工学系12大学大学院単位互換e-ラーニング科目
磁気光学入門 第12回
磁気光学効果の応用(2):光通信用磁気光学素子
佐藤勝昭
磁気光学効果の応用(2)
光磁気記録(記録情報の読み出し):第11回
 光アイソレータ(光通信における方向性結合)
高圧電流測定(磁気光学センサ) :今回
 空間光変調器(光画像処理)
:第13回
 微小磁区観察(磁気光学顕微鏡)

今回学ぶこと
この講義は、主として光ファイバ通信に用いる
光アイソレータについて述べます。最後に少し、
高圧電流などの非接触測定に用いる電流磁界
センサについて触れます。
 はじめに、光ファイバ通信の要素技術について、
復習しておきます。

光通信デバイスと磁気光学材料
http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html
光通信の要素技術1
半導体レーザ
LED構造において、劈開面を用いたキャビ
ティ(共振器)構造を用いるとともに、ダブル
ヘテロ構造により、光とキャリアを活性層に
閉じ込め、反転分布を作っています。
 DFB構造をとることで特定の波長のみを選
択しています。

半導体レーザーの動作特性

半導体レーザは、閾値以下ではLEDと同じ自
然放出による発光ですが、閾値を超えるとコ
ヒーレントとなり、レーザ光となります。
LED動作
電流vs発光強度
発光スペクトル
佐藤勝昭編著「応用物性」(オーム社)
ダブルヘテロ構造
ダブルヘテロ構造というのは、
活性層をバンドギャップの広
い材料でサンドイッチした構
造のことです。
 電子とホールを閉じこめ、光
を閉じこめるので、低閾値で
動作します。
 この構造は、ロシアのアル
フョーロフと日本人の林厳夫
によって独立に発明されまし
た。

http://www.ece.concordia.ca/~
i_statei/vlsi-opt/
DHレーザー

光とキャリアの閉じこめが特徴です。
バンドギャップの小さな半導体をバンドギャップの大
きな半導体でサンドイッチすることにより、高い濃度
の電子・ホールを活性層に閉じこめるので、再結合
確率が高くなります。
 屈折率の高い半導体(バンドギャップ小)を屈折率の
低い半導体(バンドギャップ大)でサンドイッチするこ
とにより、全反射による光の閉じこめが起き、誘導
放出が起きやすい状態にしています。

DFBレーザー
レーザの光路に回折格子を入れて、1波長の光しか
出さないレーザなので、通信時に信号の波がずれる
ことがなく、高速・遠距離通信が可能です。
 (通信速度:Gb/s = 1秒間に10億回の光を点滅する。
電話を1度に約2万本通話させることができます)

注:DFB=distributed feed back
http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html
FPレーザとDFBレーザ
項目
FPレーザ DFBレーザ
光スペクトル
伝送距離
伝送容量
コスト
近距離
中容量
安い
注:FP=fiber pigtailed
長距離
大容量
高い
光通信の要素技術2
光ファイバー
光ファイバの材料は溶融石英です。
 同心円状にコア層、クラッド層、保
護層が配置されています。
 光はコア層を全反射によって長距
離にわたり低損失で伝搬します。

http://www.miragesofttech.com/ofc.htm
東工大影山研HPより
光ファイバーの伝搬損失
短波長側の伝送
損失はレーリー
散乱によります。
 長波長側の伝送
損失は分子振動
による赤外吸収
によります。
 1.4μm付近の損
失はOHの分子
振動によるもの
です。

佐藤・越田:応用電子物性工学(コロナ社、1989)
光ファイバとメタルの比較

メタル系ケーブルでは周波数とともに伝送損失
が増加しますが、光だと1GHzでもフラットです。
要素技術3
光検出
光検出にはフォトダイオードを用います。
 高速応答の光検出が必要です。
 pinフォトダイオードまたはショットキー接合フォ
トダイオードが使われます。
 通信用PDの材料としては、バンドギャップの小
さなInGaAsなどが用いられます。

光検出

Pin-PD
 Schottky PD

応答性は、空乏層を
キャリアが走行する時
間と静電容量で決まる
ので、空乏層を薄くす
るとともに、接合の面積
を小さくしなければなり
ません。
Andrew Davidson, Focused Research Inc. and Kathy Li Dessau, New Focus Inc.
要素技術4
光中継:ファイバーアンプ


