電磁波方向制御素子
【課題】 フォトニック結晶を用いて構成されるアイソレータを提供する。
【解決手段】 特定の物質中に誘電率が異なる物質を周期的に配列したフォトニック結晶誘電体複合物質と、周期構造を持たない高誘電率誘電体物質と、周期構造を持たない低誘電率誘電体物質とを用いて構成されるものであり、電磁波の入力端４側から出力端５側に向かって、フォトニック結晶複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分６と、高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分７と、フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分８と、低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分９と、フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分１０とが順次配置され、中間フォトニック結晶部分８の、入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造におけるほぼ１周期分の長さに相当するようにされる。
【解決手段】 特定の物質中に誘電率が異なる物質を周期的に配列したフォトニック結晶誘電体複合物質と、周期構造を持たない高誘電率誘電体物質と、周期構造を持たない低誘電率誘電体物質とを用いて構成されるものであり、電磁波の入力端４側から出力端５側に向かって、フォトニック結晶複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分６と、高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分７と、フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分８と、低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分９と、フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分１０とが順次配置され、中間フォトニック結晶部分８の、入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造におけるほぼ１周期分の長さに相当するようにされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえばアイソレータのような非可逆特性を有する電磁波方向制御素子に関するもので、特に、フォトニック結晶を用いた電磁波方向制御素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アイソレータとは、入力端側から出力端側に向かう順方向の信号については、ほとんど損失なく伝達するが、出力端側からの逆方向の信号については、これを入力端側に実質的に伝達しないようにした、非可逆特性を有する電子部品である。アイソレータは、数１０ＭＨｚからマイクロ波、ミリ波、光まで、多岐にわたる周波数帯の電磁波に適用される。アイソレータは、一般的に、磁性体の持つ電磁波に対する特異な性質を利用して、上述した非可逆特性すなわちアイソレーション特性を実現している。
【０００３】
この発明にとって興味あるアイソレータとして、たとえば特開２０００−１８０７８９号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許文献１には、２個の偏光子と、これら偏光子間に設けられて磁場が印加される４５度ファラデー回転子とを備える、光アイソレータが開示されている。この光アイソレータにおいて、偏光子がフォトニック結晶から構成され、フォトニック結晶から構成される偏光子の製造方法については、たとえば特開２０００−５６１３３号公報 （特許文献２）に記載されている。
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された光アイソレータをも含めて、従来のアイソレータは、ほとんど例外なく、磁石を用いることが必要であり、また、逆方向の信号については、順方向の信号の経路とは異なる経路に向けることによって、アイソレーション特性を与えるようにしている。
【０００５】
そのため、構造の簡素化、小型化およびコストの面で、さらなる改善の余地が残されている。
【特許文献１】特開２０００−１８０７８９号公報
【特許文献２】特開２０００−５６１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の目的は、たとえばアイソレータのような非可逆特性を有する電磁波方向制御素子において、構造の簡素化、小型化およびコストの面でさらなる改善を図ろうとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電磁波方向制御素子は、基本的に、フォトニック結晶を用いて構成される。
【０００８】
より詳細には、この発明に係る電磁波方向制御素子を構成するため、
（ａ）第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質と、
（ｂ）周期構造を持たずかつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質と、
（ｃ）周期構造を持たずかつ第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質と
が用いられる。
【０００９】
そして、この発明に係る電磁波方向制御素子は、電磁波の入力端側から出力端側に向かって順次配列される次のような要素を備えている。
（１）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分、
（２）上記高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分、
（３）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分、
（４）上記低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分、および
（５）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分。
【００１０】
この発明に係る電磁波方向制御素子がアイソレータとして用いられる場合には、次のような構成を備えることが好ましい。
【００１１】
すなわち、入力側フォトニック結晶部分と中間フォトニック結晶部分と出力側フォトニック結晶部分とは、特定の周波数帯域の電磁波を反射するフォトニックバンドギャップを有し、入力側結晶欠陥部分と中間フォトニック結晶部分と出力側結晶欠陥部分とは、全体として、入力端側からの電磁波に対して、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の通過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対して、局在モードを生じさせないように構成され、それによって、アイソレーション特性が与えられていることが好ましい。
【００１２】
上述した好ましい実施態様において、中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前述した周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当していることが好ましく、さらに、ほぼ１周期分の長さに相当していることがより好ましい。
【００１３】
また、この発明に係る電磁波方向制御素子がアイソレータとして用いられるのに適した上述の実施態様において、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とほぼ等しくされていることが好ましい。
【００１４】
上述の場合において、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれることがより好ましい。
【００１５】
この発明に係る電磁波方向制御素子において、第２の誘電率は第１の誘電率より高く、低誘電率誘電体物質としては、第１の物質と同じものが用いられ、高誘電率誘電体物質としては、第２の物質と同じものが用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る電磁波方向制御素子は、外部磁界を必要とせず、実質的に誘電体のみをもって与えられた構造でありながら、電磁波の透過特性に対して異方性を与えることができる。したがって、この発明に係る電磁波方向制御素子によれば、従来のアイソレータのような磁石を必要としかつ逆方向からの信号を別の経路に向けるようにした非可逆特性を有する電磁波方向制御素子に比べて、構造を簡易化でき、小型化でき、またコストダウンを図ることができる。
【００１７】
この発明において、入力側結晶欠陥部分と中間フォトニック結晶部分と出力側結晶欠陥部分とが、全体として、入力端側からの電磁波に対しては、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の透過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対しては、局在モードを生じさせないように構成されていると、アイソレーション特性を与えることができ、この発明に係る電磁波方向制御素子をアイソレータとして有利に用いることができる。
【００１８】
上述の場合、中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さが、この中間フォトニック結晶部分を構成するフォトニック結晶誘電体複合物質の周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当していると、入力端側からの電磁波すなわち順方向の電磁波に対しては、局在モードがより生じやすく、出力端側からの電磁波すなわち逆方向の電磁波に対しては、局在モードがより確実に生じないようにすることができ、その結果、アイソレーション特性をより確実に与えることができるようになる。
