JPH05267770A

JPH05267770A - 波長安定化装置付光源

Info

Publication number: JPH05267770A
Application number: JP9194192A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Aizawa; 允文相沢; Haruo Nagai; 治男永井
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1993-10-15

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザの光強度変調成分を除去し、基準となる
ガスセルの吸収線による変調成分だけを取り出す。それ
により、レーザダイオードの発振周波数を安定させる。【構成】レーザ１に直流電流源１１からバイアス電流を
加える。さらに、周波数変調電流源１４により出射光に
周波数ｆの周波数変調をかける。そのレーザ光を基準ガ
スセル１２を介して、受光器１３で受ける。その電気信
号のｆ成分を帯域除去フィルタ１５で除去し、半波整流
回路１６で整流する。その整流により生じたｆ成分のみ
を帯域通過フィルタ１７で出力し、同期検波器１８によ
り検波する。その検波された信号に応じて、直流電流源
１１に帰還する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザダイオードの発
振周波数を安定させるための波長安定化装置付光源に関
する。特に、光の吸収を利用して光学的なガス濃度の測
定を行い、都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出
するガス検出装置に使用する波長安定化装置付光源に関
する。

【０００２】

【従来の技術】メタン等の気体には、分子の回転や構成
原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯
があることが知られている。以下、メタンガスの検出を
例として述べれば、メタンは、1.33μm 、1.67μm、3.3
9μm 帯に吸収帯を有する。この吸収帯を利用して、差
分吸収レーザレーダ法を応用したガス検出装置が種々発
表されている。発振波長が1.33μm 付近にある半導体レ
ーザを光源として用い、レーザを所定の電流値を中心と
する異なる２つの電流値で変調し、1.33μm 付近の２波
長で発振させることにより、メタンガスの検出を行って
いた (特開昭62−290190号公報）。このガス検出装置に
おいては、光源の波長をメタンガスの吸収帯に安定させ
る手段が必要となる。

【０００３】レーザダイオード（以下、ＬＤという。）
の場合は、レーザの発振する波長を吸収スペクトルのピ
ーク点に固定し、かつ雑音を低減するため波長安定化を
して用いる。波長安定化方法について、図１０を用いて
説明する。駆動電流発生部３１によって駆動されたＬＤ
３２から出射されたレーザ光の一部をビームスプリッタ
３３などで分岐してメタンガスを封入したガスセル３４
に透過させ受光器３５で受光する。この時、駆動電流発
生部３１の電流値を掃引させるとレーザの波長も電流に
従って変化するので、受光器３５からは図１１のような
メタンガスの吸収スペクトルが観測できる。レーザの波
長が、この内の１本の吸収線付近になるように駆動電流
（バイアス電流ともいう。）を調整しておき、周波数ｆ
の低周波発振器よりの信号を駆動電流に重畳することに
よりレーザの波長（光周波数）に僅かに周波数変調をか
け、この時の受光器３５の出力を増幅器３６で増幅し、
同期検波器３７でｆを参照信号として同期検波する。こ
の同期検波出力をサーボ回路３８を介して駆動電流発生
部３１に帰還することにより、レーザの波長が吸収スペ
クトルのゼロクロス点（すなわち吸収スペクトルのピー
ク点）になるよう制御する。これにより吸収スペクトル
線を基準にしてレーザの波長が安定化される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＬＤの波長だけが、電
流変調により変化すると仮定した場合のガス通過光の変
化の様子を図８に示す。なお、図８のＢ、Ｄの破線部
は、レーザの変調波長が、ガス吸収線の一つの極値の波
長λ₀を越える場合である。つまり、レーザを電流変調
すると光出力と波長は変調電流と同相で変化する（図８
の最上段）。一方、ガス吸収線の中心波長をλ₀とし、
中心波長がλ₁のレーザを周波数ｆで電流変調した時の
ガス通過光の吸収線による変化は、 λ₁＜λ₀：光出力は電流と逆相で変化（図８のＡ、
Ｂ） λ₁＞λ₀：光出力は電流と同相で変化（図８のＤ、
Ｅ） λ₁＝λ₀：光出力のｆ成分は零で２ｆ成分だけ（図８
のＣ）となる。図８の特性を利用してＬＤの波長安定化を図る
場合、通常は受光器出力を電流変調周波数と一致した帯
域通過フィルタ（以下、ＢＰＦという。）に通してから
位相検波し、その出力をＬＤ駆動電流に帰還させてい
る。

