フォトニック結晶技術とその応用

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  • サイズ B5判/ページ数 284p/高さ 27cm
  • 商品コード 9784882313373
  • Cコード C3054

出版社内容情報


★光デバイスの超小型化や高性能化を可能にする新しい光ナノ材料「フォトニック結晶」の基礎から応用まで!
★ナノレベルの作成・加工技術の数々を詳述!
★ファイバ、レーザ、光部品への応用開発の最前線!


  ま え が き

 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ほんの構成,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㎝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。
   2002年1月
                           川上彰二郎

  執筆者一覧(執筆順)

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
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    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
小柴 正則    北海道大学 大学院工学研究科 電子情報工学専攻 教授
Chin-Chang Chang  Department of Electrical Engineering ,University of Clifornia Los Angeles
伊藤 龍雄    Department of Electrical Engineering, University of Clifornia Los Angeles
宮本 欽生    大阪大学 接合科学研究所 教授
桐原 聡秀    大阪大学 接合科学研究所 研究員
中沢 正隆    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) NTT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 電子物性工学専攻 教授
浅川 潔     技術研究組合 フェムト秒テクノロジー研究機構 統括グループリーダー
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
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
谷 正彦     通信総合研究所 関西先端研究センター 主任研究員
武田 三男    信州大学 理学部 教授
平山 秀樹    理化学研究所 半導体工学研究室 研究員
青木 画奈    理化学研究所 半導体工学研究室
宮崎 英樹    物質・材料研究機構
馬場 俊彦    横浜国立大学 工学研究院 助教授
大高 一雄    千葉大学 先進科学教育センター 教授
瀬川勇三郎   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
川嶋 貴之    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
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
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
益田 秀樹    東京都立大学大学院 工学研究科 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

  構成および内容

序論 フォトニック結晶技術の産業化を目指して             川上彰二郎
 1 フォトニック結晶の重要性 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
 2 1次元周期構造から多次元周期構造へ ・・・・・・・2
 3 フォトニック結晶のCompetitivenessのために ・・・4
 4 長期目標はあせらずに実行すべし ・・・・・・・・・・・5
 5 本書の構成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5
 6 用語について ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9
 7 最近の進展 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10

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              納富雅也
 1 フォトニックバンド構造と光伝播 ・・・・・・・・・・・15
 2 ギャップ内:光波の新しい閉じ込め ・・・・・・・・17
 3 欠陥による機能部品 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18
 4 バンド内:バンドエンジニアリング ・・・・・・・・・・21
 5 バンド端:定在波状態の利用 ・・・・・・・・・・・・ 22
 6 周期系とフォトニック結晶 ・・・・・・・・・・・・・・・・24

第2章 フォトニック結晶中の光伝播,屈折現象             納富雅也
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・27
 2 誘電体,回折格子,フォトニック結晶における光伝搬  ・・ 28
 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  ・・30
 4 結晶電子のバンド理論との比較  ・・・・・・・・・・33
 5 負屈折率媒質における光伝搬  ・・・・・・・・・・・ 34
 6 最後に ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・37

第3章 フォトニック結晶の電磁界解析法                 大寺康夫
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・39
 2 FDTD法による2次元無限周期結晶のバンド構造の計算 ・・40
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・43
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・49
  4.1 変分表現式の説明と特徴
  4.2 Rayleigh-Ritz法
 5 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51

第4章 フォトニック結晶の数値解析技術                小柴正則
 1 まえがき ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・52
 2 フォトニック結晶光波回路の解析法 ・・・・・・・・・・52
 3 2チャンネル合分波回路の解析 ・・・・・・・・・・・・・53
 4 フォトニック結晶ファイバの解析法  ・・・・・・・・・・・57
 5 ホーリーファイバの解析 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・58
 6 むすび ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・60

第5章 Planar Microwave Photonic Bandgap Structures(英文)  Chin-Chang Chang,伊藤竜雄
 1 Introduction ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・63
 2 Uniplanar Compact Photonic Bandgap Structure ・・・・64
  2.1 Microstrip-Guided Waves in UC-PBG Structure
  2.2 Surface Waves in UC-PBG Structure
 3 Applications ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・68
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・77

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   宮本欽生,桐原聡秀 
 1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・80
 2 光造形法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・80
 3 結晶の設計と作製 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・82
 4 バンドギャップの形成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・85
 5 結晶構造の制御 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・85
 6 光造形フォトニック結晶の応用  ・・・・・・・・・・・・・・・87
 7 おわりに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・88

