とする請求項 28に記載のガス検知装置
[30] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 25 に記載のガス検知装置。
[31] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 30に記載のガス検知装置。
[32] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 25に記載のガス検知装置。
[33] 所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールから出射されて被測定ガスを透過したレーザ光を受 光して電気信号に変換する受光器と、
前記受光器力 出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検知部 とを具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュールに組込まれた波長可変型半導体レーザが、 n型半導体基板と、
前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された P型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型半導体基板 に平行な方向の長さを示す前記活性層の幅は約 1 μ m乃至 2 μ mであり、 前記 p型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする ガス検知装置。
[34] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017Zcm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018/cm3程度であることを特徴とする請求項 33に記載のガス検 知装置。
[35] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 34に記載のガス検知装置
[36] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 33に記載のガス検知装 置。
[37] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017Zcm3程度であることを特徴とする請求項 36に記載のガス検知装置
[38] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 34 に記載のガス検知装置。
[39] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 38に記載のガス検知装置。
[40] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型 (DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 33に記載のガス検知装置。
[41] 所定周波数で波長が変調されたレーザ光を出射する波長可変型半導体レーザが 組込まれた半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールから出射されて被測定ガスを透過したレーザ光を受 光して電気信号に変換する受光器と、 前記受光器から出力された電気信号に基づいて被測定ガスを検知するガス検知部 とを具備するガス検知装置であって、
前記半導体レーザモジュールに組込まれた波長可変型半導体レーザが、 n型半導体基板と、
前記 n型半導体基板の上方に配置され光を生成する活性層と、
前記活性層の上方に配置された p型クラッド層と、
前記活性層によって生成される光の中から特定の波長のみを選択的に発振させる 波長選択手段とを具備し、
前記活性層に電流が注入されることによって前記特定の波長で発振すると共に、 前記電流の大きさを変化させることによって前記特定の波長を変化させることのでき る波長可変型半導体レーザであって、
前記活性層において生成された光の伝搬方向の長さを示す素子長は約 200 μ m 乃至 500 /i mであり、
前記活性層において生成された前記光の伝搬方向と直交し、かつ前記 n型半導体 基板に平行な方向の長さを示す前記活性層の幅は約 1 m乃至 2 β mであり、 前記 P型クラッド層は、前記活性層側力 順番に配列された、低不純物濃度を有す る低濃度クラッド層と高不純物濃度を有する高濃度クラッド層を含むことを特徴とする ガス検知装置。
[42] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記低濃度クラッド層の不純物 濃度はアンドープ又は 3 X 1017/cm3程度であるとともに、前記高濃度クラッド層の 不純物濃度は 1 X 1018/cm3程度であることを特徴とする請求項 41に記載のガス検 知装置。
[43] 望ましくは、前記高濃度クラッド層の濃度はピーク値で 8 X 1017/cm3以上であり、 望ましくは、前記低濃度クラッド層の濃度はアンドープか 4 X 1017/cm3以下で 30η m乃至 70nm程度の厚さを有することを特徴とする請求項 42に記載のガス検知装置
[44] 前記 p型クラッド層は、前記高濃度クラッド層に続いて配列された中不純物濃度を 有する中濃度クラッド層をさらに含むことを特徴とする請求項 41に記載のガス検知装 置。
[45] 前記 p型クラッド層は、 Znを p型不純物とする場合、前記中濃度クラッド層の不純物 濃度は 5 X 1017/cm3程度であることを特徴とする請求項 44に記載のガス検知装置
[46] 前記 n型半導体基板の上方にスぺーサ層を介して形成される下側 SCH (Separat e Confinement Heterostructure :光閉込構造）層と、前記活性層として前記下 側 SCH層の上方に形成される MQW (Multi Quantum Well :多重量子井戸）層 と、前記活性層の上方に形成される上側 SCH層とを含むことを特徴とする請求項 41 に記載のガス検知装置。
[47] 前記 n型半導体基板の上部、前記波長選択手段、前記下側 SCH層、前記活性層 、前記上側 SCH層及び前記 p型クラッド層の一部はメサ型に形成されているとともに 前記メサの両側には、下側から、 p型埋込層、 n型坦込層が形成されていることを特 徴とする請求項 46に記載のガス検知装置。
[48] 波長可変型半導体レーザの構造として、分布帰還型 (DFB)、分布反射型（DR)、 分布ブラッグ反射器型 (DBR)、部分回折格子型 (PC)、外部共振型 (EC)のうちの いずれか一つが採用されていることを特徴とする請求項 41に記載のガス検知装置。
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