光ファイバー中の光信号は100km
程度の距離を伝送されると、20dB
減衰します。これをもとの強さに戻
すために光ファイバーアンプと呼ば
れる光増幅器が使われています。
光増幅器は、エルビウム(Er)イオ
ンをドープした光ファイバー(ED
F:Erbium Doped Fiber)と励起
レーザーから構成されており、励起
光といわれる強いレーザーと減衰
した信号光を同時にEDF中に入れ
ることによって、Erイオンの誘導増
幅作用により励起光のエネルギー
を利用して信号光を増幅することが
できます。 旭硝子のHP
http://www.agc.co.jp/news/2000/0620.htmlより
エルビウムの増幅作用
エルビウム(Er)イオンをドープしたガラスは、980nmや
1480nmの波長の光を吸収することによって1530nm付
近で発光する。この発光による誘導放出現象を利用する
ことによって光増幅が可能になります。
 具体的には、EDFAに増幅用のレーザー光を注入すると、
Erイオンがレーザー光のエネルギーを吸収し、エネル
ギーの高い状態に励起され、励起された状態から元のエ
ネルギーの低い状態に戻るときに、信号光とほぼ同じの
1530nm前後の光を放出します。信号光は、この光のエ
ネルギーをもらって増幅されます。
 Erをドープするホストガラスの組成によって、この発光の
強度やスペクトル幅(帯域)が変化します。発光が広帯域
であれば、光増幅できる波長域も広帯域になります。

旭硝子のHPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.htmlより
要素技術5 波長多重
(WDM=wavelength division multiplexing)


この方式は、波長の異なる光信号を同時にファイバー中を伝送
させる方式であり、多重化されたチャンネルの数だけ伝送容量
を増加させることができます。
通信用光ファイバーは、1450~1650nmの波長域の伝送損失
が小さい(0.3dB/km以下)ため、原理的にはこの波長域全体を
有効に使うことができます。
光通信における
磁気光学デバイスの位置づけ

光ファイバ通信には、さまざまな磁気光学デバ
イスが用いられます。
光アイソレータ:光を一方通行にする素子です。
 光サーキュレータ:WDMの光アドドロップ多重
(OADM)において、ファイバグレーティングと組み合
わせて特定波長を選択します。
 EDFAの前後にアイソレータを配置して動作を安定
化します。
 メカ部分のない光アッテネータ、光スイッチとして利
用されます。

光アイソレータ
光アイソレータは、光を一方向にだけ通す光デ
バイスです。
 光通信に用いられている半導体レーザ(LD)や
光アンプは、光学部品からの戻り光により出力
変動・周波数変動・変調帯域抑制・LD破壊など
不安定な動作を起こします。光学部品との間で
共振器が構成されてしまうことが原因です。
 戻り光による悪影響を取り除き、LDや光アンプ
を安定化するために必要不可欠な光デバイス
が光アイソレータです。

半導体レーザモジュール用アイソレータ
光アドドロップとサーキュレータ



OADM(Optical Add-Drop Multiplexing光アドドロップ多重) は,多
重化された信号からあるチャンネル数の信号を束で抜き出したり,
空いている部分にチャンネル束を追加したりする機能をもちます。
図に示すのは短周期ファイバ・グレーティングと2個のサーキュレー
タを用いたOADMです.
左の入力ポートから入った波長多重信号のうち,取り出したい波長
λkの信号のみがファイバ・グレーティングによりブラッグ反射され
Dropポートより出力されます.一方,Addポートから入った波長λk
の信号は,グレーティングを通り抜けた他の波長の信号とともに出
力ポートに導かれます.
偏光依存アイソレータ




偏光依存光アイソレータの構成を図に示します.すなわち,2枚
の偏光子P1,P2の間にファラデー旋光子Fをはさみ,孔あき永
久磁石中におき光の進行方向と平行に磁界をかけたものです.
この磁界は旋光子の磁区を揃えて単一磁区にするためのもの
です.
図のように入射光は偏光子P1によって直線偏光にされ,ファラ
デー旋光子Fを透過します.入射直線偏光はこの旋光子によっ
て正確に45゜の回転を受け,透過方向が鉛直から45゜傾けてお
かれた第2の偏光子(検光子)P2を通してファイバなどの光学系
に導かれます.
戻り光はさまざまの偏光成分をもっていますが,このうち鉛直か
ら45゜傾いた成分のみがP2を透過します.この偏光成分は,旋
光子Fによってさらに45゜の旋光を受けて,P1の透過方向とは
垂直に向いた偏光となるため,光源側には光が戻りません.
偏光依存アイソレータの仕組み
光ファイバ増幅器と
アイソレータ

光ファイバーアンプに戻り光が入ると、やはりノ
イズの原因になるので入出力両端にアイソレー
タを用いています。
偏光無依存アイソレータ
Faraday rotator F
½ waveplate C
Birefringent plate B1
Birefringent plate B2
Fiber 1
Fiber 2
Forward direction
B1
F
C
B2
Fiber 1
Fiber 2
Reverse direction
信光社
http://www.shinkosha.com
/products/optical/
光サーキュレータ
B
A
C
3-port Optical Circulator
C-band : YC-1100-155
FDK
磁気光学サーキュレータ
Faraday rotator
Prism polarizer A
Reflection prism
Half wave plate
Port 1
Port 3
Port 2
Port 4
Prism polarizer B
光アイソレータ材料
1.
2.
ビスマス添加磁性ガーネット
希薄磁性半導体
磁性ガーネット

磁性ガーネット:


