(57)【要約】  フォトニックバンドギャップ結晶のダイナミック周波数制御をするための装置10と方法は欠陥サイト14を有する音響バンドギャップ結晶12と、音響バンドギャップ結晶12の欠陥サイト14中のフォトニックバンドギャップ結晶20と、音響バンドギャップ結晶12に結合されている音波発生器40とを含んでいる。したがって音響バンドギャップ結晶12中の音響波はフォトニックバンドギャップ結晶20の透過特性を制御可能に変更し、それによってフォトニックバンドギャップ結晶20を通る電磁放射の透過を変調するために使用されることができる。音響バンドギャップ結晶12の音響波は格子定数、対称性、光屈折率の１以上を含む特性を変化するためフォトニックバンドギャップ結晶20を圧迫する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
欠陥サイト（14）を有する音響バンドギャップ結晶（12）と、音響バンドギャップ結晶（12）の欠陥サイト（14）中のフォトニックバンドギャップ結晶（20）とを具備し、音響バンドギャップ結晶（12）の音響波はフォトニックバンドギャップ結晶（20）を通る電磁放射の透過を変調するためにフォトニックバンドギャップ結晶（20）の透過特性を変更できるように構成されている電磁放射の透過を制御する装置（10）。
【請求項２】
前記フォトニックバンドギャップ結晶はフォトニックアレイを含み、これは異なるフォトニックインピーダンスを有する少なくとも２つの材料のアレイである請求項１記載の装置。
【請求項３】
音響バンドギャップ結晶は音響アレイを有する音響バンドギャップ結晶を含んでおり、このアレイは異なる音響インピーダンスを有する少なくとも２つの異なる材料のアレイである請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
フォトニックアレイは制御可能に透過される電磁放射の波長の約半分である周期性を有している請求項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
音響アレイは関連する音響周波数の波長の約半分である周期性を有している請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
フォトニックバンドギャップ結晶の特性を制御するために音響バンドギャップ結晶に結合されている音波発生器を具備している請求項１乃至５のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
フォトニックバンドギャップ結晶は導波体の一部である請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
フォトニックバンドギャップ結晶は光ファイバケーブルの一部である請求項１乃至７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
音波発生器に結合されている音響バンドギャップ結晶の欠陥サイト中のフォトニックバンドギャップ結晶を透過することが可能な波長範囲内の少なくとも１つの波長の電磁放射を選択的に透過し、音響バンドギャップ結晶中に音響波を発生するように音波発生器を制御することによって少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するように透過可能な波長の範囲を変更するためフォトニックバンドギャップ結晶の特性を変化するステップとを含んでいる電磁放射の透過を制御する方法。
【請求項１０】
波長範囲内の電磁放射を選択的に透過する手段と、少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するように透過波長範囲を変更するため透過手段の特性を変更する手段とを含んでいる電磁放射の透過を制御する装置（10）。
【請求項１１】
透過手段はフォトニックバンドギャップ結晶（20）を含み、変更手段は音響バンドギャップ結晶（12）と、前記音響バンドギャップ結晶（12）に結合されている音響信号発生器（40）を含み、音響バンドギャップ結晶はフォトニックバンドギャップ結晶（20）を受ける欠陥サイト（14）を有する請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁放射がフォトニックバンドギャップ結晶を透過するのを制御する装置及び方法に関し、特にフォトニックバンドギャップ結晶の透過特性を変更することにより電磁放射の透過を制御する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶は構成要素間で固定された距離を有する原子、イオンまたは分子の反復されたパターンを有する。フォトニックバンド結晶（ＰＢＣ）または単にフォトニック結晶と呼ばれるフォトニックバンドギャップ結晶は１以上の次元で通常周期的に隔てられている異なる屈折率を有する材料により特徴付けされる。選択された材料の周期的構造及び特性はバンドギャップ、反射されフォトニック結晶を通過できない電磁放射の波長範囲を生成する。
