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2011年3月1日号 創刊 (PDF:1.1MB)
千歳科学技術大学 フォトニクス研究所紀要 2011 年 第1巻 第1号 千歳科学技術大学 フォトニクス研究所 1 目次 紀要刊行によせて ご挨拶にかえて 川瀬 正明 4 小林 壮一 5 フォトニクス材料研究 フリーデル・クラフツ型反応による蛍光性トリアジン化合物の簡便合成法の ＥＬ発光材料やフォトリフラクティブ材料合成への応用 今井 敏郎 7 イオン液体を用いた色素増感太陽電池の予備検討 角田 敦 8 川辺 豊 9 ＤＮＡを用いた擬イソシアニンＪ会合体の形成制御 イミダゾレート・アジド架橋型銅（Ⅱ）配位高分子の構造と磁気特性 坂井 賢一 10 光学ポリマーの屈折率制御・高透明化・エイジング 谷尾 宣久 11 山中 明生 12 ワイドギャップ半導体 -Ga2O3 の遷移金属添加効果 無機酸化物のマイクロパターニング カートハウス オラフ 13 細胞障害効果による光感受性物質の評価 李 黎明 14 フォトニクスデバイス研究 ダイシングを用いた積層多チャンネルポリマー光導波路フィルム 石田 宏司 16 ＤＮＡ光学薄膜を使った光導波路形成技術 －ＰＭＭＡとＤＮＡ－ＣＴＭＡのハイブリッド化で加工性向上－ 吉田 淳一 17 AlGaAs フォトニック結晶スラブ導波路における マッハツェンダー型全光スイッチ動作 小田 久哉 2 18 フォトニック結晶ファイバーからの高次モード励起による分散波の発生 唐澤 直樹 19 ＦＤＴＤ法による２次元フォトニック結晶反射・透過スペクトルの数値計算 張 公儉 20 ポリシラン光導波路回折格子による波長可変 Er 添加ファイバレーザ 小林 壮一 21 ウエットプロセスによる有機 FET の開発 雀部 博之 22 唐澤 直樹 24 光化学反応由来活性酸素による血管透過性障害のイメージング解析 南谷 晴之 25 光源スペクトルとＷＤＭアクセスネットワークの伝送特性評価 川瀬 正明 27 フォトニクスシステム研究 擬似スーパーコンティニュウム光波を用いた コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微分光 2.4 km 長のマルチモード ファイバ ケーブル伝送路における 10Gbps、24 時間エラーフリー伝送 山林 由明 28 吉田 淳一 30 福田 誠 31 北国に適した太陽電池の形と設置方法の研究 －積雪を避け反射光を有効に利用して発電量を増やす－ 三相パルス電流による RGB 三色 LED アレー駆動回路 ‐調光ができる省エネ LED 照明‐ 足首関節の軸ねじれを利用した二足歩行ロボットの進行方向制御 小田 尚樹 32 コロキウム報告 33 編集後記 35 3 4 紀要刊行によせて 学長 川瀬 正明 千歳科学技術大学フォトニクス研究所紀要第 1 号の発行にあたり、心からお祝い申し上 げます。 長く開設が待ち望まれていた本学フォトニクス研究所は平成 22 年 2 月に発足しました。 しかしながら研究所のルーツは、最先端技術としての光科学の追究を生涯の使命とされた 故佐々木敬介初代学長の建学当時の思いまでさかのぼるものです。"Chitose Institute of Science and Technology" という本学の英語名称もその一つの現れであります。 開学以来早くも十有余年を閲し、当時は最先端技術であった光サイエンスの成果の多く は、身近なところでは光ファイバ通信や光ディスクなどとして広く普及しました。現在で は光科学の広がりは、地球環境問題への取り組みをはじめ、ますます多様かつ重要度を加 えています。 本学はベストケア、ベストサクセスを標榜し、まず第一に人材の育成を掲げております が、それはもちろん大学における研究活動と別個に存在するものではなく、相携え相協力 することで両者の展開を効果的に進めるねらいであることは言うまでもありません。 建学当時の精神を社会に対してますます発揮させるためにも、本紀要が本学の知的集約 組織であるフォトニクス研究所のますますの発展に資すると同時に斯学の進展に多尐なり とも寄与せんことを祈念いたします。 5 巻頭言 フォトニクス研究所の発足 ―ご挨拶にかえて― フォトニクス研究所長 小林 壮一 千歳科学技術大学は平成 22 年 2 月 23 日に理事会の承認をもって、佐々木敬介初代学長 時代から開設が俟たれていたフォトニクス研究所を発足させた。 本学開学は平成 10 年であるが、これに先立って、千歳市が推進を提唱する “大学を核 に産学官が一体で光科学技術の基礎研究から応用研究、さらには研究成果の事業化まで連 続して行う” 「ホトニクスバレー構想」があり、それを具現化するためホトニクスワールド コンソーシアム（ＰＷＣ）が平成 9 年 8 月に設立された。開学後には、PWC は NPO 法人化 を果たし、千歳科学技術大学、民間企業、千歳市、商工会議所の協力の下、研究クラスタ ー活動の推進、e-learning 事業の推進、地域インフラ整備事業への提案、国家プロジェクト の管理法人等を活発に行い、千歳科学技術大学の研究活動とその事業化を支えている。一 方、千歳科学技術大学では平成 14 年に大学院光科学研究科博士前期課程を、平成 16 年に は博士後期課程を開設しており、研究活動の促進と研究施設の充実が望まれていた。 以上の背景のもとに開設されたフォトニクス研究所の目的は、教員、大学院生及び学部 学生が世界的研究活動を行える環境を整備することにあり、具体的には、大学院生及び学 部生がポスターセッションに参加できる千歳国際フォーラム（CIF）、企業と教員及び学生 がコミュニケーションできるコロキウム、特許等知的財産管理、研究機器管理、等の研究 サポート活動を行っている。本紀要の刊行もその重要な一環である。 はからずも初代所長を拝命し身の引き締まる思いであるが、本学が研究を基に世界に向 けて発信できる機関としてフォトニクス研究所の存在が重要となり、学部及び大学院の教 育・研究と共に企業との協力の下、産学官連携事業が千歳市において益々発展するために 微力を尽くしたいと考えている。 6 フォトニクス材料研究 バイオ・マテリアル学科 今井 敏郎 バイオ・マテリアル学科 角田 敦 バイオ・マテリアル学科 川辺 豊 バイオ・マテリアル学科 坂井 賢一 バイオ・マテリアル学科 谷尾 宣久 光システム学科 山中 明生 バイオ・マテリアル学科 カートハウス オラフ バイオ・マテリアル学科 7 李 黎明 フリーデル・クラフツ型反応による蛍光性トリアジン化合物の簡便 合成法のＥＬ発光材料やフォトリフラクティブ材料合成への応用 Application of Convinient Friedel-Crafts Route to Fluorescent Triazine Compounds to EL Fluorophore and Photorefractive Chromophore. バイオ・マテリアル学科 今井 敏郎（Toshiro IMAI） In our laboratory, it has been shown that Friedel-Crafts type reaction provides a very convenient route to donor-substituted aryltriazine compounds those are generally strongly fluorescent. Thus, this approach is now extended to synthesize some EL fluorophore and photorefractive NLO chromophore. ドナー置換芳香族化合物に対して塩化シアヌルを用いたフリーデル・クラフツを行うと、 一般にトリアジン環にアリール基が１・２・および３個導入されたもの（すなわち、モノ アリールトリアジンとジアリールトリアジンとトリアリールトリアジン）の混合物が生成 し、それらを分離精製するのが容易でない場合が多々ある。当研究室では、塩化シアヌル の２個の塩素をあらかじめフェノキシ基などに変えておくことで、フリーデル・クラフツ 反応における反応性を大きく損なうことなく、アリール基の導入を１つに制御できること を既に明らかにしている。 トリアリールアミン類は優れたホール輸送性をしめすとともに、アモルファス・ガラス 状態を与えるものが分子設計されていることから、エレクトロミネッセンスのホール輸送 性ホスト材料としてよく用いられている。例えば、そのようなアリールアミン化合物の一 つである 1,3,5-トリカルバゾロベンゼン 1 に我々のアプローチを適用してトリアジン基を 導入すれば、ホール輸送部と発光部を合わせ持った 2 を簡便に合成できると考えられる。 このものは、特にホール輸送性ホスト材料の 1 とともに用いることで、バランスのいいホ スト－ゲスト材料を形成することが期待できると考えている。 また、モノトリアジン体 2 の他に、ジトリアジン体やトリトリアジン体が得られれば、 それらも含めてフォトリフラクティブ素子における NLO クロモフォアとしての検討も行 いたいと考えている。 N Cl N N N X N N N X N X = OPh, etc N AlCl3 N X 1 8 N N X 2 イオン液体を用いた色素増感太陽電池の予備検討 Preliminary experiments for verifying the dye-sensitized organic solar cells using ionic liquids バイオ・マテリアル学科 角田 敦（Atsushi KAKUTA） A new type of dye-sensitized organic solar cell was tested; in this device, three ionic liquids were used as an electrolyte instead of the conventional iodine acetonitrile solution. The ionic liquids comprised ethylmethylimidazolium cations with three types of anions—(a) EMImTFSI, (b) EMIm(FH)2.3F, and (c) EMImPO2F2. When ionic liquids a and c were used as the electrolyte, the cell showed much superior sustainability of photovoltaic property to conventional cell owing to the non-volatility of the ionic liquids. Although the Voc of the cell used b was greater than that of the conventional cell, the cell lost its power generating capability in a short time since b is highly acidic and decomposes the dye adsorbed on TiO2. These tested cells showed several promising capabilities, further studies are still needed. TiO2 を担体とした色素増感太陽電池は，有機系電池のうちで最も高い効率を示すため各 所で精力的に開発が進行中であるが，電解質溶液を用いる湿式構成に依存した特性の不安 定性など，なお検討すべき多くの課題がある。色素系太陽電池の特性向上に向けて標準的 な Grätzel セルの使用材料を他材料で代替する幾つかの検討を行った。電解質溶液に使用さ れている KI/I2 アセトニトリル溶液に代えて，Fig.1 に示す 3 種のイオン性液体の適用を試み た。増感色素は独自に合成した Ru 系 N3 色素を用い，試作セルの他の構成は標準セルに準 じて作製した。イオン液体自身の酸化還元過程を利用するため，ヨウ素は添加していない。 イオン液体の低揮発性の特長が活かされて EMImTFSI および EMImPO2F2 を用いたセルは， アセトニトリル溶液系に比べ短絡電流の保持性（寿命）は Fig.2 のように大幅に向上した。 