物理システム工学科3年次
物性工学概論
第火曜1限0023教室
第9回 光エレクトロニクスと材料[2] 光通信材料
大学院ナノ未来科学研究拠点
量子機能工学分野
佐藤勝昭
第8回に学んだこと




自然放出と誘導放出
レーザーの特徴と原理
さまざまなレーザー
レーザーの用途
第8回の問題


Laserは何の頭文字をとったもので意味は何か
Laserのさまざまな応用はレーザーのどのよう
な特徴を利用しているか
復習:レーザー








自然放出と誘導放出
さまざまなレーザー
レーザー光の特徴
半導体レーザー
半導体レーザーの構造
半導体レーザーの閾値
DFBレーザー
LDの製造工程
復習:自然放出と誘導放出



自然放出(spontaneous emission):励起状
態から基底状態への緩和によって発光
誘導放出(stimulated emission):光の電界
を受けて励起状態から基底状態へ遷移、この逆
過程は光吸収。前者が後者より強ければ、正味
の誘導放出が起きる。
この現象がlaser=light amplification by
stimulated emission of radiationである
復習:レーザー光の特徴


光波の発振器または増幅器
位相がそろっている
可干渉(coherent)、
指向性(directivity)
単色性(monochromatic)
高エネルギー密度(high density)
超短光パルス(ultra short pulse)

フォトンのボース凝縮状態:
巨視的に現れた量子状態
復習:さまざまなレーザー

気体レーザー:例) He-Ne, He-Cd, Ar+, CO2,
Excimer:
気体の励起状態に反転分布を作る

固体レーザー:
例) YAG:Nd(ヤグ), Al2O3:Ti(チタンサファイア), Al2O3:Cr(ル
ビー):
固体中の局在中心を光学的に励起、反転分布を作る

半導体レーザー:
例) GaAlAs, InGaN:電子とホールの高密度注入により反転分
布を作る。
復習:レーザーの用途






光ファイバー通信
光ストレージ
レーザープリンター
ディスプレイ
材料加工
治療
レーザーと反転分布
2


誘導放出
p21
1
2
p12
光吸収
1

電界を受けて状態1か
ら2に遷移
同じ確率で状態2から
1に遷移
2のポピュレーションが
1のそれより大きいと
正味の誘導放出が起き
る。
正常な分布(Maxwell-Boltzman)
Eだけ上にある準位の
分布はexp(-E/kT)
エネルギー

2
exp(-E/kT)
E
1
1
分布関数
第9回に学ぶこと



光ファイバー通信と光エレクトロニクス
光ファイバー通信とは?
光ファイバー通信用要素技術






送信機:半導体レーザーについて
伝送路:光ファイバーについて
受信機:フォトダイオード
波長多重(WDM)
光増幅器:EDFAについて
光アイソレータについて
光通信システムの進展
http://www.sgkz.or.jp/nenpoh/34_sangyo/002.html
http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html
半導体レーザーと光通信

光通信の光源は半導体レーザー、電気信号を光の強弱に
変えて伝送する。
http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/what.html
光ファイバー通信システム

光ファイバー通信はどのように行われているか調べてみよう。
ブロードバンドとナローバンド





最近、ブロードバンド(BB)という言葉が飛び交っている。ブロードバンドとナ
ローバンドとは何か?
ブロードバンドは広帯域、ナローバンドは狭帯域と訳される。情報を伝送す
るための「道の太さ」が広いか狭いかを表している。
道の広さは転送速度(単位bps=bit per second)で表す。通常のメタル
(銅ケーブル)を用いたアナログ電話回線は56kbps、ディジタル(ISDN)回
線でも128kbpsです。これらはナローバンドという。
これに対して同じメタルでも、ADSL(非対称ディジタル加入者線)は下り
1.5Mbps、上り512kbpsとなっておりブロードバンドといえる。
光ファイバーFTTH (fiber to the home)では、上下線とも100Mbpsなの
で、ADSLの67倍の早さである。
光ファイバーはBBの主役


FTTHはアナログモデムの1790倍の100Mbit=13MBの情報量を1sに転送できる。
CD一枚(約640MB)のダウンロードは約1分
http://www.kyoto-bb.net/bb/top.html
QUIZ1


日本とアメリカの距離を1万kmとして光ファイ
バー通信で信号が伝達する時間を計算せよ。た
だし、屈折率を1.5と仮定する。
静止衛星の地上高度は35,000kmである。衛
星経由で信号が到達するのにどれだけ時間が
かかるか。
光通信の要素技術

光源:半導体レーザー(LD=laser diode)


線路:光ファイバー



全反射, レーリー散乱, 分子振動
光検出器:フォトダイオード(PD)


pn接合, DH構造, DFB構造, 高速化
アバランシェ型(APD)
中継器:ファイバーアンプ(EDFA)
光制御器:アイソレータ、アッテネータ、サーキュ
レータ
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
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
作る。
DFB構造をとることで特定の波長のみを選択し
ている。
半導体レーザーの動作特性
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)
半導体レーザーの材料

