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キーワード：
光産業一般への応用/フォトニック結晶ファイバ/通信用部品・モジュール/フォトニック結晶光回路/発光デバイス/機能デバイス/自己クローニングフォトニック結晶/光学素子/ナノインプリント/MEMS集積化
刊行にあたって
<普及版の刊行にあたって>
本書は2005年に『フォトニック結晶技術の新展開』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。
シーエムシー出版 編集部
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【第1部光産業一般への応用】
第1章 現在〜近未来にかけての光産業応用の概説
第2章 自己クローニングフォトニック結晶の産業応用
1 はじめに
2 自己クローニング法
3 2次元フォトニック結晶機能素子
3.1 偏光子
3.2 位相板と回折格子
4 複合素子の応用
4.1 エリプソメータ
4.2 偏光画像取得
4.3 その他の応用
5 おわりに
第3章 サブ波長格子の光学素子
1 はじめに
2 有効屈折率
3 屈折率分布の利用
3.1 高効率回折光学素子
3.2 表面無反射構造
4 構造複屈折の利用
4.1 複屈折波長板
4.2 多層構造による偏光分離素子
4.3 ワイヤーグリッド偏光子
4.4 格子アレイ
5 共鳴とバンドギャップの利用
5.1 偏光分離素子
5.2 共鳴格子
6 表面ナノ加工光学素子の実用化の課題
第4章 VCSELとLEDの特性改善
1 はじめに
2 フォトニック結晶VCSEL
2.1 VCSELの課題
2.2 三角孔ホーリーVCSEL
2.3 FDTD計算による検証
2.4 フォトニック結晶VCSELのまとめ
3 フォトニック結晶LED
3.1 LEDにおける光取り出し効率
3.2 理論的な見積もり
3.3 実験での検証
3.4 フォトニック結晶LEDのまとめ
第5章 Organic Electroluminescence : Enhancement of External Effciency
1 Introduction
2 Design of Photonic Crystal OLEDs
3 Fabrication Processes
4 Optical Characteristics
5 Summary
第6章 青色LEDの発光効率向上
1 はじめに
2 青色LEDの課題
3 LEDにおける全反射現象
4 フォトニック結晶によるLEDの光取り出し効率向上
5 フォトニック結晶青色LEDの設計
6 フォトニック結晶青色LEDの作製と特性
7 おわりに
第7章 ナノインプリント光学素子(モールドとリソグラフィ)
1 はじめに
2 ナノインプリント用各種モールド
2.1 Siモールド
2.2 SiCモールド
2.3 Si02,石英モールド
2.4 Taモールド
2.5 その他のモールド
3 離型
4 リソグラフィ技術
5 おわりに
第8章 ナノインプリントと光学素子(プロセスとそのシーズ)
1 はじめに
2 熱インプリントによる高アスペクト比パターンの成型
2.1 高アスペクト比パターンの成型メカニズム
2.2 高アスペクト比パターン離型時の問題点
3 ナノキャスティング法による高アスペクト比構造の成型
4 マイクロ曲面構造の金型作製とその成型
5 リバーサルインプリント法による3次元多層構造の作製
6 ガラス材料のナノ加工
7 おわりに
【第II部 フォトニック結晶ファイバ】
第9章 フォトニック結晶ファイバ技術の概観
1 はじめに
2 PCFの構造
3 PCFの製造方法
4 HFおよびPBFの光学特性
4.1 HFの光学特性
4.1.1 分散特性
4.1.2 単一モード特性
4.1.3 偏波保持特性
4.1.4 非線形特性
4.1.5 曲げ特性
4.2 PBFの光学特性
5 PCFの応用
6 今後の展望
第10章 フォトニック結晶ファイバの解析法と基本特性
1 まえがき
2 フォトニック結晶ファイバの基本構造と解析法
3 フォトニック結晶ファイバ解析の基礎
4 フォトニック結晶ファイバの基本特性
5 あとがき
第11章 高非線形フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 光ファイバにおける非線形光学効果
3 高非線形フォトニック結晶ファイバの構造
4 高非線形フォトニック結晶ファイバの特性
