KR100405581B1 - 광학 소자의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

Abstract

여러 굴절률을 갖는 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 광자 결정체를 포함하는 광학 소자를 제조하는 방법으로서, 굴절률이 조사된 광의 강도 또는 상기 광 조사 후에 실행되는 미리 정해진 처리에 의해 변화되는 광학 매질을, 인가된 광의 강도에 따라서 광의 강도가 광의 파장의 정도의 주기로 공간적으로 변하는 필드에 노출하여, 임의의 시간 동안 상기 광학 매질을 고정하는 단계와, 상기 광학 매질을 이동시켜 상기 광의 파장 정도의 주기로 광의 강도가 공간 내에서 변하는 다른 필드를 생성하는 단계를 적어도 한번 반복하는 단계를 포함한다. 또한, 외장에 의해 굴절률이 변하는 복수의 광학 매질을 이용하여, 이들 광학 매질 중에서 특정한 두 개의 매질의 굴절률은 특정한 외장 조건 하에서 동일하거나 거의 동일하게 된다. 원하는 결정 구조, 격자점의 형상 및 주기에 대해 이들 두 조건 하에서 광이 감지하는 분포 패턴을 반사시켜, 외장 조건을 전환하여 두 개의 여러 광 구조들 사이에서 동적으로 전환시킬 수 있는 광학 소자 및 광학 디멀티플렉서를 제공할 수 있다.

Description

광학 소자의 제조 방법 및 제조 장치{PROCESS AND DEVICE FOR PRODUCING OPTICAL ELEMENT}

본 발명은 광 밴드 구조를 갖는 광학 소자, 특히 원하는 결정 구조를 갖는삼차원의 광자 결정체(photonic crystal)를 포함하는 광학 소자를 용이하게 단시간 내에 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 또한 이 방법 및 장치를 이용하여 제조되는 광학 소자에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광학 소자 및 광학 디멀티플렉서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광자 결정체에서 광과 같은 외부 필드와 전계를 전환하여 광 밴드 구조를 변화시킴으로써 광 전환 기능을 실현하는 능동 광학 소자 및 광학 디멀티플렉서에 관한 것이다.

여러 굴절률을 갖는 두 유형의 광학 매질이 광의 파장 정도(wavelength order)로 주기적으로 배열되어 있는 소위 "광자 결정체"의 구조에서, 광의 웨이브 수와 주파수 사이의 관계는, 예를 들어 광자 에너지가 관계가 굴절률의 주기적 변경으로 인한 밴드 구조를 갖는 것을 나타낸다. 이 현상은 반도체의 전자 에너지가 주기적 전위의 밴드 구조를 나타내는 현상과 유사하다.

광자 결정체는 광이 어느 방향으로도 전송하지 않는 소위 "광-밴드갭" (E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 59(20), 2059(1987))이 나타나도록 할 수 있으며 광학적 이방성 및 분포성이 매우 높기 때문에 이러한 광학적 성질에 특성이 있다. 따라서, 이런 성질을 이용하여, 자연광의 제어 및 코너에서 매우 작은 굴곡 반경을 갖는 광학 도파로, 편광기 및 광학 디멀티플렉서가 제안되어 왔으며, 각종 분야로의 응용이 기대되고 있다.

그러나, 이제까지는, 광학 소자의 어플리케이션에 적합한 결정 구조의 형태로, 굴절률들이 광의 파장 정도로 주기적 구조물을 갖는 광자 결정체, 특히 삼차원의 광자 결정체를 제조하기 위한 효율적인 공정이 가능하지가 않았다. 이것은 광자 결정체 및 이를 이용한 광학 소자의 상용화를 방해하는 요인이 되었다.

상기 문제를 해결하기 위해서, 광의 파장 정도로 광자 결정체를 제조하는 것에 대해 몇 가지의 보고가 있었다. 이들 중에 대표적인 것이 다음의 세 공정이다.

(1) 실리콘 산화물 미세 입자를 함유하는 콜로이드 용액으로부터 솔벤트를 제거하여 실리콘 산화물 미세 입자를 결정화함으로써 광자 결정체를 제조하는 공정. 이 공정은 실리콘 산화물 미세 입자의 자기 배열(self-arrangement)을 이용하고, 제조된 광자 결정체는 "오팔 타입"이라고 부른다. 이 공정에 의해서, 높은 반복 주파수를 갖는 결정을 상대적으로 용이하게 제조할 수 있다 (H. Miguez 등, appl. Phys. Lett 71(9), 1148(1997)). 그러나, 이 공정에서는, 실리콘 산화물 미세 입자가 효율적인 재생성과 높은 신뢰도를 갖고 배열되지 않기 때문에, 결정 구조를 자유롭게 선택할 수 없다.

(2) 우드-파일 공정 (S. Noda 등, Jpn. J. Appl. Phys., 35, L909(1996)). 이 공정에서는, 반도체 미세 가공 기술을 이용하여, 복수로 배열된 장방형 팀버를 포함하는 구조가 두 개의 기판 각각 위에 형성되며, 이들 기판은 한 기판 상에 장방형 팀버가 다른 기판 상의 장방형 팀버와 직각으로 대면하도록 하여 서로 접촉되고, 기판들 중 하나가 에칭에 의해 제거되어 두 층의 "장방형 팀버"를 포함하는 구조를 형성한다. 유사하게, 표면 상에 배열된 "장방형 팀버"를 갖는 기판이 가공되고, 장방형 팀버의 한 층이 정확한 연마와 에칭으로 반복적 본딩에 의해 적층된다. 모든 방향으로 광 밴드갭을 개방시키는 다이아몬드 구조가 이 공정에 의해 형성될 수 있다는 것이 판명되었다. 그러나, 이 공정은 복잡하며 시간을 소비하는 미세 가공 공정을 필요로 하며, 실제 형성될 수 있는 반복 주기수에 제한이 있다.

(3) "자동 클로닝" 공정이라 불리는 공정 (Kawakami 등, 일본 특허 출원 공개 번호 335758/1998). 이 공정에서는, 2차원의 주기적 볼록-오목 패턴이 리소그래피에 의해 석영이나 반도체로 제조되는 기판 상에 형성되고, 다수의 박막이 그 위에 적층되는 한편 아래 놓이는 볼록-오목 패턴이 바이어스 스퍼터링에 의해 생성된다. 따라서, 삼차원의 주기적 구조물이, 볼록-오목 패턴이 초기에 새겨져 있는 기판의 내부 표면 방향과 이 표면에 수직인 적층 방향에 형성되어 있다. 이 공정은 오팔 타입의 광자 결정체를 제조하는 공정 보다 신뢰성 및 생산성 면에서 더욱 우수하며, 우드-파일 공정에서와 같이 복잡하며 시간 소비가 많은 미세 가공 공정을 필요로 하지 않는다. 따라서, 이 공정은 적층 방향으로 비교적 다수의 주기를 갖는 광자 결정체를 제조할 수 있다. 그러나, 이 공정에서는 오목부가 아래 놓인 층의 패턴의 오목부 위에 오고 볼록부가 아래 놓인 층의 패턴의 볼록 부위에 오는 것이 불가피하기 때문에, 이 공정은 결정 구조의 특정 유형만을 실현할 수 있고, 임의 유형의 결정 구조를 얻는 것이 불가능하다. 사실상, 모든 방향에서 개방된 정확한 밴드갭을 갖는 광자 결정체를 이 공정으로는 형성할 수가 없다.

상기 세 개의 공정 이외에, 광의 간섭 패턴을 이용하여 광자 결정체를 제조하기 위한 공정이 제안되고 있다 (Tsunetomo, Koyama, 일본 특허 출원 공개 번호 68807/1998). 이 공정에서는, 막 상에 간섭 패턴을 베이킹하도록 일차원적으로 적층된 다수의 박막에 레이저빔이 조사되며, 광자 결정체를 형성하도록 광의 강도가 높은 부분에 발생하는 용융, 증발 및 마찰을 이용하여 주기적 새김(incision)이 다층막의 표면 상에 수직 방향으로 만들어진다. 이 공정은 주기적 구조물이 레이저의 간섭 패턴을 이용하여 형성될 때에 다수의 주기를 한 번에 형성할 수 있기 때문에 효율적인 공정이라고 생각된다. 그러나, 이 공정 또한 형성할 수 있는 결정 구조의 유형에만 제한된다는 단점이 있다.

상술한 바와 같이, 실리콘 산화물 미세 입자의 자기 배열을 이용하는 종래의 방법은 신뢰성 및 재생성과 관련하여 문제점을 갖고 있다. 반면, 다른 공정은 광자 결정체의 주기를 형성하기 위해 각 층이 높은 정밀도로 적층될 것을 필요로 하기 때문에, 광자 결정체의 형성시 이들이 연속되더라도, 긴 시간이 걸리고 반복 주기 회수가 제한되어, 원하는 결정 구조를 자유로이 형성할 수가 없다.

반면, 이러한 광자 결정체의 어플리케이션도 또한 이제까지 제한되어 왔다.

즉, 이하에서 설명하는 세 가지 예를 제외하고, 광자 결정체는 "수동 소자"로서 종래 이용되어왔으며, "능동 소자"로서의 이용은 거의 제안되지 않았다. 다시 말해, 종래 제안된 광자 결정체의 대부분은 공간 내에 고정된 굴절률 분포에 의해 이들의 광학 성질이 결정된다. 따라서, 광학 디멀티플렉서에서는, 예를 들어, 특정 방향으로 전송되는 광의 파장(주파수)이 고정되고, 특정 방향으로 유도되는 광의 주파수가 전환될 수가 없다. 또한 광의 방향을 도파로에 위치된 분기의 일 방향으로부터 다른 방향으로 동적 전환하는 것은 불가능하다.

스위칭 기능을 갖는 "능동 소자"로서 광자 결정체를 이용하는 세 개의 제안은 다음과 같다.

(4) 이 제안들 중 하나는 그것의 주기성을 분포시키고 밴드 구조를 파괴시키기 위한 초음파 생성기나 온도 조절기가 설비되어 있는 광자 결정체를 이용한다. 이런 장치의 설비에 의해 광의 지연 유닛으로 이용되는 광자 결정체의 지연 효과를 출현 또는 소멸시키도록 한다 (Miyakodori 등, 일본 특허 출원 공개 번호 83005/1998).

(5) 다른 제안은 다른 격자와 대향하는 표면 상에 형성된 금속 막을 갖는 회절 격자들 사이에 전기 광학 재료가 끼워져 있는 일차원 광자 결정체를 이용하는 것이다. 금속막 사이에 전압을 인가함으로써, 전기 광학 재료의 굴절률이 변경되고 일차원 방향으로의 밴드갭의 위치가 변경되고, 이로 인해 밴드 종단 근처의 파장을 갖는 광의 전송이 온/오프가 될 수 있다 (Miyakodori 등, 일본 특허 출원 공개 번호 83005/1998).

(6) 제3의 제안으로는, 구성 성분으로 반도체를 포함하는 광자 결정체가 원형으로 편광된 광과 함께 제어광으로서 조사되어 광자 결정체 재료에서 스핀의 분포를 변경하고, 이로 인해 광 밴드 구조가 변경되고, 그 결과, 광자 결정체를 전송하는 광의 전환이 성취된다 (Takeuchi, Hishikawa, 일본 특허 출원 공개 번호 90634/1998).

그러나, 상기 세 개의 제안들은 다음의 점에 비추어 해결되어야 하는 문제점들을 안고 있다.

즉, 상기 제안 (4)는 광자 결정체로서의 기능의 출현과 소멸 사이에서 단순히 스위칭만 할 뿐, 광자 결정체으로의 기능이 출현하는 방식을 능동적으로 변경시키지는 않는다. 따라서, 광 디멀티플렉서에서의 방향이나 광 도파로에서의 분기를 제어하는 데에 사용될 수가 없다.

상기 제안 (5)는 구조로 인해 일차원의 광자 결정체에만 적용할 수 있을 뿐, 높은 분포율과 우수한 파장을 갖는 이차원이나 삼차원의 광자 결정체에는 적용할 수가 없다.

상기 제안 (6)은 광자 결정체를 구성하는 광학 매질의 복합 굴절률을 변경함으로써 밴드 구조를 변경시키고, 광자 결정체의 주기성 및 대칭성은 변경하지 못한다. 따라서, 큰 밴드 구조의 변경을 유도할 수 없다.

상술한 바와 같이, 종래의 광자 결정체는 능동 기능이 부여되어도, 광자 결정체으로서의 기능 자체가 스위칭 가능한 광자 결정체의 차수내에서 나타나거나 사라지는지 여부를 선택하는 작용 및 특정 제어 가능한 범위로 제한된다. 두 경우, 종래 기술은 그 분포를 변경하지 않고 여러 유형의 광학 재료의 굴절률만을 변경하는 공정을 이용하고, 결정 구조 및 광자 결정체의 주기성을 스위칭하지 못하며, 광 밴드의 구조를 자유롭게 그리고 동적으로 변경하지 못한다.

반면, 주기성이 불규칙한 광자 결정체의 스폿이 일차원적으로 연속될 때, 광자 결정체에서 밴드갭이 발생하는 경우, 오직 이들 스폿 내에서만 광이 트랩되고, 이로 인해 종래에는 달성되지 않았던 예리한 밴딩을 견딜 수 있는 미세한 광 도파로를 형성하게 된다 (Attila Mekis 등, Phys. Rev. Lett. 77, 3787(1996)). 분기가 이러한 미세한 광학 도파로 내에 위치되어 그 파장에 따라서 광의 방향을 전환하도록 하는 경우, 도파로 자체는 광학 디멀티플렉서로서 기능하게 되고, 이로 인해 광통신 및 광학 회로의 일체화 및 그 제조 공정의 간략화에 있어서 매우 유용한 광학적 기능 소자를 형성할 수가 있다.

그러나, 상기 종래 기술에서는, 도파로 내의 광의 어느 파장에 대해서도, 광자 결정체의 동일한 스폿은 항상 비규칙적인 주기성을 나타내는데, 즉 이들은 도파로로서 기능하게 된다. 따라서, 광자 결정체에서의 상술된 미세 도파로 자체를 파장에 따라서 기능하는 광학 디멀티플렉서로서 이용하는 것이 불가능하게 된다.

상술된 바와 같이, 종래에는, 여러 굴절률을 갖는 이들 스폿의 위치, 즉 굴절률의 공간 변경 패턴은 공간 내에 고정되어 있고, 따라서 밴드 구조에서 변경의 범위에의 제한이 있었다. 그 결과, 광자 결정체의 능동적 이용을 위해 밴드 구조를 자유롭고, 효율적으로 그리고 동적으로 변경하는 것이 불가능하였다.

즉, 능동적 광자 결정체를 이용하는 광학 소자를 얻기위한 기술은 이제까지는 알려져 있지 않았다. 또한, 광자 결정체 내의 미세 파장 자체를 광학 디멀티플렉서로서 이용하는 기술 또한 이제까지 알려져 있지 않았다.

본 발명의 제1 목적은 어느 결정 구조의 형태라도 광의 파장 정도의 주기를 갖는 삼차원 광자 결정체를 종래의 공정에서와 같은 정밀도로 "결정"층을 적층하는 단계를 거치지 않고 용이하고 단시간 내에 제조할 수 있는 새로운 공정 및 새로운 제조 장치; 및 이 공정 및 장치에 의해 제조된 광학 소자를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제2 목적은 광자 결정체의 밴드 구조를 자유롭게, 동적으로 제어할 수 있는 새로운 광학 소자, 특히 광자 결정체의 밴드 구조를 복합 굴절률의 분포 패턴이나 주기성 자체를 변화시켜 제어할 수 있는 광학 소자; 및 광자 결정체에서의 도파로를 이용하는 새로운 광학 디멀티플렉서를 제공하는 데에 있다.

무엇보다도, 본 발명의 광학 소자의 제조 방법은, 여러 굴절률을 갖는 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 광자 결정체를 포함하는 광학 소자의 제조 방법으로, 광의 조사에 의해서나, 광의 강도가 공간 내에서 광의 파장 정도의 주기로 변하는 필드에서 인가된 광의 강도에 따라서 광의 조사 후에 미리 정해진 처리를 실행하는 것에 의해서 굴절률이 변하는 광학 매질을 위치 결정하고 그 매질을 임의의 시간 동안 유지하는 단계; 및 상기 광학 매질의 위치를 변경하여 이 매질에 대해 작용하는 상기 필드를 다시 갖는 단계를 적어도 한번 반복하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 사용되는 광학 매질에서와 같이, 광의 조사 후 임의의 시간 동안 매질을 무시하거나, 이 매질을 열 처리, 전자기파나 미립자 방사물의 조사나, 광의 조사 후에 화학 처리되게 함으로써, 인가된 광의 강도에 따라서 굴절률이 변하는 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 공정에서는, 광의 강도가 공간 내에서 광의 파장 정도의 주기로 변하는 광학 필드가 예를 들면 레이저빔의 간섭에 의해 생성되게 된다. 광학 매질의 위치를 광의 파장 정도의 미세한 거리만큼 이동시키기 위해서, x, y 및 z의 세 방향으로 광학 매질을 이동시킬 수 있는 압전 소자 결합 스테이지가 사용된다.

