JP2016046276A - Wavelength sweeping type semiconductor laser element and gas concentration measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長掃引型半導体レーザ素子及びこれを用いたガス濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a wavelength sweep type semiconductor laser element and a gas concentration measuring apparatus using the same.
従来、レーザ光を測定対象のガスに照射して、その透過光強度を測定することにより、ガス濃度を求めるガス濃度測定装置が知られている。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度と光路長に比例するため(ランベルト・ベールの法則)、測定対象のガスの光吸収波長における吸光度が分かれば、ガス濃度を求めることができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a gas concentration measurement device that obtains a gas concentration by irradiating a measurement target gas with a laser beam and measuring the transmitted light intensity. Since the absorbance of laser light is proportional to the gas concentration and the optical path length (Lambert-Beer law), the gas concentration can be determined if the absorbance at the light absorption wavelength of the gas to be measured is known.
そこで、従来のガス濃度測定装置では、測定対象のガスの光吸収ピーク波長の近傍において、レーザ光を波長掃引することにより、ガスに応じた吸収スペクトルを求め、この吸収スペクトルの示す吸光度から、ガス濃度を求めている(特許文献1、特許文献2参照)。なお、従来のレーザ光の波長掃引は、レーザ光源とは別に、非線形光学結晶を用いて高調波を生成することで、波長の異なるレーザ光を生成し、波形掃引を行っている。 Therefore, in the conventional gas concentration measuring device, an absorption spectrum corresponding to the gas is obtained by sweeping the wavelength of the laser beam in the vicinity of the light absorption peak wavelength of the gas to be measured, and the gas is obtained from the absorbance indicated by the absorption spectrum. The concentration is obtained (see Patent Document 1 and Patent Document 2). In addition, in the conventional wavelength sweep of the laser beam, a laser beam having a different wavelength is generated by generating a harmonic using a nonlinear optical crystal separately from the laser light source, and the waveform sweep is performed.
しかしながら、従来のガス濃度測定装置は、小型のレーザ光源として、半導体レーザ素子を用いているものの、波長掃引を行うために、数多くの高調波発生器を用いる必要があり、装置が大型化し、また、ガス濃度の検出精度にも改良の余地があった。 However, although the conventional gas concentration measuring apparatus uses a semiconductor laser element as a small laser light source, it is necessary to use a large number of harmonic generators in order to perform wavelength sweeping. There was also room for improvement in gas concentration detection accuracy.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小型で、且つ、ガス濃度の検出精度の向上が可能な波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a wavelength-swept semiconductor laser element and a gas concentration measuring apparatus that are small in size and capable of improving gas concentration detection accuracy. To do.
上述の課題を解決するため、本発明の態様に係る波長掃引型半導体レーザ素子は、経時的に直流成分が変化する電流が与えられる活性層と、前記活性層を挟むクラッド層と、前記活性層において発生したレーザ光が入射する回折格子層と、を備え、前記回折格子層の格子幅に基づいて選択されるレーザ光の波長λMと、前記活性層において発生するレーザ光のピーク波長λpとの関係は、空気中において、λp−2nm≦λM<λpを満たすことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a wavelength-swept semiconductor laser device according to an aspect of the present invention includes an active layer to which a current whose DC component changes over time, a cladding layer sandwiching the active layer, and the active layer A diffraction grating layer on which the laser beam generated in the laser beam is incident, the wavelength λM of the laser beam selected based on the grating width of the diffraction grating layer, and the peak wavelength λp of the laser beam generated in the active layer The relationship is characterized by satisfying λp−2 nm ≦ λM <λp in air.
半導体レーザ素子の基本構造は、活性層をクラッド層で挟む構造を有しており、クラッド層を介して活性層に注入されたキャリアが再結合して発光し、この発光が誘導放出と共振により増幅され、レーザ光が外部に出力される。活性層内で発生したレーザ光は、回折格子層に入射する。回折格子層は、格子幅の2倍の波長の光を強めあって選択的に増幅するため、選択された単一の波長成分のレーザ光が増幅され、外部に出力される。 The basic structure of a semiconductor laser device has a structure in which an active layer is sandwiched between clad layers. Carriers injected into the active layer through the clad layer recombine to emit light, and this light emission is caused by stimulated emission and resonance. Amplified and laser light is output to the outside. Laser light generated in the active layer enters the diffraction grating layer. The diffraction grating layer intensifies and selectively amplifies light having a wavelength twice that of the grating width, so that laser light having a selected single wavelength component is amplified and output to the outside.
一方、活性層において固有に発生するレーザ光の波長は、活性層のエネルギーバンドギャップに基づいて決定される。活性層における単純な共振器構造に起因して発光を行う場合には、活性層内のレーザ光には、ファブリペロー型レーザとして機能した場合に発生する成分が含まれており、活性層の固有の波長の他に、この波長を中心のピーク波長として、その他にも、複数の波長の成分が含まれている。 On the other hand, the wavelength of the laser beam generated uniquely in the active layer is determined based on the energy band gap of the active layer. When light is emitted due to a simple resonator structure in the active layer, the laser light in the active layer contains components that are generated when it functions as a Fabry-Perot laser. In addition to these wavelengths, a component having a plurality of wavelengths is included in addition to this wavelength as a central peak wavelength.
これらの複数の波長成分は、ガス濃度測定においては、ノイズとなるものであり、低減されることが好ましい。本発明では、回折格子層により規定される波長を、活性層におけるレーザ光の発振のピーク波長よりも小さく設定している。この場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光の複数の波長成分が抑制され、回折格子層によって規定された単一の波長成分が支配的になる傾向がある。この単一の波長成分は、活性層に供給される電流の直流成分の変化に伴って精密に掃引することができる。 These plural wavelength components are noises in the gas concentration measurement and are preferably reduced. In the present invention, the wavelength defined by the diffraction grating layer is set smaller than the peak wavelength of laser light oscillation in the active layer. In this case, a plurality of wavelength components of laser light generated as a Fabry-Perot laser is suppressed, and a single wavelength component defined by the diffraction grating layer tends to be dominant. This single wavelength component can be swept precisely as the direct current component of the current supplied to the active layer changes.
この構造の波長掃引型半導体レーザ素子は、単独で波長掃引ができるため、従来の高調波発生器を用いた製品と比較して小型であり、単一の波長成分を精密に掃引することができるため、これをガス濃度測定装置に用いた場合には、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。 Since the wavelength-swept semiconductor laser device having this structure can be swept independently, it is smaller than a product using a conventional harmonic generator and can precisely sweep a single wavelength component. Therefore, when this is used in a gas concentration measuring device, the detection accuracy of the gas concentration can be improved.
