(57)【要約】【課題】フォトニック結晶内に形成された空洞の制御可能なチューニングを可能にすること。【解決手段】フォトニック結晶格子構造の空洞をチューニングするために、チューニングスタブが、マイクロ電気機械式アクチュエータを用いて駆動され得る。駆動されるチューニングスタブを用いて、二次元および三次元のフォトニック結晶格子構造の空洞をチューニングできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューナブル三次元フォトニック結晶格子構造であって、
チューナブル空洞を有する領域と、
前記チューナブル空洞へと挿入される可動式スタブチューナーと、及び
前記可動式スタブチューナーに結合され、前記可動式スタブチューナーを移動させることにより前記チューナブル空洞を調整するためのアクチュエータとを含む、チューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項２】
前記チューナブル三次元フォトニック結晶格子構造が、実質的に面心立方対称性を有する、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項３】
前記チューナブル三次元結晶格子構造が、アモルファスシリコンからなる、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項４】
前記可動式スタブチューナーが、前記チューナブル空洞へと横方向に挿入される、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項５】
前記可動式スタブチューナーが、実質的に正方形の断面を有する、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項６】
前記可動式スタブチューナー及び前記アクチュエータが、実質的に同じ材料から形成される、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項７】
前記アクチュエータが熱的に駆動される、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項８】
前記アクチュエータが２本のアクチュエータアームを含み、前記２本のアクチュエータアームにわたってバイアス電圧が印加されると、前記２本のアクチュエータアームが熱膨張する、請求項７に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項９】
前記２本のアクチュエータアームの厚さ対幅の比が、少なくとも２：１である、請求項８に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１０】
前記２本のアクチュエータアームが、ポリシリコン及びアモルファスシリコンからなるグループから選択された半導体材料からなる、請求項８に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１１】
前記半導体材料の導電性を変化させるために、前記材料がドーピングされる、請求項１０に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１２】
前記２本のアクチュエータアームが、前記半導体材料の複数の層からなる、請求項１０に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１３】
前記アクチュエータが、前記可動式スタブチューナーの動きを直線化するために屈曲システムに結合される、請求項７に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１４】
前記アクチュエータが静電的に駆動される、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１５】
前記アクチュエータが、パラレルプレートアクチュエータである、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１６】
前記アクチュエータが、櫛型静電駆動アクチュエータである、請求項１に記載のチューナブル三次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１７】
チューナブル二次元フォトニック結晶格子構造であって、
実質的に円形の穴の二次元周期的格子を含むフォトニック結晶板と、
前記二次元周期的格子においてチューナブル空洞を画定する欠陥と、
前記チューナブル空洞へと挿入される可動式スタブチューナーと、及び