본 발명의 광학 소자의 제조 장치는 광 강도가 광의 파장 정도의 주기로 공간 내에서 변하는 광학 필드를 생성하는 광학 시스템, 및 광 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드에 인가된 광의 강도에 따라서 굴절률이 변하는 광학 매질을 고정하여 광학 매질을 필드 내의 광의 파장 정도의 미세 거리 이동시킬 수 있는 가동 스테이지를 포함한다.

본 발명의 광학 소자의 제조 장치는 또한 제조된 광학 소자를 평가하기 위한 광원과 검출기를 포함한다.

상기 공정과 상기 장치에 의해 제조된 본 발명의 광학 소자는 여러 굴절률을 갖는 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 광자 결정체를 포함하는 광학 소자이며, 광자 결정체를 구성하는 특정의 굴절률을 갖는 스폿은 원하는 결정 구조의 격자점에 위치되어 있으며; 각 격자점에 위치된 광학 매질의 굴절률 분포는 세 개의 다른 축 방향으로 돌출부 또는 벌지를 갖는 형상으로 되어 있으며; 결정 구조는 단순한 격자가 아니거나 결정 구조는 각 격자점에 위치된 광학 매질의 굴절률 분포의 형상은 등방성이 아니고; 단순한 격자를 함께 형성하는 격자점에 위치된 광학 매질의 굴절률 분포는 동일한 형상 및 방향을 갖는다.

반면, 본 발명의 광학 소자는 제2 광학 소자 및 제3 광학 매질이 경사광의 파장 정도의 간격으로 주기적으로 배열되는 제1 광학 매질을 포함하는 구조를 갖는다. 광학 소자에서는, 제1 내지 제3, 즉 제1, 제2 및 제3 광학 매질의 굴절률 사이의 상대적 관계는 상기 구조에 인가된 외부 자계 조건을 변경하여 변경되게 되고, 이로 인해 상기 구조에 형성된 굴절률의 공간 분포의 주기성이 변경되게 된다.

여기에서 사용되는 용어 "광의 파장 정도"는 광의 파장과 거의 동일한 정도의 간격을 나타낸다. 이 간격은 파장의 적어도 몇십배 또는 많아야 십분의 몇정도로 예시화되는 바와 같이, 광의 파장과 다르지가 않다.

상기 구성을 더욱 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명의 광학 소자는 적어도 세 종류의 광학 매질이 주기적으로 배열되어 있는 일차원, 이차원 또는 삼차원 구조물을 갖는다. 적어도 두 개의 광학 매질의 굴절률이 경사광의 주파수와 서로 다르도록 광학 재료, 온도 및 외장 조건이 선택되어야 한다. 전계, 자계 또는 압력의 인가 또는 구조로의 광의 조사에 의해, 또는 구조에 인가되는 전계, 자계 또는 압력의 변화에 의해, 인가된 광의 강도나 파장의 변화 또는 구조의 온도의 변화에 의해, 구조물에 입력된 광의 주파수의 최대 굴절률차 변경을 갖는 광학 매질의 조합, 또는 현존하는 스폿과 다른 굴절률을 갖는 새로운 스폿이 주기적으로 나타나는데, 즉 새로운 주기적 구조물이 변경 후에 형성되거나, 구조에서 발생하는 매질의 굴절률의 주기적 피크의 상대적인 비가 변경되므로, 새로운 밴드 구조가 경사광과 결합된 파장 범위에 나타나게 된다.

광학 소자의 이용 형태로서, 광학 소자의 구조에서는, 제1 광학 매질의 굴절률과 제3 광학 매질의 굴절률이 실질적으로 동일하고 제1 광학 매질의 굴절률과 제2 광학 매질의 굴절률이 제1 외장 조건 하에서 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 다르기 때문에, 임의의 파장을 갖는 광은 제2 광학 매질의 주기적 배열로 변조되는 반면, 제1 광학 매질의 굴절률과 제2 광학 매질의 굴절률은 동일하고 제1 광학 매질의 굴절률과 제3 광학 매질의 굴절률이 제1 외장 조건과 다른 제2 외장 조건 하에서 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 다르기 때문에, 임의의 파장을 갖는 광이 제3 광학 매질의 주기적 배열에 의해 변조되게 된다.

이를 더욱 상세하게 설명하기 위해서, 주기적 구조물을 갖는 구조물이 각각 제1 광학 매질, 제2 광학 매질 및 제3 광학 매질로 정의되며 굴절률이 각각 제1 굴절률, 제2 굴절률 및 제3 굴절률로 정의되는 세 유형의 광학 매질로 구성되어 있으면, 이 구조물의 제1, 제2 및 제3 광학 매질 각각의 분포는 주기적 구조를 갖게 된다. 상기 구조에서, 제1 광학 매질의 굴절률과 제3 광학 매질의 굴절률이 거의 동일하고 제1 광학 매질의 굴절률과 제2 광학 매질의 굴절률이 광학 소자에 입력되는 광의 파장내에서 서로 다르기 때문에, 즉 제1 굴절률과 제2 굴절률 간의 차이가 제1 굴절률과 제3 굴절률 간의 차이 보다 더 크기 때문에, 구조내에서 변조되는 경사광에 의해 굴절률의 주기적 구조가 주로 제2 매질의 주기적 분포에 의해 결정되게 된다. 또한, 전계,자계 또는 압력의 인가에 의해, 구조에의 전계, 자계 또는 압력의 인가 또는 광의 조사에 의해, 또는 구조에 인가된 전계, 자계 또는 압력의 변화, 인가된 광의 강도나 파장의 변화 또는 구조의 온도의 변화에 의해서, 제1 매질의 굴절률과 제2 매질의 굴절률은 거의 동일하게 되고 제1 매질의 굴절률과 제3 매질의 굴절률은 상기 파장에서 서로 다르게 되고, 즉 제1 굴절률과 제3 굴절률 간의 차가 제1 굴절률과 제2 굴절률 간의 차 보다 더 크게 되고, 이로 인해 경사광이 구조에서 변조되게 되는 굴절률의 주기적 구조물이 대신에 제3 매질의 주기적 분포에 의해 결정되게 되므로, 새로운 밴드 구조가 경사광과 결합된 파장 범위에서 나타나게 된다.

또한, 본 발명의 제3 광학 소자는 제1 광학 매질, 제1 광학 매질에서 주기적으로 배열되는 제2 광학 매질, 및 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질에 의해 형성되는 주기적 구조물의 연속적 스폿에 대체하여 배열되는 제3 광학 매질을 갖는다. 이 제3 광학 소자에서는, 제2 광학 매질의 복합 굴절률과 제3 광학 매질의 복합 굴절률이 제1 외장 조건 하에서 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 다르기 때문에,제3 광학 매질로 대체되는 연속적 스폿은 임의의 파장을 갖는 광으로의 도파로로 작용하는 반면, 제2 광학 매질의 복합 굴절률과 제3 광학 매질의 복합 굴절률은 제1 외장 조건과 다른 제2 외장 조건 하에서 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 동일하기 때문에, 제3 광학 매질로 대체되는 연속적 스폿은 임의의 파장을 갖는 광에의 도파로로 작용하지 않게 된다.

이를 더 상세하게 설명하기 위해서, 상기 제3 광학 소자는 여러 복합 굴절률을 갖는 적어도 두 유형의 광학 매질을 포함하며 동일한 유형의 광학 매질로 형성되는 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 이차원이나 삼차원 구조물을 갖는다. 이 주기적 구조물의 불규칙부가 이 구조에서 일차원적으로 연속하는 스폿으로 존재하며, 일차원 연속성 스폿은 광학 도파로로 작용한다. 적어도 세 유형의 광학 매질이 사용되면, 이들 광학 매질 중에서 세 개의 광학 매질이 각각 제1 광학 매질, 제2 광학 매질 및 제3 광학 매질로 정의되며, 이 도파로에 입력되는 광의 주파수 γ근방에서 제1, 제2 및 제3 광학 매질은 각각 제1 복합 굴절률, 제2 복합 굴절률 및 제3 복합 굴절률로서 정의되며, 이 구조는 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는 이차원 이나 삼차원 주기적 구조물을 가지며, 제2 광학 매질로 형성되는 이차원이나 삼차원의 주기적 구조물의 일부는 제3 매질로 형성되는 일차원적으로 연속하는 스폿으로 대체되며, 제1 복합 굴절률과 제2 복합 굴절률은 서로 다르고 제2 복합 굴절률과 제3 복합 굴절률은 이 광학 소자에 입력되는 광의 주파수 근방에서 또한 서로 다르고, 제3 매질로 대체되는 스폿은 광학 도파로로서 작용하게 된다. 구조에의 전계, 자계 또는 압력의 인가, 또는 광의 조사, 구조에 인가되는 전계, 자계 또는 압력의 변화, 인가된 광의 강도나 파장의 변화 또는 구조의 온도의 변화에 의해, 제2 복합 굴절률 및 제3 복합 굴절률은 거의 동일한 반면 제1 복합 굴절률과 제2 복합 굴절률은 주파수 γ 근방에서 서로 다르게 유지되고, 이로 인해 제3 매질로 대체되는 스폿이 경사광에 대해 주기적 구조물의 경사광 불규칙부로 작용하지 않게 되므로 광학 도파로로서 작용하는 스폿이 소멸하게 된다. 따라서, 이 광학 소자는 스위칭 기능을 갖는 도파로로 부여된다.

또한, 본 발명의 제4 광학 소자는 제1 광학 매질, 제1 광학 매질에 주기적으로 배열된 제2 광학 매질, 및 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질에 의해 형성되는 주기적 구조물의 제1 연속부로 대체되어 여기에 배열되는 제3 광학 매질, 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는 주기적 구조물의 제2 연속부에 대체되어 여기에 배열되는 제4 광학 매질, 및 제2 광학 매질로 형성되며 제2 매질의 주기성이 불규칙한 주기적 구조물의 제3 연속부를 포함하는 구조를 가지며; 제1 부분과 제2 부분은 제3 연속부에 연결된다. 제4 광학 소자에서는, 제1 외부 자계 조건 하에서 제1 광학 매질의 복합 굴절률, 제2 광학 매질의 복합 굴절률, 및 제3 광학 매질의 복합 굴절률이 임의의 파장을 갖는 광과 서로 다르고, 제2 광학 매질의 복합 굴절률과 제4 광학 매질의 복합 굴절률이 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 동일하기 때문에, 제1 및 제3 부분은 임의의 파장을 갖는 광으로의 도파로로서 작용하게 된다. 한편, 제1 외부 자계 조건과 다른 제2 외부 자계 조건 하에서는, 제1 광학 매질의 복합 굴절률, 제2 광학 매질의 복합 굴절률, 및 제4 광학 매질의 복합 굴절률은 임의의 파장을 갖는 광과 서로 다르고, 제2 광학 매질의 복합 굴절률과 제3 광학 매질의 복합 굴절률은 임의의 파장을 갖는 광과 실질적으로 동일하기 때문에, 제2 부분 및 제3 부분은 임의의 파장을 갖는 광에의 도파로로 작용하게 된다. 따라서, 본 발명의 제4 광학 소자는 제3 부분에 입력되는 임의의 파장을 갖는 광의 헤딩 방향을 제1 부분이나 제2 부분으로 전환할 수가 있다.

이를 더욱 상세히 설명하기 위해서, 상기 제4 광학 소자는 여러 복합 굴절률을 갖는 적어도 두 유형의 광학 매질을 포함하며 동일한 유형의 광학 매질로 형성되는 스폿이 주기적으로 배열되는 이차원이나 삼차원 구조물을 갖는다. 이 구조의 주기적 구조물의 불규칙부는 이 구조에서 일차원적으로 연속하는 스폿으로 존재하고, 일차원적으로 연속하는 스폿은 광학 도파로로서 작용한다. 적어도 네 유형의 광학 매질이 사용되면, 이들 광학 매질은 제1 광학 매질, 제2 광학 매질, 제3 광학 매질 및 제4 광학 매질로서 각각 정의되며, 이 광학 도파로에 입력되는 광의 주파수 근방에서 제1 내지 제4 광학 매질의 복합 굴절률은 제1 복합 굴절률, 제2 복합 굴절률, 제3 복합 굴절률, 및 제4 복합 굴절률로 각각 정의되고, 이 구조는 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는 이차원이나 삼차원의 주기적인 구조를 가지며, 제2 광학 매질로 형성된 이차원이나 삼차원의 주기적 구조물의 일부는 제3 매질로 형성되는 일차원의 연속부로 대체되어 제1 부분을 형성하고, 그 다른 부분이 제4 매질로 형성되는 일차원 연속부로 대체되어 제2 부분을 형성하고, 제2 매질의 주기적 구조물에서의 일차원적 연속성 불규칙부가 또 다른 부분에 형성되어 제3 부분을 형성하고, 제1 부분과 제2 부분은 제3 부분에 접속되어 있다. 제1 복합 굴절률과 제2 복합 굴절률은 서로 다르고, 제2 복합 굴절률과 제3 복합 굴절률도 또한 서로 다르고, 제2 복합 굴절률과 제4 복합 굴절률이 이 광학 소자에 입력되는 광의 주파수 근방에서 거의 동일하기 때문에, 제3 부분과 제1 부분은 경사광에 대해 광 도파로로 작용한다. 구조에의 전계, 자계 또는 압력의 인가 또는 광의 조사, 또는 구조에 인가되는 전계, 자계 또는 압력의 변화, 인가된 광의 상태의 변화나 구조의 온도의 변화에 의해, 제2 복합 굴절률과 제4 복합 굴절률은 서로 달라지고 제2 복합 굴절률과 제3 복합 굴절률은 거의 동일하게 되는 반면 제1 복합 굴절률과 제2 복합 굴절률은 주파수 γ 근방에서 서로 다르게 유지되고, 이로 인해 제1 부분은 경사광에 의해 주기적 구조물의 불규칙부로서 더 이상 작용하지 않으므로 더 이상 광 도파로로 작용하지 않는 반면 대신에 제2 부분이 광 도파로로 작용하기 시작한다. 따라서, 상기 제4 광학 소자는 제3 부분에 입력되는 광의 헤딩 방향을 제1 부분과 제2 부분 사이에서 전환시킬 수 있다.

반면, 본 발명의 광학 디멀티플렉서는 제1 광학 매질, 제1 광학 매질에 주기적으로 배열되는 제2 광학 매질, 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는 주기적 구조물의 제1 연속부에 대체되어 여기에 배열되는 제3 광학 매질, 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는 주기적 구조물의 제2 연속부에 대체되어 여기에 배열되는 제4 광학 매질, 및 제2 광학 매질로 형성되며 제2 매질의 주기성이 불규칙한 주기적 구조물의 제3 연속부를 포함하는 구조를 가지며; 제1 부분과 제2 부분은 제3 부분에 연결되어 있다. 이 광학 디멀티플렉서에서는, 제1 광학 매질의 복합 굴절률, 제2 광학 매질의 복합 굴절률, 제3 광학 매질의 복합 굴절률은 제1 파장을 갖는 광과 서로 다르고, 제2 광학 매질의 복합 굴절률 및 제4 광학 매질의복합 굴절률은 제1 파장을 갖는 광과 실질적으로 동일하기 때문에, 제1 부분과 제3 부분은 제1 파장을 갖는 광에 대한 도파로로 작용하게 된다. 한편, 제1 광학 매질의 복합 굴절률, 제2 광학 매질의 복합 굴절률 및 제4 광학 매질의 복합 굴절률은 제1 파장과 다른 제2 파장을 갖는 광과 서로 다르고, 제2 광학 매질의 복합 굴절률 및 제3 광학 매질의 복합 굴절률은 제2 파장을 갖는 광과 실질적으로 동일하기 때문에, 제2 부분과 제3 부분은 제2 파장을 갖는 광에 대해 도파로로서 작용하게 된다. 따라서, 이 광학 디멀티플렉서는 제3 부분에 입력되는 제1 파장이나 제2 파장을 갖는 광을 그 파장에 따라서 제1 부분이나 제2 부분을 향하도록 할 수 있다.

