（光実装技術と光 MEMS 技術）

2005FY －００ 9 － 1

光技術応用システムのフィージビリティ調査報告書

－光集積技術 III －

（光実装技術と光 MEMS 技術）

２００６（平成１８）年３月

(財)

^財団 _法人

光産業技術振興協会

序 文

2005(平成17)年度の光産業国内生産額は，当協会の調査結果によると，金額にして約7.7兆円，前年比2.1%

の伸びが見込まれている。光技術は社会インフラからオフィス，家庭など社会生活の全てに係わる基盤・基 幹技術と位置づけられ，ユビキタス社会実現に向けてその果たすべき役割は大きい。特に，産業構造の急激 な変化と東アジア生産拠点の存在感が増している現在，新たな発想を持った新技術・新製品ならびに新市場 の創造が強く望まれている。

当協会は，光技術の普及促進と光産業の発展，ならびに光技術分野における新規事業創造に寄与するため に，平成8年度より「新規事業創造プロジェクト推進委員会」を設置し，新規事業創造の一環として光技術 を応用した新デバイス・新システム実用化の可能性を調査する「フィージビリティ調査」，並びに新規事業の 具体例としての光技術を応用したシステムや機器等の委託開発等を実施してきた。

本報告書は，このような背景のもとで，一昨年度に設置した「光集積技術フィージビリティ調査委員会」

の3年目，最終年度として調査研究した結果について取りまとめたものである。当委員会では，光集積技術 についての最新の技術動向を調査すると共に，その要素技術・システム応用などの技術開発と市場性，ファ ウンドリーなど商用化に向けての問題点と課題，今後の研究開発の展開・方向性について調査，検討を行っ てきた。今年度は，光実装と光MEMS に関連して，光部品の低コスト生産技術，応用デバイス開発，新し い技術動向などを中心に調査，検討を行った。

今，「日本は世界で一番安いブロードバンド環境にある」と言われているが，これを可能にしているのは光 通信ネットワークである。インターネットに代表されるデータ通信，トラフィック需要は相変わらず増加傾 向にあり，高速・大容量への希求は今後も続くことが予測される。この様な観点からも，光ネットワークシ ステムの基本構成である光デバイス/装置への要求として高性能・多機能化と共にコストダウンできる技術開 発が強く求められている。光実装と光MEMS 技術は，この様な要求に応えるものとして，また，高密度・

省スペース化と電力消費削減の上からも期待が高い。これらの技術，あるいは両技術が一体化した新機能素 子・システムが新たなる市場創造に結びつくことを期待したい。

本報告書は本調査委員会の水本哲弥委員長をはじめ 18 名の委員各位の熱心な調査研究討議に基づき，最 先端の研究開発でリーダーシップを取っておられる方々のご協力を得て作成されたものであり，厚く御礼申 しあげる次第である。

なお，本報告書の第 5 章には，「新規事業創造プロジェクト推進委員会」全体の今年度の活動状況がまと められている。新規事業創造プロジェクト推進委員会・矢嶋弘義委員長，委員各位，さらには関係官庁，諸 機関，関係企業の各位の多大のご支援とご協力を賜ったことを，ここに記して深く感謝の意を表す次第であ る。

2006（平成18）年3月 財団法人 光産業技術振興協会 会 長 金杉 明信

－i－

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平成 17 年度 光集積技術フィージビリティ調査委員会名簿

（敬称略，順不同）

委 員 長 水本 哲弥 東京工業大学 大学院理工学研究科 電気電子工学専攻 教授 主 査 茨 木 修 独立行政法人 産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門

光・電子SI連携研究体 副連携研究体長

主 査 澤田 廉士 九州大学 大学院工学研究院 知的機械システム部門

システム生命科学府生命工学講座 ナノマイクロ医工学研究室 教授 委 員 諫本 圭史 Santec(株) マネージャー

委 員 尾 上 篤 パイオニア（株） 総合研究所 AD2研 委 員 海津 勝美 三和電気工業（株） 技術開発部 技術部長

委 員 蔵田 和彦 日本電（株）システムプラットフォーム研究所 高速ｻﾌﾞｼｽﾃﾑﾃｸﾉﾛｼﾞｰｸﾞﾙｰﾌﾟ 委 員 佐々木 実 東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 羽根研究室 助教授 委 員 塩田 剛史 三井化学（株） 機能材料研究所 回路材料G

委 員 宍倉 正人 （株）日立製作所 中央研究所 光デバイス研究プロジェクト 主任研究員 委 員 高原 秀行 日本電信電話（株） 知的財産センタ 企画部 担当部長（統括）

委 員 高 森 毅 沖電気工業（株） 研究開発本部 ｼﾘｺﾝﾚﾝｽﾞﾍﾞﾝﾁｬｰﾕﾆｯﾄ ﾕﾆｯﾄﾘｰﾀﾞｰ 委 員 延原 裕之 （株）富士通研究所 ﾌｫﾄﾆｯｸﾈｯﾄﾜｰｸ研究所 光ﾓｼﾞｭｰﾙ研究部 主任研究員 委 員 日暮 栄治 東京大学 先端科学技術研究センター 助教授

委 員 尾藤三津雄 アルプス電気(株) 事業開発本部 企画部

委 員 平田 隆昭 横河電機（株） 技術開発本部 先端技術研究所 通信技術研究グループ長 委 員 三 川 孝 独立行政法人 産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門

高密度SIグループ

委 員 村上 賢治 オリンパス（株） 研究開発センター MEMS開発本部 MEMS事業推進部 応用開発G 課長代理

事 務 局 田口 剣申 財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （主担当）

事 務 局 小名 篤裕 財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （副担当）

－ⅲ－

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委員以外の執筆者名簿（役職・敬称略，順不同）

庄司 靖弘 駿河精機（株） OST事業部 PMG

新井 義之 東レエンジニアリング（株） エレクトロニクス事業本部 ファインプロセス事業部 ファインプロセス開発部

村田 則夫 NTTアドバンステクノジ（株） 先端技術事業本部 光導波路応用事業ユニット 濱野 文一 シュロニガージャパン（株） 代表取締役

片桐 祥雅 日本電信電話(株) NTTマイクロシステムインテグレーション研究所 ネットワーク装置インテグレーション研究部

高井 厚志 日本オプネクスト（株） 通信モジュール事業部 設計開発本部 山崎 裕幸 日本電気(株) システムプラットフォーム研究所 高速サブシステムTG 片岡 是和 大日本スクリーン製造（株） メディアテクノロジーカンパニー

