CN1292288C - 制造光子晶体和光学元件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种制造包括光子晶体的光学元件的方法和设备，所述方法包括：产生具有三维周期性结构的第一光场的步骤，其中光强度按照光波长数量级的第一周期在空间中变化，所述三维周期性结构具有点阵点，在点阵点中的光强度高于所述周围的光强度；将其折射率可由辐照光的强度或在光辐照后进行的预定处理而改变的光学介质，曝露于所述第一光场一个给定的周期的步骤；将该光学介质在第一光场中移动光波长数量级的微小距离的步骤；以及将该光学介质曝露于第二光场中，在该第二光场中，光强度按照光波长数量级的周期在空间中变化，以形成该光子晶体的三维点阵结构的第二部分的步骤。

Description

制造光子晶体和光学元件的方法和设备

技术领域

本发明涉及可在短时间内容易地制造具有光子带结构的光学元件的方法和设备，尤其是包括三维光子晶体的光学元件，其中该三维光子晶体具有所希望的晶体结构和短的时间周期，本发明也涉及使用该方法和设备制造的光学元件。

此外，本发明还涉及一种光学元件和一种光解复用器。更具体地讲，本发明涉及一种有源光学元件和一种光解复用器，它们通过在光子晶体中切换外场例如光和电场来改变光子带结构，从而实现光学切换功能。

背景技术

在称之为“光子晶体”的结构中，将具有不同折射率的两种类型的光学介质按照光波长数量级周期性地排布，因为折射率周期性变化，所以光波数和其频率、即光子能之间的关系显示一带结构。这种现象与电能在半导体中显示在周期性电势中的带结构的现象类似。

该光子晶体其显著的特征在于它的光学性能，因为它能使所谓的“光子带隙”出现，在该“光子带隙”中光在任何方向上都不能透过[E.Yablonovitch，Phys.Rev.Lett.58(20)，2059(1987)]，并且它具有高度的光学各向异性和色散性。因此，通过利用这些优点，已经建议方案有自然光控制和光波导，在其边角具有非常小的曲率半径的偏振片以及光解复用器，并增加了将它们用于各个领域的希望。

但是迄今为止，还没有有效的方法来制造具有适合用于光学元件的晶体结构形式的光子晶体，特别是其折射率按光波长数量级具有周期性结构的三维光子晶体。这成为阻碍该光子晶体和使用该光子晶体的光学元件商品化的一个因素。

为了改善上述状况，近年来在按光波长数量级的光子晶体制造方面作了许多研究。其中有代表性的是以下三种方法。

(1)通过从含有二氧化硅微细颗粒的胶体溶液中除去溶剂以使该二氧化硅微细颗粒结晶，从而制造光子晶体。这种方法利用了二氧化硅微细颗粒自排列的优点，这样制成的光子晶体被称为“乳白型(opal type)”。采用该方法，可以较容易地制造具有高重复性的晶体[H.Miguez等，appl.Phys.Lett.71(9)，1148(1997)]。但是在该方法中，该二氧化硅微细颗粒的排布不具有有效的可复制性和高可靠性，而且不能自由选择晶体结构。

(2)木堆积(wood-pile)方法[S.Noda等Jpn.J.Appll.Phys.，35，L909(1996)]。在该方法中，通过使用半导体微加工技术，在两个基片中的每一个上形成包括多个已排布好的方形横梁的结构，这两个基片彼此连接，其连接方式使得一个基片上的方形横梁与另一个基片上的方形横梁成直角相对，然后将其中一个基片刻蚀除去以形成一个包括两层“方形横梁”的结构。同样地，制备一个在其表面上设置有“方形横梁”的基片，通过准确定位和刻蚀而进行重复连接而将方形横梁的层叠加起来。已经发现，通过该方法可以形成在每个方向都开有光子带隙的菱形结构。但是这种方法需要复杂而费时的微加工方法，并且其实际形成的重复周期的次数也存在一个限制。

(3)“自动克隆”方法(Kawakami等，日本专利申请公开号335758/1998)。在该方法中，通过平版印刷的方法在一由石英或半导体制成的基片上形成一个二维的周期性凹凸的图案，在其上层压多个薄膜，而其下面的凹凸图案通过偏溅射而复制。因此，在该基片的内表面方向和该表面周围的层压方向形成三维周期性结构，该基片上的起始部分已经刻有该凹凸图案。就可靠性和可复制性而言，该方法与制备乳白型(opal type)光子晶体的方法相比更可靠和更优异，并且不需要在木堆积方法中所述的复杂而费时的微加工方法。因此，该方法所能制造的光子晶体在层压方向上具有较大数量的周期。但是在该方法中，由于凹陷部分不可避免地越过下一层图案的凹陷部分，而突出部分不可避免地越过下一层图案的突出部分，该方法只能制造特殊类型的晶体结构，因此不能获得任意类型的晶体结构。实际上，不能采用该方法制造在所有方向上开有完美带隙的光子晶体。

除了以上三种方法以外，已经建议利用光干涉图案的优点制备光子晶体(Tsunetomo，Koyama，日本专利申请公开号68807/1998)。在该方法中，对一维层压的多个薄膜采用激光束进行辐照，以将该干涉图案烘焙在该薄膜上，通过利用在光强度高的部分发生熔化、蒸发和烧蚀的优点，在该多层膜表面的周边方向形成周期性切口，以形成光子晶体。该方法是一种有效的方法，因为当利用激光干涉图案形成周期性结构时，它每次能形成数个周期。但是，即使这种方法它所能形成的晶体结构类型也存在限制。

如上所述，传统的利用了二氧化硅微细颗粒自排列优点的方法具有可靠性和可复制性方面的问题。同时，由于其它方法要求高度准确地层压每一层以形成光子晶体周期(the pericods of a photonic crystal)，因此即使它们能成功地形成该光子晶体，也需要大量的时间，重复周期的次数受到限制，不能自由地形成所期望的晶体结构。

同时，迄今为止这种光子晶体的应用也受到限制。

就是说，除了以下将会给出的三个实施例，该光子晶体常被用来作为“无源元件”，而很少被用作“有源元件”。换句话说，大多数常用的光子晶体由在空间固定的折射率分布来确定其光学性质。因此，例如在光解复用器中，要在一特定方向上透射的光的波长(频率)是固定的，要在一个特定方向上导出的光的频率已经不能被切换。也已不可能将光从一个置于波导中的支路方向动态切换至其另一个方向。

以下三个方案使用光子晶体作为具有切换功能的“有源元件”。

(4)一个方案使用其中安装有超声波发生器或温度调节器以扰动其周期并焙烧其带结构的光子晶体。通过安装这些设备，希望使用作光延迟单元的光子晶体的延迟效应出现或不出现(Miyakodori等，日本专利申请公开号83005/1998)。

(5)另一个方案使用一维光子晶体，该光子晶体有一种夹在衍射光栅之间的电光材料，在该光栅面对其它光栅的表面上有金属膜。通过在该金属膜之间施加电压，该电光材料的折射率改变，在一维方向上的带隙的位置改变，因此，其波长靠近该带端部的透射光能被开/关(Miyakodori等，日本专利申请公开号83005/1998)。

(6)在第三个方案中，用圆偏振光作为受控光照射含有半导体作为其成分的光子晶体，以改变在该光子晶体中的自旋的分布，即其复合折射率，因此该光子带结构改变，由此实现透过该光子晶体的光的切换(Takeuchi，Nishikawa，日本专利申请公开号90634/1998)。

但是，上述三种方案仍然有以下问题需要解决。

即，上述方案(4)只能在作为光子晶体的功能出现或不出现之间切换，而不能主动地改变作为光子晶体的功能出现的方式。因此，它不能用来控制在光解复用器中的方向或在光波导中分流。

上述方案(5)，因为其结构，只能用于一维光子晶体，不能用于具有高色散性和优异波长的二维光子晶体或三维光子晶体。

上述方案(6)通过改变组成光子晶体的光学介质的复合折射率而改变带结构，不能改变该光子晶体的周期和对称性。因此，它不能导致大的带结构的改变。

如上所述，传统的光子晶体，即使是当被赋予有源功能时，也已经被限制于在可切换的光子晶体维数内选择光子晶体的功能自身出现或不出现的作用，并被限制在一特别的可控制的范围内。在这两种情况下，现有技术使用只改变不同类型光学材料的折射率而不改变其分布的方法，因此不能切换晶体结构和该光子晶体的周期性，也不能自由和动态地改变光子带的结构。

同时，已经知道在光子晶体中出现带隙的情况下，当周期性不规律的光子晶体的斑点(the spots of a photonic crystal)是一维连续的时，光只在这些斑点中被捕获，因此形成了能经受急剧弯曲的微细光波导，这一点在以前是不能实现的[Attila Mekis等，Phys.Rev.Lett.77，3787(1996)]。如果一个支路可以被放置在这种微细光波导中以根据光波长切换光方向，那么该波导其自身可作为一光解复用器，据此可以形成一个在光通讯和光路集成以及在其制备方法的简化中非常有用的光功能性元件。

但是，在上述现有技术中，对于该波导中任何波长的光来讲，在光子晶体中这些相同的斑点总是显示出不规则的周期性，也就是，它们都具有波导的功能。因此，已经不能在该光子晶体中使用上述微细波导作为根据波长工作的光解复用器。

如上特别描述，通常这些具有不同折射率、也就是折射率空间图案改变的斑点的位置，已经在空间中被固定，并且因此限制了带结构改变的范围。结果，它不能为了光子晶体的有源使用而自由地、显著地、以及动态地改变带结构。

也就是说，迄今为止，获得使用有源光子晶体的光学元件的技术还是未知的。另外，迄今为止，在光子晶体中使用微细波长作为光解复用器的技术也是未知的。

发明内容

本发明的第一个目的是提供以简便和短的时间周期制造具有任何晶体结构形式的光波长数量级周期的三维光子晶体的新的方法和新的生产设备，无需经过传统方法中“晶体”层准确层压的步骤；并提供一种由该方法和设备制造的光学元件。

本发明的第二个目的是提供一种新的光学元件，该元件能自由地、显著地、以及动态地控制光子晶体的带结构，特别是提供一种光学元件，能通过改变复数折射率的图案分布或其自身周期性而控制光子晶体带结构；以及提供一种使用该光子晶体中波导的新型光解复用器。

首先，本发明的光学元件制造方法是一种用于制造包括光子晶体的光学元件的方法，在该光子晶体中周期性地排布着具有与其周围折射率不同的折射率的斑点，所述方法包括：产生具有三维周期性结构的第一光场的步骤，其中光强度按照光波长数量级的第一周期在空间中变化，所述三维周期性结构具有点阵点，在点阵点中的光强度高于所述周围的光强度；将其折射率可由辐照光的强度或在光辐照后进行的预定处理而改变的光学介质，曝露于所述第一光场一个给定的周期的步骤；将该光学介质在第一光场中移动光波长数量级的微小距离的步骤；以及将该光学介质曝露于第二光场中，在该第二光场中，光强度按照光波长数量级的周期在空间中变化，以形成该光子晶体的三维点阵结构的第二部分的步骤。

就本发明所使用的光学介质而言，通过在光辐照后将该介质在旁边放置一段给定时间，或使该介质在光辐照后经受热处理、电磁波照射或微粒子辐照、或化学处理，其折射率能够根据所施加的光强度而变化。

