(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波方向（Ｚ）に沿って配向している複数の結合導波路の配列を含む光学要素であって、該導波路配列は、
第一の結合係数（Ｃ２）に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第一の領域（２）、
第一の領域（２）と隣接していて、かつ第一の結合係数（Ｃ２）より低い第二の結合係数（Ｃ３）に従って結合している平行な複数の導波路から形成されている第二の領域（３）、
第二の領域（３）と隣接していて、かつ第二の結合係数（Ｃ３）より高い第三の結合係数（Ｃ４）に従って結合している平行な複数の導波路から形成されている第三の領域（４）、
第三の領域（４）に隣接していて、かつ第三の結合係数（Ｃ４）より低い第四の結合係数（Ｃ５）に従って結合している平行な複数の導波路から形成されている第四の領域（５）、及び
第四の領域（５）に隣接していて、かつ第四の結合係数（Ｃ５）より高い第五の結合係数（Ｃ６）に従って結合している平行な複数の導波路から形成されている第五の領域（６）
を含む、前記光学要素。
【請求項２】
第二の領域（３）と第三の領域（４）の界面が、第三の領域（４）と第四の領域（５）の界面と平行である、請求項１に記載の光学要素。
【請求項３】
第三の領域（４）は、少なくとも個別の伝搬定数を有し、そして前記光学要素は、第三の領域（４）の伝搬定数を変えるために配置された制御手段（１１，１３，１４，２３）をさらに含む、請求項１又は２に記載の光学要素。
【請求項４】
前記制御手段は、第三の領域（４）へ向けられた少なくとも１つの制御光ビームの出力密度を変えるために配置された光学手段（２３）を含む、請求項３に記載の光学要素。
【請求項５】
光学手段（２３）は、前記制御光ビームが第三の領域（４）内で伝搬できるように配置されている、請求項４に記載の光学要素。
【請求項６】
前記制御手段は、電気光学効果によって第三の領域の伝搬定数を変えるために配置された電気的手段（１３，１４）を含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の光学要素。
【請求項７】
第一の領域（２）に隣接していて、かつ平行な複数の結合導波路から形成されている第六の領域（７）をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学要素。
【請求項８】
第六の領域（７）の平行な複数の導波路は、第六の結合係数（Ｃ７）に従って結合しており、そして第六の結合係数（Ｃ７）と第一の結合係数（Ｃ２）の比は、第六の領域（７）内で伝搬しているビーム（１７）が、第二の領域（３）の方向へ偏向され、かつ第五の領域（６）へ伝搬できるような比である、請求項７に記載の光学要素。
【請求項９】
第五の領域（６）に隣接していて、かつ平行な複数の結合導波路から形成されている第七の領域（８）をさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に複数の結合導波路から成る配列を含む光学要素に関する。
【０００２】
例えば、そのような複数の結合導波路から成る配列を含む光学要素は、フライシャー（Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ）らの刊行物「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．  １３，  Ｎｏ．  ６，  ｐｐ．  １７８０−１７９６（２００５）」における「Ｓｐａｔｉａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ｉｎ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｒｒａｙｓ」に記述されている。この刊行物では、配列から成る導波路は、その配列内で均一に結合されている。２つの隣り合う導波路がその配列内で同じ結合係数に従って結合されているので、その配列内の均一な結合が得られる。
【背景技術】
【０００３】
光信号が、そのような導波路配列における導波手段内で伝搬することができると知られている。そのような導波路配列内で伝搬している光信号は、著者ごとに、「フロケ−ブロッホ（Ｆｌｏｑｕｅｔ−Ｂｌｏｃｈ）波」、「超モード」又は「シュレディンガー離散モード」と呼ばれている。下記用途の範囲内では、この信号は「導波」と呼ばれるであろう。導波は、その導波数ベクトルにより定義され、そしてこのベクトルの要素は、それらの間に関係（回折関係と呼ばれる）を有する。例えば、面内結合モードの単純な理論の範囲内では、ｋｘ及びｋｚが、Ｘ及びＺ方向に沿った導波数ベクトルの２つの要素であるならば、縮小された部分では、ｋｚは２ｃｏｓｋｘに比例しており、その比例定数は結合係数と等しい。
【０００４】
詳細には、結合導波路の配列に関する光信号は、電気通信事業分野において著しく有利である。
