Applications of the Superluminescent Diode (SLD)
InPhenix, Inc.,
250 N. Mines Road, Livermore, CA 94551, USA
[1] 引言
超辐射发光二极管 (SLD)（或超辐射发光二极管 (SLED)）是一种基于超辐射现象发射宽带光辐射的光电半导体器件。其结构类似于激光二极管，包含一个电驱动的 p-n 结和一个光波导，但 SLD 特意设计了光反馈，因此不会发生激光作用。光反馈可能导致谐振腔模式的形成，从而导致光谱中出现明显的结构变化和/或光谱变窄。通过倾斜波导面可以抑制光反馈，并且可以通过涂敷增透膜进一步抑制。本质上，SLD 是一个没有输入信号的半导体光放大器，其中进入波导模式的微弱自发辐射随后会被强激光放大（因此，这被称为“放大自发辐射 (ASE)”）。
SLD 适用于需要平滑、宽带光谱（即低时间相干性）、高空间相干性和相对高强度的情况。
本文对SLD的应用进行了总结。
[2] SLD的应用
SLD 已用于许多不同的应用领域。主要应用领域包括：
(1) 光学相干层析成像
(2) 白光干涉测量
(3) 光纤链路测试
(4) WDM PON 系统
(5) 光纤传感器
(6) 光纤陀螺仪。
表 1 总结了各领域的实际应用。更多详细信息将在以下章节中介绍。
表 1 SLD 的应用领域应用波长光学相干断层扫描 (OCT)
2.1 光学相干断层扫描 (OCT) 应用
光学相干断层扫描 (OCT) 是一种光信号采集和处理方法，它使用干涉技术从光散射介质（如生物组织）中捕获微米分辨率的三维图像。SLD 已被用作宽带光谱光源。在 ~100nm 波长范围内发射的超宽光谱已实现亚微米分辨率。光学相干断层扫描通常使用近红外光。使用相对较长波长的光可以使其穿透到散射介质中。
市售的光学相干断层扫描系统用于各种应用，包括艺术品保护和诊断医学，尤其是在眼科中，它可用于从视网膜内部获取详细图像。最近，它也开始用于介入心脏病学，以帮助诊断冠状动脉疾病。OCT
有两种类型：（1）时域 OCT和（2）频域 OCT。
(a) 时域OCT 时域OCT系统的基本配置如图1
所示[1]。OCT系统中的光线被分成两个臂——一个样品臂（包含目标样品）和一个参考臂（通常是一面镜子）。来自样品臂的反射光与来自参考臂的参考光的结合会产生干涉图样，但前提是来自两个臂的光线传播了“相同”的光程（“相同”是指光程差小于相干长度）。通过扫描参考臂中的镜子，可以获得样品的反射率分布。
OCT的轴向分辨率和横向分辨率彼此独立；前者相当于光源的相干长度，而后者则与光学元件相关。光源的相干长度，以及OCT的轴向分辨率，定义为：
(b) 频域 OCT
在频域 OCT 中，宽带干涉是通过光谱分离探测器获取的，方法是使用光谱扫描源对光频率进行时间编码，或者使用色散探测器（如光栅和线性探测器阵列）。图 2 [2] 显示了使用光谱扫描源的频域 OCT 配置的一个示例。由于傅里叶关系（自相关和光谱功率密度之间的维纳-辛钦定理），可以通过傅里叶变换从获取的光谱立即计算出深度扫描，而无需移动参考臂。这一特点大大提高了成像速度，而单次扫描期间的损耗减少则提高了信噪比，其比例与检测元件的数量有关。在多个波长范围的并行检测限制了扫描范围，而全光谱带宽决定了轴向分辨率。
2.2 白光干涉法
