(57)【要約】【課題】  亀裂が生じた箇所を各周期性構造物の区切りとして使用できるような光学素子を提供する。【解決手段】  コロイド溶液中の微粒子５を基板８上に周期的に配列させて形成した周期性構造物６、７を用いた光学素子の製造方法であって、周期性構造物６、７に含まれる亀裂の方向を検出する工程を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロイド溶液中の光学媒質を基板上に周期的に配列させて形成した第１の周期性構造物を用いた光学素子の製造方法であって、
前記第１の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第１の亀裂検出工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の亀裂検出工程においては、前記第１の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出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の亀裂検出工程においては、前記第１の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出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】
前記第１の周期性構造物中の亀裂に沿って、該第１の周期性構造物を切り分け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】
前記第１の周期性構造物を前記基板上の別の位置に移動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３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１の周期性構造物を加熱した後に前記第１の亀裂検出工程を実行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の周期性構造物中の前記光学媒質同士の間隙に液状物質又は微小粒子を充填し、これを固化又は固定化した後に、前記光学媒質を除去することにより、第２の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、
前記第１又は第２の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第２の亀裂検出工程を前記第１の亀裂検出工程の代わりに有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２の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することを特徴とする請求項７記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記第２の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することを特徴とする請求項７記載の光学素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の周期性構造物中の前記光学媒質が位置していた箇所に液状又は固体状物質を充填し、これを固化又は固定化した後に、前記第２の周期性構造物を除去して第３の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、
前記第１、第２又は第３の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第３の亀裂検出工程を前記第２の亀裂検出工程の代わりに有することを特徴とする請求項７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】
前記第３の亀裂検出工程においては、前記第１、第２又は第３の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第３の亀裂検出工程においては、前記第１、第２又は第３の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することを特徴とする請求項１０記載の光学素子の製造方法。
【請求項１３】
コロイド溶液中のコロイド微粒子を基板上に周期的に配列させて形成した第１の周期性構造物を用いた光学素子の製造方法であって、
前記第１の周期性構造物中の前記コロイド微粒子同士の間隙に液状物質又は微小粒子を充填し、これを固化又は固定化した後に、前記コロイド微粒子を除去することにより、第２の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、
前記第１又は第２の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第２の亀裂検出工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することを特徴とする請求項１３記載の光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することを特徴とする請求項１３記載の光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２の周期性構造物中の前記コロイド微粒子が位置していた箇所に液状又は固体状物質を充填し、これを固化又は固定化した後に、前記第２の周期性構造物を除去して第３の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、
前記第１、第２又は第３の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第３の亀裂検出工程を前記第２の亀裂検出工程の代わりに有することを特徴とする請求項１３項記載の光学素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第３の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することを特徴とする請求項１６記載の光学素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第３の亀裂検出工程においては、前記第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することを特徴とする請求項１６記載の光学素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１の周期性構造物を形成する際には、前記コロイド溶液の液面に対して略垂直に前記基板を配置し、前記コロイド溶液の溶媒のみを前記基板表面から蒸発させることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項２０】
