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フォトニック結晶技術の応用

(2002年『フォトニック結晶技術とその応用』普及版)

商品コード: B0818

  • 監修: 川上彰二郎
  • 発行日: 2007年7月
  • 価格(税込): 4,320 円
  • 体裁: A5判、284ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-925-2
こちらの書籍については、お問い合わせください。

刊行にあたって

 フォトニック結晶に関心が高まっている現在、より多くの人にこの技術分野のことを知っていただくために、また世界的観点からこの分野での日本の競争力の高さを保ち続けるために、日本語で書かれた本格的な本が欲しいというのはこの分野の人に共通する願いであった。約1年前にこの本の企画の相談を受け、納富雅也、馬場俊彦、野田進各氏をはじめ多くの専門家と相談しながら本の構成、章の分担執筆の方針を決めた。熱心な強力のおかげで本書を世に送ることが出来るのは嬉しいことである。
 今の時点でフォトニック結晶技術が急速に発展しているには必然性がある。電磁波の波長と同程度の繰り返しをもつ周期構造体は、設計によって誘電特性を広い範囲で変えることが出来る。この事柄の学術的興味、夢の技術としての可能性は半世紀ほども昔から認識されていて、「人工誘電体」という名前がある。ただし、マイクロ波帯では波長が数cmとなるため周期数を多くとると装置が大型化する。またリソグラフィーなどの複製技術が使えず作製の手数が膨大になるため、あまり実際の役には立たなかった。
 一方、光波長帯では大きさの問題も気にしなくて良い。ナノテクノロジーの進展によって、複雑な2次元・3次元構造を精度良く作製することが技術的にどんどん可能になりつつあるので、設計通りの特性をもつ人工構造を得ることができる。
 また、複雑な周期構造に沿う波、周期構造から派生したdefectを伴う構造に沿う波を数式だけで理解することは難しい。計算機解析が不可欠になるが、現代の高性能コンピューターによればフォトニック結晶の電磁波特性が日常の環境で容易に計算できるようになってきた。
 解析技術、作製技術の進歩に伴ってフォトニック結晶のさまざまな応用上の魅力が見えてきた。この趨勢を加速し、今後も持続するために、実力のある人々がこの分野に参入してほしい。フォトニック結晶の分野にはブレークスルーが今日活発になされており、これからもまだまだブレークスルーが続くであろう。大きな進歩をなしとげる確率はベテランも新人も変わらない。この分野は意欲のある新人をhappyにすることができる。
(「まえがき」より) 
2002年1月  川上彰二郎

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2002年に『フォトニック結晶技術とその応用』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2007年7月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

川上彰二郎   東北大学 未来科学技術共同研究センター 教授;科学技術振興事業団
         (現)(株)フォトニックラティス 代表取締役
納富雅也   日本電信電話(株) NTT物性科学基礎研究所 特別研究員
大寺康夫   (現)東北大学 先進医工学研究機構 准教授
小柴正則   (現)北海道大学 大学院情報科学研究科 教授
ChinChang Chang   Department of Electrical Engineering University of California Los Angeles
伊藤龍雄   Department of Electrical Engineering University of California Los Angeles
宮本欽生   大阪大学 接合科学研究所 教授
桐原聡秀   (現)大阪大学 接合科学研究所 准教授
中沢正隆   (現)東北大学 電気通信研究所 教授
久保田寛和   日本電信電話(株) 未来ねっと研究所
藤田盛行   三菱電線工業(株) フォトニック研究所
野田 進   京都大学 工学研究科 電子物性工学 教授
         (現)京都大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 光量子電子工学分野 教授
浅川 潔   (現)筑波大学 先端学際領域研究センター 教授
杉本喜正   技術研究組合 フェムト秒テクノロジー研究機構 次席研究員
         (現)(独)物質・材料研究機構 総合戦略室 運営主席
池田直樹   技術研究組合 フェムト秒テクノロジー研究機構 研究員
         (現)(独)産業技術総合研究所 超高速光信号処理 デバイス研究ラボ
平山秀樹   (現)(独)理化学研究所 テラヘルツ量子素子研究チーム チームリーダー
青木画奈   (独)理化学研究所 半導体工学研究室
         (現)東京大学 ナノエレクトロニクス連携研究センター 産学官連携研究員
宮﨑英樹   (現)(独)物質・材料研究機構 量子ドットセンター 主幹研究員
谷 正彦   (現)大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 准教授
武田三男   (現)信州大学 理学部 教授
馬場俊彦   (現)横浜国立大学 工学研究院 教授
瀬川勇三郎   (独)理化学研究所 フォトダイナミクス研究センター 光物性チーム チームリーダー
         (現)(独)理化学研究所 励起子工学研究チーム 研究員
大高一雄   (現)千葉大学 先進科学研究教育センター 教授
川嶋貴之   (現)(株)フォトニックラティス 取締役
佐藤 尚   東北大学 未来科学技術共同研究センター リサーチフェロー
         (現)(株)フォトニックラティス 取締役
山田博仁   日本電気(株) 基礎研究所
和田一実   マサチューセッツ工科大学 材料理工学科 マイクロフォトニクスセンター 準教授
         (現)東京大学 大学院工学系研究科 教授
益田秀樹   (現)首都大学東京 都市環境科学研究科 教授
三澤弘明   徳島大学 大学院工学研究科 エコシステム工学専攻 教授
         (現)北海道大学 電子科学研究所 教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2002年当時のものを使用しております。

