JP5304035B2 - バンドパスフィルタおよびバンドパスフィルタ用フォトニック結晶の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、周波数可変のバンドパスフィルタおよびそのバンドパスフィルタで用いるフォトニック結晶の製造方法に関するものである。

従来、磁気光学体としての１次元磁性フォトニック結晶を用いたバンドパスフィルタが考案されている。１次元磁性フォトニック結晶は誘電体がその厚さに規則性を持って交互に積層された２つの誘電体多層膜と磁性体からなる不規則層（欠陥層）とを備えたものがある（特許文献１参照）。

ここで、特許文献１に示されている１次元磁性フォトニック結晶の構成を図１に示す。
図１において、この１次元磁性フォトニック結晶からなる磁気光学体１０は、２種類の誘電体（誘電体薄膜）１１，１２がその厚さに規則性をもって交互に積層された２つの周期的誘電体多層膜１３，１４と、該２つの周期的誘電体多層膜１３，１４の間に設けた磁気光学薄膜１５（磁性体）とからなっている。

周期的誘電体多層膜１３，１４は、ファブリ・ペロー共振器の反射鏡の役割を果たすものであり、各誘電体（誘電体薄膜）１１，１２の膜厚は、光学長（実膜厚×屈折率）がλ／４（λは光の波長）となるように設計されている。また、光の局在が生じる磁性体（磁気光学薄膜１５）からなる不規則層（欠陥層）の光学長は、ｍλ／２（ｍは正の整数）となっている。
特開２００２−９０５２５号公報

ところが、特許文献１に示されている磁気光学体を用いた光アイソレータにおいては、その周波数特性が２種類の誘電体の厚み寸法によって定まる。したがってこれをバンドパスフィルタとして構成した場合には通過帯域が固定となってしまう。そのため、例えばマルチバンド送信機等の通信装置のバンドパスフィルタとして用いるといったことはできなかった。

そこで、この発明の目的は、通過帯域を可変としたバンドパスフィルタおよびそれに用いるフォトニック結晶の製造方法を提供することにある。

この発明は上記課題を解決するために次のように構成する。
（１）低誘電率誘電体部材内に高誘電率誘電体部材を周期的に配置してブラッグ反射が生じる周期構造体を構成するとともに、当該周期構造体内に磁性体部材を配置して、前記ブラッグ反射による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる局在モードを有するフォトニック結晶を備え、前記フォトニック結晶中を伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるモードに制限する伝送路と、前記フォトニック結晶に前記電磁波の伝搬方向に垂直方向の直流磁界を外部から印加する磁界印加手段と、を設けてバンドパスフィルタを構成する。

（２）前記磁性体部材は、当該磁性体内での電気長が前記通過帯域内の周波数で略１／２波長とする。
（３）前記直流磁界の方向と前記電界の振幅方向とはほぼ平行とする。

（４）前記磁界印加手段は、前記磁性体部材が磁気共鳴する磁界以下で、実効比透磁率が１以下の範囲で前記直流磁界の強度を制御するものとする。

（５）前記外部磁界印加手段は前記直流磁界の強度を可変にしたものとする。
（６）前記伝送路は方形導波管とする。
（７）前記磁性体部材はフェライトで構成する。
（８）前記低誘電率誘電体部材は低誘電率誘電体層、前記高誘電率誘電体部材は高誘電率誘電体層、前記磁性体部材は磁性体板であり、前記フォトニック結晶は前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層とを交互に積層配置した２つの反射器と、この２つの反射器の間に設けた前記磁性体板とからなり、前記２つの反射器による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる共振層を配置してなるファブリ・ペロー型共振器とする。

（９）前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層の光路長は前記阻止帯域の波長でそれぞれほぼ１／４波長とする。

（１０）前記低誘電率誘電体層は樹脂層であり、最外層を樹脂層とする。
（１１）前記高誘電率誘電体部材は円柱状の誘電体柱であり、前記低誘電率誘電体部材は前記誘電体柱の周囲の空間を占める形状であり、前記磁性体部材は円柱状の磁性体柱であり、前記フォトニック結晶は、前記誘電体柱を前記低誘電率誘電体部材内で２次元平面上に配列するとともに、所定位置を前記磁性体柱で置換した構造とする。

（１２）また、この発明は、光硬化性樹脂に対する照射光のスキャニングによる光造形法で、前記低誘電率誘電体部材を光硬化性樹脂で造形するとともに前記高誘電率誘電体部材の配置領域を形成する工程と、前記高誘電率誘電体部材の配置領域に前記高誘電率誘電体部材および前記磁性体部材をそれぞれ挿入する工程と、を順に処理してバンドパスフィルタ用フォトニック結晶を製造する。

この発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）低誘電率誘電体部材内に高誘電率誘電体部材を周期的に配置してブラッグ反射が生じる周期構造体は、フォトニック結晶におけるバンドギャップを生じさせ、電磁気的には帯域阻止フィルタとして作用する。この周期構造体内に配置した磁性体部材は阻止帯域内に通過帯域を生じさせる局在モードを発生させ、電磁気的には阻止帯域内に通過帯域を生じさせる。そして伝送路内を伝搬するモードは、電界の振幅方向が特定方向であるモード（特定伝搬モード）に制限され、前記フォトニック結晶に電磁波の伝搬方向に垂直方向の直流磁界が印加されることにより、磁性体部材で前記特定伝搬モードに影響する透磁率の成分が変化し、局在モードの共振周波数すなわち通過帯の周波数が変位することになる。そのため例えばマルチバンド送信機の帯域通過フィルタとして用いることができる。

