(57)【要約】【課題】  （１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶において、光路シフトを利用する際に、各出射光が平行となるようにした光学部品およびその製造方法を提供すること。【解決手段】  透明誘電体基板に形成された面心立方晶を有する誘電体周期構造体（フォトニック結晶２０）の（１１１）面が透明誘電体基板１０に接している光学部品であって、透明誘電体基板１０の誘電体周期構造体２０が形成されている面とは反対側の表面が、誘電体周期構造体２０の任意の｛１１０｝面に平行な断面で、凸形状または凹形状となっている。誘電体周期構造体２０は、球状の透明誘電体粒子が面心立方晶に集積したオパール結晶、透明誘電体１中に球状の空隙が面心立方晶状に配置され、この球状の空隙には透明誘電体１とは屈折率の異なる透明誘電体２が満たされた構造、透明誘電体中に球状の空隙が面心立方晶状に配置されているインバースオパール結晶などである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明誘電体基板に形成された面心立方晶を有する誘電体周期構造体の（１１１）面が透明誘電体基板に接している光学部品であって、
前記透明誘電体基板の前記誘電体周期構造体が形成されている面とは反対側の表面が、前記誘電体周期構造体の任意の｛１１０｝面に平行な断面で、凸形状または凹形状となっていることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
請求項１に記載の光学部品において、
前記誘電体周期構造体は、球状の透明誘電体粒子が面心立方晶に集積したオパール結晶であることを特徴とする光学部品。
【請求項３】
請求項１に記載の光学部品において、
前記誘電体周期構造体は、透明誘電体１中に球状の空隙が面心立方晶状に配置されており、この球状の空隙には透明誘電体１とは屈折率の異なる透明誘電体２が満たされた構造であることを特徴とする光学部品。
【請求項４】
請求項１に記載の光学部品において、
前記誘電体周期構造体は、透明誘電体中に球状の空隙が面心立方晶状に配置されているインバースオパール結晶であることを特徴とする光学部品。
【請求項５】
請求項２に記載の光学部品において、
前記透明誘電体基板のオパール結晶が形成されている側の表面には、凹凸パターンがあり、凹パターンの形状は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状であり、前記凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されていることを特徴とする光学部品。
【請求項６】
請求項３に記載の光学部品において、
前記透明誘電体基板上の誘電体周期構造体は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状のパターン形状を有していることを特徴とする光学部品。
【請求項７】
請求項４に記載の光学部品において、
透明誘電体基板上のインバースオパール結晶は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状のパターン形状を有していることを特徴とする光学部品。
【請求項８】
請求項２、３、または４に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、
前記誘電体周期構造体の結晶方位を測定により決定した後、前記誘電体周期構造体の任意の｛１１０｝面に平行な断面で、透明誘電体基板の形状を凸形状または凹形状となるように加工することを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項９】
請求項５に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、
一方の表面は任意の直線状の軸に添って凹形状または凸形状となっており、且つ、誘電体基板のもう一方の面は、凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されている島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状の凹凸パターンを有している透明誘電体基板の凹凸パターンを有している側にオパール結晶を成長することを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、
請求項９に記載する工程の後、オパール結晶の透明誘電体１の球状粒子間に流動体を注入し、固化させることにより透明誘電体２とすることを特徴とする光学部品の製造方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、
