JP2006243343A - 光学装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトニック結晶の形成に、高価な装置を必要とせず、単純なプロセスで実現できる微粒子の自己組織化現象を利用して形成し、かつ、得られたフォトニック結晶の空隙に媒体を充填あるいは除去することにより屈折率を変化させ、フォトニックバンドギャップの位置を制御するとともに、大パワーのレーザー光であっても光学装置自体の熱損傷を防ぎ、常に安定した特性を発揮させるようにする。
【解決手段】周期的な空隙を有する第一の材料１０２から成る３次元周期構造物において、空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料１０６から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させる。
【選択図】図１
【解決手段】周期的な空隙を有する第一の材料１０２から成る３次元周期構造物において、空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料１０６から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、屈折率をアクティブに変化させることのできる光学装置に関するもので、より具体的には、３次元周期構造における周期的屈折率を制御することにより、フォトニックバンドギャップの位置をシフトさせることにより光スイッチ機能を有する光学装置およびその製造方法に関する。
従来、例えば、特開平０９−２７４１６９号公報（特許文献１参照）に記載の「液晶微粒子分散媒体を用いた導波路型光制御方法および導波路型光制御用液晶光学素子」が提案されている。この技術は、電場の印加および解除により屈折率が可逆的に変化する物質Ａと、屈折率が変化しない物質Ｂとが３次元で周期的に配列してなり、フォトニックバンドギャップ機能を有している。
また、特開２０００−３２１６０７号公報（特許文献２参照）に記載の「全光スイッチングデバイス」が提案されているが、この技術は、量子化閉じ込め半導体超微粒子が分散してなるポリマー光導波路構造を有し、光強度に依存した屈折率変化を利用することを特徴とする全光スイッチングデバイスに関するものである。
また、特開２０００−３２１６０７号公報（特許文献２参照）に記載の「全光スイッチングデバイス」が提案されているが、この技術は、量子化閉じ込め半導体超微粒子が分散してなるポリマー光導波路構造を有し、光強度に依存した屈折率変化を利用することを特徴とする全光スイッチングデバイスに関するものである。
さらに、特開２００２−３１８３７３号公報（特許文献３参照）に記載の「光学材料及び光学材料の製造方法」が提案されているが、この技術は、基板上に光透過性媒体からなる２本の光導波路を近接して配置し、一方の光導波路を挟んで電極を平行に配置する。光透過性媒体は直径が光の波長に対して１桁程度小さい液晶微粒子をガラスやポリマー等の光透過性材料に分散してなる。光導波路の電圧印加方向に平行な方向に偏向面を有する直線偏光を入力光として光導波路にそれぞれ入射させることにより電圧で制御できる光スイッチが実現するというものである。
さらに、特開２００４−３１７５４０号公報に記載の「光学素子及び光学デバイス」が提案されているが、この技術は、基板とこの基板に形成された微細周期構造とを有する光学素子であって、凹凸形状の凹部に電圧が印加される導電性部材を充填することで、凸部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができるようにした。これにより、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現でき、さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能とするものである。
前述のように、フォトニックバンドギャップの位置を変化、制御して、光学装置に応用しようとする技術がいくつか提案されていた。
まず、特許文献１（特開平09-274169号公報）においては、電場の印加および解除により屈折率が可逆的に変化する物質Ａと、屈折率が変化しない物質Ｂとが３次元で周期的に配列してなり、フォトニックバンドギャップ機能を有するものである。
しかし、この技術においては、屈折率が変化する材料として、ポリビオローゲン、ポリチオフェンなどの有機材料であり、かつ、屈折率を変化させる手段が電界を与えるというものであるために、大パワーのレーザー光に対しては光、及び熱損傷が発生して使用できないという問題がある。
まず、特許文献１（特開平09-274169号公報）においては、電場の印加および解除により屈折率が可逆的に変化する物質Ａと、屈折率が変化しない物質Ｂとが３次元で周期的に配列してなり、フォトニックバンドギャップ機能を有するものである。
しかし、この技術においては、屈折率が変化する材料として、ポリビオローゲン、ポリチオフェンなどの有機材料であり、かつ、屈折率を変化させる手段が電界を与えるというものであるために、大パワーのレーザー光に対しては光、及び熱損傷が発生して使用できないという問題がある。
また、特許文献２（特開2000-321607号公報）に開示された技術においては、量子化閉じ込め半導体超微粒子が分散してなるポリマー光導波路構造を有し、光強度に依存した屈折率変化を利用する全光スイッチングデバイスに関する技術が開示されている。
しかし、この従来技術も導波路領域はポリマーであるために、大パワーのレーザー光に対しては光、及び熱損傷が発生して使用できないという問題がある。
さらに特許文献３（特開2002-318373号公報）においては、基板上に光透過性媒体からなる２本の光導波路を近接して配置し、一方の光導波路を挟んで電極を平行に配置する。
光透過性媒体は直径が光の波長に対して１桁程度小さい液晶微粒子を、ガラスやポリマー等の光透過性材料に分散してなる。光導波路の電圧印加方向に平行な方向に偏向面を有する直線偏光を入力光として、光導波路にそれぞれ入射させることにより、電圧で制御できる光スイッチを実現するという技術が開示されている。
しかし、液晶材料への電圧印加では、せいぜいｍ秒オーダーのスイッチング速度しか得られず、高速化への対応ができないという問題がある。
しかし、この従来技術も導波路領域はポリマーであるために、大パワーのレーザー光に対しては光、及び熱損傷が発生して使用できないという問題がある。
さらに特許文献３（特開2002-318373号公報）においては、基板上に光透過性媒体からなる２本の光導波路を近接して配置し、一方の光導波路を挟んで電極を平行に配置する。
光透過性媒体は直径が光の波長に対して１桁程度小さい液晶微粒子を、ガラスやポリマー等の光透過性材料に分散してなる。光導波路の電圧印加方向に平行な方向に偏向面を有する直線偏光を入力光として、光導波路にそれぞれ入射させることにより、電圧で制御できる光スイッチを実現するという技術が開示されている。
しかし、液晶材料への電圧印加では、せいぜいｍ秒オーダーのスイッチング速度しか得られず、高速化への対応ができないという問題がある。
さらに、特許文献４（特開2004-317540号公報）には、基板とこの基板に形成された微細周期構造とを有する光学素子であって、凹凸形状の凹部に電圧が印加される導電性部材を充填することで、凸部分に大きな電界を印加することができ、凸部に設けた電気光学効果を有する材料に、大きな電気光学効果を生じさせることができ、これにより、屈折率を大きく変化させることができるようにしたことが開示されている。これにより、電気光学効果を用いた小型の光変調器、光アッテネータ等を実現でき、さらに、微細周期構造３全体若しくは一部に、選択的に一定の電界を印加することが可能となり、小型の光ルータ、光偏向器等も実現可能とするものである。
しかしながら、この先行技術においては、凹凸形状を有する微細周期構造は、半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィ、ドライエッチングといった、高価な装置が必須で、工程も多く、複雑な製造プロセスでなければ実現できないといった問題がある。
しかしながら、この先行技術においては、凹凸形状を有する微細周期構造は、半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィ、ドライエッチングといった、高価な装置が必須で、工程も多く、複雑な製造プロセスでなければ実現できないといった問題がある。
（目的）
本発明の目的は、前述のような先行技術の問題点を解決すべくなされたものであり、フォトニック結晶の形成には、高価な装置を必要とせず、また、単純なプロセスで実現できる微粒子の自己組織化現象を利用して形成し、かつ、得られたフォトニック結晶の空隙に媒体を充填あるいは除去することにより屈折率を変化させ、フォトニックバンドギャップの位置を制御するとともに、大パワーのレーザー光であっても光学装置自体の熱損傷を防ぎ、常に安定した特性を発揮させることができる光スイッチ機能を実現する光学装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の目的は、前述のような先行技術の問題点を解決すべくなされたものであり、フォトニック結晶の形成には、高価な装置を必要とせず、また、単純なプロセスで実現できる微粒子の自己組織化現象を利用して形成し、かつ、得られたフォトニック結晶の空隙に媒体を充填あるいは除去することにより屈折率を変化させ、フォトニックバンドギャップの位置を制御するとともに、大パワーのレーザー光であっても光学装置自体の熱損傷を防ぎ、常に安定した特性を発揮させることができる光スイッチ機能を実現する光学装置およびその製造方法を提供することである。
本発明は、フォトニック結晶における代表的な特性であるフォトニックバンドギャップの位置をアクティブに制御することにより、透過可能な光の波長を制御する光学装置を提供するものである。
本発明は、高品質の３次元フォトニック結晶を微粒子の規則正しい配列体で形成するものであり、これにより安価な装置そして単純なプロセスを用いて高品質なフォトニック結晶を作製できる。得られたフォトニック結晶の空隙に媒体を充填、除去することによって、フォトニックバンドギャップの位置を制御して、光学装置とするものである。
したがって、このような原理を用いているために、制御する光のエネルギーが非常に大きい、たとえば大パワーレーザーに対しても、高い信頼性をもって使用できるものである。
つまり、空隙に媒体を充填、除去することによって、光の吸収によって発生した熱を効率よく排除し、熱が蓄積されることを確実に防止し、光学装置自体の熱損傷を防ぎ、常に安定した特性を発揮させることができる技術を提供することができる。
本発明は、高品質の３次元フォトニック結晶を微粒子の規則正しい配列体で形成するものであり、これにより安価な装置そして単純なプロセスを用いて高品質なフォトニック結晶を作製できる。得られたフォトニック結晶の空隙に媒体を充填、除去することによって、フォトニックバンドギャップの位置を制御して、光学装置とするものである。
したがって、このような原理を用いているために、制御する光のエネルギーが非常に大きい、たとえば大パワーレーザーに対しても、高い信頼性をもって使用できるものである。
つまり、空隙に媒体を充填、除去することによって、光の吸収によって発生した熱を効率よく排除し、熱が蓄積されることを確実に防止し、光学装置自体の熱損傷を防ぎ、常に安定した特性を発揮させることができる技術を提供することができる。
なお、請求項１の発明では、フォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップの位置のシフトを利用した光スイッチング機能を有する光学素子を得るために、周期的な空隙を有する第一の材料から成る３次元周期構造物において、前記空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を充填、および除去するという、単純で確実な方法で空隙の屈折率を変化させて実現する。
請求項２の発明では、大掛かりな製造装置を必要とせず、比較的単純で省エネルギーのプロセスを用いて、高品質のフォトニック結晶を形成するために、微粒子の自己組織化現象を用いた最密充填構造によりこれを実現する。
請求項２の発明では、大掛かりな製造装置を必要とせず、比較的単純で省エネルギーのプロセスを用いて、高品質のフォトニック結晶を形成するために、微粒子の自己組織化現象を用いた最密充填構造によりこれを実現する。
請求項３の発明では、高品質な微粒子最密充填構造を安全にかつ容易に得るために、微粒子として、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、などの無機材料、またはポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機材料から選ばれたもののうちのひとつを用いることで、これを解決する。
請求項４の発明では、屈折率の変化する領域の体積を多くし、より高性能の光スイッチング機能を実現させるために、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙を第三の材料から成る物質を充填し、その後微粒子を選択的に除去することによって得られる微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造、いわゆるインバースオパール構造であること基本構造として用いることで、これを解決する。
