1章 序章 |
1.1 フォトニクスの分野 1 |
(a)光の特徴 2 |
(b)フォトニクスの諸分野 4 |
1.2 フオトニクスのできごと 6 |
2章フォトニクスの星礎 |
2.1 発光デバイスの原理 13 |
(a)レーザの基本的な構成と遷移過程 14 |
(b)光の増幅とレーザ発振の条件 16 |
(c)レーザの基本的な特性 18 |
(d)発光ダイオードとレーザの効率比較 20 |
2.2 半導体レーザの基礎 21 |
2.2.1 半導体レーザの特徴と動作原理 21 |
(a)半導体レーザの特徴 22 |
(b)半導体レーザの動作原理 24 |
2.2.2 二重へテロ構造半導体レーザ 25 |
2.2.3 発振スペクトル制御 27 |
2.2.4 端面発光型と面発光型の半導体レーザ 28 |
2.2.5 高速直接変調特性 29 |
2.2.6 雑音特性 31 |
(a)量子雑音 31 |
(b)モード分配雑音 33 |
(c)反射戻り光誘起雑音 34 |
2.2.7 半導体材料と波長 36 |
2.2.8 各種半導体レーザと応用 37 |
2.3 ナノ構造の光と電子 38 |
2.3.1 周期構造と光の反射 39 |
(a)一次元誘電体周期構造 39 |
(b)多層膜周期構造反射鏡・フィルタ 41 |
(c)分布帰還・分布反射構造 42 |
2.3.2 フォトニック結晶 43 |
(a)基本フォトニック結晶 44 |
(b)欠陥導入による光制御 48 |
(c)フォトニック結晶光共振器とレーザ 49 |
(d)二次元フォトニック結晶レーザ 52 |
(e)フォトニック結晶を利用した発光ダイオード 53 |
(f)スーパプリズム効果 53 |
(g)フォトニック結晶光機能デバイス 55 |
2.3.3 量子構造とひずみ 58 |
(a)量子井戸構造 58 |
(b)低次元自由度の半導体構造 59 |
(c)量子構造とひずみ 61 |
2.4 光デバイスとエピタキシー 63 |
2.4.1 液相成長法 63 |
2.4.2 気相成長法 65 |
(a)MHCVD 65 |
(b)MOCVD 66 |
2.4.3 分子線成長法 67 |
2.5 さまざまなレーザ 69 |
2.5.1 気体レーザ 69 |
(a)へリウムネオン(He-Ne)レーザ 69 |
(b)アルゴンイオン(Ar+)レーザ 70 |
(c)炭酸ガス(CO2)レーザ 71 |
(d)エキシマレーザ 72 |
(e)ヘリウムカドミウム(He-Cd)レーザ 74 |
2.5.2 固体レーザ 75 |
(a)ルビーレーザ 75 |
(b)ネオジウムYAG(Nd:YAG)レーザ 76 |
(c)Qスイッチ固体レーザ 78 |
2.5.3 色素レーザ 79 |
2.5.4 有機半導体レーザ 81 |
2.6 超短光パルスの発生と制御 82 |
2.6.1 超短光パルスの生成 83 |
(a)変調による光パルス発生 84 |
(b)モード同期による光パルス発生 85 |
(c)光パルスの圧縮による超短光パルス化 88 |
(d)光パルスの高出力化 90 |
2.6.2 代表的な超短光パルスレーザ 91 |
(a)チタンサファイア固体レーザ 92 |
(b)ファイバレーザ 94 |
(c)モード同期半導体レーザ 95 |
2.7 光学的非線形性とその応用 97 |
2.7.1 光学的非線形効果による周波数変換 98 |
(a)非線形光学効果の概念 98 |
(b)第2高調波発生 98 |
(c)その他の周波数変換現象 100 |
2.7.2 電気光学効果 101 |
(a)電気光学効果の基礎的な考え方 102 |
(b)ポッケルス効果 102 |
(c)カー効果 103 |
(d)フランツ・ケルディッシュ効果 104 |
(e)量子閉込めシュタルク効果 105 |
2.7.3 磁気光学効果 107 |
(a)ファラデー効果 107 |
(b)磁気光学カー効果 109 |
2.8 光増幅 110 |
2.9 光速の制御 112 |
