DE102021127637A1 - Wellenleiteranordnung und Verfahren zur Ablenkung wenigstens eines Lichtstrahls bzw. Lichtstrahlpaares - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung zur Anregung/Ablenkung der Teillichtstrahlen wenigstens eines Lichtstrahlpaares mit einem Schichtstapel aus mehreren in einer Stapelungsrichtung gestapelten Schichten, der umfasst: zwei transparente dielektrische Deckschichtstapel, mit je wenigstens einer transparenten Deckschicht, einen Resonatorstapel einer vorbestimmten Anzahl von Schichten zwischen den beiden Deckschichtstapeln, wobei wenigstens eine Schichtengruppe mit einer Teilanzahl von in der Stapelungsrichtung aufeinander folgenden Schichten aller Schichten des Resonatorstapels einen Resonator mit wenigstens einer lichtablenkenden Struktur bildet, wenigstens eine Schaltanordnung, mit der lokal eine Phasenänderung zumindest zeitweise bewirkbar ist von wenigstens einem von zwei zwischen den äußeren Grenzschichten der Deckschichtstapel führbaren Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaars, die in beiden Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator mit Selbstinterferenz propagierbar sind. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ablenkung von Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares in einer Wellenleiteranordnung, ein System aus einer Lichtquelle und einer Wellenleiteranordnung, einen Lichtkonzentrator, ein Display umfassend eine Wellenleiteranordnung und eine Anordnung zum Steuern der Richtung eines von ihr ausgehenden Lichtstrahls.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung und ein Verfahren zur Ablenkung wenigstens eines Lichtstrahls und/oder Lichtstrahlpaares.
• Licht ist hierbei als abkürzende Bezeichnung für elektromagnetische Strahlung beliebiger Frequenz zu verstehen. Die beschriebene Anordnung und das beschriebene Verfahren können also über den in der Anwendung bevorzugten sichtbaren Spektralbereich hinaus z.B. für ultraviolette oder infrarote Strahlung in gleicher Weise verwendet werden. Vorzugsweise wird unter dem sichtbaren Spektralbereich ein Bereich von 400 nm bis 800 nm, unter dem ultravioletten Spektralbereich ein Bereich kleiner als 400 nm und unter dem infraroten Spektralbereich ein Bereich größer als 800 nm verstanden.
• Wellenleiter sind allgemein im Stand der Technik bekannt. Es besteht mit ihnen die Möglichkeit, Licht unter angenommenen idealen Bedingungen verlustfrei zu transportieren, insbesondere sofern Absorption zu vernachlässigen ist. Es gibt Bestrebungen im Stand der Technik Wellenleiter auch einzusetzen, um Licht hinsichtlich seiner Propagationsrichtung zu ändern, insbesondere um ein Umschalten hinsichtlich der Propagationsrichtung zu bewirken.
• Dabei besteht das Problem, dass üblicherweise Mittel zur schaltbaren Bewirkung einer Richtungsänderung nicht nur bei eingeschalteter Änderung der Propagationsrichtung auf das Licht einwirken, sondern auch ohne eingeschaltete Änderung der Propagationsrichtung eine Wechselwirkung mit dem Licht vorliegt, was die erzielbare Propagationslänge im Wellenleiter auch im ausgeschalteten Zustand beschränkt.
• Aus den Publikationen WO 2016/000728 A1 und WO 2018/086727 A1 derselben Anmelderin sind Wellenleiter bekannt, die darauf beruhen, durch Selbstinterferenz des in dem Wellenleiter mittels Totalreflexion geführten Lichtes eine lateral geführte Mode zu erzeugen, deren transversales Intensitätsprofil senkrecht zur lateralen Propagationsrichtung einen Knoten und somit ein Intensitätsminimum aufweist und am Ort des Knotens innerhalb des Wellenleiters eine lichtablenkende strukturierte Schicht anzuordnen.
• Bei ungestörter Ausbreitung des Lichts einer solchen Mode ist somit die Wechselwirkung zwischen der Mode und der Struktur im Vergleich zur gestörten Ausbreitung verringert, da diese Struktur im Intensitätsminimum bzw. Knoten der Mode liegt. Durch eine relative Verschiebung zwischen Struktur und Knoten der Mode, die eine gestörte Ausbreitung darstellt, kann hingegen eine im Vergleich zur ungestörten Ausbreitung stärkere Wechselwirkung zwischen der Mode und der Struktur stattfinden, was eine Ablenkung, insbesondere deutlich verstärkte Ablenkung des Lichts aus seiner lateralen Propagationsrichtung bewirken kann, z.B. durch einen Beugungseffekt an der Struktur. Es besteht so die Möglichkeit das Licht bei gestörter Ausbreitung hinsichtlich seiner Propagationsrichtung durch die genannte relative Verschiebung in der Richtung zu ändern oder bei ungestörter Ausbreitung verlustärmer propagieren zu lassen als bei gestörter Ausbreitung.
• Problematisch bei diesem Ansatz ist es, dass das Intensitätsminimum am Ort eines Knotens in der Mode räumlich stark lokalisiert ist und somit Strukturen am Ort eines Knotens nur eine sehr geringe Dicke aufweisen dürfen, um im ungestörten Fall eine hinsichtlich der Verluste deutlich reduzierte Wechselwirkung zu erzielen. Diese Problematik führt dazu, dass mit technisch umsetzbaren Wellenleiteranordnungen dieser Art die zwischen den Schaltzuständen (gestörte / ungestörte Ausbreitung) erreichbaren Kontraste C relativ klein sind, typischerweise C<100.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Wellenleiteranordnung und ein Verfahren zu deren Betrieb, vorzugsweise auch Vorrichtungen mit einer solchen Wellenleiteranordnung bereitzustellen, mit denen größere Kontraste, vorzugsweise C>100, weiter bevorzugt C>1000, zwischen Schaltzuständen erzielbar sind. So soll insbesondere ein sehr verlustarmer, insbesondere im Vergleich zum genannten Stand der Technik verlustärmerer ausgeschalteter Zustand (=ungestörte Ausbreitung) erreicht werden, vorzugsweise der also einer großen Propagationslänge entspricht und eine Nutzung des Phänomens auf lateral großen Längenskalen also großen Flächen zugänglich macht, insbesondere im Vergleich zum genannten Stand der Technik.
• Bei verschiedenen Schaltzuständen soll dabei vorzugsweise die Möglichkeit erschlossen sein, in einem ersten Schaltzustand (gestörte Ausbreitung) in einem Wellenleiter geführtes Licht aus diesem an definierten lateralen Positionen in der Richtung zu ändern, z.B. in Richtung zur Umgebung auszukoppeln, oder Licht aus der Umgebung an definierten lateralen Positionen in den Wellenleiter einzukoppeln oder geführtes Licht innerhalb des Wellenleiters abzulenken und in einem zweiten Schaltzustand (ungestörte Ausbreitung) das Licht im Wellenleiter propagieren zu lassen, insbesondere verlustärmer als im ersten Schaltzustand.
• Erfindungsgemäß wird dies mit einer Wellenleiteranordnung zur Anregung oder Ablenkung der Teillichtstrahlen wenigstens eines Lichtstrahlpaares erzielt, welche einen Schichtstapel aus mehreren in einer Stapelungsrichtung gestapelten Schichten aufweist, wobei der Schichtstapel zwei transparente dielektrische Deckschichtstapel umfasst, wobei jeder Deckschichtstapel wenigstens eine, vorzugsweise genau eine einzige transparente Deckschicht aufweist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen den äußeren Grenzschichten der Deckschichtstapel die Teillichtstrahlen durch Totalreflexion führbar sind.
• Zwischen diesen beiden Deckschichtstapeln ist ein Resonatorstapel mit einer vorbestimmten Anzahl von Schichten, insbesondere transparenten Schichten, vorgesehen, wobei wenigstens eine Schichtengruppe mit einer Teilanzahl von in der Stapelungsrichtung aufeinander folgenden Schichten aller Schichten des Resonatorstapels einen Resonator bildet und dieser wenigstens eine Resonator wenigstens eine lichtablenkende Struktur aufweist, insbesondere wobei die lichtablenkende Struktur durch eine lichtablenkende strukturierte Schicht derjenigen Schichtengruppe ausgebildet ist, die einen Resonator bildet. Die Schichten einer Schichtengruppe werden auch als Teilschichten bezeichnet.
• Vorzugsweise bildet somit wenigstens eine Schichtengruppe einen Resonator mit wenigstens einer lichtablenkenden Struktur, insbesondere wenigstens einer lichtablenkenden strukturierten Schicht. Insbesondere kann es im Resonatorstapel auch wenigstens eine Schichtengruppe geben, die einen Resonator bildet, welcher keine lichtablenkende Struktur/lichtablenkende strukturierte Schicht aufweist.
• Da eine Schichtengruppe aus einer Teilanzahl von in der Stapelungsrichtung nebeneinanderliegenden bzw. aufeinander folgenden Schichten aller Schichten des Resonatorstapels gebildet wird, können einzelne Schichten des Resonatorstapels gleichzeitig Teil mehrerer Schichtengruppen sein. Wenn ein Resonatorstapel N Schichten aufweist, dann gibt es N verschiedene Schichtengruppen, die aus jeweils nur einer der N Schichten bestehen, es gibt N - 1 Schichtengruppen, die aus zwei benachbarten Schichten des Resonatorstapels bestehen, N - 2 Schichtengruppen, die aus drei benachbarten Schichten des Resonatorstapels bestehen,... und eine Schichtengruppe, die aus allen Schichten des Resonatorstapels besteht. Im Beispiel eines Resonatorstapels mit N = 5 Schichten, gibt es also folgende Schichtengruppen 1, 2, 3, 4, 5, 12, 23, 34, 45, 123, 234, 345, 1234, 2345, 12345, also fünf Schichtengruppen mit einer Schicht, vier mit zwei Schichten, drei mit drei Schichten, zwei mit vier Schichten und eine mit fünf Schichten. Ein Resonatorstapel mit N = 5 Schichten hat also $5+4+3+2+1={\displaystyle {\sum }_{l=1}^{5}l=15}$

  

  $$

  

  verschiedene Schichtengruppen. Gemäß der Gaußschen Summenformel besitzt ein allgemeiner Resonatorstapel mit N Schichten $R_{ges}={\displaystyle {\sum }_{l=1}^{N}l=\frac{1}{2}}N\left(N+1\right)$

  

  verschiedene Schichtengruppen aus direkt aneinandergrenzenden Schichten.
• Die wenigstens eine lichtablenkende Struktur, insbesondere die wenigstens eine lichtablenkende strukturierte Schicht, ist Teil des Resonatorstapels. Die Struktur / strukturierte Schicht kann vorzugsweise in einer Schicht des Resonatorstapels ausgebildet sein, und/oder ein Teil einer Schicht des Resonatorstapels sein und/oder zwischen zwei Schichten des Resonatorstapels ausgebildet sein oder selbst eine Schicht des Resonatorstapels sein.
• Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße Schichtstapel wenigstens eine Schaltanordnung, vorzugsweise entlang einer Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung mehrere nebeneinanderliegende Schaltanordnungen, wobei mit einer jeweiligen Schaltanordnung lokal eine Phasenänderung zumindest zeitweise bewirkbar ist von wenigstens einem von zwei zwischen den äußeren Grenzschichten der Deckschichtstapel führbaren Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaars, insbesondere von wenigstens einem von zwei in dem Schichtstapel den Resonatorstapel kreuzend führbaren Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares.
• Vorzugsweise sind die Teillichtstrahlen des wenigstens einen Lichtstrahlpaares in beiden Deckschichtstapeln nichtresonant/ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator mit wenigstens einer lichtablenkenden Struktur innerhalb des Resonatorstapels, resonant/mit Selbstinterferenz propagierbar, insbesondere führbar.
• Insbesondere ist dafür in der Wellenleiteranordnung weiterhin vorgesehen, dass die beiden Deckschichtstapel erfindungsgemäß eingerichtet sind, die Teillichtstrahlen des wenigstens einen Lichtstrahlpaares nichtresonant propagieren zu lassen, vorzugsweise zu führen und der wenigstens eine Resonator, bzw. eine diesen bildende Schichtengruppe eingerichtet ist, die Teillichtstrahlen resonant propagieren zu lassen, insbesondere zu führen.
• Hierdurch soll innerhalb jedes Deckschichtstapels eine Selbstinterferenz von innerhalb der Anordnung propagiertem, insbesondere geführtem Licht unterdrückt werden und innerhalb einer Schichtengruppe, die einen Resonator bildet, soll eine Selbstinterferenz des propagierenden, insbesondere geführten Lichtes erzwungen werden. Das jeweils propagierende Licht wird vorzugsweise durch die sich kreuzend propagierenden Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares gebildet.
• Vorzugsweise ist dies erzielt, wenn ein Resonator oder eine diesen bildende Schichtengruppe, insbesondere der gesamte Resonatorstapel, in der Stapelungsrichtung eine Dicke aufweist, die kleiner ist als 1/3, bevorzugt kleiner als 1/5, weiter bevorzugt kleiner als 1/10, weiter bevorzugt kleiner als 1/100 der Gesamtdicke der Wellenleiteranordnung zwischen den äußeren Grenzflächen der Deckschichtstapel.
• Bei Lichtquellen mit zeitlich kurzen Pulsen oder reduzierter Kohärenzlänge kann die Verhinderung von Selbstinterferenz durch Maßnahmen erreicht werden, die später genauer beschrieben werden.
• Vorzugsweise kann die Erfindung vorsehen, dass die Selbstinterferenz innerhalb der Deckschichtstapel durch eine Vermeidung räumlicher Überlappung der Teillichtstrahlen erreicht wird. Insbesondere ist dies vorgesehen im Fall der Erzeugung eines Lichtstrahlpaares mittels einer zeitlich konstanten Lichtquelle, vorzugsweise deren Kohärenzlänge größer ist als die Dicke der Wellenleiteranordnung, also beispielsweise mittels eines kontinuierlichen Lasers.
• Jeder Deckschichtstapel ist vorzugsweise so eingerichtet, dass die in der Stapelungsrichtung betrachtete Dicke der Deckschichten t_D,k,i gewählt ist, so dass nachfolgende Bedingung (1) erfüllt ist: $$\text{max}\left(\frac{{\varnothing }_{D,k,i,max}}{\text{cos}\left({\theta }_{D,k,i,min}\right)}\right)\le 2{\displaystyle \sum _{i=1}^{P_k}{t}_{D,k,i}}\text{tan }{\theta }_{D,k,i,min}$$

  
• Hierbei bezeichnet der Index k ∈ (a, b) den jeweiligen Deckschichtstapel und der Index i = 1 ... P_k die dazugehörige Deckschicht. Hierdurch ist jeder Deckschichtstapel so eingerichtet, dass ein in der Wellenleiteranordnung geführter Teillichtstrahl mit einem der Gleichung (1) genügenden maximalen Querschnitt ∅_D,k,i,max in einer i-ten Deckschicht unter dem in einer i-ten Deckschicht eines Deckschichtstapels minimalen Winkel bzw. über einem minimalen Winkel von θ_D,k,i,min von innen auf den Deckschichtstapel zuläuft und an der Außenseite des Deckschichtstapels total reflektiert wird, so dass sich der einfallende und der reflektierte Strahl eines Teillichtstahls an der Innenseite des Deckschichtstapels auf dem angenommenen maximalen Querschnitt nicht räumlich überlappen. Hierbei bezeichnet θ_D,k,i,min den minimalen Winkel eines Teillichtstrahls innerhalb einer i-ten Deckschicht gemessen zur Normalen der Deckschichten innerhalb der Decksichtstapel, also gemessen zur Stapelungsrichtung der Deckschichten.
• Für die bevorzugte Ausführung mit Deckschichtstapeln mit jeweils nur einer Deckschicht (P_a = P_b = 1) gilt für den räumlichen Ausschluss der Selbstinterferenz für t_D,k,i $$t_{D,k,i}=t_{D,k\mathrm{,1}}\ge \frac{{\varnothing }_{D,k\mathrm{,1,}max}}{2\text{sin}\left({\theta }_{D,k\mathrm{,1,}min}\right)}.$$

  
• Eine vollständige Vermeidung des Überlappens der Intensität ist mathematisch gesehen nicht möglich, weil die Intensität eines Lichtstrahls in großem und mit weiter zunehmendem Abstand zur Strahlmitte zwar sehr schnell exponentiell abnimmt, aber diesem exponentiellen funktionalen Zusammenhang folgend nie exakt null wird.
• Die in den Formeln genutzte Größe ∅_D,k,i,max für den maximalen Querschnitt des Teillichtstrahls in der Schicht i des Deckschichtstapels k erfordert also eine Konvention darüber, bis zu welcher Intensität ein Strahl in Richtung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung abgeklungen sein muss, um die Grenze eines vereinfacht als begrenzt gedachten Querschnitts zu definieren. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, den maximalen Querschnitt so zu wählen, dass bei diesem grundsätzlich ein Abklingen auf 10^-2 der Intensität des jeweiligen Teillichtstrahls gegeben ist, so dass die verbleibende Überlappung mit einem zweiten Strahl gleicher Richtung, der im hier beschriebenen Beispiel die benachbarten Reflexion des ersten Strahls darstellt, selbst dann gering ist, wenn sich die begrenzt gedachten maximalen Querschnitte gerade berühren. Mit dieser Definition kann die o.g. Formel sehr praktisch genutzt werden, um einen sehr geringen Intensitätsüberlapp sicherzustellen. Eine noch exaktere Lösung kann man erhalten, indem man durch ein Überlappintegral den überlappenden Intensitätsanteil berechnet. In jedem Fall ist es im Sinne der Erfindung wichtig, sicherzustellen, dass der überlappende Intensitätsanteil, also derjenige Intensitätsanteil, für den innerhalb eines Deckschichtstapels Selbstinterferenz auftritt, einen Anteil an der Gesamtintensität von 10^-2 nicht übersteigt, vorzugsweise einen Anteil an der Gesamtintensität von 10^-3 nicht übersteigt, weiter bevorzugt einen Anteil an der Gesamtintensität von 10^-4 nicht übersteigt, weiter bevorzugt einen Anteil an der Gesamtintensität von 10^-5 nicht übersteigt.
• Trotz dieser formal verbleibenden minimalen Überlappung der Intensitäten überlappen sich die geometrisch begrenzt vorgestellten Teillichtstrahlen des maximalen Querschnittes nicht, so dass dieses im Folgenden verkürzt trotzdem als fehlende Überlappung oder verschwindende Überlappung oder als fehlender oder verschwindender Überlapp bezeichnet wird.
• Analog wird das Ziel dieser Maßnahme als verschwindende oder vermiedene Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln bezeichnet. Damit ist gemeint, dass der Einfluss von Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln soweit reduziert wird, dass er die Wirksamkeit der hier beschriebenen Wellenleiteranordnung und des hier beschriebenen Verfahrens nicht oder zumindest nicht nennenswert beeinflusst, insbesondere wobei unter einer nicht nennenswerten Beeinflussung verstanden wird, dass der Kontrast um weniger als 1 Promille gegenüber dem Kontrast bei einer Nicht-Beeinflussung verringert ist.
• Allgemein kann vorgesehen sein, dass die Wellenleiteranordnung mit einer Lichtquelle ein System ausbildet, wobei die Lichtquelle eingerichtet ist einen in die Wellenleiteranordnung einzukoppelnden Lichtstrahl zu erzeugen, wobei die Lichtquelle und die Wellenleiteranordnung hinsichtlich wenigstens eines Lichtstrahlparameters und der Dicken der Deckschichtstapel und der Dicke des wenigstens einen Resonators aneinander angepasst sind, so dass der Lichtstrahl nach Einkopplung in den Wellenleiter als Lichtstrahlpaar aus zwei Teillichtstrahlen in den Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator mit Selbstinterferenz propagierbar, vorzugsweise führbar ist.
• Die Wellenleiteranordnung ist in der Stapelungsrichtung geschichtet. Diese Richtung wird nachfolgend als Richtung z bezeichnet. Dabei definieren die äußeren Grenzflächen der beiden Deckschichtstapel zur Umgebung die Positionen an denen das Licht innerhalb der Wellenleiteranordnung durch Totalreflexion geführt wird, da die Umgebung einen niedrigeren Brechungsindex aufweist.
• Zur Definition des Begriffs der Symmetrie einer bevorzugt vorgesehenen symmetrischen Ausgestaltung der Wellenleiteranordnung ist es vorteilhaft, den Nullpunkt der z-Achse genau zwischen diesen beiden äußeren Grenzflächen der beiden Deckschichtstapel zu platzieren, so dass diese bei den Positionen $-\raisebox{1ex}{$t_W$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$