目次

序論 フォトニック結晶の産業化を目指して


1. フォトニック結晶の重要性
2. 1次元周期構造から多次元周期構造へ
3. フォトニック結晶のCompetitivenessのために
4. 長期目標はあせらずに実行すべし
5. 本書の構成
6. 用語について
7. 最近の進展

【第I部 フォトニック結晶中の光伝搬、導波、光閉じ込め現象】
第1章 フォトニック結晶中の波動現象の総説
1. フォトニックバンド構造と光伝搬
2. ギャップ内:光波の新しい閉じ込め
3. 欠陥による機能部品
4. バンド内:バンドエンジニアリング
5. バンド端:定在波状態の利用
6. 周期系とフォトニック結晶

第2章 フォトニック結晶中の光伝搬、屈折現象
1. はじめに
2. 誘電体、回折格子、フォトニック結晶における光伝搬
3. 屈折率変調効果の強いフォトニック液晶における光伝搬
4. 結晶電子のバンド理論との比較
5. 負屈折率媒質における光伝搬
6. 最後に

第3章 フォトニック結晶の電磁界解析法
1. はじめに
2. FDTD法による2次元無限周期結晶のバンド構造の計算
2.1 波動方程式の定式化
2.2 計算手順と注意点
3. 影像パラメータの利用
3.1 無限周期構造の解析法
3.2 導波路の解析法
3.3 変数分離型2次元屈折率構造の解析法
4. 変分表現式の利用
4.1 変分表現式の説明と特徴
4.2 Rayleigh-Ritz法
5. まとめ

第4章 フォトニック結晶の数値解析技術
1. まえがき
2. フォトニック結晶光波回路の解析法
3. 2チャンネル合分波回路の解析
4. フォトニック結晶ファイバの解析法
5. ホーリーファイバの解析
6. むすび

第5章 Planar Microwave Photonic Bandgap Structures(英文)
1. Introduction
2. Uniplanar Compact Photonic Bandgap Structure
2.1 Microstrip-Guided Waves in UC-PBG Structure
2.2 Surface Waves in UC-PBG Structure 
3. Applications
3.1 Coupled Lines on UC-PBG Ground Plane
3.2 Forward-Wave Directional Coupler
3.3 Leakage Suppression in CB-CPW
3.4 High Efficiency Power Amplifier Using Harmonic Suppression Technique
4. Conclusion

第6章 光造形法によるセラミック/高分子系フォトニック結晶の作製技術 
1. はじめに
2. 光造形法
3. 結晶の設計と作製
4. バンドギャップの形成
5. 結晶構造の制御
6. 光造形フォトニック結晶の応用
7. おわりに

第7章 フォトニック結晶ファイバ
1. はじめに
2. PCF(Photonic Crystal Fiber)
2.1 有効屈折率モデルによるPCFの解釈
2.2 PCFの曲げ損失
2.3 分散特性
2.4 FDTD法によるPCF分散特性と横モード分布の解析
3. PCFの作製と各種特性評価
4. PCFの各種応用
4.1 PCFによる800nm帯ソリトン効果の発生
4.2 広帯域光源
4.3 偏波保存(複屈折)ファイバ
5. PBF(Photonic Bandgap Fiber)
5.1 PBFの原理
5.2 PBFの作製法とその特性
5.3 PBFからの白色光発生
6. まとめ

【第II部 バンドギャップ工学】
第8章 総論―バンドギャップとバンド端の性質と応用―
1. 欠陥エンジニアリング(Defect Engineering)
2. バンド端エンジニアリング(Band Edge Engineering)

第9章 半導体完全3次元フォトニック結晶の作製と応用
1. はじめに
2. 完全3次元フォトニック結晶の実現法
3. 中赤外域3次元フォトニック結晶の作製
4. 光通信域完全3次元フォトニック結晶の作製
5. まとめ

