(57)【要約】  波長が安定化された電磁放射を生成するための装置が提供され、この装置は、平均波長λmを有する広帯域電磁放射を提供するよう構成された広帯域半導体放射源（３）と、バンドパス放射フィルタ（５）とを含み、前記バンドパス放射フィルタの入力は前記放射源の出力に光学的に接続しており、前記装置はさらに、放射源および放射フィルタの双方と熱接触している共通の温度安定器を含む。好ましい一実施例では、たとえば超放射発光ダイオードである放射源とバンドパス放射フィルタとが、温度感知手段（３３）および制御手段（３５）とともに温度安定器として作用する熱電冷却器（３１）と接触している共通のマウント（１）上に設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が安定化された電磁放射を生成するための装置であって、前記装置は、平均波長λmを有する広帯域電磁放射を提供するよう構成された広帯域半導体放射源と、バンドパス放射フィルタとを含み、前記バンドパス放射フィルタの入力は前記放射源の出力に光学的に接続しており、前記装置はさらに、放射源および放射フィルタの双方と熱接触している共通の温度安定器を含む、装置。
【請求項２】
温度安定器は、熱電冷却器と、放射源および放射フィルタと熱接触している温度センサと、入力が温度センサに作動的に接続され、出力が熱電冷却器に作動的に接続されるコントローラとを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
コントローラはアナログ電子制御回路を含み、アナログ−デジタル変換段がない、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
コントローラはデジタル信号処理ユニットを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
マウントをさらに含み、放射源および放射フィルタは前記マウントに機械的に接続され、マウントは温度安定器と熱接触している、前述の請求項のうちのいずれかに記載の装置。
【請求項６】
温度安定器は熱電冷却器を含み、マウントは熱電冷却器上に取付けられている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
広帯域電磁放射は広帯域電磁放射帯域幅を含み、バンドパス放射フィルタはフィルタ帯域幅を含み、フィルタ帯域幅は放射帯域幅よりも小さい、前述の請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
広帯域電磁放射は平均波長λmを有しており、平均波長を含む波長スパンΔλ内にありかつΔλ／λm＞０．０５である場合、スペクトル出力は０．８ｄＢより大きくは変化しない、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
平均波長は近赤外領域にある、前述の請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
半導体放射源は非レーザ発振超放射発光ダイオードを含む、前述の請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
半導体放射源は第２の非レーザ発振超放射発光ダイオードをさらに含み、第２の非レーザ発振超放射発光ダイオードは、第１の非レーザ発振超放射発光ダイオードの放出特性とは異なる放出特性を有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
バンドパス放射フィルタは、半導体放射源と直接物理的に接触している、前述の請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
バンドパス放射フィルタは、半導体放射源のコーティングである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第１の帯域幅を有する一次電磁放射を放出するよう動作可能な少なくとも１つの超放射発光ダイオードと、第１の帯域幅よりも小さい第２の帯域幅を有する二次放射を産出するように一次放射をフィルタ処理可能なバンドパスフィルタとのパッケージを含む、電磁放
