イメージセンサの二光子吸収を利用した光計測技術とその応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350032
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 黒川 隆志 東京農工大学, 工学部, 教授 (40302913)
• 研究分担者: 田中 洋介 東京農工大学, 工学部, 講師 (20283343) ; 津田 裕之 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (90327677) ; 武田 光夫 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (00114926)
• キーワード: 二光子吸収 / 形状計測 / 光マイクロ波

研究概要

シリコン受光素子はバンドギャップが広いため、通常、近赤外光に対して感度がない。しかし、高強度の入射光に対しては、二光子吸収過程によりキャリアが生成され、入射光強度の二乗に比例した光電流が出力される。この二乗特性を利用すると、2つの光マイクロ波間の強度相関を受光素子のみで測定することができる。本研究では、シリコンイメージセンサの二光子吸収を利用し、通常の干渉計測では得られない数mm〜数10m以上の広ダイナミックレンジをもつ形状計測の実現を目標とした。
本年度は形状計測の基礎検討として、光ファイバ干渉計により2つの光マイクロ波間に光路長差を設け、シリコンAPDの二光子吸収応答から光ファイバ長差を測定し、特性を評価した。ここでは、特に、キャリア光の干渉による雑音を除くため、偏波維持光ファイバを用いるとともに、異なる光ファイバを伝搬してきた光マイクロ波の偏波が受光面上で直交するよう、合波に際し、一方の光ファイバの偏波軸を他方に対し、90度回転させた。実験の結果、1mおよび2mの光路長差を3×10^<-5>の測定精度で測定できた。
一方、高強度の入射光により受光素子温度が上昇すると、熱雑音等の影響により、出力の二乗特性が劣化する。そこで、測定精度向上の観点から、受光素子の温度と二光子吸収特性の関係について検討を行った。受光素子の冷却温度制御により、比較的低い入射光強度や、温度制御を行わない場合には光電流出力が飽和するような比較的高い入射光強度に対しても二乗特性が観測されることが確認できた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Tanaka, P.G.Chua, T.Kurokawa, H.Tsuda, M.Nganuma, M.Takeda: "Reflectometry based on two-photon absorption of a silicon avalanche photodiode"Proc.15th International Cof.on Optical Fiber Sensors. vol.15. 577-580 (2002)
• [文献書誌] Y.Tanaka, T.Kurokawa, H.Tsuda, M.Naganuma: "Profilometry using two-photon absorption of silicon avalanche photodiode (Invited Paper)"Proc.SPIE Advanced Materials and Devices for Sensing and Imaging. vol.4919. 102-109 (2002)
• [文献書誌] N.Sako, Y.Tanaka, T.Kurokawa, H.Tsuda, M.Naganuma: "Distance measurement using intensity correlation of orthogonally polarized optical microwaves"Proc.3rd International Conference on Optics-photonics design and fabrication (ODF). vol.3. 71-72 (2002)
• [文献書誌] Y.Tanaka, N.Sako, T.Kuorkawa, H.Tsuda, M.Takeda: "Profilometry based on two-photon absorption in a silicon avalanche photodiode"Optics Letters. vol.28,no.6. 402-404 (2003)
• [文献書誌] 田中, 黒川: "Siイメージセンサの二光子吸収感度"応用物理学会秋季学術講演予稿集. 秋63号. 25a-ZN-8 (2002)
• [文献書誌] 酒匂, 田中, 黒川, 津田, 永沼: "直交偏波の強度相関による距離測定法"応用物理学会秋季学術講演予稿集. 秋63号. 25a-ZN-9 (2002)
• [文献書誌] 酒匂, 田中, 黒川: "二光子吸収特性の温度依存性と距離計測への応用"Optics Japan 2002 講演予稿集. 2002年度号. 22-23 (2002)
• [文献書誌] 井本, 酒匂, 田中, 黒川: "Si-APDによる二光子吸収特性の温度依存性"応用物理学会春季講演予稿集. 春50号. 29p-YS-13 (2003)