专利名称：光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用了光子晶体的光学装置。
背景技术：
半导体单晶体是周期性地且规则地排列特定的原子而成的物质。其电子传输特性由半导体晶体中的原子间隔决定。即，半导体具有能量禁带宽度，该能量禁带宽度是由电子的波动性及原子的周期电势决定的。
另外，光子晶体(photonic crystal)是以光的波长程序的周期排列相对于光具有位势差的物质、即具有折射率差的物质而成的三维构造体。这样的光子晶体构成的物质由亚布拉挠维奇(Yablonovich)等提出的。
在光子晶体内，光传输特性由光的波动性的约束条件限制着。即，光子晶体中的光的传输与半导体中的电子的传输同样受到限制。在光子晶体中，存在着对于光的禁止带、所谓的光子禁带宽度，由于该禁带宽度的存在，特定波长范围的光不能在结晶内传输。
过去，提出了各种各样的光子晶体。例如，有以光的波长程度的周期排列亚微米尺寸的粒子而成的光子晶体。众所周知的是若是微波带，则将作为粒子的聚合物球排列在空间中。
另外，还具有通过在金属内使聚合物球固化后化学性地熔解聚合物球而在金属中周期性地形成微小空间的光子晶体、以等间隔在金属中穿射孔的光子晶体、用激光在固体材料中形成折射率与周围不同的区域的光子晶体、使用石印技术槽状加工将光聚合性聚合物的光子晶体等。由这些加工形成的光子晶体具有由其构造一意地决定的光子禁带宽度。
使用了这样的光子晶体的光学装置可以选择输入光的规定波长区域进行输出。在说明中，将输入到光子晶体的光作为输入光，将通过光子晶体内从光子晶体输出的光作为输出光。
发明内容
但是，在光学装置中，由于不能充分地使光子晶体的光子禁带宽度变化，因此，不能使其输出光的波长可变，本发明是鉴于这样的课题而做出的，其目的是提供一种通过由于外力而变形而可以充分地使输出光的波长变化的光学装置。
为了解决上述课题，本发明的光学装置，通过对光子晶体施加外力使光子晶体的光子禁带宽度变化，其特征在于，光子晶体是塑性的。
由于本发明的光子晶体是塑性的，因此，当对其施加外力而使光子晶体变形时，光子禁带宽度产生大的变化，从光子晶体输出的输出光的波长充分地进行变化。在这样的光学装置中，即使在减小了光子晶体本身的容积时也可以有效地进行波长选择，因此也可以使装置整体小型化。
本发明的光学装置其特征是，还具有进行上述外力的施加的外力施加装置。作为外力施加装置有种种的形式。
作为其中的一种外力施加装置，其特征是，它是相应于电气输入进行变形的压电元件。这时，通过压电元件因电气输入进行变形，对光子晶体施加外力，因此，可以构成根据特定的测量值等进行电气输入的系统。
作为其中的另一种外力施加装置，其特征是，它是相应于手动输入推压光子晶体的推压机械。在该种情况下，由于在实验测量系统中可以进行由手动进行的外力调整，因此，可以将本装置适用于光子晶体的基准研究。
作为其中的另一种外力施加装置，其特征是，是内径进行变化地可变形的空心构件，光子晶体配置在空心构件内。由于空心构件以内径变化的形式进行变形，光子晶体相应于该变形以沿空心构件的长度方向进行伸缩的形式进行变形。输入光从光子晶体的长度方向一端被输入，输出光从另一端被输出。因此，可以抑制径向的光的扩散，可以抑制输出光的每单位面积的强度降低。
本发明的光学装置，其特征在于，还具有测量相应于光子晶体的光子禁带宽度进行变化的物理量，并根据该测量值控制由外力施加装置产生的外力的大小的反馈装置。在成为所希望的光子禁带宽度时，测量相应于此进行变化的物理量、最好是输出光强度或输出光光谱，反馈装置控制外力施加装置，以使输出光的强度或特定波长的强度为一定。
另外，本发明的光学装置，其特征在于，还具有加热光子晶体的加热器、测定光子晶体的温度的温度传感器根据由温度传感器测量的温度控制向加热器供给的供给电力，这时由于一边由温度传感器测定光子晶体的温度一边加热该光子晶体，因此，可以使光子晶体的温度成为所希望的值、最好是一定值，可以抑制由光子禁带宽度的温度引起的变化。
