专利名称：用于衬底化/构件化波导化护目镜系统的装置、方法和计算机程序产品的制作方法
用于衬底化/构件化波导化护目镜系统的装置、方法和计算机程序产品对照的相关申请本申请要求享有以下申请的权益2004年2月12日提交的美国 临时专利申请60/544,591，和以下各美国专利申请10/812,294， 10/811,782和10/812,295(每个都在2004年3月29日提交)；以及美 国专利申请11/011,761， 11/011,751， 11/011,496， 11/011,762和 11/011，770(每个都在2004年12月14日提交)；以及美国专利申请 10/906,220 ， 10/906,221 ， 10/906,222 ， 10/906,223 ， 10/906,224 ， 10/906,226和10/906,226(每个都在2005年2月9日提交)；以及美国 专利申请,06,255，歸06,256' 10/906,257， 10/906,258， 10/906,259， 10/906,260， 10/906,261， 10/906,262和10/906，263(每个都在2005年 2月11日提交)。在此将以上申请整体引入作为参考。
背景技术：
本发明整体涉及用于传播辐射的传送器，更具体的，涉及具有传 导通道的波导，所述传导通道具有光学活性成分，光学活性成分提高 了波导的影响辐射的特性对外界影响的响应度。法拉第效应是这样一种现象其中当光线通过放置在磁场中并与 磁场平行的透明介质进行传播时，线偏振光的偏振面发生旋转。偏振 旋转量的效果随着磁场强度、介质固有的维尔德常数以及光路长度而 改变。旋转的经验角度由以下给出y9 = 5W, (等式l)其中V称为维尔德常数(并且具有弧度分cm-l高斯-1的单位)。 B是磁场，d是在场中的传播距离。在量子力学描述中，由于磁场的 加入改变了能级而发生法拉第旋转。已知的是，使用具有高维尔德常数的离散材料(例如含铁的石榴 石晶体)来测量磁场(例如作为评估电流强度的一种方法，而由电流所 引发的那些磁场)，或者作为在光学隔离器中使用的法拉第旋转器。光学隔离器包括将偏振平面旋转45度的法拉第旋转器，用于施加磁 场的磁体，偏振器和检偏器。常规的光学隔离器是其中没有采用波导 (例如，光纤)的体型。在常规光学装置中，已经由包含顺磁性和铁磁性材料的离散晶 体，特别是石榴石(例如钇/铁榴石)生产出了磁光调制器。诸如此类的 器件需要相当大的磁控制场。磁光效应还用于薄层技术，特别是用于 生产非互易器件，例如非互易接点。诸如此类的器件是基于采用法拉 第效应或者科顿-穆顿效应进行的方式转换。在磁光器件中采用顺磁性和铁磁性材料的另一个缺点在于，除了 偏振角度之外，这些材料还对例如振幅、相位和/或者频率之类的辐 射的特性产生不利影响。现有技术已经知道了将离散磁光体型器件(例如晶体)用于共同 地定义显示器件的应用。这些现有技术的显示器具有几个缺点，包括 每个图像元素(像素)有着相对较髙的成本，控制单个像素的高操作成 本，控制复杂度的增加，控制复杂度的增加仍然不能够对相对大的显 示器件进行很好的縮放。常规成像系统可以粗略地分为两类(a)平板显示器(FPD)和(b)投 影系统(其包括作为发射显示器的阴极射线管(CRT))。 一般来讲，两 种系统所采用的主要技术是不同的，尽管存在例外。对任何预期技术 而言这两类都具有明显的困难，并且现有技术仍然需要圆满地克服这 些困难。与主流阴极射线管(CRT)技术相比(与标准深度基本等于显示区 域宽度的CRT显示器相比，"平板"意味着"平"或者"薄")，现有 FPD技术面临的主要困难在于成本。为了实现给定的一组包括分辨率、亮度和对比度在内的成像标 准，FPD技术大致比CRT技术昂贵三到四倍。然而，CRT技术的庞 大体积和重量是主要缺点，特别是在显示区域被按比例放得更大时。
对薄显示器的需求己经驱使在FPD的领域开发出了多种技术。FPD的高成本很大程度上是由于在主流的液晶二极管(LCD)技术 中，或者是在不太普及的气体等离子技术中使用了精密的元件材料。 LCD中所使用的向列型材料中的不规则性导致相对较高的缺陷率； 其中单个单元有缺陷的LCD元件的阵列经常导致整个显示器的废 弃，或者对有缺陷的元件进行昂贵的替换。对于LCD和气体-等离子显示技术而言，在这种显示器的制造中 对液体或者气体进行控制的固有困难是基本技术和成本局限。高成本的额外来源是对现有技术中在每个光阀/发光元件上的相 对高的开关电压的需求。不管是对LCD显示器的向列型材料进行旋 转，进而改变通过液体单元而传输的光的偏振，还是对在气体等离子 显示器中气体单元的激发，都需要相对高的电压实现在成像元件上的 高开关速度。对于LCD而言，"有源矩阵"是高成本方案，在其中， 将单个晶体管元件分配给每个成像位置。当图像质量标准增加时，对于高清晰度电视(HDTV)或者更高质 量的设备，现有FPD技术现在不能以与CRT可比拟的成本实现图像 质量。在质量范围的末端上的成本差异是最明显的。并且，不管对电 视还是对计算机显示器，尽管在技术具有可行性，实现35mm电影质 量的分辨率将必须承担使其脱离消费电子产品领域的成本。对于投影系统而言，存在两种基本子类电视(或者计算机)显示 器，和剧场电影投影系统。在与传统的35mm电影投影设备进行比较 时，相对成本是主要议题。然而，对于HDTV而言，与常规的CRT、 LCD FPD或者气体-等离子FPD相比，投影系统是低成本解决方案。当前投影系统技术面临着其他困难。HDTV投影系统面临着使显 示器深度最小，同时在相对短的到显示器表面的投射距离的局限下保 持一致的图像质量的双重困难。该平衡典型地导致在相对较低的成本 价格下的较差满意度的妥协。然而，对于投影系统的技术需求的新领域是电影剧场领域。电影 屏幕安装是投影系统的新兴应用区域，在该应用中，典型地不会涉及 控制台深度与一致的图像质量之间对立的议题。取而代之的是，困难
是在具有可比成本情况下，要相当于(至少)传统35mm电影放映机的 质量。包括基于直接驱动图像光源放大器("D-ILA"),数字光处理 技术("DLP")，和光栅光阀("GLV")的系统在内的现有技术最近 尽管在质量上相当于传统电影放映装置，但其与传统电影放映机相 比，具有明显的成本差距。直接驱动图像光源放大器是JVC投影仪公司开发的反射式液晶 光阀器件。驱动集成电路("IC")将图像直接写到基于CMOS的光阀 上。液晶与信号电平成比例地改变反射率。这些垂直排列(垂面排列) 晶体实现了上升时间加上下降时间小于16毫秒的非常快速的响应时 间。来自氙或者超高性能("UHP")金属卤素灯的光经过偏振光束分 离器进行传输，经过D-ILA器件反射，并投影到屏幕上。在DLPTM投影系统的中心是光学半导体，其被称为数字微镜器 件，或者DMD芯片，在1987年由德州仪器公司的Dr. Larry Hornbeck 发明。DMD芯片是精密复杂的光开关。它包括高达一百三十万个铰 链放置的显微镜面的矩形阵列；这些微镜中的每一个的尺寸都小于人 头发宽度的五分之一，并且对应所投影图像的一个像素。当DMD芯 片与数字视频或图形信号、光源和投影透镜协调工作时，它的镜面将 全数字图像反射到屏幕或者其他平面上。DMD及其周围的精密复杂 的电子器件被称为数字光处理 技术。称为GLV(光栅光阀)的过程正在开发中。基于该技术的原型器件 实现了 3000:1的对比度比率(目前典型的高端投影显示器仅仅实现了 1000:1)。该器件使用了三个选定的具有特定波长的激光器来提供颜 色。这三个激光器是红色(642nm)，绿色(532nm)和蓝色(457nm)。 该过程采用了 MEMS技术(微机电系统)并且包括在一条线上1,080个 像素的微带状阵列。每个像素包括六个带状物，其中三个固定，三个 上/下移动。当供电时，三个移动带状物形成一种衍射光栅，其"过 滤"出光线。部分成本差距是由于这些技术在较低成本下实现特定关键图像 质量参数面临的固有难题。对于微镜DLP而言，对比度，特别是在 "黑色"的质量中的对比度是难以实现的。而GLV不必面临该困难(通过光学光栅波干涉来实现像素无效，或者黑色)，取而代之的是其面 临采用线阵列扫描源实现有效的类似电影的间歇图像的困难。基于LCD或者MEMS的现有技术还受到生产具有至少1KX IK 元件阵列(微镜，硅基液晶("LCoS")等等)的器件的经济性的约束。 当包含这些数量的元件并在必要技术标准下工作时，在基于芯片的系 统中的缺陷率高。已知将阶跃型光纤协同法拉第效应用于各种通信用途。光纤的通 信应用是公知的，然而,在将法拉第效应应用到光纤时存在固有冲突， 这是因为与色散和其他性能规格有关的常规光纤的通信特性没有进 行优化以对法拉第效应达到最优化，在一些情况下通信特性甚至由于 法拉第效应的优化而降低了。在一些传统光纤应用中，通过在54米 的路径长度上使用IOO奥斯特的磁场，实现了卯度偏振旋转。通过 将光纤放置在螺线管内部，并通过导引电流流经该螺线管而产生所期 望的磁场，来得到所期望的场。对于通信应用，考虑到其设计用于具 有以千米计算的总路径长度的系统中时，54米的路径长度是可以接 受的。在光纤环境中的法拉第效应的另一种常规用途是用于覆盖通过 光纤的低速数据传输加上常规高速数据传输的系统。法拉第效应用于 缓慢地调制高速数据以提供带外信令或控制。此外，该用途是与通信 用途一起作为主要考虑事项而实现的。在这些常规应用中，光纤设计用于通信用途，并且对参与法拉第 效应的光纤特性的任何修改都不允许降低通信性能，所述通信性能典 型地包括用于公里+—长度光纤通道的衰减和色散性能规格。一旦对于光纤的性能规格实现了可接受的级别以允许在通信中 使用，光纤制造技术就发展起来并进行改善以允许超常长度的光学上 纯净和均匀的光纤的有效的和节省成本的制造。概观光纤的基本制造 过程包括粗加工成品玻璃圆柱体的制造、从该粗加工成品中拉制光 纤、以及测试所述光纤。典型地，采用改进化学气相沉积法(MCVD) 过程制成半成品，该过程通过硅溶液产生氧气泡，该硅溶液具有产生 最终光纤所期望属性(例如，折射率、膨胀系数、熔点等)所必需的必不可少的化学成分。引导气体蒸气进入在特定的车床中的合成硅石或者石英管(包层)的内部。该机床打开，吹管(torch)沿着该管的外部移 动。来自吹管的热量使得气体中的化学成分与氧气发生反应，并形成 二氧化硅和二氧化锗，并且这些二氧化物沉积在该管的内部并熔合在 一起，形成玻璃。该过程的结果是产生半成品。在制成半成品，并且对其进行冷却和测试之后，将其放置在光纤 拉丝塔(fiber drawing tower)内，光纤拉丝塔将粗加工成品放置在接近 石墨熔炉的顶部。该熔炉将粗加工成品的尖端融化，形成融化的"滴"， 其由于重力的原因而开始下落。当它下落时，它冷却并形成玻璃线。 通过一系列处理站使该线形成丝，其上涂覆所期望的涂层并使所述涂 层固化，将该线附着在牵引机上，牵引机以计算机监控的速度对该线 进行拉丝，从而使该线具有期望的厚度。以大约33到66英尺/秒的 速度拉出光纤，并将已经拉出的线缠绕在线轴上。这些线轴包含有多 于1.4英里的光纤的情况并不罕见。对该已经完成的光纤进行测试，包括对性能规格的测试。通信等 级光纤的这些性能规格包括抗拉强度(每平方英寸IOO，OOO磅或者更 大)，折射率分布图(光学缺陷的数字孔径和屏幕)、光纤几何形状(芯 直径、包层尺度和涂层直径)、衰减(各种波长的光在距离上的减弱)、 带宽、色散、工作温度/范围、温度与衰减的依存关系和在水下传导 光的能力。在1996年，出现了上述光纤的变体，该变体从此称为光子晶体 光纤(PCF)。 PCF是在较高折射率的背景材料中采用低折射率材料的 微结构排列的光纤Z导波结构。背景材料通常是未掺杂质的硅石，并 且典型地通过沿着光纤长度而连续的空气空间来设置低折射率区域。 PCF分为两类(l)高折射率传导光纤，和(2)低折射率传导光纤。与以上所述的常规光纤类似，高折射率传导光纤采用改进的全内 反射(MTIR)规则，在固体芯中对光线进行传导。全内反射是由在微 结构空气填充区域中的较低的有效折射率造成的。低折射率传导光纤采用光子能带斷PBG)效应对光线进行传导。 在PBG效应使得在微结构包层区域中进行传播变得不可能时，光线 被限制在低折射率芯。尽管术语"常规波导结构"用于包括广大范围的导波结构和方法， 但是可以如这里所述，对这些结构的范围进行修改，以实现本发明的 实施例。对于使用不同光纤类型的很多不同应用，采用不同的光纤类 型的辅助特征。正确操作光纤系统依赖于知道使用了何种类型的光纤 以及为什么使用该类型的光纤。常规系统包括单模的、多模的和PCF的波导，还包括很多亚变 种(sub-variety)。例如，多模光纤包括阶跃型光纤和渐变型光纤，并 且单模光纤包括阶跃型、匹配包层型、下陷包层型和其他异常的结构。 多模光纤最好设计用于较短的传输距离，并且适合用于LAN系统中 和视频监控中。单模光纤最好设计用于较长的传输距离，其适合于长 距离电话通讯和多通道电视广播系统。"空气包层"或者隐失耦合式 波导包括光学线(optical wire)和光学纳米线(optical nano- wire)。阶跃型通常指波导的折射率有着急剧改变的构造一芯具有比包 层更大的折射率。渐变型指提供在远离芯的中心(例如，芯具有抛物 线型剖面)过程中折射率分布逐渐减小的结构。单模光纤已经开发出 设计用于特定的应用(例如，长度和辐射频率，诸如无色散偏移光纤 (NDSF)，色散偏移光纤(DSF)和非零色散偏移光纤(NZDSF))的多种不 同分布。已经开发的单模光纤的重要变种称为偏振保持(PM)光纤。