なお、上述のように、前記回折格子層の規定する波長は、前記活性層における発振のピーク波長よりも小さい場合には、回折格子層に起因する単一の波長成分で発振する可能性があるが、小さすぎる場合には、回折格子層による選択波長成分の強調が行われず、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率が増加する場合がある。そこで、本発明の態様では、前記回折格子層の規定する波長は、空気中において、前記活性層における発振のピーク波長よりも2nm以下だけ、小さく設定しており、λp−2nm≦λM<λpを満たしている。 As described above, when the wavelength specified by the diffraction grating layer is smaller than the peak wavelength of oscillation in the active layer, there is a possibility of oscillation with a single wavelength component due to the diffraction grating layer. However, if it is too small, the selected wavelength component is not emphasized by the diffraction grating layer, and the ratio of the laser light component generated as a Fabry-Perot laser may increase. Therefore, in the aspect of the present invention, the wavelength specified by the diffraction grating layer is set to be smaller than the peak wavelength of oscillation in the active layer by 2 nm or less in air, and λp−2 nm ≦ λM <λp is set. Satisfies.
この場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率を抑制することができ、安定した単一の波長で波長掃引を行うことができる。 In this case, the ratio of laser light components generated as a Fabry-Perot laser can be suppressed, and wavelength sweeping can be performed at a single stable wavelength.
また、本発明の態様に係るガス濃度測定装置は、上述の波長掃引型半導体レーザ素子と、前記波長掃引型半導体レーザ素子に、経時的に直流成分が変化する電流を供給する駆動回路と、前記波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子と、前記光検出素子の出力に基づいて、前記ガスの濃度を出力する制御装置とを備えることを特徴とする。 A gas concentration measuring apparatus according to an aspect of the present invention includes the above-described wavelength sweep type semiconductor laser element, a drive circuit that supplies a current whose DC component changes over time to the wavelength sweep type semiconductor laser element, A photodetection element that detects laser light output from a wavelength-swept semiconductor laser element via a gas to be measured, and a control device that outputs the concentration of the gas based on the output of the photodetection element It is characterized by providing.
駆動回路は、経時的に直流成分が変化する電流を、波長掃引型半導体レーザ素子に供給する。電流の直流成分が増加すると、波長掃引型半導体レーザ素子の温度が上昇する。一般に、半導体のエネルギーバンドギャップは温度を上昇すると小さくなる。エネルギーバンドギャップEgと、Egに対応する波長λとの間には、λ=1240/Egという関係があるので、Egが小さくなると、波長λは長くなる。また、回折格子層の回折格子幅は、温度上昇に伴って、大きくなるため、回折格子層により、選択される波長も大きくなる。したがって、駆動回路から活性層に供給される電流の直流成分を増加させると、レーザ光の波長を増加させることができ、波長掃引を行うことができる。 The drive circuit supplies a current whose DC component changes over time to the wavelength-swept semiconductor laser element. When the direct current component of the current increases, the temperature of the wavelength-swept semiconductor laser element increases. In general, the energy band gap of a semiconductor decreases with increasing temperature. Since there is a relationship of λ = 1240 / Eg between the energy band gap Eg and the wavelength λ corresponding to Eg, the wavelength λ becomes longer as Eg becomes smaller. In addition, since the diffraction grating width of the diffraction grating layer increases as the temperature rises, the wavelength selected by the diffraction grating layer also increases. Therefore, when the direct current component of the current supplied from the drive circuit to the active layer is increased, the wavelength of the laser light can be increased and wavelength sweeping can be performed.
波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光が、測定対象のガスを通過する場合、ガス固有の波長成分が、このガスにより吸収される。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度に比例するため、ガスの透過光を光検出素子で検出する。単一波長を、時間に対して直線的に掃引できれば、ガスの濃度を精密に測定することができる。制御装置は、光検出素子の出力に基づいて、ガスの濃度を演算して出力するので、ガスの濃度を精密に求めることができる。 When the laser light output from the wavelength sweep type semiconductor laser element passes through the gas to be measured, the wavelength component specific to the gas is absorbed by this gas. Since the absorbance of the laser light is proportional to the gas concentration, the transmitted light of the gas is detected by the light detection element. If a single wavelength can be swept linearly with respect to time, the concentration of gas can be accurately measured. Since the control device calculates and outputs the gas concentration based on the output of the light detection element, the gas concentration can be accurately obtained.
本発明の波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置によれば、小型で、且つ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。 According to the wavelength sweep type semiconductor laser device and the gas concentration measuring apparatus of the present invention, it is small and the accuracy of detecting the gas concentration can be improved.
以下、実施の形態に係る波長掃引型半導体レーザ素子及びガス濃度測定装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は、省略する。 Hereinafter, the wavelength sweep type semiconductor laser device and the gas concentration measuring apparatus according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、ガス濃度測定装置のブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of a gas concentration measuring apparatus.
燃焼炉や反応炉を有する工場などにおいては、煙突からガスGが放出されている。このようなガスGの各成分の濃度を測定することができれば、測定されたガス濃度に基づいて、工場の稼働条件を調整し、清浄な外気環境を維持することができる。本実施形態のガス濃度測定装置は、このような用途に用いられるが、これに限定されるものではない。 In a factory having a combustion furnace or a reaction furnace, the gas G is released from the chimney. If the concentration of each component of such a gas G can be measured, the operating conditions of the factory can be adjusted based on the measured gas concentration, and a clean outside air environment can be maintained. Although the gas concentration measuring apparatus of this embodiment is used for such a use, it is not limited to this.
このガス濃度測定装置は、波長掃引型半導体レーザ素子1と、波長掃引型半導体レーザ素子1に、経時的に直流成分が変化する電流を供給する駆動回路5と、波長掃引型半導体レーザ素子1から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子2と、光検出素子2の出力に基づいて、ガスの濃度を出力する制御装置4とを備えている。 This gas concentration measuring apparatus includes a wavelength sweep type semiconductor laser element 1, a drive circuit 5 that supplies a current whose DC component changes over time to the wavelength sweep type semiconductor laser element 1, and the wavelength sweep type semiconductor laser element 1. A light detection element 2 that detects the output laser light via a gas to be measured, and a control device 4 that outputs the gas concentration based on the output of the light detection element 2 are provided.
波長掃引型半導体レーザ素子1から出力されたレーザ光は、煙突などのガス通路の壁面に設けられた一方の窓9を介して、ガス通路内に入射し、ガス中を進行して、別の窓9から出力され、光検出素子2に入射する。光検出素子2は、好適にはフォトダイオードであるが、入射したレーザ光に感応して電気信号を出力する素子であれば、フォトダイオード以外のものを採用することができる。例えば、光電子増倍管、CCDイメージセンサ、MOS型イメージセンサ、又は、入射光強度に応じて抵抗値が変化する光導電素子などを採用することが可能である。 The laser light output from the wavelength sweeping type semiconductor laser device 1 enters the gas passage through one window 9 provided on the wall surface of the gas passage such as a chimney, travels in the gas, The light is output from the window 9 and enters the light detection element 2. The light detection element 2 is preferably a photodiode, but any element other than a photodiode may be employed as long as it is an element that outputs an electrical signal in response to incident laser light. For example, it is possible to employ a photomultiplier tube, a CCD image sensor, a MOS image sensor, or a photoconductive element whose resistance value changes according to the incident light intensity.
