(57)【要約】光硬化性樹脂を用いた光造形法によりフォトニック結晶型ユニット（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を作成するとともに、その境界部分に仕切り（１１）を設ける。また、各フォトニック結晶型ユニットの空隙部に、セラミックス粒子を分散させた第２の物質を含浸させて充填部２を構成する。このような、第１・第２の物質が３次元の周期性をもって分布する３次元周期構造体を、第１・第２の物質の誘電率比に違いをもたせて順に配置する。これにより、従来の３次元周期構造体では得られなかった広範囲なフォトニックバンドギャップを有する３次元周期構造体を得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに誘電率の異なる第１・第２の物質が３次元空間内で周期性をもって分布している複数の３次元周期構造体領域を備え、３次元周期構造体における第１の物質の誘電率と第２の物質の誘電率との誘電率比を該複数の３次元周期構造体で異ならせたことを特徴とする３次元周期構造体。
【請求項２】
互いに誘電率の異なる第１・第２の物質が３次元空間内で周期性をもって分布している複数の３次元周期構造体領域を備え、各３次元周期構造体の平均誘電率に違いをもたせたことを特徴とする３次元周期構造体。
【請求項３】
前記第１の物質は光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂であり、該樹脂によって空間部が３次元周期をもって分布した結晶型部をなし、前記第２の物質は樹脂中にセラミックス粒子が分散した物質であり、該第２の物質を前記空間部に充填したことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元周期構造体。
【請求項４】
前記第１の物質はセラミックス粒子が分散した光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂であり、該樹脂によって空間部が３次元周期をもって分布した結晶型部をなし、前記第２の物質は樹脂であり、該第２の物質を前記空間部に充填したことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元周期構造体。
【請求項５】
前記第２の物質は熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であり、該第２の物質を前記空間部に充填した後、熱硬化させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３次元周期構造体。
【請求項６】
複数の３次元周期構造体を配置するとともに、該配置方向に沿って前記誘電率比を増加方向または減少方向の一方向に傾斜させた請求項１〜５のいずれかに記載の３次元周期構造体。
【請求項７】
前記周期性の１周期を０．１［ｍｍ］以上３０［ｍｍ］以下にしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の３次元周期構造体。
【請求項８】
形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、３次元の周期性をもった第１の物質による構造体を光造形し、且つ該３次元周期構造体を複数の領域に区分する仕切りを設ける工程と、
樹脂中にセラミックス粒子が分散され、該セラミックス粒子の含有比率が異なる複数種の第２の物質を、前記第１の物質による構造体の各領域内の空間部に真空脱泡法によりそれぞれ充填する工程と、
前記第２の物質を硬化させる工程と、からなる３次元周期構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、３次元周期構造体およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】  固体結晶中において、原子核により構成される周期的なポテンシャル分布は、格子定数に見合う波長の電子波に対して干渉作用を示す。すなわち、電子波の波長が結晶のポテンシャル周期に非常に近い場合には、３次元的な回折作用（ブラッグ回折）により反射が起こる。この現象により特定のエネルギ領域に含まれる電子はその通過を禁止される。これが半導体デバイスなどに利用される電子バンドギャップの形成である。