他方 EMIm(FH)2.3F は高い開放端電圧を示したが，強い酸性のため TiO2 に吸着した色素が短 時間に溶出し特性の保持が困難であった。イオン液体を利用した電池で基本的な光起電力 動作を確認した。但し，発電効率などの点で色素および電解質材料にはなお改良が必要で ある。EMIm(FH)2.3F および EMImPO2F2 は京都大学萩原教授より提供頂いた。 20 N N (1) R= N (2) R= (3) R= SO2CF3 (FH)2F EMIm(FH)2.3F (FH)3F O F EMImPO2F2 P O EMImTFSI SO2CF3 F Short cirsuit current (arbitrary) R Acetonitrile EMImTFSI EMImPO2F2 15 10 5 0 1 5 time (day) 25 Fig.2 Sustainability of the short-circuit-current property in the case of the three ionic liquids. Fig.1 Chemical structures of the three ionic liquids tested for use as an electrolyte in a dye-sensitized organic solar cell. 9 DNA を用いた擬イソシアニン J 会合体の形成制御 Control of J-aggregates Formation of Pseudo-Isocyanine Using DNA Polymer バイオ・マテリアル学科 川辺 豊（Yutaka KAWABE） We succeeded to obtain J-aggregates of pseudo-isocyanine dye in more dilute water / methanol solution than ever by adding DNA and PVA. J-aggregates formed in solution were preserved after fabricating thin films by spin coating. This method is promising for future applications to nove optical devices. ある種のシアニン系色素では、擬一次元的な会合によって励起状態の非局在化が生じ、 その結果光学スペクトルの狭帯域化が起こることが知られている。またこのような励起状 態は大きな光学的非線形性や超放射の可能性からも注目されている。われわれは、最もよ く知られている色素である擬イソシアニン（PIC, Fig. 1 参照）を取り上げ、DNA を加える ことにより、従来よりも低濃度下において J 会合体を発現させうることを見出した。 濃度 1.3 x 10-3 M の PIC-I 溶液（水+メタノール）に DNA 水溶液を滴下したときの吸収ス ペクトルを Fig. 2 に示す。溶液中には色素の析出を防止するために PVA（ポリビニルアルコ ール）を重量にして色素の 100 倍程度溶解させている。図のインセットは J ピークの大きさ の DNA 量に対する依存性を示している。DNA 濃度 0.2 g/l 程度で最大のピ－クを示しその 後は減尐する様子が見て取れる。ピークにおける色素と DNA 塩基対数の比率は約 4:1 であ る。すなわち尐量の DNA の存在によって J 会合体の形成が促進されることが示された。ま た、この溶液をスピンコート法で薄膜化した場合にも J 会合体は保持されている。 従来 J 会合体薄膜は PVA 中に 10%程度の色素をドープすることによって得られていた。 われわれは DNA を加えることでその 1/10 の濃度で J 会合体が発現しうることを示した。 0.0 g/l 0.181 g/l 0.362 g/l 0.8 Absorbance 0.7 0.6 J-Peak Intensity 0.9 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 DNA Concentration (g/l) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 N+ N - X 0.0 400 500 Wavelength(nm) Fig. 1 Molecular structure of PIC dye, where X = I for iodide. 600 Fig. 2 Absorption spectra of PIC dye dissolved in water with and without DNA. (inset) Height of J-peak vs DNA concentration. 参考文献： S. Kato and Y. Kawabe “Effects of DNA on the formation of J-aggregates of Pseudo-Isocyanine”, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 520, 175 (2010). 9 イミダゾレート・アジド架橋型銅(II)配位高分子の構造と磁気特性 Imidazolate- and azide-bridged copper(II) coordination polymer consisting of alternating di- and mononuclear units バイオ・マテリアル学科 坂井 賢一（Ken-ichi SAKAI） We prepared a Cu(II) coordination polymer using imidazoles and azides. It has imidazolato-bridged chain-structures consisting of alternating five-coordinated mono- and di-neclear copper (II) units. Azides in the di-neclear units coordinate to the mono-nuclear units in the neighboring chains, forming a two-dimensional network. Temperature-variable magnetic susceptibility measurements showed that it exhibits one-dimensional ferrimagnetic-like behaviour, which should be ascribed to two types of exchange couplings with opposite signs: a weak ferromagnetic coupling via end-on azide bridges within dinuclear units and a relatively stronger antiferromagnetic coupling via im bridges between di- and mononuclear units. 金属イオンを架橋配位子によって連続的に連結した骨格を有する配位高分子は、導電性 や磁気特性などの電子物性の他、非線形光学効果に基づく光機能性、ガス吸着能や触媒活 性など様々な観点から近年精力的に研究が進められている物質群である。イミダゾール (imH)は、その誘導体が多くの金属錯体の配位子に利用されているが、imH を架橋配位子に 用いて配位高分子の合成を試みると、多くの場合直ちに不溶性の沈澱を生ずることから構 造決定に困難を伴う。そのため imH ベースの配位高分子は、水熱(溶媒熱)合成やカルボニル ジイミダゾールの加溶媒分解により合成された例など数例があるに過ぎない。本年度、 Cu(II)-imH 錯体の中でも組成・配位形態が稀で、且つ溶解性に優れた[Cu(imH)4Cl]Cl に着目 し、それを出発原料にアニオンとの交換反応を進めることで、新規 Cu(II)-imH 系配位高分 子[Cu3(Him)4(im)2(N3)4]n の合成に成功した。 単結晶 X 線構造解析から、錯体は五配位単核銅ユニットと end-on 型アジド架橋により形 成された五配位複核銅ユニットがイミダゾレート(im)を介して交互に並んだ鎖状の構造を もつことがわかった （Fig.1） 。単核及び複核ユニットの組成は、それぞれ[Cu(imH)2(im)2(N3)]、 [Cu2(imH)2(im)2(N3)4]である。また単核ユニットは、隣接する鎖の複核ユニットと end-to-end 型アジド架橋で連結し、２次元的なネットワークを形成する。磁化率測定の結果(Fig.2)、 end-on 型のアジド架橋複核ユニット上では２つの銅スピン間に強磁性的相互作用が、 一方、 end-to-end 型アジド架橋や im 架橋を介しては銅スピン間に反強磁性的相互作用が働き、ホ モメタリックな系でありながらフェリ磁性的な挙動を示した。 Fig. 2. T vs T plot for [Cu3(Him)4(im)2(N3)4]n. Inset shows extended T vs T plot below 25 K. Fig. 1. Crystal structure of [Cu3(Him)4(im)2(N3)4]n 10 光学ポリマーの屈折率制御・高透明化・エイジング Refractive Index Control, Improvement of Transparency and Physical Aging of Optical Polymer バイオ・マテリアル学科 谷尾 宣久（Norihisa TANIO） In order to apply polymer to various optical materials, such as flat panel display, optical disc, optical lens, and optical fiber, the ideal optical characteristic needs to be realized, such as a raise in transparent, refractive-index control. We clarify quantitative relation between the essential optical properties and the amorphous structure of optical polymer to realize the ideal optical characteristic. ディスプレイ用光学フィルム、光ディスク、光学レンズ、光ファイバーなど、情報の表 示、記録、伝送を担う光技術分野の中心にあるのが光学ポリマーであり、技術の高度化に より、高透明化、精密屈折率制御、低複屈折化など究極的な光学特性が要求されている。 光学材料となりうる透明ポリマーは、構造的にはアモルファス（非晶）であり、状態的に はガラスである。理想的な光学特性を実現するために、ポリマーの本質的な光学特性を、 その構造および状態と関連づけて明らかにし、理解を深める研究を行っている 1)。 【屈折率制御】ポリマーの屈折率は、分子鎖のパッキング状態と化学構造で決定される。 非晶性ポリマー固体中の分子鎖のパッキング状態を明らかにし、化学構造のみから屈折率 を計算する方法を提案している。ポリマーの屈折率は、構成する原子の原子屈折より計算 できる。低屈折率化、高透明化に有用なフッ素原子について、原子屈折値を決定し、フッ 素系ポリマーの屈折率予測を可能とした2)。（謝辞：本研究は財団法人道央産業技術振興機 構の高度技術研究開発助成事業として行った。） 【高透明化】ポリマーの高透明化のためには、化学構造と高次構造の両面からの制御が必 要である。高透明化のための高次構造制御法 に関する知見を得るため、透明性を阻害する 非晶性ポリマー固体内の不均一構造の原因 について考察した3)。また、ポリマーの本質 CH3 的な透明性と化学構造との定量的な関係を CH2 C 理論的、実験的に明らかにし、光学ポリマー C O CH3 の透明性を化学構造のみから定量的に予測 O する透明性予測システム（Fig.1）を構築し た4)。 【エイジング】ガラス状ポリマーは熱力学的 に非平衡な状態にあり、時間とともに体積や エンタルピーが減尐し、物理的エイジングが 起こる。