IDF絶縁

先端科学技術セミナー第７回
超高速光エレクトロニクスの最前線
ｰ テラの世界 ｰ
芦田 昌明
D232号室 内線: 6507
[email protected]
アウトライン
1. 光通信技術の現状と超短パルスレーザー
（今年と2005年のノーベル賞）
2. 強相関電子系と非線形光学応答
3. テラヘルツ時間領域分光法
（2006年のノーベル賞との関わり）
The Nobel Prize in Physics 2009
"for groundbreaking achievements
concerning the transmission of light
in fibers for optical communication"
1/2 of the prize
Standard Telecommunication Laboratories
Harlow, United Kingdom; Chinese
University of Hong Kong
Hong Kong, China
"for the invention of an imaging
semiconductor circuit – the CCD sensor"
1/4 of the prize
1/4 of the prize
Bell Laboratories
Murray Hill, NJ, USA
光ファイバー
２００６年９月２９日
世界最大容量、毎秒１４テラビットの光伝送に成功
―ハイビジョン映画約１４０本分を1秒で転送可能に―
日本電信電話株式会社（以下ＮＴＴ、東京都千代田区、代表取締役社長：
和田紀夫）は、１本の光ファイバで毎秒１４テラビット（テラは1兆）の超大容
量データを160km伝送することに成功しました。この
14Tbps(111Gbpsx140ch)という値は、今までの最高値約10Tbpsを大幅
に上回り、世界最高となるものです。
今回の成果は9月24日からフランスカンヌで開催されたヨーロッパ光通信
国際会議のポストデッドラインペーパとして報告されました。
光通信技術の発展
日経サイエンス 2001年4月号
ムーアの法則
ICに使用されるトランジスタの数は18ヶ月
で倍になる。
光ファイバーの透過損失と群速度分散
通信波長: 1.5μm
群遅延と群遅延分散
幅τ0をもつガウス関数型パルス
の幅は以下のように広がる。
群遅延(GD):
d
l
dk
群遅延分散
光物理学基礎
1
dk
d
d
l
[ n( )]
d c
c
Q
k n( )
l
石英の屈折率、群遅延、群遅延分散
虹
応用電磁気学 光物理学基礎
様々な物質の電子状態
固体電子論
半導体物理
典型的な絶縁体の吸収スペクトル
格子振動
（フォノン）
励起子
バンドギャップ
固体電子論
光物理学基礎
EDFA: Er ドープファイバ増幅器
1.55 μm (C 帯), 1.58 μm (L 帯)帯の増幅
0.98 μm
1.49 μm (S 帯) は Tm ドープ
富士通研究所
やさしい技術講座より
WDM: 波長分割多重方式
富士通研究所
やさしい技術講座より
DWDM: 10 Tb/s を越えて
DVD 270枚分の情報を1秒で
OFC 2001 (Mar. 22)
２００６年９月２９日
世界最大容量、毎秒１４テラビットの光伝送に成功
―ハイビジョン映画約１４０本分を1秒で転送可能に―
日本電信電話株式会社（以下ＮＴＴ、東京都千代田区、代表取締役社長：
和田紀夫）は、１本の光ファイバで毎秒１４テラビット（テラは1兆）の超大容
量データを160km伝送することに成功しました。この
14Tbps(111Gbpsx140ch)という値は、今までの最高値約10Tbpsを大幅
に上回り、世界最高となるものです。
今回の成果は9月24日からフランスカンヌで開催されたヨーロッパ光通信
国際会議のポストデッドラインペーパとして報告されました。
光通信技術の発展
日経サイエンス 2001年4月号
光スイッチの現状
電気光学スイッチ
MEMSスイッチ
バブルスイッチ
導波路型熱・光スイッチ
