(57)【要約】【課題】ダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を、相当簡易且つ安価に、そしてまた高精度に形成することができる方法を提供する。【解決手段】感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して相互に垂直である第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンに対して垂直な第二のレーザ干渉パターンを生成することを含む。【選択図】    図１
2005122002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して該第一のレーザ光干渉パターンに対して実質上垂直な第二のレーザ干渉パターンを形成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成する方法。
【請求項２】
該第一のレーザ光干渉パターンを生成する３本のレーザ光及び該第二のレーザ光干渉パターンを生成する３本のレーザ光の各々は、共通レーザ光源からのレーザ光を３本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正四角錐の頂点に向かう辺の３辺を規定し、該第一のレーザ光干渉パターン及び該第二のレーザ光干渉パターンは略楕円柱アレイの２次元正方格子である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる、請求項３記載の方法。
【請求項５】
該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成する、請求項３又は４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
当業者には周知の如く、発光素子及び光回路等を高性能化する素子としてフォトニック結晶が提案されている。フォトニック結晶は光の波長オーダーの周期で屈折率が異なる構造を呈する媒質であり、多層膜の如き単純な周期構造である一次元フォトニック結晶、基板に形成された孔或いは柱配列が典型的である２次元フォトニック結晶に加えて、立体的なモザイク構造である３次元フォトニック結晶も提案されている。
【０００３】
３次元フォトニック結晶の形成方法としては、従来から半導体マイクロマシニング技術を使用した順次積層方式、及びシリカ或いはポリスチレン等の多数の微小球を使用する微小球方式が提案されている。しかしながら、かような順次積層方式及び微小球方式は、著しく煩雑な工程を多数回遂行することが必要である等に起因して製造コストが著しく高価になる。充分な精度でフォトニック結晶を形成することが不可能でないにしても著しく困難である、等の問題を有する。
【０００４】
下記特許文献１において、本発明者は、共通レーザ光源から２本又は３本に分光せしめて生成された２本又は３本のレーザ光を光硬化性合成樹脂に照射してレーザ光干渉パターンを生成し、かかるレーザ光干渉パターンに対応せしめて光硬化性合成樹脂を硬化せしめることを特徴とする、３次元フォトニック結晶を形成する方法を提案した。レーザ光干渉パターンを利用するかかる方法によれば、上記順次積層方式及び微小球方式に比べ、相当簡易且つ安価に、そしてまた著しく高精度に３次元フォトニック結晶を形成することができる。
【特許文献１】特開２０００−３２９９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者等が先に提案した、上記特開２０００−３２９９２０号公報に開示されている方法によって形成される３次元フォトニック結晶は、単純六方格子構造を有する形態である。３次元フォトニック結晶としては、六方格子構造ではなく、理想的なフォトニックバンドギャップを得ることができるダイヤモンド結晶構造を有する形態のものが優れており、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶としては、ウッドパイル型（レイヤーバイレイヤー型とも称される）フォトニック結晶及びヤブロノバイト型フォトニック結晶が提案されている。
【０００６】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶、更に詳しくはウッドパイル型３次元フォトニック結晶を相当容易且つ安価に、そしてまた高精度に形成することができる新規且つ有用な方法を適用することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、鋭意研究の結果、発明者等が先に提案した、上記特開２０００−３２９９２０号公報に開示されている方法におけるレーザ光の照射様式を改良することによって、上記主たる技術課題を達成することができることを見出した。
【０００８】
上記主たる技術課題を達成する方法として、感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して第一のレーザ光干渉パターンを生成すること、及び該感光性合成樹脂に３本のレーザ光を照射して該第一のレーザ光干渉パターンに対して実質上垂直な第二のレーザ干渉パターンを形成すること、を含むことを特徴とするダイヤモンド結晶構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成する方法が提供される。
