(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂から成る基材の基材中あるいは基材上に、前記基材とは屈折率の異なる光学媒質を周期的に配列させるとともに、前記基材中あるいは前記光学媒質中に強磁性体または強誘電体を含有させた周期性構造物の周期性構造を制御する方法において、前記周期性構造物の任意の領域に流動性を付与する工程と、外場を印加する工程と、流動性を付与した領域の流動性を消失させる工程を具備したことを特徴とする周期性構造物の周期性構造制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の周期性構造制御方法において、流動性を付与する工程として、少なくとも熱の印加を用いることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の周期性構造制御方法において、前記基材中に強磁性体が含まれていることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の周期性構造制御方法において、前記光学媒質中に強磁性体が含まれていることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項５】
請求項１に記載の周期性構造制御方法において、前記基材中に強誘電体が含まれていることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項６】
請求項１に記載の周期性構造制御方法において、前記光学媒質中に強誘電体が含まれていることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項７】
請求項３または４に記載の周期性構造制御方法において、外場を印加する工程として、少なくとも磁場の印加を用いることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項８】
請求項５または６に記載の周期性構造制御方法において、外場を印加する工程として、少なくとも電場の印加を用いることを特徴とする周期性構造制御方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の周期性構造制御方法を用いて作製された周期性構造物を用いた光学素子において、
前記周期性構造物に隣接して磁性体層が設けられ、
該磁性体層が、磁場を印加した後に残留磁化が生じる材料であることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学装置において、
前記磁性体層が、少なくとも磁場の印加により残留磁化を生じる永久磁石材料であることを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばフォトニック結晶等に有用な、２次元並びに３次元的な周期性を有する構造物の周期性構造制御方法、および基材の一部に寸法変化を生じさせることによりその領域の周期性構造を変化させ、それによって屈折率の非周期性を具備した周期性構造物を例えば導波路等として用いた光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微粒子の配列技術は、高表面積化、高解像度化、並びに高密度化等が可能であるため、触媒、記録材料、センサー、電子デバイス、光デバイス等の材料の高機能化を図る上で重要な技術であり、近年、その研究が盛んに行われてきた。また、最近フォトニック結晶への関心が高まり、３次元のフォトニック結晶を作製する技術としての研究も盛んに行われるようになっている。
【０００３】
フォトニック結晶とは、その内部に屈折率の周期的な分布を持つ結晶であり、光がこの結晶を伝播する時、伝播できない光のエネルギー帯、すなわちフォトニックバンドギャップを形成する。例えば、このフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶中に欠陥を導入した場合、その欠陥に沿って光が伝播することにより導波路が形成される等、微小領域における光の制御が行えるためこのような特徴を有するフォトニック結晶は光学分野において非常に有用である。
【０００４】
フォトニック結晶の作製に関しては、半導体プロセス技術を駆使しての作製方法も数多く報告されているが、３次元の加工において、フォトニック結晶を所望の形状に加工するのは大変困難であり、３次元のフォトニック結晶を考慮した場合は、微粒子の配列技術を用いることが有利である。
【０００５】
実際に、（ａ）特開２０００−２３３９９８号公報では、コロイド結晶からなるテンプレートを用意し、そのテンプレートを電解液内に配置し、続いてコロイド結晶内に格子材料を電気化学的に形成した後、コロイド結晶粒子を除去して、フォトニック結晶に通ずる周期性構造物を形成する技術が開示されている。
【０００６】
また、（ｂ）特開２０００−２３３９９９号公報では、コロイド結晶からなるテンプレートを用意し、このコロイド結晶へとナノ粒子液体分散を導入し、続いてコロイド結晶粒子を除去して、フォトニック結晶に通ずる周期性構造物を形成する技術が開示されている。
【０００７】
しかしながら、上記(ａ)および（ｂ）の公開公報に開示された技術では、所望の領域に欠陥を導入することが極めて困難であるという不具合が生じていた。
【０００８】
これに対し、（ｃ）特開平１１−２１８６２７号公報では、フォトニック結晶導波路の製造方法として、基材上に下部クラッド層、コア層、上部クラッド層からなるスラブ光導波路を作製した後、電子線、SOR(synchrotron orbital radiation)光、紫外線および近赤外線のうちのいずれかを上部クラッド層を通してコア層に選択的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさせて屈折率変化領域を作製する方法が開示されている。
