シラバス参照

講義概要/Course Information

2024/07/19 現在

科目基礎情報/General Information

授業科目名 /Course title (Japanese)	光通信デバイス特論
英文授業科目名 /Course title (English)	Design Techniques of Opto-electronic Devices
科目番号 /Code
開講年度 /Academic year	2024年度	開講年次 /Year offered	全学年
開講学期 /Semester(s) offered	後学期	開講コース・課程 /Faculty offering the course	博士前期課程、博士後期課程
授業の方法 /Teaching method	講義	単位数 /Credits	2
科目区分 /Category	大学院専門教育科目 - 専門科目Ⅱ
開講類・専攻 /Cluster/Department	基盤理工学専攻
担当教員名 /Lecturer(s)	上野　芳康
居室 /Office	西2号館313号室
公開E-mail /e-mail	uenoy@ultrafast.ee.uec.ac.jp
授業関連Webページ /Course website	http://www.ultrafast.ee.uec.ac.jp/ueno-classes.html
更新日 /Last update	2024/03/12 15:22:25	更新状況 /Update status	公開中 /now open to public

講義情報/Course Description

主題および 達成目標（2,000文字以内） /Themes and goals（up to 2,000 letters）	電子工学や光エレクトロニクスの分野では、理論研究室の学生を除くと、卒研生院生時代に「電卓とexcelでしか計算したことが無い」学生が非常に多い、と感じています。（NEC在職時の経験を含めて、です。）　従って、授業で原理式、条件式、それらの導出を苦労して学んだけれど、それを「使った」ことが一切無い。光エレクトロニクス分野では、ARコートもHRコートもシングルモード（導波モード）もフーリエ変換スペクトルも、なにがなんだかまだよくわからず、「現実味が乏しい」。たとえ教科書で勉強しても、原因（コート膜や導波路の寸法や材料定数）とその結果（マルチモードやコーティングの波長帯域）の因果関係（＝動きや振舞い）を、見たことが無いからです。 大学院卒業・就職後にexcelからCADへ飛躍する（＝CADに頼り切る）のではあんまりなので、2003年度に本授業を作りました。 本授業の達成目標： ARコーティング／HRコーティング、導波モード（シングル／マルチモード）、周波数スペクトル解析、光ソリトンなどの基本原理、条件、因果関係を、グラフ描画した計算結果を見て、現実的に、実践的に理解することです。 本授業の効果： (1) 本授業のようなモデル計算が、 実験結果の解析、さらに実験計画立案に大きく役立つことを実践的に体験する。 (2) 小規模な解析やモデル計算ならば、 CADに頼らずに自力で、気楽に始められるようになります。 大規模な場合は専用CAD、中規模な場合はC++、fortranが必要ですが、 小規模ならばMaple/Mathematica/Matlabのような科学技術計算用言語が、実際の現場で実用的です。大変役立ちます。 [descriptions in English, as follows] Physical working principles of four-to-five major but relatively simple subjects such as solar spectrum generation, either single-mode or multiple-mode lasers and fiber-cables used in modern technology, both anti-reflection and high-reflectivity coatings, and, first-step distinctions from bosonic photons to fermionic electrons, in the fields of modern photonics and opto-electronics. Professor guides participant students to deeply understand each subject’s working principles, scientific requirements, and the most valuable causality by their try- numerically calculating small-size exercises and drawing typical dependence curves regarding each important subject. As a result, each participant student will understand scientific speciality, upper-and-lower limits caused by respective limiting factors regarding each of these subjects, much better and more realistically (than learning from equation-style formulae and their derivations in standard textbooks). Maple-language-based, open-source, sample programs (source codes for calculations) and simplified references for use in the above-mentioned numerical calculation are offered at each learning step throughout this course, from professor and TA student.
前もって履修 しておくべき科目（1,000文字以内） /Prerequisites（up to 1,000 letters）	光波工学または電磁波工学など電磁波の応用に関する科目。 Standard theory of electro-magnetic waves and their general plane-wave solutions that fully work for light waves and photons as well. First several steps of linear optics, such as refraction, reflection, diffraction, interference, and concepts of Fourier-transformed spectral components.
前もって履修しておくこ とが望ましい科目（1,000文字以内） /Recommended prerequisites and preparation（up to 1,000 letters）	量子工学、量子エレクトロニクス。 (光波の固有状態や固有エネルギーは電子波のそれらと多くの共通点を持ちます。例えば量子井戸構造材料、フォトニック結晶構造材料など。) Some of basic quantum electronics. Very basics of quantum mechanics.
教科書等（1,000文字以内） /Course textbooks and materials（up to 1,000 letters）	教科書等は特に必要無しです。 導波モードやコーティングの初歩理論については、授業資料ファイル(ppt)とプリントを、渡します。数式処理言語Mapleについては、歴代TAが作成した「初心者向けコマンド集」を渡す予定です。(Mapleの参考書を探したい場合は、本学図書館に、「Maple Vで見る数学ワールド」が、５冊あります。1999年版とやや古いものの、初心者には殆ど問題無いと思います。適宜、授業TAに相談してください。） 電気通信大学の大学院生は、所属研究室や自宅のコンピュータ端末(windows/mac)に電気通信大学の法人契約ライセンスでMapleソフトをダウンロードしてインストールできます。 情報基盤センターのMapleライセンスに関するウェブサイト：　https://www.cc.uec.ac.jp/ug/ja/license/maple/index.html [descriptions in English, as follows] Any particular textbook is NOT requested to prepare. In each of the several step-wise subjects in this course, relatively short simplified references as well as sample programs (open source codes for calculations) are offered, as is mentioned above.
