INPHENIX INC. – Superluminescent Diode Device

超発光ダイオード素子

IPSDD0701 (750 nm)

特徴

• 広い光帯域幅
• 顧客指定の波長に対応
• SMまたはPMファイバーでの高出力

アプリケーション

• 広帯域光源
• 光ファイバセンサ（FOS）
• 生体医用イメージング装置
• OCTシステム用照明

データーシートPDF

デバイス仕様

スーパールミネッセントダイオード（SLD）の理解

スーパールミネッセントダイオードは、その基本構造においてレーザーダイオードと類似しており、電気的に駆動されるp-n接合と、広範なスペクトル帯域をサポートする光導波路を備えています。しかし、設計上の重要な相違点は、光帰還を意図的に抑制していることであり、これにより増幅自然放出光（ASE）が最小限に抑えられます。このような帰還の欠如は、レーザー発振や、スペクトル幅の狭窄化を招く恐れのある共振器モードの形成を防ぎます。光帰還は、導波路に対して端面を傾斜させるという巧みな手法によって抑制されており、反射防止コーティングを用いることでさらに低減することが可能です。

基本的には、スーパールミネッセントダイオード（SLD）デバイスは入力信号のない半導体光増幅器として機能し、その高い性能を活かして様々な用途で利用されています。導波路モード内で発生した微弱な自然放出光が増幅されることで強力な光出力が得られますが、このプロセスは「自然放出光増幅（ASE）」として知られています。このような独自の動作特性により、SLDは広帯域かつ滑らかな光スペクトルと高い出力パワーを実現します。これは、低い時間コヒーレンスと高い空間コヒーレンス、十分な光強度、そして最適な光帯域幅が同時に求められる用途において極めて重要です。

現代産業における革新的な応用

スーパー・ルミネセント・ダイオード（SLD）は、その多用途性ゆえに、様々な条件下で多様な目的に利用される「そり（sled）」のように、幅広い用途で採用されています。この高度な技術の恩恵を受けている主な分野は以下の通りです。

1. 光干渉断層計（OCT）
2. 白色光干渉法
3. 光ファイバリンク試験
4. WDM-PONシステム
5. 光ファイバセンサ
6. 光ファイバジャイロスコープ

各分野におけるスーパールミネッセントダイオードの具体的な用途を以下の表1にまとめ、詳細については後続の節で述べます。

表1 スーパー・ルミネッセント・ダイオードの用途

1. スーパールミネセントダイオード（SLD）を用いた光干渉断層計（OCT）

光干渉断層撮影（OCT）は、スーパールミネセントダイオード（SLD）素子と干渉法を用いた強力な光信号取得・処理手法であり、生体組織のような光散乱媒体の内部から、マイクロメートル単位の分解能で三次元画像を生成することを可能にします。SLDは、増幅自然放出（ASE）を利用する素子として知られ、OCTシステムにおいては広帯域な光源として広く採用されています（補助的な照明としてLED技術が併用されることもあります）。スーパールミネッセンス現象に由来するその極めて広い発光スペクトル（波長範囲が145 nm以上に及ぶこともあります）により、サブマイクロメートル単位の分解能でのイメージングが実現されています。OCTでは一般的に近赤外光が用いられますが、SLDから放射される比較的長い波長の光を利用することで、散乱媒体のより深部まで光を到達させることが可能になります。

スーパールミネセントダイオード（SLD）を光源とする市販のOCTシステムは、高い出力が得られることから、多岐にわたる用途で利用されています。その用途には、美術品の保存修復や医療診断などが含まれます。特に眼科領域では網膜の詳細な画像を撮像するために、また循環器内科領域では冠動脈疾患の診断のために、その利用が拡大しています。

OCTシステムには、主にタイムドメインOCTと周波数ドメインOCTの2つのタイプがあります。

時間領域OCT（Time-domain OCT）：この構成では、スーパールミネセントダイオード（SLD）からの光が、サンプルアームと参照アームに分割されます。両アームからの反射光が再結合する際、光路差が光源のコヒーレンス長よりも短い場合にのみ、干渉パターンが生成されます。参照アーム内のミラーを走査することで、サンプルの反射率プロファイルが得られます。OCTの軸方向分解能は、SLD光源のコヒーレンス長に直接相当するものであり、次のように定義されます。