液晶スイッチ
ファラデー効果スイッチ
全光スイッチ
非線形光学スイッチ
Si photonics by Intel
3.2Gbpsのデータ転送速度
を実現し、42Gbps を目指す。
25本のレーザーを束ねれば、
あわせて1Tbpsクラスのデー
タ転送も可能
IDF 2008 Spring
Si photonics by Intel
光スイッチの現状
電気光学スイッチ
MEMSスイッチ
バブルスイッチ
導波路型熱・光スイッチ
液晶スイッチ
ファラデー効果スイッチ
全光スイッチ
非線形光学スイッチ
MEMS: MicroElectroMechanical Systems
切り替え速度 ～ms
日経サイエンス 2001年4月号 33, 34頁
光で光をコントロールする
非線形光学応答とは？
強い光
信号光
信号光
n0
n
n0
n2 I
光に対する物質の応答
弱い光
強い光
微小振動ではなくなる
調和振動子
非調和振動
非線形光学効果
超高速光スイッチのための非線形光学材料
光学非線形性
屈折率変化: n = n0 + n2I
二光子吸収:
=
0+
I
大きな非線形性と超高速応答が必要
T
非線形光学材料
入力パルス
出力パルス
ゲートパルス
非線形光学スイッチ
屈折率
n = n0 + n2 I
非線形位相シフト
ΔΦ = 2πn2 I L / λ
π 位相シフト
干渉計
日経サイエンス
2001年4月号38頁
全光スイッチ用光学材料に求められる条件
室温動作
動作波長: λ ~ 1.55 μm
超高速応答: τ < 1 ps for T-1 > THz
超高速処理: nL/c < 1 ps for successive operation
n0 L < 30 μm
耐久性
T
非線形光学材料
入力
パルス
出力
パルス
制御パルス
L
全光スイッチ実現のための光学非線形性
共鳴型:
|e
コヒーレントな効果
光学的シュタルク効果
ハーフギャップ非線形性
インコヒーレントな効果
|g
キャリア等の実励起 → 巨大な非線形性
遅い回復
非共鳴型: 超高速応答
非常に小さな非線形性
三次非線形性の性能指数 (Figure of Merit)
P = P + P (3) + P (5)+ ・・・
(3))
(3))
100
Anthracene
(Surface)
10- 3
ZnSe
CuCl(MC)
BaTiO 3
10-6
GaAs
MQW
Si
CuCl(Biex)
(Bo(l
GaAs
(LT)
|
二光子吸収
∝ Im(
非線形屈折率 n2 ∝ Re(
|/
・E E E
(3 )
P (3)=
[esu cm]
三次の光学非線形性
10- 9
Figure of Merit: |
(3)|/
CuCl
(LT)
CdSSe(MC)
10
-12
GaAs
PDA
10-15
100
吸収係数
応答速度
103
106
109
1012
1
1/ [s ]
1015
アウトライン
1. 光通信技術の現状と超短パルスレーザー
（今年と2005年のノーベル賞）
2. 強相関電子系と非線形光学応答
3. テラヘルツ時間領域分光法
（2006年のノーベル賞との関わり）
非線形光学効果を用いた波長変換技術
遠赤外
3mm
300 m
1011
1012
中赤外
30 m
1013
frequency (Hz)
可視
3 m
300nm
1014
1015
THz
ダイポールアンテナ
半導体表面
光整流
（差周波発生） （パラメトリック増幅）
DFG
+ OPA
（高調波発生）
SHG
エレクトロニクス
(電気伝導)
(バンド内遷移)
フォトニクス
(光学応答)
(バンド間遷移)
光物理学基礎
二次の非線形性χ(2)の効果
ω
三光波混合 ω1
2
ω1 ± ω2
二倍高調波発生 (SHG)
ω
→
2ω
和周波発生 (SFG)
ω1, ω2 → ω1 + ω2
差周波発生 (DFG)
ω1, ω2 → ω1 - ω2
光整流
ω
→
0 (DC)
光パラメトリック増幅 (OPA)
ω
→ ω1, ω2 (ω = ω1 + ω2 )
