專利名稱：2維光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及2維光子晶體。
背景技術(shù)：
近年，作為使介電常數(shù)周期性地發(fā)生變化的2維或3維結(jié)構(gòu)體的光子晶體備受矚目。在此，所謂2維、3維是以具有周期的方向數(shù)為基礎(chǔ)來確定的。當向由2種電介質(zhì)的周期結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的光子晶體入射電磁波而產(chǎn)生布拉格衍射時，將產(chǎn)生2個駐波，分別為在低介電常數(shù)區(qū)域產(chǎn)生的高能量的駐波、和在高介電常數(shù)區(qū)域產(chǎn)生的低能量的駐波。由于具有在這2個駐波的能量之間的某個能量的波不能存在，因而在光子晶體中出現(xiàn)光子帶隙。處于光子帶隙中的能量(波長)范圍的電磁波不能通過光子晶體。這里所說的光子帶隙是與晶體內(nèi)電子能級的帶隙(禁帶)同樣地捕捉上述現(xiàn)象的。
在此，如果在具有光子帶隙的晶體內(nèi)部引入打亂周期的缺陷，則只在該缺陷部分可以有光的存在。因此，如果在該晶體內(nèi)制作缺陷使之成為閉合區(qū)域，則能夠得到光的共振器。另外，如果在該晶體內(nèi)制作線缺陷，則能得到波導(dǎo)。例如在2維光子晶體的場合，可將電場成分分成與周期結(jié)構(gòu)的平面平行的TE波(Transverse Electric Wave)、和與周期結(jié)構(gòu)的平面垂直的TM波(Transverse Magnetic Wave)。一般地說，與各自的光相對應(yīng)的光子帶隙的頻率ω的范圍未必一致。所以，當存在對于TE波和TM波兩方同時產(chǎn)生光子帶隙的頻率范圍時，其光子帶隙有時被稱為“完全帶隙”。
人們已經(jīng)知道在2維結(jié)構(gòu)中存在完全帶隙的結(jié)構(gòu)比較簡單的光子晶體。該光子晶體例如特開2001-272555號公報所公開的那樣，是在電介質(zhì)中將貫通孔(空氣孔)排列成3邊形晶格狀的光子晶體。在此情況下，得到最寬的完全帶隙是半徑(r/a)為0.48、同時頻率(ωa/2πc)為0.5左右之時。其中，r是孔的半徑，a是光子晶體的晶格常數(shù)，ω是光的角振動頻率，c是真空中的光速。
可是，在將空氣孔排列成3邊形晶格狀的現(xiàn)有技術(shù)的2維光子晶體中，得到完全帶隙是孔的直徑d(＝2r)＝0.95a之時。此時，孔間的壁厚極薄，在最小部分為0.05a，也就是為0.035μm，因此難于制作可得到完全帶隙的2維光子晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于這樣的技術(shù)課題而完成的，其目的在于提供一種制造容易、且對于TE波和TM波可具有完全帶隙的具有2維周期結(jié)構(gòu)的光子晶體。
本發(fā)明為這樣的2維光子晶體在將短邊X1的長為x1、長邊Y1的長為y1的長方形作為單元晶格、且鄰接的4個單元晶格排列成共有1個角的平面上，將具有短邊X2的長為x2、長邊Y2的長為y2的長方形截面的柱狀的第1電介質(zhì)區(qū)配置在各長方形單元晶格的短邊X1和長邊Y1上。
本發(fā)明在上述2維光子晶體中，對第1電介質(zhì)區(qū)進行配置使得長方形截面的中心與短邊X1的中點及長邊Y1的中點大體一致，各第1電介質(zhì)區(qū)的長邊Y2彼此大致平行。進而設(shè)定 x1∶x2∶y2＝1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58。
在本發(fā)明的2維光子晶體中，優(yōu)選設(shè)定x1∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.48～1∶0.150∶0.54，進一步優(yōu)選設(shè)定為1∶0.135∶0.52～1∶0.140∶0.54。
根據(jù)以上的本發(fā)明，由于第1電介質(zhì)區(qū)最小具有0.10μm×0.37μm左右的長方形截面，因此與現(xiàn)有技術(shù)將空氣孔排列成3邊形晶格狀的2維光子晶體比，其制造性格外優(yōu)異。而且正如后面所敘述的那樣，在實用方面具有充分的完全帶隙寬。
