(57)【要約】  【課題】  少数の光学素子で構成される光学系を使用して短時間でフォトニック結晶構造を作成することのできるフォトニック結晶構造作成方法および装置を提供する。  【解決手段】  本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、可干渉性を有する複数本の平行光を放射する光束放射手段１と、複数本の平行光が、複数本の平行光に対して垂直に配置された底面に入射する半多面体レンズ２とを含む。なお、光束放射手段１は、１本の光束を放射するレーザ１１と、１本の光束を複数本の光束に分離する回折板１２と、複数本の光束をレーザ１１の光軸に対して平行とするコリメートレンズ１３とにより構成される。【選択図】  図１
2005316233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面に対してフォトニック結晶の周期によって定まる角度で傾斜する複数の側面を有する半多面体レンズを設置する半多面体レンズ設置段階と、
前記半多面体レンズによる干渉縞発生領域に光反応材料を配置する光反応材料配置段階と、
前記半多面体レンズの底面に垂直に入射する可干渉性を有する複数本の光束が生成する干渉縞で前記光反応材料を露光する露光段階とを含むフォトニック結晶構造作成方法。
【請求項２】
可干渉性を有する複数本の平行光を放射する光束放射手段と、
前記複数本の平行光が、前記複数本の平行光に対して垂直に配置された底面に入射する半多面体レンズとを含むフォトニック結晶構造作成装置。
【請求項３】
前記半多面体レンズが、Ｎ角錐（ただし、Ｎ≧３）レンズである請求項２に記載のフォトニック結晶構造作成装置。
【請求項４】
前記半多面体レンズが、Ｎ角錐台（ただし、Ｎ≧３）レンズである請求項２に記載のフォトニック結晶構造作成装置。
【請求項５】
前記Ｎ角錐台レンズの集光点に配置され、フォトニック結晶構造が作成される光反応材料に関して前記Ｎ角錐台レンズと反対側に配置される反射鏡であって、前記光反応材料から漏洩する前記Ｎ角錐台レンズの中心部を透過する光束を前記光反応材料に向けて反射する反射鏡を含む請求項４に記載のフォトニック結晶構造作成装置。
【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構造作成方法および装置に係り、特に、光記録媒体、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、光ファイバのクラッド等の光反応材料中にフォトニック結晶構造を作成することのできるフォトニック結晶構造作成方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報記録の分野において、高密度・大容量を目指して次世代光情報記憶媒体の開発・実用化が進められている。
【０００３】
高密度のための要素技術としては、記録再生光の短波長化、光学系の対物レンズの高開口数化、記録マークの多値化、三次元多層記録等を挙げることができる。
【０００４】
特に、光記憶媒体への三次元多層記録は他の技術に比較して飛躍的な高密度化・大容量化が可能となるが、記録・再生位置を制御するためには記憶媒体中に光の波長程度のユニットが周期的に並んだ構造体であるフォトニック結晶を作成することが必要となる。
【０００５】
また、磁気記録、あるいは光磁気記録の分野においても、記録媒体内にフォトニック結晶構造を作成することにより、記憶の高密度化を図る技術も提案されている。
【０００６】
さらに、光通信の分野においても、高速大容量化が実現できるフォトニック結晶ファイバの実用化が推進されているが、フォトニック結晶ファイバでは中心部周辺に周期的にフォトニック結晶構造を設けることが必要となる。
【０００７】
上記のように、光反応材料中にフォトニック結晶構造を作成する技術は、情報の記憶および伝送の分野で重要度を増しており、フォトニック結晶構造作成方法あるいは装置についても、既に種々の提案がなされている。
【０００８】
例えば、多光束干渉露光を使用したフォトニック結晶構造の作成方法が、既に提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
図１０は上記提案に係るフォトニック結晶構造の作成で使用される装置の斜視図であって、Ｈｅ−Ｃｄレーザ９１から放射されたビーム光は、ビームスプリッタ９２およびビームスプリッタ９３により３本のビーム光に分離される。
【００１０】
この３本のビーム光を反射鏡９４、９５、９６、９７、および９８で反射してガラスセル中の光反応材料９９中に導き、干渉縞で露光し、硬化させることにより微小周期構造を作成している。この場合ビーム光の衝突角度を調整することにより、周期を変更することができる。
【００１１】
さらに、特定波長の光だけを反射するダイヤモンド構造のフォトニック結晶構造を簡易に作成する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
図１１は上記提案に係るダイヤモンド構造のフォトニック結晶構造作成装置のブロック線図であって、レーザービーム光を分離する回折光学素子１０１と、回折光学素子１０１で分離された各ビーム光をコリメートする第１のレンズ１０２と、コリメートされたビーム光のうちから必要なものだけを通過させる貫通孔が穿たれた遮蔽板１０３と、遮蔽板１０３を通過したビーム光を光反応材料１０４中の集束領域１０５に集束させる第２のレンズ１０６とを備えている。
【００１３】
遮蔽板１０３は、正面図に示すように、中心および周辺４箇所に貫通孔が穿たれている。
【特許文献１】特開２０００−３２９９２０号公報（［０００７］、図１）
【特許文献２】特開２００３−０８４１５８号公報（［００１２］〜［００１５］、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記に示した従来のフォトニック結晶構造の作成方法には、ビームスプリッタ、反射鏡、レンズ、あるいは遮蔽板といった光学素子が複数個必要であるために作成装置が高価となるだけでなく、光学素子間の光軸の調整に手間がかかるという課題があった。
