2005FY－003－1

光技術動向調査報告書

20 0 ６ (平成1 8 ) 年3 月

財団
法人

光産業技術振興協会

序 文2001 年の IT バブル崩壊によるマイナス成長から始まった 21 世紀の光産業の国内生産額が、その後の大きな成長によって 2005 年度には約 8 兆円となり（光産業動向調査委員会の調査結果見込み）、財団法人光産業
技術振興協会創設時の 1980 年の国内生産額規模 800 億円に比較して、約 100 倍という飛躍的な拡大を達成しようとしている。
最近の光産業の安定した成長を支えているのは、主としてディジタル情報家電関連であるが、他の分野の光産業も順調に成長を続けているものが多く、IT バブルの象徴であった光通信分野も、FTTH を初めとするブ
ロードバンドアクセスの普及によるインターネットトラフィックの急激な増加にも支えられ、成長軌道に乗りつつある。分野別により好不調があるものの、全体としては堅調な成長を続けていくと考えられる。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、今後のユビキ
タス社会実現のためには不可欠のものである。将来に向け、さらに光産業、光技術が活力を増すように、光に関わる超先端技術から低コスト化技術までの広い範囲にわたる技術開発の重要性が再認識されるところである。
このような面で本調査報告が、技術のトレンドをいち早く捉え、産業に結びつけていく上で大きな貢献を果たせることを期待している。
このように、光に関わる最先端技術の動向を継続的に調査報告することは、広く光技術の開発あるいは光産業の開発戦略策定に携わる方々にとって重要な指針を与えるものであり、意義あることと考えている。当協
会では、協会発足（昭和 55 年）以来継続して、光技術に造詣の深い方々に委員をお願いして、光技術動向調査委員会を設置し、光技術に係わる研究開発動向を毎年幅広く調査を実施してきた。
2005 年度は、光材料・デバイス、光通信ネットワーク、光メモリ・情報処理、ディスプレイ、ヒューマン
インタフェース、加工・計測、太陽光エネルギー、環境フォトニクス、照明の 9 分野について分科会を設け、調査活動を実施していただいた。
本報告書は、中野義昭委員長と 9 名の分科会主査をはじめ、総勢 53 名の委員各位の熱心な調査、討議を基に、ご指導いただいた講師の方々と各専門分野で最先端の研究開発に携わられている方々の多大なご協力、並びに、関係官庁、国内外の諸機関、関連企業の方々から頂いた多大なご支援の下に完成したものである。ここに深く感謝の意を表する次第である。

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－
目次へもどる平成 17 年度 光技術動向調査委員会名簿（敬称略，順不同）
委員長

中野

義昭

国立大学法人 東京大学 先端科学技術研究センター 情報デバイス分野 教授
光材料・デバイス分科会（第１分科会）

主 査

土屋

朋信

株式会社 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

秋山

知之

株式会社 富士通研究所 ナノエレクトロニクスセンター 研究員

委 員

小野村正明

株式会社 東芝 セミコンダクター社 ディスクリート半導体事業部 主査

委 員

小森

和弘

独立行政法人 産業技術総合研究所 光技術研究部門 光電子制御デバイスグル
ープ 研究グループ長

委 員

武政

敬三

沖電気工業株式会社 オプティカルコンポーネントカンパニー 開発部
ＬＤデバイス設計チーム チームリーダー

委 員

中村

滋

委 員

松尾

慎治

日本電気株式会社 基礎・環境研究所 主任研究員
日本電信電話株式会社 フォトニクス研究所 先端光エレクトロニクス研究部
主任研究員
光通信ネットワーク分科会（第２分科会）

主 査

宮 本

裕

日本電信電話株式会社 未来ねっと研究所 フォトニックトランスポート
ネットワーク研究部 グループリーダー

委 員

木 下

進

株式会社 富士通研究所 フォトニックネットワーク研究所 フォトニックシス
テム研究部 主管研究員

委 員

西村

信治

株式会社 日立製作所 中央研究所 ネットワークシステム研究部 主任研究員

委 員

増田

浩一

松下電器産業株式会社 ネットワーク開発センター 伝送方式グループ
主任技師

委 員

松尾昌一郎

株式会社 フジクラ 光電子技術研究所 光技術研究部 主管

委 員

森田

逸郎

株式会社 KDDI研究所 光ネットワークアーキテクチャグループ 主任研究員

委 員

吉川

隆士

日本電気株式会社 システムプラットフォーム研究所
高速プラットフォームTG 主任研究員
光メモリ･情報処理分科会（第３分科会）

主 査

川田

善正

国立大学法人 静岡大学 工学部 機械工学科 教授

委 員

石本

努

ソニー株式会社 HENC ＨＥ開発本部 OS開発部門 光記録開発部

委 員

加園

修

パイオニア株式会社 研究開発本部 総合研究所 ナノプロセス研究部 主事

委 員

辻岡

強

国立大学法人 大阪教育大学 教育学部教養学科 教授

委 員

中野

隆志

独立行政法人 産業技術総合研究所 近接場光応用工学研究センター チーム長－iii－
目次へもどる

委 員

山田

昇

松下電器産業株式会社 メディア制御システム開発センター
メディア開発グループ グループマネージャー
ディスプレイ分科会（第４分科会）

主 査

打土井 正孝パイオニア株式会社 研究開発本部 PDP開発センター 副参事

委 員

安達 千波矢千歳科学技術大学 光科学部 物質光科学科 教授

委 員

菊池

宏

日本放送協会 放送技術研究所 材料基盤技術 主任研究員

委 員

栗田 泰市郎

日本放送協会 放送技術研究所 材料基盤技術 主任研究員

委 員

鈴木

芳男

ソニー株式会社 情報技術研究所 ディスプレイ研究部 グループ長

委 員

陶山

史朗

日本電信電話株式会社 サイバースペース研究所 通高Ｇ 主任研究員

委 員

長谷川 雅樹日本アイ・ビー・エム株式会社 東京基礎研究所 主任研究部員
ヒューマンインタフェース分科会（第５分科会）

主 査

宮下

隆明

株式会社 リコー グループ技術企画室 標準化戦略室 課長研究員

副主査

下田

宏

委 員

大島

正明

委 員

太田

淳

委 員

仲谷

善雄

立命館大学 情報理工学部 情報コミュニケーション学科 教授

委 員

渡辺

昌洋

日本電信電話株式会社 サイバーソリューション研究所
ヒューマンインタラクションプロジェクト 研究主任

国立大学法人 京都大学 大学院 エネルギー科学研究科 エネルギー社会・環境科学専攻 エネルギー情報学分野 助教授
株式会社 旭リサーチセンター 常務取締役 主席研究員
国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 教授

加工･計測分科会（第６分科会）
主 査

藤田

雅之

副主査

小野寺 理文

独立行政法人 雇用・能力開発機構 職業能力開発総合大学校 電子工学科
助教授

委 員

伊藤

雅英

国立大学法人 筑波大学 大学院 数理物質科学研究科 助教授

委 員

田中

洋介

国立大学法人 東京農工大学 大学院 共生科学技術研究部 講師

委 員

松坂

壮太

国立大学法人 千葉大学 工学部 電子機械工学科 助手

委 員

安井

公治

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・電気加工技術部 部長

委 員

和田

智之

独立行政法人 理化学研究所 中央研究所 固体光学デバイス研究ユニット
ユニットリーダー

財団法人 レーザー技術総合研究所 レーザー加工計測研究チーム
チームリーダー 主任研究員－iv－
目次へもどる太陽光エネルギー分科会（第７分科会）
主 査

近藤

道雄

独立行政法人 産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター長

副主査

大下

祥雄

豊田工業大学 大学院 工学研究科 半導体研究室 助教授

委 員

荒川

裕則

東京理科大学 工学部工業化学科 教授

委 員

中田

時夫

青山学院大学 理工学部 電気電子工学科 助教授

委 員

菱川

善博

独立行政法人 産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター 主任研究員

委 員

山本

憲治

株式会社 カネカ PV事業開発部 研究グループリーダー
環境フォトニクス分科会（第８分科会）

主 査

小池

和英

独立行政法人 産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門
未規制物質研究グループ 主任研究員

委 員

藤田

雅之

財団法人 レーザー技術総合研究所 レーザー加工計測研究チーム 主任研究員

委 員

村越

敬

国立大学法人 北海道大学 大学院 理学研究科化学専攻 教授
照明分科会（第９分科会）

主 査

川上

養一

委 員

佐々木

勝

委 員

成川

幸男

日亜化学工業株式会社 窒化物半導体研究所 主任研究員補

委 員

村上

忠史

松下電工株式会社 照明事業本部 照明Ｒ＆Ｄセンター
オプティックスグループ 主担当

事務局

内海

邦昭

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主査 （主担当）

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 （副担当）

事務局

山岸

長保

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第１分科会担当）

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 （第２分科会担当）

事務局

稲田

孝

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第３分科会担当）

事務局

川井

隆志

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第４分科会担当）

事務局

岡部

正博

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第５分科会担当）

事務局

宮村

芳徳

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第６分科会担当）

事務局

見持

律往

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第７分科会担当）

事務局

外所

哲郎

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第８分科会担当）

事務局

新田

康一

財団法人 光産業技術振興協会 開発部 主幹 （第９分科会・海外調査担当）

国立大学法人 京都大学 大学院 工学研究科 電子工学専攻
量子機能工学講座 光材料物性分野 助教授
株式会社 小糸製作所 システム商品企画室 主管－v－
目次へもどるはじめに

2005年度も、JR西日本の脱線事故、建築関連の不祥事、ライブドアショックと株式市場システムの脆弱性露
見、依然として続くテロリズム等、課題が山積した年であり、景気が回復基調にあるとはいえ、まだまだ不透
明さを残している。
日本においては、世界に先駆けてFTTHが急速に普及し、近い将来アクセス系の主流となるのは間違いがな
く、一般家庭でのブロードバンド環境が実現されるであろう。情報家電の象徴であるフラットパネルディスプ
レイ、DVDレコーダーと共に、FTTHが光産業の牽引役となる可能性が高い。
インターネットによる社会構造の変化やIT産業の興隆がある一方で、セキュリティの課題等の様々な弊害が新たに生じている。光通信インフラ、ディスプレイ、光ディスク、光加工、太陽電池、照明等の光技術は今や様々な分野の基盤となり、光技術なしでは考えられないレベルにまで社会に浸透してきた。それだけ影響力が大きくなってきたということであり、ただ開発するだけでなく、いかに社会に役立てるか、という視点も求められていると言える。また、使いやすく万人に受け入れやすいものを実現することも重要である。光技術によって、より安全で使いやすい情報通信、セキュリティ、環境、医療等が実現されるはずである。
本光技術動向調査委員会は、光技術の的確な動向を把握することで、将来への指針とすべく継続的に調査を行っている。今年度の光技術動向調査委員会は、時限分科会が一つ終了し、９つの調査項目（デバイス・材料、通信ネットワーク、光メモリ、ディスプレイ、ヒューマンインタフェース、加工・計測、太陽光エネルギー、環境フォト
ニクス、照明）に対応する各分科会により調査を行うこととした。報告書全体としては、国内外の科学技術全体の流れの中で、調査の継続性を維持すると共に、新たな方向性を取り上げ、且つ分析を行うよう心がけた。特に各分科会においては、その分野全体を俯瞰して広い視点で捉え、調査活動を行うよう方向付けた。
また、海外における光技術動向の調査活動として、世界の工場であるだけでなく、最近は技術開発においても成長著しい中国を対象とし、光技術動向海外調査団を組織し、11月に実地調査を行った。海外実地調査の成果は別冊の報告書にまとめている。
本報告書は、インターネットを介した報告書の一般公開、アンケートによる読者意見のフィードバックなどを心がけており、各分野の専門家である委員の方々の努力により、他の公的出版物にない幅の広さと深さを兼ね揃えた調査・分析が今年も実現されている。是非、ご活用頂きたい。
本年度の委員会活動としては、３回の全体委員会と、２回の主査会議、それに加えて分科会毎に約２回の会合を開催した。
委員会の概要を以下に示す。

第１回主査会議では、年間計画を決定し、活動方針、各分科会調査計画について検討した。
第１回全体委員会では、年間活動計画、オプトニューズ等の計画、海外実地調査、分科会活動詳細内容等について報告、内容検討を行い、１件の講演を実施した。
第２回全体委員会では、報告書構成、外部執筆者、分科会活動詳細内容等について報告、内容検討を行った。
第３回全体委員会では、報告書案についての審議、次年度計画の検討等について報告、検討を行い、４件の講演を実施した。

－vii－
目次へもどる第２回主査会議では、委員会運営上の課題、および次年度の活動計画について検討した。

第１回主査会議 平成17年6月1日
第１回光技術動向調査委員会 平成17年6月23日
講演「植物工場、特に都市型野菜工場の最近の動向」（渡邊博之氏）
第２回光技術動向調査委員会 平成17年10月17日
海外実地調査（中国） 平成17年11月1日～8日
第３回光技術動向調査委員会 平成18年1月13日～14日
講演「蛋白質の結晶化」（森勇介氏）
講演「最近の多結晶シリコン太陽電池および色素増感太陽電池の動向」（清水正文氏）
講演「光パケットスイッチング技術動向」（植之原裕行氏）
講演「「記憶する住宅」と光産業技術の未来」（美崎薫氏）
第２回主査会議 平成18年2月13日

最後に、各分野の特に専門的なテーマについては、委員以外の多くの方々にご執筆頂いた。このように、本報告書は多くの関係者の貴重な活動の下に集大成したものであり、ここに深く感謝の意を表したい。

平成18年3月
光技術動向調査委員会
委員長 中野 義昭－viii－
目次へもどる委員以外の執筆者名簿（敬称略，順不同）（光材料・デバイス）川瀬晃道

国立大学法人 名古屋大学 大学院 工学研究科 量子工学専攻 教授

永妻

忠夫

日本電信電話株式会社 マイクロシステムインテグレーション研究所
スマートデバイス研究部 主幹研究員

菅博文

浜松ホトニクス株式会社 中央研究所材料研究室 材料センター

西田好毅

日本電信電話株式会社 フォトニクス研究所 先端光エレクトロニクス研究部 主任研究員

工藤耕治

日本電気株式会社 システムデバイス研究所 主任研究員

青柳利隆

三菱電機株式会社 高周波光デバイス製作所 光素子部 エピタキシャル成長技術Ｇ

松井

康浩

AZNA LLC､Chief Scientist

阿南隆由

日本電気株式会社 システムデバイス研究所 主任研究員

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

榎並顕

オムロン株式会社 技術本部 先端デバイス研究所 SPICA推進グループ

細川

速美

オムロン株式会社 技術本部 先端デバイス研究所 SPICA推進グループ

冨田

茂

北村

雅季

国立大学法人 東京大学 先端科学技術研究センター 特任助手

飯尾晋司

横河電機株式会社 フォトニクスデバイス事業センター

笹岡

千秋

日本電気株式会社 システムデバイス研究所 主幹研究員

平山

秀樹

独立行政法人 理化学研究所 テラヘルツ量子素子研究チーム リーダー

秩父重英

国立大学法人 筑波大学 数理物質科学研究科 電子・物理工学専攻 助教授

本田徹

日本電信電話株式会社 アクセスサービスシステム研究所 アクセスメディアプロジェクト
主幹研究員

工学院大学 工学部 電子工学科電子工学コース 助教授（光通信ネットワーク）

Jim Orr

Market Development, Fujitsu Network Communications,Inc.

田島章雄

日本電気株式会社 システムプラットフォーム研究所 主任

豊嶋守生

独立行政法人 情報通信研究機構 無線通信部門 光宇宙通信グループ

西岡

到

岡村

治男

株式会社 グローバルプラン

高良

秀彦

日本電信電話株式会社 未来ねっと研究所

豊田英弘

株式会社 日立製作所 中央研究所 ネットワークシステム研究部

岡本聡

日本電信電話株式会社 ネットワークサービスシステム研究所

日本電気株式会社 システムプラットフォーム研究所－ix－
目次へもどる（光メモリ・情報処理）富永淳二

独立行政法人 産業技術総合研究所 近接場光応用工学研究センター センター長打土井正孝

パイオニア株式会社 研究開発本部 PDP開発センター 副参事

三浦博

株式会社 リコー 研究開発本部 先端技術研究所 メモリーシステム研究室

北原弘昭

パイオニア株式会社 総合研究所 次世代メモリ技術研究部 第１研究室

樋口

隆信

パイオニア株式会社 総合研究所 次世代メモリ技術研究部 第１研究室

譚小地

株式会社 オプトウエア 技術開発グループ

宮川直康

松下電器産業株式会社 AVコア技術開発センター ストレージメディア開発グループ

柚須圭一郎

株式会社 東芝 デジタルメディアネットワーク社 コアテクノロジーセンター

伊藤和典

株式会社 リコー 実用化開発センター

松本拓也

株式会社 日立製作所 中央研究所 ストレージテクノロジ研究センタ

田部典宏

ソニー株式会社 ビデオ事業本部 オプティカルシステム開発部門 光記録開発部

菊川

隆

新谷

俊通

株式会社 日立製作所 中央研究所 ストレージテクノロジ研究センタ 光応用記録研究部
ユニットリーダ

住岡

潤

キヤノン株式会社 コアテクノロジー開発本部 アドバンストデバイス技術開発センター

東野哲

ソニー株式会社 ビデオ事業本部 オプティカルシステム開発部門 信号処理開発部

兼坂智樹

ソニー株式会社 コアコンポーネント事業グループ
レコーディングメディア＆デバイス事業本部 光ディスク事業部 開発推進部

前田修一

三菱化学株式会社 科学技術研究センター

島隆之

独立行政法人 産業技術総合研究所 近接場光応用工学研究センター

深港

豪

国立大学法人 九州大学 大学院 工学研究院 応用化学部門（機能）入江研究室 助手

児島理恵

松下電器産業株式会社 AVコア技術開発センター ストレージメディア開発グループ

入江

満

今中

良一

国立大学法人 大阪大学 工学研究科 阪大フロンティア研究機構

横川文彦

パイオニア株式会社 総合研究所 次長

TDK株式会社 SQ研究所 記録メディア開発グループ
次世代記録デバイス開発グループ 研究主任

大阪産業大学 工学部 電気電子工学科（ディスプレイ）分元

博文

東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社 先行技術商品開発センター

内海夕香

株式会社 日立製作所 材料研究所 画像デイバス研究部 液晶部材ユニット

真崎仁詩

新日本石油株式会社 研究開発本部 中央技術研究所 化学研究所

村田英幸

国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科

小山

珠美

昭和電工株式会社 研究開発センター

中本正幸

国立大学法人 静岡大学 電子工学研究所－x－
目次へもどる面谷信

東海大学 工学部 応用理学科 光工学専攻

竹田圭吾

セイコーエプソン株式会社 研究開発本部 VT開発部

西田修造

シャープ株式会社 技術本部 技術戦略企画室

三上明義

金沢工業大学 工学部 情報通信工学科

下平

美文

国立大学法人 静岡大学 工学部 電気・電子工学科

染谷潤

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 映像入出力技術部

金澤勝

日本放送協会 放送技術研究所

江口直哉

ソニー株式会社 コアコンポーネント事業グループ コアテクノロジー開発本部
レーザ応用開発部

城野康信

株式会社 アサツーディ・ケィ（ヒューマンインタフェース）石井裕剛

国立大学法人 京都大学 大学院 エネルギー科学研究科
エネルギー社会・環境科学専攻 助手

石井陽子

日本電信電話株式会社 サイバーソリューション研究所
ヒューマンインタラクションプロジェクト（加工・計測）小島哲夫

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・電気加工技術部 パワーレーザグループ

由良

信介

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・電気加工技術部 加工プロセスグループ

岡本達樹

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・電気加工技術部 加工プロセスグループ
グループマネージャー

河野裕之

三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・電気加工技術部 加工プロセスグループ

森勇介

国立大学法人 大阪大学 大学院 工学研究科 電気電子情報工学専攻 助教授

安達宏昭

株式会社 創晶 代表取締役社長

橋田昌樹

国立大学法人 京都大学 化学研究所 先端ビームナノ科学センター
レーザー物質科学研究領域 助手

平井亜紀子

独立行政法人 産業技術総合研究所 計測標準研究部門 主任研究員

足立正二

横河電機株式会社 通信・測定器事業部要素技術開発センター

森永実

国立大学法人 電気通信大学 レーザー新世代研究センター 助手熊谷寛

大阪市立大学 大学院 工学研究科 電子情報系専攻 教授（太陽光エネルギー）

荒木建次

大同特殊鋼株式会社 技術開発研究所

白谷正治

国立大学法人 九州大学 工学部電気情報工学科 教授

菅井秀郎

国立大学法人 名古屋大学 工学研究科 電子情報システム専攻 教授

高野章弘

富士電機システムズ株式会社 機器本部 太陽電池統括部－xi－
目次へもどる堀勝

国立大学法人 名古屋大学 工学研究科 電子情報システム専攻 教授

八瀬清志

独立行政法人 産業技術総合研究所 光技術研究部門 分子薄膜グループ 副部門長

山本暠勇

国立大学法人 福井大学 工学部 電気・電子工学科 教授（環境フォトニクス）

竹内浩士

独立行政法人 産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門 総括研究員

尾形

敦

衣笠

晋一

独立行政法人 産業技術総合研究所 計測標準研究部門 有機分析科 高分子標準研究室
室長

佐山

和弘

独立行政法人 産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 太陽光エネルギー変換グル－プ 主任研究員

笠井康子

独立行政法人 情報通信研究機構 電磁波計測部門 主任研究員

立間徹

独立行政法人 産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門 励起化学研究グループ
主任研究員

国立大学法人 東京大学 生産技術研究所 計測技術開発センター 助教授（照明）
日亜化学工業株式会社 第二部門 第一技術本部 LD第一技術部 部長代理

長濱

慎一

山元

明

東京工科大学 バイオニクス学部 教授

佐久間

健株式会社 フジクラ 光電子技術研究所 応用電子技術研究部 係長

清本浩伸

オムロン株式会社 技術本部 先端デバイス研究所 マイクロフォトニクスグループ 主査

松下幸詞

松下電工株式会社 照明事業本部 LED・特品・新市場開発センター LED 事業推進部
主担当

渡邊

博之

玉川大学 農学部生命化学科 助教授

岡本

研正

国立大学法人 香川大学 大学院 工学研究科 信頼性情報システム工学専攻 教授

島田順一

京都府立医科大学 呼吸器外科 講師

菰田卓哉

松下電工株式会社 先行技術開発研究所 技監

岡本信治

日本放送協会 放送技術研究所 材料基盤技術 主任研究員

河本康太郎

株式会社 テクノローグ 顧問－xii－
目次へもどる総 目 次はじめに
1. 光材料･デバイス

2. 光通信ネットワーク

3. 光メモリ・情報処理

4. ディスプレイ

5. ヒューマンインタフェース

6. 加工･計測

1.1 はじめに ··················································································· 1
1.2 テラヘルツ域············································································ 2
1.3 赤外域······················································································· 9
1.4 通信系波長域··········································································· 16
1.5 青・紫外域光源 ······································································· 56
1.6 おわりに ·················································································· 71
2.1 はじめに ·················································································· 73
2.2 基幹系光伝送システム ···························································· 75
2.3 アクセスネットワーク ···························································· 83
2.4 フォトニックネットワーク ····················································· 101
2.5 メトロネットワーク································································ 106
2.6 光LAN/インターコネクト························································ 113
2.7 量子暗号通信技術···································································· 127
2.8 宇宙空間光通信技術································································ 133
2.9 光ファイバ··············································································· 139
2.10 標準化動向············································································· 144
3.1 はじめに ·················································································· 163
3.2 光メモリのロードマップ························································· 165
3.3 マスタリングとレプリケーション ·········································· 167
3.4 青色ディスクシステム ···························································· 178
3.5 次世代大容量化技術································································ 189
3.6 光メモリのための材料 ···························································· 205
3.7 光メモリに望むこと································································ 216
4.1 はじめに ·················································································· 223
4.2 電子ディスプレイデバイス ····················································· 224
4.3 トピックス··············································································· 272
4.4 おわりに ·················································································· 298
5.1 はじめに ·················································································· 299
5.2 イメージセンサデバイス························································· 300
5.3 防災関連システム···································································· 307
5.4 光バイオメトリクス（個人認証への光応用）························ 315
5.5 画像入力デバイスと機器························································· 321
5.6 ユビキタスインタラクション ················································· 330
5.7 拡張現実感··············································································· 340
5.8 在宅安全・安心サービス························································· 348
5.9 おわりに ·················································································· 354
6.1 はじめに ·················································································· 355
6.2 加工・計測用光源···································································· 356
6.3 加工技術 ·················································································· 366
6.4 計測技術 ·················································································· 376
6.5 中国における加工・計測技術 ················································· 398
6.6 おわりに ·················································································· 403－xiii－

7. 太陽光エネルギー

8. 環境フォトニクス

9. 照明

7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7

はじめに ·················································································· 405
結晶系シリコン太陽電池の高性能化と低コスト化技術 ········· 408
薄膜系太陽電池の開発状況 ····················································· 414
集光型太陽電池 ······································································· 427
色素増感太陽電池···································································· 434
有機薄膜太陽電池···································································· 439
次世代基礎技術開発································································ 442
はじめに ·················································································· 455
環境改善技術··········································································· 456
環境負荷低減技術···································································· 460
環境リスク評価の関連技術 ····················································· 465
エネルギー関連技術································································ 471
環境分野における新技術の可能性、将来技術························ 475
まえがき ·················································································· 485
白色光源の最新の開発動向 ····················································· 486
固体照明用蛍光体の開発動向 ················································· 494
白色LEDの応用 ······································································· 503
面発光光源の開発動向 ···························································· 528
固体照明素子の生体安全性 ····················································· 541
おわりに ·················································································· 547－xiv－更新日： 3/31/2006 現在

目 次
序文
委員会名簿
はじめに
1. 光材料・デバイス ·············································································································· 1
1.1 はじめに······················································································································ 1
1.2 テラヘルツ域 ··············································································································· 2
1.2.1 テラヘルツ電磁波の応用可能性·················································································· 2(1) テラヘルツ波の応用可能性························································································ 2(2) テラヘルツ波利用技術に関する我々の最近の進展 ························································· 2(3) テラヘルツ波による郵便物内の禁止薬物検査 ······························································· 3(4) まとめ ··················································································································· 4
1.2.2 情報通信用テラヘルツ電磁波発生およびシステム技術 ··················································· 5
1.3 赤外域························································································································· 91.3.1 赤外域の発光受光素子······························································································ 9(1) はじめに ················································································································ 9(2) 発光素子 ················································································································ 9(3) 受光素子 ···············································································································10
1.3.2 波長変換デバイス（中赤外）····················································································12(1) はじめに ···············································································································12(2) パラメトリック発振デバイス····················································································12(3) QPM-LN導波路デバイス·························································································12(4) OP-GaAsデバイス··································································································14(5) まとめ ··················································································································14
1.4 通信系波長域 ··············································································································16
1.4.1 波長可変レーザ······································································································16(1) はじめに ···············································································································16(2) 広帯域波長可変レーザ·····························································································16(3) 高速波長切り替え可能な波長可変レーザ ····································································17(4) 光変調器が集積された波長可変レーザ ·······································································18
1.4.2 アンクールド光源···································································································19(1) AlGaInAsレーザ ····································································································19(2) InGaAsPレーザ ·····································································································20(3) Feドープ・Ruドープ電流ブロック層·········································································21
1.4.3 直接変調長距離······································································································23(1) はじめに ···············································································································23(2) CMLとDuobinary、DSTとの類似性 ·········································································23(3) 外部鏡を用いた直接変調レーザ·················································································24(4) 直接変調を用いた長距離伝送····················································································24(5) まとめ ··················································································································25
1.4.4 インターコネクト用面発光レーザ··············································································27(1) はじめに ···············································································································27－xv－

(2) インコネ用VCSELの現状 ························································································27
1.4.5 装置内の光配線······································································································30(1) はじめに ···············································································································30(2) 研究開発動向·········································································································30(3) おわりに ···············································································································32
1.4.6 ポリマー光導波路を用いたフレキシブル光配線 ···························································34(1) はじめに ···············································································································34(2) フレキシブル性を有するポリマー光導波路 ·································································34(3) ポリマー光導波路を用いたフレキシブルな光配線 ························································36(4) おわりに ···············································································································37
1.4.7 家庭内光配線·········································································································38(1) アクセス系から連続する光配線·················································································38(2) 家庭内に閉じる光配線·····························································································40
1.4.8 通信波長帯量子ドットデバイス·················································································41(1) はじめに ···············································································································41(2) 超広帯域光増幅器···································································································41(3) 高ビットレート光再生増幅器····················································································43(4) 温度無依存高速変調レーザ·······················································································44(5) まとめ ··················································································································46
1.4.9 有機光デバイス······································································································48(1) 有機赤外発光デバイス·····························································································48(2) 非線形光学素子······································································································49
1.4.10 光パケットネットワーク用デバイス·········································································51(1) はじめに ···············································································································51(2) 超高速光スイッチデバイス·······················································································51(3) 光ラベル識別デバイス·····························································································53(4) バーストモードクロック＆データリカバリ(CDR)デバイス ············································54(5) まとめ ··················································································································54
1.5 青・紫外域光源 ···········································································································56
1.5.1 青紫色レーザの高出力化··························································································56(1) はじめに ···············································································································56(2) 青紫色高出力レーザ································································································56(3) 青紫色高出力レーザの課題·······················································································58(4) まとめ ··················································································································58
1.5.2 紫外LED ··············································································································59(1) はじめに ···············································································································59(2) 紫外LED高効率化・短波長化の問題点と解決策···························································60(3) InAlGaN4元混晶の紫外発光特性とp型AlGaNの現状 ···················································61(4) InAlGaN4元混晶を用いた紫外高輝度LED ·································································62(5) まとめと今後の展望································································································63
1.5.3 非極性・半極性GaN系エピ成長 ················································································64(1) はじめに ···············································································································64(2) 非極性・半極性面成長GaN、AlGaN、InGaN·····························································65(3) まとめ ··················································································································66
1.5.4 GaN系材料の低温堆積 ····························································································67(1) はじめに ···············································································································67－xvi－

(2) 低温堆積の利点と問題点··························································································67(3) 多結晶・アモルファスGaN薄膜の可能性····································································68(4) GaN系発光素子を利用したフラット・ディスプレイ・パネルにむけて ····························68(5) 化合物原料分子線エピタキシ法(CS-MBE)によるGaN薄膜の低温堆積 ·····························69(6) 今後の展開············································································································69
1.6 おわりに·····················································································································71
2. 光通信ネットワーク ··········································································································73
2.1 はじめに·····················································································································73
2.2 基幹系光伝送システム ··································································································75
2.2.1 はじめに ···············································································································75
2.2.2 変復調技術············································································································75
2.2.3 高速化技術············································································································77
2.2.4 分散補償技術·········································································································78
2.2.5 光信号処理技術······································································································80
2.2.6 長距離伝送技術······································································································81
2.3 アクセスネットワーク ··································································································83
2.3.1 はじめに ···············································································································83
2.3.2 光アクセス············································································································83(1) PON ····················································································································83(2) OCDMA ···············································································································85(3) その他 ··················································································································86
2.3.3 光ファイバ無線アクセス（ＲｏＦ） ··········································································88
2.3.4 北米におけるWiMAX技術のトレンド ········································································91(1) 北米におけるブロードバンド無線接続ネットワークの概況 ············································91(2) 消費者によるニーズの受け入れ·················································································91(3) 差別化技術としてのWiMAX·····················································································92(4) ユビキタスなサービス地域·······················································································93(5) 適切な利用可能帯域································································································94(6) バックホール容量···································································································94(7) 結論 ·····················································································································95
2.3.4E WiMAX Technology Trend in North America···························································95
1. Overview of the State of the Broadband Wireless Access Network in North America········95
2. Consumer Acceptance of Need ··················································································96
3. WiMAX as a Differentiated Technology······································································97
4. Ubiquitous Coverage·······························································································98
5. Appropriate Available Spectrum ···············································································99
6. Backhaul Capacity··································································································99
7. Conclusion ·············································································································99
2.4 フォトニックネットワーク ·························································································· 101
2.4.1 はじめに ············································································································· 101
2.4.2 フォトニックネットワークの制御プレーン ······························································· 101
2.4.3 フォトニックネットワークのアプリケーション ························································· 102(1) 光網・IP網融合によるオンデマンドサービスプロビジョニング···································· 102(2) フォトニックIX···································································································· 103
2.4.4 光パケットスイッチ······························································································ 104－xvii－

2.5 メトロネットワーク ··································································································· 106
2.5.1 はじめに ············································································································· 106
2.5.2 メトロフォトニックノード····················································································· 106(1) OXC(Optical Cross-Connect) ノード ······································································ 107(2) OADM(Optical Add/Drop Multiplexer)ノード ·························································· 107(3) 光ハブノード······································································································· 108(4) メトロアクセスノード··························································································· 108
2.5.3 光スイッチ技術···································································································· 109(1) MEMSスイッチ ··································································································· 110(2) 波長選択スイッチ································································································· 111
2.5.4 今後の展開·········································································································· 112
2.6 光LAN/インターコネクト····························································································· 113
2.6.1 概要 ··················································································································· 113(1) データコム向けイーサネット規格：10Gbitイーサネット、 100Gbitイーサネット ············ 113(2) テレコム向け規格：SONET/SDH、OTN(G.709) ························································ 113(3) ストレージエリア向け規格：Fiber Channel······························································· 113(4) サーバ入出力向けインタフェース規格：PCI-Express ·················································· 113(5) 光インターコネクト：光モジュールおよびその装置応用··············································· 113(6) 光パケットスイッチ ······························································································· 113(7) パッケージの標準化：MSA(Multi-source Agreement) ················································· 113
2.6.2 イーサネット規格································································································· 113(1) 10Gbitイーサネットの概要 ···················································································· 113(2) イーサネット標準光インタフェース········································································· 114(3) 電気ケーブルインタフェース·················································································· 116(4) 100Gbitイーサネット···························································································· 117
2.6.3 テレコム向け規格································································································· 117(1) SONET/SDH ······································································································ 117(2) CEI 規格············································································································ 118
2.6.4 ファイバチャネル································································································· 118
2.6.5 サーバI/O PCI-Express······················································································· 120
2.6.6 光インターコネクト······························································································ 120(1) 筐体間接続用モジュール························································································ 120(2) チップ間接続用光インターコネクト技術/光配線 ························································ 121
2.6.7 光パケットスイッチ······························································································ 122
2.6.8 MSA ·················································································································· 123
2.7 量子暗号通信技術 ······································································································ 127
2.7.1 はじめに ············································································································· 127
2.7.2 単一光子量子暗号技術··························································································· 127(1) フィールド実験···································································································· 128(2) 長距離化、高速化································································································· 129(3) その他 ················································································································ 130
2.7.3 量子ゆらぎを利用した暗号化伝送技術 ····································································· 130
2.8 宇宙空間光通信技術 ··································································································· 133
2.8.1 はじめに ············································································································· 133
2.8.2 過去の光通信の宇宙実証························································································ 133
2.8.3 光宇宙通信の動向································································································· 134－xviii－2.8.4 まとめ ················································································································ 136
2.9 光ファイバ················································································································ 139
2.9.1 はじめに ············································································································· 139
2.9.2 伝送用光ファイバ································································································· 139
2.9.3 ホーリーファイバ································································································· 140
2.10 標準化動向·············································································································· 144
2.10.1 IETF ················································································································ 144
2.10.2 ITU-T SG15 ······································································································ 147(1) WP1（光およびメタルアクセスネットワーク）························································· 148(2) WP2（光伝送ネットワーク技術）··········································································· 148(3) WP3(光伝送ネットワークの構成)············································································ 149
2.10.3 IEC TC86、 TC76 ····························································································· 151(1) はじめに ············································································································· 151(2) SC86C/WG1（光システムおよび光サブシステム）の活動··········································· 152(3) SC86C/WG3（光増幅器）の活動 ············································································ 153(4) TC76/WG5（光ファイバ通信システムの安全）の活動················································ 154(5) あとがき ············································································································· 155
2.10.4 IEEE802.3 ········································································································ 155(1) 組織 ··················································································································· 155(2) 標準化の歴史······································································································· 156(3) 標準化の現状······································································································· 156(4) 今後の動向予測···································································································· 158
2.10.5 OIF·················································································································· 158(1) OIF概要 ············································································································· 158(2) コントロールプレーン関連の活動············································································ 160(3) セキュリティ関連の活動························································································ 161(4) 物理インタフェイス関連の活動··············································································· 161(5) 将来動向 ············································································································· 161
3. 光メモリ・情報処理 ········································································································ 163
3.1 はじめに··················································································································· 163
3.1.1 概要····················································································································· 163
3.1.2 光メモリのロードマップ························································································ 163
3.1.3 マスタリングとレプリケーション············································································ 163
3.1.4 青色ディスクシステム··························································································· 163
3.1.5 次世代大容量化技術······························································································ 164
3.1.6 光メモリのための材料··························································································· 164
3.1.7 光メモリに望むこと······························································································ 164
3.2 光メモリのロードマップ ····························································································· 165
3.2.1 ISOMの位置づけ ································································································· 165
3.2.2 ISOMとしてのロードマップの必要性 ······································································ 165
3.2.3 ISOMロードマップの設定範囲 ··············································································· 165
3.2.4 ISOMロードマップの取り扱う将来技術テーマの設定················································· 166
3.3 マスタリングとレプリケーション ················································································· 167
3.3.1 概要 ··················································································································· 167(1) ヒートモードマスタリング····················································································· 167－xix－

(2) 電子ビームマスタリング························································································ 167(3) 多層ディスク作製技術··························································································· 167(4) ROM型ホログラフィック ······················································································ 167
3.3.2 ヒートモードマスタリング····················································································· 168(1) はじめに ············································································································· 168(2) ZnS-SiO2パターン形成方法および形状····································································· 168(3) 今後の展望·········································································································· 169
3.3.3 電子ビームマスタリング························································································ 170
3.3.4 多層ディスク作製技術··························································································· 173
3.3.5 ホログラフィックROM複製技術 ············································································· 175
3.4 青色ディスクシステム ································································································ 178
3.4.1 概要 ··················································································································· 178
3.4.2 Blue-ray Disc ······································································································ 179(1) はじめに ············································································································· 179(2) BDに適用されている技術 ······················································································ 179(3) 今年度の進捗······································································································· 179(4) 今後の展開·········································································································· 181
3.4.3 HD DVD ············································································································ 182(1) HD DVD-ROM···································································································· 182(2) HD DVD-RAM ···································································································· 182(3) HD DVD-R ········································································································· 184
3.4.4 高速化、多層化···································································································· 185(1) 高速化 ················································································································ 185(2) 多層化 ················································································································ 186
3.5 次世代大容量化技術 ··································································································· 189
3.5.1 概要 ··················································································································· 189
3.5.2 近接場光プローブ································································································· 190
3.5.3 SIL型近接場光ディスク························································································· 191
3.5.4 ホログラム·········································································································· 193(1) コリニア方式······································································································· 193(2) ポリトピック方式································································································· 193(3) bit by bit記録方式 ································································································ 193
3.5.5 Super-RENS······································································································· 194
3.5.6 超解像ROMと多層化 ···························································································· 196(1) エネルギーギャップ起因超解像··············································································· 196(2) 3次元ピット選択法 ······························································································· 197(3) 結び ··················································································································· 197
3.5.7 2光子記録 ··········································································································· 198
3.5.8 多値記録 ············································································································· 200(1) はじめに ············································································································· 200(2) 開発動向 ············································································································· 200(3) 今後の展望·········································································································· 201
3.5.9 大容量化への要素技術··························································································· 202(1) 信号処理技術······································································································· 202(2) サーボ技術·········································································································· 203－xx－

3.6 光メモリのための材料 ································································································ 205
3.6.1 概要 ··················································································································· 205
3.6.2 マスタリング用材料······························································································ 205(1) 電子ビーム記録用材料··························································································· 205(2) 光記録(ヒートモード)用材料··················································································· 205(3) その他の材料······································································································· 206
3.6.3 ホログラム用材料································································································· 207
3.6.4 ２光子記録用材料································································································· 208
3.6.5 超解像マスク用材料······························································································ 210
3.6.6 分子メモリ材料···································································································· 212(1) 蛍光機能 ············································································································· 212(2) 電子機能 ············································································································· 213
3.6.7 その他 ················································································································ 214
3.7 光メモリに望むこと ··································································································· 216
3.7.1 概要 ··················································································································· 216(1) アーカイバー信頼性と寿命評価··············································································· 216(2) 医療における光メモリの現状および今後の展望 ························································· 216(3) ディスプレイから見た光メモリ··············································································· 216(4) パッケージメディア－将来予測··············································································· 216(5) 各要素技術に望むこと··························································································· 216
3.7.2 アーカイバル保存のための信頼性と寿命評価 ···························································· 217
3.7.3 医療における光メモリの現状および今後の展望 ························································· 218(1) 病院内の医療画像保管··························································································· 218(2) ゲノム解析用光ディスク技術·················································································· 218(3) 最後に ················································································································ 219
3.7.4 ディスプレイから見た光メモリ··············································································· 219(1) ディスプレイの高精細化と大画面化········································································· 219(2) ディスプレイと光メモリの高画質技術 ····································································· 220
3.7.5 パッケージメディア-将来予測················································································· 220(1) パッケージメディアの歴史····················································································· 220(2) 次々世代光ディスクに入れるコンテンツ ·································································· 220(3) 競合するネットワーク配信····················································································· 221(4) 低コストな大量複製メディアの可能性 ····································································· 221(5) 最後に ················································································································ 221
3.7.6 各要素技術に望むこと··························································································· 222(1) 要求される特性···································································································· 222(2) アプリケーション································································································· 222(3) 今後望まれること－高収益なビジネスプラン ···························································· 222
4. ディスプレイ ················································································································· 223
4.1 はじめに··················································································································· 223
4.2 電子ディスプレイデバイス ·························································································· 224
4.2.1 LCD ·················································································································· 224(1) 高速応答化、動画対応技術····················································································· 224(2) 色再現性の改善技術の進展····················································································· 227(3) 視野角改良フィルム技術の進展··············································································· 230－xxi－

4.2.2 PDP（プラズマディスプレイ） ·············································································· 234(1) PDPの技術進展 ··································································································· 234(2) 超大型ディスプレイ······························································································ 236(3) 保護層材料·········································································································· 237
4.2.3 有機EL··············································································································· 240(1) 低分子 ················································································································ 240(2) 高分子 ················································································································ 243
4.2.4 フィールドエミッションディスプレイ（FED）························································· 246(1) 回転蒸着法（Spindt法）FEAを用いたFED ······························································ 247(2) 新FEAを用いたFED····························································································· 247
4.2.5 電子ペーパー······································································································· 254(1) 電子ペーパーの全体動向························································································ 254(2) 各種応用分野を目指す動向····················································································· 254(3) ヒューマンインタフェースの観点からの示唆 ···························································· 256(4) 業界団体・学会等の動向························································································ 256
4.2.6 プロジェクタ······································································································· 258(1) ライトバルブ······································································································· 258(2) 光源 ··················································································································· 260(3) 光学系 ················································································································ 262
4.2.7 立体ディスプレイ（2眼式／多眼式）······································································· 264
4.2.8 無機EL··············································································································· 268(1) はじめに ············································································································· 268(2) 超高輝度白色発光無機ELパネル ············································································· 268(3) 色変換方式を用いたフルカラー無機ELディスプレイ·················································· 269(4) フレキシブル無機ELパネルの開発 ·········································································· 270(5) 今後の展望·········································································································· 271
4.3 トピックス················································································································ 272
4.3.1 動画表示技術······································································································· 272(1) LCDの動画質解析 ································································································ 272(2) LCDの動画質改善 ································································································ 272(3) LCDの動画質測定・評価 ······················································································· 274(4) PDPの動画質改善 ································································································ 275(5) フィールド色順次式ディスプレイの色われ関連 ························································· 275
4.3.2 色域拡大と色再現性改善技術·················································································· 278(1) 色域拡大：多原色ディスプレイ（現行画像システムの規格外への拡大）························ 278(2) 色域拡大：3原色ディスプレイ（現行画像システムの規格一杯まで拡大） ······················ 279(3) 色再現性の改善技術······························································································ 279
4.3.3 LCDの動画質評価方法：MPRT·············································································· 281
4.3.4 愛知万博展示大型高精細ディスプレイ ····································································· 284(1) スーパーハイビジョン用ディスプレイ ····································································· 284(2) GxLレーザ ドリームシアター ················································································ 288(3) 360度全天球型映像システム「地球の部屋」 ····························································· 293
4.4 おわりに··················································································································· 298－xxii－

5. ヒューマンインタフェース······························································································· 299
5.1 はじめに··················································································································· 299
5.2 イメージセンサデバイス ····························································································· 300
5.2.1 はじめに ············································································································· 300
5.2.2 画素サイズ微細化································································································· 300
5.2.3 広ダイナミックレンジ化························································································ 302
5.2.4 高機能イメージセンサ··························································································· 302(1) 3次元レンジファインダ ························································································· 303(2) バイオメディカル応用イメージセンサ ····································································· 304
5.2.5 おわりに ············································································································· 305
5.3 防災関連システム ······································································································ 307
5.3.1 災害と減災·········································································································· 307
5.3.2 なぜ避難しないのか······························································································ 308
5.3.3 災害時のネットワークの課題·················································································· 309(1) 電話 ··················································································································· 309(2) 被災地の孤立······································································································· 311(3) インターネットの限界··························································································· 312(4) 観光客などの非住民への情報提供············································································ 313
5.4 光バイオメトリクス（個人認証への光応用）·································································· 315
5.4.1 ブロードバンドネットワークの普及とセキュリティの不安 ·········································· 315(1) ユビキタス時代とバイオメトリクスセキュリティの社会的役割 ···································· 315(2) 電子パスポートにバイオメトリクスを導入し、監視体制を効率化する各国政府··············· 316(3) 日常生活の決済に、無線ICカードとバイオメトリクスが普及······································· 316
5.4.2 バイオメトリクス関連技術の動向と市場 ·································································· 317(1) バイオメトリクスセキュリティの製品、技術動向 ······················································ 317(2) バイオメトリクス市場··························································································· 317
5.4.3 光技術による新しい生体認証機器・サービスの例 ······················································ 318(1) 顔のバイオメトリクス··························································································· 318(2) 手のバイオメトリクスの普及·················································································· 320
5.5 画像入力デバイスと機器 ····························································································· 321
5.5.1 はじめに ············································································································· 321
5.5.2 入力関連技術······································································································· 322(1) デジタルカメラの光学系························································································ 322(2) デジタルカメラの手ぶれ補正·················································································· 323(3) 携帯電話用小型デジタルカメラの光学系 ·································································· 325(4) カメラモジュールの小型化····················································································· 326
5.5.3 おわりに ············································································································· 328
5.6 ユビキタスインタラクション ······················································································· 330
5.6.1 はじめに ············································································································· 330
5.6.2 手の平表示インタフェース ······················································································ 330(1) はじめに ············································································································· 330(2) ハードウェア構成································································································· 331(3) ソフトウェア構成································································································· 331(4) 動作 ··················································································································· 331(5) 考察 ··················································································································· 332(6) まとめ ················································································································ 333－xxiii－5.6.3 ミラー型ディスプレイ··························································································· 333
5.6.4 腕時計型プロジェクタのシミュレーション実験 ························································· 335
5.6.5 立体映像ユーザインタフェース··············································································· 337
5.6.6 2画面ユニバーサルデザイン携帯電話機···································································· 338
5.6.7 まとめ ················································································································ 339
5.7 拡張現実感················································································································ 340
5.7.1 拡張現実感とは···································································································· 340
5.7.2 拡張現実感の要素技術··························································································· 341(1) ディスプレイ技術································································································· 341(2) トラッキング技術································································································· 341(3) レジストレーション技術························································································ 341(4) キャリブレーション技術························································································ 341
5.7.3 拡張現実感のためのディスプレイ技術の現状 ···························································· 342(1) HMD ················································································································· 342(2) ハンドヘルドディスプレイ····················································································· 343(3) プロジェクションディスプレイ··············································································· 344
5.7.4 拡張現実感のためのディスプレイ技術の将来展望 ······················································ 345
5.8 在宅安全・安心サービス ····························································································· 348
5.8.1 体感治安の悪化とセキュリティに対する不安の広がり ················································ 348(1) 児童や女性、高齢者の日常生活のリスクの増加 ························································· 348(2) 生活の場の安全を支える情報セキュリティ技術 ························································· 348
5.8.2 人口減少と世帯の高齢化・小規模化と健康や病気の不安 ············································· 349(1) 一人暮らしの高齢の心配の増加と親の安否確認サービス ············································· 349(2) 浴室で急死する高齢者は交通事故死より多い ···························································· 350(3) 認知症、徘徊で死亡・不明905人 相談は2万件超す ·················································· 350(4) 高齢者の交通事故・災害の防止対策の遅れ ······························································· 350
5.8.3 インテリジエントカメラやロボットの安全・安心対策の開発事例································· 351(1) 次世代ロボットは2025年には6兆円産業に成長·························································· 351(2) カメラで密閉スペースの安全を確保········································································· 352
5.9 おわりに··················································································································· 354
6. 加工・計測 ···················································································································· 355
6.1 はじめに··················································································································· 355
6.2 加工・計測用光源 ······································································································ 356
6.2.1 黄色レーザ光源···································································································· 356
6.2.2 poly-Si結晶化用大出力グリーンレーザ····································································· 359(1) 大出力グリーンレーザ··························································································· 359(2) レーザニールによるpoly-Si結晶化 ··········································································· 361(3) グリーンレーザ用アニール照射光学系 ····································································· 364
6.3 加工技術··················································································································· 366
6.3.1 光技術による新しいタンパク質結晶化技術 ······························································· 366(1) はじめに ············································································································· 366(2) 結晶化の原理······································································································· 366(3) レーザ照射によるリゾチーム結晶核発生の基礎実験 ··················································· 367(4) 各種蛋白質への応用······························································································ 368(5) 光照射によるリゾチームの核発生制御 ····································································· 370－xxiv－

(6) まとめ ················································································································ 370
6.3.2 カーボンナノチューブ電極表面の加工 ····································································· 371(1) はじめに ············································································································· 371(2) カーボンナノチューブ電極の表面構造制御法 ···························································· 371(3) フェムト秒レーザによる電極表面の構造制御 ···························································· 372(4) 電子放出特性······································································································· 373(5) カーボンナノチューブ電極表面の起毛観察 ······························································· 373(6) ラマン分光計測···································································································· 374(7) おわりに ············································································································· 375
6.4 計測技術··················································································································· 376
6.4.1 光を測る計測技術································································································· 376(1) 光周波数 ············································································································· 376(2) 放射量 ················································································································ 377(3) 測光量 ················································································································ 379
6.4.2 光ファイバセンサの最近の進展··············································································· 381(1) はじめに ············································································································· 381(2) ファイバグレーティングセンサ··············································································· 381(3) 分布型光ファイバセンサ························································································ 384(4) まとめ ················································································································ 385
6.4.3 セキュリティのための光ファイバセンサ実用化動向 ··················································· 386(1) はじめに ············································································································· 386(2) 分布型・多点型（１点を含む）光ファイバセンシング技術 ·········································· 386(3) 実用化事例·········································································································· 387(4) おわりに ············································································································· 388
6.4.4 原子波光源としてのレーザ冷却技術 ········································································ 389(1) はじめに ············································································································· 389(2) 産業への応用······································································································· 389(3) レーザ冷却法······································································································· 390
6.4.5 レーザ冷却技術と応用··························································································· 392(1) レーザ冷却の研究経過··························································································· 392(2) 原子リソグラフィー······························································································ 393(3) 原子ホログラフィ································································································· 394(4) 原子波レーザ······································································································· 395(5) レーザ冷却の新しい動向························································································ 396
6.5 中国における加工・計測技術 ······················································································· 398
6.6 おわりに··················································································································· 403
7. 太陽光エネルギー ··········································································································· 405
7.1 はじめに··················································································································· 405
7.2 結晶系シリコン太陽電池の高性能化と低コスト化技術······················································ 408(1) はじめに ············································································································· 408(2) 単結晶ならびに多結晶シリコン太陽電池 ·································································· 408(3) HITセル ············································································································· 409(4) 原料供給 ············································································································· 410(5) まとめ ················································································································ 410－xxv－

7.3 薄膜系太陽電池の開発状況 ·························································································· 414
7.3.1 シリコン系薄膜太陽電池························································································ 414(1) 開発の動向·········································································································· 414(2) アモルファスSiセル ······························································································ 414(3) 微結晶Siシングルセル··························································································· 414(4) アモルファスSi／微結晶Si多接合型········································································· 415(5) シースルータイプ太陽電池····················································································· 416(6) その他の薄膜Si太陽電池開発·················································································· 416
7.3.2 シリコン系フレキシブル太陽電池············································································ 417
7.3.3 CIGS薄膜太陽電池 ······························································································· 421(1) はじめに ············································································································· 421(2) 小面積セル·········································································································· 421(3) フレキシブルセル································································································· 422(4) 新型太陽電池······································································································· 423(5) 大面積モジュール································································································· 424
7.4 集光型太陽電池 ········································································································· 427
7.4.1 集光セルの技術動向······························································································ 427
7.4.2 集光光学系の技術動向··························································································· 427
7.4.3 集光モジュールの技術動向····················································································· 428
7.4.4 集光発電のシステム化についての技術動向 ······························································· 428
7.4.5 集光型太陽光発電の性能まとめ··············································································· 429
7.5 色素増感太陽電池 ······································································································ 434
7.5.1 はじめに ············································································································· 434
7.5.2 研究開発の現状···································································································· 434
7.5.3 色素増感太陽電池モージュールの開発 ····································································· 435
7.5.4 ビジネスとしての可能性························································································ 438
7.5.5 おわりに ············································································································· 438
7.6 有機薄膜太陽電池 ······································································································ 439
7.6.1 はじめに ············································································································· 439
7.6.2 ショットキー型からp-n 接合型に ··········································································· 439
7.6.3 有機薄膜太陽電池の歴史························································································ 439
7.6.4 高効率有機薄膜太陽電池························································································ 440
7.7 次世代基礎技術開発 ··································································································· 442
7.7.1 微粒子制御技術···································································································· 442(1) CVDプラズマ中に存在する粒子の種類····································································· 442(2) 微粒子制御技術···································································································· 442(3) アモルファス微粒子の膜質への影響········································································· 443(4) 結晶微粒子の膜質への影響····················································································· 444(5) おわりに ············································································································· 444
7.7.2 大面積プラズマ技術······························································································ 445(1) 高周波プラズマとマイクロ波プラズマ ····································································· 445(2) メートルサイズのマイクロ波プラズマ生成の課題 ······················································ 446(3) 長さ1メートルのマイクロ波プラズマ装置の試作························································ 447(4) 長さ２メートルの高密度マイクロ波プラズマ生成 ······················································ 448
7.7.3 大気圧プラズマ技術······························································································ 448(1) はじめに ············································································································· 448－xxvi－

(2) マイクロギャップ連続放電マイクロ波励起大気圧非平衡プラズマ································· 449(3) 大気圧マイクロホローカソードプラズマ ·································································· 450
7.7.4 窒化物系新材料の開発··························································································· 451
8. 環境フォトニクス ··········································································································· 455
8.1 はじめに··················································································································· 455
8.2 環境改善技術 ············································································································ 456
8.2.1 光触媒材料試験方法の標準化·················································································· 456(1) はじめに ············································································································· 456(2) 標準化の考え方···································································································· 456(3) 空気浄化性能······································································································· 457(4) セルフクリーニング性能························································································ 458(5) 抗菌性能 ············································································································· 459(6) 水質浄化性能······································································································· 459(7) まとめ ················································································································ 459
8.3 環境負荷低減技術 ······································································································ 460
8.3.1 VOC対策における低温プラズマ応用技術·································································· 460(1) 背景 ··················································································································· 460(2) 各種低温プラズマ発生方式····················································································· 460(3) プラズマのエネルギー··························································································· 460(4) 各種VOCに対する分解能力と課題··········································································· 461(5) 触媒作用を利用した低温プラズマ反応 ····································································· 461(6) おわりに ············································································································· 463
8.4 環境リスク評価の関連技術 ·························································································· 465
8.4.1 液相中におけるナノ粒子計測技術············································································ 465
8.5 エネルギー関連技術 ··································································································· 471
8.5.1 光電極および光触媒による水素製造 ········································································ 471(1) はじめに ············································································································· 471(2) 米国での研究······································································································· 471(3) 海外（米国以外）での研究····················································································· 472(4) 日本での研究······································································································· 472
8.6 環境分野における新技術の可能性、将来技術·································································· 475
8.6.1 テラヘルツリモートセンシングによる地球気候変動モニタリング································· 475(1) はじめに ············································································································· 475(2) 地球気候変動······································································································· 475(3) テラヘルツ波観測の特徴························································································ 476(4) 進化と歴史·········································································································· 476(5) 国際ステーション搭載センサJEM/SMILES：··························································· 477
8.6.2 プラズモン励起を利用した新しい環境負荷低減技術 ··················································· 480(1) はじめに ············································································································· 480(2) 光エネルギーの電気エネルギーへの変換（太陽電池） ················································ 480(3) 光エネルギーによる化学反応の駆動（光触媒） ························································· 481(4) エネルギー貯蔵システムの可能性············································································ 482(5) その他の展開の可能性··························································································· 483－xxvii－9. 照明 ····························································································································· 485
9.1 まえがき··················································································································· 485
9.2 白色光源の最新の開発動向 ·························································································· 486
9.2.1 白色LEDの高効率化・高出力化 ·············································································· 486(1) まえがき ············································································································· 486(2) 白色LEDの演色性の改善 ······················································································· 486(3) 白色光源としての白色LED ···················································································· 487(4) 白色LEDの高効率化 ····························································································· 488(5) 高出力白色LED ··································································································· 489(6) まとめ ················································································································ 490
9. 2. 2 LDを用いた白色点光源························································································ 491(1) はじめに ············································································································· 491(2) 白色光源の構成···································································································· 491(3) 白色光源の特性···································································································· 492(4) 他光源との比較···································································································· 493(5) まとめ ················································································································ 493
9.3 固体照明用蛍光体の開発動向 ······················································································· 494
9.3.1 固体照明用蛍光体の開発動向·················································································· 494(1) はじめに ············································································································· 494(2) CCFL用蛍光体 ···································································································· 494(3) 白色LED用蛍光体 ································································································ 495(4) エレクトロルミネッセンス（EL） ·········································································· 497
9.3.2 固体照明用新蛍光体とそれを用いた白色LED···························································· 499(1) はじめに ············································································································· 499(2) ベータサイアロン緑色蛍光体·················································································· 500(3) 青色励起型白色LED ····························································································· 500(4) 青色蛍光体と青紫色励起型白色LED ········································································ 501(5) まとめ ················································································································ 501
9.4 白色LEDの応用·········································································································· 503
9.4.1 LEDを用いた照明装置の光学設計··········································································· 503(1) はじめに ············································································································· 503(2) ベクター放射結合方式··························································································· 503(3) 照明装置の試作···································································································· 504(4) まとめ ················································································································ 505
9.4.2 一般照明応用······································································································· 505(1) ダウンライト······································································································· 505(2) 建築組込用LED照明器具 「（光る建築部材）点・線・面シリーズ」···························· 506(3) 地中埋込照明器具································································································· 506(4) 近接照明器具······································································································· 506(5) 一般照明応用に向けての課題·················································································· 507
9.4.3 白色LEDの自動車への応用 ···················································································· 508(1) 自動車外装照明への白色LEDの応用········································································ 508(2) 次世代ヘッドランプへの期待·················································································· 508(3) ヘッドランプ用LEDの光学特性 ·············································································· 509(4) LEDを使用したヘッドランプの現状········································································ 510(5) LEDヘッドランプの法規 ······················································································· 511－xxviii－

(6) まとめ ················································································································ 511
9.4.4 農業応用 ············································································································· 512(1) 植物栽培光源としてのLEDの特徴··········································································· 512(2) 他の植物栽培光源との比較····················································································· 515(3) 植物栽培用LED水冷パネル光源 ·············································································· 516(4) LED光源を用いた大規模野菜工場··········································································· 518
9.4.5 漁業応用 ············································································································· 520
9.4.6 寺社照明 ············································································································· 523(1) はじめに ············································································································· 523(2) パワーLEDモジュールの貴重品照明へのきっかけ······················································ 524(3) おわりに ············································································································· 527
9.5 面発光光源の開発動向 ································································································ 528
9.5.1 LEDを用いた面発光光源 ······················································································· 528(1) はじめに ············································································································· 528(2) 面発光光源の必要性······························································································ 528(3) フラット光源······································································································· 528(4) まとめ ················································································································ 530
9.5.2 有機EL素子を用いた面発光光源 ············································································· 530(1) 照明としての有機EL····························································································· 530(2) 高効率化の検討···································································································· 531(3) 高輝度・長寿命化の検討························································································ 532(4) 大面積化の検討···································································································· 533(5) 白色発光有機EL、および照明用有機ELの開発動向···················································· 533(6) おわりに ············································································································· 535
9.5.3 無機ＥＬ素子を用いた面発光光源············································································ 538(1) 直流EL··············································································································· 538(2) 交流EL··············································································································· 539
9.6 固体照明素子の生体安全性 ·························································································· 541
9.6.1 固体照明の普及と生体安全性·················································································· 541
9.6.2 IEC規格：IEC 60825 – 1 ····················································································· 542
9.6.3 CIE規格：CIE S 009/E ························································································· 542
9.6.4 LEDの光の安全基準に関するIEC規格とCIE規格の内容と比較 ···································· 542(1) IEC 60825 -1 の内容 ···························································································· 542(2) CIE S 009/Eの内容······························································································· 543
9.6.5 実際のLED光源についての安全性評価の例······························································· 544(1) LED光源に適用する国際規格 ················································································· 544(2) 供試LED光源と評価条件 ······················································································· 545(3) 評価結果（リスクグループ区分）············································································ 545(4) 評価結果のまとめ································································································· 545
9.6.6 実際の傷害の症例との関連····················································································· 545
9.7 おわりに··················································································································· 547－xxix－

光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

1. 光材料・デバイス－1－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）1.

光材料・デバイス

1.1 はじめに第一分科の光材料・デバイスでは、光通信用の素子やモジュール、情報記録用の光源や材料などの技術動向を毎年調査している。さらに上記分野に限らず照明、環境、ディスプレイなども含めた分野において、将来の基盤技術になると思われるテーマについて、毎年、トピックス的に技術調査を行っている。今年度はこれらの調査テーマを波長軸上に並べて、各波長域での技術動向をまとめた。表 1.1.1.1 は私見であるが、各波長域における調査テーマの分類である。今年度は従来の調査範囲に加え、新たにテラヘルツ域を設けた。
また今年度のトピックス項目としては、中赤外域では波長変換デバイス、光通信系波長域では光パケットス
イッチ用デバイス、直接変調の長距離化、量子ドット、有機光デバイス、家庭内光配線、有機導波路の配線、
青・紫外域では非極性・半極性の GaN 系成長、低温エピ成長を取り上げた。毎年、継続調査を行っている分野として、中赤外域では発・受光素子、光通信系では、波長可変レーザ、アンクールド光源、面発光レーザ、装置内光伝送について技術調査を行った。青・紫外域における継続調査では、情報記録用光源として青紫色レーザ、短波長化の動向として紫外 LED について調べた。なお、毎年継続調査していた分野においても、昨年度からの進展が少ないと思われる調査項目においては、紙面の都合で割愛している。以下、各調査
項目については、その分野の第一人者に執筆していただいているので、是非、ご一読願いたい。
（土屋 朋信）表 1.1.1.1
波長域

調査波長
範囲

サブミリ波
～
中赤外線

3μm～
3mm

近赤外線

継続分野の調査項目

今年度のトピックス調査項目
テ
ラ
ヘ
ル
ツ

30μm～
1mm

・情報通信用テラヘルツ電磁波
・テラヘルツ電磁波の応用可能性

2～10μm・赤外域の発受光素子

・波長変換デバイス

0.85～
1.6μm

光
素
子

・波長変換レーザ・光パケットスイッチ用デバイス
・直接変調長距離・通信波長帯の量子ドット
・有機光デバイス光
配線・装置内光伝送・アンクールド光源
・インターコネクト 用
面発光レーザ

可視光線

405nm

・青紫色レーザの高出力化

紫外線＜360nm・紫外LED・家庭内光配線・有機導波路を用いたフレキシブル配線
・非極性半極性のGaN系エピ成長・GaN系材料の低温エピ成長－1－
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1.2 テラヘルツ域
1.2.1 テラヘルツ電磁波の応用可能性(1) テラヘルツ波の応用可能性
近年、テラヘルツ（THz）波と呼ばれる約 0.3 ～ 10 THz（波長 1 mm ～ 30 µm）の電磁周波数帯の光源開発とその応用開拓が進んでいる。この帯域は電波と光波の中間に位置しており、電波のように紙、プラ
スチック、ビニール、繊維、半導体、脂肪、粉体、氷など様々な物質を透過すると共に、光波のようにレンズやミラーで空間を自在に取り回すことができる。また、電波に比べて波長が短いため、多くのイメージン
グ用途にとって必要十分な適度な空間分解能を有している。さらに近年、ビタミンや糖、医薬品、農薬など
様々な試薬類に固有の吸収スペクトル（指紋スペクトル）がテラヘルツ帯で見出され、その応用可能性が広がりつつある。
テラヘルツテクノロジー動向調査委員会等からの報告によればテラヘルツ波の応用が見込まれる分野は実に広範囲にわたる。それは、テラヘルツ波が物質を透過し、数百 µm の空間分解能を有し、人体に安全で、試薬類の指紋スペクトルを有し、さらには DNA の 1 本鎖と 2 本鎖の識別・水と氷の吸収差・半導体不純物への感度・ラセミ体の判別、などといったユニークな特長を有しているためである。
テラヘルツ波に期待されている産業応用可能性の一部を列挙すると； LSI チップの故障解析、郵便物中の危険物検査、空港やビルのゲートにおける爆弾・セラミックナイフなどの危険物検査、セラミックスやプラスチック製品の内部欠陥検査、
スペースシャトルの外壁タイルの検査、遮蔽空間内の高感度有毒ガス検出、壁内部の腐食や亀裂などの診断、インク濃度検査、バイオチップの蛍光ラベルフリー診断、病理サンプルのオンサイト診断、皮膚がんの早期診断、美肌(角質層)診断、車の塗装検査、フレキシブルなテラヘルツ導波路を用いた内視鏡などへの応用、医薬錠剤の多層コートなどの品質検査、病院で渡される包装薬の誤成分チ
ェック、薬品工場での異種錠剤混入検査、半導体ウェハのドーパント密度の分布計測、ナノコンポジット材料の解析、小袋包装のヒートシール部欠陥検査、青果物の品質評価、植物工場の潅水自動制御、冷凍食品な
どの凍結解凍サイクルの最適化、凍結路面診断、粉ミルクなど粉体中の異物検出、卵の鮮度検査、胡麻などの水分含有量検査、油類の成分検査、等々既に公表されている応用可能性の一部分を挙げるだけでもこれだ
けの多岐にわたる。上述の応用可能性以外にも、様々なテラヘルツ波利用技術に関するアイディアが企業サ
イドあるいは研究サイドから提案されているが、特許に配慮してここでは記さない。
最近までテラヘルツ研究はレーザ研究者の趣味的な世界であったため産業応用にあまり目が向いていなかったが、テラヘルツテクノロジーフォーラムなどの産官学連携が結成され、企業と研究者の橋渡しを進めつ
つあり、上記のような新たな産業応用可能性が次々に産まれつつある。テラヘルツ波利用技術に関する秀逸な解説記事や著書が多数出ているのでそれらを参照されたい 1,2)。
(2) テラヘルツ波利用技術に関する我々の最近の進展
我々は、レーザ光の波長変換技術を用いて、既存の自由電子レーザなどに較べはるかに小型簡便な広帯域
波長可変テラヘルツ光源を開発し、さらなる高性能化、小型化などに関する研究を進めている 3）。光注入型
テラヘルツパラメトリック発生器は、パルス幅のフーリエ限界の狭線化(0.003 cm-1, 100 MHz)を達成した。
最近では、マイクロチップ Nd:YAG レーザを励起光源とした超小型光注入型テラヘルツパラメトリック発生器の開発、あるいはトップハットビーム形状の Nd:YAG を励起光源として変換効率の増大などを進めている。

－2－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
また、次のようなテラヘルツ波利用技術に関する研究を継続中である。まず、広帯域波長可変テラヘルツ光源を用いたテラヘルツ分光イメージング技術の研究開発を行った。これは、複数の試薬が混ざったサンプル中の特定試薬の分布密度を画像化する技術で、光源の広帯域波長可変性、および 3THz 以下の低周波域で次々見出されている試薬類の指紋スペクトルを活かした成果である。この技術を用いて、郵便物検査、覚醒剤・爆発物所持検
査、医薬品検査、病理組織診断、などへの応用が期待される。また、テラヘルツ波の散乱光モニタリングにより隠された粉体の摘発が可能であることを示し、大量に流通する郵便物の中から迅速に疑わしい郵便を抽出する実験を進めている。また、レーザテラヘルツ放射顕微鏡という新しい非破壊非接触の計測診断技術を阪大と共同で開発し、半導体チップ（LSI）の故障解析への応用を展開している 4)。さらに、様々なテラヘルツ技術やミリ波技術を用いて、病理組織診断、DNA/タンパクチップ診断、凍結解凍モニタリング、農作物の鮮度や水分情報のモニタリング、各種非破壊検査、などへの応用展開を図っている 5-10)。
(3) テラヘルツ波による郵便物内の禁止薬物検査
海外から流入する郵便物は一日に数十万通といわれ、現状では全数検査はもちろんのこと、禁止薬物の違法流通を食い止める決定的手法はない。そこで我々は、テラヘルツ波を用いた非破壊診断法を新たに提案している 11,12)。本報では、特に、実用において多数の郵便物処理が必要であることを考慮し、検査を 2 段階に大別した検査法を提案する。その第一段階では、テラヘルツ波の散乱光を利用した封筒内粉体の新たな検出法により疑わしい封書をスクリーニングし、さらに第二段階では疑わしい封書について分光スペクトル測定
あるいは分光イメージングを行なうことにより、封書内の内容物が禁止薬物か否かを効果的・効率的に判定を図ることが可能となる 13)。
主な禁止薬物は粉体の状態で輸送されることが多く、その粒径はテラヘルツ波の波長と同程度の場合が多い。この際、テラヘルツ波にとって紙は十分に平坦かつ透明、粉体は散乱体とみなすことができる。ちなみに、通常のコピー用紙 2 枚でテラヘルツ波のエタロン効果が明瞭に確認できるほど、紙はテラヘルツ波にとっては鏡面なのである。郵便物中に粉体が存在する場合、テラヘルツ波を照射した際に発生する散乱光によって、未開封のままで粉体の有無が判別可能である。その際、周波数掃引や分光が不要であるため、迅速な検査が可能で、全数検査への道を開くものと期待される。
構築した実験系であるが、テラヘルツ波光源には、1-2 THz の領域で波長可変なテラヘルツ波パラメトリ
ック発振器(THz-wave Parametric Oscillator: TPO) 14)を用いた。実験時のテラヘルツ波のピーク値出力とパルス幅は、それぞれ約 10 mW と約 10nsec である。サンプルはテラヘルツ波の出射方向に対して約 20°傾けて配置し、直接反射光を避けるようにサンプル上方に放物面鏡を設置して散乱光のみを検出器に導入した。
従って、サンプル表面で反射する正反射光成分は放物面鏡には達さず、検出されない配置となっている。測定試料として、ふるいによって粒径を 3 段階（32, 200, 600 µm）に分けたフルクトース結晶粉末を、封筒に封入した場合と封筒のみの場合を比較しながら測定を行った。実験結果から、封筒のみの場合に比べ、封筒中に粉体がある場合の方が拡散反射率が高く、強く散乱されていることがわかる。以上の結果から、今回用いたような反射・拡散光学系を用いて適切な波長を選択したテラヘルツ波を封筒に照射することで、内容物に粉体が入っているか否かを明瞭に判別できることが確認できた。

－3－
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(4) まとめ
既述してきたように、テラヘルツ波のユニークな特性は X 線のように物質を”透視”でき、多くの目的に必要十分な数百 µm の空間分解能を有し、かつ指紋スペクトルで試薬類を識別できる、というものであるが、実はこの能力を有するのはテラヘルツ波の中でも 0.5 ～ 2.5 THz の狭い範囲に限られる。なぜならば、多くの物質は大約 2.5 THz 以下の周波数帯のみ透過し、他方、試薬類が指紋スペクトルを有するのは大約 0.5
THz 以上の周波数帯だからである。私見で恐縮であるが、X 線～可視～赤外～電波と、あらゆる電磁周波数帯で、この”透視識別能力”を有するのは 0.5 ～ 2.5 THz だけであると言うことができ、テラヘルツ波のこの特性こそが今後の産業応用にとって最も重要であると考えている。幸いなことに、我々が開発中のテラヘル
ツパラメトリック光源、および世界的に広く用いられている THz-TDS（時間領域分光法）は、この周波数領域を丁度カバーしている。
（川瀬 晃道）参考文献(1) 萩行正憲, 谷 正彦, 長島 健, “テラヘルツ波応用技術”, 応用物理 74 (2005) 709(2) 阪井清美, 谷 正彦, “テラヘルツ光エレクトロニクス”, 応用物理 70 (2001) 149(3) K. Kawase, J. Shikata, H. Ito, “Terahertz wave parametric source,” J. Phys. D: Appl. Phys. 35(2002) R1.
(4) M. Yamashita, K. Kawase, C. Otani, T. Kiwa and M. Tonouchi, “Imaging of large-scale integrated
circuits using laser-terahertz emission microscopy”, Opt. Exp. 13 (2005) 115.
(5) K. Kawase, “THz-imaging for drug detection and LSI inspection,” Optics & Photonics News 15(2004) 34.
(6) A. Dobroiu, M. Yamashita, Y. Ohshima, Y. Morita, C. Otani, and K. Kawase, "Terahertz imaging
system based on a backward wave oscillator," Appl. Opt.i 43 (2004) 5637.
(7) Y. Morita, A. Dobroiu, K. Kawase and C. Otani, "Terahertz technique for detection of micro-leaks inthe seal of flexible plastic packages." Optical Engineering 44 (2005) 019001(8) 水野麻弥, 進藤賢治, 小川雄一, 大谷知行, 川瀬晃道, "ミリ波の吸収特性を利用した含水量および凍結状態のモニタリング," 電気学会論文誌 E, 125-E (2005) 229.
(9) 小川雄一, 川瀬晃道, 水野麻弥, 山下将嗣, 大谷知行, “植物内水分の非破壊リアルタイム計測,” 電気学会論文誌 C, 124 (2004) 1672.
(10) M. Yamashita, M. Usami, K. Fukushima, R. Fukasawa, C. Otani, K. Kawase, “Component spatial
pattern analysis of chemicals by use of two-dimensional electro-optic terahertz imaging"Applied
Optics 44 (2005) 5198.
(11) K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe and H. Inoue, “Non destructive terahertz imaging of illicit
drugs using spectral fingerprints,” Opt. Exp. 11 (2003) 2549.
(12) M. Usami, M. Yamashita, K. Fukushima, C. Otani, K. Kawase, “Terahertz wideband spectroscopic
imaging based on 2D electro-optic sampling technique,” Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 141109.
(13) 渋谷孝幸, 山下雅弘, 小川雄一, 大谷知行, 井上博之, 金森達之, 川瀬晃道, "テラヘルツ波の散乱およびスペクトルを用いた禁止薬物の非破壊検査技術," 電気学会論文誌 C, 125-C (2005) 545.

－4－
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1.2.2 情報通信用テラヘルツ電磁波発生およびシステム技術
本項では、テラヘルツ（100GHz～100THz）電磁波の無線通信への応用に関する技術動向について述べる。
近年、この周波数帯の無線通信への応用が積極的に検討され始めた主な背景として、1）一般に無線通信の伝送レート（ビットレート）を上げるために、キャリア周波数を高くすることが有効であること、2）100GHzを超える周波数帯は、現在、一部の周波数が電波天文（宇宙から到来する電波の受動的な観測）とアマチュ
ア無線で利用されているのみで、通信応用として未利用の広い帯域があること、3）275GHz を超える周波数域では、周波数の割り当て（将来の利用予定の取り決め）がないこと、4）国内では電波法で管理される
周波数の上限（電波の定義）が 3THz であり、これ以上の周波数は光としての取り扱いになり、電波行政に関わる諸認可がいらなくなる（可能性が高い）こと、などが挙げられる 1-4)。
テラヘルツ電磁波を用いた無線システムを実現するためのアプローチとしては、低周波側（100GHz）からのアプローチ（ミリ波通信の高周波化）と、高周波側（100THz）からのアプローチ（光無線の長波長化）の 2 通りが検討されている。また、テラヘルツ電磁波は図 1.2.2.1 に示すように大気中での伝搬減衰が大き
いため、大気減衰の谷間を利用することが有効である。

図 1.2.2.1 電磁波の大気減衰特性
まず、低周波側からのアプローチによる無線通信システム（無線リンク）について述べる。そこでは図1.2.2.2 に示すように、光技術と電気技術を融合した電磁波の発生と変調技術が送信機に用いられている 1)。

図 1.2.2.2 光技術を利用した 120GHz 帯ミリ波無線リンク
一般に、100GHz を超える周波数の光信号は、能動・受動モード同期レーザや光ヘテロダインミキシングなど－5－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）の手法によって、極めて安定に発生することが可能である。整数分の一の周波数の電気信号で駆動するサブハー
モニック能動モード同期レーザとしては、120GHz、240GHz が報告されている 5)。また、光周波数コム信号を発生させて、任意の 2 波長の光信号を AWG（アレー光導波路回折格子）などの光フィルタで切り出し、光カップラで合成する光ヘテロダインミキシング法は、安定性に加えて周波数可変性に優れている。
図 1.2.2.3 は、光ヘテロダインミキシング法を用いた光信号の発生システムの構成例である 6)。光（サブキャリア）信号にデータ信号を乗せるためには、ASK 変調の場合、光通信用に用いられている光強度変調器を用いればよく、40Gb／s までの変調は困難ではない。このようにして発生、変調された光信号は、単一走行
キャリアフォトダイオード（UTC-PD）と呼ばれる、高速性と高出力（高電流飽和）性を有する光電変換デバイスで電気信号に変換され、さらに InP HEMT によるパワーアンプで増幅されて、送信アンテナから電波として放射される 7,8)。

図 1.2.2.3 光技術を利用した 125GHz 電磁波の発生法
受信機は、図 1.2.2.1 に示すように、プリアンプ、ASK 復調器、ベースバンドアンプという全電気技術による構成で実現でき、InP HEMT を用いたミリ波 IC モジュールが開発されている 7)。現在、125GHz を中心周波数とする 120GHz 帯無線システムにより、10Gb／s が実現されており、光ファイバ通信の規格である、
OC-192 および 10GbE（イーサ）の信号を無線伝送することができる。後者の規格では、非圧縮ハイビジョ
ンテレビ信号（HDTV 信号；1.5Gb／s／チャネル）を最大 6 チャネルまで多重化して伝送できることが実証されている。アンテナとして、レンズアンテナ（ガウシアン光学レンズアンテナ）やカセグレンアンテナ
といった高利得（約 50dBi）アンテナを利用することで、出力 10mW で、晴天時 2km 程度の距離をエラー
フリー（誤り率＜10－12）で伝送させることが可能である。
今後、100～150GHz 帯域では、半導体電子デバイス・集積回路技術の進展に伴い、送信出力の増大、送信機の全電気化、さらにヘテロダイン、多値変調技術などの導入によって、通信距離の長尺化、システムの小型化・低価格化、周波数利用効率の改善が期待される。
次に、高周波側からのアプローチについて説明する。これまで商用化されてきた光無線は、波長として 0.8
μm、1.3μm、1.55μm 帯を用いている。これらの波長に対し、さらに長波長のテラヘルツ波（光）を利用するメリットとしては、1）波長が長くなると気体分子やエアロゾルによる散乱の影響（レイリー散乱；散乱体半径＜＜波長）が低減できる、2）霧や霞の影響（ミー散乱；散乱体の半径≒波長）が低減できること、などが挙げられる。テラヘルツ光源としては、量子カスケードレーザ（QCL）が利用される。特に、大気分子による吸収が少ない波長域（赤外光の「窓」）が、3-5μm、8-13μm 帯にあることから、これまで、波長7-8μm の QCL を利用した光無線が報告されている 4)。図 1.2.2.4 に QCL（波長 8.1μm、出力 7.5mW）を－6－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
用いた光無線リンクの実験システムを示す。検出器には、この波長域で感度を有する HgCdTe 検出器が使われている。また、可視光半導体レーザと Si 検出器をビームの位置決め（光軸あわせ）のために用いている。
これにより 750MHz－1.45GHz 帯の多チャネル TV 映像信号を、屋外で約 100m 伝送させることに成功している。従来の光無線に比較して霧などの影響が軽減されるものの、100～400GHz の電波に比べると、まだ10dB 以上減衰が大きい。

図 1.2.2.4 量子カスケードレーザを用いた光無線リンク
テラヘルツ電磁波の情報通信応用としては、光ファイバネットワークの高速化（ギガビットイーサ、10 ギ
ガビットイーサなど）を背景に、屋外におけるラストワンマイル無線に対する応用が最も期待されている。
また、もともと出力パワーの小さなテラヘルツ電磁波の通信応用として、コンピュータと周辺機器との無線接続や、室内無線 LAN といった短距離通信応用も検討され始めている 3)。
（永妻 忠夫）

参考文献(1) A. Hirata et al., “High-Directivity Photonic Emitter Using Photodiode Module Integrated with
HEMT Amplifier for 10-Gbit/s Wireless Link,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 52 (2004) pp.
1843-1850.
(2) C. M. Mann, “Towards Terahertz Communications Systems” Terahertz Sources and Systems,
NATO Science Series, II. Mathematics, Physics and Chemistry-27, Kluwer Academic Publishers(2001) pp. 261-267.
(3) R.

Piesiewicz

et

al.,

“Towards

Short-range

Terahertz

Communication

Systems:Basic

Considerations” Proc. ICECom 2005 (2005) pp. 153-157.
(4) F. Capasso et al., “Quantum Cascade Lasers: Ultrahigh-Speed Operation, Optical WirelessCommunication, Narrow Linewidth, and Far-Infrared Emission,” IEEE J. Quantum Electronics, 38(2002) pp. 511-532.
(5) T. Ohno et al., “240 GHz Active Modelocked Laser Diode,” IEE Electron. Lett., 41 (2005) pp.
1057-1059.
(6) A. Hirata et al., “Low-Phase Noise Photonic Millimeter-Wave Generator Using an AWG Integrated
with a 3-dB Combiner,” IEICE Trans. Electron., E88-C (2005) pp. 1458-1464.
(7) T. Kosugi et al., “120-GHz Tx/Rx Chipset for 10-Gbit/s Wireless Applications Using 0.1-µm-gate InP－7－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
HEMTs,” Tech. Dig. Compound Semicon. IC Symposium, H. 6L (2004) pp.171-174.
(8) H. Ito et al., “Pre-Amplifier-Integrated Uni-Traveling-Carrier Photodiode Module with a
Rectangular Waveguide-Output Port for Operation in the 120-GHz Band,” Tech. Dig. LEOS 2004,
MW2 (2004) pp. 128-129.

－8－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

1.3 赤外域
1.3.1 赤外域の発光受光素子(1) はじめに中赤外域からテラヘルツにわたる長波長領域は図 1.3.1.1 に示すように、大気汚染物質の環境モニタリン
グ、ガスセンサー、同位体分析等広い応用が長い間期待されつづけてきたが、これまでの素子は、実用性、簡便性に欠けているため、一般レベルでのニーズを満たしているとは言い難いのが現状であった。しかし最近、半導体量子カスケードレーザが段々とこの領域の発光素子として認知されるようになってきて、応用機器が出現するようになってきた。
1.5μm帯通信用
簡易型ガスセンサー

公害ガス、環境物質のリモートセンシング
ppbオーダの気体の検出、分析、同位体分析
化学反応制御、半導体プロセス制御
Ⅳ-Ⅵ族

Ⅲ-Ⅴ族

近赤
外線

1

遠赤外線
（ﾃﾗﾍﾙﾂ）

中赤外線

5

50

10

100

波長（μm）
量子ｶｽｹｰﾄﾞ（QC)ﾚｰｻﾞｰ
人体への高い透過率と直進性を利用した医療診断用光源（光子エネルギーが低いので、人体への影響が小さく、X線に代わる画像診断
皮膚癌、乳癌、虫歯の診断

自動車、船舶、
航空機用レーダ
や自由空間通信

図 1.3.1.1 赤外線領域の応用分野の例(2) 発光素子
1～3μm 帯の材料としては、図 1.3.1.2 に示したようにⅢ-Ⅴ化合物である、GaSb、InAs、InSb 系を用いた半導体レーザが開発されている。さらに 3μm 以上になるとⅣ-Ⅵ系材料の PbS、PbTe 系材料を用いた半導体が製品化され、使用されている。この材料系の半導体レーザの構造の一例を図 1.3.1.3 に、発振スペクトルの一例を
図 1.3.1.4 に示す。この半導体レーザは、現在でもヨーロッパでは製造、使用されているが、日本では、ほとんど製作されていない。主な理由は、品質の良い基板材料の PbTe、PbS の入手が難しいためである。また、Pb（鉛）を用いた材料であるので、今後環境面から考えて使用が難しくなると考えられる。

図 1.3.1.2 半導体材料と発振可能な波長の領域－9－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

n-電極
絶縁膜
n-cap-PbS
n-clad-PbSrS
active-PbS
p-clad-PbSrS
p-buffer-PbS

p-sub-PbS

p-電極

図 1.3.1.3 Ⅳ-Ⅵ系材料の半導体レーザ構造の例

図 1.3.1.4 Ⅳ-Ⅵ系材料の発振スペクトルの温度依存性

最近は、1994 年にベル研究所の J.Faist、F.Capasso ら 1)によって開発された量子カスケードレーザは、
材料がⅢ-Ⅴ化合物材料で制御性が良いので、各地で盛んに研究され、実用化が進んでいる。
量子カスケードレーザは通常の半導体レーザのバンド間遷移を用いた原理とは異なるメカニズムで発光する。
量子カスケードレーザは、量子井戸構造内のサブバンド間遷移を用いているため、電子のみがレーザ発振に寄与
し、キャリアが活性層でリサイクルするので高出力化が可能である。また、通常の p-n 接合を持たないので長寿命動作である。最近では、種々の改良を加えて室温領域での連続発振に成功している(2)(3)。その結果、ガス分析
分野の応用が考えられるようになってきた。図 1.3.1.5 に示す材料構造で製作した DFB 型量子カスケードレーザ（図 1.3.1.6 に発振スペクトル特性を示す）を用いて、メタンガスの同位体の測定を行ったところ、図 1.3.1.7 に示すようにわずか 6μeV の差であるメタンガスの同位体分子 12CH4、13CH4 の吸収特性が得られたは、量子カス
ケードレーザはスペクトル線の非常に狭いことがさらなる大きな特徴である。

InGaAs, contact

0.7µm

InAlAs, cladding

2.3µm

InGaAs, waveguide core

0.7µm

InGaAs/InAlAs, A.R.

1.5µm

InGaAs, waveguide core

0.7µm

7.60

n-InP, substrate

図 1.3.1.5 量子カスケードレーザ構造の例

200

250 300

Int.(arb.units)

T(K)=77 150

7.65

7.70

7.75

7.80

wavelength (µm)

図 1.3.1.6 DFB 型量子カスケードレーザの発振スペクトルの温度依存性(3) 受光素子
赤外領域の受光素子としては、Ⅲ-Ⅴ化合物の InAs、Ⅱ-Ⅵ化合物の HgTe、CdTe との混晶である Hg1-x、CdxTe やⅣ-Ⅵ化合物半導体の PbTe と SnTe との混晶である Pb1-xSnxTe などがある。これらの混晶半導体はほとんど任意の割合の組成が可能であり、組成比の変化と共に混晶半導体の価電子帯となるエネルギー帯と、伝導体となるエネルギー帯が途中で入れ替わり、禁制帯幅がゼロとなる組成が存在する。この反転分布のあたりは、非常に小さな禁制帯幅の半導体が実現でき赤外線デバイスの重要な材料となっている。図 1.3.1.8－10－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）に Hg1-xCdxTe（MCT）の組成とバンドギャップエネルギーの関係を示した。この材料を含めた赤外受光素
子の分光感度曲線(4)を図 1.3.1.9 に示した。このような種々の赤外線受光素子が製品化されているが、長波長になればなるほど感度も低くなる。今後、超格子構造などを応用した新しい製品が期待されている。
（菅 博文）

signal voltage [a.u.]sampl A13

sampl B

12

CH4

CH4

HITRAN
1302.7 1302.8 1302.9 1303.0 1303.1 1303.2 1303.3 1303.4
wavenumber [cm-1]

図 1.3.1.7 メタンの同位体 12CH4、13CH4 の吸収特性

図 1.3.1.8 Ⅱ-Ⅵ化合物半導体 Hg1-xCdxTe の組成比と禁制帯幅

図 1.3.1.9 種々の材料を用いた赤外受光素子の分光感度曲線 4)
参考文献(1) J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho: “Quantum cascadelaser,” Science 264 (1994) 553.
(2) J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, A. L. Hutchinson, S. N. G. Chu, and A.
Y. Cho: “High power mid-infrared quantum cascade lasers operating above room temperature,”
Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 3680.
(3) M. Beck, D. Hofstetter, T. Aellen, J. Faist, U. Oesterle, M. Ilegems, E. Gini, and H. Melchior:－11－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
“Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature,” Science
295 (2002) 301.
(4) 浜松ホトニクス㈱、カタログより

1.3.2 波長変換デバイス（中赤外）(1) はじめに
中赤外波長域には様々なガスの基準振動をはじめとする強い吸収線が数多くあり、環境ガスのセンシング
や医療応用を目指した波長変換による中赤外光源が試みられている。この分野において多くの例が見られるのは、ニオブ酸リチウム（LN）、タンタル酸リチウム（LT）バルク結晶を用いたパラメトリック発振器（OPO）
であるが、そのほとんどの例において周期分極反転を用いた擬似位相整合の技術が用いられている。擬似位
相整合（QPM）は、分極反転の周期を変えるだけで材料の透明波長領域において任意の波長変換が可能となる技術であり、中赤外域だけでなく、さまざまな波長領域において波長変換デバイスの検討が進められている。最近の動向においてはバルク結晶だけでなく、比較的低パワーでの応用を目指した QPM-LN 光導波路を用いた差周波発生（DFG）による中赤外光発生も検討されている。また、LN 結晶の赤外吸収端（～5μm）
よりも長波長域での中赤外光の発生を可能にする GaAs などの化合物半導体結晶を用いた波長変換デバイスも試みられている。本章では、これらの波長変換デバイスについて紹介する。
(2) パラメトリック発振デバイス
多くの研究機関から報告されているバルク結晶を用いた OPO による中赤外光発生は、1.06 µm 帯の高出
力固体レーザを励起光源として 3 µm 帯の変換光を得るものである。破壊的な損傷が制限要因となっている
高出力化を実現するために、QPM 結晶を大口径化することが最近の傾向となっている。コングルエント組
成 Mg 添加 LN 結晶は、光損傷耐性に優れており多くの波長変換実験に用いられているが、周期分極反転構造の作製が難しいとされていた。しかしながら、最近の報告では厚さ 5mm の結晶を用いた 5×5mm の開口を有する PPMgLN 結晶が作製されており 77mJ の出力が得られている 1)。また、0.5×5mm の開口を有す
る長さ 50mm の PPMgLN 結晶と、Yb ファイバレーザを励起光源に用いた OPO 実験において 50W の励起
光を入力することによって 10W の CW 光出力（＠2.9μm）が得られたことも報告された 2)。
また、より低い電圧で周期分極反転構造の作製が可能である定比組成 LN(SLN)や定比組成 LT(SLT)を用いた同様の試みも精力的に研究されており、厚さ 1-3 mm の周期分極反転結晶を用いた OPO 実験が行われている 3)。一方、Mg 添加 SLN あるいは Mg 添加 SLT を用いた OPG も試みられている。SLT は熱伝導特性が優れているため高ピークパワーのパルス入力が可能となり、SLN においては低い抗電界を利用した長尺（70mm）のデバイスを作製することによって、それぞれ OPG を実現している 4,5)。
(3) QPM-LN 導波路デバイス
直接接合 QPM-LN リッジ導波路を用いた中赤外光発生に進展が見られている。直接接合導波路はコア層と基板の界面に中赤外域で吸収をもつような接着剤層がないため、中赤外導波路デバイスとすることができる。これまでにも 1.06μmLD と通信用 1.5μmDFB-LD を用いた 3μm 帯 DFG が報告されているが 6)、その後の研究で 0.94μm の励起光と組み合わせることによって、2.3μm 帯において広帯域の中赤外光発生が－12－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）可能であることが示された 7)。この波長組み合わせにおいては位相不整合量Δk（ ∆k = k p − k s − k i − 2π Λ
ここで、kp,ks,ki はそれぞれ励起光、信号光、アイドラ光の波数、Λは分極反転周期）の波長依存性を表すパラメータ d (∆k ) d (1 λ ) の値が～0 であるため、図 1.3.2.1 に示されているように位相整合波長の近傍において広帯域な差周波発生を得ることができる。実際に長さ 50mm の QPM-LN リッジ導波路が作製され、0.937μmLD と 1.5μm 帯波長可変光源を用いた DFG によって半値全幅 100nm にわたる 2.3μm 帯中赤外光発。また、導波路デバイスとすることによって 100%/W の高い変換効率が得ら生が確認された 8)（図 1.3.2.2）
れ、17.5mW の励起光入力、25mW の信号光入力によって 0.4mW の変換光出力が得られている。さらに、同光源を用いて一酸化炭素アイソトポマー（12CO, 13CO）の吸収同時観測も行われ、チューナブル広帯域光。
源の有用性が示された 9)（図 1.3.2.3）
これとは別に、チューナブル 0.85μm 帯 LD と 1.06μmLD の組み合わせによるバルク結晶を用いた DFG
によって 3.7～4.8μm 帯の中赤外光を発生させ、CO2 吸収観測に用いる試みも報告されている 10)。

図 1.3.2.1 励起波長を 0.94µｍとしたときの位相整合曲線（柳川らによる 7））

図 1.3.2.2 2.3µｍQPM-LN 導波路の DFG 特性（忠永らによる 8））

図 1.3.2.3 一酸化炭素アイソトポマーの吸収同時観測（柳川らによる 9））－13－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) OP-GaAs デバイス
GaAs などの化合物半導体は酸化物強誘電体に比べて極めて大きな非線形光学定数（d14=94pm/V）と 0.9～17μm の波長領域において優れた透明性を有しているため中赤外域の波長変換デバイスとして有効である。GaAs を用いた QPM デバイスの作製は副格子交換エピタキシと HVPE 法による周期空間反転を施した
厚膜の QPM 結晶が作製可能になってきており、これまでに 2-10 µm において発振可能な OPO が報告されている 11)。その後の研究によって励起波長を 3.3μm とすることで 4.8～8.5μm にわたる広帯域の中赤外光の発生が可能であることが示された 12)。これは(3)節における報告と同じように GaAs 結晶においては 3.3μm の励起波長において郡速度分散が 0 に近づくことを利用したものである。
(5) まとめ
QPM デバイスによる中赤外光発生を中心に最近の動向をまとめた。今後これらの技術の進展が様々な応用につながることを期待している。
（西田 好毅）

参考文献(1) H. Ishizuki, T. Taira: “Quasi-phase matched optical-parametric oscillation by using 5mm-thickperiodically poled MgO:LiNbO3,” IQEC CLEO-PR 2005, Tokyo, QWL2-4, July, 2005.
(2) D.W. Chen, T.S. Rose: “Low noise 10-W cw OPO generation near 3 µm with MgO doped PPLN,”
CLEO 2005, Baltimore, CThQ2, May, 2005.
(3) S. Kurimura, N.E. Yu, Y. Nomura, M. Nakamura, K. Kitamura: “Fabrication of periodically poled
stoichiometric lithium tantalate,” CLEO 2005, Baltimore, CMW1, May, 2005.
(4) S. Kurimura, K. Kitamura, S. Marchese, E. Innerhofer, R. Paschotta, G. Arisholm, U. Keller: “Mg
添加定比組成 LiTaO3 を用いた室温フェムト秒光パラメトリック発生” 第 66 回応用物理学会学術講演
会、2005 秋、7a-T-6.
(5) M. Maruyama, K. Hodoyama, H. Nakajima, S. Kurimura, N.E. Yu, K. Kitamura: “A 70-mm-longperiodically-poled Mg doped stoichiometric LiNbO3 for low-threshold optical parametric
generation,” CLEO 2005, Baltimore, CThY3, May, 2005.
(6) O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki:“Mid-infrared light source using efficient difference frequency generation in direct-bonded
quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguide” OECC 2004, Yokohama, PD2-5, July, 2004
(7) T. Yanagawa, H. Kanbara, O. Tadanaga, M. Asobe, H. Suzuki, J. Yumoto: “Broadband difference
frequency generation around phase-match singularity,” Appl. Phys. Lett., 86 (2005) 161106.
(8) O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki: “Widely
tunable 2-micron-band difference frequency generation in direct-bonded quasi-phase-matched
LiNbO3 ridge waveguide,” CLEO 2005, Baltimore, CML5, May, 2005.
(9) T. Yanagawa, O. Tadanaga, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki: “直接接合
QPM-LN リッジ導波路の 2μm 帯広帯域差周波発生と CO Isotopomer 吸収観測,” 第 66 回応用物理学
会学術講演会、2005 秋、7a-H-10.

－14－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) N.J. Vasa, K. Funakoshi, S. Yokoyama: “Widely tunable difference frequency generation with single
period on periodically-poled lithium niobate for gas sensing application,” IQEC CLEO-PR 2005,
Tokyo, CFI4-4, July, 2005.
(11) K. L. Vodopyanov, O. Levi, P. S. Kuo, T. J. Pinguet, J. S. Harris, M. M. Fejer, B. Gerard, L.
Becouarn, E. Lallier: “Optical parametric oscillation in quasi-phase-matched GaAs,” Opt. Lett., 29,(2004) 1912.
(12) P.S. Kuo, K.L. Vodopyanov, M.M. Fejer, X. Yu, J.S. Harris, D.M. Simanovskii, D. Bliss, D.
Weyburne:“Mid-IR

continuum

from

an

opticalparametric

generator

based

on

orientation-patterned GaAs (OP-GaAs),” CLEO 2005, Baltimore, CWE1, May, 2005.

－15－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

1.4 通信系波長域
1.4.1 波長可変レーザ(1) はじめに光通信用の波長可変半導体レーザ開発の歴史は古く、その起源は約 20 年程前にまで遡る。1983 年に波長チューニングの初めての報告がなされてから 1)、1993 年頃までの約 10 年間は、波長可変レーザの黎明期と位置づけることができ、波長チューニング基本原理の提案と検証が行われ、現存する波長可変レーザ構成の殆どが提案された。その後 1996 年から、希土類ドープ光ファイバ増幅器の適用波長域の飛躍的拡大がなされ、本格的な波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、WDM）光通信の時代を迎える。これにより波長可変レーザへのニーズは益々高まり、ついには 2000 年の IT バブルをピークとして波長可変レーザ・フィーバともいえる状況に至る。この頃、北米を中心に多くの関連ベンチャー企業が興り、日本企業の開発も活発化、2001 年のバブル崩壊以後も継続し、現在に至る波長可変レーザ開発の大きな流れが作られた。
この 1993 年頃からの約 10 年間は、波長可変レーザの揺籃期と捉えることができる。現在では、光通信用の広帯域波長可変レーザは大きく４つの種類に分類できる。すなわち、①分布帰還（Distributed Feedback、
DFB）レーザアレイ型、②分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector、DBR）型、③外部共振器型、④面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、VCSEL)型の４つである。そして今、2005 年から 2006 年は、いよいよ波長可変レーザの成長期へ向かう年になると期待される。
(2) 広帯域波長可変レーザ
現在、波長可変レーザの主用途は、現行固定波長光源の代替、もしくは予備光源としてであり、システム
側の WDM 光源品種の削減要求に端を発している。よって、性能としては、波長切り替え速度は、それほど重要ではなく、20mW 程度以上の光出力や、フル C バンドもしくはフル L バンドをカバーできる 40nm 程度以上の広帯域波長可変性、低消費電力性、固定波長光源と同等の信頼性、が求められている。また、最も重要な要求はコストであり、固定波長光源と比べて同等か、+10%程度の価格が求められている。これらの要求に応えるため、本年も活発に種々の研究機関から報告がなされてきている。
DFB レーザアレイ型では、NTT から L バンドをカバーするレーザモジュールの報告がなされ、光出力40mW、ケース温度 0～70℃の範囲で最大 2.5W の消費電力、１０万時間の信頼性という実用レベルの特性が示された 2,3)。一方、古河電工からは、波長可変レーザの標準規格である ITLA（Integratable Tunable Laser
Assembly）準拠モジュールの報告がなされ 4)、DFB レーザアレイ型波長可変レーザの完成度は、かなり高いレベルに達してきている。
DBR 型については、Bookham から、2002 年に同社から提案された DS(Digital Supermode)DBR レーザ
について継続的な報告がなされ、OFC2005 では、集積されている半導体光増幅器（Semiconductor Optical
Amplifier、SOA）が可変光減衰器（Variable Optical Attenuator、VOA）の代わりになることを利用し、SOA をシャッターに用いる提案がなされた 5)。SOA に-2V の逆バイアスをかけることで-30dBm まで消光、
波長スイッチ時間 6msec 以下、周波数変動 5GHz 以下を実現している。更に、DS-DBR レーザの適用波長可変域を拡大、従来の C バンドだけでなく、L バンドへの対応についても報告された 6)。
外部共振器型については、NEC から精力的な報告がなされている。OFC2005 で、波長チューニング用フィルタとしてシリカ系光導波路の三段リングを用いることにより、モード選択性を高め、グリッドホップに－16－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
対する安定化を図ったレーザが報告され 7)、更に、波長可変幅最大化の取り組みとして 160nm の波長チューニング特性が報告された 8)。一方、液晶波長可変ミラーを搭載した外部共振器型波長可変レーザの報告もなされ、C バンド波長可変幅 40nm、SOA の構造最適化等によりファイバ光出力 50ｍW の高光出力特性 9)、
高モード安定化モジュール 10)が実現されている。
その他、広帯域波長可変レーザとしては、ミュンヘン工科大学から TTG(Tunable Twin Guide)構造にSG(Sampled Grating)構造を加えたレーザが 11)、NTT からラダー型フィルタを用いたレーザが 12)、そしてSantur からは、同社の DFB レーザアレイと MEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーを用いた波長可変レーザの高出力化の報告がなされた 13)。
また、広帯域波長可変レーザへのシステム側の要求や、デバイス側の回答等について、OFC2005 のワー
クショップにて、議論の場が持たれた。このとき、デバイスベンダーとして参加したのは、Intel、JDSU、
Agility、Syntune、古河電工、NTT、富士通、iolon、NEC、Princeton Optronics、Santur である。表 1.4.1.1に、ワークショップにおいて、各社から出された特性の主なものをまとめる。
表 1.4.1.1 主要各社のデバイス特性（OFC2005 ワークショップにて）DFB アレイ

ThermalVoltage

方式

SG-DBRDFB アレイ

会社名

AgilityNTT

Santur

iolon

Intel

NEC

光出力(dBm)

14

13

15

13.5

13

13

波長可変幅

>45nm

25 nm

38 nm

5～6.4THz

C or L バンド

C バンド

消費電力(W)5

3.3＠70℃

2.5＠70℃645

信頼性(FITS)

10

－

300

340

1000

－

波長可変速度

5 ms

20 s

10 s

<100 ms

10 s

1s

+MEMS

MEMS grating

Tunable Filter Tunable Mirror

各社、光出力や波長可変幅等では、システム側の要求を満たしてきているが、ワークショップ時の結論は、未だ飛び抜けた波長可変レーザ方式は無いというものであった。なお、産業界における VCSEL 型波長可変レーザ開発は、2003 年における Bandwidth9 の活動停止を最後に低迷状態にあり、DBR 型も、SG-DBR を牽引していた Agility が 2005 年 11 月に JDSU に買収されたことで、今後の動向が不透明となっている。
(3) 高速波長切り替え可能な波長可変レーザ
波長可変レーザ開発の一つの方向性に、波長切り替え速度の高速化が挙げられる。これは、将来の柔軟な波長切り替えを駆使したフォトニックネットワークシステムへの適用を目指したもので、大雑把に捉えると、
切り替え速度が sec→msec→μsec→nsec と、一桁上がる毎に、新しいネットワーク方式の可能性が拓け、低コストでありながら、より堅牢で柔軟性の高いシステムが構築できるようになる。
Iolon からは、同社の MEMS を用いた波長可変レーザの ROADM（Reconfigurable Optical Add Drop
Multiplexing）システムへの適用を目指し、15msec の波長切り替え速度が報告された 14)。日立からは、モードホップフリー化が可能な、短共振器（利得領域長 35μm）の DBR 型波長可変レーザを用いて、4.8nmの連続波長可変幅、波長切り替え速度 10nsec が報告された 15)。同様の試みは、過去、NTT からも報告され－17－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ている。富士通からは、TTG レーザの波長チューニング層の組成・層厚の最適化により、波長可変幅 7.5nm、
光出力 6mW が報告された 16)。TTG レーザも原理的にモードホップフリーであるため、nsec 程度の波長切り替え速度が期待できる。
(4) 光変調器が集積された波長可変レーザ
最後に、波長可変レーザの更なる高付加価値化への取り組みとして、光変調器の集積化について述べる。
波長可変レーザに求められる波長可変幅がフルバンドの約 40nm となった現在、集積される光変調器には、波長無依存性が要求される。現時点では、UCSB から報告された 40Gbps の MZ 変調器集積型 SG-DBR レ
ーザが、最も高速な光変調が可能な広帯域波長可変レーザといえよう 17)。
以上、駆け足で 2005 年における波長可変レーザの技術動向についてまとめてきた。しかしここで述べたことで全てを網羅できている訳ではないことを付け加えておきたい。
（工藤 耕治）参考文献(1) Y. Tohmori, Y. Suematsu, Y. Tsushima, and S. Arai, “Wavelength tuning of GaInAsP/InP integrated
laser with butt-jointed built in distributed Bragg reflector,” Electron. Lett., vol. 19, no. 17, pp.
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(2) H. Ishii, H. Oohashi, K. Kasaya, K. Tsuzuki, and Y. Tohmori, “High-power (40mW) L-band tunable
DFB laser array module using current tuning,” OFC’2005, Paper OTuE1, Mar. 2005.
(3) H. Oohashi, H. Mawatari, F. Ichikawa, K. Kasaya, H. Ishii, and Y. Tohmori, “Highly Reliable
L-band Tunable DFB Laser Array,” ECOC2005, Paper Th 2.5.3, Sep. 2005.
(4) 山本篤司、伊藤慶孝、堀川浩二、青柳靖、越浩之、黒部立郎、粕川秋彦、”Full C-band 波長可変 DFB-LD
搭載 ITLA モジュールの開発、“２００５年（春）電子情報通信学会 総合大会、C-4-13(5) L. Ponnampalam, R. Barlow, N. D. Whitbread, D. J. Robbins, G. Busico, J. P. Duck, A. J. Ward, D.
C. J. Reid, and P. J. Williams,”Dynamic Control of Wavelength Switching and Shuttering
Operations in a Broadband Tunable DS-DBR Laser Module,” OFC’2005, Paper OTuE3, Mar. 2005.
(6) J. P. Duck, L. Ponnampalam, A. J. Ward, D. J. Robbins, G. Busico, N. D. Whitbread, and D. C. J.
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(7) M. Takahashi, Y. Deki, S. Takaesu, M. Horie, M. Ishizaka, K. Sato, K. Kudo, K. Suzuki, T. Kaneko,
X. Xu, and H. Yamazaki, “A stable widely tunable laser using a silica-waveguide triple-ringresonator,” OFC’2005, Paper PDP19, Mar. 2005.
(8) Y. Deki, M. Takahashi, K. Suzuki, M. Ishizaka, S. Takaesu, M. Horie, K. Sato, K. Kudo, and H.
Yamazaki, “A 160-nm-wavelength tunable laser using a waveguide double-ring resonator,”
OECC’2005, Paper 7F3-3, July 2005.
(9) K. Sato, J. De Merlier, K. Mizutani, S. Sudo, S. Watanabe, K. Tsuruoka, K. Naniwae and K. Kudo,“Over 50-mW Fiber Coupled Power and 40-nm Tuning Range of an Extremely Compact External
Cavity Wavelength Tunable Laser,” ECOC’2005, Th2.5.2, Sep. 2005.

－18－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) K. Mizutani, J. De Merlier, S. Sudo, S. Sato, A. Shono, K. Sato, and K. Kudo, “An External Cavity
Wavelength Tunable Laser Module with Asynchronous Mode Cavity for Highly Stable Lasing
Operation, “ LEOS ’2005, ThK3, Oct. 2005.
(11) R. Todt, T. Jacke, R. Meyer, J. Adler, R. Laroy, G. Morthier, and M.-C. Amann, “Widely TunableTwin-Guide Laser Diodes at 1.55 um,” OECC’2005, Paper PDP-07, July 2005.
(12) S. Matsuo and S.-H. Jeong, “Digitally Tunable Ring Laser using a Ladder Filter,” LEOS ’2005,
ThK1, Oct. 2005.
(13) S. Zou, G. W. Yoffe, B. Lu, J. Heanue, M. Emanuel, G. Parhar, and B. Pezeshki,”100mW
phase-shifted 1550nm BH DFB arrays with a 10-micron pitch,” OFC’2005, Paper JWA28, Mar.
2005.
(14) J. D. Berger, D. Anthon, S. Dutta, F. llkov, and I-F. Wu,”Tunable MEMS Devices for Reconfigurable
Optical Networks,” OFC’2005, Paper OThD1, Mar. 2005.
(15) H. Arimoto, H. Sato, T. Kitatani, T. Tsuchiya, K. Shinoda, A. Takei, H. Uchiyama, M. Aoki, and S.
Tsuji, “A wavelength-tunable short-cavity DBR laser with active distributed Bragg reflector,”
IEICE Electronics Express, vol. 2, no. 5, pp. 170-175, 2005.
(16) 早川明憲、田中信介、高林和雅、苫米地秀一、江川 満、森戸 健、“TTG-DFB レーザの光出力及び雑音特性の改善、”2005 年(秋)応用物理学会､7p-ZN-9(17) J. S. Barton, M. L. Maganovi, A. T.-Pedretti, E. J. Skogen, and L. A. Coldren,”
Monolithically-integrated

40Gbit/s

widely-tunabletransmitterusing

seriespush-pullMach-Zehnder modulator SOA and Sampled-Grating DBR laser,” OFC’2005, Paper OTuM3, Mar.
2005.

1.4.2 アンクールド光源
通信用のアンクールドレーザにおける本年度のトピックスとしては、1.3μm 帯 AlGaInAs 系レーザの駆動電流低減・信頼性向上、1.6μm 帯 InGaAsP 系レーザの温度特性改善、Fe もしくは Ru ドープ電流ブロック層の適用による高温・高速動作の改善などがある。
(1) AlGaInAs レーザ
AlGaInAs を活性層に用いた埋込ヘテロ構造の 1.3μm 帯 DFB レーザが報告された 1)。活性領域としてのメサストライプを形成してから p-InP および n-InP 電流ブロック層で埋め込むまでの時間（大気に曝される時間）を最小化することで高信頼化を図っている。ファブリペロー型の素子において，1 万時間超の定電流動作試験を行い，85℃での平均寿命 24 万時間を確認している。また，DFB 型の素子において，95℃で10Gb/s-SONET のマスク規格を満足する高速動作を実現している。

－19－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.2.1 p/n 電流ブロック層埋込型 AlGaInAs 系 FP レーザの信頼性と DFB レーザの 10Gb/s 変調波形
その他、AlGaInAs 系レーザにおいて駆動電流を低減するために短共振器と DBR を組み合わせた構造で良好な特性が得られている 2)。図 1.4.2.2 は素子の断面構造と 10Gb/s における変調波形を示している。長さ225μm の DBR と高反射率コーティング膜により 75μm の共振器を構成し、ＤＢＲはバットジョイント法でモノリシックに集積されている。25℃から 100℃にいたるまで、2ｍＷ以上の光出力と 14ｍApp 程度の低い駆動電流が両立できており、90%以上の単一モード歩留も得られている。緩和振動周波数も 12GHz 以上と良好であった。

図 1.4.2. 2 短共振器 DBR 型 AlGaInAs 系レーザ構造と 10Gb/s 変調波形

(2) InGaAsP レーザ
従来材料の InGaAsP 系レーザでも温度特性の改善が継続的に進められている 3)。L 帯の波長 1.61μm では，-40～95℃の広温度範囲で動作する 2.5Gb/s DFB レーザが報告された。活性層は圧縮歪多重量子井戸構
造で，高温特性を改善するため，不純物のドーピングプロファイルを最適化し，価電子帯内吸収とオージェ再結合に起因する内部損失を低減するとともに，内部量子効率の向上を図っており，
95℃での閾値電流 40mA，
効率 0.27W/A を実現している。また，本素子を同軸型 CAN パッケージに実装し，95℃においても2.5Gb/s-120km のエラーフロアフリー動作を実現している。(図 1.4.2.3)－20－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.2.3 L 帯 InGaAsP 系 DFB レーザの光出力-電流特性と 95℃での 2.5Gb/s 伝送特性
(3) Fe ドープ・Ru ドープ電流ブロック層
埋め込みヘテロ構造のアンクールドレーザは電流ブロック層でのリーク電流および寄生容量の低減を図る
ことで高温・高速動作が実現可能である。p 型ドーパントである Zn との間で相互拡散を生じにくい Ru をドーピングした半絶縁性の InP 電流ブロック層を適用した InGaAsP 系レーザでは、素子容量の低減による周波数特性の改善と高温での良好な光出力電流特性を両立した埋め込み型 DFB レーザが報告された 4, 5)。波長は 1.3μm 帯，共振器長は 200μm の構成であり、95℃でのしきい値電流及びスロープ効率は 27.3mA，0.17W/A と良好であった。95℃での最大光出力は 10mW を越え，120℃まで発振した。10Gb/s 変調時には消光比 7dB の駆動下で 100℃まで良好な光波形が得られた(図 1.4.2.4)。また、85℃、8mW において、5000
時間の安定動作も確認されている。

図 1.4.2.4 Ru ドープ InP 電流ブロック層を用いた InGaAsP 系 DFB レーザの構造と 10Gb/s 変調波形
さらに、10GBASE-LRM（マルチモードファイバ 300m 伝送）用の低コスト・アンクールド光源においても、半絶縁性の InP 電流ブロック層を適用した 1.3μm 帯 AlGaInAs 埋め込み型 FP レーザの研究が行われ、高温 10Gb/s 動作が報告された 6, 7)。ここでは AlGaInAs 活性層を Fe または Ru ドープ InP で埋め込み、素子容量を低減させるとともに素子長を 200μm と短尺化することで高温・高速動作を実現している。
図 1.4.2.5
は Fe ドープ InP で埋め込んだ素子の電流-光出力特性と 10Gb/s 変調波形であり、180℃までの発振と 120℃での良好な 10Gb/s 動作を実現している。
（青柳 利隆）－21－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.2.5 1.3µm Fe ドープ InP 電流ブロック層を有する AlGaInAs 系 FP レーザの電流-光出力特性と 120℃-10Gb/s 変調波形
参考文献
(1) N. Ikoma, T. Kawahara, N. Kaida, M. Murata, A. Moto, and T. Nakabayashi: "Highly Reliable
AlGaInAs Buried Heterostructure Lasers for Uncooled 10Gb/s Direct Modulation," Tech. Digest of
OFC2005, OThU1.
(2) 青木雅博、篠田和典、北谷健、土屋朋信、向久保優、内田憲治、魚見和久：“1.3μm 波長帯 InGaAlAs
短共振器 DBR レーザの高温(100℃)、低電流(14mApp)、10Gbit/s 動作”、第 66 回応用物理学会学術講
演会 講演予稿集 7p-ZN-18.
(3) A. Matsumura, T. Kishi, M. Murata and T. Kato: "Wide Temperature (-40 °C~95 °C) Operationof Uncooled 1610 nm DFB Laser for CWDM Application," Tech. Digest of OFC2005, OThU2.
(4) R. Iga, Y. Kondo, T. Takeshita, K. Kishi, M Yuda: "Ru-doped Semi-Insulating Buried
Heterostructure Laser Operating up to 100 °C for 10-Gbit/s Direct Modulation," Tech. Digest of
ECOC2005, Tu.4.5.2.
(5) 伊賀龍三、近藤康洋、岸健志、竹下達也：“Ru ドープ半絶縁性 InP 埋込み構造を用いた 1.3μm 帯直接変調 DFB レーザ”
、第 52 回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、31p-ZH-10.
(6) 鶴岡清貴、小林隆二、難波江宏一、徳留圭一、大澤洋一、加藤友章：“Ru ドープ高抵抗 InP 埋め込み構
造 AlGaInAs-MQW-FP-LD の 110℃-10Gb/s 動作、”電子情報通信学会 2005 年ソサイエティ大会講演論
文集、C-4-8.
(7) 加藤豪、栗原佑介、室谷義治、奥田哲朗、石川信、小林隆二、鶴岡清貴、大澤洋一、加藤友章：“120℃
低電流駆動 10Gb/s 1.3μm AlGaInAs BH FP レーザ、
” 電子情報通信学会 2005 年ソサイエティ大会講演論文集、C-4-9.

－22－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
1.4.3 直接変調長距離(1) はじめに半導体レーザの直接変調は、発生法が簡便であることから最も早くから研究された通信方式の一つである。
コストが低い利点があり、変調帯域も 30GHz に及ぶ報告がある 1)。1.3μm 帯では、40Gb/s の伝送実験も報告されている 2)。しかし、変調に伴って発生するチャーピングのためファイバー分散の影響を受けやすく、伝送距離が制限される。そのため、1.55µm 帯の 10Gb/s システムへの応用では、伝送距離は 10km 程度に限られる。40km 以上の伝送では、電界吸収型変調器や LN 変調器が用いられ、プリチャープによる分散補償がなされる 3)。一方、直接変調レーザは、このプリチャープとは逆符号のトランジエントチャープが発生し、伝送距離を大きく劣化させる。
直接変調のチャープを制御する方法として、利得結合グレーティングを利用した DFB レーザではアディ
アバティックチャープが主チャープ成分となり、2.5Gb/s で 560km の伝送結果が得られている 4）。また、外部共振器構成では、変調帯域は制限されるが、チャープを低減することが出来る。FBG を外部鏡に用いた方法で、2.5Gb/s で 315km の伝送結果が得られている 5)。
半導体レーザのバイアスを高くすると、消光比が劣化する。チャープ特性では、トランジエントチャープが消え、代わって、アディアバティックチャープが支配的になる。この特徴を活かして、FSK、バイポーラ
ー化した信号で駆動する DPSK の送信器として直接変調半導体レーザが使われた 6)。FSK のデモデュレー
ターとして、FBG の透過スロープを用いて、10Gb/s で 37km の伝送実験がある 7)。また、消光比の劣化によるペナルティは発生するが、デモデュレーター無しで 180km 伝送の可能性が示唆された 8)。ファイバーの分散による FM-AM 変換をデモデュレーターとして利用した DST 伝送方式では、BB での受信感度が劣化し、特殊な受信器を必要とするものの、253km 伝送が実証されている 9)。
一方で、伝送フォーマットの等価性も認識されており、外部変変調を用いた DPSK を光フィルター中央で透過するとデュオバイナリーが得られることが指摘されていた 10)。直接変調を利用した高性能伝送フォーマ
ット発生の素地が整っている。
(2) CML と Duobinary、DST との類似性
FSK において、チャープ量を伝送レートの半分にしたものを MSK と呼び、この時、スペクトル幅は最小になる。この信号を、さらに光バンドパスフィルターの透過スロープを用いてチャープ整形することで、
10Gb/s において 250km 伝送実験の実証が米国のベンチャー企業、AZNA LLC から報告された 11)。NRZ
において、5GHz のアディアバティックチャープを加えるということは、0 ビット毎にπの位相シフトを入れることに相当し、これはコーディングのロジックとしては Duobinary と同等なフォーマットとなる。にもかかわらず、伝送特性としては、200km 伝送後で 4dB 程度のペナルティが生じる。これは、直変 FSK の帯域が限られており、Duobinary の様に位相シフトが急峻とならないためである。ところが、光フィルターのエッジを用いると、強度の時間波形は帯域制限を受けるが、チャープの時間波形は逆に遷移が急峻になって、
パルス中心付近ではチャープレスとなる。位相波形では、強度がゼロに近いところで急峻な階段状の位相シフトを入れることが可能である事が理論的に認識され(図 1.4.3.1b)12)、実験で確認された 11)。このフォーマットは、CML と呼ばれる。CML は、単一ビットの波形を見ると、DST のように振舞い、伝送後のアイ開口に寄与する。総合的に、DST、Duobinary よりも分散耐性に優れた特性を示す。構成が簡単で、駆動電圧も低く、TOSA に収まる。可変 DCF、EDC との組み合わせにより、CML を用いて 675km 伝送に相当する－23－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
分散値 11500ps/nm の伝送実験がベル研から報告された(図 1.4.3.2) 13)。また、CML は、ファイバー非線形の耐性も高く、280km リピーターレス伝送も成功している 14)。
FSK とフィルターを組み合わせた同様な報告が USC などから相次いでいる 15),16),17)。これらの文献では、顕著な CML 効果は見られていない。トランジエントチャープが主成分の DFB レーザーを用いていること

15

0
-1
-2

10
-3
5

-4

0

-5

15

π

(b)

π

0
-1
-2

10
5

2π

0

-3
-4

Phase (x π rad)

20

(a)

Phase (x π rad)Frequency (GHz)20

Frequency (GHz)や、フィルターの設計の違いが理由と思われる。

-5

図 1.4.3.1 10-Gb/s NRZ CML の強度と位相波形。フィルター透過前（a）、フィルター透過後（b）。

図 1.4.3.2 CML、可変 DCF、EDC を用いた 10Gb/s、675km 伝送実験

(3) 外部鏡を用いた直接変調レーザ
既に述べた様に、FP レーザの片面を AR コーティングし、ファイバーグレーティングで外部鏡構成としたシングルモードレーザでは、チャープを低減できる。K2 Optronics は、このような方式で、2.5Gb/s にて600km 伝送可能なバタフライモジュールを製品化している 18)。また、Redfern Integrated Optics, Inc.（RIO）
では、ファイバーグレーティングの代わりに、PLC 上に作製したブラッググレーティングを外部鏡として用いた直接変調レーザを製品化している 19)。LR2 の性能を満たす特性が得られているようである。
(4) 直接変調を用いた長距離伝送
長距離伝送では、ファイバーの分散耐性のみならず、OSNR 劣化、非線形効果の耐性が強い伝送フォーマットが望まれる。RZ-DPSK、CS-RZ、Duo-CS-RZ（もしくは AMI）が盛んに研究されている。これらは一般に外部変調器で発生され、複雑な構成が必要となる。CML を用い、RZ 変調において、10GHz のアディ
アバティックチャープを加えることで、非常に簡便な構成で AMI が発生できる事が示された。これを用い、9280km のペナルティーフリー伝送実験がベル研から報告されている(図 1.4.3.3)20)。また、USC から直接変調を用いた RZ-DPSK の報告がある。チャープマネジメントは施されず、1 ビット遅延の MZI で受信されている 21)。このフォーマットは、RZ-DPSK と説明されているが、AMI である可能性がある。

－24－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.3.3 CML を用いた、RZ-AMI の発生。分散特性とスペクトル（左）。9280km 伝送特性（右）(5) まとめ
光フィルターを用いたチャープ制御型直接変調を用い、NRZ において Duobinary と同等以上、RZ において AMI と等価なフォーマットの発生が可能であることが示され、優れた伝送特性が実証された。フルバン
ド波長可変特性については、現在のところ報告は無い。
（松井 康浩）

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目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
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ps/nm) using a chirp-managed laser, no DCF, and a dynamically adjustable dispersioncompensating receiver” Optical Fiber Communication Conference, 2005, Post deadline paper
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(14) S. Chandrasekhar, C. R. Doerr, L. L. Buhl, Y. Matsui, D. Mahgerefteh, X. Zheng, K. McCallion, Z.
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ECOC 2005, (2005), Th2.2.4.

－26－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
1.4.4 インターコネクト用面発光レーザ(1) はじめに図 1.4.4.1 は、伝送距離と伝送速度による光伝送と電気伝送の領域を示した図である。従来、信号伝送は
短距離には電気、長距離には光が用いられている。光伝送の中でも、比較的短距離である光データ通信領域
では低コスト化の観点から短波系(850nm 帯)VCSEL が用いられ、Telecom 系光通信領域では、長距離、大容量といった点から長波系（1310nm、1550nm 帯）の端面発光レーザ（EE-LD）や光変調器が用いられている。しかし近年、短距離の電気伝送であっても、伝送速度の増加につれて波形歪やクロストークなどの問題が顕在化し、電気伝送の壁に突き当たっており、この壁が今後の装置性能向上のボトルネックとなる可能性がある。例えば、次世代スーパーコンピュータでは 1 チャネルあたり 20Gbps を超えるインターコネクト
速度が必要となると見込まれており、これはもはや電気配線で実現することは困難な状況にある。
そこでより短距離伝送にも光を導入することによりこれらの問題を解消し、大容量伝送を実現する、超高速・高密度光インターコネクション（光インコネ）技術が期待されている。光インコネでは、LSI チップの周辺に多くの光送受信部品が配置される。このため、ここに用いられる光源としては、①小型で低消費電力、②高密度集積が可能、③高信頼、④低コストであること等が求められる。この様な光源に最も適したものに、
面発光レーザ(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)があり、ここ数年、さらなる高速化、信頼性向上等の特性改善に向けた研究開発が活発化している。以下では、この光インコネ用の VCSEL の現状と課題について説明する。

図 1.4.4.1 光伝送と電気伝送の領域(2) インコネ用 VCSEL の現状
光インコネは、伝送距離によって、筐体間、ボード（バックプレーン）間、チップ間などに分けられ、必要とされる技術も、それぞれ若干異なる。光インコネ用の光源としては、光データ通信で実用化されている
850nm 帯の VCSEL を利用したものが多く、筐体間、ボード間、チップ間の順で実用化が進んでいる。現在商用化されている VCSEL の最大変調速度は 10Gbps であるが、伝送速度と伝送距離の関係はマルチモード
光ファイバーの帯域幅で制限されるため、通常 1Gbps では 550m、10Gbps では 65m 程度しか伝送できない。そこで例えば筐体間で 30Gbps の伝送を行うには、1 チャンネル当たり 3.125Gbps（8B10B 伝送符号化－27－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）によりデータは 2.5Gbps）とやや変調速度の低いものを 12 本束ねた並列伝送（SNAP12）が用いられる。
ボード間インコネでは伝送距離が短くなるので、1 チャンネル当たり約 10Gbps の VCSEL を用いた並列伝送が用いられ、チップ間インコネでは、さらに高速な変調速度をもった VCSEL を用いられると考えられるが、そのような VCSEL はまだ商用化には至っていない。以下では、ボード間インコネ用 VCSEL とチップ
間インコネ用 VCSEL について、現状と課題を説明する。
(a) ボード間インコネ用 VCSEL
ボード間インコネは、ルータ、サーバ、計測器等の装置内部で大容量のデータ伝送が必要となる場所での適用が見込まれ、デバイス、実装の両面で研究開発が活発に行われている。実装面の開発としては、LSI とVCSEL 間の電気引き回し、VCSEL と光導波路との結合方法、アレイ VCSEL のフリップチップ実装などが検討されており、PEPIT のような小型・低電力モジュール（10G x 4ch 850nm-VCSEL）も開発されている1)。ここで、使用される VCSEL は 10G 程度の高速変調動作が可能な酸化狭窄型の VCSEL（図 1.4.4.2）である。

図 1.4.4.2 酸化狭窄型 VCSEL の構造
酸化狭窄型 VCSEL は、Al(Ga)As 層を水蒸気酸化法により酸化し、アルミナの電流ブロック層を形成した構造を有し、電流狭窄と光閉じこめ効果が同時に得られるので、イオン注入型 VCSEL に比べて低閾値、高効率動作が可能である。ボード間インコネ用 VCSEL は、通常横マルチモード動作で使用され、光密度を高めるために狭窄径は 5～10μm 程度が用いられる。このため VCSEL の電気抵抗は 50-100Ω程度と高く、CR 時定数が変調速度に影響を及ぼすようになる。これを防ぐために、メサをポリイミド等で埋め込んで素子の容量を下げることが行われている。
また、酸化径は素子の信頼性にも大きく関係している。VCSEL の静電破壊電圧（ESD）は酸化径が小さ
いほど低く、突発劣化が生じ易い。また、酸化径が小さいほど動作時の電流密度が高く、これは摩耗劣化の原因にもなる。光インコネのように光源を高密度実装する場合、素子 1 個当たりの信頼性は非常に高いものが要求される。AOC 社では、10G 用 VCSEL の高信頼化のために、酸化径を 13μm 程度まで大きくし、10G動作時の電流密度を下げて高信頼化している 2)。酸化径増大による光密度の低下は、出射側のブラッグ反射
膜(DBR)のペア数(27 ペア)を多くして、光を逃がさない構造にすることで抑制している。
また、アレイ状の VCSEL ではフリップチップ実装がよく用いられるため、裏面出射型の VCSEL も開発されている。850nm の光は裏面出射の場合 GaAs 基板に吸収されてしまうため、InGaAs の活性層を用いた－28－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
980nm 帯の VCSEL も開発されている。
ボード間インコネ用 VCSEL では、10GbEther 用の 850nm 帯 VCSEL が転用可能であるが、集積度を上げた場合には信頼性が課題となる。
(b) チップ間インコネ用 VCSEL
チップ間インコネ VCSEL に関しては、まだ商用レベルのものはないが、電気伝送の壁を打ち破る技術として最近研究が精力的に進められている。
米国では DARPA 主導のもと、Terabus-project が進められており、48 個(4x12)の 980nm 帯 VCSEL アレイを 1ch 当たり 20Gbps で動作させることで計約 1Tbps の伝送容量を実現している 3)。このように、チップ間インコネは、高速、高密度な接続を狙いとしており、ここで用いられる VCSEL は 20Gbps 以上で動作し高信頼のものが要求される。VCSEL の高速変調の限界を決めている
ものは、主に CR 時定数と緩和振動周波数である。これまでの VCSEL の最高動作速度は、酸化狭窄と容量低減用のプロトン注入を併用した構造で 21.5GHz の帯域が報告されている 4)。

図 1.4.4.3 InGaAs/GaAs 系 VCSEL の小信号変調特性
図 1.4.4.3 は、1070nm 帯の InGaAs/GaAs 活性層を有する VCSEL の小信号変調特性を示したものである。
バイアス電流 6mA において 19GHz の 3dB 帯域が得られている。この VCSEL の電気回路的な 3dB 帯域は20GHz、フィティングから求めた緩和振動周波数は約 16GHz と見積もられ、帯域制限要因としてほぼ同程度の寄与 5)がある。このため、CR 時定数の低減と緩和振動周波数の増大が、さらなる VCSEL 高速化の課題である。また、素子の信頼性改善もチップ間インコネ用 VCSEL の重要な課題の一つであり、VCSEL 構造の改良や、活性層周りの材料系を劣化し難いものにするなどが必要である。
（阿南 隆由）

参考文献(1) 畠山意知郎、三好一徳、樋野智之、清水隆徳、佐々木純一、山本 圭介、栗原充、田中英樹、蔵田和彦: “光I/O 内蔵システム LSI モジュール”、信学技報 OPE2003-187、LQE2003-124 (2003-12) pp.65-8.
(2) B. M. Hawkins, R. A. Hawthorne III, J. K. Guenter, J. A. Tatum, and J. R. Biard: ” Reliability of－29－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Various Size Oxide Aperture VCSELs”, Proceedings of 52nd Electron. Components and Technol.
Conf., pp.540-50, 2002.
(3) J. A. Kash, F. Doany, D. Kuchta, P. Pepeljugoski, L. Schares, J. Schaub, C. Schow, J. Trewhella, C.
Baks, Y. Kwark, C. Schuster, L. Shan, C. Patel, C. Tsang, J. Rosner, F. Libsch, R. Budd, P.
Chiniwalla, D. Guckenberger, D. Kucharski, R. Dangel, B. Offrein, M. Tan, G. Trott, D. Lin, A.
Tandon, M. Nystrom: “Terabus: a Chip-to-Chip Parallel Optical Interconnect”, 2005 LEOS (Sydney)
TuW3 P363-364.
(4) K. L. Lear , V. M. Hietala, H.Q. Hou, J. Banas, B. E. Hammons, J. Zolper, and S. P. Kilcoyne:“High-Speed 850nm Oxide-Confined Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”, Ultrafast Elecronics
and Optoelectronics 1997 Topical Meeting Tech. Digest p.80-82.
(5) 鈴木尚文、畠山大、阿南隆由、深津公良、屋敷健一郎、辻正芳： “光インターコネクション用 1.1μm
帯 InGaAs VCSEL”、信学技報、Vol.105、No.455、LQE2005-113 (2005-12) pp.5-8.

1.4.5 装置内の光配線(1) はじめにここ数年のブロードバンドの進展はめざましく、我々の身近な領域においても、2005 年時点で、FTTH(Fiber –To- The- Home)の加入者数の増加率が、ADSL を凌駕したことが報告されている。医療、放送、教育さらにはゲーム等の娯楽分野においても、高精細画像の配信や、非圧縮伝送等に対するニーズが高まっている 1-3）。これらの応用ニーズの高まりにより、ルータやサーバ等の筐体内のいわゆるラスト 1m 領域においても、筐体内伝送の高速化・大容量化に対する要求が高まっている。これらの領域では、従来の電気伝送も多値化等の伝送方式や、電気信号の劣化を抑制するための回路方式等の工夫がなされており、20Gbps/
チャンネル以上の高速化へ向けての取り組みが進んでいる 4）。しかしながら、筐体内の総伝送容量が Tbps
を超える辺りから、電気伝送の限界が見え始めると予測されている。例えば Tbps 超のルータでは、スイッチボードに各ラインカードからの信号が多数集線されるために、差動配線や接地線を必要とする電気伝送では、スイッチ LSI の入出力（I/O）ピン数が急激に増大する。また、スイッチボードとバックプレーンとの接点のコネクタの I/O 数が増大する等のいわゆる I/O ボトルネックが大きな課題となっている 5）。クロスバ
ースイッチ・ボードに各システム・ボードからの信号集約・分配機能が集中するサーバについても、同様の状況にあるといえる。他方、光配線では配線 1 本当たりの高速化が比較的容易であり、また、波長多重（WDM）
方式の採用により、チャンネル当たりの伝送容量増大が容易にできる大きな利点を有する。これらにより電気配線の場合の I/O ボトルネックの解消が図られる。将来技術として、ルータの全光処理化をめざした研究開発も進んでいる 6,7）。本稿ではボード間伝送への光配線の適用を主に記述し、CPU/メモリ間のチップ間伝送についても最近の開発動向にふれる。
(2) 研究開発動向(a) ボード間伝送
ボード間伝送においては、光配線の観点からは、屋台骨としての光バックプレーンおよび、ボードと光バックプレーンを接続するための光コネクタが重要な要素技術である。光配線板の材料、光バックプレーンと－30－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ボードとの光コネクタ接続形態、1 対１、N 対 N 等の信号接続形態等により、様々な形式が開発されている
8）。実用化に近いものから、要素技術開発まで幅広いフェーズでの研究開発が進んでいる。実用化フェーズの主な開発例として、ルータ等への応用を目指したヨーロッパの IST-IO プロジェクト 9）や、産業技術総合研究所で開発された光バックプレーン 10―11）が挙げられる。また、ダイムラクライスラー社の光バックプレーンは、航空機への搭載用を目指している 12）。図 1.4.5.1 に産業技術総合研究所において開発された光バッ
クプレーンおよび、搭載モデルの外観写真を示す。

図 1.4.5.1 光バックプレーン（左）および、搭載モデル（右）（茨木ら 10）および、11）による）電気の ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）のデファクト標準の構造仕様に準拠したボード内に、300 本のマルチモード・ファイバの布線をおこない、これらに多チャンネルの MT 型
光コネクタを搭載した構造である。総伝送容量として 3Tbps 以上の伝送能力を有しており、ATCA の構造仕様準拠の点からも実用性が高いものといえる。上記のダイムラクライスラー社のバックプレーンは、高分子導波路を使用したものであるが、この他にも光配線の素材として各種の高分子材料の開発が進められている
13）。高分子導波路は伝送損失の低減、耐熱性向上等が開発課題であるが、金型や、フォトリソの一括プロセ

ス等を使用した低コストな製法を活かすことにより、実用化への大きな可能性を秘めているといえる。その他、光シートバス方式は N 対 N の信号接続形態に大きな特徴を有しており、低コストでブロードキャスト
伝送をおこなえるユニークなバックプレーンとして、これからの応用が期待される 14）。これらの光バックプ
レーンは、ルータやサーバの全光化が実現されたときにも、筐体内光伝送のキーコンポーネントになることは、いうまでもない。
要素技術開発としては、プリント基板の中に導波路を内蔵したバックプレーンの研究開発が広く行なわれている 15-16）。未だプロセス技術開発ないしは、作製したボードを用いた送受光伝送の基礎評価をおこなっている段階ではあるが、光配線に邪魔されることなく、通常のプリント基板と同一の感覚で、ボード上のスペースを有効に使える特長がある。高密度実装が必要であり、実装スペースが貴重なハイエンドのルータや、サーバボードにおいては、将来有用な光バックプレーンの１形態と考えられる。
(b) チップ間伝送
ボード内のチップ間伝送の最大の課題は、いわゆるメモリバンド幅問題である。CPU の外部のメインメモ
リ自体の読み出し速度向上が必須の課題であるのと同時に、CPU とメインメモリ間のバンド幅不足が、チッ
プ間伝送速度増大のための大きなボトルネックとなっている 17）。将来 CPU 内がさらに高速化されても、このボード内のチップ間伝送高速化の課題は依然として残る。以下に本分野での取り組みの代表例を挙げる。

－31－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
１つは DARPA の Terabus プロジェクトである 18）。図 1.4.5.2 に同プロジェクトにおけるボード内送受光伝送の構成模式図および、光配線の断面写真を示す。送受伝送用の光配線として、48 チャンネルの高分子導波路を用いている。伝送速度 20Gbps/チャンネルの高速性能が得られており、コンピュータシステムへの適用を念頭に、Tbps クラスの総スループットの実現を目指している。

図 1.4.5.2

Terabus プロジェクトにおける光送受伝送構成図（左）および、光配線の断面写真（右）（after L.Schares et al. 18））

もう 1 つの例は日本の国家プロジェクトとして、ペタフロップス級のスーパーコンピュータへの応用を目指した研究開発が進んでいる 19）。CPU・メモリ間を 20Gbps 超、1000 信号/LSI 程度のこれも高分子導波路による光配線実現を目指しており、20Tbps 超の総伝送容量の実現を図るものである。
最期に光配線の高速性もさることながら、光配線が EMI や配線間のクロストーク雑音に強い点を積極的に利用する観点から、光配線を携帯電話等の狭い空間内に適用する動きもでてきている 20）。このための屈曲性の良い高分子導波路フィルムが開発されている 21）。
(3) おわりに筐体内への光配線の導入は、数 Tbps または数 10Tbps 以上の大伝送容量が要求されるハイエンド領域では、冒頭に述べたような応用ニーズの高まりにより、その導入が加速度的に早まる可能性も大きい。そのときに備えて、比較的完成度の高い光バックプレーン等の基幹部品において、信頼性の確立や標準化へ向けた取り組みが極めて重要である。チップ間伝送は、スーパーコンピュータ等への適用もさることながら、携帯端末、3D グラフィクス、ゲーム等の比較的身近な分野が、意外と早く立ち上がる可能性も否定できない。
これらの伝送領域における光配線、光部品や実装技術の着実な技術開発が望まれる。
（三川 孝）

参考文献(1) 市川晴久:“波長占有型アプリケーションがもたらすフォトニックネットワークの新たな可能性、”NICT
情報通信機構 フォトニックネットワーク・シンポジウム予稿集、平成 17 年 7 月 4 日、明治記念館、
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(2) 榎並和雅：“ハイビジョンからスーパーハイビジョン、そして立体テレビへ～超高速、大容量ネットワークへの期待～、”NICT 情報通信機構 フォトニックネットワーク・シンポジウム予稿集、平成 17 年

－32－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
7 月 4 日、明治記念館、pp.36－49.
(3) Rich Warmke: “‘Rambus Memory Interface Technology,” Rambus DEVELOPER FRORUM JAPAN,
7 月 7-8 日(2005)、東京.
(4) J.Sinsky: “Duobinary Signaling for Next Generation Electrical Interconnects : Pushing 25Gb/s to
40 Gb/s Data through Copper,” IEEE/LEOS 16th Annual Workshop on Interconnections WithinHigh Speed Digital Systems, Santa Fe, NM,U.S.A., May(2005) ,TuA3.
(5) 光技術応用システムのフィージビリティー調査報告書－光集積技術 II－、（財）光産業技術振興協会(2005) pp.5-10.
(6) 和田尚也:”光ラベル処理を用いた超高速光パケットスイッチング技術、”NICT 情報通信機構 第 3 回研究発表会予稿集、平成 17 年 7 月 4 日―5 日、明治記念館、pp.31-38.
(7) 中野義昭:”超高速/大容量電子制御型波長多重光スイッチノードデバイスの開発概況（サブシステム実証）、”第２回フォトニックネットワーク技術シンポジウム「中間成果報告会」予稿集、 平成 17 年 8月 25 日、ホテルグランドパレス（東京・九段）、主催：（財）光産業技術振興協会 光 IT 推進部 フォ
トニックネットワーク推進室、pp.5-25.
(8) 茨木修：“応用システムと将来展望 -進化するプリント基板技術小特集 5 -、”電子情報通信学会

誌,Vol.88,No.6（2005）, pp.440-444.
(9) http://io.intec.ugent.be/index.html(10) 茨木修、鈴木修司、増田宏、斎藤和人、木下雅夫、岡田義邦、青柳昌宏、佐々木純一：“高速情報通信装置用光バックプレーンの開発”、電子情報通信学会 信学技報、EMD2005-46~56(2005)、pp.1-6.
(11) http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2005/pr20050915_2/pr20050915_2.html(12) J.Moisel,J.Guttmann,H.-P.Huber,O.Krumpholz,M.Rode：”Optical Backplanes utilizing Multimode
Polymer Waveguides,” Proc. Optics in Computing 2000, June, Quebec City, Canada(2000),pp.
72-78.
(13) 塩田剛史：“光電気混載基板の開発動向 -進化するプリント基板技術小特集 4 -、”電子情報通信学会誌、
Vol.88,No.6（2005）、pp.435-439.
(14) http://www.kumikomi.net/article/news/2002/07/10_01.html.
(15) Chulchae Choi,Lei Lin,Yujie Liu,Jinho Choi,Li Wang,David Haas,Jerry Magera, and Ray
T.Chen:”Flexible Optical Waveguide Film Fabrications and Optoelectronic Devices Integration for
Fully

Embedded

Board-Level

OpticalInterconnects,”

J.Lightwave

Technol.,22,9(2004),

pp.2168-2176.
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Circuit

Board

Using

Polysiloxane Optical Waveguide Layer,” Proc. of 55th Electronic Components and Technology Conf.,
Orlando,FL,U.S.A.(2005),pp.246-250.
(17) D.Huang,A.V.Krishnamoorthy,T.Sze,H.Davidson,andR.Lytel:“InterconnectsforThroughput

Computing and Networking,” IEEE/LEOS 15th Annual Workshop on Interconnections Within High
Speed Digital Systems, Santa Fe, NM,U.S.A .,May( 2004), TuA2.
(18) L.Schares,C.Schow,F.Doany,C.Schuster,J.Kash,D.Kuchta,P.Pepeljugoski,J.Schaub,J.Trewhella,
C.Baks, R.John, L.Shan, S.Hedge, Y.Kwark, D.Rogers, F.Libsch, R.Budd, P.Chiniwalla, J.Rosner,－33－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
C.Tsang, C.Patel, D.Kucharski, D.Guckenberger, R.Dangel, B.Offrein, M.Tan, G.Trott, M.Nystrom,
A.Tandon, C.K.Lin, D.Dolfi :” “Terabus”-A Waveguide-Based Parallel Optical Interconnect for
Tb/s-Class On-Board Data Transfers in Computer Systems,” Proc. 31th European Conference on
Optical Communication,Glasgow,UK(2005)We1.5.5.
(19) 野口孝行：“次世代スーパーコンピュータのための光配線技術、”次世代スーパーコンピュータとシミュ
レーションの革新 計算科学技術シンポジウム講演資料、2005 年 9 月 26 日―28 日、御殿山ヒルズ ラ
フォーレ東京、主催：国立情報学研究所、(2005)、pp.309-320.
(20) 野澤哲生：“筐体内に浸透始める光伝送

ルータや携帯電話機が先行、”日経エレクトロニクス、6.6（2005）、pp.59-70.
(21) http://www.omron.co.jp/ecb/

1.4.6 ポリマー光導波路を用いたフレキシブル光配線(1) はじめに
近年、CPU などの電子 LSI の著しい進歩に伴い、配線遅延やノイズ等の電気配線の性能が、システム全
体の性能改善を妨げる要因として顕在化し、その解決策として、チップ間やボード間などへの光インターコ
ネクションの導入が検討されるようになってきている。１)
チップ間・ボード間の光インターコネクション実現のための光伝送媒体としては、光ファイバ等が考えられるが、数～数十 cm 程度の伝送の場合、高密度、アレイ化の観点から光導波路が有効である。更にフレキ
シブルなフィルム状の光導波路を用いることにより、空間的に自由な駆動が可能となることから、ポリマー
光導波路を光電気配線板に適用しようとする研究が近年盛んになっている。2)
ここでは、フレキシブル性を有し、かつ、量産性に優れるポリマー光導波路を用いた光配線の最近の動向について紹介する。
(2) フレキシブル性を有するポリマー光導波路
ポリマー光導波路は、ガラス光導波路に比べ簡易な工程で作製可能な為、高い生産性を有する。特に、低コスト化への期待により、ポリマー光導波路の開発が活発化し、多くの作製方法が報告されている。3)
図 1.4.6.1 に光導波路の開発動向を、図 1.4.6.2 に代表的なポリマー光導波路の作製方法 4)の概要を紹介する。

－34－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.6.1 光導波路開発動向 4)

図 1.4.6.2 代表的なポリマー光導波路作製方法 4),5) ,6)－35－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
このようにポリマー光導波路の様々な作製方法が提案されてきたが、近年、基板レスのポリマー光導波路を用いることで、元来ポリマーが有するフレキシブル性を活用する取り組みの発表が相次いでいる 7) ,8)。
図 1.4.6.3 にフレキシブル性を実現したポリマー光導波路の一例として、オムロンが開発した光導波路を示す。

図 1.4.6.3 フレキシブルなポリマー光導波路（オムロン）3), 9)
オムロンは、スタンパ（金型）を用いた方式を用いて作製しており、そのフィルム光導波路の伝搬損失は850nm の波長において、0.07dB/cm である。
さらに、
フレキシブル性という観点においても、屈曲性能については、
曲率半径 1mm にて過剰損失は 0.2dB
以下であり、耐屈曲性能についても、JPCA-PE02-05-01-S に準拠した耐屈曲試験において、曲率半径 1mm
における 100 万回屈曲試験経過後の損失変動量は 0.2dB 以下と十分小さな値である。これらの機械特性は電気配線と同等レベルもしくは、それ以上の屈曲性、耐屈曲特性が実現されており 3), 9)、ポリマー光導波路は、
機器内光配線への適応が期待されるレベルとなっている。
(3) ポリマー光導波路を用いたフレキシブルな光配線
情報機器内においては、信号伝送の高速・大容量化の需要だけでなく、併せて機器の小型化も強く要望されており、ポリマー光導波路を用いた光配線が、ノイズ・クロストーク・広帯域化・省スペース化を解決する方法として期待が年々高まっている。
ポリマー光導波路を光配線として応用する場合、光電変換素子（VCSEL または PD）を備えたリンクとして実現する必要があり、現在発表されている方式を大別すると２つのコンセプトとなる。
①「FPC（フレキシブルプリント配線板）自体に光導波路を一体化したタイプ」②「光導波路の両端に、光電変換素子を実装し一体化モジュールとして接続するタイプ」である。
いずれのコンセプトにせよ、光配線化への研究・開発は、抵抗素子や LSI などの部品と同じように 1 つの部品として取り扱えるように研究・開発が進められている。
光導波路の形状としては、光配線を低背性が必要不可欠な小型機器内で利用を想定している為に、光導波路端面を 45°カットし、光電変換素子と空間結合させ、光リンクとして基板と接続する方法が一般的である 10)。
①「FPC 自体に光導波路を一体化したタイプ」としては、松下電工が FPC の内部層にポリマー光導波路を埋め込んで作製することで、FPC 上に光電変換素子や電気 IC の直接実装を可能とし、かつ光伝送と電気伝送を同時に実現するコンセプトを示している。8),11)－36－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.6.4 ポリマー光導波路を利用した光配線の一例（オムロン）②「光導波路の両端に、光電変換素子を実装し一体化モジュールとして接続するタイプ」は、光通信において従来から用いられている光ファイバと同様の使い方を光導波路においても利用するタイプであり、ジャンパ線のイメージでの利用が考えられている１)。
その中で、オムロンは図 1.4.6.4 に示すような形状において、光電変換素子だけでなく、駆動 IC・AMPICまでを実装した光リンクモジュールを発表している 9),11)。一芯片方向通信において 1.25Gbps 伝送を可能とするモジュールは、送・受信モジュール共に、W3mm×L6mm×H1mm のサイズであり FPC コネクタとの電気接続互換性を有するモジュールとなっている。
上記のように、小型化・低消費電力化・低コスト化の取り組みの発表が盛んになりつつあり、今後の研究・開発の進展を期待したいところである。
(4) おわりに最新のポリマー光導波路を用いたフレキシブル光配線の取り組みについて紹介をした。民生機器への展開においては、配線のインターフェイス規格統一の問題、低消費電力化など課題はあるが、今後、機器内の配線や基板設計を劇的に変える可能性を秘めており、今後の技術の進展が大いに期待される。
（榎並 顕・細川 速美）

参考文献(1) 電子情報通信学会誌 Vol.85,N0.6,（2005）(2) 塩田,高松他/光導波路フィルムを用いたボード内光インタコネクション,エレクトロニクス実装学会誌,
Vol. 6 Num. 6 pp.481-487 (2003.09)(3) 榎並,細川他/高屈曲複製フィルム光導波路の開発,電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集
C-3-75（2004）(4) 寺川,細川/ポリマー光導波路作製技術,OPTRONICS No.7（2004）(5) H.Hosokawa et al.,“Novel Single Mode Channel Waveguide Fabricated by Photopolymerization for
Integrated Optic Sensor”, Proc.OFS‘89,p.30,（1989）(6) N.Yasuda, H. Hosokawa, “Replicated polymer optical waveguides”, Proc. SPIE, vol. 5246, pp.
103-111, （2003）(7) http://www.nitto.co.jp/company/release/2005/05_04_14/,NITTO DENKO ニュースリリース（2005.4.14）(8) http://www.mew.co.jp/press/0509/0509-14.htm, 松下電工ニュースリリース （2005.9.26）(9) 榎並/超屈曲光導波路,エレクトロニクス実装学会 2005 ワークショップ,14（2005）－37－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) 塩田/光導波路を用いたボードレベル光インターコネクション、信学技報
EMD2004-35,CPM2004-61,OPE2004-118,LQE2004-33 (2004.08)(11) ケータイ搭載狙う光配線,日経エレクトロニクス CEATEC 速報号（2005.10.6）

1.4.7 家庭内光配線
家庭内光配線は、 (1)FTTH(Fiber To The Home)サービスなどでアクセス系に連続して用いられ
ONU(Optical Network Unit:光回線端末装置)へと至る光配線と(2)家庭内に閉じて情報・通信機器間を結ぶ
いわゆる LAN に相当するような光配線の 2 種類が考えられる。前者の場合、現在は通信事業者が設置し、ユーザが直接工事に関わることはない。また、光ファイバの種類は、1310nm において波長分散値が零となる単一モード形光ファイバ(国際標準規格である ITU-T G.652, IEC 60793-2 B1 相当の光ファイバ)にほぼ統一されており、ユーザに選択の余地はない。後者は、ユーザが自由に設置できるものであり、好みや使い勝
手に応じてレイアウトや媒体の選択が可能であり、さらに、他の媒体（LAN ケーブル、無線 LAN、電力線
通信など）を選択する余地もある。このように、両者のおかれている状況が異なるので、ここでは、2 種類の配線における技術動向を個別に説明する。
(1) アクセス系から連続する光配線
今のところ（おそらく今後ともしばらくは）使用される光ファイバが 1310nm で零分散となる単一モード
形に限定されていること、および通信事業者により設置されることから、プロ仕様でコスト優先の光配線技
術が使用されてきた。しかし、近年、FTTH サービスの需要が飛躍的に拡大してきたことで、光配線工事件数が増大し、工事時間の短縮／工事の簡易化という新たな要求条件が顕在化してきた。このような状況を反映して、NTT は曲げに強い（光損失が増加しにくい）新たな光ファイバを利用した光ファイバコードおよびその家庭内配線への適用形式の提案をしている。
NTT では、何種類かある曲げに強い光ファイバのうちで最も曲げ損失特性に優れるホールアシスト型光ファイバ(HAF)を利用し、各種の宅内配線用光部品を研究開発している。ホールアシスト型光ファイバとは、
図 1.4.7.1 の断面図にあるようにコアの周囲にいくつかの空孔を設けることで、コアとクラッドの見かけの屈折率差を拡大し、光の閉じ込め効果を強くすることで、曲げ損失が出にくい特性を有する。
（図 1.4.7.2）

図 1.4.7.1 ホールアシスト型光ファイバの断面図

図 1.4.7.2 曲げ損失特性の比較－38－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
NTT では、これらを宅内配線に利用することにより、光配線を扱いやすく、作業性が良くかつ施工時間の短くするために役立てようとしている。その一例として、平成 17 年 11 月 8 日に報道発表された、曲げフリ
ー光ファイバケーブルとカールコードを利用した宅内光配線技術を紹介する。
曲げフリー光ファイバコードは、光ファイバの曲げ損失特性が大きく改善され、光ファイバを機械的強度の極限まで折り曲げても損失が増加しないことを利用したもので、コードの被覆の厚みおよび剛性などで機械的な信頼性設計上許容できる曲げ半径 r を担保するものである。図 1.4.7.3 に示すように、人間の力で折り曲げたり、結んだりしても光損失は増加しない。

図 1.4.7.3 曲げフリー光ファイバコード
次に紹介するのが、カールコードを利用した宅内配線技術である。カールコードは 1～40 倍程度まで伸縮するため、両端にコネクタを取り付けた状態でも任意の距離の 2 地点間を光ファイバで結ぶことができる。
現場でのコネクタの取り付け作業がなくなるため、施工作業の簡易化や時間短縮に大きく寄与するものと思われる。

図 1.4.7.4 カールコードを利用した屋内配線－39－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
図 1.4.7.4 にあるようにカールコードは配管内に配線されることを前提としている。今までの配線では、
屋内／屋外の分界点である光コネクタキャビネットと光機器につながる光アウトレットでコネクタ取り付けや光ファイバの余長処理などが必要であったが、この方式ではそれらの必要がない。ただし、配管が必要となるので住宅の設計者や施工業者への啓蒙が必要となろう。
(2) 家庭内に閉じる光配線
家庭内での情報配線を考えるとき、一般にはテレビ・オーディオ用の同軸ケーブル、LAN 用の CAT ケー
ブル、アンテナ用のフィーダ線、電話用のペアケーブル、最近では電力線も情報通信用の媒体（PLC: PowerLine Communication）として期待されているようである。家庭内に閉じて使用されている光ファイバの代
表例は、オーディオ・ビデオ機器間のディジタル信号伝送に使用されているプラスチック光ファイバである。
石英系光ファイバを含めこれらを伝送帯域と伝送距離の関係で分類すると図 1.4.7.5 となる。

光ファイバ

伝送
距離

ペア線

10km

ISDN

10G Ether(SMF)

ワイヤレス
LAN

1000BASE-LX(SMF)

ADSL

1km

1394.b
(UTP)

100m
電力線

10m

27Ｇ

1000BASE-SX(MMF,POF)
1394.b(MMF)

５Ｇ

100BASE-T
PNA2.01394.b(POF)

ＰＯＦ

1394
USB2.0

1m

100K

1M

10M

１00M

1G

1394.b(POF)

10G

速度

図 1.4.7.5 家庭用情報配線の伝送距離と速度の関係
ここで、POF はメタル／無線系と石英系光ファイバの中間にあり、伝送距離の点では劣るが、家庭内に閉じて考えれば、100m 以下の伝送で十分であり、伝送速度を考慮に入れるとメタルの次の媒体となり得ることが伺える。一方、施工容易性の観点で（一軸であらわすのは難しいがあえて）見ると、図 1.4.7.6 となる。

－40－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.7.6 家庭内配線媒体と施工の容易性
施工性の観点から見ても POF は有力な媒体といえる。今後の LAN 系の光配線を考える上では、POF も有力な候補となりえるだろう。
以上、家庭内光配線の現状を紹介した。FTTH 加入者の増加に伴い需要は増大する可能性があるが、文中にあるとおり製品開発はまだ緒に付いたばかりであり、今後まだまだ発展する余地があることを、最後に記したい。
（冨田 茂）

1.4.8 通信波長帯量子ドットデバイス(1) はじめにナノサイズの半導体微結晶による電子の 3 次元量子閉じ込めにより、原子と同様の離散的な準位を得ることが可能となる。この量子ドットと呼ばれる半導体微結晶に電子・ホールを電流注入して得られる利得材料に関しては、レーザの利得媒質としての理論検討 1-3)からはじまり多くの研究がなされてきた。その後、高速利得応答の実験的観測 4,5)を契機に光増幅器としての研究が始まり、結果として量子ドット特有の多くの性質が明らかになった 1-53)。その中でデバイス応用上重要なものとして、(1) 数ピコ秒の高速非線形応答 4-24)、(2)
200 nm を超える広波長帯域利得 25,26,28-37)、(3) 低雑音増幅 24,25,27-36)、(4) 高出力増幅 25-37)、(5) レーザの高速変調 1-3,37-53)、(6) 温度無依存利得 2,43,48,53,54)、(7) 低消費電力 27)の特長が挙げられる。現在、上記特性を利用した高性能光増幅器・光送信器が実用段階に移ろうとしている。以下ではこれらの量子ドット光デバイス開発の現状について紹介する。
(2) 超広帯域光増幅器
広い波長範囲を一括増幅できる光増幅器に対する需要が高まりつつある。これは波長間隔が数十 nm と広く、波長確度に対する要求を緩和することにより光部品の低コスト化を図る波長多重方式（CWDM）を適用する動きがあるためである。一方波長間隔を狭めることにより、波長帯域あたりの伝送容量を高めた波長多重方式（DWDM）に関しては、遅くとも 2010 年には現在主流の光増幅器であるエルビウム添加光ファイバ－41－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
増幅器（EDFA）により増幅可能な C バンド（1530~1565 nm）、L バンド（1565~1610 nm）以外の波長帯を利用する必要性が生じると考えられている。この状況のもとで C、L バンド以外の波長帯に対する増幅器の開発が進められており、ファイバラマン増幅器 67)、プラセオジム添加ファイバ増幅器（PDFA）60)、ツリ
ウム添加ファイバ増幅器（TDFA）62)などがその代表例である。
上記の増幅器により C、L バンドの制約から逃れることが可能になるが、増幅器の簡略化・低コスト化の観点からはより少数の増幅器で広い波長範囲を増幅できることが望ましい。EDFA、PDFA、TDFA 等の希土類添加光ファイバ増幅器と呼ばれるものは、一般に約 20~30 nm の帯域を持ち、ファイバラマン増幅器は1 波長励起の場合、石英系ファイバで約 20 nm、テルライト系ファイバで約 50 nm の帯域を持つ。一方で量子ドットを用いた半導体光増幅器（SOA）はファイバ増幅器における励起レーザと同程度の大きさ（数 mm）のチップ 1 つで 200 nm 以上の波長範囲を増幅することが可能であり 24,25,27-36)、今後高まる広帯域化への要求に適した光増幅器である。広帯域化が可能なのは、電流注入された電子・ホール対が量子ドット微粒子に凝集することにより、エネルギー軸上に分散した電子・ホール状態を広いエネルギー範囲にわたり占有することができるためである。これに加えて量子ドットを等方的形状（球・立方体など）にすることにより、全波長範囲における偏波無依存増幅を実現することも可能である 29,31,34-36)。実際に、あらゆる光増幅器の帯域を大幅に上回る帯域が図 1.4.8.1 に示す量子ドット SOA により実現されている 25,29-31)。InP 基板上の InAs
量子ドット 55-57)を用いて利得を長波長化し、さらに高電流密度を実現するための埋込み型電流狭窄構造を導入することにより初めて実現された結果である。
図 1.4.8.1 の素子において導波路の向きは端面に垂直な方向から 8°傾けられており、さらに導波路のコア（InGaAsP）が端面から数十µm 内側で終端する構造となっている。これらは光が導波路から出射する時に、端面で反射して再び導波路に戻るのを抑制し、結果として共振現象による利得スペクトル中のリプルを抑える効果を持つ。量子ドット SOA の典型的な増幅特性を図 1.4.8.2 に示す。量子ドット以外では実現不可能であった非常に広帯域な増幅特性が得られており、図 1.4.8.2 中に示したファイバ型の光増幅器よりも遥かに広い帯域となっている。

40

利得 [dB]

8°

p-InP
n-InP

20
10
0

InGaAsP(λPL = 1.1 µm)

3 dB 飽和出力パワー [dBm]30

ラマン (7 励起レーザ)

利得

26

20

24

15

3 dB 飽和出力
パワー

22

20

5
PDFA

TDFA

O

n-InP (100) 基板

1300

窓構造

EDFA

EDFA

テルライト EDFA18

図 1.4.8.1 量子ドット半導体光増幅器

10

雑音指数

雑音指数 [dB]

斜め導波路

E
1350

1400

S
1500
1450
波長 [nm]

C

L

1550

1600

0

図 1.4.8.2 量子ドット SOA の利得・雑音指数・3 dB 飽和出力パワーの波長依存性と光ファイバ型増幅器との帯域比較

量子ドット SOA のもう一つの特徴である高速利得非線形応答も増幅特性を特徴づける一要因となっている。従来の SOA では、利得の非線形性（出力パワーが一定値以上になると利得が減少し入力パワー対出力
パワーの関係に非線形性が生じる現象）は応答が遅く、入力パワー変動からそれに伴う利得変動が終了する－42－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
まで数十～数百 ps の応答時間が必要である。すなわち、10 ~ 40 Gb/s の信号周期と同程度以上の時間を要し、その結果、入力信号レベルが 0 と 1 の間で遷移する毎に出力波形に歪が現れる。量子ドットではこの応答が数 ps と非常に速く、入力信号レベルの変化に瞬時に追随することが可能であり、結果として出力波形の歪を大幅に抑えることができる。図 1.4.8.3 に示すように、量子ドット SOA では、23.1 dBm の高出力条
件下においても増幅前と同等の波形品質が得られる。一方で従来の InGaAsP 量子井戸 SOA では 17.1 dBm
においても顕著な波形歪を生じている。量子ドット SOA では高品質な出力波形が得られるため、エラーフ
リー動作に必要な信号パワーの増分（パワーペナルティ）を完全にゼロにすることが可能になる（図 1.4.8.3）。
23 dBm のペナルティーフリー最大出力パワーは従来の SOA により得られている最高値と比べると 5 dB ほ
ど大きく、大幅な改善を実現している。
増幅後
増幅後 (QW(QW SOA)
SOA)

10-3

10-4

17.1 dBm

ビット誤り率10 Gb/s
パワー
ペナルティ

10-5
10-6

増幅前

10-7
10-8

増幅後 (QD SOA)

10-9
10-10
10-11
10-12

23.1 dBm
-40

-38

-36

ペナルティなし-34 -32 -30 -28
受信パワー [dBm]-26

図 1.4.8.3 増幅後の波形品質とビット誤り率の受信パワー依存性(3) 高ビットレート光再生増幅器
光信号の再生に関しては、過去十数年間様々な方式が検討され 69-76)、当面主流となる 40 Gb/s 以下のビットレートを含め 160 Gb/s までに対して十分適用可能な技術は少なからず存在している。しかしながら再生機能を持たない光増幅器と比較すると、構成が複雑でコスト高になる。2 節に示した量子ドット SOA は、増幅器でありながら信号再生の機能も同時に備えており、
低コスト再生器としての開発が進められている 32,36)。
図 1.4.8.4(a)に示した入出力パワーの非線形特性は、低入力パワーに対する線形な増幅特性と、高入力パワーに対する出力パワーの飽和を示している。この非線形特性を用いることによって、雑音付加などにより生じた信号レベルの揺らぎを抑えることが可能であり、40 Gb/s の信号に対して実証されている（図1.4.8.4(a)）
。この非線形特性は高入力パワー時に誘導放出によるキャリア引き抜きが速くなり、キャリアが枯渇することによって利得が減少することに由来する。そのため全ての SOA に共通の特性ではあるが、従来の SOA においてはキャリアが枯渇するまでの時間や、枯渇がキャリアの補充により回復するまでの時間
が数十～数百 ps と遅く、結果として図 1.4.8.4(b)のように非線形曲線が時間と共に揺らぎ、波形歪により再生とは反対に、信号の劣化を招くことになる。

－43－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(a) 量子ドット
雑音低減(b) 量子井戸
出力パワー

高速応答

10-5

出力パワー
低速応答

波形歪

10-6
ビット誤り率

出力
入力パワー
雑音による劣化

入力
出力

入力パワー
出力
出力

40 Gb/s

10-7

入力

10-8
出力
10-9

入力

入力

出力

40 Gb/s- 4 dB

10-10
10-11
10-12
-36

図 1.4.8.4 (a) 量子ドット半導体光増幅器の非線形増幅による雑音低減、(b) 量子井戸半導体光増幅器の遅い利得非線形応答による波形歪-34-32
受信パワー [dBm]

-30

-28

図 1.4.8.5 量子ドット SOA の非線形増幅による 10 Gb/s 信号の受信感度改善

図 1.4.8.5 は雑音付加による劣化信号を、量子ドット SOA で増幅した後のビット誤り率を、増幅前のビット誤り率と比較したものである。入力信号は雑音のため、受信パワーを増大させてもビット誤り率は一定値以下にならない。一方で量子ドット SOA で非線形増幅を受けた信号に対しては、ビット誤り率が大幅に低減している。ビット誤り率が 10-9 となるために必要なパワーで見ると、4 dB の大幅な低減が見られる。このように増幅器単体で雑音低減機能を持つことが実証されており、現在低コスト再生器としての開発が進められている。
(4) 温度無依存高速変調レーザ
量子ドットレーザの変調高速性、温度無依存動作、低消費電力という特長を利用することにより、メトロ・アクセス系向けトランスミッタの低コスト・低消費電力化を進めることが可能になると期待されている。量子ドットレーザ研究は光増幅器よりも歴史が古く、1990 年代前半の自然形成量子ドットの発見・レーザへの適用を機に数多く報告されるようになった。通信波長帯の量子ドットに関しては、GaAs 基板上の自然形成
InAs 量子ドットで 1.3 µm の発光 37)、レーザの室温 CW 発振 38,39,42)が実現されたのが始まりであり、ここから量子ドットレーザ実用化への道が大きく開かれた。

20

20°C
30°C

10

100
閾値電流 [mA]

パワー [mW]

15

100°C

5

小信号応答 (3 dB / div)

70°C

10

70 K
T0 = 420 K

1f3 dB = 7.7 GHz

80 mA
7 mA

0

0
20

40

60
電流値 [mA]

15 mA

30 mA

20 40 60 80 100
温度 [°C]

0
0

10 mA

80

100

図 1.4.8.6 量子ドットレーザにおける電流対出
力パワー特性の温度依存性

246
周波数 [GHz]810

図 1.4.8.7 70°C における量子ドットレーザの小信号周波数応答特性－44－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
昨年初めて 1.3 µm 帯の量子ドットにより、温度に依存しない 10 Gb/s の直接変調動作が実現された 51,52)。
ペルチェ冷却器や温度変化による特性変化補償用の制御回路が不要になるため、低コスト・低消費電力化が可能になると考えられ、注目を集めている。InGaAsP/AlGaInAs 歪量子井戸など量子ドット以外のレーザにおいても高温 10 Gb/s の動作は示されているが 43,54)、所望の出力波形を得るためにバイアス電流・変調駆動
電流を温度に合わせて調節する必要が有り、この点が量子ドットレーザと異なるところである。
GaAs 基板上の InAs
量子ドットにより温度無依存化を実現する上で p ドープが大きな役割を果たす 2,48,53)。
量子ドットでは、伝導帯準位を離散的にするのは比較的容易であるが、価電子帯に関しては準位が連続的になりやすく、温度変化によるキャリアの熱分布変化を抑える働きが弱い。p ドープによりホールが十分存在していれば、価電子帯のホール占有確率が温度に左右されることなく常に高くなり、結果として伝導帯側の準位離散化の効果で温度無依存を実現することが可能になる 49)。図 1.4.8.6 は 10 積層 p ドープ InAs 量子ドットを活性層に持ち、GaAs をバリア層、Al0.35Ga0.65As をクラッド層とするレーザにより実現された特性である。20~50°C では閾値が 6.0~6.5 mA の間で殆ど変化せず、温度に対する安定性を示す特性温度 T0 として420 K という非常に大きな値が得られている 52)。スロープ効率（図 1.4.8.6 の傾きに相当）に関しても、全温度範囲で 0.3 ~ 0.32 W/A と、殆ど変化していない。
周波数特性に関しても、70°C の高温において 7.7 GHz の 3 dB 変調帯域が得られており（図 1.4.8.7）、高温下で 10 Gb/s の変調に必要な帯域が確保されているのが分かる。緩和振動周波数（図 1.4.8.7 の周波数応答におけるピークの周波数）の温度依存性を見ると（図 1.4.8.8）、広いバイアス電流範囲で緩和振動周波数が温度無依存になっていることが分かる。
図 1.4.8.9 はバイアス・変調電流無調整という条件のもとで 20°C、70°C の両温度における 10 Gb/s の変調波形を測定した結果である。量子ドットの場合 20°C と 70°C のアイパターンがほぼ同一で、共に良好な波形を示すが（図 1.4.8.9(a)）
、圧縮歪 InGaAsP 量子井戸レーザは、温度上昇に伴い波形歪が顕著になる（図 1.4.8.9(b)）
。両者間の違いは温度による平均パワー変化にも現れており（図 1.4.8.10）、量子ドットでは 20°C を基準にした時に 70°C におけるパワー減少が 0.2 dB 程度であるのに対して、量子井戸では 1.5 dB の減少を示している。
以上の結果は、p ドープ量子ドットを用いることによりペルチェ冷却器・電流調節回路不要の 10 Gb/s ト
ランスミッタが実現可能なことを示しており、現在製品化のための開発が進められている。

緩和振動周波数 fr [GHz]

8
70°C
6

(a) 量子ドットレーザ(b) 量子井戸レーザ

20°C

20°C

70°C

70°C

4

2

0

0

2

4

6
8
(I – Ith)½ [mA½]

1012

図 1.4.8.8 (I – Ith)½と緩和振動周波数の関係(20°C を基準とした)平均パワー変化量 [dB]

20°C
40°C

10

1

量子ドットレーザ
0-1

量子井戸レーザ-220

図 1.4.8.9 20°C から 70°C に変化した時の 10 Gb/s アイパターン変化

40
温度 [°C]6080

図 1.4.8.10 20°C を基準とした
10 Gb/s 変調時平均パワーの温度
変化 52)－45－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(5) まとめ
光学利得材料としての量子ドットの特徴をデバイス応用の観点から紹介し、これまでに実現されてきた注
目すべきデバイス特性について説明した。量子ドットを用いることによって初めて実現された広帯域光増幅器、高速光再生増幅器、温度無依存高速変調レーザは光通信システムの機能・性能の向上を助ける重要なコンポーネントと考えられており、製品化・量産に向けた開発が進められている。
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(27) M. Sugawara et al., Phys. Rev. B 69, 235332 (2004).
(28) H. Ebe et al., IPRM ’04 (2004).
(29) T. Akiyama et al., OECC ’04 (2004).
(30) T. Akiyama et al., ECOC ’04, Mo 3.4.1 (2004).

－46－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(31) T. Akiyama et al., Optics East ’04, SPIE Proc. 5594, 1 (2004).
(32) T. Akiyama et al., CPT ’05, p. 165 (2005).
(33) M. Sugawara et al., J. Appl. Phys. 97, 43523 (2005).
(34) T. Akiyama et al., OFC ’05 (2005).
(35) T. Akiyama et al., Photon. Technol. Lett. 17, 1614 (2005).
(36) T. Akiyama et al., OAA ’05 (2005).
(37) K. Mukai et al., Jpn. J. Appl. Phys. 33, L1710 (1995).
(38) D. L. Huffaker et al., Appl. Phys. Lett. 73, 2564 (1998).
(39) K. Mukai et al., Photon. Tech. Lett. 11, 1205 (1999).
(40) D. Wolfson et al., Electron. Lett. 35, 59 (1999).
(41) S. Fischer et al., Electron. Lett. 35, 2047 (1999).
(42) J. A. Lott et al., Electron. Lett. 36, 1384 (2000).
(43) R. Paoletti et al., ECOC ’01 Postdeadline Paper 84 (2001).
(44) R. Krebs et al., Electron. Lett. 37, 1223 (2001).
(45) F. Klopf et al., Photon. Technol. Lett. 13, 764 (2001).
(46) P. Bhattacharya et al., Appl. Phys. Lett. 80, 3842 (2002).
(47) D. G. Deppe et al., J. Quantum Electron. 38, 1587 (2002).
(48) .O. B. Shchekin et al. Electron. Lett. 38, 712 (2002).
(49) N. N. Ledentsov, J. Sel. Top. Quantum Electron. 8, 1015 (2002).
(50) L. Zhang et al., OFC ’03, p. 678 (2003).
(51) M. Ishida et al., Appl. Phys. Lett. 85, 4145 (2004).
(52) N. Hatori et al., ECOC ’04 Postdeadline Paper (2004).
(53) S. Fathpour et al. DRC ’04, IV.C-4 (2004).
(54) K. Nakahara et al., OFC ’04, ThD1 (2004).
(55) A. Ponchet et al., Appl. Phys. Lett. 67, 1850 (1995).
(56) N. Carlsson et al., J. Crystal Growth 191, 347 (1998).
(57) W. G. Jeong et al., Appl. Phys. Lett. 78, 1171 (2001).
(58) T. Kita et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, L1143 (2002).
(59) T. Saitoh et al., J. Lightwave Technol. 6, 1656 (1988).
(60) Y. Ohishi et al., Opt. Lett. 16, 1747 (1991).
(61) M. Yamada et al., Photon. Technol. Lett. 10, 1244 (1998).
(62) T. Kasamatsu et al., Postdeadline Paper of OAA ’99, PDP1 (1999).
(63) L. F. Tiemeijer et al., Photon. Technol. Lett. 7, 1519 (1995).
(64) J. C. Simon et al., Electron. Lett. 30, 49 (1994).
(65) M. Yoshino et al., Photon. Technol. Lett. 8, 58 (1996).
(66) D. A. Francis et al., OFC ’01 Postdeadline Paper, PDP13 (2001).
(67) T. Miyamoto et al., OFC ’02, TuJ7, 66 (2002).
(68) K. Morito et al., J. Lightwave Technol. 21, 176 (2003).

－47－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(69) B. Mikkelsen et al., Electron. Lett. 33, 133 (1997).
(70) D. Phillips et al., Electron. Lett. 34, 2340 (1998).
(71) Y. Ueno et al. Photon. Technol. Lett. 13, 469 (2001).
(72) Leuthold et al., Photon. Technol. Lett. 13, 860 (2001).
(73) C. Knöll et al., Opt. Commun. 187, 141 (2001).
(74) A.Borghesani et al., OFC ’03 ThO1, 534 (2003).
(75) F. Ohman et al., J. Quantum Electron. 40, 245 (2004).
(76) S. Fathpour et al., Appl. Phys. Lett. 85, 5164 (2004).

1.4.9 有機光デバイス(1) 有機赤外発光デバイス
可視光の有機 EL 素子については、商品化が徐々に始まり、研究についても活発に進められている。他方、赤外発光の有機 EL 素子についての報告は、必ずしも多いとは言えないが、今後の研究のために有用と思われる報告があるので、ここではそれらをまとめた。
有機 EL 素子の利点としては高効率、高視野角、高速応答などが挙げられる。また、無機半導体のように素子作製の際に結晶成長を必要とせず、真空蒸着法やスピンコート法などにより発光層を製膜できることから、使用する基板を選ばず、また、大面積の平面発光素子を作製できるという作製上の利点もある。これらの事は、赤外発光 EL 素子についても当てはまる。特に、シリコン基板やプラスチック基板上に作製できることから、赤外発光素子のシリコン LSI やフレキシブル導波路との集積化が期待できる。
赤外発光を示す有機 EL 素子も、通常の有機 EL 素子と同様の構造で、基板／透明電極(陽極)／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／金属電極(陰極)が基本的な構造である。赤外発光を得るためには発光層に、赤外領域で発光を示す材料を用いる。可視光領域で発光を示す材料は多く知られているが、赤外、特に通信波長帯で発光を示す材料は限られている。赤外発光を示す材料は主に希土類錯体とイオン性色素に分類される。前者は、希土類イオンの 4f 軌道間の遷移による発光であり、発光波長は使用する希土類元素に依存する。
図 1.4.9.1 にこれまで有機 EL 素子に用いられた主な希土類錯体を示した。ErQ3 は電子輸送材として有名
な AlQ3 のアルミ部分をエルビウムで置き換えた分子である。この材料を用い、波長 1533 nm にピークをもつ発光が得られている 1)。しかし、同時に配位子からの発光が可視域に観測されている。Ln(DBM)3bath (Ln:
ランタニド元素)は殆どのランタニド元素について合成されている。これまでの赤外発光 EL 素子としては、中心金属が Nd (ピーク波長： 890、 1070、 1350 nm)2)、Yb (985 nm) 3)、Pr (1050、 1065、 1550 nm) 4)、
Tm (803、 1450、 1470 nm) 5)、 Er (1530 nm) 5)、 Ho (980、 1200、 1500 nm)6)のものが報告されている。これらの発光スペクトルから、これらの材料を組み合わせることにより 1300-1600 nm の範囲での発光を得ることができる。ポルフィリンを配位子にもつ Ln(TPP)acac については Ln=Yb で 977nm、 Ln=Er
で 1560 nm の発光ピークが得られている 7)。MEH-PPV に Ln(TPP)をドープした際に、MEH-PPV の発光が抑えられることから、ポルフィリンによる吸収が効率的に起きていることが分かっている。Ln(TPP)acacの acac 部分を変えた Ln(TPP)L(OEt) (Ln=Yb、 Nd、 Er)も合成されている。この材料を電荷輸送性の無い polystyrene にドープした際にも電流が流れ EL 発光が得られる事から、
電荷輸送性も確認されている 8)。

－48－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.9.1 赤外有機 EL 素子に用いられた希土類錯体
図 1.4.9.2 には赤外発光を示すイオン性色素の分子構造を示した。イオン性で π 共役結合が延びているのが特徴である。これらの分子は、レーザ色素として開発されたものであり、IR-1051 はシグマアルドリッチ
から、Q-switch 5 (IR 5)は exciton 社や Lambdachrome 社から市販されている 9)。通信波長帯でのイオン性
色素の有機 EL 素子への利用はおそらく IR-1051 のみで、900-1600 nm のブロードなスペクトルが観測されている 10)。

図 1.4.9.2 赤外発光を示すイオン性色素
赤外発光を示す有機 EL 素子についての報告は、電流電圧特性やスペクトルが示されている程度で、効率についての評価は少ない。また、素子構造についても改善の余地が残る。効率、寿命の評価、それらの改善は今後の課題であろう。
(2) 非線形光学素子
有機材料の特長は、上述した事に加え非線形光学効果が大きい事である。ここでは、通信波長帯での高調波発生、非線形応答を利用したスイッチ、フォトリフラクティブ効果等の研究状況について述べる。
有機材料の場合ももちろん 2 次の非線形感受率をもつ材料は反対称性の無い構造であり、また、効果的に高調波を発生させる場合には単結晶である必要がある。第 2 高調波の発生についての研究は 1990 年前後に数多くあるが、1991 年に NTT から報告された通信波長帯用の単結晶 AANP11)が、2003 年に NTT アドバン
ステクノロジから商品化されている。AANP は有機物の中でも比較的大きな非線形光学定数(d31=d15=80pm/V)をもち、波長 1320 nm の第 2 高調波発生において BBO の 72 倍の変換効率が得られている。
3 次非線形材料については、材料に対称性があっても構わないため、原理的にはどのような材料でも 3 次の非線形感受率をもち、その研究は多岐にわたる。3 次の非線形感受率は非共鳴の電子遷移で 10-12 – 10-9 esu
程度の値が得られている。
最近では、波長 1550 nm で 5.8 × 10-12 程度の非線形感受率をもつ材料を利用した、
オートコリレータによるパルス幅の測定 12) や直接イメージング 13) の報告がある。この他、通信波長帯に吸収をもつ材料(BM4i4i)により 10-6 esu に近い 3 次非線形感受率の虚部の値が得られ 14)、J 会合体が示す高速－49－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）応答により 1 ps 程度の応答が報告されている 15)。また、この BM4i4i を利用し、100 fs オーダーの応答速度を示す光カーシャッターも実現されている 16)。
通信波長帯のフォトリフラクティブ効果については、アリゾナ大学の研究にほぼ限定される。電荷輸送剤に PATPD、非線形光学色素に 7-DCST、可塑剤に ECZ、1550 nm に感度を持つ DBM によって構成されたフォトリフラクティブ材料で 3%の外部回折効率が得られている 17)。また、屈折率変化はこれらの材料の割合に大きく依存するが、PATPD:7-DCST:ECZ:DBM = 49:40:10:1 wt% のときに 80 V/µm の電界の印加で0.9%の屈折率変化を示し、40%の内部回折効率が実現されている 18)。
非線形有機材料の研究はこれまでに多くなされているが、通信波長帯での研究は数が少なく、今後の展開に期待したい。
（北村 雅季）参考文献(1) R. J. Curry and W. P. Gillin: “1.54 µm electroluminescence from erbium (III) tris
(8-hydroxyquinoline) (ErQ)-based organic light-emitting diodes,” Appl. Phys. Lett. 75 10 (1999)
1380.
(2) Y. Kawamura, Y. Wada, Y. Hasegawa, M. Iwamuro, T. Kitamura, and S. Yanagida: “Observation ofneodymium electroluminescence,” Appl. Phys. Lett. 74 22 (1999) 3245.
(3) Y. Kawamura, Y. Wada, M. Iwamuro, T. Kitamura, and S. Yanagida: “Near-infrared
electroluminescence from Ytterbium(III) complex,” Chem. Lett. (2000) 280.
(4) Z. Hong, C. Liang, R. Li, F. Zang, D. Fan, W. Li, L. S. Hung, and S. T. Lee: “Infrared and visible
emission from organic electroluminescent devices based on praseodymium complex,” Appl. Phys.
Lett. 79 13 (2001) 1942.
(5) F. X. Zang, Z. R. Hong, W. L. Li, M. T. Li, and X. Y. Sun: “1.4 µm band electroluminescence fromorganic light-emitting diodes based on thulium complexes,” Appl. Phys. Lett. 84 14 (2004) 2679.
(6) F. X. Zahg, W. L. Li, Z. R. Hong, H. Z. Wei, M. T. Li, X. Y. Sun, and C. S. Lee: “Observation of 1.5 µm
photoluminescence and electroluminescence from a holmium organic complex,” Appl. Phys. Lett. 84
25 (2004) 5115.
(7) B. S. Harrison, et al.: “Near-infrared electroluminescence from conjugated polymer/lanthanide
porphyrin blends,” Appl. Phys. Lett. 79 23 (2001) 3770.
(8) T.-S. Kang, B. S. Harrison, T. J. Foley, A. S. Knefely, J. M. Boncella, J. R. Reynolds, and K. S.
Schanze: “Near-infrared electroluminescence from lanthanide tetraphenylporphyrin:polystyrene
blends,” Adv. Mater. 15 13 (2003) 1093.
(9) M. Casalboni, F. De Matteis, P. Prosposito, and R. Pizzoferrato: “Optical investigation of infrareddyes in hybrid thin films,” Appl. Phys. Lett. 75 15 (1999) 2172.
(10) H. Suzuki, A. Yokoo, and M. Notomi: “Organic emissive materials and devices for photonic
communication,” Polym. Adv. Technol. 15 (2004) 75.
(11) S. Tomaru, S. Matsumoto, T. Kurihara, H. Suzuki, N. Ooba, and T. Kaino: “Nonlinear opticalproperties of 2-adamantylamino-5-nitropyridine crystals,” Appl. Phys. Lett. 58 23 (1991) 2583.

－50－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(12) G. Ramos-Ortiz, M. Cha, S. Thayumanavan, J. C. Mendez, S. R. Marder, and B. Kippelen,“Third-order optical autocorrelator for time-domain operation at telecommunication wavelengths,”
Appl. Phys. Lett. 85 2 (2004) 179.
(13) G. Ramos-Ortiz, M. Cha, B. Kippelen, G. A. Walker, S. Barlow, and S. R. Marder: “Direct imaging
through scattering media by use of efficient third-harmonic generation in organic materials,” Opt.
Lett. 29 21 (2004) 2515.
(14) M. Tian, S. Tatsuura, M. Furuki, Y. Sato, I. Iwasa, and L. S. Pu: “Discovery of Novel Dyes withAbsorption Maxima at 1.1 µm,” J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 348.
(15) S. Tatsuura, M. Tian, M. Furuki, Y. Sato, I. Iwasa, and H. Mitsu: “Nonlinear optical properties ofan organic film formed of dye aggregates with absorption in the telecommunication wavelength
range,” Appl. Phys. Lett. 84 9 (2004) 1450.
(16) S. Tatsuura, T. Matsubara, M. Tian, H. Mitsu, I. Iwasa, Y. Sato, and M. Furuki: “Ultrafast all-opticalswitching at 1.55 µm using an organic multiplayer device,” Appl. Phys. Lett. 85 4 (2004) 540.
(17) S. Tay, et al.: “Photorefractive polymer composite operating at the optical communication
wavelength of 1550 nm,” Appl. Phys. Lett. 85 20 (2004) 4561.
(18) S. Tay, et al.: “High-performance photorefractive polymer operating at 1550 nm withnear-video-rate response time”, Appl. Phys. Lett. 87 17 (2005) 171105.