オパール結晶成長用基板の片側の面が、凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されている島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状の凹凸パターンを有している透明誘電体基板の凹凸パターンを有している側にオパール結晶を形成した後、基板の片側の面が任意の直線状の軸に添って凹または凸形状となっている透明誘電体基板の平面となっている側で、上記オパール結晶を挟み、オパール結晶の球状粒子間に流動体を注入し、固化させることにより透明誘電体とした後に前記球状粒子と前記オパール結晶成長用基板を除去することを特徴とする光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体周期構造体を有するフォトニック結晶の異常光学特性を利用した光学部品に係り、特に、連続的に光路を走査する微小デバイスやそれを応用した光学システム、不連続に光路を切り替える微小デバイスやそれを応用した光学システムなどに好適な光学部品とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶のスーパープリズム効果を用いた光走査に関する従来文献としては次のようなものがある。
【０００３】
特開２００４−１５７４２１号公報「１次元フォトニック結晶を用いた光学素子」（特許文献１）には、多層膜構造を基本とする１次元フォトニック結晶において、膜面とは平行でない第２の傾斜面を形成することにより、入射光の光束がある程度太くても対応できるようにした光学素子が開示されている。
【０００４】
また、特開２００３−３２９８２３号公報「１次元フォトニック結晶を用いた光学素子およびそれを用いた分光装置」（特許文献２）には、多層膜からなる１次元フォトニック結晶を三角プリズム状に加工し、光の入射端面側に位相変調手段を設けることにより、特定の高次バンド光のみ伝播できるようにし、これを光導波路内に形成することにより、高い分解能を有する小型の分光装置が構成できるようにした技術が開示されている。
【０００５】
また、特開２００３−２５５１１６号公報「光学素子」（特許文献３）には、従来、２次元フォトニック結晶では、プリズムとして利用する場合には、出射面側に斜め加工を施す必要があり、これは従来非常に困難であったが、この公報では、２次元フォトニック結晶の繰り返し構造を有しているｘ軸とｙ軸のｙ−ｚ平面から光を入射させることにより、上記問題を解決するようにした光学素子が開示されている。
【０００６】
また、特開２００３−１９５００２号公報「光学デバイス」（特許文献４）には、有機材料を用いた有機フォトニック結晶による光偏向素子、光合波素子および走査装置などの光学デバイスについて開示されている。
【０００７】
また、特開２００２−７１９８２号公報「光素子、光偏向素子、光合波素子および走査装置」（特許文献５）には、フォトニック結晶において、出射光を大きく振るためには、入射面とは異なる面から出射する必要があり、この異なる入射面と出射面の間で光が通る条件にて、入射面と出射面の角度を決めるようにした素子が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１５７４２１号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９８２３号公報
【特許文献３】特開２００３−２５５１１６号公報
【特許文献４】特開２００３−１９５００２号公報
【特許文献５】特開２００２−７１９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フォトニック結晶は、屈折率の異なった二つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して、配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶は、この規則構造・周期構造を有することにより、従来の光学材料では得られなかった特性を発揮するようになる。
【００１０】
そして、フォトニック結晶の期待されている特性のひとつとして、通常の光学材料では実現できないようなプリズム特性を有するスーパープリズム効果や、光が広がらずに結晶中を伝搬するスーパーコリメート効果などがある。
【００１１】
図１０（ａ）は通常のプリズムの場合の光の屈折例を示す図であり、図１０（ｂ）はスーパープリズム効果を有する場合の光の屈折例を示す図である。このように、スーパープリズムでは通常のプリズムとは全く異なる特性を示している。
【００１２】
また、図１１は、スーパーコリメート効果を説明するための図であり、光が結晶中を広がらずに伝搬する様子を示している。