在本發(fā)明的2維光子晶體中，有時包含有圍繞在第1電介質(zhì)區(qū)的周圍且具有與第1電介質(zhì)區(qū)不同的介電常數(shù)的第2電介質(zhì)區(qū)。在此，第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)不僅包括有形物，還具有包含氣體的概念。因此在本發(fā)明中，可由電介質(zhì)材料構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)的任一方，由氣體構(gòu)成另一方。氣體的典型例是空氣。另外，在本發(fā)明中，稱為電介質(zhì)材料時意指有形物。
作為上述的電介質(zhì)材料，例如可以使用BaO-TiO2系或BaO-Nd2O3-TiO2系的電介質(zhì)材料。
另外，也能夠用具有各自不同的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)。
在此種情況下，第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)可以制成燒結(jié)體。據(jù)此能夠得到機械強度和介電常數(shù)得到進一步提高的2維光子晶體。
再者，基于本發(fā)明的2維光子晶體可以設(shè)定為這樣的形態(tài)它具有平板狀的基部、和由與基部相同的電介質(zhì)材料構(gòu)成并從基部豎立設(shè)置的多個第1電介質(zhì)區(qū)。第2電介質(zhì)區(qū)可以設(shè)定為空氣等氣體，也可以設(shè)定為電介質(zhì)材料。
另外，本發(fā)明是周期性地配置有第1電介質(zhì)區(qū)、和具有與第1電介質(zhì)區(qū)不同的介電常數(shù)的第2電介質(zhì)區(qū)的2維光子晶體，其特征在于包含具有長方形截面的柱狀的第1電介質(zhì)區(qū)、和圍繞在第1電介質(zhì)區(qū)的周圍的第2電介質(zhì)區(qū)；在X方向連結(jié)鄰接的2個第1電介質(zhì)區(qū)的中心的線段Lx、和在與X方向正交的Y方向連結(jié)鄰接的2個第1電介質(zhì)區(qū)的中心的線段Ly，在相互的大致中點大致正交；而且線段Lx的長x3與線段Ly的長y3之比設(shè)定為 線段Lx的長x3、第1電介質(zhì)區(qū)的X方向的長x2及Y方向的長y2之比設(shè)定成1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58。
在本發(fā)明的2維光子晶體中，優(yōu)選設(shè)定x3∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.48～1∶0.150∶0.54，進一步優(yōu)選為1∶0.135∶0.52～1∶0.140∶0.54。
在基于本發(fā)明的2維光子晶體中，可以由電介質(zhì)材料構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)的任一方，由氣體構(gòu)成另一方。
另外，在基于本發(fā)明的2維光子晶體中，第1電介質(zhì)區(qū)及第2電介質(zhì)區(qū)也可以由具有各自不同的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料構(gòu)成。
基于本發(fā)明的2維光子晶體可以具有20.0％或以上的完全帶隙寬(full band gap)。在此，本發(fā)明將在完全帶隙對于頻率連續(xù)存在的情況下，其頻帶除以頻帶的中心頻率所得的值叫做完全帶隙寬(％)。


圖1是表示基于本發(fā)明的光子晶體的一個實例的立體圖。
圖2表示基于本發(fā)明的光子晶體的單元晶格及棱柱結(jié)構(gòu)體的排列。
圖3是說明在基于本發(fā)明的光子晶體中單元晶格及棱柱結(jié)構(gòu)體的尺寸的圖。
圖4是表示基于本發(fā)明的光子晶體的其它例子的立體圖。
圖5是表示通過模擬得到的完全帶隙寬的散布圖。
圖6是表示通過模擬得到的完全帶隙寬的散布圖。
圖7是表示非常適合于基于本發(fā)明的光子晶體的制造方法的流程框圖。
