スーパールミネッセントダイオード(SLD)の用途
InPhenix, Inc.、
250 N. Mines Road、リバモア、カリフォルニア州 94551、米国
[1] はじめに
スーパールミネッセント・ダイオード(SLD)(またはスーパールミネッセント発光ダイオード(SLED))は、超発光に基づく広帯域光放射を放射する光電子半導体デバイスです。構造的には、電気的に駆動されるp-n接合と光導波路を含むレーザーダイオードに似ていますが、SLDは意図的に光フィードバックを持たず、レーザー作用が発生しません。光フィードバックは、共振器モードの形成、ひいては光スペクトルの顕著な構造化やスペクトル狭窄化につながる可能性がありますが、導波路に対してファセットを傾斜させることで抑制され、反射防止コーティングによってさらに抑制できます。本質的に、SLDは入力信号のない半導体光増幅器であり、導波路モードへの弱い自然放出光に続いて強力なレーザー増幅が起こります(したがって、これは「増幅自然放出光(ASE)」と呼ばれます)。
SLD は、高い空間コヒーレンスと比較的高い強度との組み合わせで、滑らかで広帯域な光スペクトル (つまり、低い時間コヒーレンス) が求められる状況で適用されます。
この論文では、SLD のアプリケーションについてまとめています。
[2] SLDの用途
SLDは様々な用途に利用されています。主な応用分野は、
(1)光コヒーレンス・トモグラフィー
(2)白色光干渉計
(3)光ファイバーリンク試験
(4)WDM PONシステム
(5)光ファイバーセンサー
(6)光ファイバージャイロスコープです。
各分野における実際の応用は表1にまとめられています。詳細については、以下のセクションで説明します。
表1 SLDの用途 分野 用途 波長 光干渉断層撮影(OCT

(b) 周波数領域 OCT
周波数領域 OCT では、スペクトル走査光源を使用して光周波数を時間的にエンコードするか、格子と線形検出器アレイなどの分散検出器を使用して、スペクトル分離された検出器で広帯域干渉を取得します。スペクトル走査光源を使用する周波数領域 OCT 構成の一例を図 2 に示します [2]。フーリエ関係 (自己相関とスペクトル電力密度の間の Wiener-Khintchine の定理) により、参照アームを動かさずに、取得したスペクトルからフーリエ変換によって深度スキャンを直ちに計算できます。この機能によりイメージング速度が劇的に向上するとともに、単一スキャン中の損失が低減されるため、検出要素の数に比例して信号対雑音比が向上します。複数の波長範囲で並列検出を行うと走査範囲が制限されますが、全スペクトル帯域幅によって軸方向の分解能が設定されます。

(b) 周波数領域 OCT
周波数領域 OCT では、スペクトル走査光源を使用して光周波数を時間的にエンコードするか、格子と線形検出器アレイなどの分散検出器を使用して、スペクトル分離された検出器で広帯域干渉を取得します。スペクトル走査光源を使用する周波数領域 OCT 構成の一例を図 2 に示します [2]。フーリエ関係 (自己相関とスペクトル電力密度の間の Wiener-Khintchine の定理) により、参照アームを動かさずに、取得したスペクトルからフーリエ変換によって深度スキャンを直ちに計算できます。この機能によりイメージング速度が劇的に向上するとともに、単一スキャン中の損失が低減されるため、検出要素の数に比例して信号対雑音比が向上します。複数の波長範囲で並列検出を行うと走査範囲が制限されますが、全スペクトル帯域幅によって軸方向の分解能が設定されます。


2.2 白色光干渉法
白色光干渉法は、白色光干渉縞の形状、干渉縞の局所位相、または形状と位相の両方の組み合わせを用いて、表面が位置する垂直軸に沿った一連の位置における強度データを取得します。動作原理の例を図3に示します。コヒーレンス長の短い広帯域光源(SLD)の光は、物体光と参照光の2つのビームに分割されます。物体光は物体(サンプル)から反射され、参照光は参照ミラーから反射されます。2つの反射光はビームスプリッタで捕捉され、再結合されます。重ね合わせられたビームはCCDカメラで撮影され、処理されます。測定アーム内の物体点の光路が参照アーム内の光路と同じ場合、SLDのスペクトル内のすべての波長において、建設的な干渉が生じ、その結果、それぞれの物体点のカメラピクセルに高い強度が記録されます。異なる光路を有する物体点同士では、干渉は相殺的に作用し、光強度は大幅に低下します。このようにして、試料の地形構造は光強度差に変換され、CCD出力信号に変換されます。これらの出力信号は集積・解析されます。
白色光干渉法の応用例としては、半導体ウェーハの表面粗さ測定が挙げられます [3]