白光干涉法是利用白光干涉图的形状、干涉图的局部相位或形状和相位的组合来捕获沿表面所在垂直轴的一系列位置的强度数据。图 3 示出了其工作原理的示例。相干长度较短的宽带光源 (SLD) 的光被分成两束光：物光束和参考光束。物光束从物体（样品）反射，参考光束从参考镜反射。两束反射光束在分束器处被捕获并重新组合。叠加的光束由 CCD 相机成像以进行处理。如果测量臂中物点的光路与参考臂中的光路相同，则会发生建设性干涉，这会导致在 SLD 光谱的所有波长下，相应物点的相机像素中都具有高强度。对于光路不同的物点，干涉会产生相消效应，导致光强显著降低。这样，样品的形貌结构被转换为光强差异，进而转换为CCD输出信号，并进行汇编和分析。
白光干涉法应用的一个例子是测量
半导体晶圆的表面粗糙度[3]。
2.3 光纤链路测试
SLD 用于诊断 1310nm 和 1550nm 波段的光纤通信网络。光介质的色散是指光在透明介质中传播的相速度和群速度取决于光频率的现象。色散对光脉冲的传播有重要影响，因为脉冲的光谱宽度（带宽）始终是有限的，因此色散会导致其频率分量以不同的速度传播。例如，正常色散会导致高频分量的群速度较低，从而产生正啁啾，而异常色散则会产生负啁啾。群速度的频率依赖性也会影响脉冲持续时间。如果脉冲最初没有啁啾，介质中的色散总是会增加其持续时间（色散脉冲展宽）。
在光纤中，不同偏振态的光波的传播特性通常会略有不同。这被称为偏振模色散 (PMD) [3]。即使对于设计为旋转对称、不呈现双折射的光纤，也可能出现差分群延迟。这种效应可能是由光纤的随机缺陷或弯曲，或其他类型的机械应力引起的，也会受到温度变化的影响。主要由于弯曲的影响，成缆光纤的PMD可能与卷轴上相同光纤的PMD完全不同。光纤链路中使用的现代光缆已针对低PMD进行了优化，但此类光缆的处理仍然会产生一定的影响。PMD会对光纤链路中长距离、高数据速率的光数据传输产生不利影响，因为不同偏振模式的传输信号到达的时间会略有不同。实际上，这会导致一定程度的脉冲展宽，从而导致符号间干扰，从而降低接收信号的品质，最终导致误码率上升。
利用SLD的大带宽、高功率谱密度、低纹波特性，可以测量色度色散和偏振模色散（PMD）。
2.4 WDM PON 系统
波分复用 (WDM) 无源光网络 (PON) 已被用于光纤到户 (FTTH) 网络系统 [5][6] 的方法之一并不断发展。在这种 WDM PON 系统中，作为光网络单元 (ONU) 的低成本激光源，法布里珀罗 (FP) 激光二极管 (LD) 的波长被锁定到宽带放大自发发射 (ASE) 源的选定波长通道。[6] 图 4 显示了采用波长锁定 FP LD 的上行传输架构 [6]。带有光环形器的宽带 ASE 源（如 SLD）位于中心局。宽带 ASE 被传输到远程节点，在那里阵列波导光栅 (AWG) 对 ASE 进行光谱切片。光谱切片后的 ASE 被注入位于 ONU 的 FP LD
图4 WDM PON系统上行配置
2.5 光纤传感器（FOS）
(a) FOS 的优点
体积小
远程位置不需要电力
通过为每个传感器使用不同波长的光，通过感测光沿光纤通过每个传感器时的时间延迟，可以沿光纤长度多路复用许多传感器。
(b) FOS 的类型
光纤传感器有两种类型：
内在传感器：光纤本身用作传感元件。
外在传感器：光纤用作将信号从远程传感器中继到处理信号的电子设备的一种手段。
（c）本征传感器
光纤应变、温度和压力传感器。
光纤的光学特性对应变、温度和压力敏感，这些因素会调节光纤中光的强度、相位、偏振、波长或传输时间。本征光纤传感器的一个特别有用的特性是，它们可以根据需要提供非常远距离的分布式传感。
已经开发出用于油井井下测量温度和压力的光纤传感器。光纤传感器最适合这种环境，因为它可以在半导体传感器（分布式温度传感）无法承受的高温下工作。
光纤传感器已发展到能够利用光纤布拉格光栅同时测量共点温度和应变，并实现极高的精度。这在从小型复杂结构获取信息时尤其有用。布里渊散射效应可用于探测更远距离（20-30公里）的应变和温度。光纤传感器尤其适用于恶劣环境。