  

  und $+\raisebox{1ex}{$t_W$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$

  

  bezüglich der Stapelungsrichtung liegen. Das Licht wird also in einer Wellenleiteranordnung der Dicke t_W geführt. Die Position z = 0 definiert die Mittelebene der Wellenleiteranordnung.
• Symmetrie der Wellenleiteranordnung bezüglich der Stapelungsrichtung bedeutet entsprechend, dass der Verlauf des komplexwertigen Brechungsindex spiegelsymmetrisch zur Mittelebene ist. Das ist gleichbedeutend damit, dass sowohl der reelle Brechungsindex n als auch die Extinktion κ spiegelsymmetrisch zur Mittelebene sein sollen (n(z) = n(-z), κ(z) = κ(-z)). Vorzugsweise sind Abweichungen, insbesondere leichte Abweichungen, von dieser Symmetrie zulässig. Insbesondere wird unter leichten Abweichungen verstanden, dass diese Abweichungen zwischen n(z) und n(-z) beziehungsweise κ(z) und κ(-z) kleiner sein, als die durch nichtlineare Effekte erzeugbaren Abweichungen, die unten genauer erklärt werden. Beispielsweise kann durch den Pockels- oder Kerreffekt der Brechungsindex im Bereich von etwa 10^-4 geändert werden, während die Extinktion weitgehend unverändert bleibt. Bei einer Wellenleiteranordnung, die diesen Effekt ausnutzt dürften die genannten Abweichungen bezüglich des Brechungsindex entsprechend einen Wert von 10^-4 nicht überschreiten, bezüglich des Extinktion wären die zulässigen Abweichungen entsprechend kleiner.
• Symmetrie der Teillichtstrahlen bezüglich der Stapelungsrichtung bedeutet, dass ein Teillichtstrahl als Spiegelung des anderen Teillichtstrahls an der Mittelebene verstanden werden kann. Wenn also ein Teillichtstrahl eine bestimmte Intensität bei den Punkt (x₀, y₀, z₀) aufweist, dann weist der andere Teillichtstrahl die gleiche Intensität bei den Punkt (x₀, y₀, -z₀) auf.
• Bei einer spiegelsymmetrischen Ausbildung der Wellenleiteranordnung kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Spiegelsymmetrie zumindest in einem von wenigstens zwei Schaltzuständen vorliegt, insbesondere aber nicht in einem anderen von wenigstens zwei Schaltzuständen. Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenleiteranordnung eine optische Nichtlinearität aufweist, insbesondere in wenigstens einer Deckschicht eines Deckschichtstapels, die bzgl. der Stapelungsrichtung asymmetrisch, insbesondere bzgl. der Mittelebene asymmetrisch ist. Um dies zu erreichen kann z.B. ein optisch nichtlinear wirkendes Material in einer Schicht auf nur einer der beiden Seiten von der Mittelebene angeordnet sein. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Verstimmung infolge der nichtlinearen Wirkung in einem zweiten von wenigstens zwei Schaltzuständen vorliegt, insbesondere in einem Schaltzustand, in welchem Licht aus der Wellenleiteranordnung ausgekoppelt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Änderung von einer spiegelsymmetrischen Ausgestaltung zu einer asymmetrischen Ausgestaltung, insbesondere einer zumindest lokal asymmetrischen Ausgestaltung durch das Schalten mittels der wenigstens einen Schaltanordnung erzielbar ist, wobei durch das Schalten die Verstimmung infolge einer Nichtlinearität beeinflusst, insbesondere diese Verstimmung an oder abgeschaltet wird. Die Nichtlinearität kann z.B. hinsichtlich des Brechungsindexes eines Schichtmaterials vorliegen, insbesondere in Abhängigkeit von einer das nichtlineare Material durchdringenden elektrischen Feldstärke.
• In der Wellenleiteranordnung, die vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung um eine Mittelebene herum ist, kommt es zur Strahlteilung eines geführten Lichtstrahls in zwei Teillichtstrahlen, insbesondere die sich bezüglich ihrer Ausbreitung in der bevorzugt symmetrischen Ausführungsform ebenfalls symmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung ausbreiten, vorzugsweise hinsichtlich aller Strahlparameter spiegelsymmetrisch sind. Das Paar aus beiden Teillichtstrahlen wird als Lichtstrahlpaar bezeichnet. Der beschriebene fehlende räumliche Überlapp bei der Reflexion eines Teillichtstrahls an der Innenseite der Deckschichtstapel bedeutet entsprechend eine verschwindende Interferenz der beiden Teillichtstrahlen miteinander innerhalb der Wellenleiteranordnung, was im Folgenden als verschwindende Selbstinterferenz innerhalb der Deckschichtstapel bezeichnet wird.
• Weiterhin ist vorzugsweise die Schichtengruppe, die einen optischen Resonator bildet, so eingerichtet, dass die in der Stapelungsrichtung betrachteten Dicken der jeweiligen (Teil-)Schichten i der Schichtengruppe k gewählt sind gemäß der Bedingung $$\text{min}\left(\frac{{\varnothing }_{R,k,i,\text{min}}}{\text{cos}\left({\theta }_{R,k,i,max}\right)}\right)>2{\displaystyle {\sum }_{i=l}^m\text{tan}}{\theta }_{R,k,i,max}{t}_{R,k,i}.$$

  
• Der Zählindex k dient hier der Unterscheidung der einzelnen Schichtengruppen innerhalb des Resonatorstapels. Während k zur Unterscheidung der beiden Deckschichtstapel als k ∈ {a, b} definiert war, ist an dieser Stelle eine Unterscheidung einer prinzipiell unbekannten Anzahl von Schichtengruppen zu gewährleisten. In dem hier beschriebenen Zusammenhang bildet k deshalb eine natürliche Zahl, insbesondere zwischen 1 und R_ges.
• Hierdurch ist die Schichtengruppe k so eingerichtet, dass ein durch die Schichtengruppe k geführter Teillichtstrahl mit einem innerhalb ihrer Schichten i jeweils minimalen Querschnitt von ∅_R,k,i,min und unter einem jeweils maximalen Winkel bzw. bis zu einem maximalen Winkel von θ_R,k,i,max Selbstinterferenz innerhalb der Schichtengruppe erzeugen kann. Hierbei bezeichnet θ_R,k,i,max den maximalen Winkel eines Teillichtstrahls gemessen zur Normalen der Schichten innerhalb der Schichtengruppe, also gemessen zur Stapelungsrichtung der Schichten.
• Für den Fall, dass die einen Resonator bildende Schichtengruppe k aus einer einzigen Schicht besteht, vereinfacht sich die Bedingung zur Erzeugung von Selbstinterferenz zu $$t_{R,k}<\frac{{\varnothing }_{R,k,min}}{2\text{ sin }{\theta }_{R,k,max}}$$

  
• Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer solchen Wellenleiteranordnung wenigstens ein Lichtstrahlpaar erzeugt, dessen Teillichtstrahlen durch Totalreflexion in der Wellenleiteranordnung in einer mittleren Propagationsrichtung ohne Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln und in dem wenigstens einen Resonator mit Selbstinterferenz propagieren, insbesondere geführt werden, wobei die Teillichtstrahlen sich in Kreuzungsbereichen überlappen, die in der mittleren Propagationsrichtung beabstandet sind und in denen der wenigstens eine Resonator, vorzugsweise jeder Resonator, insbesondere der Resonatorstapel angeordnet ist, wobei durch die wenigstens eine Schaltanordnung eine lokale Änderung der Phasendifferenz zwischen den beidseits des Resonatorstapels propagierenden Teillichtstrahlen erzeugt werden kann, wobei durch die Änderung der Phasendifferenz die Wechselwirkung zwischen den Teillichtstrahlen und dem Resonatorstapel im Kreuzungsbereich änderbar ist bzw. geändert wird.
• Die Änderung der Wechselwirkung kann z.B. erfolgen zwischen einem ersten Zustand, in welchem diese Wechselwirkung maximiert ist, insbesondere wodurch der Resonatorstapel eine Änderung der Richtung zumindest eines Teils der den Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen bewirkt und einem zweiten Zustand, in welchem diese Wechselwirkung minimiert ist, insbesondere wodurch der Resonatorstapel keine oder eine zumindest vernachlässigbare Änderung der Propagationsrichtung der den Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen bewirkt.
• Durch den kreuzenden Strahlengang, ergibt sich für das in der Wellenleiteranordnung propagierende Lichtstrahlpaar eine mittlere Propagationsrichtung, die senkrecht liegt zur Stapelungsrichtung der Schichten im Schichtstapel. Diese Richtung der mittleren Propagation wird auch als lateral bezeichnet. Lateral bedeutet also senkrecht zur Stapelungsrichtung.
• In der eingangs genannten vorzugsweise vorgesehenen symmetrischen Ausgestaltung der Wellenleiteranordnung ist der Strahlengang der Teillichtstrahlen symmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung, insbesondere spiegelsymmetrisch zur Mittelebene des Schichtstapels. Die Speiegelsymmetrie betrifft vorzugsweise nicht nur den Strahlengang der Teillichtstrahlen, sondern liegt hinsichtlich aller Strahlparameter der Teillichtstrahlen vor.
• Ein Kreuzungsbereich ist das Volumen, in dem sich die beiden Teillichtstrahlen überlappen. Vorzugsweise wird der Kreuzungsbereich als das Volumen verstanden, dass sich durch Überlappung von geometrisch begrenzt angenommenen Teillichtstrahlen ergibt, insbesondere im Sinne des eingangs genannten Verständnisses. Innerhalb der Ausdehnung des Volumens betrachtet in der Stapelungsrichtung liegt vorzugsweise der gesamte Resonatorstapel mit dem darin realisierten wenigstens einen Resonator.
• Das den Resonatorstapel kreuzende Lichtstrahlpaar kann dabei ein solches sein, das schon in der Wellenleiteranordnung propagiert und dessen Teillichtstrahlen im Kreuzungsbereich ausgekoppelt oder abgelenkt werden oder es kann erzeugt werden aus einem aus der äußeren Umgebung auf die Wellenleiteranordnung einseitig einfallenden Lichtstrahl, der durch den Resonatorstapel in die Wellenleiteranordnung eingekoppelt wird.
• Für eine solche Einkopplung ist die zumindest eine lichtablenkende Struktur innerhalb des zumindest einen Resonators innerhalb des Resonatorstapels so eingerichtet, dass sie einen einseitig auf den Resonatorstapel einfallenden Lichtstrahl durch Beugung oder Streuung in zwei beidseits des Resonatorstapels geführte Teillichtstrahlen zerlegt, vorzugsweise die bezüglich der Amplitude zumindest im Wesentlichen gleich sind, welche nachfolgend den Resonatorstapel kreuzen und zusammen ein Lichtstrahlpaar bilden. Durch eine lokale Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Teillichtstrahlen kann hierbei die Wechselwirkung mit der lichtablenkenden Struktur, insbesondere einer strukturierten Schicht, minimiert werden, sodass keine oder nur noch eine vernachlässigbare Änderung der Richtungen der Teillichtstrahlen bzw. seiner Teillichtstrahlen erfolgt und das Lichtstrahlpaar damit verlustarm im Wellenleiter propagiert, insbesondere verlustarm im Vergleich zur maximierten Wechselwirkung.
• Die Erfindung kann auch vorsehen eine Phasendifferenz einzustellen, die eine Wechselwirkung zwischen den Teillichtstrahlen und der lichtablenkenden Struktur erzeugt, die zwischen der maximalen und der minimalen möglichen Wechselwirkung liegt. So könne auch Helligkeitsunterschiede bei der Auskopplung von Licht aus der Wellenleiteranordnung realisiert werden.
• Anders als im eingangs genannten Stand der Technik wird die Wellenleiteranordnung betrieben und ist hierfür durch die gewählten Mindestdicken t_D,k,i der Deckschichten eingerichtet, wenigstens ein Lichtstrahlpaar bzw. dessen Teillichtstrahlen ohne Selbstinterferenz zu führen.
• Zwar weist die Wellenleiteranordnung der erfindungsgemäßen Art die Eigenschaft auf, einen solchen im Intensitätsprofil räumlich begrenzten Teillichtlichtstrahl durch das Prinzip der Totalreflexion zwischen den zur Umgebung weisenden Grenzflächen der Deckschichtstapel zu führen, durch die fehlende Selbstinterferenz wird hingegen keine Resonanz innerhalb der Deckschichtstapel der Wellenleiteranordnung erzeugt. Hingegen weist der mindestens eine durch die Schichtengruppe gebildete Resonator bezüglich eines geführten Lichtstrahlpaars bzw. der Teillichtstrahlen Selbstinterferenz auf.
• Durch die Anmelderin wurde gefunden, dass die Bedingung der fehlenden Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln der Wellenleiteranordnung für solche Teillichtstrahlen erfüllt ist, deren transversales Intensitätsprofil im Wellenleiter einen der Gleichung (1) genügenden maximalen Querschnitt hat. Durch die Anmelderin wurde ebenfalls gefunden, dass die Bedingung der vorhandenen Selbstinterferenz in den die Resonatoren bildenden Schichtengruppen für solche Teillichtstrahlen erfüllt ist, die die genannte Bedingung $$\text{min}\left(\frac{{\varnothing }_{R,k,i,\text{min}}}{\text{cos}\left({\theta }_{R,k,i,max}\right)}\right)>2{\displaystyle {\sum }_{i=l}^m\text{tan}}{\theta }_{R,k,i,max}{t}_{R,k,i}$$

  

