ナノフォトニクスとは

ナノフォトニクス（「ナノオプティクス」とも呼ばれる）は、ナノスケール（10億分の1メートル）での光と物質の相互作用の研究であり、光学、光学エンジニアリング、電気エンジニアリング、ナノテクノロジーといった広い分野を指します。

重要な点は、これらの相互作用が光の波長よりも小さいサイズ（通常は1～100ナノメートル（nm）の範囲）で発生し、大きなスケールでは存在しない独自の光学特性が顕著となることです。

そのため、ナノフォトニクスには、電磁スペクトル（300～1,200nm）の近赤外線（IR）、可視、紫外線（UV）領域に適用される光の回折限界をはるかに超えた、さまざまな放射と物質の相互作用が含まれており、集光、ディスプレイテクノロジー、光学センシング、非線形光学、データ伝送などの分野での可能性が広がります。

ナノフォトニクスに関する知識の向上につとめる物理学者、エンジニア、材料科学者は、金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、半導体量子ドット、有機組織（DNAなど）、フォトニック結晶などのナノ構造と光の相互作用に注目しています。彼らは、光を効率的に制御するためのナノフォトニックデバイスの開発を目指しています。

ナノフォトニクスは新しいテクノロジーではありません。今まで何世紀にもわたり、光の特性を操作しようと取り組みが進められてきました。たとえば、中世の教会の窓に使われているステンドグラスの色の調整は、現在では金属ナノ粒子と判明している物質がガラスに付加されたことによるものです。

近代では、光の振幅、位相、偏光、局在など、光の特性を制御する独創的な方法が発見されました。将来的には、光電子、光通信、太陽エネルギーハーベスティングなどの研究分野で優れたテクノロジーが開発されることが期待されています。

こうした状況下で、ナノフォトニクスが明確な分野として認識され始めたのは、この20年間に新しい金属、誘電体、半導体ナノ材料の開発が大幅に進んだためです。

これらの材料が特に注目されるのは、最新の機械学習、シミュレーション、計算ツールと組み合わせることで、原子に近い精度であらゆるサイズでの構成が可能であるからです。さらに、半導体デバイスの製造で使用されているのと同じ手法を利用できるため、開発コストも削減できます。

その結果、ナノフォトニクスは次のようなイノベーションを推進させています。

• 太陽電池テクノロジーにより、広い太陽スペクトルにわたって強い吸収特性を示す金属ナノ粒子の製造が可能になり、デバイスサイズを削減しながら光の閉じ込め効率が向上します。
• メタレンズテクノロジーでは、これまでにないレベルの集光と偏光が可能になり、デバイスの小型化も実現できるため、優れた分光法やセンシングアプリケーションが期待されます。
• 医療フォトニクスでは、疾患の検出、予防、治療のための超高速光変調が可能になることで、リモートからの非侵襲的な診断や治療が可能になります。
• 光コンピューティングでは、エネルギー消費量が少ない超高速情報処理を実現します。

高速データ伝送に使用される既存の銅線では、回路の長さに比例して信号劣化が生じます。

光子ベースの回路は、非常に少ないエネルギー消費量で電子に匹敵する光子の高速動作を実現できることで、有望な代替手段となります。たとえば、ミッションクリティカルなデータセンターでは、フォトニック回路を採用することで、伝送線を数百メートルからわずか数メートルにまで短縮できることが期待されています。

回折限界を超えると、金属表面および構造の周囲に形成される表面プラズモンポラリトン（制約された電磁放射）などの新しいアプローチを使用して、光をナノメートルスケールに制限することができます。

ナノフォトニクスは、特に電磁放射がナノメートルスケールのサイズに閉じ込められると電磁界の増強効果が発生するナノ構造との単一光子相互作用に着目します。こうした相互作用により、ナノスケールのサイズで光を切り替え、貯蔵して、伝送するフォトニクスデバイスを開発するために使用できる新しい光学現象が生じて、従来の力学の限界を超えた優れた特性が示されます。