另外，本发明的光学装置，其特征在于，还具有收容光子晶体的容器，外力施加装置沿一定方向将压力作为上述外力施加于被收容在容器内的光子晶体。这时，由容器的外壁保持光子晶体来抑制由所希望的外力以外的力引起的变形，并且可以限制其变形方向。
另外，本发明的光学装置，其特征在于，将容器的外壁的至少一部分做成透明的、或在该部分上设置透明窗，通过该部分向光子晶体内输入光。这时，输入光通过透明的外壁或窗被导入到光子晶体内，但是由于光子晶体被该外壁保持着，因此可以减少零件数量。
上述光子晶体，其特征在于，是在凝胶状的物质内含有多个硅或钛酸钡微小球而成。而且上述光子晶体也可以是通过在凝胶状的物质内含有多个微小空间而成。这时，可以容易使光子晶体变形。
另外，在本发明的光学装置中，其特征在于，上述容器是通过加工半导体基底而形成的，压电元件形成在半导体基底上。这时，在形成于半导体基底上的容器、特别是凹部内配置光子晶体，在该半导体基底上形成压电元件，因此，可以使用半导体微细加工技术形成它们，可以使装置整体小型化。
图1是实施例的光学装置的说明图。
图2是光子晶体2的立体图。
图3是表示由分色镜产生的输出光的透过率(任意常数)的波长(nm)依存性的曲线图。
图4是表示光学装置的最佳例子的说明图。
图5A、5B、5C是表示由分色镜产生的输出光的透过率(任意常数)的波长(nm)依存性的曲线图。
图6是使用了气泡的光子晶体2的立体图。
图7是另一实施例的光学装置的说明图。
图8是又一实施例的光学装置的说明图。
图9是使用了管形压电元件的光学装置的主要部分的立体图。
图10是再一实施例的光学装置的说明图。
图11是又一实施例的光学装置的说明图。
图12是又一实施例的光学装置的说明图。
具体实施例方式
以下，对实施例的光学装置进行说明，对于同一要素或具有同一功能的要素使用相同的符号，省略其重复说明。
图1是实施例的光学装置的说明图。该光学装置，是从输入光的波长范围选择所希望的波长范围作为输出光输出的装置。在底座1上设置光子晶体2，光子晶体2由对其施加压力或使施加在其上的压力减少的加压/减压装置(外力施加装置)3推压。
光子晶体2是由于外力的施加而高精度地进行变形，相应于其变形光子禁带宽度进行变化的物质。当由加压/减压装置3使光子晶体2变形时，其光子禁带宽度变化。加压/减压装置3由外压控制装置(外压控制手段)4控制，外压控制装置4控制上述外力的大小其及施加时间。
输入光通过使光传输的第一光学元件5输入到光子晶体2中。输入光中的特定波长成分不能通过光子晶体2，相应于光子禁带宽度(光学响应特性)选择规定波长区域，作为输出光从光子晶体2输出。输出光输入到使光传输的第二光学元件6，通过第二光学元件6输出到本光学装置外部。即，由于外力的施加，第一及第二光学元件5、6间的光学结合特性变化。
本光学装置是通过对光学晶体2施加外力而使光学晶体2的光学禁带宽度变化的光学装置，光学晶体2是塑性的。另外，光学晶体2也可以具有弹性。
由于光学晶体2是塑性的，当对其给予外力使光学晶体2变形时，光子禁带宽度产生大的变化，从光子晶体2输出的光的波长充分地进行变化。在这样的光学装置中，即使减小了光学晶体2自身的容积的情况下，也可以有效地进行波长选择，因此也可以使装置整体小型化。
图2是光学晶体2的立体图。
该光学晶体2在凝胶状的物质2G内含有多个硅或钛酸钡的微小球(光学微晶体)2B。该光学晶体2可以容易使其变形。微小球2B以光波长程度的周期规则地均匀地排列在物质2G内。微小球2B的间隔是想要选择的光的波长的一半～四分之一，微小球2B相对于该波长是透明的。当将波长范围Δλ(包括λ1)的光入射到光子晶体2中时，相应于光子禁带宽度，只有特定波长范围λ1的成分透过光子晶体2。