  erfüllen.
• Dabei definiert ∅_R,k,i,min den minimalen Querschnitt eines Teillichtstrahls innerhalb der Schicht i der Schichtengruppe k. Der Winkel, unter dem der Teillichtstrahl bzw. dessen Anteile zu den Schichten propagiert, ist bzgl. jeder Schicht derjenige Winkel, der zwischen dem Wellenvektor des Lichtstrahls und dem Normalenvektor der Schicht eingeschlossen ist. Dieser Winkel entspricht fachüblich dem Einfallswinkel auf die jeweilige Schicht. Der Normalenvektor ist hier parallel zur Stapelungsrichtung.
• Der Querschnitt des Teillichtstrahls kann bestimmt sein durch den Bereich des Intensitätsprofils des begrenzten Teillichtstrahls, z.B. eine Gauss'sche Normalverteilung, an dem die Intensität von der Maximalintensität auf einen vorbestimmten Betrag abgefallen ist. Zum Beispiel kann somit sich der Querschnitt auf diejenigen Punkte des Intensitätsprofils beziehen, an denen die Intensität auf 10^-2 der Maximalintensität abgefallen ist. Das Intensitätsprofil wird dabei in einer Ebene senkrecht zur konkreten Propagationsrichtung des Teillichtstrahls betrachtet.
• Die konkrete Propagation eines Lichtstrahlpaares erfolgt in der Wellenleiteranordnung unter der Bedingung der Totalreflexion zwischen den äußeren Grenzflächen der Deckschichtstapel. Jeder Teillichtstrahl ist somit umgangssprachlich im Zick-Zack geführt.
• Die propagierenden Teillichtstrahlen kreuzen damit auf ihrem Weg durch die Wellenleiteranordnung immer wieder zwischen den Orten der Totalreflexion an den sich gegenüberliegenden äußeren Grenzflächen der Deckschichtstapel den zwischen den Deckschichtstapeln liegenden Resonatorstapel.
• Um die Totalreflexionsbedingung zu erfüllen weisen die äußeren Deckschichten der Deckschichtstapel einen Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex der an die äußeren Deckschichten angrenzenden Umgebung. Diese Umgebung kann z.B. Luft sein, oder auch eine jeweilige weitere dielektrische Schicht.
• In einer bevorzugten Bauart beinhaltet die beschriebene Wellenleiteranordnung einen Resonatorstapel, der aus genau einem Resonator besteht, wobei in der Mitte des Resonators und damit gleichzeitig in der Mitte der symmetrischen Wellenleiteranordnung bezüglich der Stapelungsrichtung genau eine lichtablenkende Struktur positioniert ist.
• Der kreuzende Strahlengang der Teillichtstrahlen ist beidseits der lichtablenkenden Struktur bevorzugt symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung, da diese lichtablenkende Struktur für die kreuzend einfallenden Teillichtstrahlen teiltransmissiv und teilreflektiv ist (insbesondere in nullter Ordnung), und diese Teillichtstrahlen immer wieder teilt. Zwar liegt die lokale Ursache der Lichtteilung und der Lichtbrechung im Wesentlichen in der lichtablenkenden Struktur, für die Funktion der Wellenleiteranordnung ist es aber vorteilhaft, die lichtteilende und beugende Wirkung des gesamten Resonatorstapels zu betrachten, der in diesem Ausführungsbeispiel dem einzelnen Resonator entspricht. Dieser Resonator wird außerhalb des Gitters üblicherweise mindestens eine weitere dielektrische Schicht aufweisen. Das Einbetten der lichtablenkenden Struktur in einen solchen Resonator führt dazu, dass die Beugungskoeffizienten bzgl. des gesamten Resonatorstapels besondere Eigenschaften aufweisen, die später genauer ausgeführt sind.
• Ein Teillichtstrahl eines Lichtstrahlpaares bzw. ein aus einer Richtung auf den Resonatorstapel einfallender einzelner Lichtstrahl wird daher erneut in Teillichtstrahlen beidseits des Resonatorstapels zerlegt, die den symmetrischen Strahlengang bezüglich der Stapelungsrichtung aufweisen und ein Lichtstrahlpaar bilden. Ein auf den Resonatorstapel einfallendes Lichtstrahlpaar bildet somit erneut ein Lichtstrahlpaar. Ein auf den Resonatorstapel aus einer Richtung einfallender einzelner Lichtstrahl bildet hingegen erst nach der Wechselwirkung mit dem Resonatorstapel ein Lichtstrahlpaar. Daher wird in der Wellenleiteranordnung von einem Lichtstrahlpaar aus Teillichtstrahlen gesprochen. Die Teillichtstrahlen des Lichtstrahlpaares gleichen sich aufgrund der immer wieder erfolgenden Vorgänge von Teiltransmissionen und Teilreflexionen bei den sich wiederholenden Wechselwirkungen mit dem Resonatorstapel auf näherungsweise gleiche Amplitude und/oder Intensität an, insbesondere zumindest nach einer bestimmten Anzahl von Totalreflexionen und/oder Wechselwirkungen.
• Die Funktion als optischer Resonator der Schichtengruppe ergibt sich dadurch, dass an den äußeren Grenzen der Schichtengruppe zwischen der jeweiligen äußersten Schicht der Schichtengruppe und der an diese angrenzenden Schicht ein Unterschied im Brechungsindex besteht, so dass eine Reflexion entsteht. Weiterhin müssen reflektierende Teillichtstrahlen innerhalb der Schichtengruppe miteinander interferieren können und die Schichtengruppe muss eine Mindestdicke zur Erzeugung einer im Stand der Technik bekannten Grundmode haben, um einen Resonator zu bilden.
• Die Erfindung kann vorsehen, dass der mittlere Brechungsindex des Deckschichtstapels oder der Brechungsindex einer einzelnen Deckschicht kleiner ist als der mittlere Brechungsindex einer Schichtengruppe, die an diesen Deckschichtstapel oder diese einzelne Deckschicht angrenzt. In diesem Fall kann der durch die Schichtengruppe gebildete optische Resonator an seiner äußeren Grenzfläche oder auch an beiden äußeren Grenzflächen total reflektierend sein und somit einen Reflexionskoeffizienten mit einer Amplitude von 1 aufweisen.
• In einem Ausführungsbeispiel ist der Brechungsindex der jeweiligen einzelnen Deckschicht größer als der Brechungsindex der Schicht aus der Schichtengruppe, die an die Deckschicht angrenzt. In diesem Fall ergibt sich immer nur eine Teilreflexion des optischen Resonators. Die Amplituden der Reflexionskoeffizienten an den äußeren Grenzflächen der Schichtengruppe sind damit kleiner als 1.
• Damit liegt dann in diesem Ausführungsbeispiel kein dünner Filmwellenleiter mit einer niedrigen Modenzahl im Sinne der Publikationen WO 2016/000728 A1 und WO 2018/086727 A1 mehr vor.
• Die physikalische Wirkung zwischen den unter Totalreflexion und innerhalb der Deckschichten ohne Selbstinterferenz, aber innerhalb des wenigstens einen Resonators mit lichtablenkender Struktur innerhalb des Resonatorstapels kreuzend geführten Teillichtstrahlen und dem Resonatorstapel an dem sie sich kreuzen, ist die, dass bei einer bestimmten Phasendifferenz, insbesondere einer der beiden erfindungsgemäß einstellbaren Phasendifferenzen, zwischen den beidseits auf den Resonatorstapel kreuzend einfallenden Teillichtstrahlen um die lichtablenkende Struktur oder die lichtablenkenden Strukturen innerhalb des Resonatorstapels herum, betrachtet in der Stapelungsrichtung zumindest ein Intensitätsminimum erzwungen wird, insbesondere das eine im Fernfeld wahrnehmbare Wechselwirkung des Lichts mit der zumindest einen lichtablenkenden Struktur oder den lichtablenkenden Strukturen reduziert. Dieses zumindest eine Intensitätsminimum unterscheidet sich physikalisch grundsätzlich von dem eingangs erwähnten Intensitätsminimum einer durch Selbstinterferenz geführten Mode, welche einen Knoten besitzt. Genauer wird durch die Phasendifferenz zwischen den auf den Resonatorstapel einfallenden Teillichtstrahlen ein Intensitätsminimum erzwungen, welches keinen Knoten einer Mode bzw. Resonanz des durch die Schichtengruppe gebildeten Resonators voraussetzt.
• Insbesondere kann dies so verstanden werden, dass sich von den beidseitigen Teillichtstrahlen am Resonatorstapel erzeugte abgelenkte Strahlanteile, z.B. Beugungsordnungen, im Fernfeld bei dafür passender Phasendifferenz destruktiv überlagern, wohingegen bei der anderen Phasendifferenz eine konstruktive Überlagerung der abgelenkten Strahlanteile, insbesondere Beugungsordnungen ergibt, die zu einer im Fernfeld wahrnehmbaren Intensität führt und effektiv eine Ablenkung des Lichtes aus der Propagationsrichtung bedeutet, z.B. nämlich eine Ablenkung in der Richtung der ersten und/oder höheren Beugungsordnungen.
• Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik entsteht das erzwungene Intensitätsminimum nicht durch einen mit Selbstinterferenz resonant erzeugten Knoten eines Modenprofils. Ganz im Gegenteil wird bei der hier vorliegenden Erfindung das Entstehen eines Modenprofils, das sich über die gesamte Wellenleiteranordnung erstreckt, verhindert durch die Vermeidung der Selbstinterferenz in den Bereichen der Deckschichtstapel. Vorhanden sind diskrete Resonanzen lediglich innerhalb des wenigstens einen Resonators. Diese Resonanzen werden aber von Lichtstrahlpaaren angeregt, die aus zwei jeweils ohne Selbstinterferenz geführten Teillichtstrahlen bestehen. So entsteht eine Feldverteilung also auch eine Intensitätsverteilung, deren Überlapp mit der Struktur innerhalb des Resonators mit der Phasendifferenz der Teillichtstrahlen eingestellt werden kann. Insbesondere kann für jede angeregte Eigenmode des Resonators unabhängig von ihrer Knotenzahl ein minimaler Überlapp mit der Struktur erreicht werden.
• Die Wirkung dieses Phänomens geht über die Reduzierung des Überlapps hinaus. Vielmehr zeigen rechnerische Simulationen, dass die Zusammenwirkung zwischen dem Resonatorstapel, insbesondere wenn dieser nur teilreflektiv ist, und dem in den Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz geführten Lichtstrahlpaar aus zwei Teillichtstrahlen gleicher Amplitude einen gebundenen Zustand durch die Unterdrückte Kopplung an strahlende Zustände ergibt. Dieser Zustand ist je nach eingestellter Phasendifferenz an- oder abschaltbar. Der abgeschaltete Zustand wird hierbei als gebundener Zustand bezeichnet. Der angeschaltete Zustand wird als die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernder Zustand bezeichnet.
• Als unterdrückte Kopplung bzw. verschwindende Wechselwirkung, beispielsweise verschwindende Beugung wird hierbei ein mathematischer Grenzfall bezeichnet. Das bedeutet, dass eigentlich unendlich viele Wechselwirkungen der Teillichtstrahlen mit dem Resonatorstapel notwendig sind, bis das Licht der Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares in einen vollständig gebundenen Zustand konvergiert. Dieser gebundene Zustand wird dann überhaupt nicht mehr beeinflusst. Es werden dann also überhaupt keine Anteile dieses Lichts mehr abgelenkt. Es bleibt also zu bedenken, dass zwar die Kopplung mit zunehmender Zahl an Wechselwirkungen verschwindet, dass aber in einem realen Bauelement mit endlichen Dimensionen noch eine endliche Kopplung bzw. Streuung oder Beugung vorhanden ist. Nichtsdestoweniger ermöglicht das hier beschriebene Verfahren sehr hohe lokale Schaltkontraste mit C>1000. Insofern weist der ausgeschaltete Zustand bereits lokal also bei der ersten Wechselwirkung mit dem Resonatorstapel eine sehr geringe Kopplung bzw. Streuung oder Beugung auf, die sich also bei weiterer Propagation weiter verringert, so dass dieser Zustand hier vereinfacht als verschwindende oder fehlende Kopplung, Streuung oder Beugung bezeichnet wird.
• Bei vorliegendem gebundenen Zustand können die Teillichtstrahlen des Lichtstrahlpaares nahezu verlustfrei den Resonatorstapel kreuzend im Wellenleiter propagieren, wohingegen bei eingeschaltetem die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustand die Teillichtstrahlen durch Wechselwirkung mit dem Resonatorstapel, insbesondere durch zumindest im Fernfeld wahrnehmbare Wechselwirkung mit dem Resonatorstapel abgelenkt werden.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik zeigt sich, dass das erzwungene Intensitätsminimum nur durch die Wahl der Phasendifferenz zwischen Teillichtstrahlen eines Lichtstrahls erzeugt wird. Durch geeignete Wahl der Phasendifferenz kann so am Ort der lichtablenkenden Struktur oder der lichtablenkenden Strukturen innerhalb des Resonatorstapels sowohl ein Intensitätsminimum, als auch ein Intensitätsmaximum erzwungen werden, welches die Wechselwirkung mit dem Resonatorstapel minimiert bzw. maximiert bzw. eine Beugungsordnung im Fernfeld minimiert bzw. maximiert. Im Gegensatz zu einem verstimmbaren Knotenminimum einer resonanten Wellenleiter-Mode kann der im Fernfeld erreichbare Kontrast damit theoretisch unendlich groß werden. Das hier beschriebene durch die geeignete Wahl einer Phasendifferenz zwischen Teillichtstrahlen erzwungene Intensitätsminimum unterscheidet sich deshalb grundsätzlich vom Intensitätsminimum einer resonanten Wellenleiter-Mode. Hierdurch ergibt es sich weiterhin, dass die mit der Erfindung zwischen den Zuständen erzielbare Kontraste höher sind als beim Stand der Technik.
• Die eingangs genannten lichtablenkenden Strukturen können jeweils als eine oder mehrere strukturierte Schichten ausgebildet sein, die als separate Schichten als Teil der Schichtengruppe ausgebildet ist. Insbesondere können die strukturierten Schichten auch die äußersten Schichten der Schichtengruppe bilden.
• Vorzugsweise kann die Erfindung vorsehen, dass die wenigstens eine einen Resonator bildende Schichtengruppe innerhalb des Resonatorstapels mindestens eine lichtablenkende Struktur enthält, die von zwei Schichtanordnungen mit jeweils wenigstens einer, insbesondere genau einer einzigen transparenten dielektrischen Schicht umgeben ist, oder eine Schichtanordnung mit jeweils wenigstens einer, insbesondere genau einer einzigen transparenten dielektrischen Schicht umfasst, in der wenigstens eine der Schichten, insbesondere die einzige Schicht, von zwei lichtablenkenden Strukturen umgeben ist, oder eine Schichtanordnung umfasst, in der mehrere lichtablenkende Strukturen und mehrere dielektrische transparente Schichten gestapelt sind. Insbesondere kann eine Schichtengruppe, die einen Resonator bildet, auch nur eine einzige transparente Schicht aufweisen. Insbesondere kann diese einzige Schicht gleichzeitig die lichtablenkende strukturierte Schicht sein oder eine lichtablenkende Struktur umfassen.
• Vorzugsweise ist eine strukturierte Schicht nicht homogen. Das bedeutet, dass innerhalb der strukturierten Schicht wenigstens in einer lateralen Richtung Übergänge zwischen verschiedenen Materialien auftreten. An diesen Übergängen kann Licht, dass sich im Wellenleiter ausbreitet in seiner Richtung abgelenkt werden. Eine streuende Struktur ist im Wesentlichen dadurch charakterisiert, dass diese Übergänge ungeordnet, insbesondere weitgehend ungeordnet sind. Diese ungeordneten Übergänge können einerseits durch statistische Fertigungsprozesse erzeugt werden. So kann eine Oberfläche durch Schleifen, Läppen oder ähnliche lokal statistische Vorgänge so strukturiert werden, dass Streuung entsteht. Ein Beispiel dafür ist eine geschliffene Glasscheibe, die nach dem Schleifen weiß erscheint. Dieses weiße Erscheinungsbild entsteht durch Streuung von Licht. Neben physikalischen Strukturierungsmethoden, wie den beschriebenen, kann eine solche streuende Oberfläche, z.B. auch durch Ätzen oder andere chemische Reaktionen hervorgerufen werden. So kann beispielsweise eine in Flusssäure geätzte Glasscheibe ebenfalls weiß erscheinen. Liegt nun eine streuende Oberfläche, beispielsweise eine streuende Glasoberfläche vor, so kann diese durch Abformung in eine Schicht im Sinne der Erfindung übertragen werden. Dies kann durch verschiedene Methoden realisiert werden. Beispielsweise kann die strukturierte Glasscheibe oder eine strukturierte Scheibe aus anderem Material mit der strukturierten Seite auf eine Schicht, beispielsweise eine Polymerschicht gepresst werden. So wird die Struktur in die Schichtoberfläche übertragen und die Schicht, die vorher transparent aussah, wird dann in ähnlicher Weise streuend. Eine andere Möglichkeit zur Übertragung der Struktur besteht darin, die Schicht auf der strukturierten Oberfläche abzuscheiden und anschließend davon abzulösen. Dieses ist vor allem mit Polymeren leicht durchführbar, die auf der strukturieren Unterlage durch Verdampfen des Lösemittels oder Quervernetzen verfestigt werden. Zur einfacheren Entfernbarkeit der strukturierten Schicht von der strukturierten Unterlage kann eine spezielle die Anhaftung reduzierende Beschichtung der strukturierten Oberfläche vor der Abscheidung der Schicht vorgesehen werden.
• Ist eine Schicht mit strukturierter streuender Oberfläche erzeugt, so streut diese Schicht, weil die strukturierte streuende Oberfläche eine streuende Grenzfläche zu einem Material mit anderem Brechungsindex im Vergleich zum Schichtmaterial bildet. Bei der Betrachtung der einzelnen Schicht ist dieses andere Material zunächst Luft. Würde man diese streuende Oberfläche mit einem Material mit gleichem Brechungsindex und gleicher Absorption wie das Schichtmaterial auffüllen, so würde die Streuung entfernt. Eine streuende Schicht auf Basis einer streuenden Grenzfläche muss also in den beiden an die streuende Grenzfläche angrenzenden Bereichen unterschiedliche Materialien aufweisen. Füllt man also die streuende Schicht mit einem anderen Material auf, so entsteht eine strukturierte Schicht aus zwei verschiedenen Materialien. Wenn die beiden äußeren Oberflächen der Schicht, zwischen denen sich die strukturierte streuende Grenzfläche befindet, im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit eben sind, können die sich beidseitig an diese strukturierte Schicht anschließenden Schichten des Schichtstapels unstrukturierte also planare Schichten sein. Es ist aber auch möglich, dass mehrere strukturierte Schichten aneinander angrenzen.
• Streuende Grenzflächen können natürlich auch mit nicht statistischen Fertigungsprozessen hergestellt werden. Zu diesem Zweck kann eine ungeordnete Struktur auch künstlich erzeugt und z.B. durch durch klassische lithographische Methoden hergestellt werden.
• Neben ungeordneten Grenzflächen kann Unordnung auch im Volumen erzeugt werden. Zu diesem Zweck können z.B. Suspensionen aus Nano- oder Mikropartikel erzeugt werden. Hochbrechende Oxide oder Nitrode oder Diamantpatikel können z.B. innerhalb von Polymerschichten eine starke Streuung hervorrufen. Ebenfalls können Emulsionen oder Schäume innerhalb der Dünnschichten starke Streuung hervorrufen. Ein Beispiel ist der sogenannte Ouzo-Effekt. Mischt man beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polystyrol (PS) jeweils gelöst in einem Lösungsmittel und stellt aus diesem Gemisch eine Schicht her, so ist diese Schicht weiß streuend. Die Herstellung einer Mikroemulsion innerhalb der Flüssigphase lässt sich also in in eine streuende feste Schicht übertragen. Ein anderes Beispiel sind Breath Figures, winzige z.T. sehr homogen verteilte Luftbläschen innerhalb einer abgeschiedenen Polymerschicht. Die Übergänge zwischen verschiedenen Schichtmaterialien, wie im beschriebenen Beispiel der PS/PMMA-Schichten oder zwischen einem Schichtmaterial und eingeschlossenen Partikeln oder Luftbläschen bilden in diesen Beispielen keine geschlossene streuende Grenzfläche mehr. Vielemehr findet hier die Streuung im gesamten Volumen der streuenden Schicht statt.
• Anders als im Fall der Streuung weisen beugende Strukturen eine periodische Ordnung auf. Beugende Strukturen basieren vorzugsweise auf einer Anordnung von Strukturelementen, innerhalb einer Ebene oder um eine Ebene herum, die senkrecht zur Stapelungsrichtung liegt. Strukturelemente können z.B. durch Nanopartikel oder lokale Vor- und/oder Rücksprünge von Material ausgebildet sein. Die Anordnung von Strukturelementen innerhalb einer Struktur und/oder strukturierte Schicht kann in der Ebene der Erstreckung in alle (lateralen) Richtungen gleich ausgebildet sein, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Strukturparameters, oder in wenigstens einer (lateralen) Richtung variierend ausgebildet sein, insbesondere hinsichtlich wenigstens eines Strukturparameters. Ein Strukturparameter kann z.B. der laterale Abstand von Strukturelementen sein.
• Die jeweilige lichtablenkende Struktur kann durch jegliche Art der Wechselwirkung eine zumindest teilweise Ablenkung des Lichtstrahlpaares bzw. von dessen beidseits auf die lichtablenkende Struktur einfallenden Teillichtstrahlen vornehmen. Die Wechselwirkung kann z.B. eine streuende oder beugende oder lokal phasenverändernde sein.
• Wesentlich ist, dass die Wechselwirkung für die beidseits einfallenden Teillichtstrahlen identisch ist bzgl. der Wirkung auf die Amplitude und bzgl. der Wirkung auf die Richtung der abgelenkten Anteile der Teillichtstrahlen, so dass die von beiden Teillichtstrahlen abgelenkten Anteile richtungsgleich und amplitudengleich sind. So kann durch Wahl der Phasendifferenz bestimmt werden, ob diese abgelenkten Anteile der Teillichtstrahlen im Fernfeld konstruktiv oder destruktiv interferieren.
• Die konkrete Ablenkungswirkung, insbesondere der Ablenkungswinkel kann im Wellenleiter an jedem Ort wo eine Ablenkung stattfinden kann, insbesondere an jedem Ort, wo ein Kreuzungsbereich der beidseitigen Teillichtstrahlen vorliegt und sich der Resonatorstapel innerhalb dieses Kreuzungsbereiches befindet, identisch oder auch an verschiedenen Orten unterschiedlich sein. Somit kann der jeweilige Resonatorstapel in der Wellenleiteranordnung überall gleich ausgebildet sein oder lokal unterschiedlich. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass eine oder mehrere lichtablenkende Strukturen im Resonatorstapel nur an solchen Orten vorliegt, wo ein Kreuzungsbereich der beidseits geführten Teillichtstrahlen gegeben ist. Es kann vorgesehen sein außerhalb von Kreuzungsbereichen keine lichtablenkende Struktur vorzusehen.
• Aufgrund der Reziprozität der Ablenkung am Ablenkungsort bzw. Kreuzungsbereich kann mit einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung sowohl ein in der Wellenleiteranordnung propagierendes Lichtstrahlpaar aus dieser ausgekoppelt werden, als auch aus der Umgebung ein Lichtstrahl in die Wellenleiteranordnung eingekoppelt werden. Die Wellenleiteranordnung kann daher zum Aussenden von Licht als auch zum Sammeln von Licht verwendet werden.
• Die Erfindung kann in bevorzugter Ausführung vorsehen, dass der Resonatorstapel auf das Lichtstrahlpaar, bzw. dessen beidseits zum Resonatorstapel verlaufende Teillichtstrahlen eine beugende Wirkung ausübt bzw. ausüben. In diesem Fall beinhaltet der wenigstens eine Resonator des Resonatorstapels wenigstens eine lichtablenkende Struktur bzw. strukturierte Schicht, wobei diese lichtablenkende Struktur oder die entsprechend mehreren lichtablenkenden Strukturen als Gitter ausgebildet ist bzw. sind, bzw. durch periodisch beabstandete Strukturelemente in der lichtablenkenden Struktur bzw. den lichtablenkenden Strukturen.
• Wenn im Folgenden von Beugungskoeffizienten gesprochen wird, dann beziehen sich diese auf den gesamten Resonatorstapel. Die Beugungskoeffizienten stellen dabei die gebeugten Wellen an den jeweiligen Rändern des Resonatorstapels mit den jeweiligen einfallenden Wellen der Teillichtstrahlen an den jeweiligen Rändern des Resonatorstapel ins Verhältnis. Dabei ist unerheblich wie viele Resonatoren mit wie vielen Gitterstrukturen sich im Resonatorstapel befinden. In analoger Weise würde mit den Streukoeffizienten innerhalb eines Resonatorstapels verfahren, der verschiedene streuende Strukturen oder sowohl streuende als auch beugende Strukturen enthält.
• Wenn von Phasen der Teillichtstrahlen gesprochen wird, und diese insbesondere miteinander verglichen werden, ist diese Betrachtung immer auch auf den jeweiligen Rand des Resonatorstapels also auf den jeweiligen Übergang zwischen dem jeweiligen Deckschichtstapel und dem Resonatorstapel bezogen. Besitzt also der von oben auf den Resonatorstapel einfallende Teillichtstrahl an der oberen Grenze des Resonatorstapels die gleiche Phase wie der untere Teillichtstrahl an der unteren Grenze des Resonatorstapels, so sind diese beiden Teillichtstrahlen gleichphasig. Besitzt dagegen der von oben auf den Resonatorstapel einfallende Teillichtstrahl an der oberen Grenze des Resonatorstapels eine um 180° verschiedene Phase im Vergleich zum unteren Teillichtstrahl an der unteren Grenze des Resonatorstapels, so sind diese beiden Teillichtstrahlen gegenphasig.
• Bei einem Resonatorstapel mit beugenden Strukturen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beugungskoeffizienten für die beidseits einfallenden Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares bezüglich der gleichen absoluten Beugungsrichtung amplitudengleich sind. Betrachtet man also z.B. einen Resonatorstapel auf den ein Teillichtstrahl von oben und ein weiterer amplitudengleicher Teillichtstrahl von unten einfällt, so sollen zum ersten beide nach oben gebeugten Anteile der Teillichtstrahlen die gleiche Amplitude aufweisen. Für den von oben einfallenden Teillichtstrahl bedeutet der beschriebene Vorgang eine Beugung in Richtung der Reflexionshalbebene. Für den von unten einfallenden Teillichtstrahl bedeutet der beschriebene Vorgang eine Beugung in Richtung der Transmissionshalbebene. Die Forderung bedeutet also, dass die Amplituden der Beugungskoeffizienten in Richtung dieser beiden Halbebenen gleich groß sein sollen.
• Bei symmetrischem Resonatorstapel bezüglich der Stapelungsrichtung werden dann auch die nach unten gebeugten Anteile der Teillichtstrahlen die gleichen Amplitude aufweisen. Hierbei bezeichnet allgemein ein Beugungskoeffizient d in analoger Weise zu einem Reflexions- oder Transmissionskoeffizient r bzw. t ein komplexwertiges Verhältnis (in Amplitude und Phase) zwischen den Feldstärken eines einfallenden isolierten Teillichtstrahls und den Feldstärken eines resultierend gebeugten Anteils eines Teillichtstrahls.
• Wie beschrieben sind die Beugungskoeffizienten für beidseits einfallende Teillichtstrahlen, aber in dieselbe Richtung gebeugte Anteile der Teillichtstrahlen amplitudengleich. Dadurch ist, wie aus der mathematischen Darstellung der Amplitude zweier interferierender gebeugter Anteile der Teillichtstrahlen |P ∝ d(1 + exp(2iΔΦ))| ersichtlich, sichergestellt, dass amplitudengleich beidseits einfallende und bei der Wechselwirkung mit dem beugenden Resonatorstapel in dieselbe Richtung gebeugte Anteile der Teillichtstrahlen abhängig von der Phase ΔΦ vollständig destruktiv bzw. konstruktiv interferieren können.
• Die Erfindung kann vorsehen, dass die Beugungskoeffizienten für die beidseits des Resonatorstapels einfallenden Teillichtstrahlen entweder gleichphasig oder gegenphasig sind.
• Im Fall gleichphasiger Beugungskoeffizienten des Resonatorstapels kann durch eine Einstellung einer geeigneten Phasendifferenz zwischen den beidseits auf den Resonatorstapel einfallenden Teillichtstrahlen eine destruktive Interferenz der Beugungsordnungen erzielt werden. Im Fernfeld ist sodann eine verschwindende Wechselwirkung zwischen den Teillichtstrahlen und dem Resonatorstapel wahrnehmbar. Es erfolgt eine verschwindende Lichtablenkung. In diesem Fall liegt ein gebundener Zustand des Lichtstrahlpaares vor.
• Bei einer anderen genau einzustellenden Phasendifferenz hingegen erfolgt maximale konstruktive Interferenz der Beugungsordnungen und es ist im Fernfeld eine maximale Wechselwirkung zwischen den Teillichtstrahlen und dem Resonatorstapel wahrnehmbar. Ein Teillichtstrahl wird dabei um den Beugungswinkel wenigstens einer Beugungsordnung, insbesondere zumindest der ersten Beugungsordnung aus seiner Einfallsrichtung auf den Resonatorstapel abgelenkt.
• Im Fall gleichphasiger Beugungskoeffizienten des Resonatorstapels erfolgt hinsichtlich einer Phasendifferenz der beidseitig auf den Resonatorstapel einfallenden Teillichtstrahlen von 180° destruktive Interferenz der Beugungsordnungen und bei einer Phasendifferenz der Teillichtstrahlen von 0° konstruktive Interferenz der Beugungsordnungen.
• Im Fall gegenphasiger, also bezüglich ihrer Phase um 180° verschobener Beugungskoeffizienten, erfolgt hinsichtlich der beidseitig auf den Resonatorstapel einfallenden Teillichtstrahlen von 0° destruktive Interferenz der Beugungsordnungen und bei einer Phasendifferenz der Teillichtstrahlen von 180° konstruktive Interferenz der Beugungsordnung.
• Im beschriebenen Fall von bezüglich der gleichen absoluten Beugungsrichtung amplitudengleichen Beugungskoeffizienten des Resonatorstapels mit einer durch $$\frac{d_i,+,+}{d_i,-,+}=\frac{d_i,+,-}{d_i,-,-}=e^{i\mathrm{\Delta }{\phi }_d}$$

