WO2004109344A1

WO2004109344A1 - ３次元周期構造体およびその製造方法

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Publication number: WO2004109344A1
Application number: PCT/JP2004/005592
Authority: WO
Inventors: Soshu Kirihara; Yoshinari Miyamoto; Takuji Nakagawa; Katsuhiko Tanaka
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2004-12-16
Also published as: JP4020142B2; JPWO2004109344A1; US20060011126A1; CN100351652C; CN1701244A; US7303626B2

Abstract

光硬化性樹脂を用いた光造形法によりフォトニック結晶型ユニット（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を作成するとともに、その境界部分に仕切り（１１）を設ける。また、各フォトニック結晶型ユニットの空隙部に、セラミックス粒子を分散させた第２の物質を含浸させて充填部２を構成する。このような、第１・第２の物質が３次元の周期性をもって分布する３次元周期構造体を、第１・第２の物質の誘電率比に違いをもたせて順に配置する。これにより、従来の３次元周期構造体では得られなかった広範囲なフォトニックバンドギャップを有する３次元周期構造体を得る。

Description

3次元周期構造体およびその製造方法技術分野

この発明は、 3次元周期構造体およぴその製造方法に関するものである明田

背景技術

固体結晶中において、原子核により構成される周期的なポ

布は、格子定数に見合う波長の電子波に対して干渉作用を示す。すなわち、電子波の波長が結晶の'ポテンシャル周期に非常に近い場合には、 3次元的な回折作用（ブラッグ回折）により反射が起こる。この現象により特定のエネルギ領域に含まれる電子はその通過を禁止される。これが半導体デパイスなどに利用される電子バンドギャップの形成である。

同様に、屈折率もしくは誘電率が周期的に変化する 3次元構造は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定周波数領域の電磁波を遮断する。この場合、禁止帯はフォトニックパンドギャップと呼ばれ、上記 3次元構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。

上記作用を利用して、フォトニック結晶を、例えば所定周波数帯域の電磁波の透過を遮断するカツトオフフィルタとして用いたり、上記周期的な構造中に周期を乱す不均一部分を導入して、その部分に光や電磁波が閉じ込める導波路や共振器として用いたりすることが考えられている。また、光の超低閾値レーザーや電磁波の高指向性アンテナ等への応用も考えられている。

一般にフォトニック結晶中において、電磁波のブラッグ回折が起こるときには、二種類の定在波が形成される。図 6はその二種類の定在波を示している。（A) に示す定在波は、波の振動が低誘電率領域で高いエネルギを有し、（B) に示す定在波は、波の振動が高誘電率領域で高いエネルギを有する。この二つの異なるモードにスプリットした定在波間のエネルギを有する波は結晶中に存在できないので、バンドギヤップが生じる。このフォトニック結晶には 1次元、 2次元、 3次元の構造体があるが、完全なフォトニックパンドギヤプを得るためには 3次元構造が必要である

3次元構造を作るためには、例えば角材積層型（特許文献 1、特許文献 2) や自己クローニングによる形状保存多層膜を用いた方法（特許文献 3

) 、光造形を用いる方法（特許文献 4、特許文献 5) , 粒子を並べる方法 (特許文献 6) 等がある。これらの公報には、有機材料、セラミック、 S i等の絶縁体、誘電体、半導体材料を加工しフォトニック結晶を作る技術が開示されている。また、樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより構成した 3次元周期構造体（特許文献 7) が開示されている。

【特許文献 1】特表 200 1— 5 1 870 7公報

【特許文献 2】特開 200 1— 74955公報

【特許文献 3】特開 200 1— 74954公報

【特許文献 4】特開 2000— 34 1 03 1公報

【特許文献 5】特表 200 1— 502256公報

【特許文献 6】特開 200 1—42 144公報

【特許文献 7】特開 200 1— 26 1 9 7 7公報これらのフォトニック結晶から得られるフォトニックパンドギヤップは、構成される 2つの物質の誘電率や屈折率のコントラストが大きい程大きく広がることが知られている。

