JP2001511535A

JP2001511535A - 一般化された結晶対称性を持つ光エレクトロニクス材料を用いた光学的放射線のコヒーレント相互作用

Info

Publication number: JP2001511535A
Application number: JP2000504444A
Authority: JP
Inventors: エルコーンルフス; ワングアンミン; サンヨンヒェ; ダブリュイクォ―ルランディ
Original assignee: ザリサーチアンドデベロップメントインスティテュートインコーポレーション
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2001-08-14
Also published as: EP1012569A1; EP1012569A4; CA2298557A1; WO1999005507A1; AU8669398A

Abstract

(57)【要約】一般化された結晶対称性を持つ共鳴材料（90）と放射線又は放射線束（エミッター210から放射される）との相互作用を最適化する方法。本発明は材料の結晶対称軸に対する特別な方向の決定と、この方向にそった相互作用放射線の偏光を含む。偏光した放射線（235）はこの特別な方向に垂直に材料中を伝播する。この方法及びシステムは、光放射線又は放射線場とイオンドープされた様々な共鳴する結晶又は分子結晶とのコヒーレント相互作用に関する、あらゆる応用に用いられる。光放射線又は放射線場とイオンドープされた様々な共鳴する結晶又は分子結晶とのコヒーレント相互作用には、光学的コヒーレント過渡現象、スペクトルのホールバーニング、及び空間スペクトル・ホログラフィ（時間・空間領域ホログラフィとも呼ばれる）が含まれ、光エレクトロニクス装置の基礎を提供する。この応用にはコンピュータ及び通信ネットワークが含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

先願について本出願は1997年7月28日に出願された出願番号60/653,977の優先権の利益を主張するものである。

【０００２】発明の背景本発明は固体中のイオン又は分子と光学的放射線束のコヒーレント相互作用に
関し、また固体の結晶対称軸に対する伝播方向及び偏光の選択、より具体的には
、一般化された結晶対称性を持つ物質における光エレクトロニクス相互作用効果
の最適化に関する。

【０００３】

【従来の技術】

様々な光エレクトロニクスの応用は、多種の結晶（イオンドープされた結晶あ
るいは分子結晶）と光学的放射線束又は放射線場のコヒーレント相互作用を基に
したものであり、これら相互作用には光学的コヒーレント過渡現象、スペクトル
のホールバーニング、及び空間スペクトル・ホログラフィ（時間・空間領域ホロ
グラフィとも呼ばれる）が含まれる。かかる概念に基づく装置は、光データ格納
、リアルタイム光信号処理、量子コンピュータ及び複数放射光のコヒーレント相
互作用を強化したその他のコヒーレント・コンピュータ、コヒーレント・コンピ
ュータにおけるデータ消去の強化、及び光データのルーティング等において使用
されており、コンピュータ、通信ネットワーク、インターネット及びその他のネ
ットワーク、レーダーの時間遅延、その他多くの分野で応用されている。

【０００４】天然及び合成の光学用材料は、広範囲の可能な結晶格子対称性を持つ。（全結
晶空間群の目録として、Theo Hahn編集によるInternational Tables for Crysta
llographyが知られる。）これらの物質中の活性イオン又は分子は、結晶の「格
子サイト」を占有する。この「格子サイト」は等しい周囲を持ち、光学的放射線へカップリングする類似の共振周波数を持つメンバーからなり、部分群として
分類することができる（各部分群のメンバーは「結晶学的に等価である」と言わ
れる）。各格子サイトの結晶学的に等価である部分群には、異なる有限数の空間
方位を持つイオン又は分子を含めてもよい。イオン及び分子中の電子の光遷移は
、２つの量子エネルギー準位と１つの遷移双極子モーメントによって記述される
。一般にこれら遷移双極子モーメントは、上述した結晶学的に等価なサイトの異
なる方位にしたがい、複数の異なる空間方位を持つ。一方、光ビームは結晶に対
して単一の光伝播方向と単一の偏光状態をとらねばならず、その結果、偏光は他
の同一なイオン又は分子と複数の異なった空間的関係をとる。

【０００５】共鳴コヒーレント相互作用が生じるときの光電界と２準位量子系との相互作用
は、光学的ラビ周波数によって特徴付けられる。

【０００６】 ω_R＝（＾ｐ・＾E₀/）／ｈ（記号＾はその後の文字にオーバーラインが付くことを示している。）

【０００７】ここで＾ｐはｐ_i= ＜１|ｐ_i|２＞を成分に持つ双極子モーメントであり、＾E ₀ は光の電界ベクトルである。（磁気双極子モーメントと光磁場についても同様の説明が適用される。極端な場合は、上記等式を累乗したものを適用する。）