圖8表示非常適合于本發(fā)明的光子晶體的制造方法的預(yù)定工序。
具體實施方案以下說明本發(fā)明的實施方案。
圖1是表示本實施方案中的光子晶體1的結(jié)構(gòu)的立體圖。在圖1中，基于本實施方案的光子晶體1形成有在基部12上排列多個棱柱結(jié)構(gòu)體11的結(jié)構(gòu)。棱柱結(jié)構(gòu)體11及基部12例如可由BaO-TiO2系、BaO-Nd2O3-TiO2系等電介質(zhì)材料構(gòu)成。構(gòu)成棱柱結(jié)構(gòu)體11及基部12的電介質(zhì)材料可以相同，也可以不同。鄰接的棱柱結(jié)構(gòu)體11之間是空隙13，空隙13中存在空氣。因此，棱柱結(jié)構(gòu)體11構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)，而鄰接的棱柱結(jié)構(gòu)體11之間的空隙13構(gòu)成第2電介質(zhì)區(qū)。因此，光子晶體1具有2維周期結(jié)構(gòu)。
圖2用于說明光子晶體1中的、構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)的棱柱結(jié)構(gòu)體11的配置，是俯視光子晶體1的模式圖。
如圖2所示，在光子晶體1上用虛線表示的正六邊形被假想排列成蜂窩狀。構(gòu)成該正六邊形的邊之中，在與圖中Y方向平行的邊上豎立設(shè)置著棱柱結(jié)構(gòu)體11。圖2只記載光子晶體1的一部分，且棱柱結(jié)構(gòu)體11也只記載著其一部分。
利用圍繞預(yù)定正六邊形H的4個棱柱結(jié)構(gòu)體11構(gòu)成棱柱結(jié)構(gòu)體11的周期的結(jié)構(gòu)單元。在本發(fā)明中將該周期的結(jié)構(gòu)單元定義為單元晶格L。該單元晶格L由與X方向平行地配置的2個短邊X1及在與X方向垂直的Y方向配置的2個長邊Y1構(gòu)成，形成為長方形。而且鄰接的4個單元晶格L共有1個角C。這里所說的單元晶格L不用說通過對它進行平移操作，便能無重復(fù)和無間隙地填盡平面的單元晶格。
在單元晶格L中，在與X方向平行地配置的2個短邊X1上、及與Y方向平行地配置的2個長邊Y1上分別配設(shè)棱柱結(jié)構(gòu)體11。該棱柱結(jié)構(gòu)體11構(gòu)成第1電介質(zhì)區(qū)。另外，圍繞在棱柱結(jié)構(gòu)體11的周圍的部分構(gòu)成第2電介質(zhì)區(qū)。圖2的前提雖然是用電介質(zhì)材料構(gòu)成由棱柱結(jié)構(gòu)體11組成的第1電介質(zhì)區(qū)，并將在其周圍存在的第2電介質(zhì)區(qū)設(shè)定為空氣，但也可將第1電介質(zhì)區(qū)的部分設(shè)定為空氣，并由電介質(zhì)材料構(gòu)成在其周圍存在的第2電介質(zhì)區(qū)。另外，如圖4所示，能夠用由第1電介質(zhì)材料構(gòu)成的棱柱結(jié)構(gòu)體111、和由第2電介質(zhì)材料構(gòu)成并圍繞棱柱結(jié)構(gòu)體111的第2電介質(zhì)區(qū)113構(gòu)成基于本發(fā)明的光子晶體100。第1電介質(zhì)材料和第2電介質(zhì)材料具有不同的介電常數(shù)。光子晶體100的基部112由第1電介質(zhì)材料構(gòu)成。
基于本發(fā)明的光子晶體1所具有的特征在該單元晶格L及配設(shè)在單元晶格L中的棱柱結(jié)構(gòu)體11的尺寸上。于是，下面基于圖3就其特征點加以說明。
圖3(a)記載著基于本實施方案的光子晶體1的單元晶格L。圖3(b)除去棱柱結(jié)構(gòu)體11只記載單元晶格L，另外，圖3(c)只記載著棱柱結(jié)構(gòu)體11。
基于本發(fā)明的光子晶體1將圖3(b)所示的單元晶格L的短邊X1的長x1和長邊Y1的長y1設(shè)定成 x1∶y1嚴格地講是 但考慮到有誤差，從而設(shè)定為 在本發(fā)明中，其它使用“約”的場合也同樣。在此，各個單元晶格L的短邊X1之間、以及長邊Y1之間相互大致平行。另外，棱柱結(jié)構(gòu)體11的短邊X2與單元晶格L的短邊X1大致平行，長邊Y2與單元晶格L的長邊Y1平行。