しかしながら、これらの実用的な物質は、例えば 1 0〜30 GH z帯域での比誘電率は 1 5、屈折率は 3 . 0程度が限界であり、空気との誘電率や屈折率の差（または比）をそれ以上高めることは困難であった。そのため、一定誘電率の誘電体で構成した 3次元周期構造体では広範囲なフォトニックバンドギャップが得られなかった。

この問題の解決方法として、種々のバンドギャップを有する周期構造体を重ね合わせてバンドギャップを広げることが考えられる。すなわち、特許文献 4に開示されているように、セラミック誘電体材料を分散させた光硬化性樹脂を用いて光造形した構造体や、セラミック誘電体材料を分散させた固体を並べた構造物により格子定数を連続的に変化させたり、誘電率の異なる結晶体を造る方法が有効である。しかしながら、分散させるセラミック材料により、光硬化性樹脂の硬化が阻害されたり、透過率が阻害されて光造形が困難となる。そのため、利用可能な材料が限定され、セラミック誘電体材料の分散量も限られてしまう。

この問題を解消するために、樹脂組成物およぴ誘電体粒子の混合物を硬化させる特許文献 7に開示されている方法も有効であるが、誘電体材料を複合化するため、誘電率が低下しやすい。また、セラミック誘電体材料を分散させた熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂塊を並べて構造体を造る方法では、ダイヤモンド構造などの複雑な構造体を得ることは困難である。

一方、特許文献 5には、光造形で作成した樹脂構造体に高誘電率セラミックスを分散させた樹脂を含浸させてフォトニック結晶を作成する方法が示されている。しかし、この特許文献 5の開示内容だけでは広範囲なフォトユックバンドギヤップを得ることはできない。

そこで、この発明の目的は、従来構造では得られなかった広範囲なフォトニックバンドギャップを有する 3次元周期構造体おょぴその製造方法を提供することにある。発明の開示この発明は、互いに誘電率の異なる第 1 '第 2の物質が 3次元空間内で周期性をもって分布している複数の 3次元周期構造体領域を備え、 3次元周期構造体における第 1の物質の誘電率と第 2の物質の誘電率との誘電率比を該複数の 3次元周期構造体で異ならせたことを特徴としている。

このように、第 1 ·第 2の物質の誘電率比が異なった複数の 3次元周期構造体領域を配置したことにより、各 3次元周期構造体領域によるフォトニックバンドギヤップの特性を重ね合わせて、広い周波数帯域に 1るフォトニックバンドギヤップを得る。

また、この発明は、互いに誘電率の異なる第 1 ·第 2の物質が 3次元空間内で周期性をもって分布している複数の 3次元周期構造体領域を備え、各 3次元周期構造体の平均誘電率に違いをもたせたことを特徴としているこの構造により、上記平均誘電率に応じて周波数帯の異なった位置に現れるフォトニックパンドギヤップの重ね合わせにより、広い周波数帯域に亘るフォトニックパンドギャップを得る。

また、この発明は、前記第 1の物質を光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂とし、該樹脂によつて空間部が 3次元周期をもつて分布した結晶型部をなし、前記第 2の物質を樹脂中にセラミックス粒子が分散した物質とし、該第 2の物質が前記空間部に充填されていることを特徴としている。

この構造により、第 1の物質による 3次元周期構造を高精度且つ容易に形成し、しかも高誘電率の第 2の物質が 3次元周期構造をなすように、容易に構成可能とする。

また、この発明は、前記第 1の物質をセラミックス粒子が分散した光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂とし、該樹脂によって空間部が 3次元周期をもって分布した結晶型部をなし、前記第 2の物質を前記空間部に充填した樹脂としたことを特徴としている。この構造によっても、誘電率の異なった第 1 '第 2の物質による 3次元周期構造を高精度且つ容易に構成可能とする。

