マテリアル インテグレーション 2003年6月号
特集　フォトニクスデバイス

巻頭言
京都大学大学院工学研究科　教授　平尾　一之
20 世紀後半から始まった高度情報化社会の出現を可能にした最も大きな要因は,IC(Integrated Circuit,集積回路)を基本とする半導体集積化技術の発展に他ならない.たとえば,発明当初には一部屋を占有していたコンピューターは,持ち運びが楽に出来るサイズにまで改良された.このような半導体を利用した技術の隆盛が20 世紀後半をエレクトロニクスの時代に変えたわけである.しかし,電子による情報の処理時間や方法には限界がある.それを改良するための技術として有望視されているのが,エレクトロニクスに光技術を取り込んだ光エレクトロニクス,あるいは光技術に重点をおいたフォトニクスと呼ばれる光学技術である.フォトニクスでは光信号の伝送,増幅,記録,スイッチ等,電気回路と同様のデバイスやシステムが求められる.エレクトロニクスで実現しているICやLSI(Large ScaleIntegrated Circuit,大規模集積回路)に相当する光集積回路が作製されれば,光コンピューターの開発も促進されるであろう.また,現在の大都市間を結ぶ幹線系光通信の主流は,一本のファイバーで波長の異なる多くの光信号を一度に伝送することが出来る波長多重(WDM, Wavelength Division Multiplexing )方式である.この技術がやがては都市の内部,すなわちメトロ系でも使われようとしており,現在のADSLの10倍以上の速度の通信が各家庭でも可能になる.WDM 方式では,いくつかの波長の光信号を合わせたり分けたりするデバイスが必要である.合分波デバイスでは信頼性の高いガラス材料で形成された光導波路型が多用されているが,幹線系用に開発されたデバイスは大規模で高価なものが多く,メトロ形で強く求められる低コスト化と小型化には向かない.すなわち,メトロ形で使用される光デバイスの多くは,マンホールの中や電柱に設置されるため,狭い場所に収納でき,かつ温度や湿度の変化に対して安定でなければならない.
このようなフォトニクスの基盤となるデバイスや材料を開発する目的で,様々な物質の物性や合成に関する研究が活発に行われている.一つは単結晶,微粒子,薄膜を中心とする無機結晶であり,物性の側面から眺めると,多くの半導体,誘電体,磁性体,蛍光体の光機能性が調べられ,実用化が図られている.コンパクトディスクやバーコードの読み取りに使われる半導体レーザー(レーザーダイオード),光通信の戻り光を遮るための光アイソレーターとして用いられる磁気光学結晶,カラーテレビ等のディスプレイに利用される蛍光体結晶など,その例は枚挙に暇がない.
一方で,無機ガラスや有機高分子(プラスチック)は,可視域を中心とする広い波長範囲で光の透過率が高く,加工性や成型性にも優れ,種々の光活性イオンや分子を溶かし込むことができるといった長所をもち,特に前者は機械的強度や熱的安定性にも優れているため,無機結晶と並ぶ重要なフォトニクス材料となっている.周知の通り,酸化物を中心とする無機ガラス物質はレンズやプリズムのような光学部品として様々な分野で実用化されており,一部のガラス材料は,レーザー,光通信用ファイバー,光メモリーなどとしても用いられている.
また,最近フォトニック結晶と呼ばれる周期的な屈折率分布を持つ構造を半導体や高分子,ガラスなどに作りこむ研究が多くなされるようになってきた.これにより,光を材料内部に閉じ込めてレーザー発振させたり,ある特定の波長のみを透過させるフィルターを形成したり,光を急峻に曲げる光回路を作るなど,応用面への展開が図られつつある.
また,光だけでなく,電波への応用も期待されている.したがって本特集では,フォトニクスデバイスの中でもこのような新規なフォトニック結晶を中心に据えるとともに,それ以外の興味深い光機能性をデバイスも合わせて詳しく解説して頂き,今後の実用化の可能性を提言して頂くこととした.御一読頂ければ幸いである.

レーザーの非線形干渉場露光による無機ガラスと有機ポリマーへの規則構造導入と新しい光機能性付与
■著者
京都大学大学院工学研究科　教授　平尾　一之　他

■要約
パルス幅の非常に狭いフェムト秒レーザーを非晶質材料であるガラスや高分子内部にレンズで集光して照射すると,空間選択的に新しい永続的または準安定な電子構造を材料内部に誘起することができることが観測されている.我々はレーザー照射条件を制御し,照射によりできた微細スポットの中心の屈折率が未照射部のより2%以上も大きくなることに突き止めた.これによりガラス内部に光導波路を一筆書きのように簡単に描けるだけでなく,サブミクロンの非常に微細な三次元の光回路も作製できることとなった.本文は短パルスレーザーの非線形干渉場(ω + 2ω)によるガラスなどの新しい機能性発現について紹介する.



光造形法によるフォトニック結晶の作製と電磁波デバイスへの応用
■著者
大阪大学接合科学研究所　桐原　聡秀　他

■要約
本稿ではフォトニック結晶の基礎原理について述べた後に,結晶作製の実例として高誘電率セラミックスを分散したエポキシ系フォトニック結晶の開発を紹介する.光造形法による結晶作製については,工程を追いながら概要を述べる.電磁気理論に基づいたフォトニック結晶の電磁波特性予測や三次元設計法についても実験データを中心に述べていく.得られた知見を基にした傾斜格子構造を有する電磁波デバイスの試作についても紹介し,次世代の情報通信において光造形フォトニック結晶が果たす役割について構想を述べたい.