另外，將圖3(c)所示的棱柱結(jié)構(gòu)體11的短邊X2的長x2和長邊Y2的長y2設(shè)定成x1∶x2∶y2＝1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58。
在此，如圖3(a)所示，在X方向連結(jié)鄰接的2個棱柱結(jié)構(gòu)體11的中心的線段Lx、和在Y方向連結(jié)鄰接的2個棱柱結(jié)構(gòu)體11的中心的線段Ly，在相互的大致中點大致正交。線段Lx的長與線段Ly的長具有 的比率。
另外，配置在短邊X1上的棱柱結(jié)構(gòu)體11，其中心與短邊X1的中點大致一致，而配置在長邊Y1上的棱柱結(jié)構(gòu)體11的中心與長邊Y1的中點大致一致。
所謂棱柱結(jié)構(gòu)體11的中心是指平面方向的中心。
在本發(fā)明中，以上所采用的比率是基于通過模擬(詳細情況后述)而求出的完全帶隙寬。
圖5表示固定x1:y1=1:3,]]>并改變x2和y2而進行的完全帶隙寬的模擬結(jié)果。如圖5所示，通過選擇x2和y2，可以得到高的完全帶隙寬。
圖6記錄了預(yù)定的x2、y2下的完全帶隙寬的值。
在圖6中，將得到22.5％或以上的寬的完全帶隙寬的圖(plot)涂成黑色。黑色圖包括在x1∶x2∶y2＝1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58的范圍內(nèi)。在1∶0.133∶0.48～1∶0.148∶0.53的范圍內(nèi)，能夠得到26％或以上的完全帶隙寬。另外，在1∶0.133∶0.52～1∶0.148∶0.53的范圍內(nèi)，能夠得到28％或以上的完全帶隙寬。
下面就以上通過模擬進行的完全帶隙寬的計算方法的概況進行說明。
計算使用了光子晶體的透射特性模擬器Translight。該軟件是Andrew Reynolds氏在Glasgow大學就讀期間開發(fā)的。作為計算方法，使用了轉(zhuǎn)移矩陣法(Transfer Matrix Method)。該軟件是自由地配置圓柱和棱柱，對于作為這些集合體的光子晶體的結(jié)構(gòu)，當入射TE波及TM波時，用于計算反射及透射特性。入射能夠在0～90°的任意角度范圍內(nèi)進行，能對任意的頻率范圍求解。
向模擬器代入要計算的光子晶體的結(jié)構(gòu)形狀、頻帶、TE波及TM波的入射角范圍、以及使用的電介質(zhì)的介電常數(shù)。入射角設(shè)定為0～90°。由于計算的光子晶體的結(jié)構(gòu)以x-y(有必要與圖3的x-y整合)平面為對稱面，因此覆蓋了以該入射角從y-z(有必要與圖3的x-y整合)面入射的所有電磁波入射。通過對它進行計算(模擬)，在TE波及TM波的各入射角度下，便得到相對于頻率的反射及透射衰減量。當該透射衰減量為50dB或以上時，便認定產(chǎn)生了帶隙。于是，對于TE波及TM波提取透射衰減量為50dB或以上的入射角度及頻率。對于某個頻率，對TE波及TM波的所有入射角產(chǎn)生帶隙時，就在該頻率下形成了完全帶隙。于是，對各頻率確認了有無完全帶隙。當完全帶隙相對于頻率連續(xù)地存在時，其頻帶除以頻帶的中心頻率得到的值便作為完全帶隙寬(％)。將該完全帶隙寬對光子晶體形狀(棱柱結(jié)構(gòu)體11的x2及y2的值)繪圖，所繪出的圖為圖5和圖6。
下面用圖7和圖8說明光子晶體1的優(yōu)選的制造方法。
此制造方法使用麻省理工學院(MASSACHUSETTS INSTITUTEOF TECHNOLOGY)開發(fā)的料漿基(slurry base)的3DP(ThreeDimensional Printing)工藝。該3DP工藝的基本的流程如圖7所示?？蛇m用該工藝的材料只要是能夠料漿化的即可，材料選擇不受限制。例如氧化鋁(Al2O3)、碳化硅(SiC)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦鋯酸鉛(PLT)、BaO-Nd2O3-TiO2等陶瓷當然不用說，也可以使用丙烯酸酯和聚碳酸酯等塑料、Al和Cu、Ag等金屬、Si和GaAs等半導(dǎo)體。