請求項４の発明では、屈折率の変化する領域の体積を多くし、より高性能の光スイッチング機能を実現させるために、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙を第三の材料から成る物質を充填し、その後微粒子を選択的に除去することによって得られる微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造、いわゆるインバースオパール構造であること基本構造として用いることで、これを解決する。
請求項５の発明では、屈折率の変化する領域の体積を多くし、より高性能の光スイッチング機能を実現させるために、インバースオパール構造における球状の空隙に第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させることにより、光学装置全体の屈折率変化を大きなものとすることによって、より高性能な光学装置を実現する。
請求項６の発明では、屈折率の変化の制御性を向上させるために、空隙に充填する材料として、第二の材料から成る物質が液体または超微粒子を含む液体を使用することにより、独立に制御して、これを解決する。
請求項６の発明では、屈折率の変化の制御性を向上させるために、空隙に充填する材料として、第二の材料から成る物質が液体または超微粒子を含む液体を使用することにより、独立に制御して、これを解決する。
請求項７の発明では、高屈折率材料によるインバースオパール構造を形成するために、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料として金属アルコキシドを用いることで、これを解決する。
請求項８の発明では、安全で取り扱いのしやすいインバースオパール構造を形成するために、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料として光効果型樹脂または、熱硬化型樹脂を用いることで、これを解決する。
請求項８の発明では、安全で取り扱いのしやすいインバースオパール構造を形成するために、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料として光効果型樹脂または、熱硬化型樹脂を用いることで、これを解決する。
請求項９の発明では、空隙に充填した第二の材料から成る物質を確実に除去するために、気体の導入により除去を行なうことことで、これを解決する。
請求項１０の発明では、高品質な微粒子最密充填構造を安全にかつ容易に得るために、原料として微粒子を液体に分散させた分散液を用いることで、これを解決する。
請求項１１の発明では、高品質な微粒子最密充填構造を安全にかつ容易に得るために、微粒子を分散させた分散液の液性を、微粒子に応じて制御することにより、これを達成する。
請求項１０の発明では、高品質な微粒子最密充填構造を安全にかつ容易に得るために、原料として微粒子を液体に分散させた分散液を用いることで、これを解決する。
請求項１１の発明では、高品質な微粒子最密充填構造を安全にかつ容易に得るために、微粒子を分散させた分散液の液性を、微粒子に応じて制御することにより、これを達成する。
請求項１２の発明では、光学素子に対して第二の材料を確実に充填するために、液体輸送ポンプを用いることで、これを達成する。
請求項１３の発明では、光学素子から第二の材料を瞬間的に確実に除去するために、気流を用いることで、これを達成する。
請求項１４の発明では、光学素子から第二の材料を除去する際に気流を用いる手段において、制御し易く、確実な除去を実現するために、気体輸送ポンプを用いることで、これを達成する。
請求項１３の発明では、光学素子から第二の材料を瞬間的に確実に除去するために、気流を用いることで、これを達成する。
請求項１４の発明では、光学素子から第二の材料を除去する際に気流を用いる手段において、制御し易く、確実な除去を実現するために、気体輸送ポンプを用いることで、これを達成する。
請求項１５の発明では、光学素子から第二の材料を除去する際に気流を用いる手段において、制御し易く、確実な除去を実現するために、大気圧以上の圧力を用いることで、これを達成する。
請求項１６の発明では、光学素子から第二の材料を瞬間的に除去するために、吸引ポンプを用いることで、これを達成する。
請求項１６の発明では、光学素子から第二の材料を瞬間的に除去するために、吸引ポンプを用いることで、これを達成する。
本発明においては、屈折率が３次元で周期的に変化する構造体において、その周期が光の波長のオーダーに近い場合、その２種類の屈折率の差と、周期サイズによって決定されるある波長の光が伝播できないという現象が起こる。この現象をフォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップという。つまり、フォトニック結晶を構成する２種類の物質の屈折率、または周期サイズを変化させることにより、フォトニックバンドギャップの位置を制御することが可能となる。
請求項１の発明によれば、周期的な空隙を有する第一の材料から成る３次元周期構造物の空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより、空隙の屈折率を変化させることができるので、確実に所望の屈折率の変化を制御することができる。
請求項２の発明によれば、第一の材料から成る３次元周期構造物が微粒子の最密充填構造であるために、大掛かりな装置を必要とせず、高品質な３次元フォトニック結晶を得ることができる。
請求項３の発明によれば、３次元周期構造物を構成する微粒子が、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、などの無機材料、またはポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機材料から選ばれたものであるために、材料が入手しやすく、安全に所望の光学装置を得ることができる。
請求項２の発明によれば、第一の材料から成る３次元周期構造物が微粒子の最密充填構造であるために、大掛かりな装置を必要とせず、高品質な３次元フォトニック結晶を得ることができる。
請求項３の発明によれば、３次元周期構造物を構成する微粒子が、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、などの無機材料、またはポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機材料から選ばれたものであるために、材料が入手しやすく、安全に所望の光学装置を得ることができる。
請求項４の発明によれば、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙を第三の材料から成る物質を充填し、その後微粒子を選択的に除去することによって得られる微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造、いわゆるインバースオパール構造を形成する工程を含んでいるために、構造を形成するために最適な材料と光学的特性を満足させるための材料とを独立に選定することができ、設計の自由度が非常に広がる。
請求項５の発明によれば、インバースオパール構造における球状の空隙に第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させるために、屈折率の変調が大きくでき、非常に大きなフォトニックバンドギャップ位置の変化を実現できる。
請求項６の発明によれば、第二の材料から成る物質が液体または超微粒子を含む液体であるために、流体の実効的な屈折率を自由に設計することができ、目的に応じた光学装置を容易に設計し、確実に実現することができる。
請求項５の発明によれば、インバースオパール構造における球状の空隙に第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させるために、屈折率の変調が大きくでき、非常に大きなフォトニックバンドギャップ位置の変化を実現できる。
請求項６の発明によれば、第二の材料から成る物質が液体または超微粒子を含む液体であるために、流体の実効的な屈折率を自由に設計することができ、目的に応じた光学装置を容易に設計し、確実に実現することができる。
請求項７の発明によれば、インバースオパール構造を形成する手段として、３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料が金属アルコキシドを用いるために、比較的簡単なプロセスで、確実にインバースオパール構造を得ることができる。
請求項８の発明によれば、インバースオパール構造を形成する手段として、前記３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料が光効果型樹脂または、熱硬化型樹脂を用いるために、比較的簡単なプロセスで、確実にインバースオパール構造を得ることができる。
請求項９の発明によれば、空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を除去する際に、気体の導入により瞬間的に除去を行なうために、第二の材料から成る物質を確実に除去できるとともに、透過した光のエネルギーによって熱が蓄積された場合であっても、その熱を効率よく排除することができ、安定した特性を維持しながら使用できる光学装置が得られる。
請求項８の発明によれば、インバースオパール構造を形成する手段として、前記３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料が光効果型樹脂または、熱硬化型樹脂を用いるために、比較的簡単なプロセスで、確実にインバースオパール構造を得ることができる。
請求項９の発明によれば、空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を除去する際に、気体の導入により瞬間的に除去を行なうために、第二の材料から成る物質を確実に除去できるとともに、透過した光のエネルギーによって熱が蓄積された場合であっても、その熱を効率よく排除することができ、安定した特性を維持しながら使用できる光学装置が得られる。
請求項１０の発明によれば、微粒子の最密充填構造により３次元周期構造物を形成する際に、原料として微粒子を液体に分散させた分散液を用いるために、高品質のフォトニック結晶が容易に得られる。
請求項１１の発明によれば、微粒子を分散させた液体の液性を、基材および微粒子に応じて制御するために、高規則性を有し、欠陥のない高品質な微粒子配列装置が容易に得られる。
請求項１１の発明によれば、微粒子を分散させた液体の液性を、基材および微粒子に応じて制御するために、高規則性を有し、欠陥のない高品質な微粒子配列装置が容易に得られる。
請求項１２の発明によれば、光学素子に対して第二の材料を充填する機構が、液体輸送ポンプを用いたので、確実に充填することができる。
請求項１３の発明によれば、光学素子に対して第二の材料を除去する機構が、気流を用いたので、瞬間的に微小な空隙にも気流が行き渡り、充填された第二の材料を完全に除去することができる。
請求項１４の発明によれば、光学素子から第二の材料を除去する際に、気流を用いる手段として気体輸送ポンプを用いているために、制御性よく第二の材料を除去することができる。
請求項１３の発明によれば、光学素子に対して第二の材料を除去する機構が、気流を用いたので、瞬間的に微小な空隙にも気流が行き渡り、充填された第二の材料を完全に除去することができる。
請求項１４の発明によれば、光学素子から第二の材料を除去する際に、気流を用いる手段として気体輸送ポンプを用いているために、制御性よく第二の材料を除去することができる。
請求項１５の発明によれば、光学素子から第二の材料を除去する際に気流を用いる手段として、大気圧以上の圧力を用いるために、省エネルギープロセスで容易に除去することができる。
請求項１６の発明によれば、光学素子から第二の材料を除去する機構として、吸引ポンプを用いるために、制御性よく第二の材料を除去することができる。
請求項１６の発明によれば、光学素子から第二の材料を除去する機構として、吸引ポンプを用いるために、制御性よく第二の材料を除去することができる。
以下、本発明の実施例を、図面により詳細に説明する。
（実施例１）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
純水８０ｍLにコロイダルシリカ（平均粒径＝0.3μm 40％）溶液を20ｍL加え、十分に攪拌して８％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したシリカ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で300℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
（実施例１）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