ポリスチレンガラスについて、エイ Fig.1 Transmittance (%) prediction system of optical polymer. ジングに伴う屈折率変化を詳細に調べ、エイ ジングの初期過程で体積が一旦増加するという興味深い現象を確認した5)。 【文献】 1) 谷尾宣久, 「光学材料の屈折率制御技術の最前線」 、第１編第２章“基礎理論 II 光学ポ リマーの屈折率制御・高透明化・エイジング”, pp.18-30、シーエムシー出版 (2009) 2) 谷尾宣久, 小幡愛里, 國田貴嗣, 高分子学会予稿集, 59, 1456 (2010) 3) 樋岡拓弥, 小幡はるな, 谷尾宣久, 高分子学会予稿集, 59, 1457 (2010) 4) 亀山慎矢, 田村圭, 谷尾宣久, 高分子学会予稿集, 59, 1460 (2010) 5) 川岸知浩, 伊藤和真, 谷尾宣久, 高分子学会予稿集, 59, 1461 (2010) 11 ワイドギャップ半導体-Ga2O3 の遷移金属添加効果 Effect of the transition-metal ions on wide-gap semiconductor -Ga2O3 光システム学科 山中 明生（Akio YAMANAKA） We have studied optical properties of transition-metal doped -Ga2O3 single-crystals grown by the floating-zone method. The blue photo-luminescence, which is observed as an intense peak at 3.1 eV in nominally pure β-Ga2O3, is found be abruptly suppressed by Cr-doping. This suppression demonstrates that a small amount of Cr3+ ions acts as non-radiative centers predominantly for donor-acceptor recombination. In contrast, the UV emission peaking at 3.3 eV is still observed in Cr-doped β-Ga2O3 Therefore, the radiative decay channels for photo-excited electrons partly survive in Cr-doped β-Ga2O3. 酸化ガリウム（-Ga2O3）はワイドギャップ半導体であり、酸素欠損や 4 価イオンの添加 により n 型半導体となる。-Ga2O3 は赤外から紫外までの広い波長域で透明なため、透明電 極材料として注目されてきた。近年、大型単結晶が育成され、インチサイズの基板材料が 供給されはじめたため、深紫外光センサーなどの光デバイス化の研究も盛んになって来て いる。一方、-Ga2O3 への遷移金属や希土類の添加についても、蛍光体の観点から多くの報 告がある。しかし-Ga2O3 の価電子帯・伝導帯、さらにドナー・アクセプター準位への遷移 金属元素の効果など、半導体としての基本的問題は未解明なのが現状である。 我々は、-Ga2O3 の遷移金属置換効果を探るため、単結晶試料を浮遊帯域溶融法で作成し、 その光学特性を調べている。Fig 1 は Cr を添加した-Ga2O3 単結晶の透過スペクトルである。 Cr を 0.1%まで添加すると、Cr3+の d-d 遷移による光吸収（430 nm 付近と 600 nm 付近）が 明確に見られた。また吸収端の直下（300 nm 付近）には電荷移動型遷移による吸収も見ら れた。Fig 2 は吸収端直上を光励起したときの蛍光スペクトルで、無添加-Ga2O3 に見られる 強い青色蛍光が、透過測定では影響が見られなかった Cr（0.01%）添加でも著しく抑制され ることが分かった。-Ga2O3 の青色蛍光はドナー・アクセプター対発光によるものであり、 Cr 添加によりドナー・アクセプター準位を介した緩和過程が大きな影響を受けることが分 かった。一方、短波長側の紫外蛍光成分への影響はそれほど大きくないことも分かった。 今後は他の遷移金属元素の添加についても探索していく予定である。 Fig. 1 Transmission spectra of Cr-doped -Ga2O3. 12 Fig. 2 PL spectra of Cr-doped -Ga2O3. 無機酸化物のマイクロパターニング Preparation of Inorganic Oxide Micropatterns バイオ・マテリアル学科 カートハウス オラフ（Olaf KARTHAUS） Metal oxides show many interesting properties, such as semiconductor or conductor behavior, and they can be used as electrode materials of as photocatalysts. We developed a methodology to produce microporous films of metal oxides by adsorption of nanocrystals onto a microporous polymer film or by pyrolysis of a metal oxide precursor that was vacuum evaporated onto a microporous polymer template. はじめに：多孔質膜は生物、化学、物理の各分野で応用されている。細胞培養基板、フ ィルター、超撥水表面などは多孔で特別な構造を持っている。高湿度で滴下した高分子 溶液の表面にマイクロサイズの水滴が集まり、溶媒が蒸発すると、多数の同サイズの孔 が六角形に配列する。この自己組織化方法により様々な高分子材料のパターニングがで きる。また、一般に高分子材料は熱に弱く１００〜１５０℃で溶けてしまうが、高分子 を反応させる「架橋反応」を用いることで、３５０℃の熱にも耐える多孔質膜が作製で きることを発見した。この多孔質膜を利用して、無機酸化膜の作成に成功した。 実験と結果：架橋した高分子多孔質膜を酸化チタン懸濁溶液に入れ、ナノ粒子を吸着さ せることによって、図１（左）のような膜を作成する個ができる。その他に、架橋した 膜の上に亜鉛錯体などを真空蒸着することも可能である（図１右）。５００℃で熱処理 し、有機材料を分解し、酸化金属の多孔質膜の作成ができる。光触媒や発光材料の為の 実験を行って、マイクロ構造無しのフィルムに比べ、高い機能を持つことがわかった。 Figure: TiO2 nanocrystals adsorbed from suspension onto a polymer honeycomb film the scale bar is 20 µm (left). ZnO prepared by vacuum deposition of Zn acetylacetonate onto a polymer honeycomb film. The scale bar is 3 µm (right). 参考論文など： 1) T. T. Meiling, H.-G. Löhmannsröben, K. Kon, O. Karthaus, “Solvent Effect of the Adsorption of Titanium Dioxide Nanoparticles onto Microporous Polymer Films”, e-J. Surf. Sci. Nanotech., 8, 309-312 (2010). 2) O. Karthaus, K. Kon, K. Hidaka, C. Brauer H.-G. Löhmannsröben, “Preparation of Patterned Zinc Oxide Films by Breath Figure Templating”, Langmuir, 2010, published online. 13 細胞障害効果による光感受性物質の評価 Photocytotoxicity effect of photosensitizers in cells バイオ・マテリアル学科 李 黎明 （Liming LI） The photodynamic diagnosis (PDD) and photodynamic therapy (PDT) have been pay attention to recently. Various photosensitizers have been developed for PDD and PDT use. In this study, The photocytotoxicity effects of different photosensitizer such as Hiporfin® (made in China), Radachlorin® (made in Russia) and Laserphyrin® (made in Japan) have been compared respectively. 悪性腫瘍の診断・治療法として光線力学的診断(Photodynamic Diagnosis:PDD)・治療 (Photodynamic Therapy:PDT)が期待されている。本研究では、臨床で用いられている Hiporfin®(中国)、Radachlorin®(ロシア)と Laserphyrin®(日本)を用いて、これらの光感受 性物質 （濃度 4.0µg/ml） を WFB(WKA ラット胎児由来繊維芽細胞株)と W31(WFB に H-ras 癌遺伝子を導入し、形質転換させた癌細胞株)に取り込ませ、レーザ光（Hiporfin®=630nm, Radachlorin®=662nm, Laserphyrin®=664nm）を照射し、細胞障害効果を行い、細胞の 生存率を測定した。そして、その結果から光感受性物質の評価を行った。実験により、各 光感受性物質を用いてレーザ照射をしたとき、照射時間が増すにつれ、いずれにおいても WFB に比べ W31 の生存率は減尐し、細胞障害効果が確認された。照射時間 30 分の時点 で W31 の生存率の減尐が大きく見られ、Laserphyrin®が最も細胞障害効果は発揮された ことが明らかとなった（Fig. 1） 。 Fig. 1 Survival rate of the cell after PDT for different photosensitizer 14 フォトニクスデバイス研究 グローバルシステムデザイン学科 石田 宏司 グローバルシステムデザイン学科 吉田 淳一 光システム学科 小田 久哉 光システム学科 唐澤 直樹 光システム学科 張 公儉 光システム学科 小林 壮一 バイオ・マテリアル学科 雀部 博之 15 ダイシングを用いた積層多チャンネルポリマー光導波路フィルム Multi-channel Multi-layer Flexible Polymer Waveguide for Optical Interconnection グローバルシステムデザイン学科 石田 宏司（Koji ISHIDA） A fluorine doped multi-channel multi-layer polyimide waveguides for optical interconnection using dicer processing technique was studied. Fabrication procedure is as follows. After coating lower cladding layer, core and upper cladding polymer layer on the silicon wafer, waveguide patterns were formed by dicing technique. Then, the cladding polymer material was buried in the incisions by spin coating. Waveguides exhibited very low optical propagation losses of less than 0.3dB/cm. The results show this novel fabrication process is considered to be suitable for polymer optical waveguide because of its simplicity and good performance on transmission characteristics. 