京都大学工学研究科 野田 進

ここまで来たフォトニック結晶技術：

光を自在に制御することを夢見て

2014年2月19日

１．フォトニック結晶について

２．初期のフォトニック結晶研究状況

３．結晶そのものの開発から様々な光制御の実現まで

４．最近の研究進展の例（含：フォトニック結晶レーザ）

５．ACCELプログラム

６．まとめと展望

2次元フォトニック結晶

3次元フォトニック結晶

0

0.1

0.2

0.3

0.4

FREQ

UEN

CY

[c/a

]

X J

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

X U L X W' K' W X' K L K'' X'

FREQ

UE

NC

Y[c

/a]

波数

波数

周波

数

周波

数

１．フォトニック結晶

1990年代前半は、ほぼ絵に描いた餅状態

1. ナノスケールで制御された多次元周期構造の実現が極めて困難であったこと。光波長域において、フォトニック結晶は存在しなかった。

2. 具体的にどのようにフォトニック結晶を光制御に活用していくかも明らかでなかった。

２．初期のフォトニック結晶研究状況

結晶開発そのものからスタート

開発した結晶を用いて、フォトニック結晶によって、どのような光機能が具体的に得られるかを１つ１つ示していくこと

結晶開発

(d) 不要基板の選択的除去

(e) 光干渉法を用い

た精密位置合わせと結晶形成. さらに、(c), (d)の繰り返しによる多層立体構造形成

(a) 結晶成長

(b) ストライプの形成

(c) ウエハ融着

GaAs (or InP)AlGaAs (or InGaAsP)GaAs (or InP)基板.

ナノスケール(<50nm以下の揺らぎ）での積み木細工

３．結晶開発とそれによる様々な光制御の実現

位置合わせ・結晶積層装置開発

試料ホルダー

全体像

Lamp

Diffuser

Sample stage(Piezo Actuation)

Sample stage (Fixed)

Samples

Two-field microscope

NIR CCD cameras

Computer

Load sensor

Z-axis stage

X-Y- 位置ずれ補正(Control of Piezo Voltage)

画像解析による位置ずれの検出

0 10 20 30-100

0

100

200

300

Repeat count (times)

Mea

sure

d po

sitio

nal e

rror

(nm

)

x方向 y方向

OFF ON

Convergencewith < 50 nm

Initial error~ 200 nm

x-directiony-direction

自動位置合わせ結果

Laser Beam

Observing the Diffraction Pattern

Change of Relative Position

4µm

I. レーザビーム回折法

-2th -1th 0th +1th +2th

Pattern A Pattern B

8.00 m 8.05 m

Ref. (Overlapped)

100 m

II. パターン認識法

3次元結晶の開発

m

10m700nm

S. Noda, et al., Science 289 (28 July 2000) 604

m

10m

透過測定 反射測定

透過率

反射率

100

10-1

10-2

100

10-1

10-2

波長 (nm)1000 1200 1400 1600

=0º=10º=20º

=30º=40º

=0º

完全結晶部では発光の抑制

欠陥部分では、発光の増強

発光制御の実現

Ogawa, Noda, Science 305, 227 (2004).Fujita, Noda, et al, Science 308,1296 (2005).Noda, Science 314, 260 (2006).Noda, et al, Nature Photonics 1, 449 (2007)Ishizaki and Noda, Nature 460, 367 (2009).Takahashi, Noda, et al, Nature Materials 8,721 (2009).

フォトニック結晶による様々な光制御へ

250m

λ7

λ6

λ5

λ4

λ3 λ1

Noda, et al, Nature 407, 608 (2000).Song, Noda, et al, Science 300, 1537 (2003)Noda, Science 314, 260 (2006).Noda, et al, Nature Photonics 3, 129 (2009).

従来の1/10,000以下のサイズのデバイス

10mλ2

λ=1550.0 nm

1546.2 nm

1541.0 nm

1535.9 nm

1530.8 nm

1524.0 nm

1517.1 nm

2次元フォトニック結晶への展開

― ナノデバイス実現 ―

410nm 410nm420nm

Photonic double hetero cavity

ShiftTuning of air holes

極微小領域への光閉じ込め

光の波長程度の

領域に、極めて強い光閉じ込めの実現

大面積コヒーレントレーザの実現

大面積での光の制御

Q>9,000,000Akahane, Noda, Nature 425, 944 (2003).Asano, Noda, Nature 429, doi:10.1038 (2004).Song, Noda, Nature Materials 4, 207 (2005).Noda, et al, Nature Photonics 1, 449 (2007).Takahashi, Noda, et al, Nature 498, 470 (2013).

