ガリウムナイトライドという新しい半導体の登場によって、青色発光ダイオード、白色発光ダイオードやブルーレイディスクなどが実現され、私達の生活は大きく変化してきました。さらにこの半導体の持つ潜在能力を全て引き出すことができれば、エネルギー、環境、健康・医療など私達が21 世紀に抱える重要な課題を解決できる新しい光・電子デバイスを作ることができます。例えば、長寿命で消費電力の少ない照明光源、格段に変換効率の高い太陽電池、電気自動車技術を支える高効率インバーター、小型で強力な殺菌用光源などが期待できます。私達の研究室では、これら21世紀を担う半導体エレクトロニクスを実現するため、半導体材料の作製から物性評価、デバイス作製にわたる世界最先端の研究を文部科学省、経済産業省の支援を得ながら進めています。

原子のレベルで制御しながら半導体材料を作製する分子線エピタキシー装置

PCの内部で高度な情報処理の機能を実現している集積回路は、サイズが数十ｎｍ程度であるトランジスタから形成されており、これらの極微細トランジスタが情報の担い手である電荷の動きを制御しています。単電子トランジスタをはじめとする単電子デバイスは、最小の電荷を有する電子同士がお互いに反発しあう性質を利用して、電子の動きを１個ずつ制御する究極のデバイスです。単電子デバイスは、電子1個1個を情報の担い手とすることが可能で、飛躍的に集積回路の集積度を高め、また消費電力を低減することができると期待されています。本研究室では、この単電子デバイスの動作に関する理論的研究を行っています。

「ナノテクノロジー」と「バイオテクノロジー」。これらは20世紀に個別に発展してきましたが、21世紀にはこれらが融合して今までにない全く新しい技術に生まれ変わろうとしています。私達は電気電子工学の専門知識を駆使して、この新しい技術の創出に貢献しています。具体的には、（１）溶液や空気中の分子を検出して電気信号に変換する電気化学的バイオケミカルセンサの研究、（２）バイオケミカルセンサで用いられるナノスケールのCMOS（complementary　metal-oxide-semiconductor）デバイスによる集積回路の設計、（３）電気化学と生化学を応用した発電・蓄電に関する研究、などを行っています。日本国内はもちろん、海外の学生や研究者と関わる国際的な環境で研究を行っています。また、様々な異分野の専門家との共同研究となるため、物理だけでなく化学･生物学･医学など幅広い世界と繋がることができます。

生体分子センシング用CMOS集積回路チップ

電気エネルギーは現在の生活に無くてはならないものです。この電気エネルギーを有効に利用するためには，発電・貯蔵・供給・利用の全てに関わる「パワーエレクトロニクス」が重要な役割を担っています。パワーエレクトロニクスとは，電圧・周波数・電流などを必要に応じて効率よく変換する技術です。当研究室では，電力供給システムの安定化・高品質化・高効率化に貢献するパワーエレクトロニクス機器の研究を行っています。具体的には，

１．次世代パワー半導体を活用した変換器に関する研究
２．直流給電システムとその構成機器に関する研究
３．永久磁石を用いないSRモータの制御に関する研究

などを行っています。研究を通じて，パワーエレクトロニクスと電力供給システムの理解を深めるとともに，回路設計や制御プログラミングなどの技術も習得できます。

次世代パワー半導体デバイス（SiC MOSFET）を用いた太陽電池モジュール用DC/DCコンバータの試作器

パワーエレクトロニクスは、各種工業、電力、太陽発電や燃料電池などの新エネ、電気自動車や電車はもとより、エアコン、洗濯機、蛍光灯などの基幹技術として、生活に密着した欠くことのできないものになっています。また、パワーエレクトロニクスは、電気エネルギーをうまく変換・制御して効率よく利用する技術であることから、エネルギー環境問題に貢献でき、社会に出てからもやりがいのあるビジネスに就くことができます。具体的には、次の活動を中心に行います。（１）マイコンのIO周辺回路やドライブ回路など電子回路の製作試験を行い、電子回路の基礎を養う。（２）DSPやRISCマイコンでインバータや電動機を制御するために、C言語で制御ソフトウエアを作成すると同時に、リアルタイム制御の基礎を養う。（３）PLECS（高速パワーエレクトロニクス回路シミュレータ）を使い、システムを構築するとともに制御の基礎を養う。

