(57)【要約】【課題】測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができるガス検知装置を提供する。【解決手段】検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子１０と、波長変調されたレーザ光を、検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段１１、１２、１３とを有し、波長掃引されたレーザ光を検知対象ガスを含む測定雰囲気２中に出射する波長掃引光源１と、波長掃引光源１からのレーザ光の出射に伴って測定雰囲気２を通過するレーザ光を受光する受光部３と、受光部３からの電気信号を用いて測定雰囲気２中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子（１０、２０）と、前記波長変調されたレーザ光を、測定すべき検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って前記波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段（１１、１２、１３、８１、８２、８４）とを有し、当該波長掃引されたレーザ光を該検知対象ガスを含む測定雰囲気（２）中に出射する光源部（１、４０）と、
前記光源部からのレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光し、該受光されたレーザ光に応じた信号を出力する受光部（３）と、
前記受光部からの前記信号に基づいて前記測定雰囲気中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部（５）と、を備えることを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】
前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段（６）と、
前記波長認識手段によって認識された波長が前記吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合に前記ガス検知部に前記受光部からの前記信号を出力し、前記波長認識手段によって認識された波長が前記波長範囲外の波長である場合に前記ガス検知部への該信号の入力を遮断する信号スイッチ（７）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。
【請求項３】
前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段（６）と、
前記波長認識手段によって認識された波長と前記ガス検知部から出力された前記測定データとを関連付けて記憶する記憶部（８）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。
【請求項４】
前記光源部は、
前記半導体発光素子が、２つの端面のうちの一方の端面（１０ａ、２０ａ）の反射率が他方の端面（１０ｂ、２０ｂ）の反射率より低く形成されてなり、
前記掃引手段が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を回折する回折格子（１２、８２）と、前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラー（１３、８４）とを含んでなり、
前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体発光素子の前記一方の端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記レーザ光を波長掃引するリトマン型の波長掃引光源でなる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス検知装置。
【請求項５】
前記光源部は、
前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を平行光に変換し、該平行光を前記回折格子に出射するコリメートレンズ（８１）と、
前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とではさまれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラー（８３）と、をさらに備え、
前記半導体発光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる２つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、
前記半導体発光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、
前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体発光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長Ｌ３、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長Ｌ４および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、
ｒ＝（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／ｓｉｎ α
の関係が成り立つことを特徴とする請求項４に記載のガス検知装置。
【請求項６】
前記光源部が発光素子駆動部（４４）をさらに有し、
前記半導体発光素子は、
半導体基板（２１）上に、
活性層（２４）を含み、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域（２２）と、
前記活性層と光学的に結合された導波路層（２６）を含み、前記発光領域によって発された光の位相を変化させる位相調整領域（２３）とが光軸方向に形成されてなり、
前記発光素子駆動部により、光を発するための電流が前記発光領域に印加されるとともに、前記レーザ光の波長を変調するための変調電流が前記位相調整領域に印加される、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス検知装置。
【請求項７】
前記半導体発光素子は、
前記半導体基板が、ｎ型半導体基板でなり、