同様に、屈折率もしくは誘電率が周期的に変化する３次元構造は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定周波数領域の電磁波を遮断する。この場合、禁止帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、上記３次元構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。
上記作用を利用して、フォトニック結晶を、例えば所定周波数帯域の電磁波の透過を遮断するカットオフフィルタとして用いたり、上記周期的な構造中に周期を乱す不均一部分を導入して、その部分に光や電磁波が閉じ込める導波路や共振器として用いたりすることが考えられている。また、光の超低閾値レーザーや電磁波の高指向性アンテナ等への応用も考えられている。
一般にフォトニック結晶中において、電磁波のブラッグ回折が起こるときには、二種類の定在波が形成される。図６はその二種類の定在波を示している。（Ａ）に示す定在波は、波の振動が低誘電率領域で高いエネルギを有し、（Ｂ）に示す定在波は、波の振動が高誘電率領域で高いエネルギを有する。この二つの異なるモードにスプリットした定在波間のエネルギを有する波は結晶中に存在できないので、バンドギャップが生じる。
このフォトニック結晶には１次元、２次元、３次元の構造体があるが、完全なフォトニックバンドギャプを得るためには３次元構造が必要である。
３次元構造を作るためには、例えば角材積層型（特許文献１、特許文献２）や自己クローニングによる形状保存多層膜を用いた方法（特許文献３）、光造形を用いる方法（特許文献４、特許文献５），粒子を並べる方法（特許文献６）等がある。これらの公報には、有機材料、セラミック、Ｓｉ等の絶縁体、誘電体、半導体材料を加工しフォトニック結晶を作る技術が開示されている。また、樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより構成した３次元周期構造体（特許文献７）が開示されている。
【特許文献１】  特表２００１−５１８７０７公報
【特許文献２】  特開２００１−７４９５５公報
【特許文献３】  特開２００１−７４９５４公報
【特許文献４】  特開２０００−３４１０３１公報
【特許文献５】  特表２００１−５０２２５６公報
【特許文献６】  特開２００１−４２１４４公報
【特許文献７】  特開２００１−２６１９７７公報
これらのフォトニック結晶から得られるフォトニックバンドギャップは、構成される２つの物質の誘電率や屈折率のコントラストが大きい程大きく広がることが知られている。
しかしながら、これらの実用的な物質は、例えば１０〜３０ＧＨｚ帯域での比誘電率は１５、屈折率は３．０程度が限界であり、空気との誘電率や屈折率の差（または比）をそれ以上高めることは困難であった。そのため、一定誘電率の誘電体で構成した３次元周期構造体では広範囲なフォトニックバンドギャップが得られなかった。
この問題の解決方法として、種々のバンドギャップを有する周期構造体を重ね合わせてバンドギャップを広げることが考えられる。すなわち、特許文献４に開示されているように、セラミック誘電体材料を分散させた光硬化性樹脂を用いて光造形した構造体や、セラミック誘電体材料を分散させた固体を並べた構造物により格子定数を連続的に変化させたり、誘電率の異なる結晶体を造る方法が有効である。しかしながら、分散させるセラミック材料により、光硬化性樹脂の硬化が阻害されたり、透過率が阻害されて光造形が困難となる。そのため、利用可能な材料が限定され、セラミック誘電体材料の分散量も限られてしまう。
この問題を解消するために、樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させる特許文献７に開示されている方法も有効であるが、誘電体材料を複合化するため、誘電率が低下しやすい。また、セラミック誘電体材料を分散させた熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂塊を並べて構造体を造る方法では、ダイヤモンド構造などの複雑な構造体を得ることは困難である。
一方、特許文献５には、光造形で作成した樹脂構造体に高誘電率セラミックスを分散させた樹脂を含浸させてフォトニック結晶を作成する方法が示されている。しかし、この特許文献５の開示内容だけでは広範囲なフォトニックバンドギャップを得ることはできない。