人工衛星を用いた測位・航法システムはGNSS（Global Navigation Satellite System）と呼ばれ、代表的なものとしてカーナビや携帯電話に搭載されているGPSがあります。また、日本の準天頂衛星システム（GPSの補強衛星）、欧州のガリレオ（ヨーロッパ版GPS）等の打ち上げ、運用を目前に控え、さまざまなアプリケーションや衛星電波の処理方法が考えられています。当研究室では、衛星測位システムの高精度化を行う方法や、加速度、ジャイロセンサ等を併用した複合測位システムの測位アルゴリズムに関する研究を行っています。またこれらを通して、移動体における情報通信システムの高度化、ITS（高度道路交通システム）への応用について考察していきます。

鉄道線路を利用した移動体GPS測位実験風景（近江鉄道・彦根駅にて）

光ファイバ通信は、昨今のインターネットにおける通信トラフィックの爆発的な増大を支えるために不可欠なキー技術です。当研究室は2017年4月に発足したばかりの新しい研究室で、光ファイバ通信及びその応用に関する研究を行っています。私たちの家庭とインターネットを接続する光アクセスネットワークから、データセンタ内ネットワーク、さらには国内・国際間の長距離通信を担う光トランスポートネットワークに至るまで、様々な光通信システムを対象としています。例えば、光トランスポートネットワークに関しては、ディジタル信号処理を用いた新しい光通信方式や、光ファイバの非線形光学効果を抑圧する伝送方式の研究を研究しています。また、信頼性の高い光通信システムを実現する上で重要な性能監視技術にも取り組んでいます。

光ファイバ通信ネットワークの構成

現代社会において私たちが直面する工学的問題が対象とするシステムは、ますます複雑になり、多くの構成要素がネットワークを介して結合した大規模システムとなっています。たとえば、スマートグリッド、センサネットワークや移動ビークルの航行管制などがその例です。このような大規模システムに対して、様々な制約条件の下で最大限に性能を引き出すためには、数理モデルに基づくシステム制御工学の考え方が大変重要です。当研究室では、大規模ネットワーク制御系に対して、その仕組みを解明し、実用的なモデリング、推定および制御の方法を提案することを目指して、システム制御工学に関する幅広い研究・教育を行います。研究テーマの例として、複数センサの同期制御、小型移動ロボット群のフォーメーション制御などがあります。

小型移動ロボット群のフォーメーション走行制御実験

センサーネットワークは、データ観測や情報計測の可能性を拡張するキーテクノロジーであり、広域性、大容量性、多種多様性、危険性をともなう様々な観測においては、多様に適用展開することが出来ます。その構成は、仕様が異なる複数のセンサー、マイクロプロセッサ、無線通信機器、データHUB、クラウドシステム、そして遠隔監視システムなどからなり、それらを協調連携させ時には遠隔操作や予測制御を行いながら自律的に動作します。研究室では、センサー、マイクロプロセッ サー、無線通信ユニットを統合した自律型観測ユニット（センシングノード）による分散協調型無線ネットワークを構成し、更にクラウドシステムやホストシステムを付加したハイブリッド・センシング・ネットワークを考案し、１）山や丘陵地での斜面崩壊の予知、２）濁流河川の監視や水害予測、３）生活環境やトレーニングにおける生理パラメータの動的監視、４）人の歩行による移動場の監視など、様々な実環境課題について応用展開を図っています。

斜面崩壊検知用センシングノードユニット

大容量化が進展する光通信技術は、インターネットのブロードバンド化を始めとして我々の生活に様々な恩恵をもたらしています。しかしながら電子回路を用いた通信用信号処理は、速度の限界、消費電力の増加などの問題を抱えています。2012年4月に新しく発足する本研究室では、ナノフォトニクス技術、光導波路・光ファイバ中の回折、干渉、非線形光学効果などを活用して、光信号をできる限り光領域で処理可能で、高速性と低消費電力性を併せ持つ光信号処理技術の研究を進めていきます。また光には、生体や環境に優しく、高感度な検出が可能なソフトプローブという側面もあります。このような特徴と光信号処理技術を活用して、バイオ、医療、環境分野を主な対象とした高感度光センシング技術の実現、光センサの多重化（センサフュージョン）などの情報フォトニクス化にも取り組んでいきます。

集積光デバイスのシミュレーションの様子

環境発電は、光、機械の発する振動、熱、風などの身の回りにあるわずかなエネルギーを用いた発電技術です。エネルギーハーベスティング（Energy Harvesting）とも言われています。私たちの研究室では、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の照明からの光エネルギーを採取し電力に変換する研究をしています。これら以外にも土壌微生物燃料電池についての研究もしています。微生物燃料電池（MFC：Microbial Fuel Cell）は有機物を分解すると電流を発生させる細菌を使って発電しています。従来型のMFCは白金触媒やプロトン交換膜などの高価な部材を使うためコストが高いという問題がありました。私たちの研究室では安価な紙状微生物燃料電池についての研究も行っています。