【００１３】
このようなフォトニック結晶のスーパープリズム効果やスーパーコリメート効果などの特性を利用可能とすることにより、小さな空間で大きく光路を連続的に曲げたり、急激に光路を変更させたりすることが可能になる。
【００１４】
次に、こうしたスーパープリズム効果やスーパーコリメータ効果がどのようにして発現するかを、等周波数となる波数（ｋ）の位置を波数空間（ｋ空間）にて描いた分散面を考えることにより説明する。
【００１５】
分散面による考え方を説明するために、まず最初に、図面を用いて、真空（あるいは空気）から通常の等方的な媒質に光が入射した場合の考え方について説明を行う。
【００１６】
図１２（ａ）に示すように、通常の等方的な光学媒質では、分散面の形状は球となり、ｋ空間の原点を通る任意の断面では、ck = nω により定められる円となる。ここで、c は真空中の光速、n は屈折率、ω は角周波数である。
【００１７】
ｎ= 1.0 の真空（あるいは空気）中の光の分散面と n = 1.5 の媒質中の分散面は、図１２（ｂ）に示すような大きさの異なる円として表現できる。
【００１８】
今、図１２（ｃ）に示すように、真空（あるいは空気）から n = 1.5 の媒質に光が入射する場合を考える。このとき、ｋ空間（波数空間）の分散面表現では、図１２（ｄ）中に示す「真空中のｋベクトル」の矢印のごとく現すことができる。
【００１９】
入射光となる真空中の光のkベクトルと媒質中の光のｋベクトルは、媒質表面に平行な成分について保存するので、図１２（ｄ）に示すごとく、「表面からの垂線を反映した補助線」を利用して、媒質中の分散面（大きな円）と補助線との交点から媒質中のkベクトルを得ることができる。媒質中のｋベクトルを知ることにより、媒質中での光の伝播方向がわかる。
【００２０】
次に、フォトニック結晶の光伝播について説明する。
フォトニック結晶中の光伝播は、フォトニック結晶のバンド構造に支配されているが、高次のバンドにより形成される分散面は、球とは異なった異方性を有する形状となり、利用する光の周波数を適切に選択することにより、こうした異方性を有する分散面を利用することができる。例えば、面心立方晶のバンド３の分散面は、図１３（ａ）に示すような形状になり、ｋｘ=ｋｙでの断面形状は図１３（ｂ）のようになる。
【００２１】
ここで、図１３（ｃ）に示すように、真空（あるいは空気）から（００１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶に、光が入射する場合を考える。
【００２２】
図１２で説明した通常媒質の場合と同様に、本例の場合は図１３（ｂ）中に示すような「入射光ｋベクトル（真空中）」と「表面からの垂線を反映した補助線」を描くことができる。
【００２３】
また、これも通常媒質の場合と同様にして、「表面からの垂線を反映した補助線」と「フォトニック結晶中での分散面」との交点から「フォトニック結晶中でのｋベクトル」を得ることができる。
【００２４】
媒質中での光伝播の群速度ｖｇは、分散面の勾配∇ｋωによって決まる（ｖｇ=∇ｋω）ので、フォトニック結晶内の光伝播は、「表面からの垂線を反映した補助線」と「フォトニック結晶中での分散面」の交点から分散面と垂直な方向に伝播していくことになり、図１３（ｂ）中の「フォトニック結晶中での光伝播」の矢印で示した方向に光は伝播する。以上のように、光は、フォトニック結晶中で、通常の光学媒質とは大きく異なった挙動を示す。
【００２５】
次に、図１４−１（ａ）に示すように、（１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶に、光が入射角θ１、θ２、θ３、θ４ で入射する場合を考える。
【００２６】
考え方は、上述の説明と同様であるが、結晶の表面（光の入射面）が異なるため、結晶表面において、ｋが保存しなければならない方向が異なってくるため、「表面からの垂線を反映した補助線」の描き方が異なってくる。
【００２７】
入射角θ１、θ２、θ３、θ４の場合の分散面による表記は、図１４−１（ｂ）、（ｃ）、図１４−２（ｄ）および（ｅ）に示す。この考察から、フォトニック結晶内での光は、図１５に示すように伝播する。
【００２８】
次に、誘電体基板上に（１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶が形成されており、光がフォトニック結晶の（１１１）面から入射する場合の光伝播も、上記の説明と同様に分散面の考察から知ることができる。
【００２９】