そこで、この発明の目的は、従来構造では得られなかった広範囲なフォトニックバンドギャップを有する３次元周期構造体およびその製造方法を提供することにある。
【発明の開示】
この発明は、互いに誘電率の異なる第１・第２の物質が３次元空間内で周期性をもって分布している複数の３次元周期構造体領域を備え、３次元周期構造体における第１の物質の誘電率と第２の物質の誘電率との誘電率比を該複数の３次元周期構造体で異ならせたことを特徴としている。
このように、第１・第２の物質の誘電率比が異なった複数の３次元周期構造体領域を配置したことにより、各３次元周期構造体領域によるフォトニックバンドギャップの特性を重ね合わせて、広い周波数帯域に亘るフォトニックバンドギャップを得る。
また、この発明は、互いに誘電率の異なる第１・第２の物質が３次元空間内で周期性をもって分布している複数の３次元周期構造体領域を備え、各３次元周期構造体の平均誘電率に違いをもたせたことを特徴としている。
この構造により、上記平均誘電率に応じて周波数帯の異なった位置に現れるフォトニックバンドギャップの重ね合わせにより、広い周波数帯域に亘るフォトニックバンドギャップを得る。
また、この発明は、前記第１の物質を光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂とし、該樹脂によって空間部が３次元周期をもって分布した結晶型部をなし、前記第２の物質を樹脂中にセラミックス粒子が分散した物質とし、該第２の物質が前記空間部に充填されていることを特徴としている。
この構造により、第１の物質による３次元周期構造を高精度且つ容易に形成し、しかも高誘電率の第２の物質が３次元周期構造をなすように、容易に構成可能とする。
また、この発明は、前記第１の物質をセラミックス粒子が分散した光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂とし、該樹脂によって空間部が３次元周期をもって分布した結晶型部をなし、前記第２の物質を前記空間部に充填した樹脂としたことを特徴としている。
この構造によっても、誘電率の異なった第１・第２の物質による３次元周期構造を高精度且つ容易に構成可能とする。
また、この発明は、前記第２の物質を熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂とし、該第２の物質を前記空間部に充填した後、熱硬化させたことを特徴としている。この構造により、全体が固体の３次元周期構造体を容易に構成可能とする。
また、この発明は、複数の３次元周期構造体を配置するとともに、該配置方向に沿って前記誘電率比を増加方向または減少方向の一方向に傾斜させたことを特徴としている。
この構造により、第１・第２物質間の誘電率比の異なる互いに隣接する３次元周期構造体領域それぞれのフォトニックバンドギャップの重ね合わせを有効化して、より広範囲に亘って大きなフォトニックバンドギャップを得る。
また、この発明は、前記周期性の１周期を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下にしたことを特徴としている。これにより、例えば１０〜３０ＧＨｚ帯域で大きなフォトニックバンドギャップを有する３次元周期構造体を得る。
また、この発明は、形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、３次元の周期性をもった第１の物質による構造体を光造形し、且つ該３次元周期構造体を複数の領域に区分する仕切りを設ける工程と、樹脂中にセラミックス粒子が分散され、該セラミックス粒子の含有比率が異なる複数種の第２の物質を、前記第１の物質による構造体の各領域内の空間部に真空脱泡法によりそれぞれ充填する工程と、前記第２の物質を硬化させる工程と、から３次元周期構造体を得ることを特徴としている。
このように、第１の物質による構造体を仕切りによって複数の領域に区分して、各領域内にそれぞれセラミックス粒子の含有比率の異なる複数種の第２の物質を充填することによって、第１・第２の物質の誘電率比が異なった複数の３次元周期構造体領域を容易に配置可能とする。
