WO2004111709A1 - 誘電率制御周期構造体、この構造体を用いた電磁波制御装置およびこの構造体を用いた電磁波制御方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a dielectric constant control periodic structure, an electromagnetic wave control device using the structure, and an electromagnetic wave control method using the structure.
  • the present invention relates to a dielectric constant control periodic structure that is a type of photonic crystal for controlling electromagnetic waves, an electromagnetic wave control device using the structure, and an electromagnetic wave control method using the structure.
  • a photonic crystal is a periodic structure in which substances having different refractive indices and dielectric constants are periodically arranged.
  • the photonic bandgap is generated by multiple reflection. It has a frequency band called a gap that prohibits the propagation of light and electromagnetic waves, and has the function of blocking electromagnetic radiation in that frequency band. Therefore, in recent years, the possibility of using a photonic crystal has been studied as a control element for a high-frequency signal such as an optical millimeter wave band.
  • the periodic structure may be used as a cutoff filter in a certain frequency band.
  • the periodic structure can be applied to waveguides and resonators. Furthermore, it is considered that the periodic structure can be applied to an ultra-low threshold laser of light and a highly directional antenna of electromagnetic waves.
  • Such photonic crystals have one-, two-, and three-dimensional structures.
  • a method using a rectangular laminated structure a method using a shape-preserving multilayer film by self-cloning, a method using stereolithography, and a method of arranging particles.
  • techniques for processing organic materials, insulators such as ceramics and silicon, dielectrics, and semiconductor materials are known. It is known that the photonic bandgap obtained by these photonic crystal forces has a larger power S as the contrast between the dielectric constant and the refractive index of the two constituent materials increases.
  • the method of controlling with light and the method of changing the refractive index and the dielectric constant of the photonic crystal using the electrostriction effect are highly difficult.
  • the amount of change that can be adjusted practically is up to 5%.
  • a periodic structure with a component spacing of about 28 nm can only move the photonic band position by 1.5 nm.
  • An object of the present invention is to provide a controllable dielectric constant control periodic structure, an electromagnetic wave control device using the structure, and an electromagnetic wave control method using the structure. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a dielectric constant-controlled periodic structure in which dielectric elements are arranged at a period corresponding to the wavelength of an input electromagnetic wave, wherein the dielectric element whose dielectric constant changes with temperature is used as the dielectric element. It is a rate control periodic structure.
  • the electromagnetic wave includes light and the like.
  • the dielectric element is not limited to a dielectric element that is arranged to have periodicity and is itself a member having a high dielectric property.
  • the structure is such that the surrounding members have a high dielectric property, and the dielectric constant between the dielectric element and the surrounding members has a large difference. Including things. Therefore, in order to increase the refractive index difference between the dielectric element and the surrounding members, the difference in the dielectric constant between the dielectric element and the members around the dielectric element must be large. Is preferred.
  • the periodicity The structure in which the dielectric elements are juxtaposed is provided as a main structure, and a structure that does not follow the periodicity may be provided in a part.
  • the period corresponding to the wavelength of the input electromagnetic wave is a period set so as to be suitable for controlling the propagation characteristics of the electromagnetic wave, and is a dielectric element corresponding to the wavelength of the electromagnetic wave to be controlled.
  • the period of the dielectric element may be set to 0.1 mm or more and 30 mm or less.
  • a photonic band gap effect can be obtained for electromagnetic waves used for communication. Therefore, as an application example of the dielectric constant control periodic structure, it can be employed in a device for controlling electromagnetic waves used for communication.
  • the period of the dielectric element is set to 1 mm or more and 3 mm or less, it can be applied to devices that control electromagnetic waves in the millimeter to microwave range.
  • the dielectric constant control periodic structure by performing temperature control so as to give a temperature change to the dielectric element, the dielectric constant of the dielectric element can be changed relatively largely,
  • the dielectric constant control periodic structure can change its shape, such as expansion and contraction, by a temperature change such as a change in the distance between the dielectric elements. It can be larger than in the case of. Therefore, the dielectric constant control periodic structure according to the present invention can perform control so as to greatly change the refractive index of the electromagnetic wave, so that the propagation characteristics of the electromagnetic wave, for example, the refractive index of the dielectric element and each dielectric element can be controlled.
  • the photonic band gap caused by the difference between the refractive index of the intervening portion can be easily changed.
  • the dielectric element of the dielectric constant control periodic structure according to the present invention is made of a material containing a ferroelectric substance.
  • the dielectric element is configured to change the dielectric constant by controlling the temperature near the Curie temperature of the ferroelectric substance.
  • the ferroelectric substance since the ferroelectric substance has a very large change in the value of the dielectric constant with respect to the temperature change near the Curie temperature, the change in the refractive index of the dielectric element with respect to the input electromagnetic wave is large. Can be large. For example, switching control for permitting or prohibiting the passage of electromagnetic waves can be performed with high accuracy and easily.
  • the setting of the Curie temperature differs depending on conditions such as the type of ferroelectric substance, it is preferable that the temperature be controlled within a range where the SJ ⁇ difference is around 100 ° C around the Curie temperature.
  • the dielectric element is solidified in a state where ferroelectric powder is dispersed in a dispersion medium.
  • the shape change according to the temperature change is performed more flexibly as compared with the case where each of the dielectric elements is constituted only by the ferroelectric. Therefore, the refractive index changes due to the change in the dielectric constant, and the refractive index also changes due to the shape change of the dielectric elements and the dimensional change between the dielectric elements. The rate can be varied.
  • the dielectric constant control periodic structure it is preferable that a resin material is filled and solidified between the dielectric elements, and the dielectric element and the resin material are formed into a body.
  • the resin material filled between the dielectric elements serves to maintain the position of each dielectric element and to reinforce an external force or the like. Is obtained.
  • a photonic band gap can be obtained due to a difference in refractive index between the dielectric element and the filled resin due to the respective dielectric constants.
  • the dielectric constant control periodic structure can permit the passage of a desired electromagnetic wave on the one hand and can prohibit the passage of the desired electromagnetic wave on the other hand.
  • the dielectric element is formed in a block body from a material containing a ferroelectric substance, and holes are formed in the parenthesis block body. That's good ,.
  • holes are formed in the block body made of a material containing a ferroelectric material, and thus the electromagnetic wave changes the refractive index when the ferroelectric force also propagates to the holes. May be changed.
  • the dielectric constant of the entire block changes relatively significantly, and the block and the pores formed in the block are reduced. , The refractive index of the electromagnetic wave changes greatly.
  • the dielectric constant control periodic structure according to the present invention preferably uses a ferroelectric material having a Curie temperature of 0 ° C to 300 ° C.
  • the temperature range is such that the temperature control can be easily performed, and the dielectric constant of the strong dielectric changes greatly due to the temperature control, so that the control of the refractive index of the electromagnetic wave can be performed easily and with high accuracy. Can be done.
  • a ferroelectric material whose Curie temperature is lower than 3 ⁇ 4 ° C is used, a high-precision cooler must be used and the cost is high, so there is a problem that the Curie temperature is 300 ° C.
  • Curie temperature force Use ferroelectric material with S0 ° C or more and 200 ° C or less, more preferably use ferroelectric material with a temperature of 50 ° C or more and 160 ° C or less. It is even more desirable to review.
  • the electromagnetic wave propagation characteristics can be controlled by combining a change in the dielectric constant and a change in the shape of the dielectric element with the temperature. Les ,.
  • the change in the form of the dielectric element include a change in the shape of the dielectric element itself, a change in the distance between the dielectric elements, a change in the position of the dielectric element, and the like. In this case, the change in the dielectric constant of the dielectric.
  • the propagation characteristics of the electromagnetic wave in consideration of the dimensional change between the dielectric elements, it is possible to control the propagation characteristics with higher accuracy.
  • An electromagnetic wave control device using a dielectric constant control periodic structure according to the present invention provides a dielectric constant control periodic structure according to the present invention and a temperature change to the dielectric element of the dielectric constant control periodic structure.
