WO2006098427A1 - 波長可変半導体レーザ素子及びその製造方法並びにそれを用いるガス検知装置 - Google Patents

波長可変半導体レーザ素子及びその製造方法並びにそれを用いるガス検知装置 Download PDF

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Abstract

　可変波長半導体レーザ素子は、半導体基板の上方に形成される活性層を含んで該活性層で生成される光を導波する光導波路内に形成され、且つ、該活性層で生成される光の中から所定の波長を有する光を選択する回折格子を少なくとも一部に備えている波長制御領域と、クラッド層と、前記クラッド層の上方に形成される絶縁膜とを有すると共に、前記半導体基板の下方及び前記クラッド層の上方に形成される第１及び第２の駆動用電極と、前記絶縁膜の上方に形成され、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するための加熱部と、前記加熱部に備えられている第１及び第２の加熱用端子と、前記第１及び第２の駆動用電極との間を電源を介して直列に接続する第１及び第２の接続線路とを有している。前記可変波長半導体レーザ素子は、前記加熱部を介して実質的に直列に接続されている前記第１及び第２の接続線路に対して前記電源から供給する電流を可変することにより、前記光導波路から外部に導出される光の波長を制御できる。

Description

波長可変半導体レーザ素子及びその製造方法並びにそれを用いるガス 検知装置
技術分野
[0001] 本発明は波長可変半導体レーザ素子及びその製造方法並びにそれを用いるガス 検知装置に係り、特に、簡易な構成でレーザ光の出力と波長の制御を行うことができ る波長可変半導体レーザ素子及びその製造方法並びにそれを用いるガス検知装置 に関する。
背景技術
[0002] 従来、ガス固有の吸収線波長を利用して検知対象となるガス (例えば、メタンガスや アルコールガス類など）の吸収線波長に合せたレーザ光を検知空間に出射し、その 出射したレーザ光の減衰状態を測定する波長可変半導体レーザ吸収分光 (Tunabl e Diode Laser Absorption Spectroscopy :TDLAS)法により検知対象となる ガスの有無や濃度を検知するガス検知装置が知られて ヽる。
[0003] そして、この種のガス検知装置に用いられる半導体レーザ素子としては、例えば、 下記特許文献 1に開示される分布帰還型 (Distributed Feedback： DFB)レーザ や下記特許文献 2に開示される分布ブラッグ反射器 (Distributed Bragg Reflect or： DBR)レーザなどの波長可変半導体レーザが知られて!/、る。
[0004] 特許文献 1に開示される DFBレーザは、図 9に示すように、活性層 51及び InP層 5 2などが n型 InP基板 53の一面側の上方に形成されていると共に、 n型 InP基板 53の 反対面側には n電極 54が形成されて ヽる。
[0005] また、活性層 51上部には、窓をもつ SiO絶縁膜 55、駆動電流注入用として Auを
2
主体とする P電極 56が形成されて ヽる。
[0006] さらに、 p電極 56の右領域には、抵抗膜 58用の電極 59a, 59bが島状に形成され ている。
[0007] また、活性層 51上部には、 SiO絶縁膜 57と Ptからなる抵抗膜 58が形成されてい
2
る。 [0008] この場合、抵抗膜 58の両端は、先に形成した電極 59a, 59bに接するように形成さ れている。
[0009] 特許文献 2に開示される DBRレーザは、図 10A, Bに示すように、光導波路 62と、 光導波路 62の少なくとも一部分を加熱するために絶縁膜 67を介して形成されたカロ 熱部 63とを有する半導体光素子 64と、この半導体光素子 64を載置し、光導波路 62 の一部分に対しては直接接触し、光導波路 62の他の部分に対しては空間部 66を介 在させて当接されたヒートシンク 65とで構成されている。
[0010] また、光導波路 62の活性領域 61以外の領域 80には、周期的に基板 70をエツチン グしてコラゲーシヨン状の回折格子 69が形成されている。
[0011] この DBRレーザでは、活性領域 61以外の領域のうち、回折格子 69を形成した部 分を DBR領域 C、残りの部分を位相制御領域 Bと称して 、る。
[0012] 図 10Bに示すように、活性領域 61の周辺部には、非発光領域 80となる InGaAsP ガイド層と、 InPクラッド層 71とが形成されている。
[0013] また、活性領域 61の上面には、 InPクラッド層 71を介して Au、 Ge等の蒸着により n 型電極 68が形成されて!、る。
[0014] また、基板 70の底面には、 Au、 Zn等の蒸着により p側電極 (不図示）が形成されて いる。
[0015] なお、上述した特許文献 1に開示される DFBレーザとは異なる構成の DFBレーザ としては、例えば、特許文献 3に開示される部分回折格子型半導体レーザ (PC— LD )や特許文献 4に開示される 2つの回折格子を有する分布帰還型半導体レーザなど がある。
特許文献 1：特開平 4— 72783号公報
特許文献 2：特開平 9 - 74250号公報
特許文献 3：特開平 6 - 310806号公報
特許文献 4：特開 2004 - 31827号公報
発明の開示
[0016] ところで、上述したような波長可変半導体レーザをガス検知装置の光源として用い ることにより、上記 TDLAS法によって検知空間内の検知対象ガスを検知する場合に は、半導体レーザに変調をかけて出射光の波長を検知対象ガス固有の吸収線波長 にロックし、この波長ロックしたレーザ光を検知空間に向けて出射し、このレーザ光の 出射に伴う検知空間からの反射光を受光するようにして 、る。
[0017] ここで、半導体レーザは、出射光の波長が光導波路の屈折率によって決まり、さら に光導波路の屈折率が温度またはキャリア密度（注入電流）によって決まるという特 '性を有している。
[0018] そして、温度を変化させた場合には、検知対象ガス固有の吸収線波長にロックする ようにレーザ光を変調した際の応答速度が遅 、のに対し、屈折率の変化幅が大きく なり、可変波長幅を大きく取れるという特徴がある。
[0019] これに対し、キャリア密度を変化させた場合には、検知対象ガス固有の吸収線波長 にロックするようにレーザ光を変調した際の応答速度が速 、反面、ある程度のキヤリ ァ密度で飽和してしまうために屈折率の変化幅が小さぐ可変波長幅をあまり大きく 取れないという特徴がある。
[0020] そして、上記のような特徴を有する半導体レーザに変調をかけて出射光の波長を 検知対象ガス固有の吸収線波長にロックする場合、検知対象ガスの種類によって吸 収線波長とその吸収線波長を中心とする波長幅とが異なるため、検知対象ガスの種 類に応じて十分な波長可変幅が得られるように、レーザ光の波長を可変する必要が ある。
[0021] ところが、この種の TDLAS法によるガス検知では、約 ΙΟΚΗζ程度の変調周波数 を有して!/ヽれば、対象とする全ての検知対象ガスに十分に対応することができるため 、応答速度の速さよりも屈折率変化の大きさを優先し、温度を変化させるだけでも十 分追従できることが判明している。
[0022] ところで、特許文献 5には持ち運びが便利で手軽にガスの有無や濃度の検知が行 えるように小型化を図った携帯式のガス濃度測定装置が開示されている。
特許文献 5 :特開 2005— 106521号公報 ところが、この種の携帯式のガス検知装 置では、筐体内における構成部品の設置スペースが制限される上、バッテリー駆動 のため消費電力を抑える必要があり、筐体内に電源を 1つし力設けることができない [0023] したがって、この種の携帯式のガス検知装置に使用する半導体レーザとしては、単 一の電源によってレーザ出力と波長の可変が行え、かつ十分な波長可変幅が得られ る半導体レーザ素子が望まれて 、る。
[0024] しかしながら、上述した特許文献 1や特許文献 2に開示される従来の半導体レーザ 素子では、レーザ出力と波長とを独立して各々制御することができる反面、加熱用の 電源と、レーザ駆動用の電源とがそれぞれ別構成となっているので、構成が複雑ィ匕 するだけでなぐ上述した携帯式のガス検知装置のような筐体内に電源を 1つしか設 けるできな 、場合には適用することができな 、と 、う問題を有して 、る。
[0025] 本発明の目的は、以上のような従来技術の問題を解決するために、簡易な構成で 、TDLAS法によるガス検知を行う際に十分な可変波長幅で波長をレーザ出力と共 に 1チャネルの電流で制御することができ、レーザ出力と波長とを単一電源で変化さ せて加熱用の電源と、レーザ駆動用の電源との共通化を図り、実装に際しての設置 スペースを小さくすることができる可変波長半導体レーザ素子及びその製造方法並 びにそれを用いるガス検知装置を提供することである。
[0026] 前記目的を達成するために、本発明の第 1の態様によると、
半導体基板 (10)と、
前記半導体基板の上方に形成され、光を生成する活性層（12)と、
前記活性層を含んで形成され前記活性層で生成される光を導波する光導波路内 に形成され、且つ、前記活性層で生成される光の中から所定の波長を有する光を選 択する回折格子（14)を少なくとも一部に備えている波長制御領域 (D)と、