1.4.10 光パケットネットワーク用デバイス(1) はじめに
光パケットネットワークは、急激に増加する通信トラフィック容量に対応するための次世代のネットワー
クで、柔軟で高効率な通信を可能にする。この光パケットスイッチネットワークに必要不可欠なデバイスとして、光パケット長より十分短いスイッチング時間を有する超高速光スイッチデバイス、光パケット中の光
ラベルを検出・識別する光ラベル識別デバイス、および光パケットデータから同期クロックを検出しデータ再生するバーストモードクロック＆データリカバリ(CDR)デバイスがある。これらのデバイスの最近の動向について報告する。
(2) 超高速光スイッチデバイス
光パケットネットワーク用光スイッチは未だ規格化が進んでいない。そのため、ここではスイッチング時
間 ns オーダーの超高速光スイッチデバイスについて報告する。
超高速光スイッチは大別して、材料に LiNbO3に代表される強誘電体を使用したデバイスと、化合物半導体を使用したデバイスとが開発されている。強誘電体を使用した超高速光スイッチでは、従来より光変調器と同様な構造で LiNbO3 基板を使用 しMachzender 干渉計と方向性結合器を集積化した光スイッチが開発されてきたが、偏波依存性、波長依存性に課題があった。最近では Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3（PLZT）をエピタキシャル成長し、その大きな電気光学効果を用いた全反射形光スイッチが開発されている 1)。この光スイッチのスイッチング速度は 10ns 以下、
クロストークは 20dB 以下が得られている。現在、1×2 光スイッチが集積された 1×8 スイッチまでが、製作されている 2)。

－51－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 1.4.10.1 (a)PLZT 薄膜導波路断面構造と(b)Y 分岐方 1×2 光スイッチ（after K.Nashimoto et.al.1））
化合物半導体光スイッチでは、平面導波路を X 字状に交差させ、この導波路交差部に電流を注入すること
でその部分の屈折率を低下させ、全反射により交差している他方の導波路に経路を切り替える光スイッチの開発が進んでいる 3)。この光スイッチのスイッチング速度は 1.3～1.4ns、消光比は 15dB であった。消光比を改善するため、図 1.4.10.2(b)のような光スイッチの集積化を行い、消光比 25dB 以上が得られている。
出力ポート1
未使用ポート

出力ポート2(a)(b)
図 1.4.10.2 (a)化合物半導体平面導波路光スイッチの交差部と(b) 4x4 スイッチを用いた
高消光比スイッチの構成(池澤らによる 3))
また、平面導波路と半導体光アンプ（SOA）を集積化したマトリックス光スイッチも報告されている 4)。
これは、passive な平面導波路上に active な SOA を形成した active vertical coupler (AVC)構造を持つ光ス
イッチで、素子部に電流を流すことで屈折率を変化させ下部平面導波路に伝播する光を上部 SOA に結合させると同時に増幅も行う構造となっている。この光スイッチのスイッチング速度は約 1.5ns、消光比は 70dBが得られている。このマトリックス光スイッチを用いて、実際に光パケットの伝送実験が行なわれている 5)。

(a)(b)
図 1.4.10.3 (a)AVC 4x4 マトリックス光スイッチの構成と(b)AVC 光スイッチ構造(after R.Varrazza et.al.4))－52－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
その他、平面導波路上に位相変調器が散りばめられた Optical Phased Array(OPA)構造を持つ、多ポートで高速のマトリックス光スイッチも開発されている 6)。スイッチング速度は 30ns 以下が得られており、64×64 ポートまで製作可能である。
(3) 光ラベル識別デバイス
光パケットのラベル記述方式は、サブキャリアラベル方式やシリアルビットラベル方式，
波長ラベル方式，
光符号ラベル方式など多くの方式が検討されている。ここでは、最も消費リソースが少なくかつ拡張性の高いシリアルビットラベル方式のラベル識別デバイスについて報告する。
その１つを図 1.4.10.4 に示す。これは、超高速半導体面型光スイッチ(LOTOS)と偏光ビームスプリッタ(PBS)、平面光導波路回路(PLC)とを組み合わせた全光シリアルパラレル(S-P)変換器である 7)。PLC 上には
16 分岐のスプリッタとそれぞれが１ビット長遅延する遅延導波路が形成されている。PLC から PBS を経由
して LOTOS に入射した光のうち、λ/4 波長板を通過して入射されたポンプ光と同じ時間窓に存在するビットのみが LOTOS 上で直線偏光から楕円偏光に変換され、反射光の一部が PBS を通過して PD アレイに入射される。この S-P 変換器は、100Gb/s までの動作が報告されている 8)。

図 1.4.10.4 全光シリアル－パラレル変換器の構成 (中原らによる 7))
他の例では、ファイバ遅延シリアル－パラレル変換と高速フォトダイオード，共鳴トンネリングダイオー
ド(RTD)とを組み合わせた 2 ビット光 AND 回路の報告がある 3)。RTD ブロックがバイアス状態（gate1 がON）のとき一定以上の光電流が発生すると RTD ブロックが１つの安定状態からもう 1 つの安定状態にスイッチする。いったんスイッチすると gate1 が OFF になるまでこの状態を保持する。この 2 ビット AND 回
路は、40Gb/s での動作が確認されている。
パケット先頭検出

図 1.4.10.5 2 ビット AND 回路(池澤らによる 3))－53－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) バーストモードクロック＆データリカバリ(CDR)デバイス
光パケットネットワークでの受信側の最も重要なデバイスが、このバーストモード CDR である。これは、フォトダイオードで一旦電気信号に変換したのち、その電気信号からクロック信号を抽出し、そのクロック信号を元にデータ信号の 3R(Reshaping，Retiming，Regeneration)を行うものである。このバーストモー
ド CDR についても最近開発が進んでいる。10Gb/s 用のバーストモード CDR の報告例 9)10)や 40Gb/s での報
告例 3)などがあり、いずれも IC 化への取り組みが含まれている。
また、全光バーストモード CDR の研究開発も行われている 11)12) 。
(5) まとめ
10 年先の技術と言われてきた光パケットネットワークであるが、デバイスの開発は上述の 3 種のデバイスのように進展が目覚しい。すでに、実用化を目指した開発も行われており、映像伝送実験を行った例もある。
しかし、実際に光パケットネットワークが普及するためには、これらのデバイス以外に、可変メモリ長の光
バッファメモリデバイスや高速 FPGA などの超高速ロジックデバイスの開発も必要である。これらのデバイ
スの今後の進展に期待したい。
（飯尾 晋司）参考文献(1) K.Nashimoto，H.Moriyama，S.Nakamura，M.waranabe，T.Morikawa，E.Osakabe，K．Haga：“PLZTElectro-Optic Waveguides and Switches”，OFC2001，PD10(2001)(2) http://www.nozomiphotonics.com/(3) 池澤，遠山，赤坂，巽，佐藤，志水，小高，藤田，八木原，林，末広，飯尾，和田，三浦：“光パケッ
トネットワーク要素技術の開発”，電子情報通信学会技術研究報告，PN2005-5(2005)，pp.25-30(4) R.Varrazza，I.B.Djordjevic，M.Hill，S.Yu：“4×4 optical cross-point packet switch matrix withminimized path-dependent optical gain”，Optics Letters，Vol.28，No.22(2003)，pp.2252-2254(5) S.C.Lee，R.Varrazza，S.Yu：“Optical Label Processing and 10-Gb/s Variable Length Optical Packet
Switching Using a 4×4 Optical Crosspoint Switch”，Photonics Technology Letters，Vol.17，
No.5(2005) pp.1085-1087(6) http://www.chiaro.com/(7) 中原，高橋，竹ノ内，保井，高畑，鈴木：“シリアル－パラレル変換を用いた 40Gbit/s 光ラベル識別と
セルフルーティング”，電子情報通信学会技術研究報告，OCS2003-92(2003) pp.65-70(8) T.Nakahara，R.Takahashi，H.Suzuki：“ Self-Routing of 100-Gb/s Optical Packets Using Self
Serial-to-Parallel Conversion-Based Label Recognition”，Photonics Technology Letters，Vol.15，
No.4(2003) pp.602-604(9) N.Wada，H.Iiduka，F.Kubota：“Preamble Free 10Gbit/s Optical Packet 3R Receiver”，ECOC2004，
Tu1.5.5(2004)(10) 野河，西村，木村，吉田，川村，富樫，雲崎，大友：“0.13μｍCMOS を用いた 10Gb/s バースト対応
CDR IC”，電子情報通信学会技術研究報告，ICD2005-28(2005) pp.1-5(11) C.Bintjas，K.Yiannopoulos，N.Pleros，G.Theophilopoulos，M.Kalyvas，H.Avramopoulos，G.Guekos：－54－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
“Clock Recovery Circuit for Optical Packets”，Photonics Technology Letters，Vol.14，No.9(2002)
pp.1363-1365(12) L.Stampoulidis，E.Kehayas，H.Avramopoulos，Y.Liu，E.Tangdiongga，H.J.S.Dorren：“40Gb/s
Fast-Locking All-Optical Packet Clock Recovery”，OFC2005，OThE2(2005)－55－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

1.5 青・紫外域光源
1.5.1 青紫色レーザの高出力化(1) はじめに窒化物半導体を用いた 405 nm 帯青紫色レーザは、次世代光ディスクシステムの光源として精力的に研究開発が進められてきた。1997 年以降、横方向成長による転位低減 1)を基本コンセプトとした低転位結晶成長技術が急速に進展し、高品位の GaN 基板結晶が得られるようになった。さらにプロセス技術の向上、精密な導波路設計などにより、現在では 100 mW 級の青紫色高出力レーザが製品レベルで実現されている。一方
光ディスクへの応用では高速度記録化、多層記録による大容量化のために出力レベルのさらなる向上が望まれており、例えば 8 倍速の書き込みには 300 mW を越える出力が必要とされる。本項では、光ディスクシス
テムへの応用の視点から窒化物半導体による高出力青紫色レーザの現状と今後の課題について述べる。

(2) 青紫色高出力レーザ(a) 高出力化の指針
光ディスク用レーザの高出力化では、(i)キンクレベルの向上、(ii)出射端面の光学破壊（Catastrophic
Optical Damage; COD）の抑制、(iii)熱飽和による光出力低下を避けるための動作電圧/電流および熱抵抗低減、などがポイントとなる 2)。キンクは光出力－動作電流特性(L-I 特性)に折れ曲がりが生じる現象で、活性層に水平な方向の光閉じ込めが不安定となり、基本モードと高次モードが混在することにより発生する。キンクレベルの向上には、レーザストライプを狭幅化し高次横モードの発生を抑えること、水平方向の屈折率
差Δn//を下げ、水平キャリア分布に対する水平横モードの広がりを拡大するとともに空間的ホールバーニン
グの影響を小さくすること、などが有効である。また光ディスク応用では、アスペクト比などビームプロフ
ァイルも重要な要素であり、光ピックアップの要求スペックを満たした上で上記の導波路設計をおこなう必要がある。窒化ガリウム系材料は、COD および熱抵抗の点で他の材料系に比べ高出力化に適した特長を持つ。後述のように、この材料系は COD レベルが非常に高く、100 mW 級素子でも AlInGaP 系の高出力レーザで採用された窓構造は用いられていない。また窒化物半導体の熱伝導率は GaAs や InP 等に比べ十分低いので、特に GaN 基板を用いた場合は熱抵抗の観点からも有利となる。

(a)リッジ型構造(b)インナーストライプ構造
図 1.5.1.1 青紫色レーザの素子構造－56－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
現在までに報告されている窒化物系青紫色レーザでは、図 1.5.1.1(a)に示したドライエッチングによるリッジ構造 3)が主流である。最近図 1.5.1.1(b)に示された AlN をブロック層とするインナーストライプ(IS)構造も提案され、その優れた高出力特性が報告された 4, 5)。以下、それぞれのレーザの特徴について述べる。
(b) リッジ型高出力レーザ
先に述べたようにキンクレベルの向上にはレーザストライプの狭幅化が有効であるが、リッジ構造ではコ
ンタクト電極面積も小さくなるので素子抵抗の上昇を招く。したがって高出力化にあたってはキンクレベルと素子抵抗のバランスをとった導波路ストライプ設計が鍵となる。キンクレベル 200 mW を超える高出力素子 6-8)では、1.4 μm～1.5 μm のレーザストライプが用いられている 6, 7)。キンクレベルを改善するために、
リッジストライプ脇に Si 薄膜吸収層を配する試みもなされている 6)。これによりストライプ脇へのしみだしが大きい高次モードの発生が抑制され、250 mW のキンクフリー出力が報告された。光閉じ込めの最適化により効率を改善し動作電流を低減する試みもなされ、1.85 W/A という高いスロープ効率が報告された 7)。光
ディスク再生時に問題となる雑音特性に関しては、5mW 出力時の RIN(Relative Intensity Noise)として実用レベルとなる -130 dB/Hz が得られている 8)。
(c) インナーストライプ(IS)型高出力レーザ
AlN を電流ブロック層とした IS レーザは、(i)活性層構造に引き続きアモルファス AlN を堆積、(ii)選択ウ
エットエッチングによるストライプ形成、(iii)クラッド層の平坦埋め込み成長、の工程で作製された 4)。アモ
ルファス AlN を用いることにより、AlN と GaN の格子定数差に起因するクラック発生を抑制し、さらに選
択ウエットエッチングによるダメージのないストライプ形成が可能である。アモルファスの AlN 層はクラッド再成長時の昇温過程で固相エピタキシャル成長により単結晶化する。この AlN 層は電流狭窄層として機能すると共に、実屈折率光閉じ込め構造を実現する。本構造では、図 1.5.1.2 に示されるように p クラッド層中の電流横広がりによりストライプ幅が狭い場合も抵抗増加が少なく、また放熱の経路も広くとれることなど、高出力レーザとして有利な構造である。

図 1.5.1.2 素子抵抗のストライプ幅依存性 5)ストライプ幅を1μm としたIS レーザにおいて、
図1.5.1.3 に示すように20-90℃の広い温度範囲でCW 400 mW、
パルス 600 mW(50 ns パルス、duty 50%)のキンクフリー出力、さらに 300 ns パルス、duty 0.03%の条件では 1 W－57－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
キンクフリー出力が実現された 5)。これらの高出力時の出射端面光密度は 100 MW/cm2 をはるかに超えるレベルにあり、COD 耐性の点で窒化物半導体が高出力レーザに適した材料系であることがわかる。

図 1.5.1.3 インナーストライプレーザの高出力特性 5)(3) 青紫色高出力レーザの課題
以上述べたように、青紫色レーザの高出力化に関してはここ数年で大きな進展がみられた。高出力化と並んで大きな課題である素子寿命についても GaN 基板の登場により改善が進みつつある。初期のサファイア
基板上に作製されたレーザでは、結晶中に 108～1010 cm-2 の転位が存在し、このために十分な信頼性を実現することができなかった。近年、低転位密度(～105 cm-2)の GaN 基板が入手できるようになり、高出力動作時の信頼性は大幅に向上した。素子寿命として 80℃ 160 mW 出力時の信頼性試験において 1000 時間以上が得られている 9)。窒化物系レーザでは、GaAs 系のレーザで報告された転位の増殖による劣化は観察されていない 10)。劣化に関してはまだ明らかでない点も多く、今後は通電による活性層劣化や COD レベルの経時的劣化などのメカニズムを明らかにし、200 mW、300 mW の素子で信頼性を確保することが大きな課題である。また高出力化、高信頼化と並行し、低出力時の低雑音特性の確保、ビーム形状の低アスペクト比化など、光ディスク応用に特徴的な課題についても改善を進める必要がある。
(4) まとめ
窒化物半導体による青紫色レーザの高出力化の現状と課題について、光ディスクへの応用の視点から述べた。青紫色レーザは、光ディスクだけでなく、レーザプリンタ、医療機器への応用など、より広い応用範囲への展開も期待される。高出力化に伴う課題を克服し、物理的な理解を深めることにより、より広い展望が開けるものと期待される。
（笹岡 千秋）

参考文献(1) T. Nishinaga, T. Nakano, and S.Zhang, “Epitaxial Lateral Overgrowth of GaAs by LPE”, Jpn. J.
Appl. Phys., 27, 6 (1988) L964.
(2) M. Ikeda, T. Mizuno, M. Takeya, S. Goto, S. Ikeda, T. Fujimoto, Y. Ohfuji, and T. Hashizu,－58－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
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(3) S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, Y. Sugimoto, and H.
Kiyoku, “Ridge-geometry InGaN multi-quantum-well-structure laser diodes”, Appl. Phys. Lett. 69(1996) 1477.
(4) 福田、角野、松舘、木村、笹岡、西、第 65 回応用物理学会学術講演会 (2004) 4p-W-8.
(5) C. Sasaoka, K. Fukuda, M. Ohya, K. Shiba, M. Sumino, S. Kohmoto, K. Naniwae, M. Matsudate, E.
Mizuki, I. Masumoto, R. Kobayashi, K. Kudo, T. Sasaki, and K. Nihsi, “Over 1000 mW Single Mode
Operation of Planar Inner Stripe Blue-violet Laser Diodes”, the 6th International Conference on
Nitride Semiconductors (2005) Th-PD3-1.
(6) 倉本、水野、橋津、池田、”青紫色 GaN 系半導体レーザの現状”、日本画像学会誌、第 44 巻 (2005) 177.
(7) 蔵本、大野、山田、岡川、川津、川崎、冨田、塩沢、金本、渡辺、竹見、八木、村田、島、”高効率・高出力 GaN 系半導体レーザ”、信学技報 Vol. 105 LQE-2005-77 (2005) 53.
(8) 狩野、野村、畑、井上、庄野、”光ディスク用高出力青紫色半導体レーザ”、信学技報 Vol. 105 LQE2005-78(2005) 57.
(9) 松村、杉本、長濱、向井、”次世代大容量光メモリー用光半導体”、応用物理 第 74 巻 (2005) 1614.
(10) S. Tomiya, T. Hino, S. Goto, M. Takeya, and M. Ikeda, “Dislocation Related Issues in the
Degradation of GaN-Based Laser Diodes”, IEEE J. of Sel. Top. Quantum Electron. 10 (2004) 1277.

1.5.2 紫外 LED(1) はじめに
波長 250-350nm 帯の半導体紫外光源（LD・LED）は、幅広い分野への応用が考えられ、その実現への期待が高い 1-3)。図 1.5.2.1 は紫外 LED・LD の今後の応用についてまとめている。白色照明、殺菌・浄水、医療分野、生化学産業への応用では、今後の大きな市場規模が予測されており、また高密度光記録用光源、化学工学への利用、蛍光分析装置などの各種情報センシング、家庭用空気清浄機や無公害車など、応用範囲は広い。半導体紫外光源の応用範囲は今後大きく広がってくるものと考えられ、紫外 LED・LD の開発は、今後の最重要課題のひとつといえる。
ウルツ鉱結晶 AlGaN は 3.4eV から 6.2eV に至る広い紫外の直接遷位発光波長域をもち紫外発光素子を実現する材料として有望である。特に AlGaN 系材料は①量子井戸からの紫外高効率発光が可能である、②ワ
イドバンドギャップ領域で p、n 型半導体の形成が可能である、③材料が硬く素子寿命が長い、④砒素フリーであり無害である、等の条件を満たしているため、実用可能な紫外発光素子を実現する材料として現在最有力と考えられる。
近年、紫外 LED・LD の短波長化と高効率化に向けて激しい開発競争が行われている 4-8)。図 1.5.2.2 に最近報告されている窒化物紫外 LED の室温動作における外部量子効率をまとめて示す。青色 LED では 40%を越える外部量子効率がすでに報告されているが、365nm の紫外でも、2004 年には、日亜化学によって、1W 程
度の高出力 InGaN-LED が実現され、外部量子効率も室温 CW 動作で 26%、パルス動作では 44%となった 4)。
しかし、360nm より短い波長域では、発光効率は急激に低くなり、数%程度の外部量子効率しか得られないのが現状である。したがって、今後は、この短波域における LED の高効率化が大きな課題である。

－59－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

発光層：AlGaN

半導体深紫外光源の応用分野
必要波長：260-340nm（蛍光帯の吸収）

白色蛍光体
電源装置

UV-LEDアレイ

深紫外光源(300～350nm)

蛍光灯に置き換わる光源

細胞組織

癌細胞等

複数の色素を用いて病巣部位を選別可能

その他の
応用分野：

波長 UV-LD～250nm

高密度化

集光
スポット

レーザーの短波超化→高密度化

深紫用DVD

酸化チタン（光触媒反応）

公害汚染物質（汚水）
汚染物質：
ダイオキシン、PCB、農薬、
環境ホルモン、有機塩素系化合物等

UV-LEDアレイ
260-320nm（浄化水）
・湖水・河川・大洋の浄化
・土壌・大気の浄化
・産業排水の浄化●各種光情報センシングﾞ（蛍光分析、●自動車排気ガスの高速表面分析、紫外線センサー等）
浄化（無公害車）●殺菌、家庭用空気清浄機 ●化学工業。生化学産業

図 1.5.2.1 紫外 LED・LD の今後の応用分野

外部量子効率（％）

高輝度白色光高効率：～40％
長寿命：数十年

InGaN

50
CW動作
パルス動作

40

日亜(2003)
EQE=26%@365nm30
20

USC(2005) USC(2005)
EQE=0.64% EQE=2.8%@280nm@265nmNTT(2002)
EQE=2.2%@350nm

10
0

250

300
350
波長(nm)

400

図 1.5.2.2 窒化物紫外 LED の室温動作における外部量子効率(2) 紫外 LED 高効率化・短波長化の問題点と解決策
360nm より短波域で紫外 LED の高効率化が難しい理由は次のようにまとめられる。
①AlGaN 発光層の発光強度が貫通転位密度に大きく依存する。
②AlGaN の p 型ドーピングが難しい。
③大きな紫外吸収が起こるため GaN 基板技術が使えない。
高品質 AlN 単結晶基板、
低貫通転位密度 AlGaN
が開発途上である。
したがって、360nm より短波の高効率窒化物発光素子を実現するためには、従来の GaN/InGaN 系技術に代わって、新たに AlGaN に基づくデバイス技術の開拓が必要で、ワイドバンドギャップ AlGaN の紫外高効率発光と p 型ドーピングの実現、紫外光の取り出し効率と素子冷却の改善等が特に重要となる。
サファイア基板上に作製した通常の AlGaN バッファー層では、貫通転移密度が 109～1010cm-2 の高密度となり、その上に AlGaN 量子井戸層を作製した場合、高効率発光を得ることが難しい。AlGaN 系発光層を用
い紫外高効率 LED を実現するためには、貫通転位密度を 1×107cm-2 程度に抑える必要がある。したがって、
AlGaN 発光層を用いた場合には、AlN 単結晶基板、あるいは ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth)法等を用いて形成した高品質・低貫通転位 AlGaN バッファーの使用が有効であると考えられる。
より汎用性を考え、低価格・量産型・高効率紫外 LED を実現するためには、InGaN のように、貫通転位があってもよく光る紫外発光材料が有用である。InAlGaN4 元混晶は、Al 組成を含むためワイドバンドギャップであり、また In 混入効果により、貫通転位がある場合でも室温高効率発光が可能で、紫外 LED の発光層として大変魅力的である 2,3) 。これまでに、高品質 InAlGaN 混晶の成長条件 9,10) 、量子井戸からの280-380nm 紫外高輝度発光 3)が報告されている。貫通転位密度が高い場合でも、40%以上の内部量子効率が得られ、305-370nm 帯 LED が実現されている。また 350nm 帯 LED では、AlGaN を用いた場合より優れた効率が得られている 8)。したがって、InAlGaN の利用は、波長 280-380nm 帯の汎用型（安価・量産型）
高効率紫外 LED を実現する上で魅力的である。

－60－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
窒化物紫外 LED の短波長化におけるもうひとつの大きな問題は、p 型 AlGaN の実現の難しさである。p型 AlGaN の Al 組成比が高くなると、アクセプタの活性化エネルギーが大きくなり、高濃度 p 型化が得られにくくなる。現在のところ、Al 組成 30-40%程度までは、Mg ドープ AlGaN で p 型化が確認できており、波長 300nm 帯の LED への電流注入か可能である。しかし、それ以上高い Al 組成では p 型化が難しく、
250-300nm の LED に成功しているグループはまだ世界的のいくつかのグループにとどまっている。今後、
高 Al 組成 AlGaN の p 型化のための新手法の開拓が強く望まれる。
最近、アメリカの研究グループによって、250-300nm 帯の短波 LED が実現され注目を集めている 6,7)。サ
ウスカロライナ大学の Khan らはサファイア上の AlGaN 量子井戸 LED 構造によって 250nm 帯 LED を実現した 6)。255nm 付近まで CW 動作を達成しており、280nm では室温 CW 動作で 2.8%の外部量子効率を得ている。彼らは、フリップチップ構造を用い基板の裏面から紫外光を出射させることにより、高効率紫外光取り出しと効率的な基板冷却とを同時に実現している。しかし、理想に近い光取り出しや素子冷却構造を用いても効率が数%程度であり、まだ多くの課題が残されている。
本節ではこれらの前置きを踏まえ、InAlGaN 混晶を用いた紫外高効率発光の実現、p 型 AlGaN の現状、
ならびにそれらを用いた紫外 LED について紹介し、最後に紫外 LED の今後の展望について述べる。
(3) InAlGaN4 元混晶の紫外発光特性と p 型 AlGaN の現状
AlGaN に In を数%混入することにより、貫通転位密度が高い場合においても室温において紫外高効率発光が得られることが明らかにされてきた 9,10)。In 混入の効果として、In の組成変調により電子・ホールが局在化し、転位等の結晶欠陥にトラップされる前に発光再結合するため、貫通転位密度が高くても高効率発光が得られると考えられる。また、In 導入における点欠陥等の低減による発光特性の改善も最近示唆されている。
図 1.5.2.3 に、様々に組成を変えて作製した InAlGaN4 元混晶、ならびに InGaN 量子井戸の室温フォトル
ミネッセンス（PL)スペクトルを示す。室温において InAlGaN 量子井戸は強く発光し、280-380nm の広い
紫外波長範囲で高輝度発光が得られている。特に波長 320-350nm 付近で、InGaN 量子井戸からの青色発光と同等の発光効率が得られている。これらの量子井戸は貫通転位密度が 1×1010cm-2 程度と高いにもかかわらず、室温で高輝度発光する。InAlGaN4 元混晶における In の組成変調は、カソードルミネッセンス(CL)像の発光の空間的揺らぎから観測されている 9)。最近の研究で、InAlGaN 量子井戸の内部量子効率は、貫通転位密度の高い基板上においても、室温において 40%以上が観測されている。これらの結果から、InAlGaN4
元混晶量子井戸は、波長 280～380nm 帯の紫外発光素子に有用であると考えられる。
図 1.5.2.4 に Mg ドープされた p 型 AlGaN のアルミニウム組成とホール効果測定により得られたホール濃度の関係を示す。Al 組成比 32%の Mg ドープ AlGaN において 2×1018cm-3 のホール濃度が実現されているが 11)、Al 組成比が 40%以上の場合、高濃度 p 型化の実現は難しい。

－61－
目次へもどる(d)1.5nm
(b)
1.4nm

(f)
2.8nm

-3

室温PL

1019

(c)2.1nm

ホール濃度 (cm )PL強度(arb. units)

光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(d)2.8nm

(a)
1.4nm

(e)
3.3
nm

1018

Mg-doped
AlxGa1-xN
on sapphire1017

ホール効果測定
1016
0

250

300

350
400
波長 (nm)450

図 1.5.2.3 In(Al)GaN 量子井戸の室温フォトルミネ
ッセンス（PL）。(a)-(e)は InAlGaN/ InAlGaN 量子井戸、(f)は InGaN/InGaN 量子井戸

0.1
0.2
0.3
0.4
p-AlxGa1-xNのAl組成 x

図 1.5.2.4 p-AlGaN のアルミニウム組成とホール濃度の関係(4) InAlGaN4 元混晶を用いた紫外高輝度 LED
図 1.5.2.5 に、InAlGaN を発光層に用いた波長 310nm 帯の紫外 LED の構造、及びその動作スペクトルを示す 2)。LED 構造は、サファイア基板上の Al 混晶比 47%の n-AlGaN 層、InAlGaN 発光層、Al 混晶比 53%の p-AlGaN 層、及び、p-GaN コンタクト層からなる。p-AlGaN 層の成長は、交互ガス供給法を用いて行なった。注入電流が高い領域ではほぼシングルピーク発光が得られ、紫外出力は 308nm、314nmLED においてそれぞれ 0.4mW、0.8mW が得られた。いずれの LED も外部量子効率は 0.1%程度と小さいが、今後、p層の高濃度化と量子井戸発光層の適用により高効率化すると考えられる。

Al0.53Ga0.47N;Mg(300nm)InxAlyGa1-x-yN
Emitting Layer
Sapphire Subs.

n-Al0.47Ga0.53N;Si
Buffer (1.6μm)
LT-AlN

InAlGaN-LED(λ=314nm)
EL強度 (arb. units)

Ni/Au

Pd/Au Electrode
GaN;Mg Cap

260mA(出力=0.8mW)
200mA
150mA

室温
パルス
100mA 動作(20KHz,
10μsec)UV Output

300400
波長 (nm)500

図 1.5.2.5 InAlGaN を発光層とする波長 310nm 帯紫外 LED の構造と動作スペクトル
貫通転位の影響を除去し高効率 LED を実現する目的で作製された、高品質 GaN 基板上 InAlGaN4 元混
晶 LED を紹介する 8)。図 1.5.2.6 に LED 構造と室温における電流-光出力（I-L）特性、外部量子効率を示す。

－62－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
LED 構造は、GaN 基板上の n-GaN 層、InGaN クラック防止層、Al 組成 18%の n-AlGaN 層、InAlGaN/InAlGaN2 層量子井戸発光層、Al 組成 28%の p-AlGaN 電子ブロック層、及び p-AlGaN/AlGaN
超格子層からなる。表面に Ni/Au 半透明電極、裏面に Ti/Al 電極を形成し LED 構造とした。p-AlGaN/AlGaN
超格子層の代わりに Al 組成比 18%の p-AlGaN バルク層を用いた LED も作製した。基板は、住友電工社製の GaN 基板（貫通転位密度は 1×106cm-2 以下）を使用した。発光波長は約 352nm、発光半値幅は約 9nm

In0.02Al0.22Ga0.76N

GaN Sub.

In0.02Al0.09Ga0.89N Well/
In0.02Al0.22Ga0.76N Barrier
2-Layer MQW
In0.05Al0.24Ga0.71N
Al0.18Ga0.82N；Si
In0.04Ga0.96N

8

InAlGaN-QW LEDs
on GaN Substrates

6

λ=351.7nm
with
p-AlGaNSLs
λ=352.2nm
with bulk
p-AlGaN420.5

室温CW動作GaN；Si
Ti/Al Electrode1
外部量子効率 (%)

Ni/Au Electrode(Semitransparent)
Al0.24Ga0.76N/
Al0.17Ga0.83N;Mg SLs
Al0.27Ga0.73N
Electron Blocking Layer

UV出力 (mW)であった。電流 100mA 注入時の印加電圧は約 4.4V であった。

00100 200 300 400
電流 (mA)

λ=351.7nm
with p-AlGaN
SLs

λ=352.2nm
with bulk p-AlGaN

室温CW動作

0
0

100
200
電流 (mA)300

図 1.5.2.6 GaN 基板上 InAlGaN-LED の構造、電流-光出力（I-L）特性と外部量子効率
最大出力は、電流 400mA 注入時 7.4mW が得られた。電流 100mA 注入時の出力は、p-AlGaN/AlGaN 超
格子層を用いた LED で 3.9mW が得られた。この出力は、GaN 基板上に作製した AlGaN 量子井戸 350nm
帯 LED の値（100mA 注入時 3.0mW）5)を上回っている。外部量子効率では、350nm 帯表面出射型 LED における最高値（1.1%）が得られ、InAlGaN4 元混晶 LED は AlGaN 系 LED に比べ、効率において優れていることが明らかになった。さらに、最近、貫通転位密度が高い場合でも、GaN 基板上 AlGaN-LED よりも高い効率が得られている。外部量子効率が 1%程度に留まっている理由は、GaN 基板での紫外光吸収のため取り出し効率が低いことが原因である。取り出し効率は、GaN フリー構造を用い、紫外光を基板の裏面から取り出すことにより飛躍的に増加すると考えられる。
(5) まとめと今後の展望
AlGaN をベースとした紫外 LED の最近の動向について簡単に述べ、高効率化と短波長化の問題点について議論した。InAlGaN 混晶は、In 混入効果によって 280-380nm において室温高輝度発光が得られることを示した。InAlGaN 発光層を用いた 310nm 帯ならびに 350nm 帯 LED について紹介した。高品質 GaN 基板
上紫外 LED では、波長 352nm において 7.4mW の CW 出力が得られ、また、上面出射 350nm 帯 LED としては最高の外部量子効率が実現され、AlGaN 系発光層に対する InAlGaN 系発光層の優位性が示された。
InAlGaN は、貫通転位密度が高い場合でも高効率発光が可能であるため、今後、量産型・低価格紫外 LEDの発光層として利用価値が高いと考えられる。AlGaN の p 型化については、現在のところ Al 組成 30%程度－63－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）まで可能でありそれにより波長 300nm 帯 LED への電流注入は可能である。今後、高 Al 組成 AlGaN の p型化のための新手法の開拓が強く望まれる。一方、より短波（＜260nm）の AlGaN 系 LED では In 混入効
果が十分に期待できないため、高品質 AlN 単結晶基板等の導入が必要になると考えられる。
（平山 秀樹）参考文献(1) A. Zukauskas, M. S. Shue, and R. Gaska, Introduction to solid-State Lighting (Wiley and Sons, NY
2002) and references therein.
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(8) H. Hirayama et al, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L1241 (2004).
(9) H. Hirayama et al, Appl. Phys. Lett. 80, 207 (2002).
(10) H. Hirayama et al, Appl. Phys. Lett. 80, 1589 (2002).
(11) T. Obata et al, Phys. Stat. Sol. (a), 201, 2803 (2004)

1.5.3 非極性・半極性 GaN 系エピ成長(1) はじめに青色・緑色発光ダイオードおよびバックライトや照明用途として重要な白色発光ダイオードは、InGaN 量
子井戸を活性層に用いて形成されている。GaN や AlGaN を含む III 族窒化物半導体は、旧来の立方晶閃亜
鉛鉱構造(Al,In,Ga)(As,P)系材料と異なり六方晶ウルツ鉱構造(対称性Ｃ６Ｖ)の化合物半導体であり、c 軸方向に一軸異方性を持つ分極物質である。このため、通常の c 面成長ヘテロ接合を形成した場合、双方の材料の自発分極差によって、また、歪量子井戸を形成した場合には圧電分極も加わってヘテロ界面に固定電荷が残るため、量子井戸面に垂直な c 軸方向に大きな分極電場が発生する 1-3)。この内部電場は、図 1.5.3.1 に示すように量子井戸のバンドプロファイルを変調し、井戸内の電子と正孔は①井戸の反対側に分離し、②波動関数も非対称となるため遷移の選択則も守られなくなる。また、③電子－正孔のポテンシャル差も電場が無い
場合に比べて低くなるため、発光エネルギーが減少する。これらの量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)は
InGaN 量子井戸の発光特性に多大な影響を与える。すなわち、①輻射寿命の増加による室温発光強度（効率）の低下、②吸収端のブロードニング、③発光ピークの低エネルギーシフトと、電流密度（励起強度）増加にともなう内部電場のクーロン遮蔽による発光ピークエネルギーの回復（すなわち LED としてみれば短波長シフト）など、LED の特性としてふさわしくない特性を誘発する。特に、井戸層の InN モル分率を増加させた場合に顕著となり、緑色よりも長波長領域での発光効率低下の原因となる。これを抑制して高効率化を図る手段として、障壁層ないしは井戸層に不純物をドープして分極電場を一部遮蔽しておく方法があるが、固定電荷は界面に残存するため完全に電場を遮蔽することはできない。一方、量子井戸面に垂直な内部電場－64－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を抜本的に無くす手法として、非極性・半極性面の LED への応用が提案されている 4)。
GaNバリア層

Ga-face growth

WURTZITE

InGaN井戸層

surfacecompressive[0001]

PSP
PSP

伝導帯
PPE

piezoelectric

電子の波動関数PSP
relaxed

-

0
C/m2

C6v4

spontaneous

分極による
固定電荷

+
+
+

surfaceGaNtensile

PSP
PSP

-

正孔の波動関数

価電子帯

PPE -σ+σstrain[0001]

PSP

圧電分極電場
自発分極電場relaxed

図 1.5.3.1 c 軸配向(III 族面)六方晶窒化物半導体へテロ構造における自発分極(spontaneous polarization)と圧電分極(piezoelectric polarization)による界面固定電荷の蓄積に関する模式図。左から原子配列、分極方向、界面電荷密度、変調された InGaN 量子井戸のバンド構造。
(2) 非極性・半極性面成長 GaN、AlGaN、InGaN__、(1100)面（m 面）に歪量子井戸を形成した場合
図 1.5.3.2 に示すように、六方晶 GaN の(1120)面（a 面）には、これらの面が分極軸（c 軸）と平行であるため量子井戸に垂直な分極電場は発生しない。このため、(1)で述べた QCSE の影響を受けなくなる。a 面および m 面窒化物の成長はここ数年で活発になり、成長面
内に c 軸と m 軸ないしは a 軸が垂直の関係で存在することによる偏光特性や、異方性歪みによる励起子遷移エネルギーの変化などが報告された 4-6)。しかしながら、a 面や m 面 GaN の成長は容易ではなく、c 面が成長面に垂直となることから貫通転位に加え積層欠陥密度が高いのが特徴であったため 7)、横方向成長(LEO)
技術を用いて低構造欠陥密度化が行われてきた 8)。

nonpolar faces

polar face
六方晶
(ウルツ鉱)[0001][1120][1120]

立方晶(閃亜鉛鉱)

六方晶 (ウルツ鉱)[0001][1010][1010][0001]

[001]

[010]

[1120][100][1010]

図 1.5.3.2 極性面、非極性面六方晶および立方晶窒化物半導体の成長面模式図。非極性の a 面、m 面結晶には、成長軸方向には分極は発生しない。立方晶には自発分極は無く、圧電分極は[111]方向に発生するので(001)
面の井戸では影響は無い（GaAs 等の III-V 化合物と同じ）。
非極性面上の量子井戸構造形成技術も徐々に進歩しており、
m 面 InGaN/GaN 量子井戸の報告例 9) 同様に、
図 1.5.3.3 に示すように a 面の AlGaN/GaN 量子井戸構造 10)や InGaN / GaN 量子井戸 LED11) において分極
電場効果の無い事が、量子サイズ効果のみによる発光ピークエネルギーシフトと時間分解 PL 寿命の井戸厚
依存性 12)、および電流密度の変化に対する EL 発光ピークエネルギーのシフトが殆ど無いこと 13)などから示
_ _

_ _

井戸に垂直な分極が非常に弱くなる「半極性面」
成長 InGaN/GaNされた。
また、(1011)面や(1013)面といった、－65－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
多重量子井戸 LED においても電流密度増加に対する発光ピークエネルギーシフトが小さいこと、外部量子効率の飽和する電流密度が比較的高いことなどが報告されている 14)。

Al0.16Ga0.84N/GaN
Al0.2Ga0.8N/GaN

3.56
3.52

輻射再結合寿命 (ns)

PLピークエネルギー (eV)

3.60

293K

on (1120) GaN

3.48
3.44
3.40

on (1120) LEO-GaN
0

2

4
6
8
GaN 井戸幅 (nm)InGaN/GaN LED on (1120) GaN

AlGaN/GaN on (1120) GaN

AlGaN/GaN on (1120) GaN

108K
F=350kV/cm(0001)Al0.15Ga0.85N/GaN
QW

103

on (1120) GaN

100

on (1120) LEO-GaN
0

2

4

6

8

10

GaN 井戸幅 (nm)

(a)

(b)

(c)

図 1.5.3.3 (a) a 面 GaN 上 AlGaN/GaN 多重量子井戸の室温 PL ピークエネルギーおよび(b)8K における輻射
再結合寿命の GaN 井戸厚依存性 12)。(a)図の連続曲線は、シュレーディンガー方程式による GaN 井戸の遷
移エネルギーの計算値を示している。(c)a 面 InGaN/GaN LED の発光スペクトルの電流値依存性と発光写真。
10-200mA で発光ピークは殆ど変化しない 13)。
(3) まとめ
現在のところ、a 面 InGaN/GaN 多重量子井戸の室温における積分発光強度を低温のそれで割った発光内部量子効率に相当する値は、2.92eV で 25%、2.60eV で 17%程度に留まっているが、今後の結晶成長技術の進展による、低非輻射再結合中心密度化による発光効率の改善が期待される。
（秩父 重英）参考文献(1) T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano, and I. Akasaki,"Quantum-Confined Stark Effect due to piezoelectric fields in GaInN strained quantum wells," Jpn
J. Appl. Phys. 36 (1997) L382.
(2) S. Chichibu, T. Azuhata, T. Sota and S. Nakamura, "Spontaneous emission of localized excitons in
InGaN single and multiquantum well structures," Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 4188.
(3) F. Bernardini and V. Fiorentini, "Macroscopic polarization and band offsets at nitride
heterojunctions," Phys. Rev. B 57 (1998) R9427.
(4) えば P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menniger, M. Ramsteiner, M. Reiche,
and K. H. Ploog, "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting
diodes," Nature 406 (2000) 865-868. など。
(5) Domen, K. Horino, A. Kuramata, and T. Tanahashi, "Optical gain for wurtzite GaN withanisotropic strain in c plane," Appl. Phys. Lett. 70 (1997) 987.
(6) Y. Sun, O. Brandt, M. Ramsteiner, T. Grahn, and K. H. Ploog, "Polarization anisotropy of thephotoluminescence of M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells," Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3850.
(7) M. D. Craven, S. H. Lim, F. Wu, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, "Structural characterization of－66－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）__

nonpolar (1120) a-plane GaN thin films grown on (1012) r-plane sapphire," Appl. Phys. Lett. 81(2002) 469.
(8) B. A. Haskell, F. Wu, M. D. Craven, S. Matsuda, P. T. Fini, T. Fujii, K. Fujito, S. P. DenBaars, J. S.
_

Speck, and S. Nakamura, "Defect reduction in (1120) a-plane gallium nitride via lateral epitaxial
overgrowth by hydride vapor-phase epitaxy," Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 644.
(9) Y. J. Sun, O. Brandt, B. Jenichen, and K. H. Ploog, "In surface segregation in M-plane(In,Ga)N/GaN multiple quantum well structures," Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 5178.
(10) M. D. Craven, S. H. Lim, F. Wu, J. S. Speck, and S. P. DenBaars, "Well-width dependence ofphotoluminescence emission from a-plane GaN/AlGaN multiple quantum wells," Appl. Phys. Lett.
84 (2004) 496.
(11) A. Chakraborty, S. Keller, C. Meier, B. A. Haskell, S. Keller, P. Waltereit, S. P. DenBaars, S. Nakamura,
J. S. Speck, and U. K. Mishra, "Properties of nonpolar a-plane InGaN/GaN multiple quantum wells
grown on lateral epitaxially overgrown a-plane GaN," Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 031901.
(12) T. Koida, S. F. Chichibu, T. Sota, M. D. Craven, B. A. Haskell, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S.
_

Nakamura, "Improved quantum efficiency in nonpolar (1120) AlGaN/GaN quantum wells grown on
GaN prepared by lateral epitaxial overgrowth," Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3768.
(13) A. Chakraborty, B. A. Haskell, S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura, and U. K. Mishra,"Nonpolar InGaN/GaN emitters on reduced-defect lateral epitaxially overgrown a-plane GaN withdrive-current-independent electroluminescence emission peak," Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 5143.
(14) A. Chakraborty, T. J. Baker, B. A. Haskell, F. Wu, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura, and U.
K. Mishra, "Milliwatt Power Blue InGaN/GaN Light-Emitting Diodes on Semipolar GaN
Templates," Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) L945.

1.5.4 GaN 系材料の低温堆積(1) はじめに
III-V 窒化物半導体の応用の裾野を広げるために GaN を中心とした材料の低温堆積が検討されている。これまでにプラズマ化学気相堆積法(CVD)法により低温堆積された GaN 薄膜を利用した紫外ディテクタが市販されている 1)。CVD により窒化ガリウム(GaN)を金属基板またはガラス基板に堆積させる方法 1,2)、分子線エピタキシー(MBE)技術により堆積させる方法 3)やパルス・レーザ堆積(PLD)4)、スパッタ技術 5)を用いる
方法などが研究されている。ここでは、MBE 法を用いた方法に焦点をあてて報告する。
(2) 低温堆積の利点と問題点
III-V 窒化物半導体の代表的材料である GaN にて考える。通常、有機金属気相堆積法(MOCVD)によって薄膜を製作し、発光ダイオード(LED)などの発光素子を製作する 6)。この際に 1000℃程度の高温が必要となる。現状では基板にはサファイアなどの基板を使用するので、ヘテロエピタキシの宿命である熱膨張係数差の影響を多大に受ける。発光素子に使用される GaN は六方晶構造を有しており、自発分極および熱膨張係数差により生じる結晶歪みからピエゾ電界の影響を受ける。また、シリコン(Si)基板上の場合のように熱膨－67－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
張係数差による応力が引っ張り方向である場合には、製作した薄膜にクラックが生じる場合もある。
低温堆積した GaN は、この熱膨張係数差により生じる歪みを低減できる。また、プロセスに高温を使用しないことで、基板に使用できる材料の選択幅が広がる。プロセス自体のコストも低減できると考える。
一方、GaN 薄膜の低温成長では原子のマイグレーションが十分に行われるように工夫をしないと単結晶化が難しい。
(3) 多結晶・アモルファス GaN 薄膜の可能性
ガラス基板、金属基板上に形成される多結晶もしくはアモルファス GaN 薄膜の製作が研究されている。
そもそもサファイア基板上の GaN 系発光デバイスは、近年こそ高品質薄膜が実現され、高輝度発光ダイオ
ード、400nm 帯半導体レーザダイオード、紫外発光ダイオードの実現に大きく寄与しているが、1990 年代、
発光素子開発初期は貫通転移密度が 1010cm-2 程度の非常に品質が劣る薄膜を利用して青色発光ダイオードが実現していた。冗談半分で、GaN 系薄膜はセラミック半導体などとの声が聞かれた。逆に言うと、GaN 系
窒化物半導体は「欠陥に強く、発光させやすい」材料である可能性が高い。多結晶・アモルファス GaN 薄膜は、粒界、ダングリングボンド(未結合手)を有しているが、低コスト発光素子への応用が期待できる。
(4) GaN 系発光素子を利用したフラット・ディスプレイ・パネルにむけて
現在、GaN 系 LED を用いた屋外用大型フラット・ディスプレイ・パネル(FDP)は、実用化されている。
特に GaN 系 LED の有する高輝度な発光特性は、非常に顕著である。各家庭で使用されうる小型 FDP も数々の候補が検討され、商品化が行われているが、GaN 系発光素子を利用した FDP もその候補である。図 1.5.4.1に 2005 年度７月に Yahoo インターネットショッピングに掲載されていたディスプレイ価格から計算したディスプレイサイズと 1 インチあたりの価格を示す。
普及型 FDP の代表である液晶ディスプレイを考えると、近い将来 1 インチあたり、2000 円を大きく割り込む値段になるであろう。もし、現在市販化されている GaN系 LED を使用したと考えると、1024x768 ピクセルを想定すると 800 万円以上の値段がはじき出される。
(2005 年夏、秋葉原で 1 つ 10 円であった。) このことは、GaN 系発光素子の 1 ピクセル(発光素子)あたりのCost of display per inch ($)

値段を 100 分の 1 以下に抑えることが必要となる。

図 1.5.4.1 ディスプレイサイズと 1 インチあたりの価格ブラウン管(CRT)、液晶(LCD)、プラズマ(PDP)の結果を示す。斜線は、家庭用普及型のサイズレンジを示す。

－68－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ディスプレイを遠からず目的とした GaN 系低価格発光素子の研究はすでに数々の研究機関より報告されている。米国シンシナティ大学の研究グループでは Si 基板上に MBE 法により製作した希土類ドープ GaN
薄膜／ITO 電極の薄膜より、電流注入により RGB３原色発光を得ている 7)。また、富士ゼロックスのグループよりリモートプラズマ CVD 法によりガラス基板上に製作した p-GaN 薄膜と ITO 電極を利用した発光素子が報告されている 8)。また、２重絶縁構造を利用した GaN 系エレクトロルミネッセンス(EL)素子も報告されている 9)。このように、層数の少ない単純な構造の発光素子によりピクセルのコストが下げられる可能性が高い。
(5) 化合物原料分子線エピタキシ法(CS-MBE)による GaN 薄膜の低温堆積
MBE 法による GaN 薄膜の製作は室温堆積の実現が報告されているが 10)、発光特性が報告されていない。
上記したように、室温までゆかなくても、基板温度を低温とした堆積は、熱膨張係数差による歪みの低減、
基板選択の自由度の増大などのメリットが考えられる。高温成長は元来、Ga と N が反応し、GaN が生成されるのに熱エネルギーが必要なためである。MBE 成長は、Ga 金属とアンモニアを供給原料とした場合、基板表面で触媒反応を起こし、低温で反応することが報告されている 11)。このことから GaN 薄膜低温堆積には MBE 法は有望である。MBE 法によりさらに低温堆積を行うためには、原料供給法を考慮する必要がある。Ga 原子と N 原子の反応に熱エネルギーが必要ならば、Ga と N の結合を保ったまま基板に原料供給す
れば低温成長できるのではないかと始められたのが GaN を原料とする化合物分子線堆積法である。この方法は、II-VI 族緑色半導体レーザの製作で導入された実績があり 12)、化合物中に含まれる陽イオン、陰イオ
ンをともに基板に供給できる。GaN の昇華に関しては、未知の部分が多い。しかしながら、800℃程度以上GaNに昇温すると Ga と N への分解が起こると同時に GaN の昇華が起こるのではないかとの報告がある 13)。
化合物を供給原料とし、追加の窒素原料を供給しなくても GaN の結晶成長が可能であることからも明らかである 14)。ただし、分子線がどのような組成であるかなどについては今後の研究を待ちたい。この CS-MBE法を用いた Al 基板上紫外発光 EL 素子も報告されている。素子構造模式図および発光の様子を図 1.5.4.2 に示す。

図 1.5.4.2 低温堆積 GaN 薄膜を用いた EL 素子の構造と発光の様子.
(6) 今後の展開
GaN 薄膜の低温堆積について１部ながらも最近の進展について記述した。GaN という材料応用の裾野を広げるには、均一な AlGaInN 混晶の低温堆積、伝導性の十分な制御などの研究進展が必要である。発光素－69－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
子では、コストと発光効率の兼ね合いが非常に検討を進める必要があろう。
（本田 徹）

参考文献(1) S. Yagi, Jpn. J. Appl. Phys., 38, L792 (1999).
(2) S. Kato, Y. Yamada and T. Taguchi, J. Cryst. Gowth, 189/190, 223 (1998).
(3) たとえば、 K. Iwata, H. Asahi, K. Asami, A. Ishida, R. Kurosawa, H. Tampo, S. Gonda and S.
Chichibu, J. Cryst. Growth, 189/190, 218 (1998).
(4) A. Kobayashi, H. Fujioka, J. Ohta and M. Oshima, Jpn. J. Appl. Phys., 43, L53 (2004).
(5) P. K. Song, E. Yoshida, Y. Sato, K. H. Kim and Y. Shigesato, Jpn. J. Appl. Phys., 43, L164 (2004).
(6) I. Akasaki and H. Amano, Jpn. J. Appl. Phys., 36, 5393 (1997).
(7) A. J. Steckl, J. Heikenfeld, D. S. Lee, M. J. Garter, C. Baker, Y. Wang and R. Jones, IEEE JSTQE, 8,
749 (2002).
(8) S. Yagi, S. Suzuki and T. Iwanaga, Jpn. J. Appl. Phys., 40, L1349 (2001).
(9) T. Honda, Y. Inao, K. Konno, K. Mineo, S. Kumabe and H. Kawanishi, Phys. Stat. Sol. (a), 192, 461(2002).
(10) M. Kuball, H. Mokhtari, D. Cherns, J. Lu and D. I. Westwood, Jpn. J. Appl. Phys., 39, 4753 (2000).
(11) M. Kamp, M. Mayer, A. Pelezmann and K. J. Ebeling, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 449, 191 (1997).
(12) K. Ohkawa, A. Tsujimura, T. Nishikawa, S. Yoshii, T. Yokogawa, M. Kubo and Y. Sasai, J. Cryst.
Growth, 159, 632 (1996).
(13) K. Nishino and S. Sakai, Gallium Nitride and Related Semiconductors, edited by J. H. Edgar, S.
Stride, I. Akasaki, H. Amano and C. Wetzel (INSPEC, London, 1999) p.367.
(14) T. Honda, Y. Aoki, M. Akiyama, N. Obinata, S. Egawa and H. Kawanishi, J. Vac. Sci, Technol., (B)23, 1795 (2005).

－70－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

1.6 おわりに
本章では光材料・デバイスの最新技術動向について、テラヘルツ域、中赤外域、近赤外域、可視～紫外域を調査した。表 1.6.1 は私見であるが各波長域での課題である。波長域の両端にある紫外とテラヘルツ～中赤外は実現可能な波長領域が拡大しつつある。また窒化物については、短波長化だけでなく長波長化も検討されている。一方、波長が固定されている領域では高速化、高集積化、高出力化、長距離化など課題は個々に異なるが、低コスト化は共通の課題になっていると感じた。以下、各調査分野について、簡単に述べる。
表1.6.1
波長域

課題

テラヘルツ
～中赤外線

高出力化
小型化

近赤外線
（通信系）

高速化
高集積化
長距離化
波長可変幅増大
低コスト化

可視光線（窒化物系）

長波長化（青⇒緑色）
低コスト化

紫外線

短波長化
高出力化

テラヘルツ域
テラヘルツ域は電波のように物質中を透過する性質と光のように集光や反射する性質とがあり、イメージング用光源としは電波より波長が短いため空間分解能が高い。このため、セキュリテイや検査装置、医療、農業、美容など、さまざまな応用分野への展開が考えられている。また空間伝送用の周波数帯としては、高周波の無線通信（赤外の光通信）として着目されており、電波（ミリ波）からの高周波化と光波（中・遠赤外）からの長波長化のどちらもが進展している。ただし光源の出力としては、光波、電波ともテラヘルツ域
では弱くなっている。また実際の製品化を考えた場合、高出力化、小型化、高温動作化、低消費電力化など多くの課題があるが、今後の展開が大いに期待されている波長域である。

中赤外域
中赤外域にはガス種の吸収線が多いため、大気中の環境ガス計測用光源として着目されている。この波長域の光源として半導体レーザでは量子カスケード型レーザがあり、光学結晶を用いた装置としてはパラメト
リック発振器がある。従来のパラメトリック発振器は大型で変換効率の低い物であったが、最近は小型で変換効率が高く、多くのガス種を計測するために波長可変幅の非常に広い光源（ex. 4.8～8.5μm）が実現されるようになっている。

－71－
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近赤外域
波長可変レーザとしては、DFB アレイ型、DBR 型、外部共振器型などがあり、波長可変幅や切り替え速
度は方式によって異なり、用途も現行光源の置き換えから将来のフォトニックネットワーク向けの光源まである。今後、デファクト化に向けて、研究開発が盛んになって行くと予想されるが、実用化にはコストが課題であると感じた。アンクールド光源としては、AlGaInAs 系活性層を用いた直接変調型レーザが多く、埋め込み型や短共振器化による駆動電流低減が実現されている。新ドーパントとしては、埋め込み型素子の高温・高速動作実現に向けた Ru ドープ InP が報告されている。新しい方式としては、直接変調時のチャーピ
ングを制御することによる長距離伝送が着目されている。ボード間、チップ間の光伝送について、ボード間では素子 1 個当たりの伝送速度は約 10Gbps であり、並列伝送が用いられている。チップ間では更なる高速化（例：20Gbps 以上）と高集積化が要求されており、研究開発ではボード間、チップ間とも Tbps クラスが実現されるようになった。
配線材料として、家庭内の光ファイバーでは誰でも容易に光配線工事ができる空孔アシスト型光ファイバー（仮称：曲げフリー光ファイバーコード）が報告されている。また光導波路でも曲げに強いフレキシブル
なフィルム状ポリマー光導波路が検討されている。フィルム状ポリマー光導波路は数～数十 cm の短距離間を伝送する場合、高密度化（アレイ化）や取り回しが容易であり、小型・低ノイズ・広帯域と言った点から情報機器への応用が期待されている。
新デバイスとしては、量子ドット、有機光デバイス、光パケットネットワーク用デバイスを取り上げた。
量子ドットデバイスについて、従来は作製方法や物性評価のみの研究的な要素が多かったが､最近は量子井戸レーザと同等の特性、および量子ドットの特徴を活かした広帯域光増幅器、高速光再生増幅器などが実現されるようになって来た。有機の光デバイスでは一般的に可視域のデバイスが多いが、発光デバイスや非線形光学素子において、赤外域での報告が有った。光パケットネットワークは将来的な技術と思っていたが、構成デバイスである超高速光スイッチデバイス、光ラベル識別デバイスなどにおいて進展が見られ、実用化を目指した開発も行われていた。以上の新デバイスについては、製品化や実用化に向けて、今後の進展を期待したい。

可視～紫外域405nm の光ディスク用光源では高出力化が進んでいる。研究レベルではインナーストライプ型構造において CW で 400mW、パルスで 600mW(duty 50%)、1W(duty 0.03%)が報告されており、現状の赤色 DVD 用
光源と同等の高出力化が実現されるようになって来た。短波長化については、280-380nm の 4 元 InGaAlN
混晶井戸層において、InGaN 井戸層と同等レベルの PL 強度が得られており、p 型化については、Al 組成
32%までの AlGaN おいて、2×1018cm－3 のホール濃度が実現されている。短波長化についてはアプリケー
ションが豊富であるため、今後も精力的な研究開発が継続すると考えられる。非極性・半極性面上の成長としては、(11-20)面（a 面）、(1-100)面（m 面）上の成長において分極電場効果が無いこと、もしくは非常に弱いことが実験的に確認されており、窒化物半導体による波長域の拡大が期待されている。また大幅な低コスト化については、要素技術として化合物原料分子線エピタキシ法による低温堆積化が検討されており、Al
基板上への紫外発光 EL 素子が報告されている。
最後に優れた調査報告を執筆していただいた外部執筆者および担当委員各位に厚く御礼申し上げる。
（土屋 朋信）－72－
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2. 光通信ネットワーク－73－
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2. 光通信ネットワーク
2.1 はじめに日本のブロードバンドネットワークでは、現在、世界で最も低廉な料金で高速アクセスサービスが提供されている。今後の次世代ネットワークでは、IP 電話、放送、インターネットさらには携帯電話など様々なネットワークサービスが融合し、高信頼かつ経済的に提供されることが期待されている。このようなマルチサ
ービスを、IP ネットワークに収容し、柔軟に統合する次世代ネットワークの実現には、光通信ネットワーク
技術は欠くことのできない技術であり、今後も持続的な発展が期待されている。
第２分科会では、上記のような背景の下で、今年度の光通信ネットワーク技術動向に関して、以下の９つの面から技術動向と国際標準化動向をまとめた。
１．基幹光伝送システム
２．アクセスネットワーク
３．フォトニックネットワーク
４．メトロネットワーク
５．ＬＡＮ・光インターコネクト
６．光ファイバ
７．量子暗号通信技術
８．宇宙空間光通信技術
９．国際標準化動向

基幹光伝送システム分野における実用面でのトピックとしては、40Gbit/sWDM 伝送システムの実用化開発が開始されたことが特筆される。また、基盤技術面でのトピックとしては、デジタル信号処理と、高速多値位相符号化方式など、種々の伝送技術検討が進んだ。光ファイバの伝送性能限界を克服や、既存のファイバを利用した経済的なシステムアップグレードを目的として、4 値差動位相変調方式(DQPSK)や種々デジタ
ル信号処理方式が提案され、伝送性能の飛躍的な向上に関する実験検討がすすんだ。また、80Gbit/s 以上の
電気多重技術を用いた高速光伝送の実現性も報告され、今後の技術動向が注目される。
アクセスネットワーク分野におけるトピックとしては、次世代アクセスシステムへ向けた技術動向として、
WDM-PON の技術検討が本格化した点が挙げられる。主要な光通信分野の国際会議でも WDM-PON に関するセッションができ、特に、加入者宅に配置する終端装置（ONU）を経済的に実現するために、“カラーレ
ス ONU”を用いた WDM アクセス方式に関して様々な検討、提案が進んだ。また、新しいブロードバンド
アクセス技術として、主に北米などを中心に注目されている WiMAX（Worldwide Interoperability for
Microwave Access）技術動向を取り上げた。ラストワンマイルの実現技術、さらには、次世代高速モバイル
アクセスの実現技術として、今後、光アクセス技術とどのように棲み分けがなされてゆくか注目される。
メトロネットワーク分野における実用面でのトピックとしては、昨年度にひきつづき、任意波長の分岐挿
入、ＮＷのプロビジョニングの迅速化を実現する ROADM（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer）の実用化が世界的に加速された点である。次世代技術としては、特に、MEMS 技術と Free-Space Optics 技－73－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
術の実用的な検討が進んだ。低挿入損失かつ、数十ボートの中規模から、数百ポートの大規模までスケーラブルな
光スイッチングノード技術として期待されている。なかでも波長選択スイッチ WSS (Wavelength Selective Switch)
は、波長多重信号を柔軟に、また、経済的にスイッチングできる可能性があり、その技術動向が注目される。
フォトニックネットワーク分野では、主に光ネットワークの制御技術を取り上げている。今年度の実用面
でのトピックとして、光ネットワーク制御技術として基本部分ほぼ完成しつつある GMPLS をベースに、データプレーンと制御プレーンを連携させた国内、国際間の相互接続実験が多数報告された点が挙げられる。
また、従来、L2 スイッチや IP/MPLS ルータを使って構築されていた ISP 間の相互接続点（IX：Internet
eXchange）を、OXC を使ったフォトニックネットワークで置き換えるフォトニック IX に関する検討が進んだ点も注目される。基盤技術フェーズのトピックとしては、光パケットスイッチ技術に関連して、多数の国家プロジェクトの成果報告があった。アーキテクチャの工夫により、従来の技術課題であった光メモリのメモリ容量を大幅に低減することで、大規模スイッチノードの高性能化・低電力小型化に応用しようとする試みであり、今後の技術動向が注目される。
LAN 技術における実用面でのトピックは、10G イーサ（10GbE）の普及に関連し、FDDI グレードのマ
ルチモードファイバにおいて 220m までの 10Gbit/s シリアル信号伝送を可能とする LRM 規格に関して、互換性テストが行われた点が挙げられる。10G クラスのインターコネクション技術に関しても、様々な標準化が進んだ。例えば、OIF(The Optical Internetworking Forum：第 2.10.5 章参照)では、高速電気インタフ
ェースに関して、6 Gbit/s から 11 Gbit/s のデータレートで、チップ間、チップと光モジュール間および電気バックプレーン接続を実現する CEI （Common Electrical Interface）規格の制定が進み、高速 LSIなどの低消費電力化、小型化を実現できるものと期待されている。一方、基盤技術面でのトピックとしては、学会レベルで 100Gbit/s イーサネットの物理層の実現技術に関する報告があった。まだ、IEEE などでの公式議論にはなっていないが、今後の動向が注目される。
光ファイバ分野での実用化フェーズのトピックは、昨年に引き続き、FTTH の普及を支える面での特性改善に関する進展である。ここ数年の低曲げ損失ファイバの流れに加えて、本年は、主にアナログ映像伝送に適したファイバとして、誘導ブリルアン散乱（SBS）の閾値を向上させた SBS 抑圧ファイバ関連の報告が多数なされた。また、ファイバの光学特性からだけではなく、心線構造自体からも取り扱い性を向上させるための動きがあった点が注目される。
本年度は、新規技術分野として、光通信技術の宇宙空間光通信への応用と、量子暗号通信技術の２分野をとりあげた。特に、今年度は、日本においては、光通信機器を搭載した国産衛星が 2005 年 8 月に打ち上げられ、欧州の衛星との間で光衛星間通信実験が成功した。国際的にも宇宙空間光通信は様々な動きがあり、
国際的な技術動向も含めた章を企画した。また、昨年に引き続き、量子暗号通信技術をとりあげ、様々なフィールド実験をふくむ実証実験の進展状況を中心に技術動向をとりあげた。
最後に、関連する標準化団体（ITU-T SG15、IEC (TC76/TC86) 、IETF、OIF、IEEE802.3）おける標準化動向について、今年度の進展を中心にまとめた。
次節以降より詳細な報告が、各分野の第一人者によって解説されている。ご一読いただきたい。
（宮本 裕）－74－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.2 基幹系光伝送システム
2.2.1 はじめに
基幹系伝送システムでは、記録をねらったような長距離大容量伝送に関する検討は完全に影を潜め、伝送システムの簡略化や既存伝送路を用いたアップグレード等を目的とした実用性を重視した検討が目立った。
光伝送システムの高性能化や簡略化を送受信器の変更で実現する変復調方式の検討においては、位相変調を用いた変調方式の検討がさらに進み、多値化した DQPSK（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）
方式の検討が目立った。
また、
従来の分散補償ファイバに代わる分散補償方式に関する検討も活発に行われ、送信側での予等化または位相共役だけで、80,000ps/nm 余りの分散等化を可能とした報告もあった。
一方、40Gbit/s システムの商用導入も現実的になってきており、その次の伝送速度に関する検討にも進展が見られた。特に電子回路の高速化による高速光信号の送受信技術には進展が見られ、80Gbit/s 以上の伝送速度に対応した ETDM（Electrical Time-Division-Multiplexing）送受信器に関する報告もあった。
2.2.2 変復調技術
光伝送システムの高性能化や簡略化を実現するための手段として、従来の強度変調方式に代わる変調方式への関心が高まっている。ここ数年は、遅延干渉系を用いて復調する DPSK（Differential Phase-Shift
Keying）方式を中心に検討されてきたが、さらに進んだ変復調技術についての検討が進展した。特に、情報伝送に用いる位相状態を DPSK 方式の 2 相から４相に増やして多値化した DQPSK（Differential
Quadrature Phase-Shift Keying）方式の検討が進み、DQPSK 光信号を用いた伝送実験に関する報告が多数あった 1-4)。DQPSK 方式の最大の利点は同一の伝送速度を得るためのシンボル速度を低減できることであり、これにより、信号スペクトル幅の狭窄化、各種伝送制限要因に対する耐力向上が得られると共に、光／電子部品の所要周波数帯域も低減できる。チャネル当りの伝送速度を 40Gbit/s とした長距離大容量伝送実験に関する報告では、RZ-DPSK 方式と RZ-DQPSK 方式の特性比較が行われ、RZ-DQPSK 方式は非線形位相雑音の累積の影響をより大きく受けるが、波長分散、PMD、光フィルタリングに対する耐力は大きくなることが示された 3)。また、DQPSK 光信号によるシンボル速度の低減の効果を伝送速度の高速化に利用する検討も進められ、DQPSK 光信号と光時分割多重（OTDM）、偏波多重を併用することで、単一チャネルの伝送速度としては最高となる 2.56Tbit/s 伝送実験も報告された 2)。さらに、DQPSK 方式を実現するために不可欠となるプリコーダに関する検討 5)や、DQPSK 光信号の両 Quadrature 成分を一括で復調するモジュールに関する検討 6)も進められ、DQPSK 方式を実用化するための課題も解決されてきている。
一方、高速 A/D 変換とデジタル信号処理技術を用いて PSK 光信号をコヒーレント受信する技術に関する検討も行われた。コヒーレント受信では、ローカル光の位相同期が非常に難しいが、位相ダイバーシティ受信器と高速 A/D 変換、デジタル信号処理技術を用いることで、ローカル光の位相同期を行わずにホモダイン
検波を可能とする方式が提案された 7）。本方式と偏波多重を併用することで、光通信では最高の 2.3bit/s/Hzの周波数利用効率を達成した報告もあった 8)。差動位相変調信号を遅延干渉系により復調する方式では、情報伝送に用いる位相状態を 8 相以上に増加することが難しいため、位相多値変調方式での多値度を増加するための技術としても本方式の今後の進展が期待される。

－75－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(a)位相ダイバーシティホモダイン受信器(b)位相推定 DSP 回路
図 2.2.2.1 コヒーレント受信方式（after D-S. Ly-Gagnon et al.7））
また、振幅変調と位相変調を併用した光多値変調方式に関する検討も進み、ベースレートを 40Gbit/s に高速化すると共に偏波多重を併用することで、単一チャネルでの伝送速度を 240Gbit/s とした伝送実験の報告もあった 9)。
その他に、周波数利用効率の向上を目指した新たな方式として、隣接波長多重チャネル間の位相状態を一定にすることで線形クロストークの影響を低減するコヒーレント WDM 方式が提案された 10)。本方式を用い、隣接チャネル間を同一偏波とした 43bit/s NRZ 信号伝送において、
帯域制限光フィルタを用いずに１bit/s/Hzの周波数利用効率が達成され、本方式の高密度波長多重伝送での有効性が示された 11)。

参考文献
(1) S. Jansen, D. van den Borne, C. Climent, M. Serbay, C.-J. Weiske, H. Suche, P. Krummrich, S.
Spalter, S. Calabro, H. Hecker-Denshlag, P. Leishing, W. Rosenkanz, W. Sohler, G. Kkoe, T. Koonen
and H. de Waardt, “10200km 22x2x10Gbit/s RZ-DQPSK dense WDM transmission without inline
dispersion compensation through optical phase conjugation,” Technical Digest of OFC2005, PDP28.
(2) H. Weber, S. Ferber, M. Kroh, C. Schmidt-Langhorst, R. Ludwig, V. Marembert, C. Boerner, C.
Schubert, F. Futami and S. Watanabe, “Single Channel 1.28 Tbit/s and 2.56 Tbit/s DQPSKTransmission, ” Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.2.
(3) G. Charlet, P. Tran, H. Mardoyan, M. Lefrancois, T. Fauconnier, S. Bigo and F. Jorge, “151x43Gb/s
Transmission over 4,080km based on Return-to-Zero-Differential Quadrature Phase-Shift Keying,”
Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.3.
(4) S. Jansen, D. van den Borne, G. Khoe and H. de Waardt, “26x42.8-Gbit/s DQPSK Transmission
with 0.8-bit/s/Hz Spectral Efficiency over 4,500-km SSMF using Optical Phase Conjugation,”
Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.5.
(5) M. Serbay, C. Wree, A. Schöpflin, C-J. Weiske, D. Borne, S. Jansen, G-D. Khoe, P. Krummrich, P.
Leisching and W. Rosenkranz, ”Coding gain of FEC encoded 21.42Gb/s RZ-DQPSK using anelectrical differential quaternary precoder,” Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.5.
(6) C. Doerr, D. Gill, A. Gnauck, L. Buhl, P. Winzer, M. Cappuzzo, A. Wong-Foy, E. Chen and L. Gomez,“Simultaneous reception of both quadratures of 40-Gb/s DQPSK using a simple monolithic－76－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
demodulator,” Technical Digest of OFC2005, PDP12.
(7) D-S. Ly-Gagnon, K. Katoh and K. Kikuchi, “Unrepeated 210-km transmission with coherent
detection and digital signal processing of 20-Gb/s QPSK signal,” Technical Digest of OFC2005,
OTuL4.
(8) S. Tsukamoto, D-S. Ly-Gagnon, K. Katoh and K. Kikuchi, “Coherent demodulation of 40-Gbit/s
polarization-multiplexed QPSK signals with 16-GHz spacing after 200-km transmission,” Technical
Digest of OFC2005, PDP29.
(9) T. Tokle, Y. Geng, J. Jensen, P. Jeppesen, M. Serbay and W. Rosenkranz, “Penalty-free transmissionof multilevel 240 Gbit/s RZ-DQPSK-ASK using only 40 Gbit/s equipment,” Technical Digest of
ECOC2005, Th.4.1.6.
(10) A. Ellis and F. Gunning, “Achievement of 1 bit/s/Hz information spectral density using coherent
WDM,” Technical Digest of OFC2005,OThR4.
(11) F. Gunning, T. Healy and A. Ellis, “298 Gbit/s Coherent WDM Transmission over 80 km of SMF at
1 bit/s/Hz Spectral Efficiency,” Technical Digest of ECOC2005, We.3.2.6.

2.2.3 高速化技術
40Gbit/s システムに対する RFP（Request For Proposal）が出されたことに代表されるように、40Gbit/s
システムの商用導入も現実的になってきており、40Gbit/s の次の世代の伝送速度の研究開発も進められている。特に、電子回路の高速化には進展が見られ、80Gbit/s 以上の伝送速度に対応した ETDM 技術に関する多数の報告があった。80Gbit/s 関連では、80Gbit/s RZ-DPSK 光信号をバランスド受信する ETDM 受信器を用いた伝送実験の報告 1)や、SiGe-IC による 80Gbit/s の ETDM 回路と PHEMT による 80G 変調器ドライバ回路により NRZ、RZ、CS-RZ 光信号を生成するマルチフォーマット ASK 光送信器についての報告 2)の他、送受信共に ETDM 技術を用いた 85.4Gbit/s CS-RZ 光信号伝送実験も報告された 3)。さらに、100Gbit/s
伝送速度を 100Gbit/s に高速化した場合、100Gbit/sに対応した ETDM 送信器についても検討が行われた 4,5)。
の電気データ信号は ETDM 多重回路を用いて生成できるようになってきているが、光変調器およびそのドライバの帯域不足が課題となる。その解決手段として、デュオバイナリ光信号を用いる方式 4)と、PLC により作製した MZ 干渉系による等化器を用いる方式 5)が提案された。ただし、いずれの提案でも、受信側では、
クロック抽出を行っておらず、時分割分離には OTDM 技術を用いているなど、送信技術の基礎検討にとどまっているだけでなく、デュオバイナリ光信号を用いた検討では、PN パターン長を長くした場合において、送受信対向特性でもエラーフロアが見られており、100Gbit/s での ETDM 送受信を実現するには課題もまだ多い。
また、DQPSK 光信号によるシンボル速度の低減を伝送速度の高速化に用いた検討も行われ、DQPSK 光
信号と OTDM、偏波多重を併用した方式 6,7)により、単一チャネルの伝送速度としては最高となる 2.56Tbit/s
伝送実験も報告された 7)。

－77－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 2.2.3.1 80Gbit/s ETDM 光送信器（after W. Lee et al.2））
参考文献(1) R. Ludwig, W. S. Lee, C. Schubert, S. Ferber, C. Börner, C. Schmidt-Langhorst and H.G. Weber, “80Gbit/s DPSK transmission over 480 km dispersion-managed fiber with balanced detection ETDM
receiver,” Technical Digest of ECOC2005, We.2.2.3.
(2) W. Lee, V. Filsinger, L. Klapproth, H-G. Bach and A. Beling, “Implementation of an 80 Gbt/s full
ETDM multi-format ASK optical transmitter,” Technical Digest of ECOC2005, We.2.2.4.
(3) K. Schuh. B. Junginger, H. Rempp, P. Klose, D. Rosener and E. Lach, “85.4 Gbit/s ETDM
transmission over 401km SSMF applying UFEC,” Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.4.
(4) P. Winzer, G. Raybon and M. Duelk, “107-Gb/s optical ETDM transmitter for 100G Ethernet
transport,” Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.1.
(5) C. Doerr, P. Winzer, G. Raybon, L. Buhl, M. Cappuzzo, A. Wong-Foy, E. Chen, L. Gomez and M.
Duelk, “A single-chip optical equalizer enabling 107-Gb/s optical Non-Return-to-Zero signal
generation,” Technical Digest of ECOC2005, Th.4.2.1.
(6) S. Ferber, C. Schubert, R. Ludwig, C. Boerner, C. Schmidt-Langhorst and H. Weber, “640 Gbit/s
DQPSK single-channel transmission over 480 km fibre link,” Technical Digest of ECOC2005,
We3.2.2.
(7) H. Weber, S. Ferber, M. Kroh, C. Schmidt-Langhorst, R. Ludwig, V. Marembert, C. Boerner, C.
Schubert, F. Futami and S. Watanabe, “Single Channel 1.28 Tbit/s and 2.56 Tbit/s DQPSKTransmission, Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.2.

2.2.4 分散補償技術
長距離光伝送システムでは波長分散補償が必須となるが、特に、10Gbit/s 以上の光伝送システムでは、光増幅中継部に挿入した分散補償ファイバで伝送路の累積分散補償を行うのが一般的である。今年は、このような伝送路中での分散補償を省略し、伝送路構成をより簡単化するための技術に関する提案が目立った。
中でも、送信端局内で電気的に予等化を行うことにより、伝送路中での分散補償をなくした長距離伝送を－78－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）可能とする方式に注目が集まった 1,2)。これまでも、受信端局での電気等化に関する報告はあったが、フォトディテクタを用いて直接受信を行う場合、光信号の位相情報が失われるため、等化できる分散量には限界があった。送信端局で等化することにより、光信号の位相も制御することが可能となり、等化量が大幅に改善され、SMF 伝送路中で分散補償なしに 10Gbit/s 信号を 5000km 以上伝送可能なことが報告された 1)。この実験では、伝送路と逆の群遅延特性となるように振幅と位相を計算した送信波形を、高速 D/A コンバータ、
デジタル信号処理による任意信号発生器、および光 I／Q 変調器を用いて発生させている。これを契機に本方式の実システムでの有効性について種々の検討が行われ、XPM の影響が大きな WDM 伝送システムや40Gbit/s システムへの適用性に関して疑問視する報告 3、4)もあるが、本方式により長距離伝送システムの伝送路構成を大幅に簡略化できる可能性もあり、今後の研究開発動向が注目される。

図 2.2.4.1 予等化を用いた光送信器（after D. McGham et al.1））
一方、伝送路中の分散補償をなくすための別のアプローチとして、位相共役（OPC：Optical Phase
Conjugation）を用いた検討も行われた。偏波ダイバーシティ構成とすることで偏波無依存化した PPLN による位相共役を伝送路の中央付近で行うことにより、伝送路中での分散補償なしで 20Gbit/s の DQPSK 光
信号を 10000km 以上、さらに DQPSK 光信号の伝送速度を 40Gbit/s に高速化しても 4500km 以上伝送可能であることが報告された 5,6)。本実験では位相共役により、分散補償効果だけでなく、伝送中の位相雑音の影響も緩和され、良好な伝送特性が得られている。
また、チャープを制御した直接変調 LD を用いる方式により、分散補償ファイバを省略した伝送路での伝送距離の延伸を図った伝送実験に関する報告もあった 7)。

参考文献(1) D. McGham, C. Laperle, A. Savchenko, C. Li, G. Mak and M. O’Sullivan, “5120km RZ-DPSK
transmission over G652 fiber at 10Gb/s with no optical dispersion compensation,” Technical Digestof OFC2005, PDP27.
(2) R. Killey, P. Watts, V. Mikhailov, M. Glick and P. Bayvel, “Electronic dispersion compensation bysignal predistortion using a dual-drive Mach-Zehnder modulator,” Technical Digest of OFC2005,
OThJ2.
(3) R. Essiambre and P. Winzer, “Fibre nonlinearities in electronically pre-distorted transmission,”
Technical Digest of ECOC2005, Tu3.2.2.
(4) P. Winzer and R. Essiambre, “Electronic pre-distortion for advanced modulation formats,” Technical
Digest of ECOC2005, Tu4.2.2.

－79－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(5) S. Jansen, D. van den Borne, C. Climent, M. Serbay, C.-J. Weiske, H. Suche, P. Krummrich, S.
Spalter, S. Calabro, H. Hecker-Denshlag, P. Leishing, W. Rosenkanz, W. Sohler, G. Kkoe, T. Koonen
and H. de Waardt, “10200km 22x2x10Gbit/s RZ-DQPSK dense WDM transmission without inline
dispersion compensation through optical phase conjugation,” Technical Digest of OFC2005, PDP28.
(6) S. Jansen, D. van den Borne, G. Khoe and H. de Waardt, “26x42.8-Gbit/s DQPSK Transmission
with 0.8-bit/s/Hz Spectral Efficiency over 4,500-km SSMF using Optical Phase Conjugation,”
Technical Digest of ECOC2005, Th.4.1.5.
(7) S. Chandrasekhar, C. Doerr, L. Buhl, D. Mahgerefteh, Y. Matsui, B. Johnson, C. Liao, X. Zheng, K.
McCallion, Z. Fan and P. Tayebati, “Flexible transport at 10Gb/s from 0 to 675km (11500ps/nm)
using a chirp-managed laser, no DCF, and a dynamically adjustable dispersion-compensatingreceiver,” Technical Digest of OFC2005, PDP28.

2.2.5 光信号処理技術
波長変換や光波形再生（光２R、光３R）等の高速光信号処理技術の検討が多くの研究機関により行われており、主要な国際会議でも多くのセッションが設けられて多数の報告があった。新規に提案された動作原理による革新的なデバイスの報告は見られなかったものの、半導体光増幅器（SOA）や高非線形光ファイバを用いる従来方式の高性能化について進展が見られた。
SOA の相互利得変調や相互位相変調を用いた波長変換、光波形再生については種々の検討が行われているが、本年は、SOA の後に光フィルタを配置することで応答速度の高速化をはかった方式が報告された。本方式では、高速に応答しているチャープ成分を光フィルタで選択することにより、マッハツェンダー干渉系型
SOA（MZI-SOA）のように複数の SOA を用いなくても、キャリア寿命に制限されない高速動作が可能になり、本方式を用いた 160Gbit/s RZ 強度変調信号の CW プローブ光への波長変換が報告された 1）。

図 2.2.5.1 光フィルタによる SOA ベース波長変換の高速化
また、ハイブリッド集積、モノリシック集積による種々の機能の集積化にも進展が見られ、SOA-MZI、サンプル回折格子分布ブラッグ反射型波長可変半導体レーザ、および入射信号光用のプリアンプをモノリシッ
クに集積化したデバイス 2）や、8 波長チャネルのアレイ複合共振器型波長可変レーザ部と相互利得変調用
SOA をモノリシック集積したデバイス 3）による 40Gbit/s RZ 強度変調信号の波長変換も報告された。
さらに、従来の光波形再生の報告の多くは強度変調信号に対応するものであるが、強度変調信号に代わる変調方式の検討が盛んになっているのに対応して、DPSK 光信号に対応した波形再生も提案された。非対称
マッハツェンダー干渉系と SOA を内包するサニャック干渉系を組み合わせた方式では、位相変調信号を一
旦強度変調信号に変換して雑音を除去することで DPSK 光信号の光再生を実現している 4）。また、遅延干渉－80－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）系と SOA－MZI で構成し、DPSK 光信号を遅延干渉系により強度変調信号に復号後、 Data 信号と Data 信号に逆の相対的遅延を与えて SOA-MZI 光波長変換器の二つの SOA に入射することで、位相雑音を低減する方式も提案された 5)。

図 2.2.5.2 遅延干渉系と SOA－MZI による DPSK 光信号波形再生（after I. Kang et al.5））
参考文献(1) Y. Liu, E. Tangdiongga, Z. Li, S. Zhang, H. de Waardt, G. D. Khoe and H. J. S. Dorren, “160Gb/s
SOA-based wavelength converter assisted by an optical bandpass filter,” Technical Digest of
OFC2005, PDP17.
(2) V. Lal, M. Mašanović, J. Summers, L. Coldren and D. Blumenthal, “40Gbps operation of an offset
quantum well active region based widely-tunable all-optical wavelength converter,” Technical
Digest of OFC2005, OThE3.
(3) P. Bernasconi, W. Yang, L. Zhang, N. Sauer, L. Buhl, I. Kang, S. Chandrasekhar and D. T. Neilson,“Monolithically integrated 40Gb/s wavelength converter with multi-frequency laser,” Technical
Digest of OFC2005, PDP16.
(4) P. Devgan, M. Shin, V. Grigoryan, J. Lasri and P. Kumer, “SOA-based regenerative amplification ofphase noise degraded DPSK signals,” Technical Digest of OFC2005, PDP34.
(5) I. Kang, C. Dorrer, L. Zhang, M. Rasras, L. Buhl, A. Bhardwaj, S. Cabot, M. Dinu, X. Liu, M.
Cappuzzo, L. Gomez, A. Wong-Foy, Y. F. Chen, S. Patel, D. T. Neilson, J. Jaques and C. R. Giles,“Regenerative all optical wavelength conversion of 40-Gb/s DPSK signals using a semiconductor
optical amplifier Mach-Zehnder interferometer," Technical Digest of ECOC2005, Th 4.3.3.

2.2.6 長距離伝送技術
長距離光伝送技術は、光伝送システムの長距離大容量化を目指すものから、光伝送システムの簡略化技術
や既設伝送路を有効利用するアップグレード技術へ軸足が移ってきている。
システム構成の簡略化としては、
特に伝送路中に設けた分散補償ファイバをなくすための技術がさかんに検討されており、そのための技術として、予等化方式や位相共役等が検討されている（2.2.4 を参照）。一方、アップグレード技術としては、
10Gbit/s 用に設計された光伝送路で 40Gb/s 信号を伝送させるための技術の検討が進められている。陸上伝送システムにおいて、10Gbit/s 用に設計された伝送路を用いた 40Gbit/s 光信号伝送の検討の報告は多数あり、敷設伝送路を用いたフィールド伝送実験も報告されている 1-2)。さらに、超長距離の光海底ケーブル伝送
最新の大洋横断光海底ケーブルシステムでは、での 40Gbit/s アップグレードを検討した結果も報告された 3)。

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目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
波長分散だけでなく波長分散スロープも伝送路中で補償する分散管理伝送路が用いられているが、本報告では、波長分散スロープ補償を伝送路中で行わない、より簡単な構成の伝送路での長距離 40Gbit/s 伝送の検討を行った。その結果、累積分散耐力に優れる RZ-DPSK 光信号とともに、受信端で分散スロープ補償器を用いることにより大幅な特性改善が得られ、同一の総伝送容量の場合、10Gbit/s 信号を用いた場合と同等の性能が得られることが示された。

(a) 分散スロープ補償による波形改善(b) 10Gbit/s システムと 40Gbit/s システムの伝送特性比較
図 2.2.6.1 分散スロープ補償による特性改善（after J.-X. Cai et al.3）)（森田 逸郎）参考文献(1) M. Birk, C. Skolnick, B. Curto, R. Marlieb, T.J. Schmidt, R. Saunders, H. Zech, H.-M. Schucht, J.
Heinrich and C.-J. Weiske, “Field trial of a 40 Gbit/s PSBT channel upgrade to an installed 1700
km 10 Gbit/s system,” Technical Digest of OFC2005, OTuH3.
(2) D. Chen, G. Wellbrock, S. Penticost, D. Patel, C. Rasmussen, M. Childers, X. Yang and M. Frankel,“World’s first 40 Gbps overlay on a field-deployed, 10 Gbps, mixed-fiber, 1200 km, ultra long-haulsystem,” Technical Digest of OFC2005, OTuH4.
(3) J.-X. Cai, C. Davidson, M. Nissov, H. Li, W. Anderson, Y. Cai, L. Liu, A. Pilipetskii, D. Foursa, W.
Patterson, P. Corbett, A. Lucero and N. Bergano, “Transmission of 40 Gb/s WDM signals over 6,250
km of conventional NZ-DSF with >4 dB FEC margin,” Technical Digest of OFC2005, PDP26.

－82－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.3 アクセスネットワーク
2.3.1 はじめに日本国内における FTTH 加入者の急激な増加や米国通信事業者の FTTH サービスの開始など、アクセス
系を取り巻く環境が大きく変化している。光アクセス系の研究開発では、Beyond GE-PON を目指した高速化の検討として WDM-PON や OCDMA の開発が活発化している。また、光ファイバ無線技術（RoF：Radioover Fiber）では、携帯電話など従来のマイクロ波帯の要素技術開発が一段落し、ミリ波伝送など次世代を見据えた技術開発への取り組みが行われている。以下、PON や OCDMA などを中心とした「光アクセス」、
無線、光混在の「光ファイバ無線アクセス」に関して報告する。さらに、無線によるアクセス方式において最近注目されている WiMAX の動向として、「北米における WiMAX の動向」に関して報告する。
2.3.2 光アクセス(1) PON
次世代アクセス方式の有力な方式の 1 つである WDM-PON は、現在の PON 用光伝送インフラをそのまま流用し、各加入者に波長を割り当てる方式であるため移行が容易であるとともに、局（OLT）と加入者（ONU）間に 1 対 1 のトポロジーを構築でき、伝送容量の拡大やセキュリティ確保などに優れている。しかしながら、実用化を考慮した場合、各 ONU に波長の異なる光源を備える必要があり、光源の低コスト化
や波長管理の簡易化が課題となる。そのため、上り光源を ONU に設置するのではなく、OLT 側に設置する
ONU の単色化（colorless 化）に関する開発が盛んに行われている。具体的には、下り光源の再利用や LED（Light Emitting Diode）、SLD（Super Luminescent Diode）や ASE（Amplified Spontaneous Emission）などの広帯域光源を光フィルタを用いてスペクトルスライスする方式などが検討されている。
下り光源を利用する方法として、波長多重光源を局側に設置し、2 電極強度変調器を用いて波長多重信号を一括して搬送波抑圧変調を施し、両側波帯の一方を下り用、他方を上り用光信号として用いる方式が提案されている 1)。

図 2.3.2.1 搬送波抑圧変調による上り光信号の生成方法(after O.Akanbi et.al.1))－83－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）実験では、局側にて 8 波多重された光信号（波長間隔 200GHz）を 12.5GHz の信号により、一括して搬
送波抑圧変調を施し、波長分離部で各波長の上下側波帯を分離している。分離された下側波帯は、10Gbps
NRZ 信号で変調され、上側波帯と合波し SMF により伝送される。加入者側では上り/下りの光信号を分離し、上り光信号（上側波帯）を外部変調することにより、20km 伝送時に上り/下りともエラーフリーを実現している。
また、下り光変調信号を上り光信号として再変調し利用する方式も検討されている。この方式における下りの変調方式は、DPSK や FSK などに比べ送受信器構成が簡易かつ制御性に優れた OOK 方式が提案されている。しかしながら、OOK 方式を用いた場合、下り変調信号の消光比の制約やデータを消去する付加的な機能が必要である。この課題に対して G.W.Lui らは、消光比の制限やデータの消去が不要となる変調方式
として IRZ(inverse-return-to-zero)変調方式を提案している 2)。下りでは、2.5Gbps の IRZ 信号で光信号を変調し、上り方向では、下り光信号を 2.5Gbps の OOK 信号で再変調した後、DSF を利用して 20km 伝送を行い、上り下りともパワーペナルティ 1dB 以下を実現している。

図 2.3.2.2 光 IRZ 送信器の動作原理 (after G.W.Lu et.al.2))
広帯域光源をスペクトラムスライスする際、AWG の FSR(Free Spectral Range)が光源帯域よりも狭い場
合、AWG の周期性により不要波が生じ、分散ペナルティの劣化や下り信号との干渉を引き起こしてしまう。
F.Payoux らは、この不要波が伝送特性に与える影響に関して検討を行っている 3)。例えば、不要波が所望波よりも小さい場合、雑音として見なすことができ、受信器の手前に所望波を抽出可能な光フィルタを挿入することにより、誤り率特性が大きく改善することが報告されている。また、過飽和増幅特性を有する R-SOAの振幅スクイズド効果により強度雑音の低減に関する検討が行われている 4)。振幅スクイズドによる雑音低減効果はスペクトラムの歪みに弱く、WDM フィルタには厳しい仕様が要求されるため、これを緩和するた
めにスペクトラムスライスする前に波形整形（Pre-Compression 方式）を行う方式を提案し有効性を検討している。評価では、ASE 光を生成する 2 台の EDFA 間に BPF を挿入し、ASE 光源の帯域を制限している。
R-SOA への注入パワーが大きくなる程、すなわち動作領域が過飽和増幅領域になる程、過剰強度雑音の低減
効果が大きくなり、25km 伝送後における最小受信感度（@10-9）が 4dB 改善されることが報告されている。

－84－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 2.3.2.3 R-SOA の振幅スクイズド効果による強度雑音の低減効果(after H.S. Shin et.al.4))
WDM-PON の収容加入者数や伝送距離を拡大する方式として、受信感度の向上と高密度多重が可能である光ヘテロダイン受信方式の提案がなされている 5)。S.Narikawa らは、ONU の低コスト化を図るため、
局発光源と送信用光源とを共用化する検討を行っている。ONU が送信する上り信号光を、ONU における光
ヘテロダイン検波用局発光として利用する構成において、上り光変調方式として FSK や PSK 等の強度一定の形式、下り光変調には局発光の周波数／位相状態の変化によらず包絡線検波可能な方式を用いている。実験では、下り信号として ASK 変調、上り信号として CPFSK(continuous phase frequency shift keying)変調を採用し、直接変調を施した上り光源を局発光源に利用した場合においても、下り信号の受信ペナルティ
は 1dB 以下に抑えられることが確認されている。

図 2.3.2.4 WDM-PON における光ヘテロダイン受信方式の適用(成川らによる 5))(2) OCDMA
アクセス系の高速化を実現する多重化方式として、OCDMA 方式も検討されている。OCDMA 方式における多重数は、他ユーザからの信号による背景雑音である MAI(Multiple Access Interference)によって制限されるため、その低減方法や拡散利得の向上が検討されている。
W.Cong らは、SPECTS（Spectral phase encoded time spreading）OCDMA ネットワークにおいて、ス
ペクトラルの利用効率を図り、収容ユーザ数を拡大するために、従来の固有拡散コードに加え、新たにタイムスロットを各ユーザに割り当てる方式を提案している 6)。実験では、波長 1550nm、繰り返し周波数約10Gbps（100ps）、パルス幅 500fs の光パルスを生成し、疑似ランダム符号（231-1）で変調後、2 つの光信
号に分割し、一方の光信号を 50ps 遅延させ時間多重した後、異なる Walsh コードからなる 5 つの符号化器－85－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）でそれぞれ符号化されることにより、10Gbps 伝送において 10 ユーザの多重を実現している。

図 2.3.2.5 時間スロットを適用した SPECTS-OCDMA 方式(after W.Cong et.al.6))
また、J.H. Joseph らは、MAI 雑音を相殺する方式として、自己ヘテロダインフィルタリング方式を提案している 7)。各送信器には固有のコードとなる遅延時間 τk、各受信器は対応する送信器と同一の τk に加え、わずかな遅延時間差 dτ が与えられた MZI 干渉計を有しており、対となる送受信器間は遅延時間の異なる 4つの経路が設けられている。送信器において WSK（Wavelength Shift Keying）変調された光信号は、いず
れかの経路を経由するため、対となる受信器ではほぼ同時（厳密には dτ の時間ずれ）に到達する 2 つの光信号と到達時間が異なる 2 つの光信号が受信される。光信号は WSK 変調されているため、時間ずれは波長ずれに相当し、受信器で自乗検波した際に dτ に相当する周波数の信号が復調される。dτ 以上の時間ずれを有する光信号や他の送信器からの光信号は、受信器帯域以上の周波数差（遅延時間差）を有しているためフィルタリングされる。2ch 伝送実験において、良好なアイパターンが得られることが確認されている。

(a) システム構成(b)2ch 伝送時のアイパターン
図 2.3.2.6 自己ヘテロダインフィルタリング方式(after J.H. Joseph et.al.7))(3) その他
FTTH を利用したインターネット接続サービス、音声サービスと多チャンネル映像配信サービスを提供するトリプルプレイサービスが本格化する中、映像配信のアーキテクチャに関する検討がなされている。C.
Knittle らは、映像配信のアーキテクチャとして従来 CATV などで利用されている RF 方式と IP 方式のコスト比較を行っている 8)。インターネット接続サービスや音声サービスを提供する IP 方式用光送信器は、低コストであるが、広帯域を常時占有しかつ低ジッタ性能が要求される映像配信サービスの提供を実現するため－86－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）には、光送信器のコスト上昇を招くことになる。このため、何れかを単独で選択するよりも、映像配信サー
ビスには RF 方式、オンデマンドサービスには IP 方式を適用するハイブリッド方式が、低コストになることを示している。
また、１芯の光ファイバでトリプルプレイサービスを提供可能な 3 波多重方式においては、GE-PON の下
り光信号から映像配信用光信号に対するラマンクロストークによって映像信号品質が劣化することが既に報告されている 9)。A.Agata らは、映像配信用光信号が GE-PON の下り光信号へ与える影響として、映像配信用光信号の強度変調成分（AC クロストーク）と平均光電力成分（DC クロストーク）について検討を行っている 10)。AC クロストークの影響は軽微であるため、DC クロストークの影響と等価である実効リンクバジ
ェット増加のみを考慮すれば良いことを明らかにすると共に、実効リンクバジェットの増加は、映像配信用
光信号強度に依存して、データ光信号強度には殆ど依存しないことを確認している。

(a) 放送光信号強度(b) データ光信号強度依存性
図 2.3.2.7 放送用光信号が GE-PON の下り光信号に与える影響(after A.Agata et.al.10))
一方、ラマンクロストークへの耐性が強い映像伝送方式として知られている FM 一括変換方式(ITU-T
J.185)と互換性を有する、新たな広帯域変調信号発生方式が T.Ohira らにより提案されている 11)。図 2.3.2.8に示すように光源、SSB 変調器及び位相変調器によりホモダイン干渉計を構成し、光源の位相雑音を原理的に相殺することが可能で、従来のヘテロダイン方式と比較して 23dB の位相雑音改善効果が得られることを実験的に確認している。

図 2.3.2.8 光ホモダイン検波による広帯域変調信号発生方式(after T.Ohira et.al.11))
FTTH の普及が本格化してきたこともあり、フィールドにおけるシステム障害要因の解析報告 12)やファースト－87－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ワンマイルにおけるコスト削減など実用的な報告がなされている。特に、H.Hayashi らは、コスト削減の鍵は光コネクタと光ケーブルとの観点から、メカニカルスプライスや融着の不要な Outer Clasp Connector と小さな曲げ半径を実現可能な Bendable Optical Fiber がコスト削減に有効であると報告している 13)。
2.3.3 光ファイバ無線アクセス（ＲｏＦ）
近年、高速無線技術として、UWB やミリ波帯を利用した方式の検討及び研究がなされている。ミリ波無線システムでは、無線伝搬損失が大きく指向性も高いため、カバーエリアが狭くなることからより多くの基地局を設置する必要がある。このようなミリ波の欠点をカバーし、高速無線サービスを提供するために、
RoF(Radio over Fiber)技術の有効性がますます高まっている。より多数の基地局設置にあたり、基地局の低コスト化及び簡易化を目的に、光技術を利用して基地局に用いるミリ波／高周波用部品の削減もしくは安価な部品での代替を可能にする検討が行われている。具体的には、アンテナで受信したミリ波帯信号をダウン
コンバージョンするための Lo 信号をセンター局から伝送し、ミリ波上り信号を IF 信号に変換後光伝送するシステム 14)や Lo 信号を光学的に発生させる方式が提案されている。
ミリ波の無線サービスエリアを効率よくカバーするため、基地局を CWDM リング上に配置し、CWDM
リングとセンター局とを双方向 SOA と光ファイバで接続する構成が提案されている 15)。40GHz のミリ波無線伝送を行うため、センター局から CWDM リングに各基地局に共通な 40GHz 局部発振光と各基地局に割り与えられた CWDM の光源を 2.4GHz 帯の IF 信号で変調し光伝送する。この局部発振光に 20GHz の信号で光搬送波抑圧変調を施すことによって 40GHz の波長間隔を有する上下側波帯からなる光信号を生成し、2台の DFB-LD の一方を上側波帯によって、他方を下側波帯によって注入同期する。各基地局では、局部発振
光と割り与えられた CWDM 光を抽出し、それぞれを電気信号に変換した後、周波数変換により 37.6GHzのミリ波信号を発生している。

図 2.3.3.1 CWDM リング網によるミリ波用局発信号の伝送方式(after T.Ismail et.al.15))
光学的処理を用いて、ミリ波変調信号を発生させる方式も多数検討されている。J.Yu らは、ラマン利得によって 4 光波混合の変換効率や変換帯域を拡張し、WDM 信号を一括して波長変換する構成により、高効率なミリ波発生手法の検討を行っている 16)。実験では、波長多重された 8 波の光信号を 2.5Gbps で変調し、－88－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
20GHz の信号により搬送波抑圧変調された信号と多重した後、4 光波混合を利用することにより 40GHz の
ミリ波信号生成している。受信感度（BER<10-10）の波長依存性は 0.5dB、波長多重時のクロストークの影
響は 2dB である。また、VSB（vestigial side-band）を用いることにより、分散によって制限される伝送距
離を 20km 以上まで延伸可能であることが示されている。

図 2.3.3.2 4 光波混合を用いたミリ波発生方式(after J.Yu et.al.16))
また、M.Attygalle らは、上り光源を不要とすると共に、長距離化可能な方式を提案している 17)。この方式では、FBG を用いて下り光信号の光搬送波を抽出し上り信号として利用する。また、下りの光信号は FBG
において光搬送波を抑圧されるため、光変調度が大きくなり伝送特性が改善される。本方式の主要パラメー
タである FBG の反射率の最適化検討を行い、上り／下り各 20km の伝送において周波数 35GHz のミリ波信号を利用した 155Mbps の伝送を実現している。
（増田 浩一）

参考文献(1) O. Akanbi, J.Yu, and G. K. Chang;” A New Bidirectional WDM-PON Using DWDM Channels
Generated by Optical Carrier Suppression and Separation Technique,” Proc. of ECOC2005, We3.3.1(2005)(2) G. W. Lu, N. Deng, C. K. Chan, L. K. Chen ; ” Use of downstream inverse-RZ signal for upstream
data re-modulation in a WDM passive optical network,” in Optical Fiber Communication

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CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OFI8
(3) F. Payoux, P. Chanclou , M. Moignard , R. Brenot ; ” Gigabit Optical Access using WDM PON
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Shim ; ”Spectrally Pre-composed ASE Injection for a Wavelength-seeded Reflective SOA in a
WDM-PON,” Proc. of ECOC2005, We3.3.7 (2005)(5) S. Narikawa, H. Sanjoh, N. Sakurai, K. Kumozaki and T. Imai ; ” Coherent WDM-PON using－89－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Directly Modulated Local Laser for Simple Heterodyne Transceiver,” Proc. of ECOC2005, We3.3.2(2005)(6) W. Cong, R. P. Scott, C. Yang, V. J. Hernandez, N. K. Fontaine, J. P. Heritage, B. H. Kolner and
S.J. B. Yoo ; ” An Error-Free 100 Gb/s Time-Slotted SPECTS O-CDMA Network Testbed ,” Proc. of
ECOC 2005,Th1.4.6 (2005)(7) J. H.Joseph and S. D. Sadot ; ”A Novel Self-Heterodyne Filtering Method by Wavelength Shift
Keying Modulation for Optical CDMA ,” Proc. of ECOC 2005,We4.P.075 (2005)(8) C. Knittle and D. Piehler ; ” RF/IP Hybrid Network for Video Delivery over FTTP,” in Optical Fiber

Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference on
CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OWP4(9) 下羽 利明、森田 章弘、池田 智、菊島 浩二、藤原 稔久、青柳 愼一；” GE-PON と光映像配信との波
長多重伝送時における誘導ラマン散乱の影響，”信学会ソサイエティ大会、B-8-13 (2004) 219(10) A.Agata, A. Murakami, K. Imai, Y. Horiuchi and N. Edagawa ; ” Influence of Stimulated Raman
Scattering in Video Overlay EPON Systems on Downstream Data Signal,” Proc. of ECOC2005,
Tu1.3.5 (2005)(11) T.OHIRA, K.MASUDA and M.FUSE;” Study of Super-Wideband FM Technique Using Optical
Homodyne-Detection Scheme,” Proc. of ECOC2005, Th3.1.5 (2005)(12) I. Kuramoto, Y. Terao and H. Honda; ”Increasing FTTH Reliability between Premise and Indoor
Lines,” in Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic

Engineers Conference on CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OWP1(13) H. Hayashida and M. Yasunaga;” Reducing Costs for First One Mile FTTH Lines,” in Optical Fiber

Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference on
CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OWP2(14) A. K. Anandarajah and L. P. Barry ;” Remote Downconversion for the Radio/Fiber Uplink
Connection ,” Proc. of ECOC2005, We4.P116(2005)(15) T. Ismail, C. P. Liu, J. E. Mitchell, A. J. Seeds, X. Qian, A. Wonfor, R. V. Penty and I. H.
White :”Full-duplex wireless-over-fibre transmission incorporating a CWDM ring architecture withremote millimetre-wave LO delivery using a bi-directional SOA,” in Optical Fiber Communication

Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference on
CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OThG7(16) J. Yu, J. Gu, X. Liu, Z. Jia, and G.K. Chang :”Seamless Integration of WDM-PON and Wideband
Radio-Over-Fiber for 8 ×2.5Gb/s All-Optical Up-conversion Using Raman-Assisted FWM,” Proc. of
ECOC2005, Mo4.3.5 (2005)(17) M. Attygalle, C. Lim, M. Bakaul and A. Nirmalathas :”Extending Transmission Distance in
Wavelength Reused Fiber-Radio Links with FBG Filters,” in Optical Fiber Communication

Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference on
CD-ROM(Optical Society of America, Washington, DC, 2005), OThB3－90－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
2.3.4 北米における WiMAX 技術のトレンド(1) 北米におけるブロードバンド無線接続ネットワークの概況
WiMAX をスタンドアロンな技術として論じることは不可能である。WiMAX は現在開発が進んでいる 4G
環境の一翼を担っている。
4G は一つの技術というわけではなく、個人が大切だと見なす情報に随時アクセスできるような環境をいう。こうしたアクセス環境を支援する技術がますますユビキタスなものになっていくにつれて、エンドユー
ザがその４G 環境に更に満足し、有線環境強化するものとして活用しはじめ、ついには有線による通信の大半を代替するものとして使うようになる。
WiMAX は、現在展開されているネットワークにおいて、セキュアなブロードバンド接続を提供する技術として急速に台頭している。
社会はすでにブロードバンド無線接続というコンセプトを受け入れ始めており、これによって、自分の個人データが、自分の要求に応じてどこででも入手できるネットワークをもたらす。
こうした議論は次のようなロジックから成り立つ。
• 音声通話はすでにパーソナル・サービスとなった。社会はすでに音声通話サービスを、物理的な場所に縛られるものではなく、個人に属するものとして受け入れている。
• 消費者は、データ・サービスについてもパーソナルなものになることを期待している。
• ブロードバンド無線接続に用いられている現在の技術は、キャリヤの運用上の課題や競争上の要求を解
決していない。
• WiMAX はこうした技術上・運用上のギャップに対処できるものである。
WiMAX がブロードバンド接続技術として受容されるにはまだ多くの問題がある。上記のロジックを実現するには、以下のような懸念に答えていく必要がある。
• 需要を生み出すには、消費者がパーソナルなデータ・サービスのニーズを受け入れなければならない。
• WiMAX が、競合する技術との差別化を図らなければならない。
• 消費者がオンデマンドで自分のデータに到達できるよう、サービス地域がユビキタスでなければならない。
• 需要に応じるためには、適切かつ十分な量の帯域が利用できなければならない。
• 基地局においては、十分な量のバックホール容量が、ネイティブ・イーサネットのトラフィックを処理できるような適切なアーキテクチャのもとで提供されなければならない。
本論文は、これらの問題が、高速無線ネットワークの一部としての WiMAX の展開に関して、どのようにトレンドを形成していくかを論じていく。
(2) 消費者によるニーズの受け入れ
比較的高速なデータ・ネットワークが簡単に利用できれば、データ・サービスはもっとパーソナルなものになる。音声通話サービスが家庭やオフィスといった場所に属するものから個人に属するものへと移行していったように、データ・サービスも同じ道を辿りつつある。すでに配備された技術によって、通常の消費者が利便性を感じるようなデータ・サービスが全面的に提供され始めている。これによって、無線ブロードバ
ンドが消費者に受け入れられ始めている。
とはいえ、今日の北米においては、高速無線ネットワークは実際にはほとんど利用されていない。サービスの利用が進まない背景には、以下のような複数の要因がある。

－91－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
• サービス地域が限られている• 技術が未検証である• 機器の選択肢が狭い• コストが高い• 認知された価値が低い• 一般的に望まれているアプリケーションが利用できない
次のグラフは、ブロードバンド無線サービスへの加入者数を予測したものである。ガートナー・データク
エストによれば、2009 年に米国の消費者に販売される携帯端末は約 1 億 6800 万台、そのうちブロードバン
ド無線サービスをサポートするものは 1 億 500 万台である。日本の例に見るように、加入者数を推進する最大の原動力は、サービス利用範囲が広いことである。このグラフには、キャリヤが 3G 技術を展開する時期が示されている。またこの予測では、キャリヤが旧世代の技術を自社ネットワークから排除するために、新世代移行を推進するものと想定している。本稿の執筆している時点では、全国規模のキャリヤ 4 社のうち 3社が、HSDPA もしくは EVDO による全国を対象としたネットワークを展開すると公約している。
技術別に見た米国における携帯端末の販売台数台（端末数）
図 2.3.4.1 携帯端末販売台数から見た技術受容
出典：ガートナー・データクエスト、2005 年 5 月(3) 差別化技術としての WiMAX
現行の技術は、顧客のニーズに応えることはできるが、サービスプロバイダのニーズには応えていない。
WiFi や 3G サービスによって消費者が満足できる高速ネットワークサービスは提供出来るが、これらの技術には、サービスプロバイダが、優れた帯域利用を提供しつつ、QoS 管理を伴うセキュアなサービスを提供する手段がない。
WiFi はコンテンション方式のシステムで、顧客経験を制御することができない。
各ユーザーは、現在のユーザー数もしくは利用中のサービスにかかわらず、自分のデータをすべて一斉に送ろうと試みる。WiMAX はデマンド・リクエスト方式のシステムとなるので、個々のトラフィック・フローの制御が可能であり、各顧客に高品質な通信環境を提供できる。
WiFi ネットワークでは非常に多くの基地局が必要になる。配備コストは高くないけれども、保守管理が困－92－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）難であることが判明している。集約的な保守・運用支援構造には、今のところ存在していないような高水準のサービスを維持することが必要となる。
3G 技術は、非常に堅牢ではあるが費用のかかるインフラから構成されている。チャネル規模や帯域幅といった点で柔軟性に欠けており、課題の多い市場においてサービスを展開することが困難になっている。
音声通話サービスを提供するために必要なオーバーヘッドによって、付加的な処理の増加やソフトウェア
が複雑化し、新規参入者には耐え難いものとなっている。

WiMAX は効率の良い高速無線データ規格
データ速度となるよう設計されている。
WiFi は到達範囲に限りがある、コンテンシ
ョン方式のネットワークである。
3G 及び 3.5G 無線ネットワークは、容量の点で制約があり、展開に要するコストが大きい。

到達範囲
技術
WiFi

規格

帯域

データ速度

到達距離

802.11g

2.4 GHz54 Mbps 以下

300 フィート以下

WiMAX

802.16d

11GHz 以下

75 Mbps 以下

4 - 6 マイルモバイル WiMAX

802.16e2 - 6 GHz

30 Mbps 以下

1 - 3 マイル3G 無線

UMTS / EVDO

可変 400 - 2100 MHz

2.4 Mbps 以下

1 - 5 マイル

3.5G 無線HS DPA可変 400 - 2100 MHz

12 Mbps 以下

1 - 3 マイル

図 2.3.4.2 ブロードバンド無線技術の比較
WiMAX は、消費者のニーズ－ユビキタスで広帯域かつセキュアな情報伝送－に対応すると同時に、さま
ざまなサービスプロバイダのニーズ－サービス品質を管理でき、帯域効率も高い－にも対応する、大きな可能性を持つ技術として登場した。
市場において「通常の消費者は無線データ接続を受け入れ、購入する」という確信が強まるにつれて、従来のキャリヤと競合する企業が台頭し、彼らは既存の競合他社が持っている技術を使うだけでは満足しないだろう。WiMAX によるソリューションによって、既存事業者に代わる無線データ・ネットワーク企業が、競合他社と同じサービスに頼ることなくソリューションを提供するチャンスが生まれる。
WiMAX と EVDO／HSDPA、WiFi のあいだには十分な差別化要因があり、新規参入事業者が、従来のキャリヤと競合しうるデータ専用サービスを提供することは可能である。
(4) ユビキタスなサービス地域
今日、米国で無線ネットワークを展開している主要事業者は 4 社である。ベライゾンとスプリントは現在
EVDO ネットワークを展開している。シンギュラーは広範な HSDPA ネットワークの展開を始めた。T モバ
イルは、法人顧客を勧誘するため WiFi ネットワークの価値を活かすことに専念しつつ、音声／データソリ－93－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ューションとして UMA ベースのサービスを地味に売り込んでいる。各社とも今のところ、利用可能な帯域という点では非常に制約されており、独自の UMTS／HSDPA ネットワークを実現するには、2006 年後半に行われる追加帯域をめぐる入札で成功することが条件となる。
ベライゾン・ワイヤレスは、本稿執筆時点で、米国内 174 のマーケット及び 84 カ所の空港で、EVDO サ

ービスを提供していると主張している。
このネットワークによるサービス可能顧客数は 1 億 6000 万人を超える。サービス範囲の拡大は続いており、多数のユーザーをサポートするネットワーク規模に近づきつつある。スプリント及びシンギュラーは、
ベライゾンに比べ 3～9 ヶ月遅れを取っている。T モバイルは、2007 年にサービス展開を開始すると表明している。
(5) 適切な利用可能帯域
北米における WiMAX サービスの展開を阻む単独で最大の障害は、帯域リソースである。唯一空白となっている帯域は 2.5GHz 帯だが、これはスプリント／ネクステル 1 社が保有している。5.8GHz 帯はユビキタ
スなサービス地域モデルではうまく機能していない。世界のほとんどの地域で空白となっている 3.5GHz 帯
は米国海軍が保有しており、商業利用が不可能である。無線ブロードバンド・サービスのために 3.65～
3.70GHz を利用しようという努力が行われているが、2006 年後半までに問題が解決する見込みは薄い。分
散ソリューションという点では 700MHz 帯が非常に良好なロケーションにあるが、この帯域を現在保有している事業者が開放を求められるのは 2009 年後半になってからである。現在、これ以外の選択肢が探求されており、今後数ヶ月以内に問題が解消されるだろう。
空白となっている帯域リソースが不足していることで、大規模な WiMAX ネットワークの展開は遅れ、本格的な取組みは 2007 年にずれ込むだろう。
(6) バックホール容量
WiMAX ネットワークによるソリューションを展開すれば、家庭や企業といった決まった物理的ロケーシ
ョンから生じる地上トラフィックからの移行が加速され、こうしたトラフィックが RF 容量を最も活用できるロケーションへと集中していくだろう。こうしたデータ・トラフィックの移行は、トラフィックの大幅な増大につながるだけでなく、そうした増大を受け入れる準備のできていないロケーションにトラフィックを移行させることになる。
現時点では、平均的なキャリヤの基地局は、そのロケーションにおけるすべてのサービスを提供するために、ほぼ 4 回線の DS1 を必要としている。現行の無線機器は DS1 回線によるサービスに基づいており、その大多数がサービスを提供する有線センターからの銅線上設備である。
今日の北米においては、基地局への光ファイバー設備の展開は最小限に留まっている。国内の地上サービ
ス最大手事業者を対象とした調査によれば、各社の事業地域内において、ファイバー設備を利用できるもの
は約 7％にすぎない。
消費者が要求しているサービスを提供するためには、地上ネットワークの再設計が必要である。データ・サービスを各家庭から各ユーザーへと移行させることで生じる大容量の需要に対して最適のサービスを行う
ためには、多くの基地局に光ファイバーを展開させなければならない。また WiMAX はネイティブ 802.x イーサネットによるトラフィック・ストリームであり、この伝送形式が最も効率的である。

－94－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
高速イーサネット・サービスの加速によって、米国内 17 万カ所の基地局の多くに対する光ファイバーの配備が推進されるだろう。また、適切な機器及び支援アーキテクチャが求められることになるだろう。
(7) 結論WiMAX は、高速無線ネットワークの発展において重要な一角を占めている。有効な代替技術が利用可能になれば、現在のキャリヤのあいだでも［高速無線ネットワークの］展開計画を加速し、それによって新規事業者に対する参入障壁を生み出そうというインセンティブが与えられるだろう。こうして大容量無線デー
タ・ネットワークが加速していけば、既存の都市ネットワークの基本構造が［無線へと］急速にシフトしていくことになろう。
WiMAX は、即時かつユビキタスなアクセスを求める消費者ニーズの高まりに対応すると同時に、キャリヤが求めている顧客経験の制御を実現する技術である。
WiMAX は、こうした形で、4G ネットワークの発展において重要な役割を果たすことになるだろう。
（Jim Orr）

2.3.4E WiMAX Technology Trend in North America「本項は、現地事情を調査するため国外に執筆を依頼しました。その結果、英文で原稿を受領しましたが、内容的に微妙なニュアンスもありますので、分科会の判断で 2.3.4 項の和訳文とともに原文を掲載いたします」
1. Overview of the State of the Broadband Wireless Access Network in North America
It is impossible to discuss WiMAX as a stand-alone technology.

WiMAX is a participant in thedeveloping 4G environment. 4G is not any one technology, but the ability of an individual to access theinformation they find valuable at any time. As the technologies that support this access becomes more
ubiquitous, end users will be more comfortable with the solutions and begin to use them as anenhancement to wired solutions, and eventually as a replacement for the majority of their wired dataneeds.
WiMAX is rapidly becoming a technology to provide secure broadband access as a part of the ongoing
network deployment. Society has begun to accept the concept of broadband wireless access and thisleads to a network that provides your personal data to you wherever you request it. The logic that
supports this argument is as follows.
• Voice has become a personal service.

Society has accepted that voice services belong to theindividual, not a physical location.
• Consumers expect that data services will also become personal in nature.
• The current technology used for broadband wireless does not solve carrier operational challenges orcompetitive requirements.
• WiMAX is a technology that addresses these technical and operational gaps.

－95－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
There are many issues that affect the acceptance of WiMAX as a Broadband Access Technology. For
this logical path to be true, we need to respond to the following concerns.
• Consumers must accept the need for personal data services to create the demand.
• WiMAX must differentiate itself from competitive technologies.
• Ubiquitous coverage must be offered so that consumers can expect to reach their data on demand.
• Appropriate spectrum must be available in sufficient quantity to meet the demand.
• Backhaul capacity at Base Station locations must be supplied in sufficient quantity and with theappropriate architecture to handle native Ethernet traffic.
The author will now discuss these issues how this shapes the trend for WiMAX deployment as part of
the high-speed wireless network.
2. Consumer Acceptance of Need
The ready availability of relatively high-speed data networking is allowing data services to become
more personal. Just as voice services have migrated from belonging to the home or office location to
the individual, data services are beginning to do the same. Deployed technology has begun to offer thefull range of data services that the typical consumer finds useful. This has begun to drive consumer
acceptance of wireless broadband.
That said, there is little actual usage on the North American high-speed wireless network today. The
acceptance of the service is the result of several factors including:• Limited coverage• Untested technology• Small choice of devices• High cost
• Perceived value• General desired application availability
The following graphic provides insight into anticipated consumer acceptance of Broadband Wirelessservices.

According to Gartner Dataquest, of the nearly 168 million handsets to be sold to US

consumers in 2009, 105 million will support Broadband Wireless services. As was seen in Japan, thebiggest driver to consumer acceptance is ubiquitous service area coverage. The chart reflects thetiming of the carrier deployment of 3G technologies. It is also assumed that the carriers will offer apush to move the older technology off of their network. At the time of this writing, three of the four
national carriers have committed to the deployment of either HSDPA or EVDO full coverage networks.

－96－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

US Sales of Mobile Term inals by Technology
70,000.0

60,000.0

50,000.0
CDMA2000 1x
CDMA2000 1xEV- DO
40,000.0

EDGE
GPRS
GSM

30,000.0

HSDPA
WCDMA
20,000.0

10,000.0

0.0
2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

Figure 1: Mobile Terminal Sales Indicate Technology Acceptance
Gartner Dataquest, May 2005
3. WiMAX as a Differentiated Technology
Current technologies are able to meet the needs of the customer, but not the needs of the service
provider. With WiFi or 3G services high-speed network access can be obtained as a consumer, the tools
provided by these technologies do not allow the service provider to provide a secure service with Qualityof Service management while also providing excellent spectral utilization.
WiFi is a contention-based system that does not allow for control of the customer experience.

Eachuser attempts to send all of their data at once, regardless of the number of current users or the services
that they are using. WiMAX delivers a Demand-Request system that allows for control of individual
flows of traffic and provides a high quality experience to each customer.
A WiFi network requires a very large number of base stations. Even though they are inexpensive todeploy, they have proven to be difficult to maintain. The centralized maintenance and operational
support structure require sustain a high level of service does not currently exist.
3G technologies are based on a very robust, but expensive, infrastructure. There is a lack of flexibility
in channel size and spectral width that makes it difficult to deploy a service in a challenging market.
The overhead required to supply voice services creates additional processing and software complexitythat new entrants may not want to bear.

－97－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

Figure 2: Comparison of Broadband Wireless Technologies
WiMAX has emerged as a technology with great possibility of meeting the needs of the consumer –ubiquitous high bandwidth and secure information transmission – while also meeting the needs of awide range of service providers – manageable quality of service and high spectral efficiency.
As the market becomes more convinced that the typical consumer will accept and purchase wirelessdata access, competitors to the traditional carriers will emerge and will not be satisfied to use thetechnology of their imbedded competition.

WiMAX solutions create opportunities for alternate

wireless data networking companies to provide a solution without supplying the same service as theircompetitors. There is sufficient differentiation between WiMAX, EVDO/HSDPA and WiFi for a new
entrant to provide a data-only service offering that can compete with traditional carriers.
4. Ubiquitous Coverage
There are four major wireless network deployments in the United States today. Verizon and Sprint
are currently deploying EVDO networks. Cingular has begun wide deployment of an HSDPA network.
T-Mobile has been concentrating on the value of their WiFi network to attract business customers andhave been quietly marketing UMA based services as a voice/data solution. They are currently highly
restricted by the availability of spectrum and are relying on successful bids for additional spectrum
later in 2006 to enable their own UMTS/HSDPA network.
Verizon Wireless claims at the time of this writing to have physical EVDO coverage in 174 markets and84 airports in the United States. This network covers more than 160 million potential customers.
They continue to expand their coverage and are nearing the network volume that supports large
numbers of users. Sprint and Cingular are behind Verizon by three to nine months. T-Mobile hasstated they intend to begin service deployment in 2007.

－98－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
5. Appropriate Available Spectrum
Spectral resources are the single largest deterrent to the deployment of WiMAX services in North
America. The only clear spectrum is at 2.5 GHz and is owned by a single company, Sprint/Nextel. 5.8
GHz does not perform well in ubiquitous coverage models. 3.5 GHz that is clear in most of the world isowned by the US Navy and is not available for commercial use. There are efforts to use 3.65-3.70 GHz
for wireless broadband services, but this will not likely be resolved until late in 2006. 700 MHz is avery good location for dispersed solutions, but the current holders of this spectrum are not required tovacate until late 2009. Other options are being explored and will be made clear over the next several
months.
The lack of clear spectral resources will create delay in the deployment of large-scale WiMAX networks
and move major efforts into 2007.
6. Backhaul Capacity
The deployment of WiMAX network solutions will accelerate the movement of terrestrial traffic fromwell know physical locations such as homes and businesses and concentrate this traffic onto locations
that best utilize the RF capacity. This movement of data traffic will create not only a large increase of
traffic, but will also move it to locations that are not ready to receive this influx.
At the current time, the average carrier cell site requires approximately four DS1s to provide allservices at that location. Current wireless equipment is served by DS1 facilities, the majority of theseover copper facilities from the serving wire center.
There is a minimal deployment of fiber facilities to base station locations in North America today. A
survey of the largest local terrestrial services provider indicates that only approximately 7% of theselocations in their footprint have fiber facilities available to them.
In order to provide the services that consumers are demanding, the terrestrial network must be
redesigned. Fiber optics must be pushed to the majority of cell sites to best serve the high-capacity
demand created by moving data services from the home to the user. Also, WiMAX is a native 802.x
Ethernet traffic stream and is most efficiently carried in this form.
The accelleration of high-speed Ethernet services will drive fiber facilities to many of the 170,000 cellsites in the United States.

The appropriate equipment and supporting architectures will also be

required.
7. Conclusion
WiMAX is an important part of the developing high-speed wireless network. The availability of a
viable alternative technology provides incentive for the current carrier community to accelerate theirdeployment plans to create barriers to entry for alternate entrants.

This acceleration of high-capacity

wireless data networks will create a rapid shift in basic architecture of the existing metropolitan
networks.
WiMAX is a technology that meets the growing needs of instant, ubiquitous access of the consumer as－99－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
well as the control of the customer experience required by the carriers. In this form, it will be asignificant participant in the development of the 4G network.
（Jim Orr）－100－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.4 フォトニックネットワーク
2.4.1 はじめに
モバイル系、固定系も含めたサービスを IP ネットワークに柔軟に収容する事を目指す NGN（NextGeneration Network）の盛り上がりの影響を受け、その足回りとしての大容量化されたフォトニックネッ
トワークの導入の機運が高まってきている。技術的に完成度の高い ROADM（Reconfigurable Optical
Add/Drop Multiplexer）によるメトロ/コアリングネットワークや、PXC（Photonic Cross-Connect）や OXC（Optical Cross-Connect）を使ったメッシュ形実験ネットワークなど、フォトニックネットワークによる大容量低コストネットワークが構築され始めている。2004 年に Cisco から発表されたコアルータ CRS-1 では
40Gbps のラインカードが ROADM や PXC に収容され、40Gbps/ch の波長パスの運用も遠からず実現しそうな勢いである。
一方、フォトニックネットワークのシステムアーキテクチャについても検討や実証実験が盛んに進められている。GMPLS（Generalized Multi Protocol Label Switching）の相互接続検証や、光網が IP 網と連携して制御される光・IP 融合ネットワークの検証実験、さらには ISP 間の相互接続点（IX：Internet eXchange）
を GMPLS 対応の OXC と IP ルータで実現し、トラヒック量に応じて、光パスの容量を柔軟に切替える実証実験などが、大手 ISP やキャリアや通信装置ベンダが参加して行われている。
光パケットネットワークに関する研究も、以前と変わらず活発に行われている。
2.4.2 フォトニックネットワークの制御プレーン
次世代フォトニックネットワークの制御技術として注目されている ASON/GMPLS の動向は、IETF で最後に残されていた基本プロトコルである LMP の標準化作業が完了したこともあり、去年度と同様にフィー
ルドトライアルやラボ内での検証実験が積極的に進められている。
けいはんなオープンラボ Pj では、研究用ネットワークテストベットである JGNII 上に、PXC、SONET/SDH XC、IP/MPLS ルータを広域に配置したマルチレイヤネットワークで、波長パス、TDM パス、
パケットパスを階層的にパスプロビジョニングする検証実験を実施した 1,2)。この実証実験は、広域ネットワークにおいて複数の異なるスイッチタイプの装置を接続した始めての試みであり、大きく注目を集めた。
さらに、けいはんな Pj では、キャリア間のドメインを接続することを想定したマルチドメインネットワー
ク環境において、互いのドメインのトポロジ情報やアドレス情報を隠蔽しながら、リーチャビリティティ情報のみで、End-to-End のパスを高速にプロビジョニングする基本動作検証が検証された 3)。このように、用いる情報、開示する情報を最小限にとどめながらも、複数キャリア間にまたがっての制御が実現できる事を実証できたのは、実用化への大きな前進といえよう。
一方、IP 技術と光技術の両方を有する Cisco は、ROADM で構築されたリング間を PXC で接続したマル
チリング構成にて、GMPLS によるリング間をまたがる波長パスプロビジョニングや、さまざまなタイプのプロテクション/リストレーションを検証した 4)。その結果、数十秒の時間を要したリストレーションが実証され、課題として残る高速化実現のためには、光信号の“アナログ”的な制御プレーンの最適化が必要であると結論づけている。また、この実験では、ROADM と PXC を管理する EMS（Element Management
System）も配備されていて、ネットワークシステムとしての完成度の高さを評価できる。
このような GMPLS 技術のトライアル活動を通して、キャリアやベンダに膨大なノウハウが蓄積されてい－101－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ると考えられ、商用導入に向けて着々と準備が進んでいることが伺える。商用網に導入する際の GMPLS 技術の課題として、下記が考えられる。
• これまでの NMS からの指示されるのみであった Static な運用モデルから GMPLS 制御プレーンによるDynamic な運用モデルへ移行する際に、管理システムやオペレーションサポートシステム（OSS）を含
めたアーキテクチャ検討。
• 複数のフォトニックネットワークをドメインに分割した際の制御モデルの構築。
• IP/MPLS や Ethernet と連携した統合ネットワークの構築。
今後もトライアル活動を通してこれらの課題の解決へむけて、アーキテクチャやモデルの検証が行われていくであろう。
2.4.3 フォトニックネットワークのアプリケーション(1) 光網・IP 網融合によるオンデマンドサービスプロビジョニング
昨今のトラヒック増に対応するために、フォトニックネットワークの帯域変更へのオンデマンド性が求められている。フォトニックネットワークへのオンデマンド要求として以下が挙げられる。
• トラヒックドリブン：トラヒックの変動に応じたフォトニックネットワークでの光パスの設定/削除• アプリケーションドリブン：ユーザやアプリケーションからの要求によるフォトニックネットワークの制御
これに対し、図 2.4.3.1 は、総務省の国家プロジェクトで実施されたテラビット級スーパネットワークの実証実験の構成を示した図である。5,6,7)。ここで、コアネットワークは、OXC で構成されるフォトニックネ
ットワーク上にコアルータで構成される IP ネットワークがオーバレイされている。さらに、コアルータは、
アクセスネットワークのトラヒックを集約して、フォトニックネットワーク上を転送する役割を果たす。このネットワーク構成において、ネットワーク制御サーバ（NCS）経由で次の 2 つの連携方式の検証が行われた。
• トラヒックドリブンの検証• NCS がコアルータのトラヒック情報を収集し、輻輳が発生していることを検出すると OUNI を介して
OXC に光パスの設定を要求する。OXC では GMPLS によりパスの設定を行う。
• アプリケーションドリブンの検証• CDN ルータが保持する大量のキャッシュを同期する際に、NCS 経由で光パスの設定を要求する。この要求は、トラヒックドリブンと同様に OUNI を介して OXC に要求され、GMPLS によりパス設定/削除が行われる。
また、両方式で設定された光パスに対して発生した障害に関しては、OXC が自律的に回復を行う。
この実験をとおして、IP 網と高度に連携するフォトニックネットワークの実用性が検証された。

－102－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

⑤ルータの経路計算性能を大幅に向上する技術

コアネットワーク
コアネットワーク

①レイヤ間連携型トラフィック・エンジニアリング技術

ＩＰネットワークにおけるルータの経路計算機能を分離することにより、高速に大容量の経路計
算を実現

２階層ネットワークを、通信量とアプリケーション要求により集中制御

ルータ・ネットワーク
ルータ・ネットワーク

ISPネットワーク
ISPネットワーク

アクセスネットワーク
アクセスネットワーク

コア・ルータ

ISPネットワーク
ISPネットワーク
コア・ルータコア・ルータ

アクセスネットワーク
アクセスネットワーク

経路制御部

経路制御部
ネットワーク制御サーバ

転送処理部

転送処理部
制御部
制御部

ASBR

エッジ・ルータ④キャッシュ連携コンテンツ配信技術
OXC
キャッシュ
制御サーバ

分散制御により自律的に障害箇所を高速迂回
迂回経路を含め光パス収容効率を最大化

OXC

フォトニック・ネットワーク 制御部
制御部
OXC

加入者網
加入者網
CDNルータ②自律分散制御型障害回復技術

制御部
制御部

アクセス網内のキャッシュ連携配信により、
コアネットワークの通信量を削減

OXC
制御部
制御部
OXC

OXC

ASBR

Web
サーバ
加入者網
加入者網

エッジ・ルータ③高速経路計算・設定技術
エッジ・ルータ 予備系を含む光パス資源の動的割り当てを集中制御することにより、高速かつ効率的な光パス接続が可能

図 2.4.3.1 テラビット級スーパネットワーク（http://www.nec.co.jp/press/ja/0511/1103.html）(2) フォトニック IX
従来、L2 スイッチや IP/MPLS ルータを使って構築されていた ISP 間の相互接続点（IX：Internet
eXchange）を、OXC を使ったフォトニックネットワークで置き換える研究開発が進められている。
2004 年に WIDE Project により運用が開始された T-LEC（Tokyo Lambda Exchange）は米国とアジア諸国の相互接続点として、国内においては JGNII や WIDE Procject の相互接続点として、10Gbps クラスのラムダネットワークを提供している。
また、IIJ，MFEED，NTT の共同で行われたフォトニック IX の実証実験（図 3.4.3.2）8)では、GMPLS
対応 OXC と IP ルータでネットワークが構成され、IP ルーティングと光パス切替の組合せにより増減する
トラヒックに柔軟に対応することが可能である。さらに、光パスで確保する帯域もトラヒック容量にあわせて柔軟に変更することができ、切れ目のない帯域割当により、IX 内での余剰必要リソースを最低限に抑えることが可能となる。

－103－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 2.4.3.2 Photonics IX （http://www.mfeed.co.jp/jpnap/press/20050525.html）
2.4.4 光パケットスイッチ
光パケットは長年、光信号処理や光バッファの実現が困難であり、実用的ではないと考えられてきたが、
光パケットネットワークのシステム構成を工夫することにより、少ないバッファでこれまでの IP パケット
ネットワークと同レベルの性能を確保できるという新たな提案があった。
ECOC2005 において、Stanford 大学の N. Mckeown 教授の基調講演 9)にて、「これまで、広帯域の TCP
セッションには巨大なバッファが必要だと考えられてきた。
しかし、
多くのセッションが集まるノードでは、
輻輳制御の window が同期することはなく、必要バッファ量は必ずしもセッション数倍とならない。逆にバックボーンの回線側に(アクセス側と比べて)100 倍程度の帯域を確保することにより、ノードで必要なバッ
ファ数は数 10 パケットのレベルとなる。
」この主張は、システム面から光パケットスイッチ技術の欠点を克服するという、新たな試みである。この提案の課題としては、100 倍の帯域をいかに安く確保するアーキテ
クチャや技術を検討することであろう。
現段階では、これら光パケットスイッチは商用運用に耐えられるほど技術が成熟していないと考えられるが、光パケットスイッチが持つ潜在能力への期待度の高さから、各国の国家プロジェクトの支援や国の研究機関での研究開発 10,11)が継続しており、今後も技術動向に注目する必要があると考えられる。
（西岡 到）

参考文献(1) S. Okamoto, et. al. “Nationwide GMPLS Field Trial Using Different Types (MPLS/TDM/Lambda) of
Switching Capable Equipment from Multiple Vendors, ” OFC2005 PDP40 2005.
(2) T. Otani “Nationwide Field Trial of GMPLS Optical Networking,” ECOC2005 Tu3.4.1 2005.
(3) http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h17/051014/051014.html, NiCT プレスリリース (2005).

－104－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) M. Mir, et. al. “A GMPLS-controlled Multi-Vendor Optical Network Demonstrating a Variety of
Switching, Control, and Protection Mechanisms,” ECOC2005, Tu3.4.2 2005.
(5) http://www.ntt.com/release/2005NEWS/0011/1111.html NTT Com プレスリリース (2005).
(6) 松岡 英晃 他, “テラビット級スーパネットワークの設計思想, ” 2006 年電子情報通信学会総合大会.
(7) 成瀬 勇一 他, “テラビット級スーパーネットワークの実験,” 2006 年電子情報通信学会総合大会.
(8) http://www.mfeed.co.jp/jpnap/press/20050525.html, インターネットマルチフィードプレスリリース(2005)(9) N. Mckeown, “Packet-Switching with Little or no Buffers,” ECOC2005, Opening Session (2005).
(10) D. T. Neilson, et. al. “Ultra-high capacity optical IP routers for the networks of tomorrow: IRIS
Project,” ECOC2005 We1.1.4 (2005).
(11) N. Wada, et. al. “160Gbit/s/port Optical Packet Switch Prototype with Variable-Length Packet BER
and Loss Real-time Measurement,” ECOC2005 We1.4.1 (2005).

－105－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.5 メトロネットワーク
2.5.1 はじめに
メトロネットワークは、ブロードバンドサービスの拡大に伴い急増するアクセス系のトラフィックを収容し都市内での転送、および、コアネットワークとの間を橋渡しするネットワークである( 図 2.5.1.1)。2005
年 11 月末の総務省の日本のブロードバンドサービス契約者数の推移に関する報告によると 1)、9 月末の時点
で FTTH (Fiber To The Home)の契約者数は 398 万で前年同期の 203 万からほぼ倍増となっており、ブロー
ドバンドサービスの全契約者数は 2143 万に増加している。
FTTH は ADSL (Asymmetric Digital SubscriberLine)、CATV(Cable TV)、FWA (Fixed Wireless Access)といった各種のブロードバンドサービスの中でも次世代アクセスの主力インフラと考えられている。このようなアクセス系インフラが整備されるのに伴い、メトロコア、メトロアクセスネットワークにおいては、高品質画像配信サービス、大容量コンテンツのデータ
転送サービスなど多様なサービスの収容が進む。このために、波長多重技術の導入による帯域拡大に加えてオン・デマンドサービスに対応するために波長パスの遠隔切替え機能などを実現する柔軟なネットワークの構築、および、光信号を電気信号に換えることなく光信号のままスイッチング可能な経済的なスイッチング
ノードの導入が求められている。

OXCﾉｰﾄﾞｺｱ網
コア網へ

光ﾊﾌﾞﾉｰﾄﾞ

ﾒﾄﾛ ｺｱ網

ﾒﾄﾛｱｸｾｽ網

OADM
ﾉｰﾄﾞ

FTTH
ハブ

ハブ

ラップトップ・ ・・

ラップトップ

SOHO

A 社
ユーザ
ー

本

社

IDC

図 2.5.1.1 メトロシステム階層構造
2.5.2 メトロフォトニックノード
メトロネットワークでも容量拡大のために波長多重技術が積極的に導入され、図 2.5.1.1 に示されたメト
ロコアでは 16 波から 40 波程度、またその規模は 100km から 400km 程度であり、メトロアクセスは 4 波－106－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）から 16 波、10km から 100km 規模のネットワークである。クライアントインターフェースは 622Mb/s、
2.4Gb/s、 10Gb/s の SONET/SDH だけでなく、GbE、10GbE などのデータ系インターフェースがますま
す増加するとみられている。ノードで波長多重信号を分波し波長毎に受信して電気段で処理をすることはビットレート、フォーマットに対して依存性が生じ、かつ、多重された波長数分の受信機と送信機が必要にな
り経済的なネットワーク構築が困難になる。そこで、光信号のまま方路を切替える機能を有するスイッチン
グノードの導入が進められている。これらスイッチングノードには光クロスコネクトノード(OXC) 、光ア
ド・ドロップノード(OADM)があるが、コアネットワークとメトロネットワークの接続点において光信号のまま両ネットワーク間を受け渡す機能を有する光ハブノード、パス接続の変更を遠隔操作可能なメトロアク
セスノードの研究・開発も進められている。
(1) OXC (Optical Cross-Connect) ノード
OXC ノードは、例えば、メッシュネットワークで複数の入力ポートと出力ポート間で光信号をスイッチン
グするノードであり、2 入力、2 出力の構成例を図 2.5.2.1 に示す。それぞれの入力ファイバからの波長多重信号を分波し波長毎に MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) スイッチなどの大規模マトリクススイ
ッチで切替える。例えば、C バンド 40 波をクロスコネクトする場合、このスイッチは 80x80 規模が必要となる。スイッチング後に各波長のレベル調整を行い、個々の波長を合波してそれぞれの出力ファイバに送出する。この構成では、光分波器、光合波器、マトリクススイッチなどを波長単位で光ファイバコードにて結線する必要があり、装置サイズが大型化し、ノードの挿入損失も 20dB 程度と大きくなる。

光分波器
ﾌｧｲﾊﾞ
ｺｰﾄﾞ

大規模
ﾏﾄﾘｸｽ
SW

λ1

可変光
減衰器
ATT

λ2

ATT

λN

ATT

ﾌｧｲﾊﾞ
ｺｰﾄﾞ

λ1

ATT

λ2

ATT

λN

ATT

光合波器
λ1

ﾌｧｲﾊﾞ
ｺｰﾄﾞ

λ2

λN

λ1

ﾌｧｲﾊﾞ
ｺｰﾄﾞ

λ2

λN

図 2.5.2.1 光クロスコネクトノードの構成例(2) OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)ノード
メトロネットワークでは敷設ファイバを節約すること、および、冗長をとるため図 2.5.1.1 で示されているようなリングで構成されることが一般的であり、この場合、入出力ポートはそれぞれ 1 ポートであるが、－107－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
他にそのノードで信号光を分岐・挿入（アド・ドロップ）する機能が必要となる。この OADM ノードには
表 2.5.2.1 に示す様に低価格のパッシブ光コンポーネントを搭載し、決められた波長のみをアド・ドロップ
する POADM (Passive OADM)、アド・ドロップかパス・スルーかを遠隔から切替えるために各波長毎に光スイッチを搭載した ROADM (Reconfigurable OADM)、アド・ドロップを遠隔切替えできるだけでなく、任意の波長の信号光を任意のポートに分岐する、あるいは、任意のポートから任意の波長の信号光を挿入することが可能な最も柔軟性の高い DOADM (Dynamic OADM)に分類される。今後、波長の時間貸しサービ
ス、オン・デマンドサービスに対応するために ROADM、 DOADM の導入が進むと考えられている。
表 2.5.2.1 OADM ノードの比較
種類

POADM (Passive OADM)

λ1

Demux

構成例

Σλ

Mux

ROADM (Reconfigurable OADM)

DOADM (Dynamic OADM)

2x2 SW

Cross-connect SW

Demux

λ1
λ2

λ2
Drop

Add

In

Σλ

Σλ

Out

In

Σλ
Add Drop

λ n-1

λn
Add

Mux

Σλ

Σλ

In

Out

Out

1

Add

1

Drop

...

λn

Demux

...

λ n-1

Drop

Mux

n

n

Add Drop

分岐/挿入の
遠隔切替え

不可

可能

可能

波長パスの
遠隔切替え

不可

不可

可能

(3) 光ハブノード
コアネットワークとメトロネットワークの接続点において両ネットワーク間を光信号のまま受け渡す(ハンド・オーバー)ハブノードが提案されている。先の OXC ノードとの違いは、OXC ノードではそのノードで個々の波長にアクセスすることを想定しているが、ハブノードでは、波長多重信号を異なるネットワーク
を跨りハンド・オーバーすることに主眼においているため、例えば、後に述べる波長選択スイッチを活用して、分波、スイッチング、合波を同一モジュール内で行い装置を小型、低損失に構成できる利点がある。
(4) メトロアクセスノード
メトロアクセスネットワークでは、日単位、時間単位で広帯域な波長パスを占有し、大容量データ転送を行うデータセンタ間接続や大容量コンテンツの配信を行うサービスの収容が増加すると考えられる。これらを実現するために、遠隔制御で所望の接続経路を波長単位で設定可能な装置が求められており、音響光学型
チューナブルフィルタ(AOTF)を搭載した簡易構成の光ゲートウェイ装置が報告されている 2,3)。
この光ゲートウェイ装置の構成を図 2.5.2.2 に示す 3)。本装置の分岐部は光カプラと 4 チャンネル集積型
AOTF、挿入部は低コストな固定波長光源と 4 skip 0 グループ合波/リジェクションフィルタで構成されてい－108－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）る。各装置の挿入部の固定波長光源には、予め決まった波長グループが割り当てられており、挿入光は合波/
リジェクションフィルタを介して伝送路に合波される。本装置では、挿入部の波長は固定であるが、波長多重信号光の任意の波長を AOTF で選択分岐することにより、任意拠点間を波長パス単位で柔軟に接続可能である。
また、複数の拠点で同一波長を選択分岐することで映像配信等に有用な波長レベルのマルチキャスト、
ブロードキャストが可能となる。1 リング内の装置総数は最大 10 装置、伝送距離は 100km 程度で、波長数は最大 40 波（100GHz 間隔）である。
装置外観を図 2.5.2.3 に示す。1 ラックのサイズは幅 19 インチ、高さ 2U（88mm）と小事業所にも設置可
能なサイズが実現されている。また監視制御端末から SNMP（Simple Network Management Protocol）により、パス設定等の遠隔制御や、伝送路断線等に対する常時遠隔監視を行うことが可能である。更に本装置
は OUPSR（Optical Unidirectional Path Switched Ring）による冗長構成を備えている。

#n
#m

#2

４波 Add/Drop
4 skip 0 グループ合波/リジェクションフィルタ
Node#1
カプラ
カプラ

IN

OUT

WDM アンプ
WDMアンプ
カプラ
カプラ

カプラ
カプラ

波長ルーティング
ノード本体

AOTF
AOTF
アレイ
アレイ
λ1~λ4 LD1 LD2 LD3 LD4固定波長 Add

トランスポンダ

任意波長 Drop

...

1

4

5

8

37 40

λ

図 2.5.2.2 光ゲートウェイ装置の構成

図 2.5.2.3 光ゲートウェイ装置の外観( after G. Nakagawa et al.3) )2.5.3 光スイッチ技術
メッシュネットワークあるいはリングネットワーク間のインターコネクションにおいてビットレート、フォーマット依存性が無く光信号のまま両ネットワーク間を受け渡す機能(ハンド・オーバー)は経済的で柔軟なフォトニックネットワークを構築するために必須であり、多ポート光スイッチは重要なコアコンポーネン
トとなる。多ポート光スイッチにはさまざまな原理を応用したものがあるが、MEMS 技術と Free-Space
Optics 技術により多ポートの入出力ファイバ間をビーム光にしてスイッチングする方式は低挿入損失、数十から数百ポートの大規模まで対応可能なことから有力である。MEMS 技術で 2 次元配列ミラーを形成し、数十から数百ポートで切換える大規模マトリクス光スイッチ、およびこの MEMS の 1 次元配列ミラーと回折格子などを組み合わせ、波長多重信号を任意のポートへ切換える波長選択スイッチ(Wavelength Selective
Switch, WSS)は波長多重信号を柔軟に、また、経済的にスイッチングできることから近年注目されている。

－109－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(1) MEMS スイッチ
MEMS スイッチは、MEMS 技術によって形成されたマイクロミラーの反射角度を機械的に変えることによりスイッチングを行う。
図 2.5.3.1 に示された 3D(3 Dimensional)-MEMS 光スイッチは 2 次元配列 MEMS
ミラーを用い同じく 2 次元配列された数十から数百ポートの入力ファイバと出力ファイバとの結合を切り替えるもので大規模光スイッチを小型、低消費電力で実現する有力な技術である 4,5)。入力ファイバからの信号
光はレンズアレイでコリメートされ、可動 MEMS ミラーにて所定の角度で反射される。反射された信号光
は屋根型折り返しミラーで折り返され、さらに MEMS ミラーにて再度反射されて出力ファイバに結合する。
図 2.5.3.2 にその光スイッチファブリックの外観を示す。256 ポートの入出力光学系の試作では、挿入損失として平均 3.3dB, 最大 4.7dB が得られている 4)。MEMS スイッチは、マイクロミラーの反射角度を機械的に変えることによりスイッチングするために応答速度は、例えば、電気光学効果など他の原理を利用するものに比べて限界があるものの図 2.5.3.3 に示すように 1msec の切替え動作が実現されている 5)。
入出力ファイ
バアレイ

屋根型折り返しミラー

コリメート用
レンズアレイ

MEMSミラー

図 2.5.3.1 MEMS 光スイッチの光学系(山本らによる 4) )図 2.5.3.2 MEMS 光スイッチ部の外観(山本らによる 4) )Switching time 1ms

Input #1
Input #2

Output
H: 1ms/div.
図 2.5.3.3 MEMS 光スイッチの切替え応答特性 ( after K. Kitayama et al.5) )－110－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(2) 波長選択スイッチ
波長選択スイッチ(WSS) 6-9)は多ポートスイッチの中でも MEMS 技術と Free-Space Optics 技術を巧みに組み合わせた光スイッチでありその多機能性、低挿入損失の点から特にハブノードへの応用が期待されている 7)。1xN
WSS の機能とその構成例を図 2.5.3.4 に示す。入力された波長多重信号は N 本の出力ポートへ任意の波長をスイッチ可能である。よって、ポート 1 を出力ポート、他のポートをドロップポートにすれば、任意の波長を任意のドロップポートに分岐することが可能であり、逆に、Nx1 WSS はポート 1 を入力ポート、他のポートをアドポートとすることで任意のアドポートから波長多重信号を出力ポートへ合波できる。すなわち、1xN WSS, Nx1
WSS を組み合わせることで最も柔軟性の高い DOADM も容易に実現することができる。また、波長多重信号の分波、合波、スイッチング、波長毎のレベル調整機能が WSS に集約可能であるために、OADM ノード、ハブノ
ードを入出力ファイバの取り回しに煩わされることなく簡易に構成できる利点がある。このスイッチでは、図に示されているように入力ポートから入力された波長多重信号はコリメータでコリメートされ、回折格子により分波される。分波された信号光は波長毎に用意された MEMS スイッチ（したがって、MEMS スイッチは 1 次元配列化されている）により反射され N ポートのいずれかに出力される。この際、MEMS ミラーの反射角度を調整することで出力ファイバへの光結合も変えることができ、波長毎のレベル調整機能が実現できる。カリフォル
ニア大学より、
2 軸アナログマイクロミラーアレイを用いた 1x32 WSS が提案されており、チャネル間隔 100GHz、挿入損失 5.67dB 以下、消光比 30dB、スイッチング時間 0.5ms 以下が報告されている 8)。また、Metconnex and
Alcatel からは、回折格子に導波路回折格子を用いて WSS モジュールを小型化した報告がある 9)。波長間隔
100GHz 用の1x9 WSS であり光回路部と制御回路部を含めたモジュール全体のサイズは222x84x29mm3 であり、0.5dB-down で定義される透過帯域幅は 50GHz 以上、光挿入損失は 5.6-7.6dB、チャネル間アイソレーションは35dB 以上が得られている。

〔機能〕

λ

1
2
3
1xN

λ

・
・
・N

〔構成〕
回折格子

レンズ

MEMS

コリメータ
入力

…
出力

図 2.5.3.4 1xN WSS の機能とその構成例－111－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
2.5.4 今後の展開
冒頭で述べたようにブロードバンド化の波は勢いを増しており、トリプルプレイ（インターネット、IP 電
話、映像配信）、さらには、クワドルプルプレイ（ワイヤレスが追加）サービスが計画されており、アクセス
系のトラフィックは益々増大するものと予想される。このことから、今後のメトロネットワークでは、波長数の増加、ビットレートの高速化によるネットワークの帯域拡大はもとより、光スイッチングノードとGMPLS(Generalized MPLS)を導入した柔軟でインテリジェントなネットワークの構築が進むものと考えられる。
(木下 進)
参考文献(1) http://www.soumu.go.jp/s-news/2005/051129_3.html(2) 曽根恭介、甲斐雄高、上野智弘、野口雅司、宮田宏志、中澤忠雄、宮田英之、尾中寛： “AOTF を用いた高速波長パス切り替え光ゲートウェイの開発、” 電子情報通信学会 信学会ソサイエティ大会、
B-12-9 (2003).
(3) G. Nakagawa, Y. Kai, K. Sone, Y. Takita, K. Miyazaki, T. Ueno, M. Noguchi, H. Miyata, H. Miyata,and H. Onaka: “Compact photonic-gateway for dynamically path-controlling metro accessλ-networks,” OECC2005, 5B2-4, Seoul (2005).
(4) 山本 毅、森和行、赤司 保、坂井良男、壷井 修、上田知史、佐脇一平、河合正昭、“MEMS を用いた高速多チャンネル光スイッチ、” 電子情報通信学会 信学技報、 PN2005-21 (2005-08).
(5) K. Kitayama, T. Miki, T. Morioka, H. Tsushima, M. Koga, K. Mori, S. Araki, K. Sato, H. Onaka, S.
Namiki, and T. Aoyama: “Photonic network R&D activities in Japan –current activities and future
perspectives,” J. Lightwave Technol., 23, 10 (2005) 3404.
(6) D. Marom, D. Neilson, D. Greywall, C. Pai, N. Basavanhally, V. Aksyuk, D. Lopez, F. Pardo, M.
Simon, Y. Low, P. Kolodner, and C. Bolle: “Wavelength-selective 1xK switches using free-space
optics and MEMS micromirrors: theory, design, and implementation,” J. Lightwave Technol., 23, 4(2005) 1620.
(7) W. J. Tomlinson: “Wavelength-selective switching – architecture and technology overview,”
OFC2004, WC3, Los Angels (2004).
(8) J. Tsai, L. Fan, C. Chi, D. Hah, and, M. Wu: “A large port-count 1x32 wavelength-selective switch
using a large scan-angle high fill-factor, two-axis analog micromirror array,” ECOC2004, Tu1.5.2,
Stockholm (2004).
(9) T. Ducellier, A. Hnatiw, M. Mala, S. Shaw, A. Mank, D. Touahri, D. McMullin, T. Zami, B. Lavigne,
P. Peloso, and O. Leclerc: “Novel high performance hybrid waveguide-MEMS 1x9 wavelength
selective switch in a 32-cascade loop experiment,” ECOC2004, Th4.2.2, Stockholm (2004).

－112－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.6 光 LAN/インターコネクト
2.6.1 概要
本節では、普及が進みつつある LAN および光インターコネクトの技術動向について報告する。本年度の報告の主な話題は、以下の 7 点である。
(1) データコム向けイーサネット規格：10Gbit イーサネット、 100Gbit イーサネット(2) テレコム向け規格：SONET/SDH、OTN(G.709)(3) ストレージエリア向け規格：Fiber Channel(4) サーバ入出力向けインタフェース規格：PCI-Express(5) 光インターコネクト：光モジュールおよびその装置応用(6) 光パケットスイッチ(7) パッケージの標準化：MSA(Multi-source Agreement)
2.6.2 イーサネット規格(1) 10Gbit イーサネットの概要
最新のイーサネット標準である 10 Gbit/s イーサネットは、光インタフェース（IF）と電気インタフェー
スの規格が、夫々8 種類と２種類ある 1) 2) 3) 表 2.6.2.1。その内、2005 年に、FDDI 規格の MMF（Multi mode
fiber）を用いる規格（10GBASE-LRM）と、二種類の電気インタフェース（T、バックプレーン）が、ほぼ標準化作業を完了した（いずれの規格も、ドラフトの 2.0 以降がリリースされている）。
現在、10 Gbit/s 用に規定されている光インタフェースおよび電気インタフェースについて以下概説する。
表 2.6.2.1 10Gbit イーサネットと 1Gb イーサネットのインタフェース規格
10 Gbit/s 規格
LAN/PHY

WAN/PHY

トランシーバ

最長伝送距離電気ケーブルMMF

SMF

10G BASE-ER

10G BASE-EW

1.5 um シリアル

×

×

40 km

10G BASE-LR

10G BASE-LW

1.3 um シリアル

×

×

10 km

10G BASE-LX4-

1.3 um WWDM

×

300m

10 km

10G BASE-SR

10G BASE-SW

0.85 um シリアル

×

300ｍ

1.3 um シリアル

×

220m

10G BASE-T

電気パラレル

100 m

×

×

10G BASE-CX4

電気パラレル

15 ｍ

××

Backplane(10 Gbit/s)

電気シリアル

1ｍ

1000BASE-LX

1.3um シリアル

×

550ｍ

5ｋｍ

1000BASE-ＳＸ

0.85um シリアル

×

220ｍ

×

1000BASE-T

電気パラレル

100 m

×

×

Backplane (1 Gbit/s)

電気シリアル

1m

10GBASE-LRM

1 Gbit/s 規格－113－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(2) イーサネット標準光インタフェース(a) LAN/PHY
従来の 1 Gbit/s クラス以下のイーサネットと同じブロック符号を用いる物理層。
スループットは 10 Gbit/s相当である。存在する 5 つの物理層は、１つの波長を用いるシリアル伝送規格（ER、 LR、 SR、LRM）と、1.3um 帯の 4 波長を用いる WWDM の規格（LX4）に分けることができる。
(i)

ＥＲに使用する 1.5um 帯のレーザは外部変調器付きの半導体レーザを使用する。ファイバは
SMF(Single -Mode Fiber)を使用する。

(ii) LR に使用する 1.3.um 帯のレーザは、直接変調で使用し、SMF を用いて伝送する。
(iii) SR は 850nm 帯で発振する VCSEL （Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を使用し、MMF(Multi-Mode Fiber)で 65m までの距離を伝送可能である。
(iv) LRM4)は、FDDI グレードを含む MMF を用いて 220-300ｍまで伝送する規格で 2003 年 11 月に規格化が開始された。2005 年 11 月に、ドラフト 2.4 がリリース、2006 年 1 月にはドラフト 3.0 がリリース予定である。北米を中心に敷設済みである FDDI グレード MMF をサポートする規格で、市場が拡大する可能性がある。送信信号波長は 1300nm 帯を使用予定である。
(v) LX4 は 1.3um 帯の 4 つの波長の異なるレーザを使用し、直接変調の後、波長多重にて一本のファイバで伝送する。SMF、 MMF いずれのファイバで使用可能である、FDDI グレードのＭＭＦ（62.5um/125um タイプ）でも 30m までの距離で伝送可能である。50um/125um タイプの MMF な
ら 65m、最新の広帯域 MMF なら 300m まで伝送可能である。
LAN/PHY の機能構成について述べる（図 2.6.2.1）。シリアル物理層 ER、LR、SR、LRM では、64B/66Bと呼ばれる符号方式を採用し、64 ビット毎に 2 ビットのヘッダをつけ、66 ビットの符号に変換する。これをシリアル化し、10.3125 Gbit/s のビット列を生成し伝送する。この 64Ｂ/66Ｂは、上位の MAC 層からの送信データ（XGMII もしくは XGXS 経由で届いたデータ）を、シリアル信号の送受信に適した形式に変換する符号化方式である。64Ｂ/66Ｂを用いる結果、物理的データ転送速度は 10.3125 Gbit/s と、10 Gbit/s より若干速度が上がる。
MAC
XGXS
XAUI

XGMII

XGMII

XGXS
8B/10B

64B/66B

Deskew

16bit

4XSerDes

SerDes
1bit

1bit

1bit

1bit

LRM
1300nm
220m(MMF)

SR
850nm
300m

LR
1310nm10km

ER1550nm
40km

4bit
LX4
1310nmWDM
MMF: 300m
SMF: 10km

図 2.6.2.1 10Gbit イーサネットの LAN/PHY のレイヤ構成－114－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
LRM4) は、2002 年に制定された ER、LR、SR の 3 規格ではカバーできなかった FDDI グレード
MMF(62.5um MMF)での 220m 伝送をターゲットにしている(IEEE802.3aq にて議論)。詳細な標準のターゲットは表 2.6.2.2 に示した通りである。2005 年 11 月の会議において、最長 300m まで規格化予定であったが、分散補償に技術的限界があるという事で、220m が最長距離という事で再定義された。
LRM は EDC（electronic dispersion compensation：電子分散補償）技術を利用することで、従来の10GBASE-SR では 26m までしか伝送できなかった FDDI グレードファイバで 220m までの伝送を可能にする。FDDI グレードのファイバは、北米を中心に非常に多く敷設済みであり、LRM 規格のリリースは、10Gbit
イーサネットの市場を大きく拡大すると期待されている。
EDC 技術の詳細は、現在、標準委員会で議論されており、受信側の DFE(Decision Feedback Equalizer:
図 2.6.2.3)と FFE(Feed Forward Equalizer)の両電子回路の使用と、送信側にパッチコード（図 2.6.2.4）を取り付ける形となる。LRM は、LX4 と比較して、単一発光/受光素子で構成されるシンプルな構造ゆえに、コスト的に有利と考えられている。
2005 年 11 月の会議においては、
リリース予定のモジュールメーカ（IEEE
会議内では会社名非公表）の製品間の互換性テストが報告された。結果としては、参加 4 社間の互換性が確認されている。
表 2.6.2.2: 10GBASE-LRM で使用予定のファイバと想定伝送距離
ファイバタイプ

1300nm 帯 特性 (MHz･km)

伝送距離 (m)62.5um MMF

160/500 and 200/500

0.5-220

50um MMF

400/500 and 500/500

0.5-220

50um MMF

Selected MMF 1500/500

0.5-220

TX
bits

Channel

Feed

Clock

ImpulseForwardData

Response

FilterRecoveryT

Feedback
Decision

Threshold
DeviceFilterFeedback
Equalizer

図 2.6.2.2 10GBASE-LRM における DFE の構成例
MDI

MDI

PMA

Optical

OpticalPMD

PMD

TransmitterX
Patch cord

PMA

ReceiverFiber optical cabling
MDI: Media Dependent Interface
PMA: Physical Media Attachment Sublayer
PMD: Physical Media Dependent Sublayer

図 2.6.2.3 10GBASE-LRM におけるパッチコードの使用方法－115－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) WAN/PHY
SONET/SDH フレームで入出力する物理層。既存の光伝送装置との接続が可能になる。ブロック符号化したシリアルビット列を OC-192/VC-4-64c に収容する。伝送スループットは 9.29 Gbit/s 相当である（あらかじめ MAC 副層でアイドルパターンを挿入するため、フレームレートが 10 Gbit/s より抑えられている）。物
理層の規格は、LAN/ＰＨＹと同じシリアル系の 3 規格（EW, LW, SW）がある。
(3) 電気ケーブルインタフェース
光ファイバを用いた規格は高コスト化の懸念が社会的に大きく、従来の 10GBASE-CX5)に加え電気ケーブ
ルを用いる(10GBASE-T6)、プリント基板を用いる規格(10GBASE-KR7))が、新たに提唱されている。
(a) 10GBASE-T は IEEE802.3an 委員会にて議論されている。UTP (unshielded twisted-pair)ケーブルを用 い 100m ま で の 配 線 距 離 を サ ポ ー ト す る も の で 、 こ れ ま で の 10BASE-T(10Mbps) 、100BASE-T(100Mbps)、 1000BASE-T(1 Gbit/s)との互換性を保ち、低価格化を目指している（Category6と Category7 のレガシーなケーブルを用いる）。
2005 年 7 月にドラフト 2.4 をリリース済みで、標準化作業はほぼ終了しており、現在最終のドラフト 3.0に向けた手続きを実施している。10GBASE-T に関しては、10W 近いとも言われる消費電力の大きさが課題となっており、技術開発の焦点は、規格ではなく LSI 開発そのものに移りつつある。
(b) イーサネットバックプレーン 7)は、10GBASE-KX、10GBASE-KX4、10GBASE-KR の 3 つの規格が存在する。KX は 1 Gbit/s、KX4 は XAUI 同様に 3.125 Gbit/s の 4 信号線で 10 Gbit/s を実現する。KR は 1
差動信号線にて 10 Gbit/s を実現する（図 2.6.2.4）いずれの規格も、バックプレーン間をイーサネットフレ
ームに格納したデータを用いて高速接続する事を目的とした規格で、2003 年 11 月のイーサネット標準化委
員会（IEEE802.3ap）にて標準化検討が開始された。2005 年 12 月にドラフト 2.1 をリリース済みで、現在、最終ドラフトドラフト 3.0 にむけた作業を実施している。

LLC
MAC Control (option)
MAC
Reconciliation sublayer
GMII

XGMII

XGMII

Clause36 PCS

Clause48 PCS

Clause49 PCS

PMA

PMA

PMA

PMD

PMD
Auto Negotiation

PMD

MDI
10GBASE-KX 10GBASE-KX4 10GBASE-KR
10Gbit/s
1Gbit/s
10Gbit/s

図 2.6.2.4 バックプレーンイーサネット(IEEE802.3ap)のレイヤ構造－116－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) 100Gbit イーサネット
次世代の高速イーサネットは、IEEE802 の標準化委員会での公式議論は 2005 年 11 月現在、まだ開始されていない。しかしながら、学会においては、いくつか発表がなされている。
ルーセント社は、ECOC2005 において、100Gbit イーサネットにおける物理層の構成案 8)を発表すると共に、100Gbit シリアル伝送の実験結果 9)を発表した。物理層の構成案においては、WWDM、DWDM、シリ
アル伝送の 3 種類を提案した。WWDM では 25 Gbit/s の 4 並列、DWDM では 10 Gbit/s の 10 並列のパラ
レルリンク構造をそれぞれ採用している。同じく発表したシリアル伝送においては、LN の MZ 変調器をもちいて 50 Gbit/s の Duo-Binary 変調により実効 100 Gbit/s の伝送を実現した（伝送距離 1.8km）。
日立も 100Gbit イーサネットに関して、CWDM にて 10 Gbit/s の 10 並列および、25 Gbit/s の 4 並列構造を発表すると共に、より近距離(300m)用にリボンファイバを用いた 10 Gbit/s の 10 並列および、電気イ
ンタフェースでの 12.5 Gbit/s で 8 並列の構造案を提案している 10, 11)。
100Gbit イーサネットのシリアル伝送は、技術的に高速変調の実現に課題が多いことに加えて、ファイバ
分散による波形劣化の影響により数 km の伝送距離が限界と予測されている。故に、パラレルリンクを中心の規格が軸となって議論が進むと考えられる。ファイバ分散の影響を考えると、長距離(40km)には 10 Gbit/sの 10 並列、中距離(10km)には 25 Gbit/s の 4 並列、短距離(300m)にはリボンファイバを用いるのが、実用的と予測する(25 Gbit/s 伝送での 10km 伝送には、10GBASE-LRM 同様になんらかの EDC 処理が必要になる)。
更には、100Gbit イーサネットを搭載するルータには、経路切替機能に用いる高速アクセスメモリとパケ
ット処理能力が必要になる。100Gbit イーサネットを搭載したネットワーク機器の実現には、伝送だけでな
く、パケット処理装置自体にも多くの技術課題が存在する。
2.6.3 テレコム向け規格
高速（10 Gbit/s）伝送用のテレコム規格は、SDH と OTN(G.709)の二つの規格が存在する。SDH は 2000
年に ITU-T G.691、2001 年に G.709 が夫々承認され、10 Gbit/s の全インタフェース標準の先駆けになった。
その後、40 Gbit/s をサポートする OC-768 も中距離伝送を中心に、徐々に普及が始まっている。
(1) SONET/SDH
SONET は ANSI の規格であり、SDH は ITU-T の規格である 12)。両者は概ね同じ仕様であり、光モジュールレベルでは、分けて議論されることはまずない。
ビットレートは厳密に記載すると 9.953 Gbit/s である。
SONET/SDH は、同期網であり、非常に厳しいクロック精度が要求される。光インタフェースは、VSR(Veryshort reach)という 600m 以下の伝送距離と、160km の長距離系が ITU-T の G.691 と G.693 によって定められている。
光 LAN のカテゴリに存在する VSR 規格は、シリアルインタフェースと並列インタフェースを併用した 4
つのカテゴリを持ち、ニーズに応じて使い分けが可能となっている（表 2.6.3.1）。

－117－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 2.6.3.1 OC-192 VSR の規格
名称

通信距離

ファイバタイプ

ファイバ数

レーザ/波長

VSR-1

300 m

MMF

12

VCSEL/850 nm

VSR-2

600 m

SMF

1

EE/1310 nm

VSR-3

300 m

MMF

4

VCSEL/850 nm

VSR-4

300 m

MMF

1

VCSEL/850 nm

MMF: Multi-mode Fiber, SMF: Single-mode Fiber, VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, EE: Edge Emitting(2) CEI 規格 13,14)
一方電気インタフェースも、従来の SFI-x、 SPI-X に加えて、2003 年度より、CEI (Common ElectricalInterface)と呼ばれる電気インタフェースの規格制定は始まっている。CEI 規格は、6 Gbit/s から 11 Gbit/sのデータレートで、チップ間、チップと光モジュール間および電気バックプレーン接続を実現するために制定されている規格である。CEI の技術は XFP インタフェースの 10 Gbit/s シリアル伝送をベースに開発を予定されており、本インタフェースの開発により、SerDes およびフレーマデバイスの素子サイズと消費電力の大幅な削減が期待されている。標準化作業は 2005 年 2 月ドラフトがリリースされて、ほぼ終了している。
CEI-6SR: 6 Gbit/s、 200mm まで、 1 コネクタ
CEI-6LR: 6 Gbit/s、 1m まで、 2 コネクタ
CEI-11SR: 11 Gbit/s、 200mm まで、 1 コネクタ
CEI-11LR: 11 Gbit/s、 1m まで、 2 コネクタ
2.6.4 ファイバチャネル
ファイバチャネル 15)とは、ストレージエリアをメインターゲットとし、パケットサイズが大きなビデオ、画像、大容量データ伝送のアプリケーション向けに制定されている規格である。ストレージエリアのネット
ワークは、ファイバチャネルをベースとした FC-SAN（Fiber-channel storage area network）と、iSCSI
コマンド利用して IP ネットワークで構築する IP-SAN の動きがある。この両者は、ユーザ用途が夫々求める信頼性からみて、高信頼性を要求する用途には FC-SAN、コストを重視する用途には IP－SAN という形で使い分けられる傾向が強い。
ファイバチャネルは、ANSI（American National Standards Institute）オープンスタンダード及び OSI（Open Systems Interconnection/開放型システム間相互接続）標準として規定されており、現在は、非営利団体である FCIA15)を中心に標準化作業が進められている。ファイバチャネルは、電気ケーブル（カッパーケーブル）及び光ファイバケーブル上で動作し、最大ケーブル長は 10Km である。ファイバチャネルのトポ
ロジにはサーバとストレージを 1 対 1 でつなぐ Point to Point、ハブを使って 126 ノードまで接続できる
FC-AL（Arbitrated Loop）、スイッチを使って 1678 万ノードまで接続できる FC-SW（Switched）がある。
現在、FC-SAN 製品は 2 Gbit/s までの製品が出荷されている。
ファイバチャネルの規格は、以下の 9 つのカテゴリから構成されている。この内で、物理層を規定しているのは(1)の FC-PH である。以下は、FC-PH の動向の詳細について記載する。
(1)

Fiber Channel Physical and Signaling Interface (FC-PH)：物理インタフェース(2)

Arbitrated Loop (FC-AL)： ループ構成－118－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(3)

Switch Topology (FC-SW) ： スイッチ間接続方法(4)

Fabric Generic Requirement(FC-FG)： スイッチ間接続方法(5)

Fabric Service Standard(FC-GS) ： サービスメカニズム(6)

SCSI-3 Command Set Mapping (SCSI-FCP)(7)

Link Encapsulation(FC-LE)(8)

HIPPI FP Packet Mapping(FC-FP)(9)

ATM-AAL5(FC-ATM)

ファイバチャネルは、電気インタフェースと光インタフェースの二つが用意されており、30m までの接続
距離においては電気インタフェース、30m 以上で 10km までの距離は、シリアルリンクを用いる光インタフ
ェースが用いられる。
使用されるファイバは、300m までの距離はコア径 50um のマルチモードファイバ、それ以上の距離(<10km)はシングルモードファイバの使用が想定されている。その一方でコア径 62.5um のマルチモードファイ
バは、低速 FC 規格（速度 266 Mbit/s、伝送距離 1km）以降は、使用を想定されていない。インタフェース
速度は、伝送速度 1 Gbit/s、2 Gbit/s、4 Gbit/s と 1997 年から 2004 年にかけて 2 倍づつの高速化が図られ、それぞれ 1GFC、2GFC、4GFC という規格に纏められている。また、伝送速度 10 Gbit/s を実現する 10G-FC
を 2004 に制定した（表 2.6.4.1）。
表 2.6.4.1 ファイバチャネルの規格化推移
名称

リンクレート(Gbit/s)

標準化終了

市場立上り

1GFC

1.065

1996

1997

2GFC

2.125

2000

2001

4GFC

4.25

2002

2004

8GFC

8.5

2005

2007

10GFC

10.2

2003

2004

10GFC の使用は、低コスト化の実現のため、10Gb インタフェースの物理仕様と同一である。しかしデータ伝送速度は、FC の規格で定められた 0.85 Gbit/s の整数倍となる 10.2 Gbit/s（0.85 Gbit/s×12 倍）であり、10Gbit イーサネットの LAN-PHY よりも 2％程実効レートが上がっている（物理レートは、64B/66B
符号化により更に上の 10.5185 Gbit/s）である。
1GFC、2GFC、4GFC の 3 規格は、インタフェースの上位互換が保たれており、例えば 4GFC に 1GFCを接続した場合も、インタフェース速度を判別して速度を自動調整するオート・ネゴシエーションを実現できる。これに対して、10G-FC は、10Gbit イーサネット等と同じ光デバイスを用いる規格であり、4GFC とのインタフェース互換性、オート・ネゴシエーションはサポートしていない。そのため、4GFC 等との互換性をもち、既存の施設の再利用を可能とする 8GFC が現在議論されている。
（8GFC は電気ケーブルインタ
フェースと、光インタフェースの双方で議論が進められている）。8GFC 製品は、オート・ネゴシエーショ
ン機能により接続された装置が使用するデータ速度を自動的に判断する。例えば、2G-FC、 4G-FC 製品と接続されれば 8G-FC 製品は 2 Gbit/s、 4 Gbit/s で接続する。このため、2G-FC、4G-FC 用に導入した設
備に、8G-FC がシームレスに接続可能な点が、8G-FC に期待されている点である。

－119－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
2.6.5 サーバ I/O PCI-Express
サーバおよびストレージのブレード化が進む中、それらブレード間を接続するインタフェース規格の重要性も高まっている。装置内ブレード間の高速化動向は、主に装置間接続用途に用いられる光インタフェース
に対する高速化要求と密接な関係にあるため、本報告書でも簡単に取り上げる。ここでは、今後主流になると予測され、インテル社が中心となって標準化が進められている PCI-Express16)について紹介する。
PCI-Express は、インテル 社、米 Microsoft 社などを中心とする Arapahoe Workgroup と PCI- SIG (PCI
Special Interest Group)が、当初 3GIO （Third generation I/O）というコードで標準化作業を進めていた高速シリアル I/O 規格。2.5 Gbit/s の伝送速度をもつあわせることで、高いスケーラビリティを実現する。
１倍、２倍、３倍とスケーラブルに拡張可能で、最大 32 倍構成での転送速度は、80 Gbit/s となる。コマン
ドラインもインバンドで伝送する（図 2.6.5.1）。現在、1x(2.5 Gbit/s)、 2x(5 Gbit/s)、 4x(10 Gbit/s)、 16x(40Gbit/s) のラインナップは各社から発売されつつあり、今後、サーバ/ディスクシステムの大容量化が加速されていくと予測する。次世代の PCI-Express II は 2.5 Gbit/s の 2 倍の 5 Gbit/s で議論されている。
伝送信号 2.5 Gbit/s

伝送線路

DeviceA

伝送信号 2.5 Gbit/s

DeviceB

図 2.6.5.1 PCI-Express (1x)の構成
2.6.6 光インターコネクト
一つのシステムを構成する装置間のデータ接続も、システム処理容量の拡大要求に応えるために大容量化が必要である。2005 年から１Tbit/s クラスのルータ装置も発表されるなか、装置内インターコネクト技術も、
1Tbit/s を超える容量の接続が必要となる。必要とされる大容量インターコネクトを、装置間接続に必要な数
100m の接続距離で実現するには、従来用いられてきた電気ケーブル接続に換えて、光ファイバを用いた光インターコネクトが必要視されている 17)。
装置間の光インターコネクトは、シスコ社のハイエンドルータ CRS-118)や、ペタフロップスクラスの大型の次世代スパコンを中心にシステム内接続に搭載もしくは搭載検討されている。今後も、装置の処理容量の大容量化に伴い、コンピュータはもとより大型のルータ装置などのスケーラビリティを確保するため、光イ
ンターコネクトを活用する動きは加速すると予測している。
また、FA(Factory Automation)や医療、計測などの用途では、低ノイズのデータ通信に電気ケーブルに代
えて光インターコネクトを使用するニーズがある。ノイズによる画質の乱れや誤動作防止の観点から、携帯電話などの無線系端末の装置データ通信に光インターコネクトが取り入れられる動きもあり、今後、よりコンシューマの広い領域に光インターコネクトが入っていく可能性がある。
(1) 筐体間接続用モジュール
並列光リンクは、光リンク系を制御可能な数だけ複数並列使用し、大容量通信を実現する光インターコネクト－120－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）のソリューションである。並列光リンクのモジュールは、一つのパッケージに並列チャネルの送信器と受信器を夫々搭載し、両者の間をリボンファイバで接続する。並列光リンクの最大の特長は、低速で動作する低コスト光部品と電子部品を並列使用することで、モジュールのコストを抑えつつ、大容量データ伝送を実現する点にある。
現在必要とされる 10 Gbit/s から 40 Gbit/s の伝送容量を実現する装置内向けのインターコネクト技術は、シリアルリンクでは省電力化と装置小型化が困難であるため、パラレルリンクが主流である。
表 2.6.6.1 に各社より発表されている並列光インターコネクトモジュールを示す(2004 年調査より、若干、
会社数が減少している)。北米を中心に非常に多くのメーカがさまざまなモジュールを発表している。多くはVCSEL （850 nm）を用いギガヘルツ帯でデータ変調し、4 本、 12 本もしくはその倍数のリボンファイバを並列使用して、信号伝送する。モジュールの構造（トランシーバもしくは送受信が別モジュール）、大きさ、
ピン配置、伝送距離に関しては各社各様である。
送受信モジュールに搭載した VCSEL の波長は 850 nm 帯が主流である。変調速度は 2.5 Gbit/s 以上が各社共に可能であり、62.5 um/125 um もしくは 50 um/125 um の GI(Graded Index)ファイバを使用して、VCSEL との間で高い光結合効率を実現している。これらの従来型の GI ファイバはファイバ分散が大きく(160～500 MHz・km)、変調速度 2.5 Gbit/s の場合、伝送距離は 100m に制限される。近年、より広帯域なMMF(ファイバ分散: 2000 MHz・km)も販売されており、そのファイバを使用すれば数 100m までは接続可能である。10G で変調可能なデバイスも多く発表され始めており、今後、更なる高速化が期待される。
表 2.6.6.1 各社より発表されているモジュール
社名

19)

AIST

AVAGO20)

Emcore21)

Infineon22)

Hitachi23)

NEC24)

NTT25)

Picolight26)

Zarlink27)

旧 Agilent
レーン数(bit)

64

12

12

12

4

4

4

12

12

変調速度(Gbit/s)

12.5

2.5

3.35

3.125

10

10

10

3.3

2.7

総通信容量(Gbit/s)

800

30

40

37.5

40

40

40

40

32.4

LD 波長(um)

0.85

0.85

0.85

0.85

0.85

0.85

-

0.85

0.85

伝送距離(m)

-

600

600

330

600

-

-

650

300

モジュールタイプ

TRX

TX/RX

TX/RX

TX/RX

TRX

TRX

TRX

TX/RX

TX/RX

コネクタ

AIP

MPO

MPO

MPO

MT

PETIT

-

MPO

MPO

TX/RX: 送信、受信モジュールが分離、 TRX: トランシーバ型* 4 波の CWDM を１２本並列使用(2) チップ間接続用光インターコネクト技術/光配線
筐体間を接続する光インタコネクトモジュール技術は、より小型化を進めることで、LSI から直接光信号を入出力することが可能になる。現在、NEC およびルーセント社、産総研が活発に活動を実施している。
NEC は、PETIT モジュール 24)として、LSI パッケージ内で光電変換し、光信号の形式で入出力する技術を開発している。
チャネル辺り 10 Gbit/s もしくは 3.125 Gbit/s の変調が可能な VCSEL と PD(Photo Diode)を 4 チャネル各一組単位で、LSI パッケージ上に搭載可能な構造を有する。専用の高密度コネクタで直角に光軸を曲げ、水平方向に光ファイバで信号の取り出しが可能である。高密度コネクタ(最大 24 芯)も同時開発しており、小型ハウジングでファイバ接続可能となっている。
ルーセントは、ECOC2005 にて”Terabus” 28)という名称でチップ間のインターコネクト技術を発表してい－121－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）る。
4x12 チャネルの VCSEL(波長 990 nm)およびフォトダイオードを、
シリコンベンチ上に集積し、20 Gbit/sの変調速度での動作し、基板内光導波路を介して 30cm の伝送を実現している。フットプリントは 9 mm2
以下、消費電力は 10 ｍW/Gbit/s 以下の小型・低消費電力を実現しており、光インターコネクトが電気のインターコネクトと比較して、小型で電力効率が高いことを実証する一つの例となっている。
産総研 19)は、シリコン LSI から直接光入出力するインタフェースとして AIP とよぶ光 I/O を開発した。
直角変換光導波路と 2 次元アレイ集積デバイスにて、チャネル辺り 12.5 Gbit/s、最大 64 チャネルの集積を
32mm 角の小型デバイスで実現している。貫通孔電極付の VCSEL と、位置合わせトレランスが+/-6 um と大きい 45 度ミラー付光導波路がキーデバイスとなっている。
伝送レートの高速化に伴い、電気のインターコネクションでは①伝送距離、②消費電力、③回路規模の 3
項目がボトルネックになると予測されている 29)。この３つのボトルネックを解消する手段として、光インターコネクト技術に高い期待が集まっている。光インターコネクト技術を用いることで、デバイスサイズの小型化と電力効率の向上が図れ、一つの LSI から 10 Tbit/s（電気インターコネクトでは１Tbit/s 付近が限界）
クラスの信号入出力容量を実現できると予測している。
産総研の HyperSI プロジェクト 19)では、A-TCA 準拠の高密度光バックプレーンを開発している。A-TCAの 14 スロットに対して 24 芯の直角曲げコネクタという独自コネクタを搭載し、合計ファイバ数 300 線の光
配線を、ラミネートされた光バックプレーンボードで実現している。
“Generation Free Platform”として、光バックプレーン技術をサーバやルータなどの装置プ
NEC24)は、ラットフォームに用いる事で、伝送速度の向上や、装置サイズの大型化などに長期的に対応できると発表している。この中で、前述の小型 PETIT 光インターコネクト技術と、多数のスイッチモジュールを分散配置したさいのスケジューリング(自律分散スケジューリング)、さらには長期使用時に問題となる故障リスクの予測システムなどを併せて開発している。
日立は、スイッチファブリック当りの伝送容量が 2Tbps を超える超大容量ルータにおいては、LSI の消費電力増大、ピン数増大によるコスト高になるとの予測を発表している。ルータの装置内あるいは装置間の光インターコネクションに着目している。まずは入出力ピンを削減するために、電気スイッチを中心にバック
プレーンを構成する形が、最初の導入形と提唱している 29)。
2.6.7 光パケットスイッチ
スイッチシステムは、以下の形でアーキテクチャが変化していくとの予測がある。
①電気信号での経路切り替え(一般的な光クロスコネクト装置)②電気 OBS (Optical Burst Switch)：別線で電気信号によりで経路設定して、大きいパケットサイズのバースト光信号を、高速光スイッチでデータ交換する。
③光 OBS：大きいパケットサイズのバースト光信号を用い、同光パケット信号のヘッダに経路信号を載せ、
光信号のままで経路情報を読取・設定し、光スイッチでデータ交換する。
④光パケットスイッチ：小型パケットサイズ毎に、光信号の状態で経路読み取りを実施し、経路切り替えを実現する。
光パケットスイッチは、光メモリを中心としてデバイス技術に未開拓の課題が多く、電気/光の OBS の研究開発が盛んである。
東京大 30)では、OBS ネットワークのテストベッド構築に取り組んでおり、光バーストスイッチネットワ－122－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ークのテストベッドを構築し、光バーストの伝送実験に成功している。本テストベッドを構成する光ノード
では、外部ネットワークとのインタフェースとしてギガビットイーサネット信号の入力ポートを保持する。
実データ信号から光バーストを生成する機構を備え、複数のノードを接続する光バーストスイッチネットワークの稼動を確認し、映像信号などのアプリケーションを転送した実験に成功している。
慶応大 31)では、コアルータで競合回避を行うのではなく、エッジルータにおいて送信経路を制御することにより、競合の発生確率を低減する方式を提案している。提案方式では、各エッジルータが新たにフィード
バックパケットと探索パケットを使用して、自律分散的に送信に適した経路を学習する。各エッジルータが経路を自己学習することにより、ネットワーク内のトラヒック負荷が分散され、競合の発生確率が低減される。計算機シミュレーションにより、提案方式は最短経路でバースト信号を送信する方式と比較して、あるリンクにトラヒックが集中する不均一トラヒック下において、バースト信号棄却率を約 1/10 に低減できる。
Lucent32)社は、ECOC2005 にて、光パケットスイッチの実現案の一つとして、波長変換器と AWG および光ディレイラインを組合せた波長をヘッダ情報とした、光パケットスイッチを発表した。SOA と MZI フィルタを用いた波長変換器は、40 Gbit/s の光信号の波長変換を実現する。二つの AWG の間には異なる経路
長の光ディレイラインを接続し、入力信号のヘッダ情報に応じて異なる波長に変換の上、ディレイラインにて出力タイミングをずらして合波する構造を実現している。この構造により 25.7 ns のウィンドウサイズで、高速光信号(9.953 Gbit/s)の順序入れ替えを実現している。
光パケットスイッチは、ペタフロップスクラスのスーパーコンピュータにおいても、応用が検討され始めている。富士通は、文部科学省の次世代スパコン研究開発プロジェクトの 1 テーマとして、「光技術を用いた超高バンド幅スイッチング技術の開発」を推進している 33)。本研究では、従来電気クロスバースイッチを用いて構成していたラック間(リーフ間)のインターコネクトに、波長多重した光信号と、ナノ秒オーダの光スイッチによる一括経路切替により、大容量・コンパクト・低価格・高信頼なインターコネクトの実現を目指している。波長多重は、40Gbps 信号を基本単位として実施予定と発表している。光信号で送受信するデータプレーンとは別個にコントロールプレーンを用い、その紺とローププレンより光スイッチの切替動作を制御する。
2.6.8 MSA
イーサネットなどのインタフェース規格の標準化作業と合わせて、光トランシーバなど部品レベルの規格統一作業 MSA（Multi Source Agreement)も非常に活発に進められている（表 2.6.8.1）。MSA は、部品形状やピン配置などの共通化を図る事により、ユーザ側にセカンド/サードソースとしての選択肢を提供する一方、ベンダー側としても、MSA に参加することで、市場シェア拡大に向けた機会の拡大が可能となる。MSA
は、今後一層活発になると考えられる。
イーサネットのモジュール市場は XENPAK が主流として扱われてきたが、X2、あるいは XPAK と呼ばれる MSA に主流は移りつつある。更に、XFP と呼ばれる小型モジュールが急速に伸びてきており、小型化と低電圧（3.3V）
・低消費電力化の流れのなかで、XFP が今後の主役となると予測している。通信機器および、
サーバシステムの小型大容量化は、近年、その進みを早めており、後述の XFI インタフェース(10Gbit/s-SerDes の一種)の IP(Intellectual Properties)普及が進むと、XFP の搭載は主流になる。XENPAK 等
は、既設装置のメンテナンス需要および、長距離伝送用の大消費電力モジュールを中心に使われていく。
XFP34)は SFF(Small Form Factor)を目指した 10Gbit イーサネット用モジュールの MSA である。

－123－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Broadcom 社、 Brocade 社、 Emulex 社、 Finisar 社、 JDS Uniphase、 Maxim 社、 ONI Systems 社、住友電工、 Tyco Electronics 社 、 Velio 社が参加している。OC192/STM-64、 10 G ファイバチャネル、
10 G イーサネットをサポートしている。10 Gbit/s のシリアル電気信号で信号入出力する点が、XENPAKと異なる。ホットプラグ対応で、大きさは XENPAK 等の 1/3 程度である（幅 18.35mm、 高さ 8.5mm、長さ 62.1mm）。電気信号インタフェースは XFI という規格を採用している。XFI は 12 インチまでの距離をFR4 材料のプリント基板で接続することができ、500mV の差動シリアル信号線（100 オームでペア終端）で接続する。XFP においては、3.3V 駆動のレーザ、フォトダイオードの搭載が主流と考えられ、各社ともにモジュールの開発を進めている。
QSFP37) (Quad Small Form-factor Pluggable)は、Agilent、 AMCC、Hitachi-Cable America、Infineon
Technologies Fiber Optics、 JDS Uniphase、Molex、Optical Communication Products（OCP）、Picolight、Tyco Electronics が参加して 2005 年 3 月に発足した。小型トランシーバ用の規格であるが詳細は公開されてない。4 チャネルの送受信が可能で、ホット・プラグできる。Ethernet、ファイバチャネル、SONET/SDHに対応し、データ転送速度は最大 4.25 Gbit/s。リンク状態を監視する診断機能を備え、装置のスタッキングも考慮すると発表がなされている。
表 2.6.8.1 各 MSA の規格概要
サイズ (mm)

300pin35)

XENPAK36)

XFP34)QSFP37)127 x 127 x 18

121 x 36 x 24.4

78 x 18.35 x 8.5

N/A
4ch 構成7602 x 55.9 x 16 (SFF)

SFP の 4 倍密度
電気インタフェース

SFI-4 / XSBI

XAUI

XFI

622 Mbit/s x 16ch

3.125 Gbit/s x

10 Gbit/s x 1ch

N/A

4ch
電気ピン数
光インタフェース
最大消費電力

300

70

30

N/A

ピッグテール

SC

LC

MPO

14W

6W

3.5W

N/A
（西村 信治）

参考文献(1) http://www.ieee802.org/3/ae/index.html(2) 石田修、市野晴彦: ”10 Gigabit Ethernet 標準化動向”, NTT 技術ジャーナル 2001.4, (2001) pp. 41-45.
(3) 石田 修，瀬戸 康一郎：“改訂版 10 ギガビット Ethernet 教科書” インプレス，(2005).
(4) http://www.ieee802.org/3/aq/index.html(5) http://www.ieee802.org/3/ak/index.html(6) http://www.ieee802.org/3/an/index.html(7) http://www.ieee802.org/3/ap/index.html(8) P. J. Winzer, G. Raybon, and M. Duelk: “107-Gbit/s optical ETDM transmitter for 100G Ethernet－124－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
transport”, ECOC2005, PD1, Glasgow Scotland, Sep. 2005.
(9) M. Duelk: “Next-generation 100G Ethernet”, ECOC2005, Tu.3.1.2, Glasgow Scotland, Sep. 2005.
(10) H. Toyoda, H. Nishi, and S. Nishimura: “Signal Transmission and coding architecture for Next
Generation Ethernet”, IEICE Transaction on Information and Systems, E86-D, No.11, (2003) pp.
2317-2324.
(11) H. Toyoda, S. Nishimura, M. Okuno, R. Yamaoka, and H. Nishi:“A 100-Gb-Ethernet subsystem fornext-generation metro-area network”, ICC2005, GC10-3, Seoul Korea, 2005.
(12) http://www.oiforum.com/(13) http://www.oiforum.com/public/documents/OIF_CEI_02.0.pdf(14) http://www.oiforum.com/public/documents/CEI_P-01.0.pdf(15) http://www fiberchannel.org(16) http://www.pcisig.com/home(17) http://www.paralleloptics.org/(18) http://www.cisco.com/en/US/products/(19) 茨木修:“筐体内光配線技術”、ユビキタスネットワーク社会の光技術・産業懇談会、第四回討論会、電通
大スカイオフィス、2005 年 11 月.
(20) http://www.avagotech.com/(21) http://www.emcore.com(22) http://www.infineon.com/(23) 11）T. Ban, R. Mita, Y. Matsuoka, and M. Shishikura: “Compact Lowcost Four-channel × 10Gbit/s
Parallel Optical Transceiver for Short distance Optical Interconnections,” 31st ECOC, We1.5.6,
Sept 2005.
(24) 岩田淳:, “光インターコネクションを適用した Generation Free Platform への取り組み”、ユビキタスネ
ットワーク社会の光技術・産業懇談会,第四回討論会、電通大スカイオフィス,2005 年 11 月.
、電子情報通信学会 第 6 回システムフォトニクス研究会、pp.
(25) 坂本健一: “10Gbit/s 光リンクの動向”
11-22、 東京、2004 年 7 月.
(26) http://www.picolight.com(27) http://www.zarlink.com(28) L. Schares1, C. Schow, F. Doany, C. Schuster, J. Kash, D. Kuchta, P. Pepeljugoski, J. Schaub1,
J.Trewhella, C. Baks, R. John, L. Shan, S. Hegde, Y. Kwark, D. Rogers, F. Libsch, R. Budd, P.
Chiniwalla,J. Rosner, C. Tsang, C. Patel, D. Kucharski, D. Guckenberger, R. Dangel, B. Offrein, M.
Tan, G. Trott, M. Nystrom, A. Tandon, C.K. Lin, D. Dolfi, ““Terabus” – A Waveguide-Based Parallel
Optical Interconnect for Tb/s-Class On-Board Data Transfers in Computer Systems”, ECOC2005,
We1.5.5 Glasgow Scotland, Sep. 2005.
(29) 西村信治: “光技術の超大容量ルータへの適用”、ユビキタスネットワーク社会の光技術・産業懇談会、第四回討論会、電通大スカイオフィス、2005 年 11 月.
(30) Y. Sun, T. Hashiguchi, X. Wang, H. Morikawa, and T. Aoyama: "An Optical Burst Switching (OBS) Network
Testbed: Its Design and Implementation,"電子情報通信学会研究報告, PN2005-29, August 2005.

