研究紹介

丸文学術賞 受賞者

ＭＥＭＳ技術の光エレクトロニクス応用に関する研究
マイクロマシンで光を制御

年吉 洋
東京大学 生産技術研究所 マイクロメカトロニクス国際研究センター
准教授

研究の背景

ファイバ通信デバイスや画像ディスプレィ

らないうちに必ずこの部品を通って光信号などに応用されている。

がやり取りされている。またこのほかにも、

電 子デバイスが真 空 管からトランジス

誘電体多層膜ミラーの間隔をＭＥＭＳ的タになり、光デバイスでは半導体レーザーに調整して、透過光の中心波長を制御すが誕生し、その後、ようやく１９８０年代になって機械構造がマイクロ化した。半導研究の成果

る方式の波長可変フィルタの研究開発も1. 光ファイバ通信応用ＭＥＭＳ併せて行った【5】。

体プロセス技術を応用してシリコン基板

本研究の最初の応用先は光ファイバ上に機械構造を集積化するＭＥＭＳ技術通信分野であった。図2は、シリコン半導体の誕生である（ＭＥＭＳ＝Micro Electro

マイクロマシニングで製作した静電ミラー

光ファイバ通信用のＭＥＭＳ技術の水Mechanical Systems）。現在では、車型の光ファイバ可変減衰器であり、企業平展開先として、図3に示すような医療用2. 光ＭＥＭＳの医療応用

載 加 速 度センサやゲーム機 、画 像プロとの共同研究によって製品化したもので光ファイバ内視鏡の研究開発を行った。

ジェクタなどにＭＥＭＳ技術を見ることがある【4】。貼り合わせシリコン基板を当時最この装置は、体内（特に血管の内壁）に挿できる。我々は研究の初期の段階から微新の高アスペクト比ドライエッチング装置入して組織断面の観察を低侵襲で行うＭ小光学とＭＥＭＳの整合性と将来性に注を用いて加工し、比較的低い印加電圧（５ＥＭＳ医療機器として開発した。体内で観目し、ＭＥＭＳデバイスの原理、設計・製作

Ｖ）で発生する静電引力によって光の反射察光を走査する部品として、先端にＭＥＭ法、光学応用に関する研究開発を行って角度を制御した。可変減衰器とは、波長多Ｓ光スキャナを搭載している。
また、体内にきた【1-3】。図１はＭＥＭＳの機械的動作で重光通信ネットワークが低ビットエラーレー

電圧を導入してＭＥＭＳ部品を駆動するの発生可能な光学変調方式を、光線幾何トで最適動作するように各チャンネルの光はリスクが大きいので、本研究では観察光学、波動光学、電磁気学、量子光学の順強度を調整するための重要な部品であり、とは別の波長の光を利用してＭＥＭＳ駆動に展開したものである。なかでも、ＭＥＭＳネットワークの各所で用いられている。イン用のエネルギーを光伝送する方式を採用を用いた光の反 射や干 渉は、後 述の光ターネットで情報を送受信する際には、知した【6】。

図1 ＭＥＭＳの機械的動作によって操作可能な光変調。古典的な光線幾何学から、波動光学、電磁気学的な光操作、量子光学にいたるまで、マイクロ･ナノメカニカル構造が幅広く利用可能である。

図2 ＭＥＭＳ技術を応用した光ファイバ可変減衰器。静電駆動型のマイクロミラーで光を反射し、光ファイバ間の結合効率を制御する。光ファイバ通信網を低ビットエラーレートに最適化するための重要なデバイスとして実用化した。

図3 光ファイバ通信用ＭＥＭＳ技術の水平展開として研究開発した医療用光ファイバ
内視鏡。先端にＭＥＭＳ光スキャナを内蔵し、組織に観察光を操作する。ＭＥＭＳの駆動エネルギーも別の波長の光で伝送する。写真は指先の指紋の断面画像。

（水）をプラズマ化し、その点光源を操作す
図4 ＹＡＧレーザーの強力な電界によって液体ることで３次元ビットマップ画像を形成する。小型３次元ディスプレィ用に、ＭＥＭＳ型の光スキャナを開発した。

光ファイバを通してエネルギーと情報のＳでは、デバイスの外形寸法は数ｃｍ程度両方を伝送できるため、本方式は内視鏡に制限される。そこで新たなＭＥＭＳ加工以外にも光ファイバセンサネットワークへの方式として、ロール・ツー・ロール印刷技術応用が期待されている。
また、本デバイスにを用いて、パタニング、膜付け、貼り合わせ射、干渉以外にも実に様々な方式がある等の加工をウェブ幅２０ｃｍ程度で行う手【10】。
また、ＭＥＭＳデバイスの微細化は現

