(57)【要約】 【課題】  比較的簡易な構成で、多種の光学特性を得ることができるフォトニック結晶を提供すること。【解決手段】  格子２の間隔あるいは格子２間の位相を可変する位置可変部を備え、この位置可変部が、可撓性を有し前記格子の間隔を可変に連結する連結部３からなることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子の間隔あるいは格子間の位相を可変する位置可変部を備えることを特徴とするフォトニック結晶。
【請求項２】
前記位置可変部が、可撓性を有し前記格子の間隔を可変に連結することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３】
前記格子自体が可撓性を有する材質からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶。
【請求項４】
前記位置可変部を制御するアクチュエータを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
前記アクチュエータが、圧電素子であることを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロウェーブ、赤外光、可視光等の電磁波に対して、フィルター，分岐素子，波面変換素子，偏向素子，導波路，共振器及び複屈折素子等として使用されるフォトニック結晶の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特有の分散特性を示したり、光を伝播しない領域（フォトニックバンドギャップ）を持ったりと、光を制御する材料としてフォトニック結晶が提案されている。フォトニック結晶とは屈折率の異なる複数の物質による周期構造物であり、フォトニック結晶中で電磁波はその周期関数で変調される。これにより、フォトニック結晶中での電磁波の分散は、結晶中の電子のバンド構造と同様なものを形作る。
【０００３】
分散関係は一般には方向によって変化しており、電磁波の伝播方向や群速度は方向によって異なった値、すなわち異方性を有するものが多い。このことを、周期構造として２次元の正方格子のフォトニック結晶を例として示す。このフォトニック結晶は、図７に示すように、格子定数ａに対して、角柱の１辺ｂ＝０．４ａとする正方格子で、角柱部分は屈折率３、それ以外の屈折率は１としたときの分散図である。横軸は結晶の方向に対応し、縦軸は規格化した周波数を表す。ここで、規格化周波数は、格子定数ａ、真空中での光速ｃ、電磁波の角振動数ωとすると、規格化周波数＝ａω／（２πｃ）である。
【０００４】
また、フォトニック結晶ではスケーリング則が成り立つため、例えば、格子定数ａの結晶中の周波数ωの電磁波が示す分散と、同じ結晶構造を持つ格子定数が１／β倍の結晶中での周波数がβ倍の電磁波を示す分散とは同じものとなる。また、スケーリング則は屈折率についても成り立ち、それぞれの物質の屈折率を全て１／β倍にしたフォトニック結晶では周波数がβ倍の電磁波のときと同じ特性になる。これは言い換えると、フォトニック結晶に入射する電磁波の周波数を一定としたまま屈折率等を変化させることで、入射する電磁波の周波数とは異なる周波数で同一の特性を持ったフォトニック結晶を得ることができる。
【０００５】
ここで、単一周波数の電磁波について２次元フォトニック結晶を利用する場合を考えてみる。単一周波数での特性を見るため、図８（ａ）から図８（ｃ）に示すように、図７より等周波数面を作り表示する。規格化周波数は図８（ａ）が０．４，図８（ｂ）が０．５，図８（ｃ）が０．６の場合を示す。
まず、規格化周波数が０．４の場合、ｐ偏光の電磁波については、図８（ａ）に示すように、ほぼ全方向ともに同じ特性の等周波数線が存在するが、ｓ偏光に対しては対応する等周波数線が存在しない。すなわち、この周波数に対応するエネルギーではｓ偏光はどの方向に進行するものであれ、存在することができず、電子におけるバンドギャップと同じものが生じていることが分かる。この２次元正方格子にとっては、規格化周波数が０．４のｓ偏光の電磁波は存在することができないため、入射角に依存しない良好な反射板の特性を有しているということができる。また、結晶構造によってはｐ偏光、ｓ偏光ともに同じ周波数でバンドギャップを生じさせることも可能であり、この特性を生かして導波路等の応用が考えられている。
【０００６】
次に、規格化周波数が０．５及び０．６の場合、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、ｐ偏光，ｓ偏光の電磁波はともに結晶内で存在することはできるが、その等周波数線は偏光方向，結晶方向により大きく変化している。このため、図８（ｂ）と図８（ｃ）とを比較すると、正規化周波数が２割程度変化しただけで等周波数線のパターンは大きく異なっていることが分かる。さらに、結晶内での電磁波の進行方向は等周波数線に垂直な方向をとるので、電磁波の周波数を少し変化させただけで結晶内の屈折角等を大きく変化させることができることが分かる。
【０００７】
