I. はじめに

スーパールミネッセント発光ダイオード（SLED）は、その広い帯域幅と高い出力により、光コヒーレンス断層撮影（OCT）、光ファイバーセンサー、光コヒーレンス領域反射率計（OCDR）などのアプリケーションに最適な光源であることが実証されています。現在、InPhenix社は、GaAs/InP材料系をベースにしたSLEDデバイスを、820nm、1300nm、1550nmの波長で市販しています。表1は、InPhenix社のSLED製品の性能と対象アプリケーションを示しています。

表 1 InPhenix SLED デバイスの性能と対象アプリケーション。

本稿では、SLED の基礎と実証済みの信頼性についていくつか説明します。

II. SLEDの基礎

SLED は、端面発光半導体光源です。SLED のユニークな特性は、注入レーザーダイオード (LD) と同様に高出力でビーム発散度が低いことです。また、発光ダイオード (LED) と同様に発光スペクトルが広くコヒーレンスが低いという特徴もあります。SLED は形状がレーザーに似ていますが、LD では誘導放出によってレーザー発振を実現するために必要な光フィードバック機構が組み込まれていません。LD と比較した SLED の動作の主な違いは、利得がはるかに高く、電流密度がはるかに高く、活性領域内の光子とキャリア密度分布の不均一性がはるかに強いことです。SLED は、ファセットの反射率を下げることでレーザー発振を抑制する LED と同様の構造的特徴を備えています。SLED は本質的に高度に最適化された LED です。SLED は低電流レベルでは LED のように動作しますが、高電流になると出力が超線形に増加します。

SLEDの特性評価に使用される主要なパラメータは6つあります:
(1)出力電力、
(2)光ゲイン、
(3)ASEスペクトル帯域幅または3dB帯域幅、
(4)スペクトル変調またはリップル、
(5)コヒーレンス長、
(6)コヒーレンス関数。

すべてのSLEDは、活性領域に沿って進行する2本の増幅された自然放出ビームを有します。完璧なSLEDは、活性チャネル端からの反射がゼロとなる最適化された進行波型レーザーダイオード増幅器です。しかし、反射防止コーティング（AR）などの製造プロセスにおける物理的な制約により、完璧なSLEDを実現することは事実上不可能です。

出力パワーと光利得
飽和以下の単一パス光利得 (Gs) は次のように決まります。

SLEDの出力は、光利得と自然放出光率にほぼ線形依存する。高い出力を得るには、通常、高い光利得値（20～30dB）が必要である。式（1）は、高い注入電流、大きな光閉じ込め、長い共振器、多重量子井戸（MQW）構造、あるいはこれらの組み合わせを用いることで、高い利得が得られることを示唆している。

図 1 は、それぞれ 820 nm および 1300 nm ウィンドウにおける InPhenix 3 mW および 25mW SM ファイバー出力 SLED の典型的な光電流特性を示しています。

図1 InPhenix SLEDデバイスのLI特性（a）820 nm帯（IPSDD0802）および（b）1300 nm帯（IPSDD1304）

ASEスペクトル特性（スペクトル帯域幅、スペクトル変調またはリップル）および
コヒーレンス特性（コヒーレンス長、コヒーレンス関数）

ASE スペクトルの特性は次のように説明できます。

(1) 3dB帯域幅（l3dB、単位nm）：図2に示すように、ASEスペクトルの半値全幅（FWHM）として定義されます。
範囲は10nm～100nm以上です。
（2）スペクトル変調（Dm、単位％またはdB）：図3に示すように
、l±dl（dlは少なくとも1変調周期をカバーし、OSA分解能は0.06nm以上に設定
）で測定されたlでの平均振幅のピークツーピークとして定義されます。スペクトル変調はできる限り低くする必要があります（ほとんどのアプリケーションでは5％（0.2dB）以下が
正常です）。

帯域幅は光閉じ込めと共振器長に反比例し、注入電流が増加するとバンドフィリング効果により広がります。さらに、SQWおよびMQW SLEDはバルクSLEDよりも広い帯域幅を提供します。1550 nm帯でMQW構造を用いることで、図4に示すように、50 nmから100 nm以上にスペクトルを広げることができます

図 4 250 mA での 1550 nm SLED 帯域幅 (Inphenix の IPSDD1502 および IPSDD1503 製品) は、バルク構造 (a) の場合は約 50 nm、MQW 構造 (b) の場合は 100 nm です。

ASE スペクトル変調は SLED ファセットからの残留反射によるもので、次の方法で決定されます。

ここで、RFとRRはそれぞれ前端面と後端面における反射率です。Gsが30dBのゲインに達して高出力を達成する場合、ピークツーピークのスペクトル変調度を2%に維持するには、RFRRの値を10-10程度にまで小さくする必要があります。ファセット反射率を低減してスペクトル変調度を非常に低く抑える手法として、いくつかの手法が用いられてきました。例としては、ARコーティング、非励起吸収体、短絡吸収体、非吸収窓、曲げ導波路、角度付きストリップ、そしてこれらの手法とARコーティングの組み合わせなどが挙げられます。

スペクトル変調は、パーセンテージ（％）またはデシベル（dB）の単位で表すことができます。図5は、
パーセンテージとデシベルの関係を示しています。

図5 スペクトル変調のデシベルとパーセンテージ

SLEDのコヒーレンス特性は、コヒーレンス長とコヒーレンス関数によって記述できます。SLEDのコヒーレンス長（自由空間）は、SLEDスペクトルの3dB帯域幅によって決定され、次式で表されます。

ここで、l0は中心波長、kはスペクトル形状係数に依存する定数です。OCTの文献では、k ≈ 0.44が最も一般的な定義です。

コヒーレンス関数は、図6に示すように、光路差（または光学変位）（mm）に対する二次コヒーレンスサブピーク（反射率、dB）を定義します。スペクトル変調は、2neffLに等しい距離の光路差において、コヒーレンス関数に寄生サブピークをもたらします。ここで、neffは光モードの有効屈折率、LはSLEDの有効長です。二次コヒーレンスサブピークの強度は、スペクトル全体にわたるスペクトル変調の積分値によって決まります。二次コヒーレンスサブピークは可能な限り低くする必要があります。

Fig. 7 ( a ) Optical spectrum