純水８０ｍLにコロイダルシリカ（平均粒径＝0.3μm 40％）溶液を20ｍL加え、十分に攪拌して８％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したシリカ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で300℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)フォトニックバンドギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の660.2ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の686.2ｎｍに近い値が得られ、約25ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が680ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の660.2ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の686.2ｎｍに近い値が得られ、約25ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が680ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例２）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例１とは異なり、純水９６ｍLに酸化チタン微粒子（平均粒径＝0.3μm）を４ｍｇ加え、十分に攪拌して４％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備した酸化チタン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で900℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例１とは異なり、純水９６ｍLに酸化チタン微粒子（平均粒径＝0.3μm）を４ｍｇ加え、十分に攪拌して４％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備した酸化チタン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で900℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)フォトニックバンドギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の1165.0ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の1179.9ｎｍに近い値が得られ、約13ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1180ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の1165.0ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の1179.9ｎｍに近い値が得られ、約13ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1180ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例３）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例においては、これまでの実施例とは異なり、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10wt％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して５％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に、(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例においては、これまでの実施例とは異なり、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10wt％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して５％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に、(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)インバースオパール結晶の形成
得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ/分、900℃の条件で熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の855.8ｎｍに近い値が得られ、60ｎｍ以上という大きなフォトニックバンドギャップ位置のシフトが確認された。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ/分、900℃の条件で熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の855.8ｎｍに近い値が得られ、60ｎｍ以上という大きなフォトニックバンドギャップ位置のシフトが確認された。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
(6)光スイッチング機能の評価
上記(5)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が855ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。
上記(5)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が855ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。
（実施例４）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例３と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例３と同様に、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10wt％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して５％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
実施例３と同様に、上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例３と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例３と同様に、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10wt％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して５％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
実施例３と同様に、上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)インバースオパール結晶の形成
実施例３と同様に、得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ/分、900℃の条件で５時間の熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。また、本実施例ではこれまでの実施例とは異なり、流体として、フロリナートに酸化チタンのナノ粒子（粒径が4〜7ｎｍ）を分散させたものを用いた。この流体の平均屈折率は1.8であった。次に空隙に対してこの酸化チタンナノ粒子を分散させた屈折率が1.8のフロリナートを充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の1015.1ｎｍに近い値が得られ、約220ｎｍという大きなフォトニックバンドギャップ位置のシフトが確認された。
実施例３と同様に、得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ/分、900℃の条件で５時間の熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。また、本実施例ではこれまでの実施例とは異なり、流体として、フロリナートに酸化チタンのナノ粒子（粒径が4〜7ｎｍ）を分散させたものを用いた。この流体の平均屈折率は1.8であった。次に空隙に対してこの酸化チタンナノ粒子を分散させた屈折率が1.8のフロリナートを充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の1015.1ｎｍに近い値が得られ、約220ｎｍという大きなフォトニックバンドギャップ位置のシフトが確認された。
(6)光スイッチング機能の評価
上記(5)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1015ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
上記(5)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1015ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例５）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例４と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例では、これまでの実施例とは異なり、微粒子としてアルミナを用い、かつ分散液を酸性とした。以下に詳細に説明する。純水100ｍLにアルミナ微粒子（平均粒径＝0.3μm）を５mg液中に分散させ、更に液性を酸性に制御するために、塩酸（関東化学社製 JIS 特級 35.0-37.0％）を200μL添加した。分散液のｐＨは「2.55」であった。
このようにする理由は、以下のことによる。
つまり、アルミナ微粒子の等電点は一般的に「９．０」といわれているので、純水のように、中性（ｐＨ＝7.0）の溶液では界面電位がそれほど大きくはない。従って、アルミナ微粒子を制御性良くマイグレーションさせるには、液性を酸性側にして、界面電位を大きくすることが有効である。本発明のごとく、溶液系を用いることにより、液性も制御が可能となり、幅広い材料への応用が可能となるものである。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例４と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例では、これまでの実施例とは異なり、微粒子としてアルミナを用い、かつ分散液を酸性とした。以下に詳細に説明する。純水100ｍLにアルミナ微粒子（平均粒径＝0.3μm）を５mg液中に分散させ、更に液性を酸性に制御するために、塩酸（関東化学社製 JIS 特級 35.0-37.0％）を200μL添加した。分散液のｐＨは「2.55」であった。
このようにする理由は、以下のことによる。
つまり、アルミナ微粒子の等電点は一般的に「９．０」といわれているので、純水のように、中性（ｐＨ＝7.0）の溶液では界面電位がそれほど大きくはない。従って、アルミナ微粒子を制御性良くマイグレーションさせるには、液性を酸性側にして、界面電位を大きくすることが有効である。本発明のごとく、溶液系を用いることにより、液性も制御が可能となり、幅広い材料への応用が可能となるものである。
(3)オパール結晶の形成
上記（1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したアルミナ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。
(4)フォトニックバンドギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の730.9ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の754.6ｎｍに近い値が得られ、約24ｎｍのシフトが確認された。
上記（1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したアルミナ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。
(4)フォトニックバンドギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の730.9ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して屈折率が1.25のフロリナート FC72（３Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の754.6ｎｍに近い値が得られ、約24ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が750ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、空気によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が750ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例６）