由于凝胶在外力作用下容易变形，因此，光子晶体2的光子禁带宽度容易变化。由于该变化，通过光子晶体2的上述波长范围λ1变化。微小球2B与物质2G的折射率不同，而且双方相对于选择的光的波长是透明的。
例如，作为凝胶的材料可以使用掺入了紫外线固化树脂的物质、凝胶化可以通过对其照射紫外线来进行。代表性的紫外线固化树脂是在丙烯酰胺中掺合了交联剂及光聚合开始剂，都是过去公知的物质。
由于该微小球2B的周期构造数可以是50左右，光学晶体2最大是100μm见方的元件，就可以充分地产生作用。因此，若使用该光子晶体2，则可以实现装置的小型化。
图3是表示由多层膜构造的光学晶体、即分色镜产生的输出光的透过率(任意常数)的波长(nm)依存性的曲线图。输入光是白色光。该曲线图不是上述的光学晶体2的曲线图，但是在微小球2B完全等间隔地被排列的情况，关于特定的方向，其光学特性与该图所示的相同。在本实施例中，波长范围400nm附近的光的透过率比其周围波长范围低。
上述光学装置，具有进行上述外力施加的外力施加装置3，但是，作为外力施加装置3有各种形式的施加外力装置。
图4是表示上述光学装置的最佳例子的说明图。这时，上述外力施加装置3是对应于电气输入进行变形的压电元件(压电元件)3′。作为外压控制装置4使用可变电压电源4′。
在本实施例中，压电元件3′相应于从电源4′施加的电压沿垂直于底座1的表面的方向移动。在光子晶体2的上部配置压板3”，压板3”与底座1一起夹持光子晶体2。压电元件3的上面配置在相对于底座1被固定的位置，其下面被固定在压板3”上。当压电元件3′进行伸缩时，压板3”与底座1之间的距离产生变化，因此，光子晶体2沿光路延伸地进行变形。
在这样的构成中，通过以电气的输入使压电元件3′进行变形，从而在光子晶体2上施加外力，因此，可以构成根据特定的测量值等进行电气输入的系统。
图5A、图5B、图5C是表示由多层膜构造的光子晶体、即分色镜产生的输出光的透射率(任意常数)的波长(nm)的依存性的曲线图。图5(A)是未在分色镜上施加外力时的曲线图，图5B是使1％的格子变形产生于反射镜垂直方向上地施加了压力时的曲线图。图5C是使1％的晶格变形产生于反射镜垂直方向上地施加了压力时的曲线图。也可以使晶格变形沿反射镜面产生地施加压力。
根据该曲线图，给予反射光光谱的强度峰值的波长λCENTER在没有外力时是1.5μm左右。而且，波长λCENTER在给予了1％的压缩变形时移动到1470nm左右(短波长侧)，在给予了1％延展变形时移动到1530nm(长波长侧)。
该曲线图不是图4所示的光学晶体2的曲线图，但其光学特性的变化倾向与这些曲线图相同，输出光的波长范围由于外力、即变形发生变化。
另外，上述光学晶体2也可做成为在凝胶状的物质内含有多个微小空间的形式。
图6是表示上述微小空间使用的是气泡的光子晶体2的立体图。该光子晶体2在物质2G内具有多个气泡2B′，是将上述的微小球2B替换为气泡2B′而成的。这样的光子晶体2也可以由外力容易地使其变形。
图7是另外的形式的光学装置的说明图。在本例子中，将图1所示的外力施加装置3做成为相应于手动输入推压光子晶体2的推压机构3，除了外压控制装置4是手动这一点外，其它的构成与图1的相同。推压机构3具有由配置在相对于底座1被固定的位置上的支承板3a、螺纹结合在设置于支承板3a上的螺纹孔中的螺杆部3b、及固定在螺杆部3b的一端的螺纹旋转头部3c构成的螺旋进给机构。在螺杆部3b的另一端抵接着推压板3”。
当将头部3c向规定方向旋转时，螺杆部3b向压板3”方向移动。由于压板3”的下面由粘接剂固定在光子晶体2上，因此，伴随着头部3c的旋转而在光子晶体2上施加外力，光子晶体2沿光路延伸地进行变形。光子晶体2是塑性的，但也可以具有压缩性及延展性地进行变形。
这样的光学装置，在实验测量系统中可以进行由手动产生的外力的微调整，因此，可以将本装置适用于光子晶体的基础研究等。
图8是另一形式的光学装置的说明图。
