フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡を実用化 様々なフォトニック構造のバンドダイアグラムを高速に測定可能

東京工業大学 科学技術創成研究院の雨宮智宏助教らは、株式会社東京インスツルメンツ、物質・材料研究機構と共同で、フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡を開発した。本装置により、様々なフォトニック構造のバンドダイアグラム^[用語1]を高速に自動計測することが可能となった。

開発した装置は赤外ハイパースペクトルイメージング^[用語2]により、波長ごとのフーリエ画像^[用語3]を得た後、それらの画像をもとにフォトニックバンドダイアグラムを再構成する。本装置により、フォトニック結晶、トポロジカルフォトニック結晶^[用語4]、メタマテリアル^[用語5]を始めとした様々な構造において、バンドダイアグラム全域を高速に測定することが可能となる。

これにより、各種フォトニック構造における物性評価が容易となり、光デバイスの研究開発など関連分野の一層の推進が期待される。

本装置は東京工業大学と東京インスツルメンツの特許（特願2019-217786）をもとに共同開発されたものであり、6月上旬より「FA-CEED®」の製品名にて東京インスツルメンツから販売される。

フォトニック構造とは、光の波長以下の微細構造を一定の周期性をもって並べたものの総称であり、構造内の光と物質の相互作用を利用して、様々な光の操作が可能となる。特に代表的なものがフォトニック結晶、メタマテリアル、トポロジカルフォトニック結晶であり、ナノプロセス技術^[用語6]を使って半導体を微細加工することで、現在までに様々な構造が作られている（図1）。

このような構造において、光学特性を決定する重要な指標のひとつがフォトニックバンドダイアグラムである。これを評価することで、フォトニック構造内の光の伝搬の様子を知ることができ、回折限界^[用語7]を超えた光の閉じ込め、スローライト効果^[用語8]、偏光に依存した一方向性伝搬、負の屈折率など、通常の構造では見られない様々な光学現象を予想することが可能となる。

従来、フォトニックバンドダイアグラムを測定するためには、特定方向から光を入射し、それらの透過／反射特性を観測、評価を行うことが一般的だった。この場合、それぞれのサンプル状態に適した形で光学系を組む必要があるとともに、光学系の調整を含めた測定・評価に多大な時間を要することが、関連分野の研究上の課題となっていた。

フォトニックバンドダイアグラムをより簡素に、かつ直接的に測定するために、本研究グループではフォトニックバンドダイアグラム顕微鏡を開発した。装置の構成を図2に示す。まず、広帯域白色光源から各種波長板や可変リターダを介した後、対物レンズによりサンプルと垂直に光を入射する。その後、サンプルから散乱してきた光のフーリエ画像を4f光学系^[用語9]を介して可視カメラおよび赤外カメラで観測する。このとき、可視カメラの前には撮像レンズが配置されており、サンプルの実像を観測しながら、測定したいフォトニック構造の局所領域を指定することができるようになっている。また、赤外カメラの前には波長可変フィルタが配置されており、波長850 nm-1,800 nm（ナノメートル）の範囲における任意波長の回折パターンを得られるようになっている。

本構成を用いて、フォトニックバンドダイアグラムを得る手順は図3に示すとおりである。まず波長可変フィルタの中心波長を変化させながら、サンプルからの散乱光のフーリエ画像を観測する。その後、得られたフーリエ画像に対して、指定したパスに沿った強度情報を測定し、その情報を逆格子空間^[用語10]における特定エネルギーの強度分布に変換する。全ての波長に対して同様の動作を行い、それらを2次元的に並べることで、フォトニックバンドダイアグラムを再構成することができる。

本装置を用いることで、様々なフォトニック構造のバンドダイアグラムを画一的に取得することに成功している。一例として、正方格子のフォトニック結晶を測定している様子を下記動画にて示す。波長可変フィルタの中心波長の変化に伴ってフーリエ画像が様々な形状に変化していることが見て取れる。本結果をもとに再構成されたフォトニックバンドダイアグラムでは、正方格子のフォトニック結晶で予想される理論結果とほぼ同等の結果を得ることができている。

本装置は、6月上旬より「FA-CEED®」の製品名にて東京インスツルメンツから販売される。基礎研究面では、様々なフォトニック構造の特徴を明確化することができ、物性探求における多くの指標が得られると考えられる。より実用的には、各種フォトニック構造のバンドダイアグラムをあらかじめ測定しておくことで、それらを用いた光デバイスの設計が容易になり、関連市場の拡大や、それらデバイスを用いた新たな研究領域の開拓などが期待される。