(1)オパル結晶形成用のセルの準備
厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
純水80ｍＬにコロイダルシリカ（平均粒径＝0.3μｍ 40％）溶液を20ｍＬ加え、十分に攪拌して8％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したシリカ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で300℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパル結晶形成用のセルの準備
厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を２枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
純水80ｍＬにコロイダルシリカ（平均粒径＝0.3μｍ 40％）溶液を20ｍＬ加え、十分に攪拌して8％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したシリカ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で300℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)フォトニックバンドギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の660.2ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の686.2ｎｍに近い値が得られ、約25ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、気体輸送ポンプを用いた気流により行った。上記(4)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、気体輸送ポンプを用いた気流によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が680ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際にはレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンドギャップ位置は計算値の660.2ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンドギャップの位置を求めたところ、計算値の686.2ｎｍに近い値が得られ、約25ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、気体輸送ポンプを用いた気流により行った。上記(4)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、気体輸送ポンプを用いた気流によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が680ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際にはレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例７）
(1)オパール結晶形成分のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例１とは異なり、純水96ｍＬに酸化チタン微粒子（平均粒径＝0.3μｍ）を4ｍｇ加え、十分に攪拌して4％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備した酸化チタン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で900℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成分のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例１とは異なり、純水96ｍＬに酸化チタン微粒子（平均粒径＝0.3μｍ）を4ｍｇ加え、十分に攪拌して4％のコロイダルシリカ分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備した酸化チタン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で900℃、5時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)フォトニックバンバギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の1165.0ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートFC72(3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の1179.9ｎｍに近い値が得られ、約13ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、気体輸送ポンプを用いた気流により行った。上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、気体輸送ポンプを用いた気流により、そのフロリナートを除去する工程を、250秒の間隔で繰り返し、波長が1180ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｎＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の1165.0ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートFC72(3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の1179.9ｎｍに近い値が得られ、約13ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、気体輸送ポンプを用いた気流により行った。上記(4)に記述したように、フロリナートを充填する工程と、気体輸送ポンプを用いた気流により、そのフロリナートを除去する工程を、250秒の間隔で繰り返し、波長が1180ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｎＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例８）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例においては、これまでの実施例とは異なり、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10ｗｔ％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対して、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して5％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例１と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例においては、これまでの実施例とは異なり、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。10ｗｔ％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対して、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して5％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)インバースオパール結晶の形成
得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量１Ｌ／分、900℃の条件で熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の855.8ｎｍに近い値が得られ、60ｎｍ以上という大きなフォトニックバンバギャップ位置のシフトが確認された。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量１Ｌ／分、900℃の条件で熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の855.8ｎｍに近い値が得られ、60ｎｍ以上という大きなフォトニックバンバギャップ位置のシフトが確認された。また、レーザーパワーが300ｍＷという大きなものであっても、15分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
(6)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、充填圧力:15ＭＰａの窒素ガスボンベの窒素をガスレギュレーターを用いて0.05ＭＰａに減圧して流量を0.03Ｌ／分に制御した窒素ガスを用いた。上記(5)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、窒素ガスによりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が855ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッタとして機能していることが確認された。
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、充填圧力:15ＭＰａの窒素ガスボンベの窒素をガスレギュレーターを用いて0.05ＭＰａに減圧して流量を0.03Ｌ／分に制御した窒素ガスを用いた。上記(5)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、窒素ガスによりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が855ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッタとして機能していることが確認された。
（実施例９）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例３と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例３と同様に、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。
10ｗｔ％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して5％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
実施例３と同様に、(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例３と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
実施例３と同様に、微粒子として平均粒径が0.3μｍのポリスチレン微粒子を用いた。
10ｗｔ％濃度のポリスチレン微粒子分散液5ｍＬに対し、純水を5ｍＬ加え、十分に攪拌して5％のポリスチレン分散液を作製した。
(3)オパール結晶の形成
実施例３と同様に、(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に(2)で準備したポリスチレン微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。また、オパール結晶形成後、窒素雰囲気中で80℃、2時間の熱処理を行って、オパール結晶の固定化を行った。
(4)インバースオパール結晶の形成
実施例３と同様に、得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ／分、900℃の条件で5時間の熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。また、本実施例では、これまでの実施例とは異なり、流体として、フロリナートに酸化チタンのナノ粒子（粒径が4〜7ｎｍ）を分散させたものを用いた。この流体の平均屈折率は1.8であった。次に、空隙に対してこの酸化チタンナノ粒子を分散させた屈折率が1.8のフロリナートを液体輸送ポンプを用いて充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の1015.1ｎｍに近い値が得られ、約220ｎｍという大きなフォトニックバンバギャップ位置のシフトが確認された。