（２）前記磁性体部材の当該磁性体内での電気長を、前記通過帯域内の周波数の１／２波長とすることによって、強い局在モードを生じさせて通過帯域の通過損失を低減できる。

（３）前記直流磁界の方向と前記電界の振幅方向とをほぼ平行にすることによって、直流磁界の前記透磁率に与える影響が最大になり、高効率な制御が可能となる。

（４）前記磁性体部材が磁気共鳴する磁界以下で、実効比透磁率が１以下の範囲で直流磁界の強度を制御することによって、前記磁性体部材による損失が増大しない範囲で用いることができ、通過帯域で低挿入損失特性が得られる。

（５）前記直流磁界の強度を可変とすることによって、前記通過帯域の周波数を所定値に設定するだけでなく、或周波数範囲内で任意に調整可能となる。そのため周波数可変のマルチバンド送信機のフィルタとして用いることができる。

（６）前記伝送路を方形導波管とすることにより、そこを伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるモード（ＴＥモード）に容易に制限することができる。

（７）前記磁性体部材をフェライトで構成することにより、外部から与える直流磁界の変化に対する通過帯域の周波数変化を大きくすることができる。

（８）前記低誘電率誘電体部材は低誘電率誘電体層、前記高誘電率誘電体部材は高誘電率誘電体層、前記磁性体部材は磁性体板であり、前記フォトニック結晶は前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層とを交互に積層配置した２つの反射器と、この２つの反射器の間に設けた前記磁性体板とからなり、前記２つの反射器による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる共振層を配置してなるファブリ・ペロー型共振器とすることにより、１次元フォトニック結晶におけるバンドギャップが生じ、電磁気的には帯域阻止フィルタとして作用する。２つの反射器の間に設けた磁性体部材からなる共振層は、１次元フォトニック結晶における欠陥層として作用し、局在モードの共振が生じ、電磁気的には阻止帯域内の通過帯域を生じさせる。そして伝送路内伝搬するモードは、電界の振幅方向が特定方向であるモード（特定伝搬モード）に制限され、前記共振層に電磁波の伝搬方向に垂直方向の直流磁界が印加されることにより、共振層で前記特定伝搬モードに影響する透磁率の成分が変化し、局在モードの共振周波数すなわち通過帯の周波数が変位することになる。

前記共振層がファブリ・ペロー型共振器の共振層として作用するのは、その共振層の光路長が１／２波長の整数倍であるときである。通過帯域の波長をλ、整数をｎとすると、共振層の光路長はｎ・λ／２で表される。ここでｎは２，３またはそれ以上であっても共振層として作用するが、ｎ＝１、すなわち共振層の光路長を１／２波長とすることによって共振層が最も薄くなって透過率が最も高くなるので、通過帯域の通過損失を低減できる。

（９）前記反射器の低誘電率誘電体層と高誘電率誘電体層の光路長を阻止帯域の波長でほぼ１／４波長とすることによって、ファブリ・ペロー干渉を起こし、且つ各層の厚みを必要最低限に薄くできるので、通過帯域での挿入損失が低減できる。

（１０）前記低誘電率誘電体層を樹脂層とし、最外層を樹脂層とすることによって光造形法による成形が容易となる。

（１１）前記高誘電率誘電体部材を円柱状の誘電体柱とし、前記低誘電率誘電体部材を前記誘電体柱の周囲の空間を占める形状とし、前記磁性体部材を円柱状の磁性体柱とすることによって、比較的単純な構造で２次元フォトニック結晶が構成できる。

（１２）光硬化性樹脂に対する照射光のスキャニングによる光造形法で前記低誘電率誘電体層を光硬化性樹脂で造形することにより、低誘電率誘電体部材の成形および高誘電率誘電体部材の配置領域の成形が容易となり、且つ高誘電率誘電体部材の配置領域に高誘電率誘電体部材および磁性体部材をそれぞれ挿入することによって、バンドパスフィルタ用フォトニック結晶を容易に構成できるようになる。

《第１の実施形態》
この発明の第１の実施形態に係るバンドパスフィルタおよびファブリ・ペロー型共振器の製造方法について図２〜図８を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるフォトニック結晶によるファブリ・ペロー型共振器の断面図、図２（Ｂ）はその比較例としてのファブリ・ペロー型共振器の断面図である。
図２（Ａ）において符号２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇはそれぞれ高誘電率誘電体層をなすアルミナ板である。また符号２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆおよび２４ａ，２４ｂはそれぞれ低誘電率誘電体層をなすエポキシ樹脂層である。また符号２３は共振層をなすフェライト板である。

上記アルミナ板２１およびエポキシ樹脂層２２の厚み寸法は、このファブリ・ペロー型共振器２０を用いたバンドパスフィルタの通過帯域（通過帯域の可変域）においてほぼ１／４波長となる寸法に定めている。またフェライト板２３の厚み寸法は、前記通過帯域の中心周波数でほぼ１／２波長となる寸法に定めている。

ここで具体的な数値例を示す。
ファブリ・ペロー型共振器によるバンドギャップの中心周波数は１２．５ＧＨｚとする。１２．５ＧＨｚの真空中の光路長（１波長）は２４ｍｍであり、その１／４波長は６ｍｍである。エポキシ樹脂層２２の比誘電率は２．８であるので、その厚み寸法を６／√２．８＝３．６ｍｍとした。アルミナ板２１の比誘電率は８．４であるので、その厚み寸法を６／√８．４＝２．１ｍｍとした。ここでは０．７ｍｍのアルミナ板を３枚重ねてこの厚みを実現した。