在本发明的方法中，一个其光强度按照光波长数量级的周期在空间中改变的光场，是通过例如激光束干涉而产生的。为了将该光学介质的位置移动光波长数量级的微小距离，使用了例如一个能沿x，y，z三个方向移动该光学介质的装有压电元件的平台。

根据本发明的一种用于制造光学元件的设备，包括：光学系统，其产生一个具有三维周期性结构的光场，其中光强度按照光波长数量级的周期在空间中变化，所述三维周期性结构具有点阵点，在点阵点中的光强度高于周围的光强度；以及可移动的平台，其将折射率可由辐照光强度改变的光学介质保持在所述光场中，该光场中的光强度周期性变化，并且该平台将该光学介质在该光场中移动光波长数量级的微小距离。

本发明光学元件的生产设备还包括一个光源和一个用于评估所制造光学元件的检测器。

通过上述方法和设备制成的本发明的光学元件包括光子晶体，该光子晶体中周期性排布着具有不同折射率的斑点，其中组成该光子晶体的具有一定折射率的斑点位于所期望的晶体结构点阵点上；位于每一个点阵点处的光学介质的折射率分布具有沿三个不同轴的方向突出或鼓出隆起的形状；该晶体结构不是简单的点阵，或者说位于每一个点阵点的光学介质折射率分布形状不是各向同性的；并且在一起形成简装点阵的点阵点处的光学介质折射率分布具有相同形状和方向的。

同时，本发明光学元件的结构包括第一光学介质，在该第一光学介质中按入射光波长数量级的间隔周期性排布了第二光学介质和第三光学介质。在该光学元件中，第一至第三光学介质的折射率之间的相对关系，也就是，第一、第二和第三光学介质的折射率之间的相对关系，通过改变施加在上述结构的外场条件而改变，据此在上述结构中形成的折射率空间分布的周期能够被改变。

此处使用的“光波长数量级”这一术语表示约与光波长相同量级的间隔。该间隔与光波长没有显著的不同，例如至少为波长的几十倍或最多为波长的几十分之一。

为了更详细地描述上述的结构，本发明的光学元件具有一维、二维或三维结构，其中周期性地排布有至少三种光学介质。对光学材料、温度和外场条件进行选择，使得至少两种光学介质对于入射光的频率而言其折射率彼此不同。通过对该结构施加电场、磁场或压力或光辐照，或通过改变对该结构施加的电场、磁场或压力，或改变所施加光的强度或波长，或改变该结构的温度，周期性地出现了在输入该结构的光频率上具有最大折射率差变化的复合光学介质，或周期性地出现了与现有斑点相比具有不同折射率的新的斑点，也就是在该改变之后形成了新的周期结构，或者该结构中的该介质折射率周期峰的相对比例发生了变化，从而在入射光相关的波长范围内出现新的带结构。

至于该光学元件的使用形式，在该光学元件的结构中，由于在第一外场条件下，对于具有给定波长的光，第一光学介质的折射率和第三光学介质的折射率基本相同，并且第一光学介质的折射率和第二光学介质的折射率显著不相同，故该具有给定波长的光受到该第二光学介质的周期性排布的调制，而在不同于第一外场条件的第二外场条件下，对于具有给定波长的光，由于第一光学介质的折射率和第二光学介质的折射率基本相同，并且第一光学介质的折射率和第三光学介质的折射率显著不相同，故该具有给定波长的光受到该第三光学介质的周期性排布的调制。

为了对此进行更详细的描述，当该具有周期性结构的构件由三种类型的光学介质组成时，其中该三种光学介质被定义为第一光学介质、第二光学介质和第三光学介质，且其折射率分别被定义为第一折射率、第二折射率和第三折射率，该第一、第二和第三光学介质其各自在该构件中的分布具有周期性结构。在上述结构中，按照输入该光学元件的光的波长，由于第一光学介质的折射率和第三光学介质的折射率大致上相同，第一光学介质的折射率和第二光学介质的折射率不相同，也就是，第一折射率和第二折射率之间的差值大于第一折射率和第三折射率之间的差值，所以调制该结构中入射光的折射率的周期性结构主要由该第二介质的周期性分布决定。另外，通过对该结构施加电场、磁场或压力或光辐照，或通过改变对该结构施加的电场、磁场或压力，或改变所施加光的强度或波长，或改变该结构的温度，使得在上述波长中该第一介质的折射率和该第二介质的折射率变得近乎相同，而该第一介质的折射率和该第三介质的折射率变得不同，也就是说，第一折射率和第三折射率之间的差值变成大于第一折射率和第二折射率之间的差值，据此，调制该结构中入射光的折射率的周期性结构，改为主要由该第三介质的周期性分布决定，从而在与入射光相关的波长范围内出现新的带结构。

另外，本发明的第三光学元件的结构包括第一光学介质、在该第一光学介质中周期性排布的第二光学介质，以及已经被代替并在将要由第一光学介质中的第二光学介质形成的周期性结构中按照连续斑点排布的第三光学介质。在该第三光学元件中，在第一外场条件下，对于具有给定波长的光，由于该第二光学介质的复合折射率和该第三光学介质的复合折射率显著不同，被第三介质所代替的该连续斑点将作为具有给定波长光的波导，而由于在不同于第一外场条件的在第二外场条件下，对于具有给定波长的光，该第二光学介质的复合折射率和该第三光学介质的复合折射率基本相同，故被第三介质所代替的该连续斑点不能作为该具有给定波长光的波导。

为了对其进行更详细地描述，上述第三种光学元件具有二维或三维结构，该结构包括至少两种具有不同复合折射率的光学介质，其中由同一种光学介质形成的斑点被周期性地排布。该周期性结构的无规则性表现为该结构中的一维连续斑点，且该一维连续斑点起光波导的作用。当使用至少三种光学介质时，这些介质以外的三种介质被定义为第一光学介质、第二光学介质和第三光学介质，在将被输入该波导的光频率v附近的第一、第二和第三光学介质的复合折射率被分别定义为第一复合折射率、第二复合折射率和第三复合折射率，该结构具有由第一光学介质中的第二光学介质形成的二维和三维周期性结构，该由第二光学介质形成的二维和三维周期性结构被由第三光学介质形成的一维连续斑点所代替，在输入该光学元件的光频率附近，该第一复合折射率和该第二复合折射率不同，该第二复合折射率和该第三复合折射率也不同，第三光学介质所代替的斑点起光波导的作用。通过对该结构施加电场、磁场或压力或光辐照，或通过改变对该结构施加的电场、磁场或压力，或改变所施加光的强度或波长，或改变该结构的温度，在该频率v附近该第二复合折射率和该第三复合折射率变得近乎相同而该第一复合折射率和该第二复合折射率保持不同，据此被该第三介质代替的斑点对于该入射光不能起到周期性结构无规则性的作用，因此该斑点起到使光波导消失的作用。因此，该光学元件有了具有切换功能的波导。

另外，本发明第四光学元件的结构包括第一光学介质、在该第一光学介质中周期性排布的第二光学介质、已经被代替并在将会由第一光学介质中的第二光学介质形成的周期性结构的第一连续部分中排布的第三光学介质、已经被代替和在将会由第一光学介质中的第二光学介质形成的周期性结构的第二连续部分中排布的第四光学介质、以及将会由该第二光学介质形成的周期性结构中的第三连续部分，其中第二光学介质的周期性不规律；第一部分和第二部分与第三部分相连。在该第四光学元件中，在第一外场条件下，对于具有给定波长的光，由于第一光学介质的复合折射率、第二光学介质的复合折射率和第三光学介质的复合折射率彼此不相同，对于该具有给定波长的光，该第二光学介质的复合折射率和该第四光学介质的复合折射率基本相同，该第一部分和第三部分作为具有给定波长光的波导。另一方面，在不同于第一外场条件的在第二外场条件下，对于具有给定波长的光，由于第一光学介质的复合折射率、第二光学介质的复合折射率和第四光学介质的复合折射率彼此不相同，对于该具有给定波长的光，该第二光学介质的复合折射率和该第三光学介质的复合折射率基本相同，故该第二部分和第三部分作为具有给定波长光的波导。因此，本发明的第四光学元件能够切换具有给定波长的光的前进方向，该光被输入该第三部分或第一部分或第二部分。

为了对其进行更详细地描述，上述第四种光学元件具有二维或三维结构，该结构包括至少两种具有不同复合折射率的光学介质，其中由同一种光学介质形成的斑点被周期性地排布。该结构周期性结构的无规则性表现为该结构中的一维连续斑点，该一维连续斑点起光波导的作用。当使用至少四种光学介质时，这些介质被定义为第一光学介质、第二光学介质、第三光学介质和第四光学介质，在被输入该波导的光频率附近的第一至第四光学介质的复合折射率被分别定义为第一复合折射率、第二复合折射率、第三复合折射率和第四复合折射率，该结构具有由第一光学介质中的第二光学介质形成的二维和三维周期性结构，该由第二光学介质形成的二维和三维周期性结构其一部分被由第三光学介质形成的一维连续斑点所代替，以形成第一部分，其另一部分被由第四光学介质形成的一维连续斑点所代替，以形成第二部分，并在再一部分形成该第二光学介质周期性结构中的一维连续无规则性，以形成第三部分，并且该第一部分和第二部分与该第三部分相连。由于在输入该光学元件的光频率附近，该第一复合折射率和该第二复合折射率不同，该第二复合折射率和该第三复合折射率也不同，该第二复合折射率和该第四复合折射率基本相同，故该第三部分和该第一部分作为入射光的光波导。通过对该结构施加电场、磁场或压力或光辐照，或通过改变对该结构施加的电场、磁场或压力，或改变所加光的状态，或改变该结构的温度，在光频率v附近，该第二复合折射率和该第四复合折射率变得不同，该第二复合折射率和该第三复合折射率变得近乎相同而该第一复合折射率和该第二复合折射率保持不同，据此该第一部分不再对该入射光起到周期性结构无规则性的作用，并因此不再作为光波导，而改由该第二部分开始起光波导作用。因此上述第四光学元件能够在第一部分和第二部分之间切换输入该第三部分的光的前进方向。

同时，本发明光解复用器的结构包括第一光学介质、在该第一光学介质中周期性排布的第二光学介质、已经被代替并在将会由第一光学介质中的第二光学介质形成的周期性结构的第一连续部分中排布的第三光学介质、已经被代替并在将会由第一光学介质中的第二光学介质形成的周期性结构的第二连续部分中排布的第四光学介质、以及将会由该第二光学介质形成的周期性结构的第三连续部分，其中第二光学介质的周期性不规律；第一部分和第二部分与第三部分相连。在该光解复用器中，对于具有第一波长的光，由于第一光学介质的复合折射率、第二光学介质的复合折射率和第三光学介质的复合折射率彼此不相同，对于该具有第一波长的光，该第二光学介质的复合折射率和该第四光学介质的复合折射率基本相同，故该第一部分和第三部分作为具有第一波长光的波导。另一方面，对于具有不同于第一波长的第二波长的光，由于第一光学介质的复合折射率、第二光学介质的复合折射率和第四光学介质的复合折射率彼此基本不相同，对于该具有第二波长的光，该第二光学介质的复合折射率和该第三光学介质的复合折射率基本相同，故该第二部分和第三部分作为具有第二波长光的波导。因此，该光解复用器能够引导具有第一波长或第二波长的光，该光根据其波长被输入该第三部分或第一部分或第二部分。