【０００５】
そのような結合導波路の配列では、原理上、光ビームから成る光信号は直線的に伝搬し、自然発散は０でよい。
【０００６】
しかしながら、詳細には、光通信のためのスイッチ部品の分野において、光ビームを処理したり、より詳細には、方向付けたり、反射させたり、集束させたりできると有利であろう。
【０００７】
そうするために、多数の解決法が考えられた。
最初に、導波路配列から光ビームを取り出し、そのビームを既知の機械的手段（例えば、鏡若しくはジオプター（屈折光学装置）、又はレンズなど）によって方向付けることが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この解決法は、導波路配列の外で実行しなければならないという欠点を持ち、そのために光ビームは導波されなくなる。したがって、導波路配列を統合してもほとんど効果がない。詳細には、本発明は、光学要素全体を形成するために、配列自体の内で信号の処理を可能にする部品を供給することにより、この欠点を改善することを目的とする。
【０００９】
導波路配列内でビームを静的に偏向させるために、リチャード（Ｒｉｃｈａｒｄ）  Ｒ．Ａ．の刊行物「Ｓｙｍｓ，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．  ＱＥ  ２５，  ｎ°５，  ｐｐ．  ５２５−５３２（１９８７）」における「Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ  Ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ｆｏｒ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｒｒａｙｓ」によって、２つの領域の界面で電界偏向を可能にするために、平行であり、かつ強く結合した複数の導波路の領域、及び平行であり、かつ弱く結合した複数の導波路の領域を含む導波路配列が知られている。しかし、この刊行物では、導波路配列内で伝搬しているビームの単純な偏向は、制限されすぎているので、それを工業部品に応用できない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の基本概念を形成する独自の取り組みは、新種の光学要素を得るための導波路配列の使用であり、そして光学要素全体を形成するために、配列自体の内で信号の処理を可能にすることである。
【００１１】
本発明は、複数の結合導波路の配列を含む光学要素であって、該導波路配列は：
第一の結合係数に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第一の領域；
第一の領域と隣接していて、かつ第一の結合係数より低い第二の結合係数に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第二の領域；
第二の領域と隣接していて、かつ第二の結合係数より高い第三の結合係数に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第三の領域；
第三の領域と隣接していて、かつ第三の結合係数より低い第四の結合係数に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第四の領域；
第四の結合係数より高い第五の結合係数に従って結合している平行な複数の導波路から形成された第五の領域
を含む、前記光学要素に関する。
【００１２】
この導波路領域の構成によれば、光信号は、第一の領域と第五の領域の間を透過させられることができる。事実、低い結合係数を有する第二の領域及び第四の領域は、高い結合係数を有する第三の領域付近に共鳴トンネル効果型二重バリアを形成する。この共鳴トンネル効果型二重バリアの存在は、通常は入射波の透過を遅らせるものであるが、幾つかの入射方向のためにそれを促進してもよい。事実、弱く結合している複数の導波路から形成された中央領域（つまり、第三の領域）は、導波方向に沿った固有伝搬定数の離散集合を有する。光信号については、この中央領域は中継領域を構成し、すなわち、共鳴条件が満たされるとき（つまり、中央領域の固有伝搬定数の１つが、導波方向にそって入射波の伝搬定数の要素と等しいとき）、それはバリア上の反射を軽減するか、さらには制限して、それを横切る透過を促進する。入射波伝搬定数は、その導波数ベクトルであり、その伝搬方向（つまり、入射方向）を規定する。
【００１３】
言い換えれば、本願に適した専門用語によれば、強く結合している導波路から形成された中央領域（つまり、第三の領域）とは、チャネルを意味するであろう。このチャネルは、「障壁」と呼ばれる中間領域（つまり、弱く結合している第二及び第四の導波路領域）で両側を囲まれている。このチャネルは、選択された入射の光ビームのみにより第一の領域から到達可能であり、共鳴条件に関して共鳴効果を起こし、次に、それは、光トンネル効果により、障壁を通じてそれらを第五の領域の方向へ透過させることができる。
