フォトニック結晶

フォトニック結晶（フォトニックけっしょう、）は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、その中の光（波長が数百-数千nmの電磁波）の伝わりかたはナノ構造によって制御できる。基本研究とともに応用開発がさかんに進められており、商業的な応用も登場している。
原理・構造.
フォトニック結晶中の光の伝播は半導体中の電子の伝導と基礎方程式が同じ形で、波の性質もよく似ている。半導体中の電子の物質波に伝導帯・価電子帯・禁制帯があるのと同様、フォトニック結晶中で電磁波の伝播が許される波長帯域（パスバンド、通過域）・禁制帯域（バンドギャップ、遮断域）がある。
フォトニック結晶はナノ構造内部の光の回折・散乱・干渉を利用するので、可視光帯で用いるフォトニック結晶の構造周期は波長の半分程度、つまり200nm 程度で極めて微細である。そのためフォトニック結晶の作製は容易ではない。大規模で複雑なナノプロセスへの依存を最小限で済ませるため、自己組織化を利用したフォトニック結晶作製法も試みられている。また、1mm前後の孔をもつ母材を線引きすることでナノ構造をもつ光ファイバー（フォトニック結晶ファイバー）を作製する方法も実用化されている。
誕生から現在まで.
1887年にレイリーは電磁波の伝播特性を研究し、膜に垂直に伝わる光にバンドギャップが存在することを発見した。この原理を応用した多層膜（ブラッグミラー）のような1次元の周期構造体が、最も単純なフォトニック結晶である。1次元周期構造は引き続き熱心に研究され、分布帰還 (DFB) レーザーの反射構造としても応用されている。2次元・3次元へと拡張したもの（多次元周期構造）には長年の研究の積み重ねがある。
1987年にヤブロノビッチの論文によって、3次元周期のフォトニック結晶でフルバンドギャップの概念の提唱とその実現可能性の検討がなされ、それがきっかけとなって3次元周期構造の理論的・実験的な研究が世界規模で盛んになった（ある光波長で3次元空間または2次元平面内のすべての方向・すべての偏光状態が禁制帯に入ることがあり、それをフルバンドギャップと言う）。
フルバンドギャップを利用すると光を局所的に閉じこめることができる。フォトニック結晶は光の自然発光レートを自在に制御する量子光学系のツール、将来の量子コンピュータなどへの応用も期待されている。現在でもフルバンドギャップをもつ構造を研究するグループは少なくないが、理想的な結晶を実現することは、現時点では、チャレンジングな課題と言える。
フォトニックバンド構造の数値計算.
フォトニックバンドギャップ波長帯域の位置、大きさを知ることは研究上重要であるが、そのためにはコンピュータによる数値計算に頼らなければならない。式はマクスウェルの方程式から導きだされる方法としては平面波展開法、時間領域差分法(FDTD)などがある。これらの方法により、波数と周波数の分散関係図を得ることによりフォトニックバンドギャップ位置と広がりの大きさを知る事ができる。
最近の研究・開発の流れ.
現在の研究・開発の方向として、必ずしも3次元フルバンドギャップの実現を目指すもののみならず、各種の周期構造の利用を図る努力がなされている。以下に主なものを記す。
その他、オパール構造の自己成形作用を利用するもの、2次元回折格子形状を利用する発光素子（2次元レーザー、発光ダイオードなど）、表面加工形2次元周期構造などの研究開発も盛んである。