近年、コンピュータの世界ではボード上に実装された LSI チップ間の配線ボトルネック を解消する方法として、信号の伝達を光で行う光インターコネクション技術が注目を集め ている。本研究室では従来のフォトリソプロセスや金型をもちいたプロセスに比べ、コア サイズの変更や多チャンネル構造が容易に作製可能なダイサー加工を用いた光導波路の研 究を行っている。これまで積層多チャンネル導波路については、に基板とポリマー材料、 コア材料とクラッド材料の熱膨張係数の違いにより材料収縮がその都度発生するために再 現性が非常に悪かった。そこで基板とフィルムの接着剤として有機ジルコニウム(ZA-65,松 本ファインケミカル)と OPI カプラの二つを使用し密着性を上げることで、ダイシングより 先のプロセスでも剥離させることなく作成することに成功した。作成したフレキシブル光 同は炉の外観写真および２層４チャネル光導波路の出射パターンを図 1 および図 2 に示す。 伝搬損失の測定結果は図３に示すように波長 1.3 および 1.5μm でいずれも 0.3 dB/cm 程度で あり、実用可能なレベルであった。 Fig.1 Appearance of flexible polyimide Optical waveguide Typical Optical characteristics of waveguide Fig.3 Fig.2 Cross sectional view of double layer 4-chanel optical waveguides 16 DNA 光学薄膜を使った光導波路形成技術 － PMMA と DNA-CTMA のハイブリッド化で加工性向上 － Development of thin film waveguides based on DNA-lipid complexes グローバルシステムデザイン学科 吉田 淳一（Junichi YOSHIDA） Hybrid structure of DNA-CTMA with PMMA has been investigated to improve the processability of DNA based waveguide devices. It was found that the hybrid structure had a good moisture resistivity and could improve the processability of the device. 本研究は、二重らせん構造の塩基対の間に光学色素をインターカレートすることによって 種々の高機能性の発現が可能な DNA バイオフォトニック薄膜を，レーザや光増幅機能を有 する光波制御素子あるいは論理素子として用いるために必要な光導波路として加工するこ とを目標としたものである。 DNA は水溶性であるが資質と反応させることにより水には解けず有機溶媒に溶けるよう にしてデバイス化を行うが，DNA が持つ本来的な吸湿性によりデバイス加工中に膨潤により 加工性が务化する。これを避けるために別の有機材料とのハイブリッド化を図り加工性の 向上を目指す。今年度は手軽に用いることができ DNA と混合しても透明な膜を得ることが できる PMMA を用いて，加工性の改良を試みた。図１は作製した薄膜を種々の湿度条件に曝 して蛍光強度の変化を祖規定したものであるが，100%RH の 1 サンプル以外は 48 時間の湿度 試験においても蛍光強度の変化はほとんど無く，安定した特性を示している。このことか ら，PMMA は若干吸湿性があるものの水中に長時間放置するというようなことが無い限り， DNA-CTMA とのハイブリッド膜構成材料として加工に使用できるものと判断される。 この条件で導波路加工を行い，数十ミクロン幅程度の大きなパターンで問題ないことが 確認できた。現在，実際に必要とされる 10m 程度のパターンで最適化を図るよう進めてい る。 References: 1. J. Yoshida, et.al, Proc. SPIE, Vol.7040, pp.70400H1-7, 20082. 2. N. Ogata, K. Yamaoka and J. Yoshida, Proc. SPIE, Vol. 7403, pp. 740305-1 - 15 Fluorescence intensity (a.u.) 30 Test conditions (%) and sample number 25 15-1 15-2 20 39-1 39-2 15 56-1 56-2 10 100-1 100-2 5 0 0 10 20 30 40 50 Time duration (hours) Fig. 1. films Change in Fluorescent intensity of DNA-CTMA-PMMA hybrid under various humidity conditions 17 AlGaAs フォトニック結晶スラブ導波路におけるマッハツェンダー 型全光スイッチ動作 Demonstration of ultrafast all-optical Mach-Zehnder type switching by optical Kerr effect in AlGaAs-based photonic-crystal line-defect waveguides 光システム学科 小田 久哉（Hisaya ODA） We investigate ultra-fast and ultra-small all-optical switches by using optical Kerr effect. The switches we made of 1mm long AlGaAs-based photonic-crystal line-defect waveguide (PC-WGs). We have attempted all-optical Mach-Zehnder (MZ) type switching in terms of the instantaneous optical Kerr effect at around 1550 nm in PC-WGs. Short light pulse of 5.0 ps laser was employed. As a result, switching of high extinction ratio is achieved with pulse power of 1.2 W. エアブリッジ型フォトニック結晶スラブ導波路(PC-WGs)では極端に小さな断面積の中の 光の閉じ込めと、小さな群速度が利用できるため、低エネルギーかつ超高速で動作できる 非線形光デバイスの実現が期待される。これまでに我々は光カー効果において重要なパラ メータである非線形屈折率(n2)を自己位相変調によるスペクトル広がりの観測から求めた。 また、n2 が(ng/n0)2 に比例し大きくなる事を示した。今回は Mach-Zehnder(MZ)干渉計による 仮想励起状態の光カー効果を利用した光スイッチの動作を PC-WGs で初めて確認したので 報告する。 実験では結合損失などの点で優れた、 試料の入出力部分に半円盤状のレンズが付いた長さ 1mm の試料を用いた。光源として幅 5ps、繰り返し周波数 20MHz のパルス光を使用した。 MZ 干渉計を利用した光スイッチでは、一方の光路に PC-WGs を置き光カー効果により光パ ルスの位相を変調する。 ２つの光パルスは合波され高速の受光器を経てオシロスコープにて 出力を確認した。このとき２つの光波の位相差が π のとき MZ 干渉計の原理により２つの 光波は打ち消され off 状態になる。Fig. 2 に波長 1530nm(群屈折率 ng=6)のときの PC-WG へ の入力パワーが 1.2W と 0.8W の出力波形を示す。入力パワー1.2W のとき位相が π 変化する ので off 状態になるが、位相変化が π に満たないパワーを入力した場合は on 状態になるこ とが確認できた。ここでの出力波形は測定器などの応答時間に制限されている。本結果から 良好な消光比が得られ、MZ 型の光スイッチ動作を確認できた。 Fig Fig 1. SEM picture of a sample. 2. Output oscilloscope. 18 waveform from フォトニック結晶ファイバーからの高次モード励起による分散波の 発生 Generation of dispersive waves from a photonic crystal fiber by higher-order mode excitation 光システム学科 唐澤 直樹（Naoki KARASAWA） Dispersive waves were generated from a photonic crystal fiber by higher-order mode excitation and the dependence of their wavelengths on polarization was measured. The dispersion properties of various spatial modes with different symmetry numbers were calculated theoretically and four combinations of linearly-polarizing higher-order modes were identified. The phase-matching conditions of dispersive waves for higher-order modes were calculated and it was found that the wavelengths of dispersive waves with identical spatial modes depended on polarization directions. The dependence measured experimentally agreed well with results obtained by theoretical calculations. フォトニック結晶ファイバー（PCF）に超短光パルスを導波すると超広帯域光波を発生で きることが見出され、様々な応用に用いられている。超広帯域光波の発生は PCF の分散が 励起波長で異常分散であり、高次ソリトンの伝搬とその基本ソリトンへの分裂及び基本ソ リトンと位相整合のとれた分散波の発生で説明される。本研究においては高次モード伝搬 においても分散波が発生し、その波長が偏光方向に依存することを見出した。 本実験では直径が 1.57 m の空孔が 6 角格子状にピッチが 2.27 m で 5 リング形成された PCF を用いた。これにチタンサファイアレーザーからの波長 810 nm、パルス幅 50 fs の光パ ルスを入射させた。基本モード伝搬では分散波の発生は見られなかったが、高次モード伝 搬では可視光の領域に分散波の発生が見られ、その波長は偏光方向に依存した。Fig１にそ のスペクトルを示す。理論計算により高次モードは空間的対称性の異なる４つのモード（p1、 p2、p5、p6）の線形結合で表わされることがわかった。基本ソリトンパルスと位相整合が とれるための分散波の波長を理論的に計算したものを Fig 2 に示す。これより同一の空間モ ードを持つ高次モードにおいて、偏光方向が異なると分散波の波長異なることが予測され、 実験での結果が説明された。このように分散波の波長が偏光方向で制御できることから、 高速光変調等への応用が考えられる。 参考文献：N. Karasawa and K. Tada, Opt. Express, 18, 5338 (2010). Fig 1 The spectra of dispersive waves and spatial modes. Arrows indicate polarization directions. Fig 2 The dispersive wave wavelength versus pump wavelength for higher-order modes with different symmetry numbers. 