実施例３と同様に、得られたオパール結晶の空隙に酸化チタンのアルコキシド溶液を充填し、60℃の温度で2時間乾燥した後、電気炉を用いて酸素流量1Ｌ／分、900℃の条件で5時間の熱処理を行った。この条件の熱処理で、ポリスチレン微粒子が焼失するとともに、アナターゼ型酸化チタン骨格のインバースオパール構造が得られることは事前の実験で確認している。
(5)フォトニックバンドギャップの評価
得られたインバースオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の795.3ｎｍに近い値を示した。また、本実施例では、これまでの実施例とは異なり、流体として、フロリナートに酸化チタンのナノ粒子（粒径が4〜7ｎｍ）を分散させたものを用いた。この流体の平均屈折率は1.8であった。次に、空隙に対してこの酸化チタンナノ粒子を分散させた屈折率が1.8のフロリナートを液体輸送ポンプを用いて充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の1015.1ｎｍに近い値が得られ、約220ｎｍという大きなフォトニックバンバギャップ位置のシフトが確認された。
(6)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、実施例３と同様に、充填圧力:15ＭＰａの窒素ガスボンベの窒素をガスレギュレーターを用いて0.05ＭＰａに減圧して流量を0.03Ｌ／分に制御した窒素ガスを用いた。上記(5)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、窒素ガスによりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1015ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際にはレーザー光を透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、実施例３と同様に、充填圧力:15ＭＰａの窒素ガスボンベの窒素をガスレギュレーターを用いて0.05ＭＰａに減圧して流量を0.03Ｌ／分に制御した窒素ガスを用いた。上記(5)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、窒素ガスによりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が1015ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際にはレーザー光を透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（実施例１０）
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例４と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例では、これまでの実施例とは異なり、微粒子としてアルミナを用い、かつ分散液を酸性とした。以下に詳細に説明する。純水100ｍＬにアルミナ微粒子（平均粒径＝0.3μｍ）を5ｍｇ液中に分散させ、更に液性を酸性に制御するために、塩酸（関東化学社製 ＪＩＳ特級 35.0−37.0％）を200μＬ添加した。分散液のｐＨは「2.55」であった。
このようにする理由は、以下のことによる。すなわち、アルミナ微粒子の等電点は一般的に「９．０」といわれているので、純水のように、中性（ｐＨ＝7.0）の溶液では界面電位がそれほど大きくはない。従って、アルミナ微粒子を制御性良くマイグレーションさせるには、液性を酸性側にして、界面電位を大きくすることが有効である。本発明のように、溶液系を用いることにより、液性も制御が可能となり、幅広い材料への応用が可能となるものである。
(1)オパール結晶形成用のセルの準備
実施例４と同様に、厚さが45μｍの薄板ガラスをスペーサーとして、30ｍｍ×30ｍｍ 厚さ1ｍｍの合成石英を2枚重ねてオパール結晶形成用セルを形成した。
(2)微粒子分散液の作製
本実施例では、これまでの実施例とは異なり、微粒子としてアルミナを用い、かつ分散液を酸性とした。以下に詳細に説明する。純水100ｍＬにアルミナ微粒子（平均粒径＝0.3μｍ）を5ｍｇ液中に分散させ、更に液性を酸性に制御するために、塩酸（関東化学社製 ＪＩＳ特級 35.0−37.0％）を200μＬ添加した。分散液のｐＨは「2.55」であった。
このようにする理由は、以下のことによる。すなわち、アルミナ微粒子の等電点は一般的に「９．０」といわれているので、純水のように、中性（ｐＨ＝7.0）の溶液では界面電位がそれほど大きくはない。従って、アルミナ微粒子を制御性良くマイグレーションさせるには、液性を酸性側にして、界面電位を大きくすることが有効である。本発明のように、溶液系を用いることにより、液性も制御が可能となり、幅広い材料への応用が可能となるものである。
(3)オパール結晶の形成
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に、(2)で準備したアルミナ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。
(4)フォトニックバンバギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の730.9ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の754.6ｎｍに近い値が得られ、約24ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、これまでの実施例とは異なり、吸引ポンプを用いた。上記(4)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、吸引によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が750ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
上記(1)で準備したオパール結晶成長用セルのギャップ領域に、(2)で準備したアルミナ微粒子の分散液を充填して、密閉容器内でゆっくりと乾燥させて、オパール結晶を形成した。
(4)フォトニックバンバギャップの評価
得られたオパール結晶の透過率を評価したところ、そのフォトニックバンバギャップ位置は計算値の730.9ｎｍに近い値を示した。この状態で、空隙に対して液体輸送ポンプを用いて屈折率が1.25のフロリナートＦＣ72（3Ｍ社の製品）を充填し、同様に透過率測定によるフォトニックバンバギャップの位置を求めたところ、計算値の754.6ｎｍに近い値が得られ、約24ｎｍのシフトが確認された。
(5)光スイッチング機能の評価
本実施例においては、フロリナートを除去する手段として、これまでの実施例とは異なり、吸引ポンプを用いた。上記(4)に記述したようなフロリナートを充填する工程と、吸引によりそのフロリナートを除去する工程を250ｍ秒の間隔で繰り返し、波長が750ｎｍのレーザー光を照射したところ、フロリナートを充填した際はレーザー光が透過せず、空気でフロリナートを除去したときのみレーザー光が透過する現象を観測でき、光スイッチとして機能していることが確認できた。また、レーザーパワーが500ｍＷという大きなものであっても、10分間の連続動作においても熱損傷などの問題は全く認められなかった。
（図面による動作・作用の説明）（図１〜図４）
請求項１により得られる光学装置の基本的な構成について、図１（a）、（b）に示している。
図１（a）は、２枚の基板101の間に、第一の材料から成る３次元周期構造物として、微粒子102が最密充填構造で形成されている様子を断面模式図で示したものである。このように、２枚の基板101間に微粒子を用いてオパール結晶を形成する技術は公知の技術を用いれば、容易に形成されるもので、微粒子の自己組織化現象の特徴により、オパール結晶の構造としてはｆｃｃ構造、また、２枚の基板に接している面は（111）面となることが知られている。また、このような微粒子の３次元最密充填構造であると、各微粒子間には、連有した微小な空隙が形成されることは容易に想像できるものである。
請求項１により得られる光学装置の基本的な構成について、図１（a）、（b）に示している。
図１（a）は、２枚の基板101の間に、第一の材料から成る３次元周期構造物として、微粒子102が最密充填構造で形成されている様子を断面模式図で示したものである。このように、２枚の基板101間に微粒子を用いてオパール結晶を形成する技術は公知の技術を用いれば、容易に形成されるもので、微粒子の自己組織化現象の特徴により、オパール結晶の構造としてはｆｃｃ構造、また、２枚の基板に接している面は（111）面となることが知られている。また、このような微粒子の３次元最密充填構造であると、各微粒子間には、連有した微小な空隙が形成されることは容易に想像できるものである。
本発明は、この連通した微小な空隙に対して、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を導入、または除去のプロセスを行なうことにより、光学装置全体としての屈折率の変化を発現させ、それにより、光のスイッチングやフィルタリングを行なうものである。
図１(b)には、連通した微小な空隙に対して、微粒子を構成する第一の材料とは異なる第二の材料から成る物質を充填する様子を示している。たとえば、２枚の基板101の間に、ある種の流体106を充填し、その流動性を適切に選ぶと、その流体106は連通した微小な空隙に充填される。このような構造になると、図１（a）における連通した微小な空隙の屈折率とは異なる状態を作り出すことができる。このプロセスに続いて、再び図１（a）に示すように、気体104を導入すると、連通した微小な空隙に充填された第二の材料から成る物質は完全に除去されて、初期の状態に戻る。このようなプロセスを繰り返すことにより、光スイッチとしての機能を実現することができる。
以下に、上で述べたスイッチングのメカニズムについて、式を用いて説明する。
図１（a）に示した光学装置に対して、上方からある波長の入射光110を入射させた場合を考える。フォトニック結晶の大きな特性であるフォトニックバンドギャップの位置を定性的に計算するには、以下に示すブラッグの式が有効である。
ここで、ｆｃｃ構造を有するコロイド結晶の（111）面に光が入射する場合、そのフォトニックバンドギャップの波長λは、以下の（1）式で表される。
図１（a）に示した光学装置に対して、上方からある波長の入射光110を入射させた場合を考える。フォトニック結晶の大きな特性であるフォトニックバンドギャップの位置を定性的に計算するには、以下に示すブラッグの式が有効である。
ここで、ｆｃｃ構造を有するコロイド結晶の（111）面に光が入射する場合、そのフォトニックバンドギャップの波長λは、以下の（1）式で表される。
図１に示したように基板（1）に対して垂直に入射する光を考える場合、θ＝0−であるからsinθ＝0 となる。また、最密充填状態のｆｃｃ構造における微粒子の体積分率ｆ は0.74と計算から求めることができ、このことから（1-ｆ）の値は0.26と求められる。
したがって、微粒子の屈折率と空隙領域の屈折率が既知であれば（1）式、（2）式により、フォトニックバンドギャップの位置の波長（λ）が計算により求めることができる。
したがって、微粒子の屈折率と空隙領域の屈折率が既知であれば（1）式、（2）式により、フォトニックバンドギャップの位置の波長（λ）が計算により求めることができる。
ここで、図１(a)、(b)を用いて具体的に例を挙げて説明する。
図１(a)の具体的な例
微粒子：シリカ微粒子 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：空気 屈折率 nｖｏｉｄ＝1.00 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（1）式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝660.2（ｎｍ）と求められる。
図１(a)の具体的な例
微粒子：シリカ微粒子 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：空気 屈折率 nｖｏｉｄ＝1.00 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（1）式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝660.2（ｎｍ）と求められる。
次に、図１(b)の具体的な例
微粒子：シリカ微粒子 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物；フロリナート 屈折率 nｖｏｉｄ＝1.25 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（1）式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝686.2（ｎｍ）と求められる。
微粒子：シリカ微粒子 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物；フロリナート 屈折率 nｖｏｉｄ＝1.25 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（1）式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝686.2（ｎｍ）と求められる。