【００１４】
任意の二重バリア要素の場合に、この構造の効率的な機能は、バリアの高さ及び幅に制約を課す。例えば、チャネルと障壁の結合係数の比により規定されているバリア高さは、オフ共鳴伝搬を遮断するのに十分なほど高くなければならない。例えば、後述される導波ジオプター路の式により示されるように、２の値が適切である。また、入力バリア幅は、十分に低くなるべきなので、それを越えているエバネセント波が、チャネルを感知し、かつ共鳴を設けるのに十分なほど高い振幅を示す。そして、同じことは出力バリアについても言える。これは、この幅が、ほぼエバネセント波（その近似値は：
【数１】
0005576381.tif 000002
であろう）の範囲であることを意味する。
【００１５】
上記で例示された結合係数については、ほぼ１つ又は２つの導波路分の幅が適切である。チャネルについては、本要素の予測可能な寸法記入のために設けられた項目において後述される手順に従って、技術の制約に合わせた態様で、その幅を決定するシミュレーションを使用することが必要である。事実、この要素特性は、チャネル幅の影響を非常に受ける。
【００１６】
共鳴条件は、一方では第一及び第三の領域の結合係数の関連値について、他方では第三及び第五の領域の結合定数の関連値について、追加の制約を導く：第一の領域の結合係数及び第五の領域の結合係数は、導波（その導波方向に沿った導波数ベクトル要素は、中央領域の固有伝搬定数の１つと等しいか、又は非常に近い）がこれらの領域において伝搬できるほど十分に高くなるべきである。
【００１７】
高入射ビームが第二の領域に向かって生じ、そして第一の領域を越える場合には、その入射が共鳴条件の付近で選択されるならば、チャネルにおいて（つまり、第三の中央領域において）光エネルギー増強が起こる。この領域における出力密度の変更は、例えば、チャネル及びその後の領域へ透過させられるか、及び／又はそれらの上で反射した出力の変更につながる光カー（Ｋｅｒｒ）効果によって、第三の領域の伝搬定数の変更を可能にする。したがって、その要素は、出力制限減衰器として、又は論理ゲート（例えば、ＮＯＴ又はＸＯＲゲートなど）として、完全に光学的な態様で、使用されることができる。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、中央領域（つまり、第三の領域）は伝搬定数を有し、そして本光学要素は、第三の領域の伝搬定数を変更するように配置された制御手段をさらに含む。
【００１９】
本発明のこの実施形態によれば、第三の領域の伝搬定数を変更することにより、チャネルを越えている信号の伝搬が、第五の領域へ向けて透過させられたビームに影響するように行われる。制御手段への透過感度は、共鳴付近で最大である。
【００２０】
以下では、この第三の領域の伝搬定数変更を活性化することを可能にしている特定の実施形態が説明される。
【００２１】
第一の実施形態によれば、制御手段は、第三の領域へ向けられた少なくとも１つの制御光ビームの出力密度を変えるために配置された光学手段を含んでよい。制御光ビームは、本要素の上下から、第三の領域へ透過させられることができる。
【００２２】
より詳細には、光学手段は、制御ビームが第三の領域内で伝搬できるように配置されることができる。
【００２３】
有利には、この実施形態は、制御ビームが、第二及び第四の領域により形成された障壁で囲まれている中央の第三の領域により形成されたチャネル内に閉じ込められてよく、かつ伝搬してよいという事実を利用する。この閉じ込めは、中央領域により形成されたチャネルの固有伝搬定数と密接に関係しており、上記「Ｓｙｍｓ」などの刊行物において具体的に記述されている。したがって、制御ビームの出力密度の変更は、光カー効果によって、第三の領域の伝搬定数を変えることを可能にするので、例えば、共鳴は、入射方向の要素を表している軸上を動くことができる。したがって、チャネル及びその後の領域の方向への、又はそれらの上での、入射ビームの透過及び／又は反射特性に影響を及ぼすことが可能である。
【００２４】
この目的のために、好ましくは、入射ビームの出力密度は、両方のビーム間の相互作用領域（つまり、第三の領域に対応している中央領域）の制御ビームのものより低いままになるように選択される。
【００２５】
したがって、制御ビームの出力密度の変更は、入射ビームの透過及び反射出力の変更を起こす。
【００２６】
この場合には、光学要素は、調節可能なｎ％／（１００−ｎ）％双方向カプラとして使用されてよく、そして伝送速度ｎは、制御ビーム出力に応じて調節可能である。また、本要素は、ローテーター、スイッチ、又は論理ゲート（詳細にはＮＯＴ又はＸＯＲゲート）として使用されることができる。
【００２７】
さらに、制御ビーム出力が入射ビーム出力より低いとき、より高い出力密度を有しながら、本要素は、トランジスタと光学的に同等である光トランジスタとして使用されることができる。