2.3 光ファイバリンクテスト
SLD は、1310nm および 1550nm 帯域の光ファイバー通信ネットワークの診断に使用されます。光媒体の色分散とは、透明媒体中を伝搬する光の位相速度と群速度が光周波数に依存する現象です。光パルスのスペクトル幅(帯域幅)は常に有限であるため、分散によって光パルスの周波数成分が異なる速度で伝搬されるため、分散は光パルスの伝搬に重要な影響を及ぼします。たとえば、正常分散では高周波成分の群速度が低下し、正のチャープが発生しますが、異常分散では負のチャープが発生します。群速度の周波数依存性は、パルス持続時間にも影響を及ぼします。パルスが最初からチャープされていない場合、媒体内の分散によって必ずパルス持続時間が長くなります(分散パルスの広がり)。
光ファイバーでは、通常、異なる偏光状態を持つ光波の伝搬特性に若干の差が生じます。これは偏波モード分散(PMD)[3]と呼ばれます。設計上は回転対称性を持ち複屈折を示さないはずのファイバーであっても、微分群遅延が発生することがあります。この影響は、ファイバーのランダムな欠陥や曲がり、あるいはその他の機械的応力によって発生する可能性があり、温度変化の影響も受けます。主に曲げの影響により、ケーブル化されたファイバーのPMDは、スプール上の同じファイバーのPMDとは全く異なることがあります。光ファイバーリンクで使用される最新のファイバーケーブルは、低PMDとなるように最適化されていますが、ケーブルの取り扱いによってPMDが多少影響を受けることがあります。PMDは、光ファイバーリンクにおける長距離かつ非常に高いデータレートの光データ伝送に悪影響を及ぼす可能性があります。これは、異なる偏波モードで伝送された信号の一部が、わずかに異なる時間に到着するためです。実際には、これはある程度のパルス広がりを引き起こし、符号間干渉(ISI)を引き起こし、受信信号の劣化、ひいてはビットエラー率の増加につながります。
波長分散と偏波モード分散(PMD)は、SLDの広い帯域幅、高いパワースペクトル密度、そして低リップル特性を利用することで測定可能です。
2.4 WDM PONシステム
波長分割多重(WDM)パッシブ光ネットワーク(PON)は、Fiber To The Home(FTTH)ネットワークシステムのためのアプローチの1つとして使用され開発されてきました[5][6]。このようなWDM PONシステムの光ネットワークユニット(ONU)の低コストのレーザー光源として、ファブリペロー(FP)レーザーダイオード(LD)の波長は、広帯域増幅自然放出(ASE)光源の選択された波長チャネルにロックされます。[6]。 図4は、波長ロックFP LDを使用するアップストリーム伝送のアーキテクチャを示しています[6]。光サーキュレータを備えた広帯域ASE光源(SLDなど)は、中央局に配置されています。広帯域ASEは、アレイ導波路回折格子(AWG)がASEをスペクトル的にスライスするリモートノードに送信され、スペクトル的にスライスされたASEは、ONUにあるFP LDに注入されます。

F
図4 WDM PONシステムのアップストリーム構成
2.5 光ファイバーセンサー(FOS)
(a) FOS の利点
サイズが小さい
遠隔地で電力が不要
各センサーに異なる波長の光を使用し、光がファイバーに沿って各センサーを通過する際の時間遅延を感知することで、ファイバーの長さに沿って多くのセンサーを多重化できます。
(b) FOS の種類
光ファイバー センサーには次の 2 つの種類があります。
内部センサー:光ファイバー自体がセンサー要素として使用されます。
外部センサー:光ファイバーは、リモート センサーからの信号を、信号を処理する電子機器に中継する手段として使用されます。
(c) 内在型センサー
光ファイバー歪み、温度、圧力センサー 光ファイバー
の光学特性は歪み、温度、圧力に敏感であり、これにより光ファイバー内の光の強度、位相、偏光、波長、伝播時間が変調されます。内在型光ファイバーセンサーの特に有用な特徴は、必要に応じて非常に長い距離にわたる分散センシングを提供できることです。
油井における温度・圧力測定用の光ファイバセンサーが開発されました。光ファイバセンサーは、半導体センサーでは測定できない高温環境(分散型温度センサー)でも動作するため、この環境に最適です。
光ファイバーセンサーは、ファイバーブラッググレーティングを用いて、同一箇所にある温度と歪みを非常に高精度に同時測定するために開発されました。これは、特に小型で複雑な構造物から情報を取得する際に有用です。ブリルアン散乱効果を利用することで、20~30キロメートルという長距離にわたって歪みと温度を検出できます。この光ファイバーセンサーは、特に過酷な環境下での使用に適しています。
例: 歪みと温度のブラッググレーティングセンサーファイバーブラッググレーティングセンサーの概略図を図5
に示す。ブラッグ波長は次のように表される。


