物理システム工学科３年次物性工学概論第火曜１限0023教室第10回光エレクトロニクスと材料[3] 光ディスク大学院ナノ未来科学研究拠点量子機能工学分野佐藤勝昭第９回に学んだこと    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光通信システムの進展 http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html 光ファイバー通信システム 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。静止衛星の地上高度は35,000kmである。衛星経由で信号が到達するのにどれだけ時間がかかるか。光通信の要素技術  光源：半導体レーザー(LD=laser diode)   線路：光ファイバー    全反射, レーリー散乱, 分子振動光検出器：フォトダイオード(PD)   pn接合, DH構造, DFB構造, 高速化アバランシェ型(APD) 中継器：ファイバーアンプ(EDFA) 光制御器：アイソレータ、アッテネータ、サーキュレータ要素技術１半導体レーザ   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。半導体レーザーの動作特性 LED動作電流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）要素技術２光ファイバー    材料：溶融石英(fused silica SiO2) 構造：同心円状にコア層、クラッド層、保護層を配置光はコア層を全反射によって長距離にわたり低損失で伝搬 http://www.miragesofttech.com/ofc.htm 東工大影山研HPより光ファイバーの伝搬損失 Physics Today Onlineによる http://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html 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低損失ファイバーの減衰は0.2dB/kmである。東京から富士山まで約100kmとして、光強度はもとのなん％に落ちるか。ここではpowerの損失に対するdBの定義dB=10log(I0/I)を使って下さい。要素技術３光検出     フォトダイオードを用いる高速応答の光検出が必要 pinフォトダイオードまたはショットキー接合フォトダイオードが使われる。通信用PDの材料としてはバンドギャップの小さなInGaAsなどが用いられる。要素技術４光中継：ファイバーアンプ   光ファイバー中の光信号は１００km程度の距離を伝送されると、 20ｄＢ（百分の一に）減衰する。これをもとの強さに戻すために光ファイバーアンプと呼ばれる光増幅器が使われている。光増幅器は、エルビウム（Er）イオンをドープした光ファイバー（ＥＤＦ:Erbium Doped Fiber）と励起レーザーから構成されており、励起光といわれる強いレーザーと減衰した信号光を同時にＥＤＦ中に入れることによって、Erイオンの誘導増幅作用により励起光のエネルギーを利用して信号光を増幅することができる。旭硝子の HPhttp://www.agc.co.jp/news/2 000/0620.htmlより要素技術５光アイソレータ    光アイソレータ：光を一方向にだけ通す光デバイス。光通信に用いられている半導体レーザ(LD)や光アンプは、光学部品からの戻り光により不安定な動作を起こす。光アイソレータ：出力変動・周波数変動・変調帯域抑制・LD破壊などの戻り光による悪影響を取り除き、LDや光アンプを安定化するために必要不可欠な光デバイス。信光社 http://www.shinkosha.com /products/optical/ 要素技術６波長多重(WDM=wavelength division multiplexing)   この方式は、波長の異なる光信号を同時にファイバー中を伝送させる方式であり、多重化されたチャンネルの数だけ伝送容量を増加させることができる。通信用光ファイバーは、1450～1650nmの波長域の伝送損失が小さい(0.3dB/km以下)ため、原理的にはこの波長域全体を有効に使うことができる。 QUIZ３  「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。第１０回で学ぶこと    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。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 光ストレージの分類  光ディスク  再生(読み出し)専用のもの   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, DV-R, DV+R, BD, HD-DVD 光磁気: MO, GIGAMO, MD, Hi-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, DVR:  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    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光ディスクの面記録密度の伸び光ディスク MO ハードディスク鈴木孝雄：第113回日本応用磁気学会研究会資料(2000.1) p.11に加筆いろいろな光ディスク 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 http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html 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 http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html 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 http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html 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 http://www.cds21solutions.org/main/o sj/j/cdrw/rw_phase.html 相変化と反射率初期状態：結晶状態 R:大記録記録状態：アモルファス状態 R:小消去レーザスポット記録マークアモルファスとはなにか  Amorphous aは否定の接頭辞morphは形       非晶質と訳される近距離秩序はあるが、結晶のような長距離秩序がない液体の原子配列が凍結した状態に近い液体の急冷により生じる準安定な状態金属合金系、カルコゲナイドガラス系、テトラヘドラル系、酸化物ガラス系などがある金属合金系の場合DRPHS (dense random packing of hard spheres)モデルで説明できるアモルファスの特徴  結晶ではないので結晶粒界がなく連続     大面積を均一に作れる。