19 FDTD 法による 2 次元フォトニック結晶反射・透過スペクトルの数 値計算 Numerical calculation of light transmittance and reflectivity of 2D photonic crystal 光システム学科 張 公儉（Gongjian ZHANG） The light transmission and reflection for the periodic structure were efficiently obtained by using plane wave expansion (PWE) method and the finite-deference time-domain (FDTD) method. Comparison of plane wave expansion method and FDTD method for computing light transmission and reflection of two-dimensional photonic crystals were presented 本研究ではFDTD法における吸収境界条件、励起光源などによる影響などおよび平面 波展開法との比較を行った。平面波展開法は電磁界および誘電率をフーリエ級数に展開し、 電磁波の波動方程式を離散した固有値問題として、周期構造のバンド構造ないし透過スペ クトルを得ることができる。平面波展開法で無限周期構造のフォトニック結晶を精確に解 析できるが、欠陥を含むと方法を適用し難い。一方、有限差分時間領域法（Finite-Difference Time- Domain method）FDTD法は電磁波のマクスウェルの方程式を直接に空間・時間領域で の差分方程式で解析するから有限のサイズ、あるいは欠陥のある場合でもこれらの制限は ない。マクスウェルの方程式を直接、空間・時間領域での差分方程式に展開して逐次計算 をすることで、電場･磁場を決定する。図にはFDTD法で得られた板状2次元の周期構造の透 過･反射スペクトルを示している。 図１．The calculation results by FDTD method (TM, TE and defect mode). 図からわかるように、欠陥がある場合は透過スペクトルに鋭いピーク、つまり欠陥モー ドが生じる。 参考文献： 1) 張、中山、 “FDTD 法による 2 次元フォトニック結晶反射・透過スペクトルの数値計算” 、 第 45 回応用物理学会北海道支部学術講演会（第 6 回日本光学学会北海道地区）―講演 予稿集、20(2009) 2) G. Zhang, K. Ohnuma, N. Matumura, T. Muneta, T. Taoka, A. Tabata, A. Yamanaka, “Comparison of numerical methods for computing light transmission & reflection of two-dimensional photonic crystal”, in “Optical devices and systems, Biomedical and Green Technology” edited by S. Kobayashi and H. Sasabe, 127(2009,Sapporo,Japan) . 3) G. Zhang and A. Nakayama, “Comparison of numerical methods for computing light transmittance and reflectivity of 2D photonic crystal”, in proceeding of the international conference on Nanophotonocs 2010, p220(2010,TSUKUBA). 20 ポリシラン光導波路回折格子による波長可変 Er 添加ファイバレー ザ Tunable Er Doped Fiber Laser with Polysilane Waveguide Bragg Grating Resonator 光システム学科 小林 壮一（Soichi KOBAYASHI） The Er doped fiber (EDF) laser oscillation and the wavelength tuning characteristics are presented by using the polysilane optical waveguide Bragg gratings (PWBG) as an external resonator. The EDF laser wavelength shift due to temperature was measured as 0.141 nm/℃ with a temperature control over a range between 30 and 70 ℃. EDF Fiber coupler Heater Pump LD 980 nm Mirror Optical spectrum analyzer Gratings on polysilane optical waveguide Oscillation wavelength (nm) 本研究では、EDF レーザ用ミラーとしてポリシラン光導波路上に回折格子を形成し、 980nm の励起光源を用いて EDF レーザの発振特性、発振波長チューニング特性について明 らかにしている[1],[2]。ポリシラン光導波路の伝搬損失は 1550nm で 0.74 dB/km,励起用 980nm で 0.43 dB/km であった。ポリシラン光導波路回折格子(PWBG)の作製は光導波路コア 上に He-Cd レーザ二光束干渉法により行われ、ピッチ間隔は約 500nm、長さは 10mm であ る。Fig.1 に Er ファイバレーザ発振特性の実験系を示す。980nm 励起光はファイバカップ ラを用いて Er 添加ファイバ（EDF 約１ｍ）へ結合され、共振器は全反射ミラーと PWG で 形成されている。発振縦モードは単一であり光スペクトラルアナライザで観測した結果、 0.043nm の線幅を示した。発振波長を推移させるため PWBG のポリシラン光導波路基板の下 にヒータを挿入し、温度を 30℃から 70℃まで変化して発振波長変化を測定した。ポリシラ ン光導波路回折格子の温度変化による反射波長のシフト量の測定結果を Fig.２に示し、反 射波長温度特性－0.14１nm/℃が得られた。この値はポリシラン光導波路回折格子のフィル タ温度特性（－0.143nm/℃）と良い一致を示している。 1556 1555 Temp. increase 1554 Temp. decrease 1553 1552 1551 1550 1549 20 30 40 50 60 70 80 Temperature (℃) Fig.1 Measurement setup for the EDF laser oscillation Fi.2 EDF laser wavelength shift against temperature change of the polysilane WBG in the 1550- nm band. 参考文献： [1] S.Kobayashi, et,al.,,”Narrow tunable polysilane optical wavguide Bragg grating filters”, IEEE Photon. Technol Lett,vol19, no.5, P363-365, 2007 [2] Daiki Motoyoshi, et,al., “Tunable laser oscillation with optical switches and grating on polysilane optical waveguides”, SPIE Photonics West 2009, 7219-9, January.27, 2009, San Jose, CA, USA 21 ウエットプロセスによる有機 FET の開発 Development of High Carrier Mobility Organic FET by Using Wet Processes バイオ・マテリアル学科 雀部 博之 (Hiroyuki SASABE) Organic Field Effect Transistors (OFETs) are most promising organic device for flexible display and/or memory cards application if the drawbacks of low carrier mobility are overcome. Our approach to this challenge is to find appropriate device processing techniques using diacetylene monomers for the active layer of OFET. We found the dewetting process is the most appropriate technique, and obtained a good performance of FET characteristics, e.g., ～0.01 cm2/Vs. This approach will be extended to the graphoepitaxial crystal growing of polydiacetylene for the improvement of carrier mobility. 有機材料を用いた電子デバイスの開発研究が注目を集めているが、その中でも有機トラ ンジスタ（OFET）は低コストでフレキシブルなディスプレイやメモリーカード等への応用 が期待されている。本研究は、これまでに当研究室で報告しているポリジアセチレン FET のさらなる移動度の向上を目指し、ジアセチレン分子の配向制御の検討として、ウエット プロセスによる OFET の作製を行った。ウエットプロセスとして浸漬法、キャスト法、デ ィウエッティング法の 3 つの方法を用いて薄膜を形成しその OFET 特性および結晶状態を 評価した。 ジアセチレンモノマーとして 10,12-Pentacosadiynoic acid（PDA）を用いて、それぞれの方 法で基板上に薄膜を形成したところ、ディウエッティング法とキャスト法で作製したフィ ルムで顕著な FET 特性が最も高い移動度（5.0x10-4 cm2/ Vs）を示した。また、3 つの方法で 作製した結晶状態を光学顕微鏡により評価したところ、ディウエッティング法で作製した フィルムが最も結晶サイズが大きく、掃引方向に沿って結晶が並んでいる様子が確認でき た。さらに、溶液の濃度を上げて、OFET を作製したところ、濃度を上昇させるにつれ移動 度も向上し、濃度：35mg/ml の時に、最も高い移動度：1.1x10-2 cm2/ Vs を得た。このことは AFM 観察から、結晶サイズと亀裂がないスムースな結晶に関係していることを示している。 また、 本研究で得られた移動度はドライプロセスで作製した OFET の移動度：1.6x10-2 cm2/ Vs とほぼ同等の値であり、さらにはこれまでに報告されているウエットプロセスにより作製 されたポリジアセチレンを活性層とする OFET の移動度が 10-5～10-6 cm2/ Vs であることを 考えると、本研究で得られた移動度は極めて高いことが分かる。 このように、ディウエッティング法を用いることで、容易に一方向性を有するジアセチ レン分子薄膜を作製できることが分かった。掃引速度を十分に制御可能することが大きな 課題であり、その克服によって良好な OFET 作製が実現される。今後さらに移動度を向上 させるには、ボトムコンタクト型よりも接触抵抗を低くできるトップコンタクト型 OFET を作製すること及びディウエッティング法により得られた配向膜上へ蒸着法によってグラ フォエピタキシャル成長を促すこと等が考えられる。 