JPH10507845A - 電気制御式ウェーブガイド・ルーティングを用いたディスプレイ・パネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フラット・パネル・ディスプレイ（１００１）は、レーザ光源（１０００）からのレーザ光を１組の光学ウェーブガイド（１０１４）間の光エネルギー・ルータ・アレイ（１００８）を通じて経路指定し、光をビューアの方へ結合する新規の切替技法に基づくものである。この切替技法は、極化電子光学構造に基づくものである。このディスプレイ技法は、小型高解像度コンピュータ・ディスプレイから高精細度テレビジョン（ＨＤＴＶ）フォーマットに関する大型画面ディスプレイまでの範囲の応用分野をカバーできるほど多機能である。本発明は、可視半導体ダイオード・レーザ光源に固有の高輝度およびパワー効率を新規のウェーブガイド電子光学切替技法と組み合わせ、高輝度発光画素の密な二次元アドレス可能アレイを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 電気制御式ウェーブガイド・ルーティングを用いたディスプレイ・パネル 発明の背景 本発明は、装置、特に、電界制御を使用して、エネルギー、特に光線の伝搬を 制御する光学装置に関する。詳細には、本発明は、周期的に極化（poled、分極 ）された構造を含む極化構造（poled structure、分極構造）と、電極自体の間 に制御された電界が印加された状態で光エネルギーの制御された伝搬を可能にす る電極とを含む装置に関する。本発明は、フラットパネル・ディスプレイの基本 的に新しい種類に関する。 ＥＯ切替可能格子に関する現行の技術を第１図（従来の技術）に示す。この構 造では、周期的にパターン化された電極が、格子を画定する要素として働く。後 述のように、基礎構造は、パターン極化構造を有さない。入射ビーム１２は、電 気制御可能な永久格子６を含む電子光学的に活性の材料２に結合される。格子電 極への電圧源１０がオフになると、入射ビームは引き続き材料内を伝搬し、射出 ビーム１６を形成する。格子制御電圧源をオンに切り替えると、材料内で屈折率 変調格子が生成され、入射ビームの一部が、反射された射出ビーム１４に結合さ れる。材料は、単一のドメインを含む電子光学的に活性の極化領域４を有し、極 化構造全体にわたって同じ極性を有する。第１の電極６は、基板の共通表面１８ 上の第２の電極７とインターディジタル化される。電極間に電圧が印加されると 、ビーム１２の経路に沿った電界の垂直成分が交互に逆の符号を有し、正の屈折 率変化と負の屈折率変化が交互に生じ、格子が形成される。格子の強度は、２つ の導体８によって２つの電極間に接続された電圧源によって制御される。 一様な基板およびパターン化電極を使用するＥＯ装置および圧電装置の従来技 術に関する第２の一般的な問題は、励起された電界が、電極からの距離に応じて 急激に低下することである。パターンは基本的に、パターン微細形状寸法に等し い電極からの距離で消滅する。この問題は、格子の場合には、微細形状寸法が非 常に小さなものであるために重大である。インターディジタル化電極で形成され た従来技術の格子は、浅い表面層でのみ変調効果を有する。寸法が微細形状寸法 よりも大きなウェーブガイドとＥＯ構造との相互作用は弱い。相互作用のより大 きな装置ではより長い格子周期を使用することができるが、前述の鋭い画定がで きないので、この場合も効率が大幅に制限される。現行の技術と効率的に相互作 用するための最小格子周期は約１０ミクロンである。アスペクト比（すなわち、 光線の幅と微細形状寸法との比）が高いにもかかわらず、小さな構造に基づくＥ Ｏ装置の効率を維持する方法が必要である。ウェーブガイドの幅、場合によって は案内されない大きなビームの幅全体にわたって持続する切替可能なパターン化 構造が必要である。 従来技術には、ディスプレイ応用例用のウェーブガイド構造に結合された光源 を使用するいくつかの関連技術がある。 ◆Ｊ．ＶｉｉｔａｎｅｍおよびＪ．Ｌｅｋｋａｌａ（「Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉ ｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙｓ」ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１ ９７６、Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｖｉｄｅｏ、２９３ページないし３ ０２ページ（１９９３年）およびこの文献内の引用）は、液晶切替に結合するウ ェーブガイド原則を使用するフラット・パネル・ディスプレイの特性を再検討し たいくつかの設計が論じられている。これらはすべて、共通の設計原則を有する 。ディスプレイの行要素を形成する電子光学的に活性の一連のウェーブガイドを 横切って、変調された光源を機械的に走査させる。一連の並列電極は、ディスプ レイ用の列位置を形成する。光は、ウェーブガイドから結合され、電子光学効果 を使用して列空間位置でビューアの方へ散乱する。したがって、画素の二次元ア レイが形成される。 この従来技術では、光は、周りのクラッディング材料よりも大きな屈折率を有 するコア光学材料で構成されたウェーブガイド内に拘束される。光は、通常、主 としてコアに拘束され、所望の空間位置でウェーブガイドのコアから「漏れる」 。ウェーブガイド効果は、ある距離に沿ったコアとクラッディングとの間の屈折 率の差を電子光学的に低減させることによって破壊される。電子光学的に活性の 材料は主として、コア内（屈折率を低減させるため）とクラッディング内（屈折 率を増加させるため）のどちらかに存在する。ｖｉｉｔａｎｅｍ等では、クラッ デ ィングは活性である。ウェーブガイド効果を破壊する技法は、従来技術のある種 の文献では「ウェーブガイド・タップ」と呼ばれている。 「漏れた」光は、自由空間回折によって散乱中心へ伝搬し、そこでビューアの 方へ向けられ、ディスプレイの画素が形成される。破壊されたウェーブガイドか ら「漏れる」光はもはや、空間的に拘束されず、破壊されたウェーブガイド・セ グメントから伝搬するにつれて標準回折理論に従って面積が増大する。光のこの 二次元拡張によって３つの問題が発生する。 第１に、前にウェーブガイドに拘束された光の回折角度が比較的小さいので、 相互作用長が長くなる（大部分の光エネルギーは、コア領域から出ないかぎり、 ビューアの方へ散乱することができない）。このため通常、散乱中心の間隔は１ ｍｍよりも大きな値に制限される。この効果によって、低画素記録密度を有する 低解像度ディスプレイをもたらす。 第２に、ビームの二次元拡張によって、大部分の光を散乱中心に集めビュー アの方へ向けることは事実上不可能になる。このため、ディスプレイはパワー効 率が低くなる。 第３に、ビームの二次元拡張によって、散乱中心が大きくなり、したがって画 素寸法が大きくなる。このため、ディスプレイ解像度が低下する。 画素間隔が大きい場合、ディスプレイに十分な画素をカバーするために長いウ ェーブガイドを使用なければならない。その場合、ディスプレイは、ウェーブガ イド損失の効果が大きな領域で動作し、この場合も効率が低下する。したがって 、この従来技術設計では画素記録密度が低く、画素寸法が大きく、パワー効率が 低い。 これらの問題を解決するには、光が、切り替えられた光が画素散乱中心と、散 乱中心に至る他のウェーブガイドとのどちらかへ効率的に向けられるように光線 全体を行ウェーブガイドから幅の狭い立体角度に経路指定する、短く効率的な低 損失電子光学ウェーブガイド切替を開発する必要がある。これによって、光が散 乱中心に集中し、ディスプレイの効率と画素記録密度が共に最大になる。 ◆「ウェーブガイド・タップ」法を使用する他の実施形態は、米国特許第５１ ０６１８１号（１９９２年４月）および米国特許第５００９４８３号（１９９１ 年４月、Ｒｏｃｈｗｅｌｌ，ＩＩＩ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ」）に記載されている。Ｒｏｃｋｗｅｌｌ ＩＩ Ｉは、ウェーブガイドを使用して光を同時行で案内するディスプレイを開示して いる。光は、クラディング内の電子光学効果を使用してウェーブガイドからクラ ッディングに結合される。この構造は前述のＶｉｉｔａｎｅｍ等の構造とは異な るものであるが、このディスプレイは、画素密度が低く非効率的であるという前 記で論じたのと同じ問題を有する。 ◆米国特許第５０４５８４７号（１９９１年９月、Ｔａｒｕｉ等、「Ｆｌａｔ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ」）は、「ウェーブガイド・タップ」法の他の例 を開示している。平面ウェーブガイド構造が、ａ−ＳｉＮとａ−Ｓｉの分散層か らなる層化コア材料と共に使用される。レーザ・ダイオード源からの光は、電圧 がウェーブガイドのコアを横切るまで平面ウェーブガイド内に拘束される。電圧 によってコアの屈折率が低減し、それによって光がウェーブガイド構造から逃げ る。このディスプレイは、前述のすべての難点を有する。この設計は、すべての 画素が同時に照明されるが、一度に活性化される画素が１つだけなので、効率上 の他の欠点を有する。したがって、どの時点でもビューアの方へは光の非常に小 さな部分しか結合されない。 ◆米国特許第５０８３１２０号（１９９２年１月、Ｎｅｌｓｏｎ、「Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｌｅａｋｙ Ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅｓ」）は、ディスプレイ用の行バックライトとして使用される光の漏 れやすい光ガイドを開示している。レーザ・ダイオードなどの光源からの光が、 光ガイドに結合され、ディスプレイの１行に一様な照明が与えられる。このバッ クライトは、強誘電液晶シャッタのアレイと組み合わされ、ディスプレイ画素が 形成される。この場合、ウェーブガイドは、通常ＬＣＤディスプレイで使用され る蛍光灯に代わるものとして使用されるに過ぎず、活性「ウェーブガイド・タッ プ」もスイッチもない。 ◆米国特許第４６４０５９２号（１９８７年２月、Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ等、「 Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｆｏｒｍｅｄ Ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ａ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｏｒｅ Ｗａｖｅ ｇｕｉｄｅ」）は、液体が充填された複数のファイバまたはウェーブガイドを行 として使用するディスプレイを開示している。これらのウェーブガイドは、一連 のヒータ電極の上方に配置される。ヒータ電圧がオンにされるとウェーブガイド ・コア内で気泡が形成され、それによって散乱光がビューアの方へ向かう。ディ スプレイ画像は、変調されたレーザ光を機械的に順次、各行ウェーブガイドとし て走査させたときに形成される。この手法は、小さな散乱中心をコア領域に配置 することによって「ウェーブガイド・タップ」手法に固有の問題のうちのいくつ かを解決するが、熱プロセスのタイム・スケールのために、このディスプレイは 、フル・モーション・ビデオを表示できるほど高速なフレーム速度を有すること ができない。この設計にはウェーブガイド・スイッチはない。 当技術分野で知られている切替機構では、光を供給ウェーブガイドから所望の 行ウェーブガイドへ効率的に切り替えることができないので、すべての従来技術 は、レーザ源によって直接励起される並列入力ウェーブガイドを使用している。 このため、Ｖｉｉｔａｎｅｍ等およびＮｉｓｈｉｍｕｒａ等の扱いにくい機械的 ビーム走査装置、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ ＩＩＩの同時ウェーブガイド束照明、Ｔａ ｒｕｉ等の平面ウェーブガイド励起、ＮｅｌｓｏｎおよびＮｉｓｈｉｍｕｒａ等 の同時ダイオード・アレイ照明が与えられている。しかし、光が単一のウェーブ ガイドに結合され、画素に経路指定されるディスプレイの最も簡単なアーキテク チャでは、一方が行ウェーブガイドを選択し他方が画素を選択する、少なくとも ２つの連続スイッチによって二次元画素アレイ全体を照明する必要がある。従来 技術は画素スイッチを与えることができる（しかし、困難である）。しかし、行 スイッチは、ウェーブガイドどうしを接続しなければならず、前述のウェーブガ イド・タップと共に使用することはできない。ウェーブガイド間結合は、切替領 域でウェーブガイドが破壊された後に二次元回折によって光が拡がるので過度に 非効率的である。切り替えられた光を効率的に他のウェーブガイドに集中させる スイッチが必要である。 ＢｅｃｋｅｒおよびＣｈａｎｇの一体型光学チャネル・ウェーブガイド通信バ スは、「ウェーブガイド・タップ」も、ウェーブガイド内を伝搬する光を画素フ ォーマットでビューアの方へ向ける他の方法も含まないので、ディスプレイとし て使用することはできない。さらに、上記で第１図を参照して説明したインター ディジタル化電極構造を使用するスイッチが製造されており、このようなスイッ チはパターン極化構造を含んでいない。このスイッチ設計は、スイッチ挿入損失 が高く、したがって、ディスプレイや通信応用例用のマルチスイッチ・データ・ バスなど、同じウェーブガイド上の多数のスイッチを必要とする応用例で使用す ることはできない。 従来技術に関する問題は、下記のように要約される。１）画素間隔が大きいの で小型の高解像度ディスプレイを製造することができない。２）非効率的な「ウ ェーブガイド・タップ」によってディスプレイの輝度が制限される。３）光損失 のためにパワー効率が低い。４）パワーを効率的に他のウェーブガイドに切り替 えることができない。 発明の概要 本発明によるフラット・パネル・ディスプレイは、１組の光学ウェーブガイド 間でレーザ光を経路指定し、その光をビューアの方へ結合する新規の切替技法に 基づくものである。この切替技法は、極化された電子光学構造に基づくものであ る。このディスプレイ技法は、小型高解像度コンピュータ・ディスプレイから高 精細度テレビジョン・フォーマット用の大型スクリーン・ディスプレイまでの範 囲の応用例領域をカバーできるほど多機能である。本発明は、可視半導体ダイオ ード・レーザ源に固有の高輝度およびパワー効率を新規のウェーブガイド電子光 学切替技法と組み合わせ、高輝度光放出画素の密な二次元アドレス可能アレイを 形成する。 本発明は、コンピュータによって生成された情報およびフル・モーションＨＤ ＴＶを表示するのに適した全半導体フル・カラー高解像度ディスプレイを提供す る。この結果、エネルギー効率の高いディスプレイであり、バッテリ駆動するこ とのできる高解像度ディスプレイが得られる。本発明は、手持ち応用例に適した 小型高解像度ディスプレイも提供する。 本発明は、下記の詳細な説明を添付の図面と共に参照すればよりよく理解され よう。 図面の簡単な説明 第１図は、従来技術による、インターディジタル化電極を含む変調器を示す図 である。 第２図は、本発明による、バルク光線と相互作用する切替格子の汎用実施形態 を示す図である。 第３図は、切替格子を使用するウェーブガイド・レトロリフレクタの実施形態 を示す図である。 第４図は、結晶の同じ面上に配設された３つの電極を含む再帰反射装置用の電 極構成の実施形態を示す図である。 第５図は、２つの電極が結晶の同じ面上に配設された、同じ装置用の電極構成 の実施形態を示す図である。 第６図は、テーパ付き分離部を含む３つの電極が結晶の同じ面上に配設された 、装置用の電極構成の実施形態を示す図である。 第７図は、極化交差ウェーブガイド・カプラのＴ字形実施形態を示す図である 。 第８図は、極化交差ウェーブガイド・カプラのＸ字形実施形態を示す図である 。 第９図は、ウェーブガイドの平面からの射出を含む極化ウェーブガイド射出カ プラの実施形態を示す図である。 第１０図は、並列ウェーブガイド極化指向性カプラの実施形態の図である。 第１１図は、代替入射出モード・プロファイルの図を含む、ｘ交差ウェーブガ イド・カプラの平面概略図である。 第１２図は、テーパ付き電極ギャップを用いて励起されるテーパ付き結合領域 形状を含むｘ交差ウェーブガイド・カプラの実施形態を示す図である。 第１３図は、汎用結合領域形状および電極パターンを含むｘ交差ウェーブガイ ド・カプラの実施形態を示す図である。 第１４図は、調整可能周波数極化電子光学レトロリフレクタのバルク光実施形 態を示す図である。 第１５図は、調整可能周波数極化電子光学レトロリフレクタのウェーブガイド 実施形態を示す図である。 第１６図は、電子光学クラッディングを含む調整可能周波数電子光学レトロリ フレクタと、極化格子およびクラッディングの独立励起のバルク光学実施形態を 示す図である。 第１７図は、多重周波数極化電子光学レトロリフレクタのウェーブガイド実施 形態を示す図である。 第１８図は、移相極化格子を示す図である。 第１９図は、多重周期格子リフレクタの実施形態を示す図である。 第２０図は、多重周期性とそれぞれの異なるスペクトル範囲とを含む２つの装 置の周波数応答曲線を示す図である。 第２１図は、ツイン格子調整可能リフレクタの実施形態を示す図である。 第２２図は、調整可能な光路長を有するツイン格子からなる一体型エタロンの 概略図である。 第２３図は、フェーズ・シフタを含む二重格子切替可能Ｙ字形接合の実施形態 を示す図である。 第２４図は、極化ウェーブガイド・モード変換器の実施形態を示す図である。 第２５図は、ウェーブガイド・モード変換器を使用するウェーブガイド・ルー タの実施形態を示す図である。 第２６図は、切替可能な並列ウェーブガイド共振器の実施形態を示す図である 。 第２７図は、３アーム・ウェーブガイド・エタロンの実施形態を示す図である 。 第２８図は、リング・ウェーブガイド・エタロンの実施形態を示す図である。 第２９Ａ図は、制御可能な極化中間構造を含む変調器／減衰器の実施形態を示 す図である。 第２９Ｂ図は、調整可能なレンズ構造の実施形態を示す図である。 第３０図は、切替極化ウェーブガイド・スタブを含む極化全内面反射（ＴＩＲ ）ウェーブガイド・スイッチの実施形態を示す図である。 第３１図は、二重ＴＩＲウェーブガイド・スイッチの実施形態を示す図である 。 第３２図は、切替非極化ウェーブガイド・スタブを含むＴＩＲ電気切替ビーム ・ディレクタの実施形態を示す図である。 第３３図は、ＴＩＲのない２位置極化ウェーブガイド・ルータの実施形態を示 す図である。 第３４図は、５０％スイッチ記録密度を有する極化ＴＩＲスイッチ・アレイの 実施形態を示す図である。 第３５図は、１００％スイッチ密度を有する極化ＴＩＲスイッチ・アレイの実 施形態を示す図である。 第３６図は、永久旋回鏡と非対称損失交差領域とを含む高密度記録アーキテク チャ用の二重ウェーブガイド構造の実施形態を示す図である。 第３７図は、ＴＩＲスイッチを含む切替ウェーブガイド・アレイの実施形態を 示す図である。 第３８図は、格子スイッチを含む切替ウェーブガイド・アレイの実施形態を示 す図である。 第３９Ａ図は、システム制御線を含むｍ×ｍ通信スイッチ・アレイの実施形態 を示す図である。 第３９Ｂ図は、ＷＤＭ可能出力を含む３×３スイッチ・アレイの実施形態を示 す図である。 第４０図は、画素要素を含む二次元切替アレイの実施形態を示す図である。 第４１図は、データ・トラックに結合された画素要素を含む一次元切替アレイ の実施形態を示す図である。 第４２図は、選択可能な格子リフレクタ部と検出器アレイとを使用する切替可 能なスペクトル・アナライザの実施形態を示す図である。 第４３図は、極化音響多層干渉計構造を示す図である。 第４４図は、極化音響トランスジューサを示す図である。 第４５図は、多重周波数光波の同調コヒーレント検出器の実施形態を示す図で ある。 第４６図は、単一の極化領域を使用する低損失切替可能ウェーブガイド・スプ リッタの実施形態を示す図である。 第４７図は、複数の極化領域を使用する低損失切替可能ウェーブガイド・スプ リッタの実施形態を示す図である。 第４８図は、１×３ウェーブガイド・スプリッタ用の主要設計要素を示す図で ある。 第４９図は、調整可能な位相アレイ変調器として示された活性ウェーブガイド 装置の多層スタックを示す図である。 第５０図は、従来技術の調整可能なウェーブガイド減衰器の実施形態を示す図 である。 第５１図は、多重極化セグメント調整可能ウェーブガイド減衰器の実施形態を 示す図である。 第５２図は、角度拡大極化格子を使用する拡大された帯域幅を有する構造の実 施形態を示す図である。 第５３図は、湾曲ウェーブガイドを使用する拡大された帯域幅を有する構造の 実施形態を示す図である。 第５４図は、電気的に制御可能な極化レンズの実施形態を示す図である。 第５５図は、周期的に極化されたリフレクタを使用するレーザ・フィードバッ ク装置の実施形態を示す図である。 第５６図は、周期的に極化されたウェーブガイド・リフレクタを使用するレー ザ・フィードバック装置の実施形態を示す図である。 第５７図は、複数の切替フィードバック格子を使用するレーザ・フィードバッ ク装置の実施形態を示す図である。 第５８図は、波長同調調整可能合焦システムの実施形態を示す図である。 第５９図は、本発明による表示装置の汎用実施形態を示す図である。 第６０図は、第５９図の汎用実施形態の断面を示す図である。 第６１図は、３色ビーム・コンバイナの実施形態を示す図である。 第６２図は、基板内の鏡面反射を含む面外リフレクタの実施形態を示す図であ る。 第６３図は、基板内の発散反射または拡散反射、あるいはその両方を含む面外 リフレクタの実施形態を示す図である。 第６４図は、基板の表面からの鏡面反射を含む面外リフレクタの実施形態を示 す図である。 第６５図は、基板の表面からの発散反射または拡散反射、あるいはその両方を 含む面外リフレクタの実施形態を示す図である。 第６６図は、第５０図または第５１図の減衰器構造を具体化する代替画素スイ ッチ構造の実施形態を示す図である。 第６７図は、面外格子リフレクタの実施形態を示す図である。 第６８図は、シールと画素の相対配置を示すディスプレイの画素用のアブソー バ／デフレクタ光シールドの実施形態を示す図である。 第６９図は、背景光を基板の表面から偏向させるアブソーバ／デフレクタ光シ ールドの実施形態を示す図である。 第７０図は、背景光を基板内へ偏向させるアブソーバ／デフレクタ光シールド の実施形態を示す図である。 第７１図は、背景光をほぼ吸収するアブソーバ／デフレクタ光シールドの実施 形態を示す図である。 第７２図は、第３４図の二次元スイッチ・アレイと同様な通常の二次元スイッ チ・アレイを駆動するのに必要な電極パターンの断面の実施形態を示す図である 。 第７３図は、光を基板内へ反射させる多層スタック・ウェーブガイド分散アー キテクチャにおける面外スイッチの実施形態を示す図である。 第７４図は、光を基板の平面から反射させる多層スタック・ウェーブガイド分 散アーキテクチャにおける面外スイッチの実施形態を示す図である。 第７５図は、３入射ウェーブガイドと共に図示された９０°格子ウェーブガイ ド・スイッチの実施形態を示す図である。 第７６図は、タイル化ディスプレイの実施形態を示す図である。 第７７図は、複数の並列供給ウェーブガイドと複数の部分リフレクタおよび変 調器とを含む光経路指定構造の実施形態を示す図である。 第７８図は、レーザ・アレイによってポンピングされるディスプレイ・アーキ テクチャの実施形態を示す図である。 第７９図は、インターディジタル化ウェーブガイドに結合された複数のレーザ ・アレイの実施形態を示す図である。 第８０図は、面外ウェーブガイド結合の実施形態を示す図である。 第８１図は、三次元ディスプレイの二重極化ディスプレイ・アーキテクチャの 実施形態を示す図である。 特定の実施形態の説明 本出願の請求の範囲は特に、第５９図ないし第８１図に関連して説明する構造 に関する。第２図を参照すると、本発明の装置１１の汎用な実施形態、すなわち パターン極化誘電装置が示されている。基本的に、この装置は、電気制御可能な スタック化誘電体光エネルギー・リディレクタ（energy redirector）であり、 簡潔に言えば、電気的に切替可能な鏡である。好ましい実施形態では、本発明は 、ニオブ酸リチウムの強誘電結晶２０内のバルク光学リフレクタである。電気制 御式切替要素は極化された格子２２である。この極化格子は２つのタイプ３６お よび３８の交互に異なる方向に極化されたドメインからなる。 ドメインは、任意の形状または寸法のものであり、ある種の材料特性がほぼ一 定である物理領域である。極化ドメインとは、分子群が方向性を有し、これらの 群が、極化方向と呼ばれる方向で、あるいはその方向の近くに向いてほぼ整列し ている（あるいは部分的に整列する）。それぞれの異なる方向における整列原子 構造のドメイン、非線形活動や電子光学係数など様々な修正パラメータを含む整 列分子または原子構造からなるドメイン、好ましい方向のない原子構造のドメイ ン、それぞれの異なる電極によって作動する領域によって画定されるドメイン、 局部電極で極化されたポリマーおよび石英ガラスの場合のように極化方向が領域 自体を横切って体系的に変動する極化領域、無作為に配向された分子からなるド メイン、さらに、無作為ドメイン構造、すなわちドメイン自体内で無作為に極化 されたサブドメインからなるドメインを含め、多数のタイプのドメインがある。 極化構造とは、１組の個別のドメインである。パターン極化領域とは、その領域 内のドメインが空間パターンに従って極化され、複数のドメイン・タイプを含む 材料内の領域てある。極化パターンと、極化プロセス中に使用される課されるパ ターン（imposed pattern）との間には、このプロセスの性質に応じて体系的な ずれが生じることがある。パターンの境界も、特に極化プロセスが完全な制御の 下で行われない場合には、ある程度不規則であり、課されるパターンに完全には 従わない。この装置は、それを制御する際に電界が印加され、したがって材料が 、 損傷なしに必要な電界に耐えるために誘電体でなければならないので、パターン 極化誘電体として説明することができる。通常、極化プロセスも電界を使用して 行われ、材料はこれにも耐えなければならない。一般に、誘電とは、本出願では 、応用例に必要な最小電界に耐える材料の機能を意味する。 動作時には、入射光線４０は、光軸に沿って結晶上および結晶内に入射する。 光軸は、ビームの位相面に垂直であり、位相面での強度プロファイル全体にわた る伝搬ビームの平均位置によって決められる。光軸は、一様な材料では真っ直ぐ であるが、湾曲ウェーブガイド、非一様媒体、反射構造または回折構造を含め、 いくつかの状況で曲げられる。入射ビーム４０は、結晶を貫通せず、望ましくな いパワー損失およびモード変換を発生させることのないように結晶長全体にわた って十分に小さなスポット寸法２１を有することが好ましい。第２図に示した装 置のようなバルク相互作用装置では、ドメイン３６および３８は、入射ビーム４ ０の少なくとも一部に重なるように基板２０を十分な距離にわたって通っていな ければならない。格子２２は入射ビーム４０と交差している。これは、格子２２ の平面３４が入射ビーム４０の軸を横切るということ意味する。２本の線（また は線と平面、または２つの平面）が互いに横切る場合、本出願では、それらの線 は平行ではないことを意味する。格子がビーム４０を横切るので、ビームは格子 ２２の構造の少なくとも一部を通過する。 光線４０は、光周波数源（図示せず）から導かれ、ビームがそれほど結晶に吸 収されず、ビームが光屈折効果を受けてもそれほどゆがまないような波長を有す る。光周波数源手段は、格子リフレクタ２２の許容波長内で十分な輝度を供給し 有用な切替射出ビーム４４を生成することができる１つまたは複数の光学励起器 を含むことができる。射出ビームは、同じ基板上の他の要素に結合することも、 あるいは外部装置に結合することもでき、後者の場合、ビーム４４が現れる射出 表面に反射防止コーティングを施すことが好ましい。反射防止コーティングは、 多層誘電コーティングでも、ほぼ適切な屈折率を有する材料からなる単一の４分 の１波長層でも、ゾル−ゲル・コーティングでもよい。励起器は、所望のスペク トル輝度が達成されるかぎり、レーザ、発光ダイオード、アーク灯、放電、場合 によってはフィラメントを含め、任意の光源でよい。所望のスペクトル輝度を１ つまたは複数の励起器から直接供給することも、あるいは１つまたは複数の周波 数変換（二重、または混合、またはパラメトリック増幅）励起器から間接的に供 給することも、あるいは上記の代替策のうちのいくつかを組み合わせて供給する こともできる。吸収効果によって波長は約４００ｎｍないし４０００ｎｍの範囲 に制限される。光屈折現象の効果は、構成、波長、ドーパント、極化構造に応じ て異なり、本出願では、この効果が、許容限界内ではビームのゆがみが残らない ように制御されるものと仮定する。 格子２２は、２つの異なるタイプの交番ドメイン間の境界３４で形成または画 定される。第１のタイプのドメイン３６は、第２のタイプのドメイン３８とは異 なる電子光学（ＥＯ）係数を有し、そのため、電極２４と電極２６との間に一様 な電界が印加された場合、２つのタイプのドメインの屈折率の変化は異なるもの になる。屈折率によって光波の位相速度が変化するので、屈折率または位相速度 の異なる領域間ではインピーダンスが一致しない。極化センス矢印３９、４１に よって示したように、領域３６が他方のドメイン・タイプ３８およびオリジナル ・ウェハ２０の極化方向に対して逆のセンスを有する材料を用いてそのような屈 折率の変化を生じさせると有利である。逆のセンスとは、本出願では、極化方向 がある基準方向の逆であることを意味する（電界制御可能な格子の代替実施態様 は、領域３６の内外でＥ−Ｏ係数が破壊される照射マスク付きポリマー被膜であ る）。構造２２に一様な電界を印加すると、変調された屈折率が生成される。こ の屈折率変調パターンは、既存の屈折率分布に追加される。最も簡単な構成は、 印加される電界がない場合には屈折率変調を有さず、印加された電界に応答して 屈折格子を直線的に形成する。格子２２の周期４８は、各ドメイン・タイプに対 応する領域を全体的に含む２つのドメイン領域間の距離である。 屈折格子の代替実施態様は、ひずみ場を極化領域に印加することによって得ら れる。材料の光弾性応答のために、それぞれの異なる極化領域でそれぞれの異な る屈折率の変化が生じる。ひずみ場は、たとえば高温の基板上に被膜を置き、次 いで室温に冷却することによって常に印加することができる。ひずみの集中は、 たとえば被膜のストライプをエッチングすることによって行うことができる。 極化要素３６および３８は、格子２２全体にわたって交互に配置され、間に空 間は含まれない。追加ドメイン・タイプを使用することができる場合、各ドメイ ンがそれぞれの異なるドメイン・タイプの様々な距離だけ分離されたより複雑な 交番パターンが可能である。ある種の応用例では、格子２２は、その長さに沿っ て１周期だけ含まれるドメイン・タイプが他の周期で再生されるように、第２図 に示したような一様に周期的な格子である。他の応用例では、複数のスペクトル ・ピークやより広いスペクトル帯域幅など他の利点が得られるように周期を修正 すると有利である。格子とは、本出願では、形状および周期性のすべての可能な 変形態様を含め、区別可能な構造のアレイを意味する。 周期的屈折格子は、光線間の相互作用において仮想光子を供給することができ る。これは、この格子構造が、相互作用に対して運動量を供給することはできる が、エネルギーを供給することはできないことを意味する。相互作用を継続させ るには、エネルギーと運動量を共に保存しなければならず、この格子は、２つの 保存関係を同時に満たすために運動量の増分が必要なときに有用である。格子の 周期性によって、相互作用に使用できる運動量が決められる。格子の強度によっ て仮想光子ビームの「強度」が決定される。光線が横切る格子の断面の周期の数 によって、得られる仮想光子運動量の帯域幅が決定される。帯域幅の制限のため に、相互作用は、特定の光周波数範囲（または複数の光周波数範囲）内でしか継 続できない。したがって、格子装置は、固有に周波数選択的なものであり、通常 、公称波長の周りで動作する。 たとえば、第２図に示したような、ある角度での簡単な反射プロセスでは、入 射ビーム４０の光子は、射出ビーム４４および４２の光子と同じ光周波数を有し 、したがってエネルギーの保存が守られる。しかし、入射ビーム４０中の光子の 運動量と偏向された射出ビーム４４中の光子の運動量は同じではない。反射プロ セスを生じさせるには、第２図に関連するベクトル図４３によって示したように 、格子２２によって運動量の変化を与えなければならない。格子２２は相互作用 に対して仮想（運動量を有するがエネルギーは有さない）光子を供給し、運動量 を保存できるようにする。第ｉのモードに関連する運動量ベクトル、すなわちｋ_i ＝２π_i／λ_iは、そのモードの有効屈折率ｎ_iの２π倍の値をその光波の波長λ_i で除した値に等しく、伝搬方向を指し示す。運動量ベクトルの大きさを伝搬 定数とも呼ぶ。単一周期格子の場合、運動量ベクトルｋ₁＝２π／Λは、格子表 面の垂直な方向を指し示し、格子のフーリエ変換に存在する任意の波長値Λを有 することができる。したがって、５０％デューティ・サイクル格子の伝搬定数ｋ₁ に関連する光間隔（格子の線および空間の幅）はΛ／２である。相互作用の周 波数は、たとえば光線の屈折率を調整することにより、あるいは熱膨張またはそ の他の手段によって格子周期を調整することによって調整することもできる。所 与の装置をどのように実施するかに応じて、屈折構造は、相互作用に寄与するこ とができる波長およびベクトル方向のスペクトルを有することができる。また、 複数の仮想光子は、いわゆる「上位」格子相互作用における相互作用に寄与する ことができる。「上位」格子とは、整数による除算による運動量保存に必要な周 期に関係する周期を有する格子である。必要な運動量仮想光子は、「上位」格子 の高調波から得られる。このプロセスによって運動量が保存される条件を一般に ブラッグ条件と呼び、したがって本発明の格子はブラッグ格子であり、格子に対 する入射角は、帯域内周波数成分または共鳴周波数成分に関するブラッグ角であ る。このエネルギーおよび運動量の二重保存は、エネルギー・ビームが光エネル ギーの形態であるか、それともマイクロ波の形態であるか、それとも音響の形態 であるか、それとも時変エネルギー場からなるその他の波状エネルギーの形態で あるかにかかわらず、エネルギー・ビーム相互作用に必要である。格子の実施態 様を変更するだけで、構造のパターンが波状エネルギー形態に結合できるように それぞれの異なる形態のエネルギーのためのインピーダンス変調を生成すること ができる。 第２図では、屈折格子は、周波数選択的な光エネルギー・ルータまたはリフレ クタとして機能する。（１つまたは複数の仮想光子と相互作用することができる ）相互作用帯域幅内の特性周波数のビームは帯域内ビームと呼ばれ、それに対し て他の周波数のエネルギー・ビームは帯域外ビームと呼ばれる。格子２２は、光 周波数の関数として格子の反射効率の最大値の半分での全幅に対応する周波数帯 域幅を有する。屈折格子が存在する（格子が「オン」である）とき、格子の帯域 幅内の光周波数を有するビームは、格子構造に対する垂直線４７の周りで角度４ ６で格子から反射される。帯域外ビームは、入射ビームと同じ光軸に沿ってかつ 入 射ビームと同じ方向に結晶内を伝播し、伝播射出ビーム４２の一部を形成する。 格子を含む領域に電界を印加することによって、屈折率変調の強度（仮想光子の 強度とみなすことができる）が制御され、伝播出力ビーム４２のパワーと反射射 出ビーム４４のパワーとの比が調整される。 （入射ビームをそれほど低減させない）弱い再帰反射格子の場合、半値全幅最 大帯域幅△λは次式によって与えられる。 上式で、 λ＝入射ビームの真空波長 ｎ＝ビームの屈折率 Ｌ＝格子の長さ 反射率の高い格子の場合、有効長が格子の全長よりも小さく、帯域幅が増加す る。 この２種類のドメインは、電界が印加される前には屈折率の差を有する。この 場合、永久屈折格子は極化切替可能屈折格子を伴っている。電界が印加されると 、屈折率（格子強度）の正味変調は、極性に応じて増減する。次いで、特定の値 の電界を印加したときに「グレーティングオフ」（屈折格子値が零に近くなる） が発生する。次いで、他の電界強度を印加することによって格子を「オン」にす ることができる。印加する電界の極性を反転させた場合、最初の永久格子の強度 の２倍の強度を有する屈折格子が生成される。 本発明の極化格子構造は、従来技術と比べて２つの主要な利点を有する。第１ に、極化ドメイン構造は、非常に鋭い境界を有し、仮想光子運動量、すなわち基 本格子周期に対応する運動量の倍数で強いフーリエ係数を与える。これは、必要 とされる小さな微細形状寸法ではリソグラフィを行うことが実際的ではない場合 に非常に有用である。第２に、格子周期と比べて光モード寸法が大きい場合でも 強屈折率変調格子を生成することができる。これは、電界変調が電極アレイの平 面からの距離に応じて指数関数的に減衰し、格子周期に等しい距離内の大部分の 変調を喪失させるので、パターン化電極によって励起される一様に極化された基 板では不可能である。極化プロセスによって、アスペクト比、すなわちドメイン の深さと幅の比が極めて高い極化微細形状を生成することができる。電界極化技 法を使用して、２５０：１を超えるアスペクト比が達成されている。ほぼ一様な 電極を使用しているので、良好な静電貫通が得られる。深いドメイン壁を用いた 場合、ビーム全体にわたって良好が変調が得られる。 格子は、屈折率変化の二次元アレイでもよく、その場合、格子は２つの次元で 周期性を有する。その場合、格子から与えられる仮想光子は、２つの次元で運動 量を与える。これはたとえば、単一の格子からのいくつかの射出ビームを含む応 用例で有用である。 好ましい実施形態では、結晶は、市販のｚカット・ニオブ酸リチウム単結晶ウ ェハである。極化方法および極化ドメインの所望の配向に応じて、ｘカット、ｙ カット、アングル・カットを含め、他のカットを使用することもできる。製造ス テップは主として、極化と電極製造とを含む。処理の前に、（たとえば、酸素プ ラズマ灰化によって）結晶を清掃され、研磨工程および処理工程で残ったすべて の炭化水素およびその他の汚染物を除去する。極化を制御するために、１９９４ 年５月９日に出願された米国特許出願第０８／２３９７９９号に記載されたよう に、マスクおよび処理電極を使用して、ウェハの表面およびウェハ内にあるパタ ーンの電界を印加する。極化電界の印加中に領域３６で極化ドメインが反転する ように極化パターンを調整する。簡単に言えば、ウェハ２０の＋ｚ表面２３上に 厚さ数ミクロンのシリカ層を付着させる。この被膜を、ドメインを反転する必要 がある領域３６で薄くし、あるいは除去し、液体電極または付着した金属被膜を 使用して、パターン化されたシリカの上方に良好な等電位表面を形成し、約２４ ｋＶ／ｍｍを超える電界を印加し、＋ｚ表面２３の電位が−ｚ表面２５の電位よ りも高くなるようにする。この技法を使用して、ニオブ酸リチウムの強誘電結晶 を極化し、逆の極性を有する２つのドメイン・タイプのパターンを形成した（ド メイン反転）。２つのタイプのドメイン電子光学係数の大きさは同じである。た だし、極性は逆である。 好ましい技法だけでなく、内部拡散技法、イオン交換技法、代替電界極化技法 を使用して強誘電体でドメイン変換を行った。熱強化内部拡散によるドメイン形 成を、チタンを使用してニオブ酸リチウムで実証した。しかし、反転した領域が 三角形であるため、ドメイン寸法が小さい場合には相互作用効率が制限され、こ の形状は主として、長い周期を有するウェーブガイド装置で有用である。イオン 交換を介したパターン極化を、ルビジウム・イオンとバリウム・イオンとを含む 塩浴内のＫＴＰで実証した。この場合、結晶中のカリウム・イオンがルビジウム ・イオンと交換された。好ましい技法の代替技法を使用する電界極化も、ニオブ 酸リチウムとタンタル酸リチウムの両方で実証した。場合によっては、ＫＴＰや チタン酸バリウムを含め、すべての固体強誘電材料を電界ドメイン反転技法によ って極化することができる（冷却された流体、ガラス、架橋ポリマーなど、構造 をある期間にわたって保持する固体手段）。 それぞれの異なる技法によってそれぞれの異なる特性を有する格子が生成され る。電界極化では、屈折率の固有の変化を発生させずに結晶中のドメインが整列 し、それに対して、イオン交換技法および拡散技法では、極化領域で屈折率が変 化することはない。この後者の方法を使用すると、切替可能極化格子には永久屈 折格子が伴う。 一般に、２種類の異なるドメインがあり、少なくとも第１のタイプが極化され る。２種類のドメインしか必要とされないが、他のタイプのドメインを用いてよ り複雑な切替可能格子構造を製造することができる。第２のドメイン・タイプは 、反転極化することも、あるいは非極化することも、あるいは他の角度で極化す ることもでき、異なる電気活動係数（たとえば、電子光学係数や圧電光学係数） によって区別することができる。たとえば、いくつかの応用例では、非極化ニオ ブ酸リチウム・ウェハで装置を製造すると費用有効であり、その場合、基板ウェ ハは、無作為に配向された複数のドメインを備える。極化ドメインは一様な配向 を有し、それに対して他のドメインの配向は無作為である。装置の性能は、装置 のタイプに応じて、無作為パターンの細部の影響を受ける。他の例を挙げれば、 第２のドメインを第１のドメインに垂直に、あるいは他の角度で配向させること ができ、この場合も、電気応答の差によって、電子的に制御される有用な構造が 生 成される。極化ドメインは、石英ガラスやポリマーなど、従来分子スケールで以 前に非極化され、無作為に配向された材料で形成することもできる。極化プロセ スによって、第２のドメイン・タイプが材料内の非極化され無作為に配向された 領域から構成される一方、材料の構成は第１のドメイン・タイプを生成するよう 配向される。 代替技法では、第２のドメイン・タイプに対応する領域で電気活動係数を選択 的に変更または破壊することによって極化構造を形成することができる。このよ うな領域の原子構造の配向を変更する必要はない。第２のドメイン領域で電気活 動を変更した場合、それぞれのドメインは異なるものになる。たとえば、非線形 ポリマーでは、照射によって電子光学係数を無効にし、照射がマスクされる電子 活動領域を形成することができる。ニオブ酸リチウムで同様な効果を実証した。 この場合、陽子交換のために非線形係数が破壊される。電子光学係数の修正は、 光放射、または電子ボンバード、またはＫＴＰやタンタル酸リチウムなど大部分 の非線形材料を含め、他の多数の材料でのイオン・ボンバード、あるいはそれら の組合せによって行うこともできる。 ニオブ酸リチウムでは、結晶のｚ軸に沿った印加電界Ｅ₃によって、次式で与 えられる異常屈折率δｎ_eの変化が誘発される。 上式で、ｒ₃₃は適当な電子光学非線形光学係数である。ｒ₃₃はニオブ酸リチウ ムの最大非線形定数なので、実際の装置の異常屈折率の変化を使用するのが最適 である（Ｅ₃が印加されることによって正常屈折率の変化を発生させる非線形定 数ｒ₁₃は、ｒ₃₃よりも小さな係数３．６である）。異常屈折率の変化を使用する には、光波を材料のｚ軸に沿って偏光しなければならない。ｚカット結晶では、 この偏光をＴＭと呼ぶ（ＴＥ偏光では、電気ベクトルは結晶表面の平面に存在す る。他の唯一の有意非線形係数はｒ₁₃であり、電界Ｅ₁またはＥ₂が印加されたと きにＴＥ波とＴＭ波を結合する）。 極化構造内で誘発される屈折率変化はかなり小さいので（ニオブ酸リチウム基 板のｚ軸に沿って１０Ｖ／μｍの電界を印加した場合、屈折率変化δｎ_eは１６ ×１０³に過ぎない）、第２図の格子リフレクタは強い角依存性を有する。弱い 屈折率変化の場合のブルースター角は４５°であり、したがって格子は、その平 面が光線の同位相波面に対して４５°の角度に配設されたときにＴＥ偏光波を完 全に透過させる。したがって、この装置は偏光器として使用することができる。 反射ビームは常に基本的に、４５°の入射角て偏光される。十分な格子周期およ び高い印加電界を用いてＴＭ波の反射係数を高くした場合、偏光器の順方向の吸 光係数も非常に高くなる。もちろん、正常な入射では、この効果のための２つの 偏光の間の反射の差はない（ただし、前述の電子光学係数の差など、他の効果の ための差が生じる）。格子入射角で動作する完全内部反射装置は、ブルースター 角とはまったく異なるものであり、この効果のための反射の差をほとんど有さな い。 ウェハ材料は、強誘電体、ポリマー被膜、本発明による多数の有用な装置を製 造するために極化することもできる石英ガラスなどある種のアモルファス材料を 含め、極化可能な半導体誘電材料でよい。極化材料は、第２の材料の基板上に配 設された薄膜でもよい。石英ガラス、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チ タン酸バリウム、酸化亜鉛、ＩＩ−ＶＩ材料、様々なポリマーなど、多数の極化 可能な薄膜を首尾良く基板上に付着させた。ＭｇＯ、シリコン、ヒ化ガリウム、 ニオブ酸リチウム、水晶や石英ガラスを含む様々なガラスを含め、様々な基板を 使用した。ドメインが電子的に切替可能であるには、そのドメインを電子光学材 料、すなわち電界を印加されることによって屈折率が変化する材料で構成しなけ ればならない。 極化ステップの後、液体電極材料およびシリカ・マスク被膜を除去することが 好ましい。再び第２図を参照すると分かるように、第１の電極２４および第２の 電極２６は、誘電材料に対向し、格子を制御する電界を生成する手段を形成する （ある材料に対向することは、その材料の近くに配置されるが、必ずしも接触せ ず、材料の表面にほぼ整列するが、必ずしもギャップ寸法は一定でなく、異なる 寸法の追加材料が材料上に配置された状況を含む）。電極２４および２６は、導 電材料からなり、標準付着技法を使用して、結晶の対向表面上に結晶に対して間 隔を置いて境界付けるように配置することが好ましい。これらの電極は、表面が 大きな形状の一部として湾曲していても、あるいは非平行であっても、あるいは その両方であっても、対向平面上にあると言う。電極は、応用例に整合する時間 で極化格子を活性化するのに適切な電界強度を達成するのに十分な電荷移動を行 う材料で形成することができる。たとえば、電極は、アルミニウム、金、チタン 、クロムなどの金属、導電塗料やエポキシや半導体材料やインジウムおよびスズ の酸化物など光学的透過材料、塩水などの液体導体で択一的に構成することがで きる。電極は、空気、または光学的透過バッファ層、またはその他の材料をギャ ップに満たした状態で表面２３および２５に対向することもできる。ある電極と 、外部接地平面、第２の電極、複数の電極などの電位基準との間に電位差が生じ るので、必要な電極は１つだけである。電極は、それに電圧を印加することによ り、その電極によって決定される電界パターンが確立されるので、電界生成手段 である。電圧および電流の供給ももちろん必要である。電極は、パターン極化領 域または格子で構成することのできる本発明の活性部分を通じて制御電界が印加 されるように配置される。 金属電極の場合、電極の下方に配設されたコーティングを組み込み、案内され た光波モードの一部が金属電極へ延びるときに発生する光損失を低減させるのが 最適である。コーティングは、同じ表面に複数の電極を取り付けた場合に表面で 高電界を維持できるほど薄くするが、光損失を低減させるほど厚くすべきである 。絶縁破壊の確率を低減させるために電極の上方に別のコーティングを配設する ことも有用である。 電圧制御源３２（または電位源）は、格子を活性化するために接続３０を通じ て電極を駆動するための電位を与える。活性化された電極は、印加電圧の極性に 応じて互いに対して極付けされる。電位源の電圧は、有意な量の光を切替射出ビ ーム４４に切り替えるのに十分な大きさの電界を極化領域を通じて生成する。電 位源の電圧は、２つの射出ビームのパワーの比を制御する手段を提供するために 可変である。電界が十分に高く、電気的に活性化された鏡が形成される場合、長 い格子を用いてほぼすべての入射ビームを反射することができる。電界が低い場 合、格子は部分リフレクタを形成する。電圧制御源は、バッテリでも、電気変圧 器でも、ガス発電機でも、他のタイプの制御可能な電流・電位源でもよい。制御 手段３２は、時間依存電圧を生成し、応用例に必要な周波数で電極２４および２ ６上の電圧を変化させる電流を供給するコントローラを組み込むこともできる。 制御手段３２は、複数の装置を制御することができ、ある種のパターンに従って 時間的に順序付けることができる複数の出力を有することもできる。電位源３２ は、コンピュータまたは他の器具によってそれ自体の機能を手動制御または電子 制御するための制御入力を有することができる。 不要な繰り返しを避けるために、第２図を参照した説明した変形形態が後述の 実施形態に適用され、下記の図を参照して説明する変形形態も第２図に適用され ることを理解されたい。 次に第３図を参照すると、本発明の波をガイドする実施形態が示されている。 具体的には、この実施形態は、電気制御式周波数選択的ウェーブガイド・レトロ リフレクタである。この装置内のすべての光線は光学ウェーブガイド６４によっ て２つの次元に拘束され、装置６１の基板６０を形成する極化可能な誘電材料の 一表面を横切る。 ウェーブガイドは、回折効果、および場合によっては案内構造の湾曲にかかわ らず全長にわたって光波を伝搬させる構造である。光学ウェーブガイドは、周り の媒体に対して屈折率の増加された拡張領域で画定される。光波の案内の強度ま たは拘束は、波長、屈折率の差、案内幅に依存する。一般に拘束が強いほど、モ ードの幅は狭くなる。ウェーブガイドは、拘束の強度に応じて、複数の光モード をサポートすることも、あるいは単一のモードをサポートすることもできる。一 般に、光モードは、２つの次元における電磁界形状、偏光状態、波長によって区 別される。複屈折材料または非対称ウェーブガイド内で案内される光波の偏光状 態は通常、直線偏光である。しかし、一般的な偏光状態は、特に光波が大きな波 長を有する場合、非平行偏光成分ならびに楕円成分および非偏光成分が含まれる 。屈折率の差が十分に小さく（たとえば、△ｎ＝０．００３）、ガイドの幅寸法 が十分に狭い（たとえば、Ｗ＝４μｍ）場合、ガイドはある範囲の波長にわたっ て単一の横断モード（最下位モード）を拘束するに過ぎない。ウェーブガイドの 上 下で屈折率が非対称的になるように基板の表面上でウェーブガイドを実施する場 合、屈折率の差またはウェーブガイドの幅に遮断値が存在し、この遮断値より低 い値ではモードが拘束されることはない。ウェーブガイドは、（たとえば、内部 拡散によって）基板で実施することも、あるいは（周りの領域をエッチングし、 あるいはコーティングを塗布し、あるストリップを除いてすべてをエッチングし てウェーブガイドを画定することによって）基板上に実施することも、（いくつ かの処理済み基板層を接触または結合させることによって）基板内部に実施する こともできる。ウェーブガイドは、全ての場合において基板を横断するとみなさ れる。ウェーブガイド内を伝搬する光モードは、ウェーブガイドの幅だけでなく すべての拘束パラメータに関係する横寸法を有する。 基板は、ニオブ酸リチウムの単結晶であり、ウェハの厚さによって分離された ２つの対向面６３および６５を有するチップを形成することが好ましい。対向面 は、平行である必要はなく、あるいは場合によっては平坦でなくてもよい。ウェ ーブガイドは、アニール陽子交換（ＡＰＥ）など十分に確立された技法によって 面６３上に形成することが好ましい。別法として、陽子以外のイオンを基板材料 内で内部拡散することも、あるいはイオン交換することもできる。ＡＰＥウェー ブガイドは、結晶異常屈折率を増加させ、ｚ軸に沿って偏光された光用のウェー ブガイドを形成する。ｚカット結晶の場合、これはＴＭ偏光モードに対応する。 ニオブ酸リチウム中のチタン内部拡散などの代替技法で形成されたウェーブガイ ドは、ＴＭ偏光とＴＥ偏光の両方をサポートする。 ウェーブガイドを単一の最下位横モードしかサポートしないように設計し、上 位モードに関連する複雑さをなくすることが好ましい。上位横モードは、いくつ かの応用例で問題となる、最下位モードとは異なる伝搬定数およびより高い散乱 損失を有する。しかし、高パワー伝搬の場合など、いくつかの応用例ではマルチ モード応用例が好ましい。 １つの代替構成は、電界を直接印加するのではなく圧力を加えることによって 格子を励起するものである。圧力を加えることの効果は間接的には同じであり、 圧電効果により、応力が加えられることによって電界が生成され、それによって ドメインの屈折率が変化する。しかし、たとえば、構造を機械的に圧縮する場合 、 応力を維持するために持続エネルギーを印加する必要はなくなる。この代替策は 、前述の他の方法と同様に、後述の本発明の他の同様な実施態様にも適用される 。 ウェーブガイドの寸法を決定した後、ウェーブガイド用のフォトマスクを生成 し、多数の周知のリソグラフィック工程のうちの１つによって基板上のマスキン グ材料にパターンを転写する。