光検出素子2の出力は、ロックインアンプ3に入力され、ノイズが低減された状態で増幅され、制御装置4に入力される。制御装置4は、コンピュータなどであり、入力装置7から指示された命令にしたがって、内部のプログラムが動作し、これに接続された外部機器に制御信号を出力する。光検出素子2の出力は、これに直接的にオシロスコープなどの表示装置を接続することにより、モニターすることができるが、本例では、光検出素子2からの出力は、制御装置4に入力することとし、ガス吸収スペクトルを求める。 The output of the light detection element 2 is input to the lock-in amplifier 3, amplified in a state where noise is reduced, and input to the control device 4. The control device 4 is a computer or the like, and an internal program operates in accordance with a command instructed from the input device 7 and outputs a control signal to an external device connected thereto. The output of the light detection element 2 can be monitored by directly connecting a display device such as an oscilloscope to this, but in this example, the output from the light detection element 2 is input to the control device 4. The gas absorption spectrum is obtained.
波長掃引型半導体レーザ素子1は、波長掃引をしているので、制御装置4内の記憶装置には、レーザ光の波長と光検出素子2の出力との関係が対応づけて格納されることになる。光検出素子2の出力は、同一のレーザ光強度に対しては、ガスの濃度が高いほど、低下するため、吸光度を間接的に示している。制御装置4は、吸光度から、ガスの濃度を演算し、表示装置8に入力する。表示装置8は、特定されたガスの濃度などを表示する。 Since the wavelength sweep type semiconductor laser element 1 performs wavelength sweep, the storage device in the control device 4 stores the relationship between the wavelength of the laser beam and the output of the light detection element 2 in association with each other. Become. Since the output of the light detection element 2 decreases as the gas concentration increases with respect to the same laser light intensity, the absorbance is indirectly indicated. The control device 4 calculates the gas concentration from the absorbance and inputs it to the display device 8. The display device 8 displays the specified gas concentration and the like.
波長掃引型半導体レーザ素子1から出力されたレーザ光が、測定対象のガスGを通過する場合、ガス固有の波長成分が、このガスにより吸収される。レーザ光の吸光度は、ガスの濃度に比例するため、ガスGの透過光を光検出素子2で検出している。ここで、単一波長を、時間に対して直線的に掃引できれば、ガスGの濃度を精密に測定することができる。制御装置4は、光検出素子2の出力に基づいて、ガスの濃度を演算して出力するので、ガスの濃度を精密に求めることができる。レーザ光の吸光度は、ガスGの濃度と光路長に比例するため(ランベルト・ベールの法則)、測定対象のガスGの光吸収波長における吸光度が分かれば、ガス濃度を求めることができる。制御装置4は、吸光度とガス濃度との相関関係を記憶しているので、ガス濃度を求めて、表示装置8に出力することができる。 When the laser light output from the wavelength-swept semiconductor laser element 1 passes through the gas G to be measured, the wavelength component specific to the gas is absorbed by this gas. Since the absorbance of the laser light is proportional to the gas concentration, the light detection element 2 detects the transmitted light of the gas G. Here, if the single wavelength can be swept linearly with respect to time, the concentration of the gas G can be accurately measured. Since the control device 4 calculates and outputs the gas concentration based on the output of the light detection element 2, the gas concentration can be determined accurately. Since the absorbance of the laser beam is proportional to the concentration of the gas G and the optical path length (Lambert-Beer law), the gas concentration can be obtained if the absorbance at the light absorption wavelength of the gas G to be measured is known. Since the control device 4 stores the correlation between the absorbance and the gas concentration, the control device 4 can obtain the gas concentration and output it to the display device 8.
なお、特定のガスの濃度C、レーザ光の光路長L1(波長掃引型半導体レーザ素子1から光検出素子2までの光路長)、特定のガスの吸収係数α、光検出素子2の出力強度PPD、波長掃引型半導体レーザ素子1から出力されるレーザ光の強度PLDは、以下の関係式を満たしている。なお、特定のガスとしては、酸素がよく計測に用いられる。 It should be noted that the concentration C of the specific gas, the optical path length L1 of the laser beam (the optical path length from the wavelength sweep type semiconductor laser element 1 to the photodetection element 2), the absorption coefficient α of the specific gas, and the output intensity P of the photodetection element 2 PD , the intensity P LD of the laser beam output from the wavelength sweep type semiconductor laser element 1 satisfies the following relational expression. As a specific gas, oxygen is often used for measurement.
C=−(1/αL1)×ln(PPD/PLD) C = − (1 / αL1) × ln (P PD / P LD )
なお、制御装置4は、ファンクションジェネレータを含むことができる。ファンクションジェネレータは、任意の周波数と波形を持った交流電圧信号を生成することができる。ファンクションジェネレータの周波数と波形は、入力装置7によって設定することができる。 The control device 4 can include a function generator. The function generator can generate an AC voltage signal having an arbitrary frequency and waveform. The frequency and waveform of the function generator can be set by the input device 7.
駆動回路5は、制御装置4からの制御信号に基づいて、波長掃引型半導体レーザ素子1の駆動電流を生成する。ファンクションジェネレータの出力に同期した駆動電流としてもよい。駆動回路5は、経時的に直流成分が変化する電流を、波長掃引型半導体レーザ素子1に供給する。駆動電流としては、高周波のパルス電流であって、その直流成分が時間と共に増加する場合や、時間と共に増加する直流電流の場合がある。 The drive circuit 5 generates a drive current for the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 based on a control signal from the control device 4. The drive current may be synchronized with the output of the function generator. The drive circuit 5 supplies a current whose DC component changes with time to the wavelength-swept semiconductor laser element 1. The drive current is a high-frequency pulse current, and the direct current component may increase with time or the direct current may increase with time.
駆動電流の直流成分が増加すると、波長掃引型半導体レーザ素子1の温度が上昇する。一般に、半導体のエネルギーバンドギャップは温度を上昇すると小さくなる。エネルギーバンドギャップEgと、Egに対応する波長λとの間には、λ=1240/Egという関係があるので、Egが小さくなると、レーザ光の波長λは長くなる。また、波長掃引型半導体レーザ素子1の回折格子層の回折格子幅は、温度上昇に伴って、大きくなるため、回折格子層により、選択される波長も大きくなる。したがって、駆動回路5から、波長掃引型半導体レーザ素子1の活性層に供給される電流の直流成分を増加させると、レーザ光の波長を増加させることができ、波長掃引を行うことができる。 When the direct current component of the drive current increases, the temperature of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 rises. In general, the energy band gap of a semiconductor decreases with increasing temperature. Since there is a relationship of λ = 1240 / Eg between the energy band gap Eg and the wavelength λ corresponding to Eg, the wavelength λ of the laser light increases as Eg decreases. Further, since the diffraction grating width of the diffraction grating layer of the wavelength-swept semiconductor laser device 1 increases as the temperature rises, the wavelength selected by the diffraction grating layer also increases. Therefore, when the direct current component of the current supplied from the drive circuit 5 to the active layer of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 is increased, the wavelength of the laser beam can be increased and the wavelength sweep can be performed.
