(57)【要約】本発明は、特定の波長範囲内で、入射方向にかかわらず電磁放射線を通さないフォトニック結晶、すなわち３次元誘電性構造体に関する。本発明のフォトニック結晶は、例えば、直径が小さい独立した誘電性微小円柱または微小円筒のマトリックス形式の配列で構成されている。前記微小円柱または円筒は、−６０℃〜８５℃で石英ガラスの熱膨張係数よりも少なくとも５０％低い熱膨張係数の基板上に配置されており、それによって高い温度変化が起こったときでさえ基板の熱膨張を最小に保つことが可能になる。それによって、基板で支持された微小円柱またはフォトニック結晶の微小円筒間の距離は少しか変化しないため、光学的性質が、石英ガラス基板を有するフォトニック結晶よりも本質的に安定になる。ガラスセラミックス、または例えばＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）を基板として使用することが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−６０℃〜８５℃の温度範囲内で、石英ガラスの熱膨張係数のせいぜい半分の熱膨張係数を有する基板を特徴とする、フォトニック結晶。
【請求項２】
−６０℃〜８５℃の温度範囲内で、熱膨張係数が５×１０−７／℃未満のガラスセラミックス基板を特徴とする、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３】
ガラスセラミックスが、ガラス相と、その中に分散した、−６０℃〜８５℃の温度範囲内でガラス相よりも小さい熱膨張係数の結晶相とを有する、請求項２に記載のフォトニック結晶。
【請求項４】
結晶相の熱膨張係数が、少なくとも−６０℃〜８５℃の温度範囲内の所々で負である、請求項３に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
ガラスセラミックス中の結晶相の重量比率が６０％〜９０％である、請求項４に記載のフォトニック結晶。
【請求項６】
ガラスセラミックス中の結晶相の重量比率が７０％〜８０％である、請求項５に記載のフォトニック結晶。
【請求項７】
結晶相がガラスセラミックス中に均質に分散している、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶。
【請求項８】
−６０℃〜８５℃の温度範囲内で熱膨張係数が１０−７／℃未満のガラスセラミックス基板を結晶の基板として使用する、フォトニック結晶の製造方法。
【請求項９】
ガラスセラミックスが、ガラス相と、その中に分散した、ガラス相よりも小さい熱膨張係数の結晶相とを有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
結晶相の熱膨張係数が負である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ガラスセラミックス中の結晶相の重量比率が６０％〜９０％である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ガラスセラミックス中の結晶相の重量比率が７０％〜８０％である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
結晶相がガラスセラミックス中に均質に分散している、請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は一般に、特定の波長範囲内で、入射方向にかかわらず電磁放射線を通さない３次元誘電性構造体であると理解されている。これに関連して、この波長範囲は、構造体の配列、形状、および大きさによって実質的に決まる。１つの重要なタイプのフォトニック結晶は、例えばマトリックス形式など等間隔に並んだ、非常に小さい直径およびそれに比例した実質的な高さを有する独立した誘電性微小円柱または微小円筒のアレイで構成されている。可視光および赤外光では、一般的な微小円筒の直径は百から数百ナノメートルである。
【０００３】
微小円筒を有するフォトニック結晶を組み立てるには、微小円筒を支持する基板が必要である。それには、これまでに知られている方法では、とりわけ石英ガラスが、機械的および化学的安定性を提供するので、最も使用されている。以下では、「フォトニック結晶」は、微小円柱または微小円筒、ならびにそれらを支持する基板を有する３次元構造体を意味することを理解されたい。
【０００４】