軸方向分解能 ≈ λ^2 / (2 * n * Δλ)

ここで、Δλはスーパー・ルミネセント・ダイオード（SLD）スペクトルの3dB帯域幅であり、λは中心波長である。

周波数領域OCT：この手法は、スペクトル的に分離された検出器を用いて広帯域の干渉信号を取得するものです。これを実現する方法としては、波長掃引型光源（スウェプトソースSLDなど）を用いて光周波数を時間的に符号化するか、あるいは分散型検出器アレイを使用するかのいずれかがあります。取得されたスペクトルに対してフーリエ変換を行うことで、深さ方向の走査データを即座に算出できるため、参照アームを物理的に移動させる必要がありません。その結果、撮像速度とS/N比（信号対雑音比）が劇的に向上します。

図1 時間領域OCTの基本構成 [1]

図2 スウェプトソースまたは波長可変レーザーを用いた周波数領域OCTの基本構成 [2]

2. スーパールミネセントダイオード（SLD）を用いた白色光干渉法

白色光干渉法は、スーパールミネセントダイオード（SLD）の短いコヒーレンス長を利用して、表面が位置する垂直軸に沿った強度データを取得します。これは、スレッドダイナミクス（そり状物体の運動特性）の研究で求められるような精度を伴うものです。この手法では、白色光干渉波形の形状、局所的な位相、あるいはその両方の組み合わせが利用されます。

その仕組みは以下の通りです。スーパールミネッセントダイオード（SLD）からの光は、物体光と参照光に分割されます。物体光は試料で反射し、参照光は参照ミラーで反射します。これらの反射光は、可動台（スレッド）上に設置されたビームスプリッターで再び合流し、CCDカメラで撮像されます。この過程は、干渉現象を最適化する上で光学系がいかに重要な役割を果たしているかを示しています。測定アーム内の物体点における光路長が参照アーム内の光路長と一致すると、強め合う干渉が生じ、SLDスペクトルの全波長において高い光強度が得られます。一方、光路長が異なる物体点では、弱め合う干渉が生じて光強度が低下します。このプロセスにより、試料の形状構造が光強度の差へと変換され、そのデータが解析されます。

応用例の一つとして、半導体ウェーハの表面粗さの測定が挙げられます[3]。

図3 白色光干渉法の基本構成。

3. スーパールミネセントダイオード（SLD）デバイスを用いた光ファイバリンクの試験

スーパールミネッセントダイオード（SLD）は、光ファイバ通信ネットワーク、特に1310 nm帯および1550 nm帯における診断において不可欠なデバイスです。これらは、光ファイバリンクにおける波長分散や偏波モード分散（PMD）を測定する上で極めて重要な役割を果たします。

• 波長分散（色分散）：これは、透明な媒質中を伝搬する光の位相速度や群速度が、光の周波数に依存する現象を指します。光パルスは有限のスペクトル幅を持つため、その周波数成分ごとに伝搬速度が異なり、分散はパルスに大きな影響を及ぼします。これにより、パルスの広がりが生じることがあります。
• 偏波モード分散（PMD）：回転対称性を持つように設計された光ファイバであっても、製造上の不完全さ、曲げ、機械的応力、あるいは温度変化などが原因で、偏波状態によって伝搬特性にわずかな差が生じることがあります。PMDは、送信信号の異なる偏波モードの到達時間にわずかなずれを生じさせ、パルスの広がりや信号劣化を招くことで、高速・長距離の光伝送に悪影響を及ぼす可能性があります。こうした問題の緩和には、スーパールミネッセントダイオードが有効な役割を果たすことができます。

スーパー・ルミネッセント・ダイオード（SLD）は、広帯域、高いパワー・スペクトル密度、広い光帯域幅、高出力、低リップルといった優れた特性を備えており、光ファイバ・リンクにおけるこれらの重要なパラメータを精密に測定するのに最適です。

4. WDM-PONシステムとスーパールミネセントダイオード（SLD）

スーパールミネセントダイオード（SLD）デバイスは、FTTH（Fiber To The Home）ネットワークシステムの主要な手法であるWDM-PON（波長分割多重方式パッシブ光ネットワーク）において、極めて重要な役割を果たしています。こうしたシステムでは、ONU（光回線終端装置）に搭載された低コストのファブリ・ペロー（FP）型レーザーダイオード（LD）の波長が、広帯域なASE（自然放出光増幅）光源の特定のチャネルにロック（固定）されます。