前記発光領域が、前記ｎ型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２５）とを有してなり、
前記位相調整領域が、前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（２７）とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化するようになっており、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項６に記載のガス検知装置。
【請求項８】
前記所定距離の範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載のガス検知装置。
【請求項９】
前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（２８）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（３２、３３）が形成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のガス検知装置。
【請求項１０】
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたことを特徴とする請求項９に記載のガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象ガスの吸収線を利用してガス検知を行うガス検知装置に関し、特に、複数のガスを高速検知可能なガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に関して、地球温暖化ガスの排出削減、大気汚染物質の監視等のため、大気中の特定のガスを検知するという技術が必要とされている。
【０００３】
ガス分子はその種類に応じて特定波長の光を吸収する光吸収特性を有している。一般的にガス分子は赤外領域の電磁波を吸収する場合が多く、例えばメタンは１．６μｍ、３．３μｍ、７μｍの波長の光を吸収する。したがって、測定対象の空間に特定波長のレーザ光を出射しその減衰状態を測定することにより、極めて簡便かつ迅速に検知対象ガスの有無、濃度を検知することができる。
【０００４】
このような光吸収特性を利用したガス検知装置は、例えば図１０に示すように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示されたガス検知装置においては、受光器１３１の受光素子１３１ａが、半導体レーザモジュール１２０から出射され、測定雰囲気中の被測定ガス１３０を通り抜けたレーザ光を受光して受光電流に変換する。ガス検知部１３２は、受光器１３１で得られた受光電流を電流電圧変換器１３３にて電圧信号に変換する。さらに、ガス検知部１３２は、その電圧信号を用いて基本波信号検出器１３４、２倍波信号検出器１３５および基本波２倍波割算部１３６により検知対象ガスの検知を行い、最終的にガス検出信号を出力する。
【０００６】
なお、被測定ガス１３０に出射されるレーザ光の波長を極めて急峻な検知対象ガスの吸収線に合わせるために、半導体レーザモジュール１２０には、検知対象ガスが封入された参照ガスセルに対する受光測定に基づいてペルチェ素子の温度を調整することにより、レーザ光の波長を安定にするレーザ光安定機構が付加されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３２６１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された従来のガス検知装置は、レーザ光安定機構が参照ガスセルを一つしか有さないため、一種類の検知対象ガスしか検知することができなかった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができるガス検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス検知装置は、検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子と、前記波長変調されたレーザ光を、測定すべき検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って前記波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段とを有し、当該波長掃引されたレーザ光を該検知対象ガスを含む測定雰囲気中に出射する光源部と、前記光源部からのレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光し、該受光されたレーザ光に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部からの前記信号に基づいて前記測定雰囲気中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部と、を備える構成を有している。
【００１１】
この構成により、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。
【００１２】
本発明のガス検知装置は、前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段と、前記波長認識手段によって認識された波長が前記吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合に前記ガス検知部に前記受光部からの前記信号を出力し、前記波長認識手段によって認識された波長が前記波長範囲外の波長である場合に前記ガス検知部への該信号の入力を遮断する信号スイッチと、をさらに備える構成を有している。
【００１３】
この構成により、測定雰囲気中に多数のガスが混在していても、測定雰囲気中の各ガスの種類および濃度を容易に特定することができる。
【００１４】
本発明のガス検知装置は、前記掃引手段によって波長掃引された前記半導体発光素子のレーザ光の波長を認識し、該認識された波長に応じた信号を出力する波長認識手段と、前記波長認識手段によって認識された波長と前記ガス検知部から出力された前記測定データとを関連付けて記憶する記憶部と、をさらに備える構成を有している。
【００１５】
この構成により、掃引手段によって掃引される波長範囲に含まれるすべての被測定ガスを検知することができる。
【００１６】
