フォトニック結晶技術の進展

京都大学工学研究科

野田 進

量子科学技術委員会2016年12月27日

I. フォトニック結晶と、その開発の歴史

II. 完全３次元フォトニック結晶の実現と光制御

III. ２次元フォトニック結晶への展開

IV. 実用化が開始した「フォトニック結晶レーザ」

V. 新たな実用化が期待される「熱輻射制御デバイス」

VI. 将来展望（まとめに代えて）

参考資料、補足説明1

資料２－６科学技術・学術審議会先端研究基盤部会

量子科学技術委員会（第７回）平成２８年１２月２７日

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

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

FR

EQ

UE

NC

Y[c

/a]

3次元の全方向の光の伝搬を禁止

周波数

フォトニック結晶：光の波長程度の周期的な屈折率分布をもつ多次元光ナノ構造

－半導体からの類推により多彩な光制御が可能になると期待 －

I. フォトニック結晶とその開発の歴史

2

1990年代半ばまでは、絵に描いた餅状態

1. 完全な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

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つ示していく必要があった

3次元フォトニック結晶

2

II.完全３次元フォトニック結晶の実現と光制御

316262.516265.016267.516270.016272.516275.016277.516280.016282.5

14997.5

14995.0

14992.5

14990.0

14987.5

14985.0

14982.5

14980.0

14977.5

14975.0

col

row

250 500 750 1000 1250

_—Z’_4_1_4_0deg_PL_pc_h_def_1_0_1mm_1sec_20M_30mW_slicon_filtered_Graph_”g’·1552_54nm_txt_32

曲り

入力

出力

入力

出力

曲り10 mm

b

700nm

Noda, et al., Science 289 (2000) 604

光波長域における完全結晶の初めての実現

Ogawa, Noda, et al, Science 305 (2004) 227.

発光体と人為欠陥導入による発光制御の実現

線欠陥導波路の導入による3次元立体光導波の実現

Ishizaki and Noda, Nature Photon., 7 (2013)133.

3次元的な光の曲げ伸ばし伝播が実現0.7mm

人為欠陥では発光が増強

完全結晶部では発光が抑制

2次元フォトニック結晶スラブによる光制御法の発明・実証

f1,f2,..., fi,

fi

fi

1500 1550 1600Wavelength (nm)

Inte

nsity (

a.u

.)

dl=0.4nm

Q=3800

Noda, et al, Nature 407 (2000) 608.

III. ２次元フォトニック結晶への展開

4

PCn

光入力(λ1, λ2,… )

PC1 PC2

a1=418.75nm

a2=417.5nm

PCn-1

λ2

λn

λ1

格子定数が～1nm程度ずつ異なる結晶を連結

線欠陥導波路および点欠陥ナノ共振器の導入により伝搬する光を捕獲し放出可能なことを初めて示した

フォトニックヘテロ構造により放射効率を一定に保ったまま多波長動作が可能となった

Song, Noda, et al, Science 300 (2003) 1537.

フォトニックヘテロ構造の概念創出点・線欠陥導入と光操作

(注1)

Q > 40,000

Akahane, Noda, et al, Nature (2003)

5

Song, Noda, et al, Nature Materials (2005)

Q > 600,000

ナノ共振器のQ値増大法の発明

孔配列を数nm～数10nm変化させることでQ値が劇的に増大

極最近、Q>1000万の実現にも成功

孔シフト

ダブルヘテロ構造

高Q値ナノ共振器の概念の創出

(注2)

数ピコ秒の光パルスを数10～数100ピコ秒間保持する光メモリー機能が実現

Tanaka, Noda, et al, CLEO/PR 2005 and

Nature Materials, 2007

6

Takahashi, Inui, Noda, et al., Nature (2013).

ラマン散乱効果を極限的に高め、mWレベルの超低閾値発振が実現

光メモリー機能の実現 シリコンで、ナノレーザ実現

新しい材料系SiCへの展開可視～赤外域への展開。Nvセンター活用にも道。

Yamada, Noda, et al., APL (2011).

様々な波及効果と応用展開（その1）

(注3)

Sato, Noda, et al, Nature Photon., 6, 56 (2012).

Konoike, Noda, et al, Science Advances (2016)

高Q値ナノ共振器およびその考え方が様々に活用され、量子ドット等の量子構造と融合し、ナノレーザや強結合状態の形成が実現

（例) Caltech: Yoshie, et al, Nature (2004)

UCSB: Strauf, et al, Phys.Rev.Lett. (2006)

ETH: Hennessy, et al, Nature (2007)

Tokyo: Nomura, et al, Optics Exp. (2007)

Stanford: Vuckovic, et al, Nature (2007)

NTT: Matsuo, et al, Opt. Express (2012)

Yokohama: Baba, et al, Appl.Phys.Lett. (2014)

etc.

Noda, Science (2006)

7

量子ドットナノレーザや光・電子強結合状態の形成

光量子情報処理チップ実現のためのプラットホーム形成

様々な波及効果と応用展開（その2）

離れたナノ共振器(cavity A, B)を強く結合させ、光を自在に往復させること、および制御光の照射で、結合を動的に切断することが可能となった

8

フォトニック結晶のバンド端（面内光結合）共振効果に基づく大面積コヒーレントレーザ

Imada, Noda, et al, APL 75 (1999) 316.

