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大学院理工学研究科　 物性物理学特論第 10 回 －磁気光学の応用 (2) －

大学院理工学研究科　 物性物理学特論第 10 回 －磁気光学の応用 (2) －. 佐藤勝昭. 今回学ぶこと. 光通信デバイスと磁気光学材料 光アイソレータ、光サーキュレータ 電流計測と磁気光学効果 磁気光学電流センサー 磁気光学顕微鏡 空間光変調器 (SLM). 光通信デバイスと磁気光学材料. http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html. 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。

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大学院理工学研究科　 物性物理学特論第 10 回 －磁気光学の応用 (2) －

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Presentation Transcript

  1. 大学院理工学研究科　物性物理学特論第10回 －磁気光学の応用(2)－ 佐藤勝昭

  2. 今回学ぶこと • 光通信デバイスと磁気光学材料光アイソレータ、光サーキュレータ • 電流計測と磁気光学効果磁気光学電流センサー • 磁気光学顕微鏡 • 空間光変調器(SLM)

  3. 光通信デバイスと磁気光学材料 http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html

  4. 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。

  5. 半導体レーザーの動作特性 LED動作 発光スペクトル 電流vs発光強度 佐藤勝昭編著「応用物性」（オーム社）

  6. 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４ http://www.ece.concordia.ca/~i_statei/vlsi-opt/

  7. 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

  8. DFBレーザー　　 • 1波長の光しかでないレーザ。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。 • （通信速度：Gb/s = 1秒間に10億回の光を点滅する。電話を1度に約2万本通話させることができます) http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html

  9. 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

  10. 光ファイバーの伝搬損失 • 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 PhysicsTodayOnlineによる http://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html 佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）

  11. 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。

  12. 光検出 • Pin-PD • Schottky PD • 応答性は、空乏層をキャリアが走行する時間と静電容量で決まる。 • このため、空乏層を薄くするとともに、接合の面積を小さくしなければならない。 Andrew Davidson, Focused Research Inc. and Kathy Li Dessau, New Focus Inc.

  13. 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/2000/0620.htmlより

  14. エルビウムの増幅作用 • エルビウム（Er）イオンをドープしたガラスは、980nmや1480nmの波長の光を吸収することによって1530nm付近で発光する。この発光による誘導放出現象を利用することによって光増幅が可能になる。具体的には、ＥＤＦに増幅用のレーザー光を注入すると、Erイオンがレーザー光のエネルギーを吸収し、エネルギーの高い状態に一旦励起され、励起された状態から元のエネルギーの低い状態に戻るときに、信号光とほぼ同じの1530nm前後の光を放出する（誘導放出現象）。信号光は、この光のエネルギーをもらって増幅される。 • Erをドープするホストガラスの組成によって、この発光の強度やスペクトル幅（帯域）が変化する。発光が広帯域であれば、光増幅できる波長域も広帯域になる。 旭硝子のHPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.htmlより

  15. 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/

  16. 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。

  17. 光通信における磁気光学デバイスの位置づけ • 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、光スイッチ

  18. Optical isolator for LD module Optical fiber Signal source Laser diode module 半導体レーザモジュール用アイソレータ

  19. 光アドドロップとサーキュレータ

  20. B A C D 光サーキュレータ

  21. 光ファイバ増幅器とアイソレータ

  22. 偏光依存アイソレータ

  23. Faraday rotator F ½ waveplate C Birefringent plate B1 Birefringent plate B2 Fiber 1 Fiber 2 Forward direction B2 B1 C F Fiber 1 Fiber 2 Reverse direction 偏光無依存アイソレータ

  24. 磁気光学サーキュレータ Faraday rotator Prism polarizer A Reflection prism Half wave plate Port 2 Port 1 Port 4 Port 3 Prism polarizer B

  25. アイソレータの今後の展開導波路形アイソレータアイソレータの今後の展開導波路形アイソレータ • 小型・軽量・低コスト化 • 半導体レーザとの一体化 • サイズ：波長と同程度→薄膜/空気界面、あるいは、薄膜/基板界面の境界条件重要 • タイプ： • 磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要 • リブ形 • 分岐導波路形

  26. 導波路形アイソレータ • 腰塚による

  27. マッハツェンダー形アイソレーター

  28. リブ形アイソレータ

  29. Material Material Crystal structure Crystal structure Range of Composition Range of Composition Zn1-xMnxS Cd1-xMnxSe ZB WZ WZ 0<x<0.10 0.10<x0.45 0<x0.50 Cd1-xMnxTe ZB 0<x0.77 Zn1-xMnxSe ZB WZ 0<x0.30 0.30<x0.57 Hg1-xMnxS ZB 0<x0.37 Zn1-xMnxTe ZB 0<x0.86 Hg1-xMnxSe ZB 0<x0.38 Cd1-xMnxS WZ 0<x0.45 Hg1-xMnxTe ZB 0<x0.75 II-VI系希薄磁性半導体の結晶構造と組成存在領域