为了对其进行更详细地描述，本发明的光解复用器具有二维或三维结构，该结构包括至少两种具有不同复合折射率的光学介质，其中由同一种光学介质形成的斑点被周期性地排布。该结构周期性结构的无规则性表现为该结构中的一维连续斑点，该一维连续斑点起光波导作用。当该结构中使用至少四种光学介质，并且这些介质被定义为第一光学介质、第二光学介质、第三光学介质和第四光学介质时，输入该光波导的两种光束的频率被分别定义为第一频率和第二频率，在该第一频率附近的第一至第四光学介质的复合折射率被分别定义为第一复合折射率、第二复合折射率、第三复合折射率和第四复合折射率，在该第二频率附近的第一至第四光学介质的复合折射率被分别定义为第五复合折射率、第六复合折射率、第七复合折射率和第八复合折射率，该结构具有由第一光学介质中的第二光学介质形成的二维或三维周期性结构，该由第二光学介质形成的二维或三维周期性结构部分被由第三光学介质形成的一维连续部分所代替，以形成第一部分，其另一部分被由第四光学介质形成的一维连续部分所代替，以形成第二部分，并在再一部分形成该第二光学介质周期性结构中的一维连续无规则性，以形成第三部分，并且该第一部分和第二部分与该第三部分相连。在这种情况下，由于在输入该光学元件的光的第一频率附近，该第一复合折射率和该第二复合折射率不同，该第二复合折射率和该第三复合折射率也不同，该第二复合折射率和该第四复合折射率基本相同，故该第三部分和该第一部分作为该入射光的光波导，而在输入该光学元件的光的第二频率附近，由于该第五复合折射率和该第六复合折射率不同，该第六复合折射率和该第八复合折射率也不同，该第六复合折射率和该第七复合折射率基本相同，故该第三部分和该第二部分作为该入射光的光波导。因此根据其波长，被输入该第三部分或第一部分或第二部分前进的具有第一波长或第二波长的光，使得该波导其自身能够作为光解复用器。

在本发明中，已经注意到，该光子晶体对入射光的响应由折射率在受控光的频率(波长)的空间分布确定，即在作为光学元件中的入射光(或当该入射光不是单色光时的某一频率范围)，并且不受其他波长范围的折射率分布的影响。

特别是，本发明的有源光学元件使用多个其折射率被外场改变的光学介质。当该光子晶体由使用这些光学介质而形成时，在一定的外场条件下，使这些多个光学介质之外的两个光学介质折射率相同或近乎相同。结果，光检测的折射率周期性分布是除了这两个具有相同折射率的光学介质之外的光学介质的分布图案。

另外，在其他外场条件下，使其他两个光学介质折射率相同。在这种情况下，在该光学元件中的光检测除了在该外场条件下这两个具有相同折射率的光学介质之外的光学介质的分布图案。

通过在所期望的晶体结构上反射该光在这些外场条件下所检测的分布图案，通过在这些外场条件之间切换，点阵点和周期的形状，两个明显不同的光子带结构能够被从一个切换至另一个。

本发明的光子晶体中可切换的波导，通过如上所述的相同原理，通过在该晶体结构中折射率周期不规律的部分之间切换而操作。

另外，本发明的光解复用器不依赖于外场条件的切换，而是依赖于入射光的频率(波长)，以改变光学介质的折射率。换句话说，该光子晶体和该波导是由能形成光子晶体光学介质的结合而组成，其中光所检测的作为折射率周期性无规则的部分根据该光的频率而改变，该光子晶体和该波导能作为光解复用器。

根据本发明的生产方法和生产设备，由于该光子晶体可以通过重复形成每一个斑点的步骤而制造，其中利用该晶体平移对称的优点通过移动该晶体微小距离，对于在一晶胞(unite cell)中的位置数目，每次折射率关于每一晶胞中相同位置改变，因此，可以很容易地进行操作，现有技术中实际上无法制造的在光波长范围内带有多个周期的三维光子晶体，现在使用本发明的生产方法和生产设备可以高准确性地以所期望的晶体结构被制造出来。

另外，根据本发明的生产方法和生产设备，通过改变外场，以及考虑到其中形成的光子晶体或光波导的折射率，光学介质结合按照受控输入光的频率变化，或者周期性出现具有不同于现有斑点折射率的新斑点，也就是说，在改变之后形成新的周期性结构，或者该周期性结构中的介质折射率周期比例发生改变，其中该光子晶体或该波导的响应能够被有源切换。另外，通过在其他位置根据该受控光的波长形成作为折射率周期性结构的一部分的斑点，能够制造一种光解复用器，其中光根据其波长进入支路中不同的波导。

附图说明

从以下的详细描述和优选实施方案的附图中，可以更充分地了解本发明。但是这些附图并不意味着将本发明限制在特定实施方案上，只是为了便于说明和理解。

图1表示根据本发明的方法在组成三维矩形系统结构的点阵点上形成的具有高光强度的斑点的透视图。

图2表示用于本发明实施例1的制造光学元件的设备的透视图。

图3表示本发明实施例1所制造的光子晶体结构的透视图。

图4表示举例示意说明在三个不同轴方向带有突出形式的折射率分布的情况。

图5表示在实施例2中使用的光聚合引发剂的化学结构。

图6表示用于本发明实施例4的制造光学元件的设备的透视图。

图7表示表示本发明实施例4所制造的光子晶体的透射光谱。

图8表示根据本发明通过在两个不同方向前进的行波干涉所形成的光强度一维周期性结构的方法。

图9表示在光子晶体中折射率分布的示意性说明。

图10表示在光子晶体中折射率分布的示意性说明。

图11表示在光子晶体中折射率分布的示意性说明。

图12表示通过切换外场条件而从氯化铯结构切换至体心立方结构。

图13表示光波导中的切换。

图14表示在能够根据外场条件切换入射光方向的光波导中的折射率的分布。

图15表示根据外场条件在光波导中切换光透射方向的状态。

图16表示根据在光子晶体中的光波导在光解复用器中的折射率分布的示意性说明。

图17表示光学介质折射率与外场条件之间的依赖关系的示意性说明。

图18表示在本发明实施例中用来作为光聚合催化剂的钌络合物的化学结构。

图19表示在制造本发明的光子晶体实施例的方法中在多孔石英的某些点上钌络合物的分布。可以清楚地看见，从最上层开始，每一层阴影处不同。

图20表示本发明的光子晶体实施例的结构。只显示了第一层。

图21表示图20的光子晶体的反射光谱。

图22表示在制造本发明的光子晶体中的光波导实施例的方法中，在某些点上含有染料的环氧树脂的排布。

图23表示本发明的光子晶体中的光波导实施例中的切换行为。

图24表示本发明的光子晶体中的光波导实施例中的波导的连接。

具体实施方式

以下参考附图描述本发明的实施方案。

首先，描述本发明制造光学元件的方法。

在本发明中，使用一种光学介质，通过仅对其进行光辐照，或者在光辐照之后将其放置在一边经过一段给定的时间，或者在光辐照之后对其进行热处理、电磁波(如光)辐照、微粒子辐照(例如电子束、α束或中子束)或化学处理，其折射率根据所施加的光强度而变化。相对于仅用光辐照而言，优选通过在光辐照之后进行上述的预定处理，引发该光学介质折射率变化。

该光学介质折射率的这种变化可以表达如下。也就是说，当将该光学介质在光辐照前最大折射率值与最小折射率值的比例定义为r(1)，该光学介质在光辐照后最大折射率值与最小折射率值的比例定义为r(2)，该光学介质在导致折射率变化的处理完成之后最大折射率值与最小折射率值的比例定义为r(3)，适合于本发明的光学介质优选满足如下条件：|r(3)-r(2)|大于|r(2)-r(1)|，并且在光辐照之后最大折射率值与最小折射率值超过|r(3)-r(2)|/2所需的时间大于光辐照所需的时间。

如同导致上述光学介质所使用的材料的折射率改变的机理一样，可以使用通过在可聚合单体的光聚合或其包括光化学反应和升温的结合的聚合方法中的化学变化而导致其折射率改变的机理，也可以使用通过用光照射对物质进行烧孔引起粒子迁移导致折射率改变的机理，或用光照射可光聚合化合物导致折射率变化的机理。另外，可以使用通过局部升温或加强光引起该光学介质的受光照射部分分子分解或改性导致光折射率改变的机理。

更简单地讲，将光聚合单体充满具有高空隙率的无机多孔材料以导致光聚合反应。随后只有该单体被洗脱并被除去以形成空隙时，由于该多孔材料空隙中存在的残余聚合物和空气，导致出现折射率的变化。或者将具有高折射率的材料填充到多孔材料中的已被除去单体的空隙中，由于该残余聚合物和该填充材料，导致出现折射率的变化。在这种情况下，在光辐照前的单体和光辐照产生的聚合物之间，折射率可能没有变化。

在本发明的方法中，提供一个其光强度在空间周期性变化的光场。这种光场可以通过使用驻波而产生，该驻波由在某一方向前进的激光束和通过反射镜对该激光束的反射而产生的沿相反方向前进的激光束之间的干涉而形成，或通过使用沿至少两个方向前进的行波之间的干涉图案而形成。

以下将描述使用激光束干涉产生在对应于三维立方点阵的点阵点处其光强特别高的光场。当将上述光学介质放置在这种光场中时，该光学介质中折射率发生变化的斑点能够被“烘焙”，成为在对应于三维立方点阵的点阵点处光强高的位置处的潜影。

本发明的方法注意到了三维立方点阵的点阵点具有平移对称性的事实，该方法特征在于通过移动该光学介质的位置与每一次“烘焙”的光波长大致相同的微小距离而多次重复上述“烘焙”。

也就是说，通过第一次“烘焙”步骤，对应于组成所期望的晶体结构的晶胞内的一个确定位置的斑点能够每次被“烘焙”，该晶体结构将在整个光学介质中形成。然后，该光学介质的位置将被轻微移动，以与该光学介质中光强度高的位置相匹配，移动至组成所期望的晶体结构的晶胞内的另一个地点，再一次进行“烘焙”。重复进行移动该光学介质和“烘焙”的步骤，直到对应于组成所期望的晶体结构的该晶胞内的每一个位置的每一个斑点被“烘焙”。然后，通过将该光学介质放置在旁边一段给定的时间以完成所“烘焙”的斑点的折射率的变化，或者通过预定处理例如光辐照导致出现所“烘焙”的斑点的折射率的变化，从而得到所期望的光子晶体结构。此处使用的“地点”一词用来表示对应于该晶胞内的每一个原子位置的位置。

如上所述，在本发明的方法中，通过使该晶体的平移对称性最大，对于“晶胞内的位置的数目”重复形成折射率变化的每一个斑点的步骤，该每一个斑点相应于在每一个晶胞内相同地点的原子。因此，无须象在传统方法中的那样对组成该晶体的“周期或原子的数目”重复该步骤。另外，在本发明的方法中，很容易的从一个“烘焙”地点移动至另一个“烘焙”地点，因为只需通过轻微移动该三维光学介质就可以实现这一点。