【００１５】
また、線源としてレーザの代わりに電子線を使用して電子描画を行う場合には描画に長時間を要するという課題もあった。
【００１６】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、少数の光学素子で構成される光学系を使用して短時間でフォトニック結晶構造を作成することのできるフォトニック結晶構造作成方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成方法は、底面に対してフォトニック結晶の周期によって定まる角度で傾斜する複数の側面を有する半多面体レンズを設置する半多面体レンズ設置段階と、前記半多面体レンズによる干渉縞発生領域に光反応材料を配置する光反応材料配置段階と、前記半多面体レンズの底面に垂直に入射する可干渉性を有する複数本の光束が生成する干渉縞で前記光反応材料を露光する露光段階とを含む構成を有している。
【００１８】
この構成により、少数の光学素子で構成される光学系を使用してレーザービームでフォトニック結晶構造を作成できることとなる。
【００１９】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、可干渉性を有する複数本の平行光を放射する光束放射手段と、前記複数本の平行光が前記複数本の平行光に対して垂直に配置された底面に入射する半多面体レンズとを含む構成を有している。
【００２０】
この構成により、少数の光学素子で構成される光学系を使用してレーザービームでフォトニック結晶構造を作成できることとなる。
【００２１】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、前記半多面体レンズが、Ｎ角錐（ただし、Ｎ≧３）レンズである構成を有している。
【００２２】
この構成により、２次元のフォニック結晶構造を作成できることなる。
【００２３】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、前記半多面体レンズが、Ｎ角錐台（ただし、Ｎ≧３）レンズである構成を有している。
【００２４】
この構成により、３次元のフォニック結晶構造を作成できることなる。
【００２５】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、前記Ｎ角錐台レンズの集光点に配置され、フォトニック結晶構造が作成される光反応材料に関して前記Ｎ角錐台レンズと反対側に配置される反射鏡であって、前記光反応材料から漏洩する前記Ｎ角錐台レンズの中心部を透過する光束を前記光反応材料に向けて反射する反射鏡を含む構成を有している。
【００２６】
この構成により、３次元のフォニック結晶構造をより柔軟に作成できることなる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、可干渉性を有する複数本の平行光を放射する光束放射手段と、複数本の平行光が複数本の平行光に対して垂直に配置された底面に入射する半多面体レンズとを設けることにより、少ない光学素子を用いて光反応材料中にフォトニック結晶構造を作成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２９】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態のブロック図を図１に示す。
【００３０】
即ち、本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置は、可干渉性を有する複数本の平行光を放射する光束放射手段１と、複数本の平行光が、複数本の平行光に対して垂直に配置された底面に入射する半多面体レンズ２とを含む。
【００３１】
なお、光束放射手段１は、１本の光束を放射するレーザ１１と、１本の光束を複数本の光束に分離する回折板１２と、複数本の光束をレーザ１１の光軸に対して平行とするコリメートレンズ１３とにより構成される。
【００３２】
図２は、本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置に適用される半多面体レンズ２の側断面図であって、半多面体レンズ２の底面２ａは（Ａ）に示すように、レーザ１１の光軸に対して垂直に配置される。また、半多面体レンズ２の第１の側面２ｂ１は底面２ａに対して角度α１を成し、第２の側面２ｂ２は底面２ａに対して角度α２を成す。さらに、半多面体レンズ２は第３、第４・・・の側面を有していてもよい。
【００３３】
内部にフォトニック結晶構造が作成される光反応材料３は、半多面体レンズ２による干渉縞の発生領域に配置される。
【００３４】
次に、本発明に係るフォトニック結晶構造作成方法は、底面に対してフォトニック結晶の周期によって定まる角度で傾斜する複数の側面を有する半多面体レンズ２を設置する。
【００３５】
次に、半多面体レンズによる干渉縞発生領域に光反応材料３を配置する。そして、最後に、半多面体レンズ２の底面２ａに垂直に入射し、可干渉性を有する複数本の光束で光反応材料を露光する。
【００３６】
以下、図３の光束の経路図を参照しつつ、半多面体レンズ２として四角錐レンズ２１を使用した場合のフォトニック結晶の周期について説明する。
【００３７】
なお、以下の説明において、半多面体レンズ２の底面に垂直な軸をＺ軸とし、半多面体レンズ２の底面内で直交する軸をＸ軸およびＹ軸とする。
【００３８】
四角錐レンズ２１の底面に対して側面が成す角度をαとし、四角錐レンズ２１、空気、および光反応材料３の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ0（＝１．０）、ｎ２とする。