【０００８】ラビ周波数は遷移双極子モーメントの大きさ及び光電界の大きさのみで決まる
ものではなく、相互の射影によっても決まる（ベクトル射影又はスカラー積）。
その結果、任意に偏光した放射線がこのような物質内を伝播すると、場と結晶物
質とのコヒーレント相互作用によって、複数の異なる光学的ラビ周波数による偏
光の微視的変動が誘発される。

【０００９】複数の光学的ラビ周波数が存在すると、その結果生じる複雑で一時的な物質の
偏光作用や、その物質が放射する関係した光信号増幅器の光干渉や光ビートによ
り、一般に光エレクトロニクス装置の効率は低下する。このような干渉が、次は
例えば光エレクトロニクス系のバンド幅を限定する。さらにそれによって共振時
間、光エレクトロニクスを適用したデータの取り扱い能力が次々に限定される。
この干渉はまた回折効率、すなわち光通信ネットワークにおける光データのルー
タや波長分割多重システム等の装置の、信号選択効率や偏向能率を低下させる。

【００１０】この多重周波数干渉という有害な効果を避けるために、系の他のパラメータを
最適化することもできるが、一般化された状態で「単一ラビ周波数」の挙動を得
るような手段を講じる必要がある。単一のサイト配向のみを持つわずかな物質群
は、容易に単一周波数の挙動を示す。しかしながら、ここで我々の発見した条件
下において、多サイトの物質を含めたより広域の物質が単一ラビ周波数挙動を示
すことを説明する。

【００１１】結晶化合物Y₃Al₅O₁₂（イットリウム・アルミニウム・ガーネット、通称「YAG
」）はいくつもの研究班によって装置の実証に用いられてきたものであるが、と
りわけ複雑な光学用材料であり、その挙動は上述した干渉効果によって生じる問
題を例証するに足り、また我々の発明を説明するのにも役立つ。従来の応用では
、光はYAGのいわゆる結晶学的＜１１１＞方向に沿って伝播され、この伝播方向は単一ラビ周波数の挙動をもたらすものではなかった。YAG格子には単位胞あたり１６０個のイオンがある（単位胞は結晶の基本構造単位である）。１２面体格
子サイトにおいてイットリウムの代わりに活性イオンとして希土類イオンが使わ
れた場合、結晶学的に等価な６種類のサイトがあり、その近傍はそれぞれ異なる
配向を持つ。したがって、希土類活性イオンの個々の遷移双極子がとる方向とし
て、６つの異なる方向がある。任意の光伝播方向及び任意の偏光に対して、６つ
の異なるラビ周波数があることになる。

【００１２】原理的には、サイトを単一の配向に限定するような、適切な高対称性を持つ別
の材料を選ぶことによって、複数のラビ周波数があることから生じる性能の劣化
を除去することが出来る。しかし一般的には、高い結晶対称性からアプローチし
て単一ラビ周波数を得るという方法は装置応用に対して有効でない。なぜなら、
光コヒーレンスや位相のずれた時間、不均一な光線の広がり、スペクトルのホー
ルバーニングを含む、その他多くの物質特性、及びこれらすべての特性の磁場依
存性及び温度依存性を同時に最適化しなければならないからである。これらすべ
ての要求を1つの物質で満たすことは、物質の選択における他の制限（単一のサイト配向などの制限）が存在しない場合ですら難しい課題である。この「高対称
性」アプローチは現在のところ非実用的であることが証明されている。従来、光
学用材料として選べるわずかな物質の集合は、そのほとんどあるいはすべてが、
等しく同じ向きに配向し、結晶学的に等価な、双極子の組を1つも持たないものであった。このことは潜在的バンド幅、回折効率、及び性能が犠牲にされている
ことを意味する。

【００１３】以下の例は、高対称性から単一のサイト配向を得るアプローチの難しさを示す
ものである。単一サイトの物質を選択すれば放射線及び放射線場の透過において
単一の光学的ラビ周波数を比較的容易に得られるようになるが、それはまた多く
の場合、光遷移確率を著しく減少させ、多くの重要な場合でゼロに等しいまで減
少させてしまう。さらにこの方法は、使用できる物質の選択肢を光学用材料全体
から、特殊な用途への使用のみ考えられる、わずかな部分に限定してしまう。複
数のサイト配向を持つ多くの興味ある光学用材料が、単一のサイト配向を得るの
に必要な高い結晶対称性を持つ物質よりも優れた特性を有することから、単一ラ
ビ周波数の問題は一般的な方法による解決が有利であり、それにより光エレクト
ロニクスデバイスは具体的には複数のサイト配向を持つ材料の使用によって、全
般的にははるかに広範囲の材料からの恩恵に浴することができる。