また、フェライト板２３の比誘電率εｒは１１．８、無磁界の実効比透磁率μeffは０．７６であるので、実効比誘電率はεｒ・μeff＝１１．８×０．７６＝８．９７となる。そこで、フェライト板２３の厚み寸法を、１２／√８．９７＝４．０ｍｍとした。ここでは２．０ｍｍのフェライト板を２枚重ねてこの厚みを実現した。

なお、エポキシ樹脂、アルミナ板、フェライト板の比誘電率および実効比透磁率はＳパラ法（Ｎｉｃｏｒｓｏｎ−Ｒｏｓｓ法）で測定した。フェライト板の無磁界での実効比透磁率が１を下回っているのは残留磁化の影響を受けているためと考えられる。

なお、図２（Ａ）に示した最外層の誘電体層は低誘電率誘電体層であるエポキシ樹脂層２４ａ，２４ｂとしていて、その厚み寸法は他のエポキシ樹脂層２２より薄く形成している。

最外層の設計は次のようにして行う。基本的に最外層はアルミナ層よりエポキシ層がよい。エポキシの方が、その屈折率が空気に近いため反射による損失が少なくて済むからである。また、低誘電率誘電体層であるエポキシ層も高誘電率誘電体層であるアルミナ層も１／４波長とすることが原則である。しかし、エポキシ層もアルミナ層も重ねれば重ねるほどバンドギャップは深くなるが、透過率が低下してしまう。つまり透過率を考えると層数は少ないほうがよく、薄いほうがよい。また、後述する光造形法で作製することを考慮すると最外層をアルミナ層ではなくエポキシ層にした方が作りやすいのでコスト的に有利である。これらのことを考慮して、最外層はエポキシ樹脂層とし、その厚さを１／４波長より薄い１ｍｍとした。

図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示した共振層であるフェライト板２３を設けない構造であり、それぞれ１／４波長のエポキシ樹脂層２２ａ〜２２ｆとアルミナ板２１ａ〜２１ｇを単に交互に積層した周期構造体である。換言すると図２（Ａ）に示したファブリ・ペロー型共振器は、図２（Ｂ）に示した構造において中央の高誘電率誘電体層であるアルミナ板２１ｄを光路長１／２波長のフェライト板２３に置換したものに等しい。このフェライト板２３はフォトニック結晶における欠陥層として作用し、局在モードの共振が生じる。その特性については後に示す。

図３は図２に示したファブリ・ペロー型共振器の製造方法について示すものである。まず図３（Ａ）に示すように光造形装置（例えば、株式会社ディーメック製ＳＣＳ−３００Ｐ）を用い、紫外線硬化エポキシ樹脂（ＳＣＲ−７３０）を材料として、図３（Ａ）に示すような複数のスリット（窪み）４１，４２を有する直方体形状の構造体を作成する。

続いて図３（Ｂ）のように、上記スリット４１にアルミナ板２１を挿入し、スリット４２にフェライト板２３を挿入する。上記スリット４１，４２の厚み寸法はこれらのアルミナ板２１およびフェライト板２３の厚み寸法に合わせて形成しておく。

次に、図３（Ｃ）に示すように図における上部にエポキシ樹脂４０を続けて造形してスリット４１，４２の隙間およびアルミナ板２１およびフェライト板２３の上部を樹脂封止する。

その後、図３（Ｄ）に示すように、アルミナ板２１およびフェライト板２３の端縁周囲の不要な樹脂をそれぞれ切断除去する。これによってアルミナ板２１、フェライト板２３およびエポキシ樹脂４０からなる積層体の四側面にアルミナ板２１およびフェライト板２３が露出することになる。

なお、図２（Ｂ）に示した比較例としての周期構造体も、中央にフェライト板２３を挿入することを除いて同様にして光造形法によりエポキシ樹脂−セラミックス複合体を作成する。

図３（Ｄ）において、アルミナ板２１同士の間、アルミナ板２１とフェライト板２３との間、および最外層のエポキシ樹脂４０が、図２（Ａ）に示したエポキシ樹脂層２２ａ〜２２ｆおよび２４ａ，２４ｂを構成することになる。

上記各部の寸法・組成・特性などは次のとおりである。
（ａ）アルミナ板
純度９６％のアルミナ
１９．０×９．５×０．７ｍｍ
比誘電率：８．４ ａｔ １２ＧＨｚ
（ｂ）フェライト板
組成：ＮｉＣｕＺｎ系のフェライト
Ｆｅ₂Ｏ₃：４７ｍｏｌ％、ＮｉＯ：２０．５％、ＺｎＯ：２２％、ＣｕＯ：１０．５％
１９．０×９．５×２．０ｍｍ
比誘電率：１１．８
実効比透磁率：０．７６ ａｔ １２ＧＨｚ
実効比誘電率：８．９７ ａｔ １２ＧＨｚ
（ｃ）エポキシ樹脂
比誘電率：２．８
なお、上記フェライト以外に、スピネル系フェライト（Ｍｇ−Ｍｎフェライト、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ａｌフェライト、Ｌｉ−Ｆｅフェライト）や、ガーネット系フェライト（Ｙ−Ｆｅフェライト、Ｇｄ−Ｆｅフェライト））も使用可能である。