  • the propagation characteristic of an electromagnetic wave is suitably controlled by performing switching control of the propagation of an electromagnetic wave using a dielectric constant control structure, for example. be able to.
  • the electromagnetic wave control method using the dielectric constant controlled periodic structure according to the present invention controls the dielectric element of the present invention by controlling the temperature of the dielectric element, thereby providing an input to the dielectric controlled periodic structure. It is characterized by controlling the propagation characteristics of the electromagnetic wave to be transmitted.
  • the dielectric constant of the dielectric element is relatively largely changed by performing temperature control so as to give a temperature change to the dielectric element. Since the shape can be changed by expansion or contraction, the form such as the interval between the dielectric elements changes. Thus, the range of the change in the refractive index of the electromagnetic wave can be made larger than in the case of the conventional control method. Therefore, in the electromagnetic wave control method using the dielectric constant control periodic structure according to the present invention, control can be performed so as to greatly change the refractive index of the electromagnetic wave, so that the propagation characteristics of the electromagnetic wave can be easily changed. it can. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a filter which is an example of an electromagnetic wave control device using a dielectric constant control periodic structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory view showing a filter as an example of another electromagnetic wave control device using the dielectric constant control periodic structure according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature and the dielectric constant of barium titanate having a predetermined composition ratio.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a dielectric constant control periodic structure according to the first embodiment.
  • Figure 5 shows the relationship between the temperature and the relative dielectric constant of strontium barium titanate having a predetermined composition ratio. It is.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a dielectric constant control periodic structure according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature and the dielectric constant of barium lead zirconate having a predetermined composition ratio.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a dielectric constant control periodic structure according to the third embodiment.
  • a predetermined composition ratio of (1-X) Pb (Mg 1/3 Nd 2/3) ⁇ 3 - is a graph showing the relationship between XPbTi_ ⁇ third temperature and the dielectric constant.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a dielectric constant control periodic structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a resin mold serving as a support for a dielectric element of the dielectric constant control periodic structure according to the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a dielectric constant control periodic structure according to the fifth embodiment.
  • a filter F as an example of an electromagnetic wave control device using a dielectric constant control periodic structure 1 is shown.
  • the filter F inputs a microwave signal as an electromagnetic wave.
  • the filter F has a configuration in which a microwave signal is propagated from the signal source 2 through the microstrip line 3 and input.
  • a signal line for microwave input for example, a waveguide, a coaxial cable, a microstrip line, or the like may be used instead of the microstrip line.
  • the signal line is connected to the signal input section 4 of the dielectric constant control periodic structure 1.
  • an output-side signal line including a microstrip line 6 for outputting an output signal is connected to the signal output unit 5 of the permittivity control periodic structure 1.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 includes a large number of cylindrical dielectric elements 7 in which ferroelectric powder containing barium titanate as a main component is dispersed in a resin material and solidified.
  • the cylindrical dielectric elements 7 arranged in parallel are in a state where the central axes of the cylinders are located at the vertices of an equilateral triangle when viewed from the parallel axial direction. In the three directions along each side of the equilateral triangle, they are arranged in a state in which they are arranged in parallel at regular equal intervals.
  • the parallel arrangement is a two-dimensional arrangement in which the axial force is observed.
  • a similar cylindrical dielectric element is further provided in a direction orthogonal to the axial direction of the two-dimensionally arranged cylinder.
  • the arrangement may be a three-dimensional arrangement.
  • Each dielectric element 7 is set at the same height, and is formed into a rectangular parallelepiped block by resin 10. It has a hardened configuration.
  • As a material of this resin for example, Teflon (trademark) resin is given. Both end surfaces in the height direction (hereinafter, referred to as the up-down direction) of each dielectric element 7 may be exposed to the outside on the upper and lower surfaces of the dielectric constant control periodic structure 1 or may not be exposed. May be covered with a resin material.
  • the diameter of the circular cross-section of the cylindrical structure of the dielectric element 7 is set to 0.4 mm, and the lattice spacing (pitch) dimension between the dielectric elements 7 and 7 that match each other is set to 1 mm.
  • the height of the permittivity control periodic structure 1 is set to 10 mm, the width (length in the transverse direction) is set to 8.7 mm, and the length in the longitudinal direction is set to 20 mm.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 is switched between a normal temperature state and a state where the heater 8 heats the temperature to about 120 ° C. , Can be switched. That is, as shown in FIG. 3 described later, the relative dielectric constant near room temperature is about 1000, and the refractive index at that time is 32. The relative dielectric constant near 120 ° C is about 6000, and the refractive index at that time is 77. The relative dielectric constant of the resin 10 in FIG. 1 is 2.0, and the refractive index is 1.4. In this case, the Curie temperature of barium titanate is about 120 ° C.
  • the signal input unit 4 and the signal output unit 5 are used in order to control the overall temperature of the dielectric constant structure 1.
  • the heaters 8 are provided on the other four surface portions different from the surface provided with.
  • the heater 8 is controlled by a temperature control device 9 to supply electric power for heating.
  • the temperature control device 9 is configured so that the temperature of the heater 8 can be controlled using a microcomputer according to a preset program.
  • the temperature control device 9 and the heater 8 constitute a temperature control unit that controls the temperature of the dielectric element 7 of the dielectric constant control periodic structure 1.
  • the relative dielectric constant between the dielectric element 7 and the resin 10 is considered.
  • the position of the photonic band gap near 40 ° C, which is obtained from the refractive index difference between them, is about 16 GHz (wavelength about 18 mm).
  • the position is about 10 GHz (wavelength about 29 mm), and the position of the photonic band gap can be changed over 1.5 times the frequency. Therefore, this filter F can select and transmit an electromagnetic wave of a desired wavelength.
  • the permittivity control periodic structure 1 of the above-described embodiment has a heater provided for heating, One provided with a means for cooling, for example, a Peltier effect element may be provided.
  • a means for cooling for example, a Peltier effect element may be provided.
  • the dielectric constant controlled periodic structure 1 was unable to rapidly lower the temperature to the room temperature side, but by providing such a cooling means, the temperature could be forcibly reduced. Therefore, the temperature can be quickly lowered to the desired temperature.
  • the dielectric constant control periodic structure of the present invention can also be used with millimeter waves, light from infrared rays to ultraviolet rays, and electromagnetic waves such as VHF and UHF. You can.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 in FIG. 4 is obtained by forming a large number of cylindrical cavities in a molded body of a composite resin mixture described below.
  • a ferroelectric material powder whose permittivity changes greatly near the Curie point is prepared. This ferroelectric material powder is dispersed in an epoxy resin to obtain a composite resin mixture.
  • a mold capable of forming the dielectric constant-controlled periodic structure having the shape shown in FIG. 4 is prepared in advance, and the composite resin mixture is poured into the mold and heated to be cured. Then, the stiffened structure is extracted from the mold, and the dielectric constant control periodic structure shown in FIG. 4 is obtained.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 having the shape shown in FIG. 4 is placed in a rectangular parallelepiped ferroelectric sintered block by a laser or the like at the position of a close-packed triangular lattice when viewed from a direction perpendicular to the plane. It can also be manufactured using a method of opening holes.
  • the dielectric constant control periodic structure uses a composite material containing a mixed material obtained by mixing a strong dielectric material and a photosensitive resin. Then, it may be formed by a stereolithography method or the like. As described above, the dielectric constant control periodic structure according to the present invention can be adjusted to have a desired dielectric constant by using a composite material in which a ferroelectric material and a resin are mixed, For example, as shown in FIG. 8, even a structure that is difficult to manufacture from a sintered body can be easily manufactured.