【００２８】
別の実施形態によれば、第三の領域の伝搬定数を変えるために、本要素は、第三の領域に電場を発生させるように配置された電気的手段を含んでよい。この電場を変えることにより、第三の領域の伝搬定数は、例えば、ポッケルス効果などの電気光学効果によって変更されることができる。したがって、電場変化は、制御ビームの出力密度変化と同等の影響を伝搬定数に及ぼす。
【００２９】
例えば、電気的手段は、第二及び第四の領域上に置かれた電極を含んでよい。
【００３０】
これらの電極間に電圧が掛けられるとき、電場は、チャネル（つまり、第三の領域）を形成している中央領域内で発生させられる。
【００３１】
さらに、中央領域内の要素の面に対して垂直な電場要素を形成するために、この中央領域上に電極が置かれてよい。
【００３２】
添付図面を参照することにより、本発明の詳細な説明をここから説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態による五領域導波路配列を示す図である。
【図２】図１に示された導波路配列における結合係数の変化を示す図である。
【図３】導波ビームが処理されている図１の導波路配列を示す図である。
【図４】中央領域に閉じ込められた制御ビームを備えている図１の導波路配列の実施形態を示す図である。
【図５】制御ビーム出力の関数としての、図４に示された構造により透過させられた入射ビームの関数、並びに関連技術要素のためのこの関数を示す図である。
【図６】電気的手段を有する図１の導波路配列の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態による七領域導波路配列を示す図である。
【図８】導波路配列内の垂直ジオプターの路のための解の図式的な構成を示す図である。
【図９】本発明の要素によって得られた全光学的論理関数から成る２つの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図では、同じ参照数字は、類似する技術要素を意味する。
【００３５】
本発明によれば、光学要素は導波路配列１を含む。
【００３６】
それ自体で知られている態様では、例えば、前記「Ｓｙｍｓ」などの刊行物では、導波路配列１は、導波方向に沿って配向した平行な複数の導波路を含む。
【００３７】
図１では、導波路配列１は、導波方向Ｚに沿って配向した平行な複数の導波路を含む。
【００３８】
導波路配列１は、各領域内では均一な特定の結合係数により特徴付けられる２〜６で示された少なくとも５つの領域を含む。しかし、第一の領域から、それに隣接している領域へ進むときに、結合係数は変わる。例えば、結合係数は、各領域における導波路間の隙間により決定され、そして導波路が１つの領域内で締められるほどに、結合係数はその領域内で高くなるであろう。また、それは、形態又は導波路間の空間率によっても決定されることができる。
【００３９】
中央領域４は、導波方向Ｚに沿って配向している平行な複数の結合導波路を含む。この中央領域４では、導波路は、高い結合係数に従って結合している。
【００４０】
２つの中間領域３及び５が、中央領域４の側面上に置かれており、それぞれは、導波方向Ｚに沿って配向している平行な複数の結合導波路を含む。それらの導波路は、低い結合係数に従って、つまり、中央領域４の結合係数より低い結合係数に従って、結合している。例えば、領域３及び５の導波路の結合係数は等しいが、それらは、中央領域４の導波路の結合係数より低いままである限り、異なってよい。
【００４１】
中間領域３及び５は、中央領域４及び中間領域３と５の各界面に隣接していて、好ましくは、中央領域４は導波方向に沿って平行である。
【００４２】
導波路配列は、中間領域３に隣接している領域２をさらに含み、そして好ましくは、領域２と中間領域３の界面は、導波方向と平行である。
【００４３】
同様に、導波路配列は、中間領域５と隣接している領域６をさらに含み、そして好ましくは、領域６と中間領域５の界面は、導波方向と平行である。
【００４４】
領域２の複数の導波路の結合係数は、隣接している中間領域３の複数の導波路の結合係数より高い。
【００４５】
同様に、領域６の複数の導波路の結合係数は、隣接している中間領域５の複数の導波路の結合係数より高い。
【００４６】
言い換えれば、領域２の平行な複数の導波路は、領域３の平行な複数の導波路より強く結合しており、そして領域６の平行な複数の導波路は、領域５の平行な複数の導波路より強く結合している。
【００４７】
領域３及び５の導波路の結合係数は、工業的容易性のために等しくてよいが、この等しさは、要素の機能効率のために必須ではない。同様に、領域２及び６の導波路の結合係数は、より容易にするために、中央領域４の導波路の結合係数と等しくてよい。
【００４８】
言い換えれば、図１では、導波路配列１は、導波方向に沿って全て配向している平行な複数の導波路から形成された５つの連続片を含む。
【００４９】