図１６に入射角がθ３の場合の分散面による図を示す。他の入射角のものについては省略するが、結果として、入射角θ１、θ２、θ３、θ４に対応して、図１７に示すように、光はフォトニック結晶と誘電体基板の中を伝播して、真空中に（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）と出て行く。以上までの説明、および、図１４−１，図１４−２、図１５、図１６からわかるように、上述の入射角θ１、θ２、θ３、θ４は、フォトニック結晶の分散面の特徴がよくわかるような角度を選んで示している。
【００３０】
こうしたフォトニック結晶を利用する場合に、上述の例のように、入射角を変えて、出射側の光路シフトを利用する。θ１〜θ２の領域では、大きなシフト量が得られないため、通常、シフト量を利用することは難しい。θ２〜θ３およびθ３〜θ４の領域は、大きなシフト量が得られるため、この特性を利用した光路切り替えスイッチや光走査デバイスへの応用が期待できる。
【００３１】
上記の説明では、入射光の入射角度を変えていったが、入射角度０°（垂直入射）以外では、入射角度を変えずとも、入射光の周波数を変えることにより、利用できるフォトニック結晶の分散面の大きさが変わるので、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
本発明で対象としている問題点をわかりやすくするため、図１７から、θ２とθ３だけを取り出し図１８（ａ）に、θ３とθ４を図１８（ｂ）に示す。図１８からわかるように、どちらの場合も出射光も入射光と同じ方向となるため、出射した各光の方向は異なっており、光路シフトを利用する上では都合が悪い。
【００３３】
本発明は、光路シフトの特性を利用する際に問題となる上記点を解決することをその目的としている。以下、各請求項毎の具体的な目的を述べる。
【００３４】
ａ）請求項１記載の発明の目的は、（１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶において、光路シフトを利用する際に、各出射光が平行となるようにすることである。
【００３５】
ｂ）請求項２〜４記載の発明の目的は、請求項１に記載する光学部品において、（１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶となりえる誘電体周期構造体を具体的に提示することである。
【００３６】
ｃ）請求項５〜７記載の発明の目的は、フォトニック結晶の結晶方位と基板の凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有するための具体的な構造を提示することである（請求項１の目的を実現するためには、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有する必要がある）。
【００３７】
ｄ）請求項８〜１１記載の発明の目的は、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有するようにするための具体的な製造方法を提示することである（請求項１の目的を実現するためには、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有する必要がある）。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明は、上記目的を達成するために次のような構成を採用した。以下、各請求項毎の構成を述べる。
【００３９】
ａ）請求項１記載の発明は、透明誘電体基板に形成された面心立方晶を有する誘電体周期構造体の（１１１）面が透明誘電体基板に接している光学部品であって、前記透明誘電体基板の前記誘電体周期構造体が形成されている面とは反対側の表面が、前記誘電体周期構造体の任意の｛１１０｝面に平行な断面で、凸形状または凹形状となっていることを特徴としている。
【００４０】
ｂ）請求項２記載の発明は、請求項１に記載の光学部品において、前記誘電体周期構造体は、球状の透明誘電体粒子が面心立方晶に集積したオパール結晶であることを特徴としている。
【００４１】
ｃ）請求項３記載の発明は、請求項１に記載の光学部品において、前記誘電体周期構造体は、透明誘電体１中に球状の空隙が面心立方晶状に配置されており、この球状の空隙には透明誘電体１とは屈折率の異なる透明誘電体２が満たされた構造であることを特徴としている。
【００４２】
ｄ）請求項４記載の発明は、請求項１に記載の光学部品において、前記誘電体周期構造体は、透明誘電体中に球状の空隙が面心立方晶状に配置されているインバースオパール結晶であることを特徴としている。
【００４３】
ｅ）請求項５記載の発明は、請求項２に記載の光学部品において、前記透明誘電体基板のオパール結晶が形成されている側の表面には、凹凸パターンがあり、凹パターンの形状は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状であり、前記凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されていることを特徴としている。