前記第１の周期性構造物を形成する際には、前記基板を２枚、基板同士が平行かつそれぞれが前記コロイド溶液の液面に対して略垂直となるように配置し、前記コロイド溶液の溶媒のみを前記基板同士の間から蒸発させることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法を用い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】
２枚の基板を用いた微粒子膜の製造方法について説明する。図１に、２枚の基板１ａ−１ｂ間に球状のギャップ材２を配置して間隙を生じさせ、その間隙に微粒子膜を形成する方法を模式的に示す。溶液４は、微粒子５が分散したコロイド溶液であり、毛管現象によって基板１ａと１ｂとの間に浸透する。毛管現象とは、細い管に液体を入れたとき、液体の表面張力によって所定の高さまで管の中の液面が上昇する現象である。
【０００７】
毛管力によって基板１ａ−１ｂ間に浸透した溶液４は、基板１ａ−１ｂ間からの溶液が蒸発することによって微粒子のみが残り、微粒子膜３が形成される。このようにして形成された微粒子膜３は、微粒子５が極めて規則的に配列することが知られている。
【０００８】
微粒子５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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
微粒子の周期構造物は、微粒子を配列させ、溶媒を蒸発させただけでは、粒子間に働く結合力が弱いために非常に脆い。よって、高温雰囲気中に放置するなどして焼結し、硬度を高める必要がある。
【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,Vol.291,PP.453-457,2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、焼結を施した場合には、各微粒子は若干小さくなりながら互いに結びつくため、微粒子膜には周期構造が分かれるように亀裂が入る。亀裂は周期性構造物としての品質を落とす原因となるが、焼結は微粒子膜の硬度を高めるために必要な工程である。
【００１５】
よって、周期性構造物に生じた亀裂を各周期性構造の区切りや導波路として使用できるような光学素子の製造方法の開発が要求されている。
【００１６】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、周期性構造物に生じた亀裂を各周期性構造の区切りや導波路として使用できるような光学素子の製造方法およびその補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】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、コロイド溶液中の光学媒質を基板上に周期的に配列させて形成した第１の周期性構造物を用いた光学素子の製造方法であって、第１の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第１の亀裂検出工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法を提供するものである。亀裂箇所を把握することによって、光学素子の中に亀裂を含まないようにすることができ、光学素子の品質を高めることができる。
【００１８】
上記本発明の第１の態様では、第１の亀裂検出工程においては、第１の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することが好ましい。又は、第１の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することが好ましい。このようにすれば、周期性構造物を破壊することなく亀裂を検出できる。
【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１の周期性構造物中の亀裂に沿って、該第１の周期性構造物を切り分けることが好ましい。この場合には、周期性構造物中の亀裂を切り分けのために使用し、亀裂を含まない部分で光学素子を形成できる。又は、第１の周期性構造物を基板上の別の位置に移動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、所望の光学特性をもつ光学素子を形成することが可能となる。
【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の周期性構造物を加熱した後に第１の亀裂検出工程を実行することが好ましい。第１の周期性構造物を加熱した後で亀裂の検出を行うことで、亀裂箇所を明確に特定できる。
【００２１】
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、本発明の第１の態様の上記のいずれの方法に加えて、第１の周期性構造物中の光学媒質同士の間隙に液状物質又は微小粒子を充填し、これを固化又は固定化した後に、光学媒質を除去することにより、第２の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、第１又は第２の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第２の亀裂検出工程を第１の亀裂検出工程の代わりに有することを特徴と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、最初に形成した第１の周期性構造物又は新たに形成した第２の周期性構造物の亀裂方向を検出すれば、当初は空隙であった箇所に材料が充填された第２の周期性構造物を高品質の光学素子として利用することが可能となる。
【００２２】
上記本発明の第２の態様では、第２の亀裂検出工程において、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出すること画好ましい。又は、第２の亀裂検出工程においては、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することが好ましい。このようにすれば、第１又は第２の周期性構造物を破壊することなく亀裂方向を検出できる。
