DE60004146T2

DE60004146T2 - Methode und Anordnung zur Herstellung eines photonischen Kristalls

Info

Publication number: DE60004146T2
Application number: DE60004146T
Authority: DE
Inventors: Toshiro Isogo-ku Hiraoka; Kouichi Sakae-ku Ichimura
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: EP1089095A3; KR20010082526A; TWI228179B; EP1089095A2; CN1292288C; US6456416B1; DE60004146D1; KR100405581B1; EP1089095B1; CN1305118A

Description

Die Erfindung betrifft einen Prozess und eine Einrichtung zum leichten Produzieren eines optischen Elements mit einer Photonenbandstruktur, insbesondere eines optischen Elementes, das einen dreidimensionalen photonischen Kristall umfasst mit einer gewünschten Kristallstruktur, in kurzer Zeit und sie betrifft auch ein optisches Element, das unter Verwendung des Prozesses und der Einrichtung produziert worden ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Element und einen optischen Demultiplexer. Insbesondere betrifft sie ein aktives optisches Element und einen optischen Demultiplexer, die eine optische Umschaltfunktion erreicht haben durch Ändern einer Photonenbandstruktur durch Umschalten externer Felder wie Licht und ein elektrisches Feld in einem photonischen Kristall.
In der "photonischer Kristall" genannten Struktur, in der zwei Arten optischer Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes periodisch bei einer Wellenlängengrößenordnung von Licht angeordnet sind, zeigt der Zusammenhang zwischen der Wellenzahl des Lichts und seiner Frequenz, d. h. die Photonenenergie, eine Bandstruktur bedingt durch periodische Änderungen in den Brechungsindizes. Dieses Phänomen ist ähnlich dem Phänomen, dass Elektronenenergie in einem Halbleiter eine Bandstruktur in einem periodischen Potential zeigt.
Der photonische Kristall ist signifikant gekennzeichnet durch seine optischen Eigenschaften, da er in der Lage ist, die sogenannte "photonische Bandlücke" (photonic bandgap) auftreten zu lassen, in der kein Licht durchtritt in irgendeiner Richtung (E. Yablonovitch, Phys., Rev. Lett. 58(20), 2059(1998)) und die einen sehr hohen Grad an optischer Anisotropie und Dispersibilität hat. Demnach sind durch Ausnutzen solcher Eigenschaften die Steuerung natürlichen Lichts und eines optischen Wellenleiters, eines Polarisators und eines optischen Demultiplexers mit sehr kleinem Kurvenradius an der Ecke vorgeschlagen worden sind Erwartungen angewachsen, die bezüglich ihrer Anwendungen auf eine Vielzahl von Gebieten.
Bis jetzt ist jedoch kein effizienter Prozess verfügbar gewesen, einen photonischen Kristall zu produzieren, insbesondere einen dreidimensionalen photonischen Kristall, in dem die Brechungsindizes eine periodische Struktur bei der Wellenlängengrößenordnung des Lichts haben in Form einer Kristallstruktur, die geeignet wäre für die Anwendung eines optischen Elementes. Dies ist ein Faktor gewesen, der die Kommerzialisierung des photonischen Kristalls und eines optischen Elementes, das diesen verwendet, behindert hat.
Zum Verbessern der obigen Situation sind kürzlich einige Berichte bezüglich der Produktion eines photonischen Kristalls bei der Wellenlängengrößenordnung des Lichts ergangen. Maßgeblich unter ihnen sind die folgenden drei Prozesse.

(1) Ein Prozess zum Produzieren eines photonischen Kristalls durch Entfernen eines Lösemittels aus einer Kolloid-Lösung, die Siliziumoxid-Staubteilchen enthält zum Kristallisieren der Siliziumoxid-Staubteilchen. Dieser Prozess nutzt die Selbstanordnung der Siliziumoxid-Staubteilchen und der produzierte, photonische Kristall wird "opal-artig" genannt. Mit diesem Prozess kann ein Kristall mit einer hohen Wiederholanzahl relativ leicht produziert werden (H. Miguez, et al., appl. Phys. Lett. 71(9), 1148(1997)). Jedoch sind in diesem Prozess die Siliziumoxid-Staubteilchen nicht mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Zuverlässigkeit angeordnet und eine Kristallstruktur kann nicht frei ausgewählt werden.
(2) Holzstroßprozess (Wood-Pile process S. Noda et al. Jpn. J. Phys., 35, L909(1996)). In diesem Prozess wird unter Verwendung einer Halbleitermikrobearbeitungstechnik eine Struktur, die eine Vielzahl von angeordneten Viereckgebälken (square timbers) hat, an jedem der beiden Substrate ausgebildet, die Substrate werden derart miteinander verbunden, dass die Viereckgebälke im rechten Winkel zu den Viereckgebälken an dem anderen Substrat ausgerichtet sind und eines der Substrate wird durch Ätzen entfernt zum Ausbilden einer Struktur, die zwei Lagen von "Viereckgebälk" umfasst. Auf ähnliche Weise wird ein an der Oberfläche angeordnetes Substrat mit "Viereckgebälk" vorbereitet und eine Schicht von Viereckgebälk wird gestapelt durch wiederholtes Verbinden mit genauer Positionierung und Ätzen. Es ist herausgefunden worden, dass eine Diamantstruktur, die eine photonische Bandlücke öffnet, in allen Richtungen durch diesen Prozess ausgebildet werden kann. Dieser Prozess erfordert jedoch einen Mikrobearbeitungsprozess, der kompliziert ist und zeitaufwendig und es gibt, eine Grenze für die Anzahl von Wiederholperioden, die tatsächlich ausgebildet werden können.
(3) Ein "Autonachbildungsprozess" (autocloning process) genannter Prozess (Kawakami et al., Japanische Patentanmehdung, Veröffentlichungs-Nr. 335758/1998). In diesem Prozess wird ein zweidimensionales periodisches konvexkonkaves Muster an einem durch Litographie aus Quarz oder einem Halbleiter hergestellten Substrat ausgebildet und eine Anzahl von dünnen Schichten sind darauf laminiert, während das unterliegende konvexkonkave Muster reproduziert wird durch Bias-Sputtern. Demnach wird eine dreidimensionale periodische Struktur ausgebildet sowohl in Oberflächenrichtung des Substrats, auf dem das konvexkonkave Muster zu Beginn eingearbeitet worden ist als auch in der Laminierrichtung rechtwinklig zur Oberfläche. Dieser Prozess ist zuverlässiger und exzellenter bezüglich der Zuverlässigkeit und der Reproduzierbarkeit als der Prozess des Produzierens des opalartigen photonischen Kristalls und erfordert einen Mikrobearbeitungsprozess, der so kompliziert und zeitintensiv ist wie der in dem Holzstoßprozess. Daher ist dieser Prozess in der Lage, einen photonischen Kristall zu produzieren, der eine relativ große Zahl von Perioden in der Laminierrichtung hat. Jedoch, da es unvermeidbar ist in diesem Prozess, dass konkave Abschnitte über die konkaven Abschnitte des Musters der unterliegenden Schicht kommen und konvexe Abschnitte über die konvexen Abschnitte des Musters der unterliegenden Schicht kommen, kann dieser Prozess nur spezifische Arten von Kristallstrukturen realisieren und kann daher nicht eine wahlfreie Art der Kristallstrukturen erzielen. Tatsächlich kann ein photonischer Kristall mit einer perfekten Bandlücke, die sich in allen Richtungen öffnet, durch diesen Prozess nicht ausgebildet werden.

Abweichend von den obigen drei Prozessen ist ein Prozess zum Produzieren eines photonischen Kristalls vorgeschlagen worden durch Ausnutzen eines Interferenzmusters von Licht (Tsunetomo, Koyama, Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 68807/1998). In diesem Prozess ist ein Laserstrahl auf eine Anzahl dünner Schichten gerichtet, die eindimensional laminiert sind, um das Interferenzmuster auf den Film zu "backen" und periodische Einschnitte sind in einer rechtwinkligen Richtung an der Oberfläche des Mehr agenfilms vorgenommen worden durch Ausnutzen von Fusion, Verdampfen und Entfernen, die an Abschnitten auftreten, an denen die Lichtintensität hoch ist zum Ausbilden eines photonischen Kristalls. Dieser Prozess wird als effizienter Prozess angesehen, weil er eine Anzahl von Perioden gleichzeitig ausbilden kann, wenn eine, periodische Struktur ausgebildet wird unter Verwendung des Interferenzmusters eines Lasers. Jedoch selbst dieser Prozess ist beschränkt in der Art der Kristallstruktur, die er ausbilden kann.
Wie oben beschrieben, hat der konventionelle Prozess, der die Selbstanordnung von Siliziumoxid-Staubteilchen ausnutzt, Probleme, die der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zuzuordnen sind. Da andere Prozesse erfordern, dass jede Schicht laminiert wird mit hoher Genauigkeit zum Ausbilden der Perioden eines photonischen Kristalls, selbst wenn, sie erfolgreich sind in der Ausbildung des photonischen Kristalls, dauert es indessen lange, die Anzahl von Wiederholungsperioden ist begrenzt und eine gewünschte Kristallstruktur kann nicht frei ausgebildet werden.
Indessen ist die Anwendung eines solchen photonischen Kristalls auch bislang beschränkt.
Das heißt, abgesehen von den drei Ausführungsbeispiel en, die unten angegeben werden, ist der photonischen Kristall als ein "Passivelement" konventionell benutzt worden und es ist kaum vorgeschlagen worden, sie als "Aktivelement" zu verwenden. Mit anderen Worten, die meisten konventionell vorgeschlagenen photonischen Kristalle, sind in ihren optischen Eigenschaften bestimmt durch die Brechungsindexverteilung, die im Raum fest ist. Daher ist in einem optischen Demultiplexer beispielsweise die Wellenlänge (Frequenz) des Lichts, das zu übertragen ist in einer spezifischen Richtung, fest, und die Frequenz des Lichts, das in einer spezifischen Richtung herzuleiten ist, konnte nicht umgeschaltet werden. Es ist auch nicht möglich gewesen, die Richtung des Lichts von einer Richtung eines Abzweigs, der in einem Wellenleiter angeordnet ist, dynamisch umzuschalten zu der anderen Richtung davon.
Die folgenden drei Vorschläge verwenden einen photonischen Kristall als ein "Aktivelement" mit einer Umschaltfunktion.

(4) Einer der Vorschläge verwendet einen photonischen Kristall, in dem ein Ultraschallgenerator oder ein Thermoregler zur Verteilung seiner Periodizität und zum Unterbrechen seiner Bandstruktur installiert worden sind.
Durch das Installieren solcher Einrichtungen ist angestrebt, den Verzögerungseffekt eines photonischen Kristalls auftreten- und verschwinden zu lassen, um verwendet zu werden als eine Verzögerungseinheit für Licht (Todori et al., Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 83005/1998).
(5) Ein anderer Vorschlag verwendet einen eindimensionalen photonischen Kristall, der ein elektrooptisches Material nach Art eines Sandwichs zwischen Brechungsgittern angeordnet, die an der Oberfläche und gegenüber dem anderen Gitter eine Metallschicht ausgebildet haben. Durch Anwenden einer Spannung zwischen den Metallschichten ändert sich der Brechungsindex des elektrooptischen Materials und die Position der Bandlücke in einer eindimensionalen Richtung, wodurch das Durchlassen von Licht mit einer Wellenlänge nahe dem Ende des Bandes EIN/AUS-geschaltet werden kann (Todori et al., Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 83005/1998).
(6) In dem dritten Vorschlag wird ein photonischen Kristall, der einen Halbleiter als seine Komponente enthält, bestrahlt mit zirkularpolarisiertem Licht als Steuerlicht zum Ändern der Verteilung von Spins in dem photonisch-kristallinen Material, d. h. des komplexen Brechungsindexes davon, wodurch die Photonenbandstruktur sich ändert mit dem Ergebnis, dass Umschalten von durch den photonischen Kristall durchtretendem Licht erreicht wird (Takeuchi, Nishikawa, Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 90634/1998).

Jedoch haben die obigen drei Vorschläge noch Probleme, die zu lösen sind in bezug auf die folgenden Punkte.
Das ist, der obige Vorschlag (4) schaltet bloß zwischen dem Auftreten und dem Verschwinden der Funktion als photonischen Kristall und ändert nicht aktiv die Art, in der die Funktion als photonischer Kristall auftritt. Daher kann er nicht verwendet werden zum Steuern der Richtung in einem optischen Demultiplexer oder dem Abzweigen in einem optischen Wellenleiter.
Der vorstehende Vorschlag (5) kann bedingt durch seine Struktur nur auf einen eindimensionalen photonischen Kristall angewendet werden und kann nicht angewendet werden auf einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen photonischen Kristall mit hoher Dispersibilität und exzellenten Eigenschaften als Wellenleiter.
Der obige Vorschlag (6) ändert die Bandstruktur durch Ändern der komplexen Brechungsindizes des optischen Mediums, das den photonischen Kristall bildet und kann nicht die Periodizität oder Symmetrie des photonischen Kristalls ändern. Daher kann er keine Änderung in einer großen Bandstruktur einführen.
Wie oben beschrieben, sind die konventionellen photonischen Kristalle, selbst wenn sie mit einer Aktivfunktion versehen sind, beschränkt gewesen auf die Aktion des Auswählens, ob die Funktion als photonischer Kristall selbst erscheinen sollte oder verschwinden in einer Anzahl von Dimensionen des photonischen Kristalls, der in der Lage ist, umzuschalten und auf einen speziellen steuerbaren Bereich. In diesem Fall wird im Stand der Technik nur einen Prozess des Änderns der Brechungsindizes der optischen Materialien unterschiedlicher Arten verwendet ohne das Ändern der Verteilung davon, die Kristallstruktur und die Periodizität des photonischen Kristalls können nicht geschaltet werden und die Struktur eines Photonenbandes kann nicht frei und dynamisch geändert werden. Indessen ist es bekannt, dass in dem Fall, in dem eine Bandlücke in dem photonischen Kristall auftritt, wenn die Punkte eines photonischen Kristalls, in denen die Periodizität irregulär ist, eindimensional fortgesetzt werden, Licht nur innerhalb dieser Punkte eingefangen wird, hierdurch einen feinen optischen Wellenleiter bildend, der schärfen Biegungen standhalten kann, die nicht konventionell erreicht worden sind (Attila Mekis et. al., Phys. Rev. Lett. 77, 3787(1996). Wenn eine Abzweigung in einem solchen feinen optischen Wellenleiter angeordnet werden kann zum Umschalten der Richtung des Lichts entsprechend seiner Wellenlänge, funktioniert der Wellenleiter selbst als ein optischer Demultiplexer, wodurch ein optisch funktionelles Element, das extrem nützlich bei der Integration optischer Kommunikationen und optischer Schaltungen ist und bei der Vereinfachung von Produktionsprozessen davon, aüsgebildet werden kann.
Gemäß dem obigen Stand der Technik zeigen sich jedoch für jede Wellenlänge des Lichts im Wellenleiter dieselben Punkte in dem photonischen Kristall immer irregulär periodisch, das heißt, sie funktionieren als Wellenleiter. Demnach ist es nicht möglich gewesen, den oben beschriebenen feinen Wellenleiter selbst in dem photonischen Kristall als optischen Demultiplexer zu verwenden, der entsprechend der Wellenlänge funktioniert.
Wie oben speziell beschrieben, haben üblicherweise die Orte dieser Punkte unterschiedliche Brechungsindizes, das heißt, die Muster der räumlichen Änderungen in Brechungsindizes sind im Raum fest gewesen, und hierdurch gab es eine. Einschränkung des Bereichs der Änderung der Bandstruktur. Als ein Ergebnis ist es nicht möglich gewesen, die Bandstruktur frei, signifikant und dynamisch für die aktive Benutzung des photonischen Kristalls zu ändern.
Das heißt, eine Technik zum Erreichen eines optischen Elementes unter Verwendung eines aktiven photonischen Kristalls ist bislang nicht bekannt gewesen. Ferner ist auch eine Technik zur Verwendung eines feinen Wellenleiters in einem photonischen Kristall selbst als einen optischen Demultiplexer zuvor nicht bekannt gewesen.
Ein Artikel mit dem Titel "Photofabrication of a photonic crystal using interference of UV laser" von Shoji, Smith und Kawata, veröffentlicht in Proc. Spie, Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology 99 (16-06-1999), 3740, 551-554 offenbart ein Verfahren des Herstellens eines 3D-hexagonalphotonischen Kristalls durch Drei-Strahl-Interferenz. Drei kollimierte bzw. ausgeblendete Lichtstrahlenbündel werden. in ein aus einem photopolymerisierbaren Harz erstelltes Hexagonalgitter einfallengelassen. Einer Anzahl von Stäben in der hexagonalen Anordnung sind photopolymerisiert entsprechend der Lichtverteilung von den drei Lichtstrahlenbündeln. Zweistrahlinterferenz wird auch angewendet auf die hexagonale Anordnung, um eine zufriedenstellende Struktur normal zu den Stäben zu erhalten. Nach diesem Prozess wird nicht erstarrtes Harz durch Ethanol entfernt.
Ein Artikel mit dem Titel "Photonic band gaps and holography" von Berger, Gauthier-Lafaye und Costard, veröffentlicht in "Journal of Applied Physics, 82(1), 1. Juli 1997, 60-64, analysiert verschiedene Photonenbandstrukturen und legt die Konzepte mit der Herstellung eines zweidimensionalen Dreieckgitters dar. Die Erweiterung des Verfahrens auf eine. 3D-Struktur wird diskutiert.
RESÜMEE DER ERFINDUNG
Es ist das erste Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen Prozess bereitzustellen gemäß Patentanspruch 1 und eine neue Herstellungseinrichtung gemäß Patentanspruch 14, die einen dreidimensionalen photonischen Kristall mit einer Periode einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts in der Form irgendeiner Kristallstruktur leicht und in kurzer Zeit produzieren können, ohne die Schritte des Laminierens von Schichten des "Kristalls" mit Genauigkeit durchlaufen zu müssen, wie in dem konventionellen Prozess; und ein optisches Element, das durch den Prozess und die Einrichtung produziert wird.
Es ist ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element bereitzustellen, das durch den obigen Prozess produziert ist. Es kann die Bandstruktur eines photonischen Kristalls frei, signifikant und dynamisch wählen, insbesondere ein optisches Element, das die Bandstruktur eines photonisehen Kristalls durch Ändern des Verteilungsmusters komplexer Brechungsindizes oder der Periodizität selbst ändern kann; und einen neuen optischen Demultiplexer unter Verwendung der Wellenleiter in dem photonischen Kristall.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Prozess des Produzierens eines optischen Elements bereit einschließlich eines photonischen Kristalls, in dem Punkte, deren Brechungsindizes sich von denen ihrer Umgebungen unterscheiden, periodisch angeordnet sind, wobei der Prozess das Kreieren eines ersten optischen Feldes mit, einer dreidimensional periodischen Struktur umfasst, in dem eine Lichtintensität sich räumlich ändert bei einer Periode einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts, wobei die dreidimensionale periodische, Struktur Gitterpunkte hat, deren Lichtintensität höher ist als die ihrer Umgebungen; Aussetzen eines optischen Mediums, dessen Brechungsindex geändert ist durch eine Intensität einstrahlenden Lichts oder durch eine vorbestimmte Behandlung, die nach der Lichtbestrahlung durchgeführt worden ist, diesem ersten optischen Feld während einer gegebenen Zeitdauer; Bewegen des optischen Mediums einen Bruchteil einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts in dem Feld in einer Richtung, die nicht parallel zu irgendeiner der drei Richtungen ist, die durch die drei unterschiedlichen einen Gitterpunkt der dreidimensionalen Struktur mit drei an diesem Gitterpunkt angrenzenden Gitterpunkten verbindenden Linien definiert sind; und Aussetzen des optischen Mediums einem zweiten optischen Feld, wo sich die Lichtintensität räumlich ändert mit einer Periode einer Wellenlängengrößenordnung eines Lichts.