【００４４】
ｆ）請求項６記載の発明は、請求項３に記載の光学部品において、前記透明誘電体基板上の誘電体周期構造体は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状のパターン形状を有していることを特徴としている。
【００４５】
ｇ）請求項７記載の発明は、請求項４に記載の光学部品において、透明誘電体基板上のインバースオパール結晶は、島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状のパターン形状を有していることを特徴としている。
【００４６】
ｈ）請求項８記載の発明は、請求項２、３、または４に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、前記誘電体周期構造体の結晶方位を測定により決定した後、前記誘電体周期構造体の任意の｛１１０｝面に平行な断面で、透明誘電体基板の形状を凸形状または凹形状となるように加工することを特徴としている。
【００４７】
ｉ）請求項９記載の発明は、請求項５に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、一方の表面は任意の直線状の軸に添って凹形状または凸形状となっており、且つ、誘電体基板のもう一方の面は、凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されている島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状の凹凸パターンを有している透明誘電体基板の凹凸パターンを有している側にオパール結晶を成長することを特徴としている。
【００４８】
ｊ）請求項１０記載の発明は、請求項６に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、請求項９に記載する工程の後、オパール結晶の透明誘電体１の球状粒子間に流動体を注入し、固化させることにより透明誘電体２とすることを特徴としている。
【００４９】
ｋ）請求項１１記載の発明は、請求項７に記載の光学部品を製造する光学部品の製造方法であって、オパール結晶成長用基板の片側の面が、凹凸パターンの稜および谷が直線で構成されている島状、もしくは、帯状、もしくは、帯により連結された島状の凹凸パターンを有している透明誘電体基板の凹凸パターンを有している側にオパール結晶を形成した後、基板の片側の面が任意の直線状の軸に添って凹または凸形状となっている透明誘電体基板の平面となっている側で、上記オパール結晶を挟み、オパール結晶の球状粒子間に流動体を注入し、固化させることにより透明誘電体とした後に前記球状粒子と前記オパール結晶成長用基板を除去することを特徴としている。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、光路シフトを利用する際に、各出射光が平行となるようにすることができる。以下、各請求項毎の効果を述べる。
【００５１】
ａ）請求項１記載の発明の効果
請求項１，２に記載する光学部品は、フォトニック結晶の特性により、大きく光路シフトした各光路の光を平行に取り出すことが可能となる
【００５２】
ｂ）請求項３記載の発明の効果
請求項３に記載する光学部品は、光学部品のフォトニック結晶部に請求項２のものよりも弱変調状態とすることが可能となる。
【００５３】
ｃ）請求項４記載の発明の効果
請求項４に記載する光学部品は、光学部品のフォトニック結晶部に請求項２のものよりも強変調状態とすることが可能となる。
【００５４】
ｄ）請求項５記載の発明の効果
請求項５に記載する光学部品は、基板の凹凸形状にしたがって結晶の方位が決定されているので、これを利用して、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有する構造とすることが可能となる。
【００５５】
ｅ）請求項６記載の発明の効果
請求項６に記載する光学部品は、誘電体周期構造体のパターン形状と誘電体周期構造体の結晶の方位との相関があるので、これを利用して、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有する構造とすることが可能となる。
【００５６】
ｆ）請求項７記載の発明の効果
請求項７に記載する光学部品は、インバースオパール構造のパターン形状とインバースオパール構造の結晶の方位との相関があるので、これを利用して、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、特定の関係を有する構造とすることが可能となる。