【０００５】しかしながら、この場合には、電流変調に
伴うＬＤ自身の出力変化とガス吸収線による出力変化が
重ね合わされているため、ガスセルによる光減衰量が小
さい場合には波長安定化が困難になる。本発明はこのよ
うな事情に鑑みてなされたものであり、ガスセルによる
光減衰量が小さい場合でも、波長安定化が可能な波長安
定化装置付光源を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の波長安定化装置付光源においては、レーザの
変調波長がガス吸収線の中心波長λ₀を越える場合、図
８ノＢ、Ｄの破線部が発生することに着目し、レーザの
光強度変調成分を除去し、メタンガス吸収線による変調
成分だけを取り出す。つまり、波長安定化ガス通過後の
受光信号において、レーザの変調周波数ｆに一致した帯
域除去フィルタ（以下、ＢＥＦという。）でレーザの光
強度変調成分を除去し、その出力を半波整流し、さらに
通過帯域ｆのＢＰＦを通してから位相同期検波する。そ
の検波出力をＬＤ１のバイアス電流に帰還させる。具体
的に請求項１の発明では、

【０００７】レーザダイオード１と、レーザダイオ
ードにバイアス電流を供給する直流電流源１１と、レ
ーザダイオードの出射光に周波数ｆの周波数変調をかけ
るための周波数変調電流源１４と、周波数変調された
レーザダイオードから出射光を受ける基準ガスセル１２
と、基準ガスセルからの出射光を受けて電気信号を出
力する受光器１３と、受光器から出力される電気信号
を受ける周波数ｆの帯域除去フィルタ１５と、帯域除
去フィルタから出力される電気信号を整流する整流器１
６と、整流器から出力される電気信号のうち周波数ｆ
の成分を通過させる帯域通過フィルタ１７と、帯域通
過フィルタを通過した信号を該周波数変調に同期して検
波する位相同期検波器１８と、位相同期検波器の出力に
対応して、前記直流電源のバイアス電流を制御する制御
手段を備えた。なお、実施例においては、制御手段は直
流電流源１１、位相同期検波器１８に含めた。

【０００８】また、請求項１の発明を基礎とした請求項
２の発明では、基準ガスセル１２の一つの吸収線の実
質的な極値の波長においてレーザが発振するようなバイ
アス電流を供給する直流電流源１１と、一つの吸収線
の極値にまたがってその波長の前後にわたり周波数変調
をかけるための周波数変調電流源１４とを備えたことを
特徴とする。

【０００９】

【作用】このように構成された波長安定化装置付光源に
よれば、基準ガスセル１２の吸収線により発生する図８
のＢ、Ｄの破線部の周波数ｆ成分を取り出すことがで
き、周波数ｆ変調によるＬＤ１自身の光出力変化を除去
することができる。図８のＢ、Ｄの破線部の場合の波形
は、周波数ｆの cos波とパルス列の合成波形とみなせ
る。このパルス列を cos波のcos(α/2) 以上が出力とな
っているパルス列として近似し、これをフーリエ級数に
展開すると

【００１０】

【数１】

【００１１】数１を用いて、ｎ＝０〜５０で近似したパ
ルス波形と、ｎ＝２〜５０のパルス波形の計算結果を図
９に示す。図９の２ｆ＋・・・・５０ｆパルス列の正値
だけを取り出すと、位相がπ異なる２組のパルス列の合
成波とみなせる。その各パルス列の振幅とパルス幅をそ
れぞれＡ、α、Ｂ、βとすると、各パルス列の基本成分
は、