迄 今为止所讨论的所有其他单模光纤都能够随意地承载偏振光。PM光 纤仅仅传播输入光的一个偏振。PM光纤包含其他光纤类型所不曾见 到的特征。除了芯之外，存在额外的(2)称为应力棒的纵向区域。正 如它们的名字所暗示的那样，这些应力棒在光纤的芯中产生应力，从 而使得仅仅便于光的一个偏振平面的传输。如上所述，常规磁光系统，特别是法拉第旋转器和隔离器，已经 采用了特殊的磁光材料，所述材料包括掺杂稀土的石榴石晶体和其他 特殊材料，通常为钇铁-石榴石(YIG)或者铋-取代YIG。采用浮区(FZ) 法使得YIG单晶体生长。在该方法中，将Y203和Fe203混合在一起 以符合YIG的理想配比成分，然后将混合物烧结。将所获得的烧结 物设置为FZ熔炉中的一个轴上的母棒，而YIG籽晶设置在剩余的轴 上。指定配方的所烧结的材料放置在母棒与籽晶之间的中心区域，以便生成促进YIG单晶体的沉积所需的流体。来自卤素灯的光聚焦在 该中心区域，同时转动两个轴。该中心在含氧的大气中被加热时，形 成熔化区域。在该条件下，以恒定速度移动母棒和籽晶，造成熔化区 ^!^沿着母棒移动，从而使得从YIG烧结物中生长单晶体。由于FZ方法使得晶体从悬在空中的母棒生长，排除了污染并生 产出高纯度晶体。FZ方法生产出尺寸为012X 120mm的结晶块。采用包括LPE熔炉的液相外延(LPE)方法使得双重取代 (bi-substituted)铁榴石厚膜生长。对晶体物质和PbO-B203助熔剂进行 加热并使其在铂坩埚中熔化。将诸如(GdCa)2(GaMgZr)sOu的单晶体 晶片在对其进行旋转时，将其浸泡在熔化的表面上，这就使得双重取 代铁榴石厚膜在晶片上生长。能够生长成直径尺寸达到3英寸的厚 膜。为了获得45度的法拉第旋转器，将这些膜研磨到特定厚度，涂 覆抗反射涂层，然后切割为l-2mm的正方形以适合于隔离器。双重 取代铁榴石厚膜比YIG单晶体具有更大的法拉第旋转能力，必须使 其按照100jim的量级变薄，因而需要更高精度的处理。对于铋-取代钇-铁-石榴石(Bi-YIG)材料、薄膜和纳米粉末的生产 和合成具有了更新的系统。亚特兰大桃树工业大道5313(GA30341) 的nGimat公司采用燃烧化学气相沉积(CCVD)法来生成薄膜涂层。在 CCVD过程中，将前体融解在溶液中，前体是用于涂覆目标的含金属 化学物，溶液典型的是易燃的燃料。采用特定的喷嘴将该溶液雾化， 以形成微小的液滴。然后，氧气流将这些液滴带到火焰中，并在其中 被点燃。通过简单地将衬底(被涂覆的材料)拖到火焰前，而加上涂层。 来自火焰的热量提供了气化液滴以及前体起反应而沉积(凝结)到衬 底上所需的能量。此外，已经采用了外延揭开(epitaxial liftoff)来实现多个III-IV和基本半导体系统的不均匀集成。然而，采用一些过程对很多其他重要 材料系统的器件进行集成已经是困难的了。该问题的好的示例是已经 在半导体平台上的单晶体过渡金属氧化物的集成，这是芯片上薄膜光
学隔离器所需的系统。已经报道过在磁性石榴石中外延揭开的实现。深度离子注入用于在钆镓石榴石(GGG)上生长的单晶体钇铁榴石 (YIG)和铋-取代钇铁榴石(Bi-YIG)外延层中生成埋入牺牲层(buried sacrificial layer)。注入所产生的破坏引起牺牲层与石榴石其他部分之 间的巨大的蚀刻选择性。通过在磷酸中进行蚀刻，已经从原始GGG 衬底上揭开了 10微米厚的膜。已经将毫米尺寸的片转换为硅和砷化 镓衬底。此外，研究人员已经报告了多层结构，他们将其称为磁光光子晶 体，磁光光子晶体在748nm上显示比相同厚度的单层铋铁榴石膜大 (140%)的法拉第旋转。当前法拉第旋转器通常都是单晶体的或者外延 膜的。然而，单晶体器件相当大，使得它们在诸如集成光学中的应用 很困难。并且即使是膜显示出厚度在500pm的量级上，也期望有可 替换的材料系统。已经研究了铁榴石，特别是铋和钇铁榴石的堆积式 膜的应用。设计用于750nm的光的，堆积的特征在于70nm厚的铋 铁榴石(BIG)上面的81nm厚的钇铁榴石(YIG)的四个异质外延层， 279nm厚的BIG中心层，以及该YIG上面的四个BIG层。为了制造 该堆积，采用了使用LPX305i 248nm KrF受激准分子激光器进行的脉 冲激光沉积。如上所述，现有技术在大部分磁光系统中采用了特殊的磁光材 料，但是还己经知道的是，通过生成必要的磁场强度来使用采用较少 传统磁光材料(例如非PCF光纤)的法拉第效应一只要不危害通信规 格。在一些情况中，采用制造后方法结合预先做的光纤，来提供特定 的特殊涂层以用在特定磁光应用中。对于特定磁光晶体和其他体型实 现方式中也是一样，因为预先做的材料的制造后处理有时对于达到期 望的结果是必须的。这种额外的处理增加了特制光纤的最终成本，并 引入了另外的情况，即，在这些情况中，光纤可能不满足规格。由于 很多磁应用装置典型地包括很少数量(典型地为1个或者2个)的磁光 部件，因此每个单元的相对高的成本是可以容忍的。然而，随着所期 望磁光部件数量的增加，最终成本(按照金钱和时间计)增多，并且在 使用几百或几千这样的部件的应用装置中，就必须大幅度降低单元成 本。所需要的是可替换的波导技术，与现有技术相比，该技术的优势 在于提高波导的影响辐射的特性对于外部影响的响应度，同时降低单 元成本并增加可制造性、可重现性、 一致性和可靠性。发明内容公开了一种用于衬底支撑护目镜系统和构件化(componentized) 护目镜系统的装置和方法。该电子护目镜装置包括一个或多个半导体 衬底，每个衬底支撑多个集成波导结构，每个波导结构包括传导通 道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；以及 影响器系统，其响应于控制并耦合到波导结构，以在 俞出处独立地控 制每个辐射信号的振幅；显示系统，用于将多个波导结构的输出排列 成显示矩阵；以及戴在头上的眼镜结构，用于将显示矩阵安置在用户 的视野区域内。 一种操作方法，包括a)通过在一个或多个衬底中支撑 并排列成显示矩阵的多个波导结构中的每一个来传播辐射信号，每个 波导结构包括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输 入传播到输出；b)独立地控制在相应的波导结构的输出处的每个辐射 信号的振幅；c)为多个波导结构调整辐射信号振幅控制，以便从一系 列振幅受控辐射信号中整体地确定显示系统；以及d)将该显示系统定 位在用户的视场内。本发明的另一个实施例是关于制造方法，所述方法包括a)将多 个波导结构布置到衬底中，每个波导结构包括传导通道和一个或多个 边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；b)响应于控制，使影 响器系统接近波导结构，以独立地控制在输出处的辐射信号振幅；c) 将多个波导结构的输出排列成显示矩阵；以及d)将该显示矩阵定位在 用户的视场内。本发明的装置、方法、计算机程序产品和传播信号具有的优势在 于，使用了改进的和成熟的波导制造过程。在优选实施例中，波导是 光传送器，优选地为光纤或者导波通道，其适合于通过包含光学活性 成分来提高影响器的影响短长度特性的特征，而同时保持辐射的所期 望属性。在优选实施例中，要受到影响的辐射特性包括辐射的偏振状 态，并且影响器利用法拉第效应，使用平行于光传送器的传输轴传播 的、可控的、可改变的磁场来控制偏振旋转角度。光传送器构造为能 够通过在非常短的光路上使用低磁场强度，对所述偏振进行快速控 制。最初对辐射进行控制，以产生具有一个特定偏振的波分量；所述 波分量的偏振受到影响，从而使得第二偏振滤波器响应于该影响的效 果而对所发射辐射的振幅进行调制。在所述优选实施例中，所述调制 包括熄灭(extinguishing)所发射辐射。所引入的专利申请，优先权申请 和相关申请公开了与本发明共有的法拉第结构的波导、法拉第结构的 波导调制器、显示器和其他波导结构和方法。对成熟制造过程与这里作为本发明的部分所公开的，用于低成本 的、 一致的以及高效的磁光系统元件的生产的高效光纤光波导制造过 程进行的杠杆式调节提供了可替换波导技术，与现有技术相比，所述 技术的优势在于提高波导的影响辐射的特性对于外部影响的响应度， 同时降低单元开支并提高制造能力、可重现性、 一致性和可靠性。
图1是本发明的优选实施例的总体示意性平面图； 图2是图1所示优选实施例的特定实现的详细示意性平面图； 图3是图2所示优选实施例的侧视图； 图4是显示器组件的优选实施例的示意性方框图； 图5是图4所示前面板的输出端口的一种布置； 图6是对于图2所示结构波导的一部分的本发明的优选实施例的 示意性表示；图7是代表性波导制造系统的示意性方框图，用于制造本发明的 波导的粗加工成品的优选实施例；图8是用于制造本发明的优选实施例的代表性光纤拉制系统的 示意图；图9是根据本发明优选实施例的横向集成调制器开关/连接元件 的总体性示意图； 图10是图9所示的横向集成调制器开关/连接元件的一系列制造步骤的总体性示意图；图11是"垂直"显示系统的总体性示意图；图12是图11所示的一个带的一部分的详细示意图；图13是显示系统的可替换优选实施例，该显示系统在半导体结构中使用垂直的波导通道实现了作为垂直分解的半导体波导显示/投射器；图14是示出了连续地构成了 "线圈型"图案的两个层(第一层和 第二层)的示意图；图15是显示系统的可替换优选实施例，该显示系统在半导体结 构中使用平面的波导通道实现了作为平面分解的半导体波导显示/投 射器；图16是传送器/影响器系统1600的横截面，该系统集成到半导 体结构中用于传播辐射信号1605，并且与偏转机制1610结合在一起， 该偏转机制将波导/影响器"旋转"的光从水平面再定向到垂直；图17是图15所示的显示系统的示意图，其进一步说明了生成单 一像素的三个子像素通道；图18关于系统中波导路径结构可选实施方案的优选实施例；图19是使用衬底波导显示系统的电子护目镜系统的优选实施例 的前透视图；以及图20是图19所示的电子护目镜系统的侧透视图。
具体实施方式
本发明涉及可替换波导技术，与现有技术相比，所述技术的优势 在于提高波导的影响辐射的特性对于外部影响的响应度，同时降低单 元成本并提高可制造性、可重现性、一致性和可靠性。以下描述是为 了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述按照 专利申请的上下文和其要求提供的。对于在此所述的优选实施例和通 用原理以及特征所进行的各种修改，对于本领域技术人员而言将会是 显而易见的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要按照
与在此所述的原理和特征一致的最大范围。在以下描述中，在本发明的环境中，三个术语具有特定的含义-(i)光传送器，(2)特性影响器，禾n(3)熄灭。为了本发明的目的，光传 送器是特别适合于提高影响器的影响特性的特征，同时保留辐射的所 期望属性的波导。在优选实施例中，要受到影响的辐射特性包括其偏 振旋转状态，并且影响器利用法拉第效应，使用平行于光传送器的传 输轴传播的、可控的、可改变的磁场来控制偏振角度。光传送器构造 为能够通过在非常短的光路上使用低磁场强度，对所述偏振进行快速控制。在一些特定实现方式中，光传送器包括这样的光纤所述光纤在保留光纤的导波属性的同时对于所传输辐射的波长呈现高维尔德 常数，并且所述光纤另外提供该辐射特性(一个或多个)的有效构造以及受特性影响器影响的辐射特性(一个或多个)的联合影响(cooperative 3ffectetion》特性影响器是用于实现对光传送器所传输的辐射的特性控制的 结构。在优选实施例中，特性影响器用于耦合到光传送器，在一个实 现方式中，所述光传送器是指由具有芯和一个或多个包层的光纤所形 成的光传送器，优选地，所述影响器集成到一个或多个包层中或者在 一个或多个包层上，而不会明显地对光传送器的导波属性造成不利影 响。在使用所传输辐射的偏振特性的优选实施例中，特性影响器的优 选实现方式是偏振影响结构，例如线圈、线圈管或者采用一个或多个 磁场(所述一个或者多个磁场是可控的)在光传送器中支持/产生法拉 第效应表现场(并因而影响所传输的辐射)的其他能够集成的结构。本发明的结构波导能够用于一些实施例中，作为调制器中的光传 送器，所述调制器控制所传播辐射的振幅。由调制器所发射的辐射将 具有由光传送器上的特性影响器的交互作用所控制的最大辐射振幅 和最小辐射振幅。熄灭简单地指在足够低的电平(对于特定实施例而 言适当的)上的最小辐射振幅，其特征是"关闭"或者"黑"或者其 他指示辐射不存在的分类。换句话说，在一些应用中，当电平满足实 现方式或者实施例的参数时，足够低但是能够检测/能够辨识的辐射 振幅可以适当地看作"熄灭"。本发明通过使用在波导制造期间布置