  • the ferroelectric material of the dielectric element constituting the dielectric constant control periodic structure As the ferroelectric material of the dielectric element constituting the dielectric constant control periodic structure according to the present invention, BaTiO 3 , PbTi ⁇ 3 , (Ba, Pb) SnO 3 , NaV ⁇ 3 , (Ba ⁇ Sr) Ti ⁇ 3, KNb_ ⁇ 3, LiTa_ ⁇ 3, (Ba ⁇ Pb) Zr_ ⁇ 3, Pb (Mg, W) Zr_ ⁇ 3, Pb (Mg, Nb) Zr_ ⁇ 3, Pb (Zr, Ti) of ⁇ 3 A mixed material containing the selected one as a main component is used.
  • the present invention is not limited to the materials presented here, but may be any other ferroelectric material that can appropriately control the propagation characteristics of electromagnetic waves by controlling the temperature. Can be adopted. In particular, those having a large change rate of the relative dielectric constant depending on the Curie temperature are preferable.
  • the dielectric element of the present invention may be a ferr
  • a thermal radiation such as an infrared ray capable of heating the dielectric constant control periodic structure 1 is used, such as an infrared radiator 10 shown in FIG.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 may be irradiated.
  • Barium titanate is a ferroelectric material whose permittivity changes greatly near the Curie temperature.
  • Figure 3 is a graph showing the relationship between barium titanate temperature (horizontal axis) and dielectric constant (vertical axis) (GA Somlenskii and K.I. Rozgachev, Zh. Tekh. Fiz, 24, 1751 (1954) is more), the BaTi 1 02 O 3, the specific permittivity of around 40 ° C is about 1000, it is Ru divided dielectric constant in the vicinity of 120 ° C is the Curie temperature is about 6000.
  • This barium titanate is molded and fired, and then formed using laser or the like so that the holes 11 are arranged so that the diameter is 1. ⁇ and the lattice spacing is 2.0 mm.
  • a barium titanate ceramic block 12 having the same configuration as that of FIG.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 has a rectangular parallelepiped shape, and is set to have a height of 16 mm, a lateral length of 17 mm, and a longitudinal length of 34 mm.
  • the holes 11 constitute a dielectric element of a close-packed triangular lattice. Then, the obtained dielectric constant controlled periodic structure 1 was arranged in a network analyzer, and the position of the photonic band gap when electromagnetic waves were irradiated was measured.
  • the positions of the photonic band gap at the time of the appearance temperature force S40 ° C of the dielectric constant control periodic structure 1 and the time of the Curie temperature of 120 ° C were measured.
  • Photonic band gap around 40 ° C obtained by the refractive index difference between the air in the holes 11 (refractive index 1) and the barium titanate in the ceramic block 12 (relative dielectric constant, refractive index 32 at about 1000) was about 7GHz (wavelength 40mm).
  • the relative permittivity of barium titanate was about 6000 and the refractive index was 77, so the position of the photonic band gap was about 3 GHz (wavelength 100 mm). Therefore, the position of the photonic band gap can be changed over twice or more frequencies.
  • Strontium barium titanate is a ferroelectric material whose dielectric constant changes greatly near the Curie temperature.
  • Figure 5 is a graph showing the relationship between the temperature (horizontal axis) and the relative permittivity (vertical axis) of strontium barium titanate (ceramic notebook, edited by Hiroshi Saki, published by Gihodo Publishing). as shown, Ba 0. 8 Sr. , 2 TiO 3 has a relative dielectric constant around 20 ° C of about 2000, and a dielectric constant around 60 ° C of about 6000. In this Ba Q. 8 Sr 0. 2 Ti0 3 in Curie temperature is about 60 ° C.
  • a columnar dielectric element 13 having a diameter of lmm and the same height is molded and fired using such a strontium barium titanate ceramic. on the substrate 14 made of 2 0 3 (alumina), and erected so that to parallel when viewed from the direction perpendicular to the plane in a triangular lattice close-packed arrangement, to produce a dielectric constant control cycle structure 1.
  • the dielectric elements 13 in the column array are arranged in a close-packed triangular lattice, and the lattice spacing is 2 mm.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 has a rectangular parallelepiped shape, and is set to have a height of 16 mm, a length in the short direction of 17 mm, and a length in the long direction of 34 mm.
  • the obtained dielectric constant controlled periodic structure 1 was placed in a network analyzer, and the position of the photonic band gap was measured by irradiating an electromagnetic wave. More specifically, the measurement was performed when the appearance temperature of the dielectric constant-controlled periodic structure 1 was 20 ° C and when the Curie temperature was 60 ° C.
  • Barium lead zirconate is a ferroelectric material whose permittivity changes significantly near the Curie temperature.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature (horizontal axis) and the dielectric constant (vertical axis) of barium lead zirconate. As shown in this graph, Ba 0. 2 Pb 0. 8 Zr_ ⁇ 3 permittivity near the 20 ° C is about 500, permittivity near 160 ° C is about 10000. In addition, this Ba. In. 2 Pb 0. 8 Zr_ ⁇ 3, the Curie temperature is about 160 ° C. Referring to Fig.
  • the dielectric constant-controlled periodic structure 1 was manufactured by standing upright in parallel with. At this time, the dielectric elements 13 in the column array are arranged in a close-packed triangular lattice, and the lattice spacing is 2.0 mm.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 has a rectangular parallelepiped shape, and is set to have a height of 4. Omm, a length in the short direction of 7. Omm, and a length in the long direction of 17. Omm.
  • the dielectric element 15 is made of an epoxy resin composite, which is obtained by dispersing a ceramic powder (average particle size: 2 ⁇ ) in an epoxy resin.
  • a ceramic powder average particle size: 2 ⁇
  • the dielectric constant of the dielectric constant control periodic structure 1 decreases due to the influence of the dispersion ratio.
  • the relative dielectric constant around 20 ° C is about 15 (refractive index 3.9), and the relative dielectric constant near 160 ° C is about 35 (refractive index 5.9).
  • the dielectric element 15 of such an epoxy-based resin composite is arranged on a network analyzer with a photonic crystal of the dielectric constant control periodic structure 1 juxtaposed in a triangular shape. Irradiated with electromagnetic waves and the position of the photonic band gap was measured. At this time, the positions of the photonic band gaps were measured when the appearance temperature of the dielectric constant control periodic structure 1 was 20 ° C and when the Curie temperature was around 160 ° C. As a result, when the appearance temperature is around 20 ° C, the position of the photonic band gap is about 75 GHz, and when it is around S160 ° C, the position of the photonic band gap is about 73 GHz. Therefore, the position of the photonic bandgap can be changed over the frequency of 2 GHz.
  • the ceramic powder (average particle size: 2 ⁇ m) serving as the composite ferroelectric material was dispersed in an epoxy resin to prepare an epoxy resin composite.
  • the dielectric element 17 is the above-mentioned epoxy resin composite.
  • the amount of ceramic that can be easily dispersed in the composite is about 30 vol%. With resin dispersed at 30 vol%, the relative dielectric constant around 20 ° C is about 27 (refractive index 5.2), and the relative dielectric constant around 80 ° C is about 50 (refractive index 7.1). Become. Referring to FIG.
  • an epoxy resin material 18 (having a refractive index of 1 ⁇ 4) in which holes are formed in the closest-packed triangular lattice columns so that the diameter is 1.4 mm and the lattice spacing is 2.
  • the above-mentioned ferroelectric dispersion resin is vacuum impregnated to produce a photonic crystal, and a dielectric constant control periodic structure 1 is obtained.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 has a rectangular parallelepiped shape, and is set to have a height of 4. Omm, a lateral length of 7. Omm, and a longitudinal length of 17. Omm.
  • the completed dielectric constant controlled periodic structure 1 was placed in a network analyzer, irradiated with electromagnetic waves, and the position of the photonic band gap was measured.
  • the measurement was performed when the appearance temperature of the dielectric constant control periodic structure 1 was 20 ° C and when the Curie temperature was 80 ° C.
  • the position of the photo band gap around 20 ° C is about 40GHz (wavelength about 7mm), but the position of the photo band gap around 80 ° C is about 30GHz (wavelength about 10mm) . Therefore, it is possible to move the position of the photonic band gap by 1 OGHz.