前記光導波路の上方に形成されるクラッド層（13)と、
前記クラッド層の上方に形成される絶縁膜（19)と、
前記半導体基板の下方に形成される第 1の駆動用電極（17)と、
前記クラッド層の上方に形成される第 2の駆動用電極（18)と、
前記絶縁膜の上方に形成され、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するた めの加熱部（20)と、
前記加熱部（20)〖こ備えられている第 1の加熱用端子（20a)及び第 2の加熱用端 子（20b)と、 前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を接続する第 1の接続線路（ 21)と、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して接続する第 2の接続線路（22)とを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とする可変波長半導体レーザ素子が提供され る。
[0027] また、前記目的を達成するために、本発明の第 2の態様によると、
前記波長制御領域は、前記回折格子力 なる分布ブラッグ反射器領域 (C)と、該 分布ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域 (D)とカゝらなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする第 1の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0028] また、前記目的を達成するために、本発明の第 3の態様によると、
前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする第 2の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供さ れる。
[0029] また、前記目的を達成するために、本発明の第 4の態様によると、
前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする第 1の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0030] また、前記目的を達成するために、本発明の第 5の態様によると、
前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する第 4の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0031] また、前記目的を達成するために、本発明の第 6の態様によると、
前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする第 4の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0032] また、前記目的を達成するために、本発明の第 7の態様によると、 前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子（14a, 14b)からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る第 1の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0033] また、前記目的を達成するために、本発明の第 8の態様によると、
前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部（ 20A, 20B)カゝらなり、前記複数の加熱部は直列に接続されていることを特徴とする 第 7の態様に従う可変波長半導体レーザ素子が提供される。
[0034] また、前記目的を達成するために、本発明の第 9の態様によると、
前記加熱部は、薄膜抵抗力 なることを特徴とする第 1の態様に従う可変波長半導 体レーザ素子が提供される。
[0035] また、前記目的を達成するために、本発明の第 10の態様によると、
所定波長を有するレーザ光を検知空間に出射し、当該レーザ光が検知対象ガスに よって減衰することを利用した波長可変半導体レーザ吸収分光法を用いてガス検知 を行うガス検知装置に適用されることを特徴とする第 1の態様に従う可変波長半導体 レーザ素子が提供される。
[0036] また、前記目的を達成するために、本発明の第 11の態様によると、
可変波長半導体レーザ素子を具備し、所定波長を有するレーザ光を検知空間に 出射し、当該レーザ光が検知対象ガスによって減衰することを利用した波長可変半 導体レーザ吸収分光法を用いてガス検知を行うガス検知装置であって、
前記可変波長半導体レーザ素子は、
半導体基板 (10)と、
前記半導体基板の上方に形成され、光を生成する活性層（12)と、
前記活性層を含んで形成され前記活性層で生成される光を導波する光導波路内 に形成され、且つ、前記活性層で生成される光の中から所定の波長を有する光を選 択する回折格子（14)を少なくとも一部に備えている波長制御領域 (D)と、
前記光導波路の上方に形成されるクラッド層（13)と、 前記クラッド層の上方に形成される絶縁膜（19)と、
前記半導体基板の下方に形成される第 1の駆動用電極（17)と、
前記クラッド層の上方に形成される第 2の駆動用電極（18)と、
前記絶縁膜の上方に形成され、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するた めの加熱部（20)と、
前記加熱部（20)〖こ備えられている第 1の加熱用端子（20a)及び第 2の加熱用端 子（20b)と、
前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を接続する第 1の接続線路（ 21)と、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して接続する第 2の接続線路（22)とを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とするガス検知装置が提供される。
[0037] また、前記目的を達成するために、本発明の第 12の態様によると、
前記波長制御領域は、前記回折格子力 なる分布ブラッグ反射器領域 (C)と、該 分布ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域 (D)とカゝらなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする第 11の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0038] また、前記目的を達成するために、本発明の第 13の態様によると、
前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする第 12の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0039] また、前記目的を達成するために、本発明の第 14の態様によると、
前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする第 11の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0040] また、前記目的を達成するために、本発明の第 15の態様によると、
前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する第 14の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0041] また、前記目的を達成するために、本発明の第 16の態様によると、
前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする第 14の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0042] また、前記目的を達成するために、本発明の第 17の態様によると、
前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子（14a, 14b)からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る第 11の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0043] また、前記目的を達成するために、本発明の第 18の態様によると、
前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部（ 20A, 20B)カゝらなり、前記複数の加熱部は直列に接続されていることを特徴とする 第 17の態様に従うガス検知装置が提供される。
[0044] また、前記目的を達成するために、本発明の第 19の態様によると、
前記加熱部は、薄膜抵抗力 なることを特徴とする第 11の態様に従うガス検知装 置が提供される。