なお、波長掃引型半導体レーザ素子1には、温度制御装置6が設けられている。温度制御装置6は、ペルチェ素子やヒートシンクなどであり、制御装置4からの指令に基づいて、温度制御を行うことができるが、駆動電流の増加による急激な温度上昇制御を行うわけではなく、波長掃引型半導体レーザ素子1の動作を安定させるための時間的変化が緩い温度制御を行う。 The wavelength sweep type semiconductor laser device 1 is provided with a temperature control device 6. The temperature control device 6 is a Peltier element, a heat sink, or the like, and can perform temperature control based on a command from the control device 4, but does not perform rapid temperature increase control due to an increase in drive current. The temperature control is performed so that the temporal change for stabilizing the operation of the sweep type semiconductor laser device 1 is gentle.
図2は、波長掃引型半導体レーザ素子1の正面図、図3は、図2に示した波長掃引型半導体レーザ素子1のIII−III矢印に沿った断面構成を示す図である。 FIG. 2 is a front view of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1, and FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the III-III arrow of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 shown in FIG.
波長掃引型半導体レーザ素子1は、支持基板10上に、バッファ層11、第1クラッド層12、第1光ガイド層13、活性層14、第2光ガイド層15、第2クラッド層16、第1エッチングストップ層17、第2エッチングストップ層18、第3クラッド層19、回折格子層20、第4クラッド層21及びコンタクト層22を順次積層してなる。 The wavelength sweeping type semiconductor laser device 1 includes a buffer layer 11, a first cladding layer 12, a first light guide layer 13, an active layer 14, a second light guide layer 15, a second cladding layer 16, and a first layer on a support substrate 10. The first etching stop layer 17, the second etching stop layer 18, the third cladding layer 19, the diffraction grating layer 20, the fourth cladding layer 21, and the contact layer 22 are sequentially stacked.
第1エッチングストップ層17よりも上部の領域は、凸部が形成されるようにエッチングされており(凸部の幅W=4μm)、リッジ型半導体レーザ素子が形成されている。第1エッチングストップ層17及び凸部の側面には、絶縁膜23が形成されており、絶縁膜23上には上部電極層24が形成され、上部電極層24はコンタクト層22に接触している。支持基板10の裏面には、裏面側コンタクト層及び/又は裏面電極層25が形成されている。 The region above the first etching stop layer 17 is etched so that a convex portion is formed (the width W of the convex portion is 4 μm), and a ridge type semiconductor laser element is formed. An insulating film 23 is formed on the first etching stop layer 17 and the side surfaces of the protrusions. An upper electrode layer 24 is formed on the insulating film 23, and the upper electrode layer 24 is in contact with the contact layer 22. . A back contact layer and / or a back electrode layer 25 is formed on the back surface of the support substrate 10.
上部電極層24と裏面電極層との間に電流を流すと、活性層14において、正孔・電子の再結合が生じ、活性層14が発光する。本例の活性層14は、多重量子井戸構造を有しており、第1井戸層14a、バリア層14b、第2井戸層14cを順次積層してなる。活性層14において生じた光は、回折格子層20にも到達し、回折格子層20の回折格子幅に応じた特定波長のレーザ光が選択的に増幅される。したがって、活性層14においては、最終的には、回折格子層20において選択された波長のレーザ光が、YZ端面から出力される。 When a current is passed between the upper electrode layer 24 and the back electrode layer, hole-electron recombination occurs in the active layer 14 and the active layer 14 emits light. The active layer 14 of this example has a multiple quantum well structure, and is formed by sequentially laminating a first well layer 14a, a barrier layer 14b, and a second well layer 14c. The light generated in the active layer 14 also reaches the diffraction grating layer 20, and laser light having a specific wavelength corresponding to the diffraction grating width of the diffraction grating layer 20 is selectively amplified. Therefore, in the active layer 14, the laser beam having the wavelength selected in the diffraction grating layer 20 is finally output from the YZ end face.
回折格子層20のX軸方向に沿った間隔(格子幅)はΛdとし、整数をmとすると(図3参照)、波長掃引型半導体レーザ素子1の内部では、2×Λdのm倍もしくはm分の1の波長のレーザ光が増幅される。次数mが1の波長が規定される波長にm倍する波長に合わせられた回折格子をm次回折格子と呼ぶ。波長掃引型半導体レーザ素子1の外部では、活性層14の実効的な屈折率をneffとすると、λM=2×Λd×neff/mのレーザ光が出射される。 When the interval (grating width) along the X-axis direction of the diffraction grating layer 20 is Λd and the integer is m (see FIG. 3), m × 2 × Λd or m in the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 The laser light having a wavelength of 1 / is amplified. A diffraction grating that is adjusted to a wavelength that is multiplied by m to a wavelength in which the order m is 1 is called an m-th order diffraction grating. Outside the wavelength-swept semiconductor laser device 1, assuming that the effective refractive index of the active layer 14 is neff, a laser beam of λM = 2 × Λd × neff / m is emitted.
以上のように、波長掃引型半導体レーザ素子1の基本構造は、経時的に直流成分が変化する電流が与えられる活性層14と、活性層14を挟むクラッド層12.16と、活性層14において発生したレーザ光が入射する回折格子層20とを備えている。 As described above, the basic structure of the wavelength-swept semiconductor laser device 1 includes the active layer 14 to which a current whose DC component changes over time, the clad layer 12.16 sandwiching the active layer 14, and the active layer 14. And a diffraction grating layer 20 on which the generated laser light is incident.
半導体レーザ素子の基本構造は、活性層14をクラッド層12,16で挟む構造を有しており、クラッド層12,16を介して活性層14に注入されたキャリアが再結合して発光し、この発光が誘導放出と共振により増幅され(共振長L=1000μm)、レーザ光が外部に出力される。活性層14内で発生したレーザ光は、回折格子層20に入射する。回折格子層20は、格子幅Λdの2×neff/m倍の波長の光を強めあって選択的に増幅するため、選択された単一の波長成分のレーザ光が増幅され、外部に出力される。 The basic structure of the semiconductor laser element has a structure in which the active layer 14 is sandwiched between the clad layers 12 and 16, and carriers injected into the active layer 14 through the clad layers 12 and 16 recombine to emit light, This light emission is amplified by stimulated emission and resonance (resonance length L = 1000 μm), and laser light is output to the outside. Laser light generated in the active layer 14 enters the diffraction grating layer 20. Since the diffraction grating layer 20 selectively amplifies the light having a wavelength 2 × neff / m times the grating width Λd, the laser light having the selected single wavelength component is amplified and output to the outside. The
ここで、回折格子層20の格子幅Λdに基づいて選択されるレーザ光の波長λMと、活性層14において発生するレーザ光のピーク波長λpとの関係は、空気中において、λp−2nm≦λM<λpを満たしている。 Here, the relationship between the wavelength λM of the laser beam selected based on the grating width Λd of the diffraction grating layer 20 and the peak wavelength λp of the laser beam generated in the active layer 14 is λp−2 nm ≦ λM in the air. <Λp is satisfied.
