💡 光デバイス / Photonics Devices

Photonics Devices

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概要 / Overview
光デバイスは、発光・受光・光制御を担う半導体素子群であり、光通信・センシング・AI加速・量子情報において不可欠です。
Photonics devices are semiconductor components for emission, detection, and modulation of light, essential for communication, sensing, AI acceleration, and quantum information.

📖 節構成 / Chapter Structure

1️⃣ 基礎光デバイス / Fundamental Devices

学習ポイント：発光・受光デバイスの基本構造と動作原理を理解する
Learning Point: Understand the basic operation of light-emitting and light-detecting devices.

graph TD
  A[価電子帯 Valence Band] -->|電子励起 Excitation| B[伝導帯 Conduction Band]
  B -->|再結合・光子放出 Recombination| C[光 Photon 🟡]

図： LEDにおける価電子帯から伝導帯への励起と再結合による光子放出
Band-to-band excitation and photon emission in LEDs

👉 青色レーザーダイオード (Blue LD) は特に重要な技術です。詳細は → blue-laser-diode.md

flowchart TB
  A[電子 e⁻ Injection<br>n型層 N-cladding] --> B[活性層 Active Region]
  H[正孔 h⁺ Injection<br>p型層 P-cladding] --> B
  B -->|再結合 Recombination| C[光子生成 Photon Emission]
  C --> D[光共振器 Optical Cavity]
  D -->|フィードバック Feedback| B
  D --> E[レーザ出力 Laser Output ➡️]
  
  style B fill:#fff2cc,stroke:#000,stroke-width:1px
  style D fill:#e6f2ff,stroke:#000,stroke-width:1px
  style E fill:#ffcccc,stroke:#000,stroke-width:2px

flowchart TB
  A[光入射<br>Incident Light] --> B[半導体<br>P層]
  B --> C[空乏層<br>I層 Depletion Region]
  C --> D[半導体<br>N層]
  C -->|電子 e⁻| E[外部回路<br>External Circuit]
  C -->|正孔 h⁺| E
  style C fill:#e6f2ff,stroke:#000,stroke-width:1px

図： PINフォトダイオードの構造と光電流生成
PIN photodiode structure and photocurrent generation

flowchart TB
  A[光入射<br>Incident Light] --> B[半導体<br>P層]
  B --> C[空乏層<br>I層 Depletion Region]
  C --> D[増倍領域<br>Multiplication Region]
  D --> E[半導体<br>N層]
  D -->|電子雪崩 e⁻ avalanche| F[外部回路<br>External Circuit]
  style C fill:#e6f2ff,stroke:#000,stroke-width:1px
  style D fill:#ffe6e6,stroke:#000,stroke-width:1px

図： APDの内部雪崩増倍機構
Avalanche multiplication in APD

2️⃣ シリコンフォトニクス / Silicon Photonics

学習ポイント：シリコン基盤で光通信を実現する集積技術
Learning Point: Photonic integration on silicon for optical communication.

flowchart TD
  A[光入力 Input Light] -->|入射 Coupling| B[(Si 導波路 Waveguide)]
  B -->|伝搬 Propagation| C[(変調器 Modulator)]
  C -->|変調後光| D[(SiN/Si 出力導波路 Output)]
  D -->|出射 Out-coupling| E[光出力 Output Light]

図： シリコンフォトニクス導波路と変調器
Silicon photonics waveguide and modulation flow

3️⃣ 先端フォトニクス / Advanced Photonics

学習ポイント：量子・集積・AI応用を目指す新技術
Learning Point: Cutting-edge photonics for quantum and AI applications.

flowchart LR
  A[光源<br>Laser Source] --> B[導波路<br>Waveguide]
  B --> C[変調器<br>Modulator]
  C --> D[分岐導波路<br>Splitter]
  D --> E1[検出器 PD1<br>Photodetector]
  D --> E2[検出器 PD2<br>Photodetector]
  B --> F[リング共振器<br>Resonator]
  F --> G[フィルタリングされた光<br>Filtered Output]

図： 光子集積回路 (PIC) の基本構成
Basic architecture of a Photonic Integrated Circuit (PIC)

🎥 実応用例 / Real-World Applications

学習ポイント：学んだデバイスが社会でどう使われるかを理解する
Learning Point: Understand how photonic devices are used in real systems.

🎥 代表例：ピコプロジェクターシステム / Example: Pico Projector System

詳細は → pico-projector-system.md

📌 今後の拡張 / Future Expansion

👤 著者・ライセンス / Author & License

項目 / Item 内容 / Details
著者 / Author 三溝 真一（Shinichi Samizo）
GitHub GitHub
ライセンス / License Hybrid License
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