[0045] また、前記目的を達成するために、本発明の第 20の態様によると、
半導体基板の上方に、光を生成する活性層（12)と、前記活性層で生成される光の 中から所定の波長を有する光を選択して反射する回折格子（14)を少なくとも一部に 備えて 、る波長制御領域 (D)とを含む光導波路を形成するステップと、
前記光導波路の上方に、クラッド層（13)を形成するステップと、
前記クラッド層の上方に、絶縁膜（19)を形成するステップと、
前記半導体基板の下方に、第 1の駆動用電極（17)を形成するステップと、 前記クラッド層の上方に、第 2の駆動用電極（18)を形成するステップと、 前記絶縁膜の上方に、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するための加熱 部（20)を形成するステップと、
前記加熱部（20)に、第 1の加熱用端子（20a)及び第 2の加熱用端子（20b)を形 成するステップと、
前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を、第 1の接続線路（21)で 接続するステップと、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して、第 2の接続 線路（22)で接続するステップとを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とする可変波長半導体レーザ素子の製造方法 が提供される。
[0046] また、前記目的を達成するために、本発明の第 21の態様によると、
前記波長制御領域は、前記回折格子力 なる分布ブラッグ反射器領域 (C)と、該 分布ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域 (D)とカゝらなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする第 20の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供 される。
[0047] また、前記目的を達成するために、本発明の第 22の態様によると、
前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする第 21の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造 方法が提供される。
[0048] また、前記目的を達成するために、本発明の第 23の態様によると、
前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする第 20の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供さ れる。
[0049] また、前記目的を達成するために、本発明の第 24の態様によると、
前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する第 23の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
[0050] また、前記目的を達成するために、本発明の第 25の態様によると、 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする第 23の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
[0051] また、前記目的を達成するために、本発明の第 26の態様によると、
前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子（14a, 14b)からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る第 20の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
[0052] また、前記目的を達成するために、本発明の第 27の態様によると、
前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部（ 20A, 20B)カゝらなり、前記複数の加熱部は直列に接続されていることを特徴とする 第 26の態様に従う可変波長半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
[0053] また、前記目的を達成するために、本発明の第 28の態様によると、
前記加熱部は、薄膜抵抗力もなることを特徴とする第 20の態様に従う可変波長半 導体レーザ素子の製造方法が提供される。
[0054] 以上のような本発明によれば、加熱部が位相調整領域の少なくとも一部を加熱可 能に構成されていることにより、当該部分の光導波路の屈折率変化を大きくして所望 の可変波長幅で波長をレーザ出力と共に 1チャネルの電流で制御可能とする可変波 長半導体レーザ素子を実現することができる。
[0055] しかも、本発明によれば、 TDLAS法によるガス検知を行う際に、単一の電源を兼 用して波長とレーザ出力とを制御でき、構造も簡易になることにより、筐体内に電源を 1つしか設けることができない携帯式のガス検知装置でも、実装に際しての設置スぺ ースを小さくすることができる可変波長半導体レーザ素子を実現することができる。
[0056] さらに、本発明によれば、活性層を直接加熱しない加熱部の配置構成とすること〖こ より、半導体レーザ素子の長寿命化を可能とする可変波長半導体レーザ素子を実現 することができる。
図面の簡単な説明
[0057] [図 1A]図 1Aは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態の構成を 示す概略斜視図である。
[図 1B]図 1Bは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態の変形例 の構成を示す概略斜視図である。
[図 2A]図 2Aは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の要部の電気的構成の 一例を示す等価回路図である。
[図 2B]図 2Bは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の要部の電気的構成の 他の例を示す等価回路図である。
[図 3]図 3は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 2実施形態の構成を示 す概略斜視図である。
[図 4]図 4は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 3実施形態の構成を示 す断面図である。
[図 5]図 5は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 4実施形態の構成を示 す断面図である。
[図 6]図 6は、従来の可変波長半導体レーザ素子の出力特性を示す図である。
[図 7]図 7は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の出力特性を示す図である
[図 8A]図 8Aは、本発明の第 5実施形態として本発明に係る可変波長導体レーザ素 子を適用したガス検知装置の一例を示す概略構成図である。
[図 8B]図 8Bは、図 8Aの半導体レーザモジュール 31及びレーザ駆動制御部 50の概 略構成を示す図である。
[図 8C]図 8Cは、図 8Aのガス検知装置及びガス検出部 60の概略構成を示す図であ る。
[図 9]図 9は、従来の DFBレーザの構成を示す概略斜視図である。
[図 10A]図 10Aは、従来の DBRレーザの構成を示す概略斜視図である。
[図 10B]図 10Bは、図 10Aの 10B—10B線で切断した断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0058] 以下、図面に基づいて本発明の幾つかの実施の形態を説明する。
[0059] (第 1実施形態） まず、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態について図 1Aを 参照しながら具体的に説明する。
[0060] 図 1Aは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態の構成を示す 概略斜視図である。
[0061] 図 1Aに示すように、この第 1実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1A (1)は
、光導波路が活性領域 A、位相調整領域 B及び DBR領域 Cの 3つの領域から構成さ れる DBRレーザである。
[0062] そして、図 1Aに示すように、多層の半導体層を作製するための半導体基板として の n— InP基板 10の上方中央部には、断面台形形状のメサ 10aが長さ方向（光の出 射方向）に延出して形成されている。
[0063] このメサ 10aの上方には、光を生成する活性層 12、 p— InPクラッド層 13が順次積 層されている。