授業内容と その進め方（2,000文字以内） /Course outline and weekly schedule（up to 2,000 letters）	英語タイプ Cb。 数式処理言語 Maple を使って初歩的光学課題の特徴を実践的に体験する、演習型授業です。 「光通信デバイス」と銘打ちましたが、大半は、光エレクトロニクス実験研究や装置設計で活用される常連課題です。 (1) 準備：　計算速度比較 数式処理言語Mapleは、便利で高級。ただし、計算時間が長くなりがち（遅い）。 C++やfortranはプログラムに手間と時間がかかるが、計算速度は桁違いに速い。 (2) 光信号の周波数スペクトル解析 基本的な繰返し波形（任意）の周波数スペクトルを計算し、 時間波形と周波数スペクトルの特徴とその対応関係を経験する。 光も電磁波なので、これは無線電波信号スペクトルと共通性の高い演習課題です。 (3) 光導波路モードの基礎特性 導波路の導波モードを求め、導波モードの形状や"シングルモード"となる条件と屈折率や導波路寸法の因果関係を、 実際の一連のモード解析を通して経験する。 半導体レーザや光ファイバーでは必ず登場する"シングルモード"か"マルチモード"かを左右する決定要因を、 一連のモデル計算・グラフ描画を演習する中で体験してください。 (4) 無反射コーティングと高反射コーティングの設計とその反射率特性 膜厚、屈折率、層数と、反射率及び波長帯域との対応関係を、経験する。 反射率0%を目指す無反射コーティングも、反射率100%を目指す高反射コーティングも、 半導体レーザ、赤～青色LED、デジカメなどで実際に使われている汎用技術です。 (5) 光ソリトン伝播波形 光ソリトン伝播波形（1次～３次）を計算し、３D描画し、美しい特徴を鑑賞する。 計算演習の方法： TAから履修生へ、毎回、サンプルプログラムを提供します。 (1)では、履修生がプログラミングする必要殆ど無し。 (2)では、gaussianなどの基本波形を定義する部分だけを、 fortranで書き換えてもらいます。 (3), (4)は、数式処理言語Mapleだけをプログラムします。 (5)では履修生がプログラムする必要無し。 [descriptions in English, as follows] The number of “photonics and opto-electronics” subjects to study and exercise quantitatively in about 14 weeks is carefully tuned to four, mostly in recent years. The better selections and combination of these four subjects have been re-considered and re-arranged with our receiving subject-exercise study-result reports composed by participant students, every three to four years. week #1, introduction of this course, self-introduction between participant students, teaching-assistant, and lecturer professor. week #2, course subject #1 (principle of solar spectrum radiation from surface of the sun in equilibrium), session #1-1, comparisons of your calculating spectral curves with respect to observed spectral curves (taken from standardized online database). This is the physics of so-called black-body radiation depending only upon temperature in equilibrium. week #3, course subject #1 (principle of solar spectrum radiation from surface of the sun in equilibrium), session #1-2, comparisons of your calculating spectral curves with respect to observed spectral curves (taken from standardized online database), dependences on optical frequency, in addition to those on optical wavelength. week #4, course subject #1 (principle of solar spectrum radiation from surface of the sun in equilibrium), session #1-3, principle of the upper limit of the energy conversion efficiency number (around 40%) from photon energy’s integral (from the Sun) to direct-current electron’s electric energy (via standard photo-voltaic bandgap material). This universal principle is often called Shockley-Queisser limit. week #5, course subject #2 (spatial cross-sectional shapes of either single or multiple optical propagation modes in typical optical waveguide structures), session #2-1. To specify the particular set of border-line structural parameters below which only one mode exists, and above which more than one modes exist, and, how the optical confinement factor (overlap factor between photons and excited electrons) depends clearly on those structural parameters. week #6, course subject #2 (spatial cross-sectional shapes of either single or multiple optical propagation modes in typical optical waveguide structures), session #2-2. The strong distinction of the second-order mode’s spatial distribution with respect to that of first-order mode, in case more-than-one modes exist in the particular waveguide. week #7, course subject #2 (spatial cross-sectional shapes of either single or multiple optical propagation modes in typical optical waveguide structures), session #2-3. How the waveguide-design’s transition from symmetric waveguide structures to asymmetric ones strongly influences the optical confinement factor, and, how this dependence is