该光学装置，还具有收容光子晶体2的容器9，外力施加装置3对于收容在容器9内的光子晶体2沿一定方向施加作为外力的压力。这时，由容器9的外壁保持光子晶体2来抑制由所希望的外力以外的力引起的变形，并且可以限制其变形方向。另外，在本例子中，图示的是作为外力施加装置3使用的是压电元件3′。
容器9的外壁的至少一部分、即输入光的光路是透明的。也可以在该部分设置透明的窗。通过该透明的外壁或窗向光子晶体2内入射输入光。输出光的光路中的外壁也可做成透明的。由于光子晶体2由该外壁保持，因此，可以减少装置所需要的零件数量。另外，在上述及以下的实施例中作为光子晶体2的外力施加装置3也可以使用管形压电元件。
图9是表示使用了管形压电元件的光学装置主要部分的立体图。作为外力施加装置3的压电元件(空心构件)3′是管形，将其作为容器，在其内部配置光子晶体2。即，本例子的外力施加装置3是内径进行变化地可进行变形的压电元件3′，光学晶体配置在压电元件3′内。
该压电元件3′由于是以内径进行变化的方式进行变形，相应于该变形，光子晶体2沿空心的压电元件的长度方向进行伸缩地变形。输入光从光子晶体2的长度方向的一端输入，输出光从另一端输出。因此，可以抑制径向光的扩散，若使用该方式的压电元件，则可以抑制输出光的单位面积的强度降低。
图10是另一实施例的光学装置的说明图。该光学装置，与图4所示的相比，在光学晶体2的光输入面上贴上窗件10这一点上不同，其它的构成与图4所示的相同。从第一光学元件5出射的输入光通过窗件10被导入到光子晶体2内。在本例子中，由窗件10可以保护光学晶体2的光输入面。另外，也可以将窗件10做成为光学滤光器。
图11是另一实施例的光学装置的说明图。该光学装置，与图10所示的相比，在光学晶体2的光输出面上也贴上了窗件10这一点、及设有测量相应于光子晶体2的光子禁带宽度进行变化的物理量、并根据该测定值控制由外力施加装置3产生的外力的大小的反馈装置(光学特性测量仪器11及电源4′)这一点上不同，其它的构成与图10所示的相同。
在将光子晶体2的光子禁带宽度形成为所希望的光子禁带宽度时，测量相应于此进行变化的物理量、最好是测量输出光强度或输出光光谱，反馈装置11、4′使输出光的强度或特定波长的强度成为一定地控制外力施加装置3。
详细地说，由光子晶体2调制了的光作为输出光由光学特性测量仪器11测量其强度或光谱，作为构造控制装置的压电元件3′被反馈控制而使得上述测量数据成为特定的值。例如，在被测量的特定波长的强度低时使压电元件3′向所予的方向伸缩，由此在强度增加了时，向同一方向进行压电元件3′的伸缩，在减少了时向相反方向进行伸缩。
由该反馈控制可以实现由光子晶体2产生的输出光响应特性的稳定化、高精度化。
光子晶体2也可以使用半导体微细加工技术(微电子加工技术·MEMS技术)制造。例如，通过加工半导体基底形成上述容器，将压电元件3′形成在该半导体基底(未图示)上。这时，在形成在半导体基底上的容器、特别是凹部内配置光子晶体2，在该半导体基底上形成压电元件3′，因此，使用半导体微细加工技术可以形成它们，可以使装置整体小型化。当然，也可以在半导体基底内形成压电元件3′的驱动电路、电源、带波长过滤器的光电二极管(ホトダイオ一ド)等。
半导体微细加工技术例如在制作扫描型隧道显微镜的探针等时也使用。在该探针上设置压电元件，但是可以以数nm级控制压电元件的伸缩。
图12是另一实施例的光学装置的说明图。该光学装置与图11所示的相比，在具有加热器12、温度传感器13、加热器电源14的点上不同，其它的构成与图11的相同。
在该光学装置中，将加热光子晶体2的加热器12设置底座1上。将测量光子晶体2的温度的温度传感器13设置在底座1上。它们位于光子晶体2的附近。加热电源14对应于由温度传感器13的测量的温度控制供向加热器12的电力。