2.9.1 電磁誘導透明化現象 113 |
2.9.2 フォトニック結晶による光速制御 115 |
2.10 フォトニクスと材料 117 |
参考文献 119 |
3章 光ファイバ |
3.1 光ファイバの始まり 127 |
3.2 光ファイバの基礎 129 |
3.2.1 光ファイバによる光伝搬 129 |
3.2.2 光ファイバの種類 130 |
3.2.3 光ファイバの特徴 132 |
3.3 光ファイバの伝送損失 135 |
3.3.1 光ファイバ伝送損失低減の経緯 135 |
3.3.2 石英系光ファイバの伝送損失要因 137 |
3.4 光ファイバの伝送帯域 139 |
3.5 光ファイバの材料と製法 143 |
3.5.1 石英系光ファイバ 143 |
(a)内付け気相成長法 143 |
(b)外付け気相成長法 145 |
(c)気相軸付け成長法 146 |
3.5.2 その他の光ファイバ 147 |
(a)イオン交換法 147 |
(b)プラスチック重合法 150 |
3.6 機能性光ファイバ 153 |
3.6.1 偏波面保存ファイバ 153 |
3.6.2 ホーリーファイバ 154 |
3.6.3 分散補償ファイバ 156 |
3.6.4 光増幅用ファイバ 159 |
3.7 光ファイバ接続技術 161 |
参考文献 163 |
4章 半導体光源と受光器 |
4.1 半導体レーザ 165 |
4.1.1 半導体レーザ:室温連続発振以前 166 |
4.1.2 室温連続発振半導体レーザ 168 |
(a)二重へテロ構造半導体レーザの提案 168 |
(b)二重へテロ構造半導体レーザによる室温連続発振 169 |
(c)日本における室温連続発振半導体レーザの研究開発 171 |
(d)二重へテロ構造半導体レーザの基本 172 |
4.1.3 800nm帯半導体レーザ 173 |
(a)GaAs/AlGaAs半導体レーザの初期信頼性 173 |
(b)横モード不安定問題 174 |
(c)水平横モード制御 180 |
(d)高速直接変調特性 182 |
4.1.4 1300nm帯単一横モード半導体レーザ 186 |
(a)長波長帯半導体レーザ用新材料 186 |
(b)1300nm帯単一横モード半導体レーザ 188 |
(c)1300nm帯DC-PBH半導体レーザの特性 191 |
(d)InGaAsP半導体レーザの信頼性 192 |
(e)高速直接変調スペクトル特性 193 |
4.1.5 1550nm帯動的単一モード半導体レーザ 194 |
(a)動的単一モードレーザと集積レーザ 194 |
(b)1550nm帯動的単一モードレーザのための1550nm帯半導体レーザ 196 |
(c)動的単一モード化への試み 199 |
(d)周期構造と複合共振器 203 |
(e)動的単一モード半導体レーザの特性 207 |
4.1.6 光ファイバ増幅器励起用高光出力半導体レーザ 213 |
4.1.7 低チャープ光源 217 |
(a)半導体レーザのスペクトル線幅 217 |
(b)直接変調における波長チャーピング 218 |
(c)外部光変調方式 220 |
4.1.8 波長多重用光源 222 |
(a)波長の異なる個別の半導体レーザ 222 |
(b)高密度波長多重用光源 224 |
4.2 量子構造半導体レーザ 225 |
4.2.1 量子構造への道 225 |
(a)半導体レーザの活性層厚の低減 225 |
(b)量子井戸構造 227 |
4.2.2 量子井戸構造半導体レーザ 228 |
(a)低しきい値電流 228 |
(b)発振しきい値の温度依存性 229 |
(c)直接変調特性 231 |
(d)スペクトル特性 233 |
4.2.3 量子細線半導体レーザ 235 |
(a)量子細線構造の作製 235 |
(b)量子細線半導体レーザの特性 236 |
4.2.4 量子ドット半導体レーザ 237 |
(a)量子ドットの作製 237 |
(b)低しきい値密度 239 |