したがって、粒径が300ｎｍのシリカ微粒子を用いた最密充填構造の空隙に、空気を充填するか、フロリナートを充填するかにより、フォトニックバンドギャップ位置の波長が26ｎｍシフトする。この現象を利用することにより、図１(a)に示したごとく、空隙に空気が充填されていた状態では、フォトニックバンドギャップ位置の波長と一致する660.2ｎｍの光は完全に反射されて、光学装置を通過することができなかったのに対し、図１(b)に示したごとく空隙にフロリナートを充填することにより、フォトニックバンドギャップの位置がシフトしたことにより光学装置を透過できるようになる、このように光スイッチとしての機能が実現できる。
一般的に、微粒子の自己組織化現象を利用して得られたオパール結晶は、その機械的強度は低く、本発明にようにその空隙にある種の流体を充填するというような工程を行なうと、オパール結晶が崩れるという問題が起こる場合がある。このような場合には、適当な処理、たとえば、シリカ微粒子を用いた場合には300℃程度の熱処理を加えることによって、その強度は増し、本発明のように空隙に流体を充填しても崩れるという問題を容易に解決することができる。当然、どのような処理を行なうかは使用する微粒子の材質によって、適宜選択させるべきものであって、たとえばポリスチレン微粒子を用いた場合には80℃程度の熱処理で十分である。
微粒子の最密充填構造により形成される連通した微小な空隙に、微粒子を構成する材料とは別の材料を充填後、必要に応じ固化した後に、微粒子のみを選択することにより、それまで微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造（いわゆるインバースオパール構造）を容易に形成できることは広く知られている。このような構造にすることにより、体積分率が当初のオパール構造と逆転した構造が得られる。また、インバースオパール構造におけるそれまで微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた球状の部分（Air Sphereと呼ばれる）もやはり連通した構造となっているために、このAir Sphereにまた新たな材料を充填、あるいは除去することができる（請求項４および５参照）。
また、先に、流体を充填した際のオパール結晶の崩れの問題の解決策として、熱処理などの処理を紹介したが、このようなインバースオパール構造では、インバースオパール構造を形成する際にある種の固定化手段がなされているので、インバースオパール構造を利用する場合には、構造の崩れの心配はない。たとえば、酸化チタンのインバースオパール構造を形成する場合には、酸化チタンのアルコキシド溶液を充填、乾燥後、一般的には900℃以上の熱処理を行って強固な酸化チタンによるインバースオパール構造を形成できるものである。
インバースオパール構造を利用して光スイッチを実現する場合について、図２（a）、（b）を用いて説明する。図２（a）に示したごとく、２枚の基板201の間に、微粒子から成る最密充填構造、いわゆるオパール構造を作製し、その後、微粒子間の連通した微小な空隙に、微粒子を構成する材料とは別の材料を充填後、微粒子のみを選択することによってインバースオパール構造202を得る。具体的な例として、ポリスチレン微粒子を用い、微粒子間の連通した微小な空隙に酸化チタンなどのアルコキシドを充填し、焼成工程を経ることによって、酸化チタンが形成されると同時にポリスチレン微粒子が焼失して、その結果インバースオパール構造が得られる。
このような場合のフォトニックバンドギャップの位置のシフトについて、先ほどと同様に、先に挙げた（1）式、（2）式にを用いてフォトニックバンドギャップの位置の波長（λ）を求めてみると以下のようになる。
以下、図２(a),(b）の例を挙げて説明する。
図２(a)の具体的な例
オパール構造を形成する際に用いた微粒子：粒子径300ｎｍのポリスチレン微粒子
インバースオパールを形成する材料：酸化チタンのアルコキシド
微粒子のあった領域：空気折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.00、 体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン 屈折率 nｖｏｉｄ＝2.70、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（3）式、（4）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝795.3（ｎｍ）と求められる。
図２(a)の具体的な例
オパール構造を形成する際に用いた微粒子：粒子径300ｎｍのポリスチレン微粒子
インバースオパールを形成する材料：酸化チタンのアルコキシド
微粒子のあった領域：空気折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.00、 体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン 屈折率 nｖｏｉｄ＝2.70、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（3）式、（4）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝795.3（ｎｍ）と求められる。
次に図２(b)の具体的な例
微粒子のあった領域：フロリナート 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.25、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン 屈折率 nｖｏｉｄ＝2.70、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（3）式、（4）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝855.8（ｎｍ）と求められる。
微粒子のあった領域：フロリナート 屈折率 nｓｐｈｅｒｅ＝1.25、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン 屈折率 nｖｏｉｄ＝2.70、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の（3）式、（4）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝855.8（ｎｍ）と求められる。
したがって、粒径が300ｎｍのポリスチレン微粒子の最密充填構造を用いて形成したインバースオパール構造の球状の空隙に、空気を充填するか、フロリナートを充填するかにより、フォトニックバンドギャップ位置の波長が60.5ｎｍシフトする。このように単純なオパール構造を利用する場合に比べて、インバースオパール構造を利用すると、大きなフォトニックバンドギャップ位置のシフトを実現することができる。この現象を利用することにより、図２(a)に示したごとく、空隙に空気が充填されていた状態では、フォトニックバンドギャップ位置の波長と一致する855.8ｎｍの光は完全に反射されて、光学装置を通過することができなかったのに対し、図２(b)に示したごとく球状の空隙にフロリナートを充填することにより、フォトニックバンドギャップの位置がシフトしたことにより光学装置を透過できるようになる、このように光スイッチとしての機能が実現できる。
本発明の特徴は、上述したように、オパール構造、あるいはインバースオパール構造の微細な空隙に屈折率や流動性さらに熱伝導性などの特性から選定した材料を充填あるいは除去することによってフォトニックバンドギャップ位置のシフトを制御し、スイッチング機能などを発現する光学装置を実現するものであるが、スイッチング速度は、オパール構造、あるいはインバースオパール構造の微細な空隙に充填あるいは除去する速度により決定される。これまで説明したような、図１（a）、（b）、および、図２（a）、（b）のような実現形態では、移動距離が長いために、充填あるいは除去する速度が不十分であるという場合も考えられる。そのような場合には、空隙に充填あるいは除去する材料の移動方向を、基板に平行な方向ではなく、基板に垂直な方向とすることで大幅な改善が期待できる。それらの様子を模式的に示したものが、図３（a）、（b）および図４（a）、（b）である。それぞれ、図３（a）、（b）は図１（a）、（b）に、図４（a）、（b）は図２（a）、（b）に対応するものとして示してある。
このような原理で光のスイッチングを実現する本発明は、以下のような特徴も有している。それは、一般的にスイッチングする光のエネルギーが非常に大きい場合、わずかな光吸収であっても光学装置の温度が上昇することは避けられない。しかしながら、本発明においては、空隙の中を物質が移動するという現象を利用しているために、発生した熱を効率的に系外へ排除してくれるということがスイッチングのたびに行われることになる。このことにより光学装置に熱が蓄積されることはなく、たとえば大パワーのレーザーであっても十分な信頼性を持って使用できる光学装置を実現できるものである。
また、本発明は、高規則性の微粒子配列装置を、溶液系を用いることにより実現することを特徴のひとつとしている、すなわち、乾燥状態では、凝集しやすくなる超微粒子であっても、溶液系という状態の利点を最大限に利用し分散性を向上させることにより凝集を防ぎ、ｐHの制御、例えば添加するイオン種を適切に選択、制御することにより、等電点の関係を利用することができる。その結果、高規則性の微粒子配列が得られるものである。
この点についてさらに詳細に説明する。一般に、例えば金属酸化物からなる微粒子を水中に浸漬すると、微粒子は正または負の電荷を持ち、電界が存在すると対向する電場を有する方向へ移動する。この現象が電気泳動現象である。この電気泳動現象によって、微粒子の水中における荷電すなわち界面電位（ゼータ電位）の存在を知ることができる。この界面電位は微粒子-水系のｐＨによって大きく変化する。一般に横軸に水系のｐＨを、縦軸に界面電位をとると、界面電位は水系のｐＨによって変化し、界面電位「0」を切る点の水系のｐＨを「等電点」と定義される。
この現象から、一般的に金属酸化物微粒子表面の界面電位は、酸性側では正、アルカリ側では負の極性を取る。しかし、この等電点は材料によって大きく異なり、例えば、コロイダルシリカでは「2.0」、α-アルミナでは「9.0」、ヘマタイトでは「6.7」という値が紹介されている。つまり、等電点から離れるほど界面電位が大きくなり、酸性側にいくほど界面電位の値は正の大きい方に向かい、また逆に、アルカリ側にいくほど界面電位の値は負の大きい方に向かう。これはｐＨで制御することができるものである。ｐＨの制御は、酸やアルカリの添加で、制御性よくコントロールできるものである。本発明では、この現象を積極的に利用するものであり、分散液の状態で微粒子の凝集を効果的に防ぐことができるものである。この結果、分散液を基材に滴下した際にも、微粒子が凝集しない状態で存在するために、その後の配列の工程において、高品質の配列状態を容易に実現できるものである。この現象は、乾式プロセスでは得られない利点といえる。
（図面による動作・作用の説明）（図５〜図８）
次に、請求項１２以降により得られる光学装置の基本的構成について、図５〜図８により説明する。
図５（a)は、２枚の基板101の間に、第一の材料からなる３次元周期構造物として、微粒子102が最密充填構造で形成されている様子を断面模式図で示したものである。
このように、２枚の基板間に微粒子を用いてオパール結晶を形成する技術は公知の技術を用いれば、容易に形成されるもので、微粒子の自己組織化現象の特徴によりオパール結晶の構造としてはｆｃｃ構造、また、２枚の基板に接している面は（111）面となることが知られている。また、このような微粒子の３次元最密充填構造であると、各微粒子間には、連有した微小な空隙が形成されることは容易に想像できるものである。また、図５(a),(b)においては、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を充填または除去のプロセスを行うために、充填する機構、および、除去する機構として、液体輸送ポンプ104、および気流供給部105(図1参照）が連結されて構成されている。
次に、請求項１２以降により得られる光学装置の基本的構成について、図５〜図８により説明する。
図５（a)は、２枚の基板101の間に、第一の材料からなる３次元周期構造物として、微粒子102が最密充填構造で形成されている様子を断面模式図で示したものである。
このように、２枚の基板間に微粒子を用いてオパール結晶を形成する技術は公知の技術を用いれば、容易に形成されるもので、微粒子の自己組織化現象の特徴によりオパール結晶の構造としてはｆｃｃ構造、また、２枚の基板に接している面は（111）面となることが知られている。また、このような微粒子の３次元最密充填構造であると、各微粒子間には、連有した微小な空隙が形成されることは容易に想像できるものである。また、図５(a),(b)においては、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を充填または除去のプロセスを行うために、充填する機構、および、除去する機構として、液体輸送ポンプ104、および気流供給部105(図1参照）が連結されて構成されている。