光信号は、そのような導波路配列において、導波された態様で伝搬してよい。したがって、そのような結合導波路の配列では、その伝搬は、導波路の導波方向における個別の伝搬だけでなく、自由な集合伝搬である。本明細書では、導波累積の自由な集合伝搬から生じたビームを、「導波ビーム（英語：ｇｕｉｄｏｎｉｃ  ｂｅａｍ、仏語：ｆａｉｓｃｅａｕ  ｇｕｉｄｏｎｉｑｕｅ）」と呼ぶ。
【００５０】
下記で詳述されるように、本発明によるこれらの片の特定の構成は、この導波ビームの伝搬に影響を与えることを可能にする。
【００５１】
図２には、特に、複数の結合係数が、一方では片３及び５において等しく、そして他方では片２、４及び６において等しい場合に、導波方向に垂直なＸ方向における配列１の様々な片２〜６の関数として、導波路配列１における結合係数の変化が示される。
【００５２】
導波路間の強い結合は、導波路間の光ビームの伝搬を促進するが、弱い結合はこの伝搬を制限することも理解されたい。必要に応じて、導波路がもはや結合しないときには、導波路間の伝搬効果は消える。
【００５３】
したがって、中間領域３及び５は、二重バリア又は二重障壁と呼んでよく、チャネルとみなせる中央領域４を囲んでいる。
【００５４】
「共鳴トンネル」型効果について類推すると、弱い結合係数を示している中間領域３及び５により形成された二重バリアの存在は、光ビームの伝搬が中央領域４の固有伝搬と共鳴するときに、透過領域２と６の間のビームの透過を可能にする。導波光学では、共鳴条件は伝搬方向に関連して表される。領域２で伝搬しているビームは、領域３により形成された第一のバリア上に入射しており、次に、それが適当な入射方向を有するならば、領域６に部分的に送られる。言い換えれば、このビームは、中央領域４を囲んでいる中間領域３及び５により形成された二重バリアを越えることができる。
【００５５】
一方で、中央領域４が無いとき、したがって、共鳴していないときには、単一バリアによって、共鳴トンネル効果と類似している効果を得ることはできないであろう。
【００５６】
本明細書で上述された導波路片の複数の実施形態は、例えば、ＧａＡｓ／ＧａＡｉＡｓ系におけるエピタキシー及びエッチング、又はシリカ系製剤における拡散などにおいて実行可能である。これらの方法は、当業者によく知られている。
【００５７】
個別の導波路を設計するために、当業者は、それ自体で既知の方法を使用してよい。より詳細には、彼／彼女は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系におけるＭＯＣＶＤから形成された積層体の化学エッチングによって得られた半導体ＩＩＩ−Ｖ内のいわゆる「浅リッジ」構造を使用してよい。例は、Ｈ．Ｓ．アイゼンバーグ（Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ）、Ｙ．シルバーバーグ（Ｓｉｌｖｅｒｂｅｒｇ）、Ｒ．モランドッティ（Ｍｏｒａｎｄｏｔｔｉ）、及びＪ．Ｓ．エイッチソン（Ａｉｔｃｈｉｓｏｎ）の刊行物「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ８５／９，  ｐｐ  １８６３−１８６６  （２０００）」における「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ」により詳細に説明されている。この特定の構造については、１．５５μｍで機能するように設計されており、結合係数は０．１５ｍｍ−１である。
【００５８】
ある片から別の片への導波路間結合の変化は、導波路間の間隔を変えるか、又は導波路間領域の形態若しくは指数を変えることにより、達成されることができる。より詳細には、例えば、結合係数の変更は、導波方向に垂直な方向で、並びに、所望により、様々な領域間の斜面及び曲面を有する界面を得ることが好ましいならば導波方向で、導波路間の距離ｄを変えることにより得られる。したがって、導波路間の距離の関数として、２つの導波路間の結合係数に対応する関数Ｃ（ｄ）が定義される。
【００５９】
この結合係数は、個別の導波路モードの上部に依存する。このモード上部は疑似指数形状を有するので、関数Ｃ（ｄ）も擬似指数関数的に減少する。したがって、導波路間の距離の少しの変化に応じて、結合係数の大きな変化を得ることが可能である。これらの変化を達成するために、全ての実施形態では、（例えば、設計において異なる領域ごとに規定されている）異なる結合係数を有する導波路配列のヘテロ構造を再生しているエッチングマスクにより規定されたパターンに従って、導波路間に溝を掘ることも可能である。この場合には、望まれる結合係数が局所的に弱くなるほど、エッチングは深く行われるべきである。好ましい係数を得るためのエッチングの必要な計算は、それ自体で「ビーム伝搬法」と呼ばれる既知の数値シミュレーションによって行なわれることができる。また、それ自体で知られる態様では、エッチング後に、配列が好ましい構造と対応しているかどうかを確認するために試験が行われる。