【００１２】

【数２】

【００１３】

【数３】

【００１４】従って、合成波の基本成分は、

【００１５】

【数４】

【００１６】となり、２組のパルス列の振幅差に対応し
た出力が得られる。従って、このｆ（θ）成分を位相検
波してＬＤ１のバイアス電流に帰還をかけることにより
２組のパルス列の振幅を等しくし、波長安定化ができ
る。このように構成された波長安定化装置付光源によれ
ば、電流変調に伴うＬＤの光出力変化の影響が除かれる
ので、メタンガスの吸収による光出力変化が小さくて
も、波長安定化が可能となる。この結果、ガスセルが小
型にできる。また、ＬＤ変調電流振幅を小さくでき、波
長安定度が向上する。

【００１７】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。（第一の実施例）図１は、変調周波数をｆとした場合
の、波長判定化装置付光源の一実施例の構成図である。
直流電流源１１によって駆動されたＬＤ１から出射され
たレーザ光の一部をメタンガスを封入したガスセル１２
に透過させ受光器１３で受光する。ＬＤ１の発振の波長
がガスセル１２の吸収線の付近になるようにバイアス電
流を調整しておき、周波数ｆの変調電流源１４よりの信
号をバイアス電流に重畳することによりレーザの波長
（光周波数）に僅かに周波数変調をかけ、この時の受光
器１３の出力を周波数阻止帯域がｆのＢＥＦ１５でＬＤ
１の光強度変調成分を除去する。そのＢＥＦ１５の出力
を半波整流器１６で半波整流し、その出力から周波数通
過帯域がｆのＢＰＦ１７によりガスセル１２による変調
成分のみを取り出す。この抽出された変調成分を位相同
期検波器（以下、ＰＳＤともいう。）１８で同期検波
し、この同期検波出力を直流電流源１１に帰還すること
により、吸収線を基準にしてＬＤ１の発振波長が安定化
される。また、安定化開始時は、バイアス電流が吸収線
の近傍にあるか不明、つまり、変調波長がλ₀をまたが
っているか不明である。そのため、変調電流振幅を大き
めにしておき、帰還により、安定化されるに応じて変調
電流振幅を小さくするように制御することができる。こ
こで、ＢＥＦ１５、およびＢＰＦ１７はアクティブフィ
ルタによって実現できる。また、２ｆ＋・・・・５０ｆ
パルス列の正値だけを取り出す半波整流器１６は、ダイ
オードを利用して簡単に実現できる。また、安定化開始
時は、バイアス電流が吸収線の近傍にあるか不明、つま
り、変調波長がλ₀をまたがっているか不明である。そ
のため、変調電流振幅を大きめにしておき、帰還によ
り、安定化されるに応じて変調電流振幅を小さくするよ
うに制御することができる。

【００１８】（位相同期検波器の説明）位相同期検波器
１８のブロック図を図２に、直流電流源１１のブロック
図を図３に示す。また、波長安定化において位相検波す
るためのアナログスイッチ１８ｈのゲート信号を図５に
示す。差分吸収レーザレーダ法のガス検出装置は、メタ
ンガスに吸収される波長λ₁と、メタンガスに吸収され
ない波長λ₂を交互に切替えるが、波長λ₁のみ波長安
定化の処理を行う。発振回路１８ａの発振周波数16MHz
の出力を分周回路１８ｂで分周し、320KHz、20KHz 、50
0Hz 、250Hz 、125Hz のクロックを作成する。この２０
ＫＣＬＫは、ＬＤ１に変調を重畳する変調周波数とな
る。また、シフトレジスタ１８ｃで２０ＫＣＬＫを、３
２０ＫＣＬＫでシフトする。この出力から変調成分と位
相同期をとるために、データセレクタ１８ｄ、１８ｅで
同期のあったクロックである、２０ＫＣＬＫシフトＡ、
２０ＫＣＬＫシフトＢを選択する。１２５遅延回路１８
ｆで遅延された１２５ＤＣＬＫとのＮＡＮＤ条件で、ア
ナログスイッチ１８ｈのゲートをそれぞれ制御し、ＢＰ
Ｆ１７の値を出力する。さらに、同期検波出力を、波長
λ₁の切替え時のみ直流電流源１１に帰還するため、ア
ナログスイッチ１８ｉのゲートを１２５ＣＬＫで制御す
る。

