第47回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成9年9月30日 東京 有楽町朝日ホール

集まる光、広がる光━発展する光エレクトロニクス━

東京工業大学精密工学研究所長・教授

皆さんこんにちは。ご紹介いただきました、
東京工業大学の伊賀でございます。

伊賀健一

お願いをした記憶がございます。
今日の講演会ポスター（図１）では、右上

本日は、ご案内のように、光エレクトロニのマルの中と左下のマルの絵が私のもので、クスに関するお話ということで、同僚の大津真ん中が大津教授の使います写真でございま

元一教授とともに、われわれができる範囲のす。ということで、「光」についての話を始

科学と技術についてご紹介申し上げたいと思

めさせていただきます。

います。

まず光でありますが、光とは何であるか。

先ほどご紹介がありましたように、この計太古の昔から光は存在していました。燈火と画を私どもが立てまして、電子情報通信学会

か、いろいろな使い方を昔からやっていたわの後援をというときに、ちょうど同学会の一けですが、情報を伝えようということで使わつのソサエティーであるエレクトロニクス・れ始めたのが、知られているところでは７世

ソサエティーの会長を務めておりましたので、

紀、中国の唐の時代に「のろし通信」として面映ゆい感じで、後援をしようというふうな使ったという記録がございまして、テレビのコマーシャル等でも放映されています。
日本は外国のものをすぐに取り入れる技術、
これは昔から今も変わらずあったようでして、すでに７世紀に、奈良の都にのろしの通信を取り入れて、韓国・朝鮮半島からの情報をいち早く都に伝える通信方式が存在したという記録がございます。
中国ののろし通信は、４本の煙、４チャンネルによるＰＣＭ、パルスコードのモジュレーションですね。煙の大きさ、途切れで通信をする。日本は何かにつけて簡単化するのが得意でして、３チャンネル、３つでやろうというふうに簡単化されたようであります。このようにして、もう千何百年前から光を使った通信のシステムが、非常に高度に利用されていたというわけです。
光を実際に送って電話にしようということを考え出したのは、19世紀の終わり、ご存じ

図１ 光でどこまで、光はどこまで（ポスター）

アレキサンダー・グラハム・ベルです。電話1

の発明者でありますが、1880年電話の発明と同時に、光電話、フォトフォンといっておりますが、太陽の光を光源として望遠鏡で送って、パラボラの鏡で受けて、ワトソン君が「聞こえますよ」という実験をやっております。したがって、１世紀以上前に光通信というものの模型が出来ていたわけですが、これから１世紀かけて、いろいろな光通信、光を実際に使おうという試みがなされてきました。
光を出して、それで実際に情報を乗せたり処理をしたいということなんですが、では、

図２ 光ファイバーのモードの電界強度分布と干渉

どうやって光を出すのかということです。これは実は、今年の私どもの大学院の入学試験

わからない状態、これを量子力学的な状態で問題であります。私が出したんですが、もう言いますと、いろいろな状態の重ね合わせで終わっておりますからお話してもよろしいわ

表されるということになります。

けです。

そうしますと、電子の雲の偏りが出来て、どうやって光が、あるいは電磁波が出るか

それが振動し、それで光が出る。つまり小さという問題ですが、プラスとマイナスの電荷いダイポールアンテナが出来るという仕組みがあって、＋の極から−の極へ、リンゴのよで、これは携帯電話と原理は同じだと思いま

うな電気力線が出来ます。次に、この電荷がす。

急にひっくり返ると、電荷が＋から−に反転

それで、いま光の波が出てきたとします。こしますから、ここに電流が流れ、それで磁界れは波長が短いものですから、向こうに進んが発生します。この＋と−の電荷が行ったりでいるとしても見えない。だいたい波長は１来たり交互にした場合に、電界の向きが行っμm（ミクロン）くらいですね。向こうへ進んでたり来たりします。それから磁界の向きが行

いるとしまして、これにもう１つ斜めに光を加ったり来たりします。こういうことで、ダイ

えていくんです。そうしますと、図２の中心

ナミックに電荷の向きが変わりますと、無理部のように見えてきます。これはモアレパタ

やり電界・磁界が外へ押し出されて、これがーンと称するものですから、光の干渉とは違電磁波として出てくるわけです。皆様お使いうかもしれませんが、このモデルとしては使の携帯電話、これも同じで、アンテナのとこえます。したがって、波長が見えないくらいろで＋と−の電荷が行ったり来たりするので、

短い、まあ１μmぐらいですが、それが干渉

電磁波が出るという仕掛けです。

しますと、こういうふうに、われわれの身近

光の場合は波長が短いわけで、この電荷のなmmオーダーの縞が見えるようになります。

間隔は非常に短い。Å（オングストローム）

それで、先ほどの図のように上下に反射がではかるような大きさになるわけですが、電あるとします。たとえば、これは光ファイバ

波が出るという仕組みは全く同じであります。

ーをお考えいただくと、全反射で、斜めの光

光の場合、電子の＋と−がどういうふうに線がこのように伝搬して縞が出来るというこ

変化するか。いろいろな場合がございます。

とです。そうしますと、光ファイバーの中を、

たとえば、原子を考えてみますと、そこにはどういう大きさの光が伝わっているかという電子が束縛されています。外からエネルギーのがわかります。これが光ファイバーの原理を与えますと、その束縛された電子がいろいで、１つの集まる光です。

ろな状態をとるようになります。どの状態か
2

先ほど、見えた光は真っ直ぐ見えましたが、かと申し上げたことがあります。
こんなふうに光が伝搬しておりますので、光線がこのように蛇行して見えると言っても、あながち嘘ではないんですね。非常に便利ですから、「光線がこのように蛇行しながら伝搬します
よ」と、よく言います。
いま申し上げたように、光は真っ直ぐ進むかというと、それはそうではない。真空中のみ平面波が真っ直ぐ進むということです。屈折率をｎとよく表しますが、これが空間的に変化して
図３ 分布屈折率ファイバー中のレーザ光伝搬いるときに、たとえば図４のＡというところからＢというとこ