【００１９】
上述した中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さが、周期構造における１周期以上ではあるが、ほぼ１周期分の長さに相当していると、順方向の電磁波に対しては、入力側結晶欠陥部分で発生する局在モードと出力側結晶欠陥部分で発生する局在モードとが良好に結合し、より良好なアイソレーション特性を与えることができるようになる。
【００２０】
また、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数と、出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とが、ほぼ等しくされていると、急峻なアイソレーション特性を与えることができる。
【００２１】
上述の場合、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数が、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれると、局在モードを生じさせる電磁波の周波数をフォトニックバンドギャップの端部から遠ざけて位置させることができるので、安定したアイソレーション特性を与えることができる。
【００２２】
第２の誘電率が第１の誘電率より高く、低誘電率誘電体物質として、第１の物質と同じものが用いられ、高誘電率誘電体物質として、第２の物質と同じものが用いられると、この発明に係る電磁波方向制御素子を作製するために用いられる材料の共通化を図ることができ、それによるコストダウンを期待することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、この発明の一実施形態による電磁波方向制御素子としてのアイソレータ１を説明するためのもので、（ａ）は、アイソレータ１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、アイソレータ１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【００２４】
なお、この出願において、図１（ｂ）のような電磁波伝搬特性を示す図面は、試料を導波管に入れ、この試料を透過する電磁波の減衰量の周波数特性を測定して得られたものであり、実際には、得られた特性を示す曲線に「ゆらぎ」が多数存在しているが、図面作成上の煩雑さを避けるため、各図面では、このような「ゆらぎ」の図示を省略し、より平滑な線を用いて示している。
【００２５】
図１（ａ）を参照して、アイソレータ１は金属ケース３に収容され、アイソレータ１の長手方向の一方端および他方端に、それぞれ、入力端４および出力端５が設けられる。入力端４には電磁波が入力され、アイソレータ１を透過した電磁波は出力端５から出力される。入力端４および出力端５は、たとえば、同軸コネクタまたは光コネクタによって構成される。
【００２６】
アイソレータ１には、入力端４側から出力端５側に向かって、入力側フォトニック結晶部分６と入力側結晶欠陥部分７と中間フォトニック結晶部分８と出力側結晶欠陥部分９と出力側フォトニック結晶部分１０とが順次配置されている。
【００２７】
入力側フォトニック結晶部分６、中間フォトニック結晶部分８および出力側フォトニック結晶部分１０の各々は、第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質から構成される。
【００２８】
また、入力側結晶欠陥部分７は、周期構造を持たず、かつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質から構成され、出力側結晶欠陥部分９は、同じく周期構造を持たないが、第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質から構成される。
【００２９】
上述したフォトニック結晶誘電体複合物質によれば、電磁波の相互干渉を利用して特定の周波数の電磁波を完全に反射することができる。このように完全に反射する電磁波の周波数は一定の帯域を示し、これをフォトニックバンドギャップと呼んでいる。
【００３０】
フォトニック結晶誘電体複合物質のような誘電体の周期構造体に電磁波が入ってくると、電磁波のブラッグ回折が起こり、２種類の定在波が形成される。すなわち、低誘電率領域で振動する定在波と高誘電率領域で振動する定在波とである。そして、前者は、後者に比べてエネルギー値が高くなる。このように２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ーを有する波は、結晶中に存在することができないので、フォトニックバンドギャップが生まれるのである。
【００３１】
フォトニックバンドギャップは、上述のように、ブラッグ回折で生じているため、周期構造の繰り返し周期である格子定数が波長相当であることが必要である。また、誘電率の差が大きいほど、各誘電率領域での振動エネルギーの差が大きく、フォトニックバンドギャップも広がる。そして、前述のように、誘電率が高いほど、振動エネルギーが低くなり、フォトニックバンドギャップの位置は低周波側にシフトする。
【００３２】
種々のフォトニック結晶があるが、３次元的な電磁波を完全に反射するためには、あらゆる方向に対してフォトニックバンドギャップが形成される必要がある。このような要求を満たし得るフォトニック結晶として、たとえばダイヤモンド構造のものがある。ダイヤモンド構造によれば、電磁波の偏光依存性を避けることができる。図１（ａ）等において、フォトニック結晶部分６、８および１０は、各々が有する結晶構造が省略的に図示されていて、その格子点を水玉模様で表すことにより、周期構造を有することを示している。
【００３３】
図１（ａ）に示したアイソレータ１では、入力側フォトニック結晶部分６および出力側フォトニック結晶部分１０の各々の、入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造における２周期分の長さに相当している。中間フォトニック結晶部分８の入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造における１周期分の長さに相当している。
【００３４】
図１（ｂ）において、実線は、入力端４から出力端５への、すなわち順方向の電磁波の透過特性を示し、破線は、出力端５から入力端４への、すなわち逆方向の電磁波の透過特性を示している。なお、図１（ｂ）等の電磁波伝搬特性を示す図において、実線と破線とが互いに近接して図示されているのは、実線と破線とを区別するためのもので、実際には、実線と破線とが実質的に重なり合っていると理解すべきである。
【００３５】
アイソレータ１に導入される電磁波については、図１（ｂ）に示すように、順方向の電磁波に対しても、逆方向の電磁波に対しても、特定の周波数帯域の電磁波は反射され、それによって、フォトニックバンドギャップを形成している。
【００３６】
しかしながら、フォトニック結晶部分６、８および１０において、その周期構造を一部壊すと、より具体的には、周期構造を持たない結晶欠陥部分７および９をフォトニック結晶部分６、８および１０の間に存在させると、順方向の電磁波については、図１（ｂ）において実線で示すように、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波についてのみ、その透過が許容される。これを局在モードと呼んでいる。
【００３７】
他方、逆方向の電磁波については、局在モードが生じず、図１（ｂ）において破線で示すように、フォトニックバンドギャップ内にある周波数の電磁波は透過されない。
【００３８】
このようにして、アイソレータ１は、アイソレーション特性を与えることができる。以下に、上述のような局在モードによるアイソレーション特性が得られるための条件の詳細およびこのような条件を見出すに至った実験例について説明する。
【００３９】
図２は、実験例１において作製した素子１１を説明するためのもので、（ａ）は、素子１１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子１１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、素子１１は、全体として、フォトニック結晶部分１２から構成される。より詳細には、フォトニック結晶部分１２は、各々の格子定数が１５ｍｍである６セルのフォトニック結晶から構成されている。このフォトニック結晶は、前述したフォトニック結晶部分６、８および１０を構成する、周期構造を持つフォトニック結晶誘電体複合物質と同様のものである。
【００４１】
上述のような素子１１に電磁波を導入すると、フォトニック結晶部分１２の周期構造に対応する周波数の電磁波については反射が起こるため、順方向の電磁波についても、逆方向の電磁波についても、図２（ｂ）に示すように、フォトニックバンドギャップが生じ、約７．５ＧＨｚ〜約１２．５ＧＨｚの周波数帯域の電磁波が遮断される。
【００４２】
なお、図２（ｂ）等の電磁波伝搬特性を示す図において、実線のみが示されているのは、電磁波の伝搬特性が順方向にも逆方向にも同じであることを意味している。
【００４３】
次に、図３および図４は、それぞれ、実験例２および３において作製した素子１５および１６を説明するための図２に対応する図である。
【００４４】
図３および図４に示した素子１５および１６は、図２に示した素子１１と比較して、周期構造を有するフォトニック結晶部分１２の一部に、周期構造を持たない結晶欠陥部分１７および１８がそれぞれ導入されていることを特徴としている。これら欠陥部分１７および１８の各々の入力端側から出力端側までの長さは、格子定数程度の長さすなわち１５ｍｍとされている。
【００４５】
上述のように、結晶欠陥部分１７および１８が導入されると、電磁波は、これら結晶欠陥部分１７および１８において共振により増幅され、共振する特定の周波数の電磁波のみが結晶欠陥部分１７および１８を透過し、電磁波が入力端側から出力端側へと伝搬することが可能となる。
【００４６】