在3DP工藝中，首先如圖7所示，在料漿制作工序S1，將構(gòu)成棱柱結(jié)構(gòu)體11及基部12的電介質(zhì)粉末分散在溶劑中并使之料漿化。溶劑可使用醇等有機溶劑，但從沒有毒性、操作容易、對電介質(zhì)粉末的影響小等理由考慮，優(yōu)選以水為基質(zhì)。還可根據(jù)需要在溶劑中添加分散劑等。也可以使用2種或以上的電介質(zhì)粉末制作棱柱結(jié)構(gòu)體11及基部12。
其次，在料漿印刷工序S2，使用噴墨打印法在基材的表面只印刷形成1層含有電介質(zhì)粉末的料漿。所印刷的電介質(zhì)層的層厚應(yīng)根據(jù)干燥工序中的收縮率等來決定。
在接著進行的干燥工序S3，從料漿印刷工序S2印刷形成的電介質(zhì)層中通過干燥去除溶劑。干燥的方法可以是自然干燥，也可以是加熱干燥。
其次，在粘合劑印刷工序S4，在已經(jīng)形成的電介質(zhì)層的預(yù)定部分，采用噴墨打印法印刷涂布粘合劑。粘合劑涂布在構(gòu)成棱柱結(jié)構(gòu)體11及基部12的部分上。粘合劑的噴出量調(diào)整成滲透在1層電介質(zhì)層中。
在粘合劑印刷工序S4中使用的粘合劑的種類沒有特別限制，從操作的容易、對電介質(zhì)粉末的影響少、沒有毒性等的理由考慮，優(yōu)選以水為溶劑的水溶性粘合劑。另外，通過在水中進行的再分散處理，從電介質(zhì)的成型體中去除未被粘合劑固化的粉末(工序S8)，為此，必須使粘合劑在固化后成為非水溶性。再者，考慮到固化后的機械強度等，作為粘合劑優(yōu)選使用熱固性樹脂，特別優(yōu)選聚丙烯酸(PAApolyacrylic acid)。
其次，在粘合劑干燥工序S5，干燥以去除滲透在電介質(zhì)層中的粘合劑所含的溶劑。干燥方法可以是自然干燥，也可以是加熱干燥。經(jīng)過了該粘合劑干燥工序S5的電介質(zhì)層，通過該粘合劑粘接存在于粘合劑產(chǎn)生滲透的區(qū)域內(nèi)的電介質(zhì)粉末。
將從上述料漿印刷工序S2到粘合劑干燥工序S5的各工序重復(fù)預(yù)定次數(shù)(圖7、判斷工序S6)。于是，形成了電介質(zhì)粉末被粘合劑所粘接的區(qū)域(粘接區(qū)域)、和非粘接的區(qū)域(非粘接區(qū)域)混合存在的塊狀成型體。具體的情況在后面敘述，上述粘接區(qū)域構(gòu)成形成第1電介質(zhì)區(qū)的棱柱結(jié)構(gòu)體11，而上述未粘接區(qū)域構(gòu)成形成第2電介質(zhì)區(qū)的空隙13。在粘合劑印刷工序S4中印刷粘合劑使得該2個粘接區(qū)域和未粘接區(qū)域，從上往下看，則如圖2、圖3所示的那樣被周期性地配置在一起。
重復(fù)預(yù)定次數(shù)的上述各工序后，便進入粘合劑固化工序S7中。
在粘合劑固化工序S7，將通過重復(fù)上述各工序印刷預(yù)定層數(shù)而得到的成型體進行熱處理等，便使在粘合劑印刷工序S4中滲透到電介質(zhì)層中的粘合劑充分固化。通過該處理，電介質(zhì)粉末彼此由固化的粘合劑牢固地粘接在一起，因此電介質(zhì)粉末彼此的粘接強度提高，從而后面的操作將變得極為容易。
在粘合劑固化工序S7之后，實施未粘接區(qū)域的去除工序S8。
在未粘接區(qū)域的去除工序S8，從成型體中去除存在于未粘接區(qū)域的電介質(zhì)粉末。該去除工序可通過下述方法來進行，也就是將由層疊的電介質(zhì)層構(gòu)成的成型體浸漬在水中。也就是說，未被粘合劑粘接的電介質(zhì)粉末通過浸漬在水中，從電介質(zhì)層脫離下來，從而再分散到水中。
優(yōu)選在料漿制作工序S1中預(yù)先向料漿中添加分散劑，以便使未被粘合劑粘接的電介質(zhì)粉末在去除工序(工序S8)易于再分散到水中。作為分散劑，例如可以使用聚乙二醇(PEGPolyethylene glycol)。在進行再分散時，對浸漬成型體的水或該成型體本身外加超聲波是有效果的。
去除工序(工序S8)結(jié)束之后，從水中取出電介質(zhì)粉末被粘合劑粘接成為棱柱結(jié)構(gòu)體11的形狀的成型體，實施干燥工序S9。該干燥工序S9可以自然干燥，也可以加熱干燥。
可以將經(jīng)過了干燥工序S9的成型體原封不動地用作光子晶體1，也可以根據(jù)需要進一步在燒成工序S10進行燒成制成燒結(jié)體。通過制成燒結(jié)體，進一步提高了機械強度和介電常數(shù)。