4.1 実効コア断面積
4.2 非線形屈折率
4.3 波長分散
5 フォトニック結晶ファイバにおける非線形光学効果
5.1 3次非線形光学効果
5.2 誘導ラマン散乱
5.3 誘導ブリルアン散乱
6 高非線形フォトニック結晶ファイバの応用
6.1 波長可変パルス光源
6.2 広帯域光発生
7 まとめ
第12章 宅内・構内配線向け高曲げ耐性フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 基本特性
3 機械的強度と長期信頼性
4 接続特性と伝送特性
5 応用例:HFを用いた光カールコード
6 おわりに
第13章 マルチキャピラリ法によるフォトニックバンドギャップファイバ
1 はじめに
2 フォトニック結晶ファイバの作製方法
3 PBFの形状
4 PBFの光学特性
5 PBFの伝送損失
6 Surface-Mode
7 超格子構造PBF
8 PBFの応用
第14章 低損失フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 空孔を有する光ファイバの分類
3 PCFの特徴
3.1 広波長域単一モード動作
3.2 分散特性
3.3 曲げ損失特性
3.4 モードフィールド径
4 PCFの損失要因
4.1 PCFの閉じ込め損失
4.2 PCFの固有損失
4.2.1 レーリー散乱損失
4.2.2 紫外吸収損失
4.2.3 赤外吸収損失
4.3 その他の損失
4.3.1 不純物による光吸収損失
4.3.2 OH基吸収損失
4.3.3 散乱損失
4.3.4 構造不整損失
5 PCFの広帯域伝送実験
6 PCFの長距離伝送実験
7 おわりに
【第III部 通信用部品・モジュール】
第15章 フォトニック結晶の通信応用への展望
1 はじめに
2 各種光導波路の比較
3 フォトニック結晶の効果
4 フォトニック結晶およびHigh-△系光導波路による光集積回路
第16章 波長多重通信用フォトニック結晶光デバイス
1 はじめに
2 フォトニック結晶光合分波器
3 自己クローニング型PC光合分波器
4 フォトニック結晶光スイッチ
5 おわりに
第17章 フォトニック結晶面型部品
1 はじめに
2 光アイソレータ&偏光カプラ
3 偏波モニタ
4 波長フィルタアレー
5 まとめ
第18章 分散補償デバイス
1 はじめに
2 結合欠陥型フォトニック結晶の基本特性
3 積層薄膜型1次元フォトニック結晶の特性と応用
3.1 結合欠陥型フォトニック結晶におけるスペクトルの平滑化
3.2 群遅延/分散量の増大化と40Gbps光ファイバ伝送への応用
4 深掘り1次元フォトニック結晶の特性と応用
4.1 基本構造
4.2 エッチングによる作製方法
4.3 光学特性の評価
5 おわりに
第19章 高屈折率差光導波路と部品
1 まえがき
2 高屈折率差光導波路の定義と特長および設計上の留意点
3 高屈折率差光導波路を用いた光デバイスの例
【第IV部 フォトニック結晶光回路】
第20章 フォトニック結晶光集積回路概説
1 はじめに 205
2 2次元フォトニック結晶の始まりと光回路構想
3 2次元フォトニック結晶の実証
4 フォトニック結晶スラブデバイス
5 フォトニック結晶光回路の試作と展望
6 その他のフォトニック結晶光回路の議論
7 おわりに
第21章 フォトニック結晶導波路とシリコン細線
1 はじめに
2 フォトニック結晶スラブのバンド特性
3 フォトニック結晶導波路のバンド特性
4 フォトニック結晶導波路の作製と光伝 搬観測
5 さらなる機能の探求
6 シリコン細線導波路
7 シリコンフォトニクス微小光デバイス
8 おわりに
第22章 2次元フォトニック結晶高機能光デバイス・回路の実現に向けて
1 線・点欠陥エンジニアリング
2 面内へテロ構造の導入
第23章 自己クローニング型導波路と導波路型機能素子
1 はじめに-技術の背景-
2 低損失光配線用導波路
2.1 設計と作製
2.2 評価
3 導波路型機能素子
3.1 Bragg 反射鏡
3.2 狭帯域波長選択フィルタ
3.3 液晶装荷による特性制御の試み
4 おわりに
【第V部 フォトニック結晶発光デバイス】
第24章 2次元フォトニック結晶面発光レーザ
1 2次元フォトニック結晶のバンド端における共振作用
2 2次元フォトニック結晶レーザの大面積コヒーレント動作
3 格子点制御とモード制御
第25章 フォトニック結晶微小レーザ
1 はじめに
2 点欠陥共振器の基本構造と原理