【００６０】
実施されている本発明の光学要素をこれから説明する。
【００６１】
異なる結合係数で結合した平行な導波路から成る２片の連結は、導波の伝搬定数を変え、それにより、その界面を越えている波の伝搬方向を変える。この伝搬方向の変更は、例えば、結合係数が、導波方向と垂直な方向では２つの片の間で変わり、かつ導波方向では一定である場合について、前述の「Ｓｙｍｓ」などの刊行物に記述されている。
【００６２】
また、結合係数は、導波方向では変わってよいので、異なる結合係数を示している結合導波路から成る２つの領域の界面は、未公開の国際出願番号第ＰＣＴ／ＦＲ２００８／０００６２８号においてより詳細に記述されているように、斜面又は曲面でよい。
【００６３】
図３に示されるように、中央領域４は、伝搬定数ＫＭの優先モードを規定する。入力領域２で伝搬している導波ビーム９が、ＫＭと等しいか、又は近似している導波方向に沿った伝搬定数要素を有し、かつ中央領域４に隣接している中間領域３の方向へ入射するとき、導波ビーム９は、透過した導波ビーム１０の形態で共鳴トンネル型効果によって出力領域６の方向へ透過させられることができる。導波ビーム９のエネルギーの一部は、中央領域４（それは、中央領域４を越えるときに透過ビーム出力の変更を起こす）に蓄積する。次に、本要素は出力減衰器を形成する。
【００６４】
したがって、Ｊ．メイアー（Ｍｅｉｅｒ）らの「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ３０，  Ｎ°２３，  ｐｐ．  ３１７４−３１７６（２００５）」における刊行物「Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｂｌｏｃｋｅｒ  ｓｏｌｉｔｏｎ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｋｅｒｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｒｒａｙｓ」に記述されている当該非線形光学装置の場合における閾値効果なしに、導波ビームの透過部分は、制御ビームの集中によって擬似線形的に変わってよい。図５には、導波路配列の指針に基づいて表される制御ビーム出力（この場合には入射ビーム９自体の出力）の関数としての透過出力割合が示される。曲線２２は本発明による要素１における変化の例を表す。一方で、曲線１６は関連技術による要素における変化を表す。本発明による要素における閾値効果の不在は、作動領域を広げるために、実際には非常に有利であることが容易に分かる。
【００６５】
図４に示されるように、透過ビーム１０の出力は、例えばレーザー２３により放出された制御ビーム１１により、調整されることができる。制御ビーム１１は、例えば、中央領域４と、中間領域３及び５のそれぞれとの界面の方向に対応する導波方向Ｚで、中央領域４の方向へ送られる。
【００６６】
上述の通り、低い結合係数を有する中間領域３及び５は、制御ビーム１１のためのバリアを形成するので、そのビームは、中央領域４に閉じ込められ、そして導波方向Ｚにおける導波の形態で中央領域４に伝搬する。
【００６７】
また、レーザー２３は、制御光ビーム１１が要素１の上下から中央領域４へ向けられるように調整されることができる。
【００６８】
光カー効果については、レーザー２３による制御ビーム１１の出力密度の変更が、光学指数を変え、それにより中央領域４における伝搬定数ＫＭを変え、その伝搬定数ＫＭは、この中央領域４の透過性を変える。
【００６９】
したがって、導波ビーム９が中央領域４へ入射するとき、制御ビーム１１の出力密度の変更は、透過ビーム１０及び反射ビーム１２の出力の変更を起こす。詳細には、この透過及び反射出力変更現象は、入射ビーム９の出力密度が制御ビーム１１の出力密度より低いときに起こる。
【００７０】
次に、本光学要素は、調節可能なｎ％／（１００−ｎ）％双方向カプラを形成してよく、透過率（％）は、制御ビーム１１の出力密度により光学的に制御される。
【００７１】
特に有効なことに、導波ビームの透過率は、結合器、スイッチ又はルーターとしても運転できる関連装置の場合に閾値効果が無い状態で、制御ビームの強度に応じて、疑似線形で変化する。図５には、導波路配列の指針に基づいて表される制御ビーム出力（この場合には制御ビーム１１）の関数として透過出力割合が示される。曲線１５は、本発明による要素１における変化の例を表す。一方で、曲線１６は、関連技術による要素における変化を表す。本発明による要素における閾値効果の不在は、実際には非常に有利であることが容易に分かる。
【００７２】
さらに、制御ビーム１１の出力が、出力密度の条件と合致している入射信号ビーム９の出力より低いという特定の場合には、「光トランジスタ」と呼ばれるトランジスタの効果と類似する効果を有することが可能である。
【００７３】