  

  definierten Phasendifferenz von Δφ_d erfolgt hinsichtlich einer Phasendifferenz zwischen dem an der oberen Grenze des Resonatorstapels einfallenden Teillichtstrahl und dem an der unteren Grenze des Resonatorstapels einfallenden Teillichtstrahl von 180°-Δφ_d destruktive Interferenz der Beugungsordnungen und von 0°-Δφ_d konstruktive Interferenz der Beugungsordnungen.
• Es ergibt sich somit, dass durch Änderung der Phasendifferenz der Teillichtstrahlen beidseits des Resonatorstapels also zwischen einem eingeschalteten die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustand und einem ausgeschalteten gebundenen Zustand umgeschaltet werden kann.
• Bei einer bestimmten gegebenen Phasendifferenz setzt sich die eingestellte Wirkung bei weiteren Wechselwirkungen mit dem Resonatorstapel fort. Ist die Phasendifferenz so eingestellt, dass ein gebundener Zustand vorliegt, so liegt bei jedem der in der mittleren Propagationsrichtung hintereinanderliegenden Kreuzungsbereiche ebenfalls ein gebundener Zustand vor. In jedem Kreuzungsbereich, wo der die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernde Zustand eingeschaltet ist, ist hingegen eine im Fernfeld wahrnehmbare Wechselwirkung, insbesondere eine zumindest teilweise Ablenkung der Teillichtstrahlen gegeben.
• Die Erfindung kann daher bevorzugt vorsehen, dass die wenigstens eine Schaltanordnung, insbesondere jede, bezogen auf die mittlere Propagationsrichtung zwischen Kreuzungsbereichen angeordnet ist / sind.
• Vorzugsweise ist einer Vielzahl von Kreuzungsbereichen, z.B. jedem möglichen Kreuzungsbereich eine eigene Schaltanordnung zugeordnet, insbesondere in der mittleren Propagationsrichtung vorgelagert und/oder nachgelagert. So kann für jeden dieser Kreuzungsbereiche entlang der mittleren Propagationsrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren durch wahlweise Änderung der Phasendifferenz festgelegt werden, ob am jeweiligen Kreuzungsbereich eine zumindest teilweise Ablenkung der Teillichtstrahlen (eingeschalteter die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernder Zustand) oder keine Ablenkung (gebundener Zustand) vorliegt.
• Durch eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Kreuzungsbereichen mit zugeordneter Schaltanordnung kann erfindungsgemäß ein Display realisiert werden oder auch ein Lichtsammler.
• Die Erfindung kann vorsehen, dass in einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung ein einziges Lichtstrahlpaar propagiert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass gleichzeitig mehrere Lichtstrahlpaare in einer Wellenleiteranordnung propagieren. Hier besteht insbesondere nur die Notwendigkeit, dass jedes Lichtstrahlpaar ohne Selbstinterferenz propagiert. Lichtstrahlpaare im gebundenen Zustand können sich ohne gegenseitige Beeinflussung kreuzen.
• Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass ein in der Wellenleiteranordnung propagierendes Lichtstrahlpaar aus diesem wahlweise an Kreuzungsbereichen, in denen sich die beidseitigen Teillichtstrahlen kreuzen und sich der Resonatorstapel innerhalb dieser Kreuzungsbereiche befindet, zumindest teilweise ausgekoppelt wird, oder dass ein in der Wellenleiteranordnung propagierendes Lichtstrahlpaar zumindest teilweise an Kreuzungsbereichen seine Propagationsrichtung ändert, insbesondere die mittlere Propagationsrichtung ändert. Z.B. kann das Lichtstrahlpaar zwischen verschiedenen Propagationsbereichen derselben Wellenleiteranordnung umgeschaltet werden. Solche verschiedenen Propagationsbereiche können in einem Display z.B. die Zeilen und Spalten definieren. So kann in einem ersten Propagationsbereich mittels einer Schaltanordnung für einen Kreuzungsbereich, der eine bestimmte Displayzeile definiert, der die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernde Zustand eingeschaltet werden, so dass das Lichtstrahlpaar an der festgelegten Zeile in einen zweiten Propagationsbereich überführt wird, in welchem mit einer Schaltanordnung für einen bestimmten Kreuzungsbereich ebenso durch Einschalten des die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustandes die Spalte bestimmt wird und dort die Teillichtstrahlen aus der Wellenleiteranordnung bzw. dem Display ausgekoppelt werden.
• Dafür kann es vorgesehen sein, dass in einer ersten Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung mehrere erste Schaltanordnungen nebeneinander angeordnet sind und jeder ersten Schaltanordnung mehrere zweite Schaltanordnungen zugeordnet sind, die in einer zweiten Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung, die von der ersten Richtung abweichend ist, insbesondere senkrecht dazu ist, nebeneinander angeordnet sind, wobei mit jeder ersten Schaltanordnungen durch Erzeugen einer vorbestimmten Phasendifferenz zwischen zwei propagierenden Teillichtstrahlen, welche sich im/am Resonatorstapel kreuzen und dabei im Mittel in der ersten Richtung propagieren, Licht zumindest teilweise aus der im Mittel ersten Richtung des Lichtstrahlpaares ablenkbar ist, insbesondere nämlich an dem auf die erste Schaltanordnung folgenden Kreuzungsbereich, das nach der zumindest teilweisen Ablenkung im Mittel in der zweiten Richtung der zugeordneten zweiten Schaltanordnungen propagiert und mit jeder zweiten Schaltanordnung durch Erzeugen einer vorbestimmten Phasendifferenz zwischen zwei propagierenden Teillichtstrahlen des abgelenkten Lichts, welche sich im/am Resonatorstapel kreuzen und dabei im Mittel in der zweiten Richtung propagieren, ein Lichtstrahlpaar bzw. seine Teillichtstrahlen zumindest teilweise aus der im Mittel zweiten Richtung zumindest teilweise ablenkbar ist, insbesondere nämlich an dem auf die zweite Schaltanordnung folgenden Kreuzungsbereich, insbesondere aus der Wellenleiteranordnung heraus.
• Die Erfindung kann im Verfahren zum Betrieb, insbesondere bei Displays vorsehen, dass nach dem Einschalten des die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustands für einen bestimmten Kreuzungsbereich unmittelbar für den in der mittleren Propagationsrichtung nachfolgenden Kreuzungsbereich das Lichtstahlpaar durch eine lokale Phasenänderung zwischen den Teillichtstrahlen wieder in den gebundenen Zustand überführt wird.
• Die Erfindung kann auch vorsehen, durch die Ablenkung der Teillichtstrahlen des Lichtstrahlpaares bei Einschalten des die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustandes das Lichtstrahlpaar bzw. seine Teillichtstrahlen zumindest teilweise aus der Wellenleiteranordnung auszukoppeln und hiernach in eine andere Wellenleiteranordnung wieder einzukoppeln.
• Erfindungsgemäß ist es, insbesondere für die vorbenannten Anwendungen, vorzugsweise vorgesehen, zunächst ein im Wellenleiter propagierendes Lichtstrahlpaar zu erzeugen.
• Die Erfindung kann dafür vorsehen, dass die Wellenleiteranordnung eine Lichtstrahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle umfasst, mit der wenigstens ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl mit begrenztem Strahlquerschnitt erzeugbar ist. Die Wellenleiteranordnung umfasst weiterhin wenigstens eine Koppelvorrichtung, mit welcher der wenigstens eine erzeugte Lichtstrahl in wenigstens eine der Deckschichtstapel einkoppelbar ist.
• Eine Koppelvorrichtung kann z.B. ein auf einen Deckschichtstapel aufgesetztes Prisma umfassen. So kann erzielt werden, dass der Lichtstrahl, insbesondere mit geringsten Koppelverlusten direkt nach der Einkopplung in den Deckschichtstapel in der Wellenleiteranordnung im nötigen Winkel der Totalreflexion propagiert.
• Vorzugsweise können gleichzeitig zwei Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die aus demselben Lichtstrahl durch Strahlteilung erzeugt sind. Diese können so eingekoppelt werden, dass beide Strahlanteile bereits am ersten möglichen Kreuzungsbereich beidseits auf diesen einfallen und somit zwei Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares bilden. Vorzugsweise werden die Amplituden und Phasen beider Strahlanteile bereits außerhalb der Wellenleiteranordnung so eingestellt, dass die am Ort des ersten Kreuzungsbereichs eintreffenden Teillichtstrahlen zu einem gebundenen Zustand des Lichtstrahlpaares oder einem eingeschalteten, die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustand führen.
• Durch Strahlformung in der Lichtquelle, insbesondere dem Laser oder mit einer außerhalb von dieser liegenden Optik kann der Strahlquerschnitt außerhalb der Wellenleiteranordnung so eingestellt werden, dass jeder innerhalb der Wellenleiteranordnung resultierende Teillichtstrahl den nötigen der Gleichung (1) genügenden Querschnitt bei der gegebenen Dicke $t_{D,k}={\displaystyle {\sum }_{i=1}^{P_k}{t}_{D,k,i}}$

  

  des Deckschichtstapels nicht überschreitet. Insbesondere definiert Gleichung (1) das bereits genannte Maximum des erlaubten Querschnittes eines Teillichtstrahls innerhalb der Wellenleiteranordnung. Weiterhin muss der Querschnitt den zur Bildung von Resonanzen notwendigen Mindestquerschnitt wenigstens einer Schichtengruppe mit wenigstens einer lichtablenkenden Struktur innerhalb des Resonatorstapels überschreiten, damit diese als Resonator mit Struktur im Sinne der Erfindung wirkt.
• Die Erfindung kann aber auch vorsehen aus der Umgebung einen Lichtstrahl in die Wellenleiteranordnung einzukoppeln, z.B. einen aus dem Sonnenlicht gebildeten Lichtstrahl. Hierfür kann z.B. eine strahlformende Optik vorgesehen sein, mit der ein räumlich begrenzter Lichtstrahl gebildet wird, der auf die Wellenleiteranordnung einfällt und der in der Wellenleiteranordnung ein Lichtstrahlpaar erzeugt, dessen Teillichtstrahlen für die gegebene Wellenleiteranordnung den genannten Bedingungen von Querschnitt und Propagationswinkel entsprechen.
• Die Erfindung sieht dabei vorzugsweise vor, den einzukoppelnden Lichtstrahl von außen auf die Deckschicht und auf eine Position des Resonatorstapels einfallen zulassen, an welcher ein gedachtes geführtes Lichtstrahlpaar durch Einschalten des die Richtungen der Teillichtstrahlen ändernden Zustandes in die genaue Gegenrichtung des nun einzukoppelnden Lichtstrahls auskoppeln würde. Aufgrund der Reziprozität der Wellenleiteranordnung wird der einzukoppelnde Lichtstrahl entsprechend entgegen der Propagationsrichtung des gedachten Lichtstrahlpaares in die Wellenleiteranordnung durch die Erzeugung eines Lichtstrahlpaares eingekoppelt.
• Die Erfindung kann vorsehen nach einer Einkopplung eines Lichtstrahls aus der äußeren Umgebung durch Erzeugung eines Lichtstrahlpaares mit einer Schaltanordnung an einem Kreuzungsbereich, welcher in der mittleren Propagationsrichtung auf den Ort der Einkopplung folgt, eine Phasenänderung zwischen den beidseits des Resonatorstapels propagierenden Teillichtstrahlen des erzeugten Lichtstrahlpaares zu bewirken, um die sofortige Wiederauskopplung des Lichtstrahlpaares bzw. seiner Teillichtstrahlen zu unterbinden.
• Das erzeugte Lichtstrahlpaar besteht aus durch Totalreflexion geführten, in der Wellenleiteranordnung symmetrischen Teillichtstrahlen bezüglich der Stapelungsrichtung, welche sich im Kreuzungsbereich kreuzen.
• Die lichtablenkende Struktur oder die lichtablenkenden Strukturen innerhalb des Resonatorstapels sollen im Kreuzungsbereich, vorzugsweise möglichst nah an der Mitte dieses Kreuzungsbereiches liegen, insbesondere so dass sie auf jeweils wenigstens 90% ihrer beleuchteten Fläche von beiden Teillichtstrahlen getroffen werden und umgekehrt auf maximal 10% ihrer beleuchteten Fläche nur von einem einzelnen Teillichtstrahl getroffen werden.
• In allen möglichen Ausbildungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Schaltanordnung ausgebildet ist durch wenigstens zwei Elektroden, zwischen denen zumindest zeitweise ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei das erzeugte elektrische Feld ein optisch nichtlinear wirkendes, transparentes Material durchsetzt, wobei wenigstens eine der transparenten dielektrischen Schichten, insbesondere über deren gesamte Schichterstreckung hinweg, aus einem optisch nichtlinear wirkenden Material ausgebildet ist.
• Ein solches Material kann vorzugsweise eines sein, welches einen Kerr- und/oder Pockels-Effekt bereitstellt. Vorzugsweise kann das Material ein flüssiges Material sein. Das Material kann auch z.B. ein Polymer sein, welches mit einem KerrEffekt-Material oder einem Pockels-Effekt-Material dotiert ist.
• Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zwischen zwei Elektroden der Schaltanordnung zwei beidseits des Resonatorstapels liegende Deckschichten der Deckschichtstapel, angeordnet sind, die unter der Wirkung desselben elektrischen Feldes eine unterschiedliche, beispielsweise eine im Vorzeichen entgegengesetzte Änderung der Brechungsindizes erfahren.
• Dieses kann z.B. erreicht werden, indem die Deckschichtstapel aus jeweils einer einzigen Deckschicht bestehen, die auf einer Seite mit einem nichtlinearen Material dotiert werden und auf der anderen Seite mit einem linearen Material mit ähnlichen Brechungsindex dotiert werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht im Fall eines Pockels-Effekt-Materials in der Wahl der beidseitigen Deckschichten aus demselben Material mit unterschiedlichen Kristallrichtungen relativ zur Stapelungsrichtung. Durch diese Maßnahme werden die Brechungsindizes der Deckschichten oder allgemeiner die mittleren Brechungsindizes der Deckschichtstapel bei Anlegen eines elektrischen Feldes in unterschiedlicher Weise beeinflusst. In einer üblichen Ausführung bliebe dabei der Resonatorstapel symmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung, wohingegen die Symmetrie bezüglich der Stapelungsrichtung der gesamten Anordnung leicht gebrochen wird, so dass die Phase der Teillichtstrahlen in unterschiedlicher Weise geändert und die relative Phase der Teillichtstrahlen eingestellt wird. In analoger Weise ist es auch denkbar, gegenüberliegende Schichten des Resonatorstapels mit unterschiedlichen nichtlinearen Pockels- oder Kerrkoeffizienten zu versehen, so dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes die Symmetrie des Resonatorstapels bezüglich der Stapelungsrichtung beeinflussbar wird. Auch eine gleichzeitige Beeinflussung der Symmetrie bezüglich der Stapelungsrichtung innerhalb des Resonatorstapels und der Symmetrie bezüglich der Stapelungsrichtung der beiden Deckschichtstapel ist denkbar.
• In allen möglichen Ausbildungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Schaltanordnung ausgebildet ist durch zumindest eine an einer der äußeren Grenzflächen der Deckschichtstapel angebrachte phasenändernde, aber dennoch totalreflektierende Anordnung. Diese phasenändernde Anordnung kann als elektrisch, thermisch, akustisch, mechanisch, elektro-optisch, thermooptisch, akusto-optisch, mechano-optisch, photorefraktiv, oder im Polarisationszustand veränderbare Metaoberfläche, nicht-lokalisierter dielektrischer oder plasmonischer Resonator, lokalisierter dielektrischer oder plasmonischer Resonator bzw. Wellenleiter, Flüssigkristallanordnung, Anordnung von Phasenwechselmaterialien, Photonischer Kristall und/oder deren Kombination ausgeführt sein.
• In allen möglichen Ausbildungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Ausschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln der Wellenleiteranordnung durch zeitliche Modulation der Teillichtstrahlen, insbesondere durch Verwendung von gepulsten Teillichtstrahlen erreicht wird. Hierbei liegt genau dann zumindest auf einem Teil der Strahlengänge der Teillichtstrahlen jeweils ein Bereich ohne Selbstinterferenz vor, wenn die Bedingung $$c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\le 2{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{P_k}\frac{t_{D,k,i}{n}_{D,k,i}}{cos{\theta }_{D,k,i,min}}}$$

  

  gilt, wobei θ_D,k,i,min der kleinste in der Deckschicht i auftretende Winkel eines Teillichtstrahls, n_D,k,i der Brechungsindex der Deckschicht i, c die Lichtgeschwindigkeit und Δτ_p die zeitliche Pulsdauer eines Pulses ist. Auch hier ist der Winkel θ_D,k,i,min gemessen zum Normalenvektor der Deckschicht i, also zur Stapelungsrichtung, zu verstehen. Ein solcher Bereich ohne Selbstinterferenz kann vorzugsweise dann zur lokalen und/oder zeitlichen Veränderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Teillichtstrahlen verwendet werden.
• Im Gegensatz zum Deckschichtstapel muss für eine resonant wirkende Schichtengruppe k die Bedingung $$c\mathrm{\Delta }{\tau }_p>2{\displaystyle {\sum }_{i=l}^m\frac{t_{R,k,i}{n}_{R,k,i}}{cos{\theta }_{R,k,i,max}}},$$

  

  erfüllt sein, wobei θ_R,k,i,max der größte in der jeweiligen Schicht i der Schichtengruppe k auftretende Winkel eines Teillichtstrahls ist.
• Zum Ausschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichten der Wellenleiteranordnung bei Lichtstrahlen mit beschränkter Kohärenzlänge gelten dieselben Bedingungen wie für die im vorigen Abschnitt beschriebenen Lichtpulse. Hierbei ist die Pulsdauer Δτ_ρ durch die Kohärenzzeit Δτ zu ersetzen.
• Durch die Verwendung von Materialien mit zeitlich variablem Brechungsindex können Systeme mit zeitlich modulierten Intensitäten der Teillichtstrahlen entstehen. Eine solche Modulation wurde im Zusammenhang mit thermisch erzeugten Brechungsindexänderungen (Thermo-optischer Effekt) experimentell mit Modulationsperioden im Sekundenbereich beobachtet. Kürzere Modulationsperioden bzw. höhere Modulationsfrequenzen können durch Ausnutzung des Pockels-Effektes, Kerr-Effektes, magneto-optischen Kerr-Effektes, akusto-optischen Effektes oder mechano-optischen Effektes und deren Kombination entstehen.
• Die Rückführung eines Teillichtstrahls zum Resonatorstapel kann auch durch kontinuierliche Brechung innerhalb eines Deckschichtstapels erfolgen, welcher einen Gradientenbrechungsindex aufweist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert.
• Die 1a zeigt den schematischen Aufbau einer Wellenleiteranordnung mit einer lichtablenkenden Struktur 4, die zwischen den Schichten 3a1, 3a2, 2a und 3b1, 3b2, 2b eingebettet ist. Gezeigt ist eine insgesamt 2140 nm dicke Wellenleiteranordnung. Im Gegensatz zu den in diesem Patent beschriebenen Wellenleiteranordnung ist die in 1a beispielhaft gezeigte Wellenleiteranordnung also bezüglich der Deckschichten 2a und 2b zu dünn, so dass Selbstinterferenz nicht vermieden werden kann. Die hier beispielhaft ausgeführte lichtablenkenden Struktur 4 weist eine Dicke von 100 nm auf und besteht aus einer sich abwechselnden, periodischen Aneinanderreihung von gleich großen Bereichen bestehend aus einem Kernmaterial mit dem Brechungsindex n_core bzw. aus Luft mit Brechungsindex n_g. Diese Bereiche sind von rechteckigem Querschnitt und setzen sich senkrecht zur Bildebene unendlich weit fort. Die Länge jedes Bereiches beträgt 277.5 nm, so dass die Periode des so entstehenden Gitters 555 nm beträgt. Der Brechungsindex der Schichten 3a1 und 3b1 ist jeweils größer als der Brechungsindex der Schichten 3a2 und 3b2. Licht kann an den Grenzflächen zwischen den Schichten 3a1 und 3a2 bzw. 3b1 und 3b2 totalreflektiert werden, sodass die Schichten 3a1, 3b1 und 4 den Kern eines lichtführenden Wellenleiters bilden. Zusammen bilden die Schichten 3a1,3a2,3b1,3b2 und die lichtablenkende Struktur 4 einen Resonator des Resonatorstapels, der in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig den gesamten Resonatorstapel bildet.
• Die Schichtdicken der Schichten 3a2 und 3b2 sind in der hier gezeigten Ausführung klein gegenüber der durch Evaneszenz bedingten Eindringtiefe des elektrischen Feldes in die Schichten 3a2 und 3b2. Als Folge kann an den Grenzflächen zwischen den Schichten 3a1 und 3a2 bzw. 3b1 und 3b2 total reflektiertes Licht mittels des Tunneleffektes in die Schichten 2a bzw. 2b gelangen. Die äußeren Grenzflächen der Wellenleiteranordnung, also die äußeren Grenzflächen der Schichten 2a und 2b, können Licht ebenfalls totalreflektieren.
• Unter Einfall einer unendlich ausgedehnten ebenen Welle ergibt sich die in 1b dargestellte Transmission T in nullter Ordnung in Abhängigkeit des Einfallswinkels θ_ext. Dieser Transmissionsverlauf weist zwei (Fano-)Resonanzen auf, welche sich durch die Kopplung der einfallenden ebenen Welle mit der symmetrischen TE₀ Mode bzw. der antisymmetrischen TE₁ Mode der Wellenleiteranordnung ergeben. Die aus dem Einfall der ebenen Welle resultierenden Feldverteilungen, bezeichnet durch |E²|@TE_i mit i als Modenindex, sind in der 1c gezeigt. Die TE₁ Mode besitzt eine Position verschwindender Intensität I ∝ |E|², die im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 liegt (1d). Die TE₀ Mode hingegen weist keine solche Position verschwindender Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 auf.
• Die 2 zeigt die Änderung der Transmission T der in 1 erläuterten Wellenleiteranordnung unter symmetrischer Erhöhung der Schichtdicken der Deckschichten 2a und 2b auf jeweils 5 µm (2a) bzw. 18 µm (2c). Als Folge dieser Schichtdickenerhöhung steigt die Zahl der Moden und somit der im Transmissionsverlauf sichtbaren Resonanzen an (2b für Anordnung aus 2a, 2d für Anordnung aus 2c). Für große Schichtdicken t_D,k (k ∈ (a, b)) der Deckschichten 2a und 2b konvergiert die Zahl der Moden gegen den analytischen Ausdruck eines planaren bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrischen Wellenleiters gemäß $M={\left[\frac{4\left(t_{D,a}+t_{D,b}\right)}{\lambda }{\left(n_S^2-n_{ext}^2\right)}^{\frac{1}{2}}\right]}_{\text{integer}},$