【図面の簡単な説明】  図１は第１の実施形態に係る３次元周期構造体の１単位の構造を示す斜視図である。図２は同３次元周期構造体の製造工程を示す図である。図３は第２の物質の含浸充填工程を示す図である。図４は光造形装置の構成を示す図である。図５は同光造形装置によるオブジェクトの造形途中の状態を示す図である。図６は誘電率の異なる物質が周期性を持って分布しているときの２つの定在波を示す図である。図７は３次元周期構造体の電磁波特性装置の構成を示す図である。図８は電磁波特性の測定結果を示す図である。図９は第２の実施形態に係る３次元周期構造体の１単位の構成を示す斜視図である。図１０は同３次元周期構造体の電磁波特性の測定結果を示す図である。図１１は第３の実施形態に係る３次元周期構造体の構成を示す斜視図である。図１２はフォトニック結晶型部に対するチタン酸カルシウムの分散量と比誘電率との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】    この発明の第１の実施形態に係る３次元周期構造体およびその製造方法について各図を参照して順次説明する。
図２は、３次元周期構造体の製造過程の状態を示している。（Ａ）は、フォトニック結晶型１０の斜視図である。このフォトニック結晶型１０は、３つのフォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを連結した構造をなす。各フォトニック結晶型ユニットはフォトニック結晶型部１からなり、空隙部２を有している。このフォトニック結晶型部１は後に示すように、第１の物質である比誘電率２．２のエポキシ系の光硬化性樹脂を用いて光造形法で作成されている。また、隣接するフォトニック結晶型ユニットの境界部分には仕切り１１を設けていて、隣接するフォトニック結晶型ユニットの空隙部２同士が連通しない構造にしている。
フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、格子定数１２ｍｍのダイヤモンド結晶格子を縦２列、横２列、高さ２列分それぞれ備え、３次元周期構造を成す。
図２の（Ｂ）は、このフォトニック結晶型ユニット１０をポリテトラフルオロエチレン製の含浸用型３に入れた状態を示している。
その後、図３に示すように、カバー５で不要な部分を覆って、所望のフォトニック結晶型ユニットに第２の物質を含浸させる。すなわち、そのフォトニック結晶型ユニットの空隙に第２の物質を充填する。図３に示した例では、フォトニック結晶型１０ａ部分を開口させてカバー５を覆い、フォトニック結晶型１０ａ部分に第２の物質を含浸させて、図２の（Ｃ）に示すように、３次元周期構造体ユニット１００ａを構成する。
同様にして、フォトニック結晶型ユニット１０ｂ，１０ｃにも第２の物質を含浸させる。但し、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ毎に第２の物質の比誘電率を異ならせる。
上記第２の物質としては、ポリエステル樹脂にチタン酸カルシウムを分散させた樹脂を用いる。具体的には、ポリエステル樹脂として株式会社日本触媒製の「エポラックＧ−１１０ＡＬ」を用い、硬化剤として日本油脂株式会社製の「パーメックＮ」を用い、両者を混合して比誘電率３の硬化性ポリエステル樹脂を用意する。それに対して平均粒径１．５μｍ、比誘電率１８０のチタン酸カルシウムを、硬化性ポリエステル樹脂に対して所定割合だけ混合し、攪拌し、真空脱泡する。このことによって未硬化状態の第２の物質を得る。チタン酸カルシウムの割合として、この例では３０ｖｏｌ％，２５ｖｏｌ％，２０ｖｏｌ％の３種類とする。
上記チタン酸カルシウムの割合の異なった未硬化状態の第２の物質を、図２に示した含浸用型３内に入れたフォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃに順に含浸させ、さらに含浸用型ごと全体を真空容器内に入れ、排気ポンプで排気することによって真空脱泡する。
その後、上記第２の物質を硬化させて、図２の（Ｄ）に示すような３次元周期構造体１００を得る。（Ｄ）において２は、フォトニック結晶型部１の空隙部に充填した第２の物質による充填部を示している。
図４は、図２の（Ａ）に示したフォトニック結晶型１０を製造する装置を示している。ここで、容器２５には紫外線で硬化するエポキシ系の光硬化性樹脂２８を満たしている。容器２５の内部には上下方向に移動するエレベータテーブル２６を設けている。このエレベータテーブル２６の上部にオブジェクト２９を造形する。光硬化性樹脂２８の液面付近にはオブジェクト２９の上面に光硬化性樹脂２８を所定膜厚だけ塗布するためのスキージ２７を設けている。