－125－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(31) 石井大介、山中直明:“OBS ネットワークにおいて探索パケットを利用した自己学習型経路選択方式”、
電子情報通信学会研究報告, PN2005-37, Oct. 2005.
(32) D.T.Nelson, D. Stiliadis, and P. Bernasconi: “Ultra-high capacity optical IP router for the networks
of tomorrow IRIS Project”, ECOC2005, We1.1.4, Glasgow Scotland, Sep. 2005.
(33) 木村康則:“ペタフロップスコンピュータと光技術”、次世代光情報通信技術シンポジウム(主催：産業技術総合研究所)、東京国際フォーラム、2005 年 9 月.
(34) http://www.xfpmsa.org/(35) http://www.300pinmsa.org/(36) http://www.xenpak.org/(37) http://www.qsfpmsa.org/－126－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.7 量子暗号通信技術
2.7.1 はじめに
量子暗号技術は、安心で安全なネットワーク社会の実現に向けて注目されている。従来の暗号技術が、計算量に基づいて安全性を保証しているのに対して、量子暗号は、物理法則によって安全性を保証する技術である。この量子暗号という言葉は、単一光子伝送による暗号鍵配送 Quantum Key Distribution (QKD)と
Vernam 暗号(One-time Pad とも呼ばれる) による、盗聴不可能な暗号化鍵共有と解読不可能な暗号を用いた秘匿通信技術を指すことが多かったが、近年、それとは異なりレーザ光のもつ量子ゆらぎを利用して鍵配付でなく直接暗号化する技術に対しても使われている。以下では、それぞれについての技術動向について報告する。
2.7.2 単一光子量子暗号技術
通常の光通信が 1 ビットの情報を送るのに多数の光子を用いるのに対し、QKD は 1 ビットにつき 1 個の光子すなわち単一光子の偏光や位相の状態に鍵情報(乱数)を載せて送る。受信者は超微弱な光信号である光子とその状態(鍵情報)を検出し、図 2.7.2.1 のように検出した鍵情報(生鍵)から誤りや怪しげな情報を取り除く処理によって最終的に暗号化に用いる鍵である最終鍵を生成・共有する。

図 2.7.2.1 単一光子量子暗号
1989 年に IBM が距離 30 cm の空間伝送実験を行って以来、光子をいかに短い時間間隔で送り出し、いかに遠くへ伝送し検出するか、すなわち鍵生成レートの高速化と長距離伝送という光子レベルの伝送技術を中心に研究開発が進められてきた。主要な光学系を表 2.7.2.1 にまとめる(以下各光学系は本表 Type(a)～(f)を用いて指す)。これは光通信の研究開発が伝送容量と速度の向上が中心であったのと同じである。最近は、長距離化、高速化に加えてフィールドに敷設された光ファイバを用いての長時間連続実験や量子暗号鍵配付ネ
ットワークとしての実験が行われるなど、可能性実証から実用化を目指した研究開発へと移行してきている。
その他に、理想状態だけではなく実際に用いる場合の安全性に関する研究も行われている。

－127－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 2.7.2.1 単一光子量子暗号光学系の比較
Type
往

構成

(a)

特徴

文献

・伝送路の偏波変動に無依存(1)

復・偏波無依存光変調器必要型(Alice)(b)・伝送路の偏波変動に無依存(2)・偏波依存性のある位相変調
器可(Alice)(c)・伝送路の偏波変動に無依存(3)・温度無依存干渉計
・偏波依存性のある位相変調
器可(Alice)
単(d)・偏波コントローラ、ファイ一

バストレッチャによる変動

方

補償

(4)

向
型
(e)

・PLC による高精度かつ偏(5)波無依存光干渉計(f)

・PLC による高精度かつ偏(6)

波無依存光干渉計
・単一干渉計(1) フィールド実験
理想条件に近い実験室と異なり、フィールドではファイバの遅延変動をはじめとする擾乱の影響を克服する必要がある。JGNⅡを利用した長距離フィールドテスト実験が行われ、Type (b)構成で、平均光子数 0.1
photon/pulse で 96 km 伝送した結果、量子誤り率 9.9 %、生鍵生成速度 8.2 bps が達成されている。この実
験では、鍵生成処理における誤り訂正符号として LDPC 符号を実装し有効性が確認されている 2)。
また、暗号化通信システムとして実際に用いるためには、長時間連続して暗号化に用いる最終鍵まで生成することが必須である。そこで、温度無依存光干渉技術(Type(c))をはじめとする安定化技術と最終鍵生成に必須であるフレーム同期技術、万が一の異常時に自動復旧する監視制御技術からなる伝送システム技術を組－128－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
み込んだ装置を、商用アクセス光ファイバ 16.3 km に接続し、14 日間以上の連続最終鍵生成が実証された。
平均光子数は、0.6 photon/pulse で、14 日間の平均量子誤り率は 7.5%、最終鍵生成速度は 13.0 kbps が達成されている 7)。
量子暗号鍵配付ネットワークとして、Boston での BBN Technologies、Harvard 大、Boston 大を接続した QKD ネットワークの実験が行われている。
ノード数は 10、
このうち BBN Technologies と Harvard
大間の伝送路は距離 10 km、損失 5.1dB、平均光子数 0.5 photon/pulse での量子誤り率 3%、最終鍵は
1 kbps と報告されている 8)。
(2) 長距離化、高速化
伝送路の偏波変動を自動に補償する Plug & play(Type(a)1)～(c)3))と呼ばれる往復型のものが現段階では最も実用化に適しているが、長距離化や高速化という観点では単一方向型(Type(d)～(f))が有利である。しかしながら、一方向型では、送信側と受信側の干渉計を精密に合わせる必要があること、伝送路の偏波変動の影
響を受けないことが必要である。そこで、Type(d)のように偏波コントローラやファイバストレッチャによって動的に変動補償を行う方式 4)のほか、平面光回路(PLC)技術による高精度かつ偏波無依存な光干渉計による 100 km 以上の長距離での鍵生成が実現されている 5)。
光ファイバ損失が最小となる 1550 nm 帯で単一光子伝送を行う場合、光子検出素子としては InGaAs 系
APD を冷却しゲーテッドガイガーモードで用いる。このとき、図 2.7.2.2 に示すようなアフターパルスと呼ばれる雪崩増倍の残響現象によって動作速度が制限される。そのため、アフターパルスの小さい APD 素子
開発への取り組みが行われている一方で、850 nm 帯を利用し雑音特性に優れゲーテッドガイガーモードが不要な Si APD を光子検出に用いることで、動作速度を上げるアプローチがとられている。

図 2.7.2.2 アフターパルス
動作速度を 3.3 GHz とし、 850 nm 帯の量子チャネルを、シングルモードファイバ伝送させて Si APD により光子検出する報告があった。このとき Mode-selective launch 技術を利用して量子チャネルの損失を 2.2
dB/km まで削減して伝送、最終鍵生成速度は 6.55 km で約 50 kbps、11km で 6 kbps、同期チャネルは 1300
nm 帯であった 9)。
また、波長変換により、1550 nm 帯から 850 nm 帯への波長変換を行い Si APD で高速光子検出を実現する方式もある。動作速度を 1 GHz とし、差動位相シフト(DPSK(Type(f)))方式により分散シフトファイバ 105 km 伝
送し、誤り率 7.95 %、選別鍵約 5 kbps、最終鍵生成速度 209 bps が達成された。1560 nm の信号光と 1319 nmのポンプ光 3 mW を PPLN 素子入力して波長変換を行い、Si APD によって光子検出を行っている 6)。

－129－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(3) その他
システムに組み込めるレベルの単一光子源がないことにより、QKD は光源として通常半導体レーザなどのコヒーレント光を減衰させて用いる。このとき、1 パルス中に 2 光子以上含まれる確率を減らすために、
パルスあたりの光子数を 1 以下にする。特に Photon Number Splitting(PNS)攻撃を考慮すると光子数はさらに制限される。しかしながら、光子数を減らすほど伝送距離は短くなる。そのため、二光子対を用いる方式などが研究されているが、技術難易度が高い。そこで、強度をランダムに変調し、光子分布を Poissson
分布から外し PNS 攻撃を防ぐ Decoy State が提案され、実験が行われている。Plug & play 型の送信側 Aliceに Acoustic Optic (AO)変調器を配置して 1 ビット毎に強度設定し、2 値の Decoy(Signal:0.8 photon/pulse、Decoy:0.12 photon/pulse)状態を用い、15 km の伝送が行われた 10)。
変わった報告としては、往復型における、南北の地磁気によるファラデー効果の影響の検討に関するものがあった。地磁気と同等の 50 µT の地場を距離 20 km のファイバにかけて実験を行ったところ 0.4 rad.のファラデー回転が生じ量子誤り率が約 2 %劣化したことが示されている 11)。
2.7.3 量子ゆらぎを利用した暗号化伝送技術
近年、レーザ光のもつ量子ゆらぎを利用し、対盗聴性を高める研究開発が行われている。本技術は、光信号を送受信者で共有する規則に従って、基底(図中の m)を強度または位相で符号化し伝送する。符号化規則を知らない盗聴者は、量子ゆらぎがあるために信号を正しく識別することができない。従って正規受信者は盗聴者に対して優位性を有する。単一光子による QKD と異なり、多光子伝送であるため、光増幅器を用いた長距離化が行えること、光子検出器のアフターパルスによる速度制限がないために高速化がしやすいというメリットを有する。その反面、基底の符号化規則と初期値を予め送受間で共有する必要があること、盗聴検出はできないというデメリットもある。安全性については現在活発に議論が行われている。

図 2.7.3.1 量子ゆらぎによる暗号化
強度変調によって 1Gbps の信号光を多値数 100 で符号化する装置を試作し、EDFA 光プリアンプを用いて 100km 伝送を行った報告(図 2.7.3.2)12)、位相変調によって 622Mbps の光信号を多値数 16384 で符号化し 2.4Gbps の信号と波長多重し、125km 毎に EDFA で増幅し 250km 伝送実験を行った報告があった 13)。

－130－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 2.7.3.2 伝送特性(古澤らによる 12))
（田島 章雄）参考文献(1) A. Muller, H. Herzog, B. Huttner, W. Tittel, H. Zbinden, N. Gisin, “Plug and play systems forquantum cryptography,“ Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 7 (1997), pp. 793-795.
(2) 長谷川、西岡、石塚、安部、清水、松井、“既設光ファイバ 96km での量子暗号通信システム実験、”
2005 年 暗号と情報セキュリティシンポジウム、2F1-3、(2005).
(3) A. Tanaka, A. Tomita, A. Tajima, T. Takeuchi, S. Takahashi, Y. Nambu, “Temperature independent
QKD system using alternative-shifted phase modulation method,” Proc. of ECOC2004,
Tu4.5.3(2004).
(4) Z. L. Yuan, A. J. Shields, “Continuous operation of a one-way quantum key distribution system overinstalled telecom fibre,” quant-ph/0501160 (2005).
(5) 南部、吉野、富田、“PLC を用いた一方向量子暗号通信システムの開発、”電子情報通信学会量子情報技
術時限研究専門委員会 QIT2005-39、(2005).
(6) H. Takesue, E. Diamanti, T. Honjo, C. Langrock, M. M. Fejer, K. Inoue, Y. Yamamoto, “Differential
phase shift quantum key distribution experiment over 105km fibre,” quant-ph/05707110 (2005).
(7) 田島、田中、前田、高橋、“アクセス系光ファイバによる長時間連続量子暗号鍵生成実験、” 電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-10-82、(2005).
(8) C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J. Schlafer, H. Yeh,” Current status of the DARPA
Quantum Network,” quant-ph/0503058 (2005).
(9) K. J. Gordon, V. Fernandez, R. J. Collins, I. Rech, S. D. Cova, P. D. Townsend, G. S. Buller, “3.3Gigahertz Clocked Quantum Key Distribution System,” Proc. of ECOC2005, Th.3.1.1 (2005).
(10) Yi Zhao, Bing Qi, Xiongfeng Ma, Hoi-Kwong Lo, Li Qian,” Experimental Decoy State Quantum Key
Distribution Over 15km,” quant-ph/503192 (2005).

(11) M. Brodsky, M. Boroditsky, M. D. Feuer, A. Sirenko, “Effect of a Weak Magnetic Field on Quantum
Cryptography Links,” Proc. of ECOC 2005, PD 4.2.4, (2005).
(12) 古澤、生島、広田、布施、“量子ゆらぎ拡散暗号伝送方式(Y-00)の開発(2)、”電子情報通信学会ソサイエ－131－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ティ大会、B-10-83、2005(13) C. Liang, S. Kanter, E. Corndorf, P. Kumar, “Quantum Noise Protected Data Encryption in a WDM
Network,” IEEE Photonics Technology Letters, vo. 17, No. 7, pp. 1573-1575, 2005

－132－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.8 宇宙空間光通信技術
2.8.1 はじめに宇宙空間における通信は、空間的に離れた場所へ情報を伝送するために、通常電波が用いられている。しかし、近年、光ファイバ通信をはじめとする光学技術やレーザ技術の発達に伴い、レーザ光線つまり光波を用いて離れた宇宙機器間で通信を実現できる時代に突入した。電波も光波も同じ電磁波であるが、とりわけ宇宙における光波の利用は、使用レーザの周波数が非常に高いことに起因して、小型・軽量化、高速・大容量化などの特徴を有し、周波数資源の有効活用や法的規制が無いこともあり、電波よりも将来に向けて有望な手段である。欧州では、低高度軌道（LEO）の観測衛星と静止軌道（GEO）の衛星間において、既に 2003
年から 50Mbps の光通信回線が定常的に運用されている。日本においては、光通信機器を搭載した国産衛星が 2005 年 8 月に打ち上げられ、欧州の衛星との間で光衛星間通信実験が成功裏に実施された。しかし、一方で米国では 2010 年に火星からの観測データ伝送に光通信を用いる計画を進めていたが、2005 年に中断されている。このような状況の中で、世界各国で光宇宙通信技術の研究開発は継続して行われており、その一部の技術は成層圏プラットフォームなどの大気中の光通信にも生かされている。本稿ではそれらの研究開発
動向を紹介する。
2.8.2 過去の光通信の宇宙実証
アメリカ航空宇宙局（NASA）による開発では、1992 年にジェット推進研究所（JPL）により、GOPEX
計画で 6 万～600 万 km かなたにあるガリレオ探査機へ 3.5W の Nd:YAG レーザを送信し、固体撮像カメラ
により受信に成功した 1)。1995 年には、技術試験衛星 VI 型（ETS-VI）を用いて日米共同実験により JPL
テーブルマウンテン光地上局との間で地上－衛星間光通信実験（通称 GOLD）に成功した 2)。2010 年に波
長 1.06μm で火星からの観測データ伝送に、伝送速度 1～30Mbps の光通信を用いる MLCD 計画を進めていたが、2005 年初め計画は中断された 3)。
米国国防総省（DOD）による開発では、STRV2 が 2000 年 6 月に打ち上げられ、弾道弾防衛局（BMDO）
により開発された光通信機器で TSX-5 衛星に搭載された。5.4 インチの望遠鏡で質量は 31.5 ポンド、消費電
力 75W で 1Gbps の通信が可能であったが、衛星のヨー軸周りの姿勢誤差が大きく光通信は実現しなかった4)。また、2001 年 5 月に打ち上げられた GeoLITE は、国家偵察機構（NRO）により開発された先端光通信システム（1.5μm 技術）を搭載し、地上－静止衛星間の光通信実験は成功裏に実施された 5)。1Gbps 程度の通信を行ったと推測され、静止軌道上で 9 年間軍用に利用される予定であるが、詳細は不明である。
欧州宇宙機関（ESA）
では、
SILEX 計画により、2001 年 11 月に静止衛星 ARTEMIS と地球観測衛星 SPOT4との間で、50Mbps の光衛星間通信により観測画像の伝送に成功しており、既にデータ中継の定常回線として運用されている 6)。また、ESA の光地上局のあるスペイン テネリフェ島との地上－ARTEMIS 衛星間の光通信も成功裏に実施されている 7)。さらに、2003 年 9 月に光衛星間通信実験衛星（OICETS）に搭載する
光衛星間通信機器（LUCE）のエンジニアリングモデル（EM）をテネリフェ島の ESA 光地上局まで運び、
静止軌道上の ARTEMIS と日本製の LUCE EM との光通信実験も成功裏に実施されている 8)。
日本においては、技術試験衛星 VI 型（ETS-VI）が 1994 年 8 月に打ち上げられ、静止トランスファー軌道となったが、アップリンク波長 0.514μm、ダウンリンク波長 0.830μm で、伝送速度 1Mbps の世界初の地上－衛星間通信実験が成功裏に実施された 9)。また、国産衛星 OICETS が 2005 年 8 月に打ち上げられ、－133－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ARTEMIS との間で光衛星間通信実験を実施している。これについては後述する。
2.8.3 光宇宙通信の動向
平成 17 年度の一番ホットな話題としては、2005 年 12 月に日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）のOICETS 衛星と欧州のデータ中継衛星 ARTEMIS 衛星との間で光衛星間通信実験が宇宙実証されたことである 10)。OICETS は、2005 年 8 月にウクライナ製のドニエプルロケットによりカザフスタンのバイコヌー
ルから打ち上げられ、軌道高度 610km、軌道傾斜角 97.8°の太陽同期軌道へ投入された 11)。OICETS には、0.8μ帯半導体レーザとアバランシェフォトダイオード（APD）をベースにした光通信技術を用いている
LUCE が搭載されている。LUCE は送信波長 0.847μm、受信波長 0.819μm で送受信共用光学系であるが、偏光と波長分離により送受信光のアイソレーションをとる設計となっている。打ち上げから衛星バス系のチェックアウトが始まり、2005 年 9 月～10 月には LUCE のチェックアウトが行われ、シリウス等の恒星や火星等の惑星を用いた捕捉追尾実験に成功し、12 月に ARTEMIS との間で双方向通信という意味において世界初の光衛星間通信実験が成功裏に実施された。光通信の伝送速度は、送信 50Mbps、受信 2Mbps であり、10 年以上前の設計で今となっては速度的に時代遅れの感もあるが、捕捉追尾系については将来も同様の追尾技術が必須であり、
光衛星間通信に必要とされる基礎技術の宇宙実証を行うことができたといえる。
さらに、光通信に関し国際的インターフェイス標準が確立できたことは意義深いことである。
また日本においては、2004 年 11 月に情報通信研究機構（NICT）が開発した小型光通信機器を用いて、
約 4km の高度にある成層圏プラットフォーム－地上間で捕捉追尾実験に成功している 12)。その小型光通信
機器は、小型の精追尾ミラーやファイバカップリング機構を持ち、追尾は波長 0.98μm、通信は波長 1.55
μm である。また NICT では、次期の宇宙実証として SmartSat の 1 号機により小型光通信機器を 2007 年に宇宙実証する計画であったが 13)、SmartSat の次期シリーズに延期されている。
OICETS に続く一番早い宇宙実証として、ドイツ航空宇宙局（DLR）の開発している X バンドの合成開口レーダ（SAR）を搭載した TerraSAR-X という衛星がある 14)。この衛星は 2007 年にドニエプルロケット
により太陽同期軌道の高度 514 km、軌道傾斜角 97.44°に打ち上げられる予定で、観測データのダウンロードのために光通信機器を搭載しており、5.5Gbps で地上局と光通信を行う計画である。LCTSX と呼ばれる搭載光通信機器部は、ドイツの Tesat Spacecom にて開発中であり、
BPSK（Differential Phase Shift Keying）
光通信機器は、
6000km で 8Gbps、20000km で 5.5Gbps、
ホモダインコヒーレント通信を行う予定である 15)。
72000km で 1Gbps の伝送速度を実現し、10 年間で稼働率 0.9999、MTTF 1.35Mh の動作保証をしており、TerraSAR-X 搭載機器と同様の設計の光ターミナルが米軍の NFIRE 衛星へ供給される予定で、欧州と米国の衛星間で 5.5Gbps の光衛星間通信が実現される予定である 15)。SAR は 384 個の送受信機によりフェーズ
ドアレー処理され、測定時には Spotlight Mode、Stripmap Mode、ScanSAR Mode の 3 つの測定モードを持っており、そのうちの Spotlight Mode では、10 x 5 km のエリアを地上 1 m の解像度で測定可能で、画像は商用販売される予定である。また、TerraSAR-X の光地上局には、アンテナ開口直径 40cm の可搬型の望遠鏡システムを開発中で、GPS とスターキャリブレーションにより自動で地上局位置等を校正するようになっている 16)。送信ビームは 350μラジアン程度でビーコン無しで捕捉追尾を行い、捕捉時間には約 100 秒程度が予想されている。既に、この可搬型光地上局は、2005 年 9 月にスウェーデンにおいて気球と地上間
で 60km を越える距離において 1.5μm で 1.2Gbps の通信実験に成功している実績を持つ 17)。
また、TerraSAR-X とほぼ同じ設計ものをさらにもう 1 機上げて、2 台の衛星でランデブー航行による高解－134－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
像度インタフェロメトリ観測を行い、高度方向に 3m の解像度で観測を行う Tandem-X という計画も進行中である 18)。これは、各衛星のアポジとペリジを北極上と南極上で互いに少しずらすことで、常に一定の距離を保ち、お互いの位置がスクリューのようにらせん状に回転するよう飛行させることが可能であり、衝突することが無く軌道として面白いものである。Tandem-X 開発は 2005 年秋には Phase―B になるようである。
DLR では、口径 6.5 cm の潜望鏡型のアンテナを持つ成層圏用の光ターミナルについても開発中である 16)。
低コストで開発しているとのことで、アンテナ部の可動機構などはワイヤを用いたシンプルな物となっている。これは、COST という EU において政府間で科学技術研究を推進する枠組みの下、成層圏プラットフォームにおける開発がアクションとされ、DLR は広帯域通信に関する研究開発を行う CAPANINA というコンソーシアムのメンバーとして、地上間での光通信実験を実施しているものである。9 月にスウェーデンおいて、60km を越える距離で気球での 1.2Gbps の光通信実験に成功している。実験後、成層圏用の光ターミナ
ルはパラシュートで落下され回収されている。ビーコンにはエリアセンサの感度を得るため 980nm、通信にはファイバ技術を利用し 1.5μm を用いている。
スイスの Contraves Space では、以前から光宇宙通信用に幾つかの光通信ターミナルのラインナップを用意している。以下がそのシリーズである 19)。
• OPTEL-02：2,000km の距離で 1.5Gbit/s の伝送速度を実現する近距離用ターミナル• OPTEL-25：25,000km の距離で 1.5Gbit/s の伝送速度を実現する中距離用ターミナル• OPTEL-25 GEO：OPTEL-25 の GEO 用ターミナル• OPTEL-80：80,000km までの距離で 2.5Gbit/s の伝送速度を実現する長距離用ターミナル• OPTEL-DS：火星や L2 の距離をカバーする深宇宙用ターミナル• OPTEL-AP：成層圏プラットフォーム用のクロスリンクターミナル
最近、成層圏プラットフォーム用の OPTEL-AP と深宇宙用の OPTEL-DS が新たに加わった。特に成層圏用の OPTEL-AP は、光アンテナに超軽量でコストパフォーマンスがよい電子成形されたニッケルの主鏡
で反射面に金を用いており、波面精度は少々劣るが近距離の成層圏用のアプリケーションとしては回線マージンもあるため十分な性能を持っている。例えば、ビーム広がり角は 190μrad 程度であり、回折限界で使用する必要が無い。この主鏡は直径 25cm でイタリアの Media Lario という会社が製造している 20)。成層圏用のターミナルは、飛行船などに載せて使用することで、例えば、劇場やスポーツイベントなど、一時的に大容量通信が必要とされるような用途にも有意義であるというニッチな用途に使用されることもにらんで開発が進められている。もちろん、地方の一時的な災害時の通信にも有効である。また、深宇宙用の OPTEL-DS
は、最近ラグランジュポイントへの観測プロジェクトが ESA でいくつか進んでいるが、そのデータ通信をにらんでいる 21)。例えば、X 線天文観測の XEUS、地球外惑星探査の DARWIN、重力波検出の LISA、ハッブル望遠鏡の 3 倍の口径を持つ JWST、遠赤外やサブミリ波をカバーする 3.5m 宇宙望遠鏡のHerschel/Planck、銀河の 3 次元地図を作る GAIA、恒星の明るさを測定して惑星や星の内部構造を明らかにする Eddington などがある。伝送距離 0.01AU で 10Mbit/s 以上、0.5AU で 2.8Mbit/s 以上、3.0AU で
0.3Mbit/s の伝送速度を実現する。搭載側ターミナルは 26cm の光アンテナで重さ 20kg、消費電力 50W である。光地上局に光のフォトンバケットとして 10m 級の光アンテナを想定しており、こちらにはコストがかかりそうである。
また、Contraves Space では、2007 年打ち上げの SMOS という L バンド（1.4GHz）合成開口レーダ衛星を手がけているが、この衛星内部には光ファイバを用いた電波の干渉計が組み込まれている 22)。100 個以－135－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）上もあるセンサからの信号を光ファイバでつなぎ、デジタル処理で電磁放射の画像を得る信号処理回路がマ
イクロ波／光ハーネス（MOHA）として形成されている。これらは、言わば Radio over fiber（ROF）技術の宇宙利用版であり、今後はマルチプラットフォーム間での電波干渉計測などにおいて、さらに地上の電波・ミリ波フォトニクス技術が応用されていくと考えられる。
ESA では、フォーメーションフライトの衛星間通信に光リンクを使い、複数の小型クラスタ衛星で大型の通信衛星の機能を構成する SkyLAN という計画がある 23)。お互いの衛星の機能は再構成が可能であり、現在 4 台の衛星を同一軌道に一列に並べ、地球から見て 2 度程度の間隔で配置する方式を採用するようである。
採用する光ターミナルは OPTEL-02 で、3.5cm の開口径で 1064nm を用いて 3000km 程度の距離を 512Mbpsで通信する。
また EADS Astrium では、データ中継衛星の ARTEMIS 後継機として Alphasat に光通信機器を搭載することを考えている 24)。Alphasat はフォーワード 155Mbps×1、リターン 311Mbps×3 の回線を持つ。SILEXの第 2 世代の通信機器として、通信用 0.4W、ビーコン用 30W で 0.8μm 帯で約 1Gbps/terminal を実現す
る光ターミナルを検討しており、データ中継のために 2 台の光通信機器を搭載する予定である。2005 年 11
月には、TerraSAR-X に搭載された Tesat のターミナルと Contraves の OPTEL シリーズのターミナルをAlphasat へ搭載するプロポーザルも出されている。Alphasat は 2009 年に打ち上げ予定で、その後の 2012
年頃に追加として次の GEO 衛星へ繋げたいようである。
また、最近の新しい話題として宇宙量子通信がある。ウイーン大学他、ウイーン工科大、ドイツ、イタリア、フランスによる共同提案として、国際宇宙ステーション（ISS）を用いた地上間での量子暗号通信実験が計画されている 25)。ウイーン大学 Zeilinger 教授のグループは、1997 年に世界で始めて量子テレポテーションを実験で実証したのを皮切りに、1999 年には量子もつれによる量子暗号、2003 年には量子純粋化において世界で最初の実証を行ってきており、量子情報通信分野で著名な業績を上げている。既に、この宇宙量子暗号通信実験のための搭載光ターミナルの検討は行われており、前述の OPTEL-25 というモデルがベースで ISS のコロンバスモジ
ュールに 2 台搭載される 26)。量子もつれを使った量子テレポテーション実験は、ISS からの見通し内においてヨーロッパの２つの光地上局を同時に使う必要があるため、この量子通信実験のための光地上局には、スペイン２
局（本土１局、カナリア諸島テネリフェ島１局）、イタリア１局が現在検討されている。ESA の ISS 搭載ミッシ
ョン選定では、基礎物理分野で評判がよく、2011 年に打ち上げを計画している。
2.8.4 まとめ将来、光通信技術は、宇宙において情報通信革命を起こし、宇宙通信は大跳躍を遂げるのではないかと期待されている 27)。高速光衛星間通信ネットワークはもとより、宇宙におけるシェアドプロセッシングやシェ
アサーバの用途、宇宙版 ROF 技術による高解像度マルチプラットフォーム観測、再構成・アップグレード
可能な RF アクセスネットワーク、相互運用・相互接続可能なトランスペアレントな宇宙通信、降雨減衰などを補償できるマルチプラットフォーム間ダイバーシチ宇宙通信、災害時などで孤立した地上ネットワーク
間の再構成再接続のネットワークなど、衛星における情報の新たな処理形態の創造と関連アプリケーション
産業の創出が期待される。図 2.8.4.1 に、送信ビーム広がり角と伝送速度による利用用途の分類を示す 28)。
光通信技術は、電波では実現できない光技術の特色を生かした用途に使われていくべきであり、今後さらに地上の電波・ミリ波フォトニクス技術が宇宙へ応用されていくと考えられる。
一方、宇宙政策的な面では、ドイツの様に独自の宇宙開発プログラムを持ち、ESA が光通信の今後の計画－136－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を持ち合わせていなくても、TerraSAR-X のようにドイツ独自で光通信の計画を遂行することができている。
この辺は、きちんと宇宙開発プログラムを策定し、日本独自で計画を遂行していくことが望まれるという点で、今後日本でも見習うべき点である。

高い

衛星間通信
宇宙基地－衛星間通信

光波システム電波システム

衛星間通信
宇宙基地－衛星間通信
宇宙探査機－衛星間通信

宇宙探査機－
衛星間通信

ビーコン、無指
向性アンテナによる通信

低い

送信電力または伝送速度

無線通信規
制の範囲

光波システムの範囲
電波システムの範囲
狭角ビーム

広角ビーム

送信ビーム広がり角または波長

図 2.8.4.1 送信ビーム広がり角と伝送速度による利用用途の分類。ハッチング部分は、送信利得減衰と法規。
制による範囲で、電波システムが利用される領域を示している（豊嶋による 28)）
（豊嶋 守生）参考文献(1) K. E. Wilson, and J. R. Lesh, "An overview of the Galileo optical experiment (GOPEX)," The
Telecommunications and Data Acquisition Progress Report 42-114, Jet Propulsion Laboratory,
192-204 (1993). http://tmo.jpl.nasa.gov/tmo/progress_report/42-114/114Q.pdf(2) K. E. Wilson, J. R. Lesh, K. Araki, and Y. Arimoto, "Overview of the Ground-to-Orbit Lasercom
Demonstration," Space Communications 15, 89-95 (1998).
(3) D. M. Boroson, “Overview of NASA’s Mars laser communications demonstration system,” Proc.
SPIE、 vol.5338, pp.16-28、 Jan. 2004.
(4) I. I. Kim, B. Riley, N. M. Wong, M. Mitchell, W. Brown, H. Hakakha, P. Adhikari, and E. J. Korevaar,"Lessons learned for STRV-2 satellite-to-ground lasercom experiment," Proc. SPIE 4272, 1-15 (2001).
(5) http://www.nro.gov/PressReleases/prs_rel49.html(6) T. T. Nielsen, G. Oppenhaeuser, B. Laurent, and G. Planche, "In-orbit test results of the opticalintersatellite link, SILEX. A milestone in satellite communication," 53rd International
Astronautical Congress, IAC-02-M.2.01, Huston, Oct. 2002.
(7) M. Reyes, S. Chueca, A. Alonso, T. Viera, Z. Sodnik, "Analysis of the preliminary optical links
between ARTEMIS and the Optical Ground Station," Proc. SPIE 4821, pp. 33-43 (2003).
(8) M. Toyoshima, S. Yamakawa, T. Yamawaki, K. Arai, M. Reyes, A. Alonso, Z. Sodnik, and B.
Demelenne, "Long-term statistics of laser beam propagation in an optical ground-to-geostationary－137－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
satellite communications link," IEEE trans. Antennas and Propagat., 53(2), 842-850 (2005).
(9) Y. Arimoto, M. Toyoshima, M. Toyoda, T. Takahashi, M. Shikatani, and K. Araki, "Preliminary
result on laser communication experiment using Engineering Test Satellite-VI (ETS-VI)," Proc.
SPIE 2381, pp. 151-158 (1995).
(10) http://www.jaxa.jp/press/2005/12/20051209_oicets_j.html(11) http://www.jaxa.jp/press/2005/08/20050824_oicets_index_j.html(12) 勝尾双葉、木内等、森川栄久、有本好徳、「定点滞空試験機による成層圏プラットフォーム通信・放送
システム実証実験～光通信実験～」、電子情報通信学会信学技報、Vol. 104、No. 640、SANE2004-81、pp.25-29、2005 年 1 月。
(13) Y. Koyama, E. Morikawa, K. Shiratama, R. Suzuki, and Y. Yasuda, “Optical terminal for NeLS
in-orbit demonstration,” Proc. SPIE, vol.5338, pp.29-36, Jan. 2004.
(14) http://www.eid.dlr.de/tsx/start_en.htm(15) R. Lange and B. Smutny, “In-Orbit Verification of Laser Communication Terminals,” 23rd ICSSC of
AIAA, No. I000280, Rome, September (2005).
(16) http://www.dlr.de/kn/institut/abteilungen/dn/projekte/capanina/(17) http://www.capanina.org/(18) http://www.dlr.de/hr/tdmx/(19) http://www.contraves.com/produkte_frame_optical_e.htm(20) http://www.media-lario.it/(21) T. Dreischer, K. Kudielka, T. Weigel, and G. Baister, “Integrated RF-Optical TT&C Subsystems for
Missions to Mars and to Libration Points,” 23rd ICSSC of AIAA, No. I000153, Rome, September (2005).
(22) http://www.esa.int/esaLP/ESAMBA2VMOC_LPsmos_0.html(23) J-D. Gayrard, G. Baister, M. Molina Cobos, and A. Cotellessa, “Optical Inter-Satellite Links for
SkyLAN Clusters of Broadband Communications satellites,” 23rd ICSSC of AIAA, No. I000040,
Rome, September (2005).
(24) B. Chene, C. Michel, and B. Laurent, “A Proposed Data Relay Infrastructure in Europe After
Artemis in Orbit Validation,” 23rd ICSSC of AIAA, No. I000124, Rome, September (2005).
(25) M. Aspelmeyer, T. Jennewein, M. Pfennigbauer, W. R. Leeb, and A. Zeilinger, “Long-distancequantum communication with entangled photons using satellites,” IEEE Journal of Selected Topics
in Quantum Electronics, Vol. 9, No. 6, pp. 1541–1551, 2003.
(26) M. Pfennigbauer,
Neckamm,

M. Aspelmeyer,

J. M. Perdigues,

W. R. Leeb,

G. Baister,T. Dreischer, T. Jennewein,G.

H. Weinfurter, and A. Zeilinger, "Satellite-based quantum

communication terminal employing state-of-the-art technology," Journal of Optical Networking 4,
pp. 549-560 (2005).
(27) V. W. S. Chan, "Optical satellite networks," Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, pp.
2811–2827, 2003.
(28) 豊嶋守生、「衛星間レーザ通信の捕捉・追尾・指向技術―電波と光波通信システムの比較と利用動向―」、
電子情報通信学会誌、Vol.88、No.4、pp.276-283、2005 年 4 月。

－138－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.9 光ファイバ
2.9.1 はじめに日本における FTTH(Fiber To The Home)のユーザ数は順調な増加を示し、単月の増分としては DSL を超えるようになった。また加入者総数でも 400 万加入を超えようとしている。これに支えられるような形で、伝送用光ファイバ及びケーブルの需要も底を打ったといわれている。世界的に見ると、本格的な FTTH の普及はこれからであり、今後も需要の拡大が期待される。
光ファイバの開発も、FTTH の普及を支える面での特性改善が引き続き行われている。ここ数年の低曲げ損失ファイバの流れに加えて、本年は SBS の閾値を向上させた SBS 抑圧ファイバ関連の報告が多数なされた。また、ファイバの光学特性からだけではなく、心線構造自体からも取り扱い性を向上させるための動きがあった。
2.9.2 伝送用光ファイバ
FTTH の普及をスムーズに進めるためには、その導入コストの低減が必要であるといわれている 1)。曲げ損失低減型のシングルモード光ファイバ（以後、低曲げ損失ファイバ）は、ケーブル工事コスト低減に効果があると言われており 2)、ここ数年、国内メーカを中心としての報告が多数なされてきたが、本年は外国メーカからも低曲げ損失ファイバの報告がなされた 3)。本報告では具体的な構造には言及されていないが、1.3µm 帯用シングルモード光ファイバの特性を規定した ITU-T G.652 を満足しつつ、長期的な曲げ半径として20 mm、一時的な曲げ半径として 10 mm に耐える曲げ損失を実現したファイバについての報告がなされている。導入コストの低減へのアプローチとしては、上述のような光学特性面からの改善に加えて、心線構造
面からの改善提案もなされた 4, 5, 6)。通常の光ファイバ心線は、直径 125 µm のガラスの周囲に外径 250 µmの被覆層を有する構造となっている。この細さは光ファイバのメリットの一つである反面、敷設作業を行う
上ではあまりにも細く、視認性、取り扱い性に難点があるという声もあった。今回提案された心線は、直径250 µm の光ファイバの外周に更に被覆層を設け、外径 500 µm となっている。最外周の被覆層は、汎用のメカニカルストリッパを用いて容易に除去出来ることが特徴である。最外周被覆除去後は通常の 250 µm 心線となるため、従来型の心線との親和性も高い。
伝送用ファイバ関連の新しい動きとしては、SBS(Stimulated Brillouin Scattering、誘導ブリリュアン散乱)抑圧型の光ファイバがあげられる。SBS 抑圧ファイバは、 SBS 発生によるハイパワーのアナログ映像信
号の劣化を抑える効果があり、特にデジタルデータ信号とアナログ映像信号を取り扱う三波多重システムでの効果が期待されている。光ファイバの SBS を抑圧する方法としては、光ファイバの線引き時の張力や外径を変化させることにより、長手方向にブリリュアンスペクトルを変化する方法が知られている 7) 。しかしながら、このような方法では、光ファイバの光学特性も長手方向で変化してしまうために、実際の伝送路に適用するのは困難である。長手方向の光学特性の均一性を維持しつつ、SBS を抑圧する方法としては屈折率分
布形状の制御による方法 8, 9, 10)があげられる。一般的なシングルモード光ファイバは、図 2.9.2.1(a)に示すよ
うなコア、クラッドを有する。これに対して、図 2.9.2.1(b)、 (c)のような屈折率分布をとることにより、SBSの閾値を改善することが可能になると報告されている。一方、ドーパントの濃度分布を径方向に制御することで SBS を抑圧する方法も提案された 11)。この方法は、図 2.9.2.2 に示すようにコアの一部分にゲルマニウ
ムとフッ素を共添加する領域をもうけたことが特徴である。このような構造をとることにより、光学的な屈－139－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）折率分布と音響的な屈折率分布を異なった形状にすることが可能となる。これにより光学モードと音響モードの重なりの低減が可能となり、SBS の発生が抑圧される。
光ファイバの SBS 閾値を評価する方法は、
ITU-Tで規定されている 12)。しかしながら、現行の ITU-T における SBS 閾値の定義は必ずしも伝送特性と一致しないため、様々な評価方法が検討されている 13)。これらの評価方法と実際の伝送特性を比較した報告も行われている 14, 15) 。
コア
クラッド

(a)

(b)

(c)

図 2.9.2.1 通常ファイバ(a)と SBS 抑圧型ファイバ(b,c)の屈折率分布例

コア

GeとFを添加（共添加）

クラッド
Geのみ添加光学的屈折率分布とドーパント分布

音響的屈折率分布

図 2.9.2.2 ドーパント分布による SBS 抑圧ファイバの屈折率分布例
幹線系用の光ファイバとしては、低分散スロープ型の NZ-DSF に関する報告が多くなされた 16, 17, 18, 19, 20,
21)。これらの中では、それぞれの低分散スロープ型 NZ-DSF を分散補償ファイバなしのシステムや 40 Gb/s

システムへ適用した伝送実験結果が報告されている。一方で、光ファイバの損失化に関する検討結果も報告された。通常の Ge ドープコアを有する通常シングルモード光ファイバにおいて、線引き中のアニール処理を最適化することにより、1.57 µm において 0.170 dB/km というロスが示された 22, 23)。この値は、シリカ
コアファイバの量産品と同程度あると報告されている。また、NZ-DSF においても、1.57 µm において 0.169
dB/km という非常に低いロスを有するファイバが報告されている 24)。本報告では、究極的には 0.158 dB/kmまで到達可能であると結論づけている。伝送損失は、光ファイバの最も重要な特性であり、このような低損失化技術が量産に生かされることが期待される。
2.9.3 ホーリーファイバ
本年は、ホーリーファイバに関してここ数年見られた最低損失の記録を更新するような報告はなかった。
しかしながら、屈折率導波型のホーリーファイバを用いた、分散マネージドソリトン伝送実験 25)や 850 nm
や 1064 nm 用いた伝送実験 26,27)が報告されるなど、ホーリーファイバの伝送線路としての可能性を示す結果が報告された。
エアコアのようにフォトニックバンドギャップにより光を導波するファイバは、表面波モードによる伝送－140－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
帯域の制限が解決すべき課題の一つとして知られている。表面波モードをさけることが可能な構造として、
図 2.9.2.3 のようなキャピラリコアーを有する拡張三角格子フォトニックバンドファイバが提案された
28,29,30)。このファイバでは、1520

nm から 2100 nm までの広帯域なバンドギャップが観測されている。一方で、MCVD 法による作成した、わずか 3 層のブラッグ構造を有するファイバにおいて、ブラッグ動作の確認が報告された 31)。本ファイバは、1.064 um において、270 µm2 の有効コア断面積、 10 dB/km の伝送損失を示している。このような比較的シンプルな構造、製法でブラッグ動作が得られたいう点で興味深い。
最近のホーリーファイバの報告は高非線形や偏波保持といったデバイス関連のものが多い。ホーリーファ
イバの可能性を広げる上でも、伝送を目的とした分野にも引き続き検討が望まれる。

一般的なエアコア型
フォトニックバンドギャップファイバ

キャピラリコアを持つ拡張三角格子
フォトニックバンドギャップファイバ

図 2.9.2.3 一般的なフォトニックバンドギャップファイバとキャピラリコアを持つ拡張三角格子フォトニックバンドギャップファイバの断面（松尾 昌一郎）

参考文献(1) I. Kuramoto, Y.Terao and H. Honda: ”Increasing FTTH Reliability between Premise and Indoor
Lines,” Tech. Digest of OFC/NFOEC 2005, OWP1 (2005).
(2) H. Hayashida, M. Yasunaga, T. Ema, K. Nakazawa, Y.Hoshino, H.Tanaka and Y. Oda: “Reducing
Costs for First One Mile FTTH Lines,” Tech. Digest of OFC/NFOEC 2005, OWP2 (2005).
(3) P. Matthijsse, L. de Montmorrillon, G. Krabshuis and F. Gooijer: “Bend-Optimized G.652
Compatible Single Mode Fibers,” Proc. of IWCS 2005 (2005) 327-331.
(4) 杉本雅秀，西澤清文，高橋篤哉: “新型ドロップ／インドアケーブルのフィールドトライアル,” 2005 年電子情報通信学会総合大会，B-10-10(2005) 300.
(5) 石田格，村田暁，姫野邦治，大橋圭二，高橋篤哉: “φ0.5mm 光ファイバ補強心線の開発,” 2005 年電子情報通信学会総合大会，B-10-13(2005) 303.
(6) 石田格，村田暁，姫野邦治，大橋圭二: “φ0.5mm 光ファイバ補強心線の開発,” 電子情報通信学会 信学
技報, 105, 38, OFT2005-1(2005)1-4.
(7) A.Wada, T. Nozawa, T. Tsun and R. Yamauchi: “Suppression of Stimulated Brillouin Sccattering byIntetionally Induced Periodical Residual-strein in Single-mode optical fibers,” IEICE Trans.
Commun., E76-B,4(1993) 345-351.

－141－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(8) A. Kobyakov, S. Kumar, D. Q. Chowdhury, A.B. Ruffin, M. Sauer, S. R. Bickham, R. Mishra:“Design concept for optical fibers with enhanced SBS threshold,” OPTICS EXPESS, Vol.13,
No.14(2005) 5338-5346.
(9) 長谷川健美，齋藤晋聖，小柴正則: “有限要素法音響・光学計算による光ファイバ中の SBS 抑圧ファイバ
打ち合わせの解析,” 2005 年電子情報通信学会総合大会，C-3-26(2005)196.
(10) 森下裕一，山田紀彦，小山田浩，井上大: “特殊屈折率分布型 SBS 抑圧ファイバ,” 2005 年電子情報通信学会総合大会，C-3-25(2005)195.
(11) 谷川庄二，吉田健，濱田貴弘，松尾昌一郎，姫野邦治: “誘導ブリルアン散乱を抑制した光ファイバ,” 2005
年電子情報通信学会総合大会，B-13-20(2005)484.
(12) ITU-T Recommendation G.650.2, Definitions and test methods for statistical and non-linear
attributes of single-mode fibre and cable (2002).
(13) 清水智弥，家田浩司，中島和秀，三川泉: “単一モード光ファイバにおける SBS 閾値に関する考察,” 2005
年電子情報通信学会総合大会，B-10-66(2005)356.
(14) 清水智弥，
家田浩司，
中島和秀，
三川泉: “光ファイバの SBS 閾値とアナログ伝送特性における考察,” 2005
年電子情報通信学会ソサイエティ大会，B-10-76(2005)294.
(15) 清水智弥，家田浩司，中島和秀，三川泉: “光ファイバの SBS 閾値と CNR 特性に関する検討,” 電子情報通信学会 信学技報, 105, 333, OFT2005-33(2005)35-39.
(16) L.A. de Montmorillon, P. Sillard, M. Astruc-Bigot, B. Dany, P. Nouchi, B. Lavigne, E. Balmefrezol,
J.C. Antona, O. Leclerc : ”Transmission fiber optimized for metro optical network,” Tech. Digest of
OFC/NFOEC 2005, OFH1 (2005).
(17) Y. Emori, N. Kumano, K. Mukasa, R. Sugisaki, M. Sakano, L. E. Nelson : ”Trade-off of dispersion
slope and effective area in Ultra Low Slope NZ-DSF for non-dispersion-compensated WDM metro
transmission,” Tech. Digest of OFC/NFOEC 2005, OFH2 (2005).
(18) M.Tanaka, K. Makihara, K. Sohma, K. Matsushita, T. Okuno, T. Sasaki, E. Sasaoka and M.
Onishi: ”In-line dispersion compensation free WDM transmission with low-slope non-zerodispersion-shifted fibre for introduction of 40-Gbit/s,” Proc. of ECOC 2005, We 2.5.4 (2005).
(19) Y. Emori, N. Kumano, K. Mukasa, R. Sugisaki, M. Sakano, L. E. Nelson: ”Experimental
Investigation of Inter-Band Raman Effects on S+L Band Non-Dispersion-Compensated WDM
Transmission over Ultra Low Slope NZ-DSF,” Proc. of ECOC 2005, We 2.5.5 (2005).
(20) 田中正人，奥野俊明，笹岡英資: ”低分散スロープ型 NZDSF の 40Gbit/s 伝送への適用に関する検討,” 電子情報通信学会，信学技報，105，243，OCS2005-35(2005)1-6.
(21) 田中正人，牧原和昌，相馬一之，松下研一，奥野俊明，佐々木隆，大西正志，笹岡英資: ”低分散スロー
プ型 NZDSF の 40Gbit/s 伝送への拡張性実証,” 2005 年 電子情報通信学会ソサイエティ大会，
B-10-46(2005)264.
(22) 大薗和正，姚兵，黒沢芳宣，齋藤和也，生嶋明: ”レイリー散乱損失を低減した光ファイバの検討,” 2005
年 電子情報通信学会総合大会，B-13-21(2005)485.
(23) 大薗和正，姚兵，黒沢芳宣，齋藤和也，生嶋明: ”レイリー散乱損失を低減した光ファイバの検討,” 電子
情報通信学会，信学技報，105，38，OFT2005-3(2005)11-16.

－142－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(24) K. Mukasa, F. Poletti, K. Imamura, N. Kumano, T. Yagi and D. Richardson: ”A high performanceGeO2/SiO2 NZ-DSF and the prospects for future improvement using Holey Fiber Technology,” Proc.
of ECOC 2005, Tu 1.4.6 (2005).
(25) K. Kurosawa, K. Tajima, J. Zhou, K. Nakajima, T. Matsui and I. Sankawa :”Penalty-freedispersion-managed soliton transmission over 100 km low loss PCF,” Tech. Digest of OFC/NFOEC
2005, PDP21 (2005).
(26) K.Tsujikawa, K. Kurosawa, K. Tajima, K. Nakajima, T. Matsui and I. Sankawa :”Penalty-free 10
Gb/s transmission in 1.0 um band over 24 km low loss,” Proc. of ECOC 2005, Tu 4.4.2 (2005).
(27) K. Nakajima, C. Fukai, K. Kurosawa, K. Tajima, T. Matsui and I. Sankawa :”Distributed Raman
Amplification at 850 nm in a Low Loss Photonic Crystal Fibre,” Proc. of ECOC 2005, Tu 4.4.3(2005).
(28) K. Takenaga, N. Guan, R. Goto, S. Matsuo and K. Himeno :”A New Photonic Bandgap Fibre with
Extended Triangular Lattice and Capillary Core,” Proc. of ECOC 2005, Tu 1.4.2 (2005).
(29) 竹永勝宏，官寧，後藤龍一郎，松尾昌一郎，姫野邦治 :”キャピラリーコアを持つ拡張三角格子フォトニックバンドギャップファイバ,”電子情報通信学会，信学技報，105，243，OCS2005-37 (2005)13-16.
(30) 官寧，竹永勝宏，官寧，後藤龍一郎，松尾昌一郎，姫野邦治 :”キャピラリーコアを持つ拡張三角格子フォトニックバンドギャップファイバ,” 2005 年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，
CS-2-4 (2005)S-19 - S-20.
(31) S.Fevrier, R. Jamier, J.M. Blondy, S.L. Semjonov, M. E. Likhachev, M. M. Bubnov, E. M. Dianov, V.
F. Khopin, M.Y. Salganskii and A.N. Guryanov :”Low Loss Large Mode Area Bragg Fibre,” Proc. of
ECOC 2005, PD Th. 4.4.3 (2005).

－143－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

2.10 標準化動向
2.10.1 IETF
IETF(Internet Engineering Task Force)(1)は、IP 通信やインターネットに関連するさまざまなプロトコルの標準化を行っている。
光ネットワークの制御プロトコルである GMPLS(Generalized Multi-Protocol Label Switching)は、IETFの Routing Area に属する CCAMP WG(Common Control and Measurement Plane Working Group)で標準化作業が進められている。GMPLS は、MPLS の制御プロトコル群を光ネットワークの制御に適用できるよ
うに拡張したプロトコル群である。現在の IETF では MPLS/GMPLS に関連する WG が多数立ち上がり、
光ネットワークのみならず、IP/MPLS ネットワークや Ethernet ネットワークを統一された仕組みで制御していくことを目指している。
図 2.10.1.1 に GMPLS/MPLS に関連する WG の役割と動向を示す．

PCE WG

Policy制御

PCE

PCE

PCE-PCE通信

PCE-PCC通信（PCEP）

PCE-PCC通信（PCEP）

MPLS WG
RSVP-TEOSPF-TE
P2MP

Inter-Domain
IP/MPLS Network

IP/MPLS Network

CCAMP WG

Inter-Region
GMPLS UNIRSVP-TE拡張
OSPF-TE拡張
LMP

Inter-Domain
ASON
TDM Network
Lambda Network

TDM Network
Lambda Network

GELS BOF

L1VPN WG
GMPLS UNI拡張
L1VPN Model

Inter-Domain
ASON

TDM Network
Lambda Network

GMPLS
Ether Control

Ethernet Network

図 2.10.1.1 MPLS/GMPLS 関連の WG とその活動
・MPLS WG2)：
パケット単位でのラベルスイッチングの基本動作や TE LSP(Traffic Engineering Label SwitchedPath)の制御標準を策定する WG である。トラヒックエンジニアリングを実現するルーティングプロトコ
ルとシグナリングプロトコルである、OSFP-TE(Open Shortest Path First)3) や RSVP-TE(Resource
Reservation Protocol) 4)を OSPF WG(5)などの他 WG と協力して策定してきた。

－144－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ルーティングやシグナリングに関する基本プロトコルの規定、および高速障害回復技術である Fast
Reroute6,7) は 既 に 終 了 し 、 現 在 は MPLS OAM(Operation and Management)8) 、 P2MP (Point-toMultipoint) LSP9)に関する議論が行われている。
・CCAMP WG10)：GMPLS 関連のプロトコルを議論する WG である。MPLS の OSPF-TE や RSVP-TE の拡張版に加え、リンクリソースの管理を行う LMP(Link Management Protocol)の策定を行っている。MPLS と同様に
GMPLS OSPF-TE11)、GMPLS RSVP-TE(12)、LMP13)などの基本プロトコルについての検討は既に終了した。さらに、Protection/Restoration 機能 14,15)に関しても、近々、標準が決定する見込みである。現在議論されている内容は、ITU－T で議論されている ASON モデルに対応させるプロトコル拡張 16,17)、MPLS
WG と連携してドメイン間制御の議論 18)、および、MPLS から GMPLS へのマイグレーション 19、20)などである。また、今年度後半に、長年、多数の個人名ドラフトで提出されてきた、スイッチ能力の異なる異種ネットワーク間(マルチリージョンと呼ばれる)の制御モデルに関する提案(21)が、WG ドラフトとして、
WG で議論されることになったことは特筆に値する。
・PCE WG22)：
PCE（Path Computation Element）は、MPLS または GMPLS の TE LSP(Traffic Engineering Label
Switched Path)を設定するときに、単一ドメインまたは複数のドメインにまたがる TE LSP の経路を計算する機能である。PCE の機能は、ネットワーク装置又は、サーバのいずれかに実装され、他のネットワー
ク装置から要求に従って経路の計算をする。PCE WG では、PCE のアーキテクチャや、PCE とネットワーク装置間（PCC：Path Computation Client と呼ぶ）間通信（PCEP）23)と PCE 間通信のプロトコルの策定を行っている。
現在は、上記の PCEP や PCE 間通信プロトコルに加え、PCE で扱われるポリシやセキュリティに関する議論も活発に行われている。
・L1 VPN WG24)：
L1 VPN(Virtual Private Network)は、GMPLS の仕組みを利用してカスタマ装置間に Layer-1 のコネ
クションを設定することで、大容量 VPN サービスを提供する。この WG では、L1VPN のアーキテクチ
ャや、カスタマ装置(CE)とプロバイダ装置（PE）間の制御インターフェース仕様の策定(25)を行っている。
L1VPN の動作モードとしては、Basic Mode と Extended Mode が議論されている。Basic Mode は、
L1 コネクションの設定（シグナリング）のみをサポートし、カスタマネットワークの経路情報には関与しない。Extended Mode では、シグナリング機能に加えて、プロバイダネットワークの制御プレーンが、カ
スタマネットワークのリーチャビリティ情報や、その他 VPN サービスに関連するパラメータをカスタマ
ネットワーク間で伝達する仕組みをもつ。
現在は、上記動作モードの詳細議論に加えて、L1VPN のアプリケーション(26)や Requirement の議論が継続的に進められている。
・GELS BOF
GELS は、64th IETF から議論が始まった BOF（Birds of Feather）であり、Ethernet ネットワーク
を GMPLS により制御する仕組みを議論することを目的としている。
Ethernet を制御する仕様の方向性はまだ現在決まっていないが、議論のターゲットとして広域イーサー
ネットなどのメトロ/コアネットワーク分野での適用、および Point-to-Point の LSP 制御の２点に絞る方－145－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）向である。また、制御仕様を策定する際に、既存 Ethernet 装置にできるだけ影響を与えない仕様とする
べく、IEEE と Liaison をとりながら進めていくことが決定している。
（西岡 到）

参考文献(1) http://www.ietf.org/(2) http://www.ietf.org/html.charters/mpls-charter.html.
(3) D. Katz, et. al. “Traffic Engineering (TE) Extensions to OSPF Version 2,” RFC3630 (2003).
(4) D. Awduche, et. al. “RSVP-TE: Extensions to RSVP for LSP Tunnels,” RFC3209 (2001).
(5) http://www.ietf.org/html.charters/ospf-charter.html.
(6) V. Sharma, et al. “Framework for Multi-Protocol Label Switching (MPLS)-based Recovery,”
RFC3469 (2003).
(7) P. Pan, et. al. “Fast Reroute Extensions to RSVP-TE for LSP Tunnels,” RFC4090 (2005).
(8) D. Allan, et. al. “A Framework for MPLS Operations and Management (OAM),” Internet Draft
draft-ietf-mpls-oam-frmwk-05.txt (2005)(9) R. Aggarwal, et. al. “Extensions to RSVP-TE for Point to Multipoint TE LSPs,” Internet Draft
draft-ietf-mpls-rsvp-te-p2mp-03.txt (2005).
(10) http://www.ietf.org/html.charters/ccamp-charter.html(11) K. Kompella, et.al “OSPF Extensions in Support of Generalized Multi-Protocol Label Switching(GMPLS), ” RFC4303 (2005).
(12) L. Berger, et. al. “Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Signaling Resource
ReserVation Protocol-Traffic Engineering (RSVP-TE) Extensions,” RFC3473 (2003).
(13) J. Lang, “Link Management Protocol (LMP),” RFC4204 (2005).
(14) J.P. Lang, et. al. “RSVP-TE Extensions in support of End-to-End Generalized Multi-Protocol Label
Switching(GMPLS)-based

Recovery,”Internet

Draft

draft-ietf-ccamp-gmpls-recovery-e2e-

signaling-03.txt (2005).
(15) L. Berger, et. al “GMPLS Based Segment Recovery,” Internet Draft draft-ietf-ccamp-gmplssegment-recovery-02.txt (2005).
(16) J. Drake, et. al “Generalized MPLS (GMPLS) RSVP-TE Signalling in support of Automatically
Switched Optical Network (ASON),” Internet Draft draft-ietf-ccamp-gmpls-rsvp-te-ason-04.txt (2005)(17) Chris Hopps, et. al “Evaluation of existing Routing Protocols against ASON routing

requirements,” Internet Draft draft-ietf-ccamp-gmpls-ason-routing-eval-02.txt (2005).
(18) A. Ayyangar, et. al. “Inter domain GMPLS Traffic Engineering - RSVP-TE extension,” Internet
Draft draft-ietf-ccamp-inter-domain-rsvp-te-02.txt (2005).
(19) E. Oki, et. al. “IP/MPLS-GMPLS interworking in support of IP/MPLS to GMPLS migration,”Internet Draft draft-oki-ccamp-gmpls-ip-interworking-06 (2005)(20) K. Kumaki, et. al. “Operational, Deployment and Interworking Considerations for GMPLS,”
Internet Draft draft-kumaki-ccamp-mpls-gmpls-interworking-01 (2005).

－146－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(21) K. Shiomoto, et. al “Requirements for GMPLS-based multi-region and multi-layer networks(MRN/MLN),” Internet Draft draft-ietf-ccamp-gmpls-mln-reqs-00.txt (2005).
(22) http://www.ietf.org/html.charters/pce-charter.html(23) JP Vasseur, et. al “Path Computation Element (PCE) communication Protocol (PCEP) Version1, ”
Internet Draft draft-ietf-pce-pcep-00.txt (2005).
(24) http://www.ietf.org/html.charters/l1vpn-charter.html.
(25) T. Takeda, ”Framework and Requirements for Layer 1 Virtual Private Networks,” Internet Draft
draft-ietf-l1vpn-framework-01.txt (2005).
(26) T. Takeda, “Applicability analysis of GMPLS protocols to Layer 1 Virtual Private Networks,”
Internet Draft draft-ietf-l1vpn-applicability-00.txt (2005).

2.10.2 ITU-T SG15
国 際 連 合 の 一 機 関 で あ る ITU-T （ International Te1ecommunication Union ～ Telecommunication
Standardization Sector）における光ネットワーク関連の標準化は SG15（Study Group）が担当している。SG15
は IP ベースの NGN の物理レーヤを事実上決定するグループとしての体制を整え、NGN のリード SG である
SG13 と連携しながら、高速のアクセスネットワークおよび光コアネットワークへの要求条件を議論している。
WP1 はアクセス網、WP2 がファイバ特性、物理インタフェ-ス、サブシステム／コンポ-ネント特性といった物理的な規定を、WP3 ではネットワークアーキテクチャ、信号フォーマット、装置機能特性、管理／制御などを担当している。表 2.10.2.1 に SG15 の構成を示す。
表 2.10.2.1 SG15 の構成
WP 1/15
1/15
2/15
4/15
WP 2/15
5/15
6/15
7/15
8/15
10/15
WP 3/15
3/15
9/15
11/15
12/15
13/15

Optical and metallic access network
Coordination of Access Network Transport standards
Optical systems for fibre access networks
Transceivers for customer access and in-premises phone line networking
systems on metallic pairs
Optical transport network technology
Characteristics and test methods of optical fibres and cables
Characteristics of optical systems for terrestrial transport networks
Characteristics of optical components and subsystems
Characteristics of optical fibre submarine cable systems
Optical fibres for the access network to and in buildings and homes
Optical transport network structure
General characteristics of optical transport networks
Transport equipment and network protection/restoration
Signal structures, interfaces and interworking for transport networks
Transport network architectures
Network synchronization and time distribution performance－147－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
本動向調査期間中の会合としては 2005～2008 会期の第 2 回会合が 2005 年 5 月の 2 週間、ジュネーブで開催された。24 か国から 259 名（うち日本 38 名）が参加した。SG15 はＩＴＵで最大の SG であって今会
合では、ホワイト寄書 10 件、遅延寄書 277 件、テンポラリ文書 345 件が審議された。次回会合は 2006 年 2月に予定され、ＮＴＴ19 人をはじめ日本から 45 人が出席を予定している。以下に 2005 年 5 月会合の結果に、一部、次回会合に向けた国内の動きも加えてワーキングパーティ毎に議論の動向を示す。
なお、以下で“SG で承認”との表現を用いるが、これは 2005 年 5 月会合でコンセント（技術勧告として
加速承認手続きに入る合意）が得られたことを意味している。2006 年 1 月 12 日現在、”Under AAP”の状態にある勧告は(1)Rec. G.993.2 - Very high speed digital subscriber line 2 (2)Rec.G.994.1 Amendment 4 Handshake procedures for digital subscriber line (DSL) transceivers の 2 件のみに絞られており、それぞれ 19 件、3 件のコメントに対処したうえで、順当にいけば 2 月の SG15 会合で最終承認される見通しとなっている。
(1) WP1（光およびメタルアクセスネットワーク）
課題 1（アクセス網標準化活動の調査、方向づけ）、課題 2（光アクセス網）、課題 4（DSL 等メタリック
アクセス網）が活動している。
課題 1 ではアクセス網標準化活動の標準化動向を把握する Overview document と活動のギャップや重複を管理する WorkPlan Document を作成している。今回、内外の標準化機関にホームＮＷとアクセス NW との物理インタフェースに関する要求条件や活動の原状に関する情報提供を呼びかけるリエゾンを発出することとなった。
課題 2 では B－PON（Broadband－Passive Optical Network）及び G－PON（Gigabit-capable Passive
Optical Networks）に関する検討が行われている。B-PON については、今回、G．983．3（3 波多重 B－
PON の波長配置）で Optical Line Terminal－Optical Network Unit 間の損失を 10～28dB とするクラス B＋損失規定を追加し必要な光送受信規定を追加した。日米の B-PON に多用されてきたクラス B＋はこれまで国際標準外規定であったが、今後は PON の光損失規定の主流となると思われる。G-PON については、Forward Error Correction の演算方法の変更やプリアンブル長を良くする変更（オプション）などを含んでG，984．3（Transmission Convergence 層仕様）を実装のしやすさを配慮して大きく改訂した。
課題 4 では DSL 技術を中心に、メタリックアクセス網を検討している。今会合では VDSL2 と ADSL がそれぞれ G．998．2 と G．992．5 Amendment 4 として SG 承認された。VDSL2 は、送信出力は最大 20dBmと高く、周波数帯域を 30MHz に広げるなどで 350m までの範囲で上下 100M ビット/秒のデータ伝送速度を得られ、エコー・キャンセルで 1km を超えても ADSL と同等のデータ伝送速度を確保できる。VDSL2 は日
本ではマンション等で用いられる 100M ビットサービスに、米国では約 20Mb／ｓで 2ｋｍ程度の DSL 技術として重要であり、米国向けの仕様は Annex A、日本向け仕様は Annex C となった。サービスの目的が合致すれば日米でそれぞれ Annex A、Annex C も使用できる。ADSL については Time Compression
Multiplexing－ISDN 環境下に関する仕様である ASDL2＋Annex C が、上り帯域拡張仕様を含めてＳＧ承認され ADSL 関連仕様は勧告化が完了した。今後はサービスに応じた仕様の追加などが主題となろう。
(2) WP2（光伝送ネットワーク技術）
ここには

－148－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(i)

シングルモードファイバ（G．652）、分散シフトファイバ（G．653）等、各種光ファイバの規定を含
む光ファイバおよびケーブル等を検討する課題 5、8 及び 10(ii) 単一波長あるいは波長多重伝送システムの各種アプリケーションの光物理インタフェースを中心として光システム、部品関連の勧告を作成する課題 6 及び 7がある。
課題 5 は光ファイバ及びケーブルの特性と試験方法を議論しており、1．3 ミクロンゼロ分散ファイバの取扱い性を向上するトレランス規格を SG で承認（G．652 の改訂版）する一方、G，650．2（偏波分散及び光非線形性試験法）について誘導ブリルアン散乱閾値の定義を見直し、G.655（ノン零分散シフトファイバ）では波長分散の規定方法の改訂を議論した。ここでは WDM システムからの要求条件を明確にすることとなった。新規勧告としては、フィールド試験方法を規定する G．650．3 が検討された。日本としては NTT, 線
材協会で積極的に対応している。
課題 6 は陸上伝達網における光システムの特性を議論しているが、会合では G．698．1（一チャネルイン
タフェースを有するメトロアクセスけ WDM アプリケーション）
と G．
696．
1
（シングルベンダ長距離 DWDM
伝送システム）が SG で承認された。いずれも DWDM に関する新規勧告であるが、G．698．1 ではブラックリンクという概念を導入して光送受信モジュールの異社装置間接続を可能として、一応のマルチベンダ化を達成することができた。光アンプを挿入したシステムを別勧告にするかどうかについては次会合以降で判、改訂勧告 G，959．1（Optical Transport Network
断することとなった。新勧告 Gfso（空間光通信システム）
インタードメインインタフェース）、改訂勧告 G，664（光システムの安全性と自動パワー減衰機構）は 2006
年 2 月の SG 承認を目指して議論を継続している。新勧告 G.otf（光トランスファーファンクション）、改訂
勧告 G．693（局内光インタフェース）、改訂勧告 G．695（Coarse WDM インタフェース）、改訂サプリメ
ント G．Sup39（光システムのデザインとエンジニアリングに関する手引）も継続検討中である。
課題 7 では光部品、サブシステムの特性を議論しているが、新勧告 G．666（偏波モード分散補償器及び偏波モード分散補償受信器の特性）と改訂勧告 G．662（光ファイバ増幅器及び同サブシステムの一般的特性）が SG で承認された。今後、勧告 G．661（光ファイバ増幅器及び同サブシステムの一般的パラメータに対する定義と試験法）の改訂、アダプティブ分散補償器に関する新勧告作成作業（仮称 G.adc）や勧告 G．
671（受動光部品の伝送特性）の改訂を進める。
課題 8 では経済的な海底システムの構築を目的とした新勧告の必要性について議論された。マルチベンダ
互換姓に配慮した海底システム勧告の必要性について ITU-T メンバの意向を質問状で確認し、今後の議論の方向を探ることとなった。個別設計になりがちだった海底システムも、性能(コスト)競争が一段落したとす
れば、どこまでを標準化するかの議論は興味深い。
課題 10 ではビル・家庭まで、及びその中のアクセス網用の光ファイバ及びケーブルの議論として低曲げ損失ファイバなどの検討が開始された。次回、プラスチックファイバも含むかたちで勧告のドラフト案が提出される見込みとなっている。
(3) WP3(光伝送ネットワークの構成)
GFP（Generic Framing Procedure）、Ethernet Service、ASON Discovery に関する勧告が SG で承認され、パケット伝送に関して活発な議論が行われた。
課題 3 では光伝達網の一般的特性として SDH, OTN に関する用語勧告 G．780、G．870 の Amendment－149－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
が SG で承認され、Ethernet の用語に関する新勧告 G．8001 も次回 SG で承認予定となった。またＯＴＮ
関連議論を見渡して重複や矛盾の発見、解消を狙う有益な文書の維持管理が行われている。
課題 9 では伝達装置及び網切替え復旧をテーマにプロテクション関連の勧告 Y．1720の訂正が SG で承認されたほか、Ethernet を扱う G．8031 の Automatic Protection Switch の議論が進展
し次回 SG で承認の流れとなった。一般的リニアプロテクションに関する G．808．1 のアメンドメントがSG で承認された。G．783 で Optical Data Unit over SDH を追加するアメンドメントが SG で承認され、G．G.8021/Y.1341（Ethernet）、G.8121/Y.1741（MPLS）の装置勧告も次回 SG で承認の流れとなった。
次回会合に向けてＮＴＴからは寄書を７件提出するなど、日本として積極的な対応を続けている。
課題 11 は伝送網信号構造とインタフェースを中心に議論し、G．707（SDH）の Virtual Concatenation
に関する訂正、G．7041／1303（GFP）の改訂を SG で承認した。G．8040（GFPoverPDH）では、VCAT／LCAS 非使用時の記述を追加し改訂を SG で承認、G．7042（VCA）のアメンドメント、X．85（IP overSDH using LAPS））の訂正も SG で承認した。新勧告 G．8011．2（Ethernet Virtual Private Line service）
も SG で承認し、これに連動して、G，8011 の Amendment, G．8011、G．8011.1 の訂正も SG で承認された。G．709 について、10GLANPHY over OTN のための OTN マッピング手法は合意せず IEEE に検討を依頼した。
課題 12 ではバケット伝達網のモデル・検討を進めるため G.805（Connection oriented）と G．809（Connection less）の 2 つのアーキテクチャモデルを統合的にとらえる Unified Model（G.ufahl）の議論を優先した。MPLS 関連では、G．8110 で OAM Protection，Pseudowire のモデル化を進めるとともに G，8110．1（Application of MPLS in the Transport Network）で G．8110 に基づいた MPLS 伝達の定義・要求粂件を勧告化する。
課題 13 は網同期と時刻配信の品質を扱っているが、パケット網上の TDM 伝送に関する評価と要求条件を示す G．pactiming（TDMoverPacket）を次回 SG で承認予定とした。PDH over Ethernet に限定されてはいるが SDH への拡張に繋がる動きであり、パケットの議論の進展に伴い参加者も増えつつあり議論の重要性が増してきている。また、Ethernet PHY(物理層規格)に基づく同期配布方法（SSM：Synchronization
Status Message）を課題 9（装置特性）を含めて議論することとした。
課題 14 は伝送装置及び網切替え復旧を扱うが、G．7714（ASON Discovery に関する改版勧告）を SGで承認し、G．7714．1（SDH、OTN における Discovery のプロトコル）の寄書が募られた。次回 NTT からキャリアとベンダの立場の調整の議論を喚起する寄書も提出される。
第 2 回会合で SG レベルで承認された勧告は新規、改訂、訂正、変更を含める数十件にのぼるがそのうち新勧告は以下である。
G.698.1 (G.dapp)

Multichannel DWDM applications with single channel optical interfaces

G.8011.2/Y.1307.2

Ethernet Virtual Private Line Service

G.666 (G.pmdc)

Characteristics of PMD compensators and PMD Compensating Receivers

G.696.1 (G.IaDI)

Longitudinally Compatible Intra Domain DWDM applications

G.993.2 (G.vdsl2)

Very high speed Digital Subscriber Line Transceivers 2 (VDSL2)

また、第 3 回会合(2006 年 2 月)で SG での承認を予定している新勧告は以下である。
いくつかはまだニックネームで呼ばれているが近々、勧告番号が与えられる。
G.seltSingle-Ended Line Testing for Digital Subscriber Lines (DSL)－150－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
G.fso

Free space optics line systems interfaces

G.8001/Y.1354

Terms and definitions for Ethernet Frames over Transport

G.8121/Y.1741

Characteristics of MPLS Transport Network Equipment Functional Blocks

G.8031/Y.17xx

Ethernet protection switching

G.motnni

MPLS over transport NNI w/o OAM 02/2006

G.asm

Architecture for the Management of Transport Services

G.pactiming

Timing and Synchronization Aspects of Packet Networks

G.7718.1/ Y.1709.1 Protocol-neutral management information
以上（岡村 治男）

2.10.3 IEC TC86、 TC76
(1) はじめにIEC(International Electrotechnical Commission: 国際電気標準会議)は 1908 年に設立された（前身 1875
年設立の BIPM: 国際度量衡局）。実質的に ISO の電気部門ともいえる機関で、ISO より早く発足した独立の機関である。現在 60 ヶ国が加盟し、約 100 の TC(技術委員会)を擁している。光通信システムの標準化は
ITU-T と IEC が連携して行っているが、IEC では部品・装置を中心に「円滑な国際商取引の促進」に必要な用語の定義や試験法の規格化が行われている。IEC で規定したパラメータの定義や試験法を ITU-T が参照することで、両者の作業重複・矛盾等の回避が図られている。また、必要に応じて CENELEC(欧州の地域標準化会議)等の ITU-T 以外の標準化機関とも連携することにより効率化が図られている。
光通信システム関連の多くは TC86(Fibre optics)内の SC86C で議論されている。図 2.10.3.1 に TC86 のWorking Group(WG)構成を示す。また、光ファイバ通信の安全については、光関連の安全を取り扱う TC76
内の WG5 で議論されている。図 2.10.3.2 に TC76 の WG 構成を示す。本稿では、SC86C/WG1・WG3 お
よび TC76/WG5 の動向について報告する。

TC86 Fibre optics

WG1 Terminology and symbology
WG4 Fibre optic test equipment calibration
SC86A Fibres and Cables
SC86B Connectors and passive components
SC86C Fibre optic systems and active devices
WG1 Fibre optic communication systems and sub-systems
WG3 Optical amplifiers
WG4 Fibre optic active components and devices
WG5 Dynamic modules
図 2.10.3.1 IEC TC86 の組織－151－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

TC76 Optical Radiation Safety
and Laser Equipment

WG 1: Optical radiation safety
WG 3: Laser radiation measurement
WG 4: Safety of medical laser equipment
WG 5: Safety of fibre optics communications systems
WG 7: High power lasers
WG 8: Development and maintenance of basic standards
WG 9: Non coherent sources
図 2.10.3.2 IEC TC76 の組織(2) SC86C/WG1（光システムおよび光サブシステム）の活動(a) 概要主要参加国は日独伊英加米で、会合は年 2 回開催されている。今年はフランス、韓国および南アフリカも参加した。光ファイバ通信システムおよびサブシステムのパラメータの定義と試験法、システム設計のためのガイドライン作成などを中心に議論を進めている。最近の主要議題を以下に述べる。
(b) 最近の主要議題の審議内容(i) PMD 関連
光通信システムの高速化・長距離化に対応するために PMD 関連の標準化は重要な課題である。現在、TC86
全体用の PMD アンブレラ文書（定義及び現象解析を扱った文書：IEC 61282-9）、既設伝送路の PMD 試験法（IEC61280-4-4）について審議している。６つの手法のうち Polarisation Phase Shift 法は日本提案である。PMD アンブレラ文書については CD が承認されたが、UK とフランスがそれぞれ JME 法、固定アナラ
イズ法の立場から GINTY 法（カナダ提案方法）に関する記述について修正を求めるコメントを提出した。
ケープタウン会合にて議論した結果多数の修正がなされ、これらの修正を反映した改訂版を DTR として進めることとなった。既設リンクのための PMD 測定法については、CDV 投票時に寄せられた各国コメントへの対処を含めた改定版を作成し FDIS へ進める予定である。
(ii) Ｑ値試験法
日本から提案されている平均 Q 値測定法（IEC 61280-2-10）について審議を行った。本試験法は、非同期サンプリングされた信号波形からＱ値を推定する手法で、信号のビットレートやフォーマットに依存しない高いフレキシビリティを有し、インサービスでの簡便な信号品質モニタを目的としている。 2005 年 12月に FDIS が承認され、2006 年に国際規格が発行される予定である。
(iii)ジッタパラメータ測定法
ジッタおよびワンダの測定に関する文書（IEC 61280-2-3）の改定について審議を行った。 今回の改訂により、本測定法が 61280-2-5 ジッタトランスファー測定法を盛込み、ジッタ・ワンダ測定法として一本化す
ることが合意された。日本と UK が改定版を作成し NP 投票へ進める予定である。

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目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(3) SC86C/WG3（光増幅器）の活動(a) 概要主要参加国は日独伊英加米で、会合は年 2 回開催されている。今年は韓国も参加した。光増幅器の特性パ
ラメータの定義とその試験法を中心に議論している。また、用語の定義が一部変更となり、各文書の“sub-system”を “module”か“assembly”へ修正することとなった。
(b) 最近の主要議題の審議内容(i) 安全ガイドライン(IEC 61292-4)
ラマン増幅の導入により光ファイバシステムで扱う光パワーが数ワットレベルにまで到達する可能性がある。SC86C/WG3 では、光増幅器使用時の高パワー光への安全性について産業界が容易に鍵となるスペック
や情報を得ることができるように、既存の IEC と ITU の標準化文書や実験データを基にしたガイドラインの作成を進めてきた。光ファイバや光コネクタの損傷に関しては、ファイバフューズ、光コネクタ汚れおよびファイバ曲げによる光部品・機器損傷に関する情報を記載し、人体への安全の両面に関しては TC76 で作成しているレーザ安全に関する規格文書(IEC 60825-1、-2）を基にして目や皮膚への影響を考慮した場合の許容最大光パワーについて記述している。
本文書は 2004 年 8 月にテクニカルレポートとして発行された。
その後、ファイバフューズ伝搬閾値に関する計算に誤りがあり結論を修正する必要があるとのコメントが寄せられたが、審議した結果本ガイドラインの結論を変更する必要がないことが判明した。ただし、数箇所書式上で修正する必要があり、早急に正誤表を発行することとなった。
(ii) コマンドセット（IEC61291-6-1）
次世代の光ネットワークでは、光パスを監視して再設定したりする際に制御可能な光増幅器が必要である。
2003 年に米国から、このようなインテリジェント光増幅器のコマンドセットを定義する文書について提案がなされ、現在審議が進められている。提案文書の内容が主に米国で使用されているコマンドセットを基に作成されているため、2004 年の NWIP 回覧において日本産業界の仕様も含めるように日本コメントとして提出したが合意には至らなかった。本年度も引き続き日本と US 間で議論を行った。US から、米国で使用されているコマンド表を記載した現在の提案文書に日本提案コマンドを変換する表を追加する提案、および市場エリアによって日本案と US 案をそれぞれ独立に規格化する提案があったが合意には至らなかった。一方、
日本より「コマンドセットの必要最小限の機能の定義を行い、詳細なコマンドの種類や文字列については参考情報をして Annex に記載する｣提案をしたが US は賛成しなかった。今後は、両国で「インテリジェント
アンプに必要最小限の機能」を再検討し、これをもとに次回会合で結論をだすこととなった。
(iii) 過渡パラメータ測定法 （IEC 61290-4-1）
動的に変化する光ネットワークで使用される光増幅器においては過渡パラメータの定義および測定法が重要であり、本年度からこの過渡パラメータについての議論が開始された。現在は、過渡パラメータ定義および測定法に関するドラフトが提出されている段階であり、今後このドラフトをもとに審議を行い新規提案（NWIP）へ進める予定である。

－153－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(iv) 利得試験法と光パワー試験法の改訂（IEC 61290-1-1、 -1-2、 -1-3）
既存の利得試験法と光パワー試験法は現在別々の規格だが、共通する部分が多いので両者の一体化作業が進められている。利得と光パワーの試験法にはそれぞれ 3 種類の方法（光スペクトラムアナライザ法、電気スペクトルアナライザ法、光パワーメータ法）があり、光パワーメータ法に加えて 2004 年 3 月より光スペクトラムアナライザ法も日本担当となった。現在、61290-1-2、 -1-3 は FDIS が承認されて国際規格が発行予定である。61290-1-1 については CDV 回覧へ進む予定である。
(4) TC76/WG5（光ファイバ通信システムの安全）の活動(a) 概要主要参加国は日独伊英米オーストリアで、会合は年１、2 回開催されている。今年度は中国が始めて参加した。主に規格文書 IEC60825-2(光ファイバ通信システムの安全)のラベリングおよびマーキングに関する改訂、高パワー用光コンポーネントの安全要求条件に関する新規提案などの審議が行われた。
(b) 最近の主要議題の審議内容(i) 光ファイバ通信システムの安全（IEC60825-2)
2004 年 6 月に光ファイバ通信システムの安全規格第３版が発行され、本年度は APR（自動パワー減衰）およびハザードレベルのラベリングおよびマーキングについての具体的な施策に関する改訂について議論した。
フランクフルト会合にて UK および US から、APR 動作完了までの MPE（最大許容露光量）制限について「MPE 制限を適用する場合は、被ばくが合理的に予測されるかどうかを考慮すること（合理的に予測されない場合は MPE 制限は適用しなくてもよい）」との note を追加する提案があった。これは、現在の文書に記載されている D14 表の数値（MPE 制限より計算した数値例）が低いために、この MPE 制限を除去したいとの目的である。一方、日本からは「APR の時間を十分短くすれば MPE 制限を用いても光パワーを高くすることができる。D14 表は特定条件の計算例のみを示しているため誤解をまねく可能性がある。削除す
るか修正する必要がある｣と提案した。本会合では結論には至らなかったが、CDV 投票時（締切 1 月）に各国からコメントを提出し、次回会合にて再度検討することとなった。
(ii) APR のリスタート待機時間の短縮
ITU－T SG15 より、APR のリスタートまでの待機時間を現在の 100 秒から 10 秒へ短縮することについて TC76/WG5 へ問合せがあった。これはドイツがシステム復旧を早急に行うことを目的に ITU－T へ提案したものである。日本からの｢波長域が 1.4μm 帯および 1.5μm 帯であれば露光の累積効果は 10 秒までであるので APR リスタート待機時間を 100 秒から 10 秒へ短縮するのは問題ない」とのコメントに各国も合意し、上記の内容を ITU－T へ返答することとなった。
(iii) 高パワー用光コンポーネントと光ケーブルに関する新規提案（NWIP）｢高パワー光ファイバ通信システムにおける受動部品および光ケーブルの使用のための安全要綱｣に関する新規提案について審議を行った。検討課題として、トレーニング、マニュアル等の必要なユーザ情報の追加、
APR の高信頼化に関する要求条件の追加、光ファイバの過剰な曲げによるファイバ損傷とその影響、高パワーコネクタ、融着および保護キャップ、ファイバヒューズの効果、光減衰器における温度増加などの項目を－154－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
取り上げる予定である。本提案は、プレナリにて NWIP として進めることが承認された。今後は TC86 の関連 WG と協力して文書作成を進めていく予定である。
(5) あとがき2004 年に、TC76、TC86 でそれぞれ｢光ファイバ通信システムの安全規格 第 3 版」
（IEC 60825-2）および「光ファイバ損傷のない最大許容光パワーに関するガイドライン」（IEC 61292-4）が発行されたばかりであるが、本年度も改訂、改正について活発な議論がなされている。これは、高速・大容量光通信システム
およびラマン増幅システムなどの市場の生成、環境が整ってきたことによる安全規格・ガイドラインへのフィードバックであると思われる。今後も継続してこれらの安全関連文書の完成度を高める必要がある。
また、動的に変化する光ネットワークに関連する標準化の議論が活発化している。上記の光増幅器のコマ
ンドセット、過渡パラメータ測定法以外にも SC86C/WG5 でのダイナミックモジュール等の評価法に関する議論も今後活発化すると思われる。
この光安全およびダイナミックモジュール等の評価法に関連した内容の基準認証研究開発事業｢ブロードバンドＦＴＴＨ時代に向けた高品位光伝送システム用光部品・モジュールの安全性及び信頼性の標準化｣が今年度から光産業技術振興協会にて開始された。高パワー光による光部品・光ファイバ損傷に関する要求事項、ダイナミックモジュール等の振動・衝撃試験、および光能動部品の信頼性評価法について
標準化を検討する予定であり、上記 IEC 活動と連携することで光部品の安全性と信頼性の標準化が推進すると期待される。
韓国および中国から参加があったことも今年度のトピックの一つである。今回はまだ見学程度であったが、今後 IEC において韓国、中国のアクティビティが徐々に高まると予想される。
（高良 秀彦）2.10.4 IEEE802.3(1) 組織アメリカ電気電子技術者協会（Institute of Electrical and Electronics Engineers、以下 IEEE）は国際的学会組織であり、その中の IEEE 標準協会（IEEE Standard Association、以下 IEEE SA）で標準化が行われる 1,2)。IEEE-SA には幾つかの標準化委員会（Standards Committee）が存在し、イーサネットは LAN
や MAN の標準化を推進する「IEEE802 委員会（別名 LAN/MAN Standards Committee）」内に設置されている。イーサネットは、IEEE802.3 という WG（Working Group）が標準化作業を行っている。WG は802.1 から.20 まで存在したが、2005 年には.21(Media Independent Handover Working Group)が発足した。
現在活動中なのは 802.3 を含む 10 グループである（他は解散／休会している）。
IEEE802.3 WG では年 3 回の本会議(Plenary Meeting)と随時開催される中間会議(Interim)がある。参加は企業・個人など制限は無く、本会議に 3 回出席することで Voter の資格を得ることができる（ただし最近は中間会議でも 1 回と数えられる）。標準化は長くとも 4 年以内に完了する必要があり、一度標準化されると 5 年間は修正、取り下げが認められない。

－155－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(2) 標準化の歴史
最初の Ethernet 規格である DIX 規格（DEC 社、Intel 社、Xerox 社のイニシャルより取られた）に基づ
いて 1983 年に 802.3 で標準化された 10BASE5 以来、現在まで多くの仕様が規定されてきた 3,4)。標準化完了もしくは標準化活動中の Ethernet 規格の一覧を示す（表 2.10.4.1）。規定された仕様の中には、広く普及
しイーサネットの領域を広げたものもあれば、ほとんど製品化されなかったものもある(コストが普及の成否に大きな影響をもっている)。
表 2.10.4.1 Ethernet 規格の一覧
通称

標準化年

802.3

1983

10BASE5タイプ

802.3a1985

10BASE2

802.3b

1985

10BROAD36

802.3d

1987

FOIRL

802.3e1987

1BASE5802.3i

1990

10BASE-T

802.3j

1993

10BASE-FP, 10BASE-FB, 10BASE-FL

802.3u1995

100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T4

802.3y1997

100BASE-T2

802.3z1998

1000BASE-LX, 1000BASE-SX, 1000BASE-CX

802.3ab1999

802.3ae2002

802.3ah2004

1000BASE-T
10GBASE-LX4, 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER,
10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW
2BASE-TL, 10PASS-TS, 100BASE-BX10, 100BASE-LX10,
1000BASE-BX10, 1000BASE-LX10
Maintainance
10GBASE-CX4
10GBASE-T
10GBASE-KX,10GBASE-KX４,10GBASE-KR
10GBASE-LRM
Congestion Management
Frame Extension
DTE Power Enhancement
DTE Power Isolation Corregendum

802.3aj2003
802.3ak2003
802.3an
活動中
802.3ap
活動中
802.3aq
活動中
802.3ar活動中
802.3as活動中
802.3at活動中
802.3au
活動中
下線は広く普及した規格

伝送速度は 10BASE-T が標準化された 1990 年以降は平均 4 年ごとに 10 倍ずつ向上している。また最初はバス型トポロジだけであったが、10BASE-T のスター型トポロジが登場して以降、爆発的に市場が広がった。更に市場は LAN に限らず、MAN や EFM（Ethernet in the First Mile）ファミリといった加入者ラインにまで広がった。
(3) 標準化の現状
2005 年 11 月の本会議現在では次の TF（Task Force）が活動中である 4)。
• IEEE P802.3an, 10GBASE-T － ツイストペアケーブル（カテゴリ 6,7）で最長 100m 伝送する 10Gbit
イーサネット規格 5)• IEEE P802.3ap, Backplane Ethernet － ブレードサーバやスイッチ／ルータ等の装置内バックプレーンにおいて、最長 1m 伝送する規格 6)。伝送速度は 1 Gbit/s と 10 Gbit/s• IEEE P802.3aq, 10GBASE-LRM － FDDI グレードのマルチモードファイバを使用して最長 300m 伝送する 10Gbit イーサネット規格 7)。
• IEEE P802.3ar, Congestion Management －イーサネットリンク上で生じる輻輳を管理する方式、輻

－156－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
輳情報の伝達方法、データ転送レートの制限方法、非輻輳フローのスループット低下の最小化方法などが討議されている 8)。
• IEEE P802.3as, Frame Expansion －タグ用のプリフィックス、サフィックス領域を持てるようにイー
サネットフレームの拡張方法が討議されている。この拡張により少なくとも、VLAN（IEEE802.1Q）、プロバイダーブリッジ（IEEE802.1ad）、MAC セキュリティ（IEEE802.1AE）に対応する。この拡張
はタグ部分のみに適用されるため、現在定義されているフレームのデータ領域長（1500 バイト）を変更するものではない 9)。
• IEEE P802.3at, DTE Power Enhancements －Power over Ethernet（IEEE Std 802.3af）の規格をベースに、イーサネットのケーブル上を流す電力の上限の緩和基準を議論(30W が目標)。1000BASE-T お
よび 10GBASE-T などの高速(大電力)規格への対応と、冗長構成の規格修正が目的(2005 年 11 月より発足) 10)。
• IEEE 802.3au, (IEEE P802.3-2005/Cor 1) DTE Power Isolation Corrigendum －イーサネットのケー
ブル上でのクロストークの基準を議論(2005 年 11 月より発足) 11)。
• IEEE802.3 Residential Ethernet － ホームネットワーク用の同期（アイソクロナス転送）イーサネッ
ト規格。論点が 802.3 での範疇を超えたので、今後完全に 802.1 WG に移行し、「Residential Bridging
TG」として活動する(802.3 での活動は Study Group (技術検討会)のまま終了)12)。
「10GBASE-T」は 10Gbit イーサネットファミリとして、ツイストペアケーブル（カテゴリ 6，7）を使用して 55m から 100m の電気伝送を目標とする方式である。ツイストペアケーブルの周波数帯域はカテゴ
リ 5（5E）が 100MHz、カテゴリ 6 が 250MHz、カテゴリ 7 が 600MHz となっている。12 値の多値変調を使用し、伝送距離の拡大を実現する。2005 年 11 月現在の標準化段階はドラフト 3.0 で、標準化の最終段階である。
「Backplane Ethernet」は、装置の集積度の上昇に伴い、従来は装置外にあったネットワークがラック内に収まり、最終的にはブレードサーバのように装置内バックプレーンに集約されることを見越して提案された。本提案では 1 Gbit/s と 10 Gbit/s のバックプレーン電気伝送を行う。バックプレーンイーサネットでは物理層のみ（PMD（Physical Media Dependent）副層）を規定し、上位層は完全に従来どおりである。バックプレーンイーサネットの構成を以下に示す。
• 伝送速度：1 Gbit/s、10 Gbit/s（3.125 Gbit/s×4 レーン）
、10 Gbit/s（1 レーン）
• 伝送距離：1m（2 コネクタを含む）• メディア： 改良 FR-4 基板（基板材料に低誘電率、低誘電正接材料を使用して高周波特性を改善）
現在、バックプレーンイーサネット TF での主な議題は、受信機の DFE（Decision Feedback Equalizer）
で生じるエラー伝搬対策として FEC がオプション機能の標準内での扱いである（エラー伝搬の結果、10 ビ
ット程度のバーストエラーが生じる）。今後オートネゴシエーション機構の論議が必要である。議論が続いてきた変調方式は複数の候補（NRZ、デュオバイナリ、PAM4）から NRZ が選定された。2005 年 11 月にドラフト 2.0 を議論し、2005 年 12 月現在はドラフト 2.1 である。
「10GBASE-LRM」は従来の光素子（波長 1310nm）、50 or 62.5μm マルチモードファイバを使用しながらも、受信側にフィルタ／イコライザを設けることで到達距離を最長 220m まで延長する規格である。11月の会議で、互換性テスト結果を議論し、伝送距離は 300m から 220m に短縮された。2005 年 11 月にドラ
フト 2.4 を議論中である。2006 年 1 月には、ドラフト 3.0 をリリースし活動終了予定である。

－157－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
「Congestion Management」は、2005 年 11 月の会議で、ドラフトの 0.9 を議論し、同月にドラフト 1.0
をリリース予定である。D0.9 ではスイッチのインタフェース単位に MAC 層でのレート制限を設定する部分のみ記述されている(実際には VLAN 単位に制限をかけるべきであるとの発表も有る)。この VLAN 部分
や、そもそも何をトリガーにしてレート制限するか、といった思想的な部分を今後 802.1 WG と進める。
「Frame Expansion」は、2005 年 11 月の会議で、ドラフトの D2.1 を議論し、12 月にドラフト 2.2 をリリース予定で、ドラフト 3.0 も近々リリース予定である。
(4) 今後の動向予測
既布設マルチモードファイバの使用を前提とする 10GBASE-LRM や、ツイストペアケーブルを使用する
10GBASE-T の登場により、今後構内での 10Gb イーサネットの普及が加速すると考えられる。また装置内もバックプレーンイーサネットにより 10 Gbit/s に移行し、10Gbit イーサネットの領域が広がりつつある。
それらに連動して既存の長距離伝送(10GBASE-XR)側の普及も加速するため、10Gbit イーサネット全体の需要が底上げされる。ポスト 10Gbit の登場も 2006 年中には始まるとの観測もあり、100G イーサネットを中心に議論は立ち上がると期待されている。
（西村 信治）

参考文献(1) http://www.ieee802.org/3/(2) IEEE Std 802.3 2002 Edition, “Part3: Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD) access method and physical layer specifications.”(3) 石田 修，瀬戸 康一郎：“改訂版 10 ギガビット Ethernet 教科書” インプレス，(2005).
(4) IEEE Std 802.3ae, “Amendment: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, andManagement Parameters for 10 Gb/s Operation.”(5) http://www.ieee802.org/3/an/index.html(6) http://www.ieee802.org/3/ap/index.html(7) http://www.ieee802.org/3/aq/index.html(8) http://www.ieee802.org/3/ar/index.html(9) http://www.ieee802.org/3/as/index.html(10) http://www.ieee802.org/3/at/index.html(11) http://www.ieee802.org/3/at/isol/index.html(12) http://www.ieee802.org/3/re_study/index.html

2.10.5 OIF(1) OIF 概要
OIF (The Optical Internetworking Forum)は、1998 年 4 月に設立されたフォトニックネットワークに関する標準化フォーラムである。IP ネットワークとフォトニックネットワークの間の物理的および論理的イン
タフェイスの仕様策定を行い、マルチベンダ環境での相互運用可能な製品とサービスの開発および広報活動－158－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）による市場開拓を行うことを目的としている。1998 年 12 月において、投票メンバ 75 社、聴講メンバ 18 社、合計 93 社であったメンバ数は、ピーク時には 300 社を超えていたが、2006 年 1 月現在、投票メンバ 92 社、
聴講メンバ 9 社、アカデミックメンバ 1 大学の合計 102 メンバとなっている。これは、2005 年と比べて 37
メンバの減少となっており、光バブル崩壊による業界再編がいまだ続いていることを示している。OIF の組織を図 2.10.5.1 に示す。

図 2.10.5.1 OIF 組織構成
7 名で構成される評議会 (Board) の下に 2 つの委員会、Technical Committee (技術委員会)と Market
Awareness & Education (MA&E) Committee (広報委員会)が設置されている。Technical Committee の下には、アーキテクチャ&シグナリング (Architecture & Signaling) (別称 Networking)、物理&リンクレイヤ(Physical & Link Layer (PLL))、管理運用 (Operation Administration and Maintenance & Protection(OAM&P))、キャリア (Carrier)、相互接続 (Interoperability)、物理レイヤユーザグループ (Physical Layer
User Group (PLUG)) の 6 個のワーキンググループ(WG)が設置されている。OIF は、キャリア WG のサービス実現に対する要求条件に基づいて、技術的な仕様を決定していくことに特徴がある。また、サービス要求条件からかけはなれた物理仕様に関しては、間に PLUG WG を設置することで、キャリアからの要求条件を受け取ったシステムベンダが PLL 関連の部品ベンダに要求条件を提示することでバランスを取っている。
各 WG では、寄書をベースとして実装仕様書である Implementation Agreement (IA) を作成している。寄書は原則として非公開であるが、IA は Web (http://www.oiforum.com/) にて公開されている。2005 年中に新たに公開された IA を表 2.10.5.1 に示す。CEI(Common Electrical I/O)改訂版 (6Gbps, 11Gbps 汎用電気リンク)、 CEI-P (CEI の制御)、LRI (ITU-T で定義されていない 120km/160km 用 10Gb/s 送受信機)、SEP(ユーザ機器ネットワーク機器間制御インタフェイスプロトコル(UNI)やネットワーク間制御インタフェイ
スプロトコル(NNI)向けセキュリティ拡張)補遺改訂版、SMI (機器管理インタフェイス向けセキュリティ拡張)補遺改訂版の 5 個の IA が追加された。
表 2.10.5.1 2005 年制定 IA
主幹 WG

IA 名称

概要

PLL

OIF-CEI-02.0

6Gb/s 超、11Gb/s 超の汎用電気インタフェイス仕様改訂第 2 版

PLL

OIF-CEI-P-01.0

CEI の制御プロトコル仕様

PLL

OIF-LRI-01.0

120km 及び 160km 伝送用 10Gb/s 送受信機仕様

OAM&P

OIF-SEP-02.0

UNI 及び NNI 用セキュリティ拡張の補遺

OAM&P

OIF-SMI-02.0

機器管理インタフェイス用セキュリティ拡張の補遺－159－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(2) コントロールプレーン関連の活動
アーキテクチャ&シグナリング、キャリアの 2 WG が中心となって、コントロールプレーンの標準化を進めている。OIF では、基本アーキテクチャとしてオーバーレイモデルと呼ばれる ITU-T G.8080 にて標準化されたアーキテクチャを採用している。IP ルータに代表されるデータ機器により構成されるデータネットワ
ークをユーザ網、光クロスコネクトに代表されるフォトニックネットワーク機器により構成されるフォトニ
ックネットワークをプロバイダ網と位置づけ、ユーザ網とプロバイダ網間の制御インタフェイス UNI (Userto Network Interface)と、フォトニックネットワークを複数のサブネットワークに分割して構成する場合のサブネットワーク間制御インタフェイス Intra-domain E-NNI (External Network to Network Interface)
が OIF における標準化対象である。サブブネットワーク内部の制御インタフェイスは I-NNI (Internal
Network to Network Interface) と呼ばれ、OIF では標準化の対象とはしていない。OIF で標準化を進めているのは、UNI のシグナリングプロトコル、ディスカバリプロトコル、E-NNI のシグナリングプロトコル、
ルーティングプロトコルである。これらのプロトコル群は、OIF 開始当初は IP ルータが光クロスコネクトに接続されていくことを想定していたが、現在では、IP ルータの接続先は SDH/SONET クロスコネクト、接続に使用されるルータ側インタフェイスはイーサネットと、広域イーサネットサービスをターゲットした仕様策定が行われている。2005 年には、6 月に開催された SuperComm2005 での公開をターゲットに、イーサネットを対象とした UNI2.0 プロトコルを制定し、世界規模の広域イーサネットサービス網のデモンス
トレーションを実施した。これは、SuperComm2004 で実施した POS (Packet over SONET/SDH)インタフ
ェイスによる UNI/E-NNI デモンストレーションを拡張して、ITU-T で標準化された Ethernet over
SDH/SONET 技術である、GFP/VCAT/LCAS (Generic Framing Procedure/Virtual Concatenation/Link
Capacity Adjustment Scheme) を具備した SDH/SONET クロスコネクト装置と、イーサネットインタフェ
イスを具備した IP ルータやイーサネットスイッチの UNI 及び E-NNI の相互接続性をライブデモンストレーションしたものである。このデモンストレーションには、アジア、北米、欧州のキャリア 7 社 (AT&T、
China Telecom、Deutsche Telekom、France Telecom、NTT、Telecom Italia、Verizon) と、ベンダ 13
社 (Alcatel、Avici、CIENA、Cisco、Fujitsu、Huawei、Lambda Optical、Lucent、Marconi、Mahi、Nortel、Sycamore、Tellabs)が参加した。キャリア間は、インターネット上に構築した制御網で接続し、ベンダが機器をキャリアサイトに持ち込んで UNI と E-NNI を相互接続したものである。また、AT&T と Verizon 間
は OC-1 専用線、AT&T と SuperComm 会場の間は DS-3 専用線で接続してデータプレーンを形成し、SuperComm 会場から Verizon に配備された UNI を遠隔制御することで、リアルタイムに接続先を制御できることをアピールできたことは特筆すべきことである。図 2.10.5.2 に OIF SuperComm2005 デモンスト
レーションの構成図を示す。

－160－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 2.10.5.2 OIF SuperComm2005 デモネットワーク構成
SuperComm2004、2005 で UNI/E-NNI の相互接続性をアピールすることができたが、表 2.10.5.1 にNetworking 系の IA が追加されていないように、技術的な完成度の進展が予定よりも大幅に遅れていることが問題視されており、2006 年は E-NNI ルーティングや UNI2.0 のイーサネット以外の部分等、IA 化の遅れている部分の完成度を向上させていく予定である。
(3) セキュリティ関連の活動
インターネットにおける DDoS (Distributed Denial of Service) 攻撃やサイバーテロの増大の影響を受け、米国国防省を中心として、セキュリティの強化が叫ばれて久しい。OIF においては、OAM&P WG において、
UNI、
E-NNI のプロトコル群へのセキュリティ対策の IA 制定が継続して進められ、IA の改定版が完成した。
(4) 物理インタフェイス関連の活動
OIF では、光インタフェイスと電気インタフェイスの両方に関して物理インタフェイスの規格制定が行われている。
光インタフェイスに関しては、ITU-T との連携を強め、10Gb/s を中心とした電気的分散補償(EDC)や120km/160km 送受信機、可変波長レーザ組込トランシーバの規格制定が進展した。
装置内接続用の電気インタフェイスの規格制定が継続して進められている。ボード上・バックプレーン電気インタフェイス規格 CEI は、チャンネル当りの伝送速度が 6G または 11G と高速であるため、パラレル
展開度を下げることで一層の装置小型化が期待されている。また、これまで 40Gb/s までの電気/光インタフ
ェイスを制定してきたが、100Gb/s を超えるインタフェイスの議論を開始することが決議され、PLUG からキャリア WG に対して、100G 超インタフェイスの必要時期の議論が要求される等、新たな市場の形成を期待させる動きが出てきている。

(5) 将来動向2006 年には、UNI 2.0、E-NNI ルーティングといったキーコンポーネントの IA 化が実現すると予想される。また、100Gb/s 超インタフェイスに対しても、何らかのアクションが開始されることが期待できる。ま－161－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
た、OIF と NPF (Network Processing Forum)、GGF (Global Grid Forum)、IEEE 802.3 委員会 といった、
OIF 技術のユーザ的立場にある機関との連携活動も一層の活発化が予想される。
(岡本 聡)－162－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3. 光メモリ・情報処理－163－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3. 光メモリ・情報処理
3.1 はじめに3.1.1 概要
2005 年度の光メモリは、青色レーザを光源とした BD(Blu-ray Disk)と HD-DVD(High Difinition Digital
Versatile Disc)の普及に向けた技術開発が進められるとともに、次世代光記録のための多くの技術開発が行なわれた。BD 等では、高密度マスタリング技術、高速な追記を実現するための材料および技術開発が着実に進展し、さらなる高密度化をを目指した次世代光メモリの研究へのシフトがより明確になった。
以下に各節の概要をのべる。
3.1.2 光メモリのロードマップ
従来の高密度化手法と異なり次世代光記録では、光の回折限界を超えるための大きなブレークスルーが必要とされるため、多くの手法が提案・開発され、方向性が決まっていないのが現状である。これらに対応する ため 、光記 録研 究者の 新規 技術の 発表 の場と して 中心的 な国 際会議 である ISOM(International
Symposium on Optical Memory)のプログラム委員を中心として、次世代光記録のロードマップの策定が開始され、次世代光記録の実現に向けた動きがより本格的なものになってきている。ロードマップの最終報告
は 2006 年 10 月の ISOM（高松）で行なわれる予定である。
3.1.3 マスタリングとレプリケーション
BD､ HD-DVD の次を目指した高密度マスタリングの技術が本格化してきた。次世代の光メモリでは、ディスク 1 枚当り 150-500GB の記録容量が要求され、これに対応する記録ピットは 40-70nm になる。この要求に応えるため、電子ビームを利用したマスタリング技術の開発が進められている。シリコン基板上で DVD
換算 510GB に相当する電子ビーム露光装置が報告され、長期安定性についても検討が行なわれた。
ヒートモードを利用したマスタリング技術の開発が活発化してきた。この方法では、レーザスポットの中心のみで熱反応を発生させることにより、レーザスポットよりも小さいパターンを形成することが可能である。この方式は低コストで実現できることが特徴である。ZnS-SiO2 を用いたヒートモードマスタリングで集
光スポットの 1/4 の 90nm のピットが形成可能であることが報告されている。
ホログラム記録においても、ROM の複製技術が提案された。コリニア方式において、仮想参照光を導入したマスターを作製することにより、ホログラムの複製が可能であることを示した。
3.1.4 青色ディスクシステム
高精細テレビ(High Difinition TV)の普及を目前に控え、大容量の光メモリ需要が高まっており、これに応えるため BD と HD-DVD の光記録システムの開発が着実に進められ、これまでの技術開発の成果がこれらのシステムに集約されてきている。
2005 年度は高速化に向けた技術開発が報告された。追記型ディスクにおいて 500Mbps 以上の高転送レートで記録した実験が報告された。また高速な記録を実現するためのレーザ応答性を考慮した新しいレーザ制－163－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
御方法も示された。
3.1.5 次世代大容量化技術
次世代の高密度・大容量化を目指した光メモリでは、多くの技術開発がなされた。近接場技術を用いた光メモリでは、ダイヤモンドを用いた SIL(Solid Immersion Lens)などが提案された。ダイヤモンド SIL では
開口数 2.34 を実現し、150GB の記録密度を実現した。深紫外レーザとの組合わせにより、450GB の可能性を示している。また、モノシリック 2 ビームレーザによる転送レートの高速化も報告した。
Super-RENS では、50GB の ROM ディスクで 10-4 のビットエラーレイト、write-once ディスクで 10-3のビットエラーレイトが実現可能であることが報告されている。
ホログラム記録では、従来の DVD との互換性を持つコリニア方式の技術開発が盛んである。記録のスケ
ジューリングを最適化することにより、42Gbits/in2 の記録密度が報告された。
2 光子吸収を利用した多層光メモリでは、実用化を目指したベンチャー企業がダイナミックテストの結果、高感度材料を用いて CW レーザによる記録を行った結果が報告された。また、多層媒体を容易に作製する手法として、粘着剤をもちいた手法が提案され、実際に 20 層の記録・再生結果が示された。すべての層で 50dB以上の信号対雑音比を持ち、クロストークが十分小さいことが示された。
3.1.6 光メモリのための材料
2005 年度は、各要素技術における材料開発の状況を節として取り上げまとめた。
電子ビームマスタリングでは高密度は実現されているが、記録線速が 0.16-0.29m/s であり、より高感度の材料開発が必要であることが示された。
ホログラムメモリでは、赤色レーザ用の記録材料の開発が報告された。また、保存信頼性の検討も行なわれた。2 光子光記録では、新規な 2 光子吸収材料が開発され、ダイナミックテスターの結果が示された。超解像マスク用材料では、ZnO のバンドギャップ変化を利用した方法が報告された。分子メモリ材料では、蛍光発光による単一分子メモリや電界印加によるフォトクロミック反応の感度制御などの方法が提案された。
BD のための新しい誘電体膜として、ZrO2 系材料の提案があった。
3.1.7 光メモリに望むこと
光メモリに望むこととして、「アーカイバー信頼性と寿命」、「医療における光メモリ」、「ディスプレイの将来予測」、「パッケージメディアの将来予測」、および各節の執筆者からいただいたコメントをまとめた。各分野の専門家から、光メモリに対する期待、課題をまとめた。今後の技術開発の指針になることを期待したい。
（川田 善正）－164－
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3.2 光メモリのロードマップ
3.2.1 ISOM の位置づけ
International Symposium on Optical Memory (ISOM)は、その前進の SOM（1985 年開催）より数えて今年で 20 年目を迎えた。発表論文数も 37 件から、今では 150 件を超えるまでに増加し、それに伴って開催
日程も 4 日に延長されている。また、1993 年から 3 年に一度、ODS とのジョイント開催(ISOM/ODS)として運営されるようになり、さらに 2001 年からやはり 3 年に一度のアジア開催となった。
21 世紀最初の ISOM
は台湾で開催され、9・11 米国同時多発テロの直後とあって開催も危ぶまれたが、290 名近い参加者が世界中から集まった。2004 年には韓国で開催され、すでに 2007 年のシンガポール開催が決定している。ISOM
で取り上げられたテーマも広範囲にわたっている。80 年代には、集積型光ピックアップや相変化記録膜を用いたワンビームオーバーライト技術、マークエッジ記録等が発表され、記録型 CD へ向けた技術的挑戦が展開された。90 年代に入ると、MO による超解像技術、ランド&グルーブ記録、多層記録、SIL による近接場
光記録への向けた基礎的アプローチ等、高密度化へ向けた研究の発表が増加していく。また、1995 年の DVD
発売とともに、早くも 1997 年には青色半導体レーザを用いた記録再生が発表され、次世代の向けた一層の高密度化技術と、これらを利用した商品化技術が開花していく。高密度化の流れは止むことなく、1998 年にはスーパーレンズが発表され、以降、SIL と共に近接場光による超高密度光記録技術へ向けた研究開発が活発となる。さらに 2002 年には偏光コリニア方式によるホログラムが登場し、次々世代光記録へ向けた技術競争が一層加速されている。このように、ISOM は、日本の光メモリ産業を支える自前技術の発表の場から、1990 年代は日本を中心に基幹技術としての光メモリの国際会議として位置づけられ、21 世紀に至っては台湾、韓国等の業界参入によって、世界最先端の光メモリを扱う国際会議に成長を遂げてきた。
3.2.2 ISOM としてのロードマップの必要性
上記のように ISOM で取り扱うテーマは拡大したが、最近になって最先端の青色半導体レーザと開口数0.85 一枚レンズを組み合わせた最先端技術をもってしても、光の基本原理である回折限界によって、従来技術の延長線上に次々世代の超高密度光記録技術開発の将来像が見えないという不安が、研究者・開発技術者
を始め、それらを応用する業界全体に膨らみつつある。また、期待されている近接場光応用やホログラム記録においては、どれも 100GB-200GB 級ディスクシステムの研究開発が中心であり、参加する各企業の各々の戦略も見え隠れし、どの技術が本命か否かをつかみにくい状況になっている。さらには、競合技術である
ハードディスクや固体メモリも密度当りの単価が光ディスクに接近しつつあり、次々世代の光メモリ開発競争は混沌とした状況に陥っている。
ISOM では 20 年を節目として、行き先不透明なこうした現状を打破し、光メモリに携わる研究者、技術者、事業者、関連業界に向けて、確信を持って次々世代光メモリの開発および事業展開が見込めるような新たな羅針盤を提示することを決定し、ISOM 委員を中心にロードマップ作成委員会（委員長：前田（日立））を設置して、
2006 年高松開催の ISOM06 の場で ISOM ロードマップを公開することを目標に作業を開始した。
3.2.3 ISOM ロードマップの設定範囲
ISOM は国際学会であるため、経済産業省や新エネルギー・産業技術開発機構(NEDO)、光産業技術振興
協会等の将来予測ロードマップとは異なるロードマップの設定が必要とされる。ISOM が目指すロードマッ－165－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
プは技術ロードマップであって、そこにはマイルストーンが設定される。ロードマップ委員会のメンバーのほとんどは、光メモリに関する技術開発を経験して事業化まで携わってきた技術者が中心で、設定されるマ
イルストーンも、その技術が開発されればロードマップ上で上位の技術に展開できるように構成される必要がある。また、それぞれの将来テーマのロードマップ委員会とは別に、それらに応用される要素技術を取り扱うロードマップ委員会が設置され、縦糸と横糸による確信のもてる技術ロードマップとならなければならない。この目的のため、現在の ISOM で盛んに研究発表が行われている 100GB-200GB クラスの光メモリのロードマップは範疇とせず、あえて 200GB 以上で転送レートは 1Gbps までの超高密度光メモリ技術に限定した。
3.2.4 ISOM ロードマップの取り扱う将来技術テーマの設定
3.2.3 で定めた超高密度光メモリに関するロードマップテーマの設定は、これまで開催されてきた ISOM
での発表件数等からある程度伺い知ることができる。特に ISOM/ODS99 ごろから、光超解像、近接場光、
高 NA レンズ、三次元方式（多層記録を含む）の発表件数が高密度記録分野の大半を占めるまでに増加しており、また、ISOM2000 からホログラムに関する発表件数も一挙に増加している。その傾向は 2005 年に至っても変化は見られない。ISOM2004 での高密度光記録関連セッションにおける発表テーマの比率は、超解像、ホログラムが共に約 20%、近接場光記録が 30%、高 NA レンズ記録と三次元記録がそれぞれ 5%となっている。この発表傾向にほぼ沿ったテーマで、ISOM ロードマップ委員会では、「近接場光記録技術分科委
員会（委員長：ソニー 篠田）」、「多層記録技術分科委員会（委員長：パイオニア 飯田）」、「Super-RENS
技術分科委員会（委員長：産総研 富永）」、「ホログラム技術分科委員会（委員長：松下電器 山本）」、「体
積記録技術分科委員会（委員長：静大 川田）」からなる五分科会設置した。各分科会は、それぞれ 5 名程度の委員から構成されており、これまで会議やメール等で議論を進めてきている。近接場光記録技術分科委
員会では、主に SIL や近接場プラズモン光ヘッドの将来像について主にヘッド技術を中心に検討が行われている。多層記録技術分科委員会では、50GB 相当の従来型高密度メディア層の積層型で目標レベルの達成を目指す技術ロードマップの作成が中心課題となっている。Super-RENS 技術分科委員会においては、Super-RENS を中心とした近接場光記録再生メディア技術に関してロードマップが検討されている。ホログ
ラム技術分科委員会は、すでに 200GB 技術が確立しつつある中での難しい作業となるが、その将来像についての検討がなされている。体積記録技術分科委員会では、二光子吸収記録による三次元記録が作業の中心である。各分科会では月ベースで検討を重ねており、その中間報告は、ISOM/ODS05 の会場で報告されている。
ISOM ロードマップは 2006 年 10 月に高松で開催される ISOM06 で発表されることとなっている。ご期
待いただきたい。
（富永 淳二）参考文献(1) ISOM 講演会資料、 2005 年 12 月 9 日、東京

－166－
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3.3 マスタリングとレプリケーション
3.3.1 概要
本年度は地上デジタル局の開局・出力増加がさらに進展し、確実に各家庭でハイビジョン映像を楽しむ環
境が整いつつある。Blu-ray Disc／HD-DVD 等の一般家庭向けハイビジョン映像録画システムが本格的に立ちあがる時期に達したといえるだろう。前年度までに報告を行ってきたそれらのディスクシステムに向けた
マスタリング技術・レプリケーション技術がまさに現在、生産の現場で活躍しつつある。本年度においても次の世代を担う新しい光メモリのシステムに影響を与えるマスタリング技術、レプリケーション技術の進展が見られた。これらの技術動向に関し、本項において報告を行う。近い将来これらの技術が世に大きく展開されることが期待できるかもしれない。
(1) ヒートモードマスタリング
従来のフォトンモードを利用したマスタリングと異なり、レーザを集光照射したときの熱反応を利用した
ヒートモードマスタリングが提案されてきた。提案以来、このヒートモードマスタリングに関して様々な材
料に関し着実に検討が行われづけ、本年度の ISOM/ODS においても２件の報告がなされた。材料・構造の最適化によりさらなる高密度パターンを容易に形成できる事が期待できる技術である。
(2) 電子ビームマスタリング
テラバイト級の容量を持った光ディスク、あるいは磁気ディスク等のメモリ媒体をマスタリングすることを鑑みると、やはり本命は電子ビームマスタリングとなる。光ディスクのマスタリングを行うために必要な回転ステージと直動ステージをそなえた電子ビームマスタリングに関する検討は、本年度も着実に進展し報告が行われた。
微細パターンを作製する技術の進展もさることながら、平行して必要となる長時間安定性や、繰りかえし精度の検討も同時に報告されており、注目に値する。
(3) 多層ディスク作製技術
ディスク媒体を複数枚張り合わせて多層のディスク媒体とすることは、この 10 年来行われてきており、
DVD 等で採用され世に広く広まっている。Blu-ray Disc／HD-DVD 等の次世代ディスクに対しても例外ではなく、作製手法の検討、性能評価・コスト要因の検討等を行った発表例が近年複数見られてきた。本年度において Blu-Ray Disc 準拠の 2 層（50GB）ディスクに対しコスト低減が期待できる手法の発表が行われ、性能の関しても実用に耐える段階に至ったと考えられる。
(4) ROM 型ホログラフィック
体積型記録として多重化をおなうことで高密度化が期待できる技術としてホログラフィックメモリがある。
本年度には、コリニア方式のホログラフィック再生に対応する ROM 型媒体複製手法を検討した報告がなされた。
原理的に従来方式に見られた欠点を回避しており、
かつコリニア方式ゆえ違法コピーが難しいとされ、期待が出来る方式の提案である。
（加園 修）－167－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3.3.2 ヒートモードマスタリング(1) はじめにレジスト材料の熱変化を利用する方法がヒートモードマスタリングと呼ばれている。この方法では、ヒー
トモード記録によってレジスト層を熱変化させ、熱変化有無によるエッチング耐性差を利用しパターン形成する。レーザビームスポット中心のみのレジスト層を熱変化させることによって、ビームスポット径よりも小さなパターンを形成することができる。 光ディスク原盤の簡便かつ低コストな製法として検討されている。これまでに､2002 年にソニーから､レジスト層として遷移金属の酸化物材料を用いる方法が発表されている 1)。ISOM2004 では、松下電器産業から TeOx を用いる方法 2)、日立製作所から GeSbTe の相変化を利用する方法 3)が発表されている。ISOM/ODS2005 では、シャープから有機材料/ZnO/Si 積層構成を用いる方法の発表があった 4)。この層構成において、有機材料はパターン形成層であり、ZnO/Si はカバー層である。ヒートモードでの記録後に、カバー層をエッチング除去しパターン形成する。Deep UV レーザ露光によって、75nm のピットをトラックピッチ 160nm にて形成することに成功している。このピットレイアウトは100GB/直径 12cm の記憶容量に相当する。リコーでは、ヒートモードマスタリング用のレジスト層として、硫化亜鉛(ZnS)と酸化シリコン(SiO2)の混合材料である ZnS-SiO2 薄膜を用いる方法を ISOM/ODS2005 にて発表した 5)｡ ZnS-SiO2 薄膜は､相変化型光ディスクの保護層として標準的に用いられている材料である｡ 以下には、ZnS-SiO2 パターンの形成方法および形成したパターンの形状を示す｡(2) ZnS-SiO2 パターン形成方法および形状
図 3.3.2.1 には ZnS-SiO2 パターンの形成方法を示す｡ (a)は媒体構成を示す｡ ポリカーボネート基板上に
下部 ZnS-SiO2 薄膜､AgInSbTe 薄膜および上部 ZnS-SiO2 薄膜を積層する｡この層構成において､上部
ZnS-SiO2 薄膜はパターン形成層である｡また､AgInSbTe 薄膜は光吸収発熱層であり､この層の発熱により上部 ZnS-SiO2 薄膜を熱変化させる｡(b)はレーザ照射プロセスを示す｡基板を介さずに膜面に対して直接レーザ
光を照射する｡レーザ光の波長は 405nm であり､対物レンズの開口数(NA)は 0.85 である｡(c)はエッチングプ
ロセスを示す｡レーザ照射後のサンプルをフッ酸水溶液に浸漬し､上部 ZnS-SiO2 薄膜をエッチング処理する｡(d)はパターン形成状態を示す｡

上部 ZnS-SiO2 薄膜のレーザ光照射部分はエッチング処理後も残留し、

ZnS-SiO2 薄膜を凸形状パターンに加工することができる｡
上部ZnS-SiO2薄膜AgInSbTe薄膜

405nmLD-NA0.85

HF水溶液(b) ﾚｰｻﾞ照射ﾌﾟﾛｾｽ(c) ｴｯﾁﾝｸﾞﾌﾟﾛｾｽ

凸形状
ZnS-SiO2ﾊﾟﾀｰﾝAgInSbTe薄膜

ﾎﾟﾘｶ基板下部 ZnS-SiO2薄膜(a) 媒体構成(d) ﾊﾟﾀｰﾝ形成状態

図 3.3.2.1 ZnS-SiO2 パターンの形成方法
図 3.3.2.2 には凸形状 ZnS-SiO2 パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)像を示す｡ 斜め方向から観察し、パターン
エッジのテーパープロファイルを調べた｡媒体構成は､ポリカーボネート基板/ZnS-SiO2 薄膜(50nm)/AgInSbTe 薄膜(20nm)/ZnS-SiO2 薄膜(200nm)である｡レーザ照射プロセスではパルス光を照射した｡エッチングプロセスでは､フッ酸水溶液(HF:H2O=1:4)に 10 秒間浸漬した｡以上の方法で形成した凸形状 ZnS-SiO2 パターンは、直径が約－168－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
200nm であり､凸部高さが約 200nm である｡この凸部高さは、ZnS-SiO2 薄膜の成膜膜厚にほぼ等しい。SEM 像
で示すとおり､パターンエッジのテーパープロファイルはほぼ垂直である｡このように､急峻なテーパープロファ
イルになることが、ZnS-SiO2 パターンの特徴である｡媒体構成やレーザ照射条件を変えることによって、逆テー
パープロファイルの ZnS-SiO2 パターンを形成することもできる。
Tilt View
ZnS-SiO2

φ200 nm
高さ
200nm

方向
ﾄﾗｯｸ

垂直
AgInSbTe薄膜

600 nm

図 3.3.2.2 凸形状 ZnS-SiO2 パターンの SEM 像
図 3.3.2.3 には直径を変えた ZnS-SiO2 ドットパターンの SEM 像を示す｡上方から観察し、ZnS-SiO2 ドッ
ト の 最 小 径 を 調 べ た ｡ 媒 体 構 成 は ､ ポ リ カ ー ボ ネ ー ト 基 板 /ZnS-SiO2 薄 膜 (50nm)/AgInSbTe 薄 膜(20nm)/ZnS-SiO2 薄膜(45nm)である｡レーザ照射プロセスではパルス光を照射した｡レーザパルス幅を短くすることによって ZnS-SiO2 ドットの直径を縮小した｡エッチングプロセスでは､フッ酸水溶液(HF:H2O=1:4)に 10 秒間浸漬した｡SEM 像で示す通り、ドット径はレーザパルス幅に応じて変化している｡また､パターン
エッジは鮮明かつ滑らかである｡ZnS-SiO2 ドットの最小径は 90nm であり､レーザビーム径（波長405nm-NA0.85 からの計算値は 391nm）の約 1/4 の大きさまで縮小することができた｡
以上のように、相変化型光ディスクの保護層材料として用いられてきた ZnS-SiO2 薄膜は､ヒートモードマ
スタリング用のレジスト層材料としても有用であるといえる｡
周期250nm

直径90nmZnS-SiO2
ﾄﾞｯﾄ

λ405nm-NA0.85
ﾋﾞｰﾑ径391nm

ｯｸ

方
向

Top View

ﾄﾗ

高さ45nm1 um

AgInSbTe薄膜

図 3.3.2.3 ZnS-SiO2 ドットパターンの SEM 像(3) 今後の展望
これまでに､ヒートモードマスタリング用のレジスト層として各種材料が検討され､微細なパターン形成例が報告されてきた｡ ヒートモード記録によるレジスト層の熱変化は､ 材料組成の変化､ 結晶状態の変化､凝集･変形など､様々な形態があると考えられる｡今後、材料の熱変化形態などのパターン形成メカニズムを解明していくことは、新規材料探索の指針を与え、更なる微細化につながると考える。
（三浦 博）－169－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献
(1) A. Kouchiyama, K. Aratani, Y. Takemoto, T. Nakao, S. Kai, K. Osato and K. Nakagawa:
Jpn.J.Appl.Phys.42(2003)769.
(2) T. Shintani, Y. Anzai, H. Minemura, H. Myamoto and J. Ushoyama: Tech.Dig.ISOM(2004)Tu-B-01,
p.4.
(3) E. Ito, Y. Kawaguchi, M. Tomiyama, S. Abe and E. Ohno: Jpn.J.Appl.Phys. 44 (2005)3574.
(4) M. Mieda, M. Shimo, I. Nakano, T. Sakai, J. Hirokane, K. Kojima and A. Takahashi: Tech.Dig.
ISOM/ODS(2005)WA5.
(5) H. Miura, N. Toyoshima, Y. Hayashi, S. Sangu, N. Iwata and J. Takahashi: Tech.Dig.ISOM/ODS(2005)WA6.

3.3.3 電子ビームマスタリング
次世代光ディスクシステムである Blu-ray Disc、HD-DVD のさらに先を目指す次々世代高密度光ディスクの研究が本格化してきた 1-3) 。次々世代光ディスクに必要な記録容量は、12cm ディスク１層当たり150-500GB の記録容量となることが予想される。この記録面密度を達成するために必要な最小ピットサイズ
は 40-70nm に相当し、このような非常に微細なパターンを実現するためのマスタリング技術としては、電子ビームマスタリングが本命と考えられている。また、最近では、高密度磁気ディスクの分野においても電子ビームマスタリングは適用され始めている。高トラック密度においてＳ／Ｎ比を改善する効果があるディ
スクリートトラック媒体 4)や、超常磁性限界を超えて 1Tbit/in2 以上の安定記録を実現する可能性のあるパターンド媒体 5)といった技術が、超高密度ハードディスク実現のために研究されており、これらのディスク媒体を実現する手段として、電子ビームマスタリングが期待されている。
電子ビームマスタリングには、通称 EBR（Electron Beam Recorder）と呼ばれる X-θステージ型電子ビーム描画装置が使用される。現在、この種の装置は国内外の数社より市販されており、次世代ディスクメデ
ィアの研究開発用および、生産用装置としてすでに実用の段階にある。さらに、経済産業省・新エネルギー
産業技術総合開発機構（NEDO）・光産業技術振興協会が実施している研究開発プロジェクト「大容量光ス
トレージ技術の開発事業」では、1Tbit/in2 級の記録密度を目指した EBR 装置の開発も進められており、今後の実用化が期待されている。
今年度の光メモリ関係学会では、7 月に開催された ISOM/ODS2005 において、パイオニアから EBR 装置についての報告があった 6,7)。パイオニアは 2004 年にカーボン基板を用いた描画によって DVD 換算 510GB 相当の原盤記録をすでに達成しているが 8)、今年度の報告では、シリコン基板で同様の記録分解能が得られる市販プ
ロトタイプ EBR 装置の開発が発表された。この EBR 装置は、次々世代光ディスクメディアおよび、高密度磁気ディスクメディアに対応できる高解像度の生産用実用機として開発されており、優れた安定性と生産性を有している。以下に、パイオニアから発表された新しい市販プロトタイプ EBR 装置について述べる。
パイオニアの EBR 装置の構成を図 3.3.3.1 に示す。装置本体は、電子カラム、回転ステージ、直動ステー
ジ、ロードロックシステムなどから構成されている。電子カラムについては、ビーム集束特性とブランキン
グ特性が改善され、従来に比べて高分解能で精度の高い描画を達成している。また、高速ビーム偏向器を備え、様々なサーボパターンの描画にも対応可能である。回転ステージは、磁性流体シールと空気軸受け型ダ－170－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
イレクトドライブモータから構成され、直動ステージは、クロスローラガイドと送りネジより構成されている。直動ステージの位置決め誤差および、回転ステージの非同期回転振れは、レーザ測長器で測定され、ビーム偏向により誤差を補正することで高精度な記録を実現している。また、描画基板の高さを光学的に測定し、高さ変動に応じて焦点距離を制御するダイナミックフォーカスシステムを備え、描画領域全面にわたって安定な記録が可能となっている。さらに、安定したビーム調整を実現するために、シリコンナイフエッジ
試料を用いた定量的ビーム評価系を備えている。描画基板の交換は、ロードロックシステムによって自動的に行われ、スループットの短縮が図られている。なお、描画基板のシリコンウェハは、静電チャック方式でターンテーブルに直接固定される。そのため、良好な面精度が得られるうえ、回転アンバランスによる精度劣化を防ぐことが可能である。
SecondaryElectron Detector

Electron Beam Column
Optical Height Sensor

Exchange Port
Load-lock Chamber

Substrate

Specimen table forbeam adjustment
and evaluation
MirrorZ
Y

Vacuum Chamber

X

Interferometer
Laser Head

Flexible Tu be
Lead Screw
Rotation stage

YZ-stageLinear stage

Geared Motor

図 3.3.3.1 パイオニアの EBR 装置の構成図
図 3.3.3.2、3.3.3.3 に超高密度光ディスクパターンの描画例を示す。加速電圧 50kV、ビーム径 27nm、ビーム電流 13nA の条件で描画し、レジストには ZEP-520A、基板にはシリコンウェハを使用した。DVD 換算
510GB（記録密度：350Gbit/in2）相当のパターンの形成に成功している。また、図 3.3.3.4、3.3.3.5 にはパターンド磁気ディスク媒体のためのグルーブパターンおよび、ドットパターンの描画例を示す。記録条件は上記と同様であり、70nm ピッチのパターンが良好に形成されている。

図 3.3.3.2 351GB 相当光ディスクパターン

図 3.3.3.3 510GB 相当光ディスクパターン

トラックピッチ 90nm、最短ピット長 44nm

トラックピッチ 70nm、最短ピット長 39nm

－171－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 3.3.3.4 70nm ピッチグルーブパターン

図 3.3.3.5 70nm ピッチドットパターン

また、記録安定性を示す実験結果を図 3.3.3.6 に示す。これは、12cm ディスク全面にわたって連続描画した 100GB 容量のニッケルスタンパのピット写真で、最内周部（R22mm）と最外周部（R58mm）を比較したものである。描画開始から終了まで安定した描画が達成されており、各半径位置における平均ピットサイ
ズの安定性は、SEM 測長による評価の結果、全面にわたって 2nm 以下であることが確認されている。一方、
記録位置精度に関しては、500nm ピッチのグルーブパターンについて、深紫外レーザ顕微鏡で測定したトラ
ックピッチむら精度としてσ1.9nm が示されている。
(a) 最内周 R22(b) 最外周 R58

1.00 µm

1.00 µm

図 3.3.3.6 100GB 全面スタンパのピット写真
電子ビームマスタリング技術は、次世代光ディスクおよび、超高密度磁気ディスクのメディア開発に不可欠な技術となりつつある。今後、1Tbit/in2 の記録密度の実現を目指し、EBR 装置には、さらなる高解像度化、高精度化の技術開発が進められると予想される。
（北原 弘昭）

参考文献(1) M. Shinoda, K. Saito, T. Ishimoto, T. Kondo, A. Nakaoki, N. Ide, M. Furuki, M. Takeda, Y. Akiyama,

T. Shimoura and M. Yamamoto: “High-Density Near-Field Optical Disc Recording”, Jpn. J. Appl.
Phys. 44 (2005) 3537.
(2) C. A. Verschuren, F. Zijp, J. Lee, J. M. A. van den Eerenbeend, M. B. van der Mark and H. P.

Urebach: “Near Field Recording on First-Surface Write-Once Media with a NA=1.9 Solid
Immersion Lens”, Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 3564.
(3) J. Tominaga, T. Nakano and N. Atoda: “An approach for recording and readout beyond thediffraction limit with an Sb thin film”, Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 2078.
(4) Y. Soeno, M. Moriya, K. Ito, K. Hattori, A. Kaizu, T. Aoyama, M. Matsuzaki and H. Sakai:－172－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
“Feasibility of Discrete Track Perpendicular Media for High Track Density Recording”, IEEE Trans.
Magn. 39 (2003) 1967
(5) S. Y. Chou, M. S. Wei, P. R. Krauss and P .B. Fisher: “Single-domein magnetic pillar array of 35nm

diameter and 65Gbit/in2 density for ultrahigh density quantum magnetic storage”, J. Appl. Phys.
76 (1994) 6673
(6) H. Kitahara, Y. Kojima, M. Kobayashi, M. Katsumura, Y. Wada, T. Iida, K. Kuriyama and F.

Yokogawa: “Divelopment of Practical Electron Beam Recorder for High-Density Optical andMagnetic Disk Mastering”, Tech. Dig. ISOM/ODS2005 (2005) WA3.
(7) H. Kitahara, Y. Kojima, M. Kobayashi, M. Katsumura, Y. Wada, T. Iida, K. Kuriyama and F.

Yokogawa: “Practical Electron Beam Recorder for High-Density Optical and Magnetic Disk
Mastering”, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) to be published.
(8) M. Katsumura, M. Sato, K. Hashimoto, Y. Hosoda, O. Kasono, H. Kitahara, M. Kobayashi, T. Iida

and K. Kuriyama: “Electron Beam Recording beyond 200Gbit/in2 Density for Next Generation
Optical Disk Mastering”, Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 3578.

3.3.4 多層ディスク作製技術
記録媒体の深さ方向へ情報を多重化する手法は 1989 年に初めて報告された 1)。多層構造を持たないバル
ク状の記録媒体に対して、高出力パルスレーザを用いて直行する 2 光束の交点で 2 光子吸収を生じさせて記録を行うというものであった。一方、現在実用化されている光ディスクシステムと同じ記録再生原理、すな
わち、1 光子吸収に基づく光メモリでは、情報記録層の多層化は 1994 年に Rosen らによって報告され 2) 、内部に中空構造を持つように基板を貼り合わせた多層ディスクであった。1 回記録可能型の記録層を形成した例についても同時に報告されている。さらに 1996 年には DVD 規格が発表され、記録媒体の深さ方向へ情報を多重化する技術が DVD2 層ディスクとして初めて実用化されている。
さて、DVD2 層ディスクの実現以来、情報記録層の多層化は光メモリの記録容量を増加させる有効な手法のひとつとして研究開発が続けられている。青色レーザを用いた次世代光ディスク規格においては、2 層ディスクは当初から採用され、さらに Blu-ray Disc に対応する多層化技術として追記型 4 層ディスク(100GB)3)
および再生専用型 8 層ディスク(200GB)4)が報告されている。これに対して、HD-DVD 規格に対応する多層化技術として再生専用型 3 層ディスク(45GB)5)が発表されている。
また近年では、テラバイト級光メモリの実現を目標として、2 光子吸収を利用した多層光メモリの研究も活発に行われている。2 光子吸収光メモリの詳細は他章へ譲るが、中野らは光軸方向の記録密度の改善と層間クロストークの抑制を目的として、感光薄膜と透明なバッファ層を交互に積層し面内にも周期構造を持たせた記録媒体を提案している 6)。本年の ISOM/ODS2005 ではラミネート法を用いた 20 層の記録媒体も報告された 7)。現状では、案内溝等の構造を持たない多層記録層またはバルク中に、顕微鏡を用いてビットを形成する研究の報告が主流であり、案内溝やアドレス構造などの物理構造を備えた多層ディスクを用いた動的記録再生の報告が待たれるところである。
これらの多層化技術をまとめると、ピット、案内溝、アドレス情報等の物理構造を形成しつつ情報記録層を多層化する主な手法は、－173－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(1) 射出成形法を用いて作製した 2 枚の基板を貼り合せる方法(DVD 規格にて採用)(2) 射出成形法を用いて作製した基板と、熱転写法を用いてピットや案内溝の微細パターンを形成した樹脂フィルムとを貼り合せる方法(報告例は 2 層まで)8,9,10)(3) 液状の紫外線硬化樹脂と樹脂製のスタンパを用いて、ピットや案内溝の微細パターンを転写積層する
方法 11)(4) あらかじめフィルム状に形成された紫外線硬化樹脂を用いてピットや案内溝の微細パターンを転写積層する方法 12)等がある。
本年は上記(2)の手法について進展が見られた。
ISOM/ODS2005 では Hennessey らによって Blu-ray Discに準じた仕様(光源波長 405nm、対物レンズ NA0.85、1 層あたり記録容量 25GB)を用いて、射出成形法によりピットを形成した基板(L0)とポリカーボネート製フィルムに熱転写法によりピットを形成したフィルム状基板(L1)を貼り合わせることによって作製した再生専用型 2 層ディスクに関して、再生信号の評価結果が報告された 10)。ジッター値は、射出成形法で作製した L0 が 5.1%であり、他方、熱転写法で作製した L1 は6.1%と若干劣っているが、概ね実用水準に達したと言えるであろう。従来の報告例では紫外線硬化樹脂を用いて多層構造を作製する手法が用いられていたため、2 枚の基板を接着することによって完成する DVD2 層ディスクと比較してコスト高の要因になると指摘されていた。熱転写法によって優れたジッター値が得られたことは、特に Blu-ray Disc 型の 2 層ディスクの作製において、コスト削減の可能性がある。また、熱転写法や紫外線硬化樹脂を用いた転写法を組み合わせることにより、多層構造を作製する自由度が増すことから、
例えば 10 層を超えるような多層光ディスクについても今後の進展が期待される。
（樋口 隆信）参考文献(1) D. A. Parthenopoulous and P. M. Rentzepis: “Three-Dimensional Optical Storage Memory”, Science,
245, (1989) 843.
(2) H. J. Rosen, K. A. Rubin, W. C. Tang, and W. Imaino: “Multilayer optical recording (MORE)”, Proc.
of SPIE, 2514, (1995) 14.
(3) K. Mishima, H. Inoue, M. Aoshima, T. Komaki, H. Hirata, and H. Utsunomiya: “Inorganic
write-once disc with quadruple recording layers for Blu-ray Disc system”, Proc. of SPIE, 5069,(2003) 90.
(4) I. Ichimura, G. Hashimoto, K. Saito, T. Yamasaki, T. Yukumoto, T. Maruyama and K. Osato:“Proposal for Multi-Layer Blu-ray Disc Structure”, Int. Symp. Optical Memory 2004 Tech. Dig.,(2004) 52.
(5) (株)東芝プレスリリース: http://www.toshiba.co.jp/about/press/2005_05/pr_j1101.htm, (2005).
(6) M. Nakano, T. Kooriya, T. Kuragaito, C. Egami, Y. Kawata, M. Tsuchimori, and O. Watanabe:“Three-dimensional patterned media for ultrahigh-density optical memory”, Appl. Phys. Lett., 85,(2004) 176.
(7) M. Miyamoto, M. Nakano, Y. Kawata, S. Miyata and M. Nakabayashi: “Twenty Layers Recording
and Reading of bit Data in a Photochromic Multilayered Media Fabricated with Laminate Process”,－174－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Int. Symp. Optical Memory and Optical Data Storage 2005 Tech. Dig., (2005) MC3.
(8) M. Hennessey, D. Strand, G. Gutman and T. Ohta: “Optical Disk Replication Using Direct
Embossing”, Int. Symp. Optical Memory 2003 Tech. Dig., (2003) 76 .
(9) M. Hennessey, D. Strand, T. Ohta, D. Jablonski, B. Walton and B. Clark: “High Density Optical
Disk Replication in Thin Films using Direct Embossing”, Int. Symp. Optical Memory 2004 Tech.
Dig., (2004) 122.
(10) M. Hennessey, D. Strand, D. Jablonski, B. Walton, B. Clark and T. Ohta,: “High-Quality
High-Speed Embossing Technology for 50gb Dual Layer Bd Based Media”, Int. Symp. Optical
Memory and Optical Data Storage 2005 Tech. Dig., (2005) WA2.
(11) K. Hayashi, K. Hisada and E. Ohno: “New Replication Process Using Function-assigned Resins for
Dual-layered Disk with 0.1mm-thick Cover Layer”, Int. Symp. Optical Memory 2001 Tech. Dig.,(2001) 312.
(12) N. Shida, T. Higuchi, Y. Hosoda, H. Miyoshi, A. Nakano and K. Tsuchiya: “Multilayer Optical
Read-Only-Memory Disk Applicable to Blu-ray Disc Standard Using a Photopolymer Sheet with a
Recording Capacity of 100GB”, Jpn. J. Appl. Phys., 43, (2004) 4983.

3.3.5 ホログラフィック ROM 複製技術
CD や DVD は、ROM の大量複製が可能であったためコンテンツを配布するパッケージメディアとして世界中で普及した。しかし、一方では大量複製の容易さが違法コピー（海賊版）の問題へと発展しており、違法コピーが防止できる大量複製技術の開発が望まれている。
ホログラフィック光ディスクの実用化が期待されるなかで、違法コピー防止機能を有したホログラフィッ
ク ROM 大量複製技術の確立はストレージ業界の大きな関心事である。
このような観点から、これまで幾つかのホログラフィック ROM 複製技術が提案されてきた１）２）。カリフ
ォルニア工科大学の Psaltis 教授らによって提案された手法は、二光束干渉法を基礎とした方式であり、透過型のマスターホログラムディスクと透過型のスレーブディスク（未記録ディスク）を重ね合わせ、二光束干渉法で用いた参照光をこの 2 つに同時に照射することで複製が行われる。
この参照光は 2 つの働きを持ち、1 つはマスターホログラムディスクに対して再生用参照光になり情報光を再生させること、もう 1 つはスレ
ーブホログラムに対して記録用参照光として働き、マスターから再生された情報光と混ざり合ってスレーブ
ディスクにホログラムの転写を行うというものである。ソニーの Ernest Chuang らにおいて提案された方法は、コニカル参照光照射による光ディスクタイプに適したホログラフィック ROM の複製方式である。
ISOM/ODS2005 において、オプトウエアからコリニア方式に基づいたホログラフィック ROM 複製技術も報告された３)。この方式の特徴は、マスターホログラムの作成には二光束干渉法を応用して行い、スレー
ブディスクへの転写記録はコリニア方式で行われる点である。マスターホログラムの作成方法を図 3.3.5.1に模式的に示す。コリニア方式における情報光と参照光を合わせて「仮想情報光」とし、対物レンズで集光された仮想情報光に対して角度 θ の方向から「仮想参照光（平面波）」を照射し、マスターホログラムがカッティングされる。ROM の複製方法を図 3.3.5.2 に示す。マスターホログラムへ仮想参照光と同じ角度θの方向から平面波を「再生用仮想参照光」として照射すると、仮想情報光が再生される。図に示すような 4f－175－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
光学系を配置するとスレーブディスクへ転写される。この際、マスターディスクに照射された仮想参照光は
OFF-Axis なのでレンズから外れるため、スレーブディスクへは仮想情報光のみが集光される。転写によって複製されたホログラムからは、図 3.3.5.3 に示すように、通常のコリニア光学系によってリング状の参照
光を照射することにより、コリニア方式で再生することが可能になる。本方式のコンセプトは、図 3.3.5.4に示すように実験によってその可能性が実証された。同図において、(a)はマスターからの再生像、(b)はスレーブからの再生像である。
しかし、ホログラフィック ROM 大量複製の実用化へのアプローチはまだ始まったばかりであり、解決しなければならない課題はまだまだ山積している。例えば、どの程度の多重性能を有した ROM が複製できるのかを実験と理論的な面から検証すること。また、複製に用いられる大型光学系の収差が複製性能に及ぼす影響やマスターホログラムから一括複製するためのレーザ光源の要求性能など、実用化に向けた各種性能ス
ペックの見極めも重要な課題である。

参照光
情報光

図 3.3.5.1 マスターの作成

図 3.3.5.2 仮想情報光のコリニア転写とスレーブの作成

(a)

(b)

図 3.3.5.3 複製ホログラムからのコリニア再生

図 3.3.5.4 再生像－176－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
通信のスピードが向上する中、パッケージメディアの必要性も問われてきており、ホログラフィック ROMを用いたキラーアプリケーションの開拓も、技術確立と併行して検討しなければならない重要なテーマでもある。
（堀米 秀嘉、譚 小地）

参考文献(1) F. Mok, G. Zhou, and D. Psaltis: “Holographic read-only memory,” in Holographic Data Storage, H.
J. Coufal, D. Psaltis, and G. T. Sincerbox, eds., (Springer, Berlin, 2000), pp.399-407.
(2) Ernest Chuang, Hisayuki Yamatsu, and Kimihiro Saito: “Holographic ROM system for high-speed
replication,” ISOM/ODS 2002, technical digest, (Hawaii Island, USA, 2002) pp.TuB.3.
(3) Hideyoshi Horimai and Xiaodi Tan, “Duplication Technology for Secured Read-Only Holographic
Versatile Disc,” ISOM/ODS 2005, technical digest, (Honolulu, Hawaii, USA, 2005) pp.MB7.

－177－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3.4 青色ディスクシステム
3.4.1 概要
青色レーザを用いた次世代光ディスクの動向が世の中の注目を集めるようになって久しい。ひとつには
Blu-ray Disc と HD DVD という２つの規格が競って進められていることへのマスコミ的な取り上げられ方にもその原因がありそうであるが、ＨＤ（High Definition）画像時代を直前に控え、これまでの一桁以上の大容量ストレージを目指すという純粋に技術的な興味が第１であることは間違いない。
光メモリ・情報処理分科会では、ここ５年間、青色レーザを用いた光ディスクシステムとして多くのページを割いて調査報告をしてきた。しかし、本年度は、様々な技術開発の成果が上述のように、Blu-ray Discと HD DVD という２つの規格に基づく光ディスクシステムにほぼ集約しつつあるという現状を踏まえ、
3.4.2 Blu-ray Disc と 3.4.3 HD DVD の２つの規格という側面でまとめることとした。２つの規格はいずれも書換形、追記形、再生専用形を備えている点、書換形は物質の可逆的な相変化（結晶相―アモルファス相）に基づく光学特性の変化を情報の記録再生に適用したものである点から、光ディスクとしての基本技術はほぼ共通している。
２つの規格の相違点は、Blu-ray Disc が面あたりの容量で 25GB を基準とするのに対して、HD DVD は15GＢを基準としている点に発している。Blu-ray Disc の場合、25GB 容量を実現するために記録再生に用いるレーザビームを従来よりもはるかに細く絞り込む必要があるので、①波長の短い青紫色レーザ光源に対応する記録材料開発、②高 NA 対物レンズを用いた光ヘッド、③ディスク－ヘッド間の衝突を防止するサーボ技術、④従来は記録膜を堆積する基板側から入れていたレーザ光をサブミリオーダーのカバー層を通して入れる技術（均一なカバー層形成技術）等の新規な技術開発を必要とした。ディスク技術としては多層化（２層化は既に実用化）、高速化という点に重点がおかれている。3.4.2 Blu-ray Disc では、このあたりの技術開発の概要と最近の進展が実用化例と学会報告例に基づき述べられる。
一方、HD DVD の場合は 0.6mm 厚の基板を用いるので、工法上の新規技術は少ない。但し、15GB 容量という数値はレーザ波長と対物レンズの NA（0.65）からの換算ではけっして楽な容量ではない。やはり①
青紫色レーザに対応することに加えて、②トラックピッチを詰めたときの熱的な影響をいかに避けるかといった純粋なメディア技術、③チルトが生じた場合の収差の影響をいかに抑制するかというシステム的な技術の開発が必要である。3.4.3 HD DVD では再生専用形、書換形、追記形（色素タイプ）のそれぞれについて、最近の技術開発の進捗が簡潔にまとめられている。
２つの規格とは独立にパフォーマンスを高める技術開発が進んでいる。これらに関しては 3.4.4 高速化・多層化として節を改めて報告している。2005 年度の特徴としては、最近の市場動向の影響と考えられるが、書換形メディアの開発に比して、追記型による高速化高密度化が先行していることである。従来とは開発順
序が逆転してきている。追記型では、高速化においては 500Mbps 以上の高速記録、多層化では４層までの報告が進んでいるが、まだまだ余力がありそうである。
いずれにせよ、この分野、業界に携わる研究者、技術者にとって注目されることは励みになる。この盛り上がりを全体の発展に生かしていきたいものである。
（山田 昇）－178－
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3.4.2 Blue-ray Disc
(1) はじめにBlu-ray Disc（以降 BD と略す）は 12 cm 径の光ディスクとして、1982 年導入の CD、1996 年導入の DVDに続き、2002 年に書き換え形ディスク規格（BD-RE 規格）として発表された。第１世代 Blu-ray Disc（記録速度 36Mbps のタイプ）及びこれを搭載した第１世代の Blu-ray Disc レコーダは 2003 年、Sony から初めて商品化されるに至った（23.3GB 容量メディアに対応）。翌 2004 年度には、
松下電器、
シャープ、
Samsung
等が第１世代レコーダ、松下電器、TDK 等が 25GB 容量のメディアを発売した。松下電器は記録層を 2 層重ねた 50GB 容量のディスク及び 2 層対応レコーダを初めて商品化している。本 2005 年度は BDA(Blu-ray
Disc Association)のホームページに掲載されているように書換形に加えて追記形や再生専用形へ、36Mbps（１倍速）から 72Mbps（2 倍速）へという Blu-ray Disc の広がりを目指す規格化が進んだ 1)。また学会報
告は、そのさらに先の高速化や多層化を目指す発表が中心となっている。
(2) BD に適用されている技術
図 3.4.2.1 に CD/DVD との光学系の比較を示す。
DVD の 5 倍に相当する高密度達成のために、
Blu-Ray Discでは、青紫色レーザの採用（λ：405nm）、高開口数対物レンズの採用(NA:0.85)及び光を透過するカバー層
を 0.1mm と薄くかつ均一な厚さにするということが基本となっている。ここでは、青色レーザや 36～
72Mbps という高速記録に適する書換形ならびに追記形の記録材料、従来よりも遙かに薄いカバー層作成工法、2 層ディスクに対応したピックアップの収差補正システム、Ｓ/Ｎの改善や符号間干渉の改善を実現する
ための変調方式の工夫とビタビ復号方式の採用等、様々な技術が開発されてきた。2003 及び 2004 年度に報告したように各要素技術は実用レベルに到達し、BD レコーダー/ディスク製品に適用されている。

CD

DVD

BD

0.7 GB1X: 1.2 Mb/s
λ = 780 nm
NA = 0.45
1.2 mm cover

4.7 GB1X: 11 Mb/s
λ = 650 nm
NA = 0.60
0.6 mm cover

25 GB
1X: 36 Mb/s
λ = 405 nm
NA = 0.85
0.1 mm cover

図 3.4.2.1

CD/DVD/BD 光学系の比較(3) 今年度の進捗
2005 年度に入って、各社とも商品化フェーズに入ったためか、ISOM/ODS 等学会における報告は追記形
記録媒体の高速化を目指すものや、実用上の互換性を向上させる光学系に関するもの等が多かった。以下、主な成果をピックアップする。
Furumiya らは、
追記形相変化記録材料 TeOPd を用いた BD-R ディスクに記録パルスの最適化を導入し、500Mbps(８倍速)以上の高転送レート記録を実証した 2)。注目されるべきは、高速時に必要な記録レーザの応答速度は必ずしも転送レートに比例しないことを示したことである。いいかえればレーザ応答速度が多少悪くても高転送レートを実現できる可能性があることを示した点で、高速ドライブの実用化開発においては朗報といえよう（図 3.4.2.2 参照）。Minemura らは、結晶膜をアモルファス化することにより記録マークを－179－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
形成する追記メディアを報告した。記録膜に隣接して「結晶化阻止膜」を備えることで再結晶化を抑制することを目論んでいる。１倍速～12 倍速の範囲でエラーレートを測定し、10E-6 以下と実用上十分な性能を得。Kuiper らは、Cu/Si2 層を記録層として用い、レーザ照射による両者の溶融でている 3) （図 3.4.2.3 参照）
記録マークを形成した。2 倍速～７倍速の範囲で 4%～5%と十分な性能の再生信号ジッタが得られることや、
100 万パス以上の繰り返し再生においても信号劣化に問題のないことを示した 4)。Nishiwaki らは、色素系
記録材料を用いた追記形 BD-R ディスクも実用上問題ないレベルに来ていると報告した。記録スピードは 2倍速だが、レーザ入射側に凹であるイングルーブ構造を適用したことにより記録マークの溝内への封じ込めに成功、クロストークのない良好な信号特性が得られた 5)。
16

264Mbps

14

Tr=1.5ns
Tr=1.0ns
Tr=0.7ns

Read Jitter [%]Tr=2.3ns
12

Tr=1.5ns

10

Tr=1.0ns
Tr=0.7ns

8

528Mbps
Tr=0.5ns
Guess

6
4
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Write Power [mW]

図 3.4.2.2 再生信号品質(ジッタ)のレーザ応答速度依存性 2)（Furumiya et. al.）

図 3.4.2.3 8X 記録時のビットエラー3)（Minemura et. al.）
書換形 BD に関する報告は今年度少なかったが、Kojima らが、青色波長域で吸収が少なくカルコゲナイ
ト系材料と密着性の高い Zr 系誘電体材料について報告したことは、青色レーザに適応した書換形光ディス
ク用新規誘電体材料として興味深い。書換形 2 層ディスクの光透過性 L1 層の再生信号 S/N と繰り返し記録
性能を大幅に改善できることを示している 6)。
光学系に関しては、Sano らが 2 層ディスクに対応した新規の１ビームトラッキング方式を提案した（図3.4.2.4 参照）。記録/未記録境界に生じるトラッキングオフセットをキャンセルできるだけでなく、他からの反射光の漏れ込みを避けることでレンズシフト時のオフセットを軽減して安定性を大幅に改善できることを示した 7)。Hong らは、CD/DVD 用レンズと BD 用レンズを一つのアクチュエータに搭載し、CD/DVD/BD
全てに実用上十分な作動距離がとれるスリムドライブ用光ピックアップを実現した（図 3.4.2.5 参照）。フォーカス/トラッキング/チルト制御用３軸コイルの磁気回路解析を行い、駆動力/帯域/相互干渉の点で十分な性能を得た 8)。

－180－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 3.4.2.4 新１ビームトラッキング法の概要 7)（Sano et. al.）

図 3.4.2.5 CD/DVD/BD ピックアップの構造（左）とアクチュエータ磁気回路（右）8)（Hong et. al.）
最後に、Strand らは従来 2Ｐ法で作製されていた 2 層 BD-ROM ディスクの 2 層目を、ピットをプレス成形したポリカーボネートシートと成形基板との張り合わせで実現する工法を報告した 9)。転写性・平滑性ともに良好で、25GB/層の記録容量における Limit-Equalizer Jitter を測定し、L0/L1 層でそれぞれ 5.1/6.1%と十分な再生信号特性を得ている。

(4) 今後の展開
BD の実用化よりすでに４年目となり、次世代への気運が高まってきている。2006 年度は 2 倍速での製品化が行われるだろう。学会報告では追記形 BD メディアの高速化は、回転駆動限界の 12000rpm に達しており一段落した。今後は書換形での高速化が期待される。多層化についても、４層以上の多層化、多層と高速化の組み合わせの研究開発が進むであろう。さらに、光学系やサーボ制御系等から見た BD システム全体のパフォーマンスを押し上げる技術の報告も期待される。
（宮川 直康）参考文献(1) http://www.blu-raydisc.com/Section-13628/Index.html(2) Shigeru Furumiya, Katsuyuki Takahashi, Hideki Kitaura, Naoyasu Miyagawa and Noboru
Yamada; ‘Over 500 Mbps Data Recording on Write-Once Media with L-Shaped Write Strategy’,
ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005), TuP26.
(3) Hiroyuki Minemura, Koichi Watanabe, Kazuyoshi Adachi and Reiji Tamura; ‘High-Speed
Write/Read Techniques for a Blu-Ray Write-Once Disc’ , ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005),
ThB1.

－181－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) Ton Kuiper, Ruud Vullers and Donato Pasquariello; ‘Low Jitter in BD-R with Optimized Cu/Si
Bilayers’, ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005), ThB2.
(5) Hiroshi Nishiwaki, Eiji Muramatsu, Kazutoshi Kitano, Shoji Taniguchi, Akiyoshi Inoue, Fumihiko
Yokogawa, Michikazu Horie, Kenjirou Kiyono, Takashi Miyazawa and Yutaka Kurose; ‘Organic
Dye 25 GB Write-Once Disk With In-Groove Structure’, ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005),
ThD7.
(6) Rie Kojima, Takashi Nishihara and Noboru Yamada; ‘New Dielectric Material, Zirconium
Oxide-Based Film, for an Interface Layer of a Phase-Change Optical Disk’, ISOM/ODS2005.
Technical Digest(2005), WA7.
(7) Kousei Sano, Fumitomo Yamasaki, Akihiro Arai and Shin-ichi Kadowaki; ‘Novel One-Beam
Tracking

Detection

Methodfor

Dual-Layer Blu-Ray

Disks’,

ISOM/ODS2005.

Technical

Digest(2005), TuC2.
(8) Sam-Nyol Hong, Seong-Hun Lee, Chul-Min Kim, In-Ho Choi, Eui-Seok Ko and Jin-Yong Kim;’
BD/DVD/CD compatible Actuator with Radial Tilt Function for 9.5mm Slim Optical Disc Drives’,
ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005), WP4.
(9) M. Hennessey, D. Strand, D. Jablonski, B. Walton, B. Clark;’ High-Quality High-Speed Embossing
Technology for 50GB Dual Layer BD Based Media’, ISOM/ODS2005. Technical Digest(2005), WA2.

3.4.3 HD DVD
DVD フォーラムで規格化作業が進められている青紫色 LD と対物レンズ NA0.65 を使った次世代光ディスクシステム HD DVD は、再生専用形の ROM、書換形の RAM、追記形の R の論理フォーマット Ver1.0 が 2005
年 8 月にそれぞれ承認された。本節では ROM、RAM、R、それぞれの技術トピックスについて報告する。
(1) HD DVD-ROM
すでに単層 15GB と 2 層 30GB の ROM 規格 Ver.1.0 が DVD フォーラムで承認されているが、将来的な作製方法としては 0.6mm
発展技術として 3 層 45GB の ROM 技術が東芝とメモリーテックから発表された 1)。
厚基板を貼り合わせる従来の 2 層 ROM プロセスに以下に説明する 2P 工程が追加される。L0 層としての反射層を成膜した 0.6mm 厚基板に紫外線硬化樹脂を塗布し同種の PC 基板をスタンパとして使い樹脂を硬化させた後剥離する。その上に L1 層に相当する反射層を成膜し、別に用意していた L2 層が付いた 0.6mm 厚
基板を貼り合わせる。この方法により 2 層 ROM に比べてわずか 1 割程度のコスト上昇で作製可能となる。
(2) HD DVD-RAM
HD DVD-RAM は現行 DVD-RAM と同様に相変化記録層を用いた次世代書換形光ディスクである。2005
年の開発動向は前年から引き続き高速記録対応のための高速結晶化材料の探索に集約される。RAM フォー
マットの特徴であるランド／グルーブ(L/G)記録を可能にするために用いられている Low to High(LtoH)極性(未記録時の反射率が記録後のそれよりも低い)は高消去率という別の利点も持つため、これに高速結晶化
材料を記録層として組み合わせる形で大きな効果が得られている。GeTe と Sb2Te3 の擬似 2 元系合金の Sb－182－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を全て Bi で置換した GeBiTe 記録層材料は図 3.4.3.1 に示すようにビットエラーレート(SbER)レベルで従来の 2.4 倍速相当の高速化が可能なことを東芝のグループが報告した 2)。
1.E+00
1X-Groove
1X-Land2.4X-Groove
2.4X-Land

1.E-01SbER

1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-05
1.E-06
1.E-07
4.0

5.0

6.0
Pw (mW)7.0

8.0

図 3.4.3.1 GeBiTe 記録層を用いた HD DVD-RAM ディスクの SbER 特性 2)
さらに 25dB 以上の消去率を指標にすれば 7X 相当の可能性も示唆されている 3)。この材料系は特に LtoH
極性と組み合わせたときに高い消去率を示し、TEM 観察による微細結晶組織は核発生頻度が飛躍的に向上したことを示唆している。さらに高速消去を可能にした上で再生安定性や対環境性の観点でも申し分ない特性が得られておりこれも核発生律速材料の利点であると考えられる。同様の手法として In を添加した
InGeSbTe 擬似 2 元系合金を記録層に用いた場合、図 3.4.3.2 に示すように 4X 相当の高速書き換えが可能であることを NEC のグループが報告した 4)。

図 3.4.3.2 InGeSbTe 記録層を用いた HD DVD-RAM ディスクの PRSNR/SbER 特性 4)
L/G 記録では隣接トラックの記録マークの一部を消去してしまうクロスイレーズ(XE)を解決することが課題となるが、In 添加は L to H 極性の採用と共に XE 低減効果も持つ。すなわち In 添加によって高い核発生
頻度を保ったまま核発生温度を上昇させ高速結晶化と XE の低減を両立させている。また In 添加は光学的にも記録後の変調度が大きく特性向上に寄与している。このように光学系換算以上に記録密度が高い書換形
HD DVD では L/G フォーマットに対応した GeSbTe 擬似 2 元系合金を中心とした材料開発が進められてい
る。

－183－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
上記のような基本性能を向上させる試みと並行して量産化を意識した材料開発も進められている。L to H
極性を得るために重要な役割を果たす低屈折率誘電体層として用いられる SiO2 は、他の高屈折率材料(ZnS-SiO2)に比べて成膜速度が遅いため量産化では問題となる。そこで SiO2 を高速成膜する技術についていくつかの報告がなされた。NEC と東芝からそれぞれ異なる手法が報告されたが、原理的にはターゲット表面の酸化を抑制しながら成膜する技術である。NEC のグループは SiNi ターゲットを使ってアルゴン／酸素／窒素の混合ガス中で反応性 RF スパッタする方法を報告した 5)。この方法で作製された SiNiON 膜の屈折率は 1.54 で成膜速度は通常の SiO2 の約 4 倍にも達し HD DVD-RAM ディスクとしても仕様を満たす特性が得られている。一方東芝のグループは SiC ターゲットを使ってアルゴン／酸素の混合ガス中で反応性 DC ス
パッタする方法を報告した 6)。少量の炭素を含む屈折率 1.58 の SiOC 膜が形成され成膜速度は約 4 倍に達している。XPS で分析した結果、C は Si や O との結合に寄与せず単独で原子間に存在している可能性がある
ことが示唆された。いずれの手法もターゲット表面の反応空間を還元雰囲気にすることでターゲット表面の酸化を抑制し Si 原子の飛び出しを容易にする方法である。
(3) HD DVD-R
すでに承認されている単層 15GB の HD DVD-R 規格 Ver.1.0 に続いて 2 層 30GB の Ver2.0 が 2005 年 12月に承認される見通しである。ここでは東芝のグループから発表された大量生産が可能で且つ低コストの 2層化技術に関して説明する 7)。現行の 2 層 DVD-R と同様に有機色素を記録層に用いて製造工程もほとんど同じであるために低コスト化が実現している。ディスク構造は図 3.4.3.3(a)に示すように 2P 工程を使った順積層方式を用いている。

図 3.4.3.3 2 層 HD DVD-R のディスク構造、(a)順積層構造、(b)貼り合わせ構造 7)0.6mm 厚の PC 基板に記録層と反射層を設けて L0 層を形成した後 2P 樹脂を塗布し透明 PC スタンパを使って転写工程を行う。引き続き L1 層の記録層と反射層を形成して先にスタンパとして利用した透明 PC
基板を貼り合わせる事で 2 層 HD DVD-R ディスクが完成する。透明スタンパを貼り合わせ基板として再利用することもコスト低減に大きく貢献している。比較のために示した図 3.4.3.3(b)は貼り合わせ法によるもので、色素によりピット形状が反映されないことや 2P 樹脂との反応を抑制するための保護層が必要など 2
層 R ディスク特有の課題が多い。このように製造工程は現行 DVD と同様かむしろ簡便である一方、その記録モードに関しては異なる。レーザ加熱による記録部が変形を伴う現行 DVD-R に対して記録部の有機色素－184－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）の光学特性が変化する HD DVD-R の記録モードはむしろ相転移記録に近いと考えられている。この記録モードに関しては不明な点も多く今後の解析が望まれるところである。
世界中の DVD 関連企業・団体で組織されている DVD フォーラムでの民主的な規格化作業の元に進められている HD DVD 規格は ROM/R/RAM の同時規格化を念頭に置いている。規格化には長い時間を要したがいよいよ 2006 年には市場が形成される予定でありその動向に注目したい。
(柚須 圭一郎)
参考文献(1) http://www.watch.impress.co.jp/av/docs/20050511/toshiba.htm(2) N. Ohmachi, N. Morishita, K. Yusu and N. Nakamura: Technical Digest of ISOM/ODS2005, MP5(2005).
(3) K. Yusu, T. Nakai, S. Ashida, N. Ohmachi, N. Morishita and N. Nakamura: E*PCOS05, No5 (2005).
(4) S. Ohkubo, E. Kariyada and T. Ide: ISOM/ODS2005, ThD4 (2005).
(5) E. Kariyada, S, Ohkubo, H. Tanabe and T. Ide: ISOM2004, ThJ11 (2004).
(6) T. Nakai, K. Yusu, Y. Satoh and S. Ashida: Technical Digest of ISOM/ODS2005, ThD5 (2005).
(7) S. Morita, K. Umezawa, K. Takazawa, Y. Ootera, N. Morishita and N. Nakamura: Technical Digest
of ISOM/ODS2005, PD1 (2005).

3.4.4 高速化、多層化
青紫色レーザを用いる記録型光ディスクの高速化、多層化について報告する。
この分野においては、Blu-ray Disc がすでに 2 倍速 1 層、2 層の相変化材料を用いる書換え型の媒体が製品化されており、追記型の媒体についても製品化がアナウンスされている。HD DVD に関しては 1 層、2 層（それぞれ 15GB、30GB）の ROM の製品化、さらに 20GB/40GB の相変化型、15GB/30GB の追記型媒体の規格化完了が報道されており、来年には製品が市場へ出現するものと考えられる。
このように、青紫色レーザを用いる記録型光ディスクは基本システムの製品開発がほぼ完了し、今後は高速化を目指した 1 層、2 層媒体の製品開発が続くと考えられる。すでに今年度の国際会議などではシステムの限界に迫る記録速度の可能性が発表され、DVD システムと同様に高速化の開発が進捗すると考えられる。
多層化においては、すでに追記型の 4 層 4 倍速 Blu-ray Disc 媒体の可能性が示され、今年度も新たな提案がなされてきているが、多層化による大容量媒体についてはホログラムや 3 次元記録技術など他の方式と製品化の容易さを比較しながら開発が進むものと考えられる。
(1) 高速化
高速化に関しては、7 月に行われた ISOM/ODS 2005 において、相変化材料を用いた追記型 Blu-ray ディ
スク上に MUX(マルチプレクサ)を用いたパルス発生器を用いてデータを記録し、PRML 技術により再生を行うことで 9 倍速の記録・読み出しが可能となるシステム１）や Te 酸化物を記録材料として用いた追記型記
録媒体上に記録ストラテジを工夫して 8 倍速に相当する記録の可能性２）などが発表された。いずれもその特徴は、単純に媒体の材料やその界面層などに工夫するだけではなく、記録に用いるレーザのパルス発生装置－185－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）やパルス型状の制御などを同時に検討して高速記録を実現するアプローチを採用していることである。これは DVD に比較して、記録ビット長が小さくなるとともにデータ転送レートの高速化によってパルス発生が難しくなってきていることを示すものであり、今後は媒体技術とドライブ技術の調和がより重要になると考えられる。図 3.4.4.1 は、文献 2 で報告されたデータであるが、264Mbps の記録速度においては、レーザの発光パルスの立ち上がり時間が 1.5ns 以下であればジッターの減少が飽和され良好な記録が可能であるのに対し、８倍速相当の 528Mbps では立ち上がり時間を 1.0ns 以下に制御しなければ最適な記録が出来ないことを示している。８倍速以上の高速化の実現にあたっては、記録材料の開発と合わせて、0.5ns 程度の発光
パルス立ち上がり時間をドライブ技術で達成できるかという点も課題であることが明らかになった。
16
528Mbps (Tr=1.5ns)
14

528Mbps (Tr=1.0ns)

Read Jitter [%]264Mbps (Tr=2.3ns)

528Mbps (Tr=0.7ns)

12
264Mbps (Tr=1.5ns)
10

264Mbps (Tr=1.0ns)
264Mbps (Tr=0.7ns)

8

528Mbps (Tr=0.5ns)
guess

6
4
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Write Power [mW]

図 3.4.4.1 高速追記形媒体記録特性の LD 発光パルス立ち上がり時間依存性
追記型媒体の材料に関しては、2003 年に発表された Cu/Si や上述した Te 酸化物の応用として数件の無機材料を用いた媒体の発表があり技術の拡がりを見せている。さらに、今年度は最大吸収波長が記録光の波長より大きい材料を用いることで、記録ピットの極性が Low to high とした色素材料を用いた Blu-ray Disc および HD DVD が新たに発表され注目を集めた。アゾ系の色素を用いる HD DVD では 4 倍速の可能性も報告され３）、今後市場において無機系、色素系 2 つのタイプの記録媒体が共存していく可能性が高くなってきた。
一方、相変化技術を用いる書換え型では、従来の DVD-RAM などに用いられている擬二元系 GeTe-Sb2Te3
に対し In３）や Bi４）を添加することによって、4 倍速までの 20GB HD DVD を実現する報告があり、Sb をベースとする共晶系では SnSb へ Ge と Mn を添加して４倍速の Blu-ray Disc を実現５）するなど、基本マト
リクスへ微量な元素の添加により高速記録時の記録特性を改善する発表が相次いでいるのが特徴である。この技術分野では、基本となる材料系は DVD の高速化でほぼ確定していると考えられるため、材料の微調製により Blu-ray Disc、HD DVD の高密度高速記録への対応技術が進展し、ドライブやレコーダーの開発ロー
ドマップに従って媒体開発も進むと考えられる。
(2) 多層化
青紫色レーザを用いる媒体の多層化では、新たな実用化技術として、上述した Low to high の極性を持つ色素材料を用いた追記型の 2 層 HD DVD６）と Blu-ray Disc と DVD-ROM のハイブリッドディスク７）が発表された。色素材料を用いた 2 層 HD DVD は 2P 法により作成されるが、低コスト化を目指しグルーブのレ
プリケーションに用いたポリカーボネート基板をダミー基板として貼り合わせるプロセスを採用しているこ－186－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）とが特徴である。Blu-ray Disc と DVD-ROM のハイブリッドディスクは、DVD のピットと Blu-ray Discのピットを両面に形成した基板を成形し、DVD のピットを形成した基板に貼りあわせることで、最大で 2層 DVD-ROM と Blu-ray Disc ROM の 3 層構成までを実現した。
2 層以上の多層化の試みとして今後応用展開が期待される技術としては、感圧タイプの接着材料を用い記録層を 20 層積層するディスクプロセス技術８）が上げられる。これは 3 次元記録システムへの応用を目指し開発されたものであるが、図 3.4.4.2 に示すように、多層のシートを再現性良く積み重ねられる技術である
ため、多層媒体の実用化技術として期待される。

図 3.4.4.2 感圧タイプの接着材料を用い記録層を 20 層積層する媒体プロセス技術
ROM ディスクではアモルファスの相変化材料のピットを形成し、高パワー下での再生時にこのピットの光学特性変化を利用して選択的に再生することで、回折限界以下の記録サイズを実現するとともに、透過率が上げられることを利用して多層化を図る技術が発表された９）。この媒体の作成方法は、相変化材料を用いる記録層を結晶化した後、アモルファス記録マークを記録ドライブにより形成し、ついでアモルファスと結晶相のエッチングレートの差を利用してエッチングを行うことにより、媒体上にアモルファスのピットのみを残すようにしたものである。多層媒体はこのプロセスを繰り返して得られる。このようにパターン形成された相変化記録層の透過率は 80％を超える結果が得られており、全面に相変化記録層が残る場合に比較してはるかに高い平均透過率が得られ多層化に有利な技術である。今回の発表では Blu-ray Disc を用いて１層あたり 100GB 以上×４層の多層媒体の可能性が確認されており、今後さらなる大容量化が期待される。
また、2003 年に提案されたエレクトロクロミックを用いた層選択方式の多層化技術はその評価が進み、選択時及び非選択時の透過率が 25：80 となることが明らかになった１０）。この技術は、エレクトロクロミック
性を持つ材料を記録層に用い、各層に電極を設け通電することでエレクトロクロミック反応を誘起し、選択層のみに記録エネルギーを集光しようとする方法である。これも多層化の際に問題となる透過率を改善し、かつ充分な記録ができる技術の一つの方向であるため、実用化へ向けた研究開発が今後も続くものと期待される。
（伊藤 和典）参考文献(1) H. Minemura et al., ISOM/ODS ’05 Conference Program and Technical Digest, ThB1 (2005)(2) S. Furumiya et al., Proc. of the17th Symp. on Phase Change Optical Information Storage, pp42-45－187－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(2005)(3) Hideyuki Kubo et al., ISOM/ODS ’05 Conference Program and Technical Digest, PD3 (2005)(4) S. Ohkubo et al., Proc. of the17th Symp. on Phase Change Optical Information Storage, pp23-27(2005)(5) H. Yuzurihara et al., Proc. of the17th Symp. on Phase Change Optical Information Storage,
pp19-22 (2005)(6) S. Morita et al., Proc. of the17th Symp. on Phase Change Optical Information Storage, pp78-82(2005)(7) Nakamura et al., ISOM/ODS ’05 Conference Program and Technical Digest, TuP28(8) M. Miyamoto et al., ISOM/ODS ’05 Conference Program and Technical Digest, MC3 (2005)(9) T.Shintani et al., ISOM/ODS ’05 Conference Program and Technical Digest, MP26
(10) M. Mukoh et al., Proc. of the17th Symp. on Phase Change Optical Information Storage, pp70-73(2005)－188－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3.5 次世代大容量化技術
3.5.1 概要
光ディスクは、レーザ光の短波長化、ピックアップレンズの高 NA 化により、データの読み出しに用いる
レーザ集光スポットを小さくすることで、高密度・大容量化を図ってきた。しかしながら、Blu-ray ディス
クにおける、青紫色レーザ（405 nm）と、NA0.85 のピックアップレンズの出現により、本手法による光ディスクの高密度化は、事実上限界を迎えている。一方、光ディスクに要求される記録容量は、一部ではその必要性の有無を問われてもいるが、大容量化のトレンドは無くなってはいない。そのため、大容量化を実現するための様々な技術が検討されて来ている。しかしながら、その方向性は集束しておらず、超解像や近接場光を用いたさらなる高密度化、単層記録から多層記録、体積記録、二値から多値、の 3 つが研究開発軸となって技術開発が進められているのが現状である。このような状況の中、2005 年 7 月に開催された ISOM05/
ODS05 では、ISOM コミッティーが 2006 年での最終報告を目指して策定しているテラバイトメモリへのロードマップの中間報告が行われた。その中では、次世代の大容量化技術として検討すべき内容として、ホロ
グラフィ技術、2 光子吸収技術、近接場光技術、Super-RENS、多層化技術が上げられ、これらの開発に必要な技術、ブレークスルーも合わせて検討されていた。また、学会発表においても、これらの技術に関する報告がなされていた。
3.5 節では、ISOM コミッティーの「テラバイトメモリへのロードマップ」の中間報告に取り上げられた技術を中心に、次世代の大容量光ディスクを実現するための研究開発の本年度の状況の調査結果を報告する。
3.5.2 節では、近接場光による高密度化技術の１つであり、NEDO のプロジェクトの中でも研究開発が進められている、近接場プローブを用いた記録読み出し方法の現状について調査結果についてまとめた。3.5.3
節では、同じく近接場光技術であり、ソニー、Philips のグループで精力的に研究開発が進められ、実用可能な技術として確立されてきている Solid immersion Lens (SIL)型近接場光ディスクの開発状況についてまとめた。3.5.4 節では、次世代大容量化技術として期待が高まってきているホログラム技術によるシステムの開発状況についての調査結果をまとめた。3.5.5 節では、近接場光技術と超解像技術の融合で生み出され、光ディスクの持つリムーバビリティ等の利点を保ちながら高密度化を図ることができ、実用化が期待されるSuper-RENS 方式の研究開発状況についての調査結果をまとめた。3.5.6 節では、本年度発表された、超解像 ROM ディスクと多層化を組み合わせた大容量化についての研究結果をまとめた。3.5.7 節では、2 光子記
録を用いた Bitwise Volumetric について調査した結果についてまとめた。3.5.8 節では、本年度新しい提案が示された多値記録について、その開発結果等をまとめた。また、3.5.9 節では、これまでの節と異なり、様々な手法による大容量化を実現する上で必要となってくる要素技術について調査した結果をまとめた。3.5.9(1)では、信号処理技術、3.5.9 (2)では、サーボ技術の進展について報告する。
次世代の大容量化光ディスクは、本命がどこにあるのか、産業として成り立つものがどこにあるのか、依然として見えて来ていない。しかしながら、幾つかの技術は実用化レベルに達してきており、今後、各手法
とも、より一層実用化に向けた研究が加速するものと考える。
（中野 隆志）－189－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3.5.2 近接場光プローブ
磁気記録技技術と光記録技術を融合した光アシスト磁気記録方式 1)は、1Tb/in2 以上の記録密度を実現する方法として注目されている。この記録方式では、記録の瞬間に、磁界を印加すると同時に光を照射して媒体を加熱する。これにより、高保磁力媒体への書き込みが可能になり、磁気記録装置の高密度化の妨げとなっている熱揺らぎの問題が解消される。
光アシスト磁気記録方式において、隣接トラックの加熱を防ぐためには、光スポット径は、記録ビットの大きさと同程度に小さくする必要がある。例えば、1Tb/in2 以上の記録密度を実現するためには、30 nm 以
下の光スポットが必要になる。このような微小光スポット発生のためには、近接場光の利用が必須であり、それを高効率に発生可能な近接場光プローブの開発が行なわれている。例えば、東工大からは、屈折率の高
い Si を導波路材料に利用した開口プローブ 2)、NEC からは、周辺にプラズモン励起用の同心円状のグレー
ティングを設けた開口プローブ 3)、Stanford 大学からは、開口形状を C 字にした c-aperture プローブ 4)などが提案されている。また、日立からは、三角形の形状をした金属プレートに発生するプラズモンを利用したプローブ 5)も提案されている。
本年度は、日立より、上記金属プレートを利用したプローブを利用した記録媒体への書き込み実験の報告があった 6)。図 3.5.2.1 に示すように、金属プレートの形状は三角形とし、金属表面の一部を削ることにより、先端部を３次元状に先鋭化した。このように、３次元状に先鋭化することにより、光スポット径をより小さくすることが可能になる。Finite difference time domain 法を用いて媒体表面における光強度分布を計算した結果、強度は入射光比 300 倍で、径が 20nm×30nm の光スポットが発生すると見積もられた。また、入射光を N.A0.45 のレンズで集光したと仮定したときの効率（近接場光強度の積分値／入射光強度の積分値）
は 20％と見積もられた。上記金属プレートを、石英スライダ表面に形成し、それを利用した書き込み実験を行なった。実験では静的記録テスタを使用し、媒体には GeSbTe 相変化媒体上を利用した。記録後電子顕微鏡で観察した結果を図 3.5.2.2 に示す。黒い部分が、記録によりアモルファスから結晶状態に変化した部分（結晶化温度は約 400 度）であり、このように、径 40nm の微小マーク形成が確認された。

図 3.5.2.1 金属プレートを用いたプローブの形状

図 3.5.2.2 記録マークの SEM 写真

本年度は、シャープより、金線の一部に切り込みを作り込むことにより、近接場光と磁界を同時に発生可
能なプローブ（SMASH ヘッド）の提案もあった 7)。光を照射すると、切り込み部のエッジに近接場光が発生し、また金線に電流を流すと約 450Oe の磁界が発生する（電流 100mA の時）。TbFeCo 媒体を利用して－190－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
書き込み実験を行った結果（記録線速度 0.6m/s）、トラック幅 70nm のライン書き込みを確認した。
上記のように、近接場光プローブに関し着実な前進が見られ、今後も、システム開発を含めた実用化へ向けた研究開発がいっそう進展するものと期待される。
（松本 拓也）

参考文献(1) H. Saga, H. Nemoto, H. Sukeda, and M. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys. 38, Part 1, 1839 (1999)(2) T. Yatsui, M. Kourogi, K. Tsutsui, J. Takahashi, and M. Ohtsu, Opt. Lett. 25, 1279 (2000)(3) T. Thio, K. M. Pellerin, R. A. Linke, H. J. Lezec, and T. W. Ebbesen, Opt. Lett. 26, 1972
(4) X. Shi, L. Hesselink, and R. L. Thornton, Opt. Lett. 28, 1320 (2003)(5) T. Matsumoto, T. Shimano, H. Saga, H. Sukeda, and M. Kiguchi, J. Appl. Phys. 95, 3901 (2004)(6) T. Matsumoto, Y. Anzai, T. Shintani, K. Nakamura, and T. Nishida, International symposium on
optical memory and optical data storage, ThA3, Hawaii, USA(2005)(7) S. Miyanishi, N. Iketani, K. Takayama, K. Inami, I. Suzuki, T. Kitazawa, Y. Ogimoto, Y. Murakami,
K. Kojima, and A. Takahashi, IEEE Trans. Mag. 41, 2817(2005)

3.5.3 SIL 型近接場光ディスク
今年も SIL 型近接場光ディスクの開発において、ソニー、Philips から多くの研究成果が報告された。
まず、ソニーからは、SIL を用いた近接場光ディスクの記録再生のためのキーテクノロジーが報告された(1)。このキーテクノロジーとして、1)

SIL 技術、2) ヘッドメディアインタフェース技術、3) ギャップサー

ボ技術、4) 高密度マスタリング技術が紹介された。1)、2)の観点から、ガラス材料（S-LAH79）、Bi4Ge3O12、
KTaO3 を用いたコニカル形状の SIL（それぞれ、NA=1.84、2.05、2.20）を用い、3)の観点から光学式ギャップエラーによる高精度サーボを行い、4)の観点として 160nm グルーブ幅が記録された相変化ディスクを実現している。これらの要素技術を用いて、青紫色半導体レーザ（波長 405nm）、NA=1.84 の SIL 対物レンズを用いて、単層片面 112Gbyte、72Mbps もしくは、単層片面 102Gbyte、108Mbps の記録再生結果を得ている(2)。また、高転送化技術として、モノシリック 2 ビーム青紫色レーザ（波長 412nm）による SIL 型近接場光ディスクシステムも提案している(1)。本システムにより、EFM、17pp にてそれぞれ独立変調させて、2 チャンネル同時にニアフィールド記録再生に成功している。図 3.5.3.1 に 2 ビームによる記録再生結果を示す。本例の場合、17pp 変調の場合で 80Gbyte、36Mbps に相当する。さらなる高密度化技術としては、ダイヤモンド SIL を用いて NA=2.34 を実現し、単層片面 150Gbyte ROM ディスクの再生に成功している(3)。
図 3.5.3.2 に開発されたダイヤモンド SIL の様子を示す。ダイヤモンド SIL と紫外線レーザ（波長 266nm）とを用いることで、NA=2.34 を実現し、片面単層で 450Gbyte 超の容量を実現可能であるとしている。

－191－
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Beam Ⅰ（EFM+)
Beam Ⅱ(17pp)

30μm(a)超半球型ダイヤモンSIL

図 3.5.3.1 2 ビーム近接場記録再生実験結果(1track write; Write once)(b)SIL先端形状

図 3.5.3.2 ダイヤモンド SIL

一方の Philips は、昨年度、(a) NA=1.9 程度の SIL を用いて表面記録再生する方法及び、(b) NA=1.5 程
度の SIL を用いて 3μm 厚程度の記録膜保護層を伴う 2 層ディスクに記録再生する方法を提案した。今年度はこれらを受けて、(a)については、NA=1.9 の SIL を用い、かつギャップサーボ帯域を 8.5kHz と高帯域化し、１つのレーザ（波長 405nm）による記録再生システムにて、片面単層 50Gbyte の信号記録再生に成功している(4)。(b)については、NA=1.45 の SIL を用い、3μm のカバー層付メディアを用いて片面単層 45Gbyteの ROM の信号再生に成功している(5)。また、これら NA=1.9 ないし 1.45 の SIL に対して、ギャップ長に対する非点収差量、球面収差量の評価、SIL 組み立て時の偏光の影響の評価を行い、設計、組み立て時の指針を与えている。
ソニー、Philips 以外の開発動向としては、韓国 LG Electronics が、ソニーが昨年度の ISOM で報告した
SIL 周辺部のエアフロー解析結果の追試を行い、また、ネーベル型 SIL であっても前方部に SIL 直径程度の長方形ブロックを配置することで、コニカル型 SIL と同等のエアフロー効果が得られるとしている(6)。その他、フリンジパターンによるニューラルネットワーク学習を行いフォーカス調整する手法も提案している(7)。
一方、韓国 CISD からは、非球面レンズと SIL を一体化した“楕円形 SIL”が提案され、軽量化の可能性、
また、2 層化の可能性が示された(7)。エキスパンダによるフォーカス調整法も提案されたが、これはソニー、Philips らと同様な手法である。
以上のように、今年度は、ソニー、Philips を中心に、SIL 型近接場光ディスクの大容量化、高転送レート化の可能性が示された。また、韓国勢からも徐々にではあるが、開発の進展が報告されつつある。今後、SIL
型近接場光ディスクの開発においては、信頼性の検証、及び幅広い研究開発活動が期待される。
（石本 努）

参考文献(1) M. Shinoda, K. Saito, T. Ishimoto, T. Kondo, A. Nakaoki and M. Yamamoto, Tech. Dig. ISOM/ODS ,2005, WD1
(2) A.Nakaoki, M.Shinoda, K.Saito, T.Ishimoto, T.Horigome, K.Takagi and M.Yamamoto, E*PCOS05,
Cambridge,England, Sept. 2005
(3) M.Shinoda, K.Saito, T.Kondo, M.Furuki, M.Takeda and A.Naoki, Tech. Dig. ISOM/ODS, PD2, 2005
(4) C.A.Verschuren, F.Zijp, J.M.A. van den Eerenbeemd, J.I. Lee and D.M. Bruls, Tech. Dig.
ISOM/ODS (2005), WD4－192－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(5) C.A.Verschuren, F.Zijp, J.M.A. van den Eerenbeemd, J.I. Lee and D.M. Bruls, Tech. Dig.
ISOM/ODS (2005), WD2(6) J.E. Park, J. Park, B.J. Dan, J.K. Seo, I H.Choi and J. Y. Kim, Tech. Dig. ISOM/ODS (2005), MP4(7) H.K Yoon, J.H. Lee, J.H Jeong, S.H. Lee and D.G. Gweon, Tech. Dig. ISOM/ODS (2005), WP23
(8) W.C Kim, H. Choi, T.S. Song, N.C. Park and Y.P. Park, Tech. Dig. ISOM/ODS (2005), WP19

3.5.4 ホログラム
ホログラムメモリシステムの基幹技術の一つとして多重記録方式が挙げられる。シフト多重方式、角度多重方式、位相コード多重方式など多数の多重方式が存在する中、2005 年は主に 2 種の方式に活況がみられた。1 つはシフト多重ベースのコリニア方式、もう 1 つは角度多重ベースのポリトピック方式である。一方で光ディスク同様に bit by bit 記録を行う方式が新たに報告された。
(1) コリニア方式
コリニア方式に関してはソニーから記録密度に関する報告があった。従来のコリニア方式光学系にランダ
ムパターンを持った位相マスクを挿入することで信号光の DC 成分を抑制し、さらに記録時のスケジューリングを行うことで 42Gbits/inch2 の記録密度を達成した 1)。
またオプトウエア社から ROM disc 作製技術に関する報告があった。通常コリニア方式では 1 つのビーム
断面内の中心部分に信号光、外側部分に参照光が配置されている。ROM disc を作製するためには最初にこの信号光部分、参照光部分両方を 1 つの信号光として新たに導入する平行参照光と干渉させホログラム記録を行い Master disc を作製する。ROM Disc を複製する場合はこの Master disc に全面照射可能な平行参照
光を入射し、再生光を対物レンズにより集光することで複数のホログラムを一度に記録する 2)。
(2) ポリトピック方式
ポリトピック方式に関しては InPhase 社から記録密度および転送レートに関する報告があった。ポリトピック方式では角度多重方式と同様にメディアに入射する参照光角度を変化させることで多重記録を行う。1
エリアにホログラムを多重記録(1book)した後は、disc を移動させ異なるエリアに移動する。InPhase 社では
1book 内のスケジューリングのみならず book 間のスケジューリングを行うことで記録密度 104GBit/inch2、
書き込み速度 235Mbit/sec、読み出し速度 117Mbit/sec を達成した 3)。
またソニーから各種多重方式に関する実験的な比較の報告があった。位相コード多重方式、スペックル多重方式、ポリトピック方式の記録密度、記録再生の安定度などを実験的に比較した。これらのバランスのよさからポリトピック方式が現状では優れているという結論であった 4)。
(3) bit by bit 記録方式
ホログラムを利用した bit by bit 記録に関しては 2 種類の記録方式が報告された。2 種類共に disc 平面
方向のみならず深さ方向にも bit by bit 記録を行うことで記録密度を向上させる方法である。
第一の方法はコロラド大学らから報告された。記録材料にまずデータを保持していない一様なホログラムを記録する。このホログラムに集光したレーザ光を照射し、ホログラムを局所的に破壊することでデータを－193－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）記録した 5)。
第二の方法は GE 社から報告された。集光したレーザ光を記録材料表面、裏面から入射し、それぞれの光
スポットを記録材料内で重ねあわせ、干渉させることで微小なホログラムを記録した。6)
これらの方式においては、光ディスクで培われた技術の流用が比較的容易であると予想される。今後の成果が期待される。
（田部 典宏）

参考文献(1) Koji ISHIOKA, Kenji TANAKA, Naoto KOJIMA, Atsushi FUKUMOTO, Mikio SUGIKI:” Optical
Collinear Holographic Recording System Using a Blue Laser and a Random Phase Mask,” ISOM
and ODS Technical Digest (2005) ThE3(2) Hideyoshi Horimai1 and Xiaodi Tan1:” Duplication Technology for Secured Read-Only Holographic
Versatile Disc,” ISOM and ODS Technical Digest (2005) MB7(3) Ken Anderson, Edeline Fotheringham, Adrian Hill, Bradley Sissom, Kevin Curtis:” High speed
holographic data storage at 100 Gbit/in2,” ISOM and ODS Technical Digest (2005) ThE2(4) Hisayuki Yamatsu, Megumi Ezura, Nobuhiro Kihara:” Study on Multiplexing Methods for Volume
Holographic Memory,” ISOM and ODS Technical Digest (2005) ThE1
(5) R. R. McLeod, A.J. Daiber, M.E. McDonald, S. L. Sochava, T. Honda, T.L. Robertson, T. Slagle, L.
Hesselink:” Holographic storage without holography: Optical data storage by localized alteration of
a format hologram,” ISOM and ODS Technical Digest (2005) MB1(6) Marc Dubois, Xiaolei Shi, Christoph Erben, Brian L. Lawrence, Eugene P. Boden, and Kathryn L.
Longley:” Micro-Holograms Recorded in a Thermoplastic Medium for Three-Dimensional Data
Storage,” ISOM and ODS Technical Digest (2005) MB2

3.5.5 Super-RENS
Super-RENS とは super-resolution near-field structure の略で、レーザの波長λ、対物レンズの開口数

NA の光学系を用いたときにλ/2NA (λ/4NA)で規定される回折限界（解像限界）以下の周期構造（記録マーク列）を解像できる、いわゆる超解像再生媒体技術の一種である。Super-RENS では近接場光を媒体内で生成し、この近接場光が超解像再生に寄与しているものと考えられている。この技術を応用すれば、波長と開口数を変えずに、また、通常の近接場光技術では困難な、光ディスクの大きな利点である媒体の可搬性・可換性を維持したまま、光ディスクの高密度化と高転送レート化が同時に可能になる技術として期待を集めている。昨年来、（貴）金属酸化層において析出する金属微粒子以外の、相変化類似層に super-RENS の超解像メカニズムを見いだす報告がなされだしており、通常の超解像技術との違いは、材料や媒体構成上は必ずしも明確ではなくなってきているが、本項目では、主に ISOM/ODS 2005 での発表中で、タイトルやアブス
トラクト中に super-RENS との記載があった全 13 件のうち、7 件の口頭発表の内容を紹介する。
まずは、super-RENS の読み出しメカニズムに関して、シミュレーションを用いた理論的な解析結果について紹介する。産業技術総合研究所（以下産総研）の山川らは、電磁場と温度場を同時に扱うことができる－194－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3D FDTD 法を開発し、ROM 型のピットが形成された構造の上にピット形状をトレースするように
ZnS-SiO2/Ag-In-Sb-Te/ZnS-SiO2 が形成された構造モデルに適用した 1)。その結果、ピットの形状（円形・楕円形）によって、また楕円形ピットの場合は楕円軸方向とレーザの偏光方向によって、レーザ照射による媒体の温度上昇の度合いと最も温度が上昇する箇所が大きく異なることを示した。
次に、super-RENS の媒体特性についての報告を紹介する。Samsung Electronics の Kim らと TDK の菊川らと産総研の富永は共同で、Blu-ray Disc(BD)の光学系（解像限界 119 nm）と記録膜に PtOx を用いた媒体を用いて、線密度のみを高める方法で、BD 25 GB の 2 倍密にあたる 50 GB（最短マーク長 75 nm）の(1,7)RLL ランダム信号において 10-3 台の bER が得られたことを報告した 2)。Super-RENS において完全なランダム信号で bER が得られたのは本報告が始めてであり、super-RENS 技術が、単一信号の CNR から始まった基礎的な特性の検討から、ストラテジや信号処理といった実用的な特性の検討の段階に移行してきたと言うことができよう。TDK の菊川らは、上記 bER が得られた媒体についての報告を行っており、Samsung
Electronics の Hwang らによって指摘されていた、super-RENS の低域ノイズが高いことについての解析と対策を行い、媒体を構成している材料を変えることなく、媒体の膜構造によって高い CNR を維持したまま低域ノイズを低減できた結果を示した 3)。Samsung Electronics の Kim らは Ge doped Sb-Te 材料を
ZnS-SiO2 で挟んだ膜構造を ROM 基板上に成膜し、DVD の光学系（解像限界 275 nm）で 2T ピット長 173
産総研の栗原らは、
nm である(1, 7)RLL ランダム信号において 10-4 台の bER が得られたことを報告した 4)。
記録型 super-RENS に用いられる記録膜である PtOx の、HD-DVD 系の光学系（解像限界 156 nm）のレー
ザ照射による Pt と O2 への分解反応と、RIE によるエッチングにより 75, 100 nm のピットの作製に成功した 5)。また、作製に成功した ROM ピット構造上に ZnS-SiO2/Ag-In-Sb-Te/ZnS-SiO2 を成膜し、作製したピットを超解像再生し、ピットのアスペクト比と得られた超解像 CNR に関して、ピット幅が大きいほど高い
CNR が得られるとの結果を報告している。LITE-ON IT の Fang らと台湾国立大学の Lin らは共同で、評価機でなく市販の DVD±RW ドライブと、ZnO を用いた super-RENS 媒体において、250 nm のマーク列と 600 nm のスペースからなる擬似的なマークポジション記録パターンで、250 nm のマーク列が解像して再生されることを確認し、 220 nm まで解像可能であることを報告している 6)。Digital Storage Instituteの Shi らは、Sb2Te3 マスク層を用いた開口型 super-RENS において、記録層とマスク層との間に高熱伝導率をもつ thermal shielding layer を付与することによる効果をシミュレーションし、シミュレーションの結
果と実験結果が良く一致することと、thermal shielding layer 付与により超解像 CNR と再生耐久性が向上
することを示した 7)。
以上のように、今年度の super-RENS の研究開発動向は、開発の観点からすると、super-RENS 提唱当初
から昨年度までの微小マーク高 CNR 化をめざす基礎的な材料検討の段階から、実用に向けた問題解決やス
トラテジや信号処理、ドライブといった実用性への意識と、ROM への展開が大きな特徴であるが、研究の観点では、再生メカニズムに関して、今年度まで多数の機関や企業が材料科学や光学の観点からの基礎実験
やシミュレーションを通じて、多種多様の仮説を提唱している段階であり、未だに最終的な決着を見ていな
い。今後、研究と開発の相互のフィードバックを通じて、さらなる高密度化・実用特性獲得と確固たるメカニズム理論構築の相乗効果を期待したい。
（菊川 隆）－195－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献
(1) Yuzo Yamakawa, Kazuma Kurihara, Masashi Kuwahara, Takayuki Shima, Takashi Nakano andJunji Tominaga: “Optical Disc Simulation Program Dealing with Both Electromagnetic Field andThermal Distribution”, ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005) WC2.
(2) Jooho Kim, Inoh Hwang, Jaecheol Bae, Jinkyung Lee, Hyunsoo Park and Insik Park, Takashi
Kikukawa, Narutoshi Fukuzawa and Tatsuhiro Kobayashi, Junji Tominaga: “bER Characteristics
of Super-RENS WORM Disk”, ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005) ThC2.
(3) KIKUKAWA Takashi, FUKUZAWA Narutoshi, and KOBAYASHI Tatsuhiro: “Low Frequency Noise
Reduction of Super-Resolution Near-Field Structure Disc with Platinum-Oxide Layer”,
ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005) ThC3.
(4) Hyunki Kim, Jooho Kim, Changmin Park, Moonil Jung, Myongdo Ro and Insik Park: “Random
Signal Characteristics of Super-RENS-ROM”, ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005) ThC4.
(5) Kazuma Kurihara, Takayuki Shima, Takashi Nakano, Masashi Kuwahara and Junji Tominaga:“Pit Shape Dependence of super-RENS ROM Disc”, ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005) ThC5.
(6) Jen Wu Fang, Chia Che Wu and Allen Liao, Wei Chih Lin and Din Ping Tsai: “Toward
Implementation of Practical Super-RENS System Using a Commercial Drive”, ISOM/ODS2005
Technical Digest (2005) ThC6.
(7) L. P. Shi, T. C. Chong, X Hu, J. M. Li, and X. S. Miao: “Investigation on Mechanism of ApertureType Blu-ray Super-resolution Near-Field Optical Disk”, ISOM/ODS2005 Technical Digest (2005)
ThC7.

