研究紹介

　フォトニック結晶とは、屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体です。図２に、１次元、２次元および３次元のフォトニック結晶の周期構造模式図を示します。先ず、理解しやすい１次元フォトニック結晶について説明します。図において、左下から右上の方向に光が進み、１次元フォトニック結晶の周期と垂直方向に光が入射するとします。光は、屈折率差がある場所で、ある反射率を持って必ず反射されます。屈折率の異なる材料の界面が光の波長の1/４の厚さの周期で規則正しく並ぶと、つまり構造の周期が光の波長の１/２の場合、各界面からの反射光の位相がそろいます。各界面からの反射率がそれほど高くなくても、全体としては多重反射により100％に近い極めて高い反射率を実現できます。先の“はじめに”で説明した第２世代の面発光レーザの多層膜ミラーも、実は１次元フォトニック結晶です。光は、外部からフォトニック結晶内部に進入することができません。逆に、フォトニク結晶内部にある光は、外に出られず内部に閉じ込められます。

図２　１次元、２次元および３次元のフォトニック結晶の周期構造模式図

　２次元、および３次元のフォトニック結晶でも、同様な現象が起こります。一般的には、２次元や３次元の周期構造体を指してフォトニック結晶とよびます。それは、昔からある多層膜の１次元フォトニック結晶では、実現できない新しい機能を実現できるからです。２次元あるいは３次元の周期構造中に意図的に周期の無い部分を設けると、その部分は光を閉じ込める部屋（光共振器）や光が流れる道（光導波路）として働きます。それは光の波長と同程度の大きさですから、非常に小さなデバイスを作製できる可能性があります。そのため、フォトニック結晶は、現在ホットな研究トピックスになっています。
　２次元および３次元のフォトニック結晶の作製は非常に困難です。しかし、２次元フォトニック結晶は、最近の作製技術の進歩により実用化が期待されています。図３に示す様に、半導体などの高屈折率材料に周期的に深孔を掘り、屈折率が１の空気で満たせば、２次元フォトニック結晶を作製できます。実際のデバイスは３次元ですから、２次元フォトニック結晶の光を３次元で制御する必要があります。具体的には、図４に示す様に、２次元フォトニック結晶を有限の厚さのスラブ層として、その上下を空気などの低屈折率材料ではさみます。全反射効果で、光をスラブ層に閉じ込めます。


図３　２次元フォトニック結晶の例	図４　スラブ型２次元フォトニック結晶の例