本発明のガス検知装置は、前記光源部が、前記半導体発光素子が、２つの端面のうちの一方の端面の反射率が他方の端面の反射率より低く形成されてなり、前記掃引手段が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラーとを含んでなり、前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体発光素子の前記一方の端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記レーザ光を波長掃引するリトマン型の波長掃引光源でなる構成を有している。
【００１７】
この構成により、測定雰囲気中に出射するためのレーザ光を波長掃引することにより、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。
【００１８】
また、本発明のガス検知装置は、前記光源部が、前記半導体発光素子の前記一方の端面から出射された光を平行光に変換し、該平行光を前記回折格子に出射するコリメートレンズと、前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とではさまれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラーと、をさらに備え、前記半導体発光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる２つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、前記半導体発光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記半導体発光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長Ｌ３、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長Ｌ４および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、ｒ＝（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／ｓｉｎ αの関係が成り立つ構成を有している。
【００１９】
この構成により、回動ミラーの構成が単純であるとともにｒ＝（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／ｓｉｎ αの関係が成り立つことにより、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する高速な連続波長掃引を行うことができる。
【００２０】
また、本発明のガス検知装置は、前記光源部が発光素子駆動部をさらに有し、前記半導体発光素子は、半導体基板上に、活性層を含み、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域と、前記活性層と光学的に結合された導波路層を含み、前記発光領域によって発された光の位相を変化させる位相調整領域とが光軸方向に形成されてなり、前記発光素子駆動部により、光を発するための電流が前記発光領域に印加されるとともに、前記レーザ光の波長を変調するための変調電流が前記位相調整領域に印加される構成を有している。
【００２１】
この構成により、半導体発光素子の出射光の光強度が変調電流によって変化しないため、変調歪みを抑制し、検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明のガス検知装置は、前記半導体発光素子は、前記半導体基板が、ｎ型半導体基板でなり、前記発光領域が、前記ｎ型半導体基板の上に形成された前記活性層と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層とを有してなり、前記位相調整領域が、前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された前記導波路層と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化するようになっており、前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成した構成を有していてもよい。
【００２３】
また、本発明のガス検知装置は、前記所定距離の範囲が２５〜１５０ｎｍであってもよい。
【００２４】
また、本発明のガス検知装置は、前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝が形成されていてもよい。
【００２５】
また、本発明のガス検知装置は、前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定された構成を有している。
【００２６】
この構成により、発光領域の膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減できるため、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する連続波長掃引を行うことができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができるという効果を有するガス検知装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態のガス検知装置の構成を示すブロック図
【図２】検知対象ガスの光吸収特性を模式的に示すグラフ
【図３】本発明の第１の実施形態のガス検知装置に使用される波長掃引光源が波長を連続的に掃引するための条件を説明するための模式図
【図４】本発明の第１の実施形態のガス検知装置に使用される半導体発光素子を示す断面図
【図５】本発明の第２の実施形態のガス検知装置の構成を示すブロック図
【図６】本発明の第３の実施形態のガス検知装置に使用される半導体発光素子を示す外観図、平面図、断面図
【図７】位相調整領域の第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図８】位相調整領域の第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図９】本発明の第４の実施形態のガス検知装置に使用される波長掃引光源が波長を連続的に掃引するための条件を説明するための模式図
