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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- (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.
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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.
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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.
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Indessen ist die Anwendung eines
solchen photonischen Kristalls auch bislang beschränkt.
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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.
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Die folgenden drei Vorschläge verwenden
einen photonischen Kristall als ein "Aktivelement" mit einer Umschaltfunktion.
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- (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).
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Jedoch haben die obigen drei Vorschläge noch
Probleme, die zu lösen
sind in bezug auf die folgenden Punkte.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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RESÜMEE DER
ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Herstellungseinrichtung des optischen Elementes
der vorliegende Erfindung kann ferner eine Lichtquelle umfassen
und einen Detektor zum Evaluierendes produzierten optischen Elementes.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 νx,
xy und vZ 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/2νx),
Ca/(2νy) oder 2a/(2νz) im
Raum. TA 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 νx νY = νZ, und Tetragonalsystem, wenn irgendwelche
zwei von νx, νy und νZ äquivalent
sind). Die Werte von νX, νY und νz 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.
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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.
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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.
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Die Art in der ein optisches Element
bewegt wird zum Ausbilden der typischen Kristallstrukturen, wird
nachstehend beschrieben.
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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 νX = νy = νZ 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 = cν/(nν1)
(Cν ist
die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und n ist der Brechungsindex
des optischen Elementes).
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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 = cν/(nv1).
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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 = cν/(nν1),
b = cν/(nν2).
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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 = cν/(nν1),
b = cν/(nν2).
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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 = cν/(nν1),
b = cν/(nν2)
und a = cν/(nν3)
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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 = cν/(nν1),
b = cν/(nν2) und
a = cν/(nν3).
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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 = cν/(nν1).
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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".
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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 cν/(βnν1)
und b = cν/nν2).
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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 = cν/(nν1).
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Ausführungsform 2)
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Ausführungsform 3)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(Ausführungsform 4)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ni(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.
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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.
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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:
ni(ν1, A1) ≠ nj(ν1, A1) (i ≠ j )
wobei
ni 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.
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Als nächstes wird die externe Feldbedingung umgeschaltet
auf A2 und die Brechungsindizes von zwei
von N Arten optischer Medien werden gleichgemacht.
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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.
nk(ν1,
A2) = n1(ν1,
A2)
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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.
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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.
nm(ν1, A3) = nn(ν1, A3)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie oben beschrieben, kann durch
Umschalten der Bedingung zwischen A1, A2 und A3 das Abzweigen
von durch den optischen Wellenleiter übertragenem Licht umgeschaltet
werden.
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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.
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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).
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.