在传导区域中的光学活性成分，改善了波导对于影响器的响应。图1是用于法拉第结构波导调制器100的本发明的优选实施例的 总体示意性平面图。调制器100包括光传送器105、可耦合到传送器 105的特性影响器110、第一特性元件120和第二特性元件125。传送器105可以基于很多已知技术的光波导结构实现。例如，传 送器105可以是具有传导通道的经过专门调整的光纤(常规的或者 PCF)，其中传导通道包括传导区域和一个或多个边界区域(例如芯和 芯的一个或多个包层)，或者传送器105可以是体器件的波导通道或 者具有一个或多个这种传导通道的衬底的波导通道。基于要受到影响 的辐射特性的类型和影响器110的性质对常规波导结构进行修改。影响器110是用于表现对通过传送器105和/或在传送器105上 传输的辐射的特性影响(直接或者非直接地，例如通过所公开的效应) 的结构。很多不同类型的辐射特性可能受到影响，并且在很多情况下， 用于影响任何给定特性的特定结构可以随实现方式的不同而改变。在 优选实施例中，可以用于进而控制辐射输出振幅的特性是期望受到影 响的特性。例如，辐射偏振角度是可能受到影响的一个特性，并且是 能够用于控制所传输的辐射振幅的特性。另一种元件的使用，例如固 定偏振器，会基于与辐射相对于偏振器传输轴的偏振角度来控制辐射 振幅。在该示例中，对偏振角度的控制改变了所传输的辐射。然而，应该理解的是，其他类型的特性也可以受到影响，并可以 用于控制输出振幅，例如辐射相位或者辐射频率。典型地，其他元件 与调制器IOO—同使用，以基于特性的性质以及对特性的影响的类型 和等级来控制输出振幅。在一些实施例中，可能期望对除振幅之外的 辐射的另一种特征进行控制，所述特征可能要求对除了已经确定的那 些特性之外的其他辐射特性进行控制，或者可能需要对特性进行不同 的控制，以实现对所期望属性的所期望控制。法拉第效应仅仅是在传送器105中实现偏振控制的一种方法的 一个示例。用于法拉第偏振旋转影响的影响器110的优选实施例使用 了贴近传送器105的或者在传送器105中/上集成的可变磁场和固定 磁场的组合。期望生成这些磁场，以便将控制磁场定向为平行于通过
传送器105传输的辐射的传播方向。对相对于传送器的磁场的方向和 大小的适当控制达到了对辐射偏振角度的影响的所期望等级。在该特定示例中优选为，将传送器105构造为提高/最大化影响 器110对所选定特性的"可影响能力"。对于采用法拉第效应的偏振 旋转特性，对传送器105进行掺杂、成形、处理和/或者加工，以增 加/最大化维尔德常数。维尔德常数越大，影响器110能够越容易地 在给定场强和传送器长度上影响偏振旋转角度。在该实现方式的优选 实施例中，对维尔德常数的关注是主要任务，传送器105的波导方面 的其他特征/属性/特点是次要的。在优选实施例中，影响器110是通 过波导制造过程(例如，粗加工成品制造和/或者拉制过程)与传送器 105集成的，或者是与传送器105 "强相关"的，尽管一些实现方式 可能提供其他方式。元件120和元件125是用于对要受到影响器110影响的所期望辐 射特性进行选择/过滤/操作的特性元件。元件120可以是滤波器，其 被用做"选通"元件，以传递具有对于适当特性的所期望状态的输入 辐射的波分量，或者它可以是"处理"元件，以使得输入辐射的一个 或多个波分量符合对于适当特性的所期望状态。将来自元件120的被 选通/被处理的波分量提供给光传送器105，并且特性影响器110可控 地影响如上所述的被传送波分量。元件125是与元件120的合作结构，并且作用在受影响的波分量 上。元件125是基于波分量的特性状态来传递WAVE—OUT并控制 WAVE_OUT的振幅的结构。该控制的性质和细节涉及来自元件120 的受影响特性和特性的状态，并且涉及该初始状态如何受到影响器 110影响的细节。例如，当要受到影响的特性是波分量的偏振特性/偏振旋转角度 时，元件120和元件125可以是偏振滤波器。元件120为波分量选择 一种特定类型的偏振，例如右旋圆偏振。影响器110在辐射通过传送 器105时，控制辐射的偏振旋转角度。元件125基于相对于元件125 的传输角度的最终偏振旋转角度，对受到影响的波分量进行滤波。换 句话说，当受到影响的波分量的偏振旋转角度与元件125的传输轴匹配时，WAVE—OUT具有高振幅。当受影响的波分量的偏振旋转角度 与元件125的传输轴"交叉"时，WAVE—OUT具有低振幅。在该上 下文中的交叉指与旋转角度相对于常规偏振滤波器的传输轴偏离了 大约90度。此外，可以建立元件120与元件125的相对方向，以便缺省条件 造成WAVE—OUT的最大振幅、WAVE—OUT的最小振幅或者这之间 的其他值。缺省条件指没有受到来自影响器110的影响的输出振幅的 大小。例如，通过将元件125的传输轴设定为相对于元件120的传输 轴成90度，对于优选实施例而言，缺省条件会是最小振幅。元件120和元件125可以是分立部件，或者其中一个或两个结构 可以集成到传送器105上或者传送器105中。在一些情况下，在优选 实施例中，这些元件可以位于在传送器105的"输入端"和"输出端"， 而在其他实施例中，这些元件可以分布在传送器105的特定区域中或 者遍布传送器105。在操作中，辐射(显示为WAVE—IN)入射到元件120，并且对适当 的特性(例如右旋圆偏振(RCP)旋转分量)进行选通/处理，以将RCP波 分量传递到传送器105。传送器105传输RCP波分量，直到它与元件 125交互作用并传递波分量(显示为WAVE—OUT)。入射WAVE—IN典 型地具有多个对于偏振特性(例如右旋圆偏振(RCP)和左旋圆偏振 (LCP))的正交状态。元件120产生偏振旋转特性的特定状态(例如， 传递正交状态之一并阻塞/偏移其他状态，从而仅仅传递一个状态)。 影响器110响应控制信号，影响所传递波分量的该特定偏振旋转，并 可以按照控制信号指定的那样对其进行改变。优选实施例中的影响器 110能够影响大约90度范围上的偏振旋转特性。然后，当波分量已 经受到影响时，元件125与波分量交互，从而允许在波分量偏振旋转 与元件125的传输轴相匹配时将WAVE—IN的辐射振幅从最大值进行 调制，并且在波分量偏振与该传输轴"交叉"时从最小值进行调制。 通过使用元件120，优选实施例的WAVE—OUT的振幅可以从最大电 平变化到熄灭电平。图2是图1所示优选实施例的具体实现方式的详细示意性平面图。尽管本发明并不局限于该特定示例，但是对该实现方式进行特别描述以简化论述。图1所示的法拉第结构波导调制器100是图2所示 的法拉第光调制器200。调制器200包括芯205、第一包层210、第二包层215、线圈或 线圈管220(线圈220具有第一控制节点225和第二控制节点230)， 输入元件235和输出元件240。图3是图2所示优选实施例中的元件 235与元件240之间截取的剖面图，其中相同的数字具有相同或对应 的结构。芯205可以包含通过标准光纤制造技术(例如通过真空沉积方法 上的变体)添加的一个或多个以下掺杂物(a)颜色染料掺杂物(使得调 制器200对来自源照明系统的光进行有效地颜色滤波)，和(b)光学活 性掺杂物，例如YIG/Bi-YIG或者Tb或者TGG或者其他掺杂物，用 于增加芯205的维尔德常数，以在存在主动磁场的情况下实现有效的 法拉第旋转。在制造过程中对光纤加热或者施加应力，从而在芯205 中添加孔或者不规则形状，以进一步提高维尔德常数和/或者实现非 线性效应。这里为了简化论述，将论述主要集中在非PCF波导上。 然而，在该论述的范围内，PCF变体可以替代非PCF波长实施例， 除非该范围明显与这种替代相反。对于PCF波导而言，使用可选择 波长的带隙耦合或者可以填充与掺杂的纵向结构/空隙来实现颜色滤 波，而不是使用颜色染料掺杂物。因此，无论何时结合非PCF波导 对颜色滤波/染料掺杂进行论述，当合适的时候，可以替代对PCF波 导使用可选择波长的带隙耦合和/或填充与掺杂。很多硅石光纤制造为掺杂物相对硅石的百分比是高等级的(该等 级大约是50%的掺杂物)。在其他类型光纤的硅石结构中的当前掺杂 物浓度在数十微米距离上实现了大约90度旋转。常规光纤制造在提 高掺杂物浓度方面(例如可以通过市场从JDS Uniphase买到的光纤) 和在控制掺杂物分布方面(例如可以通过市场从Corning公司买到的 光纤)持续实现改进。芯205实现了光学活性掺杂物的足够高并且受 控的浓度，以提供在微米量级距离上具有低功率的必要的快速旋转， 并且当实现进一步改进时，这些功率/距离的值会持续降低。 采用铁磁性单分子磁体对第一包层210(在优选实施例中可选)进 行掺杂，当第一包层210曝露在强磁场下时被永久磁化。第一包层 210的磁化可以在附到芯205上之前或者预成形之前进行，或者在调 制器200被拉制之后(完成芯、包层、涂层和/或元件)进行。在该过程 中，粗加工成品或者所拉制光纤通过与芯205的传输轴有90度偏移 的强永久磁场。在优选实施例中，通过布置为光纤牵引装置的元件的 电磁体实现该磁化。第一包层210(具有永久磁特性)用于使得光学活 性的芯205的磁畴饱和，但是并不改变通过光纤200的辐射的旋转角 度，这是由于来自层210的磁场方向是在传播方向的直角上。所引入 的临时申请描述了通过对晶体结构中的非最佳晶核进行粉碎，来对掺 杂铁磁性包层的方向进行优化的方法。由于发现单分子磁体(SMM)在相对高的温度下可被磁化，所以这 些SMM的使用优选地是作为掺杂物。这些SMM的使用允许较高掺 杂浓度的生产和掺杂分布的控制。市场上可以买到单分子磁体的示例 和方法是来自于科罗拉多州丹佛市的ZettaCore公司。采用亚铁磁性材料或者铁磁性材料对第二包层215进行掺杂，并 且其特征在于具有适当的磁滞曲线。在生成必要场时，优选实施例采 用"短"曲线，并且该曲线也是"宽的"和"扁的"。当通过由临近 的场生成元件(例如线圈220)所生成的磁场使得第二包层215饱和吋， 第二包层215很快达到对于调制器200所期望的旋转角度而言合适的 磁化等级，其中所述场生成元件本身通过来自例如开关矩阵驱动电路 的控制器(未示出)的信号(例如控制脉冲)进行驱动。此外，第二包层 215将磁化保留在该等级上或者充分接近该等级，直到随后的脉冲或 者增加(相同方向的电流)、更新(没有电流或者+/—维持电流)、或者 降低(反向电流)该磁化级别。被掺杂的第二包层215的该剩余磁通量 随着时间保持适当的旋转角度，而没有恒定应用受影响器110影响(例 如线圈220)的场。在适当的过程步骤上，对被掺杂的亚铁/铁磁性材料的适当修改/ 优化可以进一步受到包层的离子轰击的影响。参考题目为"METHOD OF DEPOSITING A FERROMAGNETIC FILM ON A WAVEGUIDE
AND A MEGNETO陽OPTIC COMPONENT COMPRISING A THIN FERROMAGNETIC FILM DEPOSITED BY THE METHOD " 并转让 给法国巴黎的阿尔卡特(Alcatel)的美国专利No. 6, 103,010，其中，采用离子束在某一入射角度上对采用气相方法在波导上沉积的铁磁性 薄膜进行轰击，对优选晶体结构中的非规则核进行粉碎。晶体结构的 改变是现有技术中的公知方法，并且所述改变可以用于所加工的光纤 中或者被惨杂的粗加工成品材料上的被掺杂硅石包层。该，OIO专利在 此清楚地引入作为参考。
与第一包层210类似，已开发的在相对高温度上可被磁化的合适 的单分子磁体(SMM)，将优选地作为优选实施例中的用于第二包层 215的惨杂物，以允许较高的掺杂浓度。
优选实施例的线圈220是在光纤200上或者光纤200中集成制造 的，以生成初始磁场。该来自线圈220的磁场使得通过芯205传输的 辐射的偏振角度旋转，并对第二包层215中的亚铁/铁磁性掺杂物进 行磁化。这些磁场的组合将所期望的旋转角度保持所期望的一段时间 (如这里所引入的相关专利申请之一所述、当光纤200的矩阵共同形 成显示器时，可以是例如图像帧的时间)。为了描述本发明，将"线 圈管"定义为类似线圈的结构，这是因为多个导电段相互平行放置， 并且相对光纤轴为直角。当材料性能提高时， 一即，当由于较高维尔 德常数的掺杂物而使得被掺杂的芯的有效维尔德常数增大时(或者在 扩大结构修改时，包括引入非线性效应的那些修改)一对围绕光纤元 件的线圈或者"线圈管"的需求就可以降低或者消除，较简单的单带 或者高斯圆柱体结构会是实用的。这些结构(包括圆柱体结构和线圈 以及其他类似结构)当用作这里所述的线圈管的功能时，也包含在线 圈管的定义中。在上下文允许的情况下，术语线圈和线圈管可以互换。
当考虑确定法拉第效应的等式的变量场强、施加场的距离和旋 转介质的维尔德常数时， 一个结果是使用调制器200的结构、部件 和/或者器件能够补偿产生较小强度磁场的材料所形成的线圈或者线 圈管。通过使调制器更长，或者通过进一步增大/提高有效的维尔德 常数，可以实现该补偿。例如，在一些实现方式中，线圈220采用的
导电材料是比金属线效率差的导电聚合体。在另外的实现方式中，线圈220采用更宽但是更少的绕组，否则就与更加有效的材料一起使 用。在其他例子中，例如，当通过便利的过程制造线圈220但是生产 线圈220的工作效率较低时，采用其他参数进行必要补偿以实现合适 的整体操作。在设计参数一光纤长度、芯的维尔德常数以及场生成元件的峰值 场输出和效率一之间存在折衷。考虑到这些折衷，而生成完整成形的 线圈管的四个优选实施例，包括(1)缠绕光纤以实现线圈/线圈管， (2)用印有导电图案的薄膜外延包裹光纤，以实现多个绕组层，(3)通 过浸蘸笔纳米平板印刷术(dip-pen nanol他ography)在光纤上印制以制 造线圈/线圈管，以及(4)将线圈/线圈管缠绕上具有涂层/被掺杂的玻璃 光纤，或者可以替换地具有金属涂层或者没有涂层的导电聚合体，或 者金属线。在以上所参考的相关的和引入的临时申请中描述了这些实 施例的进一步细节。节点225和节点230接收用于在芯205、包层215和线圈220中 导致必要磁场的生成的信号。在简单实施例中，该信号是具有适当大 小和持续时间的DC(直流)信号，以生成所期望的磁场并对通过调制 器200传播的WAVE—IN辐射的偏振角度进行旋转。当使用调制器200 时，控制器(未示出)可以提供该控制信号。在优选实施例中，输入元件235和输出元件240是偏振滤波器， 其作为分立部件或者集成到芯205中/上。输入元件235作为偏振器 可以采用很多不同的方法实现。可以采用允许单一偏振类型(特定圆 形或者线性)的光通过而进入到芯205中的各种偏振机制；优选实施 例采用了外延沉积到芯205的"输入"端的薄膜。可替换的优选实施 例在波导200上采用了市场上可以买到的纳米量级的微构造技术，以 实现偏振滤波(例如所引入的临时申请中所描述的对芯205或者包层 中的硅石修改)。在来自一个或者多个光源的光的有效输入的一些实 现中，优选照明系统可以包括空腔，其允许对"错误的"初始偏振的 光进行重复反射；因此最终所有的光都成为有效的或者"正确的"偏 振。可选择地，尤其是根据照明源到调制器200的距离，可以采用保