  

  wobei der Index „integer“ hierbei die größte ganze Zahl unterhalb des Ausdrucks in den eckigen Klammern symbolisiert.
• Die 3 zeigt die Transmission T eines seitlich begrenzten Lichtstrahls bzw. Teillichtstrahls mit einem Winkel θ_D,k,i = θ_D,k = θ_int in nullter Ordnung innerhalb eines aus einer Deckschicht bestehenden Deckschichtstapels. Die Dicken der Deckschichten 2a und 2b dieser Wellenleiteranordnung sind in dieser Figur als unendlich angenommen. Davon abgesehen ist die Wellenleiteranordnung mit den in den 1 und 2 gezeigten Wellenleiteranordnungen identisch. Ausgehend von 1a über 2a und 2c zu dieser 3a wird also die Dicke des in der hier gezeigten Ausführung jeweils aus einer Deckschicht bestehenden Deckschichtstapels schrittweise erhöht. Bei der nun unendlichen Dicke der Deckschichten ist die Bedingung der räumlichen Vermeidung der Selbstinterferenz in der jeweiligen Deckschicht jetzt erstmals erfüllt. Der Lichtstrahl ist als Gauß-Strahl mit einer Strahlbreite von 500 µm und einem mittleren Reflexions- bzw. Einfallswinkel θ_D,k = θ_int modelliert. Durch die seitliche Begrenzung des Lichtstrahls erfolgt Selbstinterferenz nur innerhalb des durch die Schichten 3a1, 3a2, 3b1, 3b2 und 4 gebildeten Resonators. Die Schichten 3a1, 3a2, 3b1, 3b2 und 4 bilden hier einen Resonatorstapel im Sinne der Erfindung. Insbesondere erfolgt keine Selbstinterferenz in den Deckschichten 2a und 2b. Der dargestellte Transmissionsverlauf weist trotz der hohen Dicke der Deckschichten 2a und 2b im dargestellten Winkelbereich nur zwei Resonanzen auf (3b). Die zu diesen Resonanzen gehörenden Feldverteilungen sind in 3c gezeigt. Diese Feldverteilungen entstehen durch die Kopplung des einfallenden Strahls mit der TE₀ Mode bzw. der TE₁ Mode (Bild 3d) des als Wellenleiter ausgeführten Resonators, dessen Kern durch die Schichten 3a1, 3b1 und 4 gebildet wird. Analog zu 1 weist die TE₁ Mode eine verschwindende Intensität innerhalb des Bereiches der lichtablenkenden Struktur 4 auf (3d). Während beim Übergang der 1a, über 2a zu 2c als Folge steigender Dicken der Deckschichten die Zahl der Moden und somit der im Transmissionsverlauf sichtbaren Resonanzen ebenfalls gestiegen ist, ist nun diese Tendenz trotz unendlich angenommener Dicke nicht mehr festzustellen. Das liegt an der räumlichen Vermeidung von Selbstinterferenz in den Deckschichten, die erreicht wurde durch den Übergang des Einfalls einer ebenen Welle auf den Einfall eines räumlich begrenzten Strahls sowie auf die Verwendung von Deckschichtdicken, die groß sind gegenüber der Breite dieses Strahls.
• Die 4 zeigt die Feldverteilung für dieselbe Wellenleiteranordnung wie in 3 unter Anregung mit nun zwei seitlich begrenzten Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares, in dessen Kreuzungsbereich ein durch die Schichten 3a1,3a2, 3b1,3b1 und die lichtablenkende Struktur 4 gebildeter und als Wellenleiter ausgeführter Resonator liegt (4a). In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Resonatorstapel also nur aus einem Resonator. Die Teillichtstrahlen sind hier wie in 3 beschrieben als Gauß-Strahlen modelliert. Im unteren Bereich der Figur sind nun nicht die Moden des als Wellenleiter ausgeführten Resonators gezeigt, dessen Kern durch die Schichten 3a1, 3b1 und die lichtablenkende Struktur 4 gebildet wird, sondern die sich durch die Anregung durch die beiden Gauß-Strahlen ergebenden Feldverteilungen (4b). Durch Variation der relativen Phase 2Δφ zwischen den beiden Teillichtstrahlen können Feldverteilungen erreicht werden, die unabhängig von der angeregten Mode eine verschwindende Intensität bzw. ein Maximum der Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 aufweisen können. Insbesondere liegt in der hier gezeigten Ausführung eine solche verschwindende Intensität für 2Δφ = π und eine solche maximierte Intensität für 2Δφ = 0 vor. In diesem Sinne wird bei diesem Verfahren das Vorhandensein einer Position verschwindender Intensität bei der lichtablenkenden Struktur 4 durch die Anregung von außen kontrolliert und hängt dabei nicht mehr vorranging vom Vorhandensein von Knoten innerhalb der angeregten Eigenmoden des Resonators ab. Das bedeutet, dass grundsätzlich auch bei geraden Moden, also bei Einfallswinkeln, die z.B. zur Anregung der TE₀-Mode führen ein Ausschalten der Wechselwirkung mit der lichtablenkenden Struktur 4 möglich wird.
• Die 5 zeigt die Transmission T einer Wellenleiteranordnung unter Anregung mit einem seitlich begrenzten Lichtstrahl in analoger Weise zu 3. Im Gegensatz zu 3 besteht die Schichtengruppe, die den optischen Resonator bildet, nur noch aus drei Schichten (3a1, 3b1, 4). Der Brechungsindex der Schichten 3a1 und 3b1 ist weiterhin kleiner als derjenige der Deckschichten 2a und 2b. Durch die Wegnahme der Schichten 3a2 und 3b2 gibt es nun also keine Totalreflexion mehr an den äußeren Grenzflächen der Schichten 3a1 und 3b1. Diese Grenzflächen führen also nicht mehr zu lichtführender Wellenleitung also zur Bildung eines als Wellenleiter ausgeführten Resonators mit den Schichten 3a1, 3b1 und 4 als Kern. Die im Transmissionsverlauf auftretenden Resonanzen und dazugehörigen Feldverteilungen (5b, 5c) weisen also nicht mehr auf anregbare Wellenleitermoden hin und können stattdessen als Kopplung des Gauß-Strahls mit den Fabry-Perot Moden FP₀ und FP₁ eines durch die Schichten 3a1, 3b1 und die lichtablenkende Struktur 4 gebildeten Fabry-Perot Resonators verstanden werden. Analog zu den 1 und 3 liegt eine verschwindende Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 für die antisymmetrische FP₁ Mode vor (5d). Hingegen weist die symmetrische FP₀ Mode keine solche verschwindende Intensität auf.
• 6 zeigt, dass auch für die in 5 beschriebene Wellenleiteranordnung unter Anregung mit zwei Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares sowohl Minima als auch Maxima der Feldstärke durch Variation der relativen Phase 2Δφ der beiden Teillichtstrahlen eingestellt werden können. Dieses Verhalten zeigt, dass die verschwindende Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 für 2Δφ = π durch die äussere Anregung der beiden Teillichtstrahlen genau dann erzwungen werden kann, wenn keine Selbstinterferenz in den Deckschichten 2a und 2b vorliegt. Hieraus wird insbesondere ersichtlich, dass der durch die Schichten 3a1, 3b1 und die lichtablenkende Struktur 4 gebildete Resonator, insbesondere Fabry-Perot Resonator zur Erzeugung einer solchen verschwindenden Intensität nicht per se eine Fabry-Perot Resonanz mit verschwindender Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4 aufweisen muss. Ebenfalls ist keine Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen den Schichten 3a1 und 2a bzw. 3b1 und 2b erforderlich, sodass das zum Erreichen des beschriebenen Phänomens lediglich ein Resonator zwischen den Schichten 3a2 und 3b2 erforderlich ist. In der in den 5 und 6 gezeigten Wellenleiteranordnung findet Totalreflexion und damit dielektrische Wellenleitung nur an den äußeren Grenzflächen der Deckschichten 2a und 2b statt. Aus Gründen der mathematischen Einfachheit sind diese Grenzflächen zwar gedanklich ins Unendliche verschoben, jedoch ist in der technischen Umsetzung selbstverständlich eine endliche aber ausreichend große Dicke zu wählen, um Selbstinterferenz in den Deckschichten 2a und 2b zu vermeiden. Mit diesem Verständnis bleibt die in den 5 und 6 gezeigte Anordnung im technischen Sinn eine Wellenleiteranordnung.
• Allgemeiner dient, wie in 7 dargestellt, ein Resonatorstapel (aus wenigstens einer Schicht 3 und Struktur 4) unter Anregung von zwei Teillichtstrahlen unter Ausschluss von Selbstinterferenz außerhalb des Resonatorstapels der betragsmäßigen Gleichstellung von an den Außengrenzen des Resonatorstapels definierten Beugungskoeffizienten d_i,k,l, sodass je nach relativer Phasendifferenz 2Δφ zwischen den Teillichtstrahlen Beugungen, also gebeugte Anteile der Teillichtstrahlen mit gleicher Richtung, im Fernfeld destruktiv interferiert (ausgelöscht) oder konstruktiv interferiert (verstärkt) werden können. Hierbei bezeichnet der Index i ∈ ℤ die Beugungsordnung und k, l ∈ {+, -} den Halbraum bezüglich der z-Achse, aus dem bzw. in den gebeugt wird. Insbesondere muss bezüglich eines einzelnen Teillichtlichtstrahls unter vollständiger Spiegelsymmetrie des Resonatorstapels bezüglich der Stapelungsrichtung die Bedingung |d_i,++| = |d_i,-+| erfüllt sein, damit zwei Teillichtstrahlen zu destruktiv interfierenden Beugungen führen können. Solche wenigstens nahezu vollständig destruktiv interferierenden Beugungen lassen sich durch den Satz P_i,+ = |d_i,++ exp(iΔΦ) + d_i,-+ exp(-iΔΦ)|² ≈ 0 ≈ P_i,- ∀ i ≠ 0 ausdrücken. In dem hier aufgeführten Beispiel äußert sich diese Gleichstellung der Beugungskoeffizienten durch die beschriebene verschwindende Intensität im Bereich der lichtablenkenden Struktur 4, welche somit als unterdrückte Wechselwirkung zwischen den einfallenden Gauß-Strahlen und der lichtablenkenden Struktur 4 aufgefasst werden kann. Für allgemein bezüglich der Stapelungsrichtung asymmetrische Resonatorstapel muss gleichzeitig |d_i,++| = |d_i,-+| und |d_i,--| = |d_i,+-| gelten.
• Eine zweite wichtige Eigenschaft dieses Satzes von Beugungskoeffizienten ist das Verhalten unter konstruktiver Interferenz, also der maximierten Wechselwirkung zwischen den einfallenden Teillichtstrahlen und der zumindest einen lichtablenkenden Struktur 4. Das durch die Beugungskoeffizienten an den äußeren Rändern des Resonatorstapels erfasste Ausmaß dieser Wechselwirkung bestimmt darüber, welcher Anteil der in der Wellenleiteranordnung propagierenden Teillichtlichtstrahlen von ihrer Propagationsrichtung abgelenkt oder aus der Wellenleiteranordnung herausgelenkt wird. Insbesondere ist die Eigenschaft einer vollständigen Ablenkung der Teillichtstrahlen für binäre technische Anwendungen wichtig. Für eine solche vollständige Ablenkung müssen bei einem bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrischen Resonatorstapel die Beugungskoeffizienten in nullter Ordnung, also d_0,+,+ und d_0,-,+ betrachtet werden, welche im Stand der Technik üblicherweise als Reflexions- und Transmissionskoeffizient bezeichnet werden. Zunächst wird der Fall beschrieben, unter welchem destruktive Interferenz im Fernfeld für eine Phasendifferenz von 2ΔΦ = π vorliegt. Gilt hier weiterhin d_0,+,+ = -d_0,-,+ und |d_0,+,+| = |d_0,-,+| = 0.5, so wird bei konstruktiver Interferenz, also 2ΔΦ = 0, jeder Teillichtstrahl im verlustlosen Fall vollständig in Beugung überführt, denn aufgrund von |d_0,+,+ - d_0,-,+| = |P_0,+| = |P_0,-| = |P_0,+,-d_0,-,-| = 0 verbleibt keine Leistung mehr in der propagierenden nullten Ordnung. Dies wird als vollständige Beugung im Fernfeld bezeichnet.
• Prinzipiell existieren auch hier Resonatorstapel, die unter von 2ΔΦ = 0 verschiedenen Werten zu vollständiger Beugung im Fernfeld führen können. Insbesondere existieren Resonatorstapel, für welche vollständige Beugungen im Fernfeld für 2ΔΦ = π vorliegen.
• Ferner stellen die Ausführungen in den 1-6 einen Spezialfall dar. Prinzipiell existieren Resonatorstapel, die unter von π verschiedenen Werten von 2Δφ zu destruktiv interferierender Beugung im Fernfeld führen können. Insbesondere existieren Resonatorstapel, für welche destruktiv interferierende Beugungen für 2Δφ = 0 vorliegen.
• Allgemein gilt für die Ausführungen in den 1-6 sowie für andere Ausführung basierend auf dem gleichen Prinzip von zwei zumindest einen Resonator anregenden sich kreuzenden Teillichtstrahlen, dass außerhalb des zumindest einen Resonators des Resonatorstapels gemäß den Bedingungen in 10 keine Selbstinterferenz vorliegen darf. Hingegen muss innerhalb des zumindest einen Resonators des Resonatorstapels schon bezüglich eines einzelnen einfallenden Teillichtstrahls Selbstinterferenz vorliegen. Dieses Vorliegen von Selbstinterferenz innerhalb des zumindest einen Resonators des Resonatorstapels ist eine notwendige Bedingung zur Erzeugung einer Resonanz und damit zum Erreichen von |d_i,++| = |d_i,-+| und |d_i,--| = |d_i,+-| für nicht verschwindende Dicken der zumindest einen lichtlenkenden Struktur 4.
• Die 8a zeigt eine Ausführung einer Wellenleiteranordnung mit einem bezüglich der Stapelungsrichtung spiegelsymmetrischen Resonator mit Schichten 3a1, 3b1 und Strukturen 4a1, 4b1 als ergänzendes Beispiel zu 7. Der Resonatorstapel umfasst oder besteht aus einem Resonator mit zwei Strukturen, z.B. Beugungsgittern 4a1, 4b1 an den Rändern der dielektrischen Schichten 3a1 und 3b1 (8b).
• Bezüglich der Definitionen der einfallenden Teillichtstrahlen gelten analoge Erklärungen wie zu den 4 bzw. 6. Für den Fall 2Δφ = 0 liegen nun verschwindende Intensitäten in den Bereichen der lichtablenkenden Strukturen 4a1 und 4b1 vor (8c). Hingegen wird für den Fall 2Δφ = π die Intensität in den Bereichen der lichtablenkenden Strukturen 4a1 und 4b1 maximiert. Analog zu den Erklärungen in 7 liegt eine verschwindende Beugung im Fernfeld für den Fall 2Δφ = 0 und eine maximierte Beugung für den Fall 2Δφ = π vor. Die gezeigte Ausführung zeigt somit ein Beispiel für zumindest nahezu verschwindende Beugung im Fernfeld unter einer von π verschiedenen relativen Phase zwischen den beiden Teillichtstrahlen.
• Die 9 zeigt eine Ausführung einer Wellenleiteranordnung, bei welcher im Gegensatz zur 4 die Schichtdicke der Schicht 3a1 auf 1000 nm, die Schichtdicke der Schicht 3b1 auf 1900 nm und die Schichtdicke der lichtablenkenden Struktur 4 auf 200 nm gewählt wurde. Der Einfallswinkel beträgt θ_int = 41° und die Wellenlänge beträgt λ = 537 nm. Analog zur 4 liegt bei einer Phasendifferenz von 2ΔΦ = 0 eine maximierte Wechselwirkung und für 2ΔΦ = π eine minimierte Wechselwirkung mit der lichtablenkenden Struktur 4 vor. Der maßgebliche Unterschied eines solchen bezüglich der Stapelungsrichtung asymmetrischen Resonators im Vergleich zu einem bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrischen Resonator wie in 4 ist der eingeschränkte Parameterbereich bezüglich des Einfallswinkels und der Wellenlänge, unter welchem nahezu vollständige destruktive bzw. konstruktive Interferenz im Fernfeld bezüglich jeder Beugungsordnung stattfinden kann. Das hier gezeigte Beispiel soll somit demonstrieren, dass das in den 1-6 beschriebene Konzept auch auf bezüglich der Stapelungsrichtung asymmetrische Resonatoren angewendet werden kann, sofern die Geometrieparameter und Materialien des Wellenleiters auf einen entsprechenden Einfallswinkel und eine entsprechende Wellenlänge optimiert werden.
• Die 10 zeigt schematisch den Einfall eines externen Lichtstrahls mit Durchmesser ∅_ext unter einem Einfallswinkel θ_ext auf eine Wellenleiteranordnung mit einem Resonator zwischen zwei Deckschichten 2a, 2b zur Darstellung von Selbstinterferenz. Ab einem bestimmten, in 11 näher charakterisierten Strahldurchmesser überlagern sich in nullter Ordnung transmittierte und reflektierte Anteile der Teillichtstrahlen. Solche Bereiche (schraffiert dargestellt) weisen somit Selbstinterferenz auf. Gleichzeitig werden in diesem Fall die Schichten 3a1, 3b1 und die lichtablenkende Struktur 4, die den optischen Resonator bilden auf ihrer gesamten Oberfläche beleuchtet. Bei erfolgreicher räumlicher Vermeidung von Selbstinterferenz in den Deckschichten 2a, 2b bleiben Bereiche dieser Schichtfolge unbeleuchtet, die hier in der Mitte der weiß bleibenden Rhomben erkennbar sind.
• Die 11 dient der mathematischen Beschreibung zur räumlichen Vermeidung von Selbstinterferenz innerhalb eines Deckschichtstapels. Die 11a zeigt einen Deckschichtstapel 2k bestehend aus P_k Deckschichten 2k1 bis 2kP_k mit entsprechenden Schichtdicken t_D,k,1 bis t_D,k,Pk und Brechungsindizes n_D,k,1 bis n_D,k,Pk . Die Dicke t_D,k eines Deckschichtstapels ist generell mit Index k ∈ (a, b) gegeben durch $$t_{D,k}={\displaystyle \sum _{i=1}^{P_k}{t}_{D,k,i}}$$

  

  mit der entsprechenden Schichtdicke t_D,k,i einer jeden Deckschicht 2ki des Deckschichtstapels. Der Brechungsindex jeder Deckschicht ist entsprechend gegeben durch n_D,k,1 bis n_D,k,Pk .
• Ein Teillichtstrahl eines Lichtstrahlpaares, welcher den Deckschichtstapel durchläuft, wird an jeder Grenzfläche gemäß des Brechungsgesetzes nach Snellius gebrochen. Teilreflexionen an Grenzflächen einzelner Deckschichten können dabei zu Selbstinterferenz innerhalb zumindest einer Anzahl R Deckschichten, wobei 1 ≤ R ≤ P_k, führen, wie in 11b in Deckschicht 2k(P_k - 2) beispielhaft angedeutet. Für den räumlichen Ausschluss von Selbstinterferenz in jeder einzelnen Deckschicht 2ki gilt für jede Schichtdicke t_D,k,i: $$t_{D,k,i}\ge \frac{{\varnothing }_{D,k,i,max}}{2sin\left({\theta }_{D,k,i,min}\right)}$$

  

  wobei ∅_D,k,i,max dem maximalen Strahldurchmesser eines Teillichtstrahls innerhalb der Deckschicht 2ki und θ_D,k,i,min dem durch den Teillichtstrahl und die Flächennormale der Deckschicht 2ki eingeschlossenen kleinsten Winkel entspricht.
• Selbstinterferenz in einzelnen Deckschichten kann vorzugsweise außerdem durch Unterdrückung von Teilreflexionen ausgeschlossen werden. Der Deckschichtstapel wird dazu bevorzugt durch mehrere Deckschichten mit sehr geringen Brechungsindexdifferenzen (Teilreflexionen reduziert), oder mit Deckschichten aus dem gleichen transparenten Material oder mit nur einer einzigen Deckschicht (Teilreflexionen minimiert) realisiert.
• Für eine Ausführung mit mehreren Deckschichten mit sehr geringen Brechungsindexdifferenzen gilt für die weitgehende Vermeidung von Selbstinterferenz im gesamten Deckschichtstapel die Bedingung $$\text{max}\left(\frac{{\varnothing }_{D,k,i,max}}{\text{cos}\left({\theta }_{D,k,i,min}\right)}\right)\le 2{\displaystyle \sum _{i=1}^{P_k}{t}_{D,k,i}}\text{tan }{\theta }_{D,k,i,min}$$

  

  wobei $\text{max}\left(\frac{{\varnothing }_{D,k,i,max}}{\text{cos}\left({\theta }_{D,k,i,min}\right)}\right)$

  

  dem maximalen in laterale Richtung projizierten Strahldurchmesser innerhalb einer Deckschicht entspricht.
• Für die bevorzugte Ausführung mit Deckschichtstapeln mit nur einer Deckschicht (P_a = P_b = 1) gilt für den räumlichen Ausschluss der Selbstinterferenz für die Dicke t_D,k der jeweiligen Deckschichtstapel aus nur einer Deckschicht $$t_{D,k}=t_{D,k\mathrm{,1}}\ge \frac{{\varnothing }_{D,k\mathrm{,1,}max}}{2\text{sin}\left({\theta }_{D,k\mathrm{,1,}min}\right)}.$$

  

  Zum Vergleich kann unter der Bedingung $$t_{D,k}=t_{D,k\mathrm{,1}}<\frac{{\varnothing }_{D,k\mathrm{,1,}max}}{2\text{sin}\left({\theta }_{D,k\mathrm{,1,}min}\right)}$$

  

  Selbstinterferenz für als Parallelstrahlen ausgeführte Teillichtstrahlen innerhalb des Deckschichtstapels auftreten.
• Die 10 und 11 zeigen Beispiele zur räumlichen Vermeidung der Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln. Die Wirkung einer vermiedenen Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln wird beim Vergleich der 2b und 3b offenkundig. Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln führt zu ungewollten Resonanzen, die sowohl durch Simulationen vorhergesagt werden können, als auch spektroskopisch gemessen werden können. Bei erfolgreicher Vermeidung von Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln treten nur die gewünschten Filmresonanzen auf, also die Resonanzen innerhalb des einen Filmresonators oder der mehreren Filmresonatoren. Aus praktischer Sicht genügt es, die Wirkung der unerwünschten Resonanzen soweit zu reduzieren, dass die Eigenschaften des Bauelementes nicht merklich verschlechtert werden. So weisen die Gauß-Strahlen ein laterales Profil auf, das mathematisch gesehen außerhalb des definierten Strahldurchmessers lateral stark abklingt aber natürlich nicht exakt null erreicht (Bild 19b). Ein sehr geringer Überlapp kann also streng genommen nicht ausgeschlossen werden. Ebenso können sehr geringe Anteile der Intensität innerhalb einzelner Schichten eines Deckschichtstapels durchaus Interferenzen bilden, ohne dass die Eigenschaften des Bauelementes merklich verschlechtert werden. Die entsprechenden lokalen Reflexionsgrade sollten kleiner als 10^-2 sein, bevorzugt kleiner als 10^-3.
• In ähnlicher Weise, wie Selbstinterferenz in Deckschichtstapeln aus verschiedenen homogenen Schichten mit sogar leicht unterschiedlichen Brechungsindizes signifikant reduziert werden kann, ist dieses auch möglich, wenn der Brechungsindex nicht stufenweise an den Grenzflächen der Deckschichten verändert wird, sondern kontinuierlich. Auch in diesem Fall sind die Variationen des Brechungsindex innerhalb des Deckschichtstapels mit mindestens einer Schicht mit kontinuierlich veränderlichem Brechungsindex sehr niedrig, üblicherweise kleiner als 10^-2.
• Die 12 zeigt einige die 10 und 11 ergänzende schematische Wellenleiteranordnungen, welche Deckschichtstapel (12a,b) bzw. Anordnung mit kontinuierlich veränderndem Brechungsindex (12c,d) beinhalten. Hierbei symbolisieren die Schichten 3a1, 3b1 und 4 einen Resonatorstapel bestehend aus einem Resonator, welcher allgemein auch anders, also beispielsweise aus mehreren Resonatoren oder einem Resonator mit mehreren lichtablenkenden Strukturen (siehe 8), ausgeführt sein kann. Schichten mit kontinuierlich veränderlichem Index sind als Deckschichtstapel mit unendlich vielen Deckschichten ausgeführt. Die Wege der beiden Lichtstrahlen außerhalb des Resonatorstapels unterliegen in jedem Fall den in 11 erläuterten Bedingungen zum Ausschluss von Selbstinterferenz außerhalb des Resonatorstapels, sodass die in den 1-6 erklärte relative Phasenverschiebung zwischen den Teillichtstrahlen zur Unterdrückung oder Maximierung von Beugung auch hier anwendbar ist. Insbesondere darf selbst dann keine Selbstinterferenz außerhalb des Resonatorstapels auftreten, wenn die Teillichtstrahlen im Bezug zur Mittelebene der Wellenleiteranordnung asymmetrische Wege durchlaufen.
• Die 13 ergänzt die 11 um einen weiteren Deckschichtstapel und eine schematische Darstellung des Resonatorstapels. Im Gegensatz zum geforderten Ausschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichten 2a, 2b muss innerhalb des Resonators mit den Schichten 3a1, 3b1 und der Struktur 4 zwingend Selbstinterferenz vorliegen, um überhaupt eine Resonanz erzeugen zu können. Für einen Resonatorstapel, der in diesem Ausführungsbeispiel nur aus einem einzigen Resonator, gebildet durch die Schichtengruppe k = 1 der Dicke t_R,1, besteht, kann somit die Bedingung $$t_{R\mathrm{,1}}<\frac{{\varnothing }_{int,R\mathrm{,1,}min}}{2\text{ sin }{\theta }_{R\mathrm{,1,}max}}$$