3 実際の点欠陥レーザ
4 線欠陥レーザ
5 微小共振器におけるパーセル効果
6 おわりに
第26章 Purcell enhanced and inhibited spontaneous emission in 3D photonic crystals
第27章 フォトニック結晶と量子ドットの融合〜究極の電子-光子制御を目指して〜
1 はじめに
2 半導体量子ドットの基礎
2.1 量子ドットの作製
2.2 量子ドットの基礎的光学特性
3 フォトニック結晶ナノ共振器による量子ドットの発光制御と電子-光子相互作用
3.1 量子ドットを有するフォトニック結晶ナノ共振器の作製と光学特性
3.2 量子ドット-PCナノ共振器系における電子-光子相互作用
4 おわりに
【第VI部 フォトニック結晶機能デバイス】
第28章 フォトニック結晶の機能化について
1 はじめに
2 機能その1:超小型高Q共振器
3 機能その2:低群速度導波路・分散制御導波路
4 機能その3:動的な制御(光非線形,MEMSなど)
5 機能その4:空間分散
6 機能その5:非周期性による機能
第29章 共振器・導波路結合系によるプレーナ光回路と光論理処理
1 はじめに
2 2次元フォトニック結晶スラブ
3 線状欠陥導波路とその分散
4 線状欠陥導波路とその損失
4.1 フォトニック結晶導波路の伝播損失について
4.2 これまでの伝播損失値の向上
4.3 伝播損失の要因について
5 共振器および共振器・導波路結合素子
5.1 高Q共振器
5.2 2ポート共鳴トンネル型波長フィルター
5.3 モードギャップ型共鳴トンネルフィルター
5.4 3ポート及び多チャンネル共鳴トンネル型アッドドロップフィルター
5.5 共振器・導波路結合系を用いた超低パワー光スイッチングと光双安定動作
6 外部系との結合
7 おわりに
第30章 超小型・超高速・低エネルギー全光スイッチへの応用
1 はじめに
2 超小型全光スイッチPC-SMZの概念
3 2DPCのナノ加工技術
4 PC-SMZの各種導波路の設計・作製および評価
4.1 直線および曲がり導波路の高透過・低損失特性
4.2 SMZの分波・合波に不可欠な方向性結合器
4.3 PC-SMZ導波路図形の設計および伝播特性
5 PC-SMZの高速スイッチング動作
5.1 試料の作製および測定系
5.2 非線形光学効果による位相変化
5.3 PC-SMZの光スイッチング応答特性
6 おわりに
第31章 MEMS集積化フォトニック結晶素子の現状と展望
1 はじめに
2 MEMS集積化フォトニック結晶素子の動作原理と機能
3 MEMS集積化フォトニック結晶素子の実現と今後の展開
4 おわりに
第1章 現在〜近未来にかけての光産業応用の概説
第2章 自己クローニングフォトニック結晶の産業応用
1 はじめに
2 自己クローニング法
3 2次元フォトニック結晶機能素子
3.1 偏光子
3.2 位相板と回折格子
4 複合素子の応用
4.1 エリプソメータ
4.2 偏光画像取得
4.3 その他の応用
5 おわりに
第3章 サブ波長格子の光学素子
1 はじめに
2 有効屈折率
3 屈折率分布の利用
3.1 高効率回折光学素子
3.2 表面無反射構造
4 構造複屈折の利用
4.1 複屈折波長板
4.2 多層構造による偏光分離素子
4.3 ワイヤーグリッド偏光子
4.4 格子アレイ
5 共鳴とバンドギャップの利用
5.1 偏光分離素子
5.2 共鳴格子
6 表面ナノ加工光学素子の実用化の課題
第4章 VCSELとLEDの特性改善
1 はじめに
2 フォトニック結晶VCSEL
2.1 VCSELの課題
2.2 三角孔ホーリーVCSEL
2.3 FDTD計算による検証
2.4 フォトニック結晶VCSELのまとめ
3 フォトニック結晶LED
3.1 LEDにおける光取り出し効率
3.2 理論的な見積もり
3.3 実験での検証
3.4 フォトニック結晶LEDのまとめ
第5章 Organic Electroluminescence : Enhancement of External Effciency
1 Introduction
2 Design of Photonic Crystal OLEDs
3 Fabrication Processes
4 Optical Characteristics
5 Summary
第6章 青色LEDの発光効率向上
1 はじめに
2 青色LEDの課題
3 LEDにおける全反射現象
4 フォトニック結晶によるLEDの光取り出し効率向上