上り伝送のアーキテクチャでは、波長固定型FP-LD（ファブリ・ペロー半導体レーザ）が採用されることがよくあります。この方式では、局側に光サーキュレータと組み合わせたSLD（スーパールミネッセントダイオード）などの広帯域ASE光源を配置します。この広帯域ASE光を遠隔ノードへ伝送し、そこでAWG（アレイ導波路回折格子）を用いてスペクトルを切り出します。切り出されたASE光はONU（光回線終端装置）内のFP-LDに注入され、これにより効率的かつ低コストなデータ伝送が可能となります。

図4 WDM-PONシステムのアップストリーム構成

5. スーパー・ルミネセント・ダイオード（SLD）を活用した光ファイバ・センサ（FOS）

光ファイバセンサには、小型であること、遠隔地での電源供給が不要であること、1本のファイバに多数のセンサを多重化できること、精密な環境測定を行うためのスレッド（台座）などの装置と統合できることなど、数多くの利点があります。こうしたセンサシステムには、スーパールミネセントダイオード（SLD）が組み込まれることがよくあります。

(a) FOSの利点

• 小型
• 遠隔地での電源供給が不要
• 各センサーに異なる波長の光を使用したり、光がファイバー内を伝搬して各センサーを通過する際の遅延時間を計測したりすることで、1本のファイバー上で多数のセンサーを多重化可能。

(b) FOSの種類

内在型センサ：内在型センサでは、光ファイバそのものがセンシング素子として機能します。ファイバの光学的特性は歪み、温度、圧力に対して敏感であり、これらが光の強度、位相、偏光、波長、あるいは伝搬時間を変調させます。スーパールミネセントダイオード（SLD）は、極端な温度環境下で半導体センサが使用できない石油井の坑内計測など、長距離にわたる分布型センシングを必要とする用途において特に有用です。ファイバブラッググレーティング（FBG）をSLDと組み合わせることで、広いスペクトル範囲にわたり、温度と歪みを高精度かつ同時に測定することが可能になります。

• 光ファイバ電圧センサ：特定の長さのシングルモード光ファイバを外部電界に曝し、測定可能なレベルのカー非線形性を誘起させることで、中・高電圧範囲（100～2000V）に対応する光ファイバAC/DC電圧センサを構成できます。この測定手法は偏光計測に基づいており、過酷な産業環境下でも高精度な測定が可能です。
• 光ファイバ高周波電磁界センサ：適切な構造を持つ光ファイバ内で非線形効果を誘起させることにより、高周波（5MHz～1GHz）の電磁界を検出できます。使用される光ファイバは、外部電磁界の存在下でファラデー効果やカー効果によって大きな位相変化が生じるように設計されています。適切なセンサ設計を行えば、この種の光ファイバを用いて、様々な電気量・磁気量や、ファイバ材料の内部パラメータを測定することが可能です。
• 光ファイバ電力センサ：偏光計測方式と適切な信号処理を組み合わせ、構造化されたバルク型光ファイバ電流センサを用いることで、光ファイバによる電力測定が可能になります。この手法を実証するための実験も行われています。
• 地震探査およびソナー用途向け光ファイバハイドロホンセンサ：1本の光ファイバケーブルに100個以上のセンサを搭載したハイドロホンシステムが開発されています。これらのハイドロホンセンサシステムは、石油産業や一部の国の海軍で使用されており、海底設置型ハイドロホンアレイと曳航式ストリーマーシステムの双方が運用されています。
• 光ファイバマイクロホンおよび光ファイバ式ヘッドホン：光ファイバマイクロホンや光ファイバ式ヘッドホンは、強力な電磁界が存在する環境下での用途に適しています。例えば、MRI（磁気共鳴画像装置）ガイド下での手術中に、装置内部の患者の処置にあたる医療チーム間の通信などがその一例です。