前記チューナブル空洞をチューニングするために前記可動式スタブチューナーを移動させるように前記可動式スタブチューナーに結合されたアクチュエータとを含む、チューナブル二次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１８】
前記アクチュエータがパラレルプレートアクチュエータである、請求項１７に記載のチューナブル二次元フォトニック結晶格子構造。
【請求項１９】
チューナブル三次元フォトニック結晶格子構造を製作するための方法であって、
チューナブル空洞を有する領域を設けるステップと、
前記チューナブル空洞へと挿入される可動式スタブチューナーを設けるステップと、及び
前記チューナブル空洞をチューニングするために前記可動式スタブチューナーを移動させるように、前記可動式スタブチューナーに結合されたアクチュエータを設けるステップとを含む、方法。
【請求項２０】
チューナブル二次元フォトニック結晶格子構造を製作するための方法であって、
実質的に円形の穴の二次元周期的格子を含むフォトニック結晶板を設けるステップと、
前記二次元周期的格子においてチューナブル空洞を画定する欠陥を設けるステップと、
前記チューナブル空洞へと挿入される可動式スタブチューナーを設けるステップと、及び
前記チューナブル空洞をチューニングするために前記可動式スタブチューナーを移動させるように、前記可動式スタブチューナーに結合されたアクチュエータを設けるステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶格子構造における空洞のチューニングに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、特定波長の光を閉じ込める高屈折率及び低屈折率の媒体の周期的構造体である。フォトニック結晶は、導波路やフィルタのような多数の光学部品を作るために使用され得る。
【特許文献１】米国特許出願第１０／２８７，０４０号（代理人整理番号：１００２００７７）
【非特許文献１】Tai及びMuller著「Lightly Doped Polysilicon Bridge as an Anemometer」、Proceedings of the 4th International Conference on Solid State Sensors and Actuators、1987年、pp.360-363
【非特許文献２】Obermeier等著「Characteristics of polysilicon layers and their applications in sensors」、Proceedings of Solid State Sensors Workshop、1986年
【非特許文献３】Guckel等著「Thermo-magnetic metal flexure actuators」、Solid-State Sensor Workshop，Hilton Head Island，S.C.、1992年、pp.73-74
【非特許文献４】Comtois及びBright著「Applications for surface micromachined polysilicon thermal actuators and arrays」、Sensors and Actuators，A58、1997年、pp.19-25
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
光通信の場合、シリカ導波路における光吸収が低いため、１．３μｍから１．５μｍの波長範囲の光が使用される。従って、この波長範囲が現在の光ネットワークの対象となっている。この波長範囲において動作するようにフォトニック結晶を製作することは、高い度合いの製造上のばらつきを一般に受けやすい。従って、波長識別の用途に関して、フォトニック結晶装置が特定の波長に応答するようにチューニング（調整）されることを可能にする方法及び構造を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、チューニングスタブのような可動式の機構がフォトニック結晶内へ挿入され、フォトニック結晶内に形成された空洞の制御可能なチューニングが可能になる。本発明に従ってチューニングされるべき空洞は、遠赤外線領域から硬い紫外線領域までのスペクトルにおいて動作するように設計される。この機構をアクチュエータに取り付けることにより、精密なチューニングのためにこの機構をフォトニック結晶の内外へと移動させることが可能になる。本発明は、一般にポリシリコン又はアモルファスシリコンを用いて実現され得る。