(57)【要約】【課題】  周期性構造物に用いる材質に関わらず適用可能で微粒子が存在しない空間を周期性構造物に設けることができる光学素子の製造方法及びその方法で製造した光学素子を提供する。【解決手段】  コロイド溶液中の微粒子４を基板３上に周期的に配列させて第１の周期性構造物を形成し、第１の周期性構造物を構成する微粒子４の一部を除去し、微粒子４を除去した箇所及び微粒子同士の間隙に、第１の液状物質又は第１のナノ粒子を充填し、充填した第１の液状物質又は第１のナノ粒子を固化又は固定化して第２の周期性構造物を形成し、第１の周期性構造物を除去し、第１の周期性構造物を構成していた微粒子が存在していた空間に第２の液状物質又は第２のナノ微粒子を充填し、充填した第２の液状物質又は第２のナノ粒子を固化又は固定化して第３の周期性構造物を形成し、第２の周期性構造物を除去する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロイド溶液中の微粒子を基板上に周期的に配列させて第１の周期性構造物を形成する工程と、
前記第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程と、
前記第１の周期性構造物の前記微粒子を除去した箇所及び前記微粒子同士の間隙に、第１の液状物質又は第１のナノ粒子を充填する工程と、
充填した前記第１の液状物質又は第１のナノ粒子を固化又は固定化して第２の周期性構造物を形成する工程と、
前記第１の周期性構造物を除去する工程と、
前記第１の周期性構造物を構成していた微粒子が存在していた空間に第２の液状物質又は第２のナノ微粒子を充填する工程と、
充填した前記第２の液状物質又は第２のナノ粒子を固化又は固定化して第３の周期性構造物を形成する工程と、
前記第２の周期性構造物を除去する工程とを有する光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程では、前記第１の周期性構造物の亀裂を検出し、亀裂箇所を中心として前記微粒子を除去することを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程では、前記第１の周期性構造物の亀裂を検出し、亀裂箇所を避けて前記微粒子を除去することを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記基板は、前記第１の液状物質又は前記第１の微粒子を固化又は固定化して得られる材質とも、前記第２の液状物質又は前記第２の微粒子を固化又は固定化して得られる材質とも異なる材質で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板は、前記第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程、前記第２の周期性構造物を除去する工程及び前記第２の周期性構造物を除去する工程のいずれにおいても変化を起こさない材質で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の周期性構造物を除去する工程の後段に、前記第３の周期性構造物を切り出して再配置する工程をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の周期性構造物の一部を除去する工程では、エネルギービームを照射することにより前記微粒子を除去することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の周期性構造物を除去する工程及び前記第２の周期性構造物を除去する工程においては、熱処理によって前記第１の周期性構造物又は前記第２の周期性構造物を除去することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の周期性構造物を除去する工程及び前記第２の周期性構造物を除去する工程においては、前記第１の周期性構造物又は前記第２の周期性構造物を溶解させて除去することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項１０】
２枚の基板を前記コロイド溶液の液面に対して略垂直に配置し、溶液を蒸発させることにより前記２枚の基板の間に前記微粒子を配列させて前記第１の周期性構造物を形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項１１】