マスク材料は、ＳｉＯ₂、タンタル、またはその 他の金属でも、あるいはその他の耐酸材料でもよい。ＡＰＥウェーブガイドを製 造するには、マスクされた基板材料を溶融ベンゾ酸に浸漬し、結晶中のリチウム ・イオンを酸から得た陽子で交換する。この結果得られるステップ屈折率ウェー ブガイドを次いで、約３００℃で数時間にわたってアニールし、陽子を結晶内で 深く拡散させ、電気活動係数の高い低損失ウェーブガイドを形成する。 内部拡散二次元ウェーブガイドおよびイオン交換二次元ウェーブガイドだけで なく、平面ウェーブガイド、および二次元リッジ・ウェーブガイドまたはストリ ップ装着ウェーブガイドを形成することができる。平面ウェーブガイドは、より 低い屈折率の基板上に電気的に活性の材料を付着させることによって形成するこ とができる。ウェーブガイド製造用の付着技法は、良く知られており、液相エピ タキシ（ＬＰＥ）と、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）と、炎加水分解と、ス ピニングと、スパッタリングとを含む。リッジ・ウェーブガイドは、リフトオフ や、ウェット・エッチや、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などのドライ・ エッチなどの工程を使用することによってこのような平面ガイドから形成するこ とができる。平面ガイドは、本発明、特に、格子からの可変可能角を使用する装 置で使用することもできる。 この実施形態の格子６２は、基板を横切る光学ウェーブガイド６４に垂直に配 設される。格子は、第１のタイプのドメイン６６と第２のタイプのドメイン６８ とで構成され、これらのドメインは、必ずしも基板内で延びる必要はない。たと えば、内部拡散またはイオン交換を使用して活性材料を極化すると、反転された ドメイン６６は通常、材料内の有限の深さまで延びる。イオン・ボンバーやＵＶ 照射などの技法により材料の電気活動を破壊する（あるいは電子光学活動を低減 させる）ことによって極化を行うときには部分ドメインを形成することもできる 。 入射光線８０は、ウェーブガイド上に入射し、ウェーブガイドに結合される。 結合とは、界面、あるいは２つの平行なウェーブガイドまたは傾斜したウェーブ ガイドの間、あるいは平面ガイドとストライプ・ガイドとの間、あるいは単一モ ード・ウェーブガイドとマルチモード・ウェーブガイドとの間など、ある種の一 般的な境界を横切ってある領域から他の領域へパワーを伝達するプロセスを指す 。格子がオンであるとき、一部の入射ビームは再帰反射された射出ビーム８２に 結合される。格子の再帰反射は完全である必要はなく、すなわち格子は逆方向の 数度以内に光を反射することがあるが、ウェーブガイドはこの光の大部分を捕捉 し、完全に再帰反射されたビームを形成する。再帰反射が不完全である場合、ウ ェーブガイド６４への再帰反射ビームの結合損失が生じる。格子がオフであると き（制御電界が、屈折格子が通常零電界で零に近い最小値を有する「オフ」位置 に調整されているとき）、入射ビームは引き続きウェーブガイドを通じて同じ方 向へ伝搬し、透過射出ビーム８４を形成する。バルク装置の場合と同様に、電圧 源７６を用いて、２つの射出ビームのパワーの比を制御するように格子の強度を 変動させることができる。 第１の電極７０および第２の電極７２は、誘電材料６０のそれぞれの対向面に 対向する。基板は、損傷なしに印加電界に耐えることができるので誘電体である が、電流が装置の性能に悪影響を与えないかぎり完全な絶縁体である必要はない 。電極は、導電材料で形成することができる。第１の電極構造を使用して誘電材 料内に電界を生成する手段もなければならない。 電極は、格子を形成する第１のタイプの極化構造の少なくとも２つの要素をブ リッジする。これは、電極によって生成された電界が少なくとも２つの要素を貫 通することを意味する。したがって、これらの要素は電界によって活性化するこ とができる。２本のワイヤ７４によって電圧制御源７６を２つの電極に接続し、 ウェーブガイド６４と極化構造６２が交差することによって形成された領域に電 界を生成することが好ましい。ワイヤは、応用例の必要に応じて電極を充電でき るようにするのに十分な導電性を動作周波数に有するように任意の材料で任意の 形状に形成することができる。ワイヤは、丸形ケーブルでも、フラット・ケーブ ルでも、同軸ケーブルでも、一体型リード・パターン導体でもよく、抵抗器でも 、キャパシタでも、半導体でも、あるいは漏れ絶縁体でもよい。 別法として、電極は、電気的に活性の材料全体にわたって電界を印加できるよ うにする任意の方法で構成することもできる。たとえば、基板上のそれぞれの異 なる層に電極を挿入し、電極間に活性材料を挿入することができる。この構成は 、低電圧を用いて高電界を生成できるようにし、電極材料上に配設することがで きるシリカやある種のポリマーなどのアモルフォス活性材料で特に有用である。 極化構造６２は、ウェーブガイド６４と極化構造６２との間の交差がウェーブ ガイドの横モード寸法と格子の長手方向寸法とを有するようにウェーブガイドよ りも深くすることが好ましい。 第４図、第５図、第６図は、誘電材料１８９の共通の面上に電極が配設された 代替電極構成を示す。このような構成は、同じ表面の電極構成が低電圧で高電界 を得られるようにするので、ウェーブガイド１８０を使用して光線を案内する本 発明の実施形態で特に有用である。このような電極構造は、格子を横切るウェー ブガイドの断面に電極が近接しているので、格子１８２の低電圧制御に特に重要 である。第４図に示した電極構成１８６では、第１の電極１７０および第２の電 極１７２は誘電材料の同じ表面に対向する。これらの電極は、表面がより大きな 形状の一部として湾曲されている場合でも共通の平面上にあると言う。第１の電 極は、それぞれ、第１のタイプのドメイン１８４と第２のタイプのドメイン１８ ５の交番領域からなる、いくつかの格子要素を含むウェーブガイドの一部の上方 に配置される。第２の電極は、第１の電極の周りに位置決めされる。ウェーブガ イドに沿った電極間の距離は、ウェーブガイドの軸に沿って一様な電界が必要で ある場合にはウェーブガイドの軸に沿ってほぼ一定である。電極の間隔は、第６ 図の装置１８８に概略的に示したように、電界強度を漸減させるように変化させ ることもできる。第４図に示したように配設された２つの電極間に接続された電 圧源１７４は、電極間で電界を生成することができる。電界ベクトル１７６は、 電気的に活性のウェーブガイドの領域で、材料の表面に垂直な最大成分を有する 。ニオブ酸リチウムなどのｚカット強誘電結晶の場合、この電界構造は、最大電 子光学係数ｒ₃₃を活動化し、ＴＭ偏光光線の屈折率を変化させる。ニオブ酸リチ ウムにおいて１０Ｖ／μｍの電界を印加し、波長が１．５μｍの光線を用いた場 合、一次格子の強度は４０ｃｍ^-1である。 各電極構成に関して電極を電圧源に接触させる手段１７８が必要である。この 手段を形成するには、装置上の電極と電位源の端子との間にワイヤなどの導電材 料を電気的に接触させる。すべての電極構成で、各電極は通常、ワイヤが接触す る断面、またはパッド、または接点を有する。パッドは、より容易に結合できる ように電気接触手段に対する配置公差を低減させるほど大きな寸法のものである ことが好ましい。その場合、超音波または、または加熱、または導電エポキシに よるワイヤ・ボンディングなどの技法を使用して、ワイヤをパッドに接触させる ことができる。別法として、バネ付き導体プレートを電極に直接接触するように 配置し、電圧源との必要な電気接続を形成することもできる。図では、電極は通 常、十分大きなものであり、それ自体で接触パッドとして機能する。 同じ表面電極構造の他の実施態様１８７を第５図に示す。この実施態様では、 第１の電極１７１および第２の電極１７３は、光学ウェーブガイドのどちらかの 面上に配置される。このように位置決めされた２つの電極を介して電位を印加す ると、電界ベクトル１７７は、基板表面に平行な最大成分を有する。ｚカット強 誘電結晶の場合、ＴＭ偏光光波の屈折率および印加電界を変化させる電子光学係 数はｒ₁₃である。ニオブ酸リチウムにおいて１０Ｖ／μｍの電界を印加し、波長 が１．５μｍの光線を用いた場合、一次格子結合定数は１２ｃｍ^-1である。 別法として、ＴＥウェーブガイドでは、２つの構成に対して活性電子光学係数 が切り替えられる。チップの表面に垂直な電界ベクトルでは、適当な係数はｒ₁₃ であり、それに対してチップの表面に平行な電界ベクトルでは、電子光学係数は ｒ₃₃である。ｘカット結晶、またはｙカット結晶、または中間カットにも同様な 状況が当てはまる。 第５図の構成の他の変形形態として、電極が、一方の電極がウェーブガイド１ ８０をほぼカバーし、他方の電極がいくらか側面に変位されるように非対称的に 構成される。この構成では、隣接する電極の縁部の下で誘発される強力な垂直電 界が主として、一方の電極の下方のウェーブガイド領域を通過する。 第６図で、電極１７５および１７９はテーパ付けされ、中央電極１８１から分 離されている。これらの電極を介して電圧を印加すると、この構成は、漸減する 電界強度を生成し、強い電界は右側へ向かい、より弱い電界は左側へ向かう。 「テーパ」の語は、本出願では、任意のパラメータが、変動が線形であるか、そ れとも単調なものであるかを指定せずに、ある値から他の値への一般的な空間変 動を有することを意味する。このパラメータは、ギャップ、幅、密度、屈折率、 厚さ、デューティ・サイクルなどでよい。したがって、極化ドメイン内でウェー ブガイド１８０の左側への誘発される屈折率の変化は、右側へ誘発される屈折率 の変化よりも弱い。これはたとえば、相互作用領域の長さを延ばすために超狭帯 域幅トータル・リフレクタが必要とされる場合にそれを得るうえで有用である。 第７図および第８図に示したような非正常入射角装置では、特定の入射モードの 特定の射出モードへの結合を最適化するうえでテーパが有用である。 すべての電極構成で、印加される電圧は、一定の値から、急速に変動する信号 またはパルス信号までの範囲であり、電極間にどちらかの極性が付与されるよう に印加することができる。電圧の値は、所与の応用例で電気的に活性の材料およ び周りの材料への破滅的な損傷を回避するように選択される。 ニオブ酸リチウムなどの材料を介して一定の電界を印加すると、電極に電荷が 蓄積し、経時的に電界強度のＤＣドリフトが起こることがある。電荷は、電圧源 の極性を時折切り替え、電界強度が完全な値に戻るようにすることによって分散 することができる。時間平均電界が零に近い場合、正味電荷ドリフトも零に近い 。そのようなドリフトの影響を受ける応用例では、ＭｇＯの内部拡散などによっ て材料の光屈折感度を最小限に抑えるように注意すべきであり、ＤＣ電界なしで 動作を構成することが好ましい。 表面層は、電界絶縁破壊および電極とのロシー光接触を防止するうえで有用で ある。ビームが表面または表面の近くを伝わり、それに対して、互いに逆の極性 を有する電極が同じ表面上に配置されたときに絶縁破壊が最も重大なものになる ので、損失はウェーブガイド装置では特に重要である。この問題は、活性材料の 極化ならびに電子光学切替に当てはまる。同じ表面上の２つの電極間の電界の最 大ベクトル成分は、材料の表面に平行である。絶縁破壊問題と光損失問題は、高 誘電強度を有する光透過性材料層を案内領域と電極との間に付着させることによ ってかなり軽減することができる。二酸化ケイ素はそのような材料の１つの好例 である。電極間の表面に沿った、この表面の上方の空気で絶縁破壊が発生する可 能性もあるので、電極上に同様な高誘電強度材料を付着させることができる。 第７図および第８図は、電気制御式周波数選択的ウェーブガイド・カプラの２ つの実施形態を示す。第７図で、一対の二次元ウェーブガイドは誘電材料の一面 を横切り、Ｔ字形をなす角度１１８で交差し、３ポート装置を形成する。格子１ ００は、第１のタイプのドメイン１０４と第２のタイプのドメイン１０２からな り、それらの間の交差領域で２つのガイドに対してある角度に配設される（この 部分は、２つのウェーブガイドにおける光モードによって共有される）。交差領 域におけるピーク屈折率変化は、ウェーブガイドにおけるピーク屈折率変化に等 しいことが好ましい。これは、（内部拡散、イオン交換、エッチングなどによっ て）Ｔ字形構造の製造を１つのステップで行う場合に可能である。第８図の交差 ウェーブガイド形状で最も好都合な、後に続くステップで２つのウェーブガイド を配置する代替手法では、交差領域におけるピーク屈折率変化は、ウェーブガイ ドにおける屈折率変化の２倍であり、これは必要とされない。従来どおり、格子 の周期性および角度は、反射プロセスが格子の帯域幅内の仮想光子の運動量によ って位相整合されるように選択される。第１のウェーブガイド内の帯域内入射ビ ームと第２のウェーブガイド１０８内の射出ビーム１１４を最適に結合するため に、入射ビームの入射角は格子の回折角に等しい。この場合、２つのガイド間の 角度の二等分線は、ウェーブガイドの平面内の格子のドメイン境界に垂直である 。 入射ビーム１１２は、第１のウェーブガイド１０６に入射し、第１のウェーブ ガイド１０６に結合される。第１の電極１２０および第２の電極１２２は、導体 １２６によって２つの電極に接続された電圧源１２４がオンにされたときにウェ ーブガイド間の交差領域に電界が生成されるように、誘電材料の同じ面上に配置 される。この電界は、電子光学効果を介して交差領域内の格子の強度を制御し、 第１のウェーブガイドからの帯域内ビームを第２のウェーブガイドに結合し反射 射出ビーム１１４を形成する。格子をオフにした場合、入射ビームは引き続き、 主として第１のウェーブガイド・セグメントに沿って伝搬し、ほとんど損失のな い透過射出ビーム１１６を形成する。別法として、入射ビームが、第２のウェー ブガイド１０８に進入し、格子と相互作用することによって射出ウェーブガイド １０６に切り替えられるように、ウェーブガイド内で逆伝搬ビームを使用するこ とができる。 単一モード・システムでは、ウェーブガイド１０６に進入する最下位ガウス・ モードがウェーブガイド１０８の最下位ガウス・モードに結合されるように、格 子強度が空間的に非一様に分散されることが好ましい。格子強度は、電極の形状 を調整し、電極間のギャップを調整し、格子のデューティ・サイクルを調整する ことによって変調することができる。格子の帯域幅も、チャーピング、移相、多 重周期構造の使用など、いくつかの周知の技法のうちの１つによって拡張するこ とができる。 第７図および第８図の形状では、ガイドのモードが重なり合うガイド間の交差 領域の寸法によって結合領域の寸法が制限される。所与の電界強度を得るために 高い正味相互作用強度を得るには、ウェーブガイドの寸法を増加させ、より大き な交差部を形成することが望ましい。しかし、大型のウェーブガイドはマルチモ ードであり、いくつかの応用例では望ましくない。断熱膨張および収縮を使用す る場合、大きな交差領域と単一モード・ウェーブガイドの両方の利点を同時に得 ることができる。入射ウェーブガイド１０６は、幅の狭いウェーブガイドとして 始まり、交差領域が接近するにつれて幅が断熱的に増加していく。射出ウェーブ ガイド１０８の幅は、大部分の反射光を捕捉するために交差部において大きく、 断熱的に漸減して幅の狭いウェーブガイドに至る。入射ウェーブガイドまたは射 出ウェーブガイド、あるいはその両方の断熱テーパ付けの概念は、本明細書で説 明する多数の相互作用に適用することができる。 第８図を参照すると分かるように、２つのウェーブガイド１３６および１３８ は、ｘ交差をなす角度１５８で交差し、４ポート装置を形成する。この装置は、 ２つの切替動作が同時に行われる（ビーム１４２がビーム１４６および１４８に 切り替えられ、ビーム１４４がビーム１４８および１４６に切り替えられる）の で、特に多機能なウェーブガイド・スイッチである。格子１３０は、第１のタイ プのドメイン１３４と第２のタイプのドメイン１３２とからなり、２つのガイド の間の交差領域内で２つのガイドに対してある角度に配設される。格子の角度は 、ウェーブガイドの平面内で、２つのガイド間の角度の二等分線が格子のドメイ ン境界に垂直になるように選択することが好ましい。 第１の入射ビーム１４２は、第１のウェーブガイド１３６に結合され、それに 入射し、第２の入射ビーム１４４は、第２のウェーブガイド１３８に結合される 。第１の電極１５０および第２の電極１５２は、２つの電極間に接続された電圧 源１５４がオンにされたときにウェーブガイド間の交差領域に電界が生成される ように、誘電材料上に配置される。この電界は、電子光学効果を通じて交差領域 内の屈折格子の強度を制御する。格子がオンのときには、第１の入射ビームの帯 域内成分が第１のウェーブガイドから第２のウェーブガイドに結合され第１の射 出ビーム１４６を形成する。同時に、第２のウェーブガイドからの第２の入射ビ ームの帯域内成分の一部が第１のウェーブガイドに結合され、第２の射出ビーム １４８を形成する。また、２つのビームの帯域外成分、および帯域内ビームの未 切替成分は引き続き、それぞれのウェーブガイドに沿って伝搬し、適当な射出ビ ームの追加部分を形成する。したがって、複数の光周波数成分を含む２つのビー ムでは、２つの入射ビーム中の単一の周波数成分を２つの射出ビーム間で切り替 えることができる。 ウェーブガイドは、あるセグメントのみでよく、その場合、ウェーブガイドは 、基板から離れた位置に配置された他の光学構成要素に接続され、あるいは同じ 基板上に一体化される。たとえば、ウェーブガイド・セグメントは、ポンプ・レ ーザ、光ファイバ、交差ウェーブガイド、その他の切替可能な格子、ミラー装置 、その他の要素に接続することができる。交差ウェーブガイド・スイッチ・アレ イは光学切替網を備える。 第９図で、ウェーブガイド結合スイッチの他の実施形態を示す。格子のドメイ ン壁はこの場合、結晶１５８の表面１５７に非直角に配設され、そのため、ウェ ーブガイド１６０内の入射ビーム１５９が結晶の平面から反射され、反射射出ビ ーム１６１を形成する。前述のように、反射されないビームは引き続き、ウェー ブガイド内を伝搬し透過射出ビーム１６２を形成する。光透過性の第１の電極１ ６３は、インジウム酸化スズで構成することができ、誘電材料１５８の一面上の 、ウェーブガイドを横切る格子の部分の上方に配設される。第２の電極構造１６ ４は、光吸収性のものでよく、材料上に配設される。本開示で説明するすべての ケースと同様に、第２の電極は、多数の代替構成のうちの１つで構成することが で き、第７図と同様に第１の電極を囲むように構成することも、第２図と同様に材 料１５８の対向面上に構成することも、第６に示した構成と同様にテーパ付けす ることもできる。電極は、２本のワイヤ１５６を用いて電圧源１５４に接続され 、電圧源は、帯域内ビームの、透過ビーム１６２と反射ビーム１６１へのパワー 分割比を制御する。あるいは、電極構成は第５図に示したのと同様なものでもよ く、その場合、両方の電極は不透明である。 再び第９図を参照すると分かるように、ドメイン壁は、ｚ軸１６５に対してあ る角度で切断された強誘電結晶を電界極化することによって形成することが好ま しい。電界極化ドメインは主としてｚ軸に沿って伝わるので、この技法によって アングル・カット結晶を極化すると、ドメイン境界どうしが、表面に対して同じ 角度でｚ軸に平行になる。結晶の切断角度１６６は、結晶の平面内で伝搬する光 が基板から材料の表面に直角に反射するように４５°であることが好ましい（任 意の角度を使用することができる）。第９図に示したドメインは平面であるが、 より一般的な構成で構成することもできる。平面格子は、平坦な入射同位相波面 から平坦な射出同位相波面を生成する。図の装置がウェーブガイドのないバルク ・リフレクタとして使用される場合、コリメートされた入射ビームが、コリメー トされた射出ビームを生成する。この装置はたとえば、ビームが装置の外部から 入射し、あるいはウェーブガイドが装置の端部に配置され、ウェーブガイドの端 部と極化リフレクタとの間にいくらか距離がある場合にバルク・リフレクタとし て有用である。しかし、いくつかのケースでは、ディスクからのデータの読取り など、合焦を必要とするある種の応用例の場合と同様に、コリメートされたビー ムから、湾曲された射出同位相波面を生成することが望ましい。ドメイン反転は 主としてｚ軸に沿って伝搬するので、第９図に示した基板の上面上に１組の湾曲 ドメインをパターン化することによって、１組の湾曲ドメインをこの材料のバル クとして極化することができる。したがって、電界によって励起されたときに円 筒形レンズを形成する１組の凹（または凸）状ドメインを形成することができる 。同じ工程によって、表面に対してある角度に配向されたくさび形立体構造およ びより複雑な立体構造を形成することができる。 代替方法では、極化技法によってドメイン境界がｚ軸に対してある角度で伝搬 する場合にｚカット結晶を基板として使用することができる。たとえば、ニオブ 酸リチウムのｚカット結晶内のチタン（Ｔｉ）内部拡散では、結晶の表面からビ ームを反射させるのに適した三角形のドメインが生成される。表面に対する内部 拡散で形成されるドメインの角度は通常、約３０°であり、そのため、格子に入 射した入射ビームは、結晶の表面に対して約６０°の角度で表面から反射する。 次いで、射出ビームを、プリズムを用いて抽出することも、あるいは頂面からの 全内部反射の後に（ある角度に研磨することができる）背面から抽出することが できる。 図の電極構造は、Ｅ₃成分と、Ｅ₁成分またはＥ₂成分の両方を励起する。ＴＭ 偏光入射光波１５９は、異常屈折率変化と正常屈折率変化の組合せである屈折率 変化を受ける。第１０図には、切替可能なウェーブガイド指向性カプラの実施形 態が示されている。第１のウェーブガイド２０４は、ある長さにわたって第２の ウェーブガイド２０６にほぼ平行である。ビームが互いに隣接して同様な方向に 伝搬する間、ビームの中心軸が変位される。ウェーブガイドが交差しないように 、中心軸が同軸になることはない。しかし、ウェーブガイド・セグメントは、カ プラの長さによって画定される位置で密に近接し、そのため、２つのウェーブガ イドの光モードの横プロファイルは多少とも重なり合う。２つのモードの伝搬は 次いで、少なくとも消失しながら重なり合う（すなわち、指数関数テールが重な り合う）。モード電界の消失部分は、ウェーブガイドの高屈折率領域の外側の指 数関数的に減衰する部分である。２つのウェーブガイドのそれぞれのモードに関 連付けられた伝搬定数は、伝搬方向ではｋ＝２πｎ_eff／λによって決定される 。有効屈折率ｎ_effとは、真空中の光の速度と群伝搬速度の比であり、ウェーブ ガイド内のモードに応じて変動する。ｎ_effの値は、モード・プロファイルの案 内波構造との重なり合いによって決定される。 ２つのウェーブガイドの幅、したがって２つのウェーブガイド内のモードの伝 搬定数が異なり、それによって、格子がオフのときにはモード間の結合が位相整 合されないことが好ましい（それぞれの異なる伝搬定数を生成するように２つの ウェーブガイドの屈折率プロファイルを調整することもできる）。格子をオフに した場合、第１のウェーブガイド内の入射ビーム２１０は引き続き、ウェーブガ イド内を伝搬し、第１のウェーブガイド２０４から出る透過射出ビーム２１４を 形成する。格子がオンのときには、格子が、２つのモード間の結合が位相整合さ れるように２つのウェーブガイドの伝搬定数の差を構成し、帯域内射出ビーム２ １２が第２のウェーブガイド２０６から出る。結合を最適化するために、格子周 期Λは、２つのウェーブガイド内の伝搬定数の差の大きさが（誤差公差内で）格 子定数に等しくなるように選択される。２つのウェーブガイドの伝搬定数として 等しい値を選択し、それによって、格子がオフのときに２つのウェーブガイドが 結合されるようにすることもできる。この場合、格子をオンにすると、２つのガ イド間の結合が低減する。 格子の強度は結合定数を決定し、結合定数は２つのウェーブガイド間の結合の レベルを決定する。２つのウェーブガイドの相互作用領域の長さに沿って、パワ ーがガイド間で正弦曲線的に前後に伝達され、その結果、結合はまず第１のウェ ーブガイドから第２のウェーブガイドに行われ、次いで再び第１のウェーブガイ ドに行われる。所与のウェーブガイド・モードでパワーが最大になる２つの位置 間の距離を結合されたウェーブガイドのビート長と呼ぶ。ビート長は格子の強度 に依存する。 第１の電極２２０および第２の電極２２２は、２つの電極間に電圧が印加され たときに格子領域２０２を横切って電界を生成するように材料表面上に位置決め される。導電材料２２４を用いて２つの電極に電圧源２２６が接続される。格子 の強度、したがって２つのウェーブガイド間のビート長は、格子を横切って印加 される電圧によって制御される。 ２つのガイドの伝搬定数は、波長に強く依存する。仮想光子の運動量は基本的 に、あるいは主として固定される（すなわち、ある応用例における変動しないパ ラメータによって決定される）ので、パワーは単一の周波数の付近でのみ第２の ウェーブガイドに伝達され、周波数帯域幅は結合領域の長さに依存する。格子強 度に応じて、帯域内入射ビームの調整可能な部分は、結合された射出ビーム２１ ２として第２のウェーブガイドから出て、それに対して入射ビームの帯域外部分 は、帯域内ビームの残りの部分と共に透過射出ビーム２１４として第１のウェー ブガイドから出る。 ２つのモード間の結合は、モード間の結合強度を変更することと、モードの重 なり合いを増大させることと、一方のウェーブガイドの有効屈折率を変更するこ とを含め、いくつかの手段で電子光学的に制御することができる。前述の電子光 学制御式結合は好ましい方法である。２つのウェーブガイド内でモードを効率的 に結合するには、入射ビームを順方向に散乱させる。これには最小格子周期が必 要である。 別法として、結合格子は、上記で第２図に関連して説明した永久格子と切替格 子の組合せとして実現することができる。次に、これをどのように実施するかに 関する詳細な例を与える。所望の周期ドメインを形成した後、基板を化学的にエ ッチングし、極化構造とまったくおなじ周期を有するレリーフ格子を形成するこ とができる。ニオブ酸リチウムの好ましい材料の場合、それぞれの異なるタイプ のドメインがそれぞれの異なる速度でエッチングされるので、他のマスク形成ス テップなしでエッチングを行うことができる。たとえば、フッ化水素酸（ＨＦ） では、ニオブ酸リチウムの−ｚドメインは、＋ｚドメインよりもずっと迅速に（ １００倍以上）エッチングされる。したがって、ｚカット結晶を５０％ＨＦ溶液 に浸漬させることによって、第１のタイプのドメインからなる領域をエッチング し、それに対して、第２のタイプのドメインからなる領域はエッチングされない ままにしておく。この手順では、２つのウェーブガイド間に結合を生成するため に使用できる永久結合格子が形成される。電極を取り付けた後、極化格子を励起 し、エッチング済み基板の格子上に重畳されるアディティブ（additive）屈折格 子を形成することができる。エッチング深さは、電極が一方の極性で励起された ときに、エッチング済み永久格子によって誘導された有効屈折率変化を、電子光 学的に誘導される格子によって部分的または全体的に補償することができ、それ に対して屈折格子が他方の励起極性で二重化されるように制御することができる 。それによってプッシュプル格子が形成され、それによって格子を非活動状態と 強力に活動する状態との間で切り替えることができる。 エッチング済み格子はポリマーや光透過性液晶などの電子光学材料をエッチン グ済み領域に充填して、電子光学係数を高くし、屈折率を基板の屈折率に近くす るときにも有用である。充填されたエッチング済み領域が光線へ延びることが好 ましい。充填されたエッチング済み領域を横切って電圧を印加すると、充填材料 の屈折率も、ウェーブガイドの残りの部分の屈折率の周りで変動する。 別法として、２つのウェーブガイド内のモードの重なり合いは、電子光学的に 修正することができる。たとえば、２つのウェーブガイド間の領域の屈折率を増 加させることができる。これによって、ウェーブガイドの拘束が低減され、個別 のモードの空間的広がりが互いの方へ広がり、重なり合いが増大する。この手法 を実施するには、２つのウェーブガイド間の領域を、ウェーブガイドが横切る基 板の極性に対して逆に極化することができる。電極がウェーブガイドと中間領域 の両方を横切って延びる場合、印加電圧によってウェーブガイド間の領域の屈折 率が増加し、それに対して２つのウェーブガイド内の屈折率は減少する。その結 果、モード拘束が低減され、そのため、２つのモード間の重なり合いおよび結合 が増大する。極化領域の縁部で発生する恐れがある望ましくない反射やモード結 合損失をウェーブガイド内で誘導しないよう注意しなければならない。このよう な損失は、たとえばモード変化がウェーブガイドに沿って断熱的に発生するよう に極化領域または電極の形状をテーパ付けし、反射を最小限に抑えることによっ て最小限に抑えることができる。断熱的な変化とは、一定の速度で行われる平衡 維持プロセスと比べて非常に低速の変化を意味する。この場合は、変化が、ウェ ーブガイド内で格子のために発生し、光をウェーブガイド特有のモードに維持す るエネルギー再分散の速度と比べて低速であることを意味する。 ２つのウェーブガイド間の結合を変化させる第３の手段は、一方のウェーブガ イドの有効屈折率を他方のウェーブガイドに対して変更することである。したが って、ガイドの伝搬定数が変更され、位相整合条件が変更される。この効果を最 大にするには、一方のウェーブガイドの電子光学係数が、他のウェーブガイドの 電子光学係数の符号とは反対の符号を有するように一方のウェーブガイドを極化 することができる。この場合、格子結合は永久もしくは交換格子である。第１の 電極は、ウェーブガイドとウェーブガイド間の領域との両方をカバーし、それに 対して第２の電極は第１の電極の両側に配設することができる。２つの電極間に 電界を印加することによって、一方へのウェーブガイドの伝搬係数が増加し、他 方のウェーブガイドの伝搬係数が減少し、したがって伝搬定数の差は最大になる 。 格子結合プロセスが最大限に効率的になるのは、伝搬定数が特定の差のときだけ である。印加電圧を調整することによって、必要に応じて位相整合を調整するこ とができる。この効果を使用して波長同調可能フィルタを形成することができる 。 第１０図に示した平行ウェーブガイドは非平行でもく、ウェーブガイドは場合 によっては直線形でなくてもよい。たとえば、ウェーブガイド間の相互作用強度 を空間的に修正する必要がある場合は、ガイド間の離隔距離を空間的に調整する ことによってこれを行うことができる。このような修正はもちろん、後で説明す る平行ウェーブガイド・カプラの実施形態に適用することができる。 第１１図を参照すると、反射ビームのプロファイルを制御する交差ウェーブガ イド・カプラの代替実施形態が示されている。各実施形態で、格子がカバーする 領域は、２つのウェーブガイドの交差領域全体にわたって延びるわけではない。 このような格子構造を用いる理由は、第１１図を参照すれは最も良く理解されよ う。パワー結合構造２８２は、どのように構成されるかに応じて、射出ウェーブ ガイドに結合するモード２８４の空間プロファイルをゆがめることがある。空間 的に一様であり、９０°など、互いに対して大きな角度をなすように配設された ２つのウェーブガイド間の交差領域２８０全体を一様にカバーするパワー・カプ ラは、非対称プロファイル２８６などの射出ビーム・プロファイルを生成する。 入力ビームのパワーは、入力ビームがパワー結合構造または格子を通過する際に 減少する。直角交差の場合、反射ビームの近視野プロファイルは、入射ビームの 単調に減少するパワーに整合する。非対称プロファイル２８６の欠点は、結合さ れたパワーの一部しかウェーブガイドに残らない単一モード構造にある。多くの パワーはガイドから失われる。 単一モード装置では、射出ウェーブガイドの最下位モードのガウス形空間構成 ２８８にパワーを結合する構造が必要である。この目標を達成するには、領域２ ８２を、案内されるモードの消失テールへ延ばさなければならず、相互作用を形 状的に変調し、あるいはパワー結合格子の局部強度を空間的に調整することによ って変調しなければならない。第１２図および第１３図は、格子の形状構成を用 いてこの目的を達成する方法を示す。パワー結合領域２８２内の格子の「デュー ティ・サイクル」を空間的に変調し、選択された領域の格子のオーダーを変更し 、 電気制御式結合の場合には、（第６図に示したように電極空間を調整し、あるい は格子電極構造の場合には電極のデューティ・サイクルを調整することによって ）印加電界の強度を漸減させることによって、この目的を達成することもできる 。格子手段のデューティ・サイクルとは、所与のドメイン・タイプによって占有 される各周期の部分を意味し、デューティ・サイクルは位置に応じて変動する。 第１２図には、修正された格子構造を含む装置３００が示されている。この装 置では、格子領域３１０が、２つの直角ガイド３１６および３１８の矩形交差領 域の一部をカバーするが、すべてをカバーするわけではない。格子が非活動化さ れている場合、入射ビーム３０２はゆがみなしにガイド３１６を通過し、射出ビ ーム３０８として基板から出る。交差領域の寸法は、２つのウェーブガイドの幅 ３０４および３０５に整合する。交差領域内の点にパワー結合構造の小さな領域 が存在するので、入射ウェーブガイド内のビーム・プロファイルの所与の横セグ メントが射出ウェーブガイド内のビーム・プロファイルの所与の横セグメントに 結合される。反射ビーム・プロファイルは、伝搬されるこのような位相結合寄与 の和で構築される。図の格子領域３１０は、点３１１、３１２、３１３を含む三 角形である。格子領域の形状を三角形から修正することができ、局部格子強度を 変調することができる。ウェーブガイド間の単一モード結合特性を最適化する格 子領域の厳密な形状は、ビーム伝搬法など、確立されたウェーブガイド伝搬技法 を用いて算出することができる。 単一モード結合格子装置３４０の他の実施形態を第１３図に示す。格子領域３ ５０は、二重凸状であり、コーナー３５１にある一方の点は、ウェーブガイド３ ４６および３４８ならびにビーム３３０および３４２に共通のものであり、対向 するコーナー３５２上の他方の点は、両方のウェーブガイドならびにビーム３４ ２および３３２に共通のものである。この構造は、光強度が最大であるビームの 中央のパワーの大部分を反射させるという利点を有し、したがって２つのウェー ブガイド３４６および３４８の最下位モード間でパワーをよりうまく結合する。 格子領域の最適な形状はこの場合も、格子の結合定数に依存する。 第１２図および第１３図を参照すると分かるように、第１の電極３２０は、ウ ェーブガイドと同じ基板の表面上の、格子領域の上方に配設され、第２の電極３ ２２は、同じ表面上の第１の電極の周りに配設される。２つの電極間の距離は、 第１３図に示したように一定でも、あるいは第１２図に一次元で示したように漸 減させることもできる。２本のワイヤ３２６を用いて２つの電極に電圧制御源３ ２４が接続される。したがって、格子領域を通じて電界を印加し、一方の電子光 学係数を活動化させ、入射ビームと射出ビームとの間の結合を変化させることが できる。 例示のために、第１２図は、テーパ付き入射ウェーブガイド・セグメント２８ ７およびテーパ付き射出セグメント２８９も示す。入射ビーム２８５がテーパ付 きセグメント２８７内で断熱的に膨張し、交差面積を増大させ、それによって格 子３１０からの全反射を増大させる。格子は膨張したビーム２８５を射出ビーム ３０８に反射させることが可能である。必要に応じて、射出ウェーブガイドは、 射出ビームの幅を減少させるためにテーパ付きセグメント２８９を含むこともで きる（別法として、後でのビーム切替相互作用のために必要に応じて射出ビーム の幅を広くすることができる）。 格子は、２つのウェーブガイドの交差領域を越えて延びることができる。格子 を入射ウェーブガイドに沿って延ばすことによって、交差領域の後の残余透過光 をウェーブガイドから除去し、通常は放射モードに結合することができる。格子 を拡張することによって、切替アレイ内の光チャネル間のクロストークが最小限 に抑えられ、個別のウェーブガイドは、長さに沿って複数の信号チャネルを伝搬 させることができる。 具体的には、本発明によって、格子を同調させる手段が企図される。同調を行 ういくつかの実施例を第１４図ないし第１７図に示す。第１４図を参照すると、 直角入射反射格子の強度および中心波長が単一の電圧源４２６によって制御され るバルク光学装置４００がある。この装置はパターン極化格子領域４１０からな り、この領域は、材料の対向表面上の２つの電極４２０および４２２によって電 子光学的に活動化され、導体４２４によって４２６に接続される。格子の強度お よび中心周波数は、装置の２つの電極間に単一の電圧を印加することによって同 時に同調される。格子の平均屈折率は、印加電界と共に変化し、電界に比例する 格子の中心波長を変化させる。平均屈折率は、様々なタイプのドメインにおける 加重屈折率変化を合計することによって、周期格子における格子の単一の周期に わたって算出される。加重係数は、入射ビーム４０４の光路に沿った各ドメイン ・タイプの物理的長さ４１６および４１８である。周波数同調に関する条件は、 電界によって平均屈折率が変化するように、加重和が零に等しくならないように することである。 屈折率と光線が横切る物理的距離との積を光学的距離と呼ぶ（屈折率は、ウェ ーブガイド装置の有効屈折率で置き換えられる）。２種類のドメインを横切る平 均光学的距離がほぼ等しい（応用例のニーズによって決定される誤差範囲内でほ ぼ等しい）場合、２種類のドメインを含む格子では５０％デューティ・サイクル が得られる。平均は、チャープ格子、または非周期格子、またはより一般的な他 のタイプの格子が可能になるように多数の後続のドメインにわたって求められる 。一般に、ドメインはそれぞれの異なる屈折率、ならびにそれぞれの異なる電子 光学係数を有することができる。同調に関する一般的な条件は、それぞれの異な るタイプのドメイン内でビームが伝わる物理的距離で表される。各ドメインごと に、全光学進相は、ビームが伝わる光学的距離（その２π／λ倍）によって与え られる。しかし、進相の変化は、印加電界と、適当な電子光学係数と、物理的距 離（その２π／λ倍）の積によって与えられる。光波の受ける屈折率の平均変化 は、長さｌ（そのλ／２πｌ）の材料の断面内で光波が横切ったすべてのドメイ ン内の進相の変化の和に等しい。平均屈折率のこの変化は、δλ／λ＝δｎ／ｎ に従ってピーク相互作用波長の変化を決定する。格子強度は、この構造の波長と 同時に変化するが、そのような同時変化は望ましくないこともある。この構造は 、同調を行う際に中心となる動作点が、波長同調範囲全体にわたって応用例に関 する十分に高い格子強度を維持するように設計することができる。あるいは、下 記で第１６図および第１７図に参照して説明するように、別の同調構造を使用す ることもできる。 平均屈折率の変更は、多数の異なる手段によって行うことができる。１つの方 法は、無作為な非電子光学的活性ドメイン４１４と電子光学的に活性のドメイン ４１２を交互に配置することである。電子光学的に活性の領域は極化ドメインで あり、それに対して非電子光学的活性領域は無作為に極化することも、あるいは 非極化することも、あるいは放射不能にすることもできる。したがって、電界に よって、格子全体にわたって平均屈折率が増加する△ｎ_avg。第１４図の極化無 作為構成では、△ｎ_avgは、活性ドメイン４１２の屈折率変化とデューティ・サ イクルの積に等しい。デューティ・サイクルは、長さ４１８を長さ４１８と長さ ４１６の和で除した値に等しい。この技法を使用して達成できる同調可能性は、 極化無作為構造ではλ△ｎ_avg／ｎである。ここで、λは光波長であり、ｎは材 料の最初の（有効）屈折率である。ニオブ酸リチウムにおいて１．５５μｍの波 長および１０Ｖ／μｍの電界を仮定すると、５０％デューティ・サイクル構造の 場合の同調範囲は１．１ｎｍである。 入射ビーム４０４が格子の帯域幅内にあるとき、格子はビームを再帰反射射出 ビーム４０２に結合する。そうでない場合、入射ビームは、透過射出ビーム４０ ６を形成する。この動作を、ドメイン反転の場合と同様に、２つのドメイン・タ イプが同じ電子光学係数を有するが互いに逆の極性を有する５０％デューティ・ サイクル格子の動作と対比されたい。この後者の場合、第１のドメイン・タイプ の屈折率変化が他方のドメイン・タイプの屈折率変化を打ち消すので、平均屈折 率は変化しない。５０％デューティ・サイクル・ドメイン反転格子は、その中心 周波数を同調させない。 ドメイン反転格子の平均有効屈折率を変化させる代替手段は、長さ４１６が長 さ４１８に等しくない極化ドメイン領域に非５０％デューティ・サイクルを使用 することである。この技法を使用して得ることができる同調可能性は、（２Ｄ− １）△ｎλ／ｎである。ここで、Ｄは最大ドメイン・タイプのデューティ・サイ クルである（Ｄ＞０．５）。たとえば、７５％デューティ・サイクル、１．５５ μｍの波長λ、１０Ｖ／μｍの電界をニオブ酸リチウムにおいて用いる場合、同 調範囲は０．５４ｎｍである。ドメイン反転格子はまた、第２のドメイン・タイ プが電子光学的に活性ではない格子よりも強力である。 第１５図には、同じ平均屈折率効果を使用するウェーブガイド装置４４０が示 されている。この場合、格子領域４５０内のウェーブガイド４４２の平均有効屈 折率は印加電界と共に変化し、格子の中心波長を変化させる。好ましくは、材料 の同じ表面上に配置される、第１の電極４６０と第２の電極４６２との間に電界 を印加するために電圧制御源４６６が使用される。平均有効屈折率は、非電子光 学的活性ドメインや、非５０％デューティ・サイクルを有するドメイン反転格子 を含め、様々な形状によって達成することができる。入射ビーム４４５が格子の 帯域幅内にあるとき、格子は、ビームを再帰反射射出ビーム４４４に結合する。 そうでない場合、入射ビームは透過射出ビーム４４６を形成する。 第１６図に示したように、ウェーブガイド装置４８０内の格子の同調可能性を 拡張する手段は、ウェーブガイド上に第２の電子光学材料４８２を付着させクラ ッディングを形成することである。クラッディングは、ウェーブガイド内を伝搬 する光波に対して透過的であるべきであり、屈折率を調整可能に修正できるよう に電界に反応すべきである。平均有効屈折率は部分的には、クラッディングの屈 折率によって求められる。第２の材料は、基板よりも高い電子光学係数を有する ことができる。液晶およびポリマーは、クラッディングとして使用できる材料の 好例である。クラッディングの屈折率は、案内されるビームの大部分がクラッデ ィング内を伝搬するように案内領域の屈折率に近いことが好ましい。 この実施形態では、極化格子４９０全体にわたって電界を印加するために第１ の電極５０２が基板上で第２の電極５０４に囲まれる。電極をクラッディングの 下方の、基板の真上に配置することが好ましい。第１６図に示したように、第１ の電極５０２をウェーブガイド４８４の真上に位置決めする場合、第１の電極を 光透過性材料で構成しなければならない。電極は、ウェーブガイド４８４のどち らかの側に配設することもでき、その場合は透過性である必要はない。クラッデ ィング上の、ウェーブガイドおよび第１の電極の上方に第３の電極５０６が位置 決めされる。この実施形態では、格子の中心波長と強度は別々に制御することが できる。格子強度は、２本のワイヤ５１３、５１４によって第１の電極および第 ２の電極に接続された第１の電圧源５１０によって制御され、それに対して格子 の中心波長は、２本のワイヤ５１４および５１５を用いて第１の電極と第３の電 極との間に接続された第２の電圧源５１２によって制御される。代替電極構成で は、２つの電極しか使用されず、これらの電極は共に、誘導された電界が格子の 上方のクラッディング材料と格子構造自体の両方を貫通するようにクラッディン グ材料上に位置決めすることが好ましい。その場合、単一の電圧源は、中心波長 と格子強度の両方を制御するが、それらを独立に制御するわけではない。 電子光学活性クラッディングを用いて達成できる同調可能性の程度は、案内さ れるビームのどの部分がクラッディング内を伝搬するかに依存する。２つの屈折 率が比較的近く、そのため、ビームの１０％がクラッディング内を伝搬する場合 、案内されるモードの有効屈折率の平均変化は、クラッディングの屈折率の変化 の１０％に等しい。クラッディングの屈折率変化が０．１である場合、同調可能 性は７ｎｍ程度である。 第１７図は、個別に制御可能ないくつかの格子５３０、５３２、５３４からな る離散的に同調可能な格子装置５２０の実施形態を示す。格子は直列に配置され 、すべての格子は入射ビーム５２２、前進ビーム５２６、反射ビーム５２４の経 路内にある。構造内の個別の各格子を小さな範囲にわたって連続的に同調させる こともできる。第１７図の各格子は、第１の電極５４２と第２の電極５４４とを 有し、これらの電極はワイヤを用いて電圧制御網５５２に接続される。格子を一 度にオンに切り替えて、一度に反射されるのが小さな通過帯域内の１つの波長だ けになるようにすることも、あるいは複数の格子を同時に切り替えて、別々に制 御される中心波長および帯域幅を有するプログラム可能な光フィルタを形成する こともできる。格子自体は、各格子で複数の周期が可能であることを含め、前述 の様々な変形態様を用いて実施することができる。 この構造は、バルクとして実現することも、あるいはウェーブガイド装置とし て実現することもできる。後者の場合、光学ウェーブガイド５２８は、極化格子 に交差するように基板上に製造される。極化ドメイン５３６は、ウェーブガイド 内でのみ延びることができ、必ずしも材料全体にわたって延びる必要はない。２ つの電極は共に、（より高い電界強度を得るために）ウェーブガイドと同じ基板 の面ウェーブガイドに配設することが好ましい。すべての格子の第２の電極を図 のように接続し、電気接続の数を最小限に抑えることができる。 別法として、個別に対処可能な格子構造はバルク装置であってよく、その場合 、ウェーブガイド５２８は省略され、極化領域５３０、５３２、５３４は、伝搬 する光モードに重なり合うのに十分な深さを有するように最適に製造される。そ の場合、各格子を制御する２つの電極は、たとえば単一の格子に関する第２図で 示 したように、電界の貫通を最適化するように材料の対向面上に最適に位置決めさ れる。電極間の電界のフリンジングのために生じる隣接する格子間の交差励起は 、格子−電極群を基板の厚さに匹敵する量だけ分離し、あるいは挿入される一定 電位電極を追加することによって最小限に抑えることができる。 格子を同調させる代替手段は、活性材料の温度を変動させることである。この 同調は、熱膨張および熱光学効果の２つの効果のために行われる。それぞれの異 なる材料では、この２つの効果のどちらかが、熱で誘導される同調を支配する。 ニオブ酸リチウムでは、より大きな効果は熱膨張であり、最大（ａ軸）膨張係数 △Ｌ／Ｌは＋１４×１０^-60Ｃ^-1であり、それに対して通常の軸に関する熱光学 係数△ｎ_o／ｎは＋５．６×１０^-60Ｃ^-1である。温度範囲が１００℃の場合、こ の２つの効果の組合せのために、全波長同調範囲は２．６ｎｍになる。 多数の目的のために、一般的な周波数内容を有する極化格子を作製することが 望ましい。たとえば、複数の相互作用ピークが必要であることも、あるいは単に より広い相互作用帯域幅が必要であることもある。この目的を達成するには、所 望の周波数を含む所与の数学的関数に対応する極化領域境界のパターンを決定す る何らかの方法が必要である。第１８図は、任意の移相を含む単一の周波数の場 合のプロセスの結果を示す。次に、第１８図を参照すると分かるように、光学移 相５６４および５６５を正弦関数５６０に沿った１つまたは複数の位置に組み込 み、波長構造を修正することができる。この関数の平均レベルは、直線５６１に よって与えられる。通常の極化プロセスによって得ることができる、同じ移相を 含む対応する方形波関数５６２も示されている。連続関数を方形波関数に変換す るために、曲線５６０が平均５６１正弦波を超える領域５７０は、あるタイプの ドメインに対応し、それに対して、曲線５６２が５６１よりも下方に位置する領 域５７２は、第２のタイプのドメインに対応する。方形波曲線５６２をフーリエ 変換した結果は、正弦波周波数の高調波よりも低い低周波数範囲における、正弦 関数５６０を変換した結果と同じ周波数成分を有する。この手法は、帯域幅が搬 送波周波数の小さな部分を超えないかぎり、任意のタイプの一般的な周波数分布 に有効である。 移相格子は、たとえば、格子２２内のドメイン壁３４の位置を周期関数ではな く第１８図のパターン５６２によって決定することができる、第２図の装置など 、本明細書で説明する任意の装置で実施することができる。移相パターンは、所 望のパターンを組み込んだ極化マスクを用いて制御することができる。 同様な技法を使用して任意の複数の周期格子を指定することができる。格子に 存在する各周期は、所望の振幅の対応する正弦波によってフーリエ級数（または 積分）で表される。すべての光波が加えられ、その結果としての光波が形成され る。結果的な光波の正の部分は、あるタイプのドメインに対応し、それに対して 負の部分は第２のタイプのドメインに対応する。重畳される格子の数は基本的に 、任意の数に増加させることができ、実際には最小微細形状寸法によって制限さ れる。 第１９図は、重畳された多重周期格子装置５８０を製造する代替方法を示す。 ウェーブガイド内の単一のビームと相互作用する、切替可能な単一周期的極化格 子５８２と永久レリーフ格子５８４とを含む２格子ウェーブガイド構造が示され ている。図では、案内される光波モードの消失テールが金属電極と重なり合った ときに発生する損失を低減させるためにレリーフ格子上にコーティング５８８が 配設されている。このコーティングは、本明細書で説明するすべての要素に関す る重要な設計最適化要素であり、各電極構造と隣接する光学ウェーブガイドとの 間に塗布すべきである。絶縁破壊の確率を低減させるうえで、本明細書で説明す るすべての要素内の電極の上方のコーティングも有用である。 この重畳構造内の電気制御可能な格子は、ワイヤ６０６によって電圧制御源６ ０８に接続された一対の電極６０２および６０４によって切り替えられる。ウェ ーブガイドのどちらかの面上で、第１の電極６０２がウェーブガイドの上方で心 合わせされ、それに対して第２の電極６０４が、第１の電極に平行に延びること が好ましい。図の装置はウェーブガイド装置であり、入射ビーム５９０、ならび に透過射出ビーム５９２および反射射出ビーム５９４を拘束するウェーブガイド ５８６を含む。 多重周期格子構造は多数の方法で構成することができる。たとえば、周波数ス ペクトル中の複数の独立のピークが多重周波数フィードバック・ミラーとして有 用であることがある。プロセスをイネーブルするための固有の２つの周期を組み 込んだ単一の格子で２つの動作（たとえば、位相整合および反射）を行うことが できる。最後の例として、格子の構成要素の位相および振幅が２つの偏光モード に対する効果が等しくなるように調整された格子を製造し、偏光の影響を受けな い構成要素を形成することができる。 周期構造の他の有用な修正はチャープ周期である。中心波長が格子の一端から 他端へ変化するように、格子構造の長さに沿って、周期を次第に増減させること ができる。したがって、格子の波長帯域幅は、定周期格子の波長帯域幅にわたっ て広げられる。格子を横切るチャーピングは必ずしも線形ではない。チャープ速 度の変動に応じて、周波数空間中の多数の異なる波長反射プロファイル（たとえ ば、方形波、ローレンツ曲線形）を得ることができる。前述のように、チャープ される格子のそれぞれの異なる部分の強度を修正するように、デューティ・サイ クルまたは励起電界の強度、あるいはその両方を空間的に調整することもできる 。格子のデューティ・サイクルは、必要に応じてマスクによって制御することが できる。電界強度は、たとえば第６図に示したように電極の離隔距離を調整する ことによって制御することができる。 第２１図および第２２図に示したように、多重ピーク構造を有する２つの別々 の格子を含む構造で広スペクトル同調可能装置を実現することができる。第２０ 図は、このような装置の基本原則を示し、マルチピーク・コーム（multioeak co mb）透過（または反射）プロファイル６２０および６２２を、そのような２つの 格子に関する光周波数の関数として示す。第１の格子プロファイル６２０は、第 １の周期６２６によって分離された透過ピークを有し、それに対して第２の格子 プロファイル６２２は、第１の格子プロファイルとはわずかに異なる第２の周期 ６２４によって分離されたピークを有する。重要な概念は、この装置を、両方の 曲線のピークの重なり合いによって決定される周波数（周波数ν₁）でのみ動作 させることである。同調は、格子の透過ピークのコーム(comb)を互いに同調させ ることによって行われる。２つのコームのそれぞれの異なる透過ピークが、相対 周波数シフトの様々な範囲内で互いに重なり合い、そのため、組み合わされた格 子の正味透過は、熱同調または電子光学同調のみで達成できるよりもずっと広い 波長範囲にわたって離散的にジャンプする。