在理论上，通过驱动整个光学系统产生光强周期性变化的光场，也可以制造相同的光子晶体。但是，与驱动整个光学系统相比，采用本发明的方法可以更容易和更准确地制造该光子晶体，因为在本发明的方法中，该光学介质是被移动的。

以下，将对本发明光学元件的制造设备进行描述。本发明光学元件的制造设备包括一个光学系统，该系统产生一个其光强在空间中按照光波长数量级的周期改变的光场，还包括一个可移动的平台，该平台将其折射率根据所施加的光强度而变化的光学介质保持在光强周期性改变的该光场中，并能在光场中将该光学介质移动光波长数量级的微小距离。此处使用的“光波长数量级”一词用来表示从紫外光至红外光范围的约100nm至10μm的波长。

能产生其光强在空间中按照光波长数量级的周期改变的光场的光学系统将通过以激光束干涉为例的情况进行解释。

设想在空间中的坐标轴(x，y，z)空间，其频率为v_x，v_y和v_z的激光束分别沿着该x，y，z轴朝向原点辐照。经过该原点，在每一个轴的另一侧与该轴垂直放置一个反射镜以反射该激光束。对于每一个沿着每一个轴辐照的激光束，入射光束和其反射光束彼此相干涉，以在空间形成周期为C_a/(2v_x)，C_a/(2v_y)或C_a/(2v_z)的驻波。C_a是在介质(例如空气)中的光速。在这些驻波的圈内光强高，在其各自方向具有周期的三维驻波的圈彼此叠加之处的点被称为具有周期性高光强的点。

因此，如图1所示，具有高光强度的点P可以在三维矩形系统的点阵点上形成(如果v_x＝v_y＝v_z，是立方体系统，如果v_x，v_y和v_z中的任何两个相等，是正方体系统)。该v_x，v_y和v_z的值根据要形成的光子晶体的晶胞的大小而选择。这三束激光的方向和反射该激光的反射镜的取向根据要形成的光子晶体的晶体结构来确定，它们不需要彼此相互垂直。

在这种光场中在光学介质上进行“烘焙”。在这种“烘焙”中，希望只在光强度高的斑点处而不在其他斑点处发生“烘焙”。因此，该光学介质是理想的，在其上通过化学变化或由多光子吸收例如双光子吸收形成聚合物前体而发生“烘焙”，或者由一定阈值的光强度而发生“烘焙”。

通过这种“烘焙”，确定折射率的空间调制。如上所述，希望在曝光“烘焙”和折射率改变的实际发生之间有一个时间延迟。另外，如上所述，希望直到在通过“烘焙”形成潜影后进行预定处理例如热或光辐照处理之后，才出现折射率变化。这是因为当在光强度高的点阵点处立刻发生折射率变化，并且达到不能被忽略的程度时，会引起复杂的效应，使得在该光学介质上的光强度分布受到影响，并且该已调制的光强度分布促进了折射率变化，因此使其难以产生所期望的折射率分布。另一方面，当关于随后发生的折射率空间调制的信息被通过“烘焙”简单地写在该光学介质上，并且实际的折射率空间调制被设定为发生在“烘焙”之后时，不会出现领先的“烘焙”影响后继“烘焙”的情况。另外，希望该“烘焙”方法其自身不仅是通过光强度周期性改变的光场效应发生，还是通过与其他因素例如门(gate)光束的结合而发生。这是因为，如果当承担干涉的激光束照射在光学介质上时没有发生“烘焙”，可以在该产生干涉图案的激光束实际上照射在该光学介质上的同时，调整该光学介质的位置。希望通过例如在该光学介质的位置确定以后进行门光束照射而进行“烘焙”。

本发明的设备配备了一个可移动的平台，该平台在光强周期性变化的光场中保持光学介质，并能在该光场中将该光学介质移动光波长数量级的微小距离。通过使用这种可移动的平台，该光学介质被在周期性光强的空间固定场中移动微小距离，以在晶胞内的每一个地点进行“烘焙”。该微小距离范围是从大约光波长至其十分之一(至100nm)。通过采用压电元件驱动平台，可以非常准确地移动该光学介质。根据该光学介质被该可移动平台移动的方式，可以确定要形成的光子晶体的晶体结构。另外，当要形成其晶体结构的点阵点形状不规则的光子晶体时，可以通过改变所施加的光强度和辐照的时间，或者通过轻微移动该光学介质而在特定地点两次或三次进行“烘焙”，从而控制该晶体结构的形成。

当本发明的光学元件制造设备还包括光源和评估所形成的光学元件以检查光子带隙的形成的检测器时，它可以在检查该光子晶体性能的同时制造该光学元件。

以下将描述移动光学元件以形成该典型晶体结构的方式。

为形成体心立方点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v_x＝v_y＝v_z，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，a/2，a/2)的矢量以进行第二次“烘焙”，a＝c_v/(nv₁)(c_v是光在真空中的光速，n是该光学元件的折射率)。

为了形成面心立方点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁＝v₂＝v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，0，a/2)的矢量以进行第二次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(0，a/2，a/2)的矢量以进行第三次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，a/2，0)的矢量以进行第四次“烘焙”。除了第一次“烘焙”以外，其他“烘焙”在a＝c_v/(nv₁)条件下进行。

为了形成正方晶系体心点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁≠v₂＝v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质从该原点移动一个(a/2，b/2，b/2)的矢量以进行第二次“烘焙”，a＝c_v/(n v₁)，b＝c_v/(nv₂)。

为了形成矩形晶系底(base)心点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁≠v₂，v₂≠v₃，v₁≠v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反期镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，b/2，0)的矢量以进行第二次“烘焙”，a＝c_v/(nv₁)，b＝c_v/(nv₂)。

为了形成矩形晶系面心点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁≠v₂，v₂≠v₃，v₁≠v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，0，c/2)的矢量以进行第二次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(0，b/2，c/2)的矢量以进行第三次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，b/2，c/2)的矢量以进行第四次“烘焙”。除了第一步骤以外，其他“烘焙”在a＝c_v/(nv₁)，b＝c_v/(nv₂)和c＝c_v/(nv₃)条件下进行。

为了形成矩形晶系体心点阵，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁≠v₂，v₂≠v₃，v₁≠v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，b/2，c/2)的矢量以进行第二次“烘焙”，其中a＝c_v/(nv₁)，b＝c_v/(nv₂)，c＝c_v/(nv₃)。

为了形成六角晶系，朝向原点，频率为v₁的激光束沿着矢量(3^1/2a/2，-a/2，0)辐照，频率为v₂的激光束沿着y轴辐照，而频率为v₃的激光束沿着z轴辐照，这三个激光束的频率之间的关系为v₁＝v₂≠v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所垂直反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在矢量和这些轴相对于原点的另一侧。在这种状况下，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行“烘焙”，其中a＝c_v/(nv₁)。

为了形成三角晶系，朝向原点，激光束沿着三个彼此之间以相同角度延伸的矢量辐照，这三个激光束的频率之间的关系为v₁＝v₂＝v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所垂直反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在矢量和这些轴相对于原点的另一侧。在这种状况下，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行“烘焙”。

为了形成单斜晶系底心点阵，朝向原点，频率为v₂的激光束沿着y轴辐照，频率为v₃的激光束沿着z轴辐照，频率为v₁的激光束沿着矢量(α，0，β)辐照(α≠0，β≠0)，这三个激光束的频率之间的关系为v₁≠v₂，v₂≠v₃，v₁≠v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所垂直反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在矢量和这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，b/2，0)的矢量以进行第二次“烘焙”，其中a＝(α₂+β₂)_1/2c_v/(βnv₁)，b＝c_v/(nv₂)。

为了形成菱形结构，激光束分别朝向原点沿着该x，y，z中的每一个轴辐照，这些轴彼此正交，这三个激光束的频率之间的关系为v₁＝v＝v₃，通过这三个激光束和其被反射镜所反射的激光束之间的干涉形成驻波，该反射镜放置在这些轴相对于原点的另一侧。首先，将光学介质放置在原点(0，0，0)处，以进行第一次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，0，a/2)的矢量以进行第二次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(0，a/2，a/2)的矢量以进行第三次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/2，a/2，0)的矢量以进行第四次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/4，3a/4，a/4)的矢量以进行第五次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(3a/4，a/4，a/4)的矢量以进行第六次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(3a/4，3a/4，3a/4)的矢量以进行第七次“烘焙”。然后将该光学介质从该原点移动一个(a/4，a/4，3a/4)的矢量以进行第八次“烘焙”。除了第一步骤以外，其他“烘焙”在a＝c_v/(nv₁)的条件下进行。

当重复上述移动光学介质和进行“烘焙”的步骤以获得上述晶体结构时，可以对所有的位置进行光束的等量辐照。而且还可以获得与上述晶体结构不同的晶体结构，只需要改变通过变化光束强度或辐照光束的量而改变折射率变化的方式。例如，在形成菱形结构时，通过对第一至第四光束辐照和第五至第八光束辐照进行不同条件的设定，根据上述两个不同的条件，由一系列烘焙产生的地点的规模，所经受的折射率的变化和折射率变化的程度是不同的，因此能够形成闪锌矿(zincblende)结构。

尽管到目前为止所做的描述是关于形成具有三维周期性结构的光子晶体的，但是当然，本发明也同样可以用于形成具有二维或一维周期性结构的光子晶体。

以下将参照附图描述本发明的光学元件的制造方法和制造设备。

(实施例1)

以下描述的实施例其光子晶体具有使用图2所示的设备所形成的体心立方结构。该实施例中形成的光子晶体包括作为骨架的多孔石英中的固化环氧树脂，该环氧树脂的排布成为体心立方结构的点阵点，并具有由该多孔石英空隙中的固化环氧树脂和空气形成的折射率周期性结构。

作为该光子晶体骨架的多孔石英是通过溶胶-凝胶方法形成的。这种多孔石英的尺寸为1mm×1mm×1mm，空隙率不小于90％，平均空隙直径为30nm，折射率为1.015-1.055，接近空气的折射率。另外树脂溶液是通过向作为环氧树脂的Ceroxide2021(Diecel化学有限公司的产品)中添加作为光酸产生剂的1％的4-吗啉代-2，5-二丁氧基苯二叠氮氟硼酸盐而形成的。该多孔石英被浸泡在该树脂溶液中，以使该溶液充满该多孔石英。从光波长的观点看，这种具有高密度微小空隙和不低于90％的高空隙率的多孔石英等价于只由该树脂溶液组成的材料。

图2表示置于压电元件驱动平台11的样品夹持器11a上的多孔石英1.该平台可沿x，y和z轴方向移动如同光波长一样小的距离。三个毗邻的反射镜12x，12y和12z的放置方式为每一个反射镜都背对着该多孔石英的三个毗邻的表面中的一个。