図４は図２・図３に示したファブリ・ペロー型共振器を備えたバンドパスフィルタ全体の構成を示す断面図である。図４において符号５０で示す部分は方形導波管であり、伝搬する電磁波の電界振幅方向が上下方向であるＴＥモードのみを伝搬する。すなわち、電界振幅の方向は図４の上下方向であり、磁界振幅の方向は紙面に垂直な方向である。

この方形導波管５０は、ファブリ・ペロー型共振器中を伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるモードに制限する伝送路として作用する。

ここでは通過帯域の中心周波数を１２．５ＧＨｚとするために、この方形導波管５０の幅方向寸法を１９．０５ｍｍ、高さ方向寸法を９．５２５ｍｍとしている。

また、この方形導波管５０はＡｌ、Ｃｕ、または樹脂にＣｕやＡｇをメッキしたものを用いる。

この方形導波管５０の内部に、図２（Ａ）に示したファブリ・ペロー型共振器２０を挿入（充填）している。また、方形導波管５０の両端には信号入出力のためのプローブ５１をそれぞれ配置していて、同軸コネクタで信号の入出力を行うように構成している。

さらに方形導波管５０の外部からファブリ・ペロー型共振器２０のフェライト板２３に対して方形導波管５０内部を伝搬する電磁波の電界振幅方向に、すなわち方形導波管の電界面同士を挟む方向に、直流磁界Ｈを印加する電磁石６０を配置している。

このように方形導波管５０の外部から直流磁界Ｈを印加する都合上、方形導波管５０は例えばＦｅ等の磁気シールド性のある材質は基本的に使用できない。

方形導波管を伝搬するモードは、電界の振幅方向が特定方向であるモード（特定伝搬モード）に制限され、フェライト板による共振層に電磁波の伝搬方向に対して垂直方向の直流磁界が印加されることにより、共振層で前記特定伝搬モードに影響する透磁率の成分が変化し、局在モードの共振周波数すなわち通過帯の周波数が変位する。

次に、図４に示したバンドパスフィルタの特性について図５〜図７を基に説明する。
図５（Ａ）は図４に示したバンドパスフィルタのシミュレーションによる特性図である。図５（Ｂ）は、図４に示した構造において方形導波管５０の内部に前述の比較例としての周期構造体３０を挿入（充填）した場合のシミュレーションによる特性である。ここでは伝送線路理論に基づくシミュレーションを行った。

図５においてＳ２１は透過特性、Ｓ１１は反射特性、ＡＰは加算位相をそれぞれ表している。図５（Ｂ）のように、フェライト板２３による欠陥層が存在しない場合には、約１０．５〜１５．５ＧＨｚの帯域でＳ２１が下側に凹む特性として現れる、フォトニック結晶におけるバンドギャップが生じる。これに対しフェライト板２３を備えたファブリ・ペロー型共振器２０を挿入した場合には、図５（Ａ）に示すように、フェライト板２３による局在モードの共振が１２．５ＧＨｚで生じ、Ｓ２１はその周波数でほぼ０（減衰０）となる。

図６（Ａ）は図４に示したバンドパスフィルタの実測結果である。図６（Ｂ）は、図４に示した構造において方形導波管５０の内部に前述の比較例としての周期構造体３０を挿入（充填）した装置の実測結果である。このように図５に示したシミュレーションの場合とほぼ同様の特性を示すことが分かる。

このように低誘電率誘電体部材と高誘電率誘電体部材との周期構造によって、特定の周波数でブラッグ反射が生じてファブリ・ペロー型共振器として作用し、そのうえでフェライト板２３による局在モードの共振が生じてバンドパス特性が得られる。

図７は、図４に示したバンドパスフィルタにおいて、電磁石６０によるフェライト板２３に対する印加磁界の変化によるバンドパスフィルタ特性の変化について示している。Ｐ０〜Ｐ６はいずれもＳ２１特性であり、電磁石のコアの磁束密度は次のとおりである。

Ｐ０：０Ｔ
Ｐ１：０．０４Ｔ
Ｐ２：０．０６Ｔ
Ｐ３：０．０８Ｔ
Ｐ４：０．１０Ｔ
Ｐ５：０．１４Ｔ
Ｐ６：０．２０Ｔ
電磁石のコアの磁束密度はフェライト板２３への印加磁界に比例するので、このように印加磁界を高めるほどフェライト板２３の比透磁率μｒは低下し、従って局在モードの共振周波数が上昇し、通過帯域がそれに伴って上昇する。

図８の上部はフェライト板の印加磁界に対する透磁率の関係を示している。また下部はフェライト板の印加磁界に対する損失の関係を示している。ここでμ＋は正の円偏波比透磁率、μ−は負の円偏波比透磁率、μeffは実効比透磁率である。

この実施形態ではＴＥモードを伝搬する方形導波管を用いているので、ＴＥモードの伝送状態のみを考えればよく、欠陥層の実効比透磁率は次式で表される。

μeff＝２｛（１／μ＋）＋（１／μ−）｝^-1
また、フェライト板に光路長が１／２波長で局在モードが発現するが、この光路長は
１／√（ε×μ）に比例する。フェライトの誘電率は磁界に対しては変化しないが、透磁率は上式に従って変化する。

