Microsoft Word - ３章

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1 Ⅲ 光の特性実験 2 関係知識 (1) 赤外線発光ダイオードについてア赤外線とは赤外線とはその波長が可視光線よりも長く マイクロ波よりも短い電磁波の総称で 1800 年頃発見された ある温度の物体はすべて その温度に応じた波長の光が 自然に放射される したがって 肉眼で見て光っていない物体も波長の長い赤外線も放射されていることもありうる 赤外線の波長範囲は760nmから1mm 程度までの範囲で 直接目で見ることはできないが 太陽や白熱電球 人間や動物の身体 また熱せられた石やセラミックなどからも放射されている その中でも波長が 760nm~1.5μmを近赤外線 1.5μm~5μmを中赤外線 5μm~100μmを遠赤外線 100μm~1mmを極遠赤外線などと呼ばれて区別している イ赤外線発光ダイオード発光ダイオード (LED:Light Emitting Diode) はpn 接合によって構成され順方向通電を行うことで電子の持つエネルギーを直接光のエネルギーに変換するデバイスである LEDの中でも波長が 800nmから1000nmの赤外領域で発光するものを赤外線 LEDという 赤外線は 可視光線 ( 人間の眼で感じることができる電磁波 ) ではない そのため赤外線ダイオードは表示用には使用できない 光を受光するフォトダイオード (PD: Photo Diode) やフォトトランジスタ (PTr:PhotoTrnsistor) といった受光素子と組み合わせて テレビやエアコン 携帯電話やパソコンのデータ通信などの光通信に用いられている また 人間の目で確認できる可視光の発光ダイオードに比べて効率がよく 散乱が少ない 短い周期のパルスであれば最大 1[A] まで電流を流すことができる製品もあり 電流に比例して発光強度 ( 放射強度 ) が強くなる特性を持つ LEDが世の中に誕生した当初は この赤外線発光だけで 発光輝度もあまり高くなかった LEDが誕生して数十年経過した現在では 可視光での発光が可能となり また電気的エネルギーが少なくかつ長寿命であることから 家電製品のパイロットランプ 自転車の電気や懐中電灯など照明に用いられるようになった また 青色の高輝度 LED も実現してフルカラーディスプレイとして競技場などの大型ディスプレイに使用されるなど 様々な装置の発光光源として幅広く活躍している ウ構造と発光原理発光ダイオードの基本構造は pn 接合ダイオードである 順方向電圧を加えたとき p 型半導体側からは正孔が n 型半導体側からは電子がpn 接合部に向かって移動して電流が流れる この接合部付近で正孔と電子が再結合してその際に自然発光する 正孔と電子がそれぞれ持っていたエネルギー合計と再結合した後のエネルギーの合計を比較すると 再結合した方が小さくなる このエネルギーの差が光や熱となり放出される これが発光ダイオードが発光する原理である -1-

2 発光ダイオードは化学化合物を用いた直接遷移型 ( 上位準位の原子が光エネルギーを放出して下位準位に遷移すること ) の半導体を使用する 赤外線発光ダイオードには活性層にインジウム ガリウム ヒ素 リンを用い クラッド層にインジウム リンなどの材料が用いられる 放射する光の波長 ( 発光色 ) は 構成される半導体の材質や添加物により決まる 発光 電子 正孔 再結合 n 型半導体 p 型半導体 図 Ⅲ-1 pn 接合ダイオード (2) 半導体レーザについてアレーザとはレーザ (LASER) とは 発明者の造語で Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation( 誘導放出を利用した光の発振 増幅器 ) の頭文字である 光をある仕組みで増幅させて 波長や位相などの特性がそろったビーム状の光をレーザ光という その特徴としては 1 指向性が高い2 単色性がよい3 可干渉性 ( コヒーレント ) が良いなどである 発光は 原子の周りの電子がエネルギーの低い軌道へ落ちるとき そのエネルギーを光として放出することから生じる 電子の落ち方として 自ら光を放出する場合を自然放出といい その光は一般に自然光と呼ばれる 自然光はいろいろな波長が混ざり位相もずれている 太陽光や蛍光灯 白熱電球の明かりなど身の周りのほとんどの光がこれに相当する また 外部の光により電子に刺激を与えて強制的に発光する場合を誘導放出という この誘導放出によって生じる光は 外部からの光を与えるため その光を利用して 連鎖的に発光していく そのため結果的に波長や位相がそろった強い光が発せられる これがレーザ光である イ半導体レーザ半導体レーザダイオードのことを単にレーザダイオード (Laser Diode) とも呼ばれ LDと略す その特徴を幾つか挙げる 小型で 高い強度の光を発生することが可能で他の部品と一体化し光モジュールとして用いることができる また 電流の強弱で簡単にレーザ出力を制御できるため 変調という操作を行いデータ通信に利用可能である 大量に安価で製造でき 光ディスクドライブやスキャナとして利用されている また レーザ光の高い集光性からレーザポインタや計測機器に用いられている -2-