이를 더욱 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명의 광학 디멀티플렉서는 여러 복합 굴절률을 갖는 적어도 두 유형의 광학 매질을 포함하며 동일한 유형의 광학 매질로 형성되는 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 이차원이나 삼차원의 구조를 갖는다. 본 구조의 주기적 구조물의 불규칙부는 이 구조에서 일차원 연속성 스폿으로 존재하고 이 일차원의 연속성 스폿이 도파로로 작용한다. 적어도 네 유형의 광학 매질이 이 구조에 사용되며 제1 광학 매질, 제2 광학 매질, 제3 광학 매질 및 제4 광학 매질로서 각각 정의되고, 이 광학 도파로에 입력되는 두 개의 광의 주파수는 각각 제1 주파수와 제2 주파수로 정의되고, 제1 주파수 근방에서의 제1 내지 제4 광학 매질의 복합 굴절률을 제1 복합 굴절률, 제2 복합 굴절률, 제3 복합 굴절률, 및 제4 복합 굴절률로 정의하고, 제2 주파수 근방에서의 제1 내지 제4 광학 매질의 복합 굴절률을 제5 복합 굴절률, 제6 복합 굴절률, 제7 복합 굴절률 및 제8 복합 굴절률로 정의하면, 이 구조는 제1 광학 매질 내의 제2 광학 매질로 형성되는이차원이나 삼차원의 주기적 구조물을 가지며, 제2 광학 매질로 형성되는 이차원이나 삼차원의 주기적 구조물의 일부는 제3 매질로 형성되는 일차원 연속부로 대체되어 제1 부분을 형성하고, 그 다른 부분은 제4 매질로 형성되는 일차원 연속부로 대체되어 제2 부분을 형성하고, 제2 매질의 주기적 구조물의 일차원 연속성 불규칙부가 또 다른 부분에 형성되어 제3 부분을 형성하고, 제1 및 제2 부분은 제3 부분에 연결되어 있다. 이 경우, 제1 복합 굴절률과 제2 복합 굴절률은 서로 다르고, 제2 복합 굴절률과 제3 복합 굴절률이 또한 다르고, 제2 복합 굴절률과 제4 복합 굴절률은 이 광학 소자에 입력되는 광의 제1 주파수 근방에서 거의 동일하기 때문에, 제3 부분과 제1 부분이 경사광에 대해 광학 도파로로서 작용하는 반면, 제5 복합 굴절률과 제6 복합 굴절률이 서로 다르고, 제6 복합 굴절률과 제8 복합 굴절률이 또한 다르고 제6 복합 굴절률과 제7 복합 굴절률이 제2 주파수 근방에서 거의 동일하기 때문에 제3 부분과 제2 부분은 경사광에 대해 광학 도파로로 작용하게 된다. 따라서, 제3 부분에 입력되는 제1 파장이나 제2 파장을 갖는 광이 그 파장에 따라서 제1 부분이나 제2 부분을 향하게 되면, 도파로 자체가 광학 디멀티플렉서로서 작용할 수 있게 된다.

본 발명에서는, 경사광에 대한 광자 결정체의 응답이 제어광, 즉 광학 소자로서 기능할 때의 경사광 (또는 경사광이 단색광이 아닐 때 특정 범위의 주파수)의 주파수 (파장)의 굴절률의 공간 분포로 결정되며 다른 파장 범위에서 굴절률의 분포의 영향을 받지 않는다는 점에 주의해야 한다.

특히, 본 발명에 따른 능동 광학 소자는 외장에 의해 굴절률이 변하는 복수의 광학 매질을 이용한다. 광자 결정체가 이런 광학 매질을 이용하여 형성되면, 복수의 광학 매질 중에서 두 개의 광학 매질의 굴절률은 특정 외장 조건 하에서 동일하거나 거의 동일하게 된다. 그 결과, 광이 감지하는 굴절률의 주기적 분포는 동일한 굴절률을 갖는 두 개의 광학 매질 이외의 광학 매질의 분포 패턴이다.

또한, 두 개의 다른 광학 매질의 굴절률은 다른 외장 조건 하에서 동일하게 된다. 또한 이 경우, 광학 소자의 광은 외장 조건 하에서 동일한 굴절률을 갖는 광학 매질 이외의 광학 매질의 분포 패턴을 감지한다.

원하는 결정 구조, 격자점의 형상 및 주기에 대한 이들 외장 조건 하에서 광이 감지하는 분포 패턴을 반영함으로써, 두 개의 실질적으로 다른 광 밴드 구조가 외장 조건 사이에서 전환하여 하나에서 다른 것으로 전환될 수 있다.

상술된 바와 동일한 원리에 의해 본 발명에 따른 광자 결정체의 전환가능한 도파로는 굴절률의 주기성이 결정 구조의 불규칙부들 사이에서 전환하는 것으로 동작하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 광학 디멀티플렉서는 외장 조건의 전환이 아니라, 광학 매질의 굴절률의 변화를 야기하는 경사광의 주파수(파장)에 의존한다. 다시 말해, 광자 결정체 및 도파로는 광이 굴절률의 주기성의 불규칙부로서 감지하는 부분이 광의 주파수에 따라서 변하게 되는 광자 결정체를 형성할 수 있는 광학 매질의 결합으로 대체되어, 광학 디멀티플렉서로 작용하게 한다.

본 발명의 제조 공정과 제조 장치에 따르면, 결정의 병진 대칭을 이용하여 광학 매질을 미소한 거리 만큼 이동시킴으로써 단위 셀 내의 다수의 사이트에 대해각 단위 셀 내의 동일한 사이트에 대응하는, 굴절률이 변하는 모든 스폿을 형성하는 단계를 반복함으로써 광자 결정체를 제조할 수 있기 때문에, 동작이 용이하며 종래 기술로 제조하기가 실제로 거의 불가능한 광의 파장 범위 내에서 다수의 주기를 갖는 삼차원의 광자 결정체를 본 발명의 제조 공정 및 제조 장치에 의해 고정밀도로 원하는 결정 구조의 형태로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 제조 공정 및 제조 장치에 따르면, 내부에 형성된 광자 결정체이나 광 도파로의 굴절률에 따라서, 입력된 제어광의 주파수의 최대 굴절률차 변화를 갖는 광학 매질의 조합 또는 기존의 스폿과 다른 굴절률을 갖는 새로운 스폿이 주기적으로 출현하는데, 즉 새로운 주기적 구조물이 변화 후에 형성되고, 광자 결정체이나 도파로의 응답이 능동적으로 전환될 수 있을 때, 주기적 구조물에서 발생하는 매질의 굴절률의 주기적 비율이 변화한다. 또한, 다른 위치에서 제어광의 파장에 따라서 굴절률의 주기적 구조물의 일부가 되는 스폿을 형성함으로써, 그 파장에 따라서 분기에서의 여러 도파로로 광을 향하게 하는 광학 디멀티플렉서를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 공정에 다른 삼차원 장방형 시스템 구조를 구성하는 격자점 상에 형성되는 높은 광 강도를 갖는 스폿을 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 사용되어 광학 소자를 제조하기 위한 장치를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조되는 광자 결정체의 구조를 나타내는 사시도.

도 4는 굴절률의 분포가 세 개의 다른 축 방향으로 벌지 (buldge)를 갖는 형태를 갖는 경우를 예시화한 개념도.

도 5는 실시예 2에서 사용되는 광중합 초기화기의 화학식.

도 6은 본 발명의 실시예 4에서 사용되어 광학 소자를 제조하기 위한 장치를 나타내는 사시도.

도 7은 본 발명의 실시예 4에서 제조되는 광자 결정체의 전송 스펙트럼을 나타내는 도면.

도 8은 본 발명에 따라서 여러 방향으로 향하는 두 개의 진행파의 간섭으로 광 강도의 일차원 주기 구조를 형성하기 위한 공정도.

도 9는 광자 결정체의 굴절률의 분포를 나타내는 개념도.

도 10은 광자 결정체의 굴절률의 분포를 나타내는 개념도.

도 11은 광자 결정체의 굴절률의 분포를 나타내는 개념도.

도 12는 외장 조건을 전환하여 염화 세슘형 구조를 바디가 중앙에 있는 체심입방형 구조로 전환하는 것을 나타내는 도면.

도 13은 광학 도파로에서의 전환을 나타내는 도면.

도 14는 외장 조건에 따라서 경사광의 방향을 전환할 수 있는 광학 도파로의 굴절률의 분포를 나타내는 도면.

도 15는 외장 조건에 따라서 광학 도파로에서의 광의 전송 방향을 전환하는 상태를 나타내는 도면.

도 16은 광자 결정체의 광학 도파로에 따라서 광학 디멀티플렉서의 굴절률의 분포를 나타내는 개념도.

도 17은 광학 매질의 굴절률의 외장 조건에 대한 의존성을 나타내는 개념도.

도 18은 광중합 반응을 위해 촉매체로서 본 발명의 실시예에서 사용되는 루테늄 합성물의 화학 구조식을 나타내는 도면.

도 19는 본 발명의 광자 결정체의 실시예를 제조하는 공정에서 동일한 지점에서 실리카 다공체의 루테늄 합성물의 분포를 나타내는 도면으로서, 명확하게 나타내기 위해서, 각 층을 가장 정면 층에서부터 시작하게 다르게 그림자 처리함.

도 20은 본 발명의 광자 결정체 예의 구조를 나타내는 도면으로서, 제1 층만을 도시함.

도 21은 도 20의 광자 결정체의 반사 스펙트럼도.

도 22는 본 발명의 광자 결정체의 광학 도파로의 예를 제조하는 공정에서 동일한 지점에서의 색소 포함 에폭시 수지의 구성도.

도 23은 본 발명의 광자 결정체의 광학 도파로의 예에서의 전환 작용을 나타내는 도면.

도 24는 본 발명의 광자 결정체의 광학 도파로 예의 도파로 연결을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

1 : 실리카 다공체

2 : 에폭시 수지 경화물

11 : 스테이지

14a : 빔 스플리터

15 : 미러

21 : 광원과 분광기

22 : 광 파이버

23 : 광 검출기

본 발명은 이하의 상세한 설명과 본 발명의 바람직한 실시예의 첨부 도면으로부터 더욱 상세히 이해될 것이다. 그러나, 이 도면은 본 발명을 특정 실시예로 제한하고자 하는 것이 아니고 오직 이해와 설명을 위한 것이다.

본 발명의 실시예는 이하 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 광학 소자 제조 공정을 설명한다.

본 발명에서는, 광의 조사 후에 임의의 시간 동안 광학 매질을 무시하고, 또한 이를 열 처리, (광 등의) 전자기파나 (전자빔, α빔이나 중성자빔 등의) 미립자 방사물의 조사, 또는 광의 조사 후의 화학 처리함으로써, 광의 조사만으로 인가된 광의 강도에 따라서 굴절률이 변하는 광학 매질이 사용되고 있다. 광학 매질의 굴절률의 변화는 광 조사만에 의해서가 아니라 광의 조사 후에 상기 미리 정해진 처리에 의해서 유도되는 것이 바람직하다.

이러한 굴절률의 변화를 나타내는 광학 매질은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 광의 조사 전에 광학 매질의 최대 굴절률 값과 최소 굴절률 값 사이의 비율을 r(1)로 정의하고, 광의 조사 후에 광학 매질의 최대 굴절률 값과 최소 굴절률 값 사이의 비율을 r(2)로 정의하고, 굴절률의 변화를 야기하기 위한 처리의 완료 후에 광학 매질의 최대 굴절률값과 최소 굴절률값 사이의 비율을 r(3)으로 정의하면, 본 발명에서 적합하게 사용될 수 있는 광학 매질은 │r(3)-r(2)│이 │r(2)-r(1)│ 보다 큰 것과 │r(3)-r(2)│/2의 값을 초가하도록 광의 조사 후에 최대 굴절률값과 최소 굴절률값 사이의 비율에 필요한 시간이 광의 조사에 필요한 시간 보다 더 긴 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 광학 매질에 이용되는 재료의 굴절률의 변화를 야기하는 기구로서, 중합 가능한 단합체의 광중합 공정이나 광화학 반응과 온도 상승의 조합을 포함하는 중합 공정을 거친 화학적 변화로 굴절률의 변화를 야기하는 기구, 광으로 홀 버닝 (hole burning) 성분을 조사하여 야기된 이동으로 굴절률의 변화를 야기하는 기구, 또는 광으로 광이성화(photoisomerizable) 가능한 합성물을 조사하여 굴절률의 변화를 야기하는 기구가 있을 수 있다. 부가하여, 국부적 온도 상승이나 강한 광에 의해 광학 매질의 광 조사부에서 분자를 분해하거나 변형하여 굴절률의 변화를 야기하는 기구가 있을 수 있다.

더욱 간단하게, 광중합 가능한 단합체는 고 다공성을 갖는 무기 다공 재료가 되고, 오직 단합체만이 세정 제거되어 보이드를 형성하고, 굴절률의 변화가 잔여의 중합체와 다공성 재료의 보이드에 존재하는 공기에 의해 나타나게 된다. 다르게는, 높은 굴절률을 갖는 재료가 단합체가 제거되는 다공성 재료의 보이드 내에 채워지고, 굴절률의 변화가 잔여의 중합체와 채워진 재료에 의해 나타나게 된다. 이 경우, 광의 조사 전의 단합체와 광의 조사에 의해 생성된 중합체 사이의 굴절률의 변화가 있게 되지 않는다.

본 발명의 공정에서는, 광 강도가 공간 내에서 주기적으로 변하는 광학 필드가 제공된다. 이러한 광학 필드는 레이저빔을 미러에 의해 반사시킴으로써 특정 방향으로 향하는 레이저빔과 반대 방향으로 향하는 레이저빔 간의 간섭으로 생성된 고정파를 이용하거나, 적어도 두 방향으로 향하는 진행파 사이에서의 간섭 패턴을 이용하여 생성된다.

광 강도가 삼차원 입방형 격자의 격자점에 대응하는 위치에서 특히 높은 광학 필드가 레이저빔의 간섭을 이용하여 생성되게 되는 경우에 대해 설명한다. 상기 광학 매질이 필드 내에 위치되면, 광학 매질 내의 굴절률이 변하는 스폿은 삼차원 입방형 격자의 격자점에 대응하는 높은 광 강도를 갖는 위치에서 잠상으로서 "베이크"될 수 있다.

본 발명의 공정은 삼차원 입방형 격자의 격자점이 병진 대칭이며 각 "베이킹"에 대해 광학 매질의 위치를 광의 파장과 동일한 미소한 거리 이동시켜 한 번 이상 상기 "베이킹"을 반복하는 특징이 있는 사실에 주의해야 한다.

즉, 제1 "베이킹" 단계에 의해, 광학 매질 전체에 걸쳐 형성되는 원하는 결정 구조를 구성하는 단위 셀 내의 특정 사이트에 대응하는 각 스폿은 한번에 "베이크"될 수 있다. 다음에, 광학 매질의 위치는 광학 매질에서 광 강도가 높은 위치를 원하는 결정 구조를 구성하는 단위 셀 내의 다른 사이트와 매치시키도록 약간 이동시켜, "베이킹"을 다시 실행한다. 광학 매질을 이동시켜 "베이킹"을 실행하는 단계를, 결정 구조를 구성하는 단위 셀의 모든 사이트에 대응하는 모든 스폿이 "베이크"될 때 까지 반복한다. 그 후, 임의의 시간 동안 광 매질을 무시하여 "베이크된" 스폿의 굴절률의 변화가 완료되게 하거나, 광의 조사 등 미리 정해진 처리에 의해 "베이크된" 스폿의 굴절률의 변화가 출현하게 함으로써, 원하는 광자 결정체 구조를 취득한다. 여기에 기재된 용어 "사이트"는 단위 셀에서 각 원자의 위치에 대응하는 위치를 나타낸다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 공정에서는, 결정의 병진 대칭의 대부분을 이루어, 굴절률이 각 단위 셀에서의 동일한 사이트에서 한번에 원자에 대응하는 굴절률이 변화하는 모든 스폿을 형성하는 단계가 "단위 셀에서의 다수의 사이트"에 대해 반복된다. 따라서, 종래의 공정에서와 같이, 결정을 구성하는 "기간이나 원자수"에 대해서 이 단계를 반복할 필요는 없다. 부가하여, 본 발명의 공정에서는, 삼차원 광학 매질을 약간 이동시키는 것만으로 성취될 수 있기 때문에 하나의 "베이킹" 사이트를 다른 "베이킹" 사이트로 이동시키는 것이 용이하다.

원리적으로, 광 강도가 주기적으로 변화하는 광 필드를 형성하기 위해서 전체 광학 시스템을 구동하여 동일한 광자 결정체를 또한 제조할 수 있다. 그러나, 광자 결정체는, 광학 매질이 본 발명의 공정에서 이동되기 때문에 전체 광학 시스템을 구동하는 것 보다 본 발명의 공정에 의해 더욱 용이하고 더욱 정확하게 제조될 수 있다.

다음에, 본 발명의 광학 소자에 대한 제조 장치에 대해 설명한다. 본 발명의 광학 소자의 제조 장치는 광의 파장 정도의 주기에서 광 강도가 공간 내에서 변하는 광학 필드를 생성하는 광학 시스템, 및 광 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드에서 인가된 광의 강도에 따라 굴절률이 변하는 광학 매질을 고정하여 이 광학 매질을 광학 필드에서 광의 파장 정도의 미세 거리 이동시킬 수 있는 가동 스테이지를 포함한다. 여기에서 사용되는 용어 "광의 파장 정도"는 자외광에서부터 적외광의 범위내에 있는 약 100㎚ 내지 10㎛의 파장을 나타낸다.