(c)発振しきい値の温度特性 240 |
4.3 面発光レーザ 241 |
4.3.1 面発光レーザ(VCSEL)の始まり 242 |
4.3.2 面発光レーザの基本特性 245 |
(a)低発振しきい値・低消費電力 246 |
(b)単一波長特性 250 |
(c)高速直接変調特性 251 |
4.3.3 さまざまな波長帯の面発光レーザ 253 |
(a)面発光レーザ用材料への要求 253 |
(b)短波長帯面発光レーザ 254 |
(c)長波長帯InGaAsP/InP系面発光レーザ 256 |
(d)GaInNAS系面発光レーザ 258 |
(e)近赤外面発光レーザ 261 |
(f)可視光赤色VCSEL 262 |
(g)青・紫色面発光レーザ 262 |
4.4 光ディスク用半導体レーザ 263 |
4.4.1 光ディスク用半導体レーザに要求される特性 263 |
(a)短波長化 264 |
(b)高出力化 265 |
(c)低非点隔差化 266 |
(d)低雑音化 267 |
(e)長寿命化 267 |
4.4.2 近赤外半導体レーザ 267 |
(a)短波長化 268 |
(b)高出力化 270 |
(c)低非点隔差化 272 |
(d)低雑音化 274 |
4.4.3 赤色半導体レーザ 278 |
(a)赤色半導体レーザの材料と波長 278 |
(b)赤色半導体レーザの室温連続発振 279 |
(c)短波長化 281 |
(d)低しきい値電流化 282 |
(e)高出力化 283 |
4.4.4 緑青紫色GaN系半導体レーザ 284 |
(a)初期のブレークスルー技術 285 |
(b)InGaN/AlGaN青色Led 285 |
(c)InGaN-MQW半導体レーザ室温連続発振 286 |
(d)InGaN-MQW半導体レーザの高信頼化 288 |
(e)InGaN-MQW半導体レーザの基本特性 292 |
(f)その他の試み 293 |
4.4.5 緑青色ZnSe系半導体レーザ 293 |
(a)初期のブレークスルー技術 294 |
(b)ZnCdSe/ZnMgSSe系半導体レーザの室温連続発振 296 |
4.5 発光ダイオード 297 |
4.5.1 半導体レーザとの比較 297 |
4.5.2 発光ダイオードの構造 300 |
4.5.3 直接変調特性 303 |
4.5.4 光ファイバとの結合 305 |
4.6 受光デバイス 306 |
4.6.1 フォトダイオードの基本原理 307 |
(a)フォトダイオードの基礎 307 |
(b)フォトダイオード用材料 309 |
(c)応答特性 311 |
(d)雑音 312 |
4.6.2 pin-PD 314 |
(a)pin構造 314 |
(b)基本構造と特性 315 |
4.6.3 アバランシェフォトダイオード 316 |
(a)なだれ増倍(アバランシェブレークダウン) 316 |
(b)基本構造 318 |
(c)増倍電流-電圧特性 319 |
(d)応答特性 320 |
(e)雑音 321 |
4.6.4 光ファイバ通信用PD,APDの使い方 322 |
(a)モジュール 322 |
(b)APDの自動利得調整(AGC) 323 |
(c)受信感度特性 324 |
(d)前置光増幅器 327 |
4.6.5 フォトダイオード関連の新しい動き 328 |
(a)超格子(SLS)APD 328 |
(b)光導波路型PD,APD 331 |
(c)光電子集積回路(OEIC) 332 |
(d)単一走行キャリヤフォトダイオード 334 |
参考文献 336 |
5章 光機能・集積デバイス |
5.1 光機能デバイス 353 |
5.1.1 光接続デバイス 355 |
(a)光源と光ファイバの結合回路 356 |
(b)光コネクタ 360 |
5.1.2 光分岐・挿入デバイス 364 |
5.1.3 光変調器 369 |
(a)光変調の原理 369 |
(b)複屈折を利用したバルク型光変調器 371 |
(c)光導波路変調器の原理 374 |