【００２３】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、本発明の第２の態様の上記のいずれかの方法に加え、第２の周期性構造物中の光学媒質が位置していた箇所に液状又は固体状物質を充填し、これを固化又は固定化した後に、第２の周期性構造物を除去して第３の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、第１、第２又は第３の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第３の亀裂検出工程を第２の亀裂検出工程の代わりに有することを特徴と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、最初に形成した第１の周期性構造物、２番目に形成した第２の周期性構造物又は最後に形成した第３の周期性構造物の亀裂方向を検出すれば、最後に形成した第３の周期性構造物を高品質の光学素子として利用することが可能となる。
【００２４】
上記本発明の第３の態様では、第３の亀裂検出工程において、第１、第２又は第３の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することが好ましい。又は、第３の亀裂検出工程においては、第１、第２又は第３の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することが好ましい。このようにすれば、周期性構造物を破壊することなく亀裂方向を検出できる。
【００２５】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第４の態様として、コロイド溶液中のコロイド微粒子を基板上に周期的に配列させて形成した第１の周期性構造物を用いた光学素子の製造方法であって、第１の周期性構造物中のコロイド微粒子同士の間隙に液状物質又は微小粒子を充填し、これを固化又は固定化した後に、コロイド微粒子を除去することにより、第２の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、第１又は第２の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第２の亀裂検出工程を有することを特徴と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、最初に形成した第１の周期性構造物又は新たに形成した第２の周期性構造物の亀裂方向を検出すれば、当初は空隙であった箇所に材料が充填された第２の周期性構造物を高品質の光学素子として利用することが可能となる。
【００２６】
上記本発明の第４の態様では、第２の亀裂検出工程において、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することが好ましい。又は、第２の亀裂検出工程においては、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することが好ましい。このようにすれば、周期性構造物を破壊することなく亀裂方向を検出できる。
【００２７】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第５の態様として、上記本発明の第４の態様のいずれかの方法に加えて、第２の周期性構造物中のコロイド微粒子が位置していた箇所に液状又は固体状物質を充填し、これを固化又は固定化した後に、第２の周期性構造物を除去して第３の周期性構造物を形成する工程をさらに有し、第１、第２又は第３の周期性構造物中に含まれる亀裂の方向を検出する第３の亀裂検出工程を第２の亀裂検出工程の代わりに有することを特徴と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、最初に形成した第１の周期性構造物、２番目に形成した第２の周期性構造物又は最後に形成した第３の周期性構造物の亀裂方向を検出すれば、最後に形成した第３の周期性構造物を高品質の光学素子として利用することが可能となる。
【００２８】
上記本発明の第５の態様では、第３の亀裂検出工程において、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、光学的に検出することが好ましい。又は、第３の亀裂検出工程においては、第１又は第２の周期性構造物中の亀裂の方向を、走査型プローブ顕微鏡によって検出することが好ましい。このようにすれば、周期性構造物を破壊することなく亀裂方向を検出できる。
【００２９】
上記本発明の第１から第５のいずれの光学素子の製造方法においても、第１の周期性構造物を形成する際には、コロイド溶液の液面に対して略垂直に基板を配置し、コロイド溶液の溶媒のみを基板表面から蒸発させることが好ましい。又は、第１の周期性構造物を形成する際には、基板を２枚、基板同士が平行かつそれぞれがコロイド溶液の液面に対して略垂直となるように配置し、コロイド溶液の溶媒のみを基板同士の間から蒸発させることが好ましい。このようにすれば、微粒子の自己組織化を利用して周期性構造物を容易に形成できる。
【００３０】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第６の態様として、本発明の第１から第５の態様のいずれかの光学素子の製造方法によって製造された光学素子を提供するものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、周期性構造物に生じた亀裂を各周期性構造の区切りや導波路として使用できるような光学素子の製造方法およびその補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】
【００３２】
〔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２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、光を伝搬させる箇所が中央部に設けられており、光導波路として機能するものである。この光学素子は、周期性構造物６、７及び下部基板８によって構成されている。
【００３３】
周期性構造物６及び７は、直径約３００ｎｍの光学媒質（シリカ微粒子）５が最密充填構造をとっており、全体が光学媒質５で形成されている。なお、図２は模式図であり、実際の微粒子径や層数はこれと異なる。
【００３４】