１枚の基板を前記コロイド溶液の液面に対して略垂直に配置し、溶液を蒸発させることにより前記基板の面上に前記微粒子を配列させて前記第１の周期性構造物を形成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項記載の光学素子の製造方法によって製造された光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子を周期的に配列させた微粒子周期構造物を利用した導波路、光スイッチなどのフォトニック結晶光学デバイスや、インバースオパール構造及びその間隙に機能材料を充填した光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックバンドギャップにより、結晶中に光を閉じこめることが可能なフォトニック結晶は、光学デバイスへの適用が期待される材料である。フォトニック結晶形成技術として、光学媒質（微粒子）の自己組織化を利用した方法がある。
【０００３】
自己組織化を利用して配列された微粒子膜（周期性構造物、フォトニック結晶）は、高品質で大面積化が可能であるものと期待される。なお、フォトニック結晶を用いた光学デバイスに関する従来技術としては、特許文献１に開示される「フォトニック結晶導波路デバイス」がある。
【０００４】
自己組織化を利用した微粒子膜の形成方法としては、特許文献２や特許文献３に、コロイド溶液を用いた微粒子薄膜の製造方法が開示されている。これらの文献に開示される微粒子薄膜形成方法は、液体の毛管力を利用し、溶媒の蒸発速度、微粒子の体積分立を制御することにより、集積される結晶の高品質化を図ったものである。
【０００５】
また、２枚の平行な面の間の狭い隙間にコロイド結晶を成長させる方法が、特許文献４に開示されている。
【０００６】
微粒子としては、一般的には、単分散の良いシリカやポリスチレンが用いられる。
【０００７】
しかし、微粒子としてシリカやポリスチレンを用いた微粒子膜は、光学デバイスの材料として用いるのには、屈折率の高さが十分ではない。
【０００８】
上記の方法によって形成された微粒子膜を用いて屈折率がより高い微粒子膜を形成する方法として、「インバースオパール法」と呼ばれる方法がある。これは、膜中の微粒子間の空隙に光硬化性樹脂などのモノマーを流し込んで固化させた後、微粒子をエッチングによって取り除いて、ポリマーによる周期性構造物（テンプレートと呼ばれる）を得る方法である。
【０００９】
さらに、テンプレート中の空隙（エッチングによって除去した微粒子が存在していた場所）に、テンプレートよりも屈折率がより高い材料を充填し、テンプレートを取り除くことで、自己組織化によって最初に得られた周期性構造とほぼ同様の周期性構造物を別の材料で形成できる。この方法では、液晶分子を充填することも可能である。
【００１０】
このような周期性構造物においては、最初に形成される微粒子膜が原型となるため、微粒子を欠陥なく配列する技術を高めることは重要である。
【００１１】
周期性構造物を光学素子として使用する場合、例えば導波路として使用する場合は、周期性構造物の中に微粒子が存在しない空間が連続的に存在するなど、光路となる箇所が必要となる。光路となる箇所を形成する方法は、非特許文献１に開示されている。これは、シリカ球による周期性構造物の間隙にモノマーを流し込み、レーザを用いて特定の箇所のモノマーを硬化させ、硬化していないモノマーを取り除いてシリコンを導入し、シリカ球とポリマーとを選択的に取り除き、ポリマーが存在していた箇所を導波路とする方法である。
【特許文献１】特開２００４−１０９９４７号公報
【特許文献２】特開平７−１１６５０２号公報
【特許文献３】特許第２８２８３８６号公報
【特許文献４】特許第２６９３８４４号公報
【非特許文献１】P.Jiang,et al.,Science,Vol291,pp.453-457,2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
単分散の良い微粒子にはシリカの他にポリスチレンなどのポリマーがあり、ポリマーを微粒子として使用した場合には、シリカとの材質の違いから異なるプロセスを提案する必要がある。
【００１３】
上記特許文献２に開示される方法は、シリカ球を用いて周期性構造物を形成する場合には適用できるが、ポリマー微粒子を用いて周期性構造物を形成する場合には適用できない。