図4は、活性層において発生するレーザ光の波長と利得の関係を示すグラフである。各層の構造は、適宜、図2及び図3を参照する。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wavelength of laser light generated in the active layer and the gain. For the structure of each layer, refer to FIGS. 2 and 3 as appropriate.
活性層14において固有に発生するレーザ光の波長は、活性層14のエネルギーバンドギャップに基づいて決定される。活性層14における単純な共振器構造に起因して発光を行う場合には、活性層14内のレーザ光には、ファブリペロー型レーザとして機能した場合に発生する成分が含まれており、活性層14の固有の波長の他に、この波長を中心のピーク波長として、その他にも、複数の波長の成分が含まれている。 The wavelength of the laser beam generated uniquely in the active layer 14 is determined based on the energy band gap of the active layer 14. When light is emitted due to a simple resonator structure in the active layer 14, the laser light in the active layer 14 includes a component that is generated when it functions as a Fabry-Perot laser. In addition to the 14 unique wavelengths, a component having a plurality of wavelengths is included in addition to this wavelength as a central peak wavelength.
これらの複数の波長成分は、ガス濃度測定においては、ノイズとなるものであり、低減されることが好ましい。この実施形態では、回折格子層20により規定される波長λMを、活性層14におけるレーザ光の発振のピーク波長λpよりも小さく設定している。 These plural wavelength components are noises in the gas concentration measurement and are preferably reduced. In this embodiment, the wavelength λM defined by the diffraction grating layer 20 is set to be smaller than the peak wavelength λp of laser light oscillation in the active layer 14.
回折格子層20により規定される波長λHが、活性層14におけるレーザ光の発振のピーク波長λp以上の場合、ファブリペロー型レーザとして複数の波長成分を有するレーザ光が発生する。一方、回折格子層20により規定される波長がλMの場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光の複数の波長成分が抑制され、回折格子層20によって規定された単一の波長成分λMが支配的になる傾向がある。この単一の波長成分は、活性層14に供給される電流の直流成分の変化に伴って精密に掃引することができる。 When the wavelength λH defined by the diffraction grating layer 20 is equal to or greater than the peak wavelength λp of the laser light oscillation in the active layer 14, laser light having a plurality of wavelength components is generated as a Fabry-Perot laser. On the other hand, when the wavelength defined by the diffraction grating layer 20 is λM, a plurality of wavelength components of the laser light generated as a Fabry-Perot laser is suppressed, and the single wavelength component λM defined by the diffraction grating layer 20 dominates. Tend to be. This single wavelength component can be swept precisely as the direct current component of the current supplied to the active layer 14 changes.
この構造の波長掃引型半導体レーザ素子1は、単独で波長掃引ができるため、従来の高調波発生器を用いた製品と比較して小型であり、単一の波長成分を精密に掃引することができるため、これをガス濃度測定装置に用いた場合には、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。 Since the wavelength-swept semiconductor laser device 1 having this structure can be swept independently, it is smaller than a product using a conventional harmonic generator and can accurately sweep a single wavelength component. Therefore, when this is used for a gas concentration measuring device, the detection accuracy of the gas concentration can be improved.
なお、回折格子層20の規定する波長λMは、活性層14における発振のピーク波長λpよりも小さい場合には、回折格子層20に起因する単一の波長成分で発振する可能性があるが、小さすぎる場合(回折格子層20の規定する波長がλLの場合)には、回折格子層20による選択波長成分の強調が行われず、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率が増加する場合がある。そこで、回折格子層20の規定する波長λMは、空気中において、活性層14における発振のピーク波長λpよりも2nm以下だけ、小さく設定しており、λp−2nm≦λM<λpを満たしている。すなわち、図4におけるΔλ=2nmである。 When the wavelength λM defined by the diffraction grating layer 20 is smaller than the oscillation peak wavelength λp in the active layer 14, there is a possibility of oscillation with a single wavelength component due to the diffraction grating layer 20, When it is too small (when the wavelength specified by the diffraction grating layer 20 is λL), the selected wavelength component is not emphasized by the diffraction grating layer 20 and the ratio of the laser light component generated as a Fabry-Perot laser increases. There is. Therefore, the wavelength λM defined by the diffraction grating layer 20 is set to be 2 nm or less smaller than the oscillation peak wavelength λp in the active layer 14 in the air, and satisfies λp−2 nm ≦ λM <λp. That is, Δλ = 2 nm in FIG.
この場合、ファブリペロー型レーザとして発生するレーザ光成分の比率を抑制することができ、安定した単一の波長で波長掃引を行うことができる。 In this case, the ratio of laser light components generated as a Fabry-Perot laser can be suppressed, and wavelength sweeping can be performed at a single stable wavelength.
なお、上記の各層の材料/厚みは、以下の通りである。なお、厚みと組成は、±10%の誤差がある場合でも、同様の効果を奏することができる。
・支持基板10:N型GaAs
・バッファ層11:N型GaAs(Siドープ)/1.0μm
・第1クラッド層12:N型AlGaAs(Siドープ)/2.0μm
・第1光ガイド層13:P型AlGaAs(Al組成38%:ノンドープ)/60nm
・第1井戸層14a:P型AlGaAs(Al組成20%:ノンドープ)/9nm
・バリア層14b:P型AlGaAs(Al組成38%:ノンドープ)/9nm
・第2井戸層14c:P型AlGaAs(Al組成20%:ノンドープ)/9nm
・第2光ガイド層15:P型AlGaAs(Al組成38%:ノンドープ)/60nm
・第2クラッド層16:P型AlGaAs(Al組成48%:Znドープ)/70nm
・第1エッチングストップ層17:P型AlGaAs(Al組成70%:Znドープ)/20nm
・第2エッチングストップ層18:P型AlGaAs(Al組成70%から48%になるように上部に向かって傾斜:Znドープ)/50nm
・第3クラッド層19:P型AlGaAs(Al組成48%:Znドープ)/140nm
・回折格子層20:P型AlGaAs(Al組成30%:Znドープ)/50nm
・第4クラッド層21:P型AlGaAs(Al組成48%:Znドープ)/1.2μm
・コンタクト層22:P型GaAs(Znドープ)/0.2μm
・絶縁膜23:SiNxからなるが、他の絶縁材料も用いることができる。
・上部電極層24:AuGeなどを用いることができるが、他の絶縁材料も用いることができる。裏面電極層も同一又はAg等の類似の材料から構成することができる。
The material / thickness of each of the above layers is as follows. Note that the same effect can be achieved with respect to thickness and composition even when there is an error of ± 10%.