例えば、Ｐ入射が、トランジスタのエミッタ電流と類似する入射ビーム９の出力であるならば、Ｐ放射＝α×Ｐ入射（ただし、α＜１、本装置に近い）は、トランジスタ基本電流と類似する制御ポートＰ制御の出力（制御ビーム１１の出力）と、トランジスタのコレクター電流と類似するコレクターで用いられる出力Ｐコレクターと見なしてよい。Ｐ放射＝β×Ｐ制御ならば、電流利得がβであるトランジスタの光学的類似体として、光強度利得β＞１である光トランジスタが得られる。
【００７４】
また、多くの制御ビーム１１は、共伝搬若しくは逆方向伝搬構成により、又は、例えば本部品の上下から、信号ビームにより越えられるチャネル４領域へ単純に向けることにより、又はいずれかの方法の任意の組み合わせにより、チャネル４内に閉じ込められることができる。
【００７５】
図６に示される通り、本発明の別の実施形態によれば、電極１３及び１４が中間領域３及び５上に配置される。これらの電極１３及び１４は、可変振幅の導波方向に垂直な電場Ｅを発生させるために、可変電圧を受けることができる。電気−光カー効果又はポッケルス効果によって、この電場の変化が、中央領域における伝搬定数の変化を誘導する。したがって、電場Ｅの変化は、ビーム１１などの光制御ビームの出力変化と同等の効果を有するので、図４に示される、閾値のない結合器を得ることを可能にする。
【００７６】
同様に、領域４により形成されたチャネルにおける伝搬定数は、他の手段により、例えば、温度、機械的制限、堆積／蒸発サイクル、流量、生物学的対象又は化学種の存在などに応じて、変調されることができる。
【００７７】
本発明の別の実施形態が、図７を参照してここから説明される。図７では、要素１は、領域２及び６にそれぞれ隣接している２つの末端領域７及び８をさらに含む。また、これらの末端領域７及び８は、導波方向Ｚにおいて平行に結合した複数の導波路を含む。末端領域７の平行な複数の結合導波路の結合係数は、領域２の平行な複数の結合導波路の結合係数と異なり、例えば、それよりも高い。また、末端領域８の平行な複数の結合導波路の結合係数は、領域５の平行な複数の結合導波路の結合係数と異なり、例えば、それよりも高い。
【００７８】
詳細には、領域７の役割は、入射導波９の入射を中央領域４の方向へ調節することにある。事実、領域７と領域２の界面を越えるとき、入力導波１７は、領域７の導波路と領域２の導波路の間の結合差によって、方向転換させられる。次に、領域７の導波路と領域２の導波路の結合係数の比は、入射波９が、低結合領域３及び５により形成された二重バリアを通過するときに透過を可能にする入射方向を有するように選択される。明らかに、反射波１２も、要素１の出力で使用してもよい反射方向転換ビーム１８において方向転換させられる。
【００７９】
また、領域８の役割は、より詳細には、方向転換ビーム１８が要素１の出力で適合されるように、透過ビーム１０の入射を調節することにある。
【００８０】
チャネル４の伝搬定数を変えることによりチャネル４の透過特性を変えることを目的とする上述の実施形態は、言うまでもなく、五片配列よりもむしろ、そのような七片配列とともに使用されることができる。
【００８１】
図７で示された要素を考慮できる典型的な寸法をここから説明する。単純な場合には、入力及び出力ビームは、所定の方向を有すると考えられており、そして所定の導波路間結合領域７及び８において伝搬すると考えられる。本装置の設計は、これらの領域間に、目的とする機能のために最適化された二重バリア構造を挿入することにある。面積×幅は、導波路の数として表されるＬｘとして示され、そしてＣｘは、この領域における導波路間結合を示す。領域７における入射方向は、ｋｘ７により示され、この領域における導波路同士の間隔とは逆の減少単位当たりのＸに沿った波ベクトルである。
【００８２】
各領域の幅及び導波路結合の選択は、適合させたシミュレーション手段を用いて、例えば、結合モード理論と、活性構造の固有モードの計算から成る未加工の式からの数値シミュレーションの混合によって、下記で詳述されるであろう様々な導波法則を適用することにより、下記のように行われることができる：
例えば、簡略化のために、Ｃ３＝Ｃ５＝Ｃｄ、Ｃ２＝Ｃ４＝Ｃ６＝Ｃｃ、そしてＬ３＝Ｌ５＝Ｌｄ；
Ｃｄ／Ｃｃ（横断障害バリアの高さ）、Ｌｄ（障壁幅）及びＬ４の値＝Ｌｃ（チャネル幅）、そして二重バリア上の入射波ベクトルのＸに沿った要素ｋｘ２は、目的とする能力（例えば、入射の関数としての反射曲線の傾き）を最大化するために最適化される。例えば、Ｃｄ／Ｃｃ＝０．５、Ｌｄ＝１、Ｌｃ＝６、ｋｘ２＝０．４８（構造全体に亘って一定として考えられた、導波路間の間隔と逆に減少した単位）を採用することが可能である；
Ｌ２及びＬ６、Ｌ７及びＬ８は、Ｘ方向に沿って、それらを超えているビーム幅（領域７に関するビーム１７）より大きくなるように選択され、例えば、Ｌ２＝Ｌ６及びＬ７＝Ｌ８である；
これらの選択が行われると直ぐに、関係式Ｃ７ｃｏｓｋｘ７＝Ｃ２ｃｏｓｋｘ２（式中、Ｃ２＝Ｃｃと定める）によって例が与えられる場合には、最後の未決定値であるＣ７及びｋｘ７が定められるので、全数値が決定される。