Noda, et al, Science 293, 1123 (2001).Miyai, Noda, et al, Nature 441, 946 (2006).Matsubara, Noda, Science 319, 445 (2008).Kurosaka, Noda, Nature Photonics 3, 129(2009)

研究を通じて見えてきた自在な光制御

ii) バンド端エンジニアリング（バンドの特異点での光制御）

バンド端における定在波状態の形成 --- 大面積光制御

iii) バンドエンジニアリング

ユニークな分散特性 --- 光の進行方向の変換, 光の速度変換

i) フォトニックバンドギャップ・欠陥エンジニアリング

フォトニックバンドギャップ： 光の存在、発光の禁止

点欠陥: 光の局在 、発光の増強 --- ナノ共振器

線欠陥: 局所域での光の伝播 --- ナノ導波路

・・・ 高効率発光デバイス（固体照明等）, ナノレーザ, 光回路,量子演算チップ, バイオセンサー

・・・大面積レーザ、太陽電池応用、各種非線形応用

・・・光バッファー, 分散制御, 太陽電池応用

４．最近のフォトニック結晶の進展例

２. ナノ共振器を利用したシリコンレーザの実現（シリコンフォトニクスの新展開）

１．3次元光伝播の実現（究極の光チップへ）

４. 大面積光制御によるユニークなレーザの進展高出力・高効率動作、光ピンセット、光ビーム走査

(ACCELにつながる成果)

３. 熱輻射制御（高効率太陽光発電に向けて）

3次元フォトニック結晶

直角曲げ構造10 m

10 m

Out-put

Input

Out-put

Input(光出力イメージ)

(顕微鏡写真)

(電子顕微鏡写真)

３次元光伝搬の実現

シリコンレーザの実現

励起1435 nm

ラマン散乱の増強1550 nm共振波長

1435 nmラマンシフト15.6 THz64 meV520 cm-1

ラマン散乱による光増幅作用の増強

Nature (Takahashi, Inui, Asano, Noda, et al) (June 27, 2013) 室温で、どの材料系よりも最も低い閾値で動作

シリコンレーザ発振

発振直前

発振直後

熱輻射制御の実現

通常、物体からの熱輻射スペクトルは広く、極めてエネルギー効率が悪い。例えば、太陽光の場合、スペクトルが広すぎて、太陽電池で効率良く光電変換できない。

太陽電池で有効に使われるスペクトル範囲

太陽電池で有効に使われるスペクトル範囲

太陽光スペクトルを変換

太陽光

レンズ 熱輻射制御デバイス

狭帯域輻射

太陽電池

人工物質によって狭帯域化したスペクトル

輻射パワー

(a.u.)

波長 (ｍ)0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

地球上太陽光スペクトル

波長 (ｍ)

輻射パワー

(a.u.)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Nature Photonics (Menaka, Noda, et al) (2012)

大面積光制御によるユニークなレーザの進展

ー フォトニック結晶レーザ ー

(ACCELにつながる成果）

フォトニック結晶レーザの特徴

・原理的にどのような大面積でも単一モード発振が可能

・高出力（面発光）動作

・従来にない新機能（オンデマンドなビームパターン、

電子的ビーム走査等）をもつ

面発光領域

活性層

クラッド層

フォトニック結晶

クラッド層

基板

電極

電極

電子ブロック

A

B

デバイス構造

-X

-M

動作原理

原理的に、どのような大面積でも

単一モード動作可能

面発光動作

面内光結合

MX Xk//

Freq

uenc

y (c

/a)

X M

バンド端

k//

A

B

C

D

バンド端エンジニアリング

レーザ発振後の近視野像とレーザスペクトル

～150m角でのコヒーレント発振の実現（通常の1,000倍以上の出射面積）

面発光

面内光結合

ビームパターン

- Max.+ Max. 0

y

x

位相シフト 位相シフト

位相シフト

位相

シフト

Phase shift

位相

シフト

ビームパターン制御

遠視野での干渉状況の変化

様々なビームパターンの生成が期待

287nm

29.2m1°

29.2m

29.2m

結晶構造の操作とビームパターン

２種類のドーナツビーム

1º

:Polarization :Polarization

接線方向偏光 径方向偏向

ConventionalDoughnut

光ピンセット動作

不透明物質 (金属等）の操作が可能に

接線方向偏光ドーナツビームの応用

微小集光が可能に

非常に小さなスポットへの集光が期待

高いNAレンズ.

集光点で残る成分

径方向偏光ドーナツビームの応用

結晶構造の操作とビームパターン

287nm

29.2m1°

29.2m

29.2m

28

格子点構造の変調による量子効率向上

Circle

PEA

K P

OW

ER (m

W)

CURRENT (mA)

(pulse 500ns, 1kHz)Rectangular

triangle

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400 500

triangle

29

高出力動作実現に向けて

結晶成長によるフォトニック結晶構造の埋め込み

30

200m角デバイスで、室温連続(CW)状態で、世界最大の光出力を達成

光出力

Active layer

xy

y

x200 nm

yx

z

上面図 断面図

・日本のものづくり(光製造）への貢献

・半導体レーザそのものの概念の変革へ

５．ACCELプログラム

さらなる高出力化においても、安定な単一モード動作を可能にするデバイス構造の探索（格子点形状の最適化等）。

面積を現状の200m角から500m～1mm角に拡大しつつ、光出力を現状の10倍以上に増大する。さらに合波デバイスの開発を行う。

フォトニック結晶レーザならではの新しい機能の追及

６．まとめと今後の展開

21世紀を支える“光（フォトン）”を自由自在に操

る「フォトニック結晶」「フォトニックナノ構造」技術

・超効率発光デバイス（固体照明等）

・Siフォトニクスの新しい展開

・光の超高速性・量子性を活かした通信・情報技術

・全光回路(電子素子から光素子へ）

・高効率太陽光発電（熱輻射制御含め）

・ものづくり日本への貢献・半導体レーザ概念の変革

に至るまで、様々な貢献が期待