MT製造統轄部 第一技術部 技術一課

矢野 光博 (株) 富士通研究所 フォトニックネットワーク研究所

唐木 幸子 オリンパス(株) 研究開発センター 研究開発本部 基礎技術部 庄子 習一 早稲田大学理工学部 電気・情報生命工学科 大学院ナノ理工学専攻

－ⅳ－

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審議経過概要

第1回委員会

・ 平成17年 8月30日（火）14:30～17:00，於：（財）光産業技術振興協会

・ 審議：

① 自己紹介と委員長選出

② 今年度活動方針の検討・審議

第2回委員会

・ 平成17年10月11日（火）13:30～17:00，於：（財）光産業技術振興協会

・ 講演：「光モジュールのアセンブリー技術」

講師；庄司靖弘 氏（駿河精機株式会社）

・ 講演：「公開資料から見たDMDの集積化技術」

講師；佐々木実 氏（東北大学）

・ 審議：

① 光実装技術の調査範囲，調査項目の抽出・検討

② 光MEMS技術の調査範囲，調査項目の抽出・検討

第3回委員会

・ 平成17年11月28日（月）13:30～1７:30，於：（財）光産業技術振興協会

・ 講演：「ポストゲノム時代の生体分子解析における光学観測」

講師；唐木幸子 氏（オリンパス株式会社）

・ 講演：「メタル導波路」

講師；片桐祥雅 氏（NTT ﾏｲｸﾛｼｽﾃﾑｲﾝﾃｸﾞﾚｰｼｮﾝ研究所）

・ 講演：「プラスティックコネクタの自動装填と接着技術について」

講師；濱野文一 氏（シュロニガージャパン株式会社）

・ 講演：「光部品・モジュール組み立てのための接着技術」

講師；村田則夫 氏（NTT アドバンステクノロジ株式会社）

・ 審議：

① 光実装技術の調査範囲，調査項目，報告書目次（案）の検討

② 光MEMS技術の調査範囲，調査項目，報告書目次（案）の検討

第4回委員会

・ 平成18年 1月20日（金）13:30～18:00，於：（財）光産業技術振興協会

・ 講演：「GLV^TMを用いたCTP出力装置の開発」

講師；片岡是和 氏（大日本スクリーン製造株式会社）

・ 講演：「光学素子用フリップチップボンダー技術」

－ⅴ－ 目次へもどる

講師；新井義之 氏（東レエンジニアリング株式会社）

・ 講演：「細胞・分子の高速ソーティングシステム」

講師；庄子習一 氏（早稲田大学）

・ 講演：「光トランシーバの開発動向と MSA」

講師；高井厚志 氏（日本オプネクスト株式会社）

・ 審議：

① 報告書作成に係わる目次，執筆者の選定他

第5回委員会

・ 平成18年 2月14日（火）16:00～19:30，於：（財）光産業技術振興協会

・ 講演：「MEMS 技術による光 Switch の高性能・経済化開発

―最近の Network Evolution に向けて－」

講師；矢野光博 氏（富士通研究所/アダマンド工業株式会社）

・ 講演：「高分子光導波路の最新動向」

講師；塩田剛史 氏（三井化学株式会社）

・ 講演：「PLC をフィルタの用いた波長可変光源技術」

講師；山崎裕幸 氏（NEC システムプラットフォーム研究所）

・ 審議：

② 報告書原稿の内容について検討・審議

－ⅵ－ _{目次へもどる}

目 次

序文 ……… i

委 員 会 名 簿 ……… iii

審議経過概要 ……… v

1. まえがき ……… 1

2. 光実装技術 ……… 3

2.1 はじめに ……… 3

2.2 光モジュールのアセンブリー技術 ……… 5

2.3 光学素子用フリップチップボンダー技術 ……… 13

2.4 光部品・モジュール組み立てのための接着技術 ……… 25

2.5 プラスティックコネクタの自動装填と接着技術 ……… 35

2.6 高分子光導波路の最新動向 ……… 41

2.7 金属光導波路技術 ……… 45

2.8 光トランシーバの開発動向と MSA ……… 53

2.9 WDM 光通信用のキーエンジン，フルバンド波長可変レーザ技術 ……… 63

3. 光 MEMS 技術 ……… 73

3.1 はじめに ……… 73

3.2 公開資料から見た DMD の集積化技術 ……… 75

3.3 GLV^TMを用いたCTP出力装置の開発 ……… 89

3.4 MEMS 技術による光 Switch の高性能・経済化開発―最近の Network Evolution に向けて …… 99

3.5 ポストゲノム時代の生体分子解析における光学観測 ……… 105

3.6 細胞・生体分子の高速ソーティングシステム ……… 113

4. あとがき ……… 121

5. 新規事業創造事業 ……… 123

5.1 創造・新事業展開支援事業の概念 ……… 123

5.2 平成 17 年度事業活動の成果 ……… 125

5.3 2005(平成 17)年度新規事業創造プロジェクト推進委員会名簿 ……… 127

5.4 2005(平成 17)年度創造・新事業展開支援事業の委員会構成及び事務局 ……… 128

－ⅶ－

1．まえがき

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1．まえがき

日本国内において， ITバブル崩壊後の光産業にもようやく回復の傾向が見えてきた。一方で，データ通信 の伸びに支えられて，通信トラフィックの増加はあいかわらずの増加傾向を示しており，通信ネットワーク の大容量化に対していっそう強い要求が発生するものと考えられる。

通信ネットワークの大容量化は，ネットワーク構成機器の高性能化によって支えられることはいうまでも なく，基幹系の伝送手段として確固たる地位を築いている光ファイバ通信において光伝送装置の高性能化の ために，光部品の高性能化はもちろんのこと，小型化，低消費電力化が望まれている。また，伝送装置の低 コスト化は通信システム全体のコスト低減に直接的につながり，通信ネットワーク拡大のためには重要な要 素である。さらに，光技術が光ファイバ通信以外にも広く利用されるためには，光部品の低コスト化は重要 な課題であり，光実装技術がその鍵を握っている。一方，MEMS技術に代表される可変制御可能な小型光部 品の開発と並列化による大規模な集積化は，光通信分野はもとよりバイオ技術などの新しい領域と結びつい て，新規な応用技術の開拓につながっており，今後の発展が大いに期待される。

光集積技術フィージビリティ調査委員会は，2003(平成15)年度に発足し，3年間の委員会活動でオプトエレ クトロニクス分野の集積技術の動向を調査し，将来の技術開拓につながる提言をまとめることを目的として 委員会活動を開始した。2005(平成17)年度は，光実装技術と光MEMS技術に焦点をあて，関連する分野で研 究開発の一線に立つ研究者の方々をお招きしてご講演をいただき，委員と講演者との討論を通して最新の技 術動向を調査した。本報告書は，ご講演内容を資料として掲載し，本年度の調査結果としてまとめたもので ある。