射を生成するためのシステムであって、バンドパスフィルタの入力は少なくとも１つの超放射発光ダイオードの出力に光学的に結合され、パッケージは熱電冷却器に熱結合され、前記システムはさらに、パッケージと熱接触している温度センサと、温度センサから入力された信号に基づいて熱電冷却器を制御するよう動作可能なコントローラとを含む、システム。
【請求項１５】
一次電磁放射は平均波長λmを有しており、平均波長を含む波長スパンΔλ内にありかつΔλ／λm＞０．０５である場合、スペクトル出力は０．８ｄＢより大きくは変化しない、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記バンドパスフィルタの出力に光学的に結合されたファイバを含み、そのため、フィルタによって出力された放射はファイバに結合可能であり、ファイバは単一モードファイバおよび偏光維持ファイバのうちの少なくとも１つである、請求項１４または１５に記載のシステム。
【請求項１７】
フィルタによって出力された放射が結合され得るファイバコイルを含む光学構成をさらに含み、光学構成は、１つの空間方向に対するファイバコイルの配向の変化を検出可能である、請求項１４〜１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
バンドパスフィルタは、超放射発光ダイオードの表面と直接物理的に接触している、請求項１４〜１７のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は一般に、波長が安定化された広帯域電磁放射源と、電磁放射源の波長安定化の方法とに関し、より特定的には、平均波長安定性が向上した超放射発光ダイオード（ＳＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多くの光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、回転検出のために、広帯域光源を用いてファイバ感知コイルに導入される光を提供する。ファイバコイルに注入された逆伝搬する光波間の誘発された位相シフトは、回転速度に比例する。「スケールファクタ」と呼ばれる比例定数は、光源の平均波長に比例する。このため、ジャイロスコープの精度は、光源の平均波長を知らせる精度によって決まる。
【０００３】
光源の波長安定化は、波長安定化回路を用いることにより達成されてきた（ＷＯ９９／６６６１２）。そのような回路は、光ファイバを介して受取ったＳＬＥＤの出力光を、半値全幅（ＦＷＨＭ）ＳＬＥＤ帯域幅に等しい第１の帯域と、２つの副ローブを含む残留スペクトルを含む第２の帯域とに分割する第１の波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を含む。それはまた、残留スペクトルをλ１を中心とする下半分とλ２を中心とする上半分とに分割する第２のＷＤＭと、光検出器群と、上半分と下半分とが等しくない場合に、波長をアクティブに制御するためにフィードバックループで使用される誤差信号を提供して出力するよう、上半分および下半分に応答する差動増幅器とを含む。
【０００４】
別のアクティブな波長安定化プロセスが、ＷＯ０２／０５２７５５に提案されている。この方法およびシステムは、広帯域源および基準波長源のための２つの光信号を生成するために光出力分割器を利用することに基づいている。部品の老化および環境要因の変化が同様に出力比に影響を与えるので、出力比の差を用いて、広帯域源の波長を、その中心波長が基準源の中心波長に安定化されるよう調節することができる。
【０００５】
実現がより便利である代替的な一アプローチが、ＷＯ９９／３７９７５に記載されている。この開示によれば、光源からファイバ端に放射された放出帯域幅は、狭帯域光フィルタによって、光の強度特性曲線の波長区域においてより狭い伝送帯域幅に制限されるようになっている。光干渉フィルタの使用中、予め較正されたルックアップテーブルにより、フィルタの温度が測定され、伝送特性の温度依存性が迅速に補正できる。再調節された波長値は、スケールファクタの計算に用いられる。
【０００６】