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、チューニングスタブのような可動式の機構がフォトニック結晶内へ挿入され、フォトニック結晶内に形成された空洞の制御可能なチューニングが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、面心立方対称性を有する典型的な三次元フォトニック結晶格子構造１００を示しているが、本発明によれば面心正方対称性を有しても良い。バー１１０は一般に、高屈折率の固体材料であり、低屈折率の空間領域１１５はガス又は真空である。光が固体材料を通って伝播する三次元フォトニック結晶構造を作成することができるが、光導波媒体として真空又はガス領域を使用することが一般的であることに留意されたい。バー１１０は、正方形、長方形、円形又は楕円形等、様々な断面形状を有することができ、その充填率を調節してフォトニックバンドギャップを作ることができる。一般に、バー１１０の材料は、ポリシリコン又はアモルファスシリコンである。参照により本明細書に組み込まれるTheilによる「Low Temperature Photonic Crystal Structure」と題する特許文献１に開示されるように、三次元及び二次元フォトニック結晶格子構造は、広範囲の様々な基板の使用を可能にするアモルファスシリコンを用いて比較的低温で作成され得る。
【０００７】
一般に、導波路はフォトニック結晶格子１００中の空洞２４５（図２参照）に接続され、又はそれに接近して配置される。導波路は、１つのバー１１０をフォトニック結晶格子１００から除去することにより、又はフォトニック結晶格子１００の所定断面においてバー１１０に垂直な方向に導波路を形成するようにバー１１０の一部を除去することにより、或いは前者の方法を組み合わせて湾曲部を有する導波路を構成することにより形成され得る。一般に、フォトニック結晶格子構造１００において、バー１１０は互いに接触して互いの上に整列し、三次元フォトニック結晶格子構造１００を形成する。チューナブル空洞を作成するために、１本のバー、即ちチューニングスタブ１１１は、空洞２４５（図２参照）の一方の側に配置され、隣接するバー１１０に接触していないが、隣接するバー１１０間の中心にある必要はない。チューニングスタブ１１１は空洞２４５（図２参照）からフォトニック結晶格子１００の端部まで伸びている。アクチュエータはチューニングスタブ１１１を空洞２４５（図２参照）の内外に移動させて空洞２４５（図２参照）の共振モードを調節する。アクチュエータの動作方式は、マイクロマシン加工される装置に一般に使用される任意のタイプとすることができ、それらには熱膨張、静電駆動、磁気駆動、又は圧電歪が含まれる。
【０００８】
図２は、サーマル駆動を用いた、本発明による一実施形態を示す。フォトニック結晶格子構造１００は、平坦な断面で示され、チューニングスタブ１１１、空洞２４５、抵抗器２１９の抵抗器脚部２２０、２２１、及び抵抗器パッド２３５、２３６を有する。抵抗器パッド２３５、２３６は、外部回路への接続を行う実際のパッドであっても、又はモノリシック回路内の接続ポイントであっても良い。チューニングスタブ１１１がフォトニック結晶格子構造１００に対して出入りすることが可能になるように、バー２１０、２１１、２１２及び２１３が、チューニングスタブ１１１に近い領域で切り取られている点に留意されたい。抵抗器２１９の抵抗器脚部２２０、２２１は、それぞれ抵抗器パッド２３５、２３６に取り付けられる。抵抗器２１９の屈曲部の頂点において、抵抗器２１９はチューニングスタブ１１１に取り付けられる。図２の実施形態において、抵抗器脚部２２０、２２１は一般に、フォトニック結晶格子構造１００に使用されたものと同じ材料から形成される。従って、チューニングスタブ１１１は、抵抗器脚部２２０、２２１が形成される時に形成され、抵抗器脚部２２０、２２１と同じ材料から作成される。チューニングスタブ１１１は、単純に抵抗器脚部２２０、２２１の延長部分であっても、又は図３に示したように抵抗器脚部２２０、２２１の１つの層であっても良い。
【０００９】