【０００３】
フォトニック結晶はフィルタ、低損失導波体、高い“Ｑ”の共振器、アンテナ等を含む多数の応用を有する。フィルタでは、例えばフォトニックバンドギャップの波長を有する入射光は強く反射され、フィルタ阻止帯を生成し、一方フォトニックバンドギャップ外の波長を有する光はフォトニック結晶を透過される。
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、フォトニックバンドギャップ結晶のダイナミック周波数制御は分かりにくい。本発明は音響バンドギャップ（ＡＢＧ）構造をフォトニックバンドギャップ（ＰＧＢ）構造に結合することによりフォトニックバンドギャップ結晶のダイナミックな周波数制御のための装置及び方法を提供し、それによってＰＢＧ構造の１以上の透過特性の制御が比較的効率的で廉価に実現されることができる。
【０００５】
特にフォトニックバンドギャップ結晶は音響バンドギャップ結晶の欠陥空洞サイトに埋設される。音響バンドギャップ結晶の構造の長さのスケールはフォトニックバンドギャップ結晶の構造の長さのスケールよりも大きいので、音響欠陥空洞はそのフォトニック結晶を受けるのに十分な大きさである。音響結晶中の音響波は、特に格子定数、対称性、光屈折率の１以上の特性を変化するためにフォトニックバンドギャップ結晶を圧迫する。このような組合せを使用するシステムはフォトニック信号パラメータの範囲の実時間制御を行うことができる。
【０００６】
例示的な装置は欠陥サイトを有する音響バンドギャップ結晶と、音響結晶中の欠陥サイト中にフォトニックバンドギャップ結晶を含んでおり、それによって音響結晶の音響波はフォトニック結晶を通る電磁放射の透過を変調するためにフォトニック結晶の透過特性を変更することができる。
【０００７】
電磁放射の透過を制御するための本発明により提供される例示的な方法は、次のステップ、即ち（ｉ）フォトニックバンドギャップ結晶を透過することが可能な波長範囲内の少なくとも１つの波長の電磁放射を選択的に透過し、フォトニックバンドギャップ結晶は第２の波発生器に結合されている音響バンドギャップ結晶の欠陥サイトに存在し、（ii）音響バンドギャップ結晶中に音響波を発生するように音波発生器を制御することによって少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するように透過可能な波長の範囲を変更するためにフォトニックバンドギャップ結晶の特性を変化させるステップを含んでいる。
【０００８】
本発明はまた、波長範囲内の電磁放射を選択的に透過する手段と、少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するように透過可能な波長範囲を変更するために透過手段の特性を変更する手段とを含んでいる電磁放射の透過を制御する装置を提供する。透過手段はフォトニック結晶を含むことができ、変更手段は音響結晶と、その音響結晶に結合された音響信号発生器を含むことができ、音響結晶は例えばフォトニック結晶を受けるための欠陥サイトを有する。
【０００９】
本発明の前述及び他の特徴を以後十分に説明し、特に特許請求の範囲および以下の説明と本発明の１以上の例示的な実施形態で説明する添付図面で指摘する。しかしながらこれらの実施形態は単に本発明の原理が使用されることのできる幾つかの種々の方法である。本発明のその他の目的、利点及び特徴は図面を伴って考察するとき、以下の本発明の詳細な説明から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明により提供される例示的な装置の概略平面図。
【図２】図１に示されている装置のフォトニック結晶部分の拡大平面図。
【図３】本発明により提供される別の例示的な装置の概略平面図。
【図４】図３に示されている装置の一部の概略正面図。
【図５】本発明により提供される装置または方法により与えられることができる偏光の選択的制御を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は通常、フォトニックバンドギャップ結晶を通る電磁放射の透過を制御するための装置及び方法を提供する。フォトニックバンドギャップ結晶を音響バンドギャップ結晶の欠陥サイトに配置することにより、音響バンドギャップ結晶中の音響波はフォトニックバンドギャップ結晶の透過特性を変更し、それによってフォトニックバンドギャップ結晶を通る電磁波の透過を変調するために使用されることができる。換言すると、音響波は電磁放射の選択された波長の透過を選択的に制御するため、バンドギャップ、即ちフォトニック結晶の透過可能な波長範囲を変更することができる。