ピーク分離が１０％だけ異なる第２ ０図の例では、第１の格子の周波数を周波数分離６２６の１０％たけ増加させた 場合、１つ上の周波数ピークどうしが重畳し、同調量よりも１０倍大きな有効周 波数が得られる。 第２１図には、２つの格子６５０および６５２が単一のウェーブガイド６４２ の上方に配置された、装置のウェーブガイド実施形態が示されている。入射ビー ム６４４は部分的にビーム６４３として反射され、ビーム６４５として透過する 。第１の電極６６６および第２の電極６６８は、それらの電極に接続された第１ の電圧源６６２がその格子を活動化するように第１の格子６５０の周りに位置決 めされる。第３の電極６６４は、第２の電極と共に、第２の格子６５２の周りに 位置決めされる。第２の格子は、第２および第３の電極に接続された第２の電圧 源６６０によって制御される。好ましい実施形態では、各格子は、第２０図に記 載したように多重ピーク構造であり、装置は周波数ホップ同調リフレクタを形成 する。第２０図の曲線によれば、格子は広帯域リフレクタとして構成され、透過 率が高い等間隔の周波数のコームを除いて、ほぼすべての入射放射周波数を反射 させる。したがって、縦続格子は、２つの透過ピークがν₁で重なり合う場合を 除いて、第２０図に示した周波数範囲内のすべての周波数を反射させる。２つの 格子の反射を、同位相で付加されて反射ビーム６４３を形成するように構成すれ ば、透過スペクトルは、２つの透過曲線６２０および６２２の積にほぼ等しくな る。一方の格子の中心周波数を同調させると、ν₁での単一の透過ピークは隣接 する次のピークにホップし、次いで次のピークにホップし、以下同様である。そ のような構造は、たとえば波長分割多重化（ＷＤＭ）通信システムにおける電気 同調受信機で特に有用である。受信機は、特定の帯域内の入射光のみを検出し、 それに対して他の周波数では光の影響を受けないように構成することができる。 上記で分かるように、デューティ・サイクルが７５％のドメイン反転格子にお ける１０Ｖ／μｍの電界を仮定する場合、格子構造は約０．５ｎｍだけシフトす ることができる。個別の周波数ピーク６２８の幅が周波数分離の約１００分の１ よりも狭い場合、この連続同調範囲を使用して、５０ｎｍ範囲内のおそらく１０ ０個の帯域にわたって構造６４０の不連続同調を行うことができる。 入射光の周波数がたとえば第２０図の曲線６２０の透過帯域内にしか存在しな いことが分かっている場合、基本的にモアレ効果を使用して、曲線６２２の透過 スペクトルを有する単一の格子構造しか含まない装置を実現することができるこ とに留意されたい。スペクトル６２２の中心周波数を同調させることによって、 １つの所望の帯域を選択し、同時に残りの所望の帯域を反射することができる。 この場合、第７図のＴ字形構造が特に興味深い。その場合、複数の周波数成分を 含む入射ビーム１１２は、（本明細書で説明する同調向けに構成された）格子構 造１００によって、検出しあるいはその他の方法で処理することができる単一の 透過ビーム１１６と、他のすべての周波数成分を含む反射ビーム１１４に分割さ れる。ビーム１１４に含まれるパワーは失われず、たとえば通信網内の他のノー ドへ経路指定することができる。 この基本構造から、たとえば、第２０図のスペクトルが透過曲線ではなく個別 の格子の反射曲線である他の変形態様を形成することができる。この場合、この 構造は、反射ピークの周波数が互いに整列し、反射率が反射波の相対位相に応じ たものであるときにエタロンとして働く。そうでない場合、この複合構造の正味 反射は基本的に、２つの個別の構造の反射曲線の和である。 ２つの格子間の光路長６５３を調整することによって２つの反射の相対位相を 最適化することが重要である。相対位相は、２つの格子構造６５４と６５５との 間で（たとえば第２２図に示した）電子光学構造を使用して光路長６５３を調整 することによって制御することができる。ニオブ酸リチウム結晶および１．５μ ｍの入射波長の場合、（１０Ｖ／μｍのｚ軸印加電界を使用して）２条のビーム 間の相対位相を最大で±πに調整するには、少なくとも２５０μｍの格子間活動 化距離が必要である。格子が同調向けに構成されていない（平均屈折率が印加電 圧から独立するように構成されている）場合、任意選択で適用領域によって一方 の格子の強度（しかし、周波数ではない）を制御することができる。２つの格子 が共に同調される場合、狭い範囲の連続同調が行われる。電子励起の代替策また は補助策として、チップの熱制御または機械的制御を通じて、２つの反射の位相 および格子のピーク波長をすべてまとめて変動させることができる。 第２２図は、フェーズ・シフタ部６３５によって分離され、特性自由スペクト ル範囲（ＦＳＲ）を有する一体型エタロン６４０を形成する２つの格子リフレク タ６３３および６３４を概略的に示す（構造６３０は、第２１図の構造とほぼ同 じであり、ウェーブガイド６３６が横切る電子光学材料の領域を作動させること ができる電極からなるフェーズ・シフタ部が追加されている）。説明を簡単にす るために、一様単一周期格子のケースを考えるが、個別の格子は一般に、より複 雑な構造であってよい。格子は固定することも、あるいは電子的に作動させるこ ともできる。フェーズ・シフタ部６３５に印加される電圧を調整することによっ て、２つの格子からの反射を同位相で組み合わせ、基準周波数のビームを得るこ とができる。２つのビームの周波数をＦＳＲの倍数ごとに分離する場合、第２の 周波数のビームも同位相で加えられる。ＦＳＲは、２つの格子間の光路長に反比 例するので、光路長を選択することによってエタロン装置の反射ピーク構造の密 度が決定される。一例を挙げれば、ニオブ酸リチウムにおいて２２０μｍごとに 分離された２つの短い高反射格子は、１ｎｍの倍数ごとに分離された格子反射ピ ークを有することができる。第２０図に記載した多重ピーク構造６２０または６ ２２はそれぞれ、一体化エタロンとして実施することができる。 ２つの格子６９０および６９２が２つの別々のウェーブガイド６８２および６ ８４を横切って延びる二重格子Ｙ字形実施形態を第２３図に示す。一般に、Ｙ字 形接合は、平面または立体内に存在することができる、入射ウェーブガイドと複 数の射出ウェーブガイドとを有する。Ｙ字形接合部６８８を用いて第１のウェー ブガイド６８６に２つのウェーブガイドが接続される。入射光線ビーム６９１の パワーは、入射ビーム６９１の約５０％が各格子に入射するように第２のウェー ブガイド６８２と第３のウェーブガイド６８４との間で分割される。２つの格子 は、簡単な反射構造を有することも、あるいは一連の高反射ピークを有すること もできる。格子は不変のものでも、あるいは電子的に調整可能なものでもよい。 後者の場合、格子を励起する電極６９４および６９６が設けられる。その場合、 ウェハを横切って（あるいは第２１図と同様に、ウェーブガイドと同じ表面上の 、他の電極に隣接する位置に）共通の電極６９８が設けられる。 ウェーブガイドの２つの分岐の相対光路長は、一方のウェーブガイド上の電子 光学活動領域の上方に配設された電極６８９によって調整することができる。位 相調整電極６８９上の電圧を調整することによって、２条の逆伝搬反射ビームを 、 Ｙ字形接合部で出会うときに同じ位相を有するように調整することができる。反 射されたモードは重なり合い、２つの光波の相対位相に応じて位相の中心が断続 する波面プロファイルを形成する。組み合わされた光波が伝搬する際、ガイドの 領域内の光モードの空間濃度は、移相の影響を強く受ける。光波が同じ位相を有 する場合、プロファイルは対称モードを形成し、このモードが入射上の最下位モ ードに効率的に結合され、再帰反射射出ビーム６９３が形成される。Ｙ字形接続 部で異なる位相で組み合わされる２つの反射ビームは、ウェーブガイド６８６の 対称モード（最下位モードなど）への結合力が非常に弱い。ウェーブガイド６８ ６が単一モードである場合、この反射エネルギーはウェーブガイドから拒絶され る。したがって、電極６８９を有するＹ字形接合部の一方のアームの光路長を調 整することによって、反射をほぼ１００％から零に非常に近い値に迅速に調整す ることができる。さらに、格子を、本明細書で説明する同調可能な構成のうちの １つにおける電子的に同調可能なリフレクタとして実施する場合、変調反射特性 をスペクトルのそれぞれの異なる領域にシフトすることができる。 第２４図を参照すると、極化格子７２２を使用する切替可能ウェーブガイド・ モード変換器７２０が示されている。ウェーブガイド７３０は、入射モードと射 出モードの両方をサポートすることが好ましく、これらのモードは２つの横モー ドでも、あるいは２つの偏光モードでもよい（たとえば、ＴＥおよびＴＭ）。ウ ェーブガイド内の２つのモードは通常、それぞれの異なる伝搬定数を有し、これ らの伝搬定数は、モードの有効屈折率によって決定される。格子７２２は、接続 部７４６によって電位源７４４に結合された電極７４０および７４２によって電 気的に励起される。格子周期Λ（７２４）は、２つのウェーブガイドの伝搬定数 の差の大きさが格子定数２πｎ／Λに等しくなるように選択される。格子がオン のとき、格子は、２つのモード間の結合が位相整合されるように２つのウェーブ ガイドの伝搬定数の差を構成する。格子の格子強度および装置相互作用長は、入 射モードから射出モードへのパワーの流れを最適化するように設定すべきである 。あるモードから他のモードへの正味パワー変換率は、電子光学係数（ニオブ酸 リチウムではｒ₃₁）の強度および電界の強度によって決定される。 ２つの横モードの場合、結合は、格子構造が存在するときの２つのモードの空 間的な重なり合いと、格子の強度に依存する。２つのモードが対称性によって直 交し、モードが位相整合される場合でも、対称構造が変換されないことがある。 この場合、位相整合構造自体を非対称的なものにして問題を解消することができ る。第２４図の好ましい実施形態では、極化構造を励起する電界を介して非対称 性を導入することができる。電界の垂直成分は、２つの電極７４０と７４２の中 間で符号が反転する。電極をウェーブガイド上で心合わせし、それぞれの異なる 対称性を有する横モード間のモード変換を最適化することが最適である。同じ対 称性を有する横モードを結合するときには逆のことが当てはまる。この場合、位 相整合構造を対称的なものにして変換を最適化すべきである。いくつかの代替手 法を使用することもできる。３電極構造は、電界の対称垂直成分と、非対称水平 電界とを有する。水平電界を１つの水平結合電子光学係数と共に使用して、それ ぞれの異なる対称性を有するモードを結合することができる。あるいは、極化構 造が、ウェーブガイドをほぼ二等分する位相反転平面を有することもでき、その 場合、電界の対称成分を使用して、それぞれの異なる対称性を有するモードを結 合することができる（３つの電極の場合は垂直電界、２つの電極の場合は水平電 界）。 ２つのモードの伝搬定数は波長に強く依存するので、それらのモードの相互作 用のビート長も波長に依存する。したがって、２つのモード間の結合領域の長さ が与えられた場合、第２のモードに結合されるパワーは周波数の影響を受ける。 結合には周波数帯域幅が関連付けられる。所与の格子強度では、帯域内入射ビー ムが射出モードに結合され、この射出モードが、結合された射出ビームとして射 出し、同時に、入射ビームの残りの部分が、透過射出ビームとして第１のウェー ブガイドから出る。 第２４図に示した構造を使用して、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードを結合す ることもできる。電子光学係数ｒ₃₁によって、たとえばニオブ酸リチウムにおけ る２つの直交偏光を結合することができる。前述のように、格子の周期は、格子 定数が２つのモード間の伝搬定数の差に等しくなるように選択される。相互作用 長は、パワー伝達を最適化するように選択される。 ＴＥモードとＴＭモードの両方をサポートするチタン内部拡散ウェーブガイド などのウェーブガイドは、両方の偏光が変換器に出入りすることができる応用例 で使用される。１つの偏光（ｚカット・ニオブ酸リチウム基板ではＴＭ、ｘカッ トまたはｙカットではＴＥ）しかサポートしない陽子交換ウェーブガイドなどの ウェーブガイドは、単一の偏光が必要とされる応用例で有用である。そのような １偏光ウェーブガイドは、他の偏光に対する非常に有効なフィルタとして働くこ とができる。誤った偏光成分は、回折のためにウェーブガイドから急速に分散し 、案内される偏光のみがウェーブガイドに残る。たとえば、陽子交換射出ウェー ブガイド７３１は、必要に応じて、入射偏光のみ、あるいは射出偏光のみを案内 するように働くことができる。この装置は、格子の結合が強力であり、相互作用 長および電界が正しく選択された場合、優れた透過機能および消光機能を有する 光学変調器として使用することができる。陽子交換ウェーブガイドと共に構成さ れた変調器は、ほぼすべての正しく偏光された入射光を透過させ、垂直に偏光さ れたモードに結合される光をほとんど透過させない。別法として、入射時にどち らかの偏光を受け入れるように入射ウェーブガイドをチタン内部拡散することも できる。ＴＥモードのプロファイルとＴＭモードのプロファイルがうまく重なり 合い、結合効率が最大になるように、２つのビーム用のウェーブガイドを形成す る屈折率プロファイルは類似していることが好ましい。 ｒ₃₁係数を活動化するには、結晶のＹ軸またはＸ軸に沿って電界を印加する。 適当な電界方向を達成する電極構成は、結晶のカットに依存する。ｘ軸に沿って 配向されたウェーブガイドを有するｚカット結晶では、ウェーブガイドのどちら かの側に第１の電極および第２の電極を配置することができる。あるいは、ｘ軸 に沿って配向されたウェーブガイドを有するｙカット結晶では、ウェーブガイド の真上に第１の電極を配置し、ウェーブガイドのどちらかの側に第１の電極に平 行に第２の電極を配置することができる。 格子７２２内の極化ドメインは、バルク基板（厚さ０．５ｍｍ以上など）内を 延びるように構成することができるので、第２４図の構造は、制御可能なバルク 偏光変換器にも有用である。この場合、ウェーブガイド７３０は不要であり、電 極は極化材料の薄いバルク・スラブのどちらかの側に最適に構成される。 第２５図を参照すると、Ｙ字形パワー・スプリッタ７０２と横モード変換器７ ０４とを組み込んだ切替ビーム・ディレクタ７００が示されている。このモード 変換器は、上記で第２４図に関して説明した横モード変換器と同様に機能する。 格子構造７０６は、ウェーブガイド７０８に入射した最下位（対称）モードから ウェーブガイドの１つ上の（非対称）モードへのエネルギー変換を位相整合する 。ウェーブガイドと格子構造が重なり合う相互作用領域の長さおよび強度は、入 射信号対称モード・パワーの約半分を上位の非対称モードに変換するように選択 される。さらに、格子モード変換器部７０４とＹ字形スプリッタ７０２との間の 光路長は、２つのモードの位相が、Ｙ字スプリッタの一方の枝７１２では建設的 に組み合わされ、他方の枝７１３では破壊的に組み合わされるように選択される 。この結果、パワーは主として、建設的な干渉と共にウェーブガイド７１２に経 路指定され、他方のウェーブガイド７１３へのパワー漏れはほとんどない。この 状態では、ガイド７１３内の逆伝搬パワーは基本的に、モード・カプラ７０４の 後にガイド７０８内の逆伝搬モードに結合されることはない。この装置は、順方 向では効率的なパワー・ルータを形成し、逆方向では絶縁構造を形成する。 格子モード変換器部７０４とＹ字形スプリッタ７０２との間の光路長を調整す ることによって、射出パワーをガイド７１２からガイド７１３に切り替えること ができる。これを行うには、２つのモードの位相が互いにπだけずれるように最 下位モードおよび１つ上のモードの相対光路長を調整し、次にガイド７１３内で 建設的な干渉を発生させ、ガイド７１２内て破壊的な干渉を発生させる。相対経 路長の調整は、電極対７１１および７０９を電圧源７１４を用いて励起し、基板 ７０３、好ましくはニオブ酸リチウム（しかし、タンタル酸リチウム、ＫＴＰ、 ＧａＡｓ、Ｉｎｐ、ＡｇＧａＳ₂、水晶など、光波に対する透過性を有する電子 光学材料であってよい）中の電子光学効果を介して電極７１１の下方の屈折率を 変化させることによって、経路長調整部７０５で行われる。電極７１１の下方の ウェーブガイド７０８の伝搬距離は、２つのモードの相対位相を少なくとも所望 の量だけ変更できるように励起電圧と共に選択される。 格子７０６は、当技術分野で知られている技法で製造された永久格子でよい。 しかし、装置の機能を最適化するには、対称モードと非対称モードでほぼ等しい パワーを有することが望ましい。既存の製造技法でこの目標を達成するのに十分 な制御を行うのは困難であり、したがって格子強度をいくらか調整することが望 ましい。この調整可能性は、電極７０９および７１０によって励起される少なく ともいくつかの極化格子部を使用することによって達成することができる。電極 ７０９および７１０は、電源７１５によって駆動され、所望のモード変換を行い 、あるいは組合せ極化永久格子の強度を調整するために格子部自体によって使用 することができる。 入射ウェーブガイド７０８は、横モード・カプラ７０４とＹ字形スプリッタ７ ０２との間で２つのモードを案内することができるように（好ましくは断熱的） テーパ７０１を組み込んだ単一モード・ウェーブガイドとして最もうまく実施さ れる。ウェーブガイド７１２および７１３は共に単一モードであることが好まし い。この装置では、対称性が逆であるかぎり任意のオーダーのモードを使用する ことができるが、相互接続のために、入射レグおよび射出レグで最下位モードを 使用することが最も望ましい。中間励起モードはそれほど重大なものではなく、 たとえば上位非対称モードであってよい。 第２６図は、入射ウェーブガイド７５２が相互作用領域７５３に沿って並列ウ ェーブガイド７５４に結合される並列ウェーブガイド切替可能共振器７５０を示 す。格子リフレクタ７５５および７５６は、ガイド内を伝搬する光を再帰反射さ せるようにウェーブガイド７５４を横切って配設される。分離されたリフレクタ 対とウェーブガイド７５４は、入射ウェーブガイド７５２に結合された一体型エ タロンを形成する。結合領域７５３の長さと、結合領域内の並列ウェーブガイド の離隔距離は、入射ビーム７５７のある所望の部分Ｔがウェーブガイド７５４に 結合されるように選択される。エタロン構造７５４、７５５、７５６に結合され た光は、リフレクタ７５５と７５６の間で共振し、ウェーブガイド７５２内の２ つの主射出チャネル、すなわち順方向伝搬波７５９および逆伝搬波７５８に結合 される。エタロン内で循環するパワーの同じ部分Ｔは、２つの射出チャネル７５ ８および７５９のそれぞれに結合される。 エタロンに関して言えば、一体化エタロンは、幅が共振器の損失に依存し分離 か自由スペクトル範囲に等しい周波数空間中の複数のピークで構成された周波数 受け入れ構造を有する。入射ビーム７５７の光周波数がこれらの共振周波数のう ちの１つに合致する場合、エタロン内で循環するパワーは、Ｐ_circ＝Ｐ_incＴ／ （Ｔ＋Γ／２）²によって求められる値Ｐ_circまで蓄積される。ここで、Ｐ_incは 、ウェーブガイド７５２内の入射パワー７５７てあり、Γは、ウェーブガイド７ ５２内の順方向伝搬波７５９および逆伝搬波７５８に結合される出力を含まない エタロンの損失であり、結合が弱く、損失が少ないものと仮定している。ウェー ブガイド７５２内で逆方向へ伝搬するエタロンからの射出結合波は、反射波７５ ８を形成する。ビーム７５８中の反射パワーは、共振のピーク時にはＰ_ref−Ｐ_{i nc} ／（ｌ＋Γ／２Ｔ）²に等しい。Ｔ＞Γ／２のときは、ほぼすべての入射パワ ーが反射される。ウェーブガイド７５２内で順方向へ伝搬するエタロンからの射 出結合波は、（空洞共振時に）入射波７５７の非結合部分とは異なる位相を有し 、２条のビームは破壊的に干渉し、低振幅射出ビーム７５９を生成する。２条の ビームの振幅は等しくないので、射出ビーム７５９中の残留パワーＰ_trans＝Ｐ_{i nc} ／（１＋２Ｔ／Γ）²は完全に零ではないが、非常に近い値にすることができ る。結合Ｔを、エタロンの損失Γと比べて非常に大きな値にする場合、装置の透 過率は大幅に抑制される（Ｔ＝１０Γの場合は２６ｄＢ）。その場合、この構造 は、ＦＳＲごとに分離された周波数のコームで非常に損失の低いリフレクタとし て働く。 この装置は、２つのリフレクタ７５５と７５６の間の光路長を変化させること によって切り替えることができる。電極７６１および７６２は、ウェーブガイド ７５４を通じてミラー７５５と７５６の間で電界を生成するように配設される。 電圧源７６３を用いて電極が励起され、電子光学効果を介して電極７６１の下方 の基板の有効屈折率が変化し、それによってミラー間の光路長が変化し、一体化 エタロンの共振がシフトされる。共振が、共振の幅と入射ビームの周波数帯域幅 のどちらかよりも大きくシフトされた場合、反射が零に低下し、エタロン内の循 環パワーが約Ｐ_incＴ／４に抑制されたときに透過率がほぼ１００％に増加する 。 格子７５５および７５６は、永久格子でも、あるいは上記の図に示し、かつ前 述したように電極によって励起される極化格子てもよい。格子７５６が極化格子 である場合、格子をオフに切り替えることによって装置を切り替えることもでき る。格子７５６がオフであり、すなわちビームを反射しない場合、入射波７５７ の損失は結合定数Ｔに等しくなるが、この場合、コーム構造は、電極７６１によ って周波数シフトされるのではなく、なくなる。この２つの動作モード間の切替 機能の違いは、たとえば、周波数を変化させるのではなく反射を切り替える必要 がある広帯域入射信号に関して重要である。単一周波数入射ビームの場合、反射 は、電極７６１を用いて光路長を変化させ、あるいはミラー７５６をオフに切り 替えることにより共振器のＱを低下させることによって、同様に切り替えること ができる。しかし、ミラー７５６の屈折率を保持し、電極７６１を用いてエタロ ンの周波数スペクトルのみをシフトする場合、広帯域入射波の他の周波数成分が 反射され、これはある種の応用例では極めて望ましくない。 エタロン内で蓄積されるパワーＰ_circは、ＴおよびΓが小さな場合にはかなり 大きく、たとえば第２高調波生成などの応用例で有用である。この応用例ではニ オブ酸リチウム基板の一部内の準位相整合（ＱＰＭ）周期的極化構造が、共振器 内の、たとえばミラー７５６と相互作用領域７５３との間に組み込まれ、あるい は場合によっては相互作用領域自体内に組み込まれる。その場合、エタロンの１ つの共振周波数は、ＱＰＭ周波数二倍器の位相整合周波数に合致するように同調 される。パワー蓄積によって、装置の周波数変換効率は、蓄積係数Ｐ_circ／Ｐ_{in c} の平方として向上する。他の共振モードが同時に注入ロックされることがない ほどＦＳＲが大きな値である場合、この周波数で発生する高反射を使用して、ポ ンプ・レーザを所望の周波数に注入ロックすることもできる。上記で第２１図お よび第２２図を参照して説明した線形一体型エタロンを使用して同じ目的を達成 することもできる。 エタロン内のリフレクタ７５５と７５６の間に蓄積するパワーを最適化するに は、共振器の損失を最小限に抑えなければならない。共振器への入射結合が、空 洞に結合されない入射ビームの部分を破壊干渉によって取り消すように調整され る、バルク蓄積空洞の技術分野で知られているプロセスの場合と同様に、第２６ 図の結合を「インピーダンス整合」することはできない。これは、エタロン透過 干渉ピークの条件である。前述のように、一体化構造では、透過ビームをほぼ取 り消すことができ、それに対して結合共振器にパワーが蓄積されるが、強力な反 射波が現れる。第２７図および第２８図に示したように、リング・ウェーブガイ ド構造では反射波をなくすことができる。 エタロン内で循環するパワーに比例する射出７５１は、必要に応じて格子７５ ６を通じて取り出すことも、あるいは格子７５５を通じて取り出すこともできる 。 第２７図には、入射ウェーブガイド７５２と、並列ウェーブガイド結合領域７ ５３と、３つのウェーブガイド・セグメント７６４、７６５、７６６と３つの格 子リフレクタ７６７、７６８、７６９とて形成されたリング共振器とを含む３ア ーム・エタロン７６０が示されている。電極７６１と７６２との間に形成された 光路長調整部は任意選択である。格子リフレクタ７６７は、ウェーブガイド７６ ４から到着するパワーを最適にウェーブガイド７６５に反射するように配設され る。単一モード・システムでは、格子（およびもしあれば、その電極）の空間構 成は、ウェーブガイド７６４の最下位モードから７６５の最下位モードへの結合 を行うように設計される。格子７６８および７６９も同様に、ウェーブガイド７ ６５からウェーブガイド７６６へ、次いで再びウェーブガイド７６４へのパワー ・フローを最適化するように構成され、確定的な光路長ＦＳＲと、光損失係数と 、入射ウェーブガイド７５２との結合Ｔとを有するファブリー・ペロ共振器が形 成される。次に、インピーダンス整合が可能であり、インピーダンス整合は、結 合係数Ｔが、共振器の総往復損失係数から、主として結合領域７５３内の射出結 合損失を減じた値に等しいときに達成される。共振器内に位相整合周波数二倍器 を配設する場合、共振器内で循環する基本周波数ビームから得られる変換済みパ ワーは、総往復損失中の１つの損失とはみなされない。 ３アーム・エタロンの１つの共振に等しい周波数を有する入射ビーム７５７が 装置に入射した場合、パワーは並列ウェーブガイド相互作用領域を横切ってエタ ロンに結合され、Ｐ_circ＝Ｐ_incＴ／（Ｔ＋Γ）²の循環パワーになるまで蓄積さ れる。リング構造のために、パワーは主として、ウェーブガイド７６４からウェ ーブガイド７６５、７６６に至り、ウェーブガイド７６４に戻る一方向へ循環す る。この場合、エタロンからウェーブガイド７５２上への単一の射出結合波しか なく、この光波は順方向へ伝搬する。射出結合波は、入射波７５７の残りの部分 に破壊的に干渉し、弱い透過波７５９を形成する。射出ビーム７５９の透過パワ ーＰ_transは、Ｐ_trans＝Ｐ_inc（１−Γ／Ｔ）²（１＋Γ／Ｔ）²によって 与えられ、Γ＝Ｔ、すなわちインピーダンス整合条件の場合には零にすることが できる。この場合、すべての入射パワーが共振器に流れ込む。インピーダンス整 合状態では、２つのビームが等しい振幅を有し、透過パワーが零に低下する。良 好な設計によって最小限に抑えることができるウェーブガイド７５２内の不連続 性による反射を除いて、ビーム７５８には反射パワーはほとんどない。 格子７６７または他の格子を切替可能な格子として構成することができ、その 場合、格子をオフにし、コーム構造を完全になくすが、ウェーブガイド７６４に 結合されるパワーのための多少の光損失を残すことによって、エタロンの品質Ｑ を低下させることができる。射出ビーム７５１は、格子７６８、あるいは格子７ ６７または７６９、あるいはその両方の透過時に取り出すことができる。 第２８図は、リング・ウェーブガイド・エタロン７７０を示す。前述のように 、入射ウェーブガイド７５２は、並列相互作用領域７５３においてウェーブガイ ド７７２に結合される。相互作用領域７５３は、第２６図、第２７図、第２８図 のエタロン形状では格子結合が有用なオプションであることを強調するために第 ２８図の格子を含む（ただし、必要ではない）。ウェーブガイド７７２は、（交 差を有する、場合によっては複数のループを含む形状を有する）湾曲された閉鎖 経路に従い、部分７５３から現れたパワーの一部を相互作用領域７５３へ戻す。 前述のように、光路長、したがってＦＳＲを調整できるように電極７６１および ７７３が設けられる。ただし、この場合、電極は基板の同じ面上に配設されるよ うに示されている。エタロン構造の応用例に応じて、ある種の臨界機能構成要素 が製造される位置に直線部７７１が設けられる。エタロン装置７７０を使用して 周波数を２倍にする場合、リングの７７１などの直線部に周波数２倍構造を挿入 することは有利であるが、リング・ウェーブガイドからの周波数変換光を結合で きるようにしなければならない。 装置７７０の機能は、その他の点では装置７６０の機能に類似している。装置 ７６０の方が基板上の消費表面積が少ないが、特に直径が１ｃｍよりも大きな場 合、装置７７０の方がエタロン内の光損失が低い。 装置７６０および７７０は、光源へのフィードバックが最小限に抑えられる、 周波数を２倍にする蓄積空洞として機能することができる。これらの装置は、再 帰反射なしに所与の周波数の透過率を切り替えることもでき、これは、光通信を 含む応用例で有用である。 ＷＤＭ通信では、光波長ごとに分離された多数の通信チャネルを同じ光ファイ バ上で搬送することができる。あるチャネルを検出するにはまず、他の宛先へ経 路指定される残りのチャネルから所望の波長領域内の光を分離しなければならな い。この分離機能は、チャネル・ドロッピング・フィルタによって実行される。 チャネル・ドロッピング・フィルタとは、通信装置であり、波長分割多重化（Ｗ ＤＭ）環境で使用される。チャネルをそれぞれの異なる波長上で搬送することに よって単一の透過ファイバを介して複数のチャネルを多重化することが望ましい 。そのようなシステム内の臨界構成要素は、経路指定または検出のために単一の チャネルを抽出できるようにするチャネル・ドロッピング・フィルタである。理 想的なフィルタは、良好な消光比でチャネル中のほぼすべての光を抽出し、その ため後で、ネットワーク内で望ましくないクロストークなしに同じ波長を使用す ることができる。所与の回線上に複数のチャネル・ドロッピング・フィルタを設 置できるので、チャネル・ドロッピング・フィルタは帯域外成分に関して非常に 低い挿入損失を有さなければならない。このフィルタは、チャネルが、宛先位置 でドロップされ、通信が終了した後、その位置を越えて他の宛先へ進むことがで きるように切替可能であることが好ましい。チャネル・ドロッピング・フィルタ の逆のフィルタは、チャネル追加フィルタであり、他のチャネル中を伝搬するパ ワーにそれほど影響を与えずにファイバにチャネルを追加する。透過フィルタお よび反射フィルタは詳しく分析されている［ＨＬ９１、ＫＨＯ８７］。第７図、 第１０図、第２６図、第２７図、第２８図を参照して説明した装置を含め、上記 の構造のうちのいくつかをチャネル・ドロッピング・フィルタ用に使用すること ができる。 第７図のＴ字形格子結合ウェーブガイドは、帯域外成分用の低損失のチャネル ・ドロッピング・フィルタである。帯域内成分に関して９９．９％の結合を達成 するには非常に長い格子が必要なので、従来技術の格子を用いる場合、この構成 はクロストークに関する難点を有する。ウェーブガイドを完全に横切って延びる 鋭い界面を有する上位の格子を使用することができるので、本出願の周期的極化 格子の結合強度は、従来技術と比べて著しく高い。従来技術は、必然的に浅い格 子とウェーブガイドとの間の重なり合いを最適化するために浅いウェーブガイド に限られるが、本出願では、格子構造がウェーブガイドの深さを完全に横切って 延びるので、ほぼ等しい深さと幅とを有し、より低損失のウェーブガイド構成を 使用することができる。この構造は、チャネル追加フィルタとして使用すること もできる。 第１０図の装置も、Ｈａｕｓ等著「Ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｒｏｐｐｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒｓ」（Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａ ｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１０、５７ページないし６２ページ（１９９２年））に 記載されたように格子を構成する場合にはチャネル・ドロッピング・フィルタで ある。この場合の本出願の寄与は、極化格子結合技法に過ぎず、それによって、 短い距離でのウェーブガイド間の強力な結合が可能になり、効率的な上位の格子 を製造する際の製造上の難点が軽減される。 装置７５０、７６０、７７０は、入射ウェーブガイド７５２から抽出すべきチ ャネルの周波数にエタロンの共振を同調させることによって、チャネル・ドロッ ピング・フィルタとして使用することができる。一体型エタロンがほぼインピー ダンス整合される場合、共振周波数でのほぼすべてのパワーがエタロン内に伝達 される。第２７図および第２８図のリング形状では、ウェーブガイド７５２内の 透過パワーおよび反射パワーを所望のレベルに低減させ、クロストークを最小限 に抑えることができる。所望のチャネルに対応する光が入射ウェーブガイドから 完全に抽出（ドロップ）され、反射も透過も残らない。第２６図の線形形状では 、反射のためにある程度の光が失われる。この場合、検出効率はそれほど低下し ないが、通信網でクロストーク問題が発生することがある。光によって搬送され た信号は、エタロンのウェーブガイド・セグメントの上方に検出器を配置するこ とによって検出することができ、ウェーブガイド内の光に結合することができる 。あるいは、第２６図の７５４、第２７図の７６４、７６５、７６６、第２８図 の７９４などの射出ウェーブガイドのうちの１つに検出器を結合することもでき る。装置７６０の場合、射出結合は、射出ビーム７５１に関して示したように、 循環パワーの小さな部分が、ウェーブガイドの連続セグメントに結合されるよう に、 １つの共振器格子リフレクタ７６７または７６８または７６９の反射を調整する ことによって行うことができる。それらの連続ウェーブガイド・セグメントは、 他の装置のポートに接続することもでき、そのような装置は、同じ基板上の離散 装置でも、あるいは同じ基板上で一体化されていてもよい。装置７７０の場合、 リングの直線部７７１に（格子付き、あるいは格子なしの）並列ウェーブガイド 射出力プラを配置することができる。これらのポートには循環パワーの一部しか 結合されないが、エタロン内で行われる蓄積のために、全結合パワーは、ウェー ブガイド７５２に進入するチャネル・パワーの１００％に非常に近くなる。射出 結合は、射出ビーム７５１を生成する隣接するウェーブガイド７９４を用いて示 されている。 リング形状は、ほぼすべてのパワー伝達がエタロン内で行われるように調整で きるので、消光比（光分散効率が高いときに低い）および低クロストークの点で 優れている。すべてのエタロン装置は、帯域外ビームに対する挿入損失が低くな るように設計することができる。第２６図ないし第２８図のすべての装置は、移 相電極７６１および７６２（および第２８図の７６３）によって切り替えること ができる。 前述のように、光路長は、電極７６１を使用して一体型エタロン共振の周波数 をシフトするように調整することができる。所望のチャネルは、このように直接 選択することができる。あるいは、上記で第２０図、第２１図、第２２図を参照 して説明した手法を使用してこの技法によって複数のチャネルを選択することも できる。エタロンのＦＳＲを、チャネル分離とはわずかに異なるものになるよう に選択する場合、モアレ効果を使用して、最小限の連続同調を有する広い間隔で 分離されたチャネルが選択される（適切な選択を行うには、ＦＳＲを、チャネル 帯域幅にエタロン共振帯域幅をたたみ込んだ際に得られる周波数幅の数倍の値を チャネル間隔に加えた値に等しくなるようにする）。 構造７５０、７６０、７７０に関する変形形態として、上記で第１０図を参照 して説明した格子援用カプラとして結合領域７５３を実施することができる。こ れは、極化格子実施態様において、結合部分Ｔを調整できるという利点を有する 。特にリング共振器設計７６０および７７０では、インピーダンス整合を行うう え で調整可能な結合は有用である。他の変形形態として、上記でより低い電圧励起 を得るために説明したように、基板の同じ面上で電極を実施することができる。 射出ビーム７５９に付加すべき信号が、たとえばウェーブガイド７６６上へ送 られ、あるいはウェーブガイド７９４を介して直線部７７１に結合される場合、 第２７図および第２８図の構造を効率的なチャネル追加フィルタとして使用する こともできる。これらの入力相互作用はおそらくインピーダンス整合されている はずである。 次に、第２９Ａ図を参照すると、極化セグメント８０６を使用するウェーブガ イド変調器／減衰器８００が示されている。極化セグメント８０６の機能は、オ ンに切り替えられたときに、入射ウェーブガイド・セグメント８０２から放出さ れた光を（切替可能に）収集し、射出ウェーブガイド・セグメント８０４へ送る ことである。この装置では、入射光線８２０は入射ウェーブガイド８０２に結合 される。極化セグメント８０６は、入射セグメントと射出ウェーブガイド・セグ メント８０４との間に位置決めされる。入射ウェーブガイド・セグメントおよび 射出ウェーブガイド・セグメントは、内部拡散やイオン交換を含め、任意の標準 技法によって製造できる永久ウェーブガイドであることが好ましい。セグメント ８０６は、電界をオフにしたときに屈折率の差がほぼなくなり、したがってウェ ーブガイド効果がなくなるように、一様に極化された基板内の逆極化領域である ことが好ましい。セグメント８０６は、第２９Ａ図に示したウェーブガイド・セ グメントである（別法として、多数のそのような要素間で光を中継する正レンズ 構造や負レンズ構造や複合構造など、いくつかの形状的に異なる方法で構成する こともできる。第２９Ｂ図参照）。セグメント８０６は、それを通じて電界を印 加することによってオンにされる。電界は、極化セグメントおよび周りの領域の 屈折率を変化させる。セグメント８０６が基板材料とは異なるように極化される （好ましくは逆極化される）ので、正しい電界極性を付与することによってセグ メントの屈折率を周りの材料と比べて高くし、ウェーブガイドを形成することが できる。ウェーブガイドの境界の内側の屈折率を増加させることも、あるいは境 界上および境界の外側の屈折率を抑制することもできる。極化セグメントがオン のとき、連続ウェーブガイドが形成され、入射セグメントと射出セグメントが結 合される。これを行うには、ウェーブガイドどうしを突き合わせ、同じ軸に位置 合わせし、極化セグメントの横モード・プロファイルが入射ウェーブガイド８０ ２および射出ウェーブガイド８０４のモード・プロファイルに最適に整合するよ うに極化セグメントの幅を調整する。 極化セグメントかオフのとき、入射ビームは極化領域に拘束されず、したがっ てビームは、射出ウェーブガイド・セグメントに到着する前に格子によって大幅 に膨張する。入射ウェーブガイド・セグメントと射出ウェーブガイド・セグメン トの離隔距離が、案内されないビームのレイリー範囲よりもずっと大きく、その ため、ビームが射出ウェーブガイドの寸法よりもずっと大きな寸法に膨張する場 合、射出ウェーブガイド・セグメントに結合され射出ビーム８２２を形成するの は入射ビームの小さな部分に過ぎない。セグメント８０６の長さをレイリー範囲 に対して調整することによって、オフ状態で伝達されるパワーの量を所望の程度 に低減させることができる。 極化セグメント８０６の端部の位置は、不連続性のために生じる損失を最小限 に抑えるように入射ウェーブガイドの端部の位置および射出ウェーブガイドの端 部の位置に対して調整される。永久ウェーブガイドが拡散境界を有し、極化ウェ ーブガイドが離散境界を有し、切替セグメントの屈折率変化が既存の屈折率に加 えられるので、ウェーブガイド８０２および８０４のリソグラフィック技法によ って画定された境界と極化セグメント８０６の端部との間に拡散長の２分の１程 度の小さなギャップを残すことが望ましい。ウェーブガイド８０２とウェーブガ イド８０６との間の接合部での反射およびその他の損失をさらに低減させるには 、励起電極８１０をセグメント８０６よりもわずかに短くし、あるいは電極幅を その端部付近で小さくし、どちらの場合でも、フリンジング効果による電界の低 減を利用することによって、セグメント８０６の屈折率変化の最初の部分を小さ くすることも有利である。 この構成の１つの顕著な態様は、オン状態とオフ状態の両方で反射パワーを最 小限に抑えることができることである。スイッチがオフである場合、反射は、ウ ェーブガイド８０２の端部８０３での残留反射によって支配される。この反射は 、ウェーブガイドの長さに沿って屈折率の差を漸減させることによって最小限に 抑 えることができる。ウェーブガイド８０４の端部８０５からの反射は、「オフ」 透過の平方だけ抑制される。「オン」状態では、反射は、やはり伝搬方向に沿っ て構造８０６の屈折率の差を漸減させ、鋭い界面ではなく円滑な境界を形成する ことによって最小限に抑えられる。 励起される極化領域の境界は、内部の屈折率が増加するために活動化されたと きにビームを横方向に拘束する。極化領域の深さがウェーブガイド８０２および ８０４の深さに等しい場合、ビームは極化セグメント境界によって垂直方向にも 拘束される。しかし、ｚカット・ニオブ酸リチウム・ウェハ内の極化の深さを制 御することは困難である。深いドメインを極化し、いくつかの代替策のうちの１ つを使用して垂直次元の拘束を行うことが最も容易である。好ましい手法は、電 界の振幅が垂直次元で減少するように電極を構成することである。これは、第２ ９Ａ図に示された、電極が基板の対向面上に配置されない同一面電極構成によっ て可能になる。電界の貫通深さは、２つの電極間のギャップを狭くし、あるいは 電極構造全体の幅を減少させることによって減少させることができる。 また、あるいは別法として、それ自体では多量のエネルギーを伝えるには不十 分であるが、極化セグメント８０６での屈折率の増加と相まって、光を２つの次 元で拘束しほぼすべての光を射出ウェーブガイド８０４へ搬送する弱い永久ウェ ーブガイドを、入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイドとの間の部分内に製造 することができる。これはたとえば、セグメント内の（基板に対する）永久屈折 率をウェーブガイド８０２および８０４の屈折率変化の約５分の３になるように 調整することによって行うことができる。セグメント８０６の「オン」屈折率変 化を同じ値の約半分に調整する場合、組合せ屈折率変化は合理的な案内を達成す るのに十分なものであり、それに対して永久屈折率変化は不十分てある。「オン 」状態では、極化領域で生じる切替屈折率変化が所望のウェーブガイド寸法より もかなり深い場合でも、モードは両方の横次元で拘束され、「オン」ウェーブガ イドの有効深さは主として、永久屈折率変化によって決定される。弱いウェーブ ガイドは、第２のマスク形成ステップで製造することも、あるいは、より弱いウ ェーブガイド・セグメントを画定するより幅の狭いマスク・セグメントを用いる 同じマスク形成ステップで製造することもできる。 関連代替策として、入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイドとの間の領域は 平面ウェーブガイドでよく、その場合、伝搬モードは少なくとも１つの次元で回 折することができる。極化部をオンに切り替えると、この場合、平面ウェーブガ イドよりも深い屈折率変化が生じるにもかかわらず、必要な横拘束が付加される 。どちらの場合にも、ウェーブガイドの２つの次元での拘束が２つの独立の技法 によって行われるので、ほぼあらゆるアスペクト比（ウェーブガイドの幅と深さ の比）の切替可能なウェーブガイドを形成することができる。平面ウェーブガイ ドとチャネル・ウェーブガイドは共に、同じ技法で製造することができ、この技 法はアニール陽子交換工程であることが好ましい。単独での陽子交換ステップは 平面ガイドおよびチャネル・ウェーブガイドを画定するために使用することがで きる。ウェーブガイド製造工程はアニールによって完了され、アニール中には、 屈折率の変化が所望の深さまで拡散され、材料の光活動が復元される。２組のガ イドを同じ時間だけアニールすることが好ましい。ただし、第２の陽子交換ステ ップを実行する前に１組のガイドを部分的にアニールすることによってより深く することができる。 重要な代替策は、極化セグメント８０６を横切る完全で一様な永久ウェーブガ イドを使用し、電気的に励起されるセグメントを使用して案内をオフにすること である。この場合、電界の極性は、極化領域の屈折率を抑制するように選択され 、極化領域の深さは非常に大きなものでよい（実際、これはモード分散に関して ある種の利点を有する）。この種の切替ウェーブガイドは、通常オンであり（す なわち、透過状態）、電界を印加してオフに切り替える必要がある。通常オン・ スイッチ構成と通常オフ・スイッチ構成は共に電力障害時の動作に関して有利で あり、したがって、本発明が両方のモードを与えることができるのは重要である 。セグメント８０６内でウェーブガイドをオフに切り替えるには、永久ウェーブ ガイドで誘導される屈折率変化にほぼ等しく、かつそれとは逆の屈折率変化が必 要である。光を十分に分散させるには大部分のウェーブガイドを抑制すれば十分 なので、電界の深さの変動の、「オフ」状態に対する効果は非常に小さい。 平面ウェーブガイドの必要なしに、有限深さ極化技法によって拘束を両方の次 元で行うことができる。いくつかの極化技法（たとえば、ニオブ酸リチウムおよ びタンタル酸リチウムにおけるチタン内部拡散やＫＴＰにおけるイオン交換）で は、有限深さの極化が行われ、これは場合によっては、特定の深さを有する極化 チャネル・ウェーブガイドを形成するように最適化することができる。しかし、 このような技法では、極化と共に屈折率変化が生じ、処理パラメータに応じて永 久ウェーブガイドがある程度形成される。この屈折率変化に応じて、極化ウェー ブガイド・セグメントを「通常オン」構成と「通常オフ」構成のどちらかとして 製造することができる。 電界は、極化ウェーブガイド・セグメントと同じ結晶の面上に配置された２つ の電極を横切って電圧を印加することによって極化領域内で生成することが好ま しい。第１の電極８１０は極化領域の上方に配置され、それに対して第２の電極 ８１２は第１の電極の１つまたは複数の側面に近接して配置される。ｚカット結 晶では、この構成は基板のｄ₃₃電子光学係数を活動化する。電圧源８１６は２本 のワイヤ８１４を介して電極に電気的に接続され、装置用の駆動電圧を与える。 この装置は、ディジタル変調器として使用することも、あるいは非線形アナログ 変調器として使用することもできる。フルオン（full-on）電圧は、極化領域を 横切る損失が最小になる電圧として定義されている。オフ電圧は、射出ウェーブ ガイド・セグメントとの結合を所望の程度に低減させる電圧として定義されてい る。電圧をオン電圧とオフ電圧との間で連続的に変動させることによって、装置 をアナログ変調器と可変減衰器のどちらかとして使用することができる。 代替構造では、構造８０６は切替湾曲ウェーブガイドを形成し、この場合も入 射ウェーブガイド８０２および射出ウェーブガイド８０４に整列する。そのよう な構造のモードは、曲率が小さく内側縁部上のモード拘束が内側ウェーブガイド 縁部から独立する極端なケースでは「ささやきの回廊(Whispering gallery)」モ ードと呼ばれる。曲率がより大きな場合、モードは修正ささやきの回廊モードで あり、ある種の拘束はウェーブガイドの内側縁部によって与えられる。極化構造 は切替可能性以外の利点を与え、すなわち、外側壁上の鋭い屈折率遷移によって 、湾曲ウェーブガイド内を伝搬する修正ささやきの回廊モードの拘束が大幅に向 上する。入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイドはこの場合、同軸である必要 も、あるいは平行である必要もなく、場合によってはスイッチオフ状態で順方向 絶縁 を増大させる。入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイドを軸に沿って互いに角 度をなすように構成する場合、構造８０６は単一の曲率半径またはテーパ付き曲 率半径を有する湾曲ウェーブガイド・セグメントであってよく、湾曲ウェーブガ イド構造８０６がオンにされたときにウェーブガイド間でパワーを最適に結合す るために使用することができる。 第２９Ｂ図は、代替構造８０１、すなわち、セグメント８０６のプリズム構造 が、局部光路長と局部（符号付き）屈折率変化の積がガイド８０２および８０４ の軸からの横方向への距離に応じて２次式的に減少するレンズ状構造として修正 された切替レンズ変調器／減衰器を示す。このレンズ状構造は、入射ウェーブガ イド８０２の端部８０３から現れたビーム８２１を射出ウェーブガイド８０４の 端部８０５に集中または再合焦させるように配置される。光波は、端部８０３か ら広がるように出て、レンズ状構造８０７を通過することができる。この構造で は、複数の要素を互いに隣接させて配置し、正味合焦効果を高めることができる ことに留意されたい。領域８０７内の屈折率は、合焦効果を得るために増加され る。周りの領域が領域８０７とは逆の方向へ極化され、あるいは周りの領域の電 子光学係数がその他の点で領域８０７の電子光学係数と逆である場合、レンズ間 の空間も合焦領域として働くことができる（レンズ８０７間の領域で形成され、 より低い屈折率値に励起される負レンズ形状は、収束レンズ構造として働く）。 電極８１０は構造８０６の上方に配置され、電極８１２は構造の外側に配置され るが、電極８１０の隣に必要に応じてすき間を設けて配置される。電極が活動化 されていないときは、ビームが発散し続け、ウェーブガイド端部８０６に再合焦 されるパワーはほとんどない。スイッチがオンのときは、ビームが再合焦され、 パワーの一部がガイド８０４を通過する。オン状態で効率的にパワーを収集する には垂直拘束が必要であり、それに対してこれはオフ状態で望ましくない。垂直 拘束は、必要に応じてたとえば、構造がパターン化された表面全体にわたって一 様な平面ウェーブガイド８３５を設けることによって行うことができる。垂直拘 束は、レンズ状構造が基板の深い位置まで極化されており、深さの関数としての 電界低減が、エネルギーを収集しウェーブガイド端部８０５に再合焦させるよう に調整される場合、レンズ状構造８０６によって与えることもできる。第２９Ｂ 図の構造はもちろん、ウェーブガイド８０２および８０４のうちの一方を有さず 、あるいはそれらのどちらも有さない他の状況で使用することもできる。 第３０図を参照すると、極化ウェーブガイド・セグメントを使用する極化全内 部反射（ＴＩＲ）光エネルギー・リディレクタ８３０が示されている。この図は 、高切替反射のための極化ＴＩＲリフレクタと、それに組み合わされた低挿入損 失のための極化ウェーブガイド・セグメントとを共に示す。入射ウェーブガイド ８３２は、装置の全体にわたって延びる。極化領域８３６は、角度８４８でウェ ーブガイドを横切って延び、極化領域自体が電子光学的に活動化されたときにガ イド内を伝搬するビーム用のＴＩＲ界面を形成する。極化領域の一部は、射出ウ ェーブガイド・セグメント８３４に接続された極化ウェーブガイド・セグメント ８３７も形成する。極化ウェーブガイド・セグメントと射出ウェーブガイド・セ グメントは共に、入射ウェーブガイドに対して角度８４８の２倍の角度に配置さ れる。電圧源８４６は、スイッチを電気的に活動化し、２本のワイヤ８４４を通 じてスイッチに接続される。 極化領域８３６は、図に従って６つの垂直面で両定され、１つの面は、ＴＩＲ 角に等しく、所望の電極励起を得るための全内部反射のための臨界角よりも小さ な浅い角度８４８でウェーブガイド８３２を横切る。この面は、ＴＩＲ反射界面 である。極化領域の次の３つの連続垂直面は、ウェーブガイド８３２の外側の突 起を密閉する。この突起は、切替可能なウェーブガイド・セグメントである。次 の２つの垂直面の配置は臨界的なものではなく、ウェーブガイド境界に従い、９ ０°に交差することができる。 ドメイン（８３６および８３６の外側の基板の領域）は、静止屈折率分布、す なわち、印加電界のないときの屈折率の空間分布によって特徴付けられる。ドメ インを通じて励起電界分布を印加すると、ドメインはそれぞれの静止分布とは異 なる励起屈折率分布を有する。励起分布はまた、印加電界のアクセス可能な範囲 に応じた範囲を有する。２つのドメイン・タイプを互いの近くに並列させる利点 は、２つのドメイン内で電気応答が逆になり、並列領域全体にわたって２倍の屈 折率変化を含む遷移が発生することである。屈折率変化の場合、遷移によって、 単一のドメイン・タイプで達成されるよりも大きな反射を含む反射境界が形成さ れる。 スイッチがオンのとき、ウェーブガイドに結合された入射ビーム８５１は、Ｔ ＩＲ界面から反射し、極化ウェーブガイド・セグメントに沿って伝搬し、射出ウ ェーブガイド・セグメント８３４に入り、偏向された射出ビーム８５４を形成す る。スイッチがオフのとき、入射ビームは極化界面内を伝搬し、引き続き入射ウ ェーブガイド内を伝搬し、偏向されない射出ビーム８５２を形成する。ＴＩＲ界 面での屈折率変化が低いので、オフ状態での反射は非常に低い。永久ウェーブガ イド・セグメント８３４がガイド８３２から数モード指数関数的減衰長だけ分離 されるので、ビームが切替領域を通過する際の散乱のための失われるパワーも極 めて低い。「オフ」スイッチはウェーブガイドにはほぼ見えず、入射ガイドで発 生する損失は極めて低い。摂動を加えられない等しい長さのウェーブガイドに対 するオフ状態の切替領域の追加損失を挿入損失と呼ぶ。