第2章「光実装技術」では，光デバイスや光部品の実装技術について記載している。2.2節において，部品 の高精度・短時間の位置合わせ技術を中心に，最新の光モジュールアセンブリ技術を紹介している。2.3節で は光学素子用のフリップチップボンダ技術を，2.4節では光部品とモジュールの組立てに欠くことのできない 接着技術の動向を，2.5節では安価な光接続方法として用いられるプラスチックコネクタの自動装填と接着技 術を紹介している。2.6節では，安価な光配線・導波路技術として注目される高分子光導波路の最新の技術動 向を述べ，2.7節では，新しい光配線技術としてのメタル導波路の最新動向を紹介している。さらに，光実装 の製品応用例として，2.8節では光トランシーバの開発動向とMSA (Multi-Source Agreement)について述べ，

2.9節で波長可変光源技術の最新動向をまとめている。

第3章「光MEMS技術」では，MEMSをベースとした応用デバイスの開発状況や新しい技術動向について 述べている。デバイス応用として，3.2節でDigital Micro-mirror Device (DMD)に使われている集積化技術を 紹介している。MEMSの並列デバイス応用の観点から，3.3節において，印刷・製版システムにおける応用 例として，GLV (Grating Light Valve)を用いたCTP (Computer To Plate)出力装置の開発，3.4節でMEMS技 術による光スイッチの高性能化・経済化の開発状況を紹介している。MEMSのバイオ分野への応用の観点か

ら，3.5節で光学観測を用いた生体分子解析へのMEMSデバイスの応用，更に，3.6節でMEMSを用いた細胞・

分子の高速ソーティングシステムの最新技術を紹介している。

第4章「あとがき」では，諸言として報告書のまとめを述べている。

-1- 目次へもどる

2006(平成18)年3月

光集積フィージビリティ調査委員会 委員長 水本哲弥

-2- 目次へもどる

2．光実装技術

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2.1 はじめに

茨木 修

独立行政法人 産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門

FTTHの伸び率がADSLのそれを凌駕してきており，光ブロードバンド伝送の進展は目覚しく進んではい るものの，IT 機器への光部品の普及がさほど進んでいない。これは，IT バブルの後，光部品に対する要求 価格が大幅に下がり普及を鈍化させている一因ともなっている。光モジュールの低価格化は，光素子及び光 伝送・接続する媒体（光導波路，コネクタ）の価格を安くすることは勿論のこと，光モジュールをアセンブ リーするための価格を減らすことが重要である。

本委員会では，これまでの２年間は，将来の光モジュールの小型化・高速化に適した光集積技術に視点を 置き，その先端技術，及び応用分野について調査してきた。今期は視点を変え，「光部品の低コスト生産技術」

の観点から調査した。即ち，このような光モジュールを商品化するため実装機や組立て装置など周辺技術が 現状どのようなレベルにあり，今後どのような開発が必要かを調査した。またさらに，光モジュールの低価 格化という観点から，現状製品レベルの光モジュールのMSAでの標準化動向，光導波路の開発状況と応用 分野，大容量データ通信用のWDM部品の開発動向についても調査した。

本報告の全体の構成については，1）モジュール製作技術，2）光配線・接続技術，3）製品応用に分けて 記述している。概要は下記のとおりである。

1）モジュール製作技術

パッシブ部品の実装機については，駿河精機㈱の庄司靖弘氏から「光モジュールのアセンブリー技術」と 題して，光ファイバ調芯装置，フィルタ挿入装置，マイクロマニピュレータが紹介された。

光素子の実装機については，東レエンジニアリング㈱の新井義之氏より「光学素子用フリップチップボ ンダー技術」と題して，±0.5μｍ以下の実装精度でのタクトタイムは15秒，±2μｍの精度では4.5秒 の光学素子の実装機などの紹介があった。

光部品をアセンブリーする場合には必須となっている光学接着剤については，ＮＴＴアドバンステクノロ ジ㈱の村田則夫氏より，「光部品・モジュール組み立てのための接着技術」と題して，光通信部品における接 着技術，接着剤の耐久性などについて紹介をいただいた。

2）光配線・接続技術，

コネクタの組立て技術についてはシュロニガージャパン㈱の濱野文一氏より，「プラスティックコネク タの自動装填と接着技術について」と題して，特に POF コネクタ自動装填装置に関しての開発コンセプ ト，市場と用途，加工技術などが紹介された。

光導波路については，三井化学㈱の塩田剛史氏より，「高分子光導波路の最新動向」と題して，各社の高 分子導波路の技術紹介，光技術の導入が通信以外の，それほど高速でない分野においても期待されてお

-3- 目次へもどる

り，導波路技術については日本がこの分野では最も進んでいることなどが紹介された。

さらに将来の電子回路技術と光技術を結びつける導波路技術として，「メタル導波路」と題して，NTT 研究所の片桐祥雅氏より，テラヘルツ帯域の表面プラズモン－ポラリトンの有用性と期待される特性等につ いて紹介があった。

3）製品応用

光モジュールの標準化については，「光トランシーバの開発動向とMSA」と題して，日本オプネクスト社 の高井厚志氏よりEtherモジュールの標準化，コストの推移などが紹介された。

大容量データ通信用のWDM部品については，ＮＥＣ㈱の山崎裕幸氏より「WDM光通信のキーエンジン，

フルバンド波長可変レーザ技術」と題して，波長可変光源の市場動向・規模も含め，波長可変の仕組み・

技術開発動向とも比較してのリング共振器による波長可変レーザの特徴，特性等について紹介された。

上記講演の詳細については，以下の2.2章～2.9章をご参照していただきたい。

光部品は，ミクロン及びそれ以下の単位での実装精度が要求されることから，また，生産量が少ないので 人手をかけてのアセンブリーのため，コストダウンがなかなか難しい領域であったが，今回の調査で少しず つではあるが自動組立てが導入され，アセンブリー時間の短縮が進んできている。しかしながら，電気部品 の実装工程時間のレベルにいたるまでは，まだまだ自動組立て装置の高速化および自動組立てに適した実装 構造化など改善の余地がある。今後，MSA などで標準化が進み，光部品の適用範囲がひろがれば，さらに 生産技術も進歩することが期待される。