- 光ファイバー電圧センサー
計算された長さの光ファイバを外部電界にさらすことで、シングルモード光ファイバに測定可能な量のカー非線形性を誘起することにより、中電圧および高電圧範囲(100~2000V)の光ファイバーAC/DC電圧センサーを作成できます。この測定技術は偏光検出に基づいており、過酷な産業環境下でも高精度を実現します。
- 光ファイバー高周波
電磁場センサー 高周波(5MHz~1GHz)の電磁場は、適切な構造を持つファイバーに誘起される非線形効果によって検出できます。使用されるファイバーは、ファラデー効果とカー効果によって外部磁場の存在下で大きな位相変化が生じるように設計されています。適切なセンサー設計により、このタイプのファイバーは、様々な電気・磁気量、およびファイバー材料の様々な内部パラメータを測定するために使用できます。
- 光ファイバ電力センサー
構造化されたバルクファイバー電流センサーと適切な信号処理を偏光検出方式で組み合わせることで、ファイバー内の電力を測定することができます。この技術を裏付ける実験が行われました。
- 地震およびソナー用途向けの光ファイバーハイドロフォンセンサー。
光ファイバーケーブル1本あたり100個以上のセンサーを搭載したハイドロフォンシステムが開発されています。ハイドロフォンセンサーシステムは石油産業や一部の国の海軍で利用されています。海底設置型ハイドロフォンアレイと曳航式ストリーマーシステムの両方が使用されています。
- 光ファイバーマイクと光ファイバーベースのヘッドフォン
光ファイバー マイクと光ファイバー ベースのヘッドフォンは、MRI 誘導手術中に磁気共鳴画像 (MRI) 装置内で患者を治療するチーム間の通信など、強力な電界または磁界のある領域で使用されます。
(d) 外因性センサー
外因性光ファイバーセンサーは、通常マルチモードの光ファイバーケーブルを使用して、非ファイバー光センサー、または光トランスミッターに接続された電子センサーから変調された光を伝送します。外因性センサーの主な利点は、他の方法ではアクセスできない場所に到達できることです。外因性光ファイバーセンサーは、ノイズによる測定信号の劣化を非常に効果的に防ぎます。
航空機ジェットエンジン内の温度測定(ファイバーを使用して、
エンジン外部の放射高温計に放射を伝送します)。
電気変圧器の内部温度測定(強力な
電磁場が存在するため、他の測定技術では測定できません)。
振動、回転、変位、速度、加速度、トルク、
ねじれの測定。
水素センサー2.6 光ファイバジャイロスコープ
干渉型光ファイバジャイロスコープ(IFOG)は、光干渉計を用いて、閉光路において伝播面が角回転する際に2つの対向伝播波間に生じるサニャック位相シフトを非常に高解像度で読み取ります。基本回路図を図6に示します。これは受動干渉計であり、光ファイバカプラを用いて光源からの放射をファイバコイル内で時計回り(CW)と反時計回り(CCW)の2つの対向伝播波に分割し、伝播後に光検出器PDでこれらの波を再結合します。このようにして、長いファイバコイル全体にわたって位相差が蓄積され、コンパクトなデバイスで高い応答性が得られます。理想的なファイバとコンポーネントの場合、光生成出力電流Iは次の式で表されます。


参考文献
[1] JM Schmitt、「光コヒーレンス・トモグラフィー(OCT):レビュー」、IEEE Selected Topics in Quantum Electron.、vol. 5、pp. 1205-1215、1999年7月/8月。
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography
[3] RT Blunt、「白色光干渉法:半導体ウェーハの表面粗さを測定するための生産価値のある技術」、
http://www.csmantech.org/Digests/2006/2006%20Digests/4B.pdf
[4] http://www.rp-photonics.com/polarization_mode_dispersion.html
[5] S.-J. Park、C.-H. Lee、K.-T. Jeong、H.-J. Park、J.-G. Ahn、およびK.-H. Song、「波長分割多重受動光ネットワークに基づくファイバー・ツー・ザ・ホーム・サービス」、J. Lightwave Technol.、vol. 22、pp. 2582-2591、2004年11月。
[6] HD Kim、S.- G. Kang、C.-H. Lee、「ASE 注入ファブリ・ペロー半導体レーザーを備えた低コストの WDM ソース」、IEEE Photon. Technol. Lett.、vol. 12、pp. 1067-1069、2000年8月。
[7] José Miguel López-Higuera 編、ファイバー オプティック センシング テクノロジーのハンドブック、2000年 John Wiley & Sons Ltd.