入射ウェーブガイドが、 多数の極化スイッチを含むバスであるときには特に低挿入損失が望ましい。 入射ウェーブガイドに対する極化界面の角度θ（８４８）は、スネルの法則か ら導かれる最大ＴＩＲ角または臨界ＴＩＲ角θ_eよりも小さくなけれはならない 。 上式で、 θ＝（ウェーブガイドと極化界面との間の）ＴＩＲ角 ｎ＝ウェーブガイド領域の屈折率 △ｎ＝極化境界の各側の電子光学的屈折率変化である。 屈折率の変化は、逆の符号を有する極化境界の各側で発生するので、有効屈折率 変化は２△ｎである。この数式では、境界から離れるにつれて徐々に（断熱的に ）変化していくものと仮定されている。有効屈折率が２倍になるので、極化ＴＩ Ｒスイッチを用いて達成できる最大切替角は、一対の電極を含み極化界面を含ま ない従来型のスイッチと比べて√２だけ大きくなる。これは、ＴＩＲスイッチを 使用して達成できるスイッチ・アレイの最大充填密度を増加させるので、非常に 顕著な増加である。 屈折率変化△ｎが偏光に依存するので、臨界角θ_eは入射ビームの偏光に依存 する。たとえばｚカットニオブ酸リチウムでは、垂直電界Ｅ₃を用いた場合、Ｔ Ｍ波はｒ₃₃による異常屈折率の変化の影響を受け、ＴＥ波はｒ₁₃による正常屈折 率の変化の影響を受ける。ｒ₃₃＞ｒ₁₃なので、ＴＭ波を切り替える方がずっと容 易である。アニール陽子交換ウェーブガイドは、ｚ方向に偏光された光波しか案 内しないので、このウェーブガイドを使用すると非常に好都合である。一方、ｘ カットｙ伝搬（またはｙカットｘ伝搬）ニオブ酸リチウムでは、ＴＥ波の方が屈 折率の変化が大きい。この場合、垂直方向ではなく、基板の平面のｚ方向に電界 成分を生成するように電極を変更しなければならないことに留意されたい。 実際のＴＩＲスイッチの設計角は、いくつかの因子を最適化した後に選択しな ければならない。切り替えるべきモードは、２つの平面内のウェーブガイドの幅 が異なる場合には異なる（ウェーブガイド製造平面内およびウェーブガイド製造 表面外の）２つの角分布を含む。所与の平面内のモードの角内容δφはほぼδφ ＝±λ／πｗ_oをカバーする。ここで、ｗ_oはその平面における１／ｅ²モード・ ウエストである。ＴＩＲ界面で大部分の光を反射させたいので、入射角は、切替 ウェーブガイドの平面では臨界角θ_eよりもほぼ角内容δφだけ小さくなければ ならない。角内容δφはウエスト寸法に反比例するが、最適化すべき充填密度も ウエスト寸法に反比例する。ウェーブガイドの平面外の方向でのモードの角内容 も、形状的により複雑な方法ではあるが有効入射角に寄与するので考慮に入れな ければならない。 ＴＩＲスイッチを製造する代替方法は、電界ではなく、あるいは電界だけでな くひずみ場も用いることである。ひずみ場は、永久的な方法で最も好都合に実施 され、電界は反射を変化させるうえで最も有用である。配向されたひずみ場をド メイン境界に印加すると、光弾性効果を介して２つのドメインでそれぞれの異な る屈折率変化が発生し、屈折率界面が得られる。上記で第２図を参照して説明し たように、ひずみ場は、サンプルを高温に加熱し、異なる熱膨張係数を有する被 膜を付着させ、室温に冷却することによって生成することができる。ストリップ などの領域をエッチングすることによって被膜にパターンを付与すると、被膜の ギャップの周りにひずみ場が生成される。次いで、このひずみ場を使用して、ド メイン境界で屈折率の差を活動化することができる。付与された被膜が誘電体で ある場合、電極を付着させてもひずみ場の望ましくない変化が生じないかぎり、 この誘電体を通じて極化領域に電界を印加することができる。この被膜は、バッ ファ層によって分離されるのではなく基板に直接接触することができるように光 吸収の低い被膜であることが好ましい。 極化領域は、入射ウェーブガイドの一部を含み、ウェーブガイドの伝搬軸に垂 直な界面を有する。ＴＩＲ界面交差を含む入射ウェーブガイドの部分は、スイッ チの長さを画定する。 上式で、θはすでに定義されており、 Ｌ＝入射ウェーブガイドに沿って測定されたスイッチの長さ Ｗ＝ウェーブガイドの幅 したがって、スイッチの寸法を最小限に抑えるには、ウェーブガイドの幅をでき るだけ小さくしなければならない。空間臨界応用例では、ウェーブガイド・セグ メントが単一モードであることが好ましい。数値の例を挙げれば、単一モード・ ウェーブガイドの幅が４μｍであり、最大屈折率変化△ｎが０．００１５であり 、屈折率が２．１６である場合、ＴＩＲ角θは３°であり、スイッチの長さＬは ７６μｍである。 極化ウェーブガイド・セグメントは、２θ、すなわちＴＩＲ界面の偏向角に等 しい入射ガイドに対する角度を形成する。ＴＩＲ界面から反射したビームを極化 ウェーブガイド・セグメントに効率的にモード整合するために、極化セグメント は、入射ウェーブガイドとほぼ同じ横モード・プロファイルを有するべきである 。効率的なモード整合は、極化ウェーブガイドの幅と屈折率の差の妥当な組合せ を選択することによって達成することができる。極化ウェーブガイド・セグメン トは、スイッチ界面によって占有されるウェーブガイドの側の後半に沿って入射 ウェーブガイドに交差する。ウェーブガイドの厳密な寸法および配置は、全内部 反射プロセスから現れた近電界(near field)モード・プロファイルを伝搬方向お よ び横プロファイルに関して最適にウェーブガイドのモードに整合するように決定 される。上記で第２９Ａ図を参照して説明したことと同様に、極化ウェーブガイ ド・セグメントと永久ウェーブガイド・セグメント８３４との間の整合にも同じ ことが当てはまる。 永久ウェーブガイド・セグメントは基本的に、極化ウェーブガイド・セグメン トが連続したものである。極化セグメントの長さは、入射ウェーブガイドおよび 切替ウェーブガイドの最適化損失に依存する。スイッチがオフのときに入射ウェ ーブガイド内の偏向されないビーム間の散乱相互作用を回避するには、永久ウェ ーブガイド・セグメントを入射ガイドからある距離（少なくとも光波長）だけ分 離しなければならない。多数のスイッチを有するバス・ウェーブガイドの場合、 入射ガイドの損失を、スイッチの数の逆数に関係する値に低減しなければならな い。入射ガイド内のビームのモーダル・プロファイルは、ガイドの内部拡散縁部 をある距離だけ越えて延び、そこで指数関数的に減衰する。このような指数関数 的減衰の定数分だけ永久セグメントを入射ガイドから分離する場合、損失をバス ・ウェーブガイドの受け入れられるレベルに低減させることができる。 極化セグメントの長さは反射ビームの損失にも影響を与える。極化ウェーブガ イド・セグメントは、壁の粗度が高いので、単位長当たりの損失が内部拡散ウェ ーブガイドよりも高い。また、ウェーブガイドの各端部で前述のモード変換損失 が発生し、このような損失は、モード・プロファイルを最適に整合することによ って最小限に抑えられる。極化セグメントが短い場合（ビームのレイリー範囲の 程度）、透過ビームはそれほど、極化セグメントのモードに変換されず、したが って結合損失が低減する。極化セグメントの最適長は、入射ウェーブガイドおよ び切替ウェーブガイド内のビームの許容相対損失に依存する。 第２９Ａ図に示したウェーブガイド・セグメント変調器／減衰器の場合と同様 に、切替ウェーブガイド・セグメント８３７ではモードの垂直拘束が必要である 。第２９Ａ図に記載したのと同じオプションをこの場合にも実施することができ る。第３０図には、基板の表面に平行な平面にビームを拘束する平面ウェーブガ イド８３５が示されている。平面ウェーブガイドは一様なので、平面ウェーブガ イドが存在しても、オフ状態でのウェーブガイド・スイッチ接合損失は影響を受 けな い。平面ウェーブガイドの代わりに、あるいはある種の組合せにおいて、垂直拘 束が得られるように電界の深さを調整することや、深さの短い極化を使用するこ とや、電界によって誘導される屈折率変化によって補助される部分ウェーブガイ ドを使用することや、電界によって活動化される極化領域によってオフにされる 完全永久ウェーブガイドを使用することを含め、他の代替策を実施することもで きる。最後の２つの代替策は、隣接する屈折率の不連続性のためにウェーブガイ ド８３２内のビームの損失の方が高いという欠点を有する。 切替領域を最適化する際には水平拘束も問題である。高い切替効率が必要であ る場合、大きなＴＩＲ反射角を有することが好ましい。入射波８５１の左半分は まず界面８３８から反射し、反射波の右半分を形成する。しかし、反射後、反射 波の右半分は、ウェーブガイド・セグメント８３７に到着するまで横次元での拘 束を受けない。この光波は、拘束されずに通過する間、回折によって膨張し、射 出ウェーブガイド８３４に結合されるビーム・パワーの部分が減少する。この効 果のために、スイッチがオン位置のときのスイッチの効率が低下する。しかし、 平均非案内距離はほぼ、ウェーブガイドの幅を、角度８４８の正弦の４倍で除し た値に制限される。ウェーブガイド８３２の右側による永久屈折率変化のために 、入射波の右半分は、ウェーブガイド・セグメント８３７を通過した後、界面８ ３８から反射するまで拘束されたままである。入射波の右半分は次いで、射出ウ ェーブガイド８３４にうまく整合する。入射ビーム８５１の両方の部分が、ＴＩ Ｒ表面８３８から反射した後にウェーブガイド８３２の側面からの望ましくない 反射に従う。この表面の、ビームの伝搬軸に対応する角度は、表面８３８と同じ であり、屈折率がわずかに異なるに過ぎないので、この表面からは全反射ではな く、部分的な反射が起こるに過ぎず、この反射もスイッチの損失に加えられる。 リフレクタの効率を最適化しウェーブガイドの損失を最小限に抑えるうえで、 電極の設計は、このスイッチの重大な態様である。２つの電極を使用してスイッ チを活動化することが好ましい。第１の電極８４０はＴＩＲ界面８３８の上方に 配置され、それに対して第２の電極８４２は第１の電極と並列し、その界面に隣 接して配置される。最適化に関する主要なパラメータは、２つの電極の離隔距離 と、重なり合っても、あるいは重なり合わなくてもよい第１の電極の縁部と極化 境界との間の距離である。２つの電極間の間隔は、装置を活動化するのに必要な 電圧に影響を及ぼすと共に、基板を貫通し屈折率変化プロファイルを生成する電 界パターンの幅に影響を及ぼす。さらに離隔された電極にはより高い電圧が必要 であるが、このような電極では、密に離隔された電極よりも深く基板内へ延びる 電界が生成される。 電界貫通深さは、大きな正味反射を得るうえで重大である。電界は、電極から 遠ざかるにつれて弱くなるので、極化境界での誘導屈折率変化も、ＴＩＲ角の場 合と同様に深さと共に低減する。有効深さと呼ばれるある深さでは、この屈折率 変化は、スイッチ構造の角度で光線の中心放射線の全反射を維持するには不十分 なものになる。反射は最小ＴＩＲ値よりも低い値では屈折率変化と共に急速に低 減するので、ＴＩＲミラーは基本的に、この深さでは機能を停止する。ガイド８ ３７および８３４への正味反射が高い場合、装置設計では、ガイド８３２内の大 部分の電界プロファイルの下方に有効深さを形成するように調整すべきである。 電極設計の影響を受ける第２の重要な動作パラメータは、ＴＩＲ界面８３８を 越える反射波の消失電界の貫通である。「オン」状態ではＴＩＲ界面を越えてパ ワーが伝達されることはないが、電磁界は、波長程度の距離だけＴＩＲ表面を貫 通する。ＴＩＲ表面を越える印加電界には空間依存性もあり、電界強度は、他の 電極８４２により近い領域で低減する（かつ実際には反転する）。したがって、 屈折率変化は、ＴＩＲ界面を越えると低減する。電界の大きな変動が発生する前 に、消失電界を、無視できる値に減衰させるよう注意しなければならず、そうし ないとＴＩＲ界面を通じてパワーが漏れる。最適には、第１の電極は、最大屈折 率変化を得るために選択された距離だけ、界面８３８を越えた位置で電界の十分 な安定度が得られるように、極化界面と重なり合う。 第１の電極はまた、極化ウェーブガイド・セグメント８３６を横切り、場合に よっては隣接する領域内へ延びる。この領域８３６を励起する２つの電極の形状 は、ウェーブガイド・セグメントから永久ウェーブガイド８３４へのパワー・フ ローを最適化することによって決定される。他の電極構造を使用して、極化領域 内の電界の強度を修正することができる。たとえば、第２の電極が第１の電極の 周りでＵ字形を形成するように延びる場合、第１の電極の下方の電界は、平均し て増加するが、多少２ローブ・ウェーブガイドを形成する。２ローブ・ウェーブ ガイドは理想的な屈折率プロファイルを与えることはできない。 ＴＩＲスイッチは、光エネルギー・ルータであり、変調器として使用すること もできる。電圧源が連続的に変動する場合、変調器はアナログであり、電圧と屈 折率との間に非線形関係が成立する。印加電圧が増加すると、全反射界面の深さ が増加し、光波８５１から光波８５４への連続的に調整可能な反射が生成される 。変調器は、電圧を除去する際に透過を零にすべきか、それとも１００％にすべ きかに応じて、反射モードで使用することも、あるいは透過モードで使用するこ ともできる。空間非線形応用例では、受信機が対数的に信号のレベルの影響を受 ける場合など、電圧の関数としての反射係数および透過係数の非線形性が有用で ある。 第３１図は、２つのＴＩＲリフレクタを含むＴＩＲスイッチを示す。射出ウェ ーブガイド８３４と入射ウェーブガイド８３２との間の角度を増加させたい場合 には、第２のＴＩＲ界面８３９を追加することができる。入射ウェーブガイド８ ３２と射出ウェーブガイド８３４との間の角度は、第３０図の角度の２倍であり 、追加ＴＩＲ界面を追加することによって何倍にでもすることもできる。界面８ ３９は、角度８４８の２倍に等しい界面８３８に対する角度８４９で形成される （後続のＴＩＲ界面を追加する場合は、前のＴＩＲ界面と同じ角度８３８で追加 すべきである）。二重ＴＩＲミラー構造が、遠く離れた入射ウェーブガイド８３ ２から光を運ぶので、ウェーブガイド８３２に顕著な損失を生じさせずに極化領 域８３６の端部に直接、永久ウェーブガイド８３４を突き合わせることができる ので、第３０図の切替ウェーブガイド部分８３７はもはや必要とされない。この 場合も、極化セグメント８３６で垂直拘束が行われる。極化セグメント８３６お よび射出ウェーブガイド８３４は、ＴＩＲおよびウェーブガイド・セグメントの チェーン内で伝搬する電界プロファイルが入射ウェーブガイド８３２の局部最下 位モード電界プロファイルに最適に整合するように構成され位置合わせされる。 スイッチがオンのときには、ＴＩＲリフレクタの後で、偏向されたビームが永久 ウェーブガイド８３４に整合され、射出ビーム８５４が形成される。 入射ウェーブガイド８３２の外側の極化領域の内側境界の形状は、一方のＴＩ Ｒミラーによる入射ウェーブガイドの反射によって画定され、次いで他方のＴＩ Ｒミラーによる入射ウェーブガイドの反射によって画定される。内側境界がこの ように画定されるので、ウェーブガイド・モードの内側エッジは、２つのＴＩＲ ミラーから反射する間、最適に案内される。 第３２図は、電気的に切り替えられるウェーブガイド・セグメントを含む極化 ＴＩＲスイッチ８３１を有するＴＩＲ切替ビーム・ディレクタを示す。この構造 では、領域８３６は逆極化され、界面８３８の後方に存在し、前述のように一対 の電極８４０および８４２によって励起される。電極対は、電圧源８４６によっ て活動化され導体８４４を介して接続される。励起の極性はこの場合も、入射ビ ーム８５１の方向からの負の屈折率変化を発生させるように選択される。スイッ チがオンのとき、ビームはＴＩＲ界面８３８から永久ウェーブガイド８３４の方 へ反射されるが、第３０図の場合とは異なり、ＴＩＲ界面８３８と永久ウェーブ ガイド８３４を結合する極化ウェーブガイド・セグメントはない。その代わり、 入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイド８３４との間の中間領域の上方に電極 ８４２が延びる。結合ウェーブガイド・セグメントは、ＴＩＲ反射境界を含む入 射ウェーブガイド８３２のセグメントの横境界と射出ウェーブガイド８３４の入 射境界との間の領域に電界を印加することによって形成することができる。電界 の三次元分布は従来どおり、電極の形状およびマックスウェルの方程式によって 決定される。電極から生成される電界は、電子光学効果によって正の屈折率変化 を発生させ、所望の切替ウェーブガイド部を形成する。他の箇所で説明したよう に、このウェーブガイド・セグメントも、入射モード８５１の射出モード８５４ との結合を最適化するように構成され位置合わせされる。この実施態様およびＴ ＩＲスイッチ実施態様の代替策として、射出ウェーブガイドは、入射ウェーブガ イドから無視できるすき間だけ離れた位置から始まることができる。この代替策 は、スイッチ・オフ（直線）構成ではより高い挿入損失を有するが、より簡単な 構成を有する。 第３３図を参照すると、極化セグメントを使用する２位置ウェーブガイド・ル ータが示されている。この極化セグメントは、全内部反射に基づくものではない 。極化領域８６６は、入射ウェーブガイド８６２を小さな角度で横切る電気的に 励 起可能なウェーブガイド・セグメントを形成する。電界を印加すると、セグメン ト８６６の屈折率が増加し、それに対して入射ウェーブガイドの隣接する領域の 屈折率は低減する。したがって、入射ビーム８８０は少なくとも部分的に極化ウ ェーブガイド・セグメントに結合される。スイッチがオフのとき、入射ビームは 引き続き入射ガイド内を伝搬し、非切替射出ビーム８８２を形成する。この小さ な角度は、断熱的に漸減できるものであり、すべてあるいは大部分の入射光を射 出ガイド８６４に切り替え切替射出ビーム８８４として装置から射出させること が望ましい場合に低損失のウェーブガイド湾曲を形成する。 少なくとも２つの電極を使用して、極化領域を横切って電界が印加されウェー ブガイドが活動化される。第１の電極８７０は極化ウェーブガイド・セグメント の上方に位置決めされ、それに対して第２の電極８７２は第１の電極に隣接して 位置決めされる。第２の電極８７２は、第１の電極に隣接して位置決めされ、か つ高パワー分割比を達成するために極化ウェーブガイド・セグメントの両側に配 置することができる。前述のように、電極は導体８４４を通じて電源８４６によ って励起され、平面ウェーブガイド８３５、または深さに応じた電界低下、また は本明細書で説明する他の手法のうちの１つを使用して、切替伝搬モードのため の垂直拘束が行われる。 第３４図を参照すると分かるように、いくつかの極化ＴＩＲスイッチが並列し て配置され、アレイ９００が形成される。ＴＩＲ界面を形成する極化領域９１２ および９１４は、ウェーブガイド９１０に沿って順次、配置される。各極化領域 は同じ結晶配向を有し、領域９１２および９１４内の結晶のｚ軸は、結晶の残り の部分のｚ軸に対して反転される。この構成の他の態様および多数の変形態様に ついては、上記で第３０図を参照して説明した。 各スイッチは、ワイヤ９２８を用いて電極に接続された多出力電圧制御源９２ ６を使用して個別に活動化される。すべてのスイッチがオフのとき、入射ビーム ９０２は入射ウェーブガイド９１０に沿って伝搬し、無視できる損失を含む非切 替射出ビーム９０４を形成する。第１のスイッチがオンのとき、入射ビームは第 １のＴＩＲ界面から反射し、ウェーブガイド９１６内で第１の反射射出ビーム９ ０８を形成する。第１のスイッチがオフであり、第２のスイッチがオンのとき、 入射ビームは第２のＴＩＲ界面から反射し、ウェーブガイド９１８内で第２の反 射射出ビーム９０６を形成し、以下、後続のスイッチに関して同様てある。この 多重スイッチ構造はｎ個のスイッチに拡張することができる。 電極は、前述のように各ＴＩＲ界面の上方に配置される。１つまたは複数の電 極９２０、９２２、９２４は、あるスイッチの陰極として働き、かつ他のスイッ チの陽極として働く。たとえば、第２の電極９２２と第１および第３の電極９２ ０および９２４との間に電圧が印加され、第２のスイッチが活動化され、射出ビ ーム９０６が形成される。陽極と陰極の両方として働く電極９２２は、前の極化 セグメント９１２のＴＩＲ界面に隣接する位置へ延び、同時に１つの極化領域９ １４のＴＩＲ界面および１つの極化領域９１４の１つのウェーブガイド・セグメ ントをカバーすることが好ましい。２つの完全な極化セグメント９１２および９ １４と１つの完全な電極９２２とを含む構造の一部しか示されていない。この構 造は、完全な重複電極および重複極化セグメントを位置合わせすることによって ｎ個のスイッチとして複製することができる。 チャネル中のクロストークを回避するには、入射ビームが、活動化されたスイ ッチの領域に進入するまで電子光学的屈折率変化を受けないように、電極に対す る電圧を印加することができる。たとえば、第２の極化領域９１４のＴＩＲ界面 を活動化するには、電極９２２と９２４の間に電圧を印加し、電極９２０および ９２２ならびに前の電極上で同じ電位を維持することができる。 極化領域の全長はＬよりも長いが、所与の領域によってウェーブガイドに沿っ て占有される距離は定義上、Ｌに等しい。したがって、１００％充填密度を有す るＴＩＲスイッチ線形アレイは、距離Ｌごとに始まる新しい極化領域を有する。 これは、この密度では、ウェーブガイド内の極化領域の内側コーナーで、隣接す る領域どうしがわずかに接触するので、１００％充填密度と呼ばれる。前の極化 構造内で案内された光のうちのいくらかが、前の構造に接触する次の極化構造内 へ漏れる恐れがあるので、隣接する領域どうしを接触させることは不利である。 上記で、配置が臨界的ではない極化領域の２つの垂直面で、前の極化領域に接 触するコーナーが形成されることを指摘した。極化領域の幅がこの内側コーナー の側で狭くなるようにこれらの面を移動することによって、もはや領域どうしが 接触せず、光エネルギーの漏れが低減されるように構成することができる。たと えば、ウェーブガイドを９０°に横切る面の長さを有することによって、内側コ ーナーをウェーブガイドの中央へ移動することができる。ウェーブガイドに並列 するために使用された面がＴＩＲ界面に並列し、臨界位置表面となる。この形状 を有する極化領域を「高密度」極化領域と呼ぶ。（光漏れを最小にするためには ２つの非臨界面の間に７番目の垂直面を加えるなど、他の方法がある。しかし、 ここで述べた代替法は高密度において別の有利点がある。） 第３５図は、極化領域に高密度形状を使用し、隣接する複数の極化領域を反転 させることによって、スイッチの直線密度が２倍になる構成を示す。この場合、 ウェーブガイドを横ぎる極化領域の界面は、ウェーブガイドの軸に沿って並進す ることを除いて同じである。したがって、極化領域は、ウェーブガイドに沿って 密に積み重ねられ、スイッチ密度が２倍になる。実際には、（基板が完全に極化 される最適なケースでは）反転極化領域以外の領域が基板と同じ極化方向を有す るので、完全に空間的に画定されるのは反転極化領域だけである。反転極化の２ つの領域９５２および９５４を第３５図に示す。ＴＩＲ界面は、ウェーブガイド ９５０内を伝わる非切替光が場合によっては、非励起極化領域に出入りする際に それぞれ使用する、極化領域の第１の面または入射面および第２の面または射出 面とみなすことができる。 射出ビーム９４６用のＴＩＲ界面は、極化基板と反転極化領域９５２の第１の （入射）面との間に形成され、電極９６６によって励起される。射出ビーム９４ ７用のＴＩＲ界面は、反転極化領域９５２の第２の（射出）面と極化基板との間 に形成され、電極９６７によって励起される。射出ビーム９４８用のＴＩＲ界面 は、極化基板と反転極化領域９５４の第１の面との間に形成され、電極９６８に よって励起される。射出ビーム９４９用のＴＩＲ界面は、反転極化領域９５４の 第２の面と極化基板との間に形成され、電極９６９によって励起される。電極は 、それぞれのＴＩＲ界面の上方で、永久射出ウェーブガイド９５６、９５７、９ ５８、９５９に接続された切替ウェーブガイド・セグメントに沿って延びる。１ つまたは複数の電極９６６、９６７、９６８、９６９、９７０はあるスイッチ用 の陰極として働き、かつ他のスイッチ用の陽極として働くことが好ましい。した が って、各電極は、前のスイッチのＴＩＲ界面に平行に、かつその界面の全長に沿 って延びる。 各スイッチは、電圧源９２６を用いて導体９２８を介して電界を印加すること によって個別に切り替えることができる。すべてのスイッチがオフのとき、入射 ビーム９４２はバス・ウェーブガイド９５０に沿って伝搬し、非切替射出ビーム ９４４を形成する。第１のスイッチがオンのとき、入射ビームはそれぞれのＴＩ Ｒ界面から反射し、第１の射出ウェーブガイド・セグメント９５６に結合され、 第１の反射射出ビーム９４６を形成する。その後に続くスイッチでは、入射ビー ムはそれぞれの後続のＴＩＲ界面から反射し、ウェーブガイド・セグメント９５ ７または９５８または９５９に結合され、反射射出ビーム９４７または９４８ま たは９４９を形成する。電極上の電圧は通常、隣接するスイッチからの光干渉が なくなり、すなわち、すべての前のスイッチがオフになるように設定される。こ れは、たとえばすべての前の電極を、切り替えられた電極と同じ電位に維持する ことによって行うことができる。この多重スイッチ構造はｎ個のスイッチに拡張 することができる。 高密度極化領域の上流側端部を入射ウェーブガイド９５０の縁部をかなり越え た位置へ延ばし、ウェーブガイドに対する垂直表面の角度を維持することが望ま しい。このようにウェーブガイドを延ばすことによって、入射ウェーブガイド・ モードの全指数関数的テールが捕捉され、拡張された高密度極化領域の残りの非 臨界位置表面がウェーブガイド９５０から押し出され、それによって光損失が低 減する（上流側および下流側は、入射ビーム９４２の伝搬方向に対して定義され る）。 極化領域の切替ウェーブガイド・セグメントを、上記で第３０図を参照して説 明したように指定する場合、射出ウェーブガイドの離隔距離は、最高充填密度時 の射出ウェーブガイドの幅に等しくなり、したがって射出ウェーブガイドは平面 ウェーブガイドにマージされる。平面射出ウェーブガイドはある種の応用例には 有用であるが、各スイッチ内て第２の極化ＴＩＲ界面を使用して射出ウェーブガ イドを分離することができる。スイッチ内での２つのＴＩＲ界面の使用法につい ては、第３１図を参照して説明した。第３５図の場合、積み重ねを行うときは極 化領域の形状がわずかに異なるものになることに留意されたい。拡張された高密 度極化領域の「射出ウェーブガイド」部は、第１のＴＩＲ界面の端部の周りで入 射ウェーブガイド９４２に対して角度３θだけ回転され、面の平行度が維持され る。したがって、この「射出ウェーブガイド」部は第２のＴＩＲリフレクタ・セ グメントになる。 第２のＴＩＲリフレクタ・セグメントの幅は、入射ウェーブガイドよりも約５ ０％だけ大きい。第２のＴＩＲリフレクタ・セグメント内で伝搬するモードは、 セグメントの内側で約２Ｗ／ｓｉｎθの距離にわたって拘束を受けない。ここで 、Ｗはウェーブガイドの幅として定義される。この側で発生する回折のために、 射出ウェーブガイド９５６ないし９５９へのパワー結合は低減する。この距離は ほぼレイリー範囲未満に維持することが望ましい。ＴＩＲ角４．５°で動作する ４μｍ幅ウェーブガイドの場合、全非拘束距離は約１００μｍであり、これは青 ビームに関するレイリー範囲にほぼ等しい。そのようなスイッチのアレイの性能 を最適化する１つの解決策は、（電子光学係数を低下させずに）第２のＴＩＲリ フレクタ・セグメント内の適切な位置に永久屈折率低減領域を付加することにあ る。この適切な位置は、拡張された高密度極化領域の内壁、および第３１図を参 照して定義した極化領域８３６の内壁で境界付けされるゾーンである。永久屈折 率低減領域によって、モードが２つの連続ＴＩＲミラーから反射する際にモード の拘束に関する最適位置に永久ウェーブガイド境界が画定される。付加された屈 折率低減領域は、入射ウェーブガイドに近づくするにつれて零にテーパし、ガイ ドから十分に離れた位置で屈折率低減領域を打ち切ることによって、入射ウェー ブガイドに加される損失を著しく低減させることができる。屈折率低減領域は、 前のＴＩＲ界面のＴＩＲ機能を干渉しない（実際には、このＴＩＲ機能を助ける ）。 したがって、切替ビームは２つの連続ＴＩＲ界面から反射し、スイッチの全偏 向角を２倍の４θにする。射出角を２倍にすることによって、入射ウェーブガイ ドに等しい幅と、最も密度の高い構成での射出ウェーブガイド自体の幅に等しい 離隔距離とを有する射出ウェーブガイド用の空間が得られる。 射出ウェーブガイドは、第２のＴＩＲリフレクタの最後のコーナーで、第２の ＴＩＲ界面に対して角度θをなすように、第２のＴＩＲ界面から反射する光を収 集するように最適に位置合わせされて、第３５図の極化領域に接続される。所与 のスイッチ用の２つのＴＩＲリフレクタは、介在するウェーブガイド・セグメン トなしに接続されることが好ましい。これによって、壁の粗度および非対称性の ために永久チャネル・ウェーブガイドよりも損失の大きな極化ウェーブガイド内 で偏向ビームが伝わらなければならない経路長を最小限に抑えられる。 代替極化境界構造では、隣接する２つの極化領域間の境界は湾曲ＴＩＲ構造で よい。そのような構造のモードはこの場合も、場合によってはウェーブガイドの 内側境界上でのある程度の拘束によって修正されるささやきの回廊モードである 。極化境界の曲率半径は、２つのタイプのガイド間で大きなパワー結合を得るた めにささやきの回廊モードがウェーブガイド・モードにうまく整合できるほど小 さくされるが、モード内で角度を分散させるためにほぼ全内部反射を発生させる ほど大きくされる。 第３６図は、より高い充填密度を得るための二重交差ウェーブガイド構造９８ ０を示す。この構造は、２つの斬新な特徴、すなわち非対称損失ウェーブガイド ・クロス９９７と９０°ミラー９７６および９７７とを組み込んでいる。密度は 、基板９８１の同じ表面上に第１の入射ウェーブガイド９８４に平行な第２の入 射ウェーブガイド９８２を付加することによって増加されており、実際上、充填 密度は２倍である。切替要素９８３および９８５は、前述の極化ＴＩＲスイッチ の１つの変形形態として概略的に示されているが、別法として、文献に記載され た任意の一体型光学スイッチでよく、したがって本明細書でも、あるいは第３６ 図でもこのスイッチについては詳しく説明しない（このスイッチは、第７図を参 照して説明した格子スイッチや、第１０図を参照して説明したカプラや、第２５ 図を参照して説明したスプリッタや、第３３図を参照して説明した案内スイッチ など、本明細書で説明する代替方法で実施することもできる）。 第１の入射ビーム９９２は第１のウェーブガイドに沿って伝搬し、それに対し て第２の入射ビーム９９４は第２のウェーブガイドに沿って伝搬する。２条のビ ームは、能動スプリッタまたは受動スプリッタを介してそれぞれの異なる光源か ら放出することも、あるいは同じ光源から放出することもできる。対応するスイ ッチがオフのとき、入射ビーム９９２および９９４が伝搬し、それぞれ、非偏向 射出ビーム９９３および９９５を形成する。対応するスイッチがオンの場合、第 １の入射ビーム９９４は射出ビーム９９６として偏向され、それに対して第２の 入射ビーム９９２は射出ビーム９９８として偏向される。 非対称ウェーブガイド・クロス９９７では、２つのウェーブガイドが互いに交 差し、屈折率プロファイルが、他方の損失が多少大きくなるのを犠牲にして、一 方のガイドの損失を最小限に抑えるように調整される。交差ガイドは、交差損失 を最小限に抑えるために互いに対して大きな角度をなすように配置される（本明 細書では９０°で示されている）。第３６図の形状を参照すると分かるように、 （この場合は、切替射出光線が並列射出ウェーブガイド９８６および９８８内で 伝搬できるように）第２の偏向ビーム９９８は第１のウェーブガイド９８４に交 差する。ウェーブガイド９８８は、ウェーブガイド９８４との交差点で切れ、ギ ャップ９９０および９９１が残る。これは、ウェーブガイド９８４の損失を最小 限に抑え、交差領域内ではウェーブガイド９８４の損失よりもウェーブガイド９ ８８の損失の方が大きな非対称損失構造を形成するために行われる。後での都合 のために、非対称クロスが、より損失の小さなウェーブガイドに沿った方向を「 向く」ものと仮定する。非対称クロス９９７はウェーブガイド９８４に沿った方 向を向く。ギャップ９９０および９９１が、ガイド９８４内のモードに関する指 数関数的減衰長よりも広い場合、このクロス構造はウェーブガイド９８４にはほ ぼ追加損失を与えない。その場合、ウェーブガイド９８４に沿った方向を向く多 数の非対称クロス構造を並べて、他の多数のウェーブガイドと交差する低損失の ウェーブガイドを形成することができる。ギャップ９９０および９９１は、切れ たウェーブガイド９８８内を伝搬するビーム９９８をいくらか反射させ散乱させ 、ギャップの幅は、２つのウェーブガイドの所望の低損失の組合せ制約に従って 最小限に抑えることができる。交差構造でウェーブガイド９８８内を伝搬するビ ーム９９８からの光損失を最小限に抑えるには、ガイドの伝搬軸を横切る屈折率 プロファイルをガイドの軸に沿って変調またはテーパ付けすることができる。こ の目標は、ウェーブガイド９８４で非常に小さな損失を維持し、同時に９８８の 損失を最小限に抑えることである。この目的は、ガイド９８４に隣接する領域で の屈折率変化が、ウェーブガイド９８４自体の屈折率変化と比べて小さく、徐 々に変化する場合に達成される（引用するすべての屈折率変化は基板に対するも のである）。 第２のウェーブガイドの損失は、２つの成分、すなわち屈折率の不連続性によ る反射のための損失と、回折拡散のための損失とを有する。反射損失は、ウェー ブガイド内の屈折率変化の大きさと、ウェーブガイドの端部および側面での屈折 率のテーパ・プロファイルによって決定される。たとえば、ウェーブガイドのコ アでの屈折率変化が、両方のウェーブガイドにおいて△ｎ＝０．００３で同じで ある場合、４つの界面での正味反射損失は５％未満であり、反射を低減できる厳 密な屈折率プロファイルによる補正は無視される。ギャップ幅が通常、自由空間 レイリー範囲よりもずっと小さいので、回折損失はずっと小さい。たとえば、最 も幅の狭いモード次元が深さ２μｍである場合、材料の屈折率が２．２であり波 長が０．５μｍであると仮定すると、レイリー範囲は５５μｍである。幅３μｍ のギャップを仮定すると、各ギャップでの回折損失は１％未満である。ウェーブ ガイド深さが４μｍである場合、回折損失はずっと小さくなる。回折損失は、ギ ャップ寸法に対するウェーブガイドの寸法を増加させることによって最小限に抑 えることができる。 一般に、「ギャップ」９９０は、交差領域に隣接する屈折率分布を有する。こ の屈折率分布は、基板の屈折率に対して画定される。ギャップの屈折率は、ウェ ーブガイド９８８の屈折率分布に等しい値から、交差領域に隣接する他の値へ漸 減することができる。交差領域の重要な部分は、ウェーブガイド９８４の光モー ドを伝搬させる部分である。ウェーブガイド９８４の損失を最小限に抑えるため に、この重要な部分の交差領域に隣接する屈折率は、ウェーブガイド９８４内の 屈折率分布よりもずっと小さい。 非対称光損失を有する交差ウェーブガイド形状は、多数の形状変形態様におい て組み合わせることができる。たとえば、切り替えられた射出ウェーブガイドが 入射ウェーブガイドを横切る複数の交差点と共に、３つの以上の入射ウェーブガ イドを使用することができる。損失が交差点で最小限に抑えられるという意味で 好ましいウェーブガイドの選択も多数の方法で行うことができる。好ましいガイ ドが並列される例を論じてきた。しかし、より複雑なシステムでは、互いに交差 すると共に、好ましくないガイドと交差する好ましいガイドがある。好ましいガ イドをどのように交差させするかについての選択は、応用例に依存する。装置内 のウェーブガイド交差構造は、非対称損失交差と、ギャップ幅が零である対称損 失交差の組合せでよい。 ビームを小さな角度に偏向するスイッチ（ＴＩＲスイッチなど）では、ウェー ブガイド・クロスで、所望の大きな交差角を達成するために９７６や９７７など の追加ビーム回転手段を設けることができる。ビーム回転手段９７６および９７ ７は、垂直マイクロミラーであり、固定位置に設置することが好ましい。各マイ クロミラーを形成するには、その部分内の基板材料を除去し、反射光を最適に射 出ウェーブガイド９８６または９８８へ送るような角度に配向された、ウェーブ ガイドに隣接する（好ましくは粗度の低い）平坦な垂直表面を残す。マイクロミ ラーは、たとえばハイパワー・エキサイマ・レーザを用いるレーザ・アブレーシ ョンやイオン・ビーム・エッチングを含め、従来型の処理技法を使用して製造す ることができる。レーザ・アブレーションとイオン・ビーム・エッチングは共に 、マスクの助けでミラー形状を画定することができる。この部分に酸化アルミニ ウムやシリカなど低屈折率低損失材料を充填して、ミラー表面の汚染を防止し、 ミラーの全内部反射特性を維持することができる。 一方のウェーブガイドの入射に対するマイクロミラーの角度は、全内部反射を 与えるように調整することが好ましい。反射光波の消失テールのマイクロミラー の部分を通じた漏れを最小限に抑えるために、マイクロミラー自体の反射表面に 垂直な方向のマイクロミラー部分の厚さは、光の波長よりもずっと大きいことが 好ましい。他方のウェーブガイドに対する角度は、反射ビームの平均伝搬方向が 他方のウェーブガイドの中心軸に平行に平行になるように調整される。マイクロ ミラーの位置は、一方のウェーブガイドから他方のウェーブガイドへの光の結合 を最適化するように調整される。接合領域内のミラーの位置は、ミラー表面を照 明する２つのビーム・プロファイルの「重心」が同じ場所に位置するように調整 することが好ましい。ビーム・テールの指数関数的に減少する強度を含め、ほぼ モード全体を反射するために、入射ビームおよび反射ビームを横切るミラーの長 さは、ウェーブガイドの幅の約２倍よりも大きい。１つのウェーブガイド・モー ドから入射した光は、ウェーブガイド接合領域を通じてマイクロミラーへ回折し 、反射し、射出ウェーブガイド・モードに結合される前に再びウェーブガイド接 合領域を通じて反射角に回折する。ミラー付近の２つのウェーブガイド間の接合 領域は、非拘束ビームのレイリー範囲と比べて小さな領域として最適に維持され る。これは、幅が２ミクロンないし５ミクロンの範囲のウェーブガイドを用いて 達成することができる。 第３６図の構造によって切替光分散ウェーブガイドの大型インターデジタル・ アレイが可能になる。一対の入射ウェーブガイドに沿って構造９８０全体を何度 も複製し、簡単な交番親子関係パターンを含むインタリーブされた射出ウェーブ ガイドを生成することができる（この場合、親子関係とは、特定の「親」入射ウ ェーブガイドから光パワーを導くことを意味する）。各入射ウェーブガイドは、 上記にリストし本明細書で説明する要素と同様に切替要素が非常に低い挿入損失 を有するかぎり多数の射出ウェーブガイドに接続することができる。非対称クロ ス構造のために、入射ウェーブガイドの上方にさらに入射ウェーブガイドを（追 加スイッチ、マイクロミラー、非対称ウェーブガイド・クロス、インタリーブ射 出ウェーブガイドと共に）付加しても、下部入射ウェーブガイドの損失はそれほ ど増加せず、光を長距離にわたって多数の射出ウェーブガイドに分散する能力は それほど影響を受けない。これによって、各追加入射ウェーブガイドに必要な光 源パワーが適度に増加し、それぞれの射出ウェーブガイドへ同じパワーが送られ る。必要な数の入射ウェーブガイドを並列させて使用し、光の場合によっては大 きな全パワーを分散することができる。第３６図の手法を使用して入射ウェーブ ガイドの射出ウェーブガイドを多数の代替パターンでインタリーブすることがで きる。ＴＩＲスイッチではなく格子リフレクタを使用して同じ結果を達成するこ とができる。格子リフレクタを入射ウェーブガイドに対して大きな角度に配向さ せる場合、マイクロミラーはもはや必要とされない。 前段で説明した構造は、スイッチ当たりに１つの入力を有し入力当たりに多数 のスイッチを含むという点で１対多数アーキテクチャである。多数の入力を同じ 出力に接続する方法はない。多数対１アーキテクチャが必要である。その場合、 多数対多数構成は、１対多数構成と多数対１構成を組み合わせることによって得 られる。 第３７図は、多数対１構成て構成されたＴＩＲスイッチを含むウェーブガイド のアレイ１０６０を示す。図の構造では、２つの入射ウェーブガイド１０７２お よび１０７４が、２条の入射ビーム１０６２および１０６４を１つの射出ウェー ブガイド１０７６内の射出ビーム１０７０に切り替える。入射ＴＩＲスイッチ１ ０９０および１０９２ならびに射出スイッチ１０９４および１０９６については 、上記で第３０図ないし第３２図および第３６図で説明してあり、したがって概 略的にしか示されておらず、図を明確にするために多数の要素（電極、接点、電 源、コントローラ、垂直拘束手段、極化領域の深さ、射出ウェーブガイド拘束の タイプなど）が省略されている。入射ＴＩＲスイッチは、第３６図を参照して説 明したように順方向に伝搬するビームを用いて構成され、それに対して射出ＴＩ Ｒスイッチは、逆方向へ伝搬するビームを用いて構成される。スイッチ１０９０ および１０９２は、共に、射出ウェーブガイド１０７６にパワーを注入するため に必要なので、スイッチ１０９４および１０９６と同様にほぼ同時に切り替えら れる。第３６図を参照して説明したように、スイッチ１０９０および１０９４が オンのとき、ビーム１０６２および１０６４の一部がそれぞれ、ウェーブガイド １０７８または１０８４に切り替えられる。入射ビームの残りの部分は、入射ウ ェーブガイドの延長部に沿って射出経路内にビーム１０６６または１０６８とし て伝搬し、他の構成要素で使用することも、あるいは吸収しあるいはシステムか ら散乱させるためのビーム・ダンプとすることもできる。それぞれ、ウェーブガ イド１０７８および１０８４からウェーブガイド１０８０または１０８６へビー ムを反射させるためにマイクロミラー１０８２および１０８８が設けられる。Ｔ ＩＲスイッチ１０９２または１０９６は、オン状態ではそれぞれ、ウェーブガイ ド１０８０または１０８６内を伝搬するビームを受け取り、射出ビーム１０７０ を形成する。ビーム１０６２を射出ビーム１０７０に切り替えることが望ましい 場合、スイッチ１０９６およびすべての後続のスイッチをオフにしなければなら ないことは明らかである（そうしない場合、大部分の所望のビームがウェーブガ イド１０７６から反射する）。同様な制約が、多重スイッチ・アレイ内の他のす べての切替ビームに当てはまる。 図の構造を形成するために、基板１０９８は、本明細書で説明するように処理 される。スイッチ１０９０または１０９４がオフのとき、入射ビームは無視でき る損失を受けながら切替領域１０９０または１０９４内を伝搬し、（必要に応じ て、非対称クロス内の）ウェーブガイド１０７６を横切り、それぞれ、射出ビー ム１０６６または１０６８として現れ、場合によっては追加スイッチへの入力と して使用される。 追加入射ウェーブガイドを設け、ウェーブガイド１０７６に結合し（あるいは 必要に応じて、結合せず）、この構造を射出ビーム１０７０の方向へ修正しなが ら繰り返すこともできる。追加射出ウェーブガイドを設け、必要に応じて入射ウ ェーブガイド１０７２または１０７４、あるいはその両方に結合し、この構造を ビーム１０６６および１０６８の方向へ修正しながら繰り返すこともできる。 第３８図は、多数対多数構成の格子リフレクタのアレイ１２１０を示す。図の 構造では、２つの入射ウェーブガイド１２２２および１２２４が２条の入射ビー ム１２１２および１２１４を、入射ウェーブガイドに当接する２つの射出ウェー ブガイド１２２６および１２２８内の２条の射出ビーム１２２０および１２２１ に切り替える。格子１２３８、１２４０、１２４４、１２４６を含む格子スイッ チ１２３０、１２３２、１２３４、１２３６については上記で第７図、第８図、 第１２図、第１３図を参照して説明してあり、したがって概略的にしか示されて おらず、図を明確にするために多数の要素（電極、接点、電源、コントローラ、 垂直拘束手段、極化領域の深さ、極化領域のテーパ付け、電極の間隔など）が省 略されている。スイッチ１２３０または１２３２がオンのとき、ビーム１２１２ の一部がそれぞれ射出ビーム１２２０または１２２１に切り替えられる。入射ビ ームの残りの部分は、入射ウェーブガイドの連続部分に沿って射出経路内へビー ム１２５０として伝搬し、他の構成要素で使用することも、あるいは吸収しある いはシステムから散乱させるためのビーム・ダンプとすることもできる。スイッ チ１２３４または１２３６がオンのとき、ビーム１２１４の一部がそれぞれ射出 ビーム１２２０または１２２１に切り替えられる。入射ビームの残りの部分は、 入射ウェーブガイドの連続部分に沿って射出経路内へビーム１２５２として伝搬 し他の構成要素で使用することも、あるいは吸収し、あるいはシステムから散乱 させるためのビーム・ダンプとすることもできる。この構造では２方向伝搬が可 能であることを理解されたい。 図の構造を形成するために、基板１２４８は、本明細書で説明するように処理 される。スイッチがオフのとき、入射ビームは切替領域内を伝搬し（切替領域内 では、必要に応じてウェーブガイドを非対称クロスとして構成することができる ）、それぞれ、射出ビーム１２５０または１２５２として現れ、場合によっては 追加スイッチへの入力として使用される。ウェーブガイドは、図のように簡単な 大角度接合として互いに交差することができ、あるいは接合は、格子１２３８、 １２４０、１２４４、１２４６の配置にそれほど影響を与えない非対称クロスで あってよい。格子が実際には、基板を覆い、所望の電極によってそれぞれの異な るスイッチの領域でしか活動化されない単一の大型格子の一部であることに留意 されたい。格子をたとえば極化ドメインで構成する場合、より簡単に形成できる 格子向けに基板全体を極化することができる。別法として、格子は、ストライプ 状に構成することも、あるいは他の群構成にすることもできる。 追加入射ウェーブガイドを設け、ウェーブガイド１２２６または１２２８に結 合し（あるいは必要に応じて、結合せず）、この構造を射出ビーム１２２０およ び１２２１の方向へ修正しながら繰り返すこともできる。追加射出ウェーブガイ ドを設け、必要に応じて入射ウェーブガイド１２２２または１２２４、あるいは その両方に結合し、この構造をビーム１２５０および１２５２の方向へ修正しな がら繰り返すこともできる。 第３９Ａ図は、ｎ×ｎ通信経路指定応用例における代替スイッチ・アレイの応 用例を概略的に示す。この応用例では、ｎ個の入射光チャネル中の光パワーは、 最小限の損失および最小限のクロストークを受けながらｎ個の射出光チャネルへ 経路指定される。コントローラは、１つのチャネルと他のチャネルとの間のアド レス可能な経路をセットアップする。左側にｎ個の入射が配列され、底部にｎ個 の射出が配列されるまで第３８図の構造を繰り返し、すべてのｎ²個のウェーブ ガイド交差にスイッチを設けることによって簡単な方形アレイが形成される。交 差角は、好都合な角度でよい。この構造では、チャネルの他のチャネルへの切替 は、１つのスイッチを活動化することによって行われる。光線は、ウェーブガイ ド形状を最適化することによって低減させることができる少量のクロストークを 受けながらウェーブガイド・クロスで互いに交差する。この構造は、入射と射出 との間に独立の１対１接続を確立することができる。通信チャネルを両方の方向 で同様に、かつ事実上同時に使用できるように接続が２方向のものであることに も留意されたい。スイッチは図では、特に格子と共に実施されているが、第３７ 図の構造を複製しｎ×ｎ個の入射および射出を形成することによって第３７図を 参照して説明した二重ＴＩＲスイッチを用い、あるいは知られておらず、あるい はまだ発見されていない他の光学切替技法を用いて実施することができる。ＴＩ Ｒスイッチの場合、光学データ経路が入射ウェーブガイドと射出ウェーブガイド との間の交差の頂点を通過しないことに留意されたい。その代わり、それは交差 の近くの他のウェーブガイドを通過する。スイッチの特定の形状によれば、入射 ウェーブガイドと射出ウェーブガイドは、第３７図、第３８図、第３９図に示し たように大きな角度に交差することも、あるいは斜めの角度に交差することもで きる。斜めに交差するウェーブガイドの場合、二重ＴＩＲ切替形状の固定リフレ クタ１０８８および１０８２は必要とされない。 ｎ個の並列入射ウェーブガイドを含む簡単な方形形状では、単一のスイッチを 含む最も近くの射出ウェーブガイドに接続できる１つの入射ウェーブガイドがあ り、最低の損失を有する最良ケースの接続が形成される。他の極端な例では、最 も遠くの射出ウェーブガイドに切り替えるべき２（ｎ−１）個のウェーブガイド ・クロスを横切らなければならない１つのウェーブガイドがある。この最悪ケー スの接続は、最良ケースの接続よりもずっと大きな損失を有する。スイッチ・ア レイ構造の最大挿入損失を低減させるには、第３６図を参照して説明したように 非対称クロス接合を使用することができる。最悪ケースの接続の損失は、上記の ウェーブガイドが横切るあらゆるウェーブガイド・クロスが、入射ウェーブガイ ドと射出ウェーブガイドのどちらかに沿った光の伝搬方向を向く非対称クロスで あれば最もうまく低減される。中間接合部で非対称スイッチを使用することはい くつかの切替経路の助けとなるが、他の切替経路を犠牲にするので、この構造を 内側ウェーブガイドに一般化できないことは明らかである。非対称クロスの最適 な方向を選択するアルゴリズムが必要である。非対称クロスを配設する良好な方 法は、ほぼ半分のクロスが各方向を向くようにすることである。斜線（しかし、 斜線は含めない）の左上のｎ（ｎ−１）個のクロスが主として、エネルギーを右 側に分散するために使用されることに留意されたい。したがって、これらのクロ スは、入射ウェーブガイドの方向に沿った方向を向くべきであり、それに対して 右下のクロスが射出ウェーブガイドの方向を向くべきである。２方向構造では、 斜線上のクロスは、簡単な対称クロスであるべきであり、本明細書では非対称ク ロスの簡単な斜め構成と呼ばれる。それぞれの異なる使用パターンに応じて他の 構成を使用することができるが、これは良好な汎用構成である。 ｎ×ｍ（ｎ＞ｍ）構成では、完全な接続が可能なのはｍ本の「入射」ラインと ｎ本の「射出」ラインとの間だけである。この場合、すべてのラインが２方向性 のものなので、「入射」および「射出」は識別のため使用されているに過ぎない 。監視機能と同報通信機能の両方におけるシステム制御には追加ｎ−ｍ「システ ム」ラインが有用である。たとえば、ラインＡは、ラインＢに接続したい場合、 応答が得られるまでその機能を求めるシステム要求を送信し続ける。たとえば、 ラインｍ＋３を、システム要求に関するすべての「入射」ラインの走査専用に使 用することができる（「射出」ラインを監視する同様なラインを設けるには、ｍ 本のラインが、ｍ×ｍ本のラインからなるサブグループにおけるユーザ専用に使 用される、第３９Ａ図に示したｎ×ｎマトリックスなど、より大型のライン・マ トリックスが必要である。その場合、ラインｎ−２などのラインを使用して、「 射出」ラインを監視することができる）。監視時には、システムは、「入射」ラ インまたは「射出」ラインに対応する連続格子をオンにし、ラインが活動状態で あるかどうかを検出する。監視中の１本のラインが活動状況である場合、モニタ 検出器に整列する連続的にオンに切り替えられる格子によって、ある程度のパワ ーがモニタ検出器に切り替えられる。活動状態のラインは、活動化されたリフレ クタによって、選択された他のラインに接続される。しかし、活動化されたリフ レクタは、ある程度のパワーを漏らし、モニタ検出器によって検出できるビーム を形成する。この例では、ラインｍ＋３に接続されたモニタ検出器が、スイッチ １２５５（特に格子スイッチとして示されている）をオンに切り替え、ラインＡ からの要求を受信したときに、制御システムは、ラインＢがビジーであるかどう かを検 査する必要がある。スイッチ１２５３を通じてラインｎ−２との接続が確立され ると、ラインＢ接続スイッチを越える位置へ漏れる残留ビームによって、システ ムは、ラインＢが活動状況であることを知る。活動が検知されない場合、システ ム要求を（同じモニタ・ラインが、多重化送受信機能を有する場合には同じモニ タ・ラインを通じて、あるいは別のシステム・ラインを通じて）ラインＡとライ ンＢの両方へ送信することができ、スイッチ１２５４を閉じて接続を確立するこ とができる。 同報通信機能は、所与の入射からのすべての射出に対応する必要なスイッチ行 を部分的にオンにした場合でも、すでに確立されており場合によっては活動状態 である、他のチャネル間のいくつかの通信に干渉するので、１対１接続に使用さ れる基本ｍ×ｍ切替ブロック内のラインでは実施できない。同報通信は、第３９ Ａ図に示したｍ×ｍ切替ブロックの「外側」にあるシステム・ラインから行うの が最適である（この形状の「内側コーナー」は、「入射」側のライン１と「射出 」側のライン１との間の、最低の損失を有する最良ケースのウェーブガイド接続 である）。ラインＣは図では、同報通信の一例として格子１２５６によって第３ ９Ａ図の大部分の「射出」ラインまたはすべての「射出」ラインに活動可能に接 続されている。