3 池n 型半導体発光層電ウ半導体レーザの基本的な構造 p 型とn 型の半導体を接合させたダイオード型の構造であり このpn 接合部が発光層となる この発光層のことを活性層と呼び 活性層をはさむ両側の層をクラッド層という p 型とn 型のそれぞれあるストライプ状の電極に電圧を加えることによって発光する 図 Ⅲ-2に基本的な構造を示す 図 Ⅲ-3に半導体ダイオードを示す ストライフ 状の + 電極 レーザ光 p 型半導体 pn 接合部 図 Ⅲ-3 半導体レーザダイオード ( 左 ) 図 Ⅲ-2 基本的な構造 エ安全基準レーザ光を使用する場合 特性に合わせた安全対策を十分にとる必要がある レーザ光の人体への影響を考慮して国際電気標準会議 IECで最大許容露光量を設定した安全基準が定められている 特にレーザ光が直接目に入ると網膜に損傷を受ける 使用中に反射したレーザ光線が目に入るという事故や 可視光以外のレーザ光で 気がつかないうちに目にダメージを受ける事故もある したがってレーザ光を使用する際には波長 強さに適合した防護めがねの着用が望ましい 表 Ⅲ-1に 概要を示す これにより レーザを用いた製品を製造しているメーカは クラス 2 以上の製品には警告 説明のラベルを貼ることが義務付けられている また JISにおいても許容被曝放出限界が定められている 表 Ⅲ-1 レーザ光線の安全基準 クラス基準 程度使用例本質的に安全 1 どのような条件でも最大許容露光量を超えない レーザポインタ波長 400nm~700nm( 可視光 ) 2 1mW 以下の出力 ( まばたきで保護できる程度 ) 3A 連続波レーザ5mW 以下バーコードリーダ直視は危険光ディスクドライブ 3B 連続波レーザ0.5W 以下光ファイバ通信用光源連続波レーザ0.5W 超え部品加工 溶接用の炭酸ガスレーザ 4A 散乱反射も危険 YAGレーザ皮膚障害や著しい人体障害を与える -3-

4 (3) 光源の特性について赤外線ダイオードと半導体レーザにおいて基本特性である光学的特性 ( 順電流 - 光出力特性 ) と信号を伝送するうえで重要となる周波数特性についての実験を行う ア順電流 - 光出力特性 (I-L 特性 :Injection current-light output 特性 ) ( ア ) 赤外線ダイオードの I-L 特性赤外線発光ダイオードは pn 接合の順方向電流による正孔と電子の再結合時の発光を利用しているため 定格以内の電流を流した場合 放射束 1 は電流にほぼ比例して増加する 図 Ⅲ-4 に一般的な順電流 放射束特性を示す この光出力は周囲の温度に影響されやすい 周囲の温度が高くなるに従い光出力は低くなる これは温度上昇に伴い 発光するために使われる電流の割合が低くなるためである ここで放射束をΦ[mW] で表す 10 放射束 Φ[mW] 順方向電流 IF [ma] 図 Ⅲ-4 ( イ ) 半導体レーザのI-L 特性 順電流 放射束特性 ( 両対数グラフ ) 注入した電流に対するレーザ光の出力特性は 最も基本的な特性である この特性 は 半導体レーザの電流を増減し動作させ フォトダイオードの電圧から光の出力 を確認することで計測する 始めは自然発光で少しずつ光出力を増していくが レ ーザが発光し始めるしきい値電流 I th ( 発振開始電流 ) を超えるとレーザ発振が始ま り 加えている電流と供に光出力が急激かつ直線的に増加する 実用上 このしき い値の電流は小さいほど良い 図 Ⅲ-5 に光出力 L と電流 I との関係を示した一般的な I-L 特性を示す 電流の増加 I に対する光出力の増加 L の比 ( 傾き ) を微分量子効 率 η p [mw/ma] と呼び 電流を増加させた時にどの程度の光強度が増加するかを表わし ている この傾きが大きいほど特性は良い 半導体レーザを評価する一つの指標と して用いられるが 静電気などのサージによって半導体レーザが劣化してしまい光 学損傷を起こすと この傾きが一定でなく途中で折れ曲がる ( キンク ) 図 Ⅲ-6 にそ の例を示す その他に効率が低く光出力が出ない場合がある なお I-L 特性は温度 上昇に影響を受けやすく しきい値が上がったり また 効率が下がって出力が落 ちるなど 半導体レーザの劣化を確認することもできる 1 放射束とは 単位時間あたり光の通過しているある面積を通るエネルギーの量を示す 単位は W( ワット ) を用いる -4-