【００１４】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、周期性構造物に用いる材質に関わらず適用可能で微粒子が存在しない空間を周期性構造物に設けることができる光学素子の製造方法及びその方法で製造した光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、コロイド溶液中の微粒子を基板上に周期的に配列させて第１の周期性構造物を形成する工程と、第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程と、第１の周期性構造物の微粒子を除去した箇所及び微粒子同士の間隙に、第１の液状物質又は第１のナノ粒子を充填する工程と、充填した第１の液状物質又は第１のナノ粒子を固化又は固定化して第２の周期性構造物を形成する工程と、第１の周期性構造物を除去する工程と、第１の周期性構造物を構成していた微粒子が存在していた空間に第２の液状物質又は第２のナノ微粒子を充填する工程と、充填した第２の液状物質又は第２のナノ粒子を固化又は固定化して第３の周期性構造物を形成する工程と、第２の周期性構造物を除去する工程とを有する光学素子の製造方法を提供するものである。このようにすれば、周期性構造物を所望の光学素子とするための加工を、最終的に形成した周期性構造物に対して行うよりも容易に行える。
【００１６】
上記本発明の第１の態様においては、第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程では、第１の周期性構造物の亀裂を検出し、亀裂箇所を中心として微粒子を除去することが好ましい。又は、第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程では、第１の周期性構造物の亀裂を検出し、亀裂箇所を避けて微粒子を除去することが好ましい。このようにすれば、光学素子を形成するのに亀裂を有効活用したり、亀裂を含まない高品質の光学素子を形成したりできる。
【００１７】
本発明の第１の態様の上記のいずれの方法においても、基板は、第１の液状物質又は第１の微粒子を固化又は固定化して得られる材質とも、第２の液状物質又は第２の微粒子を固化又は固定化して得られる材質とも異なる材質で形成されていることが好ましい。このようにすれば、基板上に第３の周期性構造物を形成することができるようになる。
【００１８】
また、本発明の第１の態様の上記のいずれの方法においても、基板は、第１の周期性構造物を構成する微粒子の一部を除去する工程、第２の周期性構造物を除去する工程及び第２の周期性構造物を除去する工程のいずれにおいても変化を起こさない材質で形成されていることが好ましい。このようにすれば、基板上に第３の周期性構造物を形成することが可能となる。
【００１９】
また、本発明の第１の態様の上記のいずれの方法においても、第２の周期性構造物を除去する工程の後段に、第３の周期性構造物を切り出して再配置する工程をさらに有することが好ましい。このようにすれば、光学素子設計の自由度が高くなるとともに高品質の光学素子を作成できる。
【００２０】
また、本発明の第１の態様の上記のいずれの方法においても、第１の周期性構造物の一部を除去する工程では、エネルギービームを照射することにより微粒子を除去することが好ましい。このようにすれば、所望の箇所のみ微粒子を除去でき、それ以外の箇所に欠陥を生じさせてしまうことがない。
【００２１】
また、本発明の第１の態様の上記のいずれの方法においても、第１の周期性構造物を除去する工程及び第２の周期性構造物を除去する工程においては、熱処理によって第１の周期性構造物又は第２の周期性構造物を除去することが好ましい。または、第１の周期性構造物を除去する工程及び第２の周期性構造物を除去する工程においては、第１の周期性構造物又は第２の周期性構造物を溶解させて除去することが好ましい。このようにすれば、周期性構造物を容易に除去できる。
【００２２】
本発明の第１の態様の上記のいずれの光学素子の製造方法においても、２枚の基板をコロイド溶液の液面に対して略垂直に配置し、溶液を蒸発させることにより２枚の基板の間に微粒子を配列させて第１の周期性構造物を形成することが好ましい。または、１枚の基板をコロイド溶液の液面に対して略垂直に配置し、溶液を蒸発させることにより基板の面上に微粒子を配列させて第１の周期性構造物を形成することが好ましい。このようにすれば、高品質の周期性構造物を利用して光学素子を形成できる。基板を２枚用いる場合には、膜厚一定の周期性構造物を利用して光学素子を形成できる。
【００２３】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、上記本発明の第１の態様のいずれかの光学素子の製造方法で製造した光学素子を提供するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、周期性構造物に用いる材質に関わらず適用可能で微粒子が存在しない空間を周期性構造物に設けることができる光学素子の製造方法及びその方法で製造した光学素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。図１に本実施形態にかかる光学素子の構成を示す。本実施形態にかかる光学素子は、中央部に光を伝搬させる部分が設けられており、光導波路として機能するものである。