【００８３】
２０個の導波路の（例えば、基準値の分布幅から成る）ビームを構造中心の３０個の導波路へ射出し、所定の伝搬距離（例えば、４６／Ｃ４を超える伝搬）で反射及び透過信号の検出を行うことにより、操作が行われる。
【００８４】
制御出力の関数としての透過率の曲線１５が図５に示されており、導波路配列指針に従って表される制御ビーム１１の有効出力と、本要素の臨界出力（見掛け上の非線形指標の有効出力）との比の出力基準である。この臨界出力は、Ｃ４／γ｛式中、γは、特定の導波路の非線形係数である｝と等しく、その寸法及びそのコアの材料のカー（Ｋｅｒｒ）感受率に応じて決まる。
【００８５】
詳細には、ビーム入射角に応じて使用されることになる結合係数を決定するために、導波路配列によって伝搬している導波のための屈折原理が、下記で詳述される。
【００８６】
一次元構造化の単純な場合については、図７の領域７と２の間のように、異なる結合係数で結合している平行な導波路から成る両方の領域の界面が、ジオプターを形成する。計算を行うために、これらのバンドは、界面のいずれかの側で半無限であると仮定される。
【００８７】
Ｃ．ｃ１は、例えば、領域７の導波路の第一のバンドの結合係数を示し、Ｃ．ｃ２は、第一のバンドに隣接している導波路の第二のバンドの結合係数を示し、そしてＣは、結合共通参照記号である。
【００８８】
この形態における導波ベクトル（Ｋｘ，Ｋｚ）の通過は、通常の回折関係によれば、−２ｃ１ｃｏｓＫｘ１＝−２ｃ２ｃｏｓｋｘ２という意味になるＫｚの変換（つまり、Ｋｚ１＝Ｋｚ２）により規定される。
【００８９】
これらの２つの式は、波ベクトルが変わり、それにより通過時の波面の傾斜が変わることを示す。これらの式は、図８に示されるような回折曲線ｋｚ（ｋｘ）の中で、水平遷移を考慮した図式的態様で決定されることができる。この図では、第一のバンドがチャネルであり、第二のバンドが障壁であるので、ｃ１＞ｃ２であると考えられた。正反射は常に可能であるだけでなく、光子のものに近い様式（臨界角など）に従う。
【００９０】
光子とは対照的に、導波については、エネルギー方向変化は、波ベクトル方向変化と別の法則に従う。
【００９１】
この法則は、スネル‐デスカルテス（Ｓｎｅｌｌ−Ｄｅｓｃａｒｔｅｓ）関係基準に相当するものであり、波ベクトルの通過法則の組み合わせであり、そして波ベクトル方向と、両方の媒体におけるエネルギーの伝搬方向との比を規定するものに対応する。
【数２】
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【数３】
0005576381.tif 000004
【数４】
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【数５】
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【００９２】
傾斜したジオプターについては、つまり、２つのバンドの界面が、導波方向と平行ではないならば、保存方程式により導波の屈折法則を決定することも可能である。例えば、その通常のベクトル：
【数６】
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により規定される傾斜界面については、その保存則は、下記：
【数７】
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のように表される。
【００９３】
全光学論理ゲートを達成するための本発明による部品の使用が、ここでは記載されている。部品１の入力及び出力マッチングを変えることにより、つまり、中央領域４における入射ｋｚを決定するであろう比Ｃ７／Ｃ２を調節することにより、全光学論理ゲートの獲得は行われる。
【００９４】
図９には、全光学論理関数から成る２つの例が示される。
【００９５】
曲線２０は、二重バリアの設計について上述された数値が、例えば、Ｃ２＝Ｃ７＝Ｃ８、ｋｘ２＝０．２３、及び１２８／Ｃ４における伝搬とさらに設定することにより選択された本発明による部品により得られた伝達関数を表す。この関数は、逆関数であるか、又はＮＯＴゲート（制御ビーム１１が弱いときに伝達強度が高いか、若しくは制御ビーム１１が強いときに伝達強度が低い）である。
【００９６】
曲線２１は、上記と同じ構造を有するが、ｋｘ２＝０．１５であり、かつ１２８／Ｃ４を超える伝搬である本発明による別の部品により得られた伝達関数を表す。この関数は、２つの制御ビーム１１により得られたＸＯＲ型関数である。入射ビーム９の透過は、制御ビームの一方が存在するときにのみ重要である。それは、どちらも存在しないとき、又は両方が存在し、かつそれらの強度が累積するときに弱い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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