(d)位相変調型光導波路変調器 374 |
(e)方向性結合型光導波路変調器 376 |
(f)マッハツェンダ干渉計型光変調器 378 |
(g)回折格子型光変調器 380 |
(h)内部全反射型光変調器 380 |
(i)電界吸収型光変調器 380 |
5.1.4 光スイッチ 382 |
(a)光スイッチの方式と主要な原理 383 |
(b)方向性結合器型光スイッチ 385 |
(c)マッハツェンダ干渉計型光スイッチ387 |
(d)全反射制御淳波路型光スイッチ 388 |
(e)可動反射鏡型光スイッチ 390 |
(f)光ゲート型光スイッチ 393 |
5.1.5 波長多重用光デバイス 395 |
(a)波長多重・分波器の原理 395 |
(b)マイクロオプティック型波長多重・分波器 396 |
5.1.6 光増幅器 397 |
5.1.7 非相反光デバイス 401 |
5.2 光集積回路 406 |
5.2.1 光集積の起源 407 |
5.2.2 光集積に関するいくつかの視点 409 |
(a)モノリシック集積とハイブリッド集積 410 |
(b)光導波路集積回路の展開方向 412 |
(c)光と電子の集積 414 |
5.2.3 光電子集積回路(OEIC) 416 |
(a)OEICとPUCの比較 416 |
(b)OEICの構造 417 |
(c)短波長系光送信・受信OEIC 418 |
(d)長波長系光送信・受信OEIC 421 |
(e)OEICの課題 423 |
5.2.4 光集積回路(PIC)I:半導体レーザ回り集積 424 |
(a)PICの利点 425 |
(b)集積レーザ 426 |
(c)モニタPD集積半導体レーザ 429 |
(d)変調器集積半導体レーザ 430 |
(e)モード変換器集積半導体レーザ・増幅器 434 |
5.2.5 光集積回路(PIC)Ⅱ:波長多重伝送用光集積 439 |
(a)DBR/DFBレーザベースの波長可変集積光源 439 |
(b)面発光レーザベースの波長可変集積光源 443 |
(c)波長選択集積光源 445 |
(d)多波長集積面発光レーザ 450 |
(e)新しい試み 451 |
5.2.6 モノリシック光集積回路(PIC)Ⅲ:その他の光機能集積デバイス 452 |
(a)WDM光アドドロップ多重回路 452 |
(b)干渉計利用波長変換デバイス 456 |
(c)干渉計利用全光時間スイッチ 458 |
5.2.7 非半導体光集積デバイス 460 |
(a)石英系平面光波回路 461 |
(b)アレー光導波路型回折格子デバイス 462 |
(c)可変利得等化デバイス 464 |
(d)可変分散補償デバイス 465 |
(e)偏波モード分散補償デバイス 466 |
(f)光導波路型非相反デバイス 467 |
参考文献 469 |
6章 光通信 |
6.1 光通通信のしくみ 484 |
6.1.1 光ファイバ通信ひな型モデル実験 485 |
6.1.2 空間伝搬型と導波路伝搬型 486 |
(a)光ファイバ以前の光伝送路の開発状況 486 |
(b)空間伝搬型光通信 488 |
(c)導波路伝搬型光通信:光ファイバ通信 488 |
6.2 光ファイバ通信システム 491 |
6.2.1 光ファイバ通信の性能指標 492 |
6.2.2 800nm帯多モード光ファイバ伝送システム 494 |
6.2.3 1300nm帯単一モード光ファイバ伝送システム 496 |
6.2.4 1550nm帯単一モード光ファイバ伝送システム 500 |
6.2.5 コヒーレント光ファイバ伝送システム 505 |
6.2.6 光直接増幅中継光ファイバ伝送システム 507 |
6.2.7 波長分割多重光ファイバ伝送システム 512 |
6.2.8 光時間分割多重光ファイバ伝送システム 523 |
6.3 さまざまな光通信システム 525 |
6.3.1 光ファイバネットワークの全体像 526 |
6.3.2 海底光ケーブルシステム 527 |