例：ひずみおよび温度測定用ブラッグ回折格子センサ

ファイバブラッグ回折格子センサの模式図を図5に示す。

図5 温度およびひずみ測定用ファイバブラッグ回折格子センサの構成

外付け型（エクストリンシック）センサ：外付け型光ファイバセンサは、光ファイバケーブルを用いて、光ファイバ以外の光学センサや電子センサから変調光を伝送するものです。これらのセンサは、接近困難な場所へのアクセスに優れ、ノイズによる影響を高度に排除できるという利点があります。具体的な用途としては、航空機のジェットエンジンや電力用変圧器の内部温度、振動、回転、変位の測定、さらには水素の検出などが挙げられます。特に、外部電磁界の存在下でファラデー効果やカー効果により大きな位相変化が生じるようなファイバを設計することで、高周波電磁界センサ（5 MHz～1 GHz）を実現することが可能です。スーパールミネッセントダイオード（SLD）と組み合わせることで、これらのセンサは様々な電気量や磁気量を測定できるようになります。

6. スーパー・ルミネセント・ダイオード（SLD）駆動の光ファイバ・ジャイロスコープ（FOG）

干渉計型光ファイバジャイロ（IFOG）は、複雑な光学系を駆使した光干渉計を用いて、サニャック位相差を極めて高い分解能で読み取る装置です。この位相差は、閉じた光路内を互いに逆方向に伝搬する2つの光波の間で、伝搬面が回転した際に生じます。基本的な構成では、光源としてスーパールミネセントダイオード（SLD）が用いられ、スーパールミネッセンスの特性を活かすことで性能の向上が図られています。光ファイバカプラによって光は2つの波に分岐され、ファイバコイル内を互いに逆方向（時計回りおよび反時計回り）に伝搬します。その後、これらの光波は光検出器上で再び合波されます。

このように、長い光ファイバコイルにわたって位相差を累積させることで、小型の装置でありながら高い応答性が得られます。理想的な光ファイバおよび光学部品の場合、出力される光生成電流 I は次式で表されます。

図6 光ファイバジャイロスコープ（FOG）の基本構成

光エレクトロニクスの将来のトレンドを明らかにする

光エレクトロニクスの進化の方向性は、間違いなくさらなる集積化、小型化、そして高性能化へと向かっており、スーパールミネッセントダイオード（SLD）はこの進化の最前線に位置しています。今後の動向としては、特に次世代の医療用イメージング、産業用検査、通信システムといった分野において、多様な波長帯域でより広い帯域幅と高出力を実現する、カスタム設計されたSLDデバイスへの需要が高まると予測されます。また、特定の用途要件に合わせてスペクトル特性を動的に調整できる、特性可変型SLDの開発にも注力されています。よりスマートで効率的な光学システムへの要求が強まる中、高度なセンシング、イメージング、データ伝送ソリューションを実現する上でのSLDの役割は今後ますます拡大し、先進的な光エレクトロニクスにおける基幹技術としての地位を確固たるものにするでしょう。

SLDが従来の光源よりも優れている理由

従来の光源と比較すると、スーパールミネッセントダイオード（SLD）は、多くの高度な用途において優れた性能を発揮する際立った利点を備えています。広範囲な光を出力するものの、多くの場合コヒーレンス（可干渉性）に欠けるLEDとは異なり、SLDは広いスペクトルと高い空間コヒーレンスを兼ね備えています。つまり、光が明確な方向に伝搬するため、光ファイバーへ効率的に結合させることが可能です。このコヒーレンス特性は、精密な干渉計測や高分解能イメージングにおいて極めて重要です。一方、レーザーは極めて高い空間および時間コヒーレンスを有しますが、スペクトル帯域幅が狭いという点が、低い時間コヒーレンスを必要とする用途（軸方向分解能を得るために広いスペクトルを必要とするOCTなど）では制約となることがよくあります。SLDはこれらの中間で最適なバランスを実現しており、LEDのような広いスペクトル幅と、レーザーに近い指向性および高輝度を両立させつつ、コヒーレンスの高い光源につきもののスペックルやモードノイズといった問題も回避しています。こうした独自の特性の組み合わせにより、SLDは、広いスペクトル成分と優れた光伝送特性の双方が不可欠な分野において、比類のない性能を発揮します。

Inphenix社のスーパールミネッセントダイオード（SLD）技術は、革新の限界を常に押し広げ、多岐にわたる高度な光学的用途に向けて、信頼性の高い高性能な光源を提供し続けています。