光の散乱が少ない結晶と違って整数比でない広範な組成比が実現：特性を最適化しやすい低温成膜可能なので、プラスチック基板でもOK 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 DVDファミリー 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 4.7/9.4 4.7/9.4 形状 disk disk cartridge disk disk マーク形成材料ピット形成 1層 R=45-85 2層 R=18-30 650/635 熱変形型相変化型相変化型有機色素 GeSbTe系 AgInSbTe系相変化型 AgInSbTe系 R=45-85% R=18-30% 638/650 R=18-30% 650/635 R=18-30% 650 0.6 0.6 0.6 0.6 0.65 最短マーク長１層:0.4 2層：0.44 0.4 0.41-0.43 0.4 0.4 トラック幅 0.74 0.8 Wobbled Land pre-bit 0.74 Wobbled L/G 0.74 Wobbled Land pre-bit 0.74 HF Wobbled groove 105 103-104 103-104 レーザ波長レンズNA 書き換え可能回数－－ 650 MO（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       光を用いてアクセスする磁気記録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, DWDDなど新現象の有効利用可能光磁気ディスク  記録：熱磁気(キュリー温度）記録  再生：磁気光学効果  MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3G  MD：6cm audio 70 min →Hi-MD audio13 hr  iD-Photo, Canon-anasonic(5cm) 光磁気記録の歴史                  1962 1967 1971 1972 1973 1976 1980 1981 1988 1889 1991 1992 1997 1998 2001 2002 2004 Conger,Tomlinson 光磁気メモリを提案 Mee Fan ビームアドレス方式の光磁気記録の提案 Argard (Honeywel) MnBi薄膜を媒体としたMOディスクを発表 Suits(IBM) EuO薄膜を利用したMOディスクを試作 Chaudhari(IBM) アモルファスGdCo薄膜に熱磁気記録（補償温度記録） Sakurai(阪大) アモルファスTbFe薄膜にキュリー温度記録 Imamura(KDD) TbFe系薄膜を利用したMOディスクを発表 Togami(NHK) GdCo系薄膜MOディスクにTV動画像を記録各社 5”MOディスク(両面650MB)発売開始各社 3.5 ”MOディスク(片面128MB)発売開始 Aratani(Sony) MSR(磁気誘起超解像）を発表 Sony MD(ミニディスク）を商品化 Sanyo他 ASMO(5”片面6GB：L/G, MFM/MSR)規格発表 Fujitsu他 GIGAMO(3.5”片面1.3GB)発売開始 Sanyo ディジカメ用iD-Photo(2”, 780MB)発売 Canon-松下ハンディカメラ用2“3GBディスク発表 Sony Hi-MD発表光磁気媒体  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 groove land 樹脂 MO記録膜 (アモルファスTbFeCo) 光磁気記録情報の記録(1)    M 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 Tc 温度 Tc コイル外部磁界光磁気記録媒体光スポット光磁気記録情報の記録(2) 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  補償温度Tcompが存在  TcompでHc最大:  Hc M 記録磁区安定室温 Fe,Co Tb Tb FeCo Mtotal Tcomp Tc T アモルファスR-TM合金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 N S S N N S 偏光ビームスプリッタ差動検出系  差動検出による高感度化偏光ビームスプリッターＰ偏光光センサー偏光Ｓ偏光－光センサー + 出力 MOドライブ MOドライブの光ヘッド Bias field coil Recorded marks Track pitch Focusing lens MO film Rotation of polarization Beam splitter lens PBS (polarizing beam splitter) mirror Laser diode Half wave-plate Photo-detector ２種類の記録方式  光強度変調(LIM)：現行のMOディスク     電気信号で光を変調磁界は一定ビット形状は長円形磁界変調(MFM)：現行MD, iD-Photo    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記録ビットの形状 (a) (b) MO-SNOMで見た記録マーク佐藤勝昭:応用物理69 [10] (2000) 1220-1221 SNOM:近接場顕微鏡 FeのL3吸収端のXMCDを用いて観測したMO媒体の磁区像 SiN(70nm)/ TbFeCo(50nm)/SiN(20nm)/ Al(30nm)/SiN(20nm) MO 媒体 N. Takagi, H. Ishida, A. Yamaguchi, H. Noguchi, M. Kume, S. Tsunashima, M. Kumazawa, and P. Fischer: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30-November 2, 2000, WeG-05, p.114. XMCD:X線磁気円二色性