スーパールミネッセントダイオードの用途：

SLDは様々な用途に使用されています。主な応用分野は以下のとおりです。

（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テスト
（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

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、次のセクションで説明します。

表1スーパールミネッセントダイオードの用途

スーパールミネッセントダイオード（SLD）デバイスは、様々な分野でイメージングや計測に利用されており、広帯域の光を放射することで高い空間コヒーレンスを確保します。イメージング技術の鍵となるスーパールミネッセントダイオード（SLD）は、OCTや光ファイバーセンシングといった産業分野において広帯域の光放射を実現します。診断用途とイメージング用途の両方で利用される汎用性の高いスーパールミネッセントダイオード（SLD）は、光ファイバーセンサーによる高精度な計測に貢献します。

光学技術では、OCT、光ファイバーテスト、WDM PON システムアプリケーションで 極めて重要な、滑らかで幅広いスペクトルを必要とするアプリケーションでスーパールミネッセントダイオード (SLD) を使用します 。

光干渉断層撮影（OCT）の用途：

光干渉断層撮影（OCT）は、干渉技術を用いた光信号の取得・処理方法であり、生物組織などの光散乱媒体内からマイクロメートル分解能の3次元画像を取得します。スーパールミネッセントダイオード（SLD）は、広帯域スペクトル光源として用いられています。約145nmの波長範囲にわたる非常に広いスペクトルを発することで、サブマイクロメートル分解能を実現しています。光干渉断層撮影では、通常、近赤外光が用いられます。比較的長波長の光を使用することで、散乱媒体への透過が可能になります。

市販の光干渉断層撮影システムは、美術品の保存や診断医学など、様々な用途に利用されています。特に眼科では、網膜内部の詳細な画像を取得するために用いられています。最近では、冠動脈疾患の診断を支援するため、インターベンション心臓学にも利用され始めています。

OCTには（1）時間領域OCTと（2）周波数領域OCTの2種類があります。

（a）時間領域OCT：

時間領域OCTシステムの基本構成を図1 [1]に示します。OCTシステム内の光は、サンプルアーム（対象物を含む）と参照アーム（通常はミラー）の2つのアームに分割されます。サンプルアームからの反射光と参照アームからの参照光を組み合わせることで干渉パターンが生成されますが、これは両方のアームからの光が「同じ」光学距離（「同じ」とは、コヒーレンス長未満の差を意味する）を移動した場合に限られます。参照アームのミラーをスキャンすることで、サンプルの反射率プロファイルを取得できます。

OCTの軸方向分解能と横方向分解能は互いに分離されており、前者は光源のコヒーレンス長に相当し、後者は光学系の関数である。光源のコヒーレンス長、すなわちOCTの軸方向分解能は、以下のように定義される。

ここで、ΔλはSLDダイオードスペクトルの3dB帯域幅、λ0は中心波長です。

(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、格子や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した周波数領域 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 パワー密度間の 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減少するため、検出要素の数に比例して信号対雑音比が向上します。複数の波長範囲での並列検出によって走査範囲が制限され、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。

図1 時間領域OCTの基本構成[1]

図2 掃引光源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]

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使用して、表面が配置されている垂直軸に沿った一連の位置で強度データを取得します。

動作原理の一例を図3に示します。コヒーレンス長の短いスーパールミネッセントダイオード（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）で反射し、参照光は参照ミラーで反射します。2つの反射光はビームスプリッタで捕捉され、再合成されます。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、干渉が強められ、スーパールミネッセントダイオード（SLD）のスペクトル内のすべての波長において、それぞれの物体点のカメラピクセルに高い光強度が生じます。物体点の光路が異なる場合、干渉は弱められ、光強度は大幅に低下します。このように、サンプル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・分析されます。