【００１９】（直流電流源の説明）直流電流源１１のブ
ロック図を図３に示す。バイアス設定回路１１ａによ
り、波長λ₁と波長λ₂のそれぞれのバイアス電流値が
設定される。さらに、波長λ₁においてはバイアス電流
値に、位相同期検波器１８の出力と変調電流源１４の出
力が重畳される。バッファ回路１１ｂ、１１ｃを介した
それぞれの値は、アナログスイッチ１１ｄにより、波長
λ₁と波長λ₂の切替えクロックである１２５ＣＬＫで
制御される。アナログスイッチ１１ｄで切替えられた電
流出力は、バッファ回路１１ｅによりＬＤ１に出力す
る。

【００２０】（ガス検出装置への適用）なお、本発明を
差分吸収レーザレーダ法のガス検出装置に適用する場
合、２波長の切替え直後はＬＤ１の温度変化があるの
で、メタンガスに吸収される波長λ₁の切替え時は１ms
ec遅延後、波長がほぼ安定してから同期検波出力を直流
電流源１１に帰還する。そのため、図５のの１２５Ｃ
ＬＫを得るタイムチャートを図６に示す。ここで、の
２５０ＣＬＫは測定データを検出するための同期をとる
クロックである。は波長λ₁と波長λ₂の切替えクロ
ックである。において、Ａが波長安定化の帰還時であ
り、Ｂが測定データの検出時である。

【００２１】（ガス検出装置の実施例）図７（ｂ）は、
1.67μｍ発振のInP/InGaAs系のＤＢＦレーザを光源とし
て使用したガス検出装置のシムテム構成図である。ガス
検出装置に用いる原理を図７（ａ）により説明する。光
源１の被測定ガスに吸収される波長λ₁における光出力
値をＰ₁₀、受光器４および受光器３の出力値をそれぞれ
Ｐ₁₁、Ｐ₁₂とする。また光源１の被測定ガスに吸収され
ない波長λ₂における光出力値をＰ₂₀、受光器４および
受光器３の出力値をそれぞれＰ₂₁、Ｐ₂₂ とする。この
とき、受光器３に入射するレーザ光は、図７（ａ）に示
す構成以外にガスセル１２がない構成、または光源１の
前方光出力Ｐ₁₀、Ｐ₂₀をハーフミラーで分割したレーザ
光でも良い。また、ガスの吸収スペクトルによる透過率
をＫ_{x 、}吸収スペクトル以外の要因による透過率をＲ_x
としたときの出力値は、Ｐ₁₁＝Ｒ₁Ｋ₁Ｐ₁₀ （５）Ｐ₂₁＝Ｒ₁Ｐ₂₀ （６）Ｐ₁₂＝Ｒ₂Ｋ₂Ｐ₁₀ （７）Ｐ₂₂＝Ｒ₂Ｐ₂₀ （８）（５）、（７）式より、

