導入
フォトニック結晶は、半導体結晶内の周期的な電位が許容エネルギー帯と禁止エネルギー帯を作成することによって電子の動きに影響を与えるのと同じように、電磁波の伝播を変更する誘電体または金属誘電体材料の周期構造です。結晶内を伝播できる波長はモードと呼ばれ、許容されるモードのグループはバンドと呼ばれます。このような構造では、ある周波数または波長において電磁波 (EM) の伝播モードが存在しないことをバンド ギャップと呼びます。
一般的な
説明
フォトニック結晶は、電磁波の伝播に影響を与える周期的な誘電体または金属誘電体のナノ構造です。マイクロ波では、これらのフォトニック結晶は電磁バンドギャップ材料と呼ばれることもあります。フォトニック結晶はさまざまな形で存在します。ただし、1 次元、2 次元、3 次元という 3 つの主要なカテゴリがあります。これらの寸法は、誘電率の周期性が存在する方向の数を表します。
- フォトニック結晶の最も単純な形式は、「ブラッグミラー」とも呼ばれる多層スタックで構成される 1次元周期構造です。フォトニック結晶に特有の特性は 1次元にのみ存在するため、これは 1 次元のフォトニック結晶に例えられます。
- 二次元フォトニック結晶は主に板状であり、その厚さはフォトニック結晶の結晶周期と同じオーダーである。これらのプレートの周期性は、通常、材料の屈折率が高いプレートに穴のパターンを「エッチング」することによって作成されます。マクスウェルの方程式は、屈折率が高くなるほどバンドギャップが大きくなると予測します。
歴史
たとえ「フォトニック結晶」という用語が 1987 年にイーライ・ヤブロノビッチとサジーブ・ジョンによる 2 つの主要な論文の出版によって初めて導入されたとしても、ギャップまたは禁制帯を生成することが可能であることを最初に示したのは 1887 年のレイリー卿でした。彼らは、禁制帯を持つ二次元または三次元構造を生成できる可能性を予期していました。 1987 年以前は、「ブラッグミラー」に似た多層スタックから構成される周期構造である 1 次元フォトニック結晶が主に研究されていました。レイリー卿が 1887 年に示したように、これらの構造は 1 次元のバンドギャップを持ち、高い反射率を持っていました。現在、これらの構造は、反射面、LED の効率向上、または特定のレーザー (VCSEL など) の光キャビティにおける非常に高い反射率特性の両方に、数多くの用途があります。一次元光学構造の詳細な理論的研究は 1972 年に副社長 Bykov によって行われ、彼は構造に埋め込まれた原子や分子からの自然放出に対するバンドギャップの影響を初めて調べました。ブイコフはまた、二次元または三次元構造の使用についても推測しました。この 3 次元フォトニック結晶の概念は、1979 年に大高によってさらに検討され、バンド構造を計算するためのプロトコルが開発されました。しかし、彼の出版物の価値は、ヤブロノビッチとジョンによる記事の出版によってのみ高まりました。彼らの論文は両方とも、多次元周期光学構造に焦点を当てていました。ヤブロノビッチの主な動機は、フォトニック結晶に組み込まれた材料の自然放出を制御することを目的として、電子状態の密度に類推してフォトニック状態の密度を理解することでした。一方、ジョンは、フォトニック結晶を使用して光の位置と制御を変更したいと考えていました。
1987 年以降、フォトニック結晶に関する出版物の数は急激に増加し始めました。しかし、可視スペクトルで効果を発揮するようにこれらの構造を作製するのは難しいため、結晶はセンチメートルサイズでより簡単に作成できるため、初期の研究は理論的またはマイクロ波で行われました。 1991 年に、ヤブロノビッチはマイクロ波バンドギャップを備えた最初の 3 次元フォトニック結晶を設計しました。
1996 年、トーマス クラウスは可視スペクトルにおける 2 次元フォトニック結晶の最初の実証を行いました。これにより、半導体産業で使用されている方法を使用してフォトニック結晶を製造する道が開かれました。現在、これらの技術により、半導体ウェーハにエッチングされた二次元フォトニック結晶からなるフォトニック結晶スラブの使用が可能になっています。全反射によりプレート内に光が閉じ込められ、結晶の特性が活用されるようになります。現在、これらのフォトニック結晶ウェーハを集積回路に使用し、チップ内およびチップ間の光信号処理を改善することを目的として、多くの研究が行われています。
これまでの技術は商業用途に向けて開発されていませんが、二次元フォトニック結晶はすでにフォトニック結晶光ファイバーの形で使用されています。これらのファイバは、1998 年にフィリップ ラッセルによって最初に開発され、通常の光ファイバの特性を改善するように設計されました。
3次元フォトニック結晶の研究は、製造の難しさのため、遅々として進んでいません。半導体の開発に応用できる技術はありません。ただし、同じ技術を適用するためにテストが実行され、いくつかは決定的なものになりました。たとえば、「木の杭」構造はレイヤーバイレイヤー技術で作られました。別の研究系統は、自己集合による三次元フォトニック結晶の構築に焦点を当てており、誘電体ナノ球の溶液をフォトニック結晶に凝集させることからなる。
自然の中で
オパールは、シリカのマイクロビーズがほぼ規則的に配置された岩石です。実際、完全なバンドギャップを持たない場合でも（つまり、バンドギャップが材料の主な結晶学的方向すべてに沿って広がっているわけではありません）、それは天然のフォトニック結晶です。フォトニック結晶は特定の動物種にも存在します。たとえば、海洋虫アフロディタには、人間が作ったものよりも効率的なフォトニック結晶を構成する棘があります。蝶 Cyanophrys remus の羽は複雑なナノ構造を持ち、背側のメタリックブルーと腹側のピーグリーンの色はフォトニック結晶の典型的な構造に起因すると考えられます。それらはキチンと空気から構成されており、それらの配列は周期的な誘電体構造を形成しています。
光学とナノテクノロジー
これらの構造は現在、次のような光学分野の数多くの研究と開発の源となっています。
- 自然放出（パーセル効果）の抑制または改善。
- 高反射率全方位ミラー。
- 低損失導波路。
- 光学フィルター。
- マイクロキャビティセンサー。
- 低閾値レーザー用の光共振器。
フォトニック結晶はすでに通信タイプのアプリケーションでの光の制御と操作を可能にしており、二次元結晶はアプリケーション開発に必要な成熟レベルに達しています。 3 次元フォトニック結晶の工業的製造はまだ研究段階ですが、3Dフォノニック結晶はすでに存在しています。
現在、それらは光ファイバーで商業的に使用されていますが、スーパーコンティニューム光源などのより複雑なシステムでも使用されています。