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2.2 光モジュールのアセンブリー技術

庄司靖弘

駿河精機株式会社 OST 事業部 PHG

内 容

（1）光ファイバー調芯技術

・ PLC自動調芯機要素技術

・ 要素技術（精密ステージ）

・ 接触感知および面合わせ

・ 調芯プロセス

・ 光コネクタピッチ測定器

（2）パッシブ実装技術

・ フィルタ挿入装置・ファイバ実装装置

・ 要素技術（光センサ）

・ フィルム貼り合わせ装置

・ デバイス貼り合わせ装置

（3）マニピュレーション技術

・ グラスプレートマニピュレーション

・ マイクロマニピュレータ

・ 要素技術（接触センサ）

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2.3 光学素子用フリップチップボンダー技術

新井義之

東レエンジニアリング株式会社 エレクトロニクス事業本部

ファインプロセス事業部 ファインプロセス開発部

要 旨

光モジュールの量産，低コスト化を目的とした，超高精度フリップチップボンダーの要素技 術，最新技術動向の報告。

内 容

ＯＦ２０００の特徴について 1.アライメント技術

2.熱，経時変化対策技術 3.実装プロセス技術 4.精度検証結果

5.微小マーク対応技術，平行度自動調整技術 6.光部品特有の組み立て技術

7.光モジュール量産最新動向

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2.4 光部品・モジュール組み立てのための接着技術

村田 則夫

ＮＴＴアドバンステクノロジ（株）

先端技術事業本部 光導波路応用事業ユニット

目 次 1． はじめに

光ファイバ通信の拡大に伴い，安価な光通信機器・光部品の大量供給が必要となる。これを実現するため，

光部品の組み立て技術に関して，より簡便で経済性に優れ，正確かつ高信頼で部品固定できる接着技術が期 待されている。

本報告では，光部品の組立に使用されている短時間接着可能な ①紫外線（ＵＶ）硬化光学接着剤の特徴 と光路結合への応用，②シアノアクリレート系接着剤を用いた光コネクタ組立技術，③ミクロンオーダで部 品固定できる精密接着技術の特徴と応用などを概説するとともに，④UV接着剤の高耐久性技術と高耐久性接 着剤を用いて組み立てられた高信頼性光部品を紹介する。

2． 短時間接着固定技術

2.1 UV硬化光学接着技術 2.2 光コネクタ組立用接着技術

3． 精密接着固定技術

3.1 精密接着剤の特徴 3.2 精密接着剤の応用

4． 接着部の高耐久性技術

4.1 接着剤の耐湿性向上 4.2 光部品の高信頼性の実例

5． まとめ

光部品の量産化，低コスト化が要望され，光路結合用光学接着剤や精密接着剤などによる光部品の簡便な 組立技術は，今後ますます重要になると考えられる。また，最近は，接着剤に対する環境や作業者の安全面 の法規制が厳しくなり，有害成分を使用しないＵＶ接着剤や皮膚刺激性の少ない硬化剤を用いた接着剤が要 望されている。

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2.5 プラスティックコネクタの自動装填と接着技術

濱野文一

シュロニガージャパン株式会社

要 旨

地球環境に優しい燃費効率の良い自動車には車両の軽量化は避けることの出来ないゴールである。一方, 情報化時代に対応するための信号線のマルチ化の要求は軽量化に相反するものであると考えられてきた。21 世紀を迎えるにあたり ITS を推進する動きが始まり, 時を待たずして, 追って車載用ナビゲーションシステ ムやオーディオ機器の普及と携帯電話等の融合が求められるようになった。加えて, ETC がこれらを後押し するかのように普及している。つまり, 自動車とユビキタス社会の融合が現実化に向けて静かにではあるが 確実に動き出している。我々，スイス・ツーン市に本社を置く, ケーブル加工機メーカー Schleuniger AG の日本法人, シュロニガージャパン株式会社として最新の車載用信号線の加工, 接合する技術とその機械の 概要について報告する。

2.5.1 市場要求

車載用途であることから, まず, 軽量化を達成することを可能にする信号線の材料としてあらゆる候補の 中からプラスティックが選択された。幸い, グラスファイバー(GOF: Glass Optical Fiber)による大容量の データ転送による経験が比較的容易に反映出来ることも分かり, これらの技術の大半が流用可能となった。

また, プラスティックファイバーには高温に弱い等の欠点はあるもののガラスと違う優位点は割れ難く（振 動に強い）, 軽く（軽量化に最適）, 加工や曲げに対しても充分な応答性があることも確認された。しかし ながら, 過渡期である現在の状況は, 世界各国, 各自動車メーカーによって採用される規格は近年, ますま す多様化している。自動車の駆動が内燃機関（燃料エンジン）からハイブリット（燃料エンジン＋電気モー ター）, そして電気自動車（電気モーター）へと移り行く過程で, わざわざ, POF の統一規格を論ずるのは

「釈迦に説法」的なところもあるので控えさせていただくが, 間違い無く, 個別ユニットとして機能するカ ーエレクトロニクスからそれぞれのユニットや機能を融合するカーネットワークへと市場要求も変化し, 更 にそれらの技術の完成度を上げてゆくことは事実であり, 近い将来にはカーネットワークは常識となってい る筈である。そこで, 本稿では MOST 規格に準拠したプラスティックファイバーによる信号線(POF: Plastic Optical Fiber)の加工技術について紹介する。

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MOST = Media Orientated System Transport

Multi Functional Display

★Radio Installation Kit

Rear

TV ★DVD / CD Changer ★Sound Amplifier

★GPS Navigator

MOST Ring Architecture

★Cellular Phone Multi Functional Display

★Radio Installation Kit

Rear

TV ★DVD / CD Changer ★Sound Amplifier

★GPS Navigator

MOST Ring Architecture

★Cellular Phone

図 2.5.1.1 MOST 規格の用途例

2.5.2 POF 加工テクノロジー

安全は自動車の絶対的要求条件であるにもかかわらず, 不特定多数の人員の移動を目的とした航空機運行 にかかわる乗員・機体の管理や保守のサイクルタイム毎の整備要求や厳しい法規則等（航空法）は存在しな い。むしろ利用者責任という暗黙の了解のもとで, 運転中に安全を確保しながら利用者自身がオーディオ機 器等を操作することが容認されている。つまり移動手段である筈の車が, 利用者責任という枠の中で移動中 の快適性や利便性を充足することが可能になったため, 今日の車社会が出来上がったと言える。

しかしながら, 近年になって運転支援を含めた車のあり方, 装備や機能が複雑化してゆく中で, 運転中の 安全確保のツールの必要性が求められている。もちろん, ドライバーのスキルが原因に依るところの事故も 自動車の増加と共に増えている。この双方の要求条件をクリアするために安全運行支援（安全確保: ABS, エ アーバック, 運転支援：ナビゲーション, 前後方モニタ）の各種システムが開発され, そのセンサーから出 る大容量データーを高速で確実に転送する手段として光信号が採用され始めた。

我々は, この光信号を伝達する POF の加工プロセスについて以下に紹介する。

2.5.3 システムの概要

システム全体の構成は非常にシンプルな仕上がりになっている。弊社 POF Center 70 は完全自動加工装置 ではあるが, 裏を返せば, この装置の基本コンセプトがプロセスモジュール単体で機能すること。そして各 プロセスモジュールを互いに統合ソフトウエアを介し, 任意にドッキングすることが可能であること。いわ ゆる, モジュールの組み合わせによって, セミオートマッティック仕様とフルオートマッティック仕様を両 立させることを実現した。