図３は、プラスチックのファイバーの中を、ろに光が進む。先ほどのように蛇行して進ん光がこのように蛇行している写真です。これだりしますが、これはどのように進むかといは20年ぐらい前に、私どもの研究室で作ったうことを考えてみます。

プラスチックのファイバーです。ファイバー

そのとき、光学ではこの屈折率の勾配、逆といっても４mmぐらいの直径ですから、比三角形の∇という記号で微分をとったもので、較的太い。最近話題になっておりますプラス

勾配を表しますが、屈折率の勾配に比例した

チックの光ファイバーは、これを糸状に細く曲率で光は曲がります。この微分方程式は、延伸すれば出来上がるということです。

屈折率分布がわかれば解くことができます。

この図では、光がこのように蛇行している

Ａから始まって初期値問題と称する微分方程ように見えます。先ほどの干渉縞が真っ直ぐ式を解いていけば、光がＢへどう行くかといであったのに比べて、これは蛇行しておりま

うのがわかる。これは比較的理解しやすいです。どうしてかというと、屈折率がこの中ですね。

二次元状に、真ん中が高くて周りが低くなる
ように分布をつけてあります。そうしますと、斜めに伝搬していた光が少しずつ曲がります
ので、干渉縞がこのように蛇行して見えるということになります。巨視的にこのように見えるわけです。
われわれ、光ファイバーを扱うのに、こういう模様のことをモードといいます。ファッションのモードと同じ字を書きます。中国は、模様の「模」という字を書きますね。さすがに中国の方々は漢字で英語を表すのがお上手
で、１字で「模」と書くわけですね。私が中国に旅行したときに講演をして、ついでに、「模度」と、「度」をつけたらいいんじゃない

図４ 光の進む方向

3

ところが、もう１つフェルマの原理というAperture）です。この光線角度、半角θののがありまして、これは「ＡからＢへ行く時

サインをとったものでありますが、レンズが間を最小にするように光が伝搬します」とい

大きくて焦点距離が短いほど大きいわけです

う原理です。両者は矛盾はしません。面白いね。したがって、この大きさに比例するので、のは、ＡからＢへ、−−−私もきょう、大学か

たとえばあとで少しご紹介します光ディスク

らこちらの有楽町まで参りましたが、どのよに使う場合には、波長が短いほうがよろしい

うな原理で２点間を来るか。たとえば安く来ということになるわけです。これが集まる光

るか、時間的に早く来るか、快適に来れるか。

です。

このような条件があるわけですが、光の場合このようにして、広がる光、集まる光、こは伝搬時間を最小にするように伝搬しろといれが光エレクトロニクスにどのように使われ、う原理で、フェルマさんが言ったんですね。

私どもの研究がどのようにかかわっていくか

これがいろいろな物理事象に矛盾しなければ、というお話を、これからさせていただきます。

この原理は正当とみなされるわけで、実は正まず、光を出すほうですが、1960年７月

当とみなされているわけです。光が面白いの11日の「朝日新聞」の夕刊に記事があります。

は、ＡからＢへ最短時間で行きなさいと。わ

この記事をお教えいただいたのは、霜田光一

れわれはいろいろな実験をして、ＡからＢへ先生です。今日おみえになっておりまして、

一番安く来るような実験をして、情報を得て「ジャーナリズムがレーザを取り上げたのはいくわけですが、光は実験をすることなしに、いつでしょう？」というご質問を申し上げた

最短時間で、もう、いきなり行きますよ、とら、わざわざ送っていただきました。ここでいうことがわかっている。これは非常に不思

改めて御礼申し上げます。この中には、「原議なことだと思っております。

子力ランプ」と書いてございまして、その原

もう１つは、集まる光です。図５のように子力という言葉がいろいろ使われるわけです

レンズがありまして、光が入ってきますと焦が、レーザこそ原子力であると私は最近思い点に集まりますが、１点になりません。これ始めています。すなわち、核の力ではなくて、は残念なことに、波長が有限、１μｍといえ原子にまつわる電子の変化によって光が出る

ども０ではないために、エアリーパターンとわけですから、原子力ランプというのは、い称する、ここは二重しか書いてございません

い名前だなと思います。特に、あとでご紹介が、たくさんの輪が出来ます。一番強いとこいたします、半導体で照明をしようというころの大きさをおよそ直径としますと、これはとがだんだん出てまいりますので、このラン波長に比例します。それからこのＮＡと書いプという言葉が、光エレクトロニクスの中でてあるのは、レンズの開口数（Numerical

も、これから大きな比重を占めるのではないかと思っております。
レーザが出来ましたのが、先ほどの新聞が発表になりました1960年です。ちょうど私が東京工業大学の学生として、私の恩師であります末松安晴前東工大学長ですが、その研究室に入ったのが1962年です。レーザが出来て２年後。ちょうど半導体レーザが出来た年で、卒業研究のかたわら、初めての半導体レーザの論文を勉強したりしていたわけです。
ルビーレーザを研究しようということで、レ

図５ 集まる光

4ーザの研究を始めました。ルビーレーザは、

ルビーの結晶に光を当てて、先ほどのアンテ究が始まります。それに加えて1970年、ちナでいきますと、この固体の中に、ルビーのょうど10年おきに大きなイベントがあるよう中にあるクロムの３価のイオン、これの原子ですが、光ファイバーを使った光伝送の技術の状態を変えてやるということから、光が出の芽生えというのがございます。これから光たりあるいは増幅されたりして、鏡が両方に通信が出てくるわけです。