以上在經(jīng)過了粘合劑固化工序S7之后，實施了未粘接區(qū)域的去除工序S8?？墒牵鶕?jù)粘合劑所滲透的區(qū)域的電介質(zhì)粉末的密度、使用的粘合劑的性狀等，也能夠不經(jīng)過粘合劑固化工序S7就實施未粘接區(qū)域去除工序S8。
其次，參照圖8就上述光子晶體1的制造方法的各工序進行更具體的說明。
圖8(a)示意地表示出下述情形在料漿印刷工序S2中，從噴墨打印頭22噴出含有電介質(zhì)粉末的料漿23，在襯底21上形成第1層電介質(zhì)層。
一邊使料漿噴出用噴墨打印頭22進行平面掃描，一邊使含有電介質(zhì)粉末的料漿23連續(xù)地噴出，由此在襯底21上的一面印刷形成了1層料漿23。在此，也可以固定噴墨打印頭22而使襯底21移動。
當襯底21為多孔材料時，所印刷的電介質(zhì)層中的溶劑被吸收到襯底21中，電介質(zhì)粉末的密集度提高，從而電介質(zhì)粉末的成型密度提高。為此目的，可將燒結(jié)氧化鋁等用作襯底21，也可以將包含構(gòu)成料漿23的電介質(zhì)粉末的成型體本身作為襯底21。
在料漿干燥工序S3，通過干燥以去除料漿23中所含的溶劑，便形成了1層電介質(zhì)層。
在形成了第1層電介質(zhì)層之后，正如圖8(b)所示的那樣，實施粘合劑印刷工序S4。
圖8(b)示意地表示出下述情形在粘合劑印刷工序S4，從噴墨打印頭24噴出粘合劑25，只在預(yù)定部分印刷涂布粘合劑。
一邊使粘合劑噴出用噴墨打印頭24進行掃描，一邊使粘合劑25連續(xù)地噴出，由此使粘合劑25滲透到印刷形成的電介質(zhì)層的整個面上。在圖8中，對粘合劑25滲透的區(qū)域?qū)嵤┚W(wǎng)紋陰影層次(gradation)。對從噴墨打印頭24噴出的粘合劑25的量進行控制，以便使之充分滲透到電介質(zhì)層的整個區(qū)中。在印刷涂布粘合劑25之后，實施通過干燥以去除粘合劑25的粘合劑干燥工序S5。
對第1層電介質(zhì)層實施粘合劑干燥工序S5之后，與上述同樣地實施第2層的料漿23的印刷、對第2層的電介質(zhì)層印刷粘合劑25并進行干燥、進而印刷第3層的料漿23。在印刷第3層的料漿23、并去除了料漿23中所含的溶劑之后，進行粘合劑25的印刷。圖8(c)示出了這種情況。在圖8(c)中，一邊掃描噴墨打印頭24，一邊斷續(xù)地噴出粘合劑25。在圖8(c)中，在畫有剖面線的電介質(zhì)層中的拔白區(qū)域所對應(yīng)的部分，停止粘合劑25的噴出。在該拔白的區(qū)域粘合劑25未滲透。
與圖8(c)同樣地實行斷續(xù)的粘合劑25的印刷，直到第5層的電介質(zhì)層為止。這樣得到的成型體示于圖8(d)。
如圖8(d)所示，該成型體周期性地配設(shè)有存在粘合劑25的區(qū)域、和不存在粘合劑25的區(qū)域。圖8(d)所示的成型體接著供給粘合劑固化工序S7。在該工序中，實施用于固化滲透到成型體中的粘合劑25的熱處理。
圖8(e)示意地表示出下述情形從圖8(d)所示的成型體中去除存在于未被粘合劑25所固化的區(qū)域(上述的未粘接區(qū)域)的電介質(zhì)粉末。從襯底21拆下經(jīng)過了粘合劑固化工序S7的成型體，將其浸漬在水中。這樣一來，成型體中未粘接區(qū)域中存在的電介質(zhì)粉末再分散到水中而得以去除。去除了電介質(zhì)粉末的部分成為存在空氣的空隙13。此時，外加超聲波是有效的。由于去除了電介質(zhì)粉末的區(qū)域成了空隙13，因此該成型體構(gòu)成周期性地配置有存在電介質(zhì)粉末的棱柱結(jié)構(gòu)體11、和由空氣構(gòu)成的空隙13的光子晶體1。另外，如上所述，也可以進一步燒成該結(jié)構(gòu)體。
圖8(e)所示的成型體是使用空氣作為第2電介質(zhì)區(qū)的光子晶體1，但也能夠制作使用空氣以外的電介質(zhì)材料作為第2電介質(zhì)區(qū)的光子晶體1。
圖8(f)表示采用上述方法制作圖8(e)所示的成型體或燒結(jié)體后、在其空隙113a中填充與棱柱結(jié)構(gòu)體111不同的電介質(zhì)材料而得到的光子晶體100。第1電介質(zhì)區(qū)和第2電介質(zhì)區(qū)的介電常數(shù)之差可以根據(jù)目標光子晶體100的特性來決定。