透明材料のフォトニック結晶の作製とフォトニックデバイス
■著者
徳島大学大学院工学研究科　科学技術振興事業団　松尾　繁樹　他

■要約
波長程度の周期で屈折率が周期的に変調した人工光学材料である“ フォトニック結晶”の概念は,1980 年代の後半に提唱された.これは自然放出の制御,光の局在化など従来の材料には見られない特異な性質を示すことから,基礎科学に加えて応用面でも強い興味がもたれ,活発に研究されている.本稿では,次節でフォトニック結晶の応用についてごく簡単に述べ,その後の節ではレーザー加工による透明材料フォトニック結晶の作製と光学特性についてわれわれの研究を中心に紹介する.


共鳴領域での深溝回折格子を利用した分波器
■著者
産業技術総合研究所　光技術研究部門　ガラス材料技術グループ　グループリーダー　西井　準治　他

■要約
最近の光情報通信分野では,メトロ系,アクセス系の波長多重(WDM) 用パッシブデバイスの市場拡大に期待が寄せられている.そこでは,幹線系で用いられる高密度WDM 用デバイスではなく,低コストで小型な合分波器などが使われると予想される.一方,光通信だけでなく情報家電機器やバイオ・分析機器の分野でも,高機能で小型な光学素子が求められており,その作製には半導体と同レベルの微細加工が用いられる場合が多い.我々は,光の波長と同レベルの周期構造を有する回折格子をガラスの表面あるいは内部に形成し,従来にない高効率な分波器の作製を試みている.本稿では,周期構造形成技術と分波器の設計,試作について紹介する.


フォトニック結晶における非線形効果の増強とデバイス化
■著者
奈良先端科学技術大学院大学　物質創成科学研究科　井上　英幸　他

■要約
フォトニック結晶構造における光学非線形性に関する研究は,近年になり二次元フォトニック結晶を用いた面発光レーザーの研究や,光Kerr 効果によって生じる自己束縛による局在電場に関する研究などの理論的な研究がなされるようになってきた4)-7).しかしながら,実験分野では,まだそれほど局在電場による影響に関する報告は多くなく,第二高調波発生を利用した研究等がなされている.本解説では我々が精力的に取り組んでいる,欠陥を導入した全反射型一次元フォトニック結晶構造の局在電場による非線形光学効果に関して以前の我々の報告を基に簡単に紹介し,光非線形デバイスへの展開について述べる.


ルチル単結晶と光デバイス
■著者
NECトーキン(株)　ブロードバンドデバイス事業推進部　光デバイスG　グループリーダ　町田　博

■要約
ルチル単結晶は屈折率および複屈折の大きい材料として知られている.この特徴を生かし様々な製品が生まれてきた.今回は,このようなルチル単結晶の異方性に関する特徴を示し,その特性を応用した光デバイス,特に光アイソレータ用偏光子,各種光デバイス用複屈折板の適用例を説明する.さらに,光触媒材料,強磁性材料などルチル単結晶の今後の活用が期待される分野についてもその現状を紹介する.


特許から見たフォトニクス結晶材料の開発動向
■著者
元　大阪工業技術研究所　所長　速水　諒三

■要約
フォトニクス材料を結晶に限り,2000 年以後に公開された特許を種々のキーワードで検索した.ヒットした件数が目立って多かったのは,フォトニック結晶,波長変換,蛍光,非線形,光導波路などで,光ファイバー,光デバイスがそれに次ぎ,光集積回路,マイクロレンズ,光増幅,光メモリー,光スイッチではヒット件数が少ない.ここではテーマを出願件数の多い項目に設定し,出願人ごとの開発動向と代表的特許について記述した.


特許から見たフォトニクスガラス材料の開発動向
■著者
寺井ガラス技術事務所　寺井　良平

■要約
DWDM(高密度波長分割多重)システムの進展はアメリカからはじまって次第に先進国へと広がり,やがて全世界を覆うに違いない.インターネットから,デジタルTV,ユビキタスの発展と続く情報通信革命はこれからが本番となる.これに伴い様々なフォトニクス結晶やフォトニクスガラスが提案され,そのデバイス化も進行しつつある.ここでは,こうした光通信ネットワークの展開の基礎となるフォトニクス材料とそのデバイス,特にフォトニクスガラスから,公開特許を中心に最近の開発動向をまとめて示すことにする.


フォトンクラフトシンポジウム報告
■著者
科学技術振興事業団　フォトンクラフトプロジェクト　邱　建栄

■要約
2002 年10 月18 日から10 月19 日まで,上海から汽車で2 時間程度の中国の風光明媚な都市-杭州市のLily Hotel において,Photon Craft InternationalCooperative Research Project Symposium が開催された.フォトンクラフトプロジェクトは2000 年2 月に発足した日本科学技術振興事業団と中国科学院との国際共同研究プロジェクトである.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した偉人,怪人,異能,努力の人々(6)岸敬二郎,大倉和親,百木三郎,江副孫右衛門,加藤薫,中村孝,兵藤兵吉,森村義行,吉本熊夫,鈴木巳代三,野淵三治,などの方々の苦難と成功の道(2)-日本陶器,日本ガイシ,日本特殊陶業など各社の発展史の一断面-
■著者
宗宮　重行


タイ便り(14)　悪戦・苦闘の記(その2)
■著者
Chulalongkorn Univ. Faculty of Science　教授　和田　重孝

■要約
前回は,タイの大学で研究する場合に苦労していることについて書いた.ならば,次は,解決策は何かについて書くべきであろう.もちろん,現在のタイの社会習慣やシステムは一朝一夕に変わるはずは無いので,現状を是認した上で,それでも少しは思ったように仕事をするにはどうしたらよいかについて,実行していることを書いてみたい.