ついていて発振する。私どもの大学におきまさらに10年間を経まして、1980年に光フ

しては、最初のレーザではないかというふう

ァイバーも本格化して、電話が光で送られるに思います。規則的なパルスで発振する緩和というふうになってきまして、光技術が発展発振といいますが、パルス状に発振いたしま

します。いまの世の中に近くなった1990年、す。これを当時は、きれいに周期的に出すと光ファイバーがネットワーク化され、国際的いうのが、一つの研究の目標であったわけでにも海底ケーブル等々で、地球を光ファイバ

す。

ーの網が覆うというふうなことになってきて、

そして、何を間違ったのか、私がエラーを現在に至ってきております。そろそろ光技術

して、鏡を凸面に磨いてしまった。レーザをがコンピュータの世界、インターコネクショ

よく発振させるために、平行あるいは凹面にンと申しますが、そこに入りつつあるという磨くんですが、凸面に磨いてしまった。発振時代を迎えております。これから可視全域のをしましたがすぐに壊れてしまって、詳しい

半導体レーザとか、最近の話題をご紹介申し

データがうまくとれませんでした。初期的デ上げます。

ータを発表したり、いろいろ計算をしたりな

こういうふうに、10年ごとにイベントがあんかしました。後にスタンフォード大学で、るわけですが、その途中に光ディスクという

こういう共振器というのは不安定共振器とよのがございます。1984年頃です。これは皆ばれるようになり、現在でも高出力レーザに、様もお持ちだと思いますが、ＣＤ（コンパク

この逆向きのミラーが使われるようになってトディスク）に半導体レーザが必ず１個入っきました。あまり大きなことは言えないのでております。光によって情報を記録し、それすが、初期にこういう新しいレーザを作ったを読み出すという技術が、1980年代の中頃ということになっております。

に出て参りました。これはオランダのフィリ

さて、図６に示すように1960年にレーザップス社と日本のソニー社が共同で開発し、が初めて登場し、いろいろなレーザの基礎研

現在への発展を見ております。その頃、全世界にレコードプ
レーヤー、アナログレコードですが、約２億台あったそうでありますが、１〜２年のうちにそのレコードプレーヤーをコンパ
クトディスクが駆逐したという
か、もっと大きく発展して現在

図６ 光エレクトロニクスの発展に至っているわ5けですね。つまり、一家に１台という時代か全体を眺めてみますと、先ほどご紹介しておら、１人に１台とか、車１台に１台とか、そります光通信、これは通信にとってはなくて

ういうふうなことになったために、非常に大はならないものになってきておりますし、光きな発展をしているわけです。最近ではいろディスクがマーケット的には一番大きい。そいろな形の、もっと高密度な光ディスクに発れから、あとは光を使った電子機器、レーザ展をしています。

プリンターのようなものですね。それから光

少し細かくなりますが、私の研究をこれか

センシング、ロボット等にいろいろなセンサ

らご紹介申し上げます。図６に示してありまーが必要になってこようと思いますので、こ

すが、先ほど申し上げましたように、レーザれから本格的になると思いますね。それに光の最初の頃からルビーレーザの研究をしてお情報処理や光コンピュータということですが、りました。先ほどご紹介ありました面発光レ

いろいろな認識とか、その情報を処理しよう

ーザを考えついて、それから同じ頃、平板マという分野ですね。それから先ほど申し上げ

イクロレンズというレンズの集まり、これをましたコンピュータへの光の導入ですが、ご考えつきました。それからそれを重ねて光の

わごわのケーブル、網の目のようなワイヤー

集積回路、光の処理をしようということを思を光ですっきりまとめようということですね。

いついたのです。ちょうど1980年の前後と図７は光エレクトロニクスの分野でありまいうのが、私にとりましては、発明としてはすが、右側は加工であるとか、医用応用であ面白い３つの発明というふうに申し上げてよ

るとか、エネルギー開発、芸術、環境、そのろしいかと思います。それからずっと研究を他というのがございますが、先ほど申し上げしてきているわけですが、だんだん発展してました照明なんかが、ここに登場してくるのきたと申し上げてよろしいかと思います。

は間違いないところです。右側がパワーを使その前に、図７に示す光エレクトロニクス

う、左がその光である情報を使うと、こうい
うふうな応用として発展しつつあります。
日本の総売上を、
光産業技術振興協会
が毎年統計を出しておりますが、光が関係しているものを全部まとめて約４兆円
規模に発展しておりまして、エレクトロ
ニクスが30兆円くらいということでしょうから、１割ぐらい光が関係していると申し上げてよろしいと思いますね。
いま使っておりますような、こういうレーザポインターが図７ 光エレクトロニクスの分野

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ポピュラーになってです。大きな半導体のウェハを割る、割るま
でレーザにならないわけですね。半導体のおせんべいのままです。
一方、エレクトロニクスにおける集積回路というのは、よくテレビ等で出て参りますが、集積回路がすでに出来ている、もう働くわけですね。それを分離するだけということです。
（a） 面発光型

1977年頃、私も模型のレーザを作っていたんですが、何とも、最初からレーザにしたいという、そういう考えがございまして、夜な夜な考えておりました。それでレーザの共振器が横なものだからだめだ、これを横のものを縦にしたらどうなるかということから、（b） 横型（ストライプ型）
図８ 半導体レーザのモデル

面発光レーザを思いつきました。それは共振器を上下にする。ちょうど日光の鳴き龍のよ
うに、天井と床で反射させる、こういう仕組
みですね。そうしたらいいんじゃないかとい参りましたが、そのほとんどが半導体レーザ

うことです。最初に思いついたのが1977年です。その中身を調べてみますと、図８ののことです。すぐ実験にかかりまして、（ａ）に示すような半導体の板があって、板1979年に初めて発振を得ました。