ラインＣのスイッチ１２５６は、十分なパワーが各「射出」ライ ンへ送られるように部分的にのみオンにしなければならない。簡単な通信接続の 場合と同様に、同報通信の場合に同様なプロトコルを使用してチャネル間の競合 を防止することができる。同報通信接続は非活動状態チャネルを用いてのみセッ トアップされ、システムはチャネルをグループ化することも、あるいは個別のチ ャネルがそれに対する同報通信を許可するのを待つことも、あるいはその両方を 行うこともできる。 切替効率を高めるには、ウェーブガイドを大型のマルチモード・ウェーブガイ ドとすることができ、その場合、本明細書の他の箇所で説明する断熱エキスパン ダを用いて単一モード通信網が単一モード入射ポートおよび射出ポートｌないし ｍに接続される。 上記で第３９Ａ図を参照して説明した構造全体は、非同期転送モード（ＡＴＭ ）として、あるいはポイント・ツー・ポイント交換通信応用分野で有用である。 こ の構造の有用な１つの変形態様は、ＷＤＭ網における多重波長動作である。極化 格子スイッチを使用し、あるいは指定された通信帯域との間で同調する同調可能 な固定格子を使用することによって、本明細書で説明するように波長選択光学ス イッチを実施することができる。ＷＤＭ網では、同じチャネル中を（２方向に） 伝わる他の波長に影響を及ぼさずにチャネル間で特定の波長を切り替えることが 望ましい。反射周波数を選択し、同時にＷＤＭスペクトルの他の１組の周波数を ほぼ伝送することができる同調可能なスイッチを用いる場合、第３９Ａ図の簡単 な形状が妥当である。しかし、単一の動作周波数を有する切替格子を使用する場 合、各波長ごとに別々の接続経路が必要である。 第３９Ｂ図は、ネットワーク内で使用される各周波数ごとに別々の経路を含む 交換ＷＤＭ通信網１２６０を示す。この例は、２周波数ＷＤＭ網に関するもので あるが、任意の数の通信周波数に一般化することができる。第３９Ｂ図には、３ つのポート１ａ、２ａ、３ａに接続された３つの「入射」ウェーブガイド１２７ ６が示され、かつ３つのポート１ｂ、２ｂ、３ｂに接続された３つの「射出」ウ ェーブガイド１２７６が示されている。ウェーブガイドは９つの交差を形成する 。各交差には、各「入射」と各「射出」を接続する３つの追加光路がある。この 例では、追加経路は同じものであり、３つのタイプからなる。第１のタイプ１２ ６６の光路は、共に、ＷＤＭシステムの２つの信号周波数帯域のうちの第１の帯 域を反射させることができる、一対の固定周波数切替リフレクタからなる。リフ レクタは、交差に関連付けられた「入射」ウェーブガイドおよび「射出」ウェー ブガイドを横切る格子であり、対応するウェーブガイドと２つの格子を接続する 追加ウェーブガイド・セグメントとの間で第１の周波数帯域中のパワーを反射さ せることが好ましい。第２のタイプ１２６８の光路は、共に、ＷＤＭシステムの ２つの信号周波数帯域のうちの第２の帯域を反射させることができる、第２の一 対の固定周波数切替リフレクタからなる。この場合も、リフレクタは、それぞれ のウェーブガイドを横切って配置された格子であり、対応するウェーブガイドと 第２の２つの格子を接続する追加ウェーブガイド・セグメントとの間で第２の周 波数帯域中のパワーを反射させることが好ましい。第３のタイプ１２７０の光路 は、共に、ＷＤＭシステムの両方の信号周波数帯域を反射させることができる、 一対 の周波数独立切替リフレクタからなる。この第３のタイプの光路は、ウェーブガ イドおよび（第３７図を参照して説明した）固定ミラーによって接続された一対 のＴＩＲリフレクタとして実施することができる。 この場合、ポート１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂと、関連するウェーブガイド１２７ ６、１２７７は、「入射」ポートと「射出」ポートとの間で２つの周波数チャネ ルを同時に切り替えることができる２×２交換網を形成する。関連するウェーブ ガイド１２７６、１２７７を含むシステム制御ポート３ａおよび３ｂは、監視機 能およびシステム通信機能を実行する。たとえば、ＷＤＭシステムの第１の周波 数をポート２ａとポート１ｂとの間で切り替えたい場合、ポート２ａとポート１ ｂを接続するウェーブガイドの交差にあるタイプ１２６６の光路に関連付けられ た２つのスイッチがオンにされ、第１の周波数の光パワーが、２つのスイッチを 接続するウェーブガイドを通じてポート２ａとポート１ｂとの間で経路指定され る。所与のポートに関連付けられたすべての周波数を他のポートに経路指定する 場合、２つのポートに対応する交差でタイプ１２７０のスイッチおよび光路がオ ンにされる。２つのチャネル間で両方のＷＤＭ周波数を切り替えるには、対応す る経路１２６６および１２６８を共に活動化することができるので、光路１２７ ０は実際には、２×２網では余計なものである。しかし、多数のＷＤＭ周波数を 有する上位通信網では、単一の全周波数接続が最低損失を有するので、この接続 が望ましい。 第４０図は、二次元１対多数経路指定構造を示す。第１のウェーブガイド経路 指定スイッチ行は、光パワーを入射ウェーブガイドから画素ウェーブガイド列に 接続する。この場合も、スイッチの細部は示されておらず、スイッチは格子とし て概略的に示されているに過ぎないが、いくつかの異なる方法で実施することが できる。二次元「画素」スイッチ・アレイは、「画素位置」にある画素ウェーブ ガイドからパワーを経路指定する（画素位置でこのパワーに何が起こるかは、応 用例に依存する）。すべての画素に到達するために２つの切替レベルが使用され る。この構造は、ディスプレイ用に使用することも、あるいはプロセスまたは装 置を作動させあるいは制御するために使用することも、あるいはある種のデータ を読み取るために使用することもできる。後者の場合、パワー・フローの方向が 反転され、装置は多数対１経路指定構造として動作する。 入射光線１３４２は、入射ウェーブガイド１３５２内を伝搬し、二次元切替要 素アレイ１３５６のうちの１つの切替要素によって多数の画素ウェーブガイド１ ３５４のうちの１つに結合される。切替要素１３６４は、上記で第７図、第８図 、第１２図、第１３図、第３８図を参照して説明したように格子スイッチとして 実施することができ、あるいは第３０図ないし第３２図および第３７図を参照し て説明したＴＩＲスイッチであっても、あるいは切替可能な他の要素であっても よい。ビーム１３４４は図では、スイッチ要素１３５８によって画素ウェーブガ イドに切り替えられ、その後、スイッチ要素１３６０によってもう１度切り替え られ、画素要素１３６２へ伝搬するビーム１３４６を形成している。画素要素１ ３６６は、図のようにウェーブガイド・セグメントによってウェーブガイド１３ ５４から分離することも、あるいはほとんどの切替光が画素要素を通過しないよ うにウェーブガイドに短い距離を置いて隣接することもできる。 ディスプレイ応用例の場合、画素要素は、基板１３４８の平面から光１３４６ を放出させるためのものでよい。その場合、画素要素は、基板１３４８の表面上 の粗パッチでも、あるいは角度付けされたマイクロミラーでも、あるいは光を拡 散する角度付けされた粗いマイクロミラーでも、あるいはリン充填ピットでも、 あるいは可視光を生成するその他の手段でもよい。ディスプレイの場合、入射ビ ーム１３４２は、いくつかの色を含むことができ、その場合、ウェーブガイドは すべての色を案内することができ、スイッチはすべての色を結合することができ る。ウェーブガイド・スイッチが順次走査され、ディスプレイの画像が生成され る。格子スイッチは多重周期格子として実施されるが、ＴＩＲスイッチは、この 目的のための修正をほとんど必要としない。ウェーブガイドは、単一モードの場 合、最も短い波長ビームを有効に案内しなければならない。入射ビーム１３４２ は、切替要素が簡単なオン・オフ装置となるように（入射ビームのすべての色成 分を含め）外部から変調することが好ましい。画素要素が、多少とも真っ直ぐな 線として構成され、行に沿って電気的に接続することができる場合、画素スイッ チ行を作動させるために、ウェーブガイド列を横切る単一行電極を配設すること ができることに留意されたい。 投影ディスプレイの場合、アレイ内のすべての画素から放出される光を収集し 、レンズから（大きく）離れた画面上に再合焦させるために追加レンズ構造が必 要である。レンズは、焦点面が画面において合理的に平坦になるように良好な軸 外性能を有することが好ましく、画素アレイから放出される光のうちの大部分を 収集するのに十分な開口数（ＮＡ）を有するべきてある。レンズ・アレイを画素 構造に結合し、個別のレンズから生成されるビームの広がりを低減させ、投影レ ンズに対する（コストのかかる）ＮＡ要件を低減させると有利である。これを行 う他の方法は、この場合も、画素においてできるだけ大きな寸法になるようにウ ェーブガイドをテーパ付けすることである。画素を横寸法が大きくなるようにテ ーパ付けすることは比較的容易であるが、非常に深いウェーブガイドを得ること は困難である。広幅のウェーブガイドに長い格子結合器を結合することで大きな 画素をつくることができる。 この経路指定構造内で分散される光を使用して、たとえばＤＮＡリーダや、ア レルギー・リーダや、タンパク質リーダの場合にプロセスを活動化することもで きる。これらの特定のケースのそれぞれでは、別々のＤＮＡアレイまたはアレル ゲン・アレイまたはタンパク質アレイが、光によって励起できる蛍光タグを用い て作成される。１種類の分子または１つの分子標品を、各画素を介して励起でき るように構成することができる。光は、それぞれの異なる画素間で電子的に走査 され、結果に応じて走査速度および走査順序を決定することができる。蛍光は、 外部レンズおよび検出器による検出が可能なように収集することができる。しか し、いくつかの応用例では、画素（およびそのレンズ）およびウェーブガイド構 造自体が、放出された放射を収集し光エネルギー検出手段へ案内すると共に、光 源の放出を制御すると有利である。レンズは、所望の光照明・収集形状に応じて 、コリメート・レンズでも、あるいは再合焦レンズでも、あるいは場合によって は発散ビームを生成するレンズでもよい。コリメート・レンズは、透過し（かつ 収集された）たビームがほぼ平行になるようウェーブガイドの端部からレンズの 焦点距離だけ分離される。コリメート・レンズは、検査用光線が横切るべき材料 の部分が大きい場合に最も有用である。再合焦レンズは、ウェーブガイドの端部 から物体距離だけ分離される。物体距離の逆数は、像距離の逆数と焦点距離の逆 数 との間の差に関係するものであり、像距離は、レンズから所望の像ビーム・スポ ットまでの距離である。再合焦レンズは、サンプルを小さなスポットに集中させ 、それを照明し、あるいはウェーブガイドから読み取り、あるいはその両方を行 いたい場合に使用される。発散ビームは、ウェーブガイドの端部から焦点距離よ りも短い距離だけ分離されたレンズによって生成される。レンズに接近する光波 の広がりが２つの平面で異なる場合、簡単なレンズからの射出ビームは、必ずし も丸いわけではない。（再合焦後に最小スポット面積を得るために）ビームを丸 くする最も簡単な方法は、ウェーブガイドの端部での丸いビームから始めること である。これは、ウェーブガイドの設計またはウェーブガイドのテーパ付けによ って行うことができる。レンズは、光波全体をウェーブガイドから導き、応用例 に応じて回折制限スポットまたはコリメートビームに合焦させるのに適した開口 数を有することが好ましい。 画素要素１３６２は、上記でこのケースで述べた要素であってよく、活動化す ベき材料に直接関連付けることも、あるいは材料と共役な外部プレートと位置合 わせする場合のように間接的に関連付けることもできる。各画素要素は、ほぼ共 通の焦点面内に像ビーム・スポットを有するレンズ・アレイにスイッチ・アレイ を結合できるように前述のように位置合わせされたレンズを含むことができる（ 「ほぼ共通」とは、この場合、収差のためにかなりゆがむことがある真の焦点面 のほぼレイリー範囲内であることを意味する）。この経路指定構造を使用して蛍 光放出も検出する場合には、画素要素１３６２において拡散体ではなくあるタイ プのリフレクタを使用することが好ましい。というのは、リフレクタは、蛍光放 出が来たときにそれをウェーブガイドに結合するからである。この結合は、所与 の画素用のスイッチが活動化されているかぎり維持される。必要に応じて、他の 画素要素に切り替える前に光源をオフに切り替え、放出の減衰を解消することが できる。 データ・リーダとして使用する場合、光伝搬の意味は、第４０図に示した意味 とは逆になる。データを含む装置からの光が、画素要素で収集され、経路指定ウ ェーブガイド構造に結合され、経路指定ウェーブガイド構造がこの光を入射ウェ ーブガイド１３５２へ案内する。ウェーブガイド１３５２には、データを読み取 る検出器が接続される。この検出器は、ウェーブガイド１３５２とデータ媒体の 照明に使用される光源との間のビームスプリッタを介してウェーブガイドに同時 に接続することができる。画素要素１３６６（または単に「画素」）は、構造１ ３５０を通じて経路指定された光を収集しデータ媒体へ送るために、レンズを介 してデータ・スポットに結合することが好ましい。このレンズ結合は、データ媒 体から反射され、あるいはその他の方法で放出された光を収集し、画素要素に結 合されウェーブガイドの端部上に再合焦させるようにも働く。データはターゲッ ト・ボリュームのものでよく、その場合、レンズは光ビーム１３４６を平行にす るよう配置される。データはターゲット上に表れる。その場合、それぞれの異な る画素要素が、たとえば磁気光学データ記憶表面やＣＤの回転ディスク上のそれ ぞれの異なるトラックに対応することができる。レンズは、回折を制限しながら 画素からの光をデータ・スポットに再合焦させるように構成される。それぞれの 異なる画素をそれぞれの異なるトラックに関連付けることによって、ほぼ遅延時 間なしにトラック間に切替を電子的に行うことができる。 データ媒体上のそれぞれの異なる平面にそれぞれの異なる画素を結合すること もできる。これは、総記憶容量を増加させるために媒体上の複数の平面に記録さ れたデータを読み取るうえで有用である。平面間の切替は、それぞれの異なる平 面に結合された画素どうしを切り替えることによって電子的に行うことができる 。 所与のトラックを横切る（好ましくは、それに垂直な）トラック分離線の一部 によって分離された位置にいくつかの異なる画素要素を合焦させることもできる 。トラックが移動する際、画素どうしを切り替えることによって、機械的ではな く電子的に正のトラッキングを行うことができる。トラックの移動を検出するに はセンサおよび電子機器が必要であり、所望の画素に切り替えるにはコントロー ラが必要である。それぞれの異なるチャネルで信号強度および信号雑音比（ＳＮ Ｒ）を検出し、好ましい（最もうまく位置合わせされた）チャネルを判定するこ とができる。ウェーブガイド１３５２に沿ったスイッチを３方向クロスではなく 、基板の縁部に第４のレグを含む４方向クロスとして構成する場合、検出器アレ イ１３６８を第４のレグに位置合わせして配置することができ、各列からのリタ ーン・パワーを検出するために個別の検出器１３６７を各行に個別に位置合わせ する ことができる。検出器１３６７を使用する場合、検出器アレイ１３６８上のデー タ媒体からのリターン・パワーを最大にするために、ウェーブガイド１３５２に 沿って存在する格子の最適屈折率は約５０％である。このルータ構造の上流側の ウェーブガイド１３５２に単一のビームスプリッタを配設する場合も、最適な反 射は５０％である。 入射ウェーブガイドと画素ウェーブガイドのどちらかに沿ってスイッチを部分 的に励起することによって、それぞれの異なる画素を部分的に励起することがで きることに留意されたい。切替要素１３６４は、その反射係数を変更するように 印加電界によって調整することができる。ある程度のビームを、第２の画素で同 時に使用できるように、部分的に励起されたスイッチを透過させることができる 。ルータ１３５０では複数の検出器を構成することもできるのて、トラック移動 補正の場合、多重画素励起が特に重要である。たとえば、経路指定構造１３５０ の３つの異なる列上の３つの異なる画素を同時に励起する場合には、それらに対 応する画素列スイッチを部分的に励起する必要がある。複数のスイッチの適切な 励起を判定するための計算をコントローラによって行う必要がある。スイッチに おける損失を無視する場合、最適のＳＮＲを得るためにスイッチのそれぞれの検 出器上で等しい強度を生成するには、入射光の約１６分の３だけ反射するように 第１の画素列に対応する第１のスイッチを励起し、第１のスイッチを通過した残 りの光の約４分の１だけ反射するように第２の画素列に対応する第２のスイッチ を励起し、前の２つのスイッチを通過した残りの光の約２分の１だけ反射するよ うに第３の画素列に対応する最後のスイッチを励起すべきである。媒体からの反 射が１００％であり、光収集係数が１００％であると仮定すると、入射ビームの 約１５％が各検出器に反射される。この結果は、単一画素の場合に単一の検出器 上でビームの２５％を受け取ることが最適である（最適なスイッチ励起＝屈折率 ５０％）ことと比べてかなり良好である。実際、１条のビームを用いる場合より も３条のビームを用いる場合の方が多くの全光子が収集される。電子トラッキン グによって、より廉価でより高速であり、より信頼できるデータ読取り／書込み 装置が得られる。 これらの手法（電子トラック切替、電子データ平面切替、電子トラッキング） を任意に組み合わせてデータ記憶装置の性能を向上させることができる。可変合 焦を電子的に行い、場合によってはすべての機械的運動（媒体の回転を除く）を 装置から除去する手段も必要である。下記で第５４図を参照して説明するように 、電子可変合焦は、ゾーンプレート・レンズを用いて、光線１３４２の波長を変 化させることによって行うことができる。 図のように、第４０図の経路指定構造は、ＴＭモードしか反射させない９０° 格子スイッチを含む偏光構造である。その結果、強度に基づくビームスプリッテ ィングしか使用できない。偏光ビームスプリッタを使用できれば、所与の光強度 に関する信号強度が係数４だけ増加するので非常に有利である。しかし、２つの 偏光を移送し次いで分離することができる切替構造が必要である。十分なすれす れＴＩＲ角（ＴＥモードに関する全内部反射のための角度よりもかなり小さな角 度）ではＴＩＲスイッチの偏光依存性は無視できるが、非常にロー・アングルの 切替形状を使用する際には充填密度に関する問題が生じる。 第４１図は、データ・リーダ１３７０として構成された偏光に強く依存するス イッチの線形アレイを示す。スイッチは、活動化されたスイッチ１３７２内でＴ Ｍ偏光され強く反射されたビーム１３４２を用いて励起される。両方の偏光を案 内する、ニオブ酸リチウムにおけるチタン内部拡散ウェーブガイドなどのウェー ブガイド１３７６および１３７８が使用される。画素要素は、一体化レンズ１３ ８０と組み合わされたマイクロミラー１３７４と、軸１３８８の周りで回転する ディスク１３８６上のトラック１３８４に構成されたデータスポット、たとえば １３８２として実施される。データ・トラック上の複屈折データ・スポット（ま たはセパレータ）から反射された直交偏光は、レンズ１３８０によって収集され 、ウェーブガイド１３７８に再合焦され、マイクロミラーによって、ＴＥ偏光を 有するガイドの平面に反射される。ＴＥモードは、格子に関するブルースターの 角度に偏向されると共に、反射に関して、位相整合されない異なる伝搬定数を有 するので、検出器アレイ１３６８の検出器１３６７への反射なしにスイッチ内を 伝搬する（別法として、スイッチがＴＩＲスイッチである場合、屈折率は、ＴＭ 波の場合よりもＴＥ波の方がずっと低く、大部分のＴＥ波はスイッチを透過し、 検出器にぶつかる）。スイッチ１３７２の代わりに他のスイッチ１３７３を作動 さ せる場合、ビームは異なる画素１３７５へ伝搬し、画素１３７５とそのマイクロ レンズ１３８１の位置合わせに応じて、（画素１３７５がトラック切替に関する ものか、それともデータ平面切替に関するものか、それともトラッキング制御に 関するものかに応じて）他のデータ・トラックと、他のデータ平面と、トラック 幅の一部からなる横偏差を有する同じトラックのいずれかに合焦される。 ルータ内のスイッチを異なる方式で配向させ平面内の光伝搬方向を変更できる ことや、単一の装置内で複数のタイプのスイッチを使用できることや、より高い レベルの切替を使用できることなど、第４０図および第４１図を参照して説明し た構造に関しては多数の変形形態が明らかになろう。 第４２図は、切替可能な一体型スペクトル・アナライザ９３０を示す。入射ビ ーム９２１は、ある距離だけ延びた後に終わる入射ウェーブガイド９２３に進入 する。入射ビーム９２１は、他のウェーブガイド内を伝搬することも、あるいは 好ましくはウェーブガイド９２３へのパワーを最適化するように位置合わせされ モード整合される自由空間ビームとなることもできる。装置９３０は、平面内の 伝搬を制約する平面ウェーブガイド８３５を備える。入射ウェーブガイドの端部 から現れた光線９２７は、一体型レンズ要素９２５を通過するまで平面ウェーブ ガイド内の１つの平面で発散する。一体型レンズは、光軸からほぼ２次関数的に 減少する光学的厚さを画定する境界内で平面ウェーブガイドと比べて高い屈折率 を有する（あるいは、一体型レンズが低い屈折率を有する場合、光学的厚さはほ ぼ２次関数的に増加する）。レンズは、マスク内部拡散またはイオン交換によっ て製造することができ、あるいは電極によって励起される逆極化セグメントであ ってもよい。 レンズ９２５は光線をコリメートし、光線は次いで、３つの格子部９２９、９ ３１、９３３のうちの少なくとも１つへ移動する。格子は、それぞれ、ドメイン を有する個別のセルて形成され、各ドメインは、背景材料とは区別され、応用例 に応じた可変量だけ分離される。セルは、基板に対する不変屈折率差または調整 可能な屈折率差を有し、それぞれの異なるセルは、それぞれの異なるタイプのも のであってよい。永久ドメイン・タイプにはたとえば、内部拡散領域、イオン交 換領域、エッチング領域、放射ボンバー領域が含まれ、さらに一般に、任意のタ イプの屈折率修正プロセスによって形成された領域が含まれる。格子部は、エッ チング、またはイオン交換、または内部拡散によって製造することができ、その 場合、格子は永久的なものであるが、好ましい実施形態では極化ドメインから製 造されるものとして示されている。電極９３２、９３４、９３６は、共通の電極 ９３８と共に格子を個別に励起するために使用される。共通の電極９３８は、図 が簡単になるように示した基板の対向面上に配置することも、あるいは低電圧励 起のために電極９３２、９３４、９３６を囲むように配置することもできる。 個別の格子内のセルは、必要な運動量を有する仮想光子を供給するために所望 の方向の所望の周期性を形成するように代替方法で構成することができる。セル は、行の間隔によって画定される運動量を有する平面に垂直な仮想光子運動量を 有するある種の平面を画定するように行として構成することができる。この場合 、行中のセルの間隔によって画定される運動量を有する平面に沿って、運動量を 有する仮想光子も存在する。再帰反射を位相整合するために、仮想光子の運動量 は、入射光子の運動量の丁度２倍であり、逆の方向へ送られる。他の反射プロセ スは、より小さな運動量を有し、入射軸を横切る方向へ送られる。したがって、 行間隔の周期Λは、量λ／２ｎ_effの一部であるという点で入射波長λに部分的 に比例する。一般的なケースでは、入射軸に沿った仮想光子運動量がその軸に沿 ったセル分布の（フーリエ変換を通じて求められる）空間周波数スペクトルによ って決定されるように、格子内の位置と共に変動する距離の分布によってセルを 分離することができる。 対応する電極の電位状態を調整することによって、少なくとも１つの格子９２ ９または９３１または９３３がオンにされる。第４２図て、格子９２９は活動化 されているものとして示されている。活動化された格子は、仮想光子を入射光子 とし、散乱プロセスをへて位相整合し、それぞれの異なる波長を有する波長に応 じて角度単位で分離された複数の射出ビーム９３５および９３７を形成する。活 動化された格子９２９からの射出ビームはレンズ９３９を通過し、レンズ９３９ は射出ビームを検出器アレイ９４１上に再合焦させる。検出器アレイは、検出の ために射出ビームの一部を受け取るように配設されたセンサ群であり、図のよう に装置９３０の縁部に結合することが好ましい。しかし、装置９３０をより大き な基板上に一体化したい場合、この位置に基板の縁部を有することは望ましくな い。この場合、他のビーム抽出法（垂直偏向ミラーなど）を使用してビーム９３ ５および９３７の一部を検出アレイへ偏向させることができる。検知手段は、射 出レンズ９３９の焦点面の約１レイリー範囲内に配置される。この位置では、入 射ビーム角が射出ビーム位置にマップされる。格子は入射波長を射出ビーム角度 としてマップするので、コリメートされた入射ビームの場合、それぞれの異なる 入射波長が焦点面内のそれぞれの異なる位置にマップされ、波長スペクトルの空 間解像度が、格子の特性に依存する。アレイ９４１内の検出器の位置の関数とし ての検出されるパワーは、入射ビーム９２１の周波数パワー・スペクトルに比例 する。したがって、装置９３０は、スペクトル・アナライザである。装置９３０ は、入射ビームが、いくつかの異なった周波数チャネルを占有するチャネルに分 割され、装置自体がチャネルを所定の検出器または検出器群に分散するように構 成される場合は、マルチチャネル検出器である。 それぞれの異なる格子をオンに切り替えることによって、それぞれの異なる周 波数範囲で機能するように装置を再構成することができる。たとえば、格子９３ １または９３３を活動化した場合、分散された光はレンズ９３９によって、異な る検出器アレイ９４３と拡張検出器アレイ９４１の異なる部分のどちらか上に合 焦される。格子の周波数範囲は、格子のビームに対する角度および格子の周期性 によって決定される。格子９３１は、活動化されたときにより高い光周波数範囲 が選択されるようにビームに対してより浅い角度を有するように示されている。 格子９３３は、重なり合う複数の周波数範囲を選択できるように、互いに横切る 複数の周期を有する。上記で第１８図を参照して説明したように、複数の周波数 を極化領域境界にマップすることができる。格子９３３の極化要素は全体的に、 ２つの主仮想光子運動量方向に垂直に配向された平面として構成することができ る。平面の整相は、所望の格子の周波数成分をドメイン境界に移すプロセスによ って行われる。しかし、一般的な格子は、すべての方向に運動量を有し、その場 合、結果として得られるドメイン境界は、主方向を除いて平面としては構成され ない。 透過ビーム９１３は、一体型レンズ９０７によって射出ウェーブガイド・セグ メント９０９に再合焦され、格子と相互作用しなかった入射ビーム９２１の帯域 外部分の少なくとも一部を含む射出ビーム９１１が形成される。 切替範囲スペクトル・アナライザの有用な変形形態は、第４２図および第３０ 図ないし第３５図の要素を組み合わせたものである。この基本的な考えは、格子 の角度を変更し、あるいは光源点を等価的に変更することによって格子のスペク トル範囲をシフトすることができることに基づくものである。この変形形態では 、ウェーブガイド経路指定構造を使用して光源点を切り替えられるようにする。 ウェーブガイド・スイッチが入射ウェーブガイド９２３（および場合によっては 放射ウェーブガイド上）の１つまたは複数の位置に配置され、並列光源ウェーブ ガイド・アレイが形成される。これらにウェーブガイド間で入射光線９２１を切 り替えることができる。ウェーブガイドはすべて同じ平面、好ましくは入射レン ズ９２５の焦点面で終わる。スペクトル・アナライザの残りの部分は同じである 。ただし、複数の入射を用いる場合、追加格子９３１および９３３を有する必要 はない。複数の切替入射ウェーブガイドの分離は、アナライザ９３０向けの切替 可能な所望のスペクトル範囲が得られるように応用例に応じて調整される。 第４３図は、極化音響多層干渉計構造９５３を示す。入射音響波９７２は、バ ルクでも、あるいは表面音響波でもよい。極化構造は、２種類のドメイン９６３ とドメイン９６４とを含む圧電基板９６５の領域９５５に製造される。極性反転 によって部分的な音響波反射が起こることが知られている（たとえば、米国特許 第４４１０８２３号Ｍｉｌｌｅｒ等）。ビーム９７３の反射およびビーム９６１ の透過は、極化領域間の界面の間隔の影響を受ける。高反射率および低透過率が 必要である場合、隣接する界面を音響波長の半分の整数倍に等しい距離だけ離隔 すべきである。構造の透過率を高くし、反射率を低くする必要がある場合、間隔 は、音響波長の４分の１に波長の半分の整数倍を加えた値に等しくすべきである 。音響インピーダンスが変化する界面近くに適当な数の極化領域を付与すること によって、界面からの反射波とは異なる位相を有し、かつそのような反射波と同 じ振幅を有するように反射波の位相を選択して、反射防止（ＡＲ）構造を製造す ることができる。 第４４図は、極化バルク音響トランスジューサ９７１を示す。入射音響ビーム ９７２は、一対の電極９７４および９７５を含む圧電基板９６５の極化領域に入 射する。極化領域は、２種類のドメイン９６３および９６４、すなわち互いに最 適に反転されたドメインを含む。極化方向を音響波長の２分の１ごとに反転する ことによって、各極化領域で音響波によって誘導される電界として同じ電界を選 択することができる。この場合、従来技術のインターデジタル電極ではなく単一 の電極を使用して、誘導された電圧を捕捉することができる。電極９７４および ９７５は、入射波９７２の存在を検出するために使用される。射出電圧は、導体 ９７９によって漸減され、電子コントローラ９７８で検出され、時間の関数とし て（狭帯域入力の場合）正弦的に変動し、振幅は音響波の振幅に比例する。前述 のように、極化界面間隔が波長の２分の１である場合、この構造はハイ・レフと しても働き、このことは所与の実施態様では望ましくない。この特性は、第４４ 図に示したように界面を波長の４分の１および４分の３の間隔に配置することに よってなくすることができる。この場合、この構造は望ましくない反射をなくす る反射防止コーティングである。ほぼ音響波全体が極化構造を貫通し、音響波の エネルギーを完全に検出電子機器に吸収することができるので、この構造９７１ は、音響エネルギーの効率的な同調検出器である。この構造の帯域幅は電極で覆 われた極化構造内に入る音響周期の数に反比例する。この効率は、電極の下方の 音響経路長に比例する。したがって、検出器の帯域幅と効率は、比例し、検出領 域の寸法を変更することによって調整することができる。 構造９７１は、基本的にプロセスを逆に実行することによって音響生成装置と して使用することもできる。２つの電極の間に、励起する必要がある音響波の周 波数の時間依存電気信号が印加される。基板の圧電係数によって音響波の周波数 で周期ひずみが生成され、１つ９６１は順方向に伝搬し、１つ９７３は他方向に 伝搬する一対の波が生成される。装置９５３と装置９７１を組み合わせ、９５３ を望ましくない波のトータル・リフレクタとして構成することによって、単一の 波を生成する必要がある場合に高効率単方向性生成装置を形成することができる 。トータル・リフレクタを望ましくない波に対して９０°に配向させ、所望の波 と同じ位相を反射波の位相として選択した場合、２つの波は単一の方向にほぼ単 一の波として現れる。 第４４図の構造の変形形態は、ひずみ作動光学相互作用装置である。この装置 では、ひずみ場のために極化領域９６４および９６３が作動し、光弾性効果を通 じて屈折率が変化する。この場合、構造９７５はひずみ誘導パッドであり、被膜 および基板のそれぞれの異なる熱膨張係数のために室温でひずみ場が生成される ように高温で基板材料９６５上に付着させることができる。この機械的ひずみ場 は、光弾性テンソルを通じて動作し、ドメインごとに異なる基板の屈折率を変化 させ、この場合も、本明細書の他の箇所で説明するように使用できるパターン化 屈折率を有する基板を形成する。電極の付着工程が所望のひずみ場に望ましくな い影響を及ぼさないかぎり、電子光学効果を使用する電界を光弾性効果と組み合 わせることができる。 第４５図の構造８９０は、一対の光波の同調コヒーレント検出器である。この 構造は、所望の中央「共振」周波数差の周りのある帯域幅内の光波間の周波数差 しか検知しないという意味で同調式である。最も簡単なケースでは、装置は、周 期Λを有する周期構造を形成するインターデジタル電極８８５とインターデジタ ル電極８８６との間の各離隔距離が等しくなるように構成される。所与の瞬間に は、入射ビーム８８７に存在する２つの入射周波数によって、光周波数差および 光周波数での基板８８９の屈折率に依存する空間周期を有する電界の干渉パター ンがウェーブガイド８８８内で生成される。干渉パターンの空間周期が周期Λに 等しい周波数差で、電極構造は共振し、電極は、ウェーブガイド上の誘導された 変位電荷のための電位差に励起される。 周波数応答特性は、極化格子周期内で２つの光波が２πだけ位相ずれする光周 波数差によって決定される共振周波数を有する正弦関数に関係するものである。 バッファ層８９１は、電極構造が配置されたときに伝搬する光波の損失を最小限 に抑えるために必要である。バッファ層８９１は、厚さが周期Λよりもずっと小 さい場合、誘導電位の強度をそれほど低減させない。干渉パターンは、２つの光 波間の周波数差で振動する低周波数成分を有する。したがって、リード線９７９ を介して電子コントローラ９７８によって捕捉される電子信号もこの差周波数で 振動する。電子信号の振幅は、この共振差周波数で大きく、インターデジタル電 極構造内に含まれる最良の周期の数の逆数に比例する装置の帯域幅に応じて他の 差周波数では低下する。 別法として、インターデジタル電極は、複数の共振周波数が存在し、あるいは 応答の帯域幅が修正されるように複数の周波数成分と共に構成することもできる 。この装置は多重命令に敏感であることも留意されたい。電極の幅が半周期と比 べて狭い場合、共振差周波数の奇数高調波で顕著な応答が行われる。ウェーブガ イドの軸に沿って非対称的になるようにフィンガを互いにずらすことによって、 偶数高調波に対する応答性を生成することができる。この上位応答は、一次応答 を低下させる犠牲を払わないかぎり向上させることができない。この応答は、電 極どうしを互いに心合わせし、電極の幅を増加させることによって最小限に抑え ることができる。 最後に、ウェーブガイド８８８は厳密に必要なものではない。このウェーブガ イドは省略できるが、検出された波を電極の非常に近くまで運び信号の捕捉を最 適化すべきである。 第４６図は、低損失切替可能ウェーブガイド・スプリッタ７８０を示す。この 装置は、Ｙ字形接合部として広がり、共に、入射セグメントに入射した光の光路 となる可能性のある、２つの射出ウェーブガイド・セグメント７７５および７７ ６に分岐する、入射ウェーブガイド・セグメントからなる永久Ｙ字形ウェーブガ イド・スプリッタ７７４を有する。入射セグメント幅および屈折率プロファイル と射出セグメントの幅および屈折率プロファイルは等しいことが好ましい。スプ リッタ７８０は、Ｙ字形スプリッタ７７４の領域内に電子光学係数を有する極化 構造７７８も有する。極化領域７７８は、複数の層を有することができる基板の 頂部近くの薄い層であってよく、あるいは基板全体にわたって延びることができ る。基板の残りの部分は、極化することも、あるいは非極化することもできる。 ウェーブガイドの上方に一対の平面電極７７７および７７９が互いに隣接して配 設され、一方の電極７７７は射出ウェーブガイド７７５の一部を覆い、他方の電 極７７９は、射出ウェーブガイド７７６の一部を覆う。電極は、製造上の都合お よび機能が最適化される程度にのみ平面である。電極が付与される表面が平坦で あり、あるいは湾曲している場合、電極はそれに整合する。電極７７７の縁部７ ８１は、ウェーブガイド７７５に非常に浅い角度で交差し、Ｙ字形接合部でウェ ーブガイド７７６の内側縁部の円滑な連続部を形成する。同様に、電極７７９の 縁部７８３は、ウェーブガイド７７６に非常に浅い角度で交差し、Ｙ字形接合部 でウェーブガイド７７５の内側縁部の円滑な連続部を形成する。ある極性を用い て電極を互いに励起させると、電極７７７の下方の屈折率が低減し、電極７７９ の下方の屈折率が増加する。その結果、電極縁部７８１の下方の励起領域がウェ ーブガイド境界を形成し、入射ビーム７８９をほぼ完全に射出ビーム７８４に切 り替え、代替射出ビーム７８２へのパワー漏れはほとんどない。電極７７９の下 方の屈折率が増加することは、光エネルギーを境界７８１から移動するうえで助 けとなる。電極間に逆の極性を印加すると、入射ビームはほぼ完全に他方の射出 ビーム７８２に切り替えられる。電圧を印加しない場合、入射パワーは、構造が 対称的である場合には２つの射出ポートに均等に分割される。したがって、この 構造は３ｄＢスプリッタであり、ビーム・ディレクターとして２つの方向のうち の一方に低損失で電気的に切り替えることができる。 電極７７７および７７９は、Ｙ字形構造７７４から構造への入力時にテーパし ており、それによって、屈折率のより低い領域がウェーブガイドの方へ次第に近 づき、光損失が最小限に抑えられる。静電界分布の円滑化効果によって両方の電 極の下方で非常に円滑な屈折率遷移が行われる。Ｙ字形分岐領域から離れた射出 ウェーブガイドを横切る電極の縁部をウェーブガイドに対して９０°に構成し、 損失を最小限に抑えることが好ましい。 このＹ字形スプリッタは、電界がオフの場合に３ｄＢとは異なる分割比を生成 するように非対称的に構成することができる。これは、一方のウェーブガイドの 偏差角を増加させ、あるいは他方の偏差角を減少させ、あるいはその両方を行う ことによって行うことができる。十分に大きな電界が電極に印加されるかぎり、 切替機能は、非対称構造の場合でも、対称構造の場合とほぼ同様に動作する。消 光比（オンに切り替えられたウェーブガイド内のパワーと、オフに切り替えられ たウェーブガイド内のパワーとの比）は、非対称性が大きいにもかかわらず非常 に大きなままである。しかし、光損失は、非対称切替可能ウェーブガイド・スプ リッタの２つのレグではいくらか異なる。したがって、装置７８０は、所望の分 割比を有するスプリッタとして構成することができ、しかも良好な効率および高 い消光比で切り替えることができる。 この装置は、２つよりも多くの射出ウェーブガイド間て切り替えられるように 縦続接続することができる。たとえば、射出ウェーブガイド７７５を７８０と同 様な第２の装置の入力に接続する場合、そのパワーを一対の追加ウェーブガイド に受動的に切り替えることも、あるいは能動的に切り替えることもできる。７８ ０と同様な１つのスイッチ、２つのスイッチ、４つのスイッチ、８つのスイッチ からなる４組のスイッチを用いて、１６本の切替射出ラインを得ることができる 。これらのライン間のパワー分割比は、非切替状態の場合に等しくなるように構 成することも、あるいは任意の他のパワー分割比として構成することもできる。 スイッチを活動化したときに、単一の射出ウェーブガイドをオンにすることも、 あるいは単一の射出ウェーブガイドをオフにすることも、あるいは射出ウェーブ ガイドの組合せをオンおよびオフにすることもできる。 装置内の光の伝搬方向は反転することができる。この場合、射出ポート７７５ および７７６のどちらかへの入射を入射ポートから現れるように切り替えること ができる。印加電圧がない場合、各射出ポートでのパワーは所与の減衰（対称装 置の場合は３ｄＢ）を受けながら入射ポートに結合される。電界をオンに切り替 えると、「オン」ウェーブガイド内のパワーは非常に低い損失を受けながら入射 ポートに接続され、それに対して「オフ」ウェーブガイド内のパワーは入射ウェ ーブガイドから非常に有効に回折される。「オフ」ウェーブガイドは入射ポート からほぼ絶縁される。 別法として、入射ウェーブガイドどうしが接合し２×２スイッチまたはルータ を形成するように、ミラー像装置を背面組み合わせでスイッチ７８０に接続する ことができる。どちらかのウェーブガイド・ポート対への入射は、他方のポート 対のどちらかのウェーブガイドに切り替えることができる。ｎ×ｎスイッチまた はルータを形成時にカスケードすることは可能である。 第４７図は、複数の極化領域を使用する切替可能なウェーブガイド・スプリッ タの代替実施態様７９０を示す。この構成では、Ｙ字形領域内のウェーブガイド の境界に沿って切替屈折率差が増加し、それによって光モードがより狭い領域に よりうまく拘束され、オフに切り替えられた射出ウェーブガイドへの残留結合が 低減される。２つの極化領域７８５および７８６は、入射ウェーブガイド７７４ の各側にＹ字形分割領域に沿って配設される。極化領域は、射出ウェーブガイド ７７５および７７６に非常に浅い角度で交差し、Ｙ字形接合部でウェーブガイド ７７６および７７５の内側縁部の円滑な連続部を形成する境界７８７および７８ ８を有する。極化領域の境界は、電気的に励起される屈折率変化が徐々に始まる ように入射ウェーブガイドから徐々にテーパし、かつＹ字形接合部から離れた位 置で射出ウェーブガイドを横切る。この位置では、電界が大幅に低減され、光損 失が減少する。電極７９１および７９２は、ほぼ極化領域７８５および７８６の 全体にわたって配設される。 電極に電位差が印加され、電極間および電極の周りの部分全体にわたって電界 が静電パターンとして励起される。電界は、極化領域およびその周りの領域を貫 通し、対応する光屈折率変化パターンを誘導する。局部光屈折率変化は、局部電 界方向と局部電子光学係数の積に比例する。極化領域は、互いに逆の極性の領域 に囲まれることが好ましく、その場合、極化領域の電子光学係数は、周りの領域 の電子光学係数とは逆の符号を有する。界面７８７および７８８で、屈折率の鋭 い変化が発生する。ウェーブガイドの一方の側では、界面において屈折率が低減 し、ビームが低屈折率領域から案内される傾向が生じる。他方の側には逆のこと が当てはまる。印加電界が十分に大きなものである場合、低減された屈折率を有 する界面がウェーブガイド境界を形成する。案内界面が極化領域の対向側に射出 ウェーブガイドの内部境界の延長として円滑に接続するので、入射光線７８９は 射出ウェーブガイドへ案内される。案内境界の曲率が徐々に変化するものである 場合、オフに切り替えられたウェーブガイドへの光漏れは少ない。極化領域がウ ェーブガイドに徐々に近づくので、入射時の損失は少ない。接合部を越えて延び る極化領域の部分が、オフに切り替えられた射出ウェーブガイドの案内効果を抑 制し、オンに切り替えられた射出ウェーブガイドの案内効果を高めるので、Ｙ字 形接合部での損失は少ない。 代替策として、極化領域を非極化材料で囲むことができる。その場合も、界面 ７８７および７８８で屈折率が急激に変化し、したがって装置は依然として機能 するが、屈折率変化は、極化領域が逆極化材料で囲まれるときに得られる値の半 分に過ぎず、したがって印加電界はより高くなければならない。前述した別法も この装置に適用できる。 第４８図は、１×３スイッチの主要な設計要素を示す。図の設計要素は、第４ ６図の装置７８０をどのように単一の極化領域とパターン化電極とを含む１×３ スイッチに転換するかを示す。この装置は、所望の数ｎ（ｎ−３）の射出分岐を 有する永久分岐ウェーブガイドを含む。ウェーブガイドは、（良好な消光比を得 るために）ウェーブガイド自体よりも深く延び、かつウェーブガイドが大きく（ ウェーブガイドの幅の３倍など）分離された接合領域をかなり越えて延びる極化 領域を通過する。ウェーブガイド境界、このウェーブガイド境界の、入射ウェー ブガイドの境界への円滑な延長部、接合領域をかなり越えた距離で射出ウェーブ ガイドを横切る垂直境界によっていくつかのゾーンが画定される。そのように画 定される（ｎ²＋２ｎ−２）／２個のゾーンがある。図のように最外ゾーンを最 外ウェーブガイドの外側を越えて延ばし、入射をテーパ付けすると有用である。 すべての電極間に、小さいが励起時に電気絶縁破壊を回避するのに十分なギャッ プが設けられるように、各領域の上方に別々の電極が配置される。 この装置を操作するには、対応するゾーンが所望のウェーブガイド内に拘束さ れるかどうによって決定される極性を有する各ゾーンに独立に電界を印加する。 たとえば、第４８図の５つのゾーンは、表１に従って励起される。前述のように 、電界の大きさは、それぞれの異なる極性で励起される隣接するゾーンの縁部に 沿って良好な案内境界を生成するように調整される。 第４８図の設計要素は、第４７図の装置７９０をどのように、複数の極化領域 を含む１×３スイッチに転換するかも示す。この装置はこの場合も、所望の数ｎ （ｎ＝３）の射出分岐を有する永久分岐ウェーブガイドを含む。この場合も、ウ ェーブガイド境界、このウェーブガイド境界の、入射ウェーブガイドの境界への 円滑な延長部、接合領域をかなり越えた距離で射出ウェーブガイドを横切る垂直 境界によっていくつかのゾーンが画定される。この場合も、図のように最外ゾー ンを最外ウェーブガイドの外側を越えて延ばし、入射をテーパ付けすると有用で ある。各ゾーンは、共通のゾーン境界を有する近傍のゾーンとは逆の方向へ極化 される。同じ極化方向を有するゾーンは、頂点を共有するに過ぎない。入射ウェ ーブガイド領域を最内ゾーン（すなわち、入射ウェーブガイドの最も近くのゾー ン）とは逆方向へ極化することが好ましい。第４８図で、最内ゾーンはゾーン２ および４と呼ばれている。このゾーン・ベースの極性選択手順によってゾーン２ および４のみが逆極化され、それに対してゾーン１、３、５、すなわち射出ウェ ーブガイド・ゾーンは正極化される（周りの領域が極化される場合はその領域と 同じ方向）。４つの射出ウェーブガイドを使用する場合、９つのゾーンがあり、 すべての射出ウェーブガイドゾーンを含め、このうちの６つは逆極化される。し たがって、射出ウェーブガイドが電位基板極化とは逆に極化されるのは偶数のス プリッタだけなので、偶数の射出ウェーブガイドを有するスプリッタ実施態様は 利点を有し、最後の分割点で拘束が向上し、「オン」状態に関する透過率がより 高く、「オフ」状態での逆方向絶縁がより良好であるという利点も有する。各領 域の上方に別々の電極が配置される。 この装置を操作するには、各ゾーンに独立に電界を印加するが、この場合、極 性に関する規則は異なる。極性は、対応するゾーンが所望のウェーブガイド内に 含まれているかどうかと、下方の極化領域の極性の２つの因子によって決定され る。たとえば、正極化領域に正の極性を印加すると屈折率が増加する場合、下記 の選択規則に従う。ゾーンが正極化されている場合、ゾーンが所望のウェーブガ イドの内側にある場合には正の電気励起極性が選択され、ゾーンが外側にある場 合は負の極性が選択される。ゾーンが逆極化（負）されている場合、ゾーンが所 望のウェーブガイドの内側にある場合には負の極性が選択され、ゾーンが外側に ある場合は正の極性が選択される。表２に、第４８図に示した３つの射出ポート を含むｎ＝３ケースに関するゾーンの最適な極化方向を示す。１×ｎ個のスイッ チおよびｎ×ｎ個のスイッチの設計は、第４６図、第４７図、第４８図の説明か ら帰納することによって導かれる。 本明細書で説明する平面構成要素は、電子光学的に制御される装置とウェーブ ガイド構成要素とを含む多層三次元構造として積み重ねることができる。平面ウ ェーブガイドおよびスイッチのスタックまたは三次元構造は、電子光学的に活性 の極化可能な薄膜、好ましくはポリマーとバッファ絶縁層を交互に層化しあるい は付着させることによって製造される。バッファ絶縁層は、絶縁性のものでも、 あるいは導電性のものでもよい。積み重ね構造の利点には、ウェーブガイド要素 がより広い間隔を置いて配置されるのてクロストーク絶縁がより良好になること が含まれる。層間により多くの光パワーを分散することができるので、より高い パワー処理機能も達成される。必要に応じて、個別の層を使用して表示装置内で 個別の波長を分散することができる。 活性光学ウェーブガイド／切替層を適切な基板上に付着させた後、前述の技法 を使用してこの層の極化を行う。ある活性層を隣接する層から絶縁するには低屈 折率のバッファ層が必要であり、このようなバッファ層は、平面に垂直な次元で 所望の案内を確立するように設計される。たとえば、ＳｉＯ₂のバッファ層を使 用することができる。次に、光学的に活性の層から絶縁されるので金属層で製造 することができる接地平面を付着させ、その後に薄いバッファ層を付着させる。 バッファ層は、電極および接地平面のそれぞれの異なる層間の印加電圧に耐える こともできなければならない。ポリマーでは、大きな面積を極化することができ 、ＳｉＯ₂などの透過バッファ層を付与した後でも、前述のＵＶ照射技法によっ て所望の領域を選択的に非極化してウェーブガイド微細形状を作製することがで きる。あるいは、極化を電気的に行うこともできる。ポリマーを用いる場合、Ｕ Ｖ照射によってある層を非極化しても、下方の金属接地平面による遮蔽のために 、その後方の層は影響を受けない。次いで、標準マスキング技法およびコーティ ング技法によって金属電極および導電経路を形成し、その後に別の絶縁バッファ 層および次の活性層を形成することができる。バッファ層は、後に続く活性光学 ウェーブガイド／切替層の損失を最小限に抑えるために平面化すべきてある。層 を付加するこの工程は、所与の装置に必要な回数だけ繰り返すことができる。 極化装置スタック用の活動化経路および電極をマスクする製造技法の変形形態 は、電子光学層を絶縁層で被覆することである。その後、この絶縁層に対してド ーピングまたは注入が行われ、標準リソグラフィック・マスキング技法を使用し てこのバッファ層内に導電パターンが形成される。バッファ層に電極を組み込む ことによって、積み重ね装置の厚さが最小限に抑えられる。 それぞれの異なる電子光学活性材料からなる混成装置を使用して製造上の複雑 さを改善することができる。たとえば、ウェーブガイド装置を含む第１の電子光 学活性層を、支持基板としても働くＬｉＮｂＯ₃基板内に製造することができる 。次に、ニオブ酸リチウム装置用のバッファ層および電極層を付着させる。次い で、次の活性層、たとえば極化可能なポリマーを付着させる前に、導電平面を間 に挟む２つの絶縁バッファ層を装置上に被覆する。その後に続く層を前述のよう に形成し、極化し、パターン化する。バッファ層間の導電平面は、電極として各 ポリマー層の領域極化を可能にすると共に、前の層を極化プロセスから遮蔽する ように働くことができる。 積み重ねウェーブガイド・アレイはたとえば、自由空間ビーム操作用のステア リング装置として使用することができる。密に積み重ねられ光源アレイに位置合 わせされた、電気的に活動化され個別にアドレス可能なウェーブガイド要素は、 光放射を放出する制御可能なフェイズド・アレイを形成する。ビームの相対位相 は、前述のように極化ゾーン上の電圧を変化させることによって調整することが できる。線形ランプ内のこのような位相を調整することによって、ウェーブガイ ド・アレイからの放出光をアレイの平面内である方向に急速に掃引することがで きる。それゆえ、平面上の装置の直列アレイは平面内においてのみ掃引が可能で ある。しかし、極化ウェーブガイド・アレイ平面を垂直方向に三次元バルク装置 として一体化すると、装置から放出される光線を２つの次元に送ることができる 。 この概念を拡張したものとして、ウェーブガイド格子リフレクタのスタックを 使用するマルチモード・レーザ・バー・アレイのモード制御がある。ウェーブガ イド・スタックは、レーザ・ダイオード・アレイに突き合わせ結合されるように 次元的に整合される。個別の要素の位相を制御することによって、多要素レーザ ・バーの放出モード・パターンを制御することができる。単一モード・ウェーブ ガイド拘束が必要とされない装置では、たとえばマルチモード・アレイまたはバ ルク・アレイを積み重ねて、切替極化装置のパワー処理能力を高めることもでき る。 第４９図は、図を明確にするために単一のウェーブガイド列のみが示されたフ ェイズド・アレイ・ウェーブガイド・スタック部１６３０の実施形態を示す。光 放射１６４０は、極化可能なポリマーなど、電子光学的に活性の薄膜１６５０で 製造されたウェーブガイド１６３８を通じてスタック１６３０に進入する。この 場合、入射ビーム１６４０は、波長は同じであるがそれぞれの異なる位相を有す るビームを表すために千鳥状に示されている。光はウェーブガイド１６３８に沿 って伝わり、ウェーブガイド１６３８内で極化領域１６３４に出会う。極化領域 １６３４内では、前述の技法を使用して屈折率を電子的に修正することができる 。ビーム１６４２は、各光波が、位相が位置合わせされた射出成分ビームを生成 するように個別に位相調整された後の、フェイズド・アレイの射出を表す。 他の多数の入射波態様および射出波態様が可能である。たとえば、平坦な位相 波面を有する単一モード・レーザ・ビームはウェーブガイド要素のある領域を照 明することができ、ウェーブガイド要素は次いで、ビームの空間モードを横切っ て任意の位相遅延を課し、それによってビームを自由空間で電子的に操作できる ようにする。この方法を使用する方向性ビーム制御装置は、現行の機械的装置ま たはＡ−Ｏ装置よりもずっと高速でずっと小型である。