図８に示したとおり、印加磁界Ｈが１×１０⁵Ａ／ｍ以下では実効比透磁率は磁界強度変化に対して１〜０の範囲で直線的に変化する。

これにより、印加磁界に応じて実効比透磁率を変化させ、図７に示したように透過波長を制御することができる。しかも、ファブリ・ペロー型共振器は周期構造をなしているので、印加磁界の変化に対する透過波長の変化を顕在化できる。

なお、図８に示した実効比透磁率の値は残留磁化を考慮しない場合の値である。実際のフェライト板では残留磁化の影響を受けて外部から磁界が印加されなくても実効比透磁率が１を下回ることがある。その場合でも本発明に係るバンドパスフィルタの動作原理に変わりはない。

また、図８のμ″特性で示すように、上記１×１０⁵Ａ／ｍの範囲では磁気共鳴周波数より非常に小さな磁界であるため磁気共鳴による損失が少ない。そのため通過帯域で低層入損失特性が維持できる。

図４に示した方形導波管の磁界面に垂直な方向（紙面に垂直な方向）に磁界を印加しても。フェライト板による共振層で前記特定伝搬モード（電界の振幅方向が特定方向であるモード）に影響する透磁率の成分は変化せず、したがって局在モードの周波数は動かない筈である。しかしながら、実際に実験してみると、その磁界強度を高くする程、僅かながら通過周波数帯域が低周波数方向に移動することが分かった。但し、そのシフト量はわずかであるので、図４に示した構成では積極的には利用していない。

《第２の実施形態》
この発明の第２の実施形態に係るバンドパスフィルタおよびフォトニック結晶の製造方法について図９〜図１４を参照して説明する。
図９は第２の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるフォトニック結晶７０の構成を示す図である。

図９（Ａ）は低誘電率誘電体部材であるエポキシ樹脂４０の斜視図、図９（Ｂ）は円柱形状の高誘電率誘電体部材である誘電体柱２５および円柱形状の磁性体部材である磁性体柱２６の形状を示す図である。エポキシ樹脂４０には誘電体柱２５を挿入する穴４３を二次元状に広がる所定パターンに配置するとともに、その中央部を磁性体柱２６を挿入する穴４４として構成している。

誘電体柱２５は（Ｚｒ、Ｓｎ）ＴｉＯ₄系セラミックスからなり、磁性体柱２６はＮｉＣｕＺｎ系フェライトからなる。

図９（Ｃ）は、図９（Ａ）に示した穴４３に対して誘電体柱２５を挿入し、穴４４に対して磁性体柱２６を挿入した状態である。その後、図９（Ｄ）に示すように、誘電体柱２５および磁性体柱２６の上部にもエポキシ樹脂４０の層を形成して、最終的には磁性体柱２６および誘電体柱２５がエポキシ樹脂４０の内部に配置されたフォトニック結晶７０を構成する。

図９（Ｄ）に示したフォトニック結晶７０の製造方法は次のとおりである。
まず紫外線硬化エポキシ樹脂を材料として光造形装置を用い、図９（Ａ）に示すような複数の穴４３，４４を有する直方体形状の構造体を作成する。ここで用いる光造形装置および紫外線硬化エポキシ樹脂は第１の実施形態で示したものと同様である。

上記穴４３，４４の内径寸法は誘電体柱２５および磁性体柱２６の外形寸法に合わせて形成する。

次に、図９（Ｃ）に示すように図における上部にエポキシ樹脂４０を続けて造形して誘電体柱２５と磁性体柱２６のそれぞれの外周部の隙間および上部をエポキシ樹脂で封止する。

このようにして、比誘電率３９の誘電体柱が誘電率２．８の樹脂中に並んだ３角格子フォトニック結晶７０を構成する。

上記各部の寸法・組成・特性などは次のとおりである。
（ａ）誘電体柱
組成：（Ｚｒ，Ｓｎ）ＴｉＯ₄セラミックス
２．０ｍｍφ×９．５ｍｍ
比誘電率：εｒ≒３９ ａｔ １２ＧＨｚ
（ｂ）磁性体柱
組成：ＮｉＣｕＺｎ系のフェライト
Ｆｅ₂Ｏ₃：４７ｍｏｌ％、ＮｉＯ：２０．５％、ＺｎＯ：２２％、ＣｕＯ：１０．５％
２．４ｍｍφ×９．５ｍｍ
比誘電率：εｒ≒１１．８ ａｔ １２ＧＨｚ
（ｃ）低誘電率誘電体部材
組成：フォトポリマー・エポキシ樹脂
比誘電率：εｒ≒２．８ ａｔ １２ＧＨｚ
（ｄ）格子パターン
３角格子
誘電体柱間距離（格子間距離）ａ：３．８４６ｍｍ
なお、第１の実施形態の場合と同様に上記フェライト以外に、スピネル系フェライト（Ｍｇ−Ｍｎフェライト、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ａｌフェライト、Ｌｉ−Ｆｅフェライト）や、ガーネット系フェライト（Ｙ−Ｆｅフェライト、Ｇｄ−Ｆｅフェライト））も使用可能である。

図１０は、図９に示したフォトニック結晶７０を備えたバンドパスフィルタ１０１全体の構成を示す断面図である。図１０において符号５０で示す部分は方形導波管であり、伝搬する電磁波の電界振幅方向が上下方向であるＴＥモードのみを伝搬する。すなわち、電界振幅の方向は図１０の上下方向であり、磁界振幅の方向は紙面に垂直な方向である。ここでは通過帯域の中心周波数を１２．５ＧＨｚとするために、この方形導波管５０の幅方向寸法を１９．０５ｍｍ、高さ方向寸法を９．５２５ｍｍとしている。