Support substrate 10: N-type GaAs
Buffer layer 11: N-type GaAs (Si doped) /1.0 μm
First clad layer 12: N-type AlGaAs (Si doped) /2.0 μm
First light guide layer 13: P-type AlGaAs (Al composition 38%: non-doped) / 60 nm
First well layer 14a: P-type AlGaAs (Al composition 20%: non-doped) / 9 nm
Barrier layer 14b: P-type AlGaAs (Al composition 38%: non-doped) / 9 nm
Second well layer 14c: P-type AlGaAs (Al composition 20%: non-doped) / 9 nm
Second light guide layer 15: P-type AlGaAs (Al composition 38%: non-doped) / 60 nm
Second clad layer 16: P-type AlGaAs (Al composition 48%: Zn doped) / 70 nm
First etching stop layer 17: P-type AlGaAs (Al composition 70%: Zn doped) / 20 nm
Second etching stop layer 18: P-type AlGaAs (inclined toward the top so that the Al composition becomes 70% to 48%: Zn doped) / 50 nm
Third cladding layer 19: P-type AlGaAs (Al composition 48%: Zn doped) / 140 nm
Diffraction grating layer 20: P-type AlGaAs (Al composition 30%: Zn doped) / 50 nm
Fourth cladding layer 21: P-type AlGaAs (Al composition 48%: Zn doped) /1.2 μm
Contact layer 22: P-type GaAs (Zn doped) /0.2 μm
Insulating film 23: made of SiNx, but other insulating materials can also be used.
Upper electrode layer 24: AuGe or the like can be used, but other insulating materials can also be used. The back electrode layer can also be composed of the same or similar material such as Ag.
なお、これらの化合物半導体層の不純物濃度に関して、N型の場合に添加されるSiの濃度は各層において1×1018/cm3であり、P型の場合に添加されるZnの濃度は各層において1×1018/cm3であり、これらの不純物濃度は±30%の誤差がある場合でも、同様の効果を奏することができる。また、P型とN型の導電型を入れ替えても、レーザ素子は動作する。 Regarding the impurity concentration of these compound semiconductor layers, the concentration of Si added in the case of N type is 1 × 10 18 / cm 3 in each layer, and the concentration of Zn added in the case of P type is in each layer. The impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3 , and the same effect can be obtained even when these impurity concentrations have an error of ± 30%. Further, even if the P-type and N-type conductivity types are switched, the laser element operates.
図5は、実施例(回折格子層における選択波長=λM)における、レーザ素子に供給される電流If[mA]と、光検出素子の出力強度Po[mW]及び出力強度微分値SE[W/A]の関係を示すグラフである。ガスが導入されていない場合には、これらの値は、レーザ光の出力強度と出力強度微分値と同じである。 FIG. 5 shows the current If [mA] supplied to the laser element, the output intensity Po [mW] and the output intensity differential value SE [W / W] supplied to the laser element in the example (selected wavelength in the diffraction grating layer = λM). It is a graph which shows the relationship of A]. When no gas is introduced, these values are the same as the output intensity and output intensity differential value of the laser beam.
実施例は、回折格子層20における選択波長として、λpよりも小さなλMを採用したものである(図4参照)。具体的には、λp=760.6nm、λM=759.2nmである。 In the embodiment, λM smaller than λp is adopted as the selection wavelength in the diffraction grating layer 20 (see FIG. 4). Specifically, λp = 760.6 nm and λM = 759.2 nm.
電流Ifの増加に伴って、波長掃引型半導体レーザ素子1の温度は上昇する。電流Ifに対して、出力強度が直線的に増加することが好ましい。すなわち、出力強度微分値SEは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値であることが望ましい。図5に示す例では、出力強度微分値SEは一定に近い状態になっている。温度が15℃から35℃の範囲内において、レーザ光立ち上がり後のSEの変動幅は15℃で0.73W/Aから0.74W/A、35℃で0.62W/Aから0.64W/Aであった。 As the current If increases, the temperature of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 rises. It is preferable that the output intensity increases linearly with respect to the current If. That is, the output intensity differential value SE is desirably a constant value after the rise of the laser beam. In the example shown in FIG. 5, the output intensity differential value SE is almost constant. Within the temperature range of 15 ° C. to 35 ° C., the fluctuation range of SE after rising of the laser beam is 0.73 W / A to 0.74 W / A at 15 ° C., and 0.62 W / A to 0.64 W / A at 35 ° C. A.
また、λM=766.2nm、ちょうどλp−2nmの波長差になるデバイスにおいても、ノイズを除いて、出力強度微分値SEの変動幅は、それぞれ、15℃で0.65W/Aから0.76W/A、35℃で0.50W/Aから0.60W/Aとなる結果が得られた。 Further, even in a device having a wavelength difference of λM = 766.2 nm, which is exactly λp−2 nm, the fluctuation range of the output intensity differential value SE excluding noise is 0.65 W / A to 0.76 W at 15 ° C., respectively. / A at 35 ° C. was obtained from 0.50 W / A to 0.60 W / A.
図6は、実施例において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル(波長[nm]と強度[dBm]の関係)を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing a laser light spectrum (relationship between wavelength [nm] and intensity [dBm]) when the temperature is changed in the example.
温度の上昇に伴って、レーザ光スペクトルのピーク波長が大きくなっていることがわかる。このように、電流増加に伴う温度上昇により、レーザ光の波長を掃引することができる。具体的には、15.0℃、20.2℃、25.2℃、29.9℃、25.3℃、40.3℃と温度が上昇すると、波長は758.62nm、758.94nm、759.18nm、759.44nm、759.78nm、760.14nmになる。また、ピーク位置に対して、波長の分布が対称である。 It can be seen that the peak wavelength of the laser light spectrum increases as the temperature rises. Thus, the wavelength of the laser beam can be swept by the temperature rise accompanying the increase in current. Specifically, when the temperature rises to 15.0 ° C., 20.2 ° C., 25.2 ° C., 29.9 ° C., 25.3 ° C., 40.3 ° C., the wavelengths are 758.62 nm, 758.94 nm, 759.18 nm, 759.44 nm, 759.78 nm, and 760.14 nm. The wavelength distribution is symmetric with respect to the peak position.
図7は、比較例1における、レーザ素子に供給される電流If[mA]及び変動電流Imと、光検出素子の出力強度Po[mW]、出力強度微分値SE[W/A]、電圧Vf[V]及び抵抗Rd[Ω]の関係を示すグラフである。 FIG. 7 shows the current If [mA] and the fluctuation current Im supplied to the laser element, the output intensity Po [mW], the output intensity differential value SE [W / A], and the voltage Vf supplied to the laser element in Comparative Example 1. It is a graph which shows the relationship between [V] and resistance Rd [Ω].
比較例1は、回折格子層20における選択波長として、λpよりも大きなλHを採用したものである(図4参照)。具体的には、λp=755.6nm、λH=758.5nmである。 In Comparative Example 1, λH larger than λp is adopted as the selection wavelength in the diffraction grating layer 20 (see FIG. 4). Specifically, λp = 755.6 nm and λH = 758.5 nm.
出力強度微分値SEは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値を保持できていない。また、電圧Vf[V]及び抵抗Rd[Ω]は、それぞれ1.68V、1.6Ωを示しており、グラフからは波長パラメータ変化に対応する電圧、抵抗値の変化はないということが分かる。 The output intensity differential value SE cannot hold a constant value after the rise of the laser beam. Further, the voltage Vf [V] and the resistance Rd [Ω] indicate 1.68 V and 1.6 Ω, respectively, and it can be seen from the graph that there is no change in the voltage and resistance value corresponding to the wavelength parameter change.