【図１０】従来のガス検知装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係るガス検知装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るガス検知装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３０】
即ち、図１に示すように、第１の実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスを識別するための吸収線の線幅をまたぐように所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子１０と、波長変調されたレーザ光を、測定すべき検知対象ガスの吸収線を含む波長範囲に亘って波長変調の変調速度より遅い掃引速度で波長掃引する掃引手段（コリメートレンズ１１、回折格子１２、回動ミラー１３）とを有し、波長掃引されたレーザ光を検知対象ガスを含む測定雰囲気２中に出射する光源部としての波長掃引光源１と、波長掃引光源１からのレーザ光の出射に伴って測定雰囲気２を通過するレーザ光を測定光として受光し、受光されたレーザ光に応じた電流信号を出力する受光部３と、を備える。
【００３１】
また、本実施形態のガス検知装置は、受光部３から出力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器４と、掃引手段によって波長掃引された半導体発光素子１０のレーザ光の波長を認識し、認識された波長に応じた波長情報信号を出力する波長認識手段としての波長検出部６と、電流電圧変換器４からの電圧信号を用いて測定雰囲気２中の検知対象ガスの濃度を測定して当該測定データを出力するガス検知部５と、を備える。
【００３２】
そして、本実施形態のガス検知装置は、波長検出部６によって検出された波長が吸収線ごとに予め定められた波長範囲内の波長である場合にガス検知部５に電流電圧変換器４によって変換された電圧信号を出力し、波長検出部６によって検出された波長が波長範囲外の波長である場合にガス検知部５への該電圧信号の入力を遮断する信号スイッチ７と、をさらに備える。
【００３３】
波長検出部６は、例えば、波長掃引光源１から出射されたレーザ光を受けて複数の既知波長のレーザ光のみを通過（あるいは減衰）させる固定波長フィルタとその固定波長フィルタの出力光の強度を検出する受光素子とで構成される。固定波長フィルタとしてはエタロン等が使用できる。または、波長検出部６は、受光素子によって波長掃引光源１から出射されたレーザ光の光強度を検出し、既知の波長掃引光源１のレーザ光の光強度の波長依存性に基づいて、波長掃引光源１から出射されたレーザ光の波長を割り出すものであってもよい。
【００３４】
信号スイッチ７は、ｎ種（ｎ≧１）の検知対象ガスＧi（ｉ＝１〜ｎ）それぞれについて、検出目標とする最適吸収中心波長λiおよび吸収線の線幅に基づいて定められた検出波長幅Δλiを記憶している。なお、通常、検知対象ガスには複数の最適吸収中心波長λi（およびΔλi）があり、信号スイッチ７はそれらを記憶している。
【００３５】
図２に示すように、この吸収中心波長λiは検出波長幅Δλiを含めて、他のガスの吸収中心波長λjおよび検出波長幅Δλj（ｊ≠ｉ）と十分な間隔を有して離れていることが必要である。例えば、メタン（ＣＨ4）の吸収中心波長および検出波長幅としては、それぞれ１６５３．７２ｎｍおよび１ｎｍを採用するとよい。
【００３６】
波長掃引光源１は、２つの端面１０ａ、１０ｂのうちの一方の端面１０ａの反射率が他方の端面１０ｂの反射率より低く形成された半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０の一方の端面１０ａから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ１１と、コリメートレンズ１１から出射された平行光を回折する回折格子１２と、回折格子１２によって回折された光を反射して逆光路で回折格子１２へ再入射させる回動可能な回動ミラー１３と、を備え、回折格子１２がその再入射された光を回折して半導体発光素子１０の一方の端面１０ａに帰還させ、回動ミラー１３の回動により出射光の波長を掃引するリトマン型の外部共振型波長掃引光源の構造を有している。
【００３７】
この構造の波長掃引光源では、半導体発光素子１０から出射され回折格子１２の回折面１２ａで回折された光の波長成分のうち、回動ミラー１３の反射面１３ａに直交する特定波長のみが半導体発光素子１０に戻る。これにより、半導体発光素子１０においてその特定波長の光による誘導放出が生じるため、その特定波長（以下、共振波長と記す）の光を共振させることができる。
【００３８】
この共振波長は、回折格子１２の回折面１２ａと回動ミラー１３の反射面１３ａのなす角度、回折格子１２への入射光の入射角、回折格子１２の刻線数、および半導体発光素子１０から回折格子１２を経て回動ミラー１３に至る光路長で規定され、回折面１２ａに対する反射面１３ａの角度（または距離）を調整することで変化させることができる。
【００３９】
さらに、波長掃引光源１は、出射光の波長を変調するための周波数ｆ1の変調電流としての変調電流Ｉeを、後述する半導体発光素子１０に印加する発光素子駆動部１４を有する。変調電流Ｉeは、中心電流値Ｉ0を中心に、振幅Ｉw、周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された電流である。
【００４０】
ここで、図３に示すように、回折格子１２の回折面１２ａを延長した平面をＨ１、半導体発光素子１０の実効共振端面１０ｃを延長した平面をＨ２、回動ミラー１３の反射面１３ａを延長した平面をＨ３とする。
【００４１】
回動ミラー１３の回動中心位置Ｏが、平面Ｈ１に含まれ、かつ平面Ｈ１と平面Ｈ２とが交わる位置より回折格子１２側に設けられ、平面Ｈ１と平面Ｈ３とが、回動ミラー１３の回動中心位置Ｏと回折格子１２の間で交わるように設定されるとともに、回動ミラー１３の回動中心位置Ｏから回折格子１２に入射する光の所定入射位置Ｐまでの距離ｒ、所定入射位置Ｐから半導体発光素子１０までの実効光路長Ｌ１、回動ミラー１３の回動中心位置Ｏから平面Ｈ３までの距離Ｌ２および回折格子１２に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで共振波長の連続波長掃引を行うことが可能となる。
ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／ｓｉｎ α    ・・・・・・（１）
【００４２】