【００１４】発明の要約したがって本発明の目的は、一般化された結晶対称性を持つ物質における光エ
レクトロニクス相互作用効果の速度特性及びバンド幅特性について、複数ラビ周
波数の有害効果を消去する方法を提供することにある。また本発明の別の目的は、光エレクトロニクス相互作用における物質の偏光干
渉を減少させる方法を提供することにある。また本発明の目的は、光エレクトロニクス相互作用における光遷移確率を広範
囲な光学用材料について最適化する方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、光エレクトロニクス相互作用における回折効率を広範
囲な光学用材料について最適化する方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

本発明の別途の諸目的と諸利益、及びその新しい特徴は、この技術に精通する
者にとって、以下の詳細な説明を含むこの開示内容と本発明の実践から明瞭にな
ろう。以下に好ましい実施形態を参照して発明の説明がなされるが、本発明はそ
れに限定されるものではない。この技術について普通に技量がありここにある方
法を利用できる者であれば、追加の実施形態や変更は他分野での使用とともに明
らかなものであり、これらはここに開示され請求された発明の範囲に含まれるも
のであり、この観点から本発明はきわめて有益なものとなる。

【００１６】本発明によれば、望ましくない干渉を減少し、それによって光エレクトロニク
ス相互作用の効率を向上させるため、例えばコヒーレント光線（又は放射線束）
のような放射線を、一般化された結晶対称性を持つ物質に特定の光伝播方向で、
物質の慣習的な結晶対称軸に対して特定の偏光状態（直線又は楕円偏光）を持つ
て伝播させる。材料の物質が一般化された結晶対称性を持っているため、材料の
遷移双極子はいくつかの独立した遷移方向をとる。すなわち材料は、結晶学的に
等価なサイトにおいて、配向の異なる不揃いな複数の双極子をともなった結晶格
子構造をしている。

【００１７】本発明は、適する光伝播方向の決定手段、及び遷移双極子の各方向に等しく射
影する偏光状態の決定手順も包含する。より典型的には、双極子の部分集合であ
り、残りのいずれの遷移双極子（すなわち双極子の部分集合に属さない、元の集
合のすべての双極子）の向きとも直交するような双極子の部分集合に等しく射影
する偏光状態の決定手段を含む。放射線は、この双極子部分集合内の双極子のい
ずれにも等しく射影するように、対称軸に対して直線偏光あるいはその他の方法
で偏光している。伝播する放射線は、遷移双極子の部分集合内の双極子それぞれ
に対して同様に偏光し、部分集合の外にある双極子に対して直交しているために
、遷移双極子の部分集合内の双極子それぞれに対して等しく射影する。

【００１８】偏光した放射線が物質中を伝播すると、双極子部分集合内にあるイオンが励起
され、協調的な振動が生じる。部分集合の外にあるイオンの双極子は、振動しな
いことが望ましい。都合よく、部分集合内の各双極子はラビ周波数とほぼ同じ周
波数で振動し、ほぼ等しい遷移強度を持つ。

【００１９】伝播方向と結晶対称軸に対する偏光との関係は、双極子部分集合を形成する双
極子の選択によって変化する。いずれにしても、双極子部分集合は慣習的な結晶
対称軸に対して特定で、部分集合内の各遷移双極子へ等しく射影し、残る遷移双
極子の各々に対して直交するような特別な方向が存在するように選択される。

【００２０】本発明によれば、放射線が、配向が異なり不揃いで結晶学的に等価な複数の遷
移双極子を持つ物質中を伝播するシステムには、単色周波数アジャイル放射線エ
ミッタが１つ又は複数個含まれ、経路に沿って光エレクトロニクス材料に放射線
を放射する。例えば音響光学的、電気工学的あるいはその他の変調器もしくは変
調器の組み合わせからなる、各ビームに対する光コントローラ又は光符号器によ
って、放射線に振幅情報又は位相情報を加えられる（又は、そのビームが放射線
束の他のものを操作できるようにする）。おそらくは２次元のデフレクターによ
って、ビームを光エレクトロニクス装置が要求する向きに調整する。入力レンズ
により、装置の性能にとって重要な放射線−物質相互作用が生じる結晶材料へ放
射線（放射線束）を向ける。一枚又は複数枚の偏光板を配置して、放射線の偏光
が遷移双極子の部分集合を構成する複数の双極子についてほぼ同じ射影をなすよ
うに、各放射線を偏光する。場合によっては、求める単一のラビ周波数の挙動を
維持すると同時に、複数の入射放射線間が通常非常に小さな角度で自由に変動す
ることがある（ガーネットの例で説明する）。その他の場合は、そのような微小
な角度は通常いくつかのビーム間に含まれ、このことは良い近似で同時に条件が
満たされていることを示す。光エレクトロニクス材料の先には、出力レンズ、放
射線検出器の列、また信号用光ファイバーなどその他の独立した受信経路がある
。