[0064] また、メサ 10aの両側には、 p— InP埋込層 15及び n— InP埋込層 16が形成されて いることにより、後述する一対の電極間に供給される電流経路の狭窄化が確保され ていると共に、ストライプ型光導波路が形成されている。
[0065] そして、このようにして作製された半導体層の表裏面には、一対の電極 17, 18とし て、 Auなどの金属膜からなる n側電極 (第 1の駆動用電極） 17と p側電極 (第 2の駆動 用電極） 18とがそれぞれ形成されている。
[0066] なお、図示されてはいないが、 p— InPクラッド層 13と p側電極 18との間には、電流 注入をし易くするためのコンタクト層が形成されていてもよい。
[0067] このコンタクト層として用いられる材質は、 p— InGaAsや p— InGaAsPが好ましい。
[0068] 図 1Aの例では、 n— InP基板 10の裏面に n側電極 17が形成され、 p— InPクラッド 層 13の表面の一部 (左側手前部分）に p側電極 18が形成されている。
[0069] 半導体レーザ素子 1Aには、光を生成する活性層 12が形成されている活性領域 A と、この活性領域 Aと連続してなる第 1の受動領域 (以下、位相調整領域 Bと記す)と
、この位相調整領域 Bと連続してなり、一端側 (右側部分）に回折格子 14が形成され て 、る第 2の受動領域 (以下、ブラッグ反射器領域 (DBR領域 C)と記す)とからなる 光が分布する光導波路が形成されて ヽる。 [0070] なお、参照符号 11は、光導波路の一部を形成する光ガイド層である。
[0071] また、 p—InPクラッド層 13の表面の位相調整領域 B上には、例えば、 Ptや Auなど の薄膜抵抗力もなる加熱部 20が絶縁層 19を介して形成されている。
[0072] この加熱部 20には、第 1の加熱用端子 20a及び第 2の加熱用端子 20bが形成され ている。
[0073] そして、この加熱部 20は、外部の単一の電源 2に対して、一対の電極 17, 18と直 列に配線接続されている。
[0074] この場合、第 2の駆動用電極 (p側電極） 18と前記第 1の加熱用端子 20aとの間が、 ボンディングワイヤ等による第 1の接続線路 21で接続されていると共に、第 1の駆動 用電極 (n側電極） 17と第 2の加熱用端子 20bとの間が外部の電源 2を介して、ボン デイングワイヤ等による第 2の接続線路 22で接続されている。
[0075] これにより、図 2Aに示すように、可変波長半導体レーザ素子 1における一対の電極
17, 18と加熱部 20とが外部の単一の電源 2に対して直列接続されている等価回路 が構成される。
[0076] そして、加熱部 20及び一対の電極 17, 18間の両方には、外部の単一の電源 2か ら 1チャネルの電流が駆動電源として同時に供給される。
[0077] すなわち、図 1Aに示すように、この第 1実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1 において、波長制御領域 Dは、該波長制御領域 Dの一部に備えられている回折格子
14からなる分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector : DBR)領域 Cと、 該 DBR領域 Cに隣接されている位相調整領域 Bとからなる。
[0078] そして、加熱部 20は、波長制御領域 Dに含まれる位相調整領域 Bを加熱する際に
、位相調整領域 Bの少なくとも一部を加熱可能に構成されている。
[0079] これにより、第 1の実施形態によれば、加熱部 20によって位相調整領域 Bの少なく とも一部を加熱して、当該部分の光導波路の屈折率を大きく変化させて、活性層 12 で生成される光の波長とレーザ出力とを所望の可変波長幅で 1チャネルの電流により 制御可能とする可変波長半導体レーザ素子 1が実現される。
[0080] また、第 1実施形態によれば、外部の単一の電源 2を兼用して活性層 12で生成さ れる光の波長とレーザ出力とを制御でき、構造も簡易になることにより、筐体内に電 源を 1つし力設けることができない携帯式のガス検知装置に適用する場合でも、その 実装に際しての設置スペースを可及的に小さくすることができる可変波長半導体レ 一ザ素子 1が実現される。
[0081] さらに、第 1の実施形態によれば、加熱部 20が位相調整領域 B上のみに形成され、 光を生成する活性領域 Aを加熱部 20で直接加熱しな 、構成となされて ヽること〖こより
、長寿命化を可能とする可変波長半導体レーザ素子 1が実現される。
[0082] なお、上述した第 1実施形態では、加熱部 20を位相調整領域 B上のみに形成した 例で説明したが、これに限定されることはな 、。
[0083] 例えば、図 1Bに示すように、加熱部 20が、位相調整領域 Bの全体または一部にカロ えて DBR領域 Cの全域を均一に加熱するような構成にしても良!、。
[0084] (第 1実施形態の変形例）
次に、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態の変形例につい て図 1Bを参照しながら説明する。
[0085] 図 1Bは、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 1実施形態の変形例の構 成を示す概略斜視図である。
[0086] なお、図 1Bにおいて、前述した図 1Aに示す第 1の実施形態による可変波長半導 体レーザ素子と同様に構成される部分については、図 1Aのそれらと同一参照符号 を付して説明を省略するものとする。
[0087] すなわち、図 1Bに示すように、この第 1実施形態の変形例による可変波長半導体 レーザ素子 1において、波長制御領域 Dは、上述した第 1実施形態の場合と同様に、 該波長制御領域 Dの一部に備えられている回折格子 14からなる分布ブラッグ反射 型（Distributed Bragg Reflector: DBR)領域 Cと、該 DBR領域 Cに隣接されて
V、る位相調整領域 Bとからなる。
[0088] そして、加熱部 20は、波長制御領域 Dに含まれる位相調整領域 Bと DBR領域じと を加熱する際に、位相調整領域 Bの少なくとも一部を加熱可能に構成されていると共 に、 DBR領域 Cの全域を均一に加熱可能に構成されている。
[0089] これにより、第 1実施形態の変形例によれば、加熱部 20によって位相調整領域 Bの 少なくとも一部を加熱すると共に、 DBR領域 Cの全域を均一に加熱して、当該部分 の光導波路の屈折率を上述した第 1実施形態の場合よりもさらに大きく変化させて、 活性層 12で生成される光の波長とレーザ出力とを所望の可変波長幅で 1チャネルの 電流により制御可能とする可変波長半導体レーザ素子 1が実現される。
[0090] (第 2実施形態）
次に、本発明の可変波長半導体レーザ素子の第 2実施形態について図 3を参照し ながら具体的に説明する。
[0091] 図 3は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 2実施形態の構成を示す概 略斜視図である。
[0092] 図 3に示すように、この第 2実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1B (1)は、活性 層 12の下層にある光ガイド層 11の全域に渡って回折格子 14が形成されて ヽる DFB レーザである。
[0093] 図 3に示すように、多層の半導体層を作製するための半導体基板としての n— InP 基板 10の上方中央部には、断面台形形状のメサ 10aが長さ方向（光の出射方向）に 延出して形成されている。
[0094] そして、このメサ 10a中には、全域に渡って回折格子 14が形成されている光ガイド 層 11と、光を生成する活性層 12と、 p— InPクラッド層 13とが順次積層されている。
[0095] また、メサ 10aの両側には、 p— InP埋込層 15及び n— InP埋込層 16が形成されて いることにより、後述する一対の電極間に供給される電流経路の狭窄化が確保され ていると共に、ストライプ型光導波路が形成されている。
[0096] そして、このようにして作製された半導体層の表裏面には、一対の電極 17, 18とし て、 Auなどの金属膜からなる n側電極 (第 1の駆動用電極） 17と p側電極 (第 2の駆動 用電極） 18とがそれぞれ形成されている。
[0097] 図 3の例では、 n— InP基板 10の裏面に n側電極 17が形成され、 p— InPクラッド層
13の表面の一部分 (活性層 12上を除く右側略半部）に p側電極 18が形成されて ヽ る。
[0098] また、 p— InPクラッド層 13の上面には、例えば、 Ptや Auなどの薄膜抵抗力もなる 加熱部 20が、波長制御領域 Dとして光ガイド層 11の全域に渡って形成されている回 折格子 14の全域を覆うように絶縁層 19を介して形成されて 、る。 [0099] この加熱部 20には、第 1の加熱用端子 20a及び第 2の加熱用端子 20bが形成され ている。
[0100] そして、この加熱部 20は、外部の単一の電源 2に対して、一対の電極 17, 18と直 列に配線接続されている。