6.3.3 幹線系陸上光通信システム 530 |
6.3.4 光メトロネットワーク 532 |
6.3.5 光アクセスネットワーク 532 |
6.4 光通信の展開 535 |
6.4.1 パス制御フォトニックネットワーク 536 |
(a)リングネットワーク 537 |
(b)メッシュネットワーク 540 |
6.4.2 パス制御からパケット制御へ 543 |
(a)ラベルスイッチングネットワーク 544 |
(b)より一般化された多重プロトコルラベルスイッチング(GMPLS) 546 |
(c)パケットスイッチングネットワーク 547 |
(d)光相関方式光バケットスイッチング 549 |
(e)スター型波長多重ネットワークにおける光パケットスイッチング 552 |
(f)アナログ・ディジタル変換方式光パケットスイッチング 553 |
(g)光電融合方式バケットスイッチング 554 |
6.5 フォトニツクネットワークの躍進 556 |
参考文献 558 |
7章 光記録 |
7.1 光ディスクメモリ 556 |
7.1.1 光ディスクの特徴 567 |
7.1.2 光デイスクメモリの原理 568 |
7.1.3 再生専用光ディスク 571 |
7.1.4 追記型光ディスク 576 |
7.1.5 書換え型光ディスク 577 |
(a)相変化方式の書換え光ディスク 578 |
(b)光磁気方式の書換え光ディスク 581 |
7.1.6 新世代光ディスク 583 |
7.2 超大容量光記録への展開 585 |
7.2.1 近接場光利用の光メモリ 585 |
7.2.2 ホログラフィックメモリ 588 |
7.2.3 光化学ホールバーニングメモリ 589 |
7.2.4 光記録技術の展開 590 |
参考文献 591 |
8章 ヒューマンインタフェース |
8.1 ディスプレイデバイス 593 |
8.1.1 さまざまな表示デバイス 594 |
(a)技術面での分類 594 |
(b)駆動方式での分類 596 |
(c)基本機能と性能 598 |
(d)用途の比較 601 |
8.1.2 液晶ディスプレイ(LCD) 602 |
(a)LCDの構造と特徴 602 |
(b)LCDの動作モード 604 |
(c)カラー化 612 |
8.1.3 プラズマディスプレイ(PDP) 613 |
(a)PDPの特徴 614 |
(b)PDPの構造 615 |
(c)低消費電力化 616 |
8.1.4 有機ELディスプレイ617 |
(a)有機ELの特徴 618 |
(b)有機ELの構造 618 |
(c)材料と製法 620 |
(d)長寿命化 621 |
(e)フルカラー化 621 |
(d)高効率化 622 |
8.1.5 ブラウン管ディスプレイ(CRT) 624 |
8.1.6 電界放射ディスプレイ(FED) 626 |
8.1.7 投射型ディスプレイ 629 |
8.1.8 空間像型ディスプレイ 632 |
8.1.9 その他のディスプレイデバイス 634 |
(a)蛍光表示管(VFD) 634 |
(b)エレクトロルミネセンス(EL) 635 |
(c)発光ダイオード(LED) 636 |
(d)交通信号灯 636 |
8.2 情報入出力デバイス 638 |
8.2.1 プリンタ 639 |
(a)家庭・オフィス用プリンタの方式 639 |
(b)レーザプリンタ 640 |
8.2.2 情報入力デバイス 643 |
(a)イメージスキャナ 643 |
(b)ディジタルカメラ,ビデオカメラ 647 |
8.2.3 固体撮像素子 649 |
(a)CCDセンサ 649 |
(b)CMOSセンサ 652 |
参考文献 654 |
9章 光情報処理・光計測 |
9.1 光情報処理 657 |
9.1.1 並列光情報処理・画像処理 659 |
9.1.2 並列光接続 662 |
(a)光接続の必要性 662 |
(b)光接続と電気接続の比較 666 |
(c)装置間光接続 668 |