-36- _{目次へもどる}

各プロセス独立型

研磨 スリッティング テスト

接着材 クリンピング

溶着 装填 印字 測長 切断

スタンドアロン セミオートマティック フルオートマッティック

図2.5.3.1 マシンコンセプト（設計思想）

(1) 測 長

ボビンに巻き取られている POF ケーブルを自動的に引き出し，予め設定された加工要求の長さを搬送モー ターからのパルス信号によって 0.01mm 単位で測長する。この時，即長中にケーブルのジャケットに印字する 工程も組み込むことが出来る。

(2) 切 断

前行程(1)で測長されたケーブルをカッティングヘッド位置で瞬間停止し，ブレード或は回転式のこぎり刃 によって切断する。プラスティックの材料組成にもよるが， 回転式のこぎり刃（SAW）による切断の方が POF 端面に与えるダメージが少なく歩留まりが向上することが報告されている。

(3) ストリップ

前行程(2)で切断されたケーブルを同じ位置にて停止中にブレードによってジャケットのみに切り込みを 入れ, その後ジャケット（外皮）を同一ブレードによってストリップする。この時のストリップ長並びにブ レードの深さ方向の設定単位は 0.01mm である。また, 切り込み量（深さ方向）はステップ毎に変更出来るた め, 切り込み→ストリップの工程において切り込み後に深さ方向の量を少なく（浅く）してストリップ（ウ エイバック）することが望ましい。これによりコア（POF 芯線）にブレードによるこすり傷を与えなくする ことが出来る。

(4) 端面研磨

次に, ストリップ工程後に POF ケーブルの端面の研磨工程がある。この工程はマニュアル製造の場合, ホ ットプレートや研磨布を使用して荒れた端面を修復するのが一般的であるが, 自動機においては 1 本当たり の生産タクトが僅か 5 秒と短いため, 他の技術を取り入れた。我々は高速回転(24,000RPM)の回転ディスク上 にダイアモンドブレードを搭載したダイアモンドミル（研磨）を開発した。これによって, 従来技術で問題 になっていた端面が丸みをもってしまう, レンズ現象や研磨布とスラリーによって端面中央部がやせてしま う, ディッシング現象を同時に解決した。

-37- 目次へもどる

< 0.45 dB

< 1.0 dB

< 1.5dB Attenuation

Separate processing In cut processing

In cut processing

POF Finisher-20 PS-9500SAW

PS-9500 Machine

Result

(Micro Scope Viewing)

Diamond Milling SAW Cut

Blade Cut Method

図2.5.3.2 ダイアモンド研磨

(5) フェルール装填/レーザー融着

次に, リール（連続端子）からフェルール（プラスティック製コネクタ）の供給を受け, それらを既に自 動搬送され待機している POF ケーブルの両端に自動装填, 自動位置出しする。ここでいう自動位置出しとは POF ケーブルの先端が挿入される際にその先に突き当て式の Positioning Sensor(0.01-0.1mm)が待ち構えて いて, 瞬時に位置を確認する。搬送又は位置出し時に許容以上のエラーがあった場合にはエラーシグナルが 出され, 当該部品は不良回収ボックスへ落とされ, 良品のみがレーザーにて POF ケーブルに自動的に融着さ れる。同じプロセスステーションでレーザー融着を行う仕組みであるが, プロセス時のレーザー出力の安定 を配慮し, レーザーは常時設定範囲内で励起していて回転式シャッターシステムにより開閉している。

Positioning sensor Laser beam

0.01 – 0.1 mm POF cable

Ferrule

図2.5.3.3 ポジショニングセンサとPOFの配置

(6) 検 査

最後の工程に検査がある。ここでは自動機で出来る光の損出(dB Loss)を検査という。前行程でフェルール が融着された POF ケーブルが自動搬送され, 両端同時に Sender と Receiver に挿入される。ここでは予め基

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準 POF ケーブル（校正用）によって設定されたデータを基に加工された全ての POF ケーブルの損出を測定し, 基準範囲外のものは不良回収ボックスへ落とされ, 良品のみが製品として製品回収ボックスへ運ばれる。

図2.5.3.4 POFケーブル引き回しによる光損失

(7) 製 品

ここまでの加工工程を完全自動化することが可能となった。ここでいう製品はこの後のマニュアルによる 引っぱり強度試験をクリアすることによって最終製品と呼ぶことが出来る。

結束 レ ー ザ

ー

ストリップ 研磨

検査

製品集荷

図2.5.3.5 POF自動加工装置全容

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2.5.4 まとめ

POF ケーブルを用いた車載光通信技術は欧州では早くから積極的に採用され, 広く普及している。一方, より現実的, 保守的な日本においては一部の高級車（海外輸出用として POF 技術が採用されている）を除く と国内市場への普及は皆無といってよい状況である。これは既存データ通信手段である銅線ハーネス技術と アドバンテージ・ディスアドバンテージを相対比較した場合, 圧倒的な軽量化のメリットがあるにもかかわ らず, 部品としてのコストが高く, 採用に踏み切れていない。我々は, POF ケーブル製造メーカーをはじめ として, 車載用ハーネス加工メーカーや同電子部品メーカーと積極的に情報交換し, 新しい光技術が一日も 早く実用化され, より多くのユーザーの方々に安全で低価格な光技術をご利用いただけるようになることが 我々の発展と光技術の発展には不可欠であると考える。

参考文献

POF: Markets, Applications and Processing Methods

“New Applications Fuel A Growing Market”

By Holger Herrmann & Pete Doyon, Schleuniger AG & Schleuniger, Inc.


Featured in EPP Europe, September, 2003

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2.6 高分子光導波路の最新動向

塩田剛史

三井化学株式会社機能材料研究所

要 旨

高分子光導波路について，アプリケーションの視点で概説した。高分子光導波路の形態として，フレキシ ブルとリジッドに分けられる。フレキシブル高分子光導波路は，近年，オムロン社や松下電工社がプレスリ リースしているように携帯電話への展開が期待されている。この場合，新たに求められる光導波路特性には，

屈曲性が挙げられる。フレキシブル配線板（FPC）や極細線同軸ケーブルなどと同等な屈曲性を出そうと，各 社工夫をしているのが現状である。ただ，実用化への大きな課題は，高分子光導波路特性というよりは，発 光素子や受光素子の駆動チップやシリアル－パラレル変換のチップの低コスト化，低消費電力化である。チ ップ開発にはかなりの費用がかかるが，日本がイニシアチブを取って光インターコネクション分野を発展さ せていくためには，是非，日本先着で実用化されることを期待している。一方，リジッドでは，ガラエポ基 板に光導波路を積層した光電気混載基板の開発が進み始めている。具体的なアプリケーションはまだ見えて いないように見えるが，陰で検討しているメーカは多い。光電気混載基板用の高分子光導波路材料は，日本 ではエポキシ系が多く，海外では，シロキサン系が多いのが興味深い。今後，携帯電話のような具体的なア プリケーションがリジッドに対しても出てくることが期待される。

