(57)【要約】【課題】装置寿命を短くすることなく、短絡・オープン故障の発生による動作停止を回避することが可能な半導体レーザ装置および半導体レーザ装置の動作停止回避方法を得ること。【解決手段】半導体レーザ１に、重畳交流成分発生器３にて生成された重畳交流電流が重畳された駆動電流を流し、同期検出回路４では重畳交流電流の周波数と同期した電圧信号を検出する。検出信号比較部５は、検出された電圧信号から算出された半導体レーザ１の微分抵抗値と、予め設定された故障判定微分抵抗値とを比較し、半導体レーザ１の微分抵抗値が故障判定微分抵抗値を下回った場合には故障と判定し、電流バイパス制御部６へ切替信号を送る。電流バイパス制御部６は、切替信号に基づいて半導体レーザ１に供給している駆動電流をバイパスし、半導体レーザ１に電流が流れないようにする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給する電源部と、
前記駆動電流を、前記半導体レーザに対してバイパスして流すことが可能な電流バイパス制御部と、
前記半導体レーザの駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する物理量検出比較部と、
を備え、
前記電流バイパス制御部は、前記切替信号に基づき、前記駆動電流を前記半導体レーザに対してバイパスして流すことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記物理量検出比較部は、
前記駆動電流に重畳され前記駆動電流とは異なる周波数の重畳交流電流を生成する重畳交流成分発生部と、
前記重畳交流電流が重畳された前記駆動電流が供給されている前記半導体レーザから、前記重畳交流電流の周波数と同期した電圧信号を検出する同期検出部と、
この同期検出部にて検出された電圧信号と前記重畳交流電流とから算出された前記物理量の値としての前記半導体レーザの微分抵抗値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定微分抵抗値とを比較し、前記半導体レーザの微分抵抗値が前記故障判定微分抵抗値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する検出信号比較部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記物理量検出比較部は、
前記半導体レーザに順方向に電圧測定用電流を流したときの前記半導体レーザの両端電圧を測定する電圧モニタ部と、
この電圧モニタ部にて測定された前記物理量の値としての電圧値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定順方向電圧値とを比較し、前記測定された電圧値が前記故障判定順方向電圧値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する電圧比較部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記物理量検出比較部は、
前記半導体レーザに逆方向に電圧測定用電流を供給する逆方向電流供給部と、
この逆方向電流供給部から供給された電圧測定用電流を前記半導体レーザに流したときの前記半導体レーザの両端電圧を測定する電圧モニタ部と、
この電圧モニタ部にて測定された前記物理量の値としての電圧値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定逆方向電圧値とを比較し、前記測定された電圧値が前記故障判定逆方向電圧値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する電圧比較部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記物理量検出比較部は、
前記駆動電流が供給されている前記半導体レーザの光出力をモニタする光出力モニタ部と、
前記モニタされた光出力に対応して前記光出力モニタ部から出力された前記物理量の値としての出力電流値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定電流値とを比較し、前記出力電流値が前記故障判定電流値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する出力電流比較部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
直列に接続された複数個の半導体レーザが設けられた構成において、前記各半導体レーザのモニタ用にマトリックス状に配置されたマトリクス状配線をさらに備え、
前記マトリックス状配線の交点を指定することにより、前記複数個の半導体レーザの中から故障判定された半導体レーザを特定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
半導体レーザと、この半導体レーザに駆動電流を供給する電源部と、前記駆動電流を前記半導体レーザに対してバイパスして流すことが可能な電流バイパス制御部と、を備えた半導体レーザ装置の動作停止の回避方法であって、
前記半導体レーザの駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する物理量検出比較ステップと、