【００１２】
図面を詳細に参照すると、フォトニックバンドギャップを介して電磁放射の透過を制御するための例示的な装置10は図１および２は概略的に示されている。装置10は欠陥サイト14を有する音響バンドギャップ結晶12と、音響結晶12の欠陥サイト14中のフォトニックバンドギャップ結晶20とを含んでいる。前述したように、フォトニックバンドギャップ結晶はフォトニック結晶と呼ばれることができ、音響バンドギャップ結晶は音響結晶と呼ばれることができる。正確に実寸大で描かれていないが、図面はそれぞれの構造により変調される波長の差のために、フォトニック結晶20が音響結晶12よりも非常に小さいことを示している。
【００１３】
フォトニック結晶は１以上の次元で周期的に隔たれている異なる屈折率を有する少なくとも２つの材料により特徴付けされる。フォトニック結晶の周期的な構造は２つの異なる誘電材料、最小の電力損失で電界が永続されることができるか、電気的な絶縁体である材料を使用して生成されることができる。金属、ガラス、プラスティックまたはそれらの組合せを含んだ広範囲の材料がフォトニック結晶に適切であることができる。シリコンと二酸化シリコンはフォトニック結晶の例示的な誘電材料であり、空気はシリコンまたは二酸化シリコンの例示的な対比屈折率材料である。フォトニック結晶の材料は制御される波長に基づいて選択される。
【００１４】
フォトニック結晶を作る選択された材料の周期的構造及び特性は、半導体材料中の電子における類似の効果と同様に、バンドギャップを生成し、反射されてフォトニック結晶を通過できない電磁放射の波長範囲を生成する。周期的な間隔は典型的に変調される波長の約半分である。例示的な実施形態では、関係する波長は約３００ナノメートルから約１６００ナノメートルである。
【００１５】
示されている装置10では、フォトニック結晶20は第１またはフォトニックアレイ22を含み、これは第２の材料26中において周期的に隔てられている第１の材料24のような、異なるフォトニックインピーダンスを有する少なくとも２つの材料のアレイである。フォトニックアレイ22は使用に応じて、図２に示されているか示されていない欠陥サイト25も有することができる。欠陥は材料の配置の周期性の中断である。異なった屈折率を有する材料の交番する層により形成される１次元アレイでは、大部分の層は変調されている電磁放射の波長の約半分の厚さを有するが、欠陥は例えば他の層よりも厚いか薄い層であることができる。
【００１６】
音響結晶12はフォトニック結晶20に類似であり、異なる音響インピーダンスを有する周期的に隔てられた材料を有する。周期的な間隔は通常関係する波長の約半分であり、これはフォトニック結晶20により変調される電磁放射の波長よりも非常に大きい。音響結晶12は第２の、または音響アレイ30を含んでおり、これは第４の材料34中で周期的に隔たれている第３の材料32のような異なる音響インピーダンスを有する少なくとも２つの異なる材料のアレイである。音波の音響インピーダンスは電磁放射のフォトニックインピーダンスに類似しており、音波は低い音響インピーダンスを有する材料でより高速に伝播する。音響結晶12は音響アレイ30の周期性において欠陥14を含んでおり、フォトニック結晶20は欠陥サイト14に位置されている。
【００１７】
音響アレイ30の欠陥14は例えば空洞欠陥であることができる。空洞欠陥は単極特性または高い次数の多極特性を有することができる。“Ｑ”値は制御されることができ、非線形音響効果は空洞設計により誘起されることができる。音響欠陥空洞設計はフォトニック結晶に与えられる圧力の強度及び空間的分散を調節するための多くの選択肢を与える。
【００１８】
音響結晶12中に音波を発生するため、装置10は音波発生器40も含んでいる。種々の機構は音響結晶中で音波を発生できる。例示的な音波発生器40はピエゾ電気トランスデューサを含んでいる。適切なピエゾ電気トランスデューサはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなピエゾ電気材料を含んでいる。音波発生器40はフォトニック結晶20の透過特性の制御に使用されることができる音響結晶12中の音波を発生するために音響結晶12に結合される。音響結晶12中の音波によって変更することができるフォトニック結晶20の透過特性には格子定数、対称性、光屈折率コントラストの１以上のものが含まれている。音波発生器40と一体化されても、それとは別にされてもよい制御装置42は音波発生器40と、音響結晶12に与えられる音波の発生とを制御する。音波発生器により与えられる例示的な音響信号の周波数は少なくとも約２０，０００ヘルツである。
【００１９】