3.5.6 超解像 ROM と多層化
これまでに幾つかの超解像技術が提案されてきたが、多層と組み合わせた技術の発表はなかった。その理由の一つは、従来の超解像技術の殆どがレーザ照射によって超解像膜内に発生する熱を利用する方法であったが、この場合、超解像膜が光を吸収する必要があるため、1 層あたりの光透過率を十分に確保することが困難であったためである。しかしながら、次世代光ディスクの容量のターゲットが 200～300GB、或いはそれ以上となった場合、超解像によって 1 層あたりのデータ密度を向上するだけではその容量を達成することが困難であり、多層などの 3 次元記録との組み合わせが必要となると予想され、このためのブレークスルー
が必要である。
本稿では、超解像 ROM 技術と、その超解像技術と多層化を組み合わせることによって大容量光ディスクを達成する 2 つの方式について述べる。
(1) エネルギーギャップ起因超解像エネルギーギャップ起因超解像（Energy Gap induced Super-Resolution；以下 EG-SR）1,2)は Sharp のグループから提案されている方式である。この技術では、以下のような条件を満たす材料を超解像膜として用いる；①室温でのエネルギーギャップが光ディスクドライブの光源波長よりも短波長領域にある、②そのエネルギーギャップが温度上昇によって光源波長領域に移動する。更に、この条件では室温においてドライ－196－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ブの光を吸収しないため、熱アシスト層として光を吸収する膜を隣接させる。この構造により、熱アシスト
層において発生した熱が超解像膜に伝導し、光スポット内の高温部分での光反射率が光吸収のために低下す
るため、高温部分が光スポットのマスクの役割をし、超解像効果を得ることができる。
Sharp のグループは、超解像膜として ZnO を用いて上記のアイデアを確認した。ZnO のエネルギーギャ
ップは室温で紫外領域であるのに対し、温度が上昇すると青色領域に移動するため、青色レーザ光源に対して効果を示す。ポリカーボネート製の ROM 基板に ZnO を適用することにより、データの線密度を約 2 倍にすることができる可能性を確認した。また、100,000 回の連続再生に対してキャリアレベルの劣化が見られず、再生光に対する耐性も大きいことを確認した。
更に Sharp のグループは、この技術を用いて 2 層ディスクを作製し、その両層で超解像効果を確認した 3)。
青色レーザ光源、NA0.85 の光学系を用い、2 倍の線密度を達成する可能性を確認したことから、ディスク 1枚で片面 100GB のデータ容量の可能性が示唆された。
(2) 3 次元ピット選択法
3 次元ピット選択法（Three-Dimensional Pit Selection、以下 3DPS）は日立によって提案されている方式である 4）。この技術では、超解像効果を示す材料で ROM のデータピットを作製する。即ち、ROM のピ
ット部分のみに超解像材料が存在する。このことにより、超解像効果を起因するための光吸収がピット部分にのみ必要とされるので、1 層あたりの光透過率を向上させることができ、超解像と多層化の組み合わせが可能となる。
上記のような超解像ピットは、ピット材料として相変化記録膜材料を用い、相変化エッチング法 5）によって作製することができる。即ち、相変化ディスクにアモルファスマークを形成し、記録膜の結晶部分をエッ
チングによって除去することにより、アモルファスピットを作製することができる。データ再生時にはピットを融解して、単一ピットの光学特性を変化させることにより、超解像効果を得ることができる。
日立のグループは 2 層ディスクを作製し、その両層で超解像効果を確認した。青色レーザ光源、NA0.65の光学系を用い、マーク長 100nm（マークピッチ 200nm）で C/N 比が 40dB 以上であった。このことにより、データ線密度を約 2 倍に向上させることができることが示唆された。また、30,000 回以上の連続再生に対して、キャリアレベルとノイズレベルの劣化が見られないことを確認した。
更に 4 層ディスクの設計が可能であることを示した。このことと上記のことにより、片面数 100GB のデータ容量を達成することができる可能性が示唆された。
(3) 結び2 層 Blu-ray Disc が 50GB の容量を有することから、次世代光ディスクの容量はその 4 倍の 200GB 乃至それ以上が求められると考えられる。この容量を達成するための方策の有力候補の一つは、記録面密度向上
技術と多層の組み合わせである。超解像技術と多層の組み合わせの利点の一つは、現行の光学系の技術の多くを転用することができ、下位互換性を確保することができることである。上記のように、2 層の超解像ディスクの基本機能が確認されたことにより、この方向の研究の加速が期待される。
上記の 2 方式は、いずれも ROM 技術である。他のストレージ技術と比較した場合の光ディスクの特徴の一つは、ROM ディスクを安価に入手することができることである。よって、ROM ディスクで機能を確認できたことは、非常に有意義なことと思われる。しかし、より広いアプリケーションを考慮した場合、記録型－197－
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ディスクも要求される。今後、記録型多層超解像技術の確立が望まれる。
（新谷 俊通）参考文献(1) M. Yamamoto, G. Mori, H. Tajima, N. Takamori and A. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys. 43, 4959 (2004).
(2) G. Mori, M. Yamamoto, H. Tajima, N. Takamori and A. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys. 44, 3627 (2005).
(3) N. Takamori, M. Yamamoto, G. Mori, H. Tajima, K. Kojima and A. Takahashi, Proceedings of ISOM/ODS
2005, ThC1 (2005).
(4) T. Shintani, Y. Anzai, J. Ushiyama, H. Kudo, A. Hirotsune, H. Minemura, T. Maeda and H. Miyamoto,
Proceedings of ISOM/ODS 2005, MP26 (2005).
(5) T. Shintani, Y. Anzai, H. Minemura, H. Miyamoto and J. Ushiyama, Appl. Phys. Lett. 44, 639 (2004).

3.5.7 2 光子記録
2 光子吸収過程を利用してビットデータを多層に記録する光メモリは、次世代大容量・高密度光メモリのキーテクノロジーとして、期待が高まっている。今年度は、ISOM/ODS'05 において多層メモリとホログラ
ムメモリのセッションが連続して行なわれ、多くの研究グループから発表が行なわれるなど、体積記録に関する期待が高まってきたものと考える。今後、実用化を目指した多くの研究が進められるものと考える。
Mempile 社の R. H. Hamer らは、2 光子吸収によって記録したデータをダイナミックテストを行なった
結果を報告した。Mempile 社は多層光メモリの実用化を目指したベンチャー企業として、その動向が注目されていた。Mempile 社の多層メモリはその材料に特徴があり、PMMA に光異性化を示す発色団を結合したものを用いており、蛍光再生を行なう。PMMA に発色団が側鎖として結合しているため、記録媒体全体に均一かつ高濃度で感光色素を分散することが可能である。
このため、高い感度を実現することが可能で、CW レーザ光で 2 光子励起が可能であることを報告している。データの記録には半導体レーザ励起の固体レーザを用いており、波長は 671nm である。
図 3.5.7.1 に層間隔 7μm で記録した 2 層データをダイナミックテストしたスペクトラムアナライザーの信号を示す。1 層目と 2 層目のクロストークが存在していることがわかる。多層光メモリにおいて実際にダイナミックテストを行なった結果として評価できる。

図 3.5.7.1 2 光子メモリのダイナミックテスト結果－198－
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Landauaer 社の Akselrod らは、Al2O3:C,Mg を用いた 2 光子記録について報告した。彼らの研究も、その材料に特徴がある。Al2O3:C,Mg では 2 光子励起過程の中間準位が存在するため、正確には 2 ステップ励
起過程を利用したものといえる。図 3.5.7.2 に Al2O3:C,Mg 結晶のエネルギーバンド構造を示す。F22+(2Mg)の電子を励起することによって、このカラーセンターによって生じる 520nm 付近の蛍光を減少させることができ、データを記録できる。この材料では、2 光子励起過程に中間準位を利用しているため、非常に感度が良く、半導体レーザを利用したデータの記録・再生が可能である。

図 3.5.7.2 Al2O3:C,Mg 結晶のエネルギーバンド構造
静岡大学の宮本らは、多層構造を持つ記録媒体を用いて 20 層のデータ記録・再生した結果を示した。彼
らの記録媒体では感光層と透明層を積層することにより、光軸方向へのビットデータの拡がりを制限し、ク
ロストークを減少させることが可能である。多層記録媒体の開発には、粘着シートを張り合わせる手法を用いることにより、簡単に記録媒体を作製可能であることを示した。図 3.5.7.3 に記録・再生結果を示した。
層間のクロストークを静的に評価しており、信号対雑音比が 50dB 以上であることを示した。

図 3.5.7.3 多層記録媒体へのデータの記録・再生結果
Oxford 大学の Martin らは、可変膜ミラーを用いて多層メモリの収差を動的に修正する方法を提案した。
多層メモリではデータ記録する深さが、記録層によって異なるため媒体内にレーザを集光する際に生じる球面収差を補正する技術が不可欠である。彼らは、37 個のアクチュエーターによって反射光の移送制御可能なミラー用いて、収差補正が実現できることを示した。20 層の記録層を持つ媒体に収差補正を行なうことにより、高密度にビットデータを記録できることを示した。

－199－
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2 光子吸収過程は用いていないが、多層ビット記録方式に近い光メモリとして、Colorado 大学の R. R.
McLeod らによって、マイクロホログラムの開発が進められている。この手法ではディスクの上下からレー
ザを集光し、集光スポット内で干渉縞強度分布を記録するものである。ホログラムとして報告しているが、記録密度をあげるとビット記録型と同じになるものと考える。
2 光子記録による光メモリを実現するために、多くの記録材料、要素技術の開発が着実に進められている。
大容量化・高密度化を実現する上でもっとも有望な手法として、今後も多くの技術が開発されていくものと考える。
（川田 善正）参考文献(1) R. H. Mamer, O. M. Alpert, and T. A. W. Wasserman, "Dynamic Test Results of A Novel Two-Photon
Bit Serial Volumetric Media," Technical Digest of ISOM/ODS'06, MC1 (2005).
(2) M. S. Akselrod, S. Sanyal, and S. S. Orlov, "Recording and Readout Mechanism in Volumetric
Two-Photon-Absorbing Fluorescent Al2O3 Media," Technical Digest of ISOM/ODS'06, MC4 (2005).
(3) A. N. Shipway, T. A. W. Wasserman, and O. M. Alpert, "A New Media for Two-Photon Volumetric
Data Recording and Playback," Technical Digest of ISOM/ODS'06, MC6 (2005).
(4) M. Miyamoto, M. Nakano, Y. Kawata, S. Miyata, and M. Nakabayashi, "Twenty Layers Recording
and Reading of Bit Data in a Photochromic

Multilayered Media Fabricated with Laminate

Process," Technical Digest of ISOM/ODS'06, MC3 (2005).
(5) M. J. Booth, M. Schwertner, T. Wilson, M. Nakano, and Y. Kawata, "Aberration Correction for the
Writing and Read-Out of Multi-Layered Optical Memory," Technical Digest of ISOM/ODS'06, MC5(2005).
(6) R. R. McLeod, A. J. Daiber, M. E. McDonald, S. L. Sochava, T. L. Robertson, T. Slagle, L. Hesselink,"Micro-Holographic Multi-Layer Optical Disk Data Storage," Technical Digest of ISOM/ODS'06,
MB3 (2005).

3.5.8 多値記録
(1) はじめに光ディスク装置の光学系を変更しないで高密度化を図れる利点から、多値記録が注目されている。多値記
録は、トラック方向に一定の長さで区切ったセルの中に、情報に応じて記録マーク長を変化させ、複数ビッ
ト（8 値なら 3 ビット）の情報を持たせて記録を行ない、各セルからの再生信号強度の違いを検出すること
でその複数ビットの情報を再生する。ここでは、多値記録の開発動向を紹介する。
(2) 開発動向
多値記録はこれまで、CD、DVD へ応用し大容量化を図る数々の試みがなされてきた。ここ数年は、青色レーザを用いた光学系での応用がトレンドとなっている。例えば、リコーは波長 405nm、NA=0.65 の光学系でセル長 260nm、8 値記録で 16Gbit/in2 を達成した 1)。カリメトリクスは、波長 405nm、NA=0.85 の光－200－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
学系、8 値記録で 34GB を達成できることを示した 2)。パイオニアは波長 405nm、NA=0.85 の光学系にピットエッジを多段階に調節して読み出す SCIPER 方式を適用し、シミュレーションで 30Gbit/in2 の可能性を示した 3)。キヤノンは Blu-ray Disc にセル長 200nm、8 値記録で 28Gbit/in2（単層 40GB 相当）の記録再生ができることを ISOM/ODS2005 で報告し 4)、シミュレーションで、Blu-ray Disc の約 2 倍の面記録密度の可能性を示した。同じく同社は、PCOS2005 で隣接トラックからのクロストークを加えた 3 トラックでの。その他、ジ
記録再生実験を行い、十分なエラーレートが得られることを示した 5)（図 3.5.8.1、図 3.5.8.2）
ョージア工科大学は多値記録に RLL コードを組み合わせた ML-RLL 方式を提案している 6)。

図 3.5.8.1 多値記録マーク TEM 像

図 3.5.8.2 多値再生信号アイパターン(3) 今後の展望
今後は、更なる大容量化のニーズを受け、多層化技術やニアフィールド技術との組み合わせも視野に入れた多値記録の開発が重要となるであろう。それには、記録マークの線形性や前後セルからの熱干渉、メディ
アの SN 比といった観点から多値記録とのマッチングを検討していくことが望まれる。
（住岡 潤）

参考文献(1) Y. Kadokawa, A. Shimizu, K. Sakagami, K. Takeuchi, H. Maekawa, and K. Takatsu, "Multi-level
optical recording using a blue laser," Proc. SPIE 5069 (2003) 369.
(2) H. Hieslmair, J. Stinebaugh, T. Wong, M. O’Neill, M. Kuijper, and G. Langereis, "34 GB
Multilevel-enabled Rewritable System using Blue Laser and High-Numeric Aperture Optics,"
Jpn. J. Appl. Phys., 42, (2003) 1074.
(3) N. Minagawa, and H. Hayashi, "Multilevel Signal Processing Technique for a 30Gbit/inch2 Phase
Change Optical Disk System," Tech. Dig. ISOM/ODS (2002) WB6.
(4) J. Sumioka, M. Yamamoto, Y. Miyaoka, K. Okamoto, and E. Fujii, "A New Data Detection Method
for 33.6-Gbit/in2 Multilevel Recording Using a Blue Laser and NA0.85 Optics," Tech. Dig.
ISOM/ODS (2005) TuB1.
(5) K. Okamoto, J. Sumioka, M. Yamamoto, Y. Miyaoka, and E. Fujii, "A New Data Detection Method
for Multilevel Recording Using a Blue Laser and NA0.85 Optics," Proc. PCOS (2005) 54.
(6) E. Licona and S.W. McLaughlin, “Comparison of multilevel runlength and fixed-length modulationfor optical data storage,” Proc. SPIE 5069 (2003) 375.

－201－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3.5.9 大容量化への要素技術(1) 信号処理技術
光記録における信号処理の研究開発動向について報告する。現在 Blu-ray Disc（BD）では、一層あたり
25GB の密度まで規格化されているが、将来に向けてさらなる高密度ディスクの研究が行われている。
現在の BD の規格において線密度のみを高密度化した場合には、一層あたり 31GB 程度で光学系のOTF(Optical Transfer Function)の再生限界カットオフと記録符号最短波長が一致するために、最短波長を読み出すことが出来なくなる。このような領域における信号処理として、ソニーから Hybrid Equalized
Partial Response Path-Feedback Maximum Likelihood(HEPR-PFML)という方式が提案された 1)。従来、
主にアシンメトリなどに耐性のある検出方式として Philips からアダプティブビタビが提案され 2)、いくつかの企業により研究されてきたが、HEPR-PFML では再生波形を図 3.5.9.1 に示すような因果的 LMS(Least
Mean Square)等化することにより、高域の乏しい再生成分を効率的にビタビ検出器内で補完しながら検出して、高線密度再生を可能にしている。一方、アシンメトリは Volterra フィルタによる非線形等化を行うことにより対処していることも特徴である。ソニーはアシンメトリ 14%の 35GB BD-ROM を用いて bER(bitError Rate)のチルトマージンを測定して±0.6°程度の性能を確認したと報告した。

Anti-causal

1

2

2

1

(a)Conventional LMS
Compensated by FBF
Causal2211(b)Causal LMS

図 3.5.9.1 (a)通常 LMS 等化波形と(b)因果的 LMS 等化波形の比較（東野らによる 1））
従来、 光ディスク 評価手法と してビタビ 検出におけ るメトリッ ク演算を応 用して定式 化した、
MLSE(Maximum Likelihood Sequence Error)が松下電器により提案されている 3)。MLSE はディスク評
価・ドライブ調整などに応用されてきているが、高線密度時には bER との相関が悪くなるという問題があった。ソニーは高線密度ディスクの評価手法として、SAMQES(SAM Quasi-error EStimation)という方式を開発し、30GB 以上の BD において bER との相関を向上させたという報告がなされた 4)。
一方、磁気記録の分野において、垂直磁気記録などと組み合わせた LDPC(Low Density Parity Check)符
号の研究 5)が盛んであるが、近年高密度光記録においても応用研究がなされている 6)。その中でも光ディスクを用いた実験を通して LDPC の性能検証を行ったという数少ない例として、ソニーは 17PP 符号と LDPC
を組み合わせた符号を開発し、λ=405nm、N.A.=0.85 の光学系と BD-RE のメディアを用いて BD-RE 単層－202－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
36GB 相当の線密度における記録再生実験を行い、radial/tangential 共に±0.6°以上のチルトマージンを得ることができたと報告している 7)。
（東野 哲）

参考文献(1) S.Higashino, Y.Kajiwara, K.Fujimiya, J.Shiraishi, and T.Yamagami: ”Hybrid Equalized Partial
Response Path-Feedback Maximum Likelihood toward Higher Density Blu-ray Disc,”IEEE Trans.
Consumer Electron.,51,1(2005) 94.
(2) R.Otte, and W.Coene: ”EVALUATION OF ADAPTIVE PRML/VITERBI BIT DETECTION FOR
DVD AND BEYOND,” IEEE Trans. Consumer Electron.,46,4(2000) 1018.
(3) H.Miyashita, T.Nakajima, N.Kimura, Y.Hino, and H.Ishibashi: ”Signal Qualification Method forPartial-Response Maximum-Likelihood Read/Write Channel,”J.Appl.Phys.,43,7B(2004) 4850.
(4) J.Shiraishi, N.Ide, and T.Ohkubo: ”Signal Qualification Method for over 30GB Blu-ray
Discs,”ISOM/ODS2005 Technical Digest(2005) TuB4.
(5) S.Babvey, and S.W.McLaughlin: ”LDPC Codes Satisfying the (0,k) Constraint,”IEEE Trans.
Magn.,41,10(2005) 2953.
(6) Z.Li, J.Xie, and B.V.K. V.Kumar: ”Low-Density Parity-Check Codes with DC Control, ”ISOM/
ODS2005 Technical Digest(2005) TuB7.
(7) T.Ohkubo, J.Shiraishi, T.Watanabe, Y.Urakawa, and T.Saito: ”Application of LDPC Codes toHigh-Density Optical Disc Storage using 17PP code,”ISOM/ODS2005 Technical Digest(2005)
TuP27.

(2) サーボ技術
光ディスクシステムの開発においては、市場からのさらなる高密度化、高転送レート化の要求を満足すべく研究開発が進められている。高密度化においては、トラックピッチの狭化、記録マークないしピットの微細化に伴い、要求される残留誤差の改善要求が高まっている。また、高転送レート化においても、ディスク回転数の増大が要求されるとともに、要求される残留誤差は厳しくなっている。このように、次世代光ディスクの開発おいては、サーボ技術の向上も不可欠である。本稿では、光ディスクシステムのサーボ技術に焦点を当てて技術動向を報告する。
NHK らからは高転送レート向けトラッキングサーボの提案があった 1)。本提案は、以前から彼らが提案している零位相誤差トラッキングサーボ（Zero Phase Error Tracking, ZPET）手法を、Blu-ray システム（ＮＡ＝0.85、波長 405nm）に対して適用したものである。以前の NA=0.65 のシステムでの適用結果と同様にBlu-ray システムでも有効に機能し、線速 18.3m/s（BD 3.5X）でのディスク回転に対して、残留誤差が 8nm（Peak to Peak で 16nm）以下としている。ZPET を用いず、フィードバック制御のみの場合は 13.65nm（Peak to Peak で 27.3nm）であることから、残留誤差を 59%低減することに成功している。
松下電器産業からは、2 層 Blu-ray ディスクに適した 1 ビームトラッキング方式の開発が報告されている2)。本手法は、彼らが以前から提案しているアドバンスドプッシュプルの改良版（新 APP）で、トラッキン－203－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
グエラー検出フォトディテクタ分割パターンを改良している。本手法によれば、記録済みトラックと未記録
トラックとの境界で生じるトラッキングエラー（TES）オフセットを抑制できるだけでなく、フォーカス用
光ビームの他層からの迷光がトラッキングエラー検出用フォトディテクタ（PD）に入らないように、当該PD を配置することで他層からの迷光の影響をなくすことができるとしている。また、従来の APP を基礎として、TES 用 PD 分割手法を工夫することでラジアルチルト検出が可能であるとし、APP 法との組み合わ
せで、記録済みトラックと未記録トラックとの境界であってもラジアルチルトエラーが±0.15deg 以下であるとしている 3)。
三菱電機からは、多層光ディスクシステムにおいて、環状検出（Annulus detection)手法と呼ばれるフォーカスエラー検出方法により、ターゲット層のフォーカスエラーの品質を改善する手法も提案されている 4)。
ソニーからは、以前から提案している複素零点を有するようにサーボ系を設計することで DC ゲインを増大する手法と積分器を組み合わせることで、さらに DC ゲインを増大させる手法を提案している。また、本手法によるサーボ設計法として、PID サーボに帰着させ、各次数の係数を近似的に算出する手法を示している 5)。
その他、近接場光を用いた光ディスクシステムにおいて、ソニー、Philips らは位相補償サーボや PID サーボによりレンズとディスク間のギャップをナノ精度で制御しているが、Carnegie Mellon Univ.からは、半導体レーザー素子が設置されたピエゾ素子を SCOOP 法により制御することで、半導体レーザ素子とディスク間の距離をナノ精度で制御する手法が提案された 6)。
以上のように、いくつか光ディスクシステムのサーボ技術についての発表がなされているが、ハードディ
スクシステムのサーボ技術の発表と比べて、比較的少ないと思われる。今後の高密度化、高転送レート化研
究と併せて、活発な研究開発が期待される。
（石本 努）

参考文献(1) D. Koide, H. Tokumaru, K. Ohishi, K. Kuramochi and T. Miyazaki, ISOM/ODS, 2005, TuC6(2) K. Sano, F. Yamasaki, A. Arai and S. Kadowaki, ISOM/ODS, 2005, TuC2
(3) F. Yamasaki, A. Arai and H. Aikoh, ISOM/ODS, 2005, WB1(4) K. Nakai, H. Nakahara, D. Matsubara, T. Matozaki, N. Takeshita, T. Yoshihara and K. mori,
ISOM/ODS, 2005, TuP16(5) 浦川、岡部、電気学会研究会資料 IIC-05-107、産業計測制御研究会(6) P. Harget, J.A. Bain and T.E. Schlesinger, ISOM/ODS, 2005, TuC7

－204－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3.6 光メモリのための材料
3.6.1 概要
光メモリには、情報記録を担う材料や保護膜材料をはじめとして様々な材料が使用される。昨年まではそれらの材料は光メモリという大きな技術分野の中の各要素技術の項で取り上げていたが、最近の次世代の光メモリ材料技術に対する重要性・注目度に鑑みて、今年度は独立した章を設けることとした。
マスタリングは再生専用ディスクの製造をはじめ、光ディスク技術を支える重要な技術の一つであるが、従来あまり材料という面からは解説されなかった。そこで最初にマスタリング用の材料として、電子ビーム
記録用、ヒートモード記録用材料を取り上げた。特に電子ビームマスタリングは高密度記録という点で大きな可能性を秘めているが、必ずしもそれに適したレジストが存在しない状況であり、今後の開発が待たれる。
2005 年の国際会議 ISOM/ODS では、特にホログラムと二光子吸収記録が関心を集めた。ホログラム記録
材料では、安価な半導体レーザの赤色・青色の波長域で利用可能な保存安定性の良い材料の開発が進んでいる。一方二光子記録材料に関しては、特にフォトクロミック分子系の研究が活発化してきており、ポリマー材料を用いたダイナミック評価や半導体レーザによる記録などの報告があった。超解像再生用のマスク材料
としては、昨年までと同様に相変化型材料の開発が進んでいる。
今年度は特に分子メモリ材料という節を設け、近い将来の実現は困難であるが１分子１ビットという究極のメモリ形態を見通す研究についても紹介した。
（辻岡 強）

3.6.2 マスタリング用材料(1) 電子ビーム記録用材料
本年度の ISOM/ODS 2005 においてパイオニア Kitahara らにより光ディスクマスタリング用（および磁気ディスクマスタリング用）の電子ビーム描画装置の発表が行われている 1,2)。従来から用いられている
PMMA ベースのポジ型電子ビームレジスト ZEP-520A を使用し 120mm ディスク換算で 510GB／面（350Gb／in2 相当）のパターニングを行っている。しかしながら記録線速 0.16-0.29m/s の描画条件であり、光ディスクのマスタリング用途としては感度不足が否めない。かつてより速い記録速度での描画が可能な化
学増幅型レジストの ROM 型光ディスクへの検討例が報告されていた 3-5)が、パターンサイズは上記 PMMA
ベースのものに比して大きく、より高密度なパターンへの適用例等の検討が待たれる。また、パターンの微細化が可能なネガ型 EB レジストであるカリックスアレーン 6)を用いて ZEP-520A とのパターンサイズの比較を行った発表例 7)もあるが、光ディスクマスタリングの用途を考えた場合、分解能のみならず感度性能の検討が要求される。
このように、さらなる高密度記録の可能性を秘めている電子ビーム描画装置でありながら、必ずしも光ディスクマスタリングに適した電子ビームレジストが存在しているとはいえない状況であり、さらなる材料開発が今後期待されている。
(2) 光記録(ヒートモード)用材料
従来の DVD-ROM 作製等では、ノボラック系レジスト・UV レーザによる露光・アルカリ現像のマスタリ－205－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ングが行われていた。しかし、光源の波長と対物レンズの NA によりパターニング可能な最小サイズが制限される。そのため、レジストの熱反応利用しビームの中心付近のみの加熱により記録を行う方式が提案された 8,9)。波長 405nm のレーザダイオードと NA=0.95 の対物レンズを用いた光学系を用い、アルカリ現像と組み合わせることで 130nm のピットパターンを作製できる事が示されている。残念ながら使用している無機レジスト材料は遷移金属の酸化物としか示されていないが、光によりいわゆる解像限界を超えた高密度パ
ターンを作製が出来ることを示したというインパクトは大きい。
本年になり ISOM/ODS にて別材料を用いた同様のヒートモード記録による高密度パターン作製が複数提案された。シャープの Mieda らは波長 257nm の紫外光+NA0.9 の光学系で、ポリヒドロキシスチレン(PHS)
膜にポジ型記録を行った発表を行っている 10)。露光後に Si/ZnO をウェットエッチングにて取りさる必要があるものの PHS 膜自体には現像が不要である点が特徴であり、75nm の最小ピットサイズを実現している。
またリコーの Miura より波長 405nm の青紫レーザーダイオード+NA0.85 の光学系で ZnS-SiO2 に対し記録を行う発表も行われている 11)。フッ酸現像によりネガ型のレジストとして機能し 90nm のドットパターンを達成した。このようにヒートモード記録は材料の選択、熱の処理（蓄熱・拡散）構造により様々な工夫が予想されるため、今後もさらなる展開が予想される。
(3) その他の材料
近年半導体露光装置では ArF 光源（波長 193nm）+液浸露光のシステムが量産に移行しつつある。この過程において液浸用レジストおよび専用の液浸材料が開発されている 12)。かつて液浸材料として純水を用いた
マスタリングの検討が行われたが 13)、進歩した材料の適用検討などが今後期待できるかも知れない。
（加園 修）

参考文献(1) H. Kitahara, Y. Kojima, M. Kobayashi, M. Katsumura, Y. Wada, T. Iida, K. Kuriyama and F.
Yokogawa: “Development of Practical Electron Beam Recorder for High-density Optical andMagnetic Disc Mastering”, ISOM/ODS 2005 Tech. Digest(2005)WA3(2) H. Kitahara, Y. Kojima, M. Kobayashi, M. Katsumura, Y. Wada, T. Iida, K. Kuriyama and F.
Yokogawa: “Practical Electron Beam Recorder for High-density Optical and Magnetic Disc
Mastering” Jpn. J. Appl. Phys. (To be published.)(3) M. Takeda, M. Furuki, M. Yamamoto, M. Shinoda, K. Saito, Y. Aki, H. Kawase, M. Koizumi, T.
Miyokawa, M. Mutou and N. Handa: “Progress in Electron Beam Mastering for 100Gbit/inch2
Density”, ISOM 2003 Tech. Digest(2003)Th-I-01(4) M. Tsukuda, E. Ito, M. Tomiyama, S. Abe, S. Furumiya and E. Ohno: “50GB Read Only Memory
Disc with Dual Layer Structure”, ISOM/ODS 2002 Post Deadline Papers(2002)PD.4(5) O.Kasono, T. Sugimoto, M. Katsumura, T. Higuchi, Y. Kojima and T. Iida: “Study of Chemically
Amplified Resist Using an Electron Beam Recorder”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42(2003) pp.764-768(6) http://www.nec.co.jp/press/ja/0311/2101.html(7) 佐野裕貴、曾根逸人、渡部誠一、野口克也、伊藤和男、保坂純男：“電子線描画法を用いた超高密度記
録ビット形成の可能性”第 66 回応用物理学会学術講演会講演予稿集、No.2(2005)8p-ZC-11－206－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(8) A.Kouchiyama, K. Aratani, Y. Takemoto, T. Nakano, S. Kai, K. Osato and K. Nakagawa: “High
Resolution Blue Laser Mastering with Inorganic Photoresist”, ISOM/ODS 2002 Tech.
Digest(2002)MB.6(9) http://www.sdt.sony.co.jp(10) M. Mieda, M. Shimo, I. Nakano, T. Sakai, J. Hirokane, K. Kojima and A. Takahashi: “Thermal
Direct Mastering Technique using a Deep UV Laser”, ISOM/ODS 2005 Tech. Digest(2005)WA5(11) H. Miura, N. Toyoshima, Y. Hayashi, S. Sangu, N. Iwata and J. Takahashi: “Patterning of
ZnS-SiO2 by Laser Irradiation and Wet Etching Treatment”, ISOM/ODS 2005 Tech.
Digest(2005)WA6(12) 例えば、http://www.tok.co.jp/index.htm(13) H. Santen, J. Neijzen and E. Meinders: “Liquid Immersin Deep-UV Optical Disc Mastering for
Blu-ray Disc ROM”, ISOM 2003 Tech. Digest(2003)Th-I-02

3.6.3 ホログラム用材料
ここではホログラム用材料の最新動向として、ISOM/ODS’05 における 2 件の発表を取り上げる。１つ目
は米国 InPhase Technologies（以降 InPhase と略記）の Cole らが発表した赤色領域に吸収を持つホログラ
ム材料である 1)。従来、InPhase は緑色用のメディアである HDS1000, HDS2000, HDS3000 と青色用のHDS5000 というラインナップを持っていた 2)が、今回、はじめて赤色に吸収を持つメディアに関しての発表を行った。これにより、現行 CD, DVD で用いられている安価な赤色レーザを用いることができるようになるほか、
ディスプレイ用途にも応用が可能になるとされている。組成を変えたいくつかの赤色用メディア、および青色用メディアの感度、Shrink, M/#は Table.1 のようになっており、赤色用メディアに青色レーザで記録することも可能である。彼らはこれによる波長多重の可能性も示唆している。
表 3.6.3.1 赤色、青色メディアの特性
RecordingSensitivity

Bragg Detuning

Wavelength(mm)(cm2/mJ)(Shrinkage)

Red Media(A)680

6.0x10-7

0.003%

3.1

Red Media(A)402

2.0x10-6-

4.6

Red Media(B)680

3.0x10-7

0.08%

2.0

Red Media(A)680

1.2x10-6

0.19%

3.5

Blue Media(A)402

3.2x10-6

0.09%

9.2

Media TypeM/# /200(um)

また、保存信頼性についても調べられており、アーカイバル特性は 80℃において 90 日間経過したあとでの M#の低下は 10%である。シェルフ特性に関しては実験中であるが、室温に 2 ヶ月間放置した後も M#の低下は 5%以下であった。
もう一つは米国 General Electric(以降 GE と略記)の Shi らが行なった、色素添加型サーモプラスチック－207－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）についての発表である。3)この材料は従来のようなポリマーの重合、拡散により屈折率差が形成されるメカ
ニズムとは違い、色素の感光による屈折率変化のため、高い屈折率差(0.01 のオーダー)、低収縮量、低価格などの優れた特徴を持つとされている。彼らは、既に 532nm 用で M#が 1.5 ほどのメディアを報告しているが 4)、一つの問題は感度が 0.02cm/J と小さいことであった。しかし、今回の報告では材料を改良し、405nmでの記録において、1cm/J の感度をもつ材料の開発に成功した。吸収は対象波長において 0.4-0.8 程度であり、また、サンプルは射出成形で作られている。
(兼坂 智樹)参考文献(1) Michael C. Cole, David Samuels, Hamlin Barnes, Lisa Dhar, Takashi Hanyu and Tetsuo Morimoto:“Red-Sensitive Holographic Recording Media” ISOM/ODS 2005 MB5(2) http://www.inphase-technologies.com/products/tapestrymedia/pdfs/TapestryMediaSpecs.pdf(3) Xiaolei Shi, Marc Dubois, Brian Lawrence, Eugene Boden, Christoph Erben, Kathryn L. Longley,
and Mattew C. Nielson: “Improved Sensitivity of Dye-doped Thermoplastic Discs for Holographic
Data Storage” ISOM/ODS 2005 MB6(4) M. Dubois, X. Shi, B. Lawrence, E Boden, K. P. Chan, M. Nielson and L. Hesselink:“Characterization of a Preliminary Narrow-Band Absorption Material for Holographic Data
Storage” in ODS 2004, B. V. K. V. Kumar, H. Kobori eds., Proc. SPIE 5380 pp589-596 (2004)

3.6.4 ２光子記録用材料
本年度は、国際学会や論文などで、2 光子記録用材料に関していくつかの新しい技術発表があった。特に、
ISOM’05 国際会議では、次世代記録技術としてホログラムメモリ及び 2 光子メモリ技術が注目され、2 光子メモリ技術に関しても多くの技術発表があった 1)-6)。蛍光 2 光子記録に関して、イスラエルの Mempile 社から 2 つの発表があった。DMSDC をペンダントにつけたポリマーを材料にしたもので、蛍光強度が異なる二つの状態の光異性化を用いて 2 光子記録したものであり、ダイナミックテスターを用いた記録結果を示した。
アメリカの Hesselink らのグループからは、光酸発生剤（PAG）を含むフォトポリマー材料（Aprillis：
ULSH-5B）を用いた 2 光子記録再生に関する発表があった。そのほか、無機材料を用いた発表もあり、一つは新規な 2 光子吸収の蛍光性 Al2O3 結晶材料を用いたものであり、もう一つは粒子サイズが異なる
CdSe/ZnSe/ZnS 系半導体ナノ粒子を含む薄膜を用いたものであった。また、論文や総説などでも、2 光子吸収を用いた記録材料や媒体に関する発表が見られた 7）12）。松下電器のグループは、三次元光メモリ用に、
フォトクロミック記録材料としてジアリールエテンを使用し、二光子吸収記録の実現可能性について検討した結果を報告した。フェムト秒のファイバレーザによる記録感度との比較では、ピークパワーを大幅に低下させることが可能で、二光子吸収感度は 94 フェムト秒から 2 ナノ秒までパルス幅に依存して 2 乗特性を有することが明らかになった。さらに、記録ビットを照明した場合の FDTD(Finite Difference Time Domain)
解析により、超多層型の方が反射率と収差の点でジアリールエテンへの二光子吸収記録に適することを明らかにした。台湾のグループは、蛍光オリゴマ記録材料を用いて三次元光ディスクの記録特性を示した。記録
マーク内外における信号強度のコントラストは 64.6%に達し、この蛍光オリゴマは多層光学データ記録装置－208－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）に用いることが可能であることを示した。九大、阪大、大阪市大らのグループは、二段励起によるレーザ多光子フォトクロミック反応挙動について研究し、定常状態で小さな開環反応収率を有するフルギド･ジアリー
ルエテン分子において、1 パルス内で誘起された逐次 2 光子吸収過程によって高収率で開環反応が起こることを見出した。
（前田 修一）

参考文献(1) R. H. Hamer, O. M. Alpert and T.A.W. Wasserman, ”Dynamic test results of a novel two-photon bit
serial volumetric media”, ISOM’05, MC1 (2005).
(2) N. Shipway, T. A. W. Wasserman and O. M. Alpert, ”A new media for two-photon volumetric data
recording and playback”, ISOM’05, MC6 (2005).
(3) R. R. McLeod, A. J. Daiber, M. E. McDonald, S. L. Sochava, T. Honda, T. L. Robertson, T. Slagle, L.
Hesselink, ”Holographic storage without holography: Optical data storage by localized alteration of
a format hologram”, ISOM’05, MB1 (2005).
(4) M. J. Booth, M. Schwertner, T. Wilson, M. Nakano and Y. Kawata, ”Aberration correction for thewriting and read-out of multi-layer optical memory”, ISOM’05, MC6 (2005).
(5) J. W. M. Chon, J. Moser and M. Gu, ”Use of semiconductor nanocrystals for spectrally encoded
high-density optical data storage”, ISOM’05, MP13 (2005).
(6) M. S. Akselrod, S. Sanyal, and S. S. Orlov, ”Recording and readout mechanism in volumetrictwo-photon-absorbing fluorescent Al2O3 media”, ISOM’05, MC4 (2005).
(7) 塩野照弘、“期待を集める多層光メモリ；半導体レーザを用いたフォトクロミック材料への 2 光子吸収記録”、Optronics 283 (2005) 173.
(8) 川田善正、”期待を集める多層光メモリ；2 光子吸収を用いた多層高密度光メモリ”、
Optronics 283; (2005)
163.
(9) LIAO W-Y, LEE S-B, WANG S-S, YAO H-H, CHEN C-W, TASI H-P, CHU W-P,CHEN J-H,
“Three-dimensional optical disks using fluorescent oligomer recording material”, IEEE Trans Magn,
41 (2), (2005) 1019.
(10) 斎田、入江、山口、河合、”Two-photon photochromism of diarylethene derivatives”, Mol. Cryst. Liq.
Cryst. 430 (2005) 31.
(11) M. Shigeiwa、S. Maeda, H. Gorohmaru, S. Imamura and M. Irie, ”Development of photochromic
two-photon absorption dyes”, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 430 (2005) 173.
(12) 石橋、宮坂、伊藤、小畠、入江、”二段励起によるレーザ多光子フォトクロミック反応挙動”、日本化学会講演予稿集 85 (1)、(2005) 336.

－209－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3.6.5 超解像マスク用材料
超解像再生を可能にするために使用する薄膜材料（=マスク材料）の今年度の技術動向について、各学会（ISOM/ODS’05、応用物理学会、PCOS2005）で発表された内容をもとに以下まとめる。基本的には、既に報告例のある Sb-rich Sb-Te1-3)、ZnO4-7)、Ge-Sb-Te8, 9)の 3 材料系を用いた報告が引き続き多くなされた。
新規材料としては、GeAl10, 11)、Ag2Te12)を用いた報告がなされた。これらはいずれも再生のためのレーザ光照射がマスク材料の温度を上昇させ、結果マスク材料に発現する光学特性変化を利用している点において、再生原理の基礎部分は同じである。
スーパーレンズ（超解像近接場構造）と呼ばれる方式では、Sb-rich Sb-Te 系材料を用いた報告が多かった。
TDK は Sb75Te25 を用いた追記型 1)、サムスン電子は(Ge-)Sb-Te を用いた再生専用型 2)、産業技術総合研究所
は(Ag-In-)Sb-Te を用いた再生専用型 3)、をそれぞれ検討している。既に良好な超解像再生特性が得られていることから、関心はノイズ低減やランダムパターンにおける再生評価など、実用化を目的とした内容に移ってきている。産業技術総合研究所はまた、各種光ディスク材料の光学的及び熱的な物性定数の温度依存性について調べ 13)、熱シミュレーション法を新たに開発し 14)、超解像再生時を含むディスク内温度分布の詳細を今後明らかにするとした。DSI（シンガポール）は Sb2Te3 を用いたスーパーレンズディスクについて、熱遮蔽層を導入し、（超解像再生時の）記録層における温度上昇を低減させることで、再生耐久性が向上できると報告した 15)。
シャープは引き続き、ZnO のバンドギャップ変化を利用する方法について報告した。こちらも関心は、マスク層の周辺部や多層化など、実用化を目的とした内容に移ってきている。BD 光学系におけるカバー層材
料 4) や、ZnO 層と ROM ディスクの間に形成する薄膜材料 5)について、光学的及び熱的観点から適切に材料を選択することで、ZnO による超解像再生がより高感度に行えると報告した。また同材料で初めて二層化を、台湾海洋大学、台湾大学のグループは、実現し、各層からの超解像再生波形を観測した 5)。ITRI（台湾）
ZnO(x)と有機色素記録膜の組み合わせ 6)、Lite-ON（台湾）と台湾大学のグループは、ZnO と相変化記録膜の組み合わせ 7)をそれぞれ報告した。
日立は、超解像再生と多層化を組み合わせた大容量ディスクについて報告した 8, 9)。記録兼マスク材料に
Ge-Sb-Te を用い、化学エッチングによりそのピット列（パターンドメディア）を作製している。超解像再生
は、PSR と同様、融解に伴う屈折率変化を利用しており、実験的にもこれを確認している。NEC は、ROM
ディスクに反射膜兼用の GeAl 薄膜を形成し、GeAl の温度に対する屈折率変化を利用する方法について報告
した 10, 11)。再生レーザパワーを上げると、再生信号の周波数帯域が拡大し、結果超解像再生が可能になることを、シミュレーション及び実験の両方から示した。産業技術総合研究所は、追記型ディスクに Ag2Te 薄膜を形成し、Ag2Te の可逆な結晶間相転移に伴う光学特性変化を利用する方法について報告した 12)。相転移は
約 150℃と比較的低温で起きるため、超解像再生のためのレーザパワーを低くできるとしている。
上記一連とは別のアプローチとして、金属微粒子を誘電体薄膜に分散させた構造を作製し、プラズモンによる電場増強で超解像再生を行う方式も、引き続き検討されている。ITRI（台湾）は同時スパッタにより分散構造を作製し、波長: 635 nm、NA: 0.6 の光学系において、白金微粒子と SiO2 を組み合わせた場合に、例えば 100 nm
マークで CNR= 40 dB が得られると報告した 16)。DSI（シンガポール）は、同方式の理論解析を行い、分散構造と記録膜の間の距離が 10 nm 以下の場合に約 6 倍の増強効果が期待できることを報告した 17)。
まとめとして、マスク材料選択に対する（科学的な）興味の段階から、実用化のための研究開発の段階に移行してきていることは、今年度の発表内容を見ても強く感じられる。今後はディスク内温度管理と既存再－210－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
生方式との融合が主な課題になると見込まれる。
（島 隆之）

参考文献(1) T. Kikukawa, N. Fukuzawa and T. Kobayashi: “Low Frequency Noise Reduction ofSuper-Resolution Near-Field Structure Disc with Platinum-Oxide Layer,” ISOM/ODS’05, ThC3.
(2) H. Kim, J. Kim, C. Park, M. Jung, M. Ro and I. Park: “Random Signal Characteristics ofSuper-RENS ROM Disc,” ISOM/ODS’05, ThC4.
(3) K. Kurihara, T. Shima, T. Nakano, M. Kuwahara and J. Tominaga: “Pit Shape Dependence ofSuper-RENS ROM Disc,” ISOM/ODS’05, ThC5.
(4) 田島 秀春、山本 真樹、森 豪、高森 信之、高橋 明：“反射率制御膜を用いた超解像（EG-SR）光ディ
スク（V）、”第 52 回応用物理学関係連合講演会、1a-ZH-5.
(5) N. Takamori, M. Yamamoto, G. Mori, H. Tajima, K. Kojima and A. Takahashi: “Energy Gap
induced Super-Resolution (EG-SR) ROM Disc with High Readout Stability,” ISOM/ODS’05, ThC1.
(6) S. S. Wang, C. W. Chen, H. P. Tsai, C. C. Hsu, H. W. Liu, P. H. Chang, W. C. Lin and D. P. Tsai:“Study of near-field optical disk recording on Styryl dye,” ISOM/ODS’05, TuP18.
(7) J. W. Fang, C. C. Wu, A. Liao, W. C. Lin and D. P. Tsai: “Toward the Implementation of Practical
Super-RENS System Using a Commercial Drive,” ISOM/ODS’05, ThC6.
(8) T. Shintani, Y. Anzai, J. Ushiyama, H. Kudo, A. Hirotsune, H. Minemura, T. Maeda and H.
Miyamoto: “Multi-layer High Areal Density Optical Discs with Three-Dimensional Pit Selection,”
ISOM/ODS’05, MP26.
(9) T. Shintani, Y. Anzai, J. Ushiyama, H. Kudo, A. Hirotsune, H. Minemura, T. Maeda and H.
Miyamoto:“Sub-tera-byte

Optical

Discs

using

Three-dimensional

Pit

SelectionandPhase-Change-Pit-Capsule Method,” Proceedings of the 17th Symposium on Phase Change Optical
Information Storage, p.74.
(10) 青木 一彦、田名部 秀樹、大久保 修一、苅屋田 英嗣、片山 龍一、山中 豊：“GeAl を用いた超解像
ROM ディスク、”第 52 回応用物理学関係連合講演会、1a-ZH-6.
(11) K. Aoki, H. Tanabe, S. Ohkubo, E. Kariyada, R. Katayama and Y. Yamanaka: “Super-Resolution
ROM Disc using GeAl Reflective Absorption Layer,” ISOM/ODS’05, ThD2.
”第 66 回応用物理(12) 島 隆之、中野 隆志、富永 淳二：“Ag2Te 薄膜を用いた低パワー超解像再生の検討、学会学術講演会、7p-B-12.
(13) M. Kuwahara, O. Suzuki, Y. Yamakawa, P. Fons, T. Fukaya, J. Tominaga, N. Taketoshi, T. Yagi, T.
Baba, K. Tsutsumi and M. Suzuki: “Measurements of the temperature dependence of optical andthermal properties of optical disk,” ISOM/ODS’05, PD4.
(14) Y. Yamakawa, K. Kurihara, M. Kuwahara, T. Shima, T. Nakano and J. Tominaga: “Optical Disc
Simulation Program Dealing with Both Electromagnetic Field and Thermal Distribution,”
ISOM/ODS’05, WC2.
(15) L. P. Shi, T. C. Chong, X. Hu, J. M. Li and X. S. Miao: “Investigation on Mechanism of Aperture－211－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Type Blu-ray Super-resolution Near-field Optical Disk,” ISOM/ODS’05, ThC7.
(16) W. C. Hsu, M. J. Deng, M. R. Tseng, S. Y. Tsai and C. S. Hong: “Super-Resolution Near-field
Structure with Nanocomposite Mask Layer prepared by Co-Sputtering method,” ISOM/ODS’05,
WP10.
(17) J. M. Li, L.P. Shi, X. S. Miao, K. G. Lim, H. X. Yang, P. K. Tan and T. C. Chong: “Near-Field
Characteristics and Signal Enhancement of Super-RENS Disk with Metal Nanoparticles,”ISOM/ODS’05, WP9.
（注：ISOM/ODS’05 は、International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage
2005 の略記。
）

3.6.6 分子メモリ材料(1) 蛍光機能(a) はじめに音楽情報や映像情報すらインターネットからダウンロードし、その情報を持ち歩く高度情報化社会を迎え、莫大な量の情報をいかに蓄えるかが重要な課題となっている。そのため光メモリにおいては、現在のヒート
モード記録からフォトンモード記録への移行が検討されている。
このフォトンモード記録の究極の目標は“単一分子光メモリ”である。フォトンモード記録可能なフォトクロミック分子は、分子 1 個で機能が果たせるという特徴を有している。もし分子 1 個が 1bit メモリとして機能すれば、1 P（ペタ）bit/inch2 の超高密度記録が実現することになる。この夢の“単一分子光メモリ”に向けた第一歩として、単一分子レベルで検出可能な蛍光特性を外部からの光刺激によりスイッチさせる試みが行われた 1-2)。
(b) 単一分子蛍光スイッチ
単一分子レベルで蛍光スイッチが可能な分子として、光耐久性のあるジアリールエテンと蛍光性基であるフェニルエチニルアントラセンをアダマンチルスペーサーで結合した分子が開発された。
（図 3.6.6.1）これ
らの分子はジアリールエテン部位が開環状態の時には、蛍光部位から非常に強い蛍光を発するが、紫外光により閉環体へと異性化すると、その蛍光は強く消光される。

図 3.6.6.1
この分子を用いた単一分子蛍光スイッチが行われ、可視光／紫外光照射により蛍光 ON 状態と OFF 状態－212－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）の 2 状態をデジタル的に変化することが認められた。また、フォトクロミック反応が確率的になり応答時間が一定でなく幅の現れる「ゆらぎ」現象も観測された。
有機分子を用いた分子メモリや分子演算素子が従来の半導体技術に比べて優位性を発揮するためにも、単一分子系で観測されるデジタル性を積極的に有効に活用していくことが不可欠である。未だ多くの課題が残されているものの、この特性を利用した新たな単一分子デバイスの開発が期待される。
（深港 豪・入江 正浩）

参考文献(1) M. Irie, T. Fukaminato, T. Sasaki, N. Tamai, and T. Kawai, “A digital fluorescent molecular
photoswitch,” Nature 420 6917 (2002) 759.
(2) T. Fukaminato, T. Sasaki, T. Kawai, N. Tamai, and M. Irie, “Digital Photoswitching of Fluorescence
Based on the Photochromism of Diarylethene Derivatives at a Single-Molecule Level,” J. Am. Chem.
Soc. 126 45 (2004) 14843.

(2) 電子機能
光反応により可逆的に分子構造が変化するフォトクロミック分子材料は、次世代の光メモリ材料として最近研究が活発化してきている。一方でフォトクロミック分子の光機能だけではなく、その電子物性に着目した研究も行われている。特にジアリールエテン系フォトクロミック分子は、異性化反応に伴い電子物性の一つであるイオン化ポテンシャルの値が大きく変化する。光機能と電子機能を併せて考えた場合、分子の機能が二次元的に広がり、様々な可能性が考えられる様になる。即ち、(i)光反応による光物性変化、に加えて、(ii)光反応による電子物性変化、(iii)電界あるいは電流による光物性変化、(iv)電界あるいは電流による電子物
性変化、などが新たな可能性として加わる。(i)は従来研究が進められているフォトンモードメモリ等に利用される機能であり、(ii)は光反応による電流スイッチング 1)、(iv)は電気的キャリア注入による半導体メモリ2)などの検討がなされている。ここでは特に(iii)の光メモリ分野に関係する応用として、電界印加による光反応制御に関する試みを紹介する 3,4)。
フォトクロミック分子が光を吸収すると、基底状態では HOMO（Highest Occupied Molecular Orbital）
レベルにあった電子が LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）レベルに励起され、この励起状態から分子構造の組み換え＝異性化反応が起こる。図 3.6.6.2 で示されるように、異性化反応が起こる前にこの励起状態に外部電界を印加することにより LUMO レベルの電子を電界方向に、HOMO レベルの電子の抜けた後であるホールを電界の逆方向に引き抜くことが出来れば、電子・ホールが引き離された分子は等価的にもとの基底状態の分子に戻ることになる。これは電界印加により光異性化反応の感度がコントロールできることを意味する。引き抜かれた電荷は、分子薄膜中を移動して電界印加用の外部電極に入り外部電流（光電流）として検出されることになる。ジアリールエテン薄膜を ITO 透明電極とマグネシウム電極で挟んだ構造の媒体に対して、この方式による光電流検出実験が行われた。その結果、吸収されたフォトンと外部に取り出された電気的キャリアの比を求めることにより、１ V / nm レベルの電界で光感度を数十％レベルのオーダーで制御できる見通しが得られた。今後、具体的な光反応量子収率の変化の測定が望まれる。

－213－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

Electric field

HOMO level-3.6eV－Mg electrode－

Energy-3.7eV

PhotonhνDAE layerin colored state

ITO
electrode-4.7eV

＋-5.7eV＋LUMO level

Direction of Film Thickness

図 3.6.6.2 電界印加によるフォトクロミック反応感度制御の原理図（辻岡 強）

参考文献(1) T. Tsujioka, et al., Appl. Phys. Lett., 78 (2001) 2282.
(2) T. Tsujioka, et al., Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 937.
(3) T. Tsujioka et al., Appl. Phys. Lett., 87 (2005) 213506.
(4) T. Tsujioka et. al., Appl. Phys. Lett., 85 (2004) 3128.
(5) T. Tsujioka et. al., ISOM/ODS 2005 MP19.

3.6.7 その他
相変化光ディスクにおいて、誘電体膜は重要な役割を果たす。それらは主に、①ポリカーボネート基板を
レーザ光の熱から保護する、②相変化記録膜を外的湿度から保護する、③光の多重干渉を利用して光学的性能を最適化する、等である。
これまで、赤色レーザを使った DVD-RAM 等の相変化光ディスクでは、誘電体膜として ZnS-SiO21)や
Ge-N2)が報告され、実用化されている。青紫色レーザを用いると、赤色レーザを用いる場合と比べて、①誘電体膜厚（λ/n）が薄くなり、積層された膜の機械的強度が低下する(λはレーザ波長、n は誘電体膜の屈折率)、②記録膜に照射されるレーザパワー密度が大きくなり、隣接する誘電体膜への熱負荷が増える、③誘電体膜の消衰係数 k が大きくなり、誘電体膜自体の温度上昇が生じる。このため、たとえば Ge-N を青紫色レーザを使った Blu-ray Disc で使用すると、十分な繰り返し性能が得られない等の課題が生じた。つまり、短波長化に伴い、より透明性が高く耐熱性にも優れた新しい誘電体膜の開発が必要となっていた。
今年度は、松下電器より青紫色レーザを用いる書換形 2 層 Blu-ray Disc の新しい誘電体膜として、ZrO2系材料の提案があった 3)。この材料は、高い透明性(k<0.1)、高い熱的安定性および相変化記録膜との優れた密着性を兼ね備える。図 3.6.7.1 に 2 層ディスクと L1 層の断面図を示す。レーザ入射側にある L1 層の界面膜(Interface film)に ZrO2 系材料を採用している。特に、L1 層は 50%以上の高い透過率を確保するために
Ge-Sb-Te 記録膜をわずか 6nm 程度にしなければならないが 4)、その際、繰り返し書き換え性能の確保には界面膜が重要な役割を担う。図 3.6.7.2 に L1 層の繰り返し性能を示す。界面膜に従来の Ge-N 系材料を用い－214－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）た場合には、2000 回以降で大きなジッタ値の悪化が見られる。一方、ZrO2 系材料を用いた場合には 10000
回後もジッタ値は悪化していない。この性能差は、2 つの界面膜材料の光学的熱的特性差に起因すると考えられる。

図 3.6.7.1 2 層 Blu-ray Disc と L1 層の断面図

図 3.6.7.2 L1 層のサイクル性能

この青紫色レーザに適する ZrO2 系材料の界面膜が開発されたことにより、規格を満たす書換形 2 層 Blu-ray
Disc メディアが実現されている。
（児島 理恵）

参考文献(1) 胡桃沢利光、高尾正敏、木村邦夫、長田憲一：“光ディスク用耐熱保護層の開発、”第 35 回春季応用物
理学関係連合講演会 講演予稿集、28p-ZQ-3(1988) 839.
(2) N. Yamada, M. Otoba, K. Kawahara, N. Miyagawa, H. Ohta, N. Akahira and T. Matsunaga:“Phase-Change Optical Disk Having a Nitride Interface Layer,” Jpn. J. Appl. Phys. 37(1998)pp.
2104-2110.
(3) R. Kojima, T. Nishihara and N. Yamada: “New dielectric material, zirconium oxide-based film, for
an interface layer of a phase-change optical disk,” E*PCOS05 Technical digest (2005) programme7.
(4) T. Nishihara, R. Kojima, N. Miyagawa and N. Yamada: “High-Transmittance Phase-Change Media
with TiO2 Film for Rewritable Dual-Layer Blu-ray Discs,” Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005)
pp.3037-3041.

－215－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

3.7 光メモリに望むこと
3.7.1 概要
本節では、ユーザーの立場から光メモリへの要望をいろいろな分野の方に執筆いただいている。2005 年度
は、「３ 光メモリ・情報処理」章の執筆者の方にも光メモリに望むことのコメントをいただき、「3.7.6 各要
素技術に望むこと」としてまとめた。
(1) アーカイバー信頼性と寿命評価
大容量ハードディスクや小型半導体メモリが一般化した現状では、光メモリのアーカイバル性は重要な特徴であり、e-文書法施行による書類の電子化保存の寸心などにより、今後もさらに重要になるものと考えられる。近年の光ディスクは一層高密度化、高速記録化およびメディアの多様化が進んでいるため、これらの高性能光ディスクのアーカバイル保存特性を明らかにする必要がある。光メモリの信頼性、寿命に関する研
究はまだ少なく、今後の研究推進が望まれる。
(2) 医療における光メモリの現状および今後の展望
最近では、医療用画像保管だけではなく、光ディスク関連技術を医療の質向上に適用する例が報告されている。例えば、ゲノム解析に光ディスク技術を応用したものや医療情報と個人情報を分離しセキュリティ強化のために、幅広く光ディスク技術を医療に応用した例が報告されている。光メモリはアーカイブのための記録媒体として必要不可欠のものであるので、早期にハードディスクと同程度の記録密度、転送速度を実現することが望まれる。
(3) ディスプレイから見た光メモリ
テレビの高精細化、大画面化がすすみ、データ量が膨大に増えている。そのため、画像の記録装置としての光メモリには、記録容量の増大が不可欠であり、記録に伴う D-A/A-D 変換における画質劣化、圧縮に伴う信号欠落を避けるための高画質記録技術が必要となる。近年の大画面フラットパネルディスプレイでは、ディスプレイごとにデバイス特性が大きく異なるめため、ディスプレイで高画質画像を表示するためには、できる限り元の信号に近い信号を再生することが望まれる。D-A/A-D 変換や画像圧縮技術の一層の進歩が重要である。
(4) パッケージメディア－将来予測
パッケージメディアは、安価に大量生産可能な手法して広く用いられてきた。次世代光メモリでは、1)デ
ィスクに入れるコンテンツ、2)ネットワーク配信との競合、3)ROM ディスク大量生産手法の確立、などの課題がある。CD, DVD など ROM 型ディスクを核として発展してきた光メモリのビジネスモデルを次世代光メモリに当てはめるのは難しい状況にある。追記型ディスクへのネットワーク配信を前提とした新しいビジネスモデルを構築する必要がある。
(5) 各要素技術に望むこと
光メモリに要求されることは、高密度、高速転送レートはもちろんのこと、ハードディスクに対する利点－216－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を明らかにするために、可搬性、長期保存性を確立することが重要である。また、様々な機器への組み込みを考えると、小型化、駆動機構をなくすことも重要なる。光のもつ特性（波長、偏光、干渉性など）を利用
した新しいメモリの開発が望まれる。次世代光メモリでは、これまでの光メモリには捕らわれない新しいビ
ジネスプランも重要である。
（川田 善正）3.7.2 アーカイバル保存のための信頼性と寿命評価
e-文書法施行による書類の電子化保存の推進やデジタル放送の実用化による大容量デジタル情報に対してデジタル情報のアーカイバル保存の要求が高まっている。光ディスクの信頼性は、音楽 CD の市場投入後 20年を経て、その健在性が実証されているが、近年の光ディスクは一層の高密度化、高速記録化及びメディアの多様化が進み、これらの高性能光ディスクのアーカイバル保存特性は、未だ明確にされておらず、その解明に期待が高まっている。
光ディスクの信頼性に着目した研究は、光ディスクの市場導入時期の 1980 年代半ばから CD や光磁気ディスクに対する研究が開始されている。1990 年代には CD-R の急速な普及が進み、米国において、写真フ
ィルム画像を電子画像として保存する光ディスク媒体を対象にした信頼性研究が組織的に進められた。その研究結果は、2002 年からの「CD 光ディスクの期待寿命推定の測定法」に関する一連の国際標準規格（以後、ISO 規格と称す）1-3）として報告されている。
ISO 規格で取り扱う信頼性寿命は、物理的要因による光ディスクの再生寿命である。
その寿命劣化要因は、記録膜を構成する機能薄膜の特性が劣化することであり、その劣化は酸素や水分の拡散などによる化学的反応がその原因と推察される。このように劣化原因が反応速度論に従う場合には、与えたストレスと反応速度の関係をアレニウス法やアイリング法として取り扱い、加速試験による評価が行なえることは広く知られている。アレニウス法は、高温ストレスでの劣化速度から実環境温度時の寿命を予測することができ、高密度
光ディスクへの適用例が報告されている 4-6）。一方、ISO 規格では、温度と湿度のストレスを考慮したアイ
リング法を用いて評価することが規定されている。この測定法にもとづいた光ディスク信頼性に関する報告もなされ始めている。国内においては、DVD 光ディスクのアーカイバル特性について実験的に解明することを試みた報告 7、8)や記録・再生特性に注目した記録寿命評価の報告 9）が行われている。
さらに、本年度より“光ディスクの長期使用のための取り扱い方法”に関する規定についても ISO TC171
委員会にて審議が開始されており、今後の審議動向が注目される。
（入江 満）

参考文献(1) ISO18921:“Imaging materials – Life expectancy of information stored on compact discs (CD-ROM)– Method for estimating、 based on effects of temperature and relative humidity、” (2002).
(2) ISO 18925：“Imaging materials – Optical disc media- Storage practices、”(2002).
(3) ISO 18927：“Imaging Materials – Life Expectancy of Information Stored on Recordable Compact
Disc Systems – Method for Estimating 、 Based on Effect of Temperature and Relative
Humidity、”(2002).

－217－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(4) 長期保存のための光ディスク媒体に関する調査研究、 (財)デジタルコンテンツ協会 (2004).
(5) 長期保存のための光ディスク媒体の開発に関するフィージビリティスタディ、 (財)デジタルコンテンツ協会 (2005).
(6) 渡辺篤美：“長期保存用 DVD ディスクの寿命評価法、” 日本信頼性学会誌、 27、6 (2005) 400.
(7) 入江満、沖野芳弘：“デジタル画像保存のための光ディスクの統計的寿命推定、”第１回デジタルコンテ
ンツシンポジウム講演予稿集、 3-1 (2005).
(8) Y. Okino、 M. Irie and T. Kubo：“A New Approach for Estimating the Life Expectancy of Optical
Disk for Digital Archival Storage、”Jan. J. Appl. Phys.、44、 5B (2005) 3513.
(9) 入江満：“国際標準における光ディスクの期待寿命推定法、”日本信頼性学会誌、 27、6 (2005) 392.

3.7.3 医療における光メモリの現状および今後の展望
従来から医療画像を光ディスクに記録することが行われてきた。最近では医療用画像保管だけではなく、光ディスク関連技術を適用することにより、医療の質を向上させることができると考えられている。例えばゲノムの解析に光ディスク技術を応用した事例があり、さらには医療情報と個人情報との切り分けなど、セキュリティ強化のために、幅広く光ディスク技術を医療に取り入れる傾向が見られる。

(1) 病院内の医療画像保管
図 3.7.3.1 は、病院内における医療画像保管とネットワークを示すブロック図である。

診断機

院内LAN

放射線科

画像保存

サーバ

院内端末

光ディスク配布端末

図 3.7.3.1 病院内ネットワークと画像保管システム
院内ではＨＤＤ（固定磁気ディスク装置）を用いたサーバ装置に診療録などの情報が保管されている。光
ディスクの役割はＰＤＩ（Portable Data for Imaging）と呼ばれる可搬媒体として画像配布に用いられる。
(2) ゲノム解析用光ディスク技術
ＤＮＡマイクロアレーとして、円盤状の「ＤＮＡマイクロディスク」を用いることによって、スポッティ
ング、ハイブリタイゼーションから蛍光観測に至るすべての過程を高速化し、信頼性が高くかつ安価な遺伝－218－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
子発現一貫計測システムを実現することが究極の目標とされている。
(3) 最後に現在のところ光ディスクの記録密度は、ＨＤＤに追いつけない状況が続いている。しかしＨＤＤは消耗品であるのでアーカイブとしての記録媒体は必ず必要である。早期にＨＤＤと同程度の記録密度、転送速度を有する可搬媒体の開発が望まれる。
（今中 良一）

参考文献(1) 杉浦忠男：次世代ＤＮＡマイクロアレー計測技術、ＢＭＥ、18 巻、3 号

3.7.4 ディスプレイから見た光メモリ
プラズマディスプレイ(PDP)の登場から始まり、液晶(LCD)の高画質化により加速されたフラットパネル
ディスプレイ(FPD)のテレビ分野での急成長は、ブラウン管(CRT)の物理的限界（容積、重量）により止まっていたテレビの画面サイズを再び拡大させ始めている。もちろん、世界的な放送のデジタル化と高精細化(HD 化)が、より大画面で高画質なテレビの需要拡大の大きな原動力になっていることは言うまでも無い。
テレビの画面サイズの拡大には、より高精細で高画質なディスプレイの必要性は当然ながら、表示する画
像信号もそれに見合ったものが必要とされる。画像の記録装置としての光メモリには、記録容量の増大とともに、記録に伴う D-A/A-D 変換における画質劣化や、圧縮に伴う信号欠落をいかに避けるかと言う、高画質記録技術が必要とされる。動画表示を行うには、そのままでは非常に大きなデータ容量が必要なため画像信号の圧縮は避けて通れない技術であり、画像信号圧縮技術が記憶容量の増大と同等、もしくは同等以上の価値緒持つ。光メモリに対しては、よく記憶容量や、記録の信頼性、記録媒体の寿命などが要求事項として挙げられるが、テレビ表示のディスプレイにとっては、画質に関る D-A/A-D 変換や画像圧縮技術の面での一層の進歩がより重要と考える。
(1) ディスプレイの高精細化と大画面化
デジタルハイビジョン放送の普及拡大に伴い、従来の XGA クラス（768 line 表示）
から Full HD 仕様（1080
×1920 画素）のディスプレイへの移り変わりが始まっている。30 型以上の LCD では、ほとんどのサイズ
で Full HD 化が始まり、導入が遅れていた PDP でも、60 型以上の市場投入が既に始まり、2006 年度中の50 型や 40 型クラスの製品化が検討されている。家庭でのテレビの視距離は 2ｍ程度が一般的だと考えられるが、ハイビジョン放送の最適視距離、言い換えれば画面の視角が一番広く取れ画素が認識されない最短距
離（視力 1.0 の人の分解能とされる視角 1 分より 1 画素の視角が小さく保てる最短距離）は、画面の高さの3 倍程度とされており、2ｍの視距離でこの条件を満足できるのは 55 型までのサイズとなる。また、2ｍ未
満の視距離も実在するが、この場合は Full HD 仕様でも 55 型では画素の粗さが見えることになる。一方、
50 型や 60 型の PDP の販売が急成長していることから、現実にこのような条件でテレビが見られており、Full HD 仕様の需要はますます増大してくると考えられる。
テレビの大画面化は 55 型程度までという見方はあるものの、より大画面へ拡大続けるという見方もあり、－219－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
今後 10 年で、70 型程度まで大画面化することも視野に入ってくる。このため、より高精細なディスプレイ
の要求は、ソフトの問題はあるもののいずれ顕在化してくると考えられる。ただし、現在 2000 line クラスのディスプレイや 4000 line クラスの Super ハイビジョンがすでに方式提案されているが、ここ 10 年で一般化することはなさそうである。
(2) ディスプレイと光メモリの高画質技術
ディスプレイと光メモリの間には、時として相性の悪さが存在する。高画質といわれる FPD と高画質の光メモリで再生を行っても、必ずしも最高の画質が得られるとは限らない。これは、テレビとしてのディスプレイが放送信号や特定のソフトを用いて画質最適化されるのに対し、光メモリは特定のディスプレイに対し最適化される事が多い。このとき、それぞれの最適化のベクトルがあっていないとおかしな画質になってしまう。デジタル放送信号がそのまま光メモリに記録される場合は上記の問題は起きないが、一度アナログ変換された後に再度デジタル記録した場合（D-A/A-D 変換）や、データ容量を圧縮した場合には起こりがちである。ディスプレイからの要望としては、出来る限り元の信号に近い信号を再生することが望まれ、特定のディスプレイに最適化することは、テレビ用ディスプレイと言えば CRT のみでデバイス間の特性の違いが余り問題にならなかった時代ではなく、ディスプレイごとにデバイス特性が大きく異なる FPD が主流と成った現在は、避けた方が無難である。画像圧縮に伴うブロックノイズや、モスキートノイズと呼ばれる量
子化ノイズは特に大画面になるほど目立ちやすい。また大画面では画面全体でなく。画面の一部のみを注視する事が多くなるため、画面全体の階調が 8 ビット（256 階調）あっても十分ではなく 10 ビット以上の階調が必要とされるなど、安易なデータ圧縮は行えない。最近の PDP、特に Full HD 仕様の PDP では、ハイビジョンの動画映像でカメラマンのフォーカスの技量までが見えるような状況になってきており、画像信号が非常に忠実に再現できるようになってきている。
光メモリなどの記録メディアに望むことは、元画像を出来る限り忠実に再現できる記録容量と、D-A/A-D
変換を行う場合は、帯域を広く取り極力信号に色付けしないことである。
（打土井 正孝）

3.7.5 パッケージメディア-将来予測(1) パッケージメディアの歴史
レーザディスクが市場導入されて以来、ROM 形ディスクが民生市場に出版物として投入されてきた。
CD 以降、民生用プレーヤの大量生産による部品単価ダウンを利用して、PC ドライブのコストダウンも急速に進んだ。PC ドライブの普及に応じて、記録形ディスクもファミリー展開された。特に追記形ディスクは、ディスクの価格が下がりさらに使用が促進されるという好循環が進んだ。現在市場の大半のディスクは、CD系、DVD 系となっている。この ROM 形ディスクを核としてファミリー展開をするビジネスモデルは、ブルーレーザを用いた次世代光ディスクまでは維持されている。その後の次々世代以降に同じ展開が可能かどうかを本項では議論したい。
(2) 次々世代光ディスクに入れるコンテンツ
次々世代メディアに記録するキラーコンテンツがあるのかは、出版物を訴求する ROM 形メディアにとっ－220－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）て大きな課題である。放送は、HD 映像がやっと普及を始めたところであり、欧州、中国、ロシア、南米の
地上波 HD 放送の規格を決めるのはこれからである。一方で、ハリウッドは、デジタルシネマを推進しており、4K*2K のコンテンツが期待できる。テレビも、大形フラットパネルは 2010 年を越えれば 4K*2K 対応が可能と考えられる。このテレビと、パッケージメディアやブロードバンド配信による超高画質映像を組み合わせたビジネスが考えられる。一方で、大容量 50GB が記録できその上の 4 層で 100GB 可能な Blu-ray
方式であれば、この 4K*2K のコンテンツも記録できる。次々世代メディアを待たなくても次世代メディアの範疇で実現可能かもしれない。では、その先の次々世代用の新たなキラーコンテンツがあるかという問いには、現在は候補が見えていない。
(3) 競合するネットワーク配信
ネットワークビデオ配信は、ブロードバンドインターネットの環境が整うにつれて種々のトライアルが始まっている。総務省のインターネット利用者数統計資料から推定すると、2010 年には国内の FTTH 利用者
が 2000 万人を越えると考えられる。ネットワーク上での著作権保護も DTCP-IP が決まり、音楽配信と同じようにビデオ配信が進むと考えられる。そのような時代に、ROM による出版物が高い付加価値を持って存在しえるのかどうかが、大きな課題と考えられる。
(4) 低コストな大量複製メディアの可能性
CD、DVD、Blu-ray/HD-DVD と熱転写射出成形による ROM 形出版メディアが市場に提供されてきた。
この ROM 形メディアは、4-5 秒サイクルで安価なポリカーボネイト基板を用い生産可能である。短期間に低コストで出版物を提供するというニーズにマッチして、大量生産されてきた。NA1 以上の SIL を用いた
ディスクシステムを除き、短時間にローコストで大量生産できる次々世代の ROM メディアはまだ確立されていない。前記 SIL システムも、500GB～1TB という容量には達していない。残念ながら、現時点ではローコスト ROM 形ディスクを核とした次々世代メディアシステムの候補は無い。
(5) 最後にコンテンツ、ネットワーク配信、ROM 形次々世代メディアの可能性という観点で次々世代メディアの可能性を探ってきた。CD、DVD、Blu-ray/HD-DVD という ROM 形ディスクを核としたビジネスモデルを次々世代メディアにそのまま当てはめるのは、難しい状況にある。追記形ディスクへのネットワーク配信を前提とした民生、PC システムといった異なる形のビジネスモデルを、光ディスク業界として考える必要があるのではなかろうか。
（横川 文彦）－221－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
3.7.6 各要素技術に望むこと
2005 年度の報告書では、「３ 光メモリ・情報処理」の各節を執筆いただいた方に、光メモリに望むことに対するコメントをお願いした。それをまとめると次の通りである。
(1) 要求される特性・高密度(>200Gbyte, 100GB―1TB)

・高転送レート (>200-300Mbps, 数 100M―数 Gbps)
・長期保存性（アーカイブ特性） （80 年以上、人間寿命程度）
・可搬性（リムーバビリティ）
・下位互換性・小型化―回転メカニカル機構からの脱却, 円盤状でない小型軽量のメディア
・材料の低コスト
・感度、高検出 SNR フォーカスサーボ方式の研究
・光の特性の利用-波長、偏光、干渉性
・追記型で十分密度としては数 100GB から 1TB、転送レートとして数 100M―数 Gbps があげられている。現状では、
記録容量、転送レートともハードディスクを下回っているため、光メモリの特徴として、長期保存性（アーカイブ特性）と可搬性（リムーバビリティ）を重視する必要があるとの意見が多かった。長期保存性では、人間の寿命程度として 80 年程度の値があげられていた。また、回転機構をなくし、小型化する必要性をあげた方が多かった。
(2) アプリケーション
・業務用機器アーカイブ、民生用 HD コンテンツ対応ストレージ・HD のバックアップ、デジタルシネマ(2k*4k)の保存
・匿名性－個人情報を入力することなくデータを取得可能
アプリケーションとしては、HD のバックアップ、高精細画像の配布をあげる方が多かった。また、ネットワーク配信が普及してもデータを入手するには個人情報を登録・入力する必要があるため、販売店で簡単に買えるメディアは、匿名性の上で重要であるとの指摘があった。
(3) 今後望まれること－高収益なビジネスプラン
ハートディスクは大容量の記録媒体として低ビット単価を実現し、半導体メモリは高ビット単価であるが、高速アクセスと容易なインターフェースによって成功している。次世代光メモリでは、この図式を崩すような高収益ビジネスプランを望みたいとの意見があった。
（川田 善正）－222－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

4. ディスプレイ－223－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

4. ディスプレイ
4.1 はじめに2005 年は日本国内での液晶ディスプレイ（LCD）やプラズマディスプレイ（PDP）などの FPD（フラットパネルディスプレイ）テレビの販売台数が、従来のブラウン管テレビの販売数を超えた。また、世界においても同様の状況がここ数年に迫ってきているなど、テレビの FPD への移行がより明確になった。これは、より大画面、高画質と言う市場の要求に対しようやく FPD の技術進歩が追いついてきた結果とも言え、最近の技術進歩の寄与が非常に大きい。また、携帯電話における動画配信や、TV 受像なども進展していることから、大画面の分野だけでなく動画表示がディスプレイの全分野でより重要になってきている。
2006 年は、テレビ用途における、LCD と PDP の競合の激化に加え、試作では実現できている SED や有機
EL の大画面テレビの実用化も期待されており、これらがどうなって行くか、その技術がどうなるかは非常に興味深い。
生産量では、設備投資戦略で、韓国、台湾に追い越されたディスプレイの分野ではあるが、技術開発では、
いまだ世界のトップを争っており、今後の技術オリエンテッドでの産業復活を期待する見方もある。
今年度の報告は、LCD、PDP、有機 EL、FED、電子ペーパ、プロジェクションディスプレイ、立体ディ
スプレイ、無機 EL の各分野の技術進展をまとめ、技術トピックスとして、動画、色再現の改善動向と動画評価技術を挙げた。
2005 年 3 月 25 日より、日本国際博覧会（通称「愛・地球博」）が、愛知県東部丘陵で開催され、大成功を収めた。この中で、最新の技術を集めた超大画面表示による展示も行われた。超大画面表示分野における最新技術ということで、そのいくつかをトピックスに取り上げている。
ディスプレイの分野では、LCD や PDP、有機 EL などデバイスごとの特性が大きく異なるばかりではな
く、それぞれのデバイスごとの発光メカニズム、構造、主要材料、作製プロセスなどの主要技術も大きく異なっているため、デバイス間での技術比較は非常に難しい。それぞれの分野の技術動向の把握も、それぞれの分野の専門家によるものとなることもデバイス間の技術比較を困難なものにしている。また、電子ペーパ
や立体ディスプレイ、プロジェクションディスプレイと言う、必ずしもデバイスに限定されない用途分野も存在するが、これらの分野における動向調査も、用途ごとの専門家によるものとなる。本報告が、分野ごとの技術動向の寄せ集めになっていることは、あらかじめ指摘しておく。
また、欧米を含む半導体メーカーの画像処理チップの性能が大きく上がってきたとはいえ、テレビ画質と言う面では、日本の技術先行には大きなものがあり、大きな進歩も示している。テレビの画質と言う分野では、大学や研究機関などデバイスを持つ企業を離れた部門に専門家がいないため、公平な立場で技術動向が報告できず、本報告では十分取り上げられなかった。
うち どい（打土井 正孝）－223－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

4.2 電子ディスプレイデバイス
4.2.1 LCD
(1) 高速応答化、動画対応技術
2005 年は、TFT-LCD のホールド型表示に起因する動画視認性課題の改善方法として、擬似インパルス表
示方式に加えて、表示のフレーム周波数を上げる技術が多数発表された。また、大型 TV 用 LCD 向けに開発されてきた高速応答化、動画質向上技術が、PC モニターやモバイル用ディスプレイへも拡大展開が始まる兆しがみえた年でもあった。
TFT-LCD の動画視認性おける画像のボヤケは、よく知られている様に次の 3 つの要因による。
①液晶分子自体の動きの遅さ、②液晶誘電異方性による画素充電不足（過剰）、③ホールド型表示方式①の液晶分子自体の応答速度と②の画素充電課題については、液晶材料の低粘化と種々のオーバードライ
ブ手法の開発により改善が進み、VA（Vertical Alignment）モードや IPS（In-Plane Switching）モードの広視野角モードにおいても、中間調応答を含めて 1 フレーム以内の応答が昨年までに達成されている。今年の材料的な進展としては、VA モード用のｎ型液晶材料として新規なインデン骨格構造をもつ液晶化合物についての報告があった 1)。フッ素置換インデン誘導体は従来材料に比べて、∆ε が大きい割には粘度γ1 が比較的小さく、透明点が高い特徴を持っており、VA モード LCD の液晶応答時間短縮に有用である。
③のホールド型表示による動画ボヤケ改善に対しては、フレーム間に黒表示を挿入したり、バックライト
を点滅スキャンすることで擬似インパルス表示を行なう技術が今年も引き続いて発表および展示された。さらに今年は、フレーム周波数を通常の 60Hz から 2 倍の 120Hz に上げることによる動画ボヤケ改善技術の発表、展示が相次いだ。
まず、擬似インパルス表示に関しては、OCB モードの弱点であった黒挿入による透過率低下、コントラス
ト低下課題を、スキャニングバックライト技術を導入し（図 4.2.1.1）、種々のパラメータを最適化することにより大幅に改善した報告がなされた 2)。これにより、32 型パネルにおいて、コントラストが 100 以上向上、
また透過率、消費電力も大幅に向上している。高速モード設定においては、MPRT が 6.5ms（いずれの階調
間の N-BET 値もほぼ同じ：図 4.2.1.2 と現在の液晶 TV においては最速のものが得られている。OCB モードについては、黒挿入駆動によるベンド配向安定化メカニズムに関しても報告された 3)。また、バックライ
ト点滅による輝度低下を補うために、CCFL 管に替えて発光効率の高い HCFL 管を使う提案も行なわれている 4)。

図 4.2.1.1 黒挿入とバックライト点滅タイミング

図 4.2.1.2 階調間応答（MPRT）－224－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
フレーム周波数を上げる取り組みに関しては、10 月に行なわれた FPD インターナショナル展示会においても多数の展示がみられた。一般に、フレーム周波数を２倍にして元の画像信号を倍速で書き込むだけではホールド表示による動画ボヤケは改善されない。ボヤケ感の改善には、フレーム間に動き補正を加えた補間
画像を作成し、挿入してやる必要がある。このため、展示における表示画像はアニメーションや静止画のス
クロール画像がほとんどであり、一般のビデオ信号の画像補間処理にはまだ難しい問題があるのが現状である。60Hz から 120Hz の補間画像を形成するための簡易的なアルゴリズム提案も行なわれている 5)。
難しい補間画像作成の問題を回避する方法として、60Hz 表示の 1 つのフレームを前フレームと後フレー
ムの 2 つに分け（実質 120Hz）、2 つのフレームを用いて階調表現を行う方式が発表された。この方式では 0～50％の明るさまでは、120Hz の一方のフレームで階調表示し、もう一方のフレームでは黒表示を行う 6,7)。
そのため、低階調領域では実質的に黒挿入表示となり、動画視認性が改善される（図 4.2.1.3,図 4.2.1.4）。この方式は明るい高階調域では動画質改善効果がなくなるが、黒挿入による輝度低下もなくなるというメリットもある。また、VA モードに適用することで、中間調における視野角白浮き改善効果が得られることも報告されている。

図 4.2.1.3. 60Hz(a)と 120Hz(b)の動画像イメージ

図 4.2.1.4 フレーム分割表示の概念図

また、FPD インターナショナル展示会においては、オーバードライブ技術を PC モニター、産業用モニタ
ー、携帯電話等へ応用した展示が多数みられた。その中で、CAD 用モニターにおいて液晶の立上りと立下りの応答速度差によって発生する wire-frame フリッカやラインディミング現象を、連続した 3 フレームのデータを比較して画像を判断し、あらゆる輝度変化の場合を考慮した 2 つのテーブルのいずれかを選択する制
御で改善する技術発表が注目される 8)。
その他、LCD の高速応答化に関するものとしては、狭セルギャップのホモジニアス配向 ECB モードでOCB モードに近い高速応答が可能であり、フリンジ電界による配向分割および光学補償により広視野角化の可能性を示した発表が注目される（図 4.2.1.5）9)。

－225－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.2.1.5 高速 ECB モード（NCB）配置図

図 4.2.1.6 動画輪郭強調時の光学応答波形

LCD プロジェクターの分野では、LCOS 反射型の VA モードにおいて、2µｍ以下の狭セルギャップで、立上りと立下り合計で２ｍｓ程度の応答が実現できることが報告されている 10,11)。画像処理関連では、主観評
価の結果をもとに、オーバードライブ量を過剰に設定して動画部分の輪郭強調を行なうことで、動画質を改善する技術も興味深い（図 4.2.1.6）12)。
（分元 博文）参考文献(1) Matthias Bremer “Recent Liquid Crystal Material Development for VA-TFT”, IMID05 Digest,
pp.1067-1670(2005).
(2) Kazuhiro Nishiyama, Mitsutaka Okita, Seiji Kawaguchi,Kentaro Teranishi, Ryujiro Takamatsu“32" WXGA LCD TV using OCB Mode, Low Temperature p-Si TFT and Blinking Backlight
Technology”, SID05 Digest, pp.132- 135(2005).
(3) Tetsuya Kojima, Tetsuya Miyashita, Tatsuo Uchida, Kenji Nakao, Hirofumi Wakemoto “Bend State
Stability with Dynamic Driving in the OCB Panel “, IDW05 Digest, pp.37- 40(2005).
(4) A. A. S. Sluyterman and E. P. Boonekamp ”Architectural Choices in a Scanning Backlight for Large
LCD TVs”, SID05 Digest, pp.996-999 (2005).
(5) Taiichiro Kurita “Motion-Adaptive Edge Compensation to Decrease Motion Blur of Hold-Type
Display”, SID05 Digest, pp.1586-1589 (2005).
(6) B.-w. Lee1, K. Song, D.-j. Park, Y. Yang, U. Min, S. Hong, C. Park, M. Hong, and K. Chung“Mastering the Moving Image: Refreshing TFT-LCDs at 120 Hz”, SID05 Digest, pp.1583-1585(2005).
(7) N. Kimura, T. Ishihara, H. Miyata, T. Kumakura, K. Tomizawa, A. Inoure, S. Horino and Y. Inaba“New Technologies for Large-Sized High-Quality LCD TV” , SID05 Digest, pp.1590- 1593(2005)(8) Seung-Woo Lee, SuHyun Kwon, Myeongsu Kim, Jun Souk, Sang Soo Kim “Improved Technology
for Motion Artifact Elimination in LCD Monitors: Advanced DCC”, SID05 Digest, pp.14961499(2005)(9) T. Ishinabe et al. “Novel High Performance LCD: Nematic Compensated Birefringence Mode－226－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(NCB-mode) with Wide Viewing Angle and Fast Response”, Euro Display 05, 8.3 (2005).
(10) S. Hashimoto, O. Akimoto, H. Ishikawa, T. Kiyomiya, T. Togawa, and T. Isozaki, H. Abe1, M. Nakai,
H. Terakawa, H. Horikiri, T. Ishii, and M. Kogure “SXRD (Silicon X-tal Reflective Display); A New
Display Device for Projection Displays”, SID05 Digest, pp.1362- 1365(2005)(11) James E. Anderson, Cheng Chen and Philip J. Bos “Fast VAN LCoS Microdisplay”, SID05 Digest,
pp.1366- 1369 (2005)(12) M. Baba, G. Itoh, H. Okumura “Software-Processed Edge and Level-Adaptive Overdrive (SELAO)
Method for High-Quality Motion Picture” , SID05 Digest, pp.1492- 1495(2005)(2) 色再現性の改善技術の進展
色再現性改善技術について、次の 3 つの観点、（1）表色範囲拡大に関する色再現性、（2）視野角に対する色再現性、（3）階調に対する色再現性、に分類して報告する。2005 年は、（1）の色再現範囲を拡大した液晶テレビが相次いで製品化された。特に、これまで色再現範囲拡大に圧倒的優位とされてきた青・緑・赤の発光ダイオードバックライト（LED-BL）ではなく、発光ピークを改良した冷陰極管 BL（CCFL-BL）が用いられていることが特筆される。現状のテレビ放送規格において、LED-BL の広い表色範囲に対応するコンテンツが普及していないこと、コスト、消費電力の面で CCFL-BL に優位性があること、等が理由として挙げられる。なお、2005 年 10 月に、IEC（International Electrotechnical Commission 国際電気標準会議）
で、動画用の広色域色空間規格 xvYCC（現在のテレビやビデオで使われている動画色空間規格と静止画で使われている拡張色空間ｓYCC 規格を基に定義された広い色空間規格）が承認されたことから、熱陰極管 BL（HCFL-BL）や LED-BL を用いた色再現範囲拡大技術に関する開発は、今後も活発化すると予想される。
(a) 表色範囲に関する色再現性
シャープからは、従来の青・緑・赤（610nm）の波長に、深紅（660nm）の発光ピークを有する 4 波長
CCFL-BL を用いて赤の色再現性を向上した製品 1）、さらに、この 4 波長 CCFL-BL に赤色 LED(630nm)を組み合わせたハイブリッド・バックライト・システムを搭載し、NTSC 規格(National Television Standards
Committee が定めた放送規格の色再現範囲。現在の放送規格は 72％。) に対して 95％を達成した製品 2）が発表された。LED と CCFL の 2 系統を使っても、RGB の LED のみを用いるよりもコスト、消費電力に優位性がある、また、輝度寿命の違いを考慮し、白色の色合いが変化しない設計としている、と報告された。
ソニーからは、赤と緑の蛍光体を新規に開発した CCFL-BL を用いて真紅や深緑の色再現範囲を拡大し、
NTSC 比 91％を達成した製品 3）が発表された。また、この製品に関連すると考えられる新規蛍光体を用いた BL について、青の色再現性を向上するために青色カラーフィルターの透過スペクトルを最適化し、NTSC
比 92％を達成する技術が報告された 4）。その他にも、多原色化によって色再現範囲を拡大する報告が活発に見られた。主な報告についてまとめた結果を表 4.2.1.1 に示す。なお、基準となる表色範囲や色度座標系がそれぞれ異なっており、単純な比較は難しいため、基準の色域と色度座標を図 4.2.1.7 に示す。

－227－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 4.2.1.1 主要な色再現範囲拡大技術の発表
発表機関
シャープ 1)座標系
xy

色再現範囲拡大効果、および技術の特長
深紅(660nm)の発光ピークを有する 4 波長 CCFL-BL で赤の色再現範囲拡
大。
NTSC 比 95%。4 波長 CCFL-BL と赤色 LED(630nm)を用いたハイブリッ
ド・バックライト・システム。

シャープ 2)xyソニー3)4)xy

三菱電機・
NEC-三菱 5)6)xy

Philips7)

u’v’

EBU 比 122％。発光ピークが異なる 2 組の HCFL-BL を 120Hz で交互に発光させる 6 原色。液晶パネルのデータ信号を発光と同期させる。

Philips8)

u’v’

緑とマゼンタの 2 色 CF を用いた 2 フィールドシーケンシャルで 4 原色。
RGB の 3 色 LED を用いて、G のみ交互発光する。

Philips9)

u’v’

Samsung
Electronics10）xy

従来比(ほぼ EBU)100%超。シアンとマゼンタの 2 色 CF と RGB3 色 LED。
G+B、G+R の 2 フィールドシーケンシャルで 4 原色。色割れの副作用を低減できる。
NTSC 比 99.1％。6 原色。RGB+CMY の 6 色 CF と CCFL-BL。シアンとイエローは CCFL のサブピークを利用。

NTSC 比 91% 。新規蛍光体により、赤と緑の色再現範囲を拡大した
CCFL-BL。
SRGB 比 170％。LED-BL（2 組の RGB）による 6 原色。2 組を交互に発光。
それぞれの光量を個別に検知し、LED の温度変化による光量差を随時補正。

0 .8

0 .7

EBU
NTSC
sR G B

0 .6

0 .6

0 .4

v'

y

0 .5
0 .4
0 .3

0 .2
0 .2

1931ｘｙ

0

0

0 .2

0 .4
x

0 .6

1 9 7 6 u ’v ’

0 .1
0 .8

0

0 .1

0 .2

0 .3
u'

0 .4

0 .5

0 .6

図 4.2.1.7 色度座標系と色空間規格の比較(b) 視野角に対する色再現性
VA モードでは中間調、IPS モードでは黒表示と低階調における視野角特性を改善する技術が報告された。
前者では、1 フレームの中間調レベルを 2 つのサブフレームに分割して駆動する 120Hz の倍速駆動により、動画特性と同時に中間調におけるγ特性の視角依存性を改善する技術がシャープから報告された 11)。また、
Samsung Electronics からは、1 画素を 2 つの領域に分割し、それぞれ独立に TFT 駆動して異なる輝度を表示する 8 分割表示により、中間調の視角依存性を改善した 82 インチの液晶テレビについて報告された 12)。
いずれも、斜め方向から観察した際に生じるウォッシュアウトが低減される。
IPS モードでは、日立グループから、透過率を大幅に向上する新規なセル構造（IPS-Pro）と二軸性の位相差フィルムを用いて、黒表示の際に生じる斜め方向の光漏れと色づきを同時に改善する技術が報告された13)。また、Chonbuk National University と LG-Philips LCD の共同研究では、黒表示における斜めからの色づき、光漏れの非対称性が発生する要因について、液晶分子のプレチルト角を考慮して解析し、非対称性－228－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を低減する設計指針が報告された 14)。University of Central Florida からは、液晶分子の傾き角度とカラー
シフトの影響について解析し、30°という大きな傾き角が有効であるという結果が報告された 15）。
(c) 階調に対する色再現性
白色点の色度が階調(輝度)によって変化してしまうカラートラッキング現象に関し、セル構造の最適化と信号制御による改善技術が報告された。前者では、Chonbuk National University から、負の誘電率異方性を持つ液晶を用いた FFS（Fringe-Field Switching）モードにおいて、従来の IPS モードよりも大きなリタ
デーション値で最適化し、トレードオフであった高透過率とカラートラッキング低減の両立を図る報告があった 16）。後者では、Apple から、ノート PC に搭載されている TN モードのγ特性を最適化し、カラートラ
ッキング、視野角特性、及び応答特性を改善するアルゴリズム 17)、静岡大学から、表示の経時変化と加法混
色の不完全性、及びカラートラッキングによって生じる色差を低減するアルゴリズムについての発表があった 18)。また、RGB 原色の色純度が低階調で低下するために生じる表色範囲の縮小化に関して、日立から、液晶パネルに入力される画像に合わせて RGB-LED の光量を独立に制御し、低階調時の表色範囲縮小化を改
善し、色再現精度を向上するとともに実効的なコントラストを大きく改善する技術が報告された 19)。
（内海 夕香）参考文献(1) シャープ株式会社ニュースリリース 2005.6.3。http://www.sharp.co.jp/corporate/news/050603-a.html。
(2) シャープ株式会社ニュースリリース 2005.9.20。http://www.sharp.co.jp/corporate/news/050920-a.html。
(3) ソニー株式会社プレスリリース 2005.9.14。http://sony.co.jp/CorporateCruise/Press/200509/05/0914C/。
(4) T. Igarashi et al., “ A New CCFL for Wide Gamut Color LCD-TV”, EuroDisplay 2005 Digest, pp.
233-235(2005).
(5) H. Sugiura et al., “Six-Primary-Color 23-in WXGA LCD using Six-Color LEDs”, SID 05 Digest, pp.
1124-1127(2005).
(6) H. Kaneko et al., “Calibration System for Six-primary-color 23-in WXGA Monitor using Six-color
LEDs”, EuroDisplay 2005 Digest, pp. 85-89(2005)(7) M. J. J. Jak et al., “Spectrum Sequential Liquid Crystal Display”, SID 05 Digest, pp.1120-1123 (2005).
(8) S. J. Roosendaal et al., “ A Wide Gamut, High Aperture Mobile Spectrum Sequential Liquid Crystal
Display”, SID 05 Digest, pp. 1116-1119(2005).
(9) E. H. A Langendjk, “A Comparison of three different field sequential color displays”, IDW/AD ’05
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(10) Y-C. Yang et al., “Development of Six Primary-Color LCD”, SID 05 Digest, pp. 1210-1213(2005).
(11) N. Kimura et al., “New Technologies for Large-Sized High-Quality LCD-TV”, SID 05 Digest,
pp.1734-1737 (2005).
(12) S. S. Kim, “The World’s Largest(82-in.) TFT-LCD, SID 05 Digest, pp. 1842-1847(2005).
(13) D. Kajita et al., “Optically Compensated IPS-LCD for TV applications”, SID 05 Digest, pp.
1160-1163(2005).
(14) B. S. Jung et al., “Study on Color Characteristics of a Dark State in the In-Plane Switching (IPS)－229－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Liquid Crystal Cell”, IMID ’05 Digest, pp. 453-456(2005).
(15) R. Lu et al, “3-D Simulations on the Tilt Angle Effect of IPS-LCD”, SID 05 Digest, pp.
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(16) J. H. Song et al., “Color Tracking Analysis of the Fringe-Field-Switching Cell Using a Liquid
Crystal with Negative Dielectric Anisotropy”, Jpn. J. Appl. Phys., 44, pp. 225-228(2005).
(17) G. Marcu, “Color Issues and Solutions for AMLCD Technology”, IDW/AD ’05 Digest, pp.
1805-1808(2005).
(18) M. Takaya et al., “Color Reproduction Method to Reduce Color Difference Caused by Device Drift,
Imperfect Additivity and Color tracking”, IDW/AD ’05 Digest, pp. 1813-1816(2005).
(19) A. Konno et al., “RGB Control System for LED Backlights in IPS-LCD TVs”, SID 05 Digest, pp.
1380-1383(2005).

(3) 視野角改良フィルム技術の進展(a) 光学フィルムの種類
液晶ディスプレイ(LCD)は、薄型、軽量、低消費電力などの特徴から、ノートパソコン、液晶モニタ、液晶テレビ、各種携帯機器(携帯電話、PDA、デジタルカメラ)など、さまざまな機器の表示装置として広く普及している。LCD の課題は、液晶セル中の低分子液晶の屈折率異方性を利用して表示させるため、見る向きに依存して表示の見え方が変わってしまう視野角の問題を有することである。他の方式のディスプレイ、ブラウン管、プラズマディスプレイ、EL(エレクトロルミネッセンス)ディスプレイでは視野角の問題は原理的に生じない。そのため LCD においては視野角改良のための光学フィルムが特に重要な部材の一つになっている。なお LCD の分野では、要求性能、使用環境、経済性に応じて種々のモードが開発され製品化されている。光学フィルムの分野においても、各種 LCD のモードに対応すべく図 4.2.1.8 に示したように多様なフィルムが開発されている。光学フィルムは，製法から延伸フィルムと液晶フィルムに大別できる。
平行配向(ポジティブA)
棒状
液晶

ポジティブA

ねじれ配向

ネガティブC
延伸
フィルム
二軸(Nz係数>1)nｙ
二軸(Nz係数<1)

nx
nｚ

短ピッチ
ねじれ配向
(ネガティブC)

液晶
フィルム

=

ハイブリッド配向(NHフィルム)nx

垂直配向(ポジティブC)

nｚ
nｙ

円盤状
液晶

ハイブリッド配向(WVフィルム)

図 4.2.1.8 各種光学フィルムの断面構造(屈折率分布の模式図)－230－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 各種 LCD モードに対する光学フィルムの適用(i) STN(Super Twisted Nematic)モード
大きなねじれ構造をもった STN- LCD は低コスト、低消費電力などの特徴から携帯機器を中心に用いられている。STN-LCD は複屈折効果を使用するという原理上、色補償が必須である。色補償フィルムとしては大きな位相差(△nd=800nm 程度)が必要であり、ポリカーボネートの延伸フィルムや、高性能フィルムとして液晶のねじれ配向フィルムが用いられている。
(ii) TN(Twisted Nematic)モード
TN セルを用いた TFT-LCD は現在、パソコンモニタ、ノートパソコンなどに用いられている。視野角改
良フィルムとしては、円盤状液晶のハイブリッド配向フィルムが最も広く用いられている。TN セルでは、
図 4.2.1.9 に示したように、電圧オフ時(白表示)で液晶は 90 度ねじれ配向構造、電圧印加(黒表示)でセルの厚み方向ただし電極基板界面は基板の影響を受けて基板に平行に配向した構造を取る。視野角補償の基本はよりコントラスト比に影響する黒表示時に注目して、セル中の液晶配向の異方性を光学フィルムにより打ち消すことである。厚み方向で徐々に傾きの変わるハイブリッド配向フィルムは、液晶セルの上下に配置してその黒表示時における配向構造の異方性を低減させることができる。棒状液晶のハイブリッド配向フィルム(NH フィルム)も同様に視野角補償効果がある。

偏光板
光学フィルム
光学フィルムON

OFF
光学フィルムまたは偏光板
光
OFF (白表示)

ON (黒表示)

図 4.2.1.9 TN-LCD と視野角改良フィルム(iii) ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード
携帯機器においては屋外の明るい環境下でも視認性が良いように、透過モードと外光を利用する反射モードが併用して使える半透過型が適用される場合が多い。半透過型は常時バックライトが点灯する透過型に比べ消費電力の点でも有利である。液晶セルとしては、ねじれが無く一方向に配向したホモジニアス配向セルが用いられ、内部には反射モードに対応するために部分的に反射板が設けられている。光学フィルムとしては、まず両モードでの表示が可能なように、セルの上下に２組の円偏光板(広帯域λ/4 板)を配置する。
（図 4.2.1.10）円偏光板は通常λ/4 板とλ/2 板の積層により得られる。すなわち全部で 4 枚の光学フィルムが必要である。なお、広帯域のλ/4 フィルムを 1 枚で実現したフィルムも開発されている(帝人化成社ピュア－231－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）エース)。しかしながらこれらのフィルムは視野角改良機能を有さない。棒状液晶のハイブリッド配向フィル
ムは、λ/4 板機能を有すると同時にセルの異方性を低減させることができ、λ/4 板と置き換えることにより光学フィルムの枚数を増やすことなく視野角改良を達成している 1)。

透過
エリア

反射
エリア
偏光板

広帯域
λ/4

λ/2
λ/4

ホモジニアス
配向セル
反射板

広帯域
λ/4

λ/4
λ/2
偏光板

バックライト

図 4.2.1.10 半透過モードの ECB-TFT-LCD(iv) MVA(Multi-domain Vertical Alignment)モード
大型の液晶テレビに採用されている方式である。
液晶セルは、電圧を印加しない状態で垂直配向しており、電圧の印加により分子が倒れていく通常とは逆の挙動を持った誘電率異方性が負の液晶を用いる。また画素
内で分子が倒れていく方向を多方向にすることにより方位による視野角依存性をなくす対策をとっている。
黒表示時のセル中の液晶配向が完全に垂直であるため、視野角改良フィルムとしてはこれとは相補的な負の一軸性フィルムに基づく。ネガティブ C とポジティブ A の組み合わせや二軸フィルム(Nz>1)が実用化されている。
(v) IPS(In-Plane Switching)モード
MVA 方式と並び大型の液晶テレビに採用されている方式である。セル中では基板に平行に並んだ液晶は横電界により面内で方位を変えることができる。分子が膜厚方向に起き上がらないため、液晶セル起因の視野角依存性は生じにくく視野角改良フィルムは通常必要とされない。現在最も視野角の広い LCD である。
しかしながらさらに視野角を改良すべく、偏光板の視野角補償まで踏み込んだ検討がなされている 2)。直交配置した偏光板は正面では完全に光を遮断することができるが、斜めから見たとき軸は直交からずれることになり光漏れの原因となる。光学フィルムとしては、厚み方向の屈折率が大きなものが有効である。ポジティブ C とポジティブ A の組み合わせ、二軸フィルム(Nz 係数＜1)などが提案されている。

－232－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

OFF(黒)ON(白)OFF(黒)

ON(白)

透過軸

電場
電場

図 4.2.1.11 MVA モード（左）と IPS モード（右）図 4.2.1.12 偏光板の視野角依存性(vi) OCB(Optically Compensated Bend)モード
LCD のもう一つの弱点が応答速度であり、弓なりのベンド配向した OCB モードは高速応答を特徴とする
方式で，2004 年より製品化されている。補償フィルムとしてはディスコチック液晶のハイブリッド配向フィルムが用いられる。補償フィルム設計においては，ディスコチック液晶の配向のみならず，基板のトリアセ
チルセルロースフィルムの最適化が必要とされている 3)。
(c) 光学フィルムの薄型化
以上見てきたように、液晶ディスプレイでは、偏光板や光学フィルムを複数枚使用することになる。厚み
低減、貼りあわせ工程の削減を目的に、フィルムの薄肉化、複合化が検討されている。薄さは、携帯機器においては性能の一つに挙げられるほど重要である。例えば、偏光板は通常，偏光層の両側をトリアセチルセ
ルロースフィルムで保護した構造をもつが、そのうちの一枚を光学フィルムで置き換えることが行われている(WV フィルムなど)。また液晶性光学フィルムは、液晶層自体は非常に薄い(数 µm)ため通常支持基板を必要とするが、支持基板を除去した超薄型フィルムも開発されている(NH フィルムなど)。
（真崎 仁詩）参考文献(1) T. Uesaka, S. Nishimura, T. Toyooka, and E. Yoda:“Wide-Viewing-Angle Transflective LCD using
Hybrid Aligned Nematic Compensators,” SID 05 Digest, (2005) 742.
(2) 石鍋隆宏、内田龍男：“液晶ディスプレイの広視野角技術、”液晶, 8, 2 (2004) 86.
(3) R. Matubara, Y. Ito, S. Nakamura, H. Mori, and K. Mihayashi:"A Novel Optical Compensation Filmfor OCB-LCDs," IDW/AD'05 (2005) 1329

－233－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
4.2.2 PDP（プラズマディスプレイ）
40 型を超える大画面テレビの市場が急拡大を始め、その中でも PDP が大きく伸びている。40 型以下でLCD の急激な伸びが市場拡大に大きな役割を果たしているのに対し、40 型を超えたサイズでは LCD（液晶）の伸びと PDP の伸びが拮抗し、どちらかというと 40 型以上での市場拡大は PDP に優位に働いているように見える。これは 40 型以上が PDP の得意な分野で性能向上も著しく、画質や価格面での優位性が明確になってきたことによるのかもしれない。LCD の高画質化も急速に進歩し、LCD の得意な高精細化・Full HD化を武器としようとしている。今後これを背景にした 40 型以上への LCD の本格的参入が予測され、この分
野でも PDP と LCD の競争が激化してくると考えられる。
今年商品化が予定されている SED（表面電子源タイプの FED：電界放出ディスプレイ）がどの程度の高画質を実現できるか、価格、性能で VGA クラスの PDP と競合している液晶や DMD などのマイクロディス
プレイを用いた背面投射型（リヤプロジェクション）ディスプレイの性能向上や価格低減がどの程度進むかなど、PDP を取り巻く環境は厳しく、今後とも性能向上、価格低減という 2 つのテーマは、PDP の技術進
歩の中でより重要性を増してくる。
(1) PDP の技術進展
ここ 1 年の技術進歩は、製品レベルで、大型、低消費電力、高画質、Full HD、低価格化の動きが目立つが、基礎研究でも、高効率セルの検討、保護層材料の特性や機能の評価など大きな進展が見られ、残像メカ
ニズムの解明への取り組み 1）、2）、3）も進んでいる。また、高画質化もある程度実現され、PDP の画質を人間工学から評価する取り組み 4) 、テレビ画質評価法（動画解像度）の取り組みも始まっている。
(a) 大型化
ここ数年は、パネルの多面取りプロセス（大型基板化）で先行する韓国の三星 SDI や LG 電子が先行していたが、松下電産より 2006 年 1 月の CE ショーで 103 型が展示発表され、大画面競争に日本メーカーが再登場してきた。一般製品レベルでは、65 型までのラインアップが揃ってきた。
(b) 低消費電力（高効率化）
製品レベルでの低消費電力化は、43 型の WXGA の PDP が定格電力で 293W と 300W を初めて下回るな
ど、順調に進んでいる。年間消費電力については、算出基準が変わったことでデータをまだ公表していないメーカーがあることなどから、今回は紹介しない。
パネルの発光効率については、パイオニアより 2.2 lm/W のものが製品化され、製品で初めて 2 lm/W を上回った 5,6)。研究レベルでは、CEATEC（2005 年 10 月）において APDC ブースで小型パネルで 5.7 lm/W、
実用試作に近い 43 型パネルで 3.4 lm/W のものがデモされるなど、ここ数年で大きく向上する目処が示された 7)。APDC のものは、技術内容が示されていないが、パイオニアのものは、新しい保護層材料（4.2.2.(3)「保護層材料」参照）によるものと紹介されている。
(c) 高画質技術
高画質化に関しては、低輝度の階調表示（黒の表現力）と動画表示における駆動技術の進歩に加え、高精－234－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）細化で進歩があった。
黒の表現力では、消去書き込み方式でも 4000：1 のコントラスト、黒輝度として 0.1 cd/m2 以下が実用化され、十分沈んだ黒が表現できるようになった。従来は、点灯書き込み方式で、全面リセットの間引きにより 3000：1 以上のコントラストが実現していたのに対し、消去書き込み方式では 1000：1 以上のコントラストは実現できていなかった。黒の表現には、黒が沈んでいることに加え、黒に近い低輝度での階調表示性能が重要になる。PDP 以外のマトリクスディスプレイでは、画素ごとの輝度の立ち上がり特性にばらつき（LCD における画素ごとの偏光特性変化や閾値のばらつきと温度変化、OLED や FED においては電流立ち上がり特性のばらつきや閾値のばらつき）があるため、通常の電圧制御などのアナログ制御では黒に近い部
分の階調をうまく表示できず、高画質を得るため、低輝度領域で PDP の表示法に近い発光時間変調を行うことも検討されている。PDP では、もともと階調表示は発光回数制御のため、低輝度から高輝度まで同じ駆動法が使え、低輝度の階調特性の向上も駆動法の改善で実現できている。開発当初、黒の輝度が高く、黒が表示できないといわれていた PDP が、FPD の中でも優れた黒の表現ができるようになった。
高精細化については、パイオニア、日立、松下の３社から Full HD(1920×1080 画素)PDP が、それぞれ
50 型、55 型、65 型の画面サイズで CEATEC に参考出品され、IDW でも技術発表された 8)、9)、10)。松下の65 型 Full HD は 2005 年末に市場導入され、他の２社も 2006 年中の製品化を計画している。また、42 型の商品化発表もおこなわれた 11)。
(d) 動画解像度（画質評価）
従来、動画特性の良い CRT-TV（ブラウン管テレビ）の時代には、解像度は静止画で評価することが一般的だった。最近は、PDP や LCD などの高精細、大画面のフラットパネルが一般化してきたが、PDP の動画
擬似輪郭や LCD の応答時間の遅さ、さらにはマトリクスディスプレイへの表示のための映像信号処理による画質劣化など、それぞれ原理的には動画表示を苦手としている。
LCD では、
動画表示特性を MPRT
（Moving
Picture Respons Time）で評価する方向へ進んでいるが、PDP への MPRT の適用は、LCD と異なるデバイ
ス特性のため、そのままでは適用できないとする意見が一般的であり、LCD 専用の評価法として標準化されそうである。
特定のデバイスだけに適用できる評価法は、テレビの評価法としては好ましくないため、動画解像度の評価が提案されている 12)。動画解像度は、従来静止画の解像度評価に用いられていた解像度チャートを画面上でスクロールさせ、目視もしくは移動画像にトラッキングしたカメラで撮影し、解像度を読み取ろうとするものである。図 4.2.2.1 に画面幅を 4 秒間と 8 秒間でスクロールさせた時の PDP と LCD での測定例を示す
が、感覚的な差が明確に捉えられている。即物的な測定法だが、表示デバイスに偏らない評価法として期待されている。

－235－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

PDP 50-in.
(1280x768)
Slow(8sec/screen width)

Slightly faster(4sec/screen width)

LCD 45-in.
(1920x1080)

Slightly faster

Slow

図4.2.2.1 PDPとLCDの動画解像度の例
問題点としては、目視判断の場合は測定者の主観や個人差が問題になること、カメラによる場合は撮影そのもののボケ（焦点合せや、トラッキング性能）が測定ばらつきとなることなどがある。評価に用いる解像度チャートについては、白黒だけではなく中間調表示や、スクロール速度の規定が必要とされる。
今後、MPRT を拡張して LCD 以外にも適用できる評価法とできるか、動画解像度が評価法として確立されるかなど、デバイスに偏らないテレビとしての測定法の確立が期待される。
また、動画擬似輪郭については、静止画表示と動画表示で従来のバイナリー構造のサブフィールドと動画
擬似輪郭の出ないクリア方式を切り替えて表示を行っているものでは、低速領域で動画擬似輪郭がでる場合
や、静止画に近い背景の前を高速の映像が繰り返し横切る場合（例： マラソンの走者の腕や足と背景）、信号処理を含む動画ノイズの問題が十分には解決されていない場合があり、これらを含めた表示画質の評価法の確立が望まれる。
(e) 低価格化技術
多面取りやスループットの向上、プロセスの簡略化などによるパネルのコストダウン、量産効果による部材や回路部品のコストダウンは、順調に進んでいるが、技術的な進展としては、XGA でのシングルスキャンが表示
性能を落とさずに実現したことが挙げられる。一般に、高額部品のアドレスドライバーは、VGA パネルではパ
ネルの上下片側だけに搭載し、それぞれのゲートがパネルの上から下まで１列（480 line）を受け持つシングル
スキャンが標準となっている。XGA パネルの場合、768 line のアドレスには時間がかかるため、一部の製品を除き、パネル内のアドレス配線を上下に２分割し両側にアドレスドライブを搭載していた。新しい保護層材料（4.2.2.(3)参照）を適用した製品では、表示性能を犠牲にせずに、シングルスキャンを実現した。
(f) 基板の薄板化
パネルに用いられる基板ガラスの薄板化が始まった。従来は 2.8ｍｍ厚を用いていたが、1.8ｍｍ厚のものが導入されようとしている。
(2) 超大型ディスプレイ
PDP を応用した 100 型（画面対角 2.5 ｍ）以上の超大型ディスプレイの開発が進んでいる。昨年度報告－236－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）した「プラズマチューブアレイ」以外に、「プラズマ・スフェア」と呼ばれるものが米国を中心に開発されている 13)。図 4.2.2.2 に示す様に、放電ガスと MgO、蛍光体を内蔵した球（Plasma-sphereTM）をフレキシブ
ル基板上に並べ、基板上に配置した電極により外部から駆動しようと言うものである。球の大きさは径で最小 0.1 mm、上限は 0.25 mm 以上も可能で、通常の PDP と同様の電圧で駆動でき、効率も良いとしている。
超大型ディスプレイだけでなくフレキシブルな PDP を目指している。今後の進展が期待される。

Plasma-sphereTM
Electrode
Via

Substrate

Electrode

図 4.2.2.2 プラズマ・スフェアの構造例(3) 保護層材料
保護層材料 MgO の機能解明の進展と、新たな材料の登場を紹介する。
(a) MgO の機能
保護層材料 MgO については、イオン衝撃による 2 次電子放出、壁電荷の保持、放電による劣化耐性などの機能が重要とされている。この内、劣化機構の解明では、化学シミュレーターの導入 14)なども始まり今後の成果が期待されている。これらの機能のほかに、放電開始時の電子放出源としての機能も最近注目され始めた。これは、放電終了後も数 msec の間、MgO 保護層が電子放出を継続し、イオンや励起 Xe 原子などのプライミング（放電開始のための荷電粒子）源がなくなった後もアドレス放電の開始に重要な役割を果たしているというもので、メカニズムについて、2 次電子放出の遅延現象か、別機構による電子放出現象か諸説がある。15)(b) 新保護層材料--- クリスタルエミッシブレイヤー（高純度クリスタル層）--放電遅れの改善に関するパイオニアの「クリスタルエミッシブレイヤー」の発表 5)が話題となった。この発表の関連として、XGA 片側アドレスの高速駆動法 6)と 50 型 Full HD の試作発表 8)も行われ、その性能が明らかにされた。これは図 4.2.2.3 のように、従来の MgO 保護層の上に、「クリスタルエミッシブレイヤー（CEL）」と言う層を新たに設けたもので、この層は MgO 層を完全には被っていない。

－237－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

front glass substrate

ITO & bus electrodedielectric layer

barrier rib

phosphoaddress protective layer

rear glass substrate

address electrodeprotective layer (MgO)

crystal emissive layer

図 4.2.2.3 Schematic Drawing of New Structure with CEL (CEL structure)
この層の特異な電子放出特性が、放電開始時点で放電空間に電子を供給することにより、図 4.2.2.4 のように放電遅れが大幅に改善され（統計遅れが 1/80 になり、トータルの放電遅れが 1/8 に短縮）XGA の片側
アドレスや Full HD パネルの多階調駆動が可能になる。50 型 Full HD の試作発表では、1.8 lm/W という高発光効率も報告され、発光効率の低下という高精細化のもうひとつの課題も同時に解決されている。6０型以上に限られていた PDP の Full HD 化のブレークスルー技術として、また保護層の高機能化技術として注
目される。
1μs

1μs
address pulse

電圧

電圧

address pulse

Infrared (1000 sweeps)

発光

発光

Infrared (1000 sweeps)

tf

ts

tf

ts

a) conventional modelb) CEL structure model
図 4.2.2.4 Comparison of conventional and CEL structure about DLT(waveform)＜備考＞ Full HD PDP の技術課題
PDP の放電セルが微細化されると、発光効率の低下と放電遅れの増大が問題となる。発光効率の低下は、微細化に伴い放電空間が小さくなることにより放電自体の効率が低下することが主要因と考えられているが、高 Xe 濃度化などの高効率技術は、小さな放電空間での放電の効率低下を改善する効果があり、放電遅れの増大がより大きな課題として存在していた。PDP の駆動においては、階調表示をサブフィールド駆動（1TV－238－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
フィールドを輝度の重み付けの違う複数のサブフィールドに分けて階調特性を得る。
）で行っている。各表示
画素で十分な階調を得るためには、10 から 14 のサブフィールドが必要になる。12 サブフィールドの場合を例に挙げると、各 TV フレームごとに各画素が 12 回アドレスを受けることになり、各 TV フレーム 16.7 msの内 10 ms をアドレスに使用するとして、XGA の両側アドレス（片側 768/2 ラインをアドレス）で次式のように、平均 2.17µs/line のアドレス時間が取れる。
式 10 ms/(12×768 line/2)＝2.17µs/line
XGA の片側アドレスで 1.09µs/line、Full HD では両側アドレスでも 1.53µs/line となる。実際には 40-50型の XGA クラス、安定駆動のためには 2µs 程度のアドレスが時間が必要となるため、XGA クラスの PDP
では、両側アドレスが用いられる。

Discharge lag time [μsec]

100

10

1

Conventional

CEL structure

0.1

50-in. Full HD
画素ピッチ 0.575 mm

50-in. WXGA
0.808 mm

図4.2.2.5 Discharging lag time of 50-inch HD panel and 50-inch WXGA panel with CEL structure andwithout CEL structure
一部片側アドレスを用いたものもあるが十分な性能が得られていなかった。また、画素の微細化は放電遅れを急激に大きくするため 50 型以下での Full HD は実用化されず、Full HD でも画素が大きく放電遅れの少ない 60 型以上での製品化に留まっていた。
（図 4.2.2.5 参照）
（打土井

正孝）

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http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2005/12/1207b.html(12) Y. Sato, M. Uchidoi, “Progress in PDP Technology in HD-TV era and Future”, PDP International
Forum ’05 (The 41st Plasma Display Technical Meeting), 8th paper (2005)(13) C. A. Wedding, O. M. Strbik III, J. W. Guy, E. F. Peters, J. C. Rutherford, D. K. Wedding, R.
Wenzlaff, L. Cross, W. W. Olson, “Electronic Drive Technique for Plasma-Sphere Displays”, IDW‘05/Asia Display ’05, pp.1481-1484 (2005)(14) A. Miyamoto, R. Endou, H. Kikuchi, H. Tsuboi, M. Koyama, A. Endou, M. Kubo, C. A. Del Carpio,
H. Kajiyama, “Integrated Computational Chemistry System for the Material Design of Plasma
Display Panel”, IDW ‘05/Asia Display ’05, pp.423-426 (2005)(15) H. Tolner, “MgO – Present & Future”, PDP International Forum ’05 (The 41st Plasma Display
Technical Meeting), 3rd paper (2005)

4.2.3 有機 EL(1) 低分子(a) はじめに
低分子有機 EL の研究開発に当たる研究者，技術者は学問分野では，有機化学，高分子化学，材料工学，
界面科学，固体物性学，デバイス物理学，電気電子工学まで広がり，産業においてもエレクトロニクス産業
だけでなく，化学工業，各種素材産業，光応用産業にまで広がっている。すなわち、科学の専門分野，技術
分野，産業分野の区分にとらわれない広範な基礎科学と技術の新しい組み合わせの形成と融合がまさに必要とされている。 ここでは、低分子有機 EL ディスプレイの開発動向として、高効率化や寿命向上につながる
基礎技術の動向について紹介する。また、市場動向について概況にふれた後、商品化動向として 2.2 インチ
フルカラーアクティブマトリックス有機 EL ディスプレイを紹介する。

－240－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 開発動向(i) 高効率化と寿命向上技術
燐光発光材料を用いた有機 EL 素子は、三重項励起状態からの発光が利用できるため、理論的な量子効率の上限が蛍光色素の 3～4 倍まで高効率化が可能である。さらに、駆動電圧の低減が出来れば量子収率だけでなく電力効率の向上によって低消費電力化が可能となる。燐光発光で高い電流効率（量子効率）を実現す
るには生成した三重項励起子を閉じ込めるために三重項エネルギーレベルが大きいホスト材料を用いることが重要である。一方、キャリヤ輸送層に p 型や n 型のドーパントを添加して化学的にドーピングした p-i-n構造とすることで素子の駆動電圧を大幅に低減できる。p 型のドーパントとしては有機アクセプター材料として知られる F4-TCNQ が、またｎ型ドーパントとしては Cs などが用いられる。上記２つの手法を組み合わせた緑色発光素子で最大電力効率 53 lm/W 、1000 cd/m2 における電力効率と駆動電圧がそれぞれ 45
lm/W 及び 3.1 V が実現されている。1）
これらの手法に加えて（1）発光層のホスト材料に２種類の材料を用いて再結合位置を発光層中央部に固定する、（2）電子輸送層膜厚を最適化して光学的な干渉効果を利用する、などにより更なる高効率化が実現、100 cd/m2 発光時では 90 lm/W （3.05
され 1000 cd/m2 発光時の電力効率（駆動電圧）77 lm/W （3.42 V）
V）が得られている。2）素子内部での干渉効果を最適化することは高効率化にとって極めて重要である。Transfer Matrix 法を用いた光学シミュレーションによって素子構造を最適化した結果、電流効率 30 cd/A の高効率発光が蛍光発光材料において実現された。トップエミッション構造の素子にこの光学シミュレーションを適用した予測では電流効率 40 cd/A と燐光素子に匹敵する高効率な素子が蛍光発光によっても得られる可能性がある。3）素子の内部量子収率がほぼ 100％に到達しつつある現在、素子効率の制限要因は光取出し効率である。今後、EL
素子の光学設計は不可欠な基盤技術になると考えられる。
有機 EL 素子の劣化特性や寿命向上技術に関する報告は非常に限られている。通電による素子の劣化は、各層のバルクの変化と界面の変化に大別できる。界面の劣化としては ITO 電極／正孔輸送層界面、キャリヤ
輸送層／発光層界面、電子輸送層／電極界面における劣化等が考えられる。また、膜自身のバルク特性変化
としては、キャリヤ移動度の変化、発光層の発光量子収率の変化などが考えられる。
ITO 電極/正孔注入層界面にバッファー層とよばれる層を挿入することで素子の長寿命化が計られている。
銅フタロシアニン（CuPc）4）はその代表例であり以前からその効果が知られていたが、ここ数年、数 nm 程度の各種バッファ層（C60、Alq3、パリレン）の挿入による効率向上や寿命向上の効果が報告されている。5-7）(c) 市場動向
米 DisplaySearch が，米国時間 2005 年 9 月 15 日に発表した 2005 年第 2 四半期の OLED（有機 EL）ディスプレイ市場に関する調査結果では、
全世界の出荷台数は 1420 万台と前年同期比 82％の増加が見られた。
メーカー別売上高を表 4.2.3.1 に示した。全体の売上高は 1 億 2480 万ドルで，前年同期と比べて 18％増加した。メーカ別では，韓国の Samsung SDI が出荷台数 380 万台強，売上高 3720 万ドルで，出荷台数ベースおよび売上高ベースでともに首位を獲得した。有機 EL ディスプレイの成長はパッシブ・マトリックス式
有機 EL（PMOLED）がけん引しており、アクティブ・マトリックス式有機 EL（AMOLED）の出荷台数
は、5 万台未満となっている。

－241－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 4.2.3.1 2005 年第 2 四半期における，メーカー別売上高（単位：100 万ドル）
順位
1

メーカー
Samsung

売上高
37.2

前期比
32%

前年同期比
15%

2

RiTdisplay

28.1

46%

-4%

3

Pioneer

19.6

13%

-30%

4

Univison

14.1

6%

157%

5

LGE

6.5

92%

52%

その他

19.2

-12%

175%

合計

124.8

21%

18%

出典：DisplaySearch 社
用途別にみると、出荷台数が最も多かったのはサブディスプレイ向けで，前年同期比 3％増の 710 万台。
MP3 プレーヤー向けが同 1312％増の 610 万台で著しい成長をみせている。MP3 向けは有機 EL の独壇場となりつつある。
表 4.2.3.2 2005 年第 2 四半期における，用途別出荷台数トップ 5（単位：1000 台）
順位

用途

出荷台数

前年比

前年同期比

1

サブディスプレイ

7,073

34%

3%

2

MP3 プレーヤー

6,143

67％

1312％

3

カーオーディオ

435

27％

66％

4

携帯電話メインディスプレイ

331

35%

95%

5

オートコンソール

157

-14%

2143％

(d) 商品化動向
2005 年の年末には、ハイビジョン対応デジタルムービー用の 2.2 インチフルカラー アクティブマトリッ
クス パネルが商品化された。スペック表を表 4.2.3.3 に示す。8）
表 4.2.3.3 2.2 インチフルカラー有機 EL ディスプレイパネルの仕様
画面サイズ(mm)54.9（2.2 型）

ドット数

862 × 240

ドットピッチ (H mm × V mm)

0.051 × 0.137

ドット配列

RGBW パラレログラム

表示色

Full Color

有効表示寸法（H mm × V mm） 43.962 × 32.88
EL 表示方式

W-OLED-CF

接続端子33 極（千鳥）

このディスプレイは白色＋カラーフィルター方式を採用し、ドット配列には新しい方式である RGBW 画－242－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
素配列を採用している。通常の RGB に加えてカラーフィルターの無い白色画素（W）を組み合わせること
で、白色表示時のカラーフィルターによる光吸収ロスを低減している。RGB の３信号を RGBW の４信号に変換し、中間色は RGB の中の２色と白色で表現される。同じサンプル画像を用いた消費電力の比較では、同社が従来採用していた白色＋RGB カラーフィルター方式（WCFA）に比べ約 1/2 の消費電力を実現している。画質および動画特性に優れており有機 EL の優位性を遺憾なく発揮している。
(e) 今後の課題
極めて残念なことに、2006 年１月 31 日、三洋電機は AMOLED からの撤退を表明し前述のデジタルムー
ビーへ搭載されたアクティブパネルが三洋電機の最後の有機 EL 製品となった。この AMOLED パネルがア
クティブ EL パネルの市場拡大の起爆剤として期待されていただけに惜しまれる。今回の商品化から明らかなようにアクティブ有機 EL パネルは技術的には市場に投入されるに足る性能を実現している。我々は、競合製品を凌駕するまで技術が向上すれば市場が受け入れるという、技術至上主義の考えを捨てるべきではないだろうか。韓国、台湾のメーカーが行っているような積極的なマーケット戦略による市場開拓努力とシェ
ア獲得こそが有機 EL ディスプレイにとっての緊急の課題と考える。
（村田 英幸）参考文献(1) G. He, O. Schneider, D. Qin, X. Zhou, M. Pfeiffer, and K. Leo, J. Appl. Phys. 95, 10 (2004) 5773.
(2) 渡辺 惣一、出井 伸弘、城戸 淳二、有機 EL 討論会 第一回例会予稿集 p19（2005）(3) 熊 均、東海林 弘、福岡 賢一、細川 地潮、有機 EL 討論会 第一回例会予稿集 p41（2005）(4) J. Shi and C. W. Tang, Appl. Phys. Lett. 70 (13), (1997) 1665.
(5) Il-H. Hong, M-W. Lee, Y-M. Koo, H. Jeong,T-S Kim, and O-K Song, Appl. Phys. Lett. 87 (6), (2005)
063502.
(6) Yoon-Fei Liew, Furong Zhu, Soo-Jin Chua, Jian-Xin Tang, Appl. Phys. Lett. 85 (19) (2004) 4511.
(7) Soo-Jin Chua, Lin Ke, Ramadas Senthil Kumar, and Keran Zhang, Appl. Phys. Lett. 81 (6) (2002)
1119.
(8) CEATEC JAPAN 2006(2005/10/3-10/7)における三洋電機株式会社の技術資料より(2) 高分子(a) はじめに高分子有機 EL 材料は、共役系高分子と非共役系高分子に大きく分けられる。高分子ではないが、比較的分子量が大きいものとしてデンドリマーがある。共役系高分子では主として蛍光性 1)のものが、またデンド
リマーや非共役系高分子では主として燐光性のものが中心に開発されている 2)が、これらを混合し、それぞれの特性を生かすことで素子の高性能化を狙った材料開発も行われている。
2005 年は、主として共役系高分子有機 EL 材料を開発してきた老舗ともいえる企業間の融合が進んだ。住友化学（株）が Dow 社から高分子有機 EL 材料に関するビジネスを買収し、また Cambridge Display
Technology（CDT）社と共同で材料の販売会社を設立した。一方では、Covion 社が Merck 社に買収される－243－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）など、技術融合による高分子材料開発のスピードアップが期待されている。
(b) 素子構造
低分子有機 EL 素子は、キャリア輸送性化合物や発光性化合物などの機能性化合物を積層化することにより機能を分離し素子の特性を向上させてきた歴史があるが、高分子材料は輸送と発光を兼ね備えている分子構造を有していることが多く、その為、素子の構造は低分子に比べ比較的単純である。しかし、最近ではこうした従来の高分子有機 EL 素子の特徴であった単層素子構造から脱却して、低分子有機 EL 素子のように積層構造を取り入れることにより素子の特性を向上させていくという動きが強く現れてきている。すなわち陽極側の素子構造の工夫として、陽極に直接高分子有機 EL 材料を塗布するという方法に加え、陽極と EL材料の間の正孔注入層を高性能化する、あるいは正孔注入層と EL 材料の間に中間層を形成する、といった方法が提案されている。更に陰極側に電子注入層あるいは正孔ブロック層などを組み合わせることによって特性の向上を図っているケースがある。
(c) 正孔注入層の改良
陽極側の素子構造を改良することで高性能化に成功した報告がいくつかある。代表的な正孔注入材料として PEDOT/PSS（poly(ethylenedioxythiophene)の水分散液中に poly(styrenesulfonic acid)をドープしたもの）が挙げられるが、これは H.C.Starck 社から Baytron-P という商品名でも市販されている導電性高分子である。しかしながら、Baytron は、強酸性であることや電子に対して不安定であるなどの欠点が指摘 3)されており、現在は、新規の正孔注入材料の開発が進んでいる。2004 年に DuPont 社から発表された DB1 という正孔注入材料は、中性であること、低吸湿性であること、また塗布膜の仕事関数が高い、といった利点を有しており、Baytron を用いた素子の数倍の耐久性と効率が実現できたと報告されている 4)。あるいは、
PEDOT/PSS 層と発光層の間に Interlayer という中間層を挿入して素子特性が向上したという例が SHARP
社から報告された 5)。報告によれば、DOW 社の発光材料を用いた場合、中間層の挿入により、赤色素子の初期輝度 3000cd/m2 での半減寿命が 98 時間から 569 時間に、緑色素子の初期輝度 6000cd/m2 での半減寿命が 130 時間から 378 時間に、青色素子の半減寿命が初期輝度 1000cd/m2 での半減寿命が 15 時間から 464 時
間に向上し、また効率は、赤色が 2.3 から 3.0cd/A へ、緑色が 13.0 から 14.1cd/A へ、青色素子が 5.7 から
11.2cd/A へと向上したとしている。また詳細は不明だが、三菱化学は、青色塗布型燐光ホスト材料と同社開発の正孔注入材料および正孔阻止材料を組み合わせて、輝度 100cd/m2 に於ける電流効率 30cd/A（外部量子効率 13%）を達成したと報告している 6)。また、正孔注入層や阻止層を用いない単層構造で特性を向上させたという昭和電工の報告がある 7)。黄色素子の初期輝度 100cd/m2（外部量子効率 8%）での半減寿命が 60000
時間に達したというもので、単層素子の可能性を示している。
(d) 高分子有機 EL パネルの製造方法
高分子有機 EL 材料の塗布方法にはいくつある。スピンコート法、キャスティング法、グラビアコート法、
バーコート法、ロールコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷
法、オフセット印刷法、インクジェットプリント法等、さまざまな塗布方法が既に知られている。高分子有機 EL のフルカラーパネルがなかなか登場しない要因の一つとして RGB 発光層のパターンニング技術が確立されていないことが挙げられる。2005 年はパターンニングの方法として、インクジェット法の他にノズル－244－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
プリンティング法が提案され、注目を浴びている。
2004 年には、インクジェット法により作製した 40 インチの有機 EL ディスプレイの試作品がセイコーエ
プソン社より発表された 8)9)。家庭用カラープリンターなどの開発実績を積んだエプソンならではのノウハウを最大限に生かしての成果といえよう。しかしながら、一方で、プリンターヘッドの多数のノズル孔状態を常に最適な状態に保つ必要性や、あるいはインク吐出から着弾、成膜に至るまでの条件設定の困難さなど、新規参入のパネルメーカー（あるいは材料メーカー）がインクジェット装置を使いこなすには技術的障壁が高いのが難点であり、より簡便で安定なパターンニング技術が期待されている。高分子有機 EL 材料をイン
クジェット法でパターンニングする際のインク着弾精度を向上させる工夫として、大日本印刷から、TiO2
光触媒をベースにした有機 EL 用正孔注入材料が提案された 10)。この材料を塗布後、紫外線照射することにより塗布表面の親水・撥水性を制御し発光材料のパターンニングを行うというものである。EL 材料の着弾精度向上と PEDOT/PSS 層の塗布工程が削除出来る点がメリットであるとしている。
一方で、インクジェット法に変わる塗布法として 2005 年、大日本スクリーン製造からノズルジェットプ
リンティング法が提案された 11)。この方法は、連続的に塗布溶液を吐出する微少径ノズルを基板に近接させ、高速に移動させることで基板上に一筆書きのように塗布するというものである 12)。粘性の低い材料にも応用でき、塗布斑も低減できるなどといった利点を持ち、注目を浴びている塗布方法である。

図 4.2.3.1 ノズルジェットプリンティング法イメージ
大面積照明用パネルの塗布方法として、スピンコート法あるいは将来的にロールツーロール法を採用し展開を図っている企業もある。GE Advanced Materials Plastics の提案する白色照明で、素子は ITO 陽極にPEDOT/PSS、青色発光層、バッファ層、Al 陰極という構成で青色発光を色変換することで白色発光を得るというものであるが、高分子ベタ塗りの利点を最大限に生かして 2010 年の製品化を狙うとしている 13)。
(e) 今後の課題
パネルの製造技術ばかりではなく、実験室レベルにおける素子性能においても高分子有機 EL は低分子有機 EL に大きく遅れをとっている。
しかし、有機 EL テレビが依然として商品として登場しないのは、低分子有機 EL 系の複雑な多層構造に起因する大きな製造コストと歩留まりの低さが一因であるこでは疑いない。これに対して高分子材料は、材
料利用効率が高く、また簡便な塗布工程が適用できるので、安価なパネルの製造工程を実現できる可能性が非常に高い。さらに、分子設計上の自由度が高く、分子サイズの効果を積極的に取りいれられるので、膜の－245－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
柔軟性や剛直性を自在に制御することも可能である。低分子有機 EL の特性とは異なる、このような高分子
材料本来の優れた特徴を生かした製品開発に期待したい。
（小山 珠美）

参考文献(1) 大西敏博、小山珠美著 “高分子先端材料 One Point；高分子 EL 材料―光る高分子の開発,”高分子学会
編集 共立出版(2) Mitsunori Suzuki, Shizuo Tokito, Fumio Sato, Takeshi Igarashi, Kunio Kondo, Tamami Koyama,
and Tetsuhiko Yamaguchi: “Highly efficient polymer liht-emitting devices using ambipolar
phosphorescent polymers,” Appl. Phys. Lett. 86(2005)103507(3) A. W. Denier van der Gon, J. Birgerson, M. Fahlman and W. R. Salaneck, “Modification of
PEDOT-PSS by low-enegy electrons” Organic Electronics, 2(2002)111(4) Sunghan Kim, Che Hsu, Chi Zhang, Hjalti Skulason, Frank Uckert, Dan LeCloux, Yong Cao, and
Ian Parker, “Degradation of PLEDs and a Way to Improve Device Performances”11-2(5) Y. Fujita, A. Tagawa and M. Koden,: “Device and Drive Technologys for AM-PLED Displays”
OLEDs Asia 2005
(6) 三菱化学 Web サイト 2005 年 12 月 20 日付ニュースリリース http://www.m-kagaku.co.jp/(7) 昭和電工 Web サイト 2005 年 11 月 15 日付 IR 説明資料 http://www.sdk.co.jp/(8) セイコーエプソン Web サイト 2004 年 5 月 18 日付ニュースリリース http://www.epson.co.jp/(9) 飯野聖一、第 14 回フラットパネルディスプレイ製造技術展 講演会テキスト D1-2
(10) Y. Iizumi, Y. Kobayashi, T. Tachikawa, H. Kishimoto, K. Itoh, H. Kobayashi, N. Itoh, S. Handa, D.
Aoki, and T. Miyake.：A Novel Hole-Injection Layer with the Ability of Forming HydrophobicHydrophilic Patterns, SID 05 DIGEST, (2005,5) 1660-1663(11) 大日本スクリーン製造 Web サイト 2005 年 5 月 26 日付ニュースリリース(12) M. Masuichi, M. Kawagoe, Y. Takamura, H. Adachi, Y. Fujimoto, and M. Ueno.: New
Nozzle-printing Method for Large-Size Organic EL Device, SID 05 DIGEST,(2005,5)1192-1195(13) 亀矢伸：“GE フレキシブル高分子有機 EL を照明機器に ”E Express, 7 月 15 日号(2005)6.

4.2.4 フィールドエミッションディスプレイ（FED）
真空マイクロ／ナノエレクトロニクスは,ここ数年，益々，微細化が進み，ナノテクノロジー・ナノマテリ
アルを中心とした分野として，急速な変貌を遂げつつある。IT を支え，環境に配慮した社会に適した次世代
平面ディスプレイとして，フィールドエミッタアレイ (FEA) を電子源とした真空マイクロ・ナノデバイスの一つ，フィールドエミッションディスプレイ (FED)1-6)の研究開発が活発に行われ、ナノテクノロジーの大きな実用分野の一つとして注目されている。FED は，CRT と同じく電子線励起蛍光体発光を利用している。そのため，(1)自発光，(2)広視野角 (原理的には 180°)，(3)高速応答が可能 (μsec 台)，(4)高耐環境性 (極低温から 110 ℃前後までの広い動作温度領域)，(5)高精細，(6)低消費電力，(7)画像歪が無い，(8)ピーク輝度が高い等の特長を持っている。ここでは，FED の最近の研究開発動向について述べる。

－246－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(1) 回転蒸着法（Spindt 法）FEA を用いた FEDFEA には、大別して、縦型構造と横型構造の２種類ある。縦型構造の一種であるいわゆる Spindt 型のＦ
ＥＡは、米国 SRI の Spindt らにより回転蒸着法（Spindt 法）７)を用いて初めて開発された。この FEA は、
1985 年の LETI による世界最初のモノクロ FED に用いられたもので 2)、数年前まで，FED といえば，回転蒸着法 (Spindt 法)７)ＦＥＡを用いたものを指すほどであり，長い間，Si 異方性エッチング法(Gray 法)8,9)とともに，真空マイクロ・ナノテクノロジー発展の原動力となってきた。初期から数年前まで，試作された大部分の FED は回転蒸着法 FEA であった。しかし、エミッタ形状の不均一性・非先鋭性に基づくエミッタの破壊・電界電子放出特性の不均一性・非安定性・劣化、更にはステッパや大型真空装置使用による高コスト、また、大面積化が困難なことから、近年、研究開発が激減しつつある。2004 年、双葉電子工業は、柱状スペーサを電子ビームに影響を与えない位置に配置、クロストーク防止用集束電極を設け、加速電圧を３KV に増加させ、P22 蛍光体ほどではないが、比較的発光効率の高い蛍光体（青：Y２SiO5:Ce, 緑：Y2SiO5:Tb、
赤：Y2O3：Eu）を使用して 11.3 インチ、VGA, フルカラー、350 cd/m2,消費電力 11W の FED を開発し、2006 年 4 月ごろから量産をスタートすると発表した 28)。しかし、本年は、回転蒸着法を用いた FED の発表は殆ど無く、Candescent とアライアンスを組んでいたソニーが IDW‘05 にて 19.2 インチ、SXGA のフル
カラーFED を発表した程度である 29)。オーサーインタビューでは実機をデモし、その画像の高品質性を強くアピールした。
(2) 新 FEA を用いた FEDFED の技術課題は (1) 高効率で安定動作する FEA の実現，
(2) 高効率・長寿命蛍光体の開発(3)スペーサ，
収束電極等の FED 構造，(4) FEA が劣化しない真空封止プロセス・真空筐体開発等である。最大の技術課
題は，高効率で安定動作する FEA の実現である。回転蒸着法 FEA は，上記課題を完全に解決できていない。
そこで，Si 半導体微細加工プロセスを十分に駆使できる Si 異方性エッチング法（Gray 法）FEA の研究も盛んである。しかし，エミッタ材料として仕事関数が 5.0 eV と Mo の 4.3～4.5 eV よりも高い Si しか用いることができず，Si ウエーハサイズに規制されて大面積化が困難である。近年では，均一性・再現性に優れた低電圧駆動の先鋭エミッタが得られ，大面積化も可能な転写モールド法 FEA 及び，それを発展させ，真空プロセス不要，大面積で，ナノメータオーダの先鋭度が得られる金型転写モールド法ナノテクノロジー技
術が発表された 30-36）。また，電子親和力が負になる可能性があるダイヤモンド薄膜やダイヤモンドライクカーボン（DLC）を用いた研究が活発に行われたが 37-38）、最近は、負の電子親和力を有するエミッタの作製の困難さ、また、期待したほど仕事関数も下がらないこと、高コストで大面積化困難が予想されること等から、発表は激減した。
ナノマテリアルとして期待されているカーボンナノチューブ（CNT）は，化学的に安定で，雰囲気依存性が少なく，低真空動作が期待されるため，FEA および FED への応用が激増している 39-62）。長さが 10μmを越え，直径が，Single Wall Nanotube（SWNT，単層ナノチューブ）で，0.7～2 nm，Multiwall Nanotube（MWNT，多層ナノチューブ）で，5～50 nm と小さく，高アスペクト比，高先鋭性のため，低電圧駆動が期待されるうえ，mA/cm2 オーダーの大電流密度が得られている 49)。CNTFED は､MWNT を用いた高電圧
蛍光電子管 39）の発表以来、ノリタケが活発に研究開発しており、メタルグリッド（グリッド／エミッタ間
距離 0.3～0.6 mm）を挿入した 15 インチ 3 極 CNTFED の試作 41）やゲート電極が固定されておらず，上下リブ間に挟まれ，大気圧で抑えられただけのサンドイッチ構造の 3 極管 CNT を用いて 14.5 インチフルカラ－247－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ーFED（画素サイズ：7.62×2.54 mm）が試作された 43,44）。SID‘０５，IDW’０５では、これらを発展させ、高解像度のグラフィックディスプレイ用に２～３ｍｍの高いスペーサーを実現するため、図 4.2.4.1 に示すような、ゲート電極とアノード電極の間に挿入する開口付きメタルシートを挿入した構造の FED を開発した 63,64)。メタルシートは 426 合金で作製され、0.1×0.2ｍｍ等の開口を有し、電位制御により電子ビー
ムの広がりを制御する。

図 4.2.4.1 メタルシート挿入した CNTFED のパネル構造 63,64)
H15 年度から開始された CNTFED の国プロが三菱電機を中心に行われているが、最終年度を迎え、SID‘０５、ＩＤＷ’０５などで、図 4.2.4.2 に示す、新しいゲート絶縁材料 PPSQ (Polyphenylsilsesquioxane)を用いた 3 極管構造や、レーザ照射による印刷法ＣＮＴエミッタの起毛解析など、その成果が発表された 65-67）。
また、双葉電子は、従来、回転蒸着法ＦＥＡを中心に FED を開発していたが、図 4.2.4.3 に示すような、インフォメーションボード用大画面スクリーンに用いるため、CNTFEA を用いた 96×96mm のユニットサイ
ズの FED を発表した 68）。厚さ 2.2mｍ、アノード加速電圧 120V、ZnO：Zn 青白色蛍光体を用いて１800Cd／ｍ２を得ている。さらに、SID‘９５にて Pixtech が発表したものと同様な透明電極を用いてスクリーンの両側から観察可能なＦＥＤも発表しデモした。 CNTFED は，最も有望な FED の一つである.しかし、発光が不均一で，ちらつき，CNT の破壊もあり，低価格，高収率，大面積，低温度の CNT 作製法，CNT エミ
ッタ形成法，パターニング法，本格的な 3 極構造 FED の開発等が，今後の CNTFED の課題である。

－248－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.2.4.2 ゲート絶縁材料 PPSQ (Polyphenylsilsesquioxane)を用いた 3 極管構造 65)(a) パネルユニット(b)大面積ディスプレイの想像図
図 4.2.4.3 インフォメーションボード用ユニットサイズの FED68)
平形薄膜構造縦型 FEA では，松下電工が BSD（弾道電子面放出型，Ballistic Electron Surface-emitting
Display）と名付けた FED69-75）を開発中である。Pt／SiO2／多結晶ポーラス Si 薄膜／Si の両端に電圧を印加すると，電界放出された電子が SiO2 膜を通過する際加速され，Pt 薄膜を突き抜けて，対向するアノードの蛍光フェースプレートに衝突し発光する。ほぼ垂直に Pt 薄膜を電子が飛び出すため，電子ビームの広がりが少なく，収束電極が不要である。駆動電圧が 20 V と低いうえ，FEA 表面を Pt 膜が覆っているため低真空でも劣化が少ない，構造がシンプルで，均一薄膜形成が可能ならば,大面積化が容易等の利点を持つ。電子放出効率は約 0.2～１%であり，従来の MIM 型の 0.001～0.01 %よりは非常に高いが，凸形の電子放出部を持つ縦型構造 FEA の約 100 %に比較して低いのが課題である。事業戦略上の理由と推測されるが、最近は FED としての公式発表はほとんど無い。
横型構造では，Surface－Conduction Electron Emitter（SCE,表面伝導エミッタ）を用いた平面型ディスプレイ(SED)の開発 76)をキャノンと東芝が共同開発し、2004 年に 36 インチプロトタイプ、生産計画を発表した 77)。事業戦略上の理由から、技術内容に関する発表は極めて少なく、2005 年には SID‘０５と IDW’

－249－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
０５で発表しただけである 78-80)。従来は、エミッタ材料として酸化パラジウムが還元したパラジウムを用いているとしており、粒径 5～10 nm と小さな超微粒子の酸化パラジウムからなる薄膜に，通電フォーミング
処理により酸化パラジウムの溶融に起因する裂け目（ギャップ：nm オーダー）を生じさせ，2 つに分離し、還元したパラジウム薄膜をエミッタ及びゲートとして用い，ナノメーターオーダーのエミッタ／ゲート間距
離で電子を引き出し，高加速電圧約 10 kV をアノードに印加、ブラウン管用 P22 系蛍光体を発光させるとしていた。しかし、SID‘０５では、通電フォーミング処理に加え、有機ガスをエミッタ近傍に流した状態で２２Ｖ以下のパルス電圧を印加し、カーボン薄膜を被覆させる活性化処理を行い、図 4.2.4.4 に示すような、
パラジウム薄膜上にカーボン薄膜が形成され、カーボンギャップ間の高電界に起因するカーボン電界電子放出エミッタが形成されていることを明らかにした。改良の結果、電流効率（アノード電流/全電界電子放出電流）は従来の１％前後から約３％に向上し、6 万時間まで安定な電界電子放出を示し輝度 400Cd／ｍ２、コントラスト 100,000：1 を得ている。図 4.2.4.5 に試作された３６インチ SED を示す。また、ＩＤＷ’０５
では、図 4.2.4.6 に示すように、1 画素にエミッタを蛍光体に対向する位置の信号線の両側に 2 個配置し、横方向に射出された電子ビームを信号線の電圧とアノード電圧で形成される電界により 1 個の蛍光体ピクセルに集束電極を設けずにフォーカスさせ、輝度・均一性を向上さいることを明らかにした。SED の量産が延び延びになっているが、実用化に最も近い FED として、市場への素早いデビューが望まれる。

図 4.2.4.4 SED のカーボンナノギャップ 79)

図 4.2.4.5 試作された 36 インチ SED78)－250－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.2.4.6 1 画素にエミッタを蛍光体に対向する位置に 2 個配置したＳＥＤパネル構造 80)
CRT と同様な発光原理を持つ FED は，ピーク輝度が高い等，様々な特長を持ち，次世代平面ディスプレ
イとして期待されている。しかし，同時に，高い技術課題を抱え，実用化への長い道のりを歩んできた。近年，漸く，評価に耐えうる様々な構造の FEA が試作され，実用化に近い FED パネル、SED も出来つつある。ＦＥＡに集中していた研究も，蛍光フェースプレート，スペーサー，収束電極，真空封止プロセスへと拡大し始めた。大型ディスプレイ，インテリジェントディスプレイ等が今後のターゲットとして挙げられ，残された課題も多いが，その特長を活かした高効率・高品質ディスプレイの実現が期待される。
（中本 正幸）参考文献(1) A.D. Haeff and L.S. Negarrd, Proc. IRE 28 (1940)126.
(2) R. Meyer et al., Japan Display 86 Tech. Digest (1986) 513.
(3) R. Meyer, Tech. Digest of 4th International Vacuum Microelectronics Conference (1991) 6.
(4) A. Ghis et al., IEEE transaction , ED.38 (1991) 2320.
(5) P. Vaudaine et al., IEDM Tech. Digest (1991) 197.
(6) F. Levy et al., IDRC Tech. Digest (1991) 20.
(7) C.A. Spindt et al., J. Appl. Phys. (1976) 5348.
(8) H.F. Gray, Proc.29th Int. Field Emission Stmp. (1982) 111.
(9) H.F. Gray et al., IEDM Tech. Digest (1986) 777.
(10) Electronic Design, Jan. 9 (1995) 95.
(11) F. Courreges，SID‘96 Tech. Digest (1996) 45.

－251－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(12) Information Display, 11 (1996) 10.
(13) M.Tanaka et al., SID’99 Tech.Digest (1999) 818.
(14) T.S. Fahren, SID’99 Tech. Digest (1999) 830.
(15) T.S. Fahren, IVMC’99 Tech. Digest (1999) 56.
(16) C.J. Curtin and Y. Iguchi, SID’00 Tech. Digest (2000) 1263.
(17) M.L. Hildner et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1043.
(18) Y. Hatano et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1043.
(19) B. Cummings et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 422.
(20) N. Tirard-Gatel et al., SID’99 Tech. Digest (1999) 1138.
(21) P. Shineda, IDW’98 Tech. Digest (1998) 11.
(22) B.R. Chalamala et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 89.
(23) R.H. Reuss et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 81.
(24) J.M. Kim et al., IVMC’99 Tech. Digest (1999) 54.
(25) C. H. Chung et al., IDW’02 Tech Digest (2002) 1053.
(26) M. Tanaka et al., SID’04 Tech. Digest (2004) 832.
(27) S. Itoh et al., IDW’04 Tech Digest (2004) 1189
(28) 双葉電子工業（株）、プレス発表 2004 年 11 月 12 日
(29) Y. Hatano et al.,, IDW’05 Tech Digest (2005) 2029.
(30) M. Nakamoto et al., IVMC’93, Late News #28 (1993).
(31) M. Nakamoto et al.., IVMC’95Tech. Digest (1995) 186.
(32) M. Nakamoto et al.,IEDM’96 Tech. Digest (1996)297.
(33) M. Nakamoto et al.,IEDM’97 Tech. Digest (1997)717.
(34) M. Nakamoto et al.,IVMC’99 Tech. Digest (1999)330.
(35) M. Nakamoto et al.,IEDM’00 Tech. Digest (2000)423.
(36) M. Nakamoto et al.,IMID’02 Tech. Digest (2002)299(37) Z.L. Tolt et al.,IVMC’99 Tech. Digest (1999)160.
(38) Jae-Hoon Jung et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 84.
(39) S. Uemura et al., SID’98 Tech. Digest (1998) 1052.
(40) W.B. Coi et al., IVMC’99 Tech Digest (1999) 311.
(41) S. Uemura et al., IDRC’00 Tech. Digest (2000) 398.
(42) J. Yotani et al., IDW’00 Tech. Digest (2000) 1015.
(43) S. Uemura et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1201.
(44) J. Yotani et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1209.
(45) S. Uemura et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 142.
(46) J. Yotani et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 312.
(47) H. Kurachi et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1237.
(48) T. Ezaki et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1245.
(49) Y. Saito, Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 11.

－252－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(50) J.M. Kim et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1221.
(51) J.M. Kim et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 304.
(52) Y. Tomihari et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1245.
(53) S. Uemura et al., SID’02 Tech. Digest (2002) 1132.
(54) S. Uemura et al., IDW’02 Tech. Digest (2002) 1025.
(55) C. G. Lee et al., SID’02 Tech. Digest (2002) 1125
(56) C. G. Lee et al., IMID’02 Tech. Digest (2002) 303(57) C. G. Lee et al., IDW’02 Tech. Digest (2002) 1021
(58) S. Nakata et al., SID’04 Tech. Digest (2004) 928(59) S. H. Lim et al., SID’04 Tech. Digest (2004) 924(60) J. Yotani et al., SID’04 Tech. Digest (2004) 828(61) S. Watanabe et al., IDW’04 Tech. Digest (2004) 1175
(62) K. Murakami et al., IDW’04 Tech. Digest (2004) 1201
(63) J. Yotani et al.,, SID’05 Tech. Digest (2005) 1720(64) H. Kurachi et al., IDW’05 Tech. Digest (2005) 1639
(65) S. Okuda et al., SID’05 Tech. Digest (2005) 1712
(66) S. Watanabe et al., IDW’05 Tech. Digest (2005) 1643
(67) T. Honda et al., IDW’05 Tech. Digest (2005) 1647(68) T. Tonegawa et al., IDW’05 Tech. Digest (2005) 1659
(69) T. Komoda et al., IDW’99 Tech Digest (1999) 939 I.
(70) T. Komoda et al., SID’00 Tech Digest (2000) 428.
(71) T. Ichihara et al., Asia Display/IDW’01 Tech. Digest (2001) 1193.
(72) T. Komoda et al., SID’01 Tech. Digest (2001) 188.
(73) T. Komoda et al., SID’02 Tech. Digest (2002) 1128(74) N. Koshida et al., IDW’02 Tech. Digest (2002) 1029.
(75) T. Ichihara et al., IDW’02 Tech. Digest (2002) 1033.
(76) I. Nomura et al., IDW’96 Tech Digest (1996) 523.
(77) （株）東芝、キャノン（株）プレス発表、2004 年 9 月 14 日
(78) T. Oguchi et al., SID’05 Tech. Digest (2005) 1929(79) K. Yamamoto et al., SID’05 Tech. Digest (2005) 1933(80) Y. Ishizuka et al., IDW’05 Tech. Digest (2005) 1655

－253－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
4.2.5 電子ペーパー(1) 電子ペーパーの全体動向
電子ペーパー関連の技術動向として、2004 年は電子書籍の相次ぐ発売（ソニー、松下）が話題になったが、2005 年度は掲示広告媒体を目指した動き、時計への応用や巻き取り型ディスプレイへの展開等が話題を集めた。ここでは上記各々の動向について紹介する。
(2) 各種応用分野を目指す動向(a) 掲示媒体への応用
コレステリック方式を用いた電子ペーパーの試作についての発表が 2005 年 7 月に富士通(株)からなされた（図 4.2.5.1）。これは赤、緑、青の 3 枚のコレステリック液晶表示パネルを積層した構造によりカラー表示を実現し、反射型でメモリー性があることから書き換え時以外は電力を必要としない低消費電力性を実現している。このような特徴により、車内中吊り広告などへの応用が期待されている。この内容はテレビコマー
シャルとしても放映され、電子ペーパーの認知拡大にも貢献した。

図 4.2.5.1 コレステリック方式を用いた電子ペーパー(富士通)
一方、(株)日立製作所からも同様に車内広告媒体等への展開をめざした電子ペーパーの発表があり 1)、2005
年 12 月に東京駅において(株)ジ ェ イ ア ー ル 東 日 本 企 画 と の 共 同 企 画 と し て 実 証 実 験（ 広 告 媒 体 と し て の 動 態 展 示 ）が。表示技術についての詳細な発表は無かったが、粉体系の表示方式と推定さ
2 週 間 に 渡 っ て お こ な わ れ た （図 4.2.5.2）
れる。紙印刷媒体のデジタル化に適した新しい表示装置として、ビジネス展開面の可能性が強くアピールされていた。

」
図 4.2.5.2 日立製作所とジ ェ イ ア ー ル 東 日 本 企 画 に よ る 電 子 ペ ー パ ー 実 証 実 験 (東 京 駅 )－254－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 時計への応用
マイクロカプセル化電気泳動方式を用いた腕時計を 2006 年 1 月より限定販売するとの発表が、セイコー
ウオッチ(株)から 2005 年 11 月になされた。これは米国 E Ink 社の技術を使用しセイコーエプソン(株)との共同開発によるものと発表されている。
デザイン性を重視し 20 万円以上する限定的な高額商品ではあるが、電子ペーパー技術応用製品の新展開として注目される。
同じく米国 E Ink 社のマイクロカプセル化電気泳動方式を用いたフレキシブルな大型時計の発表がシチズ
ン時計(株) より 2005 年 11 月になされた。縦 530mm×横 1300mm という大きさ、厚さ 3mm・重量 1.5kgという薄型・軽量性、人力でもしなやかに曲がるというフレキシブル性、暗い室内や直射日光の下でも高い
視認性と視野角を確保している点が強調されている。屋外での実用用途等が期待される(図 4.2.5.3)。

図 4.2.5.3 電気泳動方式を用いたフレキシブルな大型時計（シチズン時計）(c) 巻き取り型ディスプレイへの応用
米国 E Ink 社開発のマイクロカプセル化電気泳動方式を用いたフレキシブルな表示媒体を用いて巻き取り型の TFT ディスプレイのプロトタイプ製作が Polymer Vision（オランダのフィリップス社のベンチャー部門と考えられる）から発表され、2005 年 12 月の IDW (International Display Workshops) 等で報告された 2)(図 4.2.5.4)。本プロトタイプは電子ペーパー技術によるフレキシブルな表示媒体を応用して、コンパクトに収納可能なディスプレイを可視化して見せた点で意義が大きい。
英国の Plastic Logic 社からも、同じく米国 E Ink 社開発のマイクロカプセル化電気泳動方式を用いたフレ
キシブルな表示媒体の発表が 2005 年 12 月の IDW においてなされた 3) (図 4.2.5.5)。基板には PET が使用されており、有機 TFT 回路をプリント工程により形成している点が注目される。

図 4.2.5.4 電気泳動方式を用いた巻き取り型
ディスプレイ（Polymer Vision）

図 4.2.5.5 プリント工程による有機
TFT 回路を用いた電気泳動方式フレ
キシブルディスプレイ（Plastic Logic）－255－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
(3) ヒューマンインタフェースの観点からの示唆
電子ペーパーのめざす読みやすさや使いやすさは、表示面の性能だけでなく製品としての望ましい形状や機能等に大きく左右されると考えられる。そのような観点から読みやすさ実現のためのヒューマンインタフ
ェース面での検討が進められている。
紙媒体か持つ手持ち等自由な姿勢を許すメリットを電子媒体が取り込むことにより、読みやすさは実際にどのように向上するか否かについての実験報告が 2005 年に東海大からなされている 4)。図 4.2.5.6 は、2 つの電子書籍媒体 (LIBLIe, Σbook) を用いて、①机上立て掛け、②机上水平置き、③手持ち、の 3 種類の呈示
条件において被験者に 30 分間小説を読ませた際の読みやすさ、目の疲労、体の疲労に関する総合評価を AHP（Analytic Hierarchy Process : 階層化意思決定法）の手法を用いて求めた実験結果である。“手持ち”条件が顕著に高い評価を受けていることが注目される。“手持ち”条件にこのように高い評価が示されたことは、自由な読書姿勢を指向する自然な結果と考えられる。
通常のディスプレイ上で本を“読む”ことに抵抗感があるとすれば、上記評価結果は逆にそのひとつの理由を示唆するとも言える。また、実験に用いた 2 つの電子書籍端末が手に持てる形状・重量等を備えていることは、読書媒体としての最終評価を押し上げていると解釈できる。実はこの実験に用いられた読書端末は、薄型コンパクトではあるがフレキシブル性は備えていない。しかしフレキシブル表示技術の達成目標である
薄型コンパクト性がもたらす具体的メリットを示唆した本実験結果は、フレキシブルディスプレイ実現の動機を鼓舞するものと言える。この分野の他の研究として例えば、読書中の目の疲労度を読書前後の目の遠近調整能力の差異として計測する手法により電子書籍端末と文庫本との間の比較を行った結果として、２つの媒体間で優位な差が見られなかったことを報告した日本工大の研究報告が挙げられる 5)。

相対評価値 （→高評価）

1.0
0.8

立て掛け

水平置き

手持ち

0.6
0.4
0.2
0.0
LIBRIeΣBook

図 4.2.5.6 電子書籍端末の呈示条件に関する比較評価結果（評価値は媒体ごとの相対値であり、合計は媒体ごとに１となる）(4) 業界団体・学会等の動向
電子ペーパー技術およびそのビジネス展開は、ディスプレイ業界、複写機・プリンター業界、出版業界、
新聞業界、広告業界等々、様々な分野から注目と期待を集めつつある。
そのような多様な業界において電子ペーパーの普及をめざす動きが JBMIA（社団法人ビジネス機械・情－256－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）報システム産業協会）の部会である電子ペーパー懇談会（委員長:高橋恭介東海大学名誉教授）で進められている。2003 年に立ち上げられ 3 年目の活動を進める前記懇談会では国内の電子ペーパー関連企業から多数の参加を得て、現在 30 社以上からの参加委員により、電子ペーパーの応用分野探索、国内外動向調査、標準化に向けた準備活動等が精力的に進められている 6)。
また学会関連でも電子ペーパー関連技術は注目を集めつつある。映像メディア学会誌における“フレキシブ
ルディスプレイ小特集 7) (2005 年 9 月号) ”、電子情報通信学会誌における”平面ディスプレイ小特集 8) (2005
年 8 月号)“、日本画像学会誌における“電子ペーパーを育む最新技術 9) (2005 年第 2 号)”、静電気学会誌における”電子ペーパー特集 10) (2005 年第 6 号)“の各学会誌には電子ペーパー関連の最新動向や展望が紹介されている。
（面谷 信）

参考文献(1) 鈴木薫, “電子ペーパー応用ディスプレイ”, 日本画像学会 第 92 回技術研究会(電子ペーパー研究会),
pp.39-46(2005).
(2) H.E.A. Huitema, et al., “Rollable Active-matrix Electronic-paper Displays”, ”, Proceedings of
IDW/AD ’05, pp.857-860(2005).
(3) S.E. Burns, et al. “Manufacturing Flexible High Information Contren Active Matrix Displays”,
Proceedings of IDW/AD ’05, pp.865-867(2005).
(4) 面谷 信,岡野翔, 井澤英二郎, 杉山明彦:“電子ペーパーのめざす読みやすさに関する研究－紙とディスプレイの読み取り作業比較実験からわかってきたこと－”, 日本画像学会誌, 154,pp.121-129(2005).
(5) 磯野治雄, 高橋茂寿, 滝口雄介, 山田千彦: 電子ペーパーと文庫本で読書した場合の視覚疲労の比較, 信
学技報, EID2004-80, pp.9-12 (2005)．
(6) 深瀬康司, JBMIA 電子ペーパー懇談会調査報告-拡大する電子ペーパー市場と機械産業の取り組みについての動向調査-, 日本画像学会第 2 回フロンティアセミナー予稿集,pp.114-115(2004).
(7) “フレキシブルディスプレイ小特集, 映像メディア学会誌, pp.1255-1278(2005).
(8) “平面ディスプレイ小特集”, 電子情報通信学会誌, pp.619-665(2005).
(9) “電子ペーパーを育む最新技術”, 日本画像学会誌, pp.95-129(2005).
(10) “電子ペーパー特集”, 静電気学会誌, pp. 285-311(2005).

－257－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
4.2.6 プロジェクタ(1) ライトバルブ
ライトバルブはプロジェクタの輝度、画質、サイズ等を決定付ける重要な要素であり、現在、透過型のHTPS（High Temperature Poly Silicon TFT）、
反射型の DMD（Digital Micromirror Device）、
LCOS（Liquid
Crystal On Silicon）の各方式がある。
(a) HTPSHTPS を用いたプロジェクタは光利用効率（lm/w）が高く、高輝度化に優れている。図 4.2.6.1 はセイコ
ーエプソン社製の HTPS の輝度推移をサイズ、世代別（図中 D1～D4）に示しており、明るさはこの 10 年
間で約 50 倍に達している 1)。

図 4.2.6.1 HTPS プロジェクタの輝度推移（小池による

1））

更に最新のプロセス D5 では画素ピッチを 10µm まで微細化しつつ開口率は 20%向上させた。また、新駆動方式の採用により、隣接画素間の横電解によって生ずるディスクリミネ-ションを防止し、1500:1 の高コ
ントラストを達成した。図 4.2.6.2 に新駆動方式(AFS）の原理を示す。図中 line1 と line２を交互に反転ス
キャンすることでライン駆動の欠点である電極間の位相差をなくし、かつ面反転駆動特有の輝度むらやクロ
ストークを改善したとしている 2)。

図 4.2.6.2 新駆動方式 AFS（Alternate Frame Scan ）の原理（H. Hosaka, et al. 2））－258－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）製造技術では、液晶の配向膜を形成する際、従来のローラー塗布からインクジェット方式に変えることで表示むらを改善した 1)。また、配向膜の材料を従来の有機膜から無機にすることにより、従来比約 4 倍の耐光性向上と、ラビング工程不要による更なる高画質化を達成した報告がされている 3)。
(b) DMD
光学系の小型化や価格競争力向上のためにチップサイズを縮小し、10.8µm ピッチを達成した。図 4.2.6.3
は DMD の画素構造で(a)は従来(13.7µm ピッチ)の XB（extended beam)構造、(b)は最新の FTP(Fast Track
Pixel)構造である。FTP 構造はヒンジ長さや、Beam 削除による軽量化、接触部(SpringTip)の小面積化等で、高速で安定なスイッチ動作を実現した。また、CMOS プロセスは 1.2µm から 0.7µm に微細化されＳＲＡＭを小型化した。これらにより高解像度化、低コスト化、高画質化を可能とした 4)。

(a) XB Pixel Architecture(13.7μm)(b) FTP Pixel Architecture（13.7&10.8μm)

図 4.2.6.3 DMD の画素構造 (J.Grimmett, et.al. 4))
コストアップを抑えた高解像度化技術として Wobulation の報告がされた 5)。光学アクチュエータにより投影画素をシフトさせ、２倍の解像度を得る技術である。DMD はダイヤモンド配置、HP 社の 2005 年 PTV
製品 6)に搭載されている。
(c) LCOSLCOS は高精細に向いた素子であり、フル HD の PTV やデジタルシネマ用フロントプロジェクタが実用化されている。その例として SONY 社の SXRD パネルの写真を図 4.2.6.4 に示す。

(a) 0.78-inch Full HD(b) 1.55-inch 4k2k
図 4.2.6.4 SXRD パネル PKG (S.Hashimoto,et.al. 7))－259－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(a)は 0.78 インチのフル HD（1920×1080）パネル、(b)は 1.55 インチの 4k2k(4096×2160）パネルである。
無機配向膜の垂直配向液晶（VAN）で、画素ピッチ 9µm, 8.5µm、画素間隙間 0.35µm、セル厚 1.5～2µmである。基板の平坦化と狭セルギャップにより高速応答性 (ton+toff=5msec）と高コントラスト 4000:1 を実現した。7µｍピッチで 0.61 インチ 1080P、コントラスト 5000:1 のパネルの目処が既についており、近い
将来リリースするとしている 7)。
JVC は 0.7 インチ 1080P、画素ピッチ 8µm でデジタル駆動（PWM）のパネルを開発した。デジタル駆動による新たなディスクリネーションの発生に対しては、パルス駆動方法の改良とセル構造の最適化により解決した。これを搭載したフル HD-PTV を 2005 年 Q3 にリリース予定で、5000:1 の高コントラスト化を実現したとしている 8)。
カラーシーケンシャルの単板プロジェクタ用パネルの開発報告があった。セル厚 1～2µm で応答速度（ton+toff）2msec とし単板駆動可能、また位相差フィルム等の補償なしで 3500:1 のコントラストを達成したとしている 9)。
(2) 光源プロジェクタの光源は現在、超高圧水銀ランプ（UHP ランプ）が高効率の点で主流を占めており、シネ
マ等一部で発光スペクトルの良いキセノンランプが使われている。また、最近は長寿命化や広色域化のニーズが高まり、LED 等の固体光源も注目されつつある。
(a) 超高圧水銀ランプ
高輝度化と長寿命化はトレードオフの関係にある。この改善研究例として、電極構造、管内気圧、ハロゲ
ンサイクル等の最適化を行い 120/132w で 10,000/6,000ｈ以上を得る報告があった 10)。
ランプの安定化にはドライバーも重要な要素である。図 4.2.6.5 は新方式の駆動電流波形を示すもので、図のような低周波パルスの挿入により 2,000ｈ以上光束変動がない安定動作を得たとしている 11)。

図 4.2.6.5 新駆動方式の電流波形 (K.Sugaya et.al. 12))ランプのリフレクター品質はプロジェクタ輝度に極めて影響する。図 4.2.6.6 に EPSON の製品に応用されている E-TORL（EPSON-Twin Optimize Reflection Lamp）の構造を示す。サブミラーで反射した光束を楕円型リフレクタに戻し、パネルへの光利用効率を高めたことで光効率が 30%以上向上した。これを搭載したホームプロジェクタは 1600lm の高輝度を実現している 12)。

－260－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.2.6.6 ランプリフレクタの構造(SEIKO EPSON web より 12))(b) LEDLED 光源は UHP ランプに比べ、長寿命、広色域、調光・on/off が自在、水銀等の汚染物質が無い等新たなプロジェクター用光源として注目されてきている。しかしながら Etendue の問題から高輝度化にはまだ課題が多い。小型の特徴を活かしポケットプロジェクタとして新市場開拓を目指す開発が行われている。高輝
度 LED（6.5w）を用いて、100cc、15lm の DLP 用エンジンが発表された 13)。
時分割変調方式の単板 LCOS LED プロジェクタの報告がされた。図 4.2.6.7 はそのインテグレータと変更
変換の構成図で、LED 各素子に設けた集光器を介し反射型偏光素子により反射光をリサイクル利用すること
で Etendue の上昇を防いでいる。100Hz のフレームレートでコントラスト 341:1、輝度 44lm を得たとしている 14)。

図 4.2.6.7 単板 LCOS 光学系(Hans Zou1, et.al. 14) ) 図 4.2.6.8 HTPS 光学系(O.H.Willemsen, et al.15) )図 4.2.6.8 は LED 光源の 3 板 HTPS プロジェクタのエンジン構成図である。エンジン容積 110cc、電力9w で 15lm を達成し、高効率モード（f/1.6 レンズ）では 3.8w で 8.5lm が可能としている 15)。
図 4.2.6.9 は単板透過型液晶プロジェクタのプロトタイプ写真である。LED のコリメータ形状を効率化し(輝度効率 1.34→1.41)、消費電力 18w で光束 12lm を得た。また、ポケットプロジェクタとして電池駆動、SD カードによるワイヤレス化を実現している 16)。この他に 2005 年の Infocomm Show(米国ラスベガス)では多くの LED ポケットプロジェクタが展示された。
図 4.2.6.10 はその一例の三菱製のもので、
サイズ 123mm
×47mm × 97mm、照度 250lux としている。図 4.2.6.11 は Samsung 製で重量 800g、明るさ≧20lm、消費電力≦18w、電池で 2.5h 動作（写真下部がバッテリーボックス）するとしている。

－261－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.2.6.9 LED-PJ (M. Maeda, et al.16))

図 4.2.6.10 三菱 LED-PJ

図 4.2.6.11 Samsung LED-PJ

PTV への LED 応用としてはシステム etendue、システム F#、
偏光変換リサイクル等を考慮した 3 板 LCOS
エンジンが開発され、280lm 出力を可能としている 17)。
(c) LASER
LED に次ぐ固体光源の候補として LASER の研究開発も進んでいる。GaＮ材料の 445nm 青色レーザダイ
オ ー ド で 高 出 力 200mw を 得 た 報 告 が さ れ た 18) 。 ま た 、 1050nm の 赤 外 OPS(Optically Pumped
Semiconductor)レーザから SHG(Second Harmonic Generator)素子で周波数逓倍し、525nm の緑色を得る
報告がされた。20-40MHz の直接変調を可能としている 19)。これらはプロジェクタに至るまではまだ道程は遠いが、RGB が揃う将来の可能性を示している。
(3) 光学系(a) 薄型化
大画面 TV 市場における LCD や PDP 等との競合により、PTV の薄型化技術開発は進展している。図4.2.6.12 は代表的な薄型化の基本構成例を示したもので、(a)は NEC Viewtechnology 社の超広角フロントプ
ロジェクタ(SID2004 発表）で 0.65m 距離で 100 インチ投射が可能。(b)は InFocus 社の PTV(SID2005 発
表）で画面 61 インチ、厚さ 6.5 インチ。

図 4. 2.6.12 Schematic layout of optical systems（M.Kuwata,et.al. 20)）（c)は三菱電機のリヤプロ（SID2002 発表）で画面サイズ 60 インチ、厚さ 26cm。(d)は同社の新しい光学系で、投射角 160°、屈折型レンズと非球面ミラーからなり、フラットミラー無しで画面サイズ 62 インチ、厚さ 26cm を実現したとしている 20)。

－262－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 高精細スクリーン
PTV 用のファインピッチスクリーンとしてレンチキュラーレンズ間隔を従来の 98µm から 64µm に改良した報告がされた。これにより 1080p 以上の高精細化にもクリアな画面が実現するとしている 21)。
(c) マルチカラー
HTPS パネルを用いた４色(イエロー付加）のマルチカラープロジェクタについて報告された。白バランス
を D65 に最適化し、RGB3 原色に比べ 2.1 倍の光強度と NTSC を超える広色域化が可能としている 22)。
(d) 動画視認性向上
液晶プロジェクタの動画視認性について、ホールド型ディスプレイに付随する動画ボヤケの改善報告がされた。ランプと液晶パネル間の照明光路に回転プリズムを配し、帯状に集光された入射光をプリズムの回転に従って液晶パネル上にスキャンさせることで、輝度低下なくフレームに黒挿入され、CRT に近い動画ボヤケの改善効果が得られたとしている 23)。

図 4. 2.6.13 回転プリズムを用いた LCD プロジェクタの光学系（H. Kojima, et al23) ）（竹田 圭吾）参考文献(1) S.Koike, “New technological trends in HTPS TFT LCD”, IDW/AD ’05 pp.1883-1885 (2005)(2) H. Hosaka, et al. “New Driving Method for Next-Generation HTPS TFT Light Valves”, IDW/AD'05
pp.1935-1938 (2005)(3) ソニー株式会社プレスリリース 2005 年 2 月 24 日
(4) J. Grimmett, et al. “Advancements in DLP® Technology: The new 10.8m pixel andbeyond”,IDW/AD'05, pp1879-1882,(2005)(5) Will Allen, et al. “Wobulation: Doubling the Addressed Resolution of Projection Displays” , SID 05

DIGEST, pp.1514-1517, (2005)(6) Hewlett-Packard 社 web より by Andrea Harris,Sept.2005 http://www.hp.com/hpinfo/newsroom/feature_stories/2005/05wobulation.html(7) S.Hashimoto, et al. “SXRD(Silicon X-tal Reflective Display);A New Display Device for Projection
Displays”, SID 05 DIGEST, pp1362-1365, (2005)(8) S. Shimizu , et al. “VAN Cell Technology of Digital D-ILATM”,IDW/AD'05, pp1923-1926,(2005)(9) James E. Anderson, et al.“Fast VAN LCoS Microdisplay”, SID 05 ,pp.1366-1369,(2005)－263－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) Holger Moench, et al. “Long Life UHP Lamps for Consumer Applications”, SID 05 ,pp.1600-1603(11) Katsumi Sugaya, et al. “A New Driving Scheme for AC-Type Ultra-High-Pressure Mercury Lamp
with Highly Stabilized Light Output”, SID 05, pp.1596-1599 (2005)(12) SEIKO EPSON 社 Web より http://www.i_love_epson.co.jp/products/dreamio/emptw600/index.htm(13) Matthijs H. Keuper, et al.“RGB LED Illuminator for Pocket-Sized Projectors”, SID 04 ,pp.943-945,(14) Hans Zou1, et al.“Single-Panel LCOS Color Projector with LED Light Sources”, SID 05,
pp.1698-1701, (2005)(15) O.H.Willemsen,

et

al.“A

Handheld

Mini-Projector

Using

LED

Light

Sources”,

SID

05,pp.1706-1709, (2005)(16) Makoto Maeda, et al.“LED-Based Cable-less Projector with High Efficiency Collimation Optics”,
IDW/AD ’05 pp.1915-1918 (2005)(17) (17)A.Conner, et al. “Performance of LED as the Illumination Source for Microdisplay Rear
Projection TV”, IDW/AD ’05, pp.1907-1910(18) Tokuya Kozaki, et al.“High - Power InGaN Blue - Laser Diodes for Displays”, SID 05 ,pp.1605-1608, (2005)(19) U. Steegmüller, et al.“High Speed Green Frequency Converted Semiconductor Laser for Projection
Displays”, SID 05 ,pp.1608-1609, (2005)(20) M. Kuwata, et al. “Wide-Angle Projection Optics for Thin Rear Projectors”, IDW/AD'05, pp.1879-1882, (2005)(21) Y.Igarashi, et al. “Evaluation of Super Fine-Pitch Screen for Rear Projection TV”, IDW/AD'05,
pp.1899 -1902, (2005)(22) Shmuel Roth, et al.“Four Primary Color Projection Display”, SID 05 DIGEST, pp.1702-1705,(2005)(23) H. Kojima, et al. “A New LCD Projection System Using a Scrolling Prism for Moving Pictures”,
IDW/AD ’05 pp.1895-1898 (2005)

4.2.7 立体ディスプレイ（2 眼式／多眼式）
2 眼式立体ディスプレイとは、ステレオカメラで撮像した 2 眼の映像を左右それぞれの目に合わせて表示
する立体映像表示方式である。本方式は、目の焦点と結像点が一致しないため、眼精疲労を起こす課題を持っている。
2 眼式立体ディスプレイの課題を解決する多眼式立体ディスプレイとは、複数カメラで撮影した映像の中から、立つ位置に応じた 2 つの映像をそれぞれ左右の目に投影し、位置を変えると異なる方向からの映像を見ることができる方式である。実際狭い間隔で映像撮影し、それらを 2 眼に映像を投影し、見る人には連続した立体として認識できる。
2 眼式立体ディスプレイは原理的にほぼ完成されていることから、多眼式立体ディスプレイの最新の成果について 4 点解説する。
① 多眼式の開発研究として“高度三次元動画像遠隔表示プロジェクト”（研究期間：平成 9 年 10 月～平成

－264－
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14 年 9 月）があり、それらの研究の概要、成果とその評価を以下に述べる。
・研究概要：従来の立体表示技術（立体メガネ方式、両眼ステレオ方式等）では、特殊メガネを使用
によることによる不便さ、見る位置が指定される不自由さ、長時間視聴による眼精疲労
等の課題があった。これらの課題を解決するため、空間に多数のカメラを配置して撮影し、多眼カメラによる視差補間する技術、それらを多視点画像表示する技術（超多眼立
体表示）、更に超多眼立体画像の評価技術の開発／研究を行った。
・研究成果：① 投影光学系扇形配列方式／視域制限スリット制御方式による超多眼立体表示システム。
② 全周型立体ディスプレイ（カラー動画像表示全周型立体ディスプレイ）装置。
③ 視聴者の眼の近傍のみに超多眼立体画像を表示する視点検出・追従システム。
④ 多眼カメラにより多視点画像を撮像、カメラ間の視点画像をリアルタイムで視差補間することにより、超多眼立体ディスプレイ用表示画像をリアルタイムで生成するシス
テム。
⑤ 視点追従立体ディスプレイに対応した補間生成視点のリアルタイム制御技術。
⑥ 超多眼立体表示における必要な瞳孔内視差数は 2～4 視差程度で、比較的自然な眼機能応答が得られることの知見。
⑦ 種々な表示方式の立体ディスプレイを評価するため、書き割り効果の知覚ひずみに関する視覚実験用三次元画像評価チャートの作成。
・研究評価：超多眼技術の実用化については尚時間がかかるが、疲労の少ない立体表示技術への道筋を示した。又、今後の 3 次元表示研究の方向付けとなる、目の調節機能検証で超多眼式
立体ディスプレイ研究の基盤的な研究を促進することになり、それ以後の自然な立体表
示技術のシナリオを示すことになる(1)。
② 多眼式立体ディスプレイで先行する高木助教授（東京農工大学）が開発したシステムを図 4.2.7.1、図4.2.7.2 に示す。
多眼数は 64～128 個である。
その次に、三次元ディスプレイで表示した三次元物体を 0°、±5°、±10°の方向から撮影した写真を図 4.2.7.3 に示す。

図 4.2.7.1 64／128 眼 3Ｄディスプレイ(2)図 4.2.7.2 64／128 眼 3Ｄディスプレイ(2)－265－
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-10°

-5°

0°

+5°

+10°

図 4.2.7.3 0°、±5°、±10°方向からの 3 次元画像(2)③ 超多眼研究の代表として、原島・苗村研究室（東京大学）では LIFLET（Light Field Live with Thousandsof Lenslets）のコンセプトで研究が進められている。僅かな視差でインタラクティブ画像を撮像するのに数千の光線による画像データを取り込み、リアルタイムで処理を行っている。本システムは Depth-control

lens、Array of lenslets、IEEE1394 digital camera と PC で構成している。Array of lenslets は映像群を生成し、深さ情報は Depth-control lens にて取り出している。The IEEE1394 digital camera で
15 [frames/sec]の画像を撮影する。その結果、1/15 秒毎に補正し、インタラクティブに自由視点映像が得られる。
その自由視点像を図 4.2.7.4、使用された超多眼カメラと Array of lenslets を図 4.2.7.5、図 4.2.7.6に示している。

図 4.2.7.4 自由視点映像(3)図 4.2.7.5 撮像カメラ群(3)図 4.2.7.6 レンズ群(3)④ NHK 技術研究所では立体映像システムの研究を行っている。インテグラル立体テレビと電子ホログラ
フィーである。前者は写真技術である「インテグラルフォトグラフィ」の原理で、リアルタイムで撮像-表示が可能な方式である。たくさんの微小レンズを並べた特殊なレンズ板を通して撮影・表示を行う立体映像方式で、実物と同様、見る位置を上下左右に変え回り込んでも見られることが特長である。実際にそこにあるのと同様な光線の再現を行うため、自然な立体映像が得られる。図 4.2.7.7 は見る場所により被写体の位置関係が自然に変化する様子を示している。

－266－
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図 4.2.7.7 インテグラル立体 TV による映像(4)(西田 修造)参考文献(1) （独）情報通信研究機構 TAO 報告書“高度三次元動画像遠隔表示プロジェクト最終報告書(2) （国）東京農工大学 高木研究室ホームページ(3) （国）東京大学 原島・苗村研究室ホームページ(4) 日本放送協会 NHK 放送技術研究所ホームページ－267－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
4.2.8 無機 EL(1) はじめに無機 EL の開発は、1950 年代に照明光源を目指した分散型交流 EL パネルの研究に始まり、分散型直流
EL、薄膜型直流 EL、薄膜型交流 EL、そして最近では厚膜/薄膜ハイブリッド方式、マイクロ蛍光体粒子を用いたフレキシブル EL など、多様な経緯と展開を見せている。
無機 EL の基本構造は蛍光体と誘電体を組み合わせたものであり、直流型では誘電体層の代わりに抵抗層や半絶縁層を使用する。液晶やプラズマディスプレイに比べてカラー特性が十分でなく、民生用ディスプレイへの応用展開は遅れている。しかし、無機材料の高信頼性と誘電体薄膜による封止効果のため、ディスプ
レイの輝度寿命(10%減)は常温、常湿、常圧下において 3 万時間以上であり、半減寿命は 10 万時間に達する。
更に広温度範囲、耐振動性、耐衝撃性に優れることから、厳しい作業環境でメンテナンスフリーが必要な産業機器，車載，計測器，医療機器端末として使用されている。最近では、34 型フルカラーEL ディスプレイ
が実用化段階にあり、また、超高輝度・長寿命の直流型青色および白色無機 EL が試作・発表されている。
本節では、それら次世代の無機 EL について、最近の動向を述べる。
(2) 超高輝度白色発光無機 EL パネル
最近、茶谷産業㈱と㈱クラレは数十万 cd/m2 の輝度を示す超高輝度無機 EL 素子を開発し、同素子を用いた 7 インチ型無機 EL バックライトを試作・発表した。バックライトは 2 mm 角の無機 EL 素子を複数個並べており、青色発光を示す蛍光体薄膜に色変換用の赤色系蛍光体が組み合わされている。表 4.2.8.1 に基本特性を示すように、輝度 35 万 cd/m2 に保った状態での駆動寿命は 2.5～3 万時間と発表されている。蛍光体
として真空蒸着法で作製した ZnS 薄膜を用いている。同素子は有機 EL と同様に 5V 程度の直流低電圧で動作する特徴があり、発光効率は約 15 ℓm/W と言われている。
従来の薄膜型ＥＬの輝度が印加電圧 200 V の交流駆動(100 Hz)において数千 cd/m2 が限界であったのに比べると、約 2 桁の高輝度を示している。また、発光効率は従来の分散型交流 EL で得られる最高値と同程度であることから、直流駆動化によるキャリアの高密度注入により、高輝度化が可能になったものと推定される。同素子の構造、材料、動作・発光機構等はまだ明確でなく、詳細な技術開示が待たれる。
表 4.2.8.1 超高輝度無機 EL パネルの基本特性
項目

基本特性

パネル対角サイズ

7型

発光色

白色

駆動電圧

直流 5.5 V

駆動電流100 mA 以下

輝度

6500 cd/m2

寿命

2.5 ～ 3 万時間

発光効率15 ℓm/W

蛍光体材料

ZnS

－268－
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(3) 色変換方式を用いたフルカラー無機 EL ディスプレイ
カナダの iFire 社、国内の三洋電機㈱および大日本印刷㈱が共同で開発している色変換方式(CBB: Color byBlue)を利用した 34 型 W-XGA フルカラーEL ディスプレイについて、量産を目指したプロセス開発において進展が見られる 1)。パネルの基本構造を図 4.2.8.1 に示す。まず、ガラス基板上に金属電極を印刷法により形成した後、同じく印刷技術により BaTiO3 高誘電率絶縁層厚膜を形成する。更に青色蛍光体発光層を真空技術により形成し、平坦化層を介して上部電極である透明導電膜を形成している。従来の絶縁層材料である
簡便な厚膜印刷による高誘電率絶縁層が導入されたことで、Si3N4 系あるいは TiO2/Al2O3 混合系に代わって、現在では約１桁倍の高輝度化と駆動電圧の半減化が可能になっている。ハイブリッド EL の利点として、高誘電率絶縁層による低電圧化および移動電荷量の増大による輝度向上、厚膜絶縁層による高耐圧化および信頼性の向上、印刷技術の採用による大型化および低コスト化が挙げられる。
Blue

Green

Red
色補正フィルター

SrGa2S4:Eu(Ca,Sr)S:Eu

色変換蛍光体厚膜
透明電極(ITO)BaAl2S4:Eu blue phosphor film

蛍光体薄膜層(～1μm)

BaTiO3 thick dielectric film

誘電体厚膜層(～30μm)
金属電極

Glass

図 4.2.8.1

基板

高誘電率絶縁層厚膜と蛍光体薄膜を組み合わせた色変換方式(CBB)ハイブリッド EL ディスプレイの基本構造

青色蛍光体である BaAl2S4:Eu の成膜法について、従来は BaS:Eu と Al2S3 をペレット材料とした二源電子ビーム蒸着法が用いられ、高速の H2S ガス流下での表面反応を利用して、多元系化合物の組成を制御していた。最近、高周波スパッタ法あるいは直流スパッタ法により同発光層を形成し、蒸着法と同程度の発光特性が得られることが発表された 2)。ターゲット材料には、Ba, Al, Eu の混合物を使用し、H2S ガス雰囲気中
発光しきい値電圧は約 150でのスパッタリングにより化学組成の優れた BaAl2S4:Eu の作製を確認している。
発光ピーク波長 475 nm、
V であり、駆動周波数 240 Hz、駆動電圧 200 V における青色輝度は約 1000 cd/m2、
色度座標(0.14, 0.11～0.13)の高色純度で高輝度な青色発光が得られている。
輝度寿命は 2 万時間以上であり、この点でも蒸着法と遜色のない良好な信頼性が得られている。スパッタ技術は蒸着技術に比べて、量産性、大面積化に優れており、同じく高周波スパッタ法を用いる絶縁層との連続成長がスループットの向上に繋がる。また、蒸着法の難題であったペレット材料の不安定性の問題を回避できる可能性があり、歩留りの改善、低コスト化が期待できる。
34 型 W-XGA フルカラー無機ＥＬディスプレイの基本仕様および概観写真をそれぞれ表 4.2.8.2 および図4.2.8.2 に示す。同方式では、ITO 上に色変換層および色補正フィルターを配置し、青色発光を色変換層に通して赤色および緑色発光を得ている。単純マトリクス駆動では最大のパネルサイズであり、低コスト・高信
頼ディスプレイとして今後の進展が期待される。

－269－
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表 4.2.8.2 ハイブリッド構造フルカラー無機
EL ディスプレイの基本特性
項 目
34 型 W-XGA
基板サイズ [mm]475×800
有効表示領域 [mm]420×750
ライン数
1,280(×3)×768
輝度 [cd/m2]
250
コントラスト比1000: 1 (500 ℓ x)
白色温度 [K]
10000
色再現範囲
118% EBU, 85% NTSC
蛍光体材料
青: BaAl2S4:Eu

図 4.2.8.2 34 型フルカラー無機
EL ディスプレイ(4) フレキシブル無機 EL パネルの開発
有機 EL、フィルム液晶、電子ペーパーなど、フレキシブルな情報ディスプレイおよび照明光源の開発が活発化している。最近、無機 EL 開発においても同様に、プラスチックフィルムやメタルホイルを基板に用いた試作・発表が盛んである。図 4.2.8.3(a)は高誘電体微小球に薄膜蛍光体を形成したマイクロ粒子フレキ
シブル EL である 3)。微小球はスプレー乾燥法により作製され、高温熱処理(700～1000℃)を施した直径が約50µm の高誘電率絶縁体球(比誘電率:1500～5000)を用いている。これらの微小球はアルミナ基板上に再稠密
平面状に並べられ、上面に高周波スパッタ法により緑色蛍光体薄膜(Zn2Si0.5Ge0.5O4:Mn)を形成した後、真空中で温度 800℃の熱処理を行う。更に、微小球にポリプロピレンフィルム(PPF)を重ね、加圧昇温すること
で PPF を融解し、微小球が分散したフィルム状蛍光体が完成する。PPF の厚みは 50µm 以下であり、PPFの上下面から外部に露出した微粒子の上下部に上部透明電極(ITO)および下部金属電極(Au, Ni)を形成する。
高耐圧化を図る目的では絶縁層薄膜(SrTiO3)を介在させることもできる。発光特性はしきい値電圧 180 V, 輝
度 100 cd/m2、発光効率 1.5 ℓm/W が得られている。微小球の粒径や密度の最適化により、高効率なフレキシ
ブル無機 EL パネルが期待される。
図 4.2.8.3(b)はメタルホイル上に形成した二重絶縁構造薄膜ＥＬの基本構造である 4)。金属基板には、高温処理での安定性、無機薄膜との熱膨張係数の差異、光学的反射特性などを考慮に入れ、厚さ 25µm のモリブ
デンあるいはタングステンが用いられている。また、厚さ 50～100µm のセラミクスシート上に形成した無機 EL の基本構造を同図(c)に示す 5)。基板および蛍光層には酸化物材料を使用しているために、200℃の高温条件でも安定に動作する特徴がある。

ITO(0.3μm)

Polypropylene

Phophor(0.7μm)

Ni(0.5μm)

BaTiO3(～50μm)(a) プラスチックフィルムに形成した無機 EL－270－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
Visible Light Out
Visible and IR Light Out

ITO
Al2O3 dielectric film

透明電極 (～150nm)
透明電極 (～150nm)
薄膜絶縁層(～250nm)

ZnS:ErF3 emissive layer

薄膜発光層(～700nm)

Al2O3 dielectric film

薄膜絶縁層(～250nm)

Mo or W steel foil

フレキシブル基板(25μm)

GZ
O
film
Si3N4 dielectric(Zn,Si,Ge)O:Mn phosphor layer
Al2O3 / TiO2 dielectric film
ITO/GZO
Ceramic sheet(b) メタルホイルに形成した無機 EL

薄膜絶縁層(300～500nm)
薄膜発光層(～700nm)
薄膜絶縁層(300～500nm)
下部電極(20～30nm)
フレキシブル基板(50～100μm)(c) セラミクスシートに形成した無機 EL

図 4.2.8.3 フレキシブル無機 EL パネルの構造(5) 今後の展望
無機ＥＬ開発における厚膜化技術、マイクロ化技術、フレキシブル化技術は、従来の薄膜積層構成に比べて高効率化、多色化、軽量化などの点で新しい可能性を提示している。また、色変換方式を用いた厚膜/薄膜
ハイブリッド EL ディスプレイは実用化に向けたラインの構築が始まっている。その他、EL 独自の形態である透明ディスプレイについても、車載用、アミューズメント、インテリア用表示パネルとして、その用途が広がりつつある。最近では白色化技術も進んでおり、新規な用途展開が可能である。これら新技術の進展により、単純マトリクス構造の大画面ディスプレイ、フルカラー透明ディスプレイ、フレキシブル白色バッ
クライトなどの実用化が期待される。
(三上 明義)参考文献(1) X.Wu and D.Carkkner, Digest of Technical Papers, SID’05, (2005) 108.
(2) J.Acchione and A. Kosyachkov, Proc. of IDW’05 (2005) 1623.