に沿って光が伝搬する。大きさですが、長さ私はその頃−−−いまもそうなんですが、研が約300μm、１mmに３個入るような長さ、究ノートをつけていて、夜中も枕元に置いてこれがレーザポインターの中に入っているわ

いて、思いついた図９のようなアイディアをけです。光が伝搬するわけなんですが、そのすぐ書きつけました。上下に鏡を置いてｐｎ大きさ、縦方向の厚みというのが、光が出る接合、ｐ型とｎ型の接合をつくって、エレク

ところは、なんと100Å以下というのが、最トロンをｎから、ホールをｐから注入して、近の量子井戸レーザと称するものです。それ

ここをプラズマ状態にして光らせる、増幅作

から奥行きですが、これも１μm程度という、用を持たせる、それに加えて上下に鏡をつけいわば細長い板のようなところを光が伝搬していく。これがこれまでの従来型レーザです。
ところが、先ほどのルビーレーザでもあったように、鏡がないとレーザの共振器が出来ない。すなわち、光が伝搬して、反射して戻って来て、ちょうど位相が合うようなところ
で共振する。ちょうど音響の共振等もみんな同じですね。ときどきスピーカーがワウ音を出したりしますが、それも発振の現象で同じことです。
これを作るために、通常ほとんどの半導体レーザでは、両端をナイフで切るわけです。
きれいに割れるんですが、最近はロボット化されておりますけれども、基本的には手仕事

図９ 最初の面発光レーザのアイディア

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たらいいじゃないかというのが、もともとの考えです。

図10のように上下に反射鏡があるのは同じなんですが、各層が非常にきれいに出来る

先ほどご紹介しました1979年に、これはようになりました。小山二三夫助教授らの努

1.3μmという波長の光を出しますガリウム

力が実って、1988年に室温で初めて連続動とインジウムと砒素とリンという、この頃、作をするようになりました。これが皆さんが、私どもの大学も初めてこういう試みをしてい面発光レーザがものになるかもしれないなあ

たグループの１つであり、これが光通信の一と思われた、１つのポイントです。

番大事なもとになっているわけですが、その翌年ですが、当時ＡＴ＆Ｔにいましたジャ

材料を使って作りました。中央に光るところ

ック・ジュエルという人が、やはりこういうを作って、上下に金の反射膜を設けます。

小さいレーザ、これは10μmですから、２〜

こういうわけですから、反射率も低いし、３μmの大きさですが、こういうレーザを作

温度を下げないと光らない。パルス状で発振った。これ１個がレーザになっていますね、をさせるための電流の大きさも１Ａ（アンペ面発光レーザです。半導体の結晶を使いましア）という、非常に大きな値で、やっと発振てミラーを作るということですね。それで発してすぐ壊れてしまう。こういう状況でした

振しきい値が２ｍＡ。われわれのはその当時が、ともかく発振したわけです。

20ｍＡくらいまでで、室温で下がってきましそれで、ずっと研究を続けて、途中経過はたが、１桁下げた。この２つのイベントが、あるんですが、「面白い形だけれども、将来

面発光レーザは面白いと、そういうことになものにならないよ」と皆さんおっしゃってい

ったきっかけです。

たんですが、まあ、諦めずにやるのが大学の研究ですから、やりましょうと。

ちなみに、このいぼいぼ、健康足踏み器みたいなレーザなんですが、１個のいぼいぼの1988年になりまして、結晶成長技術が非中に、ミラーと活性層と全部入っているんで常に進みまして、気相成長が私どもの研究室

すね。半導体でこういうふうな反射鏡を作れでもできるようになりました。これは毎年、ないかということで、私どもは1984年ぐら

科学研究費などを頂戴しては部品を買いためいから始めて、1986年に半導体でのミラーて作ったものです。

作りに成功しました。いまＯＨＰを手伝って
おります、私どもの助手の坂口君が作ったものですが、それからだんだん皆さんがその真似をして、こういう半導体の結晶成長だけで共振器も作るということをおやりになるようになってきたわけです。
1979年ぐらいから最初の論文が出て、論文数が少しずつ増えているんですが、私どもの大学が主なそのソースであったわけです。この後、さっきのイベントから急激に出版数が増えております。まあ、図10 MOCVD法によるGaAs系面発光レーザ（世界で初めての室温連続発振）

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1989年頃までは自然放出みた
いなんですが、1990年から研導体レーザのしきい値も、面発光レーザに追いつかないという状況が生まれてきております。
図12において、（ａ）
は普通のレーザ、横型のレーザですが、（ｂ）は縦型のレーザ（Verfical Cavity Surface Emitting Laser）
で、世界中の人たちがそういうふうによびだしております。ビクセルというふうな
図11 面発光レーザしきい値の推移

省略を皆さんお使いです。ここではその比較をしております。一番大きな違いは

究の誘導放出が始まって、皆さん影響を受け反射率ですね。普通のレーザは半導体を割ってどんどん論文を出されるようになった。

ただけですから約30％ぐらいですが、これが1996年あたりですが、年間のジャーナルペ

99.9％ぐらい必要です。それからレーザの共ーパーの数が400件くらいというふうに統計

振器の長さが300μmぐらいというのが普通でなっておりまして、論文数がずっと増え続なんですが、それが２分の１波長か１波長かけております。

と、本当にその波の波長の長さの共振器で発図11の横軸は年で、縦軸が面発光レーザ

振器が出来る。マイクロ波の発振器等ではそが発振するための電流容量です。ミリアンペ

ういうふうになるわけですが、光もそうなっアで書いています。前に申し上げましたようてきたということです。ほかのレーザはいかに、最初は10の３乗ｍＡで、１ｍＡを90年に大きいかということですね。