ガス検知部５は、電流電圧変換器４によって変換された電圧信号に含まれる周波数ｆ1の信号成分である基本波電圧信号ｈ1を検出する基本波信号検出器５１と、該電圧信号に含まれる周波数ｆ1の２倍の周波数ｆ2の信号成分である２倍波電圧信号ｈ2を検出する２倍波信号検出器５２と、２倍波信号検出器５２によって検出された２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波信号検出器５１によって検出された基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値を測定雰囲気２に含まれる検知対象ガスＧiの濃度に対応する検出値Ｄi（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力する基本波２倍波割算部５３と、を備える。
【００４３】
なお、このような信号操作（割り算）を行うのは、受光部３によって受光された光が測定雰囲気２の透過以外の理由によってもある程度のレベル変動を生じるため、そのレベル変動を除去して正確な濃度検出を行うためである。
【００４４】
なお、ガス検知部５の後段に、ガス検知部５から出力される検出値Ｄiを記憶する記憶部８を設けてもよい。記憶部８は波長検出部６で検出された検出波長も入力されるようになっており、検出値Ｄiと検出波長値とを関連付けて保存する。記憶部８に記憶されたデータは、例えば、不図示の操作部からの操作信号により記憶部８から取り出され、不図示の表示部に検知結果として表示することができる。
【００４５】
次に、本実施形態のガス検知装置に使用される半導体発光素子１０に関して、図面を用いて説明する。図４は、半導体発光素子１０を光の伝搬方向に沿って切断した断面図である。
【００４６】
この半導体発光素子１０は、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる活性層１０２（なお、ここで言う活性層１０２は、ＭＱＷとそれを挟むＳＣＨ層を含む）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１０４が順次積層されて構成される。
【００４７】
さらに、コンタクト層１０４上には上部電極１０６、ｎ型半導体基板１０１の下面には下部電極１０５が蒸着形成されている。
【００４８】
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、発光素子駆動部１４によって半導体発光素子１０の上部電極１０６と下部電極１０５との間に、中心電流値Ｉ0、振幅Ｉw、周波数ｆ1の変調電流Ｉeが印加されることにより、活性層１０２内部が発光状態となる。
【００４９】
活性層１０２で生成された光は、活性層１０２に沿って伝搬し、他方の端面１０ｂ、回動ミラー１３で構成された共振器において、活性層１０２の屈折率等によって決まる実効的な光路長と、回折格子１２の回折面１２ａと回動ミラー１３の反射面１３ａのなす角度と、変調電流Ｉeとに応じた波長λeで発振する。ここで、波長λeの中心波長λ0は、中心電流値Ｉ0が半導体発光素子１０に印加された場合の共振波長である。
【００５０】
これにより、中心波長λ0を中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、周波数ｆ1で振動する光が波長掃引光源１から測定雰囲気２へ出射される。このとき、図１に示すように、回折格子１２の０次回折光Ｗが波長検出部６に入射される。
【００５１】
なお、波長掃引光源１から出射された光を図示しないハーフミラー等を用いて２つに分配し、１つを測定雰囲気２へ出射させ、もう１つを回折格子１２の０次回折光Ｗの代わりに波長検出部６に入射させてもよい。
【００５２】
波長掃引光源１から測定雰囲気２へ出射された光は、測定雰囲気２を透過して受光部３に受光されて電流信号に変換される。受光部３によって変換された電流信号は、電流電圧変換器４に入力されて電圧信号に変換される。電流電圧変換器４によって変換された電圧信号は信号スイッチ７を介してガス検知部５に入力される。
一方、波長掃引光源１から波長検出部６へ出射された光は、波長検出部６によってその波長を検出される。
【００５３】
ここでは、波長掃引光源１が出射する光の波長λeが短波長側から長波長側に掃引される場合を例にとって説明するが、波長λeが長波長側から短波長側に掃引されてもよいことは言うまでもない。
【００５４】
波長検出部６によって波長λi−Δλi（ｉ＝１〜ｎ）が検出されると、信号スイッチ７がオン状態となり、ガス検知部５への電圧信号の入力が開始される。
【００５５】
波長検出部６によって波長λi＋Δλiが検出されると、信号スイッチ７がオフ状態となり、ガス検知部５への電圧信号の入力が遮断される。
【００５６】
信号スイッチ７がオン状態となる期間（即ちλi−Δλiからλi＋Δλiまでの波長範囲をレーザ光が通過する期間）Δｔでは、電圧信号はガス検知部５の基本波信号検出器５１および２倍波信号検出器５２に入力され、基本波電圧信号ｈ1および２倍波電圧信号ｈ2が検出される。
【００５７】
そして、基本波２倍波割算部５３によって、２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値が、測定雰囲気２に含まれる検知対象ガスＧiの濃度に対応する検出値Ｄi（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力される。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、出射光の波長を変調させながら検知対象ガスの吸収線を含む波長掃引範囲で掃引することにより、測定雰囲気中に含まれる複数の検知対象ガスを検知することができる。
【００５９】
また、本実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスごとに異なる検出波長幅Δλiを予め記憶しているため、各検知対象ガスの吸収線の線幅に応じた適切な処理時間を設定することができる。
【００６０】
また、本実施形態のガス検知装置は、信号スイッチを備えることにより、測定雰囲気が多数のガスが混在してなるものであっても、測定雰囲気中の各ガスの種類および濃度を容易に特定することができる。
【００６１】
（第２の実施形態）
本発明に係るガス検知装置の第２の実施形態について図面を用いて説明する。第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６２】
第１の実施形態では、信号スイッチ７によって予め設定したｎ種（ｎ≧１）の検知対象ガスＧi（ｉ＝１〜ｎ）についてのみガス検知する構成となっていた。これに対し、この第２の実施形態においては、波長掃引光源１で掃引する波長範囲に含まれるすべての被測定ガスを検知し、その後に所望の被測定ガスの有無を確認する構成となっている。