前記電流バイパス制御部が、前記切替信号に基づき、前記駆動電流を前記半導体レーザに対してバイパスして流す電流バイパスステップと、
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の動作停止回避方法。
【請求項８】
前記物理量検出比較ステップは、
前記電源部から前記半導体レーザに供給する前記駆動電流に、前記駆動電流とは異なる周波数の重畳交流電流を重畳させるステップと、
前記重畳交流電流が重畳された前記駆動電流が供給されている前記半導体レーザから、前記重畳交流電流の周波数と同期した電圧信号を検出するステップと、
前記検出された電圧信号と前記重畳交流電流とから前記半導体レーザの微分抵抗値を算出し、前記物理量の値としての前記半導体レーザの微分抵抗値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定微分抵抗値とを比較し、前記半導体レーザの微分抵抗値が前記故障判定微分抵抗値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置の動作停止回避方法。
【請求項９】
前記物理量検出比較ステップは、
前記半導体レーザに順方向に電圧測定用電流を流したときの両端電圧を測定するステップと、
前記物理量の値としての前記測定された電圧値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定順方向電圧値とを比較し、前記測定された電圧値が前記故障判定順方向電圧値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置の動作停止回避方法。
【請求項１０】
前記物理量検出比較ステップは、
前記半導体レーザに対して逆方向に電圧測定用電流を供給し、前記半導体レーザの両端電圧を測定するステップと、
前記物理量の値としての前記測定された電圧値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定逆方向電圧値とを比較し、前記測定された電圧値が前記故障判定逆方向電圧値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置の動作停止回避方法。
【請求項１１】
前記物理量検出比較ステップは、
前記電源部から前記駆動電流が供給されている前記半導体レーザの光出力をモニタするステップと、
前記モニタされた光出力に対応する前記物理量の値としての出力電流値と、予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定電流値とを比較し、前記出力電流値が前記故障判定電流値よりも低下したときに故障と判定して、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置の動作停止回避方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＹＡＧレーザ励起用等の光源に使用される半導体レーザ装置に関し、特に、短絡・オープン等の故障による動作停止の回避が可能な半導体レーザ装置、およびそのような動作停止回避方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＹＡＧレーザ励起用等の光源に使用される半導体レーザには、長期動作させた場合に故障の原因となる以下の２種類の劣化モードが存在することが知られている。
劣化１・・・出力の漸減として現れる緩やかな劣化。
劣化２・・・半導体レーザの短絡またはハンダ溶融による接合オープン
を伴う急激な劣化。
【０００３】
劣化１に対しては、デバイスのスクリーニングによる選別と適切な動作条件を選択することにより、半導体レーザの寿命について実用上問題ない寿命（例えば、１万時間以上）が得られる。実際、現実のＹＡＧレーザに適用した場合でも予測通りに動作することが知られている。
【０００４】
一方、劣化２による故障は、発生時期を予測することが困難であり（突発的または偶発的な故障であるため）、かつ劣化が急激であるため、何の予兆も無くＹＡＧレーザシステム全体が動作停止に陥る問題がある。
【０００５】
ＹＡＧレーザでは、励起用半導体レーザにアレイ型を使うことが一般的で、半導体レーザに数十アンペアの大電流を流して発振させ、ＹＡＧロッドを光励起している。また、数百〜数キロワットの出力のＹＡＧレーザを構成するためには、励起用半導体レーザは数十個から数百個必要である。このように多数の大出力半導体レーザアレイを同時に点灯させるため、実用上、半導体レーザは少なくとも数十個単位で直列に接続され、これらは１つのＤＣ電源で制御されている。半導体レーザの直列化のメリットは、下記２点である。
メリット１・・・電源の電流容量が半導体レーザ１個分で済み、
電源サイズが実用的な範囲に納まる。
メリット２・・・大容量の配線が簡素化される。
【０００６】
一方、直列化のデメリットは、下記２点である。
デメリット１・・・１個でもオープン故障すると全体が止まってしまう。
デメリット２・・・個々の半導体レーザの動作状態を管理できない。
【０００７】
特に劣化２によりオープン故障が発生すると、デメリット１によるシステム停止に至る。このようなシステム停止を防ぐための対策としては、以下の２点が考えられる。