ただし、ナノスケールで光と物質の相互作用を操作するには大きな課題があり、新しい材料、構造、プロセスの開発が必要となります。

ナノスケールでの光の生成に影響する主な原理は、エネルギーの局在と非線形の相互作用です。具体的には、光ルミネセンス、エレクトロルミネセンス、蛍光、およびラマン散乱などの自然放出プロセスです。

光共振器は、電磁界の増強を介してこれらの相互作用を増大させます。特に、プラズモニックナノキャビティは、発光ベースのセンシングテクノロジーの開発に効率的な共振器となります。非線形光学アプリケーションにおいて、非線形応答性が弱いバルク金属は、非線形性を高めるためにポンプやレーザーを適用して高強度の励振を必要とします。

放射強度を制御するためには、ポンプ数を増やすためにフォトニクス集積キャビティを採用するか、高度に局在化されたエネルギー密度を達成するためにプラズモニックナノ構造を採用できます。2D準表面プラズモンは、フィールド強度の増大と局在性を大幅に向上させ（20nmの範囲内では10⁷を超える）、高解像度のセンシングやイメージングに理想的に適用される第二次高調波の生成（SHG）を可能にします。

フォトニックナノ構造の研究は、ナノフォトニクスの開発を促進する原動力となり、ナノ医療、光診断、リモートセンシング、バイオテクノロジー、生体材料、太陽電池などの分野での応用を加速させます。

ナノフォトニクスにおける閉じ込め手法

研究者は、光と物質の相互作用をナノスケールのサイズに閉じ込めるために、次の3つの手法のいずれかを使用します。

1. 光の回折限界をはるかに下回る光の閉じ込め
2. 物質の閉じ込め
3. 光化学または光誘起相転移（PIPT）による閉じ込め

物質に関しては、さまざまな手法が採用されており、ナノマー（サイズ依存の光学特性を持つナノサイズのオリゴマー）や、独自の電子特性およびフォトニック特性を持つナノ粒子など、性質が特異な構造が開発されています。

たとえば、プラズモニクスでは、金属ナノ粒子の電磁界が増強され、2つの赤外線光子を吸収して可視紫外線光子に変換するなど、独自の特性を示します。

他には、光の波長の次数の長さで周期的に繰り返す誘電体構造のフォトニック結晶があります。さらに、ナノ複合材料は、異なる材料の相分離領域から形成され、光通信に使用されます。

ナノフォトニクスにおける閉じ込め効果

研究者は、次のようなさまざまなジオメトリを用いて閉じ込めを実現します。

• エバネセント波の形成と、エバネセント波と表面プラズモンの相互作用に依存する軸方向の局在化
• 光源から発せられる入射光の波長の一部に試料が配置される横方向の局在化

ナノフォトニクスにおけるエバネセント波

エバネセント波は、従来の電磁波のように伝播しない振動電場または磁場です。エバネセント波のエネルギーはエネルギー源近くに集中しており、どの方向へのエネルギー伝播にも寄与しません。

屈折率が異なる2つの媒体間の界面（プリズム-試料界面など）で光が内部で全反射されるときに、エバネセント波が形成されます。

プリズムは、一般的には試料と相互に作用して測定を可能にするエバネセント波を生成するために使用されます。興味深いことに、特定の状況下では、電磁界がエバネセント成分と伝播成分に分解することもあります。

エバネセント波の利点の1つは、特にセンシングにおいて、ナノスケールの光学相互作用を促進し、強力な近接場蛍光源の検出などを実現します。

導波路チャネル間のエネルギー輸送を伴う検出アプリケーションとして、エバネセント波結合導波路も提案されています。こうした導波路は、光通信ネットワークの指向性波カプラとしても使用できます。

ナノフォトニクスにおける表面プラズモン共鳴（SPR）

表面プラズモン（SP）は、金属表面における自由電子の集団振動です。入射光の運動量が表面プラズモンの運動量と一致するときに共鳴が発生します。SPRでは、エバネセント波が形成され、金属-誘電体界面で表面プラズマに結合し、光と物質の相互作用が大幅に増大します。