【００２２】

【数５】

【００２３】（６）、（８）式より、

【００２４】

【数６】

【００２５】（９）、（１０）式より、

【００２６】

【数７】

【００２７】しかるにＫ₁は、Ｋ₁＝ｅｘｐ（−αｃｌ）（１２）ｃｌ＝−lnＫ₁／α （１３）（１１）、（１３）式より、

【００２８】

【数８】

【００２９】α：ガス吸収係数、ｃ：ガス濃度ｌ：光路長ここで被測定ガスが零のときに、Ｐ₁₁＝Ｐ_1k、Ｐ₂₁＝Ｐ
_2Kとすると、

【００３０】

【数９】

【００３１】このＫ₂を定数として与えることにより、
式（１４）よりメタンガスの量（濃度×光路長）を求め
ることができる。また、光源の光出力が変動しても、
（Ｐ₁₁Ｐ₂₂）／（Ｐ₂₁Ｐ₁₂）は一定であり、式（１４）
のｃｌが変化しないことは明らかである。ここに示す半
導体レーザ（ＬＤ１は直流電流源１１からのバイアス電
流Ｉ₁、Ｉ₂ に応じて、メタンに吸収される波長λ
₁（本実施例では1.665 μm ）および、メタンに吸収さ
れない波長λ₂（本実施例では1.664 μm ）を光出力Ｐ
₁₀、Ｐ₂₀で交互に出射する。また、赤色光レーザ（また
は、可視光レーザ）２１は、ＬＤ１のレーザ光の出射方
向を示すためのガイド用として使用する。これらのレー
ザから出射されるレーザ光はミラー１０ｂとハーフミラ
ー１０ｃにより合波され、ミラー１０ｄ、１０ｅにより
大気中に照射される。大気中に照射されたλ₁、λ₂の
レーザ光は道路、壁等にて散乱される。その散乱したレ
ーザ光をカセグレーン型集光鏡４ａにて集光する。その
光信号を、フィルタ４ｂで赤色光レーザの波長成分をカ
ットし、受光器４ｃにて電気信号に変換し、演算処理部
３０にて電気信号レベルを検出する。その結果大気中に
メタンがあるかどうかを検出する。

【００３２】なお、演算処理部３０は、制御部２、演算
回路９、変調電流源１４、ＢＥＦ１５、半波整流回路１
６、ＢＰＦ１７、ＰＳＤ１８等から構成される。λ₁と
λ₂は波長が極めて接近しているため、メタン吸収特性
以外の光学的特性はほとんど同一である。したがって大
気中（光路中）に存在するメタンによる透過率をＫ₁、
それ以外の要因による透過率をＲ₁とすると、この２波
長を識別できない受光器４ｃで受光されるλ₁、λ₂の
光出力は、Ｐ₁₁＝Ｒ₁Ｋ₁Ｐ₁₀、Ｐ₂₁＝Ｒ₁Ｐ₂₀とな
り、直流電流源１１でＩ₁およびＩ₂を変化させる周期
に同期して、この受光器４ｃの出力を、演算処理部３０
でサンプルホールドしてＰ₁₁、Ｐ₂₁を測定する。一方、
ＬＤ１から出射されるレーザ光を、ハーフミラー１０ａ
により分光し、その分光されたレーザ光を以下に記載す
るそれぞれの受光器に導かれるように、ハーフミラー１
０ｆ、ミラー１０ｇを配置する。ハーフミラー１０ｆに
より分光されたレーザ光は受光器３に入射する。その受
光器３の出力からλ₁、λ₂それぞれの強度Ｐ₁₂、Ｐ₂₂
を演算処理部３０で測定する。

【００３３】上記測定値Ｐ₁₁、Ｐ₂₁、Ｐ₁₂、Ｐ₂₂とガス
吸収係数αを入力値として与え、ｃｌ（ガス濃度×光路
長）を、式（１４）を用いて、演算処理部３０で計算す
る。ここで、測定ガスが零のときに、Ｋ₂( Ｐ₁₁Ｐ₂₂）／( Ｐ₂₁Ｐ₁₂）＝１となるようにＫ₂の値を設定する。波長の制御は（ガス
検出装置への適用）の項に記載した通りである。これら
の一連の操作は高精度な温度制御下で行うことにより極
めて容易になるものであることは当然である。しかも、
ＬＤを含めたガス検出装置の温度が変動しても、波長制
御できるＬＤである特徴を生かして、レーザに加える電
流を制御する。それにより温度変動の影響をとり除き、
ガス検出が容易に行えるものであることも明白で、大き
な利点である。このような構成により、波長λ₁、λ₂
の特定強度においてのメタン濃度と受光器４に入射され
た強度との関係をあらかじめ演算処理部３０に記憶させ
ておくことにより、大気中のメタン濃度を精度よく測定
することができる。なお、波長弁別器としてファブリペ
ロ干渉計あるいは、特定の物質の吸収特性を利用する吸
収セル等がある。特にλ₁の波長弁別器としては、検出
対象であるメタンの吸収セルを用いれば最も簡便で精度
の高い弁別を行うことができる。