Vorzugsweise ändert sich der Brechungsindex des optischen Mediums gemäß der Intensität angewendeten Lichts durch Beiseitelegen bzw. Ruhenlassen des Mediums für eine vorgegebene Zeit nach der Bestrahlung des Lichts oder durch Unterziehen des Mediums einer Wärmebehandlung, der Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen oder Korpuskularbestrahlung oder der Behandlung. mit Chemikalien nach dem Bestrahlen mit Licht.
In dem Prozess der vorliegenden Erfindung wird das optische Feld, bei dem Lichtintensität sich ändert mit einer Periode der Wellenlängengrößenordnung von Licht, im Raum kreiert, beispielsweise durch Interferenz eines Laserstrahls. Um die Position des optischen Mediums um eine Exaktdistanz der Wellenlängengrößenordnung des Lichts zu verschieben, wird beispielsweise ein ein Piezoelement enthaltender Objekttisch, der das optische Medium in drei Richtungen von x, y und z verschieben kann, verwendet.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung bereit zum Produzieren eines optischen Elementes, ein optisches System umfassend, das ein optisches Feld kreiert mit einer dreidimensional periodischen Struktur, in dem eine Lichtintensität sich im Raum bei einer Periode von einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts ändert, wobei die. dreidimensional periodische Struktur Gitterpunkte hat, deren Lichtintensität höher i t als die ihrer umgebenden; und einen bewegbaren Objektträger, der ein optisches Medium hält, dessen Brechungsindex geändert wird durch eine Intensität einfallenden Lichts in dem optischen Feld, wo Lichtintensität sich periodisch ändert und die das optische Medium um eine exakte Distanz einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts in dem Feld in einer Richtung verschiebt, die nicht parallel zu irgendeiner der drei Richtungen ist, die definiert sind durch drei unterschiedliche Verbindungslinien eines Gitterpunktes der dreidimensionalen Struktur mit drei an diesem Gitterpunkt angrenzenden Gitterpunkten.
Die Herstellungseinrichtung des optischen Elementes der vorliegende Erfindung kann ferner eine Lichtquelle umfassen und einen Detektor zum Evaluierendes produzierten optischen Elementes.
Das optische Element der vorliegenden Erfindung, das durch den obigen Prozess und die obige Einrichtung produziert worden ist, ist ein optisches Element, das einen photonischen Kristall umfasst, in dem Punkte mit unterschiedlichen Brechungsindizes periodisch angeordnet sind, wobei ein Punkt mit einem gewisssen Brechungsindex, der den photonischen Kristall bildet, an einem Gitterpunkt einer gewünschten Kristallstruktur angeordnet ist; die Brechungsindexverteilung eines optischen Mediums, das an jedem Gitterpunkt angeordnet ist, eine Form mit Vorsprüngen oder Aufwölbungen in den Richtungen der drei unterschiedlichen Achsen hat; die Kristallstruktur nicht ein einfaches Gitter ist oder die Form der Brechungsindexverteilung eines optischen Mediums, das an jedem Gitterpunkt angeordnet ist, nicht isotrop ist; und die Brechungsindexverteilungen optischer Media, die an den Gitterpunkten angeordnet sind, zusammen ein einfaches Gitter mit derselben Form und Richtung bilden.
Indessen hat das optische Element der vorliegenden Erfindung eine Struktur, die das erste optische Medium umfasst, in dem das zweite optische Medium und das dritte optische Medium periodisch angeordnet sind in einem Intervall der Wellenlängengrößenordnung des einfallenden Lichts. In dem optische Element wird der relative Zusammenhang zwischen den Brechungsindizes des ersten bis dritten, das heißt des, ersten, des zweiten und des dritten optischen Mediums geändert durch Ändern der externen Feldbedingung, die angelegt wird an die obige Struktur, wodurch die Periodizität der räumlichen Verteilung der Brechungsindizes, die in der obigen Struktur ausgebildet ist, geändert werden kann.
Der Begriff "Wellenlängengrößenordnung von Licht", wie er hier verwendet wird, gibt ein Intervall von etwa derselben Ordnung an wie die Wellenlänge des Lichts. Das Intervall ist nicht signifikant unterschiedlich von der Wellenlänge des Lichts, wie veranschaulicht, durch mindestens einige Zehnmal oder höchstens einige Zehntel der Wellenlänge.
Um die obige Anordnung spezifischer zu beschreiben, hat das optische Element der vorliegenden Erfindung eine eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur, in der mindestens drei Arten optischer Medien periodisch angeordnet sind. Optische Materialien, Temperatur und externe Feldbedingungen werden so ausgewählt, dass die Brechungsindizes von mindestens zwei optischen Medien sich voneinander unterscheiden sollten zur Frequenz des einzelnen Lichts. Durch das Anlegen eines elektrischen Felds, eines Magnetfelds oder Drucks oder die Bestrahlung mit Licht auf die Struktur oder durch eine Änderung des auf die Struktur angewendetenn elektrischen Felds, Magnetfelds oder Drucks, erscheinen eine Änderung der Intensität oder Wellenlänge des angewendeten Lichts oder eine Änderung in der Temperatur der Struktur, eine Kombination optischer Medien mit der größten Brechungsindexdifferenzänderung in der Frequenz des in die Struktur einfallenden Lichts, oder neue Punkte mit unterschiedlichen Brechungsindizes von den existierenden Punkten erscheinen periodisch, das heißt, eine neue periodische Struktur wird ausgebildet nach der Änderung oder das relative Verhältnis der periodischen Spitzen der Brechungsindizes der Media, die in den Strukturänderungen auftreten, so dass eine neue Bandstruktur erscheint im Wellenlängenbereich, der dem einfallenden Licht zugeordnet ist.
Was die Benutzungsform des optischen Elementes betrifft, wird in der Struktur des optische Elementes, da der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und der des dritten optischen Mediums im wesentlichen dieselben sind und der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und der des zweiten optischen Mediums sich im wesentlichen unterscheiden bezüglich Licht mit einer gegebenen Wellenlänge. unter der ersten externen Feldbedingung, Licht mit einer gegebenen Wellenlänge moduliert durch die periodische Anordnung des zweiten optischen Mediums, woraufhin, da der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und der des zweiten optischen Mediums im wesentlichen dieselben sind und der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und des dritten optischen Mediums im wesentlichen unterschiedlich sind bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge unter der zweiten externen Feldbedingung, die sich von der ersten externen Feldbedingung unterscheidet, das Licht mit einer gegebenen Wellenlänge moduliert durch die periodische Anordnung des dritten optischen Mediums.
Um es spezifischer zu beschreiben, wenn die Struktur mit einer periodischen Struktur sich aus drei Arten optischer Medien zusammensetzt, die jeweils definiert sind als erstes optisches Medium, zweites optisches Medium und drittes optisches Medium und deren Brechungsindizes jeweils definiert sind als erster Brechungsindex, zweiter Brechungsindex und dritter Brechungsindex, hat die Verteilung der ersten, zweiten und dritten optischen Medien in der Struktur eine periodische Struktur. In der obigen Struktur werden, da der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und der des dritten optischen Mediums etwa dieselben sind und der Brechungsindex des ersten optischen Mediums und der des zweiten optischen Mediums sich unterscheiden in der Wellenlänge des in das optische Element eingegebenen Lichts, das heißt, die Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex größer ist als die Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem dritten Brechungsindex, die periodische Struktur des Brechungsindexes, bei dem einfallendes Licht in der Struktur moduliert wird hauptsächlich bestimmt durch die periodische Verteilung des zweiten Mediums. Ferner, durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, magnetischen Feldes, oder das Einwirkenlassen von Druck oder die Bestrahlung mit Licht auf die Struktur oder durch ein Ändern des elektrischen Feldes, des magnetischen Feldes oder des auf die Struktur angewendeten Drucks, ein Ändern der Intensität oder der Wellenlänge von angewendetem Licht oder ein Ändern, der Temperatur der Struktur, der Brechungsindex des ersten Mediums und der des zweiten Mediums etwa. dieselben und der Brechungsindex des ersten Mediums und der des dritten Mediums werden unterschiedlich in der obigen Wellenlänge, das heißt, die Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem dritten Brechungsindex wird größer als die Differenz zwichen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex, wodurch die periodische Struktur des Brechungsindexes, bei dem einfallendes Licht moduliert wird in der Struktur, stattdessen hauptsächlich durch die periodische Verteilung des dritten Mediums bestimmt, so dass eine neue Bandstruktur erscheint in dem Wellenlängenbereich, der dem einfallenden Licht. zugeordnet ist.
Ferner hat das dritte optische Element der vorliegenden Erfindung eine Struktur, die das erste optische Medium, das zweite optische Medium periodisch angeordnet in dem ersten optischen Medium und das dritte optische Medium, das ersetzt worden ist für und angeordnet in kontinuierlichen Punkten der periodischen Struktur, die durch das zweite optische Medium in dem ersten optischen Medium ausgebildet sein sollte. In diesem dritten optischen Element funktionieren, da der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des dritten optischen Mediums sich im wesentlichen unterscheiden. bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge unter der ersten externen Feldbedingung, die kontinuierlichen Punkte, die ersetzt worden sind durch das dritte optische Medium, als ein Wellenleiter für das Licht mit einer gegebenen Wellenlänge, wohingegen, da der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des dritten optischen Medium im wesentlichen dieselben sind bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge unter der zweiten externen Feldbedingung, unterschiedlich von der ersten externen Feldbedingung, die kontinuierlichen Punkte, die ersetzt worden sind durch das dritte optische Medium, nicht als ein Wellenleiter für das Licht mit einer gegebenen Wellenläng.
Um es genauer zu beschreiben, das obige dritte optische Element hat eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur, die mindestens zwei Arten optischer Medien umfasst mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes und in der Punkte, die von demselben Typ eines optischen Mediums gebildet werden, periodisch angeordnet sind. Die Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur dieser Struktur liegen als eindimensional stetige Punkte in der Struktur vor und die eindimensional stetigen Punkte funktionieren als ein optischer Wellenleiter. Wenn mindestens drei Arten optischer Medien verwendet werden, sind drei optische Medien von diesen optischen Medien definiert als das erste optische Medium, das zweite optische Medium und das dritte optische Medium und die komplexen Brechungsindizes des ersten, des zweiten und des dritten optischen Mediums in der Nähe der Frequenz ν von in diesen Wellenleiter einzugebendem Licht sind jeweils definiert als erster komplexer Brechungsindex, zweiter komplexer Brechungsindex und dritter komplexer Brechungsindex, hat diese Struktur eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur ausgebildet aus dem zweiten optischen Medium in dem ersten optischen Medium, ein Teil der zweidimensional- oder dreidimensional periodischen Struktur, die in dem zweiten optischen Medium ausgebildet ist, ist ersetzt durch die eindimensional stetigen Punkte, die aus dem dritten Medium ausgebildet sind, sind der erste komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex unterschiedlich und der zweite komplexe Brechungsindex und der dritte komplexe Brechungsindex sind auch unterschiedlich in der Nähe der Frequenz des in dieses optische Element eingegebenen Lichts und die durch das dritte Medium ersetzten Punkte funktionieren als optischer Wellenleiter. Durch das Anlegen von elektrischem Feld, magnetischem Feld oder das Anwenden von Druck oder das Einstrahlen von Licht auf die Struktur oder durch ein Ändern des elektrischen Feldes, des magnetischen Feldes oder des auf die Struktur angewendeten Drucks, ein Ändern der Intensität oder Wellenlänge des angewendeten Lichts oder ein Ändern der Temperatur der Struktur werden der zweite komplexe Brechungsindex und der dritte komplexe Brechungsindex etwa dieselben, während der erste komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex unterschiedlich verbleiben in der Nähe der Frequenz ν, wodurch die durch das dritte Medium ersetzten Punkte nicht als die Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur gegenüber einfallendem Licht funktionieren und daher die Punkte als optische Wellenleiter verschwinden. Demnach ist dieses optische Element mit einem Wellenleiter mit einer Schaltfunktion versehen.
Ferner hat das vierte optische Element der vorliegenden Erfindung eine Struktur, die das erste optische Medium umfasst, das zweite optische Medium periodisch in dem ersten optischen Medium angeordnet und das dritte optische Medium, das an die Stelle, gesetzt worden ist von und angeordnet in dem ersten kontinuierlichen Abschnitt der periodischen Struktur, die ausgebildet werden sollte durch das zweite optische Medium in dem ersten optischen Medium, das vierte optische Medium, das an die Stelle gesetzt worden ist von, und angeordnet in dem zweiten kontinuierlichen Abschnitt der periodischen Struktur, der gebildet werden sollte durch das zweite optische Medium in dem ersten optischen Medium und den dritten kontinuierlichen Abschnitt der periodischen Struktur, der gebildet werden sollte durch das zweite optische Medium, in der die Periodizität des zweiten Mediums unregelmäßig ist; und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind mit dem dritten Abschnitt verbunden. In den vier optischen Elementen funktionieren, da unter der ersten externen Feldbedingung der komplexe Brechungsindex des ersten optischen Mediums, der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des dritten optischen Mediums sich voneinander unterscheiden bezüglich Lichts einer gegebenen Wellenlänge und der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des vierten optischen Mediums, im wesentlichen dieselben sind bezüglich Lichts einer gegebenen Wellenlänge, der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt als Wellenleiter bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge. Andererseits, da unter der zweiten externen Feldbedingung, die sich von der ersten externen Feldbedingung unterscheidet, der komplexe Brechungsindex des ersten optischen Mediums, der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des vierten optischen Mediums sich voneinander unterscheiden bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge und der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des dritten optischen Mediums im wesentlichen dieselben sind bezüglich Lichts einer gegebenen Wellenlänge, funktionieren der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt als Wellenleiter bezüglich Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge. Demnach ist das vierte optische Element der vorliegenden Erfindung in der Lage, die Hauptrichtung des Lichts mit einer gegebenen Wellenlänge, das eingegebenen worden ist in den dritten Abschnitt entweder zu dem ersten Abschnitt oder zu dem zweiten Abschnitt zu schalten.
Um es genauer zu beschreiben, das obige vierte optische Element hat eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur, die mindestens zwei Arten optischer Medien umfasst mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes und in der vom selben Typ des optischen Mediums ausgebildete Punkte periodisch angeordnet sind. Die Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur dieser Struktur liegen als eindimensional stetige Punkte in der Struktur vor und die eindimensional stetigen Punkte funktionieren als optischer Wellenleiter. Wenn mindestens vier Arten optischer Medien verwendet werden, sind diese optischen Medien jeweils definiert als das erste optische Medium, das zweite optische Medium, das dritte optische Medium und das vierte optische Medium und die komplexen Brechungsindizes des ersten bis vierten optischen Mediums in der Nähe der Frequenz von in diesen optischen Wellenleiter eingegebenem Licht sind jeweils definiert als der erste komplexe Brechungsindex, der zweite komplexe Brechungsindex, der dritte komplexe Brechungsindex und der vierte komplexe Brechungsindex, diese Struktur hat eine zweidimensional- oder dreidimensional-periodische Struktur ausgebildet aus dem zweiten optischen Medium in dem ersten optischen Medium, ein Abschnitt der zweidimensionaloder dreidimensional-periodischen Struktur, die aus dem zweiten optischen Medium ausgebildet ist, wird ersetzt durch den eindimensional stetigen Abschnitt gebildet aus dem dritten Medium zum Bilden eines ersten Abschnittes, ein anderer Abschnitt davon ist ersetzt durch den eindimensional stetigen Abschnitt gebildet aus dem vierten Medium zum Bilden des zweiten Abschnitts, eindimensional stetige Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur des zweiten Mediums sind in noch einem anderen Abschnitt davon ausgebildet zum Bilden des dritten Abschnitts und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind mit dem dritten Abschnitt verbunden. Da der erste komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex sich unterscheiden, der zweite komplexe Brechungsindex und der dritte komplexe Brechungsindex auch unterschiedlich sind und der zweite komplexe Brechungsindex und der vierte komplexe Brechungsindex in etwa dieselben sind in der Nähe der Frequenz des in dieses optische Elemente einzugebenden Lichts, funktionieren der dritte Abschnitt und der erste Abschnitt als optischer Wellenleiter für das einfallende Licht. Durch das Einwirken von elektrischem Feld, magnetischem Feld oder Druck oder das Bestrahlen mit Licht auf die Struktur oder durch ein Ändern des elektrischen Felds, magnetischen Felds oder Drucks, der angelegt ist an die Struktur, ein Ändern des Zustands des einwirkenden Lichts oder ein Ändern in der Temperatur der Struktur werden der zweite komplexe Brechungsindex und der vierte komplexe Brechungsindex unterschiedlich und der zweite komplexe Brechungsindex und der dritte komplexe Brechungsindex werden in etwa dieselben, während der erste komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex unterschiedlich bleiben in der Nähe der Frequenz ν, wodurch der erste Abschnitt nicht länger als Unregelmäßigkeit in der periodischen Struktur funktioniert bezüglich des einfallenden Lichts und daher nicht länger als optischer Wellenleiter funktioniert, während der zweite Abschnitt stattdessen beginnt, als optischer Wellenleiter zu funktionieren: Demnach ist das obige vierte optische Element in der Läge, die Hauptrichtung des in den dritten Abschnitt eingegebenen Lichts zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt umzuschalten.
Indessen hat der optische Demultiplexer der vorliegenden Erfindung eine Struktur, die das erste optische Medium umfasst, das zweite optische Medium, periodisch in dem ersten optischen Medium angeordnet, das dritte optische Medium, das an die Stelle gesetzt worden ist von und angeordnet in dem ersten stetigen Abschnitt der periodischen Struktur, die gebildet werden sollte durch das zweite optische Medium in dem ersten optischen Medium, das vierte optische Medium, das an die Stelle gesetzt worden ist von und angeordnet in. dem zweiten stetigen Abschnitt der periodischen Struktur, die von dem zweiten optischen Medium in dem ersten optischen Medium gebildet werden sollte, und dem dritten stetigen Abschnitt der periodischen Struktur, der gebildet werden sollte durch das zweite optische Medium und in dem die Periodizität des zweiten Mediums unregelmäßig ist; und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind. verbunden mit dem dritten Abschnitt. In diesem optischen Demultiplexer funktionieren, da der komplexe Brechungsindex des ersten optischen Mediums, der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des dritten optischen Mediums sich voneinander unterscheiden bezüglich Lichtes mit einer ersten Wellenlänge und der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des vierten optischen Mediums im wesentlichen dieselben sind bezüglich Lichtes mit der ersten Wellenlänge, der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt als Wellenleiter bezüglich Lichtes mit der ersten Wellenlänge. Andererseits, da der komplexe Brechungsindex des ersten optischen Mediums, der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des vierten optischen Mediums sich im wesentlichen voneinander unterscheiden bezüglich Lichtes mit der zweiten Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet und der komplexe Brechungsindex des zweiten optischen Mediums und der komplexe Brechungsindex des, dritten optischen Mediums im wesentlichen dieselben sind bezüglich Lichtes mit der zweiten Wellenlänge, funktionieren der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt als Wellenleiter bezüglich Lichten mit der zweiten Wellenlänge. Demnach ist dieser optische Demultiplexer in der Lage, Licht mit der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge, das eingegeben worden ist in den dritten Abschnitt, entweder zu dem ersten Abschnitt oder zu dem zweiten Abschnitt zu richten abhängig von der Wellenlänge davon.