ぐらいに切りました。最近では、サブミリア

図13に面発光レーザの特徴をまとめてみンペアといいますから、10μＡぐらいというます。先ほど申し上げましたように、ウェハ

ところまで達していて、これが材料とか温度とか、パルスであるとか、連続波であるとか、全部違うんです
けれども、どうも１つの傾向があって、今世紀の終わりぐらいには、１μＡというオーダーになると予想されます。
この量がどのぐらいの大きさかといいますと、現在

図12 半導体レーザの比較

レーザポインターなんかに使っております半導体レーザのしきい値が、のままでレーザにならないかということ、素約10ｍＡくらいということですから、それよ

子分離がなくてもレーザの検査ができる、こりも３桁小さくなるだろうということです。

ういうことを動機として発明したんですけれしたがって、そうしますと、いろいろな応用

ども、最近になりますと、１個のチップのコに電力を消費しないでレーザが使えるわけでストが非常に安くできそうだ、量産に向いてすから、非常に具合がよろしい。

いるということがわかってきました。それか

いずれにしましても、最初から見ますと、
現在５桁くらい下がってきて、どのような半らいろいろなパッケージをするんですが、そんなものは必要ないなど、もろもろの特徴が
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工業が商用しました可視光のＬＥＤ（発光ダイオード）ですが、共振器はついてないもの
なんですが、こんなふうに、赤、緑、青と、ＲＧＢが出せるようになってきて、表示等にはすでに使われ始めています。これがレーザにならないか、ましてや面発光レーザにならないかというのが、私どもの最近の研究のターゲットです。
それで、半導体で光を出す材料について見てみます。ちょうどIV族というのが真ん中にありまして、これがシリコンが非常に重要でよく使われますが、その両わきに3族、Ｖ族という元素があります。3族というのがボロンから始まって、アルミニウム、ガリウムというふうな列ですね。それからＶ族が窒素
図13 面発光レーザの特徴から始まって、リン、砒素、こういう列です。
これのIV族を飛ばしまして、たとえばガリ

出て参りまして、これから使う上では非常にウム砒素というふうに、化合物を作りますが、面白そうだということになってきました。

こういう3・Ｖ族とよびます半導体が光デバ

図14にスペクトルを示してございますが、イスにもっぱら使われております。ガリウム

面発光レーザが大事な波長で、いろいろ使え砒素が一番ポピュラーですが、先ほどちょっるというふうになって参りました。ちょうどとご紹介しましたように、インジウムが入っ

１オクターブというのが0.4〜0.8μmなんでたもの、リンが入ったもの、こういうふうなすが、オクターブというのは、ちょうど周波合金でいろいろな波長に対応しようというこ

数が倍、半分ということですね。

とになってきております。

余談になりますが、太陽の光は広いスペク

最近では、ガリウムに加えてアルミニウム、トルを持っていまして、可視光はこの範囲で

ちなみに、ＣＤ用ではガリウム、アルミニウ

あります。植物というのは、ご存じかもしれム、砒素。それからレーザポインターではガませんが、青い光と赤い光が大好きで、色とリウム、インジウム、あるいはアルミニウム

してはピンクになるわけですね。それを吸収を加えて、リンも入っているというふうなこ

して成長する。緑が嫌いというんで植物は緑とで、赤い光を出します。

に見える。みんな透過したり反射したりして先ほどの青い光は何かというと、ガリウム

追い出しているわけですね。人間は緑が好き
で、森へ行くのが気持ちがよいというわけですね。血が赤いというのは、赤が嫌いというわけで、赤を放出している。したがって、動物と植物というのは、太陽のスペクトルをうまくシェアして、みんな独り占めしないように、使っているようです。
それで、この色なんですが、半導体でこれを全部出そうということが、最近だんだんできるようになってきました。これは日亜化学
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図14 広いスペクトル領域における面発光レーザ

と窒素。こういった組み合わせで、窒素が登こに光るもとでありますインジウム、ガリウ

場する。それからあと3族のほうは、インジム砒素というような、こういう材料を、80Å

ウムまではポピュラーに使われていたのが、とか100Å以下の非常に薄い層、原子数でい今度はタリウムまで入れようと。温度が変わきますと10層ぐらい、そのくらいの量子井戸っても発光する波長が変わらないような材料と称するものを成長させます。

ということで、タリウムの入ったものも研究したがって、この半導体の組み合わせは、されています。したがって、もうちょっと青分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg

から紫外のほうへいくとボロンもいる。こうReflector：ＤＢＲ）という多層膜の反射鏡いうことで3族はみんな研究のターゲットにに利用されます。30層ぐらいつけますから、なっております。

多層の結晶成長のお化けみたいなものですね。

それからＶ族のほうも、まさか窒素が使え

これをコンピュータ制御の結晶成長装置がうるとは思っていなかったのが、窒素まで使う

まくいけば、プログラムどおりに作ってくれということで、3族、Ｖ族を総動員という状るわけです。

況になってきました。われわれ闇の世界にいそのため、反射鏡そのものが内部にもう出たのが、だんだんわかってきたということで来ている。それで光るところが非常に薄い。

すね。これは自然界にはこういうものがあり

200〜300Åというわけですね。したがって、ませんので、われわれが実際に作っていくと光が共振する長さというのは、２分の１波長いう、そういう作業をサイエンス、あるいはか１波長か、そのくらいということです。非エンジニアリングの世界ではやっているわけ

常にぺっちゃんこのレーザですね。大げさにです。

書いてありますが、本当は薄い。光は上に出

さて、面発光レーザ用の材料ですが、光通るか下に出るか、いずれにしても表面からな信に使うのは1.3μmとか、海底ケーブルでので、面発光レーザと称しております。最近、は1.5μmです。材料をいちいち申し上げま