【０００９】
上記（ｃ）の公開公報に開示された技術を応用することにより、所望の領域に欠陥（屈折率の非周期性領域）を導入することは可能になるが、その技術においても欠陥の領域を変更する、あるいは目的に応じて欠陥の領域を設定し直す等はできないという不具合を有していた。
【００１０】
これに対し、（ｄ）特開２００１−９１９１２号公報では、外場により屈折率が変化する複数の光学媒質を利用し、ある外場の条件下では、複数ある光学媒質のうちある２つの屈折率が等しく、あるいはほぼ等しくなるようにする。これら２つの条件下で光が感じる分布パターンを所望の結晶構造、格子点の形状、周期に設定することで、２つの大きく異なるフォトニックバンド構造間を、外場条件を変えるだけで切り替えられるスイッチング動作可能な光装置およびフォトニック結晶中の光導波路を利用した光分波器が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この（ｄ）の公開公報に開示された技術は、外場により欠陥（屈折率の非周期性領域）を変更できる点では有用であるが、ある光学媒質の屈折率が他２つの光学媒質の屈折率と異なった外場条件により等しくなるように、材料および外場を設定しなければならず、更に、光が感じる分布パターンを所望の結晶構造、格子点の形状、周期に設定しなければならないため、生産性および製造コストの面で大変大きい課題を有しており、コスト的に非常に不利であった。
【００１２】
また、この（ｄ）の公開公報に開示された技術中に、外場として磁場を利用する技術も開示されている。外場として、磁場を選択する場合は、屈折率変化の精密な制御、および屈折率変化の可逆性を確保できる点で非常に有利であるが、ここに開示されている技術は次のような問題点がある。
【００１３】
▲１▼磁場による準位分裂に伴う共鳴エネルギーのシフトに起因する屈折率変化を用いる場合は、その変化が極めて小さいため実用的ではなく、また磁場印加を終了すると屈折率変化も消失するため、屈折率の変化を保持するためには磁場を印加し続ける必要があった。
【００１４】
また、▲２▼Cotton-Mouton効果などを利用する場合は、磁場と光の方向による屈折率の差を利用するものであり、磁場と光の相対的な方向を変化させないと屈折率変化は生じないため、その方向を精密に調整しながら、製造することが極めて難しく、また、印加する磁場の方向も限定されてしまうという欠点を有しているのが現状である。またこの場合も磁場印加を終了した場合には屈折率変化も消失するため、屈折率の変化を保持するためには磁場を印加し続ける必要があった。
【００１５】
このような事情から、フォトニック結晶中に任意に欠陥を導入でき、すなわち、屈折率の周期性を任意に変更でき、さらに、その屈折率の変化を可逆的に元に戻すことのできる技術が強く切望されていた。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、屈折率の非周期性が任意に制御できる周期性構造物の周期性構造制御方法と、屈折率の非周期性が任意に制御可能な周期性構造物を用い、屈折率の非周期性を任意に導入できるばかりでなく、その非周期性を保持することができる光学素子を提案することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために次のような特徴を有している。
本発明の第１の特徴は、熱可塑性樹脂から成る基材の基材中あるいは基材上に、前記基材とは屈折率の異なる光学媒質を周期的に配列させるとともに、前記基材中あるいは前記光学媒質中に強磁性体または強誘電体を含有させた周期性構造物の周期性構造を制御する方法において、前記周期性構造物の任意の領域に流動性を付与する工程と、外場を印加する工程と、流動性を付与した領域の流動性を消失させる工程を具備したことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の第２の特徴は、さらに流動性を付与する工程として、少なくとも熱の印加を用いることを特徴としている。
また、本発明の第３の特徴は、前記基材中に強磁性体が含まれていることを特徴としている。
また、本発明の第４の特徴は、前記光学媒質中に強磁性体が含まれていることを特徴としている。
また、本発明の第５の特徴は、前記基材中に強誘電体が含まれていることを特徴としている。
また、本発明の第６の特徴は、前記光学媒質中に強誘電体が含まれていることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の第７の特徴は、外場を印加する工程として、少なくとも磁場の印加を用いることを特徴としている。
また、本発明の第８の特徴は、外場を印加する工程として、少なくとも電場の印加を用いることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の第９の特徴は、周期性構造制御方法を用いて作製された周期性構造物を用いた光学素子において、周期性構造物に隣接して磁性体層が設けられ、該磁性体層が、磁場を印加した後に残留磁化が生じる材料であることを特徴としている。
また、本発明の第１０の特徴は、前記磁性体層が、少なくとも磁場の印加により残留磁化を生じる永久磁石材料であることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を用いて説明する。
図１は、基材１中あるいは基材（熱可塑性樹脂）１上に、基材１とは屈折率の異なる領域（光学媒質）２が周期的に配列している周期性構造物の様子を示した概念図である。このように、屈折率の周期的な分布を持ったフォトニック結晶を光が伝播する場合、フォトニックバンドギャップに相当するエネルギーを有する光は、このフォトニック結晶中を伝播できない。
【００２５】
ここで、基材１として、任意の領域を選択的に流動性を持たせることができるようになっている。
