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５回目/６回目
光伝送とレーザー素子
1
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
光伝送とは



電気信号を光に変える（レーザ）
光信号を伝送する（光ファイバ）
光信号を電気に変える（受光器）
電話
FAX
電気→光
変換装置
光ファイバ
E/O
光→電気
変換装置
O/E
パソコン
多重化装置
テレビ
2
光送信装置
多重化装置
光受信装置
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
レーザダイオード
3
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
発振器の原理
フィードバック回路
増幅器
入力端子
4
出力信号
出力端子
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
レーザの基本構造
ミラー
ミラー
反転分布を持つ光増幅媒質
R2
1  R2
I0
1  R1
R1
l
5
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
発振の原理（1）
I ( Z )  I 0 e ( g α) Z
基底準位にある電子数
g   ( N 2  N 1 )
誘導放出断面積
励起準伝にある電子数
励起準位
基底準位
6
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
発振の原理（2）
一巡を考える
I1  I 0 e ( g α) L  R1  e ( g α) L  R2
 I 0 R1 R2 e 2 ( g α) L
発振条件は
I1＞I 0であるので
I
1  R1 R2 e 2 ( g α) L
I0
両辺　lnとって
o  ln R1 R2  2( g α) L
g th   
7
1
1
 ln (
)
2L
R1 R2
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ファブリ・ペロ共振器における定常波
n
へき開面で形成した反射鏡

L
10
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
一般的なレーザの値
L
m
2n
(m  1) m はモード
L  300μm  m  1.5μm n  3.5
とすると m  1400ぐらい
11
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
各種単一モード光ファイバにおける波長分散
波長分散（ps/nm・km）
20
1310nm零分散光ファイバ
材料分散
10
1300
1400
1500
1600
波長（nm）
0
導波路分散
-10
-20
+D
1550nm分散
フラット光ファイバ
1550nm分散シフト光ファイバ
-D
ノンゼロ分散シフト光ファイバ
-60
-80
分散補償光ファイバ
-100
12
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
縦モード発振強度スペクトル
増幅器の利得
発振可能な波長範囲
共振器内の損失レベル
縦モードの波長
レーザの光出力

波長
縦モードの発振光強度
波長
13
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Δλの近似式
=L
=
（
）（
）
Lとmは独立ではない
·
』
14
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
半導体におけるエネルギー準位
エネルギー
伝導帯
自由電子
禁制帯
価電子帯
18
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
電子と正孔の結合
電子
伝導帯
正孔
価電子帯
19
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
半導体レーザの基本構造
電極
正孔流
レーザー光
レーザー光
P領域
活性領域
電子流
n領域
反射鏡面
20
（結晶へき開面）Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
n型/p型半導体
原子よりも電子の方がわずかに多い
 原子を少量混入する
（例）Si=4価
As.P=5価
また、P型としてはB、Al、Ga、In（2価)がある。

21
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ホモ接合（homo-junction)と
ヘテロ接合(hetero-junction)

同じ材料の（半導体）のP型とn型を接合している
ホモ接合
・・・特徴としてあまり電子と正孔の数が存在しない
→自然放出光のみ＝発光ダイオード（LED）
（LED : Light Emitting Diodes)
ヘテロ接合
・・・異なる材料を接合
→レーザダイオード
22
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｐｎ接合面でのエネルギー順位
p型半導体
n型半導体
p型半導体
n型半導体
電子の流れ
正孔
伝導帯
電子
伝導帯
hv
禁制帯
価電子帯
禁制帯
正孔の流れ
価電子帯
(a) 電圧がないとき
23
電流
(b) 順方向に電圧が加えられたとき
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ダブルへテロ結合におけるレーザ発振
p型InP
n型InP
エネルギー
伝導帯
(a)接合前
価電子帯
GaInAsP層
広い
エネルギー
p型InP
電流
狭い
n型InP
電子の流れ
伝導帯
正孔の流れ
屈折率
24
広い
(b) 接合後電圧を加え電
流を流している状態
価電子
帯
電界分布
(c)屈折率分布と
電界分布
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
レーザ発振における光出力
光出力
レーザ発振領域
LED領域
しきい値電流（Ith）
注入電流
25
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
半導体レーザの構造
反射鏡面
（へき開面）
電極
クラッド層
垂直方向
電極
レーザ光
活性領域
クラッド層
水平方向
縦方向
26
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
直接遷移
電子
電子は止まっている
伝導帯
伝導帯
価電子帯
価電子帯
正孔
正孔
正孔も止まっており
運動量は保存される
(a)止まっている電子と正孔
27
電子
電子はmvの運動量を持つ
正孔も電子と同じmvの運
動量を持ち遷移の際には
保存されている。
(b)動いている電子と正孔
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
間接遷移
電子
電子はmvの運動量を持つ
電子
電子はmvの運動量を持つ
伝導帯
伝導帯
正孔
正孔
価電子帯
正孔は止まっている状態であ
り運動量は保存されない
(動いている電子と止まって
いる正孔
28
価電子帯
正孔は電子の運動方向とは
異なる方向へ動き運動量は保
存されない
(動いている電子とは別の方
向へ動く正孔
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
材料