持偏振的波导(光纤、半导体)。优选实施例的输出元件240是"偏振滤波器"元件，其对于缺省 为"关闭"的调制器200的输入元件235的方向，有着90度的偏移。 (在一些实施例中，通过排列输入元件和输出元件的轴，可以将缺省 设置为"打开"。类似地，通过输入元件和输出元件与来自影响器的 合适控制的适当的相互关系，可以实现其他缺省情况，例如50%振幅。) 元件240优选地为外延沉积到芯205的输出端的薄膜。可以采用其他 偏振滤波器/控制系统，将输入元件235和输出元件240配置为不同 于这里所述的的配置。当要受到影响的辐射特性包括除辐射偏振角度 之外的特性时(例如相位或者频率)，使用其他输入和输出功能以对如 上所述的所期望特性进行适当的选通/处理/滤波，以响应于影响器而 对WAVE—OUT的振幅进行调制。图4是显示器组件400的优选实施例的示意性方框图。组件400 包括多个图像元件(像素)的集合，每个图像元件都由例如图2所示的 波导调制器200i」生成。用于控制调制器200u的每个影响器的控制信 号由控制器405提供。辐射源410提供用于调制器200jj进行输入/控 制的源辐射，并且可以使用前面板将调制器200i，j排列为所期望的图 案和/或者可选择地提供一个或多个像素的输出后处理。辐射源410可以是单色白平衡的或者独立的RGB/CMY调谐源 (一个或多个)或者其他合适的辐射频率。 一个(或多个)辐射源410可 以远离调制器200g的输入端、临近这些输入端、或者集成到调制器 200y上/中。在一些实现方式中，采用单一源，而其他实现方式可以 采用几个或者更多源(并且在一些情况下，每个调制器200id有一个 源)。如上所述，调制器200g的光传送器的优选实施例包括特定光纤 形式的光通道。但是半导体波导、导波孔或其他光学导波通道，包括 "在深度上"穿过材料而形成的通道或区域，也包含在本发明的范围 内。这些导波元件是显示器的基本成像结构，并且整体地结合了振幅 调制机制和颜色选择机制。在FPD实现方式的优选实施例中，每个 光通道的长度优选地在大约数十微米量级上(尽管该长度可能不同于 这里所述的长度)。优选实施例的一个特征在于，光传送器的长度短(在大约20mm 的量级上以及更短)，并且在有效维尔德值增加和/或磁场强度增加时 能够继续縮短。显示器的实际深度将会是通道长度的函数，但是由于 光传送器是波导，因此从源到输出的路径(路径长度)不需要是直线 的。换句话说，在一些实现方式中，实际路径可以弯曲，以提供甚至 更浅的有效深度。如上所述，路径长度是维尔德常数和磁场强度的函 数，并且优选实施例提供几个毫米甚至更短的非常短的路径长度的同 时，在一些实现方式中也可以采用较长的长度。由影响器确定必要长 度，以实现对于输入辐射的所期望的影响/控制的等级。在经过偏振 的辐射的优选实施例中，该控制能够实现大约90度的旋转。在一些 应用中，当熄灭电平较高(例如较亮)时，则可以采用较小的旋转，其 缩短了必要路径长度。因此，路径长度还受到对波分量的所期望影响 等级的影响。控制器405包括用于合适的开关系统的构造和组件的多个可选 方案。优选实现方式不仅包括点对点控制器，它还包括结构性地合并 和保持调制器200y的"矩阵"，并对每个像素进行电子寻址。在光纤 的情况中，光纤部件的性质中固有的是用于光纤元件的全光纤、织物 结构和适当寻址的可能性。可变形网孔或者固体矩阵是利用附带组装 方法的可替换结构。优选实施例的一个特征在于，可以对一个或者多个调制器200isj 的输出端进行处理，以改善其应用。例如，波导结构的输出端，尤其 是在波导结构实现为光纤时，可以被加热处理，并被牵引以形成锥形 末端，或以其它方式对其进行磨损、缠绕或者定形，以提高在输出端 的光散射，从而改善在显示器表面的可视角度。可以采用相类似的或 者不相类似的方法对一些和/或所有的调制器输出端进行处理，以共 同地产生实现所期望结果的所期望输出结构。例如，可以通过对一个 或者多个输出端/相应面板位置的处理，控制或者影响来自一个或者 多个像素的WAVE—OUT的各种焦点、衰减、颜色或者其他属性。前面板415可以简单地是面向偏振部件的一块光学玻璃或者其
他透明光学材料，或者它可以包括额外的功能性和结构性特征。例如，面板415可以包括传导装置或者其他结构，以将调制器200i」的输出 端排列为相对于相邻调制器200g的所期望的相对方向。图5是图4 所示的前面板415的输出端口 500的一种布置的示图。其他布置也是 可能的，取决于所期望的显示器(例如，圆形、椭圆形或者其他规则/ 不规则几何形状)。当应用需要时，主动显示区不必一定是连续像素， 因此在适当时，可以是环形或者"圆环形"显示器。在其他实现方式 中，输出端口可以在一个或者多个像素上聚焦、散射、滤波或者执行 其他类型的输出后处理。显示器或者投影机表面的光学几何形状可以自己改变，其中波导 末端被端接在所期望的三维平面(例如曲线平面)上，所述平面允许依 次采用额外的光学元件和透镜(可以包含其中的一些作为面板415的 部分)的额外聚焦能力。 一些应用可能需要很多凹面区域、平面和/或 者凸面区域，每个都具有不同的曲度和方向，并具有本发明提供的适 当的输出形状。在一些应用中，特定的几何形状不需要固定，而是可 以动态变化的，以根据需要改变形状/方向/维度。本发明的实现方式 还可以生产各种类型触摸显示器系统。在投射系统实现方式中，辐射源410、具有耦合到多个调制器 200ij的控制器405的"开关组件"和前面板415可以受益于以下情 况将其容纳在截然不同的模块或者单元中，并且相互之间存在一定 距离。对于辐射源410而言，在一些实施例中，优势是将照明源与开 关组件分离，这是由于对巨大剧院屏幕进行照明通常所必需的高振幅 类型的光所产生的热量。即使在使用多个照明源，对另外集中在例如 单一氙气灯上的热量输出进行分配时，热量输出仍然足够大，最好将 开关和显示元件分离。因此，将照明源容纳在具有吸热和冷却元件的 隔热容器中。然后，光纤会将光从分离的或者单一的源传递到开关组 件，并且然后将其投射到屏幕上。屏幕可以包括前面板415的一些特 征，或者在对适当的表面进行照明之前使用面板415。开关组件与投射/显示表面的分离可以具有其自身的优点。将照 明和开关组件放置在投影系统底座中(对于FPD也是一样)能够减小
投影TV箱体的深度。或者，可以将投影表面包含在薄灯形杆的顶部 的紧凑球形物中，或者从天花板依靠电缆悬挂着，在前面的投影系统 采用反射纺织物屏幕。除了其他潜在优点和配置之外，对于剧院投影而言，依靠来自地 板上单元的波导结构，将开关组件形成的图像上行传输到投影窗口区 域上的小型终端光学单元的可能性，要求空间利用策略以在相同的投 影空间内容纳传统电影放映机和优选实施例的新投影机。波导带的整体式结构可以实现高分辨率成像，其中每个波导带都 在带上具有并排排列或者粘附的几千个波导。然而，在优选实施例中， "体型"光纤部件结构也可以实现必要的小投影表面区域。单模光纤 (尤其是没有外部通信电缆的耐久性性能需求)具有足够小的直径，从 而使得光纤的截面面积非常小并且适合于作为显示像素或者子像素。此外，期望集成光学制造技术能够在单半导体衬底或者芯片(大 块单片的或者表面的)的制造中完成本发明的衰减器阵列。在熔融光纤投影表面，熔融光纤表面可以被研磨，以实现用于将 图像聚焦在光学阵列上的曲度；可以替换的是，采用粘合剂连接或以 其它方式结合的光纤末端可以具有成形的顶端，并且如果必要，则可 以将它们的终端设置在成形矩阵中，以实现弯曲的表面。对于投影电视或者其他非剧场投影应用，将照明和开关模块与投 影机表面分离的选项提供了实现更小体型投影电视箱体结构的新颖 方法。图6是对于图2所示的结构波导205的部分600的本发明的优选 实施例的示意性表示。部分600是波导205的辐射传播通道，典型地 为传导通道(例如光纤波导的芯)，但是其可以包括一个或者多个边界 区域(例如，所述光纤波导的包层)。其他导波结构具有不同的特定机 制，用于提高沿着波导的通道区域传输轴传播的辐射的导波。波导包 括光子晶体光纤，结构材料的特定的薄膜叠层以及其他材料。导波的 特定机制可以随波导的不同而改变，但是本发明可以适用不同的结 构。为了本发明的目的，术语传导区域或者传导通道与边界区域指用
于提高沿着通道的传输轴的辐射传播的协作结构。这些结构不同于缓 冲器或者涂层或者波导的制造后加工。原理的不同在于，边界区域典 型地能够传播通过传导区域传播的波分量，而波导的其他部件则不 行。例如，在多模光纤波导中，较高能级模式的主要能量是通过边界 区域传播的。不同的一点在于，传导区域/边界区域对于正在传播的 辐射基本上是透明的，而其他支撑结构通常是基本不透明的。如上所述，影响器110与波导205协同工作，以在波分量沿着传 输轴传输时，影响正在传播的波分量的特性。因此假设部分600具有 影响器响应属性，并且在优选实施例中，该属性特别被配置用于提高 正在传播的波的特性对于影响器110的响应度。如任何特定实现方式 需要的，部分600包括布置在传导区域和/或者一个或多个边缘区域 的多种成分(例如，稀土掺杂物605、孔610、结构的不规则形状615、 微型泡620和/或者其他元件625)。在优选实施例中，部分600的长 度可以非常短，在很多情况下小于大约25毫米，并且如上所述，有 时比该长度还要短很多。对通过这些成分而提高的影响器响应属性， 针对短长度的波导进行优化(例如，与针对千米量级甚至更高量级的 长度进行优化的通信光纤对比，包括衰减和波长散射)。针对不同应 用而进行优化的部分600的成分，可能严重降低波导通信应用的质 量。所述成分的存在目的不是要降低通信应用的质量，但是本优选实 施例的焦点在于跳过通信属性而提高影响器响应属性，这就可能发生 这种质量降低，并且这不是优选实施例的缺点。本发明考虑到存在很多不同的波特性，这些波特性可能受到不同 结构的影响器110的影响；优选实施例的目标是部分600的与法拉第 效应相关的特性。如上所述，法拉第效应使得偏振旋转响应平行于传 播方向的磁场而发生改变。在优选实施例中，当影响器110生成平行 于传输轴的磁场时，在部分600中，旋转量取决于磁场强度、部分 600的长度和部分600的维尔德常数。所述成分提高了部分600对于 该磁场的响应度，例如通过增加部分600的有效维尔德常数。在本发明的波导制造与特征中的范例变化的一个重要意义在于， 对制造千米长度的光学上纯净的通信级波导所使用的制造方法的修
改，使得能够制造便宜的千米长度的潜在光学上不纯净(但是光学活 性的)的响应于影响器的波导。如上所述，优选实施例的一些实现方 式可以采用按照这里所公开的那样进行修改的无数的长度非常短的 波导。通过从由这里所述的较长的已制备波导中(例如劈开)所生成的 较短波导形成这些集合，来实现成本的节省和其他功效/优点。这些 成本的节省和其他功效与优点包括以下优点采用成熟制造技术和设 备，其能够克服采用离散的常规制备的磁光晶体作为系统元件的磁光 系统的很多缺点。例如，这些缺点包括高生产成本、大量磁光晶体之 间缺乏一致性和单个元件的相对较大的尺寸,所述尺寸限制了单个部 件的集合的尺寸。优选实施例包括光纤波导和光纤波导制造方法的变型。最普通的 是，光纤是透明(有感兴趣波长)电介质材料(典型地为玻璃或者塑料) 的细丝，并且传导光的截面通常是圆形的。对于早期的光纤而言，圆 柱形芯被几何形状类似的包层围绕着，并且与其紧密接触。这些光纤 通过为芯提供比包层略大的折射率来传导光。其他光纤类型提供不同 的传导机制一在本发明的环境中，感兴趣的光纤类型包括如上所述的 光子晶体光纤(PCF)。硅石(二氧化硅(Si02))是制备最普通的通信等级光纤的基本材料。硅石可以是结晶或者非结晶形，并且天然为非纯净态，例如石英 和沙子。维尔德常数是描述特定材料的法拉第效应强度的光学常数。 包括硅石在内的大多数材料的维尔德常数是非常小的，并是波长相关的。在含有诸如铽(Tb)之类的顺磁性离子的材料中维尔德常数非常 强。在铽掺杂重火石玻璃中或者在铽镓石榴石(TGG)晶体中具有高维 尔德常数。通常该材料具有优良的透明特性，并且非常抗激光损伤。 尽管法拉第效应不是彩色的(即它不取决于波长)，但是维尔德常数是 非常彻底的波长的函数。在632.8nm， TGG的维尔德常数为 -B4radT-l，而在1064nm,其下降到-40radT-l。该行为意味着，在一 个波长上以特定旋转度制造的器件，在较长的波长上会产生较小的旋 转。在一些实现方式中，成分可以包括光学活性掺杂物，例如 YIG/Bi-YIG或者Tb或者TGG或者其他性能最佳的掺杂物，其提高 波导的维尔德常数，以在存在主动磁场的情况下实现高效的法拉第旋 转。在以下所述的光纤制造过程中进行加热或者加压，会通过在部分 600中添加额外成分(例如孔或者不规则形状)而进一步提高维尔德常 数。在常规波导中所使用的稀土用作传输属性元件的被动增强，并且 其不用在光学活性应用中。由于硅石光纤的制造中，掺杂物相对硅石的百分比是高等级的， 高达至少50%的掺杂物，并且由于必要的掺杂物浓度已经在用于在几 十个微米或者更小距离中实现90度旋转的其他类型的硅石结构中示 出；以及在提高掺杂物浓度方面给出改进(例如可以通过市场从JDS Uniphase买到的光纤)和在控制掺杂物分布方面给出改进(例如可以通 过市场从Corning公司买到的光纤)，因此可以实现光学活性掺杂物的 足够高和可控的浓度，以采用低功率在微米量级的距离上引起旋转。图7是代表性波导制造系统700的示意性方框图，其用于制造本 发明的波导粗加工成品的优选实施例。系统700代表改进化学气相沉 积法(MCVD)过程，以产生称为粗加工成品的玻璃棒。从常规过程得 到的粗加工成品是超高纯度的玻璃固体棒，精确复制了所期望光纤的 光学特性，但是具有放大两个量级甚至更大的线性尺寸。然而，系统 700产生的粗加工成品不强调光学纯度而是对于影响器响应的短长度 优化进行优化。典型地采用以下化学气相沉积(CVD)方法之一制造粗 加工成品1.改进化学气相沉积(MCVD)， 2.等离子改进化学气相 沉积(PMCVD)， 3.等离子化学气相沉积(PCVD)， 4.外部气相沉积 (OVD)， 5.轴向气相沉积(AVD)。所有这些方法都基于形成氧化物的 热化学蒸气反应，氧化物在旋转着的棒外部或者在玻璃管内部沉积为 称为烟黑(soot)的若干层玻璃颗粒。在这些方法中发生相同的化学反 应。在氧气、被加热的起泡器705中每种液体和来自源710的气体的 存在的情况下，对为Si和掺杂物提供源的各种液体(例如，原材料是 SiCl4， GeCl4， POCl3和气态BCl3的溶液)进行加热。在由质量流量计 715控制的氧气流中使这些液体汽化，并且采用所述气体，从硅石车