示例：用于应变和温度的布拉格光栅传感器
光纤布拉格光栅传感器的示意图如图 5
所示。布拉格波长可以表示为，
- 光纤电压传感器
通过将计算长度的单模光纤暴露于外部电场中，在单模光纤中引入可测量的克尔非线性效应，可以构建中高压范围（100–2000V）的光纤交流/直流电压传感器。该测量技术基于偏振检测，即使在恶劣的工业环境中也能实现高精度测量。
- 光纤高频
电磁场传感器 高频（5MHz-1GHz）电磁场可以通过在具有适当结构的光纤中诱导非线性效应来检测。所用的光纤经过精心设计，使得法拉第效应和克尔效应在外场作用下会引起显著的相位变化。通过适当的传感器设计，这种类型的光纤可用于测量不同的电、磁参数以及光纤材料的不同内部参数。
- 光纤电力传感器
可以使用结构化体光纤安培传感器，结合适当的信号处理技术，采用偏振检测方案测量光纤中的电功率。目前已开展了相关实验，以支持该技术。
- 用于地震和声纳应用的光纤水听器传感器。
目前已开发出每根光纤电缆搭载超过一百个传感器的水听器系统。水听器传感器系统已被石油工业以及一些国家的海军采用。目前，海底安装的水听器阵列和拖缆系统均已投入使用。
- 光纤麦克风和光纤耳机
光纤麦克风和光纤耳机适用于强电场或强磁场区域，例如在 MRI 引导手术期间在磁共振成像 (MRI) 机器内治疗患者的团队之间的通信。
(d) 外部传感器
外部光纤传感器使用光纤电缆（通常是多模光纤）传输来自非光纤光学传感器或连接到光发射器的电子传感器的调制光。外部传感器的主要优点是它们能够到达其他方式无法到达的地方。外部光纤传感器可以很好地保护测量信号免受噪声破坏：
通过使用光纤将
辐射传输到位于发动机外部的辐射高温计来测量飞机喷气发动机内部的温度。
测量电力变压器的内部温度，因为
变压器内部存在的极端电磁场使其他测量技术无法实现。
测量振动、旋转、位移、速度、加速度、扭矩和
扭曲。
氢传感器
2.6 光纤陀螺仪
干涉型光纤陀螺仪 (IFOG) 使用光学干涉仪以非常高的分辨率读出当传播平面发生角旋转时光闭合路径中两个反向传播波之间引起的萨格纳克相移。基本示意图如图 6 所示。它是一种无源干涉仪，其中光纤耦合器用于将光源的辐射在光纤环中分成两个反向传播的波，顺时针 (CW) 和逆时针 (CCW)，并在传播之后在光电探测器 PD 上重新组合波。因此，相位差在长光纤环上累积，从而通过紧凑的设备获得高响应度。对于理想光纤和元件，输出光生电流 I 具有以下表达式：
参考
[1] JM Schmitt，“光学相干断层扫描 (OCT)：综述”，IEEE 量子电子精选专题，第 5 卷，第 1205-1215 页，1999 年 7/8 月。
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography
[3] RT Blunt，“白光干涉术 – 一种可用于测量半导体晶圆表面粗糙度的生产技术”。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 和 K.-H. Song，“基于波分复用无源光网络的光纤到户服务”，J. Lightwave Technol.，第22卷，第2582-2591页，2004年11月。
[6] HD Kim、S.- G. Kang 和 C.-H. Lee，“带有 ASE 注入法布里-珀罗半导体激光器的低成本 WDM 光源”，IEEE Photon. Technol. Lett.，第 12卷，第 1067-1069页，2000年8月。
[7] 光纤传感技术手册，由 José Miguel López-Higuera 编辑，2000 年 John Wiley & Sons Ltd. 出版。