図３（ａ）に示した結晶欠陥部分１７は、誘電率εが５．７と比較的高く、図３（ｂ）に示すように、比較的低周波側の８．７ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。他方、図４（ａ）に示した結晶欠陥部分１８は、誘電率εが３．３と比較的低く、図４（ｂ）に示すように、比較的高周波側の１１．１ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。
【００４７】
なお、このことから、図３および図４にそれぞれ示した結晶欠陥部分１７および１８のように、その入力端側から出力端側までの長さが互いに同じとすれば、誘電率がより高いほど、局在モードがより低周波側に現れ、それゆえ、局在モードのピーク位置は、誘電率を変更することによって調整可能であることがわかる。
【００４８】
図３（ａ）および図４（ａ）等の図面において、素子１５および１６等に重ねて、電磁波の強度分布が太い破線によって示されている。
【００４９】
図３（ａ）に示した電磁波の強度分布は、ピークが比較的高く、裾がフォトニック結晶部分１２に向かって比較的深く広がっている。他方、図４（ａ）に示した電磁波の強度分布は、ピークが比較的低く、フォトニック結晶部分１２に対する裾の広がりが比較的浅い。
【００５０】
図３および図４に示した素子１５および１６は、共に左右対称であるので、順方向の電磁波についても、逆方向の電磁波についても、同様の現象が起こる。したがって、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、素子１５および１６は、波長の選択効果を有するのみで、アイソレータ効果を有していない。
【００５１】
次に、図５は、実験例４において作製した素子２１を説明するための図２に対応する図である。図５において、図３および図４の各々に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
図５（ａ）に示した素子２１は、図３（ａ）に示した素子１５と図４（ａ）に示した素子１６とを結合したものに相当している。したがって、素子１５で起きた現象と素子１６で起きた現象との双方が起きる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、高誘電率の結晶欠陥部分１７による８．７ＧＨｚ付近の局在モードと低誘電率の結晶欠陥部分１８による１１．１ＧＨｚ付近の局在モードとが発生する。しかしながら、順方向と逆方向とでは、透過特性に差は見られない。
【００５３】
次に、図６は、実験例５において作製した素子２４を説明するための図２に対応する図である。図６において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
図６に示した素子２４は、図５に示した素子２１と比較して、２種類の結晶欠陥部分１７および１８の間隔がより近付けられている。すなわち、結晶欠陥部分１７および１８の間に位置するフォトニック結晶部分１２は、図５に示した素子２１では、２周期分の長さ（３０ｍｍ）を有していたが、図６に示した素子２４では、１周期分の長さ（１５ｍｍ）しか有していない。その結果、結晶欠陥部分１７および１８とその中間のフォトニック結晶部分１２とが、全体として、１つの欠陥領域（増幅領域）を構成し、図６（ａ）において太い破線で示すような左右非対称の電磁波の強度分布が現れる。
【００５５】
ここで、順方向の電磁波については、局在モードにある電磁波の強度分布の裾がフォトニック結晶部分１２中に広がるので、局在モードが発生しやすいが、逆方向については、フォトニック結晶部分１２に対する裾の広がりが浅いため、局在モードが発生しにくい。その結果、図６（ｂ）に示すように、順方向の電磁波については、フォトニックバンドギャップのうち特定の周波数の電磁波の透過を許容するが、逆方向の電磁波については、電磁波の透過が生じにくくし、順方向と逆方向との間で差が生じ、ある程度のアイソレーション特性が得られている。
【００５６】
図５と図６とを比較すればわかるように、２種類の結晶欠陥部分１７および１８間の間隔の大きさに応じて、結晶欠陥部分１７によって得られる局在モードと結晶欠陥部分１８によって得られる局在モードとが２つの独立したモードに分かれるか（図５）、１つのモードに結合するか（図６）が決まる。そして、図６（ａ）の破線で示すように、上記２つの局在モードが１つのモードに結合し、電磁波の強度分布が左右非対称になった場合は、裾の広がり方に違いが出るため、非可逆特性すなわちアイソレーション特性が得られる。
【００５７】
次に、図７および図８は、それぞれ、実験例６および７において作製した素子２７および２８を説明するための図２に対応する図である。図７および図８において、前述の図３および図４に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
前述したように、図３に示した高誘電率の結晶欠陥部分１７を有する素子１５では、比較的低周波側の８．７ＧＨｚ付近に局在モードが発生し、他方、図４に示した低誘電率の結晶欠陥部分１８を有する素子１６では、比較的高周波側の１１．１ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。これに対して、図７および図８にそれぞれ示した素子２７および２８では、互いにほぼ等しい周波数において局在モードが生じるように設計されている。
【００５９】
すなわち、図７に示した素子２７では、誘電率εが５．７と比較的高い結晶欠陥部分１７の、入力端側から出力端側までの長さ（Ｌ）を、図７（ａ）に示すように、１３ｍｍにして、局在モードの波長（λ）を、λ＝Ｌ×ε1/2 ＝３１．１［ｍｍ］となるように設計している。
【００６０】
他方、図８に示した素子２８では、誘電率εが３．３と比較的低い結晶欠陥部分１８の、入力端側から出力端側までの長さ（Ｌ）を、図８（ａ）に示すように、１７ｍｍにして、局在モードの波長（λ）を、λ＝Ｌ×ε1/2 ＝３０．８［ｍｍ］となるように設計している。
【００６１】
その結果、素子２７では、図７（ｂ）に示すように、９．７ＧＨｚ付近に局在モードが形成され、他方、素子２８では、図８（ｂ）に示すように、同じく９．７ＧＨｚ付近に局在モードが形成されている。また、これら局在モードを生じさせている９．７ＧＨｚ付近の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるようにも選ばれている。
【００６２】
次に、図９は、実験例８において作製した素子３１を図解的に示す正面図である。図９において、前述した図６に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
図９に示した素子３１では、図６に示した素子２４の場合と同様、２種類の結晶欠陥部分１７および１８の間に位置するフォトニック結晶部分１２が、１周期分の長さすなわち１５ｍｍの長さを有している。その結果、図６に示した素子２４の場合と同様、結晶欠陥部分１７および１８とその中間のフォトニック結晶部分１２とが、全体として、１つの欠陥領域（増幅領域）を構成し、図９において太い破線で示すような左右非対称の電磁波の強度分布が現れる。
【００６４】
図９に示した素子３１は、前述の図１（ａ）に示したアイソレータ１と実質的に同様のものである。したがって、図１（ｂ）に示した電磁波の伝搬特性は、図９の素子３１が与える電磁波の伝搬特性を示していることになる。
【００６５】
図９に示した素子３１の構成要素となる、図７に示した素子２７および図８に示した素子２８に関して、図７の結晶欠陥部分１７が順方向の電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数と図８の結晶欠陥部分１８が順方向の電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とは、双方とも、９．７ＧＨｚ付近というように、互いにほぼ等しくされているので、これら素子２７および２８が組み合わされた素子３１においては、急峻なアイソレーション特性を与えることができる。また、上述の９．７ＧＨｚ付近の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数であるので、アイソレーション特性を安定したものとすることができる。
【００６６】
次に、図１に示したアイソレータ１の好ましい製造方法について説明する。
【００６７】
図１０は、フォトニック結晶部分６、８および１０を構成するフォトニック結晶誘電体複合物質のうち、第１の誘電率（たとえば、ε＝３．３）を有する第１の誘電体物質を造形するために用いられる光造形装置４１を図解的に示す正面図である。なお、光造形装置４１によって造形される第１の誘電体物質中には、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率（たとえば、ε＝５．７）を有する第２の誘電体物質を周期的に配列した状態とするための空洞が形成される。
【００６８】
図１０を参照して、光造形装置４１は、未硬化の光硬化性樹脂材料４２を収容する樹脂材料槽４３を備えている。樹脂材料槽４３内には、その上で上述の第１の誘電体物質４４を造形するためのテーブル４５が配置される。テーブル４５は、矢印４５で示すように、所定高さ分毎に徐々に低くされるように駆動される。
【００６９】
テーブル４５の上方には、レーザ光源４７からのレーザ光４８を反射させて、これを光硬化性樹脂材料４２の液面４９に向けるための走査ミラー５０が設けられる。走査ミラー５０は、所定のデータに従って角度が変更可能なように構成され、それによって、レーザ光４８は、両方向矢印５１で示すように、液面４９に沿って走査される。光硬化性樹脂材料４２は、レーザ光４８が走査された部分において硬化する。
【００７０】
テーブル４５と液面４９との間に、たとえば１００μｍといった所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂材料４２が供給されるように、テーブル４５が位置される。次いで、スキージ（図示せず。）によって、その液面４９が調整される。このとき、光硬化性樹脂材料４２の余剰分が樹脂材料槽４３に回収される。
【００７１】
上述の状態で、得ようとする第１の誘電体物質４４の形状に応じたデータに従ってレーザ光４８が走査される。これによって、光硬化性樹脂材料４２は、レーザ光４８が照射された部分において硬化し、硬化樹脂層５２が形成される。
【００７２】