  

  angegeben werden. Hierbei bezeichnet t_R,1 die Dicke des hier einzigen Resonators und θ_R,1,max den größten in diesem Resonator vorkommenden Winkel eines in diesem Resonator laufenden Teillichtstrahls. Somit ist sichergestellt, dass Anteile eines Teillichtstrahls in diesem Resonator mit sich selbst interferieren können. Wenn ein Resonatorstapel anders als hier gezeigt aus mehreren Schichtengruppen besteht, die einen Resonator bilden könnten, so ist für eine Anordnung im Sinne der Erfindung lediglich zu fordern, dass mindestens ein Resonator mit mindestens einer strukturierten Schicht innerhalb dieses Resonatorstapels die obige Bedingung erfüllen muss. Die hier in der 13b gezeigten schraffierten Flächen sind Kreuzungsbereiche der Teillichtstrahlen. Es ist auch möglich, dass mehrere Schichtengruppen eines Resonatorstapels die o.g. Bedingung erfüllen. Im Allgemeinen weist ein Resonatorstapel mit N Schichten wie beschrieben $R_{ges}={\displaystyle {\sum }_{l=1}^{N}l=\frac{1}{2}}N\left(N+1\right)$

  

  verschiedene Schichtengruppen aus direkt aneinandergrenzenden Schichten auf. Die obige Prüfung kann entsprechend für alle R_ges Schichtengruppen mit der jeweiligen Dicke t_R,k mit 1 ≤ k ≤ R_ges durchgeführt werden. Jede Schichtengruppe, deren Dicke die Bedingungen eines Resonators erfüllt, wirkt auch tatsächlich als Resonator im Sinne der Erfindung, sofern an den äußeren Grenzen der Schichtengruppe jeweils Reflexion auftritt. Dieses ist der Fall, wenn die äußeren Schichten der Schichtengruppe einen anderen Brechungsindex aufweisen als die an diese äußeren Schichten der Schichtengruppe jeweils angrenzenden Schichten außerhalb der Schichtengruppe.
• Die 14 zeigt den Querschnitt des Sammelbereiches eines Lichtkonzentrators, der in Verbindung mit einer Wellenleiteranordnung der Erfindung ausgebildet ist. Zu sammelndes Licht fällt auf eine fokussierende zylindrische Linse ein, welches eine Fokuslinie auf dem die lichtablenkende Struktur 4 beinhaltenden Resonatorstapel mit den Schichten 3a1, 3b1, 4 erzeugt. Die lichtablenkende Struktur 4 weist hierbei laterale Variationen auf, sodass für verschiedene mittlere Einfallswinkel einer Lichtquelle jeweils verschiedene Ablenkwinkel erzeugt werden, sodass das gesammelte Licht in zwei in der Wellenleiteranordnung propagierende Teillichtstrahlen aufgeteilt wird, welche gemäß 11 nur im Resonatorstapel Selbstinterferenz aufweisen. Gemäß der 1-6 kann dann durch die lokale Veränderung der relativen Phase der beiden Teillichtstrahlen die Emission des Lichts aus der Wellenleiteranordnung heraus durch Beugung unterdrückt werden, sodass das Licht in der Wellenleiteranordnung gesammelt werden kann. Durch das beschriebene aktive Ausblenden der lichtablenkenden Wirkung des Resonatorstapels an allen Positionen, die gerade nicht beleuchtet werden entsteht so ein Lichtkonzentrator, der sich auf einen Einfallswinkel einstellen kann und der sich bei einem geänderten Einfallswinkel entsprechend umstellen kann. In diesem Sinne ermöglicht dieses Grundkonzept die Realisierung von Solarkonzentratoren, die ohne mechanische Sonnennachführung funktionieren können.
• Die 15 zeigt den schematischen Aufbau eines Displays, insbesondere mit kleiner Pixelgröße. Gezeigt ist der Strahlengang von aus dem die lichtablenkende Struktur 4 beinhaltenden Resonatorstapel mit den Schichten 3a1, 3b1 und der Struktur 4 austretenden parallelen Lichtstrahlen, welche durch eine dielektrische Schicht 10 auf eine Linse 11 treffen. Die laterale Breite der parallelen Lichtstrahlen ist durch eine geschweifte Klammer symbolisiert. Die Linse 11 fokussiert jeden aus dem die lichtablenkende Struktur 4 beinhaltenden Resonatorstapel austretenden und auf die dielektrische Schicht 10 einfallenden parallelen Lichtstrahl auf einen Fokuspunkt innerhalb einer streuenden Schicht 12. Zwei zueinander lateral versetzte parallele Lichtstrahlen mit lateralem Abstand L₀ im Bezug zum Resonatorstapel werden so auf zwei Fokuspunkte 13a und 13b mit einem lateralen Abstand L₁ abgebildet. Eine Menge von zueinander lateral versetzten, aus dem Resonatorstapel austretenden und auf die dielektrische Schicht 10 einfallenden parallelen Lichtstrahlen wird auf eine Menge von zueinander lateral versetzten Fokuspunkten 13 abgebildet, wobei diese Fokuspunkte kleiner, insbesondere wesentlich kleiner sein können als die vorherigen Durchmesser der sie beleuchtenden Lichtstrahlen. So kann beispielsweise ein Teillichtstrahl mit einer ursprünglichen Breite von 1 mm auf einen Pixel mit einer Breite von 10 µm fokussiert werden. Ein Display basierend auf aus dem Resonatorstapel austretenden parallelen Lichtstrahlen mit vorgegebenen Strahldurchmessern, insbesondere großen Strahldurchmessern kann also mittels der dielektrischen Schicht 10 und der Linse 11 sowie der streuenden Schicht 12 in ein Display mit einer Pixelgröße kleiner als die Strahldurchmesser übersetzt werden.
• Die 16 zeigt zwei mögliche Ausführungen zur Erzeugung von zwei sich beim Resonatorstapel mit den Schichten 3a1, 3b1 und der Struktur 4 kreuzenden Teillichtstrahlen mit definierter relativer Intensität und Phase, welche außerhalb des Resonatorstapels gemäß den 1-11 keine Selbstinterferenz aufweisen und innerhalb der Wellenleiteranordnung durch Totalreflexion geführt werden. Beide Ausführungen verwenden eine parallele Lichtquelle 7 (z.B. einen Laser), welche einen parallelen Lichtstrahl emittiert, bzw. zumindest einen Lichtstrahl emittiert, der bis auf nicht vermeidbare Divergenz als parallel gilt. Der parallele Lichtstrahl wird mittels eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen durchlaufen jeweils eine Anordnung 8, 9 zur Einstellung der relativen Intensität und Phase zwischen den beiden Teilstrahlen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise jeweils aus einer Pockelszelle zur Phaseneinstellung und einem kontinuierlich einstellbaren Absorptionsfilter zur Intensitätseinstellung bestehen. Nach der Einstellung der relativen Intensität und Phase werden beide Teilstrahlen über Spiegel umgelenkt und mittels eines (16a) oder mehrerer (16b) dielektrischen Prismen in die Wellenleiteranordnung eingekoppelt. Hierbei wird der Einfallswinkel im Bezug zur Wellenleiteranordnung, sowie der Abstand zwischen den beiden Lichtstrahlen so gewählt, dass beide Teilstrahlen jeweils eine resonante Anregung des sich im Resonatorstapel befindenden zumindest einen Resonators (siehe 3-8) bewirken und sich beim Resonatorstapel kreuzen, sodass der Resonatorstapel im Kreuzungsbereich liegt. Hier ist zu beachten, dass der Resonatorstapel hier nur aus Gründen der besseren Sichtbarkeit dicker als der Strahldurchmesser gezeichnet ist. Hiermit wird insbesondere eine Beleuchtung mit zwei Teillichtstrahlen erzeugt, welche schematisch den 4 und 6 entspricht. Die beiden in die Wellenleiteranordnung eingekoppelten Teilstrahlen sind also nach der Einkopplung Teillichtstrahlen eines Lichtstrahlpaares. Diese in 16 gezeigte direkte Anregung in der nullten Ordnung führt somit zum gleichen Ergebnis, wie die Anregung durch Beugung, wie sie z.B. in Bild 13 gezeigt wird. Allerdings ist hierbei die lokale Anregungseffizienz höher.
• Die 17 zeigt die Definition des verwendeten Kugelkoordinatensystems. Die Definition der Koordinaten erfolgt über die kartesische Darstellung im Bezug zum Wellenvektor einer elektromagnetischen Welle gemäß $$\overrightarrow{k}=\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ k_y\\ k_z\end{array}\right)=\left|\overrightarrow{k}\right|\left(\begin{array}{c}\text{sin }\theta \text{ cos }\phi \\ \text{sin }\theta \text{ cos }\phi \\ \text{cos }\theta \end{array}\right)$$

  
• Zur Beschreibung einer energieerhaltenden Wechselwirkung einer einfallenden Welle mit einem Resonatorstapel wird eine Zerlegung $$\overrightarrow{k}={\overrightarrow{k}}_{\text{Il}}+{\overrightarrow{k}}_z=\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ k_y\\ 0\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ k_z\end{array}\right)$$

  

  angewendet. Hierbei bezeichnet ${\overrightarrow{k}}_{\text{Il}}$

  

  den lateralen Impuls.
• Der Impulsübertrag des Resonatorstapels kann dann beschrieben werden als $${\overrightarrow{k\text{'}}}_{\text{II}}=\left(\begin{array}{c}{k}_x^{\text{'}}\\ k_y^{\text{'}}\end{array}\right)={\overrightarrow{k}}_{\text{Il}}+{\displaystyle \sum _p\overrightarrow{P_p}}=\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ k_y\end{array}\right)+{\displaystyle \sum _p\left(\begin{array}{c}{P}_{p,x}\\ P_{p,y}\end{array}\right)}$$

  
• Hierbei bezeichnet $$\overrightarrow{k\text{'}}=\left(\begin{array}{c}{k}_x^{\text{'}}\\ k_y^{\text{'}}\\ k_z^{\text{'}}\end{array}\right)=\left|\overrightarrow{k\text{'}}\right|\left(\begin{array}{c}\text{sin }\theta \text{'}\text{ cos }\phi \text{'}\\ \text{sin }\theta \text{'}\text{ sin }\phi \text{'}\\ \text{cos }\theta \text{'}\end{array}\right)$$

  

  den Wellenvektor nach einem Beugungs- bzw. Streuungsereignis und der Gesamtvektor ${\displaystyle {\sum }_p\overrightarrow{P_p}}$

  

  zunächst allgemein eine laterale Impulsänderung, die durch den Resonatorstapel verursacht wird. Allgemein gilt weiterhin $\left|\overrightarrow{k}\right|=n_k{k}_0=n_{k}2\pi \text{/}\lambda \text{ und }\left|\overrightarrow{k\text{'}}\right|=n_{k\text{'}}\cdot k_0$

  

  $$

  

  mit n_k als Brechungsindex des Mediums beim Einfall der Welle und n_k, als Brechunsindex beim Austritt der Welle. Bei Kenntnis über ${\overrightarrow{k}}_{\Vert }$

  

  bzw. $\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }$

  

  sowie der den Resonatorstapel umgebenden Brechungsindizes sind alle Wellenvektorkomponenten betragsmäßig bestimmt. Diese Bedingung des Betrages des Wellenvektors bedeutet beispielsweise für eine bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrische Wellenleiteranordnung, dass eine auf einen Resonatorstapel mit einem Wellenvektor (k_x,0, k_y,0, k_z,0)^T der einfallenden Welle pro Impulsübertrag zwei mögliche, aus dem Resonatorstapel austretenden Wellen mit Wellenvektoren (k_x,0, k_y,0, ±k_z,0)^T erzeugt. Es existieren also bezüglich der z-Komponente gegenläufige Wellen, die beide die Betragsbedingung des Wellenvektors erfüllen. Für eine grafische Veranschaulichung kann die 18d) der weiter unten gezeigten 18 herangezogen werden. Zusammenfassend beinhaltet der laterale Impuls zusammen mit der Brechungsindexumgebung alle Informationen der Wellenvektoren einfallender und austretender Wellen. Im Folgenden werden deshalb Lichtbeugungen und - streuungen nur bezüglich lateraler Impulsänderungen dargestellt.
• Die 18 zeigt exemplarisch die Wechselwirkung einer einfallenden Welle mit dem lateralen Impuls $${\overrightarrow{k}}_{\Vert }=\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ 0\end{array}\right)$$

  

  mit einem eindimensionalen Beugungsgitter innerhalb einer bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrischen Wellenleiteranordnung mit einem Brechungsindex n_s der jeweils äußersten Schichten der beiden Deckschichtstapel. Für diesen wichtigen Fall gilt bezüglich des Impulsübertrags $$\left(\begin{array}{c}{P}_{x,m}\\ P_{y,m}\end{array}\right)=\overrightarrow{G}=m\frac{2\pi }{\Lambda }\left(\begin{array}{c}\text{cos }{\phi }_g\\ \text{sin }{\phi }_g\end{array}\right)$$

  

  mit m als ganzer Zahl, Λ als Gitterperiode und φ_g als Drehwinkel des Gitters bezüglich der x-Achse. Zur vereinfachten Darstellung wird im Folgenden nur die Beugungsordnung mit m = 1 grafisch veranschaulicht. Im Allgemeinen können jedoch unendlich viele Beugungsordnungen, also unendlich viele positive und negative Werte von m existieren, wobei die konkrete Geometrie des Gitters, also die Materialverteilung innerhalb einer Gitterperiode, über die Beugungseffizienz des Gitters in eine m-te Ordnung bestimmt.
• Anhand dieses Beispiel eines Beugungsgitters werden nun verschiedene Beugungsereignisse veranschaulicht.
• Die 18 a) zeigt eine unter Totalreflexion einfallende Welle also eine Welle, die nicht von außen auf die Wellenleiteranordnung einfällt, sondern bereits innerhalb der Wellenleiteranordnung geführt wird und innerhalb der Wellenleiteranordnung auf den Resonatorstapel einfällt. Der Zustand der Totalreflexion kann mittels des lateralen Impulses leicht durch $$\frac{2\pi }{\lambda }<\left|{\overrightarrow{k}}_{\Vert }\right|\le n_s\frac{2\pi }{\lambda }$$

  

  ausgedrückt werden. Wenn dieselbe Bedingung auch für $\left|\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }\right|$

  

  gilt, so entspricht das Beugungsereignis allgemein einer Ablenkung innerhalb der Wellenleiteranordnung unter Erhaltung der Bedingung der Totalreflexion. Die Gitterperiode und der Drehwinkel des Gitters (φ_g = 135°) sind so gewählt, dass der laterale Impuls nach der Beugung $${\overrightarrow{k}}_{\Vert }=\left(\begin{array}{c}0\\ k_x\end{array}\right)$$

  

  beträgt und somit einer positiven 90° Drehung bei gleichbleibendem Betrag des lateralen Impuls, also gleichbleibendem Höhenwinkel θ entspricht.
• Die 18 b) visualisiert nicht maßstabsgetreu das in der 18 a) beschriebene Beugungsereignis im Zusammenhang mit zwei einfallenden Wellen mit entgegengesetzten z-Komponenten. Diese zwei Wellen repräsentieren die beiden in der Wellenleiteranordnung propagierenden Teillichtstrahlen eines Lichtstrahls, welche zunächst mit einer relativen Phasendifferenz von π propagieren. Durch lokale Änderung der relativen Phasendifferenz um 2ΔΦ = π ist die relative Phasendifferenz zwischen beiden Teilstrahlen null, sodass die Wechselwirkung mit der lichtablenkenden Struktur lokal maximiert wird. Als Folge wird der Lichtstrahl zumindest teilweise um 90° abgelenkt, während der nicht abgelenkte Anteil des Lichtstrahls weiterhin in der ursprünglichen Richtung propagiert. Durch anschließende erneute Änderung der relativen Phasendifferenz zu π kann die Wechselwirkung des zumindest teilweise ablenkten Lichtstrahls mit dem Gitter wieder minimiert werden, sodass der zumindest teilweise abgelenkte Lichtstrahl zumindest nahezu ungestört, ideal jedoch vollständig ungestört, im Wellenleiter propagiert. Zusammenfassend bewirkt also der in diesem Beispiel gezeigte Resonatorstapel eine lokale Drehung der Propagationsrichtung eines im Wellenleiter geführten Lichtstrahls um 90°. Andere Ablenkungswinkel können auf analoge Weise bewerkstelligt werden.
• Die 18 c) zeigt die Erzeugung eines im Wellenleiter geführten Lichtstrahlpaares mittels der Einkopplung eines von außen auf den Wellenleiter einfallenden Lichtstrahls. Der von außen einfallende Strahl kann in der Darstellung des lateralen Impulses mittels $$\frac{2\pi }{\lambda }\ge \left|{\overrightarrow{k}}_{\Vert }\right|$$

  

  beschrieben werden.
• Der Einfachheit halber wird im Folgenden $${\overrightarrow{k}}_{\Vert }=\left(\begin{array}{c}{k}_x\\ 0\end{array}\right)$$

  

  und φ_g = 0° angenommen, sodass $$\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }=\left(\begin{array}{c}k{\text{'}}_x\\ 0\end{array}\right)$$

  

  und $$\overrightarrow{k}{\text{'}}_z=\left(\begin{array}{c}\pm k{\text{'}}_z\\ 0\end{array}\right)$$

  

  gilt. Die zwei möglichen Lösungen für $\overrightarrow{k}{\text{'}}_z$

  

  sind hierbei die entstehenden Teillichtstrahlen des Lichtstrahlpaares. Die Gitterperiode ist so gewählt, dass ähnlich zur 18 a), die Bedingung der Totalreflexion $$\frac{2\pi }{\lambda }<\left|\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }\right|\le n_s\frac{2\pi }{\lambda }$$

  

  erfüllt ist. Dieser Wertebereich gibt insbesondere allgemein (also ohne Beschränkung auf die x-Achse) die lateralen Impulse ${\overrightarrow{k}}_{\Vert }$

  

  eines einfallenden Lichtstrahls vor, welche prinzipiell in totalreflektierend geführte Lichtstrahlen gebeugt werden können.
• Die 18 d) veranschaulicht die in der 18 c) genannten Eigenschaften der einfallenden und zumindest teilweise gebeugten Lichtstrahlen bzw. Teillichtstrahlen. Ähnlich zum Vorgehen in 18 a) und 18 b) kann hier durch die Erzeugung einer Phasendifferenz von 2ΔΦ = π die erneute Wechselwirkung der beiden eingangs durch die Beugung erzeugten Teillichtstrahlen mit der lichtablenkenden Struktur minimiert werden, sodass der zumindest teilweise in den Wellenleiter gebeugte Lichtstrahl zumindest nahezu ungestört, ideal jedoch vollständig ungestört, propagiert. Zusammenfassend wird also zumindest ein Teil des einfallenden Lichtstrahls in den Wellenleiter eingekoppelt.
• Der reziproke Vorgang der in den 18 c) und 18 d) beschriebenen Einkopplung umfasst entsprechend eine Auskopplung zumindest eines Teils eines im Wellenleiter propagierenden Lichtstrahls.
• Zur vollständigen Beschreibung ist noch zu erwähnen, dass alle Beugungsereignisse in diesem Beispiel mit $$\left|\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }\right|>n_s\frac{2\pi }{\lambda }$$

  

  zu einer rein imaginären z-Komponente von $\overrightarrow{k}\text{'}$

  

  führen. Derartige Wellen werden als evaneszent bezeichnet und können abseits von Oberflächenwellen (z.B. Oberflächenplasmonen) keine Leistung aus dem Resonatorstapel in dessen dielektrische Umgebung herausführen. Im Umkehrschluss können nur Wellen aus dem Resonatorstapel Leistung in umliegende Bereiche mit einem Brechungsindex von n_s abführen, für welche $$\left|\overrightarrow{k}{\text{'}}_{\Vert }\right|\le n_s\frac{2\pi }{\lambda }$$