【００２１】

【発明の実施の形態】

本発明の様々な利益と価値を、以下に挙げる添付図面を参照し、その実施形態
の詳細な説明により明らかにする。

【００２２】発明の説明図1は特に複雑な結晶対称性を持つ光学用材料90を示している。この材料90はガーネットであり、背景技術ですでに議論したように、本発明を一般化された材
料の対称特性へ適用する場合をうまく説明することができる。ガーネット結晶の
化学式はA₃B₂C₃O₁₂である。Aイオンは、10-60と名づけられた方位を持つ1種類の
結晶学的サイトがとる６種類の、結晶学的に等価で配向的に不等価なサイトを占
有する。いずれも12面体点対称である。ガーネット材料は通常Aイオンに代わって希土類イオンがドープされ、６種類の10-60サイトに対して同じ１２面体対称を得る。各10-60サイトは近傍で直交する軸ｘ、ｙ、ｚを持つが、図１に菱形で示され
るように、これら３方向は等価ではない。図１では近傍の軸はサイト10について
のみ示されている。しかし技術に習熟している者であれば、各10-60サイトの近傍軸が異なった方位をとることが明らかであろう。これは同一方向に揃い結晶学
的に等価な１組のサイトで出来た材料の場合と異なり、材料90は複雑な結晶対称
性を有するため、不揃いで配向性が異なるが結晶学的には等価なサイトを持って
いるからである。これら６方位は、いわゆるO_h ¹⁰又は Ia3d対称によって決定さ
れる（標準国際結晶記号）。

【００２３】従来法では、材料90を光エレクトロニクス装置に使用することは、ガーネット
結晶の対称性から生じるこれら６サイトの異なる配向のため、あるいは一般化さ
れた場合の他の複数性のために最善の方法ではなかった。より具体的には、従来
法で材料90に放射線を導くと６つの異なる光学的ラビ周波数で10-60の各サイトのイオンが振動する。その結果、同一方向に揃って配向したサイトを持つデバイ
スと比べると、デバイスの効率が著しく低下するような光干渉や、材料の一時的
な偏光作用が生じる。この光干渉は、図２のC線に示す光学的章動によって説明される。

【００２４】しかし、章動する各10-60サイトにおいてラビ周波数を等しくすることができれば、放射相互作用媒体として材料90を組みこんだ光エレクトロニクス装置の効
率は著しく向上し、付随する材料の一時的な配向作用は単純化される。異なるラ
ビ周波数で各10-60サイトが章動することに起因する光干渉を低減すれば、系のバンド幅、及び回折効率が大幅に改善される。

【００２５】本発明にしたがって、適切な放射線伝播方向、及び材料90の慣習的な結晶対称
軸に対して特定される、適切な放射線偏光状態を選択することで、上記が達成さ
れる。より具体的には、各10-60サイトの遷移双極子は、必ず異なるサイトの異なる電子状態に対する近傍軸ｘ、ｙ、ｚのいずれかに沿って向いている。したが
って、電気双極子の遷移に対しては放射線の電界ベクトルが、磁気双極子の遷移
に対しては磁界ベクトルが、双極子上の射影の値がゼロでないとき、10-60サイトにおける遷移双極子の章動が誘発される。

【００２６】ここでは説明のため、ガーネット材料中にTm³⁺のような一様な電子の希土類イ
オンを用いているので、光遷移に関係する物質の可能な電子状態は従来からの対
称性の呼称であるΓ₁、Γ₂、Γ₃及び Γ₄によって分類する。遷移電子双極子の対称変換特性と遷移に関係する2つの量子状態の対称特性とによって、図１に示す近傍軸に対応してｐ_x、ｐ_y及びｐ_zのいずれかの双極子が選択される。６種
類の結晶学的に等価な10-60サイトの各近傍ｘ、ｙ、ｚ軸は、サイト同士で互いに異なって配向しているため、６つの異なる10-60サイトに対応して６つの異なる双極子の配向が同様に存在する。

【００２７】したがって、従来の方法で材料90に放射線を通せば、遷移双極子の６つの配向
のそれぞれに対する電界ベクトル又は磁界ベクトルの射影は、一般に等しくなら
ない。このことは必然的に各10-60サイトに等しくない遷移強度をもたらし、その結果として異なるラビ周波数あるいは章動周波数をもたらす。従来の放射線の
伝播方向である、いわゆる結晶学的＜１１１＞方向に沿って伝播させれば、この
複数ラビ周波数の状況が生じてしまう。

