東大ら,薄いフォトニック結晶の光制御性を確認

東京大学,電気通信大学,京都工芸繊維大学,オランダ・トゥエンテ大学の共同研究グループは,3次元フォトニックバンドギャップ結晶が,比較的薄いものであっても光の流れを強力に制御できる可能性があることを見出した(ニュースソース)。

フォトニック結晶は,電子の流れを制御できる半導体と同様に,光に対するエネルギーギャップによって光を操作することのできるナノ構造をもつ人工光学材料。これまで3次元的な構造周期性を有するフォトニック結晶(3次元フォトニック結晶)に対して,様々な光学測定を行なうことで,光のエネルギーギャップの存在が示されてきた。しかしながら,これまでの研究では,光のエネルギーギャップが形成されるためには,十分な厚みが必要になると考えられていた。

研究グループは,ウッドパイル構造と呼ばれる3次元フォトニック結晶を精密に作製・評価することで,フォトニック結晶の厚みが比較的薄いものでも,光の流れを強力に制御できる可能性があることを示した。

ウッドパイル構造では,ダイヤモンド鉱石の構造が模倣されており,半導体ウエハー面内の縦・横の方向に細線が配列する薄い層が積層されている。研究グループは,日本で開発された高精度な積層技術を用いて試料を作製し,オランダへ輸送して光学評価を行なった。その結果,厚みの異なるウッドパイル構造からは,光のエネルギーギャップの存在を示唆する高い反射率の波長帯域(ストップバンド)が観測された。

これにより,これまでのオパール状のフォトニック結晶と比べると,ウッドパイル構造では厚みが薄いものでもストップバンドが明瞭に現れることを発見した。この成果は,3次元フォトニック結晶の厚みが薄い場合においても,光に対するバンドギャップによって,光の流れを強力に制御できる可能性があることを示唆するもの。

フォトニックバンドギャップ結晶は,小型の光回路や薄膜太陽電池などに応用が可能になることから,光エレクトロニクスに設計に大きく貢献するものと期待される。また,フォトニック結晶を薄くできることで,作製に必要な材料と時間の削減も可能になるとしている。

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