第10章 フォトニック結晶のナノ加工技術と2次元結晶の特性
1. はじめに
2. フォトニック結晶の構造
3. フォトニック結晶の作製技術
3.1 代表的な作製技術
3.2 2~3次元結晶の作製例
3.3 2次元PCの半導体ナノ加工技術
3.3.1 はじめに
3.3.2 PCナノ構造とEB露光技術
3.3.3 PCナノ加工とドライエッチング技術
4. 2次元PCスラブの作製と特性
4.1 2次元結晶スラブの構造と作製方法
4.2 2次元PCスラブの計算と特性
5. まとめ

第11章 マイクロマニピュレーション法を用いた半導体3次元フォトニック結晶の作製
1. はじめに
2. マイクロマニピュレ-ション法を用いた3次元フォトニック結晶作製の特徴
3. 積層用2次元結晶プレートの作製
4. プレート積層による3次元結晶の作製
5. 反射率測定
6. まとめ

第12章 テラヘルツ帯フォトニック結晶とその応用
1. はじめに
2. テラヘルツ領域フォトニック結晶の作製
3. テラヘルツ時間領域分光による電磁波分散関係の決定
4. フォトニック結晶共振器を用いたテラヘルツ電磁波の発生
5. まとめ

【第III部 発光デバイス】
第13章 総説:フォトニック結晶形半導体発光素子の概要
1. はじめに
2. 欠陥レーザ(DBRレーザ)
3. 欠陥がないPCレーザ(DFBレーザ)
4. 高効率LED
5. まとめ

第14章 フォトニック結晶点欠陥レーザ
1. 一般的な発光制御
1.1 フェルミの黄金則と発光レート
1.2 大きな共振器での自然放出レート
1.3 微小共振器での自然放出レート
1.4 自然放出光係数の増大
1.5 誘導放出レートについて
2. フォトニック結晶における自然放出制御
2.1 構造の次元とPBG
2.2 共振モードと自然放出レート
2.3 自然放出光係数
3. まとめ

第15章 フォトニック結晶からのSmith-Purcel放射
1. はじめに
2. チェレンコフ放射とスミス・パーセル放射
3. 減衰波のフォトニック結晶による散乱
4. 実際の計算
5. フォトニック結晶による実験
5.1 試料と実験装置
5.2 実験結果
6. フォトニック結晶利用の特徴と将来の発展

【第IV部 バンド工学】
第16章 バンド工学総説

第17章 自己クローニング型フォトニック結晶とその応用
1. はじめに
2. 自己クローニング法
3. 自己クローニング型フォトニック結晶の特徴
4. 応用素子/デバイス
4.1 面垂直入射型素子
4.2 面内伝搬型応用素子
5. まとめ

第18章 フォトニック結晶光部品
1. はじめに
2. フォトニック結晶特有の効果
3. 線欠陥光導波路ベース光部品
3.1 光パルス遅延線路
3.2 分岐回路
3.3 方向性結合器
3.4 波長フィルター/チャネルドロップ・フィルター
4. 分散補償/光パルス圧縮器
5. スーパープリズム効果とその応用デバイス
5.1 レンズ
5.2 コリメーター
5.3 光分岐
5.4 波長フィルター/分波器
6. 偏光分離素子
7. まとめ

第19章 シリコンマイクロフォトニクス
1. はじめに
2. T-分岐-導光路の急峻曲げ
2.1 高屈折率差光学
2.1.1 Si導光路
2.1.2 散乱損失の抑制
2.2 Air-Trench構造
3. 波長多重方式用MUXおよびDEMUX
4. まとめ

第20章 陽極酸化ポーラスアルミナによるフォトニック結晶
1. はじめに
2. 陽極酸化ポーラスアルミナの形成
3. インプリントプロセスによる理想細孔配列ポーラスアルミナ
4. ポーラスアルミナのフォトニック結晶特性
5. 高アスペクト比2次元フォトニック結晶
6. 陽極酸化ポーラスアルミナにおける孔配列、孔形状の制御
7. ポーラスアルミナにもとづく微細加工とフォトニック結晶への応用
8. おわりに

第21章 多光子吸収を用いたフォトニック結晶の作製技術
1. はじめに
2. 多光子吸収の原理とフェムト秒加工装置
3. シリカガラスへの局所的な光学損傷の誘起
4. シリカガラスを用いたフォトニック結晶の作製
5. 光硬化樹脂の固化を用いたフォトニック結晶の作製
6. 多光束干渉によるフォトニック結晶の作製
7. おわりに
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