10-1 -90 -60 -30 0 30 20 10-2 2 -120 Vg=-0V Vg=-10V Vg=-20V Vg=-30V Vg=-40V Vg=-50V Vg=-60V Mobility(cm /Vs) Drain current (A) -150 0 -20 -40 10-3 10-4 10-5 10 -60 Drain voltage (V) 20 30 40 50 60 Concentration (mg/ ml) Fig. 1 FET characteristics of 35mg/ml sample. Fig. 2 Concentration dependence of carrier mobility. 22 フォトニクスシステム研究 光システム学科 唐澤 直樹 バイオ・マテリアル学科 南谷 晴之 光システム学科 川瀬 正明 グローバルシステムデザイン学科 山林 由明 グローバルシステムデザイン学科 吉田 淳一 光システム学科 福田 誠 光システム学科 小田 尚樹 23 擬似スーパーコンティニュウム光波を用いたコヒーレントアンチス トークスラマン散乱顕微分光 Coherent anti-Stokes quasi-supercontinuum Raman scattering microscopic spectroscopy using 光システム学科 唐澤 直樹（Naoki KARASAWA） Quasi-supercontinuum from a photonic crystal fiber was generated and used as a Stokes pulse in broadband coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy. The quasi-supercontinuum was created by modulating optical pulses by an acousto-optic modulator, and the group delays in the quasi-supercontinuum were compensated for by a pair of high index prisms. By the use of the quasi-supercontinuum, the CARS measurement time was reduced to be about one eighth compared with our previous study. With this setup, broadband CARS signals between 900 cm-1 and 3100 cm-1 of a single polystyrene bead sample have been measured successfully. コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）分光は超短光パルスレーザーを光源 として用い、ポンプ光とそれと波長が異なるストークス光を生体などの試料に集光し、そ のとき試料の分子振動に共鳴的に発生するアン チストークス光波を分光する方法である。我々 はフォトニック結晶ファイバー（PCF）にチタ ンサファイアレーザーからの光パルスを導波し、 発生する基本ソリトンパルスをストークス光と して用いる広帯域 CARS 顕微分光光学系の試作 を行ってきた。本研究では従来の手法に比べ、 より強度が平坦で測定時間の短縮が期待される 擬似スーパーコンティニュウム光を用いた広帯 域 CARS 分光実験を行った。 実験においては音響光学素子により PCF に入 Fig 1 The spectrum of quasi-supercontinuum (black curve) and the spectrum of a single fundamental soliton pulse (dashed curve). 射する光波の強度を周波数 500 KHz で変調し、 擬似スーパーコンティニュウムを発生させた。 Fig１にそのスペクトルを示す。発生された擬 似スーパーコンティニュウムは波長と遅延時 間の異なる基本ソリトンパルスの集まりであ るが、このとき遅延時間については高屈折率ガ ラスプリズム対を PCF の出力部に挿入しその 補償を行い、これにより広帯域で信号が高強度 な CARS 計測を行うことが可能となった。Fig 2 にこれらを用いて得られた単一ポリスチレン球 （直径 6m）の CARS 信号を示す。今回の擬似 Fig 2 The CARS signal of a single polystyrene bead (black curve). The spontaneous Raman shifts are shown by dashed lines. スーパーコンティニュウムを用いた方法により、 従来の約 8 分の１の 0.3 秒の測定時間で 900 cm1 から 3100 cm1 の広帯域の CARS 信号が明 瞭に観測可能なことがわかった。 24 光化学反応由来活性酸素による血管透過性障害のイメージング解析 Image Analysis of Endothelial Permeability Dysfunction Induced by Photochemically Activated Oxygen Radicals バイオ・マテリアル学科 南谷 晴之（Haruyuki MINAMITANI） This study focused on the mechanism of endothelial cell dysfunction caused by reactive oxygen species generated from photochemical reaction (PR). Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were incubated in collagen dishes with ALA and were irradiated by LED light of 626 nm wavelength for 10 min. The cell viability maintained after PR however the tube formation of HUVECs changed to the capillary-like structures and increased in the endothelial permeability. Shrinkage of HUVECs lead to increase in the subendothelial area and F-actin formation into stress fibers after PR. This suggests that oxidative stress of PR strongly affects on the morphological change of HUVECs and increase in the endothelial permeability. ［背景及び目的］ 光化学反応（Photochemical reaction: PR）は光線力学的治療（Photodynamic therapy: PDT）として表層性炎症の治療に利用されており、食道癌やアテローム性血栓など 体内炎症組織への適用が期待される。その治療原理は光感受性物質を患部に蓄積させ、内 視鏡を用いて局所的にレーザー光を照射することで光化学反応を引き起こし、高反応性活 性酸素を発生させ選択的に悪性の患部を治療する方法である。活性酸素により悪性細胞や 組織を壊死させる一方、副次的に正常組織へも傷害を与える可能性があるが、その傷害の 一つに血管内膜過形成が上げられる。すなわち、光化学反応施行後に血管透過性が亢進し、 その結果、内膜が過形成されることになる。本研究では光化学反応による血管透過性亢進 現象に関して培養血管内皮細胞の in vitro 系で検討した。 ［方法］ 対象細胞にはヒト臍帯静脈由来血管内皮細胞（Human umbilical vein endothelial cells: HUVEC）を用い、Transwell 内で血管透過性計測モデルを構築し PR を施行した。PR のための光感受性物質としてアミノレブリン酸（5-aminolevulinic acid: ALA） 、励起光源とし て高輝度 LED array（中心波長 626 nm）を用いた。PR 条件は、光強度 10mW/cm2、光照射 時間 10min、ALA 濃度 1mM、ALA 接触時間 4h とした。PR 施行 1 時間後の血管透過性を FITC dextran の透過量により計測した。また PR 施行後の細胞間隙の変化を観測するために 接着斑（β1 integrin）を蛍光染色し、近接場全反射顕微鏡にて可視化解析した。さらに血管 透過性変化に関与する細胞骨格タンパク（F-actin）および細胞間ジャンクション（ZO-1, VE-cadherin）を蛍光染色し共焦点顕微鏡にて可視化解析した。その上で細胞形態変化のシ グナル伝達に関与すると考えられる単量体 G タンパク RhoA の活性化量を Western blot 法お よび Pull down 法を用いて検討した。 ［結果及び考察］ PR 施行によって活性酸素が多量に産生され、そのために細胞傷害が起 こり、Fig.1 に示すように FITCdextran の透過量が大幅に増加し、明らかな血管透過性亢進 が認められた。透過性亢進の際に内皮細胞内のアクチンフィラメントの束（stress fibers）が 増加し、細胞短縮が起こり、また ZO-1 や VE-cadherin が細胞外縁から消失することで内皮 細胞間隙が拡大していることも可視化解析から確認された。Fig.2 は PR 施行前後の内皮細 胞の形態変化を観測した蛍光画像であり、PR 施行によって細胞全体が細長く短縮し、細胞 間隙が増加していることがわかる。さらに PR 施行後、活性化 RhoA 量が上昇し、RhoA を 阻害することで透過性亢進が抑制されることから、血管透過性亢進に関して RhoA が深く関 与していることが示された。 以上より、PR 施行によって内皮細胞内の RhoA が活性化し、アクチンフィラメントが変 異、ZO-1 や VE-cadherin が消失することで細胞間隙が拡がり、その結果、透過性が亢進し 25 たものと考えられる。このことより、PDT による正常血管内皮細胞への傷害に関して、そ のメカニズムの一端が解明できたとともに、副作用軽減の可能性を示すことができた。 Fig.1 Increase in endothelial permeability induced by photochemical reaction. Remarkable increase of FITC dextran flux was observed after PR while individual ALA incubation and individual light stimulation were not affected on the cell permeability. Fig.2 Transformation of endothelial cell structure occurred by exposure of reactive oxygen radicals. Left figure shows normal formation of HUVECs while right figure shows the HUVECs after PR. Shrinkage of the cells and spread of subendothelial area can be clearly observed. 26 光源スペクトルと WDM アクセスネットワークの伝送特性評価 Characteristics of a WDM Access Network using spectrum-sliced light source 光システム学科 川瀬 正明（Masaaki KAWASE） Spectrum-sliced light sources have been developed as important colorless light sources for WDM systems. We evaluated the transmission characteristics of a WDM access network that uses a spectrum-sliced light source. アクセスネットワークへ適用可能な WDM システム構成として、ASE 光源から切り出し た光源を用いる AWG STAR WDM システムの評価を行っている。