(d)プリント板間光接続 671 |
(e)プリント板上光接続 675 |
(f)チップ内光接続 677 |
9.1.3 量子コンピュータ・量子通信 679 |
(a)量子暗号 680 |
(b)量子暗号伝送システム 681 |
(c)量子演算 685 |
(d)量子ビット 686 |
9.2 光計測 688 |
9.2.1 光センサ 688 |
(a)光センサの特徴 689 |
(b)光センサ市場 690 |
(c)代表的な光センサ 691 |
(d)光ファイバ機能型センサの原理とセンシング対象 695 |
(e)光ファイバジャイロ 696 |
(f)主要な光ファイバ機能型センサ 697 |
(g)その他の光ファイバ機能型センサ 699 |
9.2.2 フェムト秒レーザによる光計測 700 |
(a)高精度距離計測 700 |
(b)フェムト秒分光法 701 |
(c)フェムト秒レーザイメージング 702 |
(d)テラヘルツ波イメージング,X線イメージング 703 |
(e)フェムト秒レーザ質量分析法 704 |
9.2.3 光リソグラフィ 705 |
(a)露光装置の展開 705 |
(b)超解像技術 707 |
(c)近接場光リソグラフィ 708 |
9.2.4 光測定器 710 |
(a)光通信用光測定器 710 |
(b)電気光学サンプリング 713 |
(c)レーザ顕微鏡 714 |
参考文献 715 |
10章 光電力技術・レーザ加工 |
10.1 光とエネルギー 721 |
10.1.1 太陽電池 721 |
10.1.2 光による電力制御 726 |
(a)ファラデー効果利用光CT 727 |
(b)光サイリスタ 729 |
10.1.3 半導体照明 730 |
(a)白熱電灯と蛍光灯照明 731 |
(b)半導体照明光源の特徴と応用 732 |
(c)半導体白色光源の実現方法 734 |
(d)半導体照明の今後 735 |
10.2 レーザ加工 736 |
10.2.1 レーザ加工の原理と応用 737 |
10.2.2 主要なレーザ熱加工プロセス 739 |
(a)溶接 739 |
(b)切断・穴あけ 741 |
(c)表面改質 742 |
(d)合金化・アモルファス化 743 |
10.2.3 レーザアブレーション 744 |
(a)微細加工 744 |
(b)薄膜作製 744 |
(c)ナノ構造体 745 |
10.2.4 フェムト秒レーザ加工 745 |
(a)超短パルスレーザの応用分野 746 |
(b)多光子吸収によるナノ加工 747 |
(c)フェムト秒レーザアブレーション 748 |
(d)紫外光照射による屈折率制御 750 |
(e)フェムト秒レーザによる材料表面改質 752 |
(f)フェムト秒レーザ加工とバイオエレクトロニクス 753 |
10.3 レーザ核融合 755 |
10.4 その他の応用 757 |
参考文献 758 |
11章 光援用医療 |
11.1 生体光計測・光診断 763 |
11.1.1 内視鏡体内検査技術 764 |
(a)ファイバスコープ内視鏡 764 |
(b)電子スコープ内視鏡 766 |
(c)カプセル内視鏡 767 |
11.1.2 光援用体内映像技術 768 |
(a)光コヒーレントトモグラフィ 768 |
(b)光コンピュータトモグラフィ 769 |
11.1.3DNAチップによる診断 772 |
11.2 光医学治療 774 |
11.2.1 レーザメス 774 |
11.2.2 さまざまな光援用治療 775 |
(a)目の治療 775 |
(b)歯の治療 777 |
(c)皮膚の治療 778 |
(d)がんの治療 779 |
11.3 遠隔医療 781 |
参考文献 782 |
12章 終章 |
12.1 フォトニクスの発展経緯 783 |
12.2 基礎研究とイノベーション 785 |
12.3 連携と協力 788 |
12.4 フォトニクスの展開 790 |
12.5 結び 794 |
参考文献 795 |
索引 797 |