【００３９】
コリメートされた複数本の光束を四角錐レンズ２１の底面に垂直に照射すると、四角錐レンズ２１への光束の入射角度はαとなる。
【００４０】
そして、入射角度αと屈折角度βの間には次式のスネルの法則が成立する。
【００４１】
【数１】
2005316233.tif 000003
【００４２】
また、四角錐レンズ２１への入射角度αと屈折角度β、ならびに光反応材料３への入射角度γの間には次式が成立する。
【００４３】
【数２】
2005316233.tif 000004
【００４４】
さらに、光束の光反応材料３の入射角度γと屈折角度θの間にも、次式のスネルの法則が成立する。
【００４５】
【数３】
2005316233.tif 000005
【００４６】
上記３つの式から次式が成立する。
【００４７】
【数４】
2005316233.tif 000006
【００４８】
光反応材料３中での光の吸収量は極少であると仮定すると、光反応材料３中の光束の伝搬係数ｋは次式で定義される。
【００４９】
【数５】
2005316233.tif 000007
【００５０】
伝搬係数ｋの光束の進行方向に沿うＺ軸の成分ｋz、ならびにＺ軸に直交する平面内で相互に直交するＸ軸およびＹ軸の成分、ｋxおよびｋyは次式で表すことができる。
【００５１】
【数６】
2005316233.tif 000008
【００５２】
四角錐レンズ２１の４つの側面から出射する光束ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は次式により表すことができる。なお、振幅は１とする。
【００５３】
【数７】
2005316233.tif 000009
【００５４】
なお、ｆ１とｆ２とはＹ軸に対称にＸ−Ｚ平面内で進行し、ｆ３とｆ４とはＸ軸に対称にＹ−Ｚ平面内で進行する。
【００５５】
よって、４本の光束ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の干渉による光反応材料３の中の任意の点Ａ（ｘ，ｙ，ｚ）の光強度ＩAは次式で表すことができる。
【００５６】
【数８】
2005316233.tif 000010
【００５７】
上式から理解できるように、４本の光束の干渉光の強度ＩAはＺ軸方向には変化せず、次式が成立するときに光強度は零となる。
【００５８】
【数９】
2005316233.tif 000011
【００５９】
従って、四角錐レンズ２１から出射される４本の光束ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の干渉縞は、図４に示すように、円柱群となり、光反応材料３中には干渉縞に対応するフォトニック結晶構造が作成されることとなる。
【００６０】
例えば、n１＝n２＝１．５、α＝３０度とすると、sinθ＝０．２１２５となる。
【００６１】
ｙ＝０であるＸ軸上では、次式が成立する点で光強度は最大となる。
【００６２】
【数１０】
2005316233.tif 000012
【００６３】
よって、光強度の最高点のピッチ、即ちフォトニック結晶構造のＸ軸方向のピッチＰxは次式で表される。
【００６４】
【数１１】
2005316233.tif 000013
【００６５】
従って、光束の波長λを５３２ナノメートルとすると、Ｘ軸方向のピッチＰxは１６６９ナノメートルとなる。
【００６６】
図５は四角錐レンズ２１の底面に対して側面がなす角度αとフォトニック結晶体のＸ軸方向ピッチＰxの変化を示すグラフであって、四角錐レンズ２１の形状を変更することによりフォトニック結晶構造のピッチを変更できることが解る。
【００６７】
図６はｋx＝ｋy＝１．０として、光反応材料３であるネガ型光反応材料に干渉パターンを露光したものであって、光反応材料中にフォトニック結晶構造が構成されていることが判る。
【００６８】
上記のように、第１の実施形態によれば、光反応材料３の中にＺ軸方向には変化せず、Ｘ−Ｙ軸面内で周期的な構造を有するフォトニック結晶構造を作成することが可能となる。
【００６９】
次に、本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第２の実施形態について説明する。
【００７０】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第２の実施形態のブロック図を図７に示が、四角錐レンズ２１が図２（Ｂ）四角錐台レンズ２２となる以外は、第１の実施形態と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００７１】
第２の実施形態によるフォトニック結晶構造作成装置で作成されるフォトニック結晶構造の周期は以下の通りとなる。
【００７２】
四角錐台レンズ２２を使用した場合には、［数７］に示す４本の光ビームの他に、次式で表される四角錐台レンズ２２の中央部の底面と平行な面を透過する光ビームｆ5を加えた５本の光ビームの干渉縞が光反応材料３中に発生する。
【００７３】
【数１２】
2005316233.tif 000014
【００７４】
よって、光反応材料３中の点Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の光強度ＩBは次式で表される。
【００７５】
【数１３】
2005316233.tif 000015
【００７６】
ここで、Ｔを次式で定義する。
【００７７】
【数１４】
2005316233.tif 000016
【００７８】
すると、点Ｂの光強度ＩBは次式で表される。
【００７９】
【数１５】
2005316233.tif 000017
【００８０】
従って、ＩB＝０となるのは次式が成立するときである。
【００８１】
【数１６】
2005316233.tif 000018
【００８２】
ここで、Ｔ＝０．５とすれば、次式が成立する。
【００８３】
【数１７】
2005316233.tif 000019