また、この発明は、前記第 2の物質を熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂とし、該第 2の物質を前記空間部に充填した後、熱硬化させたことを特徴としている。この構造により、全体が固体の 3次元周期構造体を容易に構成可能とする。

また、この発明は、複数の 3次元周期構造体を配置するとともに、該配置方向に沿つて前記誘電率比を増加方向または減少方向の一方向に傾斜させたことを特徴としている。

この構造により、第 1 ·第 2物質間の誘電率比の異なる互いに隣接する 3次元周期構造体領域それぞれのフォトニックバンドギヤップの重ね合わせを有効化して、より広範囲に亘つて大きなフォトニックバンドギヤップを得る。

また、この発明は、前記周期性の 1周期を 0 . 1 mm以上 3 0 mm以下にしたことを特徴としている。これにより、例えば 1 0〜3 0 G H z帯域で大きなフォトニックバンドギャップを有する 3次元周期構造体を得る。また、この発明は、形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、 3次元の周期性をもつた第 1の物質による構造体を光造形し、且つ該 3次元周期構造体を複数の領域に区分する仕切りを設ける工程と、樹脂中にセラミックス粒子が分散され、該セラミックス粒子の含有比率が異なる複数種の第 2の物質を、前記第 1の物質による構造体の各領域内の空間部に真空脱泡法によりそれぞれ充填する工程と、前記第 2の物質を硬化させる工程と、から 3次元周期構造体を得ることを特徴としている。

このように、第 1の物質による構造体を仕切りによって複数の領域に区分して、各領域内にそれぞれセラミックス粒子の含有比率の異なる複数種の第 2の物質を充填することによって、第 1 ·第 2の物質の誘電率比が異なった複数の 3次元周期構造体領域を容易に配置可能とする。図面の簡単な説明

図 1は第 1の実施形態に係る 3次元周期構造体の 1単位の構造を示す斜視図である。図 2は同 3次元周期構造体の製造工程を示す図である。図 3 は第 2の物質の含浸充填工程を示す図である。図 4は光造形装置の構成を示す図である。図 5は同光造形装置によるオブジェク'トの造形途中の状態を示す図である。図 6は誘電率の異なる物質が周期性を持って分布しているときの 2つの定在波を示す図である。図 7は 3次元周期構造体の電磁波特性装置の構成を示す図である。図 8は電磁波特性の測定結果を示す図である。図 9は第 2の実施形態に係る 3次元周期構造体の 1単位の構成を示す斜視図である。図 1 0は同 3次元周期構造体の電磁波特性の測定結果を示す図である。図 1 1は第 3の実施形態に係る 3次元周期構造体の構成を - 示す斜視図である。図 1 2はフォトニック結晶型部に対するチタン酸カルシゥムの分散量と比誘電率との関係を示す図である。発明を実施するための最良の形態

この発明の第 1の実施形態に係る 3次元周期構造体およびその製造方法について各図を参照して順次説明する。

図 2は、 3次元周期構造体の製造過程の状態を示している。（A ) は、フォトニック結晶型 1 0の斜視図である。このフォトニック結晶型 1 0は、 3つのフォトニック結晶型ユニット 1 0 a， 1 0 b , 1 0 cを連結した構造をなす。各フォトニック結晶型ュニットはフォトニック結晶型部 1からなり、空隙部 2を有している。このフォトニック結晶型部 1は後に示すように、第 1の物質である比誘電率 2 . 2のエポキシ系の光硬化性樹脂を用いて光造形法で作成されている。また、隣接するフォトニック結晶型ュニットの境界部分には仕切り 1 1を設けていて、隣接するフォトニック結晶型ュ二ットの空隙部 2同士が連通しない構造にしている。

フォトニック結晶型ュ-ット 1 0 a， 1 0 b, 1 0 cは、格子定数 1 2 mmのダイヤモンド結晶格子を縦 2列、横 2列、高さ 2列分それぞれ備え、 3次元周期構造を成す。 .