本明細書に記載され、あ るいは当技術分野で知られている光学電気ピックアップ装置を使用して、積み重 ね装置の内部または外部の位相差または複数の周波数成分の存在を検知し、フィ ードバック・ループに関する瞬間情報を与えることができる。 本明細書に表した装置セグメント１６３０は、電極、バッファ層、極化可能材 料を下記のように交互に付着させることによって、ＳｉＯ₂などの基板１６３２ 上に構成される。不透明金属被膜またはインジウム酸化スズなどの透明導電材料 で構成された広面積平面電極１６５４を付着させ、その後にＳｉＯ₂などの電気 的に絶縁性のバッファ層１６５２を付着させる。このバッファ層は、次の極化可 能材料層１６５０に製造されるウェーブガイド１６３８用の下部境界層としても 働く。極化構造を活動化するために使用されるパターン化電極１６３６を付着さ せる前に、極化可能な層１６５０上に他のバッファ層１６５２を付加して上部ウ ェーブガイド境界を形成する。次いで、他のバッファ層１６５２を付加し、今回 はパターン化電極を次の層、すなわち他の広面積平面電極１６５４から電気的に 絶縁させる。パターン化電極１６３６は、厚いバッファ層によってのみ一方の平 面電極から分離され、バッファ層および極化可能な材料によって他方の平面電極 から分離される。極化可能な材料を横切って電界を印加することが望ましいので 、極化可能な材料を横切る電気的分離は、バッファ層のみを横切る分離よりも弱 くすべきである。広面積電極間の層化シーケンスは、最後の極化可能材料層１６ ５０まで繰り返され、その後、スタックを完成するのに付加する必要があるのは バッファ層１６５２、パターン化電極１６３６、任意選択の最後の絶縁層１６５ ２だけである。電気リード線１６４６および１６４８をそれぞれ、当技術分野で 知られている一体化技法および結合技法を通じて電極１６３６および１６５４に 接触させ、電圧分配制御装置１６４４に接続する。 電圧制御装置１６４４は、極化装置を個別に活動化することと、近傍の活性要 素層を制御するために使用される電界から各極化装置を絶縁させることの２つの 目的を有する。装置１６４４は基本的に、結合されている浮動電源の集合であり 、装置１６４４では、ある活性層を間に挟む電極１６３６と電極１６５４との間 の電圧を、他の活性層を横切る電圧差を変化させることなしに制御することがで きる。 領域１６３４は、１つまたは複数のドメインを含む極化領域を示し、電極１６ ３６は、１つまたは複数の絶縁要素を含む連続領域またはセグメント化領域また はパターン化領域を示す。ウェーブガイド・スタック１６３０は、位相制御用の 装置として表されているが、ウェーブガイド構造のスタックには、光学的に直列 接続され、あるいはその他の方法で構成された、本明細書で説明する極化装置の 任意の数の組合せを含めることができる。 第５０図は、従来技術の調整可能な減衰器１４００を示す。入射ウェーブガイ ド１４０２は、基板１４０４の電子光学的に活性の領域を横切る。入射光線１４ ０６は、入射ウェーブガイドに沿って射出ウェーブガイド１４０８内へ伝搬し、 射出光線１４１０を形成する。電極１４１２、１４１４、１４１６は、電極１４ １４が２つの電極１４１２および１４１６に対して所与の極性（正または負）で 励起されたときに、電子光学効果のために、ウェーブガイドのセグメント１４１ ８領域内の、電極の下方の位置および電極に隣接する位置で屈折率の変化が誘導 されるように、ウェーブガイドの上方に配設される。この電極構成は、ある程度 任意のものであり、第５０図で表した従来技術に示した構成とは異なり、かつそ のような構成よりも複雑なものでよいが、すべてのパターンが共通に有する共通 因子として、一般に、それらのパターンは、ある電圧に励起されたときにコアの 屈折率を低減させ、周りの領域の屈折率を増加させる。 印加電界がないときには、ウェーブガイド・セグメントの損失は小さく、主と してウェーブガイド壁に沿った粗面上の散乱によって決定される。しかし、電界 を印加すると、損失を非常に大きな値に増加させることができる。３電極パター ンによって、ウェーブガイドの外側で正の屈折率変化が発生するのと同時にウェ ーブガイド内部で負の屈折率変化を発生させ、屈折率プロファイルをかなり平坦 で幅の広いものにすることができる。電界を印加すると、電極の下方のウェーブ ガイド１４１８の修正部は、ウェーブガイドの入射部１４０２および射出部１４ ０８に対してずっと幅の広い最下位モード・プロファイルを有する。その結果、 入射ビーム１４１６が部分１４１８に遷移するときにも、部分１４１８内の光が 射出ウェーブガイド１４０８に結合されるときにも、モード結合損失が発生する 。屈折率変化が十分に大きなものである場合、最下位モードが遮断周波数よりも 低くなり、ウェーブガイド１４０２の端部から現れる光がほぼ自由に基板内へ回 折し、そのため、ウェーブガイド１４０８の始めで大きな結合損失が生じる。 所与のモードがウェーブガイドの修正部１４１８に進入すると、このモードの 強度プロファイルと修正部１４１８のモード・プロファイルとの間の重なり合い が、修正セグメントの屈折率プロファイルの変化によって低減される。セグメン ト１４１８がマルチモードである場合、いくつかの伝搬モードおよび放射モード が励起される。単一モードである場合、多数の放射モードが励起される。次いで 、これらのモードの組合せがセグメント１４１８の遠い端部へ伝搬し、射出ウェ ーブガイド部１４０８に結合され、この場合、光の一部のみがウェーブガイドの モードに結合され射出ビーム１４１０を形成する。電極に印加される電圧を制御 することによって、装置１４００の損失を非常に低い値から非常に高い価に調整 することができる。 得られる最大損失は、屈折率変化の大きさ、励起領域の寸法、励起領域の長さ 、入射ウェーブガイドおよび射出ウェーブガイドが単一モードであるか、それと もマルチモードであるかに依存する。形状の変形形態では、ウェーブガイド・セ グ メント１４１８の上方に２つの電極のみを配設し、ウェーブガイド・セグメント 内の屈折率を低減させ両側ではなく一方の側の屈折率を増加させることができる 。この機能はこの場合も減衰器であるが、排除された放射電界は装置から出て、 屈折率が増加された側へ向かう。損失放射を方向付けるこの能力は、排除された 光を制御する必要があるある種のシステムで有利である。セグメント１４１８の 下流側の一方の側または両側にアブソーバを配置し、排除された光がシステム内 の他の場所で他の機能に干渉するのを防止することができる。 第５１図は、極化切替減衰器１４２０を示す。この装置は、極化領域を使用し て屈折率変化の画定を向上させ、屈折率の不連続性を増大させ、それによって単 一の段で得られる減衰の量を増加させるという点で、第５０図の従来技術の装置 を改良したものである。領域１４２２および１４２４は、周りの材料とは逆の方 向に電子光学的に極化される（代替策として、周りの材料を非極化することも、 あるいは周りの材料が電子光学係数を有さないようにすることも、あるいは単に 周りの材料を領域１４２２および１４２４とは異なるように極化することもでき る）。中央電極１４２６は、極化領域と周りの材料の両方を覆う。中央電極１４ ２６は、極化領域１４２２、１４２４および周りの材料内で屈折率変化を発生さ せるように電極１４２８および１４３０に対して励起される。装置１４２０は装 置１４００を参考にして、前述した方法と似た方法で作動する。印加電圧によっ て、ウェーブガイド・セグメント１４１８の屈折率プロファイルが縮小され拡大 され、射出ウェーブガイド１４０８のモードと、入射ビーム１４０６によってセ グメント１４１８内で励起されるモードとの間の結合が低減される。この構成で は、修正ウェーブガイド領域１４１８の始めで屈折率プロファイルの変化が急激 に起こり、したがって損失がより大きくなる。極化セグメント１４２２および１ ４２４の数および形状は、励起されたウェーブガイド・セグメント１４１８との モード結合が、励起されないセグメントとのモード結合と異なるものであるかぎ り変更することができる。この装置は、電気的に励起されない状態で損失が大き くなるように構成し、電気的に励起された状態で損失が小さくなるように調整す ることができる。この場合、電気的に励起される領域または極化領域、あるいは その両方は、ウェーブガイド・セグメント１４１８の構造の一部を形成する。ウ ェーブガイド・セグメント１４１８自体は、特に、完全に励起がないときに損失 が存在しない場合、多数の異なる方法で構成することができる。その場合、装置 は第２９Ａ図の切替ウェーブガイド変調器に類似するものになる。 前述のように、これらの装置を縦続接続し、この場合は最大減衰を増加させる ことができる。 第５０図および第５１図の装置は、可変強度局所化（「点」）光源として操作 することもできる。ウェーブガイド１４０２内を伝搬する光は、電極構造に電圧 が印加されるまでウェーブガイドの経路に従うように拘束される。屈折率を変化 させることによってウェーブガイド効果が低減または破壊されると、前に拘束さ れた光線の一部またはすべてが、自由空間回折理論に従って伝搬する。その回折 ビームは、引き続き順方向へ伝搬し、同時にビーム領域が２つの次元で拡大し、 ウェーブガイド１４０８のコアよりもずっと大きくなる。電極構造から適当な距 離で、ビーム領域は基板アパーチャの大部分を満たし、ビューアには電極構造の 近くの空間位置から放出する点光源として見える。 必要に応じて、この技法を用いて一次元局所化光源を構築することもできる。 電極構造に適当な電圧レベルが印加されたときにモードの横拘束が破壊され、そ れに対して平面ウェーブガイド内の垂直拘束が破壊されないように、当技術分野 で知られている技法を使用して製造された平面ウェーブガイド構造に第５０図お よび第５１図のウェーブガイド・セグメント１４１８を埋め込むことができる。 したがって、ビーム領域は１つの次元で拡大し、光を幅の狭い平面に拘束する。 第５２図は、角度拡大極化格子を含む極化装置１５００を示す。帯域幅を広げ る、図の方法は、第１８図を参照して説明し、かつ本明細書の他の箇所で説明す る帯域幅修正手法の代替策である。周期構造１５００は、好ましくは基板１５０ ４の極化領域へ逆極化される極化領域１５０２と共に示されている。ウェーブガ イドや電極や追加格子など他の構造が、必要に応じて組み込まれる。ドメイン１ ５０２は、５０％デューティ・サイクルで厳密に繰り返されるパターンで入射ビ ーム１５０８の中心伝搬軸に交差する。極化領域の頂面の側面はすべて、位置合 わせ点１５０６から引かれた線に沿って整列する。極化領域は、その表面形状を 材料内にある距離だけ再生する。この結果、極化基板の横位置と共に線形に変化 する周期性を有する極化構造が得られる。極化領域を横切る入射ビーム１５０８ は、自由に伝搬するガウス・ビームでよく（ドメインが深く極化される場合）、 あるいはウェーブガイド１５１２内に拘束することもできる。格子の機能に応じ て、フィルタされあるいは周波数変換された射出ビーム１５１０に入射ビームを 結合することも、あるいは再帰反射されたビーム１５１４に入射ビームを結合す ることもできる。格子構造（したがって、その帯域幅）の周期性の範囲は、ビー ムの幅およびビームの軸からの点１５０６の離隔距離に依存する。これらの数量 を調整することによって、格子に入る一次周期の数によって決定される最小値に 対して極化構造の帯域幅を大幅に増加させることができる。極化境界の望ましい 最大角には制限があり、したがって第５２図に示した構造を制限なしに延ばすこ とはできない。しかし、いくつかのセグメントを縦続接続することによって長い 相互作用領域を得ることができる。セグメント間のコヒーレンスを最大にするに は、ビームの中心軸に沿ったドメインの周期性を、セグメント間の継手では未修 正のままにしておくべきである。セグメント間には少なくとも１つのくさび形ド メインがある。 格子の帯域幅を増加させると、相互作用強度が低減するが、小さな周波数ドリ フトの影響をほとんど受けない格子を使用する装置が作製される。たとえば、角 度拡大格子を使用する周波数二倍装置は、温度ドリフトの耐性がより高い。他の 応用例は、使用しなければならない強力な格子のために狭い帯域幅を有する傾向 があるチャネル・ドロッピング・フィルタである。角度拡大格子を使用すること によって、広げられた通過帯域は、高帯域幅通信信号を受け入れることができる 。角度拡大格子は、前述の他の格子構成に適用することもできる。 前述の厳密なパターンに従わない角度拡大格子を実施する代替策がある。たと えば、格子周期の角度と伝搬軸に沿った距離との間の関係は、線形よりもずっと 複雑であることがある。大多数の相互作用パワーが格子の一端に存在するいくつ かの応用例では、２次関数的変形形態または指数関数的変形形態の方が妥当であ る。内部拡散格子、イオン交換格子、エッチ格子など、従来技術型の格子に角度 拡大技法を適用することもできる。 湾曲ウェーブガイドを使用する代替角度拡大装置１５２０を第５３図に示す。 この場合、極化領域１５２２は平行な面を有し、面の角度は、ガイド内の局部伝 搬方向に対して傾斜するに過ぎない。この場合も、帯域幅は、格子のそれぞれの 異なるフーリエ成分を受ける光波のそれぞれの異なる成分によって広げられる。 湾曲ウェーブガイドは、直線ウェーブガイドよりも大きな損失を有するが、大き な曲率は必要とされない。第５３図に示したいくつかの部分を連結し、たとえば 、ほぼ真っ直ぐな線の周りで前後に波動する正弦ウェーブガイド構造を形成する ことができる。第５４図は、制御可能な極化レンズ１５３０を示す。同心状に構 成されたドメイン１５３２、１５３４、１５３６、１５３８は、基板の極性とは 逆の極性で電子光学基板１５４０内に極化される。透明電極１５４２および１５ ４４は、装置の２つの対向表面の、極化領域の上方および下方に付与される。２ つの電極間に電界を印加すると、極化領域の屈折率が、極性に応じて増減する。 極化領域の形状は、所与の色の光波を合焦させる回折要件によって決定される。 境界間の離隔距離は、ほぼ２次関数的に半径と共に変動する。たとえば、応用例 において平面波を丸いスポットに合焦させる必要がある場合、極化領域は（両方 の平面で等しい合焦を行うために）丸く、極化領域の直径が増加するにつれて量 を減少させることによって分離される。極化領域の境界は、レンズ構造の表面で の入射波に対する所望の射出波の位相によって決定される。極化領域の境界は、 光波の相対位相がπだけ変化するたびに現れる。たとえば、入射波が平面波であ る場合、その位相は表面に沿って一定である。射出波は、表面から離れたスポッ トで合焦する収束波である場合、基本的に球面波であり、位相は、球面波が境界 を決定するという点で変化する。レンズ１５３０は、印加電圧に応じた調整可能 な位相遅延を含む位相プレートであり、ドメインは物体のフレネル帯を占有する 。 所与の色の平面波を合焦させるには、平面波をπだけ位相遅れ（または進み） させるのに十分な電圧を印加する。それぞれの異なる周波数は、極化レンズ１５ ３０のフレネル帯構造によって決まる異なる焦点長を有する。周波数が高いほど 焦点長が長くなる。分散がない場合、あらゆる波長が同じ電圧で最適に合焦する 。電圧は、基板材料１５４０内の分散を補償するように調整することができる。 電圧を最適値から離れた値に調整する場合、それぞれの異なるゾーンからの光の 位相がもはや最適に付加されないので、スポットに合焦される光の量が減少する 。 光どうしが部分的に破壊的に干渉し、正味強度を低減させる。 第５５図は、レーザ・フィードバック装置１４５０を示す。このレーザ光源は 、増幅器領域１４５２と、背部リフレクタ１４５４と、低反射射出領域１４５６ 、たとえば反射防止被覆窓とからなる。従来型のレーザは第２のハイ・リフレク タを有するが、本発明では、格子フィードバック装置がレーザの振動を制御でき るようにハイ・リフレクタが取り除かれる。射出領域１４５６およびカプラ１４ ５８からの反射は、レーザが外部光源からの追加フィードバックなしには作動し ないほど低い。外部フィードバック光源は、光学結合システム１４５８と、電界 によって励起される光学増幅器からビームを反射させる極化材料１４６０とから なる。極化材料１４６０の反射スペクトルは周波数空間の幅が非常に狭いので、 格子周期の分布に応じて格子を構成する単一または複数の周波数の周りの、レー ザが動作できる幅の狭い領域を選択することができる。共振器の空洞が、ＦＳＲ が反射スペクトルの幅と同程度になるほど低い場合、この組合せ装置は、単一の 長手方向モード上で振動する。 光学増幅器と材料１４６０との間で光エネルギーを結合する手段１４５８は、 レーザの射出モードを収集し極化材料に再合焦させる。カプラ１４５８は、ＧＲ ＩＮ（グレーデッド・インデックス）レンズや、非球面レンズや、回折レンズや 、多要素球面レンズなどの高開口数レンズ、テーパ付きウェーブガイド、ウェー ブガイドどうしを突き合わせ結合する場合の近接アジャスタおよびアライナのう ちの１つまたは複数を含め、多数の代替実施態様からなる。カプラ１４６０の表 面には反射防止コーティングを施すことが好ましい。ＡＲコーティングは、多層 誘電コーティングでも、あるいはゾル・ゲル・コーティングでも、あるいは適当 な屈折率を有する材料の４分の１波層（隣接する２つの媒体の相乗平均）でもよ い。材料をバルク極化する場合、材料１４６０内の最適焦点は、極化領域の長さ にほぼ等しいレイリー範囲を有する。材料が、伝搬ビームを拘束するウェーブガ イドを有する場合、光学結合システムは、ウェーブガイドの入口でレーザ・モー ドを、位相波面角、曲率半径、横次元に関してウェーブガイドの所望のモードに 整合するモード・プロファイルに最適に変換すべきである。極化構造は、好まし くは逆に極化された少なくとも２種類のドメイン１４６１および１４６３からな る。極 化材料は、極化領域を横切って延び、電源１４６６によって電気的に励起するこ とができる電極１４６２および１４６４を有する。電極に電圧を印加すると、材 料内の誘導電界によって、極化方向および電界強度に応じて空間的に変動する屈 折率変化が発生する。極化において周期構造を誘導することによって、屈折率の 電気的に制御可能な周期変調を誘導することができる。 増幅器１４５２は、中心光軸によって特徴付けられた拡張領域にわたって光学 利得係数を生成するのに必要な取り付け構造および励起構造を備える。増幅器の 光帯域幅は、利得を生じさせるプロセスに応じて制限される。帯域幅は、利得プ ロファイル、すなわち光周波数の関数としての利得の依存性の幅（通常、３ｄＢ 全幅）である。半導体ダイオード技法（ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａ ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ、ＩｎＳｂなど）は、大きな帯域幅 を与えるうえで有利である。ただし、この場合、ハイパワーを供給することはで きない。光学リフレクタ１４５４は、フィードバック・ミラーであり、増幅器の 背面から伝搬するモードを増幅器自体に反射するように半径がモードの位相波面 に位置合わせされ整合されたバルク・ミラーであってよい。あるいは、ウェーブ ガイド増幅器（Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＬｉＮｂＯ₃、Ｅｒ：Ｌｉ ＮｂＯ₃、希土イオンと結晶宿主またはガラス質宿主の様々な組合せ）の場合、 光学リフレクタ１４５４は、ウェーブガイドに垂直にクリーブまたは研磨された 増幅器の面でよい。共振器の形状がリング形であり、光の単方向性伝搬が可能で ある場合、光学リフレクタは、増幅器を通過しない、材料１４６０から反射され た光を収集し、前のパスの場合と同様なモード特性を用いて、この光を位置合わ せし増幅器を通じて材料１４６０に再合焦させるために、少なくとも２つの要素 で構成された多要素構造である。 ビームと周期的極化材料１４６０とのいくつかの相互作用が可能である。増幅 器１４５２の利得プロファイル内で光を再帰反射させるのに必要な周期の倍数を 周期性として選択する場合、この装置は、（上位）電界制御式フィードバック・ ミラーとして機能する。電圧１４６６をオンに切り替えたときにレーザをオンに し、それによって格子の帯域幅内で再帰反射を生成することができる。次いで、 レーザの振動が電界の強度に比例するので、その電圧を変調することによってレ ーザ出力を振幅変調することができる。変調制御手段１４６６は、所望の電界を 材料１４６０内に時間の関数として確立するのに必要な電圧および電流を与える 。レーザは、材料１４６０とレーザ・リフレクタ１４５４との間の光の往復周波 数の倍数に等しい周波数で変調制御手段１４６６を操作することによってモード ロックすることもできる。極化構造１４５０の反射率は同じ周波数で変調される ので、２つのフィードバック・モニタ１４５０と１４５４との間で共振する光線 は、もちろん往復周波数で動く１つのパルス（または複数）に分割される傾向を 有する。周波数が往復周波数の倍数（１×，２×，３×，．．．）である場合、 パルスがリフレクタ１４５０に接近するたびに反射率が高くなる。倍数が大きく なるにつれて、反射率が高いままである時間が短くなり、したがってより短いパ ルスが生成されるが、往復光通過時間内の他の高反射時間に形成される傾向があ る追加パルスを抑制する何らかの手段が必要である。追加パルスは、やはり往復 周波数の信号の成分をリフレクタ１４５０に印加し、あるいはやはり増幅器１４ ５２を変調することにより、あるいは従来型の追加構成要素を含む他の手段によ って抑制することができる。光射出はビーム１４６８または１４６９として抽出 することができる。 周期リフレクタは特定の周波数でしか動作しないので、レーザは、フィードバ ック装置１４５０を使用することによって周波数安定化される。極化構造の帯域 幅の外側の入射周波数は反射されない。簡単な構造では、帯域幅は、その周波数 成分を含む極化領域の長さに入る一次格子周期の数の逆数によって決定される。 複数の周期を有するより複雑な構造では、帯域幅は、入射ビーム伝搬方向および 反射ビーム伝搬方向の二等分線角に沿った極化構造のフーリエ変換によって決定 される。フィードバックは限られた周波数範囲にしか存在しないので、装置１４ ５０の射出周波数は、極化構造が簡単なミラーで置き換えられた自走レーザ発振 器の射出周波数よりもずっと狭いものにすることができる。反射の帯域幅が、リ フレクタ１４５４と極化構造とで形成された拡張空洞の長手方向モードの離隔距 離に匹敵するものである場合、装置は単一周波数モードで動作する。 安定化特性は、利得が非常に高く広帯域である半導体ダイオードの場合に特に 有用である。ダイオード・レーザを用いる場合、射出領域１４５６からの反射な ど、望ましくないすべての内部反射を非常に低い値（１０^-3よりも低い値など） に維持することが好ましい。 電極１４６２および１４６４は、応用例に好ましい電界貫通・駆動電圧に応じ て、基板の同じ面上に配置することも、あるいはそれぞれの対向面上に配置する こともできる。レーザと切替リフレクタとを含む共振器は、第５５図に示した線 形共振器ではなくリング形共振器でもよい。当技術分野で知られているようにリ ング形共振器を形成するには追加光学要素が必要であり、極化材料１４６０から の反射は、垂直入射時には発生しない。格子の周期性および角度は常に、相互作 用に仮想光子を付加した場合に入力光子と出力光子との間で運動量が保存される ように調整しなければならない。この制約によって、極化格子の角度および周期 が決定される。 第５６図は、ウェーブガイドを含むレーザ・フィードバック装置１４７０を示 す。ウェーブガイド１４７２を極化材料１４６０に組み込み、光線を長距離にわ たって拘束することができる。これは、顕著な反射を生成するために相互作用長 を必要とする装置や、すべての光がウェーブガイド内で経路指定される一体型装 置で特に有用である。構造を頑丈にし動作を効率的にするには、第５６図に示し たように、半導体ダイオード・レーザやダイオード・ポンプ半導体レーザなどの ウェーブガイド・レーザ１４７４をウェーブガイドに突き合わせ結合することが できる。突き合わせ結合において、光学結合システム１４５８は、表面１４７５ および１４７７上のＡＲコーティングと、位置合わせを維持するのに必要な位置 合わせ構造および取り付け構造である。光学増幅器１４７４のウェーブガイドと 極化基板１４６０のウェーブガイドは、光学増幅器から基板の方へ放射された光 電界位相波面が最適な範囲で、ウェーブガイド１４７２内を伝搬するモードの位 相波面と同じ角度、半径、横次元を有するように位置合わせされる。２つのウェ ーブガイドの離隔距離は、レイリー範囲内であるべきであり、ウェーブガイドの 同軸位置合わせからの偏差は、横モード寸法の一部よりも小さくすべきである。 ウェーブガイド１４７２と増幅器１４７６内のガイドのどちらかを、この重なり 合いを最適化するようにテーパ付けすることができる。ウェーブガイド装置では 、極化領域１４７８および１４８０が基板１４６０全体にわたって延びる必要は な い。電極１４８２、１４８４、１４８６は、ウェーブガイド１４７２が横切る極 化領域の上方に配設される。電極１４８４を電極１４８２および１４８６に対し て励起すると、基本的に極化基板の構造によって決定される構造を有するウェー ブガイド内に、ある屈折率パターンが生成される。この屈折率パターンは、第５ ５図を参照して説明したようにリフレクタとして働くことも、あるいは前述のよ うに他のウェーブガイドとのカプラとして働くことも、あるいはその両方として 働くこともできる。スルー・ポート１４８８と増幅器１４８９の対向端部のどち らかで装置から光射出を抽出することができる。 基板材料がニオブ酸リチウムや、タンタル酸リチウムや、ＫＴＰなどの非線形 光学材料である場合、基板１４６０に周波数二倍器を組み込むことができる。準 位相整合二倍器は、フィードバック格子構造の一部とし組み込むことも、あるい はその前に組み込むことも、あるいはその後に組み込むこともできる。格子構造 が複数の反射周波数を組み込んでいる場合、光学増幅器１４５２または１４７４ を利得帯域幅内の１つまたは複数の周波数で振動するように誘導することができ る。この場合、非線形周波数変換器は二倍器ではなく和周波数ミキサでよく、あ るいはいくつかのそのような装置を縦続接続して、複数の周波数出力からなる複 数の周波数組合せを形成することもできる。 上記で極化構造、その励起、その使用モードに関して説明した変形形態は、外 部光学増幅器と組み合わせて適用することもできる。特に、第５５図および第５ ６図の構造をそれぞれ、第１４図および第１５図の同調可能な格子と組み合わせ ることによって、周波数同調可能なレーザを実現することができる。前述のよう に、同調は、平均屈折率が印加電界と共に変化するように極化格子構造を構成す ることによって行われる。光学増幅器１４５２または１４７４の動作周波数は、 極化構造１４６０からのフィードバックの周波数によって決定される。したがっ て、極化構造の平均屈折率のチャーピングまたは変調、あるいはその両方を行う ことによって、射出周波数のチャーピングまたは変調、あるいはその両方を行う ことができる。平均屈折率を変化させることによって、格子から与えられる仮想 光子の運動量ベクトルを変化させずに光子の運動量ベクトルが変化する。平均屈 折率が変化した後、古い反射周波数はもはや反射に関して最適に位相整合されて おらず、ピーク反射率が新しい周波数へ移動している。 第５５図および第５６図を参照して説明した構成を使用すると共に、第１４図 および第１５図を参照して説明したように平均屈折率を変化させることによって 、周波数変調（ＦＭ）レーザを構築することができる。変調とは、本出願では、 高デューティ・サイクルまたは低デューティ・サイクルを用いてパルスする場合 のように、何らかのパラメータ、このケースでは時間の関数として変化させるこ と、あるいは正弦的に変化させること、あるいは任意の時間依存性を用いて変化 させることを意味する。電圧を制御し、電界における所望の時間的変化を付与す るために必要な電流を供給する制御システムを供給することができる。 通常、半導体レーザの最適なフィードバックに必要な格子の反射率は１０％未 満である。残りの光は射出用に使用することができる。レーザは、格子チップ上 のウェーブガイド内での光線の拘束、格子内の分散、利得要素内のＴＭ偏光およ びＴＥ偏光の相対利得に応じて、この２種類の偏光のどちらかで動作させること ができる。格子の強度は制御可能なので、反射率は、レーザの射出結合を最適化 し射出パワーを最大にするように調整することができる。 同様に、格子を使用してパッシーブまたはビルドアップ空洞のリフレクタを形 成することもできる。レーザ・ビームの空洞への結合は、空洞損失に対する入射 カプラの相対反射率に依存するので、可変反射率入射カプラは、このパラメータ を最適化する手段を与え、したがって共振器をインピーダンス整合する。 空洞では、半導体レーザなどレーザ・パワーＣＷ源のチャーピングをほとんど あるいはまったく行わずに、単一パルス切替、またはモード・ロッキング、また は空洞ダンピングに本発明を使用することもできる。また、同調電位によって、 レーザを通信、分光、リモート・センシング用の光源として使用することができ る。 第５７図は、スイッチ・アレイによって制御される選択可能な波長レーザ１４ ９０を示す。このレーザは、基板１４６１内のウェーブガイド１４７２に突き合 わせ結合されたウェーブガイド１４７６を含むダイオード・レーザ１４７４であ ることが好ましい。光学増幅器１４７４がそれ自体の面の反射で作動しないよう に表面１４７５および１４７７にはＡＲコーティングを施すことが好ましい。基 板は、第３０図ないし第３２図および第３４図ないし第３５図のＴＩＲスイッチ や、第７図ないし第８図および第１２図ないし第１３図の格子スイッチ構造や、 第１０図および第２６図ないし第２８図のカプラや、第２３図、第２５図、第３ ３図、第４６図ないし第４８図のスプリッタや、現在知られており、あるいはま だ発見されていない他の光学ウェーブガイド・スイッチ構造を含め、様々な方法 で実施できるスイッチ１４９２を支持できる任意の基板でよい。ＴＩＲスイッチ １４９２については上記で十分に説明したので、この図ではＴＩＲスイッチの存 在を概略的にのみ示す。オン位置では、このようなスイッチは、光エネルギーを 増幅器から、スイッチに関連付けられた一方のウェーブガイド１４９４に沿って 再経路指定する。 レトロリフレクタ・アレイ１４９６は、この場合は格子として示されたウェー ブガイドに配設される。格子は、入射光を特定の周波数で反射させ、レーザは、 格子の帯域幅内で作動する。格子要素は、図では、格子の周期が、レーザから遠 くなるにつれて次第に短くなるように、ある程度離れた点１４９８の方を向いて いる。したがって、格子の反射スペクトルはほぼ同じであるが、より短い波長へ シフトされる。所望の格子周期に関連付けられたスイッチ１４９２を選択するこ とによって、レーザの所望の動作周波数を選択することができる。光周波数は形 状によって決定され、一定のスイッチ離隔距離を用いて直線的に離隔された光波 長を得ることができる。必要に応じて、構成の充填密度機能内の任意の波長間隔 を選択することができる。ＴＩＲスイッチの挿入損失が低く、かつ充填密度が高 いので、ウェーブガイド１４７２に沿って多数のスイッチを配設することができ る。傾斜射出ウェーブガイドも非常に密に充填される。 射出ビームは、光学増幅器１４７４の背面からビーム１４８９として抽出する ことも、あるいはＴＩＲスイッチがウェーブガイド１４７２に沿ってレーザ光の 一部を漏らすため、ウェーブガイド１４７２からビーム１４８８として抽出する こともできる。第５６図を参照して説明したような多数の代替構成もこの構成に 関連するものである。たとえば、リフレクタ・アレイ１４９６は、多数の技法に よって製造された永久格子、または切替格子で構成することができる。格子への 光路長を変化させることによってレーザ空洞の異なるＦＳＲが選択される一様な 格子構造でリフレクタ・アレイを構成し、非常に狭い間隔を置いて配置されたス ペクトル・ピークの選択可能なアレイで単一モード動作を行わせることができる 。リフレクタ・アレイは場合によっては、高反射または可変波長反射を得るため に被覆することができるウェーブガイド１４９４に沿った永久ミラー・アレイで 構成することができる。この場合も、ミラーの離隔距離を変化させることによっ て、レーザ空洞経路長を大きな範囲にわたって切替可能に調整することができる 。 第５７図の構造のサブセットは、調整可能な光エネルギー・リディレクタ１４ ９２を使用する変調器と、１つのウェーブガイド１４９４内の１つのフィードバ ック・リフレクタ１４９６である。たとえば、リディレクタ１４９２の後に続い て幅が零になるようにテーパ付けすることなどによって、ウェーブガイド１４７ ２を反射しないように構成する場合、レーザはこの場合も、リフレクタ１４９６ から与えられるフィードバックによって作動する。リディレクタ１４９２の励起 によってフィードバックされる光エネルギーの量を調整することによって、レー ザ出力特性を制御することができる。レーザ・パワーはこのように変調すること ができ、その場合、リフレクタ１４９６は、固定格子でも、あるいは場合によっ ては広帯域固定ミラーでもよい。格子リフレクタを用いる場合、レーザ・パワー を周波数シフトなしに深く変調することができ、ほぼ純粋な振幅変調が行われる という点で、固定周波数の利点がある。リディレクタ１４９２を空洞往復時間の 整数倍数で変調する場合、この装置はモード・ロッカであり、パルス出力を生成 する。往復時間とは、空洞内の最初の位置および方向へ戻るために、同軸的に位 置合わせされたパルスによって使用される時間である。それぞれの異なるスイッ チを使用することによって、パルス離隔距離を変化させるように空洞長を変化さ せることができる。２つの異なるスイッチを同時に使用することによって、往復 時間の上位倍数でモード・ロッキング周波数と共に成長する傾向がある中間パル スを除外することもできる。周波数変調は、リフレクタの中心周波数を変調する ことによって行うことができる。この場合、リフレクタ１４９６は、第１４図な いし第２２図で説明したような同調可能な格子として実施することが好ましい。 第５８図は、波長同調調整可能合焦システム１５５０を示す。第５４図のゾー ン・プレート・レンズ（または不透明ゾーン・プレートやエッチング・ゾーン・ プレートなどの固定回折レンズ）などの回折合焦要素１５５２と同調可能な光源 １５５４を組み合わせることによって、データ記憶分野で重要な新しい機能が与 えられる。ゾーン・プレートを調整可能な周波数光源を組み合わせると、焦点ま での距離は、光源を同調させることによって調整される。この機能は、データ記 憶媒体１５５８までの様々な距離の位置に積み重ねられたデータ平面１５５６と の間でデータが読み書きされる多層データ記憶装置に有用である。（上記で様々 な手段によって説明したように）光源の波長を同調させる場合、ゾーン・プレー トから焦点までの距離はそれに対応して調整される。波長の変更によるこの焦点 の変更により、アナログ波長の変更によって、ゆがんだディスクの光学データ記 憶表面を瞬間的に追跡することができると共に、光波長の離散的変更によって、 様々な積み重ね平面１５５６へのランダム・アクセスを用いて所望のデータ表面 を選択することができる。 多平面データ記憶システムを駆動する、選択された周波数調整可能なレー ザは、前述のような電子的に同調可能な格子１５６２からのフィードバックに基 づく同調を用いる半導体ダイオード・レーザ１５６０に基づくレーザ・システム である。レーザは、準位相整合部１５６４内で２倍にされた周波数であってもよ く、その場合、二倍器の受け入れを、光源レーザの有意の同調を受け入れられる ほど広いものにする好ましい方法は、角度拡大極化格子を使用することである。 レンズ・システム１５６６は、レーザ射出を、コリメートしゾーン・プレート・ レンズ１５５２内の最後の焦点に備えて丸くする。 ゾーン・プレートが発散ビームを再合焦させることができるので、レンズ・シ ステム１５６６は必要ではない。しかし、ゾーン・プレートを通じて丸いビーム を得ることが望ましい。というのは、これによって最も小さなスポット寸法が生 成され、したがって最高密度のデータ読み書き機能が得られるからである。装置 １５６２、１５６４、１５６６は、必要に応じて同じ基板上のウェーブガイド内 で実施することができ、前述の面外リフレクタのうちの１つと組み合わせて、基 板の背面上でゾーン・プレート・レンズと一体化し、データ記憶システムを高速 に作動させることができる小型で軽量の装置を得ることができる。Ａ．ディスプレイの一般的な説明 本発明による切替技法に関する主要な応用領域は、光学ディスプレイ、特に放 射光学ディスプレイの分野である。第６０図に示した線Ａ−Ａに沿った断面とと もに表示装置１００１の一般的なブロック図を第５９図に示す。光源１０００か ら可視光線または赤外線を生成する光周波数源手段または光源は、光線変調器１ ００２によって強度変調される。したがって、視覚情報は、光線の時変強度とし て符号化される。この変調光線は、下記で「分散ウェーブガイド」と呼ばれ、当 技術分野で知られている様々な方法によって適当な基板材料１０２８の表面内ま たはその表面上に製造される光学ウェーブガイド１００６への結合装置１００４ を使用して結合される。 分散ウェーブガイド１００６は、下記で「画素ウェーブガイド」と呼ばれる少 なくとも１つの光学ウェーブガイド１０１４に、画素ウェーブガイドと分散ウェ ーブガイドとを適当な長さに分離するのに十分な大きさの角度で隣接する。この 角度は、第５９図では９０°として示されている。ほぼ平行な画素ウェーブガイ ドのアレイはディスプレイの行を形成する。 分散ウェーブガイドと画素ウェーブガイドは、光エネルギー・ルータ・アレイ １００８で形成された光線経路指定構造によって交差領域で結合される。光エネ ルギー・ルータは、分散ウェーブガイド内を伝搬する光を所望の画素ウェーブガ イドに経路指定し、あるいは切り替える能動方法または受動方法である。受動光 エネルギー・ルータの例には、方向性ウェーブガイド・カプラ、分岐ウェーブガ イド、格子カプラ、スター・カプラ、モード・スプリッタ、ブラッグ格子リフレ クタが含まれる。能動光エネルギー・ルータは、電子光学原則、または音響光学 原則、または熱光学原則に基づいて動作する。光エネルギー・ルータの例には、 電圧作動方向性カプラ、全内部反射（ＴＩＲ）スイッチ、分岐ウェーブガイド・ スイッチ、ブラッグ格子偏光タイプのスイッチ、モード変換原則に基づいて動作 する様々なタイプの電子光学スイッチ、受動偏向モード・スプリッタと組み合わ されたＴＥ−ＴＭモード変換器などの偏光制御スイッチ、ＳＡＷフィルタや変調 器などの音響光学切替装置、本明細書で開示するパターン極化切替構造が含まれ る。好ましい実施形態は、ＴＩＲスイッチの変形形態に基づく能動光線ルータを 使用する。第３２図に示したような固定ミラーを光線ルータに含めて、分散ウェ ーブガイドと画素ウェーブガイドとの間の交差角度を９０°にすることが好まし い。この光線ルータを下記では「分散スイッチ」と呼ぶ。 光は、画素ウェーブガイド内を伝搬した後、下記で「画素スイッチ」と呼ばれ る電気的に制御可能な光エネルギー・リディレクタ１０１６をオンにすることに よって、下記で「画素位置」あるいは単に「画素」と呼ばれる、基板１０２８の 表面上の所望の点に経路指定することができる。画素スイッチは、前述の動作原 則を使用する能動切替構成要素（または受動エネルギー・リディレクタ）である 。画素スイッチの例には、電圧作動方向性カプラ、全内部反射（ＴＩＲ）スイッ チ、分岐ウェーブガイド・スイッチ、ブラッグ格子偏光タイプのスイッチ、モー ド変換原則に基づいて動作する様々なタイプの電子光学スイッチ、受動偏向モー ド・スプリッタと組み合わされた切替可能なＴＥ−ＴＭモード変換器、遮断スイ ッチ、液晶ウェーブガイド・スイッチなどの偏光制御スイッチ、ＳＡＷフィルタ や変調器などの音響光学切替装置、すでに従来技術で開示された他のウェーブガ イド・タップ方法、本明細書で開示するパターン極化切替構造が含まれる。画素 スイッチの好ましい実施形態は、ＴＩＲスイッチの変形形態に基づくものである 。 画素ウェーブガイド１０１４内のビーム伝搬は、画素スイッチ１０１６によっ て、下記で「リフレクタ・ウェーブガイド」と呼ばれる射出ウェーブガイド・セ グメント１０１７内の、基板の表面上の所望の画素位置に再経路指定される。リ フレクタ・ウェーブガイドは、二次元ウェーブガイド、または平面ウェーブガイ ド、またはバルク基板内の自由空間伝搬セグメントの短いセグメントまたは長い セグメントで構成することができる。 光エネルギーまたは光は、下記で「面外リフレクタ」と呼ばれ基板の表面内ま たは表面上に製造される光学リフレクタ手段１０１８を使用して、基板表面の平 面からビューアの方へ投影される。面外リフレクタはいくつかのマイクロミラー または散乱ピンのうちの１つでよく、このようなマイクロミラーまたは散乱ピン の機能は、すでに射出ウェーブガイド内を伝搬した光の一部をウェーブガイド平 面から送り出すことである。これらの小型リフレクタ１０１８のそれぞれからビ ューアの方へ放出される光は、ディスプレイからの情報の「画素」を構成し、リ フレクタ１０１８は、下記で「画素」の語と交換可能に参照される。第５９図に は、画素１０１９がオンにされ、それに対して画素１０１８がオフにされている 。画素アレイは、一般的な行列構成として構成される。各画素は、その行・列ラ ベルによって独立にアドレスすることができる。この画素アレイがディスプレイ を構成する。 光は、基板の表面から出た後、光学拡散画面１０２６にぶつかり、光学拡散画 面１０２６は、ほぼ順方向に伝搬する光線を、基板表面の法線に対する伝搬角度 の分布を有するより拡散した光線に変換し、ビューアが表面法線に対する極角θ で光を観測できるようにする。ディスプレイから放出されたビームが、近ランバ ート角分布を有する場合、ディスプレイは、方位角とは独立に０°から９０°ま でのすべての極角で同様に明るく見える。他の角分布は、それぞれの異なる視角 仕様を達成するように構成することができる。別法として、拡散画面１０２６は 、独立の光学要素として構成することもできる。 像は、リフレクタから放出される光が、標準陰極線管（ＣＲＴ）内で電子ビー ムを走査する方法と同様な「ラスタ走査」を形成するように、分散（または列） スイッチおよび画素（または行）スイッチを順次、活動化することによってディ スプレイ上に形成される。分散スイッチと画素スイッチは、電極構造を介して電 界生成手段に接続される。この手段は、ＤＣ電源、バッテリ、駆動電子機器と呼 ばれる電子回路など、スイッチをオンにするのに十分な電圧を生成する任意のタ イプの電圧生成装置でよい。分散スイッチ１００８は、分散スイッチ１００８自 体の電極に結合された列スイッチ駆動電子機器１０１０によって活動化される。 画素スイッチ１０１６は、画素電極構造１０２０に結合された行駆動電子機器１ ０１２によって活動化される。 ラスタ走査時には、光源の強度が順次、変調され、各画素が像内の空間位置に 適した強度を受け取るように画素スイッチがオンにされる。ディスプレイ情報の フォーマットの例には、標準化ビデオ・フォーマットが挙げられる。最も簡単な 構成では、情報の「フレーム」は、活動状態画素１０１９（光が放出されている 画素）の位置が左から右へ、画面の上から下へ一度に１行ずつ走査される際に形 成され、すべての画素位置を走査するのにかかる時間の逆数は、「フレーム速度 」 と呼ばれる。 このディスプレイは、放出画素からの光が持続する時間が、画素スイッチがオ ンになっている時間よりも短いので、標準ＣＲＴディスプレイとは異なる。６４ ０画素×４８０画素の画素フォーマットを有する高情報内容ディスプレイであり 、かつフレーム速度が８０Ｈｚである場合、この時間は５０ｎｓよりも短い。リ フレッシュ速度が約８０Ｈｚのとき、フリッカに対する目の感受性は、周辺視野 のより感受性の高い領域でも急速に低下する。 本発明の一実施形態はフルカラー・ディスプレイである。これは、それぞれの 異なる中心波長（色）で動作する強度の高い３つの光源を光源１０００に組み込 むことによって得られる。最適には、光源は、６３０ｎｍ、５３０ｎｍ、４７０ ｎｍ、またはそれらに近い光を生成するために使用されるダイオード・レーザに 基づくものである。ウェーブガイド１００６および１０１４は、スイッチ１００ ８および１０１６と同様に、これらの異なる波長の伝搬をサポートするように設 計することができる。１つの追加機能、すなわち、３つのレーザの射出を単一の １組のウェーブガイドおよびスイッチで操作することができるように、この射出 を１つのウェーブガイド内で組み合わせる結合装置が光源１０００に付加される 。この追加機能の詳細については下記で説明する。 フレームが左上から走査されるので、レーザが右下から第５９図のディスプレ イに進入することに留意されたい。フレーム内では、個別の列が順次オンに切り 替えられ、次いでレーザにより近いスイッチがオンにされる。スイッチの立ち上 がり時間は短く、光は、前の電極上に残っている可能性がある電荷とは独立に、 新たに選択されたウェーブガイドへ送られる。これは、スイッチの立ち下がり時 間が画素速度に影響を与えず、立ち上がり時間よりもかなり長い立ち下がり時間 が可能になるという利点を有する。実際、長い立ち下がり時間を電極からのエネ ルギー回復と共に使用して、電力消費量を最小限に抑えることができる。同じ理 由で、行の励起順序は同じである（レーザの方へ進む）。立ち下がり時間が立ち 上がり時間よりも長い場合、ディスプレイ走査におけるあらゆる行の終わりに、 すべての分散スイッチがその低損失状態に達することができるようにする遅延を 組み込み、光が行中の第１の画素に到達できるようにしなければならない。この 遅延は、分散スイッチの減衰時間の数倍であるべきである。同様に、フレームの 終わりには、画素スイッチが緩和する時間を確保するのに十分な遅延を組み込む べきである。 この一般的なディスプレイ・アーキテクチャの特定の実施形態は、第５９図で 説明したそれぞれの一般的な構成要素（１０００ないし１０２８）のいくつかの 異なるバージョンを使用して構成することができるので、下記では、これらの構 成要素の変形形態について詳しく説明し、本発明の好ましい実施形態ではどの変 形形態が選択されるかを示す。Ｂ．光源 ウェーブガイドに結合できる光源１０００は、ディスプレイ用の光学励振器と して働くことができる。光源は、スペクトルの可視領域、または紫外線領域、ま たは赤外線領域内の任意の波長を有することができる。また、単一もしくは多重 の放出領域を有することができる。単一放出領域光学励振器の例には、任意のタ イプのレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高輝度少量白熱源および高輝度少量 蛍光源が含まれる。多重放出領域光源の例には、レーザまたはＬＥＤのアレイ、 白熱源および蛍光源の線光分散領域または二次元光分散領域が含まれる。半導体 ダイオード・レーザ光源は、下記では「ダイオード・レーザ」と呼ばれ、いくつ かの理由で好ましい実施例で使用される半導体レーザである。第１に、レーザ光 源を光源の最高の効率でウェーブガイドに結合し、それによってディスプレイを 操作するのに必要な電力を最小限に抑えることができる。第２に、ダイオード・ レーザは、電力から光パワーへの効率的な変換器であり、この場合もディスプレ イ電力要件を最小限に抑える。第３に、ダイオードは半導体処理技法を使用して 製造され、したがって低コストの光源をディスプレイに組み込むことができる。 ダイオード・レーザは、赤単色ディスプレイ応用例に使用できる６２０ｎｍよ りも長い波長の可視領域のものが市販されている。フルカラー・ディスプレイを 得るには、緑（最適には５３０ｎｍ付近）および青（最適には４７０ｎｍ付近） の波長も必要である。これらの波長での光源は、当技術分野では周波数二倍器手 段として知られている非線形光学装置を使用することによって赤外線ダイオード ・レーザから得ることができる。周波数二倍器手段とは、光源からの波長を２で 除する（光源周波数を２倍にする）方法である。周波数二倍器の例には、ＫＤＰ 、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰ、ＬｉＴａＯ₃、ＳＢＮ、ＢａＴｉＯ₃などの非線形結晶 、前述のバルク二倍器結晶で製造され、あるいは非線形極化ポリマー・ウェーブ ガイドを使用する非線形ウェーブガイド構造が含まれる。好ましい実施形態では 、周波数二倍器は、当技術分野で知られており、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰ、ＬｉＴ ａＯ₃、ＳＢＮ、ＢａＴｉＯ₃の強誘電結晶など、非線形光学周期的極化可能材料 で製造された、周期的極化構造である。ディスプレイ基板材料もこれらの材料で 製造することができるので、ディスプレイと二倍器は単一のウェハとして一体化 することができる。 この周波数二倍器を使用して、たとえば、１０６０ｎｍで動作するダイオード ・レーザを２倍にし、５３０ｎｍで緑を得で、９４０ｎｍで動作するダイオード ・レーザを２倍にして４７０ｎｍを得ることができる。研究所で、二重化プロセ スの効率が５０％を超えることが実証された。ディスプレイに必要なすべての可 視波長は、この技法を使用して得ることができる。 ダイオード・ポンプ半導体レーザをこのディスプレイ用の光源として使用する こともできる。小型緑ダイオード・ポンプ・レーザが市販されており、青ダイオ ード・ポンプ光源が研究所で実証されている。ダイオード・ポンプ光源の例には 、周波数二倍ファイバ・レーザ、アップコンバージョン・レーザ、周波数二倍ダ イオード・ポンプＹＡＧ、ＹＬＦ、その他のドープ結晶宿主レーザ材料が含まれ る。 セレン化亜鉛（や、場合によってはチッ化ガリウム）などの半導体材料で製造 された、青および緑で動作する直接可視半導体レーザまたは増幅器は、現在の所 、研究所に存在し、寿命が延び、かつこのような光源が市販された場合に、ディ スプレイ用の好ましい光源となることができる。 好ましい実施形態では、レーザおよび周波数二倍器はディスプレイとは別の基 板上に取り付けられる。このアセンブリは次いで、当技術分野で知られている光 ファイバ結合と突き合わせ結合のどちらかを使用してディスプレイ・ウェハ内の ウェーブガイドに結合される。２つのサブアセンブリを分離することにより、個 別ユニットの数が増加する。レーザは、二倍器チップに突き合わせ結合すること も、あるいはチップ上のエッチングされた溝にフリップチップ取り付けすること もできる。突き合わせ結合は頑丈であり、追加構成要素を必要とせず、自動位置 合わせ技法に匹敵する。二倍器チップ（またはダイオード・レーザ・チップ）に おいてウェーブガイドの深さテーパおよび幅テーパを使用して、レーザ・モード 寸法を二倍器ウェーブガイド寸法に合致させ、結合効率を最適化することが好ま しい。深さテーパは、２つのウェーブガイド製造ステップを用いて二倍器チップ に設けることができる。第１のステップでは深いウェーブガイドおよびテーパが 形成され、それに対して第２のステップでは、このテーパに接続される浅いウェ ーブガイドが形成される。この手段によって、レーザを効率的に単一モード二倍 器ウェーブガイドに結合することができる。代替策として、レーザ・ダイオード を直接、ディスプレイと同じ基板に結合することができる。これによって、周波 数二倍器、フィードバック安定化要素、波長コンバイナ、その他の構成要素を同 じウェハとして一体化することができる。直接結合手法は、収量が高い場合には コスト面の利点を有する。Ｃ．変調器 光線変調器１００２は、知覚的に適切なディスプレイに十分な周波数応答（ま たは帯域幅）を有するレーザの強度を変化させることのできる装置である。最適 帯域幅は画素走査速度よりも大きい。この周波数応答は、８０Ｈｚの更新速度を 有する６４０画素×４８０画素のＶＧＡディスプレイでは２５ＭＨＺを超える。 この変調器は最適なことに、複数のグレー・スケール強度レベルを再生する機能 も有する。この変調器は、周波数二倍器と同じチップ上に製造することが好まし い。 上記の要件を満たすことができるいくつかの異なるタイプの光線変調器が当技 術分野で知られている。第１の方法は、ダイオード・レーザを駆動する電流を変 調することによってダイオード・レーザの強度を変調することである。ダイオー ド・レーザ利得スペクトルの周波数も電流と共に変動するので、そのような変調 には周波数の変動が伴う。赤ＡｌＧａＩｎＰダイオードの場合と同様に、ダイオ ード・レーザを使用してディスプレイを直接照明する場合、そのような周波数変 調は、目に知覚されないので問題ではない。しかし、ダイオード・レーザの射出 パワーが緑ビームまたは青ビームを生成するように周波数二倍部を駆動する場合 、ポンプ・レーザ周波数の関数としての二倍効率曲線の受け入れ幅が狭い（二倍 器のアーキテクチャ・パラメータおよび設計パラメータに応じて０．１ｎｍの係 数１００程度以内）ので、そのような周波数変調は問題である。後者の場合、ダ イオード・レーザ動作周波数は、二倍器受け入れ範囲内で安定化しなければなら ない。ただし、この周波数は、単一の周波数モードで動作する必要はない（実際 、マルチモード動作では変換効率が増加する）。