  30. II-VI DMS の格子パラメータ EXAFS XRD B. A. Bunker et al., Diluted Magnetic (Semimagnetic) Semiconductors, (MRS., Pittsburg, 1987) vol.89, p. 231 J. K. Furdyna et al., J. Solid State Chem. 46, (1983) 349

  31. Cd1-xMnxTeにおけるバンドギャップ のMn濃度依存性

  32. Cd1-xMnxTeのバルク成長 • ブリッジマン法 • 出発原料: Cd, Mn, Te元素 • 石英管に真空封入 • 4 mm/hの速度でるつぼを降下させる。 • 融点: 1100°C • WZ (高温相) → ZB (低温相) 相転位（温度低下） • 過剰融液組成→相晶を防ぐ効果

  33. CdMnTeの磁気光学スペクトル • II-VI族希薄磁性半導体：Eg(バンドギャップ)がMn濃度とともに高エネルギー側にシフト • 磁気ポーラロン効果(伝導電子スピンと局在磁気モーメントがsd相互作用→巨大ｇ値：バンドギャップにおける磁気光学効果 小柳らによる Furdynaによる

  34. 半導体とアイソレータの一体化 • 貼り合わせ法 • 半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→格子不整合のため困難 • ガーネット膜を作っておき、半導体基板に貼り合わせる方法が提案されている • 希薄磁性半導体の利用 • DMSの結晶構造:GaAsと同じ閃亜鉛鉱型→ • 半導体レーザとの一体化の可能性。 • 導波路用途の面内光透過の良質の薄膜作製困難。 • 安藤ら：GaAs基板上にMBE法でCdMnTeの薄膜を作製。バッファ層：ZnTe, CdTe層

  35. 電流磁界センサ

  36. Before installation After installation Magnetic core Aerial wire Hook Magneto-optical sensor head Fail-safe string Fastening screw Optical fiber 電流センサ

  37. 光ファイバ磁界センサ

  38. 磁気光学顕微鏡による磁区観察 • クロスニコル条件では、磁化の正負に対して対称になり、磁気コントラストがでないので、偏光子と検光子の角度を90度から４度程度ずらしておくと、コントラストが得られる。

  39. CCDカメラ 検光子 試料 対物レンズ 偏光子 穴あき電磁石 光源 ファラデー効果を用いた磁区のイメージング ファラデー効果で観察した (Gd,Bi)3(Fe,Ga)5O12の磁区 NHK技研　玉城氏のご厚意による

  40. CCDカメラによる磁気光学イメージング

  41. 磁性ガーネットの磁区の変化 趙(東工大)、 佐藤(農工大)

  42. 磁気光学顕微鏡その１ 顕微鏡：Olympus BH-UMA CCD：Hamamatsu C4880 検光子 : Glan-Thompson（ MG*B10） 対物レンズ：NeoSPlanNIC † × 10, × 50 波長板：ACP-400-700 偏光子：Glan-Thompson（ MG*B10） 波長選択：干渉フィルター (450, 500,550, 600, 650 nm) 光源：ハロゲン電球 20W

  43. 開発中の反射型顕微鏡 光源(LED) 偏光子 λ/4波長板 レンズ 対物レンズ CCD カメラ 電磁石 試料 無偏光ビーム スプリッター 検光子

  44. 磁気光学信号の検出方法 PEM Sample Detector p=50kHz Polarizer Analyzer

  45. λ/4波長板を使った測定法 y = -45º a = 45º y = 45º y = 0 H E a E 4 E1 E 2 3 CCD camera S a m p l e / 4 Polarizer l R o t a t i o n q F A n a l i z e r Wave plate E l i p t i c i t y h F • = 0º LP 45º RCP -45 º LCP

  46. 光強度 I(j) と磁気光学信号 Faraday rotation Faraday ellipticity LCP LP RCP LCP LP RCP qF= -5, 0, 5°, hF= 0° qF= 0°, hF= -5, 0, 5°

  47. 磁気光学画像の求め方 ファラデー回転角 ファラデー楕円率 100 mm CCD カメラで撮った (a)I(0º), (b)I(45º), (c)I(-45º) および、画像処理で得られた (d)ファラデー回転と (e)楕円率.

  48. クロスニコル法との比較

  49. ファラデー回転像を測定した試料 MODで作製したY2BiFe4GaO12 正方形ドット配列 　　 サイズ 50mm×50mm 　　 膜厚　　　　　　200nm YBFGO YBFGO YFGO YBFO 通常の磁気光学効果像 YBFGOの磁気光学スペクトル

  50. ファラデー楕円率像 ファラデー回転角像 磁化反転 波長500 nm 磁化反転によるファラデー効果の画像の反転

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