(3) Y.Xiang, A.H.Kitai and B.Cox, Digest of Technical Papers, SID’05, (2005) 112.
(4) N.Shepherd, D.Morton, E.Forsythe and D.Chiu, Digest of Technical Papers, SID’05, (2005) 116.
(5) T.Miyata, Y.Mochizuki, S.Tsukada and T.Minami, Proc. of IDW’05 (2005) 563.

－271－
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4.3 トピックス
4.3.1 動画表示技術
ディスプレイの画質を劣化させる要因の中に、動きぼやけなど動く画像を表示したときだけに現れる画質劣化がある。
「動画表示技術」という語はより広い範囲の技術を指す場合もあるが、本項では、このような動画特有の画質劣化（動画質劣化）の評価や改善に関わる技術について、毎年その動向を紹介している。動画
表示技術はテレビ受像機など動画用ディスプレイにとって重要な技術である。
2005 年は LCD の動画表示技術に関して例年にも増して多くの技術発表や進展があった。しかし、他のディスプレイの動画表示技術に関しては、発表件数が少ないように見受けられた。
(1) LCD の動画質解析
LCD の主たる動画質劣化要因は動きぼやけである。動きぼやけを生じる原因は 2 つあり、１つは液晶の応
答時間、もう１つは TFT の動作原理により LCD がホールド型表示（各画素の表示輝度が 1 フレーム間ほぼ一定に保たれる表示方法）となっていることである 1)。ホールド型表示に起因する動きぼやけを改善する基
本的な方法として、表示光を画像のフレーム毎に間欠的な光にする間欠表示法（疑似インパルス化とも呼ばれている）と、動き補償技術を用いる倍速表示法がすでに提案されている 1)。前者の具体方法として、バックライト点滅や黒画像挿入がある。また、液晶応答時間の改善法には、OCB などの高速動作モードの採用やオーバードライブ技術がある。
動きぼやけやその改善の程度は計算機シミュレーションによって推測･評価することも可能である。今年度はシミュレーションによる LCD 動画質解析の発表が数件あった 2) -6)。それらの結果として、以下が報告された。
・現状の LCD では応答速度は動きぼやけ要因の約 30％であり、70％はホールド型表示に起因する 4,6)。
・バックライト点滅は黒挿入に比べて液晶応答時間への要求条件が緩い 4) 6)。
・バックライト点滅、黒挿入、過剰なオーバードライブは、表示画像にダブルエッジもしくはゴーストを生じることがある 2) 4)。
・OCB と倍速表示、黒挿入を組み合わせるときわめて良好な性能が得られる 5)。
このほか、LCD 動きぼやけの周波数領域における理論的解析の報告もあった 7)。
(2) LCD の動画質改善
LCD の動画質改善に関する今年度の注目すべき動向は、動き補償技術の導入である。バックライト点滅や黒挿入などの間欠表示法は、動きぼやけを改善でき、かつ実現が容易という長所があるが、大画面･高輝度のディスプレイではフリッカ（ちらつき）を生じやすいという欠点がある。一方、動き補償倍速表示法は、フリッカを増加させずに動きぼやけを改善できるが、信号処理の回路規模が大きくなるため、これまで実現されていなかった。
今年度、まず 5 月に動き補償高速表示技術を用いた 32”WXGA の液晶テレビが製品化された 8)。この LCD
では、動き補償技術を用いて画像信号と駆動のフレーム周波数を通常の 60Hz から 1.5 倍の 90Hz に変換することでホールド時間を約 70％に短縮し（図 4.3.1.1）、
さらに走査型バックライト点滅を行うことで約 70％、トータルで約 50％に短縮して、フリッカを増加させずに動画質を改善している。60Hz のままバックライト
点滅を行うとフリッカの増加につながるが、90Hz でのバックライト点滅は、人間の視覚特性からフリッカ－272－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を感じにくいという性質を利用している。
続いて 9 月には、
やはり動き補償技術を用いて 120Hz に変換表示することで動画質を改善した 37”WXGAの液晶テレビが製品化された 9) 。そのほか、動き補償 120Hz 変換表示する 40”LCD-TV の試作報告 10)や、動き補償 120Hz 変換表示についての LCD を用いた表示実験の報告 11)があった。

図 4.3.1.1 動き補償フレームレート変換 8)

図 4.3.1.2 「インパルスアドレッシング法」12)

別の動画質改善法として、パネルを 120Hz で駆動し、動き補償は用いずに、0～50％の信号レベルでは。この方法では、50％以下の信号レベ120Hz の 1 フレームおきに表示する方法が提案された 12)（図 4.3.1.2）
ルの画素については黒挿入と等価な表示光になり、動画質を改善可能である。
このほか、黒挿入とオーバードライブのパラメータを最適化することでゴーストやフリッカを最小化した
報告 13)や、データドライバ IC の charge share circuit を利用して黒挿入を行う方法の提案 14)、黒挿入を前提としたフレームメモリ不要のオーバードライブ法の提案 15)があった。
また、黒挿入とバックライト点滅を併用して動画質を改善する LCD-TV の報告 16) 17)もあった。
バックライト点滅を用いるシステム設計に関して、バックライト点滅によるゴーストを低減するため、ラインごとにオーバードライブ値を最適化する報告 18)や、フリッカを生じないための点滅の最小のデューティ
比を視覚特性から導出した報告 19)があった。
その他の改善法として、動き補償よりも簡単な動き適応信号処理により、動き補償と類似の改善効果を得ることを目的とする方法 20)や、画像の中の高域成分のみを 120Hz のフレーム毎に交互に増減させて動画質を改善する方法 21)の提案があった。
また、以上はすべて直視型 LCD のための動画質改善法である。これに対し、LCD プロジェクタのための動画質改善法として、光源ランプから LCD までの光路に置かれたプリズムを回転することにより、光の利。
用率を下げることなくホールド時間を短縮して、動画質を改善する方法が提案された 22)（図 4.3.1.3）－273－
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図 4.3.1.3 スクローリングプリズムを用いた 1-LCD プロジェクタの光学的レイアウト 22)(3) LCD の動画質測定・評価
動きぼやけに関連する動画表示画質を客観的に測定･評価する有力な方法として、MPRT（Moving picture
response time）が 2002 年以来提案されており、各社において LCD の動画質評価に用いられるようになって来ている。今年度も MPRT に関する報告があったが 23) -25)、VESA における MPRT の標準化作業が一定の進展を見たため、今回は MPRT については次項 4.3.3 で解説している。
MPRT の改善すべき点として、CRT の MPRT を測定すると、見た目には動きぼやけを生じていないにもかかわらず、蛍光体の残光特性と MPRT 測定における閾値の関係により、非常に大きな値の MPRT が測定される場合がある。これは、表 4.3.1.1 の EBEW の欄に示すように、暗から明へのステップ的な輝度変化において測定されることが多い。
表 4.3.1.1 暗から明への輝度変化における CRT モニタの EBEW と PBEW26)

MPRT の測定では、測定用の動くエッジ画像のエッジ部分を追従しながら輝度データを取り込む追従カメラを用いて、その出力波形から EBEW（Extended blur edge width, 拡張ぼやけエッジ幅）を読み取り、
EBEW から MPRT を計算する。上記の問題を改善するため、見た目により近いぼやけエッジ幅を測定する方法として、追従カメラの出力波形に対して視覚の周波数特性（CSF, Contrast sensitivity function）を模したフィルタ処理を行い、その出力波形のピーク間距離として PBEW（Perceived blur edge width, 知覚ぼ
やけエッジ幅）を求める方法が提案された 26)。図 4.3.1.4 の上の図に示す CRT モニタに対する追従カメラの出力波形に対して、CSF フィルタ処理を施すと、その結果は下の図のようになる。これは CSF がバンドパス特性であることによる。下の図の波形のピーク間距離として PBEW を求める。結果は表 4.3.1.1 の PBEWの欄のように、CRT モニタにおいて見た目に近い小さなぼやけ幅が得られている。一方、LCD-TV に対しては EBEW と同様な値の PBEW が得られることも確認されている（表 4.3.1.2）。
表 4.3.1.2 LCD-TV の EBEW と PBEW26)－274－
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図 4.3.1.4 暗から明への輝度変化における CRT モニタの応答（上）と CSF フィルタの出力（下）26)
追従カメラを用いる他の動画測定評価法としては、原画と追従カメラ応答の差の 2 次元的積分値として評価する IPPD（Integral pattern profile distortion）27) や、その時間軸への変換に対応する Tb（Blurred
pattern time）28)、色度差も含めて評価する CBA（Colored blurring time）29)の提案があった。
また、追従カメラを用いず純粋に時間ベースの測定により動画性能を測定評価する方法として、ディスプ
レイの時間的インパルス応答を測定し、それをフーリエ変換して得られる時間周波数特性から時間周波数帯域幅を求める方法が提案された 30)。この方法は一次線形システムで表せる単純な LCD においては MPRT と等価であることが示されたが、黒挿入やバックライト点滅などにより、ディスプレイが複雑な時間応答を示
す場合の振る舞いは不明である。
(4) PDP の動画質改善
PDP の代表的な動画質劣化要因は動画偽輪郭である。今年度は PDP の動画表示技術に関する発表は少なかった。ひとつの例として、昇順の重みを持つサブフィールド列と降順の重みを持つサブフィールド列をラ
イン毎・フレーム毎に交互に用いる表示法を AWD（Address-while-display）駆動法と組み合わせた場合、（類似の表示法を ADS
シミュレーションの結果として、動画偽輪郭改善に効果があるとの報告 31)があった。
（Address-display-separation）駆動法と組み合わせた報告は過去に有り）(5) フィールド色順次式ディスプレイの色われ関連
DLP プロジェクタやモバイル用小型 LCD の一部で用いられているフィールド色順次式（RGB 時分割表示式）のディスプレイは、特に明るいエッジ画像部分などにおいて、色われ（color breakup）という特有の画質劣化を生じる。色われは動画表示においても目立つが、静止画表示でもサッカード眼球運動によって瞬きや視線移動の際に知覚されることがある。このため色われは動画質を劣化させるだけでなく、観視者の疲労要因にも成り得る。
色われの低減に関して、RGB3 原色に第 4 の中間色を加えて時分割表示する方法について、2.2”の試作デ－275－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ィスプレイを用いて主観評価実験を行い、色われと消費電力の両面に配慮して表示パラメータの最適化を図った報告があった 32)。
また、色われが精神的なストレスや疲労に与える影響を、DLP プロジェクタを用いて生理的・心理的の両面で評価した結果として、色われは 5 分程度の短時間の観視でも疲労や精神的ストレスを引き起こす可能性があるとの報告があった 33)。
（栗田 泰市郎）

参考文献(1) T. Kurita, “Moving Picture Quality Improvement for Hold-type AM-LCDs,” SID ‘01, 35.1, pp.
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Simulation,” SID ’05, 19.1, pp. 1010-1013 (2005).
(3) J. Miseli, S.-W. Lee, “Evaluation of Motion Artifacts and Evolving Compensation Techniques for
LCD Monitors,” SID ’05, 19.2, pp. 1014-1017 (2005).
(4) H. Pan, X. Feng, S. Daly, “Quantitative Analysis of LCD Motion Blur and Performance of Existing
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(5) N. Yamagishi, H. Ishibashi, A. Kakinuma, T. Arai, H. Yamagami, “Proposal of High Picture Quality
LCD System Based on Moving Picture Simulation,” IDW/AD ’05, VHF2-3L, pp. 805-806 .
(6) A. A. S. Sluyterman, “What is needed in LCDpanels for Achieving CRT-like Motion Potrayyal?,”IDW/AD ’05, FMC7-1, pp. 1257-1260 (2005).
(7) 吹抜敬彦、「画像表示におけるホールドによるボヤケ」、2005 年映像情報メディア学会冬季大会、2-4 .
(8) R. Otake, Y. Ishikawa, S. Kitao, T. Funamoto, K. Miyabe, “Moving Picture Response Improvement
Technology for LCD Televisions:”Clear Focus Drive”,” IDW/AD ’05, VHF2-1, pp. 797-799 (2005).
(9) 日本ビクターホームページより(10) B.-W. Lee, K. Song, D.-J. Park, Y. Yang, U. Min, S. Hong, C. Park, M. Hong, K. Chung, “Mastering
the Moving Image: Refreshing TFT-LCDs at 120 Hz,” SID ’05, 51.2, pp. 1583-1585 (2005).
(11) Y. Yoshida, Y. Kikuchi, S. Daly, M. Sugino, “Image Quality Improvements in Large-Screen LC-TV,”
SID ’05, 66.3, pp. 1852-1855 (2005).
(12) N. Kimura, T. Ishihara, H. Miyata, T. Kumakura, K. Tomizuka, A. Inoue, S. Horino, Y. Inaba, “Newtechnologies for Large-Sized High-Quality LCD TV,” SID ’05, 60.2, pp. 1734-1737 (2005).
(13) S. Hong, B. H. Shin, T.-S. Kim, B. Berkeley, S. S. Kim, “Advanced Method for Motion-Blur
Reduction in LCDs,” SID ’05, P-51, pp. 466-469 (2005).
(14) T. Kim, J. O. Byunghyuk, S. Hong, “Black Frame Insertion Technique with Charge Share,”
EuroDisplay 2005, 12.3, pp. 152-155 (2005).
(15) F. T. Pai, D. Lin, S. M. Lee, H. K. Hsieh, X. O. Chang, C. H. Hsu, A. Chao, T. S. Jen, “TFT-LCD with
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(16) K. Nishiyama, M. Okita, S. Kawaguchi, K. Teranishi, R. Takamatsu, “32” WXGA LCD TV Using
OCB Mode, Low Temperature p-Si TFT and Blinking Backlight Technology,” SID ’05, 9.3, pp.

－276－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）132-135 (2005).
(17) K. Ono, Y. Imajo, I. Mori, R. Oke, S. Kato, K. Endo, H. Ishino, “New IPS Technology Suitable for
LCD-TVs,” SID ’05, 66.2, pp. 1848-1850 (2005).
(18) X.-F. Feng, H. Pan, S. Daly, “Dynamic Gamma: Applications to Hold Type Motion Blur Reduction
Using Synchronized Backlight Flashing,” IDW/AD ’05, VHF3-1, pp. 807-810 (2005).
(19) S.-H. Lee, S.-W. Jang, E.-S. Kim, S.-H. Lee, K.-I. Sohng, “The Design of an LCD System Based on
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Vol. E88-C, No. 11, pp. 2094-2098 (2005).
(20) T. Kurita, “Motion-Adaptive Edge Compensation to Decrease Motion Blur of Hold-Type Display,”
SID ’05, 51.3, pp. 1586-1589 (2005).
(21) H.-F. Chen, S.-H. Lee, O.-J. Kwon, S.-S. Kim, J.-H. Sung, Y.-J. Park, “Smooth Frame Insertion
Method for Motion-Blur Reduction in LCDs,” EuroDisplay 2005, P-44, pp. 359-361 (2005).
(22) H. Kojima, Y. Itoh, K. Hiramatsu, O. Wada, “A New LCD Projection System Using a Scrolling
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pp. 1018-1021 (2005).
(24) J. Someya, H. Sugiura, “Relation between MPRT Measurement and Perceived LCD Motion Blur,”
EuroDisplay 2005, 7.2, pp. 78-81 (2005).
(25) 染谷潤、杉浦博明、「動きぼやけの主観評価結果と MPRT 測定結果の相関」、映像情報メディア学会情報ディスプレイ研究会、IDY2005-72, pp. 5-8 (2005).
(26) K. Oka, Y. Enami, “Image Quality Degradation of Moving Pictures: Perceived Blur Edge Width,”
IDW/AD ’05, VHF3-3, pp. 815-818 (2005).
(27) K. Oka, K. Kitagishi, Y. Enami, “Generalization of Parameters Representing Magnitudes ofMortion Artifacts,” SID ’05, 19.4, pp. 1022-1025 (2005).
(28) K. Oka, K. Kitagishi, Y. Enami, “Generalized Motion Artifacts Index Usable for Various Patterns ofVideo Images”, IMID ’05, pp. 129-133 (2005).
(29) Y. Enami, K. Oka, “Moving Picture Color Artifacts Measured by Using a Pursuit Camera System,”
IDW/AD ’05, VHF3-2, pp. 811-814 (2005).
(30) M. A. Klompenhouwer, “Temporal Response and Bandwidth of Displays in Relation to Motion
Blur,” SID ’05, 51.1, pp. 1578-1581 (2005).
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(32) H. Yamakita, M. Sakai, Y. Taniguchi, J. Asayama, K. Adachi, “Field-Sequential Color LCD Driven
by Optimized Method for Color Breakup Reduction,” IDW/AD ’05, LCT6-2, pp. 83-86 (2005).
(33) T. Shibata, T. Kawai, K. S. Hyun, K. Ukai, “Ergonomic Evaluation of Color Breakup in
Field-Sequential Color Projection Syatem,” IMID ’05, pp.121-124 (2005).

－277－
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4.3.2 色域拡大と色再現性改善技術
ディスプレイの輝度、コントラストの向上、高精細化、平面化、大画面化の技術レベルが向上すると共に、その用途も拡大している。娯楽を中心にした一般のテレビなどの用途に加え、より正確な画像の色情報を必要とする分野、すなわち車や衣服など工業製品のデザイン、電子商取引など流通、博物館・美術館などのアーカイブ、遠隔診断などの医療等の分野に用途が広がっている。これらの用途にディスプレイを適応させる
ためにはいくつかの改善すべき要因がある。その改善すべき要因として、色域の拡大と色再現性改善技術がある。これまでの色に関する規格である、s-RGB あるいは HDTV に合致するカメラおよびディスプレイのシステムでは、実在する物体の色の色域よりかなり狭い色域を扱っているので、このシステムで再現される
画像の色は必然的に実際の物体の色と異なっている。一般に、これらの画像システムでは好ましい色再現が求められ、要請に答える技術の発展により現在の画像機器の隆盛がもたらされていることも現実である。
一方、通常の規格では表現出来ない色を扱う分野では、デファクトスタンダードとなっている Adobe RGBの規格があり、印刷業界などの分野では使われている。しかし、これも物体色全てをカバーする色域を定義していない。つい最近、2006 年 1 月に物体色全てをカバーすることが可能な xvYCC という規格（IEC161966-2-4）が国際的に発行された 1)。これは、s-RGB と上位互換性を持ちながら色域を拡張した規格である。この規格に合致する機器は 2）、好ましい色再現あるいは正確な色再現どちらの目的の画像機器もこの規格を使ってより広範囲な色を使って画像を表現することが期待される。
このような状況を基にして、色域拡大と色再現という観点でディスプレイの最近の研究・開発の様子を紹介する。
（なお、紹介の内容は概ね H16 年度の動向調査報告以降に公表されたものに限定する。
）(1) 色域拡大：多原色ディスプレイ（現行画像システムの規格外への拡大）
すでに、人のほぼ全色域をカバーする 6 バンドのカメラと 6 原色ディスプレイのシステムについては、平成 16 年度の本光産業・光技術動向調査で紹介した。これは究極の色域を持つディスプレイであるが、実用化には時間を必要とするものと考えられる。その後、6 原色を用いるが、光源として CCFL を用い、RGBと CMY に対応するフィルタの組合せで実用的な輝度を実現しながら NTSC の色域をほぼカバーするものが開発された 3)。他方、実用的な輝度を達成しながら、色域は物体色のほぼ全範囲（Muncell Color Cascade
色表の範囲）をカバーするディスプレイが、6 色 LED のバックライトおよび RGB フィルタの時分割動作の組合せにより実現された 4) 5) 6)。従来のディスプレイでは表現されないすばらしい色が描かれている。また、従来のパネル構造を大きく変えないで蛍光ランプの発光スペクトル形状とフィルタ組合せを最適化し、フィールドシーケンシャル動作により色域を拡張する方法が提案されている 7）。4 あるいは 5 原色を使ったプロ
ジェクタの提案も行われている 8) 9）。
他方、多原色ディスプレイにおいては 3 種類の画像信号を 4 以上の原色を駆動する色信号に変換するために自由度があり、まだこの変換方式は定式化されていないので、この分野での研究が行われている 10) 11) 12)。
また、その場合の色変換におけるアーティファクトについての評価、対策が検討されている 13) 14)。
これらの色域が拡張されたディスプレイにおいて、当然それに対応する画像の取得が行われると仮定して、従来の好まれる色の再現方法が適当かどうか検討する時期に来ているのではないだろうか。 xvYCC 規格が本年成立したことにより、色域を物体色一杯まで拡大したディスプレイが今後開発されるものと思われ、これに呼応するビデオカメラ、デジタルカメラなどの画像入力機器との調和の取れた開発を期待する。

－278－
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(2) 色域拡大：3 原色ディスプレイ（現行画像システムの規格一杯まで拡大）
この目的での色域拡大も研究されている。液晶と LED バックライトの組合で NTSC の色域と同等以上の色域を持つディスプレイが検討されている 15) 16)。3 原色では色相・彩度方向に拡張する方向とは異なり、明度方向への拡張が話題になっている。RGBW の 4 色フィルタを使うことにより、明度方向の色域を拡張することが盛んに行われている 17) 18)。一部のプロジェクタに見られる「明るければ良い」という用途でなく、色の再現性を犠牲にしない明度の向上を実現し、「趣を感ずる」
ことの出来るプロジェクタの出現を期待した
い。また、強力な LED バックライトの制御と液晶を組み合わせて、明度を極端に拡大したディスプレイが試作された 19) 20)。これまでのディスプレイでは受けたことのない強い印象が得られている。輝度とコントラストの画質に与える影響を見直す良いきっかけになると思われる。
(3) 色再現性の改善技術
色再現性を向上させる方法として、原色の彩度を大きくすることのほかに、原色の発光特性における非線形性を補正して正確な色再現を実現することも重要なことである。前者については、発光材料の開発により色純度を向上させる方法 21) 22)、レーザを使った広色域ディスプレイ 23)などが有る。また、後者については、
入出力の非線形性を区間を細かく区切ってそれに対応する多数の色変換マトリクスを使って色変換精度を上げると共に、変換の時間を高速にする方法が試みられている 24) 25) 26)。本文の最初に述べた、色管理の厳しい
今後発展すると見られる分野では、発光素子の光学的非線形性のみでなく、温度変化、経時変化等も問題になるものと思われるので、これらの安定したディスプレイの実現が期待される。
（下平 美文）参考文献(1) 2005 年 10 月に「IEC (International Electrotechnical Commission 国際電気標準会議)で承認。2006
年 1 月発行(2) 「2006 インターナショナル・コンシューマー・エレクトロニクス・ショー（CES）」1 月 4 日出品(3) Y-C. Yang, K. Song, S. G. Rho, N-S. Rho, S. J. Hong, K. B. Deul, M. Hong, K. Chung, W. H. Choe, S
Lee, C. Y. Kim, S-H Lee and H-R Kim: “Development of Six Primary- Color LCD”, Digest of SID’05,
pp.1210 –1213 (2005).
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pp.1599-1602 (2004).
(5) H. Sugiura, H. Kaneko, S. Kagawa, M. Ozawa, H. Tanizoe, H. Katou, T. Kimura and H. Ueno :“Six-Primary-Color

23-in

WXGA

LCD

Using

Six-ColorLEDs”,

Digestof

SID’05,

pp.1124-1127(2005).
(6) （独立行政法人）新エネルギー・産業技術総合開発機構：高忠実度標準色再生システムの研究開発、基板技術促進事業―平成１５年度委託業務成果報告書、(2004)(7) M. J. J. Jak, G. J. Hekstra, J. J. L. Hoppenbrouwers, F. J. Vossen, N. Raman and O. Belik :“Spectrum Sequential Liquid Crystal Display”, Digest of SID’05, pp.1120-1123(2005).
(8) S. Roth, I. B-David, M. B-Chorin, D. Eliav and O. B-David : “Wide Gamut, High Brightness－279－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
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(9) S. Roth, and W. Caldwell: Four Primary Color Projection Display”, Digest of SID’05, pp.1818-1821(2005).
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(11) Y. Tu, I. Heynderickx and X. Li: “Color Rendering for Different 4- and 5-Primary Systems”, Digestof SID 04, pp.322-325 (2004).
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(13) Y. Murakami, N. Hatano, J. Takiue, M. Yamaguchi and N. Ohyama: “Evaluation of smooth tonalchange reproduction on multi-primary display: comparison of color conversion algorithms”, Proc. of
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(18) B-W. Lee, K. Song, Y. Yang, C. Park, J. Oh, C. Chai, J. Choi, N. Roh, M. Hong, K. Chung, S. Lee, and C.
Kim: “Implementation of RGBW Color System in TFT-LCDs”, Digest of SID 04, pp.111-113 (2004).
(19) H. Seetzen, L. A. Whitehead and G Ward, “A High Dynamic Range Display Using Low and High

Resolution Modulators”, Digest of SID 03, pp.1450-1453 (2003).
(20) A. Chalmers, P. Ledda, and V. Sundstedt: “High Dynamic Range Displays for High Fidelity
Archaeological Site Reconstructions”, Digest of SID 06, pp.1402-1405 (2005).
(21) A. H. Kitai, Z. Jiang, J. Deng, and K. Cook: “New Development in Blue Oxide EL Phosphors”,
Digest of SID’01, pp.424-427(2001).
(22) 小南 裕子、加藤 泰樹、中西 洋一郎、下平 美文：“広色域ディスプレイ用蛍光体の作製”、信学技報、
EID2004-85、pp.1-4 (2004)(23) H. Tamada, A. Taguchi, K. Oniki: “ HIGH CONTRAST AND EFFICIENT BLAZED GRATING
LIGHT VALVE FOR FULL-HD 5,000 LUMEN LASER PROJECTORS”, No..3.3-5, ICCE
2006(1/9-11).
(24) 島津喬守、高矢昌紀、大橋剛介、下平美文：“ディスプレイにおけるカラートラッキングに対応した高忠実色再現方式”、信学技報、Vol.103, N0.649, pp.37-40 (2004)(25) 河越 義之、大橋 剛介、下平 美文：“色差に基づき色度座標に不均等に割り振られたマトリクスを用い－280－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
る色再現方式”、信学技報、Vol.105, No.567, pp.53-56 (2006)(26) M. Takaya, T. Wakebe, and Y. Shimodaira: “Color Reproduction Method to Reduce Color Difference
Caused by Time Course, Imperfect Additivity and Color Tracking”, Proc. of IDW ’05, pp.1813-1816 (2005).

4.3.3 LCD の動画質評価方法：MPRT
アクティブ駆動 LCD の主たる動画質劣化である動きぼやけは、液晶の応答時間とホールド型表示の 2 つが原因であることが知られている 1)。従来から用いられてきた LCD の応答時間は、黒から白、白から黒への遷移時間のみを計測しているに過ぎず、中間調での遷移時間が長い LCD では、動画特性を表しているとはいえなかった。また、ホールド型表示に起因する動きぼやけは、人間の目の動き（追従）と表示されている画像の動きのミスマッチが原因のため、人間の目の動きを模擬した測定が必要であった。これら 2 つの原因を総合的に評価できる手法として MPRT(Moving picture response time)が提案され、実用化も始まっている。
この MPRT は、人間の眼が移動する物体をスムースに追従している状態で液晶パネルに表示される動画を見たときに感じるぼやけ量を定量化する手法で、動いている画像の輪郭部分で発生するぼやけがなくなるまでの時間を示している。動きぼやけの量を幅や画素数で表示することも可能であるが、幅や画素数は、パネルの画素密度、動画の移動速度、視距離、さらにはホールド時間（垂直周波数）によっても変化してしまうので、異なる条件で測定された結果を直接比較することができる時間(ms)が単位として用いられている。測定によって得られた数値（時間）に視距離や速度などの条件を与えれば、パネル上のぼやけの幅を求めることも可能である。
MPRT の測定には、眼球の動きと同様にミラーやカメラを回転させることで、左から右に移動する評価画
像のエッジを追従しながら撮影する追従カメラシステムが用いられ、現在までに回転ミラー方式の測定装置が実用化されている 2)。
測定には、図 4.3.3.1 に示すように Y0 から Y6 の 7 つの明るさを組み合わせた合計 42 枚の画像が用いられ、これらの画像を左から右にスクロールして追従カメラシステムで撮影する。Y0 から Y6 の輝度は、図4.3.3.2 に示したとおり、パネルの最小輝度(Y0)と最大輝度(Y6)に対して、明度軸(CIE1967 の L*）上で最小明度(L0)と最大明度(L6=100)を 6 分割したものが用いられる。この方法によって得られる輝度 Y0 から Y6までの 1 ステップごとの明るさの差は、常に主観的な等距離を維持するので、異なるガンマ特性を持ったパネルを測定する場合でも、輝度の組み合わせに偏りがない測定を行うことができる。

図 4.3.3.1 測定に用いられる階調の組み合わせ

図 4.3.3.2 測定輝度と明度の関係－281－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
MPRT は、この 42 枚の画像のエッジ部分を撮影して求めた Extended Blurred Edge Time(EBET)から求められる。図 4.3.3.3 は、撮影された画像から得られる応答特性を示したもので、縦軸が相対輝度、横軸が時間を示している。まず、この応答特性に対して相対輝度の 10%と 90%の閾値を用いて遷移時間を求め、この遷移時間を閾値の幅 0.8 で割った値を EBET とする。仮に応答時間が 0ms の液晶があるとすると、この応答特性の傾斜部は直線となり、ホールド時間と EBET が等しくなる。また、フレーム周波数を上げるかイ
ンパルス表示にしてホールド時間を短くすれば、EBET の値は小さくなり、液晶の応答時間が遅くなれば
EBET の値も大きくなる。EBET は、理想的なホールド表示のホールド時間を基準としているので、液晶の応答特性やホールド時間による値の変化がイメージしやすい指標になっている。このように EBET は、42枚の評価画像ごとに求められ、その 42 個の EBET を平均したものが MPRT として用いられる。

図 4.3.3.3 輝度の変化と EBET
一方、提案されている MPRT の測定結果と人間が認識する動きぼやけの量との間に相関係数が 0.9 以上という強い相関があることが報告されている 3)。これは、調整法を用いた主観評価結果と MPRT の測定結果を比較したもので、図 4.3.3.4 に示したように、評価対象の LCD モニタを CRT モニタの上に重ねるように配置し、CRT に表示される人工的なぼやけが、LCD の動きぼやけと同じになるように調整をする方法である。

図 4.3.3.4 主観評価システム－282－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
図 4.3.3.5 は、被験者 11 名により求められた主観評価結果と MPRT の測定結果を比較した結果で、横軸が測定結果、縦軸が主観評価で被験者 11 名が示したぼやけ幅である。各点に対して垂直方向に示した範囲
は、被験者 11 名の結果から得られた 95%の信頼区間である。これらの点は、近似直線付近に分布していることからも、MPRT の測定結果と主観評価結果に強い相関があることが確認できる。

図 4.3.3.5 主観評価結果と EBET の比較
この MPRT は、14 年度に VESA(Video electronics standard association)に標準化作業の提案がされた。
VESA では、FPDM2(Flat panel display measurements standard version 2)と呼ばれるフラットパネル向けの各評価方法をまとめたものが発行されており、この提案を元に動画評価の標準化に向けた動きが始まった。今年の 5 月には、MPRT を元に、動きぼやけの評価についてまとめた章が完成し、FPDM2 のアップデートファイルとして公開されている 4)。
（染谷 潤）

参考文献(1) T. Kurita, "Moving Picture Quality Improvement for Hold-type AM-LCDs," SID'01 Digest, pp.
986-989 (2001)(2) K. Oka K. Kitagishi and Y. Enami, " Generalization of Parameters Representing Magnitudes of
Motion Artifacts," SID'05 Digest, pp. 1022-1025 (2005)(3) J. Someya and Y. Igarashi, "A Review of MPRT Measurement Method for Evaluating Motion Blurof LCDs," Proceedings of IDW'04, pp. 1571-1574 (2004)(4) VESA Flat Panel Display Measurements Standard Version 2.0 UPDATE FILE, http://www.vesa.org/public/Fpdm2/FPDMUPDT.pdf－283－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
4.3.4 愛知万博展示大型高精細ディスプレイ
(1) スーパーハイビジョン用ディスプレイ
(a) スーパーハイビジョンの概要
NHK 放送技術研究所は、ハイビジョンを超える超高精細映像による将来の高臨場感放送サービスの実現を目指し、2000 年からは走査線 4000 本級のスーパーハイビジョンの研究・開発を進めている。
標準テレビジョン、ハイビジョン、スーパーハイビジョンの仕様を表 4.3.4.1 に比較して示す。ハイビジョンは画素数 1920×1080 を持ち、画面を見るときの視野角 30°（水平）（視距離：画面高の３倍）を実現する映像システムである 1)。視野角 30°とは、瞬時の情報受容が可能な範囲であり、この視野角で画面を見た場合、見る人はその場にいるような臨場感を受ける。これに対しスーパーハイビジョンは、縦横ともにハ
イビジョンの４倍の画素数（7680×4320 相当）を持ち、画面を見るときの視野角 100°（水平）（視距離：
画面高の 0.75 倍）を実現する映像システムである。視野角 100°とは、物体の存在程度しか判別できないものの、見る人の姿勢に影響を与えるといわれる範囲であり、この視野角で画面を見た場合、見る人は臨場感のみならず画面の中に入り込んだ没入感を感じる。さらに、22.2 マルチチャネル音響システムにより、音響でも高い臨場感を与える。
表 4.3.4.1 スーパーハイビジョンと既存の映像信号規格の関係
項目

スーパー

ハイビジョン

SD TV

ハイビジョン
画素数

7680×4320

1920×1080

720×483*

アスペクト比

16：9

16：9

4：3

フレーム周波数**60Hz60 Hz インターレース

60 Hz インターレース

順次走査
標準視距離***と0.75 H

3H

6H

水平視野角

100°

30°

13°

表示可能文字数****58,0003,600

600＊：垂直画素数は国により微妙に異なり、日本ではこの数値となっている。
＊＊：60 Hz とは、59.94Hz も含む。
＊＊＊：H は画面高さ＊＊＊＊：1 文字は 24×24 画素として計算(b) スーパーハイビジョン用ディスプレイの構成(i) G 斜め画素ずらし
現在入手可能な表示素子で最高解像度のものは、約 800 万画素（4K×2K）で投射型ディスプレイ用の反射型液晶素子（LCoS：Liquid Crystal on Silicon）である 2)。この素子でハイビジョンの 16 倍の解像度を持つスーパーハイビジョン映像をカラーで表示するためには 12 枚（RGB それぞれ 4 枚ずつ）必要であるが、これは非常にコストが高くなるとともに画面のつなぎ目が目立つ可能性が高い。そのため、超高精細映像用カメラの開発で用いてきた斜め画素ずらし法による４板撮像方式 3)を表示装置の開発にも応用することとした。このとき、G のみ 800 万画素素子２枚での斜め画素ずらしとし、R と B はともに 800 万画素素子１枚とした。これは、視覚で重要な解像度は輝度成分によるものが重要であり、輝度に最も寄与するのは G であることによる。

－284－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(ii) ディスプレイの構造
下記の点を考慮し、投射ユニットが G/G 用と R/B 用の２つに分かれた投射型ディスプレイを開発した 4)。
• 4 枚の表示素子を１つの光学ユニットに組み合わせるのは、非常に困難である。
• 現在の多くの投射型表示装置は、１つの光学ユニットに 3 枚の表示素子を組み合わせており、この構成をベースにするのが現実的である。
• G/G 用の表示素子２枚は、画面全体にわたって正確に 0.5 画素ずれている必要がある。別々の光学ユニッ
トでは、このような位置あわせは非常に困難であるため、G/G 用の素子 2 枚は同じ光学ユニットで組み合わせる必要がある。
G/G の光学ユニットの構成を図 4.3.4.1 に示す。4 つの PBS（偏光ビームスプリッター）と 2 枚の 1/2 波
長板により、同色の 2 枚の素子からの光を合成している。表示素子は、どれも対角 1.7 インチ 800 万画素の反射型液晶である。2 枚の表示素子を水平・垂直方向とも正確に 0.5 画素ずらすため、片方の素子の背面にステッピングモータを用いた微小位置合わせ用のアクチュエーターをつけている。
投射レンズ

PBS 3

PBS 2
G1

Ｇ

PBS 4

PBS 1
G2

1/2 波長板

位置の微調機構付

図 4.3.4.1 G/G 用光学ブロックの構造
プロジェクターの外観を図 4.3.4.2 に示す。上側が R/B 用、下側が G/G 用のユニットである。

図 4.3.4.2 プロジェクター外観－285－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(ⅲ) ディスプレイの調整
投射ユニットが R/B と G/G 用の 2 台になったことにより、何も補正をしなければ色ずれした画像が表示される。スクリーン上で各投射ユニットからの画像を位置合わせするため、コンバーゼンス補正装置と自動でのコンバーゼンス誤差測定システムを開発した 5)。この自動補正では、スクリーン上に表示した図 4.3.4.3に示すパターンを、デジタルカメラで撮影し（全画面を一回で撮影）、各小パターンの輝度が最大となる中心
位置を各色に対して求める。目視でのコンバーゼンス補正は、誤差の検出に個人差があるとともに数時間必要であったが、自動補正では、必要な時間は数分である。自動補正により、コンバーゼンス誤差が画面内で0.25 画素以下という高精度の補正を実現した。このほか、G/G の 2 枚の素子が正確に 0.5 画素ずれているかどうかを判別するパターンも開発した。

図 4.3.4.3 コンバーゼンス補正用信号(c) スーパーハイビジョンシアター
開発したディスプレイシステムを、2002 年より当研究所のスタジオに設置し、実験や展示で使用している。
それ以外では、2005 年 3 月から 9 月に開催された日本国際博覧会「愛・地球博」のテーマパビリオンであるグローバルハウスにスーパーハイビジョンシアターが設置され 6)、超高精細映像とマルチチャンネル音響による高臨場感が好評で、会期中で 150 万人以上の観客を集めた。また、2005 年 10 月にオープンした九州
国立博物館に初めての常設としてシアター（名称は「シアター4000」）が設置され、開館以来連日ほぼ満席である。愛・地球博でのシアターの性能を表 4.3.4.2 に、その外観を図 4.3.4.4 にそれぞれ示す。
表 4.3.4.2 愛・地球博のスーパーハイビジョンシアターの仕様
項目
スクリーン

内容
サイズ：約 600 インチ（13×7 m）
水平湾曲、ゲイン 1.5

画面ピーク輝度

約 40 cd/m2（映画館とほぼ同じ）

収容人数

約 300 （立ち見、階段状）

観視距離0.75～2.0 H（H：画面高）

表示装置

液晶（LCoS）前面投射型
素子：1.7 インチ 800 万画素×4
光出力：8000 ルーメン
コントラスト比： 1000:1 以上

音響

22.2ch マルチチャンネル方式（スピーカ数 83）－286－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.3.4.4 愛・地球博 シアターの外観
画面は約 600 インチで水平に湾曲しており、画面のピーク輝度は通常の映画館とほぼ同じである。壁面や天井に多くのスピーカが設置されているのが見える。九州国立博物館のシアターは、スクリーンサイズ 350
インチ、客席数 38、音響は 5.1ch である。
(d) 今後に向けてスーパーハイビジョン用ディスプレイは、愛・地球博において 6 ヶ月間 1 日 12 時間以上の運用で、期間中にトータル 5000 回以上の番組上映を安定に行うとともに、コンバーゼンス補正などにより超高精細映像を忠実に表示した。九州国立博物館においても、現在までのところ安定に動作している。しかし、さらなる応用を進めるためには、通常の民生用機器に近い安定性、使い易さが要求される場合もあるため、今後とも
ディスプレイの構成、調整方法などの検討を進めていく必要がある。
スーパーハイビジョンの番組制作などではより小型で直視型のディスプレイが求められる。また、現在のスーパーハイビジョンディスプレイは G 画素ずらしのため、スーパーハイビジョン本来の解像度は再現されていない。このように、より高性能なディスプレイの開発を目指して、さらなる研究が必要である。
スーパーハイビジョンの映像符号化などはまだ研究中で、圧縮した信号での伝送実験は今後の課題であるが、2005 年 11 月には DWDN を用いた HD16 波の光多重による約 260km の非圧縮伝送実験が実施され成功であった。このほかにもスーパーハイビジョン全体としては、システムの評価、人間の生理に対する影響の研究、記録・番組制作用機器の開発、規格化などまだ多くの課題を抱えており、さまざまな関係機関などと協力して、研究開発を進めていく必要がある。
最後に、機器開発などにご協力いただいたアストロデザイン、池上通信機、エレテックス、キクチ科学研
究所、計測技術研究所、日本ビクター、フェアライトジャパン、フジノン、ボーズ、マイクロンテクノロジ
ー、ヤマハの関係各位に感謝する。
（金澤 勝）－287－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献
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Vol.12, No.1, pp.93～104 (2004)(5) 日下部ほか、「超高精細映像表示システムのコンバーゼンス誤差と素子位置調整の自動化」映メ学会誌、vol.60, No.2, pp.234～241(2006)(6) 安藤ほか、「地球博スーパーハイビジョン シアター」,映メ学会誌 Vol.59, No.4, pp.502～505, (2005)(2) GxL レーザ ドリームシアター(a) レーザドリームシアターの概要
愛知万博シンボルパビリオン『グローバル・ハウス』に出展した｢GxL レーザ ドリームシアター｣は、ソニーの誇る最新映像技術｢“GxL”（ジー・バイ・エル）｣を採用したフロントプロジェクション方式の 2005
型超ワイド（縦約 10m×横約 50m）シアターである。このシアターはレーザ光源を採用することで、従来の映像デバイスでは成し得なかった色鮮やかな色彩表現を可能にした。さらに 600 万画素（総画素数：水平1920 画素×垂直 1080 画素×3 面）の解像度を有し、11.1ch の迫力ある音響システムと併せて，臨場感あふれる超高精細な映像を実現した。
表 4.3.4.3 にレーザドリームシアター仕様、図 4.3.4.5 にレーザドリームシアター内部写真と図 4.3.4.6 にレーザドリームシアター概要図を示す。レーザドリームシアターでは 1 台あたり 5,000 Lm の GxL プロジ
ェクタを 4 台スタッキングして一面の HD 画面を構成し、これの 3 面タイリングで全体の画面を実現している。つまり 60,000 Lm の明るさを確保するために 12 台のプロジェクターを使用した。
表 4.3.4.3 レーザドリームシアター仕様

名称
投影装置
スクリーンサイズ
収容人数
映像システム
総画素数
光出力
スクリーン
音響
投影距離

レーザードリームシアター
GxLシステム（レーザープロジェクション方式）
2005型対角（横約50メートル、縦約10メートル）
約900名「メガビジョン」映像システム
約600万画素（フルHD3枚分）
約60,000ANSIルーメン
サウンドスクリーン11.1chサラウンド
約50メートル

映像信号サン プリング周波数比 RGB4:4:4－288－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.3.4.5 レーザドリームシアター内部

図 4.3.4.6 レーザドリームシアター概要図(b) 撮影・上映システム 1,）
レーザドリームシアター用コンテンツの撮影・上映には、メガビジョン(株)の「メガビジョン」映像シス
テムを利用した。撮影システムの概略を図 4.3.4.7 に、上映システムの概略を図 4.3.4.8 に示す。

図 4.3.4.7 撮影システムの概要図

図 4.3.4.8 上映システムの概要図－289－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
図 4.3.4.8 にある通り、
このシステムは、HD 画面を 3 面横方向にシームレスにタイリングした形式なので、カメラ・VTR 等の映像システムは、常に 3 チャンネルが同期して動作する。図 4.3.4.7 にある通り撮影時には 1 本のメインレンズにより結像した映像は、左・中央・右部を担当する 3 台の HDTV カメラで分割撮影され、その出力を 3 台の VTR で同期収録する。上映時は 3 本のテープに収録された映像を３台の VTR で同期再生し、スクリーンの左・中央・右部を担当する 3 つの GxL プロジェクタからそれぞれ投影され、スクリーン上で 3 面を並べ 1 枚の映像に合成される（タイリング）。その際 3 つの HD 画面の継ぎ目を滑らかに見せるために、糊しろを作りその部分は光量をクロスフェードさせながら重ねて投影することによってシームレス表示を実現した。のりしろの生成や光量のクロスフェードはメガビジョンビデオプロセッサで行なっている。本システムは、電子映像としては最大級のものであるので、映像の品質を極限まで高めるため、撮影から編集・上映まですべて 4:4:4 システムを採用している。
上映用 VTR はソニーHDCAM SR の SRW-5000
である。
(c) 映像技術｢“GxL”（ジー・バイ・エル）｣2)
ディスプレイデバイス｢GxL｣は、今までになかった、優れた解像度・高コントラスト・広い色再現が可能
な高画質ディスプレイ専用に開発されたデバイスである。従来のディスプレイデバイスは画素が 2 次元平面に配列された構造であるのに対して、この｢GxL｣デバイスは 1080 画素が線上に一次元に配列された構造である。図 4.3.4.9 に｢GxL｣デバイスの構造を示す。

図4.3.4.9 GxLデバイスの構造｢GxL｣デバイスには、MEMS 技術を用いて製造されたリボン状の光回折素子（マイクロリボンアレイ：
極小の短冊形状鏡の列）が、シリコン基板上に一列に形成されている。シンプルなデバイス構造を特長としている。1 画素は 6 本リボンで構成されており、HD 映像の垂直画素数 1080 画素分（合計 6480 本のリボン）のマイクロリボンアレイが形成されている。1 画素の 6 本リボンは可動リボンと固定リボンを交互に並んでいる。このマイクロリボンアレイは、電気信号により微細に動かすことができ、 映像信号を用いて可動リボンを動かし微小な高低差をつくりだすことで光回折光量を変化させ画像の明暗を作り出す。図 4.3.4.10 にその様子を示す。特殊なフィルターにより、回折光だけをスクリーンに投影（反射光は遮断）。6 本のリボンが同じ高さのときが「暗」、可動リボンが下がった状態が「明」となる。諧調の深さは各色 10bit で RGB3 色
で 30bit の色諧調表現を有している。これにより、滑らかな階調表現や 2500:1 を超える高コントラスト比を実現することが可能となり、映像の立体感や質感などを細部まで表現することができる。

－290－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
電圧をかけると変形する

普通の状態

レーザー光はそのまま反射する

電圧をかけると回折により反射光に濃淡（強弱）ができる

図 4.3.4.10 ｢GxL｣デバイスでレーザ光を制御
RGB レーザ光をそれぞれに対応した｢GxL｣デバイスの長手方向に線状に照射する。色純度に優れた RGB
レーザを光源に用いることで、従来の“映像表示方式”では困難だった鮮やかな色彩表現を可能にしている。
図 4.3.4.11 に「GxL」システムの色再現領域を示す。

スペクトル軌跡

図 4.3.4.11 GxLシステムの色再現領域
従来の HDTV 色再現規格（ITU-R,BT709）等のブラウン管方式に比べ 2 倍（CIE1931 色度図における面積比）の広い色再現を可能にしている。
HD 映像の垂直画素数と同じ 1080 画素を、ライン状に 1 次元に並べたのが「GxL」デバイス。この縦方向のライン状の 1080 画素を走査ミラーで水平方向にスキャンすることで、1920 画素（水平）×1080 画素－291－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）（垂直）のフル HD ・プログレッシブ映像（2 次元画面）を構成している。図 4.3.4.12 に動作原理を示す。
水平方向はスキャン、縦方向は回折現象を用いているため、スクリーンに近づいても画素を確認することはできない。従来の画素の概念を超え、既存のプロジェクタ映像とは異なる、銀塩フィルムに近い質感が得られる。

図 4.3.4.12 ｢GxL｣システムの動作原理
表 4.3.4.4 に｢GxL｣プロジェクターの主な仕様（1 機当たり）を示す。
表 4.3.4.4 ｢GxL｣プロジェクターの主な仕様（1機当たり）

図 4.3.4.13 に｢GxL｣プロジェクターの外観を示す。RGB レーザを用いて、明るさ 5,000 ルーメン、コン
トラスト比 2,500、信号処理 10bit、映像周波数サンプリング RGB4:4:4 を実現した、世界初のレーザディス
プレイである。
（江口 直哉）－292－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 4.3.4.13 GxLプロジェクターの外観
参考文献(1) 江口直哉：「映像情報インダストリアル」2005 年 9 月号：産業開発機構株式会社(2) 江口直哉：(株)ニューメディア発行：プロジェクター総覧 2002 年度版(3) 360 度全天球型映像システム「地球の部屋」(a) はじめに2005 年 3 月 25 日、日本国際博覧会（通称「愛・地球博」）が、愛知県東部丘陵において開幕した。9 月
25 日までの 185 日間で、当初の目標とされていた 1,500 万人を遥かに超える 2,200 万人強の来場者を集め、多くの人々に感動の余韻を残して閉幕した。その、愛・地球博では、いくつかの「目玉」が生み出された。
これから紹介する「地球の部屋」は、開幕後の来館者の評価が極めて高かったことなどから、設置されていた長久手日本館だけでなく、徐々に博覧会全体の「目玉」として認知されていき、多くの来館者に楽しんでいただくこととなった。
しかし、その実現までには 2 年近くの時間と、多くの関係者の知恵とエネルギーが注ぎ込まれ、それらの結晶体として世界初の 360 度全天球型映像「地球の部屋」は、実現することとなった。
本稿では、開発の経緯をたどりながら、「地球の部屋」を紹介したい。
(b) 開発の経緯(i) 全天球映像という概念の誕生と実現に向けての始動
2002 年 5 月、2005 年日本国際博覧会政府出展事業の実施設計業務の委託を受けた株式会社アサツー ディ･ケイに政府出展事業推進室が設置され、筆者を含むプロジェクトチームが稼動した。事業全体として、長
久手会場、瀬戸会場それぞれに日本政府館（パビリオン）の出展、WEB 上のサイバー日本館、各種催事、運営事業など多岐にわたるが、21 世紀最初の万博を成功させるという強い意気込みは、発注者である経済産
業省博覧会推進室及び政府側のコンサルティング組織であるディレクターチームにもみなぎっている状態であった。主題の「地球の部屋」は、主会場である長久手会場の日本館の展示計画を議論するうちに発生したものであった。幾度も積み重ねた会議、数十にのぼる企画案、その繰り返しの中から、全天球映像のアイデ－293－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
アは生まれた。完全な球形スクリーンの中に観客が入り、上下左右前後全て、映像に包まれる体験を提供しようというアイデアである。
検討過程でさまざまなことがわかってきた。1970 年の大阪万博で全天全周スクリーンが提示され、1985
年の映像万博といわれたつくば科学博ではありとあらゆるタイプの大型映像が導入されたが、その中にも全天球映像、すなわち足元まで含め上下左右前後、全て映像に包まれるという体験を提供する装置は、なかった。これまで、アイデアとして検討されたことはあっても、360 度全天球映像はまったく実現していなかった。それは、われわれが、世界初の装置を開発しなければならないということを意味した。
技術検証が開始され、映像投影の方式が検討された。さまざまな開発に着手した 2003 年当事、すでに半球スクリーンにおいてはデジタルドーム映像が実現しており、2005 年の万博においては、デジタル制御によるプロジェクター投影方式がもっとも可能性が高いことが判明していった。
(ii)

タスクフォースの発足

プロジェクトが実施設計段階に移行していた 2003 年 9 月頃、「地球の部屋」開発推進のため、タスクフォースチームが発足した。以後、このチームが開発の中心となり、合計 3 つの映像コンテンツを作成するまで、
ハード・ソフト開発の全てに携わっていくことになった。構成メンバーは、事業受託した㈱アサツーディ･
ケイと政府経済産業省側のディレクターチームから、建築・クリエイティブ・展示担当ディレクター2 名。
さらに建築・設備設計者、映像システム、音響、各種エンジニアリング担当者が集まり、まずは映像・音響システムの開発から進めていくこととなった。
(c) 空間構成と映像・音響システム(i) 基盤技術の選定
映像システムの基盤をなす技術として、旧通産省の補助金を得て研究開発され、市場導入され始めていた
バーチャリウムⅡという半球ドーム映像を、2 つ組み合わせるという方針が開発の最初の段階で確認された。
ただし、これは半球スクリーンの周囲にプロジェクターを 6 基配置し、上部に向けて 6 分割の映像を投影するシステムであり、そのまま 2 つ組み合わせると、来館者の視野にプロジェクターの光源が入り、体験にス
トレスが生ずる。これは真っ先に解決しなければならない課題であった。
(ii)「博覧会パビリオン」としての制約、そして空間構成の決定「地球の部屋」が配置されるのは、「長久手日本館」という万博のホストカントリーパビリオンである。施設の性格上、出来るだけ多くの来館者に入館の機会を提供する必要性があった。種々の検討により、1 日当たり最大 18,000 人、1 時間当たり 1,800 人の来場者処理が必要と設定した。この数値に基づき、出入りの時間も含め 150 秒で 75 名の来館者を通過させることを設計条件として定めた。75 名の人間が、最も効果的に全天球映像を体感できる空間構成として、球体にブリッジを架け、このブリッジから映像を体感することとし、詳細を決定していった。まず、球体内部スクリーンは 12.8ｍとした。これは、地球の実際の直径の 100
万分の 1 であることからの設定である。ブリッジは、来館者の視点が球体の中心になるように、赤道やや下寄りに配置し、75 名の来館者が混雑を気にしないで映像を体感でき、かつ出入りをスムースに行えるようその幅は約 3ｍとした。

－294－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(iii) 空間構成に対応したプロジェクターの配置と、映像システムの決定
空間構成の決定に伴い、プロジェクターの配置方式を検討した。さまざまな方式が検討されたが、入り口、出口にそれぞれ 6 基、計 12 基のプロジェクターを設置し、球体スクリーンを 12 分割して投影することとした。これは、プロジェクターの映写窓を集約配置でき、かつ、スクリーンの連続面を最大に確保しつつ、プ
ロジェクター光源が気にならないで映像に没頭できる最も適切な配置であった。本システムでは 12 台のプ
ロジェクターそれぞれに PC が接続され、さらにその 12 台の PC をホストコンピュータにより同期を取るシステムが設計された。OS は WINDWS であり、CG 映像との親和性が高いシステムでもあった。プロジェ
クターは、コントラスト比を重視し機種選定、当事 DLP 方式としては世界最高のコントラスト比 1/4,000（従来品の 4 倍）のものを選定した。
(iv) スクリーンと外殻スクリーンの設計にもかなりのエネルギーを費やした。前例のない全球スクリーンで、もっとも気がかりだったのは、その反射率であった。もともと、従来の半球型のスクリーンでも、スクリーンの反射光が、反対側のスクリーンを照らしコントラストの低下を招くことを回避するため、その反射特性が注意深く設定されることが常である。まして、前例のない全天球スクリーンでは、それ以上の慎重さが求められた。
また、地球の部屋外壁が、パビリオンのメインホールであるゾーン 3.という空間に露出し、この外壁部分
もゾーン 3.側の空間演出に、スクリーンとして利用されることが決まった。双方の調整により、外壁部の素材には FRP シェルを着色して使用することとなった。
建築本体の設計とも調整を要し、外径は約 15ｍと決定。よって、内外の球の間隔は約 1.3ｍ。この狭い隙
間に、内外の球を支持するトラス構造体、内外の音演出の干渉を緩和する特殊な遮音シート、空調や電気設備などの各種配管･配線が複雑に配置されることとなった。

図 4.3.4.14 地球の部屋全体構成(v) 音響システムと各種設備
球体は、音場としてはデメリットの多い空間であり、そのデメリットを最小化し、かつ映像による体験を
さらに臨場性の高いものにするための音響システムが求められた。採用したのは、マルチスピーカーによる
11.1ｃｈサラウンド音響システムを採用した。スクリーン背後に配置したスピーカーからの音像移動を伴う
迫力ある音響演出が、さまざまなシミュレーション、音響検証を伴いながら実現していった。ともすれば 360－295－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
度の映像のみに注目が集まりがちだが、体験した来場者の反応をみても、映像だけでなく音も、包み込まれる感覚の醸成には極めて重要な要素であることを強調しておきたい。
表 4.3.4.5 地球の部屋諸元
スクリーン
外 球
映像送出装置プロジェクター

音響システム直径 12.8m（地球直径の 1/1,000,000)360 度全球
材質
アルミフレームとアルミパンチングパネル
構造体
立体トラスによるフラードーム構造
球体材質
FRP（3/4 球体）
グラフィックス PC
12 台
ホストコンピューター
1 台 全球 12 分割専用ソフトウェアにより画像を補正
最大解像度
4,096 x 4,096 x 2
Panasonic TH-D7700 型
台数 12 台解像度
SXGA + (1,400 x 1,024pixel) x 3 枚
光出力7,000 Ansi lm.
コントラスト比1 : 4,000
メインスピーカー
Meyer Sound UPA-1P 11 台
サブウーハ
Meyer Sound 650-P 2 台
音源
24 チャネルハードディスクレコーダー PC カードプレーヤー
音像移動
Soundcraft PACS システム(vi) コンテンツ制作
映像コンテンツは、計 3 プログラムが用意された。プロトタイプとしてのバージョン 1.「青の輝き」、半
年にわたる会期中、リピータにも楽しんでもらうことを目的に計画されたバージョン 2.「緑のささやき」、
いのち

夏休みに多く来場する子供たちに楽しんでもらおうと、さらにバージョン 3.「 命 のきらめき」の 3 種である。映像コンテンツは、全て CG により制作された。CG コンテンツ制作にも多くの試行錯誤が繰り返された。計画コンセプトである「地球の生命力/地球とつながる時間」を 150 秒という短い時間で満足感を持って体験してもらうことが目的だった。が、ハードシステム同様、映像コンテンツも、これまでまったく作られたことのないものであり、当然であるが試写も出来ない（実験スクリーンがない）状況の中、全観客にとってもっとも公平な天頂部スクリーンをうまく活用すること、フレームアウトができないという特殊環境下でのスムースな体験性の処理、適度な移動感によるアトラクション性と安全性の両立等、多くの課題が発生するたび対応を続け、ついには 2004 年 12 月、長久手日本館にようやく完成した全天球シアター「地球の部屋」
で、世界で始めて 360 度全天球映像の試写が実施されたときは、立ち会った多くのスタッフに、実現の手がかりを得た感動と、安堵の混じった歓声が漏れた。以降も更なる仕上げ工程を経て、その歓声は、300 万人を越える来館者への歓声へとつながっていったように思われる。

－296－
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図 4.3.4.15 地球の部屋バージョン 2.「緑のささやき」より(d) 最後に本稿作成および本プロジェクト実施にあたっては、政府出展事業事務局（ディレクターチーム/担当ディレ
クター彦坂裕氏、江川克之氏）に加え、五藤光学研究所、日本設計、CN インターボイス、太陽企画、TBS
ビジョン各社からの協力を得た。ここに謝意を記す。
（城野 康信）－297－
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4.4 おわりに
技術動向においても、既にテレビとして製品化が実現している LCD や PDP においては、地上デジタル放送の拡大に後押しされる格好でより高精細化が進むとともに、高画質化に関わる、動画表示、色再現性、視野角などのデバイス技術や、動画評価などの画質評価技術での進展が大きい。
PDP ではパネルメーカー国内 3 社、韓国 2 社の 5 社で技術をリードし開発が進んでいるのに対し、LCD
では偏光板を初め、バックライト、拡散板、視野角補正フィルムなど主要部材が多岐にわたり、また関連する技術者の数も多く国内外のパネルメーカー、部材メーカーを総動員した形で技術開発が進んでいる。
この PDP と LCD の技術進展が今後どう展開してゆくかは FPD の発展にとって極めて興味深いものである。
有機 EL では、実用化が進展している低分子系では、効率向上、長寿命化などデバイスの性能向上での技術進展があり、大画面での試作も行われている。高分子系では、素子構造や製造技術での技術確立が進んでいる。
FED では、SED の実用化発表に後押しされる形で、他の電子源によるものの研究も再活性化された。SEDの 2006 年中の実用化が期待されている。
電子ペーパーでは、デバイスの進歩や新しい方式の登場もあるが、電子書籍や広告塔などのアプリケーシ
ョンの提案も進み、より実用化を目指した取り組みがされている。
プロジェクションディスプレイでは、背面投射型が PDP や LCD の登場に対し薄型化で対抗しようという面での技術進展と、高輝度、高効率、高精細、高画質と言う基本性能の技術向上に加えて、LED の進歩に後押しされた超小型フロントプロジェクターを目指す方向も見えてきた。
立体ディスプレイでは、要素技術の進歩は研究段階で進んでいるものの、実用化や一般化に向けたアプリ
ケーションの技術進歩や提案に進歩が見られていない。アプリケーション面での進歩を期待したい。
無機 EL は、数十万 cd/m2 の輝度を示す超高輝度無機 EL 素子の衝撃的な発表があり、超高輝度光源という新しい用途を獲得した。
デバイス・分野ごとの状況を上記にまとめたが、ディスプレイ最大のイベントは愛地球博であり、360°
全天球ディスプレイの登場であり、スーパーハイビジョンの展示、レーザー光源を用いた大画面高精細の表示だった。これらは、放送やディスプレイの未来を示すものであり、ディスプレイの可能性を広げた。
デバイスごとの性能向上や、新しいデバイスの参入がデバイス間の競合を激しくするとともに、急速な技
術進歩をもたらしている。今後とも、急激な進歩を継続することが予想される。
うち どい（打土井 正孝）－298－
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5. ヒューマンインタフェース－299－
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5. ヒューマンインタフェース
5.1 はじめに本章ではヒューマンインタフェースの最新技術動向を、要素技術的な入力デバイスから入力応用機器、バイオ
メトリクス応用、ユビキタスインタラクション、拡張現実感、在宅安心・安全サービス、さらに防災関連システ
ム(災害と減災)への展開について紹介する。
ヒューマンインタフェース分科会では、デバイス技術からその応用技術まで幅広い分野の技術動向調査をカバーしている。他の分科会が個別の専門分野の技術に特化して調査を行っている現状と比べると、一見焦点が定まっていないかのような印象を持たれるかもしれない。しかし、光産業に貢献できる可能性のある技術という観点
で、入出力技術をベースにその応用技術まで幅広い調査をおこなっている。個別の技術がどのように応用されてゆくのかをご理解いただけるのではないかと思う。また、応用技術の中には必ずしも光技術だけではなく、周辺の他の技術との組み合わせによって完成されてゆくものも多い。本分科会では、敢えて光技術だけにこだわることなく、ややその守備範囲を広げながら光技術がどのように応用されて行くのかも見ている。
本年度は、(2 項)イメージセンサデバイス、(3 項) 防災関連システム、(4 項)光バイオメトリクス（個人認証への光応用）、(5 項)画像入力バイスと機器、(6 項)ユビキタスインタラクション、(7 項) 拡張現実感、(8 項)在宅安
全・安心サービス、について最近の技術動向を調査しまとめた。以下、それぞれの分野の要点を記載する。
(2)イメージセンサデバイスでは、CCD センサに匹敵する性能を持ってきた CMOS センサの高性能化（画素縮小とダイナミックレンジ拡大）、高機能化（3 次元レンジファインダ、バイオメディカル応用）について、(3) 防災関連システムでは、地震、台風・豪雨、土砂災害、豪雪などといった災害の発生を完全に防ぐことはできない、
しかし「情報」によって被害を最小限に防ぐ「減災」という新しい考え方について説明、さらに、減災の主役である「情報」伝達に大きな役割を持つネットワークの課題について、(4)バイオメトリクス（個人認証への光応用）
では、2001 年 9 月 11 日の米国での同時多発テロのあと急速にその需要が増した個人認証技術について、「ブロードバンドネットワークの普及とセキュリティの不安」では、・バイオメトリクスセキュリティの社会的役割、・
バイオメトリクス技術を導入した電子パスポート、・日常生活の決済への無線 IC カードとバイオメトリクスの導入、「バイオメトリクス関連技術の動向と市場」では、バイオメトリクスセキュリティ製品、技術動向、市場、「光技術による新しい生体認証機器・サービスの例」では、顔のバイオメトリクス、手のバイオメトリクス、について、 (5)画像入力デバイス・機器ではデジタルカメラの小型化のための特殊光学系、携帯電話用センサモジ
ュール、超薄型センサについて、(6)ユビキタスインタラクションでは、手の平表示インタフェース、ミラー型ディスプレイ、腕時計型プロジェクタのシミュレーション実験、立体映像ユーザインタフェース、2 画面ユニバー
サルデザイン携帯電話機などについて、(7)拡張現実感（AR: Augmented Reality）では、AR を構築するディス
プレイ・トラッキング・レジストレーション・キャリブレーション技術について整理し、特に拡張現実感に用いるディスプレイ技術について現状を整理し、(8)在宅安心安全サービスでは、「体感治安の悪化とセキュリティに関する不安の広がり」、「人口減少と世帯の高齢化・小規模化と健康や病気の不安」といった社会背景に対応する「インテリジェントカメラやロボットの安全・安心対策の開発事例」などについて報告する。
（宮下 隆明）－299－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

5.2 イメージセンサデバイス
5.2.1 はじめに
本節ではイメージセンサデバイスの動向について主として2005 年におけるIEEE Workshop on Charge-CoupledDevices and Advanced Image Sensors (CCD&AIS)、映像情報メディア学会などの発表内容と関連ジャーナル及び報道発表等を中心に解説する。イメージセンサとしては CCD (Charge Coupled Device)と CMOS(Complementary
Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが主流であるが、CMOS イメージセンサの割合がますます大きくなってきている。CCD が特殊な製造プロセスを必要とし、参入が難しいのに対して CMOS イメージセンサは既存 CMOS 製造プロセスをベースとしている点で参入しやすいこともあり、様々な仕様、価格帯で CMOS イメ
ージセンサの開発が進んでいる。特にいわゆるトイカメラと呼ばれる低価格カメラでは CMOS イメージセンサ
が圧倒的に優位であり、また 35mm フルサイズなどの大判ハイエンドデジタルカメラでも CMOS イメージセン
サによる商品化が多い。この理由として、低価格カメラでは既存 CMOS プロセスをほぼ流用することで価格を抑えることが可能であること、一方、大判では開口率（画素内で受光領域が占める割合）を大きくとることが可能となるため設計マージンが高くなることや歩留まりなどの点で CMOS が有利であろうと推測される。このような背景を受けて CMOS イメージセンサの開発は激化しており、例えば 2005 年の IEEE Workshop on
CCD&AIS では口頭発表 42 件中 CCD は 5 件であった。因みに次回（2007 年）からはこの会議の名称が IEEE
Workshop on Image Sensors と変更されるのもこのようなトレンドによるものである。今後一層 CMOS イメージ
センサの研究開発は進み、高性能化、高機能化が推し進められるであろう。
本節ではこのような背景の元 CMOS イメージセンサの今年度の研究開発状況について、まず高性能化として画素サイズ縮小化とダイナミックレンジ拡大化について述べる。次に高機能化として 3 次元レンジファイ
ンダ、バイオメディカル応用に関するトピックスを紹介する。

5.2.2 画素サイズ微細化
CMOS イメージセンサは CCD に比べて画素サイズ縮小には不利であると言われてきた。これは、CCD では画素はフォトダイオードと転送トランジスタ（垂直 CCD）で構成されているのに対して、CMOS イメージセンサは APS（Active Pixel Sensor）方式でフォトダイオードと通常 3 個のトランジスタ（3Tr 型 APS）で構
成されているためである。低ノイズには 4 個のトランジスタで構成される 4Tr 型 APS が有利であるが画素縮小には更に不利である。しかし近年画素回路共有などの回路上の工夫や最新の微細 CMOS プロセス技術を導入することで、CMOS イメージセンサでも CCD を凌ぐ画素ピッチが報告されている。図 5.2.2.1 に CMOS イ
メージセンサの 4Tr 型 APS における最近の画素ピッチのトレンドを示す。今年度はついに 2µm を切る画素も報告された。現在 CCD の最小ピッチの報告例は 1.56 µm であるから 1)、CMOS イメージセンサが CCD に拮抗してきたと言える。
微細化 CMOS ロジックプロセスを用いる場合の課題は、(1) 電源電圧の低下による SN 比の劣化、(2) トラ
ンジスタゲート面積低下による 1/f ノイズの増加、(3) 総メタル層の増加により表面から PD (Photo Diode)までの距離増大による光学的クロストークの増加、(4) PD 暗電流の増加、等がある。従って例えば 90nm プ
ロセスをそのまま CMOS イメージセンサに適用することは難しいと言われている。画素微細化では、昨年度
から画素回路共有化により画素ピッチは 2µm 台に入ってきた。今年度は画素共有に加えて、出力方式の工夫－300－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）やプロセス上の工夫など様々な方法を駆使して、画素ピッチ削減の試みが精力的に行われている。以下では2005 年に開催されたイメージセンサ関係の国際会議 IEEE Workshop on CCD & AIS より狭画素ピッチ関連の話題を取り上げる。
例えば、画素出力を ON/OFF する選択トランジスタを省くことで 3 個のトランジスタとし、2.8 µm ピッチ
で 30%の開口率を達成している松下によるνMICOVICON では、pMOS を使わずに nMOS のみでシフトレジ
スタ等の周辺回路を構成している 2)。nMOS プロセスとすることで、プロセスが簡素化されフォトダイオー
ドの暗電流の最適化が容易となる。また同じく松下は通常有機系色素膜で作られるカラーフィルターをアモ
ルファス Si を用いて作ることで膜厚を薄くし、狭ピッチ化への対応を可能とし、画素共有技術を併用して 2µm ピッチ画素を実現している 3)。

図 5.2.2.１ CMOS イメージセンサ画素ピッチのトレンド（4Tr 型 APS）
画素ピッチが狭くなると画素間の光学的クロストークが問題になってくる。米国 Kodak と IBM は現在の0.18 µm や 0.13 µm 等の微細化プロセスで使われている Cu 配線プロセスを導入した画素ピッチ 2.7 µm のCMOS イメージセンサの検討を行っている 4)。Cu 配線は Al 配線に比して抵抗値が低いため、メタル配線厚を薄くできる。それにより配線間結合を減少できるため層間絶縁膜厚を薄くできることに加えてメタル厚そのものも薄いため、表面からフォトダイオードまでの距離を低減でき、挟ピッチ画素で問題になる画素間のクロストークが低減される。別のアプローチで光学的クロストークを低減しているのが台湾 TSMC によるエアギャップガードリングである 5)。これは画素のマイクロレンズの周囲にエアギャップを設けることにより、完全反射をおこさせてクロストークを低減するものである。このエアギャップガードリングを適用した 2.8µm ピッチ画素を試作し光学的クロストークの低減と感度の上昇を確認している。
韓国 Samsung はイメージセンサ用にカスタマイズした 90 nm プロセスと 0.13 µm プロセスを併用したプロ－301－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
セスを開発することで、2 µm ピッチ画素について検討をしている。80×80 画素のテストチップを試作し、基本動作を確認している 6)。Micron は 1.7µm ピッチで 900×640 画素センサを試作している。0.13 µm プロセ
スと画素共有技術を用いている 7)。ついに CCD 画素ピッチと拮抗する CMOS イメージセンサが実現したことになるが、飽和電圧やノイズレベルなどの基本特性については今後の課題であろう。いずれにしても 2 µm
ピッチを切る報告が出てきたことで、今後はこれらの微細化画素でどこまで基本性能を向上できるかがポイントとなってくる。特に開口が波長程度になると偏光が影響し始めることなど単純な光線追跡手法ではなく波動解析が必要となってくるなど、設計手法そのものも根本から見直す必要が出てくる。

5.2.3 広ダイナミックレンジ化
CMOS イメージセンサでは、デジタルカメラや携帯電話市場の次は車載用といわれている。車載用で特に要求される特性として広いダイナミックレンジがあげられる。CCD も含めて通常のイメージセンサのダイナ
ミックレンジは 60-70dB 程度であるが、車載用では 100dB 程度が要求される。これはトンネル内外の様子な
どのように幅広い光量シーンが多いためである。ダイナミックレンジを拡大する手法は幾つか提案・報告されている。イメージセンサの基本は光電変化により生じた電荷を蓄積して検出することであるため、ダイナ
ミックレンジは基本的には蓄積容量により決まってしまう。
従って、ダイナミックレンジを広げるためには、
この蓄積の方式を工夫するか光電変換そのものを工夫するかになる。例えば前者には複数の蓄積時間をとる
方式があり、後者には対数変換などの非線形応答特性を受光素子に持たせる方式がある。
どちらの方式も 100dB 以上のダイナミックレンジが報告されているが、低照度側での SN 比確保が特に車載用途では重要である。そのためには現行 CMOS イメージセンサで用いられている 4-Tr 型構造を導入する
か 3-Tr 型でもリセット方式を工夫して低ノイズ化を図る必要がある。例えば静岡大の川人らのグループは、
4-Tr 型構造画素を用いて複数の蓄積（露光）時間で読み出すことにより低照度側でも比較的高い SN 比で119dB のダイナミックレンジを実現している 8)。画素数は VGA クラスである。米国 Micron は wide-VGA ク
ラスで 100dB のダイナミックレンジを有しかつグローバルシャッタ機能を持つセンサを報告している 9)。ダ
イナミックレンジ拡大手法は従来報告されているものと同じでリセットレベルを段階的に行うものである。
また東北大学の須川らのグループは、画素内にキャパシタを組み込み蓄積電荷をオーバフローさせる構造とすることで 100dB のダイナミックレンジを有する VGA 画素センサを開発しており、更に FD (Floating
Diffusion)における暗電流を詳細に検討している 10)。なお、対数変換型センサの欠点の一つが、オフセット
キャンセル回路が画素内に必要なことであるが、4-Tr 型画素回路構成で FD から PD へ電荷注入を行うこと
でオフセット補正を行う方式が提案され 100dB のダイナミックレンジを有する VGA 画素センサが試作されている 11)。この方式により画素内にはオフセット補正回路は不要となる。対数特性は転送ゲートトランジス
タのゲート電位を適切に設定することでサブスレッショルド特性とし、それにより対数応答を実現している。
このように広ダイナミックレンジ CMOS イメージセンサは様々な方式が提案実証されてきている。今後は高い信頼性と低コストが同時に要求される車載用途への対応が課題であろう。

5.2.4 高機能イメージセンサ
CMOS イメージセンサの基本性能向上と共に、回路集積化の特徴を生かした高機能イメージセンサの開発－302－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）も活発に行われている。以下ではこのような高機能 CMOS イメージセンサの報告例として、3 次元レンジフ
ァインダについて紹介する。また今後の動向としてバイオメディカル分野への応用例についても紹介する。
(1) 3 次元レンジファインダ
3 次元レンジファインダとは、2 次元距離情報が取得できるイメージセンサである。すなわち画像の各点に距離情報が付随しているものであり、車載用途やヒューマンインターフェイス、FA（Factory Automation）など応用範囲は広い。方式は大別して三角測量に基づく方式と TOF (Time-Of-Flight；飛行時間)方式がある。前者は更に視差方式と光切断方式とに分類される。図 5.2.4.1 にその概要を表 5.2.4.1 にその比較をまとめる。ここでは最近開発が進んでいる TOF 方式について紹介する。

TOF法
L=

Tc
2

レーザ

高機能CMOS
イメージセンサ

L
測定対象

光切断法
視差法
d ⎤
⎡
L = f ⎢1 +⎣ b − a ⎥⎦

L

レーザ

L

高機能CMOS
イメージセンサ⎡ d⎤
L = f ⎢1 + ⎥
⎣ a⎦

レンズ
回転ミラー

レンズ
高機能CMOS
イメージセンサ

b
d

d
a

a
図 5.2.4.1 3 次元レンジファインダ
表 5.2.4.１ 3 次元レンジファインダ各方式の比較
方式名
視差方式

光切断方式

直接
TOF 方式
間接原理
特長
課題
2 個のセンサを用いて画面複雑な画像の場合、2 点間上の対応 2 点のずれ量から 光源不要のためシスの対応関係を求めることがを三角測量の原理で距離を テム構成は単純
困難求める。
対象物体に投影した線状光源を走査して、センサ面上での位置と光源との関係か 比較的精度が良い
線状光源の走査が必要。
ら三角測量の原理で距離を求める。
高速 PD と高速時間計測回
各画素で直接 TOF を計測 システムが簡単
路異なるタイミングで信号蓄 蓄積モードで計測可
画素回路構成が複雑
積して比較
能

－303－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
TOF 方式はレーザ光などを対象物体に照射して、その光が戻ってくるまでの時間（TOF）を計測すること
で対象物体までの距離を求める方法である。
個々の画素で距離を求めることができれば 3 次元像が得られる。
TOF を求める方式として、直接時間計測をする直接 TOF 方式と幾つかのパルス列により TOF を算出する間接 TOF 方式がある。前者は高速応答が可能な受光素子と高速なタイミング回路が必要であるのに対して、後者は回路構成は複雑にはなるものの高速化の要求は前者ほどではない。直接 TOF 方式は既に製品化されているが、精度等の特性によりアプリケーションは限られている。最近受光素子に単一フォトンアバランシェダ
イオード（SPAD）を用いた 32×32 画素センサが発表された 12)。SPAD は通常の APD と異なり、ブレークダ
ウン電圧よりはるかに高い電圧（この場合 26V 程度）を印加したガイガーモードで動作させることでフォトンカウンティングを可能としている。0.8 µm 高耐圧 CMOS プロセスを用いることで図 5.2.4.2(a)に示すような SPAD 構造を実現している。図 5.2.4.2(b)は画素構成で、SPAD 信号をインバータによりデジタルパルスとし CMOS スイッチにより出力選択を行っている簡単な構成である。高耐圧というオプションは必要ではある
ものの標準 CMOS プロセスでピコ秒精度の高速現象を検出できることの意義は大きいと言える。
最近間接 TOF 方式の報告例が幾つかなされている。間接 TOF 方式では、例えば正弦波変調した照明光源やパルス光源の拡散・反射光を受光する際に、幾つかのタイミングでその出力を行い、照明光源との位相差を検出することで TOF を求めることができる。この場合タイミングをずらして蓄積した 2 つの出力信号より
TOF を求めることが可能となり、受光部は通常の蓄積型 PD で良く、しかも通常差分信号をとるため背景光除去も行われることになる。例えば 0.35 µm CMOS プロセスを用いた 50×30 画素を有するセンサが試作されている 13)。各画素内に差分回路等を集積化しているため画素サイズが大きくなることが課題であるが、比較的低解像度でのアプリケーションは幾つかあると想定され、今後の発展が期待される分野である。

増幅領域
p+

n+

pwell

p+

pwell

Vdd
Vdd

n+

p+

deep n-well
p-sub

(a)

SPAD

TG
Vp

inverterOUT(b)

図 5.2.4.2 SPAD を用いた 3 次元レンジファインダデバイス (a) 受光領域断面構造 (b) 画素構成

(2) バイオメディカル応用イメージセンサ
バイオメディカル分野は今後の発展が期待される分野であるが、まだ CMOS イメージセンサとして特徴を生かした報告例は少ない。最近ワイヤレス機能とカメラ機能を集積化したカプセル内視鏡用 CMOS イメージセンサが報告された 14)。チップサイズは 4.84 mm×4.34 mm で QVGA 画素である。2 V 電源で 20 MHz キャ
リア周波数、6 fps 伝送で消費電力は約 3 mW で、コインバッテリーで画像伝送が示されている。カプセル内
視鏡はオリンパスもヨーロッパで製品を発表している。但し CCD を用いているようである。今後はこのよ
うな無線機能も集積化したワンチップカメラデバイスの開発が一層盛んになると予想される。

－304－
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以上は比較的近い時期の実用化が期待されるデバイスであるが、更に将来の CMOS イメージセンサのバイ
オテクノロジー分野への応用について以下に述べる。
近年 CMOS-LSI 技術を用いてセンシング機能やアンプ、
AD 変換器などを集積化し、接触型バイオセンシング・インターフェイスチップとして用いることを目指した研究が加速している。例えばドイツ マックス・プランク生化学研究所が LSI 上に培養した細胞の電位計測を実現し、この技術をもとにしてインフィニオン社が培養細胞の活動電位を計測するセンサアレイ「ニューロチップ」を発表している。このように従来は顕微鏡もしくは光学系を用いて行っていたカルシウムイオン
濃度感受性色素による神経細胞活動イメージングや、DNA やタンパク質の蛍光検出に用いられるマイクロア
レイの検出などをオンチップ計測で実現することが提案されている。蛍光観察だけでなく電位や pH などの他の物理量を同一チップで計測できるマルチモーダルセンサが報告されており、CMOS 技術を活かしたセン
シング技術として期待されている。図 5.2.4.3 は蛍光検出と電位検出が可能なマルチモーダルセンサにより取得した光学画像と電位画像である 15)。センサ面上に直接電解液を含ませたゲル電極を接触させ電位を与えている。電圧量が輝度パターンとして表現されている。今後はこのようなマルチモーダルセンシングや刺激回路を集積化することにより、高い精度で DNA やタンパク質等の同定が可能になるオンフィールドでの使用を想定したチップが実用化されるものと期待される。

図 5.2.4.3 光学像・電位像同時取得可能な CMOS センサ

5.2.5 おわりに今年度のイメージセンサの開発動向について述べた。画素の縮小化は一段と進み既に 2 µm ピッチを切る
ところまできている。今後は画素縮小競争は一段落し、微小画素の画質向上に向かうと想定される。それに伴い CMOS イメージセンサは CCD の市場を置き換えて行く可能性が高い。その場合、国内イメージセンサ
メーカは厳しい立場に置かれることになる。CMOS イメージセンサならではの高機能化を付与したシステムと一体化したデバイス研究開発が一層重要になるであろう。
(太田 淳)－305－
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参考文献
(1) M. Oda et al., “A 1/4.5in 3.1M pixel FT-CCD with 1.56 µm pixel size for mobile applications,” Int’l Solid-State
Circuits Conf. (ISSCC), p. 346, 2005.
(2) M. Murakami et al., “2.8 µm –Pixel Image Sensor νMicoviconTM,” IEEE Workshop on Charge Coupled Devices &Advanced Image Sensors (CCD&AIS), p.13, 2005.
(3) M. Kasano et al, “A 2.0 µm Pixel Pitch MOS Image Sensor with an Amorphous Si Film Color Filter,” Int’l
Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 348, 2005.
(4) J. Adkisson et al., “Optimization of Cu Interconnection Layers for 2.7 µm Pixel Image Sensor Technology:
Fabrication,” IEEE CCD&AIS, p. 1, 2005.
(5) T.-H. Hsu et al., “High-Efficiency Dielectric Structure for Advanced CMOS Imagers,” ibid, p. 5, 2005.
(6) H. Noh et al., “The design and characteristics of CMOS image sensor with active pixel array of 2.0 µm pitch andbeyond,” ibid, p. 197, 2005.
(7) G. Agranov et al., “Optical-electrical characteristics of small, sub-4µm and sub-3µm pixels for modern CMOS
image sensors,” ibid, p. 206, 2005.
(8) M. Sasaki et al., “A Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor with Multiple Exposure Time Signals andColumn-Parallel Cyclic A/D Converters,” ibid, p. 218, 2005.
(9) N. Bock et al., “A Wide-VGA CMOS Image Sensor with Global Shutter and Extended Dynamic Range,” ibid, p.
222, 2005.
(10) S. Adachi et al., “The Tolerance for FD Dark Current and PD Overflow Current Characteristics of Wide Dynamic
Range CMOS Image Sensor Using a Lateral Overflow Integration Capacitor,” ibid, p. 153, 2005.
(11) K. Hara et al., “A Liner-Logarithmic CMOS Sensor with Offset Calibration Using an Injected Charge Signal,” Int’l
Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 354, 2005.
(12) C. Niclass et al., “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche
Diodes,” IEEE J. Solid-State Circuits, 40, 1847, 2005.
(13) D. Stoppa et al., “A 50x30-pixel CMOS Sensor for TOF-based Real Time 3D Imaging,” IEEE CCD&AIS, p. 230,
2005.
(14) S. Itoh et al., “Desing and Implementaion of a One-Chip Wireless Camear Device for a Capsule Endoscope,” Proc.
SPIE 5677, 109, 2005.
(15) 山本 他，” オンチップ DNA マイクロアレイ計測のための光・電位デュアルイメージ CMOS センサ”, 映
情技報 29, 1, 2005.

－306－
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5.3 防災関連システム
5.3.1 災害と減災
2002 年 1 月に東南海・南海地震という大規模地震の発生可能性が文部科学省地震調査研究推進本部 1)から数値として公表された。現在では、南海地震と東南海地震の発生確率はそれぞれ 30 年間で 47%、58%とされる。南海地震の予想規模はマグニチュード M8.4、東南海地震は M8.1、同時発生で M8.5 に達する（M は0.2 大きくなるとエネルギーが 2 倍になる）。南海・東南海地震はプレート型地震と呼ばれ、南海トラフにたまったエネルギーが平均 111.6 年という周期で開放されることにより発生する（同じメカニズムで発生する
東海地震と併せて三つ子の地震と呼ばれている）。前回が 1944 年（東南海地震。M7.9）および 46 年（南海道地震。M8.0）で、そのマグニチュードが過去 9 回中最小だったことから、次は比較的早期に発生するのではないかと予想されている。この他にも、宮城県沖地震（30 年以内の発生確率＝99%）や首都直下型地震（30年以内の発生確率＝70%）などが話題にされている。
東南海・南海地震については、2002 年 7 月には「東南海・南海地震に係る地震防災対策の推進に関する特別措置法」が成立し、中央防災会議から 2003 年 12 月 17 日には震度 6 弱以上の揺れや 3m 以上の津波の可能性のある防災対策推進地域として 21 都府県 652 市町村（当時）が指定公表され、特に津波被害が大きいと予想される地域については 2004 年 3 月 31 日に 16 都府県、244 市町村（当時）が対策推進地域として指定公表された。これらの地域には 3,700 万人が居住し、東海、東南海、南海の 3 地震が同時発生すれば、
M8.7、死者は最悪 28,000 人と予想されている。防災対策推進地域では防災対策推進基本計画 2)により国、自治体、公共施設、企業などが防災計画の立案の義務を負う。
大規模地震は短期的には予知できない。
したがって何らかの被害はどうしても発生する。
そこで最近では、被害の発生を完全に防止する「防災」ではなく、発生するであろう被害を最小限に抑えるための「減災」が注目されている。減災の主役は「情報」である。災害を完全に防止するには膨大な予算と長い期間を要する。
それでは、いつ発生するかわからない災害に対して効果が期待できない。また過去の経験から、常に想定外の規模の災害は発生しうる。どれ程大きな防波堤を造ればよいか、考えればキリがない。それよりも、情報により、災害とはどのようなものかを知ることである。また情報によって危険性が少しでも予測される場合には、速やかに避難することである。
情報は以下のような 12 の防災段階において決定的な役割を果たす。
① 起こりうる災害の性質（どのような内容、程度、範囲か）を理解する。
② 起こりうる被害の性質を理解する。
③ 起こりうる被害への対策とその実現スケジュールを検討する。
④ 被害対策への理解を社会的に共有する。
⑤ 被害対策の実施状況を管理する。
⑥ 災害の予兆を検知し、広報し、必要な対策を実施する。
⑦ 災害の発生を検知し、広報し、必要な対策を実施する。
⑧ 発生しつつある被害の範囲、程度を把握し、広報するとともに、必要な対策を実施する。
⑨ 災害の終了を検知・判断し、広報する。
⑩ 被害の全体像を把握し、広報し、必要な対策を実施する。
⑪ 復旧・復興計画を策定する。

－307－
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⑫ 復旧・復興計画の実施を管理する。
2004 年から 2005 年にかけては新潟県中越地震、福岡県西方沖地震、千葉県沖地震、新潟県・福井県・兵庫県・京都府などでの台風などによる豪雨など、多くの大規模災害が発生した。そこで反省されたことは、①必要な情報がタイムリーに住民に提供されていないこと、②被災自治体は職員不足などにより災害時に情報システムに情報を入力するスタッフを確保できないこと、③避難勧告が出ても住民に伝わらなかったり理解されないこと、④
住民は避難勧告を理解してもなかなか避難しないこと（災害の常襲地域でも、住民のせいぜい 2 割程度しか避難しない）、そして何よりも、⑤想定外の災害が常に発生しうることを行政も住民も認知していないこと、などである。これらを解決するためには、「情報」をキーワードにして、必要な情報をどのように手段で入手するか、それをどのように管理するか、どのような内容の情報をどのような手段で、どのタイミングで住民や関係諸機関で共有するか、などを明らかにする必要がある。本稿では、その準備として現状認識を共有したい。

5.3.2 なぜ避難しないのか
台風や大雨による洪水や高潮、土砂災害（土石流、地すべり、がけ崩れ）、地震による津波などの大規模災害が予想される事態において、避難勧告が出されているにも関わらず、情報が届かずに避難しない人は少なからず存在することはこれまでにも指摘されてきたし、2004 年に発生した大規模災害でも同じ現象が見られた。本節ではこの問題を取り上げる。
避難勧告に関する問題は下記の 3 点に集約することができる。
① 避難勧告を出すタイミングが遅い。
② 避難勧告が住民に伝わらない。
③ 避難勧告は住民に伝わったのに、住民が避難しない。
2004 年に発生した大規模災害の多くの事例では、自治体首長が避難勧告を出すタイミングが遅く、住民が逃げ遅れて、被害が大きくなっている。気象庁などの中央官庁からの情報を軽視し、自分の地域では過去の経験からも大丈夫だろうと誤認識し、避難の必要性を感じなかったり、ぎりぎりまで避難勧告を出さないことは、これまでの事例で多く見られてきた。この現象の背後には、
a) 避難勧告を出して空振りになったときに非難されることを嫌がる、
b) その地域において少なくとも最近では大きな災害に至っていない、という 2 つの心理が存在する。
①の内の a)「空振りを嫌がる」について、行政の最大の目的は住民の安全確保であるという見地から「空振りで終わって幸い」という認識が必要である。このためには、住民と日頃から意見交換を密にして、起こりうる災害について共通認識を持ち、「安全側に考慮して情報を出す」という行政の姿勢を住民に理解してもらうことが必要不可欠である。b)「最近は大きな災害が発生していないから安心」というのは、合理的判断の見地からは何の根拠にもならない。また地球温暖化や急速な都市化の進展などの影響と思われる局地的な激しい豪雨など、災害の性質が近年になって急速に変わってきており、過去の経験に過度に基づいた判断は慎まなければならない。
また②の「避難勧告が住民に伝わらない」について、2004 年 7 月の福井豪雨では、木田・豊地区に避難勧告が出された。使用されたメディアは、2 ヶ所の小学校の広報スピーカ、連合自治体の連絡網、市の広報車、県消防組合の消防車、市議員による拡声器である。しかし床上浸水の被害に遭った 100 世帯の調査 3)では、避難は 54 世帯、内 6 割は自主避難（避難勧告を聞いていない）であった（表 5.3.2.1）。避難しなかった－308－
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46 世帯についても、26 世帯は避難勧告を聞いていない。当日は停電があり、TV ニュースを聞けなかったという事情を考慮しても、避難勧告の広報手段の難しさが再認識される。
表 5.3.2.1 福井豪雨における避難率と避難勧告認知率
総数

避難勧告認知数（率） 自主避難数（率）避難した世帯54

20（37.0）34（63.0）

避難しなかった世帯

46

20（43.5）26（56.5）全体

100

40（40.0）60（60.0）

避難勧告を含む災害情報を住民に何とかして提供することは、行政の責務である。ただ、各戸に確実に情報を伝達する手段が、現時点では防災行政無線の戸別受信機しかなく、効果的な手段が存在しない。地上波
デジタル放送を用いることで、特定の地域を対象として音声や文字による情報提供を行うことが可能である。
電源の強制入力も可能である。しかしその普及にはまだ時間を要する。
より重大な問題は③の「避難勧告を聞いたのに避難しない」ということである。1998 年 8 月末の郡山水
害では、避難勧告を聞いた住民は、すぐに情報交換を始めた。住民の 81%は口頭で情報交換し、71%は電話を使っている（複数回答可）。情報交換の内容は、「避難勧告が本当か」などの確認が 40%、どこに逃げるかの相談が 30%、避難勧告の伝達が 25%となっている 4)。避難勧告を聞いても、まだ対応に迷っている状況が分かる。2003 年十勝沖地震でも、浜中町の 4500 名の住民に避難勧告が出されたが、避難した人数は 1600名程であった（杉沢、2004）。住民は何を理由に避難を迷うのであろうか。
仲谷は住民が避難勧告に従わない理由を、災害の種類や居住地の様々な特性などに基づいて整理している 5)。
その整理について、携帯電話の普及などの最近の動向を考慮して修正した結果を表 5.3.2.2 に示す。
① 避難勧告が正確に伝達されていない② 避難勧告が信用されていない③ 脅威が感じられていない④ 予想される被害規模が過小評価されている⑤ 避難が効果的と考えられていない⑥ 避難の実行に障害がある⑦ 避難に要する労力が大きいという 7 つの大項目の下に、多くの中小項目が整理されている。これらの理由がすべての災害に該当する訳ではなく、災害の種類によりリストの一部の理由だけが該当する。表 5.3.2.2 からは、避難しない理由には多くの種類のあることが分かる。したがって、対症療法ではなく、別のアプローチが必要である。

5.3.3 災害時のネットワークの課題
それでは、実際の災害時には、情報を収集したり伝達する上でどのような問題があるのだろうか。ここでは、実際の災害での事例を元に、いくつかのトピックスを取り上げる。

(1) 電話阪神淡路大震災においては、携帯電話の普及が進んでいない時点だったため、一般加入電話の輻輳が問題視された。通常の 50 倍の通話が集中し、6 日間も不通状態が続いた。

－309－
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表 5.3.2.2 避難しない理由のリスト
避難勧告が正確に伝達されていない①何の情報か不明○サイレンだけが使用された②情報に接した人が少なかった○伝達メディアに問題があった
・すべての家庭に情報が伝わらなかった
メディアの普及率が低い
巡回による指示をおこなっていない
・伝達メディアが正常に機能しなかった－街頭メディアが機能しなかった－故障－音量が小さい－音質が悪い－妨害要因があった－メディア数が少ない－マスメディアが機能しなかった－停電－巡回が機能しなかった－戸別訪問ではなかった○避難勧告の時期が不適当
・忙しい時間帯だった・就寝中であった
避難勧告が信用されていない①緊急事態を告げる放送だと思われていない○避難勧告の内容に不備がある
・災害因の規模が不明
・予想される被害の規模が不明
・災害の到来予想時刻が不明
・避難勧告の内容に誤りがある○緊急事態と思わせる伝達方法ではなかった・サイレンを使用していない
・街頭メディアを使用していない
・臨時ニュースで放送していない②避難勧告に権威がない○避難の責任の所在があいまい・避難勧告者名が不明
・誰の指示に従えばよいかが不明○情報源に権威がない
・気象庁の発言がない
・専門研究者の発言がない③避難勧告の内容を検討できない○伝達メディアに問題があった・メディアの種類が少なく、メディア間の相互チェックできない・メディア毎に内容が異なる○専門用語が使用されている④避難勧告が誤報だったことがある
脅威が感じられていない①危険が差し迫っていると感じられていない○避難までに余裕があると思われている
・災害情報から時間の判断ができない－災害の到来予想時刻が不明－災害因の現在位置が不明
災害情報から余裕があると判断された○災害の兆候がない○地理的に安全だと思われている
・災害因からの距離が遠い
・災害因より高い位置にある・風上に位置する○被災確率が不明
・避難勧告が被災確率に触れていない

・被災確率の表現があいまい②防災対策が十分で、安全だと思われている○最近施された防災対策がよく知られている・関係機関が住民に広報活動を行った・防災施設を容易に見ることができる○対策がすでに十分だと思われている
予想される被害規模が過小評価されている①災害の助長要因に対する警報の程度が弱い②災害が正しく認識されていない○災害に関する知識がない
・初めて経験する災害・過去の被災経験が忘れられている○最近同じ災害を経験し、被害が小さかった
避難が効果的と考えられていない①避難に関する知識がない○避難の経験がない○避難の経験を忘れた②避難に対して懐疑的である○避難せずに助かった経験が地域にある○避難に失敗した経験が地域にある○避難に失敗した経験が近くの地域にある避難の実行に障害がある①外出中の家族が心配○外出中の家族がまだ帰宅していない
・外出時間帯で、交通機関が麻痺している・小学校から帰宅するのに時間がかかる○外出中の家族と連絡が取れない・電話が使用できない－電話が故障している－電話が過負荷の状態にある②移動手段がない○道路が使用できない○要介護の一人暮らしである○寝たきりの家族を運べない③避難目標を設定できない○避難目標に関する情報が不足
・避難目標の指定がない
・避難目標が何度か変更された・複数の避難目標がある○避難目標までのルートに関する情報が不足
・避難目標の位置をよく知らない・避難目標までの道順をよく知らない④避難する時間的余裕がない⑤執着する対象がある○家具に執着がある○家に執着がある○商品に執着がある○土地に執着がある○農繁期である○観光客の多い時期である○ペットを連れて行けない
避難に要する労力が大きい①避難目標への移動のコストが大きい○避難目標が遠すぎる・老人や足の悪い家族がいる○避難目標が高地にある・老人や足の悪い家族がいる②天候が悪い
○豪雨である○台風である－310－
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2004 年の新潟県中越地震では、携帯電話の課題も浮き彫りになった。携帯電話基地局が被害を受けたのである。停電のため、バックアップ電源に切り替わったのだが、道路寸断などで停電の復旧に時間を要したた
め、バッテリー切れの状態となってしまった。一般加入電話についても、交換機の停電のために、最大 4500
回線が使用不能となった。断線が発生しても迂回路で伝送路を確保できる計画だったが、広範囲の複数個所で断線（土砂崩れと道路崩壊による）が発生したため、迂回路が機能しなかった。地震は予想以上の規模で発生することを肝に銘じるべきであろう。また隣接の関東地方においても、最大で 70%もの通話総量規制が実施され、かかりにくくなった。
電話会社では、災害時の輻輳の問題を解決するために、2004 年 4 月より、携帯電話の音声通話とパケッ
ト通信を分離して運用するようにしている。すなわち、リアルタイム性を重視する音声通話については総量規制することで「かかる」ことを確保し、多少の時間遅れは許される携帯メールやインターネット閲覧機能については規制しないことにしたのである。これにより、新潟県中越地震の場合にも、携帯電話が使用できた地域では、携帯メールは多少の時間遅れがありながらも問題なく利用でき、災害用伝言板サービスの利用が急に普及した。これは、震度 6 弱以上の地震などの大規模災害の発生時に電話会社が開設するホームペー
ジで、携帯電話からの安否情報の入力や、携帯電話や PC からの確認ができるものである（図 5.3.3.1）。それまでの利用の最高が 2004 年 9 月の台風 18 号の登録 15,635 件、確認 13,853 件だったものが、新潟県中越地震では、登録 108,216 件、確認 145,520 件と、10 倍に急増している。

図 5.3.3.1 災害用伝言板サービスの画面例(2) 被災地の孤立
新潟県中越地震では、停電などの影響で、被災した山間の自治体の発見が大幅に遅れた。よく「もっとも被害の大きな地域からの情報は来ない」と言われるが、この問題はまだ解決されていない。
情報が上がってこない理由には、大きく 2 つある。ひとつは通信機器の損傷や機能不全、もうひとつは通信のための人手不足である。

－311－
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通信機器の損傷や機能不全に対しては、LGWAN-ASP（自治体間、自治体－関係組織・放送局とを接続する総合行政ネットワーク）を軸に、複数の通信手段を確保し、それらのバックアップ電源を確保することが肝要である。新潟県中越地震の場合には、電源が確保されていなかったことが最大の原因である。自治体は予算に限りがあるため、どうしても稀にしか発生しない災害への対策が後手にまわり勝ちである。国が積極的に支援し、Government Continuity を実現する必要がある。04 年台風 16 号の被害を受けた倉敷市では、地域イントラネットを用いた防災情報システム（かわせみネット）が機能しなかった。その理由は、高潮による浸水で計 19 箇所で端末用情報コンセントが水没して現場情報を中央に送れなかったことと、本庁や消防に災害状況を提供するカメラのうち 2 箇所が停電で機能しなかったことがある。システムを設計するときの災害規模の想定が難しいことがわかる。
通信のための人手不足は 2004 年豊岡豪雨で典型的に見られた。兵庫県は阪神淡路大震災を教訓として、県内の自治体を結ぶフェニックス・システムと呼ばれる防災情報システムを構築し運用している（図 5.3.3.2）。
被災自治体が被災情報をシステムに入力すると、それを見た県や周辺自治体が支援に乗り出すというシステ
ムである。しかし豊岡豪雨のときには、豊岡を中心とする周辺 11 市町からの被害入力がなかったため、他の自治体が被害を把握できず援助を出せなかったのである。理由は、被災自治体の担当者が現場対応に追われたため、情報端末への入力を担当するマンパワーがなかったことによる。情報システムは運用が第一である。情報入力の負荷を軽減するシステム機能、他の災害対応業務を軽減する方策などが求められる。

(a) 兵庫情報ハイウェイ(b) 画面例
図 5.3.3.2 フェニックス防災情報ネットワーク(3) インターネットの限界
新潟県中越地震では、県外との 3 本のインターネット・ルート中、2 本は断線していた。かろうじて 1 本で県外と通じていたことになる。電話回線やケーブル TV をインターネットとして利用している場合には、－312－
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地震時には断線により不通の可能性が高い。インターネットは阪神淡路大震災のときにも使用できたため、比較的に災害に強いメディアと評価されており、そのような面も確かにあるが、強固なものではないことを認識しておく必要がある。また、何よりも、被災者にとってはインターネットをしている余裕がないことを指摘しておく。あくまでも、時間的に余裕のあるときのメディアである。
最近の災害では、ブログ（blog、Weblog）が盛んに開設される。豊岡豪雨や新潟県中越地震では玉石とりまぜた多数のブログが急速に立ち上がった。ブログの利点は、詳細な情報が数珠つなぎに広まり、広範囲の理解や支援を得やすい点にある。逆に、更新の遅いブログを見たボランティアが、時期遅れの救援物資を送ってしまい、被災地では処置に困惑するという事態も生まれている。ブログ間の情報を比較して、何が適切な情報なのかを評価できる技術が求められる。
また、インターネットに限らず、日本における情報提供は日本語に偏りすぎる。最近では非常に広範囲な国から日本に来て住んでいる人が増えている。災害時の翻訳ボランティアの動きはようやく始まったばかりであり、自動翻訳などの人工知能技術は貴重な支援ツールとなるのではないか。

(4) 観光客などの非住民への情報提供
これまでの多くの災害対策は住民を主な対象としてきた。避難訓練、地域防災組織、情報提供手段など、ほとんどのものが住民用である。しかし東京、大阪、京都、奈良など、ビジネスや観光の町では、住民以外の観光客や出張者を無視できない。観光客については、三重県などで検討が進められている。京都について
は仲谷らが検討中であり、今年度中には何らかの方向性が見出せると思う。土地勘のない人にとっては、距
離勘、方向感覚などが分からないため、判断や行動に逡巡する場面が少なくないものと想像される。効果的な情報提供が求められる。また、修学旅行生や団体観光客を案内するタクシーやバスの運転手には、不安を抱えた多くのユーザを支援（集合／帰宅／避難の相談や実現）する役割がある。しかしそのような訓練も行われず、マニュアルもない状況にある。重要なテーマであろう。
ビジネスマンや学生などの昼間に外出している人達については、帰宅困難者としての問題がある。地震や台風などでは、鉄道が止まり、帰宅できなくなるのである。東京都では 371 万人の帰宅困難者が発生し、東京駅には 20 万人が滞留すると見られている。
大阪市でも 133 万人の帰宅困難者が発生すると見られている。
災害時帰宅ルートマップが売り出されて評判となっているが、帰宅途中の支援（食料、水、情報、トイレ）のためにコンビニエンスストアやガソリンスタンドと提携する自治体が増えてきている。また、宿泊用にホテルや大学と提携する東京の区もある。徒歩で帰宅するにしろ、宿泊するにしろ、家族との連絡手段の確保が前提条件である。
一方で、そのような帰宅困難者の戦力化を考える必要もある。予想される東海・東南海・南海地震の被災想定地域は太平洋ベルト地帯、四国、中国、九州に及び、3000 万人が住む。そのような広域が同時に被災した場合、周辺地域からの救援は当てにできない。被災者自身が救援者になる必要がある。様々な特技や技能を持つ被災者を組織化して効果的に配置することで、発生した被害の拡大を食い止め、早期復旧を図ることが実現できるのではないだろうか。自治体も、すべてを行政が担当するという意識を変え、皆が被災者であるという観点から、役割分担を見直す必要がある。行政は全体管理機能を主担当として、関係組織、住民、ボランティアなどをうまく統御しながら災害に立ち向かう共助社会が望ましい。そのとき情報通信技術は、重要なインフラでありたい。
（仲谷 善雄）－313－
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参考文献
(1) 地震調査研究推進本部・地震調査委員会事務局：南海トラフの地震（南海地震、東南海地震）の長期評
価及び強震動評価手法について、2002.
(2) 中央防災会議：東南海･南海地震防災対策推進基本計画 (2004).
http://www.bousai.go.jp/oshirase/h16/0401/040401tonakihonkeikaku.html.
(3) 朝日新聞：「避難勧告、6 割が知らず 福井豪雨で浸水世帯を調査」、2004 年 8 月 18 日朝刊、2004.
(4) 片田敏孝：平成 10 年 8 月末郡山水害における住民の災害情報取得について、高度情報化推進協議会平成 11 年度防災情報システム研究会報告書、pp.60-73、2000.
情報処理学会論文誌、第 28 巻、第 8 号、
pp.884-893、(5) 仲谷善雄：知識ベースに基づく広域避難診断システム、
1987.

－314－
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5.4 光バイオメトリクス（個人認証への光応用）
5.4.1 ブロードバンドネットワークの普及とセキュリティの不安
この 5 年間で、携帯電話はインターネット利用などの高速化と高機能化が進み、世帯普及率は 90％以上に急拡大した。インターネットでは、ブロードバンドの世帯普及率が 60％を突破し、定額接続が標準となった
サービスの人口普及率は 60％を超えている。携帯電話やパソコンは生活必需品となり、ネットワークを利用「個人情報の漏洩」「ウイルス感染」「電子決済詐したサービスは家庭と社会に浸透している 1)。その一方で、欺」などの、セキュリティ上の不安や不満が増大している。

(1) ユビキタス時代とバイオメトリクスセキュリティの社会的役割
ブロードバンドネットワークの普及に伴い、バイオメトリクスの利用が急速に拡大する背景として、経済活動のグローバル化や、人や情報の国際的な移動が日常化し、世界中のあらゆる場所をネットワークがカバーするユビキタス情報社会が実現されつつあることがある 2)。
ユビキタス社会の最大の利点は、アクセス端末さえあれば、どんな場所からでも「モノ」と「情報」がつながることにある。例えば、RFID（無線 IC チップ）を使うと、日常生活のあらゆるモノをネットワークに接続できることから、電子的な識別、認証技術の切り札として注目されている。しかし、RFID をはじめとするユビキタス社会のサービスの利便性と危険性は表裏一体をなしており、様々な問題が派生し深刻化することが懸念されている。
その中で、バイオメトリクスは、セキュリティ（安全性）とユーザビリティ（利便性）の両面から、さまざまな要求に応え、誰もが同じように使える実現性の高いサービスを提供するためのキー技術として注目されている。特に、公的サービスや企業活動、企業が提供する専用サービスでは、セキュリティの高い個人認証手段としてバイオメトリクスの導入が必須となりつつある。また、日常の私的利用サービスでも、バイオメトリクスは利便性の高い個人認証手段として、生活の様々な場面で利用されはじめている。
公的、専用・商用、個人的な用途別についてバイオメトリクスのニーズ、主な用途、代表システムと特徴、
主な特性、利用形態を分類して表に示した。
表 5.4.1.1 経済社会動向とバイオメトリクスのニーズ、役割分 野
社会動向の方向、ニーズ
主な用途
代表的なシステム、仕組みの特徴
主な特性

利用形態の特性パブリック・経済社会の国際化、ユニバー
サル化
・人や動物の身元確認、公共空間の安全、社会保障の高度化
・顔写真や身体の属性、行動の同定システム・多人数、多人種の固体から本人を同定
・生涯不変であること・公正性、普遍性
・偽造・改ざんの防止・マルチベンダ対応
・多地域で標準化利用
・共有（国、自治体、個人）

特定機関・企業
・IT 化の進展と活動領域のグローバル化
・犯罪の防止と捜査、重要施設の安全、個人情報の保護
・ AFIS ( 自動指紋認識シ ス テム)、虹彩認証システム
・検体、痕跡を含む個体の特徴
から本人を識別する
・万人不同であること
・効率性、信頼性・見落としの防止
・精密、高速大量処理
・大規模で用途限定利用
・クローズド（特定関係者）

パーソナル・高度情報社会への移行と少子高齢化の進行・家庭の安全・安心、情報利用の利便性とセキュリティの向上
・指紋、顔、血管の特徴による本人認証システム・個体の身体、行為の特徴から本人を認識する・誰でも何処でも使えること
・簡便さ、プライバシー
・なりすましの防止
・リアルタイム、無拘束操作
・小規模で多目的の利用
・オープン（不特定ユーザ）－315－
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(2) 電子パスポートにバイオメトリクスを導入し、監視体制を効率化する各国政府
日本政府は世界に先駆け、住民基本台帳ネットワークを導入し、国民に 10 けたの住民票コード番号付の住基 IC カードを 2003 年 8 月に導入している。当初、住民票の発行だけで約 300 万枚の IC カードのニーズがあるとして、巨額の費用をかけ全国システムを構築したが、一年後の交付枚数は約 36 万枚にとどまり、
また身分証明などの多目的利用も低迷している。
一方、世界各地で、旅券の偽装防止や本人確認の効率化のためパスポートの電子化が進んでいる。これには、貧困や差別、政治や宗教的対立から、ホテルやレストラン、鉄道などの公共スペースで一般人を標的とした同時自爆テロが続くことの抑止対策の役割がある。大都市の繁華街や駅、空港には多くの監視カメラが設置され、通行人の顔を撮影して不審者を自動的に割り出すシステムが導入されている。
国際民間航空機関（ICAO）は、IC チップに記録する生体情報として顔画像を必須とし、また各国が任意に指紋や虹彩を利用することを認めている。日本では、改正旅券法の成立にともない、2006 年 3 月から顔写真などのデータが入った無線 IC パスポートへの移行が始まる。米国は、2006 年 10 月 26 日以降、観光など短期間のビザなしの訪問に、電子化された生体情報をパスポートに組み込むことを要求している。
日・米・独の政府が導入を予定している電子パスポートとバイオメトリクス情報を表に示した。
表 5.4.1.2 日・米・独の電子パスポートとバイオメトリクス情報
ドイツ2005 年 11 月から無線 IC パスポート発行。2007 年 3 月までに、人差し指の指紋情報を保存予定。

日 本

2006 年 3 月末を目標に、生体情報認証に顔画像を入れた無線 IC パスポートを発行。

米 国2005 年 12 月には、政府職員にデジタル顔写真入りの無線 IC パスポートを試験的に発行。2006 年
10 月 26 日から全国民が対象。指紋や虹彩スキャンなどの追加データを記憶可能な容量を準備。

(3) 日常生活の決済に、無線 IC カードとバイオメトリクスが普及
日本では、クレジットカード、銀行カード、キャッシュカード、乗車カードや ETC など、持ち歩いて使うカードは 1 人で 10 枚以上といわれている。クレジットカードや銀行カードはスキミングなどの偽造により、知らないうちに高額の被害にあうことから、IC チップを組み込み、安全性を高めようとしている。
日銀は、硬貨の流通枚数が減少に転じ、コンビニやスーパで電子マネーやクレジットカードでの支払いが増えていると発表している。
すでに、小額支払いを効率化する非接触式の無線 IC カードは、
JR 東日本の Suica
カードや、
電子マネーの Edy カードが広く使われている。
現在、クレジットカードの総取扱高は 17 兆円、SUICAと Edy カードの合計発行枚数は 2,500 万枚に達している。2006 年 1 月から携帯電話に Suica カードを組み込んだ電子決済機能の「おサイフケータイ」サービスが開始されており、2007 年 3 月からは関東地区の私鉄とバスの非接触型 IC カード「PASMO」が提供される。
膨大な情報を持ち運びすることができる IC カードの導入で、あらゆるサービスにおいて電子化、高速化とモバイル化が実現するユビキタス社会が到来し、より多彩なサービスを提供できるようになり利便性が向上する。これに対応して、利用者を確認するため必要な ID 番号やパスワードの流出や盗難を防ぐために、
バイオメトリクスを使った本人認証機能の組み込みが進んでいる。

－316－
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5.4.2 バイオメトリクス関連技術の動向と市場
今後、世界各国で、公共を問わず全サービスで電子化、高速化が進む。次々と展開されるサービスの利便性と安全性を確保するためには、IC カードや無線チップの利用は必須であり、暗号技術やバイオメトリクスと組み合わせて、グローバルなサービスの提供手段として国際社会に浸透する。バイオメトリクスでは、装置の高性能化や小型化、低価化が進むと同時に、利用のための社会的インフラが整備されることで、国や地域を問わず広く普及することが期待される。その一方で、技術の標準化やシステムの共通化などにおいて、国際的な合意や同期の遅れは、世界の社会経済に大きな不利益をもたらす。

(1) バイオメトリクスセキュリティの製品、技術動向
バイオメトリクス、カード、パスワードに代表される個人認証手段では、使い易く、より多くの利用者が安心して受け入れるための技術開発が進んでいる。バイオメトリクスでは、複数の生体データやセンシング
手法を組み合わせてセキュリティの向上を測るマルチモーダル化や、ネットワークのとの融合でユーザビリ
ティを高める試みがある。また、音声入力や手書き入力、指定の行動の入力などのプロファイリングによる個体識別技術は、キーボードに依存しないパスワードの入力手段としても検討されている。一方、ペットなど動物の個体識別で普及している体内埋込の小型 IC チップは、
今後、人工的なバイオメトリクス技術として、
ヘルスケア情報の管理や幼児誘拐対策として導入することも提案されている。
標準的な個人認証法であるカードやパスワードとバイオメトリクスの現状と将来の比較を表にした。
表 5.4.2.1 個人認証の現状と将来
認証方法

バイオメトリクス

カードや特定所有物

記憶や知識

コード

指紋、静脈、顔など

カード、証明書の記録

ID 番号、パスワードなど

現

安全性

偽造が困難

紛失、盗難、偽造

忘れる、盗まれる状

経済性

インフラ整備の投資が要

ＩＣチップの低価格化

装置が簡便で済む

問題点

実体での事前登録が必要

スキミング等の被害

パスワードは更新が必要

マルチモーダル化

RFID の非接触サービス

ワンタイムパスワード

ネットワークとの融合

生体埋め込みチップ

暗号化による漏洩防止

コミュニケーション、ロボット

バイオメトリクスとの融合

声、署名、動作との融合

将
来

技術動向
応用分野

(2) バイオメトリクス市場(a) 世界市場の動向
バイオメトリックスの産業レポートを発行する International Biometric Group (IBG)によれば、バイオメ
トリクス全体の市場は 2005 年に約 16 億ドル、2006 年が 27 億ドル、2007 年が 37 億ドル、2008 年が 46
億ドルに拡大する。業界団体の International Biometric Industry Association は、2008 年までに北米のバイオメトリックス企業の収入は全体で 3 倍に、中東の監視システムのバイオメトリクス市場は約 200％伸びると発表している。バイオメトリクスカンファレンスを開催する International Biometric Foundation（IBF）は、国境で生体認証技術が使用されるケースが増加しており、旅行者が共通の手続きを踏むことにより各国に入国できるようにするため、バイオメトリクス技術の配備状況を監視する国際標準機関の設置と、多くの国々で可能な限り効果的に配備するため体制を整備することの必要性を指摘している。

－317－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 国内市場の動向
バーコード、RFID、バイオメトリクスの業界団体の日本自動認識システム協会の統計では、自動認識シ
ステム全体の 2004 年出荷金額は、前年比 4.7％増の 1,944 億円であった。そのうち、バイオメトリクスは、
2003 年に比べ 26.2%増の 23 億円で、指紋認証が出荷金額の 67.2％を占めている。新たに登場した静脈認証
は、銀行の ATM に採用されたことから出荷台数が 5,000 台、出荷金額で 7 億円になり全体の 30.1％を占めている。
今後、銀行や郵便局では、なりすましを防止するために ATM に、手のひらや指先の静脈から本人認証する血管バイオメトリクスを、2010 年までに毎年最大 20,000 台、累計で 65,000 台程度導入する。また、指の静脈パターンを世界標準として個人認証に使う「指静脈認証システム」事業を展開する日立製作所は、北米、欧州、アジア、中国で、2008 年度までの 3 年間で 1,000 億円の売り上げを目指している。

5.4.3 光技術による新しい生体認証機器・サービスの例
ホームセキュリティ分野や、金融・保険・証券分野、ユビキタスコンピューティングのセキュリティでは、
指紋や静脈など手のバイオメトリクスの導入が急速に進むことが予想される。また、カメラ付携帯電話の普及やネットワーク対応した高機能 Web カメラの発売により、顔認証も認証精度の向上と低価格化が進展しサービスが普及することが期待されている。特に顔認証は、国際民間航空機関（ICAO）などが空港や航空機でのセキュリティ対策として導入を進めていることから注目されている。

(1) 顔のバイオメトリクス
顔認証ソフトは国内で多数販売され、海外では通常の顔認証エンジンのほかに、ドキュメントと顔認証をセットにしたシステム、監視カメラの映像からターゲットを顔で特定するシステムなどが利用されている。

(a) 顔やせ、化粧法のアドバイスに使う顔の顔形評価システム 花王 3)ダイエットの前後で測定値を比較して「顔やせ」具合を客観的に表したり、顔の形に合った化粧法を助言するため、女性の顔の形をレーザ光線で測定して点数化するシステムを京都府立大人間環境学部の研究グル
ープと花王、ソフト開発会社「メディックエンジニアリング」が共同開発している。レーザ走査型三次元デジタイザで顔の三次元形状を読み取り、特徴ベクトル空間での各クラスの重心を求め、2 つの重心を結ぶ直線上に各被験者のデータの座標を投影して自動的に点数化している。

(b) 歩行者の顔を読みとって扉を開く FacePass 東芝 4)
東芝のネットワークインフラ社は、歩行したまま立ち止まらず顔認証ができる「歩行者顔照合システム
FacePassenger」を発表している。顔照合方式は「制約的相互部分空間法」と、新たに開発した顔検出方式の「確立増分符号法」とを融合し、処理の高速化、高精度化を実現している。

(c) ウォーク型で顔を個人認証する FaceWalker オムロン 5)
オムロンとオムロンソフトウェアは、顔認証システム「FaceWalker」を発売している。監視カメラの画像
エリアに人が入ると自動的に「顔」を抽出し、履歴として「顔データ」を 1 万件まで蓄積する。また、カメ－318－
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ラの歩行者の動画から、あらかじめデータベースに登録してある人物と一致するかどうかを割り出す。最小システム構成は 500 万円で、学校や老人保健施設など、大勢の人が利用する施設で使われる。

(d) 改札口で鉄道テロ対策の顔撮影の導入実験 運輸政策研究機構
2005 年 7 月にロンドンで起きた地下鉄など同時爆破テロを受け、米国では鉄道の駅で高度な監視カメラの導入が始まっている。日本では鉄道を標的としたテロ対策として、2006 年春から東京都内で運輸政策研究
機構が、不審者を割り出す「顔認証システム」の導入実験を行う。システムは米企業とＮＴＴコミュニケー
ションズが共同開発している。改札を通過する乗客１人ずつの顔写真を撮影し、コンピュータに登録してある顔写真の 1,000 人分のデータベースとの照合を１秒以内で終了する。

痴呆性老人の徘徊

図 5.4.3.1 (a) 顔形評価システム 花王

図 5.4.3.1 (c) FaceWalker オムロン

図 5.4.3.1 (b) FacePassenger 東芝－319－
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(2) 手のバイオメトリクスの普及
携帯電話やパソコンでは、ID やパスワードの代わりに手の指紋や静脈のパターンを入力する、バイオメト
リクス技術が利用され始めた。また、銀行の ATM には、IC カードと指先や手のひらの静脈で、本人を認証する仕組みの導入が進んでいる。

(a) 手のひら静脈認証 富士通
波長 760nm の近赤外線を照射する静脈認証は身体の内側にある特徴を利用するため、経年変化や、汚れ、外傷、湿度による変化など環境変化がないといわれている。また手のひらは、指先より血管本数が多く、体毛や色素による影響がほとんどないため、環境に左右されることが少ない。銀行はいち早く導入が開始され、非接触型のシステムであることから、不特定多数の人が集まる場所や医療機関などでも利用できる。

(b) 指静脈認証で小型認証 日立
日立製作所は、指の背面方向から光を当てて透過光を測定する指静脈パターン識別技術を実用化し、銀行の ATM が採用している。新たに、下方に光源を設置して指内部で散乱される静脈の透過光を同じ下方に設置したカメラで識別するフラット型方式が開発された。指置台の上側の構造物が不要になり、装置の容積が20 分の 1 に小型化されたことから、ビジネス向けノート PC への搭載などが予定されている。
また、指の甲側を通る静脈の模様を読み取る技術も開発された。車のドアハンドルを握るとハンドル内の光源が指を照らし、透けて見える静脈の模様をドア側に組み込んだカメラで撮影することができる。

(c) 偽造した指を識別する指透過指紋認証装置 三菱電機
三菱電機は、指組織内の指紋情報を非接触で検出する生体認証装置「三菱指透過認証装置」の販売を開始した。指の表面ではなく、指の爪側から光を照射し、指紋側に設けたカメラで透過した光パターンを撮影する。光の透過率の変化から内部組織の指紋情報を非接触で取得するので、偽造した指を識別することができ、乾燥や水濡れなど指表面の状態にかかわらず指紋を検出できる。金庫などの機器への組み込みを想定して、プロセッサとメモリを内蔵したタイプも提供している。
（大島 正明）

参考文献(1) 総務省：平成 16 年通信利用動向調査 2005 年 5 月(2) 総務省：平成 17 年度情報通信白書 2005 年 6 月(3) 朝 日 新 聞 社 ： 顔 型 判 定 ソ フ ト 開 発

京 都 府 大 と 花 王 な ど 、 http://www.asahi.com/life/update/0927/001.html（2005 年 9 月 27 日
(4) 東芝ネットワークインフラ社：顔照合セキュリティシステム、http://www3.toshiba.co.jp/snis/scd/fps/facepass.htm（2005 年 11 月 27 日）(5) オ ム ロ ン ソ フ ト ウ ェ ア 株 式 会 社 ： 顔 認 証 技 術 を 用 い た 汎 用 セ キ ュ リ テ ィ シ ス テ ム 、
http://www.omron.co.jp /press/2004/s0301.html（2005 年 11 月 27 日）－320－
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5.5 画像入力デバイスと機器
5.5.1 はじめに
画像入力機器では、何と言ってもデジタルカメラの進化が群を抜いている。これは、マーケットサイズの大きさ・成長度から必然的に開発に注力されているからにほかならない。デジタルカメラは、数年前の画素数拡大の時代はすでに過去のものとなった。画素数拡大にともないフォトエレメントサイズが小さくなった
結果、感度低下をきたしたセンサの性能を上げるための試みが行われている。センサの改良だけでなくカメラ内の画像処理回路の改良などにより画質向上もすすんでいる。一方、画面サイズを大きくしたセンサを搭載した一眼レフタイプのカメラも増え、大幅に性能・機能が向上、銀塩フィルムカメラとほぼ同等な性能を持つ製品も増えてきた。寂しい話ではあるが、大手カメラメーカも相次いで銀塩フィルムカメラの生産から撤退する、撤退せざるを得ない状況になってきた。それは、35mm サイズ相当ではデジタルカメラの性能が向上しために、銀塩フィルムを使用する絶対的なアドバンテージが見出せなくなったからにほかならない。
一般ユーザは殆ど意識することはないが、街角にあるミニラボなどでも銀塩フィルムで撮影してもプリン
ト段階では銀塩の印画紙は使うが、露光は従来のようなアナログ光学系ではなく 3 色のレーザ光源を用いた
デジタル記録方式の装置が多くなってしまった。フィルムの読み取りもスキャナを用いている。その結果、
アナログ入力記録、アナログ出力印字というプロセスは過去のものになり、入力装置であるカメラ部でアナログ処理にこだわっても実際はフィルムの読み取り段階でデジタル化されてしまったために、銀塩フィルムを使用することによるメリットが生かしきれない状況になっている。どうしても銀塩フィルムにこだわり、プリントもアナログ露光でということであれば、自家処理をする、大手のラボに特別に依頼する、あるいは古い装置をつかっているミニラボを探せば可能ではあるが、そこまでこだわる人が少なくなってきたとも言える。
デジタルカメラを使い出すとなかなか昔の銀塩フィルムのカメラに戻れない、というのが実情である。
最近の写真が殆どデジタル化されたところに、アナログデータでしかない銀塩フィルムはシームレスに扱えないという不便さがでてきてしまう。デジタルデータに変換しようとすると、将来そのデータからプリント
することまでを考えた解像度で、ということになるとかなり高いコストを払う必要がでてくる。自分でスキャナで取り込むということもできるが、それなりの手間と時間がかかるため、どうしても不便さが目についてしまう。こだわりの写真を作品としてということで無い限り、一度デジタル化を受け入れてしまうともうアナログの世界に戻れなくなってしまうようである。
使われている技術でみると、CCD、CMOS などのイメージセンサの実画素数が増大したため、以前は盛んに研究・開発がすすめられた画素ズラシによる信号の合成手法を用いた解像度向上のための検討は少なくなった。ただ、この画素ズラシの技術が CCD を移動させることによる手ぶれ補正技術に繋がってきた。光
学系は、ガラスモールドレンズの使用による非球面レンズの採用がすすみ、構成枚数の低減と同時に収差低減もすすんできた。ズームレンズを使用する場合にはどうしても構成枚数が多くなるため、カメラ本体の小型化のためにレンズの収納方式の工夫もすすんでいる。
また、携帯電話機のほとんどと言っていいほどにデジタルカメラが搭載されるようになった。国内製品では 300 万画素クラスのカメラが内蔵された機種もでているが、CCD だけでなく CMOS も使われるようになってきた。200 万画素のスーパーハニカム CCD を採用して 400 万画素出力を実現した機種も 2005 年 11 月に発売されている。また、300 万画素 CMOS、400 万画素 CCD 採用の機種で手ブレ補正機能がついたものもある。さすがにデジタルカメラのように光学系を動かす、あるいは CCD を動かしての補正は難しいため、－321－
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複数枚の画像を撮影して画像処理によりブレを補正する方式がとられている。日本の携帯電話会社では採用していないが、韓国メーカでは 500 万画素のカメラを内蔵した携帯電話を発売している。さらに、2 次元バーコード（QR コード）読み取りができる製品も増えてきた。デジタルカメラの機能も単なる撮影、データの電子化目的だけではなく、ネットワークへのアクセス補助など多機能化もすすんでいる。
デバイスに目を向けると、携帯電話などに搭載可能な小型の CCD、CMOS 撮像モジュールも開発され、性能向上とともに小型化の検討も着実にすすんでいる。
ここでは最近の画像入力技術の応用動向を紹介する。

5.5.2 入力関連技術(1) デジタルカメラの光学系
デジタルカメラは、コンパクトカメラでは 500～600 万画素クラスの普及で画素数向上の取り組みがほぼ一段楽したといえる。高性能・高機能化、使い勝手、携帯性を重視した小型化、さらには低価格化など、いくつかの目的別の製品開発が活発に進められ、それに対応した技術も開発されている。一方、一眼レフカメラでは 1000 万画素を超えるセンサが搭載され、35mm フルサイズのセンサを搭載した製品も発売されるな
ど銀塩フィルムの性能に迫る、あるいは同等以上の性能を示すものも出現した。
従来、デジタルカメラの小型・薄型化のためにプリズム、非球面レンズの組み合わせによりズーム光学系の大幅な小型化・薄型化を実現した例が報告、製品搭載もされてきた。図 5.5.2.1 に、その例を示す。１）一般にカメラの光学系はレンズの光軸をイメージセンサに垂直な方向に設定し、被写体の方向に光軸を向けた
レイアウトが主流で、撮影時にはレンズはボディーから突出することになる。特にズームレンズを使用する
場合はレンズ構成枚数の多さもあり、その突き出し量がさらに大きくなる。また、レンズを収納した際にも従来の銀塩フィルムカメラに比べ、フィルムに相当する位置に CCD センサモジュールを配置するため、その分のモジュールの厚みがどうしても大きくなりカメラが厚くなってしまう課題もあった。しかし、本例ではプリズムを光学系内部に組み込み光路を変換すると同時に、プリズムを含めたレンズの収差補正をおこない、撮像光学系をカメラボディー内部に収納、大幅な薄型化を実現した。図 5.5.2.2 には、最新の屈曲光学系を採用したデジタルカメラの例を示す。3 倍ズーム（f=5.8～17.4mm：35mm 判換算:35～105mm 相当、
F3.0～5.4（10 群 12 枚構成））の撮影レンズを搭載しているが屈曲光学系の採用によりボディーサイズは厚さ 22mm を実現している。

図 5.5.2.1 デジタルカメラの小型光学系

図 5.5.2.2 屈曲光学系を採用したカメラの例－322－
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一方、レンズの光軸をイメージセンサに垂直な方向に設定、被写体の方向に光軸を向けたレイアウトでありながら、薄型化を実現する光学系が開発されている。これは、昨年の報告書で取り上げ説明したが、スライディング・レンズ・システムと呼ばれている、「撮影時にはレンズ鏡筒を光軸方向に伸ばし、収納時には中央のレンズ群を上部にスライドしローパスフィルタの上方のスペースに退避する。
」方式がある。特に問題となる各群のレンズ間の位置誤差については、ピント精度に関しては従来の光学系とほぼ同一、光軸誤差に関してはレンズ設計の見直しにより逆に許容量が増大したためスライディング機構の導入の影響は受けないとしている。本機構の開発によりデジタルカメラの薄型化がすすんだ。
また、図 5.5.2.3 に示すように広角側 28mm から望遠側 200mm までの光学 7.1 倍ズームのレンズをわず
か 26mm のボディーに収納した、「Double Retracting LENS System」（ダブルリトラクティングレンズシ
ステム）」と呼ばれる光学系も開発されている。３） レンズの収納時に構成レンズ群のふたつをそれぞれ振り子のようにスイングさせ、鏡胴（レンズが入った筒型の部分）の外側に逃がしてしまう構造になっている。
回転動作によりレンズを退避させるため光軸のズレが小さく性能の安定がはかれる。従来のレンズの部分ス
ライド退避システムでは 3 倍ズームまでであったが、第一世代の「Retracting LENS System」（リトラクティングレンズシステム）」では、広角側 28mm から望遠側 135mm までの光学 4.8 倍ズームあった。本構成
ではさらにズーム比を拡大させ光学 7.1 倍ズームを実現している。図 5.5.2.4 に同技術が搭載されたカメラの例を示す。３） 示すがデジタルカメラの小型化のため、いろいろな光学系の小型収納方式が提案され実用化されており、技術のひとつの流れとして注目できる。

起動時
撮影時
収納時
図 5.5.2.3 ダブルリトラクティングレンズシステム

図 5.5.2.4 ダブルリトラクティングレンズシステム搭載カメラの例(2) デジタルカメラの手ぶれ補正
デジタルカメラの画素数が増えるにつれ使用している CCD、CMOS などのセンサの画素サイズが小さくなってきた。それに伴い相対的にセンサの感度が低下し、露光量が十分にとれない状況での撮影の際には手ブレが目立つようにもなってきた。画素数が少ない場合には解像度もそれほど高くなかったので、多少のブレがあっても目立たなかったものが、解像度が上がるにつれ感度の低下との相乗効果もあり余計に目立つよ－323－
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うになってきたとも言える。センサの一画素の面積が小さくなった分だけ単純に感度が悪くなっているという訳ではなく、センサ信号の処理の工夫により感度低下を補う試みも行われている。しかし、絶対的な感度低下はなかなか避けるのは難しいため、手ブレの問題に対応するためさまざまな試みが行われている。ひとつは、センサの感度を上げ少ない露光量でも実効的にシャッター速度を上げ、手ブレを防止する方法である。
ただ、同じ画素数であってもハニカム構造をもつ特殊な CCD を用いる必要がある、などの制約がある。他の方法として、「画像のブレ量を検出して撮影レンズの一部を動かし、相対的にセンサ面上の同じ位置に画像を形成する方法」、「レンズユニット全体を動かし、同じく相対的にセンサ面上の同じ位置に画像を形成する
方法」、「画像のブレ量を検出して CCD などのセンサを移動させ、相対的にセンサ面上の同じ位置に画像を形成する方法」などがある。
図 5.5.2.5 に「Anti-Shake」と呼ばれているレンズユニットを動かしてブレを補正する技術の例を示す。４）
CCD シフト方式に比べて小型化が可能、屈曲光学系に適していると言われている。また一部のレンズを動かすことにより発生する微小な収差など、光学性能の劣化も少ない。最近複数のメーカから屈曲光学系を採用したコンパクトモデルのデジタルカメラが発売されており、薄型小型化には有効な光学系の方式と認知され始めた。そこに、レンズユニットを動かす方式の手ブレ補正技術が導入され画質向上の取り組みもはかられている。

図 5.5.2.5

手ぶれ補正（レンズユニット駆動方式）

また、図 5.5.2.6、図 5.5.2.7 に、CCD シフト方式手ブレ補正機能のイメージを示す。3,5) シャッターを押した瞬間の手ブレを瞬時に感知、移動量を検出し、逆方向に CCD をシフトさせる方式である。手ブレの多い望遠での撮影やマクロ撮影でより威力を発揮することができる。ユーザが状況に応じて使い分けができるように ON と OFF の切り替えが可能になっている。

図 5.5.2.6 手ぶれ補正（CCD シフト方式の例 1）

図 5.5.2.7 手ぶれ補正（CCD シフト方式 2）－324－
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(3) 携帯電話用小型デジタルカメラの光学系
携帯電話に搭載されるデジタルカメラは、1999 年 9 月に DDI ポケット（現ウィルコム）より発売された、京セラ製端末を使用した VP-210 が世界初のカメラ付き携帯電話（PHS）である。カメラ部は 11 万画素のCMOS センサが使われていた。テレビ電話用なので液晶面側にカメラがあり、現在のような外部（景色、人物など）を写すカメラ付き携帯電話とは異なるコンセプトで作られていた。現在の形態のカメラが搭載されたのは、2000 年 10 月に J-PHONE（現ボーダフォン）からシャープ製携帯端末 J-SH04 が商品化されたのが初めてである。これが、現在のカメラ付き携帯電話のルーツになり、数年で急激に世界中に広がった。次
いで VGA（640×480）対応になり、現在は、一挙に高画素化がすすみメガピクセル対応、さらには 200 万
画素、300 万画素と進化は止まることはなく、400 万画素の CCD カメラを搭載した携帯電話も登場した。
焦点調節も固定焦点からオートフォーカス（AF）機能を持つ製品も実用化されている。ズーム機能は現時点
では電子ズームが主流であるが、撮影画像の高画質化への要求に対し光学系によるズーム機能も実用化されている。
図 5.5.2.8 に携帯電話などの携帯機器用デジタルカメラに使用する小型オートフォーカス光学系の例を示
す。６）７） センサは、松下電器が独自に開発した CCD と CMOS の両者の長所を併せ持ったと言われている“νMAICOVICON”である。 “νMAICOVICON”はギリシア語で光の振動数を表す ν(ニュー)を“新”にかけ、
New Matsushita Advanced Image Converter for Vision Construction からとったネーミングである。同イ
メージセンサは 2.8µm□の画素サイズでありながら、5 ルクス以下の暗いところでも細部まで撮影することができるとのことで、以下のような特徴を持つ。また、本センサはすでに携帯電話の複数機種に採用されている。
1. 3 メガピクセルのオートフォーカス搭載カメラとしてモジュール厚 8.63mm の薄型化を実現。
2. 超高密度の部品実装技術と、レンズの薄型化及びその制御回路の集積により小型パッケージ化を実現。
3. 動画手ぶれ補正機能（VGA/約 30 万画素時）を搭載し、ストロボ・メカニカルシャッター制御機能を備え、高画質でクリアな画像撮影を実現。

図 5.5.2.8 3 メガピクセルのオートフォーカス搭載カメラ
図 5.5.2.9 に同じく携帯電話などの携帯機器用デジタルカメラに使用する小型ズーム光学系（3 メガピクセ
ル CCD カメラモジュール） の例を示す。８） 標準/２倍切り替えの光学インナーズーム機能と、オートフォ－325－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ーカス機能を搭載した、携帯電話向け３メガピクセル CCD カメラモジュールである。高画質化・高機能化へのニーズが急速に高まってきている携帯電話に搭載されるカメラ機能を実現するとしている。また、同時に小型化も追求している。
本 CCD カメラモジュールは、1/2.5 型・3 メガピクセル CCD を用い、ズームレンズ付は、レンズ部分が飛び出さない“インナーズーム方式”を採用し、光学 2 倍ズーム、オートフォーカス機能といった高い機能をもつ。同時に、携帯電話に組み込みが可能な 4.7cc（20mm(W)×10mm(D)×23.5mm(H) ）の容積とコンパ
ク ト な モ ジ ュ ー ル を 実 現 し て い る 。 ズ ー ム レ ン ズ な し の モ デ ル は 、 3.0cc （ 22mm(W)×13.5mm(D)×10.1mm(H)）であり、さらに小型化されている。CCD は、FIT 方式 (フレーム・インターライン・トラ
ンスファー方式)：CCD の代表的な方式｢インターライン転送方式｣をベースに、CCD 特有のスミア現象(高強度の光がカメラに入ると上下に縞状の線が入る現象)を軽減するために改良を加えた方式。放送用のビデオ
カメラなどに使われており、夜間や昼間の強い光の下でも最適な撮影が行える。
）を採用し、高性能レンズの搭載により高解像度で歪みの少ない画質を実現したとしている。以下の特徴を持つ。
1. 光学 2 倍インナーズーム、オートフォーカス機能付き 3 メガピクセル CCD カメラモジュール。
2. 3 メガピクセル FIT 方式、CCD と 3 メガ用高性能レンズの搭載により、高画質を実現。
3. 携帯電話に適したコンパクトなモジュールサイズ
VGA 程度の解像度の CCD センサモジュールは固定焦点の場合レンズ込みで 0.7cc 程度のサイズであるが、最近の携帯電話はカメラ機能を優先するためにサイズが大きくなる傾向がある。オートフォーカス機能付で3.0cc、光学 2 倍ズーム付で 4.7cc のレンズモジュールの容積は若干大きい気もするが、すでに両方とも携帯電話に搭載、商品化されている現状では特に問題になっていないようだ。携帯電話以外の機器への搭載も含め、今後の画像品質の高性能化への要求に対応できる。今後とも携帯電話用のデジタルカメラモジュールの高性能化はさらにすすむと考えられる。

図 5.5.2.9 3 メガピクセル CCD カメラモジュール(4) カメラモジュールの小型化“compound eye camera" と呼ばれている、2 次元状に配列したマイクロレンズの各レンズに対応したセン
サの配列ピッチを縮小構成、レンズの光軸をそれぞれ傾斜させた（周辺に行くに従い光軸の傾斜を大きく設定した）超薄型カメラの光学系が、Fraunhofer (Jena: Germany) のグループから提案されている。９） 従－326－
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来の報告（MOC’04：Jena・Germany）では、レンズアレイが 1 枚で構成されていたが、今回は、それぞれピッチの異なる 3 枚（3 層）のレンズアレイで光学系を構成している。第 2 レンズ上に中間像を形成するよ
うにしており、3 枚のレンズで縮小された正立実像が得られる。第 2 レンズはフィールドレンズの役割を果たしている。1 枚のレンズアレイでは倒立実像しか得られないため、分割したセンサアレイの信号を処理して合成する必要があるが、3 枚構成にすることで正立実像が得られるため、センサ面上に投影された画像の処理がしやすいと言うメリットがある。しかし、レンズ相互の位置調整の難易度が大幅に増大する、あるいはフィールドレンズの位置精度が像面の光量分布に大きな影響を及ぼすなど大幅に課題が増える。超薄型で正立実像が得られる光学系としては興味深いが、上記のような課題解決が必須になる。得られている像の解像度などは前回の方が優れていただけに、メリットもあるがデメリットが大きくなった面も否めない。図5.5.2.10 に “compound eye camera“の 3 次元光学系イメージを、図 5.5.2.11 に光学系の断面を示す。第 2
レンズ上に中間像を形成、3 枚のレンズで縮小された正立実像が得られる。
図 5.5.2.12 には従来の“compoundeye camera“で得られた画像の例を示す。単レンズで画像を形成しているためそれぞれの画像は倒立像になっている。実際はセンサ面上に投影されたそれぞれのエレメント毎の画像を合成する必要がある。また、図5.5.2.13 には新しい“compound eye camera“で得られた画像の例を示す。この場合には、正立実像が得られるため画像合成などの後処理は不要であるが、実際の画像を見る限りまだ課題が多いと思われる。非常に薄い光学系で像を得るアプローチとしての可能性を示したともいえるが、実用化にはかなりハードルが高いと思われる。今後の進展を期待したい分野ではある。

図 5.5.2.10 compound eye camera の3D 光学系イメージ

図 5.5.2.11 compound eye camera のレンズレイアウト

図 5.5.2.12 従来の compound eye camera で得られた画像（合成前）－327－
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図 5.5.2.13 compound eye camera の投影画像例

5.5.3 おわりにデジタルカメラの画素数はコンパクトカメラで 500～600 万画素、一眼レフカメラで 1000 万画素超がひとつの目安になってきた。しかし、センサのフォトエレメントサイズをどんどん小さくするいたずらな画素数増加は、S/N の低下を招くだけで必ずしもユーザの利益につながらない面があるのではないだろうか。大半のユーザがプリントしない、あるいはプリントしても L 版、ハガキサイズ、2L 版程度へのプリントにとどまっていることを考えると、画素数はもっと少なくてもいいのではないかとさえ思う。センサを含めた光学系のコスト、さらにはカメラそのものへの小型化の要求などからどうしてもセンササイズは小さい方向へと動いている。一方、センサの高密度化にともなうフォトエレメントサイズの減少により発生する手ブレの問題などには補正技術が開発されるなど、まだまだ活発に技術開発がすすめられている。
また、携帯電話機へのデジタルカメラの搭載率が大幅に上がったことにより、CCD・CMOS などのセンサをはじめ周辺技術開発も急速に進められている。特に携帯電話用カメラの CCD・CMOS のチップサイズの小型化は機器の小型化、コスト低減に大きな効果が見込めるが、単純な高密度化・小型化だけでなく、SNの向上、撮影画像の処理を含めた画像処理の高速化・高度化などの開発もさらに必要になると考えられる。
ここ数年来の画像入力技術は、高密度センサの開発にリンクしたデジタルカメラの新製品開発に牽引されてきたとも言えるが、携帯電話機へのデジタルカメラの搭載による新しい応用製品の出現など、さらに幅の広がりも見えてきた。周辺技術の開発も含めまだまだ技術開発の進展が期待される分野ではある。
（宮下 隆明）

参考文献(1) 萩森 仁, 柳生玄太: “超薄型 DSC 用折り曲げズームレンズ光学系”, Optics Japan 2002 予稿集, 2pES1,
pp.50-51(2002)(2) http://www.nikon-image.com/jpn/products/camera/digital/coolpix/s2/features.htm(3) http://ricoh.co.jp/dc/caplio/r3/point/point_02.html#01(4) http://konicaminolta.jp/products/consumer/digital_camera/dimage-x1/02.html(5) http://konicaminolta.jp/products/consumer/digital_camera/dimage-x1/02.html(6) http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/jn041209-5/jn041209-5.html(7) http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/jn041209-5/jn041209-5-1.jpg(8) http://www.sharp.co.jp/corporate/news/050829-a.html－328－
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(9) J. Duparré1, P. Dannberg1, A. Bräuer1, R. Völkel, and T. Scharf: “Microoptical artificial compoundeyes - two different concepts for compact imaging systems", 11 th Microoptics conference (MOC'05),
Tokyo, Proceedings, L-3, October 30 - November 2, 2005

－329－
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5.6 ユビキタスインタラクション
5.6.1 はじめに
ユビキタスインタラクションとは本報告書における造語である。昨年度の報告書では、ウェアラブルコン
ピュータとユビキタスコンピューティングとして独立の章を設けていた。しかし、両者はユーザに常時サービスを提供しようという目的は同じであった。図 5.6.1.1 に示すようにユーザと環境がインタラクションする際に、用いる情報デバイスの場所がユーザに着いているか環境に付いているかが異なっていた。さらに、ユーザに着いたデバイスと環境に埋め込まれたデバイスが通信を行って動作する場合も増え、明確に分類することが難しくなった。そこで、本年度の報告書では両者を同じ章の中で扱うこととした。
ユビキタスインタラクションの目的は、ネットワーク技術やセンサ技術を使って、いつでもどこでも、そのユーザに合った情報を得られるようにすることである。そのためには、キーボードやマウス以外の情報入力、操作の技術、ディスプレイやスピーカ以外の情報出力技術が重要となってくる。ここで、図 5.6.1.1 に示すように、入力技術とはユーザ側から環境側への情報入力を示しており、出力技術とは環境側からユーザ側への情報出力を示している。
本年度は、情報出力技術であるプロジェクタやディスプレイを使ったユビキタスインタラクション技術を中心に報告する。プロジェクタは高輝度となって比較的明るい場所でも使えるようになり、さらに、小型、軽量になってきたため、様々な場面で使われるようになってきている。

入力・操作
ユーザ

出力

環境

環境変化

図 5.6.1.1 ユビキタスインタラクションの概念

5.6.2 手の平表示インタフェース(1) はじめに
現在、公共的な空間で不特定多数の人々を対象とした情報提示方法には大型ディスプレイやポスターなどがある。これらは多くの人に情報を提示できる反面、情報が自分に向けて発信されていると感じる感覚が薄いために個人の興味を強く引きつけることができない場合がある。これは、駅の大型ディスプレイなどのように多くの人へ一度に情報を提示するために、個人と情報との物理的距離が遠くなることが一つの原因であると考える。そこで本研究ではこのような問題点を解決する新たな情報提示システムとして、雨をメタファとし個人の手の平に情報を表示するインタフェースを提案する。

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(2) ハードウェア構成
本システムは天井付近にプロジェクタとカメラを設置している。それらは下に向けて設置されており、床面へ映像を提示し人を上方から撮影することが可能である。それぞれの機器は画像投影用 PC と画像処理用
PC に接続されている。それら PC はネットワークで接続され、それぞれの PC 間でデータをやり取りし連係動作する。本システムの構成図を図 5.6.2.1 に示す。

図 5.6.2.1 システム構成図(3) ソフトウェア構成
認識の処理手順を図 5.6.2.2 に示す。
カメラはシステム起動後、カメラの撮影領域内に人がいない状態の 1 フレームを初期画像として取得する。
画像処理用 PC はその初期画像と、人物が撮影領域内に存在するリアルタイム映像中の 1 フレームの画像（図5.6.2.2（a））との差分を取る。求められた差分画像は画像内の人体の領域を表す（図 5.6.2.2（b））。人体の領域内にいくつかある肌色領域の中から、ある閾値以内の大きさで、人体の領域の重心点からより遠いもの最大 2 領域を手の平と見なす（図 5.6.2.2（c））。手の平を差し出した人物を真上から撮影すると、手の平は常に人物の領域の末端に位置するため、このような処理により正しく手の平を検出することができる（図5.6.2.2（d））。検出された手の平の重心点から投影位置を決定し、手の平に対して映像を投影する。手の平が移動するとその手の平を追従し、映像を投影し続ける。

（a）元画像（b）人体領域（c）手の平領域
図 5.6.2.2 手の平認識（d）認識結果(4) 動作(a) 動作誘発のための雨メタファの利用
手の平に情報を表示するには、人に手を差し出す動作を行わせる必要がある。本システムでは、人が“手－331－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を差し出す動作”を自然と行えるよう、雨を確認する時につい行う動作を誘発させる。そのために、雨の映像を床面に提示することで雨が降るような空間を創り出す。雨の映像が表示されている領域内で人が雨の雫を受け止めるような動作を行うことで、その手の平に情報を表示する。

(b) 手の平への情報提示
床面に雨の映像が表示されている領域内で手の平を差し出すと、あたかも雨粒が手の平に落ちたかのような映像と音を人に提示し、その手の平へ情報を滑らかに表示する。図 5.6.2.3 は、雨粒が落ちて波紋が広がり“SALE”と書かれた広告情報が表示される様子を順に示している。広告などの表示される情報が複数ある場合はランダムに選択する。他の情報を閲覧するには、手を下ろし、再び差し出すことで新たな情報を手の平に表示する。

（a）雨粒の落ちる様子（b）波紋の広がる様子（c）情報提示の様子
図 5.6.2.3 手の平に情報が提示される様子(c) 視線方向の検出
本システムでは、人の頭の位置と手の平の位置を検出している。人を真上から撮影した場合、その映像では頭の位置と手の平を結ぶ直線の向きが、人が手の平を見る際の視線方向とほぼ一致する。そこで、その方向へ情報を回転させて表示する（図 5.6.2.4）。それにより人がどの方向を向いても、また、複数人が存在しても、その人それぞれの見やすい向きに情報を表示することが可能となる。

図 5.6.2.4 視線方向による提示映像の変化(5) 考察手の平に情報を表示することは、幾つかの利点があると考えている。本システムでは情報を閲覧する際に手の平を差し出すというワンステップを設けている。そのため駅に貼られたポスターや街頭ディスプレイのように、ユーザの状況をふまえず沢山の情報を一度にユーザへ与えることがなくなる。その結果、雑多な印
象を和らげることが期待できる。また、自分自身の行った動作に反応し、さらに自らの体に情報が表示されることで、自分に向けられたメッセージだと認識することができ、表示された情報の受け止め方が変化すると考えられる。現在、プロジェクタとカメラを用い、人を認識しインタラクティブな環境を作る研究も広く行われている 1)。本研究では、プロジェクタの映像の投影箇所に注目し、手の平という物理的距離の近い特殊な箇所を用いることで、情報に対しての付加価値を付けたり増加させることが可能になる。

－332－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
次に本システムの利用例に関して述べる。
その一つとして、広告への利用が考えられる。本システムを用い、新商品やイベントの告知などを行うことで、雑多な印象を与えず、ユーザそれぞれに向けて情報を表示することが可能になる。また、ユーザは自分の見易い位置に手の平を移動させ情報を閲覧できるため、人目を気にせず、好きなだけ情報を見ることも可能である。
アミューズメントパークでの利用も考えられる。その例として、手の平に表示されたアニメーションなどの情報同士を、あたかも手に情報を持っているかのように手の平を合わせるようなジェスチャを用いること
で新たな情報を作り出すようなものが考えられる。このように、手の平に表示された情報とインタラクショ
ンをすることで、壁や床に提示された情報を見る場合とは違う、情報との新しい関わり方が期待できる。ジェスチャを用いてシステムの操作をさせる研究は様々に行われている 2)。本システムでは操作する対象である情報は、操作を行う手自体に表示されているため、操作により現実味を持つことが可能になる。

(6) まとめ
本章では、カメラとプロジェクタを利用し、ユーザが雨を受け止めるような動作を行うことでその手の平へ映像を表示する、手の平表示インタフェースの仕組みとその実装について述べた 3)。今後は、ロバストな認識を実現し、より実用的な場面で操作可能なシステムとして改良していく。また、手の平に表示された情報に対するユーザの印象なども調査することでシステムに反映させていく。

参考文献(1) Claudio Pinhanez :“The Everywhere Displays Projector: A Device to Create Ubiquitous GraphicalInterfaces,” International Conference on Ubiquitous Computing (Ubicomp), pp.315-331, Oct.2001.
(2) Kenji Oka, Imari Sato, Yasuto Nakanishi, Yoichi Sato, Hideki Koike :“Interaction forEntertainment Contents based on Direct Manipulation with Bare Hands,” International Workshop
on Entertainment Computing (IWEC), pp.397-404, May.2002.
(3) 石井陽子, 小林稔, 中山彰, 細田真道 :“情報との出会いを演出する手の平表示インタフェース,” 信学技報, MVE-2005-42, Sep.2005.

5.6.3 ミラー型ディスプレイ
鏡に、映像や文字情報を重ねて表示する試みが発表され、販売が始まった 1), 2)。ミラー型ディスプレイ
「Miragraphy」（ミラグラフィ）である。図 5.6.3.1 に示すように、鏡の一部がハーフミラーとなっており、画像や映像などの情報を投影することができる。本体の大きさは 1775 mm（高さ）×600 mm（幅）×430 mm（奥行き）である。床からの高さが 1160 mm の位置で、375 mm（縦）×500 mm（横）の部分がハーフミラーとなっており、鏡の裏のプロジェクタから映像や画像が投射される。また、カメラ、センサ、バーコー
ドリーダ、IC カードリーダ、ミューチップリーダ等が PC に接続され、PC はインターネットに接続される。
プロジェクタには、PC の他にもテレビチューナが接続される。

－333－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 5.6.3.1 システム構成（参考文献(1)より）ユーザからの入力は人やものの存在である。人やものの存在を、カメラ、センサで検知する。検知された情報を元に、提示する情報を決定し、内部のプロジェクタでハーフミラーに投影する。人が近づくと情報を突然表示したり、天気、ニュース、占いなどの情報をインターネットと連動して提示したりすることもできる。また、ID を知らせることにより、そのユーザに適した情報を出力することができる。さらに、鏡に写ったものと関連する情報を提示できる特徴を生かして、さまざまなアプリケーションを想定している（表5.6.3.1）。
表 5.6.3.1 サービス用途の例
ミラーディスプレイの設置場所
ブティック・アクセサリーショップなど

エアロビ・ヨガスクール・フィットネスクラブなど

ショーウィンドウなど
レストラン・バー・ホテルなど
駅・空港などのパブリックスペース
美容室・ヘアーサロンなど

サービス概要• ユーザの試着姿をカメラで撮影し、提示する。撮影画像は 8枚まで並べて表示することができ、洋服などを比較して選ぶのに便利である。
• IC タグの付いた商品をミラーに近づけると、その商品に関連する商品の情報を提供することができる。例えば、その服に似合うアクセサリーなどの情報を提供することができる。また、在庫なしの商品、入荷予定の商品、新製品の情報等を提示することができる。
• インストラクタの映像に合わせて運動ができ、鏡に映った自分の姿と比較してチェックできる。
• カメラで撮影したユーザの映像を再生提示し、ユーザ自身でチェックをすることができる。
• ビルの壁面にミラー型の広告を提示することができる。
• 自然や動物などの環境映像を放映することができる。
• 身だしなみチェックや待ち時間の解消、魅力的なインフォメーションを提示できる。
• 理髪中に、鏡に向いたまま、TV・ビデオなどを視聴すること
ができる。

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目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
このミラーディスプレイでは、鏡に写っている人やものと関連のある情報を提示するだけであり、鏡に写る像と映像とは直接関係しているわけではない。今後は拡張現実感（AR: Augmented Reality）の技術を利用して、鏡に写ったものに対して、直接試着をするなどのアプリケーションへの発展が期待される。

参考文献(1) http://www.hitachi.co.jp/Prod/elv/jp/tosi/solution/c_tosi_solu_mirror.html(2) http://www.hitachi.co.jp/Prod/elv/jp/tosi/solution/images/pdf/mirror_syousai_0510.pdf

5.6.4 腕時計型プロジェクタのシミュレーション実験
プロジェクタが小型軽量化され、身に着けて持ち歩くほどに小さくなることが期待されている。プロジェ
クタを携帯電話や PDA などの携帯型の情報機器に組み込めれば、これらの機器が抱える問題を解決することができる。それは、携帯情報機器を小さくすると、ディスプレイなどの出力装置、ボタン、ダイヤル、ジョイスティックなどの入力装置も小さく数も限られてしまうため、使いづらいものになってしまうということである。プロジェクタを使えば、本体が小さくても、ディスプレイを大きくすることができ、出力装置に関する問題を解決することができる。これは、光技術の大きな特長であるといえる。さらに、入力装置に関する問題も携帯型の情報機器の方向や位置によって操作する方法が考えられる。本研究では、腕時計型のプ
ロジェクタのシミュレータが開発され、その問題点や新たな操作方法が検討された 1)。
Columbia 大学の Blaskó らは、腕時計型プロジェクタのインタフェース技術を検討するために、腕時計型プ

ロジェクタを模擬するシミュレータを開発した。腕時計型プロジェクタを模擬する腕時計型のデバイスの位
置、方向をセンシングして、画像が投影されるべき位置を計算する。計算された投影場所に、地上に取り付けたプロジェクタから画像を投影する。これにより、ユーザは腕時計型プロジェクタを着けているかのように感じ、使用することができ、その操作方法等について模擬することが可能となった。

図 5.6.4.1 腕時計型プロジェクタの動作イメージ（参考文献(1)より）

図 5.6.4.2 シミュレータの概要（参考文献(1)より）－335－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）本システムでは、腕時計型デバイスの位置と方向をトラッキングし、それらに合わせて画像を壁面に投影する。レンズを使わない非球面ミラーを使った、短距離での投影が可能なプロジェクタを壁から約 70 cm の距離に設置し、床から約 74 cm の高さに 2 m×1.5 m の大きさのフルカラー画像を投影した。トラッキングシステムとして、プロジェクタと壁の間に位置追跡装置を配置した。この装置により、ステレオ赤外線センサを使って、腕時計型デバイスの空間的な位置をモニタすることができる。また、腕時計型デバイスには、
方向追跡装置および情報入力用のタッチパッドを搭載した。
この研究では、腕時計型プロジェクタの出力が小さく、コンテンツの一部しか表示されないことを仮定している。すなわち、限られた投影面積の中にコンテンツの一部が投影されたときに、コンテンツの他の部分を投影するためのインタラクション技術について、3 つの操作手法が検討された。
手法 1. 方向ベースのインタラクション
手首の方向を検知してパン（水平方向の移動）、チルト（垂直方向の移動）を制御する。壁に対する垂直軸からの角度が 15 度までは不変である。15 度～30 度では角度に比例して移動速度が上がる。30 度を超えると、一定速度でパン、チルトを行う。この手法では、腕時計型デバイスの着いた手首を固定しておくことが必要であるが、それが困難であったという意見が得られた。そのため、カメラと同様に手振れ補正装置が必要であることが指摘された。
手法 2. 空間位置ベースのインタラクション
壁面に大きな画像が存在し、腕時計型プロジェクタで投影している部分だけが見えるという方法である。
つまり、腕時計型デバイスの位置を変えれば、表示される部分を調整することができる。彼らはこれをスポットライト手法（Spotlight technique）と呼んでいる。この手法では、腕を固定する必要が無いため、使いやすいという意見が得られた。また、腕時計型デバイスを壁に近づけると画像は小さく詳細に表示され、壁から離れると画像は大きく表示される。これらの動作により、壁から離れて全体をざっと見て、注目する部
分に近寄って詳細に見るという、直感的に理解しやすい入力方法が実現される。実際に、この方法を実現す
るには腕時計型デバイスの位置を正確に把握する高度な AR 技術が必要となる。
手法 3. タッチパネルによるインタラクション
腕時計デバイスに設置されたタッチパネルにおいて、3×3 の 9 ヶ所の領域からの入力により操作する方法である。中央の領域を除く、8 ヵ所の領域を右向きに回転するようになぞると投影画像が拡大され、逆に左向きに回転するようになぞると投影画像が縮小される。
右側の 3 ヶ所は投影部分の垂直方向の調整ができる。
指で下から上へとなぞると映像が上方向に移動し、上から下へとなぞると下方向に移動する。下側の 3 ヶ所
は水平方向の調整ができる。指で左から右へとなぞると映像が右方向に移動し、右から左へとなぞると左方向に移動する。
この腕時計型プロジェクタを使うアプリケーションとして、表やグラフなどから構成される株情報を見るためのアプリケーションを実装して実験が行われている。

－336－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献
(1) G. Blaskó, F. Coriand, and S. Feiner: “Exploring Interaction with a Simulated Wrist-Worn
Projection Display”, Proceedings of the International Symposium on Wearable Computers 2005 (2005).
[http://www1.cs.columbia.edu/~gblasko/Publications/Blasko_ISWC05.pdf]

5.6.5 立体映像ユーザインタフェース
眼鏡をかけなくても見ることができる三次元ディスプレイは、いくつか発表されている。
「3D フローティ
ングビジョン」1) を応用し、空中に絵を描いたり、空中のウィンドウを操作することができる、立体映像ユーザインタフェースシステム「フローティングインタフェース」が開発された 2)。
「３D フローティングビジョン」とは、ディスプレイの前に 3D 用レンズアレイを設置することで、3D 用
レンズアレイを挟んでディスプレイの反対側の空中（バーチャルスクリーン）に、ディスプレイの画像が結像して見えるというものである。このバーチャルスクリーンにセンサを組み込むことで、例えば、指をセン
サで検知し、その位置（平面座標：xy 座標）を特定する。指の位置をディスプレイの画像にフィードバック
することで、指によって空中に絵を描いたり、映像を変化させたりすることができる。

図 5.6.5.1 システム構成（参考文献(2)より）
本方式の立体感の原因は、眼が結像位置に焦点を合わせようとし、実像の前後の物体と比較することで視差が生じ、空中に浮遊する映像がレンズ表面よりも手前に飛び出して見えるためである。また、心理的な奥行きの手がかり情報を使って、コンテンツ制作に工夫が施されている。例えば、大きい物は近くに見え、小さい物は遠くに見える（物の大小）ことや、手前側のものは近くに、奥のものは遠くに見える（物の重なり）ことなどを使っている。2 眼式の立体映像は、視差と輻輳を利用しているのに対し、本方式では輻輳とピント調節の関係が一致しているため、無理なく自然に画像がレンズ表面より手前に飛び出して見え、眼が疲れづらいという特徴がある。
入力と出力の場所が一致しているため、ユーザにとって自然なインタフェースを提供している。
一方、システム的な特徴は、ハード構成がシンプルである点、2 眼式のように左右の眼に入れる映像を別々に用意する必要がないのでコンテンツ制作が比較的容易であるという点が挙げられる。
応用として、博物館、科学館などのインタラクティブ映像システム、ゲームなどのエンタテイメント応用、
インタラクティブ広告宣伝システムなどが考えられている。
差し出した指に対して、力学的なフィードバックがまったくないことは、今後、課題となってくる可能性がある。文字入力装置などとして使うのであれば、音によるフィードバックなどを加える必要があると考え－337－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）られる。今後は、3 次元空間に絵を描くことや、映像が 3 次元空間に浮いていることに対し必然性のあるア
プリケーションの開発が課題となる。

参考文献(1) 石川大:”箱庭的臨場感の提案と、めがね無し小型立体表示装置の開発,” PIONIEER R&D, 12, 3 (2002).
[http://www.pioneer.co.jp/crdl/rd/pdf/12-3-6.pdf](2) http://www.pioneer.co.jp/press/release512-j.html

5.6.6 2 画面ユニバーサルデザイン携帯電話機
入力手段を自由に変化させる方法として、タッチパネルディスプレイがあるが、これも光技術の大きな特長であるといえる。これを携帯電話機に組み込んで、いろいろなボタンを表現できるようにした、2 画面ユニバーサルデザイン携帯電話機の試作機が発表された 1)。ユニバーサルデザインとは、いろいろなユーザの平均をとったデザインということではなく、いろいろなデザインを用意していろいろなユーザに合わせられればよいのである。一般に、一つのハードウェアでいろいろなユーザに合わせることは難しいが、この電話
機では、ボタンにタッチパネルを使いボタンを切り替えることで、それを実現している。
図 5.6.6.1 に示すように、この 2 画面携帯電話の形状は、一般の折りたたみ式の携帯電話機である。一般の携帯電話機のボタンの部分がタッチパネルディスプレイとなっている。ボタンの数や大きさ、配置は、操作する対象によって自由に変更することができる。
初心者向けには操作対象に必要な最小限のボタンを表示する。
例えば、電話をかける操作をするときには、電話帳に関連するボタンが表示される（図 5.6.6.1 (a)）
。また、メールの読み書きをするときには、それに関連するボタンが表示される（図 5.6.6.1 (b)）
。ボタンの数は最小 3 個となっており、初心者にとって、どのボタンを押してよいかがわかりやすくなっている。
操作の習熟の段階によって表示を変えることができるので、様々な習熟度のユーザに合わせることができる。習熟度が上がれば、それに合わせてボタンの表示を変えることも可能である。また、ボタンの他にもスクロールバーを表示し、画面を指でなぞるだけでメニューのス
クロールができるという使い方もある。

(a) 電話をかけるとき(b)メール送受信等の操作時(c)オートスキャン機能
図 5.6.6.1 ユニバーサル携帯電話機－338－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
タッチパネルは従来のボタンのように押したという感覚に欠けるので、それを補うために力学的フィード
バック機能を搭載している。タッチパネルに触れるとブルッと振動し、ボタンが押されたことをユーザに伝える。また、ステータス情報を背面のイルミネーションで表示することができる。文字入力の初心者にやさしい、「2 タッチ仮名入力」に対応している。英数字、絵文字、記号の入力をすることができる。
その他にも、携帯電話機初の「オートスキャン機能」を搭載する。これは、タッチパネル上のボタンのフォーカスを一定間隔（フォーカス時間は最大 2 秒）で切り替えるものである（図 5.6.6.1 (c)）
。押したいボタンにフォーカスがあたっているときにディスプレイの任意の部分を押せば、そのボタンを押したのと同じ操作を行うことができる。この機能を使えば、イヤホン端子に操作補助具などの機器を接続して操作することが可能である。図 5.6.6.1 (c)で、電話機右側に見える丸い大きなボタンは操作補助具で、このボタンだけで電話機の操作が可能である。このようにユーザに合わせられる入力方法や、そのためのインタフェースを用意しておくことが、ユニバーサルデザインでは重要となってくる。
タッチパネルディスプレイでは、指で触っただけでは指がどの位置にあるのかがわかりづらいため、どのボタンを押そうとしているか、どのボタンを押したかがよくわからないという課題があると考えられる。

参考文献(1) http://www.nttdocomo.co.jp/info/news_release/page/20050928a.html

5.6.7 まとめ
本報告では、プロジェクタを使ったインタラクション技術について報告を行った。ユビキタスインタラク
ション技術の中では、プロジェクタには様々な利用方法があることが明らかになった。今後、プロジェクタのさらなる小型化、軽量化が望まれる。
（5.6.1、5.6.3～5.6.7 渡辺 昌洋）（5.6.2 石井 陽子）－339－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

5.7 拡張現実感
5.7.1 拡張現実感とは
拡張現実感(Augmented Reality; AR)とは、コンピュータで生成した仮想の物体や情報を、あたかも現実の世界に存在するかのように見せる（感じさせる）ことで、現実の世界を拡張する技術である 1-2)。例えば、
図 5.7.1.1 に示すように、
ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display; HMD)を装着したユーザは、周囲の外界（実世界映像）だけでなく、重畳表示された仮想の物体や情報を同時に見ることができ、あたか
も机の上に花瓶があり、机の横にはキャビネットや椅子があるように見える。ここで重要なのは、拡張現実
感では、ユーザが自由に視点を変更することを可能にしていることである。すなわち、拡張現実感では、固定された視界に対してのみ、仮想の物体や情報を重畳させるのではなく、ユーザの位置や向いている方向に応じて仮想の物体や情報の表示位置を調整することで、どの位置や方向から見ても、その仮想の物体や情報が、現実の世界のある定まった位置に存在するように見える。これにより、現実の世界に重畳された仮想の物体や情報の存在感が向上するだけでなく、現実の世界の 3 次元的な位置を、従来の紙や単なる 2 次元のディスプレイを用いたインタフェースに比べて、より直感的に示すことが可能になる。

実世界映像
ARによる融合
ＨＭＤを装着したユーザ
コンピュータ生成仮想物体
図 5.7.1.1 拡張現実感(AR)の例
拡張現実感は、基本的に現実の世界をコンピュータで生成した情報により拡張するものであるため、視覚だけでなく聴覚や触覚を対象とすることもできるが、現時点では HMD 等を用いて視覚情報を拡張するものが多い。拡張現実感は、本質的に仮想の空間のみを対象とする人工現実感(Virtual Reality; VR)とは異なり、現実の世界を対象としているため、様々な分野への応用が期待されている。具体的には、医療、教育、機器保守、協調作業支援、運転支援、建築デザイン、博物館案内、作業計画支援、エンターテイメント、軍事等、幅広い分野での応用が考えられている 3-10)。
以下では、拡張現実感の要素技術について触れた後、その中でも拡張現実感を用いたシステムの使い易さ
や性能に大きな影響を与えるディスプレイ技術について紹介する。

－340－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

5.7.2 拡張現実感の要素技術
視覚情報を対象とした拡張現実感を実現するためには、以下の４つの要素技術が必要である。
1. ディスプレイ技術
2. トラッキング技術
3. レジストレーション技術
4. キャリブレーション技術
以下では、それぞれの要素技術について概説する。

(1) ディスプレイ技術
ディスプレイ技術は、ユーザに現実の世界とともに仮想の物体や情報を見せる技術である。このためのディスプレイデバイスは、(a)HMD、(b)ハンドヘルドディスプレイ、(c)プロジェクションディスプレイの３つに大別できる。また、(a)HMD は、(a-1)光学シースルー型、(a-2)ビデオシースルー型の２つの方式に大別できる２)。それぞれの方式には利点と欠点があり、拡張現実感を用いる環境の特性に応じて各方式のディスプ
レイデバイスを選択して利用されている。

(2) トラッキング技術
拡張現実感を実現するためには、現実の世界の意図した位置に仮想の物体や情報を重畳表示する必要がある。この場合、ユーザが移動してその視点位置や視線方向が変わったとしても、その動きに追従して重畳表示される位置を変化させ、常に現実の世界の意図した位置に仮想物体や情報を重畳表示させる必要がある。
通常は、現実世界におけるユーザの視点位置・視線方向をリアルタイムで計測し、ユーザの動きに合わせて表示位置を変更する。拡張現実感では、このユーザの位置や方向をリアルタイムで計測する手法をトラッキング手法と呼ぶ。代表的なトラッキング手法としては、GPS(Global Positioning System)方式、超音波方式、
磁気方式、ビジョンセンサ方式、自律センサ方式、機械的リンク方式等がある 11-15)。

(3) レジストレーション技術
レジストレーション技術とは、トラッキングにより得られたユーザの位置と方向をもとに、コンピュータ
で生成された仮想物体や情報を実環境中の意図した位置へ表示するための表示位置合わせ技術のことである。
ここでは、如何に正確に表示位置を合わせるかということが問題となる。位置合わせの際の誤差は、静的なものと動的なものがあり、静的なものにはトラッキング時の計測誤差や映像表示時の表示位置誤差がある。
一方、動的な誤差はトラッキング、画像合成、画像表示における時間遅れがある。

(4) キャリブレーション技術
キャリブレーション技術は、主にディスプレイデバイスとして光学シースルー型 HMD を用いた場合に必要な技術である。ユーザが光学シースルー型 HMD を装着する場合には、ユーザの顔面形状や眼球の構造などにより、それぞれ微妙に視界やオフセット位置が異なってくる。そこで、意図する位置に仮想物体や情報を正しく表示するためには、ユーザが HMD を装着したときにその個人の特性を計測し、それに基づき表示
位置や大きさを調整する必要がある。これがキャリブレーション技術である。キャリブレーションは、ユー
ザが HMD を装着するたびに実施する必要があるため、その精度だけでなく簡易な方法が望まれる。

－341－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
以上、本節では拡張現実感を実現するための基本的な要素技術について解説した。この中でもディスプレ
イ技術は、ユーザが直接触れるインタフェースに関する技術であり、その善し悪しが拡張現実感を用いたシ
ステムの使い易さや性能に大きな影響を与える。特に、あらゆる環境で問題なく使用可能なディスプレイは未だ存在せず、更なる発展が望まれている技術でもある。次節では、そのディスプレイ技術について詳しく紹介する。

5.7.3 拡張現実感のためのディスプレイ技術の現状
5.7.2 (1)項で説明したように、さまざまなディスプレイが拡張現実感で用いられる。以下、それぞれの方式の特徴と代表的なデバイス例を説明する。

(1) HMD(a) 光学シースルー型
光学シースルー型は、光学的に透過なディスプレイを用いることで、ユーザが外界を見ると同時にディスプレイに表示された仮想の物体や情報を見ることができ、光学的に現実世界と仮想物体を融合させるものである。後述するビデオシースルー型に比べて、(i)ビデオカメラを装着する必要が無く装置を簡略・小型化できる、(ii)HMD の電源が切れても現実世界を見続けることができるため比較的安全である、(iii)現実世界の映像が高解像・時間遅れが無い等の利点があるが、その一方で、(iv)意図した位置に正確に仮想の物体や情報を重畳させるには、ユーザ毎にキャリブレーションを行う必要がある、(v)使用中に HMD と頭との相対的な位置が変わると、キャリブレーションを再度行う必要がある等の問題がある。
光学シースルー型に分類される HMD としては、島津製作所の DataGlass216) 、コニカミノルタの、Microvision の NOMAD ディス
HOE(Holographic Optical Element)眼鏡型ディスプレイ 17)（図 5.7.3.1）
プレイ 18)（図 5.7.3.2）等がある。DataGlass2 はハーフミラーを用いて小型液晶に表示された映像と外界像を融合させるもので、主にウェアラブルコンピュータの分野で使用されることを想定して販売された HMDであるが、拡張現実感の分野でも多用されている。HOE 眼鏡型ディスプレイは、小型液晶に表示された映像と外界像の融合にホログラムの波長選択機能を利用したディスプレイで、高効率に２つの光を融合することができ、ほとんど外界光を損なわない高いシースルー性と、明るい映像表示を両立させることができる。
NOMAD は、網膜に直接レーザを投射することにより網膜上にコンピュータの生成映像を結像させる HMD
で、網膜投影型ディスプレイとも呼ばれ、(i)提示像が非常に明るい、(ii)視力に関わらず鮮明な映像を提示できる、(iii)画素が無いため、原理的には超高解像度化が可能である等の特徴を持っている。

図 5.7.3.1 HOE 眼鏡型ディスプレイ 17)

図 5.7.3.2 NOMAD18)－342－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) ビデオシースルー型
ビデオシースルー型は、ユーザの頭部に取り付けた小型ビデオカメラにより外界を撮影し、その映像に仮想の物体や情報を合成してその合成映像をディスプレイに表示することで電子的に現実世界と仮想物体を融合させるものである。HMD に小型ビデオカメラを内蔵した製品もあるが非常に種類が少なく、通常は、HMDに別途用意した小型ビデオカメラを装着し、拡張現実感環境を実現する。ビデオシースルー型は、一旦カメラからの映像をコンピュータに取り込んだ後に出力するため、(i)ビジョンセンサを用いたトラッキング手法との併用に適している、(ii)コンピュータで生成した映像を正確・柔軟に合成できる、(iii)現実の世界にある物体と仮想の物体の位置の前後関係を容易に表現できる（オクルージョン問題の回避が容易）、(iv)広視野が比較的容易に実現できる等の利点があるが、その一方で、(v)一般に肉眼と提示される映像の視点が異なる、(vi)現実の世界の映像の解像度に限界がある、(vii)構造が複雑になる、(viii)HMD の電源が切れた際に、外界も同時に見えなくなる等の問題がある。
ビデオシースルー型に分類される HMD としては、Sony の Glasstron19)、Canon の COASTAR20)、大阪
大学長原らによる Super Wide HMD21)他、非常に多くのものが開発・商品化されている。Glasstron は両眼
ビデオシースルー型 HMD の典型(光学シースルー型としても使用できるタイプもある)であり、これまでの拡張現実感に関する研究でも多用されている。COASTAR（図 5.7.3.3）は、自由曲面プリズムを用いて 2 台の小型ビデオカメラをユーザの眼球と光学的に共役な位置に配置することにより、カメラの光軸とユーザの視点の光軸を一致させ、自然な立体感を得ることを可能にしている。Super Wide HMD（図 5.7.3.4）は、
全方位視覚センサを用いてユーザの周囲の映像を取得することにより、水平 180 度、垂直 60 度の視野角を確保している(左右それぞれ 120 度、60 度オーバーラップ)。

図 5.7.3.3 COASTAR20)

図 5.7.3.4 Super Wide HMD21)(2) ハンドヘルドディスプレイ
ハンドヘルドディスプレイ(Hand Held Display; HHD)は、小型のディスプレイを手に持ち、そのディスプレイを通して外界を見ると、あたかも仮想の物体や情報が現実世界に存在しているかのように見えるものである。この方法も基本的にはビデオシースルー型 HMD と同じ技術であり、ハンドヘルドディスプレイに取り付けた小型ビデオカメラにより外界を撮影し、その映像に仮想の物体や情報を合成してその合成映像を表示することで電子的に現実世界と仮想物体を融合させるものである。ハンドヘルドディスプレイは、(i)機器をユーザに装着させる必要がないため、使用・不使用の切替が容易である、(ii)機器を小型・軽量にできる、(iii)ユーザの周辺視野を遮らないため比較的安全等の利点があるが、その一方で、(iv)視野角が狭い、(v)使用
中は片手もしくは両手が占有される、(vi)基本的に 2 次元映像しか提示できない（裸眼立体視ディスプレイ
を除く）等の問題がある。

－343－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
拡張現実感専用に特別に開発されたハンドヘルドディスプレイは例が少なく、HMD 用に開発されたもの
を手に持ちやすい様に改造したものや、一般の小型の液晶ディスプレイを流用して用いる場合が多い。カメラとディスプレイが一体化しているデバイス（カメラ付き PDA やカメラ付き携帯）を用いた研究 22-23)も報告されている。Invisible Train（図 5.7.3.5）は、カメラ付き PDA を用いてハンドヘルドディスプレイ方式の拡張現実感環境を開発した研究であり、四角形マーカをカメラで撮影して PDA 上で画像処理することにより、PDA の位置と方向をリアルタイムに計測している 22)。また、Weimar Bauhaus 大学の Bimber らは、稜線を３色に色分けした３次元立体マーカを高速に認識するアルゴリズムを実現することにより、消費者向
けカメラ付き携帯電話を用いた拡張現実感環境（図 5.7.3.6）を開発している 23)。一方、愛知万博の企業パビ
リオンの１つである日立グループ館ＭＲアトラクションでは、拡張現実感専用にハンドヘルドディスプレイ
を開発し、約 185 万人が拡張現実感環境を体験している（図 5.7.3.7）。このハンドヘルドディスプレイは、幼稚園児から高齢者まで、幅広い年齢層の人々が、違和感なく拡張現実感環境を体験できるようにすることを意識して設計され、ケーブルを除いた総重量が 280g と軽量でありながら、2 台のカメラを搭載し、対角約 58 度の視野角で、立体視が可能である 24)。

図 5.7.3.5 Invisible Train22) 図 5.7.3.6 携帯電話を用いた AR23) 図 5.7.3.7 愛知万博で使用された HHD24)(Courtesy of Vienna Univ. of Tech.)(3) プロジェクションディスプレイ
プロジェクションディスプレイは、現実の物理的な物体に直接仮想の物体や情報を表示するものであり、デバイスとしては、ビデオプロジェクタやレーザスキャンディスプレイが用いられる。すなわち、現実の物
体を投影面として、ビデオプロジェクタやレーザスキャンディスプレイで仮想の物体や情報を表示させることで、現実世界に仮想の物体や情報を融合させて見せるものである。プロジェクションディスプレイは、(i)プロジェクタや投射対象のスクリーンを環境に配置することにより、ユーザが特別な機器を装着しなくても拡張現実感環境が実現できる、(ii)広い範囲に映像を提示できる、(iii)同時に複数のユーザが環境を体験できる、(iv)ハーフミラー等、映像を重畳させるための特別な光学系が不要である等の利点があるが、その一方で、(v)基本的に 2 次元の映像しか投影できない、(vi)オクルージョンの問題が発生しやすい(手などで映像が遮蔽される)、(vii)平面以外の場所に鮮明に投影するためには特別な仕掛が必要である等の問題がある。これまで、プロジェクションディスプレイとしてビデオプロジェクタを用いていた研究では、ビデオプロジェク
タを天井等の環境に固定し、一定の方向から映像を照射していたため、ある決まった領域内でしか拡張現実
感環境を実現することができなかったが、近年のビデオプロジェクタの小型化により、ユーザが頭や肩にビデオプロジェクタを背負うことで、ユーザが動く範囲全てで拡張現実感環境を実現することを可能にしている研究もある 25-26)。また、Weimar Bauhaus 大学の Bimber らは、非均一素材でかつ平面でない場所にも映像を鮮明に投射することを可能にするため、予め複数のプロジェクタと投射面との距離、投射面上の色分布－344－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）を詳細に計測し、画素単位で最も焦点の合った映像を色調整しながら複数投影することにより、全体として一様に明瞭な映像を投影する手法を提案している 27)。図 5.7.3.8 に示す例では、上側が補正前の画面、下側が補正後の画面である。補正前では壁の模様が人の顔に浮かび上がっているが、補正後ではほぼ模様が見えなくなっているのが分かる。一方、レーザスキャンディスプレイを用いた例としては、産業技術総合研究所の蔵田らが、照射方向を自由に変えられるアクティブレーザと呼ぶデバイスをユーザの肩に装着することにより、ユーザが移動する全ての環境で拡張現実感を実現できるシステムを開発し、遠隔協調作業の支援に応。
用している 28)（図 5.7.3.9）

図 5.7.3.8 非均一素材・非平面への投影 27)

図 5.7.3.9 アクティブレーザ 28)

5.7.4 拡張現実感のためのディスプレイ技術の将来展望
拡張現実感という言葉が初めて使用されてから 10 年以上経過し、アミューズメントと作業支援の一部の分野では、実用に耐えうるアプリケーションが出始めているが、より広い範囲での実用化を可能にするためには、まだまだ解決すべき課題が数多くある。特にディスプレイ技術では、デバイスの高解像度化、高耐久化、軽量化、低価格化だけでなく、実用化先の特性に応じて様々な課題を解決する必要がある。例えば、作業支援は、拡張現実感の有望な応用先の一つであるが、プラント保守作業等、シビアな環境で使用するためには、ディスプレイの視野角をより広くするだけでなく、ユーザ（作業員）の安全のために、外界視野をほとんど遮らないディスプレイを実現する必要がある。また、広い範囲を移動するユーザを常に支援するためには、デバイスが可搬であることが望ましく、そのためにはデバイスの低消費電力化やバッテリ寿命の向上が必要である。また、拡張現実感を日常生活における各種ナビゲーション等に使用するためには、日中の視認性の向上だけでなく、眼鏡や腕時計の様に装着感が気にならない程度までデバイスと身体との親和性を向上させる必要があり、また、ファッション性の向上も今後要求される。
（下田 宏、石井 裕剛）

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Vol. 6, No. 4, pp. 355-385, 1997.
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(3) H. Fuchs et al., “Augmented Reality Visualization for Laparoscopic Surgery”, Proc. of 1st Int. Conf.