図１では、電磁放射は音響結晶12中に形成される導波体46を通してソース44からフォトニック結晶20へ伝播する。放射がフォトニック結晶20を通過するならば、導波体46は電磁放射を音響結晶12からその目的地48の方向へ誘導される。導波体46は音響波の波長よりも非常に小さいので、導波体は音響結晶12の音響波の速度をあまり減速しない。
【００２０】
電磁放射エネルギをフォトニック結晶へまたはフォトニック結晶から誘導するための導波体の代わりに、装置はフォトニック結晶に接続されるかそれと一体化される光ファイバを含むことができる。光ファイバの形態のフォトニック結晶はフォトニックバンドギャップ光ファイバと呼ばれることができる。図３および４に示されている装置50は多くの観点で図１の装置10と類似しているが、導波体46及びフォトニック結晶20の代わりにフォトニックバンドギャップ光ファイバ52を使用している。フォトニックバンドギャップ光ファイバ52は音響結晶12の欠陥サイト14を通過し、音波発生器40により発生される音波は電磁放射を通過させるか、電磁放射がファイバ52を通って音響結晶12へ通過することを阻止するようにフォトニックバンドギャップ光ファイバ52を変更するように制御される。
【００２１】
このような装置は、電磁エネルギをフォトニック結晶へ導くために導波体または光ファイバまたはその他の装置を使用して、バンドギャップ幅と位置の一方または両者の変更と、バンドギャップのオンまたはオフの切換えと、実時間でフィルタを提供するための欠陥透過の変調と、アンテナおよび導波体の偏光の制御と、電磁放射の透過を許可または阻止し周波数の移動性を制御するためのフォトニックバンドギャップ光ファイバの制御を含めた実時間のバンドギャップ制御を含む周波数制御応用に有用である。
【００２２】
図５はフォトニック結晶の特性が電磁放射の偏光を変更することができる態様を示している。図５は格子定数（ｒ／ａ）対フォトニック結晶の無次元周波数（ωａ／２Πｃ）のグラフ60である。２つの楕円はオーバーラップする平行偏光域62と垂直偏光域64をそれぞれ表している。領域66の示された頂点は全ての偏光状態の隣である。格子定数の小さい音響的摂動により、フォトニック結晶を通る電磁放射の偏光は１つの状態から別の他の状態へ切り換えられることができる。
【００２３】
本発明はまた電磁放射の透過を制御するための方法を提供する。その方法は音響バンドギャップ結晶12（図１参照）の欠陥サイト14のフォトニックバンドギャップ結晶（例えば20）を通して透過可能な波長の範囲中の少なくとも１つの波長の電磁放射を選択的に透過するステップを含んでいる。音響バンドギャップ結晶12は音波発生器40に結合されている。方法はまた音響バンドギャップ結晶12中に音波を発生するために音波発生器40を制御することによって少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するように透過可能な波長の範囲を変更するためにフォトニックバンドギャップ結晶20の特性を変更するステップも含んでいる。
【００２４】
換言すると、本発明はさらに波長範囲の電磁放射を選択的に透過する手段と、少なくとも１つの波長の電磁放射の透過を選択的に通過または阻止するために透過可能な波長の範囲を変更するため透過手段の特性を変更する手段とを含んでいる電磁放射の透過を制御するための装置10または50を提供する。透過手段は例えば音響結晶12の欠陥サイト14中のフォトニック結晶20を含むことができ、変更手段は音響結晶12に結合される音響信号発生器40を含むことができる。
【００２５】
本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、明細書及び添付図面を読み、理解すれば、等価の変更及び変形が当業者により行われるであろう。特に前述のコンポーネントにより行われる種々の機能に関して、このようなコンポーネントの説明に使用される用語（「手段」の参照を含める）は特に示されていなければ、本発明のここで示されている例示的な実施形態で機能を行う説明された構造に対して構造的には等しくなくても（機能的に等価の）説明されたコンポーネントの特定の機能を行う任意のコンポーネントを示している。さらに、本発明の特別な特徴を幾つかの実施形態のうちの１つのみに関して説明しているが、このような特徴は任意の与えられたまたは特定の応用で所望及び有効であるように他の実施形態の１以上の他の特徴と組合せられることができる。
【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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【国際調査報告】
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