このように、本発明は、この連通した微小な空隙に対して、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を導入、または除去のプロセスを行うことにより、光学装置全体としての屈折率の変化を発現させ、それにより、光のスイッチングやフィルタリングを行うものである。
また、その機能を実現するために、この連通した微小な空隙に対して、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を充填または除去のプロセスを行うために、充填する機構、および、除去する機構を備えてなる光学装置に関する。
また、その機能を実現するために、この連通した微小な空隙に対して、屈折率や流動性、および熱伝導性などの特性を考慮した物質を充填または除去のプロセスを行うために、充填する機構、および、除去する機構を備えてなる光学装置に関する。
図５（b)には、連通した微小な空隙に対して、微粒子を構成する第一の材料とは異なる第二の材料からなる物質を充填する様子を示している。例えば、２枚の基板101の間に、液体輸送ポンプ104（図１参照）を用いてある種の流体105Ａを充填すると、その流動性を適切に選ぶと、その流体は連通した微小な空隙に充填される。このような構造になると、図５(a)における連通した微小な空隙の屈折率とは異なる状態を作り出すことができる。
このプロセスに続いて再び図１(a)に示すように、気流供給部105から気流を導入すると、連通した微小な空隙に充填された第二の材料からなる物質は完全に除去されて、初期の状態に戻る。このようなプロセスを繰り返すことにより、光スイッチとしての機能を実現することができる。
このプロセスに続いて再び図１(a)に示すように、気流供給部105から気流を導入すると、連通した微小な空隙に充填された第二の材料からなる物質は完全に除去されて、初期の状態に戻る。このようなプロセスを繰り返すことにより、光スイッチとしての機能を実現することができる。
以下に、上述したスイッチングのメカニズムについて、式を用いて説明する。
図５(a)に示した光学装置に対して上方からある波長の入射光110を入射させた場合を考える。フォトニック結晶の大きな特性であるフォトニックバンドギャップの位置を定性的に計算するには、以下に示すブラッグの式が有効である。
ここで、ｆｃｃ構造を有するコロイド結晶の（111）面に光が入射する場合、そのフォトニックバンバギャップの波長（λ）は、以下の式で表される。
図５(a)に示した光学装置に対して上方からある波長の入射光110を入射させた場合を考える。フォトニック結晶の大きな特性であるフォトニックバンドギャップの位置を定性的に計算するには、以下に示すブラッグの式が有効である。
ここで、ｆｃｃ構造を有するコロイド結晶の（111）面に光が入射する場合、そのフォトニックバンバギャップの波長（λ）は、以下の式で表される。
図５に示したように、基板101に対して垂直に入射する光を考える場合、θ＝０°であるからｓｉｎθ＝０となる。また、最密充填状態のｆｃｃ構造における微粒子の体積分率ｆは0.74と計算から求めることができ、このことから１−ｆの値は0.26と求められる。
従って、微粒子の屈折率と空隙領域の屈折率が既知であれば、上記式（1)、式（2）により、フォトニックバンドギャップの位置の波長（λ）が計算により求めることができる。
従って、微粒子の屈折率と空隙領域の屈折率が既知であれば、上記式（1)、式（2）により、フォトニックバンドギャップの位置の波長（λ）が計算により求めることができる。
ここで、図５(a),(b)を用いて、具体的に例を挙げて説明する。
図５(a)の具体的な例
微粒子：シリカ微粒子，屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：空気， 屈折率 ｎｖｏｉｄ＝1.00, 体積分率＝0.26
これらの値を上記の(1)式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝660.2(ｎｍ）と求められる。
図５(a)の具体的な例
微粒子：シリカ微粒子，屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74 粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：空気， 屈折率 ｎｖｏｉｄ＝1.00, 体積分率＝0.26
これらの値を上記の(1)式、（2）式に代入してフォトニックバンドギャップ位置の波長（λ）を求めると、 λ＝660.2(ｎｍ）と求められる。
次に、図５(b)の具体的な例を説明する。
微粒子：シリカ微粒子，屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74、粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：フロリナート，屈折率ｎｖｏｉｄ＝1.25、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の(1)式、(2)式に代入してフォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝686.2(ｎｍ）と求められる。
微粒子：シリカ微粒子，屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.45、体積分率＝0.74、粒径＝300ｎｍ
空隙充填物：フロリナート，屈折率ｎｖｏｉｄ＝1.25、 体積分率＝0.26
これらの値を上記の(1)式、(2)式に代入してフォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝686.2(ｎｍ）と求められる。
したがって、粒径が300ｎｍのシリカ微粒子を用いた最密充填構造の空隙に、空気を充填するか、フロリナートを充填するかにより、フォトニックバンドギャップ位置の波長が26ｎｍシフトする。この現象を利用することにより、図５(a)に示したごとく、空隙に空気が充填されていた状態では、フォトニックバンドギャップ位置の波長と一致する660.2ｎｍの光は完全に反射されて、光学装置を通過することができなかったのに対し、図５(b)に示したごとく空隙にフロリナートを充填することにより、フォトニックバンドギャップの位置がシフトしたことにより光学装置を透過できるようになる、このように光スイッチとしての機能が実現できる。
ここで、オパール結晶の空隙に第二の材料からなる物質を充填、および除去するプロセスについて説明する。
オパール結晶の空隙は連通した空隙とは言っても、非常に微細な空隙であるため、その空隙に充填する材料としては、気体、もしくは液体ということになるが、充填された状態と除去された状態の屈折率の差を得るには、充填する材料は液体を選択するのが適している。従って、充填するための必要な構成要素の例としては液体輸送ポンプが挙げられる。当然、液体輸送ポンプに限らず同等の性能を発揮するものであれば、他の構成要素でも何等問題はない。
オパール結晶の空隙は連通した空隙とは言っても、非常に微細な空隙であるため、その空隙に充填する材料としては、気体、もしくは液体ということになるが、充填された状態と除去された状態の屈折率の差を得るには、充填する材料は液体を選択するのが適している。従って、充填するための必要な構成要素の例としては液体輸送ポンプが挙げられる。当然、液体輸送ポンプに限らず同等の性能を発揮するものであれば、他の構成要素でも何等問題はない。
一方、一度充填した材料を除去する手段としては、単純に、気流で追い出して除去するというねらいで、気流供給手段が考えられる。具体的には、不活性ガスの高圧ボンベからのガスを適当な圧力にまで調整した上で、流量も制御して用いることができる。また、気流で追い出して除去する方法とは別の方法として、吸引ポンプで充填した材料を抜き取る方法も当然適用可能な手段である。
一般的に、微粒子の自己組織化現象を利用して得られたオパール結晶は、その機械的強度は低く、本発明のようにその空隙にある種の流体を充填するというような工程を行うと、オパール結晶が崩れるという問題が起こる場合がある。このような場合には、適当な処理、例えば、シリカ微粒子を用いた場合には、300℃程度の熱処理を加えることにより、その強度は増し、本発明のように空隙に流体を充填しても崩れるという問題を容易に解決することができる。当然、どのような処理を行うかは使用する微粒子の材質により、適宜選択されるべきものであり、例えばポリスチレン微粒子を用いた場合には、80℃程度の熱処理で十分である。
微粒子の最密充填構造により形成される連通した微小な空隙に、微粒子を構成する材料とは別の材料を充填後、必要に応じて固化した後に、微粒子のみを選択することにより、それまで微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造（いわゆるインバースオパール構造）を容易に形成できることは広く知られている。
このような構造にすることにより、体積分率が当初のオパール構造と逆転した構造が得られる。また、インバースオパール構造におけるそれまで微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた球状の部分（Ａｉｒ Ｓｐｈｅｒｅと呼ばれる）もやはり連通した構造となっているために、このＡｉｒ Ｓｐｈｅｒｅにまた新たな材料を充填、あるいは除去することができる。この特徴を活かした発明は、本発明の請求項４および５に記述している。
このような構造にすることにより、体積分率が当初のオパール構造と逆転した構造が得られる。また、インバースオパール構造におけるそれまで微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた球状の部分（Ａｉｒ Ｓｐｈｅｒｅと呼ばれる）もやはり連通した構造となっているために、このＡｉｒ Ｓｐｈｅｒｅにまた新たな材料を充填、あるいは除去することができる。この特徴を活かした発明は、本発明の請求項４および５に記述している。
また、先に、流体を充填した際のオパール結晶の崩れの問題の解決策として、熱処理などの処理を紹介したが、このようなインバースオパール構造では、インバースオパール構造を形成する際に、ある種の固定化手段がなされているので、インバースオパール構造を利用する場合には、構造の崩れの心配はない。例えば、酸化チタンのインバースオパール構造を形成する場合には、酸化チタンのアルコキシド溶液を充填、乾燥後、一般的には900℃以上の熱処理を行って、強固な酸化チタンによるインバースオパール構造を形成できるものである。
インバースオパール構造を利用して光スイッチを実現する場合について、図６（a）,（b）を用いて説明する。
図６（a)に示すように、２枚の基板201の間に、微粒子からなる最密充填構造、いわゆるオパール構造を作製し、その後、微粒子間の連通した微小な空隙に、微粒子を構成する材料とは別の材料を充填した後、微粒子のみを選択することによってインバースオパール構造202を得る。具体的な例として、ポリスチレン微粒子を用い、微粒子間の連通した微小な空隙に酸化チタンなどのアルコキシドを充填し、焼成工程を経ることによって、酸化チタンが形成されると同時に、ポリスチレン微粒子が焼失して、その結果、インバースオパール構造が得られる。
図６（a)に示すように、２枚の基板201の間に、微粒子からなる最密充填構造、いわゆるオパール構造を作製し、その後、微粒子間の連通した微小な空隙に、微粒子を構成する材料とは別の材料を充填した後、微粒子のみを選択することによってインバースオパール構造202を得る。具体的な例として、ポリスチレン微粒子を用い、微粒子間の連通した微小な空隙に酸化チタンなどのアルコキシドを充填し、焼成工程を経ることによって、酸化チタンが形成されると同時に、ポリスチレン微粒子が焼失して、その結果、インバースオパール構造が得られる。
このような場合のフォトニックバンドギャップの位置のシフトについて、先ほどと同様に先に挙げた（１）式、（２）式を用いてフォトニックバンバギャップの位置の波長（λ）を求めてみると、以下のようになる。
図６(a)の具体的な例
オパール構造を形成する際に用いた微粒子：粒子径300ｎｍのポリスチレン微粒子
インバースオパールを形成する材料：酸化チタンのアルコキシド
微粒子のあった領域：空気、屈折率 ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.00、体積分率＝0.74、粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン、屈折率 ｎｖｏｉｄ＝2.70、体積分率＝0.26
これらの値を上記の（１）式、（２）式に代入して、フォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝795.3(ｎｍ）と求められる。
図６(a)の具体的な例
オパール構造を形成する際に用いた微粒子：粒子径300ｎｍのポリスチレン微粒子
インバースオパールを形成する材料：酸化チタンのアルコキシド
微粒子のあった領域：空気、屈折率 ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.00、体積分率＝0.74、粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン、屈折率 ｎｖｏｉｄ＝2.70、体積分率＝0.26