공간 내에서 광의 파장 정도의 기간에 광 강도가 변하는 광학 필드를 생성하는 광학 시스템을 레이저빔의 간섭이 일 예로 이용되는 경우로 하여 설명한다.

좌표축 (x, y, z)을 공간 내에서 가정하면, 주파수 γ_x, γ_y, γ_z를 갖는 레이저빔이 x, y 및 z축을 따라 원점을 향해 조사된다. 축 각각의 다른 측에는, 원점을 거쳐 축에 수직으로 레이저빔을 반사하기 위한 미러가 위치되어 있다. 각 축 을 따라 조사되는 각 레이저빔에 대해, 입사 빔과 그 반사빔이 서로 간섭하여 공간 내에 주기 C_a/(2γ_x), C_a/(2γ_y), C_a/(2γ_z)를 갖는 정상파를 형성한다. C_a는 (공기와 같은) 매질 내의 광 속도이다. 광 강도는 이들 정상파의 루프에서 높고, 각 방향에서 주기성을 갖는 세 개의 일차원 정상파의 루프가 서로 중첩되는 지점을 특히 높은 광 강도를 갖는 지점이라고 할 수 있다.

따라서, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 높은 광 강도를 갖는 지점 P는 삼차원의 장방형 시스템 (γ_x= γ_y= γ_z이면, 입방형 시스템, γ_x, γ_y, 및 γ_z중 두 개가 동일하면 사각형 시스템)의 격자점 상에 형성될 수 있다. γ_x, γ_y, 및 γ_z의 값은 형성되는 광자 결정체의 단위 셀의 크기에 따라서 선택된다. 세 개의 레이저빔의 인입 방향과 빔을 반사시키기 위한 미러의 배향은 형성되는 광자 결정체의 결정 구조에 따라서 결정되고, 이들은 반드시 서로 수직일 필요는 없다.

"베이킹"은 이러한 광학 필드에서 광학 매질에 대해 실행된다. 이 "베이킹"시에, "베이킹"은 광 강도가 높은 스폿에서만 발생하지 않고, 그 이외의 스폿에서는 발생하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 광학 매질은 2-광자 흡수와 같은 다 광자 흡수에 의해 중합체 전조체의 형성이나 화학적 변화에 의해 "베이킹"이 발생하는 것이나, 특정 임계치의 광 강도로 "베이킹"이 발생하는 것이 바람직하다.

이 "베이킹"에 의해, 굴절률의 공간 변조가 정의된다. 상술된 바와 같이, "베이킹"을 위한 노출과 굴절률의 실제 변화 발생 사이에 시간 지연이 있는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 굴절률의 변화가 가열이나 광의 조사와 같은 미리 정해진 처리가 "베이킹"에 의해 잠상의 형성 후에 실행될 때까지 발생하지 않는 것이 바람직하다. 이것은 굴절률의 변화가 광 강도가 높아 무시할 수 없는 정도가 되는 격자점에 바로 발생할 때, 광학 매질의 광 강도 분포가 영향을 받고 변조된 광 강도 분포가 굴절률의 변화를 촉진시키는 복잡한 효과가 야기되고 있어, 이로 인해 원하는 굴절률 분포를 생성하는 것을 어렵게 하기 때문이다. 한편, 뒤이어 발생하는 굴절률의 공간 변조에 대한 정보가 "베이킹"에 의해 광학 매질 상에 단순히 기록되고 굴절률의 실재 공간 변조가 "베이킹" 후에 발생하도록 설정될 때, 먼저 생긴 "베이킹"이 연속하는 "베이킹"에 영향을 미치는 경우가 있지 않게 된다. 또한, "베이킹" 처리 자체는 광 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드의 효과에 의해서만이 아니라, 게이트 빔 등의 다른 요인과 결합하여 발생하게 되는 것이 바람직하다. 이것은 "베이킹"이 간섭을 야기하는 레이저빔이 광학 매질 상에 조사될 때 발생하지 않게 되면, 간섭 패턴을 생성하는 레이저빔이 광학 매질 상에 실재 조사되는 동안 광학 매질의 위치가 조정될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 광학 매질의 위치가 설정된 후에 게이트 빔의 조사에 의해 "베이킹"이 실행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 장치에는 광 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드에서 광학 매질을 유지하고 광학 매질을 필드 내의 광의 파장 정도의 미세 거리 이동시킬 수 있는 가동 스테이지가 장치되어 있다. 이 가동 스테이지를 이용하게 되면, 광학 매질은 주기적 광 강도의 공간적으로 고정된 필드에서 미세 거리만큼 이동하게 되어 단위 셀의 각 사이트에서 "베이킹"을 실행하게 된다. 미세 거리는 광의 파장에서 약 1/10 (100㎚)의 범위에 있다. 광학 매질을 압전 소자 구동 단계에서 정밀도 높게 이동시킬 수 있다. 광학 매질이 가동 스테이지에 의해 이동되는 방식에 따라서, 형성되는 광자 결정체의 결정 구조가 결정된다. 또한, 격자점이 불규칙 형상을 갖는 결정 구조를 갖는 광자 결정체가 형성되면, 결정 구조의 형성은 인가된 광의 강도와 조사 시간을 변형시켜 또는 광학 매질을 약간 이동시켜 특정 사이트 상에서의 "베이킹"을 이삼회 실행하여 제어될 수 있다.

본 발명의 광학 소자의 제조 장치가 광 밴드갭의 형성을 체크하도록 형성된 광학 소자를 평가하기 위한 광원과 검출기를 더 포함하면, 광자 결정체의 성능을 체크하면서 광학 소자를 제조하는 것이 가능하게 된다.

이후의 통상의 결정 구조를 형성하도록 광학 소자가 이동되는 방식에 대해 설명한다.

바디를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하기 위해서, 레이저빔은, 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ_x= γ_y= γ_z일 때 서로 직교하는 x, y 및 z 축 각각을 따라 원점을 향해 조사되고 정상파는 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치된 미러로부터 반사된 빔의 간섭으로 형성된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 "베이킹"을 실행한다. 다음에, a=c_γ/(nγ₁) (c_γ는 진공 내에서의 광 속도이고, n은 광학 소자의 굴절률임)일 때, 광학 매질이 원점으로부터 (a/2, a/2, a/2)의 벡터 이동하여 제2 "베이킹"을 실행한다.

페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하기 위해서, 레이저빔은 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ₁=γ₂=γ₃일 때 서로에 대해 직교하는 x, y 및 z축각각을 따라 원점을 향해 조사되고, 정상파는 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치된 미러로부터 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 "베이킹"을 실행한다. 다음에, 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, 0, a/2)의 벡터 이동되어 제2 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 (0, a/2, a/2)의 벡터 이동되어 제3 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 (a/2, a/2, 0)의 벡터 이동되어 제4 "베이킹"을 실행한다. 제1 단계를 제외한 상기 모든 베이킹 단계는 a=c_γ/(nγ₁)일 때 실행된다.

사각형 시스템의 바디가 중심에 있는 격자를 형성하기 위해서, 레이저빔은 γ₁≠γ₂=γ₃인 세 개의 레이저빔의 주파수 사이의 관계를 가질 때 서로 직교하는 x, y 및 z축 각각을 따라 원점을 향해 조사되고, 정상파는 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치된 미러로부터 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성된다. 먼저, 광학 매질은 a=c_γ/(nγ₁) 및 b=c_γ/(nγ₂)일 때, 원점으로부터 (a/2, b/2, b/2)의 벡터에 이동되어 제2 "베이킹"을 실행한다.

장방형 시스템의 베이스가 중심에 있는 격자를 형성하기 위해서, 세 개의 레이저빔의 주파수 사이의 관계가 γ₁≠γ₂, γ₂≠γ₃및 γ₁≠γ₃일 때 서로 직교하는 x, y 및 z 축 각각를 따라 원점을 향해 조사되고, 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치하는 미러로부터 반사된 빔 사이의 간섭으로 정상파가 형성되게 된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 "베이킹"을 실행한다. 다음에, 광학 매질은 a=c_γ/(nγ₁) 및 b=c_γ/(nγ₂)일 때, 원점으로부터 (a/2, b/2, 0)의 벡터 이동되어 제2 베이킹을 실행한다.

장방형 시스템의 페이스를 중심에 둔 격자를 형성하기 위해서, 레이저빔은 세 개의 레이저빔의 주파수 사이의 관계가 γ₁≠γ₂, γ₂≠γ₃및 γ₁≠γ₃일 때 서로 직교하는 x, y 및 z 축 각각를 따라 원점을 향해 조사되고, 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치하는 미러로부터 반사된 빔 사이의 간섭으로 정상파가 형성되게 된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 "베이킹"을 실행한다. 다음에, 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, 0, c/2)의 벡터 이동되어 제2 베이킹을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (0, b/2, c/2)의 벡터 이동되어 제3 "베이킹"을 실행한다. 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, b/2, c/2)의 벡터 이동되어 제4 "베이킹"을 실행한다. 제1 단계를 제외한 상기 모든 베이킹 단계는 a=c_γ/(nγ₁), b=c_γ/(nγ₂), 및 c=c_γ/(nγ₃)일 때 실행된다.

장방형 시스템의 바디가 중심에 있는 격자를 형성하기 위해서, 레이저빔은 세 개의 레이저빔의 주파수 사이의 관계가 γ₁≠γ₂, γ₂≠γ₃및 γ₁≠γ₃일 때 서로 직교하는 x, y 및 z 축 각각를 따라 원점을 향해 조사되고, 세 개의 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치하는 미러로부터 반사된 빔 사이의 간섭으로 정상파가 형성되게 된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 "베이킹"을 실행한다. 다음에, 광학 매질은 a=c_γ/(nγ₁), b=c_γ/(nγ₂), 및 c=c_γ/(nγ₃)일때 원점으로부터 (a/2, b/2, c/2)의 벡터 이동되어 제2 베이킹을 실행한다.

육각형의 시스템을 형성하기 위해서는, 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ₁=γ₂≠γ₃일 때, 원점을 향해서 γ₁의 주파수를 갖는 빔이 벡터 (3^1/2a/2, -a/2, 0)를 따라 조사되고, γ₂의 주파수를 갖는 빔은 y축을 따라 조사되고 γ₃의 주파수를 갖는 빔은 z축을 따라 조사되고, 정상파는 이들 레이저빔과 원점을 거쳐 벡터와 축의 다른 측면에 위치된 미러 상에 수직으로 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성되게 된다. 이 상태에서, 광학 매질은 a=c_γ/(nγ₁)일 때 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 "베이킹"을 실행한다.

삼각형 시스템을 형성하기 위해서는, 레이저빔은 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ1=γ2=γ3일 때 원점을 향해 서로 동일한 각도로 분포되고, 정상파는 이들 레이저빔과 원점을 거쳐 벡터의 다른 측면에 위치된 미러 상에 수직으로 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성되게 된다. 이 상태에서, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 "베이킹"을 실행한다.

모노클리닉 시스템의 베이스를 중심에 둔 격자를 형성하기 위해서, 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ₁≠γ₂, γ₂≠γ₃및 γ₁≠γ₃일 때, 원점을 향해서 γ₂의 주파수를 갖는 빔이 y축을 따라 조사되고, γ₃의 주파수를 갖는 빔은 z축을 따라 조사되고 γ₁의 주파수를 갖는 빔은 벡터 (α, 0, β)(α≠0, β≠0)을 따라 조사되고, 정상파는 이들 레이저빔과 원점을 거쳐 벡터와 축의 다른 측면에 위치된미러 상에 수직으로 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성되게 된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 베이킹을 실행한다. 다음에, a=(α₂+β₂)_1/2c_γ/(βnγ₁) 및 b=c_γ/(nγ₂)일 때, 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, b/2, 0)의 벡터가 이동되어 제2 베이킹을 실행한다.

다이아몬드 구조를 형성하기 위해서, 레이저빔은 세 개의 레이저빔의 주파수 간의 관계가 γ1=γ2=γ3일 때 서로에 대해 직교하는 x, y 및 z축 각각을 따라 원점을 향해 조사되고, 정상파는 이들 레이저빔과 원점을 거쳐 축의 다른 측면에 위치된 미러 상에 수직으로 반사된 빔 사이의 간섭으로 형성되게 된다. 먼저, 광학 매질은 원점 (0, 0, 0)에 위치되어 제1 베이킹을 실행한다. 다음에, 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, 0, a/2)의 벡터 이동되어 제2 베이킹을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (0, a/2, a/2)의 벡터 이동되어 제3 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (a/2, a/2, 0)의 벡터 이동되어 제4 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (a/4, 3a/4, a/4)의 벡터 이동되어 제5 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (3a/4, a/4, a/4)의 벡터 이동되어 제6 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (3a/4, 3a/4, 3a/4)의 벡터 이동되어 제7 "베이킹"을 실행한다. 다음에 광학 매질은 원점으로부터 (a/4, a/4, 3a/4)의 벡터 이동되어 제8 "베이킹"을 실행한다. 제1 단계를 제외한 상기 모든 베이킹 단계는 a=c_γ/(nγ₁)일 때 실행된다.

광학 매질을 이동시키고 "베이킹"을 실행하는 상기 단계가 반복되어 상기 결정 구조를 취득하면, 빔을 모든 사이트에 균일하게 조사할 수 있다. 반면, 빔의 강도 또는 조사된 빔의 양을 변경하여 굴절률이 변하는 방식을 변형시킴으로써 상기 결정 구조와 다른 결정 구조를 취득할 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 구조의 형성시 제1 내지 제4 빔 조사 및 제5 내지 제8 빔 조사를 위한 다른 조건들을 설정함으로써, 일련의 베이킹에 의해 생성되며 굴절률의 변화를 거친 사이트의 크기 및 굴절률의 변화 정도가 상기 두 개의 다른 조건들에 따라서 다르게 되고, 이로 인해 징크블렌드 (zincblende) 구조가 형성될 수 있다.

삼차원의 주기 구조를 갖는 광자 결정체가 형성되는 경우에 대해 이제까지 설명했지만, 본 발명은 물론 이차원이나 일차원의 주기 구조를 갖는 광자 결정체를 형성하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 광학 소자의 제조 공정 및 제조 장치의 예를 이하 도면을 참조하여 설명한다.

(실시예 1)

바디가 중앙에 있는 입방형 구조를 갖는 광자 결정체를 도 2에 나타낸 장치를 이용하여 형성한 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서 형성한 광자 결정체는 골격으로 사용되는 실리카 다공체 내에 바디가 중앙에 있는 입방형 구조의 격자점이 되도록 배열되어 있으며 경화된 에폭시 수지와 실리카 다공체의 보이드 내에 존재하는 공기로 형성되는 굴절률 주기 구조를 갖는, 경화된 에폭시 수지를 포함한다.

광자 결정체의 골격으로 사용되는 실리카 다공체를 솔-겔 공정으로 형성한다. 이 실리카 다공체는 1㎜×1㎜×1㎜ 의 크기, 적어도 90% 의 다공률, 30㎚의 평균 보이드 직경 및 공기에 가까운 1.015 내지 1.055의 굴절률을 갖는다. 또한, 수지 용액은 포토애시드 생성기로서 1%의 4-모폴리노-2.5-디부티록시벤젠디아조늄플루오로보레이트를 에폭시 수지인 세록사이드 2021 (디셀 케미컬 사의 제품)에 첨가하여 형성된다. 실리카 다공체를 수지 용액에 넣어 실리카 다공체에 수지 용액을 흡수시킨다. 광의 파장의 관점에서, 고밀도 및 적어도 90% 이하의 매우 높은 다공률을 갖는 실리카 다공체는 수지 용액만으로 이루어진 바디와 동일하다.

도 2는 압전 소자 구동 스테이지(11)의 샘플 홀더(11a) 상에 위치한 실리카 다공체(1)를 나타낸다. 이 스테이지는 광의 파장 만큼 작은 거리를 x, y 및 z의 방향으로 이동할 수 있다. 세 개의 인접한 미러(12x, 12y, 12z)는 미러들 각각이 세 개의 인접한 실리카 다공체(1)의 표면들 중 하나에 대향하도록 위치되어 있다.