また、光学系としては、レーザーダイオード２０、レーザーダイオード２０からのレーザー光を波長変換して紫外光を発生させる調波発生素子（ＬＢＯ）２１、波長選択素子としての音響光学素子（ＡＯＭ）２２、走査ミラー２３、ｆθレンズ２４を設けている。
このような光造形装置を用いたフォトニック結晶の製造手順は次のとおりである。
まず、エレベータテーブル２６を光硬化性樹脂２８の液面から所定深さまで降下させ、スキージ２７を液面に沿った方向に移動させることによって、エレベータテーブル２６の表面に厚さ約１００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。その状態で、（Ｂ）に示すように上記光学系によって波長３５５ｎｍの紫外線レーザーをスポット径５０μｍのレーザビームＬＢとして出力１１０ｍＷでその液面ＬＳに照射する。このとき走査ミラー２３を制御しつつレーザーダイオード２０を変調することによって、光硬化性樹脂２８を硬化させるべき位置にレーザー光を照射し、その他の領域に照射しないように制御する。
上記レーザービームの照射された光硬化性樹脂２８の液面は、その重合反応により直径約１００μｍの球状硬化相ＰＲが形成される。この時、レーザービームを速度９０ｍ／ｓで走査すると、厚さ約１５０μｍの硬化相が形成される。
このようにレーザービームをラスタースキャンすることによって一層目の断面パターンに相当するオブジェクト２９を形成する。
次に、エレベーターテーブル２６を液面に対して約２００μｍ降下させ、スキージ２７の移動によって、オブジェクト２９の表面に厚さ約２００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。
その後、一層目と同様にしてレーザービームの走査および変調を行うことによって二層目の断面パターンを一層目の上に形成する。この時、上下の層は重合硬化により接合される。三層目以降は二層目と同様である。この処理を繰り返すことによってオブジェクト２９を造形する。
図５は、多数の層を形成した各段階でのオブジェクトの形状を透視斜視図として示している。（Ａ）は、ダイヤモンド構造の結晶軸〈１１１〉方向に略１ユニット分だけ造形した状態を示している。また（Ｂ）は、これを約４ユニット分造形した状態を示している。（Ｃ）は、更にこれを所定ユニット分繰り返して造形した状態を示している。
図４に示した装置で、光硬化性樹脂２８の液面に対して所定の断面パターンで光硬化性樹脂２８を硬化させるために、ＣＡＤ／ＣＡＭプロセスを用いる。すなわち、図５に示したようなパターンは、３次元データを扱うＣＡＤで予め設計し、その３次元構造のデータを一旦ＳＴＬ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ  Ｌａｎｇｕａｇｅ）データに変換し、これをスライスソフトウェアによって、所定位置における２次元断面データの集合へ変換する。最後に、この２次元断面データからレーザービームをラスタースキャンさせる際にレーザーダイオードを変調するためのデータを作成する。このようにして用意したデータを基に、レーザービームの走査とともにレーザーダイオードの変調を行う。
以上の手順で造形した光硬化性樹脂によるオブジェクト２９を容器２５から取り出し、未硬化の光硬化性樹脂を洗浄し、乾燥させ、さらに所定サイズに切断することによって、図２の（Ａ）に示したフォトニック結晶型ユニット１０を構成する。
図１は、１単位のダイヤモンド結晶格子を示している。ここで１はフォトニック結晶型部、Ｓは空隙部である。このダイヤモンド構造は、単位格子に８個の格子点を含み、そのうち４個ずつがそれぞれ独立の面心立法格子をつくり、一方の格子が他方を立体対角線に沿ってその長さの１／４だけ平行に移動した位置を占めるものである。
上述したように、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ格子定数１２ｍｍのダイヤモンド結晶格子を縦２列、横２列、高さ２列分それぞれ備えている。隣接するフォトニック結晶型ユニット同士の境界部分の仕切り１１は、上記光造形法によって、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃ部分と同時に形成する。または、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを個別に作成し、仕切り１１となるシートを挟んで接着するようにしてもよい。