図３は、例えば窒化珪素でコーティングされたウエハである基板２５０を含む、図２に示した本発明による実施形態の側面図を示す。抵抗器２１９をチューニングスタブ１１１と同時に製作することを可能にするため、抵抗器２１９に選ばれる好都合な材料は、ポリシリコン又はアモルファスシリコンである。チューニングスタブ１１１の一部分は、図３に示したように複数の層を使用することにより補強され得る。一般に、抵抗器２１９及び抵抗器パッド２３５、２３６を形成するために用いられる層の数は、適切な剛性と固定強度が提供されるように選択される。アクチュエータ及び抵抗器２１９を作成する際の特に重要な考慮事項は、電源が投入された際に運動の方向を固定することである。抵抗器２１９の屈曲部は、脚部２２０、２２１と、抵抗器２１９の屈曲部の頂点に向かう駆動力とを画定する働きをする。抵抗器２１９が薄膜技術を用いて製作された場合、厚さ（抵抗器２１９の平面の外）よりも大きい幅（抵抗器２１９の平面内）を有する抵抗器２１９が作成される可能性がある。従って、このような幾何学的形状を有する抵抗器２１９は、抵抗器の平面に対して内外に移動する傾向がある。この効果を低減するために、厚さ対幅の比を少なくとも２：１にするべきであり、一般的には厚さ対幅の比は、５：１より大きい。これを達成するために、抵抗器２１９を構成する全体の層をエッチングするか、又は一度に堆積するか、或いは抵抗器２１９の各層をフォトニック結晶格子構造１００の層に対応させるように抵抗器２１９を複数の層（図３参照）に分けることができる。
【００１０】
抵抗器２１９の製作に半導体材料が使用される場合、半導体材料の抵抗率を調整するための方法は、１つ又は複数の半導体層に不純物を添加することである。例えば、層２９０、２９１の抵抗率をドーピングにより低下させることができ、層２９０、２９１が電流を伝えるが、抵抗器２１９の全ての層がほぼ同じ温度に到達する。ドーピングは、層２９０、２９１に限る必要はない。しかしながら、一般に、ドーピングされた層（以下、ドーピング層と称する）は互いに隣接し、少なくとも一方のドーピング層は抵抗器パッド２３５、２３６に電気接続される。一般に、ドーピング層は抵抗器２１９を構成する層の中間にあり、抵抗器２１９が抵抗器層の全体にわたって均一に加熱されることを保証する。図３において、ドーピング層の典型的な位置は、チューニングスタブ１１１の直近にある。
【００１１】
代案として、フォトニック結晶格子構造１００とは異なる材料を抵抗器２１９に使用することもでき、この場合、抵抗器２１９のチューニングスタブ１１１への接続は、機械的手段により、又はチューニングスタブ１１１と抵抗器２１９との間の接着により行われる必要がある。抵抗器２１９は、１つの材料で製作されなくても良いが、２つの材料の熱膨張係数が異なる場合、面外応力が問題になる可能性がある。このような応力は、熱応力が相殺されるように抵抗器２１９を対称な薄膜層で作成することにより、大幅に低減され得る。
【００１２】
動作において、電流が抵抗器２１９を流れると、抵抗器脚部２２０、２２１が加熱されて膨張し、これによりチューニングスタブ１１１が図２及び図３における右方向へと移動する。抵抗器パッド２３５、２３６を結ぶ線２９９に対する抵抗器脚部２２０、２２１の角度θを小さくしていくと、最終的には自己座屈をもたらし、このことは、比較的小さな抵抗器脚部２２０、２２１の長さ変化に対してチューニングスタブ１１１が移動する距離を大きくするために利用され得る。チューニングスタブ１１１の変位量Δｘの近似値は、以下の式より求められる。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ここでＬ０は各抵抗器脚部２２０及び２２１の長さであり、θは抵抗器脚部２２０、２２１と線２９９との間の角度であり、ＣＴＥは屈曲部における抵抗器２１９の線熱膨張率であり、ΔＴは周囲条件からの温度変化であって、各抵抗器脚部２２０、２２１に沿って一定であると想定されている。温度による長さ変化がほんのわずかである場合を考えると（ＣＴＥΔＴ＜＜ｓｉｎ２θ）、式（１）は、以下のように簡略化される：
Δｘ＝（Ｌ０ＣＴＥΔＴ）／ｓｉｎθ    （２）
１．５μｍの用途に関する典型的な変位量は約１０−７ｍである。抵抗器２１９の温度が抵抗器２１９によって消費される電力に直接的に関係しているので、所望の電圧範囲にわたって所望の変位量で動作するアクチュエータを設計することができる。
【００１５】
一般に、抵抗器脚部２２０に沿った温度分布は一定ではなく、以下のように求めることができる。抵抗器脚部２２０は均一にドーピングされているとみなされ、そのため電気伝導はビームの厚さ全体にわたって均一である。熱伝導は、主として抵抗器脚部２２０、２２１に沿って生じ、抵抗器脚部２２０、２２１を包囲する空気又はガスを通じて生じないと仮定される。従って、抵抗器脚部２２０に沿った異なる温度分布は以下の式より与えられる：
Ｔ（ｚ）−Ｔ０＝ρＩ２（Ｌ２−ｚ２）／Ａ２κ      （３）
ここでＴ０は周囲媒体の温度、ρは一定であると想定されるビームの抵抗率、Ｉは電流、Ａはビームの断面積、κはこれも一定であると想定されるビームの熱拡散率、Ｌは抵抗器パッド２３５又は２３６からチューニングスタブ１１１までの抵抗器脚部２２０又は２２１の長さ、ｚはチューニングスタブ１１１が抵抗器脚部２２０に接続された部分からの距離である。