図8に示すように、λH=λpの場合、出力強度微分値SEの変動幅は、15℃で0.71W/Aから0.91W/A、35℃で0.52W/Aから0.71W/Aであった。 As shown in FIG. 8, when λH = λp, the fluctuation range of the output intensity differential value SE is 0.71 W / A to 0.91 W / A at 15 ° C., and 0.52 W / A to 0.71 W at 35 ° C. / A.
図9は、比較例1における、遠視野像(FFP)の水平方向の広がり角度[degree]と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ(同図(A))と、遠視野像(FFP)の垂直方向の広がり角度[degree]と、レーザ光の強度との関係を示すグラフ(同図(B))である。比較例1においてはガウス分布に従うレーザ光が得られた。また、実施例においても、同様の分布を有するレーザ光が得られた。 FIG. 9 is a graph (FIG. 9A) showing the relationship between the horizontal spread angle [degree] of the far-field image (FFP) and the intensity of the laser light in Comparative Example 1, and the far-field image (FFP). ) Is a graph showing the relationship between the vertical spread angle [degree] and the intensity of laser light ((B) in the figure). In Comparative Example 1, a laser beam according to a Gaussian distribution was obtained. Also in the examples, laser light having a similar distribution was obtained.
図10は、比較例1における、レーザ光スペクトル(波長[nm]と強度[dBm]の関係)を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing a laser beam spectrum (relationship between wavelength [nm] and intensity [dBm]) in Comparative Example 1.
このグラフから、比較例1においては、スペクトルにおけるEL発光の比率が高い割合であることがわかる。以上のことから、実施例は比較例1よりも、スペクトルの波長単一性の観点において優れていることが分かった。 From this graph, it can be seen that in Comparative Example 1, the ratio of EL emission in the spectrum is high. From the above, it was found that the example was superior to the comparative example 1 in terms of spectral wavelength unity.
図11は、比較例2における、レーザ素子に供給される電流If[mA]と、光検出素子の出力強度Po[mW]及び出力強度微分値SE[W/A]の関係を示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current If [mA] supplied to the laser element, the output intensity Po [mW] and the output intensity differential value SE [W / A] of the light detection element in Comparative Example 2. .
比較例2は、回折格子層20における選択波長として、λpを大きく下回るλLを採用したものである(図4参照)。具体的には、λp=763.5nm、λL=759.6nmである。 In Comparative Example 2, λL, which is significantly lower than λp, is adopted as the selected wavelength in the diffraction grating layer 20 (see FIG. 4). Specifically, λp = 763.5 nm and λL = 759.6 nm.
電流Ifの増加に伴って、波長掃引型半導体レーザ素子1の温度は上昇する。電流Ifに対して、出力強度が直線的に増加することが好ましい。すなわち、出力強度微分値SEは、レーザ光の立ち上がり後において、一定値であることが望ましいが、図11に示す例では、出力強度微分値SEは緩やかに低下している。 As the current If increases, the temperature of the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 rises. It is preferable that the output intensity increases linearly with respect to the current If. That is, the output intensity differential value SE is desirably a constant value after the rise of the laser beam, but in the example shown in FIG. 11, the output intensity differential value SE gradually decreases.
図12は、比較例2において、温度を変更した場合のレーザ光スペクトル(波長[nm]と強度[dBm]の関係)を示すグラフである。 FIG. 12 is a graph showing a laser beam spectrum (relationship between wavelength [nm] and intensity [dBm]) when the temperature is changed in Comparative Example 2.
温度の上昇に伴って、レーザ光スペクトルのピーク波長が大きくなっている。具体的には、15.0℃、20.2℃、25.2℃、30.0℃と温度が上昇すると、波長は759.02nm、759.32nm、763.52nm、765.38nmになる。このように、電流増加に伴う温度上昇により、レーザ光の波長を掃引することができるが、ピーク位置に対して、波長の分布が非対称である。この場合、酸素吸収測定の際の波長掃引が不連続になるという不具合がある。 As the temperature rises, the peak wavelength of the laser light spectrum increases. Specifically, when the temperature rises to 15.0 ° C., 20.2 ° C., 25.2 ° C., 30.0 ° C., the wavelengths become 759.02 nm, 759.32 nm, 763.52 nm, and 765.38 nm. Thus, the wavelength of the laser light can be swept by the temperature rise accompanying the increase in current, but the wavelength distribution is asymmetric with respect to the peak position. In this case, there is a problem that the wavelength sweep in the oxygen absorption measurement becomes discontinuous.
図13は、実施例における電流[mA]と、波長掃引型半導体レーザ素子1の出力(LD出力)PLD及び光検出素子2の出力(PD出力)PPD[a.u.]との関係を示すグラフである。 FIG. 13 shows the current [mA], the output (LD output) P LD of the wavelength-swept semiconductor laser device 1 and the output (PD output) P PD [a. u. It is a graph which shows the relationship with].
波長掃引型半導体レーザ素子1に供給される電流が80mAの近傍において、PD出力が低下しており、これに対応する波長付近に、ガスの吸収帯があると考えられる。 The PD output decreases when the current supplied to the wavelength sweep type semiconductor laser device 1 is in the vicinity of 80 mA, and it is considered that there is a gas absorption band in the vicinity of the corresponding wavelength.
図14は、実施例における電流[mA]と、PD出力の2次微分の値(規格化した値)との関係を示すグラフである。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the current [mA] and the secondary differential value (standardized value) of the PD output in the example.
PD出力は、80mAの近傍を中心として、左右対称となる。透過光学密度の変化量は吸光度に相当し、ガス濃度Cは当該吸光度から算出される。換算式は、C=−(1/αL1)×ln(PPD/PLD)で与えられる。図14に示されるグラフから、ガスの濃度Cを求めるには、既知の酸素濃度での測定データと測定データのバックグラウンドからの信号強度変化を照らし合わせればよい。ガスの種類は酸素であるが、これは吸収の起こる波長をガス固有の吸収波長と比較することにより、同定することができる。この測定では、TDLAS(波長可変半導体レーザ吸収分光)法を用いることができる。 The PD output is symmetrical about the vicinity of 80 mA. The amount of change in the transmission optical density corresponds to the absorbance, and the gas concentration C is calculated from the absorbance. The conversion formula is given by C = − (1 / αL1) × ln (P PD / P LD ). In order to obtain the gas concentration C from the graph shown in FIG. 14, the measurement data at a known oxygen concentration may be compared with the change in signal intensity from the background of the measurement data. The type of gas is oxygen, which can be identified by comparing the wavelength at which absorption occurs with the absorption wavelength inherent in the gas. In this measurement, a TDLAS (wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy) method can be used.
図15は、比較例における電流[mA]と、PD出力の2次微分の値(規格化した値)との関係を示すグラフである。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between the current [mA] and the second derivative value (standardized value) of the PD output in the comparative example.