[0101] この場合、第 2の駆動用電極 (p側電極） 18と前記第 1の加熱用端子 20aとの間が、 ボンディングワイヤ等による第 1の接続線路 21で接続されていると共に、第 1の駆動 用電極 (n側電極） 17と第 2の加熱用端子 20bとの間が外部の電源 2を介して、ボン デイングワイヤ等による第 2の接続線路 22で接続されている。
[0102] これにより、図 2Aに示すように、可変波長半導体レーザ素子 1における一対の電極
17, 18と加熱部 20とが外部の単一の電源 2に対して直列接続されている等価回路 が構成される。
[0103] そして、加熱部 20及び一対の電極 17, 18間の両方には、外部の単一の電源 2か ら 1チャネルの電流が駆動電源として同時に供給される。
[0104] これにより、第 2実施形態によれば、光ガイド層 11の全域に渡って形成されている 回折格子 14の全域を加熱部 20によって加熱して、当該部分の光導波路の屈折率を 大きく変化させることにより、活性層 12で生成される光の波長とレーザ出力とを所望 の可変波長幅で 1チャネルの電流により制御可能とする可変波長半導体レーザ素子 1が実現される。
[0105] また、第 2実施形態によれば、外部の単一の電源 2を兼用して活性領域 Aで生成さ れる光の波長とレーザ出力とを制御でき、構造も簡易になることにより、筐体内に電 源を 1つし力設けることができない携帯式のガス検知装置に適用する場合でも、その 実装に際しての設置スペースを可及的に小さくすることができる可変波長半導体レ 一ザ素子 1が実現される。
[0106] (第 3実施形態）
次に、本発明の可変波長半導体レーザ素子の第 3実施形態について図 4を参照し ながら具体的に説明する。
[0107] 図 4は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 3実施形態の構成を示す断 面図である。 [0108] 図 4に示すように、この第 3実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1C (1)は、第 2 実施形態の半導体レーザ素子 1B (1)において形成されている回折格子 14が活性 層 12上の全域でなぐ出射方向端面側に部分的に形成されている部分回折格子型 半導体レーザ（PC— LD)である。
[0109] そして、回折格子 14の上方には、光ガイド層 11と、光を生成する活性層 12と、 p-I nPクラッド層 13とが順次積層されて 、る。
[0110] この後、第 2実施形態と同様に、 p— InP埋込層及び n— InP埋込層（図示せず）が 通常の埋め込み成長により形成される。
[0111] そして、レーザ出射面に反射防止膜 (ARコート） 23が形成されると共に、反対面に 高反射膜 (HRコート） 24が形成される。
[0112] そして、作製された半導体結晶の表裏面には、一対の電極 17, 18として、金属電 極力ゝらなる n側電極 (第 1の駆動用電極） 17と p側電極 (第 2の駆動用電極） 18とがそ れぞれ形成されている。
[0113] 図 4の例では、 n— InP基板 10の裏面に n側電極 17が形成され、 p— InPクラッド層
13の表面の一部 (左側部分）に p側電極 18が形成されている。
[0114] また、 p— InPクラッド層 13の上面には、例えば、 Ptや Auなどの薄膜抵抗力もなる 加熱部 20が絶縁層 19を介して、出射面側に部分的に形成されて!ヽる回折格子 14 の全域を覆うように形成されて 、る。
[0115] この加熱部 20には、第 1の加熱用端子 20a及び第 2の加熱用端子 20bが形成され ている。
[0116] そして、この加熱部 20は、外部の単一の電源 2に対して、一対の 17, 18と直列に 配線接続されている。
[0117] この場合、第 2の駆動用電極 (p側電極） 18と前記第 1の加熱用端子 20aとの間が、 ボンディングワイヤ等による第 1の接続線路 21で接続されていると共に、第 1の駆動 用電極 (n側電極） 17と第 2の加熱用端子 20bとの間が外部の電源 2を介して、ボン デイングワイヤ等による第 2の接続線路 22で接続されている。
[0118] これにより、図 2Aに示すように、可変波長半導体レーザ素子 1における一対の電極 17, 18と加熱部 20とが外部の単一の電源 2に対して直列接続されている等価回路 が構成される。
[0119] そして、加熱部 20及び一対の電極 17, 18間の両方には、外部の単一の電源 2か ら 1チャネルの電流が駆動電源として同時に供給される。
[0120] これにより、第 3の実施形態によれば、ガイド層 11の出射面側に部分的に形成され て ヽる回折格子 14の全域を加熱部 20によって加熱して、当該部分のガイド層 11の 屈折率を大きく変化させることにより、活性層 12で生成される光の波長とレーザ出力 とを所望の可変波長幅で 1チャネルの電流により制御可能とする可変波長半導体レ 一ザ素子 1が実現される。
[0121] また、第 3の実施形態によれば、外部の単一の電源 2を兼用して活性層 12で生成 される光の波長とレーザ出力とを制御でき、構造も簡易になることにより、筐体内に電 源を 1つし力設けることができない携帯式のガス検知装置に適用する場合でも、その 実装に際しての設置スペースを可及的に小さくすることができる可変波長半導体レ 一ザ素子 1が実現される。
[0122] (第 4実施形態）
次に、本発明の可変波長半導体レーザ素子の第 4実施形態について図 5を参照し ながら具体的に説明する。
[0123] 図 5は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の第 4実施形態の構成を示す断 面図である。
[0124] 図 5に示すように、この第 4実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1D (1)は、多 層の半導体層を作製するための半導体基板としての n— InP基板 10の上方に、 n— I nGaAsPからなる第 1の回折格子領域 Eと、位相シフト領域 Fと、 n—InGaAsPからな る第 2の回折格子領域 Gとが形成されている。
[0125] この場合、第 1及び第 2の回折格子領域 E、 Gには、それぞれ、第 1及び第 2の回折 格子 14a、 14bが形成されている。
[0126] また、ガイド層 11の上方には、それぞれ適当な組成の InGaAsP力もなる、下側 SC H層、 MQW層、上側 SCH層を含む光を生成する活性層 12が形成されている。
[0127] この活性層 12の上方には、 p— InPクラッド層 13が形成されている。
[0128] そして、作製された半導体層の表裏面には、一対の電極 17, 18として、金属電極 力もなる n側電極 (第 1の駆動用電極） 17と p側電極 (第 2の駆動用電極） 18とが形成 されている。
[0129] 図 5の例では、 p—InPクラッド層 13の上方の所定位置に p側電極 18が形成され、 n
—InP基板 10の下面に n側電極 17が形成されている。
[0130] さらに、レーザ光が出射される光導波路としてのガイド層 11の各端面 (少なくとも一 方でも良い）には、反射防止膜 23が形成されている。
[0131] また、 p— InPクラッド層の上方にして、第 1及び第 2の回折格子領域 E、 Gと対向す る部位に、それぞれ、例えば、 Ptや Auなどの薄膜抵抗力 なる第 1及び第 2の加熱 部 20A、 20Bが絶縁層 19を介して第 1及び第 2の回折格子 14a, 14bのそれぞれの 全域を覆うように形成されて ヽる。
[0132] これらの第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bには、それぞれ、第 1の加熱用端子 20a
1、 20a2及び第 2の加熱用端子 20bl、 20b2が形成されている。
[0133] これらの第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bは、外部の単一の電源 2に対して、一対 の電極 17, 18と直列に配線接続されている。
[0134] この場合、第 2の駆動用電極 (p側電極） 18と第 1の加熱部 20Aの第 1の加熱用端 子 20alとの間力 ボンディングワイヤ等による第 1の接続線路 21Aで接続されている と共に、第 1の加熱部 20Aの第 2の加熱用端子 20blと第 2の加熱部 20Bの第 1の加 熱用端子 20a2との間が、ボンディングワイヤ等による中継用の接続線路 21Bで接続 されている。
[0135] また、第 1の駆動用電極 (n側電極） 17と第 2の加熱部 20Bの第 2の加熱用端子 20 b2との間が外部の電源 2を介して、ボンディングワイヤ等による第 2の接続線路 22で 接続されている。
[0136] これにより、図 2Bに示すように、可変波長半導体レーザ素子 1における一対の電極 17, 18と第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bとが外部の単一の電源 2に対して直列接 続された等価回路が構成される。