【００２６】
この光学素子は、周期性構造物１及び２と下部基板３とによって構成されている。周期性構造物１及び２は、直径約３００ｎｍの光学媒質（ＴｉＯ2殻粒子）４が最密充填構造をとっており、全体が光学媒質４によって形成されている。なお、図１は模式図であり、実際の微粒子径や層数はこれと異なる。
【００２７】
本実施形態にかかる光学素子の製造方法について説明する。まず、シリコン製の基板５（一辺３０ｍｍ）を２枚（５ａ、５ｂ）用意する。また、直径３００ｎｍで粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（１ｗｔ％、１００ｍｌ）を作成する。
【００２８】
基板５ａ−５ｂ間には、ギャップ材（直径５μｍのシリカ球）８を配置し、基板５ａ−５ｂ間に隙間を設ける。基板５ａ及び５ｂを固定して、ポリスチレン微粒子分散水溶液にゆっくりと浸し、基板５ａ及び５ｂを保持する箇所である一部分を除いて基板の大部分が溶液に入った状態で固定する。溶液中では攪拌子を常に回転させ、水溶液を攪拌する。
【００２９】
この状態で４〜５日静置して基板５ａ−５ｂ間から溶液を蒸発させ、図２に示すように基板５ａ−５ｂ間にポリスチレン微粒子を配列させる。これは、毛管力によって基板５ａ−５ｂ間に浸透した水溶液の水分のみが蒸発し、残されたポリスチレン微粒子に近接力が働くことによって起こる。
【００３０】
形成した周期性構造物を約５０℃で１時間放置し、その後、基板５ａ及び５ｂの一方を取り外す。
【００３１】
上記同様の方法で形成した試料の一つの微粒子膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、微粒子は規則的に最密充填構造をとっており、微粒子が存在しないことによる欠陥はほとんど見られなかった。
【００３２】
その後、集光された白色光を用いて試料を走査し、透過率を測定することによって光のバンドギャップを検出する。白色光の縦横方向の走査によって、光のバンドギャップが観測されない箇所がほぼ連続して見られた場合には亀裂が生じていると判断する。亀裂はほぼ直線状に一定間隔で生じていた。亀裂の有無をマッピングし、亀裂箇所を中心にフェムト秒レーザを用いて数μｍの導波路を形成する。なお、ここではエネルギービームとしてフェムト秒レーザを用いたが、これに限定されることはない。
【００３３】
その後、粒径３〜６ｎｍのシリカのナノ微粒子が分散している溶液に、周期性構造物が堆積した基板を浸してから引き上げ、ポリスチレン微粒子間に、間隙を埋めるようにシリカのナノ微粒子を配列させる。
【００３４】
ポリスチレン微粒子間にシリカのナノ微粒子を配列させた後、５００℃で１時間加熱することで、ポリスチレン微粒子を除去するとともに、シリカナノ粒子を焼結する。
【００３５】
焼結後の基板をチタンアルコキシド溶液に浸し、焼結したシリカナノ粒子間の空洞にチタンアルコキシドを充填する。焼結したシリカナノ粒子間の空洞の壁面をチタンアルコキシドが覆うようにしたのち、これを焼成してチタニア殻を形成する。さらに、シリカナノ粒子とチタニアとからなるこの物質をフッ酸溶液に浸し、シリカナノ粒子を除去する。
【００３６】
このようにして形成したチタニアからなる周期性構造物を、鋭利な刃物を固定できる保持ハンドを用いて切断し、光学素子とした。
【００３７】
本実施形態にかかる光学素子は、コロイド溶液の毛管力や微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を作成し、微粒子同士が結合した際に生じるその亀裂方向を光学的に検出した後に周期性構造物にレーザ加工を施す。
ポリスチレンなどのポリマーは、他の材質と比較して比較的低温でも熱による加工が可能である。また、ポリスチレン微粒子は、収縮しながら消失するため、加工側の面には構造の乱れがほとんど現れない。
【００３８】
周期性構造物を形成した後に、亀裂を検出することにより、亀裂部中心に加工を施し、その箇所を光導波路として使用できる。
【００３９】
亀裂の検出を光学的に行うことにより、非破壊で容易に亀裂を検出できる。
【００４０】
自己組織化を用いて微粒子膜の形成する際に基板を２枚用いることにより、微粒子膜の膜厚を一定にできる。
【００４１】
〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。図３に、本実施形態にかかる光学素子の構成を示す。この光学素子は、中央部に光を伝播させる箇所があり、光導波路として機能する。
【００４２】
本実施形態にかかる光学素子は、光導波路としての加工が施された周期性構造物１０と板状の周期性構造物１１とからなる。図３においては、光導波路部を認識しやすくするために二つの周期性構造物を分けて示しているが、実際にはこれらは接触している。