【００５７】
ｇ）請求項８記載の発明の効果
請求項８に記載する光学部品の製造方法は、結晶の方位決定をした後に、基板の凹形状あるいは凸形状を形成するので、フォトニック結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、所望の関係を有した構造を製造することが可能になる。
【００５８】
ｈ）請求項９記載の発明の効果
請求項９に記載する光学部品の製造方法は、透明誘電体基板の一方の表面に、凹形状または凸形状を、もう一方の面には、裏面形状の対称軸と所望の角度関係を有する凹凸パターン（オパール結晶成長制御用テンプレート）をあらかじめ形成しておき、凹凸パターンの側にオパール結晶を形成することにより、オパール結晶の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、所望の関係を有した構造を製造することが可能になる
【００５９】
ｉ）請求項１０記載の発明の効果
請求項１０に記載する光学部品の製造方法は、請求項９に記載する工程の後、オパール結晶の球状粒子間に流動体を注入し、固化させて形成するので、誘電体周期構造体の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、所望の関係を有した構造を製造することが可能になる。
【００６０】
ｊ）請求項１１記載の発明の効果
請求項１１に記載する光学部品の製造方法は、オパール結晶成長用基板の片面に凹凸パターン（オパール結晶成長制御用テンプレート）をあらかじめ形成しておき、凹凸パターンの側にオパール結晶を形成することにより、オパール結晶のパターン形状から結晶方位がわかるようになるので、透明誘電体基板を張り合わせる際に、透明誘電体基板表面に形成された凹形状または凸形状の対称軸と結晶の結晶方位とを所望の角度で合わせることが可能となる。その結果、インバースオパール構造の結晶方位と基板凹および凸形状の対称軸の方向が、所望の関係を有した構造を製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
（発明の概要）
誘電体基板上で（１１１）に配向した面心立方晶タイプのフォトニック結晶の（１１１）面側から光を入れて光路シフトに利用しようとする場合、上で述べたように、出射光が入射光と同じ方向となるため、出射した各光の方向が異なっており、光路シフトを利用する上では都合が悪い。
【００６２】
本発明では、出射画側の誘電体基板の形状を凹形状もしくは凸形状にすることにより、出射の各光を平行にする。
【００６３】
もう少し具体的に述べると、θ２〜θ３の領域では、図１（ａ）に示すがごとく、誘電体基板の出射面側を凹形状に、θ３〜θ４の領域では、図１（ｂ）に示すがごとく、誘電体基板の出射面側を凸形とすることにより、出射してきた各光を平行にすることができる。凹形状および凸形状の曲率は、フォトニック結晶部の厚み等などにより決定する。
【００６４】
上記説明は、ｋｘ=ｋｙとなる｛１１０｝断面で見た場合の説明であり、フォトニック結晶の分散面は図１３（ａ）のような形状をしているので、他の断面に支配されるような方向で光を入射させると、その断面形状に従った光伝播となる。したがって、光路シフトとして利用する場合には、入射光ベクトルが上記のｋｘ=ｋｙとなる｛１１０｝面内にあるようにする。
【００６５】
このように入射光ベクトルが｛１１０｝面内に存在するように光を入射させるには、発明の光学部品に結晶方位の方向がわかるような何らかの印をつけておくか（図２（ａ））、図１の紙面に垂直な方向に関しては平坦になっているシリンドリカル形状とする（図２（ｂ））のがよい。
【００６６】
以下、本発明に係る光学部品およびその製造方法の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００６７】
（実施例１）
本実施例は、請求項１、請求項２および請求項８に係る発明の実施例である。
【００６８】
本実施例において、粒径 350 nm の球形状単分散シリカ粒子をエタノール分散媒中に 4 wt％で分散させた原料液をオパール結晶成長用の容器に入れて、用意する。
【００６９】
基板は、両面が平滑且つ平行な石英基板を利用し、アセトン超音波洗浄を行った後、濃硫酸と過酸化水素水の混合液に１時間浸漬し、純水リンス後に乾燥させた後、片面にオパール結晶が成長しないように保護フィルム４２（図３参照）を貼ったものを使用する。
【００７０】
この石英基板４１を、図３に示すように、立てた状態で、成長用容器内の原料液に漬けて、恒温雰囲気４３の雰囲気温度を50℃に保ち、放置する。
【００７１】