床720中的生产玻璃的卤化物的燃烧中，形成硅石和其他氧化物。在气相中发生称为氧化反应的化学反应，如以下所示GeCl4+02=>Ge02+2Cl2 SiCl4+02=>Si02+2Cl2 4POCl3+302=> 2P205+6C12 4BC13+302=>2B203+6C12。二氧化锗和五氧化二磷提高了玻璃的折射率，氧化硼 一 降低玻璃 的折射率。这些氧化物己知作为掺杂物。除了所示的这些之外，可以 使用包括用于提高粗加工成品的影响器响应属性的合适成分的其他 起泡器705。在过程中改变混合物的组成影响粗加工成品的折射率分布和成 分分布。通过混合阀715控制氧气流量，并且将反应物蒸气725吹入 硅石管730，硅石管730包括在其中发生氧化的加热管735。氯气740 从管735中吹出，但是氧化物混合物以烟黑745的形式沉积在管中。 铁和铜杂质的浓度从原始液体中的大约10ppb降低到烟黑745中的小 于lppb。采用来回移动的&02喷灯750对管735进行加热，并对管735 进行旋转以使得烟黑745玻璃化为玻璃755。通过调节各种蒸汽725 的相对流量，获得具有不同折射率的几个层，例如芯相对于包层，或 者用于GI光纤的可变芯折射率分布。在完成层形成之后，对管735 加热，将其皱缩成为具有圆形实体截面的棒，称为粗加工成品棒。在 该步骤中，必要的是，棒的中心要完全填满材料并且没有空洞。然后 将粗加工成品棒放到熔炉中以进行拉制，如将要结合图8所描述的。MCVD的主要优点在于，反应和沉积发生在密闭空间中，因此 不希望的杂质很难进入。光纤的折射率分布容易控制，并且对于SM 光纤所必需的精确性也相对容易实现。设备是容易构建和控制的。所 述方法的潜在的重要局限性在于管的尺寸从本质上限制了棒的大小。 因此，该技术所形成的光纤典型地长度为35km，或者最大到20 — 40km。另外，在硅石管中的杂质，主要为H2和OH-，容易扩散进入 光纤。而且，熔化沉积物以消除粗加工成品棒的空洞中心的过程，有 时会造成芯中的折射率的降低，这就典型地导致光纤不适合于通信用 途，但是这不是本发明的环境中通常关心的。在成本和费用方面，所
述方法的主要缺点在于沉积率相对较慢，这是因为它采用了非直接加热，即对管735进行加热而不是对蒸汽直接加热，以开始氧化反应并 使得烟黑玻璃化。沉积率典型地为0.5到2g/分。上述过程的变体制造掺杂稀土的光纤。为了制造掺杂稀土的光 纤，过程开始于掺杂稀土的粗加工成品一典型地采用溶液掺杂过程制 造。最初，主要由熔融硅石组成的光学包层沉积到衬底管的内部。芯 材料还可以包括锗，然后在降低的温度下对芯材料进行沉积，以形成 扩散可渗透层，其称为"玻璃料"。在玻璃料的沉积之后，将该部分 完成的粗加工成品在一端封闭，从车床移出并且引入所期望稀土掺杂 物(例如钕、铒、钇等)的合适的盐的溶液。在固定时间周期内，保留 该溶液以渗透玻璃料。在去掉任何多余溶液之后，将粗加工成品返回 车床以对其进行干燥和加强。在加强过程中，在玻璃料中的空隙坍塌 并且密封稀土。最后，将粗加工成品进行可控的坍塌，在高温下形成 固体玻璃棒一使稀土结合在芯中。通常在光纤电缆中引入稀土不是光学活性的，即，响应于电或磁或其他干扰或场，以影响通过被掺杂的 介质传播的光的特征。常规系统是目前对于提高稀土掺杂物百分比的 当前需求的结果，其是由改善波导的"被动"传输特征(包括通信属 性)的目的所驱动的。但是在波导芯/边界中的掺杂物百分比的提高对 于影响优选实施例的混合物介质/结构的光学活性而言是有利的。如 上所述，在优选实施例中，掺杂物与硅石之间的百分比比例至少为 50%。图8是用于从粗加工成品805中，例如从图7所示系统700中制 造的一个粗加工成品中，制造本发明的优选实施例的代表性光纤拉制 系统800的示意图。系统800将粗加工成品805转换为头发丝细的细 丝，典型地通过拉制来执行。粗加工成品805放置在进料装置810中， 进料装置810附着在靠近塔815的顶部。装置810放低粗加工成品 805直到末端进入高纯度石墨熔炉820中。将纯净的气体喷入熔炉， 以提供清洁并且导电的大气。在熔炉820中，严格控制的接近1900GC 的温度软化粗加工成品805末端。 一旦到达粗加工成品的末端软化 点，重力就起作用并允许熔化的料块"自由下落"直到已经将其拉长为细线。操作人员通过激光千分尺825和一系列用于制造传送器835的处 理站830x(例如用于涂层和缓冲器)使该光纤线形成丝，传送器835通 过牵引器840缠绕在线轴上，并且开始拉制过程。采用位于拉丝塔 815底部的牵引器840拉出光纤，然后缠绕在巻筒上。在拉制过程中， 采用最适宜温度对粗加工成品805进行加热以实现理想的拉制张力。 在工业上每秒10-20米的拉制速度并不罕见。
在拉制过程中，所拉制光纤的直径控制在125微米，公差仅1微 米。基于激光的直径标尺825监视光纤的直径。标尺825以超过每秒 750次的速率对光纤直径进行采样。将直径的实际值与125微米的目 标值进行比较。与目标之间轻微的偏差都会转换为拉制速度的改变， 并输入牵引器840中进行修正。
处理站830x典型地包括用于为光纤添加两层保护涂层一柔软的 内部涂层和坚硬的外部涂层的模具。这两部分保护套提供了机械保 护，以便在保护光纤的干净表面不受恶劣环境的影响的同时进行处 理。这些涂层采用紫外灯固化，其作为相同的处理站830x或者其他 处理站830x的部分。其他站830x在传送器835通过该站时，可以提 供用于提高传送器835的影响器响应属性的装置/系统。例如，各种 机械应力器、离子轰击或者其他用于在拉制阶段引入影响器响应属性 的机制增强成分。
在缠在线轴上之后，测试所拉制的光纤以得到合适的光学和几何 参数。对于传输光纤，通常首先测试抗张强度，以确保已经实现了光 纤的最小抗张强度。在第一次测试之后，执行很多不同的测试，用于 传输光纤的测试包括对传输属性的测试，其包括衰减(在距离上信 号强度的减小)、带宽(信息运载能力；多模光纤的重要测量)、数字孔 径(光纤的光可接受角度的测量)、截止波长(在单模光纤中，在截止波 长之上的波长时，仅能够传输单模)、模场直径(在单模光纤中，光纤 中光脉冲的辐射宽度；对于互连而言重要)以及色散(由于不同波长的 射线采用不同速度通过芯而产生的光脉冲的散射；在单模光纤中，这 是信息运载能力的限制因素)。
正如在此所描述的，本发明的优选实施例使用光纤作为传送器， 并且主要通过采用"线性"法拉第效应实现振幅控制。虽然法拉第效 应是线性效应，其中传播辐射的偏振旋转角度变化是基于对其施加磁 场的长度和通过其传播辐射的材料的维尔德常数而直接与在传播方 向上施加的磁场大小相关。然而，传送器中使用的材料在建立所期望 的磁场强度时可以不必对例如来自影响器的感应磁场具有线性响应。 在这方面，响应于来自控制器和/或影响器磁场和/或偏振和/或调制器或WAVE—IN的其他属性或特征的应用信号，所传播辐射的实际输出 振幅可以是非线性的。为了当前论述的目的，采用一个或多个系统变 量表示的调制器(或其元件)的特征被称作调制器(或其元件)的衰减分 布。光纤制造处理持续进步，特别是对于提高掺杂浓度以及对掺杂剂 分布的操作，在生产流水作业中周期性地掺杂光纤,以及相关的处理 活动进行改善。题目为"Method of Providing a High Level of Rare Earth Concentrations in Glass Fiber Preforms"的美国专利6， 532, 774，其示出了对多掺杂剂共同掺杂的改进过程。提高掺杂剂浓度的成功预期能 直接提高掺杂芯的线性维尔德常数，以及掺杂芯的性能，以利于非线 性效应。任何给定的衰减分布都可以适合特定的实施例，例如通过控制调 制器或其元件的组成、方向和/或排序。例如，改变构成传送器的材 料可以改变传送器的"受影响能力"或改变影响器"影响"任何特定 的传播波分量的程度。这仅仅是合成衰减分布的一个例子。优选实施 例的调制器使得衰减平滑，其中不同的导波通道具有不同的衰减分 布。例如，在一些具有取决于偏振旋向性(handedness)的衰减分布的 实现中，调制器可以为用于左旋圆偏振波分量的传送器提供与用于右 旋圆偏振波分量的第二传送器的补充导波通道的衰减分布相比不同 的衰减分布。除了上述为传送器提供的不同材料构成之外，还存在其他用于调 节衰减分布的机制。在一些实施例中波分量的生成/修改响应于传播 辐射从WAVE—IN到WAVE—OUT经过的调制器元件的顺序，可以不 是严格"可交换的"。在这些情况下，可以通过提供不同顺序的不可 交换元件来改变衰减分布。这仅仅是配置衰减分布的一个例子。在其 他实施例中，为每一个导波通道建立不同的"旋转偏置"，从而产生 不同的衰减分布。如上所述，某些传送器配置有在输入偏振器与输出偏振器/检偏器之间的预定义方向。例如，该角度可以是o度(典型地定义"常开(ON)"通道)，或者其可以是90度(典型地定义"常关(OFF)" 通道)。任何给定的通道在各个角位移区域中都可以具有不同的响应 (即从0到90度，从30到60度，以及从60到卯度)。不同的通道 可以偏置(例如缺省"DC"影响信号)到不同位移区域中，并且同时影 响器对传播波分量的该偏置旋转产生影响。这仅仅是操作衰减分布的 一个例子。支持具有多个导波通道以及为通道设计/匹配/补充衰减分 布是有几个理由的。这些理由包括在WAVE一OUT中的节能、效率以 及一致性。用对立偏振元件(选择器)托着的可变法拉第旋转器或法拉第"衰 减器"在光路方向上施加了可变场，使得这种装置能够旋转偏振的向 量(例如，从0到90度)，允许穿过第一偏振器的入射光的增加的部 分通过第二偏振器。当没有施加场的时候，则穿过第一偏振器的光就 完全被第二偏振器阻塞了。当施加适当的"最大"场时，就被旋转至 适当的偏振角度，并且100Q^的光穿过第二偏振元件。在前公开的这些本发明优选的实施例，通过系统的功效，其部件、 制造与组装方法、以及操作模式的优点，使得所述实施例非常薄及紧 凑，在结构上是刚性的或挠性的，具有非常低的制造成本，并拥有较 好的视角、分辨率、亮度、对比度和通常较好的性能特征。对于精确织物制造技术领域的技术人员而言显而易见的是，所公 开的结构和方法不是在尽述本发明该实施例的范围，而是其包括了三 维编织开关矩阵的织物制造中的各种变体，该矩阵对于以织物的形式 对基于光纤的，并在光纤元件中结合了集成法拉第衰减和颜色选择的 磁光显示器的部件进行组装而言是必需的。这里所公开的和引入的专利申请中所公开的结构、部件和技术已 经在本发明的优选实施例的范围内作了初步描述，并提供了用于显示
器等的系统和过程。然而，所述结构、部件和技术具有其他适用范围， 其中的某些已经在引入的专利申请中标明。为了对先前对于本发明所 公开的集成光纤光电子部件器件的创造性意义所作出的观察进行扩 展，重要的是，这种集成部件的三维织物组件提出用于集成的光电子 或电光子计算的一个可选择的范例。它作为一个切换矩阵直接用于波分多路复用(WDM)系统，更广泛地，作为LSI和VLSI规模的可选择 的IC范例，最佳地组合光电子和半导体电子元件。同样地，优选实施例的装置和其制造方法的公开内在地广泛的应 用。当然，该优选实施例可采用另一种方式重新叙述，其具有有力的 含意。用于考虑引入的临时申请的编织波导结构的另一种方法是 "(three-dimensional fiber-optic textile-structured integrated circuit device' configured to form a display-output surface array "。在显示器的 明确领域之外的本发明的应用的实例可以是被配置为场可编程门阵 列的织物光纤矩阵。三维织物几何形状的组合优点提供了对平面半导体晶片范例的重要的可选择方案，其中所述组合优点是用于对元件 进行集成；光子和电子的最佳组合，其中每一个都是根据其长度实现 的；光纤的IC电势，其中光纤作为半导体元件和光子元件的高抗张 强度自衬底，并且其具有用于在深度上实现"单片电路"结构的、围 绕光子芯进行弯曲并形成连续的表面结构的多层包层和涂层；所有的 那些效率，以及用于形成电光子织物块的织物编织的制造成本和光纤 的大批量制造的成本优点。通过本发明的优选波导通道(例如，光纤)实施例引入的新范例， 允许在三维微织物矩阵中对光纤和其它导电的IC结构的光纤和细丝 进行组合。较大直径的光纤，如在此另一处所公开的，可以具有集成 制造的包层之间和包层内部的完整微处理器设备；较小的光纤可以具 有较小的IC器件；并且作为光子晶体光纤和其它光纤结构，特别地 是单模光纤，并具有接近纳米级的直径的单独的光纤可以沿它们的圆 柱形的长度只集成少量IC特征/元件。这样，复杂的微织物矩阵可以 用各种直径的光纤来编织，并与导电的或结构化的其它细丝(包括纳 米光纤)进行组合，其也可以用包层之间或包层内部的周期性的IC元38
