物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第10回光エレクトロニクス(3) 半導体レーザと光通信

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1 物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第10回光エレクトロニクス(3) 半導体レーザと光通信
物理システム工学科量子機能工学分野 佐藤勝昭

2 第９回の復習：光通信とレーザー 光ファイバー通信とは 光ファイバー通信の要素技術 レーザー 光ファイバー、光源、光検出器 自然放出と誘導放出
反転分布 さまざまなレーザー レーザー光の特徴

3 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

4 レーザーと反転分布 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。 2 1

5 さまざまなレーザー 気体レーザー：例) He-Ne, He-Cd, Ar+, CO2, Excimer： 固体レーザー： 半導体レーザー：
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。

6 第１０回の講義内容 レーザー光の特徴 レーザーの応用 半導体レーザー 半導体レーザーの構造 半導体レーザーの動作特性
DH(ダブルヘテロ)構造 ＤＦＢ(分布帰還)レーザー MQW(多重量子井戸)レーザー 半導体レーザーの動作特性 戻り光とノイズ：光アイソレーター EDFA(エルビウム添加ファイバー増幅器)

7 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 フォトンのボース凝縮状態：巨視的に現れた量子状態
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

8 レーザーの応用 照明(レーザポインタ、レーザディスプレー：輝度、指向性を利用)、通信(光ファイバ通信：光強度、コヒーレンスを利用)、記録(CD, CDROM, CDR, DVD, MO, MD：コヒーレンス、エネルギー密度)、加工(レーザスクライバ：半導体の素子の分離・切断、光硬化樹脂の成形)、リソグラフィ(エキシマーレーザによる紫外線フォトリソ)、微小計測(マイケルソン干渉計を用いた微動ステージの位置決め)、ジャイロ(光ファイバーのサニャックループを用いた加速度計測)、薄膜成長(エキシマーレーザによるTFT用ポリシリコンのラテラル成長)、医療（レーザメス、局所加熱による患部治療）、印刷・印画(レーザプリンタ、カラー写真のレーザ焼き付け)

9 ＱＵＩＺ 次の応用はレーザーのどのような特徴を利用しているか レーザーポインター レーザープリンター 光ディスク レーザーメス 光通信

10 半導体レーザー（LD (laser diode)）
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。

11 半導体レーザーの構造

12 半導体レーザーの材料 光通信帯用：1.5μm;GaInAsSb, InGaAsP CD用：780nm GaAs
DVD用：650nm GaAlAs MQW DVR用：405nm InGaN

13 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 戻る

14 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

15 DFBレーザー 1波長の光しかでないレーザです。つまり、通信時に信号の波がずれることがないので、高速・遠距離通信が可能です。 （通信速度：Gb/s = 1秒間に10億回の光を点滅します。電話を1度に約2万本通話させることができます) 戻る

16 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います。
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です。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ます。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ます。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、キャップ層を作ります。

17 半導体レーザーの動作特性 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）

18 WDMで進む大容量化 光産業技術協会のHPから

19 光多重通信(WDM)

20 光通信における磁気光学デバイス 戻り光は、LDの発振を不安定にしノイズ発生の原因になる→アイソレータで戻り光を阻止。
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光サーキュレータを用いて特定波長を選択 EDFAの前後にアイソレータを配置して動作を安定化。ポンプ用レーザについても戻り光を阻止 光アッテネータ(磁界により光強度の制御)

21 半導体レーザモジュール用アイソレータ Optical isolator for LD module Optical fiber
Signal source Laser diode module

22 光アイソレーター ファイバー網からの戻り光が光源の半導体レーザーに入射するとノイズのもとになる。戻りビームをカットするために用いるのが光アイソレーター

23 光アイソレータの仕組み

24 光アドドロップとサーキュレータ

25 EDFA(エルビウム添加ファイーバー増幅器)
光を光のまま増幅する増幅器 ガラスに添加したEr3+イオンをポンプして励起状態に反転分布を作り出し、ファイバーを伝わる光で誘導放出を起こし増幅する。

26 光ファイバ増幅器