【００４３】
周期性構造物１０及び１１は、直径約３００ｎｍの殻粒子（ＴｉＯ2）で形成されている。
【００４４】
本実施形態にかかる光学素子を形成する周期性構造物の製造方法について説明する。直径が３００ｎｍで粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散エタノール溶液（３ｗｔ％、５００ｍｌ）を用意する。また、シリコン基板（縦２００ｍｍ、横３０ｍｍ）を２枚用意する。
これらの基板の上部を固定し、固定した箇所を除くほぼ全面を４０℃に保持した溶液に浸す。このようにして、第１の実施形態と同様の構成の微粒子膜を形成する。
【００４５】
このようにして基板間に形成した周期性構造物を５０℃で１時間加熱し、周期性構造物の硬さを高める。
【００４６】
基板の一方を取り外し、ＳＥＭによって微粒子膜を観察した結果、ポリスチレン微粒子は規則的に最密充填構造をとっており、微粒子が存在しないことによる欠陥はほとんど見られなかった。
【００４７】
ＳＥＭで観察していない試料を集光された白色光で走査し、透過率を測定することによってバンドギャップを検出する。白色光の縦横方向の走査によって、光のバンドギャップが観測されない箇所が連続して見られた場合に亀裂が生じていると判断し、亀裂の有無をマッピングする。マッピングの結果に基づいて、亀裂がほとんど生じていない箇所を選出し、目的の導波路部となるように、亀裂箇所を中心にレーザで加工を施す。
【００４８】
その後、粒径３〜６ｎｍのシリカ微粒子が分散している水溶液に基板を浸してから引き上げ、ポリスチレン微粒子間に間隙を埋めるようにシリカ微粒子を配列させる。そして、５００℃でこれを加熱し、ポリスチレン微粒子を除去するとともにシリカを焼結させる。
【００４９】
このようにして形成したシリカの周期性構造物をチタンアルコキシド溶液に浸し、シリカナノ微粒子の焼結箇所の空洞にチタンアルコキシドを充填する。焼結したシリカナノ粒子間の空洞の壁面をチタンアルコキシドが覆うようにしたのち、これを焼成してチタニア殻を形成する。さらに、シリカナノ粒子とチタニアとからなるこの物質をフッ酸溶液に浸し、シリカナノ粒子を除去する。
【００５０】
このようにして形成したチタニアからなる周期性構造物を、鋭利な刃物を固定できる保持ハンドを用いて切断し、光学素子とする。
【００５１】
一方、光導波路部の加工を施さないことを除いて上記同様に形成した周期性構造物１１を、光導波路が形成されている周期性構造物１０の上に実装する、移動操作は、把持ハンドを備えた装置によって吸着・移動操作を行う。
【００５２】
本実施形態にかかる光学素子は、コロイド溶液の毛管力や微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を形成し、微粒子同士が結合した際に生じる亀裂の方向を光学的に検出した後に、周期性構造物にレーザ加工を施している。
【００５３】
ポリスチレンなどのポリマーは、他の物質と比較して比較的低温でも熱による加工が可能である。また、ポリスチレン微粒子は、収縮しながら消滅するため、加工側の面にはほとんど乱れは生じない。
亀裂を検出する工程を備えることにより、亀裂箇所を避けて加工を行える。
【００５４】
亀裂は、周期性構造物の製造方法や条件にもよるが、ほぼ一定間隔に直線状に形成されるため、これを避けて加工することは十分可能である。
【００５５】
亀裂の検出を光学的に行うことによって、試料を破壊することなく容易に亀裂を検出できる。
【００５６】
自己組織化を利用した周期性構造物の形成に基板を２枚用いているため、微粒子膜の膜厚を一定に保つことができ、周期性構造物同士を重ねあわせやすくなり、光学素子としての品質が高まる。
【００５７】
〔第３の実施形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施形態について説明する。本実施形態にかかる光学素子の構成は図１に示した第１の実施形態のものと同様であり、中央部に光を伝播させる箇所があり、光導波路として機能するものである。
【００５８】
本実施形態にかかる光学素子は、周期性構造物１及び２と下部基板３とによって構成されている。
周期性構造物１及び２は、直径約３００ｎｍの光学媒質（ＴｉＯ2殻粒子）４が最密充填構造をとっており、全体が光学媒質４で形成されている。
本実施形態にかかる光学素子の製造方法について説明する。直径３００ｎｍで粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子分散エタノール溶液（１ｗｔ％、１００ｍｌ）を用意する。また、表面にＴｉＯ2膜をコーティングしたシリコン製基板（一辺３０ｍｍ）を１枚用意する。基板の上部を固定し、溶液表面と垂直になるように基板を配置し、溶液に浸す。溶液中では常に攪拌子を回転させ、溶液を攪拌する。その後、基板を一定速度で上方へ引き上げる。