在本例子中，由于一边由温度传感器13测量光子晶体2的温度，一边加热光子晶体2，可以将光子晶体2的温度成为所希望的值、最好是一定值，可以抑制光子禁带宽度的由温度引起的变化。加热器12和温度传感器13也可用MEMS技术制造在单片(monolithic)上。
另外，法布里·珀罗干涉仪或多层膜镜(分色镜)也是零维或1维的光子晶体。光子晶体2也可以应用于这样的用途。另外，上述那样的柔软的光子晶体2期待对于其微小球2B或气泡2B′的大小和排列的稳定性、用于提高其控制性的机械精度、凝胶的长期稳定性、温度稳定性、与光纤或其它的光学元件的连接方法、凝胶封入容器、每次可以施加相同的外力的外力施加机构等的研究的进展。
产业上的可利用性本发明可以利用于使用了光子晶体的光学装置。
权利要求
1.一种光学装置，通过对光子晶体施加外力使上述光子晶体的光子禁带宽度变化，其特征在于，光子晶体是塑性的。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，还具有施加上述外力的外力施加装置。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，还具有测量相应于光子晶体的光子禁带宽度进行变化的物理量、并根据该测量值控制由上述外力施加装置产生的外力的大小的反馈装置。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，还具有加热上述光子晶体的加热器、测定上述光子晶体的温度的温度传感器，根据由上述温度传感器测量的温度控制供向上述加热器的电力。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，还具有收容上述光子晶体的容器，上述外力施加装置沿一定方向将压力作为上述外力施加于被收容在上述容器内的上述光子晶体上。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，将上述容器的外壁的至少一部分做成透明的、或在该部分上设置透明窗，通过该部分向上述光子晶体内输入光。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，上述光子晶体是在凝胶状的物质内含有多个硅或钛酸钡微小球而成。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，上述光子晶体是在凝胶状的物质内含有多个被形成的微小空间而成。
9.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述外力施加装置是相应于电气输入进行变形的压电元件。
10.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述外力施加装置是相应于手动输入推压上述光子晶体的推压机构。
11.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述外力施加装置是可内径变化地进行变形的空心构件，上述光子晶体配置在上述空心构件内。
12.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，上述容器是通过加工半导体基底而形成的。
全文摘要
一种光学装置，其光子晶体(2)是使凝胶状的物质内含有硅或钛酸钡微小球或气泡的可塑性光子晶体。当对该光子晶体施加外力时，光子晶体(2)产生变形，由此，光子禁带宽度容易进行变化，当光子禁带宽度进行变化时，限制特定波长的光通过。因此，从光子晶体(2)输出所希望的波长的光。在本发明中，该波长在外力作用下可以容易变化。
文档编号G02B6/122GK1466700SQ01816328
公开日2004年1月7日 申请日期2001年9月26日 优先权日2000年9月26日
发明者泷口义浩, 伊藤研策, 山中淳平, 平, 策 申请人:浜松光子学株式会社