光物理学基礎
ポンププローブ測定配置
Trigger 1kHz
Regenerative
再生増幅器
amplifier
OPA SHG
DFG
チタンサファイア
レーザー
probe
Probe
0.1-2.1 eV
pump
Pump
0.8-2.4 eV
SHG
SFG
OPA SHG
E || b
試料
290 K
SFG
バルク結晶 ~ 100 m
Sr2CuO3の室温光ゲート動作
Double pump: 1.2 m
probe: 1.4 m
テラビット動作が可能！
二光子
許容準位
プローブ光
ポンプ光
fmax~ 10Tbits/s
T. Ogasawara et al.: Phys. Rev. Lett.
85, 2204 (‘00).
高繰り返し動作
T
0
Pile up
back
=
incoh
/[1-exp(-T/ )]
coh
Modulation depth :
fmax=
peak /
coh/
(
incoh
back
)
>1
Sr2CuO3の二光子吸収係数
Eg-3 スケーリング則
従来の半導体（バンド
絶縁体）より一桁程度
大きい！
E. W. Van Stryland, et al.:
Opt. Lett. 10(1985)490.
Sr2CuO3の非線形屈折率と二光子吸収
室温で大きな非線形性
2
1.2
1
( m)
160
290K
0.5
2
120
1 ps at 290K
0
80
-3
τ
1.4
1.0
cm /GW)
超高速緩和
1.6
n2 (10
ブロードなスペクトル
耐久性
高い破壊閾値、融点
0
-0.5
40
-1.0
0.6
0.8
1.0
1.2
0
Photon energy (eV)
光ファイバー
通信波長帯
M. Ashida et al.: Appl. Phys. Lett.,
78, 2831 (’01).
(cm/GW)
n2 10-12 cm2/W at 1.55 m
1.8
一次元銅酸化物 Sr2CuO3 : 結晶構造
Sr
Cu
O
Cl
典型的な一次元モット絶縁体
超伝導物理
モット絶縁体
バンド絶縁体
Transfer t
Repulsion U
U>t
Full-filled
Half-filled
Exchange: J
conduction
バンドギャップ
UHB
LHB
valence
異なる軌道
スピン自由度は凍結
モット－ハバー
ドギャップ ~ U
電子間相互
作用による
同じ軌道
スピン自由度の存在
半導体物理 超伝導物理
一次元銅酸化物 Sr2CuO3 : 電子構造
O2-
Cu2+
O2-
Cu2+
O2-
+
Cu2+ O2-
CT
クーロン斥力
U 10 eV
交換相互作用
J|| 0.3 eV スピンの励起が存在
J << J||
鎖間の相互作用は無視できる
クラスター計算:２バンドハバードモデル
H
i
( ni
U i ni ni
ci ci , ni
V
ni ni
1
( 1)i ni
t
( ci ci
1
ci
1
ci )
i
ni )
サイト内クーロン斥力エネルギー UCu :10eV, UO : 6eV
隣接ホール間のクーロン相互作用 V : 1eV
Cu サイトと O サイトのトランスファー積分 t :1eV
Cu と O サイトのエネルギー差 2ε=|εCu -εO|: 2eV
●
○
Cu
O
12 サイト
一光子吸収と二光子吸収
実験結果
(cm/GW)
160
T. Ogasawara et al.: Phys. Rev. Lett.
85, 2204 (‘00).
3
120
2
80
40
1
0
0
1.0
Uが大きいときだけ
二光子吸収が増大
4
Sr2CuO3
290K
1.5
2.0
2.5
Photon energy (eV)
M. Ashida et al.: Appl. Phys. Lett.,
78, 2831 (’01).
3.0
(105 cm-1)
計算結果
Sr2CuO3 のエネルギー準位図
二光子帯
2eV
一光子帯
1ps
交換エネル
ギー ~πJ
1eV
スピノン
Suzuura et al.: Phys. Rev.