原料液は次第に乾燥し、原料液が後退したあとにオパール結晶４４が形成される。必要領域長が獲られた時点で、石英基板４１を引き上げて回収する。オパール結晶４４の膜厚は、原料液濃度と原料液の乾燥速度により制御が可能である。
【００７２】
また、この際に、条件に合わせて、適度な電解質を原料液に加えると、オパール結晶４４の膜厚の均一性も確保できる。オパール結晶成長後に、片面に貼っておいた保護フィルム４２をはがす。
【００７３】
オパール結晶４４は、球状粒子によるオパール結晶は、面心立方晶構造を有し、成長時に、境界面として制限されている面が（１１１）となる性質を有しているので、成長から回収したこの状態で（１１１）配向が得られている。
【００７４】
この後、この結晶に、図４（ａ）に示すような配置でレーザー光を当てることにより、菊池・コッセル・パターンを計測する。図４において、４１および４４は前述の石英基板およびオパール結晶４４である。これに、光拡散シートを介してレーザー光５３を照射し、誘電体ブロック５１に設けた観察用スクリーン５２でパターンを計測する。
【００７５】
このレーザーを使った菊池・コッセル・パターン計測は、特開２００４−１０１３２４号公報に詳しく記述されているので、ここでは、概略について説明する。
【００７６】
菊池・コッセル・パターンは、結晶の格子サイズとレーザー光により変わるが、おおよそ図４（ｂ）に示すような暗線パターンが観察できる。この菊池・コッセル・パターンから、同じく図４（ｂ）中に示したように、｛１１０｝断面として利用できる方向がわかる。
【００７７】
以上の計測により、結晶の方位が決定できたので、図５に示すように、図４（ｂ）中に示した軸６２とシリンドリカル形状をした誘電体基板６０の対称軸６１をあわせて貼りあわせる。貼り合わせの際には、石英基板と屈折率を合わせた接着剤を使用する。
【００７８】
以上説明した工程により、図２（ｂ）に示すような光学部品を製造することができる。以上の説明では、凸のシリンドリカル形状のものを例としたが、凹のシリンドリカル形状のものも同様の工程で製造することができる。
【００７９】
また、基板表面が球面形状の場合を図２（ａ）を用いて説明する。基板表面が球面形状の場合も、誘電体基板１０とフォトニック結晶２０を、結晶の方位がわかるようにあらかじめ形成しておいた印３０に結晶方位を合わせて貼り合わせることにより、同様の工程にて製造することができる。このようにして製造された光学部品を図２（ａ）に示す。
【００８０】
（実施例２）
本実施例は、請求項１、請求項２、請求項５および請求項９に係る発明の実施例である。
【００８１】
本実施例では、オパール成長用基板の凹凸パターンを利用して、結晶の方位を制御して利用する例について説明を行う。本発明で述べている島状、帯状、帯により連結された凹凸パターンとは、それぞれ、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すようなパターンのことを述べている。同図において、６４，６６，６８は出っ張っている領域（凸領域）を、６５，６７，６９は溝となっている領域（凹領域）を示している。
【００８２】
基板にこのような凹凸パターンを形成しておき、この上にオパール結晶を形成すると、粒子配列は、例えば図７のように、パターンの壁に沿って並ぶため、パターン形状により、結晶の方位を制御することができる。図７は、基板上の出っ張っている領域７１によって囲まれた溝となっている領域（凹領域）に粒子７０が規則的に配列された様子を示している。図８には、｛１１０｝断面として利用できる方向７２も示してある。
【００８３】
結晶の方位を制御できるようにするために、パターンは直線で構成された幾何学形状である必要がある。特に、図６（ａ）に示すような島状パターンの場合は、隣り合う辺の間の角度は120度、あるいは60度が望ましい。
【００８４】
製造方法を説明すると、まず、片面が凸のシリンドリカル形状となった石英基板を用意する。この基板の平坦な側に、感光性の樹脂を用いて、凹凸パターンを形成する。
【００８５】
ここでは、六角形の島状パターンの場合にどの方向が「｛１１０｝断面として利用できる方向」となるかを図７において説明しているので、凹凸パターンは六角形の島が集合したパターンの場合について説明する。
【００８６】
凹凸パターンのパターニングを行う際に、反対側の面に形成されているシリンドリカル形状の対称軸が六角形のパターンに対して、図７の関係になるように形成する（図８）。図８では、パターンの方向がよくわかるように１個の島だけを書き出したが、実際には、島の繰り返しパターンでよい。
【００８７】
次に、シリンドリカルが形成されている面に保護フィルム４２を貼り、実施例１と同様の方法にて、粒径 350 nm の球形状単分散シリカ粒子を用いて、オパール結晶を形成する。所望の広さのオパール結晶が形成できたら、基板を回収する。