5 フォトニック結晶青色LEDの設計
6 フォトニック結晶青色LEDの作製と特性
7 おわりに
第7章 ナノインプリント光学素子(モールドとリソグラフィ)
1 はじめに
2 ナノインプリント用各種モールド
2.1 Siモールド
2.2 SiCモールド
2.3 Si02,石英モールド
2.4 Taモールド
2.5 その他のモールド
3 離型
4 リソグラフィ技術
5 おわりに
第8章 ナノインプリントと光学素子(プロセスとそのシーズ)
1 はじめに
2 熱インプリントによる高アスペクト比パターンの成型
2.1 高アスペクト比パターンの成型メカニズム
2.2 高アスペクト比パターン離型時の問題点
3 ナノキャスティング法による高アスペクト比構造の成型
4 マイクロ曲面構造の金型作製とその成型
5 リバーサルインプリント法による3次元多層構造の作製
6 ガラス材料のナノ加工
7 おわりに
【第II部 フォトニック結晶ファイバ】
第9章 フォトニック結晶ファイバ技術の概観
1 はじめに
2 PCFの構造
3 PCFの製造方法
4 HFおよびPBFの光学特性
4.1 HFの光学特性
4.1.1 分散特性
4.1.2 単一モード特性
4.1.3 偏波保持特性
4.1.4 非線形特性
4.1.5 曲げ特性
4.2 PBFの光学特性
5 PCFの応用
6 今後の展望
第10章 フォトニック結晶ファイバの解析法と基本特性
1 まえがき
2 フォトニック結晶ファイバの基本構造と解析法
3 フォトニック結晶ファイバ解析の基礎
4 フォトニック結晶ファイバの基本特性
5 あとがき
第11章 高非線形フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 光ファイバにおける非線形光学効果
3 高非線形フォトニック結晶ファイバの構造
4 高非線形フォトニック結晶ファイバの特性
4.1 実効コア断面積
4.2 非線形屈折率
4.3 波長分散
5 フォトニック結晶ファイバにおける非線形光学効果
5.1 3次非線形光学効果
5.2 誘導ラマン散乱
5.3 誘導ブリルアン散乱
6 高非線形フォトニック結晶ファイバの応用
6.1 波長可変パルス光源
6.2 広帯域光発生
7 まとめ
第12章 宅内・構内配線向け高曲げ耐性フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 基本特性
3 機械的強度と長期信頼性
4 接続特性と伝送特性
5 応用例:HFを用いた光カールコード
6 おわりに
第13章 マルチキャピラリ法によるフォトニックバンドギャップファイバ
1 はじめに
2 フォトニック結晶ファイバの作製方法
3 PBFの形状
4 PBFの光学特性
5 PBFの伝送損失
6 Surface-Mode
7 超格子構造PBF
8 PBFの応用
第14章 低損失フォトニック結晶ファイバ
1 はじめに
2 空孔を有する光ファイバの分類
3 PCFの特徴
3.1 広波長域単一モード動作
3.2 分散特性
3.3 曲げ損失特性
3.4 モードフィールド径
4 PCFの損失要因
4.1 PCFの閉じ込め損失
4.2 PCFの固有損失
4.2.1 レーリー散乱損失
4.2.2 紫外吸収損失
4.2.3 赤外吸収損失
4.3 その他の損失
4.3.1 不純物による光吸収損失
4.3.2 OH基吸収損失
4.3.3 散乱損失
4.3.4 構造不整損失
5 PCFの広帯域伝送実験
6 PCFの長距離伝送実験
7 おわりに
【第III部 通信用部品・モジュール】
第15章 フォトニック結晶の通信応用への展望
1 はじめに
2 各種光導波路の比較
3 フォトニック結晶の効果
4 フォトニック結晶およびHigh-△系光導波路による光集積回路
第16章 波長多重通信用フォトニック結晶光デバイス
1 はじめに
2 フォトニック結晶光合分波器
3 自己クローニング型PC光合分波器
4 フォトニック結晶光スイッチ
5 おわりに
第17章 フォトニック結晶面型部品
1 はじめに
2 光アイソレータ&偏光カプラ
3 偏波モニタ
4 波長フィルタアレー
5 まとめ
第18章 分散補償デバイス
1 はじめに
2 結合欠陥型フォトニック結晶の基本特性
3 積層薄膜型1次元フォトニック結晶の特性と応用
3.1 結合欠陥型フォトニック結晶におけるスペクトルの平滑化
3.2 群遅延/分散量の増大化と40Gbps光ファイバ伝送への応用
4 深掘り1次元フォトニック結晶の特性と応用