周波数の安定化は、外部格子フ ィードバック技法（または、当技術分野で知られているその他の方法）を電子フ ィードバック制御ループと組み合わせて使用することによって行うことができる 。格子は、当技術分野で知られているマスク・エッチングや内部拡散などの技法 を使用してウェーブガイドと一体化することが好ましい。格子中心周波数は電子 光学的または熱的にディザされ、周波数を２倍にされたパワーの強度は、フォト ダイオードを使用して監視される。ディザ周波数でのフォトダイオード信号の周 波数成分は、ダイオード・レーザ周波数を制御するために電子フィードバック・ ループに入力されるエラー信号として使用される。それによって、レーザ周波数 は、周波数を効率的に２倍にするのに必要な最適波長に整合され、可視光が生成 される。外部格子によって安定化を行う（さらに、ダイオード・レーザへのスプ リアス反射を十分に抑制する）場合も、周波数が格子フィードバックによって制 御されるので、ダイオード・レーザ電流を変化させる変調技法を使用することが 可能である。レーザの電力消費量が最小限に抑えられるので、ダイオード・レー ザ電流を変調できることは重要な利点である。 第２の変調方法は、当技術分野で知られている変調器を使用して（場合によっ ては基板１０２８内に）独立の変調器を製造することである。標準変調器設計の 一例には、マッハ・ツェンダー干渉計変調器がある。前述の電子光学スイッチは 変調装置１００２として働くこともできる。好ましい実施形態では、第３０図に 示した内部反射光学スイッチを変調器として使用する。というのは、このスイッ チは、小型であり、ＴＩＲスイッチ１００８および１０１６と同じ極化技法を使 用して製造され、ディジタル・グレー・スケール変調にうまく整合する射出強度 対電圧関係を有するからである。射出ビームがスイッチの反射出力であるとき、 画素のグレー・レベルはスイッチの入力電圧にほぼ線形に比例する。Ｄ．光結合装置 光結合装置１００４は、光源１０００からの光を分散ウェーブガイド１００６ に結合する。高結合効率を達成することができるいくつかの異なる技法が当技術 分野で知られている。当技術分野で知られているこのような技法の例には、バル ク・レンズ光線列、レーザ・ダイオードの基板１０２８への突き合わせ結合、レ ーザ光源の基板へのファイバ結合が含まれる。ファイバ結合は、効率的で廉価で あり、同時に、ダイオード・レーザ光源１０００および変調器１００２を独立に 製造し実装することを可能にするので、好ましい実施形態はファイバ結合である 。したがって、光源パッケージをパネル基板１０２８とは独立に取り付け、レー ザ製造時の収量を制限する問題を、ディスプレイ・パネル収量を制限する問題と 分離することができる。レーザ光源１０００は、光源をディスプレイ・パネルに 結合できるようにファイバ「ピッグテール」に光射出を有する。ファイバ・ピッ グテールは、当技術分野で知られている標準技法を使用して分散ウェーブガイド １００６に結合される。 本発明のディスプレイのフルカラー・バージョンの好ましい実施例では、３つ のレーザ光源が共に実装され、３色ビーム・コンバイナ、好ましくは、第６１図 に示した格子援用カプラを使用して１つのウェーブガイドに結合される。ビーム ・コンバイナは、赤レーザ・ビーム１０５０、緑レーザ・ビーム１０５２、青レ ーザ・ビーム１０５４を同じウェーブガイド１０４４に結合し、同時にすでにウ ェーブガイド１０４４内を伝搬した光の損失を最小限に抑える。この結合によっ て、組み合わされたレーザ射出１０５６が得られ、レーザ射出１０５６は次いで 、ウェーブガイド１００６に結合される。赤レーザ・ビーム１０５０は、固定屈 折率のレリーフ格子または極化格子１０５６とのエバネッセント・ウェーブガイ ド結合を使用してウェーブガイド１０４４へのウェーブガイド１０４２内の入射 モード１０５０の伝搬パラメータを赤波長で整合することによって、ウェーブガ イド１０４２からウェーブガイド１０４４に結合される。青レーザ・ビーム１０ ５ ４は、固定屈折率のレリーフ格子または極化格子１０５８とのエバネッセント・ ウェーブガイド結合を使用してウェーブガイド１０４４へのウェーブガイド１０ ４６内の入射モード１０５４の伝搬パラメータを青波長で整合することによって ウェーブガイド１０４６からウェーブガイド１０４４に結合される。これは、３ つのウェーブガイド内のパワーを効率的に１つのウェーブガイド内で組み合わせ るために使用できる、当技術分野で知られている標準技法である。格子援用並列 ウェーブガイド・カプラについての詳しい議論は、上記に、極化格子を有する第 １０図を参照して与えられている。格子援用カプラは通常、３色ビームのそれぞ れのパワーを独立に制御し最適化することができるように３色波長の離隔距離よ りもすっと狭い帯域幅を有する。したがって、格子援用カプラは、３色ビームを 非常に効率的に同じウェーブガイド内で組み合わせるのに極めて適している。 ３色格子援用カプラ１０４０は、青光源および緑光源用の変調器と共に、青光 源および緑光源用の周波数二倍器と同じ基板チップ上に実施することが好ましい 。３つのダイオード・レーザ光源はすべて同じチップに結合することが好ましい 。また、すべての３つの色に同時にバイアス補正を施すために、場合によっては 同じチップ上の、ビーム・コンバイナの後に別の変調器を配置することができる 。バイアス補正とは、それぞれの異なる画素を励起する際にビームが横切るロシ ー・ウェーブガイドの長さがそれぞれの異なるためにコンバイナと様々な画素と の間で発生する光パワー垂下の体系的な変動を補償するのに必要な強度変調であ る。Ｅ．基板材料 ディスプレイ１００１用の基板材料１０２８は、固体材料、すなわち、ディス プレイ両面領域全体にわたってフォトリソグラフィック公差を維持できるほど平 坦に製造できる電子光学的に活性の材料である。分散（および画素）ウェーブガ イドは、この基板材料内と基板材料上のどちらかに製造される。好ましい実施形 態では、電子光学ＴＩＲスイッチは極化プロセスによって形成され、したがって 、基板と基板上の薄膜のどちらかは、電子光学的に活性の極化可能な材料でなけ ればならない。電子光学的に活性の適当な固体材料の例には、ＬｉＮｂＯ₃、Ｋ ＴＰ、ＬｉＴａＯ₃、ＳＢＮ、ＢａＴｉＯ₃などのバルク強誘電結晶のウェハ、ガ ラスやプラスチックなど、適当な支持材料上の極化電子光学ポリマーの薄膜、単 結晶被膜を成長させることができる構造のバルク結晶基板など、適当な支持材料 上のＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰ、ＬｉＴａＯ₃など強誘電結晶材料の薄膜で形成された 基板がある。 好ましい実施形態では、ニオブ酸リチウム１０２８（ＬｉＮｂＯ₃）のウェハ を使用する。ニオブ酸リチウムはブールの中で直径６インチまで成長する。電子 光学上活発という特徴を持った物質で、直径が大きく見える水晶体の中でシリコ ンに次いでコストが安い。Ｆ．分散ウェーブガイドおよび画素ウェーブガイドの構造 好ましい実施形態では、単一の分散ウェーブガイド１００６がすべての画素ウ ェーブガイドに接続され、分散スイッチを使用して、分散ガイドからの光が画素 ガイドに結合される。一般に、結合手段は、光を分散ウェーブガイドから画素ウ ェーブガイドに再経路指定する方法である。代替実施形態では、複数の分散ウェ ーブガイドを使用して分散ウェーブガイドのバスを形成することができる。画素 ウェーブガイドは並列し、ディスプレイ面積全体を充填し、それに対して分散ウ ェーブガイドは、画素ウェーブガイドに対して９０°など大きな角度をなし、デ ィスプレイ両面の１つの縁部に隣接する。 ウェーブガイド・パラメータ（幅、深さ、屈折率変化△ｎ）は、ウェーブガイ ドがすべての３つの色のために少なくとも単一のモードをサポートするように選 択される。最も短い波長の案内ビーム（４７０ｎｍ）は、最も長い波長のビーム （６３０ｎｍ）よりも波長が２５％だけ短いに過ぎず、そのため、同じウェーブ ガイド内ですべての３つの色の最下位モードのみをサポートするウェーブガイド を選択することができる。マルチモード・ガイドを使用することもできるが、こ れらのウェーブガイドに関連する放射損失が高くなればなるほど、高い入射パワ ーが必要になり、画面の背景ヘーズ（フレア）が増大する。 本発明で使用されるウェーブガイドは、上記で定義した基板材料のうちの１つ などの電子光学材料で製造される。好ましい実施形態では、ウェーブガイドは、 標準アニール陽子交換工程（ＡＰＥ）を使用してＬｉＮｂＯ₃で製造される。使 用できるＬｉＮｂＯ₃での代替ウェーブガイド製造工程は、チタン内部拡散工程 である。これらのウェーブガイド製造工程のどちらかまたは両方を、第３０図に よって説明したスイッチの製造時に使用することができる。他の基板材料には、 その材料に関して当技術分野で知られている異なるウェーブガイド製造工程を使 用することができる。Ｇ．分散スイッチ 分散スイッチ１００８の主要な要件は、オフにされたときに近零損失を有する ことである。案内光線が、数１００個の分散スイッチ内を伝搬する間に顕著な損 失を受けず、分散ウェーブガイド内の最後の分散スイッチに十分なパワーを与え ることが好ましいので、この要件はディスプレイ応用例に必要である。好ましい 実施形態では、ＴＩＲ反射スイッチを、すでに第３０図で論じた極化ウェーブガ イド・セグメントと共に使用して、この要件を達成する。他の主要な仕様は、分 散スイッチが光を約９０°だけ湾曲させ、最小ウェハ寸法内に大きなディスプレ イ面積を製造できるようにすることである。近９０°面内マイクロミラー・リフ レクタは、固定ミラーとも呼ばれ、入射ウェーブガイド９８４と、スイッチ９８ ５、マイクロミラー９７７と、射出ウェーブガイド９８６とを含む第３６図の部 分に示したように、第３０図のスイッチと組み合わせて使用される（非対称損失 ウェーブガイド・クロス９９７、追加スイッチ９８３、追加ウェーブガイド９８ ２は、最も簡単なディスプレイ・アーキテクチャでは必要とされない）。ＴＩＲ スイッチ９８５がオフのとき、極化領域は完全に透過的であり、ビームは引き続 き分散ウェーブガイドに沿って進む。第３０図で説明したＴＩＲスイッチ上に電 圧を配置すると、光は低損失でウェーブガイド９８４から画素ウェーブガイド９ ８６へ送られる。マイクロミラー９７７の好ましい実施形態用の製造技法につい ては上記で第３６図を参照して説明した。 代替切替手法を使用してウェーブガイドへの光パワー、ウェーブガイドからの 光パワー、ウェーブガイド間の光パワーを経路指定することができる。第３０図 ないし第３２図または第３４図ないし第３６図のＴＩＲスイッチを使用すること も、あるいは第３３図、第４６図、第４７図の案内波スイッチを使用することも できる。極化ＴＩＲスイッチや案内波スイッチの代わりに、非極化電子光学ＴＩ Ｒスイッチなど、従来技術の代替策を使用することができる。第７図、第１２図 、第１３図の格子スイッチも有用な代替策である。格子の代わりに、インターデ ジタル電極非極化電子光学スイッチなど、従来技術のスイッチを使用することが できる。第８図、第１２図、第１３図の４ポート・スイッチは、第９図の面外ス イッチ１６８や第１０図および第２６図ないし第２８図のウェーブガイド・カプ ラ・スイッチと同様に、ある種の特殊な構成で有用である。第２図ないし第６図 、第１４図ないし第１７図、第１９図、第２１図ないし第２３図の再帰反射スイ ッチは、上流側スプリッタと組み合わせて、再帰反射された光の一部を射出ウェ ーブガイドへ送る際に有用である。分散ウェーブガイド（または画素ウェーブガ イド）内を伝搬するパワーのかなり大きな部分を画素ウェーブガイド（または面 外リフレクタ）に結合する技法であるかぎり、従来技術の技法を含め（あるいは 、まだ発明されていない）他の切替技法を使用することもできる。Ｈ．画素スイッチ 画素スイッチ１０１６は、フラット・パネル画面を横切って二次元アレイ（一 般的な行および列として構成され、好ましくは直交配向され、独立にアドレスす ることができる空間点の任意のパターンとして定義される）を形成する。画素ス イッチ１０１６の主要な要件は、スイッチがオフにされたときに近零損失を有す るという点で、分散スイッチの要件に類似している。したがって、好ましい実施 形態では、すでに第３０図ないし第３２図を参照して説明した切替可能な全内部 リフレクタを使用して、必要な低損失動作が実行される。このスイッチは、画素 ウェーブガイドからの光パワーを再経路指定し、リフレクタ・ウェーブガイド内 へ送り、かつ面外リフレクタの方へ送るために使用される。代替実施形態では、 第７図および第８図を参照して論じた切替可能な格子リフレクタが使用される。Ｉ．面外リフレクタ 「面外リフレクタ」１０１８は、光学リフレクタ手段とも呼ばれ、本出願では 、表面平面から、表面法線の成分を含み、したがって表面平面から離れる方向へ 伝 搬する任意の方向への光の伝搬方向を変化させる一般的な機構を意味する。面外 リフレクタの基本要素には、光線の経路を横切る表面を横切って不連続な屈折率 を有する光エネルギー反射境界が含まれる。光線の波長を散乱させ、あるいは変 換する材料を面外リフレクタの一部として含めることもできる。「面外リフレク タ」の例には、鏡面ミラー、散乱ピット、結合格子、波長変換蛍光ターゲットが 含まれる。 ビームを低損失で画素スイッチから面外リフレクタへ送るには、下記で「リフ レクタ・ウェーブガイド」と呼ばれる射出ウェーブガイド・セグメント１０１７ が必要である。ウェーブガイド・セグメントが短く、１つの画素ウェーブガイド から隣接するウェーブガイドへ延びる程度なので、面外リフレクタはリフレクタ ・ウェーブガイド上の任意の場所に配置することができる。リフレクタの位置は 、反射される背景光の量を最小限に抑え、それによってコントラスト比を最大に するように最適化することができる。背景光の主要な原因は、ウェーブガイドの 壁の粗面からの散乱である。面外リフレクタは、ウェーブガイドの近くにある場 合、この散乱光の立体角を大きくし、ある画素がウェーブガイド切替システムか らアドレスされないときでもこの画素で「フレア」または背景照明を生成する。 最小フレアは、大部分のウェーブガイド散乱光が表面ウェーブガイドおよびリフ レクタのレベルよりも下方の基板内に透過する、２つの画素ウェーブガイドのほ ぼ中間に配置されたミラー位置で得られる。この位置では、隣接する２つのウェ ーブガイドからのフレアに対する寄与はほぼ等しい。 第６２図ないし第６７図を参照すると、面外リフレクタ１０１８のいくつかの 実施形態が示されている。面外リフレクタは永久構造であり、活動化される画素 は、画素スイッチの二次元アレイによって選択される。第６２図は、基板内で送 られる射出を含むＴＩＲ面外リフレクタ１１００の断面を示す。９０°回転ミラ ー１１０８は、入射ビーム１１１０を射出ビーム１１０４として基板１１０１を 通じて背面１１１２の方へ反射させる。ミラー１１０８は、全内部反射を行うこ とも、あるいは適切な反射コーティングを有する良好なリフレクタとして機能す ることもできる。拡散画面１０２６、または任意選択に蛍光層１１１３を表面１ １１２上に被覆することができる。画素スイッチから出て回転ミラーに入射した 画素ビーム１１１０は、リフレクタ・ウェーブガイド１０１７または１１０２内 を伝搬することが好ましい。ウェーブガイドは、ビームを２つの次元に拘束し、 ウェーブガイド・モードに整合するビーム・スポットをミラー上に生成する。ミ ラーの周りの領域では、ウェーブガイドによってビームを拘束する必要はなく、 あるいは結晶の表面にある平面ウェーブガイドにビームを拘束することができる 。１００％ウェーブガイド充填密度の場合、永久チャネル・ウェーブガイドを形 成することはできない。この状況では平面ウェーブガイドが望ましく、あるいは 入射ビーム１１１０は、介在領域内のウェーブガイドによって拘束されすに極化 ＴＩＲから直接伝搬することができる。 ミラーは平坦であることが好ましく、入射ビームは、入射角４５°で鏡面ミラ ーから反射し、基板内の、結晶の表面に垂直な方向に現れる。反射されたビーム は、標準ガウス・ビーム伝搬理論に従って発散し、基板の底面１１１２ウェーブ ガイドにスポットを生成する。ミラーにおける直径４μｍのスポットによって、 厚さ０．５ｍｍのニオブ酸リチウム結晶の背面に直径３６μｍのスポットが生成 される。 好ましい実施形態は、拡散画面１０２６上の各画素の強度ｌ／ｅ²のビーム直 径に重なり合う。基板１１００が薄すぎてこの重なり合いを達成することができ ない場合、適当な厚さの光透過性支持材料上に基板１１００を取り付け、所望の 重なり合いを達成することができる。支持材料の例には、ガラス、プラスチック 、二酸化ケイ素が含まれる。別法として、ｌ／ｅ²のスポット寸法の完全な重な り合いは、ミラー表面１１０８が平坦ではないが、ｌ／ｅ²の直径を所望の寸法 に拡張するのに適した曲率半径を有する場合、あるいはビームを画面１０２６上 で所望の寸法になるように拡散するのに十分な粗度でミラー自体を製造する場合 は、より低いニオブ酸リチウム表面上で達成することができる。他の実施形態で は、底面１１１２が、ウェーブガイドおよび面外リフレクタによって案内された 光による励起の後に所望の表示色で放射する任意選択のリン層または染料層１１ １３で被覆される。たとえば、リン層はまた、独立の拡散画面を不要にする。 第６２図に示した回転ミラー１１０８は、レーザ・アブレーション、反応性イ オン・エッチング（ＲＩＥ）、反応性イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＢＥ） 、 イオン・ビーム・ミリング、ウエット・エッチングングを含め、様々な技法を使 用して製造することができる。好ましい製造技法はウエット・エッチングであり 、この技法について下記で説明する。標準フォトリソグラフィック技法を使用し て、材料にクロム・マスクを転写する。次いで、ニオブ酸リチウム基板を温度約 ８０℃のフッ化水素酸の槽に数時間入れておく。エッチング時には槽の撹拌を厳 しく制限するよう注意が必要である。各ピットの底部では物質移動速度が低いた めにエッチング速度が制限され、それに対して縁部では、エッチングされたイオ ンの物質移動速度が高いためにエッチング速度が高い。多くの材料は基本的に、 自然平面に沿ったエッチングをいくらか好み、したがって、角度付けすべき回転 ミラーをこれらの自然平面のうちの１つに整列させる場合、結果的に得られるエ ッチング表面の残留粗度は低くなる。 代替製造技法として、サンプルと同時にエッチングされるマスクを用いてエッ チング壁の勾配を制御することができる。ミラーの縁部にあるマスクの微細形状 に勾配付けすることによって、エッチング時に、関連する勾配を基板に転写する ことができる。この微細形状は、マスク、エッチングの組成、撹拌速度を変化さ せることによって制御することができる。 エッチング・ピットの形状も、陽子交換または極化により、エッチングすべき 領域の組成を変化させることによって制御することができる。ニオブ酸リチウム における陽子交換済み領域は、バージン結晶よりも高速にエッチングされること が知られている。陽子交換済み基板をアニールすることによって、エッチング速 度が交換済み微細形状を横切る方向へ変動し、そのため、エッチング工程によっ て傾斜表面が形成される。陽子交換量およびアニール温度を調整することによっ て、この表面の厳密な形状を修正することができる。 ミラーは、パルス・レーザ・アブレーションによって形成することもできる。 エキシマ・レーザ光源用のアルミニウムなどの反射性材料で基板材料をマスクす る。コリメートされたレーザ・ビームを基板表面に対して４５°の角度に送り、 シャドーイングによって傾斜ファセットを形成する。レーザ・ビームは、一度に 単一のミラーをカバーする小さなスポットを形成し、あるいは線を形成する。後 者の場合、ビームはミラー行を一度に横切って走査される。界面材料の粗度を最 小限に抑えて鏡面ミラーを形成するように各レーザ・パルスの継続時間およびエ ネルギー選択することができ、その後、軽いフッ化水素酸エッチングを用いてミ ラーを平滑化することができる。 ミラーは、イオン・ビーム・ミリング、または場合によってはＲＩＢＥを用い て同様に形成することができる。サンプルをビームに対して４５°の角度に取り 付けることができるように、サンプルからある距離の位置でコリメート・イオン 源を除去しなければならない。この種のエッチングでも粗面が形成され、必要に 応じてフッ化水素酸エッチングを用いてこの粗面を平滑化することができる。上 記の技法の任意の組合せを効果的に使用して、リフレクタをよりうまく制御し、 あるいはより迅速に形成することもできる。 第６２図のミラーおよびウェーブガイドは、酸化アルミニウムなどの低屈折率 材料１１０６の光透過層のオーバーコートで保護することが好ましい。この材料 は、ディスプレイの３つの色に関する反射の角度帯域幅にわたってミラーの全内 部反射が起こるほど低い屈折率を有する。酸化アルミニウムを上塗りされたニオ ブ酸リチウム基板の場合、全内部反射は、約３６°よりも大きな入射角で起こる 。表面１１０８がＴＩＲリフレクタではない場合、従来型の技法によって表面１ １０８に高反射コーティングを施すことができる。 第６３図は、ウェーブガイド１１０２内を伝搬する光が結晶内のピットのため に散乱する、面外リフレクタの代替実施形態を示す。散乱ピット１１１６は、ミ ラーの機能と拡散体画面の機能を組み合わせる。この実施形態では、各画素から の光が、基板内で散乱し、結晶の対向面から出る。散乱光の主テーパ角度１１１ ４が３６０ＴＩＲ角を超えず、そのため、大部分の光が基板から出てビューアの 方へ向かうことが好ましい。下面に反射防止コーティングを施し、反射のための 光パワー損失を低減させることができる。 散乱ピット１１１６は、撹拌ウエット・エッチングング工程によって形成する ことが好ましい。案内されるビーム１１１０が基板の表面にほぼ垂直な中心散乱 角度で散乱するように、ピットの縁部での平均ピット角度は約４５°であること が好ましい。ウェーブガイドと表面法線とを含む平面のピットのふくらみ率は、 基板の外部で所望の範囲の視角が得られるように最適に調整される。ピットは、 表面の平面において円形または楕円形であるのて、ウェーブガイド１１０２の両 側から散乱する光は、この部分の平面に直交する平面でも発散する。表面の平面 のピットの曲率を前述のふくらみ度とは独立に調整し、それによってほぼ方形の 画素領域を得ることができる。ピット表面がかなり粗である場合、光の拡散によ って与えられる追加発散によって、前述の２つの最適な曲率が減少する。散乱光 １１１４の所望のテーパ角度が大きい場合、撹拌エッチング工程によって（ある いはエッチングの温度を上げることによって）ピットの表面を粗にし、それによ って所望の拡散反射表面を形成することができる。代替策として、レーザ・アブ レーションまたはイオン・ビーム・アブレーションを使用してピットを作製する ことができる。すれすれ入射背景光を優先的に吸収することによってコントラス ト比を向上させる任意選択の吸収層１１６８が背面に示されている。この層の、 垂直入射ビーム１１０４または１１１４の吸収率は、輝度が過度に高くならない ように約５０％よりも低いことが好ましい。 第６４図は、入射ビームが結晶の頂面から反射される、面外リフレクタの代替 実施形態を示す。ミラー１１２６は、１枚の平坦な４５°勾配壁と１枚の垂直壁 とを含むリフレクタ構造からなり、これらの壁の間では、基板から材料が除去さ れている。入射ビーム１１１０は、リフレクタ構造の垂直界面１１２２に進入し 、構造を横切って伝搬し、４５°勾配壁から反射する。反射ビーム１１２４は基 板の頂面から出て、拡散画面を照明する。このリフレクタ構造は、第６２図で説 明した構造と同じ方法で製造することができる。表面１１２６の反射を最適化す るには、アルミニウムなどの反射コーティングを表面に上塗りすることができる 。このコーティングは、表面１１２２が影になり、したがって被覆されないよう に９００よりも小さな角度１１２１で塗布すべきである。垂直表面１１２２には 反射防止コーティングを施すことが好ましく、これは、コーティング工程中に、 表面１１２２が露出されるように基板１１００をある角度に保持することによっ て行うことができる。最後に、二酸化ケイ素や酸化アルミニウムなどの光透過層 １１０６をサンプルに被覆することができる。表面１１２６を粗にし、あるいは 湾曲させ、あるいは粗にすると共に湾曲させ、そこから放出される光の発散を高 めることができる。 第６５図は、散乱ピットが結晶の頂面から光を送り出す、結晶の平面外への結 合を行う代替実施形態を示す。第６４図の場合と同様に、入射ビーム１１１０は 、垂直界面を通過してリフレクタ構造に入り、エッチング領域の対向側の湾曲散 乱界面から散乱する。コーティング１１０６を通じて現れる散乱ビーム１１３４ は、２πステラジアンの全ビューイング・コーンに関してランベルト分布を有す ることが好ましい。ビームの入射角および湾曲の形状に関する要件は、第６３図 の基板の散乱ピットの同じ要件と同じである。 第６６図は、第５９図に示した画素スイッチ１０１６と散乱ピット１０１８の 組合せの代替実施形態を与えるものである。この実施形態では、第５０図および 第５１図を参照して論じた可変強度光源を使用して発光画素が形成される。（第 ５９図の画素ウェーブガイド１０１４に相当する）ウェーブガイド１４０２内を 伝搬する光線１４０６は、第５９図の画素スイッチに相当する画素切替領域１４ ２０（または１４００）に進入する。切替領域１４２０への電圧をオフにした場 合、ビームは射出ウェーブガイド１４０８によって案内される。射出ビーム１４ １０は次いで、次の画素切替領域へ伝搬する。電圧をオンにすると、切替領域１ １４８内の二次元ウェーブガイドが破壊され、光は、前述のように平面ウェーブ ガイド１４０９内を伝搬する。光線は、第６６図に１４１１で示したように１つ の次元で自由に拡張する。切替領域１１４８から最適化伝搬距離で、ビーム直径 は、散乱ピット１０１８を使用してビームの有意部分をビューアの方へ結合でき るほど拡張する。この散乱ピットは、上記で第６３図ないし第６５図を参照して 論じた構成のものでよい。第６６図には、効率を最大にする２つの散乱ピット１ ０１８が示されている。この実施形態は、効率を係数２だけ低減させるが、単一 の散乱ピットと共に機能する。 この切替構成の要件は、ウェーブガイドと散乱ピットの縁部との間の距離１４ １３を、射出ビーム１４１０が散乱ピット１０１８を通過する間に顕著な散乱損 失を受けないほど大きくすることである。この要件は、最小充填密度を確立し、 実施形態の効率を制限する。ビーム１４１１の回折角度θはウェーブガイドの幅 が小さいほど大きいので、充填密度は、ウェーブガイド１４０２の幅を減少させ ることによって増加させることができる。 エッチング・ピットには蛍光体ターゲット手段を充填することもできる。蛍光 体ターゲット手段は、光学励振器の光線の１つまたは複数の光子を吸収し、同じ 波長または異なる波長で光エネルギーを再放出する、固体または液体の材料であ る。３色ディスプレイでは、各色を異なるエッチング・ピット内の異なる蛍光体 ターゲット内で生成することができる。そのようなシステムでは、単一の照明波 長を使用してすべての蛍光体ターゲットを励起することが好ましい。エッチング ・ピットを含む蛍光体ターゲットは、大部分の入射ビームが蛍光体ターゲット自 体に吸収され、入射ビームの残りの部分がピットから、あるいはビューアの方へ それほど反射しないように最適に構成される。前述のピット曲率および粗度に関 する制約は、蛍光体ターゲット・ピットには関係しない。逆方向へ送られる蛍光 がビューアの方へ再帰反射されるように、ビューアから離れた蛍光体の背面にリ フレクタを組み込むことが好ましい。 直接照明と蛍光体ターゲット手段の組合せを使用して３色ディスプレイを作製 することもできる。たとえば、蛍光体ターゲットから１色（たとえば、青）だけ 放出させ、赤色または緑色を生成することができる。したがって、（第６２図な いし第６７図に示した面外ミラーのうちの１つを使用して）青色を直接表示し、 他の２色を２つの蛍光体内で形成することができる。別法として、青と赤と第３ の周波数ビームのうちの１つで蛍光体をポンピングすることによって緑ビームが 生成される間に、赤ビームと青ビームを直接表示することができる。 本発明の代替実施例は、アップコンバーティング蛍光体ターゲット材料または アップコンバーティング材料を画素位置で使用することを含む。本発明のウェー ブガイドを通じて赤外線光が移送され、本明細書でアップコンバーティング・エ ージェントまたはアップコンバータと呼ばれる波長アップコンバーティング材料 を塗布または充填された画素位置へ切り替えられる。アップコンバーティング材 料には、結晶宿主希土イオン、、染料、希土ドープ・ガラスなどの標準蛍光体が 含まれる。このようなエージェントは、直接励起を通じ、単一の波長または複数 の波長を使用し、２つ以上の赤外線光子を吸収することによって、赤外線を可視 光に変換する。したがって、低強度のとき、放出強度は、ポンプ・レーザ強度の 平方または高次累乗に比例する。蛍光体が、通常は数Ｗ／ｃｍ²の値で飽和する と、画素強度はレーザ・パワーに正比例する。結晶宿主内のＹｂ³⁺−Ｅｒ³⁺、Ｙ ｂ³⁺−Ｈｏ³⁺、Ｙｂ³⁺Ｔｍ³⁺などの蛍光体は、赤外線励起を用いて青色光、緑色 光、赤色光を生成することができるアップコンバージョン方式の例である。これ らの蛍光体の赤外線・可視光変換係数は１０％を超えることが判明しており、励 起帯域は市販の赤外線レーザ・ダイオード波長とうまく重なり合う。本明細書の 他の箇所で説明したように、励起ビームを空間的または時間的、あるいはその両 方の点で多重化し、画素上に収束させることができる。 本発明では、赤外線レーザ光が、アップコンバーティング・エージェントが付 着している特定の画素位置へ送られる。アップコンバーティング・エージェント は、スピン・コーティングやスパッタリングなどの標準コーティング技法を使用 し、任意選択でその後にマスク・エッチングなどのパターン化技法を使用して付 着させることができる。この装置の一実施形態では、赤外線光がウェーブガイド を介して画素位置へ送られる。この場合、ウェーブガイドは、アップコンバーテ ィング・エージェントが付着しており、光の強度が最も高くなる領域または空洞 で終わる。このような領域または空洞は、励起光の蛍光体への結合を向上させる ように表面反射を修正し、かつ蛍光体からの放出の立体角を修正するように被覆 することができる。別法として、面外リフレクタを使用して、蛍光体が離散ドッ トとして付着しているディスプレイのエッチング表面または非エッチング表面、 あるいは場合によっては、表面で偏向された赤外線ビームの寸法によって画素寸 法を判定するための表面層へ、案内された赤外線光を反射させることができる。 すべての実施形態に関して、不透明被膜を付加して非画素領域を充填することに よって、よりうまく画素領域を画定し、赤外線および可視光の背景散乱をなくす ことができる。 アップコンバータが可視光を生成するには２つ以上の光子が必要である。励起 光の強度は、励起光が最も拘束される画素位置で最高なので、ウェーブガイドお よびスイッチの損失からの可視光背景散乱は強力に抑制され、ディスプレイに固 有に高いコントラスト値が与えられる。このようなエージェントの励起レベルは 比較的広いので、レーザ波長の安定化は必要とされない。アップコンバーティン グ・エージェントのルミネセンスはインコヒーレントであり、したがってレーザ ・スペッックルに関連する問題も解消する。赤外線光をウェーブガイドを通じて 送ることの他の利点は、大部分の電子光学活性材料が、近赤外線においてより高 い損傷しきい値を有し、したがって可視光よりも高い赤外線光強度に耐えること ができることである。 １つまたは複数の蛍光体あるいは染料、あるいはその両方をディスプレイで使 用して、単色ディスプレイまたはカラー・ディスプレイを作製することができる 。レーザ励起には、単一波長ビームを用いることも、あるいは複数のレーザおよ びレーザ波長を用いることもできる。変形形態には、単一のレーザから複数の波 長を生成することと、単一の蛍光体から複数の色を生成することが含まれる。単 一の蛍光体が、その蛍光体を励起する光学ポンプ・ビームの強度、タイミング、 波長に応じて、複数の色を放出することができる。したがって、この蛍光体を含 む画素の色は、その蛍光体に入射するクロス乗積強度に応じて選択することがで きる。たとえば、所与のアップコンバーティング・エージェントが、ビーム１か ら得た２つのＩＲ光子による励起から青を生成し、ビーム１および２のそれぞれ から得た１つの光子による励起から緑を生成する場合、青強度および緑強度はそ れぞれ、Ｉ₁ ²およびＩ₁Ｉ₂に比例する。ここで、１₁および１₂はそれぞれ、ビー ム１および２の強度である。この手法は、周波数二倍器を不要にし、赤ビームが 、赤（ＡｌＧａＩｎＰ）ダイオード・レーザから直接生成される。 すべてのディスプレイ実施形態で、励起レーザは、連続波（ＣＷ）であってよ く、あるいは、パルス反復周波数が画素切替速度の倍数であれば（あるいはその 速度よりもずっと高ければ）、パルスすることもできる。しかし、非線形に励起 される蛍光体を用いる場合、レーザをポンピングすることによって得られる変換 効率の正味利点がある。蛍光体励起では、画素強度および色に対する時間的な制 御も可能である。蛍光体は、最初の単一光子励起から数マイクロ秒にわたって存 在し続けることができる中間エネルギー準位を有し、したがって時間多重化によ って画素放射輝度を制御することができる。蛍光体励起方式では、最初に１つま たは複数の赤外線光子のために発生したエネルギー準位を直接より高い準位に高 め、次いでこの準位が可視光を放出し、あるいは緩和して放出することも、ある いは最初に１つまたは複数の赤外線光子のために発生したエネルギー準位が、最 初の励起の後により低いレベルに緩和し、その後他の準位に励起され、それぞれ の異なる波長で可視光を放出し、あるいは緩和して放出することもできる。パル ス励起では、より高いピーク・パワーがエージェントを飽和させ、したがって信 号・光処理要件を緩和することができる。 そのような蛍光体ターゲットを使用するカラー・ディスプレイには、少なくと も１つのレーザと、それぞれの異なる排出波長を有する複数の蛍光体ターゲット 、あるいは複数のレーザと、複数の励起波長および放出波長を有する単一の蛍光 体ターゲット、あるいは複数のレーザおよび蛍光体ターゲットが必要である。カ ラー・ディスプレイ・マトリックス内の複数の蛍光体ターゲットを、単一のウェ ーブガイドからアドレスされる単一の位置として組み合わせることも、あるいは 組み合わされた単一画素要素を形成するために別々にアドレスされる隣接領域と して分離することもできる。 蛍光体ターゲット・ベースのカラー・ディスプレイの好ましい実施例では、１ つのレーザを使用して３つの原色のそれぞれのための１つの蛍光体が励起される 。ウェーブガイドおよび切替構造は、３つのレーザ波長のそれぞれを別々の分散 アレイを通じて蛍光体画素ターゲットヘ送ることができるが、この場合、有効充 填密度は単色ディスプレイの場合よりも３倍低くなる。好ましい方法は、同じ分 散アレイを通じて複数のレーザ波長を分散し、赤色光、緑色光、青色光を生成す るために１つの波長または波長の組合せによって排他的に励起される蛍光体選択 することである。レーザ・ビームは、第６１図のビーム・コンバイナを使用して 単一のウェーブガイドに結合することも、あるいは第３０図を参照して説明した ＴＩＲスイッチを使用して共通バストして時間多重化することもできる。 面外リフレクタの代替実施形態を第６７図に与える。この実施形態では、面外 格子カプラ１１４６を使用して、画素ビーム１１４４が基板表面にほぼ平行に送 られる。単一モード入射ウェーブガイド１１０２は、マルチモード・ウェーブガ イド部１１４３に結合される断熱膨張部１１４２を有することができ、この断熱 膨張部１１４２では、最下位モードのみが励起される。マルチモード・ウェーブ ガイド部の上方に配設された永久格子１１４８は、結晶の表面に垂直に光を散乱 させるように位相整合される。格子は、屈折率によって実施される格子構造であ り、この場合、格子は、当技術分野で知られている方法を使用してウェーブガイ ドのコア層とクラッディング層のどちらかで一般的な屈折率不連続パターンを形 成することによって作製される。屈折率不連続性は、たとえばウェーブガイドの コアまたはクラッディングでのパターン化イオン注入工程により、あるいはパタ ーン化誘電構造をクラッディング層として付着させることによって形成すること ができる。多数の空間モードを用いてマルチモード・ウェーブガイドを励起する 場合、大部分のモードに関する位相整合を可能にするように格子の周期を長さに 沿って「チャープ」または調整し、それによって結合効率を向上させることがで きる。散乱ビームの強度が空間的に所望のパターンに調整されるように、格子の 強度を格子の長さに沿って変化させることができる。 格子は、基板の表面とウェーブガイド・クラッディング層のどちらかをエッチ ングすることによって作製され、その場合、可変格子強度は、エッチングされた 溝の変調の深さを格子長に沿って変化させることによって達成することができる 。このことは、各周期のマスクのデューティ・サイクルを格子を横切って変化さ せることによって達成することができる。エッチングは、より狭い領域内のより 低い物質移動によってより浅いエッチが行われるように非撹拌ウエット・エッチ ングであることが好ましい。また、格子から回折されたビームの寸法および開き が両方の次元でほぼ同じになるように、ほぼ格子の長さに合致するマルチモード ・ウェーブガイドの幅を選択することが好ましい。前述のようにデヒューザ画面 を面外格子ミラーから所望の距離に配置し、照明の所望の開きを生成することが できる。格子は、二酸化ケイ素などの光透過材料１１０６の保護膜を有すること が好ましい。格子を作製するには、ホログラフィやビーム・リソグラフィなどの 直接書込み技法を使用して基板をマスクすることができる。 フレアを低減させ表示コントラスト比を増加させるには、光学偏向器または吸 収器を使用することができる。光学偏向器または吸収器は、普通ならリフレクタ にぶつかりフレアを生じさせ、コントラスト比を低下させる背景光を偏向させる ように面外リフレクタの周りに配置すべきである。各偏向器または吸収器は、少 なくとも１つの面外リフレクタを影にするように最適に配置される。背景光の主 要な原因は、ウェーブガイドの漏れなので、大部分の背景光は、画素ウェーブガ イド１０１４内の光とほぼ同じ方向へ伝搬する。したがって、偏向器または吸収 器は、大部分の背景光を遮断することができるように、少なくとも、背景光の伝 搬の主方向の上流側に配置される。第６８図は、面外ミラー構造１１５２および リフレクタ・ウェーブガイド１１４９の一端を囲む光学偏向器または吸収器１１ ５３を含む画素領域を示す。前述のように、画素ウェーブガイド１１４７内の光 は、画素スイッチ領域１１４８内のリフレクタ・ウェーブガイド１１４９に切り 替えられる。偏向器または吸収器領域１１５３は、面外リフレクタ領域１１５２ 全体を影にするのに十分な深さである。偏向器または吸収器領域１１５３が吸収 器層である場合、吸収器の吸収率および厚さは、面外リフレクタの方へ伝搬する 光を顕著に減衰させるように調整される。偏向器または吸収器の設計は、どちら の装置も背景光を像方向へは偏向させないので、面外リフレクタの向きに依存す る。偏向器は通常、光を像方向から対向方向へ偏向させるように設計される。 第６９図は、背景光を装置１１５５の表面から偏向させる光学偏向器１１５７ を示す。この場合、面外リフレクタ１１５２は、第６２図および第６３図の場合 と同様に基板を通じて像光を送るように配向される。偏向器１１５７は、第６４ 図および第６５図を参照して説明した面外リフレクタ１１３０または１１４０の 設計に類似している。背景光１１５６の反射成分が前の画素上のフレアに寄与す ることがあるので、偏向器の垂直面１１５４からの反射を最小限に抑えることが 好ましい。傾斜表面１１５８は、垂直表面を透過する光を反射または吸収し、あ るいはその両方を行うように被覆される。このように、偏向器１１５７を貫通で きる光はない。偏向器１１５７の深さおよび幅を面外リフレクタ１１５７よりも 大きくし、リフレクタを偏向器の影になるように配置する（しかし、切り替えら れた表示ビームによってリフレクタの照明を著しく干渉するほど近づけない）こ とによって、隣接する画素上のフレアが最小限に抑えられる。基板内を伝搬する 背景光を減少させるために、基板の背面上に任意選択の光学吸収器層１１６８が 配設される。表示光線１１１４は、経路長が短いので層１１６８に部分的に吸収 されるに過ぎないが、背景光は、斜めに伝搬し、より長い経路長にわたって吸収 器に強く吸収される。 第７０図は、背景光を装置１１６３の基板内に偏向させる光学偏向器１１６１ の断面を示す。この構成は、像光１１２４を装置１１６３の表面から送り出すよ うに面外リフレクタ１１５２を配向させるときに使用される。偏向器１１６１は 、第６４図および第６５図を参照して説明した面外リフレクタ１１００および１ １２０の設計に類似している。この場合も、面外リフレクタ１１５２は偏向器１ １６１の影１１５９になるように配置され、背面吸収器層を使用することができ る。 第７１図は、面外リフレクタ１１５２の上流側に配置された光学吸収器１１６ ６の断面を示す。吸収器の全光学密度および全光学長は、吸収器内を伝搬する光 波の強度を著しく低減させるほど高い値にすべきである。基板に対する吸収器の 屈折率変化も、無傷の基板と吸収器領域との間の界面での反射を回避するように 低い値にすべきである。残留反射の効果は、表示方向と他の画素の方向の両方か らかなり離れた方向へ光を反射するように吸収器領域の入射面を配向させること によって最小限に抑えることができる。 吸収器層は、クロムなどの吸収材料を所望の領域内で内部拡散し、あるいは基 板表面内に作製された偏向器／吸収器部分内に光学的に密な材料を付着させるこ とによって製造することができる。 光学的偏向器または吸収器は、分散ウェーブガイドと画素アレイとの間に配置 することができる。分散ウェーブガイドによって生成された背景光を通過させる ことができるギャップが残るように、偏光器／吸収器は画素ウェーブガイドに交 差しないようにしなければならない。しかし、これらの偏光器／吸収器はそれぞ れ、それらの影がすき間なしに重なり合うように分散ウェーブガイドに対して斜 めに傾斜させることができる。分散ウェーブガイドによって生成された背景光の 残りの部分は、基板を通過し基板の背面と遠い側のどちらかにぶつかる。背面に ある吸収器平面は、斜めに伝搬する背景光を有効に低減させることができるよう に構成することができる。背景光を基板から抽出し、効率的に捕捉し吸収するこ とができるように、基板の遠い側の縁部に反射防止コーティング（または場合に よっては吸収コーティング、あるいはその両方）を施すことができる。 ウェーブガイドから漏れた光のうちの多少の光が、基板の対向側１１１２から 跳ね返り、何度もフレア問題に寄与することがある。散乱層として直接使用され 、あるいは蛍光体または染料からなる光学接触層を被覆された表面１１１２のな い 実施形態では、この表面に吸収コーティングを施しフレアを低減させると有利で ある。このことを第６３図、第６４図、第６５図、第６９図、第７０図の吸収層 １１６８によって示す。しかし、界面からの反射を最小限に抑えるために、コー ティングに関連する屈折率変化を小さくしなければならない。さらに、表示方向 が基板を通過する方向である場合、表示光を著しく減衰させるべきではない。こ の３つの目的はすべて、基板の背面で内部拡散クロム層を使用して満たすことが できる。クロム内部拡散は、可視領域の吸収強度のスペクトル変動はほとんど伴 わなわずに、可視領域全体にわたって光を強く吸収する。ニオブ酸リチウムの底 部層を最初の８ミクロンにわたって１０ｗｔ％クロム層で内部拡散する場合、可 視スペクトルを横切る表示光の吸収率はほぼ平坦であり、光損失は６％である。 これは、無視できるほど小さな値である。しかし、背景光は、ウェハの平面から 約３°以内を伝搬し、約３００ミクロンの吸収器を通過し、９０％だけ減衰され る。所望のクロム層を作製するには、背面上で約５００ｎｍのクロムを蒸発させ 、その後約１１００℃で約３０分間焼き付ける必要がある。これらの数値は、他 の製造パラメータの補償調整に応じて、どちらかの側で係数２または３だけ変更 することができる。最後に、第６４図、第６５図、第６７図に示したように基板 の表面から表示光を抽出する場合、完全に不透明な材料を表面全体に（低損失バ ッファ材料上に）被覆し、面外リフレクタの開口部のみを残すことが望ましい。 これは、ウェーブガイドやスイッチなど、リフレクタ間の領域からフレアをなく する利点を有する。Ｊ．電極 第７２図は、ディスプレイの好ましい実施形態に関する画素電極構造１０６５ の図を示す。各電極１１６４は、それぞれ、第３４図の電極９２２内に示した画 素セグメントに類似しており、すべて、複数のウェーブガイド１０１４または１ １６２を横切るアレイとして電気的に取り付けられた複数の画素セグメントから なる。第７２図では、このアレイは線形行であり、複数の電極が、線形励起電極 アレイを形成するように互いに隣接して配置されている。各画素電極は、ＴＩＲ 界面を形成する極化境界、および切替ウェーブガイド・セグメントの上方に配置 される。また、各画素電極は、極化境界を越えて、隣接する画素用の第２の電極 を形成することができる延長部分へ延びる。極化領域、リフレクタ・ウェーブガ イド、面外リフレクタは第７２図には示されていない。一対の電極を使用して単 一行内のすべてのリフレクタを活動化することが好ましい。大部分の電極は、所 定の時間に、単一の電極のみを駆動電圧に励起することによって接地することが でき、その場合、電界は主として、励起された電極およびその２つの近傍電極に よって決定される。電極は、単一の行内のすべてのスイッチが電気的に接続され るようにジグザグ構造を有し、隣接する電極どうしは交差しない。 パネル表面上の電極からの無線波の生成を低減させるには、ＲＦ低減接地平面 を付加することができる。これを行うには、基板の処理済み表面に、高誘電強度 を有するスペーサ材料を被覆する。面外リフレクタが光を基板の頂面から送り出 す場合、スペーサ材料はまた、光透過性であり、あるいは面外リフレクタの位置 に穴を有さなければならない。キャパシタンスを最小限に抑えるためにスペーサ 層の厚さを電極の離隔距離よりも大きくすることができ、スペーサ層には、接地 平面を形成する導電材料層が上塗りされる。代替策として、導電材料は、たとえ ばインジウム酸化スズなど、光透過性の材料でよい。Ｋ．電子制御 特別設計の電子機器を使用してディスプレイが駆動される。好ましい実施形態 に必要な電子機器は、（１）レーザ・ダイオード・ドライバおよび光パワー・コ ントローラ、（２）変調器、（３）ウェーブガイド経路指定電子機器、（４）中 央コントローラの４つのサブセットに分割される。 レーザ・ダイオード・ドライバは、赤光源、緑光源、青光源用の一定の光パワ ー射出レベルを維持する責任を負う。レーザ自体を変調する場合、一定のパワー ・レベルとは、指定されたグレー・スケール励起でのパワー・レベルを指す。半 導体ダイオード・レーザをオンにするには約２Ｖの電圧が必要であり、それに対 して、必要な電流は、画面の寸法および光度の関数である所望の射出パワーに依 存する。すべての３つのダイオード・レーザ波長、ならびに周波数が２倍の波長 、およびグローバル・ウェーブガイド変調器の後などその他の主要な点でのパワ ー を測定するためにフォトダイオードが配設される。制御電子機器は、ダイオード ・レーザの最大射出パワーを周期的にサンプルし、緩慢なエージング効果にもか かわらずダイオード・レーザの射出パワーを一定に維持するように最大供給電流 を調整する。ディスプレイの動作内のパワー測定を同期させる必要があるので、 この機能はおそらく、中央コントローラによって中継される（実際にコントロー ラで行うことができる）。レーザ・ドライバは、ダイオード・レーザのそれぞれ の周波数二倍器がもしあれば、その受け入れに対するダイオード・レーザの光周 波数も制御する。レーザ周波数または周波数二倍器の中心周波数がドリフトする 場合は、最大２倍パワーが最適化されるまで周波数二倍器の中心波長に対してフ ィードバック格子の中心波長を同調させる。レーザを連続非変調電流で駆動する 場合、フィードバック・ループによって相対周波数を制御することができる。レ ーザ・パワーを変調する場合、変調をそれほど干渉せずに周波数を検知しなけれ ばならないので、周波数コントローラはより複雑でなければならない。この場合 、周波数制御は、ディスプレイの連続ラインまたはフレーム間など、レーザ光が 表示されない「デッド」時間中にもっともうまく行うことができる。レーザ・ダ イオードへの電流も、表示輝度を最適化するように制御される。ディマ制御機構 は、最大値よりも低い表示輝度が必要なときに総電流を３つのレーザ・ダイオー ドに調整する。また、それぞれの異なる波長でのパワーの比が最適ではない場合 、色合い制御機構および色相制御機構、または第２のフィードバック・ループ、 あるいはその両方を用いて、レーザ・ダイオードの電流を互いに調整することが できる。 各表示色ごとに１つの３つの変調器は、ディスプレイを横切るすべての画素に おけるパワーおよび色を制御する。これらの変調器は、各色チャネルごとに１つ の場合に最もうまく構成される。好ましい実施形態では、非線形電圧・反射率関 係を有する電子光学変調器を使用する（第３０図の技法）ので、各ビットごとに 必要な電圧は、参照テーブルから判定することが好ましい。しかし、電圧・反射 率関係がその範囲の大部分にわたって指数関数的グレイ・スケール・強度関係を 近似するので、変調器は、電圧とグレー・レベルとの間にほぼ線形の関係を与え る。ディスプレイの画素は連続的に走査され、各色変調器は、各画素での色成分 に適切な強度を同時に与える。好ましい実施形態には、本出願ではバイアス変調 器と呼ばれ、組み合わされた３色ビームの強度を変調する、第３の変調器もある 。バイアス変調器の目的は、レーザと画素との間のウェーブガイドの可変長の損 失を補償することである。この変調器は、ウェーブガイド長の変動から分析的に 導かれる参照テーブル補償データに応じて駆動することができる。参照テーブル ・データは、光学欠陥を含め、体系的効果と非体系的効果の両方のための損失の 不規則性を補償できるように、所与の生産用装置の測定から導くこともできる。 別法として、バイアス変調は、３つの色チャネルのそれぞれにおける独立の変調 器で（ビデオ変調とは独立に）行うことも、あるいはビデオ変調と組み合わせて 、上記で説明したビデオ色変調器で行うこともできる。 ウェーブガイド経路指定電子機器は、スイッチ作動のシーケンスを制御する。 分散ウェーブガイドに沿って伝搬する光は、８０Ｈｚフレーム速度を有する簡単 なＶＧＡアーキテクチャでは約２４．６ＭＨｚの画素速度で順次、画素（列）ウ ェーブガイドに切り替えられる。作動中の行電極は、列が走査される際にどの画 素行が照明されるかを判定する。行は、比較的低速で、たとえば簡単なＶＧＡア ーキテクチャの場合には約３８．４ｋＨｚで切り替えられる。短い分散電極のキ ャパシタンスは長い画素電極のキャパシタンスよりもずっと低いので、最も高速 に切替を行い、ディスプレイに必要な駆動電流を最大にする分散コントローラが 選択されている。列を切り替えるうえで分散電極が好ましいのはこのためである 。キャパシタンスの高い画素行電極は低速で動作する。両方の制御機構に関する スイッチ・シーケンスは、連続的であることが好ましい。ただし、同様な制御機 構を用いて代替ライン掃引（インタレース・モード）を行うこともできる。 中央コントローラは、マイクロ処理機能を有することが好ましく、すべての前 述の電子機器モジュールの機能の調和をとることに責任を負う。中央コントロー ラは、同じ電子機器を使用してＶＧＡ（６４０×６４０）、８００×６００、１ ０２４×７６８、１６００×１２８８、ＨＤＴＶなど、それぞれの異なるフォー マットを表示できるように制御線を用いて構成することが好ましい。単に範囲外 の画素を励起しないことによって、所与のディスプレイで物理的に実施されるよ りも少ない数の画素を表示することができる。画素数のより大きな表示装置が使 用可能になるときは、入力制御リード線をいくらか取り付けるだけで、すべての 表示装置に同じ電子機器ドライバを使用することができる。Ｌ．拡散画面 デヒューザ１０２６は散乱表面であり、大きな立体角、好ましくは２πステラ ジアンにわたって画面を表示できるようにする。第６２図の鏡面面外リフレクタ から反射したビームは、リフレクタを含む表面から分離された拡散画面１０２６ に到達するまで発散する。この離隔距離は、隣接する画素の３０％の重なり合い を達成し、それによって連続像を形成するために必要な距離によって決定される 。拡散表面は、ウェーブガイドを含む基板の背面１１１２と、基板に付着させた 二酸化ケイ素などの別の材料のどちらでもよい。両面の表面は、所望の角散乱分 布を達成するのに必要な寸法分布を有する拡散粒体を形成するように粗にされる 。 好ましい実施形態では、面外リフレクタは、第６３図に示した非鏡面散乱ピッ トであり、面外リフレクタのアレイが画面を形成する。したがって、拡散画面は 必要とされない。