  • Ba. . 2 Pb 0. 8 Zr_ ⁇ dielectric constant of 3 in the vicinity of 20 ° C is about 500
  • the dielectric constant in the vicinity of 160 ° C is about 10000.
  • the Curie temperature is approximately 160 ° C.
  • the dielectric constant of around 80 ° C is about 9500
  • the dielectric constant in the vicinity of 160 ° C is about 2000.
  • the heating temperature is about 80 ° C.
  • Ba 0. 3 Pb 0. 7 Zr_ ⁇ the third ceramic powder (average particle size 2 mu m) and have use of 30 vol% dispersed allowed epoxy resin, as shown in FIG. 11, the grating in diameter 0. 75 mm phi
  • a ferroelectric dispersed resin mold 19 in which holes 20 of a triangular lattice column array in a close-packed arrangement are formed so that the interval is 2. Omm is produced.
  • Ba 0. The 2 Pb 0. 8 Zr_ ⁇ 3 30 vol% dispersed epoxy resin immersed containing the pores 20 parts of the above type, solidifies.
  • the photonic crystal which is the dielectric constant control periodic structure 1 is formed. Is prepared.
  • the dielectric constant control periodic structure 1 has a rectangular parallelepiped shape, and is set to have a height of 4.0 mm, a lateral length of 7. Omm, and a longitudinal length of 17. Omm.
  • the dielectric element 21 is made of an epoxy resin.
  • the obtained dielectric constant controlled periodic structure 1 was placed in a network analyzer, irradiated with electromagnetic waves, and the photonic band gap was measured.
  • the dielectric constant of the dispersed ferroelectric substance in the dielectric elements 21 arranged in a lattice and the resin mold 19 coincides at around 150 ° C. No photonic bandgap occurs. On the other hand, at around 80 ° C, a photonic bandgap occurs around 30 GHz, and at around 150 ° C, a photonic bandgap occurs around 30 GHz.
  • the photonic band gap can be easily generated by controlling the temperature, and the photonic band gap can be switched.
  • intermittent propagation can be easily performed by controlling the temperature.
  • the epoxy resin is used as an example, but the present invention is not limited to this resin.
  • the ferroelectric substance and the resin mounted on the self-mixed material can be mixed and hardened by a curing agent, heat, an electron beam, UV, or the like. Also, it is not limited to thermosetting resins.
  • the same effect can be expected with a one-dimensional or three-dimensional photonic crystal in which a two-dimensional photonic crystal is described.
  • the photonic crystal when controlling the temperature of the entire photonic crystal, it is described that the photonic crystal is partially provided with a temperature distribution to control the photonic band gap. It is also possible. Industrial applicability
  • a dielectric constant control periodic structure which is a kind of photonic crystal for controlling electromagnetic waves, an electromagnetic wave control device using this structure, and an electromagnetic wave control method using this structure.

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Abstract

入力される電磁波の波長に対応する周期で誘電体要素が配置された誘電率制御周期構造体において、誘電体要素の温度による誘電率の変化によって電磁波の屈折率を変化させる電磁波の伝搬特性を自由自在に制御することができる誘電率制御周期構造体。

Description

誘電率制御周期構造体、この構造体を用いた電磁波制御装置およびこの構造体を用いた電 磁波制御方法 技術分野
本発明は、電磁波を制御するフォトニック結晶の一種である誘電率制御周期構造体、この構造 体を用いた電磁波制御装置およびこの構造体による電磁波制御方法に関する。 背景技術
フォトニック結晶は、屈折率や誘電率が異なる物質が周期的に配置された周期構造物であつ て、物質間の屈折率や誘電率の変ィ匕が大きくなると多重反射によって、フォトニックバンドギヤッ プと呼ばれる光や電磁波の伝搬を禁止する周波数帯域を持ち、その周波数帯域の電磁放射を 遮断する機能を有している。そのため、近年、フォトニック結晶を用レ、る技術の可能性が、光ゃミ リ波帯域などの高周波信号の制御素子として検討されてレ、る。例えば、周期構造体は一定の周 波数帯域のカットオフフィルタとして用レヽることが考えられる。また、周期構造体中に周期を乱す 不均一部分を導入すると、その部分に光や電磁波が閉じ込められるので、周期構造体は導波管 や共振器に応用できると考えられでいる。さらに、周期構造体は光の超低閾値レーザや電磁波 の高指向性アンテナ等にも応用できると考えられている。
このような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。特にフォトニック結晶 の 3次元構造を作るためには、例えば角材積層型や自己クローニングによる形状保存多層膜を 用レヽる方法、光造形を用いる方法、粒子を並べる方法等がある。また、フォトニック結晶の作製に は、有機材料、セラミックやシリコン等の絶縁体、誘電体、半導体材料を加工する技術が知られ てレ、る。これらのフォトニック結晶力 得られるフォトニックバンドギャップは、構成される 2つの材 料の誘電率や屈折率のコントラストが大きレ、ほど、大きく広力 Sることが知られてレ、る。