4.1 基本構造
4.2 エッチングによる作製方法
4.3 光学特性の評価
5 おわりに
第19章 高屈折率差光導波路と部品
1 まえがき
2 高屈折率差光導波路の定義と特長および設計上の留意点
3 高屈折率差光導波路を用いた光デバイスの例
【第IV部 フォトニック結晶光回路】
第20章 フォトニック結晶光集積回路概説
1 はじめに 205
2 2次元フォトニック結晶の始まりと光回路構想
3 2次元フォトニック結晶の実証
4 フォトニック結晶スラブデバイス
5 フォトニック結晶光回路の試作と展望
6 その他のフォトニック結晶光回路の議論
7 おわりに
第21章 フォトニック結晶導波路とシリコン細線
1 はじめに
2 フォトニック結晶スラブのバンド特性
3 フォトニック結晶導波路のバンド特性
4 フォトニック結晶導波路の作製と光伝 搬観測
5 さらなる機能の探求
6 シリコン細線導波路
7 シリコンフォトニクス微小光デバイス
8 おわりに
第22章 2次元フォトニック結晶高機能光デバイス・回路の実現に向けて
1 線・点欠陥エンジニアリング
2 面内へテロ構造の導入
第23章 自己クローニング型導波路と導波路型機能素子
1 はじめに-技術の背景-
2 低損失光配線用導波路
2.1 設計と作製
2.2 評価
3 導波路型機能素子
3.1 Bragg 反射鏡
3.2 狭帯域波長選択フィルタ
3.3 液晶装荷による特性制御の試み
4 おわりに
【第V部 フォトニック結晶発光デバイス】
第24章 2次元フォトニック結晶面発光レーザ
1 2次元フォトニック結晶のバンド端における共振作用
2 2次元フォトニック結晶レーザの大面積コヒーレント動作
3 格子点制御とモード制御
第25章 フォトニック結晶微小レーザ
1 はじめに
2 点欠陥共振器の基本構造と原理
3 実際の点欠陥レーザ
4 線欠陥レーザ
5 微小共振器におけるパーセル効果
6 おわりに
第26章 Purcell enhanced and inhibited spontaneous emission in 3D photonic crystals
第27章 フォトニック結晶と量子ドットの融合〜究極の電子-光子制御を目指して〜
1 はじめに
2 半導体量子ドットの基礎
2.1 量子ドットの作製
2.2 量子ドットの基礎的光学特性
3 フォトニック結晶ナノ共振器による量子ドットの発光制御と電子-光子相互作用
3.1 量子ドットを有するフォトニック結晶ナノ共振器の作製と光学特性
3.2 量子ドット-PCナノ共振器系における電子-光子相互作用
4 おわりに
【第VI部 フォトニック結晶機能デバイス】
第28章 フォトニック結晶の機能化について
1 はじめに
2 機能その1:超小型高Q共振器
3 機能その2:低群速度導波路・分散制御導波路
4 機能その3:動的な制御(光非線形,MEMSなど)
5 機能その4:空間分散
6 機能その5:非周期性による機能
第29章 共振器・導波路結合系によるプレーナ光回路と光論理処理
1 はじめに
2 2次元フォトニック結晶スラブ
3 線状欠陥導波路とその分散
4 線状欠陥導波路とその損失
4.1 フォトニック結晶導波路の伝播損失について
4.2 これまでの伝播損失値の向上
4.3 伝播損失の要因について
5 共振器および共振器・導波路結合素子
5.1 高Q共振器
5.2 2ポート共鳴トンネル型波長フィルター
5.3 モードギャップ型共鳴トンネルフィルター
5.4 3ポート及び多チャンネル共鳴トンネル型アッドドロップフィルター
5.5 共振器・導波路結合系を用いた超低パワー光スイッチングと光双安定動作
6 外部系との結合
7 おわりに
第30章 超小型・超高速・低エネルギー全光スイッチへの応用
1 はじめに
2 超小型全光スイッチPC-SMZの概念
3 2DPCのナノ加工技術
4 PC-SMZの各種導波路の設計・作製および評価
4.1 直線および曲がり導波路の高透過・低損失特性
4.2 SMZの分波・合波に不可欠な方向性結合器
4.3 PC-SMZ導波路図形の設計および伝播特性
5 PC-SMZの高速スイッチング動作
5.1 試料の作製および測定系
5.2 非線形光学効果による位相変化
5.3 PC-SMZの光スイッチング応答特性
6 おわりに
第31章 MEMS集積化フォトニック結晶素子の現状と展望
1 はじめに
2 MEMS集積化フォトニック結晶素子の動作原理と機能
3 MEMS集積化フォトニック結晶素子の実現と今後の展開
4 おわりに