실리카 다공체(1)를 빔으로 조사하는 것은 다음의 방식으로 실행된다. 810㎚의 파장을 갖는 레이저빔은 아르곤 레이저 여기 티타늄 사파이어 레이저를 광원(13)으로 이용하여 생성된다. 레이저빔은 빔 스플리터(14a)를 통과하고 미러(15x)에 의해 반사되어 x의 방향으로 향하게 된다. 다음에, x의 방향으로 실리카 다공체(1)로 향하는 경사빔과 미러(12x)로부터 반사된 빔은 서로 간섭하여 실리카 다공체(1)의 위치에서 정상파를 형성하게 된다. 빔 스플리터(14a)에 의해 반사된 레이저빔은 미러(15y)에 의해 반사되어 빔 스플리터(14b)를 통과하여 y 방향으로 향하게 된다. 다음에 y 방향으로 실리카 다공체(1)를 향하는 경사광과 미러(12y)로부터 반사된 빔은 서로 간섭하여 실리카 다공체(1)의 위치에서 정상파를 형성하게 된다. 빔 스플리터(14b)에 의해 반사된 레이저빔은 미러(15yz) 및 미러(15z)에 의해 반사되어 z의 방향으로 향하게 된다. 다음에, z의 방향에서 실리카 다공체(1)로 향하는 경사광과 미러(12z)로부터 반사된 빔은 서로 간섭하여 실리카 다공체(1)의 위치에서 정상파를 형성하게 된다.

먼저, 실리카 다공체(1)는 상기 정상파에 의해 형성된 공간 내에서 원점에 위치되고, 제1 빔 조사가 상기와 같이 실행된다. 다음에, 실리카 다공체(1)는 벡터(135㎚, 135㎚, 135㎚)의 방향으로 이동되는데, 즉 원점에서 x, y 및 z 방향으로 135㎚씩 이동되고, 제2 빔 조사는 제1 조사에서 사용된 동일한 조사 조건 하에서 상기 위치에서 실리카 다공체(1)에 대해 실행된다.

이 실리카 다공체(1)를 삼차원의 "베이킹"이 실행되는 에폭시 수지 스폿을 경화시키도록 60℃로 유지하면서 5시간 동안 가열한다. 따라서, 경화된 에폭시 수지 스폿은 실리카 다공체(1) 내에 270㎚의 격자 상수를 갖는 바디가 중앙에 있는 입방형 격자의 격자점에 유지된다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤과 메타놀로 세정되어 비경화된 수지와 산 생성기를 없앤다.

따라서, 도 3에서 나타낸 바와 같이, 에폭시 수지 경화물(2)이 실리카 다공체(1) 내에 바디를 중심에 둔 입방형 구조 형태로 배열되어 있는 광자 결정체가 형성되어 있다.

또한, 에폭시 수지 경화물(2)의 형상이 조사될 때, 도 4에서 예시화된 바와 같이, 세 개의 여러 축 방향으로 벌지를 갖는 형상을 갖는다. 이 형상은 굴절률의 분포에 직접 대응한다. 다시 말해, 굴절률의 분포는 등방성은 아니지만 저 대칭의 형상을 갖는다. 그 결과, 굴절률의 분포가 전체 형상에서와 같이 등방성일 때에도 광학 밴드갭이 출현하지 않는 결정 구조의 경우에서도, 도 4에서 나타낸 바와 같이 굴절률의 분포를 갖는다면 밴드갭이 결정 구조에 나타나게 된다. 부가하여, 굴절률의 분포가 등방성인 경우와 비교하여, 굴절률의 분포가 도 4에서 나타낸 바와 같이 비등방성이면, 광학 밴드갭이 사이즈가 더 증가한다는 효과를 성취할 수 있다.

(실시예 2)

다이아몬드 구조를 갖는 광자 결정체가 도 2에서 나타낸 장치를 이용하여 형성되는 예에 대해서 설명한다. 본 실시예에서 형성되는 광자 결정체는 실리카 다공체의 다이아몬드 구조의 격자점이 되도록 배열된 아크릴 수지를 포함한다.

실시예 1에서 사용되는 것과 동일한 표준 및 크기를 갖는 실리카 다공체를 사용한다. 또한, 내부에 주 성분으로 내부에 분포된 초미세 금 입자 (SartomerSR9008), 약 10%의 스티렌-아크릴로니트릴 (75:25) 공중합체를 함유하는 폴리메릭 바인더, 및 약 0.1%의 광중합 가능한 초기화기 (도 5에서 나타낸 화학적 구조를 가짐)를 갖는 다기능 아크릴레이트 단합체를 포함하는 광중합 가능한 광감지 수지 용액이 준비되어 있다. 실리카 다공체는 이 수지 용액 내에 흡수되어 수지 용액을 실리카 다공체에 흡수시킨다.

도 2에서 나타낸 것과 유사한 장치에서는, 실리카 다공체(1)는 스테이지(11)의 샘플 홀더(11a) 상의 원점에 위치되어 있다. 광원(13)으로서 아르곤 이온 레이저 여기 티타늄 사파이어 레이저에 의해 생성된 775㎚의 파장을 갖는 레이저빔에 의해 펌프된 파라메트릭 오실레이터로부터 1,548㎚의 파장을 갖는 빔을 이용하여, x, y 및 z 방향 각각에 정상파가 형성되어 실리카 다공체 내에 삼차원 입방형 격자를 포함하는 광강도가 높은 스폿을 생성하게 된다. 2-광자 흡수가 삼차원 입방형 격자의 격자점에서 포토애시드 초기화기로 실행되어 그 위치에서 단합체를 중합시킨다. 다음에, 실리카 다공체는 원점으로부터 (258㎚, 0㎚, 258㎚)의 벡터 이동되고, 다시 단합체는 레이저빔의 조사로 삼차원 6각형 격자의 격자점에서 중합된다. 다음에, 실리카 다공체를 이동시키고 이동된 실리카 다공체를 레이저빔으로 조사하는 단계를 포함하는 중합 단계가 다공성을 원점으로부터 (0, 258㎚, 258㎚), (258㎚, 258㎚, 0), (129㎚, 388㎚, 129㎚), (388㎚, 129㎚, 129㎚), (388㎚, 388㎚, 388㎚), 및 (129㎚, 129㎚, 388㎚)의 벡터 이동시켜 연속적으로 실행되고, 이로 인해 아크릴레이트 중합체가 실리카 다공체 내의 다이아몬드 구조의 형태로 배열되어 유지되게 된다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤으로 세정되어 단합체를 제거한다. 따라서, 다이아몬드 구조를 갖는 광자 결정체를 취득할 수 있다.

본 실시예에서, 광중합으로 단합체를 중합하여 중합체를 제조할 때에 굴절률은 거의 변화하지 않는다 (단합체와 중합체의 굴절률은 각각 약 1.41 및 1.49이다). 즉, 중합 단계가 "베이킹"에 해당한다. 그 후, 굴절률의 공간 변조가 단합체를 제거하는 단계에 의해 나타나게 되어, 광자 결정체를 취득할 수 있다.

"베이킹"이 실리카 다공체의 위치를 이동시켜 행해질 때 굴절률의 변화에 미치는 이미 진행한 "베이킹(들)"의 영향을 최소화하기 위해서, 간섭으로 격자점에 집중된 빔을 이용하는 2-광자 흡수 뿐만이 아니라, 제2 파장을 갖는 빔의 이어지는 조사, 온도의 증가로 중합되기 시작하는 단합체의 사용, 또는 단합체 및 감광제의 혼합물, 감광제 전조체, 라디컬 생성기 등의 사용의 조합으로 중합을 실행하는 것이 바람직하다.

(실시예 3)

도 2에서 나타낸 장치를 이용하여 형성된 것과 유사한 페이스를 중심에 둔 입방형 구조나 결정 구조를 갖는 광자 결정체의 예에 대해서 설명한다.

실시예 2에서 사용된 것과 동일한 감광성 수지 용액이 스며드는 실리카 다공체를 준비한다. 실시예 2의 경우에서와 같이, 실리카 다공체(1)는 스테이지(11)의 샘플 홀더(11a) 상의 원점에 위치된다. 광원(13)으로 아르곤 이온 레이저 여기 티타늄 사파이어 레이저에 의해 생성된 775㎚의 파장을 갖는 레이저빔으로 펌프된 파라메트릭 오실레이터로부터 1,548㎚의 파장을 갖는 빔을 이용하여, x, y 및 z 방향 각각에 정상파가 형성되어 실리카 다공체 내에 삼차원의 입방형 격자를 포함하는 광강도가 높은 스폿을 생성하게 된다. 2-광자 흡수가 삼차원의 입방형 격자의 격자점 상에서 포토애시드 초기화기로 실행되어 그 위치에서 단합체를 중합시킨다. 다음에, 실리카 다공체는 원점으로부터 (258㎚, 0㎚, 258㎚)의 벡터 이동되고, 다시 단합체는 레이저빔의 조사로 삼차원 입방형 격자의 격자점에서 중합된다. 다음에, 실리카 다공체를 이동시키고 이동된 실리카 다공체를 레이저빔으로 조사하는 단계를 포함하는 중합 단계는 다공성을 원점으로부터 (0, 258㎚, 258㎚), (258㎚, 258㎚, 0)의 벡터 이동시켜 연속적으로 실행되고, 이로 인해 아크릴레이트 중합체가 실리카 다공체 내의 페이스를 중심에 둔 입방형 구조의 형태로 배열되어 유지되게 된다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤으로 세정되어 단합체를 제거한다. 따라서, 페이스를 중심에 둔 입방형 구조를 갖는 광자 결정체 (실시예 3A)를 취득할 수 있다.

반면, 상기와 동일한 감광성 수지 용액이 스며드는 다른 실리카 다공체를 준비한다. 다음에, 상술한 바와 동일한 방식으로 페이스를 중심에 둔 입방형 구조의 격자점 상에서 "베이킹"이 실행되고, 이로 인해 아크릴레이트 중합체가 실리카 다공체 내의 페이스를 중심에 둔 입방형 구조의 형태로 배열 및 유지된다. 다음에, 다음의 네 단계가 이 실리카 다공체 상에서 부가적으로 실행된다. 즉, 실리카 다공체를 이동시키고 이동된 실리카 다공체를 레이저빔으로 조사하는 단계를 포함하는 중합 단계는 다공성을 원점으로부터 (22㎚, 22㎚, 0㎚), (280㎚, 22㎚, 250㎚), (22㎚, 280㎚, 258㎚), (280㎚, 280㎚, 0㎚)의 벡터 이동시켜 연속적으로 실행되고, 이로 인해 아크릴레이트 중합체가 실리카 다공체 내에 고정되게 한다. 이들 부가의 단계의 실행시 조사되는 레이저빔은 페이스를 중심에 둔 입방형 구조의 형성시 사용되는 것 보다 강도가 약한 것이다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤으로 세정되어 단합체를 제거한다. 따라서, 굴절률의 삼차원의 주기적 구조물을 갖는 광자 결정체 (실시예 3B)를 취득할 수 있다.

실시예 3B의 광자 결정체는 대형 중합체 구형에 인접하는 소형 중합체 구형을 포함하는 "스노우맨 형상"이 페이스를 중심에 둔 입방형 구조의 격자점에 형성되어 있는 구조를 갖는다.

실시예 3B에서, 페이스를 중심에 둔 입방형 구조를 형성하기 위한 단계에 부가하여 실행되는 상기 부가의 단계로 생성된 소형 중합체 구형을 정밀하게 조사했다. 그 결과, 레이저빔의 조사로 형성되며 격자 상수 270㎚를 갖는 간단한 입방형 격자의 격자점에 대응하는 중합체 구형의 형상은 정확히 구형이 아니라, 동일한 그룹에 속하는 중합체 구형이 크기와 형상에서 정확히 동일하다는 것을 알았다.

따라서, 본 발명의 공정에서, 간섭 패턴으로 공간 내에 생성되는 광 강도가 특히 큰 스폿 (격자 점)의 형상은 구형은 아니지만 동일한 것이다. 이것은 불규칙한 형상을 갖는 격자점이 뜻하지 않게 형성되는 경우에도 그러하므로, 정확하게 동일한 형상을 갖는 격자점이 형성되게 된다.

실시예 3B의 광자 결정체는 페이스를 중심에 둔 입방형의 격자의 격자점에 형성된 대형의 중합체 구형 및 대형의 중합체 구형의 것에서 약간 이동된 위치에 형성된 소형의 중합체 구형을 포함하기 때문에 페이스를 중심에 둔 입방형의 격자를 갖는 실시예 3A의 광자 결정체 보다 대칭을 덜 이룬다. 따라서, 실시예 3B의 광자 결정체에서는, 실시예 3A의 광자 결정체에서 밴드갭이 전혀 발생하지 않는 방향으로 밴드갭이 발생하게 된다.

(실시예 4)

도 6은 본 발명과 관련한 다른 광학 소자 제조 장치를 나타낸다. 도 6에서 나타낸 장치는 도 2에서 나타낸 장치 구성에 부가하여, 제2 파장을 갖는 빔을 조사하기 위한 제2 광원(16), 스테이지 상에 위치된 광학 매질의 전송 스펙트럼을 측정하기 위한 광원과 분광기(21), 및 광검출기(23)를 포함한다.

이 장치에 의해 처리되는 광학 매질은 광의 간섭 패턴에 기초한 "베이킹"에 의해서만이 아니라, 제2 광원(16)으로부터 제2 파장을 갖는 빔의 조사에 의해서, 굴절률의 변화를 거친다.

이 장치를 이용하여, 원하는 결정 구조에 대응하는 베이킹이 실시예 1 내지 3과 동일한 방식으로 실행된 후에, 제2 광원(16)으로부터의 제2 파장을 갖는 빔이 미러(17)에 의해 반사되게 되어 실리카 다공체(1) 내에 스며드는 광학 매질에 조사되어 굴절률의 변화를 야기하고, 이로 인해 광자 결정체를 형성하게 된다. 그 후, 광학 매질은 선단부에 콘덴서 렌즈를 갖는 광학 파이버(22)를 거쳐 전송 스펙트럼을 측정하기 위한 광원과 분광기(21)로부터의 빔으로 조사되고, 그 파장이 유닛(21)에 포함되는 분광기에 의해 일소되고, 전송된 빔은 도 7에서 나타낸 바와 같이, 광검출기(23)에 의해 검출되어 광자 결정체의 전송 스펙트럼에 의해 측정된다.

도 7에서 나타낸 바와 같이, 1,000㎚의 파장 근방에서 제조된 광자 결정체에 광 밴드갭이 형성되는 것이 관찰된다. 따라서, 도 6에서 나타낸 장치는 그 성능을 평가하면서 광자 결정체를 제조할 수 있다.

도 2 또는 도 6에서 나타낸 장치를 이용한 삼차원 결정 구조의 형성을 상기 실시예에서 설명한다. 다르게는, 도 8에서 나타낸 바와 같이, 여러 방향으로 향하는 진행파 사이의 간섭이 광 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드를 생성하는 데에 사용된다. 도 8에서 나타낸 바와 같이, γ의 주파수를 갖는 두 개의 레이저빔이 θ의 각도에서 상호 교차하도록 되어 있으면, 두 개의 빔이 교차하는 광 강도가 높은 영역 (도 8에서 점선으로 나타냄)은 C_Q/{2γsin(θ/2)}의 주기를 갖는 일차원의 주기적 구조물을 갖는다. 세 개의 여러 방향으로 향하는 레이저빔이 사용되면, 이차원의 6각형 시스템을 취득할 수 있다.

이 시점 까지, 본 발명의 광학 소자의 제조 공정 및 제조 장치를 실시예 1 내지 4를 참조하여 설명했다.

다음에, 상기 공정 및 장치만이 아니라 다른 공정 및 장치에 의해서도 성취될 수 있는 광자 결정체가 적용된 광학 소자 및 광학 디멀티플렉서에 대해 설명한다.

광자 결정체는 굴절률이 광의 파장 정도에서 공간 내에 주기적 변화를 나타내며, 특이한 광학적 특성을 나타내는 매질이다. 이것은 광이 이러한 구조의 굴절률의 주기성을 감지하여 밴드 구조를 나타내기 때문이다. 반도체의 전자 에너지의 밴드갭의 경우에서와 같이, 광 밴드 구조에, 광의 전송을 차단하는 주파수 밴드인 광 밴드갭이 형성되어 있을 수 있다. 광 밴드 구조와 광 밴드갭에 의해서, 높은 정도의 파장 분포성과 이방성 및 한정된 공간 내에 들어갈 수 있는 예리한 굴곡 각도를 갖는 도파로를 실현할 수 있다.

이 밴드 구조는 굴절률의 공간 분포로 결정된다. 특히, 경사광에 대한 광자 결정체의 응답을 결정하는, 경사광의 파장 범위 (주파수 밴드)의 밴드 구조는 경사광의 파장 범위의 굴절률 분포로 결정된다.

본 발명에서는, 적어도 두 유형의 광학 매질이 광자 결정체를 형성하는 데에 사용된다. 각 광학 매질은 주기적으로 배열된다. 여기에서 사용되는 용어 "광학 매질"는 진공이나 공기 중에서 구성되는 유전성 삼차원 주기 구조의 경우 공기, 진공 공간 등의 공간, 가스, 액체 등을 포함하는 개념이다. 또한, 다음의 설명에서,외부 자계 조건이 A일 때, 주파수 γ를 갖는 광에 대해 i번째 광학 매질의 굴절률은 n_i(γ, A)로 표현된다. 용어 "외장 조건"은 광자 결정체에 인가된 전계, 자계 및 압력의 조건, 광자 결정체에 조사되는 광의 강도, 파장, 편광 방향 조건들, 또는 광자 결정체의 온도를 포함한다.

