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

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

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 Cd

S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。

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

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

http://www.omron.co.jp/ecb/magazine/p29.html ( オムロンの HP より )

スイッチとリレーでランプを点灯させる

• 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。

http://www.omron.co.jp/ecb/magazine/p29.html

質問１

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

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。

光伝導とトラップ

価電子帯

• 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

再結合

伝導帯

トラップ準位

光励起

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。

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

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

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。

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。

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

http://www.kyoto-bb.net/bb/top.html

QUIZ １• 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。

www.mitsubishi-cable.co.jp/ kiden/photo/high_cab.jpg 東工大影山研 HP より

全反射

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

エバネセント波

全反射とエバネセント波

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

光ファイバーの伝搬損失

佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）

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

光通信システムの進展

http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.htmlhttp://www.sgkz.or.jp/nenpoh/34_sangyo/002.html

半導体レーザーと光通信

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

• 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。

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

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 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。

1

2

さまざまなレーザー• 気体レーザー：例 ) He-Ne, He-Cd, Ar+, CO2, Excime

r：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。

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