近年、このフォトニック結晶の周期構造を外部のエネルギーにより変化させることにより、電磁 波を制御することが検討され、提案されている。具体的には、電場、磁場、光、圧力など種々の 外場を制御することにより、フォトニック結晶の誘電率や屈折率を変化させる提案がなされている。 しかしながら、誘電体により周期構造を構成したものを制御する具体的な方法としては、例えば、 特開 2001 -91911号公報および特開 2001 -91912号公報に開示されてレ、るように、光で制 御する方法、 PZTや PLZTの電歪効果を用いて格子の大きさを変化させたり、 PLZTを用いて 電圧を加えることにより屈折率を変える方法、及び光照射による PLZTの電歪効果を用いる方法 に限られている。
光で制御する方法や、電歪効果を用いて、フォトニック結晶の屈折率や誘電率を変化させる 方法は、困難性が高い。例えば、 PZTの電歪効果で周期構造の構成要素の間隔などを調節す る場合、実用的に調節可能な変化量は 5%までである。例えば光の場合、構成要素の間隔が約 28nmの周期構造では、 1. 5nmのフォトニックバンド位置の移動しかできない。また、電気光学 定数の大きな PLZT(rc=612pm/V)であっても、屈折率変化は数％オーダーであり、実質的 にはフォトニックバンドギャップを制御することは大変難しい。
さらに、マイクロ波の場合は、数 mmオーダーのフォトニックバンドギャップが必要となり、電歪 効果を利用したとしても、十分なフォトニックバンドギャップが得られなレ、とレ、う問題が生じる。 本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、並列された誘電体要素に対して比較的 大きな誘電率変化を生じさせることによって、電磁波、特にマイクロ波の伝搬特性を簡易に変更 や制御が可能な誘電率制御周期構造体、この構造体を用いた電磁波制御装置およびこの構造 体による電磁波制御方法を提供することを目的とする。 発明の開示
本発明は、入力される電磁波の波長に対応する周期で誘電体要素が配置されてレヽる誘電率 制御周期構造体において、前記誘電体要素として、温度により誘電率が変化するものを用いた 誘電率制御周期構造体である。
ここで、電磁波は、光等も含む。また、誘電体要素は、周期性を有するように配置されたもの自 体が誘電性の高い部材であるものに限定されず、誘電性の低レ、ものであっても、その誘電体要 素周りの部材が誘電性の高いものとなっていて、かつ誘電体要素とその周りの部材との間での 誘電率に大きな差がある構造であるとともに周期性のある配置となってレ、るものも含む。したがつ て、誘電体要素とその周りの部材との屈折率差を大きくするためには、その誘電体要素周りの部 材との間の誘電率の差が大きなものとなってレヽることが好ましい。また、本発明では、周期性をも つて誘電体要素が並設された構造は主要構造として備えられるのであって、一部にその周期性 に従わない構造が設けられていてもよい。また、入力される電磁波の波長に対応する周期とは、 その電磁波の伝搬特性を制御するのに適するように設定された周期であって、その制御対象の 電磁波の波長に対応して誘電体要素の周期が適宜設定される。具体的には、例えば、誘電体 要素の周期が 0. 1mm以上 30mm以下に設定されていてもよい。この場合、通信に使用される 電磁波に対してフォトニックバンドギャップ効果を得ることができる。したがって、誘電率制御周期 構造体の応用例として、通信に使用される電磁波を制御するデバイスに採用できる。特に、誘電 体要素の周期が lmm以上 3mm以下に設定された場合、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁 波を制御するデバイスへの応用が可能となる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体によれば、誘電体要素に温度変ィヒを与えるように温度 制御を行うことによって、誘電体要素における誘電率を比較的大きく変化させることができたり、 例えば各誘電体要素間の間隔が変化するなど、温度変化によって誘電率制御周期構造体が膨 張収縮など形状を変化させることができるので、電磁波の屈折率の変ィ匕は、従来の制御方法の 場合よりも大きくすることができる。したがって、本発明に係る誘電率制御周期構造体は、電磁波 の屈折率を大きく変化させるように制御を行なうことができるので、電磁波の伝搬特性、例えば、 誘電体要素の屈折率と各誘電体要素間部分の屈折率との差によって生じるフォトニックバンドギ ヤップを容易に変更することができる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体の前記誘電体要素は、強誘電体を含む素材で構成さ れてレヽることが好ましい。また、前記誘電体要素は、該強誘電体のキュリー温度近傍において温 度を制御することによって誘電率を変化させるように構成されてレ、ることが好ましレ、。この場合、 強誘電体は、キュリー温度近傍における温度変ィ匕に対して、誘電率の値の変ィ匕が非常に大きい ため、入力される電磁波に対する誘電体要素での屈折率の変ィ匕を大きなものにすることができる。 例えば、電磁波の通過を許容したり禁じたりするスイッチング制御を高精度にかつ容易に行うこ とができる。強誘電体の種類などの条件によって、そのキュリー温度の設定は異なるが、キュリー 温度を中心として SJ ^差が 100°C前後の範囲内で温度制御されることが好ましい。
このような誘電体要素を構成してレ、る場合において、前記誘電体要素は、強誘電体の粉体を 分散媒体中に分散した状態で固形化したものであることが好ましい。この場合、誘電体要素のそ れぞれを強誘電体のみで構成したものと比較して、温度変化に応じた形状変ィ匕が柔軟に行われ るので、誘電率の変ィ匕によって屈折率が変ィ匕するとともに、誘電体要素の形状変化や誘電体要 素間の寸法変ィ匕によっても屈折率が変ィ匕し、相乗的に屈折率を変化させることができる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体は、前記各誘電体要素間に樹脂材が充填固化され、前 記誘電体要素と前記樹脂材とがー体化されてレ、ることが好ましい。この場合、誘電体要素間に充 填固化された樹脂材は各誘電体要素の位置を保持したり、外力などに対する補強を行うという役 割を果たすので、耐久性の高い誘電率制御周期構造体が得られる。また、誘電率制御周期構 造体は、誘電体要素と充填された榭脂材とのそれぞれの誘電率による屈折率の差などによって フォトニックバンドギャップが得られる。これにより、誘電率制御周期構造体は、一方では所望の 電磁波の通過を許すことができるとともに、一方では所望の電磁波の通過を禁じることができる。 本発明に係る誘電率制御周期構造体にぉレ、て、前記誘電体要素は、強誘電体を含む素材で ブロック体に構成され、かっこのプロック体中に空孔が形成されてレ、ることが好ましレ、。この場合、 強誘電体を含む素材で構成されたプロック体に空孔が形成されてレヽるので、電磁波が強誘電体 力も空孔へ伝搬されるときの屈折率を変化させるときには、空孔周りの温度を変化させればよい。 すなわち、ブロック体となった誘電率制御周期構造体全体の温度を変化させることによって、ブ ロック体全体としての誘電率が比較的大きく変化し、そのブロック体とブロック体に形成された空 孔との間における電磁波の屈折率が大きく変化するものとなる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体は、キュリー温度が 0°C以上 300°C以下の強誘電体材 料を用いていることが好ましい。この場合、温度制御が行い易い温度範囲であるとともに、強誘 電体におレヽてはその温度制御による誘電率の変化も大きなものとなるので、電磁波の屈折率の 制御を簡易にかつ高精度に行うことができる。ここで、キュリー温度力 ¾°Cよりも低い強誘電体材 料を用いると、高精度な冷却器を用レ、る必要力 るので高コストとなるという問題があり、キュリー 温度が 300°Cより高い強誘電体材料を用いると、高温の制御が困難であるという問題がある。な お、キュリー温度力 S0°C以上 200°C以下の強誘電体材料を用レ、ることがより好ましぐさらにキユリ 一温度が 50°C以上 160°C以下の強誘電体材料を用レヽることが一層好ましレ、。