図２は、加熱または光照射などの流動性を付与する手段（熱印加装置３）により基材を選択的に流動的にする様子を示す図である。同図において、熱印加装置３はモータなどを利用して縦横自由に移動可能になっており、任意の位置の部分を流動的にすることができる。同図において、４は、熱印加装置３による加熱によって流動性を帯びた基材を示している。
【００２６】
図３は、流動性を帯びた基材４部分に外場として磁場印加装置５により磁場を印加して位置変動を引き起こさせる状態を示している。この位置変動により屈折率の周期的な分布に変化が生じる。すなわちこの位置変動を起こした領域は、周期性の欠陥領域とみなすことができ、この欠陥の領域は、上記の伝播できなかった光が伝播できるようになり、例えば導波路等の光学装置として機能することになる。
【００２７】
なお、上記実施例では、流動性を付与する手段として熱印加装置を用いているが、流動性をもたらすものであれば如何なるものであってもよく、熱以外、例えば光印加手段による光照射でもよいことはいうまでもない。
【００２８】
さらに、上記実施例では、流動性を帯びた基材の位置移動を起こすための力として磁場印加装置からの磁場を使ったが、位置移動を引き起こすことができれば如何なる力であってもよく、磁場以外、例えば電場印加装置からの電場であってもよいことはいうまでもない。当然のことながら、磁場印加装置を用いる場合は強磁性体を、電場印加装置を用いる場合は強誘電体を、例えば粉末状にして熱可塑性樹脂に混入させておけばよい。また、光学媒質中に強磁性体あるいは強誘電体を含有させておいても同様の機能を有する。
【００２９】
本発明を用いれば、基材中あるいは基材上に、基材と屈折率の違う領域を周期的に配列させておくだけで、流動性を付加する手段（加熱または光照射）により流動的になった領域は磁場印加装置５からの磁場により位置変動を引き起こして屈折率の周期的な分布に変化を生じさせることによって、例えば、所望の領域のみに光を導波できる光学装置が形成できる。これは、予め屈折率を変化させたい領域だけに違った光学媒質を配置しておくのに比べると、その製造が非常に容易になり、生産性やコストパフォーマンスの上からも非常に有利である。
【００３０】
ここで、この磁場印加装置６は、磁場印加領域を任意に制御できるものとすることが重要である。また、光学媒質を基板中あるいは基板上に配列させる場合は、半導体プロセス技術を用いて行っても問題ないが、３次元的に所望の形状に配列させる場合は、光学媒質として微粒子を選択し、その微粒子を３次元的に配列させる方が有利である。
【００３１】
また、周期性構造物の品質等を考えると、微粒子は、球形であることが好ましく、更に、その粒径が均一であることが好ましい。微粒子の粒径に関しては、その目的によって様々なものを用いることができるが、周期性構造物を、例えばフォトニック結晶として利用する場合には、この粒径を制御するだけで、容易にフォトニックバンドギャップを制御することが可能である。
【００３２】
磁場印加装置６によって磁場を印加し続ける場合は屈折率の非周期性を保持することが可能であるが、磁場の印加を停止してもこの屈折率の非周期性を保持するためには、図４に示したように、基材となる周期性構造物に隣接して磁性体より構成される磁性体層７を設ける必要がある。ここで用いる磁性体層７としては、磁場を印加した後に残留磁化の生じる材料いわゆる永久磁石材料を用いることが屈折率の非周期性を保持するためには有利である。
【００３３】
磁性体層７に用いる永久磁石材料としては、金属材料、金属間化合物材料および酸化物材料等、どのような材料を用いても問題ない。また、必要に応じて、永久磁石材料により構成される層と、磁場に対して敏感な高透磁率材料により構成される層、あるいは残留磁化の大きい材料により構成される層と組み合わせて用いても問題ない。この強磁性体７を用いて、屈折率の非周期性を保持しながら、基材の流動性を消失させることにより、屈折率の非周期性が容易に導入できる。
【００３４】
以上説明したように、本発明を用いることにより、周期性構造物中の任意の場所に屈折率の非周期性領域を容易に導入することができ、さらにその領域を任意に変更することが容易に行うことができるようになり、例えば、光導波路を任意に形成できさらに変更も可能である、大変有益な光学装置が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
＜請求項１〜８＞
請求項１〜８記載の構成を採用することにより、非常に簡便な方法で、光学媒質が周期的に配列した周期性構造物の周期性構造を制御できた。
【００３８】
＜請求項９〜１０＞
請求項９〜１０記載の構成を採用することにより、光学媒質が周期的に配列した周期性構造物中の任意の領域に、磁場または電場の印加により屈折率の非周期性を具備でき、磁場の印加を停止してもその屈折率の非周期性を保持できる光学素子が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱可塑性樹脂からなる基材中あるいは基材上に、基材とは屈折率の異なる領域（光学媒質）が周期的に配列している周期性構造物の様子を示した概念図である。
【図２】加熱または光照射などの流動性を付与する手段（熱印加装置）により基材を選択的に流動的にする様子を示す図である。
【図３】流動性を帯びた基材４部分に外場として磁場印加装置により磁場を印加して位置変動を引き起こさせる状態を示している。
【図４】周期性構造物に隣接して磁性体層を有し、さらに磁場印加装置および熱印加装置を実装した光学装置の概念図である。
【符号の説明】
１：基材（熱可塑性樹脂）
２：基材と屈折率が異なる領域（光学媒質）
３：熱印加装置
４：流動性を有する基材
５：磁場印加装置
６：磁場印加により周期性構造の変化した光学媒質
７：磁性体層
【図１】
0004147772.tif 000002
【図２】
0004147772.tif 000003
【図３】
0004147772.tif 000004
【図４】
0004147772.tif 000005