먼저, 외장 조건 A₁으로, 광자 결정체를 포함하는 N개의 유형의 광학 매질의 굴절률이 서로 다른 경우를 고려한다.

도 9는 세 개의 다른 유형의 광학 매질의 굴절률이 모두 다른 경우를 예시화하여 설명한다. 즉, 도 9는 제2 광학 매질(2) 및 제3 광학 매질(3)이 주기적으로 배열되어 있는 제1 광학 매질(1)을 포함하는 구조를 나타낸다. 또한, 제1 내지 제3, 즉 제1, 제2 및 제3 광학 매질의 굴절률은 서로 다르다. 이 조건을 다음 식으로 나타낸다.

n_i(γ₁, A₁)≠n_j(γ₁, A₁)(i≠j)

여기에서 n₁은 j번째 광학 매질의 굴절률을 나타낸다. 이 경우, 경사광의 주파수 γ₁근방에서의 밴드 구조는 (N-1)개 유형의 광학 매질의 공간 분포로 결정된 굴절률 및 모든 N개 유형의 광학 매질의 굴절률의 주기적 구조물로 결정된다. 도 9는 N=3인 경우에 대응한다.

다음에, 외부 자계 조건은 A₂로 전환되고, N개 유형의 광학 매질 중에서 두 개의 굴절률은 동일하게 된다.

도 10은 이 조건을 예시화한 도면이다. 예를 들어, 동일한 굴절률을 갖는 두 유형의 광학 매질로서 k번째 및 l번째 광학 매질(k<l)이 선택되면, 이 조건은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

n_k(γ₁, A₂)=n_j(γ₁, A₂)

이것은 주파수 γ₁의 경사광에서 k번째와 l번째 광학 매질의 굴절률이 외장 조건을 A₂로 전환하는 것에 의해 동일하게 되는 것을 나타낸다. 이 조건에서, 밴드 구조는 l번째 내지 (k-1)번째 광학 매질, k번째와 l번째 광학 매질의 조합, (k+1)번째 내지 (l-1)번째 광학 매질 및 (l+1)번째 내지 N번째 광학 매질의 공간 분포 및 이들 광학 매질의 굴절률로 결정된다. 그러나, (N-1)개 유형의 광학 매질의 공간 분포의 결정이 뒤이어 나머지 한 유형의 광학 매질의 공간 분포를 결정하기 때문에, 밴드 구조는 주파수 γ₁의 (N-1)개의 여러 굴절률을 갖는 (N-1)개 유형의 광학 매질 중에서 (N-2)의 공간 분포 (k번째와 l번째 광학 매질은 함께 한 유형의 광학 매질로 계산된다) 및 (N-1)개 유형의 광학 매질의 굴절률 값으로 결정된다. 도 10은 N=3인 경우를 나타낸다.

다음에, 도 11에서 예시화된 바와 같이, k번째와 l번째 광학 매질 이외의 한 쌍의 광학 매질, 즉 m번째와 n번째 광학 매질 (m<n)는 외부 자계 조건을 A₃으로 전환하여 주파수 γ₁에서 동일한 굴절률을 갖게 된다. 다시 말해, 다음의 식을 만족한다.

n_m(γ₁, A₃)=n_n(γ₁, A₃)

m번째 광학 매질와 n번째 광학 매질은 서로 접촉한다. 이 조건에서, 밴드 구조는 도 11에서 예시화된 바와 같이, l번째 내지 (m-1)번째 광학 매질, m번째와 n번째 광학 매질의 조합, (m+1)번째 내지 (n-1)번째 광학 매질 및 (n+1)번째 내지 N번째 광학 매질의 공간 분포 및 이들 광학 매질의 굴절률로 결정된다.

도 9 내지 도 11에서 나타낸 바와 같이, 밴드 구조를 결정하는 굴절률 분포의 공간 배열 패턴은 A₁, A₂및 A₃사이, 즉 A₁과 A₂사이, A₂와 A₃사이 또는 A₁과 A₃사이에서 외장 조건을 전환하여 전환될 수 있다는 것을 결정한다. 그 결과, 굴절률의 값만이 변화되는 경우와 비교하여 경사광에 대해 광자 결정체의 밴드 구조에 더 큰 변화가 유도될 수 있다.

상기 설명에서 굴절률이 조건 A₂와 A₃하에서 동일하게 되는 광학 매질이 서로 접촉한다고 가정하여도, 공간 분포 패턴은 서로 접촉하지 않을 때에도 변화될 수 있다. 이것은 다음 설명으로 예시화된다.

도 12는 제1, 제2 및 제3 광학 매질을 포함하는 광자 결정체를 나타내며 외장 조건이 A₁에서 A₂로 전환되는 경우를 예시화하는 도면이다. 이 경우, 제1 광학 매질(1)에서는, 제2 광학 매질(2) 및 제3 광학 매질(3)는 각각 주기가 일정하고 격자점이 동일한 형상을 갖는 단순한 입방형 격자를 형성한다. 제2 및 제3 광학 매질의 기본 주기 벡터를 a, b, c로 나타내면, 제2 광학 매질의 격자점은 (a/2, b/2, c/2) 벡터에 대해 제3 광학 매질의 것에서 벗어나 있게 된다. 이러한 광학 재료가 조건 A₁하에 위치되어 있으면, 제2 광학 매질 및 제3 광학 매질은 여러 굴절률을 갖는다. 그 결과, 결정 구조는 도 12(a)에서 나타낸 바와 같이, "염화 세슘형 구조"의 형태를 갖게 된다.

다음에, 외장 조건을 A₂로 변화시키면, 제2 광학 매질와 제3 광학 매질은 경사광에 대해 전혀 다르지 않게 나타나고, 결정 구조는 도 12(b)에서 나타낸 바와 같이 "바디를 중심에 둔 입방형 격자 구조"와 동일하게 된다. 따라서, 조건 A₁과 조건 A₂사이의 전환에 의해, 경사광에 대한 광자 결정체의 결정 구조가 변하게 된다.

다음에, 도 13을 참조하면, 적어도 세 유형의 광학 매질을 구성 성분으로 포함하는 구조를 고려한다. 세 유형의 광학 매질은 제1 광학 매질(1), 제2 광학 매질(2), 및 제3 광학 매질(3)로 정의되며, 제어광의 주파수 γ₁에 대한 이들의 각 굴절률은 다음의 관계를 만족한다.

n₁(γ₁, A₁)≠n₂(γ₁, A₁)

n₂(γ₁, A₁)≠n₃(γ₁, A₁)

제1 매질에서, 삼차원 주기 구조를 제2 매질로 형성한다. 이 경우, 주기적 구조물로 형성된 광자 결정체는 경사광의 주파수 γ₁에서 넓은 범위의 방향으로 밴드갭을 개방하는 것이 바람직하고, 특히 모든 방향에서 밴드갭을 개방하는 다이아몬드 구조를 형성하는 것이 바람직하다.

이 주기적 구조물을 구성하는 제2 매질 중에 도 13(a)에서 나타낸 바와 같이 일차원적 연속성 제3 광학 매질로 대체되는 것이 있으면, 광은 일차원적으로 연속하는 스폿에 트랩되어 광자 결정체의 주기성에 불규칙부를 야기하여, 스폿이 연속적으로 배열되어 있는 방향을 제외한 방향으로는 광이 전송되지 않으므로, 결국에는 제3 재료로 대체된 스폿이 광학 도파로로 작용하게 된다.

다음에, 외장 조건이 A₂로 전환된다. 이 조건하에서, 광학 매질의 굴절률은 다음 식으로 나타낸 관계를 만족한다.

n₁(γ₁, A₂)≠n₂(γ₁, A₂)

n₂(γ₁, A₂)=n₃(γ₁, A₂)

이 경우, 제2 광학 매질 및 제3 광학 매질은 γ₁의 주파수를 갖는 광과 동일하게 보이게 되고, 광자 결정체의 주기성의 불규칙부가 소멸하게 된다. 다시 말해, 광학 도파로는 도 13(b)에서 나타낸 바와 같이 소멸하게 된다. 따라서, 조건 A₁과 조건 A₂사이의 전환에 의해, 도파로의 기능은 온/오프가 될 수 있다.

다음에, 도 14를 참조하여, 적어도 네 유형의 광학 매질을 구성 성분으로 갖는 구조를 고려한다. 네 유형의 광학 매질은 제1 광학 매질(1), 제2 광학 매질(2), 제3 광학 매질(3), 및 제4 광학 매질(4)로 정의되고, 그 굴절률은 조건 A₁하에서 γ₁의 주파수를 갖는 제어광에 대한 그 굴절률을 n₁(γ₁, A₂), n₂(γ₁, A₁), n₃(γ₁, A₁), 및 n₄(γ₁, A₁)로 각각 나타낸다. 또한, 이들 굴절률은 다음의 식으로나타낸 관계를 만족한다.

n₁(γ₁, A₁)≠n₂(γ₁, A₁)

n₂(γ₁, A₁)≠n₃(γ₁, A₁)

n₂(γ₁, A₁)≠n₄(γ₁, A₁)

이 시점에서, 도 14에서 예시화된 바와 같이, 삼차원의 주기적 구조물이 제2 매질에 의해 제1 매질에 형성되었다고 가정한다. 또한 이 경우에도, 주기적 구조물에 의해 형성된 광자 결정체가 경사광의 주파수 γ₁에서 넓은 범위의 방향으로 밴드갭을 개방하는 것이 바람직하고, 특히 모든 방향으로 밴드갭을 개방하는 다이아몬드 구조를 형성하는 것이 바람직하다. 이 주기적 구조물을 구성하는 제2 매질 중이 도 14에서 나타낸 바와 같이 일차원적으로 연속적인 제3 광학 매질로 대체될 때, 도 13을 참조하여 설명된 경우에서와 같이, 광자 결정체의 주기성의 불규칙부를 야기하는 일차원적으로 연속하는 스폿이 도파로로서 작용하게 된다. 즉, 제3 매질이 연속적으로 배열되어 있는 방향 이외의 방향으로 전송하길 시도하는 광이 내부에 트랩되어 광학 도파로로서 작용하게 된다. 이 도파로를 "제1 도파로 G1"으로 부른다.

또한, 제2 광학 매질의 다른 스폿이 도 14에서 예시화되어 있는 바와 같이 일차원적으로 연속적인 제4 광학 매질로 대체되면, 이 스폿이 또한 도파로로 기능하게 된다. 이 도파로를 "제2 도파로 G2"로 부른다.

광자 결정체의 주기성에 불규칙부를 야기하는 일차원적으로 연속하는 스폿이 도 14에서 예시화된 바와 같이 또 다른 스폿에 형성되면, 이 스폿이 또한 도파로로 작용하게 된다. 이들 스폿을 "제3 도파로 G3"로 부른다. 이들 세 개의 도파로가 함께 결합되어 분기를 갖는 도파로를 형성한다.

도 15는 이렇게 형성된 광학 소자의 작용을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 15(a)에서 나타낸 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 도파로 모두가 외장 조건 A₁하에서 경사광에 대한 도파로로 작용한다. 따라서, 제3 도파로 G3의 좌측 단부로부터 입력된 광이 제1 도파로 G1 및 제2 도파로 G2로 분기된다.

다음에, 광학 소자의 조건은 도 15(b)에서 나타낸 것으로 전환된다. 즉, 외장 조건 A₁은 굴절률이 다음의 식으로 나타낸 관계를 만족하는 외장 조건 A₂로 전환된다.

n₁(γ₁, A₂)≠n₂(γ₁, A₂)

n₂(γ₁, A₂)≠n₃(γ₁, A₂)

n₂(γ₁, A₂)=n₄(γ₁, A₂)

이 경우, n₂(γ₁, A₂)=n₄(γ₁, A₂)이므로, 제2 도파로 G2로 작용하는 스폿은 더이상 불규칙한 주기성을 갖는 스폿이 아니므로 더 이상 도파로로 작용하지 않는다. 다시 말해, 외장 조건 A₂하에서, 제3 도파로 G3을 통해 전송되는 광은 제1 도파로 G1으로 향하는 반면, 제2 도파로 G2으로 향하지 않는다.

다음에, 광학 소자의 조건을 도 15(c)에서 나타낸 것으로 전환된다. 즉, 외장 조건 A₂는 굴절률이 다음 식으로 나타낸 관계를 만족하는 외장 조건 A₃로 전환된다.

n₁(γ₁, A₃)≠n₂(γ₁, A₂)

n₂(γ₁, A₃)=n₃(γ₁, A₃)

n₂(γ₁, A₃)≠n₄(γ₁, A₃)

이 경우, n₂(γ₁, A₃)=n₃(γ₁, A₃)이기 때문에, 제1 도파로 G1인 스폿은 더 이상 도파로로 작용하지 않는다. 다시 말해, 외장 조건 A₃하에서, 제3 도파로 G3를 통해 전송되는 광은 제1 도파로 G1으로 향하지 않는 반면, 제2 도파로 G2으로는 향한다.

상술된 바와 같이, A₁, A₂및 A₃사이의 조건을 전환하여, 광학 도파로를 통해 전송하는 광의 분기를 전환할 수 있다.

다음에, 도 16을 참조하여, 경사광의 파장에 따라 도파로에 위치한 분기가 다르게 작용하는 광학 디멀티플렉서의 동작 원리에 대해 설명한다.

도 14에서 예시화된 도파로의 경우에서와 같이, 적어도 네 유형의 광학 매질을 포함하는 구조를 고려하여, 네 유형의 광학 매질을 제1, 제2, 제3 및 제4 광학 매질로 정의한다. 또한, 외장 조건 A₁하에서 경사광의 주파수 γ₁및 γ₂에서 이들 광학 매질의 굴절률은 n₁(γ₁, A₁), n₂(γ₁, A₁), n₃(γ₁, A₁), n₄(γ₁, A₁), 및 n₁(γ₂,A₁), n₂(γ₂, A₁), n₃(γ₂, A₁), n₄(γ₂, A₁)로서 각각 나타낸다.

또한, 이들 굴절률은 다음 식으로 나타낸 관계를 만족한다.

n₁(γ₁, A₁)≠n₂(γ₁, A₁)

n₂(γ₁, A₁)≠n₃(γ₁, A₁)

n₂(γ₁, A₁)=n₄(γ₁, A₁)

n₁(γ₂, A₁)≠n₂(γ₂, A₁)

n₂(γ₂, A₁)=n₃(γ₂, A₁)

n₂(γ₂, A₁)≠n₄(γ₂, A₁)

도 16(a) 및 도 16(b)는 이들 광학 매질에 의해 형성되며 내부에 분기를 갖는 도파로를 갖는 광학 소자를 나타내는 도면이다. 즉, 먼저 삼차원의 주기적 구조물은 제1 매질 내의 제2 매질로 형성된다. 이 경우도, 주기적 구조물로 형성된 광자 결정체가 경사광의 주파수 γ₁및 γ₂에서 넓은 범위의 방향으로 밴드갭을 개방하는 것이 바람직하고, 특히 밴드갭을 모든 방향에서 개방하는 다이아몬드 구조를 형성하는 것이 바람직하다.

이 주기적 구조물을 갖는 제2 매질 중에는, 도 16(a)에서 나타낸 바와 같이 일차원적으로 연속적인 제3 광학 매질로 대체되는 것이 있다. 이 경우, n₂(γ₁, A₁)≠n₃(γ₁, A₁)이기 때문에, γ₁의 주파수를 갖는 광에 대해서, 이들 스폿은 광자결정체의 주기성이 불규칙한 스폿이 된다. 이들 스폿은 제3 매질이 연속적으로 배열되어 있는 방향 이외의 방향으로 전송하려고 하는 γ₁의 주파수를 갖는 광을 트랩하며, 광 도파로로 작용한다. 그러나, γ₂의 주파수를 갖는 광에 대해서는 n₂(γ₂, A₁)=n₃(γ₂, A₁)이기 때문에, 이들 스폿은 주기성이 불규칙한 스폿이 아니므로 도파로로서 작용하지 않는다. 이들 스폿을 "제1 도파로 G1"으로 부른다.

또한, 제2 매질의 다른 부분이 도 16(a)에서 예시화된 바와 같이 일차원적으로 연속하는 제4 광학 매질로 대체될 때, n₂(γ₁, A₁)=n₄(γ₁, A₁)이기 때문에, γ₁의 주파수를 갖는 광에 대해서 이들 스폿은 주기성이 불규칙한 스폿이 아니므로 도파로로 작용하지 않는다. 그러나, γ₂의 주파수를 갖는 광에 대해서는 n₂(γ₂, A₁)≠n₄(γ₂, A₁)이기 때문에, 이들 스폿은 주기성이 불규칙한 스폿이므로 도파로로서 작용하게 된다. 이들 스폿을 "제2 도파로 G2"로 부른다.