Um es spezifischer zu beschreiben, hat der optische Demultiplexer der vorliegenden Erfindung eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur, die mindestens zwei Arten optischer Medien umfasst mit unterschiedlichen komplexen Brechungsindizes und in denen von derselben Art des optischen Mediums ausgebildete Punkte periodisch angeordnet sind. Die Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur dieser Struktur liegen als eindimensional stetige Punkte in der Struktur vor und die eindimensional stetigen Punkte funktionieren als ein Wellenleiter. Wenn mindestens vier Arten optischer Medien in dieser Struktur verwendet werden und jede definiert sind als das erste optische Medium, das zweite optische Medium, das dritte optische Medium und das vierte optische Medium, die Frequenzen zweier in diesen optischen Wellenleiter einzugebender Lichtbündel jeweils definiert werden als erste Frequenz und zweite Frequenz, die komplexen Brechungsindizes. des ersten bis vierten optischen Mediums in der Nähe der ersten Frequenz definiert sind als erster komplexer Brechungsindex, zweiter komplexer Brechungsindex, dritter komplexer Brechungsindex und vierter komplexer Brechungsindex und die komplexen Brechungsindizes der ersten bis vierten optischen Medien in der Näheder zweiten Frequenz definiert sind als fünfter komplexer Brechungsindex, sechster komplexer Brechungsindex, siebter komplexer Brechungsindex und achter komplexer Brechungsindex hat diese Struktur einer zweidimensionale oder dreidimensionale periodische Struktur ausgebildet aus dem zweiten optischen Medium indem ersten optischen Medium, ein Abschnitt der aus dem zweiten optischen Medium ausgebildeten zweidimensionalen oder dreidimensionalen periodischen Struktur ist ersetzt durch den eindimensional stetigen Abschnitt, ausgebildet aus dem dritten Medium zum bilden des ersten Abschnittes, ein anderer Abschnitt davon ist ersetzt durch den eindimensional stetigen Abschnitt ausgebildet aus dem vierten Medium zum Bilden des zweiten Abschnttes, eindimensional stetige Unregelmäßigkeiten in der periodischen Struktur des zweiten Mediums sind ausgebildet in noch einem anderen Abschnitt davon zum Bilden des dritten Abschnittes und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt sind mit dem dritten Abschnitt verbunden. In diesem Fall unterscheiden sich, da der erste komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex sich unterscheiden, auch der zweite komplexe Brechungsindex und der dritte komplexe Brechungsindex und der zweite komplexe Brechungsindex und der vierte komplexe Brechungsindex sind in etwa gleich in der Nähe der ersten Frequenz des in dieses optische Element einzugebenden Lichtbündels, der dritte Abschnitt und der vierte Abschnitt funktionieren als optische Wellenleiter für das einfallende Licht, wohingegen, da der fünfte komplexe Brechungsindex und der sechste komplexe Brechungsindex sich unterscheiden, der sechste komplexe Brechungsindex und der achte komplexe Brechungsindex auch unterschiedlich sind und der sechste komplexe Brechungsindex und der siebte komplexe Brechungsindex in etwa dieselben sind in der Nähe der zweiten Frequenz, funktionieren der dritte Abschnitt und der zweite Abschnitt als optische Wellenleiter für das einfaltende Licht. Demnach schreitet Licht mit der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge, das eingegeben worden ist in den dritten Abschnitt, entweder zum ersten Abschnitt oder zum zweiten Abschnitt voran, abhängig von seiner Wellenlänge, den Wellenleiter selbst in die Lage versetzend, als optischer Demultiplexer zu funktionieren.
In der vorliegenden Erfindung ist darauf geachtet worden, dass die Reaktion des photonischen Kristalls auf einfallendes Licht bestimmt wird durch die räumliche Brechungsindexverteilung in der Frequenz (Wellenlänge) des gesteuerten Lichts, d. h. einfallendes Lichts (oder eines bestimmten Frequenzbereichs, wenn das einfallenden Licht kein monochromatisches Licht ist) beim Funktionieren als ein optisches Element und ist nicht beeinflusst durch die Brechungsindexverteilung in einem anderen Wellenlängenbereich.
Insbesondere verwendet das aktive optische Element gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl optischer Medien, deren Brechungsindizes durch ein externes Feld wechseln. Wenn der photonische Kristall unter Verwendung solcher optischer Medien ausgebildet ist, werden die Brechungsindizes der beiden optischen Medien aus der Vielzahl optischer Medien veranlasst, dieselben zu sein oder etwa dieselben zu sein unter einer bestimmten externen Feldbedingung. Als ein Ergebnis ist die periodische Brechungsindexverteilung, die das Licht spürt, das Verteilungsmuster von von den beiden optischen Medienabweichenden optischen Medien mit demselben Brechungsindex.
Ferner werden die Brechungsindizes der beiden anderen optischen Medien veranlasst, unter einer anderen externen. Feldbedingung dieselben zu sein. In diesem Fall fühlt Licht in dem optischen Element ebenfalls das, Verteilungsmuster der von dem optischen Medium mit demselben Brechungsindex abweichenden optischen Medien unter der externen Feldbedingung.
Durch Reflektieren der Verteilungsmuster, die das Licht fühlt, unter diesen externen Feldbedingungen an einer gewünschten Kristallstruktur, Form eines Gitterpunktes und Periode, können zwei signifikante, unterschiedliche Photonenbandstrukturen umgeschaltet werden von einem zu dem anderen durch Schalten zwischen den externen Feldbedingungen.
Der schaltbare Wellenleiter in dem photonischen Kristall gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet durch dieselben Prinzipien, die oben beschrieben worden sind durch Umschalten zwischen den Abschnitten, in denen die Periodizität des Brechungsindexes unregelmäßig ist in der Kristallstruktur.
Ferner hängt der optische Demultiplexer gemäß der vorliegenden Erfindung nicht von dem Umschalten externer Feldbedingungen ab, sondern von der Frequenz (Wellenlänge) einfallenden Lichts, um Änderungen in den Brechungsindizes der optischen Medien zu bewirken. Mit anderen Worten, der photonische Kristall und der Wellenleiter werden gebildet durch eine Kombination optischer Medien, die einen photonischen Kristall bilden können, in dem die Abschnitte, die das Licht fühlt, als Unregelmäßigkeit in der Periodizität des Brechungsindexes variieren entsprechend der Frequenz des Lichts und veranlässt werden, als ein optischer Demultiplexer zu funktionieren.
Gemäß dem Herstellungsprozess und der Herstellungseinrichtung der vorliegenden Erfindung sind, da der photonische Kristall hergestellt werden kann durch Wiederholen des Schrittes des Ausbildens jedes Punktes, an dem der Brechungsindex wechselt, der demselben Ort entspricht in, jeder Einheitszelle zu einer Zeit für die Anzahl von Orten in einer Einheitszelle durch Verschiebendes optischen Mediums als solches um eine exakte Distanz durch Ausnutzen des Vorteils der translationalen Symmetrie des Kristalls, sind sie leicht zu betreiben und ein dreidimensionaler photonischer Kristall mit mehreren Perioden im Wellenlängenbereich des Lichts, der fast unmöglich zu produzieren war gemäß dem Stand der Technik, kann in der Form einer gewünschten Kristallstruktur mit hoher Genauigkeit durch den Herstellungsprozess und die Herstellungseinrichtung der vorliegenden Erfindung produziert werden.
Ferner werden gemäß dem Herstellungsprozess und der Herstellungseinrichtung der vorliegenden Erfindung durch Ändern eines externen Feldes in Bezug auf den Brechungsindex des photonischen Kristalls oder des darin ausgebildeten optischen Wellenleiters eine Kombination optischer Medien mit der größten Brechungsindexdifferenzänderung in der Frequenz des einzugebenden gesteuerten Lichts oder neue Punkte mit abweichenden Brechungsindizes von den existierenden Punkten periodisch erscheinen, das heißt, eine neue periodische Struktur wird ausgebildet nach der Änderung oder das Verhältnis der periodischen Spitzen der Brechungsindizes der Medien, welche in der periodischen Struktur auftreten, ändern sich, wo die Reaktion des photonischen Kristalls oder des Wellenleiters aktiv umgeschaltet werden können. Ferner kann durch Ausbilden von Punkten, die bei einem Abschnitt der periodischen Struktur des Brechungsindexes abhängig von der Wellenlänge des an anderen Orten gesteuerten Lichts werden, ein optischer Demultiplexer hergestellt werden, in dem Licht zu unterschiedlichen Wellenleitern an einem Abzweigpunkt entsprechend der Wellenlänge davon voranschreitet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger, verstanden werden aus der nachstehend wiedergegebenen detaillierten Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Jedoch sind die Zeichnungen nicht dazu gedacht, Einschränkungen der Erfindung auf spezifische Ausführungsformen zu unterstellen, sondern dienen, nur zur Erläuterung und zum Verständnis
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Punkts mit hoher Lichtintensität, der ausgebildet worden ist an einem Gitterpunkt, eine dreidimensionale Rechtecksystemstruktur bildend in Übereinstimmung mit dem Prozess der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht der im Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung verwendeten Einrichtung zum Produzieren eines optische Elementes;
3 eine perspektivische Ansicht der Struktur des im Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellten photonischen Kristalls;
4 eine Konzeptdarstellung, den Fallerläuternd, in dem die Brechungsindexverteilung eine Form mit Aufwölbungen in den Richtungen der drei unterschiedlichen Achsen hat;
5 die chemische Formel des Polymerisationsinitiators, der in Ausführungsbeispiel 2 verwendet wird;
6 eine perspektivische Ansicht der in Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung zum Produzieren eines optischen Elementes verwendeten Einrichtung;
7 das Übertragungsspektrum des photonischen Kristalls, welcher im Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist;
8 einen Prozess zum Ausbilden einer eindimensional periodischen Struktur von Lichtintensität Interferenz zweier fortschreitender, sich in unterschiedlicher Richtung ausbreitender Wellen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
9 eine Konzeptdarstellung der Brechungsindexverteilung in dem photonischen Kristall;
10 eine Konzeptdarstellung der Brechungsindexverteilung in dem photonischen Kristall,
11 eine Konzeptdarstellung der Brechungsindexverteilung in dem photonischen Kristall;
12 das Umschalten von einer Cäsiumchlorid-artigen Struktur zu einer kubisch-raumzentrierten Struktur durch Umschalten externer Feldbedingungen;
13 das Umschalten in einem optischen Wellenleiter;
14 die Brechungsindexverteilung in einem optischen Wellenleiter, der in der Lage ist, die Richtung einfallenden Lichts entsprechend einer externen Feldbedingung umzuschalten;
15 den Zustand des Umschaltens der Übertragungsrichtungen von Licht in einem optischen Wellenleiter gemäß externen Feldbedingungen;
16 eine Konzeptdarstellung der Brechungsindexverteilung in einem optischen Demultiplexer gemäß dem optischen Wellenleiter in dem photonischen Kristall;
17 eine Konzeptdarstellung der Brechungsindexabhängigkeit der optischen Medien von externen Feldbedingungen;
18 die chemische Struktur eines Ruthenium-Komplexes, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein Katalysator zur Photopolymerisationsreaktion;
19 die Verteilung des Ruthenium-Komplexes in porösem Siliziumdioxid an einigen Stellen im Prozess des Herstellens eines Ausführungsbeispiels des photonischen Kristalls der vorliegenden Erfindung, wobei um klar erkennbar zu sein, jede Schicht unterschiedlich schattiert ist, beginnend von der vordersten Schicht;
20 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des photonischen Kristalls der vorliegenden Erfindung; nur die erste Schicht ist gezeigt;
21 das Reflektionsspektrum des photonischen Kristalls der 20;
22 die Anordnung des farbenthaltenden Epoxidharzes an einigen Stellen im Prozess des Herstellens eines Ausführungsbeispiels des optischen Wellenleiters in dem photonischen Kristall der vorliegenden Erfindung;
23 das Schaltverhalten in einem Ausführungsbeispiel des optischen Wellenleiters in dem photonischen Kristall der vorliegenden Erfindung;
24 die Verbindung von Wellenleitern in einem Ausführungsbeispiel des optischen Wellenleiters in dem photonischen Kristall der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend beschrieben.
Erst wird der Prozess der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines optischen Elements beschrieben.
In der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Medium verwendet, dessen Brechungsindex sich ändert in Übereinstimmung mit der Intensität angewendeten Lichts nur durch Bestrahlung von Licht, durch Ruhenlassen des optischen Mediums für eine vorgegebene Zeit nach der Bestrahlung mit Licht oder durch dem Unterziehen einer Wärmebehandlung, der Bestrahlung mit elektromagnetischer Welle (wie zum Beispiel Licht) oder Korpuskularstrahlung (wie zum Beispiel Elektronenstrahl, α-Strahl oder Neutronenstrahl) oder zur Behandlung mit Chemikalien nach der Bestrahlung mit Licht. Es wird vorgezogen, dass die Änderung in dem Brechungsindex des optischen Mediums eingefügt wird durch die oben definierten Behandlungen nach der Bestrahlung mit Licht, statt nur durch Bestrahlung mit Licht.
Das optische Medium, das eine solche Änderung im Brechungsindex zeigt, kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden. Das heißt, wenn das Verhältnis des maximalen Brechungsindexwertes und des minimalen Brechungsindexwertes in dem optischen Medium vor der Bestrahlung mit Licht definiert ist als r(1), das Verhältnis zwischen dem maximalen Brechungsindexwert und dem minimalen Brechungsindexwert in dem optischen Medium nach der Bestrahlung mit Licht definiert ist als r(2) und das Verhältnis zwischen dem maximalen Brechungsindexwert und dem minimalen Brechungsindexwert in dem optischen Medium nach dem Abschluss der Verhandlung zum Veranlassen einer Änderung im Brechungsindex definiert ist als r(3), erfüllt das optische Medium, das geeignet verwendet werden kann in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise solche Bedingungen wie |r(3) m r(2)| ist größer als |r(2) – r(1)| und, dass die für das Verhältnis zwischen dem maximalen Brechungsindexwert und dem minimalen Brechungsindexwert nach der Bestrahlung mit Licht zum Überschreiten des Wertes von |r(3) – r(2)|/2 größer ist als die Zeit, die benötigt wird zur Bestrahlung mit Licht.
Als ein Mechanismus zum Veranlassen einer Änderung des Brechungsindexes des in dem obigen optischen Medium verwendeten Materials kann ein Mechanismus verwendet werden, zum Veranlassen einer Änderung im Brechungsindex durch das Unterziehen des Photopolymerisationsprozesses eines polymerisierbaren Monomers oder des eine Kombination einer photochemischen Reaktion und einer Temperaturerhöhung umfassenden Polymerisationsprozesses davon einem Mechanismus zum Bewirken eines Wechsels im Brechungsindex durch durch das Bestrahlen einer lochbrennenden Substanz mit Licht bewirkten Populationsmigration oder einem Mechanismus zum Bewirken einer Änderung im Brechungsindex durch Bestrahlen einer photoisomerisierbaren Verbindung mit Licht. Zusätzlich kann auch ein Mechanismus verwendet werden zum Bewirken einer Änderung des Brechungsindexes durch Verfallen oder Modifizieren von Molekülen in den lichtbestrahlten Abschnitten des optischen Mediums durch lokale Temperaturerhöhung oder intensives Licht.
Einfacher ausgedrückt, wird ein photoisomerisierbares Monomer in ein anorganisches poröses Material mit hoher Porösität imprägniert zum Bewirken von Photopolymerisation, nur das Polymer wird dann ausgewaschen und entfernt zum Bilden von Lücken oder Fehlstellen und das Auftreten einer Änderung des Brechungsindexes kann bewirkt werden durch das Restpolymer und die in den Lücken des porösen Materials vorhandene Luft. Alternativ wird ein Material mit hohem Brechungsindex in die Lücken des porösen Materials eingefüllt, aus denen das Monomer entfernt worden ist und das Auftreten einer Änderung des Brechungsindexes kann bewirkt werden durch das Restpolymer und das eingefüllte Material. In diesem Fall gibt es gegebenenfalls keine Änderung des Brechungsindexes zwischen dem Monomer vor der Bestrahlung mit Licht und dem Polymer, das durch die Bestrahlung mit Licht produziert wird:
In dem Prozess der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Feld vorgesehen, bei dem die Lichtintensität sich periodisch im Raum ändert. Ein solches optisches Feld kann gebildet werden unter Verwendung einer stehenden Welle, die durch Interferenz zwischen einem Laserstrahl generiert wird, der sich in einer bestimmten Richtung ausbreitet und einem Laserstrahl, der sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitet durch Reflektion des Laserstrahls an einem Spiegel oder durch das Verwenden eines Interferenzmusters zwischen fortschreitenden Wellen, die sich in mindestens zwei Richtungen ausbreiten.
Der Fall, in dem ein optisches Feld, in welchem die Lichtintensität insbesondere an Positionen entsprechend den Gitterpunkten des dreidimensional-kubischen Gitters hoch ist, gebildet durch die Verwendung der Interferenz eines Laserstrahls, wird nun beschrieben.
Wenn das vorstehende optische Medium in dem Feld angeordnet ist, kann ein Punkt, an dem eine Änderung des Brechungsindexes in dem optischen Medium auftritt, "gebacken" werden als ein latentes Bild an der Position mit hoher Lichtintensität, die dem dreidimensionalen Raumgitter entspricht.
Beim Prozess der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache beachtet worden, dass die Gitterpunkte eines dreidimensionalen Raumgitters translationssymmetrisch sind und er ist gekennzeichnet durch das mehr als einmalige Wiederholen des obigen "Backens" durch Verschieben der Position des optischen Mediums um eine exakte Distanz, die in etwa dieselbe ist wie die Wellenlänge des Lichts für jedes "Backen".
Das heißt, bei dem ersten "Back"-Schritt kann jeder Punkt entsprechend einer bestimmten Stelle in einer eine guer durch das optische Medium ausgebildete gewünschte Kristallstruktur bildenden Einheitszelle auf einmal "gebacken" werden. Dann wird die Position des optischen Mediums geringfügig verschoben, um übereinzustimmen mit der Position, bei der Lichtintensität im optischen Medium an einer anderen Stelle in der Einheitszelle hoch ist, die die gewünschte Kristallstruktur bildet und ein "Backen" wird noch einmal ausgeführt. Der Schritt des Verschiebens des optischen Mediums und des Durchführens des "Backens" werden wiederholt, bis jeder Punkt entsprechend jeder Stelle in der Einheitszelle, die die Kristallstruktur bildet, "gebacken" ist. Danach wird die gewünschte photonische Kristallstruktur dadurch erhalten, dass den Änderungen im Brechungsindex der "gebackenen" Punkte ermöglicht wird, durch Ruhenlassen des optischen Mediums für eine vorgegebene Zeit vervollständigt zu werden oder durch Veranlassen der Änderungen. in den Brechungsindizes der "gebackenen" Punkte, durch vorbestimmte Behandlungen wie zum Beispiel Bestrahlung mit Lich. Der Begriff "Stelle", wie er hier verwendet wird, gibt die Position entsprechend der Position jedes Atoms in der Einheitszelle an.
Wie oben beschrieben, wird in dem Prozess der vorliegenden Erfindung durch möglichst gutes Ausnutzen der Translationssymmetrie des Kristalls der Schritt des Bildens jedes Punktes, an dem der Brechungsindex sich ändert, der dem Atom an derselben Stelle entspricht in jeder Einheitszelle zu einer Zeit wiederholt für "die Anzahl der Stellen in einer Einheitszelle". Daher ist es nicht erforderlich, den Schritt für "die Anzahl der Perioden oder Atome" zu wiederholen, die den Kristall bilden wie. in. üblichen Prozessen. Zusätzlich ist es in dem Prozess der vorliegenden Erfindung leicht, eine "Back"-Stelle zu einer anderen "Back"-Stelle zu bewegen, da es erreicht werden kann durch nur ein geringfügiges Verschieben des dreidimensionalen optischen Mediums.
Im Prinzip kann derselbe photonische Kristall auch produziert werden durch Antreiben des gesamten optischen Systems zum Kreieren des optischen Feldes, bei dem die Lichtintensität sich periodisch ändert. Jedoch kann der photonische Kristall leichter und exakter produziert werden durch den Prozess der vorliegenden Erfindung als durch das Antreiben des gesamten optischen Systems, weil in dem Prozess der vorliegenden Erfindung das optische Medium verschoben wird.
Als nächstes wird die Herstellungseinrichtung für das optische Element der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die Herstellungseinrichtung für das optische Element der vorliegenden Erfindung umfasst ein optisches System, das ein optisches Feld erstellt, in dem sich die Lichtintensität im Raum mit einer Periode der Wellenlängengrößenordnung des Lichts ändert und einen beweglichen Objekttisch, der ein optisches Medium, dessen Brechungsindex sich entsprechend der Intensität angewendeten Lichts im optiichen Feld ändert, in dem sich die Lichtintensität periodisch ändert, und der das optische Medium um eine exakte Distanz der Wellenlängengrößenordnung des Lichts im optischen Feld verschieben kann. Der Begriff "Wellenlängengrößenordnung des Lichts", wie er hier verwendet wird, gibt eine Wellenlänge von etwa 100 nm bis 10 μm im Bereich von ultraviolettem Licht bis Infrarotlicht an.