本発明に係る誘電率制御周期構造体は、前記温度による前記誘電体要素の誘電率変化と形 態変化とを組み合わせて、前記電磁波の伝搬特性の制御が可能にされてレヽることが好ましレ、。 誘電体要素の形態変化としては、誘電体要素自体の形状変化や、誘電体要素同士の間隔の変 ィ匕、誘電体要素の位置変化などがある。この場合、温度制御による誘電体要素の誘電率変化の みならず、誘電体要素間の寸法変ィヒをも考慮して電磁波の伝搬特性を制御することにより、より 一層精度良く伝搬特性の制御を行うことができる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御装置は、本発明に係る誘電率制御 周期構造体と、前記誘電率制御周期構造体の前記誘電体要素に温度変ィ匕を与えることのできる 温度制御部と、前記誘電率制御周期構造体へ電磁波を入力する入力部と、前記誘電率制御周 期構造体で制御された電磁波を出力する出力部と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御装置によれば、誘電率制御構造 体を利用して、例えば、電磁波の伝搬のスイッチング制御を行うことにより電磁波の伝搬特性を 適宜制御することができる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御方法は、本発明の誘電率制御周 期構造体に対しその誘電体要素を温度制御することにより、当該誘電率制御周期構造体に入力 される電磁波の伝搬特性を制御することを特徴とする。
本発明に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御方法によれば、誘電体要素に温度 変化を与えるように温度制御を行うことによって、誘電体要素における誘電率を比較的大きく変 ィ匕させたり膨張収縮など形状を変化させることができるので、各誘電体要素間の間隔など形態が 変化する。これにより、電磁波の屈折率の変ィ匕の範囲は、従来の制御方法の場合よりも大きいも のにすることができる。したがって、本発明に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御 方法では、電磁波の屈折率を大きく変化させるように制御を行なうことができるので、電磁波の伝 搬特性を容易に変更することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明の実施の形態に係る誘電率制御周期構造体を用いた電磁波制御装置の一例 であるフィルタを示す概略説明図である。
図 2は、本発明の実施の形態に係る誘電率制御周期構造体を用レヽたその他の電磁波制御装 置の一例であるフィルタを示す概略説明図である。
図 3は、所定組成比率のチタン酸バリウムの温度と誘電率との関係を示すグラフである。
図 4は、実施例 1の誘電率制御周期構造体を示す斜視図である。
図 5は、所定組成比率のチタン酸ストロンチウムバリウムの温度と比誘電率との関係を示すダラ フである。
図6は、実施例2の誘電率制御周期構造体を示す斜視図である。
図 7は、所定組成比率のジルコン酸バリウム鉛の温度と誘電率との関係を示すグラフである。 図8は、実施例3の誘電率制御周期構造体を示す斜視図である。
図 9は、所定組成比率の（1—X) Pb (Mg1/3Nd2/3)〇3— xPbTi〇3の温度と誘電率との関係を 示すグラフである。
図 10は、実施例 4の誘電率制御周期構造体を示す斜視図である。
図 11は、実施例 5の誘電率制御周期構造体の誘電体要素の支持体となる樹脂型を示す斜視 図である。
図 12は、実施例 5の誘電率制御周期構造体を示す斜視図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1を参照して、誘電率制御周期構造体 1を利用した電磁波制御装置の一例としてのフィルタ Fが示されている。このフィルタ Fは、電磁波としてマイクロ波信号を入力するものである。そして、 このフィルタ Fの構成は、信号源 2からマイクロストリップ線路 3を通してマイクロ波信号が伝搬さ れて入力される構成となっている。なお、マイクロ波の入力用の信号ラインとしては、マイクロスト リップ線路の他に、例えば、導波管、同軸ケーブル、マイクロストリップラインなどを用いてもよい。 その信号ラインは誘電率制御周期構造体 1の信号入力部 4に接続されている。また、誘電率制 御周期構造体 1の信号出力部 5には、出力信号を出力するためのマイクロストリップ線路 6からな る出力側信号ラインが接続されてレ、る。
誘電率制御周期構造体 1は、チタン酸バリゥムを主成分として含む強誘電体の粉体を樹脂材 に分散した状態で固めた円柱状の誘電体要素 7を多数内部に備えるものである。図 2を参照して、 平行に配置された各円柱状の誘電体要素 7は、その平行となる軸方向カゝら見て、互いに正三角 形の頂点位置に円柱の中心軸が位置する状態に、その正三角形の各辺に沿った 3方向で、そ れぞれ一定の等間隔に並列された状態に配置されてレヽる。なお、この並列配置は、その軸方向 力 みた 2次元配置となっているが、たとえばこの 2次元配置した円柱の軸方向に対して直交す る方向で、さらに同様の円柱状の誘電体要素が配置された 3次元配置構成にしてもよい。また、 各誘電体要素 7は、同一高さに設定されているとともに、樹脂 10によって直方体のブロック状に 固められた構成となっている。この樹脂の素材としては、例えば、テフロン (商標)樹脂が挙げら れる。各誘電体要素 7の高さ方向（以下、上下方向という）の両端面は、誘電率制御周期構造体 1の上下それぞれの面において外部に露出状態となっていてもよいし、露出しなレヽよう樹脂材で 被覆された状態となっていてもよい。この実施の形態の場合、例えば、誘電体要素 7の円柱構造 における断面円形の直径を 0. 4mmに設定し、 P舞合う誘電体要素 7, 7間の格子間隔 (ピッチ)寸 法を lmmに設定している。誘電率制御周期構造体 1の高さは 10mm、横幅 (短手方向長さ）は 8. 7mm、長手方向長さは 20mmに設定している。
本発明に係るこの実施の形態の場合、誘電率制御周期構造体 1に対して、常温の状態と、ヒ ータ 8で加熱してその温度を約 120°C程度にする状態との間で、切り換えが可能となっている。 すなわち、後述する図 3に示すように、常温近くでの比誘電率は約 1000であり、そのときの屈折 率は 32である。また、 120°C近くでの比誘電率は約 6000であり、そのときの屈折率は 77である。 図 1における樹脂 10の比誘電率は 2. 0であり、屈折率は 1. 4である。この場合、チタン酸バリウ ムのキュリー温度は約 120°Cである。
本発明に係るこの実施の形態の場合、直方体状の誘電率制御周期構造体 1において、誘電 率周期構造体 1の全体的な温度制御を行うために、前記信号入力部 4と信号出力部 5とを設けた 面とは別の他の 4面部分に、ヒータ 8が設けられている。このヒータ 8は、温度制御装置 9によって、 加熱用の電力供給の制御が行われる。温度制御装置 9は、予め設定されたプログラムにしたが レ、、マイクロコンピュータを用いて、ヒータ 8の温度制御を行うことができるように構成されている。 温度制御装置 9およびヒータ 8は、誘電率制御周期構造体 1の誘電体要素 7に対する温度制御 を行う温度制御部を構成してレヽる。
したがって、上記格子間隔で最密配置の三角格子に、チタン酸バリウムの誘電体要素 7を並 設した本発明に係る実施の形態では、誘電体要素 7と樹脂 10との比誘電率の関係から、互いの 屈折率差によって得られる、 40°C付近でのフォトニックバンドギャップの位置は、約 16GHz (波 長約 18mm)であるが、温度が 120°C付近になると、フォトニックバンドギャップの位置は、約 10 GHz (波長約 29mm)となり、 1. 5倍以上の周波数にわたってフォトニックバンドギャップの位置 を変化させることができる。したがって、このフィルタ Fでは、所望波長の電磁波を選択して通過さ せることができる。
上記実施の形態の誘電率制御周期構造体 1には、加熱用のヒータを設けたものを示したが、 冷却を図ることのできる手段を備えたもの、例えばペルチヱ効果素子を設けてもよレヽ。従来の自 然放熱では、誘電率制御周期構造体 1は常温側に速く温度を低下させることができな力 たが、 このような冷却手段を設けると、強制的に温度を低下させることができるので、迅速にその所望温 度へ低下させることができる。
また、上記ではマイクロ波につレヽて説明したが、ミリ波、赤外線から紫外線までの光や、 VHF、 UHFなどの電磁波にっレ、ても、本発明の誘電率制御周期構造体を用レ、ることができる。
本発明の誘電率制御周期構造体 1の製造方法の一例を、図 4で表される誘電率制御周期構 造体 1を用いて説明する。なお、図 4の誘電率制御周期構造体 1は、次に述べる複合樹脂混合 物の成型体に、多数の円筒状空洞を形成したものである。
まず、キュリー点付近で誘電率が大きく変わる強誘電体材料粉末を用意する。この強誘電体 材料粉末をエポキシ樹脂に分散させて、複合樹脂混合物を得る。
図 4に示される形状の誘電率制御周期構造体が形成できるような型をあらかじめ用意し、その 型に上記複合樹脂混合物を注入し、熱を加えて硬化させる。そして、硬ィ匕した構造体を型から抜 き出して、図 4で示される誘電率制御周期構造体が得られる。
なお、図 4に示される形状の誘電率制御周期構造体 1は、直方体の強誘電体焼結ブロック中 において、面に直交する方向から見て最密配置の三角格子の位置に、レーザー等によって空 孔を空ける方法などを用いても作製することができる。