Lett. 76, 2579 (1996).
cf.
フォノン
Sr2CuO3の超高速光学非線形性
一次元モット絶縁体Sr2CuO3は非線形光学材料として有望
大きな非線形性
n2 ~
10-12
cm2/W
Large U
強い電子相関
超高速応答 ~ 1 ps
Large J
大きなスピン
交換エネルギー
超伝導物理
光励起状態の「物性」測定
光学応答
可視・赤外域過渡吸収スペクトル
電子励起状態の緩和ダイナミクス
電気伝導
テラヘルツ領域ポンプープローブ分光
キャリアの応答、光誘起金属ー絶縁体転移
磁性
時間分解磁気分光
スピンダイナミクス、光誘起磁性
強相関電子系
電子間相互作用が物性を支配 → 特異な現象
ペロブスカイト型銅酸化物
高温超伝導
ペロブスカイト型マンガン酸化物 巨大磁気抵抗
GaAs FET 構造
電気伝導
量子ホール効果
磁性
光学応答
光誘起相転移（金属絶縁体転移、光誘起磁性）
強い電子間相互作用 → 大きな光学非線形性
超伝導物理
バンド絶縁体 vs モット絶縁体
バンド絶縁体
(filled band)
モット絶縁体
(half-filled)
電子間相互作用
(U)
弱い (U<t)
強い (U>t)
→独立粒子近似
「バンド理論」
→ 強相関電子系
「多体効果」
光励起効果
素励起描像
光励起キャリア
バンド構造自体の変化
半導体物理 超伝導物理
強相関電子系と超高速レーザー
超短パルス
レーザー技術
モード同期 チタン
サファイアレーザー ＋
1990
再生増幅器
2000
＋ 波長変換
フェムト秒レーザー技術 → テラヘルツ発生技術
強相関電子系
高温超伝導
巨大磁気抵抗
新技術
広帯域レーザー
広いエネルギー領域
光誘起相転移
La 3+
O2-
高純度単結晶成長
薄膜作製技術
Cu2+
c
a
b
新しい
物理学
チタンサファイアレーザー
超短パルス チタンサファイアレーザー
0.12
Auto correlation trace
エネルギーと時間の不確定性関係
△ν △τ ≥ 1
0.10
Intensity
0.08
0.06
パルス幅 6fs
0.04
エネルギーと時間の
不確定性関係
0.02
0
-40
-20
0
20
40
Time (fs)
10000
広いスペクトル幅
650-1050nm
Venteon spectrum
Intensity (arb. unit)
8000
6000
4000
2000
0
500
600
700
800
wavelength (nm)
900
1000
1100
光共振器
mλ/2 = L
∴ νm = mc/2L
光物理学基礎
Δν = c/2L
Δω = πc/L
モード同期レーザー（１）
数学Ｃ
モード同期レーザー（２）
N
Et
0
m
N
E0
sin[(2 N 1)(
sin[( t
Ｅ
L
E 0 exp[i (
m
t
t m ],
) / 2]
exp(i 0t ).
) / 2]
L
δt=2π/[(2N+1)Δω]=1/νBW
L
νBW
α=α0/(1+I/Is)
The Nobel Prize in Physics 2005
Roy J. Glauber
For his contribution to the
quantum theory of optical
coherence.
John L. Hall
Theodor W. Hänsch
For their contributions to the development of
laser-based precision spectroscopy, including
the optical frequency comb technique.