これらの値を上記の（１）式、（２）式に代入して、フォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝795.3(ｎｍ）と求められる。
次に、図６（b)の具体的な例
微粒子のあった領域：フロリナート、屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.25、体積分率＝0.74、
粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン、屈折率 ｎｖｏｉｄ＝2.70、体積分率＝0.26
これらの値を、上記の（１）式、（２）式に代入してフォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝855.8(ｎｍ）と求められる。
微粒子のあった領域：フロリナート、屈折率ｎｓｐｈｅｒｅ＝1.25、体積分率＝0.74、
粒径＝300ｎｍ
インバースオパール：酸化チタン、屈折率 ｎｖｏｉｄ＝2.70、体積分率＝0.26
これらの値を、上記の（１）式、（２）式に代入してフォトニックバンバギャップ位置の波長（λ）を求めると、λ＝855.8(ｎｍ）と求められる。
従って、粒径が300ｎｍのポリスチレン微粒子の最密充填構造を用いて形成したインバースオパール構造の球状の空隙に、空気を充填するか、フロリナートを充填するかにより、フォトニックバンバギャップ位置の波長が60.5ｎｍシフトする。このように単純なオパール構造を利用する場合に比べて、インバースオパール構造を利用すると、大きなフォトニックバンバギャップ位置のシフトを実現することができる。この現象を利用することにより、図６（a)に示したように、空隙に空気が充填されていた状態では、フォトニックバンバギャップ位置の波長と一致する855.8ｎｍの光は完全に反射されて、光学装置を通過することができなかったのに対して、図６（b)に示したように、球状の空隙にフロリナートを充填することにより、フォトニックバンバギャップの位置がシフトしたことで、光学装置を透過できるようになる。
本発明の特徴は、上述したように、オパール構造、あるいはインバースオパール構造の微細な空隙に屈折率や流動性、さらに熱伝導性などの特性から選定した材料を充填あるいは除去することにより、フォトニックバンバギャップ位置のシフトを制御し、スイッチング機能などを発現する光学装置を実現するものであるが、スイッチング速度は、オパール構造、あるいはインバースオパール構造の微細な空隙に充填あるいは除去する速度により決定される。これまで説明したような、図５(a),(b)および図６（a),(b)のような実現形態では、移動距離が長いために、充填あるいは除去する速度が不十分であるという場合も考えられる。そのような場合には、空隙に充填あるいは除去する材料の移動方向を、基板に平行な方向でなく、基板に垂直な方向とすることで、大幅な改善が期待できる。
図７(a)，(b)および図８(a)，(b)は、それらの様子を模式的に示した図である。
それぞれ、図７（a),(b)は図５(a)，(b)に、図８(a)，(b)は図６(a)，(b)に、対応するものとして示してある。
図７(a)，(b)および図８(a)，(b)は、それらの様子を模式的に示した図である。
それぞれ、図７（a),(b)は図５(a)，(b)に、図８(a)，(b)は図６(a)，(b)に、対応するものとして示してある。
このような原理で、光のスイッチングを実現する本発明は、以下のような特徴も有している。
それは、一般的にスイッチングする光のエネルギーが非常に大きい場合、わずかな光吸収であっても、光学装置の温度が上昇することは避けられない。しかしながら、本発明においては、空隙の中を物質が移動するという現象を利用しているために、発生した熱を効率的に系外へ排除してくれる、ということがスイッチングの度に行われることにある。このことにより、光学装置に熱が蓄積されることはなく、例えば大パワーのレーザーであっても十分な信頼性を持って使用できる光学装置を実現できるものである。
それは、一般的にスイッチングする光のエネルギーが非常に大きい場合、わずかな光吸収であっても、光学装置の温度が上昇することは避けられない。しかしながら、本発明においては、空隙の中を物質が移動するという現象を利用しているために、発生した熱を効率的に系外へ排除してくれる、ということがスイッチングの度に行われることにある。このことにより、光学装置に熱が蓄積されることはなく、例えば大パワーのレーザーであっても十分な信頼性を持って使用できる光学装置を実現できるものである。
また、本発明は、高規則性の微粒子配列装置を、溶液系を用いることにより実現することを特徴の一つとしている。すなわち、乾燥状態では、凝集し易くなる超微粒子であっても、溶液系という状態の利点を最大限に利用した分散性を向上させることにより、凝集を防ぎ、ｐＨの制御、例えば添加するイオン種を適切に選択、制御することにより、等電点の関係を利用することができる。その結果、高規則性の微粒子配列が得られるものである。
この点について、さらに詳細に説明する。一般に、例えば金属酸化物からなる微粒子を水中に浸漬すると、微粒子は正または負の電荷を持ち、電界が存在すると対向する電場を有する方向へ移動する。この現象が電気泳動現象である。この電気泳動現象によって、微粒子の水中における荷電、すなわち界面電位（ゼータ電位）の存在を知ることができる。
この界面電位は微粒子−水系のｐＨによって大きく変化する。一般に、横軸に水系のｐＨを、縦軸に界面電位をとると、界面電位は水系のｐＨによって変化し、界面電位「０」を切る点の水系のｐＨを「等電点」と定義される。この現象から、一般的に金属酸化物微粒子表面の界面電位は、酸性側では正、アルカリ側では負の極性を取る。しかし、この等電点は材料によって大きく異なり、例えば、コロイダルシリカでは「2.0」、α−アルミナでは「9.0」、ヘマタイトでは「6.7」という値が紹介されている。
この界面電位は微粒子−水系のｐＨによって大きく変化する。一般に、横軸に水系のｐＨを、縦軸に界面電位をとると、界面電位は水系のｐＨによって変化し、界面電位「０」を切る点の水系のｐＨを「等電点」と定義される。この現象から、一般的に金属酸化物微粒子表面の界面電位は、酸性側では正、アルカリ側では負の極性を取る。しかし、この等電点は材料によって大きく異なり、例えば、コロイダルシリカでは「2.0」、α−アルミナでは「9.0」、ヘマタイトでは「6.7」という値が紹介されている。
つまり、等電点から離れるほど界面電位が大きくなり、酸性側に行くほど界面電位の値は正の大きい方に向かい、また逆に、アルカリ側に行くほど界面電位の値は負の大きい方に向かう。これは、ｐＨで制御することができるものである。ｐＨの制御は、酸やアルカリの添加で、制御性よくコントロールできるものである。本発明においては、この現象を積極的に利用するものであり、分散液の状態で微粒子の凝集を効果的に防ぐことができるものである。この結果、分散液を基材に滴下した際にも、微粒子が凝集しない状態で存在するために、その後の配列の工程において、高品質の配列状態を容易に実現できるものである。この現象は、乾式プロセスでは得られない利点と言える。
本発明は光スイッチ、光変調器、表示装置などに応用できるものである。
１０１：基板
１０２：微粒子オパール
１０３：空隙
１０４：液体輸送ポンプ
１０５：気流供給部
１０６：流体
１１０：入射光
１１１：反射光
１１２：透過光
２０１：基板
２０２：インバースオパール
２０３：空隙
２０４：液体輸送ポンプ
２０５：気流供給部
２０６：流体
２１０：入射光
２１１：反射光
２１２：透過光
３０１：基板
３０２：微粒子オパール
３０３：空隙
３０４：液体輸送ポンプ
３０５：気流供給部
３０６：流体
３１０：入射光
３１１：反射光
３１２：透過光
４０１：基板
４０２：インバースオパール
４０３：空隙
４０４：液体輸送ポンプ
４０５：気流供給部
４０６：流体
４１０：入射光
４１１：反射光
４１２：透過光
１０４Ａ：気体
１０５Ａ：流体
２０４Ａ：気体
２０５Ａ：流体
３０４Ａ：気体
３０５Ａ：流体
１０２：微粒子オパール
１０３：空隙
１０４：液体輸送ポンプ
１０５：気流供給部
１０６：流体
１１０：入射光
１１１：反射光
１１２：透過光
２０１：基板
２０２：インバースオパール
２０３：空隙
２０４：液体輸送ポンプ
２０５：気流供給部
２０６：流体
２１０：入射光
２１１：反射光
２１２：透過光
３０１：基板
３０２：微粒子オパール
３０３：空隙
３０４：液体輸送ポンプ
３０５：気流供給部
３０６：流体
３１０：入射光
３１１：反射光
３１２：透過光
４０１：基板
４０２：インバースオパール
４０３：空隙
４０４：液体輸送ポンプ
４０５：気流供給部
４０６：流体
４１０：入射光
４１１：反射光
４１２：透過光
１０４Ａ：気体
１０５Ａ：流体
２０４Ａ：気体
２０５Ａ：流体
３０４Ａ：気体
３０５Ａ：流体
Claims (21)
- 周期的な空隙を有する第一の材料から成る３次元周期構造物において、
前記空隙に前記第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより、前記空隙の屈折率を変化する光学素子と、
該光学素子に対して、前記第二の材料を充填、除去する機構と
から構成されて成ることを特徴とする光学装置。 - 前記第一の材料から成る３次元周期構造物が微粒子の最密充填構造であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記３次元周期構造物を構成する微粒子が、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、などの無機材料、またはポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機材料から選ばれたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、前記空隙を第三の材料から成る物質を充填し、その後、微粒子を選択的に除去することによって得られる微粒子が占めていた領域を空気で置き換えた構造、いわゆるインバースオパール構造を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置の製造方法。
- 前記インバースオパール構造における球状の空隙に、第二の材料から成る物質を充填、および除去することにより空隙の屈折率を変化させることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の光学装置。
- 前記第二の材料から成る物質が、液体または超微粒子を含む液体であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記インバースオパール構造を形成する手段として、前記３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料が金属アルコキシドを用いることを特徴とする請求項４に記載の光学装置の製造方法。
- 前記インバースオパール構造を形成する手段として、前記３次元周期構造物を微粒子による最密充填構造により形成した後に、空隙に充填する第三の材料が光効果型樹脂または、熱硬化型樹脂を用いることを特徴とする請求項４に記載の光学装置の製造方法。
- 前記空隙に第一の材料とは屈折率の異なる第二の材料から成る物質を除去する際に、気体の導入により除去を行なうことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記微粒子の最密充填構造により３次元周期構造物を形成する際に、原料として微粒子を液体に分散させた分散液を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学装置の製造方法。
- 前記微粒子を分散させた分散液の液性を、微粒子に応じて制御して微粒子の最密充填構造により３次元周期構造物を形成することを特徴とする請求項１または請求項１０に記載の光学装置の製造方法。
- 前記光学素子に対して前記第二の材料を充填する機構が、液体輸送ポンプを用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記光学素子に対して前記第二の材料を除去する機構が、気流を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記光学素子に対して前記第二の材料を気流を用いて除去する機構が、気体輸送ポンプの気流を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記光学素子に対して前記第二の材料を気流を用いて除去する機構が、大気圧以上の圧力を有する気体を用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 前記光学素子に対して前記第二の材料を除去する機構が、吸引ポンプを用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
- 請求項４に記載の光学装置の製造方法により製造されたことを特徴とする光学装置。
- 請求項７に記載の光学装置の製造方法により製造されたことを特徴とする光学装置。
- 請求項８に記載の光学装置の製造方法により製造されたことを特徴とする光学装置。
- 請求項１０に記載の光学装置の製造方法により製造されたことを特徴とする光学装置。
- 請求項１１に記載の光学装置の製造方法により製造されたことを特徴とする光学装置。
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