4e-optical communication

=== 第1回　H20.10.2 ===

光通信 optical communication

情報伝達の手段：「通信（情報の送受信）」と「放送（不特定多数に一斉に情報を送信）」

・電気通信 telecommunication（電気的に情報を通信）
　1835　Morse：電信の発明
　1876　Bell：電話の発明
　1896　Marconi：無線電信の発明

・光通信 （光が情報伝達手段（視覚を含む））
　例）狼煙、腕木通信（18世紀）他
　1960　LASERの発明　→　光通信の発達
レーザ光チンダルの実験流水の光導波

=== 第2回　H20.10.9 ===

・変調：直接変調（アナログ変調、ディジタル変調）-強度変調（IM）方式。
　外部変調方式-電気光学効果を利用（例：LiNbO₃）
多重化技術：リソース（資源）面で有効。装置が複雑となるがコスト的に有利。
・波長多重 WDM(Wavelength division multiplexing)
・時分割多重 TDM(Time division multiplexing)
・周波数多重 FDM(Frequency division multiplexing)
・符号分割多重 CDM(Code division multiplexing)

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　2章　光ファイバー
　幾何光学
　Fermartの原理：2点を通る光は最短時間の経路をとる（光の直進性）

=== 第3回　H20.10.29 ===

　屈折率　Refractive index
　真空中の光速度を C₀ 、媒質中の光の速度を v とすると屈折率nは
　 n = C₀ / v
　Huygensの原理：光の進行方向…波面の法線方向

　光の反射
　入射角＝反射角　（反射の法則）

　光の屈折
　sin(入射角) / sin(屈折角) = n₁ / n₂　（スネルの法則）

=== 第4回　H20.11.7 ===

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　光ファイバの分類
　○多モードファイバ multi-mode optical fiber
　　・ステップインデックス(階段屈折率)ファイバ step-index optical fiber
　　・グレーデッドインデックス(分布屈折率)ファイバ graded-index optical fiber
　○単一モードファイバ single-mode optical fiber
　○特殊ファイバ　　・ホーリーファイバ holey fiber
　　　空孔アシスト型、フォトニック結晶型、フォトニックバンドギャップ型

　ファイバへの光入射
　n₁(コアの屈折率)＞n₂(クラッドの屈折率)
　コア内で全反射する臨界角θ_C = n₂ / n₁

　コアへの入射範囲θ_m：2θ_m(最大受光範囲)
　sinθ_m = n₁cosθ_C = (n₁² - n₂²)^1/2 ≡ NA
　NA：開口数 numerical aperture( = n₁(2Δ)^1/2)
　Δ：コア-クラッド間の比屈折率差

=== 第7回　H20.11.28 ===

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　光ファイバの分散
　・材料分散：ファイバー材料（石英ガラス）の屈折率の波長依存性
　・構造分散：ファイバーの構造による分散
　・モード分散：伝搬モードによる伝搬速度の違い（本来の分散ではない）
　　　　　　　（単一モードファイバではなし）

　光ファイバの損失
　・赤外吸収：Si-O結合による分子振動
　・紫外吸収：電子励起による光吸収
　・不純物による吸収（O-Hによる分子振動）
　・レイリー散乱
　・コア-クラッド界面の揺らぎによる散乱

=== 第9回　H20.12.19 ===

　レーザ(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
　外部からの入射光に誘導されて、同波長、同位相の光が放出する。

　反転分布(population inversion)：外部からの入射光の吸収より、入射光による誘導放出の方を起きやすくするため、エネルギー準位の高い原子(電子)の数を多くする。この状態を反転分布(負温度状態)という。
　反転分布を作る(原子または電子を励起する)方法として、次のような方法がある。

電流注入励起　(半導体レーザ)
強い光を照射　(固体レーザ)
ガス放電励起　(気体レーザ)

　光共振器
　正帰還(Positive feedback)による発振作用
PFB

　光共振器：2枚の鏡で反転分布状態のレーザ媒質を挟んだ構造

=== 第10回　H21.1.16 ===

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　ホモ接合(homo-junction)
　pn接合に電流を流すと、p領域の正孔とn領域の電子はともに接合面に移動する。劈開面による鏡で、自然放出した光した光は活性層に帰還し誘導放出を引き起こし、光が増幅される。鏡の反射率を少し低くしておくと一部の光が出力光として取り出すことができる。
pn接合