－345－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
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Proc. of 1st IEEE Int. Augmented Reality Toolkit Workshop, 2002.
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Factory”, Proc. of 1st Int. Workshop on Augmented Reality, pp. 47-60, 1998.
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Computer Supported Cooperative Work", Virtual Reality, Vol. 3, No. 1, pp. 25-36, 1998.
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Reality Visualization for Directing a Car Driver’s Attention”, Proc. of Int. Symp. on Mixed andAugmented Reality, pp. 56-59, 2005.
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Killer Apps”, Proc. of Int. Symp. on Mixed and Augmented Reality, pp. 2-6, 2003.
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(10) E. Charles, B. Christopher, E. Darin, M. Eileen, “Mixed Reality in Education, Entertainment, andTraining”, IEEE Computer Graphics and Applications, Vol. 25, No. 6, pp. 24-30, 2005.
(11) S.Feiner et al., “A Touring Machine : Prototyping 3D Mobile Augmented Reality Systems for
Exploring the Urban Environment”, Proc. of 1st Int. Symp. of Wearable Computers, pp. 74-81,
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(12) G.Welch et al., “High-Perfo mance Wide-Area Optical Tacking —The HiBall Tacking System”,
Presence:Teleoperators and Virtual Environments, Vol. 10, No. 1, pp. 1-21, 2001.
(13) E.Foxlin, “Inertial Head-Tracker Sensor Fusion by a Complementary Separate-Bias Kalman Filter”,
Proc of VRAIS '96, pp.185-194, 1996.
(14) A.I.Cpomport, et al., “A Real-Time Tracker for Markerless Augmented Reality”, Proc. of Int. Symp.
on Mixed and Augmented Reality, pp. 36-45, 2003.
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Reality”, Proc. of EURO-GRAPHICS’02,Vol.21, No.3, pp. 289-298, 2002.
(16) http://www.shimadzu.co.jp/products/aero/hmd/index.html (2005 年 12 月 15 日)(17) http://konicaminolta.jp/about/research/core_technology/mgt_001.html (2005 年 12 月 15 日)(18) http://www.microvision.com/nomad/index.html (2005 年 12 月 15 日)(19) http://www.sony.jp/CorporateCruise/Press/199910/99-1005/ (2005 年 12 月 15 日)(20) A. Takagi, S. Yamazaki, Y. Saito, N. Taniguchi, “Development of a Stereo Video See-through HMD
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(22) D. Wagner, T. Pintaric, F. Ledermann, D. Schmalstieg, “Towards Massively Multi-user Augmented
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(23) M. Moehring, C. Lessing, O. Bimber, “Video See-Through AR on Consumer Cell Phones”, Proc. of－346－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
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(24) http://www.expo2005.or.jp/jp/E0/E6/pav_072333.html(2005 年 12 月 15 日)(25) H.Hua et al.,“An Ultra-light and Compact Design and Implementation of Head-Mounted Projective
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(26) T.Karitsuka, K.Sato, “A Wearable Mixed Reality with an On-board Projector”, Proc. of Symp. on
Virtual Reality Software and Technology, pp. 321-322, 2003.
(27) O.Bimber, G. Wetzstein, A. Emmerling, C. Nitschke, “Enabling View-Dependent Stereoscopic
Projection in Real Environments”, Proc. of Symp. on Virtual Reality Software and Technology,
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Using Wearable Active Camera with Laser Pointer", Proc. of 7th IEEE Int. Symp. on Wearable
Computers, pp.53-56, 2003.

－347－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

5.8 在宅安全・安心サービス
5.8.1 体感治安の悪化とセキュリティに対する不安の広がり
平成 16 年 7 月に実施された内閣府の「治安に関する世論調査」1)では、ここ 10 年間で日本の治安が悪くなったと答えた人が約 9 割に達し、8 割以上の人が自分や身近な人が犯罪に遭うとの不安が増していることから、日本では体感治安が悪化していることが示された。また、日本は安全・安心な国であると「思わない人」と「あまり思わない人」の合計が半数を超えている。
54.4

外国人の不法滞在者が増えたから

47

青少年の教育が不十分だから

43.8

地域社会の連帯意識が希薄となったから

40.6

様々な情報が氾濫し、それが容易に手にはいるようになったから

38.6

景気が悪くなったから

31.9

国民の規範意識が低下したから

29.8

犯罪に対する刑罰が軽いから

治安が

0

答率

10

20

典

30

府「治安

40

す

論

50

査

60

図 5.8.1.1 治安が悪化したと思う理由（回答率 30％以上）出典：内閣府「治安に関する世論」調査(1) 児童や女性、高齢者の日常生活のリスクの増加
特に、児童や女性、高齢者の犯罪が社会不安を増大している。児童や幼児の誘拐が連続している一方で、児童が加害者となる暴行・傷害が続発しており、悲惨な結果を招いた事件が増えている。女性へのつきまと
いや無言電話などの嫌がらせに対する、警察のストーカー事件の年間取り扱い件数は 1 万件を超えており、
携帯電話やインターネットなどの出会い系サイトを利用した犯罪は約 1,600 件報告されている。
家庭では、児童保護の放棄や身体的虐待が増加しており、2004 年度の児童相談所への虐待相談は 33,000
件で、前年度から約 6,000 件増加している 2)。特に世界的にみて高水準にある日本の自殺者は、2004 年は34,000 人で、そのうち 60 歳以上の高齢者が 34％を占めており、自殺理由の 40％は健康問題である。
また、65 歳以上の高齢者の犯罪による被害の状況について、警察庁が把握している刑法犯被害認知件数でみると、2003 年は 224,000 件で全被害認知件数の 9.3％を高齢者の犯罪と災害が占めている。在宅の高齢者や女性を狙った、いわゆる「オレオレ詐欺」事件の 2004 年中の認知件数は 14,459 件、被害総額は 284 億円
を超えており、そのうち 65 歳以上の被害者が 26.5％となっている。
高齢者の訪販リフォームに係る消費者トラブル被害が増加している。1995 年度以降、国民生活センターに
訪販リフォームに関する相談件数が 64,000 件以上寄せられている。訪販リフォーム相談の平均年齢は 60.2
歳だが、認知症など判断能力が不十分と思われる被害者との契約では 72.7 歳、１人の消費者に業者が商品を次々に販売する次々販売では 69.0 歳であり、高齢の被害者の数が際立って増加している。

(2) 生活の場の安全を支える情報セキュリティ技術
増加する犯罪に備えて防犯意識が高まっており、防犯カメラと防犯照明など防犯設備市場が伸びている。
日本防犯協会の発表では、防犯設備関連市場は、2000 年に１兆円を超えており、2004 年度は 1 兆 3,000 億円に迫っている。警備業者の 売上総額は 2004 年に 3 兆 4,447 億円で前年から 6.9％増加している。
日常生活のインフラとして、パソコンや情報家電、ネットワークと携帯電話が普及しており、IC カード、

－348－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
RFID、バイオメトリクスなどの情報セキュリティ技術を導入して、より安全レベルの高い防犯対策を提供する動きが活発になっている。キーや ID、パスワードの代わりに、顔や指紋、手の静脈などで本人を識別し安全を確認する遠隔監視装置や出入管理装置、家庭向けの防犯器などの生活情報システムへのバイオメトリ
クスの導入に対する関心が高まっている。

5.8.2 人口減少と世帯の高齢化・小規模化と健康や病気の不安
2005 年から日本の人口の自然減少が始まった 2)。その中で、世帯主が 65 歳以上の高齢世帯が全世帯の37.1％を占めている 3)。75 歳以上が世帯主になる「後期高齢世帯」は、2025 年には 2000 年の 2.6 倍にあた
る 1,039 万世帯になり、全世帯の２割を超える。特に、独り暮らしの高齢者の世帯は今後も増大が予想されている。2005 年の 65 歳以上の単身世帯は 3,861,000 世帯で全世帯に占める割合は 7.9％に達している。2010年には 4,709,000 世帯、2025 年には 6,801,000 世帯になり、全世帯に占める割合は 13.7％になる。
また、核家族化の進行で、平均世帯人員は、2000 年の 2.67 人から、すべての都道府県で減少し、特に、東京では 2025 年には 1.98 人となる。家族の形で最も多い「夫婦と子」の世帯は 2000 年では全国平均で 32％であったが、2025 年には世帯主１人の単独世帯が 35％で１位になる。

(1) 一人暮らしの高齢の心配の増加と親の安否確認サービス
内閣府が 2004 年に実施した「高齢者の日常生活に関する意識調査」4)では、将来の自分の日常生活への不安をみると、「多少不安を感じる」が 53.8％と過半数を占め、「とても不安を感じる」14.1％と合わせた「不安を感じる（計）」は約 3 人に 2 人で、1999 年の調査から 4.3 ポイント高くなっている。
また、2002 年の「一人暮らし高齢者に関する意識調査」5)によると、将来の日常生活に「不安を感じる」
人は 59.5％に上った。
「不安」の内容では「健康や病気のこと」が 82.5％と圧倒的に多く、「寝たきりや身体が不自由になり介護が必要な状態になること」（50.3％）や、「生活のための収入のこと」（21.0% ）と続いている。
老親と離れて居住する家族の不安も高まっていることから、単身高齢者の日常生活の変化を子供など家族の携帯に伝えるサービスが登場している。親が急病や事故にあった場合の連絡を家族に自動的に知らせることで、親子の不安を解消することを目的としている。

健康や病気のこと
寝たきりや身体が不自由になり介護が必要な状態になること生活のための収入のこと頼れる人がいなくなること
だまされたり犯罪に巻き込まれること
社会の仕組みが大きく変わってしまうこと
こどもや孫などの将来財産の管理や相続のこと
ひととのつきあいのこと

82.5

65.1
45.1 50.3
21 24.1
13.5
3.56.6
5.5
6.9
4 6.7
3 5.8
2
1.2
0

10

平成14年
平成11年

20

30

40

50

60

70

80

90

図 5.8.2.1 日常生活の心配ごと 出典：内閣府一人暮らしの高齢者に関する意識調査－349－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(2) 浴室で急死する高齢者は交通事故死より多い
東京都老人総合研究所は、平成 11 年 10 月から平成 12 年 3 月まで、東京消防庁救急隊と協力して入浴中の事故についての大規模な実態調査を実施し、全国での入浴中の急死例の推計を行っている。その結果、一年間の入浴中急死は東京 23 区内では 866 件、全国で約 14,000 人と推定され、高齢者では交通事故死より多い約 11,000 人が死亡している。こうした入浴中急死につながる要因は下表のように示される 6)。
入浴中急死のメカニズム

ロジスティック回帰分析
要因

リスクの増加年齢

10 歳増えると1.34 倍女性-

1.39 倍

平均気温

10℃下がると

1.42 倍4 時～8 時1.85 倍16 時～20 時

0.57 倍

通報時間帯

図 5.8.2.2 入浴中急死につながる要因と急死のメカニズム 出典：東京と老人総合研究所(3) 認知症、徘徊で死亡・不明 905 人 相談は 2 万件超す認知症（痴呆症）などによる徘徊の警察への相談や捜索願の総数は、2004 年１年間で年間 23,668 件あった。そのうち無事に発見された者は 17,842 人、自分で帰宅したのは 4,921 で、人事故などで死亡が確認された者が 548 人、行方不明者が 357 人で、合計 905 人の高齢者が死亡したり行方不明になっている。
警察は市町村や消防、福祉施設と連携し、通報で関係機関が協力して捜索する「はいかい老人ＳＯＳネットワーク」づくりを強化し全国の約 7 割に当たる警察署管内でネットを築いた。しかし、地域により取り組
み方に温度差があるうえ、捜索態勢を強化するだけでは事故を完全に防ぐことはできていない。

(4) 高齢者の交通事故・災害の防止対策の遅れ
警察庁の交通事故統計では、2004 年の高齢者の交通事故死者数は 3,046 人であり、交通事故死者全体の41.4％を占めている。従来多かった、交通事故死者数は 16～24 歳の若者で低下しているが、高齢者の交通事故死者全体に占める割合は増加している。2000 年に法律が制定され、駅・空港のエレベータの設置や高齢者に配慮した施設の整備、ノンステップバスの導入が進んだが、高齢者の交通事故はあまり減少していない。
高齢者が過半を占める住宅火災による死者を低減するため、2004 年には住宅用火災警報器等の設置を義務付けた「消防法及び石油コンビナート等災害防止法の一部を改正する法律」が公布されている。
また、地震や台風、集中豪雨、大規模火災などで、高齢者が安全に避難できる仕組みを築き上げるため、
2005 年 3 月に地域の高齢者等の避難支援の指針として「災害時要援護者の避難支援ガイドライン」がまとめられた。大規模な災害では、隔地の状況をカメラでモニタリングすることや、携帯テレビ電話などによる情報提供システムを利用した、早期段階の避難情報の伝達と避難支援が必要になる。

－350－
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5.8.3 インテリジエントカメラやロボットの安全・安心対策の開発事例(1) 次世代ロボットは 2025 年には 6 兆円産業に成長
少子高齢化社会では、不足する人手や増大する社会保障のコストを軽減し、快適な社会･家庭生活を実現するために、福祉･介護にロボットによる支援が注目されている。自然災害で家屋の倒壊や洪水で多くの死傷者を出す事態や、家庭や公共施設などの日常生活空間の犯罪が多発していることから、危険や犯罪を抑止できるロボットの研究開発や商品化が進んでいる。また、二足歩行の人間型ロボットとして開発が進んでいるア
シモ（ASIMO ホンダ）やキュリオ (QRIO ソニー)では、同じ生活空間で人間と共生するために、視覚機能を高めて周囲の環境を認識したり、物を運ぶ機能を高度化するための開発が始まっている。
産官学連携のロボット政策研究会は、中間報告書「ロボットで拓くビジネスフロンティア」で、日本は市場ニーズに対応して５年以内には実用化レベルに到達し、10 年以降には次世代ロボットが開発されるとしている。次世代ロボットビジョン懇談会と日本ロボット工業会は、産業用を除いた次世代ロボット市場は、現在のゼロから 2025 年に 4 兆 7,860 億円に達すると試算している。内訳は、生活分野 3 兆 3,060 億円、医療・福祉分野 9, 310 億円、公共分野 5, 490 億円で、産業用を合わせた総計は 6 兆 1, 860 億円になるとしている。

（左図）と三菱重工「wakamaru」（右図）
図 5.8.3.1 富士通「enon」(a) サービスロボット市場創出支援事業 経済産業省
経済産業省は「サービスロボット市場創出支援事業」で、ロボットの開発と、清掃、搬送、警備・案内、
メンテナンス、
災害救助、
家屋床下点検ロボットなどの実証実験と導入のためコンソーシアムを立ち上げる。
10 年後のロボットの具体的な開発項目として、サービス＝お手伝いロボット、次世代＝人間協働型組立ロボ
ット、
特殊環境用＝危険区域での迅速作業支援ロボットを設定している。
「人間支援型ロボット実用化プロジ
ェクト」では、リハビリ、自立動作、介護動作を支援する福祉・介護ロボットを開発する。
「次世代ロボット
共通基盤開発プロジェクト」では、基本ユニットを３パーツ（眼、耳、駆動系)に分けて、要素部品とシステ
ムを繋ぐインタフェースの共通化のための共通基盤技術を開発する。

(b) お店の案内、作業支援ロボット 富士通 enon エノン 7)
富士通フロンテックと富士通研究所は、オフィスや商業施設等で案内・搬送・巡回などの作業支援ができ－351－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）るサービスロボット「enon」を 600 万円で販売している。
「enon」は、an exciting nova on network で、ネットワークと連携して作業を支援する自律的なロボットを意味する。客を感知して、受付の案内業務や展示物の案内説明をする。
胸部のタッチパネル付き液晶モニタの映像では、分かりやすい情報提供ができる他に、
アンケート調査など、サーバと連携して客の情報を収集することが可能である。地図情報を事前に入力しておくことや、広い視野をもつ頭部カメラを使い周囲の人や物を認識することができる。

(c) 共に暮らす家庭用ロボット 三菱重工「wakamaru」8)
三菱重工業は、東京 23 区内在住者を対象に、家庭用ロボット「wakamaru」を 100 台限定で販売している。価格は 1,575,000 円で、サポート費用として毎月 10,500 円が必要になる。
「一日の生活リズムを持ち、人に近寄って話しかけ、家族と一緒に生活する、家庭で役に立つロボット」をコンセプトにしている。
自律で移動し、無線 LAN でインターネットに接続する。朝、「起床」し、夜は「就寝」する。時間に合わ
せて家族を起こしたり、留守番をしたり、メールや伝言を仲介するほか、天気予報やちょっとした知識を披露する。全方位カメラで人を見つけると、アップで撮影して顔認識を行なう。ロボットのオーナーのほかに
10 名までの顔を認識できる。顔画像認識技術はオムロン、センサー技術は松下電工が技術協力している。ロ
ボットの頭頂部の全方位天井カメラと IR-LED で、部屋内にあらかじめ貼り付けた赤外線の反射板マーカーを検知し、赤外線の三角測量により自分の位置を把握することができる。

(2) カメラで密閉スペースの安全を確保(a) わき見運転を検知して警告する車載システム トヨタ
トヨタ自動車は、運転者の顔の向きを解析し、わき見運転や居眠り運転を検知して衝突を防止するシステ
ムを開発し、2006 年春から新型車に搭載する。ハンドルの奥に設置したカメラで運転者の顔を撮影し、顔の向きを検知すると同時に、進路上の障害物をミリ波レーダーとカメラで検知する。運転者が正面を向いておらず、障害物との衝突の可能性が高いと判断した場合に警報を発する。ミリ波レーダーと進路カメラで検知する従来のシステムより、早いタイミングで警告を発することができる。

(b) 車泥棒を撮影して電送するリモートセキュリティ デンソー
デンソーはトヨタ自動車と共同で、自動車に侵入した人物を撮影し、持ち主のパソコンや携帯電話に画像を送るシステムで使用する、リモートセキュリティ ECU とセキュリティカメラ、データ通信モジュールを開発し高級車種に搭載している。ドアがこじ開けられと、車内の天井に据え付けたカメラが車内を撮影し、画像をトヨタの車載情報通信サービス「G-BOOK」の情報センターに自動送信する。持ち主の携帯電話やパソコンにメールで通知が届き、指定された URL にアクセスして画像を閲覧できる。

(c) 防犯カメラでエレベータ内の暴れを検知 三菱電機ビルテクノサービス
三菱電機ビルテクノサービスは、エレベータ用防犯カメラで撮影した画像を平常時の画像と比べることで、暴れる、殴るなど不審な動きをリアルタイムで検知する技術を開発した。エレベーター内の画像を 4,800 コ
マに分割し、利用者が激しい動きを繰り返すと、分割した各コマが急激に上下左右に動いたり、大きく小さく不規則に動いたりするオプティカルフローの向きや大きさのばらつきなどの光学的な画像の変化を分析し、変化したコマの個数やばらつきの値を評価する。人の異常な動きを解析することで、利用者同士のいさかい－352－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）や暴漢などのトラブルをリアルタイムで検知することができる。
（大島 正明）

参考文献(1) 内閣府：治安に関する世論調査 2004 年 7 月(2) 厚生労働省：平成 16 年度社会福祉行政業務報告 2005 年 11 月
(3) 国立社会保障・人口問題研究所：日本の世帯数の将来推計（都道府県別推計）2005 年 8 月(4) 内閣府：高齢者の日常生活に関する意識調査(5) 内閣府：一人暮らし高齢者に関する意識調査 2002 年 12 月
(6) 東京都老人総合研究所：高齢者の入浴事故はどうして起こるのか？、http://www.tmig.or.jp/J_TMIG/j_topics/topics_184_3.html（2005 年 11 月 27 日）(7) 富 士 通 フ ロ ン テ ッ ク ： 人 型 ロ ボ ッ ト 「 エ ノ ン 」、 http://www.frontech.fujitsu.com/services/
servicerobot/（2005 年 11 月 27 日）(8) 三菱重工業株式会社、家庭用ロボット「ワカマル」のホームページ、http://www.wakamaru.net/（2005年 11 月 27 日）－353－
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5.9 おわりに本章ではヒューマンインタフェースの最新技術動向を、要素技術的な入力デバイスから入力応用機器、バイオ
メトリクス応用、ユビキタスインタラクション、拡張現実感、在宅安心・安全サービス、さらに防災関連システ
ム(災害と減災)への展開について紹介した。
最新のヒューマンインタフェース分野について、光技術をベースに、さらに若干守備範囲を広げた技術がかかわっている分野の動向を見ていただけたのではないかと思う。「ヒューマンインタフェース」と言うとカバーする範囲が広いため、どこに焦点を絞るかということが常に課題になる。分科会の名称も含め議論を重ねているが、なかなかこれといった妙案が見つからずに、ここ数年来「ヒューマンインタフェース」という名称を分科会名として使用している。以前は「入出力技術」と言う名称もつかったことがあるが、どうしてもハードウエア中心のイメージが強く、最新の技術動向をカバーできない印象が強いため、敢えて「ヒューマンインタフェース」に変更した経緯もある。
したがって、本分科会ではデバイス技術からその応用技術まで幅広い分野をカバーするようにしている。他の分科会で取り上げている技術、さらに入出力技術をベースに幅広い調査をおこなっている。光関連の技術が、どのように応用されてゆくのかもご理解いただけたのではないかと思う。また、応用技術の中には必ずしも光技術
だけではなく、周辺の技術との組み合わせによって完成されてゆくものも多い。光技術だけに特化した視点で見ると若干の違和感を持たれたケースもあるかと思う。しかし、本分科会では敢えて光技術だけにこだわることな
く、ややその守備範囲を広げながら光技術がどのように応用されて行くのかを見ている。
本年度の調査結果をふりかえると、 (2 項)イメージセンサデバイスでは、CCD センサに匹敵する性能を持ってきた CMOS センサの高性能化、高機能化について解説した。CMOS センサの性能向上にともない日本の得意技術である CCD の産業面での影響が気になる。昨年度から調査を始めた災害と光技術という観点では、(3 項)
防災関連システムで、「情報」によって被害を最小限に防ぐ「減災」という新しい考え方について説明、さらに、減災の主役である「情報」伝達に大きな役割を持つネットワークの課題について考察した。(4 項)光バイオメト
リクス（個人認証への光応用）では、「ブロードバンドネットワークの普及とセキュリティの不安」をモチベーションにした様々な個人認証のためのバイオメトリクス技術の技術、製品、市場までを含め解説した。(5 項)画像入力バイス・機器では、デジタルカメラの小型化を積極的にすすめる光学系の進化、携帯電話用に開発されているデジタルカメラモジュールの活発な動きなどを整理した。(6 項)ユビキタスインタラクション（本調査グループの造語）では、手の平表示インタフェース、ミラー型ディスプレイ、腕時計型プロジェクタのシミュレーシ
ョン実験、立体映像ユーザインタフェース、2 画面ユニバーサルデザイン携帯電話機など、人と電子の世界を結ぶ様々な技術トピックを選び解説した。 (7 項)拡張現実感(AR)では、特に重要な構成技術のひとつであるディス
プレイ技術について現状を整理した。(8 項)在宅安心・安全サービス関連技術の動向では、「体感治安の悪化とセキュリティに関する不安の広がり」、「人口減少と世帯の高齢化・小規模化と健康や病気の不安」といった社会背景に対応する「インテリジェントカメラやロボットの安全・安心対策の開発事例」などについて報告した。
今後とも、本分野は入出力技術をベースに、デバイス技術、応用面の動向も強く意識した調査を継続して行きたいと考えている。また、あくまでも光技術がベースであるが、周辺技術との相互活用なしには本当に必要な技術が培われない状況になってきている、ということもさらに強く意識した調査をおこなって行きたい。
（宮下 隆明）－354－
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6. 加工・計測－355－
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6. 加工・計測
6.1 はじめに今年度の加工・計測の調査では、光源技術として「黄色レーザ」と「大出力グリーンレーザ」を、加工技術としてフェムト秒パルスを用いた「たんぱく質結晶化技術」、「カーボンナノチューブ電極表面加工」を,計測技術としては「光を測る計測技術」、「光ファイバセンサ」、「レーザ冷却」を取り上げた。また、2005(H17)年 11 月に中国に派遣された光技術動向調査団からの加工計測に関する報告もあわせて紹介する。
従来、黄色で発振するレーザとしては色素レーザが代表格であったが、波長変換を利用した黄色固体レーザ開発が進んでおり、レーザガイドスター、生体の加工や計測分野での応用研究に積極的に用いられている。また、
大出力グリーンレーザの開発が進んでいる。ここでは、レーザアニールによる多結晶シリコンの結晶化という応用に的をしぼって、開発動向、光学系、応用例をまとめてみた。これらは、ニーズオリエンテッドでレーザ開発が進められていくという今後の動向を示す代表例であろう。
加工技術として今回はフェムト秒加工の新たな応用を 2 件取り上げた。一つ目は、「たんぱく質結晶化技術」
であり、今年度の櫻井健二郎氏記念賞を受賞した。これまで困難を極めたたんぱく質の結晶化がフェムト秒パル
ス照射により短時間で効率的に実現するのである。すでに大学発ベンチャーが立ち上がり活動していることからも画期的かつ実用的な技術であると言える。たんぱく質の構造解析が容易となり創薬への貢献が期待されている。
個人的には、この技術で難病を克服する薬の開発が進めばノーベル賞に値する業績であると注目している。
カーボンナノチューブ電極表面加工はフェムト秒パルスを用いた新たな加工技術の方向性を示している。穴開け・切断のようなアブレーションを用いた除去加工ではなく、カーボンナノチューブの起毛をフェムト秒レーザ
でやろうという加工である。当然、照射フルーエンスは低くなり大面積加工が容易となる。材料に効率よく機能を付加するというフェムト秒加工の使い道が実用化の突破口ではなかろうか。また、カーボンナノチューブの高純度化が示唆されるデータが得られており、選択的アブレーション加工といった可能性も興味深いところである。
計測関連では、「光を測る計測技術」、「光ファイバセンサ」、「レーザ冷却」についての最新情報をハンドブッ
ク的に上手くまとめることができた。光の時代を迎えて、レーザ光だけではなくディスプレイや LED などの発光デバイスからの“光を測る”ニーズが増えており、標準関連の動向も含めて計測技術を紹介することとした。
次いで、コンパクトかつ高精度な計測手法である光ファイバセンサの最近の進展と実用化動向を取り上げた。ファイバグレーティングやブリルアン散乱を利用した荷重計測、歪み計測、振動計測、曲げ計測について紹介している。実用化動向として分布型・多点型センシング技術について検出原理・概要・実用例をまとめている。
レーザ冷却された原子波光源は“将来的に”加工・計測への応用の可能性が期待されてきた。今回、研究の現状をおさらいする目的でトピックスとして取り上げてみた。レーザ冷却の平易な解説とともに、原子波干渉計測、
原子リソグラフィ、原子ホログラフィ、原子波レーザといった応用を意識した記述となっており興味深い。種々の原子のレーザ冷却波長をまとめた表には 31 もの原子種が挙げられており、研究の広がりを垣間見ることができる。
最後に、2005(H17)年 11 月に中国に派遣された光技術動向調査における加工・計測に関する報告を掲載することとした。中国の“光谷（Optics Valley）”と称する武漢市で開催された展示会、国際光電子博覧会（OVC EXPO）の様子と上海市の光学機械研究所における企業化の様子が紹介されている。
（藤田 雅之）－355－
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6.2 加工・計測用光源
6.2.1 黄色レーザ光源
近年固体レーザの技術動向の一つに、製品レベル、研究レベルにおいて、黄色の領域の研究が着目されている。従来、この波長領域は、色素レーザによって得られていた波長領域であるが、医療、計測、先端的な基礎研究の分野では色素レーザでは利用が難しい用途があり、固体レーザの開発が待たれていた。
本稿では、
この黄色領域のレーザの開発状況とその応用分野について紹介する。
昨年度、理化学研究所と国立天文台、（株）メガオプトが共同研究で、ハワイのすばる望遠鏡に搭載されるレーザガイドスター用 589nm のレーザの開発に成功し注目を集めた。すばる望遠鏡は、主鏡の直径が 8.2m
ある日本最大の天体観測用望遠鏡である。地上から天体を観測するために、大気の揺らぎが観測精度を制限している。この揺らぎを補正するためには、非常に強い恒星を利用した補償光学システムが必要である。この自然の恒星が得られる領域は、全天空の 2%とといわれており大きな制限がある。レーザガイドスターは、
上空 100km 上空に存在する Na の原子層に Na の D 線に波長を同調した強い黄色のレーザ光を照射し、Na層の発光により人口の星を作ることによって補償光学が利用できる天空の領域を拡大しようとするものである。レーザは、Nd:YAG レーザの 1,064nm、1,319nm の 2 台のモード同期レーザを同期させその和周波を取ることにより、589nm の光が得られる 1)。正確な波長は、589.159nm にチューニングされ、スペクトル幅は 2GHｚ以下に狭帯域化され常用 4.5W の出力が達成されている。一晩での安定度が 1.3％以下、ビーム
品質は M２の値で 1.1 と報告された。装置の概略図を図 6.2.1.1 に示す。

1,319nm Nd:YAGレーザ
出力鏡

Nd:YAG励起モジュール

パルス動作用
モードロッカー
波長同調用エタロン

和周波発生
出力鏡

1,０６４nm Nd:YAGレーザ

非線形光学結晶589nm

図 6.2.1.1 レーザガイドスター用全固体黄色レーザ
レーザガイドスターのプログラムは、世界各国の望遠鏡でもその開発がなされている。米国空軍のスターファイアーでは、CW の Nd:YAG レーザのミキシングにより 50W の出力が達成されている 2)。しかしながら、10%以上の出力の不安定性が問題とされている。すばる望遠鏡同様にハワイに設置されている Gemini－356－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）では、日本同様に 2 台のモード同期レーザの和周波数を用いている。出力が常用 8W 程度得られているが、出力の安定度、ビーム品質において日本のシステムの方が優れた結果を得ている。今後、安定した 10W シ
ステムの開発が目標となっている。
黄色のレーザを得るためには、
非線形波長変換のプロセスが必要であり、利用される非線形光学結晶が重要な要素技術となっている。現在、擬似位相整合を利用した LT が LN、KTPに比べ光損傷に強いため利用されている 3)。しかしながら、LT は擬似位相整合の製造技術など波長変換素子としての評価がまだ確立しておらず、今後の研究が必要である。ローレンスリバモア研究所では、CW ファ
イバーレーザの和周波による黄色の発生が研究されている。
計測の分野では、すでに市販の黄色の固体レーザが得られている。Nd:YAG の 1,122nm の発振線の第二高調波によって、561nm の緑に近い黄色レーザが得られている。また、LD から得られる基本波の直接の第二高調波によってもまた、この波長領域の光が得られているがいずれも出力は CW10mW のクラスである。
1,122nm の発振線は 3 つのラインがあり、短波長のラインを選択すると 558nm が得られる。技術的には、発振波長の選択を単にミラーの反射率で行なうとモードの競合が起こり安定した発振が得られないため、エタンロンによるモードの選択が必要となる。一方、LD の発振線の制御は FBG や DFB など半導体レーザの制御技術が発達してきており、低出力域での安定性は圧倒的である。
（低出力域では、波長変換に導波路タイプの擬似位相整合 LT が利用されている。
）これらのレーザの主要な応用には、生物の蛍光観測用の蛍光タン
パク、蛍光色素の急激な発達が背景にある。これらのラベリング用の物質は、直接励起では見ることができない生体内の物質のイメージングに用いられており、今日のバイオテクノロジーの進歩に応じて必要とされる蛍光物質が増加し、同様に必要なレーザの波長も増えている。これらの波長に対応できるコンパクトな光源が必要とされている 4)。
医療応用では、眼科におけるコアギュレーターと呼ばれる血液の凝固作用を利用した網膜剥離の治療用の装置に黄色のレーザが注目されている。従来は、アルゴンイオンレーザがコアギュレーターに用いられた。
近年では、Nd:YAG の第 2 高調波が通常は用いられている。しかしながら、目の水晶体の混濁や網膜の色素の異常がある場合は、波長を黄色、赤に変える必要がある。この場合、従来はクリプトンイオンレーザを用いたが、近年では、Nd:YAG レーザの 1,122nm、1,319nm の第 2 高調波が利用され始めている。必要な出力は、W クラスである。ファイバーレーザを擬似位相整合条件の LN で第二高調波に変換する方式も見られている 5)。このほか、医療用途では、皮膚のしわをとるために、黄色のレーザが有効であるといわれている。
このような用途では、繰り返しの低いパルスレーザが利用される。このような、応用のためには、共振器内に固体ラマン結晶を用いたイントラキャビティーラマンレーザの報告例がある 6)。固体ラマン結晶のラマン
シフト量は媒質によってわずかに異なるものの、おおよそ 1,000cm-1 程度であり、Nd:YAG レーザの基本波を一度ラマンシフトさせ、第二高調波により黄色の発生を実現する。
ラマンシフトを利用した波長変換では、ファイバー中のラマンシフトを用いた研究も見られる 7,8)。誘導ラマン散乱を用いた波長変換では、固体中に非弾性散乱によって発生した熱の発生が高繰り返しでの動作の問題となるため、低繰り返しで用いられることが多い。Nd イオンを添加するホスト結晶そのものに、ラマン利得が高い結晶を用いられる自己ラマン結晶を用いた結果も報告されている 9)。
このほか、直接黄色光を発生するために、色素をプラスチックにドープした固体色素レーザの研究も活発に行なわれている。DFB を構成することにより高い波長の選択性も得られている。本レーザは、色素同様、退色の問題があり一つの媒質を長時間利用することができない、そのために使い捨てタイプのチップの開発がなされている 10)。

－357－
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コスト、安定性、耐久性、簡便性など直接簡便なレーザから得られていない波長は可視領域にも残っている黄色はその例である。今後も、活発な研究がなされていく領域である。
（和田 智之）参考文献(1) N. Saito, K. Akagawa, Y. Hayano, Y. Saito, H. Takami, M. Iye, and S. Wada, “Synchronization of1064 and 1319 nm pulses emitted from actively mode-locked Nd:YAG lasers and its application to589 nm sum-frequency generation, “Jpn. J. Appl. Phys. 44, L1484-L1487 (2005).
(2) J. C. Bienfang, C. A. Denman, B. W. Grime, P. D. Hillman, G. T. Moore, and J. M. Telle, “20 W ofcontinuous-wave

sodiumD2

resonance

radiationfromsum-frequency

generation

withinjection-locked lasers,” Opt. Lett. 28, 2219-2221 (2003).
(3) M. Lobino, M. Marangoni, R. Ramponi, E. Cinaci, V. Foglietti, S. Takekawa, M. Nakamura, and K.
Kitamura,“Optical-damage-freeguidedsecond-harmonic

generationin1%

MgO-doped

stoichiometric lithium tantalite,” Opt. Lett. 31, 83-85 (2006).
(4) D. M. Pennington, J. W. Dawson, A. Drobshoff, S. Payne, D. Bonaccini, W. hackenberg, and L.
Taylor, “Compact fiber laser for 589 nm laser guide star generation,” Europhysics Conference
Abstracts Vo. 28B CJ5-02-TUE.
(5) M. Rusu, S. Kivisto, C. B. E. Gawith, and O. G. Okhotnikov, “Red-green-blue (RGB) light generator
using tapered fiber pumped with a frequency-doubled Yb-fiber laser,” Opt. Express 13, 8547-8554(2005).
(6) Y. F. Chen and K. W. Su, H. J. Zhang, J. Y. Wang, and M. H. Jiang, “Efficient diode-pumped actively

Q-switched Nd:YAG/BaWO4 intracavity Raman laser,” Opt. Lett. 30, 3335-3337 (2005).
(7) D. Georgiev, V. P. Gapontsev, A. G. Dronov, M. Y. Vyatkin, A. B. Bulkov, S. V. Popov, and J. R. Taylor,“Watts-level frequency doubling of a narrow line linearly polarized Raman fiber laser to 589 nm,”
Opt. Express 13, 6772-6776 (2005).
(8) Y. Feng, S. Huang, A. Shirakawa, and K. Ueda, "589 nm Light Source Based on Raman Fiber
Laser,” Jpn. J. Appl. Phys. 43, L722-L724 (2004).
(9) W. Chen, Y. Inagawa, T. Omatsu, M. Tateda, and N. Takeuchi, "Diode-pumped, self-stimulating,paasvely Q-switched Nd3+:PbWO4 Raman laser", Opt. Commun. 194 401-407 (2001).
(10) Yuji

Oki,

Takeshi

Yoshiura,

Yuichi

Chisaki,and

MitsuoMaeda,“Fabricationofadistributed-feedback dye laser with a grating structure in its plastic waveguide,” Appl. Opt. 41,
5030-5035 (2002).

－358－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

6.2.2 poly-Si 結晶化用大出力グリーンレーザ(1) 大出力グリーンレーザ
近年、液晶パネルや有機 EL パネルに用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor: TFT）を高性能化する技術としてレーザアニールによる多結晶シリコン（poly-Si）結晶化技術が製品パネルに取り入れられ始めている。poly-Si 結晶化技術としては、ガラス基板上に成膜された非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を 650℃ まで加熱、溶融して poly-Si 結晶化させる高温 poly-Si 結晶化技術とアモルファスシリコンにレーザを照射してアニールすることで poly-Si 結晶化させる低温 poly-Si 結晶化技術の 2 種類があるが、近年は低コストのガラス基板を使えるレーザアニールによる低温 poly-Si 結晶化技術が盛んに使用され始めている。現在のレーザアニール用レーザ光源は主にエキシマレーザで、波長 308nm の紫外領域で発振する
XeCl レーザが一般的に使われている。しかしながら、ミラーの曇りに対するクリーニングおよび交換、レーザガス交換、電極劣化によるレーザ本体の入れ替え等、大きな保守時間、保守コストが必要になり、低温
poly-Si-TFT 量産化上のネックとなっている。エキシマレーザに代わるレーザとして注目されているのは、
Nd:YAG レーザの第 2 高調波により得られるグリーンレーザ光（波長 532nm）を光源とするアニール装置である。グリーンレーザは固体をレーザ媒質としているため、ガス交換は不要であり、また、可視光を光源とするため、紫外線のように有機ガスを分解してミラーに不純物が堆積することもなく、ミラーのクリーニ
ング等の日常保守も不要である。さらにレーザ本体の入れ替えといった大掛かりな保守を必要とせず、結果的に保守に必要な維持費用が低減できる利点がある。ここでは、エキシマレーザに対して利点が大きく、今後エキシマレーザに代わる可能性がある大出力グリーンレーザの開発動向について報告する。
産業用レーザとして実用的な LD 励起固体レーザを光源とし、出力 100W を超える大出力を発生するグリーンレーザの報告は、1990 年台には海外からなされている。1997 年には、GE と Fibertek が共同で Nd:YAG
スラブ MOPA レーザを光源とした第 2 高調波発生（SHG）によるグリーン出力 215W を報告している 1)。
また、1998 年には、ローレンスリバモア米国国立研究所（LLNL）が Nd:YAG ロッドレーザの内部共振器
型 SHG による 2 方向のグリーン出力 315W を報告しており、
1 方向に出射する平均グリーン出力は約 157Wとなる 2)。2000 年台に入ると大出力グリーンレーザの報告は日本国内からのものが多くなる。2000 年には、三菱電機（MELCO1）が Nd:YAG ロッドレーザの内部共振器型 SHG によるグリーン出力 138W を報告している 3)。また、同社（MELCO2）は 2002 年に経済産業省主導で実施した｢フォトン計測･加工技術｣プロジ
ェクトの中で Nd:YAG ロッド MOPA レーザを光源とした SHG によりグリーン出力 217W を報告している
4)。2003 年には、石川島播磨重工業（IHI）が Nd:YAG ロッド MOPA レーザを光源とした SHG によりグリーン出力 163W を報告している 5)。2005 年には、レーザフロントテクノロジーズ（LFT）が Nd:YAG ロッドレーザの内部共振器型 SHG によりグリーン出力 259W を報告している 6)。
また、2005 年には、三菱電機（MELCO3）が Nd:YAG ロッドレーザを光源とした SHG によりグリーン
出力 412W を報告している 7)。以上に示した大出力グリーンレーザの出力を図 6.2.2(1).1 にまとめる。最近発表されたグリーンレーザ出力 412W が群を抜いて高いことがわかる。以上は研究レベルの発表であるが、三菱電機は産業用に使用可能なアニール用グリーンレーザとして 200W グリーンレーザ発振器をアルバックと共同で 2003 年に広報発表している 8）。
以下、現状最高出力の 412W グリーンレーザについて詳細に示す 7)。報告されている 412W グリーンレー
ザの構成は、ロッド型レーザ媒質を用いた LD 励起 Q スイッチ Nd:YAG レーザを光源とした外部波長変換方式である（図 6.2.2(1).2）。波長変換結晶としては、長さ 18mm のタイプⅡ位相整合する LBO (LiB3O5)結－359－
目次へもどるグリーンレーザ出力(W)

光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

450
400
350
300
250
200
150
100
50
0

GE/Fibertek

LLNL
(1方向)

MELCO1MELCO2IHI

LFT

MELCO3

図 6.2.2(1).1 報告されているグリーンレーザ出力晶が用いられている。LD 励起 Q スイッチ Nd:YAG レーザは、パルス周波数 8kHz で動作され、赤外レーザ
出力 1350W を発生している。赤外レーザのビーム品質は M2 値で 19 であり、パルス幅は 47ns である。この赤外ビームを光源として LBO 結晶により SHG が行われ、固体グリーンレーザの世界最高出力となる
412W を発生している。パルスエネルギーは 51.5mJ であり、レーザアニ－ル用光源として実用的なもので
ある。

LBO
結晶

LD 励起 Q スイッチ
Nd:YAG レーザ

ハーモニックセパレータ
グリーンビームレンズ
赤外ビーム

図 6.2.2(1).2 412W グリーンレーザの構成
以上のように、従来の 2 倍近いグリーンレーザ出力が報告されたことにより、レーザアニールにおいてエキシマレーザと同等以上のパネル生産性が見込めるようになり、グリーンレーザを光源としたレーザアニー
ル装置の実用化の時期も加速すると推測する。
（小島 哲夫）

参考文献(1) W. T. Lotshaw, M. J. Kukla, A. L. Oritiz Jr., P. R. Staver, J. R. Unternaher, R. Burnham and G.
Moule, Conference on Lasers and Electro-Optics, Postdeadline Papers (1997) paper CPD33.
(2) J. J. Chang, E. P. Dragon and I. L. Bass: ”315 W Pulsed-Green Generation with a Diode-Pumped
Nd:YAG Laser,” Conference on Lasers and Electro-Optics, Postdeadline Papers (1998) paper CPD2.
(3) S. Konno, T. Kojima, S. Fujikawa and K. Yasui: ”High-brightness 138-W green laser based on an
intracavity-frequency-doubled diode-side-pumped Q-switched NdYAG laser,” Opt. Lett., 25(2000)105.
(4) 小島哲夫、古田啓介、藤川周一、竹中裕司、西前順一、田中正明：”高集光・高効率 LD 励起ロッド型レ－360－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ーザと高出力波長変換技術、” レーザー学会第 302 回研究会報告(2002)29.

(5) 伊澤淳、福富誠二、松坂文夫、上原実： ”LD 励起パルス Nd:YAG レーザーを用いた kHz 級高平均出力
SHG 光発生、” レーザー学会学術講演会第 23 回年次大会講演予稿集(2002)52.
(6) 森田浩之： ”200W 超級 SHG 発振器と加工応用、”レーザー学会第 336 回研究会報告(2005)7.
(7) T. Kojima, K. Furuta, M. Kurosawa and J. Nishimae: ”400-W Diode-Pumped Solid-State Green
Laser,” the Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics 2005 Technical Digest on
CD-ROM (2005) paper CTuI3-7.
(8) 株式会社アルバック、三菱電機株式会社 2003 年 8 月 26 日ニュースリリース(2003).

(2) レーザニールによる poly-Si 結晶化
いわゆる低温 poly-Si TFT(Thin Film Transistor)の製造に用いられる poly-Si 膜は膜厚 50nm 程度で粒径0.1～1μｍの結晶粒で構成される。poly-Si TFT の特性は結晶粒のサイズに依存し、粒径が大きく粒界が少レーザニールによる結晶化は低温 poly-Si TFT 製造に於いて重要な工程ない程 TFT の特性は向上するので、である。現在、生産現場で最も一般的に行われているのは XeCl エキシマレーザ (308nm) による結晶化（Excimer Laser Annealing：ELA）であるが、近年 ELA に比べ照射エネルギ密度マージンが広いとされるグリーンレーザによるアニールが注目を集めている 1),2)。
エキシマレーザとグリーンレーザとでは、Si への浸透深さ(1/e に減衰する長さ)の違いにより結晶化の過程に違いがある。その値は、波長および結晶状態によっても変わり、アモルファスシリコン(a-Si)では波長308nm と 532nm に対しそれぞれ 7nm と 70nm であるが、poly-Si に結晶化されるとそれぞれ 7nm と 850nmである。
まずエキシマレーザによる結晶化方法を簡単に紹介する。ELA では、細長い線状に均一化した 20-30nsecのパルスビームをスキャンしながら重ね打ちすることにより結晶化を行う。結晶粒は、照射エネルギ密度が高いほど大きくなるが、Si 膜が完全に溶融すると種結晶が残らず自然核形成により結晶化するため、逆に小さくなってしまう 3)。従って、Si 薄膜の底部に Si の種結晶が残存する程度に照射エネルギ密度を制御する必要がある。このため、ELA では良好な TFT の特性が得られる照射エネルギ密度マージンが狭く、厳しい管理が必要である。この様な従来の ELA に対して大粒径化を目的に様々な結晶化方法が提案されている 4)。基本的には Si 膜を底部まで完全に溶融させると共に故意に種結晶を残してそこから溶融部に向けて結晶成長させるが、種結晶を残す方法として、(1)ビームスポット内の照射エネルギ密度に強度分布を作ることにより、未溶融部分を残しそれを種結晶とするもの（TS-SLS :Two-Shot SLS5)、PMELA :Phase modulated ELA6)）(2)構造上溶融しにくい部分を設けて種結晶とするもの(μ-Czochralski 法 7)) がある。更に大粒径化のため、パルス毎に照射位置をずらすことにより溶融部をずらして連続的に結晶を成長させる方法（SLS:Sequential

Lateral Solidification8),9)）やパルスを重ねることによりパルス幅を長くする方法 10)等も提案されている。
グリーンレーザニールの結晶化過程では、まず a-Si から poly-Si への変化が低エネルギ密度で起こり、その後の poly-Si の溶融過程で最終的な結晶状態が確定する。poly-Si の浸透深さは 850nm と膜厚より遥かに長い。そのため、膜全体の温度が上がり、膜の底部に種結晶は残りにくいものの、結晶化が進んだ部分は吸収率が低いので溶融されずに残り、種結晶になる。よって、グリーンレーザの方が ELA よりも照射エネル
ギ密度のマージンがあり、生産性があがると言われている。ここで、両者の比較として、由良ら 11)によるデ－361－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ータ（図 6.2.2 (2).1、図 6.2.2 (2).2）を示す。グリーンレーザでは ELA に比較して大粒径の結晶が生成されていること、2 倍の照射エネルギ密度マージンが得られていることが分かる。

1µm(a) YAG2ω レーザ(b) ELA (Excimer laser)
図 6.2.2 (2).1 YAG2ω レーザとエキシマレーザによる結晶サイズの比較 (after S.Yura et.al.11))

図 6.2.2 (2).2 YAG2ω とエキシマレーザの照射エネルギ密度と n チャネル移動度の関係の比較 (after S.Yura et.al.11))
グリーンレーザニールに関しても様々な方式が報告されている。佐々木らは CW 固体レーザ（YVO4；波を用いて 20μｍ長の結晶を作成し、試作した poly-Si TFT では、n チャネル移動度 400-600cm2/Vs
長 532nm）
が得られている 12)。波多野らは ELA で結晶化した poly-Si 膜の種結晶を用いて、やはり CW 固体レーザ（YVO4）を用いて 100μｍを超える長さの結晶を作成し、試作した poly-Si TFT で、n チャネル移動度

460cm2/Vs を確認している 13)。工藤らはパルスレーザに遅延時間を設けて多段照射するダブルパルス ALCG
法(Advanced Lateral Crystal Growth)により、10μｍを超える長さの結晶も得ている 14),15)。グリーン固体
レーザによるアニール装置は、上述した照射エネルギ密度マージンの利点に加え、ELA で必要な頻繁なガス交換や電極の交換が不要で安定な出力が得られるため、生産コストを下げることが期待される。
（由良 信介）参考文献(1) T. Ogawa, H. Tokioka, K. Furuta, Y. Sato, M. Inoue, S. Yagi, M. Miyasaka, S. Inoue and T. Shimoda:－362－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

“Thin Film Transistors of Polysilicon Recystallized by the Second Harmonics of a Q-Switched
Nd:YAG Laser,” EuroDisplay ’99 Late news paper (1999)81.
(2) K. Morikawa, T. Okamoto, T. Kojima, S. Yura, J. Nishimae, Y. Sato, M. Inoue and H. Nagata:“Comparison of Poly-Si TFT Characteristics Crystallized by a YAG2ω Laser and an Excimer Laser,”
SID ’04 Digest (2004)1088.
(3) J. S. Im and H. J. Kim: “Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films,” Appl. Phys. Lett., 63 14(1993) 1969.
(4) 松村正清：”エキシマレーザ光照射による巨大結晶粒シリコン薄膜、”応用物理,71,5 (2002) 543.
(5) C. W. Kim and K. C. Park, “Development of SLS-Based SOG Display,” Digest of IDMC05 (2005)
252.
(6) M. Hiramatsu: ”Advanced Laser-Crystallization Technologies of Si for Next-Generation TFTs,”
Digest of IDW04,(2004) 325.
(7) R. Ishihara, P. C. Van der Wilt, B. D. Dijk, A. Burtsev, J. W. Metselaar and C. I. M. Beenakker:“Single-Crystalline Si Thin-Film Transistors Fabricated with μ -Czochoralski (Grain –Filter)
Process,” Digest of AM-LCD’02 (2002) 53.
(8) R. S. Sposili and J.S.Im: ”Sequential lateral solidification of thin silicon films on SiO2,” Appl. Phys.
Lett, 69,19 (1996) 2864.
(9) D. S. Knowles, J. Park, C. Im, P. Das, T. Hoffman, B. Burfeindt, H. Muenz, A. Herkommer, P.C. vander Wilt, A. B. Limanov and J. S. Im: “Thin-beam Crystallization Method for Fabrication of LTPS,”
SID05 Digest, P-59 (2005) 503.
(10) M. Jyumonji, H. Okumura, K. Sera, F. Okumura, K. Sugioka and K. Midorikawa: “Double-Pulse
Method of Enlarging Lateral Grain Growth of Excimer Laser Annealed Poly-Si Thin Films,” NEC
Res.&Develop., 42, 3 (2001) 272.
(11) S. Yura, A. Sono, T. Okamoto, Y. Sato, T. Kojima, J. Nishimae, M. Inoue and K. Motonami:“Crystallization of amorphous-Si filims by pulsed YAG2ω green laser for polycrystalline-Si TFT
fabrication,” J. of the SID 13/10 (2005) 823.
(12) N. Sasaki, A. Hara. F. Takeuchi, Y. Mishima, T. Kakehi, K. Yoshino and M. Takei: “HighThroughput CW-Laser Crystallization for Low-Temperature Poly-Si TFTs and Fabrication of 16 bit
SRAMs and 270MHz Shift Registers,” SID02 Digest (2002) 154.
(13) M. Hatano, T. Shiba and M. Ohkura: “Selectively Enlarging Laser Crystallization Technology forHigh and Uniform Performance Poly-Si TFTs,” SID02 Digest (2002) 158.
(14) T. Kudo, K. Yamazaki and T. Akashi: “DPSS Green Laser Crystallization Technology Based on
Double-Pulsed Control,” Digest of IDW04 (2004) 619.
(15) 恒見、工藤、山﨑： ”ダブルパルス固体レーザによるラテラル結晶化技術、” 第 65 回レーザ加工学会講演論文集(2005)237.

－363－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(3) グリーンレーザ用アニール照射光学系
ELA で用いられている線状ビーム光学系は、フライアイレンズ等を用いた２次元ホモジナイザにより、ビーム強度分布を均一化している。パルスグリーンレーザはエキシマレーザに比べビーム品質が良いため、短軸方向はレーザビームの M2 値で決まる限界まで集光して、薄膜上での光強度を高めることができる。一方、
長軸方向をホモジナイザで均一化しようとすると、可干渉性が高いため干渉縞が発生しやすく、強度分布が不均一になる問題があった。岡本らにより、ガウス強度分布を持つ円形ビームを、干渉縞を回避して 100mm

x 40µm の線状ビームに変換する光学系が報告されており 1)-3)、それについて詳述する。
図 6.2.2 (3).1 にパルスグリーンレーザニール光学系の概略図を示す。ここで、光軸を z 方向とし、ガラス基板上の薄膜に照射する線状ビームの短軸方向を x 方向、長軸方向を y 方向と定義する。アニール光学系は、レーザビーム導入光学系、ビーム成型光学系（ビーム強度均一化光学系、ビーム集光照射光学系）から構成される。ビーム導入光学系において、レーザ発振器からのビームの光軸位置と角度を調整し、可変アッテネータによりレーザの照射パワーを調節する。ビーム成型光学系により、発振器から出力された円形ガウス状ビームを
線状ビームに変換する。ビーム成型光学系は、x、y 方向で異なるビーム成型を行う。x 方向については、ビー
ム集光照射光学系により、M2 値で規定される限界までレーザビームが集光される。一方、y 方向については、
ビーム強度均一化光学系内の導波路型ホモジナイザによりビーム強度分布を均一化している。

図 6.2.2 (3).1 パルスグリーンレーザニール光学系 (岡本らによる 1))
ここで、導波路型ホモジナイザとは、レーザビームを y 方向のみ短冊状に分割し、出射面で重ね合わせる
ことで y 方向に均一強度分布を得る素子である。シリンドリカルレンズで構成される転写レンズにより、この出射面をガラス基板上に拡大転写し、線状の照射ビームパターンを成型する。導波路型ホモジナイザで分割ビームを重ね合わせる際に発生する干渉縞による強度分布不均一の問題を回避するために、以下の 2 つの工夫が凝らされている。まず、導波路の y と z 方向の寸法は、幾何光学的な観点から十分に強度を均一化し、かつ空間的コヒーレンスによる干渉を防ぐように設定されている。すなわち、分割数が多いほど、コヒーレ
ンスのないビームの場合には強度は均一化されるが、一方コヒーレンスのあるビームの場合には干渉縞は発生しやすくなるので、適当なビーム分割数が必要である。また、分割ビームにうまく時間的な遅延を設ける－364－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ことにより、時間的コヒーレンスによる干渉縞発生を抑制している(図 6.2.2 (3).2)。導波路型ホモジナイザ
で分割されたビームは転写レンズのフーリエ変換面近傍で空間的に分離するので、ここに図のように石英ブ
ロック(光学的遅延)を配置した。すると、図中の分割ビーム B,D,F に対して、分割ビーム A,C,E,G は時間的な遅れが生じ、干渉縞の発生が抑制される。結果として、パルスグリーンレーザ照射ビームを短軸方向幅40µm 以下、長軸方向幅約 100mm に成形し、強度分布 5%以下を実現した(図 6.2.2 (3).3)。
（岡本 達樹、河野 裕之）

図 6.2.2 (3).2 斜め入射面導波路構成 (岡本らによる 1))

800 mJ/cm 2
at 50mJ input(a) 幅方向：ガウス強度分布10.8(b) 長手方向：トップフラット分布

38 µm

0.6
0.4

1.2

0.2

1

強度（相対値）

強度（相対値）

1.2

0
-100

-50

0

50

100

x 位置 [µm]長さ: 105 mm
幅 : 38 µ m

102 mm100% (MAX)
97% (MIN)

0.8
0.6

105 mm0.4
0.2
0

CCDカメラで測定(resolution : 7 µ m)

0

20

40

60

80

100

120

140

y 位置 [mm]図 6.2.2 (3).3 パルスグリーンレーザでの線状ビームプロファイル (岡本らによる 1))
参考文献(1) 岡本達樹、由良信介、園淳弘： ”液晶および有機ＥＬ向けポリシリコン用グリーンレーザニール光学系、”
第 65 回レーザ加工学会講演論文集 (2005) 229.

(2) K. Tamagawa, H. Ikeda, T. Ohnishi, K. Kuwahara, M. Kikuchi, M. Hayama and K. Nakamura:“Solid Laser Crystallization of a-Si Films Using a Newly Developed 200W Nd:YAG2ω Pulse Laser
Annealing System for Poly-Si TFT-FPDs,” IDW ’03 Digest (2003) 585.
(3) K. Tamagawa, T.Ohnishi, T.Kikuchi and M.Hayama: ”Solid State YAG2ω Laser Annealing System
for the Fabrication of Poly-Si TFT-FPDs,” Digest of IDW04 (2004) 615.

－365－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

6.3 加工技術
6.3.1 光技術による新しいタンパク質結晶化技術(1) はじめに蛋白質の立体構造解析は、創薬研究、構造生物学、生命現象の解明などの目的で行われている。国際的な蛋白質構造解析プロジェクトが米国を筆頭に進められており、我が国でも、平成 14 年度から国家プロジェ（文部科学省）が 5 ヵ年計画で進行中である。一般的な構造解析手法であるＸ
クトとして「タンパク 3000」
線やシンクロトロン放射光を用いた結晶解析では、結晶作製が不可欠である。しかしながら、蛋白質の結晶化に関する手法は、未だ確立されておらず、その結晶化が非常に困難であるため、構造解析のボトルネックとなっている。蛋白質の結晶化条件は個々の蛋白質によって異なるため、それぞれの蛋白質で結晶化条件を探索しないとならないが、殆どの蛋白質は希少性が高く、条件探索は微量の試料による多種溶液条件のスクリーニングを行うことになる。プロセスとしては、沈殿剤溶液や pH を変化させ、温度を一定に制御した恒温槽内で結晶育成溶液を静置させるのが一般的で、時々結晶観察はするものの、数週間から数ヶ月の間、結晶が得られるのを待つしかないという状況である。結晶化できない場合は、再度、サンプルを準備し、スクリーニング範囲を広げるしか策はなかった。
そのため結晶化条件探察は、数千から数万条件に及ぶ場合もある。
しかしながら、膨大な結晶化条件探索を行ったにも関わらず、結晶が得られない場合も多い。
現在の蛋白質結晶化は、主に構造解析を専門とする研究者によって行われており、有機化合物を題材として発展してきた結晶成長における経験論や理論、概念が伝承され用いられている。例えば、結晶成長中においては、溶液を静置することが重要で、装置の振動等を極力排除することが重要であると言われていた。近年でも、重力による浮力対流も排除するため、宇宙空間での結晶育成が行われている。
一方では最近になって、光技術を活用し、レーザ照射による結晶核発生技術や溶液を積極的に攪拌するというような、これまでの方法とは異なる方法が開発され始めている 1,2)。ここでは、光技術を活用した新しい蛋白質結晶化技術について報告する。

(2) 結晶化の原理
蛋白質の結晶成長は、原理的には蛋白質水溶液を作製し、蒸気拡散や温度変化などにより蛋白質溶液の過飽和度を高くすることで核発生を促し、成長させるという方法を取る。さらに、その溶液に、沈殿剤等を溶解させ、塩濃度、pH を制御することが経験的手法として行われている。蛋白質の結晶化が他の材料にくらべ難しい理由は、準安定領域（過飽和状態にあるが、自然核形成には至らない領域。ただし、種結晶が溶液中にある場合は成長する）が極めて大きく、過飽和度をかなり高くしないと自然核が発生しないというところにある。幾ら高過飽和にしても核発生しない場合も多く存在し、運良く結晶核発生したとしても、過飽和
度の高い溶液中で結晶核が発生すると、高過飽和溶液中での結晶成長となってしまうため、結晶品質の低下
や結晶の大量析出による多結晶化などの問題が生じる。この問題は自然核発生からの結晶成長としては原理的なものである。この問題を解決するためには、より低過飽和溶液において強制的に結晶核発生させ、その後の育成に適した溶液の条件を維持する技術を開発することが必要となる。これから述べる蛋白質結晶化技
術は、低過飽和溶液中での強制的結晶核発生に関わるものである。

－366－
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(3) レーザ照射によるリゾチーム結晶核発生の基礎実験
核形成を強制的に引き起こすため、溶液への刺激が重要であると言われているが、実際にはどのような刺激が良いのかは理論的に予測できないため、超音波などの物理的な刺激を与えるといった様々な試みがなされていたものの、大きな効果が得られたという報告は殆どなかった。最近、短パルスレーザの低過飽和溶液
への集光照射が、結晶核発生に効果的な刺激（摂動）となることが大阪大学によって見出された。
その実験では、先ず最初にモデル蛋白質溶液として、ニワトリ卵白リゾチーム（生化学工業製）が用いられている。結晶育成溶液は、リゾチーム 25 mg/ml に pH4.5 の 0.1M 酢酸緩衝溶液と 2.5%の塩化ナトリウ
ムを混合することで作製し、2 液バッチ法 3,4)にて結晶化実験が行われた。酸性環境下の 298 K 以下におけるリゾチーム結晶の育成では、正方晶系の結晶が得られやすいことから、この溶液の飽和点は 296.8 K となっている。リゾチーム溶液を冷却機能付き低温恒温水槽内に設置し、目的とする過飽和度が得られる温度まで、溶液温度を降下させ、通常では、自然核による結晶析出が観測されない低過飽和蛋白質溶液（溶液温度287～290 K）に、フェムト秒レーザを用いて、リゾチーム溶液へのレーザ照射による結晶化実験が行われた。
この実験では、高出力フェムト秒チタンサファイアレーザの光を焦点距離 170 mm のレンズを用いて集光照射している。レーザ光の波長は 800 nm、パルス幅は 120 fs である。
フェムト秒レーザを溶液温度 287 K に保持したリゾチーム溶液に 1 分間集光照射して、その状態変化を観察したところ、レーザの繰り返し周波数により実験結果に違いが見られた。結晶の析出はレーザの繰り返し
周波数が 50 Hz、100 Hz においてのみ確認でき、レーザ照射 1 日後には肉眼で確認できる大きさ（0.1 mm程度）まで成長し、その後もゆっくり成長している（図 6.3.1.1）。しかしながら、レーザを照射しない溶液と、繰り返し周波数 20Hz でレーザ照射した溶液においては、結晶析出は確認されていない。一方、500 Hz、

1000 Hz の高い繰り返し周波数においては、レーザ照射と同時にリゾチームの変性が起こり、白色の凝集体が確認されている。これらの結果から、フェムト秒レーザ照射は、照射条件による依存性は大きいものの、
蛋白質の結晶核発生に影響を及ぼしていることが分かる。
Solution
1 mm

Lysozyme Crystal

Fluorinert

図 6.3.1.1 レーザ照射によって結晶核発生したリゾチーム溶液
一方、フェムト秒レーザではなく、パルス幅がナノ秒である Nd:YAG レーザを用いた場合では、フェムト秒レーザ照射とは異なる結果となっている。レーザ光のパルス幅 23 ns の Nd:YAG レーザを用いて、焦点距
離 120 mm のレンズにて、上記と同様のリゾチーム溶液にレーザを 1 分間集光照射したところ、いずれの照射条件においても、結晶化が確認できていない。また、レーザの照射時間を長くして、過度に摂動を与えた
場合や、さらに溶液温度を降下させ、過飽和度を高くした場合においても、レーザによる結晶化は確認できないことから、レーザ照射による蛋白質の結晶核発生においてはパルス幅が非常に重要なパラメーターであることが分かる。なお、この研究では最初、Nd:YAG レーザで結晶核発生制御が試みられ、効果が認められなかったのでフェムト秒レーザを活用することになった。

－367－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(4) 各種蛋白質への応用
フェムト秒レーザ照射による結晶化技術を各種蛋白質サンプルへ適応するためには、微量サンプルへのレーザ照射が可能なシステムを構築する必要がある。当然ながら、結晶化手法として、広範に使用されている
ハンギングドロップやシッティングドロップ蒸気拡散法を選択できることが望ましい。そのため、対物レン。ハンギングドロップ法でズを用いた顕微鏡下でレーザを照射するシステムが構築されている（図 6.3.1.2）は、上面がガラスであるため一般的な育成容器を使用することができる。シッティングドロップ法では下面。
からレーザを照射するため、材質や形状を工夫した結晶化プレートが開発されている（図 6.3.1.3）
Tape
Reservoir

Crystallization plate

Growth well

Glass

Objective
lensLaser beam
Femtosecond laser
Mirror

図 6.3.1.2 フェムト秒レーザ照射によるタンパク質結晶核発生システム

10 mm

図 6.3.1.3 シッティングドロップ法で下面からレーザを照射するために開発された結晶化プレート
ニワトリ卵白リゾチームは結晶化しやすく、分子量も 14kDa と比較的小さい。そこで、分子量がその 10倍以上となる蛋白質分子であるグルコースイソメラーゼ（4 量体：173kDa）を用いて、シッティングドロッ
プ蒸気拡散法にて結晶化実験が行われた。結晶育成溶液は、グルコースイソメラーゼ 13 mg/ml と 0.2M 硫酸アンモニウム、15%ポリエチレングリコール 6000 の混合溶液（pH7）が使用され、外液は 0.2M 硫酸アン
モニウムと 15%ポリエチレングリコール 6000 の混合溶液（pH7）が用いられた。室温でフェムト秒レーザ
が蛋白質溶液内に集光照射され、291K に設定した低温恒温槽内に静置され、その後の溶液状態が顕微鏡にて観察された。レーザ光の照射時間は 0.01 秒であり、照射なし（0 秒）のサンプルとの比較では、レーザ照。一方、
射 1 日後に、グルコースイソメラーゼの結晶析出とその後の結晶成長が確認されている（図 6.3.1.4）
レーザ照射していない蛋白質溶液では、結晶の析出が 1 ヶ月経っても確認されていない。

－368－
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1 mm

With laser

Without laser(a)With laser

Without laser(b)図 6.3.1.4 グルコースイソメラーゼの結晶核発生におけるレーザ照射効果。
(a)1 日後、(b)7 日後でレーザ照射有りの場合にのみ結晶核発生が観測される。
次に、より結晶核発生が困難とされている蛋白質として、トリパノソーマ由来プロスタグランジン F2α合成酵素 5) の事例を示す。この蛋白質は、溶液を数ヶ月から半年の間、静置させておくと結晶核が発生することがある、というほど結晶化が困難である。
蛋白質溶液は、プロスタグランジン合成酵素 20 mg/ml と 0.005M
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADP+）、0.04M トリス塩酸緩衝液（pH8.0）の混合溶液
を外液（0.01M ヘペス水酸化ナトリウム緩衝液、2%ポリエチレングリコール 400、1.2M の硫酸アンモニウ）とを 1：1 で混合したものが用いられた。結晶化はハンギングドロップ蒸気拡散法で行わム溶液（pH7.5）れた。
室温でフェムト秒レーザを蛋白質溶液内に集光照射し、293 K に設定した低温恒温槽内に静置された。
レーザ光の照射時間は 0.06 秒であり、照射なし（0 秒）のサンプルとの比較では、レーザを照射したサンプ
ルは 2 日後に結晶が析出することが明らかとなった。一方、レーザを照射しないサンプルは、3 ヶ月以上経っても結晶の析出は確認されなかった。
一般に、蛋白質を結晶化させるには、極めて高い過飽和度を必要とするが、これら実験結果に示すようにフェムト秒レーザを照射することで、通常核形成しにくい低過飽和度の溶液においても、結晶核発生が促進される。つまり、低過飽和溶液中での結晶核発生は、低過飽和溶液内に種結晶を導入し、結晶成長させる半導体や光学結晶等の大型高品質結晶の作製手法 6-8) と同様となり、結晶品質の向上につながると考えられる。
高品質結晶化が極めて困難な蛋白質として、創薬ターゲットの 80%を占めると言われる膜蛋白質の事例を示す。多剤排出蛋白質 AcrB はトランスポーターとして世界で初めて構造解析がなされ、2002 年英国科学誌

Nature の表紙を飾った膜蛋白質である 9)。しかしながら、この時のＸ線構造解析の分解能は 3.5Åであった
ため、創薬に必要な構造の情報を得るには十分でなかった。そこで、高品質結晶を育成するために、低過飽和度溶液にフェムト秒レーザを照射して結晶核を発生させ、そのまま育成することが試みられたところ、分解能が 2.3Åと飛躍的に向上していることが分かった 10)。これはレーザ照射による蛋白質結晶核発生が膜蛋
白質でも可能であることが示された最初の成功例である。

－369－
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(5) 光照射によるリゾチームの核発生制御
フェムト秒レーザ照射以外にも、ランプ光照射による蛋白質結晶核発生制御の研究が報告されている。リ
ゾチーム溶液に Xe ランプ光を 1 分間照射すると、溶液中に析出する結晶数が増加することが観測されている。原理としては、波長 280nm 光を照射することで、リゾチーム分子内のトリプトファン残基がラジカル化した長寿命のトリプトファミルラジカルが生成されるので、このラジカルが結晶核発生に関与しているのではないかと言われている。波長 350nm より長波長の可視光を照射すると、このラジカルが励起・消去され、蛋白質も変成してしまい、結晶核は発生しなくなると報告されている 11)。

(6) まとめ
フェムト秒レーザを用いた蛋白質の新しい結晶化技術を中心に報告した。膜蛋白質等、様々な蛋白質の結晶核発生制御に有効な事例が得られている。一方で、フェムト秒レーザによる蛋白質結晶核の発生メカニズ
ムは未解明であり、今後の研究が待たれる。非常に高度化した光技術が、バイオ等の新規分野へ展開されることが今後益々増えていくものと考えられる。
（森 勇介、安達 宏昭）

参考文献(1) H. Adachi、 K. Takano, Y. Hosokawa, T. Inoue, Y. Mori, H. Matsumura, M. Yoshimura, Y. Tsunaka,
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(3) H. Adachi, T. Watanabe, M. Yoshimura, Y. Mori and T. Sasaki, “Growth of Protein Crystal at
Interface between Two Liquids Using Slow Cooling Method”, Jpn. J. Appl. Phys. 41, L726 (2002).
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(6) T. Sasaki, Y. Mori, M. Yoshimura, Y. K. Yap and T. Kamimura, “Recent Development of Nonlinear Optical
Borate Crystals: Key Materials for Generation of Visible and UV Light”, Mater. Sci. Eng. 30, 1 (2000).
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(9) S. Murakami, R. Nakashima, E. Yamashita and A. Yamaguchi, “Crystal structure of the bacterial
multidrug efflux transporter AcrB”, Nature 419, 587 (2002).

－370－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) H. Adachi, S. Murakami, A. Niino, H. Matsumura, K. Takano, T. Inoue, Y. Mori, A. Yamaguchi and
T. Sasaki, “Membrane Protein Crystallization Using Laser Irradiation”, Jpn. J. Appl. Phys. 43,
L1376 (2004).
(11) 吉田憲司、奥津哲夫、平塚浩士、“リゾチームの光照射による結晶核の形成促進機構の解明”、日本結晶成長学会誌 Vol.32, No.3, 229 (2005).

6.3.2 カーボンナノチューブ電極表面の加工(1) はじめに個体の熱緩和時間（＞10−12 秒）よりも短いパルス幅をもつフェムト秒レーザ（<10−13 秒）は、これまでにないレーザと個体との相互作用を誘起させ、非熱的に固体をアブレーションできることに加え、アブレーシ
ョン閾値近傍のフルーエンス領域（新加工領域）においてナノメートルスケールのアブレーションを行える
こと、アブレーションした固体表面にレーザ波長以下のナノ周期構造（図 6.3.2.1）を形成できることを特徴としている。また、飛散する蒸発物を回収すると超微粒子同士が自己組織化によりナノ構造物（図 6.3.2.2）が形成されることも報告されている 1,2)。このフェムト秒レーザアブレーションの特徴は、金属、半導体、絶縁物の全てに適用可能であることから、学界や産業界で研究動向が注目されている。

（ a）

（b ）

3.3 µm

図 6.3.2.1 加工表面にできたナノ周期構造（材質：銅、パルス幅；100fs、波長；800nm）

330 nm

図 6.3.2.2 自己集積化した金属ナノ薄膜(a)倍率×300、(b)倍率×30000（材質：銅、パルス幅；100fs、波長；800nm）

現在,この特徴を活かした新しい分析技術、制御技術、製作技術が確立しようとしている。具体的な応用として、ナノ周期構造物は光通信用の微細光学素子として期待されているだけでなく、摺動面の摩擦低減 3)、タンパク質凝集過程の解明 4)において有用性が指摘され、その効果が示され始めている。また、非熱的アブレーション（ナノメートルスケールのアブレーションを含む）は生体材料の質量分析の高分解能化 5)、カー
ボンナノチューブ電極の電子放出特性改善に有効である結果が報告されている。
ここでは,フェムト秒レーザ
ナノアブレーションによりカーボンナノチューブ電極表面の表面構造を制御し電子放出特性改善を試みたのでその成果を紹介する。

(2) カーボンナノチューブ電極の表面構造制御法
カーボンナノチューブ（CNT：Carbon Nano-Tubes）は電界放出型表示装置（FED：Field Emission

Display）のカソードとして有望視され CNT-FED の実用化を目指した研究がなされてきた 6-8）。印刷法による CNT-FED の製作は、低コストで大型化が容易であるものの、カソード電極の電子放出特性（ターンオン
電界の低減,電流密度の向上、電子放出の均一化）を改善する後処理技術の確立が重要課題となっている 9)。

－371－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
後処理において電極表面のカーボンナノチューブを均一に起毛でき電界放出し易い構造を作るかが電子放出特性改善の鍵を握っている(図 6.3.2.3)。これまでに、スクラッチ法、テープ剥がし法、イオン照射法 10)、ナノ秒レーザアブレーション法 8)が提案されて起毛が試みられてきたが、カーボンナノチューブの構造を壊す
ことのない安定した手法開発を模索している状況にある。
これまで、フェムト秒レーザアブレーションによる電極表面のカーボンナノチューブの起毛に関する報告は無かった。

(a)

可視光

可視光

(b)

アノード電極電界電子放出

電界電子放出

CNTs

ゲート電極

起毛
CNTs

カソード電極カソード基板図 6.3.2.3 カーボンナノチューブ電界放出型表示装置 CNTs 電極(b)後処理あり(a)後処理なし(3) フェムト秒レーザによる電極表面の構造制御
カーボンナノチューブ電極はバインダーとなる有機セルロースに多層カーボンナノチューブを１：１の割合で混合し、印刷法によりガラス基板上に制作している。電極のサイズは厚み 3µm、面積 2×2mm2 である。
アブレーション実験では、ガウシアン形状のフェムト秒レーザパルス（波長 800nm、パルス幅 180fs、繰り返し 10Hz）を焦点距離 10cm のレンズにより集光しカーボンナノチューブ電極表面に 0°の入射角度で照射する。焦点位置におけるレーザスポットは直径 30µm（FWe-1M）に調整し、レーザのエネルギーは減衰器（半波長板と２枚の偏光子対）により 15〜0.7µJ の範囲で変化させる。カーボンナノチューブ電極のレーザ。シングル照射はアブレーション領域が重な
アブレーションは２つの照射方式で実施している（図 6.3.2.4）
らないように 50µm の間隔でレーザ照射を、マルチ照射は、アブレーション領域にレーザパルスが 3〜5 回照射されるように照射している。カーボンナノチューブ電極のアブレーション閾値は 0.046J/cm2 である。閾
値近傍のフルーエンスにおいて、シングル照射ではカーボンナノチューブ電極にアブレーションの痕跡がみられないためマルチ照射が重要になる。
(a)シングル照射2 mm(b)マルチ照射50µm
3 - 5 pulses

2 mm

図 6.3.2.4 照射方式

－372－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
照射前後のカーボンナノチューブ電極は走査型電子顕微鏡（SEM）により表面観察を、ラマン分光によりカーボンナノチューブの構造分析を行った。カーボンナノチューブ電極の電子放出特性（電流-電圧特性、ターンオン電界、電子放出の均一性）は図 6.3.2.3 のアノード電極で放出電流を測定するダイオードシステム
を用いている。なお、測定はカーボンナノチューブ電極と陽極との間隔を 60µm とし、10-7Torr 以下の真空度で行われている。

(4) 電子放出特性
図 6.3.2.5 にレーザアブレーションされたカーボンナノチューブ電極からの電界放出特性（陰極電界-陰極
電流密度の関係）を示す。照射レーザフルーエンスが低いほど電界放出曲線は再現性が高く、低い電界でターンオンする結果が得られている。電界放出のターンオン電界は、電流密度が 7.5µA/cm2（電流は 0.3µA）となる電界と定義し図 6.3.2.6 にターンオン電界の照射レーザフルーエンス依存性を示す。0.068J/cm2 と1.4J/cm2 のフルーエンスでアブレーションされたカーボンナノチューブ電極は、それぞれ 1.9V/µm、2.3V/µmのターンオン電界を示している。
シングル照射,マルチ照射のいずれの場合もレーザフルーエンスが低いほどターンオン電界が低下し,最も低いターンオン電界は約 1.8V／µm である。最小のターンオン電界は、レー
ザ照射されていないカーボンナノチューブ電極の示す電界（4V/µm）の約半分であり、ナノ秒レーザパルス
照射法 8)により得られるターンオン電界（2V/µm）より僅かに低い値を示していた。
3

12

マルチ照射

0.17J/cm2

ターンオン電界 (V/µm)2

電流密度 (mA/cm )100.068J/cm2

8
6
4
2
0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

電界 (V/µm)

シングル照射

2

1
0.01

0.1

1.0
2

レーザーフルーエンス (J/cm )図 6.3.2.5 電子放出密度の陰極電界依存性 図 6.3.2.6 ターンオン電界のレーザフルーエンス依存性(5) カーボンナノチューブ電極表面の起毛観察
図 6.3.2.7 にカーボンナノチューブ電極の断面を走査型電子顕微鏡観察した結果を示す。フルーエンス

0.7J/cm2 のレーザを照射した場合は、
高さ 8µm のカーボンナノチューブの塊が起毛している（図 6.3.2.7(b)）
。
これはナノ秒レーザパルス照射された電極表面にみられる起毛状態と類似している。一方、図 6.3.2.7(c)は、最も低いターンオン電界を示した時のカーボンナノチューブの起毛の様子を示しており、基板に対して直立したナノチューブが高密度に分布している。このような起毛は、ナノ秒レーザアブレーションには見られなかったもので、フェムト秒レーザのアブレーション特有の新しい起毛状態である。起毛のメカニズムについては、アブレーション閾値近傍の低フルーエンス照射の時にのみ見られることから、フェムト秒レーザアブ
レーションによるナノ周期構造形成機構と深い関連があるのではないかと考えられている。
図 6.3.2.8 に起毛高さのレーザフルーエンス依存性を示す。カーボンナノチューブの起毛高さは、5 つのレーザ照射中心を観測し、それらの平均値である。シングル照射の場合、0.7J/cm2 のレーザフルーエンスにお－373－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
いて最も高い起毛高さを示している。マルチ照射では、0.15J/cm2 以下のレーザフルーエンスにおいて起毛高さがレーザフルーエンスの減少とともに低くなっている。
電界放出のターンオン電界 Em は、一般に次式により

Em=φ/(eh)
評価されてきた 11)。ここに、φは仕事関数,e は素電荷,h は電界集中構造の高さ（起毛高さ）を示す。カーボ
ンナノチューブの起毛高さが低くなると、ターンオン電界は高くなることを示している。実験結果は0.06-0.35J/cm2 のレーザフルーエンスにおいて、この式では説明のつかない新しいカーボンナノチューブの起毛状態である。
(a)

(c)

(b)

CNT
電極

図 6.3.2.7 カーボンナノチューブ電極断面の走査型電子顕微鏡観察(a)未照射, (b)0.7J/cm2, (c)0.068J/cm2
10
マルチ照射

起毛高さ(µm)

8

シングル照射

6
4
2
0
0.01

0.1

1.0

10
2

レーザーフルーエンス (J/cm )図 6.3.2.8 カーボンナノチューブの起毛高さのレーザフルーエンス依存性(6) ラマン分光計測
図 6.3.2.9 にカーボンナノチューブ電極のラマンスペクトルを示す。1590cm-1 のピークは炭素原子の六員環内の格子振動に起因する G バンドと呼ばれるものでカーボンナノチューブの存在を示唆するものである
12,13)。また、1335cm-1 のピークは、炭素の格子欠陥に起因するもので D バンドと呼ばれている。一般にカーボンナノチューブの純度の評価において、G バンドと D バンドのピーク強度比が利用される。カーボンナノ
チューブ電極をアブレーションすると D バンドのピーク強度が低下していることから格子欠陥の炭素成分が主にアブレーションしているものと考えられる。カーボンナノチューブ電極は G／D 比は未照射時に 1.7であったが、レーザ照射により 2.3 と高純度化されていた。起毛高さが低いにも関わらずターンオン電界が低かった１つの理由として、カーボンナノチューブの高純度化が関係しているものと推察している。

－374－
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5

強度 (a. u.)

4

未照射
0.068J/cm

2

3
2
1
0
1000

1200

1400

1600

1800

2000

-1

ラマンシフト(cm )図 6.3.2.9 カーボンナノチューブ電極のラマンスペクトル(7) おわりに
フェムト秒レーザアブレーションによるカーボンナノチューブの起毛状態はナノ秒レーザ法やその他の方法では得られなかったものであり、新しい固体表面のナノ構造制御技術の可能性を示唆するものである。今後、フェムト秒レーザによるアブレーション過程の物理機構が解明されれば、材料の組成、構造、サイズを制御することで、材料の持つ電気・熱伝導性、磁性、誘電性、光物性、超伝導性の機能性を自在に操り、新規材料を機能的に制御・創成するような新たな高付加価値加工の分野が切り開かれるものと期待している。
（橋田 昌樹）参考文献(1) 藤田雅之、橋田昌樹:応用物理 73(2004)178.
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Digest of Technical papers 2004 , pp. 928-931.
(9) 奥田荘一郎：工業材料、pp38-41（日刊工業出版プロダクション発行、2004 年 4 月号）.
(10) J. S. Suh, K. S. Jeon, J. S. Lee, I. Han: Appl. Phys. Lett. 80(2002)2392.
(11) R. Gomer: Field Emission and Field Ionization (Harvard University Press, Cambridge,1961).
(12) A. M. Rao, E. Richter, S. Bandow, P. Chase, P. C. Eklund, K. A. Williams, S. Fang, K. R. Subbaswam,M.
Meon, A. Thess, R. E. Smalley, G. Dresselhaus and M. S. Dresselhaus: Science 275(1997) 187.
(13) A. Jorio, R. Saito, J. H. Hafner, C. M. Lieber, M. Hunter, T. MaClure, G. Dresselhaus and M. S.
Dressellhaus: Phys. Rev. Lett. 86( 2001) 1118.

－375－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

6.4 計測技術
6.4.1 光を測る計測技術
光を記述するパラメータには、振幅やエネルギー、周波数や波長、位相、偏光状態、また、それらの時間変化などがある。光情報通信、レーザ加工、精密計測・分析、ディスプレイなど様々な分野で光そのものの精密な評価が必要とされており、その基準になるものが標準である。本稿では、光を測る計測技術について、標準関連の最近の動向について紹介する。

(1) 光周波数
精密な光周波数は精密分光や光情報通信分野で必要とされる。また、よく知られているように、SI 単位系
で長さの単位｢メートル｣の定義は、現在｢1 メートルは 1 秒の 299 792 458 分の 1 の時間に光が真空中を伝わる行程の長さである。｣となっている 1)。レーザ干渉計などを用いて長さを測定する場合に、基準となるのは波長λであるが、この波長をメートルの定義に忠実に決定するには、光源レーザの光周波数 f を測定し、光速度 c を介して

λ=c/f

(1)

から真空波長を求め、長さに換算する必要がある。しかし、レーザの周波数は数百 THz であり、このような高周波数を直接測定できる装置はない。一般的には、国際度量衡委員会（CIPM）で勧告されている放射リスト 1)を利用している。この放射リストには、複数の安定化レーザの周波数とその不確かさが記されており、周波数安定化技術の進歩や技術動向に合わせて改訂されている。このリストの中の標準レーザと、被測定レーザとのビート周波数を測定することにより、被測定レーザの光周波数を測定している。
この放射リストの中で最もよく利用されているのは、633 nm よう素安定化 He-Ne レーザ（放射リストに示された光周波数の標準不確かさは 2.1×10-11）であり、多くの国で長さ標準として利用されている。最近では、532 nm よう素安定化 Nd:YAG レーザ（第二高調波、光周波数の標準不確かさは 8.9×10-12）2)の標準供給も開始されており、複数の波長安定化レーザが使用できることは、絶対測長などの応用面から非常に便利である。また、WDM システムなどでの光周波数の管理に重要な通信帯の光周波数標準として、1.5 µm ア
セチレン安定化レーザ（光周波数の不確かさ 5.2×10-10）も開発され 3)、2001 年に放射リストに加えられた
1)。これは、通信帯域の光であるため、光ファイバを介して低損失で光周波数標準を伝送し、遠隔校正に使用できる可能性もある。
光周波数測定において最近の大きなトピックは、光周波数コム技術の進展に伴い絶対光周波数測定が可能になったことである。米国 JILA の John L. Hall 氏と独国マックスプランク研究所 Theodor W. Hänsch 氏が、光周波数コム技術に関連して 2005 年のノーベル物理学賞を受賞されたことは記憶に新しい。
光周波数コム（単に光コムとも言う）とは、周波数軸上に等間隔に並んだ成分（モード）からなるスペク
トル形状を持つ光のことである。この形状が櫛の歯に似ていることから光コム（Comb）と呼ぶ。光共振器
中で光に位相変調を加えたり 4)、モード同期パルスレーザ 5)により光コムを発生させることができる。それ
ぞれのモードに注目すると、それは連続発振レーザと考えられる。光コムはモードの数だけの連続発振レー
ザが位相同期して動作している状態と等価である。位相変調周波数、あるいはモード同期レーザの繰り返し
周波数がモード間隔となり、これはマイクロ波領域であるため容易に周波数標準からつなげて 10-15 のオーダーで制御することが可能である。

－376－
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モード同期レーザで発生した光コムをフォトニック結晶ファイバに入射させると、非線形効果によりスペクトル幅が 1 オクターブ以上に広がった光コムを作り出すことができる。光コムのスペクトル幅が 1 オクターブ以上に広がると光周波数の絶対値測定が可能となる。図 6.4.1.1 に、1 オクターブ以上に広がっている光
コムのモードを示す。仮想的にモードを周波数ゼロの近傍まで伸ばすと、完全にゼロにはならず、ある周波数 f0 のオフセットを持つ。ここから数えて n 番目のモードの周波数 fn は、

fn=nfr+ f0(2)で表される。当初は fr は正確に測定できるが、f0 の測定は困難であったため、絶対周波数 fn を知ることが難しかった。しかし、光コムが 1 オクターブ以上広がっていると、n 番目のモードの二次高調波と 2n 番目のモードのビート測定を行うことができる。このビート周波数は2fn- f2n = 2nfr+2 f0-(2nfr+ f0) = f0

(3)となり、オフセット周波数 f0 を測定することができる。このオフセット周波数 f0 と繰り返し周波数 fr を周波数標準につながる基準周波数に等しくなるように制御することにより、光コムは、安定で精密な周波数軸のものさしとして使うことができ、光周波数の絶対値を精密に測定することが可能となった。産業技術総合研
究所は、光コムの研究が行われ始めた当初から世界のトップグループに位置し、2005 年から光コムを用いた
絶対光周波数の標準供給を開始している。現在の校正不確かさは 10-13 のオーダーで、これは、基準周波数信号とその安定度による不確かさが大きい。また、ファイバレーザ、ファイバ増幅器、高非線形ファイバで 1
オクターブを超える光コムを発生し、ファイバカップラ―を利用した fr, f0 測定システムと被測定レーザとのビート測定システムを構築した、長期安定度に優れたターンキー光周波数計測システムも開発されており 6)、
コンパクトな光周波数測定システムの見通しも得られている。

I(f)

n番目

2n番目

fr

f0

2nfr + f0

nfr + f0×2

f2(nfr + f0 )ビート周波数f0

図6.4.1.1 1オクターブ広がった光周波数コム(2) 放射量
放射量とは、光学的放射によるエネルギーの放出や伝播に関わる量で、その基本的な量は放射束である。
放射束に時間的、空間的量を組み合わせて放射エネルギー、放射強度、放射輝度、放射発散度、放射照度などが定義される。放射量の一部の定義を表 6.4.1.1 に示す。レーザ加工やリソグラフィ、光通信など、産業界の多くの分野で放射量の精密な計測が必要とされる。

－377－
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表6.4.1.1 主な放射量と測光量

放射量

定義

単位

対応する測光量

単位

放射束

単位時間あたりの光の量

ワット
[W]

光束

ルーメン
[lm]

放射エネルギー

放射束の時間積分量

ジュール
[J]

光量

ルーメン秒
[lm・s]

放射強度

放射束の立体角密度

光度

カンデラ
[cd]

ワット毎
ステラジアン[W/sr](a) レーザパワー
レーザパワーの標準は、
従来は波長 633 nm の He-Ne レーザの 10 mW レベルの供給のみを行っていたが、2004 年 4 月から波長 488, 515 nm の Ar レーザの 10 mW から 200 mW、波長 1550 nm の半導体レーザの50 µW から 1 mW の供給が開始されるとともに、波長 633 nm の He-Ne レーザも 50 µW から 10 mW と範囲が拡大された 7)。レーザパワーの絶対値測定には、高精度で絶対値校正が可能なカロリメータを特定標準器として使用している。カロリメータは、レーザを吸収体に照射してレーザパワーを熱に変換し、吸収体の温度上昇を測定する。吸収体のエネルギー感度は、ヒータを組み込んで電気的なエネルギーを入力することにより求められ、直流電力にトレーサブルな標準を実現できる。
現在は、パワー範囲と波長領域のさらなる拡大が図られており、特にレーザ加工で重要な高出力レーザパ
ワーの標準の確立が進められている。産業技術総合研究所では、高パワー測定用に、光減衰器（高反射コー
トを施したビームスプリッタ）と電子冷却による等温制御カロリメータを組み合わせた校正システムを開発している 8)。図 6.4.1.2 に、10 W レベル用の等温制御カロリメータの構造を示す 9)。吸収ディスクの表面には、測定波長に対応した黒化処理を施し、裏面には校正用のヒータを取り付けてある。内面を黒化処理した円筒で覆い、ディスクを傾けて設置することにより、吸収ディスク表面での反射光も利用する。これら吸収ユニットをサーモモジュールをはさんで放熱ブロックと温度基準ジャケットに接続する。中央のサーモモジ
ュールはペルチェ効果を利用して吸収ユニットを冷却し、周囲のサーモモジュールはゼーベック効果を利用
して、吸収ユニットと温度基準ジャケットとの温度差を検出する。あらかじめ吸収ユニット温度がジャケッ
ト温度より低くなるように冷却モジュールに供給する電流を設定する。この時の温度差を検出し、ヒータにフィードバックして、吸収ユニットとジャケットが等温になるように制御する。レーザの照射時と非照射時のヒータ電力の差がレーザパワーとなる。高出力レーザパワーの測定のためには、特に冷却モジュールの放熱を安定に行うように、強制的な放熱機構が設けられている。実際には、同一熱特性を持つ二種類の受光部を備えており、一方を熱負荷、他方を補償用として作動接続することで外乱の影響を排除して高精度化を図
っている。

－378－
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レーザビーム
吸収ディスク吸収ユニットヒータ
サーモモジュール
（温度差検出用）
サーモモジュール
（冷却用）

断熱リング

温度基準ジャケット
放熱ブロック

冷却水

図6.4.1.2 カロリメータの構造(b) レーザパルスエネルギー
連続発振レーザの性能を表すには、平均パワーがよく用いられるが、パルスレーザの場合は、一パルスあたりのエネルギー、ピークパワー値、あるいは平均パワーなどが性能指標として用いられている。パルスレーザは金属加工、溶接、医療用レーザメスなど広い分野で利用され、そのエネルギーの精密評価の必要性が高まっている。
絶対エネルギー測定用に、カロリメータを使用した計測技術が開発されている。パルスレーザはカロリメータ内部で吸収体に入射し、吸収体の温度上昇が検出される。開発されたカロリメータ 10)は、厚さ 0.2 mmの無酸素銅製薄板で形成されたキャビティ型吸収体を使用し、熱容量を小さくして検出感度を向上させている。また、温度は BiTe 半導体熱電素子で電圧信号に変換して測定することにより、世界最高レベルの高感度測定が行える。平成 17 年より、Nd:YAG 1.064 mm、パルス幅 10 ns、エネルギー10 mJ のシングルパル
スレーザを対象に標準供給が開始されている。相対拡張不確かさは 1.6 % (k =2)である。

(3) 測光量
光放射エネルギーに対して純粋な物理量として測定される量が放射量であるのに対し、光放射が人間の視覚に与える影響を考慮した分光視感効率 V(λ)を加えたものが測光量である。測光量の基本的な量は、放射量のそれらと対応し、光束、光量、光度、輝度、光束発散度、照度などがある。光度は 7 つの SI 基本単位の一つであり、その単位「カンデラ」は、｢1 カンデラは、周波数 540×1012 Hz 単色放射を放出し、所定の方向におけるその放射強度が 1/683 ワット毎ステラジアンである光源の、その方向における光度である｣と定義されている。この定義により、測光量は放射量やヘルツといった物理量で定義されることになった。周波数 540×1012 Hz（波長約 555 nm）以外の周波数成分を持つ光源の光度を求めるため、V(λ)が国際照明委員
会（CIE）によって定められている。現状は、V(λ)を実現するフィルターを併用した受光器を用いて光度を実現している。しかし、V(λ)を併用した受光器の分光応答度の値付けの不確かさや、V(λ)フィルターの温度変動による不確かさが高精度化への障害となる。
測光の分野では、発光ダイオード（LED）や有機 EL など、新しい光源への対応が求められてきている。

LED は高エネルギー効率、長寿命などの特長を持ち、次世代光源として、照明、ディスプレイ等の分野で応－379－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
用が進んでいる。しかし、従来の照明用光源と比較すると、配光特性や分光分布が標準電球と大きく異なる
ため、測光時に固有の問題が生じる。
まず、LED の配光特性は指向性が強い上に、構造によって決定される構造軸と LED 配光パターンの中心である光学軸が一致せず、測定時の配置条件の影響を受けやすい。そのため、産業技術総合研究所では、図6.4.1.3 に示すように、LED 回転機構部と V(λ)受光器からなる全光束測定装置を開発している 11,12)。鉛直、
水平方向に LED を回転することにより、全空間の LED の光束を測定する。これにアライメント用の光学系を設けて LED の回転中心と受光器との位置合わせを精密に行っている。

切替
アライメント光学系
LED

V(λ)受光器
水平回転
鉛直回転

全光束用

平均化LED光度用

自動移動ステージ
図6.4.1.3 LED光度・全光束測定装置

分光分布に関しては、複数のフィルターを使用して V(λ)を実現しているが完全に正確には実現できないた
め、プランクの放射則から外れた分光分布を持つ LED のような光源の場合、その分光分布を正確に求めて補正する必要がある。そのため、LED 相対分光測定装置が開発されている。これは、ミニ配光ステージと積分球を備えた入射光学系、分光器から構成されており、任意の角度の分光分布を高感度、高分解能で測定できるようになっている。
（平井 亜紀子）

参考文献(1) T.J. Quinn: "Practical realization of the definition of the metre, including recommended radiationsof other optical frequency standards (2001)," Metrologia, 40, (2003) 103-133.
(2) F.-L. Hong, J. Ishikawa, Y. Zhang, R. Guo,A. Onae and H. Matsumoto: "Frequency reproducibilityof an iodine-stabilized Nd:YAG laser at 532 nm," Opt. Commun. 235 (2004) 377-385.
(3) A. Onae, K. Okumura, K. Sugiyama, F.-L. Hong, H. Matsumoto, K. Nakagawa, R. Felder, O. Acef:
Proceedings of the 6th Symposium on Frequency Standards and Metrology (on 9-14 September
2001, at St Andrews), 445－452, (2002), World Scientific ISBN 981-02-4911-X.
(4) M. Kourogi, K. Nakagawa and M. Ohtsu: "Wide-span optical frequency comb generator for accurate
optical frequency difference measurement," IEEE J. Quantum. Electron. 29, 10 (1993) 2693-2701.
(5) Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth and T.W. Hänsch: "Absolute optical frequency measurement of－380－
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the Cesium D1 line with a mode-locked laser," Phy. Rev. Lett. 82, 18 (1999) 3568-3571.
(6) T.R. Schibli, K. Minoshima, F.-L. Hong, H. Inaba, A. Onae, and H. Matsumoto: "Frequency
metrology with a turnkey all-fiber system," Opt. Lett., 29, 21 (2004) 2467-2469.
(7) 遠藤道幸:"レーザパワーの標準供給," AIST Today, 4, 9 (2004) 27.
(8) 遠藤道幸:"高出力レーザパワー標準の開発," AIST Today, 4, 1 (2004) 17.
(9) M. Endo and T. Inoue: "A double calorimeter for 10-W level laser power measurements," IEEE
Trans. Instrumentation and Measurement, 54, 2 (2005) 688-691.
(10) D. Fukuda, S. Kimura, and M. Endo: "Absolute energy reference calorimeter with bismuth
telluride thermocouples for laser energy standard," Rev. Sci. Instrum. 76, 11 (2005) 113107-113113.
(11) 神門賢二、市野善朗、齋藤輝文、蔀洋司、座間達也、齊藤一朗: "発光ダイオードの光度・全光束測定に関する研究", 平成 17 年度照明学会全国大会講演論文集、p. 261（2005）.

(12) K.Godo, T.Saito, H.Shitomi, T.Zama, and I.Saito,”Development of a total luminous flux measurement facility for LEDs at the National Metrology Institute of Japan”, Proceedings of the 9thInternational Conference on New Developments and Application in Optical Radiometry, p199
(2005).

6.4.2 光ファイバセンサの最近の進展(1) はじめに光ファイバセンシングは、光ファイバの性質を活かしたコンパクトで高精度な計測手法として、様々な計測分野に導入されている。特に最近では、スマートストラクチャや環境計測に関連した検討が注目されており、光ファイバグレ
ーティングを応用した多点型センサや、ファイバ内の散乱光を利用した分布型センサの研究が盛んになっている。これらの分野について、論文誌、国際会議等の報告を中心に、最近の進展を述べる。

(2) ファイバグレーティングセンサ
光ファイバグレーティングは、長手方向に周期的な屈折率分布(グレーティング)を付与した光ファイバで、

Bragg 回折を利用した短周期光ファイバグレーティング(FBG)と、導波モードとクラッドモードの結合を利用した長周期グレーティング(LPFG)の 2 種類がある。周囲環境の変化によりグレーティング長や等価屈折率が変化すると、FBG では Bragg 反射波長が変化し、LPFG では透過損失ピーク波長が変化する。この現象を利用した様々な環境計測、特に温度、歪計測の研究が近年、極めて精力的に行われている。これらの研究の検討課題は、単体のセンサでは、温度、歪に対する感度の分離、測定精度の向上、歪みの絶対量だけでなく曲げ方向等も含めた計測といった高機能化等が挙げられる。また、実用システムとしての課題には、構造物にグレーティングセンサを埋め込む際の実装方法や、センサを一本の光ファイバ上に多点配置するための方法の検討等があり、その手法は多岐にわたる。
感度向上の一例として、FBG のパッケージングを工夫した報告がある 1)。この研究では、図 6.4.2.1 のようなアルミ製のロードセルを作製し、荷重に対する感度を 9.5 pm/N まで向上させている。更に、アクリル
樹脂のアームに FBG を固定し、温度変化による FBG の Bragg 反射波長の変化を樹脂の熱膨張(収縮)で打ち消すようにしており、FBG の温度係数が 13pm/K から－1.5pm/K まで抑圧されている。

－381－
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荷重

FBG

樹脂

図 6.4.2.1 温度補償と荷重感度向上のためのロードセル
温度と歪みの影響を分離し、一方のみの測定や両者の同時測定を行うには、複数の異なるファイバグレー
ティングを用いるのが一般的である。この手法では、同じ温度変化、歪変化に対して各ファイバグレーティングが示す異なる反射、透過スペクトルを解析し、温度や歪みを測定する。最近の例では、図 6.4.2.2 や図

6.4.2.3 のように、温度変化に対する感度が等しい FBG を 2 本用意し、一方はパッケージングにより歪みに対する感度を抑制した構成が報告されている 2, 3)。
図 6.4.2.2 の構成では、一方の FBG#1 が引っ張りの影響が無いよう、グラスチューブにパッケージングしてあり、FBG#1 の反射光が歪みシールドのない FBG#2 で更に反射される。温度による Bragg 波長の変化
は 2 本の FBG で等しいため、温度変化の影響は打ち消され、受光器で検出される反射光パワーは引っ張り
歪みのみに比例する。報告では、±0.4％の直線性、2µεの感度、±0.8%の温度安定性が確認されている 2)。
図 6.4.2.3 は、上記と同様に FBG#1 に振動シールドを施し、27 度から 75 度の範囲で温度変化の影響を補償した振動センサである 3)。ここでは、FBG#1 の反射スペクトル線幅は狭く、FBG#2 の反射スペクトルは比較的広FBG#1 の中心波長が FBG#2 の反射スペクトルの端に位置するようにしてあるため、振動が加わると FBG#2
い。

反射率の反射スペクトルが FBG#1 に対して相対的に変化し、反射光強度が変化するため、振動計測ができる。
歪みシールド

ASE

FBG#1
無反射処理

反射率

波長

PD

反射率

FBG#2

波長
波長

振動シールド

FBG#1

2

波長

3

FBG#2

1

光強度

4

透過率

ASE
PD

反射率

図 6.4.2.2 温度補償を行った歪み計測

波長
波長

図 6.4.2.3 温度補償を行った振動計測－382－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
一方、これらとは全く異なる手法で、歪みに対する感度を抑圧したグレーティングとして、フォトニック
結晶ファイバに CO2 レーザでグレーティングを書き込んだ LPFG が最近報告された 4)。この LPFG では、歪みに対する感度が抑圧され、温度に対しては 24 度から 992 度の広範囲に渡り、10.9 pm/度の感度が得られており、興味深い。
歪みのような 1 次元情報だけでなく、曲げとその方向などの 2 次元、3 次元的な情報を取得する工夫では、断面内の屈折率分布が不均一な LPFG を用いる手法が報告されている 5)。この研究では、LPFG 作製にあたり、CO2 レーザを一方のファイバ側面から照射し、照射面側から反対側にかけてファイバ断面内に屈折率勾配を与えている。こうして作製した 2 本の LPFG(LPFGA, LPFGB) と通常の UV レーザで作製した

LPFG(LPFGC)とを、図 6.4.2.4 のように、LPFGA と LPFGB が LPFGC を挟んで互いに軸が 45 度傾くように接続し、各 LPFG による合成透過スペクトルから曲げの方向と量を同時に計測している。
CO2レーザにより作製

UVレーザにより作製

LPFG A

LPFG CLPFG B

広帯域光源

光スペクトラム
アナライザ

各LPFGの断面屈折率分布

図 6.4.2.4 非対称な断面屈折率分布を有する LPFG による曲げと曲げ方向の同時測定
実際にファイバグレーティングを構造物に埋め込んだ報告として、グラスファイバの板に FBG を埋め込んだ例がある。この報告では、板の上面からの圧力が引っ張り歪みに変換されることを防ぐため、図 6.4.2.5のように、FBG を挟み込む層では FBG と平行にグラスファイバを配置し、上部の層ではグラスファイバの向きを FBG と直交させるなどの工夫がされている 6)。また、グレーティングを構造物に埋め込む際、一般に FBG や LPG のコーティングには柔軟な素材が使用されるが、最近の研究で、激しい振動があると柔軟な素材では発熱が生じ、測定誤差を引き起こすことが発表されている 7)。

図 6.4.2.5 構造物への FBG の埋め込み
ファイバグレーティングセンサを多点化する最も簡便な手法は、中心波長の異なるグレーティングをファ
イバ線路上に複数配置し、全体のスペクトルを観測することである。しかし、例えば通信波長 1.5µm 付近で－383－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）利用できる光源スペクトルは最大でも 100 nm 程度であり、配置できるグレーティングの数には限界がある。
そこで、分布型反射点計測技術や時分割多重技術等との併用が検討されている。一例として、中心波長の異なる 7 種のグレーティングを 8 本ずつ用い、合計 56 点で歪観測が可能なことをシミュレーションした報告がある 8)。また、分布型反射点計測技術の導入により、中心波長の等しいグレーティングのみで構成した多点型計測が報告されている 9)。

(3) 分布型光ファイバセンサ
光ファイバ線路上の温度分布、歪み分布等を連続的に計測可能な分布型光ファイバセンシングは、スマー
トストラクチャや環境計測に適した、光ファイバに特有のセンシングである。分布型光ファイバセンサも多種多様な方式が検討され続けている。分布型センサの主な検討課題は、計測距離範囲の拡大、空間分解能、計測精度の向上、計測時間の短縮等である。
最も古くから使われている分布型計測は、OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)で、パルス光を光ファイバに入射し、ファイバ中のレーリー散乱光やファイバ接続部、破断点の Fresnel 反射を計測する。これを土台にした技術として、Phase sensitive OTDR が最近報告された 10)。ここでは、線幅 3kHz でドリフトが極めて小さい光源を利用することで、ファイバ長の揺らぎに伴う光波の局所的な位相変化をπ/2 程度の分解能で検出できる。計測範囲は 10km と広範囲だが、分解能は 1km 程度である。
通常の OTDR はファイバの損失分布や反射点を検出するが、戻り光の偏波状態を測定できる構成にすれば、
光ファイバの複屈折分布を測定できる。これは、p-OTDR (Polarization-OTDR)と呼ばれ、数 km の範囲で0.5m 程度の分解能が達成されている 11)。
p-OTDR は側圧センサ等への応用が期待できる。
尚、
一般の p-OTDR
では、1m 前後を越える分解能の達成は難しいが、フォトンカウンティング OTDR を利用した複屈折計測では、10km の範囲で 15cm の空間分解能を達成している 12)。
分布型センサでは OTDR の他に、Raman 散乱を利用した温度センサの技術が確立している。また、歪みや温度の分布を計測する手法として、Brillouin 散乱を用いたセンシングが近年、特に注目を集めている。

Brillouin 散乱は温度と歪みの両方に感度があるため、両者の識別が課題の一つだが、温度変化と引っ張り変化とでは、散乱光パワーの変化に違いがあることが報告されている 13)。Brillouin 散乱を利用したセンシン
グの空間分解能は OTDR 同様、パルス幅が狭いほどよいが、一方で、パルス幅が狭くなるとスペクトルが広がるため、Brillouin 散乱が発生せず、歪に対する感度がなくなるという問題がある。この問題に対し、プローブ光として比較的短いパルスと長いパルスの 2 種類を使用し、短パルスでは高い空間分解能、長パルスでは高い歪み分解能を実現することが試みられている 14)。また、空間分解能をあげつつダイナミックレンジを2km の長さに対して 1m の分解能を達成した例もある 15)。
稼ぐため、時間軸上で近接するパルス対を使用し、その他、ポンプ、プローブともパルス光ではなく連続光を用い、それぞれに適当な周波数の正弦波で周波数変調をかける手法が提案され、良好な結果を出している 16)。この手法では、光ファイバ上の特定の位置での
みしか、定常的にポンプ光とプローブ光の周波数差が誘導 Brillouin 散乱を引き起こす条件を満たさない。
これにより、1cm の空間分解能を 57Hz のサンプリングレートで実現している他、ポンプ光とプローブ光に
時間ゲートをかけることで、250m の測定範囲で 8cm の分解能を達成している。表 6.4.2.1 に各システムの特性をまとめる。

－384－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 6.4.2.1 Brillouin 散乱を用いた歪計測の比較

長短 2 種類のプローブパルスを利用 14)
パルス対の利用

15)

ポンプとプローブの周波数変調 (時間ゲートの併用)16)

測定範囲

空間分解能

150cm

6cm

1.8km

1m

250m

8 cm

(4) まとめ
スマートストラクチャや環境計測に関連した研究を中心に、光ファイバセンシングの最近の動向をまとめた。ファイバセンサは、従来からの研究の蓄積を土台に、様々なアイディアの考案と検討が続いている。そして、各種光デバイスの進歩や新規デバイスの開発に支えられながら、ファイバセンサの性能は確実に向上しており、今後更なる発展が期待される。

(田中 洋介)参考文献(1) T. Matsumura, K. Nakamura and S. Ueha, “A load cell using an optical fiber Bragg grating with
inherent mechanical temperature compensation,” Proc. 15th Inter. Conf. on Optical Fiber Sensors,
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(9) K. Hotate, M. Enyama, S. Yamashita, Y. Nasu, “A multiplexing technique for fibre Bragg grating
sensors with the same reflection wavelength by the synthesis of optical coherence function,” Meas.

－385－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

Sci. Technol., vol.15, pp.148-153, 2004.
(10) J. C. Juarez, E. W. Maier, K. N. Choi, H. F. Taylor, “Distributed fiber-optic sensor system,” J.
Lightwave Technol., vol. 23, no. 6, pp. 2081-2087, 2005.
(11) A. Galtarossa, L. Palmieri, “Spatially resolved PMD measurements,” J. Lightwave Technol., vol. 22,
no.4, pp. 1103-1115, 2004.
(12) M. Wegmuller, F. Scholder, N. Gisin, “Photon-counting OTDR for local birefringence and fault
analysis in the metro environment,” J. Lightwave Technol., vol. 22, no. 2, pp. 390-400, 2004.
(13) M. Alahbabi, Y. T. Choi, T. P. Newson, “Comparison of the methods for discriminating temperature andstrain in spontaneous Brillouin-based distributed sensors,” Opt. Lett., vol.29, no.1, pp.26-28, 2004.
(14) S. Afshar V., X. Bao, L. Zou, L. Chen, “Brillouin spectral deconvolution method for centimeterspatial resolution and high-accuracy strain measurement in Brillouin sensors,” Opt. Lett., vol. 30,
no.7, pp. 705-707, 2005.
(15) S. B. Cho, J. J. Lee, I. B. Kwon, “Strain event detection using a double-pulse technique of a Brillouinscattering-based distributed optical fiber sensor,” Opt. Exp., vol. 12, no. 18, pp. 4339-4346, 2005.
(16) K. Hotate, “Correlation-based continuous-wave technique for optical fiber distributed strain
measurement using Brillouin scattering,” Proc. SPIE vol. 5855, 17th Inter. Conf. on Optical Fiber
Sensors, pp.62-67, 2005.

6.4.3 セキュリティのための光ファイバセンサ実用化動向(1) はじめに光ファイバを用いたセンシングはこれまでに多くの開発が進められてきた。特に光ファイバの長手方向の温度や歪みの情報を得ることができる分布型光ファイバセンサはこれまでのセンサでは知り得なかった連続的なデータを得ることができるという点で画期的であり、これにより、構造体に張り巡らされた光ファイバ
は神経網に見立てることが可能となる。
光ファイバセンサの特長は、
これまでのセンサに較べ、
ⅰ）
「線」
・
「面」
として「長距離」
・「広範囲」な分布計測が可能（大型構造物全体の“歪み”や“温度”のモニタ）、ⅱ）センサ（光ファイバ）への電力供給が不要（防爆）（石油・ガス施設などの引火性のある施設での使用）、ⅲ)雷・高圧線などの誘導による電磁ノイズの影響を受けない（無誘導性）（高圧線の温度管理、広域フェンスでの侵入検知）、ⅳ)高い絶縁耐力・耐腐食性・優れた機械強度・長寿命・軽量（対環境性に優れ、メンテナンスフリー）という特長を有している。しかし、現状では測定器・センサともにこれまでの電気式センサに比べ信頼性・価格でやや劣るため、適用事例としては広域での連続分布測定や多点測定の特長が生きる応用に限られていた。本節ではセキュリティや防災の観点から光ファイバセンサの実用化の動向をフォローする。

(2) 分布型・多点型（１点を含む）光ファイバセンシング技術 1)
上記の特長の中でも、ⅰ）ⅱ）の特長を生かし長いファイバをセンサとして用いるのが分布型センサである。分布型センサにはレイリー散乱光を検出し光ファイバの局所的な損失を検知する OTDR（Optical Time

Domain Reflectmeter）、ラマン散乱光を検出し温度測定が可能なラマン OTDR、ブリルアン散乱光を検出し歪みあるいは温度が測定可能なブリルアン OTDR がある。分布型センサは、長距離・面的なセンシングに－386－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
向いていることや距離分解能・測定時間の制限から、これまでは土木・建築関連の分野で主に実用化されてきた。最近は、防爆性の面からプラント関連の防災への応用としても注目されてきている。
一方、防犯・セキュリティの観点からすると、防犯検知のリアルタイム性は重要である。これまでの分布型センサは OTDR の原理を用いており、リアルタイム計測は不可能であった。従って、防犯用途には主に多点センサが用いられ、多点センサの多くは実用化に供されている。多点センサとしては、波長多重技術を用いた FBG（光ファイバブラググレーティング）が用いられることが多い。
しかし、多点センシングでは測定不能領域が多く、さらに、分布型センシングでも OTDR 法に立脚する限
りは、空間分解能は約 1m が限界となりパルスを積算するために測定時間は数分もかかっている。従って、より高分解能で高速な分布量センシング技術が求められており、最近、連続光の相関を制御することで分布量センシングを可能とする原理が提案され、研究が進展している２）。
図 6.4.3.1 に分布型・多点型光ファイバセンシング技術の原理を示す。

分布型光ファイバセンシング
分布型光ファイバセンシング（多）点型光ファイバセンシング
多点型光ファイバセンシング

光源

光源

カプラ

センサ光ファイバ

連続分布 レイリー後方散乱光
連続分布情報情報

ラマン散乱光ブリルアン散乱光

受光素子 ー信号処理（方式）
OTDR／ROTDR／
BOTDR／OFDR／
BOCDA

センサ

カプラ

（透過法の場合）
光パワー
メータ

点情報

例えばλ1

λ２
λ３
光ファイバ
（方式）
FBG（光ﾌｧｲﾊﾞﾌﾞﾗｸﾞｸﾞﾚｰﾃｨﾝｸﾞ)／
損失／偏波／スペックル

受光素子ー信号処理

図 6.4.3.1 分布型・多点型光ファイバセンシング技術２）(3) 実用化事例
実用化されている分布型センサには、上記で述べたように、ラマン OTDR とブリルアン OTDR がある。
ラマン散乱はその強度が温度依存性を持ち、ブリルアン散乱の周波数シフト量は光ファイバの伸縮歪みで変化する。これら分布型センサはすでに、高速道路トンネルの火災位置モニタ・堤防決壊予知システム等での実施例が多く報告されている。表 6.4.3.1 に分布型センサの実用例を示す。
表 6.4.3.1 分布型センサの実用例
検出原理

概要

実用例

ラマンOTDR

ラマン散乱光にはストー
クス光と反ストークス光があり、２成分の強度比
は光ファイバの温度と相関がある。この強度比を求めることにより温度を検出することが出来る

LNG・石油タンク監視
パイプライン監視
路面凍結モニタリング
トンネル・ビル火災検知
石炭輸送コンベア火災検知など

3)4)5)

ブリルアン散乱の周波数
シフト量は光ファイバの伸縮歪みで変化する。この周波数シフト量を測定することにより歪みを検出することができる

土砂崩れ／地滑り検知
石油プラントの
設備損傷検知など

5)6)7)

光パルス
ラマン散乱光方向性結合器
光源

被測定光ファイバ
（センサファイバ）

フィルタ

処理部

O/E

ストークス光アンチストークス光

O/E

温度
｢℃」

参考文献

距離［ｍ］

ブリルアンOTDR
光パルス

ブリルアン
散乱光

BOTDR

歪み（温度）

後方ブリルアン散乱光強度

距離 L1～L2
歪み（温度）変化発生

εa

εb

εb
εa

εa
距離
光ファイバ

し
無
L1
み
歪

り
あ
み
歪L

し
無
み 距離
歪

2

νｂ2
νｂ1
リル
ブ

波
ン周
ア

シフ
数

ト

－387－
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表 6.4.3.2 多点型センサの実用例
検出原理

概要

実用例

参考文献

グレーティング波長の変化

FBG（Fiber Bragg
Grating）に加わる歪みの変化による反射波長の変化で検知を行う

敷地境界線外周囲（フェンス）の侵入検知
空港施設
人工衛星・ロケット打上場
軍基地
無線中継所および
レーダ基地
原子力発電所
高圧変電所
鉄道沿線防護柵
浄水場
刑務所
銀行・倉庫
VIPの邸宅など

5)8)9)

クラッド部

コア部

透過光

反射光
入射光

周期的な屈折率変化（グレーティング）

損失の変化（応力検知）(OTDR法)
OTDR

振動・圧力

（透過法）

・

光ファイバに加わる曲げ応力による損失の変化を計測し検知する（点センサ（透過法）
であるが、OTDR法により多点センシングが可能）

パワー測定

スペックルパターンの変化
振動・圧力

スペックルパターン

・

・
・

偏波変動
パワー比
測定

振動・圧力

光ファイバ中を多モードで伝搬する光のパターン変化で検知を行う

光ファイバ中を伝搬する光の偏光状態の変化で検知を行う

5)10)

11)

12)13)

・

一方、実用化されている多点センサとしては、ⅰ）グレーティング波長の変化を検出原理とする FBG 方式、ⅱ）損失の変化を検知するもの、ⅲ）スペックルパターンの変化をとらえる方式、ⅳ）偏波変動を検知するもの、などが実用化されている。ⅰ）は感度がよく、また多点化が可能なため多くの応用で実用化されているが、ⅱ）～ⅳ）については、ほとんどが敷地境界線外周囲（フェンス）の侵入検知として実用に供されている。ⅱ）の損失変化（主には応力検知）には透過パワーの変化を検出する方式（点センサ）と OTDR
法（多点センサ）がある。また、多点センサであることから測定不能領域が存在するため、監視カメラを併用したり、風による誤動作を防ぐために風力計との併用等が行われている。表 6.4.3.2 に多点型センサの実用事例を示す。

(4) おわりにこれまで多くの光ファイバセンサが提案されてきたが、従来型のセンサとの差別化が十分でなかったり新
たな適用分野の発掘が遅れているため、限られた範囲での実用化にとどまってきた。今後、高速・高分解能での連続分布センシングの技術開発等に伴い、大型構造物のみでなくプラントや侵入センサ等へのセキュリ
ティ・防災分野への拡大が期待される。
（足立 正二）参考文献(1) 光産業の将来ビジョン-ボーダレス化の中での進化と展開－,（財）光産業技術振興協会,2004FY－001－
1, PP171.
(2) 保立:”光相関領域解析法による高機能光ファイバ神経網技術,”光技術コンタクト（日本オプトメカトロニ
クス協会）,Vol.42,No.2,pp.84-91,Feb.2004.

－388－
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(3) http://www.jpowers.co.jp/pdf/OPthermo.pdf(4) http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/aq8920/(5) http://www.nttinf.co.jp/service/fiber.html(6) 藤橋 , 上原 , 奥津 , 小松 :” 光ファイバセンシング技術を活用した道路災害モニタリングシステムの開発, ”NTT 技術ジャーナル,Vol.15,No.10,pp38-40,2003.

(7) http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/aq8603/(8) http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2005/0215-c.htm(9) http://www.yokogawa.co.jp/tm/Bu/fb200/(10) http://www.inter-action.co.jp/seihin/fs.htm(11) http://www.jacom.com/hikari.htm(12) http://www.senstarstellar.com/Main.cfm?URLPage=Products&URLSubPage=4(13) http://www.beisecurity.com/fibersensor.html

6.4.4 原子波光源としてのレーザ冷却技術(1) はじめに中性原子の重心運動が粒子性に加えて波の性質も持つであろうことは前期量子論の時代から予測されており実験的にも 1929 年には既に検証されていた。しかしこのいわゆるドブロイ波の波長は室温で熱平衡状態にある原子では 10pm のオーダーであり、温度を下げても温度の平方根の逆数でしか長くならないため液体
ヘリウム温度 4.2K でやっと 100pm 程度ときわめて短い。このため原子の波動性の産業的応用が検討される
ことは長らくなかったが、1980 年代に入ってレーザ冷却技術が発明され発展するに従って mK を切るような極低温原子集団が比較的容易に得られるようになりそのドブロイ波長が可視光の波長に近いものとなると状況は一変した。

(2) 産業への応用
原子波の産業への応用の主だったものとしては高感度加速度・角加速度センサと原子線リソグラフィーがある。前者のうち角加速度センサは、一般にマッハ･ツェンダー型干渉計を台ごと回転させると右回りと左回りの経路長に差が生じ干渉縞が変化する（サニャック効果）のでこれを観測することにより回転を検出できるが(図 6.4.4.1)、これを原子波に適用するのである（光の場合光ファイバージャイロスコープとして実用化されている）。干渉縞の変化（本数）はおおよそ波が入ってから出て行くまでの時間に回転により生じた出口の移動距離を波長で割ったものであるから波の伝播速度が遅いほど、波長が短いほど高感度なセンサとなる。
実際同一面積の干渉計における干渉縞の変化を原子と光とで比較すると簡単な計算により変化の比は原子の静止エネルギー mc を光子一つのエネルギー hω で割ったものとなり、これは光が可視光として 1010 程度と2

とてつもなく大きな値となる。また原子干渉計の加速度センサへの応用ではさらに有利になりすでに資源探査目的の地球規模での重力加速度マップの作成プロジェクトなどで実際に使われている 1)。

－389－
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図 6.4.4.1 マッハツェンダー型干渉計におけるサニャック効果
原子線のリソグラフィーへの応用は、原子波が短い波長を持つことから従来の光によるリソグラフィーの
解像度限界を超えるものとして期待されている。手法としては収束原子ビームを走査して描画する方法とホ
ログラフィックな原子波面操作により単一露光で描画を完了させる方法（原子線ホログラフィー）が試みられている 2,3)。現状の技術的問題点としては第一に中性原子に対して凸レンズとして作用する光学系を作ることが困難であることが挙げられる。これは静電場・静磁場による軸対称な光学系が基底状態にある中性原子に対して常に凹レンズとして働くためである（荷電粒子に対しては逆に必ず凸レンズになる）。このため中性原子の結像系としてはレーザ光による双極子力を用いるか、原子を磁気副準位中のエネルギー的に高い状態に準備して６重極磁場により結像するのが一般的である。前者の方法では原子を光の定在波に通すと 10nm程度のスポットサイズが得られるが、スポットが光の波長程度の間隔で周期的に現れてしまうのが難点である 4)。もう一つの問題点は原子源の強度がレーザ光と比べて原子数・光子数の比較で桁違いに弱いことである。このため例えば原子線ホログラフィーでの“露光”時間はかなり簡単なパターンの再生でも最低 10 分程度は必要である。現在の原子波源はレーザ冷却された原子を用いる場合でもさらに冷やしてボース・アイ
ンシュタイン凝縮した原子集団を用いる場合でも“点”原子源であり、原子間の相互作用が高密度化を妨げている。従って完全にコヒーレントでかつ究極的な強度をもつ原子源を得るためには広がった空間でコヒーレンスを発生させるようなからくりを考える必要があろう。

(3) レーザ冷却法
以下ではレーザ光を用いて室温原子を減速、mK 程度以下に冷却し捕捉（トラップ）する方法を説明する
5)。これは既に確立された標準的技術であり、レーザの扱いにある程度習熟した者であれば大きな困難なく実現できると思われ応用の範囲も広い。
レーザ冷却は原子（質量 m ）が光子（角振動数 ω ）を吸収・放出する際に光子の運動量分の反跳を受ける
ことを利用している。光子一個分の反跳速度hωは数 cm/s なので室温原子を停止させるためには 1 万回程
mc

度吸収・放出を繰り返す必要がある。そこで原子の閉じた 2 準位間の遷移（例えばアルカリ原子の D2 線）が使われる。共鳴光を一方向からあてられた原子は吸収時に光の方向に、誘導放出時には逆方向に反跳を受けるが一方原子が光子を自然放出するときの向きは点対称なので原子が受ける反跳の平均値は 0 となる（図6.4.4.2）。従って原子が受ける速度変化の平均値は共鳴光の方向に（［吸収の回数］－［誘導放出の回数］
）
×

hω
hω
＝［自然放出の回数］×となる。単位時間当たりの自然放出の回数は上準位の寿命を τ とすると
mc
mc

［上準位にいる確率］/ τ であり、上準位にいる確率は最大で 1/2（飽和光強度に比べて十分強い光があたっている場合）なので原子が受ける加速度の最大値は a max =

hω 1
である。
mc 2τ

－390－
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このように原子の運動方向に対向して共鳴光をあてると原子は減速していくが、減速するに従い原子から見た光の波長がドップラー効果により変化するのでやがて原子は光と共鳴しなくなる。これを回避するために位置によって変化する磁場を加え磁場による 1 次のゼーマンシフトがドップラーシフトを補償する方法がゼーマン同調法である。 − z 方向に飛行し一定加速度 a で減速する原子の位置と速度の関係は速度が 0 になる
点を座標の原点にとると v =2az であり、ドップラーシフトは速度に、一次のゼーマンシフトは磁場に比例するので結局軸方向に z に比例する磁場を加えればよい(図 6.4.4.3）。このときの設計加速度 a は安全を見込んで a max の半分程度に設定する。

図 6.4.4.2 光子の吸収・放出

図 6.4.4.3 ゼーマン同調法による原子の減速

この方法で 10m/s 程度にまで減速しておいた原子をドップラー冷却法と呼ばれる方法によりさらに冷却する。左右に運動する原子に共鳴より少し（自然幅程度）周波数の低いレーザ光をやはり左右からあてる。例
えば右に運動する原子はドップラーシフトにより右から来る光の周波数を高く（従って共鳴に近く）、左から来る光は逆に低く（共鳴から遠く）感じるので原子は主に右からの光を吸収し減速される。同様に左に運動している原子もやはり減速されるので、原子は冷却されほぼ停止する。以上は 1 次元の場合であるが 3 次元
的に冷却を行なうには光を xyz 軸の±方向の合計 6 本入れればよい。
このようにして冷却された原子はほぼ静止しているが停止位置は決まっていないのでそのうち拡散により逃げていく。そこでドップラー冷却すると同時に空間のある 1 点への復元力を持たせたのが磁気光学トラップである。詳細は省くが、磁場が存在するとき σ+円偏光（右ネジ）が誘起する遷移の周波数は磁場と光が平。そこで反ヘルムホルツ
行のときに周波数が高く、反平行のときは周波数が低くなる（σ-円偏光の場合は逆）コイルにより四重極磁場を発生させコイルの軸方向から σ+偏光、軸に垂直な面内の方向から σ-偏光の共鳴より周波数を少し低く離調した光を入射すると原子を冷却すると同時に磁場の零点にトラップすることができ。図 6.4.4.5 は磁気光学トラップにより捕捉されたカルシウム原子が発する蛍光の様子で、原る（図 6.4.4.4）
子が出てくるオーブンとゼーマン同調コイルは写真の下方にある（写真に写っているコイルは反ヘルムホルツコイル対）6)。
（森永 実）

図 6.4.4.4 磁気光学トラップ

図 6.4.4.5 カルシウム原子の磁気光学トラップ－391－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

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Science 262 (1993) 877(5) 久我隆弘 ： “レーザ冷却とボーズ凝縮” 岩波講座物理の世界 岩波書店 (2002)(6) T. Kurosu, F. Shimizu : “Laser Cooling and Trapping of Calcium and Strontium” Jpn. J. Appl. Phys.
29 (1990) L2127

6.4.5 レーザ冷却技術と応用(1) レーザ冷却の研究経過
レーザ冷却とは、レーザによって原子などの温度、つまりは運動の乱雑さを低くできる技術である。レー
ザ光が原子に及ぼす力は散乱力と双極子力にわけることができるが、散乱力こそがレーザ冷却の源である。
散乱力は輻射圧とも呼ばれ、レーザ光を吸収・放出する際に原子の運動量変化を引き起こす撃力である。表6.4.5.1 に種々の原子のレーザ冷却波長を示す。原理的にはどの原子に対してもレーザ冷却を行うことが可能であるが、実験的な制約から、（１）光の吸収放出（冷却）サイクルが速い、（２）冷却サイクルが閉じているか、少数のレーザで閉じることができる、（３）原子の鋭い共鳴線に波長が一致した単一周波数で連続発振するレーザが存在する場合、実現性が高い。
表 6.4.5.1 種々の原子のレーザ冷却波長
1-2種類のレーザでレーザクーリングできる原子
原子番号

原子

2
3
4
5
8
9
10
11
12
13
14
18
19
20
28
29
31
32
36
37
38
46
47
49
50
54
55
70
78
79
80

He*
Li
Be
B
O*
F*
Ne*
Na
Mg
Al
Si*
Ar*
K
Ca
Ni*
Cu
Ga
Ge*
Kr*
Rb
Sr
Pd*
Ag
In
Sn*
Xe*
Cs
Yb
Pt*
Au
Hg

レーザクーリング波長 (nm)
1
1083
670.8
243.9
249.7
777.5
685.6
640.2
589.0
285.2
349.4
252.4
811.5
766.5
422.7
351.0
327.4
403.3
271.0
811.3
780.0
460.7
357.1
328.1
410.2
303.4
881.9
852.1
398.8
304.3
267.6
253.7

2

249.8

396.2

691.5
578.2
417.2

451.1

853.5
627.8

*励起状態

－392－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
そもそも中性原子のレーザ冷却は、1975 年に T. Hänsch と A. Schawlow が提唱した 1)。1980 年には V.

Balykin らが Na D 線に共鳴したレーザ光による Na 原子の 1 次元レーザ冷却を実現し 2)、1982 年には W.
Phillips らがドップラー掃引法により室温原子線を 1K まで減速することに成功し 3)、1985 年には S. Chu
らが 3 次元的な定在波で冷却することによってモラセスと呼ばれる 240µK の極低温原子気体を得ることに成功した 4)。
このレーザ冷却技術の飛躍的な進展により、1.1µK という他の方法では到達困難な極低温の原子状態を作り出すまでに至り、 1995 年には中性原子におけるボース・アインシュタイン凝縮（ Bose-Einstein

Condensation : BEC）が 87Rb で初めて観測され 5)、続いて Na6)、Li7)、H8)で観測された。BEC は 1925 年に A. Einstein が予言したもので、理想ボース気体において最低エネルギー準位を占める粒子数がある温度以下で巨視的な大きさになる現象のことで、原子波レーザの源でもある。また工学的な観点から、レーザ冷却技術を利用した原子リソグラフィー、原子ホログラフィなど、ユニークなナノプロセッシングのポテンシ
ャルにも注目が集まっている。

(2) 原子リソグラフィー
高輝度な原子ビームを用いると、光の波長よりも桁違いに微細な構造を直接堆積する原子リソグラフィーが可能になる。1992 年に G. Timp らは、Na 原子をアレイ状に堆積して、シリコン基板上に回折格子を形成形成した回折格子の面積は約 0.2cm2 で、ピッチが 29４±0.3nm
し、原子リソグラフィーを初めて実証した 9)。
である。この実験ではナトリウム原子の操作と集束が 2 段階で行われた。オーブンから噴出した Na 原子ビ（3s 2S1/2, F=2）->（3p 2S3/2, F=3）遷移よりもわずかに低い周波数で安定化さームを、589nm に相当する、れた CW 単一周波数リング型色素レーザからの円偏光ビームを、原子ビームに対して直角方向に照射することにより、横方向速度のレーザ冷却を施し、光学的に平行化した。平行化された原子ビームは、基板の極近傍に配置されている定在波の中を通過させ、高周波数に離調された高強度レーザによる定在波の節に向かって集向する。基板を定在波の軸近傍に置くと、周期構造に原子が堆積することになる。 1993 年にはJ.J.MacClelland らが、Cr 原子で原子リソグラフィーを実証した 10)。Cr は表面での移動度が低く原子リソ
グラフィーに適している上に、真空中から取り出すことができる長所がある。幅 65nm、間隔λ/2=212.8nm、。Na、Cr 以外では、Al11)や Yb12)で原子リソグラフィ
高さ 34nm の周期構造が形成されている（図 6.4.5.1）
ーによる堆積が実現している。
原子リソグラフィーは堆積ばかりでなく、エッチングにも有効である 11)。原子の平行化と定在波による集束化を経る過程は同じであるが、Cr のような堆積する原子ではなく、Ar 原子の準安定励起状態を利用する。

Ar 原子の準安定励起状態は、
基底状態より 12eV 高く、
シロキサンなど自己組織化膜を分解できる。
図 6.4.5.2に示すように、単一分子層状に配列するヘキサメチルジシロキサンをレジストとして用いると、正に離調したレーザの定在波の節に準安定励起状態のアルゴン原子が集束し、レジストを線状に分解することになる。
定在波の腹では、励起状態が光励起によりクエンチングされ、コントラストをあげることができる。パター
ン転写により 100nm 以下の幅のエッチングが実証されている。

－393－
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図 6.4.5.1 ２次元パターンの原子リソグラフィ 10)

図 6.4.5.2 ２次元パターンの原子リソグラフィ 13)(3) 原子ホログラフィ
原子波の一定の波面をホログラムで透過あるいは反射させることにより任意の波面に再構成する、原子ホ
ログラフィが可能になっている。手法としてはフーリエ工学に於ける計算機ホログラムに対応し、設計された振幅透過（反射）率分布マスク（ホログラム）によって所望の２次元画像原子パターンを回折の効果として得ることができる。
森永らの実験では、図 6.4.5.3 に示すように、磁気光学トラップに捕捉した準安定状態の Ne 原子のトラップから解放して自由落下させ、トラップの鉛直方向下 400mm にホログラムを置き、さらに 420mm 下のマイクロチャンネルプレート（MCP）で原子分布を積算計測した 14)。ホログラムは薄膜に穴を開けたバイナリーホログラ
ムである。原子ホログラフィによる再生像を図 6.4.5.4(a)(b)(c)に示す。原子源は点光源と見なせるので、球面波入射を想定したフレネル回折近似によってホログラムは設計される。回折された原子像の分解能は原子源の大きさ、検出器の分解能、速度分散、ホログラムの分解能で決まる。実験では約 60μm の分解能が得られ、これは原子源の大きさ約 25μm と検出器の分解能（22μm のものを２段）から説明されている。
ZeemanslowerDeflector

Magneto-optic
trap

1s5 Ne*Cooling laser

50 µK
DC-discharge

1s3 Ne*Hologram

7.1 nm2p5
2p9

Energy diagram of Ne

Ψ

Ψ

1s3

Releasinglaser
Cooling
laser
1s5

MCP

図 6.4.5.3 原子ホログラフィの実験装置 14)－394－
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(a)

(b)
5 mm
(c)

図 6.4.5.4 原子ホログラフィ像 14)
透過型ホログラムは透過率が 10％程度と低い 15)。この問題を克服できる反射型ホログラムによる原子ホ
ログラフィも実現されている。原子波の反射は、固体表面でのファンデルワールスポテンシャルの急峻な変化によって、原子波が表面から波長の数分の一離れた距離で反射される量子反射現象を利用している。固体
表面の量子反射自体、非常に低速の原子が必要であるため今まで実証されていなかったが、レーザ冷却された準安定状態 Ne 原子を使って、量子反射が観測され、高精度な原子光学部品開発への道ができた 16)。

(4) 原子波レーザ
BEC は同じボース粒子である光との類似性から、ボース凝縮原子が光におけるレーザ光と同様の性質を示
すことが示唆されてきた。1997 年に MIT のグループ 17)が BEC からその一部の原子をパルス的に取り出す）。これは原子波レーザと呼ばれ、基礎物理以外への応用が大きく期ことに初めて成功した（図 6.4.5.5（a）
待される新しい分野を切り開いた。その後その性能はさらに向上し、パルス原子波レーザにとどまらず連続）18)、モードロック原子波レーザ 19)、高指向性原子波レーザ（図 6.4.5.5（c））
波原子波レーザ（図 6.4.5.5（b）
20)などが実現されており、今後は原子光学を駆使して、ナノプロセッシングにも、この原子波レーザの特性を活かした多くの応用研究が開拓されると期待される。

－395－
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(b)

(a)

(c)

図 6.4.5.5 種々の原子レーザ 17,18,20)(5) レーザ冷却の新しい動向
BEC の実証に始まって、種々の原子波レーザの開発、非線形原子波光学の開拓、原子リソグラフィー、原子ホログラフィなど、レーザ冷却応用分野の最近の進展は大変目覚ましい。この分野では主としてアルカリ金属原子が主役を担ってきたが、もしアルカリ金属原子の替わりに Si など半導体原子を使って実現できれば、Si 原子の原子リソグラフィーや原子ホログラフィによる微細加工、さらにシリコン原子のアイソトープデザイン（核ス
ピン制御技術）や高純度な結晶成長技術へのブレークスルーにつながり、ナノプロセッシング分野においても新たな展開が期待できる。シリコン原子の冷却波長は 252.4 nm であり、レーザの線幅を自然幅 29MHz 程度以下にする必要があり、さらに連続波で数十 mW レベルの出力を必要とするため、実用的な光源開発の困難さから

Si 原子のレーザ冷却は実現されてこなかったが、最近、Si 原子のレーザ冷却実現に必要な実用的な全固体深紫外
コヒーレント光源（図 6.4.5.6）の開発が行なわれ 21)、工学応用の裾野が広がりつつある。
（熊谷 寛）λ/2

ML

SHG of
SHG
ofTi;sapphire
Ti:sapphirelaser
Laser
λ=373nm,
λ=373 nm,P>450mW
P ~ 450 mW

SERVO

PBS
λ/4

373 nm light

ML

λ/4
PBS

SERVO

10 mm BBO
CL

λ/2

M8

M5

M7

PZT
M6

252 nm light

780 nm light
Ti:sapphire
Laser
LD (MOPA)
λ = 780 nm,
P~1W
λ=780nm,
P>450mW

ISR

図 6.4.5.6 シリコン原子のレーザ冷却光源装置 21)－396－
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参考文献

(1) T. W. Hänsch, and A. L. Schawlow, Opt. Commun.13 (1975) 68.
(2) V. L. Balykin, V. S. Letkov, and V.I. Mushin, Sov. Phys. JETP. 51 (1980) 692.
(3) W. D. Phillips, and H. Metcalf, Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 596.
(4) S.Chu, L. Hollberg, J. E. Bjorkholm, A. Ashikin, and A. Cable, Phys. Rev. Lett. 55 (1985) 48.
(5) M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Mathews, C. E. Wieman, and E. A. Cornel, Science. 269 (1996)
198.
(6) K. B. Davis, M. O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. D. Durfee, D. M. Kum, and W.
Ketterle, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 3969.
(7) C. C. Bradley, C. A. Sackett, J. J. Tollet, and R. G. Hulet, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 985.
(8) D. G. Fried, T. C. Killian, L. Willimann, D. Landhuis, S. C. Moss, D. Kleppner, and T. J. Greytak,
Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 3811.
(9) G. L.Timp, R. E. Behringer, D. M. Tennant, J. E. Cunningham, M. Prentiss, and K. K. Berggren,
Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 1636.
(10) J. J. McClelland, R. E. Scholten, E.C. Palm, and R. J. Celotta, Scien ce. 262 (1993) 877.
(11) R. W. McGowan, D. M. Giltner, and S. A. Lee, Opt . Lett. 20 (1995) 2535.
(12) 大向隆三,レーザー研究 32 (2004) 442.
(13) K.K. Berggren, A. Bard, J.L. Wilbur, J.D. Gillaspy, A.G. Helg, J.J. McClelland, S.L. Rolston, W.D.
Phillips, M. Prentiss, and G.M. Whitesides, Science 269 (1995) 1255.
(14) J. Fujita, M. Morinaga, T. Kishimoto, M. Yasuda, S. Matsui, and F. Shimizu: , Nature 380 (1996)
691.
(15) F. Shimizu, and J. Fujita, J. Phys. Soc. Jpn. 71 (2002) 5.
(16) F. Shimizu, and J. Fujita, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 123201.
(17) M. O. Mews, M. R. Andrews, D. M. Kurn, D. S. Durfee, C. G. Townsend, and W. Ketterle,
Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 582.
(18) I.Bloch, T. W. Hänsch, and T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 3008.
(19) B. P. Anderson, and M. A. Kasevich, Science. 282 (1998) 1686.
(20) E. W. Hagley, L. Deng, M. Kozuma, J. Wen, K. Helmerson, S. L. Rolston, and W. D. Phillips, Science
283 (1999) 1706.
(21) H. Kumagai, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 10 (2004) 1252.

－397－
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6.5 中国における加工・計測技術
2005 年 11 月 1 日〜8 日にかけて光技術動向調査団が中国に派遣された（別途報告書が作成される）。2004
年における韓国調査に引き続き中国の光産業/技術の現状を調査することが目的であった。訪問先は情報通信
デバイス、LED メーカーが中心であり、加工・計測関連では武漢展示会と一部の大学研究室、上海光学精密機械研究所と限られたものであった。ここでは、武漢展示会と上海光学精密機械研究所の様子を主観的に紹介する。

11 月 2 日〜5 日にかけて湖北省武漢市で中国光谷・国際光電子博覧会（OVC EXPO）が開催され、調査団は 11 月 1 日のレセプションと 11 月 2 日の展示会及び日中テクノビジネスフォーラムに参加した。武漢市
は中国の中でも光通信産業の発祥地であり、光谷（Optics Valley）と銘打って発展を目指している。そこで、
世界 4 大光博覧会を目指した展示会を開催している。今回が 4 回目であり展示エリアは約 15,000 平方メー
トルである。中国各地の光産業企業や中国へ売り込みを狙う海外企業が展示ブースを出していた。光通信関連機器から薄型ディスプレイ、LED 照明機器など多岐に渡る企業が参加していた。
武漢市は「光谷激光」（激光は中国語でレーザを意味する）と称した展示スペースを大きく構えて加工用レーザの紹介や加工のデモを行っていた。展示会全体でも 3〜4 社ほどが大出力レーザの展示をしており、その他中小のレーザ加工メーカーが数 10 社ブースを出展していた。大出力レーザでは鉄板の加工、小型レーザでは主に装飾加工をメインとしていた。図 6.5.1 と 6.5.2 に展示してあった大出力 CO2 レーザの写真を示す。それぞれ出力は 4kW と 2.5kW であり、いずれも米国製の装置であった。現状では、大出力レーザは輸入品でありそれらを用いた加工技術を立ち上げている段階と見受けられた。4kW -CO2 レーザはビームをワ。
ークまで導き、厚さ数 mm の鉄板の加工をデモしていた（図 6.5.3、図 6.5.4、図 6.5.5）
中小のレーザ加工会社の展示では、米・独のレーザ加工装置を使って装飾加工などを展示していた。最新の IPG 社製ファイバーレーザを扱っているという広告も見受けられた。また、アクリル板の加工デモを展示
会場で排気なしで行っているブースがあり、展示会場には煙と匂いが立ちこめるという事態が発生していた。
積極的というか、やり放題である・・・。

図 6.5.1 展示会の CO2 レーザ（4kW）

図 6.5.2 展示会の CO2 レーザ（2.5kW）－398－
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図 6.5.3 展示会のレーザ加工デモ機

図 6.5.4 展示会での加工デモ

図 6.5.5 展示会の加工デモ機
研究所の展示ブースも見受けられた。中国には○○光学精密機械研究所と呼ばれる研究所が何カ所か点在している。最も大きいのは上海の光学精密機械研究所であるが、西安光机所、安徽省光机所（机は機を意味
する）もそれぞれ出展していた。図 6.5.6 に安徽省光机所の展示ブースを示す。小型のレーザや大気汚染計
測システムを紹介していた。安徽省光机所は微小光学素子、ファイバーセンサー、医療機器が主な展示内容であった。この研究所は、Femto Technology Co. Ltd.（2001 年に設立、ISO9001 取得）という名の会社を作っていた（図 6.5.7）が、フェムト秒とは無関係の内容であった。それぞれ、研究所が得意とする分野で企業化を進めている。

－399－
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図 6.5.6 中国科学院安徽省光学精密機械研究所ブース

図 6.5.7 Femto Technology 社の紹介パネル

展示会で「光電中国報」という A3-4 頁のカラーニュース紙の創刊号が配られていた。トップの見出しは「祝第四回武漢国際光電子博覧会成功挙行」。
その中の記事に中国レーザ産業市場現状分析が掲載されていたので紹介する。表 6.5.1 に近年の中国レーザ製品市場売上統計（億元）を示す。2001 年の市場では光通信が主力であったが、通信バブル崩壊後は市場が 1/5 程度まで落ち込んでいる。2003 年段階ではレーザ加工が最も大きな市場を示しており、かつ順調な伸びを見せている。ちなみに表中のホログラム製品の中国語表記は「全息制品」である。
“全”とは位相も含んだモノという意味であるらしい。
「レーザ医療」とういう市場分
野が表にあらわれていることも興味深い。ちなみに計測は“量測”、コンポーネントは“元器件”と標記されていた。また、小数点以下の桁数が分野によって何故まちまちなのかは不明である。
表 6.5.1 近年の中国レーザ製品市場売上統計（億元）2001 年

2002 年

2003 年

レーザ加工

6.322

10.35512.725

レーザ医療

1.07431.965

2.1375

光通信レーザデバイス

14.48

3.073

5.323

レーザ計測

2.57033.16943.542

ホログラム製品

4.01

4.58

7.13

1.51478

0.86351

1.34227

32.4

28.62

36.89

材料、コンポーネント
合計

－400－
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表 6.5.2 には 2003 年全国レーザ生産（ホログラム製品を除く）売上額上位５地区を示す。武漢が位置する
湖北省がトップである。武漢市が中国の光谷と自負する所以である。
表 6.5.2 2003 年全国レーザ生産（ホログラム製品を除く）売上額上位５地区

順位

地区

売上額（億元）1

湖北省

9.134822

広東省

7.93543

北京市

4.061065

4江蘇省

2.8239685

上海市

1.24426

11 月 7 日には上海光学精密機械研究所を訪問した。近年、大型予算がつき建物が一新されていた。昨年、韓国で訪れた GIST（光州科学技術院）の中に設けられた APRI（先端光技術研究所）に相当する研究所である。1964 年に設立されレーザ核融合用の大型レーザの開発を行ってきた。現在はスタッフ 750 名、8 人のAcademician、150 人の中堅研究者という陣容で、260 人の大学院生、450 人の学生を受け入れて基礎研究、３）情を進めている。研究テーマは１）ハイパワーレーザ技術、２）超高強度物理（High Field Physics）、４）量子光学（Quantum Optics）、５）レーザ装置および光電子素子、
報光学（Information Optics）

図 6.5.8 大恒グループの展示パネル

図 6.5.9 企業化の展示パネル－401－
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６）光学材料の 6 テーマである。最近は、ハイパワーレーザ開発が中国内陸部の成都にある原子力研究所にシフトしており、研究テーマがサイエンス寄りにシフトしている感じがする。1998 年から大型プロジェクト

PKIP (Pilot of Knowledge Innovation Program)が始まり、2006 年から第三フェーズへと展開するとのことであった。3 つの基礎研究室、3 つの応用研究室、４つの R&D センターを設けている。国際協力では、日本の JST（科学技術振興機構）と Photon Craft Project （2004 年までの 5 年間）を進めたり、大阪大学レーザ研と密接な協力関係を築いている。
今回、印象深かったのは研究所が企業化を大きく進めていることであった。図 6.5.8 に企業グループ各社を紹介した展示パネル、図 6.5.9 企業化を促進する展示パネルを示す。1985 年から技術移転を進め企業化を行い、現在では大恒グループと称するスピンオフ企業が 11 社設立されていた。精密工学部品の加工会社 2社、高圧直流電源製造 1 社、製造機械メーカー1 社、レーザ加工機メーカー2 社、光学部品製造 1 社、光ディスクメーカー1 社である。レーザ核融合研究においては、精密光学部品や光学結晶が必要となり自主開発の必要があるが、それらがうまくスピンオフして企業化に結びついているようである。ホームページでは、”Technology Transfer”という項目で紹介され、Shanghai China Scarbo Optoelectronic Material Co.

Ltd へのリンクがはられている（接続は困難）。
自由経済への移行に伴い、レーザ加工産業においても積極的に海外技術を導入し事業化・産業育成を図り、研究所においては企業化が進んでいるのが印象的であった。現状のレーザ加工は装置と技術を輸入に頼り国
内市場の大きさを活かした発展段階であると見受けられるが、将来的に研究所発の独自技術を活用したレーザ加工産業が進展していけば我が国の大きなライバルとなる可能性が高い。日本においても企業自らの技術開発のみならず、産学連携の下での一歩先をゆく技術開発を進めていく必要性を痛感した次第である。
（藤田 雅之）－402－
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6.6 おわりに今回調査した固体レーザ開発は、黄色にしろ緑色にしろニーズ主導型でレーザ開発が進められていくという今後の動向を示す代表例であろう。産業用レーザは固体レーザが主流となっていく動向に変化はないが、ニーズが明確であればあるほどレーザの“進化”が早まる傾向が見てとれる。来年度は、OCT 用チューナブ
ル光源、193nm 光源、深赤外光源等をニーズオリエンテッドで調査したいと思っている。
加工技術として今年もフェムト秒加工の新たな応用を 2 件取り上げた。いずれもフェムト秒加工ならではの“いわゆる”非熱的な相互作用を利用した応用である。たんぱく質の結晶化、カーボンナノチューブの起毛ともにアブレーション除去加工とは一線を画するフェムト秒パルスの使い方であると言える。昨年も申し上げたが、エネルギーを大して使わない below threshold での加工（あるいは相互作用）がフェムト秒パル
スの旨味が活きる領域ではなかろうか。
光ファイバセンサは確立した技術でありもっと身近にあって良さそうなものだが、さほど普及しているとは感じられない。それもそのはず、現状での実用例は“VIP の邸宅”や“刑務所”など特殊環境に限られている。少なくとも私には縁遠い環境である。もっと身近なものにするためにはどうすればよいのか？私のような庶民がローンを組んでまでして買う物と言えばマイホームとマイカーであろう。
（新聞の折り込み広告のトップ３は家、車、家電製品だと思うが、さすがに洗濯機や iPod を借金してまで買う気にはならない。
借金するくらいなら我慢する。
）光産業をさらに発展させるには、光技術の建築物への導入とか、光技術と自動車の融合がキーポイントかもしれない。最近の自動車は制御技術の塊のようなものであり、様々な情報を瞬時に処理しているようである。現状で機械的に或いは電気的に行われている情報伝達・処理、センシング
を光におきかえることで、もっと高性能な安全で環境に優しい自動車ができないものか？自動車内に光情報通信・センサー網を設ける技術は、そのまま家や建築物内に光ネットワークを設ける技術につながっていくのではなかろうか。
“光-自動車分科会”とか“光ホーム分科会”を立ち上げるのも面白いかもしれない。
レーザ冷却された原子波光源は“将来的に”加工・計測への応用の可能性が期待されている。と思いきや、
資源探査目的で重力加速度マップの作成プロジェクトで実際に使われているとの記述があり驚いた次第である。加工応用の実用化にはまだまだ距離がある最先端技術であるが、国家戦略的に“付加価値の高い”計測には使えるのかもしれない。
中国光技術動向調査においては、世界中の技術を吸収し巨大な国内市場を活かして急速に発展しようとするアグレッシブな中国のレーザ加工・計測分野を垣間見た気がする。研究所発のベンチャー企業も活動しており、社会主義体制のもとでの資本主義とそれを支えるハイテクがどのように成長していくか目が離せないと痛感した。
最後に、本報告書にご執筆、ご協力いただいた先生方に深く感謝いたします。
（藤田 雅之）－403－
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7. 太陽光エネルギー－404－
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7.

太陽光エネルギー

7.1 はじめに昨年に続き太陽光発電産業は今年も大変活況であり、供給が需要に追いつかないといううれしい悲鳴が上がっている。2004 年度末には総導入量で 113.2 万キロワットと 100 万キロワットを超え、順調に導入は進んでいる。ドイツでも日本以上に導入が急速に進んでおり、需要の伸びに供給側が追いつけない状態が生じている。そのため 2010 年目標の 482 万キロワット達成には供給能力が追いつけるかという新たな問題が浮上してきている。現在主力の商品は多結晶および単結晶からなるバルク型シリコンであるが、これらは同じ
半導体グレードのポリシリコン原料を共有している。太陽電池によるポリシリコン需要は原料供給の上限に近づきつつあり、原料供給が需要に追いつかない。さらに最近では半導体産業によるシリコン需要も伸びており、原料の逼迫はさらに深刻化している。原料の価格も高騰しており太陽電池がめざす大幅なコストダウ
ンにとっても影響が出ている。しかしマーケットは依然活発である。これを牽引しているのは補助金制度を導入しているドイツである。ドイツでは 2004 年度には 363ＭＷを年間導入し、日本を抜いて世界一となった。ヨーロッパ全体での年間生産量は 300ＭＷ程度であり、日本からの輸入が相当量占めている。一方日本
では年間生産量は 600MW に対し国内導入量 270ＭＷと輸出比率が高い。これは国内産業がドイツのマーケットにより強く牽引されていることを意味している。
この結晶シリコンの原料危機は別な形でも現れている。薄膜への需要喚起である。薄膜の中ではアモルファスシリコン系が主流であるが、日本ではカネカ（20ＭＷ）と三菱重工（10ＭＷ）が量産化している。世界
的には米国のユニソーラー社（25ＭＷ）がフレキシブルタイプを量産しているが、これでも今のドイツの需要には追いつけない。今後性能向上と共に国内マーケットも開けるとの見込みから、各社大幅な増産を発表している。
カネカは 30ＭＷ，三菱重工は 50ＭＷ、富士電機は 15～30ＭＷ、シャープが 25ＭＷ，ユニソーラーも 50
ＭＷ以上の追加設備を投入すると予想される。タイでもバンコクソーラーが 15ＭＷのラインを立ち上げ中である。シリコン以外でも昭和シェルとホンダが 20ＭＷ超のラインを立ち上げると発表した。興味深いのは日
本ではこれらの工場の多くが九州地区に集中していることである。今まで九州は半導体のシリコンアイランドであったが太陽電池では薄膜アイランドになりつつある。
わが国ではこれまで住宅用導入に対しては補助金制度が普及を支えてきたが、今年度をもって個人への補助は終了する。これに対しては異論も多いが、今後は技術開発によるコストダウンがマーケットを開拓していく必要がある。システムコストはキロワットあたり 70 万円弱であるが、海外需要での高値安定傾向もあり、コストの下がり方は飽和傾向にある。このシステムコストを発電コストに換算すると 50 円弱と家庭用
電気料金の 2 倍程度である。今後補助金に頼らない技術開発でこの発電コストを半分から数分の一に下げる必要がある。
結晶シリコン系では薄型化と高効率化が開発の二本柱であった。高効率化ではサンパワー社 Swanson が結晶シリコンの効率目標を理論的に解析し、29％が理論限界であり、そのとき基板厚さは 80 ミクロンであると報告している。これは近年の薄型化ともマッチした興味深い報告である。単結晶シリコンではガリウム
ドープ、n-型基板などの検討が行われており、100cm2 以上のセルでも 20％を超える効率が報告されている。

－405－
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多結晶シリコンでは京セラとＥＣＳソーラーが量産対応プロセスで 17％を超える効率を発表している。最近の技術開発動向で特徴的なのはヘテロ接合型に対する関心の高まりである。SANYO の HIT 型は高効率だけ
でなく温度係数が低いために年間発電量が高いという特長を持つ。ドイツなどのように発電量に対して補助金が出る場合は効率だけでなく発電量が重要である。P-型基板を用いた HIT セルや a-Si 以外の材料を用いたヘテロ構造などが活発に研究されている。来る 5 月に開催される WCPEC－4 ではヘテロ接合に関するス
ペシャルセッションが予定されている。
薄膜シリコン系では高効率化の方向としてトリプルタンデムが注目されている。カネカとユニソーラは15%の初期効率を小面積で得ている。トリプルの組み合わせはトップセルはアモルファスシリコンであるがミドルとボトムはアモルファスシリコンゲルマニウムあるいは微結晶シリコンが用いられる。今後トリプル
タンデムで小面積で 16~18%に向かった研究開発が進むものと予想される。
新しい試みとしてはシャープがタンデム型（a-Si/µc-Si）のシースルーモジュール（560x925mm2）を開発した。
透過率を均一にかつ連続的に制御できる点が薄膜系の利点で、10%透過で初期 10.1%、安定化効率 9.2%を達成している。フレキシブルではユニソーラ社がすでに生産を始めており、富士電機も量産を開始すると発表した。これらは共にサブストレート型と呼ばれ不透明基板の上に太陽電池を形成する点で同じだが、前者はグリッド電極を用いることでセルサイズを 20~30ｃｍ角程度とし結晶系太陽電池のようにモジュールの中で直列配線を行うのに対し、後者はレーザパターニングによりモノリシックに集積化することができる。
後者の方はより高電圧のモジュールができるという利点がある。最近ではオランダのアクゾノベル社がフレ
キシブルスーパーストレートという新しい概念のモジュールを開発している。フレキシブル太陽電池はフレ
キシブルというよりむしろ軽量であるという利点が大きい。たとえばユニソーラ社のモジュールは裏に粘着テープを備えており、屋根に貼り付けるだけでインストールが完了するという極めて簡便に設置できるという利点を持つ。もちろん長期間使用には固定することが必要だろうが、工事を簡略化することができるというメリットは大きいのではないかと考えられる。
アジア各国の薄膜シリコンに対する意欲が高まりつつあるように思われる。中国では南開大学に 20cm 角のパイロットプラントを導入して研究開発を進めている。タイではドイツ需要もあって生産規模を急速に拡大しつつある。今まで薄膜は日本が技術的にも工業的にもトップランナーであったが、いつまでも安閑としていられない状況にある。
化合物薄膜系では日本では昭和シェルとホンダが生産を開始すると発表した。
両者を合わせると 50MW 近
くなり、現在の薄膜シリコンの生産量に匹敵する。これはシリコン以外の太陽電池がはじめて大量に導入されることになり、市場の反応に興味が持たれる。化合物薄膜系でもフレキシブルは金属基板やポリマー基板を用いたさまざまなアプローチが行われている。課題はこの系では高温に耐える基板が必要なことであり、ガラス基板上との効率のギャップを埋めることが求められる。最近ではワイドギャップ材料の品質向上が進
み、1.3eV 程度のバンドギャップでは 18%を超える効率が小面積で得られている。化合物薄膜の特徴はバンドギャップ制御に対する自由度であり、タンデム化が今後の高効率化の方策として重要と考えられるが、タンデム化には 1.7eV 以上のバンドギャップの材料と積層化のための低温プロセスを今後開発する必要がある。
有機系太陽電池は小面積セルの最高効率は一段落した感があるが、10%を超える効率が再現性良く得られることを実証した意義は大きいであろう。今後はモジュール化を含めた実用化への動きと、更なる高性能化を目指した基礎研究に二極化していくのであろうか。モジュールでは大体 6%程度の効率が得られており、屋外での耐久性試験も始まっている。電力用として用いるからには 10 年以上の寿命が必要とされるであろ－406－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）う。電解質の固体化、封止材料の開発などの基礎技術開発が不可欠になろう。
完全固体有機薄膜太陽電池においては n 型半導体である C60 と p 型半導体であるフタロシアニンを共蒸着した層を発電層とした pin 構造が主流である。現在 5％程度の変換効率が達成されている。有機薄膜の問
題はやはり安定性で、大気暴露の影響などの問題を克服する必要がある。
超高効率太陽電池では集光型が地上用では中心となるが、InGaP/InGaAs/Ge の３接合で 40%を越える効

GaInNAs 等第４接合用 1.0eV 新材料が実現されればさらに 50%
率が近い将来実現されると予想されている。
に向けた道が開かれると考えられる。超高効率系は実用性の点で課題があったが、集光光学系、追尾機構、それらの長期信頼性などの問題が解決されつつあり、設置環境さえ選べば十分実用になるといってよい。今後新しい原理やアイデアに基づいたさらなる超高効率太陽電池の出現が期待される。
数年前が補助金を背景に日本が太陽光発電では独走していた感があったが、いまや日本の補助金制度は終了し、逆に欧米で補助金による導入拡大が顕在化している。アジア諸国でも同様の動きがある。太陽光発電
をエネルギー源として考える場合、発電コストがすべてである。コストを決めるものは発電効率だけでなく設置コスト、寿命、信頼性、設置環境適合性など多岐にわたる。今さまざまな太陽電池が開発されているがこれらは最終的にひとつに集約されるものではないと考えられる。それぞれの材料に設置環境に応じた適性があり、棲み分けていくであろう。逆にそうで無いとマーケットの拡大は望めないと思われる。技術開発としてみた場合、太陽電池の製造コストがもっとも重要なコスト要因であるから、高性能な太陽電池を低コストで生産する高い技術力を育成する必要があるだろう。
それがひいては国際競争力を維持する原動力となる。
またそのためには基礎技術をいち早く産業化するための迅速な技術移転の仕組みづくりも重要と思われる。
またどんな高性能な製品も工業規格にのっとっていなければ市場では受け入れられない。製品開発と平行して規格策定にも注力していくことが日本の産業力を維持する上で重要と考えられる。
本年度の報告書は結晶シリコン、薄膜シリコン、化合物薄膜、超高効率、色素増感、有機薄膜に加え、次世代基礎技術として第 3 世代太陽電池、大面積プラズマ技術、大気圧プラズマ技術、微粒子制御技術、窒化物系新材料を取り上げた。このなかで大面積プラズマ技術と大気圧プラズマ技術については薄膜シリコン系材料のプロセス技術として次世代に有望と思われるので名古屋大学菅井研究室および堀研究室を訪問調査した。またそれぞれについて調査結果を本報告書の中に含めた。訪問調査に御協力いただいた菅井秀郎教授および堀勝教授には紙面を借りて御礼申し上げたい。
（近藤 道雄）－407－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

7.2 結晶系シリコン太陽電池の高性能化と低コスト化技術(1) はじめに昨年度の太陽電池市場は 160％を越える大幅な伸びを記録した。特に、結晶系シリコン太陽電池の生産量は拡大している市場の 90％以上を支えている。それゆえ、太陽電池業界の今後のさらなる発展を目指して、
特に欧米において結晶系シリコン太陽電池の高効率化ならびに低コスト化の研究開発が精力的に進められている。高効率化に関しては、オージェ再結合を考慮した結晶シリコン太陽電池の最大理論効率は 28.9％であり、その時の最適な基板厚は 80μｍ程度であること、また a-Si、a-SiC など用いたヘテロ接合を利用することにより実用効率として 26％程度が期待できること、などが Swanson(Sun Power)より報告され、変換効率の目標が新たに設定された 1)。セルにおける損失要因としては光学損失、バルク再結合、表面再結合などである。今後さらに結晶系シリコン太陽電池の変換効率を向上させるには、基板の薄膜化とともに、良質なシリコン酸化膜、さらには a-Si などを用いて表面再結合電流を低下させることが重要である。バルク再結合に関しては、光劣化の抑制が課題の一つとして挙げられ、Ｂに変えて Ga をドーピングしたｐ型基板、あるいはｎ型基板を用いた開発が進められている。光学損失ならびに再結合の観点からは、裏面電極構造を有するデバイスの研究開発が進められている。
一方、急速な太陽電池市場の伸びに対して原料シリコンの供給が追いつかなくなったことが、結晶系シリコン太陽電池における今年の大きな話題のひとつである。現状設備の拡張や新しい製法の展開が進められている。

(2) 単結晶ならびに多結晶シリコン太陽電池(a) ｐ型基板シリコンセル
通常使用されている B ドープシリコン基板を用いた太陽電池に関しては、薄型化に加えてセル構造の工夫
や表面テクスチャリングプロセス技術の開発などにより、低コスト化ならびに高効率化が図られている。ｐ型多結晶シリコン基板を用いた大面積セルとしては、京セラが面積 232.5cm2、変換効率 17.7％（開放電圧0.620Ｖ，短絡電流 37.0mA/cm2, FF=77%）の太陽電池を実現している２）。本変換効率は大面積多結晶シリコン太陽電池としては最高値である。セル構造としては、RIE によりテクスチャを有する基板に熱拡散で接合を形成し、SiN 膜により反射防止とパッシベーションを行い、表面はスクリーン印刷電極、裏面には全面

Al-BSF を施している。
今後さらに 18％を超える変換効率を実現するには、基板結晶自体の品質向上に加え、パッシベーションなどのプロセス技術の改善が必要である３）。ECS Solar からも 156cm2 の大面積の多結晶セルにおいて最高効率 17％が報告されるなど４）、商用レベルにおける多結晶シリコン太陽電池の変換効率の向上が着実に進んでいる。
さらなる高効率化を目指したセル構造に関しては、ISFH から表面のエミッタ層と裏面を貫通孔を通して結んだ RISE-EWT(Rear Integrated Single Evaporation Emitter Wrap-Through)セル（変換効率：20.15％）
や５）、ポーラスシリコン層を剥離層として形成した極薄（20～30μm）単結晶シリコンセル（変換効率 15.4％）
６）、など、将来に向けた提案が行われている。

(b) ｎ型基板シリコンセル
B をドープしたシリコン基板を用いた太陽電池では、光照射によりＢと酸素が関与する欠陥が生成する７）、－408－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
あるいは B と Fe が反応して深いエネルギー準位を有する複合体を形成する、などの結果、太陽電池の変換効率が低下する。これら B に起因する問題を回避するため、Ga をドープしたｐ型基板やｎ型基板を用いた太陽電池の研究が活発に行われている。ｎ型結晶を用いた太陽電池としては、UNSW が Fz 基板を用いた

PERT(Passivated emitter, rear-totally diffused)セル構造により高効率を有する太陽電池を実現している 8）。
Ｂ拡散で形成したエミッタ層を表面から裏面に移すことで光劣化の問題を回避している。1.5Ωcm で 170μｍの薄い基板に逆ピラミッド構造ならびに二重反射防止膜を形成した素子において、変換効率 22.7％（開放
電圧 0.702Ｖ，短絡電流 40.1mA/cm2）と高い値が得られている。SHARP はｎ型基板に対してバックコンタ
クト構造を形成したセルを開発している 9）。表面に屈折率を変化させて二層に堆積した SiN:H 膜、裏面には
熱酸化膜/ＡＰＣＶＤ酸化膜の積層構造を用いている。変換効率としては、電極をフォトリソと蒸着で形成した場合で 20.5％、低温焼結用 Ag ペーストを使用したスクリーンプリントを用いた場合で 19.4％が得られており量産が計画されている。ｎ型多結晶シリコンセルにおいては、Konstanzd 大が効率 15.2％(開放電圧：0.601V、短絡電流：34mA、FF：74%)の値を得ている 10)。

(c) Ga ドープ基板シリコンセル
光劣化のない Ga ドープの Cz 単結晶シリコンを用いた高効率太陽電池の試作に関しては、Shell Solar とGeoria Tech.のグループが 11)、Ga ドープ多結晶に関しては、農工大のグループが研究開発を進めている 12)。
農工大が評価している多結晶シリコンは第一機電が作製しており、P ゲッタリング後の少数キャリア寿命としては 200μsec が得られている。それぞれの変換効率としては、単結晶で 17％、多結晶で 16％となっている。Ga は偏析係数が小さいため、結晶中の場所に依存して不純物濃度が大きく変わるが、変換効率としてはあまり変動しない。

(3) HIT セル
シリコン酸化膜とシリコン結晶界面以上に界面特性を改善し、界面での再結合速度を低下させ高効率な太陽電池を実現する方法として、アモルファスと単結晶とのヘテロ接合界面を利用したデバイスに関する報告が増えている。HIT(Hetero junction with Intrinsic Thin layer)セルのパイオニアである SANYO は、面積100.3ｃｍ２のサイズにおいて、変換効率が 21.5％（開放電圧：0.712V、短絡電流：38.3mA、FF：78.7%）のセルを実現した 13）。効率改善は主に短絡電流値と FF の向上によるものであり、電極幅を細くしアスペク
ト比を大きくし、電極ペースト改良による電極抵抗を下げたことにより高効率化が達成された。SANYO のHIT はｎ型基板を用いているが、欧米の幾つかのグループはｐ型基板を用いたヘテロ接合セルの研究を進めている。HMIB では、PECVD を用いた TCO/a-Si:H(n)/c-Si(p)/a-Si:H(p)構造のセルで変換効率 17.6％を得ている 14 ）。また、 NREL のグループはホットワイヤー CVD を用いた TiPdAg/TCO/a-Si:H(n)/c-Si(p)/a-Si:Hp)/ITO/Al で 17.5％(開放電圧：0.640V、短絡電流：33.6mA/cm2、 FF：77.8%)の値を得ている 15）。
良好な特性を得るには、急峻な a-Si/ｃ-Si 界面形成が重要である。裏面コンタクトに Al-BSF を適用した場合の変換効率は 17.1％であり、セル製作に必要な温度が高くなったことが効率低下の原因の一つとして考えられる。一方、高い熱安定性を有する SiC でも、良好な界面特性が得られることをＵＰＣのグループが示している。化学量論的組成からずれた SiC を裏面パッシベーションに用いることにより、変換効率 20.2％（開放電圧：0.6653V、短絡電流：38.26mA/cm2、 FF：79.４%）を実現している 16）。多結晶シリコンとアモル
ファスシリコンとの組合せとしては、Hagen Univ.のグループが、ｐ型多結晶シリコンを基板として使った－409－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

HIT セルにおいて変換効率 12.9％（開放電圧：0.597V、短絡電流：28.5mA、FF：76.1%）を得ている 17）。
変換効率はまだ低いが、BSF やゲッタリング処理などを施していないことを考慮すると、今後の研究の発展が期待される。

(4) 原料供給
太陽電池の生産量の増大にともない、シリコン原料の供給不足の問題が現実のものとなった。現状設備の拡張による対応も進められているが、低コスト化ならびに生産量拡大の観点から、品質を犠牲にした生産性向上技術の検討も行われている。トリクロロシランを原料とした流動床法により、Wacker-Chemie は、昨年 10 月には 150ｔ規模の生産を行っている 18）。ポリシリコンの大きさは 400～1450μm、平均粒径約 700
μm である。残留 Fe 量としては 1ppbw 程度であり、この原料を用いて Cz 法により成長させたシリコンイ
ンゴットにおける少数キャリアの拡散長は 0.7mm 程度である。他にも、モノシランを原料とする流動床法
による低価格化が試みられている。一方、国内においては、トクヤマにより VLD 法による量産に向けた開発が進められている 19）。本方法においては、原料にトリクロロシランを用い、析出基材に 1500℃に過熱したグラファイトを用いているところに特徴がある。シリコンの融点以上で析出したシリコンは融液となり連続的に落下し、その時の析出速度は従来と比較して約 10 倍速い。現在、200ｔ/年の大型実証設備の建設など量産に向けての技術開発が積極的に進められている。
低コスト化のために原料シリコンの品質を犠牲にする場合、太陽電池の原料としてどの程度までの不純物量が許容されるかを明らかにすることは重要である。それゆえ、意識的に不純物を加えたインゴットを作製し、不純物がセル効率にどの程度影響を及ぼすかが再度検討されている 20）。特に多結晶においては、残留不純物は結晶欠陥や粒界と反応し電気的に悪影響を及ぼす欠陥を形成する。しかし、これら複合欠陥の生成機
構やその構造に関する理解は不十分であり、粒界構造の制御や結晶中の鉄など重金属の電子状態やその分布などに関する研究が精力的に進められている 21,22）。

(5) まとめ
結晶系シリコン太陽電池の市場の伸びは急速に加速している。それに伴い、その市場を今後も支えるべく
変換効率の向上やコストダウンが、研究ならびに量産のレベルにおいて着実に進められている。最近の結果を表 7.2.1.1 にまとめた。しかし、今後さらに飛躍的な低コスト化や特性向上を実現するには、材料物性やプロセスを十分に理解した上での研究開発が必要不可欠である。そのような意識のもと、EC が主導する産官学が共同で結晶シリコン太陽電池の研究開発を進める CRYSTALCLEAR やドイツにおける SolarFocusなど、原料、プロセスからデバイス、さらにはコスト試算まで総合的なシリコン太陽電池の研究開発が欧米では進められている。日本においても、従来の枠組みを越えた研究開発体制を整備すべき時期に来ていると思われる。
一方、結晶シリコン系太陽電池に関する将来デバイスとしては、球状シリコンを用いた太陽電池 23）など
低コスト化を目的とした開発が進められている。さらなる超高効率化や低コスト化に関しても、 M. A.

Green(UNSW)らによりシリコン量子ドットを用いたシリコン系のタンデムセルに関する提案がなされている 25）。量子ドットを用いたデバイスに関しては、ようやく量子サイズ効果が確認され移動度が測定されている段階であるが、従来の結晶系シリコン太陽電池とは異なる新たな展開が今後期待される。
一方、
シリコン原料供給に関しては、
現状設備の拡張や新しい製法の展開が急ピッチで進められているが、－410－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
供給量が緩和するのは 2007 年以降と予想されている。今後の低コスト化と安定した原料供給を両立するには、原料品質と太陽電池特性との関係をより明確にする必要がある。
（大下 祥雄）表 7.2.1.1 結晶系シリコン太陽電池の変換効率
面 積

ρパッシベー Voc

cm2

Ωcm

ション

mV

mA/cm2

%

率 %

単結晶

4

1

SiO2 dry

663

38.3

80.1

20.3

FhISE

(26)

ｐ型

1

1

SiO2 wet

660

39.7

80.2

21.0

FhISE

(26)

SiO2

678

39.5

80.3

21.5

SunPower

PV-FZ Si

(27)

SiO2

671

36.8

81.6

20.2

FhISE

36μm 厚、FZ

(28)

SiO2

662

37.2

77.3

19.5

FhISE

36μm 厚、CZ(28)

SiN,SiO2

641

40.4

77.8

20.15

ISFH

RISE-EWET

(5)

15.4

ISFH

20-30μm

(6)

11.1

ISFH

20-30μm(6)

Sliver

(24)

148.9
0.25

93

0.5

Jsc

FF

セ ル 効 モジュー 報告機関

4
86.5

615

104

680

ｎ型

5
90

25.8

69.7

19.2

特記事項

ル効率％

参考
文献

17.7

SiO2

702

40.1

80.5

22.7

UNSW

Fz,PERT(8)

SiO2,SiN

653

38.9

76.3

19.4

SHARP

量産対応

(9)

多結晶

1

1.7

SiO2 wet

649

38.5

78.8

19.7

FhISE

218μm 厚

(26)

p型

1

0.6

SiO2 wet

653

38.8

78.6

19.9

FhISE

218μm 厚(26)

0.6

SiO2 wet

664

37.7

80.9

20.3

FISE

99μm 厚

(26)

SiN

620

36.9

77

17.7

京セラ

量産プロセス

(2)

624

35.4

77

17.0

ECS Solar

量産プロセス

(4)

601

34

74

15.2

Konstaz

1
232.5
156
N型

4

SiO2

(10)

Univ.
HIT 型

100.3

100
Rear SiC

機関名略称

712

38.3

78.7

21.5

SANYO

631

37.25

74.3

17.6

HMIB

ｐ型基板

(14)

652

33.6

77.8

17.5

NREL

ｐ型基板

(15)

597

28.5

76.1

12.9

Hagen

p 型多結晶

(17)

665

38.26

79.4

20.2

UPC

(13)

(16)

NREL : National Renewable Energy Laboratory, USA
UPC: University Polytechnica de Catalunya, Spain

FhISE : Fraunhofer Institute for Solar Energy System, Germany
ISFH : Institut fur Solarenergieforschung GmbH, Germany
UNSW : University of New South Wales, Australia
HMIB : Hahn-Meitner Institut, Berlin, Germany－411－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

(1) R. Swanson, 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 889.
(2) K. Fukui et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 979.
(3) S. Fujii et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar Energy
Exhibition (2005) 19-1, p.307.
(4) C. J. J. Tool et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 33-3, p.525.
(5) P. Engelhart et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 53-2, p.802.
(6) B. Terheiden et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 11-7, p.196.
(7) T. Saito et al., Sol. Energy Mater. Cells, 65 (2001) p. 277.
(8) J. Zhao and A. Wang, 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 05-1, p.122.
(9) K. Nakamura et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 59-1, p.869.
(10) J. Libal et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar Energy
Exhibition (2005) 67-1, p.969.
(11) G. grabtree et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 935.
(12) M. Dhamrin et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 915.
(13) M. Taguchi et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 866.
(14) K. v. Maydell al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 1225.
(15) T. Wang et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 955.
(16) S. W. Glunz et al., 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2005)
2CP.1.4.
(17) K. v. Maydell et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) 60-1, p.881.
(18) D. Weldhaus, et al., 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2005)
2CP.1.2.
(19) 小田、東北大学金属材料研究所ワークショップ(2005)、p.1.
(20) L. J. Geerligs et al., 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2005)
2AO1.3.
(21) Y. Ohshita al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 1269.
(22) T. Buonassisi et al., 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2005)
2AO.3.6, 2CP.1.3.
(23) T. Minemoto et al., 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition (2005), p. 963.
(24) A. W. Blakers et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) , 19-7, p.320.

－412－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(25) M. A. Green et al., 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference & Solar
Energy Exhibition (2005) , p.7.
(26) Schultz et al., 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2004), (2DO. 3.
2).
(27) W. P. Mulligan et al., 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2004),(2CP. 1. 2)(28) D. Kay et al., 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2004), (2DO. 3.
3).

－413－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

7.3 薄膜系太陽電池の開発状況
7.3.1 シリコン系薄膜太陽電池
本年度は、20th EU-PVSEC(2005/06, Barcelona)および PVSEC-15(2005/10, Shanghai) が開催された。
両会議報告を中心に、シリコン系薄膜太陽電池の開発状況を纏めた。

(1) 開発の動向
シリコン系薄膜太陽電池の高効率化については、昨年に引き続き日本が世界をリードしている立場にある。
欧州の研究機関からは、特に目新しい取り組み報告はなかったが、大学や装置メーカー等の複数機関で共同研究を行っている大面積化の試みに関して、進捗報告があった。また、PVSEC-15 が中国で開催されたこともあり、中国や韓国等の研究機関からの報告が急増していた。中国や韓国での研究開発が活発化していることが伺える。

(2) アモルファスSiセル
アモルファス Si 太陽電池に関しては、大面積化による低コスト化を目指したモジュールの製造方法、主にSi 層の製膜方法が検討されている。また、劣化率の低いアモルファス Si 太陽電池を得るために、アモルフ
ァス Si の多接合型も検討されている。主な報告は表 7.3.1.1 の通り。
表 7.3.1.1 アモルファス Si 太陽電池のセルおよびモジュール性能
研究機関

Si 製膜方法

セル構造の特徴

UNAXIS

シングルチャン
バー方式(KAI System)
高周波 PECVD
13.56MHz,
40.68MHz

ZnO/whitereflector
Single module
Front TCO:
ｴｯﾁﾝｸﾞ ZnO
Single module(Liechtenstein)

Julich-IPV,
Applied Films(Germany)
Nankai Univ.
－(China)KAIST(Korea)Nankai Univ.
(China)－－rear contact:
MO-CVD ZnOMultiplayer/
a-Si:H tandemcella-Si:H / a-Si:H
tandemmodule

サイズ

InitialEff.(%)

30cm×22cm

9.4 1)

10cm×10cm

8.5 2)

Si 製膜装置は、～1m2 まで対
応可能

20cm×20cm

9.1 3)

高品質 ZnO:B 適用

－
(小面積)

8.68 4)n-p-p type tunnel junction
膜厚構成：80nm/600nm

400cm29.20 5)400h で劣化率 10%以下
ZnO/Mt 反射層無し

備考
Si 製膜装置は、1.25m×1.1m
基板まで対応可能

参考）いずれも変換効率は初期効率のみ報告。

(3) 微結晶 Si シングルセル
微結晶 Si 太陽電池に関しては、アモルファス Si とのタンデム化に向けた製膜方法の大面積化が主に検討されている。微結晶 Si の製膜方法としては、シングルチャンバー方式や VHF の利用、Hot-Wire CVD 法の利用が検討されており、特に目新しい方法は見られなかった。
微結晶 Si シングルセルの高効率化においては、高 Voc を有しかつ変換効率が 10%を越える報告が、シャープおよび Julich(Germany)のグループからあった。シャープは、pin 型微結晶 Si シングルセルの p 層に

－414－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

p-μc-Si:N:H を適用としたことを特徴としている 6)。また、Julich は pin 型微結晶 Si シングルセルを主にPECVD にて作製する際、その p/i 界面に Hot-Wire CVD 法によって形成した微結晶 Si バッファ層（10nm程度）を適用することによって、変換効率 10.3%を得ている 7)。
それぞれの結果は表 7.3.1.2 の通り。
表 7.3.1.2 微結晶 Si を用いた高効率太陽電池のセル性能（シングルおよびタンデムセル）
研究機関

セル
構成

サイズ

Voc
(V)

Jsc
(mA/cm2)

F.F.

Eff.
(%)

備考

シャープ

Single(pin 型)

1cm2

0.54

26.5

0.70

10.0 6)

Julich-IPV(Germany)

Single(pin 型)

1cm2

0.568

25.5

0.713

10.3 7)

Texture-etched ZnO
coat glass subs.

カネカ

Tandem(pin 型)

1cm2

2.28

8.93

0.735

15.0 8)amorphous based Si andmicrocrystalline Si
stacked solar cell withinterlayer

Tandem(nip 型)

0.25cm2

2.19

8.52

0.780

14.6 9)

ITO/a-Si:H/a-SiGe:H/
nc-Si:H/ZnO/Ag/SS(triple junction)

UnitedSolar
OvonicCorp.