対策１・・・オープン故障発生時に瞬時にバイパス回路に切り替える。
対策２・・・劣化１による寿命の間は、劣化２による故障が発生しないと考えられる
ので、半導体レーザを劣化１の状態に保つ。
【０００８】
現状の半導体レーザで対策２を実施するのは困難であるので、対策１を実施してＹＡＧレーザシステムの停止を防いでいる（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、劣化２による故障は、ＹＡＧレーザシステムの定期点検期間中に１〜２件起こる程度であるから、故障した半導体レーザをバイパスしてやれば、システム停止させることを回避できる。対策１に対する故障の検出は、例えば、半導体レーザパッケージのオープン故障を利用している（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−１０３５６５号公報
【特許文献２】特開昭５９−１１３７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の技術によれば以下に示すような問題点があった。ＹＡＧレーザシステムに用いる半導体レーザは封止型構造ではないため、短絡・オープン故障が発生した場合に、周囲の部品を汚損し、雰囲気を悪化させる。そのため、短絡・オープン故障が発生した場合、従来技術のようにバイパスによりシステム停止の防止を試みたとしても、周囲部品の汚損により励起光学系や周囲の半導体レーザの劣化が早く進み、ＹＡＧレーザシステム全体の寿命が短くなるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置寿命を短くすることなく、短絡・オープン故障の発生による動作停止を回避することが可能な半導体レーザ装置および半導体レーザ装置の動作停止回避方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザに駆動電流を供給する電源部と、前記駆動電流を、前記半導体レーザに対してバイパスして流すことが可能な電流バイパス制御部と、前記半導体レーザの駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された前記半導体レーザの故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、前記電流バイパス制御部へ切替信号を送出する物理量検出比較部と、を備え、前記電流バイパス制御部は、前記切替信号に基づき、前記駆動電流を前記半導体レーザに対してバイパスして流すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、半導体レーザの駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と予め設定された故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、半導体レーザに供給する駆動電流をバイパスして流し、半導体レーザに電流が流れないようにしている。すなわち、非発光再結合成分量に応じて変化する物理量の検出値に基づいて、半導体レーザにおける短絡・オープン等の故障発生を、実際に故障が起こる前に判定予知し、駆動電流を半導体レーザに対して迂回させて流すことで、装置の動作停止を回避すると共に、実際に故障が発生することによる周囲部品の汚損を未然に防ぐことができる。
【００１５】
そのため、レーザ励起用等として本半導体レーザ装置をレーザシステムに使用する場合に、故障と判定した半導体レーザを交換すれば、他の部品はそのまま使うことができ、出力の漸減として現れる緩やかな劣化で規定される半導体レーザの寿命までレーザシステムを使い続けることが可能となる。このように、ほぼメンテナンスフリーのレーザシステムを構築でき、工場ライン内における連続操業に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる半導体レーザ装置および半導体レーザ装置の動作停止回避方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
半導体レーザの故障を予知することが可能な物理量のうち、簡便にモニタすることができるものとして、下記の４点を挙げることができる。
（１）半導体レーザ動作点における微分抵抗値変化
（２）半導体レーザの順方向ＯＮ電圧値変化
（３）半導体レーザの逆方向電流−逆方向電圧特性変化
（４）半導体レーザの光出力変化
【００１８】
以下、これら４点の物理量を用いて故障を予知する実施の形態について説明する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、半導体レーザ劣化時の微分抵抗値の変動を示す図であり、図２は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【００２０】