このような上記特性を利用することで、フォトニック結晶に入射させるごくわずかな周波数変化に対して屈折角を大きく変化させることや、フォトニック結晶に入射させ光の入射角の変化に対して屈折角を大きく変化させることなどを実現させる可能性がある。この効果を用いて分散器や分岐素子等への利用が考えられる。
以上説明したフォトニック結晶は、２次元に配列された正方格子状のフォトニック結晶を用いた例であるが、異なる格子配列のフォトニック結晶を用いた場合、正方格子状のフォトニック結晶とは異なる特性を示す。例えば、正方格子の並び１列ごとに格子間隔の半分の位相がずれた三角格子にした場合の分散関係を図９に示す。図９は、図８の正方格子と角柱寸法，屈折率等を同じ条件にして、三角格子を作った場合の等周波数面の概形である。規格化周波数は図９（ａ）が０．４，図９（ｂ）が０．５，図９（ｃ）が０．６である。このとき、正方格子とは大きく異なった等周波数線となることが分かる。
【０００８】
このように、フォトニック結晶の特徴を用いた各種の光素子が研究されているが、さらにフォトニック結晶の個々の特性を可変にすることでより幅広い応用が効くと考えられている。
また、上述したスケーリング則の説明のところで述べたように、屈折率を変化させることで異なる特性を得ることができるため、この特性を利用したフォトニック結晶が提案させている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載のフォトニック結晶は、周期的に凹設された細孔部に、印加電圧に応じて屈折率が変化する電気光電効果を有した液晶等の材料を充填する。そして、電圧を印加し屈折率を変化させて特性を変えるものである。
【特許文献１】特開２００２−１６２６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のフォトニック結晶の方式のように、屈折率を変化させる方式は、使用波長帯によっては屈折率変化の大きい物質が少なく、任意の波長で特性を大きく変化させることが困難である。また、結晶構造自体を変化させることはできないという問題があった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡易な構成で、多種の光学特性を得ることができるフォトニック結晶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】
【００１０】
本発明のフォトニック結晶は、格子の間隔あるいは格子間の位相を可変する位置可変部を備えることを特徴としている。
【００１１】
本発明のフォトニック結晶は、前記位置可変部が、可撓性を有し前記格子の間隔を可変に連結することが好ましい。
この発明によれば、周波数に応じて所望の格子の間隔にすることができるので、フォトニック結晶の特性を変えることが可能となる。
【００１２】
また、本発明のフォトニック結晶は、前記格子自体が可撓性を有する材質からなることが好ましい。
この発明によれば、例えば、格子を螺旋状に形成し周期的に配列させることにより、格子を一方向に伸張、圧縮すると、３次元フォトニック結晶として特性を変えることが可能となる。
【００１３】
また、本発明のフォトニック結晶は、前記位置可変部を制御するアクチュエータを備えることが好ましい。
この発明によれば、アクチュエータを用いることにより、自動的に位置可変部材を制御できるため、正確に格子の間隔あるいは格子間の位相を変化させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明のフォトニック結晶は、前記アクチュエータが、圧電素子であることが好ましい。
この発明によれば、圧電素子に電圧を印加することにより、歪みが発生する。この歪んだ力により位置可変部を制御することで、格子の間隔あるいは格子間の位相を変えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては以下の効果を奏する。
本発明のフォトニック結晶によれば、位置可変部を備えることにより、格子の間隔あるいは格子間の位相を可変することができるため、多種の光学特性を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係るフォトニック結晶１は、図２に示すように、正方格子からなる２次元フォトニック結晶である。このフォトニック結晶１は、図１（ａ）に示すように、複数の角柱状の格子２と、この格子２を連結する連結部（位置可変部）３とを備えている。
【００１７】
格子２は、間隔を開けて幅方向に配列されており、平板状の格子列４をなしている。また、連結部３は、図１（ａ）に示すように、可撓性を有する材質から構成されており、各格子２の一端面２ａ，他端面２ｂから隣接する格子２の一端面２ａ，他端面２ｂに配されている。これにより、図１（ｂ）に示すように、格子列４の幅方向から加える応力Ｆの方向を変えると、格子２の同士の間隔が伸張あるいは圧縮されて変化するようになっている。
【００１８】