Das optische System, das das optische Feld kreiert, in dem sich die Lichtintensität bei einer Periode der Wellenlängengrößenordnung des Lichts im Raum ändert, wird erläutert mit dem Fall als Beispiel, in dem die Interferenz eines Laserstrahls verwendet wird.
Sich die Koordinatenachsen (x, y, z) im Raum vorstehlend, strahlen Laserstrahlen mit Frequenzen von ν_x, x_y und v_Z jeweils in Richtung des Ursprungspunktes entlang der x-, yund z-Achsen. Auf der anderen Seite jeder der Achsen ist über den Ursprungspunkt ein Spiegel zum Reflektieren des Laserstrahls rechtwinklig zu der Achse angeordnet. Für jeden entlang jeder Achse strahlenden Laserstrahl beinträchtigen sich der einfallende Strahl und der reflektierte Strahl davon (Interferenz) gegenseitig zum Bilden einer stehenden Welle mit einer Periode von Ca/2ν_x), Ca/(2ν_y) oder 2a/(2ν_z) im Raum. T_A ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (wie zum Beispiel Luft). Die Lichtintensität ist hoch an Bäuchen dieser stehenden Wellen und, an dem die Schleifen der drei eindimensionalen stehenden Wellen mit Periodizität in den jeweiligen Richtungen überlappen. miteinander, wird als ein Punkt bezeichnet mit besonders hoher Lichtintensität.
Demnach, wie in 1 gezeigt, kann ein Punkt P mit hoher Lichtintensität gebildet werden an einem Gitterpunkt eines dreidimensional rechtwinkligen Systems (Raumsystem, wenn ν_x ν_Y = ν_Z, und Tetragonalsystem, wenn irgendwelche zwei von ν_x, ν_y und ν_Z äquivalent sind). Die Werte von ν_X, ν_Y und ν_z werden entsprechend der Größe einer Einheitszelle eines zu bildenden photonischen Kristalls ausgewählt. Die Einfallsrichtungen der drei Laserstrahlbündel und die Ausrichtungen der Spiegel zum Reflektieren der Strahlbündel werden entsprechend der Kristallstruktur eines zu bildenden photonischen Kristalls bestimmt und sie sind nicht erforderlichenfalls rechtwinklig zueinander.
"Backen" wird durchgeführt an einem optischen Medium in einem solchen optischen Feld. Bei diesem "Backen" ist es wünschenswert, dass "Backen" nur an den Punkten auftritt, an denen Lichtintensität hoch ist und nicht an anderen Punkten. Daher ist das optische Medium wünschenswerter Weise eines, bei dem "Backen" durch die chemische Änderung oder das Ausbilden eines Polymerzwischenproduktes durch Multiphotonenabsorption wie zum Beispiel Zwei-Photonenabsorption oder eine, bei der "Backen" auftritt durch die Lichtintensität eines bestimmten Schwellwerts.
Durch dieses "Backen" wird die Raummodulation des Brechungsindexes definiert. Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, dass es eine Zeitverzögerung zwischen dem Backen (Belichtung) und dem tatsächlichen Auftreten einer Änderung des Brechungsindexes gibt. Ferner ist es, wie oben beschrieben, wünschenswert, dass eine. Änderung im Brechungsindex nicht auftritt, bis die vorbestimmte Behandlung wie zum Beispiel Erwärmen oder Bestrahlen mit Licht ausgeführt ist nach dem Ausbilden eines latenten Bildes durch "Backen". Dies ist, weil, wenn eine Änderung im Brechungsindex unmittelbar an einem Gitterpunkt auftritt, an dem die Lichtintensität hoch ist und einen nicht vernachlässigbaren Grad erreicht, ein derart komplizierter, Effekt bewirkt wird, dass die Lichtintensitätsverteilung in einem optischen Medium beeinträchtigt wird und die Intensitätsverteilung modulierten Lichts die Änderung im Brechungsindex unterstütz, es hierdurch erschwerend, eine gewünschte Brechungsindexverteilung herzustellen. Andererseits, wenn die Information über die nachfolgend auftretende räumliche Modulation des Brechungsindexes einfach in ein optisches Medium geschrieben wird durch "Backen" und die tatsächliche räumliche Modulation des Brechungsindexes festgelegt wird, nach dem "Backen" aufzutreten, würde es keinen solchen Fall geben, in dem vorangegangenes "Backen" nachfolgendes "Backen" beeinflussen würde. Ferner ist es wünschenswert, dass der "Back"-Prozess selbst nicht nur durch die Wirkung eines optischen Feldes auftritt, wobei die Lichtintensität periodisch geändert wird, sondern in Kombination mit anderen Faktoren wie Gate-Strahl. Dies ist, weil, wenn "Backen" nicht auftritt, wenn ein Laserstrahl, der Interferenz hervorruft, auf ein typisches Medium einstrahlt, die Position des optischen Mediums abgestimmt werden kann, während der Laserstrahl, der ein Interferenzmuster generiert, tatsächlich auf das, optische Medium strahlt. Es ist wünschenswert, dass "Backen" durchgeführt wird beispielsweise durch das Strahlen eines Gate-Strahls, nachdem die Position des optischen Mediums eingestellt worden ist.
Die Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist mit einem beweglichen Objekttisch ausgestattet, der ein optisches Medium in einem optischen Feld hält, in dem die Lichtintensität sich periodisch ändert, und der das optische Medium um einen exakten Abstand der Wellenlängengrößenordnung des Lichts in dem Feld verschieben kann. Durch die Verwendung dieses beweglichen Objekttisches wird das optische Medium um einen genauen Abstand im raumfesten Feld der periodischen Lichtintensität verschoben, um "Backen" an jeder Stelle in einer Einheitszelle auszuführen. Der genaue Abstand reicht von etwa der Wellenlänge des Lichts bis etwa ein Zehntel davon (bis 100 nm). Das optische Medium kann mit großer Genauigkeit durch den Piezoelement-angetriebenen Objekttisch verschoben werden. Abhängig von der Art, in der das optische Medium durch den beweglichen Objekttisch verschoben wird, wird die Kristallstruktur des zu bildenden photonischen Kristalls bestimmt. Ferner kann, wenn ein photonischer Kristall mit einer Kristallstruktur, deren Gitterpunkte unregelmäßige Formen haben, auszubilden ist, das Ausbilden der Kristallstruktur gesteuert werden durch Variieren der Intensität angewendeten Lichts und der Bestrahlungszeit oder durch Durchführen von "Backen" an einer speziellen Stelle zweimal oder, dreimal durch geringfügiges Verschieben des optischen Mediums.
Wenn die Produktionseinrichtung für das optische Medium der vorliegenden Erfindung ferner eine Lichtquelle umfasst und einen Detektor zum Evaluieren eines optischen Elementes, das ausgebildet worden ist zum Prüfen der Formation einer photonischen Bandlücke, wird es möglich, ein optisches Element zu produzieren, während die Leistungsfähigkeit des photonischen Kristalls geprüft wird.
Die Art in der ein optisches Element bewegt wird zum Ausbilden der typischen Kristallstrukturen, wird nachstehend beschrieben.
Zum Ausbilden eines kubisch-raumzentrierten Gitters wird ein Laserstrahl auf den Ursprungspunkt gestrahlt entlang jeder der zueinander orthogonalen x-, y- und z-Achsen, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlen zu ν_X = ν_y = ν_Z und stehende Wellen werden gebildet durch die Interferenz zwischen den drei Laserstrahlen und von Spiegeln, die durch den Ursprungspunkt auf der anderen Seite der Achsen platziert sind, reflektierten Strahlen davon. Zuerst wird ein optischen Medium an dem Ursprungspunkt, (0, 0, 0) angeordnet zum Ausführen des ersten "Backens". Als nächstes. wird das optische Medium um einen Vektor von (a/2, a/2, a/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backen" mit a = c_ν/(n_ν1) (C_ν ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und n ist der Brechungsindex des optischen Elementes).
Zum Ausbilden eines kubisch-flächenzentrierten Gitters wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungs entlang jeder der zueinander orthogonalen x-, y- und z-Achsen gestrahlt, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenz der drei Laserstrahlen zu ν₁ = ν₂ = ν₃ und stehende Wellen werden durch die Interferenz zwischen den drei Laserstrahlen und von über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Achsen angeordneten Spiegeln reflektierten Strahlen davon ausgebildet. Zuerst wird ein optischen Medium an dem Ursprungspunkt (0, 0, 0) platziert zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das optische Medium um einen Vektor von (a/2, 0, a/2) verschoben aus dem Ursprungspunkt zum Durchführen des zweiten "Backens". Das optische Medium wird dann um einen Vektor von (0, a/2, a/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des dritten "Backens". Das optische Medium wird dann um einen Vektor von (a/2, a/2, 0) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des vierten "Backens". Alle obigen Backschritte mit Ausnahme des ersten Schrittes werden durchgeführt mit a = c_ν/(nv₁).
Zum Ausbilden eines Tetragonalsystem-raumzentrierten Gitters wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungspunktes gestrahlt entlang jeder der zueinander orthogonalen x-, yund z-Achsen, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel von ν₁ ≠ ν₂ = ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch die Interferenz zwischen den drei Laserstrahlbündeln und von den durch den Ursprungspunkt auf den anderen Seiten der Achsen angeordneten Spiegeln reflektierten Strahlbündeln davon. Zuerst wird ein optisches Medium um einen Vektor von (a/2, b/2, b/2), aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backens" mit a = c_ν/(nν₁), b = c_ν/(nν₂).
Zum Bilden eines Rechtecksystem-basiszentrierten Gitters wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungspunkts entlang jeder der zueinander orthogonalen Achsen x, y, z gestrahlt, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel als ν₁ ≠ ν₂, ν₂ ≠ ν₃ und ν₁ ≠ ν₃ und stehende wellen werden ausgebildet durch Interferenz zwischen den drei Laserstrahlbündeln und durch über den Ursprungspunkt auf der anderen Seite der Achsen angeordnete Spiegel reflektierte Strahlen davon. Zuerst wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) platziert zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das optische Medium um einen Vektor von (a/2, b/2, 0) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backens" mit a = c_ν/(nν₁), b = c_ν/(nν₂).
Zum Ausbilden eines Rechtecksystem-flächenzentrierten Gitters wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungspunktes entlang jeder der zueinander orthogonalen x-, y- und z-Achsen gestrahlt, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel von ν₁ ≠ ν₂, ν₂ ≠ ν₃ und ν₁ ≠ ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch Interferenz zwischen den drei Laserstrahlen und von den Spiegeln, die über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Achsen angeordnet sind reflektierten Strahlen davon. Als erstes wird ein optischen Medium im Ursprungspunkt (0, 0, 0) angeordnet zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das, optische Medium um einen Vektor von (a/2, 0, c/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backens". Das optische Medium wird dann um einen Vektor von (0, b/2, c/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des dritten "Backens". Das optische Medium wird dann um einen Vektor von (a/2, b/2, c/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des vierten "Backens". Alle obigen Backschritte mit Ausnahme des ersten Backschrittes werden durchgeführt mit a = c_ν/(nν₁), b = c_ν/(nν₂) und a = c_ν/(nν₃)
Zum Ausbilden eines Rechtecksystem-raumzentrierten Gitters wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungspunktes entlang jedem der zueinander orthogonalen x, y- und z-Achsen gestrahlt, mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlen von ν₁ ≠ ν₂, ν₂ ≠ ν₃ und ν₁ ≠ ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch Interferenz zwischen den drei Laserstrahlen. und durch über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Achsen platzierte Spiegel reflektierte Strahlen davon. Als erstes wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) platziert zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das optische Medium um einen Vektor von (a/2, b/2, c/2) aus dem Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backens" mit a = c_ν/(nν₁), b = c_ν/(nν₂) und a = c_ν/(nν₃).
Zum Ausbilden eines Hexagonalsystems wird ein Strahl mit einer Frequenz von ν₁ entlang dem Vektor (3½ a/2, –a/2, 0) gestrahlt, ein Strahl mit einer Frequenz von ν₂ wird entlang der y-Achse gestrahlt und ein Strahl mit dem Vektor ν₃ wird entlang der z-Achse gestrahlt in Richtung des Ursprungspunktes mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel von ν₁ = ν₂ ≠ ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch die Interferenz zwischen diesen Laserstrahlen und Strahlen davon, die vertikal an Spiegeln reflektiert werden, welche über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Vektoren und der Achsen angeordnet sind. In diesem Zustand wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) platziert zum Durchführen von "Backen" mit a = c_ν/(nν₁).
Zum Bilden eines trigonalen Systems wird ein Laserstrahl entlang jedem der drei Vektoren gestrahlt, die im selben Winkel von einander in Richtung des Ursprungspunktes gespreizt sind mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlen von ν₁ = ν₂ = ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch die Interferenz zwischen diesem Laserstrahl und Strahlen, die vertikal davon reflektiert werden an Spiegeln, die über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Vektoren angeordnet sind. In diesem Zustand wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) angeordnet zum Durchführen von "Backen".
Zum Ausbilden eines Monoklinsystem-basiszentrierten Gitters wird ein Strahl mit einer Frequenz von ν₂ entlang der y-Achse gestrahlt, ein Strahl mit einer Frequenz ν₃ wird entlang der z-Achse gestrahlt und ein Strahl mit einer Frequenz von ν1 wird entlarig des Vektors (α, 0, β) (α ≠ 0, β ≠ 0) in Richtung des Ursprungspunktes gestrahlt mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel von ν₁ ≠ ν₂, ν₂ ≠ ν₃ und ν₁ ≠ ν₃, und stehende Wellen werden ausgebildet durch die Interferenz zwischen diesen Laserstrahlbündeln und Strahlbündeln davon, die vertikal reflektiert werden an Spiegeln, welcher über den Ürsprungspunkt an den anderen Seiten der Achsen und des Vektors angeordnet sind. Zuerst wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) angeordnet zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das optische Medium um einen Vektor von (a/2, b/2, 0) vom Ursprungspunkt verschoben zum Durchführen des zweiten "Backens" mit a = (α₂ + β₂)^½ c_ν/(βnν₁) und b = c_ν/nν₂).
Zum Ausbilden einer Diamantstruktur wird ein Laserstrahl in Richtung des Ursprungspunktes entlang jeder der x-, y- und z-Achsen gerichtet, die orthogonal zueinander sind mit dem Zusammenhang zwischen den Frequenzen der drei Laserstrahlbündel von ν₁ = ν₂ = ν₃ und stehende Wellen werden ausgebildet durch die Interferenz zwischen den drei Laserstrahlbündeln und den reflektierten Strahlbündeln davon von Spiegeln, die über den Ursprungspunkt an den anderen Seiten der Achsen angeordnet sind. Zuerst wird ein optisches Medium am Ursprungspunkt (0, 0, 0) angeordnet zum Durchführen des ersten "Backens". Als nächstes wird das optische Medium verschoben um einen Vektor von (a/2, 0, a/2) aus dem Ursprungspunkt zum Durchführen des zweiten "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor (0, a/2, a/2) aus dem Ursprungspunkt zum Durchführen des dritten "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor von (a/2, a/2, 0) aus dem Ursprungspunkt zum Durchführen des vierten "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor von (a/4, 3a/4, a/4) zum Ursprungspunkt zum Durchführen des fünften "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor von 3a/4, 3a/4, 3a/4) vom Ursprungspunkt zum Durchführen des sechsten "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor von (3a/4, 3a/4, 3a/4) aus dem Ursprungspunkt zum Durchführen des siebten "Backens". Das optische Medium wird dann verschoben um einen Vektor von (a/4, a/4, 3 a/4) vom Ursprungspunkt zum Durchführen des achten "Backens". Alle obigen Backschritte mit Ausnahme des ersten Schrittes werden ausgeführt mit a = c_ν/(nν₁).
Wenn der obige Schritt des Verschiebens eines optische Mediums und des Durchführens von "Backen" wiederholt werden zum Erhalten der obigen Kristallstrukturen, kann ein Strahl gleichartig nach allen Seiten gerichtet werden. Indessen können auch von den obigen Kristallstrukturen abweichende Kristallstrukturen erhalten werden durch Ändern der Weise, in der die Brechungsindizes sich ändern durch Ändern der Intensität des Strahls oder des Betrags des abgestrahlten Strahls. Beispielsweise durch Einstellen unterschiedlicher Bedingungen für die erste bis vierte Strahlbestrahlung und für die fünfte bis achte Strahlbestrahlung beim Bilden der Diamantstruktur sind die Größen der Stellen, die durch eine Reihe von "Backen" und dem Unterziehen des Änderns des Brechungsindexes produziert werden und der Grad der Änderung der Brechungsindizes unterschiedlich abhängig von den obigen beiden unterschiedlichen Bedingungen, wodurch eine, Zinkblendenstruktur ausgebildet werden kann.
Obwohl soweit der Fall, bei dem ein photonischer Kristall mit einer dreidimensional periodischen Struktur ausgebildet wird, beschrieben worden ist, kann selbstverständlich die vorliegende Erfindung auch ähnlich angewendet werden auf den Fall, in dem ein photonischer Kristall mit einer zweidimensionalen oder eindimensional periodischen Struktur ausgebildet wird.
Beispiele des Produktionsprozesses und der Produktionseinrichtung für das optische Element, der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(Ausführungsform 1)
Das Ausführungsbeispiel, indem ein photonischer Kristall mit einer kubisch-raumzentrierten Struktur ausgebildet worden ist unter Verwendung der in 2 gezeigten Einrichtung wird beschrieben. Der in dem momentanen Ausführungsbeispiel ausgebildete photonische Kristall umfasst ausgehärtetes Epoxidharz, das angeordnet ist, um die Gitterpunkte einer kubisch- raumzentrierten Struktur in als Skelett verwendetem porösem Siliziumdioxid zu bilden und hat eine periodische Brechungsindexstruktur, ausgebildet durch das ausgehärtete Epoxidharz und die Luft, die in den Leerstellen des porosen Siliziumdioxids vorliegt.
Das als Skelett verwendete poröse Siliziumdioxid des photonischen Kristalls wurde durch einen Sol-Gel-Prozess ausgebildet. Dieses poröse Siliziumdioxid hat eine Größe von 1 mm × 1 mm × 1 mm, eine Porosität von nicht weniger als 90%, einen mittleren Leerstellendurchmesser von 30 nm und einen Brechungsindex von 1,015 bis 1,055, was nahe dem von Luft ist. Ferner ist eine Harzlösung ausgebildet worden durch Hinzufügen von 1% von 4-Morpholin-2,5-Dibutyroxybenzoldiazoniumfluorborat als Photosäuregenerator zu Ceroxid 2021 (Produkt von Diecel Chemical Co., Ltd.) als Epoxidharz. Das poröse Siliziumdioxid wurde in die Harzlösung eingetaucht zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit der Harzlösung. Vom Gesichtspunkt der Wellenlänge des Lichts ist solch poröses Siliziumdioxid mit kleinen Leerstellen mit hoher Dichte und sehr hoher Porosität von nicht weniger als 90% gleichwertig mit einem Körper, der nur aus Kunstharzlösung besteht.
2 zeigt poröses Siliziumdioxid 1 angeordnet an dem Probenhalter 11a eines piezoelementgetriebenen Objekttischs 11. Dieser Objekttisch ist in den Richtungen von x, y und z um eine Distanz so klein wie die Wellenlänge des Lichts bewegbar. Drei angrenzende Spiegel 12x, 12y und 12z sind derartig angeordnet, dass jeder der Spiegel gegenüber. einer der drei Oberflächen des porösen Siliziumdioxids 1 angeordnet ist.