件来制造。光纤可以是较大光子循环器结构的元件，可以被熔融或接 合回到微光学网络中。
这种微织物矩阵的光纤也可以用具有相同折射率的芯和包层来制造，包括透明的ic结构，包括线圈管/场产生元件、电极、晶体管、电容器等等，以便使编织的织物结构可以用溶胶来注入，当采用uv对其进行固化时，所述溶胶具有必需的微分折射率，从而当其凝固时， 光纤间/细丝间溶胶代替单独的包层。
这个过程可通过采用用纳米粒子的静电子自组装的浴池对微织 物结构进行连续浸泡来进一步进行。用于分离细丝线的编织动作便于 光纤和细丝形成所期望图案，尽管在一些实施例中，在编织之前或当 光纤或细丝处于半平行组合时形成图案可能更加灵活。通过这些方法 和材料处理技术中的其它公知方法，控制光纤间溶胶的结构的电势应当是广泛的内涵的，所述电势使得光纤接点之间的光接口(light tap) 和光子带间隙开关(参见1999年1月25日申请的题目为"Transistor Utilizing Photonic Band-Gap Material And Integrated Circuit Device Comprising Same"的美国专利6, 278, 105，为全部用途特别将其整体 合并在此作为参考)将会非常便利。集成法拉第衰减器光纤也作为在 这种IC结构中的存储器元件，其暗示实现了 LSI和VLSI规模结构 的缓冲器。现场可编程门阵列(FPGA)额外提供了实现这种IC体系结 构范例的广泛应用的领域。
使用光纤和其它微细丝所编织的微织物结构的复杂度将随着弯 曲的最大角而增加，但不破坏光纤导波的改善；近来针对由深海生物 体生长的薄毛细光纤的属性的调查报告揭示出的光学传导结构，可以 被扭绞和弯曲到对折点。因此，这里所引入的临时专利申请中所公开 的微织物IC系统类型的三维编织将包括非直线编织一例如混合曲线 的三维编织，如现有技术公知的复杂编织涡轮结构所示范的一并且通 常这里所公开的微织物器件种类和制造方法包含公知的和已发展的 精确的三维编织几何形状的全部范围。
希望具有小直径光纤和细丝的微织物范例的进一步发展是通过 使用市场上可以买到的纳米组装方法来发展，例如所述方法可以是来
自德克萨斯州理查森市北普莱诺路1321的Zyvex公司，其纳米操作 技术可以使用本发明修改来提供这里所描述的用于编织挠性波导通 道的"纳米织机"系统。除了 Zyvex公司之外，还有伊利诺斯州芝 加哥市CL20区北密歇根大道316的Anyx公司，其纳米级的光学镊子 也非常适于这里描述的微编织的制造处理，其在有效的机械/光学编 织范例中与Zyvex纳米操作可选择地结合，其操作被仿制在新汉普郡 机场路112的Albany International Techniweave公司所例示的某些方 法和设备的微小的或纳米级实施方案上。在光学透明介质中传播的光与在导电介质中传播的电子之间的 公知的1000: 1的速度差，意味着在构成电子和光子元件时的自由度， 对单独集中于降低半导体特征的大小上的某些约束的放宽可以通过这种微织物IC体系结构实现一最后允许电子开关和光子开关和电路 通道元件的最适宜的混合。这样，某些光纤可以制造为更大的直径， 以便支撑较大数量的包层之间和包层内部的半导体元件，而其它光纤 可以具有非常小的直径，并且只具有少量电子部件，并且某些光纤只 具有"完全光学"的部件。最大化光子的"通路元件"的数量，从而 允许在通过光子路径连接的最佳规模的光纤中制造较小的微处理器 结构，这是可能的最优化的逻辑结果。这样，所谓的微织物IC "立方体"(或其它三维微织物结构)可以 包含较大和较小的光纤与其它导电、微毛细管状并以循环液体填充以 对结构进行冷却的以及完全结构性的细丝的任意数量的组合(或者由 具有半导体元件构建的，并且导电的(或者导电的一涂覆有微结构的 内部涂层)、电子的和光子的微结构光纤构成的)结构。图9是根据本发明的优选实施例的横向集成调制器开关/连接系 统900的总体示意性平面图。系统900提供了一种机制，用于在以下 将要进一步描述的波导中使用一对侧面端口(通道卯5中的端口 915 和通道910中的端口 920)将一个波导通道905中的辐射传播重新定向 到另一个侧向波导通道910。第一通道905配置为具有如上所述的和 在所引入专利申请中所述的影响器部分925(例如集成线圈管)以及可 选择的第一可选择的边界区域930和第二可选择的边界区域935。此
外，第一通道卯5包括偏振器940和对应的检偏器945(并且可以包括 可选择的第二影响器(为了简明的原因未示出))。第一通道包括在部分 第一边界区域930中的横向检偏振器端口 950，其贴近第二边界区域 930中的端口 915。在连接处具有围绕着通道905和通道910的光学 材料955，以改善通过该连接处的任何损耗。材料955可以是凝固溶 胶、纳米自组装特殊材料或类似的具有期望折射率的材料，以降低信 号损失同时有助于确保端口 915和端口 920的所期望排列。影响器 925根据与检偏器端口 950的传输轴相比较的相对偏振角度，控制经 过第一通道905传播的辐射偏振和穿过端口 915的辐射量。系统900 进一步的结构和操作如下所述。端口 915和端口 920是在通过后面描述的熔融光纤起动器方法等 等实现的边界区域(一个或者多个)中的传导结构，并且可以包括 GRIN透镜结构。这些端口可以布置在边界区域中精确位置处，或者 所述端口可以沿着通道的长度(或长度部分)周期性地布置。在某些实 施例中，在连接位置处，边界区域之一的完整部分可以具有期望的属 性(偏振或端口)结构，并且在其他边界区域中具有一个或更多个相应 的结构。偏振器940和检偏器945是控制沿着通道卯5进一步向下传播的 辐射的振幅的可选结构。偏振器940和检偏器，包括用于该部分的任 何可选影响器元件，协同影响器925控制通道905和910之间的辐射。用下列方式，通过在在此另一个地方公开的集成微法拉第衰减器 光纤元件的"横向的"(对比"轴向的")变体，可能促进这种微织物 结构中光纤间开关。织物矩阵中正交布置的光纤之间的连接点/接触 点是光纤之间的新型"光接口"的位置。根据本发明优选实施例的光 纤微法拉第衰减器的第一包层中，该包层(在该光纤的多个法拉第衰 减器部分以外光纤轴线上)是具有周期性的折射率变化的微结构，由 此进行偏振滤波(参见此处先前公开的光纤-集成偏振滤波，以及新泽 西州萨默塞特Cottontail大道1600的NanoOpto公司的子波长纳米栅 格(sub-wavelength nano grid))并且偏振非对称性(在引入的专利申请 中涉及并公开)。在这些部分中，折射率已经改变(通过电学上离子注
入法，光致反应地(photoreactively)加热或其他现有技术的公知方式) 为等于所述芯的折射率(可替换地,所述整个第一包层是如此的微观结 构而且相等的折射率)。除通过微分折射率实现的传导和偏振边界区 域之外,结构上的几何配置(例如，光子耦合并使用子波长空腔/栅格系 统)也包括在本发明范畴内。为了简化此处的讨论，采用微分折射率 描述传导和边界,然而在其情况，利用结构上的几何配置可能也是有 效的(除非上下文清楚地指出相反情况)。此处公开的集成法拉第衰减器的该变体基本上与全部其他的现 有技术"光接口"相区别的，包括加利福尼亚弗里蒙特的Page大道 1220的Gemfire公司的那些技术，在那些技术中，波导本身被坍陷， 以耦合半导体光波导。在所述Gemfire实现中的导波结构的坍陷意 味着在所有光子的或电光子的切换范例或网络当中的有效部件的破 坏，这就保证了在通道之间的光信号的有效传输。"光接口"不需要 同其他的常规类型"光接口 " 一样进行额外的和复杂的补偿以控制芯 区域之间的非制导的信号，通过定义使得所述"光接口"更加简单且 更有效率。因此，与现有技术中的其他"光接口"相比，优选实施例的开关 机制没有极化区域的激活或电极阵列的激活来完成栅格结构。相反 地，在优选实施例中，轴向的法拉第衰减开关旋转通过芯传播的光的 偏振角度，并且借助于用包层部分联合该开关，来实现经过输出和输 入光纤(或波导)的包层中的横向传导结构的信号的精密控制部分的 转向，所述包层是有效的偏振光滤器。所述开关的速度是所述法拉第 衰减器的速度，该速度与改变被阴极和阳极覆盖的相对广大区域的化 学特征的速度相对比的。第二包层具有完全不同于所述芯(并且可选择性地还有第一包层) 的折射率从而在所述芯(并且可选择性地第一包层)中实现全内反射 (在集成法拉第衰减器部分外部的光纤的轴线上)，制造两个结构中的 任意一个。首先:渐变折射率(GRIN)透镜结构在第二包层中并且其光轴与光 纤的轴线成直角或接近于直角，而且其是根据在此其他地方或者所引
入的专利申请中所涉及的方法制造。焦点路径在方向上或者与光纤轴成直角，或轻微地偏移，以便使来自第一通道905并通过GRIN透镜 的光将在接触点处与第二通道910耦合，而且还以直角插入第二通道 910的轴线，或者将在优先方向上以一定角度插入第二通道910。
第二通过离子注入法，通过在制造过程中在电极之间施加电压， 通过光致反应地加热或现有技术中公知的其它方式，制造具有与所述 芯(以及可选择地第一包层)具有相同折射率的更简单的光信道。这种 简单的导波通道的轴可以是成直角或轻微地偏移，如上述的其他选择 中。
当通过经过激活的集成微法拉第衰减器部分对偏振角进行旋转 时，完成该基于微法拉第衰减器的"光接口"的操作，或更精确而言， 是完成"横向光纤到光纤(或波导到波导)法拉第衰减器开关"，并且 其"渗漏"(根据已知的光纤"光接口"的操作)，或者更精确而言， 其被传导通过第一包层并进入第二包层中的GRIN透镜结构或更简 单的光通道，并从任一输出通道耦合到第二通道910。
制造第二通道910以便将从第一通道905接收的光通过并行结构 (第二包层中的GRIN透镜或包层波导)最佳地耦合到偏振滤波的或不 对称的第一包层中，而且从该处进入第二通道910的芯。如前面所指 出的，围绕该光纤-到-光纤矩阵的是凝固的溶胶，其渗透了该织物结 构，并且其具有微分折射率，该折光率限制光纤(或波导)之间的所传 导的光，并且保证耦合有效。
对包层进行微结构化的有利的可替换的并且新颖的方法可以是 通过对MCVD/ PMCVD/PCVD/OVD粗加工成品制作方法的新颖的修 改的规范来完成，下面描述其的优选的实例。
图10是图9所示横向集成调制器开关/连接900的一系列制作步骤 的全面的示意图。制作系统1000包括具有许多导波通道的一块材料 1005的形成(例如，如引入的临时专利申请等等中所描述的熔融光纤 面板)，并且删除了块1005的薄截面1010。将截面1010软化并且准备 形成启动器壁薄板1015。辗轧薄板1015以形成硅石启动器管1020，用 于生产期望的用于拉制的粗加工成品。 依据这种新颖的方法，在该石英管上沉积烟灰以生长成为圆筒形 式的粗加工成品，该加工成品是从一块转动的并且熔融熔融-光纤截 面的薄板中制造的。即，由于在包层和芯中适当的掺杂特征而可选择 性地具有不同特征的光纤改变这种不同地进行最优化的光纤以实现 具有不同的折射率和不同的电光属性的薄光纤截面的栅格，熔融所述 光纤，并且将熔融的光纤矩阵的截面切割成薄板。
然后依据已公知的粗加工产品制造工艺，均匀地加热和软化这些 薄板并将其围绕被加热的成形针而弯曲，以完成适合作为启动器的薄 壁圆筒，以制造薄粗加工成品。
选择在熔融光纤薄板中使用的光纤的尺寸，以得到从用于其中进 行光纤拉制的包层中的所获得的横向结构的最佳尺寸。但是通常， 用于该目的光纤具有最小的可能制造尺寸(芯和包层)，因为在从由此 制造的粗加工成品进行拉制期间，结构直径将显著地增加。事实上 即使对于用作单根光纤的单模模式，这种光纤规格可能在横截面方面 太小。但是与熔融光纤截面或薄片的适当的厚度选择相结合，可以控 制在所得到的拉制光纤包层中连续图案化的横向导波结构的尺寸，从 而使得该横向结构具有所期望的(单模、多銜"芯"和"包层"尺寸。
为了进一步保证适合该微结构的尺寸，可以熔融和软化并拉制更 小的光纤组合，然后在最后的光纤阵列在长度上熔融之前，再次将其 与其他光纤熔融，然后分割成薄板以形成圆筒。