図 2の（B) は、このフォトニック結晶型ユニット 1 0をポリテトラフルォロエチレン製の含浸用型 3に入れた状態を示している。

その後、図 3に示すように、カバー 5で不要な部分を覆って、所望のフオトニック結晶型ユニットに第 2の物質を含浸させる。すなわち、そのフォトニック結晶型ュニットの空隙に第 2の物質を充填する。図 3に示した例では、フォトニック結晶型 1 0 a部分を開口させてカバー 5を覆い、フオトニック結晶型 1 0 a部分に第 2の物質を含浸させて、図 2の（C) に示すように、 3次元周期構造体ュニット 1 00 aを構成する。

同様にして、フォトニック結晶型ユニット 1 0 b , 1 0 cにも第 2の物質を含浸させる。但し、フォトニック結晶型ュュット 1 0 a , 1 0 b, 1 0 c毎に第 2の物質の比誘電率を異ならせる。

上記第 2の物質としては、ポリエステル樹脂にチタン酸カルシウムを分散させた樹脂を用いる。具体的には、ポリエステル樹脂として株式会社日本触媒製の「ェポラック G_ l 1 0AL」を用い、硬化剤として日本油脂株式会社製の「パーメック N」を用い、両者を混合して比誘電率 3の硬化性ポリエステル樹脂を用意する。それに対して平均粒径 1. 5 μιη、比誘電率 1 80のチタン酸カルシウムを、硬化性ポリエステル樹脂に対して所定割合だけ混合し、攪拌し、真空脱泡する。このことによって未硬化状態の第 2の物質を得る。チタン酸カルシウムの割合として、この例では 30 V ο 1 %, 25 V ο 1 %, 20 V ο 1 %の 3種類とする。

上記チタン酸カルシウムの割合の異なった未硬化状態の第 2の物質を、図 2に示した含浸用型 3内に入れたフォトエック結晶型ュニット 1 0 a, 1 0 b, 1 0 cに順に含浸させ、さらに含浸用型ごと全体を真空容器内に入れ、排気ポンプで排気することによって真空脱泡する。

その後、上記第 2の物質を硬化させて、図 2の（D ) に示すような 3次元周期構造体 1 0 0を得る。（D ) において 2は、フォトニック結晶型部 1の空隙部に充填した第 2の物質による充填部を示している。

図 4は、図 2の（A) に示したフォトニック結晶型 1 0を製造する装置を示している。ここで、容器 2 5には紫外線で硬化するエポキシ系の光硬化性樹脂 2 8を満たしている。容器 2 5の内部には上下方向に移動するェレベータテープノレ 2 6を設けている。このエレベータテープノレ 2 6の上部にオブジェクト 2 9を造形する。光硬化性樹脂 2 8の液面付近にはォブジェクト 2 9の上面に光硬化性樹脂 2 8を所定膜厚だけ塗布するためのスキージ 2 7を設けている。

また、光学系としては、レーザーダイオード 2 0、レーザーダイオード 2 0からのレーザー光を波長変換して紫外光を発生させる調波発生素子（ L B O ) 2 1、波長選択素子としての音響光学素子. (A OM) 2 2、走查ミラー 2 3、 f Θ レンズ 2 4を設けている。

このような光造形装置を用いたフォトニック結晶の製造手順は次のとおりである。

まず、エレベータテーブル 2 6を光硬化性樹脂 2 8の液面から所定深さまで降下させ、スキージ 2 7を液面に沿った方向に移動させることによつて、エレベータテーブル 2 6の表面に厚さ約 1 0 0 μ ιη の光硬化性樹脂膜を形成する。その状態で、（Β ) に示すように上記光学系によって波長 3 5 5 n mの紫外線レーザーをスポット径 5 0 z mのレーザビーム L Bとして出力 1 1 O mWでその液面 L Sに照射する。このとき走査ミラー 2 3を制御しつつレーザーダイオード 2 0を変調することによって、光硬化性榭脂 2 8を硬化させるべき位置にレーザー光を照射し、その他の領域に照射しないように制御する。

