物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第9回光エレクトロニクス(2) 光通信:光ファイバーとレーザー

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1 物理システム工学科３年次 「物性工学概論」 第9回光エレクトロニクス(2) 光通信:光ファイバーとレーザー
物理システム工学科量子機能工学分野 佐藤勝昭

2 第８回の復習 光電変換：光を電気に変える 光伝導(photoconductivity)
光電子放出(photoelectron emission) 光起電力効果(photovoltaic effect) フォトダイオード、フォトトランジスタ 太陽電池 実際の応用について学んだ 街灯自動点滅器、太陽光発電、ＣＣＤカメラ

3 第８回の問題 夜になると街灯が自動的に点灯する仕組みを説明せよ。
光を受けて抵抗が低くなるCdS光伝導センサーと固体リレーが接続されており、明るいときにはランプの回路が開くようにしておく。暗くなるとリレーの電流がoffになり、接点が閉じてランプが点灯する。

4 第８回の質問(1) CdSのセンサーが感知するのはどうしてですか（何を感知するのですか）、それと他の部品の名称の解説もお願いします。(MT)
Ａ：感知するのは光のありなしです。CdS光伝導センサーに光があたると、キャリア(電子とホール)がCdS中に生成され、電気抵抗が低くなって電流が流れやすくなるのです。CdSは他の半導体に比べ光伝導の感度が高いので用いられています。 この電流をnormally-on型のリレーの制御側に流してやると、電流が流れたときに回路が切断されます。 最近は、機械式ではなく、固体式のリレーが使われます。 質問２

5 リレーって何？ 大きな電流を、弱い電流（または小さな電圧）でon/offするための装置: 例）ランプの点滅
(オムロンのHPより)

6 スイッチとリレーでランプを点灯させる 質問１ http://www.omron.co.jp/ecb/magazine/p29.html
１）S1を押します（ON） ２）操作コイルに電流iが流れ鉄心を磁化します。 ３）電磁力によって鉄片は鉄心に吸引されます。 ４）鉄片が鉄心に吸着されると、可動接点と固定接点が接触しランプが点灯します。 ５）S1をもどすと（OFF）操作コイルの電流がなくなり鉄片を吸着する力が消滅して、復帰バネの力で鉄片はもとの状態へもどります。 ６）鉄片がもとの状態にもどると接点部が離れ、ランプは消えます。 質問１

7 機械式リレーと固体リレー 機械式リレーは、電磁石の原理を応用している。リレーの入力側コイルに電流を流すと電磁石の原理により出力側機構が稼動し、出力側切替接点が切り替わり、出力信号の制御を行う。 固体リレーでは、可動部がなく、フォト・カプラと駆動回路、そしてトライアックまたはサイリスタの半導体スイッチから構成されている。 質問１

8 第８回の質問(2) トラップ準位というものがわからない(SY)
半導体の欠陥や不純物の作る準位で、ドナーやアクセプターと呼ばれているものと同じです。 例えば、CdSにおいてAl不純物がCdを置換しているとドナーになります。ドナーは電子を1個捕捉していますが、この電子は伝導帯に励起され伝導電子となっています。従って、ドナーは電子を失ってイオン化した（+に帯電した）状態になっています。光で励起された電子は、ときにこの+電荷に捕まるのです。これをトラップされたといい、その準位をトラップ準位というのです。

9 光伝導とトラップ キャリアは、バンド内を移動し伝導に寄与した後、ギャップ内の準位に捕捉（trap)されるが、再び熱的に解放され、伝導に寄与する。再結合して消滅するまで光伝導に寄与する 伝導帯 トラップ準位 光励起 再結合 価電子帯

10 第８回の質問(3) エレクトロニクスIIIの授業で、CdSセルを使って夜になったら自動点灯するライトを作っていますが、トランジスタをリレーの代わりにするにはどうすればよいですか 通常の固体リレーでは、１次側と２次側を電気的に切り離すためにフォトカップラーというデバイスを用いています。また、交流をon/offするためにトライアックという特殊なトランジスタを用いています。しかし、１次側と２次側を切り離す必要がなく、直流で点灯するのなら、エミッタ接地のトランジスタのバイアス回路にCdSを使うだけでもトランジスタのon/offは可能です。

11 第８回の質問(4) インバータエアコンというのがありますが、あれも交流から直流に変えてからまた交流にするのですか。(FH)
そのとおりです。交流をいったん直流にし、もう一度モータに流す電流の断続の周期を変えているのです。このため、室外機がonになるときに独特のドレミファ音が聞こえます。 インバータは、蛍光灯、電子レンジ、電車などいろいろなところに使われています。 広島国際学院大学酒井研のＨＰより

12 第９回・第１０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

13 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。

14 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。

15 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

16 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。

17 光ファイバー 長距離にわたって光が減衰せずにすすむ 全反射を用いている。 東工大影山研HPより
kiden/photo/high_cab.jpg

18 全反射 臨界角 c 媒質 2 媒質 1 ic ic エバネセント波 全反射とエバネセント波

19 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

20 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
1530～1565nm 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 佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）

21 光通信システムの進展 http://www.sgkz.or.jp/nenpoh/34_sangyo/002.html

22 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。

23 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

24 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

25 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

26 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。

27 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