【００８４】
よって、干渉パターンはＺ軸方向にも以下のピッチで強度零の部分が発生する。
【００８５】
【数１８】
2005316233.tif 000020
【００８６】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、図８に示すように、光反応材料３中にＺ軸方向およびＸ−Ｙ平面内で周期的な構造を有するフォトニック結晶構造を作成することが可能となる。
【００８７】
次に、本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第３の実施形態について説明する。
【００８８】
本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第３の実施形態のブロック図を図９に示が、光反応材料３の後方に四角錐台レンズ２２の中央部から放射され光反応材料３を透過した光束を反射する反射鏡４が設置される以外は第２の実施形態と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。
【００８９】
四角錐台レンズ２２中央部から放射され光反応材料３を透過し反射鏡４で反射された光ビームｆ6は次式で表される。
【００９０】
【数１９】
2005316233.tif 000021
【００９１】
従って、光反応材料３の中の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）におけるｆ１からｆ6の６本の光ビームによる干渉パターンの強度ＩCは、次式で表される。
【００９２】
【数２０】
2005316233.tif 000022
【００９３】
上式から理解できるように、点Ｃの光強度は、６本の光束のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分が平等に寄与するので、第１の実施形態および第２の実施形態よりも柔軟にフォトニック結晶構造の周期を変更することができる。
【００９４】
第２の実施形態および第３の実施形態では、半多面体レンズはそれぞれ四角錐レンズおよび四角錐台レンズであるとしているが、Ｎ（≧３）角錐あるいはＮ（≧３）角錐台であればよいことは明らかである。
【００９５】
以上本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置で使用する多面体レンズは、フューズドシリカ、フッ化カルシウムなどの紫外線用ガラス、あるいはクラウンガラス、合成石英などの一般レンズ用のガラスを使用することができる。なお、多面体レンズは使用するレーザ光の波長において透過率が高いことが望ましい。さらに、界面での反射を抑制するために反射防止コーティングを施すことも望ましい。
【００９６】
また、第３の実施形態で使用する反射鏡は、通常のアルミニウム蒸着鏡でもよいが、波面収差および表面粗さを抑えたレーザ光用の反射鏡を使用することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
以上のように、本発明に係るフォトニック結晶構造作成方法および装置は、簡易な光学系で光反応材料中にフォトニック結晶構造を作成できるという効果を有し、フォトニック結晶構造作成装置等として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態のブロック図である。
【図２】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置で使用する半多面体レンズの側断面図である。
【図３】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態における光束の経路図である。
【図４】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態における干渉縞の斜視図である。
【図５】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態における四角錐レンズの側面の傾斜角度と干渉縞のピッチのとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第１の実施形態によるフォトニック結晶の構造図である。
【図７】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第２の実施形態のブロック図である。
【図８】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第２の実施形態における干渉縞の斜視図である。
【図９】本発明に係るフォトニック結晶構造作成装置の第３の実施形態のブロック図である。
【図１０】従来のフォトニック結晶構造作成装置のブロック図である。
【図１１】従来のフォトニック結晶構造作成装置の側面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１  光束放射手段
１１  レーザ
１２  回折板
１３  コリメートレンズ
２  半多面体レンズ
２１  四角錐レンズ
２２  四角錐台レンズ
３  光反応材料
４  反射鏡
【図１】
2005316233.tif 000023
【図２】
2005316233.tif 000024
【図３】
2005316233.tif 000025
【図４】
2005316233.tif 000026
【図５】
2005316233.tif 000027
【図６】
2005316233.tif 000028
【図７】
2005316233.tif 000029
【図８】
2005316233.tif 000030
【図９】
2005316233.tif 000031
【図１０】
2005316233.tif 000032
【図１１】
2005316233.tif 000033