【０００９】
好適実施形態においては、該第一のレーザ光干渉パターンを生成する３本のレーザ光及び該第二のレーザ光干渉パターンを生成する３本のレーザ光の各々は、共通レーザ光源からのレーザ光を３本に分光せしめて生成されたレーザ光であり、実質上正四角錐の頂点に向かう辺の３辺を規定し、該第一のレーザ光干渉パターン及び該第二のレーザ光干渉パターンは略楕円柱アレイの２次元正方格子である。該感光性合成樹脂は光硬化性合成樹脂であり、レーザ光照射によって硬化された硬化部分がダイヤモンド結晶構造を有するのが好適である。好ましくは、該光硬化性合成樹脂は紫外線硬化性合成樹脂であり、該レーザ光源は近赤外パルスレーザであり、該感光性合成樹脂は２光子吸収によって硬化せしめられる。該感光性合成樹脂の該硬化部分をレプリカとして使用して、高屈折率を有する材料から該３次元フォトニック結晶を形成するのが好都合である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダイヤモンド結晶構造を有する３次元フォトニック結晶、更に詳しくはウッドパイル型３次元フォトニック結晶を、相当簡易且つ安価に、そしてまた高精度に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の３次元フォトニック結晶を形成する方法の好適実施形態について、更に詳述する。
【００１２】
図１を参照して説明すると、ウッドパイル型フォトニック結晶を形成するための本発明の方法の好適実施形態においては、感光性合成樹脂２で満たされた直方体形状或いは立方体形状でよいガラスセル４を準備する。感光性合成樹脂２は未硬化状態の光硬化性合成樹脂、特に紫外線硬化性合成樹脂であるのが好適である。好都合に使用することができる紫外線硬化性合成樹脂としては、例えば日本合成ゴム株式会社から商品名「ＳＣＲ５００」として販売されている紫外線硬化性合成樹脂を挙げることができる。
【００１３】
ガラスセル４は適宜の保持手段（図示していない）によって所要状態に保持され、ガラスセル４に満たされた感光性合成樹脂２の第一の面（図１において下面）Ｓ１に、全体を番号６で示すレーザ光照射手段によって３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、及びＬＢ３が照射される。図示の実施形態においては、レーザ光照射手段６は共通レーザ光源８、２個のスプリッタ１０及び１２ならびに４枚の反射ミラー１６、１８、２０及び２４を含んでいる。レーザ光源８は近赤外パルスレーザを発光するレーザ光源、例えばチタン・サファイヤ（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザであるのが好適である。レーザ光源６から発光されたパルスレーザ光はスプリッタ１０によって２本のレーザ光に分光され、分光された２本のレーザ光の一方は反射ミラー１６によって反射されてスプリッタ１２に至り、スプリッタ１２によって更に２本のレーザ光ＬＢ１及びＬＢ２に分光され、他方は反射ミラー１８によって反射されてレーザ光ＬＢ３となる。レーザ光ＬＢ１は反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。レーザ光ＬＢ２は反射ミラー２０及び反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。レーザ光ＬＢ３は反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される。
【００１４】
レーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の、レーザ光源６から合成樹脂２の第一の面Ｓ１までの光路長は実質上同一に設定されている。また、レーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の光路には図示されていないＮＤフィルターが挿入されており、かかるＮＤフィルターを調節することによりレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の光束の強度を実質上同一にせしめている。更に、反射ミラー２４に反射されて合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射される３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３は正四角錐の頂点に向かう辺の３辺を規定し、かかる正四角錐の頂点が合成樹脂２の第一の面Ｓ１上に位置付けられている。かような３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を合成樹脂２の第一の面Ｓ１に照射すると、レーザ光干渉により図２に図示するとおりのレーザ干渉パターン２６、即ち略楕円柱（横断面が略楕円である柱）アレイ２８の２次元正方格子であるレーザ光干渉パターン２６が生成される。そして、合成樹脂２が紫外線硬化性合成樹脂であり、レーザ光源８が発生するレーザ光が近赤外パルスレーザである場合には、２光子吸収によって合成樹脂２がレーザ光干渉パターン２６に従って硬化され、従って多数の略楕円柱アレイ３０（図３）が硬化される。２光子吸収によって多数の略楕円柱アレイ３０を硬化すると、パルスレーザのピーク値近傍のみが硬化に寄与せしめられる。レーザ光干渉パターン２６における隣接するロッド間の間隔は正四角錐を規定する３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の傾斜角度αによって規定され。傾斜角度αが増大せしめられると間隔が減少せしめられる。