内部光の全反射は、プリズムの代わりに導波路（通常は、誘電体基板上の金属薄膜）を使用して達成されます。SP波の生成には、減衰全反射（ATR）法が適しています。

光がSPに強く結合し、金属-誘電体界面に沿って伝播すると、表面プラズモンポラリトン（SPP）が形成されます。特に、自由空間における光の波長よりもはるかに小さいサイズに電磁界を閉じ込められる点で広く活用されています。

ナノフォトニクスにおける金属光学

金属は、回折限界未満に光を閉じ込める効果的な方法をもたらします。これは、金属が光周波数（スペクトルの可視領域と近赤外線領域）で大きな負の誘電率を示すためです。

誘電率は、周波数に依存します。プラズマ周波数（紫外線領域）近く、あるいはそれを超える周波数では、誘電率は小さくなり、負になるため、表面プラズモンをサポートできなくなります。

金属は、無線およびマイクロ波エンジニアリングで広く活用されています。たとえば、サブ波長の金属アンテナや導波路（光の自由空間波長の数百倍小さい）は、電磁放射を適切に捕捉できます。同様の原理に従い、ナノアンテナ、ナノワイヤ、ナノロッドなど、ナノサイズの金属構造を適用することで、光をナノメートルの長さに閉じ込めることもできます。

実際に、ナノ光学設計の多くは、集中定数回路素子（インダクタンスや静電容量など）、金属平行板導波路（ストリップライン）、ダイポールアンテナと伝送線のインピーダンス整合など、類似する設計手法を採用する点で、マイクロ波または電波回路に似ています。

ただし、ナノ光学回路とマイクロ波回路の間には、次のような重要な違いがあります。ナノスケール（および光周波数）では、金属は理想導体のようには振る舞いません。また、表面プラズモン共鳴や運動インダクタンスなど、興味深い多数の特性が示されます。さらに、ナノスケールでは、電磁界は半導体と根本的に異なる方法で相互作用します。

ナノフォトニクスにおける非線形光学

光が非線形媒体内を伝播すると（電場に対して誘電体偏光が非線形に応答する）、通常は観察されない現象を引き起こす独特の光学的効果が生じます。非線形の光学的効果は、金属メタマテリアルの導入によって誘導することで、コンポーネントサイズの削減と信号処理の高速化を実現できます。

特に、（レーザーによって生成されるなど）高いフィールド強度では、非線形の光学的効果が顕著になります。これにより、次のようなナノフォトニクスの重要な適用分野で新しい機能を実現します。

• 周波数変換: これは、第二次高調波の生成、光学パラメトリック振動、光位相共役、および四波混合などの非線形光学プロセスによって、高解像度のセンシングやイメージングに役立つ新しい光周波数を生成できる場合に発生します。
• 多光子プロセス: 非線形の多光子プロセスは、光と物質の相互作用を制御するための新しい手法をもたらします。
• 超高速処理: 非線形の光学的効果は、超高速時間スケールで発生し、光の高速変調とスイッチングを可能にします。
• デバイスの小型化: 非線形フォトニクスは、オンチップ機能の進歩に不可欠なデバイスの小型化を促進します。
• 新材料: 非線形性の向上を追求するために、ガラス、結晶、半導体、そして最近ではナノ構造材料など、新材料が発見されています。また、金属材料と比較して損失が少ない全誘電体メタマテリアルも注目を集めています。
• 量子エミッター: 量子ドットなどの量子エミッターとナノフォトニック導波路の間では、非線形の相互作用が生じます。これにより、新しい量子ナノフォトニック効果がもたらされ、新しい量子テクノロジーへの応用が期待されます。

サブ波長サイズでの光の流れ、位相、振幅、偏光の制御に関する研究が進むにつれて、この光を新しい有用な方法で散乱、屈折、閉じ込め、およびフィルタリングできるようになります。これにより、集積回路、光コンピューティング、生化学、医療、燃料電池テクノロジー、太陽電池テクノロジーなどの分野で新たな可能性が広がります。