また、この方形導波管５０はＡｌ、Ｃｕ、または樹脂にＣｕやＡｇをメッキしたものを用いる。

この方形導波管５０の内部に、図９に示したフォトニック結晶７０を挿入（配置）している。また、方形導波管５０の両端には信号入出力のためのプローブ５１をそれぞれ配置していて、同軸コネクタで信号の入出力を行うように構成している。

さらに方形導波管５０の外部からフォトニック結晶７０の磁性体柱２６に対して方形導波管５０内部を伝搬する電磁波の電界振幅方向に、すなわち方形導波管の電界面同士を挟む方向に、直流磁界Ｈを印加する電磁石６０を配置している。

方形導波管を伝搬するモードは、電界の振幅方向が特定方向であるモード（特定伝搬モード）に制限され、磁性体柱による共振器部に電磁波の伝搬方向に対して垂直方向の直流磁界が印加されることにより、共振器部で前記特定伝搬モードに影響する透磁率の成分が変化し、局在モードの共振周波数すなわち通過帯の周波数が変位する。

図１１は、誘電体柱２５と磁性体柱２６で構成されるフォトニック結晶７０を備えたバンドパスフィルタのＨＦＳＳシミュレーションによるＦＥＭ電磁界解析で求めた電界分布を示す図であり、電界強度の分布を濃度で表している。図１１（Ａ）は図９に示したフォトニック結晶７０を用いて、後述する局在周波数１３．１ＧＨｚで求めた電界強度の分布図である。図１１（Ｂ）は比較のために、中央に磁性体柱２６を配置せず、その位置にも誘電体柱２５を配置したフォトニック結晶を用いて１２ＧＨｚで求めた電界強度の分布図である。

磁性体柱を備えないフォトニック結晶を用いた場合は、フォトニックバンドギャップの周波数（１２ＧＨｚ）でフォトニック結晶の効果で電磁波が遮断されている事が判る。一方、図９に示したフォトニック結晶７０を用いた場合、図１１（Ａ）に示すように電磁波が局在して、単一モードでフェライト部分が共振している事が判る。

このように、磁性体柱２６の磁性体内での電気長を、通過帯域内の所定周波数の１／２波長とすることによって、その所定周波数で強い局在モードを生じさせて通過帯域の通過損失を低減できる。

次に、図１０に示したバンドパスフィルタの特性について図１２・図１３を基に説明する。
フォトニック結晶の設計は平面波展開法によるバンド計算により行う。フォトニック結晶のバンドは、誘電体母相である低誘電率誘電体部材（エポキシ樹脂４０）に対する高誘電率誘電体部材（誘電体柱２５）の誘電率比と、結晶格子間距離に対する誘電体柱の半径の比に依存し、バンドギャップが形成される領域が限定される。また、電磁波の伝播する状態がＴＥモードであるかＴＭモードであるかにより異なる。さらに、誘電体柱の配列パターンによっても異なる。ここでは３角格子点に誘電体柱が並ぶ場合を考える。

図１２は図９に示したフォトニック結晶７０のバンドギャップ領域図である。図１２（Ａ）は、低誘電率誘電体部材（エポキシ樹脂４０）に対する高誘電率誘電体部材（誘電体柱２５）の誘電率比と、結晶格子間距離に対する誘電体柱および磁性体柱の半径比との関係を示す図である。ここではＴＥモードについての第１バンドギャップ領域を示している。図１２（Ａ）の横軸は、低誘電率誘電体部材（エポキシ樹脂４０）に対する高誘電率誘電体部材（誘電体柱２５）の誘電率比、および結晶格子間距離に対する誘電体柱２５の半径の比、縦軸は正規化周波数（波長λに対する結晶格子間距離ａの比）である。

誘電体柱の誘電率が低誘電率誘電体部材の誘電率に比較して高い場合、ＴＥモードの第１バンドと第２バンドとの間に発現する第１バンドギャップは図１２（Ａ）のようになる。

図１２（Ｂ）は、図９に示した例のとおり、誘電体柱２５の比誘電率を３９、周囲のエポキシ樹脂４０の比誘電率を２．８とした場合のバンド図である。図１２（Ｂ）において横軸は結晶格子間距離ａに対する誘電体柱２５の半径ｒの比、縦軸は正規化周波数（波長λに対する結晶格子間距離ａの比）である。［１ｓｔ−２ｎｄ］は第１バンドと第２バンドとの間の第１バンドギャップ、［３ｓｔ−４ｎｄ］は第３バンドと第４バンドとの間の第２バンドギャップ、［５ｓｔ−６ｎｄ］は第５バンドと第６バンドとの間の第３バンドギャップである。この例では、ｒ／ａ≒０．２６のとき、第１バンドギャップ［１ｓｔ−２ｎｄ］と第２バンドギャップ［３ｓｔ−４ｎｄ］が広く開いて、使用できることが判る。

バンドギャップが１０〜１５ＧＨｚになるようにする場合、結晶格子間距離ａ＝１として、正規化周波数ａ／λが０．０３３〜０．０５０の条件でバンドギャップが生じればよいので、誘電体柱２５の半径を０．２６ｍｍとすると、第１バンドと第２バンドとの間の第１バンドギャップと、第３バンドと第４バンドとの間の第２バンドギャップとが得られるものと推定される。