光周波数コム技術とは？
(The Nobel Foundation Website)
光周波数コム技術
t
光の周波数を決める「ものさし」
マイクロ波と光の周波数を繋ぐ
原子時計の精度の向上
数学Ｃ
物理学定数（微細構造定数）の時間変化
重力による時間の遅れ （鉱物探査）
原子時計
Cs原子の遷移振動数
9,192,631,770Hz
（マイクロ波帯）
この値から1秒を定義
電波時計
（独）情報通信研究機構
小金井市
Global Positioning System (GPS)
基礎科学と先端技術
超短パルスレーザー
波長変換技術
技術開発
物性研究
強相関電子系の特異な光学応答
超精密周波数測定技術
基礎研究
新規技術
統一理論、一般相対論
アウトライン
1. 光通信技術の現状と超短パルスレーザー
（今年と2005年のノーベル賞）
2. 強相関電子系と非線形光学応答
3. テラヘルツ時間領域分光法
（2006年のノーベル賞との関わり）
The Nobel Prize in Physics 2006
for their discovery of the blackbody form and
anisotropy of the cosmic microwave background radiation
John C. Mather
George F. Smoot
1/2 of the prize
1/2 of the prize
USA
NASA Goddard Space
Flight Center
USA
University of California
Berkeley
(The Nobel Foundation Website)
フォトンのエネルギーと温度
熱エネルギー
≈ k BT
常温
可視光
h
300 K
k BT ≈ 26 meV
400 nm ~ 750 nm
1.5eV
~
kB
：ボルツマン定数
8.61735 10 5 eV / K
黒体輻射のスペクトル
3eV
35000 K
宇宙の背景輻射は 2.7K
ビッグバンの名残
遠赤外、マイクロ波領域
量子力学
統計力学
テラヘルツ(THz) 領域 とは
THz
エレクトロニクス
フォトニクス
マイクロ波
可視
X-線
γ-線
周波数 (Hz)
MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF
0
10
3
10
10
10
10
10
10
10
10
k ilo
m eg a
g ig a
t e ra
peta
exa
zett a
yotta
レーダー
???
15
光通信
1THz
4.1meV
48K
医学
21
24
9
ラジオ
12
18
6
宇宙線天文学
テラヘルツ波を中心に見た電磁波スペクトル
Wavelength
3mm
300mm
30mm
極超短波
マイクロ波
ミリ波
GHz
10GHz
0.1THz
300 m
サブミリ波 遠赤外
THz
3 m
30 m
中赤外
10THz
近赤外
100THz
Frequency
TV 放送 衛星放送 レーダー 電波天文学
回転準位
振動準位
300nm
光通信
PHz
テラヘルツ波の特徴
•
•
•
•
•
•
•
•
超高速（光）エレクトロニクスの周波数
高分子（ＤＮＡ、蛋白質、糖など）に固有の吸収特性
可視域で不透明な多くの物質を透過
プラスチック、紙、セラミック、脂肪、半導体等
可視・近赤外光よりも散乱の影響を受けにくい
→紛体を透過
水分に敏感（吸収大）
Ｘ線に比べて人体への安全性が高い
栃木ニコン
THzイメージング – セキュリティーチェック -
理研 科学警察研究所
プラスチックを透視
封筒の中身を透視
さらに物質の同定も
薬の同定
アスピリンとサリチル酸のTHzスペクトル
M. Walther et al.: FM&M Workshop on Medical Diagnostics, 2001.
THz 分光の応用
物性測定
キャリアダイナミクス
不純物濃度
（高）分子の回転・振動分光
量子力学
半導体物理
バイオサイエンス
薬の同定
ラベルフリーDNA分析 (Nagel et al.: APL 80, 154 (2002).)
イメージングとの組み合わせ
透視？
ドルーデモデル
md2x/dt2 = – mγdx/dt– e E0 exp(–iωt),
x(t) = x0 exp(– iωt), E(t) = E0 exp(–iωt),
x0 = eE0/[m(ω2 + iγω)].
P = –Nex,
= –Ne2E/[m(ω2 + iγω)].
D = ε0 E + P
≡ε 0 ε E
τ≡ 1/γ, (散乱時間)
∴ε= 1 – Ne2/[ε0m(ω2 + iω /τ)]
= 1 – ωp2 /[ε0m(ω2 + iω /τ)].