私どもの研究室で作っている１μm帯の波長

せんが、いろいろな合金の組み合わせで出来を出すレーザが、図15の構造をしておりまる。それから一番短いほうは、紫外域に当たす。上から見た大きさが５μmの丸という小る0.3μmから0.5μmのこのあたり。あらゆ

さいレーザを作ったわけですが、そのときのる材料が面発光レーザ用に研究をされている

室温で連続動作のしきい値が図16に示すよということです。

うに70μアンペア。したがって、商用になっ

もちろん一番ポピュラーなのは、一番真んておりますこういうレーザポインターの３桁中の１μm前後ということでありますので、これから、最近の進展についてご紹介申し上げます。
ガリウム砒素という半導体、携帯電話の一番初段の受信機のところにそのＩＣが使われている場合が多いのですが、電子通信あるいは光通信に、このガリ
ウム砒素は非常にポピュラーです。その上に、ガリウム砒素と、それからアルミニウム砒素という多層の結晶をつけまして、こ図15 面発光レーザの低消費電力化・超高速化

11ルス状に変調することによって、情報をわれ
われは伝えるわけです。その速さが速いほどよろしい。最近の実験では、周波数でＧHz（ギガヘルツ）以上の速さまで、この面発光レーザが応答することがわかってきました。
研究室では12ＧHzぐらいまで変調をかけています。世界記録に近いところです。
それで、ファイバーで少し伝送してみようということで、100mのファイバーで情報を実際に伝送して、誤り率なくうまく伝送できているということを示しました。これはコンピュータを繋ぐとか、そういう応用を目的と
図16 低しきい値面発光レーザの出力特性

しておりますので、そう何キロも先でなくてもよろしいわけです。

下ぐらいというふうに言ってよろしいと思い面発光レーザを上から見ますと丸です。偏ますが、こういうものが出来た。アメリカの波というのが光にありまして、電界の方向の国際会議で発表し、あるいは講演をして回っ向きを指すことが多いです。普通のレーザポ

たんですが、アメリカも非常に大きな予算を使って研究をやっているもんですから、どうもトラの尾を踏んづけたみたいで、この記録はすぐ破られてしまいまして、いま世界で第３位ぐらいです。いずれにしても、こういうマイクロアンペアで測るようなというレーザが出来たわけです。電圧は約1.5Ｖ（ボルト）から２Ｖかけますから、電力でいきましても、10μＷとか、そのくらいの消費電力で光が出せる。コヒーレントなレーザ光が出せるようになりつつあるわけです。
図17は同じ材料の最近のものですが、出力１〜2ｍＷぐらいが１つのターゲットです（a）が、そのくらいは出せる。これは横軸が電源で縦軸が出力ですが、何個かこういうふうに並べて、２次元アレイ状に作っています。もうちょっとこれは密に詰めることはできるわけです。こういうふうな、アレイと申します
が、そういうものがちゃんと出来るように、だんだんなって参りました。
これを情報伝送に使おうといったときに、光の情報が乗せられないといけない。どうやって乗せるかといいますと、連続的に光っているものは、情報を送っておりません。ただ、光っているだけというわけですね。これをパ
12（b）
図17 低しきい値GaInAs/GaAs面発光レーザ（a）とアレイ（b）

インターのようなレーザは、例外なく直線偏と縦で性質が違うような基板を使いますと、波をしております。これは断面の横・縦の大

その電子の雲、ダイポールモーメントとよくきさが違うものですから、自然にそうなるん

いいますが、それに差がつく。したがって、ですが、面発光レーザの場合、上から見たレ

光り方とか、それから光を増幅する能力が、ーザというのは円ですから、偏波面を決める

上から見て横・縦で違うようになるんですね。

要素が非常に弱い。実は、弱いんですけれど

こういうレーザを作ってみました。

も、面発光レーザを作ってみますと、例外なそれでいまの面発光レーザから出てくる偏く直線偏波で発振します。そうでないものは

波面、電界の振動方向なんですが、これが非発振してないと言ったほうがいいですね。

常に安定化される。すなわち、検光子の角度

ところが、温度が変わったり、いろいろな状況が変化しますと、その偏波面が変わる。

をぐるっと回してみますと、直線偏波で安定に発振するということがわかりました。

これは応用上具合が悪いんですね。何とか安ごく最近、気相成長法によって、その定しないといけない。これが面発光レーザの（311）基板に成長する。これまで技術的にｐ欠点といえば欠点なんですが、これまでいろ

型のドーピングができないとか、いろいろ難いろな方法で安定化させようという試みをししかったんですが、それを何とかクリアーしてきました。たとえば、グレイティングを切て、１ｍＡよりも低いしきい値で発振するよって、反射率に電界のある向きと直交した向うなレーザが出来ました。

きで差をつけようとか、そういう研究をしていまのは、だいたい１μmの波長とか、短きまして、まあ、うまくいったことはいったい波長で、これは実用になっているレーザがんですが、面倒くさいわけです。

あって、あとでご紹介しますが、売っている

そこで、図18のように、ごく最近ガリウ時代になりました。ところが、波長を横軸にム砒素の基板なんですけれども、（311）ととって光通信を見てみますと、1.3μm、こいう結晶が傾いているものを使おうという研れはいま光ファイバー通信に使われている波究を始めました。これですと、この中に電子長、それから1.5μm、海底通信で使われていとホールを注入しますが、そのときに、一番る波長ですが、光ファイバー、シリカファイバ