第１バンドギャプは正規化周波数０．１３３３１２８と０．２０１６３１であり、結晶格子間距離ａ＝１であるので、波長は１／０．１３３３１２８＝７．５０１２μｍ、１／０．２０１６３１＝４．９５９６μｍ、周波数は３０００００／７．５０１２＝３９９９４ＧＨｚおよび３０００００／４．９５９６＝６０４８９ＧＨｚとなる。

第２バンドギャップは正規化周波数０．２５３７４８と０．３２４１７３であり、波長は１／０．２５３７４８＝３．９４０９μｍ、１／０．３２４１７３＝３．０８４８μｍ、周波数は３０００００／３．９４０９＝７６１２５ＧＨｚおよび３０００００／３．０８４８＝９７２５１ＧＨｚとなる。

ここで、誘電体柱２５の直径φを２．０ｍｍとすると、実際のモデルは計算モデルの２０００／（０．２６×２）＝３８４６倍のサイズになる。そして、実際のモデルでの第１バンドと第２バンドの周波数はそれぞれ、３９９９４／３８４６＝１０．３９ＧＨｚと６０４８９／３８４６＝１５．７３ＧＨｚとなり、中心周波数は（１０．３９＋１５．７３）／２＝１３．０６ＧＨｚとなる。また、第３バンドと第４バンドの周波数はそれぞれ７６１２５／３８４６＝１９．７９ＧＨｚと９７２５１／３８４６＝２５．２９ＧＨｚとなり、中心周波数は（１９．７９＋２５．２９）／２＝２２．５４６ＧＨとなる。

このようにして、第１バンドギャップが約１０〜１５．０ＧＨｚとなるように設計する。

次に、欠陥による局在モードスペクトルのピークをフォトニックバンドギャップの中心周波数である１３ＧＨｚに設定する。これは、磁性体柱の径を変えて局在周波数をＦＤＴＤシミュレータを用いて調べた。すなわち、比誘電率１１．８の磁性体柱の直径Ｄを変えると、局在周波数がどの様に変わるかをシミュレーションした結果を図１３に示す。

図１３において、Ｐ１１はＤ＝１．５４ｍｍ、Ｐ１２はＤ＝２．００ｍｍ、Ｐ１３はＤ＝２．３０ｍｍ、Ｐ１４はＤ＝２．６２ｍｍ、Ｐ１５はＤ＝３．３８ｍｍのときの通過帯域をそれぞれ表している。必要な局在周波数は約１３ＧＨｚであるため、フェライトの直径Ｄは約２．４ｍｍであればよいことが判る。

図１４（Ａ）は、上述のようにして設計したフォトニック結晶７０を用い、図１０に示したように構成したバンドパスフィルタ１０１について、その印加磁界に対する局在モードの周波数変位の特性を求めた図である。図１４（Ｂ）は比較のために、中央に磁性体柱２６を配置せず、その位置にも誘電体柱２５を配置したフォトニック結晶を用いた例である。

図１４（Ａ）において、Ｐ０〜Ｐ３はいずれもＳ２１特性であり、電磁石のコアの磁束密度は次のとおりである。

Ｐ０：０．０Ｔ
Ｐ１：０．１Ｔ
Ｐ２：０．２Ｔ
Ｐ３：０．３Ｔ
電磁石のコアの磁束密度は磁性体柱２６への印加磁界に比例するので、このように印加磁界を高めるほど磁性体柱２６の比透磁率μｒは低下し、従って局在モードの共振周波数が上昇し、通過帯域がそれに伴って上昇する。

磁性体柱２６に対する印加磁界の範囲は第１の実施形態の場合と同様に、実効比透磁率μeffが１以下の範囲で直流磁界の強度を制御する。

《第３の実施形態》
図１５は第３の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるフォトニック結晶７１の構成を示す図である。

図１５（Ａ）は低誘電率誘電体部材である上部エポキシ樹脂板６１の斜視図、図１５（Ｂ）は高誘電率誘電体部材である誘電体柱２５および磁性体部材である磁性体柱２６の形状を示す図である。

図１５（Ｃ）は、もう一つの低誘電率誘電体部材である下部エポキシ樹脂板６２に誘電体柱２５および磁性体柱２６を挿入した状態を示す図である。このように誘電体柱２５を二次元状に広がる所定パターンに配置するとともに、その中央部を磁性体柱２６で置換した構成としている。

図１５（Ｄ）は図１５（Ｃ）に示した状態から、誘電体柱２５および磁性体柱２６の上部に上部エポキシ樹脂板６１を形成した状態を示している。

このようにして、誘電体柱２５と磁性体柱２６の上下端のみを低誘電率誘電体部材（エポキシ樹脂）で保持したフォトニック結晶７１を構成する。このフォトニック結晶７１は第２の実施形態で示したと同様に光造形法によって形成する。

このようにして誘電体柱２５と磁性体柱２６の周囲の主要部を空間（空気）としてもバンドパスフィルタとして同様に作用させることができる。

第２・第３の実施形態では、３角格子のフォトニック結晶を例に挙げたが、結晶構造は他の構造であってもよい。また、結晶面に対する電磁波の入出射角または透過方位は図９〜図１１に示したものに限らず、他の角度・方位であってもよい。また、格子ピッチは必ずしも一定である必要はない。