フォトニック結晶は、その独特の特性のために、極狭帯域フィルタ、変調フィルタ、アッド・ドロップ・フィルタ、および９０℃偏向する集積光学構造体などの光学部品を製造するのに非常に適している。この種の構成部品は、様々な波長の電磁放射線を搬送波として使用する、光導波路で情報を伝送するためのＤＷＤＭ技術（高密度波長分割多重方式）に用いられている。現在のところ、同時に使用する隣接チャンネル間のチャンネル・セパレーションは０．４ｎｍであり、約１５５０ｎｍの範囲にある波長が使用されている。将来的には、光導波路で伝送するための高帯域幅を実現するために、チャンネル・セパレーションは０．２ｎｍ以下に下がるはずである。それには、現在すでにそうであるが、将来的には確実になおさら、特にかなりの温度変動に対して極めて安定なフィルタ特性の構成部品が必要となる。
【０００５】
しかし、かなりの温度変動のもとでは、フォトニック結晶の光学的性質が、したがって、特にフォトニック結晶に基づくフィルタの伝送波長も著しく変化する可能性があることが知られている。
【０００６】
【非特許文献１】
ＳＰＩＥ、２８４９巻（１９９６）、２４８頁以下
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、−６０℃〜８５℃の実用上適切な温度範囲内で、既知の石英ガラス基板を有するフォトニック結晶よりも光学的性質が安定なフォトニック結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１の特徴を有するフォトニック結晶によって達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるフォトニック結晶は、−６０℃〜８５℃の温度範囲内で、石英ガラスの熱膨張係数よりも少なくとも５０％小さい熱膨張係数の基板を有する。したがって、かなりの温度変動の条件下でさえ、この基板の熱膨張は低く保たれている。このため、この基板で支持されたフォトニック結晶の微小円柱、すなわち微小円筒のピッチの変化も非常に小さくなる。したがって、フォトニック結晶の光学的性質の変化も非常に小さく、したがってこの光学的性質は、石英ガラス基板を有するフォトニック結晶よりもかなり安定になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
基板および／または石英ガラスの熱膨張係数は、例えば線熱膨張係数である。
好ましくは、基板の熱膨張係数は、好ましくは−６０℃〜８５℃の全温度範囲内で、石英ガラスの熱膨張係数よりも少なくとも５０％小さい。
【００１１】
好ましくは基板の主成分がガラスセラミックであり、−６０℃〜８５℃の温度範囲内で熱膨張係数が５×１０−７／℃より小さく、４×１０−７／℃より小さく、３×１０−７／℃より小さく、２×１０−７／℃より小さく、非常に好ましくは１×１０−７／℃より小さく、最も好ましくは５×１０−８／℃より小さくまたは２×１０−８／℃より小さい。ただし、最後に挙げた２つの範囲内の熱膨張係数を有するガラスセラミックスの製造コストは高い。
【００１２】
基本的には、ガラスセラミックスは、非晶質ガラス相とその中に取り込んだ結晶の複合材料である。結晶は、ガラスのセラミックス化、すなわち制御された失透（結晶化）によって形成される。これは、適当なガラスを熱処理した結果、その中に結晶が形成されることによって形成される。それには、製造時に、適当な原材料をまず溶融し、精留し、均質化し、次いで高温状態で成形する。ガラス様ブランクの冷却およびアニーリングに続いて、温度処理を行って結晶化させる。温度処理中に、結晶核がガラス中で形成され、続いて若干高い温度でこれらの核上に結晶が成長する。
【００１３】
本発明によるガラスセラミックスは、ＳｉＯ２を５０重量％より多く含む。さらに、それは様々な充填剤、特に、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）、ある程度多量の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）または酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）を含んでいてもよい。基板が何か特有の光学的性質をもつ必要はないので、充填剤の光学的性質への影響は、それを選択する際に無視できる。ガラスセラミックスは機械的にかつ化学的に非常に安定であり、それはフォトニック結晶の製造に、またその後の使用にも有利である。
【００１４】
本発明の別の主題は、本発明による請求項８の特徴を有するフォトニック結晶の製造方法である。
【００１５】
本発明は、ＳｉＯ２に基づく基板材料を適切に選択することによって、石英ガラス基板を有するフォトニック結晶のあらゆる既知の製造方法を用いて本発明のフォトニック結晶を製造することも可能にする。
【００１６】
したがって、本発明に従ってフォトニック結晶を製造するのに、基本的には他のタイプの工程を用いて方法を完全に開発し直す必要はなく、開発の際に、既知の方法を積み上げていくことができるという大きな利益が得られる。
【００１７】