光通信帯用:1.5μm;GaInAsSb, InGaAsP
半導体レーザーの構造
http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html
ダブルヘテロ構造

活性層
(GaAs)をバ
ンドギャップの
広い材料でサ
ンドイッチ:ダ
ブルヘテロ
(DH)構造
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


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:高い濃度の電子・ホール
の活性層に閉じこめ
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:全反
射による光の閉じこめ
DFBレーザー


1波長の光しかでないレーザ。つまり、通信時に信号の波
がずれることがないので、高速・遠距離通信が可能。
(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)
http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html
LDの製造工程
•最初に、MBEで6層のエピタキシャル成長を行う。
•次にMBE装置からウエハを取り出し、フォトリソグラ
フィと化学エッチングでストライプをつくる。
•この際n-GaAs層を表面保護層として0.1μm残すこ
とが技術的ポイント
•この表面保護層はMBE中で行われる第3の工程、
熱エッチングにおいて蒸発除去される。この熱エッ
チングは、ある基板温度でGaAsが再蒸発し、
AlGaAsは蒸発しない性質を用いている。
•この熱エッチングにより新鮮なAlGaAs層が現れる
ので引き続き同一装置内で第2回結晶成長をし、ク
ラッド層、キャップ層を作る。
http://www.rohm.co.jp/products/databook/ld/pdf/lazertokutyou-j.pdf
要素技術2
光ファイバー



材料:溶融石英(fused
silica SiO2)
構造:同心円状にコア層、
クラッド層、保護層を配置
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
http://www.miragesofttech.com/ofc.htm
東工大影山研HPより
全反射
媒質 1
エバネセント波
ic
媒質 2
臨界角
c
ic
全反射とエバネセント波
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
長波長側の伝送損
失は分子振動によ
る赤外吸収
1.4μm付近の損失
はOHの分子振動
による
1530~1565nm
佐藤・越田:応用電子物性工学(コロナ社、1989)
光ファイバーの伝搬損失
Physics Today Onlineによる
http://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html
光ファイバーの減衰と分散


減衰:光強度の減衰
分散:波形の乱れ
http://www.tpub.com/neets/tm/106-13.htm
QUIZ2



屈折率1.5のコアと屈折率1.3のクラッドを考えたと
きの臨界角を求めよ。
実際の系では、屈折率の違いは1%程度である。屈
折率1.4のコアと1.38のクラッドの場合はどうか
低損失ファイバーの減衰は0.2dB/kmである。東
京から富士山まで約100kmとして、光強度はもと
のなん%に落ちるか。ここではpowerの損失に対
するdBの定義dB=10log(I0/I)を使って下さい。
要素技術3
光検出




フォトダイオードを用いる
高速応答の光検出が必要
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る。
通信用PDの材料としてはバンドギャップの小さ
なInGaAsなどが用いられる。
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。
このため、空乏層
を薄くするとともに、
接合の面積を小さ
くしなければならな
い。
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(百分の一に)減衰する。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る。
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(E
DF: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E
DF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る。
旭硝子の
HPhttp://www.agc.co.jp/news/2
000/0620.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
になる。
具体的には、EDF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一
旦励起され、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前後の光を放出する(誘
導放出現象)。信号光は、この光のエネルギーをもらって増幅され
る。
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)が変化する。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る。
旭硝子のHPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.htmlより
要素技術5
光アイソレータ



光アイソレータ:光を一方向に
だけ通す光デバイス。
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不
安定な動作を起こす。
光アイソレータ:出力変動・周波
数変動・変調帯域抑制・LD破
壊などの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。
信光社
http://www.shinkosha.com
/products/optical/
偏光無依存アイソレータ
Faraday rotator F
½ waveplate C
Birefringent plate
B2
Birefringent plate B1
Fiber 1
Fiber 2
Forward direction
B1
F
C
B2
Fiber 1
Fiber 2
Reverse direction
要素技術6
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る。
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る。
光アドドロップ

波長多重された光信号から特定の波長
を抜き出すとともに、特定の波長の光を
加える。
光電子集積回路(OEIC)

光半導体素子と電気的な半導体素子とを同一
半導体基板上に集積し,関連付けた集積回路。
半導体レーザーなどの発光素子とそれを駆動す
る電界効果トラシジスタを集積化したものと,
フォトダイオードなどの受光素子と増幅・信号処
理用の電界効果トランジスタを集積化したものと
に大別される。光通信の送信・受信が主な用途。
ガリウム・ヒ素系やインジウム・リン系などの化
合物半導体と混晶が材料として注目されている。
http://www2.nsknet.or.jp/~azuma/o/o0028.htm
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
ダウンロード

半導体レーザーと光通信