【００２８】しかし、本発明にしたがって材料90を透過する放射線を適切に構成すれば、少
なくともこの説明におけるすべての10-60サイトの部分集合について、ラビ周波数又は章動周波数を等しくすることができ、同時に選択した部分集合の外にある
サイトは活性化させない。他の方法について述べれば、結晶対称軸に対して適切
な光伝播方向及び光偏光状態を選ぶことにより、材料90中で単一のラビ周波数に
おける協調的な振動を達成することが可能である。

【００２９】材料90の結晶対称軸について考えてみると、放射線の場の方向を、放射線によ
って励起されるすべてのサイトが遷移双極子に対して放射線場の射影が同じにな
るように選ぶ事が出来る。したがって、例えば光コヒーレント過渡状態の適用や
空間スペクトル・ホログラフィなど従来からある技術を使用すると、双極子ベク
トルが放射線又は放射線場による推進の影響下で異なる速度の歳差運動を起こし
、これにより材料の偏光が望ましくないように取り消される（すなわち全双極子
ベクトルの合計）。しかしながら、かかる適用における放射線場の方向をここに
述べた方法で適切に選択することによって、放射線又は放射線場による推進を受
けた双極子ベクトルは完全ではなくてもほぼ同じ速度で歳差運動を起し、歳差運
動している双極子ベクトルの材料の偏光は取り消されない。

【００３０】放射線場又は放射線の構成は、まず双極子の部分集合（ガーネット材料の場合
10-60サイトの部分集合に対応する）に等しく射影し、かつ残りの双極子（ガーネット材料の場合10-60サイトの残り）に垂直な方向を決定する。この方向は材料の結晶対称軸に対してある特定の関係（特定の関係が複数の場合もある）を持
つている。しかる後、放射線がこの方向に対して垂直に伝播され、かつこの方向
に沿って偏光されて（直線偏光の場合）、双極子モーメント上に等しく射影され
る。

【００３１】したがって、放射線又は放射線場は、活性化されて振動する双極子の部分集合
内の各遷移双極子に対して等しい角度で偏光される。放射線又は放射線場が選ん
だ双極子部分集合内の双極子上に等しく射影するかぎり、放射線又は放射線場は
直線偏光又はその他の方法で偏光する。適切な方向に放射線場の電界ベクトル又
は磁界ベクトルがあれば放射線場ベクトル、すなわち放射線偏光は、双極子部分
集合内のすべての遷移双極子に対して射影が同じになり、したがって遷移強度は
同一になる。

【００３２】ゆえに、図１に示したガーネット材料の場合、Γ₁対称及びΓ₂対称の状態間の
Tm³⁺イオンの遷移は、A軸に沿って放射線もしくは放射線場を伝播し（A軸はガー
ネットの特定の場合の「結晶学的＜１００＞方向」として知られる）、B軸に沿って放射線もしくは放射線場を偏光することによって（B軸はガーネットの特定の場合の「結晶学的＜０１０＞方向」として知られる）、放射線場により同一の
ラビ周波数で４つの10-40サイトに遷移が起こる。なおこの場合、４重の結晶対称軸がB軸に沿っている。あるいは３重の結晶対称軸が図１のD軸に沿っている。
したがって放射線又は放射線場をE軸に沿って伝播させ、D軸に沿って偏光させる
と、サイト10、40及び60において誘発される遷移は同一のラビ周波数で起こる（
双極子はｙに沿っている）。その他のサイトは活性化されない。

【００３３】図２は、上述した放射線又は放射線場の伝播及び偏光によって生じた光の放射
強度の時間変化を示す。ここで放射線又は放射線場の伝播及び偏光は、所定の方
向に対するもので、その方向は結晶対称軸に対して、及びこの場合は、図１に示
すようなB軸（図２、A線）又はD軸（図２、B線）に対応して特定されたものであ
る。グラフの3番目の線は、図１の材料90の結晶格子構造に対して従来法で構成した放射線又は放射線場によって生じた遷移強度の時間変化である。図２はここ
に説明した発明の実施形態によって生じた、単一ラビ周波数の挙動の有益な効果
を示すものである。

【００３４】本発明の適用を説明した上述の各例では、励起され振動する10-60サイトの双極子がコヒーレント照明下で望ましい協調的な特性を示している。コヒーレント
相互作用の利用において上記の方法は、他の有益な特性を持つ光学用材料を利用
することも出来る。なお、上記述は0.1% Tm³⁺ドープしたY₃Al₅O₁₂について試験した結果を反映したものである。³H₆(1)から³H₄(1)への遷移（すなわち真空中で
793.374nm）は電気双極子遷移であり、これら状態間の遷移双極子は近傍ｙ軸に沿った方向に向いている。