図１では、横軸は半導体レーザに印加する動作電流を表し、縦軸は微分抵抗値または光出力を表す。微分抵抗値は左側の縦軸に、光出力については右側の縦軸に値が表示される。同図中、Ｐ１は、半導体レーザの劣化前における動作電流と光出力との関係を示し（点線）、Ｐ２は、半導体レーザの劣化後における動作電流と光出力との関係を示している（実線）。Ｐ１およびＰ２が示すように、半導体レーザでは、電流値が発振しきい値（劣化前においてはＴｈ１、劣化後においてはＴｈ２）を超えると、光出力が発生しレーザ発振が起こる。また、ＤＲ１は、半導体レーザの劣化前における動作電流と微分抵抗値との関係を示し（点線）、ＤＲ２は、半導体レーザの劣化後における動作電流と微分抵抗値との関係を示している（実線）。微分抵抗は、後述するように、電流の微小変化に対する電圧の変化の割合として定義される。
【００２１】
半導体レーザの微分抵抗値は、図１に示すように、発振しきい値よりも動作電流が大きい領域では一定となる。半導体レーザが劣化すると、電流−光変換効率が低下して発振しきい値電流が上昇し、非発光再結合電流成分が増加する。したがって、劣化前と比べて劣化後には、レーザ発振時における微分抵抗値が低下する（図１の点線（ＤＲ１）から実線（ＤＲ２）のように変化）。すなわち、微分抵抗値をモニタすれば半導体レーザの故障の発生を予知することが可能である。
【００２２】
微分抵抗値のモニタは、半導体レーザとしての例えばＬＤ（レーザダイオード）に対して、その動作中に微小（望ましくは、ＬＤの駆動電流の１０％以下）でかつ比較的高周波の交流成分を、駆動電流に重畳させることで実現可能である。微分抵抗値Ｒｄは、重畳させる交流成分の電流振幅ΔＩｄと重畳させる交流成分の電圧振幅ΔＶｄとを用いて、下記数式（１）により求めることができる。
Ｒｄ＝ΔＶｄ／ΔＩｄ                                              ・・・（１）
【００２３】
したがって、ΔＩｄおよびΔＶｄのいずれか一方を既知とした交流成分信号を駆動電流に重畳し、他方をモニタすることで実質的に微分抵抗値を知ることができる。この手法は、例えば、ＤＣ動作の場合や、重畳させる交流成分よりも十分に低い周波数のＯＮ／ＯＦＦ動作で半導体レーザを駆動する場合に適用でき、実際に半導体レーザが発振している状態でモニタすることができる。更に、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）等を用いて、重畳した交流成分の周波数に同期した信号だけを選択的にモニタすれば、ノイズによる誤動作を防ぐことができる。
【００２４】
また、ＹＡＧレーザ励起用等の用途において、レーザ出力を変更したために半導体レーザの動作点が変わっても、図１に示すように、半導体レーザの発振しきい値以上の動作電流に対して微分抵抗値はほぼ一定であるから、故障を判定するための故障判定値を変更することなく故障予知が可能である。
【００２５】
本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、このような手法を用いて半導体レーザの微分抵抗値をモニタすることにより、故障発生前に半導体レーザからバイパス回路への切り替えを行う。図２に示すように、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザ１と、この半導体レーザ１に駆動電流を供給すると共に電流量の制御が可能な制御電源２と、駆動電流に重畳される重畳交流成分を生成する重畳交流成分発生器３と、半導体レーザ１から重畳交流成分と同期した電圧信号の検出を行う同期検出回路４と、この同期検出回路４の検出結果と故障判定値との比較を行う検出信号比較部５と、この検出信号比較部５の比較結果に基づいて、半導体レーザ１に供給する電流をバイパス回路へ切り替えが可能な電流バイパス制御部６と、を備えている。また、本実施の形態では、重畳交流成分発生器３、同期検出回路４、および検出信号比較部５は、半導体レーザ１の駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された半導体レーザ１の故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、電流バイパス制御部６へ切替信号を送出する物理量検出比較部を構成する。なお、本実施の形態における上記物理量の値は半導体レーザ１の微分抵抗値である。
【００２６】
半導体レーザ１は、電流バイパス制御部６を介して制御電源２に接続され、制御電源２から駆動電流が供給されている。この駆動電流には、制御電源２が生成するレーザ駆動用の電流成分の他に、重畳交流成分発生器３により生成され駆動電流とは異なる周波数で（例えば、駆動電流の周波数よりも高く、比較的高周波で）かつ一定振幅ΔＩｄの交流成分が重畳されている。振幅ΔＩｄは、例えば、駆動電流の振幅の１０％以下であることが望ましい。更に、半導体レーザ１は、同期検出回路４と信号線を介して接続されており、半導体レーザ１の両端電圧から重畳交流成分発生器３の信号周波数成分と同期した電圧信号だけが同期検出回路４で検出される。
【００２７】
ここで、同期検出回路４にて検出された電圧信号振幅ΔＶｄは、検出信号比較部５にて予め決められた故障判定微分抵抗値Ｒｄｊに相当する基準電圧振幅値ΔＶｄｊ（すなわち、Ｒｄｊ×ΔＩｄ）と比較される。このとき、ΔＶｄｊ＞ΔＶｄであれば、検出信号比較部５から電流バイパス制御部６へバイパス回路への切替信号が出され、故障と判定された半導体レーザはバイパスされて、当該半導体レーザには電流が流れなくなる。なお、電圧信号振幅ΔＶｄと基準電圧振幅値ΔＶｄｊとを比較して故障判定を行うことは、電圧信号振幅ΔＶｄおよび振幅ΔＩｄから算出される半導体レーザ１の微分抵抗値と故障判定微分抵抗値Ｒｄｊとを比較して故障判定を行うことと同じであり、半導体レーザ１の微分抵抗値が故障判定微分抵抗値Ｒｄｊを下回ったときに故障と判定する。
