物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第11回光エレクトロニクス(4) 半導体レーザと光ストレージ

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1 物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第11回光エレクトロニクス(4) 半導体レーザと光ストレージ
物理システム工学科量子機能工学分野 佐藤勝昭

2 第10回の復習 光通信に使われる波長が μmであること、使われている材料は石英(SiO2)であること、短波長側の伝送損失はレイリー散乱が、長波長側の伝送損失は分子振動が原因であることを再確認した。低損失のフッ化物ファイバーに触れた。 半導体レーザの構造と動作原理を学んだ。特に、バンドギャップの大きな材料でバンドギャップの小さな活性層を挟んだDH構造のメリットを学んだ。 光通信の最近の急速な発展が波長多重に支えられており、アイソレータ、EDFAの重要性を学んだ。

3 第10回のQUIZ 「光ファイバー通信において利用されている物理現象の中で印象に残ったモノをつ挙げよ。」 という質問を出しましたところ、みなさん、大変よい答えを書いてくれました。

4 QUIZの回答の一部紹介(1) 反転分布で正味の誘導放出が起き、ねずみ算的に増幅しコヒーレントな光が放出される(安藤)
レーザーに量子力学が応用されていること(中島、村野) 光の電界を受けて励起状態から基底状態に遷移すると誘導放出で、逆だと光吸収であること(松下、今井) レーザーにボース凝縮が関係していること（市村、平田) 半導体レーザーで屈折率の差を利用して光を活性層に閉じ込めるDH構造により効率を上げていること(有働、村上、真下、遠藤、西浦)、 DHレーザーを日本人が発明したと言うこと(伊藤) DFBレーザーの波長の単色性がよいこと(平木) いろいろの種類のレーザーがあること(窪田) 光ファイバーがコアとクラッドの屈折率の違いによる全反射を利用して長距離伝送していること(川端、民部、前田、石黒、黒田、山口、庄子、金田)

5 QUIZの回答の一部紹介(2) 光ファイバーに石英ガラスが使われていること(山中)
光通信の波長がレイリー散乱と分子振動で決まる狭い波長範囲であること（川田、今野、円子、松本、佐藤(豊)、光通信ではレーザーの単色性を利用して、波長多重して伝送していること(原田、小尻、小林) 光ファイバー通信で、戻り光によるレーザーノイズをカットするためにアイソレーターというものを使い、それが偏光を利用していること(有働) 光ファイバー増幅器(EDFA)において、光を光のまま増幅できること(宮本、山本、伏木) 途中で光を増幅しなければならないこと(村松） CD-Rの記録がレーザーの高エネルギー密度を利用して加熱していること(長井)

6 第11回で学ぶこと -光ストレージについて 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。 光ストレージには、読み出し(再生)専用のもの、１度だけ書き込み(記録)できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。 記録には、さまざまな物理現象が使われている。

7 スポットサイズ レンズの開口数 NA=nsinα d=0.6λ/NA
現行CD-ROM: NA=0.6 CD-ROM: λ=780nm→d=780nm DVD: λ=650nm→d=650nm BluRay: NA=0.85 　　　　λ=405nm→d=285nm AOD: NA=0.6 　　　　λ=405nm→d=405nm α スポット径　d

8 光ストレージの分類 光ディスク ホログラフィックメモリ、ホールバーニングメモリ 再生(読み出し)専用のもの 記録(書き込み)可能なもの
CD, CD-ROM, DVD-ROM 記録(書き込み)可能なもの 追記型(１回だけ記録できるもの) CD-R, DVD-R 書換型(繰り返し消去・記録できるもの) 光相変化 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVD-R, DVD+R, Bluray, AOD 光磁気: MO, GIGAMO, MD, AS-MO, iD-Photo ホログラフィックメモリ、ホールバーニングメモリ

9 光記録に利用する物理現象 CD-ROM, DVD-ROM: ピット形成 CD-R, DVD-R: 有機色素の化学変化と基板の熱変形
CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVD-R: アモルファスと結晶の相変化 MO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-Photo: 強磁性・常磁性相転移 ホログラフィックメモリ：フォトリフラクティブ効果 ホールバーニングメモリ：不均一吸収帯