同期表のⅢ族原子とⅤ族原子、ⅢｰⅤ族半導体
0.7～0.9μm GaAlAs （活性層はGaAlAs、基板はGaAs)
1.2～1.6 GaInAsP (活性層はGaInAsP、基板はInP）
0.39～0.43 GaN (活性層はGaInN、クラッド AlGaN)
29
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
垂直方向における禁制帯幅と屈折率の構造
屈折率
禁制帯幅
活性層
活性層
垂直方向
垂直方向
(a)ダブルヘテロ接合
屈折率
禁制帯幅
活性層
垂直方向
活性層
垂直方向
(b)多重量子井戸構造
30
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
一つの量子井戸構造における電子準位と状態密度
伝導帯
電子の波動関数
エネルギー
エネルギー
n=2
n=1
伝導帯
普通はこの形
量子井戸だと飛び飛び
→ 同じ波長の光が出やすい
量子井戸層
m=1
m=2
状態密度
価電子帯
m'=1
価電子帯
重い正孔帯
軽い正孔帯
垂直方向
(エネルギー準位（n、m、m’は電
子、軽い正孔、重い正孔の量子
準位の番号を示す）
31
(b)状態密度と光学遷移
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
埋め込み型ダブルへテロ構造
p-GaInAsPキャップ層
p-InPクラッド層
Cr/Au
SiO2
Au/Sn
n-GaInAsP
n-InP埋め込み層
p-InPブロック層
GaInAsP活性層
n-InP基板
n-InPバッファ層
32
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
グレーティング結合器
入射光
反射光
コア
屈折率
(a)屈折率変動型
(a)
Λ
(b)導波路境界変動型 (b)
クラッド
コア
反射される光の波長　B
グレーティングの周期
Λ
等価的な屈折率を
33
n effとすると　 B  2n effΛ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
埋め込み型分布帰還形レーザ
電極
p-GaInAsP
n-InP
ｎ-InP
p-InP
P-GaInAsP光導波
電極
34
ｎ-InP基板
GaInAsP活性層
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
光ファイバグレーティングを用いた
外部共振器型半導体レーザ
光ファイバグレーティング
半導体レーザ
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ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
DVD/CD用レーザ
ソニー製
3000円
CD-R/RWの記録再生に必要な780nm帯レーザー光と記録型DVD
の記録再生に必要な650nm帯レーザー光を一つのパッケージから
出力できる高出力2波長レーザーダイオード
38
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
長距離伝送用レーザ


NEC製長距離DWDM伝送用
50万円
１５５０ナノｍ帯ＣＷ（Continuous Wave：連続発光）光源のＬＤモジュール
39
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
日本からの技術発信

40
日亜化学工業
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
世界最大の工場
＜日本化学工業本社＞
主要業務
・管理業務・研究、開発・製造
製造品目
・蛍光体・発光ダイオード（LED）・光半導体素子
敷地 178,000m2
41
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
各種LED
●砲弾型LED (Lamp Type LED)
●表面実装型LED (Surface Mount Type LED)
42
●LEDドットマトリックスユニット
(LED Dot Matrix Unit)
●半導体レーザーダイオード
(Laser Diode)
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
NICHIAの連続売上高
(10億円）
Billion yen
250
200
150
100
50
’94
’95
’96
’97
’98
’99
2000
2001
2002
2003
2004
※連続売上高は簡易連結ベース
43
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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