【００２８】
半導体レーザ１は、例えば、ＹＡＧレーザ励起用の光源に使用されるアレイ型の半導体レーザであり、バイパス回路は、電流バイパス制御部６の制御により、アレイ型を構成する多数の半導体レーザ（または、ＬＤ）をそれぞれ個別にバイパスするように駆動電流の経路を制御することができる。
【００２９】
また、半導体レーザ自身を比較的高い周波数でＯＮ／ＯＦＦ動作させる場合、半導体レーザの駆動電流は既知であるから、その駆動周波数において各半導体レーザのピーク電圧をモニタすれば、そのピーク電圧値の変化から上述の交流成分を重畳した場合と同様に、故障判定を行うことが可能である。この場合、図２の重畳交流成分発生器３は、駆動電流に微小な交流成分を重畳されるのではなく、駆動電流の制御に用いられる。
【００３０】
故障判定用微分抵抗値Ｒｄｊを決定すれば、半導体レーザの微分抵抗値が図１のハッチ領域に入ったときに故障と判定し、実際に短絡・オープンする直前にバイパス回路を動作させることができる。故障判定用微分抵抗値Ｒｄｊは、適用する半導体レーザの特性分布から決定することができる。例えば、実際にＹＡＧレーザ装置などに使う半導体レーザ全体の母集団において、微分抵抗値の平均値および分散値をそれぞれ、平均値Ｒｄａ、分散値σＲｄとすると、Ｒｄｊは下記数式（２）で計算できる。
Ｒｄｊ＝（Ｒｄａ−Ａ・σＲｄ）×Ｂ                                ・・・（２）
但し、Ａ、Ｂは、パラメータである。適用する半導体レーザ装置の特性によって、数式（２）中のパラメータＡ、Ｂを適切に決定すれば、短絡・オープン故障を予知し、故障発生前にバイパス回路へ切り替えることができる。
【００３１】
本実施の形態によれば、半導体レーザの短絡・オープン等を伴う急激な劣化による故障発生を予知し、短絡・オープン等による故障が発生する前段階でバイパス回路を作動させることで、動作停止を回避すると共に、実際に故障が発生することによる周囲部品の汚損を未然に防ぐことができる。
【００３２】
そのため、ＹＡＧレーザ励起用等として本半導体レーザ装置を使用する場合に、故障と判定した半導体レーザを交換すれば、他の部品はそのまま使うことができるので、出力の漸減として現れる緩やかな劣化で規定される半導体レーザの寿命までレーザシステム（ＹＡＧレーザ等のレーザおよび本半導体レーザ装置を含むレーザシステム）を使い続けることが可能となる。このように、短絡・オープン状態を予知しバイパス回路に切り替えることで、ほぼメンテナンスフリーのレーザシステムを構築でき、工場ライン内における連続操業に対応することができる。
【００３３】
実施の形態２．
図３は、半導体レーザ劣化時のＯＮ電圧値の変動を示す図であり、図４は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【００３４】
図３では、横軸は半導体レーザに印加する動作電流を表し、縦軸は動作電圧値を表す。同図中、Ｖ１は、半導体レーザの劣化前における動作電流と動作電圧との関係を示し（点線）、Ｖ２は、半導体レーザの劣化後における動作電流と動作電圧との関係を示している（実線）。
【００３５】
半導体レーザは、ダイオードの一種であるから順方向の電流−電圧特性は一般に図３のようになる。ダイオードのＯＮ電圧は、半導体レーザの材料や層構造・ドーピング量などで決定される。半導体レーザが劣化した場合、ダイオードのｐＮ接合部は結晶欠陥により微視的に破壊されるため、非発光再結合中心が発生する。したがって、キャリアの拡散長が短くなり、逆方向飽和電流密度が高くなるので半導体レーザのＯＮ電圧が低下する。そこで、半導体レーザのＯＮ電圧をモニタすれば故障を予知することが可能である。
【００３６】
ダイオードのＯＮ電圧評価方法として最も簡便な方法は、動作条件の１／１００程度の電流を流した場合の電圧を測定することである。例えば、測定用電流としてＩｆｏを設定し、単純にそのときの半導体レーザの両端電位差をＯＮ電圧Ｖｆｏと定義すればよい。この方法でモニタするタイミングは、装置の立ち上げ時、またはＯＮ／ＯＦＦ動作などで半導体レーザをＯＦＦした時に限られる。しかし、測定が簡単で実際の装置に適用しやすいという利点がある。図３の例では、初期的にＯＮ電圧Ｖｆｏ１であった半導体レーザが劣化し、ＯＮ電圧がＶｆｏ２に下がる様子を示した。
【００３７】
本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、このような手法を用いた半導体レーザのＯＮ電圧モニタにより、故障発生前に、半導体レーザからバイパス回路への切り替えを行う。図４に示すように、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザ１と、その制御電源２と、電流バイパス制御部６と、電圧モニタ回路９と、電圧比較部１０と、を備えている。また、本実施の形態では、電圧モニタ回路９および電圧比較部１０は、半導体レーザ１の駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された半導体レーザ１の故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、電流バイパス制御部６へ切替信号を送出する物理量検出比較部を構成する。なお、本実施の形態における上記物理量の値は半導体レーザ１に順方向に電圧測定用電流を流したときの両端電圧値である。