【００１５】
合成樹脂２の第一の面Ｓ１に対する上述した３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の照射が終了すると、図１に二点鎖線で示す如く、合成繊維２が満たされているガラスセル４が９０度回転せしめられ、合成樹脂２の上記第一の面Ｓ１に対して実質上垂直である第二の面Ｓ２に同様にして３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が照射される。従って、合成樹脂２の第二の面Ｓ２に関しても略楕円柱アレイ２８の２次元正方格子であるレーザ光干渉パターン２６が生成され、従って多数の略楕円柱アレイ３２（図３）が硬化される。合成樹脂２に関して、その第二の面Ｓ１に照射される３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が生成するレーザ光干渉パターン２６はその第二の面Ｓ２に照射される３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３が生成するレーザ光干渉パターン２６に対して実質上垂直である。換言すれば、第一の面Ｓ１に対する３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の照射によって硬化される多数の略楕円柱アレイ３０に対して、第二の面Ｓ２に対する３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３の照射によって硬化される多数の略楕円柱アレイ３２は実質上垂直であり、多数の略楕円柱アレイ３２の各々は特定方向（図３において上下方向）に隣接する略楕円柱アレイ３０間を延在せしめられる。従って、ガラスセル４内の合成樹脂２を取り出し、その未硬化部分を例えばエタノール液で洗い流すことによって除去すると、図３に図示する如きウッドパイル型フォトニック結晶３４が形成される。かかるウッドパイル型３次元フォトニック結晶３４は理想的なフォトニックバンドギャップを有するダイヤモンド結晶構造を有する。
【００１６】
合成樹脂２の第一の面Ｓ１に３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を照射した後に、ガラスセル４を９０度回転せしめて合成樹脂２の第二の面Ｓ２に３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を照射することに代えて、所望ならばレーザ光照射手段６の全体或いはその構成要素の一部をガラスセル４に対して適宜に移動せしめて、合成樹脂２の第二の面Ｓ２に３本のレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２及びＬＢ３を照射することもできる。
【００１７】
硬化せしめられた合成樹脂から形成された図３に図示する構造体をそのままウッドパイル型３次元フォトニック結晶として利用することもできるが、フォトニック結晶は高屈折率を有する材料から形成されていることが望まれる。それ故に、硬化せしめられた合成樹脂から形成された図３に図示する構造体を所謂レプリカとして使用し、高屈折率を有する材料、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）或いは酸化珪素（ＳｉＯ２）から図３に図示するとおりの構造を有するウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成するのが好適である。
【００１８】
上述した場合においては、レーザ光干渉により図２に図示するとおりのレーザ干渉パターン２６、即ち略楕円柱（横断面が略楕円である柱）アレイ２８の２次元正方格子であるレーザ光干渉パターン２６が生成されているが、このレーザ干渉パターン２６の略楕円の長軸に対する短軸の比は、ＮＤフィルターの調整よりレーザ光ＬＢ１の光束の強度に対するレーザ光ＬＢ２及びレーザ光ＬＢ３の光束の強度の比を変えてコントロールすることができる。例えば、レーザ光ＬＢ１の光束の強度をレーザ光ＬＢ２及びレーザ光ＬＢ３の光束の強度に対して数倍程度にするとレーザ干渉パターン２６は略楕円柱アレイから略円柱アレイの２次元正方格子となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ウッドパイル型３次元フォトニック結晶を形成するための、レーザ光照射様式を示す簡易図。
【図２】図１におけるレーザ光照射によって生成されるレーザ光干渉パターンを示す図。
【図３】形成されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶を示す簡略斜視図。
【符号の説明】
【００２０】
２：感光性合成樹脂
６：レーザ光照射手段
２６：レーザ光干渉パターン
３４：ウッドパイル型３次元フォトニック結晶
【図１】
2005122002.tif 000003
【図２】
2005122002.tif 000004
【図３】
2005122002.tif 000005