【００３５】図３は本発明にしたがって構成したシステムの単純化した例である。技術に習
熟した者には了解されるように、描かれている構成には通常、コリメータやレン
ズなど他の要素も含まれ、それらは独自の実施形態に望ましいかたちで放射線経
路に沿って入れられる。ガーネットの例では、材料90の結晶格子構造は10-60サイトを、図１を参照しながら上述したような形で含む。

【００３６】システムは放射線エミッタ210（又は複数のエミッタの列）を含みレーザ光源として示されるが、意図する適用にふさわしいように別の放射線源を含めること
も出来る。エミッタ210から放射された放射線215は、コントローラ220によって望ましい方向に伝播される。コントローラ220は例えば音響光学的変調器（AOM）
、あるいはその他の適切なコントロール装置で、放射線215を材料90の選択された結晶対称軸に対して、適切な経路に沿って伝播するためのものであり、またそ
の強度、周波数、及び位相を調節するためのものである。伝播するビーム225はコントローラ220から出力され偏光板230に向う。偏光板230は選択された結晶対称軸に対して放射線を偏光する。伝播する偏光されたビーム235は材料90に適切な経路を通って透過する。

【００３７】描かれている好ましい実施形態では、そしてガーネット材料について説明した
例では、放射線は特別な結晶対称の方向である図１のＢ軸に基づいて伝播され偏
光される。レーザ210によって放射されたビーム215はコントローラ220によって、コントローラ220から出力する放射線225が図１のＡ軸と一致する経路に沿って
伝播するように方向付けされる。偏光板230は、出力したビーム235が結晶対称軸
Ｂに沿って直線偏光するようにビームを偏光する。

【００３８】上述したように、偏光板230は放射された放射線をサイト10、20、30及び40における各双極子に対してほぼ同じ角度で偏光する。またコントローラ220は、偏光板230によって偏光される方向に対して垂直な方向に放射線を伝播する。これにより、結果として図２のA線に示されるような推定強度を持つ同一のラビ周波数が、サイト10、20、30及び40に誘発される。材料90がサイト10-60において、不揃いで配向性が異なる結晶学的に等価な遷移双極子で構成されているにもかか
わらず、この結果が達成された。これによって光干渉が除去されないまでも大幅
に減少し、材料の一時的な偏光作用がかなり単純化される。

【００３９】上に詳述したように、本発明は光エレクトロニクス伝導及び光エレクトロニク
ス相互作用における速度特性及びバンド幅特性を向上させ、光エレクトロニクス
伝導及び光エレクトロニクス相互作用における材料の偏光干渉を減少させ、広範
囲の光学用材料を通じて光エレクトロニクス伝導及び光エレクトロニクス相互作
用における光遷移確率を最適化させる方法を提供する。この方法を実施するため
に構成された高効率な光システムが更に説明される。

【００４０】本発明のいくつかの好適な実施形態についてのみ上述したが、この技術に習熟
した者にはまた、本発明がそれらのみに限定されるものでないことが了解されよ
う。上述した本発明の様々な機能及び特徴を個別にあるいは組み合わせて使用す
ることが可能である。さらに、本発明は特定の環境で特定の目的のための実施と
して説明されているが、技術に熟練した者に了解されるように、本発明の有益性
はそこに限定されるものではなく、本発明はあらゆる環境のあらゆる実施形態に
おいて有益に利用され得るものである。したがって、以下に挙げる請求の範囲は
ここで開示される本発明の全精神から見て解釈されるべきである。

【００４１】考えられる結晶の単一ラビ周波数方向を表１に示す。表から分かるように、す
べての非立方晶は、それに沿ってすべての双極子が等しく射影する方向を、最低
1つ持っている。より高い対称性のサイトにおける双極子には、同じ特性を持つ方向がさらに加えられる。立方対称性を持つ結晶では、より高い対称性を持ち斜
方晶を含むサイトの双極子は、常に結晶のいくつかの軸上に等しく射影される。
より低い対称性を持つサイトについては、しかしながら一般的な解法は与えられ
ていないが、興味ある多くの場合について部分的解法を見い出すことが可能であ
る。部分的解法とは、活性イオン又は分子のいくつかの電子状態について1つの解法が存在するが、他の状態については適用できないことを意味する。例えばEu
：Y₂O₃は光エレクトロニクスに応用できる可能性を持つ重要な材料であり、立方
晶のC₂サイトでEu³⁺イオンがY³⁺イオンに代わったものだが（結晶対称性T_h）、重要なEu³⁺遷移⁷F₀−⁵D₀はC₂方向を指す1つの電気双極子であり、結晶内には双極子に等価的に射影される方向がいくつかある。