上記レーザービームの照射された光硬化性樹脂 2 8の液面は、その重合反応により直径約 1 0 0 mの球状硬化相 P Rが形成される。この時、レ一ザ一ビームを速度 9 O mZ sで走査すると、厚さ約 1 5 0 μ πιの硬化相が形成される。

このようにレーザービームをラスタースキャンすることによって一層目の断面パターンに相当するォブジェクト 2 9を形成する。

次に、エレベーターテーブル 2 6を液面に対して約 2 0 0 μ m降下させ、スキージ 2 7の移動によって、オブジェクト 2 9の表面に厚さ約 2 0 0 μ mの光硬化性樹脂膜を形成する。

その後、一層目と同様にしてレーザービームの走查および変調を行うことによって二層目の断面パターンを一層目の上に形成する。この時、上下の層は重合硬化により接合される。三層目以降は二層目と同様である。この処理を繰り返すことによってオブジェクト 2 9を造形する。

図 5は、多数の層を形成した各段階でのオブジェクトの形状を透視斜視図として示している。（A) は、ダイヤモンド構造の結晶軸〈1 1 1〉方向に略 1ユニット分だけ造形した状態を示している。また（B ) は、これを約 4ユニット分造形した状態を示している。（C ) は、更にこれを所定ュニット分繰り返して造形した状態を示している。

図 4に示した装置で、光硬化性樹脂 2 8の液面に対して所定の断面パタ一ンで光硬化性樹脂 2 8を硬化させるために、 C A D / C AMプロセスを用いる。すなわち、図 5に示したようなパターンは、 3次元データを扱う C A Dで予め設計し、その 3次元構造のデータを一旦 S T L (Standard Triangulation Language ) データに変換し、これをスライスソフトゥェァによって、所定位置における 2次元断面データの集合へ変換する。最後に、この 2次元断面データからレーザービームをラスタースキャンさせる際にレーザーダイオードを変調するためのデータを作成する。このようにして用意したデータを基に、レーザービームの走査とともにレーザーダイォードの変調を行う。以上の手順で造形した光硬化性樹脂によるオブジェクト 2 9を容器 2 5 から取り出し、未硬化の光硬化性樹脂を洗浄し、乾燥させ、さらに所定サィズに切断することによって、図 2の（A) に示したフォトニック結晶型ユニット 1 0を構成する。

図 1は、 1単位のダイヤモンド結晶格子を示している。ここで 1はフォトユック結晶型部、 Sは空隙部である。このダイヤモンド構造は、単位格子に 8個の格子点を含み、そのうち 4個ずつがそれぞれ独立の面心立法格子をつくり、一方の格子が他方を立体対角線に沿ってその長さの 1 Z 4だけ平行に移動した位置を占めるものである。

上述したように、フォトニック結晶型ユニット 1 0 a， 1 0 b , 1 0 c は、それぞれ格子定数 1 2 mmのダイヤモンド結晶格子を縦 2列、横 2列、高さ 2列分それぞれ備えている。隣接するフォトニック結晶型ユニット同士の境界部分の仕切り 1 1は、上記光造形法によって、フォトニック結晶型ユニット 1 0 a , 1 0 b , 1 0 c部分と同時に形成する。または、フオトニック結晶型ユニット 1 0 a , 1 0 b , 1 0 cを個別に作成し、仕切り 1 1となるシートを挟んで接着するようにしてもよレ、。