別のアプローチが、ＤＥ１０３０７５２４およびＷＯ２００４０７４７７４に記載されている。このアプローチによれば、超放射ダイオードからの光が、結合要素を介して、温度が安定化された１つまたは２つのバンドパスフィルタに結合される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらのアプローチはすべて、誤りを数値的に補償し、および／または高損失を引起こすのに比較的高価な部品および／または高い計算能力を用いる比較的複雑なセットアップを必要とするという共通点を有しており、それは、フォームファクタが小さく追加の電子部品がない解決策の実現を困難にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
したがって、この発明の一目的は、信頼性があり、かつ低コストで製造され得る、本質的に波長が安定した電磁放射源を提供することである。好ましくは、電磁放射源は、フォームファクタが小さく消費電力が低い実施例を可能にするようなものであるべきである。また、好ましくは、最小限の電子部品しか必要としないものであるべきである。
【０００９】
第１の局面では、この発明は、波長が安定化された電磁放射を生成するための装置に関し、この装置は、平均波長λmを有する広帯域電磁放射を提供するよう構成された広帯域半導体放射源と、バンドパス放射フィルタとを含み、前記バンドパス放射フィルタの入力は前記放射源の出力に光学的に接続しており、前記装置はさらに、放射源および放射フィルタの双方と熱接触している共通の温度安定器を含む。好ましい一実施例では、放射源−たとえば、超放射発光ダイオード−とバンドパス放射フィルタとが、温度感知手段および制御手段とともに温度安定器として作用する熱電冷却器と接触している共通のマウント上に設けられている。
【００１０】
第２の局面では、この発明は、第１の帯域幅を有する一次電磁放射を放出するよう動作可能な超放射発光ダイオードと、第１の帯域幅よりも小さい第２の帯域幅を有する二次放射を産出するように一次放射をフィルタ処理可能なバンドパスフィルタとのパッケージを含む、電磁放射を生成するためのシステムであって、バンドパスフィルタの入力は超放射発光ダイオードの出力に光学的に結合され、パッケージは熱電冷却器に熱結合され、前記システムはさらに、パッケージと熱接触している温度センサと、温度センサから入力された信号に基づいて熱電冷却器を制御するよう動作可能なコントローラとを含む、システムに関する。
【００１１】
共通の温度安定器−好ましくは制御された熱電冷却器−上への放射源および放射フィルタのパッケージングは、波長安定化の問題に対し、信頼できるが単純でかつ低コストの解決策を提供するという利点を有する。放射源が超放射発光ダイオードである好ましい場合では、制御された熱電冷却器の形の温度安定器がいずれにせよ存在しており、この発明に従った装置を提供するために必要な追加のハードウェアは、バンドパス放射フィルタおよび好適なマウントだけである。これは、計算段（アナログ−デジタル変換段も必要とする）かまたは複数の他の光学素子が必要な最新技術の解決策とは対照的である。
【００１２】
この文献の文脈における「光」とは、電磁放射、特に半導体ヘテロ構造において電流を注入することにより生成可能な電磁放射を意味しており、赤外光（特に近赤外−可視性しきい値を上回りかつ５μｍを下回る波長−および中赤外領域）、可視光、および紫外線放射も含む。
【００１３】
この発明は、半導体光源の安定性にも依存して、ほぼ１００万分の１０（１０ｐｐｍ）の、またはそれより良好な、本質的な波長安定性を有する光源の製造を可能にする。この波長安定性は、２５０〜４００ｐｐｍを有する標準的な広帯域半導体ベースの光源、たとえばＳＬＥＤよりも、２桁以上良好である。この発明はまた、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のような高価なファイバベースのファイバ広帯域源の置換えを可能にする。
【００１４】
この発明の実施例を、添付図面を参照して以下に説明する。図面はすべて概略的であり、縮尺通りではない。異なる図面において、対応する要素には同じ参照番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
好ましい実施例の説明