ASE 光源からスペクトル を切り出す際、フィルタの特性により、理想的な光源スペクトル形状が得られるとは限ら ない。特に FBG により切り出した光源のスペクトルにはサイドローブの存在が見られた。 サイドローブは分散による务化の観点からは特性が低下するが、パワーの観点からはプラ スに作用する。そこで、サイドローブがある場合の伝送特性への影響についてシミュレー ションにより評価を行った。サイドローブを有する光源スペクトルのモデルを図１の通り とした。中心波長の半値幅 c 、サイドローブの波長幅 s 、中 心波長のピークレベルとサイドローブのレベル差 dB をそれぞ れパラメータにとり、伝送可能距離の観点から評価した。中心波 長の半値幅を 1.6nm とし、1Gbps における評価結果を図２、図３ に示す。図２は 1.3 ㎛ゼロ分散の標準シングルモードファイバ長 をパラメータにとって Q 値を評価した結果、図３はサイドロー ブの幅が 6nm, 10nm の場合における伝送可能距離を示したもの である。 Fig.1 sliced spectrum model Fig.2 Q-factor characteristics Fig.3 Transmission distance limits 27 2.4 km 長 の マ ル チ モ ー ド フ ァ イ バ ケ ー ブ ル 伝 送 路 に お け る 10Gbps、24 時間エラーフリー伝送 10 Gbps, 24 hours error-free transmission over 2.4 km multimode fiber lineグローバルシステムデザイン学科 山林 由明（Yoshiaki, YAMABAYASHI） This is the first feasibility report on serial 10-Gbps signal transmission experiments over 2.4-km of multimode fiber line being combined two types of Graded-Index multimode fibers with 62.5-m and 50-m cores 現在、建物内部に張り巡らされている光ファイバはマルチモードが主流であるが、ブロ ードバンド系アプリケーションの普及に伴って、これに 10 Gbps 信号を流したいという要求 が増大している。IEEE 規格としては、1.3 m 光源と等化 LSI をもちいた 10GBASE-LRM が 2006 年 9 月に制定されている i)が最大 220 m の伝送距離しかサポートできず、550 m の伝送 距離をもつギガビットイーサネットとの互換性が失われている。一方で、キロメートル長 のマルチモードファイバ（MMF）にたいする低次モード群励振 ii)、あるいは最低次モード 整合中心入射技術 iii)などで 10 Gbps 以上の超高速伝送が可能であることが報じられている が、誤り発生の長時間特性については報告がなかった。 当研究室ではスポットサイズ変換のためのファイバ型デバイスを設計している。このう ち、変換部のコア径が一定のものを”SSC”(Fig. 1-a)、コア径がテーパ状に MFF 側に向けて増 大するものを”TOF”(Fig. 1-b)と称している。今年度はフォトニック サイエンス テクノロジ 社製の数種類の SSC と TOF をそれぞれ送信側に適用し、Fig. 2 に示す実験系で総長 2.4 km の MMF 伝送路において 24 時間にわたる 10 Gbps 伝送実験を行った。テストした 2 種類の ファイバはともに 100 m の 12 心ケーブルであって、一方は 50 m GI コア、他方は 62.5 m GI コアである。これらをすべて SC コネクタで数珠繋ぎにし、総長 2.4 km の MFF 伝送路 を得た。送受信器は 1.3 m 波長の DFB-LD を備えた XFP モジュールであり、単一モードフ ァイバ(SMF)でその送受信端をインタフェースした。比較のため、この SMF を MMF 伝送 路に直接接続した場合の結果を Fig. 3 に示す。それでもほとんど誤りが無く、24 時間に 1 度だけエラーバーストが発生した。 一方、 Fig. 4 に示すように変換部コア径が 14 m （ = 0.3%） である SSC14 を送信側に接続した場合は、24 時間にわたって誤り無く伝送できた。同様の 結果は、MMF 側のコア径が 34 m（ = 0.8%）の TOF34 場合も得られている。結論として、 適当なスポットサイズ変換デバイスを使用することによりキロメートル長の MMF 伝送路 においても、10 Gbps 伝送が 24 時間無誤りで可能であることを初めて示した。 SMF SSC MMF 125 m 50.0 m 9.2 m TOF Configuration of “SSC”, which has a constant core diameter. 12~18 mφ Δ 0.3％ SMF Fig. 1-a MMF 125 m 50.0 m 9.2 m Fig. 1-b “TOF”, which has a tapered core. Δ 0.8％ 34.36 mφ 28 Configuration of 1.3 m XFP 10 GHz PPG 12×100 m = 1.2 km 62.5 m MMF Tx Rx ED SSC Fig. 2 3dB OC Power Meter The MMF line has 25 connecters (SC-type) in total. 12×100 m = 1.2 km 50 m MMF : SC Connector : SMF -10 30 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 1.E-12 1.E-13 -11 25 Error Rate /min -12 5 1440 1320 1200 960 1080 0 0 1440 1320 1200 1080 960 840 720 600 480 360 240 120 0 time[min] 温度 once error burst 840 受信電力 -18 720 -17 10 Error Rate 600 -16 15 480 -15 20 360 -14 240 -13 120 受信電力[dBm] Experimental setup. time[min] Fig. 3 Experimental results of a 24-hour, 10 Gbps transmission experiment over the combined MMF line being connected directly with the SMF. The left figure shows received optical power, and the error rate and room temperature are plotted right. Once error burst are recorded. 温度[℃] 5 1440 1320 1200 0 0 1440 1320 1200 960 1080 840 720 600 480 360 240 120 0 time[min] 温度 error free 1080 受信電力 -18 960 -17 10 Error Rate 840 -16 15 720 -15 20 600 -14 25 480 -13 30 360 Error Rate /min 受信電力[dBm] -12 1.E+01 1.E+00 1.E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 1.E-12 1.E-13 240 -11 120 -10 time[min] Fig. 4 Experimental results of a 24-hour, 10 Gbps transmission experiment over the combined MMF line with using SSC14 at the input port. The left figure shows received optical power, and the error rate and room temperature are plotted right. No error is recorded. 参考文献： i) “IEEE P802.3aq 10GBASE-LRM Task Force” http://www.ieee802.org/3/aq/index.html （2010/07/10） ii) I. Gasulla and J. Capmany: “1 Tb/s·km Multimode fiber link combining WDM transmission and low-linewidth lasers”, OPTICS EXPRESS, vol. 16, no. 11, pp. 8033-8038 (2008). iii) D. H. Sim, Y. Takushima, and Y. C. Chung: “High-Speed Multimode Fiber Transmission by Using Mode-Field Matched Center-Launching Technique”, J. Lightwave Technol., vol. 27, no. 8, pp. 1018-1026 (2009). 29 北国に適した太陽電池の形と設置方法の研究 －積雪を避け反射光を有効に利用して発電量を増やす－ Research on the effect of the reflected light on the generated power of solar panels in snowy cold regions グローバルシステムデザイン学科 吉田 淳一（Junichi YOSHIDA） Generated power by solar panels was onvestigated by using several different reflected light conditions. It was found that higher reflection condition leads about 30 % higher power generation compared with normal situation. 従来から広く普及している片面受光型の太陽電池ではなく、両面から受光が可能な太陽 電池は、 「パネルを垂直に立てて使うことで積雪の影響が無い」、 「垂直設置により、雪面の ように地面からの強い反射光を有効に受光して、冬の発電量が夏よりも多い」など、北海 道のような積雪寒冷地においても太陽光発電を普及させるには大変好都合な特徴を有して いる 1)。この意味で、 「積雪寒冷地型太陽電池」と呼ぶに相応しい構造である。また、両面 垂直設置することにより、曇天や雤天でも裏面からも含めて散乱光を有効に取り入れるこ とができることに加え、設置方位に対する依存性が尐なくどの方位でもほぼ一定量の発電 が可能であることも大きな特徴である。 本研究では，垂直設置した両面受光型太陽電池パネルの設置面の材質を変えてパネルに入 射する反射光の大きさを変えることにより、発電量に対する影響を実験的に検討した。そ の結果，設置面材料として反射量が大きい材料（例えば白色発泡スチロール）を使用する と、垂直設置で 30%程度の発電量増加があり、雪面と同様に大きな発電量増加が期待でき ることから、積雪寒冷地における太陽光発電の設置形態として必須なことが分かった （Fig.1） 。なお，このような反射光を有効に取り入れる考え方は，従来の片面太陽電池にも 応用可能であり，今後多様な展開が期待できるものと考える。 Reference: 1. 荒木一郎，吉田淳一他、火力原子力発電、Vol.55, No.569, 169-176 (2004) 2．