SUPERLUMINESCENT DIODES (SLDs)

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1 SUPERLUMINESCENT DIODES (SLDs)

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6 Emission spectra and L-I characteristics

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9 Capitolo 3 Applicazioni degli SLED. I LED superluminescenti vengono utilizzati in varie applicazioni in cui è richiesta una bassa coerenza ottica. In seguito si farà riferimento alle più significative, ovvero la Tomografia ottica a coerenza di fase (OCT Optical Coherence Tomography) e i Giroscopi a fibra ottica (FOG Fiber Optics Gyroscopes), accennando infine ai nuovi pico-proiettori, ai sistemi WDM, OTDR e ai sensori a fibra ottica. 3.1 Tomografia ottica a coerenza di fase (OCT Optical Coherence Tomography). La tomografia ottica a coerenza di fase è una tecnica di diagnostica per immagini con la quale è possibile analizzare sezioni di tessuto organico. E' molto usata nella diagnosi di malattie della cornea e della retina oltre che dell'apparato cardiovascolare. I diodi superluminescenti per l'oct irradiano a 1.3 μm, hanno una larghezza di banda di circa 60 nm ed erogano una potenza ottica dell'ordine dei μw, specifiche fondamentali per il minimo assorbimento dei tessuti umani. In linea di massima in un sistema per la tomografia ottica a coerenza di fase il raggio luminoso prodotto dallo SLED viene scisso al 50 % in due raggi con un sistema di fibre ottiche incrociate, come in un interferometro. Uno dei due raggi luminosi rappresenta il raggio di riferimento, e viene direzionato attraverso la fibra verso uno specchio movibile completamente riflettente; l'altro raggio viene invece diretto verso il campione da analizzare. In questo caso, subisce delle riflessioni a livello delle interfacce tra i vari tessuti e diffonde a seconda delle proprietà ottiche delle zone che attraversa. Poiché la distanza percorsa dai due raggi è identica (al più differisce per una quantità pari alla lunghezza di coerenza), questi vengono ricombinati in un unico fascio all'incrocio a X delle fibre ottiche dove si verifica l'interferenza. 33

10 Fig. 26 Schema di principio di un sistema per OCT [2]. Le distanze e quindi le dimensioni delle varie parti di tessuto possono essere determinate per mezzo di un opportuno demodulatore che misura il tempo di ritardo della luce riflessa dalle differenti strutture al variare della posizione assiale dello specchio riflettente. E' necessario adoperare una sorgente di luce che emette a bassa coerenza poiché, se viceversa la luce ha una lunghezza di coerenza elevata, si osservano delle oscillazioni di interferenza che non consentono una rivelazione e una misurazione precise. Se invece la luce emessa ha una lunghezza di coerenza breve, l'interferenza si verifica esclusivamente quando la differenza di cammino dei due raggi differisce solo per la lunghezza di coerenza. L'impiego di LED superluminescenti quali sorgenti di luce a bassa coerenza nel settore della tomografia ottica consente dunque di ottenere una elevata risoluzione spaziale dell'immagine con un buon rapporto segnale/rumore. Per incrementare ulteriormente la velocità di acquisizione e la qualità dell'immagine recentemente si è sviluppata la tecnica della OCT nel dominio di Fourier, in cui non è necessaria la variazione della posizione dello specchio riflettente [28] [2]. 3.2 Giroscopi a fibra ottica (FOG Fiber Optics Gyroscopes). Un altro vasto impiego dei LED superluminescenti è nei giroscopi a fibra ottica. Questi vengono utilizzati in veicoli aerei, spaziali e navali che richiedono sensori di velocità angolare per controllare il mantenimento di una certa rotta. 34

11 In un sistema del genere il fascio di luce prodotto dal diodo superluminescente in una fibra ottica viene splittato in due. I due fasci ottenuti vengono diretti, uno in senso opposto all altro, verso una bobina di fibra ottica. Se la bobina ruota, viene prodotta una variazione di fase (effetto Sagnac), misurando la quale all'uscita del rivelatore si ottiene un valore proporzionale alla velocità angolare [2]. Fig. 27 Schema di principio di un sistema per giroscopio a fibra ottica [2]. Ferme restando le problematiche introdotte dalle fibre ottiche, in sistemi di questo tipo è necessaria una buona stabilità della lunghezza d'onda dell'emissione della sorgente di luce. 3.3 Pico-proiettori. Una nuova frontiera nell'impiego dei LED superluminescenti è nei cosiddetti picoproiettori, dispositivi che stanno riscontrando un buon successo commerciale per le dimensioni ridotte e i costi contenuti. I pico proiettori vengono realizzati usando la tecnologia flying spot. In cui le immagini sono create miscelando un raggio verde, uno rosso e uno blu. I tre raggi possono essere emessi da diodi superluminescenti [1], e focalizzati da un sistema micro-elettro-meccanico di specchi, che disegna punto per punto l'immagine su uno schermo. E' stato osservato che in questi dispositivi l'impiego di SLED blu in GaN, rispetto ai diodi laser, migliora la qualità dell'immagine, anche se è stata sperimentata una degradazione del materiale che costituisce la zona attiva [29]. 35

12 3.4 Altre applicazioni. Nella misura della dispersione cromatica nelle fibre ottiche, dovuta alla dipendenza della velocità del segnale luminoso dalla lunghezza d'onda, si fa uso di tecniche che richiedono dispositivi emettitori di luce a banda larga quali i LED superluminescenti con lunghezza d'onda di emissione a 1,3 μm (in cui si ha il minimo di dispersione) e 1,5 μm (in cui si ha il minimo di attenuazione). Nei sistemi OTDR (Optical Time Domain Reflectometer - Riflettometro ottico nel dominio del tempo) i LED superluminescenti possono costituire la sorgente luminosa; dalle misure di ritardo di propagazione e dalla valutazione delle riflessioni possono essere stabiliti eventuali guasti nel sistema di trasmissione a fibra ottica. Nella tecnologia di multiplazione a divisione di lunghezza d onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing) gli SLED forniscono il segnale ad ampia banda su cui possono essere modulati i dati a varie lunghezze d'onda. Nei sensori a fibra ottica, per la misura di temperatura o pressione in edifici, oleodotti e campi petroliferi, che sono interrogati con sorgenti di luce ad ampia banda e potenza elevata per la scansione su lunghe distanze di fibra ottica. 36