【００６３】
図５に示すように、第２の実施形態のガス検知装置は、第１の実施形態における信号スイッチ７を備えていない。第１の実施形態と同様に、基本波２倍波割算部５３で算出された被測定ガスの検出値Ｄiは記憶部８に入力される。また、波長検出部６で検出された検出波長も記憶部８に入力される。
【００６４】
本実施形態において記憶部８は、波長掃引光源１で掃引する波長範囲に含まれるすべての被測定ガスの検知結果と、波長検出部６から受け取った検出波長値とを関連付けて蓄積する。そして、例えば、操作部９からの操作信号により、所望の被測定ガスのデータが記憶部８より取り出され、不図示の表示部に検知結果として表示することができる。
【００６５】
（第３の実施形態）
本発明に係るガス検知装置の第３の実施形態について図面を用いて説明する。第１および第２の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６６】
即ち、図６に示すように、第３の実施形態のガス検知装置は、第１および第２の実施形態の半導体発光素子１０および発光素子駆動部１４に代えて、２つの端面２０ａ、２０ｂのうちの一方の端面２０ａの反射率が他方の端面２０ｂの反射率より低く形成された半導体発光素子２０および発光素子駆動部４４を備える。ここで、図６（ａ）は、半導体発光素子２０の外観図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ線断面を示している。
【００６７】
発光素子駆動部４４は、図６（ｃ）に示すように、後述する半導体発光素子２０の発光領域２２に光を発するための電流Ｉeを印加するとともに、後述する半導体発光素子２０の位相調整領域２３に光の波長を変調するための変調電流Ｉpcを印加する。
【００６８】
変調電流Ｉpcは、中心電流値Ｉpc0を中心に、振幅Ｉpcw、周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された電流である。
【００６９】
半導体発光素子２０は、ＩｎＰからなるｎ型半導体基板２１（以下、単に基板２１と記す）を有している。基板２１は、ほぼ一定のドーピング濃度（例えば１×１０１８／ｃｍ３）を有している。
【００７０】
基板２１の上の一端側（図６（ｂ）、（ｃ）で右端側）には光を発する発光領域２２が形成され、他端側（図６（ｂ）、（ｃ）で左端側）には発光領域２２によって発された光の位相を変化させる位相調整領域２３が形成されている。
【００７１】
発光領域２２には、基板２１の上の中央にほぼ一定幅（例えば５μｍ）でＩｎＧａＡｓＰからなる活性層２４が形成され、その上にＩｎＰからなる第１ｐ型クラッド層２５が所定厚さ（例えば２５０ｎｍ）で形成されている。なお、ここで言う活性層２４は、ＭＱＷとそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。
【００７２】
一方、位相調整領域２３側の基板２１の上の中央には、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層２６が活性層２４と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層２４は、ある波長範囲の光に対して利得を有し、長さ方向に光を伝搬させるように形成されているのに対し、導波路層２６は主にその光に対する導波作用を有するが、その光に対して利得を有していてもよい。
【００７３】
導波路層２６は、発光素子駆動部４４からの変調電流Ｉpcの印加によってキャリアが注入されると、プラズマ効果によりその実効屈折率が低下する。これにより、導波路層２６を透過する光の位相が変化するため、半導体発光素子２０を備えた波長掃引光源１から出射されるレーザ光の波長が変調される。
【００７４】
なお、導波路層２６のエネルギーギャップは、前記光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での前記光の吸収は生じない。
【００７５】
この導波路層２６の上には、第２ｐ型クラッド層２７が第１ｐ型クラッド層２５とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層２４と導波路層２６の接続位置と、第１ｐ型クラッド層２５と第２ｐ型クラッド層２７との接続位置は一致している。
【００７６】
そして、第１ｐ型クラッド層２５と第２ｐ型クラッド層２７の上および側方には、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層２８が形成されている。
【００７７】
また、活性層２４の側部の基板２１の上部にはｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層２９が形成され、その埋め込み層２９の上部にはｎ型のＩｎＰからなる埋め込み層３０が形成されている。
【００７８】
そして、第３ｐ型クラッド層２８の発光領域２２と位相調整領域２３の境界部分は、活性層２４と導波路層２６とが光学的に結合された橋渡部３１と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝３２、３３から構成されている。橋渡部３１は、半導体発光素子２０のサイズ（例えば、長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、厚さ１００μｍ）に対して、例えば長さ５０μｍ、幅１５μｍ、深さ７．５μｍ程度を有している。
【００７９】
この分離溝３２、３３は、第３ｐ型クラッド層２８だけでなく、埋め込み層２９、３０と基板２１との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。
【００８０】
橋渡部３１の素子長方向の長さは、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性領域長が減少すると発光強度が低下したり、位相調整領域長が減少したりすると最大位相調整量が減少してしまうため、２５μｍ〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。
【００８１】