第7章 フォトニック結晶ファイバ               中沢正隆,久保田寛和,藤田盛行
 1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91
 2 PCF(Photonic Crystal Fiber) ・・・・・・・・・・・・・92
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・ 99
 4 PCFの各種応用 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106
  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) ・・・・・・・・・・・・107
  5.1 PBFの原理
  5.2 PBFの作製法とその特性
  5.3 PBFからの発色光発生
 6 まとめ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

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-       野田 進
 1 欠陥エンジニアリング(Defect Engineering) ・・・・・121
 2 バンド端エンジニアリング(Band Edge Engineering)・・124

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       野田 進
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128
 2 完全3次元フォトニック結晶の実現法 ・・・・・・・・・・129
 3 中赤外域3次元フォトニック結晶の作製 ・・・・・・・・132
 4 光通信域完全3次元フォトニック結晶の作製 ・・・・136
 5 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・140

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  浅川 潔,杉本喜正,池田直樹
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・143
 2 フォトニック結晶の構造 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・143
 3 フォトニック結晶の作製技術 ・・・・・・・・・・・・・・・・144
  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 ・・・・・・・・・・・・・・149
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・155

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
                                      平山秀樹,青木画奈,宮崎英樹
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・157
 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 ・・157
 3 積層用2次元結晶プレートの作製  ・・・・・・・・・・・160
 4 プレート積層による3次元結晶の作製  ・・・・・・・・・161
 5 反射率測定 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・165
 6 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・167


第12章 テラヘルツ帯フォトニック結晶とその応用          谷 正彦,武田三男
 1 はじめに ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・169
 2 テラヘルツ領域フォトニック結晶の作製 ・・・・・・・・・170
 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 ・・171
 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 ・・176
 5 まとめ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・180

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       馬場俊彦
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・185
 2 欠陥レーザ(DBRレーザ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・186
 3 欠陥がないPCレーザ(DFBレーザ) ・・・・・・・・・・・188
 4 高効率LED ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 190
 5 まとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・191

第14章 フォトニック結晶点欠陥レーザ                   馬場俊彦
 1 一般的な発光制御  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・193
  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 ・・・・・・・・・199
  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  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・204

第15章 フォトニック結晶からのSmith-Purcel放射       瀬川勇三郎,大高一雄
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 206
 2 チェレンコフ放射とスミス・パーセル放射 ・・・・・・・・・206
 3 減衰波のフォトニック結晶による散乱 ・・・・・・・・・・・ 209
 4 実際の計算  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・211
 5 フォトニック結晶による実験 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・212
  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 ・・・・・・・・215

第IV部 バンド工学

第16章 バンド工学総説  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・221    川嶋貴之

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    佐藤 尚
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・229
 2 自己クローニング法 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・229
 3 自己クローニング型フォトニック結晶の特徴 ・・・・・・・・231
 4 応用素子/デバイス ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・232
  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  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・239

第18章 フォトニック結晶光部品                    山田博仁
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・241
 2 フォトニック結晶特有の効果  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・241
 3 線欠陥光導波路ベース光部品  ・・・・・・・・・・・・・・・・242
  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 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・246
 5 スーパープリズム効果とその応用デバイス  ・・・・・・・・247
  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  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・250
 7 まとめ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・251

第19章 シリコンマイクロフォトニクス                 和田一実
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・252
 2 T-分岐-導光路の急峻曲げ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・255
  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 ・・・・・・・・・・・・・261
 4 まとめ  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・263

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   益田秀樹
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・265
 2 陽極酸化ポーラスアルミナの形成  ・・・・・・・・・・・・・・ 265
 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 ・・267
 4 ポーラスアルミナのフォトニック結晶特性 ・・・・・・・・・・・ 268
 5 高アスペクト比2次元フォトニック結晶 ・・・・・・・・・・・・・・271
 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 ・・273
 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 ・274
 8 おわりに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・274

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   三澤弘明
 1 はじめに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・276
 2 多光子吸収の原理とフェムト秒加工装置 ・・・・・・・・・・・277
 3 シリカガラスへの局所的な光学損傷の誘起  ・・・・・・・・278
 4 シリカガラスを用いたフォトニック結晶の作製 ・・・・・・・・・279
 5 光硬化樹脂の固化を用いたフォトニック結晶の作製 ・・・281
 6 多光束干渉によるフォトニック結晶の作製 ・・・・・・・・・・・282
 7 おわりに  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・283
                           

目次

フォトニック結晶技術の産業化を目指して
第1部 フォトニック結晶中の光伝搬、導波、光閉じ込め現象
第2部 バンドギャップ工学
第3部 発光デバイス
第4部 バンド工学

著者等紹介

川上彰二郎[カワカミショウジロウ]
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
※書籍に掲載されている著者及び編者、訳者、監修者、イラストレーターなどの紹介情報です。