Das Bestrahlen des porösen Siliziumdioxids 1 mit einem Strahl wird folgendermaßen ausgeführt. Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 810 mm wird unter Verwendung eines Argonlaser-angeregten Titan-Saphirlasers als Lichtquelle 13 generiert. Der Laserstrahl verläuft durch einen Strahlaufspalter 14a und wird durch einen Spiegel 15x reflektiert, um in die Richtung von x gerichtet zu sein. Dann beeinträchtigen sich der in x-Richtung des porösen Siliziumdioxids 1 einfallende Strahl und der daraus von einem Spiegel 12x reflektierte Strahl gegenseitig (Interferenz), um eine stehende Welle an dem Ort des porösen Siliziumdioxids 1 zu bilden. Der Laserstrahl, der von dem Strahlaufspalter 14a reflektiert worden ist, wird durch einen Spiegel 15y reflektiert und verläuft durch einen Strahlaufspalter 14b, um in Richtung von y gerichtet zu sein. Dann beinträchtigen sich der in Richtung y zum porösen Siliziumdioxid 1 einfallende Strahl und der daraus von einem Spiegel 12y reflektierte Strahl gegenseitig (Interferenz) zum Bilden einer stehenden Welle am Ort des porösen Siliziumdioxids 1. Der Laserstrahl, der von dem Strahlaufspalter 14b reflektiert worden ist,,wird durch einen Spiegel 15yz und einem Spiegel 15z reflektiert, um in Richtung von z gerichtet zu sein. Dann beeinträchtigen sich der in Richtung z auf das poröse Siliziumdioxid 1 einfallende Strahl und der daraus von dem Spiegel 12z reflektierte Strahl gegenseitig (Interferenz) zum Bilden einer stehenden Welle an dem Ort des porösen Siliziumdioxids 1.
Zuerst ist das poröse Siliziumdioxid 1 am Ursprungspunkt im Raum, der gebildet wird durch die obige stehende Welle, angeordnet und die erste Strahlbeleuchtung ist durchgeführt worden wie oben beschrieben. Dann ist das poröse Siliziumdioxid 1 in der Richtung des Vektors (135 nm, 135 nm, 135 nm) verschoben worden, das heißt, verschoben um 135 nm aus dem Ursprung in jeder der Richtungen x, y und z und die zweite Strahlbeleuchtung ist durchgeführt worden an dem porösen Siliziumdioxid 1 am Ort oder derselben Bestrahlungsbedingung, die verwendet worden ist für die erste Bestrahlung.
Dieses poröse Siliziumdioxid 1 ist erwärmt worden für 5 Stunden, während des Aufrechterhaltens von 60°C zum Aushärten der Epoxidharzpunkte, an denen dreidimensionales "Backen" ausgeführt worden ist. Demnach sind die ausgehärteten Epoxidharzpunkte an den Gitterpunkten eines kubischraumzentrierten Gitters mit einer Gitterkonstanten von 270 nm in porösem Siliziumdioxid 1 gehalten. Daraufhin ist das poröse Siliziumdioxid mit Aceton und Methanol gewaschen worden zum Auswaschen des ungehärteten Kunstharzes und des Säuregenerators. Derart, wie in 3 gezeigt, ist ein photonischer Kristall gebildet worden, in dem ausgehärtetes Epoxidharz 2 in der Form einer kubisch-raumzentrierten Struktur im porösen Siliziumdioxid 1 angeordnet worden ist.
Ferner, wenn die Form dieses ausgehärteten Epoxidharzes 2 geprüft worden ist, hat es eine Form mit Aufwölbungen in den Richtungen der drei unterschiedlichen Achsen, wie in 4 dargelegt. Diese Form entspricht unmittelbar der Verteilung des Brechungsindexes. Mit anderen Worten, die Verteilung des Brechungsindexes ist nicht isotropisch, sondern hat eine Form mit geringer Symmetrie. Als ein Ergebnis tritt, selbst in dem Fall einer Kristallstruktur, in der keine optische Bandlücke auftritt, wie bei der isotropischen Verteilung des Brechungsindexes wie in einer Kugelform, eine Bandlücke in der Kristallstruktur auf, wenn sie eine solche Verteilung des Brechungsindexes hat, wie in 4 gezeigt. Zudem, verglichen mit dem Fall, in dem die Verteilung des Brechungsindexes isotrop ist, kann, wenn die Verteilung des Brechungsindexes anisotrop ist wie in 4 gezeigt, der, Effekt erzielt werden, dass die optische Bandlücke weiter an Größe zunimmt.
(Ausführungsform 2)
Es wird das Ausführungsbeispiel beschrieben,, in dem ein photonischer Kristall mit einer Diamantstruktur ausgebildet wird unter Verwendung der in 2 gezeigten Einrichtung. Der in dem momentanen Ausführungsbeispiel ausgebildete photonische Kristall umfasst Acrylharze, angeordnet, um die Gitterpunkte einer Diamantstruktur in porösem Siliziumdioxid zu bilden. Poröses Siliziumdioxid von demselben Standard und der Größe, wie das im Ausführungsbeispiel 1 verwendete, wurde verwendet. Ferner wurde eine photopolymerisierbare photosensitive Harzlösung vorbereitet, die ein multifunktionales Acrylatmonomer umfasst mit extra feinen Goldpartikeln darin verteilt (SartomerSR9008) als eine Hauptkomponente, ein polymeres Bindemittel; das etwa 10% eines Styrol-Acrylnitril-(75:25)-Copolymers enthält, und etwa 0,1% eines Photopolymerisationsinitiators (mit einer chemischen Struktur, die in 5 gezeigt ist). Das poröse Siliziumdioxid war eingetaucht in dieser Harzlösung zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit der Harzlösung.
In der Einrichtung ähnlich der in 2 gezeigten wurde das poröse Siliziumdioxid am Ursprungspunkt des Probenhalters 11a des Objekttisches 11 angeordnet. Unter Verwendung eines Strahls mit einer Wellenlänge von 1.548 nm von einem durch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 775 nm gepumpten parametrischen Oszillator, der generiert worden ist durch einen Argonionen-Laser-erregten Titansaphirlaser als Lichtquelle 13, wurde eine stehende Welle in jeder der x-, y- und z-Richtungen ausgebildet zum Erstellen eines Punktes mit hoher Lichtintensität, der ein dreidimensionales kubisches Gitter in dem porösen Siliziumdioxid umfasst. Zwei-Photonenabsorption wurde durchgeführt mit einem Photosäureninitiator an den Gitterpunkten des dreidimensionalen kubischen Gitters zum Polymerisieren von Monomeren an den Positionen. Als nächstes würde das poröse Siliziumdioxid um einen Vektor von (258 nm, 0 nm, 258 nm) aus dem Ursprungspunkt verschoben und wieder wurden Monomere polymerisiert an den Gitterpunkten des dreidimensionalen kubischen Gitters durch das Bestrahlen des Laserstrahls. Dann wurde nacheinander der Polymerisationsschritt ausgeführt, der das Verschieben des porösen Siliziumdioxids und das Bestrahlen des verschobenen porösen Siliziumdioxids mit einem Laserstrahl umfasst, während des Verschiebens des porösen Siliziumdioxids um Vektoren von (0, 258 nm, 258 nm), (258 nm, 258 nm, 0), (129 nm, 388 nm, 129 nm), (388 nm, 129 nm, 129 nm), (388 nm, 388 nm, 388 nm) und (129 nm, 129 nm, 388 nm) aus dem Ursprungspunkt, wobei Acrylatpolymere angeordnet und beibehalten wurden in Form einer Diamantstruktur in dem porösen Siliziumdioxid. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid gewaschen mit Aceton zum Entfernen des Monomers. Demnach wurde ein photonischer Kristall mit einer Diamantstruktur erhalten.
In dem momentanen Ausführungsbeispiel ändert sich der Brechungsindex kaum zur Zeit des Produzierens eines Polymers durch Polymerisation eines Monomers durch Photopolymerisation (der Brechungsindex des Monomers und des Polymers sind etwa 1,41 bzw. 1,49). Das heißt, der Polymerisationsschritt entspricht dem "Backen" Daraufhin erscheint die räumliche Modulation des Brechungsindexes durch den Schritt des, Entfernens des Monomers und ein photonischer Kristall wird erhalten.
Zum Minimieren des Einflusses des vorangegangenen "Backens" auf eine Änderung im Brechungsindex, wenn "Backen" ausgeführt wird durch Verschieben der Position des porösen Siliziumdioxids, ist vorzuziehen, die Polymerisation nicht nur durchzuführen durch Zwei-Photonenabsorption unter Verwendung des intensivierten Strahls an den Gitterpunkten durch Interferenz, sondern in Kombination mit der nachfolgenden Bestrahlung durch einen Strahl, mit der zweiten Wellenlänge, der Verwendung eines Monomers, das beginnt, polymerisiert zu werden durch eine Erhöhung der Temperatur, oder durch Verwendung einer Mischung des Monomers und eines Sensibilisätors, eines Sensibilisatorvorgängers, eines Radikalgenerators oder ähnlichem.
(Ausführungsform 3)
Es wird das Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein photonischer Kristall mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur oder einer Kristallstruktur ähnlich zu dieser ausgebildet würde unter Verwendung der in 2 gezeigten Einrichtung.
Poröses Siliziumdioxid, das mit derselben photosensitiven Harzlösung imprägniert worden ist, wie sie im Ausführungsbeispiel 2 verwendet worden ist, wurde vorbereitet. Wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels 2 wurde das poröse Siliziumdioxid an dem Ursprungspunkt des. Probenhalters 11a des Objekttisches 11 angeordnet. Unter Verwendung eines Strahls mit einer Wellenlänge von 1.548 nm von einem parametrischen Oszillator, gepumpt durch einen Lasersträhl mit einer, Wellenlänge von 775 nm, der generiert worden ist durch einen Argonionenlaser-angeregten Titansaphirlaser als Lichtquelle 13, wurde eine stehende Welle ausgebildet in jeder der x-, y- und z-Richtungen zum Kreieren eines Punktes mit hoher Lichtintensität, der ein dreidimensionales kubisches Gitter in dem porösen Siliziumdioxid umfasst. Zwei-Photonabsorption wurde durchgeführt mit einem Photosäureinitiator an den Gitterpunkten des dreidimens onalen kubischen Gitters zum Polymerisieren von Monomeren an den Positionen. Dann wurde das poröse Siliziumdioxid um einen Vektor von (258 nm, 0 nm, 258 nm) verschoben aus dem Ursprungspunkt und wieder wurden Monomere polymerisiert an den Gitterpunkten des dreidimensionalen kubischen Gitters durch das Bestrahlen eines Laserstrahls. Dann wurde der Polymerisationsschritt ausgeführt, das das Verschieben des porösen Siliziumdioxids und das Bestrahlen des verschobenen porösen Siliziumdioxids mit einem Strahl umfasst, nacheinander durchgeführt auf ein Verschieben des porösen Siliziumdioxids um den Vektor von (0, 258 nm, 258 nm) und (258 nm, 258 nm, 0) aus dem Ursprungspunkt, wobei Acrylatpolymere angeordnet worden sind und beibehalten in Form einer kubisch-flächenzentrierten Struktur in dem porösen Siliziumdioxid. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid mit Aceton gewaschen zum Entfernen des Monomers. Demnach wurde ein photonischer Kristall (Ausführungsbeispiel 3A) mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur erhalten.
Indessen wurde ein anderes poröses Siliziumdioxid, imprägniert mit derselben photosensitiven Harzlösung wie der obigen, vorbereitet. Dann wurde "Backen" durchgeführt an den Gitterpunkten der kubisch-flächenzentrierten Struktur in derselben Weise, wie oben beschrieben, woraufhin Acrylatpolymere angeordnet und beibehalten wurden in Form einer kubisch-flächenzentrierten Struktur in dem porösen Siliziumdioxid. Dann wurden die folgenden vier Schritte zusätzlich ausgeführt an diesem porösen Siliziumdioxid. Das heißt, Polymerisationsschr tt, das Verschieben des porösen Siliziumdioxids und das Bestrahlendes verschobenen porösen Siliziumdioxids mit einem Strahl wurden nacheinander durchgeführt durch Verschieben des porösen Siliziumdioxids und Vektoren von (22 nm, 22 nm, 0 nm), (280 nm, 22 nm, 250 nm), (22 nm, 280 nm, 258 nm), (280 nm, 280 nm, 0 nm) aus dem Ursprungspunkt, wodurch die Acrylatpolymere veranlasst wurden, in dem porösen Siliziumdioxid behalten zu werden. Nebenbei wurde der Laserstrahl, der beim Durchführen dieser zusätzlichen Schritte gestrahlt hatte, weniger intensiv eingestellt als der, der bei dem Bilden der kubischflächenzentrierten Struktur verwendet worden ist. Danach wurde das poröse Siliziumdioxid mit Aceton gewaschen zum. Entfernen des Monomers. Demnach wurde ein photonischer Kristall (Ausführungsbeispiel 3B) mit einer dreidimensional periodischen Struktur des Brechungsindexes erhalten.
Der photonische Kristall des Ausführungsbeispiels 3B hat eine Struktur, in der ein "Schneemann-förmiger" Polymerpunkt ausgebildet worden ist an dem Gitterpunkt des kubischflächenzentrierten Gitters, der eine kleine Polymerkugel angrenzend an eine große Polymerkugel umfasst.
Im Ausführungsbeispiel 3B wurde die kleine Polymerkugel durch die obigen zusätzlichen Schritte, die zusätzlich zu den Schritten zum Ausbilden der kubisch-flächenzentrierten Struktur ausgeführt worden sind, dichtauf geprüft. Als ein Ergebnis ist herausgefunden worden, dass die Form der Polymerkugel, die durch ein einzelnes Bestrahlen eines Laserstrahls ausgebildet worden ist und dem Gitterpunkt eines einfachen kubischen Gitters mit einer Gitterkonstante von 270 nm entspricht, nicht exakt sphärisch ist, aber die Polymerkugeln, die zur selben Gruppe gehören, haben exakt dieselbe Größe und Form.
Demnach sind in dem Prozess der vorliegenden Erfindung die Formen der Punkte (Gitterpunkte) mit speziell hoher Lichtintensität, die generiert worden sind im Raum durch Interferenzmuster, dieselben, selbst wenn die Form nicht sphärisch ist. Dies gilt selbst in dem Fall, in dem Gitterpunkte mit unregelmäßiger Form ausgebildet worden sind bedingt durch ein ungewolltes Veranlassen und Gitterpunkte mit exakt derselben Form werden ausgebildet.
Nebenbei hat der photonische Kristall des Ausführungsbeispiels 3B eine geringere Symmetrie als der photonische Kristall des Ausführungsbeispiels 3A mit einem Flächenraumzentrierten Gitter, weil er große Polymerkugeln ausgebildet hat an den Gitterpunkten des Flächenraumzentrierten Gitters und kleine Polymerkugeln ausgebildet an den Positionen geringfügig verschoben von diesen der großen Polymerkugeln. Folglich tritt in dem photonischen Kristall des Ausführungsbeispiels 3B eine Bandlücke in der Richtung auf, in der keine Bandlücke in dem photonischen Kristall des Ausführungsbeispiels 3A auftritt.
(Ausführungsform 4)
6 zeigt eine andere Einrichtung zum Produzieren eines optischen Elementes, die der vorliegenden Erfindung zugeordnet wird. Die Einrichtung, die in 6 gezeigt ist, umfasst die zweite Lichtquelle 16 zum Bestrahlen eines Strahls mit einer zweiten Wellenlänge, einer Lichtquelle und ein Spektroskop 21 zum Messen des Durchgangsspektrums des optischen Mediums, das auf dem Objektträgertisch angeordnet ist, und einen Photodetektor 23 zusätzlich zu der Einrichtung, die wie in 2 gezeigt, konfiguriert ist.
Das durch diese Einrichtung zu bearbeitende optische Medium erfährt eine Änderung im Brechungsindex nicht nur durch das "Backen" basierend auf dem interferenzmuster des Lichts, sondern durch die Bestrahlung eines Strahls mit einer zweiten Wellenlänge von der zweiten Lichtquelle 16.
Die Verwendung dieser Einrichtung nach dem Backen entsprechend einer gewünschten Kristallstruktur wurde durchgeführt in derselben Weise wie in Ausführungsbeispielen 1 bis 3, ein Strahl mit der zweiten Wellenlänge von der zweiten Lichtquelle 16 wurde veranlasst, durch einen Spiegel 17 reflektiert zu werden und zu dem optischen Medium gestrahlt zu werden, das imprägniert ist in dem porösen Siliziumdioxid zum Veranlassen einer Änderung des Brechungsindexes, hierdurch einen photonischen Kristall ausbildend. Daraufhin wurde das optische Medium mit einem Strahl von der Lichtquehle bestrahlt und das Spektroskop 21 zum Messen des Durchgangsspektrums durch eine optische Faser 22 mit einer Kondensatorlinse an der Spitze, deren Wellenlänge wurde durch das in der Einheit 21 enthaltene Spektroskop durchlaufen (gefegt) und der übertragene Strahl wurde erfasst durch den Photodetektor 23 und durch das Transmissionsspektrum des photonischen Kristalls gemessen, welches in 7 gezeigt ist.
Wie in 7 gezeigt, wurde beobachtet, dass eine photonische Bandlücke ausgebildet worden ist in dem produzierten photonischen Kristall in der Nähe der Wellenlänge von 1000 nm. Demnach ist die in 6 gezeigte Einrichtung in der Lage, einen photonischen Kristall zu produzieren während des Evaluierens von dessen Leistungsfähigkeit.
Das Ausbilden einer dreidimensionalen Kristallstruktur unter Verwendung der in 2 oder 6 gezeigten Einrichtung ist in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Alternativ, wie in 8 gezeigt, kann die Interferenz zwischen in unterschiedliche Richtungen gerichtet sich ausbreitenden Wellen verwendet werden zum Produzieren eines optischen Feldes, in dem die Lichtintensität sich periodisch ändert. Wie in 8 gezeigt, nimmt der Bereich mit hoher Lichtintensität (angedeutet durch unterbrochene Linien in 8), an dem zwei Strahlen sich schneidert, wenn zwei Laserstrahlen mit einer Frequenz von ν veranlasst werden, sich in einem Winkel von θ zu schneiden, eine eindimensional periodische Struktur an mit einer Periode von Ca/(2νsin(θ/2)). Wenn in drei unterschiedliche Richtungen gerichtete Laserstrahlen verwendet werden, kann ein zweidimensional hexagonaies System erreicht werden.
Bis zu diesem Punkt sind der Produktionsprozess und die Produktionseinrichtung für das optische Element der vorliegenden Erfindung beschrieben worden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiel e 1 bis 4.
Als nächstes werden ein optisches Element und ein optischer Demultiplexer beschrieben werden, auf die ein photonischer Kristall, der nicht nur erhalten werden kann durch den obigen Prozess und die Einrichtung, sondern auch durch andere Prozesse und Einrichtungen, angewendet worden ist.
Ein photonischer Kristall ist ein Medium, dessen Brechungsindex eine periodische Änderung im Raum in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts zeigt und der einzigartige optische Eigenschaften zeigt. Dies ist, weil Licht die Periodizität des Brechungsindexes in einer solchen Struktur fühlt und eine Bandstruktur zeigt. Wie in dem Fall der Bandlücke in elektronischer Energie in einem Halbleiter, kann eine photonische Bandlücke ausgebildet werden, welche ein Frequenzband ist, die das Durchlässen von Licht in einer photonischen Bandstruktur blockiert. Durch die photonische Bandstruktur und die photonische Bandlücke können ein hoher Grad an Wellenlängen Dispersibilität und Anisotropie und einen Wellenleiter mit einem scharfen Beugungswinkel, der in einem beschränkten Raum untergebracht werden kann, realisiert werden.
Diese Bandstruktur wird bestimmt durch die räumliche Verteilung des Brechungsindexes. Speziell die Bandstruktur im Wellenlängenbereich (Frequenzband) des einfallenden Lichts, welches die Reaktion des photonischen Kristalls auf das einfallende Licht bestimmt, wird bestimmt durch die Brechungsindexverteilung in dem Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts.