図 7は、 3次元周期構造体 1 0 0の特性を測定する測定装置を示している。この測定装置には、 Mパンド導波管 3 0と、その導波管 3 0内に揷入したプローブ 3 1， 3 2を備えている。この導波管 3 0の内部に試料としての 3次元周期構造体 1 0 0を挿入する。プローブ 3 1， 3 2にはネットワークアナライザ 3 3を接続している。このネットワークアナライザ 3 3 を用いて電磁波の伝搬特性を測定する。図 7において 3次元周期構造体 1 0 0は、 3つの 3次元周期構造体ユニットの連結方向（長手方向）が導波管 3 0の電磁波伝搬方向を向くように配置している。導波管 3 0の内側寸法は、横 2 0 X縦 1 0 mmであり、 3次元周期構造体 1 0 0の寸法は導波管 3 0の長手方向に 2 O mm、導波管 3 0の高さ方向に 1 O mmである。図 8は、上記 3次元周期構造体の電磁波伝搬特性を示している。（A) は比較のために、第 2の物質に分散させるチタン酸カルシウムの割合を 1 0%、 20%、 30%のそれぞれについて測定した伝搬特性を示している。（B) の（1) は、チタン酸カルシウムを 20%分散させた 3次元周期構造体ュ-ットと、チタン酸カルシウムを 30%分散させた 3次元周期構造体ュニットとを 2連結した 3次元周期構造体の伝搬特性を示している。また、（2) は、図 2の（D) に示したように、チタン酸カルシウムを 20 % , 2 5%, 30 %それぞれ分散させた 3次元周期構造体ュニットを 3連結した 3次元周期構造体の伝搬特性を示している。

ここで、図 2の（D) に示した各 3次元周期構造体ユニット 1 00 a， 1 00 b, 1 00 cのフォトニック結晶型部 1 (第 1の物質）と充填部 2 (第 2の物質）の比誘電率は表 1のとおりである。

〔表 1〕

3次元周期構造体ュニット 100a 100b 100c

チタン酸カルシウム（vol°/。） 10 20 25 30 40 比誘電率 4.2 6.1 8.0 9.8 12.0 誘電率比 1.9 2.8 3.6 4.5 5.5 誘電率比の変化率 ^L1.28倍」」1.25倍」 ^L1.22倍」

1 1.₆倍 1

なお、表 1において、チタン酸カルシウムを 40%分散させた例は、後に引用する。

図 8の（A) のように、第 1 ·第 2の物質の誘電率比が一定であれば、広範囲のフォトニックバンドギャップは得られない。また、（B) の（1) のように、隣接する 3次元周期構造体間での第 1 ·第 2の物質の誘電率比の変化率が大きいと、広いバンドギャップが得られない。（2) のように、第 1 ·第 2の物質の誘電率比に違いをもたせ、且つ隣接する 3次元周期構造体間での第 1 ·第 2の物質の誘電率比を変化させることによってバンドギャップの広帯域化が図れる。特に、本実施形態のように、隣接する 3次元周期構造体の誘電率比を 3次元周期構造体の配置方向に沿って増加方向または減少方向の一方向に傾斜させることにより、広い周波数帯で充分な減衰量を得ることができる。

次に、第 2の実施形態に係る 3次元周期構造体について、図 9および図 1 0を参照して説明する。

この 3次元周期構造体は、第 1の実施形態に係る 3次元周期構造体と異なり、ダイヤモンド結晶格子部分を空隙としている。図 9はその 1単位の結晶格子を示している。ここで、 1は第 1の物質からなるフォトニック結晶型部、 Sはその空隙部である。また、この第 2の実施形態では、 3連結したそれぞれの 3次元周期構造体ュニットは、チタン酸カルシウムの分散量が 2 0 % , 3 0 % , 4 0 %の 3種としている。その他の構造および製造方法は第 1の実施形態の場合と同様である。

図 1 0は、上記 3次元周期構造体の電磁波伝搬特性を示している。（A ) は比較のために、第 2の物質に分散させるチタン酸カルシウムの割合を 2 0 %、 3 0 %、 4 0 %のそれぞれについて測定した伝搬特性を示している。（B ) の（1) は、チタン酸カルシウムを 2 0 %分散させた 3次元周期構造体ュニットと、 3 0 %分散させた 3次元周期構造体ュニットを 2連結した 3次元周期構造体の伝搬特性を示している。また、（2) は、チタン酸カルシウムを 4 0 %分散させた 3次元周期構造体ュニットと、 3 0 %分散させた 3次元周期構造体ュニットを 2連結した 3次元周期構造体の伝搬特性を示している。（3) は、チタン酸カルシウムを 2 0 %, 3 0 %， 4 0 % それぞれ分散させた 3次元周期構造体ュ-ットを 3連結した 3次元周期構造体の伝搬特性を示している。