次に、硬化された硬化樹脂層５２と液面４９との間に所定の厚み分の光硬化性樹脂材料４２が再び供給されるように、テーブル４５が矢印４６方向へ移動され、再び、レーザ光４８が所定のデータに従って走査される。これによって、硬化された光硬化性樹脂材料４２からなる次の硬化樹脂層５２が形成される。
【００７３】
上述のようなレーザ光４８の照射による硬化樹脂層５２の形成と、テーブル４５の下方への移動とは繰り返される。これによって、硬化された光硬化性樹脂材料４２からなる複数の硬化樹脂層５２を積層した構造を有する、３次元造形体としての第１の誘電体物質４４が得られる。
【００７４】
上述の第１の誘電体物質４４は、たとえば３．３の誘電率を有し、第２の誘電体物質で充填されるべき空洞を、格子定数１５ｍｍをもって周期的に配列させている。
【００７５】
他方、たとえば、平均粒径５μｍの酸化チタン粉末を３０体積％の割合で混合した２液性ポリエステル樹脂からなる、誘電率がたとえば５．７の第２の誘電体物質となるべき無機粉末含有樹脂材料が用意される。
【００７６】
次に、前述した３次元造形体としての第１の誘電体物質４４が真空脱泡され、次いで、その空洞が上述の無機粉末含有樹脂材料によって充填され、その後、たとえば１２０℃の温度で３０分間熱処理される。
【００７７】
これによって、格子定数が１５ｍｍであり、誘電率が３．３の第１の誘電体物質４４中に、誘電率が５．７の第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、１セル（１５ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍ）のフォトニック結晶誘電体複合物質ブロックが得られる。
【００７８】
他方、上述した無機粉末含有樹脂材料を型に入れて加熱硬化させることにより、誘電率が５．７であって、１３ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍの入力側結晶欠陥部分７となる高誘電率誘電体物質ブロックが作製される。
【００７９】
また、前述した光硬化性樹脂材料４２に光造形法を適用して、誘電率が３．３であって、１７ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍの出力側結晶欠陥部分９となる低誘電率誘電体物質ブロックが作製される。
【００８０】
次に、図１（ａ）に示した入力側フォトニック結晶部分６、中間フォトニック結晶部分８および出力側フォトニック結晶部分１０が、上述したフォトニック結晶誘電体複合物質ブロックによって構成され、入力側結晶欠陥部分７が高誘電率誘電体物質ブロックから構成され、出力側結晶欠陥部分９が低誘電率誘電体物質から構成されるように、所定のブロックを所定の順序で接着剤にて接合すれば、アイソレータ１が得られる。
【００８１】
なお、上述のように、接着剤により接合される場合などのように、各ブロック間に間隙が形成される場合、このような間隙が電磁波に実質的な影響を及ぼさないようにするには、アイソレータ１が適用される周波数帯域の電磁波の波長の１０分の１以下の間隙とすることが好ましい。
【００８２】
また、上述の製造方法では、予め形成された各ブロックを後で接合するようにしたが、入力側フォトニック結晶部分６、入力側結晶欠陥部分７、中間フォトニック結晶部分８、出力側結晶欠陥部分９および出力側フォトニック結晶部分１０を、連続的な成形方法によって形成するようにしてもよい。
【００８３】
また、周期的な空洞を有する第１の誘電体物質４４を、光造形装置４１によって製造する途中において、空洞となる凹部内に、高誘電率誘電体物質を埋め込むようにしてもよい。
【００８４】
さらに、フォトニック結晶部分を備えるアイソレータの製造方法には、上に例示した方法に限らず、その他、種々の方法を適用することができる。
【００８５】
図１１は、図１に示したアイソレータ１の用途の一例としての携帯電話端末機のフロントエンドの構成を示すブロック図である。
【００８６】
携帯電話等の通信機器において、アンテナの送受信共用が行なわれている。送信波をアンテナから放出し、受信波を受信し受信回路に導くために、図１１のような回路が用いられている。
【００８７】
図１１を参照して、アンテナ５３によって受信された受信波５４は、アンテナ共用器５５を経て、受信用パワーアンプ５６に導かれ、ここで増幅される。
【００８８】
他方、送信波５７は、自動利得調整器（ＡＰＣ）５８で調整されながら送信用パワーアンプ５９で増幅され、カプラ６０を経て、アンテナ共用器５５に導かれ、アンテナ５３から放出される。
【００８９】
上述のような回路において、アイソレータ１は、送信側パワーアンプ５９とアンテナ共用器５５との間に挿入され、送信用パワーアンプ５９からアンテナ共用器５５に向く方向にしか電磁波を通過させないようにされる。このアイソレータ１は、図１１に示した回路において、次のように作用する。
【００９０】
アンテナ共用器５５に、直接、送信回路を結合すると、アンテナ５３の部分で反射した送信波５７の一部の信号が逆流して、送信用パワーアンプ５９を破壊する可能性があるが、アイソレータ１は、このような破壊から保護するように作用する。また、インピーダンス変化の大きいアンテナ５３と送信用パワーアンプ５９とを分離し、特にＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）方式などの広い電力レベル範囲で安定した線形動作が確保できるように、アイソレータ１は作用する。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の一実施形態による電磁波方向制御素子としてのアイソレータ１を説明するためのもので、（ａ）は、アイソレータ１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、アイソレータ１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【図２】図１に示したアイソレータ１が有するアイソレーション特性が得られるための条件を見出すに至った実験例１において作製した素子１１を説明するためのもので、（ａ）は、素子１１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子１１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【図３】同じく実験例２において作製した素子１５を説明するための図２に対応する図である。
【図４】同じく実験例３において作製した素子１６を説明するための図２に対応する図である。
【図５】同じく実験例４において作製した素子２１を説明するための図２に対応する図である。
【図６】同じく実験例５において作製した素子２４を説明するための図２に対応する図である。
【図７】同じく実験例６において作製した素子２７を説明するための図２に対応する図である。
【図８】同じく実験例７において作製した素子２８を説明するための図２に対応する図である。
【図９】同じく実験例８において作製した素子３１を図解的に示す正面図である。
【図１０】図１に示したアイソレータ１を製造するために用いられる光造形装置４１を図解的に示す正面図である。
【図１１】図１に示したアイソレータ１の用途の一例となる携帯電話端末機のフロントエンドの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
１ アイソレータ
４ 入力端
５ 出力端
６ 入力側フォトニック結晶部分
７ 入力側結晶欠陥部分
８ 中間フォトニック結晶部分
９ 出力側結晶欠陥部分
１０ 出力側フォトニック結晶部分
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえばアイソレータのような非可逆特性を有する電磁波方向制御素子に関するもので、特に、フォトニック結晶を用いた電磁波方向制御素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アイソレータとは、入力端側から出力端側に向かう順方向の信号については、ほとんど損失なく伝達するが、出力端側からの逆方向の信号については、これを入力端側に実質的に伝達しないようにした、非可逆特性を有する電子部品である。アイソレータは、数１０ＭＨｚからマイクロ波、ミリ波、光まで、多岐にわたる周波数帯の電磁波に適用される。アイソレータは、一般的に、磁性体の持つ電磁波に対する特異な性質を利用して、上述した非可逆特性すなわちアイソレーション特性を実現している。
【０００３】
この発明にとって興味あるアイソレータとして、たとえば特開２０００−１８０７８９号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この特許文献１には、２個の偏光子と、これら偏光子間に設けられて磁場が印加される４５度ファラデー回転子とを備える、光アイソレータが開示されている。この光アイソレータにおいて、偏光子がフォトニック結晶から構成され、フォトニック結晶から構成される偏光子の製造方法については、たとえば特開２０００−５６１３３号公報 （特許文献２）に記載されている。
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された光アイソレータをも含めて、従来のアイソレータは、ほとんど例外なく、磁石を用いることが必要であり、また、逆方向の信号については、順方向の信号の経路とは異なる経路に向けることによって、アイソレーション特性を与えるようにしている。
【０００５】
そのため、構造の簡素化、小型化およびコストの面で、さらなる改善の余地が残されている。
【特許文献１】特開２０００−１８０７８９号公報
【特許文献２】特開２０００−５６１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の目的は、たとえばアイソレータのような非可逆特性を有する電磁波方向制御素子において、構造の簡素化、小型化およびコストの面でさらなる改善を図ろうとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電磁波方向制御素子は、基本的に、フォトニック結晶を用いて構成される。
【０００８】
より詳細には、この発明に係る電磁波方向制御素子を構成するため、