【００５９】
溶液から引き上げた基板の表面にはシリカ微粒子の膜が形成されている。この膜は、シリカ微粒子が規則的な最密充填構造をとって構築されたものであり、毛管力によって基板間に浸透した溶液のうちエタノールだけが基板表面から蒸発し、残留したシリカ微粒子に近接力が作用したことによって形成されたものである。これを３００℃で５時間加熱して微粒子膜の硬さを高める。
【００６０】
図４に、焼結後の周期性構造物の構成を示す。なお、図では模式的に示しているため、実際の粒子径、層数、亀裂の数などはこれと異なる。観測された亀裂は、焼結の際にシリカ微粒子が若干小さくなって互いに結合するために結合したシリカ微粒子同士の間に生じたものである。亀裂の方向は試料によって決まっており、周期的に縦横ほぼ一定間隔で形成されていた。すなわち、微粒子膜は、亀裂によってほぼ直方体状に分割されている。幅の狭い亀裂が生じている箇所にレーザで加工を施して、光導波路として使用できるようにする。また、比較的幅広の亀裂が生じている箇所にもレーザ加工を施し、光学素子と分離する。
【００６１】
得られたシリカの周期性構造物に微粒子間にスチレンモノマーを導入し、紫外線照射によって固化させてポリスチレンとする。さらに、紫外線照射によって得られたポリスチレンの周期性構造物をフッ酸に入れ、シリカ微粒子をエッチングによって除去する。この結果、当初シリカ微粒子球が存在していた位置が空洞となり、空洞を持つポリスチレンが繋がった構造の周期性構造物が得られる。
【００６２】
この周期性構造物をチタンアルコキシド溶液に浸し、ポリスチレンの空洞にチタンアルコキシドを充填する。ポリスチレンの空洞の壁面をチタンアルコキシドが覆うようにしたのち、焼成してＴｉＯ2殻を形成する。さらに、ポリエチレン及びＴｉＯ2からなる
物質を５００℃で２時間加熱して、ポリスチレンを除去する。
【００６３】
このようにして得られた本実施形態にかかる光学素子は、中空のＴｉＯ2からなり、光導波路が形成されている。
【００６４】
本実施形態にかかる光学素子は、コロイド溶液の毛管力や微粒子の自己組織化を利用して周期性構造物（微粒子膜）を形成し、これを焼結した後に生じる亀裂の方向を光学的に検出し、レーザを用いて熱による加工を加えているため、光導波路部以外では欠陥が少ない高品質な光学素子である。
【００６５】
亀裂を検出することにより、亀裂の部分を周期性構造物として用いないようにできることに加え、光学素子として切断する箇所として積極的に活用することもできる。
また、亀裂の検出は光学的に行うため、被破壊で容易に行える。亀裂を検出した後は、その情報を利用して周期性構造物を移動させているため、所望の構造の周期性構造を得ることができる。
焼結を加えていない周期性構造物の亀裂は幅が狭いが、焼結を加えることによって亀裂の幅が広がって位置が明確となるとともに、周期性構造物の硬さが高まる。
【００６６】
〔第４の実施形態〕
本発明を好適に実施した第４の実施形態について説明する。図５に、本実施形態にかかる光学素子の構成を示す。この光学素子は、中央部に光を伝播させる箇所を備え、光導波路として機能するものである。
【００６７】
本実施形態にかかる光学素子は、周期性構造物１２及び１３からなり、二つの周期性構造物の間が光導波路となっている。周期性構造物１２及び１３のそれぞれは、第２の実施形態と同様の方法で形成されたものである。特に、曲がり部を持つ周期性構造物１３は、亀裂部を中心に加工を施して曲がり部を形成している。
【００６８】
〔第５の実施形態〕
本発明を好適に実施した第５の実施形態について説明する。本実施形態にかかる光学素子の構成は、図１に示した第１の実施形態のものと同様であり、中央部に光を伝播させる箇所を備えており、光導波路として機能するものである。
【００６９】
本実施形態にかかる光学素子は、周期性構造物１及び２と下部基板３とによって構成されている。周期性構造物１及び２のそれぞれは、直径約３００ｎｍの光学媒質（ＴｉＯ2粒子）４が最密充填構造をとっており、構造物全体が光学媒質４で形成されている。
【００７０】
本実施形態にかかる光学素子の製造方法を説明する。まず、石英製の基板（一辺３０ｍｍ）を一枚用意し、直径３００ｎｍで粒度分布の標準偏差が３％以内のポリスチレン微粒子分散水溶液（１ｗｔ％、１００ｍｌ）を用意する。基板の上部を固定し、水溶液の液面と垂直になるように基板を配置して、水溶液中に浸す。水溶液中では攪拌子を常に回転させ、水溶液を攪拌する。
【００７１】
その後、一定速度で基板を引き上げ、これに形成されているポリスチレン微粒子の膜を５０℃で１時間放置する。