例えば、追加のリソグラフィを製造に用いることができる。この方法は、ＳＰＩＥ、２８４９巻（１９９６）、２４８頁以下でより詳細に説明されており、この論文の内容を参照により完全に本明細書の開示の主題に組み込む。
【００１８】
本発明の他の好ましい具体的な実施形態は、以下の説明および従属クレームで明らかにされている。
【００１９】
ガラスセラミックスは、好ましくはガラス相と、その中に分散した、−６０℃〜８５℃の温度範囲内でガラス相よりも小さい熱膨張係数の結晶相とを有する。結晶相の熱膨張係数が、少なくとも−６０℃〜８５℃の温度範囲内の所々で負のガラスセラミックスを用いることが非常に好ましい。複合材料の熱膨張係数は、とりわけその成分の熱膨張係数に非常に依存するので、ガラスセラミックスの熱膨張係数が特に低くなる。
【００２０】
結晶相の重量比率もガラスセラミックスの熱膨張係数に影響を与える。したがって、結晶相の熱膨張係数がガラス相よりも小さい場合、特に負の場合には、−６０℃〜８５℃の温度範囲内で熱膨張係数が特に低くなるように、結晶相の比率を高く選択することが好ましい。ガラスセラミックス中の結晶相の重量比率は、好ましくは６０〜９０％、非常に好ましくは７０〜８０％である。
【００２１】
熱応力を実質的に回避する目的で、ガラスセラミックスの熱膨張をあらゆる場所で確実にほぼ等しくするために、結晶相は、ガラスセラミックス中に実質的に均質に分散していることが好ましい。
【００２２】
本発明によるフォトニック結晶を製造するのに特に適しており、したがって好ましいのは、Ｓｃｈｏｔｔ社（マインツ、ドイツ）のガラスセラミックスＺＥＲＯＤＵＲ（登録商標）であり、これは、−６０℃〜８５℃の温度範囲内で、１０−７／℃＝百万分の０．１／℃未満の非常に低い熱膨張係数と、非常に均質で細かい結晶相の分布を有している。これらの特性によって、基板の処理が容易になり、その優れた特性が実現可能になる。
【００２３】
本発明を、好ましい具体的な実施形態に基づいて、図面を参照しながら以下で明らかにする。
【００２４】
図１は、基板３上への３次元構造体２の電子ビーム励起堆積を含む追加のリソグラフィを用いて製造した本発明によるフォトニック結晶１を示す。製造には、１００ｐＡ〜２００ｐＡのビーム電流を用いた。
【００２５】
３次元構造体２が基板３上に配列され、そこに接着される。堆積させた材料は、絶縁性非晶質炭素またはＣＨＸラジカルから成長させたポリマーのマトリックス中における本質的に球状の金属ナノ結晶の組成物である。
【００２６】
この例示的な３次元構造体２は、２次元の等間隔に並んだマトリックスとして配列された、多数の本質的に円筒形状の微小円柱またはＭｅ２Ａｕのロッド４を含む。エネルギー・バンド・ギャップは、光子の波長９００ｎｍに相当する１．３８ｅＶである。ロッドの長さｈは約２０００ｎｍである。構造体２は、またはロッド４は、ナノ結晶質または非晶質である。
【００２７】
図２に関して、ロッド４の直径ｄは約１４０ｎｍであり、ロッド４のピッチａは、水平および垂直方向に等間隔に並んだマトリックス形状のアレイ内で、どの場合にも隣接したロッド４の中心間距離が３２０ｎｍである。
【００２８】
８０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内における寸法、例えばロッド直径のばらつきは、同様に製造可能および／または使用可能である。同様に、他の形態は円筒ロッドとして製造可能および／または使用可能である。
【００２９】
フォトニック結晶を製造する代替法には、以下のものが含まれる。
−化学支援イオン・ビーム・エッチング
−Ｘ線リソグラフィおよび成形
−光学リソグラフィ・ボンディング（いわゆるオン・トップ・ボンディング）
−３次元レーザー堆積法、または
−電子ビーム・ナノ・リソグラフィ
【００３０】
平均サイズが好ましくは約５０ｎｍの範囲内の微小結晶を含むまたはそれで作られた基板、特にガラスセラミックスを使用するのが特に有利である。しかし、例えば５０ｎｍより小さいまたは大きい、上記以外の微小結晶サイズも同様に、本発明の枠内で使用可能である。
【００３１】
さらに、化学的に、機械的に、および／または研磨特性の点で石英ガラスと実質的に類似しさらには一致さえする基板２を使用することが好ましい。基板２は、滑らかな、例えば研磨した表面を有しており、これは本発明によるフォトニック結晶の３次元構造体と組み合わせると特に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるフォトニック結晶の好ましい具体的な実施形態の詳細を示す概略斜視図である。
【図２】図１のフォトニック結晶の詳細を示す平面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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