新しい光ナノ構造：フォトニック結晶
野田 進 京都大学工学研究科
光を自在に操る新しい光ナノ構造「フォトニック結晶」が将来の光分野に革新をもたらすとして、大きな注目を集めている。極微小領域で光を直角に曲げたり、自然放出光を完全制御したり、運動中のフォトンを極微小域で捕獲したり、さらには、新しい２次元キャビティを与えたりと、応用上も極めて興味深い。本講演では、フォトニック結晶の開発の現状とその応用の具体例をいくつか紹介し、その将来展望を述べる。
【用語解説】
フォトニック結晶：
内部に周期的な屈折率分布をもつ光材料。屈折率分布が1次元方向にのみ形成されている構造は、従来から多層薄膜と呼ばれ、フォトニック結晶とは区別して考えられることが多い。フォトニック結晶として性質が強く現れるのは、屈折率分布が2次元あるいは３次元方向に設けられた場合で、前者を２次元フォトニック結晶、後者を３次元フォトニック結晶と呼び区別する。
自然放出制御：
半導体光デバイスなどでは、自然放出と呼ばれる現象がさけることの出来ないものと理解されている。これは、電子がエネルギーを得て、高いエネルギー状態にあるものが、低いエネルギー状態に緩和する際に、光を自然に発するものと理解される。フォトニック結晶を用いると、フォトニック結晶そのものが光の発生を禁止するため、従来不可能と考えられていた自然放出の抑制などが可能となる。
面発光レーザ：
通常の端面発光型のレーザーと異なり、基板に対して垂直方向にレーザー光を放射するレーザー。端面発光型のレーザーでは困難な、２次元アレイ化が可能であり、高密度に光源を集積することができるという特長をもつ。従来は、垂直方向に共振器をもつタイプの面発光が中心に研究されていたが、フォトニック結晶を用いることにより、従来のタイプが苦手としていた、大面積での単一、縦・横モード動作が可能となる。
超小型アッド・ドロップデバイス：
現在の光通信では、一本の光ファイバー中に、様々な波長の光を同時に通すことで、通信量の増大を図っている。このような各種の波長の光を分離したり、合波したりするために、光の合分波機能をもつ光の回路が用いられる。光は通常、曲げ、のばしするのが苦手であるため、光回路の大きさがセンチメートル程度と非常に大きくなる。フォトニック結晶を用いるとその大きさは、1/1000〜1/10000になり、超小型化が可能となる。
第17回「大学と科学」公開シンポジウム