図１に従った装置は、マウント１を含み、その上に、広帯域放射源３、すなわち超放射発光ダイオード（ＳＬＥＤ）が配置されている。超放射発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、順方向にバイアスされると光学的に活性になり、幅広い範囲の波長にわたって増幅された自然放出を生成するダイオードである。レーザダイオードとは対照的に、レーザ発振作用を達成するのに十分なフィードバックはない（「レーザ発振」とは、レーザの機能原理、すなわち、反転分布を提供するよう励起され、フィードバックを提供する空洞共振器内に配置された利得媒体において、フィードバックにより誘導放出を生成し、コヒーレントな放射をもたらすことを指す）。超放射発光ダイオードはさまざまなタイプが存在する。あらゆる種類の超放射発光ダイオードは、放出された放射のスペクトル成分に関する条件（以下を参照）が満たされる限り、この発明に従った装置の放射源として好適である。
【００１６】
この装置はさらに、（放射源によって放出された放射の光路に関して）光源の下流に配置されたバンドパス放射フィルタ５を含む。フィルタ伝送特性は、ガウス形状、すなわち、ガウス関数で近似可能なスペクトルを理想的に有することになっている。これは、ＳＬＥＤのコヒーレンス関数における望ましくない構造またはピークを回避する。図面には、源によって出力された放射のフィルタへの結合を最適化させるための（たとえば屈折および／または回折レンズを含む）第１のコリメーション光学部品７がある。光バンドパスフィルタにはさまざまなものがあり、この発明はある特定のタイプの光バンドパスフィルタに限定されていない。光バンドパスフィルタはしばしば、屈折率が異なる誘電体層の積重ねを含み、干渉の原則に基づいている。それらは、ファブリ・ペロー干渉計、ブラッグ格子、アレイ導波路格子なども含む。干渉効果の波長特性は関与する材料の厳密な寸法（たとえば誘電体層の厚さ）に依存するため、それは、熱膨張およびおそらくは温度に依存する吸収といった他の効果により、温度にも依存する。この装置は、フィルタ５を通って伝送された放射を、その放射を光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）に向けるのに好適なファイバ９に結合させることができる。ファイバ９は、単一モードファイバ（ＳＭＦ）であっても、偏光維持ファイバであっても、または多モードファイバであってもよい。もちろん、ファイバ９は直接、ＦＯＧのファイバであってもよく、それは巻かれた区分を含む。図面には、フィルタ５からの放射のファイバ１１への結合を最適化させるための−少なくとも１つの屈折および／または回折レンズを同様に含み得る−第２のコリメーション光学部品１１も示されている。
【００１７】
光源の放出特性とフィルタの伝送特性とは、互いに適合される必要がある。その条件は、フィルタの伝送帯域が光源の放出帯域内にあるということである。これを図２に示す。光源３によって放出された放射のスペクトル成分２１（すなわち、波長または周波数の関数としての放出された放射の強度）は、フィルタの伝送帯域幅がより狭く−好ましくははるかにより狭く−なるようになっており、すなわち、光源帯域幅とフィルタ帯域幅との比率が大きくなるようになっている。次に、伝送された放射２３のスペクトル成分が、フィルタ伝送特性２２によって本質的に求められる。
【００１８】
ほぼ１０ｐｐｍの平均波長安定性は、たとえば、ＳＬＥＤ帯域幅がフィルタ帯域幅よりも少なくとも５倍大きい場合に達成可能である。この条件を達成するには、大きい帯域幅、たとえば>１００ｎｍを有するＳＬＥＤが必要とされる。これを達成する可能な一方法は、図１ａに示すように２つのＳＬＥＤの光を組合せることによる。図１ａの実施例は、第１のＳＬＥＤチップ３ａおよび第２のＳＬＥＤチップ３ｂを含むという点で図１のものとは異なっており、それらのチップはたとえば性能は同様であるが、互いに対してシフトした平均放出波長を有する。チップ３ａ、３ｂの各々はコリメーション光学部品７ａ、７ｂを含む。第１のものと比べてシフトした波長を有する第２のＳＬＥＤ３ｂを含めることにより、十分に大きい総帯域幅を得ることができる。ＳＬＥＤチップ３ａ、３ｂによって放出された放射は波長結合器８に入射し、そこから結合された放射がフィルタ５に伝搬す
る。この実施例では、２つのＳＬＥＤチップ（実際、放出特性が異なる３つ以上のＳＬＥＤチップも使用可能である）が波長結合器とともに光源を構成し、その光が単一のフィルタ５に結合される。
【００１９】
