量子物性研究部
フォトニック結晶とは光の波長と同程度の周期を持つ屈折率の周期構造であり、近年のナノ加工技術の進展によって作製可能になった人工結晶である。この結晶はある条件を満たすと光の伝播を許さないフォトニックバンドギャップを持ち、このギャップ内の波長に対して自然界には存在しない光絶縁体として振舞い、光を波長サイズの領域に強く閉じ込めることが可能となる。従来の光回路では屈折率差による全反射により光閉じ込めを行っていたが、この方法では閉じ込めサイズは波長に比べてはるかに大きくなってしまい、これが光回路の小型集積化を困難にしていた。フォトニック結晶はその限界を打破する可能性を秘めており、従来困難とされていた大規模光集積回路（光LSI）を実現する有力候補としての可能性を持っている。
我々はこれまでこのような可能性に注目しNTT通信エネルギー研と共同で、Siをベースとしたフォトニック結晶の研究開発を行っており、SOI基板にリソグラフィ技術を用いて、光通信波長帯をほぼカバーする1.3から1.6 μmの波長領域に広いバンドギャップを持つ結晶を既に実現している。最近この結晶中に図1に示すような光導波路を作製し、バンドギャップ波長内で単一モード伝播する光導波路としての動作を確認した[1]。この導波路では一列抜いた中央部分のみ光の伝播が許され、強く光が閉じ込められた光導波が実現される。この導波路ではサイズの極小化に留まらず、閉じ込め原理の違いから通常は実現不可能な様々な特性が期待されるが、同様なフォトニック結晶導波路において、導波路構造制御によって光の伝播速度を大きく変化させることが可能であることを実証し、図２に示すように空気中の光速の1/100までの減速を観測した[2]。このような大きな光の伝播速度制御は高速光信号処理において様々な応用が考えられ、このような興味深い機能を持った極小幅導波路の実現は、将来のフォトニック結晶をベースとした光集積回路実現への大きなステップと期待される。
[1] M. Notomi et al., Electron. Lett. 37 (2001) 243.
[2] M. Notomi et al., Phys. Rev. Lett. 79 (2001) 253902.
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