次に、上記格子列４を用いて２次元の正方格子を形成するには、図２（ａ）に示すように、格子列４を間隔を開けて複数枚（図示例では４枚）並べ、格子列４の幅方向の端面４ａ，４ｂに格子列４を保持した状態で保持板５を接続させる。これにより、入射する電磁波に対して正方格子を形成することができる。
次に、フォトニック結晶１の使用方法について説明する。
図２（ｂ）に示すような格子列４の状態から、保持板５に応力Ｆを加えることにより、図２（ｃ）に示すように、格子２の間隔が狭まった状態に変化し、フォトニック結晶１Ａになる。
【００１９】
すなわち、本実施形態におけるフォトニック結晶１によれば、連結部３により格子２の間隔を変えることで光学特性を変化させるものである。
【００２０】
次に、本発明に係る第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係るフォトニック結晶１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態のフォトニック結晶１０において、上記第１実施形態と異なる点は、連結部３に変えて固定部１１を用いている点及び保持板１２の保持する格子列４が異なる点である。
固定部１１は、図３（ａ）に示すように、複数の格子２の一端面２ａ及び他端面２ｂに接続されており、隣接する格子２同士の間隔を一定に保った状態で維持するようになっている。また、保持板１２は、図３（ｂ）に示すように、格子列４の幅方向の一端面４ａに接続された第１の保持板１２ａと、他端面４ｂに接続された第２の保持板１２ｂとから構成されている。また、この保持板１２は、格子列４を一列おきに保持している。
【００２１】
次に、フォトニック結晶１０の使用方法について説明する。
図３（ｃ）に示すような正方格子列４の状態から、第１の保持板１２ａあるいは第２の保持板１２ｂに応力Ｆを加えることにより、格子列４の幅方向に移動させる。これにより、一列おきに格子列４がずれるので、格子２間の位相が変化し、図３（ｄ）に示すような三角格子列の構造を持つ、フォトニック結晶１０Ａになる。
すなわち、本実施形態のフォトニック結晶１０は、固定部１１及び保持板１２を備えることにより、格子２間の位相を変えることにより結晶構造を変化させ特性を変えることが可能となる。
【００２２】
次に、本発明に係る第３実施形態について、図４を参照して説明する。
本実施形態のフォトニック結晶２０において、上記第１実施形態と異なる点は、保持板５が、第３の保持板２１ａ，２１ｂ及び第４の保持板２２ａ，２２ｂとを備えている点である。
保持板５は、図４に示すように、格子列４の幅方向の一端面４ａに一列おきに接続された第３の保持板２１ａと、この第３の保持板２１ａに接続された格子列４の他端側４ｂに接続された第３の保持板２１ｂと、この第３の保持板２１ａ，２１ｂに保持された格子列４の間に配された格子列４の一端面４ａに接続された第４の保持板２２ａと、この第４の保持板２２ａに接続された格子列４の他端面４ｂに接続された第４の保持板２２ｂとを備えている。
【００２３】
次に、フォトニック結晶２０の使用方法について説明する。
第３の保持板２１ａと第３の保持板２１ｂとの組，第４の保持板２２ａと第４の保持板２２ｂとの組に応力Ｆを加えることにより、格子列４を幅方向の同一方向に同じ量だけ移動する。これにより、一列おきに格子列４がずれるので、格子２間の位相が変化する。
また、第３の保持板２１ａあるいは第３の保持板２１ｂの一方を固定し、他方に応力Ｆを加えるか、第３の保持板２１ａを第３の保持板２１ｂの移動方向とは反対の方向に移動させる。これにより、格子２の間隔が狭まったり、広がったりする。さらに、第４の保持板２２ａ及び第４の保持板２２ｂの組でも同様のことが言える。
【００２４】
すなわち、本実施形態のフォトニック結晶２０によれば、保持板５に応力Ｆを加えることにより格子２の間隔あるいは格子２間の位相を同時に変えることができる。
【００２５】
次に、本発明に係る第４実施形態について、図５を参照して説明する。
本実施形態のフォトニック結晶３０において、上記第１実施形態と異なる点は、結晶構造が格子２を積層構造にしたウッドパイル型の３次元のフォトニック結晶とした点である。
【００２６】
次に、３次元のフォトニック結晶を形成する方法を説明する。
まず、格子列３１を図５（ａ）に示す状態から、９０°回転させて図５（ｂ）に示す格子列３２の状態にして複数枚交互に積層し、図５（ｃ）に示すように組み立てる。ここで、格子列３１，３２の積層方向をＸ軸、格子列３２の幅方向をＹ軸とすると、図５（ａ）に示す状態の格子列３１の幅方向をＺ軸とする。そして、第１実施形態と同様にして、格子列３１の幅方向の端面３１ａ，３１ｂに保持板３１ｃを接続させる。これにより、格子列３１は、Ｚ軸方向からの応力Ｆｚを受けるようになっている。
同様にして、格子列３２の幅方向の端面３２ａ，３２ｂに保持板３２ｃを接続させる。これにより、格子列３２は、Ｙ軸方向からの応力Ｆｙを受けるようになっている。
【００２７】
次に、フォトニック結晶３０使用方法について説明する。
保持板３１ｃをＺ軸方向あるいは保持板３２ｃをＹ軸方向に応力Ｆｙを加えることにより、格子２の間隔が狭まるので格子２の間隔が変化する。