Noda, et al, Science 293 (2001) 1123.

フォトニック結晶

クラッド

活性層

クラッド

電極

電極（裏面）

基板

面垂直方向への光出力

面内光結合による共振効果

IV. 実用化が開始した「2次元フォトニック結晶レーザ」

9

・大面積単一縦横モード発振可能

・ワンチップで、究極的には、100W超級の単一モード・コヒーレント

動作が可能と期待。また、合波により、1kW超級の動作も可能な

ると期待

・様々な新機能が発現

特長と可能性

開発の歴史

室温パルス条件では、40W動作が実現

60 A

全出力範囲でビーム広がり角 < 1°

10

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Current (A)

Po

wer (

W)

0 .0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Vo

lta

ge(V

)

0.0

0.5

1.0

1.5

Ou

tpu

t p

ow

er (

W)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Current (A)

2.50.0

0.5

1.0

2.5

Volt

age

(V)

1.5

2.0

20 A

1º

40 A

1º

60 A

1º

CW

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50 60

Current [A]

Peak o

utp

ut pow

er

[W]

Current (A)0 10 20 30 40 50 60

0

10

20

30

40

Peak

pow

er

(W) Pulse

レンズなしでの燃焼実験に成功

高出力レーザ発振特性

室温連続条件で、高ビーム品質ワット級動作が実現

Hirose, Noda, et al, Nature Photon. (April 2014)

Watanabe, Noda, et al, Unpublished

デバイスサイズＬの拡大が不可欠L

基本モード 高次モード

2次元光結合と、上部への光放射効率を一定に保ったままで、面内光閉じ込めを弱く出来、デバイスサイズの拡大と高次モード抑制が同時に可能となることを見出した

基本モードと高次モードの発振のしやすさの差を十分大きくする必要あり

光路長差： l/2

打ち消し合いの干渉

0.25a

高ビーム品質・高出力（＞CW, 10-100W)の実現が期待

11

さらなる高出力化のために

ダブルホール構造の発見0.25a

光製造におけるイノベーション

市場規模 （2009年）レーザ加工機市場 7000億円（エキシマレーザ露光機を除く）内 レーザ発振器全体 2200億円

（米）

金属切断

半導体露光

プリント基板穴あけ

その他

Ｇ社ESI （米）

その他

日立

ビアM社

サイマー

トルンプ

バイス

その他

Ｍ社Ａ社

Ｍz社

（ドイツ）

（スイス）

国内メーカー

CO2レーザ

エキシマレーザ

国内メーカー

国内メーカーCO2レーザ

100種類に及ぶ多様な用途に、数百のメーカー（ベンチャー）が存在

精密切断溶接

マーキング

各種加工

その他

IPG（米）

ＬＤ励起ファイバレーザ/ディスクレーザ

成長用途へ適用

12

様々な波及効果と応用展開（その1）

切断用途へ適用（CO2レーザ置換および補完）

PCSEL合波レーザ

PCSEL

PCSEL励起ファイバレーザ／ディスクレーザ

フォトニック結晶レーザ (PCSEL)

(注4)

13

レンズフリーで高効率発振が実現（阪大との共同研究）

レンズフリーで波長変換実現

2次元ビーム走査（ライダー、センサー応用)

高効率波長変換

変調フォトニック結晶構造により、電子的２次元ビーム走査可能なレーザの実現も可能に

Yb:YAGレーザの励起

Kurosaka, Noda, et al, Nature Photon., 2010)Yasuda, Kitamura, Noda, et al, ICSL, 2016

様々な波及効果と応用展開（その2）

Watanabe, Noda, et al, SPIE (2014)

Guo, Noda, Miyanaga, et al, Opt. Lett. 41(2016) 4653.

熱輻射デバイスのリノベーション、エネルギーの有効利用へ

V. 新たな実用化が期待される「熱輻射制御デバイス」

14

600 800 1000 1200 1400 16000

1

2

3

4

5

Wavenumber (cm-1

)

Rad

iati

on

in

ten

sity

(a.

u.)

熱輻射制御デバイス

黒体

極めて遅い熱輻射を、104倍以上高速に変調することが実現

a

b

c

Depth from the top surface (nm)

En

erg

y (

eV

)

Efp i nquantum wells

600 800 1,000 1,200 1,400 1,600

0

5

10

Ab

s. co

eff

. (c

m-1

)

Vrev (V)

0 2 4 6 8

4,000

3,000

2,000

1,000

0Vrev= 8 V

Vrev= 0 V

d

Q~95

1,050 1,100 1,150

Wavenumber (cm -1)

Ra

dia

tio

n in

ten

sity

(a

.u.)