In der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei Arten, optischer Medien verwendet zum Ausbilden eines photonischen Kristalls. Jedes der optischen Medien ist periodisch angeordnet. Der Begriff "optisches Medium", wie er hier verwendet wird, gibt ein Konzept einschließlich Luft in dem Falle einer dielektrischen dreidimensionalen periodischen Struktur an, die in einem Vakuum oder in der Luftaufgebaut ist, einem Raum wie einem Vakuumraum, Gas, einer Flüssigkeit oder ähnlichem. Ferner wird in der folgenden Beschreibung, wenn die externe Feldbedingung A ist, der Brechungsindex des i-ten optischen Mediums zu Licht mit einer Frequenz von ν ausgedrückt werden als n_i(ν, A). Der Begriff "externe Feldbedingung" bedeutet Bedingungen eines elektrischen Felds, Magnetfelds und Druck, die auf den photonischen Kristall einwirken, Bedingungen der Intensität, der Wellenlänge, der Richtung der Polarisation und ähnlichem von Licht, das auf dem photonischen Kristall einstrahlt oder der Temperatur des photonischen Kristalls.
Zuerst wird in der externe Feldbedingung A₁ der Fall betrachtet, bei dem die Brechungsindizes von N Typen optischer Medien, die den photonischen Kristall bilden, unterschiedlich voneinander sind.
9 ist eine Konzeptdarstellung zum Verdeutlichen des Falls, in dem die Brechungsindizes der drei unterschiedlichen Arten von optischen Medien alle unterschiedlich sind. Das heißt, 9 zeigt eine Struktur, die das erste optische Medium 1 umfasst, in dem das, zweite optische Medium 2 und das dritte optische Medium 3 periodisch angeordnet sind. Ferner sind die Brechungsindizes des ersten bis dritten, das heißt, des ersten, des zweiten und des dritten optischen Mediums unterschiedlich voneinander. Diese Bedingung kann ausgedrückt werden durch den folgenden Ausdruck:
n_i(ν₁, A₁) ≠ n_j(ν₁, A₁) (i ≠ j )
wobei n_i den Brechungsindex des j-ten optischen Mediums indiziert. In diesem Fall wird die Bandstruktur in der Nähe der Frequenz ν₁ einfallenden Lichts bestimmt sowohl durch die periodische Struktur der Brechungsindizes, die durch die räumliche Verteilung (n–1) Arten optischer Medien bestimmt sind und die Brechungsindizes aller N-Arten von optischen Medien. 9 entspricht dem Fall, in dem N = 3 gilt.
Als nächstes wird die externe Feldbedingung umgeschaltet auf A₂ und die Brechungsindizes von zwei von N Arten optischer Medien werden gleichgemacht.
10 ist eine Konzeptdarstellung zum Erläutern der Bedingung. Beispielsweise, wenn das k-te und das 1-te optische Medium (k < 1) ausgewählt werden als die beiden Artenoptischer Medien mit demselben Brechungsindex, kann diese Bedingung ausgedrückt werden durch den folgenden Ausdruck.
n_k(ν₁, A₂) = n₁(ν₁, A₂)
Dies zeigt an, dass die Brechungsindizes der k-ten und der 1-ten optischen Medien in der Frequenz ν₁ des einfallenden Lichts gleich geworden sind durch Umschalten der externen Feldbedingung zu A₂. Unter dieser Bedingung wird die Bandstruktur bestimmt durch die räumliche Verteilung des 1-ten bis (k–1)-ten optischen Mediums, eine Kombination des k-ten und des 1-ten optische Mediums, das (k+1)-te bis (l–1)-te optische Medium und das (l+1)-te bis N-te optische Medium und die Brechungsindizes dieser optischen Media. Jedoch, da das Bestimmen der räumlichen Verteilung (N–1) Arten optischer Medien aufeinanderfolgend die räumliche Verteilung des verbleibenden Typs des, optischen Mediums bestimmt, wird letztendlich die Bandstruktur bestimmt durch die räumlichen Verteilungen von (N–2) aus (N–1) Arten optischer Medien (k-te und 1-te optische Medien gemeinsam werden gezählt als eine Art optischer Medien) mit (N–1) unterschiedlichen Brechungsindizes in der Frequenz ν₁ und der Wert der Brechungsindizes von (N–1) Arten optischer Medien. 10 zeigt den Fall, in dem N = 3 gilt.
Als nächstes, wie in 11 erläutert, wird ein Paar optischer Medien, die von dem k-ten und dem T-ten optischen Medium verschieden sind, das heißt, das m-te und das n-te optische Medium (m < n) durch Umschalten der externen Feldbedingung auf A₃, veranlasst, denselben Brechungsindex zu haben in der Frequenz ν₁. Mit anderen Worten,, der. folgende Ausdruck ist erfüllt.
n_m(ν₁, A₃) = n_n(ν₁, A₃)
Das m-te optische Medium und das n-te optische Medium stehen in Kontakt miteinander. Unter dieser Bedingung wird die Bandstruktur bestimmt durch die räumliche Verteilung des 1-ten bis (m–1)-ten optischen Mediums, einer Kombination des mten und des n-ten optischen Mediums, des (m+1)-ten bis (n–1)ten optischen Mediums und des (n+1)-ten bis N-ten optischen Mediums und der jeweiligen Indizes dieser optischer Medien, wie in 11 dargelegt.
Wie in 9 bis 11 gezeigt, können die räumlichen Anordnungsmuster der Brechungsindexverteilungen, die die Bandstruktur bestimmen, umgeschaltet werden durch Umschalten der externen Feldbedingung zwischen A₁, A₂ und A₃, das heißt, zwischen A₁ und A₂, zwischen A₂ und A₃ oder zwischen A₁ und A₃. Als ein Ergebnis kann eine große Änderung in der Bandstruktur des photonischen Kristalls bezüglich einfallenden Lichts durchgeführt werden verglichen mit dem Fall, in dem nur die Werte von Brechungsindizes geändert worden sind.
Obwohl in der obigen Beschreibung angenommen worden ist, dass die optischen Medien, deren Brechungsindizes gleichgemacht worden sind unter den Bedingungen A₂ und A₃, in Kontakt miteinander sind, können die räumlichen Verteilungsmuster geändert werden, selbst wenn sie nicht in Kontakt miteinander sind. Dies wird durch die folgende Beschreibung erläutert.
12 zeigt einen photonischen Kristall, der das erste, zweite und dritte optische Medium umfasst und ist eine Konzeptdarstellung zum Erläutern des Falls, in dem die externe Feldbedingung umgeschaltet wird von A₁ zu A₂. In diesem Fall bilden im ersten optischen Medium 1 das zweite optische Medium 2 und das dritte optische Medium 3 jeweils ein einfach-kubisches Gitter, dessen Periode konstant ist und die Gitterpunkte haben dieselbe Form. Wenn der Grundperiodenvektor des zweiten und dritten optischen Mediums ausgedrückt werden durch a, b und c, sind die Gitterpunkte des zweiten optischen Mediums abgewichen von denen des dritten optischen Mediums um einen Vektor von (a/2, b/2, c/2). Wenn ein solches optisches Medium unter der Bedingung A₁ angeordnet wird, haben, das zweite optische Medium und das dritte optische Medium unterschiedliche Brechungsindizes. Als ein Ergebnis nimmt die Kristallstruktur die. Form einer "cäsiumchloridartigen Struktur" an, wie in 12(a) gezeigt.
Als nächstes, wenn die externe Feldbedingung geändert worden ist zu A₂, erscheinen das zweite optische Medium und das dritte optische Medium nicht als unterschiedlich in Bezug auf einfallendes Licht und die Kristallstruktur wird gleich einer "kubisch-raumzentrierten" Struktur; wie in 12(b) gezeigt. Demnach ändert durch Umschalten zwischen der Bedingung A₁ und der Bedingung A₂ die Kristallstruktur des photonischen Kristalls auf einfallendes Licht hin.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 13 eine Struktur betrachtet, die mindestens drei Arten optischer Medien als Bestandteile umfasst. Die drei Arten optischer Medien sind definiert als erstes optisches Medium, zweites optisches Medium und drittes optisches Medium und die Brechungsindizes davon bei der Frequenz ν₁ gesteuerten Lichts erfüllen die folgenden Zusammenhänge.
n₁(ν₁, A₁) ≠ n₂(ν₁, A₁)
n₂(ν₁, A₁) ≠ n₃(ν₁, A₁)
Im ersten Medium ist eine dreidimensional periodische Struktur ausgebildet durch das zweite Medium. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass der photonische Kristall, der durch die periodische Struktur ausgebildet ist, eine Bandlücke öffnet zu einem weiten Bereich der Richtung in der Frequenz ν₁ des einfallenden Lichts und es ist insbesondere wünschenswert, eine Diamantstruktur auszubilden, die die Bandbreite in allen Richtungen öffnet.
Wenn einige der zweiten Medien, die diese periodische Struktur bilden, ersetzt werden durch eindimensional stetige dritte optische Medien, wie in 13(a) gezeigt, wird Licht in den eindimensional stetigen Punkten eingefangen, was Unregelmäßigkeiten in der Periodizität des photonischen Kristalls bewirkt, das Licht kann nicht in irgendeiner Richtung übertragen werden außer der Richtung, in die der Punkt stetig angeordnet ist und am Ende funktionieren die Punkte, die durch das dritte Material ersetzt worden sind, als ein optischer Wellenleiter.
Als nächstes wird die externe Feldbedingung umgeschaltet zu A₂. Unter dieser Bedingung erfüllen die Brechungsindizes der optischen Medien den Zusammenhang zwischen den folgenden Ausdrücken.
n₂(ν₂, A₂) ≠ n₃(ν₁, A₂)
n₂(ν₁, A₂) ≠ n₃(ν₁, A₂)
In diesem Fall erscheinen das zweite optische Medium und das dritte optische Medium als dasselbe bezüglich Lichts einer Frequenz von ν₁ und die Unregelmäßigkeit in der Periodizität des photonischen Kristalls verschwindet. Mit anderen Worten, der optische Wellenleiter verschwindet, wie in 13 (b) gezeigt. Demnach kann durch Umschalten zwischen der Bedingung A₁ und der Bedingung A₂ die Funktion des Wellenleiters EIN/AUS-geschaltet werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 14 eine Struktur betrachtet, die mindestens vier Arten optischer Medien als Bestandteile umfasst. Die vier Arten optischer Medien sind definiert als das erste optische Medium 1, das zweite optische Medium 2, das dritte optische Medium 3 und das vierte optische Medium 4 und die Brechungsindizes davon bezüglich gesteuerten Lichts mit einer Frequenz von ν₁ unter der Bedingung A1 werden ausgedrückt als n₁(ν₁, A₁), n₂(ν₁, A₁), n₃(ν₁, A₁) bzw. n₄(ν₁, A₁). Ferner erfüllen diese Brechungsindizes die Zusammenhänge, die wiedergegeben werden durch die folgenden Ausdrücke.
n₂(ν₂, A₁) ≠ n₃(ν₁, A₁)
n₂(ν₁, A₁) ≠ n₄(ν₁, A₁)
n₂(ν₁, A₁) ≠ n₄(ν₁, A₂)
An dieser Stelle, wie in 14 dargelegt, wird angenommen, dass eine dreidimensional periodische Struktur in dem ersten Medium durch das zweite Medium ausgebildet worden ist. In diesem Fall ist es ebenfalls wünschenswert, dass der photonische Kristall, der durch die periodische Struktur ausgebildet worden ist, eine Bandlücke in einem weiten Bereich der Richtungen und der Frequenz ν₁ des einfallenden Lichts öffnet und es ist insbesondere wünschenswert, eine Diamantstruktur auszubilden, die eine Bandlücke in allen Richtungen öffnet. Wenn einige der zweiten Medien mit dieser periodischen Struktur ersetzt werden durch eindimensional stetige dritte optische Medien, wie in 14 dargelegt, funktionieren die Unregelmäßigkeiten in der Periodizität bewirkenden eindimensional stetigen Punkte des photonischen Kristalls als Wellenleiter wie in dem Fall unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. Das heißt, Licht, das versucht, in Richtungen übertragen zu werden, die von der Richtung abweicht, in die das dritte Medium stetig angeordnet ist, wird darin eingefangen, um als optischer Wellenleiter zu funktionieren. Dieser Wellenieiter wird "erster Wellenleiter G1" genannt.
Ferner funktionieren, wenn andere Punkte des zweiten optischen Mediums ersetzt werden durch eindimensional stetiges viertes optisches Medium, wie in 14 dargelegt, die Punkte auch als Wellenleiter. Dieser Wellenleiter wird "zweiter Wellenleiter G2" genannt.
Ferner funktionieren, wenn eindimensional stetige Punkte, die Unregelmäßigkeit in der Periodizität des photonischen Kristalls bewirken, ausgebildet sind an noch anderen Punkten, wie in 14 dargelegt, die Punkte auch als ein Wellenleiter. Diese Punkte werden "der dritte Wellenleiter G3" genannt. Diese drei Wellenleiter sind miteinander verbunden zum Bilden eines Wellenleiters mit einer Verzweigung.
15 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigen des Verhaltens des derart ausgebildeten optischen Elementes. Zuerst, wie in 15(a) gezeigt, funktioniert jeder des ersten, zweiten und dritten Wellenleiters als Wellenleiter bezüglich einfallenden Lichts unter der externen Feldbedingung A₁. Demnach wird Licht, das von dem linken Ende des dritten Wellenleiters G3 eingegeben wird, verzweigt in den ersten Wellenleiter G1 und den zweiten Wellenleiter G2.
Als nachstes wird die Bedingung des optischen Elementes umgeschaltet zu einer, die in 15(b) gezeigt ist. Das heißt, die externe Feldbedingung A₁ wird umgeschaltet zu der externen Feldbedingung A₂, in der die Brechungsindizes den Zusammenhang erfüllen, der wiedergegeben wird durch die folgenden Ausdrücke.
n₁(ν₁, A₁) ≠ n₂(ν₁, A₂)
n₂(ν₁, A₂) ≠ n₃(ν₁, A₂)
n₂(ν₁, A₂) ≠ n₄(ν₁, A₂)
In diesem Fall sind, da n₂(ν₁, A₂) = n₄(ν₁, A₂), die Punkte, die als zweiter Wellenleiter G2 funktioniert haben, nicht länger Punkte mit unregelmäßiger Periodizität und funktionieren nicht länger als Wellenleiter. In anderen Worten, unter der externen Feldbedingung A₂ ist Licht, das durch den dritten Wellenleiter G3 übertragen wird, gerichtet. zu dem ersten Wellenleiter G1, während es nicht gerichtet ist zu dem zweiten Wellenleiter G2.
Als nächstes wird die Bedingung des optischen Elementes umgeschaltet zu der in 15(c) gezeigten. Das heißt, die externe Feldbedingung A₂ wird umgeschaltet zu der externen Feldbedingung A₃, in der die Brechungsindizes den Zusammenhang erfüllen, der wiedergegeben ist durch die folgenden Ausdrücke.
n₁(ν₁, A₃) ≠ n₂(ν₁, A₃)
n₂(ν₁, A₃) ≠ n₃(ν₁, A₃)
n₂(ν₁, A₃) ≠ n₄(ν₁, A₃)
In diesem Fall funktionieren, da n₂(ν₁, A₃) = n₂(ν₁, A₃) gilt, die Punkte, die der erste Wellenleiter G1 sind, nicht länger als ein Wellenleiter. Mit anderen Worten, unter der externen Feldbedingung A₃, wird Licht, das durch den dritten Wellenleiter G3 geleitet wird, nicht gerichtet zu dem ersten Wellenleiter G1 während es gerichtet wird zu dem zweiten Wellenleiter G2.
Wie oben beschrieben, kann durch Umschalten der Bedingung zwischen A₁, A₂ und A₃ das Abzweigen von durch den optischen Wellenleiter übertragenem Licht umgeschaltet werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 16 das Betriebsprinzip eines optischen Multiplexers beschrieben werden, in dem die Verzweigung, die in dem Wellenleiter angeordnet ist, sich unterschiedlich verhält entsprechend der Wellenlänge einfallenden Lichts.
Wie in dem Fall des in 14 erläuterten Wellenleiters, wird eine Struktur, die mindestens vier Arten optischer Medien als Bestandteile umfasst, betrachtet und die vier Arten optischer Medien sind definiert als die ersten, die zweiten, die dritten und die vierten optischen Medien. Ferner sind die Brechungsindizes ν₁ und ν₂ einfallenden Lichts unter der externen Feldbedingung A₁ ausgedrückt als n₁(ν₁, A₁) n₂(ν₁, A₁), n₃(ν₁, A₁), n₄(ν₁, A₁) bzw. n₁(ν₂, A₁), n₂(ν₂, A₁) n₃(ν₂, A₁), n₄(ν₂, A₁).
Ferner erfüllen diese Brechungsindizes den Zusammenhang, der. wiedergegeben wird durch die folgenden Ausdrücke.
n₁(ν₁, A₁) ≠ n₂(ν₁, A₁)
n₂(ν₁, A₂) ≠ n₃(ν₂, A₁)
n₂(ν₁, A₁) ≠ n₃(ν₂, A₁)
n₁(ν₂, A₁) ≠ n₂(ν₂, A₁)
n₂(ν₂, A₁) ≠ n₃(ν₂, A₁)
n₂(ν₁, A₁) ≠ n₄(ν₂, A₁)
16(a) und 16(b) sind Konzeptdarstellungen zum Zeigen eines optischen Elementes, das Wellenleiter durch diese optischen Medien ausgebildet hat und einer Verzweigung darin. Das heißt, zuerst wird eine dreidimensional periodische Struktur ausgebildet durch das zweite Medium im ersten Medium. In diesem Fall ist es ebenfalls wünschenswert, dass der photonische Kristall, der ausgebildet wird durch die periodische Struktur, eine Bandlücke zu einem weiten Bereich von Richtungen öffnet in den Frequenzen ν₁ und ν₂ des einfallenden Lichts und es ist insbesondere wünschenswert, eine Diamantstruktur auszubilden, die eine Bandlücke in allen Richtungen öffnet.
Einige der zweiten Medien mit dieser periodischen Struktur werden ersetzt durch eindimensional stetige dritte optische Medien, wie in 16(a) dargelegt. In diesem Fall sind, da n₂(ν₁, A₁) ≠ n₃(ν₁, A₁) gilt für Licht mit einer Frequenz von ν₁, diese Punkte die Punkte, an denen die Periodizität des photonischen Kristalls unregelmäßig ist. Diese Punkte fangen Licht mit einer Frequenz von ν₁ ein, das versucht, in eine von der Richtung, in der das dritte. Medium kontinuierlich angeordnet ist verschiedener Richtung übertragen zu werden und funktionieren als ein optischer Wellenleiter. Jedoch sind für Licht mit einer Frequenz von n₂(ν₂, A₁) = n₃(ν₂, A₁) gilt, diese Punkte Punkte, an denen die Periodizität unregelmäßig ist und sie funktionieren nicht als Wellenleiter. Diese Punkte werden "der dritte Wellenleiter G1" genannt.
Ferner, wenn ein anderer Abschnitt des zweiten Mediums ersetzt wird durch ein eindimensional stetiges viertes optisches Medium, wie in 16(a) dargelegt, sind, da n₂(ν₁, A₁) = n₄(ν₁, A₁) gilt für Licht mit einer Frequenz von ν₁ diese Punkte keine Punkte, an denen die Periodizität unregelmäßig ist und sie funktionieren nicht als Wellenleiter. Jedoch mit Licht mit einer Frequenz von ν₂ da n₂(ν₂, A₁) ≠ n₄(ν₂, A₁) gilt, sind diese Punkte Punkte, an denen die Periodizität unregelmäßig ist und sie funktionieren als ein Wellenleiter. Diese Punkte werden "zweiter Wellenleiter G2" genannt.
Ferner sind eindimensional stetige Punkte, die unregelmäßige Periodizität bezüglich Lichts mit einer Frequenz von ν₁ zeigen und Lichts mit einer Frequenz von ν₂, ausgebildet an noch anderen Punkten, wie dargelegt in 16(A) und werden "dritter Wellenleiter G3" genannt. Der erste Wellenleiter G1 und der zweite Wellenleiter G2 sind mit dem dritten Wellenleiter G3 verbunden.