光束以如下方式对该多孔石英1进行辐照。使用氩激光激励的钛蓝宝石激光器作为光源13产生波长为810nm的激光束。该激光束通过一个分束镜14a，并被反射镜15x反射朝x方向前进。然后沿x方向前进至射向该多孔石英1的入射光束和其来自于反射镜12x的反射光束彼此相干涉，以在该多孔石英1的位置形成驻波。被分束镜14a反射的激光束被反射镜15y反射，并通过一个分束镜14b向y方向前进。然后沿y方向前进至射向该多孔石英1的入射光束和其来自于反射镜12y的反射光束彼此相干涉，以在该多孔石英1的位置形成驻波。被分束镜14b反射的激光束被反射镜15yz和反射镜15z反射向z方向前进。然后沿z方向前进至射向该多孔石英1的入射光束和其来自于反射镜12z的反射光束彼此相干涉，以在该多孔石英1的位置形成驻波。

首先，将该多孔石英1置于上述驻波所产生的空间的原点处，如上所述进行第一光束辐照。然后该多孔石英1沿矢量(135nm，135nm，135nm)的方向移动，也就是从原点在x，y和z每一个轴方向移动135nm，在与第一辐照所使用的相同条件下的位置处在该多孔石英1上进行第二光束辐照。

该多孔石英1在60℃下加热5小时以固化环氧树脂斑点，在该固化环氧树脂斑点处进行三维“烘焙”。因此，该固化的环氧树脂斑点被保持在该多孔石英1的体心立方点阵的点阵点处，该体心立方点阵的点阵常数为270nm。此后，将该多孔石英用丙酮和甲醇洗涤以洗脱未固化的树脂和酸产生剂。

因此，如图3所示，形成了其中固化的环氧树脂2被按照该多孔石英1中的体心立方结构的形式排布的光子晶体。

另外，当检查这种固化的环氧树脂2的形状时，它的形状在三个不同的轴方向都有突出，如图4所示。该形状直接关系到折射率的分布。换句话说，该折射率分布不是各向同性的，而是具有低对称性的形状。结果，甚至当折射率分布是如同球形的各向同性时晶体结构中光带隙也不出现的情况下，如果它具有如图4所示的折射率分布，那么在该晶体结构中出现带隙。另外，与折射率分布是各向同性的情况相比，当折射率分布是如图4所示的各向异性时，可以获得该光带隙尺寸进一步增加的效果。

(实施例2)

以下将描述使用图2所示的设备形成具有菱形结构光子晶体的实施例。该实施例中形成的光子晶体包括丙烯酸树脂，该树脂的排布成为多孔石英中的菱形结构的点阵点。

使用如实施例1所用的具有相同标准和尺寸的多孔石英。另外，制备包括多官能团丙烯酸酯单体作为主要成分的可光聚合的感光树脂溶液，该多官能团丙烯酸酯单体中分散有超微细金颗粒(SartomerSR9008)，还包括含有10％的苯乙烯-丙烯腈(75∶25)共聚物的聚合粘合剂，以及约为0.1％的光聚合引发剂(化学结构如图5所示)。该多孔石英被浸泡在该树脂溶液中，以使该溶液充满该多孔石英。

在类似于图2所示的设备中，将该多孔石英1置于平台11的样品夹持器11a上的原点处。通过使用来自于作为光源13的氩离子激光激励的钛蓝宝石激光产生的波长为775nm的激光束泵浦的参数振荡器的波长为1548nm的激光，在x，y和z每一个轴方向形成驻波，以产生包括该多孔石英中的三维立方点阵的高光强度的斑点。在该三维立方点阵的点阵点处使用光酸引发剂进行双光子吸收以在该位置处聚合单体。然后，将该多孔石英从原点处移动(258nm，0nm，258nm)的矢量，并且再一次，单体在该三维立方点阵的点阵点通过激光束的辐照而聚合。然后，通过将该多孔石英从原点移动(0nm，258nm，258nm)、(258nm，258nm，0nm)、(129nm，388nm，129nm)、(388nm，129nm，129nm)、(388nm，388nm，388nm)、(129nm，129nm，388nm)的矢量，连续进行包括移动该多孔石英和用激光束辐照该移动后的多孔石英的聚合步骤，因此在该多孔石英中丙烯酸酯聚合物被排布和保持为菱形结构的形式。其后，使用丙酮洗涤该多孔石英以除去单体。因此，得到具有菱形结构的光子晶体。

在该实施例中，在通过光聚合聚合单体制造聚合物的时候，折射率几乎不变(该单体和该聚合物的折射率分别为1.41和1.49)。也就是说，该聚合步骤对应于“烘焙”。其后，通过除去单体的步骤出现折射率的空间调制，并且得到了光子晶体。

当通过移动该多孔石英的位置进行“烘焙”时，为了使先前的“烘焙”对折射率的改变影响最小，优选不仅通过使用在点阵点被干涉增强的光束双光子吸收而发生聚合，还优选结合使用具有第二波长的光进行随后的辐照，或结合使用因温度升高而开始聚合的单体，或结合使用单体和敏化剂、敏化剂前体、自由基产生剂等的混合物。

(实施例3)

以下将描述的实施例中，将描述具有面心立方结构或具有与使用图2所示的设备所形成的相类似的晶体结构的光子晶体。

将多孔石英浸泡在与实施例2中使用的相同的感光树脂溶液。如同实施例2中的情况，该多孔石英1置于平台11的样品夹持器11a上的原点处。通过使用来自于由光源13的氩离子激光激励的钛蓝宝石激光产生的波长为775nm的激光束泵浦的参数振荡器的波长为1548nm的激光，在x，y和z每一个轴方向形成驻波，以产生包括该多孔石英中的三维立方点阵的高光强度的斑点。在该三维立方点阵的点阵点处使用光酸引发剂进行双光子吸收以在该位置处聚合单体。然后，将该多孔石英从原点处移动(258nm，0nm，258nm)的矢量，并且再一次，单体在该三维立方点阵的点阵点通过激光束的辐照而聚合。然后，通过将该多孔石英从原点移动(0nm，258nm，258nm)、(258nm，258nm，0nm)的矢量，连续进行包括移动该多孔石英和用激光束辐照该移动后的多孔石英的聚合步骤，因此在该多孔石英中丙烯酸酯聚合物被排布和保持为面心立方结构的形式。其后，使用丙酮洗涤该多孔石英以除去单体。因此，得到具有面心立方结构的光子晶体(实施例3A)。

同时，将另一个多孔石英浸泡在上述相同的感光树脂溶液中。然后按照上述相同的方式在该面心立方结构的点阵点上进行“烘焙”，因此，在该多孔石英中丙烯酸酯聚合物被排布和保持为面心立方结构的形式。然后在该多孔石英上再进行如下四个步骤。也就是，通过将该多孔石英从原点移动(22nm，22nm，0nm)、(280nm，22nm，250nm)、(22nm，280nm，258nm)、(280nm，280nm，0nm)的矢量，连续进行包括移动该多孔石英和用激光束辐照该移动后的多孔石英的聚合步骤，因此使丙烯酸酯聚合物被保持在该多孔石英中。顺便提及，在进行这些附加步骤中，辐照的激光束的强度低于在形成该面心立方结构中使用的激光束强度。其后，使用丙酮洗涤该多孔石英以除去单体。因此，得到具有折射率三维周期性结构的光子晶体(实施例3B)。

实施例3B的光子晶体的结构中“雪人形状”的聚合物斑点包括临近大聚合物球的小聚合物球，该聚合物在该面心立方结构的点阵点处形成。

在实施例3B中，在形成该面心立方结构的步骤之后进行的上述附加步骤制得的小聚合物球被近距离地检查。结果，已经发现，通过单次激光辐照和对应于点阵常数为270nm的简单立方点阵的点阵点形成的聚合物球的形状不是确切的球形，但是属于同一组的聚合物球其尺寸和形状一样。

因此，在本发明的方法中，在空间由干涉图案产生的特别高光强度的斑点(点阵点)的形状即使是当它们不是球形时也是相同的。即使在因为未曾预料的原因形成不规则形状的点阵点的情况下，这一点也是真实的，并且形成其形状确实一致的点阵点。

顺便提及，实施例3B中的光子晶体与实施例3A中具有面心立方点阵结构的光子晶体相比，其对称性低，因为前者包括在面心立方点阵结构的点阵点处形成的大聚合物球体，以及在从该大聚合物球体位置处轻微移动的位置处形成的小聚合物球体。因此，在实施例3B的光子晶体中，在实施例3A的光子晶体中没有发生带隙的方向上发生了带隙。

(实施例4)

图6表示本发明的另一个光学元件制造设备。图6所示的设备除图2所示的设备结构以外，还包括辐照具有第二波长的光的第二光源16，测量平台上的光学介质透射光谱的光源和分光镜21，光检测器23。

将由该设备制造的光学介质所经受的折射率变化不仅是由依赖于光干涉图案的“烘焙”而产生的，也是由从该第二光源16的具有第二波长的光的辐照而产生的。

使用该设备，在按照实施例1至3中相同的方式进行了相应于所期望的晶体结构的烘焙之后，该第二光源16的具有第二波长的光被反射镜17反射，并辐照至在该多孔石英中充满的光学介质，以导致折射率的变化，因此形成光子晶体。其后，将该光学介质用来自于光源和分光镜21的光辐照，以通过其尖端具有聚焦透镜的光纤22测量透射光谱，其波长被包括在单元21的分光镜扫描，所透射的光束被光检测器23检测，并被该光子晶体的透射光谱所测量，如图7所示。

如图7所示，观察到在1000nm的波长附近在所制造光子晶体中形成光子带隙。因此，图6所示的设备在评估其性能的同时能够制造光子晶体。

在上述实施例中已经描述了使用图2或图6中的设备制造三维光子晶体结构。或者如图8所示，可以使用沿不同方向前进的行波之间的干涉，以制造光强周期性变化的光场。如图8所示，当两束频率为V的光以θ角相交时，该两束光相交的高光强度的区域(如图8中点划线所示)具有周期为C_Q/{2Vsin(θ/2)}的一维周期性结构。当使用沿三个不同方向前进的光束时，能够得到二维六方晶系。

到目前为止，参考实施例1至4描述了制造本发明的光学元件的制造方法和制造设备。

下面，将描述光学元件和光解复用器，对于它们来讲，不仅可以通过上述方法和设备得到光子晶体，也可以采用其他方法和设备。

光子晶体是这样一种介质，其折射率在空间中以光波长数量级显示了周期性变化，并显示了唯一的光学性质。这是因为光在这种结构中检测了折射率的周期性，并显示了带结构。如同在半导体中在电能中的带隙一样，可以在光子带结构中形成光子带隙，该带隙是阻挡透射光的频率带。由该光子带结构和光子带隙，可以实现在一个限制的空间内包住高度波长分散性和各向异性以及带有急剧弯曲角度的波导。

该带结构由折射率的空间分布而确定。特别是，确定该光子晶体对入射光的响应的入射光波长范围(频率范围)内的带结构，由该入射光波长范围内的折射率分布确定。

在本发明中，使用至少两种光学介质以制造光子晶体。该每一种光学介质被周期性排布。“光学介质”一词此处用来表示在真空或空气，空间例如真空空间，气体，液体等中结构绝缘三维周期性结构的情况下的空气。另外，在以下描述中，当外场条件是A时，第i个光学介质对频率为V的光的折射率可以表达为n_i(V，A)。“外场条件”一词用来表示施加在该光子晶体上的电场、磁场或压力条件，辐照在该光子晶体上的光的强度、波长、极化方向等条件，或该光子晶体的温度。