また、橋渡部３１の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層２４や導波路層２６の幅（例えば５μｍ）に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して１０μｍ〜２０μｍの範囲とすることが好ましい。深さについては、基板２１と埋め込み層２９、３０の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため５μｍ〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。
【００８２】
分離溝３２、３３を境にして発光領域２２側の第３ｐ型クラッド層２８の上には、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３４が形成され、位相調整領域２３側の第３ｐ型クラッド層２８の上にも、同様にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５が形成され、それぞれのコンタクト層３４、３５の上には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）からなる第１の上部電極３６、第２の上部電極３７が蒸着形成されている。また、基板２１の下面側全体に、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、白金（Ｐｔ）からなる下部電極３８が蒸着形成されている。
【００８３】
ところで、従来の位相調整領域を有する半導体発光素子では、位相調整領域の導波路層とｐ型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔＥｃが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大位相調整量が制限されてしまうという問題があった。
【００８４】
本出願人は、上記構造の半導体発光素子２０について種々の実験を行った結果、位相調整領域２３における導波路層２６上の第２ｐ型クラッド層２７のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層２６から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの位相調整領域２３におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大位相調整範囲を拡大できることを見出した。
【００８５】
この構成を表したのが図７である。各種実験を行った結果、特性Ｆのように位相調整領域２３の導波路層２６に接する第２ｐ型クラッド層２７の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層２６の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域２３における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性Ｆ′は実際のドーピング濃度分布の一例である。
【００８６】
このように導波路層２６に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア（電子）のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。
【００８７】
また、第３ｐ型クラッド層２８のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。
【００８８】
発光領域２２の膜厚方向の直列（シリーズ）抵抗が高いと、モードホップが起こり易い。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモードに変わるまでの電流差分をモードホップ電流Ｉhopと呼ぶが、このモードホップ電流Ｉhopが高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。
【００８９】
つまりモードホップ電流Ｉhopを高くするために、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層２４、導波路層２６に近い領域のドーピング濃度を高く設定すると、損失が増加する。
【００９０】
よって、第３ｐ型クラッド層２８のドーピングプロファイルは、第３ｐ型クラッド層２８全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるようにするとともに、活性層２４、導波路層２６に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）では低くする必要がある。
【００９１】
その一つのドーピングプロファイルの特性を図８に示す。この特性Ｈでは、ドーピング濃度を、活性層２４、導波路層２６に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）から活性層２４、導波路層２６から遠い上層領域（厚さ方向の終点部分）に向かって、３．０×１０１７、８．５×１０１７、１．８×１０１８（／ｃｍ３）と段階的に大きくなるようにしている。この結果、前記直列抵抗値０．５Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては０．７Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲にすればよいことを確認している。
【００９２】
さらに、その層厚ｔを２μｍ〜３．２μｍの範囲に制限することで、導波路層２６の近傍の損失を低減しつつ、発光領域２２から位相調整領域２３への分離抵抗を１ｋΩにすることができた。なお、第３ｐ型クラッド層２８の層厚ｔをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなる。また、層厚を３．２μｍより大きくすると第３ｐ型クラッド層２８の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。
【００９３】
なお、図８において、ドーピング濃度を３段階で大きくしていたが、変化段数は２段でも４段以上でもよく、また、直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。
【００９４】
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、発光素子駆動部４４によって半導体発光素子２０の発光領域２２側の第１の上部電極３６と下部電極３８との間に所定電流（数１００ｍＡ〜１Ａ）が印加されることにより、活性層２４内部が発光状態となる。
【００９５】