또한, γ₁의 주파수를 갖는 광과 γ₂의 주파수를 갖는 광에 대해 불규칙한 주기성을 나타내는 일차원적으로 연속하는 스폿은 도 16(a)에서 예시화된 바와 같이 또 다른 스폿에 형성되어 "제3 도파로 G3"로 불린다. 제1 도파로 G1 및 제2 도파로 G2는 제3 도파로 G3에 연결되어 있다.

도 16(b)에서 나타낸 바와 같이, γ₁의 주파수를 갖는 광과 γ₂의 주파수를 갖는 광이 그 제3 도파로 G3의 좌측 단부로부터 이들 도파로에 입력될 때, γ₁의 주파수를 갖는 광은 도파로 G1으로 향하지만 분기에서 도파로 G2로는 향하지 않는다. 한편, γ₂의 주파수를 가는 광은 도파로 G1으로 향하지 않고 도파로 G2로 향하게 된다. 따라서, 제3 도파로 G3를 통해 전송되는 γ₁의 주파수를 갖는 광과 γ₂의 주파수를 갖는 광이 그 주파수 (파장)에 따라서, 도파로 G1 및 도파로 G2로 각각 분기된다.

도 13 내지 도 16을 참조하여 상술된 도파로를 갖는 광학 소자에 대한 상기 설명에서는, 삼차원의 광자 결정체에 형성된 일차원의 도파로를 설명했다. 그러나, 본 발명은 삼차원의 광자 결정체에만 국한되는 것은 아니다. 즉, 이차원의 주기적 구조물을 갖는 광자 결정체의 주기적 구조물에서 일차원의 불규칙부를 이용함으로써 형성되는 도파로에 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 광 밴드 구조의 동적 전환 및 도 9 내지 도 16를 참조하여 설명된 도파로의 전환은, 외장에 의해 굴절률의 단순한 변화를 이용하는 것이 아니라, 광자 결정체으로 이루어지는 광학 매질 또는 광자 결정체를 포함하는 광학 소자 중에서 두 개의 광학 매질의 굴절률을 외장에 대한 매질의 굴절률의 가변 의존성을 이용하여 외장의 인가에 의해 특정 파장에서 동일하거나 거의 동일하게 할 수 있다는 사실을 이용하여 성취될 수 있다.

도 17은 외장에 대한 세 유형의 광학 매질의 굴절률의 의존성을 나타낸 그래프이다. 외장으로 전계, 자계, 광, 압력, 온도 등을 이용할 수 있다. 이들 외장의 대표적 유형 및 이러한 외장의 인가가 굴절률의 변화를 유도하는 어플리케이션의 대표적 기구를 이하 설명한다.

전계로서는, (a) 스타크 (Stark) 시프트, (b) 프렌츠 켈디시 (Franz-Keldish) 효과, (c) 포켈스 (Pockels) 효과, (d) 커 효과, 및 (e) 배향의 변화로 인한 굴절률의 변화 (특히 편광에 효과적임)를 이용할 수 있다.

자계로서는, (a) 자계로 인한 레벨 분할과 관련되는 공진 에너지의 시프팅으로 야기된 굴절률의 변화, 및 (b) 코튼-모우튼 (Cotton-Mouton) 효과를 이용할 수 있다.

광으로서는, (a) 광학 스타크 효과, (b) 광학 여기 (흡수 포화)로 인한 이동과 관련되는 굴절률의 변화, (c) 광의 조사에 의해 양자 간섭에 의해 야기된 굴절률의 변화(전자기적으로 유도된 투명성), (d) 광이성화(photoisomerization)으로 인해 야기된 굴절률의 변화, (e) 광의 조사로 인한 구조적 변화에 의한 굴절률의 변화 (f) 광이온화로 인한 굴절률의 변화를 이용할 수 있다.

압력으로는, (a) 압전 반사 효과를 이용할 수 있다.

온도로는, (a) 온도 변화에 의해 야기된 전자 구조에서의 밴드 시프트와 관련되는 굴절률의 변화, (b) 온도의 변화로 야기된 이성화와 관련되는 굴절률의 변화, 및 (c) 온도의 변화로 인한 구조적 변화와 관련되는 굴절률의 변화를 이용할 수 있다.

부가하여, 상기 외장 중 두 개 이상은 굴절률의 변화를 효율적으로 유도하도록 결합하여 이용될 수 있다. 더욱, 본 발명에서는, 특정 편광에 대한 굴절률의 변화가 상술된 바와 같이 동일한 기구에 의해 도입되는 재료로 형성되면, 광 밴드구조의 동적 전환, 도파로 및 분기의 전환이 특정 편광에 대해 가능하게 된다.

본 발명의 실시예 5 내지 8의 광학 소자 및 광학 디멀티플렉서를 이하 도면을 참조하여 설명한다.

(실시예 5)

본 발명의 광학 소자를 생성하기 위해서, 광자 결정체의 골격을 형성하는 실리카 다공체 (SiO₂)를 마련한다. 이 실리카 다공체는 1㎜×1㎜×1㎜의 크기, 적어도 90%의 다공률, 30㎚의 평균 보이드 직경 및 공기의 것과 근접한 1.015 내지 1.055의 굴절률을 갖는다.

이 실리카 다공체는 루테늄 합성물의 에타놀 용액 내에 흡수되어 실리카 다공체에 루테늄 합성물를 흡수시킨다.

도 18은 루테늄 합성물의 구조식을 나타낸다. 실리카 다공체를 약 1시간 동안 에타놀 용액 내에 흡수시킨 후, 실리카 다공체의 내벽에 루테늄 합성물이 흡수되게 열처리 및 재유동 처리한다. 그 후, 실리카 다공체를 에타놀로 세정하여 비흡수된 루테늄 합성물을 제거한다.

다음에, Q-전환된 YAG 레이저로부터 제4 조화파 (266㎚의 파장)를 갖는 레이저빔이 렌즈를 통해 약 300㎚의 스폿 직경으로 압축되어 이렇게 처리된 실리카 다공체에 조사된다. 이 조사시, 미러는 압전 소자 구동 시스템으로 제어되어 실리카 다공체의 내측 상에 레이저빔을 집중시키고, 이 초점은 각 초점에서 삼차원 패터닝을 실행하도록 연속적으로 변화된다. 이 초점에서, 루테늄 합성물은 고강도의 자외선 조사로 분해된다. 분해되지 않고 남은 루테늄 합성물이 700㎚의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하도록 패터닝을 실행한다.

도 19는 실리카 다공체 내에 루테늄 합성물의 분포를 나타내는 도면이다. 도 19에서 나타낸 바와 같이, 루테늄 합성물은 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하도록 형성되어 있다. 또한, 도 19에서 나타낸 바와 같이, 페이스를 중심에 둔 입방형 격자는, 페이스를 중심에 둔 입방형 격자의 격자점에서 강한 자외선 조사에 노출되지 않는 스폿이 약 350㎚의 긴 직경과 약 300㎚의 짧은 직경을 갖는 럭비볼 형상을 갖도록 형성되어 있다. 또한, 긴 직경의 축은 가장 근접한 격자점을 향해 있다. 이와 같이 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성함으로써, 분해되지 않은 류테늄 합성물이 럭비볼 형상의 스폿에만 남게 되어 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하게 된다. 실리카 다공체 내에 루테늄 합성물의 분해물을 제거하기 위해서, 에타놀과 메타놀이 이를 세정하는 데에 사용된다.

다음에, 이 실리카 다공체는 포토애시드로서 1%의 4-모폴리노-2,5-디부티록시벤젠디아조늄플루오로보레이트를 에폭시 수지로서 세록사이드 2021 (상품명, 디에셀 케미컬 사의 제품)에 첨가하여 형성된 용액에 넣어 실리카 다공체에 이 용액을 흡수시킨다.

그 후, 407㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 엑시머 레이저 여기 색소 레이저에 의해 생성된다. 266㎚의 파장을 갖는 빔을 이용하는 패터닝에 사용되는 것과 동일한 장치를 이용하여, 에폭시 수지가 스며드는 실리카 다공체의 내측 상에 초점을 맞추고, 이 초점이 연속적으로 변화되어 1.4㎛의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 스폿에 407㎚의 파장을 갖는 강한 빔을 조사한다. 또한, 그 격자점에서, 407㎚의 파장을 갖는 강한 빔으로 조사된 스폿은 약 450㎚의 긴 직경과 약 400㎚의 짧은 직경을 갖는 럭비볼 형상으로 형성되어 있으며, 긴 직경의 축은 가장 근접한 격자점으로 향해진다.

실리카 다공체 내에 형성된 마커를 사용한 위치 결정으로, 407㎚의 파장을 갖는 빔을 이용한 패터닝이 최종 패턴의 중심이 266㎚의 파장을 갖는 빔으로 형성된 패턴의 중심과 일치하지 않는 위치에서 실행되게 된다. 또한, 이 실리카 다공체는 60℃로 유지하면서 5시간 동안 가열된다. 이와 같이 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하여, 에폭시 수지가 경화되는 스폿이 1.4㎛의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 럭비볼 형상의 스폿에만 형성되게 된다. 그 후, 실리카 다공체가 아세톤과 메타놀로 세정되어 비경화된 수지와 산 생성기를 제거한다.

다음에, 이렇게 처리된 실리카 다공체가 10wt%의 색소 (LAMBDAPHYSIC Co. Ltd의 제품, IR26)를 함유하는 메틸 메타크릴레이트에 넣어져 실리카 다공체에 메틸 메타크릴레이트를 흡수시킨다. 그 후, 엑시머 여기 색소 레이저로부터 500㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 실리카 다공체 전체 위에 조사되면, 실리카 다공체 내의 루테늄 합성물이 고착되는 스폿 내에 있는 메틸 메타크릴레이트만이 루테늄 합성물의 촉매 작용으로 중합된다. 광중합 후에, 실리카 다공체가 아세톤으로 세정되어 비중합된 메틸 메타크릴레이트를 씻어낸다. 그 결과, 럭비볼 형상의 폴리메틸 메타크릴레이트가 700㎚의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 스폿에 형성된다.

다음에, 루테늄 합성물은 에타놀 용액을 이용하는 것에 의해 에폭시 수지나 폴리메틸 메타크릴레이트에 의해 점유되지 않는 실리카 다공체 내의 스폿에 고착되게 되고, 비흡수된 루테늄 합성물이 세정으로 제거되고, 실리카 다공체가 2wt%의 색소 (LAMBDAPHYSIC Co. Ltd의 제품, IR26)를 함유하는 메틸 메타크릴레이트에 넣어져 실리카 다공체에 메틸 메타크릴레이트를 흡수시킨다. 다음에, 메틸 메타크릴레이트는 500㎚의 파장을 갖는 레이저빔의 조사로 중합된다.

도 20은 이렇게 형성된 광자 결정체의 구조를 나타내는 도면이다. 도 20에서 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 광자 결정체는 매트릭스로 2wt%의 색소를 함유하는 폴리메틸 메타크릴레이트(1)를 함유하고, 매트릭스(1)는 10wt%의 색소를 함유하는 럭비볼 형상의 폴리메틸 메타크릴레이트로 형성되는 700㎚의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자(2) 및 에폭시 수지로 형성된 1.4㎛의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자(3)를 포함한다.

1,000㎚의 파장 근처에서 이 광자 결정체의 적외선 반사 스펙트럼이 측정될 때, 대형의 반사 피크가 1,000㎚ 근처에서 나타나게 된다. 이것은 내부에서 분포되는 10wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타클리레이트(2)와 내부에 분포된 2wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(1) 사이의 굴절률 차가 내부에 분포된 2wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(1)와 에폭시 수지(3) 사이의 굴절률차 보다 더 크고, 광 밴드갭이 700㎚의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자의 형태로 배열된, 내부에 분포된 10wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(2)의 공간 패턴에 의해 주로 형성되기 때문이다. 이것은 반사도가 특히 높아 1,000㎚ 근처에서 나타나는 영역을 초래한다는 것을 생각할 수 있다.

반면, 1,000㎚ 근처에서 이 광자 결정체의 반사 스펙트럼이 1,100㎚의 파장을 갖는 적외광을 이 광자 결정체에 조사하여 다시 측정된다.

도 21은 1,100㎚의 파장을 갖는 적외광이 조사/비조사될 때의 1,000㎚ 근처의 반사 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 21로부터 이해되는 바와 같이, 1,100㎚의 파장을 갖는 적외광이 조사될 때, 1,000㎚ 근처에서 보이는 큰 반사 피크가 소멸한다. 이것은 1,100㎚의 파장을 갖는 광의 조사가 색소가 분포되는 스폿에서 흡수 포화를 야기하고, 내부에 분포된 10wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(2)와 내부에 분포된 2wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(1) 사이의 굴절률차가 더 작아지기 때문이라고 생각된다.

또한, 이 조건 하에서, 내부에 분포된 2wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(1)와 에폭시 수지 간의 굴절률차는 내부에 분포된 10wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(2)와 1,000㎚ 근처의 파장 범위에서 내부에 분포된 2wt%의 색소를 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(1) 간의 굴절률차 보다 더 크기 때문에, 광 밴드는 1.4㎛의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 에폭시 수지(3)의 분포 패턴으로 형성된다고 생각된다. 사실상, 반사 피크는 적외 영역 근처에서 2,000㎚ 근처에서 관찰되는데, 이것은 에폭시 수지(3)의 분포 패턴으로 형성된 광 밴드로 인한 것이라고 생각된다.

상술된 바와 같이, 세 유형의 광학 매질(1, 2, 및 3)로부터 광자 결정체를 형성하여, 광의 조사에 의해 특정 파장으로 광 밴드를 형성하는 스폿의 공간 패턴을 전환할 수 있으며, 광학 응답을 상당히 변화시킬 수 있다.

실시예 1 내지 4의 공정 및 장치를 본 실시예에서 사용할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

(실시예 6)

실시예 5에서 사용되는 것과 동일한 표준 및 크기를 갖는 실리카 다공체는 포토애시드 생성기로서 1%의 4-모폴리노-2,5-디부티록시벤젠디아조늄플루오로보레이트를 에폭시 수지로서 세록사이드 2021 (상품명, 디에셀 케미컬 사의 제품)에 첨가하여 형성된 용액에 넣어 실리카 다공체에 이 용액을 흡수시킨다. 그 후, 407㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 엑시머 레이저 여기 색소 레이저에 의해 생성된다. 실시예 5에서의 패터닝에 사용되는 것과 동일한 장치를 이용하여, 에폭시 수지가 스며드는 실리카 다공체의 내측 상에 초점이 맞춰지고, 이 초점이 연속적으로 변화되어 1.4㎛의 격자 상수를 갖는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 스폿에 407㎚의 파장을 갖는 강한 빔을 조사한다. 또한, 그 격자점에서, 407㎚의 파장을 갖는 강한 빔으로 조사된 스폿은 약 450㎚의 긴 직경과 약 400㎚의 짧은 직경을 갖는 럭비볼 형상으로 형성되어 있으며, 긴 직경의 축은 가장 근접한 격자점으로 향해진다. 실리카 다공체 내에 적어도 10개 층의 격자점을 형성한 후, 이 실리카 다공체를 60℃로 유지하면서 5시간 동안 가열한다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤과 메타놀로 세정되어 비경화된 수지와 산 생성기를 제거한다.

다음에, 이렇게 처리된 실리카 다공체가 10wt%의 색소를 함유하는 세록사이드 2021 (디에셀 케미컬 사의 제품) 에폭시 수지 및 1wt%의 4-모폴리노-2,5-디부티록시벤젠디아조늄플루오로보레이트 내에 넣어져 실리카 다공체에 색소 포함 에폭시 수지를 흡수시킨다. 그 후, 실리카 다공체 내에 형성된 마커를 이용한 정밀한 위치 결정으로 샘플이 407㎚의 파장을 갖는 레이저빔을 이용하여 패터닝 장치 내에 다시 세트되고, 페이스를 중심에 둔 입방형 격자의 이미 형성된 상부층 상에서 일차원적으로 연속하는 격자점에 대응하는 스폿에 빔을 조사하여, 407㎚의 파장을 갖는 빔으로 조사된 스폿이 450㎚의 긴 직경과 400㎚의 짧은 직경을 갖는 럭비볼 형상을 갖게 하고 긴 직경의 축 방향이 아래 놓이는 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 격자점의 긴 축의 방향과 일치되게 한다.

도 22는 이렇게 형성된 구조를 나타내는 개념도이다. 도 22에서 나타낸 바와 같이, 색소 포함 에폭시 수지의 패터닝이 실행되는 스폿(22)이 색소를 포함하지 않는 에폭시 수지층(21) 상에 일차원적으로 형성되게 된다.