为了促进在本发明的集成法拉第衰减器器件的该光纤到光纤变 体的实现中的挠性，在第一通道的芯和第一包层中位于相对的"输入" 端和相对的"输出"端(其在此是可逆的)的偏振截面，可以根据在引 入的专利申请中涉及和公开的方法，通过在包层之上或包层之间/包层内部制造的电极结构可转换地导出，或根据已知方法，通过uv激 励而可转换地导出，所述uv信号可以根据在引入的专利申请中的其 他地方公开和涉及的样式和方法，通过在包层之间或包层内部制造的 器件而生成。当通过电极结构导出时，该偏振滤波的或不均匀的状态的切换可以描述为电-光的，或如果通过uv信号导出，其可被描述为"全光学的"。如通过集成法拉第衰减器的新颖的横向变体与现有的"光接口"的在先对比可推知的，该uv激活的变体是优选的实施方案。因而芯和包层的偏振滤波的或不均匀的截面可以称为"短暂的"，参见美国专利5，126，874("Method and apparatus for creating transient optical elements and circuits " 1999年11月7日申请，于此为所有用途特 别将其整体引入作为参考)，从而使得该滤波器或不对称元件可能被 激活或停用，转换成"开"或"关"，连同该操作一起作为集成法拉 第衰减器的可变强度开关元件。第一包层可以具有与芯相同的折射率，如所指出的，以及第二包 层具有微分折射率，从而使得单独通过包层的偏振滤波或不均匀结 构，实现对"错误的"偏振的芯的限制。因此，第一包层的默认设置 可以是"幵"，其通过偏振滤波器/不均匀性将光限制到芯中，或者 可以是"关"，其允许将光传导芯和第一包层内，并且仅仅由第二包 层进行限制，然后其可以是在构造电极或UV激活元件的截面中，其 可转换到该默认设置的相反设置。表征该-微织物三维IC的操作一个方法是，用包层内部和包层之 间的微传导结构，集成在这些通道的包层内部和包层之间的IC元件和 晶体管，以及制造成该结构的周期性元件的集成的轴向的以及横向的 法拉第衰减器器件，横向地构造波导通道，该波导通道可以在作为总 线的芯中传送波分多路复用(WDM)类型的多模式的脉冲信号，将该 脉冲信号经过该包层中的横向导向结构，传送到该包层中的半导体和 光子结构，并且还在光纤之间传送该脉冲信号，光纤的作用是充当总 线或其他电光学组件，该脉冲信号是通过集成法拉第衰减器装置转换 的某些或所有任意信号脉冲。某些通道可能是纳米级的和单模的，并且具有在包层内部或包层 之间制造的单个元件，或者可能是更大直径的而且是多模的或单模式 的，并制造为在包层之间、包层之中或包层之上明显地具有很大数量 (接近微处理器)的半导体(电子和光子的)元件。通道可以以任意数量 的尺寸和任意数量的与光纤自身中微结构IC元件的组合，用作总线或 单个开关或存储器元件，并组合在整体微织物体系结构中。因而开关
等等可以发生在纤维芯中，发生在芯和包层之间，发生在包层中的元 件之间，发生在光纤之间。
哈佛大学的Eric Mazur， Limin Tong等的50 nm "光学纳米线路" 示出了非常适于在微织物结构中实现，其是通过在蓝宝石锥形周围缠 绕和加热玻璃纤维，然后以相对高的速度牵引的简单过程制造的，具 有原子级的表面光洁度和二到五倍于蜘蛛丝的张力。在上述光纤波导 类型的子波长直径变体中已经可以传导从可见光到近红外光的波长， 但是并不是限制在芯中，而是大约一半的传导光在内部传送，而一半 沿着表面渐渐消失。很明显，可以通过光纤之间渐近于零的耦合来低 损耗地对光进行耦合。如引入专利申请中所公开的方法或者通过任何其他方法，通过所 注入的溶胶或包层以及偏振边界/滤波器的涂层，在所述光学纳米线 路之间进行插入，然后通过所述法拉第衰减器器件的横向变体进行操 作，从而在路径之间提供更加简单的开关/连接装置。由于线路的挠 性，通过光学纳米线路的属性促进了该微织物IC结构，线路的挠性 允许所述线路弯成直角，并且实际上缠绕或打结成结点。
加州理工学院的Keny Vahala补充工作，包括直径为数十微米的 "光学线路"的制造，以及在Vahala领导下的相关工作，示出了由 硅石微颗粒和微米量级的光学线路所组成的极小的、极低阈值的拉曼 激光器对于该微织物结构而言也是非常有用的。通过微织物结构元件 可以将点缀在该微织物结构中的微颗粒保持在其位置处，并且将其耦 合到光学线路，在该三维IC体系结构中实现对信号生成和操作的进 一步选择。
与光开关元件和电开关元件的最佳混合、光纤之间的、包层之间 等等相结合的轴向以及横向的法拉第衰减器开关/连接的性质，产生 了实现二进制逻辑的新颖方法，该方法是借助于恒定的光信号但是相 对于光脉冲方式而仅仅改变偏振状态。该二进制逻辑系统从而结合 "永远开"的光程，仅仅借助于该信号的偏振角来操作和检测其逻辑 状态，该状态可以以非常高的速度进行变化。混合电子一光子微织物 IC体系结构中采用的集成法拉第衰减器器件的公开变体可以实现所
述的二进制逻辑方案，为增加微处理器和光通信操作的速度和效率引 入了众多可能性。上述示例性描述是为了实现本显示器发明的新颖的织物结构和开关结构的广泛适用，包括波分多路复用开关矩阵和LSI和VLSI IC 设计，其对光和半导体电子元件进行最优化，而且本领域技术人员将 意识到所述新颖方法、部件、系统和体系结构不是仅限于详细地公开 的例子。上述讨论主要集中在本发明的优选实施例中，其使用离散的波导 通道，例如光纤。在该讨论中，包括了涉及其他波导通道的使用的周 期性的参考，特别是"大量"地形成在衬底或其他结构中或从薄膜组 件中制造的波导。下面的讨论突出关于半导体波导通道的某些优选实 施例。在此和引入专利申请中所描述的光纤实施例，以及混合的光纤硅 石晶片实施例，拥有以下潜力新的成本节约，对我们所称的视频"显 示器"或投影仪的新应用，以及在所显示图像的整体质量上与任何其 它显示器类型相比具有提高。与LCD、气体等离子和其它已确定和 初期技术的半导体制造中所获得的过程特征相比，其某些特征是新颖 的制造和制备范例(例如光纤)的结果。本发明包括对一个或多个辐射信号的路径和特征的精确控制的 实现，以制造上述不同磁光显示器和投影仪。这些设备的重要元件包 括对导波的通常使用和对集成地制造到导波结构中的影响器结构(例 如，法拉第衰减器)的使用，以提供具有所有实施例中的优点和在此 所述的制造模式的基于导波的磁光显示器，而不考虑特定实现如何。 在前面和在引入的专利申请中已经解释了这些原理，特别是关于离散 的波导通道的原理。这些原理也可应用于其他类型的波导通道，例如 半导体和薄膜波导通道。在半导体晶片制造范例中，基于半导体波导的磁光显示器特别适 合于小型化显示器，包括"芯片上的HDTV显示器"，还有投影仪实 施例以及在此称为微薄显示"备用元件"系统与方法的专用实施例。 由于固态半导体结构不包含液体，或者包含在其制造过程中在真空中
压封的部件，因此本发明的半导体波导实施例将会比LCD或气体等 离子显示器明显的便宜并且有着更好的性能。当然，为非小型化显示器选择基于半导体导波的FPD，实质上在 任何情况下都明显地劣于选择基于光纤的基于磁光的FPD，这是因为 制造半导体晶片的众所周知的成本限制，特别是对非常大的显示器而 言。但是事实不会一直如此，基于半导体导波的系统不是必须要受限 于较小、较薄的应用和实现。特别是当考虑了来自引入的临时申请和 其他引入申请中的某些组成(componentization)原理时。用于包括微型显示器和投影仪应用在内的特定应用的本发明的 基于半导体波导的实施例具有显著的优点，其详细说明如下所述。基 于半导体波导的实施例一般根据相对于支持特定实施例的半导体结 构表面的波导通道轴，而分成两个广泛的组。通常波导通道传输轴可 以平行于该表面，或者其可以与该表面垂直。首先参考实例一包括1997年1月28日出版并授权给Hammer 的题为"Metal-Ferromagnetic Optical Waveguide Isolator"白勺美国专禾lj 5，598，492和2000年8月15日出版并授权给Belouet的题为"Method of depositing a ferromagnetic film on a waveguide and a magneto-optic component comprising a thin ferromagnetic film deposited by the method"的美国专利6,103,010。两个实例都描述了平面半导体光学 波导法拉第旋转器，并为所有用途特别将其整体引入作为参考。使用半导体晶片系统的两个组，在发明的优选实施例中存在着显 示器/投影仪系统的两个基本变体l)在衬底上制造的"垂直形成的" 半导体波导阵列和法拉第衰减器结构，其通过无源或有源矩阵来切 换；以及2)平面半导体波导将法拉第衰减器结构作为集成平面元件与 波导结构进行合并，并且将其与"偏转机制"相组合(所示的实例是 45度反射表面或产生卯度弯曲的光子晶体缺陷)，以将入射的平面光 偏转到显示系统中，并且每个波导的输出生成像素或者子像素。然而， 所公开的两个实例不是穷举通过本发明半导体波导的实施例所产生 的可能性的范围，也不是通过所给出的实例将本发明限制在该实施例 或者其变体中。对于有效地制造"垂直的"和"平面的"半导体波导元件而言有用的是，来自德克萨斯州West Braker大道1807的Molecular Imprints 公司的商业上有效的方法，来自Nano-Optic的"step and flash"的微 模印记(micro-mold imprint)方法，光子子波长浮雕蚀刻源(用于限界 (bounding)、颜色滤波、偏振滤波和管理等等)，以及前面涉及的来自 NanoSonic公司的商业上有效的方法，其实现纳米量级自组装制造方 法。这些方法和相似的商业上用的"纳米技术"制造方法都优先选择 本发明的优选半导体实施例。值得注意的是，在制造过程方面，也参考授权给Petrov的2003 年11月18日出版的题为"Method for forming separately optimized waveguide structures in optical materials"的美国专禾U 6,650,819，其公 开了多阶段退火质子交换(APE)制造方法，该方法允许对在单个衬底 上的不同组成的不同半导体波导元件进行优化。该公开用于以下所公 开的垂直和平面的波导结构的制造，除非另有描述，在掩模/蚀刻过 程中进行制造的优选方法是商业上的多阶段退火质子交换过程。因此 在此为所有用途将该'819专利整体引入。图11是"垂直的"显示系统1100的总体示意图。显示系统UOO 包括多个晶片带1105，其垂直地层叠以便从由每个带1105的边缘制 造的像素/子像素矩阵中制造整体的显示系统1110。每个像素/子像素 是由耦合到传送器通道部分的若干结构化并且有顺序的调制器制造 的，该传送器和调制器集成到每个带1105，每个传送器和调制器具 有如在此和在引入的专利申请中所述的功能和排列可能性。显示系统 1100是混合的类型，这是因为每个带1105从具有平行于该晶片表面 的嵌入式波导通道的晶片中形成的，这些带垂直地层叠，以制造该显 示系统。通过在数千量级的法拉第衰减器波导通道的平行阵列中制造层 叠的平面波导带来实现系统1100，其中每个带具有R、 G或B染色 掺杂的或经过颜色滤波的通道，上下层叠在一起，从而在"垂直"显 示结构中形成具有波导芯的一片层叠带。所述平面法拉第衰减器波导 通道的层叠带没有偏转单元，因而通过其输出端形成显示阵列，通过
从端点上观看"朝外的"波导结构来形成显示表面；薄衬底和周围的 矩阵全部都是单独的法拉第衰减器波导通道。系统1100使用对着显 示表面1110的照明源或者将其集成到每个像素/子像素元件的传送器 部分。图12是图11所示的一个带1105的一部分的详细示意图。图12 的特写示出了从输入边缘1210侧向地行进到输出边缘1215的多个传 送器部分1205(显示为圆柱形元件)，每个部分1205平行于表面1220。 影响器元件1225(表示为直线形元件)耦合到每个部分1205以制造调 制器，每一个都响应于X-Y寻址栅格(表示为X1230和Y1235的单个 元件)。图12所示的带1105的部分包括两个像素，每个像素具有三 个子像素，所述子像素生成优选的颜色模型的辐射信号(在该情况中 R、 G和B子通道)。图13是显示系统1300的可替换实施例，该显示系统在半导体结 构中使用垂直的波导通道实现了作为垂直分解的半导体波导显示器/ 投影仪。显示系统1300包括熔融的光纤透明衬底1305，在其上布置 了多个垂直波导通道1310。当其实现与传统光纤相似时，每个通道 1310包括一个或多个边界区域一特别是可选择的第一边界区域1315 和第二边界区域1320。在不同的传导实例中，边界区域1315是具有 微分折射率并掺杂永久磁化的材料的材料。在不同的折射率传导实例 中，第二边界区域1320是具有微分折射率并掺杂含铁/亚铁磁掺杂剂 的材料。从通过层耦合器1330相互连接的线圈管层生成已经组装的 影响器元件1325(例如，线圈或其他适合的磁场生成结构)。布置X-Y 寻址栅格1335，以对每个影响器元件1325进行独立连接/控制。波导 通道、边界区域、线圈管和X/Y栅格的结构、功能和操作在上面和 所引入的专利申请中作了额外描述。通过标准半导体沉积、掩膜和蚀刻的优选的结构制作方法如下。 将掺杂硅石材料沉积在透明熔融光纤衬底上。制造透明材料的第一沉 积是用RGB原色中的一个颜色的染料进行掺杂，并且与和本发明的 光纤的实施例相似的光学活性掺杂剂进行掺杂；然后制造掩膜从而保 留成行的圆柱状物；对于保留的每一行，在其之间存在两行蚀刻到衬