  

  gilt.
• Dieser Zusammenhang kann dazu verwendet werden, um solche Gitterperioden und - Drehwinkel zu finden, welche eine zu bevorzugende Zahl von leistungsführenden Beugungsordnungen erzwingen. Im Beispiel einer Ablenkung innerhalb des Wellenleiters ist die Beschränkung auf genau eine Beugungsordnung zu bevorzugen. Dieser Fall ist in 18 a) bereits veranschaulicht.
• Die 19a zeigt ein Lichtstrahlpaar, welches innerhalb der Wellenleiteranordnung in mittlerer Propagationsrichtung y propagiert. 19b zeigt nun die Schnittebene A mit zwei Teillichtstrahlen des Lichtstrahlpaares, welche lokal parallel zueinander in Richtung x' propagieren. Die Schnittebene x'y' ist mit Bezug auf die Koordinate z' so gewählt, dass diese durch das jeweilige genaue Zentrum der Teillichtstrahlen verläuft, in dem die jeweilige Intensität maximal ist, so dass innerhalb dieser Schnittebene die maximale jeweilige Ausdehnung der beiden Teillichtstrahlen bezüglich der Richtung y' erfasst wird und der Überlapp vereinfacht durch Integration in dieser Richtung abgeschätzt werden kann. Die seitliche Begrenzung eines Teillichtstrahls, auf welche die Bedingungen zur räumlichen Vermeidung der Selbstinterferenz aus 11 angewendet werden, kann für eine noch exaktere Beschreibung der räumlichen Überlappung von Teillichtstrahlen durch die Einführung einer realen Feldverteilung (in 19b beispielsweise entsprechend einer Gauß-Verteilung) erweitert werden. Zur allgemeinen Charakterisierung einer räumlichen Überlappung der Teillichtstrahlen wird nun das folgende Überlappintegral eingeführt. $$S=\frac{{\left|{\displaystyle \int E_1\left(y\text{'}\right)\cdot E_2\left(y\text{'}\right)dy\text{'}}\right|}^2}{{\displaystyle \int {\left|E_1\left(y\text{'}\right)\right|}^2}dy\text{'}\cdot {\displaystyle \int {\left|E_2\left(y\text{'}\right)\right|}^{2}dy\text{'}}}$$

  

  wobei E₁(y') und E₂(y') den realen Feldverteilungen der beiden Teillichtstrahlen entsprechen. I₁ ∝ |E₁|² und I₂ ∝ |E₂|² geben hierbei die Intensitäten der beiden Teilstrahlen an. Eine Vermeidung von Selbstinterferenz im Sinne der Erfindung liegt für S ≤ 0.01, bevorzugt S ≤ 10^-3, weiter bevorzugt S ≤ 10^-4, weiter bevorzugt S ≤ 10^-5 vor.
• Die 20 zeigt den schematischen Aufbau eines Displays. Licht wird mittels eines Einkoppelprismas 1 (siehe auch 16a) in die Wellenleiteranordnung, umfassend die Schichten 2a, 2b, 3a1, 3a2, 3b1, 3b2 und die lichtablenkenden Strukturen 4a eingekoppelt und in zwei im Mittel in x-Richtung propagierende und sich bei der lichtablenkenden Struktur 4a kreuzende Teillichtstrahlen mit gleicher Intensität aufgeteilt, welche zusammen ein Lichtstrahlpaar bilden. Da sich die relative Phase für die beiden in der Wellenleiteranordnung propagierenden Teillichtstrahlen aufgrund des den Resonatorstapel bildenden bezüglich der Stapelungsrichtung symmetrischen Resonators mit den Schichten 3a1, 3a2, 3b1, 3b2 und Struktur 4a ohne externe Einflüsse nicht ändert, erfolgt unter Wahl von V_x = 0 zunächst beugungsfreie Propagation des Lichtstrahlpaares. Durch Wahl einer Spannung V_x,on bei einer ausgewählten Elektrode 5a kann eine Wechselwirkung der beiden Teillichtstrahlen mit der lichtablenkenden Struktur 4a erzeugt werden. An der nächsten Elektrode 5a wird die Spannung V_x,off angelegt, die den nicht abgelenkten Teil des ursprünglichen Lichtstrahlpaares, der weiterhin in der mittleren Richtung -x propagiert wieder in den gebundenen Zustand schaltet, so dass keine weiteren abgelenkten Strahlen erzeugt werden können. Die lichtablenkende Struktur 4a ist so bezüglich ihrer Periode und ihres Drehwinkels (siehe 18) ausgeführt, dass sie zumindest einen Anteil der beiden Teillichtstrahlen umlenkt, sodass dieser Anteil danach im Mittel in y-Richtung propagiert. Dieser im Mittel in y-Richtung propagierende Anteil besteht wiederum aus zwei sich bei der lichtablenkenden Struktur 4b kreuzende Teillichtstrahlen gleicher Intensität. Durch Wahl einer Spannung V_y,off für die Elektrode 5b1 wird die relative Phase zwischen diesen beiden Teillichtstrahlen so eingestellt, dass die Wechselwirkung mit der lichtablenkenden Struktur 4b unterdrückt wird. In analoger Weise bleibt diese relative Phase ohne externe Einflüsse erhalten, sodass für V_y = 0 beugungsfreie Propagation erfolgt. Durch Anlegen einer Spannung V_y,on bei einer ausgewählten Elektrode 5b kann eine Wechselwirkung der beiden Lichtstrahlen mit dem die lichtablenkende Struktur 4b beinhaltenden Resonatorstapel erzwungen werden. Die lichtablenkende Struktur 4b ist hierbei so bezüglich ihrer Periode und ihres Drehwinkels ausgeführt (siehe di 17 und 18), dass sie zumindest einen Teil der Teillichtstrahlen in positive z-Richtung ablenkt. Resultierend emittiert zumindest ein Teil der Teillichtstrahlen in positiver z-Richtung aus der Wellenleiteranordnung heraus. Der verbleibende Teil der Teillichtstrahlen propagiert weiterhin im Mittel in y-Richtung. An der nächsten Elektrode 5b wird die Spannung V_y,off angelegt, die diesen nicht nach außen emittierten Teil des ursprünglichen Lichtstrahlpaares, der weiterhin in der mittleren Richtung y propagiert wieder in den gebundenen Zustand schaltet, so dass keine weiteren Licht emittierenden Pixel erzeugt werden können.
• Zusammengenommen lässt sich durch die Spannungswahl an der Elektrodengruppe 5a zumindest eine Position bezüglich x, bezeichnet als Zeile, und durch die Spannungswahl der Elektrodengruppe 5b zumindest eine Position bezüglich y, bezeichnet als Spalte auswählen. Zusammengenommen wird damit zumindest eine Position in der x-y-Ebene, bezeichnet als Pixelposition innerhalb der Wellenleiteranordnung festgelegt, an welcher Licht in positive Z-Richtung emittiert wird. Weiterhin kann durch Wahl der Spannungsniveaus die Intensität des emittierten Lichts variiert werden. Weiterhin kann durch zeitliche Variation der Zeitpunkt einer Lichtemission gewählt werden. Somit sind alle erforderlichen Funktionen eines Displays abgedeckt.
• Die 21 zeigt eine schematische Darstellung zur Veränderung der relativen Phase zwischen zwei sich beim Resonatorstapel mit den Schichten 3a1, 3b1, und der Struktur 4 mit der lichtablenkenden Struktur 4 kreuzenden Teillichtstrahlen mittels von sich direkt oder mittelbar an den äußeren Grenzflächen der Deckschichtstapel befindenden phasenverschiebenden Elementen 6. Auch in diesem Bild ist der Resonatorstapel wieder aufgrund der besseren Sichtbarkeit besonders dick dargestellt. Die phasenverschiebenden Elemente 6 sollen die Totalreflexion an den Außengrenzen von den Deckschichten 2a und 2b nicht oder zumindest möglichst wenig stören. Aus diesem Grund werden vorzugsweise außerhalb der Deckschichtstapel niederbrechene optische Buffer 10a und 10b eingefügt. Diese müssen also einen jeweils niedrigeren Brechungsindex als die jeweils angrenzende Deckschicht 2a, 2b aufweisen, so dass an den Grenzflächen 2a/10a sowie 2b/10b jeweils Totalreflexion auftritt. Mit zunehmender Dicke der Buffer 10a, 10b kann die Beeinflussung der Wellenleitung durch die Elemente 6 weiter reduziert werden, da das evaneszente Feld dann an den Elementen 6 stärker abgeklungen ist. Solche phasenschiebenden Elemente 6 können als Elektroden ausgeführt sein, die durch äußere Beschaltung auf ein elektrisches Potential gelegt werden. In einer bevorzugten Bauart bestehen die Elektroden aus transparenten leitfähigen Materialien, beispielsweise aus transparenten leitfähigen Oxiden, wie IndiumZinnoxid, dotiertem Zink- oder Zinnoxid oder ähnlichen Materialien, damit einfallende oder ausgekoppelte Lichtstrahlen durch diese Elektroden transmittieren können. Im einfachsten Fall wird so zwischen gegenüberliegenden Elektrodenpaaren (z.B. 6a3 und 6b3) eine elektrische Feldstärke erzeugt, die den Brechungsindex der Deckschichten 2a und 2b im Bereich innerhalb dieses Elektrodenpaares in unterschiedlicher Weise verändert, so dass die Phase des durch die Deckschicht 2a laufenden Teillichtstrahls und die Phase des durch die Deckschicht 2b laufenden Teillichtstrahls in unterschiedlicher Weise verändert werden, so dass infolge der angelegten Feldstärke und der unterschiedlichen nichtlinearen optischen Eigenschaften der Deckschichten 2a und 2b (Pockels- oder Kerr-Effekt oder andere Effekte) eine Phasendifferenz 2Δφ zwischen diesen beiden Teillichtstrahlen erzeugt wird, mit der wiederum kontrolliert werden kann, wie stark das Lichtstrahlpaar beim nächsten Auftreffen auf den Resonatorstapel von diesem beeinflusst also z.B. gebeugt oder gestreut wird. Phasenschiebende Elemente können darüber hinaus als elektrisch, thermisch, akustisch, mechanisch, elektrooptisch, thermooptisch, akustooptisch, photorefraktiv, oder im Polarisationszustand veränderbare Metaoberfläche, nichtlokalisierter dielektrischer oder plasmonischer Resonator, lokalisierter dielektrischer oder plasmonischer Resonator bzw. Wellenleiter, Flüssigkristallanordnung, Anordnung von Phasenwechselmaterialien, Photonischer Kristall und/oder deren Kombination ausgeführt sein.
• Die 22 zeigt das Sammeln zunächst eines Lichtpulses in einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung. Der Lichtpuls besitzt eine laterale räumliche Breite, welche bei zeitlich konstanter Intensität durch die räumliche Überlappung zu Selbstinterferenz in den Deckschichten der Wellenleiteranordnung führen würde. Pulse sind im Folgenden als schraffierte Flächen dargestellt. Für einen Lichtpuls mit maximaler räumlicher Ausdehnung cΔτ_p in Ausbreitungsrichtung mit c als Lichtgeschwindigkeit und zeitlicher Pulsdauer Δτ_p tritt im gezeigten Beispiel genau dann keine Selbstinterferenz in den Deckschichten auf, wenn die maximale räumliche Ausdehnung des Lichtpulses in Ausbreitungsrichtung kleiner ist als die Laufstreckendifferenz ΔL = |ΔL₁ - ΔL₂| zwischen zwei sonst im zeitlich konstanten Fall selbstinterferierenden Strahlengängen. Diese benachbarten Strahlengänge bilden auch für Pulse die möglichen Strahlengänge, auf denen sich Pulse derart kreuzen können, sodass Interferenz im Fernfeld stattfinden kann. Im Gegenzug muss zur Erzeugung von Selbstinterferenz für wenigstens einen Resonator mit wenigstens einer lichtablenkenden Struktur im Resonatorstapel die maximale räumliche Ausdehnung eines Pulses größer sein, als die Laufstreckendifferenz zwischen zwei sich räumlich überlappenden Strahlengängen, um Selbstinterferenz innerhalb des Resonators zuzulassen. Veranschaulichend ist der Durchlauf des Pulses in Form von qualitativen Zeitschritten (22b-h) entlang zweier Strahlengänge gezeigt, die unter zeitlich unveränderlicher Intensität zu Selbstinterferenz führen würden. Vereinfachend wird der auf den beiden Strahlengängen laufende Puls als zwei simultan laufende Pulse betrachtet. Der im linken Strahlengang laufende Puls teilt sich hierbei, analog zur Entstehung von Teillichtstrahlen bzw. eines Lichtstrahlpaares unter Einfall eines Lichtstrahls, in ein Pulspaar bzw. zwei Teilpulse auf, welche anschließend durch lokale und/oder zeitliche Änderung der Phasendifferenz in einen ausgeschalteten gebundenen Zustand oder einen eingeschalteten, die Richtung der Teilpulse ändernden Zustand überführt werden können. Der im rechten Strahlengang laufende Puls vollzieht zwar den selben Prozess, fällt jedoch zeitlich so vorgezogen zum im linken Strahlengang laufenden Puls auf den Resonatorstapel ein, dass kausal keine Interferenz bzw. Überlagerung zwischen den im linken und rechten Strahlengang laufenden Pulsen bzw. daraus entstehenden Teilpulsen entstehen kann. Somit kann also durch Verwendung kurzer Pulse ein Ausschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichten erreicht werden.
• Für eine Folge von Pulsen mit zeitlichem Abstand Δτ_r muss die Wellenleiteranordnung in lateraler Größe kleiner als $\frac{c}{n}\mathrm{\Delta }{\tau }_r$

  

  gewählt werden.
• Die obigen Beschreibungen können in analoger Weise auf Lichtquellen mit beschränkter Kohärenzzeit bzw. Kohärenzlänge angewendet werden. Hierbei ist die Pulsdauer Δτ_p mit der Kohärenzzeit und die räumliche Ausdehnung cΔτ durch die Kohärenzlänge zu ersetzen.
• Die 23 zeigt ein Szenario von zwei bezüglich der Stapelungsrichtung spiegelsymmetrisch auf den Resonatorstapel mit den Schichten 3a1, 3b1 und der Struktur 4 zeitgleich einfallenden Pulsen der räumlichen Ausdehnung cΔτ_p in Ausbreitungsrichtung (siehe 22). Bezüglich des Resonators muss die Bedingung $t_R<\frac{c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\text{ cos }{\theta }_{R,max}}{2n_R}$

  

  zur Erzeugung von Selbstinterferenz erfüllt sein. Für einen Puls mit beliebig großem Querschnitt gilt ferner die Bedingung $t_{D,k}\ge \frac{c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\text{ cos }{\theta }_{D,k,min}}{2n_{D,k}}$

  

  $$

  

  zum Auschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichtstapel bestehend aus einer Deckschicht 2a, 2b. Auch in diesem Szenario kann somit durch Verwendung kurzer Pulse ein Ausschluss von Selbstinterferenz in den Deckschichten erreicht werden.
• Die obigen Beschreibungen können in analoger Weise auf Lichtquellen mit beschränkter Kohärenzzeit bzw. Kohärenzlänge angewendet werden. Hierbei ist die Pulsdauer Δτ_p mit der Kohärenzzeit Δτ und die räumliche Ausdehnung cΔτ durch die Kohärenzlänge zu ersetzen.
• Die 24a zeigt die allgemeine Ausführung einer symmetrischen Wellenleiteranordnung. Die Wellenleiteranordnung umfasst zwei Deckschichtstapel , mit jeweils wenigstens einer Deckschicht 2a, 2b. Allgemein besitzen die Deckschichtstapel P_k Deckschichten mit k ∈ (a, b). In 24a wird der Fall einer symmetrischen Wellenleiteranordnung mit P_a = P_b = P Deckschichten gezeigt, in denen Selbstinterferenz vermieden ist. Zwischen den Deckschichtstapeln und sind N_RS optische Resonatoren mit jeweils mindestens einer Struktur 4 in einem Resonatorstapel mit Schichten 3 und Struktur(en) 4 angeordnet, in denen Selbstinterferenz zugelassen ist, insbesondere gefordert ist. Die N Resonatoren können durch N-1 dielektrische Schichten oder Schichtstapel voneinander getrennt sein. Wenn innerhalb dieser Schichten oder Schichtstapel zwischen den Resonatoren mit Strukturen ebenfalls Selbstinterferenz und damit Resonanzen auftreten, ist dies zulässig. In der Notation von Bild 24a werden allerdings mit N_RS nur diejenigen Resonatoren gezählt, die eine Struktur beinhalten. Diese können auch direkt aneinandergrenzen. Jeder Resonator besitzt M_S lichtablenkende Strukturen 4 (mit M_S ≥ 1) und darüber hinaus möglicherweise weitere dielektrische Schichten oder Schichtstapel. Alle Schichten der Wellenleiteranordnung können einen homogenen und/oder stetigen Brechungsindex oder ein homogenes und/oder stetiges Brechungsindexprofil aufweisen (24b). Die gesamte Wellenleiteranordnung ist symmetrisch bezüglich der Stapelungsrichtung, insbesondere um eine Mittelebene herum, die parallel zu den Schichten liegt. An den Außenseiten der Deckschichtstapel tritt Totalreflexion auf, während an den Außenseiten der N Resonatoren zumindest Reflexion auftreten muss.
• Die 25 zeigt eine schematische Veranschaulichung des Kreuzungsbereiches anhand von zwei Teillichtstrahlen S1 und S2 mit dem dazugehörigen für beide Teillichtstrahlen gleichen Strahldurchmesser Ø_D, sowie gleichen Winkeln θ_D. Der Kreuzungsbereich ist durch die schraffierte rhombusförmige Fläche dargestellt, bildet aber tatsächlich ein Volumen aus, welches durch die Schnittmenge der durch die Durchmesser Ø_D begrenzten Teillichtstrahlen festgelegt ist. Der Resonator I liegt genau in der Position der maximalen lateralen Ausdehnung des Kreuzungsbereiches und wird daher außerhalb des Kreuzungsbereichs von keinem der Lichtstrahlen getroffen. Diese Lage ist im Sinne der Erfindung zu bevorzugen. Im Gegensatz dazu liegt der Resonator II leicht neben der Position der maximalen lateralen Ausdehnung des Kreuzungsbereiches und wird daher außerhalb des Kreuzungsbereichs im Bereich II₁ nur vom Teillichtstrahl S1 und im Bereich II₂ nur vom Teillichtstrahl S2 getroffen. Je größer der Anteil des Resonators wird, der nur einseitig getroffen wird, umso kleiner wird der schaltbare Kontrast im Sinne der Erfindung.
• Vorzugsweise gilt somit für alle möglichen Ausführungen der Erfindung, dass wenigstens ein Resonator mit wenigstens einer Struktur, vorzugsweise der einzige Resonator, insbesondere dessen lichtablenkende Struktur, am Ort der maximalen lateralen Ausdehnung des Kreuzungsbereiches beider Teillichtstrahlen oder zumindest in sehr großer Nähe zu diesem Ort angeordnet ist.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/000728 A1 [0005, 0062]
• WO 2018/086727 A1 [0005, 0062]

Claims (25)

1. Wellenleiteranordnung zur Anregung oder Ablenkung der Teillichtstrahlen (S1, S2) wenigstens eines Lichtstrahlpaares mit einem Schichtstapel aus mehreren in einer Stapelungsrichtung gestapelten Schichten (2, 3, 4), wobei der Schichtstapel umfasst: a. zwei transparente dielektrische Deckschichtstapel, wobei jeder Deckschichtstapel wenigstens eine, vorzugsweise genau eine transparente Deckschicht (2) aufweist, insbesondere wobei zwischen den äußeren Grenzschichten der Deckschichtstapel Teillichtstrahlen (S1, S2) durch Totalreflexion führbar sind, b. einen Resonatorstapel einer vorbestimmten Anzahl von Schichten (3, 4), der zwischen den beiden Deckschichtstapeln angeordnet ist, wobei wenigstens eine Schichtengruppe mit einer Teilanzahl von in der Stapelungsrichtung aufeinander folgenden Schichten aller Schichten (3, 4) des Resonatorstapels einen Resonator bildet und dieser wenigstens eine Resonator wenigstens eine lichtablenkende Struktur (4) aufweist, insbesondere die lichtablenkende Struktur (4) durch eine lichtablenkende strukturierte Schicht (4) ausgebildet ist, c. wenigstens eine Schaltanordnung (5, 6), vorzugsweise entlang einer Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung mehrere nebeneinanderliegende Schaltanordnungen (5, 6), wobei mit einer jeweiligen Schaltanordnung (5, 6) lokal eine Phasenänderung zumindest zeitweise bewirkbar ist von wenigstens einem von zwei zwischen den äußeren Grenzschichten der Deckschichtstapel führbaren Teillichtstrahlen (S1, S2) eines Lichtstrahlpaars, wobei die Teillichtstrahlen (S1, S2) des wenigstens einen Lichtstrahlpaares in beiden Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator innerhalb des Resonatorstapels, mit Selbstinterferenz propagierbar sind.
2. Wellenleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Resonator im Resonatorstapel bezüglich der Stapelungsrichtung so angeordnet ist, dass bei sich kreuzenden Teillichtstrahlen (S1, S2) in deren Kreuzungsbereich wenigstens 90% der von einem der Teillichtstrahlen (S1, S2) durchleuchteten Fläche der lichtablenkenden Struktur (4) des wenigstens einen Resonators gleichzeitig auch von dem anderen Teillichtstrahl (S1, S2) durchleuchtbar ist / durchleuchtet ist, vorzugsweise wofür der Resonator in der Mitte oder zumindest nahe der Mitte oder um die Mitte des Kreuzungsbereiches herum angeordnet ist, vorzugsweise der Resonator um weniger als 20% der Ausdehnung des Kreuzungsbereiches in Stapelungsrichtung von dessen Mitte bezüglich der Stapelungsrichtung entfernt ist.
3. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstinterferenz in beiden Deckschichtstapeln vermieden ist, durch Wahl einer jeweiligen Dicke t_D,k,i, insbesondere Wahl einer jeweiligen Mindestdicke t_D,k,i, der jeweils wenigstens einen Deckschicht (2) innerhalb beider Deckschichtstapel in Abhängigkeit wenigstens eines Lichtstrahlparameters des in der jeweiligen Deckschicht (2) propagierenden Teillichtstrahls (S1, S2) des zu führenden Lichtstrahlpaares, vorzugsweise wobei bei mehr als einer Deckschicht (2) in einem Deckschichtstapel der Brechzahlunterschied benachbarter Deckschichten (2) innerhalb des Deckschichtstapels kleiner als 10^-2 ist, vorzugsweise durch a. Wahl der Dicke t_D,k,i der jeweiligen Deckschichten (2) in Abhängigkeit des maximalen Strahlquerschnitts Ø_D,k,i,max eines Teillichtstrahls (S1, S2) und dem minimalen Winkel θ_D,k,i,min innerhalb der Deckschicht (2) i des Deckschichtstapels k gemäß der Bedingung $$\text{max}\left(\frac{{\varnothing }_{D,k,i,max}}{\text{cos}\left({\theta }_{D,k,i,min}\right)}\right)\le 2{\displaystyle \sum _{i=1}^{P_k}{t}_{D,k,i}\text{tan }{\theta }_{D,k,i,min},}$$