首先，在该外场条件A₁，考虑组成该光子晶体的N种光学介质的折射率彼此不同的情况。

图9是一种示意性情况，其中三种类型光学介质的折射率彼此不同。也就是说，图9表示包括第一光学介质1的结构，在该第一光学介质中周期性排布第二光学介质2和第三光学介质3。另外，该第一至第三折射率，也就是该第一、第二和第三光学介质彼此不同。该条件可以用如下表达式表达：

n_i(v₁，A₁)≠n_j(v₁，A₁)  (i≠j)

其中n_i表示第j光学介质的折射率。在这种情况下，在入射光频率v₁附近的带结构由被(N-1)种类型光学介质的空间分布确定的折射率周期性结构和所有N类型光学介质的折射率共同确定。图9表示N＝3的情况。

然后将该外场条件切换至A₂，使N种类型光学介质之外(out of)的两种光学介质的折射率相等。

图10是这种条件的示意性说明。例如，当选择第k和第l光学介质(k＜l)作为两种具有相同折射率的光学介质时，该条件可以用如下表达式表达：

n_k(v₁，A₂)＝n_l(v₁，A₂)

这表示在频率为v₁的入射光中，通过将该外场条件切换至A₂，第k和第l光学介质的折射率变得相等。在这种条件下，由第l至第(k-1)光学介质，第k和第l光学介质、第(k+1)至第(l-1)光学介质和第(l+1)至第N光学介质的空间分布的结合以及这些介质的折射率确定该带结构。但是，由于(N-1)种光学介质空间分布的确定随后确定了剩余的一种光学介质的空间分布，最后，由(N-1)种光学介质(第k和第l光学介质一起被视为一种光学介质)之外的(N-2)种光学介质的空间分布以及(N-1)种光学介质的折射率值确定该带结构，该(N-1)种光学介质在频率为v₁具有(N-1)种不同的折射率。图10所示的这种情况N＝3。

然后如图11所示，通过将该外场条件切换至A₃，使一对不是第k和第l光学介质的的光学介质，即第m和第n光学介质(m＜n)在频率为v₁具有相同折射率。换句话说，满足以下表达式：

n_m(v₁，A₃)＝n_n(v₁，A₃)

该第m和第n光学介质彼此相接触。在这种条件下，由第l至第(m-1)光学介质，第m和第n光学介质、第(m+1)至第(n-1)光学介质、第(n+1)至第N光学介质的空间分布的结合以及这些介质的折射率确定该带结构。如图11所示。

如图9至11所示，通过在外场条件A₁、A₂和A₃之间切换，也就是在A₁和A₂、A₂和A₃或A₁和A₃之间切换，确定该带结构的折射率分布的空间排布图案能够被切换。结果，与只有折射率值被改变的情况相比，在该光子晶体带结构中对入射光能够引起更大的变化。

尽管在上面的描述中已经假设，在条件A₂和A₃下折射率相等的光学介质彼此相接触，但是即使当它们彼此不接触时，该空间分布图案也能够被改变。这一点通过以下说明为例。

图12表示的光子晶体包括第一、第二和第三光学介质，是外场条件从A₁切换至A₂的示例性说明。在这种情况下，在该第一光学介质1中，第二光学介质2和第三光学介质3中的每一个形成一个简单的立方点阵，这些点阵的周期是恒定的，其点阵点具有相同的形状。当第二和第三光学介质的基础周期矢量由a，b和c来表达时，对于矢量(a/2，b/2，c/2)，该第二光学介质的点阵点从第三光学介质的点阵点中导出。当将这种光学介质放在A₁时，第二光学介质和第三光学介质折射率不相同。结果，该晶体结构的形式为图12(a)所示的“氯化铯型结构”。

然后，当第二光学介质和第三光学介质对于入射光不再表现出不同，该晶体结构变为等于如图12(b)所示的“体心立方点阵结构”。因此，通过在条件A₁和条件A₂之间切换，该光子晶体的晶体结构相对于入射光而变化。

然后参考图13，考虑包括至少三种光学介质作为组分的结构。该三种光学介质定义为该第一光学介质1、第二光学介质2和第三光学介质3，对于受控光的频率v₁其折射率满足以下关系：

n₁(v₁，A₁)≠n₂(v₁，A₁)

n₂(v₁，A₁)≠n₃(v₁，A₁)

在该第一介质中，由该第二介质形成三维周期性结构。在这种情况下，希望由该周期性结构形成的光子晶体对于在入射光频率v₁的宽范围方向打开带隙，特别希望形成菱形结构，在所有方向上打开该带隙。

当组成该周期性结构的某些第二介质如图13(a)所示被一维连续第三光学介质代替时，光在该一维连续斑点中被捕获，导致该光子晶体周期性的无规律性，光在任何方向上都不能透过，除了这些斑点连续排布的方向，最后，被该第三物质代替的斑点到光波导的作用。

然后，该外场条件被切换为A₂。在这种条件下，该光学介质的折射率满足以下表达式表达的关系。

n₁(v₁，A₂)≠n₂(v₁，A₂)

n₂(v₁，A₂)＝n₃(v₁，A₂)

在这种情况下，第二光学介质和第三光学介质对于频率v₁的入射光表现出相同，该光子晶体周期性的无规律性消失。换句话说，如图13(b)所示该光波导消失。因此，通过在条件A₁和条件A₂之间切换，该波导的功能可以被开/关。

然后参考图14，考虑包括至少四种光学介质作为组分的结构。该四种光学介质定义为该第一光学介质1、第二光学介质2、第三光学介质3和第四光学介质4，在条件A₁，对于受控光的频率v₁其折射率分别表示为n₁(v₁，A₁)、n₂(v₁，A₁)、n₃(v₁，A₁)和n₄(v₁，A₁)。另外，这些折射率满足以下表达式所表达的关系：

n₁(v₁，A₁)≠n₂(v₁，A₁)

n₂(v₁，A₁)≠n₃(v₁，A₁)

n₂(v₁，A₁)≠n₄(v₁，A₁)

在这一点上，如图14所示，假设在该第一介质由第二介质形成三维周期性结构。也是在这种情况下，希望由该周期性结构形成的光子晶体对于在入射光频率v₁的宽范围方向打开带隙，特别希望形成菱形结构，在所有方向上打开带隙。如图14所示，当具有该周期性结构的某些第二介质被一维连续第三光学介质代替时，导致该光子晶体周期无规律性的一维连续斑点起波导的作用，如同参考图13所描述的情况。也就是，试图在除了该第三介质连续排布的方向之外的方向上透过的光束被在那里捕获，以作为光波导。该波导将被称为“第一波导G1”。

另外，如图14所示，当该第二光学介质的其它点被一维连续第四光学介质代替时，这些斑点也作为波导。该波导将被称为“第二波导G2”。

另外，如图14所示，当在其它斑点处形成导致该光子晶体周期无规律性的一维连续斑点时，这些斑点也作为波导。这些斑点将被称为“第三波导G3”。这三个波导连接在一起以形成具有支路的波导。

图15示意性地表示了如此形成的光学元件的行为。

首先，如图15(a)所示，在该外场条件A₁，第一、第二和第三波导都作为入射光的波导。因此，从该第三波导G3的左端输入的光被分流到第一波导G1和第二波导G2中。

然后，该光学元件的条件被切换至图15(b)所示的条件。也就是说，外场条件A₁被切换为外场条件A₂，其中折射率满足以下表达式所表达的关系：

n₁(v₁，A₂)≠n₂(v₁，A₂)

n₂(v₁，A₂)≠n₃(v₁，A₂)

n₂(v₁，A₂)＝n₄(v₁，A₂)

在这种情况下，由于n₂(v₁，A₂)＝n₄(v₁，A₂)，作为第二波导G2的斑点不再是具有无规律周期性的斑点，并且不再作为波导。换句话说，在外场条件A₂下，从第三波导G3透过的光前进进入第一波导G1，同时它不前进进入第二波导G2。

然后，该光学元件的条件被切换至图15(c)所示的条件。也就是说，外场条件A₂被切换为外场条件A₃，其中折射率满足以下表达式所表达的关系：

n₁(v₁，A₃)≠n₂(v₁，A₃)

n₂(v₁，A₃)＝n₃(v₁，A₃)

n₂(v₁，A₃)≠n₄(v₁，A₃)

在这种情况下，由于n₂(v₁，A₃)＝n₃(v₁，A₃)，作为第一波导G1的斑点不再作为波导。换句话说，在外场条件A₃下，从第三波导G3透过的光不前进进入第一波导G1，同时它前进进入第二波导G2。

如上所述，通过在A₁、A₂和A₃条件中切换，从该光波导透过的光的分流可以被切换。

然后参考图16，描述光解复用器的操作原理，其中，根据光波长，放置在该波导内的支路的行为不同。

如同图14所示的波导的情况，考虑包括至少四种光学介质作为组分的结构。该四种光学介质定义为该第一光学介质、第二光学介质、第三光学介质和第四光学介质，在条件A₁，对于受控光的频率v₁和v₂，其折射率分别表示为n₁(v₁，A₁)、n₂(v₁，A₁)、n₃(v₁，A₁)和n₄(v₁，A₁)，以及n₁(v₂，A₁)、n₂(v₂，A₁)、n₃(v₂，A₁)和n₄(v₂，A₁)。

另外，这些折射率满足以下表达式所表述的关系：

n₁(v₁，A₁)≠n₂(v₁，A₁)

n₂(v₁，A₁)≠n₃(v₁，A₁)

n₂(v₁，A₁)＝n₄(v₁，A₁)

n₁(v₂，A₁)≠n₂(v₂，A₁)

n₂(v₂，A₁)＝n₃(v₂，A₁)

n₂(v₂，A₁)≠n₄(v₂，A₁)

图16(a)和图16(b)示意性表示了一种光学元件，该元件具有由这些光学介质形成的波导，其中有支路。也就是，首先在该第一介质由第二介质形成三维周期性结构。也是在这种情况下，希望由该周期性结构形成的光子晶体对于在入射光频率v₁和v₂的宽范围方向打开带隙，特别希望形成菱形结构，在所有方向上打开带隙。

如图16(a)所示，具有该周期性结构的某些第二介质被一维连续第三光学介质代替。在这种情况下，由于n₂(v₁，A₁)≠n₃(v₁，A₁)，故对于频率为v₁的光，这些斑点是光子晶体周期不规律的斑点。这些斑点捕获试图在除了该第三介质连续排布的方向之外的方向上透过的频率为v₁的光束，并作为光波导。但是，对于频率为v₂的光，由于n₂(v₂，A₁)＝n₃(v₂，A₁)，故这些斑点不是光子晶体周期不规律的斑点，不作为光波导。这些斑点将被称为“第一波导G1”。

另外，如图16(a)所示，当该第二光学介质的其它部分被一维连续第四光学介质代替时，由于n₂(v₁，A₁)＝n₄(v₁，A₁)，故对于频率为v₁的光，这些斑点不是光子晶体周期不规律的斑点，不作为光波导。但是，对于频率为v₂的光，由于n₂(v₂，A₁)≠n₄(v₂，A₁)，故这些斑点是光子晶体周期不规律的斑点，并作为光波导。这些斑点将被称为“第二波导G2”。