【００１６】
ビームの長さＬは、チューニングスタブ１１１のようなチューニングスタブの所望の変位量Δｘと式（２）を用いた動作電圧Ｖｂに関連しており、量Ｌ０ΔＴを
【００１７】
【数２】
2004151722.tif 000004
【００１８】
で置き換えると、以下の式が得られる：
Δｘ＝（ＬＣＴＥＶｂ２）／（６κρｓｉｎθ）      （４）
チューニングスタブ（例えばチューニングスタブ１１１）に接触している地点（ｘ＝０）におけるビームの周囲条件ΔＴからの温度変化は、以下の式より与えられる：
ΔＴ＝Ｖｂ２／４κρ      （５）
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、κの一般的な値は、軽くドーピングされたポリシリコンに基づいて約１４０Ｗ／ｍ℃である（例えば、非特許文献１を参照）。典型的な用途において、κは、温度、ポリシリコンの粒子サイズ、及びドーピングの弱さに依存する。抵抗率ρはポリシリコンのドーピングに依存し、一般にドーピングレベルが約１０１９ｃｍ−３から１０２１ｃｍ−３の間で変化する場合、約１００ｍΩｃｍから０．３ｍΩの間で変化する（例えば、非特許文献２を参照）。本発明の一実施形態によれば、一般的なρとして約１０ｍΩｃｍが選択される。ポリシリコンの線熱膨張率ＣＴＥは、約２．３×１０−６／℃であり、これはドーピング、ポリシリコンの粒子サイズ及び温度に弱く依存する。
【００２０】
図２及び図３を参照すると、本発明によるポリシリコンを想定した例示的な一実施形態は、各々の長さＬが３００μｍに等しく、屈曲角度θが約１０°の抵抗器脚部２２０、２２１を有し、約３Ｖの動作電圧Ｖｂでもって、一般にフィルタチューニングに十分である約４２７ｎｍに等しいチューニングスタブ１１１の変位量Δｘを提供する。チューニングスタブ１１１を抵抗器脚部２２０、２２１に接続する地点において周囲温度からの昇温は約１６０℃である。１．２μｍ×５μｍの断面を抵抗器脚部２２０、２２１に持たせる場合、スタブチューナーにより引き出される電力は約０．３ｍＷである。
【００２１】
図４は、熱膨張アクチュエータを使用してチューニングスタブを駆動させるための本発明による一実施形態を示す。機械式アンカー４１０、４１２、４３０及び４３２が、アクチュエータ構造体４００を下にある基板に固定する。電流は、アーム４１６及び４１４を介して流され、アーム４１６から入り、アーム４１４から出る。アーム４１６及び４１４は、アクチュエータ構造体４００の残りの部分と同様に、一般にポリシリコン又はアモルファスシリコンから形成される。電流がアンカー４３２からアーム４１６、４１４を介してアンカー４３０へと流れた場合、アーム４１４に比べてアーム４１６の電流密度が大きいことにより、アーム４１６は、アーム４１４よりも加熱されて、より大きく膨張する。アーム４１４及び４１６がそれらの自由端においてビーム４１９により接合されていることから、サーマルアクチュエータ端部４４０は弧を成す運動で右方向へと湾曲する。折返しビーム可撓性部材４２０が接続ビーム４５０によりサーマルアクチュエータ端部４４０に接続されて、チューニングスタブ４１１の動きが直線化される。接続ビーム４５０は比較的に薄くて長く、そのためサーマルアクチュエータ端部４４０が弧を成す運動で動くと、ビーム４５０がたわみ、剛性の浮動要素によりチューニングスタブ４１１を直線的に、例えばフォトニック結晶１００のようなフォトニック結晶中へと移動させることが可能になる。
【００２２】
本発明による例示的な一実施形態は、長さが約２００μｍ、幅が約２μｍ、及び厚さが約５μｍの寸法を備えるアーム４１６を有する。アーム４１４は、長さ約１６０μｍ、幅約２０μｍ及びアーム４１６と同じ厚さを有する。アーム４１４は、アーム４１８によりアンカー４３０に接続される。アーム４１８は長さ約４０μｍ、幅約２μｍ、及び厚さ約５μｍである。折返しビーム可撓性部材４２０のアームは、一般にアーム４１６と同じ寸法であり、長さが約２００μｍ、幅が約２μｍ、及び厚さが約５μｍである。ビーム４５０は一般に、幅約１μｍ、長さ約１００μｍ、及び厚さ約５μｍであり、容易に曲がることができる。アーム４１６が周囲温度から約８００℃に加熱された場合、チューニングスタブ４１１は約３．２μｍたわみ、そのためアーム４１６を周囲温度から約１００℃加熱すれば０．４μｍのたわみが生じる。１００℃の加熱は、約３Ｖの電圧と約１ｍＡの電流により達成され得る。この構造体に関する更なる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる、非特許文献３と非特許文献４に記載されている。