【００４２】表１（下記の表１〜表４が単一の表１を構成している）すべての結晶対称における全単一ラビ周波数方向と、各結晶対称に対して可能
なすべてのサイト対称性を記載した表である。同じ対称性ラベルにできるものが
いくつかある場合、C₂に加えてC₂'、C₂"も使用される。また垂直鏡面にはProper
ties of the Thirty-Two Point Groups、MIT Press、1963の中でKoster、Dimmoc
k、Wheeler、及びStatzによって約束されたσd、σvを使用する。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】

【表４】

【００４７】 ^*このような面や方向は存在するが、実験的に決定されるべきである。

【００４８】認められるように、本発明の重要な特徴は放射線を光学用材料の双極子に最適
化してカップリングすることにある。このカップリングの結果、材料に変更が生
じたり（例えば光データ格納装置）、放射線束に変更が生じる（例えば信号処理
装置や格納された情報の読み出し）。上述のように、このカップリングは「光放
射線又は放射線場と様々なイオンドープされた結晶あるいは分子結晶とのコヒー
レント相互作用」と呼ばれる。カップリングを最適化するために伝播方向が用い
られる。各双極子はモデルであり、バルクな材料の性質を説明するものである。
カップリングの最適化が重要な主題である。「伝播」はこのカップリングに影響
を及ぼすものとして重要になる。

【００４９】

【発明の効果】

このように、本発明の本質は光放射線あるいは放射線場とイオンドープされた
結晶あるいは分子結晶とのコヒーレント相互作用に基づくあらゆる光エレクトロ
ニクス装置に応用できるものである。この概念を用いる装置には、光データ格納
装置、リアルタイム光信号処理、量子コンピュータ、コヒーレントコンピュータ
、及び光データルーティングが含まれる。本発明を、ある好適な実施形態を参照して説明してきた。しかしながら、その
バリエーションはこの技術に習熟した者にとって明らかであるため、本発明はこ
れに限定されるものと考えるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Y₃Al₅O₁₂の結晶格子における、配向的に不等価で結晶的に等価な６つの１２面
体サイトの各方向を示す。これは特に複雑な系であり、どんな結晶材料にも適用
可能な、一般的な手順を説明するために選ばれた（この概念を適用できる結晶材
料は無数にあるが、以下に制限を示す）。

【図２】最適化されていないコヒーレント相互作用の例を示す（うなりによって信号強
度が減少している）。また、図１の物質について最適化したコヒーレント相互作
用の2つの異なる例を、同一の光電界を用いた場合について示す。