（ａ）第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質と、
（ｂ）周期構造を持たずかつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質と、
（ｃ）周期構造を持たずかつ第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質と
が用いられる。
【０００９】
そして、この発明に係る電磁波方向制御素子は、電磁波の入力端側から出力端側に向かって順次配列される次のような要素を備えている。
（１）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分、
（２）上記高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分、
（３）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分、
（４）上記低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分、および
（５）上記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分。
【００１０】
この発明に係る電磁波方向制御素子がアイソレータとして用いられる場合には、次のような構成を備えることが好ましい。
【００１１】
すなわち、入力側フォトニック結晶部分と中間フォトニック結晶部分と出力側フォトニック結晶部分とは、特定の周波数帯域の電磁波を反射するフォトニックバンドギャップを有し、入力側結晶欠陥部分と中間フォトニック結晶部分と出力側結晶欠陥部分とは、全体として、入力端側からの電磁波に対して、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の通過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対して、局在モードを生じさせないように構成され、それによって、アイソレーション特性が与えられていることが好ましい。
【００１２】
上述した好ましい実施態様において、中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前述した周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当していることが好ましく、さらに、ほぼ１周期分の長さに相当していることがより好ましい。
【００１３】
また、この発明に係る電磁波方向制御素子がアイソレータとして用いられるのに適した上述の実施態様において、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とほぼ等しくされていることが好ましい。
【００１４】
上述の場合において、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれることがより好ましい。
【００１５】
この発明に係る電磁波方向制御素子において、第２の誘電率は第１の誘電率より高く、低誘電率誘電体物質としては、第１の物質と同じものが用いられ、高誘電率誘電体物質としては、第２の物質と同じものが用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る電磁波方向制御素子は、外部磁界を必要とせず、実質的に誘電体のみをもって与えられた構造でありながら、電磁波の透過特性に対して異方性を与えることができる。したがって、この発明に係る電磁波方向制御素子によれば、従来のアイソレータのような磁石を必要としかつ逆方向からの信号を別の経路に向けるようにした非可逆特性を有する電磁波方向制御素子に比べて、構造を簡易化でき、小型化でき、またコストダウンを図ることができる。
【００１７】
この発明において、入力側結晶欠陥部分と中間フォトニック結晶部分と出力側結晶欠陥部分とが、全体として、入力端側からの電磁波に対しては、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の透過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対しては、局在モードを生じさせないように構成されていると、アイソレーション特性を与えることができ、この発明に係る電磁波方向制御素子をアイソレータとして有利に用いることができる。
【００１８】
上述の場合、中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さが、この中間フォトニック結晶部分を構成するフォトニック結晶誘電体複合物質の周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当していると、入力端側からの電磁波すなわち順方向の電磁波に対しては、局在モードがより生じやすく、出力端側からの電磁波すなわち逆方向の電磁波に対しては、局在モードがより確実に生じないようにすることができ、その結果、アイソレーション特性をより確実に与えることができるようになる。
【００１９】
上述した中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さが、周期構造における１周期以上ではあるが、ほぼ１周期分の長さに相当していると、順方向の電磁波に対しては、入力側結晶欠陥部分で発生する局在モードと出力側結晶欠陥部分で発生する局在モードとが良好に結合し、より良好なアイソレーション特性を与えることができるようになる。
【００２０】
また、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数と、出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とが、ほぼ等しくされていると、急峻なアイソレーション特性を与えることができる。
【００２１】
上述の場合、入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数が、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれると、局在モードを生じさせる電磁波の周波数をフォトニックバンドギャップの端部から遠ざけて位置させることができるので、安定したアイソレーション特性を与えることができる。
【００２２】
第２の誘電率が第１の誘電率より高く、低誘電率誘電体物質として、第１の物質と同じものが用いられ、高誘電率誘電体物質として、第２の物質と同じものが用いられると、この発明に係る電磁波方向制御素子を作製するために用いられる材料の共通化を図ることができ、それによるコストダウンを期待することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、この発明の一実施形態による電磁波方向制御素子としてのアイソレータ１を説明するためのもので、（ａ）は、アイソレータ１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、アイソレータ１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【００２４】
なお、この出願において、図１（ｂ）のような電磁波伝搬特性を示す図面は、試料を導波管に入れ、この試料を透過する電磁波の減衰量の周波数特性を測定して得られたものであり、実際には、得られた特性を示す曲線に「ゆらぎ」が多数存在しているが、図面作成上の煩雑さを避けるため、各図面では、このような「ゆらぎ」の図示を省略し、より平滑な線を用いて示している。
【００２５】
図１（ａ）を参照して、アイソレータ１は金属ケース３に収容され、アイソレータ１の長手方向の一方端および他方端に、それぞれ、入力端４および出力端５が設けられる。入力端４には電磁波が入力され、アイソレータ１を透過した電磁波は出力端５から出力される。入力端４および出力端５は、たとえば、同軸コネクタまたは光コネクタによって構成される。
【００２６】
アイソレータ１には、入力端４側から出力端５側に向かって、入力側フォトニック結晶部分６と入力側結晶欠陥部分７と中間フォトニック結晶部分８と出力側結晶欠陥部分９と出力側フォトニック結晶部分１０とが順次配置されている。
【００２７】
入力側フォトニック結晶部分６、中間フォトニック結晶部分８および出力側フォトニック結晶部分１０の各々は、第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質から構成される。
【００２８】
また、入力側結晶欠陥部分７は、周期構造を持たず、かつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質から構成され、出力側結晶欠陥部分９は、同じく周期構造を持たないが、第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質から構成される。
【００２９】
上述したフォトニック結晶誘電体複合物質によれば、電磁波の相互干渉を利用して特定の周波数の電磁波を完全に反射することができる。このように完全に反射する電磁波の周波数は一定の帯域を示し、これをフォトニックバンドギャップと呼んでいる。
【００３０】
フォトニック結晶誘電体複合物質のような誘電体の周期構造体に電磁波が入ってくると、電磁波のブラッグ回折が起こり、２種類の定在波が形成される。すなわち、低誘電率領域で振動する定在波と高誘電率領域で振動する定在波とである。そして、前者は、後者に比べてエネルギー値が高くなる。このように２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ーを有する波は、結晶中に存在することができないので、フォトニックバンドギャップが生まれるのである。
【００３１】
フォトニックバンドギャップは、上述のように、ブラッグ回折で生じているため、周期構造の繰り返し周期である格子定数が波長相当であることが必要である。また、誘電率の差が大きいほど、各誘電率領域での振動エネルギーの差が大きく、フォトニックバンドギャップも広がる。そして、前述のように、誘電率が高いほど、振動エネルギーが低くなり、フォトニックバンドギャップの位置は低周波側にシフトする。