以下に、ナノフォトニクスで注目される応用例を示します。

ナノレーザー

金属-誘電体界面では、表面プラズモンポラリトンを使用することで、レーザーのサブ波長スケールでの閉じ込めが可能になります。ナノレーザーは、量子ドットやフルオロフォアなどのエミッターの反転分布と、プラズモニック共鳴構造で生成されたフィードバックを組み合わせることで実現されます。

ナノレーザーは、高速変調（データ伝送の向上）や低しきい値電流（電力効率の向上）など、光通信に役立つさまざまな優れた特性を示します。

SPASER（Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation）は、金属ナノ粒子内の振動する局在型表面プラズモン（LSP）の増幅を伴う、表面プラズモン型のレーザー（Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）です。

ナノレーザーや表面プラズモン増幅器は、回折限界まで、あるいは回折限界を超えてコヒーレントな誘導放出を実現し、高解像度のセンシングおよびイメージング、光データ処理や電子データ処理に応用できるため、非常に注目されている研究分野です。

光検出器

光検出器は、光を検出して電気信号に変換する機能により、光電子回路とマイクロ電子回路の両方で中心的な役割を果たし、次のようなデバイスの幅広いアプリケーションを推進します。

• 単一光子アバランシュ検出器（SPAD: Single Photon Avalanche Detector）は、LiDAR、3Dイメージング、PETスキャンなどで使用される個々の光子（空間-時間解像度が高い）までの低強度信号を検出できます。
• 光ファイバーを介して伝送される高速赤外線信号を検出できるヒ化インジウムガリウム（InGaAs）ダイオードなどの光ファイバー通信デバイスは、最大2.5ギガビット/秒のデータ通信速度を実現します。
• 導波路内蔵の近赤外検出器などの光通信デバイス。
• 天文学で使用されるリモートセンシング装置は、遠赤外線からガンマ線までの幅広い波長を検出します。
• 環境モニタリング装置は、微量の化学物質や生物学的作用物質を検出するために使用されます。
• 太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換します。
• 電荷結合素子（CCD）および相補型金属酸化膜半導体（CMOS）センサーは、デジタルカメラなどのイメージングデバイスで使用されます。
• 建物のアクセス制御システム。

全光スイッチング

プラズモニックメタマテリアルでは、集積回路内の個々のコンポーネントのプラズモニック共鳴と、それらの間の電磁結合を調整することで、全光スイッチングが可能になります。プラズモニック共鳴と結合は、埋め込み誘電体または基板の屈折率を変更することで調整でき、非線形応答が改善されます。分子励起子の結合力を制御すると、プラズモニック励起によって効果的な全光学変調が得られます。

Data Storage

光学式データストレージでは、サブ波長の（記録媒体に埋め込んだまたは記録媒体から分離した）近接場光学構造を使用して、回折限界をはるかに下回る光学式記録密度を達成できます。

熱アシスト磁気記録では、データをエンコードする前にレーザーによって磁性材料のサブ波長領域が加熱されるため、単位面積あたりに保存されるデータ量が増加します。磁気書き込みヘッドには、光を集中させる金属光学コンポーネントも組み込まれています。

シリコンフォトニクス

シリコンフォトニクスでは、光と電子の両方を誘導できるシリコン基板にナノスケールの光電子デバイスが組み込まれており、単一のオンチップデバイス上で電子機能と光学機能をカップリングすることができます。シリコンフォトニクスは、光導波路やインターコネクタ、光増幅器、光変調器、光検出器、メモリ素子、フォトニック結晶などのイノベーションを加速させています。

集積回路

メーカーは、フォトリソグラフィを使用して、マイクロプロセッサやメモリチップなどの集積回路を製造しています。フォトリソグラフィでは、紫外線、極紫外線、X線など、さまざまな種類の光を使用して、フォトマスクからフォトレジストと呼ばれる感光性材料（シリコンウェハなどの基板に塗布される感光性材料）にナノサイズの幾何学的パターンを転写します。

