三次元ダイヤモンド構造を有するセラミック/高分子系フォトニック結晶の電磁波回折挙動

摘要

チタニア系セラミック粒子を分散したエポキシ樹脂により，光造形法を用いてミリメートルオーダーの誘電体三次元構造を形成し，マイクロ波制御用のフォトニック結晶を作製した．結晶構造にはダイヤ主ソド型を採用し，誘電体円柱が組み合わさる格子構造と，誘電体バルク中で空気孔が展開する反転構造により，誘電率の三次元的な周期変化を設計した．平面波展開法により結晶が形成する電磁バンド構造を予測し，光造形した結晶に対する電磁波透過率の測定結果と比較することで，フォトニック結晶の開発における結晶構造の最適化手法について検討を行った．（1）チタニア系セラミック粒子はエポキシ樹脂中で均一に分散し，複合材料として比誘電率は10を示した．格子定数10，14，18，22mmのフォトニック結晶が精密に作製され，光造形における寸法誤差は0．1％以内であることが確認された．（2）マイクロ波領域10GHz付近においてバンドギャップが形成され格子構造では1GHz程度の幅を示し，反転構造では2GHz程度の幅を示した．バンドギャップ周波数帯域はダイヤモンド構造の〈100〉，く110〉，〈111〉方向の誘電体周期を反映していることが確認された．バンドギャップにおける共通帯域の存在も確認された．（3）格子構造及び反転構造において，バンドギャップの測定結果は計算結果と良い一致を示した．全結晶方位に共通する完全バンドギャップの形成も確認され作製した結晶が特定周波数の電磁波の進行をあらゆる方向に対して禁止することが確認された．（4）導波管内で結晶構造に対して平面波を伝送するとき，断面に対して一つの定在波が立つ基本モードでは，特定の結晶方向に対する回折が起こり，多数の定在波が立つ場合には，さまざまな方向に対する複合的な回折が起こる．前者は各方位に対するバンドギャップ形成に，後者ほ全方位に共通する完全バンドギヤップの観察に適することが分かった．