【００３４】以上説明したように、光源としての半導体
レーザから２つの異なる波長が出射される。さらに、光
出力の経路を、レーザ光を受光する経路と、特定ガスを
通過したレーザ光を受光する経路に分けた構成とした。
そのため、従来装置では機械的な動作を利用していた部
分が電気的な信号を加えることとなり、可動部分が減
り、部品点数が少なくなり、装置の小形化、信頼性の向
上となる。さらに、光源（ＬＤ）の出力変動に影響され
ず、２波長の光出力が異なっても、被測定ガスのガス量
を測定できる。そのため、光出力の制御系が簡易なもの
で実現でき、検出精度も大幅に向上できる。

【００３５】

【発明の効果】このように構成された波長安定化装置付
光源によれば、レーザの変調周波数ｆに一致した帯域除
去フィルタでレーザの光強度変調成分を除去し、その出
力を半波整流し、さらに通過帯域ｆのＢＰＦを通してか
ら位相同期検波する。その検波出力を直流電流源に帰還
させる構成とした。そのため、メタンガスの吸収による
光出力変化分のみを取り出すことができ、その変化信号
が小さくても、波長安定化が可能となる。この結果、ガ
スセルが小型にできる。また、ＬＤ変調電流振幅を小さ
くでき、波長安定度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図である。

【図２】図１の位相同期検波器の一実施例のブロック図
である。

【図３】図１の直流電流源の一実施例のブロック図であ
る。

【図４】ガス検出装置の一実施例のブロック図である。

【図５】位相同期検波器の一実施例を説明するタイムチ
ャートである。

【図６】図５の２波長切替え動作の一実施例を示すタイ
ムチャートである。

【図７】ガス検出装置の他の実施例のブロック図であ
る。

【図８】波長安定化の原理を示すためのガスセルにおけ
る波長─光出力の波形図である。

【図９】波長安定化の原理を説明するためのパルス波形
の計算結果を示した波形図である。

【図１０】従来の波長安定化方法を説明するブロック図
である。

【図１１】メタンガスの光吸収特性図である。

【符号の説明】

１レーザダイオード。１１直流電流源。１２基準ガスセル。１３受光器。１４周波数変調電流源。１５帯域除去フィルタ。１６整流回路。１７待機通過フィルタ。１８位相同期検波器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザダイオード（１）と、該レーザダイ
オードにバイアス電流を供給する直流電流源（１１）
と、該レーザダイオードの出射光に周波数ｆの周波数変
調をかけるための周波数変調電流源（１４）と、周波数
変調された該レーザダイオードから出射光を受ける基準
ガスセル（１２）と、該基準ガスセルからの出射光を受
けて電気信号を出力する受光器（１３）と、該受光器か
ら出力される電気信号を受ける周波数ｆの帯域除去フィ
ルタ（１５）と、該帯域除去フィルタから出力される電
気信号を整流する整流器（１６）と、該整流器から出力
される電気信号のうち周波数ｆの成分を通過させる帯域
通過フィルタ（１７）と、該帯域通過フィルタを通過し
た信号を該周波数変調に同期して検波する位相同期検波
器（１８）と、該位相同期検波器の出力に対応して、前
記直流電源のバイアス電流を制御する制御手段を備えた
波長安定化装置付光源。
【請求項２】前記基準ガスセル（１２）の一つの吸収線
の実質的な極値の波長においてレーザが発振するような
バイアス電流を供給する直流電流源（１１）と、該一つ
の吸収線の極値の前後にわたり周波数変調をかけるため
の周波数変調電流源（１４）とを備えたことを特徴とす
る請求項１記載の波長安定化装置付光源。