また，2006 年 1 月に高分子光導波路や光インタコネクションに関する市場調査を web 上で行った。対象は 日本のメーカ（特に，導波路メーカのユーザあるいはエンドユーザ）である。調査結果を見ると，光インタ コネクションを検討しているメーカは予想以上に多く，1Gbps 以下でも検討しているメーカが多いこと，検 討している ch 数も 1～4 と少ないという結果は非常に興味深かった。信頼性の確立という面がクリアされれ ば，多くの潜在市場が立ち上がる可能性があることを示していると考えている。今後もこのような市場や技 術動向調査を行うことによって，高分子光導波路および光インタコネクションの確実な立ち上り，大きな発 展に繋がることを期待している。

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2.7 金属光導波線路技術

片桐祥雅

日本電信電話(株) NTTマイクロシステムインテグレーション研究所

2.7.1 はじめに

電子回路に匹敵する大規模光集積回路（光 IC）を実現することは光エレクトロニクス分野の長年の夢であ った。しかし，電子は局在性やバンド端での多様な制御性を有するのに対し，光は直進性による急峻な光導 波路の曲げ部分での巨大な放射損失や回折限界による微細化の困難性などの問題があった。

近年，CPUの速度限界からSi系ICに光を導入する試みが北米を中心として活発化し，光IC実現の機運が高ま りつつある。そもそもSiは高屈折率（～3.5）・赤外で透明であるという特徴から 1980 年代より微細光回路と して検討が進められてきたが，加工技術の未熟性により光回路の微細化に有効な高屈折率差光導波路では伝 搬損失が問題となり通信デバイスとして実用化には至らなかった。しかし，超微細加工技術の進歩に伴い，

Siをコアとする導波路をSOI(Silicon On Insulator)基板に形成した光導波路の伝搬損失が大幅に低減 (3dB/cm以下）され，再び高屈折率差光導波路が着目されはじめている。この技術を用いて微小リング光回路 や一辺が 10cmにもおよぶアレイ導波路格子（AWG)をmm程度にまで小型化するなど，光ICのための超微細光回 路の可能性が見え始めた。さらにCMOS構造を有する干渉型高速光スイッチ^1）が半導体メーカより検証され，

電子光融合化の方向も見えはじめている。

このような背景のもとに，光 IC 実現に向け光による電子の機能の置き換えが可能であるかが真剣に議論さ れるようになってきた。しかし，光に電子と同様の機能を発現させるにはいまだ本質的な障害がある。例え ば，光は相対性理論により速度不変（静止不可）であり，またボーズ統計に従うゆえにフォトニック結晶内 でバンド端を形成しないで「縮退」する。このような電子と大きく異なる性質により，メモリや論理ゲート といった基本構成要素を光で実現することが困難である。この本質的問題を解決するためには，屈折率閉じ 込めとか干渉とかいった光の波動性に立脚した光操作の概念を刷新する新たな光制御方法を創生する必要が ある。このような方法の一つとして光と物質との相互作用を通して粒子性（究極的にはフェルミ粒子性）を 引き出すことが考えられる。金属導波線路を伝搬する表面プラズモンポラリトン（SPP）に着目する理由はこ こにある。

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

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＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

＋ ＋ ＋ ＋

－

＋

局所電場 反電場

図 2.7.2.1 金属における電子密度の局

所揺らぎとそれに伴う電場の発生。

SＰＰ研究それ自体は 1970 年以来長年に渡り行われてきた^2-4)。

当初，負誘電体としての自由電子ガスとして取り扱える金属表面 を伝搬する光波（ＳＰＰ）が研究対象であったが，超伝導体⁵⁾や 半 導 体⁶⁾等 種 々 の 材 料 系 に 研 究 対 象 が 広 が っ て い っ た 。 T.

Kobayashi(阪大)はＳＰＰの空間凝縮性について 15 年前から理論 的に指摘し，回折限界を凌駕するナノ光トンネルの概念を示した

7)。この新概念の提案はEbbesenらが微小開口アレイの異常透過を Natureに発表⁸⁾してプラズモニクス研究を活発化⁹⁾させた 1998 年 よりさらに 5 年前にさかのぼる。また，最近ではフォトニック結

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晶研究分野で熟成された加工技術を利用し，金属ナノドット構造を精度よく作製し，金属微粒子列上のポラ リトン伝搬も盛んに研究されている。

2.7.2 プラズマ共鳴と SPP の基礎理論

金属の電子，特に平面波に近い性質を持つ S 電子系は固 体プラズマとして扱うことができる。金属電子は正の金属 イオン格子を背景に電気的中性を保持しながら結晶全体に 広がる。図 2.7.2.1 に示すように電子密度に局所的な揺ら ぎが生じると電気的中性が崩壊する。これにより分極が発 生すると同時に反電場による復元力が生じる。プラズマ振 動とはこのような電子ばねの波動である。

電子気体の誘電関数を

ε ( ) ω

，平衡状態での電子気体の 一様な電荷密度を

ρ

，電子の局所的移動により誘起される 分極による電荷密度を

ρ ′

とすると，

ε

0

^{∇ ⋅ E =} ρ ⁺ ρ ^′

とな る¹⁰⁾。一様な電子気体では

ε

0

ε ( ) ω ^{∇ ⋅ E =} ρ

であるから，

分極電荷密度は

ρ ′ / ρ = { 1 − ε ( ) ω } ( ) / ε ω

^となる。

ε ( ) ω = 0

の 場 合 に 分 極 電 荷 密 度 が 発 散 す る 。 電 子 系 は

という誘電関数を持つので前期

条件を満足できる。このような周波数での電子系の振動がプラズマ共鳴振動で，その周波数を

( ) ω ( ε ω

ε = 1 − e

2

N /

0

m

²

)

ω

pと定義し ている。バルクのプラズマ振動は縦波で電磁場と直接結合できないが，格子振動とも結合して電荷密度波

（CDW）をも形成する。図 2.7.2.2 に種々のCDWの形態を示した。CDWはMaxwell方程式に拘束されないので，

バルクのみならず 1 次元の電気伝導体（分子金属ワイヤ）やその 3 次元構造（DNA等の螺旋帯）で励起され 得る。縦波と横波が相互に結合する場合には横波を介して電磁場とプラズマの縦波が結合できるので，例え ば電荷密度波（CDW）の性質を利用して新たな光制御法を実現することが期待される。