このように、 3次元周期構造体毎に第 1 ·第 2の物質の誘電率比に違いをもたせ、且つ隣接する 3次元周期構造体間での第 1 ·第 2の物質の誘電率比を変化させることによってバンドギャップの広帯域化が図れる。

次に、第 3の実施形態に係る 3次元周期構造体について、図 1 1および図 1 2を参照して説明する。

図 1 1は、 3連結構造の 3次元周期構造体を示している。この例では、フォトニック結晶型部 1 0 a , 1 0 b , 1 0 cのそれぞれを構成する第 1 の物質として、光造形樹脂である比誘電率 2 . 8のエポキシ樹脂に対してチタン酸カルシウムを分散させている。しかも、フォトニック結晶型ュニット 1 0 a , 1 0 b， 1 0 cのそれぞれについてチタン酸カルシウムの濃度を異ならせている。図中 Uは各ュニットの範囲を示している。

図 1 2は、上記エポキシ樹脂に対するチタン酸カルシウムの分散量に対する比誘電率の関係を示している。ここで、各フォトニック結晶型ュニット 1 0 a， 1 0 b , 1 0 cの空隙部を空気のままとすることによって、各 3次元周期構造体の第 1 ·第 2の物質の誘電率比に違いをもたせることができる。

また、更に各フォトニック結晶型ユニットの空隙部に所定比誘電率の榭脂を含浸させることによって、各 3次元周期構造体ュニットにおける第 1 .第 2の物質の誘電率比を一定にしたまま各ュニットの平均誘電率に違いをもたせることができる。

ここで、「平均誘電率」とは、「第 1の物質の比誘電率と第 2の物質の比誘電率との和を 2で割った値」で定義されるものである。すなわち、第 1の物質の比誘電率と第 2の物質の比誘電率を、隣接する 3次元周期構造体同士で異ならせることによって、第 1 '第 2の物質の誘電率比を一定にしつつ、隣接する 3次元周期構造体における平均誘電率を異ならせることができる。

このような場合、フォトバンドギャップの周波数軸上の位置はユニット全体の平均誘電率に依存し、フォトパンドギヤップの鋭さと広がりは各ュニットにおける第 1 ·第 2の物質の誘電率比に依存する。そのため、各ュニットの第 1 ·第 2の物質の誘電率比を略一定にしたまま平均誘電率の異なった複数の 3次元周期構造体ュニットを組み合わせることによって、広範囲な波長で一定の減衰を成すフォトニックパンドギヤップを得ることができる。

第 1〜第 3の実施形態に示したように、各 3次元周期構造体ュニットを構成することによって、広い周波数帯で一定の減衰を成すフォトニックバンドギャップが得られる。また、表 1に示した誘電率比の変化率を参照し、図 1 0 ( B ) の特性（1) と特性（2) を比較すると明らかなように、隣接する 3次元周期構造体同士の誘電率比の変化率が大きくなると 2つの減衰極 P ， P bの間隔が広がり過ぎて充分な減衰量が得られなくなる。したがって、充分な減衰量を得るためには、隣接する 3次元周期構造体同士の誘電率比の変化率が 2 . 0以下、さらには図 1 0 ( B ) の（1) に示した特性より良好な特性が得られるように 1 . 6以下とすることが望ましい。因みに、パンドギャップの周波数帯を広げるためには、含浸させる第 2 の物質の誘電率は一定にしておき、格子定数を変えることが考えられる。例えば、格子定数が 1 2 mm、 1 3 mm , 1 4 mmの 3次元周期構造体を組み合わせる。このような構造では、目的とする周波数帯域にバンドギヤップを得るために、 3次元周期構造体の各ュ-ットの大きさが不ぞろいになる、という問題が生じる。また、より高周波帯域でフォトニックバンドギャップを得るために、格子定数の小さな 3次元周期構造体を必要とする力 S、小さな格子定数の部分にはセラミック分散樹脂を含浸させにくく、その製造が困難になるという問題も生じる。

