MQW ?????? ???? by pLdevf2h

VIEWS: 16 PAGES: 26

									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
 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
 – 光ファイバー、光源、光検出器
• レーザー
 – 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
        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
レーザーと反転分布
        • 電界を受けて状態1
  2
          から2に遷移
        • 同じ確率で状態2か
          ら1に遷移
  1
        • 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。
           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。
         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
    – 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
         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
          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)
               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
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。
半導体レーザーの構造




    http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html
         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
  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
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

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
います。
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りま
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。



            http://www.rohm.co.jp/products/databook/ld/pdf/lazertokutyou-j.pdf
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)
WDMで進む大容量化




       光産業技術協会のHPから
 光多重通信(WDM)




•http://www.okioptical.com/html/docs/FiberOptics.html
 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)
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
      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
光アイソレータの仕組み
光アドドロップとサーキュレータ
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。

            http://www.bayspec.com/EDFA.htm
光ファイバ増幅器

								
To top