図７は、３次元周期構造体１００の特性を測定する測定装置を示している。この測定装置には、Ｍバンド導波管３０と、その導波管３０内に挿入したプローブ３１，３２を備えている。この導波管３０の内部に試料としての３次元周期構造体１００を挿入する。プローブ３１，３２にはネットワークアナライザ３３を接続している。このネットワークアナライザ３３を用いて電磁波の伝搬特性を測定する。図７において３次元周期構造体１００は、３つの３次元周期構造体ユニットの連結方向（長手方向）が導波管３０の電磁波伝搬方向を向くように配置している。導波管３０の内側寸法は、横２０×縦１０ｍｍであり、３次元周期構造体１００の寸法は導波管３０の長手方向に２０ｍｍ、導波管３０の高さ方向に１０ｍｍである。
図８は、上記３次元周期構造体の電磁波伝搬特性を示している。（Ａ）は比較のために、第２の物質に分散させるチタン酸カルシウムの割合を１０％、２０％、３０％のそれぞれについて測定した伝搬特性を示している。（Ｂ）の（１）は、チタン酸カルシウムを２０％分散させた３次元周期構造体ユニットと、チタン酸カルシウムを３０％分散させた３次元周期構造体ユニットとを２連結した３次元周期構造体の伝搬特性を示している。また、（２）は、図２の（Ｄ）に示したように、チタン酸カルシウムを２０％，２５％，３０％それぞれ分散させた３次元周期構造体ユニットを３連結した３次元周期構造体の伝搬特性を示している。
ここで、図２の（Ｄ）に示した各３次元周期構造体ユニット１００ａ，１００ｂ，１００ｃのフォトニック結晶型部１（第１の物質）と充填部２（第２の物質）の比誘電率は表１のとおりである。
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なお、表１において、チタン酸カルシウムを４０％分散させた例は、後に引用する。
図８の（Ａ）のように、第１・第２の物質の誘電率比が一定であれば、広範囲のフォトニックバンドギャップは得られない。また、（Ｂ）の（１）のように、隣接する３次元周期構造体間での第１・第２の物質の誘電率比の変化率が大きいと、広いバンドギャップが得られない。（２）のように、第１・第２の物質の誘電率比に違いをもたせ、且つ隣接する３次元周期構造体間での第１・第２の物質の誘電率比を変化させることによってバンドギャップの広帯域化が図れる。特に、本実施形態のように、隣接する３次元周期構造体の誘電率比を３次元周期構造体の配置方向に沿って増加方向または減少方向の一方向に傾斜させることにより、広い周波数帯で充分な減衰量を得ることができる。
次に、第２の実施形態に係る３次元周期構造体について、図９および図１０を参照して説明する。
この３次元周期構造体は、第１の実施形態に係る３次元周期構造体と異なり、ダイヤモンド結晶格子部分を空隙としている。図９はその１単位の結晶格子を示している。ここで、１は第１の物質からなるフォトニック結晶型部、Ｓはその空隙部である。また、この第２の実施形態では、３連結したそれぞれの３次元周期構造体ユニットは、チタン酸カルシウムの分散量が２０％，３０％，４０％の３種としている。その他の構造および製造方法は第１の実施形態の場合と同様である。
図１０は、上記３次元周期構造体の電磁波伝搬特性を示している。（Ａ）は比較のために、第２の物質に分散させるチタン酸カルシウムの割合を２０％、３０％、４０％のそれぞれについて測定した伝搬特性を示している。（Ｂ）の（１）は、チタン酸カルシウムを２０％分散させた３次元周期構造体ユニットと、３０％分散させた３次元周期構造体ユニットを２連結した３次元周期構造体の伝搬特性を示している。また、（２）は、チタン酸カルシウムを４０％分散させた３次元周期構造体ユニットと、３０％分散させた３次元周期構造体ユニットを２連結した３次元周期構造体の伝搬特性を示している。（３）は、チタン酸カルシウムを２０％，３０％，４０％それぞれ分散させた３次元周期構造体ユニットを３連結した３次元周期構造体の伝搬特性を示している。
このように、３次元周期構造体毎に第１・第２の物質の誘電率比に違いをもたせ、且つ隣接する３次元周期構造体間での第１・第２の物質の誘電率比を変化させることによってバンドギャップの広帯域化が図れる。
次に、第３の実施形態に係る３次元周期構造体について、図１１および図１２を参照して説明する。