この発明によれば、光源３およびバンドパスフィルタ５は、共通の温度安定器と熱接触している。図３はこれを示す。共通のマウント１が熱電冷却器３１上に設けられる。マウント１は、それを良好な熱伝導体とする寸法および材料成分を有する。たとえば、それは、好ましくは高い熱伝導性を有する銅、銀、タングステン、銅／タングステン合金、または任意の他の材料でできた比較的薄い（たとえば１ｍｍ未満の）搬送素子上に光源出力供給用のワイヤを含む同様に薄い（たとえば厚さが４００μｍ未満の）配線であってもよい。熱電冷却器は、たとえば、温度安定化ＳＬＥＤ装置に現在使用されている種類のペルティエ冷却器であってもよく、または任意の他の好適な装置であってもよい。光源３およびフィルタ５は、マウントを介して、温度センサ３３とも熱接触しており、それは、サーミスタ、熱電対、抵抗温度検出器、バイメタル温度計またはサーモスタット、（光源または光源の基板および／またはバンドパスフィルタと一体化される可能性さえある）半導体温度計装置、これらの複数および／または組合せを含むセンサ、もしくは任意の他の接触式またはさらには非接触式温度センサを含んでいてもよい。温度センサはコントローラ３５に通信可能に結合されており、コントローラ３５は熱電冷却器を、たとえばそれに供給される電力を制御することによって制御する。コントローラは、センサ温度を一定に保つことができる（集積または非集積）回路を含んでいてもよい。そのような回路、またはそのデジタルな同等物は当該技術分野において公知であり、ここでは詳細には説明しない。
【００２０】
図３を参照して説明した構成により、必要な精度である０．１℃未満の精度で温度を容易に安定化させることができる。
【００２１】
同様に非常に概略的な図４は、この発明に従ったシステムを示しており、そのシステムは、上述した種類の少なくとも１つの装置、すなわち、少なくとも１つの光源および少なくとも１つのバンドパスフィルタを有する温度安定化パッケージを含む少なくとも１つの装置を含んでいる。図示されたシステムはさらに、通常非常に長い、すなわち最大１ｋｍまたはそれよりも長い光ファイバが巻上げられたコイル４１と、ビームスプリッタ４３と、光検出器とを含んでおり、それらはともに光ファイバジャイロスコープの部品を作り上げている。光ファイバジャイロスコープは、回転速度を求めるためにこれらの部品を含んでいる。図面にはたった１つの装置および１つのファイバコイルしか示されていないが、光ファイバジャイロスコープは実際には、空間における異なる回転自由度についての情報を有するよう、異なる回転軸に対する回転に（およびおそらく最終的には配向にも）対処するために、複数のこれらおよび他の部品を有することが多い。
【００２２】
図５は、（中心波長が約１．５８μｍの）ＳＬＥＤ５１光源によって生成された光５１、および３０ｎｍバンドパスフィルタの通過後の光５２の測定されたスペクトルの一例を示す。使用された光源は、フラットトップスペクトルが＞６５ｎｍ、光帯域幅が３ｄＢであるＥＸＡＬＯＳ（エグザロス）  ＳＬＥＤ、部品番号ＥＸＳ５８１０−２１０１である。広帯域光源スペクトル５１は最高強度近傍で比較的平坦であるため、その平均波長のシフト−たとえば老化効果、温度および／または電流変動によって起こり得る−は、フィルタの背後の光５２のスペクトルでは強力に低減される。
【００２３】
より一般的には、ＳＬＥＤによって出力された一次光の理想的な特性は「広帯域」および「フラットトップ」である。しかしながら、平均波長のシフトの低減は、たとえばＳＬＥＤによって放出された古典的なガウスプロファイルといった、光源によって出力された他のスペクトルから始めても、可能である。
【００２４】
図６は、ＳＬＥＤ放射源に平均波長が同じバンドパスフィルタが続く構成のための、ＳＬＥＤ放出帯域幅とフィルタ帯域幅との比率の関数としての最大の平均波長のシフトの低減Ｓ（任意の単位）のシミュレートされた依存性を示す。平均波長のシフトを少なくとも２桁、たとえば２５０ｐｐｍから１０−２０ｐｐｍにまで低減させるために、フィルタ帯域幅よりも少なくとも５倍大きいＳＬＥＤ帯域幅が必要であることが、図から明らかである。
【００２５】
「フラットトップ光スペクトル」とは、スペクトル平均波長λmの周囲で平坦な特性を有する、光源によって生成される任意の光スペクトルを示す。平坦な特性は、Δλの波長スパン内にある場合に与えられる。スペクトル出力変動は、リップルと呼ばれる所与の値よりも低い。リップルの値がより小さくかつΔλがより大きくなるほど、スペクトルはより平坦になる。フラットトップスペクトルの一例は、たとえば、以下の超ガウス関数に従う形状である。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