valuable and utilized in modern laser waveguide design. week #8, course subject #3 (principles of anti-reflection and high-reflectivity dielectric film structures), session #3-1, standard principles of anti-reflection dielectric-film coating designs. week #9, course subject #3 (principles of anti-reflection and high-reflectivity dielectric film structures), session #3-2, standard principles of high-reflectivity dielectric-film coating designs, first step. week #10, course subject #3 (principles of anti-reflection and high-reflectivity dielectric film structures), session #3-3, standard principles of high-reflectivity dielectric-film coating designs, second step. week #11, course subject #4 (shapes of spatially distributed oscillation amplitude and particle energy regarding electron particle waves in both ground and excited states in the simplest smallest natural material, hydrogen atom, session #4-1, To see spatial particle-density distribution of each of those ground- and excited-state electron waves. week #12, course subject #4 (shapes of spatially distributed oscillation amplitude and particle energy regarding electron particle waves in both ground and excited states in the simplest smallest natural material, hydrogen atom, session #4-2, to check out if the ground state (called 1S orbital) and excited states (called 2S, 3S, 4S, etc., the most simply speaking here) clearly-and-simply fulfills the most basic Schroedinger’s equation of motion for these electronic waves. week #13, course subject #4 (shapes of spatially distributed oscillation amplitude and particle energy regarding electron particle waves in both ground and excited states in the simplest smallest natural material, hydrogen atom, session #4-3, to check out the orthogonality (in terms of any two wave’s overlap integral) between any two of the quasi-stead-state ground- and excited-state electron-waves, and, consider how important this universal orthogonality is throughout the system of this basic quantum mechanics world. week #14, to summarize and respect the subject-exercise-study result reports constructed scientifically and beautifully by this year’s participant students.
実務経験を活かした 授業内容 (実務経験内容も含む) /Course content utilizing practical experience
授業時間外の学習 （予習・復習等）（1,000文字以内） /Preparation and review outside class（up to 1,000 letters）	授業時間外に予習・復習を積み重ねること。 受け取った演習レポートの事例、近年の学会や産業に於ける事例を選び、板書しながら講評します。
成績評価方法 および評価基準 （最低達成基準を含む） （1,000文字以内） /Evaluation and grading （up to 1,000 letters）	課題ごとのレポート提出（及び、授業への参加度）により、成績評価する。 履修生各自の「計算結果を的確なグラフで表現し、原因と結果の因果関係をつかむ力」を、授業TA・他の履修生・授業担当教員に示すように、努めてください！ 合格最低基準： 積極的な授業参加と、レポート提出７割（提出期限内に）。 ７５％： 系統的なモデル計算結果を段階的に作り、計算結果グラフを作成し、レポートで報告した。 ９０％： 系統的なモデル計算結果に基づいて、読者にとって明快な計算結果グラフを作成し、各課題の実践的な特徴を考察し、計算結果を具体的に引用して結論付けた。 ９５％： 各課題のモデル計算内容、グラフ表現、実践的な考察、結論の明快さに、積極的な工夫と練習の成果が読み取れた。 上述の「読者にとって明快なグラフ表現、実践的な特徴を考察する、計算結果を具体的に引用して結論付ける」テクニックについては、皆さんにとって特別なことではありません。すでに学部４年次の卒業研究で、皆さんが練習を繰り返したことです。さらに大学院で、テクニックを深め、広げること。 本授業の履修を通して、各課題のいくつかの基本的特徴を、モデル計算と考察を通して実践的に理解し、『将来実際に役立つ知識と理解』を身に付けることができます。 [descriptions in English, as follows] Evaluation and grading of each participant student are done primarily by the quality and quantity of written exercise-study reports throughout the course. Frank scientific discussion between students, teaching assistant, and this lecturer professor during the class’es 90-minute time slot each week will be repeatedly encouraged for our activating on-going exercise studies, as well.
オフィスアワー： 授業相談（1,000文字以内） /Office hours（up to 1,000 letters）	火曜日６限 （もしも訪ねても不在だった場合はその旨メールください。）
学生へのメッセージ（1,000文字以内） /Message for students（up to 1,000 letters）	理論モデル、計算方法、計算結果グラフのy軸・x軸の選択枝、考察や結論の視点、各課題に関連する身近な応用事例に関して、履修生とTAの間で、履修生と履修生の間で相談を繰り返すと、将来のいろいろな場面で実践的に役立ちますよ。 演習型授業なので、厳密にレポート採点するというよりもむしろ、授業TAが積極的に手助けします。履修生がいろいろなことを積極的に試してみて、お互いに見せ合い、刺激し合う授業を、手作りしましょう。
その他 /Others	特に無しです。
キーワード /Keywords	ARコーティング、HRコーティング、導波路モード、シングルモード、マルチモード、周波数スペクトル解析、ソリトン伝播、Maple/Mathematica、計算時間比較。