[0137] そして、第 1及び第 2の加熱部 20A、 20B及び一対の電極 17, 18間の両方には、 外部の単一の電源 2から 1チャネルの電流が駆動電源として同時に供給される。
[0138] すなわち、図 5に示すように、この第 4実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1に おいて、波長制御領域 Dは、ガイド層 11に形成されている第 1及び第 2の回折格子 領域 E、 Gとからなる。
[0139] そして、第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bが、それぞれ、波長制御領域 Dに含まれ る第 1及び第 2の回折格子領域 E、Gに形成されている第 1及び第 2の回折格子 14a 、 14bを加熱する際に、各回折格子で選択される各波長が互いに等しくなるように、 第 1及び第 2の回折格子 14a、 14bを加熱可能に構成されている。
[0140] このような第 4の実施形態によれば、第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bによって、そ れぞれ、波長制御領域 Dに含まれる第 1及び第 2の回折格子領域 E、 Gに形成されて いる第 1及び第 2の回折格子 14a、 14bを加熱して、当該部分の光導波路の屈折率 を大きく変化させて、活性層 12で生成される光の波長とレーザ出力とを所望の可変 波長幅で 1チャネルの電流により制御可能とする可変波長半導体レーザ素子 1が実 現される。
[0141] また、第 4の実施形態によれば、外部の単一の電源 2を兼用して活性層 12で生成 される光の波長とレーザ出力とを制御でき、構造も簡易になることにより、筐体内に電 源を 1つし力設けることができない携帯式のガス検知装置に適用する場合でも、その 実装に際しての設置スペースを可及的に小さくすることができる可変波長半導体レ 一ザ素子 1が実現される。
[0142] (波長特性についての説明）
次に、本発明による可変波長半導体レーザ素子 1と従来の可変波長半導体レーザ 素子の波長特性について図 6及び図 7を参照しながら具体的に説明する。
[0143] 図 6は、従来の可変波長半導体レーザ素子の出力特性及び波長特性を示す図で ある。
[0144] 図 7は、本発明に係る可変波長半導体レーザ素子の出力特性及び波長特性を示 す図である。
[0145] なお、図 6及び図 7において、実線で示す特性はそれぞれ可変波長半導体レーザ 素子の駆動電流 [mA]に対する出力特性 (Power[mW])であると共に、破線で示 す特性はそれぞれ可変波長半導体レーザ素子の駆動電流 [mA]に対する波長特 性 (波長シフト量 Δ λ [nm])である。 [0146] ここでは、本発明の可変波長半導体レーザ素子 1として本発明の第 2実施形態によ る可変波長半導体レーザ素子 1Bの波長特性と、従来の可変波長半導体レーザ素 子として、例えば、図 9に示した加熱部の無い DFBレーザの波長特性とを例にとって 説明する。
[0147] 通常、単一モード発振する可変波長半導体レーザ素子では、一対の電極間に供 給される駆動電流がしきい値電流を越えたときに光を出射し、その電流値の 2乗に比 例して出射光の波長が大きくなる特性を有する。
[0148] そして、図 6に示すように、従来の加熱部が無い DFBレーザの波長特性の場合、電 流値を増して出力を上げていくと、図 6中に破線で示す波長シフト量 Δ λが緩やかな 勾配で変化して 、るのが判る。
[0149] これに対し、図 7に示すように、本発明の第 2実施形態の可変波長半導体レーザ素 子 1Bの波長特性の場合、波長制御領域 Dとして光ガイド層 11の全域に渡って形成 されている回折格子 14の全域が加熱部 20によって加熱されるため、電流値を増して 出力を上げていくと、従来の加熱部が無い DFBレーザと比較して、図 7中に破線で 示す波長シフト量 Δ λの勾配が急になり、 Δ λの変化量が大きくなつていることが判 る。
[0150] つまり、このことは、従来の加熱部の無い可変波長半導体レーザ素子の屈折率変 ィ匕と比較して、本発明の第 2実施形態の可変波長半導体レーザ素子の方が光導波 路の屈折率変化がより大きくなつていることを示している。
[0151] なお、図 6及び図 7の例では、従来の加熱部が無い DFBレーザと本発明の第 2実 施形態の可変波長半導体レーザ素子とにおける波長特性を比較している。
[0152] しかるに、従来の加熱部が無い DFBレーザの波長特性と、本発明の第 1、第 3、第 4実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1A、 1C、 IDとにおける波長特性との 比較にぉ 、ても、上述したと同様な比較結果が得られて 、る。
[0153] また、本発明の第 1実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1Aと第 2乃至第 4 実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1B、 1C、 IDとのレーザ出力値を比較し た場合、加熱部 20または第 1及び第 2の加熱部 20A、 20Bにより活性層 12を直接カロ 熱する可変波長半導体レーザ素子 1B、 1C、 IDの場合には、レーザ出力値が徐々 に飽和していくのに対し、可変波長半導体レーザ素子 1Aの場合には、加熱部 20に より活性領域 A (活性層 12)が直接加熱されないため、レーザ出力値が飽和しにくい t 、う結果が得られて 、る（図示せず)。
[0154] これは、第 1実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1Aによる DBRレーザの方が、 第 2乃至第 4実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1B、 1C、 IDに比較して、 温度による屈折率変化をより大きく得ることができることを示している。
[0155] さらに、上述した第 1実施形態の可変波長半導体レーザ素子 1Aは、加熱部 20を 用 、て活性領域 A (活性層 12)以外の領域を加熱するため、活性領域 A (活性層 12
)が加熱されることによるレーザ光の出力低減を回避することができるので、可変波長 半導体レーザ素子自体の寿命を伸ばすことができると 、う効果を有して 、る。
[0156] (第 5実施形態）
次に、本発明の第 5実施形態として、上述した本発明の第 1乃至第 4の実施形態に よる可変波長半導体レーザ素子 1を適用したガス検知装置の概略構成について図 8
Aを参照しながら説明する。
[0157] 図 8Aは、本発明の第 5実施形態として本発明に係る可変波長導体レーザ素子を 適用したガス検知装置の一例を示す概略構成図である。
[0158] 図 8Aに示すように、ガス検知を行うガス検知装置 30においては、半導体レーザモ ジュール 31を構成する円筒型ケース 32の内側に基板 33が設けられている。
[0159] そして、この基板 33上に設けられている基台 34の表面には、ペルチェ素子からな る温度制御素子 35が取り付けられて 、る。
[0160] また、温度制御素子 35上に設けられている取付台 36上には、上述した本発明の 第 1乃至第 4の実施形態のいずれかによる可変波長半導体レーザ素子 1が搭載され ている。
[0161] この場合、可変波長半導体レーザ素子 1は、円筒型ケース 32の中心軸上に沿って レーザ光を外部に射出することが可能となるように配置されて 、る。
[0162] そして、可変波長半導体レーザ素子 1は、検知対象ガスの濃度を測定するためのレ 一ザ光を検知対象に向けて出射する際に、詳細は後述する図 8Bのレーザ駆動制御 部 50の温度安定化 PID回路 55を介してペルチェ素子力もなる温度制御素子 35で 温度制御されることにより、検知対象ガスに合わせたレーザ波長に制御される。
[0163] なお、図 8Aに示す構成のガス検知装置 30の場合、可変波長半導体レーザ素子 1 力 のレーザ光は、被検知ガス側と参照ガス側の双方に射出されるようになっている
[0164] また、取付台 36上で可変波長半導体レーザ素子 1の両側には、被検知ガス側及び 参照ガス側に出射される各レーザ光を集光して平行ビームにするための集光レンズ
37, 38がレーザ光軸上に位置して設けられている。
[0165] これにより、可変波長半導体レーザ素子 1からの被検知ガス側への光は、集光レン ズ 37及び半導体レーザモジュール 31を保護する保護ガラス 39を介して外部へ出力 されることにより、検知空間内に出射される。
[0166] また、可変波長半導体レーザ素子 1からの参照ガス側への光は、集光レンズ 38で 平行ビームとなり、さらに参照ガスセル 40を介して受光器 41にて受光されるようにな つている。
[0167] ここで、参照ガスセル 40は、参照ガスとして検知対象ガスを封入したセルであり、該 参照ガスセル 40を介して受光器 41により受光された参照ガス側への光ビームの受 光出力に基づいて詳細は後述する図 8Bのレーザ駆動制御部 50の波長安定制御回 路 54により、可変波長半導体レーザ素子 1から出射されるレーザ光の波長を検知対 象ガスの吸収線波長に合わせるためのものである。