이 색소 포함 격자점(22)이 일 라인을 점유하도록 형성된 후, 이 실리카 다공체는 60℃로 유지하면서 5시간 동안 다시 가열된다. 그 후, 실리카 다공체는 아세톤과 메타놀로 세정되어 비경화된 수지와 산 생성기를 제거한다.

다음에, 이렇게 처리된 실리카 다공체는 1wt%의 4-모폴리노-2,5-디부티록시벤젠디아조늄플루오로보레이트를 함유하는 세록사이드 2021 (디에셀 케미컬 사의 제품) 에폭시 수지 내에 넣어져 실리카 다공체에 색소 포함 에폭시 수지를 흡수시킨다.

그 후, 실리카 다공체 내에 형성된 마커를 이용한 정밀한 위치 결정으로, 샘플이 407㎚의 파장을 갖는 레이저빔을 이용하는 패터닝 장치 내에 다시 세트되고, 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 형성하는 10개 이상의 격자점 층이 이전에 형성된 페이스를 중심에 둔 입방형 격자(21)와 일치되게 하여 초점을 이동시키면서 빔을 연속적으로 조사하여 색소 포함 에폭시 수지(22)의 라인 및 그 위에 형성되는 에폭시 수지(21)의 라인 위에 형성된다. 이 층의 형성시, 407㎚의 주파수를 갖는 강한 빔으로 조사된 스폿은 450㎚의 긴 직경과 약 400㎚의 짧은 직경을 갖는 럭비볼 형상으로 형성되어 있으며, 긴 직경의 축 방향은 아래 놓인 페이스를 중심에 둔 입방형 격자를 구성하는 격자점의 긴 축 방향과 일치하게 만들어진다.

그 후, 이 실리카 다공체는 60℃로 유지하면서 5시간 동안 다시 가열되고, 다음에 실리카 다공체가 아세톤과 메타놀로 세정되어 비경화된 수지와 산 생성기를 제거한다.

도 23은 이렇게 취득된 광자 결정체에서 도파로의 기능의 평가 방법을 나타내는 개념도이다.

먼저, 도 23(a)에서 나타낸 바와 같이, 실리카 다공체는 광자 결정체 PC의 일차원적 연속성 색소 포함 에폭시 수지의 단부가 노출되게 쉐이브되고, 광학 파이버 F1 및 F2는 각각 그 단부에 연결되어 있다. 1,000㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 이 파이버 F1에 입력될 때, 강도가 입력된 빔의 강도의 90%와 동일한 빔이 광자 결정체 PC의 다른 측면에 위치된 파이버 F2로부터 출력되고 있는 것이 관찰된다. 즉, 일차원 연속성 색소 포함 에폭시 수지는 주기성이 광자 결정체 PC에서 불규칙한 스폿으로서 광학 도파로 G로 기능하게 된다.

다음에, 도 23(b)에서 나타낸 바와 같이, 1,100㎚의 파장을 갖는 레이저빔 L이 그 강도가 점차 변화하면서 광자 결정체 PC에 조사될 때, 파이버 F2로부터 출력된 빔의 강도는 레이저빔 L의 강도가 특정 수준에 달할 때 제로가 된다. 이것은 색소 포함 에폭시 수지로 형성된 격자점의 굴절률이 빔의 조사로 변하게 되어, 이들 격자점과 색소를 포함하지 않는 격자점 간의 굴절률의 차가 소거되고, 그 결과 일차원 연속성 색소 포함 에폭시 수지가 도파로 G로서 기능할 수 없게 되기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따라서, 1,100㎚의 파장을 갖는 빔의 조사로 전환 기능을 나타내는 광학 도파로를 형성한다.

(실시예 7)

실시예 6에서 사용된 것과 동일한 표준 및 크기를 가지며 실시예 6에서 사용된 것과 동일한 패터닝 공정을 갖는 실리카 다공체를 이용하여 광자 결정체에 형성된 도파로를 갖는 광학 소자를 제조한다.

도 24는 본 실시예에서 형성되는 광자 결정체 PC의 구조를 나타내는 개념도이다. 본 실시예에서는, 주기성이 불규칙한 스폿으로서, 1,100㎚ 근처의 흡수 피크를 갖는 10wt%의 색소 (LAMBDAPHYSIC Co., Ltd.의 제품, IR26)를 함유하는 에폭시 수지로 형성되는 격자점을 포함하는 도파로 (이하, "도파로 G1"로 언급), 850㎚ 근처에 흡수 피크를 갖는 색소 (LAMBDAPHYSIC Co., Ltd.의 제품, IR132)를 함유하는 에폭시 수지로 형성되는 격자점을 포함하는 도파로 (이하, "도파로 G2"로 언급), 및 격자점이 에폭시 수지로 형성되기는 하지만 일부러 형성되지는 않는 일차원 연속성 지점을 포함하는 도파로 (이하 "도파로 G3"로 언급)이 형성되어 있다. 이들 도파로는 도 24에서 나타낸 바와 같이 광자 결정체에서 서로 연결되어 있다.

세 개의 도파로 G1 내지 G3 중에서, 1,000㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 도파로 G3의 좌측 단부에 입력된다. 이 시점에서 850㎚의 파장을 갖는 레이저빔은 광자 결정체 PC 전체 위에 조사된다. 도파로 G1 및 G2의 단부로부터 출력된 빔이 측정되면, 입력된 레이저빔의 적어도 80%가 도파로 G1으로부터 출력되는 것을 알수 있다. 이것은 다음의 기구에 의한 것이라고 가정된다.

즉, 이 조건 하에서, 입력된 1,000㎚ 파장의 빔은 도파로 G1에 관련하여 1,100㎚의 흡수 피크 파장의 고위 에너지측에 위치되며 오직 에폭시 수지만이 사용될 때의 굴절률 보다 더 작은 굴절률을 나타내는 스펙트럼 영역에 존재한다. 반면, 도파로 G2에 대해서는, 입력된 1,000㎚ 파장의 빔은 850㎚의 흡수 피크 파장의 저위 에너지측에서의 굴절률이 더 큰 스펙트럼 영역에 존재한다. 그러나, 도파로 G2이 850㎚의 파장을 갖는 레이저빔으로 여기되고 흡수 포화와 함께, 굴절률이 에폭시 수지만이 사용될 때 굴절률에 근접하게 되기 때문에, 입력된 빔은 굴절률의 주기성이 불규칙한 부분으로서 도파로 G2를 거의 인식할 수가 없다. 따라서, 실재 기능하는 도파로는 입력된 빔이 굴절률의 주기성이 불규칙한 부분으로서 인식하는 도파로 G1뿐이다.

다음에, 1,100㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 850㎚의 파장을 갖는 레이저빔 대신에 광자 결정체 PC 전체 위에 조사된다. 도파로 G1 및 G2의 단부로부터 1,000㎚의 파장을 갖는 출력된 빔을 이 조건 하에서 측정하니, 입력된 레이저빔의 적어도 80%가 도파로 G2로부터 출력되는 것을 알았다. 이것은 다음의 기구에 의한 것이라고 생각된다.

즉, 이 조건 하에서, 입력된 1,000㎚ 파장의 빔은 도파로 G2에 관련하여 850㎚의 흡수 피크 파장의 저위 에너지측에 위치되며 오직 에폭시 수지만이 사용될 때 작은 굴절률을 나타내는 스펙트럼 영역에 존재한다. 반면, 도파로 G1에 대해서는, 입력된 1,000㎚ 파장의 빔은 1,100㎚의 흡수 피크 파장의 고위 에너지측에서의 굴절률이 더 작은 스펙트럼 영역에 존재한다. 그러나, 도파로 G1이 1,100㎚의 파장을 갖는 레이저빔으로 여기되고 흡수 포화와 함께, 굴절률이 에폭시 수지만이 사용될 때의 굴절률에 근접하게 되기 때문에, 입력된 빔은 굴절률의 주기성이 불규칙한 부분으로서 도파로 G1을 거의 인식할 수가 없다. 따라서, 실재 기능하는 도파로는 입력된 빔이 굴절률의 주기성이 불규칙한 부분으로서 인식하는 도파로 G2뿐이다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 도파로에서 진행하는 광의 방향을 광학 매질에 조사되는 광의 파장을 변화시켜 전환시킬 수 있다.

(실시예 8)

광자 결정체에 형성되는 도파로를 갖는 광학 소자는 실시예 7에서 사용되는 것과 동일한 표준 및 크기와 실시예 7에서 사용되는 것과 동일한 패터닝을 갖는 실리카 다공체를 이용하여 제조된다.

본 실시예에서는, 주기성이 불규칙한 스폿으로서, 600㎚ 근처의 흡수 피크를 갖는 10wt%의 색소 (LAMBDAPHYSIC Co., Ltd.의 제품, Cresyl Violet)를 함유하는 에폭시 수지로 형성되는 격자점을 포함하는 도파로 (이하, "도파로 G1"로 언급),450㎚ 근처에 흡수 피크를 갖는 색소 (LAMBDAPHYSIC Co., Ltd.의 제품, Coumarin 334)를 함유하는 에폭시 수지로 형성되는 격자점을 포함하는 도파로 (이하, "도파로 G2"로 언급), 및 격자점이 에폭시 수지로 형성되기는 하지만 일부러 형성되지는 않는 일차원 연속성 지점을 포함하는 도파로 (이하 "도파로 G3"로 언급)이 형성되어 있다. 이들 도파로는 실시예 7의 경우에서와 같이 광자 결정체에서 동일한 구성으로 서로 연결되어 있다.

세 개의 도파로 G1 내지 G3 중에서, 700㎚ 및 500㎚의 파장을 갖는 레이저빔이 도파로 G3의 좌측 단부에 입력된다. 도파로 G1 및 G2의 단부로부터 출력된 빔이 측정되면, 700㎚ 파장을 갖는 입력된 레이저빔의 적어도 80%가 도파로 G1으로부터 출력되고 500㎚ 파장을 갖는 입력된 레이저빔의 적어도 80%가 도파로 G2로부터 출력되는 것을 알 수 있다.

이것은 다른 에폭시 수지 스폿과 다르게 700㎚ 파장을 갖는 빔에 대해 고 굴절률을 나타내는 색소 포함 에폭시 수지로 형성되는 도파로의 일부가 도파로 G1인 반면, 다른 에폭시 수지 스폿과 다르게 500㎚ 파장을 갖는 빔에 대해 고 굴절률을 나타내는 색소 포함 에폭시 수지로 형성도는 도파로의 일부가 도파로 G2이기 때문이다.

상술된 바와 같이, 본 실시예 5 내지 8에 따르면, 파장에 따라 광이 향하는 방향을 전환시키며 광학 디멀티플렉서로서 기능하는 광학 소자를 성취할 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시예에 의해 잘 이해할 수 있도록 기재되었지만, 본 발명은 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고 여러 가지 방법으로 구현될 수 있음이이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고 구현될 수 있는 모든 가능한 실시예 및 제시된 실시예의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서, 청구범위, 도면 및 요약을 포함하는 1999년 9월 24일자 출원된 일본 특허 출원 번호 H11-271378 및 1999년 9월 30일자로 출원된 번호 H11-280043의 개시가 모두 여기에서 참조되고 있다.

본 발명에 따르면, 어느 결정 구조의 형태라도 광의 파장 정도의 주기를 갖는 삼차원 광자 결정체를 종래의 공정에서와 같은 정밀도로 "결정"층을 적층하는 단계를 거치지 않고 용이하고 단시간 내에 제조할 수 있는 새로운 공정 및 새로운 제조 장치와, 이 공정 및 장치에 제조된 광학 소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 광자 결정체의 밴드 구조를 자유롭게, 동적으로 제어할 수 있는 새로운 광학 소자, 특히 광자 결정체의 밴드 구조를 복합 굴절률의 분포 패턴이나 주기성 자체를 변화시켜 제어할 수 있는 광학 소자와, 광자 결정체에서의 도파로를 이용하는 새로운 광학 디멀티플렉서를 제공한다.

Claims (21)

1. 굴절률이 주변과는 다른 스폿이 주기적으로 배열되어 있는 광자 결정체(photonic crystal)를 포함하는 광학 소자를 제조하는 방법에 있어서,

   광의 강도가 광의 파장의 정도의 주기로 공간적으로 변화하는 3차원의 주기적 구조를 가지는, 제1 광학 필드를 생성하는 단계 - 상기 3차원의 주기적 구조는 광의 강도가 그들 주변보다는 강한 격자점을 가짐 - ;

   조사된 광의 강도 또는 상기 광 조사 후에 실행되는 사전설정된 처리에 의해 굴절률이 변화되는 광학 매질을, 주어진 시간 동안 상기 제1 광학 필드에 노출시키는 단계;

   광학 매질을 상기 3차원의 구조의 격자점을 상기 격자점에 인접하는 3개의 격자점들에 연결하는 3개의 다른 라인들에 의해 정의되는 세 방향 중 어느 것과도 평행하지 않은 방향으로 필드에서 광의 파장의 정도의 미세 거리만큼 이동시키는 단계; 및

   상기 광 강도가 광 파장 정도의 주기로 공간적으로 변하는 제2 광학 필드에 상기 광학 매질을 노출시키는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학 매질의 상기 굴절률은 열 처리, 혹은 전자기파 또는 미립자 선의 더해진 조사, 혹은 상기 광의 조사 후 화학 약품 처리 중 어느 하나에 의해 조사 광의 강도에 따라서 변하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 광학 매질의 상기 화학 약품 처리에 의해 조사 광의강도에 따른 굴절률의 공간 분포를 갖는 상기 광자 결정체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 광학 매질은 광중합 가능한 단량체가 채워진 다공성 재료이고, 상기 조사 광의 강도가 나머지부 보다 더 낮은 부분에 스며든 상기 광중합 가능한 단합체는 상기 광자 결정체 형성 단계에서 상기 화학 약품 처리에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필드와 상기 제2 광학 필드 중 적어도 하나는 레이저빔의 간섭에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 광학 필드 및 상기 제2 광학 필드 중 적어도 하나는, 제1 방향으로 전파되는 레이저빔과 상기 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향으로 전파되는 레이저빔의 간섭에 의해 발생하는 정상파에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 제2 방향으로 전파되는 레이저빔은 상기 제1 방향으로 전파되는 상기 레이저빔을 반사시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 변화시키는 단계는, 상기 세 방향으로 압전 소자에 의해 이동되는 스테이지 상에 상기 광학 매질을 배치시키는 것과, 상기 제1 광학 필드에서 상기 광 파장 정도의 미세 거리만큼 상기 광학 매질의 위치를 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필드와 상기 제2 광학 필드 중 적어도 하나는 삼차원 격자의 각 격자점에서 더 높은 광의 강도를 갖는 스폿을 형성하여 생성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 스폿에서의 상기 광의 강도의 분포는 이방성인 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 스폿에서의 상기 광의 강도의 분포는 상기 세 방향으로 연장된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필드 및 상기 제2 광학 필드는 동일한 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필드 및 상기 제2 광학 필드는 상기 광의 강도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
14. 광학 소자의 제조 장치에 있어서,

    광 파장의 정도의 주기로 광 강도가 공간 내에서 변하는 3차원의 주기적 구조를 갖는 광학 필드를 생성하는 광학계 - 상기 3차원의 주기적 구조는 광의 강도가 그들 주변부보다는 강한 격자점을 가짐 -; 및

    광의 강도가 주기적으로 변하는 광학 필드에서, 조사된 광의 강도에 의해 굴절률이 변하는 광학 매질을 유지하고 상기 필드에서 상기 3차원의 구조의 격자점을 상기 격자점에 인접하는 3개의 격자점들에 연결하는 3개의 다른 라인들에 의해 정의되는 세 방향 중 어느 것과도 평행하지 않은 방향으로 상기 광 파장의 정도의 미세 거리만큼 상기 광학 매질을 이동시키는 가동 스테이지

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 가동 스테이지는 압전 소자에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 광학계는 레이저빔의 간섭에 의해 광학 필드를 생성하는 레이저빔 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 레이저빔 소스는 제1 방향으로 전파되는 제1 레이저빔 및 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 전파되는 제2 레이저빔의 간섭에 의해 형성되는 정상파를 생성하고, 상기 광학 필드는 상기 정상파에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 광학계는 상기 제2 레이저빔을 생성하기 위해 상기 제1 레이저빔을 반사시키는 반사 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
19. 제14항에 있어서, 광원과, 상기 제조된 광학 소자를 평가하기 위한 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 장치.
20. 제1항에 있어서, 상기 광학 매질의 상기 굴절률은 광의 조사 후에 사전설정된 시간이 경과할 때 조사 광의 강도에 따라서 변화되는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 광학 매질의 상기 화학 약품 처리에 의해 조사 광의 강도에 따른 굴절률의 공간 분포를 갖는 상기 광자 결정체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.