Ｍの値が大きいほど、スペクトルは平坦になる。最も理想的なフラットトップスペクトルは、もちろん、単純な二乗関数である。
【００２８】
実際の用途については、λm＝１３００ｎｍ、Δλ＝１００ｎｍ、およびリップル＝０．５ｄＢを有するスペクトルは平坦であると考えられる。より一般的には、Δλ／λm＞０．０５でリップルが０．８ｄＢよりも小さい場合、好ましくはΔλ／λm＞０．０７でリップルが０．５ｄＢ以下である場合に、フラットトップスペクトルが得られる。
【００２９】
そのようなフラットトップスペクトルを有する光源は、たとえば、ＥＸＡＬＯＳ  部品番号ＥＸＳ５８１０−２１０１またはＥＸＳ１３２０−２１０１といったＳＬＥＤ光源である。フラットトップスペクトル光源に関する教示は、たとえば、チン・フー  リン（Chin-Fuh Lin）、イー・シン・スー（Yi-Shin-Su）、チャオ・シン  ウー（Chao-Hsin Wu）およびガギック  Ｓ．シュマボンヤン（Gagik S. Shmavonyan）による「同一でない多数の量子井戸を有するＩｎＧａＡｓＰ超放射ダイオード／半導体光増幅器の放出帯域幅に対する別個の閉じ込めヘテロ構造の影響」（Influence of Separate Confinement Heterostructure on Emission Bandwidth of InGaAsP Superluminescent Diodes/Semiconductor Optical Amplifiers with Nonidentical Multiple Quantum Wells）、ＩＥＥＥ  フォントニクス  テクノロジー  レターズ（Phontonics Technology Letters）、第１６巻、第６号、２００４年６月、第１４４１−１４４３頁にも見つけることができる。
【００３０】
この発明は広帯域光スペクトルにもフラットトップ光スペクトルにも限定されていないが、この発明は、これらの種類のスペクトルを生成する光源を用いると特に良好に作用する。
【００３１】
図７は、この発明に従った装置のさらに別の実施例を示す。図７に従った装置は、マウント１を含み、その上に、広帯域放射源３、すなわち超放射発光ダイオード（ＳＬＥＤ）が配置されている。この装置はさらに、（放射源によって放出された放射の光路に関して）光源の下流に配置されたバンドパス放射フィルタ５を含む。図１／図３および図１ａの実施例とは対照的に、フィルタ５は、広帯域放射源３まで少し離れて配置されているのではなく、それに直接施されている。これは、第１のコリメーション光学部品に対する必要性をなくし、セットアップをさらにより単純にかつよりコンパクトにする。前に述べた実施例の第２のコリメーション光学部品に対応する、フィルタとファイバとの間のコリメー
ション光学部品１１は、図７にも示されている。
【００３２】
フィルタの特性、広帯域放射源の放出特性、およびファイバとそれへの結合の上述の説明は、図３の実施例のフィルタおよび光源にも当てはまる。屈折率が異なる誘電体層の積重ねを含み得るフィルタは、放射源の光放出面上のコーティングであってもよい。このため、フィルタの積層における１つの層は、放出面と本質的に平行であってもよい。
【００３３】
さまざまな他の実施例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明に従った装置の概略的な上面図である。
【図２】この発明に従った一次放射およびフィルタ処理された放射のスペクトル成分を示す図である。
【図３】この発明に従った装置の概略的な側面図である。
【図４】光ファイバジャイロスコープを含む、この発明に従ったシステムを非常に概略的に示す図である。
【図５】測定されたスペクトルを示す図である。
【図６】一次光源放出帯域幅に対する最大平均波長のシミュレートされた依存性を示す図である。
【図７】この発明に従った別の装置の概略的な上面図である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2009514239.tif 000012
2009514239.tif 000013
2009514239.tif 000014