さらに、集積回路内の電子コンポーネント（トランジスタなど）の小型化は、速度と費用効果の向上に不可欠です。ただし、導波路を使用して、チップのある部分から別の部分へ光信号の転送が行われる光電子回路では、光学コンポーネントも小型化されている場合にのみ可能です。

バイオセンサー

ナノフォトニックバイオセンサーは、現在利用できる最も信頼性が高く正確なセンシングシステムに搭載されています。これらのバイオセンサーには、光トランスデューサーや光レセプターが組み込まれています。レセプターは、トランスデューサーの物理的および化学的変化に応答し、光信号の吸収、反射、屈折、蛍光、位相、および周波数の変化をもたらします。

これらの自己完結型デバイスは、DNA、抗体、酵素などの生体認識成分を使用して、微量の分子（または検体）を検出します。これらの相互作用により、トランスデューサーの光学特性が変化し、検体濃度との関係を調べることができます。

光学バイオセンサーは、シリコンフォトニクスとナノプラズモニクスが統合されたエバネセント場に依存しています。SPRおよび誘電体導波路ベースのバイオセンサーでは、エバネセント場の減衰期間は、大半の生体分子検体より大幅に長くなります（200～400nm程度）。

光学バイオセンサーは、ラベルや染料を適用することなく、センサー表面でのリアルタイムの相互作用に基づいて、生化学物質を非侵襲かつ信頼性の高い方法で検出します。

メタサーフェス

メタサーフェスは、非線形場の増強を追求するために、光を散乱させるナノロッドやナノホールなどのサブ波長ナノ構造から人工的に設計されたナノサーフェスです。したがって、ナノスケールでの光の位相、振幅、偏光を正確に制御できるようになります。たとえば、次の形成が可能です。

• 負の誘電率と透磁率（負の屈折率）を示すメタサーフェスから形成されたスーパーレンズ。回折限界を超えて光を集中させることができ、特に顕微鏡で有用です。
• 誘電率と透磁率がともに負となる媒質と、正の屈折率を持つ材料を組み合わせた、位相補償媒質。
• ゼロに近い屈折率を持つメタサーフェスから形成されたクロークサーフェス（相対誘電率または透磁率がゼロに近い）。

ナノフォトニクスは、ますます小型化するマルチモーダル機能をもたらすコンパクトでエネルギー効率の高いテクノロジーの探求において、大きな期待が見込める技術です。

光ファイバーケーブルなどのフォトニクスデバイスは、膨大な量のデータを伝送しますが、電子デバイスに比べてサイズが大きいという制約があります。次の最先端領域となるのは、フォトニクスで実現できる大量データ伝送機能と、エレクトロニクスがもたらす高速信号処理機能を組み合わせたものです。

Ansys Lumerical FDTD^TMは、ナノフォトニックデバイス、プロセス、および材料をモデリングするためのゴールドスタンダードです。FDTDでは、回折格子、多層スタック、マイクロLED、イメージセンサー、メタレンズなど、さまざまなデバイスの高度なフォトニック設計を実現します。また、数千回の反復によるラピッドプロトタイピングや統合に加えて、次のことも実現できます。

• 単一設計環境で、FDTD、厳密な結合波解析（RCWA）、およびSTACKソルバーを実行可能
• RCWAソルバーを用いた周期構造の迅速な解析
• 薄膜多層の迅速な解析
• Sパラメータの自動抽出
• 自動化API（Lumericalスクリプト、Python、およびMATLAB）
• ファウンドリの互換性

さらに、FDTDは、Ansys Lumerical CML Compiler^TM、Ansys Multiphysicsソルバー、Ansys Speos®、Ansys Zemax OpticStudio^TM、およびサードパーティ製の電子-フォトニック設計自動化（EPDA）ソフトウェアとシームレスに統合でき、高速で正確かつ拡張性に優れたフォトニック設計を行えるようになります。

ハイパフォーマンスコンピューティング（CPUおよびGPU）ソリューションおよびクラウドで、クラス最高のソルバーであるFDTDを使用することで、最も困難なナノフォトニクスの課題でも迅速かつ効率的に取り組むことができます。

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