微生物燃料電池とバイオフィルム

光量子エレクトロニクスとは、電磁波と物質との相互作用を扱う研究分野です。光と電子の相互作用を制御して、新たなデバイスとシステムを提案することを目指しています。主要な研究テーマは、ナノ加工技術、半導体レーザー、撮像デバイス、光ファイバー通信システムです。ナノ加工技術としては、パターンの形成されたモールドを室温で樹脂にプレスすることでパターン転写が可能な、室温インプリントリソグラフィー技術を開発しました。また、単峰性のきれいなビーム形状を保ったまま高光出力化が可能な半導体レーザーを提案し、理論解析を進めています。撮像デバイスについては、受光感度スペクトルのピーク波長とスペクトル幅を独立に制御できる構造を見出しました。光ファイバー通信では、非線形光学効果による雑音光を低減する方式を提案しています。

室温インプリントリソグラフィー技術によって形成したパターン

波動（あるいは単に「波」）はエネルギーが空間を伝搬する現象の総称で、電波や光などの電磁波、音波、重力波などが含まれます。この中で、電波と光の境界領域にはミリ波やテラヘルツ波があり、近年スマートフォンやIoTでの利用が検討されています。この未開拓の周波数を利用するためには、位相を制御して狙った方向にビームを形成したり、伝搬環境のより良い波長に切り替えたり、柔軟に波を制御する「波動工学」が重要になります。私たちの研究室では、波の周波数・位相・振幅を自由自在に制御するための革新的なアナログ集積回路の研究を行っています。本研究により、切れずに繋がる高速無線通信の実現や、食品分析や病巣分析、宇宙探索などのセンシングやイメージングの実現を目指します。第6世代移動通信システム（6G）時代には、情報通信のエリアは地上だけでなく上空や海中、宇宙にも広がります。回路技術で我々の生活を豊かにしていきます。

アナログ新回路アーキテクチャにより革新的な情報通信やセンシングを実現

美しい画像は人の心を奪います。見えないものを可視化すれば新しい価値が生まれます。「百聞は一見にしかず」と言うように、画像情報の有用性は改めて強調するまでもありません。ディスプレイやスキャナには、人とコンピュータとの間のインターフェイスという側面もあります。基礎となるのは、電子・光デバイスの技術と応用光学の理論です。これらは次世代の太陽光発電や光通信へも応用されます。当研究室ではこのような分野にスポットを当て、要素技術から応用システムまで幅広い研究に取り組んでいます。最近の研究テーマは「発電するディスプレイ」です。透明基板で蛍光体層を挟んでスクリーンを構成し、レーザー光を入射して画像を表示します。透明基板の端面に太陽電池を配置し、画像を表示しないときに太陽光や室内光で発電します。室内の壁、建物の壁、看板、等へ搭載することで、快適でクリーンな社会の促進を目指します。

「発電するディスプレイ」の実演の様子と表示例

エネルギー不足や環境問題が危惧されています。この解決に太陽電池が大きな期待を集めています。太陽電池は光を瞬時に電気に変換するデバイスです。本研究室では、化合物半導体薄膜を用いた低コストかつ量産性に優れる高効率な「薄膜太陽電池」に取り組んでいます。デバイス最適設計から、薄膜堆積・結晶成長、そしてデバイス作製まで一貫して行っています。従来のシリコン材料の次に来ると言われているカルコパイライト材料や、地球の地殻に豊富に存在する元素を用いた太陽電池にも挑戦しています。太陽電池の応用範囲を広げる、軽量・フレキシブル化にも取り組んでいます。また、デバイスの開発に止まらず、実用サイズの太陽電池パネルの屋外実証評価にも力をいれています。産学官の連携を活発化させており、真に太陽電池の普及に繋がるような取り組みを行います。

光は、情報通信、エレクトロニクス、エネルギー、医療分野において重要な技術基盤です。当研究室では、光の並列性、波動性、量子性などの物理特性を制御することにより、光計測、光加工、光情報処理への応用を目指した先進的なフォトニクスに関する研究に取り組んでいます。超高速レーザーを用いた非線形フォトニクスと、光の波長程度から波長以下の領域での光と物質との相互作用を取り扱うナノ構造フォトニクスを駆使して、光のエネルギーを高効率に利用する光情報機器、素子の作製とシステム化、光デバイスを作製するための環境に優しい微細加工ついて取り組んでいます。また、病気を未然に防ぐ技術やその兆候を早期に診断することを目的に、生体にやさしい光イメージングなど応用光学に関する融合的な教育、研究を進めています。