図2.7.2.2 電荷密度波（CDW）の形態

図2.7.2.3 表面プラズモンポラリトン

一方，対称性の崩れる表面では，電子の進行方向（ｚ方向）に垂直（ｙ方向）な運動により表面電子密度 が周期的に変化する横波の粗密波を形成できる。これが SPP モードである。図 2.7.3.3 にその電磁構造の詳 細を示す。電子は垂直運動するのでその回りを回転する磁場は表面に平行である。一方，表面には正負の表 面電荷が現れるので，進行方向にも電場が現れる。結果として SPP は TM 波となる。

SPPモードの大きな特徴は，界面に垂直な方向（ｙ方向）に減衰する表面局在性である。伝搬定数をβとす るとSPPモードは次のように記述される。

( ) y [ i ( z t ) ]

f β − ω

= E

0

exp

E

(1);

( ) ^y [ ⁱ ( ^{z t} ) ]

f β − ω

= H

0

exp

H

(2) 局在を表す関数は

( ) ( )

( ) ; 0

exp , 0

; exp

2 1

≤

=

≥

= −

y S y y

S y y

f

(3)

と書ける。さらに金属表面で電場・磁場の表面内成分が連続であることを考慮すると次のような分散関係が得ら れる。

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ε ε

ε β ε

m o m

k +

=

1

1 (4)

ただし，ε₁およびε_mはそれぞれ誘電体および金属の比 誘電率である。図2.7.2.4は典型的な金属誘電体界面に発 生するSPP波の分散曲線である。SPP波は誘電帯側の分散 よりも常に遅波の領域にある。これは誘電体側から直接 SPP波を励起することができないことを意味する。また，

減衰パラメータは次のようになる。

S k

o

2 1 2

1

= β − ε

(5)；

S

m

k

o

2 2

2

= β − ε

(6)

S２はS1に比べ極めて大きい。これは金属表面で電磁場が遮蔽されることを意味している。

一方，界面に垂直な電場Eyは界面で不連続で次のように書ける。

( ) ( )

( ) ⁽ ε ε

1

2 2

1 2

/

/

_{z m}

z

E

E = )

⁽⁷⁾

金属の非誘電率は金属性が高いもの（電子密度が高いなど）ほど高く，通常は誘電体の誘電率の100倍程度ある。

従って誘電体側の電場強度は金属表面で10000倍まで増強され得る。SPPの光非線形効果は通常この電場増強に よる誘電体の高次光非線形性に由来する。

2.7.3 金属光導波線路

(1) 材料

Maxwell方程式の表面局在解としてのSPP波が存在するた めには，S₁及びS₂が共に正の実数でなければならない。媒 質のどちらか一方の誘電率が負であってさらに二つの誘電 率の和も負であるときこの条件は満足される。真空や通常 の誘電体の誘電率ε1は正である一方，金属の誘電率εmはプ ラズマ振動数以下の領域で負となる。従って，ε1+εm<0 が 満たされれば金属表面にSPP波を発生させることが可能と なる。通常の酸化物系誘電体では誘電率は 2～4 であり，こ れを打ち消すためには電子密度が大きくプラズマ振動数の 高い金属が有利である。図 2.7.3.1 に種々の金属材料の誘 電率（実数部）の波長依存性を示す。Crを除きAu, Ag, Ta 等の貴金属系の材料のほか広い波長帯で強い金属性を示す Alが利用可能である。但しAlは表面酸化により電導性が大 幅に劣化しやすいので自由空間と接する界面でのSPP波励 起には適さない。

βの虚数部からは損失係数が評価できる。図 2.7.3.2 は 種々の材料界面におけるSPP波の伝搬損失係数を分光エリ

図2.7.2.4 SPPの分散曲線

図2.7.3.1 種々の金属の誘電率

図2.7.3.2 誘電率から計算したSPPの伝搬

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プソメータ測定により求めた誘電率から計算したもので，金属性が強い近赤外領域で低損失伝搬の可能性を 示している。特に1.55μm近傍の光ファイバ通信領域では，酸化の影響がないAu－SiO2界面で実用に供し得る 100cm⁻¹以下の低損失性が得られている。

(2) 伝搬実験

上記の計算はナノ領域での信号伝達キャリアとしてSPPは十分期待させるものであるが，光周波数領域（0.8 μm帯を中心に）では大きな損失により信号伝達可能な距離が短い（～μｍオーダー）ことが問題である。

すべての光素子をナノサイズにすることで損失問題を緩和できるが，本質的低減が重要である。損失の原因 が電気抵抗にあり，周波数が若干低い近赤外領域（通信波長帯）で損失が数桁低減できる。そこで，最適な 材料を選択して導波路を作製してSPPの励起・伝搬実験を行い，この低損失手法を実証している¹¹⁾。図 2.7.3.3 にAuによる直線状の金属導波線路の試作とSPP伝搬実験（波長 1.55μｍ帯）の例を示す。素子構造自体はマ イクロストリップ線路と同じ構造である。素子両端はへき開面であり，一方に集光ビーム（TM波）を照射し 他方を観察した。その結果SPPモードに対応する発光部が観測されている。定量的な評価によりSPPモードの 伝搬損失は 15dB/mm程度であることが判明した。この値は信号の長距離伝搬には大きすぎるが，機能素子へ の適用可能範囲である。

図2.7.3.3 SPP伝搬実験 (3) 立体光配線の可能性

電子光融合の要素技術の一つとして立体光配線が考えら得る。この技術の実現により，光ICの設計の自由 度や積層による高密度化への道が開けるからである。図2.7.3.4はこのような立体光配線の実施形態を検討し たものである。最終形態のイメージは任意方向への直角曲げによる高密度光配線である。このような立体光 配線の実現にむけ，現在は単純なInP基板上の装荷形金属導波路において急峻な曲がり伝搬を実験的に確認し た段階である ¹²⁾。

図2.7.3.4 立体光配線に向けた曲げ金属導波線路のSPP伝搬実験。

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2.7.4 ナノ空間における信号伝達

(1) ナノ空間における SPP 伝搬

電子光融合化の一つの障害は，電子の微細化に比べ光回路の微細化の著しい困難性である。これは回折限 界による制限（光導波路ではカットオフによる限界）が主因である。しかし，２枚の半無限金属を誘電体ス ペーシングhで隔てて対向させて成るトンネルをSPP波が伝播できることが指摘され，従来の光導波路の限 界を大幅に凌駕する微細化の可能性が見え始めている。

図2.7.4.1に示すように，金属コア形光導波路と同様に金属界面の局在波が結合して，対称・非対称の二つ

の独立なSPP波のモードが形成される。これらのモードは双曲型関数で記述でき，次のようなSPP波の基礎 方程式を得る。

( / 2 ) 0 tanh

2

2 1

1

s + ε

m

s s h =

ε

(symmetric mode) (8)