PD出力は、80mAの近傍を中心として、左右非対称となる。したがって、図14に示したロジックにしたがって、精密なガスの濃度Cを求めることができない。 The PD output is asymmetrical about the vicinity of 80 mA. Therefore, the precise gas concentration C cannot be obtained according to the logic shown in FIG.
図16は、波長掃引型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。 FIG. 16 is a diagram for explaining a method of manufacturing a wavelength sweep type semiconductor laser device.
上述の波長掃引型半導体レーザ素子を製造する場合、まず、(A)に示すように、支持基板10上に、バッファ層11、第1クラッド層12、第1光ガイド層13、活性層14、第2光ガイド層15、第2クラッド層16、第1エッチングストップ層17、第2エッチングストップ層18、第3クラッド層19、及び、回折格子層20の元になる層(回折格子層と同一符号で示す)を順次積層する。各層の成長には、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いる。Al、Ga及びAsから選択される元素によって、各半導体層は形成されているので、それぞれの原材料として、TMA(トリメチルアルミニウム),TMG(トリメチルガリウム)、アルシン(AsH3)を用いることができる。GaAsの成長温度は700℃、AlGaAsの成長温度は700℃である。ドーパントのZnとSiは、それぞれ、原料として、DMZn(ジメチルジンク)、モノシラン(SiH4)を用いた。 When manufacturing the above-described wavelength-swept semiconductor laser device, first, as shown in (A), a buffer layer 11, a first cladding layer 12, a first light guide layer 13, an active layer 14, The second light guide layer 15, the second cladding layer 16, the first etching stop layer 17, the second etching stop layer 18, the third cladding layer 19, and the layer that is the source of the diffraction grating layer 20 (the same as the diffraction grating layer) Are sequentially laminated. For the growth of each layer, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) is used. Since each semiconductor layer is formed by an element selected from Al, Ga, and As, TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), and arsine (AsH 3 ) can be used as respective raw materials. The growth temperature of GaAs is 700 ° C., and the growth temperature of AlGaAs is 700 ° C. For the dopants Zn and Si, DMZn (dimethyl zinc) and monosilane (SiH 4 ) were used as raw materials, respectively.
次に、(B)に示すように回折格子層20の元になる層上にフォトレジストを塗布し、これを干渉露光法を用いて感光させ、しかる後、現像して、フォトレジストに回折格子パターンを形成する。次に、この回折格子パターンを用いて、回折格子層20の元になる層をエッチングして、回折格子層20を形成する。エッチング液は、ブロムメタノールである。 Next, as shown in (B), a photoresist is applied on the layer that is the base of the diffraction grating layer 20, and this is exposed using an interference exposure method, and then developed, and the diffraction grating is applied to the photoresist. Form a pattern. Next, the diffraction grating layer 20 is formed by etching the original layer of the diffraction grating layer 20 using this diffraction grating pattern. The etchant is bromomethanol.
しかる後、(C)に示すように、第4クラッド層21及びコンタクト層22を順次積層する。各層の成長には、上述のMOCVD法を用い、クラッド層を構成するAlGaAsの成長温度は700℃、コンタクト層を構成するGaAsの成長温度は700℃である。 Thereafter, as shown in (C), the fourth cladding layer 21 and the contact layer 22 are sequentially laminated. For the growth of each layer, the above-described MOCVD method is used, the growth temperature of AlGaAs constituting the cladding layer is 700 ° C., and the growth temperature of GaAs constituting the contact layer is 700 ° C.
以上、説明したように、上述の波長掃引型半導体レーザ素子は、回折格子層を用いた分布帰還型(DFB)レーザである。電流をランプ状に上昇させた場合、LD出力が40mW程度までキンクが起こらず電流−出力効率が一定となった。また、比較例2では、吸収曲線に出ていた歪み(図15)を解消することができ、高精度な吸収曲線(図14)を得ることができた。また、上述の素子は、酸素吸光分析用の760nmDFB−LDに適用できるが、その他の電流掃引型のDFB−LDにも適用することが可能である。 As described above, the above-described wavelength-swept semiconductor laser element is a distributed feedback (DFB) laser using a diffraction grating layer. When the current was increased in a ramp shape, kink did not occur until the LD output was about 40 mW, and the current-output efficiency was constant. Moreover, in Comparative Example 2, the distortion (FIG. 15) that appeared in the absorption curve could be eliminated, and a highly accurate absorption curve (FIG. 14) could be obtained. The above-described element can be applied to a 760 nm DFB-LD for oxygen absorption analysis, but can also be applied to other current sweep type DFB-LDs.
なお、上述の数値は、特に言及しない限り、±10%の誤差を有することができる。 The above numerical values can have an error of ± 10% unless otherwise specified.
10…支持基板、11…バッファ層、13…第1光ガイド層、14…活性層、15…第2光ガイド層、12,16…クラッド層、17…第1エッチングストップ層、18…第2エッチングストップ層、19…クラッド層、20…回折格子層、21…クラッド層(埋め込み層)、22…コンタクト層、23…絶縁膜、24…上部電極層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Buffer layer, 13 ... 1st light guide layer, 14 ... Active layer, 15 ... 2nd light guide layer, 12, 16 ... Cladding layer, 17 ... 1st etching stop layer, 18 ... 2nd Etching stop layer, 19 ... cladding layer, 20 ... diffraction grating layer, 21 ... cladding layer (buried layer), 22 ... contact layer, 23 ... insulating film, 24 ... upper electrode layer.
Claims (2)
前記活性層を挟むクラッド層と、
前記活性層において発生したレーザ光が入射する回折格子層と、
を備え、
前記回折格子層の格子幅に基づいて選択されるレーザ光の波長λMと、前記活性層において発生するレーザ光のピーク波長λpとの関係は、空気中において、λp−2nm≦λM<λpを満たすことを特徴とする波長掃引型半導体レーザ素子。 An active layer to which a current whose DC component changes over time is provided;
A clad layer sandwiching the active layer;
A diffraction grating layer on which laser light generated in the active layer is incident;
With
The relationship between the wavelength λM of the laser beam selected based on the grating width of the diffraction grating layer and the peak wavelength λp of the laser beam generated in the active layer satisfies λp−2 nm ≦ λM <λp in the air. A wavelength-swept semiconductor laser device characterized by that.
前記波長掃引型半導体レーザ素子に、経時的に直流成分が変化する電流を供給する駆動回路と、
前記波長掃引型半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を、測定対象のガスを介して、検出する光検出素子と、
前記光検出素子の出力に基づいて、前記ガスの濃度を出力する制御装置と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。 A wavelength-swept semiconductor laser device according to claim 1,
A drive circuit for supplying a current whose DC component changes over time to the wavelength-swept semiconductor laser element;
A light detection element for detecting the laser beam output from the wavelength-swept semiconductor laser element via a gas to be measured;
A control device for outputting the concentration of the gas based on the output of the light detection element;
A gas concentration measuring device comprising:
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