Vrev= 0 VVrev= 2 VVrev= 4 VVrev= 6 VVrev= 8 V

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

ε = 0.81

ε = 0.12

1,000 1,500 2,000

Wavenumber (cm -1)

Wavelength (µm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.05678910121416

Em

issi

vit

y

1,000 2,000

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Vrev= 0 V

Vrev= 8 V difference

P-type ohmic contacts

n-GaAs(t=800 nm)

N-type ohmiccontacts

GaAs/n-AlGaAsquantum wells(t=200 nm)

GaAs substrate

Vrev p-GaAs(t=800 nm)

i-GaAs(t=200 nm)

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

Inoue, Noda, et al, Appl.Phys.Lett. (2013). Inoue, Noda, et al, Nature Materials (2014)

入力パワー(2.26mW)

熱輻射の集約

極めて広いスペクトルをもつ黒体輻射を、エネルギー損失なく、狭いスペクトルに集約することが実現

高速変調

超小型環境センサーや、バイオセンサー応用が期待

熱輻射スペクトルの可視～近赤外域への集約が実現Asano, Suemitsu, Noda, et al, Science Advances (24 Dec. 2016)

15

高効率熱光発電への展開が期待

可視～近赤外域への熱輻射スペクトルの集約

フォトニック結晶の研究は，サイエンスとしての進展のみならず、今、まさに世の中に活用される時代にもなりつつある．近未来には、

・超小型光チップ、光量子情報処理のためのプラットホームの実現

・ワンチップ高ビーム品質・高出力(>10～100W)レーザの実現（半導体レーザ分野のパワー軸での革命）

・ビーム走査、センサー機能などを備えた新型半導体レーザの実現

・熱輻射デバイスの革命

・効率50%を超える高効率太陽熱光発電システム

を始めとする、様々な興味深い展開が期待され、21世紀を支える光科学・技術の基盤技術として進展するものと期待される．

VI. 今後の展望（まとめに代えて）

16

参考資料 (1)：世界の研究機関・研究者

ヨーロッパUniv. York (Tohmas F. Krauss), Gent Univ. (Roel Boets), Kavli Institute in

Delft (Cobus Kuipers), Max Plank Institute (Philip Russell), Univ. Bath

(Jonathan Knight), Martin Wegner (Karlsruhe Inst. Tech.), Univ. Twente

(Willem L. Vos), etc.

北米Stanford Univ. (Shanfui Fan, Jelena Vuckovic), MIT (Marin Soljacis, John

D. Joannopoulos), Univ. California Berkeley (Eli Yablonovitch), Harvard

Univ. (Marko Loncar), Caltech (Oskar Painter), Texas A&M Univ.

(Aleksei.Zheltikov), etc.

アジア、オーストラリアUniv. Sidney (Ben Eggleton), Zhejiang Univ. (Min Qui), Fudan Univ. (Jian

Zi), Chinese Acad. Sci. (Zhi-Yuan Li), Kaist (Yong Hee Lee), Sungkyun-

kwan Univ. (Song Bonshik), etc.

日本Kyoto Univ. (Susumu Noda, Takashi Asano), NTT (Masaya Notomi),

Yokohama National Univ. (Toshihiko Baba), Univ. Tokyo (Yasuhiko

Arakawa, Satoshi Iwamoto), Tohoku Univ. (Shojiro Kawakami),

Hamamatsu Photonics, Rohm, Stanley, Mitsubishi, Osaka Gas, etc. 17

参考資料 (2)：日本の立ち位置

アクティビティおよびインパクト（Web of Science調べ）

総論文数（上位10名） Nature, Science およびその姉妹誌の論文数（上位10名）

総論文数、高インパクト論文数ともに、上位10名の中に日本の研究者が3名ずつ存在するように日本の世界におけるプレゼンスは極めて高い

Key words: “photonic crystal” or “photonic crystals”

18

補足説明

(注1) 当初、フォトニック結晶による光の制御のためには、2次元結晶では上下方向の光閉じ込めが出来ず、3次元結晶が不可欠と漠然と思われていたが、上下が空気のような低屈折率層で挟まれた極薄の誘電体薄膜（2次元フォトニック結晶スラブ）を用いることで、上下方向を強い屈折率差で閉じ込めることが可能になることが判明し、p.5-7に示すように、3次元結晶に勝るとも劣らない光制御が可能となった。このことがフォトニック結晶の様々な進展に促すこととなった。ただし、究極的な光制御のためには、p.3に示すような3次元結晶は魅力的であると言える。

(注2) Q値：Quality FactorのQをとって、Q値と呼ばれる。これは、光閉じ込め部分の共鳴の鋭さを表す値であり、どのぐらい長く光を閉じ込めることが出来るのかの目安になる。Q値が大きいほど、共鳴した波長の光は減衰が少なくなり、より長く光を閉じ込めることが出来るようになる。

(注3) 光メモリ－機能：ここでの光メモリ－は、光を光のままで、蓄積しておくメモリ－を意味する。

(注4) 従来、金属切断などの光製造において、日本の優位性は揺るぎないものであったが、米国のIPG社のファイバーレーザの出現で、精密切断や、マーキングなどの成長分野も含めて、日本の優位性が危ぶまれる状態となっている。フォトニック結晶レーザ（PCSEL）は起死回生の一手となると期待されている

19