【００２３】
図５は、静電式アクチュエータを用いてチューニングスタブを駆動するための本発明による一実施形態を示す。機械式アンカー５１０、５１２、５３０及び５３２により、静電式アクチュエータ５００が下にある基板に取り付けられる。櫛型電極５３５は下にある基板に取り付けられ、チューニングスタブ５１１を駆動するために一般にバイアス電圧Ｖｂに保持される。櫛型電極５５０はチューニングスタブ５１１に取り付けられ、チューニングスタブ５１１を駆動するために一般に接地電位に保持される。屈曲ビーム５７５、５７６は櫛型電極５５０を支持して、チューニングスタブ５１１の動きを水平方向に制限するように機能する。
【００２４】
櫛のフィンガー５８０と５８１との間の間隔をｄ、バイアス電圧をＶｂ、及び櫛のフィンガーそれぞれの深さをｂとすると、Ｎユニットセルの櫛の駆動により生じる力は、以下の式により与えられる：
Ｆ＝（２Ｎε０ｂＶｂ２）／ｄ      （６）
ここで、Ｎは櫛のフィンガーの数である。図５に示した本発明による例示的な実施形態は、長さ約２００μｍ、幅約１μｍ、厚さ約５μｍの屈曲ビーム５７５、５７６を有する。この場合、屈曲ビーム５７５、５７６のばね定数は約０．１１Ｎ／ｍである。図５に示したような屈曲ビーム構成の場合、静電式アクチュエータ５００は、０．２２Ｎ／ｍの正味のばね定数を有する。チューニングスタブ５１１を約０．４μｍの距離だけ動かす場合、約０．０８８μＮの力を必要とする。櫛のフィンガー５８１のそれぞれを長さ約５μｍ、幅約１μｍ、厚さ約５μｍとし、櫛のフィンガー５８１間の間隔を１μｍ、及び浮動リンク５９５と５９６との間の合計ユニットセル数を１１０とした場合、Ｆ＝９．７３５×１０−９Ｖｂ２となる。従って、チューニングスタブ５１１の約０．４μｍの変位を生じさせるためには、３．５Ｖのバイアス電圧Ｖｂが必要である。
【００２５】
図６は、本発明による一実施形態を示す。図６は、チューニングスタブ６７１が上面からフォトニック結晶格子構造６００に入っている状態で、下側の三次元フォトニック結晶格子構造６００から見た図を示す。フォトニック結晶格子構造６００は面心立方対称性を有するが、例えば面心正方とすることもできる。チューニングスタブ６７１は格子バーの間に挿入される。チューニングスタブ６７１は一般に、実質的に垂直な位置に配向され、一般に上部又は底部の結晶面からフォトニック結晶格子構造６００に入る。チューニングスタブ６７１は、フォトニック結晶格子構造６００の対応する層をそれぞれ構成する格子バー６０９、６１０、６１１及び６１２と接触しないように配置される。１つのバー６０９の一部分を除去することにより空洞６９０が形成される。チューニングスタブ６７１はチューニングを行うために上下に動くように駆動される。共振時には、空洞６９０の周囲に電界が局所化されるため、最大の効果を得るために、チューニングスタブ６７１は可能な限り空洞６９０の近くに配置されるべきである。
【００２６】
図７は、二次元フォトニック結晶格子構造７００における空洞７１０をチューニングするための本発明による一実施形態の上面又は底面を示す。二次元フォトニック結晶格子構造７００は、高屈折率材料中に低屈折率領域の周期的構造を有する。例えば、高屈折率材料７５０において、円形の空気穴７２５がこの周期的構造を形成する。チューニングスタブ７１１は一般に、図７に示したように上部又は底部から二次元フォトニック結晶格子構造７００中の空洞７１０へ挿入されているが、これは空洞７１０の中心を通る必要はなく、図示したように中心からある距離だけオフセットしても良い。チューニングスタブ７１１は、例えば図８のパラレルプレート型アクチュエータ８００に類似したパラレルプレート型アクチュエータを用いて、チューニングのために上下に移動するように駆動される。
【００２７】
図８は、図６に示した構造と共に使用するための本発明によるパラレルプレート型アクチュエータ８００の一実施形態を示す。本実施形態は、図７に示した構造のアクチュエータとして機能するように容易に適合することができる。アクチュエータ８００はチューニングスタブ６７１の縦方向の動きを提供する。チューニングスタブ６７１は一般に、概してポリシリコン又はアモルファスシリコンである平坦な膜８１２の中心に保持される。平坦な膜８１２は、その両端８５０と８５１においてそれぞれ剛性の支持体８９０及び８９１により支持されており、これらの支持体は平坦な膜８１２を三次元フォトニック結晶格子構造６００上に距離ｄだけ浮かせており、この距離ｄはパラレルプレート型アクチュエータに関連する良く知られたスナップダウンの不安定性を防止するのに充分な距離である。