另外，如图16(a)所示，对于频率为v₁的光和频率为v₂的光，显示无规律周期性的一维连续斑点在其它斑点处形成，被称为“第三波导G3”。该第一波导G1和第二波导G2与该第三波导G3相连。

如图16(b)所示，当频率为v₁的光和频率为v₂的光从该第三波导G3的左端输入这些波导时，频率为v₁的光前进进入第一波导G1，而不前进进入在支路的第二波导G2。另一方面，频率为v₂的光不前进进入第一波导G1，而前进进入第二波导G2。因此从该第三波导G3透过的频率为v₁的光和频率为v₂的光被根据其频率(波长)，分别分流至第一波导G1和第二波导G2内。

在上面参考图13-16对具有上述波导的光学元件的描述中，描述了在三维光子晶体中形成的一维波导。但是本发明不限于三维光子晶体。也就是说，它绝对可以被等同地施加于利用在周期性结构中的一维无规律性的优点在具有二维周期性结构的光子晶体中形成的波导。

另外，参考图9-16所描述的该光子带动态切换和在波导中的切换，不是利用通过外场只在折射率上变化的优点而实现的，而是利用了以下事实的优点而实现的，即，可以使组成光子晶体或组成包括该光子晶体的光学元件的光学介质之外的两种光学介质的折射率在一定波长内相等或近乎相等，这一点是通过利用介质折射率对外场的变化的依赖关系而施加外场来实现的。

图17举例说明了三种介质折射率对于外场的依赖关系。可以使用电场、磁场、光、压力、温度等作为该外场。以下枚举了这些外场的代表类型和代表机理，这些外场的施加引起了折射率的变化，导致本发明的光子带结构的切换。

作为电场，可以使用(a)Stark频移、(b)Franz-Keldish效应、(c)Pockels效应、(d)Kerr效应和(e)通过改变取向而改变折射率(对极化特别有效)。

作为磁场，可以使用(a)由磁场导致的与能级分裂相关的共振能量的频移引起的折射率变化，和(b)Cotton-Mouton效应。

作为光，可以使用(a)光Stark效应、(b)由光激励引起的与粒子迁移相关的折射率改变(吸收饱和)、(c)通过光辐照由量子干涉引起的折射率改变(电磁诱导的透明)、(d)由光致异构引起的折射率变化、(e)由光辐照导致的结构变化引起的折射率变化和(f)由光电离导致的折射率变化。

作为压力，可以使用(a)压电反射效应。

作为温度，可以使用(a)由温度变化引起的与电子结构中带移相关的折射率变化、(b)由温度变化引起的与异构相关的折射率变化、(c)由温度变化引起的与结构变化相关的折射率变化。

另外，上述外场中的任何两种或多种可以被结合使用，以有效引起折射率的变化。另外，在本发明中，当该光子晶体是由其折射率对于作为受控光的特定偏振光的变化是由上述相同的机理导致的材料形成的时候，对于该特定偏振光，光子带结构的动态切换、波导的切换，以及波分流是可能的。

以下将参考附图对本发明实施例5-8的光学元件和光解复用器进行描述。

(实施例5)

为了制造本发明的光学元件，制备形成光子晶体骨架的多孔石英(SiO2)。该多孔石英的尺寸为1mm×1mm×1mm，空隙率不小于90％，平均空隙直径为30nm，折射率为1.015-1.055，接近空气的折射率。

将该多孔石英浸泡在钌络合物的乙醇溶液中，以使该多孔石英被钌络合物充满。

图18表示该钌络合物的结构式。当该多孔石英在乙醇溶液中浸泡1小时后，将其进行热处理和回流，以使该钌络合物被多孔石英的内壁吸收。其后用乙醇洗涤该多孔石英以洗脱未吸收的钌络合物。

然后，来自于Q-开关的YAG激光器的具有第四谐波(波长为266nm)的激光束被透镜聚光为直径约300nm的光斑，并照射到经过上述处理的多孔石英上。在照射中，通过压电元件驱动系统控制反射镜，以将该激光束聚焦在该多孔石英内部，并连续改变所聚焦的点以在每一个聚焦点形成三维图案。在该焦点处，该钌络合物被高强度紫外辐照所分解。形成该图案使得未分解的残留钌络合物形成面心立方点阵，该点阵常数为700nm。

图19示意性说明了该钌络合物在多孔石英中的分布。如图19所示，形成该钌络合物以形成面心立方点阵。另外，如图19所示，形成该面心立方点阵，使得在面心立方点阵的点阵点处未被强紫外光照射的斑点具有橄榄球形，其长直径为350nm，其短直径为300nm。另外，该长直径轴指向最近的点阵点。通过形成这种面心立方点阵，未分解的钌络合物只在该形成面心立方点阵的橄榄球形斑点处保留。为了除去在多孔石英中的钌络合物的分解产物，使用乙醇和甲醇进行洗脱。

然后，将该多孔石英浸泡在一种溶液中以用该溶液充满多孔石英，该树脂溶液是通过向作为环氧树脂的Ceroxide2021(商品名，Diecel化学有限公司的产品)中添加作为光酸产生剂的1％的4-吗啉代-2，5-二丁氧基苯二叠氮氟硼酸盐而形成的。

其后，用准分子激光激励染料激光器产生出波长为407nm的激光。通过使用与用波长为266nm的激光形成图案中所使用设备同样的设备，将焦点设定在充满环氧树脂的多孔石英内，连续改变该焦点，以对形成点阵常数为1.4μm的斑点辐照波长为407nm的强光束。另外，在其点阵点处，被波长为407nm的强光束照射的斑点被形成橄榄球形，其长直径为450nm，其短直径为400nm，该长直径轴指向最近的点阵点。

通过使用在该多孔石英中形成的标记定位，使用波长为407nm的光束形成图案，在形成该图案的位置，所得到的图案的中心与由波长为266nm的光束形成的图案的中心不相符合。然后将该多孔石英在60℃下加热5小时。通过形成这种面心立方点阵，环氧树脂固化处的斑点只在形成点阵常数为1.4μm的面心立方点阵的橄榄球形斑点处形成。其后，用丙酮和甲醇洗涤该多孔石英，以除去未固化的树脂和酸产生剂。

然后，将经过如此处理的多孔石英浸泡在含有10％染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，IR26)的甲基丙烯酸甲酯中，以用该甲基丙烯酸甲酯充满多孔石英。其后，当用准分子激光激发染料激光器产生的波长为500nm的激光照射整个多孔石英时，只有在该多孔石英中已经附着了钌络合物的斑点处充满的甲基丙烯酸甲酯会由于钌络合物的催化反应而聚合。光聚合之后，用丙酮洗涤该多孔石英，以洗脱未聚合的甲基丙烯酸甲酯。结果，在形成点阵常数为700nm的面心立方点阵的斑点处形成橄榄球形的聚甲基丙烯酸甲酯。

然后，通过使用乙醇溶液，使该钌络合物粘附在该多孔石英中既未被环氧树脂也没有被聚甲基丙烯酸甲酯占据的斑点处，未吸收的钌络合物通过洗涤被除去，将该多孔石英浸泡在含有2％染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，IR26)的甲基丙烯酸甲酯中，以用该甲基丙烯酸甲酯充满多孔石英。然后，通过用波长为500nm的激光照射使该甲基丙烯酸甲酯聚合。

图20示意性地表示了如此形成的光子晶体的结构。如图20所示，该实施例的光子晶体包括作为模板的含有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1，该模板1包括点阵常数为700nm的面心立方点阵2，该点阵2由含有10％染料的橄榄球形的聚甲基丙烯酸甲酯形成，以及包括点阵常数为1.4μm的面心立方点阵3，它由环氧树脂形成。

当测量该光子晶体靠近1000nm波长的红外反射光谱时，恰好在1000nm附近出现大反射峰。这是因为其中分散有10％染料的聚甲基丙烯酸甲酯2和其中分散有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1之间的折射率差值大于其中分散有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1和环氧树脂3之间的折射率差值，主要通过其中分散有10％染料的聚甲基丙烯酸甲酯2的空间图案形成光子带隙，该聚甲基丙烯酸甲酯2排布的形式为点阵常数为700nm的面心立方点阵。假设这导致在1000nm附近出现了折射率特别高的区。

同时，通过对该光子晶体辐照波长为1100nm的红外光，再一次测量该光子晶体在1000nm附近的反射光谱。

图21表示当用波长为1100nm的红外光辐照/不辐照时在1000nm附近的反射光谱。从图21可以理解，当用波长为1100nm的红外光照射时，在1000nm附近看见的大反射峰消失。假定这是因为波长为1100nm的红外光的辐照导致了分散有染料的斑点的吸收饱和，并且其中分散有10％染料的聚甲基丙烯酸甲酯2和其中分散有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1之间的折射率差值变小。

另外，由于在这种条件下，在1000nm波长范围附近，其中分散有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1和环氧树脂3之间的折射率差值大于其中分散有10％染料的聚甲基丙烯酸甲酯2和其中分散有2％染料的聚甲基丙烯酸甲酯1之间的折射率差值，假定由形成点阵常数为1.4μm的面心立方点阵的环氧树脂3的分布图案形成该光子带。实际上，在近红外区2000nm附近观察到了反射峰，假定它有助于由环氧树脂3的分布图案形成该光子带。

如上特别描述，通过从光学介质1、2和3形成该光子晶体，通过光辐照对特定波长形成光子带的斑点的空间图案能够被切换，并且光学响应能够被显著地改变。

无须说明，实施例1-4的方法和设备可以被用在该实施例中。

(实施例6)

将其标准和尺寸与实施例5中所用的相同的多孔石英浸泡在一种溶液中以用该溶液充满多孔石英，该树脂溶液是通过向作为环氧树脂的Ceroxide2021(商品名，Diecel化学有限公司的产品)中添加作为光酸产生剂的1％的4-吗啉代-2，5-二丁氧基苯二叠氮氟硼酸盐而形成的。其后，用准分子激光激励染料激光器产生出波长为407nm的激光。通过使用与在实施例5形成图案中所使用设备同样的设备，将焦点设定在充满环氧树脂的多孔石英内，连续改变该焦点，以对形成点阵常数为1.4μm的斑点辐照波长为407nm的强光束。另外，在其点阵点处，由波长为407nm的强光束照射的斑点被形成橄榄球形，其长直径为450nm，其短直径为400nm，该长直径轴指向最近的点阵点。在该多孔石英内形成至少10层点阵点后，将该多孔石英在60℃加热5小时。其后，用丙酮和甲醇洗涤该多孔石英，以除去未固化的树脂和酸产生剂。

然后，将经过如此处理的多孔石英浸泡在含有10％染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，IR26)和1％的4-吗啉代-2，5-二丁氧基苯二叠氮氟硼酸盐的环氧树脂Ceroxide2021(商品名，Diecel化学有限公司的产品)中，以用该含有染料的环氧树脂充满多孔石英。其后，通过使用在该多孔石英中形成的标记精确定位，使用波长为407nm的激光束辐照将该样品再一次设定在该形成图案的设备中，该激光束对对应于前面形成的该面心立方点阵顶层上的一维连续点阵点的斑点进行照射，其方式与该顶层一致，从而导致用波长为407nm的光束辐照的斑点具有橄榄球形，其长直径为450nm，其短直径为400nm，该长直径轴方向与形成下面的面心立方点阵的点阵点的长轴方向相一致。

