物理システム工学科３年次「物性工学概論」第11回光エレクトロニクス(4) 半導体レーザと光ストレージ物理システム工学科量子機能工学分野佐藤勝昭第10回の復習 • 光通信に使われる波長が1.53-1.56μmであること、使われている材料は石英(SiO2)であること、短波長側の伝送損失はレイリー散乱が、長波長側の伝送損失は分子振動が原因であることを再確認した。低損失のフッ化物ファイバーに触れた。 • 半導体レーザの構造と動作原理を学んだ。特に、バンドギャップの大きな材料でバンドギャップの小さな活性層を挟んだDH構造のメリットを学んだ。 • 光通信の最近の急速な発展が波長多重に支えられており、アイソレータ、EDFAの重要性を学んだ。第10回のQUIZ • 「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。 QUIZの回答の一部紹介(1) • 反転分布で正味の誘導放出が起き、ねずみ算的に増幅しコヒーレントな光が放出される(安藤) • レーザーに量子力学が応用されていること(中島、村野) • 光の電界を受けて励起状態から基底状態に遷移すると誘導放出で、逆だと光吸収であること(松下、今井) • レーザーにボース凝縮が関係していること（市村、平田) • 半導体レーザーで屈折率の差を利用して光を活性層に閉じ込めるDH構造により効率を上げていること(有働、村上、真下、遠藤、西浦)、 • DHレーザーを日本人が発明したと言うこと(伊藤) • DFBレーザーの波長の単色性がよいこと(平木) • いろいろの種類のレーザーがあること(窪田) • 光ファイバーがコアとクラッドの屈折率の違いによる全反射を利用して長距離伝送していること(川端、民部、前田、石黒、黒田、山口、庄子、金田) QUIZの回答の一部紹介(2) • 光ファイバーに石英ガラスが使われていること(山中) • 光通信の波長がレイリー散乱と分子振動で決まる狭い波長範囲であること（川田、今野、円子、松本、佐藤(豊)、光通信ではレーザーの単色性を利用して、波長多重して伝送していること(原田、小尻、小林) • 光ファイバー通信で、戻り光によるレーザーノイズをカットするためにアイソレーターというものを使い、それが偏光を利用していること(有働) • 光ファイバー増幅器(EDFA)において、光を光のまま増幅できること(宮本、山本、伏木) • 途中で光を増幅しなければならないこと(村松） • CD-Rの記録がレーザーの高エネルギー密度を利用して加熱していること(長井) 第11回で学ぶこと -光ストレージについて • 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, DVD-R, DVD+R, Bluray, AOD – 光磁気: MO, GIGAMO, 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, DVD-R: – 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 – 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 • ランダムアクセス – 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 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 光磁気記録 • 記録：熱磁気(キュリー温度）記録 – 光を用いてアクセスする磁気記録 • 再生：磁気光学効果 – 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など新現象の有効利用可能光磁気媒体の構造 • 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) • レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 M • 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 Hc • 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 M • TcompでHc最大: – 記録磁区安定 Fe,Co Tb 室温 Tb FeCo Mtotal Tcomp Tc T ２種類の記録方式 • 光強度変調(LIM)：現行 • 磁界変調(MFM)：MD, MO ASMO – 電気信号で光を変調 – 磁界は一定 – ビット形状は長円形 – 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 Constant laser beam Modulated laser beam Constant field (a) LIM Modulated field (b) MFM Magnetic head 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（詳細は、磁性の講義で） – MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3G – MD(6cm) – iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)