剛性の支持体８９０と８９１は、フォトニック結晶格子８６０と８６１にそれぞれ機械的および電気的に接続される。フォトニック結晶格子構造８６０と８６１は、フォトニック結晶格子構造６００から電気的に絶縁されており、そのため平坦な膜８１２とフォトニック結晶格子構造６００との間に電位差を印加することができる。フォトニック結晶格子構造６００、８６０、及び８６１は、ここでは簡略化のために２つのバーの層を有するものとして示されているが、フォトニック結晶格子構造６００、８６０、及び８６１は一般に、より多数の層を有する。フォトニック結晶格子構造８６０と８６１は、一般に光学的に活性である必要は無いので、フォトニック結晶格子構造８６０と８６１は、支持体８９０と８９１に電気接触を提供する当業者に知られた他の剛性構造体に置き換えられ得る。
【００２８】
チューニングスタブ６７１は、主として直線的な態様で動く。膜の端部８５０、８５１の双方が取り付けられているので膜の端部８５０、８５１は自由に動けないため、より大きなたわみにおいて、膜８１２には非直線性と歪力の増大が生じる。動作において、バイアス電圧Ｖｂが膜８１２に印加されると共に、三次元フォトニック結晶格子６００が接地電位に保たれる。Ａを膜８１２の有効面積とした場合、直線的な態様における有効な一次近似において、アクチュエータ８００により及ぼされる力は以下の通りとなる：
Ｆ＝（ε０ＡＶｂ２）／（２ｄ２）      （７）
ばね係数κは、以下の通りとなる：
κ＝１６（Ｅｗｔ３／Ｌ３）      （８）
ここで、Ｅがヤング率、ｗが膜８１２の幅、ｔがその厚さ、及びＬがその長さである。従って、任意のバイアス電圧に対する変位ｘは、以下の式より与えられる：
ｘ＝Ｆ／κ      （９）
ここで、Ｆ及びκはそれぞれ式（７）および（８）によって与えられる。
【００２９】
本発明による例示的な一実施形態では、アクチュエータ８００に関して約０．４μｍのたわみを得るために、膜８１２は、ポリシリコンであり、幅約１０μｍ、厚さ約０．４μｍ、長さ約４００μｍを有し、三次元フォトニック結晶格子６００（図８参照）又は二次元フォトニック結晶格子７００（図示せず）の約２μｍの上に浮いており、約１．６Ｖのバイアス電圧Ｖｂを必要とすると考えられる。膜８１２のばね定数は約０．０２７Ｎ／ｍである。
【００３０】
本発明を特定の実施形態に関連して説明してきたが、当業者には明らかなように、前述の説明に鑑みて多数の代替案、修正案及び変形案が明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲に入るそのような他の代替案、修正案及び変形案を全て包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による三次元フォトニック結晶格子構造を示す図である。
【図２】本発明による一実施形態を示し、三次元フォトニック結晶格子構造、チューニングスタブ、及びサーマルアクチュエータの側面図である。
【図３】本発明による一実施形態を示し、三次元フォトニック結晶格子構造、チューニングスタブ、及びサーマルアクチュエータの上面図である。
【図４】本発明による熱膨張アクチュエータを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による静電式アクチュエータを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるチューニングスタブ及び空洞を有する三次元フォトニック結晶格子構造の上面又は底面の図である。
【図７】二次元フォトニック結晶格子の上面又は底面の図であり、本発明の一実施形態によるチューニングスタブ及び空洞を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるパラレルプレートアクチュエータを示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
100、600  三次元フォトニック結晶格子構造
111、411、511、671、711  チューニングスタブ
219  抵抗器
220、221  抵抗器脚部
245、690、710  空洞
400  アクチュエータ構造体
414、416  アーム
500  静電式アクチュエータ
575、576  屈曲ビーム
700  二次元フォトニック結晶格子構造
725  空気穴
800  パラレルプレート型アクチュエータ
812  膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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