最初に申し上げました電子の雲が出来て、そーの伝送損失が非常に小さい、分散が非常にの干渉によって電荷の偏りが出来ると申し上

小さいということで使いやすいわけですね。

げましたが、こういう上から見たときに、横この辺の面発光レーザが欲しいんですが、技

図18 （311）基板上の面発光レーザ

13

術的に非常に難しいわけです。そこをチャレ

砒素の基板を使って面発光レーザが出来ない

ンジしようというのが長年の夢なんですが、かということを、1996年４月のヨーロッパ

それについて研究をしております。

でありました国際会議で初めて申し上げまし

図19では、1.5μm帯のレーザなんですが、た。長波長の面発光レーザのために、この材中央にレーザが光る活性層と称するところが料というのは非常に具合がいいと思いまして、ありまして、上下にミラーをつけて、という

いま鋭意研究を進めております。

工夫で、77Ｋ（液体窒素温度）でしきい値

これはどういうことかといいますと、先ほ0.3ｍＡというのを記録しました。これは数

どのガリウム砒素とか、アルミニウム砒素を年前なんですが、これで何とか見通しがつい基板とするような材料が全部使える。すなわ

たんですが、室温、われわれの住んでいる温ち、ボディーは出来ている。あとはエンジン。

度で、どうしても動作しにくいということでエンジンのつけ替えということでレーザが出問題がありました。最近は世界的にも研究が来そうだということなんですね。いまのとこ広がっていて、室温で連続的に動作するようろ、結晶成長が非常に難しくて、エンジンがなレーザがぼちぼち出来始めております。

まだ大丈夫というところまでいきませんが、それでごく最近ですが、もうちょっと窒素

これからよくなるかもしれません。ガリウムを入れましょうという動きが出てきました。

砒素に窒素を入れるということで結晶成長しこれは日立製作所の中央研究所、あるいは株ておりまして、何とか窒素が入るというご紹式会社リコーの研究所などの先駆的な研究が

介だけにとどめさせていただきます。

ありますが、それによってガリウムとインジ

それからブルー、青のほうでありますが、

ウムと、窒素、砒素、これを使って半導体レガリウムと窒素を入れた面発光レーザが出来ーザが出来ないかという気運が、ここ１年強

ないかということで、これも結晶成長をスタ

くなってきました。私は直観的に、ガリウムートとして、面発光レーザを目指して研究をしております。こういうものが出来ますと、
ブルー・青、あるいは紫外の面発光レーザ、あるいは半導体レーザ、これから白色光が出せる。すなわち、蛍光を使いまして緑と赤を発する。そうしますと白色が出来て、世の中の白色電灯というのが半導体化されるもとになるかもしれないというわけですね。現在使われております蛍光灯の電力から光への変換効率が20％くらいで、かなり高いんですね。
ＬＥＤですと10％ぐらいしか変換効率がとれませんので、どうしてもレーザでないといけない。紫外のレーザというのは照明のポイン
トだと思いますね。ブルーか紫外です。
図20のような面発光レーザのお饅頭のよ
うな、これは直径１μmですから非常に小さいんですが、こういうふうな面発光レーザの土台みたいなものをつくろうかという研究を続けております。もうちょっと実現には時間がかかるかもしれません。

図19 マッシュルーム型面発光レーザ

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図21はポスターの写真に使わせていただ

の中心になるアンテナ
がどれだけ自然に光を出せるかという、そういう能力が計算できるわけです。
ところが、この箱が小さい波長のオーダー
ですと、２分の１波長の１個か２個というふ
うになります。このアンテナが出せる相手というのが限られてくるようになります。

図20 紫外・青色面発光レーザのための微細構造

この問題というのは、いたものですが、このレーザの構造が中に全面発光レーザを私どもがやっていて、小さい部含まれていて、この大きさが数ミクロンとレーザが出来るということが、物理学者の人いうものが並んでいます。これは電子ビーム

たちの興味をかきたてまして、自然放出制御、露光装置でこういうパターンを描いて、イオ

そういう分野が非常に発展しております。

ンビームのような気相エッチングでエッチン

電流を流すと光が出るんですが、先ほど来グしますと、きれいに真っ直ぐのものが出来申し上げているように、普通のレーザですと、るというわけですね。こんなふうに、研究室あるところまで励起を強くしていかないと、で加工法を研究をしまして、出来るようにな

こういうコヒーレントな光が出せない。この、ってまいりました。直径0.5〜１μm以下で、いわゆるしきい値以下は自然放出で、全世界

高さは５μmくらいですからかなり長細いでを見ながらエレクトロンとホールが再結合しすね。これはガリウム砒素系の材料なんですて光を出しているわけですね。そういうものね。ガリウム砒素は比較的加工しやすいものが禁じられてくると、電流を流すといきなりですから、こんなモヤシのような構造も出来

レーザの光として出てくるかもしれない。無ます。波長のオーダーに近づいていくというしきい値のレーザというのがあるかもしれなことが考えられるわけです。ただ、まだレー

いというわけです。

ザは出来ていません。構造だけです。
この共振器の厚みが１波長ぐらいだと申し

ところが、このしきい値というのが、10ｍＡであるとか、そのくらいのときですと、ほ上げたんですが、この大きさも１波長ぐらいにしたらどうなるかということですね。普通のレーザは大きいので、電子とホールが再結合して光るときに全世界を見ているんですね。
光のアンテナが全世界を見ているんです。量
子力学の教科書によると、大きな箱を考えまして、そこで共振する波長は何かということを考える。２分の１波長の整数倍で共振するという原理は同じです。その箱が大きいものですから、たくさんの波長で共振するわけです。その箱の大きさを無限大にすると、ここ

図21 極微構造の面発光レーザ

15とんどしきい値がないよというふうに気楽に言っていたんですが、この値がμＡぐらいになってきますと、よほど慎重にしないとしきい値がないと言えなくなってきた。非常に難しい、技術と科学の接点が非常に厳しくなった状況であります。そういう問題が出て参りました。
面発光レーザはいろいろ発展してきまして、
現在では全世界数十機関といいますか、ほとんどの研究所で研究しておりまして、いろい
ろな応用を考え始めております。一番大きな
応用が、光でコンピュータを繋ぐ、インターコネクトと言っております。そういったもの