また、誘電率制御周期構造体は、特開 2000—341031号公報に開示されてレ、るように、強誘 電体材料と感光性樹脂とを混合した混合材料を含む複合材料を用レ、て、光造形法等によって形 成してもよい。このように、本発明に係る誘電率制御周期構造体は、強誘電体材料と樹脂とを混 合した複合材料を用いることによって、所望の誘電率となるように調整することが可能であり、例 えば図 8に示されてレヽるように、焼結体から作製することが困難な構造でも容易に作製することが できる。
本発明に係る誘電率制御周期構造体を構成する誘電体要素の強誘電体材料としては、 BaTi O3、 PbTi〇3、（Ba、 Pb) SnO3、 NaV〇3、（Baヽ Sr)Ti〇3、 KNb〇3、 LiTa〇3、（Baヽ Pb)Zr〇3、 Pb (Mg、 W)Zr〇3、 Pb (Mg、 Nb)Zr〇3、 Pb (Zr、 Ti)〇3のうち選択された一つを主成分とする 混合系材料が用レヽられる。ただし、本発明は、ここに提示した材料に限定されるものではなぐ温 度制御により電磁波の伝搬特性を適宜制御することのできる強誘電体材料であれば、各種材料 を採用することができる。特に、キュリー温度による比誘電率の変ィヒ率が大きいものが好ましい。 また、本発明の誘電体要素は、強誘電体でなレ、誘電体を素材として含むものでもよい。
また、温度制御部において加熱を行うための手段としては、図 2に示される赤外線輻射装置 1 0のように、誘電率制御周期構造体 1を加熱することのできる赤外線等の熱放射線を用いて、誘 電率制御周期構造体 1へ照射してもよレヽ。
本発明に係る誘電率制御周期構造体に関する実施例が以下に説明される。
(実施例 1)
チタン酸バリウムは、キュリー温度付近で誘電率が大きく変わる強誘電体材料である。図 3は、 チタン酸バリウムの温度（横軸）と誘電率（縦軸）の関係を示すグラフ（G. A. Soml ensk i i and K. I . Rozgachev, Zh. Tekh. Fi z, 24, 1751 (1954)より）であり、 BaTi1 02O3では、 40°C付近の比誘 電率は約 1000であり、キュリー温度である 120°C付近の比誘電率は約 6000であることが分か る。
このチタン酸バリウムを成型、焼成し、その後、レーザー等を用いて、直径が 1. θιηηι φで格 子間隔が 2. 0mmとなるように、空孔 11を配列するように形成し、誘電率制御周期構造体 1とし て、図 4と同様の形態のチタン酸バリウムセラミックブロック 12を作製した。この誘電率制御周期 構造体 1は、直方体状であって、高さ 16mm、短手方向長さ 17mm、長手方尚長さ 34mmに設 定されている。ここで、空孔 11は最密配置の三角格子の誘電体要素を構成するものである。 そして、得られた誘電率制御周期構造体 1をネットワークアナライザに配置して、電磁波を照 射した際のフォトニックバンドギャップの位置を測定した。より具体的には誘電率制御周期構造 体 1の外観温度力 S40°Cの時と、キュリー温度である 120°Cの時とのフォトニックバンドギャップの 位置を、それぞれ測定した。空孔 11の空気 (屈折率 1)とセラミックブロック 12のチタン酸バリウム (比誘電率、約 1000のとき屈折率 32)との屈折率差によって得られる、 40°C付近でのフォトニッ クバンドギャップの位置は、約 7GHz (波長 40mm)であった。一方、キュリー温度である 120°C 付近では、チタン酸バリウムの比誘電率が約 6000で、屈折率が 77となるので、フォトニックバン ドギャップの位置は、約 3GHz (波長 100mm)となった。したがって、倍以上の周波数に渡りフォ トニックパンドギャップの位置を変化させることができる。
ところで、温度変化に応じて固体は膨張または収縮する。そのため、このような誘電率制御周 期構造体は、熱的変化に伴なう膨張または収縮の影響も考慮されなければならない。チタン酸 バリウムの熱膨衝系数は、常温から 120°Cの温度領域で約 0. 05%Z°Cである。そのため、熱膨 張によって空孔間の間隔力延びるため、温度が常温から 120°Cになった場合には、誘電率制御 周期構造体のフォトニックバンドギャップは、熱膨張が無レヽとする場合と比較して若干低周波側 にずれ、約 2. 8GHzになる。このように、熱膨張の影響を受けたとしても、十分に大きなフォト二 ックバンドギャップを得ることが可能である。
(実施例 2)
チタン酸ストロンチウムバリウムは、キュリー温度付近で誘電率が大きく変わる強誘電体材料で ある。図 5は、チタン酸ストロンチウムバリウムの温度 (横軸）と比誘電率 (縦軸)との関係を示すグ ラフ (セラミック手帳、素木洋ー編、技報堂出版より)であって、このグラフに示されるように、 Ba0.8 Sr。, 2TiO3では 20°C付近の比誘電率は約 2000であり、 60°C付近の比誘電率は約 6000である。 なお、この BaQ.8Sr0.2Ti03ではキュリー温度は約 60°Cである。
図 6を参照して、このようなチタン酸ストロンチウムバリウムセラミックによって、直径 lmm ψで 同一高さの円柱状の誘電体要素 13を成型 '焼成して作製し、多数の誘電体要素 13を、 A1203 (アルミナ)から成る基板 14上に、面に直交する方向から見て最密配置の三角格子状に並列す るように立設して、誘電率制御周期構造体 1を作製した。この時、円柱列の誘電体要素 13は、最 密配置の三角格子に配置され、格子間隔は 2mmである。また、この誘電率制御周期構造体 1は 直方体状であって、高さ 16mm、短手方向長さ 17mm、長手方向長さ 34mmに設定されてい る。
そして、得られた誘電率制御周期構造体 1をネットワークアナライザに配置し、電磁波を照射し てフォトニックバンドギャップの位置を測定した。より具体的には、誘電率制御周期構造体 1の外 観温度が 20°Cの時と、キュリー温度である 60°Cの時とをそれぞれ測定した。
この誘電率制御周期構造体 1の場合、 Ba0.8Sr0.2TiO3のセラミック材で構成された円柱状の 誘電体要素 13の周りは、空気が存在するだけであり、充填材などで充填されているものではな レ、。したがって、誘電体要素 13の、 Ba0.8Sr0.2Ti〇3のセラミック（比誘電率約 2000のとき屈折率 約 45)と、空気 (屈折率 1)との屈折率差によって、フォトニックバンドギャップが生じる。 20°C付近 でのフォトニックバンドギャップの位置は約 7GHz (波長約 42mm)であるが、温度が 60°C付近に なるとフォトニックバンドギャップの位置は、 4GHz (波長約 75mm)となることがわ力つた。したが つて、約 2倍の周波数にわたりフォトニックバンドギャップの位置を変化させることができる。 (実施例 3)
ジルコン酸バリウム鉛はキュリー温度付近での誘電率が大きく変わる強誘電体材料である。図 7は、ジルコン酸バリウム鉛の温度 (横軸)と誘電率 (縦軸)との関係を示すグラフである。このグラ フに示されるように、 Ba0.2Pb0.8Zr〇3では 20°C付近の誘電率は約 500であり、 160°C付近の誘 電率は約 10000である。なお、この Ba。.2Pb0.8Zr〇3では、キュリー温度は約 160°Cである。 図 8を参照して、このようなジルコン酸バリウム鉛 (平均粒径 2 m)をエポキシ樹脂中に分散さ せたエポキシ系樹脂コンポジットを用いて、直径 1. Omm φで同一高さの円柱状の誘電体要素 1 5を作製し、多数の誘電体要素 15を、 A1203 (アルミナ)から成る基板 16上に、面に直交する方 向カゝら見て最密配置の三角格子状に並列するように立設して、誘電率制御周期構造体 1を作製 した。この時、円柱列の誘電体要素 13は、最密配置の三角格子に配置され、格子間隔は 2. 0m mである。また、この誘電率制御周期構造体 1は、直方体状であって、高さ 4. Omm、短手方向 長さ 7. Omm、長手方向長さ 17. Ommに設定されている。
この実施例 3の場合、誘電体要素 15は、エポキシ系樹脂コンポジットからなり、これはセラミツ ク粉体 (平均粒径 2 μ πι)をエポキシ樹脂中に分散させて得られる。また、一般に多量のセラミツ クを樹月旨中に分散させることは困難であり、容易にセラミックを分散できる量としては約 30vol% である。このとき、誘電率制御周期構造体 1は、分散率の影響で、比誘電率が減る。セラミックを 3 Ovol%分散した樹脂では、 20°C付近の比誘電率が約 15 (屈折率 3. 9)であり、 160°C付近の比 誘電率は約 35 (屈折率 5. 9)になる。