【００７２】
その後、集光された白色光を用いて基板を走査し、透過率を測定することによって光のバンドギャップを測定する。白色光の縦横方向の走査によって、光のバンドギャップが観測されない箇所がほぼ連続して見られた場合は亀裂が発生していると判断する。この時、亀裂はほぼ直線状に一定間隔で生じている。亀裂の有無をマッピングし、亀裂箇所を中心にフェムト秒レーザを用いて数μｍの導波路を形成する。
【００７３】
その後、基板上の周期性構造物を金ナノ粒子を含むエタノール液に浸し、一定の速度で引き上げる。このようにして、ポリスチレン微粒子間に金ナノ粒子を充填する。そして、５００℃で加熱し、ポリスチレンを除去するとともに金粒子を焼成する。
【００７４】
このようにして形成した試料をチタンアルコキシド溶液に浸し、金ナノ粒子周期性構造物の空洞（以前にポリスチレン微粒子が存在していた箇所）にチタンアルコキシドを導入する。金ナノ粒子の空洞の壁面をチタンアルコキシドが覆うようにしたのち、これを焼成してチタニアを形成する。さらに、金ナノ粒子及びチタニアからなるこの物質を王水に浸して金ナノ粒子を完全に除去し、チタニアの周期性構造物を形成する。
【００７５】
その後、鋭利な刃物を保持できる保持バンドを用いてチタニアの周期性構造物を切断し、光学素子とする。
【００７６】
本実施形態にかかる光学素子は、コロイド溶液の毛管力や微粒子の自己組織化を利用した周期性構造物（微粒子膜）を形成し、微粒子同士を結合させた際に生じる亀裂の方向を光学的に検出した後に、レーザ加工を施すことによって形成している。
このようにして形成した周期性構造物は、最終的には、石英製基板とチタニアの周期性構造物とを一体にしたものとして作成できる。
【００７７】
なお、上記各実施形態は、本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。
【００７８】
例えば、亀裂の検出は、各実施形態に示した方法とは異なる方法で行ってもよい。また、光学媒質（微粒子）の種類は、上記実施形態に示したシリカやポリエチレンの他に、酸化チタンや酸化ジルコニウムなどを用いることもできる。微粒子間に充填する樹脂やナノ粒子としてはポリエチレンテレフタレートやアルミナのなど様々なものを適用可能である。微粒子径は、上記実施形態に限定されることなく、市販されている数ｎｍから数百ｎｍのものあらゆるものを適用可能である。さらに、粒子形状は球形であることが好ましいが、周期的構造を形成できる形状であれば、球形でなくとも良い。
【００７９】
周期性構造物を作成する際には、必ずしも基板を垂直に設置する必要はなく、基板を水平に設置して周期性構造物を形成してもよい。また、基板に加工を施すなどして周期性構造を形成しても良い。
【００８０】
周期性構造物や基板の大きさや材料は、上記実施形態に限定されない。また、周期性構造物を形成する際に用いる溶液の濃度や温度なども上記実施形態の数値に限定されることはない。
また、基板に形成されるスペーサの形状、材質、大きさなどは上記実施形態に限定されず、例えば、球状やシート状のスペーサを適用できる。
【００８１】
微粒子膜を形成する工程において溶媒を蒸発させる際には、基板は水平面に対して略垂直に保持されることが好ましいが、多少傾斜していても構わない。
【００８２】
周期性構造物を利用する光学デバイスは、光導波路や液晶素子に限定されることはなく、光学媒質として用いる材料によってフォトニック結晶ファイバ、スーパープリズム、ディスプレイなどを形成することも可能である。
【００８３】
このように、本発明は、様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明を好適に実施した第１の実施形態にかかる光学素子の構成を示す図である。
【図２】２枚の基板間に微粒子膜を形成する方法を示す図である。
【図３】本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる光学素子の構成を示す図である。
【図４】本発明を好適に実施した第３の実施形態にかかる光学素子の構成を示す図である。
【図５】本発明を好適に実施した第４の実施形態にかかる光学素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１、２、１０、１１、１２、１３    周期性構造物
３、５    基板
４、７    微粒子
６    溶液
８    スペーサ
９    微粒子膜
【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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