【００３８】
半導体レーザ１は、電流バイパス制御部６により制御電源２に接続された状態で駆動電流が流れている。更に、半導体レーザ１から、電圧モニタ回路９に対して信号線が接続されており、半導体レーザ１に印加された電圧をモニタすることができる。モニタ時は、半導体レーザ１に測定用電流としての定電流Ｉｆｏが注入され、電圧値は電圧モニタ回路９で測定され、その測定結果は電圧比較部１０にて、故障判定用の基準電圧値Ｖｆｏｊと比較される。ここで、Ｖｆｏ＜Ｖｆｏｊであれば、電圧比較部１０から電流バイパス制御部６へバイパス回路への切替信号が出され、故障と判定された半導体レーザ１はバイパスされて、当該半導体レーザには電流が流れなくなる。
【００３９】
故障判定ＯＮ電圧値Ｖｆｏｊを決定すれば、Ｖｆｏが図３のハッチ領域に入ったときに故障と判定し、短絡・オープンする直前にバイパス回路を動作させることができる。故障判定ＯＮ電圧値Ｖｆｏｊは、適用する半導体レーザの特性分布から決定することができる。例えば、実際にＹＡＧレーザ装置などに使う半導体レーザ全体の母集団において、ＯＮ電圧値の平均値および分散値をそれぞれ、平均値Ｖｆｏａ，分散値σＶｆｏとすると、Ｖｆｏｊは下記数式（３）で計算できる。
Ｖｆｏｊ＝（Ｖｆｏａ−Ｃ・σＶｆｏ）×Ｄ                          ・・・（３）
【００４０】
但し、Ｃ、Ｄはパラメータである。適用する半導体レーザ装置の特性によって、数式（３）中のパラメータＣ、Ｄを適切に決定すれば、短絡・オープン故障を予知し、故障発生前にバイパス回路へ切り替えることができる。
【００４１】
本実施の形態は、実施の形態１と同様の効果を奏し、半導体レーザの短絡・オープン等を伴う急激な劣化による故障発生を予知し、短絡・オープン等による故障が発生する前段階でバイパス回路を作動させることで、動作停止を回避すると共に、実際に故障が発生することによる周囲部品の汚損を防ぐことができる。
【００４２】
実施の形態３．
図５は、半導体レーザ劣化時の逆方向電圧値の変動を示す図であり、図６は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【００４３】
図５では、横軸は半導体レーザに印加する逆方向電流を表し、縦軸は逆方向電圧を表す。同図中、Ｖ１は、半導体レーザの劣化前における逆方向電流と逆方向電圧との関係を示し（点線）、Ｖ２は、半導体レーザの劣化後における逆方向電流と逆方向電圧との関係を示している（実線）。
【００４４】
半導体レーザは、ダイオードの一種であるから逆方向の電流−電圧特性は一般に図５のようになる。ダイオードの逆方向飽和電流は、半導体レーザの材料や層構造・ドーピング量などで決定される。半導体レーザが劣化した場合、ダイオードのｐＮ接合部は結晶欠陥により微視的に破壊されるため、非発光再結合中心が発生する。したがって、キャリアの拡散長が短くなり、逆方向飽和電流密度が高くなるので、半導体レーザに一定の逆方向電流を流すための電圧が低下する。そこで、半導体レーザの逆方向電圧をモニタすれば故障を予知することが可能である。
【００４５】
ダイオードの逆方向電圧は、定電流源により例えば数１０〜数１００μＡの微小電流を流して評価するのが一般的である。例えば、測定用電流としてＩｒを設定し、単純にそのときの半導体レーザの両端電位差を逆方向電圧Ｖｒと定義すればよい。この方法でモニタするタイミングは、装置の立ち上げ時、またはＯＮ／ＯＦＦ動作などで半導体レーザをＯＦＦした時に限られる。この評価は、逆方向電流用の電流源が必要であるが、直接逆方向飽和電流変動をモニタできるので感度が良いという利点がある。図５の例では、初期的に逆方向電圧値がＶｒ１であった半導体レーザが劣化し、逆方向電圧値がＶｒ２に下がる様子を示した。この方法の注意点は、Ｉｒの設定値次第でＶｒ１が非常に大きい電圧になる可能性があるため、微小電流を流す電流源に対して半導体レーザを破壊しないように電圧リミット値を設けなければならない。
【００４６】
本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、上述のような手法を用いた半導体レーザの逆方向電圧モニタにより、故障発生前に、半導体レーザからバイパス回路への切り替えを行う。図６に示すように、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザ１と、その制御電源１３と、逆方向定電流源１４と、電圧モニタ回路９と、電圧比較部１０と、バイパス制御部６と、を備えている。逆方向定電流源１４は、半導体レーザ１に対して逆方向に微小な定電流を供給する電流供給部である。また、本実施の形態では、逆方向定電流源１４、電圧モニタ回路９および電圧比較部１０は、半導体レーザ１の駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された半導体レーザ１の故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、電流バイパス制御部６へ切替信号を送出する物理量検出比較部を構成する。なお、本実施の形態における上記物理量の値は半導体レーザ１に逆方向に電圧測定用電流を流したときの両端電圧値である。