【００３２】
種々のフォトニック結晶があるが、３次元的な電磁波を完全に反射するためには、あらゆる方向に対してフォトニックバンドギャップが形成される必要がある。このような要求を満たし得るフォトニック結晶として、たとえばダイヤモンド構造のものがある。ダイヤモンド構造によれば、電磁波の偏光依存性を避けることができる。図１（ａ）等において、フォトニック結晶部分６、８および１０は、各々が有する結晶構造が省略的に図示されていて、その格子点を水玉模様で表すことにより、周期構造を有することを示している。
【００３３】
図１（ａ）に示したアイソレータ１では、入力側フォトニック結晶部分６および出力側フォトニック結晶部分１０の各々の、入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造における２周期分の長さに相当している。中間フォトニック結晶部分８の入力端４側から出力端５側までの長さは、周期構造における１周期分の長さに相当している。
【００３４】
図１（ｂ）において、実線は、入力端４から出力端５への、すなわち順方向の電磁波の透過特性を示し、破線は、出力端５から入力端４への、すなわち逆方向の電磁波の透過特性を示している。なお、図１（ｂ）等の電磁波伝搬特性を示す図において、実線と破線とが互いに近接して図示されているのは、実線と破線とを区別するためのもので、実際には、実線と破線とが実質的に重なり合っていると理解すべきである。
【００３５】
アイソレータ１に導入される電磁波については、図１（ｂ）に示すように、順方向の電磁波に対しても、逆方向の電磁波に対しても、特定の周波数帯域の電磁波は反射され、それによって、フォトニックバンドギャップを形成している。
【００３６】
しかしながら、フォトニック結晶部分６、８および１０において、その周期構造を一部壊すと、より具体的には、周期構造を持たない結晶欠陥部分７および９をフォトニック結晶部分６、８および１０の間に存在させると、順方向の電磁波については、図１（ｂ）において実線で示すように、フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波についてのみ、その透過が許容される。これを局在モードと呼んでいる。
【００３７】
他方、逆方向の電磁波については、局在モードが生じず、図１（ｂ）において破線で示すように、フォトニックバンドギャップ内にある周波数の電磁波は透過されない。
【００３８】
このようにして、アイソレータ１は、アイソレーション特性を与えることができる。以下に、上述のような局在モードによるアイソレーション特性が得られるための条件の詳細およびこのような条件を見出すに至った実験例について説明する。
【００３９】
図２は、実験例１において作製した素子１１を説明するためのもので、（ａ）は、素子１１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子１１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、素子１１は、全体として、フォトニック結晶部分１２から構成される。より詳細には、フォトニック結晶部分１２は、各々の格子定数が１５ｍｍである６セルのフォトニック結晶から構成されている。このフォトニック結晶は、前述したフォトニック結晶部分６、８および１０を構成する、周期構造を持つフォトニック結晶誘電体複合物質と同様のものである。
【００４１】
上述のような素子１１に電磁波を導入すると、フォトニック結晶部分１２の周期構造に対応する周波数の電磁波については反射が起こるため、順方向の電磁波についても、逆方向の電磁波についても、図２（ｂ）に示すように、フォトニックバンドギャップが生じ、約７．５ＧＨｚ〜約１２．５ＧＨｚの周波数帯域の電磁波が遮断される。
【００４２】
なお、図２（ｂ）等の電磁波伝搬特性を示す図において、実線のみが示されているのは、電磁波の伝搬特性が順方向にも逆方向にも同じであることを意味している。
【００４３】
次に、図３および図４は、それぞれ、実験例２および３において作製した素子１５および１６を説明するための図２に対応する図である。
【００４４】
図３および図４に示した素子１５および１６は、図２に示した素子１１と比較して、周期構造を有するフォトニック結晶部分１２の一部に、周期構造を持たない結晶欠陥部分１７および１８がそれぞれ導入されていることを特徴としている。これら欠陥部分１７および１８の各々の入力端側から出力端側までの長さは、格子定数程度の長さすなわち１５ｍｍとされている。
【００４５】
上述のように、結晶欠陥部分１７および１８が導入されると、電磁波は、これら結晶欠陥部分１７および１８において共振により増幅され、共振する特定の周波数の電磁波のみが結晶欠陥部分１７および１８を透過し、電磁波が入力端側から出力端側へと伝搬することが可能となる。
【００４６】
図３（ａ）に示した結晶欠陥部分１７は、誘電率εが５．７と比較的高く、図３（ｂ）に示すように、比較的低周波側の８．７ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。他方、図４（ａ）に示した結晶欠陥部分１８は、誘電率εが３．３と比較的低く、図４（ｂ）に示すように、比較的高周波側の１１．１ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。
【００４７】
なお、このことから、図３および図４にそれぞれ示した結晶欠陥部分１７および１８のように、その入力端側から出力端側までの長さが互いに同じとすれば、誘電率がより高いほど、局在モードがより低周波側に現れ、それゆえ、局在モードのピーク位置は、誘電率を変更することによって調整可能であることがわかる。
【００４８】
図３（ａ）および図４（ａ）等の図面において、素子１５および１６等に重ねて、電磁波の強度分布が太い破線によって示されている。
【００４９】
図３（ａ）に示した電磁波の強度分布は、ピークが比較的高く、裾がフォトニック結晶部分１２に向かって比較的深く広がっている。他方、図４（ａ）に示した電磁波の強度分布は、ピークが比較的低く、フォトニック結晶部分１２に対する裾の広がりが比較的浅い。
【００５０】
図３および図４に示した素子１５および１６は、共に左右対称であるので、順方向の電磁波についても、逆方向の電磁波についても、同様の現象が起こる。したがって、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、素子１５および１６は、波長の選択効果を有するのみで、アイソレータ効果を有していない。
【００５１】
次に、図５は、実験例４において作製した素子２１を説明するための図２に対応する図である。図５において、図３および図４の各々に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５２】
図５（ａ）に示した素子２１は、図３（ａ）に示した素子１５と図４（ａ）に示した素子１６とを結合したものに相当している。したがって、素子１５で起きた現象と素子１６で起きた現象との双方が起きる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、高誘電率の結晶欠陥部分１７による８．７ＧＨｚ付近の局在モードと低誘電率の結晶欠陥部分１８による１１．１ＧＨｚ付近の局在モードとが発生する。しかしながら、順方向と逆方向とでは、透過特性に差は見られない。
【００５３】
次に、図６は、実験例５において作製した素子２４を説明するための図２に対応する図である。図６において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
図６に示した素子２４は、図５に示した素子２１と比較して、２種類の結晶欠陥部分１７および１８の間隔がより近付けられている。すなわち、結晶欠陥部分１７および１８の間に位置するフォトニック結晶部分１２は、図５に示した素子２１では、２周期分の長さ（３０ｍｍ）を有していたが、図６に示した素子２４では、１周期分の長さ（１５ｍｍ）しか有していない。その結果、結晶欠陥部分１７および１８とその中間のフォトニック結晶部分１２とが、全体として、１つの欠陥領域（増幅領域）を構成し、図６（ａ）において太い破線で示すような左右非対称の電磁波の強度分布が現れる。
【００５５】
ここで、順方向の電磁波については、局在モードにある電磁波の強度分布の裾がフォトニック結晶部分１２中に広がるので、局在モードが発生しやすいが、逆方向については、フォトニック結晶部分１２に対する裾の広がりが浅いため、局在モードが発生しにくい。その結果、図６（ｂ）に示すように、順方向の電磁波については、フォトニックバンドギャップのうち特定の周波数の電磁波の透過を許容するが、逆方向の電磁波については、電磁波の透過が生じにくくし、順方向と逆方向との間で差が生じ、ある程度のアイソレーション特性が得られている。
【００５６】
図５と図６とを比較すればわかるように、２種類の結晶欠陥部分１７および１８間の間隔の大きさに応じて、結晶欠陥部分１７によって得られる局在モードと結晶欠陥部分１８によって得られる局在モードとが２つの独立したモードに分かれるか（図５）、１つのモードに結合するか（図６）が決まる。そして、図６（ａ）の破線で示すように、上記２つの局在モードが１つのモードに結合し、電磁波の強度分布が左右非対称になった場合は、裾の広がり方に違いが出るため、非可逆特性すなわちアイソレーション特性が得られる。
【００５７】
次に、図７および図８は、それぞれ、実験例６および７において作製した素子２７および２８を説明するための図２に対応する図である。図７および図８において、前述の図３および図４に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
前述したように、図３に示した高誘電率の結晶欠陥部分１７を有する素子１５では、比較的低周波側の８．７ＧＨｚ付近に局在モードが発生し、他方、図４に示した低誘電率の結晶欠陥部分１８を有する素子１６では、比較的高周波側の１１．１ＧＨｚ付近に局在モードが発生している。これに対して、図７および図８にそれぞれ示した素子２７および２８では、互いにほぼ等しい周波数において局在モードが生じるように設計されている。
【００５９】