( / 2 ) 0 coth

2

2 1

1

s + ε

m

s s h =

ε

(asymmetric mode ) (9)

これらの方程式は数値的に解くことができ，スペーシングをパラメータとして伝搬定数βを各モードについ て決定できる。同図2.7.4.1には，誘電体スペーシングにSiO₂コアとAuクラッドから成る導波路について計算 したSPPの伝搬定数のトンネル厚依存性を示している。スペーシングを低減してゆくと，対称モードの伝搬 速度は低下するのに対し非対称モードの速度は媒質における光速に漸近するとともにあるスペーシング以下 で消失する。損失はモードによらずスペーシングの減少に伴い増大する。

図2.7.4.1 トンネル型金属光導波路のモードの形態と分散曲線

(Even=Asymmetric E- field, Odd=Symmetric E-field)

トンネル型金属光導波路の特徴の一つは，金属によ る電磁場の強い遮蔽効果である。これにより，ナノサ イズの微小な誘電体コア内への電磁エネルギー閉じ 込めが可能となる。これを実証するため，通常の空洞 モードではカットオフとなるナノトンネルの SPP 透 過伝搬性の確認実験を行った。図 2.7.4.2 に示すよう にマイクロストリップ形の素子を試作し，一方の端面 から光結合により SPP を励起し，他端面で SPP が空間 に双極子放射するパターンを観測するようにした。そ の結果，300μｍ程度に渡りナノトンネルを伝搬した

SPP を確認している。 図2.7.4.2 ナノトンネルのSPP伝搬実験．

Auに挟まれた間隙（厚み500nm）を真空波

長1.55μｍの光で励起したSPPが伝搬する。

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(2) ナノ信号源

ナノ光回路では，波長以下の微小空間でフォトンを発生することが要求される。しかし，閉じた空間にお いて光周波数帯では空間サイズの 100～1000 倍の真空波長に対応したフォトンを発生することは量子電磁気 学的に禁止されている¹³⁾。この問題を解決する方法としてSPPの利用が有望である。前節で述べたようにSPP は波長よりも大幅に小さい空間（ナノ空間）にも浸透し伝搬できるので，電子遷移を空間のフォトンを介さ ずに直接SPPに結合させれば，光が存在しない領域でナノ回路の信号源が実現できることになる。

電子遷移による直接SPP励起の可能性を検証する

ため，図 2.7.4.3 に示すように，MQW活性層の直上

にAuストライプを配置した素子を用いた実験を行 った。ストライプの上面をCrコートして空気金属界 面でのSPP励起を防止した上で，MQW全面に電流を 注入し発光の様子を観察した。電流注入により得ら れたのはTM偏光のみの発光であった。本来は電流注 入により本来はTE/ TMの両方の自然放出光が得ら れるはずであるので，空間への光放射が抑圧され電 子遷移エネルギーがSPPに直接結合したことが間接 的に証明された ¹⁴⁾。

図2.7.4.3 電子遷移によるSPPの直接励起実験．

(a)素子構造．MQW活性層に30nmのバッファ層

を介して直接Auストライプを装荷し，さらにそ

の上にCrを付与。(b)発光パターンのTM像。(c)

発光パターンのTE像。

2.7.5 機能素子の創生

SPP は電子と電磁場が強く結合していることから，電子の運動に着目した光の新機能発現の可能性がある。

本節では SPP 制御による機能素子創生のいくつかの可能性について言及する。

図2.7.5.1 磁気SPPの非相反性（計算）．磁場は進

行方向に垂直で界面に平行な方向．磁束密度の増大 ともに前進及び後退波の伝搬定数に差が生じる．

(1) 磁場による SPP 制御

能動素子を含む光集積回路では，信号源の安定化 のため集積型の非相反素子（アイソレータ）が必 要である。磁性金属の屈折率の磁化依存性を利用 した導波路型非相反素子が提案・検証されている が，磁性金属の損失と非相反強度が相反する¹⁵⁾。 一方，磁場中に電子に働くローレンツ力により SPP伝搬に非相反性等が現れる可能性がある。磁 性金属により発生するＰＰは金属内電子の振動 を直接利用するので，高効率の非相反性を発現で きるものと期待できる。

従来はバルクの半導体中を中心に強磁場下でのキャリアの性質が精力的に研究されてきた ¹⁶⁾。一方SPPに ついては強磁性を示す誘電体材料を用いた研究が行われ，プラズマ共鳴吸収制御によるパルス電流制御形の 光変調器など報告がある。しかし，強磁性金属表面のSPPの研究はこれまで報告はなく，磁性金属表面でSPP

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が存在しそれが非相反性を有することを我々が初めて理論的に示した¹⁷⁾。図 2.7.5.1 はSPPの非相反性を計算 した一例で，方界面で励起される磁気SPPの伝搬速度が前進と後退で異なることが示されている。

(2) 電場による SPP 制御

電気光学（EO）効果を利用すると容易に屈折率が制御できるが，方位が制御された単結晶膜が必要である。

一方，半導体の MOS 構造を利用するとゲートにより表面電荷密度が容易に制御可能である。従って，半導体 表面に SPP を励起できれば，CMOS 技術により簡易で小型の変調素子が実現できる可能性がある。図 2.7.5.2 に CMOS 構造を有する SPP 変調素子の実施の形態例を示した。

図2.7.5.2 MOS反転層による電荷密度制御とその応用素子の形態

図 2.7.6.1 プラズマ周波数と電子数密度

2.7.6 新たなキャリア周波数帯域

多様な機能性を発現するもうひとつの有効な方法は，

強い非線形効果が期待できるプラズマ共鳴の利用で ある。しかしながら共鳴波長は物質固有の電子密度に 依存し，金属では電子密度が 10²²/cm³程度であること から共鳴波長は利用しにくい紫外領域(160nm)となっ てしまう（図 2.7.6.1 参照）。情報・通信分野では近 赤外～赤外（テラヘルツ）領域の波長帯で信号キャリ アを発生するので，この領域にプラズマ周波数を持

つ材料が上記目的のためには望まれる。通信波長帯（1.55μm帯）に対応する電子数密度は 10^2１/cm³である。

これに対応する材料は半金属である。電子数密度制御が容易な半導体材料を利用する場合，高キャリア密度 の半導体（ダイヤモンド等）が候補となるが，実用的な材料として利用するまでには結晶性など種々の問題 を解決する必要がある。一方，キャリア周波数をマイクロ波領域まで低減した利用形態を想定すると，通常 の半導体が利用可能である。SPPの伝搬損失も低くなっている領域である。今後，マイクロ波からミリ波の 周波数領域を信号キャリアとして利用することも光ICを実現するひとつの案として考えていくひつようが あろう。

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