Glass/ZnO/p-μc-SiN:H/ i-μc-Si:H/n-a-Si:H/ZnO/Ag(USA)(4)アモルファス Si／微結晶 Si 多接合型
アモルファス Si／微結晶 Si 多接合型においては、小面積セルおよび大面積モジュールともに㈱カネカから高い変換効率が報告された。アモルファス Si と微結晶 Si の間に中間層を用いた構造にて、1cm2 の小面積セルで初期効率 15.0%を得ている 9)。また、ボトムセルである微結晶 Si 層をシングルチャンバー方式にて製膜した大面積モジュール（HYBRID PLUS モジュール）にて、初期効率 13.5%（51.7W）を得ている 9)。
多接合型における効率の高いセル性能についても、表 7.3.1.2 に示す通りである。

図 7.3.1.1 1cm2 ハイブリッドセルの初期 I-V 特性 図 7.3.1.2 910mm×455mm 大面積モジュールの
初期 I-V 特性－415－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(5) シースルータイプ太陽電池
本年度は、シースルータイプの薄膜 Si 太陽電池開発も盛んに行われている。
シャープ㈱からは、シースルータイプの 560mm×925mm 大面積タンデムモジュールにて、初期効率

10.1%（48.1W）、安定化効率 9.2%を得ていることが報告された 10)。
従来からシースルータイプの開発に取り組んでいる(株)カネカは、980mm×950mm 大面積モジュールの量産化に成功している。
（2005 年 3 月カネカカタログ参照：10%透過型出力 38.0W）

図 7.3.1.3 シャープのシースルーモジュール 図 7.3.1.4 560mm×925mm 大面積シースルーモジュールの
初期 I-V 特性（10%透過型）(6) その他の薄膜 Si 太陽電池開発①プラスチック基板を用いた薄膜 Si 太陽電池開発（Neuchatel Univ., VHF-Technologies）
プラスチック基板に nano-texture を形成し、その上に薄膜 Si 太陽電池を作製している。セル構造は、

PET/Al/ZnO/pin/ITO であり、アモルファス Si セルで変換効率 7.9%、微結晶 Si セルで 7.0%、アモルファ
ス Si／微結晶 Si セルで安定化効率 8.3%を得ている 11)。
②ポリマー基板を用いた薄膜 Si 太陽電池開発（Akzo Nobel 社）

Al の薄い基板にアモルファス Si 太陽電池を製膜してからポリマー基板に貼り付け、その後 Al をエッチングして取り除くプロセスを手がけている。パイロットプラントを稼動させており、52cm2 のアモルファス Si モジュー
ルで 6～8%の初期変換効率（平均 7.2%）を得ている。また、研究開発レベルでは、タンデムモジュール開発も手がけており、a-Si/a-Si タンデムで 8.2%、a-Si/微結晶 Si タンデムで 9.0%の変換効率を得ている 12)。
③高性能裏面反射層開発（Toledo Univ.）
薄膜 Si 太陽電池用の裏面電極において、凹凸を向上させるためもの（Al 層に相当）と反射率を向上させるためのもの（Ag 層に相当）を別々に形成している。セル構造は ss/Al/Ag/ZnO/nip/ITO。Al と Ag 界面での alloy 化による裏面反射率低減を抑制するために、界面にて大気暴露し、Al の表面に自然酸化膜を形成することを特徴としている。a-SiGe シングルセルにて、10.8%の変換効率を得ている 13)。
（山本 憲治）－416－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

(1) J. Meier, U. Kroll, T. Roschek, J. Spitznagel, S. Benagli, C. Ellert, G. Androutsopoulos, A. Hiigli, W.
Stein, J. Springer, O. Kluth, D. Borello, M. Poppeller, G. Biichel and A. Bfichel, Proc. 15th PVSEC,
2005, pp. 238-239(2) B. Rech, T. Repmann, J. Hupkes, M. Berginski, H. Stiebig, W. Beyer, V. Sittinger and F. F. Ruske,
Proc. 20th European PVSEC, 2005, pp. 1481-1486(3) C. Xinliang, X. Buheng, Z. Ying, S. Jian, W. Changchun and G. Xinhua, Proc. 15th PVSEC, 2005, pp.
557-558(4) J. H. Kwak, S. W. Kwon and K. S. Lim, Proc. 15th PVSEC, 2005, pp. 1140-1141(5) J. Xue, H. Ren, J. Sun, Q. Guo, Y. Wang, D. Zhang, X. Han, G. Hou and X. Geng, Proc. 15th PVSEC,
2005, pp. 646-647(6) K. Nishimura, Y. Nasuno, H. Yamamoto, T. Hayakawa, H. Taniguchi and M. Shimizu, Proc. 15th
PVSEC, 2005, pp. 782-783(7) S. Klein, Y. Mai, F. Finger, M. N. van den Donker, R. Carius, Proc. 15th PVSEC, 2005, pp. 736-737(8) K. Yamamoto, A. Nakajima, M. Yoshimi, T. Sawada, S. Fukuda, T. Suezaki, M. Ichikawa, Y. Koi, M.
Goto, T. Meguro, T. Matsuda, M. Kondo, T. Sasaki and Y. Tawada, Proc. 15th PVSEC, 2005, pp.
529-530(9) J. Yang, B. Yan, G. Yue and S. Guha, Proc. 31th IEEE PVSEC, 2005, pp. 1359-1364(10) K. Kishimoto, Y. Fujioka, K. Nomoto, A. Shimizu and T. Takeda, Proc. 20th European PVSEC, 2005,
pp. 1497-1502(11) J. Bailat, V. Terrazzoni-Daudrix, J. Guillet, F. Freitas, X. Niquille, A. Shah, C. Ballif, T. Scharf, R.
Morf, A. Hansen, D. Fischer, Y. Zieglar and A. Closset, Proc. 20th European PVSEC, 2005, pp.
1529-1532(12) B. Stannowski, R. Schlatman, E. A. G. Hamers, J. M. Lenssen, A. G. Talma, G. C. Dubbeldam, G. J.
Jongerden, Proc. 20th European PVSEC, 2005, pp. 1537-1540(13) X. Yang, W. Du, X. Cao, C. Das, Y. Ishikawa and X. Deng, Proc. 20th European PVSEC, 2005, pp.
1513-1516

7.3.2 シリコン系フレキシブル太陽電池
シリコン系フレキシブル太陽電池を取り扱うメーカーは、国内で 2 社、海外でも今のところ数えるほどしかない。国内メーカーは、TDK と富士電機、海外では United Solar Ovonic や Iowa Thin Film などのメーカーがある。TDK が腕時計を中心とした民生用太陽電池を取り扱うのに対して、富士電機は電力用を中心に応用を考えている。海外メーカーは、ポータブル電源としての太陽電池モジュールも、電力用モジュールの販売もともに手がけている。中でも United Solar Ovonic は、現在 25MW/年程度の生産能力を有する生産ラインを稼動させており、上記の中でも突出した実績を残している。
フレキシブル太陽電池のデバイス構造は、アモルファスシリコンの 1 層構造から、アモルファスシリコンとその合金薄膜の 3 層構造まで（各メーカー間で）バリエーションに富むが、すべて、ロールツーロールの－417－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
化学気相成長法によりフィルム基板に製膜するプロセス部分は共通である。生産装置が複雑で市販品が存在しないため、まだフレキシブル太陽電池を取り扱うメーカーには限りがある。しかし、その応用用途の広さから、今後は参入してくるメーカーが増えてくると考えられる。
富士電機では、それまでのガラス基板を用いたアモルファスシリコン系太陽電池技術を活かし、1994 年からフィルム太陽電池のロールツーロール量産技術を開発してきた。このフィルム太陽電池は、50μm 厚のプ
ラスチックフィルム基板上にアモルファスシリコン系の 2 層構造太陽電池を形成したものである。プラスチ
ックフィルムを基板に使用することにより、「軽量・大面積・フレキシブル」の特徴を持つ太陽電池が実現できている。ガラスパネルを使用する従来の太陽電池と比較して、重量を 1/10 以下にすることが可能であり、公共施設や産業建築の屋根に補強工事無しに太陽電池モジュールを設置することが可能である。また、様々な形状の屋根に適用することも可能である。図 7.3.2.1 は、このフィルム太陽電池を、金属屋根材料に直接貼り付けた、幅 50cm 長さ 4m の太陽電池モジュールである。これまでに、この金属鋼板貼付型太陽電池モジュールを、金属屋根メーカー最大手の三晃金属工業（株）と共同開発し、製品化している。愛知万博のワ
ンダーサーカス電力館入り口のウエイティングゾーンには、この太陽電池モジュールを用いて、デザイン性。これ以外にも、「軽量・大面積・フレキシブル」というコンセプ
豊かな屋根が設置されている（図 7.3.2.2）
トを生かし、フィルム太陽電池の両面を耐候性フィルムにより封止した「フレキシブルタイプ太陽電池モジ
ュール」など、様々な応用用途の開発を進めている。
プラスチックフィルムを基板に使用することで、量産性の極めて高いロールツーロールプロセスを製造に採用することができる。ロールツーロールプロセスでは、フィルム基板をロールで取り扱うことを基本とする。フィルム基板のロールを装置に一度セットするだけで、キロメートルオーダーの長さのフィルムを、メンテナンス無しに連続して一括処理することができるため非常に生産性が高い。
フィルム型太陽電池の製造は、主に 4 種類の装置によりロールツーロールで行われる（図 7.3.2.3）。①パンチ装置によるスルーホールコンタクト用ホール形成（「直列接続穴」および「集電穴」）、②ロールツーロー
ル製膜装置による金属電極形成、③ステッピングロール製膜装置によるアモルファスシリコン層および透明電極層形成、④レーザパターニングによるユニットセルの分離の大きく 4 種類の工程よりなっている。

図 7.3.2.1 大面積金属屋根材貼付型太陽電池モジュール－418－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 7.3.2.2 愛知万博ワンダーサーカス電力館への設置例

直列ホール形成

金属電極形成パンチ装置

ロールツーロール（電極）製膜装置

集電ホール形成

発電層形成

ステッピングロール製膜装置

レーザパターニング
レーザパターニング装置

図 7.3.2.3 フィルム太陽電池製造工程の概略－419－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
富士電機は、従来のロールツーロール製膜装置の欠点である“製膜室間でのガスの混合”を防ぐことができる、
改良版ロールツーロール製膜装置（ステッピングロール製膜装置）を開発した。このステッピングロール装置は、大きな共通真空槽の中に搬送系と 10 室以上の製膜室（CVD 室およびスパッタリング室）が組み込まれていた構造になっている。フィルム基板は、連続的ではなくカメラのフィルムのようにコマ送りされる。最終的には、装置端部に設置された巻き取りロールに巻き取られて発電層の層構造が完成する。各製膜室のヒータ部分は、フィ
ルムをプレスするように平行移動して、各製膜室を共通室と分離する。これにより各々の製膜室に導入されたガスは、隣の製膜室へは混入しなくなる。このため同一の真空槽内（共通室内）に、全く条件の異なる CVD 製膜
室とスパッタリング製膜室を組み込んで、同時製膜することが可能となる。アモルファスシリコン層と透明電極層の製膜を同一装置内で一括して行うため、プロセスの信頼性が極めて高くなる。
また、このステッピングロール製膜装置には、図 7.3.2.3 の平面図に示すように、フィルム基板が垂直に（左右対称に）2 本セット可能である。ガス導入部や真空排気部を共通化できるため、装置設備投資額が低下できるとともに、2 本同時処理により生産能力を向上している。
フィルム太陽電池の量産化を実現するために、前述の技術を含めて、下記に示すような技術を開発してきた。1,4)① スルーホールコンタクト（SCAF 構造）太陽電池設計技術② ステッピングロール製膜装置技術③ 放電周波数制御（Vpp 制御）によるアモルファスシリコン高速製膜技術④ 選択的反応性スパッタリングによる低温・高速テクスチャー電極形成技術⑤ 大面積均一透明電極形成技術⑥ 大面積金属屋根一体型太陽電池モジュール製造技術⑦ フレキシブル太陽電池モジュール製造技術
各々の技術の詳細については、各参考文献を参照されたい。
現在富士電機では、熊本県に太陽電池の専用工場を建設中である。新規生産ラインを順次導入することにより、2008 年頃には 30MW/年程度の生産能力を確保する計画を有している。
（高野

章弘）

参考文献

(1) A. Takano

and T. Kamoshita: “Light-Weight and Larger-Area Solar Cell Production

Technology“ Jpn. J. Appl. Phys., 43, (2004) 7976.
(2) A. Takano, M. Uno, M. Tanda, S. Iwasaki, H. Tanaka, J. Yasuda and T. Kamoshita: “Highly
Texturized

SilverElectrode

Deposition

using

Roll-to-Roll

Low-Temperature

Sputtering

Process“ Jpn. J. Appl. Phys., 43, (2004) L277.
(3) A. Takano, T. Wada, T. Yoshida, Y. Ichikawa and K. Harashima: “Excitation Frequency Effects on
Large-Area Hydrogenated Amorphous Silicon Film Deposition Process using Flexible Film
Substrate“ Jpn. J. Appl. Phys., 41, (2002) L323.
(4) A. Takano, M. Tanda, M. Shimosawa, T. Wada and T. Kamoshita:” Excitation Frequency Effects on
Stabilized Efficiency of Large-Area Amorphous Silicon Solar Cells using Flexible Plastic Film
Substrate“ Jpn. J. Appl. Phys., 42, (2003) L1312.

－420－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

7.3.3 CIGS 薄膜太陽電池(1) はじめに
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS と略す)太陽電池は、薄膜太陽電池の中では最も変換効率が高く、長期信頼性も確認されたことなどから、次世代の低コスト高効率太陽電池の有力候補として位置付けられている。小面積セル
では、昨年、変換効率 19.5％が米国再生可能エネルギー研究所（NREL）から報告され、改めてこの材料系のもつポテンシャルの高さが認識された。他方、大面積モジュールに関しては、数年前から、試験的に小規模な市場投入が行われていたが、本年度になって、日欧で相次いで、15～30MW/年規模の商業ベース生産計
画が発表された。本稿では、最初に、小面積セルおよび新型セル、つぎに、大面積モジュールの最新動向について報告する。

(2) 小面積セル
本年度は小面積 CIGS セルの変換効率の更新はなかったが、本格的商業化に向け、これに関連した研究開発が顕著となった。たとえば、NREL では原料コストの削減を図るため、CIGS 光吸収層の薄膜化や低純度原料の可能性などを調べた。薄膜化に関しては、膜厚１μm で変換効率 16％が得られている。この膜厚では、３段階法でも量産化を考慮した同時蒸着法でも変わらない。膜厚がさらに薄くなり、0.5μm では 8.7％に低下した。原料純度については、99.999％で変換効率 17％および 99.9％でも 15.5％を得ている１）。主な不純物は Fe や Pb などであり、これらが効率制限要因となっている可能性がある。
また、NREL では、CIGS 太陽電池のさらなる高効率化をめざして、禁制帯幅最適化を行った。その結果、禁制帯幅 1.10eV で変換効率(total area)19.5％および 1.26eV（Ga 濃度 31％）で 18.4％を得た。このときの開放電圧（Voc）は 740mV と高く注目される１）。高 Voc 化に関しては、産総研グループが CIGS 製膜時に水蒸気を導入するユニークな方法で、Voc=744mV、変換効率（active area）18.1％を得ている２）。Ga 濃度（48％）
から類推した禁制帯幅は 1.3eV としている。これは水蒸気の導入により、CIGS 膜中の Se 空孔（ドナ）が減少し、相対的に正孔濃度が増したためと考えている。
理想的な pn 接合太陽電池では、禁制帯幅が 1.4eV 程度で変換効率が最大となることが知られているが、CIGS 太陽電池では禁制帯幅が 1.3eV 以上になると Voc の増加傾向が鈍るため、変換効率は逆に下がってしまう３）。この原因の究明と解決が、依然として大きな課題となっている。
一方、通常の CIGS 太陽電池には、バッファ層として溶液成長 CdS が使用されている。しかしながら、CdS の禁制帯幅が 2.4eV と比較的狭いため、光吸収損があることや、環境保全の観点から Cd フリー・バッ
ファ層の研究開発が活発化している。表 7.3.3.1 の中段に示すように、これまでに、多くの代替バッファ層
4~13)が提案されてきたが、比較的高い変換効率の得られているのは Zn 化合物系と In 化合物系である。Zn

化合物系バッファ層は、禁制帯幅が 3.7eV 程度と CdS よりも広いため、短波長領域における量子効率の改善に効果的である。最近 InxSy バッファ層に関する研究が欧州で盛んであるが、今のところ、Zn 化合物系バッファ層を用いたセルの変換効率 18.6％１３）には届いていない。表 7.3.3.1 に小面積 CIGS 太陽電池の現状
性能をまとめた。

－421－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 7.3.3.1 小面積 CIGS 太陽電池の性能 (2006 年 1 月現在)

CIS 系

面積

製膜法

(cm2) (mV)

ZnO:Al/ZnO/CdS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.41

698

35.1

0.795

19.5*

NREL

ITO/ZnO/CdS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.96

674

35.4

0.774

18.5

松下電器

ZnO:Al/ZnO/CdS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.42

744

32.4

0.752

18.1

産総研

ZnO:Al/ZnO/CdS/Cu(InGa)(SeS)2

ﾊﾞｲﾚｰﾔｰ法

-

700

32.6

0.746

18.1

ｼｭﾂｯﾄｶﾞﾙﾄ大

ZnO:B/ZnO/CdS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.20

645

36.8

0.760

18.0

青学大

ZnO:Al/ZnO/CdS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.18

671

33.2

0.790

17.6

東工大

ZnO:Al/ZnO/CBD-ZnS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.40

661

36.1

0.782

18.6*

青学大/NREL

ZnO:Al/ZnO/CBD-ZnS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.40

670

35.1

0.788

18.5*

NREL

ZnO:Al/ZnO/CBD-ZnS/Cu(InGa)Se2

３段階法

0.16

671

34.9

0.776

18.1

青学大

ZnO:Al/ZnO/In2S3/Cu(InGa)Se2

ﾊﾞｲﾚｰﾔｰ法

0.1

665

31.5

0.78

16.4

ENSCP/ZSW

ITO/ZnMgO/Cu(InGa)Se2:Zn

３段階法

0.96

587

40.2

0.689

16.2

松下電器

ZnO:Al/ZnO/Zn(OS)/Cu(InGa)Se2

ﾊﾞｲﾚｰﾔｰ法

-

684

32.0

0.734

16.0

ｳﾌﾟｻﾗ大

接合構造

Voc

Jsc

FF

変換効率

研究機関

(％)

(mA/cm2)

CdS ﾊﾞｯﾌｧ系

Cd ﾌﾘｰﾊﾞｯﾌｧ系

ﾜｲﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ系 (Eg >1.5eV)

CuGaSe2(Eg=1.64 eV)

３段階法

0.48

823

18.61

0.668

10.2*

NREL

CuGaSe2(Eg=1.68 eV)

蒸着法

-

946

15.5

0.665

9.7*

HMI

CuInS2(Eg=1.5 eV)

硫化法

0.48

728

21.42

0.71

11.1*

HMI

Ag(InGa)Se2 (Eg=1.7 eV)

３段階法

0.42

949

17.0

0.577

9.3*

青学大

＊Total area efficiency(3) フレキシブルセル
CIGS 太陽電池は耐放射線特性に優れ、また、出力/重量比が大きいことから、宇宙用途を目指した、フレキシブル太陽電池の研究開発が欧州を中心に活発化している 14~17)。基板にステンレスや Ti などの金属箔を用いた場合は、CIGS の製膜温度を高温にできるため、CIGS 薄膜の膜質は良好となり、17％台の変換効率が得られる。フレキシブル基板を用いるもうひとつのメリットは、ロールトウロール法などによる高速製膜の可能性である。しかしながら、集積型モジュール製造に関しては、基材と CIGS 薄膜との間に必要な絶縁膜に問題があり、今後の課題となっている。

ZSW/Wuerth Solar グループは、ガラス基板を用いた通常の CIGS モジュールだけでなく、フレキシブル・セルおよびモジュールの研究開発も進めており、Ti 箔を用いたセルで 13.8％（27cm2）、ポリイミド基板を用いたモノリシック・集積型モジュール（422cm2）で変換効率 5.2％、Ti 基板では、同じ面積で変換効率3.8％を得ている１４）。また、昨年シュツットガルト大学からハーンマイトナー研究所（独、HMI）に移動したショック教授のグループは、Ti 基板を用いたルーフタイル式モジュール（130cm2）で変換効率 10.5％を得ている１５）。松下電器グループはステンレス基板を用い、小面積セルで変換効率 15.8％、受光面積 91cm2－422－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）のサブモジュールで 12.6％を達成した１６）。
一方、ポリイミドの場合には、耐熱性が 450℃程度であるため、CIGS 薄膜の結晶性が劣り、変換効率は低くなる。また、ソーダライムガラスのように、Na 拡散による開放電圧の改善が期待できない。このため、

Na 化合物を添加する必要がある。最近、スイス工科大学（ETH）では、ポリイミドを用い、基板温度 450℃という比較的低温で、変換効率 14.1％を得た 17)。Na 添加は、NaF を CIGS 蒸着後に付け、ポストアニール
で行っている。表 7.3.3.2、7.3.3.3 にフレキシブルセルおよびモジュールの現状性能をまとめた。
表 7.3.3.2 フレキシブル CIGS 太陽電池の性能 （AM1.5） (2006 年 1 月現在)
基板材料 CIGS

面積

Jsc

Voc

FF

変換効率 研究機関

(％)

製膜法

(cm2) (mV) (mA/cm2)

SUS

３段階法

0.41

646

36.4

0.742

17.4

NREL

SUS

３段階法

0.96

628

37.2

0.723

17.0

松下電器

Ｔｉ

３段階法

0.5

640

34.5

0.756

16.7

HMI

Ｔｉ

３段階法

27.1

640

33.9

0.693

15.0

HMI

Ｔｉ

同時蒸着法

0.56

660

28.4

0.755

14.2

ZSW

Ｔｉ

同時蒸着法

27.0

649

29.5

0.723

13.8

ZSW

Ｔｉ

セレン化法

1.4

583

33.5

0.710

13.9

ｼｪﾙｿｰﾗｰ

PI

セレン化法

1.4

502

33.0

0.681

11.3

ｼｪﾙｿｰﾗｰ

PI

同時蒸着法

0.60

649

31.5

0.691

14.1

ETH

PI

同時蒸着法

-

639

25.0

0.735

11.7

ZSW/ﾋﾞｭﾙｽｿｰﾗｰ

SUS: ステンレス箔、PI: ポリイミド, ETH:スイス工科大、HMI:Hahn-Meitner-Institute
表 7.3.3.3 CIGS フレキシブル・モジュールの性能 （AM1.5） (2006 年 1 月現在)

CIGS

面積

サイズ

Voc

Jsc

製膜法

(cm2)

(cm2)

(V)

(mA/cm2)Ｔｉ

３段階法

130 27×4 セル

2.32

-

0.67

10.5

HMI

Ｔｉ

同時蒸着法

46

7×8

5.8

24.3

0.49

6.8

ZSW

Ｔｉ

同時蒸着法

467

20×30

14.9

24.0

0.41

3.8.

ZSW

PI

同時蒸着法

23

5×10

2.7

26.7

0.560

8.0

ZSW

PI

同時蒸着法

46

10×10

5.2

25.3

0.567

7.5

ZSW

PI

同時蒸着法

422

20×30

18.7

25.1

0.435

5.2

ZSW

基板材料

FF

変換効率 研究機関(％)

SUS: ステンレス箔、PI: ポリイミド(4) 新型太陽電池
CIGS 系のさらなる可能性を求めて、新しいセル構造に関する基礎研究が進められている。その１つは、タンデム型太陽電池である。シミュレーション結果によれば、CIGS 系 2 接合タンデム型太陽電池の変換効率は 26-28％が可能である１８)。これに基づき、NREL では高性能光起電力プロジェクト（High-Performance－423－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

Photovoltaic Project）を数年前に立ち上げ、基礎的研究を遂行してきた 31）。国内では青学大/東工大のグループがＮＥＤＯ革新次世代太陽電池研究開発のプログラムの１つとして昨年から基礎研究に着手した。タン
デムセルの当面の課題はトップセルの高効率化である。これに関して、NREL では Mo 裏面電極を用いた

CuGaSe2（CGS）太陽電池で変換効率 10.2％、透光性 CdTe 太陽電池で 13.8％を得た。さらに、これらのトップセルを用いた CdTe/CIS 系 4 端子タンデムセルで変換効率 15.3％、および CGS/CIS 系４端子タンデ
ムセル変換効率 9.7％を得ている 19)。
もう１つの新構造セルとして、両面受光型太陽電池が青学大から報告された２０）。これは従来の Mo 裏面
電極を ITO などの透明導電膜に代えたもので、裏面からの入射光も発電に利用できるため、出力電力の向上が期待できる。現状の変換効率(total area)は、表面受光時に 12.6.％、裏面受光時に 7.4％(受光面積 0.48cm2)である。実用的な観点からは、このタイプの太陽電池の発電量は設置条件に大きく依存し、たとえば雪国な
どでは、大きな発電量が期待できる。今後、いかに裏面受光時の変換効率を改善するかが両面受光型 CIGS
太陽電池の重要な課題である。

(5) 大面積モジュール
日米欧の各企業は、これまでの基礎技術から、本格的実用化に向けた CIGS モジュールの大面積化、高効率化、歩留り向上に関する技術開発にシフトした。本年度はドイツ１社、日本２社で大きな動きがあった。

ZSW/Wuerth Solar グループは、60cm×120cm 大面積モジュールで平均効率 11.2％、および最高変換効率
13.0％、最大出力 85Wp を達成した。このときの歩留まりは 85%である。同社の CIGS 製膜法は、インライン式真空蒸着法である。2004 年度の生産量は 1.3MW であったが、2007 年には年間生産量 15MW とする計画を発表した 21)。また、用途拡大のため、前述したように、シースルー・タイプやフレキシブルモジュールの開発も行っている。さらに、代替バッファ層の研究も進めており、ALD 法による Zn(O,S)バッファ層で変換効率 12.7%(72cm2)を得ている。
シェル・ソーラー社は 1998 年に市販を開始し、グループ全体の生産量は 2002 年度で 1MW、製造能力は3MW 程度である 22)。また、将来 100W モジュールの開発をターゲットとしており、この一歩手前の 60cm
×90cm モジュールで世界最高の変換効率 13.1％、出力 64.8W を達成した。また、ドイツでは、SulfurCell
社が CuInS2 系モジュールのパイロットラインを立ち上げ、小規模ながら稼動を始めた。この他、フランス
では、Dr.Lincot を中心とするグループにより CISEL プロジェクトが立ち上げられた。このグループでは、電着法による低コスト CIGSSe 膜製造技術を用い、変換効率 10％、0.7 ユーロ/W を目標とする。30 ㎝×30
㎝基板を用いた現状効率は、テストセル（0.1 ㎝ 2）で 11.5％である 23)。
一方、国内では、昭和シェル石油が 30cm×120cm モジュールで変換効率 13.2％、最大出力 45.6W を達成している。他社が CdS バッファを用いているのに対し、同社では Zn 化合物バッファで高効率を達成している点で有利である 24)。同社では、これまで、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託研究のもとで、CIGS 太陽電池の変換効率の向上と量産化要素技術の開発を行ってきたが、商業生産ベースの太陽電池生産工場を宮崎県に建設する計画を発表した（2005 年 8 月）25)。生産量は、年間 20MW で、住宅用および産業用を中心に販売する予定である。2005 年度末から工場建設を開始し、2007 年初頭からの商業生産を目指している。
本田技研工業（株）は、2002 年春から、ホンダエンジニアリング（株）にて生産した CIGS 薄膜太陽電池を国内 12 事業所と海外 3 事業所に設置し、活用してきたが、今回、熊本製作所内に年産 27.5MW の太陽－424－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
電池量産用新工場を設け、2007 年より生産を開始する計画を発表した（2005 年 12 月）26)。販売について
は、生産技術開発子会社 ホンダエンジニアリング（株）にて生産する太陽電池を 2006 年秋より地域限定で開始する予定である。ただし、製造法、セル構造および性能などの詳細に関しては、不明である。表 7.3.3.4に大面積 CIGS モジュールの性能をまとめた。
表 7.3.3.4 大面積 CIGS モジュールの性能(2006 年 1 月現在)

Voc

Isc

(cm2)/ｾﾙ数

(V)

(A)

ZnO:Al/ZnO/CdS/CIGS

6507/79

51

2.32

0.715

13.0

85

ZSW/ﾋﾞｭﾙｽｿｰﾗｰ

ZnO:Al/ZnO/In2S3/CIGS

900

27.8

0.457

0.726

12.9

9.22

ZSW/ﾋﾞｭﾙｽｿｰﾗｰ

4938/98

54.6

1.78

0.667

13.1

64.8

ｼｪﾙｿｰﾗｰ

ZnO:Al/Zn(S,OH)/CIGSS

900

-

-

-

10.5

-

ｼｪﾙｿｰﾗｰ

ZnO:B/Zn(O,S,OH)/CIGSS

3456/51

29.4

2.35

0.661

13.2

45.6

昭和ｼｪﾙ石油

ZnO:B/Zn(O,S,OH)/CIGSS

900

31.64

0.58

0.683

14.3

12.3

昭和ｼｪﾙ石油

ZnO:B/CdS/CIGSS

FF

η(％)

受光面積

接合構造

電力

企業名

(Wp)

CIGS= Cu(InGa)Se2 , CIGSS=Cu(InGa)(SSe)2
（中田

時夫）

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－425－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

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(14) D. Harrmann et.al. : Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona, 2005)
98-101(15) C. A. Kaufmann et.al. : Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona, 2005)
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(16) S. Hayashi et. al. Tech. Dig. 15th Int. Phot. Sci. Eng. Conf. (Shanghi, 2005)95-96.
(17) D. Bremaud, D. Rudmann, G. Bilger, H. Zogg and A. N. Tiwari: Proc. 31st IEEE PVSC, (Florida ,2005).
(18) R. Noufi, D. L. Young, T. J. Couts, T. A. Gessert, J. S. Ward, A. Duda, X. WU, M. Romero, R. Dhere,
and J. AbuShama : Proc. 3rd World Conf. Photovoltaic Energy Conversion, (Osaka, 2003)12-14.
(19) M. Symko-Davies and R. Noufi: Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona,2005) 1721-1724.
(20) T. Nakada et. al. : Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona, 2005)
1736-1739.
(21) M. Powalla et. al. : Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona, 2005)
1689-1694.
(22) V. Probst, J. Palm, S. Visbeck, T. Niesen, R. Tolle, A. Lerchenberger, M. Wendl, H. Vogh, H. Calwe,
W. Stette, and F. Karg: Tech. Dig. 14th Int. Photovoltaic Science and Engineering Conf., (Bangkok,
2004) 663-664.
(23) J. Kessler et.al. : Proc. 20th European Photovoltaic Solar Energy Conf., (Barcelona, 2005)
1704-1708.
(24) K. Kushiya, K. Tanaka, Y. Nagoya, M. Tachiyuki, and M. Akema: Proc. 19th European Photovoltaic
Solar Energy Conf., (Paris, 2005)1672-1677.
(25) 昭 和 シ ェ ル 石 油 （ 株 ） プ レ ス リ リ ー ス (2005 年 8 月 10 日 )http://www.showa-shell.co.jp/press_release/pr2005/0810.html(26) 本 田 技 研 工 業 （ 株 ） 企 業 ニ ュ ー ス （ 2005 年 12 月 19 日 ）http://www.honda.co.jp/news/

2005/c051219.html－426－
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7.4 集光型太陽電池
7.4.1 集光セルの技術動向
集光セルの効率向上は著しい（図 7.4.1.1）。有機系セルを除けば他種セルの効率は 2000 年以降停滞傾向にあるものの、集光セルは順調に効率を伸ばしており、Spectrolab（米国）は 2006 年第１四半期には 40 %の効率を越えるであろうとアナウンスしている。

2006(1Q)予測2005 実績

図 7.4.1.1 NREL で計測された各種太陽電池の最高効率の推移（R. McConnell et al 1) に加筆）依然として InGaP/InGaAs/Ge の３接合が主流であるが、エピ 3 接合を形成する順序を逆にする 2)、張り合わせによる格子不整合多接合スタック 3)など新しい工夫も見られ、高い効率を出している。GaInNAs 等第４接合用 1.0eV 新材料についてはセルへの実用化にはまだ遠いと見られるが、従来にない高品質の成膜に成功しており、４接合化、５接合化も夢物語ではなくなりつつある 4)。さらに、次世代太陽電池材料として注目されている InGaN 系についても、台湾のグループが GaN/ AlGaN/ InGaN 及び InGaN のセル化に成功しており 5)、これもまた、現実味を帯びつつある。加えて、量子ドット型セルも、筑波大学のグループが自己組織型量子ドットでセル化するなど 6)、着実に進展しつつある。以上の背景より化合物多接合セルの効率はまだまだ増大するであろうし、45%、50%の効率も道が拓け始めたといって良い。

7.4.2 集光光学系の技術動向
高集光倍率の集光光学系は 500 倍前後が主流である。500 倍を越えるとフレネルレンズによる集光が困難になるので、反射光学系が見直されている。カセグレン型反射鏡 7,8)、誘電体界面の全反射を利用した TIR-R
レンズ 9)が挙げられる。実用的な許容入射半角を維持しながら 4,600 倍の集光倍率をもたらす光学系の提唱－427－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）もなされている 10)。反射型集光光学系は精度をいかに確保するかが重要となる。加工しやすい球面反射鏡の収差を補正するための理論解析もなされている 11)。
フレネルレンズ集光についても製造技術開発が進んでいる。ファイバー伝送のための 1,000 倍集光フレネ
ルレンズ 12)が試作された。海外でもドーム型フレネルレンズ、射出成形でフレネルレンズ製作 13)が行われている。
低集光倍率では平板反射鏡と Si セルによる追尾低倍集光が見直され始め、海外の各所で実証プラントの建設が始まっている。追尾が当たり前になりつつある現在では、あえて無追尾にさせて光学系に無理をかけるよりもシンプルで低コストな平面反射鏡を用いて追尾させた方が有利だといった考え方が定着しつつある。
集光倍率としては 1.5 倍～3 倍、追尾は１軸と２軸の両方がある。日射の有効利用のため低倍集光でも２軸追尾を選ぶことが多くなっているようである。

7.4.3 集光モジュールの技術動向
高効率化の点では、先鞭を付けた日本に続き、米国、欧州でも 28%を越える屋外効率（いずれも温度補正、フレ無し）を発表した 14,15)。いずれも、３接合型の集光セル、万華鏡型の２次光学系（ホモジナイザー）
ネルレンズを用いている。これら３点セットは、今後、高効率モジュールの標準技術として定着するであろう。また、放熱の点でも、500 倍といった高集光倍率でさえも筐体自然空冷が当たり前になっている。
技術開発の主流は高効率化から高信頼性化へと移りつつある。
本分野は日本が先行したが、米、
欧とも 2006
年には大規模な信頼性評価プログラムを行うことを表明している。集光紫外線曝露試験により、適切な設計をすることにより集光モジュールが 20 年以上の寿命を持ちうることが確認されただけではなく 16)、信頼性試験方法についても IEC TC82 WG7 グループを中心に活発に議論されている 17)。
低コスト化については、重量が 0.07kg/W のモジュールの発表 18)、実物の展示が行われた。タンデム型薄膜シリコンモジュールの半分以下、フレキシブル Si 薄膜モジュールや結晶 Si モジュールの 2/3 の重量である。導電性硝子や高純度半導体といった特殊材料や CVD など真空プロセスを使わない。材料単価が安い上に使用量も少なく、高価な半導体プロセスを使わずに通常の機械組立技術で生産が可能であるといったことから、太陽光発電の抜本的な低コスト化を図れる技術として注目される。

7.4.4 集光発電のシステム化についての技術動向
豊橋技科大学でのフィールド試験結果より、高効率の集光型太陽電池を用いれば日本のような曇天が多い湿潤地域でもメリットが出るといった結果が出た 19)。年間発電量は 277kWh/㎡であり、結晶 Si 太陽電池の 1.6 倍である。また、発電に使われない拡散光をそのまま地上へ照射させるといった集光モジュールも発表された 20)。太
陽電池の下の土地がデッドエリア化しないことになる。これにより、コミュニティーの緑地に集光型太陽電池を設置して集中的に発電量を稼ぐといったアプリケーションや、ビル屋上緑地と併用して直射日光による屋上緑地
土壌層の乾燥を避けながら高効率の発電を行うといったシステムが現実味を帯びてきた。
米国、
欧州、
日本において、化合物型多接合セル搭載の集光発電システムの系統連携実験が開始された 21,22)。

2006 年には結晶 Si 系太陽電池との違いやフィールド試験結果、運用指針などが公表されるであろう。
集光型太陽電池の応用例として集光水素発生が挙げられる 22)。これは、多接合集光セルで発電した電力による電気分解とと集光セルの廃熱による水の高温化を同時に行い、水素発生効率を高めるだけでなく、発生する水素も高圧化して輸送効率を高めようというものである。独フラウンホッファ研で行われた実験では－428－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

18%の高効率（太陽エネルギー→化学エネルギーの変換効率）で水素を発生させている。

7.4.5 集光型太陽光発電の性能まとめ
集光型太陽光電池は、「高い性能が出てあたりまえ」という状態になりつつある。他種太陽電池と異なり、効率以外のところでの競争が激しくなっている。表 7.4.5.1 にこの１年の進展を一覧表として示すが、上記背景に基づき、標準試験条件での効率だけでなく、屋外発電量など発電装置として重要な指標も含めてまとめる。また、集光型太陽電池は主に海外で活発な研究開発がなされているが、表 7.4.5.1 には日本の技術を重点的に取り上げている。
セル効率は原則として Low-AOD スペクトルでの値を掲載した。その他のスペクトル、たとえば AM1.5D
や AM1.5G での値も区別せず掲載しているが、スペクトルにより効率の値が変動する場合があるので注意が。
必要である（たとえば、シャープは AM1.5G による自社測定では 38.9%の高い効率を出している）
また、モジュール効率は基準太陽エネルギー入射で発電されたエネルギーをモジュール面積で割ったものであるが、球状 Si モジュールではモジュール面積ではなく集光セルの投影面積で割った値をモジュール効率としている場合がある。同一基準で比較するため、モジュール面積あたりの発電量として再計算したものを
表 7.4.5.1 に掲載した。球状 Si モジュールについては集光型と銘打っていないものもあるが、集光して効率評価を行っているので本表ではあえて区別しなかった。屋外と屋内での効率測定が発表されている場合は、屋外での値を掲載した（屋外測定の方が効率が低い）。
薄膜モジュールの面積に相当する指標は集光型太陽電池では集光倍率となる。モジュール面積は表 7.4.5.1には掲載していない。むろん、集光倍率が高いほど効率は下がる傾向にある。集光型太陽電池は機械技術により構成するので、設計が良いモジュールでは面積が増えても効率はほとんど低下しない。
表 7.4.5.1 主な集光型太陽電池の性能（2005 年 12 月現在、2005 年の１年間に発表・改訂されたもの）
セルの性能
構造

InGaP/InGaAs

製法

LEPECVD+MOC

集光倍率

効率

研究機関

108

14.9 % CEZIVD
InGaP/InGaAs/Ge (格子整合)

MOCVD

236

39.0 % Spectrolab

InGaP/InGaAs/Ge (格子整合)

MOCVD

500

37.2 % シャープ

InGaP/InGaAs/Ge(格子整合)

MOCVD

536

32.4 % Emcore

InGaP/InGaAs/Ge(格子整合)

MOCVD

10,000InGaP/InGaAs/Ge (格子不整合)

MOCVD

309

36.9 % Spectrolab

InGaP/InGaAs/Ge(格子不整合)

MOVPE

600

35.2 % Fraunhofer ISE

InGaP/GaAs/InGaAs (格子不整合)

MOCVD＋剥離

10.1

37.9 % NREL

1.36

23.6 % Spectrolab

1

13.5 % Spectrolab

AlGaInP/GaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInN MOCVD

24.5 % BGU、Spectrolab

As/Ge
InGaP/InGaP/

MOCVD

AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge－429－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

構造

製法

集光倍率

効率

研究機関

Si

バックコンタクト100

26.8% SunPowerSi

バックコンタクト92

27.6 % Amonix

Si

表裏電極

92

25.0 % Fraunhofer ISE

Si

表裏電極

100

19.5 % UPM-IES

Si

表裏電極後付け

1.5

16.7 % Day4

Si

LGBG

30

19.8 % NaREC

Si

LGBG

85

18.3 % NaREC

Si

球状

1

12.6 % ｸﾘｰﾝﾍﾞﾝﾁｬｰ 21

Si

Concave （ セ ル ２--

16.3 % 東北大

枚）

GaAs

LPE

1,002

26.2 % UPM-IES

GaAs

LPE

2,000

25.0 % UPM-IES

GaAs on Si

LEPECVD+MOC

1,000

19.1 % CEZI

VD
GaAs on Si (MIM)

MOVPE

150 20.5 % Fraunhofer ISE

Ge (TPV, 選択エミッタと組み合わせ)

バックコンタクト

100

MQW (InGaAlAs/InAs) InAlAs

MBE

MQW（GaAsP/InGaAs）GaAs

MBE

25 % トヨタ自動車

1 33.8 % 筑波大学
100 25.6 % Imperial College

モジュールの性能
構造

集光倍率

効率

研究機関

Si セル＋平板反射鏡

320.0 % (屋外) JX Crystals

Si セル+CPC

3

16.7 % (屋外) NaREC

球状 Si セル＋金属面反射集光（7 セル）

4.4

5.9 % (屋内) ｸﾘｰﾝﾍﾞﾝﾁｬｰ 21

球状 Si セル＋拡散板反射集光（361 セル）

11.5

1.5 % (屋内) 京セミ

Si セル+フレネルレンズ

7.5

18.2 % (屋外) Day4

Si セル+フレネルレンズ

200

15.8 % (屋外) ENEA

Si セル+フレネルレンズ

100

18.5 % (屋外) Fraunhofer
ISE

Si セル+反射鏡+CPC

26523.2 % (屋外) Fraunhofer
ISE

GaAs セル＋TIR-R レンズ＋２次光学系
2 接合セル＋フレネルレンズ

1,264～20 % (屋外、推定値) ISOFOTON

500

22.7 % (屋外) Fraunhofer
ISE

－430－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
構造

集光倍率

2 接合セル＋フレネルレンズ

105

3 接合セル＋フレネルレンズ

8.5

3 接合セル＋フレネルレンズ

500

効率

研究機関

23.9 % (屋外) CEZI
30.1 % (屋外、一部分抽出) Entech
25.9 % (屋外) Fraunhofer
ISE

3 接合セル＋フレネルレンズ

90

27.4 % (屋外) CEZI

3 接合セル＋フレネルレンズ＋２次光学系

550

3 接合セル＋フレネルレンズ＋２次光学系

520

28.2 % (屋外) Emcore

3 接合セル＋フレネルレンズ＋２次光学系

470

28 % (屋外) Sol3g

3 接合セル＋フレネルレンズ＋２次光学系

510

25.3% (25C 補正)、24.8% (屋外) Ioffe

3 接合セル＋フレネルレンズ＋２次光学系

10022.5 %(屋外) 台湾核能研

3 接合セル＋反射鏡＋２次光学系

430

14.9 % (屋外) CT

2 接合+GaSb セル+カセグレン光学系

625

24.7% (屋外) JX Crystals

31.5 % (25C 補正)、28.9 % (屋外) 大同特殊鋼

システムの性能、その他
比較項目

構成

性能

研究機関

面積あたりの発電量（日本）

3 接合＋550 倍集光

277 KWh/㎡・年 豊橋技科大平均発電効率（日本）

3 接合＋550 倍集光20.4 %（1 年間） 豊橋技科大面積あたりの発電量（独）2 接合＋500 倍集光73.4 kWh/㎡・4 ヶ Fraunhofer
月 ISE

2 接合＋500 倍集光

平均発電効率（独）16.4 % (4 ヶ月) Fraunhofer
ISE

2 接合＋フレネルレ

水素発生効率ンズ＋PEFC

18 %Fraunhofer
ISE

発電システムのコスト
構成

規模

コスト

3 接合集光 全システム

200 MW

2.38 Euro/W Concentrix

Si セル集光 全システム

10 MW

2 USD/W Amonix

Si セル集光 全システム

0.5 MW

4 USD/W Amonix

GaAs 集光 全システム--

2.5 USD/W ISOFOTON

3 接合集光 全システム

100 MW

2.1 USD/W JX Crystals

3 接合集光 全システム

1 GW

1.0 USD/W JX Crystals

研究機関

3 接合集光 全システム（設置費除）--1.84 USD/W Pyron

3 接合集光 全システム（予定価格）--

4.85 USD/W Green & Gold Energy

Si セル+平板反射鏡モジュール

100 MW

1.8 USD/W JX Crystals－431－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
構成

規模

コスト

Si セル+平板反射鏡全システム

100MW

3 接合集光モジュール＋追尾

100MW

研究機関

3.9 USD/W JX Crystals
100 円/W シャープ、大同特殊鋼、大同メタ
ル

SOEC＋反射鏡＋波長分離

1 GW

3.18 USD/kg (水素発生) NREL
（荒木

建次）

参考文献

(1) R.D.McConnell: “High Performance PV Future III-V Multi-junction Concentratrors”, Presentation
at 20th EUPVSEC, (2005), 1AP.1.5.
(2) M.W.Wanlass, S.P.Ahrenkiel, D.S.Albin, J.J.Carapella, A.Duda, K.Emery, J.F.Geisz, K.Jones,
S.Kurtz, T. Moriarty, M.J.Romero: “GaInP/GaAs/GaInAs Monolithic Tandem Solar Cells for High
Performance Solar Concentrators”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_12m.pdf(3) H.Atwater,

J.Zhaler,

M.Griggs,

A.Morral,S.Olson,

K.Tanabe:“Ultrahigh

Efficiency

Microconcentrator PV”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_13p.pdf(4) D.J.Friedman, A.J.Ptak, S.R.Kurtz, J.F.Geisz, and J.Kiehl: “GaInNAs Junctions for Next
Generation

Concentrators–Progress

andPerspectives-“,

CDROM

of

ICSC2005(2005),

38172_17m.pdf(5) Y. Cheng, “Characteristics of InNandPhotovoltaic Applicationsfor Nitride Semiconductors”, 2005
Taiwan Symposium on HCPV Systems Taiwan New Energy Industrial Forum (2005), pp29, Invite(11).pdf(6) 岡田至崇：“量子・ナノ構造太陽電池”、超高効率光起電力変換共同研究推進センター第３回シンポジウ
ム予稿集 (2005)、pp15-23(7) L.Fraas, J.Avery, H.Huang, E.Shifman: “New Cassegrainian PV Module using Dichroic Secondary
and Multijunction Solar Cells”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_21m.pdf(8) D.Feuermann, J M.Gordon, S.Horne, G.Conley, R.Winston: “Realization of High-flux, Compact,
Pssively-cooled Commercial Photovoltaic Prototypes”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_26m.pdf(9) V.Díaz, J.Alonso, J.L. Alvarez, C. Mateos: “The Path for Industrial Scale Production of Very High
Concentrator PV System”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_06m.pdf(10) R.Winston, J. M.Gordon: “Planner Concentrators at Etendue Limit”, CDROM of ICSC2005 (2005),
38172_24m.pdf(11) R.Leutz, H.Ries: “Hemispherical Solar Conentrator Corrected for Aberrations”, CDROM ofICSC2005 (2005), 38172_25m.pdf(12) 秋澤淳：“非結像フレネルレンズの太陽集熱への応用”太陽エネルギー、31、6(2005)、pp39-44(13) C.Privato, C.Cancro, M.Pellegrino, A. Sarno: “Plastic Structured Optics for Solar Concentrators PV
Systems”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_46m.pdf(14) K.Araki, H. Uozumi, M.Hiramatsu, Y.Kemmoku, A.Akisawa, M.Yamaguchi: “The Highest Efficient Module
Made by a Practical Concentrator Technology”, Technical Digest of 15th PVSEC (2005), pp652-653－432－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(15) D.J.Aiken, M.Stan, S.Endicter, G.Girard, E.Fuller, P.Sharps: “Improvements in the Performance ofa High Concentration III-V Multijunction Module”, Technical Digest of 15th PVSEC (2005),
pp337-338(16) K.Araki, H.Uozumi, T.Takamoto, M.Hiramatsu, A.Akisawa, Y.Kemmoku, M.Yamaguchi: “CPV
using III-V 3J Cells and Fresnel Lenses –Reliability, Applications and perspectives-”, CDROM ofICSC2005 (2005), 38172_08m.pdf(17) R.McConnel, L.Ji, T.Tamizhmani:”Replesentative Samples for Concentrator Photovoltaic Module
Qualification Testing”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_35p.pdf(18) K.Araki, H.Uozumi, T.Egami, M.Hiramatsu, Y.Miyazaki, Y.Kemmoku, A.Akisawa, N.J.EkinsDaukes, H.S.Lee, M.Yamaguchi: “Development of Concentrator Mudules with Dome-shaped
Fresnel Lenses and Tripple-junction Concentrator Cells” Prog. Photovolt Res. Appl., 13 (2005),
pp513-527(19) Y.Kemmoku,

T.Egami,Y.Miyazaki,

M.Hiramatsu,

K.Araki,

N.J.Ekins-Daukes,

H.S.Lee,T.Sakakibara: “Long-Term Field Test of a 500X Concentrator PV System with Dome Fresnel Lens”,
Technical Digest of 15th PVSEC (2005), pp333-334(20) K. Araki et al., “The Highest Efficiency PV Module by Practical Concentrator Technologies,
Performance, Reliabilities and Applications”, Proc. 1st Workshop on the Future Direction of
Photovoltaics (2005), pp(21) S. Kusek: “On-sun Testing of Multijunction Cells”, CDROM of ICSC2005 (2005), 38172_31p.pdf(22) A.W.Bett, B. Burger, F.Dimroth, G.Siefer, H.Lerchenmuller:”FLATCON PV System- Technology
and Perspective”, 2005 Taiwan Symposium on HCPV Systems Taiwan New Energy Industrial
Forum (2005), pp13, Keynote (V).pdf－433－
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7.5 色素増感太陽電池
7.5.1 はじめに
色素増感太陽電池は、安価で高性能な次世代型太陽電池の候補の一つとして注目され、わが国や欧州でこれまで活発に研究が行われてきた。その結果、国内外の研究室での太陽電池の変換効率（ AM1.5,

100mW/cm2）、10-11%が達成され、実用を目指した太陽電池の大型化、モジュール化、耐久性の検討に研究がシフトしてきている。また、ガラス基板の代わりにフレキシブルなプラスチックフィルム基板を用いた色
素増感太陽電池の研究開発も活発になり、屋内用の移動電源として色素増感太陽電池を販売することを発表する企業も出てきている。本稿では、色素増感太陽電池の最近の研究開発の現状と動向をレビューする。

7.5.2 研究開発の現状
現在の最高変換効率
最初にメソポーラス型チタニア（TiO2）と液体電解質溶液を用いた色素増感太陽電池の開発を発表したスイス EPFL の Graetzel 教授らは、引き続き高性能化の検討を行い、2005 年に N719 色素を用いた太陽電池
で、セル面積が 0.16cm2 と極めて小さいが変換効率 11.2%が報告された。日本では、NEDO の太陽光発電技
術開発の一環として、高性能色素増感太陽電池技術の研究開発が産官学のプロジェクトとして行われ、変換効率 10%-11%の達成が報告されている。再現性良く高い変換効率が得られる理由は TiO2 光電極での光吸収効率を最大にする為の光閉じ込め技術の開発によるものであり、日本のオリジナルな成果である。表 7.5.2.1に、Graetzel 教授らが報告した色素増感太陽電池の性能と NEDO プロジェクトで得られた性能を示す。用いられた色素 N719 と Black dye の構造も図 7.5.2.1 に示す。

表 7.5.2.1 色素増感太陽電池の性能（EPFL と日本の結果）

図 7.5.2.1 EPFL で開発された色素－434－
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新しい色素の開発
新しい色素の開発も行われている。N719 や Black dye 色素は、EPFL で開発されたものであり、オリジ
ナルな色素の開発が望ましい。日本では、図 7.5.2.2 に示すような Ru ケトナート錯体やジアミン錯体が開発されている。一方、Ru 貴金属を使用しない、純粋有機色素も開発されている。クマリン系、ポリエン系、
インドリン系色素で変換効率６－８％が達成されている。結果を表 7.5.2.2 に示す。
表 7.5.2.2 新開発色素を用いた色素感太陽電池の性能

図 7.5.2.2 新しく開発された色素
左上：Ru ケトナート色素、右上：Ru ジアミン色素
左下：マクリン 2677 色素、左下：ポリエン色素

新しい電解質の開発
色素増感太陽電池の実用化を考えた場合、多少変換効率を犠牲にしても経済性あるいは耐久性に利があるほうが良い。このような考え方から、色素増感太陽電池の電解質溶液を擬固体化、固体化する研究開発が行われている。電子キャリアーであるヨウ素レドックス（I-/I3-）含むアセトニトリル系溶媒に、ゲル化剤を入れるとか、固体高分子電解質やイオン性液体を用いる研究である。また。完全固体化では無機正孔輸送剤である CuI や有機の spiro-MeO-TAD が検討されている。また、電解質溶液中に SiO2 やカーボンナノチュー
ブなどの無機系のナノ粒子材料を添加してペースト状にして使用する方法がナノコンポジット法として㈱フジクラから報告されている。性能は、溶液系電解質に匹敵するとされている。
一方、ヨウ素レドックスが配線材料や封止材料に対して腐食性、透過性があることから、非腐食性の新しいレドックスの開発も報告されている。Graetzel 教授らはヨウ素レドックスのかわりにコバルト錯体系のレドックスを用いて、ヨウ素系レドックスの約 70%の性能が発現することを報告している。日本でも Elexcel
社が透明レドックス電解質を開発したと報告している。

7.5.3 色素増感太陽電池モジュールの開発
研究室でのミニセル(5mm 角程度)が変換効率 10%の高性能が出ること発表されて、そのミニセルの大面積化（10cm 程度）やモジュール作製の動きが活発である。初期の大面積セルやモジュールは主としてヨーロッパやオーストラリアの企業・研究所により検討された。それらの写真を図 7.5.3.1、図 7.5.3.2、図 7.5.3.3、
図 7.5.3.4 に示す。

－435－
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図 7.5.3.1 オランダ ECN の約 8cm 角の集積型セル

図 7.5.3.2 スイス Solaronix 社の45cm 角 W 型集積型セル

図 7.5.3.3 ドイツ ISE の 30cm 角電流収集型セル

図 7.5.3.4 オーストラリア STI の 57cmx87cm の
色素増感太陽電池モジュール

日本では、2003 年にアイシン精機㈱-豊田中研グループが 24cm 角の電圧収集型の集積セルとそれを 8 枚組み合わせた約 60cmx120cm のモジュールを発表している。図 7.5.3.5 に示す。このモジュールを用いた約半年の屋外での実証試験も行なわれている。また、愛知万博で、夢住宅 Papi の壁面に透明の窓型式色素増感太陽電池を設置して、デモンストレーションを行った。安定性は 1 年以上問題なかったという。㈱フジク
ラは、ナノコンポジット型固体電解質を用いた 14cmx41cm の電流収集型セルを 16 枚組み合わせた

84cmx149cm のモジュールを製作した。図 7.5.3.6 にそのモジュール写真を示す。一方、導電性プラスチッ
クフィルムを基板とするセルやモジュール作製も盛んになってきた。プラスチック色素増感太陽電池は軽いという特徴がある。それ故、移動用の電源として注目されている。しかし市販されているプラスチック基板
は、耐熱性が悪い（150℃）ので低温焼結できる TiO2 薄膜光電極の開発が重要となっている。ペクセルテク
ノロジー社では、図 7.5.3.7 に示すフィルム型色素増感太陽電池（30cm 角）を公開している。また、近い将来にプラスチック色素増感太陽電池の販売を開始するとのアナウンスも行っている。

－436－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 7.5.3.5 アイシン精機㈱-豊田中研グループの色素増感
太陽電池モジュール

図 7.5.3.6 ㈱フジクラの色素増感太陽電池モジュール

表 7.5.3.1 色素増感太陽電池モジュールの性能

図 7.5.3.7 ペクセルテクノロジー社のプラスチック色素増感太陽電池
そのほか、新日本石油㈱やエレクセル社も 10cm 角デバイスの製作を発表している。また、東京理科大をリーダーとした、シャープ㈱、住友大阪セメント㈱、㈱フジクラ、産総研の研究グループは、大面積・集積
中国ではプラズマ物理研究所が 15cmx20cm の型色素増感太陽電池の研究開発を NEDO から受託している。
セルを連結した 500W 級の発電所を建設するとの発表もなされている。これらの国内外のモジュール作製の状況を表 7.5.3.1 にまとめる。モジュール変換効率として６－７％が現状のようである。

－437－
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セルやモジュールの耐久性

Graetzel らはミニセルで屋内での耐久性試験を実施し、連続照射 12000 時間でも問題ないことを報告した。
屋外を想定して 80℃の環境で,連続 1600 時間の使用が可能と報告している。
我々
約 10 年の寿命に相当する。
は屋内試験で紫外光カットの擬似太陽光照射試験で 4000 時間連続照射でも問題無いことを確かめた。新日
本石油も同様の条件で 2000 時間の連続照射を行っている。しかし、アイシン精機-豊田中研のモジュールの屋外実証試験の結果では、約 200 日程度で性能が大幅に低下した。封止材料・封止技術に問題があったといわれる。それ故、長期耐久性確保の為、電解質溶液の漏洩防止、セル封止技術、高性能な擬固体化電解質の開発等が用化のための課題として残されている。

7.5.4 ビジネスとしての可能性
色素増感太陽電池に関わるビジネスは広い範囲で大いに可能性があるといって良いだろう。まず、ルーフ
トップや壁面に装備できるパワーデバイスとしての使用である。
国の太陽光発電導入計画では 2030 年には、現在までの蓄積生産量の 100 倍の太陽電池の導入を計画している。既存のシリコン系太陽電池のみならず多様な太陽電池の導入が必要となってくる。また、我々の経済性試算によると色素増感太陽電池のコストは、
既存の太陽電池の製造コストと十分競合できるものであり、それよりも優位にさえなる可能性を秘めている。
原料が酸化物、色素、電解質等の化学系材料からなるこの電池は化学系産業の新たな創製も期待できる。性能を犠牲にしても、より安価に製造できれば、発展途上国の送電設備のない地域の電源として有意義で、多いにニーズがあろう。ビジネスチャンスかも知れぬ。
一方、軽量さ、フレキシブルさを売りとするプラスチック基板型色素増感太陽電池は、携帯電話、ノートパソコン等、電子情報機器の移動用電源として膨大なニーズがあろう。Konarka 社は同様な提案をしている。
休耕田、遊休地等に軽量なフィルムシート型太陽電池を敷き詰め電力を収穫することも可能である。必要の無いときは、簡単に撤去することができる。少し機能性・ファッション性を考慮すれば、カラーウインドウ型色素増感太陽電池で環境調和かつ省エネ型窓や自動車のサンバイザーが製造できる。マツダ自動車はコン
セプトカーのリアーウインドウに色素増感太陽電池を装備することを提案している。このほかにも、光のあるところ、多機能性太陽電池として、多くの利用形態があると考えられる。

7.5.5 おわりに色素増感太陽電池の研究開発の状況とビジネスチャンスについて紹介した。色素増感太陽電池という新しい技術の創製が人類のエネルギー問題の解決や生活の向上に貢献することを願うものである。
（荒川

裕則）

－438－
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7.6 有機薄膜太陽電池
7.6.1 はじめにエネルギーの大量消費を伴う人間の生産活動が地球温暖化や環境破壊を引き起こし、人類そのものの存続が危うくなっている。その対策の一つとして、無尽蔵ともいえる太陽光エネルギーの有効利用としての太陽電池の開発が官民あげての最重要課題として取り上げられている。現在は、変換効率で 10-15%のシリコン系太陽電池が市販されているが、「重い、硬い、そして高コスト」であることが普及を妨げている。一方、植物における光合成は非常に高い変換効率が実現しており、その人工系への応用が研究レベルで進んでいる。

7.6.2 ショットキー型から p-n 接合型に
1970 年代には、仕事関数の異なる金属の間にポルフィリンやシアニン色素を挟み込んだショットキー型太。これは、色素が光子を電子に陽電池が研究されていたが、その光電変換効率は高くなかった（図 7.6.2.1）
変換する効率（内部量子収率）は非常に高いにもかかわらず、光子の吸収に伴う電荷分離が電極と有機分子の界面でしか起こらないこと（光の利用効率）と、発生した電荷を電極まで届けるための電荷輸送効率が低いためであった 1,2,3)。

7

a-Si

p-i-n 接合型
（p:フタロシアニン, n:フラーレン）

6

n型半導体

変換効率（％）

C60の導入54nipp-n 接合型（色素蒸着）（p:フタロシアニン, n:ペリレン誘導体）

バルクヘテロ接合型（p:導電性高分子, n:フラーレン誘導体）

3
2
1

n

n/p

ショットキー型（色素蒸着） p（メロシアニン色素、クロロフィル、
フタロシアニン等）

p

産総研

0
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010年代

図 7.6.2.1

7.6.3 有機薄膜太陽電池の歴史
1986 年にｐおよびｎ型有機半導体を積層した機能分離型構造が提案され、エネルギー変換効率が１％を超えるようになった 4）。この場合も、電荷分離がｐ－ｎ接合界面でしか起こっていないために飛躍的な特性向上にはつながらなかった。1990 年代にｎ型半導体としてのフラーレンが発見され、かつ、ｐ型特性を示す導電性高分子にフラーレンを分散させる「バルクヘテロ接合型」が提唱され、エネルギー変換効率で３％を達成した 5）。

－439－
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7.6.4 高効率有機薄膜太陽電池
シリコンでは、リン(P)やホウ素（B）のドーピングによりｐやｎ型特性を示すものであり、それらを混合した場合には、真性（Intrinsic）半導体となる。しかし、有機物は、個々の分子がｐまたはｎという半導体特性を示し、分子分散した状態で無数のｐ－ｎ接合界面が形成される。これに着目したものが、我々も採用しているナノ構造 p-i-n 型接合素子であり、ｐ型半導体である亜鉛フタロシアニン（ZnPc）とｎ型半導体のフラーレン（C60）の積層膜の間に共蒸着層（i 層）を挿入したものである(図 7.6.4.1)6,7,8)。それぞれの膜厚の最適化により、擬似太陽光照射によりエネルギー変換効率で 3.6％という非常に高い値を達成することに成功した。このナノ構造 p-i-n 接合型素子は、活性層としての有機膜の厚さが 50 nm と非常に薄いため、重ね合わせ（タンデム化）により変換効率の加算が可能である。

従来p-n 接合e-

ナノ構造p
ナノ構造p-i-n接合

eN 型半導体 C60

e- e-

-

e- e

n層
n層
i層
ｐ層
p層
h+

h+
P 型半導体 ZnPｃ+
h+ h+ h+ h

光電変換層

図 7.6.4.1 従来の p-n 接合素子とナノ構造 p-i-n 接合素子
これらの有機薄膜太陽電池は、プラスチックなどの基板上にも形成が可能(図 7.6.4.2)であり、印刷法で作成できれば大面積の「軽い、柔らかい、低コスト」の太陽電池が安く製造できることになる。

図 7.6.4.2 フレキシブル有機薄膜太陽電池(八瀬 清志)－440－
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参考文献

(1) 齊藤和裕、當摩哲也、近松真之、原浩二郎、吉田郵司、八瀬清志、応用物理, 73（12），1525-1530, （2004）.
(2) 齊藤和裕、當摩哲也、電子材料, 2005(7) (2005) 31-34.
(3) 八瀬清志、當摩哲也、原 浩二郎、齊藤和裕、高分子、54(12) (2005) 888.
(4) C. W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48 (1986) 183-185.
(5) N. S. Sariciftci, D. Braun, C. Zhang, V. I. Srdanov, A. J. Heeger, G. Stucky and F Wudl, Appl. Phys.

Lett., 62 (1993) 585-587.
(6) T.Taima, M.Chikamatsu, Y.Yoshida, K.Saito and K.Yase, Appl.Phys.Lett., 85 (2004) 6412-6414.
(7) 齊藤和裕、八瀬清志，「有機薄膜太陽電池で世界最高レベルのエネルギー変換効率を達成」、（独）産業技術総合研究所プレス発表， 2005 年 1 月 27 日 . ( http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2005/pr20050127/pr20050127.html)(8) T.Taima, S.Toyoshima, K.Hara, K.Saito and K.Yase, Jpn.J.Appl.Phys., 45(8)(2006)L217-L219.

－441－
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7.7 次世代基礎技術開発
7.7.1 微粒子制御技術(1) CVD プラズマ中に存在する粒子の種類
アモルファスシリコン、微結晶シリコン等のシリコン系薄膜太陽電池材料の堆積には、主としてシラン（SiH4）または水素希釈したシランを原料ガスとするプラズマＣＶＤが用いられている。原料ガスの電子衝
突分解で発生するラジカルには、気相反応が速い SiH2 等の短寿命のものが存在する。この短寿命ラジカルが反応の引き金となり、多段階の気相反応を経て、高次シラン分子、さらにはナノメータ以上のサイズを有する微粒子が発生する。従って、通常の製膜条件下では、図 7.7.1.1 に示すようにシランに加えて、SiH3 等のモノラジカル、高次シラン分子、高次シランラジカル、微粒子が共存している。1,2)さらに、大電力や高圧力条件下では、微粒子が凝集することによりサブミクロン程度の大きさを有するダストへと成長する。この場合には、図 7.7.1.1 に示す粒子種に加えてダストも共存することになる。
サイズの大きなダストは、負に帯電しプラズマ中に捕捉されるため、製膜表面には到達しにくく膜質への影響は少ない。一方、微粒子は 90%以上が電気的に中性であり、膜に取り込まれ易い。最近、微粒子の膜への取り込みが膜質に影響を及ぼすことが分かってきた。3)また、微粒子の構造にはアモルファスと結晶があり、膜質への影響が異なる。従って、膜質を従来に無い高いレベルで制御するためには、微粒子の発生・成長・除去に関する制御技術が必要となる。

図 7.7.1.1 シランプラズマ中に存在する粒子種のサイズと密度(2) 微粒子制御技術
プラズマ CVD 中の微粒子量の制御法は２つに大別される。即ち、微粒子の発生・成長反応を制御する方法と、微粒子の損失を制御する方法である。ただし、小さい微粒子が大きな微粒子へと成長することを考えると、微粒子の核発生以降では、微粒子の損失を制御することはより大きな微粒子の発生・成長反応を制御する一つの方法であると見なすことができる。

－442－
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微粒子の核発生は、SiH2 等の短寿命ラジカルと SiH4 との気相反応が原因となっている。一方、高品質膜の堆積に寄与するのは SiH3 である。SiH4 から電子衝突解離で SiH3 と SiH2 が生成される電子エネルギーの閾値は、それぞれ 8.75eV と 9.47eV である。従って、プラズマ中の電子エネルギー分布の 8.75eV 以上の部分を制御する
ことにより、SiH3 と SiH2 の生成レートの比を大きくして、微粒子の発生を抑えることが出来る。
微粒子は気体分子に比べてサイズが大きいため、拡散が遅く、ガス粘性力、熱泳動力等が強く働く。4)これを利用して、ナノ粒子の損失レートの制御が実現されている。例えば、ガス粘性力と熱泳動力を同じ向きに作用させることで、制御しない場合に比べて、２− ３桁低い微粒子量を達成できる。3)また、微粒子の表
面付着確率がほぼ 1 であるのに対して、SiH3 の表面反応確率が 0.3 程度であることを利用して、図 7.7.1.2に示す微粒子を選択的に除去するフィルタの開発も行われている。5)さらには、放電領域内でのガス滞在時
間を ms 程度まで極端に短くして微粒子の成長を抑制するとともに、放電領域の上流側で製膜することにより、微粒子の取り込みを従来比で２桁程度以上少なくする技術も開発されている。6)

図 7.7.1.2 微粒子捕捉フィルタの写真(a)と断面図(b)(3) アモルファス微粒子の膜質への影響
アモルファス Si 微粒子の水素化アモルファス Si 膜への取り込み量が増加するとともに、膜中の SiH2 結合量が増加することが示された。3)FT-IR 測定からは、アモルファス Si 微粒子中には多数の SiH2 結合が存在することも示されている。1)これらのことは、膜中の SiH2 結合の形成機構には、従来から知られていた表面反応に起因するものに加えて、微粒子の膜への取り込みに起因するものがあることを意味している。
さらに、膜中の SiH2 結合量が少ないほど光安定になるという従来の知見と合わせると、アモルファス Si 微粒子の膜への取り込みを抑制するほど光安定な膜が得られると予想される。最近、微粒子の取り込み量を従来比で２桁程度以上少なくすることにより、図 7.7.1.3 に示すように欠陥密度が 1015cm-3 台で光照射による欠陥生成が検出できない水素化アモルファス Si 膜が作製できることが報告されている。6)－443－
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図 7.7.1.3 欠陥密度の光照射時間依存性(4) 結晶微粒子の膜質への影響
結晶 Si 微粒子が水素化アモルファス Si 膜に取り込まれると、光安定になるという報告がある。7)一方、同様の構造の膜を作製しても光安定性は改善されないとの報告もなされている。8)このような、一見矛盾する
報告がなされる理由は、TEM で観測できる数 nm サイズの微粒子が膜に取り込まれることだけで、光安定性が改善されるわけでなく、アモルファス Si マトリックスの構造に変化が生じることが重要であることを示唆している。現時点では、このような構造変化をもたらすのに必要な、結晶 Si 微粒子のサイズと取り込み量に関する定量的な情報はほとんど無い。現在、結晶 Si 微粒子のサイズと取り込み量を制御して製膜する技術が開発されており、9)この技術を用いて定量的な情報が得られると期待される。

(5) おわりにこれまで無視されてきた微粒子の膜への取り込みが、膜質に重要な影響を及ぼすことが分かってきた。こ
こで紹介した微粒子制御技術を応用することにより、従来にないレベルの高品質膜を堆積できるようになる。
今後は、微粒子制御技術を大面積・均一製膜装置に適用していく必要がある。
（白谷 正治）

参考文献(1) M. Shiratani, K. Koga, N. Kaguchi, K. Bando, and Y. Watanabe, “Species responsible for Si-H2 bondformation in a-Si:H films deposited using silane high frequency discharges”, Thin Solid Films(2006) in press.
(2) Y. Watanabe, M. Shiratani, and K. Koga, ” Nucleation and subsequent growth of clusters inreactive plasmas”, Plasma Sources Sci. Technol., 11 (2002) A229.
(3) K. Koga, N. Kaguchi, M. Shiratani, and Y. Watanabe, “Correlation between volume fraction ofclusters incorporated into a-Si:H films and hydrogen content associated with Si-H2 bonds in the－444－
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films”, J. Vac. Sci. Technol. A, 22 (2004) 1536.
(4) M. Shiratani, S. Maeda, K. Koga, and Y. Watanabe, “Effects of gas temperature gradient, pulse
discharge modulation, and hydrogen dilution on particle growth in silane RF discharges”, Jpn. J.
Appl. Phys., 39 (2000) 283.
(5) K. Koga, N. Kaguchi, K. Bando, and M. Shiratani, “Cluster-eliminating filter for depositing
cluster-free a-Si:H films by plasma CVD”, Rev. Sci. Instr. 76, 11 (2005) 113501.
(6) K. Koga, T. Inoue, K. Bando, S. Iwashita, M. Shiratani, and Y. Watanabe, “Highly stable a-Si:H
films deposited by using multi-hollow plasma chemical vapor deposition”, Jpn. J. Appl. Phys. 44(2005) L1430.
(7) W. Bronner, J. P. Kleider, R. Bruggemann, P. R. Cabarrocas, D. Mencaraglia, M. Nehring,“Comparison of transport and defects properties in hydrogenated polymorphous and amorphoussilicon”, J. Non-Cryst. Solids 299A (2002) 551.
(8) S. Thompson, C. R. Perrey, C. B. Carter, T. J. Belich, J. Kakalios, U. Kortshagen, “Experimental
investigations into the formation of nanoparticles in a/nc-Si : H thin films”, J. Phys. D, 97 (2005)
034310.
(9) M. Shiratani, T. Kakeya, K. Koga, Y. Watanabe, and M. Kondo, “Production of crystalline Si
nano-particles using VHF discharges and their properties”, Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 30 (2005)
307.

7.7.2 大面積プラズマ技術(1) 高周波プラズマとマイクロ波プラズマ
大面積の高密度・均一プラズマをつくる技術は、近年、液晶ディスプレイパネルの分野で急速に進んでおり、将来的には 3 メートル角の大面積（＞10 m2）が必要とされる。大面積プラズマ生成には従来、13.56MHzの高周波放電による容量結合型プラズマ(CCP)が広く用いられてきた。しかし、プラズマ密度が 1016m-3 程
度と低いので高生産性が望めず、
プラズマ電位が高いのでイオン衝撃による膜質劣化を生じやすい。
そこで、高密度化と低プラズマ電位化をはかる研究が行われている。
VHF
放電周波数を 40MHz 程度の VHF 帯に上げ、化によって確かに密度は 101７m-3 近くに上がり電位は下がるものの、電極板上の定在波や電極端の不均一電場等の新たな影響が現れ、均一プラズマ生成が困難になっている。
そこで最近、無磁場におけるマイクロ波放電でつくる表面波プラズマ(SWP: surface wave plasma)が注目されている 1)。例えば図 7.7.2.1 のようにマイクロ波を石英窓を通して照射し、高密度プラズマ（> 4x1017 m-3）を作ることができる。このとき、石英板とプラズマが接する界面にそって表面波が励起される。この波の電場で電子が加速され、プラズマが維持される。マイクロ波周波数を f、電子プラズマ周波数を fp とすれば電磁波は、プラズマ密度が低いとき（fp< f）プラズマ内を体積波として通過し、カットオフ密度（fp= f）になるとプラズマ内に入れず、表面で反射される。さらに密度が高くなってを満たすとき、電磁波はプラズマと誘
f p > 1+ ε s f(1)

電体が接する界面に沿って、表面波として伝わるようになる。ここにεs は誘電体の比誘電率である。石英の－445－
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値εs=3.8 と f=2.45GHz を用いて条件式（1）を満たす fp から、プラズマ密度が 3x1017m-3 以上の場合に、表面波が励起されることがわかる。通常、マイクロ波は方形導波管に沿って導かれ，その導波管の壁にあけた穴（スロット）を通してマイクロ波を石英板とプラズマに向けて放射する。

図 7.7.2.1 表面波プラズマ装置
低圧力（数 mTorr～100 mTorr）で生成される SWP の特色は、同じ圧力でつくられた等しい密度の誘導結合型プラズマ（ICP）に比べて電子温度が低い点である 2）。この特性は材料プロセスの立場から見ると、ガスの過剰解離の回避やイオン衝撃による膜損傷の低減などにつながるのでメリットが大きい。さらに、表面波はスロットアンテナから励起されて界面に沿って伝搬しながらプラズマをつくるので、大面積プラズマが容易に得られる。すなわち、CCP のようなプラズマと同じ面積の電極を必要としない。このように、大面積化と高密度化の両立をはかる上で、SWP は好適なプラズマ源と考えられる。以下では、SWP（表面波プラズマ）を単にマイクロ波プラズマと呼ぶことにする。
(a) Open-air Waveguide(b) Quartz-filled Waveguide

WaveguideAir
1 m long
O-ring●Waveguide
10 cm long
O-ringQuartz●

PlasmaPlasmaThick (~4 cm ) quartz window

Thin (~1 cm) quartz window

図 7.7.2.2 石英窓にかかる大気圧を低減する方法(2) メートルサイズのマイクロ波プラズマ生成の課題
高密度のメートル級プラズマをマイクロ波で作る際の主な課題は、次の２項目(a), (b)である。
(a) 誘電体窓に加わる大気圧を回避する方法
図 7.7.2.1 の石英板（誘電体窓）はマイクロ波を通すだけでなく、容器の真空封じにも使われる。この真空窓に加わる大気圧の力は 1m2 当たり 8 トンにもなり、面積 1m2 のプラズマをつくる場合、巨大な大気圧の力によって窓が破損するのを避けるには 7cm 以上の厚い石英板が必要である。これは極めて高価であり、部分的破損や損耗の際のメンテナンスを考えると実用化が難しい。そこで、石英板を薄くするために、① ス
ロット近傍のみを石英板とする方法、② 導波管を真空排気し、内部を石英で充填する方法、③ 導波管を高－446－
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真空に保つ方法の３つの方法を試験した。図 7.7.2.2 は長さ 1m、幅 0.3m のプラズマ生成実験の例であり、左図が①の方法、右図が②の方法を示している。試験の結果、①はプラズマが著しく不均一になってしまう
ことが分かった。その原因は、電磁波の波長の半分程度の 4cm 厚の石英板が必要で、マイクロ波がプラズマまで効率よく届かず、表面波がきれいに励起されないためである。一方、②は石英板が 1cm と薄くなるために均一な濃いプラズマが作れる。ただし、スロット近傍で異常放電が発生することがあり、安定性・再現性に劣る。結局、③の方法が最善であることが判明した。
(b) 大面積にわたって均一にマイクロ波を照射する方法
電磁波の波長（2.45HGz では約 12cm）に比べてはるかに大きいメートルサイズのプラズマを一様に生成す
るには、プラズマと誘電体の接触面全体にわたって均一に表面波を励起することが望ましい。表面波はスロ
ット（穴）から放射されるマイクロ波によって励起される。したがって、プラズマ表面全体に同じ強さの表面波を励起するには、導波管に沿って多数のスロットを配置し、個々のスロットから等しいパワーのマイク
ロ波を放射する必要がある。そのためのアンテナのデザインが重要となる。

(3) 長さ 1 メートルのマイクロ波プラズマ装置の試作
最近、上述の課題をクリアして、長さ１m，幅 0.3m の高密度・表面波プラズマを均一かつ安定に発生させることに名古屋大学工学研究科のグループが成功した 3)。使用周波数は 2.45GHz であり、矩形導波管端部
で真空シールし、導波管内を石英で充填、25 個のスロットを配置してマイクロ波放電を起こしたところ、図7.7.2.3 に示すように、１メートルの長さにわたって比較的一様に分布したプラズマが得られた。横軸は導波
管軸方向の位置 x であり，図の左側から 2.5kW のマイクロ波を入射し、平均電子密度～6x1017m-3 の高密度プラズマが生成されている。さらに、可動受信アンテナを用いてプラズマ内のマイクロ波電界の分布を測定

Electron Density (1011 cm-3)したところ、理論で予測されたモードの表面波が励起されているのを確認した。
10
8Net Power:2.5 kW

Ar 100 mTorr

6
4
2
00.0

0.2

0.4
Distance

0.6
x (m)

0.8

1.0

図 7.7.2.3 長さ 1 メートルのマイクロ波プラズマの密度分布(915 MHz, 30 kW、真空導波管)

0.3 m

2m
0.5 m

図 7.7.2.4 長さ 2m のプラズマ装置－447－
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(4) 長さ２メートルの高密度マイクロ波プラズマ生成
上記の１メートルサイズのプラズマ生成技術をベースに、産業技術総合研究所・太陽光発電研究センター
内に、長さ 2m、幅 0.5m の長尺マイクロ波プラズマ装置を建設した。その概観を図 7.7.2.4 に示す。この装置の特色は、2.45GHz に比べて約 1/3 の低い周波数である 915MHz を採用した点である。この低周波数化
は次のような３つの利点をもたらす。
①表面波励起の条件式(1)から予想されるプラズマ密度が 2.45GHz に比べて約一桁低くなり、その結果、低密度から高密度まで広範囲にプラズマを制御できる。
②スロット間隔が広くなるので、少ないスロット数で均一な大面積プラズマを生成できる。
③915MHz は１台で 30~60kW の大出力をもつ電源が市販されているので、大面積化が容易である。
初期実験では期待通り、低パワーでも安定な高密度プラズマが得られている。このパワー効率の向上には、
上記①の周波数効果だけでなく、装置が大きくなるほど拡散損失が減るサイズ効果も寄与している。約 2mのガラス基板とフィルム上に Si 薄膜を堆積する予備実験も行われ、有望な結果が得られている。
（菅井 秀郎）参考文献(1) 菅井秀郎 編著：「プラズマエレクトロニクス」、オーム社（2000）、p.123.
(2) H. Kokura, S. Yoneda, K. Nakamura, N. Mitsuhira, M. Nakamura and H. Sugai, “Diagnostic ofSurface Wave Plasma for Oxide Etching in Comparison with Inductive RF Plasma”, Jpn. J. Appl.
Phys. 38,9A(1999), pp.52560-5261.
(3) H. Sugai, E. Abdel-Fattah, T. Ishijima and I. Ganachev,” Plasma Production and Control for

Materials Processing”, Abstracts 7th Asia Pacific Conｆ. on Plasma Sci. & Technol. Sympo. / 17th
SPSM(2004), p. 503.

7.7.3 大気圧プラズマ技術(1) はじめに 1)
大気圧プラズマプロセスは、真空装置を簡素化することが可能であり、低コスト化、プロセス時間短縮な
どの利点がある。さらに超高密度のプラズマの生成が可能であり、高速処理プロセスの実現が期待される。
また、低圧プラズマプロセスでは、困難な生体や溶液等への照射が可能であるため、その応用範囲は広い。
しかし、一般的に、大気圧プラズマはガス温度が高くなりアーク放電となりやすい。アーク放電では、ガス温度と電子温度が平衡状態になるため、ガス温度は数千度以上となり、表面処理等の材料プロセスへの適用範囲が狭く、プラズマ化学の制御が非常に難しい。そこで、大規模集積回路（LSI）や液晶ディスプレイ

(LCD)の製造プロセスで用いられているような低温プラズマ化学を大気圧下で実現する非平衡大気圧プラズ
マの生成が必要である。非平衡プラズマとはガス温度が電子温度よりも十分低いプラズマのことであり、熱化学的手法では不可能な化学反応制御（気相ラジカルの反応制御）が実現できる利点がある。大気圧非平衡
プラズマを生成する方法は大きく分けて２種類ある。その概略図を図 7.7.3.1 に示す。図 7.7.3.1(a)は、誘電体バリア放電、図 7.7.3.1(b)は、ストリーマ放電である。放電がアーク放電に移行するのを防ぐために、印加電力をパルス状にして開始直後に放電を停止したり、電極に誘電体をコーティングしたりすることで短時－448－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
間に広い圧力範囲で大気圧非平衡プラズマを生成することが可能となる 2),3)。図 7.7.3.1(c)は、マイクロギャ
ップ放電、図 7.7.3.1(d)は、マイクロホローカソード放電である 4),5)。プラズマの放電領域を微小な空間（マイクロギャップや、マイクロホロー構造）にすることにより非平衡プラズマを生成する。ガス温度は中性粒子が放電中の電子と多数回衝突することにより上昇する。しかし、プラズマの放電領域を微小な空間にする
ことによって、中性粒子が温度上昇する前に粒子のエネルギーが冷却された壁などへ拡散し、ガス温度上昇を防ぐことによって非平衡プラズマを生成することができる。
電源

電源

パルス
電極

パルス
電極

誘電体
電極

電極

(a)誘電体バリア放電(b)ストリーマ放電
Φ100～300μm

CWマイクロ波
カソード電極
電極

マイクロ
ギャップ
100μm

直流放電

絶縁体
アノード電極（ｃ）マイクロ波励起プラズマ (d)マイクロホローカソード放電

図 7.7.3.1 大気圧非平衡プラズマの生成方法
大気圧非平衡プラズマの応用として、ガラスや基板のクリーニング 6,7)、表面改質（親水化処理 8）、撥水化
処理 9))、エッチングプロセス 10)、CVD プロセスなどの研究、開発が盛んに行われている。実際、プリント基板やガラス基板の洗浄装置やプラスチックフィルムの表面処理装置などはすでに実用化されている。
ここでは、誘電体バリア放電やストリーマ放電よりも高いプラズマ密度が実現できるマイクロギャップ構
造の連続放電マイクロ波励起大気圧非平衡プラズマとマイクロホロー構造のマイクロホローカソード放電について詳しく紹介する。

(2) マイクロギャップ連続放電マイクロ波励起大気圧非平衡プラズマ 1)
マイクロギャップ構造の連続放電マイクロ波励起非平衡大気圧高密度プラズマ（電子温度：1 eV 程度、電子密度 1015cm-3）5)では、低圧非平衡高密度プラズマと比較してプラズマ密度が 4 桁程度高く、超高密度のラジカル、イオンを基板表面に入射させることが可能となる。また、誘電体バリア放電と比較しても、プラズマ密度は１～２桁近く高い。さらに、大気圧下であるため、溶液の導入が可能であり、ドライとウエットの特性を融合させた新しい物理化学を活用した新規プロセス技術の創成も可能である。
現在、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)やバイオナノテクノロジー等の分野において、SiO2 や有機膜の数μm 以上の高速エッチングが必要になっている。このようなエッチングは、低圧高密度プラズマを用いて行われているが、フルオロカーボンガスなどを用いた場合エッチング速度は最大で 1 µm/min 程度であり、さらなる高速のエッチングプロセスが強く望まれている。このような超高速エッチングを実現する－449－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
ため、マイクロ波を導入するための特殊なマイクロギャップ構造のスリットを有した非平衡大気圧プラズマが開発されている(図 7.7.3.2) 11),12)。マイクロ波励起非平衡大気圧プラズマを用いたシリコン酸化膜(BPSG)の高速加工では、
図 7.7.3.3 に示すように He/NF3/H2O のガス系において、SiO2 のエッチング速度 14 µm/minの超高速エッチングが達成されている。さらに Si はほとんどエッチングされず、選択比 200 以上も実現できている。このエッチングメカニズムの解明も、イメージインテンシファイヤー付 CCD カメラ（ICCD カメラ）を用いた二次元発光分光計測及びフーリエ変換赤外吸収分光法（FT-IR）計測による気相診断で行われている。He、NF3 プラズマに H2O を添加することにより NF3 からの F と H2O からの H が化学反応を起こし、HF が生成し、またこの HF 密度とエッチング速度の関係から HF がエッチング速度に寄与しているというものである。有機膜の超高速加工においても、He、O2 を用いて、SiO2 マスクによる有機膜のエッチングが行われている。有機膜は横方向に高速に加工されて、基板温度 325℃において最大エッチングレート

315mm/min を達成している 11)。
マイクロ波
(2.45 GHz)

14

冷却水
露点計

Etch Rate (µm/min)

石英
NF 3
He

MCT 検出器(発光分光分析 )
FT-IR

H2 O

KBr

KBr / 石英

ポンプ
冷却水

マイクロギャップ
200 μm

SiO2
Si

12
10
8
6
4
2

電極
d=3~40mm
基板

0
0

50

100 150 200 250

NF3 Flow Rate (sccm)

図 7.7.3.2 マイクロ波励起非平衡大気圧プラズマ装置

図 7.7.3.3 SiO2 エッチングレートの NF3 流量依存性(3) 大気圧マイクロホローカソードプラズマ
数百μm の微細凹凸構造を有した対向電極と高圧交流（60Hz）電力により、非平衡大気圧プラズマを生成できる。この大気圧プラズマの放電の様子を図 7.7.3.4 に示す。このプラズマ源は、直径が約 15mm 程度と非常にコンパクトであり、電源も商用電力をトランスで昇圧するのみであるので簡便である。このようなプラズマ源においても、プラズマ密度は約 1015cm-3 を達成している。このプラズマ源を用いたガラス基板のクリーニング結果を図 7.7.3.5 に示す。1 秒のプラズマ照射でガラス上の水の接触角が 56 度から 7 度に減少

接触角（度）しており、汚れの高速クリーニングが実現されている。
60 56.45
50
40
30
22.25
20
15.71
10
7.4
0
0
5

4.5
10
15
20
25
プラズマ照射時間(秒)3035

図 7.7.3.4 大気圧マイクロホローカソード放電の様子 図 7.7.3.5 ガラス上の水の接触角のプラズマ照射
時間依存性
（堀 勝）

－450－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

(1) 堀 勝、山川晃司、“マイクロ波励起非平衡大気圧プラズマを用いた超高速加工技術”、表面技術, 55,
38-42 (2004).
(2) S.Okazaki, M. Kogoma, M. Uehara and Y. Kimura, “Appearance of stable glow discharge in air,argon, oxygen and nitrogen at atmospheric pressure using a 50 Hz source”, J. Phys. D, 26, 889-892(1993).
(3) F. Massines, A. Rabehi, P. Decomps, R. B. Gadri, P. Segur and C. Mayoux, “Experimental andtheoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier”, J.
Appl. Phys., 83, 2950 (1998).
(4) K. H. Schoenbach, A. El-Habachi, W. Shi and M. Ciocca, “High-pressure hollow cathode discharges”
Plasma Sources Sci., Technol., 6, 468-477 (1997).
(5) A. Kono, T. Sugiyama, T. Goto, H. Furuhashi and Y. Uchida, “Production of CW High-Density
Non-Equilibrium Plasma in the Atmosphere Using Microgap Discharge Excited by Microwave”,
Jpn. J. Appl. Phys., 40, 238-241 (2001).
(6) T. Yokayam, M. Kogoma, S. Kanazawa, T. Moriwaki and S. Okazaki, “The improvement of theatmospheric-pressure glow plasma method and the deposition of organic films”, J. Phys. D, 23,374-377 (1990).
(7) Y. J. Hwnang, S. Matthews, M. McCord and M. Bourham, “Surface Modification of Organic
Polymer Films Treated in Atmospheric Plasmas”, J. Electrochem. Soc., 151, 495-501 (2004).
(8) A. Iwata and S. Moriyama; Japan Patent 2935772 (1999).
(9) N. Takashita and T. Hara; Japan Patent 2935774 (1999).
(10) K. Yamakawa, M. Hori, T. Goto, S. Den,T. Katagiri and H. Kano; “Ultrahigh-Speed Etching of SiO2
with Ultrahigh Selectivity over Si in Microwave-Excited Non Equilibrium Atmospheric Pressure
Plasma”, Appl. Phys. Lett., 85, 549-551 (2004).
(11) K. Yamakawa, M. Hori, T. Goto, S. Den, T. Katagiri and H. Kano, “Etching process of silicon dioxidewith nonequilibrium atmospheric pressure plasma”, J. Appl. Phys., 98, 13301-1 – 13301-6 (2005).
(12) K. Yamakawa, M. Hori, T. Goto, S. Den, T. Katagiri and H. Kano, “Ultra-high-speed etching oforganic films using microwave-excited nonequilibrium atmospheric-pressure plasma”, J. Appl.
Phys., 98, 43311-1 – 43311-5 (2005).

7.7.4 窒化物系新材料の開発
近年、Ⅲ族窒化物半導体の研究が活発化し、従来ほとんど注目されることのなかった InN についても

MOVPE 法や MBE 法による薄膜成長技術が大きく進展した。その結果、これまで約 2 eV とされてきた InNの禁止帯幅が Ge と同程度の約 0.7 eV であることが Davydov ら 1)によって明らかにされた。
これによって、

InGaN 混晶において Ga 組成を変化させることにより、禁止帯幅を 0.7eV から 3.4eV
図 7.7.4.1 に示すように、まで変化させることができ、太陽光スペクトルのほぼすべてをカバーできることとなった 1,2)。かくして、

InGaN（および InAlN）が太陽電池材料として注目されるようになった。特に、Wu ら 2)は、0.7eV から 3.4eV－451－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）までの任意の禁止帯幅が実現できることから、Ga 組成の異なる InGaN 層を多層に積層した多接合タンデム
太陽電池への応用を提案し、InGaN の優れた耐放射線性を実験的に確認した。

図7.7.4.1. a) In-rich InGaN の PLスペクトル（77 K） b) In-rich および Ga-rich InGaNのPLピークエネル
ギーの組成依存性 (after V.Yu.Davydov et al.1))
これまで InN の禁止帯幅が約 2eV と大きく見積もられた原因については、残留ドナ濃度の増大による

Burstein-Moss シフトならびに InN と In2O3 との混晶 InN１-ｘOx の形成の二つの原因によることが Bhuiyan
ら 3)によって明らかにされた。600℃程度で成長された単結晶 InN 膜においては、光吸収端はキャリア濃度。一方、スパッタ法などによの増大とともに 0.7 から 2eV まで連続的に変化する（Burstein-Moss シフト）って比較的低温（300℃程度）で作製された従来の多結晶膜は約 2eV の吸収端を有することが知られているが、それらと類似の試料が ArF エキシマレーザ援用 MOCVD 法 4)による低温成長によって作製された。それら試料では、単結晶膜に比べて格子定数がかなり大きいこと、XPS 分析により多量の酸素が検出されることから、InN１-ｘOx が形成されていると考えられている 3)。
図 7.7.4.2 は、InGaN タンデム太陽電池を想定して山本ら 5)によって求められた接合数と太陽電池の出力特性との関係である。この結果からわかるように、10 接合で 50％を超える変換効率と約 10V の開放端電圧が期待できる。さらに、このような太陽電池は、短絡電流密度が小さいことから、高倍率の集光動作に適しているといえる。ところで、InN と GaN との間には約 10％の格子不整合が存在することから、InGaN は
格子不整合系材料である。図 7.7.4.3 は、AM1.5 太陽光スペクトルに対してサブセル間の電流整合が実現できるよう各サブセルの組成を決定した場合のサブセル間の格子不整合率と接合数との関係を示したものである。この結果から明らかなように、接合数の増加とともに不整合率が低減される。すなわち、この材料系では接合数を増加させることにより、変換効率の向上と格子不整合率の低減の双方が実現されることになる。
極論すれば、この材料系では、接合数の多いタンデム太陽電池を実現することでのみ、その特徴が発揮できることになる。図 7.7.4.4 は、想定される 10 接合タンデム太陽電池のバンド図とサブセル組成を示したものである。ここでは、AM1.5 スペクトルに対してサブセル間の電流整合が実現できるよう各サブセルの組成が決定されている。各サブセルの窓層や BSF 層には InAlN が使用されることになると考えられる。実際に、

10 接合のタンデム太陽電池の全層数は相当なものになるが、この材料系の特徴は、それらの形成が Ga 組成（場合によっては Al 組成も）を変化させることのみで行えるということである。

－452－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

4
Lattice mismatch (%)

15

η

50
10

40

Voc

30
5

20
Isc

10 （InN）
00

Voc (V)Isc (mA/cm2), η (%)

60

6
8
4
2
Number of junctions

10

3
2
1
0
0

0

●：Max.
○：Min.

2

4

6

8

10

Number of junctions

図 7.7.4.2 タンデム太陽電池における接合数と期待される太陽電池特性との関係

図 7.7.4.3 接合数とサブセル間の格子不整合率との関係

In0.27Ga0.73N
In038Ga0.62N
In0.93Ga0.07N
2.42 eV

Junction
No. 1

2.07 eV

0.80 eV

Junction
No. 9

Junction
No. 2

InN

0.7 eV

Junction
No. 10

図 7.7.4.4. 想定される InGaN 系 10 接合タンデム太陽電池のバンド構造と各サブセルの組成
上記のように、InGaN は多接合タンデム太陽電池に適した材料と考えられているが、この材料系で太陽電池を実現するためには解決すべき多くの課題がある。最も重要な課題がｐ型伝導の実現である。InN のｐ型伝導実現については Mg ドーピングの検討が、MBE 法 6)、MOVPE 法 5)ともに最近開始されたが、未だ成功したという報告はない。Doolittle ら 7)は、In-rich InGaN のｐ型伝導実現が困難なことから、n-InGaN/p-GaN
ヘテロ接合太陽電池を提案している。もう一つの課題は、InN ならびに In-rich InGaN 表面（界面）に形成されているとされる電子蓄積層 8)の問題であり、これがｐ型伝導実現の妨げになっていると考えられている
6)。表面電子蓄積層が、表面欠陥の準位に関連した本質的なもので不可避なものであれば、InN

ならびに

In-rich InGaN のデバイス化は極めて厳しくなる。しかしながら、表面電子蓄積層に関しては、表面の酸素
汚染・酸化物形成が関係しているとの報告 9)や N 極性面の熱劣化との関係を指摘する報告 10)があり、成因や実態の詳細は今後の検討を待たねばならない。
（山本 暠勇）参考文献(1) V. Yu. Davydov et al., “Band Gap of InN and In-Rich InxGa1-xN alloys (0.36 < x < 1)”, phys. stat. sol.
(b) 230, R4 (2002).

－453－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(2) J. Wu et al., “Superior radiation resistance of In1-xGaxN alloys: Full-solar-spectrum photovoltaic
material system”, J. Appl. Phys. 94, 6477 (2003).
(3) A. G. Bhuiyan et al., “Single-crystalline InN films with an absorption edge between 0.7 and 2 eVgrown using different techniques and evidence of the actual band gap energy”, Appl. Phys. Lett., 83,
4788 (2003).
(4) A. G. Bhuiyan et al., “Growth and Characterization of Epitaxial InN Films on Sapphire Substrateusing an ArF Excimer Laser-assisted Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy (LA-MOVPE)”, Jpn. J.
Appl. Phys. 42, 7284 (2003).
(5) 山本暠勇ほか “InN 系多接合タンデム太陽電池”，日本学術振興会 第 175 委員会主催 第 2 回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム予稿集（2005 年 9 月 29，30 日）pp.70 (2005).

(6) W. Walukiewicz et al., “Narrow Energy Gap and Other Unusual Properties of InN and In-rich In1-x
GaxN Alloys”, 6th International Conference on Nitride Semiconductors, Aug.28-Sept.2, 2005,
Bremen, Germany, Mo-OP1-1 (2005).
(7) W. A. Doolittle et al., “Indium Nitride: A Material with Photovoltaic Promise and Challenges”, Book
of Abstracts for E-MRS 2005 FALL MEETING, Warsaw, Poland, 5-9 Sept. 2005, p.38.
(8) H. Lu et al., “Surface charge accumulation of InN films grown by molecular-beam epitaxy”, Appl.
Phys. Lett., 82, 1736 (2003).
(9) V. Cimalla et al., “Surface band bending at n-type and p-type InN by Auger Electron Spectroscopy”,
Book of Abstracts for E-MRS 2005 FALL MEETING, Warsaw, Poland, 5-9 Sept. 2005, p.27.
(10) A. Yamamoto et al., "Inhomogeneities in MOVPE InN", phys. stat. sol. (a),203, 135 (2006).

－454－
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8. 環境フォトニクス

－455－
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8. 環境フォトニクス
8.1 はじめに環境分野への光技術の応用を調査する本分科会も最終年度（3 年目）を迎えた。これまでの調査では、環境改善、環境負荷低減、環境モニターの 3 分野に分ける形で、環境関係の「光技術」を一通り取り上げてきた。最終年度の今年は、以下の方針に沿って調査・報告書作成を進めた。

1) これまで取り上げてきたトピックスを含めて、研究の進展・成果普及、あるいは、新たな環境問題の顕在化などにより、研究動向の顕著な変化がみられた項目（光触媒の標準化、光電極・光触媒による水素製造、ナノ粒子の評価技術）について、最新動向を反映させた調査を行う。

2) 環境改善技術の中で、有望でありながら「光技術」としては境界分野にあるために取り上げていなかったトピックス（低温プラズマによる VOC 処理）について調査する。

3) 萌芽的ではあるが、発展が期待される新しい「光技術」のうち、環境分野の寄与が期待される技術を取り上げる（プラズモン励起、テラヘルツ分光）。
環境改善技術としての光触媒技術は、日本発の新技術として研究開発が進められ、本調査でも初年度から取り上げている。実用化フェーズに入った本技術が定着・普及してゆく過程で、評価・試験方法の標準化についての要請が大きくなってきた。今年は、国際標準を視野に入れた評価・試験方法の標準化の現状を報告していただいた。
大気中の汚染物質低減技術として、すでに光触媒を取り上げているが、光触媒が苦手としてきた高濃度の汚染大気や、ベンゼン、トルエンなどの芳香族系有機物などに対して、プラズマ技術が有効であることが報告されている。プラズマ技術は、直接光や電磁波を利用するものではないが、電気エネルギーにより活性酸素種を生成させて、汚染物質に作用させる機構によるもので、放電による活性種（励起状態の化学種）の発生装置などは、光技術とも関連が深い。ここでは、広義の電磁波利用技術にあたると考えて、大気汚染物質の対策技術としてのプラズマ技術の原理と応用例、今後の課題についてまとめていただいた。
ナノテクノロジーが最終製品にも応用されるようになり、新技術のもつリスクにも注目が集まり、ナノ粒
子の環境中への放出や人体への影響についての研究が始められたところである。最も基本的な物性である粒径（分布）の計測技術として、光（電磁波）を利用したナノ粒子計測技術とサイズ分離法の現状と課題について報告していただいた。
近年の原油価格の高騰などの要因もあり、再生可能エネルギーとしての水素が注目されている。一時、停滞傾向にあった米国で再び研究開発が盛んになりつつあることも踏まえ、光電極・光触媒による水素製造技
術の最近の研究・開発動向について報告していただいた。
本年度は調査最終年度ということもあり、全く新しい技術の環境分野への応用を取り上げたいと考えた。そこ
で、「テラヘルツ分光」、「プラズモン励起」について原理から環境への応用までをまとめていただいた。
これまでの 3 年間の調査を行ったことで、報告を行う我々としても、「光技術」が環境分野で重要な役割を果たしていること、新しい光技術が環境分野の研究・技術開発においても新たな地平を切りひらいていきつつあることを実感した。本報告を通じて、光技術の環境分野への応用の多様性に注目していただければ幸いである。
（小池 和英）－455－
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8.2 環境改善技術
8.2.1 光触媒材料試験方法の標準化(1) はじめに酸化チタンを主成分とする光触媒については、1990年代になって水及び空気の清浄化、抗菌、汚れ防止（セルフクリーニング）等、主として環境改善用途への実用性が示され、世界的にも我が国が中心となって、多くの関連製品が開発されてきた1)。しかしながら、材料表面での作用によるその効果は温和ではあるが、必ずしも即効的ではないこと、目に見えにくいことなどのために、試験方法の確立が強く求められていた。
経済産業省は2002年9月、藤嶋昭東京大学教授（当時）を委員長とする光触媒標準化委員会を（社）日本
ファインセラミックス協会（JFCA）に設置し、標準化推進の体制を整えた2)。図8.2.1.1に示すように、当該分野に実績のある業界団体並びに公的機関である当所が大同団結して、セルフクリーニング、空気浄化、抗菌・防かび、及び水質浄化の機能別に国内及び国際規格（JIS, ISO）原案を作成することとなった。設置期
限の2005年度末までに、当初の目的をほぼ達成しつつある。本稿では標準化の考え方、現在までの到達点、並びに今後の展望を述べるが、必ずしも上記委員会の見解ではないことをご了解いただきたい。
セルフクリーニング
性能分科会
事務局： （社）日本ファインセラミックス協会（JFCA）

橋本和仁（東京大学）

委員： 業界、ユーザー、有識者

空気浄化性能分科会

光触媒標準化委員会

光触媒標準化分科会連絡会

藤嶋 昭 KAST理事長

指宿堯嗣 （産環協）

竹内浩士（産総研）

水質浄化性能分科会
垰田博史（産総研）

経済産業省

抗菌・防かび性能分科会

オールジャパン体制

窪田吉信（横浜市大）

光触媒製品 光触媒製品 産業技術フォーラム 技術協議会 総合研究所

光源ＷＧ
石崎有義（東芝ライテック）

表 8.2.1.1 光触媒への機能強化剤の添加
機 能

機能強化剤

空気／水処理吸着剤、酸化剤・還元剤

抗菌・抗かび無機・有機抗菌剤

セルフクリーニング 親水化／撥水化剤
機能強化剤は光触媒の評価を困難にするため、光照射又は光触媒加工の有無での比較が必要

図 8.2.1.1 光触媒標準化の体制(2) 標準化の考え方
酸化チタン光触媒の各種の作用は、主として紫外線照射下で生成する活性酸素種に基づくことから、この濃度を直接測定することができれば、統一的な評価方法となりうる。しかしながら、必ずしも活性種が特定されておらず、その定量も容易ではないことから、現状では個々の効果に即して、代表的な対象物質を用いて試験を行わざるを得ない（後述の水質浄化性能、及び表面の親水化に基づくセルフクリーニング性能についてはこの限りではない）。
光触媒材料が機能する環境は、紫外線の照度・波長分布、温度、湿度、汚染物質（または菌、汚れ）濃度を含めて、複雑である。光触媒製品には一般に、その機能を補完する材料が併用されていることから（表8.2.1.1）、光触媒の作用のみを評価することに留意した。これは通常、光照射下と暗時との性能の差で評価される。試験条件の設定においては、使用される環境条件に厳密に合わせるべきという考え方と、まずは光触媒が発揮する最大の性能を確認すべきという考え方がある。前者は消費者保護の立場から、後者は材料開発の観点から重要である。実際には、性質の異なる多くの材料・製品があり、用途によっても環境条件は変化することから、国家／国際規格としては、非現実的ではない範囲で、材料開発寄りの試験条件とせざるを－456－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）得ない場合もある。厳密な環境条件は、性能基準や認証制度と併せ、今後業界等で制定される個別の製品規格において考慮されるのが適切であろう。なお、最近話題になっている可視光応答型光触媒については、その特性や効果が十分に明らかになっていないことから、本委員会では特段の対象としていない。
一方、産業技術戦略としては、光触媒は我が国が主導的な立場で研究開発を進めてきた経緯から、技術の普及促進に有効な標準化についても、我が国が中心となって推進すべきとの声が大きかった。標準化は一般に長期間を要するため、JIS 及び ISO 原案作成を同時に進めることとし、後者については、酸化チタンがセ
ラミックス材料であり、セラミックス応用製品が多いことから、既に我が国が幹事国となっている ISO/TC

206（ファインセラミックス技術委員会）を活用することとなった。

(3) 空気浄化性能
光触媒による揮発性有機化合物（VOC）の気相分解は1950年代より研究されていたが、空気浄化という観点からの応用が検討されたのは1980年代後半である。環境大気を直接浄化しようとする提案は1993年になされ、96年からは光触媒材料の沿道評価試験や空気清浄機の市販が行われたが、この過程で光触媒材料の客観的な試験方法が必要となった。それまでの知見に基づいて、また以下の諸条件を考慮して、当所は JIS を補完する予備的な規格である標準情報の原案「光触媒材料－大気浄化性能試験方法」を作成した3)。
・これまでの試験に用いられてきた機材等の有効利用
・器壁への吸着を防ぎ、一定の流動状態を得るための流通式試験容器の採用
・試験用ガスとして、大気環境問題と光触媒への生成物蓄積性を考慮した一酸化窒素（NO）の選択
・現実的な試験条件（NO 濃度 1.0 ppm, 温度 25 ℃，相対湿度 50％，Ａ領域紫外線照度 10 W/m2）
・汚染物質除去率ではなく、一定時間後の除去量で評価（最大 40.18 µmol）
これは TR Z 0018 として 2002 年 1 月に経済産業省から公表された。空気浄化性能分科会は、この TR を詳細に検討して JIS 原案を作成した結果、2004 年 1 月に R 1701-1（ファインセラミックス —光触媒材料の空気浄化性能試験方法— 第 1 部：窒素酸化物の除去性能）として制定された。光触媒に関する公的規格としては世界で最初のものと考えられる。ほぼ同じ内容は、2003 年 10 月の第 10 回 ISO/TC 206 総会において、新業務項目（NWI）として採択された。現在、委員会原案（CD）を経て国際規格原案（DIS）の段階にある。試験容器と試験方法の概要をそれぞれ、図 8.2.1.2 及び図 8.2.1.3 に示す。フィルター試料の試験は TC 206 の議論の中で加えられたものである。ラウンドロビン試験の結果、併行精度及び再現精度はそれ
ぞれ、0.37 及び 0.53 µmol と平均 NOx 除去量 15 µmol に比べて十分に小さいことが確認された。
(A) 平面状試験片の場合
窓板

試験片
空気層厚み
4.5±0.5 mm

試験用ガス

高さ調節板

試験片長さ
(99.5±0.5 mm)(B) フィルター状試験片の場合
窓板

試

験

報

告

試験片
（フィルター状）

空気層厚み
4.5±0.5 mm

試験用ガス

専用アダプター

前処理

試験片長さ(99.5±0.5 mm)

図 8.2.1.2 流通式反応容器の断面図

有機物除去（IUV-A ≥ 10 W/m2, ≥ 5 h）
水洗（精製水浸漬 2 h, 風乾, 恒量化）↓
吸着試験（光なし, 試験ガス, 0.5 h）
除去試験（光照射, 試験ガス, 5.0 h）
脱着試験（光なし, ゼロガス, 0.5 h）
溶出試験（精製水浸漬 1 h × 2回）↓
NOx 除去量, NO2 生成量, 吸脱着量
水洗による再生効率
試験片の状況, 試験条件等

図 8.2.1.3 JIS R 1701-1 NOx 除去試験の手順－457－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
次に、室内空気汚染物質として重要な VOC に対する試験方法を検討した。VOC としては少なくとも数百種が知られており、それらの性質も多岐にわたるが、低級極性物質の代表としてアセトアルデヒド（CH3CHO）を、芳香族炭化水素の代表としてトルエン（C6H5CH3）を選択した。たとえば、ホルムアル
デヒドは標準ガスの調製や測定が難しい、ベンゼンは既に研究室での使用が規制されている、などといった問題があった。基本的には、JIS R 1701-1 を踏襲したが、一般的なガスクロマトグラフ法が利用できるような ppm レベルの濃度としている（しかし、VOC の分解は遅く、負荷量を上げることができないため、流量。VOC が完全に酸化されているかどうかを調べるために、二酸化炭素の測定も加え
は 1 L/min 以下とした）た。しかし、トルエンの場合、強く吸着する材料があり、物質収支のみならず、光照射効果の判定ができな
い場合もあった。
悪臭物質の除去性能試験は、暗時の吸着や試験時の防臭対策などで更に難しい。VOC で選択したアセトア
ルデヒドは悪臭物質でもあるが、現在、メチルメルカプタン（CH3SH）に限定し、試験条件を検討している。

(4) セルフクリーニング性能
建造物の表面等を汚れにくくするセルフクリーニング機能は、汚れ成分の光触媒分解に加えて、水洗除去を容易にする表面の親水化現象に基づく。前者については、メチレンブルー溶液の脱色に基づく湿式分解性能試験方法、後者は材料表面における水滴の接触角を測る方法が提案されていた4)。セルフクリーニング性能分科会では、長期にわたる屋外暴露試験を行い、これらの試験方法との相関を検討してきた。その結果、両機能を評価できる試験方法として、UV-A 照射による前処理後にオレイン酸を塗布し、接触角を調べる方法（図8.2.1.4）の JIS 原案が作成され、2005年9月には ISO/TC 206に提案された。この方法では、最も親水化した状態である「限界接触角」とその状態に至るまでの照射時間を報告する。しかしながら、テフロンのような撥水性の高い材料には適用できない場合もあり、湿式分解性能試験方法についても JIS 原案が作成された。この方法では、材料上に0.01 mol/L のメチレンブルー溶液を入れた筒を置いて上方より UV-A を照射し、664 nm における吸光度減少の勾配から「分解活性示数」を求める。試験の性格上、対象は溶液が浸透しない平板状の材料に限定される。
70

水接触角 (degree)60

紫外線蛍光ランプ

光照射開始

θ0

50 オレイン酸を塗布後に40 拭き取りθn

照射ｎ 時間後の接触角細菌の懸濁液大腸菌
黄色ブドウ球菌

30
20
10
0

θf
θp
前処理後

密着フィルム

限界接触角
0

50

100

時間 (h)

試験片（ポリプロピレン
またはガラス）(セラミックス、ガラス、フィルム、繊維)

図 8.2.1.4 接触角測定の概念（セルフクリーニング性能分科会による）

図 8.2.1.5 抗菌性能試験の概念図（抗菌・防かび性能分科会による）－458－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(5) 抗菌性能
抗菌加工製品の試験方法については、先行する JIS 規格等が存在するため、抗菌・防かび性能分科会がそ。対象は光触媒を含有する抗菌加工製
れらをできる限り尊重した試験方法の開発を行っている（図 8.2.1.5）
品であり、JIS Z 2801 のフィルム密着試験等を参照して、光照射条件を最適化した。具体的には、紫外線透過性から密着フィルムとしてポリプロピレン製の OHP シート、保湿用ガラスとして TEMPAX を選択する
とともに、（光触媒がない場合に）細菌の生存に影響を及ぼさない光源として、BLB 蛍光ランプ（極大波長351 nm、放射照度 2.5 W/m2 以下）を選択した。無加工品と比べて試験後の菌数が 1/100 以下に減少する場
合を効果ありと判定する評価基準を設けている。本件は 2005 年に ISO/TC 206 に提案済みで、年度内の JIS
原案作成も決定しているが、執筆時点で試験方法の詳細は決定されていない。
抗かび性能については、JIS Z 2911 等のかび抵抗性試験方法を参考にしつつ、引き続き検討することになっている。

(6) 水質浄化性能
VOC と同様、水質汚濁物質も多種多様であり、対象物質の選択が極めて重要である。水質浄化性能分科会
でも再現性等の観点から、循環流通式の試験容器を採用しているが、セルフクリーニング性能試験にも用いられるメチレンブルーのような色素では、試験片や容器等への吸着が無視できないことがわかった。指標物
質として各種の物質を検討した結果、ジメチルスルホキシド（DMSO）が最適と判断された。DMSO は OH
ラジカルの捕捉剤として知られており、OH ラジカル生成量に比例した測定結果が得られる可能性がある。
具体的には、UV-A 照射下で、10 mg/L の DMSO 溶液を流通式試験容器に 5 時間循環させる。DMSO 及び主生成物であるメタンスルホン酸（MSA）の濃度をイオンクロマトグラフ法または代替法で測定し、分解活性示数を求める。シマジン（農薬）といった実際の水質汚濁物質の光触媒分解性との相関を確認している。

(7) まとめ
光触媒材料の性能試験方法は概ね検討が終了し、一応、JIS 原案と ISO 提案が出そろうことになった。標準化はとかく利害のぶつかり合う作業であり、ここまで到達することができたのは関係者の並々ならぬ情熱と尽力によるところ大である。今後は各項目で示したような追加の作業を行うとともに、光源の選択を含めて、可視光応答型光触媒についても対応していくこととなろう。規格は現場で使っていただいて、改良していくことが必要である。国際規格を制定するのも長い道のりであり、新たな環境技術の普及に向けて、手を緩めることなく完成させることとしたい。
（竹内 浩士）参考文献(1) 橋本和仁, 藤嶋昭監修: “図解 光触媒のすべて”, 工業調査会 (2003).
(2) 日本ファインセラミックス協会: FC Report, 20, 10 (2002) 231.
(3) 竹内浩士, 指宿堯嗣: “光触媒ビジネス最前線”，工業調査会 (2001).
(4) 光触媒製品フォーラム: “光触媒製品における湿式分解性能試験方法”, “光触媒製品における親水性能試験方法” (2004), http://www.photocatalyst.gr.jp/kikakuka.html－459－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

8.3 環境負荷低減技術
8.3.1 VOC 対策における低温プラズマ応用技術(1) 背景”プラズマ”と言うと薄型テレビを連想するかも知れない。本来、物理、化学の分野で”プラズマ”とは、”陽、イオンと陰電子イオンとがほぼ同じ密度で分布している粒子集団”と定義されている。別名「第 4 の物質状態」
すなわち固体、液体、気体で知られる 3 つの物質状態よりもさらに一段高いエネルギー状態を指すものとイメージした方がわかりやすい。したがって、一般にプラズマ状態を得るには、非常に高い温度が必要と思われがちであり、事実”高温プラズマ” に代表されるものに太陽コロナが知られている。ただし、一部の電子だ
けが高いエネルギー（熱的には電子温度のみが極めて高い状態）を持っている状態もまたプラズマであり、その場合大多数の中性気体分子は低温のままなので気相の温度上昇が小さいため、”高温プラズマ”に対し”低温プラズマ”と呼ばれている。この低温プラズマは、常温・常圧下の放電現象により比較的容易に得ることができることから、大気中の微量有害化学物質の排出抑制対策へ応用する試みがなされている 1,2）。ちなみに、
プラズマディスプレイではプラズマで生じる発光を利用している。

(2) 各種低温プラズマ発生方式 3～5)
現実には、低温プラズマ法の中でも常温・常圧で用いることのできる手法は限られている。代表的なもの
として沿面放電、無声放電、パックトベッド式放電、パルス放電などが知られている。沿面放電では、ガラス管外部にまかれた接地電極と内壁に密着させたコイル状電極間に数キロヘルツの高周波電圧を印加し、放電させることにより円筒内面にプラズマを発生させる。無声放電では、適当な誘電体（ガラスなど）を挟み込んだ電極間に高周波電圧を加え、電極と誘電体間の空隙にプラズマを発生させる。パックトベッド式放電
では、強誘電体ペレットを電極間に充填し、交流高電圧を印加することにより、ペレット間の空隙全体をプラズマ化できる。パルス放電では、電極間に立ち上がり時間数十 ns、持続時間 1µs 以下の直流パルス高電圧を印加することで放電電極からストリーマー放電を発生させ、電極間の広い範囲をプラズマ化する。一例を示したがこの他にも多くの形態がある。

(3) プラズマのエネルギー
プラズマ中では、高速電子が種々の分子（原子）と衝突することにより、分子（原子）の励起、フリーラ
ジカル生成を含む解離、電子付着による負イオンの生成、及びイオン化による正イオンの生成等を第一ステップとして、化学反応が進行する。電子付着による解離、励起の場合およそ 6eV 以下、正イオンの生成には5～25eV のエネルギーが必要になる。減圧下では図 8.3.1.1 に示す様な高速電子のエネルギー分布が調べられている 6)。常温、常圧下のプラズマについて、これらのエネルギー分布をそのまま当てはめることはできないが、概ね反応器内の電子は数 eV を中心とした幅広いエネルギー分布を持っており、いずれにしても多様な化学過程が予想されている。紫外光と比べても潜在的なエネルギーは高い。

－460－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

電子分布 /任意単位

分子・原子の励起
フリーラジカルを含む解離
電子付着による負イオンの生成(6eV以下)イオン化（正イオンの生成）(5～25eV)

0

5

10
15
電子のエネルギー / eV2025

図 8.3.1.1 プラズマ中での高速電子のエネルギー分布（イメージ）(4) 各種 VOC に対する分解能力と課題
一般的な炭化水素の化学結合の強さは 6eV 程度以下であるので、低温プラズマ中では多くの揮発性有機物
質（VOCs）を比較的容易に分解できる 7)。ただし、実用化するためには有害副生成物の発生抑制と電力効率の向上という課題が残されている。炭化水素の場合、ほとんどが CO と CO2 へ酸化分解されるが、反応器の構造、放電方式、排ガス組成によっては、反応前後の炭素の物質収支が悪く、粒子状物質の生成、反応器
内部へのタール付着、あるいは炭素析出が生じる。ハロゲン系では、対象物質の除去は比較的容易だが、投入エネルギーが不十分な場合、二次的な有害生成物の発生が懸念されている。また、バックグラウンドガスに空気を用いた場合、O2 と N2 の放電副生物として NOx、N2O、O3 の生成も報告されている。そこで、これらの問題点を解決するため、以下で述べる触媒等の技術と低温プラズマ技術の複合化が検討されている。

(5) 触媒作用を利用した低温プラズマ反応 8)
触媒とプラズマの複合化技術としては、それぞれの機能を独立に利用する技術（二段式プロセス）とプラ
ズマ雰囲気下で直接触媒を利用する技術（一段式プロセス）が研究されている。

(a) 二段式プロセス：
前者の方法は、主に前段で長寿命の活性酸素種をプラズマにより発生させて、その後段の触媒で VOC の酸化分解を行う方法である。したがって、長寿命の活性酸素種を発生できれば、いずれの放電方式もこれに用いることは可能である。その前段で生成する酸素活性種としてオゾン(O3)が良く知られている。しかし、気相中では VOC の種類にもよるが O3 そのものの反応性は必ずしも高くない。触媒の複合化によりこの酸化能力を高めることができる。この反応機構としては、O3 が触媒上で分解され、その触媒上に生成する酸化活性の高い酸素種（1～3 式参照）が、VOC を酸化分解するものと考えられている。

O3 + *

O2 + O*

O* + O3O2*(1 式)

O2 + O2*(2 式)

O2 + *(3 式)* : 触媒活性サイト(b) 一段式プロセス：
これに対し、後者の方法は、プラズマ反応器の構造や触媒の配置法に様々な工夫がなされている。報告さ－461－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）れている文献から、放電方式、用いた触媒、分解対象物質、その効果を要約したものを表 8.3.1.1 に示す。
放電方式、あるいは同じ反応器を用いても組み合わせる触媒の種類によって効果が異なる。すなわち、シス
テムとしての最適化が最重要課題になっている。
触媒が組み合わされる反応場の影響については、強誘電体充填型反応器 9)、直流コロナ放電型プラズマ反応器 10)で、より強いプラズマが得られる場所に触媒を置くことが有効であること、また沿面放電型反応器に触媒を複合させた系で、より高いエネルギーを加えた場合ほど触媒の効果が顕著に表れることがわかっている 11)。
表 8.3.1.1 放電方式、触媒、対象物質とその効果
複合効果
放電方式

パックトベッド式
放電

沿面放電

無声放電

触媒
M/BaTiO3 ( M=Co, Cu, Cr, Ni,V ),γ-Al2O3, M/γ-Al2O3 (M=Mo,
Rh, Pt, Pd, Cu, Ag, Ni, Co),
MS-3A, MS-4A, MS-5A, MS-13X

分解効率
の向上

CO2選択
率の改善

副生成物
の抑制

その他
の効果

○

○

○

○

CCl4, C6H6

Al2O3, TiO2

CClF3, CCl2F2, CHClF2,
CHF3, CF4○○

TiO2, Ag/TiO2, Pt/TiO2

C 6 H6○○

CuO/ZnO/Al2O3,
CuO/ZnO/MgO/Al2O3

CF4, C2F6, C3F8, CHF3,
SF6, NF3○○

Pt/γ-Al2O3, TiO2, Pt/TiO2,
V/TiO2C 6 H6○

Pt/γ-Al2O3

C6H5CH3○

C2HCl3○

SiO2, γ-Al2O3, MS-5A

C6H5CH3, C3H8○

TiO2, MnO2, TiO2-SiO2

C 6 H6○

BaTiO3, γ-Al2O3, Pt/γ-Al2O3

CNCl, CH3CN, CCl2CHCl○

SiO2, BaTiO3, PbZrO3-PbTiO3,
γ-Al2O3, α-Al2O3, LaCoO3

C6H5CH3, C6H5OH, MTBE○

TiO2/SiO2, TiO2/Al2O3

C6H5CH3○

TiO2, V/TiO2, W/TiO2, Cu/ZSM-5,

ｺｰｼﾞｪﾗｲﾄﾊﾆｶﾑ

パルス放電

対象物質

Pt/Rhコーティング電極（アース

極）

○

○
○

○

○

C6H5CH3, CH3CN

Pt/Al2O3（ハニカム）

CH3CHOC4H9○直流コロナ放電

TiO2, MnOx on mesh, MnOx on
ハニカム

C6H5CH3○

グロー(～アーク)
放電

Fe, Pt, Auコーティング電極

CH3Cl、CH2Cl3

○

○

○

○

一方、触媒活性化メカニズムについても議論が進められている。例えば、反応効率が向上することが確認されている TiO2 については、(i)プラズマの発光を利用した光触媒作用 12)、(ii)固体表面の高速電子あるいは活性化学種による直接的な活性化 13)、(iii)発生した O3 が TiO2 上で分解する際生じる活性 O による酸化作用
12)、(iv)プラズマのエネルギーでホールとエレクトロンに電荷分離後、共存する H2O から生じる OH、HO2

ラジカル等による化学反応 14)が原因として考えられている。しかし、触媒が光触媒特性を持たない場合やオゾンが生成しない場合でも触媒の効果は認められている。
仮説(ii)に関しては沿面放電型反応器に触媒として TiO2 を充填したものを用い、アルゴン気流下で TiO2 表面の活性化が調べられている 15)。同反応器を用い、紫外光、オゾン、熱の影響を無視できる条件でプラズマを発生さ－462－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
せて、気相中に脱離してくる物質を質量分析計で測定し、酸素、水素 (m/e=32, 2)の発生を確認しており、TiO2の表面水酸基（4,5 式）や格子酸素（6 式）がプラズマにより直接活性化する可能性が示されている。これは、触媒の活性化には光や熱だけではなく、プラズマも活用できることを示唆するものである。

2Ti-OH → 2Ti-* + O2+ H2(4 式)

2Ti-OH → 2Ti-* + 2OH → 2Ti-* + O2 + H2

(5 式)

2Ti-O-Ti → 2Ti-*-Ti + 2O → 2Ti-*-Ti + O2

(6 式)(*:不飽和サイト)
また、仮説(iii)に関しては一段式でもオゾン発生が伴えば二段式と同様のメカニズムを考慮する必要があろう。一方、仮説(i)に関しては、確かに TiO2 の場合は紫外光の影響もあり得るが、光量不足で反応に寄与す
る割合がそれ程大きくないとの指摘もある。
いずれにしてもプラズマ下での触媒性能を高度化するためには、スペキュレーションだけでなく実験的検証に基づいた議論が必要不可欠である。

(6) おわりに
排ガス処理において、低温プラズマ法は種々の物質に対し高い分解能力を示す。実際に、脱臭用途については実用化され、導入実績も上がってきている。しかし、小規模発生源の数百 ppm 程度の VOC 除去技術に関しては、反応器内へ投入されるエネルギーが大きくなることから、様々な課題があり実用化には至っていない。現在、これを克服するために反応操作条件の最適化や他の技術との複合化が検討されている。
（尾形 敦）

参考文献(1) K.L.L.Vercammen, A.A. Berezin, F. Lox, and J.S. Chang: "Nonthermal Plasma Techniques for the
Reduction of Volatile Organic Compounds in Air Streams: A Critical Review", J. Adv. Oxid. Technol.,
2 (1997) 312(2) 水野 彰: "放電による排ガス処理技術", 静電気学会誌, 19 (1995) 289.
(3) 小田哲治: "放電による大気環境改善技術", 静電気学会誌, 19 (1995) 283.
(4) 静電気学会編, 新版静電気ハンドブック, オーム社 (1998) , p.27-38.
(5) H.H. Kim: "Nonthermal Plasma Processing for Air-Pollution Control: A Historical Review, Current
Issues, and Future Prospects", Plasma Processes Polymers, 1(2004)91.
(6) K. Tachibana, M. Nishida, H. Harima, and Y. Urano: “Diagnostics and modeling of a methane
plasma used in the chemical vapour deposition of amorphous carbon film”, J. Phys. D, 17 (1984)1727.
(7) 尾形敦:"有害大気汚染物質対策における低温プラズマの利用",エコインダストリー, 5(5)(2000)5.
(8) 金賢夏、永長久寛、尾形敦: "触媒を利用した低温プラズマ法による VOC 分解技術の研究・開発動向", 環
境管理, 40 (2004) 1109.

(9) A. Ogata, H. Einaga, H. Kabashima, S. Futamura, and S. Kushiyama: "Effective Combination ofNonthermal Plasma and Catalysts for Decomposition of Benzene in Air ", Appl. Catal. B: Environ.,46 (2003) 87.
(10) T. Ohkubo, D. Li, D. Yakushiji, S. Kanazawa, and Y. Nomoto: Decomposition of VOC in Air Using a－463－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

Streamer Corona Discharge Reactor Combined with Catalyst", J. Adv. Oxid. Technol., 6 (2003) 75.
(11) H. H. Kim, S. M. Oh, A. Ogata, and S. Futamura: "Decomposition of Gas-Phase Benzene Using
Plasma-Driven Catalyst (PDC) Reactor Packed with Ag/TiO2 Catalyst", Appl. Catal. B: Environ., 56(2005) 213.
(12) A. Mizuno, Y. Kisanuki, M. Noguchi, S. Katsura, S.-H. Lee, Y.-K. Hong, S.-Y. Shin, and J.-H. Kang:" Indoor Air Cleaning Using a Pulsed Discharge Plasma ", IEEE Trans. Ind. Applicat.,35(1999)1284.
(13) D. Li, D. Yakushiji, S. Kanazawa, T. Ohkubo, and Y. Nomoto: "Decomposition of Toluene by
Streamer Corona Discharge with Catalyst", J. Electrostat., 55 (2002) 311.
(14) H. H. Kim, K. Tsunoda, S. Katsura, and A. Mizuno: "A Novel Plasma Reactor for NOx Control
Using Photocatalyst and Hydrogen Peroxide Injection", IEEE Trans. Ind. Applicat., 35 (1999) 1306.
(15) 尾形敦、金賢夏、二ﾀ村森："低温プラズマによる固体触媒表面の活性化", 触媒, 47 (2005) 491.

－464－
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8.4 環境リスク評価の関連技術
8.4.1 液相中におけるナノ粒子計測技術
この小項目では溶液中に分散したナノ粒子の粒径計測技術の現状を光散乱法を中心に解説する。また、ナノ粒子のサイズ分離法についてもあわせて解説する。
光散乱（Light Scattering）や小角 X 線散乱（Small-angle X-ray Scattering；SAXS）など電磁波の散乱現象を用いて微粒子の粒径を計測する手法は、100 nm 以下のナノ粒子を簡易にしかも精確に計測できる優れた手法である。これらの計測法は、粒径標準物質による装置校正を必要としない、その場（in situ）計測が可能である、対象に対して非破壊計測が可能である、あるいは、希薄溶液で測定するので試料量が比較的少なくてすむなど他の測定法にない利点をもっている。特に光散乱法はレーザが出現して以来、簡易計測的なものから精密計測的なものまで数社から各種タイプの光散乱装置が供給されており容易に取り組める手法となっている。
他の方法、例えば透過電子顕微鏡、微分型電気移動度分析器（DMA）、遠心沈降光透過法などの方法でナノ粒子の粒径を計測することは可能である。実際、透過電子顕微鏡を用いれば粒径だけでなくナノ粒子の形状が計測できる大きな長所があり、何よりも視覚的である点に利点がある。気相中のナノ粒子については

DMA が有力である。近年 20 nm 以下の超微粒子が環境対策として問題になっているが、DMA を用いれば10 nm 以下のシングルナノ粒子も計測でき、しかも粒径分布の情報まで得られる。また、適切な校正を行えば非常に高精度な計測ができるので、粒径計測の基準的技術として特に利点がある。遠心沈降光透過法も従来から用いられてきた簡便な計測法であり、最近はディスク状の経路を用いた分離計測法もある。しかし、これらの方法は無機粒子やラテックスなど硬く形状のはっきりしたナノ粒子に対しては有効であっても、ある特定の溶存状態で特別なコンホメーションや会合状態を取ってはじめて意味のある高分子、ミセル、あるいは蛋白質などに対しては有効ではない。試料の前処理のために溶媒を揮発させたり、試料そのものを気相中に噴霧したりするからである。これに対して光散乱や小角 X 線散乱はナノ粒子が溶媒に分散しているまさにその状態のまま測定できるので、今後ナノ・バイオテクノロジーで要求される様々なソフトナノ粒子の粒径を計測するには都合がよいといえる。
光散乱や小角 X 線散乱にも当然欠点がいくつかある。すなわち、可視光あるいは X 線を通さない吸収の強い媒体中のナノ粒子は計測できない、濃度が濃すぎると多重散乱など光の粒子間干渉が起き粒子単独の情報が得られない、あるいは球形粒子以外だと球相当径しか得られないなどの欠点を有する。また、前処理として分離法を用いない場合、粒径分布の広い試料に対しては平均粒径は測定できても粒径分布まで正しく求めることは難しい。
通常のナノ粒子は粒径分布をもっているので、光散乱で求められる平均粒径と他の手法で求められる平均粒径とでは意味が異なるということを熟知しておく必要がある。つまり同じ試料を測定しても異なった計測法で出した平均粒径がまったく異なることがあるからである。平均粒径に関する問題の第一は、平均の定義
が計測法により異なっているということに由来する。たとえ真球粒子を対象としていても、DMA では数平
均粒径が求められるが、光散乱や小角 X 線散乱で求められる平均粒径は z 平均粒径に近いものである。例えば、密度が粒径によらず一定であり、粒子内での密度も一様である真球粒子の場合、後述の動的光散乱が拡
散係数の逆数として与える粒子半径 RD は、－465－
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RD = ∫ R 6 f (R )dR R 5 f (R )dRで表される。ここで f (R ) は粒子半径の数分布関数である。一方、次式で定義される数平均粒子半径 Rn は、

Rn = ∫ Rf (R )dRと表され RD と異なることが分かる。これらの平均値は分布が広ければ広いほどその差が大きくなってくる。
逆に分布が分かれば異なる計測法の妥当性を相互に検証することが可能となる。これとは別に、仮に分布がない場合でも形状が球形でない試料では光散乱の測定原理と他の測定原理とが異なるので異なった結果がでてくるので注意が必要である。たいていの場合、球相等径という言い方をしている。
光散乱の中でもレイリー光散乱法は 100 nm 以下のナノ粒子を計測するのに適している。さらに、レイリー光散乱法は、動的光散乱法（Dynamic Light Scattering; DLS）と静的光散乱法（Static Light Scattering;

SLS）とに大別される。静的光散乱は水銀ランプを光源とし、数十年も前から合成高分子や蛋白質などのナ
ノ粒子の粒径計測に用いられていた。しかし、レーザ光源が利用できるようになり、近年の光学技術の進歩から簡易な装置が開発されナノ粒子計測には動的光散乱がもっぱら利用されるようになった。静的光散乱より操作が簡単で光学系が簡単だからである。ちなみに粉体に対してよく使われるレーザ回折は静的光散乱法
であるが、ミー（Me）散乱を利用しており、サブミクロン以上の大きな粒子に有効な手法である。
動的光散乱は 1 nm～数μm まで幅広く粒径計測ができる粒径計測の中でも最も普及している手法である。本方法では時間変動する光散乱強度の時間的ゆらぎの相関をとる。時間相関を解析する方式の違いにより各種の手法が用いられるが、現在最もよく使用される方式はホモダイン法を用いた光子相関法（Photon Correlation

Spectroscopy; PCS）である。これは散乱光自身の異なる振動数成分同士を混合するため、受光する光子数の時間相関を直接とる方法である。この時間相関から拡散係数を求めることができる。最近ではホモダイン法であっても周波数解析を行い、パワースペクトルから拡散係数を求める装置も出てきた。一方、光混合法の中でも基準光を散乱光に混合するヘテロダイン方式もある。ヘテロダイン方式では周波数解析を行うので散乱光の時間変化をフーリエ変換してパワースペクトルを求め、これから粒子の拡散係数を決定する。
図 8.4.1.1 に動的光散乱装置の概念図を示す。後述する静的光散乱も測定できるように検出器を散乱面上で回転させる方式もある。また、オンライン検出器の場合はセル部分がフローセルになっている。

図 8.4.1.1 光散乱装置の概念図－466－
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いずれの方式でも動的光散乱により求められるのはナノ粒子の粒径そのものではなく、溶液中でのナノ粒子の拡散係数である。拡散係数が決定できれば次式の Stokes-Einstein 式によりナノ粒子の半径 R が求めら
れる：

R=

k BT
6πηD

ここで、 k B は Boltzmann 定数、 T は溶液の絶対温度、η は溶液の粘度、そして D はナノ粒子の拡散係数である。上式は液体などの媒体中をブラウン運動している粒子に対して成立する。この式は流体力学におけるStokes の法則を用いているので、1 nm 程度の小さなナノ粒子など溶媒分子が連続体とは見なせない場合には成立しなくなることに注意しなければならない。
動的光散乱でも精確に粒径と粒径分布を決定するに多くのことに注意を払い、精度向上のための技術開発が必要である。まず問題となるのがナノ粒子を単独に分散（高分子では「分子分散」という）させられるか、どうかである。溶媒中では微粒子の多くが表面電荷を持っており、水などの溶媒の水素イオン濃度（pH）
イオン強度、あるいは界面活性剤濃度を適切に選ばないとナノ粒子が凝集する場合がある。例えば水に分散されているナノ粒子標準物質をうっかり希釈し凝集を招くこともある。このようなことは他の多くの計測法でも共通に問題となることであるが、光散乱ではごく少量であっても凝集体は強い散乱を与えるので特に注意が必要である。
次に、測定される拡散係数自体に濃度依存性があること、従って単独のナノ粒子の拡散係数を正確に求めるには無限希釈への外挿が必要なことである。例えばポリスチレンラテックス（PSL）の場合、濃度が高くなると拡散係数はみかけ大きくなり濃度とともに粒径が小さくなるように見える。さらに、光散乱は粒子内部の分極を反映しているため内部の運動モードが現れる。粒子内と粒子間の構造因子が出現し、粒径に関する拡散情報に重なってくる。時間相関が散乱角に依存することになり、拡散係数を与える部分とそうでない部分とを分離する必要がでてくる。
第三に、粒径分布が広いと解析上の問題がでてくる。時間相関関数と拡散係数の分布とはラプラス変換の関係にあるので、拡散係数の分布（すなわち粒径分布）を求めるには原理上逆ラプラス変換を行う必要がある。しかし、この逆ラプラス変換は第一種の Fredholm 積分方程式の積分核を求める問題であり解を決めるには困難をともなう。いくつかの解法の中で現在よく用いられている手法は CONTIN 法である。その他に、
キュムラント展開による解析法や有限のヒストグラムを用いるヒストグラム法などの解析法がある。市販装
置に組み込まれている解析ソフトを使って実際に解析してみると、計算に用いられるパラメータを少し変えるだけで分布の計算結果がかなり異なることがしばしばである。場合によっては２山の粒径分布が出現することもあり解釈には注意が必要である。
その他、溶媒分子がナノ粒子の表面に吸着する溶媒和の効果や溶媒中に発生する対流の効果がある。これ
らの効果は見過ごされやすい。特に試料セル中に温度分布があると対流が発生し、観測される拡散係数に対流成分が乗ってくるので対流を抑制するように工夫が必要である。
上記のような諸因子による影響をできるだけ小さくした動的光散乱の高精度計測が最近確立された。装置
は高精度に温度調整（±0.1℃）されたクリーンな恒温室に設置され、温度変化による光学系のズレを極力抑えている。また、セルを高精度に温調し対流を抑えている。さらに散乱角度とナノ粒子濃度を変え角度と濃、ナノ粒子単体の拡散係数を決定している。
度の二重のゼロ外挿点を求め（動的光散乱の Zimm プロット）

100 nm 以下のポリスチレンラテックス標準物質について測定を行った結果、Stokes-Einstein 式から決定さ－467－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
れた粒径が DMA による精密測定結果とよい一致を示すことが確認されている。またこのような高精度測定
を通じて動的光散乱で得られる粒径が DMA で得られるそれよりは僅かに大きいことが確認されたが、これはラテックス表面に付着している水分子の影響ではないかと推定されている。ナノ粒子表面に溶媒や界面活性剤などがどの程度付着しているか、高精度計測通じて初めて明らかにされる一例であるといえる。
希薄溶液としなければ粒径計測ができない従来の動的光散乱装置に対し、近年濃厚系の粒径計測装置が開発され数社から市販されている。製造現場では様々なナノ粒子を高濃度で取り扱うことが増え、そのキャラ
クタリゼーションが必要になってきたからである。
代表的なものは、牛乳やコーヒー飲料中のエマルジョン、
化学的機械的研磨（CMP）に用いる CMP 無機粉体、プリンタ用インク中の顔料粒子、金コロイド粒子、ドラッグデリバリーシステム（DDS）用のミセルなどである。これらの高濃度溶液中での粒径を従来の動的光散乱装置で求めることは粒子間の多重散乱などの影響で困難であった。しかし、後方散乱を計測する方法、
微小な散乱領域を設定する方法、ダブルビームを用いる方法などいくつかの方法を採用することにより、試料によっては 10％以上の高濃度でも粒径を計測できるようになっている。
動的光散乱ほどではないが、静的光散乱法は従来から高分子の広がりや分子量を絶対的に決定するほぼ唯一の方法であり、ナノ粒子の粒径計測にも応用できる。静的光散乱はナノ粒子からの散乱光の角度依存性か
ら粒径を算出するので動的光散乱より幾何学的形状をより直接反映する。すなわち、散乱関数の角度 0°における接線の傾きから回転半径が求められるので粒子の内部の質量分布が一様であると仮定すれば粒径を決定できる。静的光散乱の最大の欠点は光の波長の関係からシングルナノ粒子（10nm 以下）の粒径を決定できないことである。しかし、本方法は現在でも蛋白質などの高分子の大きさを決める有力な手法であり、また、内部の不均質性を反映するので動的光散乱と相補的に用いることでナノ粒子のキャラクタリゼーションを行うことができる。
流動分画法（Field Flow Fractionation; FFF）
、HDC 法（Hydrodynamic Chromatography）、あるいは
サイズ排除クロマトグラフィー法（Size-exclusion Chromatography; SEC、又は GPC とも）はナノ粒子を大きさにより分離する手法であり、検出法としての光散乱を組み合わせることでナノ粒子の粒径分布を決定することが可能である。SEC 法はナノ粒子の分離に使用される例はあまりないが、合成高分子では SEC と静的光散乱とをオンラインで組み合わせる SEC-LS 法が分子量分布計測に用いられる。すでにルーチン測定として製造、開発現場で用いられている。最近シリカ系粒子を SEC で分離した例が報告されている。SEC
は早くから確立された手法であったが、FFF 法と HDC 法は一般的ではなかった。しかし、技術開発が進み、現在では外国の数社から装置が販売されている。
図 8.4.1.2 に FFF 装置の中で核心となる分離流路の概念を示す。FFF には交叉流場、温度勾配場、あるいは遠心力場を外力場として用いる方法あるが、図は交叉流を用いた最も普及しているタイプのものである。
粒子は交叉流により溶媒だけを通す半透膜に押し付けられる一方で小さい粒子ほど拡散しやすいので分離流路の流れの速い部分に乗りやすく、従って早く溶出してくる。

－468－
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図 8.4.1.2 流動分画法（FFF）の分離流路概念図
現在の技術では、ナノ粒子に対しては FFF を分離手法とし、分画された試料をオンラインで光散乱計測することが有望である。FFF に接続するオンライン光散乱検出器としては、同時に多角度静的光散乱測定が可能な MALS（Multi-angle Light Scattering）か、ある特定角度（例えば 90°）だけで動的光散乱測定が可能なものがある。これらは１台の装置として組み込まれている場合もある。むしろ問題なのは FFF であり、各種ナノ粒子に対して分離条件の最適化をどうするか未知の部分が多く、研究はこれからである。
小角 X 線散乱もナノ粒子を計測する有力な手段である。光より波長がずっと短いのでシングルナノ粒子の粒径計測に適している。この粒径領域では Stokes-Einstein 式自体に問題が出てくるので形状を直接反映した小角 X
線散乱測定は動的光散乱に比べ原理的に有利である。また、伝統的に高分子の広がり計測に用いられてきたので技術的にも成熟し、最近は小型の市販装置が販売され簡易計測法に近づいてきた。ただし、光散乱に比べ散乱能が小さいので濃度を濃くしなければならない。その他、X 線を安全に使用しなければならない、光学系の調整が難しいなどの問題がある。また、高精度・高感度測定をする場合は Spring-8 など大型施設が必要になるなどの問題もある。なお、同様な粒径計測法として中性子小角散乱（Small-angle Neutron Scattering; SANS）がある
が、装置が大型で重水素化溶媒や化合物が必要など特別な用途にしか用いられない。
パルス磁場勾配核磁気共鳴（Pulsed Field Gradient Nuclear Magnetic Resonance; PFG-NMR）も拡散係数から粒径を測定できる有力な方法である。光散乱とは異なり濃度が高くても各粒子の拡散係数が直接求められる
し、シングルナノ粒子についても適用可能であるなどの長所がある。どちらかといえば本方法は低分子などの拡散係数を決定する最も有効な手法である。事実、固体高分子電解質中のリチウムイオンの拡散係数を求めたり、イメージング装置として医療用の診断装置に用いられたりしている。しかし、磁場勾配を大きくし、シグナルを与えるプロトンなどの核があれば大きなナノ粒子でも測定でき、これまでに 20 nm 程度のポリスチレンラテック
スの粒径を計測した例も報告されている。本法の欠点は、装置が大型で高価であること、拡散係数測定専用プローブが必要であること、プロトン核の運動性が必要なこと（硬い粒子は測定できない）、などである。また、水の拡散係数値を基準に装置の校正を行うので高精度測定には課題が残されている。今後、動的光散乱と相補的に用いることで小さなナノ粒子の拡散を測る高精度計測法として期待される。
粒径計測の信頼性を確保するためには粒径あるいは粒径分布が精確に値付けされた標準物質が不可欠である。現在、100 nm より小さい領域では 20 nm までの PSL が Duke 社や我国の JSR 社から販売され広く利用されている。しかし、標準物質の安定性、多分散度、あるいはトレーサビィティなどに問題のある試料も－469－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）ある。最近、(独)産業技術総合研究所は単分散 PSL 試料を対象に 30 nm から 100 nm の範囲での依頼試験による校正業務を開始した。今後シングルナノ粒子まで含めた信頼性の高い標準物質、特に粒径分布自体が特性解析された標準物質の供給が望まれる。
（衣笠 晋一）－470－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

8.5 エネルギー関連技術
8.5.1 光電極および光触媒による水素製造(1) はじめに
近年、原油価格が石油ショック以来の高騰をしている。その原因として直接的には米国多発テロ事件やイラク戦争、大型台風などの自然災害の影響が大きいが、長期的な問題として、中国やインドなどの発展途上
国が今後もエネルギー消費を拡大し続けることや炭酸ガスを中心とした地球温暖化問題・地球環境問題が今後ますます深刻になるという現状認識がある。その流れの中で水素燃料電池発電や燃料電池自動車などクリーンで効率の良い水素エネルギー社会の実現を目指した研究が世界中で加速している。水素社会の実現のためには製造、貯蔵、輸送、インフラ整備、利用方法、安全性など多くの点で課題を解決しなくてはいけない。
その中で最も難しい矛盾や課題を抱えているのが水素製造であろう。石油などの化石エネルギーはこのままの大量消費が続けば将来枯渇することは明らかであり、また同時に炭酸ガスの排出による地球温暖化や大気汚染の原因となっている。原子力の利用も安全面や資源の問題でこれ以上の増加は望めない。水素を化石資源や通常の電力により製造するならばエネルギー問題の根本的な解決にはならない。結局、人類は再生可能エネルギーの有効利用技術を早急に開発しなくてはいけない。その再生可能エネルギーの中で、もっともエネルギーが膨大なものが太陽エネルギーである。その太陽エネルギーを利用する技術として近年光触媒や光電極が注目されている。本報告では、光触媒および光電極による水素製造に関して、最近注目を集める米国での状況を紹介し、次ぎにその他の外国および日本の状況、そして著者らの研究を紹介する。

(2) 米国での研究 1)
米国では、再生可能エネルギー部門はこれまであまり重要視されず、予算も削減傾向であったが、多発テロ事件以来輸入原油への依存度が問題視され、石油代替エネルギー開発の必要性が見直されるようになった。
例えば、2003 年度予算案では再生可能エネルギーの殆どの費目を増額している。特に、燃料電池と「水素経済」への移行に注目していることを反映し、水素研究予算は大幅な増額となっている。その流れの中でいく
つかの DOE 水素プロジェクトが開始され、太陽水素製造には 13 のプロジェクトで 2005 年度には１千万ドルの予算が計上されている。2015 年には 2～3 ドルの水素コスト（egg：１ガロンガソリン相当）を目標としている。本章では、この太陽水素製造プロジェクトを中心に紹介する。
ハワイ大学の Miller らは MVS-System 社と協同で Hybrid photoelectrode(HPE)の研究を行っている。2)Si 基板に ITO コートし、さらに酸素発生用光電極として WO3 または Fe2O3 を低温反応スパッタ法で成膜している。従来の WO3 は焼成が必要であったが、それが必要ないので Si 基板でも使える。Solar to Hydrogen（STH）効率として 2.2%は出せることになる。

NREL の Turner らはリン化物や窒化物半導体光電極を積層した高効率水分解システムの研究を行っている。GaPN が酸性でも非常に安定性（＞760 時間）が優れていることを見いだした。また、超高真空装置をつかわない CIGSS 系でも高効率化の検討を行っている。関連のシステムでは、Midwest Optoelectronics 社の Xu らは Si および SiGe を中心とした多層光電極での水素製造システムを検討している。3)
カリフォルニア大学の McFarland らは、コンビナトリアル手法を用いて高速で半導体材料探索するシステムの研究をしている。4) 電気化学的に複合酸化物光電極を自動合成する。これまでに WO3-MoO3 系、

Fe2O3 系、Cu2O 系、ZnO 系が探索されている。Co4%-ZnO 光電極が高い可視光応答を示すことが報告され－471－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）た。本装置は電気化学合成と光電流測定を続けてできるが、一方で電気化学的に成膜できる材料に限られるという欠点もある。この欠点を解消するためスプレーパイロリシス法による複合酸化物光電極の自動合成も検討している。Fe2O3 に多くの金属を自動でドープできることを確かめた段階である。複合酸化物半導体は種類が多く、このようなコンビナトリアル手法の開発は本分野の発展に今後も重要と考えられる。 SRIInternational 社の MacQueen らも同様にコンビナトリアル手法により光触媒水素製造のための窒化物や硫化物の合成・評価方法の検討を行っている。DOE プロジェクトではないが、後述の IEA 関連として、コロ
ラド州立大学では Fe2O3 系半導体でインクジェット方式とレーザスキャン光電流測定方式でのコンビナトリ
アルシステムの開発が進められている。
その他、GE Global Research 社による光触媒的水の完全分解の評価研究やミネソタ州立大学の生体模倣型水素製造システム、Toledo 大学による各種ドープ型酸化物半導体光電極の研究がある。

(3) 海外（米国以外）での研究 5)
国際エネルギー機関（IEA）において水素エネルギーに関する研究開発実施協定が世界各国で結ばれている。その中には多くの分科会があるが、Annex20（旧 Annex14）では光電気化学的水素製造の研究が中心課
題となっている。
スイス・ジュネーブ大学（UG）では高性能 WO3 光電極の開発を長年行っている。6)この技術を基に英国・Hydrogen Solar 社とローザンヌ工科大学（EPFL）が WO3-色素増感太陽電池のタンデムシステムを開発し、STH として 5-7%を報告している。7) EPFL は WO3 よりも長波長光を利用するため、Flash-CVD による
Fe2O3 膜光電極の利用も同時に検討している。UG では Ti,Al,Zn などを共ドープした Fe2O3 光電極で高い効率（見かけの量子収率：IPCE=25%）を実現している。8) 韓国・POSTEC ではｎ型 PbBi2Nb1.9W0.1O9 に
ｐ型 CaFe2O4 をアイランド状に担持することで p-n 接合型光電極および光触媒を調製した。p-n 接合により電荷分離の向上が期待できる。9)
その他、オランダのデルフト大学やライデン大学では C-ドープ TiO2 や InVO4,ドープ型 Fe2O3 などの半導体光電極の研究を行っている。フランスでは CNRS を中心にルテニウム系錯体の研究が行われている。オーストラリアでは、C や S をドープした各種 TiO2 系半導体の探索研究を行っている。

(4) 日本での研究
日本では従来から光電極と光触媒の研究に関しては長い歴史があるが、近年は光電極よりも光触媒による水の完全分解の研究が特に盛んであることが大きな特徴である。上述のように世界的には光電極の研究が中心で光触媒による水の完全分解はほとんど行われていない。まず最近の可視光での光触媒水分解の研究を紹介する。まず著者らのグループでは IO3-/I-レドックスと２種類の光触媒を用いて図 8.5.1.1 のような Z スキ
ーム型システムを開発した。10) 半導体としては水素発生系に Pt-SrTiO3:Cr,Ta や Pt-TaON、酸素発生系に

Pt-WO3 が用いられる。
NO2-/NO3-レドックスも Z-スキーム型システムに使えることが見いだされている 11)。
工藤らは同様に Fe3+/Fe2+レドックスと Pt-SrTiO3:Rh や BiVO4、Bi2MoO6 などを用いて Z スキーム型システムを開発した。12) また、最近、固容型の RuO2/GaN:ZnO 光触媒が報告された。13) 外国での光触媒研究が進まないのは、可視光での光触媒の効率がまた低すぎること（量子収率で 0.4%以下）と、空気の影響なく酸素を定量する装備の問題が大きい。効率が低いとはいえ、最近の可視光での光触媒水分解の発展は目覚ましいものがあり、かつ将来的に大面積化・低コスト化できる可能性を持つことは強調すべきである。

－472－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

hν
hν

H 2O
Ox

H+/H2

Potential

H2

Red

Ox/RedO2 / H2O

H 2O
Semiconductor
photocatalyst

O2

図 8.5.1.1： レドックスと２種類の光触媒を用いた Z スキーム水分解型システム
光電極に関しては、著者らは多孔質薄膜構造に着目して多くの酸化物半導体光電極を探索し、BiVO4 や

Fe2WO6、Bi6Pb2O11 などの高性能な電極材料を報告している。14) 特に BiVO4 光電極は AgNO3 処理を行うと光電流が大きくなる効果を見いだした。Ag イオンが Bi とイオン交換しており、酸素発生を促進する触媒としての役割が推察されている。非酸化物系では TaON や Ta3N5 などの光電極が報告されている。15) 著者
らは多孔質チタン金属が様々な半導体を担持する導電性基板として優れていることを報告している。16) 日
本においても、光電極の研究が盛んになる兆候が見られ、今後の発展が期待できる。
（佐山 和弘）

参考文献(1) The 2005 Progress Report for the DOE Hydrogen Program. http://www.hydrogen.energy.gov/
annual_progress05.html(2) Eric L. Miller, Daniela Paluselli, Bjorn Marsen and Richard E. Rocheleau, Solar Energy Materials
and Solar Cells, 88, (2005) 131.
(3) http://www.mwoe.com/(4) T. Jaramillo, S. Baeck, A. Kleiman-Shwarsctein, K. Choi, G. Stucky, E. McFarland、J. Combi. Chem.
7 (2005) 264.
(5) Activity report of IEA-H2 Annex-20, Hydrogen from waterphotolysis.
(6) C. Santato, M Ulmann,. J.Augustynski, J. Phys. Chem. B, 105 (2001) 936.
(7) http://www.hydrogensolar.com/(8) C. Sartoretti, B. Alexander, R. Solarska, W. Rutkowska, J. Augustynski, R. Cerny, J. Phys. Chem. B,
109, (2005) 13685.
(9) H. Kim, P. Borse, W. Choi, J. Lee, ANGEWANDTE CHEMIE, 44 ,(2005) 4585.
(10) K. Sayama, K. Mukasa, R. Abe, Y. Abe. H. Arakawa, Chem. Commun., (2001) 2416; K. Sayama, K.
Mukasa, R. Abe, Y. Abe. H. Arakawa,J. Photochem. Photobio. A: Chem, 148, (2002) 71; R.Abe,
T.Takata, H.Sugihara, K. Domen, Chem. Commun., (2005) 3829.
(11) K. Sayama , R. Abe, H. Arakawa and H.Sugihara, Catal. Commun., in press.

－473－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(12) H. Kato, M. Hori, Y. Konta, Y. Shimodaira, A. Kudo, Chem. Lett., 33, (2004) 1348.
(13) K. Maeda, T. Takata, M. Hara, N. Saito, Y. Inoue, H. Kobayashi, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 127(2005) 8286.
(14) K. Sayama, A Nomura, Z. Zou, R. Abe, Y. Abe, H Arakawa, Chem. Commun. (2003) 2908.
(15) R. Abe, T. Takata, H. Sugihara, K. Domen, Chem. Lett.,34, (2005) 1162; A. Ishikawa, T. Takata, JN.
Kondo, M. Hara, K. Domen, J. Phys. Chem. B, 108 , (2004) 11049.
(16) 佐山和弘、大井亮、岩崎靖和、第２４回光が関わる触媒化学シンポジウム。

－474－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

8.6 環境分野における新技術の可能性、将来技術
8.6.1 テラヘルツリモートセンシングによる地球気候変動モニタリング(1) はじめに「テラヘルツ波」とは一般に「電波」と「光波」の境界領域の 0.1THz から 10THz の範囲の電磁波を指す。
電波と光波の境界であることは、“量子力学と古典力学との境界”であることから、様々な技術分野においても境界領域となる。例えば、エレクトロニクスとオプティクス・フォトニクスの境界でもあり、また、周波数領域と時間領域のアプローチの境界でもある。
テラヘルツ波はその発生・制御・検出が非常に困難であり、比較的最近までは研究や利用があまり進んでいなかった。しかし近年ではテラヘルツギャップと呼ばれる技術的困難を克服しつつあり、その進歩は著しい。そして「境界的なテラヘルツ」の分野の急速な発展に伴い，さまざまな分野から研究者が参入し，現在、いろいろな考え方や技術が持ち込まれている。そして、これら技術の急展開は各方面における広範な分野での近年のテラヘルツ技術への大きな期待に繋がっている。例えば、電子材料・新材料分析などの工業応用、
バイオ・医療への応用、診断薬・医薬品応用、食品品質管理等の農業・水産業への応用、防犯・安全応用、
超高速大容量の通信応用、大気監視などの環境応用などの広範な分野でのテラヘルツ応用が大きく広がる可能性が開けつつある。ここでは、主に、地球環境変動の監視を目的とした、テラヘルツ分光衛星観測について述べる。

(2) 地球気候変動
近年、地球上において、人間が増加し文明生活をしている事による影響がさまざまな形で現れている。例
えばオゾン層破壊や地球温暖化などである。地球環境変動問題が深刻になるに従い、問題解明に向けて実態を把握する目的で、地球の監視・観測（モニタリング）がより活発に行われる様になってきた。
地球の温暖化は様々な現象が複雑にからみあって起きている。図 8.6.1.1 に放射強制力と、それに対する人類の理解度を示す。外的な要因により放射量の変化として大気が受ける影響力を総称して放射強制力とよぶ。この中で、最も大きな要因となっているものの一つに二酸化炭素 CO2 などの大気微量成分と雲がある。

温暖化の原因は互いにカップリング
IPCC 2001
図 8.6.1.1 温暖化の要因と放射強制力－475－
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(3) テラヘルツ波観測の特徴
テラヘルツ波では大気微量成分と雲を同時に観測する事が可能である。雲を観測する際に“電波と光波の境界領域”である特徴が現れる。可視紫外光で雲を観測すると、これらの電磁波は雲により反射するため、雲の表面しか観測する事が出来ない。一方、電波で観測すると、雲を透過して観測する事が可能であるが、雲粒の大きいものしか観測する事が出来ない。
テラヘルツ波を用いた観測の利点は、まず第一に、

1) 雲粒の粒径の小さなものが観測出来る上、雲を透過して観測する事が可能。
である。また、

2) テラヘルツ領域には多数の分子線スペクトルが集中して存在する。
という点もある。地球大気の微量成分研究にとってかけがえの無い貴重な情報の宝庫となる。大気中の雲や分子を観測する際の利点は以下のようなものがある。また、テラヘルツ波では分子熱放射を観測する。紫外可視光や赤外光を用いた観測は一般に太陽光を利用するため、太陽軌道に依存した観測になる。それに対して、放射観測は太陽に依存しない。従って

3) 可視紫外や赤外に比べて観測頻度が高く、情報量が圧倒的に多い。
4) 夜間や極夜の観測も可能である。物質の化学変化を司る反応活性な短寿命ラジカル種の観測が可能である。例えば ClO, BrO, HO2, NO,などである。特に OH, O(3P)はテラヘルツ波でないと観測が出来ない。

5) 特に質量の軽い分子で地球大気程度の温度ではミリ波に比べてテラヘルツ波ではスペクトル遷移強度が高くなる。それに伴い、分子検出の感度も数倍から十数倍上がる。
しかし、対流圏大気中ではこの波長帯は水蒸気や衝突錯体などにより吸収され減衰が激しい。従って地上からの観測は非常に困難であり、主には観測機器を航空機や気球に搭載し対流圏上空から観測を行う、もしくは衛星に搭載して宇宙から観測するという方法が取られている。

(4) 進化と歴史
マイクロ波センサからテラヘルツ波センサへ。衛星による宇宙からの地球大気の観測は 1950 年代に端を発する。これは測定器を搭載したロケットを衛星軌道に載せる技術の開発･発展がみられた時代である。初めての分光学的観測は 1950 年代半ばに原理が提唱された紫外後方散乱分光法で、この手法を用いて 1970 年
代初頭からオゾン測定が行われていた。このように分光学的な情報を利用した大気中における微量成分の測定は衛星観測の中では古くからある手法の１つである。1969-1978 年にアメリカで打ち上げられた Nimbus
衛星シリーズの中で分光観測技術は可視光→赤外光→紫外光→マイクロ波とより長波長側の検出の難しい方向へと発展した。
ミリ波帯の放射を受信する大気分子分光観測は比較的最近のものである。1991 年にスペースシャトル・デ
ィスカバリーにより打ち上げられた UARS(Upper Atmosphere Research Satellite) 衛星搭載の MLS（Microwave Limb Sounder）測器が初めてのミリ波観測衛星となった。その周波数は 0.2THz 帯である。
そしてその 10 年後、ヨーロッパで 2001 年 2 月にサブミリ波を用いた地球大気観測衛星が世界で初めて打ち上げられた。小型衛星 Odin/SMR(Sub-Millimeter Radiometer)である。その周波数は 0.6THz 帯である。そして米国 NASA により 2004 年 6 月に打ち上げられた Aura 衛星に MLS 測器が搭載されて打ち上げられた。

Aura/MLS は 0.2THz 帯、0.6THz 帯のみならず、2.5THz 領域の観測を世界で始めて実現した。

－476－
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(5) 国際ステーション搭載センサ JEM/SMILES：
サブミリ波・テラヘルツ波は電波と光波の中間にあたるため、地球観測においても未踏の波長領域であった。
現在では世界各国で衛星搭載サブミリ波・テラヘルツ波放射計の開発が行われている。前述の２つの地球観測衛星, Odin/SMR と Aura/MLS は低感度ながら安定な従来型の半導体検出器（ショットキーダイオード受信機）を用いた。これらの従来型の半導体検出器（ショットキーダイオード受信機）は常温で動作が可能なため、重い冷凍機が不要となり、軽量な衛星機器が作成可能になるなどの利点がある。しかし、サブミリ波領域の受信機雑音はマイクロ波領域より 8 倍程度高いものとなり、サブミリ波で微量な温暖化気体やオゾン破壊ラジカル種を高感度に観測するという目的を充分に果たしていない。これらを克服する手段として近年、超伝導エレクトロニクス
技術を用いた高感度サブミリ波観測・テラヘルツ観測の研究が活発化している。
日本においても超高感度テラヘルツに向けた地球観測モニタリングセンサ開発が行われている。ここではその前段階としてサブミリ波帯の超高感度センサ開発を紹介する。これは将来の数 THｚ開発への礎となる研究開発である。
現在、独立行政法人情報通信研究機構と宇宙航空研究開発機構は共同で国際宇宙ステーション(ISS)日本実
験 棟 き ぼ う (JEM) 曝 露 部 に 搭 載 す る 予 定 で SMILES (Superconducting Submillimeter wave Limb

emission Sounder) を研究開発している。打ち上げ予定は 2008 年である。SMILES では 640GHz 帯
近傍のサブミリ波領域の観測を行う。
図 8.6.1.2 に ISS と SMILES 搭載部を示した。
図 8.6.1.3（0.64THz 帯）には SMILES 装置外観図と基本仕様を示す。SMILES は地球周縁放射を観測するジオメトリにより地球高度にして 8km から 80km の間に存在する分子や雲からの放射を受信し、分光する測器である。宇宙からグ
ローバルに温暖化物質・オゾン破壊物質・雲などをモニタする。

SMILES

図 8.6.1.2 国際宇宙ステーション搭載予定の SMILES－477－
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SMILESの外観図
Schematic View
受信機フロントエンド
Receiver Front-End

信号処理制御部
Command & Data Handling
Subsystem

熱制御系
Thermal Control Subsystem

熱輻射遮蔽版
Thermal Radiation
ShieldJEMインターフェイス部
JEM Interface Unit

1m

音響光学分光計
Acousto-Optical
Spectrometer
サブミリ波アンテナ
Submillimeter-Wave
Antenna Subsystem

IF信号処理部
受信機冷却部及び冷凍機
Intermediate Frequency Subsystem
Cryo-Receiver & Refrigerator

SMILESの基本仕様
プラットホーム Observation Platform
軌道高度 orbit altitude 傾斜角 inclination
周回周期 period

国際宇宙ステーション(ISS)

観測方式 Observation Method

リム放射サウンディング方式 Limb sounding

観観緯度範囲 Observation Latitude

北緯65゜～ 南緯38° (65°N-38゜S)

400 km， 51.6， 90min.

h= 10 - 60 km, Δh=2 km

観測高度範囲及び分解能 Altitude&Resolution
観測周波数帯域 Frequrncy Band

623.5 - 629.5 GHz
647.5 - 653.5 GHz

サブミリ波アンテナ形式 Submillimeter Antenna

オフセットカセグレン Offset Cassegrain

主鏡サイズ Main Reflector
主ビーム幅 Main Beam Size

600 mm (El)× 300 mm (Az)
0.055゜(El)，0.117゜(Az)サブミリ波ミクサ Sunmillimeter Mixer

4 K冷却cooled SIS ミクサmixer(Nb/AlOx/Nb)

初段アンプ 1st IF Amp

20 K 冷却 cooled HEMTアンプamp

冷凍機方式 Refrigerator

2段スターリングStirling cycle+J-T回路Joule-Thomson cooler

分光計方式 Spectrometer

音響光学型分光計(AOS) 2台

分光帯域 周波数分解能 Bandwidth Resolution

1.4 GHz (一台当）1.4 MHz（3dB幅）

システム雑音温度 System Noise
輝線検出感度 System Sensitivity

500 K (SSB)
1 K (rms) (周波数分解能 Frequency Resolution1.4 MHz、
0.35秒積分 sec. integration）

重量 消費電力 Weight Power500 kg 500 W

図 8.6.1.3 SMILES の外観図と基本仕様

図 8.6.1.4 に SMILES 測器ブロックダイアグラムを示す。大気中の分子などからの 640GHz 帯サブミリ波
放射をアンテナで収集する。アンテナで集光された大気信号は、サブミリ波受信機系に伝送、機械式 4K 冷
凍機で極低温に冷却された超伝導 SIS (superconductor-insulator-superconductor)ミクサ（受信器）により中間周波数信号に変換される。637.32 GHz のローカル周波数と合わせて SIS ミクサによりヘテロダイン検波する。中間周波数の信号は 20K に冷却された低雑音 HEMT アンプ（増幅器）で増幅された後、中間周波変換
増幅系(IFA)に引き渡され、観測バンド対応で第 2 中間周波数にダウン・コンバージョンされる。IFA の出
力信号は最終的に広帯域の音響光学型電波分光計（AOS）に入力され、高分解能の周波数分析が行われ、輝線スペクトルが検出される。このスペクトルはデータ中継試験衛星(DRTS)を経由して筑波宇宙センターに設置される地上局に送られる。

－478－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 8.6.1.4 SMILES ブロックダイアグラム

SMILES は技術実証ミッションである。米国 NASA ジェット推進研究所では超伝導受信機を用いた次世

代衛星ミッションとして 2005 年に地球大気観測衛星構想 CAMEO を発表した。
人工衛星などを利用した宇宙からの大気環境の監視・観測は地球環境に関連する諸問題の解明に向けて、
グローバルな現実の実態把握の道具として非常に有効である。しかし、一方で少なからぬ開発経費と開発期間がかかるという点で問題がない訳ではない。
これらの問題があるにしてもやはり、得られる成果の大きさ、周辺技術の発展という観点から、衛星搭載テラヘルツ波リモセンモニタリングのための技術開拓は大いに魅力のある分野である。
（笠井

康子）

参考文献

(1) 阪井清美：「分光技術 第 1 講 遠赤外分光技術」，分光研究，42, 40 (1993).
(2) 山田耕一：「総説と解説 テラヘルツ分光の最近の動向」，分光研究，45, 176 (1996).
(3) 大竹秀幸・山本晃司・富永圭介：「トピックス テラヘルツ電磁波の分子科学への応用」，分光研究，49, 149(2000).
(4) 阪井清美：「総説 テラヘルツ時間領域分光法」，分光研究, 50, 261 (2001).
(5) 小島誠治，西澤誠治，武田三男：「テラヘルツ時間領域分光法と物質科学」，分光研究，52, 69 (2003).
(6) 齋藤修二：「分光学における極限を探る V. 極限波長(1) サブミリ波・遠赤外天文学と分光学」，分光研

究, 52, 305 (2003).
(7) J. Urban, N. Lautie´, E. Le Flochmoe¨n, C. Jime´nez, P. Eriksson, J. de La Noe¨, E. Dupuy, M.
Ekstro¨m, L. El Amraoui, U. Frisk, D. Murtagh, M. Olberg, and P. Ricaud, Odin/SMR limb
observations of stratospheric trace gases: Level 2 processing of ClO, N2O, HNO3, and O3,
JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 110, D14307, doi:10.1029/2004JD005741, 2005
(8) G. Berthet, P. Ricaud, F. Lefe`vre, E. Le Flochmoe¨n, J. Urban, B. Barret, N. Lautie´, E. Dupuy, J.

－479－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

De La Noe¨, and D. Murtagh, Nighttime chlorine monoxide observations by the Odin satellite andimplications for the ClO//Cl2O2 equilibrium, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 32,
L11812, doi:10.1029/2005GL022649, 2005
(9) Yasuko J. Kasai, J. Urban, N. Lautie´, E. Le Flochmoe¨n, C. Jime´nez, P. Eriksson, J. de La Noe¨, E.
Dupuy, M. Ekstro¨m, L. El Amraoui, U. Frisk, D. Murtagh, M. Olberg, and P. Ricaud, Global
distribution of water vapor isotopes, in preparation (2006)(10) Yasuko J. Kasai, Chikako Takahashi, Joachim Urban, So Hoshino, Kenshi Takahashi, Junji
Inatani, Masato Shiotani, Harunobu Masuko, Stratospheric Ozone Isotope Enrichment Studied by
Sub-Millimeter Wave Heterodyne Radiometry: The Observation Capabilities of SMILES, IEEE
Transactions on Geoscience and Remote Sensing, in press (2005)(11) http://smiles.tksc.nasda.go.jp/

8.6.2 プラズモン励起を利用した新しい環境負荷低減技術(1) はじめに金、銀、銅などのナノ粒子は、それぞれ特徴的な色を示すことが知られており、古くからステンドグラスなどに用いられてきた。こうした呈色は、粒子表面の電子が特定波長の可視光と共鳴し、集団で振動を起こすことによる。この現象をプラズモン共鳴と呼ぶ。共鳴波長は金属の種類、粒子の大きさ、形状、粒子間距
離、周囲の屈折率などに依存する。こうして共鳴波長の光が吸収されるため、その補色を呈することになる。
最近、金属ナノ粒子を酸化チタンなどのｎ型半導体と組み合わせることにより、吸収された光エネルギーによって、電荷分離が起こることがわかった 1,2)。すなわち、正電荷と負電荷を分離することができるわけであり、これによって電気エネルギーへの変換や、酸化反応と還元反応の駆動などが可能となった。こうしたい
わゆる「プラズモン光電気化学」による新しい環境負荷低減技術とその可能性について紹介する。
(2) 光エネルギーの電気エネルギーへの変換（太陽電池）

プラズモン励起に基づく光電変換 1,2)の原理は、色素増感太陽電池（DSSC）のそれに似ている。透明電極
上に酸化チタンなどの多孔質ｎ型半導体膜を被覆し、細孔内に金ナノ粒子を担持させる。酸化チタン膜は色
素増感太陽電池に用いるものや、光触媒に用いるものなどを使うことができる。市販の金ナノ粒子を酸化チタン膜に吸着させても良いし、塩化金酸などの溶液に酸化チタン膜を浸漬して紫外光を照射し、光触媒還元
によって金ナノ粒子を析出させても良い。通常、プラズモン共鳴によって赤紫などを呈色する。これに、電解質をはさんで金薄膜などの対極を対向させる（図 8.6.2.1）。電解質には、適当な酸化還元対（電子メディエーター）を含ませる。これまでのところ、Fe2+/3+が適しているようである 2)。DSSC でよく使われるヨウ素系メディエーターは腐食性があるためあまり適さない。
これに可視光を照射すると、光電変換が行われる。その機構は次のようなものであると推測されている。
金の仕事関数はｎ型半導体である酸化チタンのそれよりも大きいため、両者を接触させると、ショットキー
障壁が形成される。その様子を図 8.6.2.2 に示す。金と接する酸化チタン内部に空乏層が形成され、電場が生ずる。その電場によって、金電極表面の励起電子が酸化チタン内部に引き抜かれる。これによって正電荷が余る金ナノ粒子は、その近傍の電解液中にある（あるいは、金ナノ粒子表面に吸着している）還元状態の－480－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

電子メディエーター（電子ドナー、例えば Fe2+）から電子を引き抜く。電子を放出した酸化状態のメディエーター（電子アクセプター、例えば Fe3+）は対極から電子を引き抜く。こうして、透明電極側は負極、対極側は正極として機能する。

e-e-Fe2+/3+

可視光

Au
TiO2

電解質
透明電極

電極

図 8.6.2.1 金ナノ粒子-酸化チタン系を利用したプラ
ズモン励起に基づく光電変換システム

図 8.6.2.2 金ナノ粒子-酸化チタン系において推測される電荷分離機構

可視光照射時の開回路電圧や短絡電流のアクションスペクトルを測定し、金ナノ粒子の可視吸光スペクト
ルと比較すると、良い一致が見られた（図 8.6.2.3）。このことから、観測された光電圧や光電流は、金ナノ粒子のプラズモン共鳴に基づくものであるといえる。これまでのところ、最大の光子-電流変換効率（IPCE）
は 26％である。

(a)

(b)

図 8.6.2.3 金ナノ粒子-酸化チタン系光電気化学セル（図 8.6.2.1）に単色光照射を行った際の開回路電位変化 (a) と短絡光電流 (b、IPCE に変換して表示) のアクションスペクトルと、金ナノ粒子の可視光吸収スペ
クトル (曲線)

このように金属ナノ粒子を用いることで、プラズモン共鳴に基づく、環境への負荷の小さいエネルギー源を得ることが可能である。金ナノ粒子の代わりに銀ナノ粒子を利用できる可能性もある 3)。その場合は、銀をチオール層で保護したり 4)、固体電解質を使用するなど、銀の溶出を防ぐ工夫が必要であるが、コスト面ではかなり有利になると考えられる。
(3) 光エネルギーによる化学反応の駆動（光触媒）

上記のように、酸化チタンと金ナノ粒子を組み合わせることによって、励起電子を金から酸化チタンに引－481－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

き抜くことができ、金は電子ドナーから電子を引き抜く。このとき、Fe2+以外にもさまざまな物質が電子ドナーとなる。例えば、エタノール、メタノールなどのアルコール類、アセトアルデヒド、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド類、酢酸エチル、ギ酸エチルなどのエステル類、グルコースなどである 1)。つまり、これらの物質を酸化することができる。一方、酸化チタンが引き抜いた電子によって、酸素を還元することができる。すなわち、上記の有機物を酸素によって酸化する反応を触媒する、光触媒として機能するわけである。
この材料は、可視光応答型光触媒の新しい型の一つだと言うことができる。ただし、酸化チタン光触媒のように、ほとんどの有機物を二酸化炭素にまで酸化できるような、強い酸化力を持っているわけではない。
そのため、酸化力に見合った用途に適用しなければならない。例えば近年では、シックハウス症を引き起こ
すホルムアルデヒドを放出する建材はほとんど使われなくなった。しかし一方で、アセトアルデヒドが放出される場合がある。アセトアルデヒドもホルムアルデヒドほどではないものの、刺激性の物質である。金ナノ粒子-酸化チタン光触媒は可視光によっておそらく、アセトアルデヒドを酢酸に酸化するなどの機能を持つものと考えられる（図 8.6.2.4）
。
O2

可視光

H2O2,
O2-.

C.B.
V.B.

Au
CH3CHOCH3COOH

TiO2

図 8.6.2.4 金ナノ粒子-酸化チタン系を利用したプラズモン励起に基づく光触媒

このように、金属ナノ粒子-酸化チタン系光触媒は、住環境などを汚染する物質を除去したり、毒性を低減したりする機能を持つ、可視光型光触媒として利用できる可能性がある。
(4) エネルギー貯蔵システムの可能性

上述のように、金属ナノ粒子-酸化チタン系は光触媒として機能するが、光触媒そのものの制限の一つに、光照射下でしか機能しない、ということが挙げられる。その対策として、光触媒の還元エネルギー5,6)や酸化エネルギー7)を貯蔵し、夜間にも一部の反応を駆動することができるエネルギー貯蔵型光触媒の開発が行われている。金ナノ粒子-酸化チタン系の場合、酸化エネルギーの貯蔵は難しいかも知れない。しかし、還元エ
ネルギーの貯蔵はできる可能性が高い。
酸化チタン光触媒の場合には、
酸化タングステンや酸化モリブデン、
リンタングステン酸などの酸化還元活性なｎ型半導体と組み合わせることによりエネルギー貯蔵を行えば（図 8.6.2.5）、金属の酸化を防いだり（防錆）5)、酸素の還元により生成する過酸化水素によって抗菌作用を示すなど 8)、機能の一部を夜間も維持することができる。
金属ナノ粒子-酸化チタン系光触媒の場合も、環境浄化用光触媒としての機能を夜間も維持できるようになる可能性が高い。それにより、環境負荷低減材料としての効果も増すものと思われる。

－482－
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カチオン
光

光触媒

エネルギー
貯蔵材料

図 8.6.2.5 還元エネルギー貯蔵型光触媒の機構(5) その他の展開の可能性

プラズモン励起に基づく電荷分離を利用して、ほかにも様々な機能を得ることができる。たとえば銀ナノ
粒子と酸化チタンを組み合わせることで、マルチカラーフォトクロミック材料となる 9,10)。この材料に色の付いた光を照射すると、その光と同様の色を呈するようになる。
紫外光を照射すればまた初期化できるので、多色画像を繰り返し書き込み、表示することができる。また、酸化チタン上に担持した金ナノ粒子や銀ナノ粒子を疎水性チオールで修飾して疎水化した後、特定の場所にのみ光照射を行えば、その部分だけ親水化す
るため、表面の親水性／疎水性パターニングができる 11)。このほか、ポリアクリル酸ゲル中に銀または銅ナ
ノ粒子担持酸化チタンを分散させれば、光により膨潤・収縮を制御可能な、光応答性アクチュエータとなる
ことも明らかにされている 12)。
これらのうちマルチカラーフォトクロミック材料については、将来的にカラーリライタブルペーパーに応用できる可能性がある。繰り返し利用ができるため、環境負荷低減技術の一つに成り得る。このように、プ
ラズモン共鳴に基づく電荷分離過程を適切に利用することで、光エネルギーを有効に利用することができる
ため、ほかにも種々の環境負荷低減技術に発展する可能性があるものと期待される。
（立間 徹）
参考文献(1) Y. Tian and T. Tatsuma, “Mechanisms and applications of plasmon-induced charge separation at
TiO2 films loaded with gold nanoparticles,” J. Am. Chem. Soc., 127 (2005) 7632.
(2) Y. Tian and T. Tatsuma, “Plasmon-induced photoelectrochemistry at metal nanoparticles supported
on nanoporous TiO2,” Chem. Commun, 2004, 1810.
(3) K. Kawahara, K. Suzuki, Y. Ohko, and T. Tatsuma, “Electron transport in silver-semiconductor
nanocomposite films exhibiting multicolor photochromism,” Phys. Chem. Chem. Phys., 7 (2005)
3851.
(4) K. Naoi, Y. Ohko, and T. Tatsuma, “Switchable rewritability of Ag-TiO2 nanocomposite films withmulticolor photochromism,” Chem. Commun. 2005, 1288.

－483－
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(5) T. Tatsuma, S. Saitoh, Y. Ohko, and A. Fujishima, “TiO2-WO3 Photoelectrochemical Anti-corrosion
System with an Energy Storage Ability”, Chem. Mater., 13 (2001) 2838.
(6) T. Tatsuma, S. Saitoh, P. Ngaotrakanwiwat, Y. Ohko, and A. Fujishima, “nergy Storage of
TiO2-WO3 Photocatalysis Systems in the Gas Phase”, Langmuir, 18 (2002) 7777.
(7) Y. Takahashi and T. Tatsuma, “Oxidative Energy Storage Ability of a TiO2-Ni(OH)2 Bilayer
Photocatalyst”, Langmuir, 21 (2005) 12357.
(8) T. Tatsuma, S. Takeda, S. Saitoh, Y. Ohko, and A. Fujishima, “Bactericidal Effect of an Energy
Storage TiO2-WO3 Photocatalyst in Dark”, Electrochem. Commun., 5 (2003) 793.
(9) Y. Ohko, T. Tatsuma, T. Fujii, K. Naoi, C. Niwa, Y. Kubota, and A. Fujishima, “Multicolor
photochromism of TiO2 films loaded with Ag nanoparticles,” Nature Mater., 2 (2003) 29.
(10) K. Naoi, Y. Ohko, and T. Tatsuma, “TiO2 films loaded with silver nanoparticles: control of multicolor
photochromic behavior,” J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 3664.
(11) Y. Tian, H. Notsu, and T. Tatsuma, “Visible-light-induced patterning of Au- and Ag-TiO2
nanocomposite film surfaces on the basis of plasmon photoelectrochemistry,” Photochem. Photobiol.
Sci., 4 (2005) 598.
(12) K. Takada, T. Miyazaki, N. Tanaka, and T. Tatsuma, “Three-dimensional motion andtransformation of a photoelectrochemical actuator,” submitted.

－484－
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9. 照明

－485－
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9. 照明
9.1 まえがき
照明の技術動向調査委員会は、設立 2 年目を迎えた。本年度は、白色 LED の高効率化で大きな進展が報告され、その他の白色光源の開発や種々の応用展開などトピックスも多く、実りある一年であったと言えよう。
すなわち、白色 LED では、窒化物青色 LED と YAG 蛍光体の組み合わせからなる小型タイプ（チップサ
イズ 320μm 角）の素子で定格駆動の条件（電流値：20mA）で 113lm/W と、ついに蛍光灯を凌駕する効率が報告された。また、高出力青色（あるいは紫色）LD をファイバーにて導光し、ファイバー先端部に設けた蛍光体で波長変換することで非常に高輝度の白色を得るという新しい概念からなる光源（商品名：マイクロホワイト）が開発され、汎用 HID（高輝度放電灯）並みの高い輝度が実現されている。
これら素子の高効率化、高輝度化そして高演色化には、蛍光体の持つ役割は大きく、紫～青色域で光を有効に吸収し、そのエネルギーを高効率に発光中心に伝える機能が求められ、物質科学的な見地からも興味深
い分野である。今年度も、酸化物蛍光体、窒化物蛍光体、サイアロン蛍光体ともに活発に研究・開発が続けられている。
一方、EL 素子に関しても、有機 EL では、燐光材料を用いた高効率タイプの素子において寿命の改善が報告されるとともに、各社から照明器具としての試作例が報告されている。さらに、今年度は無機 EL 素子
において、直流電圧 3V で輝度 35 万 cd/m2 という驚くべき高い特性の素子が報告された。
白色 LED の応用としては、自動車、農業、漁業、寺社照明など様々な分野で展開している。小型、堅牢、高輝度、スペクトル合成可能な LED の特長を活かすことができれば、ニッチな分野で市民権を獲得することができるであろう。一方、一般照明を目指した取り組みも着実に進展している。LED は点光源に近いためにグレア（まぶしさ）を低減することが、固体照明の安全性を高め一般用途に応用を広げるためには大変有効である。そのための手法として、反射ミラー技術など光学技術による面発光状のフラット光源の開発が進んでおり、本報告でも解説いただいている。
LED 光源のスペクトル特性は、従来の蛍光ランプと比較して人体に対して有害な波長成分を多く含むものではなく、むしろ赤外線・紫外線フリーで安全性に勝っているものと期待できる。しかしながら、目や皮膚への安全性については、IEC（国際電気標準会議）や CIE（国際照明委員会）での基準をもとに纏めておく
ことは大切なことと考えられる。本年度はこの事項も新たに調査報告として加えられた。
（川上 養一）－485－
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9.2 白色光源の最新の開発動向
9.2.1 白色 LED の高効率化・高出力化(1) まえがき1993 年に日亜化学工業によって、InGaN を発光層に用いた高輝度青色 LED が世界で初めて商品化された。

それ以来、GaN 系 LED の発光出力は毎年のように向上し、10 年以上の時を経た現在では、市販品の発光出力が約 20 mW となり、出力は初めて商品化された青色 LED の 10 倍を大きく超えるものとなった。また、発光色
も青色だけでなく、緑色、黄色、赤色、そして紫外、深紫外までにもひろがった 1）。このように、光の三原色である青・緑・赤すべてがそろったことにより、3 色の LED を組み合わせることで白色光が作れるようになった。
しかしながら、この方式では 3 つの LED を個別に制御する必要があり、また、駆動電圧も発光色により異なる
ために、制御が煩雑であった。そのため、簡易に白色が得られる LED が望まれていた。
その中、1996 年に、日亜化学工業の清水らによって青色 LED と青色の光を吸収して黄色の光を出す YAG
蛍光体とを組み合わせたユニークな白色 LED2）が世界で初めて発明され、商品化された。現在では、白色
LED といえばこの InGaN 系青色 LED と YAG 蛍光体の組み合わせを指すぐらい一般的になった。この白色
LED は、従来の白色光源になかった超小型・超軽量・長寿命・容易駆動等の特徴があり、急速に普及した。

現在では、ほとんどの携帯電話の小型カラー液晶ディスプレイでバックライト（backlight）として使われ、我々の日常生活に広く浸透している。
現在市販されている白色 LED の発光効率（ηL）は 50lm/W であり、白熱電球の効率（15lm/W）の 3 倍以上である。しかしながら、日本で広く照明光源として使われている蛍光灯の発光効率は 75 ～100lm/W であるために、白色 LED はまだ発光効率で蛍光灯に追いつけていない。そのため、青色 LED の発光効率の改良が必要である。
また、現行の白色 LED の平均演色評価数（Ra：最大値 100）は 85 と非常に良い値であり、Ra 値としては照明としての使用にも十分である。しかしながら、Ra を求める際には考慮されないが、赤色の再現性を示す演色評価数 R9（最大値：100）は－3 と非常に悪い結果となっている。そのため、赤色の発色の差を区別するような用途では、色再現性が低いという問題があった。照明を考えた場合、この R9 の改善も非常に重要である。
さらに、現行の白色 LED の出力は定格 20mA 駆動では、全光束（Φ）は 4lm 程度しかなく、照明で必要とされる 1000lm 以上には遠く及ばない。仮に、1000lm を得ようとすれば、250 個も白色 LED を並べる必要がある。そのため、白色 LED1 個当たりの発光出力を現行品の 10 倍以上にすることが求められている。
以下にそれぞれの問題点を克服した白色 LED について述べる。
(2) 白色 LED の演色性の改善

現在市販されている白色 LED は青色と黄色の補色の関係を利用して白色光を得ているために、青緑領域（500nm 近傍）と赤色領域（625nm より長波長側）の光成分が相対的に少なくなっている。そのため、赤色の色再現性が悪いという問題があった。しかしながら、青色で励起でき赤色を発光し、発光効率が良く材料的に安定な蛍光体は今まで存在しなかったため、この問題はなかなか解決できなかった。そこで、我々は白色 LED 用に全く新しい赤色蛍光体を開発することに成功した 3）。この蛍光体は、YAG 蛍光体に匹敵する
青色光励起での高い発光効率と材料としての安定性をもっている。発光特性は、ピーク波長 655nm、波高半－486－
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値全幅 110nm と非常にブロードな赤色発光である。この新赤色蛍光体を YAG 蛍光体とともに用いて高演色
白色 LED 作製した。ただし、青色 LED チップは従来品を用いた。その発光スペクトルを図 9.2.1.1 に示す。
比較のために従来の白色 LED も合わせて示している。この高演色白色 LED の Tcp、Ra、ηL はそれぞれ4600K、 88、 26lm/W、従来の白色 LED の Tcp、Ra、ηL はそれぞれ 4600K、 76、 28lm/W であった。
Ra の改善は、図 9.2.1.1 からも見て取れるように、500nm 近傍と 625nm より長波長領域の光成分が改善されたためである。また、図 9.2.1.2 に示すように、ほとんどの演色評価数で高演色白色 LED が従来品を上回っている。特に、赤色再現性を表す R9 については、－3 から 63 に大幅に改善された。これにより、赤味成
分の改善が出来、より多くのニーズに応えられるようになった。

発光強度 (任意単位 )140120
演色評価数値

従来の白色LED
高演色白色LED

100
80
60
40
20
0

500

600
700
波長 (nm)

800

-20
Ra
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R1
0
R1
1
R1
2
R1
3
R1
4

400

高演色白色LED
従来の白色LED

図 9.2.1.2 演色評価数

図 9.2.1.1 発光スペクトル(3) 白色光源としての白色 LED

次に、白色 LED の色再現性について、一般に照明用光源として広く用いられている蛍光灯と比較する。
蛍光灯は、現在様々な種類の物が市販されており、主な物でハロ蛍光体（Ca10(PO4)6FCl：Sb,Mn）を利用したハロ蛍光灯、3 波長蛍光体を利用した 3 波長蛍光灯、美術館等で用いられる特殊高演色蛍光灯がある。
一般用途では、ハロ蛍光灯と 3 波長蛍光体が主流であり、日本での使用比率はおおよそ 50％：50％であり、拮抗している。しかし、世界でみれば、80％：20％であり、まだまだハロ蛍光灯が主流である。この要因は、
ハロ蛍光灯の方が安価であることである。
次に、図 9.2.1.3 の（a）、
（b）及び（c）にハロ蛍光灯（Tcp=5000K）、3 波長蛍光灯（Tcp=5000K）、特殊
高演色蛍光灯（Tcp=5000K）の発光スペクトルを示し、比較のため CIE 昼光（D50, 5003 K）を図 9.2.1.3の（d）に示す。また、白色 LED（Tcp=4600K）と高演色白色 LED（Tcp=4600 K）の発光スペクトルを図9.2.1.3 の（e）及び（f）に示す。図 9.2.1.3 の（a）～（f）を比較することにより、最も発光スペクトルの連続性が小さいのは、意外にも日本で最も人気があり広く使われている 3 波長蛍光灯であるということがわかる。一方、白色 LED・高演色白色 LED の発光スペクトルは連続性が強く、人間の目の視感度が比較的高い 450～650 nm の波長域では、昼光のスペクトルに近い。
また、各白色光源の Ra と赤色の色再現性の指標である R9 も合わせて、図 9.2.1.3 に表記してある。これらから分かるように、白色 LED は Ra=76、高演色白色 LED は Ra=88 であり、世界で最も多く使われているハロ蛍光灯の Ra=67 よりもかなり大きいことがわかる。つまり、白色 LED の方がハロ蛍光灯よりも色再現性に大きく優れていると言える。また、Ra では日本で人気のある３波長蛍光灯（Ra=85）と比較しても－487－
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引けをとらない。特に高演色白色 LED にいたっては、R9 の大幅な改善により R9=63 であり、3 波長蛍光灯の R9=8 の約 8 倍である。つまり、赤色の再現性においても、高演色白色 LED の方が 3 波長蛍光灯よりも大きく優れているのである。

(a)ハロ蛍光灯
Ra=67, R9=-81(b)３波長蛍光灯

発光強度 (任意単位)

Ra=85, R9=8(c)特殊高演色蛍光灯
Ra=97, R9=97(d)CIE昼光D50(e)白色LED
Ra=76, R9=-3(f)高演色白色LED
Ra=88, R9=63

400

500
600
波長 (nm )700

800

各種白色光源の発光スペクトル
図 9.2.1.3 図3各種白色光源の発光スペクトル

このように、白色 LED の色再現性は蛍光灯同等もしくはそれ以上であり、かつ発光スペクトルも自然光に近いため、照明光源としても非常に適していることがわかる。
(4) 白色 LED の高効率化

上述したように、演色性という観点からは、白色 LED は蛍光灯に何ら引けをとらないことがわかった。
しかしながら効率という面で言えば、白熱電球の効率は大きく上回ったものの、蛍光灯にはまだ及んでいない。そこで、白色 LED の高効率化について検討する。
白色 LED の発光効率を改善するためには、①

励起光源である青色 LED チップの発光効率の向上②

蛍光体の発光効率の向上③

青色 LED チップへの蛍光体塗布方法の改善④

パッケージ改良による光利用効率の改善が必要である。このうち近年最も向上が著しい①青色 LED チップの発光効率の向上には、①－a エピタキシャル膜（epitaxial layer）の結晶性の向上による内部量子効率の向上①－b エピタキシャル膜の積層構造改善による内部量子効率の改善および駆動電圧（Vf）の低減①－c デバイス工程による光取り出し効率の改善が必要である。

－488－
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しかしながら、有機金属気相成長装置（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD）の成熟、エピタキシャル膜成長の最適化により、エピタキシャル膜の結晶性の向上は高い水準に達し、頭打ちの状態である。そこで、現在は、①－c の光取り出し効率の改善に研究開発の重点が置かれている。
そこで、2004 年に、p 型電極を Ni/Au から透過率が 90 ％以上の非常に透明な材料に置き換えることにより、青色 LED チップの光取り出し効率を大きく向上させることに成功した。さらに、上述の②および③、④といった蛍光体開発およびアッセンブリ技術開発も継続的に行うことにより、白色 LED の発光効率を従来比 1.7 倍という大幅な改善を達成した。その結果、20mA 駆動時で、Vf =3.4V、 Φ=3.6lm、 ηL=54lm/W、
x=0.31、 y=0.32 という白色 LED を製品化した。ここで、x、y は CIE 色度座標上での値である。

さらに、2005 年、エピタキシャル膜の積層構造の改良により Vf の低減と、Po の向上を達成し、20 ｍA
駆動で Vf =3.0V、 Φ=4.2lm、 ηL=70lm/W、 x=0.31、 y=0.32 という蛍光灯の発光効率とほぼ同等の白色
LED の出荷を開始した。

さらに、実験室レベルでは、さらなるエピタキシャル膜の積層構造の最適化、光取り出し効率の改良により、更なる発光効率の大幅な改善に成功した。その結果、20mA 駆動時で、Vf =3.0V、Φ=6.8lm、ηL = 113
lm/W、x=0.34、y=0.35 という発光効率で蛍光灯をも上回る超高効率白色 LED の作製に成功した。なお、

この LED のチップサイズは市販品と同じ、320 μm×320 μm という小型のものである。
さらに図 9.2.1.4 に駆動電流（If）を 1mA から 100mA まで変化させた If－Φ、If－ηL 特性を示す。この測定範囲では、ηL は電流増加に伴い低下しているが、80mA までは蛍光灯と同等の発光効率（75lm/W）を有している。また、1mA 駆動時の発光効率は 140lm/W と 20mA 駆動時よりもさらに高い値である。紫外光LED ではこのような電流増加に伴う発光効率の低下は起きにくいことが知られているため 4）、今後、青色
LED でもこの問題が解決できればさらなる高効率化が可能と考えられ、150lm/W も夢ではない。

20

100 lm /W
75 lm /W10

全光束 Φ (lm)30発光効率 η L (lm/W)

160
140
120
100
80
60
40
20
0
0

15 lm /W

20

40
60
80
駆動電流If (mA)0100

図 9.2.1.4 超高効率白色 LED の I－ηL 、I－Φ特性(5) 高出力白色 LED

上述したように、発光効率の大幅改善が達成できたものの、現在市販されている LED１個当たりのΦはたった 4lm 程度であり、照明器具等で必要とされる 1000lm という光束を達成するには、250 個もの LED が必要になってしまう。数百個もの大量の LED を配列する手法の場合、器機全体としてみた場合、発光面積も大きくなり、単位面積当たりの光束を上げられないという問題もある。よって、白色 LED１個あたりのΦを 10 倍以上に向上させることが必要不可欠である。

－489－
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白色 LED1 個当たりのΦをあげるためには、
まず投入電力を大きくすることが必要である。
しかしながら、投入電力を大きくすると発熱も大きくなってしまうために、発生した熱を速やかに排出するようなパッケー
ジの工夫が必要となる。また、仮にパッケージを工夫したとしても、青色 LED チップサイズを変えなければ熱密度が増大しすぎ、チップ温度が異常なまでに上昇し発光出力を大きく低下させてしまう。そのため、
青色 LED チップサイズも必要に応じて、大きくする必要がある。
そこで、熱抵抗が 8℃/W と非常に小さい新規パッケージを開発し、従来の 10 倍以上の電力を投入可能にした。さらに、青色 LED チップサイズも従来の約 10 倍である 1 mm×1 mm にした新しい青色 LED チップを開発した。この両者を組み合わせることにより、現在、定格 350mA 駆動時で、Vf =3.8V、 Φ=42lm、
ηL=32 lm/W、 x=0.31、 y=0.32 という従来の小型 LED よりも 1 桁以上大きな発光出力をもつパワー白色
LED を製品化するに至っている。

さらに、青色 LED チップのエピタキシャル膜の積層構造、電極構造、電極材料、蛍光体、塗布技術等に様々な改善を行うことにより、さらなる発光効率の向上に成功した。作製された高出力 LED の If-Φ、If-ηL
特性を図 9.2.1.5 に示す。この LED は、定格 350mA 駆動時で、Vf =3.3V、Φ=85lm、ηL=74lm/W、x=0.36、
y=0.38 という非常に高出力でかつ高効率な白色 LED である。また測定範囲内での最大出力は 2 A 駆動時で312lm であり、これは 20W 級白熱電球の全光束と同等である。今回開発した高出力・高効率の白色ＬＥＤを数十個使用することで、HID 光源使用のヘッドライト以上の明るさを実現することが可能なまでになった。

300

100
80

75 lm /W

全 光束 Φ (lm)

発光 効率 η L (lm/W)

120

200

60
40
20
0
0

100
15 lm /W

500
1000
1500
駆動電流If (mA)02000

図 9.2.1.5 超高出力白色 LED の I－ηL、 I－Φ特性(6) まとめ

白色 LED の演色性は、蛍光灯と比較して同等もしくはそれ以上になった。さらに、白色 LED の発光効率（ηL）の向上はとどまるところを知らず、小型の LED チップ（320 μm×320 μm）において、現在製品
で 70lm/W、試作品で 113lm/W にまで達し、蛍光灯をも凌駕するようになった。そして、大型の LED チップ（1 mm×1 mm）においても、定格の 350mA 駆動で、全光束(Φ)=85lm, ηL=74lm/W と非常に高出力でかつ高効率な白色 LED が作製できた。
このように、GaN 系発光素子を用いた白色光源のさらなる高出力化、高効率化が達成され、近い将来あらゆるランプ光源を凌駕するであろう。そして、ランプから固体照明への置き換え、さらに従来の光源では不可能であった新しい用途への応用が大いに期待できるといえる。
（成川 幸男）－490－
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参考文献

(1) M. Yamada, Y. Narukawa and T. Mukai: Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L246
(2) K. Bando, K. Sakano, Y. Noguchi and Y. Shimizu, J. Light & Vis. Env. 22 (1998) 2.
(3) M. Yamada, T. Naitou, K. Izuno, H. Tamaki, Y. Murazaki, M. Kameshima and T. mukai: Jpn. J.
Appl. Phys. 42 (2003) L20(4) Y. Narukawa, I. Niki, K. Izuno, M. Yamada, Y. Murazaki and T. Mukai: Jpn. J. Appl. Phys. 41(2002) L371

9. 2. 2 LD を用いた白色点光源(1) はじめに1996 年に、日亜化学により青色発光ダイオード（LED）と青色の光を吸収して黄色の光を出す YAG 蛍光体とを組み合わせたユニークな白色 LED１)が世界で初めて商品化された。この白色 LED は、従来の白色光
源になかった超小型・超軽量・長寿命・容易駆動等の利点があるため、急速に普及した。現在では、ほとん
どの携帯電話の小型カラー液晶ディスプレイでバックライトとして使われ、我々の日常生活に広く浸透している。また、近年その発光効率は、蛍光灯のそれ（100 lm/W）程度まで向上し、一般照明用途にも既に応用が進みつつある。しかしながら、現在市販されている白色 LED を輝度という視点から見ると、数 cd/mm２程度であり、HID（High Intensity Discharge）ランプなどと比較すると１桁以上低い。このため、例えば
大型プロジェクタや車載用ヘッドライトなど高輝度が必要とされる用途の光源には、ほとんど用いられていないのが現状である。筆者らは、励起光源に GaN 系半導体レーザ（LD）を用いて、発光部である蛍光体材
料を光ファイバにて組み合わせることで、高輝度でかつ発光部の発熱が非常に少ない白色光源を開発した。
本項では、その構成と特性の詳細を報告する。
(2) 白色光源の構成

図 9.2.2.１に、LD を用いた白色光源（商品名：マイクロホワイト）の構成概念図を示す。Ａ部は励起光源部で、GaN 系 LD およびレーザ光を光ファイバに集光する非球面レンズからなるレセプタクルモジュールである。
B 部は、材質が石英の光ファイバ SI114（クラッド径：125µｍ、コア径：114µｍ）である。また、Ｃ部は蛍光体を塗布した
発光部分を格納した発光部で、外径が 1.25mm、長さが 6ｍｍのフェルールで構成されている。白色光源は、発振波長が 445nm の純青色 LD２)を用いる高輝度仕様のタイプⅠ（製品型番：NDAW001）と、405nm の紫色 LD（日亜化学工業製 LD；製品型番 NDHV220APAE1）を用いる高演色仕様のタイプⅡ（製品型番：NDAW002）の 2 タイプである。次項に、タイプⅠの白色光源の発光特性の詳細を中心に述べる。

図 9.2.2.１ 白色光源（商品名：マイクロホワイト）の構成概念図－491－
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(3) 白色光源の特性

図 9.2.2.2 に、タイプⅠの白色光源の全光束（Φ）－電流（I）特性および分光特性を示す。Φ－I 特性において、発振波長が 445nm の LD の閾値電流である 60mA のときから光束値が増加し、投入電流が 300mAのとき、全光束は 50lm を得る。このときの LD の動作電圧は 4.7V であり、光源効率は 35lm/W である。また、分光特性では、445nm の LD からのシャープなレーザ光と、約 530nm をピーク波長とするレーザ光の一部により励起された蛍光体からのブロードな発光を混合することによって白色を実現している。このときの平均演色評価数（Ra）は 72 である。この発光メカニズムは、青色 LED と黄色の蛍光体（YAG）を組み合わせて白色光を得る白色 LED１)と、同様であるといえる。

50

相対強度

光束[lm]

40
30
20
10
0
0

50

100

150
200
電流[mA]

250

400

300

500

光束(Φ)-電流(I)特性600
波長[nm]

700

800

分光特性

図 9.2.2.2 タイプⅠの白色光源の全光束（Φ）－電流（I）特性と分光特性

図 9.2.2.3 に白色光源タイプⅠの配光特性を示す。角度が－90 度から＋90 度まで強度がほぼ一様となっており、ほぼ指向性の無いランバート光となっている。また、発光部先端にリフレクタ形状を持たせた構造とすることで、任意の指向角に制御することも可能である。
図 9.2.2.4 に、白色光源タイプⅠの寿命測定結果を示す。測定は、LD を定電流駆動（駆動直流電流：270ｍA、初期光束値：約 40lm）し、光束値の時間変化をモニターしている。また、LD のケース温度は 25℃になるよう温調し、発光部は室温で放置した状態で測定を行った。4000 時間後の平均劣化速度（dΦ/dt、Φ：
光束値、t：時間）から、半減期の寿命を推定すると平均約 15000 時間である。この値は、高輝度白色光源
として広く用いられているハロゲンランプなどと比較しても、遜色の無い寿命であると思われる。
60

1.2

50
光束 （lm）

相対強度

1
0.8
0.6
0.4
0.2

40
30
20
10

0

0
-90

-60

-30

0

30

60

90

角度 (°)

0

1000

2000

3000

4000

時間 （h）

図 9.2.2.3 配光特性

図 9.2.2.4 寿命測定結果－492－
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(4) 他光源との比較

高輝度タイプ（タイプⅠ）の白色光源の特性を、高輝度白色光源として広く用いられているハロゲンラン
プおよび HID ランプと比較対比した関係図を、図 9.2.2.5 に示す。同図において、横軸は輝度、縦軸は光源効率とした。タイプⅠの白色光源の輝度および効率は、それぞれ 10cd/mm２、35lm/W であり、ハロゲンラ
ンプでは上位機種、HID ランプの汎用品レベルに相当すると思われる。今後、輝度および効率のさらなる向上を図るために、励起光源である LD の発光効率の向上、蛍光体の発光効率の向上および塗布方法の改善、
LD と光ファイバの結合効率の改善などが必要であると思われる。

発光効率[lm/W] 1 0 0 0100

白 色光 源HID

10

ハロゲ ンランプ

1
1

10

10 0

輝度

[ cd mm 2 ]

図 9.2.2.5 他の光源との比較 （図中の網掛け部で示したものが、白色光源タイプⅠ。
）(5) まとめGaN 系 LD と蛍光体材料を光ファイバにて組み合わせることにより、先端形状Φ1.25mm の発光部から光束 50lm の白色光が得られる高輝度光源を開発した。高輝度白色光源として広く用いられているハロゲンラ
ンプおよび HID ランプなどと比較して、小型、高輝度、非常に少ない発熱など、多くの利点がある。今後、高輝度を必要とする光源においても、ランプから GaN 系材料を用いた固体照明への置き換えが大いに期待できるものと思われる。
（長濱 慎一）
参考文献(1) K. Bando, K. Sakano, Y. Noguchi and Y. Shimizu, J. Light & Visual Environ. 22 (1998) 2.
(2) T. Kozaki, T. Yanamoto, T. Miyoshi, Y. Fujimura, S. Nagahama and T. Mukai, Dig. Tech. Papers
2005 Society for Information Display Int. Symp., Boston, 36, Book 2 (2005) 1605.