図22 面発光レーザを用いる光ピックアップ

ですね。それからあとは、うまくいけば光メ
モリのようなもの、それから光センシングのしておりますが、なかなか売り出すところまようなもの、こういったいろいろな応用に使でいってないのが現実です。一方、アメリカえるだろうと思います。

は大きな会社、あるいは小さいベンチャーがヒューレット・パッカードのワン博士とい果敢に商用化を図っています。

う、元気のいい若い研究者は、20世紀の終わ

図22は1990年に私がアイデアの図を描いりまでに、ほとんどの半導体レーザが面発光たものですが、光ディスク用の面発光レーザ

レーザに置き替えられるだろうなんていうＯの姿です。たとえば４チャンネルの面発光レ

ＨＰを、国際会議で見せて息巻いておりますーザで光をマイクロレンズでディスクに当てが、ある部分はそうなるかもしれません。

て、集積回路で一体化したこういう簡単なピアクティブに面発光レーザの研究あるいはックアップが出来るだろう、ということを言製造をしている会社をご紹介します。アメリいました。実際に韓国のSamsung社が、いカの会社を中心としたもので、モトローラ、

ま商用化しつつあります。こういうヘアピン

ＯＥＴＣ、ＰＯＬＯ、ビクセル、この辺が全よりも小さい簡単なピックアップですね。私部面発光レーザを使っています。これは、アが描いたのと同じようなピックアップで、現メリカの国家的プロジェクトではイノベイテ

在ＣＤ用のピックアップを生産しようとしてィブ・テクノロジーが必須ということで、面おります。

発光レーザが新しいということから取り上げたものです。

せっかくレーザがこういうふうに並ぶことができますので、あとはレンズを並べたらどたとえばヒューレット・パッカード社はうかというので、マイクロレンズアレイとい

0.85μmの面発光レーザを使ってモジュール

うのが、私のもう１つの発明だったわけです。

を作っております。３×４cmくらいの大きそれを図23のように並べて超並列にしよう

さで、100Ｍｂ／sぐらいの通信速度でワークというのが、最近の研究のターゲットで、ステーションを繋ぐというものです。こうい「超」というのは、常識では考えられないよ

うものが出来て商用化されて売っております。

うなものを司る、それから非常に多くのもの

ハネウェル社、モトローラ社なども、面発光を並列化する、それから並列化により数からレーザが10個入っているモジュールやチップ

質の変化を生み出す、こういったことでありも売っている状況です。

ます。ファイバーもたくさん並べて繋げたい

日本もＮＴＴをはじめ大きな会社が研究を16ものですから、マイクロレンズのアレイを使式会社が生産して搭載しているわけですが、これによってプロジェクションタイプのビデ
オプロジェクターが明るくなりました。
マイクロレンズですから画像が複製できます。画像が複製できるものですから、図24のように並列化して、あとは周波数空間でフィルタリングをかけて、画像を瞬時に並列処理によって認識しようと、そういう情報処理の研究も、研究室の一部でやっております。
これですと、ぱっと見たときに、もうすでに認識できるという仕掛けができそうです。
それから最後ですが、広がる光の１つをご
図23 光通信用積層光集積回路

紹介します。図25のようにファイバーを使います。ファイバーにレーザビームを斜めにって一体化して、こういうふうにファイバー入れますと、これはジグザグ光線が出来るとの突起を使ってやろうと。プッチンマイクロ

いうのは、一番最初に申し上げたとおりなん

コネクターと日本語で言っておりますが、英ですが、実は、丸いものを使いますと輪にな

語ではPut-in、これは造語ですが、こういっります。こういう輪がなかなかいままで出来た勉強をしています。

なかったんですね。私がいま手にしておりま

その前に、マイクロレンズなんですが、こすガラスの棒、ファイバーの太いものですが、れもだんだん発展してきておりまして、これこういったもので、非常に均一な円錐ビーム

はシャープ株式会社が液晶のプロジェクターが出来ることになります。これはたとえばチに使って、液晶のところにうまく光を集めるェレンコフ放射光のシミュレーターであるとために、このマイクロレンズアレイ、ちょうか、円錐プリズムで折り返して水平ビームにど４×６cmぐらいの中に40万個のレンズア

し、（株）川口光学産業と共同でレーザレベ

レイが入っております。これは日本板硝子株ルという水準器を作るような工学的な応用も

図24 微小光学系による光パターン認識システム

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図25 リングビームシステム

進めています。それから円錐光を集めて、非

さて、広がる光、集まる光、これしかない

常に小さい円錐あるいは円筒状のビームを作

かということなんですが、あります。この答って、その中に原子を閉じ込めようと。これ

えは次の大津元一教授の話に出てくるかと思は大津先生の話でちょっと出るかもしれませ

いますので、ご期待ください。

んが、そこにも使えるかもしれない。これは

本日は、つたない話をさせていただきまし

広がる光の一つなんですけれども、私の発明たが、皆様、ご清聴まことに有難うございまの１つです。

した。

この面発光レーザのようなアレイのもの、レンズをアレイ化して超並列化するということで、先ほど言いましたように10から数10
Ｇb/sぐらいの情報を並列化してやると、非常に速く動画といったような、超高速の情報がやり取りできるのではないかな、というのが夢であります。
それでは時間になりましたので、このぐらいにさせていただきますが、私の研究の範囲で申し上げますと、光を出す、光を広げる、
それから光を集める、こういったものが光エレクトロニクスのいろいろな装置、システムに応用される。そこにまつわるサイエンスとテクノロジーを、自分たちの研究室で開拓しながら、ゆっくりとした研究をしているという状況であります。
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