Wie in 16(b) gezeigt, wenn Lichtbündel mit einer Frequenz von ν₁ und Lichtbündel mit einer Frequenz von ν₂ eingegeben werden in diese Wellenleiter vom linken Ende des dritten Wellenleiters G3 davon, ist Licht mit einer Frequenz von ν₁ an der Verzweigung gerichtet zu dem Wellenleiter G1, aber ist nicht gerichtet zu dem Wellenleiter G2. Andererseits ist Licht mit der Frequenz ν₂ nicht zum Wellenleiter G1 gerichtet, sondern zum Wellenleiter G2 gerichtet. Demnach kann Licht mit einer Frequenz von ν₁ und mit einer Frequenz von ν₂, das durch den dritten Wellenleiter G3 übertragen worden ist, jeweils verzweigt werden in den Wellenleiter G1 und den Wellenleiter G2 entsprechend der Frequenz (Wellenlänge) davon.
In der obigen Beschreibung des optischen Elementes mit den oben beschriebenen Wellenleitern unter Bezugnahme auf die 13 bis 16 ist ein eindimensionaler Wellenleiter, ausgebildet in einem dreidimensionalen photonischen Kristall, beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf einen dreidimensionalen photonischen Kristall. Das heißt, sie kann absolut gleich angewendet werden auf einen Wellenleiter, der durch Ausnutzen des Vorteils der eindimensionalen Unregelmäßigkeit in der periodischen Struktur in dem photonischen Kristall mit einer zweidimensionalen periodischen Struktur angewendet werden.
Ferner werden das dynamische Umschalten der photonischen Bandstrukturen und das Umschalten in dem Wellenleiter wie beschrieben unter Bezugnahme auf die 9 bis 16 nicht durch Ausnutzen des Vorteils einer bloßen Änderung des Brechungsindexes durch ein externes Feld erreicht, sondern durch Ausnutzen des Vorteils der Tatsache, dass die Brechungsindizes der beiden optischen Medien aus optischen Medien, die einen photonischen Kristall bilden oder einem optischen Element, das der photonische Kristall umfasst, gleich oder weitgehend gleich gemacht werden können für eine bestimmte Wellenlänge durch das Anwenden eines externen Feldes durch Ausnutzen unterschiedlicher Abhängigkeiten der Brechungsindizes der Medien von externen Feldern.
17 ist eine graphische Erläuterung der Abhängigkeiten der Brechungsindizes von drei Arten optischer Medien von externen Feldern. Als externe Felder können ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, Licht, Druck, Temperatur und ähnliches verwendet werden. Repräsentative Arten dieser externen Felder und repräsentative Mechanismen, in denen das Anwenden solcher externen Felder eine Änderung im Brechungsindex zum Bewirken des Umschaltens der photonischen Bandstrukturen der vorliegenden Erfindung herbeiführt, werden nachstehend aufgezählt.
Bezüglich eines elektrischen Feldes können (a) Stark-shift, (b) Franz-Keldish-Effekt, (c) Pockels-Effekt, (d) Kerr-Effekt und (e) eine Änderung des Brechungsindexes durch eine Änderung der Orientierung (wirksam insbesondere bei Polarisation) verwendet werden.
Bezüglich eines Magnetfeldes können (a) eine Änderung des Brechungsindexes bedingt durch die Verschiebung der Resonanzenergie, die der durch ein Magnetfeld bedingten Pegelteilung zugeordnet ist, und (b) Cotton-Mouton-Effekt verwendet werden.
Bezüglich des Lichtes können (a) optischer Stark-Effekt, (b) eine einer Populationsmigration zugeordnete Änderung des Brechungsindexes bedingt durch optische Erregung (Absorptionssättigung), (c) eine durch Quanteninterferenz durch Bestrahlen mit Licht bewirkte Änderung des Brechungsindexes (Elektromagnetisch induzierte Transparenz), (d) eine durch Photoisomerisierung bewirkte Änderung des Brechungsindexes, (e) eine durch eine Strukturänderung durch Bestrahlen mit Licht bewirkte Änderung des Brechungsindexes und (f) eine durch Photoionisation bewirkte Änderung des Brechungsindexes verwendet werden.
Bezüglich des Drucks kann (a) der Piezoreflektionseffekt verwendet werden.
Bezüglich der Temperatur kann (a) eine einer durch eine Temperaturänderung bedingten Bandverschiebung in einer elektronischen Struktur zugeordnete Änderung des Brechungsindexes, (b) eine der durch eine Temperaturänderung bedingten isomerisierung zugeordnete Änderung des Brechungsindexes und (c) eine einer durch eine Temperaturänderung bedingten strukturellen Änderung zugeordnete Änderung des Brechungsindexes verwendet werden.
Außerdem können irgendwelche zwei oder mehr der obigen externen Felder in Kombination verwendet werden zum wirksamen Hervorrufen einer Änderung des Brechungsindexes. Ferner sind bei der vorliegenden Erfindung, wenn der photonische Kristall aus einem Material gebildet wird, in dem eine Änderung des Brechungsindexes bezüglich spezifisch polarisiertem Licht wie gesteuertem Licht hervorgerufen wird durch denselben Mechanismus wie oben beschrieben, ein dynamisches Umschalten der photonischen Bandstrukturen, ein Umschalten von Wellenleitern und Wellenabzweigung möglich für spezifisch polarisiertes Licht.
Die optischen Elemente und die optischen Demultiplexer der Beispiele 5 bis 8 der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend beschrieben.
(Ausführungsbeispiel 5)
Zum Produzieren des optischen Elements der vorliegenden Erfindung wurde poröses Siliziumdioxid (SiO₂), das das Skelet eines photonischen Kristalls bildet, vorbereitet. Dieses poröse Siliziumdioxid hat eine Größe von 1 mm × 1 mm × 1 mm, eine Porosität von nicht weniger als 90%, einen mittleren Leerstellendurchmesser von 30 nm und einen Brechungsindex von 1,015 bis 1,055, was nahe dem von Luft ist.
Dieses poröse Siliziumdioxid wurde in die Ethanollösung eines Rutheniumkomplexes eingetaucht zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dem Rutheniumkomplex.
18 zeigt die Strukturformel des Rutheniumkomplexes. Nachdem das poröse Siliziumdioxid in die Ethanollösung für, etwa 1 Stunde eingetaucht worden war, wurde es einer Wärmebehandlung unterzogen und einem Rückfluss, um ein Absorbieren des Rutheniumkomplexes zu den Innenwänden des porösen Siliziumdioxids zu erzielen. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid mit Ethanol gewaschen zum Auswaschen des unabsorbierten Rutheniumkomplexes.
Dann wurde ein Laserstrahl mit der vierten Harmonischen (Wellenlänge von 266 nm) eines Q-switched YAG-Lasers auf einen Punktdurchmesser von etwa 300 nm durch eine Linse kondensiert und abgestrahlt auf das derart behandelte poröse Siliziumdioxid. Bei der Bestrahlung wurde ein Spiegel durch ein Piezoelementantriebssystem gesteuert zum Fokussieren des Laserstrahls auf das Innere des porösen Siliziumdioxids und der Fokuspunkt wurde sukzessive geändert zum Durchführen dreidimensionaler Musterbildung an jedem Fokuspunkt. Am Fokus wurde der Rutheniumkomplex abgebaut durch hochintensive ultraviolette Strahlung. Die Musterbildung wurde derart durchgeführt, dass der Rutheniumkomplex, der unabgebaut verblieb, ein kubisch-flächenzentriertes Gitter bilden sollte mit einer Gitterkonstanten von 700 nm.
19 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigen der Verteilung des Ruthen umkomplexes in dem porösen Siliziumdioxid. Wie in 19 gezeigt, wurden die Rutheniumkomplexe ausgebildet zum Bilden eines kubisch-flächenzentrierten Gitters. Ferner, wie in 19 gezeigt, wurde das flächenzentrierte Gitter derart ausgebildet, dass die Punkte, die nicht der intensiven ultravioletten Bestrahlung ausgesetzt wurden, an den Gitterpunkten des kubisch-flächenzentrierten Gitters eine Rugby-Ballform haben sollten mit einem langen Durchmesser von etwa 350 nm und einem kurzen Durchmesser von etwa 300 nm. Ferner wurde die Achse des langen Durchmessers gerichtet zum nächstgelegenen Gitterpunkt. Durch Ausbilden des kubischflächenzentrierten Gitters als solches sind die nicht abgebauten Rutheniumkomplexe nur in den Rugby-ballförmigen Punkten verblieben, das kubisch-flächenzentrierte Gitter bildend. Zum Entfernen der Abbauprodukte des Rutheniumkomplexes in dem porösen Siliziumdioxid wurden Ethanol und Methanol verwendet, um sie auszuwaschen.
Als nächstes wurde dieses poröse Siliziumdioxid eingetaucht in eine Lösung, die gebildet wurde durch Hinzufügen von 1% von 4-Morpholin-2,5-Dibutyroxybenzendiazoniumfluorborat als Photosäuregenerator zu Ceroxid 2021 (Handelsbezeichnung, Produkt von Diecel Chemical Co., Ltd.) als ein Epoxidharz zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dieser Lösung.
Daraufhin wurde ein Laserstrahl mit einem Wellenleiter von 407 nm durch einen Excimer-Laser-angeregten Farblaser generiert. Durch die Verwendung derselben Einrichtung, wie sie bei der Musterbildung unter Verwendung des Strahls mit einer Wellenlänge von 266 nm verwendet worden ist, wurde der Fokus eingestellt auf das Innere des porösen Siliziumdioxids das imprägniert war mit dem Epoxidharz, der Fokuspunkt wurde sukzessive geändert zum Richten des intensiven Strahls mit einer Wellenlänge von 407 nm auf die Punkte, die ein kubischflächenzentriertes Gitter bilden mit einer Gitterkonstanten von 1,4 μm. Ferner wurden an den Gitterpunkten davon die Punkte, die mit dem intensiven Strahl mit einer Wellenlänge von 407 nm bestrahlt worden sind, ausgebildet in der Form eines Rugby-Balls mit einem langen Durchmesser von etwa 450 nm und einem kurzen Durchmesser von etwa 400 nm und die Achse des langen Durchmessers wurde auf den nächstgelegenen Gitterpunkt gerichtet.
Durch das Positionieren unter Verwendung von Markierungen, die in dem porösen Siliziumdioxid ausgebildet sind, wurde die Musterbildung unter Verwendung des Strahls mit einer Wellenlänge von 407 nm an den Positionen durchgeführt, an denen das Zentrum des resultierenden Musters nicht koinzidieren würde mit dem Zentrum des durch den Strahl mit einer Wellenlänge von 266 nm gebildeten Musters. Ferner wurde dieses poröse Siliziumdioxid für 5 Stunden unter Beibehaltung von 60°C erwärmt. Durch Ausbilden des kubischflächenzentrierten Gitters als solches wurden die Punkte, an denen das Epoxidharz ausgehärtet war, nur an den Rugby-Ball-förmigen Punkten ausgebildet, die eine Gitterkonstante von 1,4 μm haben. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid mit Aceton und Methanol gewaschen zum Entfernen des unausgehärteten Harzes und des Säuregenerators.
Als nächstes wurden das derart behandelte poröse Siliziumdioxid eingetaucht in Methyl-Methacrylat, das 10 Gew.% einer Farbeenthält (hergestellt durch LAMDAPHYSIC Co., Ltd., IR26) zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dem Methyl-Methacrylat. Daraufhin wurden, als ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm von einem Excimer-erregten Farblaser auf das gesamte poröse Siliziumdioxid gerichtet worden ist, nur die Methyl-Methacrylate, die in den Punkten imprägniert waren, an denen der Rutheniumkomplex in porösem Siliziumdioxid angehaftet war, polymerisiert durch die katalytische Wirkung des Rutheniumkomplexes. Nach der Photopolymer sation wurde das poröse Siliziumdioxid gewaschen mit Aceton zum Auswaschen des unpolymerisierten Methyl-Methacrylats. Als ein Ergebnis wurden Rugby-Ball-förmige Polymethyl-Methacrylate an den Punkten ausgebildet, die das kubisch-flächenzentrierte Gitter mit einer Gitterkonstanten von 700 nm bilden.
Als nächstes wurde der Rutheniumkomplex veranlasst, an den Punkten in dem porösen Siliziumdioxid anzuhaften, die weder von Epoxidharz noch von Polymethyl-Methacrylat eingenommen waren unter Verwendung der Ethanollösung, der nicht absorbierte Rutheniumkomplex wurde entfernt durch Waschen und das poröse Siliziumdioxid wurde eingetaucht in Methyl-Methacrylat, das 2 Gew.% einer Farbe (produziert von LAMBDAPHYSIC Co., Ltd., IR26) enthält zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dem Methyl-Methacrylat. Dann wurde das Methyl-Methacrylat polymerisiert durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm.
20 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigen der Struktur des derart ausgebildeten photonischen Kristalls. Wie in 20 gezeigt, enthält der photonische Kristall der vorliegenden Erfindung ein Polymethyl-Methacrylat 1, das 2, Gew.% der Farbe enthält als eine Matrix und die Matrix 1 umfasst ein kubischflächenzentriertes Gitter 2 mit einer Gitterkonstanten von 700 nm, die ausgebildet ist aus Rugby-Ball-förmigen Polymethyl-Methacrylaten, die 10 Gew.% der Farbe enthalten und ein kubisch-flächenzentriertes Gitter 3, mit einer Gitterkonstanten von 1,4 μm, das aus Epoxidharzen gebildet ist.
Wenn das infrarote Reflektionsspektrum dieses photonischen Kristalls in der Nähe einer Wellenlänge von 1.000 nm gemessen worden ist, trat eine große Reflektionsspitze gerade um 1.000 nm auf. Dies ist, weil der Unterschied des Brechungsindexes zwischen dem Polymethyl-Methacrylat 2 mit 10 Gew.% der Farbe darin verteilt und dem Polymethyl-Methacrylat 1 mit 2 Gew.% der Farbe darin verteilt, größer ist als die Differenz des Brechungsindexes zwischen dem Polymethyl-Methacrylat 1 mit 2 Gew.% der Farbe darin verteilt und dem Epoxidharz 3, und die photonische Bandlücke wurde hauptsächlich ausgebildet durch das Raummuster des Polymethyl-Methacrylats 2 mit 10 Gew.% der Farbe darin verteilt, welches in Form des kubischflächenzentrierten Gitters mit einer Gitterkonstanten von 700 nm angeordnet war. Es wird angenommen, dass dies eine Region verursacht, in der besonders hohe Reflektion um etwa 1.000 nm auftritt.
Indessen wurde das Reflektiönsspektrum dieses photonischen Kristalls in der Nähe von 1.000 nm wieder gemessen bei Bestrahlung von Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1.100 nm auf diesen photonischen Kristall.
21 zeigt eine Graphik zum Darstellen des Reflektionsspektrums um 1.000 nm, wenn das Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1.100 nm eingestrahlt/nicht eingestrahlt worden ist. Wie aus 21 verstanden wird, verschwand die große Reflektionsspitze, die um 1.000 nm zu sehen gewesen ist, wenn das Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1.100 nm eingestrahlt worden ist. Es wird angenommen, dass sich dies ergibt, weil die Bestrahlung von Licht mit einer Wellenlänge von 1.100 nm Absorptionssättigung in den Punkten bewirkt, in denen die Farbe verteilt worden ist und die Differenz im Brechungsindex zwischen dem, Polymethyl-Methacrylat 2 mit 10 Gew.% der Farbe darin verteilt und dem Polymethyl-Methacrylat 1 mit 2 Gew.% der Farbe darin verteilt kleiner wird.
Ferner, da unter dieser Bedingung der Unterschied des Brechungsindexes zwischen dem Polymethyl-Methacrylat 1 mit 2 Gew.% der Farbe darin verteilt und dem Epoxidharz größer ist als der Unterschied des Brechungsindexes zwischen dem Polymethyl-Methacrylat 2 mit 10 Gew.% der Farbe darin verteilt und dem Polymethyl-Methacrylat 1 mit 2 Gew.% der Farbe darin verteilt im Wellenlängenbereich um 1.000 nm, wird angenommen, dass das Photonenband durch das Verteilungsmuster des Epoxidharzes 3 ausgebildet wird, das kubischflächenzentrierte Gitter mit einer Gitterkonstanten von 1,4 μm bildet. Tatsächlich wurde eine Reflektionsspitze um 2.000 nm beobachtet im Nah-Infrarotbereich und es wird angenommen, dass dies dem Photonenband zuzuschreiben ist, das durch das Verteilungsmuster des Epoxidharzes 3 ausgebildet wird.
Wie oben speziell beschrieben, können durch Ausbilden des photonischen Kristalls aus drei Arten optischer Medien 1, 2 und 3 die Raummuster der Punkte, die ein Photonenband bilden bezüglich einer spezifischen Wellenlänge durch Bestrahlen von Licht umgeschaltet werden und die optische Reaktion kann signifikant geändert werden.
Es braucht nicht erwähnt zu werden, dass die Prozesse und Einrichtungen der Ausführungsformen 1 bis 4 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden können.
(Ausführungsbeispiel 6)
Poröses Siliziumdioxid mit demselben Standard und derselben Größe wie dem im Ausführungsbeispiel 5 verwendeten, wurde in eine durch Hinzufügen von 1% von 4-Morpholin-2,5-Dibutyroxybenzendiazoniumfluoroborat als Photosäuregenerator zu Ceroxid 2021 (Handelsbezeichnung, Produkt von Diecel Chemical Co., Ltd.) als ein Epoxidharz eingetaucht zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dieser Lösung. Daraufhin wurde ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 407 nm durch einen Excimer-Laser-erregten Farblaser generiert. Durch die Verwendung derselben Einrichtung, wie sie in der Musterbildung des Ausführungsbeispiels 5 verwendet worden ist, wurde der Fokus innerhalb des porösen Siliziumdioxids das mit dem Epoxidharz imprägniert worden ist, eingestellt, der Fokuspunkt wurde sukzessive geändert zum Strahlenlassen des intensiven Strahls mit einer Wellenlänge von 407 nm auf die Punkte, die ein kubisch-flächenzentriertes Gitter mit einer Gitterkonstanten 1,4 μm bilden. Ferner wurden an den Gitterpunkten davon die Punkte, die mit dem intensiven Strahl mit einer Wellenlänge von 407 nm bestrahlt worden sind, ausgebildet in der Form eines Rugby-Balls mit einem langen Durchmesser von 405 nm und einem kurzen Durchmesser von 400 nm und die Achse des langen Durchmessers wurde zum nächstgelegenen Gitterpunkt gerichtet. Nachdem mindestens 10 Schichten von Gitterpunkten in dem porösen Siliziumd oxid ausgebildet worden waren, wurde dieses poröse Siliziumdioxid für 5 Stunden unter Beibehaltung von 60°C erwärmt. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid mit Aceton und Methanol gewaschen zum Entfernen des unausgehärteten Harzes und des Säuregenerators.
Als nächstes wurde das derart behandelte poröse Siliziumdioxid eingetaucht in ein Epoxidharz Ceroxid 2021 (Produkt von Diecel Chemical Co., Ltd.), das 10 Gew.% einer Farbe (Produkt von LAMBDAPHYSICS Co., Ltd., IR26) enthält; und 1 Gew.% von 4-Morpholin-2,5-Dibutyroxybenzendiazoniumfluoroborat zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit dem farbenthaltenden Epoxidharz. Daraufhin wurde durch präzise Positionierung unter Verwendung von indem porösen Siliziumdioxid ausgebildeten Markierungen die Probe wieder in die Musterbildungseinrichtung eingebaut unter Verwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 407 nm, der Strahl wurde auf die eindimensional stetigen Gitterpunkten entsprechenden Punkte in der zuvor ausgebildeten Oberschicht des kubisch-flächenzentrierten Gitters in einer der Oberschicht entsprechenden weise ausgerichtet, um die mit dem Strahl mit einer Wellenlänge von 40,7 nm bestrahlten Punkte zu veranlassen, eine Rugby-Ball-Form anzunehmen mit einem langen Durchmesser von 450 nm und einem kurzen Durchmesser von 400 nm und die Richtung der Achse des langen Durchmessers sollte in Übereinstimmung mit der Richtung der langen, Achse des Gitterpunktes sein, der das zugrundeliegende kubisch-flächenzentrierte Gitter bildet. 22 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigen der derart ausgebildeten Struktur. Wie in 22 gezeigt, sind die Punkte 22, an denen Musterbildung mit dem farbenthaltenden Epoxidharz durchgeführt worden ist, eindimensional aüsgebildet in der Schicht 21 des farbfreien Epoxidharzes.