【図３】本発明の最適化した材料の相互作用にしたがって、一般化された光学用材料に
放射線を透過する光エレクトロニクス装置を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者グアンミンワンアメリカ合衆国コネチカット州 06855 ノルウォークラッセルストリート 18 セカンドフロア (72)発明者ヨンヒェサンアメリカ合衆国モンタナ州 59715 ボーズマンマッキントッシュコート 104 ディー (72)発明者ランディダブリュイクォ―ルアメリカ合衆国モンタナ州 59715 ボーズマンスプルースドライブ 1207 エスＦターム(参考） 2H049 CA01 CA09 CA23 CA30 2H079 AA04 AA08 BA01 BA03 CA01 DA01 KA05 2K008 AA04 BB04 DD23 HH12 5D090 BB16 BB18 CC01 CC04 DD01 DD05 KK01 KK09 LL03 LL05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物質の結晶対称軸に対する放射線の偏光状態の間に最適の関
係を決定する工程と、この関係を結晶対称性に基づいてまた結晶軸に対する特別な方向に関して特定
する工程と、上で選択された結晶対称軸に対する特別な方向に沿って放射線を偏光する工程
と、偏光された放射線を前記結晶対称軸に対する特別な方向に垂直に伝播する工程を
有する、一般化された結晶対称性を持つ物質に放射線を伝播する方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法であり、放射線がコヒーレントである
方法。
【請求項３】請求項１に記載の方法であり、放射線が直線偏光又は楕円偏
光される方法。
【請求項４】請求項１に記載の方法であり、前記物質が複数の双極子を持
ち、その各双極子が独立した遷移双極子方向を持ち、放射線が各双極子上に等し
く射影される方法。
【請求項５】請求項１に記載の方法であり、前記物質が複数の双極子を持
ち、その各双極子が独立した遷移方向と、結晶対称性に基づいて選択され、前記
複数双極子の部分集合の各遷移双極子上に等しく射影する方向になるように決定
され、前記複数双極子の残りの各遷移方向に直交するような特別な偏光方向とを
持つ方法。
【請求項６】請求項５に記載の方法であり、偏光された放射線が前記物質
中へ伝播することによって、前記双極子の部分集合内のイオンが活性化し励起さ
れ協調的に振動させられる方法。
【請求項７】請求項５に記載の方法であり、偏光された放射線が前記物質
中へ伝播することによって、前記双極子の部分集合内のイオンが活性化しほぼ同
じラビ周波数で振動させられる方法。
【請求項８】請求項５に記載の方法であり、偏光された放射線が前記物質
中へ伝播することによって、選択された双極子部分集合内のイオンのみが活性化
し振動させられる方法。
【請求項９】請求項１に記載の方法であり、前記物質が複数の双極子を持
ち、その各双極子が独立した遷移方向を持つことを特徴とし、さらに結晶対称性に基づいて選択された特別な方向が、双極子の部分集合の各
遷移方向に対して等しく射影する方向で、前記複数双極子の残りの各遷移方向に
対して直交する方向に決定されるように、複数の双極子の部分集合を選択する工
程を有する方法。
【請求項１０】請求項１に記載の方法であり、物質が含む結晶格子構造が
、不揃いで配向の異なる結晶学的に等価な複数の双極子を持つ方法。
【請求項１１】放射線（又は放射線束）を、不揃いで配向の異なる結晶学
的に等価な複数の遷移双極子を持つた結晶格子構造を有する物質中に伝播する方
法であり、放射線を伝播する工程と、ビーム上にデータをエンコードする工程又はビーム上に情報を処理する工程と
、伝播する放射線を前記物質の方向に向ける工程と、伝播する放射線を、複数の遷移双極子の部分集合、多重遷移双極子を含む前記
部分集合の各双極子に対してほぼ同じ角度で偏光する工程を有する方法。
【請求項１２】請求項１１に記載の方法であり、複数の遷移双極子が多重
遷移双極子からなる部分集合と、残りの複数の遷移双極子によって成り立ち、伝
播する放射線が残りの線双極子のそれぞれに対して直角に偏光する方法。
【請求項１３】請求範囲１１に記載の方法であり、伝播する偏光した放射
線が遷移双極子の部分集合内の多重遷移双極子を、各多重遷移双極子がほぼ等し
い遷移強度を持つように励起する方法。
【請求項１４】請求項１１に記載の方法であり、放射線が各多重遷移双極
子上に等しく射影されるように偏光される方法。
【請求項１５】請求項１１に記載の方法であり、放射線が一方向に偏光さ
れ、その偏光方向に対して垂直な方向に伝播される方法。
【請求項１６】請求項１１に記載の方法であり、偏光された放射線が物質
中を伝播することにより多重遷移双極子内の励起イオンを活性化し協調的に振動
させる方法。
【請求項１７】請求項１１に記載の方法であり、偏光された放射線が物質
中を伝播することにより多重遷移双極子を活性化しほぼ等しいラビ周波数で振動
させる方法。
【請求項１８】請求項１１に記載の方法であり、偏光された放射線が物質
中を伝播することにより多重遷移双極子の部分集合内のイオンのみを活性化し振
動させる方法。
【請求項１９】不揃いで配向の異なる結晶学的に等価な遷移双極子を持つ
物質中に放射線を伝播するシステムであり、放射線を経路にそって放射するため
の放射線エミッタと、複数の遷移双極子の部分集合の各双極子に対して放射され
た放射線がほぼ等しく射影するように偏光する偏光板とを有し、前記遷移双極子
の部分集合が前記複数の遷移双極子の多重を含むシステム。
【請求項２０】請求項１９に記載の方法であり、放射線が一方向に沿って
偏光され、さらに前記方向に対して垂直に放射線を伝播させるコントローラを有
するシステム。
【請求項２１】請求項１に記載の方法であり、前記方法が光データ格納装
置、リアルタイム光信号処理装置、及び光データ・ルーティング装置に施されて
いる方法。
【請求項２２】請求項１に記載の方法であり、前記方法がコンピュータ、
通信ネットワーク、及びレーダに組み合されている方法。
【請求項２３】請求項１９に記載の方法であり、前記システムが光データ
格納装置、リアルタイム光信号処理装置、及び光データ・ルーティング装置に組
み合わせて使用されているシステム。
【請求項２４】請求項１９に記載の方法であり、前記システムがコンピュ
ータ、通信ネットワーク、及びレーダに組み合わせて使用されているシステム。