三次元フォトニック結晶

フォトニック結晶とは、異なる屈折率をもつ物質を光の波長程度の大きさのユニットで周期的に配列した構造体のことです。この周期構造によって、特定の波長の光を完全に遮断するバンドギャップ(フォトニックバンドギャップ Photonic Bandgap)が発生し、特定の光をその結晶構造に応じて制御できるようになります。

フォトニック結晶は、特定の光の透過を遮断したり透過させたりすることが制御可能であるため、電磁波の反射・透過性能を制御できる素子(鏡など)を構築することが可能となります。また、光の閉じ込め素子、原子の発光寿命を制御する素子、半導体量子井戸の発光制御、半導体レーザの放出方向制御、各種レーザの反射ミラー、光の導波路(光ファイバなど)に応用されています。

三次元のフォトニック結晶は、レーザの性能を飛躍的に改善する材料として注目され、実用化が望まれていますが、二次元的なフォトニック結晶と比べてその製造技術は大変難しいものとされてきました。浜松ホトニクスは産官学の連携のもと独自の技術でこの難題にチャレンジしています。

自己配列化

まず、微小な(φ100nm)シリカやポリスチレン製の球状微粒子に電荷を付加し、これを溶媒に入れて何日か放置すると、静電反発によって等しい間隔に自然配列して行きます。その後、溶媒にあらかじめ混ぜておいたモノマーを紫外線固化させることで、三次元フォトニック結晶の単結晶が得られます。

この際、ゲルの濃度を適当に配合させることで、結晶は弾力のあるものから、堅いものまで作製可能となります。浜松ホトニクスは、従来の考え方をまったく一新させ、柔らかな構造を用いようと考えました。つまり、素子の両側を挟んで圧縮すると微粒子間の距離が変わり、光学的な性質が連続的に変化するフォトニック結晶となります。私たちは、この波長性能のチューナビリティを、新たな素子として用いたいと考えているのです。

地上でもアクリル容器に微粒子と溶媒を入れて数週間放置すると、フォトニック結晶ができあがります。しかし、地上では重力のため、溶媒に比較して比重の大きな微粒子材料では微粒子が沈降して等間隔に並ばないという問題があります。このため、屈折率の大きな材料（一般に比重が大きい）を用いた均質なフォトニック結晶を作ることは困難であるといわれてきました。

これを解決する方法として、浜松ホトニクスでは宇宙へ目を向けています。国際宇宙ステーション（ISS：International Space Station）利用計画の実験テーマの１つとして、浜松ホトニクスの三次元フォトニック結晶の宇宙生成実験が行われています。2005年12月22日にロシアのプログレス宇宙船によってISSに持ち込まれた実験装置は、宇宙飛行士の電源接続と電源投入によって自動で実験モードに入り、最終的には自動で結晶を固化して宇宙で結晶を作製しました。そして4ヶ月後の2006年4月9日にソユーズ宇宙船によって地球に持ち帰られました。