－493－
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9.3 固体照明用蛍光体の開発動向
9.3.1 固体照明用蛍光体の開発動向(1) はじめに筆者が集めた情報は学会を中心とする限られたものであるが、以下に固体照明用蛍光体開発の流れを推測してみたい。
薄型テレビのいっそうの普及や携帯電話の進化により、液晶ディスプレイのバックライトの需要が伸びている。その結果、冷陰極蛍光ランプ（CCFL）と白色発光ダイオード（LED）の重要性が増している。蛍光体の売上高（使用量）から言えば CCFL 用のほうが LED 用より圧倒的に多く、開発の必要性も高いはずである。しかし、蛍光ランプ用蛍光体には長い歴史があり、改良の余地が少ない。そのためか蛍光体に関する発表は LED 用が多く、CCFL 用は少ない。そのなかでは珍しく、CCFL の蛍光体改良の結果が報告された。
CCFL は「固体照明」ではないが、まずこの報告 1)について簡単に紹介しておきたい。

(2) CCFL 用蛍光体
CCFL の赤色蛍光体 Y2O3:Eu3+の発光色は橙色、緑色蛍光体 LaPO4:Tb3+の発光色は黄緑色に近く、いずれもテレビの原色としては十分でない。上記の発表では、赤色、緑色蛍光体をより色飽和度の高い発光色を示すものに置き換えた。ところが新しい緑色蛍光体（Mn2+付活）の発光はより短波長側に移行しているので、
青色フィルタの吸収帯との重なりが増加してしまい（図 9.3.1.1 参照）、青色の色度が悪化した。そこで、青色フィルタの吸収帯を短波長側にシフトさせて青色の色度を改善し、同時に光学シートの特性を改善して輝度の低下を食い止めた。このようにして得られた画面の色再現範囲は NTSC 方式の 92%に広がった（図9.3.1.2）とのことである。
C urrent green phosphor

0.700
Current phosphor
Wide color gamut

1.0

0.600
0.500

0.8
W ide-color-gam ut phosphor

0.400
0.6

y

Transmittance spectrum, PL intensity (a.u.

Panel-1 B lue filter

0.300
0.4

0.200
NTSC Blue

0.2

0.100
PDP Blue

0.000

0.0
400

450

500

550

CRT Blue

0.000

600

Wave le ngth (nm)

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

x

図 9.3.1.1 現行および改良緑色蛍光体の発光スペク
トルと改良前の青色フィルタの分光透過率。

図 9.3.1.2 蛍光体と青色フィルタを改良した
あとの色再現範囲を示す。NTSC 方式の 92%
を占める。

－494－
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(3) 白色 LED 用蛍光体

青色 LED に黄色蛍光体を組み合わせる現行の方式には(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+が用いられている。基本形
は Y3Al5O12:Ce3+である。これに代わる材料の探索が行われるにつれて、この材料が非常に優れたものであることが再認識されていると言ってもよいであろう。すなわち、青色 LED の発光波長 460nm 付近に吸収のピークがあり、Ce3+にしては例外的に長波長（黄色）に発光し、発光効率、安定性、温度特性も良く、合成も容易と多くの長所を備えている。最近測定された Y3Al5O12:Ce3+の量子効率は、470nm 励起で 90%以上と非常に高いレベルにある 2)。それだけに、新方式において演色性を改善するための新蛍光体開発は、引き続
き活発である。平成 17 年までに論文、学会発表等で開示された蛍光体を表 9.3.1.1 に示す。これらは長谷による昨年度の報告に既に記されている。
表 9.3.1.1. 平成 16 年までに開示された白色 LED 用蛍光体の例

蛍光体組成

励 起 に 適 し た 発光色
波長(nm)

La2O2S:Eu3+3)

380、405

赤色

Li(Eu,Sm)W2O8 4)

405

赤色

(Ba,Sr,Ca)3MgSi2O8: Eu2+,Mn2+ 5)

380、405

赤色

Ba2Si5N8:Eu2+ 6)

460,405

赤色

CaAlSiN3:Eu2+ 7)

460,405

赤色

Ca(m/2)-x Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n:Eu2+x8)

460

黄橙色

(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ 9)

460

黄色

(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu2+10,11)

460

緑～黄色

Ca3Sc2Si3O12:Ce3+ 12)

460

緑色

BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+ 13)

380、405

緑色(Sr,Ca)10(PO4)6Cl2:Eu2+13)

380

青色

(α-SiAlON:Eu2+)

例； m=2n=1.96, x=0.07

演色性改善のためにとくに必要な蛍光体は、青ないし紫色光を吸収して橙～赤色に発光する材料である。
橙～赤色に発光するイオンとしては、Eu3+,Pr3+,Mn2+がある。これらのイオンの光遷移は 4f あるいは 3d 準位間の禁制遷移であり、青ないし紫色にある吸収は弱い。また特定の波長に限定されたスペクトルを示し、LED の発光波長とは一致しない。そこで LED の発光波長に合致し、強い吸収を持つ別のイオン（増感剤）

を加え、発光イオンへのエネルギー伝達により発光効率を向上させる工夫がなされている材料がある。表9.3.1.1 の Li(Eu,Sm)W2O8 では Eu3+が発光イオン、Sm3+が増感剤であり、(Ba,Sr,Ca)3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+

および BaMgAl10O17:Eu2+,Mn2+では Mn2+が発光イオン、Eu2+が増感剤である。
表 9.3.1.1 の材料には Eu2+を発光イオンとするものが多い。Eu2+は、多くの酸化物中で近紫外～青色に発光し、紫外部に吸収帯を持つ。しかし、硫化物や窒化物中では発光、吸収とも長波長にシフトし、白色 LED－495－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）に適した特性になる。この効果は共有結合性が強いことによると考えられている。とくに化学的に安定な窒
化物、酸窒化物で、特性の良いα-SiAlON:Eu2+、、Ba2Si5N8:Eu2+、CaAlSiN3:Eu2+などが開発された。
窒化物、酸窒化物にはこれからも有望な材料が開発される可能性が秘められていると思われる。しかし、合成には高温、高圧炉など、特別な装置が必要となる場合が多い。酸化物中でも特定の条件を満たせば、Eu2+が黄～赤橙色に発光するものがある。この条件とは、Eu2+に結合している酸素イオンの配置が非対称的で、また励起状態 5d 軌道の電子が広がるスペースがあるような結晶構造であることである。このような配位状態により 5d 準位の結晶場分裂およびストークスシフトが大きくなり、その結果発光が長波長にシフトすると解釈されている 14)。最近このように結晶構造に注目した酸化物（ケイ酸塩）の材料開発が行われた。
Ca2ZnSi2O7:Eu2+および Li2SrSiO4:Eu2+がその例である。
図 9.3.1.3 に示すように、
Li2SrSiO4 における Sr(Eu)のまわりの酸素イオンは、上下で非対称な配置をとっている。この結果、図 9.3.1.4 に示すように、Eu2+の励起帯、発光帯はともに長波長側にシフトし、青ないし紫色 LED による励起に適した特性を示している。
さらに、硫黄を含むアパタイト型結晶構造の材料、Ca10-x(PO4)6S1+2/x:Eu2+x において Eu2+の発光が 650nmという長波長に現れるという報告があった。17)

図 9.3.1.3 Li2SrSiO4 結晶の Sr 格子点の配位。
上下の酸素イオンの配置が対称的でない。

図 9.3.1.4 Li2SrSiO4:Eu2+が励起（点線）、発光（実線）スペクトル。

平成 17 年の学会発表、論文に見られた開発例を表 9.3.1.2 に挙げる。平成 16 年には新材料の発表が続いたが、17 年には酸窒化物で新材料が報告されたものの、ケイ酸塩など既知材料の改良や同系統の材料の発表が目立った。これらの発表では、材料の化学的安定性、発光の温度特性など、信頼性に関するデータは明らかにされていないケースが多いので、実用化を目指していっそうの検討が必要なのではないかと推察される。
材料組成の探索とともに、LED 上に実装する場合の問題提起も行われている。発光の取り出し効率を上げるためには蛍光体の屈折率の最適化が必要である。蛍光体層内での光散乱を少なくするために、粒径の最適化も検討対象になっている。現行黄色蛍光体の基本形である Y3Al5O12:Ce3+のナノ粒子（粒径 30-50nm）合成がこの観点から行われた 26)。一般に、蛍光体粒子を 1μm 程度以下にすると発光効率が顕著に減少するので、この点の解決が課題である。蛍光体をモールドする樹脂の劣化に対する対策として、微粒子のY3Al5O12:Ce3+を含む結晶化ガラスが開発された 27)。アルカリやアルカリ土類イオンを含むケイ酸塩、硫化物などには、耐湿性の劣る材料が少なくない。これらの粒子を SiO2、Al2O3 など安定な酸化物膜でコーティン
グして耐久性を向上させる技術も研究されている 28)。これらのコーティング材は可視光や近紫外線に透明であり、コーティングの効果が期待できる用途であると考えられる。このように、新蛍光体の探索とともに信－496－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

頼性向上、塗布など、実用化技術の課題が表面化してきたように思われる。
表 9.3.1.2 平成 17 年に開示された白色 LED 用蛍光体の例

蛍光体組成

励起に適した 発光色
波長(nm)

AgRE0.95Eu0.05(WO4)2-x(MoO4)x15,16)

460, 390

赤色

Ca10-x(PO4)6S1+2/x:Eu2+ x17)

470

赤色

Ca2ZnSi2O7:Eu2+18)

460

橙～赤色

Ca3Si2O7:Eu2+19)

460, 405

橙色

Li2SrSiO4:Eu2+19,20)

460,405

黄色(Sr1-xMx)3SiO5:Eu2+ (M=Ca,Ba) 21)

460,405

黄～橙色

BaSi2O2N2:Eu2+ 22)

460,405

青緑色

SrSi2O2-δN2+2/3δ:Eu2+ (δ≈1) 22)

370-460

緑黄色

CaSi2O2-δN2+2/3δ:Eu2+ (δ≈0) 22)

370-460

黄色Ca(m/2)-xSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n:Yb2+x 23)

460

緑色

300-460緑色

380 付近青色

RE=Gd,La, x=0-2(α-SiAlON:Yb2+)

例； m=2n=2.0, x=0.005
Si3-mAlmN4-nOn:Eu2+ x 24)(β-SiAlON:Eu2+)

例； m=0.0872, n=0.185, x=0.209
LaAl(Si6-zAlz)N10-zOz:Ce3+ 25)(4) エレクトロルミネッセンス（EL）
ZnS:Cu 粉末を用いた分散型 EL は、写真パネル、広告板のバックライトなどに使われ、一定のニーズがある。17 年には輝度 600cd/m2 が可能で、半減期寿命 5,000 時間以上（ただし初期輝度 300cd/m2 において）、最大サイズ 600x1000mm という高い性能の EL シートが開発された 29) 。また、この素子を構成する
ZnS:Cu,Cl 蛍光体の発光機構について解析した結果も発表された 30)。
17 年 10 月の FPD International 2005 展示会において、青色で直流 5.5V 駆動により輝度 600,000cd/m2、

輝度 350,000cd/m2 で 25,000 時間以上輝度変化なし、発光部分 2x2mm という「超高輝度無機 EL 発光材料」
および同程度の輝度の白色 EL 素子が発表され 31)、話題をさらった。白色 EL 素子は青色素子に黄色蛍光体を塗布したもので、白色 LED と類似の構成と言える。素子の材料、構造が不明で、動作機構はよくわからないが、大きなブレークスルーである期待を抱かせる。固体照明の 17 年最大の話題であろう。今後この発明がきっかけになり、日本発の新技術がまた世に出ることを期待したい。
（山元 明）－497－
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参考文献

(1) T.Igarashi, T.Kusunoki, K.Ohno: ”A New CCFL for Wide Gamut Color LCD-TV”, Proceedings of the25th International Display Research Conference., P-7 (2005) pp.233-235(2) 大塩 祥三：”照明光源用蛍光体の最近の技術展開” 蛍光体同学会第 310 回講演会予稿, (2005) pp.7-16(3) 吉野正彦、鈴木尚生、三輪泰一郎、Ext. Abst. Internat. Symp. The Light for the 21st Century, 東京、
pp.66-67 (2002)(4) 小田喜 勉、橋本和明、吉田克己、戸田善朝:"LED 用蛍光体 LiEuW2O6 の調製とその発光特性", 第 298

回蛍光体同学会講演予稿、(2003) pp.9-15(5) 梅津陽介、岡本慎二、山元 明、三田 陽:"(Ba,Sr,Ca)3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+蛍光体の近紫外光励起下における発光特性", 第 65 回応用物理学会学術講演会講演予稿集 No.3、(2004) p.1284(6) H.A.Höppe, H.Lutz, P.Morys, W.Schnick and A.Seilmeier: “Luminescence in Eu2+-doped Ba2Si5N8;
fluorescence, thermoluminescence and upconversion”, J. Phys. Chem. Solids 61, (2002)
pp.2001-2006(7) K.Uheda, N.Hirosaki, Y.Yamamoto, A.Naito, T.Nakajima and H.Yamamoto: “Luminescence
Properties of a Red Phosphor, CaAlSiN3:Eu2+, for White Light-Emitting Diodes”, Electrochem. andSolid-State Lett., 9 (2006) pp.H22-H25(8) R-J.Xie, N.Hirosaki, K.Sakuma, Y.Yamamoto and M.Mitomo: “Eu2+-doped Ca-a-SiAlON: A yellow
phosphor for white light-emitting diodes”, Appl.Phys.Lett., 84 (2004) pp.5404-5406(9) 板東完治、幸田滋嗣、小橋正毅、西岡敏也、阪野顕彰、永峰邦浩、阪井一彦、荒井清隆、清水義則:"白色 LED 光源", 第 286 回蛍光体同学会講演予稿,(2001)pp.17-24(10) T.Barry, J.Electrochem.Soc., 115, (1968)p.1181(11) D.Starick, W.Kempfert, H-J.Limburg, W.Tews, G.Roth, S.Tasch and P.Pachler: Phosphor Global
Summit (2003)(12) 下村康夫、木島直人: 第 65 回応用物理学会学術講演会講演予稿集 No.3(2004)p.1285(13) 吉野正彦、鈴木尚生、長谷 尭、山田 勉、泉 雅絵:光電相互変換第 126 委員会第 176 回、ワイドギ

ャップ半導体光・電子デバイス第 162 委員会第 30 回合同研究会資料, (2003)pp.5-9(14) 岡本慎二:”固体照明用蛍光体の開発指針” 応用電子物性分科会誌,11[3](2005)pp.124-129(15) V.Sivakumar and U.V.Varadaraju: “Intense Red-emitting Phosphors for White Light Emitting
Diodes”, J Electrochem.Soc. 152 (2005)pp.H168-H171(16) V.Sivakumar and U.V.Varadaraju: “Intense Red-emitting Phosphors for White LEDs Based on BlueGaN LEDs”, J Electrochem.Soc. 153 (2006)pp.H54-H57(17) S.H.Jung, J.W.Kim and Y.J.Kim: “Synthesis and Luminescent Properties of Eu Doped Calsium
Sulfoapatite”, Proc. IDW/AD’05 (2005)pp.1601-1604(18) 岡隼人、山口誉滋、平野正浩、神谷利夫、細野秀雄:”白色照明用の新規赤―橙色蛍光体 CaZnSi2O7:Eu2+”,

第 66 回応用物理学会学術講演会講演予稿集 No.3(2005)p.1265(19) K.Toda, Y.Kawasaki, S.Kousaka, Y.Ito, A.Komeno, K.Uematsu and M.Sato: “New Silicate
Phosphors for White LED”, Proc. IDW/AD’05 (2005)pp.529-530(20) Y.Ito, M.Kawamoto, K.Uematsu, K.Toda and M.Sato: “Synthesis and Luminescence Properties of－498－
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New LED Yellow Phosphor Li2SrSiO4:Eu2+”, Proc. IDW/AD’05 (2005)pp.535-537(21) H.S.Jang, W.B.Im and D.Y.Jeon: “Luminescent properties of (Sr1-xMx)3SiO5:Eu2+ (M=Ca,Ba) phosphor for
white emitting light source using blue/near UV LEDs”, Proc. IDW/AD’05 (2005)pp.539-542(22) Y.Q.Li, A.C.A.Delsing, G. de With and H.T.Hintzen: “Luminescence Properties of Eu2+-ActivatedAlkaline-Earth Silicon-Oxynitride MSi2O2-δN2+2/3δ(M=Ca,Sr,Ba): A Promising Class of Novel LED
Conversion Phosphors”, Chem. Mater. 17 (2005) pp.3242-3248(23) 解栄軍、広崎尚登、三友 護、末廣隆之、山本吉信、佐久間健、上田恭太:”緑色 a-サイアロン蛍光体の蛍光特性”, 第 52 回応用物理学関係連合講演会予稿集 No.3, (2005) p.1615(24) N.Hirosaki, R-J.Xie, K.Kimoto, T.Sekiguchi, Y.Yamamoto, T.Suehiro and M.Mitomo:“Characterization and properties of green-emitting β -SiAlON powder phosphors for whitelight-emitting diodes”, Appl.Phys.Lett., 86 (2005) 211905(25) 広崎尚登、解栄軍、山本吉信、末廣隆之:“酸窒化物青色蛍光体”, 第 66 回応用物理学会学術講演会講

演予稿集 No.3(2005)p.1266(26) H.Kaps, U.Herr and M.Zachau: “Phase formation in nanocrystalline yttrium aluminum oxides
produced via CVR method”, Proceedings of the 7th International Conference on Nanostructured
Materials NANO2004, Books of Abstracts (2004)(27) 藤田俊輔、吉原 聡、坂本明彦、山本 茂、田部 勢津久:”白色 LED 用 YAG 結晶化ガラスの開発と発光特性評価”, 第 52 回応用物理学関係連合講演会予稿集 No.3, (2005) p.1616(28) J.Sanghera, G.Villalobos, S.Bayya and I.Aggrawal: “Coatings for Phosphors”, Phosphor Global
Summit, (2005)(29) 富士フィルムイメージテック㈱ホームページ、ニュースリリース平成 17 年 2 月 22 日(2005)(30) K.Ogawa, Y.Tadakuma, K.Kawato, M.Nakanishi, Y.Miyashita and S.Yamashita; “A Study ofElectroluminescent Process in ZnS Particles”, Proc. IDW/AD’05 (2005)pp.1605-1608(31) （株）クラレ、ホームページ、ニュースリリース、平成 17 年 10 月 12 日

9.3.2 固体照明用新蛍光体とそれを用いた白色 LED(1) はじめに近年、白色発光ダイオード用の青色光などで励起可能な新規蛍光体の開発が注目を集めている 1)。今年は、酸化物蛍光体では Li2SrSiO4:Eu、Ca3Si2O7:Eu、Ca3Si2O7:Ce,Tb、Na2SrSi2O6:Eu、(Sr,Ca,Ba)3SiO5:Eu、
La0.5Eu1.5W3O12、Ca2ZnSi2O7:Eu など 2-7)、また硫化物・酸硫化物蛍光体では(Sr,Ba)S:Eu、SrY2S4:Eu、
La2O2S:Eu、Ca(PO4)6S:Eu、ZnS:Cu,Cl、Ba2SiS4:Ce など 8-13)について、白色 LED 用蛍光体としての応用を視野に入れた研究発表が相次いだ。なかでも新規酸窒化物・窒化物蛍光体が注目を集めており、以前発表された CaAlSiN3:Eu やα-SiAlON:Eu についてさらなる研究の進展が報告された他、β-SiAlON:Eu と JEM
相 LaAl(Si6-zAlz)N10-zOz:Ce とが新たに報告された 15-17)。酸窒化物・窒化物蛍光体を複数用いた高演色白色
LED も報告された 18-20)。また、白色 LED 中のフォトンの流れを解析し波長変換と損失との割合を明らかにした研究 21)、白色 LED の各種方式について理論効率と演色性の関係を検討した研究 22)なども発表された。
ここでは、酸窒化物・窒化物蛍光体とこれらを用いた高演色白色 LED の特性について報告する。

－499－
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(2) ベータサイアロン緑色蛍光体

物質・材料研究機構の広崎らは、新たに Eu2+で付活したベータサイアロン緑色蛍光体（β-SiAlON:Eu）を開発し報告した 15)。従来、β-Si3N4 と同じ結晶構造を持つベータサイアロンにはイオン半径の大きい Eu
を固溶させることは不可能であると考えられていたが、微量であれば結晶中に均質に固溶する。
図 9.3.2.1 に、
ベータサイアロン緑色蛍光体の光学特性の一例を示す 23)。
励起ピーク波長は 305nm である。
励起帯域は 250nm 付近の紫外域から 500nm 程度までと大変広く、近紫外励起型・青色励起型いずれの白色
LED に対しても好適である。
発光スペクトルは 305nm 励起時・450nm 励起時ともに発光ピーク波長 539nmのブロードな発光が観測されている。

発光強度 [任意単位]

125%
励起スペクトル

拡散反射スペクトル(モニタ 539nm・左軸)(反射率・右軸)

75%
発光スペクトル(励起 上：305nm下：450nm・右軸)
左軸）

50%

反射率

100%

25%
0%

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

波長 [nm]
図 9.3.2.1 ベータサイアロン緑色蛍光体の励起・発光・拡散反射スペクトル 23)(3) 青色励起型白色 LED

アルファサイアロン黄色蛍光体（α-SiAlON:Eu）
・カズン赤色蛍光体（CaAlSiN3:Eu）と新たに発表されたベータサイアロン緑色蛍光体を用い、青色 LED 素子を励起源とした高演色白色 LED が試作された 19,20)。
相関色温度が 7000K 近い昼光色から 2800K 程度と低い電球色までの各色温度において、平均演色評価数
Ra が 82 から 88 と高く、また投入電力に対する視感効率も 25 lm/W から 33 lm/W と高効率である白色 LEDが得られた。図 9.3.2.2 に昼光色・白色・電球色の白色 LED の発光スペクトルを示す。また、図 9.3.2.3 に
昼光色（6500K）
・昼白色（5000K）
・白色（4200K）
・温白色（3500K）
・電球色（2800K）の発光色を示す
白色 LED の写真を掲載する。一番下が色温度の高い昼光色であり、太陽光に似た青白い光を放っている。
一番上が色温度の低い電球色であり、温かみのある色合いである。

－500－
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Total Spectral Flux [mW/nm]

0.08

6,840K
4,390K
2,980K

0.06

0.04

0.02

0.00

400

500

600

700

Wavelength [nm]図 9.3.2.2 白色 LED の発光スペクトル 20)

図 9.3.2.3 白色 LED の発光色

(4) 青色蛍光体と青紫色励起型白色 LED
JEM 相 LaAl(Si6-zAlz)N10-zOz:Ce は、近紫外光で励起可能な青色蛍光体である 16)。
励起ピーク波長は 366nmであり、410nm 程度まで励起可能である。発光ピーク波長は 440nm であり、ブロードな発光ピークが観察される。また、組成を変更することにより 495nm まで長波長化可能である 17)。
この JEM 相青色蛍光体とベータサイアロン緑色蛍光体・カズン赤色蛍光体を用いて試作された近紫外励起型白色 LED は、相関色温度 4500K において平均演色評価数 Ra が 90 である 17)。
(5) まとめ

今年新たに発表された酸窒化物緑色蛍光体及び青色蛍光体と、これらを含み複数の酸窒化物・窒化物蛍光体を用いた高演色白色 LED とについて報告した。これら白色 LED は大変良好な光学特性が得られており、近い将来一般照明用白色 LED 光源として実用化されるものと期待される。
（佐久間 健）
参考文献(1) 光産業技術振興協会 光技術動向調査報告書 2004 年度 10.3.3 蛍光体(2) K. Toda, Y. Kawakami, S. Kousaka, Y. Ito, A. Komeno, K. Uematsu, and M. Sato, IDW/AD'05,
PHp-5, pp.529-530(3) Y. Ito, M. Kawamoto, K.. Uematsu, K. Toda, and M. Sato, IDW/AD'05, PHp-7, pp.535-537(4) 戸田健司、川上義貴、上松和義、佐藤峰夫、2005 年電気化学秋季大会、1L07、p.266(5) Ho Seong Jang, Won Bin Im, Duk Young Jeon, IDW/AD'05, PHp-8, pp.539-542(6) 岡本慎二、山元明、2005 年電気化学秋季大会、1L09、p.267(7) 上岡隼人、山口誉滋、平野正浩、神谷利夫、細野秀雄、第 66 回応用物理学会学術講演会、講演番号 7a-K-4(8) H. Kominami, K. Sugiura, K. Hara, Y. Nakanishi, Y. Hatanaka, IDW/AD'05, PH2-3, pp.1597-1600(9) A. Mimoto, H. Kominami, Y. Nakanishi, K. Hara and Y. Hatanaka, IDW/AD'05, PHp-3, pp.521-524－501－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(10) M. Kato, H. Kominami, K. Hara, Y. Nakanishi, Y. Hatanaka, M. Mikami, IDW/AD'05, PHp-6,
pp.531-534(11) Sang Hyun Jung, Joo Won Kim, Young Jin Kim, IDW/AD'05, PH2-4, pp.1601-1604(12) 笠井大至、吉田裕史、市野邦男、大観光徳、小林洋志、第 52 回応用物理学関連連合講演会、講演番号
30a-YH-2(13) 大観光徳、佐村洋平、原勝彦、大橋剛、小林洋志、第 52 回応用物理学関連連合講演会、講演番号 30a-YH-3(14) 広崎尚登、解栄軍、木本浩司、関口隆史、山本吉信、末廣隆之、第 52 回応用物理学関連連合講演会、

講演番号 30a-YH-7(15) N. Hirosaki, R.-J. Xie, K. Kimoto, T. Sekiguchi, Y. Yamamoto, T. Suehiro and M. Mitomo, Appl.
Phys. Lett., 86(2005), 211905(16) 広崎尚登、解栄軍、山本吉信、末廣隆之、第 66 回応用物理学会学術講演会、講演番号 7a-K-7(17) 高橋向星、広崎尚登、山本吉信、解栄軍、原田昌道、吉村健一、種谷元隆、第 66 回応用物理学会学術講演会、講演番号 7a-K-8(18) Regina Mueller-Mach, Gerd Mueller, Michael R. Krames, Henning A. Höppe, Florian Stadler,
Wolfgang Schnick, Thomas Juestel, and Peter Schmidt, phys. stat. sol.(a) 202, No.9, pp.1727-1732,
2005(19) K. Sakuma, N. Hirosaki, N. Kimura, M. Ohashi, R.-J. Xie, Y. Yamamoto, T. Suehiro, K. Asano, and
D. Tanaka, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E88-C, NO.11, pp.2057-2064(20) K. Sakuma, N. Hirosaki, N. Kimura, R.-J. Xie, S. Hirafune, Y. Yamamoto and T. Suehiro,
IDW/AD'05, PH2-1(Invited), pp.1589-1592(21) 秋田直哉、星野勝之、只友一行、第 66 回応用物理学会学術講演会、講演番号 7a-K-5(22) 清水恵一、照明学会誌第 89 巻第 8B 号、pp.508-510(23) 佐久間健、広崎尚登、解栄軍、木村直樹、第 308 会蛍光体同学会講演予稿、pp.37-46－502－
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9.4 白色 LED の応用
9.4.1 LED を用いた照明装置の光学設計(1) はじめに

近年、LED の明るさの向上に伴い、これまで機器内蔵のモニタ的役割だけでなく、屋外用途の表示的役割である自動車のストップランプ、道路標識灯、交通信号灯器、LED ディスプレイなどへ応用され、さらには照明的役割として、液晶バックライト、特殊照明、部分照明などへも応用され、すでに実用化レベルに到達している。また、近い将来にはその発光効率の向上と共に、電球、蛍光灯を置き換える一般照明用途への期待も広がってきている。
しかしながら、LED は半導体、点光源という従来の照明用光源にない特徴を持ち合わせているため、一般の照明への利用には特有の照明システムが必要と考えられる。その照明システムの構造としては、半導体デバイスの本質的特徴である小型集積性を生かし、生産性および利便性を高めるといった観点では、ベアチッ
プアレイ化等による光源の配置を局在化させる構造が有利であると思われる。また照明システムの明視性と快適性を満足するといった観点からは、発光領域を 2 次元化する必要性が高いと思われる。これらの二律背反的要請の実現に対して、局在化した発光領域から面発光領域への発光領域変換機構をもつ照明構成が有望であると考え、独自のベクター放射結合方式１）,２）を用いた照明装置の最適化に関する研究開発を実施している３）。
(2) ベクター放射結合方式

ベクター放射結合方式では、点光源から放射状かつ直線的に光を広げる。これにより、従来方式ではランダムに変化していた光の方向や量が確定されるので、解析的な光学設計、均一性や効率などの最適化が可能となった。
ベクター放射結合方式の照明装置の基本構造と導光イメージを図 9.4.1.1 に示す。LED を一箇所に配置し、凹凸パターンとして表面が滑らかでかつ一方向に一様で長い形状のモデルで、長手方向が光源に対してほぼ垂直になるように配置する。導光する光は、パターンに当たっても横方向には偏向せず、LED を中心として直線的かつ放射状に広がることになる。導光板の出射率、均一性は、導光方向の単位長さあたりの出射効率である放射損出係数を導入することで最適化できる。導光経路が LED を中心に放射状かつ直線状となっているため、導光経路ごとに独立した設計として取り扱う。
拡散板

光源0.85mm55mm

θ導光板

放射結合素子

凸凹パターン
反射板
LEDチップ

図 9.4.1.1 ベクター放射結合方式

40mm

導光板
反射板

図 9.4.1.2 試作した照明装置の基本構成－503－
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各直線上で輝度分布が一様となる放射損出係数α(r) は、LED からの距離 ｒ を用いて、

α(r)= 2 ・r/( L 2 -r 2 )

L: 定数

（ 1）

と表せる。この放射係数α は、パターンの配置密度で制御することができ、パターン断面形状に依存する最大値α max まで自由に設定できる。（1）式での α(r) 分布が α max を超えない範囲で最も高い分布になるよう L の値を定めたとき、出射効率が最大となる。つまりこの時のパターン配置密度の分布が使用するパターン断面形状に最適解となる。出射光の指向性は、凹凸パターンの形状もしくは導光板上面に配置された光学シート類で制御できる。
(3) 照明装置の試作

今回試作した照明装置は、ベクター放射結合方式を用いた導光板を 5×5 に 2 次元配列させたものである。
導光板の構成を図 9.4.1.2 に示す。導光板の前面には指向性制御のために拡散板（ヘイズ：60％）を配置した。LED は、各導光板につき 1 個、計 25 個の LED、順方向電流は LED1 個あたり 15ｍＡで、消費電力は1.3Ｗである。その外観を図 9.4.1.3 に示す。輝度は平均値で 819cd/m2、効率 71％、放射輝度ムラは 28％以下（各導光板 9 点間）であった。試作した照明装置の光学特性を図 9.4.1.4 に示す。この高い指向性は、ス
ポット照明等の用途に展開できる可能性を示している。別の用途への指向性を得るためには、拡散板のヘイ
ズ等の最適化で制御が可能であるが、得られる照度との関係から、現在の LED 光源での照明装置への適応の妥当性はスポット照明程度にあると判断する。

100mm

図 9.4.1.3 照明装置 外観

図 9.4.1.4 照明装置の光学特性－504－
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(4) まとめ

発光領域変換型照明装置の最適化のための技術評価を行い、導光板方式が有望な方式の 1 つであることを確認した。その照明装置のサンプルを作製し、効率 71％、均一性 72％の特性値を得た。今後、LED の集積
時の問題など、実用化レベルでの課題を検討し、より高品質なＬＥＤ照明装置の実現を目指していく。
（清本 浩伸）
参考文献(1) M.Shinohara、O.Nishizaki、S.Aoyama and T.Yamashita Appl.Phycs.Lett.,Vol.44,No.3(1997)(2) 篠原正幸、青山茂、竹内司：“ベクター放射結合型 LED バックライト”、光アライアンス Vol.9.No.5(1998)(3) 平成 14 年度高効率電光変換化合物半導体開発 成果報告書、（財）金属系材料研究開発センター(2003)

9.4.2 一般照明応用
LED パッケージのパワー不足もあり、従来は「ものを照らす照明」としての LED 展開は近接照明分野が主体であったが、LED パッケージのハイパワー化により、主照明としての応用事例が見られ始めた。
(1) ダウンライト

ハイパワー化とともに LED パッケージ単体での効率は 70lm/W 近くまで向上してきたが、LED 照明器具の効率（すなわち照明器具に組み込んだ状態かつ点灯用電源も含めた効率）は、発熱による光出力の低下や電源部のロスの影響で、約 10～20lm/W 程度と白熱灯を若干上回った程度である。
しかしながら、LED からの光取り出し効率アップや高放熱技術の工夫などにより、寿命 40,000 時間を確保しながら、直下照度において 100 型白熱灯と、平均照度において 40 型白熱灯と同等の明るさを実現した
ダウンライトが商品化された。これらは消費電力が約 18W であり、白熱灯より省電力も実現できている。

図 9.4.2.1 LED ダウンライトの例－505－
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(2) 建築組込用 LED 照明器具 「（光る建築部材）点・線・面シリーズ」

建築照明分野において器具を部材として使うことをコンセプトにした製品においても、ハイパワー化されたタイプが商品化された。用途・設置場所に応じて選択できるよう、丸型（点）、ライン型（線）、パネル型（面）の器具スタイルがラインナップされている。これらのシリーズは、器具内部をシリコン充填すること
で、放熱効果を高めるとともに屋内外での使用が可能となっている。また、一部を除いて点灯用の電源回路部を器具に内蔵しているので別置の電源部が不要であり、AC100V を直接照明器具に入力して点灯することが可能となっている。特に、パネル（面）型の器具は、器具高さ約 22ｍｍの中に LED と電源回路を実装しており、光壁・光天井・光床などを実現する場合に従来の光源では設置できないような奥行きの少ない場所
でも使用できる形状となっている。

図 9.4.2.2 建築組込用 LED 照明器具の例(3) 地中埋込照明器具
LED の特長の 1 つである長寿命を活かしランプ交換が不要であることから、器具内をシリコンで完全充填

して空気層を無くすことにより発光面が結露しない地中埋込照明器具が商品化された。さらに、器具深さを薄くすることができ、人工地盤などでも使用可能となっている。

図 9.4.2.3 地中埋込照明器具の例(4) 近接照明器具

スポットライト・シーリングライトなど薄型形状の近接照明器具が既に商品化され、用途に応じて発光色や光束を選択・交換ができる LED ユニット（モジュール）が商品化されていたが、LED パッケージの発光
効率アップにより、消費電力がほぼ同等で明るさ（光束）が約 3 倍の LED ユニットが新たに商品化され、選択肢がさらに広がった。

－506－
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図 9.4.2.4 近接照明器具と LED ユニットの例(5) 一般照明応用に向けての課題(a) 寿命

寿命についての業界での統一された見解はこれまで無かったが、2005 年 8 月に日本照明器具工業会より、技術資料「白色 LED 照明器具性能要求事項」が制定・発行され、「一般用照明器具の主光源として使用する
場合の LED の寿命は、全光束が初期全光束の 70%、又は、光度が初期光度の 70%に低下するまでの時間とする。ただし、表示又は装飾の用途に使用する場合はこの限りではない。
」と規定された１）。 従来はメーカ
ーがそれぞれ独自の見解で寿命を発表していたが、今後はこの規定に基づき見直しがなされると思われる。
(b) バラツキ（光束、色度）

従来光源と比較すると LED パッケージの光束・色度はバラツキが非常に大きいため、一般照明として使用すると問題になる場合が想定される。現時点では LED パッケージメーカーでの出荷選別や照明器具メー
カーにおいての使用選別などの対応がなされているが、今後の製造でのバラツキ低減が期待されるところである。バラツキを低減することにより、蛍光灯ランプのように幾つかの色温度バリエーションを品揃えすることも期待できる。
(c) 演色性

現在の白色 LED の主流方式である「青色発光 LED＋黄色蛍光体方式」では、平均演色評価数（Ra）が80 以下程度であり、特に赤色の演色性を表す特殊演色評価数（R9）は、原理的に赤成分が光に含まれないため極めて低い数値となっている。この課題を解決するために、蛍光体に赤色の成分を追加するなどの取り組
みがなされている。また、演色性がよいとされる「紫外光 LED＋RGB 蛍光体方式」では、光出力アップや寿命の課題を克服する取り組みがなされている。これらの取り組みにより LED 照明器具の演色性が良くなることで、店舗や美術館・博物館などでの使用がさらに期待される。
(d) コスト
LED パッケージの光束あたりのコストは年々低下しているが、白熱灯や蛍光灯と比較すると数十倍以上であり、LED 照明の普及に向けては更なるコスト低下が期待される。
（松下 幸詞）－507－
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参考文献

(1) 社団法人 日本照明器具工業会 技術資料 134-2005 「白色 LED 照明器具性能要求事項」(2) 松下電工ホームページ http://biz.national.jp/Ebox/everleds/index.html

9.4.3 白色 LED の自動車への応用(1) 自動車外装照明への白色 LED の応用

現在、自動車にはすでに多数の白色 LED が使用されているが、その多くはメーターパネルや各種インジ
ケーター類など、小型表示用 LED を使用した内装照明である。最近ではトヨタマーク X のルームランプなど室内照明への採用も始まっている。
一方で、ヘッドランプに代表される外装照明に於いても、アウディ A8 のデイタイムランニングランプ（以下 DRL）
やレクサス GS のライセンスプレートランプ（ナンバー照明）など、白色 LED の採用が始まっている。
DRL は薄暮時や昼間の悪天候時に、自車の存在を対向車や歩行者に知らせるためのランプである。日本に於いては近年タクシーやトラックが自主的にヘッドランプの昼間点灯を行い、DRL の考え方が一般にも知られるようになった。
しかし、ヘッドランプを日中も点灯することで電力消費により燃費が悪化すると同時に、点灯時間の増加により頻繁に電球交換が必要となる。その問題点を解決するため、より省電力で長寿命の白色 LED を使った DRL が開発され、業務用車両を中心に採用を延ばしつつある。DRL では LED 化による燃費改善効果が大きいため、今後急速な拡大が期待されている。

図 9.4.3.1 白色 LED-DRL の装着車両

図 9.4.3.2 白色 LED ライセンスプレートランプ（2）次世代ヘッドランプへの期待

図 9.4.3.3 コンセプトカーの LED ヘッドランプ（2005 年東京モーターショー）－508－
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華やかなモーターショーの舞台を飾るコンセプトカーには、LED を光源としたヘッドランプがすでに多く採用され、年々増加の傾向にある。2005 年の東京モーターショーでは、全コンセプトカー中の実に 77%がLED ヘッドランプを搭載していた。現時点ではまだデザインスタディー的なランプが多いものの、自動車メーカーの並々ならぬ期待を、この数値からうかがい知ることが出来る。

図 9.4.3.4 モーターショーのコンセプトカーに占める LED ヘッドランプの割合

このような次世代ヘッドランプへの期待をまとめると、概ね次の７項目に集約される。
(a) 明るさ向上やインテリジェント化による安全性の向上(b) これまでにない斬新で美しい見栄え(c) 燃費向上のための省電力化と軽量化(d) 空力やデザイン要求による車両四隅の絞り込みに対応するためのランプ奥行き短縮(e) 光源の長寿命化によるメンテナンスフリー(f) 環境負荷物質の撤廃とリサイクルの確立(g) 低価格化

これらに対し、明るさの面ではすでに HID（High Intensity Discharge Lamp:高輝度放電灯）ヘッドランプがあり、低価格化の要求に対しては価格対性能比に優れるハロゲン電球を使用したハロゲンヘッドランプがある。
従って、将来 HID 同等以上の明るさをハロゲン並の低価格で実現することができれば、LED がこれら既存の光源に取って代わる可能性が高い。しかし現実的には「ハロゲン並の低価格」は当分の間困難と思われ、いかに「高価格に見合う嬉しさ」を提供できるか、が普及の鍵となりそうである。そのような観点からは、革新的かつ魅力的な見栄え、省電力、インテリジェントな安全機能などが非常に重要になると思われる。
(3) ヘッドランプ用 LED の光学特性

照明器具の光源に要求される光学特性はその用途により異なり、蛍光灯の代替を目指す一般室内照明用途
では、自然な物の見え方と、省電力化のための発光効率の向上が重要課題である。ヘッドランプ用の光源では、十分な輝度を確保した上で、光束、輝度、発光効率のバランスが重要となる。
光束は、HID 電球の 3200lm に対し、LED では 2000lm 程度の光束があればヘッドランプとしての射出
光束は同程度が得られる。これは、HID 電球が全周方向に光が出るのに対し、LED は半球方向（あるいは－509－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）それ以下）のため光束利用率の高い器具設計が可能なためである。LED 一個あたりの光束は、少なくとも200lm、できれば 400lm 以上あれば数個の LED でヘッドランプを構成できる。

発光効率は、HID 電球が 90lm/W 程度であることから、同等以上の省電力を達成するためには、器具効率を高くできる LED の特性を考慮しても、少なくとも 50lm/W 以上は必要である。
しかし、それ以前の問題として輝度が十分な値に達していなければ、いくら発光効率の高い LED でもヘ
ッドランプを作ることはできない。この点がヘッドランプ用 LED の特殊な事情であり、一般照明に比べて難易度の高い部分でもある。ヘッドランプの重要な性能指標である「光の遠方到達距離」は概ねランプの光度で決定され、光度は輝度と面積の積である。そのため輝度の不足はランプの大型化を招き、現実的な大きさのヘッドランプでは光度が不足して遠方のよく見えないランプになるからである。なお、前述の光束が足し算出来るのに対し、輝度は「単位面積あたりの光度」であることから、複数 LED を集合させても不変であることに注意が必要である。ヘッドランプ用光源に必要な輝度は少なくともハロゲン電球同等の
20cd/mm2 以上であり、HID 電球の 60～100cd/mm2 に近づくほどランプ設計の自由度が増え、商品性の高いヘッドランプが実現できる。
表 9.4.3.1 ヘッドランプ用 LED の光学特性

輝度(cd/mm2)
光束
(lm)
発光効率
(lm/W)
寿命
(h)
応用範囲

現状

最小要件

目標

1～8

>20

>30

30～100

>200

>400

20～50

>50

>80

---

>5,000>30,000

フォグランプおよびコー ロービームおよびハイビー 小型化と省電力による商品
ナリングランプなど
ムを含む全ての機能性向上(4) LED を使用したヘッドランプの現状

光源を LED 化することで従来のヘッドランプから変化する部分は、光源の数が複数になる、放熱機構を持つ、点灯回路が必用（ハロゲンでは不要だが HID は必用）などである。なかでも放熱問題は LED ヘッド
ランプ実現のための重要な技術課題である。

図 9.4.3.5 HID ヘッドランプと LED ヘッドランプの構造－510－
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LED の光は熱を持たないことが知られているが、LED 自身は通電により発熱する。一般の電球では、熱は主に赤外線の輻射として放散されるが、LED の場合は伝導により外部に放熱する必要がある。
LED の発光効率が 25lm/W 程度の場合ヘッドランプの消費電力は 60～90W 程度となり、このレベルでは

電動ファンなどで強制冷却しなければ LED の温度は百数十度に達し、耐熱限度を超えてしまう。発光効率が 2 倍になれば消費電力は半分になり、金属の放熱フィンによる自然空冷だけで十分な冷却が可能となる。
放熱性能を改善するために、図 9.4.3.6 のランプは前部に設けたスリットから走行中の風を取り込み、効率
よく LED を冷却する構造になっている。

図 9.4.3.6 走行風による LED の冷却構造

図 9.4.3.7 試作 LED ヘッドランプ

図 9.4.3.8 試作ランプのロービーム配光

図 9.4.3.7 と図 9.4.3.8 は実験車両に搭載した試作 LED ヘッドランプとその配光である。HID ヘッドランプ
同等の明るさを達成している。
(5) LED ヘッドランプの法規

重要保安部品であるヘッドランプは各国法規の制約を受けるため、製品化にあたって注意が必要である。
米国では現行法規で認可されると考えられるが、欧州では決められた電球しか使用できないことから、現状では LED ヘッドランプは使用できない。そのため法規改定に向けた準備作業が進行中で、早ければ 2007
年の改定が見込まれている。日本は基本的に欧州に準じる形での対応が見込まれている。
(6) まとめ
LED ヘッドランプの開発は、技術的な課題はまだ残るものの、近い将来の実現に向けて着実に前進を続けている。LED ヘッドランプが将来本格的に普及できるかどうかは、従来の HID ヘッドランプに対して競争－511－
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力のあるコストを実現できるかどうかにかかっていると言えるだろう。しかし、単純なコスト競争にとどまらず、長寿命であること、自由に調光できること、意匠の自由度が大きいこと、などの LED の特徴を生かした新しい「うれしさ」の創造こそが重要な課題である。
（佐々木 勝）
参考文献(1) 佐々木勝、“LED を用いた自動車用ヘッドランプ”、OPTRONICS(2003) No.9 p115-119“白色 LED 照明の車載照明応用”、機能材料(2004) Vol.24 No.12 p25-33(2) 佐々木勝、(3) 佐々木勝、“白色 LED の自動車照明への応用”、応用物理(2005) Vol.74 No.11 p1463-1466

9.4.4 農業応用
(1) 植物栽培光源としての LED の特徴 1)

地上の植物には太陽光として紫外線から赤外線までの種々の波長の放射エネルギーがそそがれているが、植物はその全てのエネルギーを利用しているわけではない。LED を栽培光源として使うことにより、植物にとって利用効率の悪い波長エネルギーを含まず、生育に有効な波長の光だけを集中して照射することが可能である。さらに、植物の発芽、展葉、開花などといったいわゆる光形態形成も、各々ある特定の波長の光が関与していることが知られている。LED から照射される単色光を植物の形態形成を誘導するための光シグナ
ルとして用い、小さなエネルギーで効率よく特定の植物生理機能や形態形成、器官分化を促すことも可能である。
ただし、LED を植物栽培用の光源として用いる場合、種々の問題点も存在する。大きな光量を得ようとす
る場合、LED ではどうしても面光源タイプのモジュール形状を採用せざるをえない。その結果、栽培装置の基本構造も面光源を前提としたフレームワークを考える必要がある。またランプを植物栽培装置に組み込む
以上、高湿度環境下での連続点灯が避けられない。通常のディスプレイのように点滅点灯を前提とした使用条件と比べると、LED にとっては苛酷な使用条件にならざるをえず、点灯中の光出力の低下を招きやすい。
高い光量を得るために、LED チップを高密度で装着した場合は、特にチップの除熱を十分に行う必要がある。
また、以前よりは価格が下がっているとはいえ、光出力あたりのランプコストは、依然として他の光源に比べて高い。植物栽培光源として LED を利用する場合、まだまだ解決されなければならない課題は多く残されている。以下に、植物栽培光源としての LED の利点と解決されるべき課題を整理する。
(a) 植物栽培光源としての LED の利点(i) 波長特性
LED で出力される放射スペクトルの半値幅は他の植物栽培光源に比べて小さく、輝線スペクトルなどの混入もない。例えば、植物栽培で主に使用される赤色 LED のスペクトル半値幅は 20-30nm であり、ほぼ純色に近い。現在では化合物半導体の種類と構造を変えることにより、赤外、赤色、橙色、黄色、緑色、青色などほぼ自由に発光色を選択し､それらを目的に応じて組み合わせることが可能である。
前述のように、可視光の中で植物が利用する光の波長は限られており、光合成反応に用いられる赤色光（600-700nm）、屈光性や形態形成に用いられる青色光（400-500nm）、発芽や花芽形成のフィトクロム反－512－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）応に関わる赤色光と遠赤色光（650-740nm）のなどの光反応系の存在が知られている。従来の植物栽培光源と異なり、LED を用いることによって植物に必要な波長の光を集中的かつバランス良く照射することが可能である。
(ⅱ) 近接照射

植物栽培に利用する可視領域の LED 光には、赤外領域のエネルギー放射が極めて少ないことも LED を植物栽培光源として用いる場合、大きなメリットとなる。例えば、LED ランプパネルを室温程度に空冷しながら用いた場合、パネルが葉に接触するほど近接させてレタス等の栽培を続けても、熱線による葉焼け等の障害が全く認められない。LED 光源を栽培植物の大きさが許すギリギリの位置から近接照明することにより、植物の光利用効率を高めることができる。さらにそうした小さな栽培ユニットを何層も積み重ねることにより、全体としてコンパクトな栽培装置に仕上げることも可能である。
(ⅲ) 形状LED チップは形状が小さいため、光源ランプの形状をかなり自由に設計できる。野菜工場などのように植物の高密度、集約栽培を極限まで進めようとすると、限られた装置スペースを有効に利用し、栽培植物に対して近接、均一に光照射する必要がある。光源ランプのサイズ、形状を自由に設計し、そのスペースメリッ
トを十分に生かすことは、栽培装置全体を機能的にシステム化する上で重要である。
(b) LED 植物栽培光源の課題(ⅰ) 高輝度化と耐久性

高輝度 LED が求められるのは何も植物栽培用途に限ったことではなく、あらゆる用途において、より高
輝度な LED の製品開発が進められてきた。ただし植物栽培用の光源として LED を用いる場合、他の利用場面に比べてより厳しく高輝度、高出力が要求されると考えられる。
植物は、生育に必要なエネルギーの全てを基本的に光から受けとっている。従って、植物の光利用効率が高い栽培システムにすればするほど、LED の出力差が直接に作物の生育差につながる。通常、ディスプレイ
等の用途で 10％程度の出力差が視覚的に認識され、問題にされることは少ないが、植物工場用途の場合はその程度の出力変動（製品のロット差など）が、栽培植物の生育結果としてはっきりとあらわれる。植物栽培
用途では、LED ランプの出力の均一化、さらなる高出力化、高輝度化は、栽培システムの生産能力に直結した問題といえる。
LED 点灯中の劣化、出力低下も大きな課題である。通常、LED ランプは、チップボンディングや配線の断線がない限り、いわゆるランプ切れを起こす割合は極めて少ない。ただし長時間点灯（特に高湿下での高出力点灯）にともなう出力低下は、筆者らが LED を植物光源として栽培試験を初めた当初、解決すべき大きな課題であった。通常のディスプレイ用途で製造された LED ランプをパネル化して高出力で連続点灯した場合、度々急速なランプの出力低下を招いたのである。LED のランプ寿命は、チップの材質、構造､ランプ成形樹脂やランプの放熱構造などによって、タイプごとに長短様々なのが現状である｡上述のように、シス
テムの栽培能力に直結した問題として、LED ランプの劣化、出力低下はより小さく抑えられるべきである。
どの程度の耐久性能を確保するべきかは、栽培に必要な光量とランプの初期出力、許容されるランプの償却コストによって判断される。LED ランプの植物栽培用途への適用には、その使用条件に合った劣化防止対策－513－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）が必要不可欠であり、通常のディスプレイ用の LED ランプをそのまま植物栽培光源として転用することは現実的には難しいと考えている。
(ⅱ) LED チップの発熱対策
LED ランプの外部量子効率 (電気エネルギーから光エネルギーへの最終的な変換効率)は、高輝度の赤色系で 20～30％、青色系で 5～10％であり、光変換されない電気エネルギーの大部分は LED チップの発熱として消耗される。植物栽培に必要な光量を確保するために LED を高密度で配置し、比較的大きな電力で駆動させようとした場合には、LED チップの発熱によるランプや設置基盤の温度上昇が避けられない。特に、栽培ユニットを積層したような高密度な栽培装置を想定した場合、栽培システム全体の温度上昇を避けるた
めには LED ランプ基盤やランプユニットの局所的な除熱、冷却装置を備えることは必須である。逆に、LEDは赤外領域のエネルギー放射がほとんどないことから、光源ユニットの除熱を行うことによって栽培システ
ム全体の温度管理を効率的に行うことができる。
LED の冷却は、チップの耐久性を確保するうえでも重要である。前節で述べた LED の出力、耐久性能に対し、ランプユニットの放熱不足、LED チップの過熱は最大の劣化要因になると考えられる。LED ランプの耐久性確保にとって、点灯中のチップ冷却は最も重要な対応であろう。
(ⅲ) ランプコスト

表 9.4.4.1 に、植物栽培で用いられる赤色と青色の高輝度 LED の出力あたりランプコストを他の植物育成
ランプと比較した。LED は植物に合わせて照射波長を選択していることから比較的栽培効率が高く、またランプの耐久性も高圧ナトリウムランプや白色蛍光灯の数倍は確保できると考えられる。しかしそれらを加味しても、現状では赤色 LED で高圧ナトリウムのランプコストとほぼ同等、白色蛍光灯と比べると 3 倍以上のコスト高と考えられる。青色 LED で試算した場合は、現状では赤色 LED のさらに十倍強のコストと考えられ、LED ランプのみで野菜工場等の大規模栽培装置の設置を想定した場合、イニシャルコストとしてランプコストが大きな負担となる。特に、青色 LED を植物栽培光源として用いる場合は、現状では適用対象をかなり限定せざるをえず、LED コストのさらなる低下が望まれる。また、LED チップの価格は砲弾型 LED
ランプの 1/2 から 1/3 であることから、パネルユニットの製造段階でのコストダウンも重要である。
表 9.4.4.1 LED ランプと他の植物栽培ランプのコスト比較 2),3)

光源

スペクトル特性

光出力

光変換効率

ランプ価格

Ｗ/ランプ

％

円/ランプ

出力あたり
ランプコスト円/Ｗ

GaAlAs 系 LED

660nm

0.016

22

20

1,250

InGaN 系 LED

470nm

0.006

8

90

15,000高圧ﾅﾄﾘｳﾑﾗﾝﾌﾟ

550-700nm

10830

26,000240

ﾒﾀﾙﾊﾗｲﾄﾞﾗﾝﾌﾟ

350-650nm

80

20

14,000175

白色蛍光灯

400-700nm

8.0

20

550

70

－514－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(2) 他の植物栽培光源との比較

植物栽培光源としてのランプの評価は、ランプ単体の基本性能とともに、栽培装置として組み上がった時の周辺の栽培装置との整合性を勘案して判断されるべきである。キクの電照栽培における白熱電灯は、簡単な構造ながら、安定した花芽形成抑制効果、配光性、単価の安さ、取り扱いやすさなどで合理性があり、広く普及している。また太陽光併用型植物工場ではメタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプが使われることが多いが、これらのランプが点光源として非常に高い輝度を持つことが、温室内で日光を妨げない意味から重要であろう。対象作物、栽培の目的、栽培システムの基本構造等によって必要とされるランプ性能は異なる。最終的な栽培光源の評価は、栽培装置としてシステムアップされた時の電力コスト、装置コスト、取り扱い易さ（人件費）など投入経費の総額と、アウトプットである生産物の収量および品質の評価で判断されるべきである。そうした意味では、使用条件を限定しないランプ単体での性能評価や比較にはある限界をともなう。栽培光源はあくまで栽培システム全体の中で正確に評価されるべきである。
ただし、栽培システムとして組み上がった場合の生産能力に対して、ランプの基本性能がはたす役割も小さくはない。植物栽培で主に使う GaAlAs 系高輝度赤色 LED（5mmΦ砲弾型）と他の光源の性能と特徴を
表 9.4.4.2 に示した。赤色 LED は視感度を基準にした照明効率（lm/W）で比較すると効率の悪い（暗い）ランプであるが、全ての放射エネルギーが光合成有効放射（PAR; Photosynthetically Active Radiation）領域に含まれることから、PAR への変換効率としては、高圧ナトリウムランプには及ばないながらメタルハラ
イドランプや白色蛍光灯よりも変換効率のよいランプと評価される。さらに PAR 領域の中でも光合成活性に最も効果的な波長を選択することができるので、例えば 660nm にピーク波長を持つ LED のエネルギー
放射を、投入電力あたりの光合成有効光量子束密度への変換効率で比較すると、高圧ナトリウムランプでの変換効率にほぼ匹敵すると考えている。
表 9.4.4.2 代表的な植物栽培光源の特性 2),4),5)

白熱灯

白色蛍光灯

高圧ナトリウム

メタルハライド

赤色 LED

75

40

360

400

0.04

換率（％）

93

60

77

84

22

可視光への変換率(％)

9

20

30

20

22

紫外線への変換率(％)

0.1

0.5

0.3

3

0

赤外線への変換率(％)

84

40

47

61

0

対流・伝導（％）

7

40

23

16

78

照明効率（lm/W）

17

77

140

100

12

PAR 効率（mW/W）

71

151

287

197

224

連続的

連続的

連続的

輝線

単色光

赤色成分が

白色

黄白色

白色

赤色

3,000-10,000

10,000-12,000

8,000-10,000

3,000-100,000

消費電力（Ｗ/ランプ）
全放射エネルギーへの変スペクトルの特性

多寿命（ｈ）

1,000-2,000－515－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

前述のとおり、植物の育成に対する光源の効果をタイプの異なるランプ種で比較することは容易ではない。
LED は単色光であるゆえ、波長を光合成反応の最適値に合わせれば光合成有効光量子束密度で比較した変換

効率では高い値が得られるが、この評価方法では光合成反応以外の植物の光反応を正確に捉えていない。筆者らが数年にわたり LED 光での栽培試験を続けて理解したことであるが、植物を単色光の環境下で栽培して自然光に近い栽培結果や生産物の品質を得ることは容易ではなく、結果的にそこをクリアするために栽培上の非効率がどうしても生じてくる。それは栽培作物の品種によっても大きく異なる。また同じ波長構成をもつ光源であっても、栽培装置の中でランプの位置や配光を変えることにより植物の光利用効率は大きく変化する。繰り返しになるが、栽培光源の優劣は栽培システム全体との組み合わせで判断されるべきものであり、それゆえランプの特徴を最大限に生かした栽培システムの構築が重要となる。次に LED を光源とした栽培装置の試作とその栽培試験結果について述べる｡(3) 植物栽培用 LED 水冷パネル光源

前節で述べたように、LED の外部量子効率は、現在高効率とされる赤色光 LED でも 20％台である。従って、LED を高密度で集積してパネル光源を作製した場合、LED チップの発熱によるパネルの温度上昇は避けられない。そこで図 9.4.4.1 に示す構造の水冷式赤色 LED パネル光源（ピーク波長 660nm）を試作した。
このパネルでは、LED 集積基盤の裏側を冷却水で除熱することによりパネル温度を一定に保ち、発光面側への熱の移動をほとんど遮断することができる。その上、LED チップを冷却された基盤上に直接マウントする
ことによりチップの温度上昇を防ぎ、チップ定格電流の約 5 倍の駆動電流での連続点灯を可能にした。

図 9.4.4.1 水冷式 LED ランプパネルユニット

図 9.4.4.2 に通常の 5mmΦ砲弾型 LED をほぼ同密度で設置した LED パネルとの出力特性の比較を、図9.4.4.3 に耐久性試験の結果を示した。試作した水冷式 LED パネルは、1 チップあたり 100ｍA で連続点灯

しても、光出力の低下はほとんど認められず、5mmΦ砲弾型 LED を使ったランプパネルと比べて、高い出力特性と耐久性を示すことが明らかとなった。

－516－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 9.4.4.2 水冷式 LED パネルの光出力特性

図 9.4.4.3 LED パネル出力の経時変化

この LED パネルを図 9.4.4.4 に示す噴霧水耕装置と組み合わせ、リーフレタスの栽培を試みた。栽培室のまわりを白色アクリル板で密閉することにより、栽培室内の光量を飛躍的に増加させることができた。また
LED パネルを水冷することにより、密閉された栽培室の温度上昇は完全に防ぐことができ、その温度コント

ロールに必要な電力は、通常のエアコンを用いた空調方法と比べて明らかに小さかった。表 9.4.4.3 に、栽培したリーフレタスの生育結果を示した 6)。

図 9.4.4.4 水冷式 LED パネル光源を用いた閉鎖型噴霧水耕装置
表 9.4.4.3 水冷式 LED パネルによるリーフレタスの生育（栽培日数 34 日、平均値±標準偏差）

地上部新鮮重（g/株）

地上部乾重(g/株)

草丈（cm）

根部乾重（mg/株）

砲弾型 LED パネル光源

61.7±11.4

3.1±0.429±2

243±59水冷式 LED パネル光源

82.7±16.9

4.8±0.924±3178±68

試験区

一般に植物の光合成反応に必要な光エネルギーは、
約 20 kJ/ｇ乾燥重と概算されている 7)。
この水冷式 LED
パネルを用いた栽培装置でのリーフレタスの生育結果から求めた植物育成効果（光合成に使われた光エネル－517－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

ギー／ランプへの投入電力）は 、0.010 と算出された。これは他の栽培システムに比べて極めて高い値である。LED ランプを用いて光合成活性の高いピーク波長 660nm の光のみを用い、かつ栽培室を白色反射板
で完全に封止することによって葉組織以外への光の吸収を極力ゼロに近づけることができた。その結果、
LED 照射光が効率よく植物に吸収されて光合成反応に利用され、旺盛な生育に結び付いたと判断している。

(4) LED 光源を用いた大規模野菜工場

水冷式 LED パネルランプを改良し、出力性能、耐久性等の向上をはかったうえで、2 段階のスケールアップを経て、営業生産規模の野菜工場を完成させた。現在、コスモプラント株式会社が事業主体となって、シ
ステムの提供、技術フォローを行っている。施設の規模、基本構造について、図 9.4.4.5 に示した。

図 9.4.4.5 LED 野菜工場全体および栽培ユニットの基本構造

660nm の LED ランプを光源として用い、前述の光閉鎖空間での高効率栽培を実現している。水耕装置システムとしては、8ｍ長のアルミトイを用いた NFT 式水耕システムを採用し、1 フロア 80 ㎡の 10 段式、総栽培面積 800 ㎡のビル型野菜工場である。基本性能と特徴を表 9.4.4.4 にまとめた。栽培室内の光量、温度湿度、炭酸ガス、風量などを完全に制御し、レタス苗定植後 2 週間での収穫を可能とし、日産 6,000 株、
年産 180 万株の営業生産を行っている（図 9.4.4.6）。現在、この 1 号機を含め、同様の LED 野菜工場システムが国内で 6 ヶ所稼動しており、1 つの完全制御型の植物工場システムとしては、国内で最も大量のレタス生産を行う栽培システムとなった。最新のシステムでは一部に青色 LED ランプも追加し、栽培作目の拡大を図っている。

－518－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 9.4.4.4 LED 野菜工場の特徴および性能＜栽培装置本体＞＜育苗装置＞

建物外寸：間口 13ｍ、奥行き 13ｍ、高さ 12ｍ

育苗室：5ｍｘ10ｍ、2 室

栽培フロア：8ｍｘ10ｍｘ10 段（計 800 ㎡）

育苗光源：白色蛍光灯

栽培光源：ピーク波長 660nm LED パネル

育苗方式：間欠潅水 NFT

パネル冷却方式：水冷パネル配管方式

育苗面積：60 ㎡

水耕方式：アルミトイ型 NFT 水耕
株間調節：1 次元スペーシング、2 段階
最大植え付け株数：83,200 株
生産能力：日産 6,000 株、年産 180 万株
栽培作物：リーフレタス、エンダイブ、パセリ

図 9.4.4.6 LED 野菜工場の外観

LED は、単波長、パネル光源という特徴を生かし、野菜の最適生育条件を整えることによって、コンパク

トで生産能力の高い野菜生産システムの栽培光源として利用可能である。ただしブロードなスペクトルの光環境に比べ、単波長光である故の栽培の難しさがあり、また高いランプコスト（特に青色系）も依然として課題である。ランプコストに関連し、その償却にたえる耐久性と寿命が要求される。これまで種々の植物工場 8）で利用されてきた植物栽培光源と比べ、今後も総合的に高い評価が得られるかどうかは、上述のような営業生産施設が継続的に稼働し、それが野菜生産者に十分受け入れられるかどうかで判断される。安定的な収益、使いやすさ、他の生産システムや生産野菜との差別化、野菜生産における社会的なニーズへの対応が可能かどうかなどについて、これから試されていくこととなる。
（渡邊 博之）参考文献(1) 渡辺博之. 1996. LED 光源の植物工場への適用. SHITA REPORT 11: 31-41－519－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(2) 古在豊樹ら. 2000. 閉鎖型苗生産システムの開発と利用. SHITA REPORT 16: 14-29(3) 渡辺博之. 2000. 植物栽培用 LED 照明. ディスプレイ 6(3): 53-57(4) 田澤信二. 1999. 植物育成用光源の最新情報. SHITA REPORT 15: 16-28(5) 洞口公俊. 1992. 光放射とその特性. 光バイオインダストリー（照明学会編, オーム社）pp.96-133(6) 渡辺博之, 遠藤政弘. 1997. LED 光源. 植物工場ハンドブック（高辻正基編, 東海大学出版会）第 2 章.
pp.44-51(7) W. Lacher. 1995.

Carbon utilization and dry matter production. Physiological Plant Ecology(Springer-Verlag, Berlin), pp55-166(8) 小倉東一. 1998. 植物工場普及の現状と課題. SHITA REPORT 14: 15-23

9.4.5 漁業応用

筆者は、1994 年の夏に世界で初めて青色と赤色の LED を光源として健全な植物育成に成功した。これをきっかけに農業や医学における斬新な LED 応用の開拓に専念するようになっていった 1）,2）,3）。その頃、唯一の参考書としていたオーム社刊行の「光バイオテクノロジー」という書物の中で、魚の多くは夜間光に集まるという性質すなわち走光性をもっており、その性質を利用して集魚灯漁が行われることを学んだ。また
光の色に関する魚（主に海水魚）の稚魚に対する集魚効果は青から緑の波長域にあり、そのピークは青緑色付近にあることを知った。
どんなに清浄な水においても光は水分子による吸収により減衰を受ける。
その際、480nm 付近の青色光は最も減衰が小さいために最も深部まで達する。当時（1995 年）、日亜化学工業は青色 LED に続き、青緑色や緑色の高輝度 LED も開発していたことから、筆者は青色系 LED の集魚灯への応用を思いついた。集魚灯が最もよく使われているのはイカ釣り漁であり、日本海やその沿岸地域、朝鮮・対馬海峡周辺および北海道南岸で盛んに行われている。韓国でもイカ釣り漁が行われている。日本のイカ漁船
は、そのほとんどが 10 トン（長さ約 18m、幅約 4ｍ程度）未満の小型船だが、2～3kW のメタルハライド
灯を 15～80 個も甲板上方にぶら下げており、総光力は 30～200kW にも達する。5～7 月の最漁期には韓国漁船も含めると日本近海で 1 晩におよそ 100 万 kW もの電力が消費される。イカ釣り漁船群の明かりは強烈で、夜間に人工衛星から眺めると、あたかも東京や大阪のような大都市圏が海洋上に出現したかのように見えるほどである。イカ釣り漁船は、光害という環境問題をもたらしたのみならず膨大な量の CO２、SOｘ、NOｘを洋上に撒き散らしている。また 1 隻の小型漁船が１晩の集魚灯発電のために費やす石油（重油または軽油）は 200～800 リッターと大量であり、現今の石油高騰で漁師は操業の危機に追い込まれている。筆者は 1998 年 7 月末に初めて北海道函館を訪れ、函館の風物詩となっているイカ釣り漁夜景を眺めた。5km 以上の沖合で操業するメタルハライド灯漁船の放つ光はすさまじく、眼が眩むほどであった。青色 LED で集魚灯の開発を本気で考えたのはまさにこのときであった。そして 2000 年春から大学研究室において青色系（青色、青緑色、白色）の LED を光源とするイカ釣り漁船用の集魚灯の開発研究に着手した。2000 年の 9月には香川大学所有の実習船カラヌス号の甲板上に LED パネルを 14 枚（使用 LED の総数 7000 個）を搭載し、香川県庵治（あじ）港で夜間デモンストレーションを行った。このデモに様子は新聞各紙や NHK テ
レビニュースにより大きく報道された。
2000 年 12 月には地元香川県の髙木綱業株式会社（髙木満津雄社長）と香川大学で産学共同を組み、水産庁の外郭団体である社団法人マリノフォーラム 21（MF21）の提案型公募型水産業活性化ハイテクノロジー－520－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

開発事業に「青色系高輝度発光ダイオードを用いた低電力高効率集魚灯の開発」というテーマで応募したところ、2001 年 1 月、幸いにも採択された。そして 2001 年 6 月の髙木綱業所有のクルーザー髙木丸を使った
瀬戸内海小豆島沖でのスルメイカ釣り成功を皮切りに、漁船を使った洋上での LED イカ釣り操業実験を開始した。1 枚のパネル上に LED を約 1000 個並べた防水型集魚灯は髙木綱業により次々と製作され、改良されていった。こうした LED 集魚灯を実験のためにチャーターした小型イカ釣り漁船に搭載し、実験操業を行った。当初の実験は兵庫県日本海側の香住町沖で２晩程度行っていたが、その後、対馬、函館、北海道岩内などに操業の場を移すとともに操業日数も伸びていった。
失敗と成功を重ねながらも 3 年間の実験操業の結果、青色 LED 集魚灯を使うことにより従来のメタハラ
集魚灯に比べてわずか１/30 程度の消費電力で同等の漁獲が得られることがわかった。こうした実績が認められ、2004 年から LED 集魚灯の開発は、水産庁、MF21、髙木綱業および香川大学による産学官の水産庁
直轄プロジェクトとなり、名称も「青色発光ダイオード集魚灯によるイカ釣り漁業革命事業」と改められた。
そして 2004 年から 2005 年かけて北海道沖日本海や佐渡島沖で何度も実施された 1 ヶ月～数ヶ月にわたる
長期操業実験により、イカ釣り漁における LED 集魚灯の有効性が公的に認証された。

図 9.4.5.1 佐渡島沖での LED 集魚用イカ釣り実験操業（2005 年 6 月、佐渡市稲鯨漁協所属第 11 大栄丸）

図 9.4.5.2 メタルハライド集魚灯漁船の船室を占拠した安定器群－521－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 9.4.5.1 は 2005 年に佐渡島沖で行われた LED 集魚灯操業の実験船である。使用した LED パネルの数
は 40 枚、LED の使用個数は約 4 万個である。このように多数の青色 LED を使用しても消費電力はわずか3kW でメタハラ集魚灯 1 個分に過ぎない。メタルハライド集魚灯は高圧水銀灯の仲間であり、ランプ 1 灯につき 20～30kg もの重量の安定器（サイズはおよそ幅 25×高さ 25×奥行き 40cm）が必要であり、これがランプの数だけあるため、図 9.4.5.2 のように船室の一つが数十台の安定器（総重量にして１～2 トン）で占拠されている現状である。LED 集魚灯の場合、このような安定器はまったく不要である。しかしながら青色
LED 集魚灯を用いたスルメイカの長期操業実験においては、漁獲量がメタハラ灯を使った場合の 40～60％なので、目下、さらなる研究が続けられている。
現在、日本のイカ釣り漁船はおよそ 2 万隻あり、将来、これらの漁船において現行のメタハラ集魚灯が LED
集魚灯に置き換われば、イカ釣り漁師の経営が改善されるとともに、莫大な量の石油が節約されることから水産業における CO2、SOｘおよび NOｘの排出量が大幅に削減されるであろう。LED 集魚灯の理論や開発過程についての詳細は参考文献 4）、5）に詳しく記されているので本稿では割愛する。

図 9.4.5.3 LED 水中集魚灯（髙木綱業株式会社開発・製造）

ところで日本の各地でメタルハライド水中集魚灯を用いた巻網漁が広く行われているが、髙木綱業と私の研究室は、3 年前より巻網漁用の LED 水中集魚灯開発を進めるとともに、東シナ海におけるこれまで 2 年余の操業でその有効性を確認している。図 9.4.5.3 は髙木綱業が製作した LED 水中集魚灯である（電気学会誌 2005 年 11 月号にも同じ写真を掲載）。イカ釣り漁や巻網漁の他、三陸沖を中心に行われているサンマ漁
でもメタハラ集魚灯が大々的に使われているが、サンマ漁のための LED 集魚灯の開発研究も我々とは別のグループによって行われている。
このように筆者による LED 集魚灯の発明は、青色系 LED の水産業への大規模利用への道を開こうとしている。LED はこれまでの陸上で利用にとどまらず、今後は海上での様々な利用が進むであろう。
（岡本研正）－522－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

(1) 岡本研正、柳智博：青色/赤色超高輝度発光ダイオードを用いた植物育成用光源の開発、平成 6 年度電気関係学会四国支部大会講演論文集,109(1994).
(2) 岡本研正：LED の新応用,オプトロニクス,16,153-162(1997).
(3) 岡本研正：生活環境における高輝度 LED 光源の新応用,光学,29 巻１号,26-32(2000).
(4) 岡本研正：高輝度 LED の集魚灯への応用,O plus E,2004 年 3 月号,286-294(2004).
(5) 岡本研正：高輝度青色系 LED を用いた大型集魚灯の開発と洋上操業実験 ,OHM,2005 年 10 月号,48-53(2005).

9.4.6 寺社照明
(1) はじめに窒化物半導体系の可視短波長発光ダイオード(LED: light emitting diode)は，波長域の拡大・高輝度化・高効率化等、その性能向上は近年目覚ましいものがある 1)‐3)。それら組み合わせて構成された白色 LED も開発されたため，従来の電球や蛍光灯をこれら固体発光素子で置き換えていこうという照明革命が始まろうとしている。とは、いっても 1 ルーメンあたりのコストは旧来のガラス管タイプのランプ光源の方が圧倒的に安価であり、現状では白色 LED が一般照明分野へ参入するのは時期尚早と思われる。
それゆえイノベーションといいながらも安定した価格体系と認知度を持つ電球というデバイスから、まだ駆け出しの超高額照明デバイス「パワー発光ダイオードモジュール」が一気にその市場を奪いとるのは、到底不可能と考えられる。まずは世の中に認知されねばならないが、そのためには新しい固体照明デバイスでしかなし得な
い高付加価値のニッチの市場に参入することが肝要である。小なりといえども実際の市場から得られる経験を集積しつつ前に進むという、挑戦的な創造なしには LED 照明の実用の世界は拓けないと考えている。
われわれは「パワー白色発光ダイオードモジュールの開発：21 世紀の照明革命」が文部科学省の平成 14年度から 16 年度の大学等発ベンチャー創出支援制度に採用され、実際に市場への投入を見据えた LED ゴー
グルライト開発に着手し、部品点数を減らす観点から LED モジュールは 17 個の横一文字の LED 基板とし、実際に LED モジュールの試験的な試作を重ねることになった（図 9.4.6.1）。この過程で LED ゴーグルライ
トの基幹パーツとして「パワー白色 LED モジュール」が生まれたわけである 4)‐8)が、その「京都」ならではの重要文化財への安全な照明装置として切り開きつつある高付加価値照明の世界について述べる。

非
型
眼
複

ステ
プラ
面
球

ンズ
レ
ク
ィッ

色
白
ー
ワ
パ ール
る
ュ
らな ジ
か ーモ
17個 パワDLE

図 9.4.6.1 白色 LED17 個からなる発光モジュール。
非球面複眼レンズによって 50cm の距離に直径 15cm の集光が可能。

－523－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(2) パワーLED モジュールの貴重品照明へのきっかけ(a) 京都祇園祭；山鉾ライトアップへの LED 照明の応用

2004 年夏、京都の夏を代表する約千二百年の歴史を持つ祇園祭に、歴史上初めて LED 照明が「文化財を光の熱で傷めない照明デバイス」という認知のもとで、ライトアップのデバイスとして参加を許された。春の LED 花見に参加頂いたロマン吉忠（株）吉田忠嗣社長の菊水鉾保存会への紹介があって実現できたプロジェクトであった。ライトアップを行った山鉾は「菊水鉾」といい、「元治元年(1864 年)」の兵火で、ご神体を残して消失したが、昭和 27 年に鉾頭に透かし彫りの菊を持ち、翌 28 年には唐破風屋根を抱いた昭和の菊水鉾として 88 年ぶりに消失前の姿を再興した経緯をもつ山鉾である。町衆の山鉾と祇園祭への想いは篤く、菊水鉾は年を重ねることに立派さを増し、昭和の芸術と言われるまでの豪華絢爛、見事な鉾の姿となった。そして昭和 37 年には、国より重要民俗文化財の指定を受けた。平成に年号がかわってからも、懸魚（げぎょ）の新調と年々立派な姿な鉾になってきており、ライトアップで実に美しい懸装品の数々が映えると考えた。パワー白色 LED モジュール開発の途上で約 600 個の白色 LED モジュールを照明装置として作り込
み、この高さ 26 メートルの美しい菊水鉾を固体照明の光でのライトアップ（図 9.4.6.2）を達成した。気温

35 度、湿度 90％という電子部品としての LED にとっては過酷な条件下での挑戦であった。まさに野外の電気の配線であったので、結果として電力会社からの電力供給が不十分であったため、実際には 400 個のモジ
ュールを用いて、電流量は 75ｍA での駆動にとどまったが、それでも照明デバイスとして LED モジュール
はその役割を担ってくれた。2004 年の祇園祭の通行量調査から勘案し、LED 照明による菊水鉾ライトアップを体験した人の数は期間中 30 万人と予測されている。

図 9.4.6.2 LED ライトアップされた菊水鉾(b) 寺社照明への展開

LED 照明のみによる花見や京都の伝統ある祇園祭への固体照明を無事に 2004 年夏までに終えて、秋になった。秋の紅葉は、実に艶やかな赤色を呈する、錦秋の京都であり、はじめは つてのあった紅葉の名所に、「紅葉のＬＥＤ照明を試験的にやってみたいがどうでしょう？」と御願いしたところ、清水寺に頼んであげ－524－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

るから、「待っていて、」とのことであった。何週間か、して突然、清水寺から LED 固体照明の清水寺夜間拝観への挑戦について、話をきいていただけることになった。

LED の光には、原理的に、紫外線と赤外線をふくまないこと、実際の仏像照明において必要な光量では、LED モジュール基板の温度上昇が小さく、連続点灯時でも秋には 37℃くらいにしかならないので、旧来のハロゲン電球などのソケット部分が、200℃近くまで温度が上昇することに比べて、火災の面で安全である
こと、などを理解して頂き、1）清水寺の玄関にあたる、仁王門の両仁王像（図 9.4.6.3）、2）清水寺の国宝
本堂の深奥にある内々陣の千手十一面観音像を初めとする二十八羅漢像（図 9.4.6.4）を優しく照明する装置として、試験採用のうえ、2005 年度から本式に採用になった。

図 9.4.6.3 LED 照明の仁王像様図 9.4.6.4 LED 照明の清水寺内々陣

清水寺の仁王門は、応仁の乱の時代に造営され、仁王門の両仁王像もまたその時代の作であり、約 400 年の歴史をもつ重要文化財である。このため、火災や強い光でのかけがえのない木像の損傷をおこさないように、2003 年までは、仁王像を明るく照らし出そうとの試みはなかった。2005 年の秋、となっては、清水寺の秋の夜間拝観の際に、見事なコントラストをなす仁王門をデジタルカメラや携帯カメラに納めて、思い出に持ち帰る人は、あとをたたない。
これにくらべて、知る人ぞ、知る、のが内々陣の LED 照明である。清水の舞台が、とても有名であり、ここからの京都の夜景が見事に絵になるのは確かなのだが、清水寺の拝観の中心は、本堂の十一面千手観音像を擁する内々陣である。内陣と、さらにその外側に外陣、そして、清水の舞台が本堂を構成している。この内陣と内々陣の境界を形成している敷居の部分の最上部が国宝の保護の要件をはずれているので、この部
分に、LED モジュールを設置して、秘仏を優しく照らし出すように光の角度を工夫した。LED の照明装置の設置に際しては、国宝の本堂の部材にふれないように十分に注意して設置した。
この 2004 年の秋の夜間拝観をつうじて、「LED の光で照らし出された木像や空間」は、約 40 万人の人々
が、固体照明とは知れずに、愉しんで拝観をされた。
現在、2005 年度の夜間拝観を終えたわけであるが、2005 年春の夜間拝観を併せて、通算約 150 万人のひ－525－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）とびとが、仁王門と内々陣の LED の光の仕事を愉しんで頂けたと推定されている。
(c) 清水寺の 3 重の塔の LED 照明

2005 年秋、清水寺から新たなミッションがふってきた。京都市内からも望むことの出来る清水寺の三重の塔の照明についての相談であった。3 重の塔は、重要文化財、江戸初期再建されたものだが、実は最初は平安初期 847 年創建という高さ 31ｍ弱で日本一の高さを誇る 3 重の塔であり、総丹塗りの上、各重の横木に桃山様式の極彩色文様を施す。一重内部に大日如来像を祀り、四周の壁に真言八祖像、天井・柱などに密教
仏画や飛天・竜が描かれている。このような、重要文化財であるので、塔への電力の供給量は最大 1500Wの上限があった。また、塔の外側のサーチライトシステムによる照明では、3 重の塔の伽藍の細部の影が、一方の方向のみになってしまうので、じっさいに肉眼でつぶさに見た感じの印象が単純にみえた。この点、LED モジュールは、それぞれの光の強さが可変である上に、光源の LED モジュールがコンパクトなサイズ
であり、塔の欄干を旨く利用すると、参拝者からの死角に光源を隠すことができた。特に 3 重の塔の 3 重目
は、地上からは各重の部分は見えないので、横木の鮮やかな緑と伽藍の細部の朱色と照明用の LED の色温度や波長の構成を変更して、3 重の塔の照明の光の質を細かくコントロールし、清水寺の森孝忍部長の指示に併せて光の方向に微妙に変化をつけ、結果、3 重の塔全体に彫りの深い光と影を夜空に映える世界をつくれた。

図 9.4.6.5 LED 照明で浮び上がる三重の塔

2005 年 11 月 16 日、米国のブッシュ大統領は、京都迎賓館からヘリコプターで空港へむかうときに、清水寺の西の空に、4 機の大型ヘリでホバリングしながら、空から、清水寺の夜間拝観をされた。うつくしく
夜空に映え天上をめざす清水寺の三重の塔の照明が、固体照明の LED モジュール合計 380W で照らし出されているとは、ご存じないことと思われる。

－526－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

「LED を見る LED 照明？」から「LED の光で対象物を魅せる LED 照明！」へという時代のながれのなかで、特殊な用途である重要文化財に視点をおいた寺社照明のパイオニアは、我々であろうと自負している。
(3) おわりに今回の文部科学省の研究開発で着手したパワーLED モジュールは大型 LED9)‐11)が 17 個実装されている。
われわれのパワーLED モジュール照明はまだ応用に向けての開発が始まったばかりであり，単価が高いためビジネスとしては揺籃期にある。しかしながらオーダーメイドの照明光源としてのポテンシャルは十分にある。今回、実戦的なプロジェクトと実証実験の積み重ねに真摯に参加してくださった人々や多くのチャンスを与えてくださった清水寺の人々に深く感謝しているが，今後も実際の挑戦なしに LED 照明の実用の世界は拓けないと考えている。LED のニッチ市場への参入には、応用技術への経験と技術集積を行うことが不可欠であり，それが日本発の技術としての白色 LED モジュールの世界を大きくし、21 世紀の照明革命につながる大きなビジネストレンドを日本から生み出す端緒となるのでないかと考えている。
詳しくは、 http://www.yanchers.jp を ご覧ください。
（島田 順一 ）参考文献(1) A. Zukauskas, F. Ivananskas, R. Vaicekauskas, M.S. Shur and R. Gaska,Proceedings of SPIE Vol.
4445, pp. 148, (2001).
(2) K. Bando, K. Sakano, Y. Noguchi and Y.Shimizu: J. Light & Visual Environment, Vol. 22, No1.
pp.2, (1998).
(3) 向井孝志、中村修二：応用物理学会誌、第 68 巻、第２号、pp.152-155、 (1999).
(4) J. Shimada, Y. Kawakami and Sg. Fujita: Proceedings of SPIE Vol.4278, pp.165-172, (2001).
(5) J. Shimada, Y. Kawakami and Sg. Fujita: Proceedings of SPIE Vol.4445, pp.13-22, (2001).
(6) Y. Kawakami, J. Shimada and Sg. Fujita: Proceedings of SPIE Vol. 4445, pp.156-164, (2001).
(7) J. Shimada, Y. Kawakami and Sg. Fujita: Proceedings of SPIE Vol. 4996, pp. 174-182, (2003).
(8) 川上養一、島田順一、藤田茂夫：応用物理学会誌、第 71 巻、第 11 号、pp.1381-1385、 (2002).
(9) M. Yamada, T. Naitou, K. Izuno, H. Tamaki, Y. Murazaki, M. Kameshimaand T. Mukai: Jpn. J.
Appl. Phys. 42, 2 (2003) L20.
“Warm White LED”
、http://www.nichia.co.jp/jp/product/led-lamp-warm.html(10) 日亜化学工業：(11) 日亜化学工業：“照明用パワーLED”、http://www.nichia.co.jp/jp/product/led-smd-powerled.html－527－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

9.5 面発光光源の開発動向
9.5.1 LED を用いた面発光光源(1) はじめに

近年、LED の明るさの向上に伴い、これまで機器内蔵のモニタ的役割だけでなく、屋外用途の表示的役割である自動車のストップランプ、道路標識灯、交通信号灯器、LED ディスプレイなどへ応用され、さらには照明的役割として、液晶バックライト、特殊照明、部分照明などへも応用され、すでに実用化レベルに到達している。また、近い将来にはその発光効率の向上と共に、電球、蛍光灯を置き換える一般照明用途への期待も広がってきている。
しかしながら、現時点では照明市場での LED の採用率はわずかなもので、イルミネーションや演出照明に代表されるような見せる照明の分野では採用率が上がってきているものの、照度を得るという一般的に言われる照明の分野では局所的なスポット照明等に採用されるに留まっている。それは、光量の少なさ、照度あたりの単価が高いことが理由であり、高出力化や低価格化が普及のための課題である。ここではその課題を認識した上で、高出力か進んだ際に、より要求の高まると予測される面発光光源化について述べる。さらには、LED の特徴を活かした薄型照明への応用例についての紹介も行う。
(2) 面発光光源の必要性

蛍光灯や電球に比べて、LED は発光面積が小さいために、光学レンズ等による光束の制御性に優れており、スポットライトに代表される、所定範囲内でのみ一定の照度を得たいような用途に適している。今後、LEDの 1 チップ当たりの光量はますます増加し、一般照明的な用途に応用され始めると、発光部の面積が小さい
ため輝度が高くなり過ぎ、光源を直視すると、網膜照度が高くなるため人体の目に危険を及ぼす恐れが出てくる。したがって照明装置側の設計としては、拡散板等を用いて輝度を低下させる、あるいは間接照明的な使い方も考えられるが、いずれにしても照明装置の大型化を招いてしまうばかりではなく、光量が犠牲になるため、照度あたりの単価という観点からは望ましくない方向になってしまう。我々は LED チップからの光束を緻密に制御することにより、照明装置の薄型を維持しつつ、高照度・低輝度照明を実現する、フラッ
ト光源の研究開発を実施している１）。
(3) フラット光源(a) 構造・原理

フラット光源の構造を図 9.5.1.1 に示す。
LED チップは光の 3 原色 RGB を 1 パッケージに内に配置した。

LED チップから広角方向へ放射された光はパッケージと空気の境界面で全反射することを利用している。狭角方向へ放射された光は、特殊な形状を呈する発光プロファイル制御部で反射をして、反射ミラー側へ導かれる。細分化されたそれぞれの反射ミラーに対して最適な光束配置のための緻密な香華区設計を行い、それらの光束を重畳することで薄型・大面積を実現した。設計パラメータはそれぞれのミラーの形状とそれらの位置関係で、独自に開発した光学シミュレータで最適化を行った。

－528－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

全反射面

ＬＥＤチップ

反射ミラー
発光プロファイル
制御部

図 9.5.1.1 フラット光源 構造図(b) 特性例

フラット光源の外観を図 9.5.1.2 に示す。外形は 30mm×30mm で、厚みが 7mm となっている。その発光時の相対輝度分布を図 9.5.1.3 に示す。RGB を同時に発光させたときの輝度むらは 25％以下であり、面発
光光源化、すなわち低輝度化が実現できていることが確認できた。
-15

30mm

-10

7mm

30mm

0

(mm)

-5

5
10
-15

-10

-5

0

5

10

97%-100%
94%-97%
91%-94%88%-91%
85%-88%82%-85%79%-82%
76%-79%73%-76%
70%-73%

15
15

(mm)

図 9.5.1.2 フラット光源 外観

図 9.5.1.3 相対輝度分布

さらに、照明装置の薄型化を目的として、より光強度の均一性に優れるフラット光源の外観を図 9.5.1.4に示す。反射ミラーの分割をこれまでの同心円形状から格子形状にすることで、設計の自由度を向上させ、より光強度の均一性を実現している。RGB を同時に発光させたときの輝度むらは 14％以下であり、反射ミ
ラーの分割を格子状にすることによる改善が確認できた。また、照明装置に求められる明視性、快適性を考
慮して、その照度分布の評価行った結果を図 9.5.1.5 に示す。照度分布に関しても均一性が確認できた。
有効範囲
1.2

30mm

30m
m

明るさ（相対値）

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

7mm

-40

図 9.5.1.4 フラット光源（格子状分割）

-30

-20

-10

0
距離[mm]

10

20

30

40

図 9.5.1.5 照度分布特性－529－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(c) 照明装置への応用例

フラット光源の特徴である、薄型・大面積・均一発光を利点とした照明装置への適応例を図 9.5.1.6 に示す。LED
光源の持つ長寿命という特徴を考慮し、光源の交換を前提としない埋め込み型の照明装置において、厚み 30 ｍｍの薄型化を実現している。面発光光源のため、低輝度でありながら高照度を実現している。また、今回は、RGBのフルカラー演出での適応例ではあるが、LED チップの変更により白色照明も可能である。

図 9.5.1.6 照明装置への応用例(4) まとめ

LED を用いた面発光光源の一つとしてフラット光源での検討を行った。照明装置の薄型化が期待できると同時に高照度・低輝度照明が実現できる。今後、LED 照明が普及するための課題である高出力化、低価格化とは別の、人体への安全性という課題に対する解決の一つの方法として有効である。今後は、照明計画全体
から光源へ要求される仕様の検討を行っていくとともに、照明装置としての完成度の向上し、実用化レベルを目指したより高品質な照明装置を実現していく。
（清本 浩伸）
参考文献(1) 綾部隆広、本間健次、清本浩伸、堤隆：“LED を用いた照明用光源の開発”平成 15 年度照明学会全国大会講演論文集 P186（2003）

9.5.2 有機 EL 素子を用いた面発光光源(1) 照明としての有機 EL

有機 EL の照明光源としての展開は、山形大学の城戸らによって 1993 年に白色発光有機 EL が実現されて以来 1)、現行光源では実現不可能な、超薄型、フレキシブル等の可能性を併せ持つ次世代面発光光源として盛んに語られてきた。蛍光灯を上回る高効率光源となる可能性を有するとともに、環境にやさしい有機材料を使用することから、水銀を用いる蛍光灯や冷陰極管に代わる環境適合型の光源として地球環境保護の観点からの期待も大きい。
照明光源には、対象物を明るく照らすことが求められる。このため、輝度、効率、寿命等、有機 EL の一－530－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

般的特性に加え、「光束」に関する議論が必要である。光束とは光源が発する光量であり、輝度と発光面積に相関する形で算出できる（発光面が完全拡散面である場合、光束（lm） ＝ π × 輝度（cd/m2）×面積（m2））
。
現行の主照明である蛍光灯は、輝度数千～1 万 cd/m2、電力効率約 100 lm/W、半減寿命 1 万時間以上という非常に優れた性能を有する光源であり、家庭用の照明には、たとえば 6,000 lm 程度の光束を放射するものが用いられている。
同等量の光束を有機 EL で得るには、たとえば 60 cm 角、輝度 5,000 cd/m2 という、大面積かつ高輝度発光が可能なものが必要である。同時にこの輝度に於いて、効率、寿命の要求特性を満たしていなければならない。しかし現在のところ、大面積有機 EL の報告例は少なく、有機 EL の大面積化は今後開発を必要とす
る技術課題である。また、高輝度域での効率、寿命は、
たとえば 1,000 cd/m2 で 10 lm/W、初期輝度 3,000 cd/m2からの半減寿命 5,000 時間が報告されている 2)程度に留まり、照明光源としての要求特性にはまだ及ばないと認識されてきた。
以上に基づき、ここでは有機 EL の照明用途への展開のための主たる課題である、高効率化、高輝度・長寿命化、大面積化の検討、および白色発光有機 EL の開発動向に関して述べる。
(2) 高効率化の検討

有機 EL の発光効率、
すなわち外部量子効率は、蛍光発光材料の内部量子効率（電気－光変換効率）が 25 %、
有機 EL 素子からの光取り出し効率が 20 %程度と見積られていることから、一般に 5 %程度と言われてきた
3)。しかし、外部量子効率 5 %時、白色発光有機 EL の電力効率はたかだか 15 lm/W 程度であるため、さらなる高効率化には内部量子効率、光取り出し効率それぞれの改善が必須である。
内部量子効率は、近年のリン光発光材料による改善が著しい。蛍光発光材料の 25 %に対し、理論的には内部量子効率 100 %の実現が可能であり 4,5,6)、
これまでの有機 EL 素子に比して 4 倍の効率向上が期待される。
事実、緑色リン光有機 EL 素子では、UDC（Universal Display Corporation）から 80 lm/W の高効率、初期輝度 1,000cd/m2 における半減寿命 15,000 時間という値 6)が報告されている。さらに、山形大学と光産業
技術振興協会からは、輝度 100 cd/m2 ではあるものの、90 lm/W 以上（外部量子効率 24%程度）の高効率緑色リン光素子が報告されている 7,8)。光取り出し効率が 20 %だとすると、内部量子効率 100 %を超えることから、究極の電気－光変換効率の実現を実験的に示唆したと共に、光取り出し効率の理論的上限値に対しても一石を投じた例であるといえる。
また、赤色リン光有機 EL 素子は、2004 年には携帯電話のサブディスプレイ用途に採用されるまでに特性が向上してきた。CIE 色度 (0.65, 0.35) で 18 cd/A の効率を有すると報告されている 6,9,10)。黄色リン光有機

EL 素子（CIE 色度(0.41, 0.58)）でも、71 lm/W という値が発表されている 10）。さらに、開発の遅れていた
青色リン光有機 EL 素子に関しても、ホール輸送材料、発光層ホスト、電子輸送材料全てをワイドエネルギ
ーギャップ化することによって、2005 年に城戸らのグループから実に 37 lm/W11)、42 lm/W12)という高い値が報告された。各色のリン光発光材料およびリン光有機 EL 素子が揃いつつある。
一方、光取り出し効率の改善でも大きな効率向上が期待される。基板モードの光取り出し、外部放射モードの増加、素子内導波モードの抑制・取り出しなど、各種の検討が行われており 13)、たとえば高効率緑色リン光素子と光取り出し手段との併用による 110 lm/W（輝度 1,000 cd/m2 時）もの高効率の実現 14)が、その一例であろう。
具体的な手段としては、基板表面にピラミッドアレイを形成することで基板モードの光を取り出し、1.66－531－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

倍に効率を向上させた例などが知られている 15)。素子構造の光学的適正化と併せ、取り出し効率 2 倍という値も最近発表された 16）。また、近年では、基板と電極間に散乱構造を設けることにより、最大 1.4 倍程度の光取り出し効率向上を実現したとの報告もある 17,18)。しかし、いずれの方法でも光利用効率は 40 %程度に留まる。今後の検討によるさらなる取り出し効率向上が望まれる。
(3) 高輝度・長寿命化の検討

有機 EL の寿命は、近年の材料の進化、デバイス技術の進歩により、蛍光材料系素子の場合、初期輝度 1,000

cd/m2 時、23,000 時間（青色）～100,000 時間（緑色）程度までに到達している。発光材料そのものの改良に加え、ホール注入材料、発光層ホスト材料、電子輸送材料など、周辺材料の改良による効果が大きいようである 19）。
一方、通電時の熱および電気的負荷を低減する観点から考えると、高効率化手段は同時に長寿命化手段とも言える。当初、前項のリン光材料を用いた有機 EL は、高い効率を有する（すなわち、低電流駆動が可能である）にもかかわらず、非常に短い寿命しか持たないものであったが、現在では、赤色素子、黄色素子共に 10 万時間（初期輝度：赤色素子 500 cd/m2、黄色素子 1,000 cd/m2）、緑色素子でも 40,000 時間（初期輝
度 1,000 cd/m2）と、蛍光有機 EL と同等もしくはそれ以上のレベルにまで達しつつある 6,10)。また、最近では青色リン光素子の寿命も、CIE 色度（0.16、0.37）、初期輝度 200 cd/m2 ではあるものの、10 万時間という値が報告されている。
前記の如く、一部の材料系では、10 万時間という値も発表されるようになった。しかし一般に、寿命は輝度（または電流密度）の 1～2 乗に反比例の関係にあるため 20）、照明用途で必要とされる数千 cd/m2 に於ける寿命は数千時間に留まり、もう一段の長寿命化が望まれている。
これに対し、デバイス構造の観点から、複数の発光層を導電層もしくは電荷発生層からなる中間層を介して積層した構造を有する有機 EL が提案された（図 9.5.2.1）21,22)。各発光層から発生した光が合算されて放射されるため、n 層の発光層を積層した場合には、一定電流での発光輝度は n 倍となり、あるいは一定輝度を得るための電流が 1/n となるため、高輝度かつ長寿命な有機 EL の実現が期待される。最近、4 層の発光層（青および橙）の積層構造からなる白色発光素子において、輝度 5,000 cd/m2 での推定寿命 30,000 時間
以上との発表もなされており 23)、実際に高輝度・長寿命の両立が具現化されつつあると言える。

陰極
・・・

中間層
基板

発光層
陽極

図 9.5.2.1 積層型有機 EL の構造－532－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

(4) 大面積化の検討

有機 EL ディスプレイでは、現在 40 インチまでの試作品が報告され（サムソン：2005 年 5 月 SID）
、サ
イズは 864×540（mm2）に達している。しかし、照明用有機 EL では、この種の大きなパネルの報告は少ない。照明用有機 EL では、大光束を確保するために高輝度・大面積での発光が要求されるが、一般に有機

EL 素子では高輝度発光を得るためには大電流を投入する必要があり、抵抗の大きな透明電極での電圧降下による発光のムラ、発熱による発光ムラや素子の破壊が問題となるためである。
近年 GE（General Electric）は、1 枚の基板内の発光面を複数に区分して直列接続したパネル構造を提案している 24)。直列接続によって、駆動電圧は増大するものの電流量を抑えることができること、直列接続中の一部の素子が短絡した場合にも、他の素子は発光し続けることが可能であることが特徴である。一方、前述の積層型素子も、均一な大面積発光を得るための手段の一つである。先の GE の構造がパネル内素子の直列接続であるのに対し、積層型素子は立体方向の直列接続と見なすことができる。駆動電圧が高くなるのに伴い電流量が小さくなるため、透明電極での電圧降下も小さくなり、発光ムラおよびロス電力が低減できる
こと、素子の総膜厚が大きいために欠陥に対する耐性が高くなることが本構造の特徴である 23）。
(5) 白色発光有機 EL、および照明用有機 EL の開発動向

白色発光有機 EL の最近の報告例を表 9.5.2.1 に示す。補色関係にある 2 色、もしくは 3 色の発光を混合することで、いわゆる白色発光有機 EL が得られる。最初の白色有機 EL にはポリビニルカルバゾール中に青・緑・橙の色素を分散した発光層が用いられた 1)が、その後は、複数の発光層の積層、分子間相互作用による発光のブロードニングを活用する方法、蛍光色素を用いた波長変換によって白色を得る方法、複数の発光サイトを有する発光材料の使用等、多様な白色化技術が提案されている 25)。最近では、新たな波長変換法
として、横型色変換方式（SC3M）も提案され、高効率な色変換と、光取り出し効率の向上が実現できるとされている 26）。また、前述の積層型有機 EL も、異なる発光色の有機 EL を積層することで白色化が可能であり、今後の白色有機 EL としての展開が期待される。
最近は、照明光源すなわち「対象物を照らすための白色光源」として、演色性が重視されるようにもなった。有機

EL の発光スペクトルは一般にブロードであるため、2 色混合の場合にも比較的演色性の良好な白色が得られるが、より高い演色性を得るための 3 波長発光型白色有機 EL や、色変換型有機 EL が最近多数報告されている。今後は、再現性良く高品位の白色発光を実現し、かつ駆動に伴う色変動を抑えた白色有機 EL の開発が必要であろう。
表 9.5.2.1 白色有機 EL の例－533－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

次に、実用化を意図した白色発光有機 EL の報告例を挙げる。松下電工は、2000 年の段階で 15 lm/W（輝度 100 cd/m2 時）の白色発光有機 EL を実現し 27,28)、小型 LCD 用バックライトへの展開を提案した。スタン
レー電気は、2 インチサイズのバックライト用白色有機 EL を提案している。光学フィルム等を併用し、正面輝度の向上を図っていることが特徴である 15,29)。豊田自動織機および NHK 放送技術研究所からは、数インチ
サイズのバックライト用、キャスターライト用白色有機 EL の提案がなされている 36)。厚み 0.3～0.5 mm という超薄型かつ 3 波長発光タイプの白色有機 EL を各種展示会で紹介し、バックライト用途に 2006 年の事業化を目指しているとのことである。キャスターライト用白色有機 EL は放送現場で実際に使用されている。

GE は、前述の直列接続構造の 15 cm 角有機 EL パネルを 16 枚並置した 60 cm 角サイズの発光器具を試作している。色変換層を用いて高演色性を実現している 34)。アイメスは、積層構造の白色有機 EL パネルを

FPD International 2003 や 2005 年のライティングフェア等で展示した。輝度数千 cd/m2 での連続点灯が可能であると報告されている。特にライティングフェアでは、4 色の発光層を含む積層構造の高演色性白色パネルが提案された。ごく最近では、2005 セミコンジャパンで東北デバイスが 1.8 インチの白色有機 EL を展示した。2006 年半ばから、携帯電話用バックライトとして量産の予定とのことである。
また、山形県米沢市の有機エレクトロニクス研究所では、県内外の多数の企業の参画のもと、2004 年より
照明用有機 EL の開発を開始している。当研究所で試作された積層型素子を用いた照明器具が、2005 年 3月のライティングフェアで展示された。松下電工、NEC ライティング、コイズミからは 12 cm 角のパネルを用いた照明器具として、アイメスからは 30 cm 角パネル（発光面 27 cm 角）としての展示であった。各社の展示品を以下に示す。有機 EL の特徴である、薄型、面発光を強調した展示であり、来場者の注目を集めていた。

図 9.5.2.2 松下電工の有機 EL 照明器具（薄型面光源）

図 9.5.2.3 NEC ライティングの有機 EL 照明器具（ステンドグラス・コースター）－534－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

図 9.5.2.4 コイズミの有機 EL 照明器具
（LED との組み合わせ）

図 9.5.2.5 アイメスの有機 EL パネル（大面積発光体・30 cm 角）

前記の大面積有機 EL パネルは、観測方位によって異なる発光色を示す特徴を有していた。積層型有機 EL
は、複数の発光層を素子内に有するが故に、各発光層の干渉挙動が重畳した比較的複雑な発光挙動を示すためである。これに対し、松下電工・アイメス・光産業技術振興協会 37)、スタンレー電気 38)は、干渉の主たる要因である反射型電極を透明電極に置き換え、
前述の角度依存性を低減した素子構造を報告している。
また、松下電工・光産業技術振興協会は、角度依存性を低減した素子をさらに改良した発光色可変な積層型素子の提案も行っている 39)。
なお近年は、各国で白色有機 EL の開発に関するプロジェクトが進められている。国内では、経済産業省
および NEDO プロジェクト「照明用高効率有機 EL 技術の研究開発（通称：有機のあかり）」を（財）山形
県産業技術振興機構が実施している 40)。輝度 5,000 cd/m2、半減寿命 10,000 時間、白熱灯より高効率な 20

lm/W が目標値である。米国では、GE や UDC、ロスアラモスナショナルラボラトリーなどが、それぞれエ
ネルギー省のサポートを受けて、照明用有機 EL の開発を推進している 41)。たとえば GE は、青色発光体＋複数蛍光体層（YAG、赤、オレンジ）で白色光を得、かつ低コストで大面積を作るために、高分子系ロール・
トゥ・ロール工法に特化した検討を行っているとのことである。目標値は輝度 1,000 cd/m2、寿命 20,000 時間であり、2010 年までに蛍光灯を上回る効率を実現することを目指している 42)。
ヨーロッパでは、OLLA プロジェクトが、2008 年までに輝度 1,000 cd/m2 における 50 lm/W、10,000 時間の白色発光有機 EL を実現すべく検討を進めている 40,43）。本プロジェクトへの参画メンバーは、Philips、
オスラム、Siemens、Novaled など 8 カ国、計 24 団体である。
(6) おわりに

有機 EL の照明光源化のために残されている課題はすぐに克服できるものではないが、今後の研究開発による着実な解決が見込まれる。当初は薄型面発光体、フレキシブル光源など、これまでにない特徴を有する
光源として展開され、技術開発の進展、性能向上に伴い、現行照明を置き換える主照明などへの用途展開が進むものと予想される。
（菰田 卓哉）－535－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
参考文献

(1) J. Kido, K. Hongawa, K. Okuyama, and K. Nagai: “White light-emitting organic electroluminescentdevices using the poly(N-vinylcarbazole) emitter layer doped with three fluorescent dyes,” Appl.
Phys. Lett., 64 (1994) 815. など(2) 豊田自動織機：CEATEC 2004 展示会場等での報告 公表文献なし(3) 筒井哲夫：“有機 EL 材料とディスプレイ、”シーエムシー、東京 (2001) pp. 27-39.
(4) 小田敦：“有機 EL の将来展望 –理論的観点から–、”応用物理学会有機分子・バイオエレクトロニクス
分科会第 9 回講習会、応用物理学会、東京 (2001) pp. 3-10.

(5) M. A. Baldo, D. F. O’Brien, Y. You, A. Shoustikov, S. Sibley, M. E. Thompson, and S. R. Forrest: “Highly
efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices,” Nature, 395 (1998) 151.
(6) J. Brown: “Phosphorescent OLED technology,” 有機 EL 材料の進化状況と実用化への歩み（ファインテック・ジャパン セミナー D3）(2005).

(7) S. Watanabe, N. Ide, J. Kido: “High efficiency green OLEDs having chemically doped chargetransport layers,” 2005 MRS Fall Meeting, D3.23 (2005).
(8) D. Tanaka, Y. Agata, H. Shimizu, T. Takeda, J. Kido: “High-efficiency green organic LEDs using
wide-energy-gap boron compounds as electron transport layer,” 2005 MRS Fall Meeting, D3.20 (2005).
(9) T. Tsuji, S. Kawami, S. Miyaguchi, T. Naijo, T. Yuki, S. Matsuo, and H. Miyazaki:“Red-phosphorescent OLEDs employing bis(8-quinolinolato)-phenolato-aluminum(III) complexes as
emission-layer hosts,” SID 04 DIGEST (2004) 900.
(10) UDC 社ホームページ：http://www.universaldisplay.com/pholed.htm(11) J. Kido, N. Ide, Y. Li, Y. Agata, H. Shimizu: “Application of electron-transporting wide energy gap
material for organic electroluminescent devices,” IQEC/CLEO-PR 2005, CWN1-2 (2005).
(12) S.-J. Su, D. Tanaka, Y. Agata, H. Shimizu, T. Takeda, J. Kido: “Pyridine-containing
triphenylbenzene derivatives as wide-energy-gap electron transport materials for high efficiency
blue organic LEDs,” 2005 MRS Fall Meeting, D3.21 (2005).
(13) 小田敦：“有機 EL ハンドブック、”リアライズ理工センター、東京 (2004) pp. 203-228.
(14) K. Leo, G. He, Q. Huang, K. Fehse, G. Schwartz, M. Pfeiffer, K. Walzer: “Highly efficient OLED for
displays and lighting,“ 2005 MRS Fall Meeting, D1.2 (2005).
(15) S. Tanaka, Y. Kawakami, Y. Naito: “Improvement of the External Extraction Efficiency of OLED by
Using a Pyramid Array,” SPIE Annual Meeting 2004 (2004) 5519-33.
(16) 小田敦：“照明用有機 EL の光取り出し技術の現状、”05-2 有機 EL 研究会、高分子学会、東京 (2005)
pp.14-15.
(17) H. Bechtel, W. Busselt, J. Opitz: “Subwavelength particle layers for improved light outcoupling of
OLEDs,”SPIE 49th annual meeting, 5519-34 (2004).
“有機 EL における協会構造による光取り出し効率の向上”、M&BE 研究会 Vol. 15, No.1 (2004) 51.
(18) 川上康之：(19) 細川地潮: “長寿命化に向けた有機 EL 材料の開発状況、” 有機 EL 材料の進化状況と実用化への歩み（ファインテック・ジャパン セミナー D3）(2005).
出光興産ホームページ：http://www.idemitsu.co.jp/company/news/news_2005/051017.html など－536－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(20) 佐藤佳晴：“有機 EL パネル、材料からの長寿命化（FPD International 2004 プレセミナー）、” 日経
マイクロデバイス、東京 (2004) pp. 3-1 – 3-16.

(21) J. Kido, T. Matsumoto, T. Nakada, J. Endo, K. Mori, N. Kawamura, and A. Yokoi: “High efficiency
organic EL devices having charge generation layers,” SID 03 DIGEST (2003) 964.
(22) 松本敏男：“有機 EL ハンドブック、”リアライズ理工センター、東京 (2004) pp. 263-274.
(23) 松本敏男：“マルチフォトン有機 EL 照明、”05-2 有機 EL 研究会、高分子学会、東京 (2005) pp.9-13.
(24) A. R. Duggal, D. F. Foust, W. F. Nealon, and C. M. Heller: “Fault-tolerant, scalable organic
light-emitting device architecture,” J. Appl. Phys., 82 (2003) 2580.
“有機 EL 材料とディスプレイ、”シーエムシー、東京(2001) pp. 241-257. など(25) 城戸淳二：(26) 飯田洋平、西田祐介、三上明義：“White-light-emitting organic devices with a side coupling color
conversion technique,” The 66th Autumn Meeting, JSAP, 7a-R-2 (2005) 1142.
(27) Y. Kishigami, K. Tsubaki, Y. Kondo, and J. Kido: “Bright, high efficiency white organic
electroluminescent devices,” Materials Research Society 2000 Fall Meeting, JJ8.1 (2000).
(28) Y. Kishigami, K. Tsubaki, Y. Kondo, and J. Kido: “High efficiency white organic electroluminescentdevices,” Asia Display / IDW’01, FMC 7-2 (2001), 659.
(29) 内藤裕治：“有機 EL ハンドブック、”リアライズ理工センター、東京 (2004) pp. 71-77.
スタンレー電気：CEATEC 2004 展示会場での報告 公表文献なし(30) A. Werner, J. Birnstock, M. Hofmann, S. Murano, M. Vehse, A. Lux, M. Limmert, A. Gruessing, J.
Blochwitz-Nimoth: “Charge transport layers doped with molecular donors and acceptors: Highpower efficiency and long lifetimes for display and lighting applications,” IDW/AD ’05 (2005) 581.
(31) B. W. D’Andrade, R. J. Holmes, S. R. Forrest: “Efficient organic electrophosphorescent
white-light-emitting device with a triple doped emissive layer,” Adv. Mater., 16, No. 7 (2004) 624.
(32) M. E. Thompson, P. Djurovich, J. Li, B. Ma, A. Tamayo, S. R. Forrest, B. W. D'Andrade, R. Holmes: “Heavy
metal complexes for monochromatic and white OLEDs,”SPIE Annual Meeting 2004 (2004) 5519-30.
(33) H. Kanno, S. R. Forrest: “High-Efficiency Stacked Organic Electrophoshporescent Devices,” 2005
MRS Fall Meeting, D3.4 (2005).
(34) GE Global Research 社ホームページ： http://geglobalresearch.com/04_media/news/20040304_oled.shtml
U.S. Department of Energy ホームページ：http://www.netl.doe.gov/ssl/highlights_ge.html(35) F.

So,

V.-E.

Choong,M.

Mathai,S.

Choulis:“Solution

Processed

SingleLayer

Electrophosphorescent Devices for Solid State Lighting,” 2005 MRS Fall Meeting, D1.6 (2005).
(36) 田中

功：“白色有機 EL 素子の放送用照明への応用、” Electronic Journal 第 81 回 TechnicalSymposium (2004) 131.
(37) N. Ide, J. Endo, J. Kido: “Emission characteristics and structures of multi photon emission organic
EL devices,” The 51st Spring Meeting, JSAP, 28p-ZQ-11 (2004) 1464.
(38) M. Horii, Y. Jinde, S. Tanaka, A. Ogawa, Y. Kawakami, Y. Naito: “White multi-photon emission
OLED without optical interference,” IDW ’04, OLED 3-2 (2004) 1293.
(39) N. Ide, T. Komoda, J. Kido: “Color-tunable multi photon emission organic LEDs with improved
emission characteristics,” 2005 MRS Fall Meeting, D2.10 (2005).

－537－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(40) NEDO 技術開発機構 パリ事務所：“NEDO 海外レポート No. 968”
(http://www.nedo.go.jp/kankobutsu/report/968/968-01.pdf)(41) 米国エネルギー省ホームページ：http://www.netl.doe.gov/ssl/pro_current_organic.htm(42) 江澤道広：“GE の白色有機 EL パネル用照明モジュール開発について、” Electronic Journal 第 117 回
Technical Symposium「次世代照明技術徹底検証－高輝度白色 LED vs. 白色有機 EL パネル－」(2005) pp. 109-127.
(43) OLLA プロジェクトホームページ：http://www.hitech-projects.com/euprojects/olla/ など

9.5.3 無機ＥＬ素子を用いた面発光光源(1) 直流 EL

茶谷産業（株）・（株）クラレから輝度 350000 cd/m2、寿命 25000 時間の青色発光する超高輝度の無機 ELが開発された（図 9.5.3.1）。直流電圧 3V 以上で発光し、5.5V で 600000cd/m2、約 8V で～2000000 cd/m2の輝度に達する。
試作品は 2 ｍｍ角の大きさであり、流れる電流は数十 mA である。
発光効率は 10～15 lm/Wである。蒸着膜が用いられているが、粉末でも輝度が低くなるものの発光することが確認されている。白色光源にするには、白色 LED と同様に高輝度青色発光 EL と YAG 系などの色変換用蛍光体を組み合わせる方式があるが、発光自体が白色発光する無機 EL 材料も開発されている。デバイスの特長が表 9.5.3.1 に示される。ガラス基板が使えるため、LED における単結晶基板を用いたエピ成長が必要なく低コストが期待できる。
さらに粉末の場合にはフィルム上に塗布すればよく、簡便に薄くフレキシブルな高輝度の面発光光源が得られ、液晶バックライトや照明光源にも大きな変革をもたらすと予想される。今後、白色光源としての演色性、発光効率、粉末塗布用のバインダなどの改善・開発が必要であると考えられる。

御提供：茶谷産業(株)・(株)クラレ

FPD International 2005（パシフィコ横浜）
図 9.5.3.1 超高輝度青色発光無機 EL 素子を用いた白色発光－538－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）
表 9.5.3.1 茶谷産業（株）
・（株）クラレのプレスリリース（2005 年 10 月 12 日付）
超高輝度無機青色 EL 材料と従来品の性能比較－1

輝度（cd/m2)

寿命（時間）

超高輝度無機青色 EL 材料

350,000

25,000 時間以上輝度変化なし

無機青色 EL 材料 （従来品）

100

30,000 時間（輝度半減時間)

有機青色 EL 材料 （従来品）

1,000

10,000 時間（輝度半減時間）

超高輝度無機 EL 材料と従来品の性能比較－2

発光エリア

発光輝度

超高輝度無機 EL

面

白熱灯

点

×

蛍光灯

面

○

発光ダイオード

点

無機ＥＬ

面

有機ＥＬ

面

発光効率

寿命

○
×

対環境
○

×
○

×

○

○～

○

×

○

○

○

○

○

×

○

(2) 交流 EL

蛍光体層に無機系の粉末蛍光体を用いた交流電圧駆動型の EL は EL シートと呼ばれ、厚みが 1mm 以下の薄いフィルム状のためフレキシブルに富む（図 9.5.3.2）。湾曲に対する機械的耐久性も高い。周波数 400～数千 Hz、数百ボルトの交流電圧を印加して駆動する。この電圧駆動型は直流駆動型に比べて大きな面積に有利と考えられる。用いられる粉末蛍光体はほとんど ZnS:Cu 系であり、青から緑の発光色を示す。水分による劣化防止のため、この粉末の表面は誘電体でコートされている。白色に発光させる場合は一般にはこの粉末に赤の発色材を混合する。電飾、インジケータ、安全確保のための夜間の作業服、夜間の非常灯などの用途が挙げられる。ノートパソコンや携帯電話の液晶バックライトにも使用されていたが、最近は LEDなどに置き換わっている。非常に薄いフレキシブルな面状光源であり、10lm/W 前後の高い発光効率を持っている。さらに印刷法のため面積も大きく作製でき安価であるなどの特長があるが、高輝度化、低電圧化、長寿命化などの課題を持つ。

Light
Film

Phosphor particle

ITO
Phosphor layer
Dielectric layer
Conductor

Coating material“Micro-capsulated”

図 9.5.3.2 EL シートの構造－539－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

最近では輝度や寿命が相当に向上しており、各社で材料・デバイスの技術改善や用途開拓が行なわれている。たとえば、富士フィルムから最大輝度 600cd/m2、平均演色評価数（Ra）が 80 と白色 LED に近い演色性を持つ EL シートが開発されている。色温度は 5400K である。初期輝度 600cd/m2 で連続点灯させた場合の輝度半減寿命は 1500～2000 時間、初期輝度 300cd/m2 の場合は 4000～5000 時間である。発光効率も20lm/W とかなり高く、駆動電圧が 100～200V、駆動周波数 1～2kHz の範囲で点灯する。600mm×980mmの A1 判をはじめ A2 判、A3 判、A4 判などのザイズができる。フォトフィルムの裏側に EL シートを配置
し、高い演色性の白色発光による色鮮やかな表示を実現している（図 9.5.3.3）１）。
（岡本 信治）図 9.5.3.3 EL シートをバックライトとしたフォトフィルム（IDW‘05/AD におけるデモ）
参考文献(1) K. Ogawa, Y. Tadakuma, K. Kawato, M. Nakanishi, Y. Miyashita and S. Yamashita: Proc. of the
12th Intern. Display Workshops in conjugation with Asia Display 2005, (Takamatsu-city)
pp.1605-1608.

－540－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

9.6 固体照明素子の生体安全性
9.6.1 固体照明の普及と生体安全性

21 世紀を迎え、色々な分野で固体素子の普及展開が期待されている。代表的な固体照明素子は LED（発光ダイオード）であるが、LED の発光効率が改善され、１素子あたりの光出力が大きくなってきて、一般照
明用への展開が期待されている。光源が一般照明用として使用されるようになると、多くの不特定多数の人が LED からの光の照射を受けたり、LED 光源を直視する機会が増加する。そのため、LED からの光の生体（特に人間に対する）安全性が重要な検討事項となってくる。
人体が光エネルギーの照射を受け、光を吸収すると、そのエネルギー（光子（フォトン）のエネルギー）
により、いろいろな作用を生じる。中でも波長の短い光は、構成する光子のエネルギーが大きく、人体に吸収されると何らかの光生物的作用効果、時には光生物的傷害を及ぼす可能性がある 1)。したがって、光環境で生活したり、光エネルギーを利用したりする場合には、光のエネルギーとしての諸作用についても注意を払い、必要があれば適切な対応措置、特に，安全確保のための管理をすることが重要となってくる。
表 9.6.1.1 に、光によって誘起される人体への傷害的作用の中の代表的なものを示す 2)～4)。
表 9.6.1.1 代表的な光の人体への傷害的作用のまとめ

CIE による波長区分

目

UV-C (100nm – 280nm)
UV-B (280nm – 315nm)

皮 膚
紅斑（日焼け）

光角膜炎

皮膚の老化加速
色素増強

UV-A (315nm – 400nm)

光化学性白内障

直接色素沈着Visible (400nm – 780nm)

光化学性および熱的網膜傷害

光過敏反応

IR-A (780nm – 1400nm)

白内障，網膜焼損

IR-B (1.4μm – 3.0μm)
IR-C (3.0μm – 1mm)

房水フレア，白内障，

皮膚焼損

角膜焼損
角膜焼損

以上のような状況に対応するために、光源からの光の安全性に関する国際規格制定の必要性が強くなり、IEC（国際電気標準会議）、ISO（国際標準化機構）、および CIE（国際照明委員会）において、関連の国際規格が制定された 5)。これらの国際規格の中で、LED 光源からの光の安全性と直接関連している代表的な規格は、次の 2 件である 6)，7)。

(1) IEC 60825 - 1–1993 : Safety of laser products－Part 1 : Equipment classification, requirements anduser’s guide(2) CIE S 009/E－2002 : Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems(1) は、レーザ製品からの光についての安全規格であり、(2) は，環境に使用される一般照明用光源からの光についての安全規格であるが、現時点（2006 年 1 月現在）では、いずれの規格の適用範囲にも LED が含－541－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）

まれている。
以下に、これらの各規格と LED 光源との関連性について述べる。
9.6.2 IEC 規格：IEC 60825 –1

IEC 60825 -1 は、IEC の TC 76 専門委員会（専門委員会名：レーザ装置）において原案作成され、1984
年に制定公布された規格で、レーザ装置の安全性を対象としている。制定当初には、適用範囲に LED は含
まれていなかったが、レーザの応用範囲が広がり、1993 年に適用範囲に LED が追加された。ただし、 LEDを追加するに当ってかなりの議論があり、また、1993 年の制定・公布後も LED に対する修正意見がいろい
ろと提出され、改正案も提案された。これらの議論の結果として、環境照明用の LED 光源を適用範囲から除外する修正内容を盛込んだ改正案が検討され、現在（2005 年）、加盟 NC 間で検討中である。
9.6.3 CIE 規格：CIE S 009/E

光と照明技術に関する国際組織である CIE（国際照明委員会）において、環境照明に使用する光源からの光に対する生体安全性規格が検討され、2002 年に CIE 規格：CIE S 009/E として制定・公布された。このCIE 規格の適用範囲には、“LED は含むが、レーザは含まない”と明記されている。
以上述べてきたような経過により、LED から放射される光の生体安全性のリスク評価については、適用される規格が 2 つ存在しているという状況になっている。しかも、この 2 つの規格は、それぞれの制定経過において、相互に連携を取る機会が全く無かったので、相互の規格の内容の整合については全く議論されてな
いまま、独立に制定・公布されてしまっている。
次に、これら 2 つの規格の LED 関連部分についての比較の概要を述べる。
9.6.4 LED の光の安全基準に関する IEC 規格と CIE 規格の内容と比較(1) IEC 60825 -1 の内容(a) 対象とする傷害の種類

対象とする傷害は、“過度の光の照射によって誘起される（人体への）病理学的作用（Pathological effects”とされ、表 9.6.1.1 に示したものが対象となっている。ただassociated with excessive exposure to light）
し、作用スペクトルや傷害の閾値は個々の傷害毎には論じてはいない。
(b) 作用スペクトル

前項により、個々の傷害毎の作用スペクトルは、規格上は明示されていない。
(c) 傷害の閾値

総合的に判断して、角膜と皮膚に対する MPE（maximum permissible exposure：最大許容露光量）を、波長区分毎および露光時間毎に表示している。
(d) AEL（accessible emission limit：被爆放出限界）

前項の MPE を基準にして、AEL を算出し、これを基準にして、対象レーザをリスク・グループ区分して
いる。

－542－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(e) リスク・グループ区分

AEL により、リスク・グループ区分を行っている。
(2) CIE S 009/E の内容(a) 対象とする傷害の種類

CIE S 009/E では、光放射による人体への生体的傷害の中で、現在までに生態的・病理的にある程度研究が進んでいる 10 種類の傷害を対象とすることとした。表 9.6.4.1 に、これら 10 種類の傷害についての概要をまとめたものを示す。
表 9.6.4.1 CIE S 009/E の安全性評価の対象となる光放射の人体に対する傷害的作用
対象波長域 [nm]基準物理量1. Actinic UV , skin & eye

200～400

有効放射照度2. Near UV, eye

315～400

放射照度

３．青色光網膜傷害

3. Retinal blue light hazard

300～700

有効放射輝度

４．青色光網膜傷害

4. Retinal blue light hazard,

300～700

有効放射照度

300～700

有効放射輝度

300～700

有効放射照度

380～1400

有効放射輝度

780～1400

有効放射輝度780～3000

放射照度

380～3000

放射照度

対象となる傷害の種類
１．皮膚と目の角・結膜に対する急性の傷害［紅斑，紫外性眼炎］
２．近紫外放射による水晶体への傷害［UV-A 白内障］

（発光部の小さい光源）(α≦0.011)(青色光網膜傷害(無水晶体眼の場合)）

傷害の英文名称－small source (α≦0.011)(Retinal blue light hazard,－aphakic eye)

(青色光網膜傷害（無水晶体眼の場合，(Retinal blue light hazard,

発光部の小さい光源）)－small source, aphakic)

５．網膜に対する熱的傷害

5. Retinal thermal hazard

６．網膜に対する熱的傷害（可視放射 6. Retinal thermal hazard,のほとんど無い場合）－weak visual stimulus

７．赤外放射による角膜および水晶体 7. Infrared radiation hazard,への傷害
８．皮膚の熱的傷害

eye
8. Thermal hazard, skin

ただし、実際の光源のリスク評価に当っては、CIE では、水晶体摘出手術をした人の目（いわゆる無水晶体眼）の網膜に対する傷害は、現在のところ、無水晶体眼の人は少数であるとの状況により、通常の環境におけるリスク評価においては対象外とすることとしている。また、青色光網膜傷害については、光源発光部の見込角の大小によって、評価条件を別に設定している。
（光源の発光部の見込角によって、表 9.6.4.1 のNo.3 または No.4 のどちらかを適用することとしている。
）したがって、実際的には、表 9.6.4.1 の 7 種類の傷害（1、2 および 5～8 と 3、4 のいずれか）について評価することとなる。

－543－
目次へもどる光技術動向-最終出力紙（平成 18 年 3 月 23 日提出）(b) 許容露光量

各種の国際規格や勧告を参考に、許容露光量の基準値を定めている。
(c) リスク・グループ分類

CIE S 009/E では、照明用光源を光生物的傷害度に応じて、4 グループに区分することとしている。区分
は、あくまで“傷害を生じる可能性がある（potential hazard）”、という考え方で区分する。
“必ずこの傷害が生じる”ということではないとしている。
表 9.6.4.2 に，CIE S 009/E に制定されているリスクグループ区分と区分のコンセプトを示す。
表 9.6.4.2 CIE S 009/E によるリスク・グループ区分と区分のコンセプト

グループ区分

区分のコンセプト
原則的考え方としては，結果的にどのような光生物的傷害も誘起する可能性の無いリスク免除

光源。具体的必要基準としては，例えば８時間の照射を受けても，目や皮膚に急性(Exempt Group)の傷害を与えることが無く，10,000 秒（2.8 時間）見つめても，青色光網膜傷害を生じることの無いような光源は，このグループ区分になる。
原則的考え方としては，通常の一般的行動条件での照射範囲内では，光生物的傷害

リスクグループ１を生じる可能性の無い光源。具体的必要基準としては，リスク免除グループのレベ［低リスク］

ルは越えるが，例えば，10,000 秒（2.8 時間）の照射を受けても，目や皮膚に急性（ＲＧ－１）の傷害を与えることが無く，100 秒間見つめても，青色光網膜傷害を生じることの無いような光源は，このグループ区分になる。
原則的考え方としては，高輝度に起因する嫌悪感や熱的不快感が無い場合でも傷害リスクグループ２を与える可能性のある光源。具体的必要条件としては，ＲＧ－１のレベルは越える［中リスク］

が，例えば，1,000 秒の照射を受けても，目や皮膚に急性の傷害を与えることが無（ＲＧ－２）

く，0.25 秒間見つめても，青色光網膜傷害を生じることの無いような光源は，このグループ区分になる。

リスクグループ３

原則的考え方としては，瞬間的な，あるいは非常に短時間の照射を受けても（ある［高リスク］

いは見つめても）光生物的傷害を生じる危険性のある光源。ＲＧ－２のレベルを越（ＲＧ－３）

える光源は，このグループ区分になる。

9.6.5 実際の LED 光源についての安全性評価の例(1) LED 光源に適用する国際規格

以上述べてきたように、現時点において、適用範囲に LED 光源を含んでいる“光源光の安全性国際規格”
としては，IEC 60825-1 と、CIE S 009/E の２件が規格化されている。前者は、LED 光源を使用した光学機
器の安全性を対象としており、後者は、その制定の背景からみて、環境照明用光源を主要な対象としている。

LED は今後，一般の環境照明用光源としての展開が大いに期待されている。既に述べた様に、環境用照明に使用する場合は、不特定多数の人間と関わる機会が多くなり，人体への安全性リスクの低減が重要な要件となる。そこで、実際の LED 光源の安全性リスク評価の一例として、市販されている白色 LED 光源について，後者の CIE 規格による安全性の評価を試みた 8)。結果を以下に紹介する。

－544－
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(2) 供試 LED 光源と評価条件

対象光源として、将来の環境照明用として大きく期待されている白色 LED 光源について評価を行った。

LED 光源の形状としては，最も標準化の進んでいる 2 色形（青色 LED＋黄色発光 YAG 蛍光体 の組合せによるもの）T-7/4 砲弾形 LED 光源（狭配光形）（サンプルは日本製）を選定した。測定・評価は、順方向電
流： DC 20 mA により実施した。
(3) 評価結果（リスクグループ区分）

表 9.6.5.1 に、供試白色 LED 光源の評価結果（リスクグループ区分）を示す。なお、表 9.6.5.1 には、参考として、従来の代表的環境照明用光源である蛍光ランプ（2 種類）の評価結果 9) を併記した。
表 9.6.5.1 CIES 009/E による市販白色 LED 光源のリスク評価結果（リスク・グループ区分）

傷害の種類

１．皮膚と目の角・結膜に対する急性の傷害［紅斑，紫外性眼炎］
２．近紫外放射による水晶体への傷害［UV-A 白内障］
３．青色光網膜傷害
４．青色光網膜傷害（発光部の小さい光源）(α≦0.011)
５．網膜に対する熱的傷害
６．網膜に対する熱的傷害（可視放射のほとんど無い場合）
７．赤外放射による角膜および水晶体への傷害
８．皮膚の熱的傷害

白色 LED（2 色形）（青色 LED＋YAG）（参考）蛍光ランプ
直管 40W 形

36W コンパクト形（白色）（三波長形）

ExemptExemptExemptExemptExemptExempt――ExemptExemptExempt――――ExemptExemptExemptExemptExemptExemptExemptExemptExemptExemptExemptExempt(4) 評価結果のまとめ

市販の白色 LED 光源を，CIE 規格により評価すると，表 9.6.5.1 に示したように，全ての傷害項目に亘り、Exempt Group（リスク免除グループ）に区分される。このことは、比較用に示した 2 種類の蛍光ランプと同等であり，市販の 2 色形白色 LED 光源は、従来の一般照明用蛍光ランプと同等の安全性リスクにより、
環境照明用として使用できる可能性があることが分った。
9.6.6 実際の傷害の症例との関連

以上、固体照明素子光源の生体安全性の現状の一環として、LED 光源の生体安全性リスク評価法について、関連する国際規格の内容を基に述べてきた。ただし、以上記述してきたように、国際規格におけるリスクは－545－
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あくまで“傷害を生じる可能性がある（potential hazard）”リスクである。国際規格によるリスク評価を更に実際的にするには、実際の LED 光源による傷害の症例や動物実験結果との対応が重要であると考えられるので、引き続き，総合的に検討を進めていく考えである。
（河本 康太郎）
参考文献(1) 照明学会誌・ＵＶ特集号，87-3，pp.118-125，（平 5）（昭 60）(2) 照明普及会編：光放射の応用Ⅰ，Ⅱ，照明学会，(3) 照明学会編：ライティングハンドブック，オーム社，（昭 62）(4) IESNA 編：IES LIGHTING HADBOOK 9th Ed., IESNA, （2000）(5) 河本 康太郎：光源安全基準の国際規格化（IEC & CIE 標準化）の動向、第 12 回、日本照明委員会大会予稿集、（平 10）(6) IEC 60825-1：Safety of Laser products － Part 1 : Equipment, classification, requirements anduser’s guide, （1993）(7) CIE S 009/E : Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems，（2002）(8) Kohmoto, K., Nakagawa, Y., Suzuki, K., Kondo, H.,: Risk Evaluation of LEDs with CIE
Photobiological Lamp Safety Standard, CIE Compte Rendu, 25th Session, ppD6-22 – D6-25 (2003)(9) Kohmoto, K. : Evaluation of Actual Light Sources with Proposed Photobiological Lamp Safety
Standard and its Applicability to Guide on Lighted Environment，CIE Compte Rendu, 24th Session,
pp305-309 (1999)－546－
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9.7 おわりに今年度は、白色 LED の発光効率が蛍光灯のそれを凌駕した記念の年となった。今後、固体照明が高品な光としての地位を確立するために、高効率化とともに演色性も求められるが、発光効率と演色評価数はトレードオフの関係にもあるため、これら両者の値を併記して素子性能を議論して行く必要があろう。
一方、有機 EL では素子の高寿命化が進んではいるものの、依然として電流密度と寿命のトレードオフの関係は実用上の大きなネックとなっており、素子間の優劣を議論しにくい原因ともなっている。今後の評価基準としての検討課題であろう。さらに、今年度は無機 EL において、35 万 cd/m2 という高輝度の素子が報告された。有機 EL と異なり高い輝度で比較的高い素子寿命（2.5 万時間）である事が特長である。この EL素子に対しては各機関からの興味が高いため、本技術報告でも公開されている特性が纏められた。しかしながら、材料や構造などについてまだベールに包まれているのが現状であり、今後の進展と情報公開を期待したい。
固体照明は、従来のガラス管球式の光源の単なる置き換えというよりは、素子のコンパクトさやテーラー
メードの調光などの特長を活かせて行く必要がある。そのためには、種々の蛍光体のブレンド技術、光学素子を用いた配光制御、放熱や耐劣化のためのパッケージング技術が今後益々重要になって行くであろう。
さらに固体照明素子を、照明デザイナーや芸術家が自由に工夫して実装できるために、コネクターの形状
や電力供給に関する技術標準が整備されることも期待したい。応用物理学スクールなどで、子供たちに LEDと電池を与えて光らさせてみると、感動の声が聞こえる。ひとに喜びと遊び心を持たせるツールとして、LED
チップをレゴブロック感覚で組み上げて行けるようなものは出来ないであろうか？
（川上 養一）－547－
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新 語 解 説－548－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

新 語 解 説 光材料・デバイス（第１分科会）○ 共鳴トンネリングダイオード【Resonant Tunneling Diode：RTD】： 量子井戸層の両側の障壁層が十分に薄い構造（二重障壁構造）を持つダイオード。量子井戸層内の電子は、トンネルにより障壁の外側に抜けることができる。一方の障壁から電子が入射した場合、もとの量子井戸に形成されていた量子準位に対応してもう一方の障壁を透過していく確率が、入射電子のエネルギーにより共鳴的に増大する。
○ FPGA【Field Programmable Gate Array】： ユーザーがプログラミングすることができる LSI のこと。
マイクロプロセッサや ASIC の設計図を送りこんでシミュレーションすることができる。
専用 LSI より動作が遅いが、ソフトウェアでのシミュレーションよりは高速である。
○ 量子ドット光半導体増幅器： 電子の 3 次元量子閉じ込めにより、原子と同様の離散的な準位を得ることを可能としたナノサイズの半導体微結晶を量子ドットと呼ぶ。この量子ドットに電子・ホールを電流注入し反転分布を生じさせ、光の増幅に応用したものが量子ドット光半導体増幅器である。利得非線形応答が高速（数ピコ秒）、広い利得帯域、 低雑音・高出力・低歪という特徴を持つ。
○ パラメトリック発振： 二次非線形効果を利用した 3 波混合過程はどの波長の光を入力光、出力光と考える
かによって和周波発生、差周波発生、パラメトリック増幅に分けられる。パラメトリッ ク発振器は一般にパラメトリック増幅器を共振器の中に入れた構成をしており、強い ポンプ光ω3 を入力し、非線形結晶を挟んだ共振器のなかでω1、ω2 の光を発振させる。希土類を使ったレーザの発振波長が狭い波長範囲に限られるのに対して、広範囲かつ連続的に波長可変できる応用上の利点がある。YAG レーザをポンプ光として用い、

1.5μm 帯の信号光と 3μm 帯のアイドラ光を発生させる例が良くみられる。
○ インナーストライプ（IS）型レーザ： p 型導電性積層構造の中に、n 型（または i 型）導電性電流狭窄層を挿入し、電流がレーザストライプ部分にのみ注入されるようにした半導体レーザ構造。電流注入されるストライプ部とその両脇の非電流注入部によって生じる利得分布により導波モードが形成されるため、従来は利得導波型レーザに分類され、多モード発振しやすい、非点収差が大きくなる、などから光ディスク用途には不適とされてきた。低屈折率の AlN を電流狭窄層に用いて水平方向の屈折率差を制御することで実屈折率導波型を実現、従来の欠点は克服された。電流狭窄構造が容易に形成できる、p 型
エピタキシャル層に対して低抵抗な電極が形成しやすい、などの利点もある。
○ 非極性 GaN： GaN で代表されるⅢ族窒化物半導体は、c 軸方向に一軸異方性を有することから、c 面にヘテロ接合を形成した場合、自発分極及び圧電分極が発生する。分極電場は発光素子の発光効率低下と波長シフトの原因となる。この解決のためには c 軸に平行な面（a 面または m 面）にヘテロ構造を形成することが有効であるが、c 軸以外の結晶面へのエピタキシャル成長は容易では無い。近年、c 面上の－549－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

横方向成長技術を発展させた a 面または m 面への成長技術、即ち、非極性面 GaN 成長技術が進歩している。また、半極性面成長と呼ばれる量子井戸面に垂直な方向に分極が極めて弱くなる面方位への成長技術も進展している。
○ ITLA-MSA (Integratable Tunable Laser Assembly - MSA)： Optical Internetworking Forum（OIF）で制定された光通信用波長可変光源アセンブリの Multi-Source Agreement（MSA）。波長可変光源が 300
ピントランスポンダに容易に実装可能となるよう、制御信号プロトコル、光学特性、電気的特性、機械的特性、電力供給、サイズ等に関する規格を定めたもの。この標準化により、波長可変光源を装備した
小型トランスポンダの普及が期待されている。
○ 曲げフリー光ファイバコード： ホーリーファイバ (Holy fiber)等の技術を活用して導波路コアに強く光を閉じ込め、また、ファイバ被覆にも柔軟性の高い材料を使用することで、数 mm の曲率半径でも使用可能とした光ファイバコード。従来の光ファイバを使用する際には、光伝搬における曲げ損失を発生させないよう曲率半径を数 cm 以上に保つ必要があった。曲げフリー光ファイバコードを用いることにより、宅内光配線等における狭い場所への光ファイバの設置作業が容易になるものと期待されている。
○ テラヘルツ波： ミリ波からサブミリ波を経て、遠赤外線までにわたる帯域の電磁波を広くテラヘルツ
電磁波またはテラヘルツ光と呼ぶ。周波数 100 GHz～10 THz（波長 3 mm～30μm）の範囲を指す事が多い。
この帯域は電波と光波の中間に位置しており、電波の様に、紙、プラスチック、繊維など様々な物質を透過するとともに、光波の様に、レンズやミラーで空間中の伝搬方向を自在に取り廻す事が出来る。
大気中では、主に水蒸気によって吸収されるが、水蒸気吸収線を外した窓領域の周波数を用いれば、ある程度の距離の伝搬は可能である。
これまで、マイクロ波帯域と赤外線領域については、それぞれ電子工学と光学技術が発達してきたが、その狭間のテラヘルツ領域については、産業的な利用が立ち遅れていた。しかし、1990 年代初頭よりフェムト秒光パルスを発振する固体レーザが市販されるようになり、これを利用したテラヘルツ波の発生や検出の研究が盛んに行われるようになった結果、現在では、パルステラヘルツ波を使った時間領域分光法が既に実用され、また、様々な試薬類に固有の吸収スペクトルがテラヘルツ帯で見出されたことか
ら、物質分析への活用が期待されている。テラヘルツ波は、その透過性や比較的短い波長を持つことによる充分な分解能といった利点を有するため、イメージングへの利用についても検討されており、更に、
例えば近距離に限った伝搬を逆に利点とした、通信等への応用にも関心が高まりつつある。

－550－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

 光通信ネットワーク（第２分科会）○ 予等化技術： 光伝送システムにおいて、光ファイバの分散特性による信号波形劣化を送信端局の電気信号処理により補償する技術。受信端局で電気等化する場合、通常のフォトディテクタを用いた直接受
信では光信号の位相情報が失われてしまうため、等化できる分散量には限界があったが、送信端局で等化することにより、光信号の位相も制御することが可能となり、等化量が大幅に改善される。非線形光
学効果の影響が小さい光伝送システムでの有効性は確認されているが、非線形光学効果の影響が無視できない光伝送システムへの適用性については見解が分かれている。
○ CEI（Common Electrical Interface）： 2004 年より OIF（Optical Internetworking Forum）にて、制定されてきた電気インタフェースの規格（2005 年 2 月終了）
。伝送レートは 6 Gbps と 11 Gbps、伝送距
離は 20 cm と 1 m の各二種を規定（伝送レートと距離別で合計 4 規格）。
規定内容は、
SFI（SerDes Framer

Interface）、SPI（System Packet Interface）、TFI（TDM-Fabric to Framer Interface）の以上 3 つから成る。
用途は、高速バックプレーン、チップ間接続、チップ-光モジュール間接続。CEI にて電気インタフェースの高速化が図られる結果、信号ピン数のボトルネックが軽減されることが期待されている。
○ SBS（Stimulated Brillouin Scattering）抑圧ファイバ： 屈折率分布やドーパント分布により、通常のファイバよりも SBS 閾値を向上させた光ファイバ。ファイバにハイパワーが入射した際に発生する SBSによる信号劣化を抑制する機能を有する。データ通信に比べて高パワーが必要となるアナログ映像配信
システム用の線路としての適用が検討されている。
○ WiMAX： WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）は、2GHz～11GHz の周波数帯を用いる高速無線通信技術であり、固定回線を無線で置き換える用途（標準規格: IEEE802.16-2004）と移動体通信用途（標準規格：IEEE 802.16e）がある。WiMAX の伝送速度は固定、移動の用途ともに
最大 75 Mbps とされており、伝送距離は固定用途で 10 km 程度、移動用途では数 km から 5 km 程度であり、いわゆる“ラスト・ワンマイル”の高速通信技術、および、高速な移動体通信技術として注目さ
れている。

－551－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出） 光メモリ･情報処理（第３分科会）○ ジアリールエテン： 十数年前に開発された代表的なフォトクロミック分子の一種。他にスピロピラン
系、フルギド系、アゾベンゼン系などのフォトクロミック分子が良く知られているが、ジアリールエテ
ン系分子は他の分子材料に比べて光異性化反応の繰り返し耐久性、両異性化状態の安定性が極めて優れていることが特徴である。光異性化反応に伴う吸収スペクトル（色）、屈折率などの光学物性変化以外に、
イオン化ポテンシャルなどの電子物性変化や、その他様々な物性変化が生じ、それらを利用するデバイスの研究が最近活発化してきている。
○ ヒートモードマスタリング： レーザーの照射により直接・間接にレジスト材料を加熱し、その加熱により現像時に溶解速度差を作る（もしくは、ドライエッチング時に選択比をとる）化学反応を起こさせるマスタリング方法。加熱具合の調整により加熱範囲を小さくすることが可能であり、照射ビームの直径より微細なパターニングが可能となる。また、熱による反応のためレジスト材料の選択幅も広い。反
射率変化を起こさせる相変化型の書き換え光ディスクの技術を、凹凸を作製するマスタリングに適用した例といえる。
○ SIL 型近接場光ディスク： 対物レンズを記録媒体表面から数 10 ナノメートルの距離に近接させることで発生する光を用いて記録再生を行う光ディスク。この近接場状態でのみ観察される光は“近接場光”と呼ばれ、対物レンズの端面で全反射する光の成分を有する。この近接場光を用いることで、従来の光ディスクでは不可能であった 1 を超える開口率が達成され、より高密度な記録再生が可能となる。特に、全反射光を得るために半球もしくは超半球形状からなるソリッドイマージョンレンズ（Solid Immersion

Lens: SIL）を用いたものを“SIL 型近接場光ディスク”と呼んでいる。近接場光ディスクを実現する有力手段の一つとして、注目されている。
○ ZPET： 零位相差トラッキング（Zero Phase Error Tracking: ZPET）。フィードバック制御系の閉ループ伝達関数の逆数をフィードバック制御系の前に置くことで、制御性能を向上させる手法である。閉ループ伝達関数の逆数を算出するときに不安定零点の影響を考慮し、安定かつ全周波数で位相遅れがない
ことが特徴である。フィードバック制御系では抑制しきれない周期外乱を抑制する一つの手法として提案されている。
○ スーパーレンズ： スーパーレンズは、super-resolution near-field structure（Super-RENS）であり、1998 年に工業技術院産業技術融合領域研究所（現：産業技術総合研究所）で提案された光ディスクの高密度化技術で、光ディスク媒体に導入した機能性薄膜に、読み出し光で近接場プローブを可逆的に作り出し、解像限界を超える微小な記録ピットを読み出すことを目指した。現在は、第３世代と呼ばれ、超解像読み出しは、相変化膜における２次相転移による光学特性変化を利用していると考えられている。
この第３世代の開発で、解像限界の 1/3 のサイズまで読み出すことが可能となり、単一信号強度だけでなく、ランダムパターン等によるジッターや BER の評価が可能となっている。現在、write-once 型とROM 型のディスクの研究が進められており、次々世代の光ディスクの候補の１つになっている。

－552－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

 ディスプレイ（第４分科会）○ 点灯書き込み（書き込み）： 全画面を消去状態にするリセットの後、必要なセルを点灯状態にするためマトリクスを形成するアドレス電極と走査電極の間で選択放電（書き込み／選択）を行い、そのセルを維持期間に発光させる駆動。
○ 消去書き込み（選択消去）： 全画面を点灯状態にするリセットの後、不要なセルのみ消去状態にする選択放電（書き込み／選択消去）を行い、必要セルのみ維持期間に発光させる駆動。
○ リセット： パネル全面の画素を、同一の放電状態にする（初期化する）ために行う放電動作で、パネ
ル全体を点灯状態（維持波形を加えると放電する状態）か消去状態（維持波形を加えても放電しないる状態）のいずれかに揃える。一般に全走査電極と維持電極の間で高い電圧を加えて行う。ランプ波形を用いることが多い。
○ 動き補償倍速表示： 動画用ディスプレイにおいて、入力信号のフィールド（フレーム）周波数を、フレームメモリ等を利用して２倍に変換してから表示する方法を倍速表示と呼び、変換の際に、動き補償技術を利用することにより画像の動きを内挿した中間のフィールドを生成して倍速化する表示方法を動き補償倍速表示と呼ぶ。もともと倍速表示は、フリッカ（ちらつき）の目立ちやすい欧州のフィールド
周波数 50 Hz の CRT テレビ受像機において、フリッカを解消するために開発された。50 Hz や 60 Hz
を２倍の 100 Hz や 120 Hz に変換して表示すればフリッカは見えない。しかしこのときに、各フィールドの信号を単に２回繰り返して倍速表示すると、動きがギクシャクしたり２重に見えたりしてしまう。
これを改善する目的で動き補償技術が導入された。近年、この表示方法が液晶ディスプレイの動きぼやけの改善にも有効であることが明らかになり、2005 年には液晶テレビ製品に導入された。

 ヒューマンインタフェース（第５分科会）○ CMOS イメージセンサ： 特殊な製造工程を必要とする CCD に対して，LSI に広く用いられている

CMOS プロセス技術をベースとして製造されるイメージセンサ。
CCD に比べると低消費電力化が特徴。
○ APS： Active Pixel Sensor の略。画素内に増幅用のアンプトランジスタを持つイメージセンサのこと。
現行の CMOS イメージセンサの殆どがこの方式を採用している。APS には画素内トランジスタ数に応じて 3-Tr 型と 4-Tr 型がある。4-Tr 型はトランジスタが 1 個多いため画素縮小には不利であるが、低ノイズ化に有利であるため、高 SN の CMOS イメージセンサは殆どがこの方式をとっている。
○ 減災： Disaster Mitigation。これまでの災害対策はハードウェアによる「災害発生を防ぐ」ことに重点を置いていたが、阪神淡路大震災を機に、災害を完全に防ぐことが無理であり、どうしても発生してしまう被害を最小限に抑えることが重要であるとの認識が広がり、「減災」という用語が使われるように－553－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）なった。減災で重要なことは、災害が予想される場合には「何よりも避難する」ということであり、そのためには情報が非常に重要であると考えられている。減災の視点から、最近では情報系の研究者・技術者の災害対策への関りが活発になってきている。
○ 避難勧告： 災害が予想される場合に行政から出される情報には３種類ある。それらは①避難準備勧告（危険予想地域の住民に対し、避難のための準備と事態の周知を行う）、②避難勧告（当該地域又は土地、建物などに災害が発生するおそれがある場合に避難を呼びかける）、③避難指示（状況がさらに悪化し、避難すべき時機が切迫した場合、又は災害が発生して現場に残留者がある場合に避難を命令する）、である。一般的な言葉としては「勧告」より「指示」の方が弱く受け止められるが、実際には逆であり、このことが、避難率が低い理由のひとつとして指摘されている。行政の言葉で伝えるのではなく、住民にとって理解しやすい表現が求められる。ちなみに、現在は「避難命令」という正式な呼び方はない。
○ 歩行者顔照合： 監視カメラで撮影した歩行者の動画から顔の画像を切り出し、データベースに登録してある人物と一致するかどうかを割り出す。立ち止まらずに本人認証できるため、オフィス、マンショ
ンの入退出管理や、空港、駅の社会システムの本人確認に使える。
○ 静脈認証 ATM： 手のひら、指など、体内の静脈血管の構造から本人を確認するバイオメトリクス認証（生体認証）に対応した ATM（現金自動預け払い機）。非接触型の読取り装置を日立製作所製や富士通が開発しており、2010 年までに銀行や郵便局に約 65,000 台が導入される。
○ 手ブレ補正： デジタルカメラなどに搭載された、低照度被写体を撮影する際のシャッタースピードが遅くなるために発生する手ブレを補正する機構。銀塩フィルムカメラの時代にも、長焦点レンズ、ズー
ムレンズに搭載されていたが、デジタルカメラの普及にともない、特に高画素センサの搭載による露光
光量不足の問題を解消するために多用されている。大きくは、ハードウェアの工夫でおこなう方法、ソフトウェアで対応する方法がある。ブレ量に対応してレンズの一部を動かし CCD の同じ位置に結像させる方式、光学系のモジュール全体を動かし CCD の同じ位置に結像させる方式、レンズは固定で CCDを動かし同じ位置に結像させる方式、さらに、メカニカルな駆動機構を入れるのが難しい携帯電話のカメラなどに活用されている、複数枚を撮影しズレ量を計算して画像を合成する方法、さらに、撮影時は特に制御をしないで、カメラに搭載されたジャイロセンサの加速度データから撮影後に画像を補正するなどの方法がある。
○ ひとり暮しの高齢者の安否確認サービス： 住居やベッド、家電機器に設置したカメラやセンサで、単身高齢者の日常生活の変化を離れて暮らす家族の携帯やパソコンなどの情報機器に伝えるサービス。親が急病や事故にあった場合の連絡を家族に自動的に知らせることで、親子の不安を解消する。
○ サービスロボット： 清掃、搬送、警備・案内、メンテナンス、災害救助、家屋床下点検などの、お手伝いロボット、人間協働型組立ロボット、危険区域での迅速作業支援ロボットや、リハビリ、自立動作、介護動作を支援する福祉・介護ロボットなどが考えられている。

－554－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出） 太陽光エネルギー（第７分科会）○ シースルー(タイプ）太陽電池： 半透明の太陽電池。大半は薄膜太陽電池の一部に自然光を取り入れる
スリットを入れた太陽電池。自然光の透過率は 10 %、20 %が標準品。

－555－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

索

引

－556－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）

索

引

１

Ｇ

10Gb/s-SONET .............................................................. 19

GaAs ................. 12, 14, 15, 28, 29, 44, 45, 56, 58, 65, 429

10GBASE-LRM .............. 21, 113, 115, 117, 156, 157, 158..................................................................430, 431, 432

10GBASE-T ......................................... 116, 156, 157, 158

GFP...............................................................149, 150, 160

３Ｈ

３原色 ............................................................................. 69

HCFL-BL..............................................................227, 228
Hg1-xCdxTe ...................................................................11Ａ
Ｉ

AlGaInAs ................................. 19, 20, 21, 22, 45, 72, 429
AMOLED ............................................................. 241, 243

InAlGaN .......................................................60, 61, 62, 63

Annulus detection........................................................ 204

InGaAsP ..................................... 19, 20, 21, 25, 42, 43, 45

APP .............................................................................. 203

InGaN............... 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 72, 264.......................................... 427, 451, 452, 453, 486, 514

APS............................................................... 300, 301, 553

ITLA .................................................................16, 18, 550
Ｂ
Ｌ

Blu-ray Disc ..167, 170, 173, 174, 175, 178, 179, 185, 186

LAN/PHY ............................................................. 113, 114..................187, 195, 197, 201, 202, 203, 207, 214, 215

LCAS ....................................................................150, 160
Ｃ

LED-BL ................................................................227, 228

CCD.......299, 300, 301, 302, 304, 305, 306, 321, 322, 323

LIFLET.........................................................................266..........................324, 325, 326, 328, 354, 450, 553, 554

ＭCCFL-BL.............................................................. 227, 228
CEI ..........................................74, 118, 125, 159, 161, 551

MEMS.......... 17, 19, 73, 107, 109, 110, 111, 112, 290, 449

COD.......................................................................... 56, 58

MPRT ... 224, 235, 236, 274, 275, 276, 277, 281, 282, 283

CWDM ..........................................22, 41, 88, 90, 117, 121

MSA.............................................. 113, 123, 124, 459, 550

Ｄ

Ｎ

DOADM ................................................................108, 111

Nd YAG............. 2, 133, 356, 357, 358, 359, 360, 361, 363

Ｅ

ｎ型基板シリコンセル...................................................408.............................................. 365, 367, 376, 379, 380
EBR .............................................................. 170, 171, 172

Ｏ

EBU...................................................................... 228, 270
EDC...................................................23, 24, 115, 117, 161

OADM........................................................... 107, 108, 111

EMI ................................................................................ 32

OC-192.............................................................. 6, 116, 118

E-NNI................................................................... 160, 161

OC-768..........................................................................117
OCDMA ..............................................................83, 85, 86

Ｆ

OIF.................. 74, 125, 158, 159, 160, 161, 162, 550, 551

F4-TCNQ ..................................................................... 241

OXC ........................................ 74, 101, 102, 103, 107, 108

FBG .............23, 89, 90, 357, 381, 382, 383, 385, 387, 388

Ｐ

FSK ........................................................ 23, 24, 25, 84, 85

PASMO.........................................................................316
Pb1-xSnxTe ....................................................................10－557－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
PbS ................................................................................... 9アドバンスドプッシュプル ...........................................203

PbTe ........................................................................... 9, 10

アモルファスシリコン... 359, 361, 405, 406, 409, 417, 418

PEDOT/PSS......................................................... 244, 245..........................................................................420, 442

PMOLED ..................................................................... 241

アンクールドレーザ ..................................................19, 21

POADM........................................................................ 108
poly-Si .......................................................... 359, 361, 362

いPON.......................................... 73, 83, 85, 87, 89, 90, 148

イーサネット.......... 74, 91, 94, 95, 113, 114, 115, 116, 117

ｐ型基板シリコンセル .................................................. 408.......................... 119, 123, 155, 156, 157, 158, 160, 161
イオン性色素.............................................................48, 49

Ｒ

インクジェット法..................................................244, 245

RFID（無線 IC チップ）.............................................. 315

インテグラルフォトグラフィ........................................266

ROADM.................................................... 17, 73, 101, 108

インナーズーム .....................................................325, 326

RoF ........................................................................... 83, 88

インナーストライプ ..............................56, 57, 58, 72, 549

R-SOA ...................................................................... 84, 85
うRZ ..............................24, 25, 26, 75, 76, 77, 79, 80, 82, 89

ウェアラブル.........................................................330, 342

Ｓ
SEM ............................................. 168, 169, 172, 190, 373

えSIL.........................164, 165, 166, 189, 191, 192, 221, 552

エッチング ...... 57, 168, 169, 187, 195, 197, 206, 210, 247

SONET.......................... 101, 107, 113, 116, 117, 124, 160.................................................. 393, 416, 449, 450, 552
エネルギー伝達 .............................................................495Ｔ

エレクトロルミネッセンス .............................69, 230, 497

TFT........224, 226, 228, 229, 231, 232, 255, 258, 263, 272
お..................................276, 280, 359, 361, 362, 363, 365

オートフォーカス..................................................325, 326

Ｕ

おサイフケータイ..........................................................316

UNI .............................................................. 159, 160, 161

お手伝いロボット..................................................351, 554

Ｖか

VCAT.................................................................... 150, 160

カールコード.............................................................39, 40
ガスセンサ ........................................................................9Ｗ

ガス粘性力 ....................................................................443

WAN/PHY .............................................................113, 116

カプセル内視鏡 .............................................................304

WiMAX........ 73, 83, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 551

カメラ ................... 133, 220, 235, 236, 264, 265, 266, 274

Ｘ.. 319, 320, 321, 322, 323, 325, 326, 328, 331, 332, 333.. 275, 278, 281, 284, 290, 299, 300, 304, 312, 316, 318.. 334, 336, 342, 343, 344, 348, 350, 351, 352, 354, 388

XENPAK .............................................................. 123, 124..........................................................420, 450, 525, 554

XFP .............................................................. 118, 123, 124

カメラモジュール..........................................325, 326, 354

xvYCC .................................................................. 227, 278

カラートラッキング ..............................................229, 280
カロリメータ.........................................................378, 379

Ｚ
ZnS-SiO2 ...............163, 168, 169, 184, 195, 206, 207, 214

きZPET .................................................................... 203, 552

キンク .......................................................................56, 57

あく

アーカイバル保存 ......................................................... 217

クラスタ衛星.................................................................136

アクティブ・マトリックス式有機 EL .......................... 241

グリーンレーザ ............. 355, 359, 360, 361, 362, 364, 365－558－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
グローバル・ハウス...................................................... 288

デュオバイナリー............................................................23
テラヘルツ .............. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 71, 455, 475, 476

こ..................................................................477, 479, 550

コリニア ............................................... 167, 175, 176, 193

テラヘルツ波パラメトリック発振器 .................................3

コリニア方式 ........................ 163, 164, 165, 167, 175, 193

なコレステリック方式...................................................... 254
コンテンツ.............106, 108, 175, 216, 218, 220, 221, 222

ナノコンポジット法 ......................................................435......................................... 227, 289, 294, 296, 336, 337にコンパクトカメラ ................................................. 322, 328

ニオブ酸リチウム（LN） ...............................................12

さサービスロボット ......................................... 351, 352, 554

はサーモプラスチック...................................................... 208

バーストモード CDR ......................................................54
はいかい老人.................................................................350

しハイブリッド・バックライト................................227, 228

ジアリールエテン ................................. 208, 212, 213, 552

ハイブリッド構造..........................................................270

シースルー(タイプ）太陽電池 ...................................... 555

パターンエッジ .....................................................168, 169

シグナリングプロトコル....................................... 144, 160

バックライト点滅..........................................224, 272, 273
パッケージメディア .............. 164, 175, 177, 216, 220, 221

す

パッシブ・マトリックス式有機 EL ..............................241

スーパーレンズ............................................. 165, 210, 552

バッファー層...........................................................60, 241

ストリーマ放電..................................................... 448, 449

パラメトリック発振器...............................................12, 71

スパッタ法............................................ 269, 270, 452, 471

バルクヘテロ接合..........................................................439
ハンドヘルドディスプレイ ...........................341, 343, 344

たひ

ダイヤモンド SIL ......................................... 164, 191, 192

ヒートモードマスタリング ........... 163, 167, 168, 169, 552

ダスト ................................................... 293, 442, 463, 520

ヒートモード記録.......................... 168, 169, 205, 206, 212

タンタル酸リチウム（LT）............................................ 12

ビデオシースルー..........................................341, 342, 343

タンデム型太陽電池...................................................... 423
タンデム太陽電池 ......................................... 452, 453, 454

ヒューマンインタフェース ...................256, 299, 354, 553

ちふ

チップサイズ ........................ 259, 304, 328, 485, 489, 490

ファイバチャネル.......................................... 118, 119, 124
フィルタ.......... 6, 16, 17, 23, 24, 25, 75, 76, 80, 83, 84, 86

チップ間伝送 ...................................................... 30, 31, 32.. 108, 123, 157, 202, 227, 242, 269, 274, 275, 278, 279.......................... 290, 301, 323, 379, 380, 443, 457, 494てフェニックス・システム ...............................................312

ディスプレイ .........1, 68, 69, 164, 207, 216, 219, 220, 223

フォーメーションフライト ...........................................136.. 224, 230, 233, 234, 235, 236, 240, 241, 242, 243, 245

フォトエレメント..................................................321, 328.. 246, 248, 249, 251, 254, 255, 256, 257, 263, 264, 265

フォトクロミック.......... 164, 205, 208, 209, 212, 213, 214.. 268, 269, 270, 271, 272, 275, 276, 277, 278, 279, 280..........................................................................483, 552.. 284, 285, 286, 287, 290, 292, 298, 299, 330, 332, 334

フォトニックネットワーク ....... 17, 32, 33, 72, 73, 74, 101.. 335, 337, 338, 339, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 355.................................................. 102, 103, 109, 158, 160.. 376, 379, 398, 445, 448, 460, 486, 491, 494, 503, 512

フォトルミネッセンス...............................................61, 62..........................513, 520, 528, 531, 533, 536, 537, 553

プラズマ化学気相堆積法 .................................................67

ディスプレイ技術 ................. 299, 340, 341, 342, 345, 354

フリッカ................................................225, 272, 273, 553

テーパープロファイル .................................................. 169

ブリルアン OTDR.................................................386, 387

デジタルカメラ..............230, 278, 286, 299, 300, 302, 321..................322, 323, 324, 325, 326, 328, 354, 525, 554－559－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
フレキシブル .............2, 34, 36, 48, 72, 237, 246, 255, 256

ユニバーサルデザイン携帯電話機.................299, 338, 354..........257, 270, 271, 405, 406, 417, 418, 420, 422, 423

ユビキタス .................... 91, 93, 94, 95, 125, 299, 315, 318..................424, 428, 434, 438, 440, 530, 535, 538, 539..................................................................330, 339, 354

フレキシブル EL .................................................. 268, 270

ユビキタス社会 .....................................................315, 316

フレキシブル光配線.................................................. 34, 37
フレネルレンズ............................. 427, 428, 430, 431, 432

らブロードバンドネットワーク ................. 73, 299, 315, 354

ラインカード...........................................................30, 101

プロジェクションディスプレイ............ 223, 298, 341, 344

ラマン OTDR ........................................................386, 387

プロジェクタ .................226, 258, 259, 260, 261, 262, 263

ラマンクロストーク ........................................................87..........273, 274, 275, 276, 278, 279, 285, 288, 290, 292..........293, 294, 295, 296, 298, 330, 331, 332, 333, 334

り................................................. 335, 336, 339, 344, 491

リセット........................................................235, 302, 553

プロファイリング ......................................................... 317

リッジ ........................................... 12, 14, 56, 57, 157, 294

へる

ヘッドマウントディスプレイ ....................................... 340

ルーティングプロトコル .......................................144, 160

ほれ

ボード間伝送 .................................................................. 30

レーザアニール .............................................355, 359, 360

ホーリーファイバ ......................................... 140, 141, 550

レーザパルスエネルギー ...............................................379

ホールド型............................................ 224, 263, 272, 281

レプリケーション..........................................163, 167, 186

ホモジナイザー............................................................. 428
ポリトピック ................................................................ 193

ろポリマー光導波路 ................................... 34, 35, 36, 37, 72

ロールツーロール..................................245, 417, 418, 420

ホログラフィック ROM................................ 175, 176, 177
ホログラムメモリ ................................. 164, 193, 198, 208

わまワイドバンドギャップ...............................................59, 60

マイクロホローカソード放電 ............................... 449, 450
漢字

マスタリング .................163, 164, 167, 168, 169, 170, 172......................................................... 191, 205, 206, 552

愛知万博........................................ 284, 288, 344, 418, 436

マルチモーダルセンシング ........................................... 305

圧電分極............................................................64, 65, 549

マルチモーダル化 ......................................................... 317

異性化反応 ............................................................213, 552
医療画像保管.................................................................218

み

一軸異方性 ..............................................................64, 549

ミニセル ............................................................... 435, 438

一人暮らしの高齢者 ......................................................349

ミラー型ディスプレイ .................................. 299, 333, 354

宇宙量子暗号通信..........................................................136

ミリ波 ....................3, 4, 5, 6, 71, 83, 88, 89, 135, 136, 352

宇宙量子通信.................................................................136................................................. 476, 477, 478, 479, 550

雨メタファ ....................................................................331
演色性 ................... 486, 488, 490, 495, 499, 507, 533, 534..................................................................538, 540, 547

め

応答時間.......................... 43, 213, 224, 235, 272, 281, 282

メガピクセル ........................................................ 325, 326

可変波長レーザ .............................................................161

メガビジョン ........................................................ 289, 290

家庭用ロボット .....................................................352, 353

メタンガス...................................................................... 10

画素サイズ .................................... 248, 300, 304, 323, 325

メトロアクセスノード.................................................. 107, 108

画素共有........................................................300, 301, 302

ゆ画素縮小................................................299, 300, 305, 553

ユニバーサルデザイン .......................... 299, 338, 339, 354

回折限界（解像限界）...................................................194

画像処理........................ 223, 226, 321, 322, 328, 331, 344－560－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
外部量子効率 .....59, 60, 61, 62, 63, 66, 244, 514, 516, 531

光劣化 ...................................................................408, 409

拡張現実感.....299, 335, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 354

効率 ..................... 2, 3, 6, 13, 20, 21, 28, 45, 48, 49, 50, 51

格子不整合.................................................... 427, 429, 452.57, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 66, 70, 71, 75, 76, 85, 88, 93

核発生 ............................183, 366, 367, 368, 369, 370, 442.... 94, 121, 122, 151, 190, 202, 224, 234, 237, 238, 241

環境モニタリング ............................................................. 9.. 244, 245, 247, 249, 250, 251, 258, 260, 261, 268, 270

環状検出 ....................................................................... 204.. 298, 315, 316, 342, 355, 360, 379, 405, 406, 407, 408

貫通転位密度 ...................................................... 60, 61, 63...409, 410, 411, 414, 415, 416, 421, 422, 423, 424, 427

間欠表示 ....................................................................... 272.. 428, 429, 430, 431, 432, 434, 435, 437, 439, 440, 441

顔形評価システム ................................................. 318, 319.. 447, 448, 452, 461, 462, 471, 472, 481, 485, 486, 488

希土類錯体................................................................ 48, 49.. 489, 490, 491, 492, 493, 495, 496, 499, 500, 503, 504

期待寿命 ............................................................... 217, 218...505, 506, 509, 510, 511, 512, 513, 514, 515, 516, 518

機器内光配線 .................................................................. 36.. 521, 528, 530, 531, 532, 533, 535, 536, 538, 539, 540

帰宅困難者.................................................................... 313..................................................................541, 547, 549

擬似位相整合 .......................................................... 12, 357

広ダイナミックレンジ...................................................302

疑似インパルス化 ......................................................... 272

高解像度インタフェロメトリ観測.................................135

曲げフリー光ファイバコード ................................. 39, 550

高輝度 ................... 61, 62, 63, 68, 235, 258, 260, 261, 268

近接場光ディスク ................................. 189, 191, 192, 552.................. 269, 272, 298, 330, 393, 485, 486, 491, 492

携帯電話 ........................32, 34, 73, 83, 120, 223, 225, 230.................. 493, 497, 509, 513, 514, 515, 520, 521, 523.......... 242, 299, 302, 309, 311, 315, 316, 318, 320, 321.................................. 531, 532, 533, 538, 539, 544, 547..........322, 325, 326, 328, 335, 338, 339, 344, 348, 352

高屈曲 .............................................................................37..................354, 438, 486, 491, 494, 531, 534, 539, 554

高効率化.................. 59, 60, 62, 63, 64, 234, 240, 241, 271

蛍光体 ....................227, 228, 237, 246, 247, 248, 250, 251.......... 405, 406, 408, 409, 410, 414, 421, 424, 428, 471..........268, 269, 270, 274, 280, 485, 486, 487, 488, 489.................. 485, 486, 488, 489, 490, 523, 531, 532, 547..........490, 491, 492, 493, 494, 495, 496, 497, 498, 499

高出力 ............. 6, 10, 12, 17, 41, 43, 56, 57, 58, 59, 71, 72..................500, 501, 502, 507, 535, 538, 539, 545, 547.......... 173, 262, 359, 360, 361, 367, 378, 381, 485, 486

減災....................................................... 299, 307, 354, 553.......................................... 489, 490, 513, 528, 530, 549

光インターコネクション............... 27, 30, 34, 38, 122, 125

高速波長切り替え............................................................17

光インターコネクト.........................73, 113, 120, 121, 122

高速変調.......................................... 28, 29, 41, 44, 46, 117

光スイッチ.................33, 51, 52, 53, 72, 74, 108, 109, 110

高度三次元動画像遠隔表示プロジェクト ..............264, 267.................................................. 111, 112, 122, 123, 212

高分子有機 EL 材料 ......................................243, 244, 245

光ディスク...............56, 57, 58, 59, 72, 165, 167, 168, 169

高密度実装 ................................................................28, 31..................170, 171, 172, 173, 174, 175, 178, 179, 180

高誘電率絶縁層 .............................................................269..................182, 185, 189, 191, 192, 193, 194, 196, 197

高齢者の交通事故..........................................................350.................. 200, 202, 203, 204, 205, 208, 210, 211, 215

国際度量衡委員会..........................................................376..................216, 217, 218, 219, 220, 221, 402, 549, 552

黒挿入 ................................... 224, 225, 263, 272, 273, 275

光パケット...............1, 33, 51, 52, 53, 54, 72, 74, 101, 104

差周波発生 ..................................................12, 13, 14, 549................................................................. 113, 122, 123

再構成 ...................................................................136, 394

光バックプレーン ................................. 30, 31, 32, 33, 122

災害用伝言板サービス...................................................311

光ハブノード........................................................... 107, 108

酸化狭窄型 VCSEL .........................................................28

光ヘテロダイン検波........................................................ 85

指透過指紋認証装置 ......................................................320

光ラベル ............................................. 2, 33, 51, 53, 54, 72

紫外 LED ............................................ 1, 59, 60, 61, 62, 63

光衛星間通信 .......................................... 74, 133, 134, 136

紫外高輝度発光 ...............................................................60

光回折素子.................................................................... 290

紫色 LD .................................................................182, 491

光学シースルー............................................. 341, 342, 343

磁気ディスク................. 167, 170, 171, 172, 205, 217, 218

光学シミュレーション .................................................. 241

自発分極......................................................64, 65, 67, 549

光散乱 ................................... 465, 466, 467, 468, 469, 496

車泥棒 ...........................................................................352

光取出し効率 ................................................................ 241

手の平表示インタフェース ...................299, 330, 333, 354

光周波数コム .................................................... 6, 376, 377

手ブレ補正 ....................................................321, 324, 554

光変調器 ............................................... 18, 27, 51, 77, 128

受光素子.............................................. 1, 10, 115, 302, 304

光無線 ....................................................................... 5, 6, 7－561－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
窒化物 ................... 56, 57, 58, 59, 60, 61, 65, 71, 407, 451

寿命..................10, 19, 49, 58, 59, 64, 65, 66, 80, 164, 216.. 217, 218, 219, 222, 227, 240, 241, 244, 247, 260, 261.......................................... 472, 485, 495, 496, 499, 501.. 268, 269, 298, 345, 370, 379, 386, 390, 406, 407, 409

窒化物半導体....................... 56, 58, 64, 65, 67, 68, 72, 451.. 428, 438, 442, 443, 461, 476, 485, 486, 491, 492, 497..................................................................471, 523, 549.. 505, 506, 507, 508, 509, 510, 512, 513, 515, 519, 530

中赤外光..............................................................12, 13, 14..................531, 532, 535, 536, 537, 538, 539, 540, 547

超解像 ........... 164, 165, 166, 189, 194, 195, 196, 197, 198

集光..................71, 163, 167, 175, 187, 189, 190, 193, 194.......................................................... 205, 210, 211, 552.. 199, 200, 261, 263, 360, 364, 367, 368, 369, 372, 407

超多眼 ...................................................................265, 266..........427, 428, 429, 430, 431, 432, 452, 478, 491, 523

直接変調.............1, 22, 23, 24, 25, 45, 72, 79, 85, 114, 262

住基 IC カード .............................................................. 316

直接変調レーザ .........................................................23, 24

消去書き込み（選択消去） ........................................... 553

追尾 ............................................... 134, 138, 407, 428, 432

色われ ................................................................... 275, 276

低コスト発光素子............................................................68

色域........................227, 260, 261, 263, 278, 279, 280, 485

点灯書き込み（書き込み） ...........................................553

色再現 ....................223, 227, 228, 229, 270, 278, 279, 280

電気泳動方式.................................................................255..........................281, 290, 291, 298, 486, 487, 488, 494

電気的分散補償 .............................................................161

色純度 ................................................... 229, 269, 279, 291

電子ズーム ....................................................................325

色変換 ....................245, 268, 269, 278, 279, 533, 534, 538

電子ビーム ............ 163, 164, 167, 170, 172, 205, 247, 248

色変換方式.................................................... 269, 271, 533..................................................................249, 250, 269

信頼性 ................ 16, 17, 19, 20, 27, 28, 29, 32, 39, 58, 118

電子ビームレジスト ......................................................205.. 155, 164, 192, 207, 216, 217, 218, 219, 268, 269, 302

電子ペーパー......................... 254, 255, 256, 257, 270, 298..................315, 386, 407, 420, 421, 428, 469, 496, 497

電子ホログラフィー ......................................................266

親の安否確認サービス .................................................. 349

電子マネー ....................................................................316

人間協働型組立ロボット....................................... 351, 554

電子書籍媒体.................................................................256

制御プロトコル..................................................... 144, 159

電流整合........................................................................452

正孔注入材料 ........................................................ 244, 245

東南海地震 ............................................................307, 314

生活情報システム ......................................................... 349

動きぼやけ .................... 272, 274, 277, 281, 282, 283, 553

青紫色レーザ ...........1, 56, 57, 58, 178, 179, 185, 186, 189

動き補償........................................................272, 273, 553................................................................. 191, 214, 215

動き補償倍速表示..................................................272, 553

青色 LD......................................................................... 491

動画偽輪郭 ....................................................................275

静脈認証 ATM .............................................................. 554

動画表示画質.................................................................274

赤外域の発光受光素子 ...................................................... 9同位体 ................................................................... 9, 10, 11

赤外受光素子の分光感度曲線 ......................................... 11

内部量子効率................................. 20, 60, 61, 66, 488, 531

相変化記録.....................165, 179, 182, 187, 197, 210, 214

南海地震........................................................307, 313, 314

相変化光ディスク ......................................................... 214

日常生活のリスク..........................................................348

多結晶・アモルファス GaN ........................................... 68

入浴中急死 ....................................................................350

多原色 ................................................................... 227, 278

熱泳動力........................................................................443

多接合 ............................414, 415, 427, 428, 452, 453, 454

波長可変レーザ ................................... 1, 16, 17, 18, 72, 80

多層ディスク作製技術 .......................................... 167, 173

波長選択スイッチ ...................................... 74, 108, 109, 111

多層化 ....................173, 178, 179, 181, 185, 186, 187, 189

波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、......................................................... 196, 197, 201, 210

WDM）.......................................................................16

多点型センサ ........................................................ 381, 388

倍速表示................................................................272, 553

太陽電池 ................405, 406, 407, 408, 409, 410, 411, 414

白色光源........ 485, 486, 487, 490, 491, 492, 493, 533, 538.. 415, 416, 417, 418, 420, 421, 422, 423, 424, 427, 428

発光ダイオード（LED） ..............................379, 491, 494.. 429, 432, 434, 435, 436, 437, 438, 439, 440, 441, 442

半導体レーザ..........7, 9, 10, 16, 23, 59, 68, 69, 71, 80, 114......................................... 451, 452, 453, 472, 480, 555.. 130, 134, 165, 191, 198, 199, 204, 205, 209, 357, 378

体感治安 ....................................................... 299, 348, 354..........................................................................491, 549

大出力レーザ ................................................................ 398

半導体光増幅器（SOA） ..........................................42, 80

宅内光配線.............................................................. 39, 550

反射鏡 ........................................... 427, 428, 430, 431, 432

単一分子蛍光スイッチ .................................................. 212

疲労 ....................................... 256, 257, 264, 265, 275, 276

単結晶化 ................................................................... 57, 68

避難勧告........................................ 308, 309, 310, 314, 554－562－
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新語解説初校用出力紙（平成 18 年 3 月 14 日提出）
面発光 ..................... 1, 16, 27, 48, 485, 503, 528, 529, 530

非線形光学素子......................................................... 49, 72
非平衡プラズマ..................................................... 448, 449..................................................................534, 535, 538

微粒子 ......................42, 194, 210, 250, 270, 371, 407, 442

有機 EL 素子 ............. 48, 49, 241, 244, 530, 531, 533, 537................................................. 443, 444, 465, 467, 496

有機 TFT .......................................................................255

表色範囲 ............................................................... 227, 229

誘電体バリア放電..................................................448, 449

表面波プラズマ............................................. 445, 446, 447

誘電体膜................................................................164, 214

複素零点 ....................................................................... 204

容量結合型プラズマ ......................................................445

分光イメージング ............................................................. 3

立体映像ユーザインタフェース ....................299, 337, 354

分布型センサ ........................................ 381, 384, 386, 387

両面受光型太陽電池 ......................................................424

保護膜 ........................................................................... 205

量子カスケードレーザ.........................................6, 7, 9, 10

歩行者顔照合システム .................................................. 318

量子ドット ...................... 1, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 72, 410

放射束 ........................................................................... 377..........................................................................427, 549

無機 EL..................223, 268, 269, 270, 271, 298, 485, 497

冷陰極蛍光ランプ..........................................................494................................................................. 538, 539, 547

零位相誤差トラッキングサーボ ....................................203

無線 IC パスポート ....................................................... 316

六方晶ウルツ鉱構造 ........................................................64

無線通信 ............................................................. 5, 71, 551

腕時計型プロジェクタ...........................299, 335, 336, 354－563－
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