すなわち、本実施形態のフォトニック結晶３０によれば、保持板３１ｃあるいは３２ｃに応力Ｆｚを加えることより格子２の間隔を変えることができる。したがって、矢印Ａ方向から入射する光の周波数を変えた場合においても、３次元フォトニック結晶として特性を変えることが可能となる。
【００２８】
なお、本実施形態においては、各格子列３１と格子列３２との間隔は変化しないが、保持板３１ｃ及び３２ｃの各格子列３１及び３２を取り付ける部分に間隔を制御する機構を備えることで、格子列３１と格子列３２との間隔を変化させることも可能となる。
また、格子列３１，３２をもちいた３次元フォトニック結晶について述べたが、格子列がワイヤー状の材質を螺旋を描かせて並べた構造のフォトニック結晶（Ｓ．Ｊｏｈｎ，Ｏ．Ｔｏａｄｅｒ，ＳＣＩＥＮＣＥ  Ｖｏｌ．２９２  ｐｐ．１１３３−１１３５）等も提案されている。これは、図６（ａ）に示すような形状のフォトニック結晶４０で、材質そのものが高分子，金属もしくはカーボンナノチューブなど可撓性を持っていれば良い。これにより、今までに述べたものと同様の方式により、螺旋構造を保持板４１で挟み応力Ｆを加えることにより、図６（ｂ）に示すように、フォトニック結晶４０を伸張させたり、図６（ｃ）に示すように、圧縮させることで、矢印Ａ方向から光を入射させたときの特性を変えることも可能である。
【００２９】
なお、上記各実施形態のフォトニック結晶において、格子２と連結部３とは別々に作製しても良いが、半導体プロセス等での作製では、一体に作製することができるため、組み立て時の精度には一体に作製した方が良い。
また、フォトニック結晶ではスケール則により、電磁波の周波数で格子間隔が、さらには全体の大きさが決まってくるので、これに適したアクチュエータ機構を採用しても良い。例えば、使用する周波数が低いなどして、もともとの格子２の間隔が広い場合については、連結部３に直接アクチュエータ等を組み込みことで間隔の制御を行わせることも可能である。
【００３０】
また、格子２の間隔を変える部材として、保持板５，３１ｃ，３２ｃ及び４１を用いたが、高精度の制御が可能なものであれば良く、例えば、圧電素子，静電力及び電磁力を用いたものなどが挙げられる。圧電素子を用いた場合、圧電素子に電圧を印加することにより、歪みが発生じるので、この歪んだ力により連結部３を制御することで、格子２の間隔あるいは格子２間の位相を変えることができる。
【００３１】
また、第１実施形態において、図２に示すように、正方格子の配列としたが、各格子列４の位相をずらすことにより三角格子等の構造を持たせることも可能である。
なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態におけるフォトニック結晶の（ａ）は格子列を示し、（ｂ）は格子列に応力が加えられたときの状態を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるフォトニック結晶の（ａ）は全体を示す斜視図であり、（ｂ）は格子の配列状態を示す平面図であり、（ｃ）は格子列に応力が加えられたときの格子の配列状態を示す平面図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるフォトニック結晶の（ａ）は格子列を示し、（ｂ）は全体を示す斜視図であり、（ｃ）は格子の配列状態を示す平面図であり、（ｄ）は格子列に応力が加えられたときの格子の配列状態を示す平面図である。
【図４】本発明の第３実施形態におけるフォトニック結晶の全体図を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施形態におけるフォトニック結晶の（ａ），（ｂ）は格子列に応力が加えられたときの状態を示し、（ｃ）は全体を示す斜視図である。
【図６】図５のフォトニック結晶の他の変形例の（ａ）は全体を示す斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は格子列に応力が加えられたときの状態を示す平面図である。
【図７】フォトニック結晶の横軸は結晶の方向，縦軸は規格化した周波数としたときの分散図である。
【図８】図７より等周波数面を表示した図である。
【図９】三角格子の等周波数面を表示した図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，１０，２０，３０，４０  フォトニック結晶
２  格子
３  連結部（位置可変部）
【図１】
2005181525.tif 000003
【図２】
2005181525.tif 000004
【図３】
2005181525.tif 000005
【図４】
2005181525.tif 000006
【図５】
2005181525.tif 000007
【図６】
2005181525.tif 000008
【図７】
2005181525.tif 000009
【図８】
2005181525.tif 000010
【図９】
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