【００４７】
半導体レーザ１は、電流バイパス制御部６により制御電源１３に接続された状態で駆動電流が流れている。更に、半導体レーザ１から、電圧モニタ回路９に対して信号線が接続されており、半導体レーザ１に印加されている電圧をモニタすることができる。モニタ時には、制御電源１３からの指示を受け、逆方向定電流源１４から逆方向電流Ｉｒを半導体レーザ１に注入し、逆方向電圧値Ｖｒが電圧モニタ回路９で測定され、測定された逆方向電圧値Ｖｒは電圧比較部１０にて故障判定用の基準電圧値Ｖｒｊと比較される。ここで、Ｖｒ＜Ｖｒｊであれば、電圧比較部１６から電流バイパス制御部６へバイパス回路への切替信号が出され、故障と判定された半導体レーザ１はバイパスされて、当該半導体レーザには電流が流れなくなる。
【００４８】
なお、逆方向の電流−電圧特性は、測定用電圧値Ｖｒを一定として逆方向電流値Ｉｒによるモニタ方法としても利用できる。この場合には、劣化によって逆方向電流が増加することにより、故障を予知することが可能である。逆方向電流をモニタする際には、半導体レーザに必要以上に電流を流さぬよう電流リミットを設ける必要がある。
【００４９】
故障判定逆方向電圧値Ｖｒｊを決定すれば、Ｖｒが図５のハッチ領域に入ったときに故障と判定し、短絡・オープンする直前にバイパス回路を動作させることができる。故障判定逆方向電圧値Ｖｒｊは、適用する半導体レーザの特性分布から決定することができる。例えば、実際にＹＡＧレーザ装置などに使う半導体レーザ全体の母集団において、逆方向電圧値の平均値および分散値をそれぞれ、平均値Ｖｒａ、分散値σＶｒとすると、Ｖｒｊは下記数式（４）で計算できる。
Ｖｒｊ＝（Ｖｒａ−Ｅ・σＶｒ）×Ｆ                                ・・・（４）
【００５０】
但し、Ｅ、Ｆはパラメータである。適用する半導体レーザ装置の特性によって数式（４）中のパラメータＥ、Ｆを適切に決定すれば、短絡・オープン故障を予知し、故障発生前にバイパス回路へ切り替えることができる。
【００５１】
本実施の形態は、実施の形態１と同様の効果を奏し、半導体レーザの短絡・オープン等を伴う急激な劣化による故障発生を予知し、短絡・オープン等による故障が発生する前段階でバイパス回路を作動させることで、動作停止を回避すると共に、実際に故障が発生することによる周囲部品の汚損を防ぐことができる。      
【００５２】
実施の形態４．
半導体レーザが劣化すると、前述のように非発光再結合中心ができるために、劣化前に比べて同一電流時の光出力が低下する。ＹＡＧレーザ装置などで多数直列に接続された半導体レーザの中で特に劣化が進んだものがあれば、当該品だけが周囲よりも光出力が低くなるので、装置に使用されている全半導体レーザについて個別に光出力をモニタして比較すれば、劣化を予知することが可能である。なお、半導体レーザの緩やかな劣化は、ＹＡＧレーザなどの出力モニタで検出できるが、短絡・オープン故障を予知するためには個別の半導体レーザ出力のモニタが必須である。
【００５３】
光出力モニタ方法としては、例えば半導体レーザの高反射率コーティング側にモニタ用のフォトダイオードを設置する方法が広く利用されている。この方法は、半導体レーザがアレイ型であっても同様に利用でき、フォトダイオードは単一素子だけでなくＣＣＤやリニアアレイ型など各種を適用できる。また、光出力は半導体レーザの動作中にモニタできるので、モニタタイミングが限られない利点がある。
【００５４】
本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、このような手法を用いた半導体レーザの光出力モニタにより、故障発生前に、半導体レーザからバイパス回路への切り替えを行う。図７は、本実施の形態にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。本実施の形態にかかる半導体レーザ装置は、半導体レーザ１と、その制御電源２と、電流バイパス制御部６と、モニタ用フォトダイオード２０と、出力電流比較部２１と、を備えている。また、本実施の形態では、モニタ用フォトダイオード２０および出力電流比較部２１は、半導体レーザ１の駆動時における非発光再結合成分量に応じて変化する物理量を検出し、この検出された物理量の値と、当該物理量について予め設定された半導体レーザ１の故障判定基準としての故障判定基準値とを比較し、この比較結果に基づいて故障と判定した場合には、電流バイパス制御部６へ切替信号を送出する物理量検出比較部を構成する。なお、本実施の形態における上記物理量の値はモニタ用フォトダイオード２０による半導体レーザ１の光出力に対応する出力電流値である。
【００５５】
半導体レーザ１は、電流バイパス制御部６により制御電源２に接続された状態で駆動電流が流れている。半導体レーザの光出力は、光出力モニタ部としてのモニタ用フォトダイオード２０によりモニタされる。ＹＡＧレーザシステムに使用される場合など、半導体レーザが多数直列に接続されている場合には、モニタ用フォトダイオード２０は、各半導体レーザの光出力を個別にモニタする。
【００５６】