すなわち、図７に示した素子２７では、誘電率εが５．７と比較的高い結晶欠陥部分１７の、入力端側から出力端側までの長さ（Ｌ）を、図７（ａ）に示すように、１３ｍｍにして、局在モードの波長（λ）を、λ＝Ｌ×ε1/2 ＝３１．１［ｍｍ］となるように設計している。
【００６０】
他方、図８に示した素子２８では、誘電率εが３．３と比較的低い結晶欠陥部分１８の、入力端側から出力端側までの長さ（Ｌ）を、図８（ａ）に示すように、１７ｍｍにして、局在モードの波長（λ）を、λ＝Ｌ×ε1/2 ＝３０．８［ｍｍ］となるように設計している。
【００６１】
その結果、素子２７では、図７（ｂ）に示すように、９．７ＧＨｚ付近に局在モードが形成され、他方、素子２８では、図８（ｂ）に示すように、同じく９．７ＧＨｚ付近に局在モードが形成されている。また、これら局在モードを生じさせている９．７ＧＨｚ付近の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるようにも選ばれている。
【００６２】
次に、図９は、実験例８において作製した素子３１を図解的に示す正面図である。図９において、前述した図６に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
図９に示した素子３１では、図６に示した素子２４の場合と同様、２種類の結晶欠陥部分１７および１８の間に位置するフォトニック結晶部分１２が、１周期分の長さすなわち１５ｍｍの長さを有している。その結果、図６に示した素子２４の場合と同様、結晶欠陥部分１７および１８とその中間のフォトニック結晶部分１２とが、全体として、１つの欠陥領域（増幅領域）を構成し、図９において太い破線で示すような左右非対称の電磁波の強度分布が現れる。
【００６４】
図９に示した素子３１は、前述の図１（ａ）に示したアイソレータ１と実質的に同様のものである。したがって、図１（ｂ）に示した電磁波の伝搬特性は、図９の素子３１が与える電磁波の伝搬特性を示していることになる。
【００６５】
図９に示した素子３１の構成要素となる、図７に示した素子２７および図８に示した素子２８に関して、図７の結晶欠陥部分１７が順方向の電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数と図８の結晶欠陥部分１８が順方向の電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とは、双方とも、９．７ＧＨｚ付近というように、互いにほぼ等しくされているので、これら素子２７および２８が組み合わされた素子３１においては、急峻なアイソレーション特性を与えることができる。また、上述の９．７ＧＨｚ付近の周波数は、フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数であるので、アイソレーション特性を安定したものとすることができる。
【００６６】
次に、図１に示したアイソレータ１の好ましい製造方法について説明する。
【００６７】
図１０は、フォトニック結晶部分６、８および１０を構成するフォトニック結晶誘電体複合物質のうち、第１の誘電率（たとえば、ε＝３．３）を有する第１の誘電体物質を造形するために用いられる光造形装置４１を図解的に示す正面図である。なお、光造形装置４１によって造形される第１の誘電体物質中には、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率（たとえば、ε＝５．７）を有する第２の誘電体物質を周期的に配列した状態とするための空洞が形成される。
【００６８】
図１０を参照して、光造形装置４１は、未硬化の光硬化性樹脂材料４２を収容する樹脂材料槽４３を備えている。樹脂材料槽４３内には、その上で上述の第１の誘電体物質４４を造形するためのテーブル４５が配置される。テーブル４５は、矢印４５で示すように、所定高さ分毎に徐々に低くされるように駆動される。
【００６９】
テーブル４５の上方には、レーザ光源４７からのレーザ光４８を反射させて、これを光硬化性樹脂材料４２の液面４９に向けるための走査ミラー５０が設けられる。走査ミラー５０は、所定のデータに従って角度が変更可能なように構成され、それによって、レーザ光４８は、両方向矢印５１で示すように、液面４９に沿って走査される。光硬化性樹脂材料４２は、レーザ光４８が走査された部分において硬化する。
【００７０】
テーブル４５と液面４９との間に、たとえば１００μｍといった所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂材料４２が供給されるように、テーブル４５が位置される。次いで、スキージ（図示せず。）によって、その液面４９が調整される。このとき、光硬化性樹脂材料４２の余剰分が樹脂材料槽４３に回収される。
【００７１】
上述の状態で、得ようとする第１の誘電体物質４４の形状に応じたデータに従ってレーザ光４８が走査される。これによって、光硬化性樹脂材料４２は、レーザ光４８が照射された部分において硬化し、硬化樹脂層５２が形成される。
【００７２】
次に、硬化された硬化樹脂層５２と液面４９との間に所定の厚み分の光硬化性樹脂材料４２が再び供給されるように、テーブル４５が矢印４６方向へ移動され、再び、レーザ光４８が所定のデータに従って走査される。これによって、硬化された光硬化性樹脂材料４２からなる次の硬化樹脂層５２が形成される。
【００７３】
上述のようなレーザ光４８の照射による硬化樹脂層５２の形成と、テーブル４５の下方への移動とは繰り返される。これによって、硬化された光硬化性樹脂材料４２からなる複数の硬化樹脂層５２を積層した構造を有する、３次元造形体としての第１の誘電体物質４４が得られる。
【００７４】
上述の第１の誘電体物質４４は、たとえば３．３の誘電率を有し、第２の誘電体物質で充填されるべき空洞を、格子定数１５ｍｍをもって周期的に配列させている。
【００７５】
他方、たとえば、平均粒径５μｍの酸化チタン粉末を３０体積％の割合で混合した２液性ポリエステル樹脂からなる、誘電率がたとえば５．７の第２の誘電体物質となるべき無機粉末含有樹脂材料が用意される。
【００７６】
次に、前述した３次元造形体としての第１の誘電体物質４４が真空脱泡され、次いで、その空洞が上述の無機粉末含有樹脂材料によって充填され、その後、たとえば１２０℃の温度で３０分間熱処理される。
【００７７】
これによって、格子定数が１５ｍｍであり、誘電率が３．３の第１の誘電体物質４４中に、誘電率が５．７の第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、１セル（１５ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍ）のフォトニック結晶誘電体複合物質ブロックが得られる。
【００７８】
他方、上述した無機粉末含有樹脂材料を型に入れて加熱硬化させることにより、誘電率が５．７であって、１３ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍの入力側結晶欠陥部分７となる高誘電率誘電体物質ブロックが作製される。
【００７９】
また、前述した光硬化性樹脂材料４２に光造形法を適用して、誘電率が３．３であって、１７ｍｍ×３５ｍｍ×１６ｍｍの出力側結晶欠陥部分９となる低誘電率誘電体物質ブロックが作製される。
【００８０】
次に、図１（ａ）に示した入力側フォトニック結晶部分６、中間フォトニック結晶部分８および出力側フォトニック結晶部分１０が、上述したフォトニック結晶誘電体複合物質ブロックによって構成され、入力側結晶欠陥部分７が高誘電率誘電体物質ブロックから構成され、出力側結晶欠陥部分９が低誘電率誘電体物質から構成されるように、所定のブロックを所定の順序で接着剤にて接合すれば、アイソレータ１が得られる。
【００８１】
なお、上述のように、接着剤により接合される場合などのように、各ブロック間に間隙が形成される場合、このような間隙が電磁波に実質的な影響を及ぼさないようにするには、アイソレータ１が適用される周波数帯域の電磁波の波長の１０分の１以下の間隙とすることが好ましい。
【００８２】
また、上述の製造方法では、予め形成された各ブロックを後で接合するようにしたが、入力側フォトニック結晶部分６、入力側結晶欠陥部分７、中間フォトニック結晶部分８、出力側結晶欠陥部分９および出力側フォトニック結晶部分１０を、連続的な成形方法によって形成するようにしてもよい。
【００８３】
また、周期的な空洞を有する第１の誘電体物質４４を、光造形装置４１によって製造する途中において、空洞となる凹部内に、高誘電率誘電体物質を埋め込むようにしてもよい。
【００８４】
さらに、フォトニック結晶部分を備えるアイソレータの製造方法には、上に例示した方法に限らず、その他、種々の方法を適用することができる。
【００８５】
図１１は、図１に示したアイソレータ１の用途の一例としての携帯電話端末機のフロントエンドの構成を示すブロック図である。
【００８６】
携帯電話等の通信機器において、アンテナの送受信共用が行なわれている。送信波をアンテナから放出し、受信波を受信し受信回路に導くために、図１１のような回路が用いられている。
【００８７】
図１１を参照して、アンテナ５３によって受信された受信波５４は、アンテナ共用器５５を経て、受信用パワーアンプ５６に導かれ、ここで増幅される。
【００８８】
他方、送信波５７は、自動利得調整器（ＡＰＣ）５８で調整されながら送信用パワーアンプ５９で増幅され、カプラ６０を経て、アンテナ共用器５５に導かれ、アンテナ５３から放出される。
【００８９】
上述のような回路において、アイソレータ１は、送信側パワーアンプ５９とアンテナ共用器５５との間に挿入され、送信用パワーアンプ５９からアンテナ共用器５５に向く方向にしか電磁波を通過させないようにされる。このアイソレータ１は、図１１に示した回路において、次のように作用する。
【００９０】