[0168] また、受光器 41は、検知空間へ出射されたレーザ光が反射して戻ってくるレーザ 光を受光し、この受光したレーザ光を電気信号 (電流）に変換して該電気信号 (電流） を詳細は後述する図 8Cのガス検出部 60に供給する。
[0169] そして、ガス検出部 60は、後述するように、受光器 41により変換された電気信号か ら基本波レベル及び 2倍波レベルを検出し、 2倍波レベルが基本波レベルで割り算さ れ、その値に基づ 、て検知対象ガスの有無や濃度を測定する。
[0170] なお、図 8A乃至図 8C及びその説明において、この第 5実施形態に適用される本 発明の第 1乃至第 4実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1が、上述したように 、一対の電極 17, 18とカロ熱部 20 (20 A、 20B)とが外部の単一の電源 2に直列接続 され、一対の電極 17, 18とカロ熱咅 20 (20 、 20B)に対して外咅の単一の電源 2力 ら同時に駆動電流が供給される構成については、その図示及びその作用の説明を 省略している。
[0171] 図 8Bは、半導体レーザモジュール 31及びレーザ駆動制御部 50の概略構成を示 す図である。
[0172] レーザ駆動制御部 50は、電流電圧変換器 51と、基本波信号増幅器 52と、信号微 分検出器 53と、波長安定化制御回路 54と、温度安定化 PID回路 55と、レーザ駆動 回路 56とで構成されている。
[0173] 電流電圧変 は、受光器 41からの電気信号を電圧に変換する。基本波信号 増幅器 52は、電流電圧変翻 51で変換された電圧を増幅する。信号微分検出器5 3は、基本波信号増幅器 52で増幅された電圧波形を微分し、参照ガスの吸収中心 波長え からのずれ信号を生成する。
0
[0174] 波長安定化制御回路 54は波長可変型半導体レーザ 1の発光波長 λを参照ガスの 吸収中心波長え 0に安定ィ匕させる制御を行う。
[0175] すなわち、波長安定ィ匕制御回路 54は信号微分検出器 53からのずれ信号を波長 可変型半導体レーザ 1の温度に変換し温度安定化 PID回路 55に出力すると共に、 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。
[0176] 温度安定化 PID回路 55はペルチェ素子力もなる温度制御素子 35を制御する。す なわち、温度安定化 PID回路 55は、波長安定化制御回路 54からの温度信号に従つ て波長可変型半導体レーザ 1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 1の温度を所定温度に安定に保持する。
[0177] レーザ駆動回路 56は、波長可変型半導体レーザ 1の発振波長が参照ガス (被測定 ガス）の吸収特性の吸収中心波長に対応する値である中心電流値 (バイアス電流値 )を中心として、所定の振幅、変調周波数を有する変調信号 bを半導体レーザモジュ ール 31に組込まれた波長可変型半導体レーザ 1に印加する。
[0178] その結果、半導体レーザモジュール 31から、波長が、吸収中心波長を中心に所定 の振幅、周波数で変化するレーザ光 aが出力される。
[0179] なお、レーザ駆動回路 56は、波長安定化制御回路 54からの温度信号に従って中 心電流値 (バイアス電流値)を、半導体レーザモジュール 31から出力されるレーザ光 aにおける上述した波長特性が得られるように制御する。
[0180] このように、第 5実施形態に係るガス検知装置では、被測定ガスと同一のガスを封 入した参照ガスセル 40に波長可変型半導体レーザ 1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）の吸収特性の吸収中心 波長に一致するように、波長可変型半導体レーザ 1の温度と、波長可変型半導体レ 一ザ 1に印加する変調信号 bの中心電流値 (バイアス電流値)とが自動的に制御され る。
[0181] 図 8Cは、図 8Aのガス検知装置及びガス検出部 60の概略構成を示す図である。
[0182] 図 8Cにおいて、半導体レーザモジュール 31から出力された吸収中心波長を中心 に波長変調されたレーザ光 aは、被測定ガスを透過する過程で吸収特性に応じて吸 収された後、受光器 41で受光され電気 (電流)信号 cに変換されてガス検出部 60へ 入力される。
[0183] なお、図 8Cにおいては、説明の都合上、受光器 41を半導体レーザモジュール 31 力 独立させて示している。
[0184] また、図 8Cのレーザ駆動制御部 50の詳細な構成及びその作用については、図 8B を参照して前述されている。
[0185] ガス検出部 60は、電流電圧変換器 61と、基本波信号検出器 62と、 2倍波信号検 出器 63と、割算器 64とで構成されている。
[0186] 電流電圧変換器 61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 62及び 2倍波信号検出器 63へ送出する。
[0187] 基本波信号検出器 62は、入力した電気信号 cに含まれる変調周波数の信号成分 である基本波信号 dを抽出して割算器 64へ送出する。
[0188] 2倍波信号検出器 63は、入力した電気信号 cに含まれる変調周波数の 2倍の周波 数の信号成分である 2倍波信号 dを抽出して割算器 64へ送出する。
2
[0189] 割算器 64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 )
2 2 1 1 2 1 を算出して、この算出した比（D ZD )をこのガス濃度に対応する検出値 D ( = D
2 1 2
ZD )として出力する。
1
[0190] 以上詳述したように、本発明による可変波長半導体レーザ素子 1は、一対の電極 1 7, 18と加熱部 20 (20A、 20B)とが外部の単一の電源 2に直列接続され、一対の電 極 17, 18と力!]熱部 20 (20 A、 20B)に対して外部の単一の電源 2から同時に駆動電 流が供給される構成となって 、る。
[0191] これにより、本発明による可変波長半導体レーザ素子 1を適用して TDLAS法によ るガス検知を行う際に、屈折率変化を大きくして所望とする可変波長幅で波長をレー ザ出力とともに 1チャネルの電流で制御することができる。
[0192] また、レーザ出力と波長を制御する際、単一の電源を兼用するので、電源も 1つだ けで済ませることができる。
[0193] その結果、本発明による可変波長半導体レーザ素子 1の構造も簡易になり、消費 電力も少なく筐体内の部品設置スペースや電源容量が制限される携帯式のガス検 知装置 30にも内蔵して使用することができる。
[0194] さらに、第 1実施形態による可変波長半導体レーザ素子を採用すれば、加熱部 20 が活性領域 A (活性層 12)を直接加熱しな 、構成なので、素子自身の長寿命化を図 ることがでさる。
[0195] ところで、上述した第 3または第 4実施形態による可変波長半導体レーザ素子 1C, 1Dは、反射防止膜 21に挟まれた領域内の一端または両端に回折格子 14が設けら れている。
[0196] しかるに、本発明は、このような構成に限定されるものではなぐ光導波路中に少な くとも 1つ回折格子領域を有する可変波長半導体レーザ素子にも本発明の構成 (一 対の電極と加熱部とを単一の電源に対して直列接続する構成)を採用することができ る。
[0197] すなわち、本発明の可変波長半導体レーザ素子 1は、好ましくはモードホップしな い領域上にカロ熱咅 20 (20 A、 20B)を酉己置し、一対の電極 17、 18とカロ熱咅 20 (20 A 、 20B)とを外部の単一の電源に対して直列接続する構成であれば良い。
[0198] 以上、本発明による最良の実施形態について説明した力 この最良の実施形態に よる記述及び図面により本発明が限定されることはない。
[0199] すなわち、この最良の実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、 実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成され、光を生成する活性層と、
前記活性層を含んで形成され前記活性層で生成される光を導波する光導波路内 に形成され、且つ、前記活性層で生成される光の中から所定の波長を有する光を選 択する回折格子を少なくとも一部に備えている波長制御領域と、
前記光導波路の上方に形成されるクラッド層と、
前記クラッド層の上方に形成される絶縁膜と、
前記半導体基板の下方に形成される第 1の駆動用電極と、
前記クラッド層の上方に形成される第 2の駆動用電極と、
前記絶縁膜の上方に形成され、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するた めの加熱部と、
前記加熱部に備えられている第 1の加熱用端子及び第 2の加熱用端子と、 前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を接続する第 1の接続線路 と、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して接続する第 2の接続線路とを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とする可変波長半導体レーザ素子。