は、光によってＭＥＭＳデバイスを駆動し、そ将来展望
ＭＥＭＳの微 小 光 学 応 用には光の反の効果によって別の光を操作するという概法を開発した。図5は薄いプラスチックフィ状の数ミクロン寸法に留まらず、これから念が盛り込まれている。
この原理をより小さルムの表面に金属膜や光干渉膜などのもサブミクロンからナノの領域に移行するな物理領域で展開し、ナノメカによる新た製膜加工を行った後に、貼り合わせて形だろう。光の波長と同程度のナノメカは、な光デバイスの創成を模索中である。

成した静電駆動型のファブリ・ペロ光干渉

図1の方式以外の新たな物理現象によ計である。干渉計の光路長を静電駆動のる光学効果をもたらす。そのときには、光と3. 光ＭＥＭＳ技術の画像ディスプレィ応用

フィルムの変形によって行うことで、背後電子、メカの3者が相互作用する全く新しＭＥＭＳ光スキャナを用いた画像ディスの白色光源からの透過光波長を選択し、いデバイスとなるに違いない。

プレィは、光ＭＥＭＳの応用先として注目を色 味を付けることができる。これまでに、集めており、国内外の企業・大学でさまざ赤、緑、青の３色を試作し、その静電駆動まな方式が研究開発されている。本研究に成功した。

でも産学連携の一環として、圧電型の光ＭＥＭＳスキャナを開発し、ＶＧＡクラスの２次元動画像動画像を表示している【7】。の次のステップとして、本研究では新たに３次元動画像の表示方式についても研究を行った。図4は、強力なＹＡＧレーザーのパルス光電界を用いて液体媒質中にプラズマを発生し、その光を点光源に用いて３次元ビットマップ画像を形成する手法を示したものである【 8 】。発光媒質として、有機・無機の種々の液体を試した結果、水道水でも低閾値で発光できることが分かった。走査光学系の小型化のために、

図5 プラスチックフィルムの表面を加工して製作した大面積ＭＥＭＳ型のカラー画像ピクセル。貼り合わせたフィルム間隔を静電駆動によって変化させ、バックライトからの透過光の色味を制御する。電子サイネージ（看板）への応用を検討中。

Re f e r e n c e s（参考文献）【1】H. Toshiyoshi, H. Fujita, IEEE J. Microelectromech. Syst. 5（4）, 231-237, 1996.
【2】H. Toshiyoshi, W. Piyawattanametha, C.-T. Chan, and M. C. Wu, IEEE J. Microelectromech. Syst. 2（10）, 205-214, 2001.
【3】D. Hah, S. T.-Y. Huang, J.-C. Tsai, H. Toshiyoshi, M. C. Wu, IEEE J. Microelectromech. Syst. 13（2）, 279-289, 2004.
【4】K. Isamoto, A. Morosawa, M. Tei, H. Fujita and H. Toshiyoshi, IEEE JSTQE 10（3）, 570-578, 2004.

大出力レーザー光でも損傷しない超小型【5】T. Yamanoi, T. Endo, and H. Toshiyoshi, Sensors and Actuators A 145‒146, 116‒122, 2008.

ＭＥＭＳ光スキャナを併せて開発した。

【7】谷 雅直、赤松雅洋、安田喜昭、藤田博之、年吉 洋、
レーザー研究、第36巻4号、183-189、
2008.

【6】C. Chong, K. Isamoto, and H. Toshiyoshi, Photon. Tech. Lett. 18（1）, 133-135, 2006.
【8】A.Chekhovskiy and H.Toshiyoshi, Jpn J. of Appl. Phys, 47（8）, 6790-6793, 2008.

4. 光ＭＥＭＳの大面積化
半導体微細加工技術を利用したＭＥＭ【9】Y. Taii, A. Higo, H. Fujita and H. Toshiyoshi, J. SID 14（8）, 735-741, 2006.
【10】K. Takahashi, M. Mita, H. Fujita, K. Suzuki, H. Funaki, K. Itaya and H. Toshiyoshi,IEEE Custom Integrated Circuits Conference（CICC 2008）, Sept. 21-24, 2008, DoubleTree Hotel, San Jose, CA, USA.