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、直径３００ｎｍ、粒度分布の標準偏差が３％以内のシリカ微粒子を分散させたエタノール溶液（１ｗｔ％、１００ｍｌ）、及びガラス製の基板１ａ、１ｂ（一辺３０ｎｍ）を用意する。
【００３５】
基板１ａ及び１ｂの一方（ここでは１ａとする）を真空吸着できる装置で固定する。その後、図３（ａ）に示すように、基板１ａの表面の一部にアルミ薄膜９（膜厚５０μｍ）を形成する。
【００３６】
基板１ｂを基板１ａと重なり合うように上方から降下させ、アルミ薄膜９を介して基板同士を向かい合わせ、接触させる。この状態において、基板１ａ及び１ｂの端部を不図示のクリップにて固定し、両基板間に隙間を形成する。固定した２枚の基板を上記のシリカ微粒子分散エタノール溶液にゆっくりと浸し、基板１を保持する箇所を除いて基板全体が溶液中に入った状態で固定する。なお、この時溶液中では、常に攪拌子を回転させる。また、溶液容器には、基板同士の間以外の箇所から溶液が蒸発しないように蓋をする。
【００３７】
図３（ｂ）に、微粒子５がスペーサ７の形状に従って基板１の上部から膜を形成していく様子を示す。図示するように、毛管力によって両基板間に浸透した溶液４は、エタノールのみが基板１の上方に蒸発し、分散物であるシリカ微粒子が残って、微粒子同士に結合力が働く。この時、アルミ膜９はシリカ微粒子９の移動をガイドする。また、基板の両端部に形成されたアルミ膜９がスペーサとして作用することによって、両基板１ａ、１ｂの間隔は均一に保たれる。
【００３８】
溶液が基板間から蒸発してから４〜５日経過した後では、基板１ａ−１ｂ間にシリカ微粒子５が配列していた。その後、基板１ａ及び１ｂの一方を除去した。
【００３９】
このようにして形成した微粒子膜を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、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（ボイド）はほとんど見られなかった。
【００４０】
微粒子膜の硬さを高くするために、基板１を３００℃にて５時間加熱し、これをＳＥＭで観察したところ、微粒子膜に亀裂が発生していることが確認された。
【００４１】
図４に、焼結を行った後の微粒子膜の構造を示す。なお、図４は模式図であり、実際の微粒子径や層数はこれと異なる。
観察される亀裂は、焼結の際に微粒子が若干小さくなって互いに結合するために、結合したもの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定まっており、ほぼ周期的に縦横一定間隔で形成されていた。
【００４２】
次工程に進む試料に対しては、ＳＥＭによる観察は行えないため、焼結された微粒子膜に対して集光された白色光を用いてを用いて走査し、透明度測定を通じて光のバンドギャップを測定した。白色光の縦横方向の走査により、光のバンドギャップが測定されない箇所がほぼ連続して検出された場合に亀裂が生じていると判断する。
【００４３】
焼結工程によって形成された直方体型（多角形型）周期性構造物６、７を、把持板東が備えられた実装装置によって吸着、移動操作をし、図２に示す光導波路型デバイスを作成した。
【００４４】
図２に示す光導波路型デバイスは、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を作成し、焼結の際に生じた亀裂の方向を光学的に検出した後に周期性構造物を移動操作することによって形成している。このため、光導波部となる亀裂以外の箇所では欠陥が少なく、高品質な光デバイスとなっている。
【００４５】
上記のように、光デバイスの製造工程中に亀裂の検出工程が含めれば、亀裂が含まれる部分を周期性構造物として用いないようにでき、光学素子としての品質の向上に繋がる。また、亀裂の検出を光学的に行えば、試料を破壊することなく簡単に亀裂を検出できる。亀裂を検出したのちは、それらの情報を基に周期性構造物を移動させているため、目的の構造の周期性構造物を得られる。
【００４６】
周期性構造物を焼結しない場合には亀裂の幅は狭いが、焼結によって亀裂幅が広がって位置が明確となることに加え、周期性構造物の硬さが高くなる。また、自己組織化を用いた周期性構造物の作成に２枚の基板を用いることによって、周期性構造物の基となる微粒子膜の膜厚を一定にできる。
【００４７】
〔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５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、直径約３００ｎｍの球形箇所の周期的構造から形成される液晶分子充填箇所１２とそれらの間隙を充填するナノオーダーの微粒子（シリカ、球径約３〜６ｎｍ）から構成される箇所１３から形成される。
【００４８】
周期性構造物１１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％以内のポリスチレン微粒子を分散させたエタノール溶液（３ｗｔ％、５００ｍｌ）及びガラス基板（縦２００ｍｍ、横３０ｍｍ）を１枚用意する。ガラス基板１の上部を固定し、その部分を除いて基板のほぼ全面を溶液に浸漬する。その後、一定速度で基板を溶液から引き上げる。なお、溶液の温度は４０℃に保持した。
基板を引き上げる際に溶液が基板表面から蒸発し、基板表面には微粒子が配列する。作成された微粒子膜基板の１枚をＳＥＭで観察した結果、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。
【００４９】
その後、粒径３〜６ｎｍのシリカ微粒子が分散しているエタノール溶液に上記作成基板を浸漬してから基板を引き上げ、ポリスチレン微粒子の間を埋めるようにシリカ微粒子を配列させた。そして、４００℃で加熱することで、ポリスチレン粒子を除去するとともに、シリカ粒子を焼結した。
【００５０】
加熱後の基板を集光された白色光を用いて走査し、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した。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連続的に観測されない箇所がほぼ連続的に見られた場合に、亀裂が発生していると判断した。
【００５１】
亀裂の有無をマッピングし、鋭利な刃物を固定できる保持バンドを用いて、亀裂箇所を通るように基板ごと切断した。その後、ポリスチレンが消失した箇所にネマチック液晶分子を充填する。
【００５２】
このようにして作成された周期性構造物１１は、電界中では液晶素子として機能する。
【００５３】