更に、モニタ用フォトダイオード２０から出力電流比較部２１に対して信号線が接続されており、モニタ用フォトダイオード２０の出力電流Ｉｐｄによって半導体レーザの出力Ｐｏをモニタすることができる。モニタ用フォトダイオード２０の出力電流Ｉｐｄは出力電流比較部２１にて故障判定電流値としての基準電流値Ｉｐｄｊと比較される。ここで、Ｉｐｄ＜Ｉｐｄｊであれば、出力電流比較部２１から電流バイパス制御部６へバイパス回路への切替信号が出され、故障と判定された半導体レーザ１はバイパスされて、当該半導体レーザには電流が流れなくなる。
【００５７】
本実施の形態は、実施の形態１と同様の効果を奏し、半導体レーザの短絡・オープン等を伴う急激な劣化による故障発生を予知し、短絡・オープン等による故障が発生する前段階でバイパス回路を作動させることで、動作停止を回避すると共に、実際に故障が発生することによる周囲部品の汚損を防ぐことができる。
【００５８】
なお、本実施の形態を、実施の形態５で述べるマトリクス状配線との組み合わせで使うことにより、多数接続された半導体レーザのうち劣化品を特定して予知する目的に対して好適に利用される。
【００５９】
実施の形態５．
ＹＡＧレーザ励起用などの半導体レーザが多数直列に接続された半導体レーザ装置に対して、バイパス回路を有効に動作させるため、個別の半導体レーザを識別してモニタし、劣化が予知されたものに対してバイパス回路に切り替える必要がある。このようなセンシング用の配線は、半導体レーザの使用個数に比例して多くなり、かつ切替が複雑になる。そこで、センシング用の配線を例えばＭ×Ｎのマトリクス状（Ｍ、Ｎは正の整数）にすることで特定の半導体レーザを容易に指定してモニタすることができる。半導体レーザのモニタは、必ずしもすべて同時に実施する必要が無いので、Ｍ×Ｎマトリクスのアドレス指定により順番にモニタしていけばよい。モニタ制御は、マイコン・シーケンサを利用することが一般的であるが、このようなアドレス指定による方法は、マイコンやシーケンサを利用する方法とのマッチングが良いという利点がある。なお、バイパス回路の動作指定も同様のＭ×Ｎマトリクス配線により実施すればよい。
【００６０】
図８は、本実施の形態における半導体レーザ識別装置を示す模式図であり、特に、センシング用配線の一例を示す図である。マトリクス状配線を用いた半導体レーザ識別装置は、Ｍｃｈ（Ｍチャンネル）スイッチ２３およびＮｃｈ（Ｎチャンネル）スイッチ２４と、これらのスイッチからそれぞれ引き出されたＭ本の配線とＮ本の配線との各交点に設けられたスイッチング素子とを備えており、各スイッチング素子には半導体レーザ２５またはフォトダイオード２６が接続されている。半導体レーザ２５またはフォトダイオード２６は、Ｍ×Ｎマトリクスのアドレス（ｉ，ｊ）で指定される。ここで、ｉ、ｊは１≦ｉ≦Ｍ、１≦ｊ≦Ｎを満たす整数であり、装置に用いる半導体レーザの数や接続方法に対して適切なＭ、Ｎを設定すればよい。このような、半導体レーザ識別装置を用いることにより、半導体レーザの光出力を個別にモニタし、実施の形態４で説明した故障判別方法を利用して故障の発生した半導体レーザを、アドレス（ｉ、ｊ）を指定して特定することができる。
【００６１】
実施の形態１〜４において、半導体レーザが複数の半導体レーザを直列に接続して構成されている場合などに、本実施の形態を適用することにより、配線が簡易化されると共に、検出回路や制御回路が１個で済むので低コスト化や信頼性向上が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明にかかる半導体レーザ装置は、ＹＡＧレーザシステム等に使用される励起用の半導体レーザ装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】半導体レーザ劣化時の微分抵抗値の変動を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【図３】半導体レーザ劣化時のＯＮ電圧値の変動を示す図である。
【図４】実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【図５】半導体レーザ劣化時の逆方向電圧値の変動を示す図である。
【図６】実施の形態３にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【図７】実施の形態４にかかる半導体レーザ装置の構成および動作を説明するためのブロック図である。
【図８】実施の形態５における半導体レーザ識別装置を示す模式図であり、特に、センシング用配線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  半導体レーザ
２、１３  制御電源
３  重畳交流成分発生器
４  同期検出回路
５  検出信号比較部
６  電流バイパス制御部
９  電圧モニタ回路
１０  電圧比較部
１４  逆方向定電流源
２０  モニタ用フォトダイオード
２１  出力電流比較部
２３  Ｍｃｈスイッチ
２４  Ｎｃｈスイッチ
２５  半導体レーザ
２６  フォトダイオード
【図１】
2009026889.tif 000003
【図２】
2009026889.tif 000004
【図３】
2009026889.tif 000005
【図４】
2009026889.tif 000006
【図５】
2009026889.tif 000007
【図６】
2009026889.tif 000008
【図７】
2009026889.tif 000009
【図８】
2009026889.tif 000010