アンテナ共用器５５に、直接、送信回路を結合すると、アンテナ５３の部分で反射した送信波５７の一部の信号が逆流して、送信用パワーアンプ５９を破壊する可能性があるが、アイソレータ１は、このような破壊から保護するように作用する。また、インピーダンス変化の大きいアンテナ５３と送信用パワーアンプ５９とを分離し、特にＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）方式などの広い電力レベル範囲で安定した線形動作が確保できるように、アイソレータ１は作用する。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の一実施形態による電磁波方向制御素子としてのアイソレータ１を説明するためのもので、（ａ）は、アイソレータ１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、アイソレータ１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【図２】図１に示したアイソレータ１が有するアイソレーション特性が得られるための条件を見出すに至った実験例１において作製した素子１１を説明するためのもので、（ａ）は、素子１１を図解的に示す正面図であり、（ｂ）は、素子１１が与える電磁波伝搬特性を示す図である。
【図３】同じく実験例２において作製した素子１５を説明するための図２に対応する図である。
【図４】同じく実験例３において作製した素子１６を説明するための図２に対応する図である。
【図５】同じく実験例４において作製した素子２１を説明するための図２に対応する図である。
【図６】同じく実験例５において作製した素子２４を説明するための図２に対応する図である。
【図７】同じく実験例６において作製した素子２７を説明するための図２に対応する図である。
【図８】同じく実験例７において作製した素子２８を説明するための図２に対応する図である。
【図９】同じく実験例８において作製した素子３１を図解的に示す正面図である。
【図１０】図１に示したアイソレータ１を製造するために用いられる光造形装置４１を図解的に示す正面図である。
【図１１】図１に示したアイソレータ１の用途の一例となる携帯電話端末機のフロントエンドの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
１ アイソレータ
４ 入力端
５ 出力端
６ 入力側フォトニック結晶部分
７ 入力側結晶欠陥部分
８ 中間フォトニック結晶部分
９ 出力側結晶欠陥部分
１０ 出力側フォトニック結晶部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、前記第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質と、周期構造を持たずかつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質と、周期構造を持たずかつ前記第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質とを用いて構成されるものであって、
電磁波の入力端側から出力端側に向かって、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分と、前記高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分と、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分と、前記低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分と、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分とが順次配置されている、
電磁波方向制御素子。
【請求項２】
前記入力側フォトニック結晶部分と前記中間フォトニック結晶部分と前記出力側フォトニック結晶部分とは、特定の周波数帯域の電磁波を反射するフォトニックバンドギャップを有し、前記入力側結晶欠陥部分と前記中間フォトニック結晶部分と前記出力側結晶欠陥部分とは、全体として、入力端側からの電磁波に対しては、前記フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の透過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対しては、前記局在モードを生じさせないように構成されていて、それによって、アイソレーション特性が与えられている、請求項１に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項３】
前記中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前記周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当する、請求項２に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項４】
前記中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前記周期構造におけるほぼ１周期分の長さに相当する、請求項３に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項５】
前記入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、前記出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とほぼ等しくされている、請求項２ないし４のいずれかに記載の電磁波方向制御素子。
【請求項６】
前記入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、前記フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれる、請求項５に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項７】
前記第２の誘電率は前記第１の誘電率より高く、前記低誘電率誘電体物質としては、前記第１の物質と同じものが用いられ、前記高誘電率誘電体物質としては、前記第２の物質と同じものが用いられる、請求項１ないし６のいずれかに記載の電磁波方向制御素子。
【請求項１】
第１の誘電率を有する第１の誘電体物質中に、前記第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する第２の誘電体物質が周期的に配列されている、そのような周期構造を有する、フォトニック結晶誘電体複合物質と、周期構造を持たずかつ第３の誘電率を有する、高誘電率誘電体物質と、周期構造を持たずかつ前記第３の誘電率より低い第４の誘電率を有する、低誘電率誘電体物質とを用いて構成されるものであって、
電磁波の入力端側から出力端側に向かって、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる入力側フォトニック結晶部分と、前記高誘電率誘電体物質からなる入力側結晶欠陥部分と、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる中間フォトニック結晶部分と、前記低誘電率誘電体物質からなる出力側結晶欠陥部分と、前記フォトニック結晶誘電体複合物質からなる出力側フォトニック結晶部分とが順次配置されている、
電磁波方向制御素子。
【請求項２】
前記入力側フォトニック結晶部分と前記中間フォトニック結晶部分と前記出力側フォトニック結晶部分とは、特定の周波数帯域の電磁波を反射するフォトニックバンドギャップを有し、前記入力側結晶欠陥部分と前記中間フォトニック結晶部分と前記出力側結晶欠陥部分とは、全体として、入力端側からの電磁波に対しては、前記フォトニックバンドギャップのうちの特定の周波数の電磁波の透過を局在により許容する局在モードを生じさせるが、出力端側からの電磁波に対しては、前記局在モードを生じさせないように構成されていて、それによって、アイソレーション特性が与えられている、請求項１に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項３】
前記中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前記周期構造における１周期以上かつ２周期未満分の長さに相当する、請求項２に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項４】
前記中間フォトニック結晶部分の、入力端側から出力端側までの長さは、前記周期構造におけるほぼ１周期分の長さに相当する、請求項３に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項５】
前記入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、前記出力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数とほぼ等しくされている、請求項２ないし４のいずれかに記載の電磁波方向制御素子。
【請求項６】
前記入力側結晶欠陥部分が入力端側からの電磁波に対して局在モードを生じさせる電磁波の周波数は、前記フォトニックバンドギャップにおけるほぼ中心周波数となるように選ばれる、請求項５に記載の電磁波方向制御素子。
【請求項７】
前記第２の誘電率は前記第１の誘電率より高く、前記低誘電率誘電体物質としては、前記第１の物質と同じものが用いられ、前記高誘電率誘電体物質としては、前記第２の物質と同じものが用いられる、請求項１ないし６のいずれかに記載の電磁波方向制御素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１４５７２６（Ｐ２００６−１４５７２６Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３４２３７（Ｐ２００４−３３４２３７）
【出願日】平成１６年１１月１８日（２００４．１１．１８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１８日（２００４．１１．１８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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