5 出力(強度)Lが小さくなることを表している 光イ 図 Ⅲ-5 I-L 特性 ( 一般 ) 図 Ⅲ-6 I-L 特性 ( キンク ) 周波数特性 周波数特性は 回路の周波数に対応する特性を示している 各デバイスにおいて構 成される回路での供給値 測定値などの性能量の値 または応答が周波数によって変 化する様子を示す 実際には 増幅器などにおいて各周波数に対応する振幅又は増 幅度の関係を示す事が多い 音声を例に挙げると 周波数特性から分かることは どの周波数からどの周波数ま で ( 低い周波数から高い周波数 ) の音を再現できるかということに対応している 数 値の幅が広いほど 低音域から高音域まで幅広く再現でき音が良く再生されたことに なる 自然発光 ( ア ) 光通信 しきい値 Ith 光通信には 光の伝送路によって 家電用リモコン装置に使われているような空 間伝送方式と 通信に使われる光ファイバ伝送方式がある これまで通信用に使わ れてきた電線 ( 銅線 ) や電波による無線通信に比べ 表 Ⅲ-2 のような特徴がある ( イ ) 光ファイバ I レーザ発振 L 表 Ⅲ-2 しきい値 Ith 電磁誘導などノイズの影響を受けないため安定した通信が可能である レーザ光を使用した場合 高速かつ長距離の伝送が可能である 電波に比べて大容量の通信が可能である キンク 注入電流 I 高周波信号を電線で伝送すると 伝送距離が長くなるほど減衰が大きくなるが 光ファイバ 伝送方式では減衰が非常に少ない 光通信の特徴 光ファイバは 図 Ⅲ-7 の様に鉛筆のような形状をしている 芯に相当する部分が コア その周りをクラッドと呼ぶ コアとクラッドでは 屈折率の異なる物資で構 成されており コアの屈折率は クラッドより高い コアの部分の屈折率分布の違 いからステップ型 グレーテッド型の 2 種類に分けられる 図 Ⅲ-8 は 屈折率の分 布形状を図式化したものである グレーテッド型では コアの外側に行く程屈折率 光出力(強度)L注入電流 I -5-

6 クラッド コア n2 n2 図 Ⅲ-7 光ファイバの構造 ステップ型 グレーデッド型 図 Ⅲ-8 屈折率の分布形状 ( ウ ) フォトトランジスタフォトトランジスタは通常 図 Ⅲ-9のようにNPN 型の構造で 受光部にはコレクタ ベース接合となっている 図 Ⅲ-10に等価回路を示す フォトトランジスタとは フォトダイオードがベースコレクタ間に接続されている構造となっている C: コレクタ フォトダイオード B: ヘ ース E: エミッタ C IC=hFE ICBL 図 Ⅲ-9 NPN 型フォトトランシ スタ B E ICBL RL 図 Ⅲ-10 フォトトランシ スタとフォトタ イオート を用いた等価回路 フォトトランジスタに次式 (3 1) を満足する光が入射すると 電子はコレクタのn 層へ 正孔はベースであるp 層へ各々移動する その結果 ベースエミッタ間は順バイアスされ 通常のトランジスタ同様 エミッタより電子の移動が始まり ベースを通り抜け 少数キャリアである電子に対し順バイアスされているコレクタに収束される このように 光の強弱によってベース電流が制御され 増幅されたコレクタ電流が制御される コレクタ電流 I CEL はコレクタ ベース間の光電流 I CBL のh FE 倍された値となる ((3 2) 式 ) Eg<hν=hc/λ (3 1) Eg: 半導体のエネルギーギャップ h: プランク定数 ν: 振動数 λ: 波長 I CEL I CBL h FE (3 2) h FE は通常のフォトトランジスタで500 程度 高出力のものではh FE =1000 以上のものがある フォトトランジスタの光電流は フォトダイオードの光電流に比べ 式 (3 2) のようにh FE 倍され 数百倍の値となる フォトトランジスタより更に出力が必要な場合は ダーリントン接続されたフォトダーリントントランジスタを用いる フォトダーリントントランジスタは フォトトランジスタの数百倍の出力を持ち 数 Luxの照度で動作する -6-

7 ( エ ) フォトダイオード通常逆方向に電圧を加えた時 ダイオードには電流がほとんど流れないが このダイオードの接合部に光を当てると 光のエネルギーにより 電流が流れるようになる このような原理で接合部に光が当たりやすくしたダイオードがフォトダイオードである -7-