白色光干渉法の応用の一例としては、半導体ウェハの表面粗さを測定することがあげられる[3]。

図3 白色光干渉計の基本構成。

光ファイバーリンクテスト：

スーパールミネッセントダイオード（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、透明媒体中を伝播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伝播速度に重要な影響が及びます。そのため、分散によって周波数成分の伝播速度に変化が生じることがあります。たとえば、正常分散では高周波成分の群速度が低下し、正のチャープが生じますが、異常分散では負のチャープが生じます。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パルス持続時間は常に長くなります（分散パルス広がり）。

光ファイバーでは、通常、異なる偏光状態にある光波の伝搬特性にわずかな違いが生じます。これは偏光モード分散 （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可能性があります。この影響は、ファイバーのランダムな欠陥や曲がり、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と全く異なる可能性があります。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、そのようなケーブルの取り扱いによっても多少の影響を受ける可能性があります。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、異なる偏光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、これによりある程度のパルスの広がりが生じ、シンボル間干渉が発生し、受信信号が劣化してビット エラー レートが増加する可能性があります。

波長分散と偏波モード分散(PMD) は、スーパールミネッセント ダイオード (SLD) の広い帯域幅、高電力スペクトル密度、および低リップル特性を使用して測定できます。

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 システムのアプローチの 1 つとして使用され、開発されてきました。このような WDM PON システムの光ネットワーク ユニット (ONU) における低コストのレーザー ソースとして、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光 (ASE) ソースの選択された波長チャネルにロックされます。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。光サーキュレータ付きの広帯域 ASE ソース (SLD など) は、中央オフィスに配置されています。広帯域 ASE はリモート ノードに送信され、そこで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します。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。

図4 WDM PONシステムのアップストリーム構成

光ファイバーセンサー（FOS）：

（a）FOSの利点

• 小型
• 遠隔地では電力は不要
• 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、多くのセンサーをファイバーの長さに沿って多重化できます。

（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。

• 内在センサー:光ファイバー自体がセンシング素子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。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格子センサー

ファイバーブラッググレーティングセンサの概略図を図５に示す。

ブラッグ波長は次のように表される。

ここでnは光ファイバのモード屈折率、Λは格子周期である。式(1)から、

ここで、 Δ λB、 Δ n、 Δ Λ はそれぞれλB、n、Λの小さな変化を表します。

図5 温度と歪み測定のためのファイバーブラッググレーティングセンサーの構成

• 光ファイバー電圧センサー

中高電圧範囲（100～2000V）の光ファイバーAC/DC電圧センサーは、シングルモード光ファイバーに測定可能な量のカー非線形性を誘起し、所定の長さの光ファイバーを外部電界にさらすことで作成できます。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おり、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）外在センサー

外因性光ファイバーセンサーは、光ファイバーケーブル（通常はマルチモード）を使用して、光ファイバー以外の光センサー、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の変調光を伝送します。外因性センサーの主な利点は、通常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、測定信号をノイズから保護する優れた機能を備えています。

• ファイバーを使用して、エンジンの外側にある放射高温計に放射を伝送し、航空機のジェット エンジン内の温度を測定します。
• 強力な電磁場が存在するため他の測定技術では不可能な電気変圧器の内部温度を測定します。
• 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

光ファイバージャイロスコープ：

干渉型光ファイバージャイロスコープ（IFOG）は、光干渉計を使用して、伝播面が角回転するときに光学的に閉じた経路で2つの反対方向に伝播する波の間に誘起され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。 基本スキームを図6に示します。 これはパッシブ干渉計であり、光ファイバーカプラを使用して、光源からの放射をファイバーコイル内で時計回り（CW）と反時計回り（CCW）の2つの反対方向に伝播する波に分割し、伝播後に光検出器PDで波を再結合します。 このように、位相差は長いファイバーコイルにわたって累積され、コンパクトなデバイスで高い応答性を実現します。 理想的なファイバー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。

ここでφSはいわゆるサニャック位相シフトであり、

ここで、σ は光検出器の応答性、P は入力ファイバーに結合される電力です。

サニャック位相シフトφSは次式で与えられる（図7参照）。

どこ

図6 光ファイバージャイロスコープ（FOG）の基本構成

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