活性層２４で生成された光は、活性層２４と導波路層２６に沿って伝搬し、他方の端面２０ｂ、回折格子１２、回動ミラー１３で構成された共振器において、活性層２４と導波路層２６の屈折率等によって決まる実効的な光路長と、回折格子１２の回折面１２ａと回動ミラー１３の反射面１３ａのなす角度に応じた共振波長λ0で発振する。
【００９６】
なお、上述の記載では、位相調整領域２３側の一方の端面２０ａの反射率を発光領域２２側の他方の端面２０ｂの反射率よりも低いものとしたが、発光領域２２側の他方の端面２０ｂの反射率を位相調整領域２３側の一方の端面２０ａの反射率よりも低く構成し、発光領域２２側に回折格子１２、回動ミラー１３を配置してもよい。
【００９７】
次に、発光素子駆動部４４によって位相調整領域２３側の第２の上部電極３７と下部電極３８との間に、中心電流値Ｉpc0、振幅Ｉpcw、周波数ｆ1の変調電流Ｉpcが印加される。変調電流Ｉpcの印加により、振幅λw（例えば１０ｐｍ）、周波数ｆ1で振動する光が波長掃引光源１から測定雰囲気２へ出射される。
【００９８】
この後の波長検出部６、受光部３、電流電圧変換器４、ガス検知部５に関する動作は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、半導体発光素子の出射光の光強度が変調電流によって変化しないため、第１および第２の実施形態のガス検知装置と比較して、変調歪みを抑制し、検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。
【０１００】
また、本実施形態のガス検知装置は、発光領域の膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減できるため、モードホップフリーで半導体発光素子の出射光に対する連続波長掃引を行うことができる。
【０１０１】
（第４の実施形態）
本発明に係るガス検知装置の第４の実施形態について図面を用いて説明する。第１〜３の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１０２】
図９に本実施形態で用いられる波長掃引光源４０の要部の構成を示す。
【０１０３】
波長掃引光源４０は、第１〜３の実施形態で用いられた半導体発光素子１０、２０と、半導体発光素子１０、２０の低反射端面である一方の端面１０ａ、２０ａから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ８１と、コリメートレンズ８１から出射された平行光を後述する回折格子８２の回折面８２ａの所定入射位置Ｇに向けて反射する固定ミラー８３と、固定ミラー８３から反射された光を回折するための回折格子８２と、回折格子８２で回折された回折光を垂直に入射した波長成分のみの光を逆光路で回折格子８２へと反射させる反射板８５を有する回動ミラー８４から構成されている。
【０１０４】
ここで、回折格子８２の回折面８２ａを延長した平面をＨ１、半導体発光素子１０、２０の内部の屈折率を考慮した実効共振端面１０ｃ、２０ｃを延長した平面をＨ２、反射板８５の反射面８５ａを延長した平面をＨ３とする。
【０１０５】
固定ミラー８３は、平面Ｈ３と平面Ｈ１で挟まれた空間内で、且つ回動中心位置Ｏと回折面８２ａの所定入射位置Ｇとの間に配置される。また、半導体発光素子１０、２０とコリメートレンズ８１は、平面Ｈ３で区切られてなる２つの空間のうち、回折格子８２が含まれる方の空間に配置される。また、半導体発光素子１０、２０から回折格子８２までの光路は回動ミラー８４に対して非交差である。
【０１０６】
この回折格子８２の回折面８２ａに対する反射板８５の反射面８５ａの角度が、回動中心位置Ｏを中心に駆動装置（図示せず）によって所定角度範囲で周期的に変化されることで、反射面８５ａにより半導体発光素子１０、２０に逆光路で戻される光の波長が連続的にかつ周期的に変化する。これに伴って波長掃引光源４０から出射されるレーザ光の波長も連続的にかつ周期的に変化する。
【０１０７】
ここで、反射板８５の回動の周波数（波長の掃引速度に相当）は例えば７００Ｈｚである。なお、半導体発光素子１０、２０に印加される変調電流の周波数は例えば１０ｋＨｚである。
【０１０８】
図９に示す半導体発光素子１０、２０の実効共振端面１０ｃ、２０ｃと固定ミラー８３までの光路長Ｌ３と、固定ミラー８３から所定入射位置Ｇまでの光路長Ｌ４と、回動ミラー８４の反射板８５の回動中心位置Ｏから平面Ｈ３までの距離Ｌ２と、回動中心位置Ｏから回折格子８２の所定入射位置Ｇまでの距離ｒと、回折格子８２に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで連続波長掃引を行うことが可能となる。
ｒ=（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）/ｓｉｎ α    ・・・・・・（２）
【０１０９】
また、固定ミラー８３を介して回折格子８２に光を入射して、反射板８５と光路とを交差させない配置であるので、反射板８５に光通過用の穴などを設ける必要がなく、その剛性低下による変形が起こらず、薄い板でも安定で高速な波長掃引を行うことができる。
【０１１０】
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、波長掃引光源がモードホップフリーで高速かつ安定な連続波長掃引を行うことができるため、さらに検知対象ガスの検知感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１、４０  波長掃引光源（光源部）
２  測定雰囲気
３  受光部
５  ガス検知部
６  波長検出部（波長認識手段）
７  信号スイッチ
８  記憶部
１０、２０  半導体発光素子
１０ａ、２０ａ  一方の端面
１０ｂ、２０ｂ  他方の端面
１０ｃ、２０ｃ  実効共振端面
１１、８１  コリメートレンズ（掃引手段）
１２、８２  回折格子（掃引手段）
１２ａ、８２ａ  回折面
１３、８４  回動ミラー（掃引手段）
１３ａ  反射面
１４、４４  発光素子駆動部
２１  ｎ型半導体基板
２２  発光領域
２３  位相調整領域
２４  活性層
２５  第１ｐ型クラッド層
２６  導波路層
２７  第２ｐ型クラッド層
２８  第３ｐ型クラッド層
３２、３３  分離溝
８３  固定ミラー
８５  反射板
８５ａ  反射面
【図１】
2010169625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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