吉田淳一，積雪寒冷地型太陽電池の発電量に及ぼす地面反射の影響，45 回応物学会北海 道支部大会予稿集（2010 年 1 月） 芝 6 黒ベニヤ 発泡スチロール1枚 発泡スチロール2枚 太陽電池出力（Ｗ） 5 発泡ｽﾁﾛｰﾙ 4 3 2 芝 1 黒ﾍﾞﾆｱ 0 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 時刻 Fig.1 Measured generated power in a fine day 30 16:00 三相パルス電流による RGB 三色 LED アレー駆動回路 ‐調光ができる省エネ LED 照明‐ A Driving Circuit for RGB 3-Color LEDs with 3-Phase Pulse Current. - Color Rendering Lighting with LEDs 光システム学科 福田 誠（Makoto Fukuda） A 3-phase pulse current source was designed and an array of RGB 3-color LEDs was driven by the circuit. The circuit consists of a pulse width modulation block and MOSFETs. The color of the emitted light was varied by the circuit. 発光ダイオード（LED: Light Emitting Diode）は化合物半導体による PN 接合をもつダイオ ードであり、電子とホールの再結合によって発光し、その波長はバンドギャップの大きさ によって決定される。1980 年代までに赤色の LED は実用化されていたが、青色および高輝 度の緑色は 1990 年代になってようやく実用化された。それによって赤、緑、青の光の三原 色が高輝度の LED によって実現されることとなった。特に青色 LED の出現によって白色光 の発生が可能となり、LED の応用範囲が格段に広くなった。LED がもつ最も大きな特長と して、発熱が小さいことが挙げられる。そのため、LED は省エネルギーの照明用光源とし て、その需要は今後ますます増大する。 本研究では、赤、緑、青（RGB）の三つの LED チップが一つのパッケージ内に封入され た SHARP 製 GM5WA06252A を４×６個のアレーに配置し、R、G、B それぞれの LED に位 相をずらした三相のパルス電流を供給する回路を設計・製作した。電流の位相をずらすこ とによってすべての LED に同時に電流を供給する必要がないことから、電源容量を小さく することができる。また、電流パルスの周波数およびパルス幅を可変できるように回路設 計したので、RGB それぞれの LED の光量を変えることができ、照明の明るさと色調を独立 に変えることが可能となった。試作した回路は、①クロック発振回路、②３相パルス発生 回路、③パルス幅可変回路、④LED をドライブする MOS FET および⑤LED アレーによっ て構成される。Fig.1 に試作した光源の発光スペクトルを、Fig.2 に駆動電流の周波数と消費 電力の関係をそれぞれ示す。今後は、デジタル制御による調光機能を付加して、照明とし ての心理学的な評価も行っていく。 ［1］ 田口常正 編著、 「白色 LED 照明技術のすべて」、工業調査会、 2009 年 4 月 30 日 ISBN 978-4-7693-1284-0 ［ 2 ］ Steve Winder, “Power Supplies for LED Driving”, Newnes, April in 2007, ISBN 978-0-7506-8341-8 1.8 1.6 1 1.4 消費電力 （W） 規格化し た強度 0.8 0.6 0.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0 0 350 450 550 650 750 0 波長 (nm) 200 400 600 800 1000 クロック周波数 （Hz) Fig.1 Measured spectrum of trichromatic multi-LED source driven by 1.5kHz 3-phase pulse current. Fig.2 Power consumption versus clock frequency. 31 足首関節の軸ねじれを利用した二足歩行ロボットの進行方向制御 Visual Walking Direction Control for Biped Robots with Flexible Ankles 光システム学科 小田 尚樹（Naoki ODA） The torsional deflection around yaw axis at supporting ankle joint is intentionally utilized for walking direction control. The deflection is generated by the reaction moment due to the upper body acceleration. The camera system is mounted on the robot, and the obtained image is used for detecting the target object and regulating the reaction moment in image-based visual feedback manner. The validity of the proposed method is confirmed by several experimental results. 二足歩行ロボットの足首関節の柔軟性と歩行運動の安定性の関係に着目した研究を進め ている。これまでに，柔軟性に起因する振動的な挙動を抑制するために，レーザ変位セン サを利用した歩行安定化手法の提案を行っている。平成 21 年度は，足首のヨー軸回りの柔 軟性を活用したビジュアルフィードバック型の進行方向制御の実現 に向けた取り組みを行い，実機実験によりその制御効果を確認した。 Fig.1 に示すように上体部に CCD カメラを搭載し，画像処理によ り視野環境中の特徴物の位置をリアルタイムに検出する。従来手法 では，遊脚（振り出す脚）の軌道変更により着地方向を変更するこ とを行うが，歩行パターン全体の複雑な変更を伴う。そこで提案手 法では，ロボット腰部分の旋回制御にビジュアルフィードバック型 の反動トルク生成制御を導入し，脚振り出し中に軸足（接地脚）側 にヨー軸回りの変形を生じさせ，遊脚着地時の接地方向を変更する 系を構成する。人間で言えば，上体のひねり運動を利用しているこ とと等価である。本手法は，急な旋回動作の実現は困難であるが， 重心軌道や遊脚軌道の変更を必要とせず，視野中の目標物に向かっ Fig. 1. Biped Robots て歩行方向を自律的に変更可能である。Fig.2 に実機実験の 結果を連続写真で示している[1]。右方向（左欄），直進方向 （中欄），左方向（右欄）の結果ともに，前方に設置した対 象物体を目指して歩行方向が変更されている様子が確認で きる（動画は[2]を参照） 。 これらの結果は，レーザ変位センサに基づく姿勢安定化制 御手法と併用して得られた結果である。今後の予定として， 搭載したカメラによる環境認識結果からロボットの足部に 生じているモーメントを推定することで，視覚情報のみで歩 行運動の安定化制御と進行方向制御を達成する制御系へと 拡張していく。 参考文献： [1] N. Oda and M. Ito, "Visual Walking Direction Control by Regulating Torsional Deflection for Biped Robot", IEEE International Workshop on Advanced Motion Control (AMC2010), Nagaoka, 2010 [2] 小田研究室ホームページ，http://odalab.spub.chitose.ac.jp/ Fig. 2. Experimental Results 32 コロキウム報告 本学では過去において、旧物質光科学科が PWC の支援も受けつつコロキウムを開催して きました。最近はその活動が低下しておりましたが、今回の研究所発足を受け、装いも新 たに研究所が主体となって開催する運びとなりました。コロキウムを担当された唐澤准教 授のご努力もあり順調に回を重ねております。以下にこれまでの実績を記します。 第 1 回 平成 22 年 6 月 23 日（水）千歳科学技術大学 「科学技術振興機構（JST）の研究支援と特許について」 科学技術振興機構知的財産センター大学支援担当特許化支援事務所（北海道） 三井良一 「FTIR イメージングによる食品分析」 バイオ・マテリアル学科 木村廣美 「フォトニクス結晶スラブ線欠陥導波路の非線形光学特性に関する研究」 光システム学科 小田久哉 第 2 回 平成 22 年 7 月 28 日（水）千歳アルカディア・プラザ 「キリンブランドの秘密」 キリンビール千歳工場 小森俊明 「電子が主役のエレクトロニクスからプロトニクスへ：プロトン（陽子）ダイナミクスを 利用した光機能性材料開発」 バイオ・マテリアル学科 坂井賢一 「作業員の行動に基づく労働災害と人的エラー防止の研究」 グローバルシステムデザイン学科 小林大二 特別講演会 平成 22 年 8 月 18 日（水）千歳科学技術大学 “The Beginning of a Tradition” University of Potsdam Heidi Granzow, Eric Schoenemann 第 3 回 平成 22 年 9 月 29 日（水）千歳科学技術大学 「非線形光学結晶によるレーザ光波長変換技術の展望（真空赤外線からテラヘルツまで）」 バイオ・マテリアル学科 梅村信弘 「自宅にも PC 教室のプログラミング環境を！」 グローバルシステムデザイン学科 深町賢一 特別講演会 平成 22 年 11 月 10 日（水）千歳科学技術大学 “Biotronics Research at the US Air Force Research Laboratory: Principal Electronics Research Engineer with the Air Force Research Laboratory,Materials and Manufacturing Directorate at Wright-Patterson Air Force Base” Air Force Research Lab. James G. Grote 33 第 4 回 平成 22 年 11 月 24 日（水）千歳アルカディア・プラザ 「低炭素社会の実現に貢献する天然ガス ～ 北海道ガスの取り組みについて～」 北海道ガス 千歳支店 宮本伸司 「顔表情運動のオプティカルフロー解析と顔面神経麻痺の診断 ～ 豊な表情とともに健やかな生活を～」 バイオ・マテリアル学科 南谷晴之 第 5 回 平成 23 年 2 月 15 日（火）千歳アルカディア・プラザ 「社会を支える電力システム」 北海道電力 千歳支社 尾崎伊智朗 「資源枯渇時代に向けたマグネシウムエネルギーサイクルへの挑戦」 グローバルシステムデザイン学科 山林由明 ※ 第 2, 4, 5 回は PWC「光テクノロジー応用懇談会」と共催です。 34 編集後記 研究所発足以来ほぼ一年が経過した。も ちろん研究所があるから研究するわけでは なく、当然行うべき研究をサポートするた めに研究所がある。したがって中にいれば 何も変わっていないようにも見える。 しかし研究所の事業としてはたとえばコ ロキウムが定期的に開催されるようになっ た。また、今回紀要という形で本学教員の 研究を外部に向けて発信することになった。 もちろん、内容については学会や論文等で 発表されたものがほとんどであろうが、こ うしてまとめてみるとまた別の視点から見 ることもできよう。 ささやかなものではあるが、本学と地域 および産業社会との絆を深める一助になら んものと期待している。 原稿をお寄せいただいた教員の皆様およ び編集にご協力いただいた多くの皆様に御 礼を申し上げる。 （YK 生） 千歳科学技術大学 編集委員 小林 壮一（委員長） 川辺 豊 （幹事） カートハウス オラフ 唐澤 直樹 長谷川 誠 高杉 雅史 編集庶務担当 柏倉 喜美子 フォトニクス研究所紀要 第1巻 第1号 平成 23 年 3 月 1 日発行 編集 フォトニクス研究所紀要編集委員会 発行者 千歳科学技術大学 〒066-8655 北海道千歳市美々758-65 電 話 0123-27-6003 35 通巻 1 号