10 光ディスクの特徴 リムーバブル 大容量・高密度 ランダムアクセス 高信頼性
現行10Gb/in2：ハードディスク(70Gbit/in2)に及ばない 超解像、短波長、近接場を利用して100Gbit/in2をめざす ランダムアクセス 磁気テープに比し圧倒的に有利； カセットテープ→MD, VTR→DVD ハードディスクに比べるとシーク時間が長い 高信頼性 ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きい

11 いろいろな光ディスク

12 CD-ROM ポリカーボネート基板：n=1.55 λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm ピットの深さ:110nm ~ ¼波長
反射光の位相差π：打ち消し

13 CD-ROMドライブ フォーカスサーボ トラッキングサーボ 光ピックアップ

14 CD-RW 光相変化ディスク 結晶とアモルファスの 間の相変化を利用

15 光相変化記録 アモルファス/結晶の相変化を利用
書換可能型　成膜初期状態のアモルファスを熱処理により結晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点Tm (600℃)以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録。消去は結晶化温度Tcr(400℃)以下の加熱緩冷して結晶化。 Highレベル：Tm以上に加熱→急冷→アモルファス Lowレベル：Tcr以上に加熱→緩冷→結晶化 DVD-RAM: GeSbTe系 DVD±RW: Ag-InSbTe系

16 相変化ディスクの記録と消去 融点以上から急冷： アモルファス →低反射率 融点以下、結晶化 温度以上で徐冷： 結晶化 →高反射率

17 相変化と反射率 初期状態：結晶状態 記録状態：アモルファス状態 R:大 R:小 記録 消去 レーザスポット 記録マーク

18 CD-R 有機色素を用いた光記録 光による熱で色素が分解 気体の圧力により加熱された基板が変形 ピットとして働く

19 DVDファミリー 105 103-104 0.6 0.65 DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-RW DVD+RW
DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-RW DVD+RW 容量(GB) 4.7 / 9.4 2層8.54 3.95 / 7.9 4.7/9.4 形状 disk cartridge マーク形成 材　料 ピット形成 1層 R=45-85 2層 R=18-30 熱変形型 有機色素 R=45-85% 相変化型 GeSbTe系 R=18-30% AgInSbTe系 レーザ波長 レンズNA 650/635 0.6 650 638/650 0.65 最短マーク長 １層:0.4 2層：0.44 0.4  0.4 トラック幅 0.74 0.8 Wobbled Land pre-bit 0.74 Wobbled L/G 0.74 HF Wobbled groove 書き換え可能回数 － 105

20 光磁気記録 記録： 熱磁気(キュリー温度）記録 再生： 磁気光学効果 MO, MDに利用 互換性が高い 書き替え耐性高い：1000万回以上
記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 光を用いてアクセスする磁気記録 再生：　磁気光学効果 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換 MO, MDに利用 互換性が高い 書き替え耐性高い：1000万回以上 ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要） MSR, MAMMOSなど新現象の有効利用可能

21 光磁気媒体の構造 MOディスクの構造 ポリカーボネート基板 窒化珪素保護膜・ （MOエンハンス メント膜を兼ねる） Al反射層 MO記録膜
(アモルファスTbFeCo) groove land 樹脂

22 光磁気記録 情報の記録(1) レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 キュリー温度以上になると磁化を消失 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録
M Tc 温度 Tc 光スポット 光磁気記録媒体 外部磁界 コイル

23 光磁気記録 情報の記録(2) TcompでHc最大: 補償温度(Tcomp)の利用 アモルファスTbFeCoは 一種のフェリ磁性体なので
　一種のフェリ磁性体なので 　補償温度Tcompが存在 TcompでHc最大: 記録磁区安定 Hc M Tb FeCo Mtotal 室温 Fe,Co Tb Tcomp Tc T

24 ２種類の記録方式 光強度変調(LIM)：現行MO 磁界変調(MFM)：MD, ASMO 電気信号で光を変調 磁界は一定 ビット形状は長円形
電気信号で磁界を変調 光強度は一定 ビット形状は矢羽形 Modulated laser beam Constant Constant field Modulated field Magnetic head (a) LIM (b) MFM

25 光磁気記録 情報の読み出し 磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換 D1 LD - D2 偏光ビーム スプリッタ + N S N S N

26 光磁気ディスク 記録： 熱磁気(キュリー温度）記録 再生： 磁気光学効果 （詳細は、磁性の講義で）
記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 再生：　磁気光学効果 （詳細は、磁性の講義で） MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3G MD(6cm) iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)