なお、以上の各実施形態では、フォトニック結晶型ュニット 1 0 a， 1 0 b , 1 0 cを低誘電率樹脂とし、その空隙部に高誘電率樹脂を充填した力これを逆に、フォトニック結晶型ユニットの空隙部に充填する樹脂をフォトニック結晶型ュニットより低誘電率としてもよい。

また、以上の各実施形態では、 3次元周期構造体の 1周期を 1 2 mmとしたが、同様にしてこの周期を 0 . 1 mm以上 3 0 mm以下にすることにより、 1 0〜 3 0 G H z帯域で大きなフォトニックバンドギヤップを有する 3次元周期構造体を得ることができる。産業上の利用可能性

この発明は、光や電磁波の透過を遮断するフィルタとして、光や電磁波を閉じ込める導波路や共振器として、あるいはレーザやアンテナ等として利用可能である。

Claims

請求の範囲

( 1 ) 互いに誘電率の異なる第 1 ·第 2の物質が 3次元空間内で周期性をもつて分布している複数の 3次元周期構造体領域を備え、 3次元周期構造体における第 1の物質の誘電率と第 2の物質の誘電率との誘電率比を該複数の 3次元周期構造体で異ならせたことを特徴とする 3次元周期構造体。

( 2 ) 互いに誘電率の異なる第 1 ·第 2の物質が 3次元空間内で周期性をもつて分布している複数の 3次元周期構造体領域を備え、各 3次元周期構造体の平均誘電率に違いをもたせたことを特徴とする 3次元周期構造体。

( 3 ) 前記第 1の物質は光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂であり、該樹脂によつて空間部が 3次元周期をもつて分布した結晶型部をなし、前記第 2の物質は樹脂中にセラミックス粒子が分散した物質であり、該第 2の物質を前記空間部に充填したことを特徴とする請求項 1または 2に記载の 3次元周期構造体。

( 4 ) 前記第 1の物質はセラミックス粒子が分散した光硬化性樹脂の活性化により硬化した樹脂であり、該樹脂によって空間部が 3次元周期をもつて分布した結晶型部をなし、前記第 2の物質は樹脂であり、該第 2の物質を前記空間部に充填したことを特徴とする請求項 1または 2に記載の 3次元周期構造体。

( 5 ) 前記第 2の物質は熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であり、該第 2 の物質を前記空間部に充填した後、熱硬化させたことを特徴とする請求項 1〜 4のいずれかに記載の 3次元周期構造体。

( 6 ) 複数の 3次元周期構造体を配置するとともに、該配置方向に沿って前記誘電率比を増加方向または減少方向の一方向に傾斜させた請求項 1〜 5のいずれかに記載の 3次元周期構造体。

( 7 ) 前記周期性の 1周期を 0 . 1 [mm] 以上 3 0 [mm] 以下にしたことを特徴とする請求項 1〜 6のいずれかに記載の 3次元周期構造体。 ( 8 ) 形成すベき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、 3次元の周期性をもつた第 1の物質による構造体を光造形し、且つ該 3次元周期構造体を複数の領域に区分する仕切りを設ける工程と、

樹脂中にセラミックス粒子が分散され、該セラミックス粒子の含有比率が異なる複数種の第 2の物質を、前記第 1の物質による構造体の各領域内の空間部に真空脱泡法によりそれぞれ充填する工程と、

前記第 2の物質を硬化させる工程と、からなる 3次元周期構造体の製造方法。