YIG(Y3Fe5O12)をベースとす
る鉄酸化物;Y→希土類、Bi
に置換して物性制御
3つのカチオンサイト:
希土類:12面体位置を占有
 鉄Fe3+:4面体位置と8面体
位置、反強磁性結合
 フェリ磁性体

ガーネットの結晶構造
http://www.ien.it/~magni/work/garnets.pdf
磁性ガーネットの物性とファラデー効果

Yはガーネット構造の十二面体サイトを占める.Feは四
面体サイトと八面体サイトを占める.両者は反強磁性的
に結合しフェリ磁性となる.
 Yを希土類Rに置き換えた希土類磁性ガーネット
R3Fe5O12(Rは希土類)もYIGと同様の性質をもつ.
 磁性ガーネットR3Fe5O12のRの一部をBiに置換するとBi
置換量とともに磁気光学効果が増加する.
 Bi置換を行ったものでは吸収量をあまり増加させずに,
ファラデー効果だけを強めることができるので性能指数
が増加し,薄い試料でも45の回転を得ることができる.
YIGの光吸収スペクトル
電荷移動型(CT)遷移
(強い光吸収)2.5eV
 配位子場遷移
(弱い光吸収)



4面体配位:2.03eV
8面体配位:
1.77eV,1.37eV,1.26eV
Bi置換磁性ガーネット

Bi:12面体位置を置換
 ファラデー回転係数:Bi
置換量に比例して増加。
 Biのもつ大きなスピン軌
道相互作用が原因。
 Bi置換によって吸収は
増加しないので結果的
に性能指数が向上
II-VI系希薄磁性半導体
磁性ガーネットには,1μmより短波長側に強い
吸収帯が存在するため,これより短波長の光通
信アイソレータ材料として用いることがむずかし
い.
 II-VI族半導体のII族元素をMnに置換した磁性
半導体は,可視-近赤外領域で透明であり,光
学吸収端付近の波長で大きなファラデー回転を
もつので短波長用のファラデー旋光子材料とし
て期待される.

Cd1-xMnxTeにおける
バンドギャップ のMn濃度依存性

Cd1-xMnxTeのバンド
ギャップは、Mnの添加
量を増やすとMn濃度に
比例して高エネルギー
側にシフトする。
 2.2eVにMn2+の配位子
場遷移があるのでこれ
以上のエネルギーでは
使用できない。
Cd1-xMnxTeのバルク成長

ブリッジマン法
出発原料: Cd, Mn, Te元素
 石英管に真空封入
 4 mm/hの速度でるつぼを降下させる。
 融点: 1100°C
 WZ (高温相) → ZB (低温相) 相転位(温度低
下)


過剰融液組成→相晶を防ぐ効果
II-VI系希薄磁性半導体の
結晶構造と組成存在領域
Material
Crystal
structur
e
Range of
Composition
Material
Crystal
structure
Zn1-xMnxS
ZB
WZ
0<x<0.10
0.10<x0.45
Cd1-xMnxSe
WZ
0<x0.50
Zn1-xMnxSe
ZB
WZ
0<x0.30
0.30<x0.57
Cd1-xMnxTe
ZB
0<x0.77
Hg1-xMnxS
ZB
0<x0.37
Hg1-xMnxSe
ZB
0<x0.38
Hg1-xMnxTe
ZB
0<x0.75
Zn1-xMnxTe
Cd1-xMnxS
ZB
WZ
Range of
Composition
0<x0.86
0<x0.45
CdMnTeの磁気光学スペクトル

II-VI族希薄磁性半導
体:Eg(バンドギャップ)
がMn濃度とともに高エ
ネルギー側にシフト
 磁気ポーラロン効果(伝
導電子スピンと局在磁
気モーメントがsd相互作
用→巨大g値:バンド
ギャップにおける磁気光
学効果
小柳らによる
Furdynaによる
半導体とアイソレータの一体化

貼り合わせ法



半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→格子不整合の
ため困難
ガーネット膜を作っておき、半導体基板に貼り合わせ
る方法が提案されている
希薄磁性半導体の利用

DMSの結晶構造:GaAsと同じ閃亜鉛鉱型→


半導体レーザとの一体化の可能性。
導波路用途の面内光透過の良質の薄膜作製困難。

安藤ら:GaAs基板上にMBE法でCdMnTeの薄膜を作製。
バッファ層:ZnTe, CdTe層
電流磁界センサ

高圧送電線を流れる電流を安全に測定する方
法として、磁気光学効果を用いたセンサがあり
ます。
電流磁界センサ
http://ge-rd-info.denken.or.jp/geleaflet/pdf/T03072.pdf
電流センサ
Before installation
Magnetic core
After installation
Aerial wire
Hook
Magneto-optical
sensor head
Fail-safe string
Fastening
screw
Optical fiber
光ファイバ磁界センサ
第12回の課題
光アイソレータはなぜ光ファイバ通信にとって必
要か述べてください。
 光アイソレータにおける磁気光学素子の役割に
ついて述べてください。

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