図５に示した光導波路型デバイスは、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、その亀裂方向を光学的に検出した後に、周期性構造物を切り分けるため、亀裂の光導波部以外では欠陥が少ない高品質のデバイスとなる。
【００５４】
上記のように、光デバイスの製造工程中に亀裂の検出工程が含めれば、亀裂が含まれる部分を周期性構造物として用いないようにでき、品質の向上に繋がる。また、亀裂の検出を光学的に行えば、試料を破壊することなく簡単に亀裂を検出できる。亀裂を検出したのちは、それらの情報を基に周期性構造物を切り分けているため、目的の構造の周期性構造物を得られる。
周期性構造物を焼結しない場合には亀裂の幅は狭いが、焼結により亀裂の幅が広がって亀裂箇所が明確となることに加え、周期性構造物の硬さも高まる。また、自己組織化を用いた周期性構造物の作成に必要な基板は１枚だけであるため、周期性構造物を容易に形成できる。さらに、自己組織化を用いて形成された周期性構造物をインバースオパール構造にし、さらにその空隙に液晶分子を充填することによって、構造及び材料の転換を容易にしている。
【００５５】
〔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。図６に本実施形態にかかる周期性構造物を示す。周期性構造物１４は、直径約３００ｎｍの光学媒質（ＴｉＯ2の中空粒子）１５から形成されており、最密充填構造をとっている。なお、図６は模式図であり、実際の微粒子径や層数はこれと異なる。
【００５６】
周期性構造物１４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、球径３００ｎｍ）、及び一辺３０ｍｍのガラス製基板を２枚用意した。ガラス基板の一方はガラス単体であり、他方は表面に金属膜が蒸着されている。金属膜が蒸着されている基板では、一表面に図３（ａ）に示すようなアルミの薄膜が厚さ１０μｍ蒸着されている。
【００５７】
ガラスのみからなる基板を下部から真空吸着できる装置にて固定した。真空蒸着された基板表面に、他方のガラス基板ウェハーを上部から、アルミ膜面を下面にして、ゆっくりと降下させた。２枚の基板がアルミ薄膜スペーサを介して接触したことを確認し、基板端部をクリップで固定した。固定した２枚の基板を上記のシリカ微粒子分散エタノール溶液にゆっくりと浸し、基板の支持箇所である上部の一部分を除いて溶液中に基板が完全に入った位置で基板を固定した。
【００５８】
溶液中では常に攪拌子を回転させ、溶液を攪拌した。溶液温度は４０℃に保持し、基板間以外からは溶液が蒸発しないように蓋をした。そのような状態で約３日間静置したところ、基板間から溶液が蒸発し、基板間に微粒子が配列した。
【００５９】
その後、２枚の基板のうちアルミ膜が蒸着されている方を取り外し、形成されている周期性構造物の微粒子間にスチレンを導入し、紫外線照射によってスチレンを硬化させた。スチレンを硬化させた後、ガラスのみからなる基板も取り除いた。
【００６０】
得られた周期性構造物をフッ酸に入れ、シリカ微粒子球をエッチングで除去した。この結果、当初シリカ微粒子が存在していた位置は空洞となり、空洞を持つポリスチレンが繋がった形の周期性構造物が形成される。
【００６１】
その後、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導入した。さらに、このポリスチレン及びＴｉＯ2からなる物質をトルエン溶液中に浸し、ポリスチレンを除去した。
【００６２】
以上のようにして得た中が空洞となっているＴｉＯ2の周期性構造物を、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光のバンドギャップを観測した。光のバンドギャップが連続して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した。
【００６３】
亀裂の有無をマッピングし、鋭利な刃物をつかめる保持バンドを用いて亀裂箇所を通るように基板ごと切断した。
【００６４】
このようにして得られたＴｉＯ2の周期性構造物１４は、最初に形成したシリカ微粒子膜と同様の配列構造を持っているため、欠陥が少なく、高品質な光学素子となる。
【００６５】
〔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。本実施形態にかかる周期性構造物は、図２と同様の構造であり、これの基となる微粒子膜は第１の実施形態と同様の手順で形成される。
【００６６】
本実施形態においては、白色光による走査の代わりに走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡を用いて亀裂の有無を測定し、マッピングする。原子間力顕微鏡を用いることにより、微粒子膜を破壊することなく亀裂の位置を正確に検出できる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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】
【００７４】
【図１】２枚の基板を用いて微粒子膜を形成する方法を示す図である。
【図２】第１の実施形態にかかる周期性構造物の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は基板表面にスペーサとしてアルミ薄膜を蒸着した状態を示す図であり、（ｂ）はスペーサの形状に従って微粒子が配列する状態を示す図である。
【図４】焼結によって周期性構造物に亀裂が発生した状態を示す図である。
【図５】本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる周期性構造物の構成を示す図である。
【図６】本発明を好適に実施した第３の実施形態にかかる周期性構造物の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    基板
２    ギャップ材（スペーサ）
３    微粒子膜
４    コロイド溶液
５    微粒子
６、７    多角形型微粒子周期性構造物
８    下部基板
９    金属薄膜
１０    焼結させた周期性構造物
１１    周期性構造物（液晶分子及び微小シリカ球）
１２    液晶分子充填部
１３    微小シリカ
１４    周期性構造物（中空粒子）
１５    中空粒子
【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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