そして、このようなエポキシ系樹脂コンポジットの誘電体要素 15を、図 8に示すように、三角格 子状に並設した誘電率制御周期構造体 1のフォトニック結晶を、ネットワークアナライザに配置し て、電磁波を照射し、フォトニックバンドギャップの位置が測定された。この時、誘電率制御周期 構造体 1の外観温度が 20°Cの時と、キュリー温度である 160°C付近の時について、フォトニック パンドギャップの位置をそれぞれ測定した。その結果、外観温度が 20°C付近では、フォトニック バンドギャップの位置は約 75GHzとなり、外観温度力 S160°C付近になると、フォトニックバンドギ ヤップの位置は約 73GHzとなる。したがって、 2GHzの周波数にわたりフォトニックバンドギヤッ プの位置を変化させることができる。
(実施例 4)
図 9は、 0. 83Pb (Mg1/3Nb2/3) 03— 0. 17PbTi〇3の温度 (横軸）と誘電率 (縦軸）との関係 を示すグラフ (セラミック手帳、素木洋ー編、技報堂出版より)である。図 9を参照して、 (l-x)Pb (Mg1/3Nd2/3) 03— xPbTi〇3の一例としての 0. 83Pb (Mg1/3Nb2/3) O3— 0. 17PbTi〇3の複 合強誘電体材料では、 20。C付近の誘電率は約 4000であり、 80°C付近の誘電率は約 30000で ある。この場合、キュリー温度は、ほぼ 80°Cである。この複合強誘電体材料となるセラミック粉末 (平均粒径 2 μ m)をエポキシ樹脂中に分散させて、エポキシ系樹脂コンポジットを作製した。ここ で、誘電体要素 17は上記エポキシ系樹脂コンポジットである。一般的に、コンポジットに容易に セラミックを分散できる量は約 30vol%である。 30vol%分散された榭脂では、 20°C付近の比誘 電率が約 27 (屈折率 5. 2)であり、 80°C付近の比誘電率は約 50 (屈折率 7. 1)になる。図 10を 参照して、直径 1. 4mm φで格子間隔が 2. Ommとなるように最密配置の三角格子柱列に空孔 が形成されているエポキシ樹脂製の型材 18 (屈折率 1· 4)に上記強誘電体分散樹脂を、真空含 浸してフォトニック結晶を作製し、誘電率制御周期構造体 1を得る。この誘電率制御周期構造体 1は、直方体状であって、高さ 4. Omm、短手方向長さ 7. Omm、長手方向長さ 17. Ommに設定 されている。この出来上がった誘電率制御周期構造体 1を、ネットワークアナライザに配置して、 電磁波を照射し、フォトニックバンドギャップの位置を測定した。より具体的には誘電率制御周期 構造体 1の外観温度が 20°Cの時と、キュリー温度である 80°Cの時とをそれぞれ測定した。その 結果、 20°C付近でのフォトエックバンドギャップの位置は、約 40GHz (波長約 7mm)であるが、 80°C付近でのフォトバンドギャップの位置は、約 30GHz (波長約 10mm)になる。したがって、 1 OGHzのフォトニックバンドギャップ位置の移動が可能となる。
(実施例 5)
図 7を参照して、 Ba。.2Pb0.8Zr〇3では 20°C付近の誘電率は約 500であり、 160°C付近の誘電 率は約 10000である。この場合、キュリー温度は、ほぼ 160°Cである。また、 Ba0.3Pb0.7ZrO3で は、 80°C付近の誘電率は約 9500であり、 160°C付近の誘電率は約 2000である。この場合、キ ユリ一温度は、ほぼ 80°Cである。
Ba0. 3Pb0.7Zr〇3のセラミック粉体 (平均粒径 2 μ m)を 30vol%分散させたエポキシ樹脂を用 いて、図 11に示すように、直径が 0. 75mm φで格子間隔が 2. Ommとなるように最密配置の三 角格子柱列の空孔 20が形成されてレヽる強誘電体分散樹脂型 19を作製する。次に、実施例 4と 同じように、 Ba0.2Pb0.8Zr〇3が 30vol%分散されたエポキシ樹脂を、先の型の空孔 20部分に含 浸し、固化する。これにより図 12に示すように、誘電率制御周期構造体 1であるフォトニック結晶 を作製する。この誘電率制御周期構造体 1は直方体状であって、高さ 4. 0mm,短手方向長さ 7. Omm、長手方向長さ 17. Ommに設定されている。なお、誘電体要素 21はエポキシ樹脂で構成 されている。
得られた誘電率制御周期構造体 1を、ネットワークアナライザに配置して、電磁波を照射し、フ オトニックバンドギャップを測定した。
この誘電率制御周期構造体 1では、格子状に配置された誘電体要素 21と樹脂型 19とにおけ る分散強誘電体の誘電率は、 150°C付近で一致するため、この温度近傍では、フォトニックバン ドギヤプは発生しなレ、。一方、 80°C付近では、 30GHz付近にフォトニックバンドギャップが発生 し、 150°C付近でも、 30GHz付近にフォトニックバンドギャップが発生する。
このようにして、フォトニックバンドギャップは、温度を制御することによって容易に発生させるこ とができ、フォトニックバンドギャップのスィッチができる。つまり、 30GHzの電磁波では、温度を 制御することによって伝搬の断続を容易に行うことができる。
以上、樹脂はエポキシ樹脂を例として挙げたが、本発明は、この樹脂に限定されるものではな レ、。 ff己載した強誘電体と樹脂とを混合し、硬化剤、熱、電子線、 UV等により硬ィ匕できるものであ ればよレ、。また、熱硬化性樹脂に限定されるものでもなレ、。
また、これらの樹脂複合体を用いたフォトニック結晶を作製する場合には、ダイヤモンド構造等 の複雑な構造が容易に作製できる光造形法が有効である。
また、本発明では、 2次元フォトニック結晶を取り上げて説明している力 1次元、 3次元のフォ トニック結晶でも同様の効果が期待できる。
なお、本発明では、フォトニック結晶全体を温度制御する場合にっレ、て記載してレ、るが、部分 的に、フォトニック結晶に温度分布を持たせてフォトニックバンドギャップを制御することも可能で める。 産業上の利用可能性
本発明によれば、電磁波を制御するフォトニック結晶の一種である誘電率制御周期構造体、こ の構造体を用いた電磁波制御装置およびこの構造体による電磁波制御方法に適用することがで きる。

Claims

請求の範囲
1. 入力される電磁波の波長に対応する周期で誘電体要素が配置されてレヽる誘電率制御周期 構造体において、
前記誘電体要素として、温度により誘電率が変ィヒするものを用いた、ことを特徴とする誘電率 制御周期構造体。
2. 請求項 1に記載の誘電率制御周期構造体にお！/、て、
前記誘電体要素は、強誘電体を含む素材で構成されている、ことを特徴とする誘電率制御周 期構造体。
3. 請求項 2に記載の誘電率制御周期構造体にぉレ、て、
前記誘電体要素は、強誘電体のキュリー温度近傍における温度制御により誘電率を変化させ るように構成されてレヽる、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体。
4. 請求項 1に記載の誘電率制御周期構造体にぉレ、て、
前記誘電体要素は、強誘電体を含む素材でブロック体に構成されかっこのブロック体中に空 孔が形成されてレ、る、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体。
5. 請求項 2から 4のいずれかに記載の誘電率制御周期構造体において、
キュリー温度力 O°C以上 300°C以下の強誘電体材料を用いてレ、る、ことを特徴とする誘電率制 御周期構造体。
6. 請求項 2から 5のレ、ずれかに記載の誘電率制御周期構造体にぉレ、て、
前記誘電体要素は、強誘電体の粉体を分散媒体中に分散した状態で固形化されたものであ る、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体。
7. 請求項 2, 3, 5, 6のいずれかに記載の誘電率制御周期構造体において、
前記各誘電体要素間に樹脂材が充填固化され、前記誘電体要素と前記樹脂材とが一体化さ れている、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体。
8. 請求項 1から 7のレ、ずれかに記載の誘電率制御周期構造体にぉレ、て、
前記温度による前記誘電体要素の誘電率変化と形態変化とを組み合わせて、前記電磁波の 伝搬特性を制御可能に構成されてレヽる、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体。
9. 請求項 1から 8のレ、ずれかに記載の誘電率制御周期構造体と、
前記誘電率制御周期構造体の前記誘電体要素に温度変化を与えることのできる温度制御部 と、
前記誘電率制御周期構造体へ電磁波を入力する入力部と、
前記誘電率制御周期構造体で制御された電磁波を出力する出力部と、
を含む、ことを特徴とする誘電率制御周期構造体を用レヽた電磁波制御装置。
10. 請求項 1から 8のいずれかに記載の誘電率制御周期構造体に対しその誘電体要素を i¾t 制御することにより、当該誘電率制御周期構造体に入力される電磁波の伝搬特性を制御する、 ことを特徴とする誘電率制御周期構造体による電磁波制御方法。
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