ωp2 = (Ne2/ε0m)1/2. (プラズマ振動数)
Alの反射率スペクトル
光物理学特論
v(t) ≡ dx/dt,
j ≡ –Nev = σ E
∴σ = σ0 /[1 – iω /τ)] (= – iε0ω(ε – 1)). (光学伝導度)
σ0 ≡ (Ne2τ/m). (直流伝導度)
赤外スペクトルの測定から
（接触しなくても）計れる。
半導体物理
20
10 cm-3
10 18cm -3
unimplanted
Transmittance
10 19 cm -3
Carrier concentration
不純物濃度の異なるSiウエハーのTHzイメージ
B ion implanted
high
low
MgB2 の超伝導ギャップの観測
R. A. Kaindl et al.:
PRL 88, 027003 (2002).
250KHz Regen.
ZnTe EO sampling
100, 200nm film on Al2O3
T→大
6-36K
2Δ=5meV
超伝導物理
アンテナによるTHz時間領域分光法
100 m ZnTe
光伝導アンテナを用いる発生・検出
発生
E∝∂je/∂t
検出
jd ∝ ∫E(τ)N(τ-t)dτ
S. Kono et al.: Appl.
Phys. Lett. 79, 898 (’01).
時間領域分光法の利点
電場の時間応答を直接測定
位相情報の利用が可能
振幅・位相情報の解析から複素屈折率の実部と虚部を取得
パルス波使用
試料内部の光伝播の様子を追跡しながら解析処理可能
超高速ポンプｰプローブ分光への発展
L
背景輻射の影響なし
室温で動作
cf. パルスNMR, パルスESR
E0(t) sample E(t)
E(ω) / E0(ω) = exp{[-i(n(ω)-1]Lω/c)}
複素誘電率
(n,α), (ε1,ε2), (σ1,σ2)
クラマースークローニッヒ変換、
エリプソメトリーが不要
THzイメージング原理図
小麦粉中に埋められた物体
Cable clamp
Signal
振幅モード
W
A
Time
T
時間遅延モード パルス幅モード
THz時間領域イメージングの特徴
乾燥した誘電体（紙、プラスチック、セラミック）のイメージング
透明でも屈折率から物質が同定可能
散乱の影響が小さい。 (a: 散乱体の大きさ)
Rayleigh 散乱 ∝ 1 / λ4 λ ≫ a
Mie 散乱
∝ 1 / λ2 λ
a
空間分解能に乏しい。
Rayleigh criteria λ / 2
→ 近接場分光、中赤外域への広帯域化
30 m GaSe
with PC antenna
5
Amplitude (arb. unit)
Electric Field (arb. unit)
アンテナによる光電場の直接検出実験
0
-5
12fs
30 m GaSe
with PC antenna
100
10
1
-10
0
200
400
Time (fs)
600
800
0
20
40
60
80
100
120
140
Frequency (THz)
100THz(3μm)の赤外光まで電場の
振動を直接検出（世界最高記録）
アンテナによる光電場の直接検出実験
0.04
10
Amplitude(a.u.)
0.02
Amplitude(a.u.)
Amplitude(a.u.)
0.03
0.01
0.00
-0.01
1
-0.02
0.1
-0.03
-0.04
700
0
800
500
900
1000 1000
Time(fs)
1500 1100
2000 1200
0
50
100
150
200
Frequency(THz)
170THz(1.8μm)を超える赤外光まで
電場の振動を直接検出（世界最高更新）
アンテナで光電場を直接検出する !!
エレクトロニクス
電波
光
波長
300 m
3mm
300mm
30mm
極超短波
マイクロ波
ミリ波
GHz
10GHz
0.1THz
サブミリ波 遠赤外
ゲート光
A
THz
周波数
3 m
30 m
中赤外
10THz
300nm
近赤外
100THz
PHz
光の波
光通信
光強度の測定
アンテナで光電場はどれだけ高い周波数まで検出可能か？