【００８８】
最後に、保護フィルム４２を剥がすことにより、図１（ｂ）に示すような光学部品を製造することができる。
【００８９】
（実施例３）
本実施例は、請求項１、請求項３、請求項６および請求項１０に係る発明の実施例である。
【００９０】
本実施例は、実施例２と同様の工程にて途中まで製造するが、保護フィルムを剥がす前に、オパール結晶の粒子間に、狙いとする屈折率差になるような樹脂を選んで、注入した後、固化させ、最後に、保護フィルムを剥がすことにより、図１（ｂ）に示すような光学部品を製造することができる。
【００９１】
（実施例４）
本実施例は、請求項１、請求項４、請求項７および請求項１１に係る発明の実施である。
【００９２】
本実施例では、まず、石英基板に、六角形島の集合からなる凹凸パターンを形成し、オパール結晶成長用基板とする。この基板に、実施例１と同様の方法にて、粒径 350 nm の球形状単分散シリカ粒子を用いて、オパール結晶を形成する。所望の広さのオパール結晶が形成できたら、基板を回収する。
【００９３】
パターン形状から結晶の方位がわかるので、図９に示すように、上述の説明と同様の方向に（すなわちパターンの方向８０とシリンドリカル基板７８の対称軸７９をあわせるように）、片面がシリンドリカル形状、もう片方の面が平坦面となっている樹脂基板（シリンドリカル基板）７８を、平坦面側を貼りあわせ面として、オパール結晶７７の表面に貼り合わせる。貼りあわせた面間に狙いとする屈折率の樹脂を注入し、固化させる。
【００９４】
最後に、フッ酸エッチングにより、オパール結晶成長用基板とシリカ粒子を除去して、図１（ｂ）に示すような光学部品を製造する。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明における平行に取り出される出射光を説明するための図である。
【図２】本発明に係る光学部品を示す図である。
【図３】オパール結晶成長法を説明するための図である。
【図４】結晶方位の決定方法を説明するための図である。
【図５】シリンドリカル基板の貼りあわせを説明するための図である。
【図６】凹凸パターンを説明するための図である（基板上方から見た図）。
【図７】凹凸パターンにより方位が制御された粒子配列を説明するための図である。
【図８】パターンの方向あわせを説明するための図である。
【図９】シリンドリカル基板の方向あわせを説明するための図である。
【図１０】スーパープリズム効果を説明するための図である。
【図１１】スーパーコリメート効果を説明するための図である。
【図１２】分散面による光伝播の考察（通常光学媒質）を示す図である。
【図１３】分散面による光伝播の考察（（００１）配向フォトニック結晶）を示す図である。
【図１４−１】分散面による光伝播の考察（（１１１）配向フォトニック結晶）を示す図である（その１）。
【図１４−２】分散面による光伝播の考察（（１１１）配向フォトニック結晶）を示す図である（その２）。
【図１５】真空からフォトニック結晶への入射・伝播（（１１１）配向フォトニック結晶）を説明するための図である。
【図１６】真空からフォトニック結晶／誘電体基板への入射・伝播（分散面）を説明するための図である。
【図１７】真空からフォトニック結晶／誘電体基板への入射・伝播（（１１１）配向フォトニック結晶）を説明するための図である（その１）。
【図１８】真空からフォトニック結晶／誘電体基板への入射・伝播（（１１１）配向フォトニック結晶）を説明するための図である（その２）。
【符号の説明】
【００９６】
１０：誘電体基板
２０：フォトニック結晶
３０：結晶方位を示す印
４１：石英基板
４２：保護フィルム
４３：恒温雰囲気
４４：オパール結晶
５１：誘電体ブロック
５２：観察用スクリーン
５３：レーザー光
６０：シリンドリカル状誘電体基板
６１：対称軸
６２：菊地・コッセルパターン計測により決めた軸
６４，６６，６８：出っ張っている領域（凸領域）
６５，６７，６９：溝となっている領域（凹領域）
７０：粒子
７１：出っ張っている領域（凸領域）
７２：｛１１０｝断面として利用できる方向
７３：パターン形成のための感光性樹脂層
７４：パターンの方向
７５，７６：シリンドリカル対称軸
７７：オパール結晶
７８：シリンドリカル基板
７９：対称軸
８０：パターンの方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４−１】
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【図１４−２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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