なお、各実施形態では１２．５ＧＨｚ帯で利用する例を挙げたが、この発明は１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚくらいの周波数帯に適用できる。この周波数帯の主な用途は通信であり、周波数可変バンドバスフィルタはマルチバンド送信機のフィルタに利用できる。

特許文献１に示されている光アイソレータの構成を示す図である。 第１の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるファブリ・ペロー型共振器およびその比較例を示す図である。 同ファブリ・ペロー型共振器の製造方法を示す図である。 同バンドパスフィルタの構成を示す断面図である。 同バンドパスフィルタの透過特性および反射特性のシミュレーション結果を示す図である。 同バンドパスフィルタの透過特性および反射特性の実測結果を示す図である。 外部から印加する直流磁界の変化に対する通過帯域の周波数変化の例を示す図である。 フェライト板の印加磁界に対する透磁率の関係およびフェライト板の印加磁界に対する損失の関係を示す図である。 第２の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるフォトニック結晶７０の構成を示す図である。 図９に示したフォトニック結晶７０を備えたバンドパスフィルタ１０１全体の構成を示す断面図である。 バンドパスフィルタ内の電界分布を示す図であり、（Ａ）は誘電体柱２５と磁性体柱２６で構成されるフォトニック結晶７０を備えたバンドパスフィルタの電界分布を示す図、（Ｂ）は磁性体柱を配置しないフォトニック結晶を備えた場合の電界分布を示す図である。 図９に示したフォトニック結晶７０のバンドギャップ領域図である。 磁性体柱の直径を変えたときの局在周波数の変化を示す図である。 バンドパスフィルタのフォトニック結晶７０への印加磁界に対する局在モードの周波数変位の特性を示す図である。 第３の実施形態に係るバンドパスフィルタに用いるフォトニック結晶７１の構成を示す図である。

符号の説明

２０−ファブリ・ペロー型共振器
２１−アルミナ板（高誘電率誘電体層）
２２，２４−エポキシ樹脂層（低誘電率誘電体層）
２３−フェライト板（共振層）
３０−周期構造体
４０−エポキシ樹脂
４１，４２−スリット
４３，４４…穴
５０−方形導波管
５１−プローブ
６０−電磁石
６１…上部エポキシ樹脂板
６２…下部エポキシ樹脂板
７０，７１…フォトニック結晶
１００，１０１，１０２…バンドパスフィルタ
Ｈ−外部磁界

Claims (12)

1. 低誘電率誘電体部材内に高誘電率誘電体部材を周期的に配置してブラッグ反射が生じる周期構造体を構成するとともに、当該周期構造体内に磁性体部材を配置して、前記ブラッグ反射による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる局在モードを有するフォトニック結晶を備え、
   前記フォトニック結晶中を伝搬する電磁波を電界の振幅方向が特定の方向であるモードに制限する伝送路と、
   前記フォトニック結晶に前記電磁波の伝搬方向に垂直方向の直流磁界を外部から印加する磁界印加手段と、を設けてなるバンドパスフィルタ。
2. 前記磁性体部材は、当該磁性体部材内での電気長が前記通過帯域内の周波数で略１／２波長である請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
3. 前記直流磁界の方向と前記電界の振幅方向とがほぼ平行である請求項１または２に記載のバンドパスフィルタ。
4. 前記磁界印加手段は、前記磁性体部材が磁気共鳴する磁界以下で、実効比透磁率が１以下の範囲で前記直流磁界の強度を制御するものである請求項１、２または３に記載のバンドパスフィルタ。
5. 前記磁界印加手段は前記直流磁界の強度が可変である請求項１〜４のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
6. 前記伝送路は方形導波管である請求項１〜５のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
7. 前記磁性体部材はフェライトからなる請求項１〜６のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
8. 前記低誘電率誘電体部材は低誘電率誘電体層、前記高誘電率誘電体部材は高誘電率誘電体層、前記磁性体部材は磁性体板であり、前記フォトニック結晶は前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層とを交互に積層配置した２つの反射器と、この２つの反射器の間に設けた前記磁性体板とからなり、前記２つの反射器による阻止帯域内に通過帯域を生じさせる共振層を配置してなるファブリ・ペロー型共振器である、請求項１〜７のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
9. 前記低誘電率誘電体層と前記高誘電率誘電体層の光路長は前記阻止帯域の波長でそれぞれほぼ１／４波長である請求項８に記載のバンドパスフィルタ。
10. 前記低誘電率誘電体層は樹脂層であり、最外層が樹脂層である請求項８または９に記載のバンドパスフィルタ。
11. 前記高誘電率誘電体部材は円柱状の誘電体柱であり、前記低誘電率誘電体部材は前記誘電体柱の周囲の空間を占める形状であり、前記磁性体部材は円柱状の磁性体柱であり、前記フォトニック結晶は、前記誘電体柱を前記低誘電率誘電体部材内で２次元平面上に配列するとともに、所定位置を前記磁性体柱で置換した構造である、請求項１〜７のいずれかに記載のバンドパスフィルタ。
12. 請求項１に記載のフォトニック結晶の製造方法であって、光硬化性樹脂に対する照射光のスキャニングによる光造形法で、前記低誘電率誘電体部材を光硬化性樹脂で造形するとともに前記高誘電率誘電体部材の配置領域を形成する工程と、
    前記高誘電率誘電体部材の配置領域に前記高誘電率誘電体部材および前記磁性体部材をそれぞれ挿入する工程と、
    を順に処理するバンドパスフィルタ用フォトニック結晶の製造方法。

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