図１１は、３連結構造の３次元周期構造体を示している。この例では、フォトニック結晶型部１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれを構成する第１の物質として、光造形樹脂である比誘電率２．８のエポキシ樹脂に対してチタン酸カルシウムを分散させている。しかも、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれについてチタン酸カルシウムの濃度を異ならせている。図中Ｕは各ユニットの範囲を示している。
図１２は、上記エポキシ樹脂に対するチタン酸カルシウムの分散量に対する比誘電率の関係を示している。ここで、各フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの空隙部を空気のままとすることによって、各３次元周期構造体の第１・第２の物質の誘電率比に違いをもたせることができる。
また、更に各フォトニック結晶型ユニットの空隙部に所定比誘電率の樹脂を含浸させることによって、各３次元周期構造体ユニットにおける第１・第２の物質の誘電率比を一定にしたまま各ユニットの平均誘電率に違いをもたせることができる。
ここで、「平均誘電率」とは、「第１の物質の比誘電率と第２の物質の比誘電率との和を２で割った値」で定義されるものである。すなわち、第１の物質の比誘電率と第２の物質の比誘電率を、隣接する３次元周期構造体同士で異ならせることによって、第１・第２の物質の誘電率比を一定にしつつ、隣接する３次元周期構造体における平均誘電率を異ならせることができる。
このような場合、フォトバンドギャップの周波数軸上の位置はユニット全体の平均誘電率に依存し、フォトバンドギャップの鋭さと広がりは各ユニットにおける第１・第２の物質の誘電率比に依存する。そのため、各ユニットの第１・第２の物質の誘電率比を略一定にしたまま平均誘電率の異なった複数の３次元周期構造体ユニットを組み合わせることによって、広範囲な波長で一定の減衰を成すフォトニックバンドギャップを得ることができる。
第１〜第３の実施形態に示したように、各３次元周期構造体ユニットを構成することによって、広い周波数帯で一定の減衰を成すフォトニックバンドギャップが得られる。また、表１に示した誘電率比の変化率を参照し、図１０（Ｂ）の特性（１）と特性（２）を比較すると明らかなように、隣接する３次元周期構造体同士の誘電率比の変化率が大きくなると２つの減衰極Ｐａ，Ｐｂの間隔が広がり過ぎて充分な減衰量が得られなくなる。したがって、充分な減衰量を得るためには、隣接する３次元周期構造体同士の誘電率比の変化率が２．０以下、さらには図１０（Ｂ）の（１）に示した特性より良好な特性が得られるように１．６以下とすることが望ましい。
因みに、バンドギャップの周波数帯を広げるためには、含浸させる第２の物質の誘電率は一定にしておき、格子定数を変えることが考えられる。例えば、格子定数が１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍの３次元周期構造体を組み合わせる。このような構造では、目的とする周波数帯域にバンドギャップを得るために、３次元周期構造体の各ユニットの大きさが不ぞろいになる、という問題が生じる。また、より高周波帯域でフォトニックバンドギャップを得るために、格子定数の小さな３次元周期構造体を必要とするが、小さな格子定数の部分にはセラミック分散樹脂を含浸させにくく、その製造が困難になるという問題も生じる。
なお、以上の各実施形態では、フォトニック結晶型ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを低誘電率樹脂とし、その空隙部に高誘電率樹脂を充填したが、これを逆に、フォトニック結晶型ユニットの空隙部に充填する樹脂をフォトニック結晶型ユニットより低誘電率としてもよい。
また、以上の各実施形態では、３次元周期構造体の１周期を１２ｍｍとしたが、同様にしてこの周期を０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下にすることにより、１０〜３０ＧＨｚ帯域で大きなフォトニックバンドギャップを有する３次元周期構造体を得ることができる。
【産業上の利用可能性】  この発明は、光や電磁波の透過を遮断するフィルタとして、光や電磁波を閉じ込める導波路や共振器として、あるいはレーザやアンテナ等として利用可能である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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