Nachdem dieser farbenthaltende Gitterpunkt 22 ausgebildet worden ist, um eine Linie einzunehmen, wurde dieses poröse Siliziumdioxid wieder für 5 Stunden erwärmt unter Beibehaltung von 60°C. Daraufhin wurde das poröse Siliziumdioxid mit Aceton und Methanol ausgewaschen zum Entfernen des unausgehärteten Harzes und des Säuregenerators.
Als nächstes wurde das derart behandelte poröse Siliziumdioxid eingetaucht in ein Epoxidharz Ceroxid 2021 (Produkt, von Diecel Chemical Co., Ltd.), das 1 Gew.% von 4-Morpholin-2,5-Dubityroxybenzendiazoniumfluoroborat enthält zum Imprägnieren des porösen Siliziumdioxids mit Epoxidharz.
Daraufhin wurde die Probe durch präzises Positionieren unter Verwendung von in dem porösen Siliziumdioxid ausgebildeten Markierungen wieder eingesetzt, in die Musterbildungseinrichtung unter Verwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 407 nm und 10 oder mehr Schichten von Gitterpunkten, die ein kubischflächenzentriertes Gitter bilden, wurden ausgebildet über eine Linie des farbenthaltenden Epoxidharzes 22 durch Aufeinanderfolgendes Einwirkenlassen des Strahls während des, Bewegens des Fokuspunktes auf solche Weise, dass er übereinstimmt mit dem zuvor ausgebildeten kubischflächenzentrierten Gitter 21 und einer darin ausgebildeten Linie von Epoxidharz 22. In der Ausbildung der Schichten wurden die mit dem intensiven Strahl mit einer Frequenz von 407 nm bestrahlten Punkte veranlasst, an den Gitterpunkten eine Rugby-Ball-Form anzunehmen mit einem langen Durchmesser von 450 nm und einem kurzen Durchmesser von 400 nm und die Richtung der Achse des langen Durchmessers wurde in Übereinstimmung gebracht mit der Richtung der Langachse des Gitterpunktes, der das zugrundeliegende kubischflächenzentrierte Gitter bildet.
Daraufhin wurde dieses poröse Siliziumdioxid wieder für 5 Stunden erwärmt unter Beibehaltung von 60°C und das poröse Siliziumdioxid wurde mit Aceton und Methanol gewaschen zum Entfernen des unausgehärteten Harzes und des Säuregenerators.
23 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigen des Evaluierungsverfahrens für die Funktion des Wellenleiters in dem derart erhaltenen photonischen Kristall.
Zuerst, wie in 23(a) gezeigt, wurde das poröse Siliziumdioxid derart abgeschält, dass die Enden des eindimensional stetigen farbenthaltenden Epoxidharzes in einem photonischen, Kristall PC freigelegt sein sollten und optische Fasern F1 und F2 wurden mit jedem Ende davon jeweils verbunden. Wenn ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.000 nm eingegeben wurde in diese Faser F1, wurde beobachtet, dass ein Strahl, dessen Intensität gleich 90% der Intensität des eingegebenen Strahls war, von der Faser F2, die an der anderen Seite, des photonischen Kristalls PC angeordnet war, ausgegeben worden ist. Das heißt, es wurde bestätigt, dass die eindimensional stetigen farbenthaltenden Epoxidharze die Punkte waren, an denen Periodizität unregelmäßig war im photonischen Kristall PC und die als ein optischer Wellenleiter G funktionierten.
Als nächstes wurde, wie in 23(b) gezeigt, wenn ein Laserstrahl L mit einer Wellenlänge von 1.100 nm eingestrahlt worden ist in dem photonischen Kristall PC während seine Intensität graduell geändert worden ist, die Intensität des Strahls, der von der Faser F2 ausgegeben worden ist, Null, wenn die Intensität des Laserstrahls L einen bestimmten Pegel erreichte. Es wird angenommen, dass dies sich ergibt, weil die Brechungsindizes der Gitterpunkte, die aus dem farbenthaltenden Epoxidharz gebildet werden, geändert wurden durch die Bestrahlung des Strahls, wodurch die Differenz des Brechungsindexes zwischen diesen Gitterpunkten und den farbfreien Gitterpunkten aufgehoben wurde mit dem Ergebnis, dass das eindimensional stetige farbenthaltende Epoxidharz nicht mehr in der Lage war, als Wellenleiter G zu funktionieren.
Wie oben speziell beschrieben, würde gemäß dem vorliegenden Beispiel ein optischer Wellenleiter gebildet, der eine Schaltfunktion bei Bestrahlung eines Strahls mit einer Wellenlänge von 1.100 nm zeigt.
(Ausführungsbeispiel 7)
Ein optisches Element mit einem in einem photonischen Kristall ausgebildeten Wellenleiter wurde unter Verwendung porösen Siliziumdioxids hergestellt mit demselben Standard und der Größe wie dem im Ausführungsbeispiel 6 verwendeten und demselben Musterbildungsprozess, wie er in dem Ausführungsbeispiel 6 verwendet worden ist.
24 ist eine Konzeptdarstellung zum Zeigender Struktur des photonischen Kristalls PC, der in der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wurden a1s Punkte, an denen die Periodizität unregelmäßig war, ein Wellenleiter ausgebildet (auf den nachstehend Bezug genommen wird als "Wellenleiter G1"), der Gitterpunkte aus einem Epoxidharz umfasst, das 10 Gew.% einer Farbe (produziert von LAMBDAPHYSIC Co., Ltd., IR26) enthält mit einer Absorptionsspitze um 1.100 nm, ein Wellenleiter (auf den nachstehend als "Wellenleiter G2" Bezug genommen wird) aus einem Epoxidharz ausgebildet, das eine Farbe (produziert bei LAMBDAPHYSIC C., Ltd. IR132) enthält mit einer Absorptionsspitze um 850 nm und einen Wellenleiter (auf den nachstehend als "Wellenleiter G3" Bezug genommen wird), der eindimensional stetige Punkte umfasst, an denen Gitterpunkte ausgebildet werden sollen durch Epoxidharz, aber absichtlich nicht ausgebildet worden sind. Diese Wellenleiter wurden miteinander in dem photonischen Kristall verbunden, wie in 24 gezeigt.
Von den drei Wellenleitern G1 bis G3 wurde ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.000 nm geleitet von einer optischen Faser eingespeist in das linke Ende des Wellenleiters G3. An diesem Punkt wurde ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge. von 850 nm auf den gesamten photonischen KristallPCgerichtet. Die von den Enden der Wellenleiter G1 und G2 ausgegebenen Strahlen wurden gemessen und es wurde herausgefunden, dass mindestens 80% des eingegebenen Laserstrahls von dem Wellenleiter G1 ausgegeben worden sind. Es wird angenommen, dass dies auf den folgenden Mechanismus zurückzuführen ist.
Das heißt, unter dieser Bedingung ist die Wellenlänge des eingegebenen 1.000 nm-Strahls an der höherenergetischen Seite der Absorptionsspitzenwellenlänge von 1.100 nm angeordnet in Bezug auf den Wellenleiter Grund Tiegt in einer spektralen Region vor, die einen niedrigeren Brechungsindex zeigt, als den Brechungsindex, wenn nur ein Epoxidharz verwendet wird. Indessen liegt in Bezug auf den Wellenleiter G2 die Wellenlänge des eingegebenen 1.000 nm-Strahls in einer spektralen Region vor, in der der Brechungsindex der niedrigerenergetischen Seite der Absorptionsspitzenwellenlänge von 850 nm höher ist. Jedoch, da der Welhenleiter G2 stark angeregt ist durch den Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 850 nm und einhergehend mit der Absorptionssättigung der Brechungsindex nahe dem Brechungsindex gemacht worden ist, wenn nur ein Epoxidharz verwendet wird, kann der eingegebene Strahl kaum den Wellenleiter G2 als den Abschnitt erkennen, an dem die Periodizität des Brechungsindexes unregelmäßig ist. Daher ist der Wellenleiter, der eigentlich funktioniert, nur der Wellenleiter G1, den der eingegebene Strahl als Abschnitt erkennt, an dem die Periodizität des Brechungsindexes unregelmäßig ist.
Als nächstes wurde ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.100 nm auf den gesamten photonischen Kristall PC einstrahlen lassen anstelle des Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 850 nm. Wenn die Ausgangsstrahlen mit einer Wellenlänge von 1.000 nm von den Enden der Wellenleiter G1 und G2 unter dieser Bedingung gemessen worden sind, wurde herausgefunden, dass mindestens 80% des eingegebenen Laserstrahls vom Wellenleiter G2 ausgegeben wurde. Es wird angenommen, dass dies zurückzuführen war auf den folgenden Mechanismus.
Die Wellenlänge des eingegebenen 1.000 nm-Strahls ist nämlich unter dieser Bedingung auf der niederenergetischen Seite der Absorptionsspitzenwellenlänge von 850 nm angeordnet in Bezug auf den Wellenleiter G2, der in einem spektralen Bereich vorliegt, der einen höheren Brechungsindex zeigt als den Brechungsindex, wenn nur ein Epoxidharz verwendet wird. Indessen liegt in Bezug auf den Wellenleiter G1 die Wellenlänge des eingegebenen 1.000 nm-Strahls in einem spektralen Bereich vor, in dem der Brechungsindex auf der hochenergetischen Seite der Absorptionsspitzenwellenlänge von 1.100 nm niedriger ist. Jedoch, da der Wellenleiter G1 hoch angeregt ist durch den Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.100 nm und einhergehend mit der Absorptionssättigung der Brechungsindex nahe dem Brechungsindex gemacht worden ist, wenn nur ein Epoxidharz verwendet wird, kann der eingegebene Strahl kaum den Wellenleiter G1 als Abschnitt erkennen, an dem die Periodizität des Brechungsindexes unregelmäßig ist. Demnach ist der Wellenleiter, der tatsächlich funktioniert, nur der Wellenleiter G2, den der eingegebene Strahl als Abschnitt erkennt, an dem die Periodizität des Brechungsindexes unregelmäßig ist.
Wie oben speziell beschrieben, könnte gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Richtung des in den Wellenleitern voranschreitenden Lichts umgeschaltet werden durch Ändern der Wellenlänge des auf das optische Medium gerichteten Lichts.
(Ausführungsbeispiel 8)
Ein optisches Element mit einem in einem photonischen Kristall ausgebildeten Wellenleiter wurde produziert unter Verwendung porösen Siliziumdioxids mit demselben Standard und der Größe wie dem im Ausführungsbeispiel 7 verwendeten und demselben Musterbildungsprozess, wie er im Ausführungsbeispiel 7 verwendet worden ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wurden als Punkte, an denen die Periodizität unregelmäßig war, ein Wellenleiter ausgebildet (auf den, nachstehend als "Wellenleiter G1" Bezug genommen wird), der aus einem Kunstharz gebildete Gitterpunkte umfasst, welches 10 Gew.% einer Farbe (produziert von LAMBDAPHYSIC Co., Ltd., Cresyl-Violet) enthält mit einer Absorptionsspitze um 600 nm, ein Wellenleiter (auf den nachstehend Bezug genommen wird als "We11en1eiter G2"), ausgebildet aus einem Epoxidharz, das eine Farbe (produziert von LAMDAPHYSIC Co., Ltd., (Coumarin 334) enthält mit einer Absorptionsspitze um 750 nm und einen Wellenleiter (auf den nachstehend Bezug genommen wird als "Wellenleiter G3", der eindimensional stetige Punkte umfasst, an denen Gitterpunkte, die durch das Epoxidharz ausgebildet werden sollten, jedoch absichtlich nicht ausgebildet worden sind. Diese Wellenleiter wurden miteinander verbunden in derselben Anordnung in dem photonischen Kristall wie in dem Fall des Ausführungsbeispiels 7.
von den drei Wellenleitern G1 bis G3 wurden Laserstrahlen mit Wellenlängen von 700 nm und 500 nm geleitet von einer optischen Faser eingegeben in das linke Ende des Wellenleiters G3. Wenn die Strahlen, die von den Enden der Wellenleiter G1 und G2 ausgegeben wurden, gemessen wurden, wurde herausgefunden, dass mindestens 80% des eingegebenen Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 700 nm von dem Wellenleiter G1 ausgegeben worden ist und mindestens 80% des eingegebenen Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 500 nm an dem Wellenleiter G2 ausgegeben worden ist.
Dies ergibt sich, weil der Abschnitt des Wellenleiters, der aus dem farbenthaltenden Epoxidharz ausgebildet, worden ist, das einen hohen Brechungsindex für den Strahl mit einer Wellenlänge von 700 nm, abweichend von anderen Epoxidharzpunkten zeigt, der Wellenleiter G1 ist, während der Abschnitt des Wellenleiters, der ausgebildet ist durch das farbenthaltende Epoxidharz, das einen hohen Brechungsindex für den Strahl mit einer Wellenlänge von 500 nm abweichend von anderen Epoxidharzpunkten zeigt, der Wellenleiter G2 ist.
Wie oben beschrieben, wurde entsprechend den vorliegenden Ausführungsbeispielen 5 bis 8 ein optisches Element erhalten, das die Ausrichtung des Lichts entsprechend der Wellenlänge umschaltete und als optischer Demultiplexer funktionierte.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis davon zu erleichtern, sollte verstanden werden, dass die Erfindung in verschiedenster Weise ausgeführt werden kann, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung verstanden werden als alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen der gezeigten Ausführungsformen einschließend, die ausgestaltet werden können, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beiliegenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

Prozess zum Produzieren eines optischen Elements einschließlich eines photonischen Kristalls mit dreidimensionaler Gitterstruktur, in dem Punkte mit einem von denen ihrer Umgebungen unterschiedlichen Brechungsindex periodisch angeordnet sind, wobei der Prozess umfasst: Kreieren eines ersten optischen Feldes mit einer dreidimensional periodischen Struktur, in der eine Lichtintensität sich räumlich ändert bei einer Periode einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts, wobei die dreidimensionale periodische Struktur Gitterpunkte hat deren Lichtintensität höher ist als die ihrer Umgebungen, Aussetzen eines optischen Mediums, dessen Brechungsindex geändert ist durch eine Intensität bestrahlenden Lichts oder durch eine vorbestimmte Behandlung, die nach der Lichtbestrahlung durchgeführt worden ist, diesem ersten optischen Feld während einer gegebenen Zeitdauer zum Ausbilden eines ersten Teils der dreidimensionalen Gitterstruktur des photonischen Kristalls; Bewegen des optischen Mediums um einen Teil einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts in dem Feld in einer Richtung; die nicht parallel zu irgendeiner der drei Richtungen ist, die durch die drei unterschiedlichen, einen Gitterpunkt der dreidimensionalen Struktur mit drei an diesem Gitterpunkt angrenzenden Gitterpunkten verbindenden Linien definiert sind; und Aussetzen des optischen Mediums einem zweiten optischen Feld, wo sich die Lichtintensität räumlich ändert mit einer Periode einer Wellenlängengrößenordnung eines Lichts zum Ausbilden eines zweiten Teils der dreidimensionalen Gitterstruktur des photonischen Kristalls.
Prozess nach Anspruch 1, wobei sieh der Brechungsindex des optischen Mediums ändert gemäß der Intensität angewendeten Lichts durch eines von dem Unterziehen des Mediums einer Wärmebehandlung, fernerer Bestrahlung mit, elektromagnetischen Wellen oder Korpuskularbestrahlung und der Behandlung mit Chemikalien nach der Bestrahlen mit Licht.
Prozess nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des optischen Mediums in Übereinstimmung mit einer Intensität eines eingestrahlten Lichts in einer vorbestimmten Zeit nach der Bestrahlung durch das Licht geändert wird.
Prozess nach Anspruch 2 oder 3, außerdem das Ausbilden des photonischen Kristalls mit einer räumlichen Verteilung eines Brechungsindexes in Übereinstimmung mit der Intensität von eingestrahltem Licht durch Behandeln des optischen Mediums mit einer Chemikalie umfassend.
Prozess nach Anspruch 4, wobei das optische Medium ein poröses Material mit photopolymerisierbarem Monomer darin imprägniert ist und das imprägnierte photopolymerisierbare Monomer an einem Abschnitt; an dem eine Intensität des einstrahlenden Lichts niedriger ist als dem Rest, entfernt wird durch die Behandlung mit der Chemikalie in dem Ausbildungs-Schritt.
Prozess nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von dem ersten optischen Feld und dem zweiten optischen Feld kreiert wird durch die Interferenz von Laserstrahlen.
Prozess nach Anspruch 6, wobei mindestens eines von dem ersten optischen Feld in dem zweiten optischen Feld kreiert wird durch eine stehende Welle, die generiert wird durch die Interferenz eines sich in einer ersten Richtung ausbreitenden Laserstrahls und eines sich in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung ausbreitenden Laserstrahls.
Prozess nach Anspruch 7, wobei der sich in einer zweiten Richtung ausbreitende Laserstrahl durch Reflektieren des Laserlichts, das sich in der ersten Richtung ausbreitet, erstellt wird.
Prozess nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsschritt das Anordnen des optischen Mediums auf einem Objektträger einschließt, der von einem piezoelektrischen Element in den drei Richtungen bewegbar ist und das Verschieben einer Position des optischen Mediums um einen Teil einer, Größenordnung einer Wellenlänge des Lichts in dem ersten optischen Feld.
Prozess nach Anspruch 9, wobei eine Verteilung der Intensität des Lichts an den Punkten anisotrop ist.
Prozess nach Anspruch 10, wobei die Verteilung der Intensität des Lichts an den Punkten ein in den drei Richtungen ausgeweitete Form hat.
Prozess nach Anspruch 1, wobei das erste optische Feld und das zweite optische Feld im wesentlichen dieselbe Periode haben.
Prozess nach Anspruch 1, wobei das erste optische Feld und das zweite optische Feld in einer Lichtintensität unterschiedlich sind.
Einrichtung zum Produzieren eines optischen Elementes, umfassend: ein optisches System, das ein optisches Feld kreiert mit einer dreidimensional periodischen Struktur, in dem eine Lichtintensität sich im Raum bei einer Periode von einer Wellenlängengrößenordnung des Lichts ändert, wobei die dreidimensional periodische Struktur Gitterpunkte hat, deren Lichtintensität höher ist als die ihrer umgebenden; und einen bewegbaren Objektträger, der eingerichtet ist zum Halten eines optischen Mediums, dessen Brechungsindex geändert wird durch eine Intensität einfallenden Lichts in dem optischen Feld, wo Lichtintensität sich periodisch ändert und die eingerichtet ist zum Verschieben des optischen Mediums um einen genauen Abstand einer Wellenlängengröflenordnung des Lichts in dem Feld in einer Richtung, die nicht parallel zu irgendeiner der drei Richtungen ist, die definiert sind durch drei unterschiedliche Verbindungslinien eines Gitterpunktes der dreidimensionalen Struktur mit drei an diesem Gitterpunkt angrenzenden Gitterpunkten.
Einrichtung nach Anspruch 14, wobei der bewegbare Objektträger durch ein piezoelektrisches Element bewegt, wird.
Einrichtung nach Anspruch 14, wobei das optische System eine Laserstrahlquelle umfasst, die das optische Feld durch Interferenz von Laserstrahlen kreiert.
Einrichtung nach Anspruch 16, wobei die Laserstrahlquelle eine stehende Welle kreiert, die durch die Interferenz eines ersten, sich in einer erste Richtung ausbreitenden Laserstrahls und eines zweiten, sich in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung ausbreitenden Laserstrahls, so dass das optische Feld durch die stehende Welle kreiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei das optische System ein reflektierendes optisches System umfasst, das den ersten Laserstrahl reflektiert, um den zweiten Laserstrahl zu bilden.
Einrichtung nach Anspruch 14, ferner eine Lichtquelle umfassend und einen Detektor zum Evaluieren des produzierten optischen Elementes.
Prozess nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt in dem Bereich eines Zehntels einer Wellenlänge bis zu einer Wellenlänge liegt.