この場合、ピット１１１６は画素を形成し、近似ランベルト強 度プロファイルを有する２πステラジアン立体角として散乱させる。 ある種の応用例では、表示光が現れる立体角を狭くすることが望ましい。所与 の表示光パワーでは、パワーを集中させることによって、ディスプレイがカバー する画角内から見たときの輝度が向上する。たとえば、バッテリの電力を節約す る必要があるときは、レーザ駆動電力を低減させ、同時にディスプレイの立体角 を狭くすることによって輝度を維持することが有用な手段である。Ｍ．スペックル（speckle）の制御 スペックルは、空間的にコヒーレントなレーザ光が、拡散表面からの反射（ま たは透過）によって粒状に見える画像を形成する際に観測される効果である。レ ーザ光で一様に照明されたディスクは、干渉のために明るい領域と暗い領域が点 在しているように見える。ディスプレイの場合、画素寸法が小さいので、個別の スペックルの寸法は、瞳孔よりも大きな値でよい。各画素は、それ自体の独立の スペックル・パターンを有し、このパターンは、コヒーレンスが完全である場合 、 ビューアが頭部を動かしたときに無作為に変化する画素の１００％変調を行うこ とができる。この場合、視覚的に「スクワーミング」ディスプレイが知覚され、 これを見るのは不快である。スペックル効果をなくすことができるいくつかの技 法が当技術分野で知られている。大部分の技法は、「スペックル・パターン」を 空間的に移動しスペックルを平均化することに依存する。 スペックルの知覚的な影響はいくつかの異なる方法でなくすことができる。第 １に、レーザが単一の長手方向周波数モードで動作している場合、約５０ｍｓよ りも短い時間でスペックル周期よりも大きな範囲にわたってスペックル・パター ンを変化させる速度でレーザの波長を走査させることができる。第２に、複数の 長手方向モード上でレーザを操作することができる。各長手方向モードは、他の あらゆる長手方向モードと組み合わされた異なるスペックル・パターンを生成し 、それぞれの異なるモードの干渉によって形成される「交差」パターンが、モー ド間の差周波数で振動する。この差周波数は速すぎて目で見ることはできない。 したがって、「交差」パターンは完全に一様なパターンとして知覚される。モー ド自体に干渉するモードによって形成される「セルフ」パターンのスペックル・ パターンは空間において静止するが、それぞれの異なる「セルフ」パターンのピ ークおよび谷は無作為に現れる。複数のモードを用いる場合、すべてのこれらの パターンが目の上で重畳し、モードの数が増加するにつれて急速に平均化する。 複数のモードを用いる場合、目は一様な明視野を知覚する。第３に、単一モード ・ウェーブガイドではなくマルチモード・ウェーブガイドを使用するようにディ スプレイを設計することができる。各ウェーブガイド・モードは、異なる空間分 布を有するので、異なるスペックル・パターンを形成する。スペックル問題を解 消するには約１０個のモードで十分である。好ましい実施例では、複数長手方向 モード可視レーザを使用してスペックルの効果が最小限に抑えられる。Ｎ．分散アレイの層化 各レーザが３つの別々な成分色のうちの１つをあらゆる画素位置に分配する積 み重ねウェーブガイド構造として、カラー・ビデオ・ディスプレイを実施すると 有用である。好ましい実施例において、第７２図および第７４図は、三次元積み 重ねアレイ構造を使用するカラー・ビデオ・ディスプレイ内の１つの画素要素の 例１６００および１６０１を示す。この表示装置は、図示したように、ポリマー １６０２、ＳｉＯ₂１６０４、導電平面１６０６の被膜と、石英ガラス基板１６ ２０上の層化されたパターン化電極１６０７とで構成される。各層の画素経路指 定スイッチは、第３４図を参照して説明した多出力電圧制御界面によって個別に アドレスされ同期的に制御される。画素位置で、積み重ねウェーブガイド１６０ ８は、前述の面外リフレクタまたは散乱ピットの、４５°に配向された表面で終 わり、第７３図のような装置基板内の光１６１６のための永久面外ＴＩＲ要素リ フレクタ１６１０を形成することができる。代替策として、積み重ねウェーブガ イド１６０８は、第６４図および第６５図の構造と同様な構造で、たとえば光を 蛍光体に外部結合し、あるいは光１６１８を被覆表面１６１４から、装置基板か ら離れる方向へ反射させるために、ウェーブガイドに垂直な表面１６１２で終わ ることができる。Ｏ．ディスプレイ製造ステップの要約 ネルの好ましい実施形態に関する製造ステップの要約を下記に示す。 １．ＴＩＲスイッチ構造および切替可能な格子を得るための基板の電界極化 ２．ウェーブガイドおよび一体型レンズを作製するための陽子交換およびアニ ーリング ３．マイクロミラーおよびエッチングされた格子を得るためのエッチング ４．ウェーブガイド・クラッディング層を得るためのシリコンケイ素付着 ５．スイッチおよび変調器を活動化し（必要に応じて）マイクロミラーに反射 コーティングを施すための電極に対する金属付着 ６．駆動電子機器の一体化 ７．レーザの一体化および入射結合Ｐ．代替実施形態 格子スイッチを使用して３色ビームを組み合わせる本発明の代替実施例を第７ ５図に示す。この構造は、第５９図の結合装置１００４で使用することも、ある いは第６０図の基板１０２８内に作製することも、あるいは光源１０００で使用 することもできる。３つのウェーブガイドは、並列させることも、あるいは共に 分散バスを形成することもでき、後者の場合、ウェーブガイドは多重ウェーブガ イド分散スイッチ１００８を形成する。あるいはこれらのウェーブガイドを他の 位置および状況で使用することもできる。第１のウェーブガイド１１７２は赤入 射ビーム１１８２を拘束し、それに対して第２のウェーブガイド１１７４は緑入 射ビーム１１８４を拘束し、第３のウェーブガイド１１７６は青入射ビーム１１ ８６を拘束する。分散スイッチは、第７図、第８図、第１１図、第１２図、第１ ３図で説明した格子と同様な３つの電圧活動化格子１１９０、１１９１、１１９ ３で構成される。これらの格子は、切替可能であり、活動化電極を有する。各格 子は、ウェーブガイド内を伝搬する光の波長を反射するのに必要な周期を用いて 作製される。これらの格子は、分散ウェーブガイド・バスから光を反射させ、分 散ウェーブガイド・バスにほぼ垂直に光を反射させる。格子の反射は狭い帯域で あり、したがって格子を横切る他の波長のビームは反射しない。すべての３つの 分散ガイドからの光は、一体化光学レンズ・システム１１７８によって収集され 再合焦される。一体化光学レンズ・システム１１７８は、反射されたビームを画 素ウェーブガイド１１８０に合焦させ、画素ビーム１１８８を形成する。レンズ ・システムは、反射ビームの画素ウェーブガイドへの結合を最適化するために必 要である。反射格子の長さは通常、ウェーブガイドの幅よりもずっと長いので、 現れるビームを射出ウェーブガイドに再合焦させなければならない。装置１１７ ０は、ダイクロイック・ビーム・コンバイナである。 格子の形状、デューティ・サイクル、周期は、反射モード・プロファイルがレ ンズ・システムをした後に最適にウェーブガイド１１８０にモード整合するのに 必要なモード・プロファイルにほぼ整合するように設計される。分散ウェーブガ イドは、最下位モードで動作し、反射モードを単一モード画素ウェーブガイドに 効率的に結合させるべきである。最適なパワー結合を行うには、ウェーブガイド １１７２、１１７４、１１７６と、レンズ１１７８と、ウェーブガイド１１８０ との間に平面ウェーブガイドを配設すべきである。別法として、この平面ウェー ブガイドは、構造１１７０の領域を横切って基板全体を覆うことができる。 一体化レンズは、陽子交換、または内部拡散、またはエッチングによって得ら れる永久屈折率変調構造である。高屈折率を実現することができる陽子交換技法 が好ましく、散乱は、エッチングされたレンズの散乱よりも弱い。 第３６図は、２条以上のビームが分散ウェーブガイド群（分散バス）および画 素ウェーブガイド群（画素バス）に別々に拘束される、ウェーブガイド分散構造 の代替実施形態である。この構成の自明の拡張構成では、２つよりも多くの分散 ウェーブガイドおよび画素ウェーブガイドを実施することができ、この場合、追 加分散ウェーブガイドが他の分散ウェーブガイド９８２および９８４に平行に、 かつそれらのウェーブガイドの上方に付加され、追加画素ウェーブガイドが前の 分散ウェーブガイドに交差し、９９７と同様な非対称損失ウェーブガイド・クロ スが分散バスの損失を最小限に抑えるように配向される。 この実施例は、スイッチ９８３および９８５の長さが所望の画素間隔よりも大 きな高密度ディスプレイに特に有用である。前述のように各ウェーブガイド内で 複数の色を分散させることも、あるいは各色ごとに１つずつの３つのウェーブガ イドからなる群としてウェーブガイドを使用することもできる。射出ウェーブガ イドを使用して、レーザ・パワーを画素スイッチから面外リフレクタへ伝達する 場合、これらの位置で非対称損失ウェーブガイド・クロスを使用して画素ウェー ブガイドでの大きな損失を回避すべきである。 分散ウェーブガイドのバスは、ウェーブガイド内の光学損傷が重大である広い もしくは高い光パワー・ディスプレイでも有用である。ウェーブガイド内のレー ザ強度が損傷しきい値（ニオブ酸リチウムで約１０ＭＷ／ｃｍ²）を超えた場合 、レーザ・パワーのためにウェーブガイドが破滅的な損傷を受け、ピット、また は亀裂、または溶融ゾーンが形成される。したがって、強度は、損傷しきい値よ りも安全係数２だけ低い値に維持しなければならない。これによって、ウェーブ ガイド内を伝搬する全パワーが（４ミクロン四方ニオブ酸リチウム・ウェーブガ イドでは約８００ｍＷに）制限される。より高いパワーが必要である場合は、ウ ェーブガイド・バスを使用して所望の全パワーを伝達することができる。 他の実施形態は、第５９図の画素スイッチ１０１８用の受動光エネルギー・ル ータを使用するディスプレイである。受動光エネルギー・ルータの例は上記で与 えてある。受動光エネルギー・ルータは、画素ウェーブガイド内を伝搬する光の 所定の部分を分割し、リフレクタ・ウェーブガイドへ送る。リフレクタ・ウェー ブガイドは、任意の曲率を有する任意の長さのものでよく、すべて、面外リフレ クタで終わる。面外リフレクタのアレイの空間位置は静止像を形成する。固有の 面外リフレクタ位置パターンを有するこれらの画素ウェーブガイドはそれぞれ、 分散スイッチを使用して分散ウェーブガイドに接続される。次いで、分散スイッ チを活動化することによって、所与の画素ウェーブガイドに関連付けられた像の オン・オフを切り替えることができる。Ｑ．ディスプレイのタイリン 第７６図は、タイル１２０２に分割された表示装置１２００の概略図を示す。 タイルとは、第５９図を参照して説明したのと同様な画素のサブアレイであり、 独立に制御することができる。その場合、いくつかのタイルがまとめて構成され 制御され、単一のディスプレイが形成される。この実施形態では、ディスプレイ がタイルに分割されていることはビューアには見えないので、各タイル間の画素 位置合わせを維持するために各タイルが単一の基板上に作製される。各タイルに は、分散ウェーブガイド１２０６のバスを使用してダイオード・レーザ・アレイ １２０４および１２０６からそのタイル自体のレーザ光源が割り当てられる。こ れによって、ディスプレイは、第５９図の単一レーザ光源実施態様で可能なレー ザ・パワーよりもずっと多くのレーザ・パワーを放出することができる。 一般に、タイルはいくつかの異なる方法で区別することができる。たとえば、 タイプはそれぞれの異なる基板、それぞれの異なる電極励振器、それぞれの異な るレーザ光源を有することができる。第７６図では、タイルは、あらゆるタイル が異なるウェーブガイド（１組のウェーブガイド）を通じて照明されることによ って区別される。ダイオード・レーザ・アレイ１２０４はウェーブガイド・バス １２０６および１２０８に結合される。図を簡単にするために、分散スイッチ１ ００８および画素スイッチ１０１６は第７６図には示されておらず、これらのス イッチは電極ではない。 各バスの少なくとも１つのウェーブガイドがアレイのタイルへ光を送る。光学 ウェーブガイド分布は多数の方法でセットアップすることができる。たとえば、 第７６図の下部バス１２０６内の第１のウェーブガイドは右下タイルへ光を送る 。次のウェーブガイドは、そのタイルの左側の近傍タイルへ光を送り、以下同様 であり、この１番下のタイル・ラインは切り取り図で部分的にしか示されていな い。バス１２０８を同様に使用して、切り取り図で部分的にしか示されていない 次のタイル・ラインへ光を送ることができる。追加タイル・ライン用に追加バス を構成することも、あるいは単一のレーザ・アレイを使用して、多数のバスに経 路指定され、そこからタイルに経路指定される多数のウェーブガイドへ光を与え ることもできる。あるいはこれらの手法の組合せを使用することができる。 各ウェーブガイドに供給されるレーザは、ディスプレイに必要なビデオ情報を 用いて変調され、ディスプレイの行および列を活動化する電極は、所与の時間に 各タイル内のどの画素が照明されるかを選択する。フルカラー・ディスプレイで は、いくつかのガイドが所与のタイルを照明することも、あるいは各タイルを照 明するウェーブガイド内でいくつかのレーザ・ビームを組み合わせることもでき る。バス１２０６は、ディスプレイの縁部に存在し、空間を使用することができ るので、並列ウェーブガイドとして示されている。バス内の各ウェーブガイドか らの光は、スイッチ１００８および１０１６ならびに電子機器によってタイルの ウェーブガイドに切り替えられる。図のように、バス１２０８は、ウェーブガイ ド間の離隔距離がディスプレイのタイル間を横切る前に減少するウェーブガイド 充填密度最適化領域を含む。 タイル間のウェーブガイドの全空間は画素の分離距離よりも小さいので、ガイ ドどうしを密に充填することが望ましい。すべての空間が使用可能である場合、 たとえば１００ミクロン画素間ギャップには、おそらく１０個の４μｍウェーブ ガイドが入る。面外リフレクタ１０１８と隣接する１つの画素ウェーブガイド１ ０１４との間に未使用空間があるので、列方向に沿って分散バスを延ばすことが 望ましい。しかし、密なディスプレイの各列間には４つまたは５つのウェーブガ イドしか入らない。この場合、バスを、選択されたタイルに到達するまで隣接す る列内の空き空間に沿って延びるサブバスに分割することができる。バスは、行 方向に沿って延びる場合、少なくともいくつかのリフレクタ・ウェーブガイド１ ０１７に交差し（それらのリフレクタ・ウェーブガイドが斜めであるため）、一 様なディスプレイを形成するために補償しなければならない追加損失を生じさせ る。リフレクタ・ウェーブガイドとの交差は非対称損失クロスでよいが、バスの 多数のラインに交差するリフレクタ・ウェーブガイド内の損失は著しく変化する 。各タイル内のパワーは分散ウェーブガイドによって伝達されるパワーによって 制限されるが、ディスプレイ内のパワーは、レーザに結合されるウェーブガイド の数を増加させることにより、必要に応じて増大させることができる。 そのようなタイル化ディスプレイ内の各分散ウェーブガイドは、そのタイルに 関する画素活動化パターンに応じて変調される光源に結合される。電極活動化パ ターンも、ディスプレイのタイル化に応じて分割することが好ましい。列選択ス イッチおよび行選択スイッチは、各タイルの範囲内で反復的に循環される。あら ゆるタイルの行と列を同時に照明することができる。たとえば、それぞれ、１６ ０画素×１２０画素を含む、１６個のタイルを用いてＶＧＡディスプレイをタイ ル化する場合、ディスプレイ内の列および行が、１６０列ごとおよび１２０行ご とに同時に活動化される。１６０列が連続的に操作され、次いでパターンが反復 する。同じことが行にも当てはまる。次いで、８０Ｈｚのフレーム速度を達成す るために、列がたった１．５３ＭＨｚで走査され、行が９．６ｋＨｚで切り替え られる。タイルは、直接積み重ね、かつ並べて方形アレイを形成することも、あ るいは場合によっては千鳥形アレイとして積み重ねることもできる。 ディスプレイのタイル化は、面積の大きなディスプレイを製造する際にも有用 である。この実施形態では、ガラスまたはプラスチック製の第２の基板に結合す ることによって位置合わせされタイル化された別々の基板上に複数の画素アレイ が形成される。各タイルは、第５９図に示したように作製され、別々のサブディ スプレイ領域として動作する。レーザ光は、ファイバ結合を使用して外部縁部か ら各タイルに結合し、光源から適当なタイルへ経路指定することができる。 第７７図は、各分散リフレクタ１２７２、１２７４が分散ウェーブガイド１２ ６２および１２６４からの光の一部を画素ウェーブガイド１２９２および１２９ ４に反射するに過ぎない３色ディスプレイの代替実施形態を示す。分散リフレク タは、スイッチではなく、ビーム・パワー・ディバイダとして動作する永久受動 光エネルギー・ルータである。このパワー・ディバイダを製造する好ましい方法 は、２つのウェーブガイドの接合部に分散ウェーブガイドに対して４５°に幅が 狭く浅い溝をエッチングすることである。このディスプレイ応用例は、１つの分 散ウェーブガイドに接続された各ウェーブガイド１２９２または１２９４内にほ ぼ等しいパワーが現れるように各分散リフレクタの反射係数を調整することによ って最もうまく実施される。反射率は、分散ウェーブガイドに取り付けられたリ フレクタの数、ウェーブガイドの長さおよび損失係数に応じて調整しなければな らない。各リフレクタは、エッチングされた溝の幅またはその深さ、あるいはそ の両方を変更することによって調整することができる。ウェーブガイド交差が、 第３６図で要素９９７を参照して説明したように非対称損失を有する場合は、こ の構造に複数の分散ウェーブガイドを組み込むことができる。このようなクロス では、分散ウェーブガイド、すなわち低損失ガイドが好ましい。前述のように追 加分散ウェーブガイドを組み込むことができる。 また、各画素ウェーブガイドは別々の変調器１２８２および１２８４を含む。 この構造には変調器のアレイがあるので、排除された光を除去しそれが背景光に なるのを防止するには、各変調ビームごとのパワー・ダンプが必要である。パワ ー・ダンプは、いくつかの代替方法で実現される。パワー・ダンプは、ウェーブ ガイドでよく、変調器からの光を、すべての画素を越えて基板の縁部へ伝搬させ （あるいは基板の縁部を通過させ）、そこでパワーが吸収されるようにする。こ れは、ウェーブガイドの損失が十分に小さな場合には良好なオプションであるが 、損失が大きな場合には、このウェーブガイドは大部分のパワーを基板の長さに 沿って基板内にダンプする。パワー・ダンプは、第６９図および第７０図を参照 して説明した構造と同様なビーム・デフレクタでよい。前述のように、パワーは 表示方向とは異なる方向へダンプしなければならず、この方向でパワーが吸収さ れることが好ましい。他の代替パワー・ダンプは、各変調器の近くに配置された 吸収材料である。ウェーブガイドは、除外された光を、吸収材料が充填されたエ ッチング済みピットの方へ送ることも、あるいは前述のクロム・ドープ領域など の内部拡散吸収器部内で送ることもできる。画素スイッチおよび面外リフレクタ は、第５９図に示した好ましい実施例と同じである。この構成の１つの利点は、 低速 （３８．４ｋＨｚ）変調器アレイの代わりに、関連する高電流ドローを有する高 速駆動電子機器がなくなることである。前述のように、フレーム速度が８０Ｈｚ の簡単なＶＧＡアーキテクチャの場合、画素スイッチ行は３８．４ｋＨｚで動作 させる。Ｒ．映写ディスプレイ 第７８図は、レーザ・バー・ポンピング単色ディスプレイの実施形態を示す。 この実施態様では、レーザ・バー１３０２は、光源であり、チップ上の複数の半 導体ダイオード・レーザからなり、ディスプレイの基板１３００の一方の側にあ る画素ウェーブガイドのアレイに結合される。この実施形態では分散ウェーブガ イドは必要とされない。レーザ・バーおよびディスプレイの製造時には、バー上 のレーザの分離距離が、ディスプレイのウェーブガイドの離隔距離に対して、そ れとほぼ等しくなるまで調整される。バー上のレーザ・アレイは、画素ウェーブ ガイド・アレイに結合されるように位置合わせされる。結合は、パワーが、ニオ ブ酸リチウム・チップの縁部にあるウェーブガイドの端部を通じて（バット結合 もしくはレンズ結合によって）ウェーブガイドに結合される縁部結合構成で行う ことも、あるいはパワーがニオブ酸リチウム・チップの表面を通してウェーブガ イドに結合される表面結合構成によって行うこともできる。ダイオード・レーザ の周波数を安定させるために、各画素ウェーブガイドは、個別の変調器１３０６ および周波数選択的リフレクタ１３０４を横切ることが好ましい。画素スイッチ １０１６アレイは各ウェーブガイドに沿って作製される。各画素スイッチは、ビ ームを面外リフレクタ１０１８へ反射させる。同時に面外リフレクタ１０１９の 行が活動化され、そのため、すべての変調器が同期的に動作する。 この構造の簡単な変形形態として、複数のレーザ・バーを使用して単一のディ スプレイを駆動し、総使用可能パワーを増大させることができる。別法として、 レーザ励起電極が離散されており個別にアクセスできる場合、変調器をレーザ・ バー内で実施することもできる。しかし、制御電極を表面実装電子機器から同じ ウェハ上の変調器へ経路指定することは容易なので、ＧａＡｓ変調器と比べて、 ニオブ酸リチウム基板上の変調器を制御電極に接続する方が容易である。レーザ の周波数を２倍にする場合、周期的に極化された周波数二倍部を、前述の支持構 造および制御構造と共にウェーブガイドに沿って配設することもできる。最後に 、レーザは、タイル化ディスプレイに接続された分散バスを形成するウェーブガ イド・アレイに結合することができる。実際、第７８図のディスプレイはタイル 化ディスプレイであり、各タイルは、単一の列と、ディスプレイ内の行と同じ数 の行とを有する。 複数のレーザ光源があり、どのウェーブガイドも他の多数のウェーブガイドの パワーを制限しないので、第７８図の構成ではディスプレイのパワーが非常に高 い。高ディスプレイ・パワーは、映写ディスプレイに特に有用である。ディスプ レイは、当技術分野で知られている標準映写光学機器を使用して、基板から分離 されたデヒューザ画面上に撮像される。映写光学機器は、ディスプレイから放出 された光の大部分を収集し、画面上に再合焦させ、この画面を直接、観客が見る 。画面はたとえば、大画面映写ビデオ画面でも、あるいは劇場用スクリーンでも よい。映写ディスプレイでは、個別の画素からの放射光の立体角が小さいことが 好ましく、これは、面外リフレクタで平坦で平滑な表面を使用すべきであること を意味する。また、リフレクタ・ウェーブガイドがより大きな断面積を有し、開 きを減少させると有利である。これは、画素ウェーブガイドまたはリフレクタ・ ウェーブガイドをテーパ付けすることによって行うことができる。 各追加色ごとの追加画素ウェーブガイドを追加することによって第７８図のデ ィスプレイにフルカラーを付加することができる。ウェーブガイド微細形状の寸 法は、各色ごとに１つずつ３つの独立の画素ウェーブガイド構成を組み込めるほ ど小さい。レーザ・バー１３０２がたとえば青を生成するものである場合、青を 生成するバーの場合と同じ結合技法によって、緑を生成するレーザのアレイをデ ィスプレイの他方の側に結合することができ、この場合、緑画素ウェーブガイド は、青画素ウェーブガイドにインタレースされるが、青画素ウェーブガイドに対 して逆伝搬する。前述のように、青レーザ・アレイおよび緑レーザ・アレイは、 可視光を生成するために周波数二倍器部を含む赤外線レーザ・アレイで構成する ことができる。赤レーザ・アレイは、異なる技法を使用してディスプレイ・ウェ ーブガイドに結合される場合、同時に画素ウェーブガイドのインタレース・アレ イに結合することもできる。たとえば、青ビームと緑ビームをエッジ結合する場 合、赤ビームは表面結合することができる。表面結合構成では、青ウェーブガイ ドまたは緑ウェーブガイド、あるいはその両方は、それほど損失を受けずに赤レ ーザ・バーの下方を通過することができる。 第７９図および第８０図は、レーザ・バーが平面基板のウェーブガイドに結合 された表面結合構成１３１０を示す。３つのレーザ・バー１３１２、１３１４、 １３１６はそれぞれ、ウェーブガイド・アレイ１３１８の３番目、６番目、９番 目のウェーブガイドに結合される。各レーザ・バーは、レーザ・バーの射出を受 け入れるように設計された表面結合ミラーの間隔に等しい間隔を有するウェーブ ガイドのアレイを有する。レーザ・バー１３１２の図の部分は２つのウェーブガ イド１３２０および１３２２を有するが、レーザ・バー全体はもっと多くのレー ザを有することができる。この２つのウェーブガイドは、基板内の２つのウェー ブガイド１３２４および１３２６に整列する。個別のレーザ・ウェーブガイド１ ３２０および１３２２から放出された光線が、２つのミラー１３２８および１３ ３０から、ウェーブガイド１３２４および１３２６内を伝搬するモードに同軸的 に整列する反射ビームとして反射されるように、バー１３１２は、表面結合ミラ ー１３２８および１３３０のアレイの上方に位置決めされる。ウェーブガイド１ ３２０、１３２２、１３２４、１３２６の寸法は、そのように反射された光線の 結合をほぼ最大にするように調整される。表面結合ミラーから遠いウェーブガイ ドの残りの部分は、レーザ・バー１３１２での増幅や、基板１３３２での周波数 二倍化や変調やその後の表示など、他の目的のための所望の寸法にテーパ付けす ることができる。 図のように、他のダイオード・バー１３１４および１３１６を同様に基板内の ウェーブガイドに結合することもでき、それぞれの異なるダイオード・バーに結 合されたウェーブガイドを様々なパターンでインタレースすることができる。 第８０図は、１つの回転ミラー１３３０の位置での第７９図の装置の拡大垂直 断面を示す。表面結合ミラー１３３０は、上記で第６２図ないし第６７図の面外 ミラーを参照して論じた技法のうちの１つによって製造することができる。ウェ ーブガイド１３２６上にコーティング１３３４が配設される。このコーティング は、ガイド１３２６内を伝搬するモードの指数関数的減衰長を含むのに十分な厚 さのシリカやアルミニウムなどの低屈折率透過材料である。このコーティング上 にロシー構造を配置する場合、そのような構造はウェーブガイド１３２６の損失 にそれほど影響を及ぼさない。ミラー１３３０の傾斜表面上に反射コーティング １３３１を被覆するのが最適である。垂直表面１３３３には反射コーティングを 施してはならず、したがって、コーティング１３３１は斜めに塗布しなければな らない。表面１３３３でフレネル結合損失を低減させることが望ましい場合、こ の表面に反射防止コーティングを施すことができる。基板１３３２との接触によ ってレーザのファセットが損傷しないように、ダイオード・レーザのフロント・ ファセットにコーティング１３３６を施すことが好ましい。取り付けを容易にし 、かつ頑丈なものにするための必要に応じて、取り付けブロック１３３８を、バ ー１３１２の表面に取り付けることができ、かつ結合剤１３４０を用いて基板１ ３３２の表面に取り付けることができる。取り付けブロック１３３８は、良好な 熱伝導率を有し、熱を除去する熱導管に接続される場合、ダイオード・レーザを ヒート・シンクさせるうえでも有用である。Ｓ．三次元ディスプレイ 本明細書で開示したアレイ技法を使用して三次元（３−Ｄ）画像を表示するこ とができる。三次元ディスプレイでは、それぞれの目がわずかに異なる画像を観 測する。これは従来技術では、たとえば直交偏光を有する２つの画像を画面上に 投影し、それぞれの目を覆う直交偏光器を有するメガネを使用してその画面を見 ることによって行われている。この手法は、２つの画像を回転させ部分的に重な らせる頭部の動きに関する問題を有する。従来技術で使用されている代替方法は 、左目に対して透過状態を維持しながら右目を遮断し、それに続いて逆の状態に なる、２つの目に対する独立の光弁を含む１組のゴーグルを使用することである 。２つの目に交互に異なる画像を提示する同期表示装置は３−Ｄ効果を生成する 。この手法は、残存性のために、前の画像が、他方の目に対する新しい画像上に かすかに重畳されたままになり、濁った画像が生成されるので、ディスプレイの 切替速度によって制限される。使用されている他の方法は、２つの画像を同時に 表 示する、それぞれの目に１つずつの２つの別々な小型ディスプレイ（ＬＣＤまた はＣＲＴ）を含む１組のゴーグルを構築することである。この手法は、従来技術 を用いた場合、重量およびコストに関する問題を有する。各ケースで、他方の画 像が何らかの方法で遮断されるため、それぞれの目には一方の画像しか見えない 。 本明細書で開示した実施形態を使用してこの同じ効果を達成することができる 。第５９図に示した好ましい実施形態では、薄膜偏光器を使用せずに設計によっ て、ディスプレイからビューアの方へ伝搬する光を固有に偏光させることができ る。これによって、薄膜偏光器を使用して光を偏光させる必要があるＣＲＴディ スプレイまたはＬＣＤディスプレイを使用する際に固有に生じる効率の喪失なし に、偏光関連３−Ｄディスプレイ技法を実施することができる。ＴＩＲスイッチ を使用する場合、二重偏光支持ウェーブガイドを通じて両方の偏光を経路指定す ることができるが、ＴＩＲスイッチの反射率は（ニオブ酸リチウムのｚカット基 板上の）ＴＭ偏光の方がずっと高く、したがって効率的なディスプレイは純粋に ＴＭになるように設計される。スイッチが格子スイッチである場合、一方の偏光 のみが９０°ウェーブガイド接合部から（ブルースターの角度に）反射され、ビ ームは常にＴＭ偏光される（その場合、ｚカットがニオブ酸リチウム上の最良の 基板カットである）。 ウェーブガイド・スイッチが短い相互作用長を有するので、本明細書で開示し た技法を用いて１００ミクロンよりも小さな画素間隔が可能である。これによっ て、３インチ（７．６２ｃｍ）よりも短い画面対角線を用いてＶＧＡフォーマッ ト高解像度ディスプレイを製造することができる。このような小型ディスプレイ は、上記で従来技術に関して説明したようにゴーグルに取り付けることができる 。 この応用例に関してＣＲＴディスプレイまたはＬＣＤディスプレイの利点に勝 る本発明のディスプレイの１つの利点は、基板がほぼ透過性であることである。 これは、画像画素を形成する不透明な面外リフレクタの面積が、画素間の面積よ りも１００倍以上小さいためである。したがって、不透明であるのはディスプレ イ面積の１％未満である。第６３図を参照して論じたように拡散画面を面外リフ レクタの一部として製造する場合、ビューアが画像平面を越える点に目の焦点を 合わせた場合はディスプレイが透明に見える。このように、ヘッドアップ頭部取 り付けディスプレイまたは「シースルー」頭部取り付けディスプレイを実現する ことができる。これは、バーチャル・リアリティ、ホーム・エンターテインメン ト、軍用機を含め多数のディスプレイ応用例で使用することができる。 第８１図は、小型三次元画像ディスプレイの実施形態を開示するものである。 この３−Ｄディスプレイは、分離された２つの基板１７０２および１７０４上で 同じ設計および配向を使用して作製された２つの画素アレイ１７０６および１７ ０８からなる。第８１図で軸記号で示したように、アレイ１７０８は、アレイ１ ７０６に対して９０°だけ回転されている。したがって、アレイ１７０６によっ てビューアの方へ放出される光は、アレイ１７０８によって放出される光へ直交 偏光される。２つの画像を適切に位置合わせするために、ディスプレイのコーナ ーは、線１７１０で示したように垂直に位置合わせされる。基板の厚さが０．５ ｍｍ未満なので、組み合わされたディスプレイから放出された光は、ほぼ同じ平 面から来るように見える。アレイ１７０６が、第６２図または第６３図に示した 面外リフレクタを使用し、それに対してアレイ１７０８が、第６４図または第６ ５図に示した面外リフレクタを使用する場合、両方のアレイに対してほぼ同じ放 出平面を実現することができる。方形画素アレイが示されているが、各アレイの 面外リフレクタが、アレイ１７０６からの光がアレイ１７０８の光へ直交偏光さ れるように位置合わせされるよう注意するかぎり、任意のアスペクト比を使用す ることができる。 ２つのアレイは、第５９図を参照して論じた技法を使用して１つのディスプレ イとして動作する。ビューアは、それぞれの目を覆う偏光器を含むメガネを着用 し、偏光器どうしが、直交するように位置合わせされる。したがって、それぞれ の目は、一方のアレイから放出された光しか観測しない。各アレイによって表示 された画像は、当技術分野で知られている技法を使用してフォーマットされ、三 次元画像が知覚される。この実施形態は、直接表示に使用することも、あるいは レンズ（図示せず）を使用して画像平面をより大きな表示画面上に投影する場合 には３−Ｄ映写応用例に使用することもできる。 特定の実施形態に関連して本発明を説明した。当業者には他の実施形態が明ら かになろう。したがって、本発明は、本発明の説明の一部を形成する請求の範囲 で指摘する場合を除いて、制限されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディーコン，ディヴッド・エイ・ジィ アメリカ合衆国・94022・カリフォルニア 州・ロス アルトス・サンタ リタ アヴ ェニュ・884 (72)発明者 デワス，エドワード・ジェイ アメリカ合衆国・95014・カリフォルニア 州・カパーティノ・サンセット スプリン グ コート・11515 (72)発明者 ディヤー，マーク・ジェイ アメリカ合衆国・95117・カリフォルニア 州・サン ホゼ・ボイントン アヴェニ ュ・515・アパートメント １ (72)発明者 フィールド，サイモン・ジェイ アメリカ合衆国・94025・カリフォルニア 州・メンロ パーク・フレモント ストリ ート・806

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光線方向付け要素であって、 光エネルギーを伝達する固体材料と、 前記固体材料に向いている第１の電極を形成する少なくとも第１の導電材料と 、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切っている画素ウェーブガイド ・セグメントと、 少なくとも１つの射出ウェーブガイド・セグメントが、第１の交差領域内で前 記画素ウェーブガイド・セグメントを横切り、かつ前記平面に沿って前記固体材 料を横切っている複数の射出ウェーブガイド・セグメントと、 前記第１の電極から電界が選択的に印加されたときに、前記画素ウェーブガイ ド・セグメントからの光エネルギーを前記射出ウェーブガイド・セグメントに反 射する、前記第１の交差領域に隣接して配設された能動光エネルギー・リディレ クタと、 前記平面から光エネルギーを投射するために前記射出ウェーブガイド・セグメ ントに並んで前記平面上の選択された位置に配設された光学リフレクタ手段と を備えることを特徴とする要素。 ２．前記光エネルギーリディレクタが、切替可能な全内部反射器を備えること を特徴とする請求項１に記載の要素。 ３．前記光エネルギーリディレクタが、切替可能な格子リフレクタを備えるこ とを特徴とする請求項１に記載の要素。 ４．前記光エネルギーリディレクタが、ウェーブガイド・タップを備えること を特徴とする請求項１に記載の要素。 ５．少なくとも１つの第２の交差領域を形成するために、請求項１による前記 要素のうちの少なくとも１つを使用してアレイを形成する光線経路指定構造であ って、さらに、 それぞれ、光エネルギーを前記画素ウェーブガイド・セグメントに再経路指定 するために能動光エネルギー・ルータを有する前記第２の交差領域で少なくとも １つの前記要素の前記画素ウェーブガイド・セグメントに連結する分散ウェーブ ガイドを含むことを特徴とするビーム経路指定構造。 ６．さらに、前記平面内で光エネルギーを送るために前記光エネルギー・ルー タと前記光学リディレクタとの間に配設された固定ミラーを含むことを特徴とす る請求項５に記載のビーム経路指定構造。 ７．前記光学リフレクタ手段が、 光エネルギー経路を横切る表面を横切って屈折率の不連続性を有し、入射光エ ネルギーに対して斜めに配設された、前記固体材料内の光エネルギー反射境界を 備えることを特徴とする請求項１に記載の要素。 ８．前記光学リフレクタが、 入射光エネルギーの伝搬軸を横切る、入射光エネルギーの平面内の屈折率不連 続性パターンによって形成される、前記固体材料内の屈折率によって実施される 格子構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の要素。 ９．少なくとも１つの前記光学リフレクタ手段が、 前記射出ウェーブガイド・セグメントに整列して前記平面上の画素位置に配設 された蛍光体ターゲット手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の要素。 １０．光エネルギーの経路を制御するために前記第１の交差領域に配設された 、前記光エネルギー・リディレクタに関連付けられた電極を含むことを特徴とす る請求項１に記載の要素。 １１．さらに、複数の前記第１の交差領域および前記第２の交差領域に関連付 けられた行・列パターンとして配設された複数の電極を含み、共通の列の電極が 、電界生成手段に結合された共通の電気導体に接続されることを特徴とする請求 項５に記載の要素。 １２．さらに、前記分散ウェーブガイドに結合された光学励振器を含む光周波 数源手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の要素。 １３．さらに、前記光学励振器によって励起されるように結合された周波数二 倍器種案を含むことを特徴とする請求項１２に記載の要素。 １４．前記周波数二倍器手段が、前記固体材料内の周期的に極化された構造で あり、前記固体材料が、非線形光学周期性極化可能材料であることを特徴とする 請求項１３に記載の要素。 １５．さらに、前記光学励振器の出力に配設された光線変調器を含むことを特 徴とする請求項１２に記載の要素。 １６．前記光学変調器が、前記固体材料に一体化されることを特徴とする請求 項１５に記載の要素。 １７．複数の分散ウェーブガイドを含み、前記光学励振器が複数の半導体レー ザであることを特徴とする請求項１２に記載の要素。 １８．複数の分散ウェーブガイドを含み、前記光学励振器が、単一の基板上で 一体化された半導体レーザのアレイであることを特徴とする請求項１２に記載の 要素。 １９．前記半導体レーザが、注入された放射を前記分散ウェーブガイドへ送る ミラーを含む前記固体材料平面を横切って光を送るように位置合わせされること を特徴とする請求項１２に記載の要素。 ２０．前記半導体レーザが、交番構成として前記分散ウェーブガイドに結合さ れることを特徴とする請求項１９に記載の要素。 ２１．さらに、それぞれ、異なる光周波数のビームを生成する、複数のレーザ 励振器と、前記異なる光周波数ビームを組み合わせるために前記各レーザ励振器 に結合され、前記分散ウェーブガイドに射出結合されるビーム・コンバイナとを 備える光周波数源手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の要素。 ２２．さらに、少なくとも１つの前記分散ウェーブガイド・セグメントが、交 差領域内に第１の屈折率分布を有し、 前記画素ウェーブガイド・セグメントが、前記少なくとも１つの分散ウェーブ ガイド・セグメントを横切り、前記分散ウェーブガイド・セグメントとの前記交 差領域に隣接する第２の屈折率分布が、前記第１の屈折率分布よりもずっと小さ い、前記第２の交差領域内で並列する複数の分散ウェーブガイド・セグメントの 非対称損失を有するウェーブガイド・クロス構造を含むことを特徴とする請求項 ５に記載の要素。 ２３．さらに、 少なくとも１つの前記画素ウェーブガイド・セグメントが、交差領域内に第１ の屈折率分布を有し、 前記射出ウェーブガイド・セグメントが、前記少なくとも１つの画素ウェーブ ガイド・セグメントを横切り、前記画素ウェーブガイド・セグメントとの前記交 差領域に隣接する第２の屈折率分布が、前記第１の屈折率分布よりもずっと小さ い、前記第１の交差領域内で並列する複数の画素ウェーブガイド・セグメントの 非対称損失を有するウェーブガイド・クロス構造を含むことを特徴とする請求項 １に記載の要素。 ２４．さらに、 スプリアス放射が視野軸に沿って投射されるのを防止するために、前記光学リ フレクタの周りのスプリアス光放射を遮蔽するために前記光学リフレクタ手段に 隣接して配設された手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の要素。 ２５．前記遮蔽手段が、前記視野軸から離れた方向へスプリアス放射を送るよ うに配設されたリフレクタを備えることを特徴とする請求項２４に記載の要素。 ２６．前記遮蔽手段が、スプリアス光放射を遮断するために配設された光エネ ルギー吸収器を備えることを特徴とする請求項２４に記載の要素。 ２７．さらに、 前記光学リフレクタによって前記固体材料から送られないスプリアス光放射を 吸収するために視野軸を横切り前記固体材料の表面に沿って配設された手段を含 むことを特徴とする請求項１に記載の要素。 ２８．さらに、 前記光学リフレクタによって前記固体材料から送られないスプリアス光放射を マスクするために視野軸を横切り前記固体材料の表面に沿って配設された手段を 含むことを特徴とする請求項１に記載の要素。 ２９．光線経路指定構造であって、 光エネルギーを伝達する固体材料と、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切る分散ウェーブガイド・セグ メントと、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切り、それぞれ、交差領域で前 記分散ウェーブガイド・セグメントに結合される少なくとも１つの画素ウェーブ ガイド・セグメントと、 前記光エネルギーの一部を前記分散ウェーブガイド・セグメントから前記画素 ウェーブガイド・セグメントに反射するために、前記交差領域に配設された少な くとも１つの受動光エネルギー・ルータと、 前記光エネルギーの前記一部を個別に変調する、前記少なくとも１つの画素ウ ェーブガイド・セグメントのそれぞれ用の光学変調器と を備えることを特徴とする構造。 ３０．さらに、 前記少なくとも１つの画素ウェーブガイド・セグメントから送られた光エネル ギーを受け取るように結合された射出ウェーブガイド・セグメントと、 前記平面から光エネルギーを投射するために前記射出ウェーブガイド・セグメ ントに整列して前記平面上の選択された位置に配設された光学リフレクタ手段と を備えることを特徴とする請求項２９に記載の光線経路指定構造。 ３１．それぞれ、選択的な量の光エネルギーを通過させ相補的な選択的な量の 光エネルギーを反射させる、複数の前記受動光学ルータが、前記分散ウェーブガ イド・セグメントに沿って配設され、前記選択的な量が、所望の分布パターンに 応じて決定されることを特徴とする請求項２９に記載の構造。 ３２．表示装置であって、 光エネルギーを伝達する固体材料と、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切る、少なくとも１つの画素ウ ェーブガイド・セグメントと、 前記平面に沿って前記固体材料を横切り、複数の交差部で前記少なくとも１つ の画素ウェーブガイド・セグメントに隣接し、前記少なくとも１つの画素ウェー ブガイド・セグメントから光エネルギーを受け取るように結合された、複数の射 出ウェーブガイド・セグメントと、 前記射出ウェーブガイド・セグメントに整列して前記平面上の選択された位置 に配設された光学リフレクタ手段とを備えることを特徴とする装置。 ３３．それぞれ、前記少なくとも１つの画素ウェーブガイド・セグメントに光 エネルギーを再経路指定するために前記交差部に配設された能動光エネルギー・ ルータを有する、選択された交差部で少なくとも１つの画素ウェーブガイド・セ グメントに隣接する分散ウェーブガイドを含むことを特徴とする請求項３２に記 載の装置。 ３４．選択された１つの前記電極が、光エネルギーの経路を制御するために前 記交差部に配設される、複数の電極を含むことを特徴とする請求項３３に記載の 装置。 ３５．さらに、 それぞれ、第１の１組の前記画素ウェーブガイド・セグメントに光エネルギー を再経路指定するために、選択された第１の交差部に配設された能動光エネルギ ー・ルータを有する、前記選択された第１の交差部で前記第１の１組の前記両素 ウェーブガイド・セグメントに隣接する第１の分散ウェーブガイドと、 それぞれ、第２の１組の前記画素ウェーブガイド・セグメントに光エネルギー を再経路指定するために、選択された第２の交差部に配設された能動光エネルギ ー・ルータを有する、前記選択された第２の交差部で前記第２の１組の前記画素 ウェーブガイド・セグメントに隣接する第２の分散ウェーブガイドとを含むこと を特徴とする請求項３２に記載の装置。 ３６．前記第１のウェーブガイド・セグメントが前記第２のウェーブガイド・ セグメントとインタリーブされ、 前記光学リフレクタ手段が、ディスプレイの画素に対応する二次元アレイ内に 配設されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。 ３７．前記第１の分散ウェーブガイドに関連付けられた第１の１組の前記光学 リフレクタ手段が、ディスプレイの第１のタイル内に行・列構成で配設され、 前記第２の分散ウェーブガイドに関連付けられた第２の１組の前記光学リフレ クタ手段が、ディスプレイの第２のタイル内に行・列構成で配設されることを特 徴とする請求項３５に記載の装置。 ３８．前記光学リフレクタ手段が、 光エネルギー経路を横切る表面を横切って屈折率の不連続性を有し、入射光エ ネルギーに対して斜めに配設された、前記固体材料内の光エネルギー反射境界を 備えることを特徴とする請求項３２に記載の装置。 ３９．表示装置であって、 光エネルギーを伝達する固体材料と、 前記固体材料に対向する第１の電極を形成する少なくとも第１の導電材料と、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切る、少なくとも１つの画素ウ ェーブガイド・セグメントと、 前記平面に沿って前記固体材料を横切り、複数の交差部で前記少なくとも１つ の画素ウェーブガイド・セグメントに接合される複数の射出ウェーブガイド・セ グメントと、 それぞれ、１つの前記交差部を横切って配設され、光エネルギーを前記画素ウ ェーブガイド・セグメントから前記射出ウェーブガイド・セグメントに反射させ ることができる、複数の電気制御式光学リディレクタと、 光エネルギー励起に応答して前記平面から光エネルギーを再放射するために、 前記射出ウェーブガイド・セグメントに整列して前記平面上の選択された画素位 置に配設された蛍光体ターゲット手段と を備えることを特徴とする表示装置。 ４０．さらに、 前記平面から光エネルギーを投射するために、選択された射出ウェーブガイド ・セグメントに整列して前記平面上の各画素位置に配設された光学リフレクタ手 段を備えることを特徴とする請求項３９に記載の表示装置。 ４１．三次元表示装置であって、 光エネルギーを伝達するために、共通の視野軸に位置合わせされた第１の表面 領域と第２の表面領域とを有する固体材料を備え、 前記第１の表面領域と前記第２の表面領域がそれぞれ、 前記固体材料に対向する第１の電極を形成する少なくとも第１の導電材料と、 前記固体材料の平面に沿って前記固体材料を横切る、少なくとも１つの画素ウ ェーブガイド・セグメントと、 前記平面に沿って前記固体材料を横切り、複数の交差部で前記画素ウェーブガ イド・セグメントに接合される複数の射出ウェーブガイド・セグメントと、 それぞれ、１つの前記交差部を横切って配設され、光エネルギーを前記画素ウ ェーブガイド・セグメントから前記射出ウェーブガイド・セグメントに反射させ ることができる、複数の電気制御式光学リディレクタと、 前記平面から光エネルギーを再放射するために、選択された射出ウェーブガイ ド・セグメントに整列して前記平面上の各画素位置に配設された光学リフレクタ 手段とで形成された別々のアレイを備え、 前記別々のアレイがそれぞれ、異なる偏光を用いて光エネルギーを再方向付け するように制限されることを特徴とする表示装置。 ４２．前記別々のアレイが、視野軸を横切る直交角度に偏光されることを特徴 とする請求項４１に記載の表示装置。 ４３．前記別々のアレイの画素が、視野軸に沿って直接位置合わせされること を特徴とする請求項４１に記載の表示装置。 ４４．前記別々のアレイの画素が、視野軸に沿ってオフセット位置合わせされ ることを特徴とする請求項４１に記載の表示装置。 ４５．三次元表示装置であって、 光エネルギーを伝達する固体材料と、 前記固体材料に対向する第１の電極を形成する少なくとも第１の導電材料と、 第１の周波数の光学励振器と前記光学励振器によって励起されるように結合さ れた周波数二倍器手段とを含む光周波数源手段と、 前記固体誘電材料の平面に沿って前記固体材料を横切る、少なくとも１つの画 素ウェーブガイド・セグメントと、 前記平面に沿って前記固体材料を横切り、複数の交差部で前記画素ウェーブガ イド・セグメントに隣接する、複数の射出ウェーブガイド・セグメントと、 それぞれ、１つの前記交差部を横切って配設され、光エネルギーを前記画素ウ ェーブガイド・セグメントから前記射出ウェーブガイド・セグメントに反射させ ることができることを特徴とする表示装置。 ４６．さらに、 光エネルギー励起に応答して前記平面から光エネルギーを再放射するために、 前記射出ウェーブガイド・セグメントに整列して前記平面上の選択された画素位 置に配設された蛍光体ターゲット手段を備え、光ディレクタが各蛍光体ターゲッ ト手段のために準備されていることを特徴とする請求項４５に記載の表示装置。 ４７．さらに、 前記蛍光体ターゲット手段に隣接する前記平面から光エネルギーを投射するた めに、選択された射出ウェーブガイド・セグメントに整列して前記平面上の各画 素位置に配設された光学リフレクタ手段を備えることを特徴とする請求項４５に 記載のディスプレイ。 ４８．前記周波数二倍器手段が、前記固体材料内の周期的極化構造であること を特徴とする請求項４５に記載の装置。 ４９．ある部分内の光エネルギーを分散させる装置であって、 光エネルギーを送る光エネルギー経路手段と、 前記部分内にあるパターンとして構成された前記光エネルギー経路手段用の複 数の光結合領域と、 前記部分内で前記光エネルギーを制御可能に分散させるために前記光結合領域 で前記光エネルギー経路手段に結合されたエネルギー場制御可能光結合要素とを 備えることを特徴とする装置。 ５０．ある部分内で光エネルギーを分散させる方法であって、 前記部分内の複数の光エネルギー経路に沿って光エネルギーを送ることと、 前記光エネルギー経路の複数の光結合領域にエネルギー場が選択的に印加され たときに前記部分内で前記光エネルギーを制御可能に分散させることとを含むこ とを特徴とする方法。 ５１．前記分散ステップが、エネルギー場を第１の状態と第２の状態との間で 切り替えることを含み、前記第１の状態では、選択された光結合領域にあるほぼ すべての光エネルギーが第１の光エネルギー経路へ送られ、前記第２の状態では 、前記選択された光結合領域にあるほぼすべての光エネルギーが第２の光エネル ギー経路へ送られることを特徴とする請求項５０に記載の方法。 ５２．さらに、前記光エネルギー経路への入力で光エネルギーを変調するステ ップを含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。 ５３．さらに、前記光エネルギー経路への入力と前記光エネルギー経路からの 複数の出力との間の複数の並列位置で前記光エネルギーを変調するステップを含 むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。 ５４．光線方向付け要素であって、 少なくとも第１の装置平面と第２の装置平面とを形成する、光エネルギーを搬 送する前記材料の複数のシートを備え 前記第１の装置平面および前記第２の装置平面のそれぞれにおいて、 第１の電極を形成する第１の導電材料と、 前記固体材料を横切る第１の画素ウェーブガイド・セグメントと、 第１の交差流域内で前記画素ウェーブガイド・セグメントを横切り、前記固体 材料を横切る少なくとも１つの射出ウェーブガイド・セグメントと、 前記電極から選択的に電界が印加されたときに、光エネルギーを前記画素ウェ ーブガイド・セグメントから前記射出ウェーブガイド・セグメントに反射させる ために、前記第１の交差領域に隣接して配設された能動光エネルギー・リディレ クタと、 前記平面から光エネルギーを投射するために前記射出ウェーブガイド・セグメ ントに整列して選択された位置に配設された光学リフレクタ手段と を備えることを特徴とする要素。 ５５．さらに、シート自体に沿ってエネルギー波を案内するのに適した前記シ ート間に、境界において波相互作用特性を有する少なくとも１つのエネルギー透 過材料層を含むことを特徴とする請求項５４に記載の要素。 ５６．さらに、個別の前記シートを横切って電界を維持するために前記第１の 電極に対向する平面電極層を含むことを特徴とする請求項５５に記載の要素。