   

   insbesondere zur Vermeidung einer räumlichen Überlappung der Teillichtstrahlen (S1, S2) in den Deckschichtstapeln, oder b. Wahl der Dicke t_D,k,i der jeweiligen Deckschichten (2) gemäß der Bedingung $c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\le 2{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{P_k}\frac{t_{D,k,i}{n}_{D,k,i}}{cos{\theta }_{D,k,i,min}}}$

   

   für ein zeitlich gepulstes Lichtstrahlpaar mit dem kleinsten innerhalb der Deckschicht (2) i auftretenden Winkel von θ_D,k,i,min eines Teillichtstrahls (S1, S2) und einer Pulsdauer von Δτ_p, oder c. Wahl der Dicke t_D,k,i der jeweiligen Deckschichten (2) gemäß der Bedingung $c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\le 2{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{P_k}\frac{t_{D,k,i}{n}_{D,k,i}}{cos{\theta }_{D,k,i,min}}}$

   

   für einen minimalen innerhalb der Deckschicht i auftretenden Winkel θ_D,k,i,min eines Teillichtstrahls (S1, S2) mit einer Kohärenzlänge von cΔτ mit einer Kohärenzzeit von Δτ.
4. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Dicken t_R,k,i der Teilschichten der wenigstens einen mit den Teilschichten l ≥ 1 bis m ≤ N einen Resonator bildenden Schichtengruppe k innerhalb des Resonatorstapels mit den Teilschichten 1 bis N in Stapelungsrichtung gewählt sind a. in Abhängigkeit eines maximal auftretenden Winkels von θ_R,k,i,max eines Teillichtstrahls (S1, S2) innerhalb der Teilschicht i mit einem vorliegenden minimalen Strahlquerschnitt von Ø_R,k,i,min gemäß der Bedingung $$\text{min}\left(\frac{{\varnothing }_{R,k,i,min}}{\text{cos }{\theta }_{R,k,i,max}}\right)>2{\displaystyle \sum _{i=l}^m\text{tan}}{\theta }_{R,k,i,max}{t}_{R,k,i},$$

   

   insbesondere bei zeitlich kontinuierlichen Teillichtstrahlen (S1, S2), oder b. in Abhängigkeit eines maximal auftretenden Winkels θ_R,k,i,max eines Teillichtstrahls (S1, S2) innerhalb der Teilschicht i gemäß der Bedingung $$c\mathrm{\Delta }{\tau }_p\le 2{\displaystyle \sum _{i=l}^m\frac{t_{R,k,i}{n}_{R,k,i}}{cos{\theta }_{R,k,i,max}}},$$

   

   insbesondere bei mit einer Pulsdauer Δτ_p zeitlich gepulsten Teillichtstrahlen (S1, S2), oder c. in Abhängigkeit eines maximal auftretenden Winkels von θ_R,k,i,max eines Teillichtstrahls (S1, S2) innerhalb der Teilschicht i gemäß der Bedingung $$c\mathrm{\Delta }{\tau }_{}\le 2{\displaystyle \sum _{i=l}^m\frac{t_{R,k,i}{n}_{R,k,i}}{cos{\theta }_{R,k,i,max}}},$$

   

   insbesondere bei Teillichtstrahlen (S1, S2) mit einer Kohärenzlänge von cΔτ und einer Kohärenzzeit Δτ.
5. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine einen Resonator bildende Schichtengruppe innerhalb des Resonatorstapels a) mindestens eine lichtablenkende Struktur (4) enthält, die von zwei Schichtanordnungen mit jeweils wenigstens einer, insbesondere genau einer einzigen transparenten dielektrischen Schicht (3) umgeben ist, oder b) eine Schichtanordnung mit jeweils wenigstens einer, insbesondere genau einer einzigen transparenten dielektrischen Schicht (3) umfasst, in der wenigstens eine der Schichten (3), insbesondere die einzige Schicht (3), von zwei lichtablenkenden Strukturen (4) umgeben ist, oder c) eine Schichtanordnung umfasst, in der mehrere lichtablenkende Strukturen (4) und mehrere dielektrische transparente Schichten (3) gestapelt sind.
6. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Stapelungsrichtung betrachtete Verlauf des komplexwertigen Brechungsindex des Schichtstapels um eine Mittelebene herum spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, insbesondere in zumindest einem von wenigstens zwei Schaltzuständen, insbesondere wodurch ein führbarer Teillichtstrahl (S1, S2) eines Lichtstrahlpaares die Spiegelung des anderen führbaren Teillichtstrahls (S1, S2) desselben Lichtstrahlpaares an der Mittelebene bildet und der Resonatorstapel im Kreuzungsbereich der beiden Teillichtstrahlen (S1, S2) angeordnet ist, vorzugsweise wobei eine Nichtlinearität vorgesehen ist, die um die Mittelebene herum asymmetrisch ist, so dass die Wirkung eines Schaltvorganges mit einer Schaltanordnung (5, 6) auf den Brechungsindex asymmetrisch ist, so dass bei einem Schaltzustand ein in der Stapelungsrichtung betrachtet spiegelsymmetrischer Verlauf des komplexwertigen Brechungsindex des Schichtstapels vorliegt und bei einem anderen Schaltzustand eine Abweichung von dieser Spiegelsymmetrie einstellbar ist.
7. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den wenigstens einen optischen Resonator bildende Schichtengruppe a. beidseits neben der Struktur (4) genau eine einzige transparente dielektrische Schicht (3) aufweist, deren Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex einer daran angrenzenden Schicht, insbesondere einer angrenzenden Deckschicht (2) des Deckschichtstapels oder einer angrenzenden Schicht (3) des Resonatorstapels, die nicht zur Schichtengruppe gehört, oder b. mehrere transparente dielektrische Schichten (3) aufweist, deren Brechungsindex von der Struktur (4) nach außen, insbesondere in Richtung zum jeweiligen Deckschichtstapel, zunehmend ist, oder c. beidseits neben der Struktur (4) jeweils genau eine einzige transparente dielektrische Schicht (3) aufweist, deren Brechungsindex jeweils größer ist als der Brechungsindex einer daran angrenzenden Schicht (2, 3), insbesondere einer angrenzenden Deckschicht (2) des Deckschichtstapels oder einer angrenzenden Schicht (3) des Resonatorstapels, die nicht zur Schichtengruppe gehört, oder d. mehrere transparente dielektrische Schichten (3) aufweist, deren Brechungsindex von der Struktur (4) nach außen in Richtung zum jeweiligen Deckschichtstapel abnehmend ist, insbesondere wodurch sich in den Fällen a und b an den äußeren Grenzschichten der Schichtengruppe zur angrenzenden Schicht eine jeweilige Reflektivität kleiner 100%, vorzugsweise größer 5 %, bevorzugt kleiner 80% ergibt und in den Fällen c und d eine jeweilige Reflektivität von 100% ergibt.
8. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a. die lichtablenkende Struktur (4) eine beugende Struktur (4) ist, oder die lichtablenkenden Strukturen (4) beugende Strukturen (4) sind wobei die auf den gesamten Resonatorstapel bezogenen Beugungskoeffizienten für die beidseits des Resonatorstapels auf diesen eintreffenden Teillichtstrahlen (S1, S2) amplitudengleich sind, insbesondere wobei die Beugungskoeffizienten gleichphasig oder gegenphasig sind, oder b. die lichtablenkende Struktur (4) eine streuende Struktur (4) ist, oder die lichtablenkenden Strukturen (4) streuende Strukturen (4) sind wobei die auf den gesamten Resonatorstapel bezogenen Streukoeffizienten für die beidseits des Resonatorstapels auf diesen eintreffenden Teillichtstrahlen (S1, S2) amplitudengleich sind, insbesondere wobei die Streukoeffizienten gleichphasig oder gegenphasig sind.
9. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a. sie eine Lichtstrahlquelle (7) umfasst, insbesondere eine Laserstrahlquelle (7) umfasst, mit der wenigstens ein Lichtstrahl mit einem die Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln vermeidendem Strahlquerschnitt und einem gleichzeitig die Selbstinterferenz in dem wenigstens einen Resonator sicherstellenden Strahlquerschnitt erzeugbar ist, und b. sie wenigstens eine Koppelvorrichtung (1) umfasst, mit welcher der wenigstens eine erzeugte Lichtstrahl in wenigstens einen der Deckschichtstapel einkoppelbar ist, so dass sich ein interner Winkel ergibt, der sicherstellt, dass Selbstinterferenz in den Deckschichtstapeln vermieden und in dem wenigstens einen Resonator hergestellt wird.
10. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaltanordnung (5, 6) ausgebildet ist durch wenigstens zwei Elektroden (5, 6), wobei a. eine Elektrode (5, 6) durch eine transparente Abstandsschicht (10) im Abstand zur der äußeren Grenzschicht (2) des einen Deckschichtstapels und die andere Elektrode (5, 6) durch eine transparente Abstandsschicht (10) im Abstand zu der äußeren Grenzschicht (2) des anderen Deckschichtstapels gehalten wird, oder b. beide Elektroden (5, 6) nebeneinanderliegend durch eine transparente Abstandsschicht (10) im Abstand zu derselben äußeren Grenzschicht (2) eines der beiden Deckschichtstapel gehalten werden, wobei die jeweilige Abstandsschicht (10) einen geringeren Brechungsindex aufweist, als die Grenzschicht (2) des Deckschichtstapels, an der sie angeordnet ist und wobei zwischen den Elektroden (5, 6) zumindest zeitweise ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei das erzeugte elektrische Feld ein optisch nichtlinear wirkendes, transparentes Material durchsetzt, insbesondere ein Material mit Kerr- und/oder Pockels-Effekt, vorzugsweise wobei wenigstens eine der transparenten dielektrischen Schichten (2, 3), vorzugsweise des Deckschichtstapels, insbesondere über deren gesamte Schichterstreckung hinweg, aus einem optisch nichtlinear wirkenden Material ausgebildet ist.
11. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10 Alternative a), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Elektroden (5, 6) der Schaltanordnung (5, 6) zwei beidseits des Resonatorstapels liegende Schichten (2, 3) angeordnet sind, insbesondere zwei Deckschichten (2) der beiden Deckschichtstapel oder zwei Schichten (3) innerhalb des wenigstens einen Resonators innerhalb des Resonatorstapels, wobei in den beiden Schichten (2, 3) unter der Wirkung desselben elektrischen Feldes eine entgegengesetzte oder wenigstens unterschiedliche Änderung der Brechungsindizes oder der geometrischen Dicke dieser Schichten (2, 3) erzeugbar ist, insbesondere durch Wahl der Schichten (2, 3) aus demselben kristallinen Material mit unterschiedlichen Kristallrichtungen relativ zur Stapelungsrichtung.
12. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaltanordnung (6) ausgebildet ist durch wenigstens eine direkt oder mittelbar an einer der äußeren Grenzflächen (2) eines Deckschichtstapels angebrachte phasenändernde und totalreflektierende Anordnung (6, 10), insbesondere als Metaoberfläche, dielektrischer plasmonischer Resonator, Flüssigkristallanordnung, Anordnung von Phasenwechselmaterialien, transparente Elektrode (6), insbesondere auf einer Abstandschicht (10), photonischer Kristall und/oder deren Kombination.
13. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung einer bestimmten ersten Phasendifferenz zwischen den beiden sich beim/im Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen (S1, S2) des Lichtstrahlpaares eine im Fernfeld der Wellenleiteranordnung wahrnehmbare Wechselwirkung der Teillichtstrahlen (S1, S2) mit dem Resonatorstapel im Kreuzungsbereich unterdrückbar ist, insbesondere durch Erzeugung eines gebundenen Zustandes, vorzugsweise durch eine destruktive Interferenz der vorzugsweise durch Beugung oder Streuung abgelenkten Teillichtstrahlen (S1, S2).
14. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung einer bestimmten zweiten Phasendifferenz, insbesondere die um 180 Grad von der ersten eine im Fernfeld der Wellenleiteranordnung wahrnehmbare Wechselwirkung der Teillichtstrahlen (S1, S2) mit dem Resonatorstapel im Kreuzungsbereich unterdrückenden Phasendifferenz abweicht, zwischen zwei sich beim/im Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen (S1, S2) des Lichtstrahlpaares eine im Fernfeld der Wellenleiteranordnung wahrnehmbare Wechselwirkung der Teillichtstrahlenanteile mit dem Resonatorstapel im Kreuzungsbereich erzeugbar ist, insbesondere durch eine konstruktive Interferenz der vorzugsweise durch Beugung oder Streuung abgelenkten Anteile der Teillichtstrahlen (S1, S2).
15. Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung mehrere erste Schaltanordnungen (5a) nebeneinander angeordnet sind und jeder ersten Schaltanordnung mehrere zweite Schaltanordnungen (5b) zugeordnet sind, die in einer zweiten Richtung senkrecht zur Stapelungsrichtung, die von der ersten Richtung abweichend ist, insbesondere senkrecht dazu ist, nebeneinander angeordnet sind, wobei mit jeder ersten Schaltanordnung (5a) durch Erzeugen einer vorbestimmten Phasendifferenz zwischen zwei propagierenden Teillichtstrahlen (S1, S2), welche sich im/am Resonatorstapel kreuzen und dabei im Mittel in der ersten Richtung propagieren, Licht aus der im Mittel ersten Richtung ablenkbar ist, das nach der Ablenkung im Mittel in der zweiten Richtung propagiert und mit jeder zweiten Schaltanordnung (5b) durch Erzeugen einer vorbestimmten Phasendifferenz die Teillichtstrahlen (S1, S2) des abgelenkten Lichts, welche sich im/am Resonatorstapel kreuzen und dabei im Mittel in der zweiten Richtung propagieren, Licht aus der im Mittel zweiten Richtung ablenkbar ist, insbesondere aus der Wellenleiteranordnung heraus.
16. Verfahren zur Ablenkung von Teillichtstrahlen (S1, S2) eines Lichtstrahlpaares in einer Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend folgende Schritte: a. Erzeugen wenigstens eines Lichtstrahlpaares, dessen Teillichtstrahlen (S1, S2) durch Totalreflexion an den äußeren Grenzschichten (2) der Deckschichtstapel in der Wellenleiteranordnung in einer mittleren Propagationsrichtung in beiden Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator mit Selbstinterferenz propagieren, insbesondere geführt werden, wobei die Teillichtstrahlen (S1, S2) des Lichtstrahlpaares sich in Kreuzungsbereichen kreuzen, die in der mittleren Propagationsrichtung beabstandet sind, und in denen der wenigstens eine Resonator, vorzugsweise jeder Resonator, insbesondere der Resonatorstapel angeordnet ist, b. lokales Ändern der Phasendifferenz zwischen den propagierenden Teillichtstrahlen (S1, S2) durch die wenigstens eine Schaltanordnung (5, 6), c. wobei durch die Änderung der Phasendifferenz die Wechselwirkung, insbesondere die Stärke der Wechselwirkung, zwischen den Teillichtstrahlen (S1, S2) und dem Resonatorstapel geändert wird, insbesondere zwischen einem ersten Zustand, in welchem der Resonatorstapel eine Änderung der Propagationsrichtung der den Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen (S1, S2) bewirkt und einem zweiten Zustand, in welchem der Resonatorstapel keine Änderung der Propagationsrichtung der den Resonatorstapel kreuzenden Teillichtstrahlen (S1, S2) bewirkt oder zumindest nur für einen im Vergleich zum ersten Zustand geringeren, vorzugsweise vernachlässigbaren Teil der von den Teillichtstrahlen (S1, S2) geführten Leistung eine Änderung bewirkt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillichtstrahlen (S1, S2) a. durch Ablenkung, insbesondere im ersten Zustand, aus der Wellenleiteranordnung ausgekoppelt werden, oder b. durch Ablenkung, insbesondere im ersten Zustand, in der Wellenleiteranordnung ihre Propagationsrichtung ändern, vorzugsweise zwischen verschiedenen Propagationsbereichen derselben Wellenleiteranordnung umgeschaltet werden, oder c. durch Ablenkung, insbesondere im ersten Zustand, zwischen verschiedenen Wellenleiteranordnungen, vorzugsweise unmittelbar aufeinander gestapelten Wellenleiteranordnungen, umgeschaltet werden, oder d. durch Beugung oder Streuung, insbesondere mit anschließender Strahlteilung, insbesondere an dem wenigstens einen Resonator (3, 4) mit mindestens einer lichtablenkenden Struktur (4) innerhalb des Resonatorstapels, eines von außen auf die Anordnung einfallenden Lichtstrahls in der Wellenleiteranordnung erzeugt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkoppeln von Licht in die Wellenleiteranordnung ein einzukoppelnder Lichtstrahl von außen auf die Wellenleiteranordnung einfällt und den Resonatorstapel an einer Position trifft, an welcher ein im Wellenleiter propagierendes Lichtstrahlpaar mit dafür benötigter eingestellter Phasendifferenz auskoppelbar wäre.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Einkopplung eines Lichtstrahls aus der äußeren Umgebung mit einer Schaltanordnung (5, 6) an einem Kreuzungsbereich, welcher in der mittleren Propagationsrichtung der eingekoppelten Teillichtstrahlen (S1, S2) auf den Bereich der Einkopplung folgt, eine Phasenänderung, vorzugsweise um 180 Grad, zwischen den propagierenden eingekoppelten Teillichtstrahlen (S1, S2) bewirkt wird.
20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Licht absorbierende Wechselwirkung, insbesondere eine Fluoreszenz oder Phosphoreszenz oder stimulierte Emission anregende Wechselwirkung, mit einer lichtablenkenden Struktur (4) erzeugt wird, die zur spontanen oder stimulierten Emission von Licht führt, das eine höhere Wellenlänge aufweist im Vergleich zum absorbierten Licht des die Absorption anregenden Lichtstrahlpaares, insbesondere durch die Phaseneinstellung der in der Wellenleiteranordnung propagierenden Teillichtstrahlen (S1, S2) dieses Lichtstrahlpaares.
21. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Modulation der Intensität der Teillichtstrahlen (S1, S2) durch Verwendung von Materialien innerhalb der Wellenleiteranordnung erzeugt wird, welche einen mechanooptischen, thermo-optischen, akusto-optischen oder opto-elektronischen Effekt aufweisen.
22. System aus einer Lichtquelle (7) und einer Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15, wobei die Lichtquelle (7) eingerichtet ist, einen in die Wellenleiteranordnung einzukoppelnden Lichtstrahl zu erzeugen, wobei die Lichtquelle (7) und die Wellenleiteranordnung hinsichtlich wenigstens eines Lichtstrahlparameters und der Dicken der Deckschichtstapel sowie der Dicke des wenigstens einen Resonators oder des Resonatorstapels aneinander angepasst sind, so dass der Lichtstrahl nach Einkopplung in den Wellenleiter als Lichtstrahlpaar aus zwei Teillichtstrahlen (S1, S2) in den Deckschichtstapeln ohne Selbstinterferenz und in dem wenigstens einen Resonator mit Selbstinterferenz propagierbar, vorzugsweise führbar ist, insbesondere wobei mögliche Lichtstrahlparameter durch den Strahldurchmesser, insbesondere auch seine Aufweitung während der Propagation, und/oder die Pulsbreite und/oder die Kohärenzlänge gegeben sind.
23. Lichtkonzentrator umfassend eine Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15 und ein Fokussierungselement (11) zur Erzeugung einer fokussierten Lichtlinie aus einem mit dem Fokussierungselement (11) wechselwirkenden Lichtstrahl auf wenigstens einer lichtablenkenden Struktur (4), insbesondere wobei das Fokussierungselement (11) durch eine Zylinderlinse (11) oder einen zylindrisch gekrümmten Spiegel gebildet ist, vorzugsweise wobei die Zylinderlinse (11) zwischen der Lichtquelle (7) und der Wellenleiteranordnung platziert und vom Lichtstrahl durchleuchtet ist und dabei fokussierend wirkt oder der Spiegel aus Sicht der Lichtquelle (7) hinter der Wellenleiteranordnung platziert ist und auf den Lichtstrahl reflektierend und fokussierend wirkt.
24. Display umfassend eine Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Deckschichtstapel in Stapelungsrichtung von einer dielektrischen transparenten Schicht (10) und einer Linse (11) kontaktierend überdeckt ist, wobei mit der Linse (11) die aus der Wellenleiteranordnung austretenden Lichtstrahlen fokussierbar sind auf eine zur Linse (11) beabstandet angeordnete streuende Schicht (12), insbesondere die eine Betrachtungsfläche bildet.
25. Anordnung zum Steuern der Richtung eines von ihr ausgehenden Lichtstrahls, insbesondere Beam Steerer, umfassend eine Wellenleiteranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15, die eingerichtet ist ein Lichtstrahlpaar oder mehrere Lichtstrahlpaare, vorzugsweise angeregt/erzeugt durch einen Laser, in der Wellenleiteranordnung zu führen und an bestimmbaren / kontrollierten Positionen aus der Wellenleiteranordnung auszukoppeln und dabei die Richtung des einen ausgekoppelten Strahls oder der gleichzeitig ausgekoppelten Strahlen an verschiedenen Positionen unterschiedlich einzustellen, insbesondere a. durch Einsatz einer Struktur aus einem Beugungsgitter, das bezüglich seiner Parameter, beispielsweise für den Fall eines eindimensionalen Gitters seiner Gitterperiode und/oder der Ausrichtung seiner Gitterlinien, von Position zu Position variierbar ist/variiert wird, oder b. durch Verwendung einer abbildenden Optik, beispielsweise einer Linse oder eines gekrümmten Spiegels, oder c. durch Verwendung einer in wenigstens einer Richtung, vorzugsweise zylinderförmig oder in zwei Richtungen, vorzugsweise kugelförmig gebogene Wellenleiteranordnung, so dass durch Auswahl der Position, an der der Lichtstrahl ausgekoppelt wird, gleichzeitig auswählbar ist / ausgewählt wird, in welche Richtung diese Auskopplung erfolgt, vorzugsweise wodurch ein Beam Steerer gebildet ist, bei dem die Richtung der abgestrahlten Lichtstrahlen, vorzugsweise Laserstrahlen, elektrisch/elektronisch kontrolliert ist.

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