[2] 前記波長制御領域は、前記回折格子からなる分布ブラッグ反射器領域と、該分布 ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域とからなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする請求項 1に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[3] 前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする請求項 2に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[4] 前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする請求項 1に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[5] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する請求項 4に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[6] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする請 求項 4に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[7] 前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る請求項 1に記載の可変波長半導体レーザ素子。
[8] 前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部 からなり、前記複数の加熱部は直列に接続されて 、ることを特徴とする請求項 7に記 載の可変波長半導体レーザ素子。
[9] 前記加熱部は、薄膜抵抗力 なることを特徴とする請求項 1に記載の可変波長半 導体レーザ素子。
[10] 所定波長を有するレーザ光を検知空間に出射し、当該レーザ光が検知対象ガスに よって減衰することを利用した波長可変半導体レーザ吸収分光法を用いてガス検知 を行うガス検知装置に適用されることを特徴とする請求項 1に記載の可変波長半導 体レーザ素子。
[11] 可変波長半導体レーザ素子を具備し、所定波長を有するレーザ光を検知空間に 出射し、当該レーザ光が検知対象ガスによって減衰することを利用した波長可変半 導体レーザ吸収分光法を用いてガス検知を行うガス検知装置であって、
前記可変波長半導体レーザ素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成され、光を生成する活性層と、
前記活性層を含んで形成され前記活性層で生成される光を導波する光導波路内 に形成され、且つ、前記活性層で生成される光の中から所定の波長を有する光を選 択する回折格子を少なくとも一部に備えている波長制御領域と、 前記光導波路の上方に形成されるクラッド層と、
前記クラッド層の上方に形成される絶縁膜と、
前記半導体基板の下方に形成される第 1の駆動用電極と、
前記クラッド層の上方に形成される第 2の駆動用電極と、
前記絶縁膜の上方に形成され、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するた めの加熱部と、
前記加熱部に備えられている第 1の加熱用端子及び第 2の加熱用端子と、 前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を接続する第 1の接続線路 と、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して接続する第 2の接続線路とを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とするガス検知装置。
[12] 前記波長制御領域は、前記回折格子からなる分布ブラッグ反射器領域と、該分布 ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域とからなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする請求項 11に記載のガス検知装置。
[13] 前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする請求項 12に記載のガス検知装置。
[14] 前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする請求項 11に記載のガス検知装置。
[15] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する請求項 14に記載のガス検知装置。
[16] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする請 求項 14に記載のガス検知装置。
[17] 前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る請求項 11に記載のガス検知装置。
[18] 前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部 力 なり、前記複数の加熱部は直列に接続されていることを特徴とする請求項 17に 記載のガス検知装置。
[19] 前記加熱部は、薄膜抵抗力 なることを特徴とする請求項 11に記載のガス検知装 置。
[20] 半導体基板の上方に、光を生成する活性層と、前記活性層で生成される光の中か ら所定の波長を有する光を選択して反射する回折格子を少なくとも一部に備えてい る波長制御領域とを含む光導波路を形成するステップと、
前記光導波路の上方に、クラッド層を形成するステップと、
前記クラッド層の上方に、絶縁膜を形成するステップと、
前記半導体基板の下方に、第 1の駆動用電極を形成するステップと、
前記クラッド層の上方に、第 2の駆動用電極を形成するステップと、
前記絶縁膜の上方に、前記波長制御領域の少なくとも一部を加熱するための加熱 部を形成するステップと、
前記加熱部に、第 1の加熱用端子及び第 2の加熱用端子を形成するステップと、 前記第 2の駆動用電極と前記第 1の加熱用端子との間を、第 1の接続線路で接続 するステップと、
前記第 1の駆動用電極と前記第 2の加熱用端子との間を電源を介して、第 2の接続 線路で接続するステップとを具備し、
前記加熱部を介して直列に接続されている前記第 1及び第 2の接続線路に対して 前記電源力 供給される電流を可変することにより、前記光導波路力 外部に導出さ れる光の波長を制御できることを特徴とする可変波長半導体レーザ素子の製造方法
[21] 前記波長制御領域は、前記回折格子からなる分布ブラッグ反射器領域と、該分布 ブラッグ反射器領域に隣接される位相調整領域とからなり、
前記加熱部は、前記位相調整領域の少なくとも一部を加熱可能に構成されている ことを特徴とする請求項 20に記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[22] 前記加熱部は、さらに前記分布ブラッグ反射器領域の全域を均一に加熱可能に構 成されていることを特徴とする請求項 21に記載の可変波長半導体レーザ素子の製 造方法。
[23] 前記波長制御領域は、 1つの前記回折格子からなり、
前記加熱部は、前記 1つの回折格子の全域を均一に加熱可能に構成されて ヽるこ とを特徴とする請求項 20に記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[24] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の全体に渡って形成されていることを特徴と する請求項 23に記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[25] 前記 1つの回折格子は、前記光導波路の一部に形成されていることを特徴とする請 求項 23に記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[26] 前記波長制御領域は、前記光導波路の複数の箇所に形成されている複数の回折 格子からなり、
前記加熱部は、前記複数の回折格子の各回折格子で選択される各波長が互いに 等しくなるように、前記複数の回折格子を加熱可能に構成されていることを特徴とす る請求項 20に記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[27] 前記加熱部は、それぞれ、前記複数の回折格子を個別に加熱する複数の加熱部 からなり、前記複数の加熱部は直列に接続されて 、ることを特徴とする請求項 26に 記載の可変波長半導体レーザ素子の製造方法。
[28] 前記加熱部は、薄膜抵抗力もなることを特徴とする請求項 20に記載の可変波長半 導体レーザ素子の製造方法。
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