图22示意性的表示了如此形成的结构。如图22所示，用含有染料的环氧树脂形成图案处的斑点22在无染料环氧树脂的层21上一维形成。

当形成这种含有染料的点阵点22以占据一行之后，将该多孔石英再一次在60℃加热5小时。其后，用丙酮和甲醇洗涤该多孔石英，以除去未固化的树脂和酸产生剂。

然后，将经过如此处理的多孔石英浸泡在含有1％的4-吗啉代-2，5-二丁氧基苯二叠氮氟硼酸盐的环氧树脂Ceroxide2021(商品名，Diecel化学有限公司的产品)中，以用该环氧树脂充满多孔石英。

其后，通过使用在该多孔石英中形成的标记精确定位，使用波长为407nm的激光束辐照将该样品再一次设定在该形成图案的设备中，形成面心立方点阵的10层或多于10层的点阵点在含有染料的环氧树脂22的行上通过在移动焦点的同时连续用该光束照射而形成，其方式与前面形成的面心立方点阵21和其上形成的环氧树脂22的行相一致。在该层的形成过程中，导致用波长为407nm的强光束照射的斑点具有橄榄球形，其长直径为450nm，其短直径为400nm，该长直径轴方向与组成下面的面心立方点阵的点阵点的长轴方向相一致。

然后，将该多孔石英再一次在60℃加热5小时。其后，用丙酮和甲醇洗涤该多孔石英，以除去未固化的树脂和酸产生剂。

图23示意性的表示了在如此获得的光子晶体中的波导功能的评估方法。

首先，如图23(a)所示，刮该多孔石英，其方式使得光子晶体PC中的一维连续含有染料的环氧树脂的端部将会曝露出来，光纤F1和F2分别与其每一个端部相连。当波长为1000nm的激光束输入该光纤F1时，可以观察到，其强度等于该入射光强度90％的光束从位于该光子晶体PC另一端的光纤F2输出。也就是，它证实了该一维连续含有染料的环氧树脂是该光子晶体PC中周期不规律的斑点，并能作为光波导G。

然后，如图23(b)所示，当波长为1100nm的激光束L在其强度逐渐改变的同时照射该光子晶体PC时，当该激光束L的强度达到一定程度时，从光纤F2输出的光束强度变为0。假定这是因为由该含有染料的环氧树脂形成的点阵点的折射率被该光束的照射改变，因此这些点阵点和无染料的点阵点之间的折射率差值被清除(cleared)，结果该一维连续含有染料的环氧树脂变得不能作为光波导G。

如上特别描述，根据该实施例，通过辐照波长为1100nm的激光束，形成了具有切换功能的光波导。

(实施例7)

使用其标准和尺寸与实施例6中相同的多孔石英和与实施例6相同的形成图案的方法，制造具有在光子晶体上形成的波导的光学元件。

图24示意性的表示了该实施例中形成的光子晶体PC的结构。在实施例中，作为周期性不规律的斑点，形成了包括由含有10％的吸收峰在1100nm附近的染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，IR26)的环氧树脂形成的点阵点的波导(此处用“波导G1”表示)，形成了由含有吸收峰在850nm附近的染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，IR132)的环氧树脂形成的波导(此处用“波导G2”表示)，以及形成了包括一维连续点的波导(此处用“波导G3”表示)，在该点处，点阵点被推测是由环氧树脂形成的，而不是故意形成的。将这些波导如图24所示在该光子晶体中彼此连接。

在这三种波导G1至G3中，被光纤引导的波长为1000nm的激光束被输入波导G3的左端。此时用波长为850nm的激光照射整个光子晶体PC。当测量从波导G1和G2的端部输出的光束时，发现至少80％的输入激光从波导G1中输出。假定这有助于以下的机理。

也就是说，在这种条件下，1000nm输入激光的波长位于关于波导G1的1100nm吸收峰波长的更高能量侧，并存在于其折射率比只使用环氧树脂时的折射率低的空间区内。同时，关于波导G2，1000nm输入激光的波长存在于这样一个空间区内，其中在850nm的吸收峰波长的更低能量侧的折射率更高。但是，由于波导G2被波长为850nm的激光束高度激励，以及吸收饱和，使得该折射率接近只使用环氧树脂时的折射率，该输入光束难以识别该波导G2作为折射率周期性不规律的一部分。因此，实际作为波导的只有波导G1，它被输入光束识别作为折射率周期性不规律的一部分。

然后，用波长为1100nm的激光束代替波长为850nm的激光束照射整个光子晶体PC。当在这种条件下测量从波导G1和波导G2的端部输出的波长为1000nm的光束时，发现至少80％的输入激光从波导G2中输出。假定这有助于以下的机理。

也就是说，在这种条件下，1000nm输入激光的波长位于关于波导G2的850nm吸收峰波长的更低能量侧，并存在于其折射率比只使用环氧树脂时的折射率高的空间区内。同时，关于波导G1，1000nm输入激光的波长存在于这样一个空间区内，其中在1100nm的吸收峰波长的更高能量侧的折射率更低。但是，由于波导G1被波长为1100nm的激光束高度激励，以及吸收饱和，使得该折射率接近只使用环氧树脂时的折射率，该输入光束难以识别该波导G1作为折射率周期性不规律的一部分。因此，实际作为波导的只有波导G2，它被输入光束识别作为折射率周期性不规律的一部分。

如上特别描述，根据该实施例，通过改变辐照至该光学介质的光波长，能够切换在该波导中前进的光的方向。

(实施例8)

使用其标准和尺寸与实施例7中相同的多孔石英和与实施例7相同的形成图案的方法，制造具有在光子晶体上形成的波导的光学元件。

在该实施例中，作为周期性不规律的斑点，形成了包括由含有10％的吸收峰在600nm附近的染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，结晶紫)的环氧树脂形成的点阵点的波导(此处用“波导G1”表示)，形成了由含有吸收峰在450nm附近的染料(LAMBDAPHYSIC有限公司的产品，Coumarin 334)的环氧树脂形成的波导(此处用“波导G2”表示)，以及形成了包括一维连续点的波导(此处用“波导G3”表示)，在该点处，点阵点被推测是由环氧树脂形成的，而不是故意形成的。将这些波导在该光子晶体中按照实施例7中的同样排布情况彼此连接。

在这三种波导G1至G3中，被光纤引导的波长为700nm和500nm的激光束被输入波导G3的左端。当测量从波导G1和G2的端部输出的光束时，发现至少80％的波长为700nm的输入激光从波导G1中输出，至少80％的波长为500nm的输入激光从波导G2中输出。

这是因为，由与其它环氧树脂斑点不同的含有染料的对于波长为700nm的光束具有高折射率的环氧树脂形成的波导的部分是波导G1，而由与其它环氧树脂斑点不同的含有染料的对于波长为500nm的光束具有高折射率的环氧树脂形成的波导的部分是波导G2。

如上所述，根据实施例5-8，获得了根据波长切换光前进方向并能作为光解复用器的光学元件。

虽然为了便于理解，本发明是以实施例的形式进行公开的，但是可以理解，只要不脱离本发明的原理，可以用各种方法实施本发明。因此，可以理解本发明可以包括所有可能的实施方案和对上述实施方案的改进，只要其实施不脱离下面的权利要求的原理即可。

1999年9月24日申请的日本专利申请平11-271378和1999年9月30日申请的日本专利申请平11-280043，其包括说明书、权利要求、附图和摘要在内的全部公开内容被引入此处作为参考。

Claims (20)

1.一种用于制造包括光子晶体的光学元件的方法，在该光子晶体中周期性地排布着具有与其周围折射率不同的折射率的斑点，所述方法包括：

产生具有三维周期性结构的第一光场的步骤，其中光强度按照光波长数量级的第一周期在空间中变化，所述三维周期性结构具有点阵点，在点阵点中的光强度高于所述周围的光强度；

将其折射率可由辐照光的强度或在光辐照后进行的预定处理而改变的光学介质，曝露于所述第一光场一个给定的周期的步骤；

将该光学介质在第一光场中移动光波长数量级的微小距离的步骤；以及

将该光学介质曝露于第二光场中，在该第二光场中，光强度按照光波长数量级的周期在空间中变化，以形成该光子晶体的三维点阵结构的第二部分的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过在光辐照后经过预定时间，或者在光辐照后经过热处理、电磁波辐照、微粒子辐射或化学处理，所述光学介质的折射率根据辐照光的强度而变化。

3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括通过化学处理该光学介质而形成具有根据该辐照光强度的折射率空间分布的光子晶体的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述光学介质是其中充满了可光聚合单体的多孔材料，且在辐照光强度低于其余部分的部分，所充满的可光聚合单体在所述形成具有根据辐照光强度的折射率空间分布的光子晶体的步骤中通过化学处理被除去。

5.如权利要求1所述的方法，其中至少第一光场和第二光场中的一个是由激光束的干涉而产生的。

6.如权利要求5所述的方法，其中至少第一光场和第二光场中的一个是由沿第一方向传播的激光束和沿与该第一方向相反的第二方向传播的激光束之间的干涉生成的驻波而形成的。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述沿第二方向传播的激光束是由反射所述沿第一方向传播的激光束而产生的。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述移动步骤包括将该光学介质放置在由压电元件沿彼此不相平行的三个方向移动的平台上，以及在该第一光场中将该光学介质的位置移动光波长数量级的微小距离。

9.如权利要求1所述的方法，其中至少第一光场和第二光场中的一个是通过形成在三维点阵的每一个点阵点处具有更高光强度的斑点而产生的。

10.如权利要求9所述的方法，其中在该斑点处的光强度分布是各向异性的。

11.如权利要求10所述的方法，其中在该斑点处的光强度分布具有沿所述三个方向延伸的形状。

12.如权利要求1所述的方法，其中第一光场和第二光场具有基本上相同的周期。

13.如权利要求1所述的方法，其中第一光场和第二光场的光强度不同。

14.如权利要求1所述的方法，其中在光辐照后经过一段预定时间，所述光学介质的折射率根据辐照光强度而变化，所述方法还包括通过化学处理该光学介质，形成具有根据该辐照光强度的折射率空间分布的光子晶体。

15.一种用于制造光学元件的设备，包括：

光学系统，其产生一个具有三维周期性结构的光场，其中光强度按照光波长数量级的周期在空间中变化，所述三维周期性结构具有点阵点，在点阵点中的光强度高于周围的光强度；以及

可移动的平台，其将折射率可由辐照光强度改变的光学介质保持在所述光场中，该光场中的光强度周期性变化，并且该平台将该光学介质在该光场中移动光波长数量级的微小距离。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述可移动平台由压电元件移动。

17.如权利要求15所述的设备，其中该光学系统包括通过激光束的干涉而产生该光场的激光束源。

18.如权利要求17所述的设备，其中该光场由沿第一方向传播的激光束和沿与该第一方向相反的第二方向传播的激光束之间的干涉产生的驻波而形成。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述光学系统包括将所述沿第一方向传播的激光束反射以产生所述沿第二方向传播的激光束的反射光学系统。

20.如权利要求15所述的设备，还包括光源和评估所制造的光学元件的检测器。

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