圖8表示的是光子晶體1(100)的側(cè)截面，但在俯視的情況下，如圖3所示，噴墨打印頭24進行掃描以便配置棱柱結(jié)構(gòu)體11。此時，粘合劑25印刷在形成棱柱結(jié)構(gòu)體11(111)的部分上。
另外，以上就采用3DP工藝得到本發(fā)明的光子晶體1、100的方法進行了說明，但也能夠采用干刻法、自凸面加工法(自己クロ一ニング法)及光造型法等公知的方法。下面簡單地言及各方法。
干刻法是使用采用光刻技術(shù)制作的掩模通過蝕刻氣體將材料蝕刻成為所要求的形狀的方法。自凸面加工法是通過用特定的模式(mode)進行偏壓濺射(bias sputtering)，藉此保存基材的凹凸的周期，同時在與基材垂直的方向堆積材料的方法。另外，光造型法是對液體狀的光固化性樹脂進行紫外光束掃描，只是照射區(qū)域發(fā)生聚合反應(yīng)，從而使光固化性樹脂固化成為所要求的形狀的方法。
在這些方法之外，只要不脫離本發(fā)明主旨，也能夠取舍選擇在上述實施方案中舉出的構(gòu)成、或適宜變更成其它的構(gòu)成，這是不言而喻的。例如在晶體內(nèi)形成閉合的缺陷區(qū)域能夠得到光的共振器，而在該晶體內(nèi)形成線缺陷能夠得到波導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種制造容易、且對于TE波及TM波可具有完全帶隙的具有2維周期結(jié)構(gòu)的光子晶體。
權(quán)利要求
1.一種2維光子晶體，其在將短邊X1的長為x1、長邊Y1的長為y1的長方形作為單元晶格、且鄰接的4個單元晶格排列成共有1個角的平面上，將具有短邊X2的長為x2、長邊Y2的長為y2的長方形截面的柱狀的第1電介質(zhì)區(qū)配置在各長方形單元晶格的短邊X1和長邊Y1上，其特征在于對所述第1電介質(zhì)區(qū)進行配置使得所述長方形截面的中心與短邊X1的中點及長邊Y1的中點大體一致；且所述各第1電介質(zhì)區(qū)的所述長邊Y2彼此大致平行；其中，x1∶y1＝1∶約 x1∶x2∶y2＝1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2維光子晶體，其特征在于所述第1電介質(zhì)區(qū)的長方形截面的所述長邊Y2與單元晶格的所述長邊Y1大致平行地排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的2維光子晶體，其特征在于x1∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.48～1∶0.150∶0.54。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的2維光子晶體，其特征在于x1∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.52～1∶0.140∶0.54。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的2維光子晶體，其特征在于所述長方形截面的尺寸是0.10μm×0.37μm或以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2維光子晶體，其特征在于包含有圍繞在所述第1電介質(zhì)區(qū)的周圍且具有與所述第1電介質(zhì)區(qū)不同的介電常數(shù)的第2電介質(zhì)區(qū)，所述第1電介質(zhì)區(qū)及所述第2電介質(zhì)區(qū)的任一方由電介質(zhì)材料構(gòu)成，另一方由氣體構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的2維光子晶體，其特征在于所述電介質(zhì)材料是BaO-TiO2系電介質(zhì)材料或BaO-Nd2O3-TiO2系電介質(zhì)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的2維光子晶體，其特征在于具備平板狀的基部、和由與所述基部相同的電介質(zhì)材料構(gòu)成并從所述基部豎立設(shè)置的多個所述第1電介質(zhì)區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的2維光子晶體，其特征在于包含圍繞在所述第1電介質(zhì)區(qū)的周圍且具有與所述第1電介質(zhì)區(qū)不同的介電常數(shù)的第2電介質(zhì)區(qū)，所述第1電介質(zhì)區(qū)及所述第2電介質(zhì)區(qū)由具有各自不同的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的2維光子晶體，其特征在于所述第1電介質(zhì)區(qū)及所述第2電介質(zhì)區(qū)是燒結(jié)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的2維光子晶體，其特征在于具備平板狀的基部、從所述基部豎立設(shè)置并由與所述基部相同的電介質(zhì)材料構(gòu)成的多個所述第1電介質(zhì)區(qū)、和圍繞在所述第1電介質(zhì)區(qū)的周圍的第2電介質(zhì)區(qū)。
12.一種2維光子晶體，其周期性地配置有第1電介質(zhì)區(qū)、和具有與所述第1電介質(zhì)區(qū)不同的介電常數(shù)的第2電介質(zhì)區(qū)，其特征在于包含具有長方形截面的柱狀的所述第1電介質(zhì)區(qū)、和圍繞在所述第1電介質(zhì)區(qū)的周圍的所述第2電介質(zhì)區(qū)；在X方向連結(jié)鄰接的2個所述第1電介質(zhì)區(qū)的中心的線段Lx、和在與所述X方向正交的Y方向連結(jié)鄰接的2個所述第1電介質(zhì)區(qū)的中心的線段Ly，在相互的大致中點大致正交；且所述線段Lx的長x3與所述線段Ly的長y3之比為1∶約 所述線段Lx的長x3、所述第1電介質(zhì)區(qū)的所述X方向的長x2及所述Y方向的長y2之比設(shè)定為1∶0.133∶0.48～1∶0.158∶0.58。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的2維光子晶體，其特征在于x3∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.48～1∶0.150∶0.54。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的2維光子晶體，其特征在于x3∶x2∶y2＝1∶0.135∶0.52～1∶0.140∶0.54。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的2維光子晶體，其特征在于所述第1電介質(zhì)區(qū)及所述第2電介質(zhì)區(qū)的任一方由電介質(zhì)材料構(gòu)成，另一方由氣體構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的2維光子晶體，其特征在于所述第1電介質(zhì)區(qū)及所述第2電介質(zhì)區(qū)由具有各自不同的介電常數(shù)的電介質(zhì)材料構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或12所述的2維光子晶體，其特征在于所述2維光子晶體具有20.0％或以上的完全帶隙寬。
全文摘要
本發(fā)明提供一種2維光子晶體，其在將短邊(X1)的長為(x1)、長邊(Y1)的長為(y1)的長方形作為單元晶格、且鄰接的4個單元晶格排列成共有1個角的平面上，將具有短邊(X2)的長為(x2)、長邊(Y2)的長為(y2)的長方形截面的柱狀的第1電介質(zhì)區(qū)配置在各長方形單元晶格(L)的短邊(X1)和長邊(Y1)上。在該2維光子晶體中，配置第1電介質(zhì)區(qū)使長方形截面的中心與短邊(X1)的中點及長邊(Y1)的中點大體一致；且各第1電介質(zhì)區(qū)的長邊(Y2)彼此大致平行。
文檔編號G02B6/122GK1701246SQ200480000910
公開日2005年11月23日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者榎戶靖, 中畑功 申請人:Tdk株式會社