　ダブルヘテロ接合(double hetero-junction)
　ホモ接合は単一の半導体で形成されているが、pnの間に異なる半導体材料を挟んだ構造がヘテロ構造である。異なる材料による接合面をヘテロ接合といい、二つのヘテロ接合面の間に挟まれた層(活性層)にキャリアが閉じこめられ、反転分布状態を作る。またヘテロ接合面が反射鏡の役割も果たして活性層に光が閉じこめられ、レーザ発振する。

　光出力特性
　pn接合に電流を流すと、はじめは自然放出による弱い光のみが出力される(LED領域)が、あるしきい値以上の電流を流すと光出力がリニアに増大し、レーザ発振する(レーザ発振領域)。

　4章　光ファイバ増幅器
　光ファイバには損失があるため、光信号は伝送していくうちに減衰する。光ファイバ増幅器が開発される以前は、伝送路の途中で再生中継器を使って一度電気信号に戻して信号を再生復元し、また光信号に変換して伝送を行っていた。
　光信号をそのまま増幅する装置を光増幅器という。光増幅器には大別すると、半導体光増幅器(SOA)と光ファイバ増幅器がある。光ファイバ増幅器はさらに希土類ドープ光ファイバ増幅器と光ファイバラマン増幅器(FRA)に分類される。

　希土類ドープ光ファイバ増幅器
　エルビウム(原子番号68)Er添加光ファイバ増幅器(EDFA:erbium-doped fiber amplifier)
　ファイバのコア部にErを添加し、Erイオンに励起光(980nm)を当てて反転分布状態を作る。Erイオンは信号光(1550nm)の光が入ってくると誘導放出して信号光と同じ波長の光(1550nm)を出す。

　ファイバレーザ
　Erドープ光ファイバ増幅器の出力を帰還させる(光共振器を作る)とレーザ動作する。

=== 第11回　H21.1.23 ===

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　5章　光検波器
　光→電気変換(O/E変換)

　半導体材料の光吸収
　半導体のバンドギャップ(禁制帯)に相当するエネルギー以上の光(光子)が入射すると、半導体は光を吸収して電子が価電子帯から伝導帯に励起する(電子・正孔対生成)。

=== 第12回　H21.1.30 ===

　PNフォトダイオード
　pn接合のp側(フォトダイオード表面)に光が入射すると、主に空乏層内で光吸収が起き電子・正孔対が生じる。
　電子はn側に、正孔はp側それぞれ移動し、フォトダイオードの両端に電圧が発生する(N側がマイナス、P側はプラス)。
　フォトダイオードに外部回路を接続すると電流が流れる(光電流)。

　量子効率 quantum efficiency
　(生成される電子・正孔対の数)÷(入射する光子の数)を量子効率という。量子効率を下げる要因としては以下が挙げられる。
　・キャリアの再結合
　・素子表面での反射
　・空乏層以外での光吸収

　PINフォトダイオード
　不純物密度の少ないI(intrinsic)層をPN層で挟んだ構造。
　I層を入れることにより、光吸収が行われる範囲が広がり(吸収効率が上がる)、空乏層容量が小さくなる(応答速度が速い)。
　また、構造が単純で低コスト、さらにアバランシェフォトダイオード(ADP)と比べると低電圧で動作する。
　アバランシェフォトダイオード(avalanche photo diode: APD)
　電子雪崩現象により、発生した電子正孔対が増大するのを利用。

=== 第13回　H21.2.6 ===

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　6章　光回路素子
・結合
・光分波、光合波
・光分岐、方向性結合器
・光アイソレータ

　相反性回路素子
　相反性(可逆性)←→非相反性(非可逆性)

　レンズ(lens)
　集光、ビーム成形、ファイバと光源・受光素子の結合に利用される。

=== 第14回　H210.2.13 ===

　回折格子(grating)
　ブレーズ回折格子(Blazed　Grating)
　光の波長によって反射角が異なるので、光分波に利用される。

　方向性結合器(directional　coupler)
　ハーフミラー：透過光と反射光とで光強度を分割する。
　ファイバーによる方向性結合器：ファイバのコアを接近させる。

　非相反性素子
　反射光がレーザ光源に戻ってレーザ発振の動作を不安定にさせるのを防ぐために入れる。
　光アイソレータ(ファラデー素子)：ファラデー効果(磁気旋光性)を利用。