底。掺杂材料的每个柱状物都精确地布置在熔融光纤面板中的光纤之 上，所述光纤自身也是掺杂染料的，并且具有与硅石柱状物相同大小 的芯。重复形成成行的柱状物的过程，从而通过连续的沉积和蚀刻形成RGB行的集合。接下来，执行另一组沉积和蚀刻以在每个柱状物周围制造掺染材 料的柱面，该柱面具有与原始柱状物不同的折射率，因而由此制造导 波结构以限制从该熔融光纤衬底进入该透明柱状物的光。所述"包层" 或边界区域还可以用永久磁化的铁磁材料进行掺杂，优选地采用单分 子磁铁，其在形成之后保留在与该波导通道的轴成直角的强磁场中。 否则，用亚铁/铁磁材料对其掺杂，如前面在光纤光学实施例中公开 的，优选地被最接近的影响器(例如围绕着的线圈管)造成磁化并具有 剩余磁通。在采用用永久磁化的材料掺杂"包层"结构的情况下，根据对第 一"包层"柱面的描述制造第二 "包层"柱面，并且按照如上所述用 亚铁/铁磁材料掺杂该"包层"。接下来，执行一系列的可替换的沉积和蚀刻以制作在掺杂波导结 构周围的"线圈管"。图14示出了连续地构成该"线圈"图案的两个 层(第一层1400和第二层1405):在第一层上，部分圆环确定柱面壁， 终端采用相同导电材料垂直地连接到沉积在其上的非常薄的第二层。 在所述第二层上，仅仅掩盖导电材料的圆环的非常小的部分，并且将 其在蚀刻之后保留下来，然后在其周围沉积了非常薄的绝缘层。重复该过程，在下一个层上沉积部分圆环，其实质上等同于最底 层上的圆环或"柱面片"。该新的部分圆环或"柱面壁片"通过在另 外的绝缘层上的柱面壁的微小弧形的普通导电材料，垂直地连接到下 面的层。并且通过重复上述过程，形成交替的层， 一个层具有在波导 柱状物周围的几乎完整的导电圆环，上面的另一个层仅具有由相同导 电材料制成的微小连接部分，其保持了波导柱状物周围的电流，再向 上，在下一个层上具有非常薄的微小部分，并且再向上，在该层之上 的层再次具有波导柱状物周围的几乎完全的圆环。制造了很多"项圈"层，并且其点缀有薄绝缘层，薄绝缘层仅具
有用于在层之间运载电流的导电材料"点"，"项圈"层的数量足以生 成足够强度的场来以全功率将向上通过熔融光纤衬底的光的偏振角 旋转卯度。从当前最佳效果的光学活性掺杂物的已经确定的性能来 看，其可以通过仅仅很小数量的"缠绕"或仅仅通过"项圈"层而实 现。接下来，采用包括更新的方法(例如浸蘸笔纳米平板印刷术)在内 的标准方法在衬底上形成导电栅格，以寻址每个法拉第衰减器波导结 构的"基底"，其在部分圆环的输入点出接触最底部的圆环。接下来，在半导体制造的法拉第衰减器结构之间的薄缝隙中沉积黑矩阵(blackmatrk)。当使用光子晶体材料时，差别在于该能带隙结 构引导光，且不一定需要微分折射率的"包层"来限制光(而仅仅作 为光通道周围铁/亚铁磁材料的掺杂柱面，并且，可选地，作为可被 永久磁化的材料的第一掺杂柱面)。最后，在优选实施例中，"较上面的"寻址栅格，包括当材料的 性能需要或期望时，将其沉积在波导结构之间的黑矩阵上。当必要时， 仅将黑矩阵沉积到相对于垂直波导结构顶端的高度，以便将由导电寻 址栅格所寻址的晶体管形成为沿着波导结构的垂直排列的半导体部 件，并且将其有利地制造在线圈结构所必需的交互层之间。接下来， 在寻址栅格和可选的垂直布置的晶体管上沉积额外的黑(不透明)矩 阵，从而弄平(flush)该半导体晶片结构。在某些例子中，可以在垂直 波导结构的"输出"点上形成、布置和/或直接沉积光学散射结构， 以改善来自波导结构的较高的散射角。图15是显示系统1500的可替换优选实施例，其在半导体结构中 使用平面波导通道实现了作为平面分解的半导体波导显示器/投影 器。系统1500包括在系统1500的边缘上的一个或多个照明源，其为 很多极为狭窄的波导通道提供光以向每个子像素提供均匀照明。系统 1500包括许多功能层，包括输入层、旋转器层和显示层。在底层上， 每个子像素行(从X轴和Y轴)为大量极为狭窄的波导通道提供光以向 每个子像素提供均匀照明。因而在优选实施例中，从Y轴开始，每 行(宽度3000)具有1500个波导通道，每个通道在该行的子像素中结 束。X和Y轴寻址可替换的子像素。从X轴开始，每行包括大约1350 个通道，X和Y轴各在单独的层上。在优选实施例中，波导通道是 在0.02微米或更小尺寸上制造的光子晶体结构波导。每个波导在子 像素位置上结束(在某些实施例中，多个通道可以为一个子像素位置 照明)，而且可以确定复杂的路径以在期望的位置上为子像素决定输 出的位置。在输出位置上提供偏转机制，以将在传播平面外部传播的 并且振幅受控的辐射信号重新定向到传播平面内部。如所示，显示平 面垂直于传播平面。沿着每个波导通道提供一个或多个影响器/调制 器部分/层，以构成对所传播辐射信号的期望的振幅控制。优选的是 由于波导通道远小于子像素直径，因此波导通道的输出包括散射元件 或光学元件以增加有效的尺寸。
半导体波导在平行于显示平面的连续晶片上；对于每个子像素波 导旋转器元件而言，存在相对于平行于显示表面的方向成45度的偏 转光的镜面终端或者光子晶体弯头，以从表面向外部弹出，从而形成 子像素。
结合在显示阵列中的传送器/影响器组合的平面半导体光波导实 施例的一个优点是，制造极薄的表面半导体处理显示结构，其中从"侧 面"向平行于平面光波导提供照明源。可以将照明源提供成极为紧凑 的形式，例如RGB半导体激光器的平行行、VCSEL或边缘发射 (edge-emitting)。这样，大体上可以将该结构制造成刚性或挠性衬底 上的厚膜，包括用聚合物编织的织物。作为使用厚膜的显示器，该显 示器可以被应用为"备用元件"，其实现用薄的显示材料平铺弯曲的 几何表面。
最初的半导体制造的层由若干平面波导组成，所述波导传送来自
侧面照明源的光(相对于来自平行于显示平面的整个后腔照明源，如 前面公开的平面控制板显示实施例)。图16是集成到半导体结构中的 传送器/影响器系统1600的截面图，其用于传播辐射信号1605，并且 具有偏转机制1610,该偏转机制将由波导/影响器所"调节流量 (valved)"的光从水平平面重新定向为垂直平面。
优选实施例的代表性制造过程包括如下内容。在衬底上沉积厚膜
材料，从而使厚膜在抗张强度上足够强健以自我巩固
(sdf-substrative)，并且如果将其从工作衬底中移除，将会保持其完整 性。通过半导体平版印刷过程(材料的沉积或印刷、掩膜和蚀刻等， 浸蘸笔纳米平板印刷术)，将光学透明但是掺杂染料的材料沉积在厚 膜衬底上。该第一沉积还掺杂光学活性材料，例如YIG、 Bi-YIB或 Tb，或当前性能最好的掺杂剂。根据与厚膜衬底相同的Young系数， 所有材料优选为挠性的。
如所述的，对通道进行掩膜，并且移除大部分沉积的材料，剩下 成行的材料。浸蘸笔纳米平板印刷术在具有用于实现反射的适当的微 分折射率的相同材料或者其他材料之外，立体印刷45度的偏转元件 (或制造光子晶体弯头的QWI)。可替换地，可以使用Molecular Imprints 的"step and flash"立体印刷方法。现有技术中还有相对更复杂的其 他方法。
接下来，沉积通道的一 "列"染料和光学活性掺杂材料，并对 其蚀刻以使列直接高于45度偏转元件，这就有效地为由沿着附近的 光通道的调制器器件所开关的并且由45度偏转元件所偏转的光，形 成从该显示表面的平面的出口点。
接下来，沉积具有相同微分折射率的材料，其围绕并覆盖初始的 行和其他制造的元件。这称为"包层材料"。在45度偏转元件或光子 晶体弯头附近的波导通道部分之上，从上述沉积的材料蚀刻空间，以 便允许存在光通道之上且平行的导电的行，以寻址水平的带，该带 也将制造在光通道之上，并且与其轴成卯度角；还蚀刻空间，该空 间用于该带沉积导电材料，以及沉积其下掺杂铁/铁磁性材料的材料 层。可选地保留该材料之下的空间，以沉积永久磁化材料掺杂的材料， 这里和引入的专利申请中详细地描述了其功能。
依次沉积下面的材料(接下来掩膜和蚀刻并且/或用浸蘸笔纳米平 板印刷术进行印刷)平行于该光通道的成行的导电材料以寻址场生 成带；在保留在光通道之上的"包层"材料之上的可选的可永久磁化 的材料的层(接下来，磁化层);由场生成元件临时地磁化亚铁/铁磁材 料，并通过剩余磁通量将其保持旋转；场生成导电材料带布置为与光
通道的轴成直角。根据目前的掺杂剂特性，仅有一些带是必需的。
最后，沉积更多"包层"材料，以便密封并平滑多厚膜的表面、 半导体制造结构。可选地，正好在法拉第衰减器的场生成结构寻址之 前，用导电寻址线路成行地制造晶体管。通过适当地选择厚膜材料， 全部厚膜显示结构可以形成在坚固的聚合物密封织物衬底上，或从成 形衬底移走并附着有另外(潜在地几何上复杂)一个最终支撑显示表 面的厚膜。
图17是图15所示的显示系统1500的总体示意图，其进一步示 出了生成单一像素的三个子像素通道。每个通道都独立受控与偏转， 并在系统1500的表面合并。
图18示出了系统1800中的波导路径结构的可选实施方案的优选 实施例。为了补偿平面调制器方案的受限的维数，并且其中必须实现 像素1805的直径上的旋转，使用了用于波导1810的新颖的"转回 (switchback)"策略。假定光子晶体结构通过制造缺陷而(移除周期的 孔或其他结构)实现了光路径的大约90度的弯曲，则在一系列转回中 用于"折叠"亚微米宽度的光路径的策略，在遭受影响效果(例如， 磁场)的光束传播的距离方面，增加等式1中的"d"维数，而不会导 致设备太长。实际上，沿着优选实施例的转回连续使用通过标准半导 体制造过程而形成的旋转器/衰减器元件，从而由于设备具有比其他 实际中使用的设备大很多的"d"维度，而造成具有非常低功耗的设 备。假定通道的维数非常小，旋转器/衰减器设备的整体维数将会显 著地小于现有技术的波导的例子，而且远小于子像素的最大维数。
图11到图18的优选实施例描述了包括在引入的专利申请中的衬 底化波导通道，其实现传送、调制和显示的结构、功能与操作。上述 实施例强调了在衬底中形成/安置淋列的波导通道与例如光纤和光子 晶体光纤等的独立的/离散的波导通道之间的可替换性。所述的替换 之一可用于在图9和图10所示的横向开关。虽然该优选实施例包括 光纤到光纤开关，图9的原则可以施加到波导到波导开关，特别是在 位于公用衬底中的适当地结构化的并排列的波导之间的切换。在某些 实施方案中，切换发生在以适当关系的排列的不同衬底的波导之间。
很多类型的显示系统是可能的特定的薄、小而且重量轻的显示系 统，包括，例如，电子护目镜和护目镜组件专用的高分辨率和亮显示 表面，例如夜视和虚拟现实中使用的电子护目镜和护目镜组件。如这 里引入的临时专利申请和组成专利申请中所公开的，以及作为优选实 施例的特征的是，通过组合该电子护目镜系统，进一步减轻护目镜的 重量并减小其尺寸。
依靠光纤和光纤/波导集成方案，该优选实施例的电子护目镜系 统的显示表面可以从该调制/开关矩阵分离，从而允许从远程位置(例
如在直升机的电子组件(electronks package)中)通过波导(例如光纤束) 而向一个或多个VR护目镜设备(共享资源)中的熔融光纤面板传送高 亮度的图像。因而可以改善夜视飞行能力。
过去已经结合其他显示资源一起使用光纤面板，例如CRT或 LCD,但是由于光纤对在第一个例子中的荧光屏幕的不精密接口，以 及在第二个例子中LCD的亮度限制，从而使得所述显示源在分辨率 或亮度方面受限制。LCOS在得到更高的亮度的同时也存在与光纤集 成的严重问题。包含优选实施例的本发明克服了前面方法的限制，其 中该优选实施例包括在该环境中的集成光纤到光纤面板的解决方案， 或波导到光纤的解决方案。
对于面板方法而言可替换的是，可以使用如以上部分中详细描述 的极薄的半导体夹层(sandwich)方案，该夹层方案具有虚拟现实护目
镜设计中的来自光纤的侧面照明，其中开关矩阵包含在显示表面中或 者在显示表面附近。在任一个方案中的显示表面的亮度、速度、视角 和光学品质都为所有应用提供了通常的夜视和虚拟现实的性能和成 本上的显著改善。
图19是使用衬底化波导显示系统的电子护目镜系统1900的优选 实施例的前透视图。如所示的，该衬底化波导系统被示为如上所示的 一对立体的衬底化波导显示系统l卯5。此外，系统1900包括电源/ 数据通信端口 1910。图20是图19所示的电子护目镜系统1900的侧 面透视图。
总之，体现本发明的方面的传送器、调制器、和系统的性能属性
包括以下。子像素的直径(包括与光学活性材料相邻的场生成元件)-
优选的是<100微米，更优选的是<50微米。(在以上论述的替换实施 例中，多染料掺杂的光通道是以一个复合波导结构来实现的，影响了 RGB像素尺度中的网化简(netreduction))。子像素元件的长度优选 的是<100微米，更优选的是<50微米。驱动电流，为了达到有效的 卯度旋转，对于单个子像素是0 —50m.Amp。响应时间 一般而言 对于法拉第旋转器来说非常高(即，已经论证的1 ns)。
作为整个显示器的功率需求的基础理解，重要的是要指出，优选 实施例的实际功率需求不必基于子像素的总数乘以90度旋转所需的 最大电流的线性乘法来计算。实际的平均功率和峰值功率需求的计算 必须考虑到下面的因素伽马值和平均颜色子像素使用两者都显著低
于100%:因此平均旋转显著小于卯度伽马值即使计算机监视器 正显示白色背景并使用了所有子像素，也不要求每个子像素的最大伽 马值，或就此而言，不要求任何子像素的最大伽马值。在此的空间不 允许对人类视觉感知的科学的详细回顾。但是，对于适当的图像显示 而言，全部显示器、像素和子像素的相对强度(为了在变化的环境光 级别中进行观看，给出了所必需的基本显示器亮度)是必要的。最大 伽马值(或接近最大伽马值)，以及全旋转(越过无论哪一个工作范围， 卯度或它的某部分)将会仅仅在某些情况下需要，包括需要最极端的 对比度的情况，例如对明亮光源的直接拍摄，例如在直接拍摄太阳的 时候。因此显示器的平均伽马值在统计学上将会在可能的最大伽马值 的某部分上。那就是为什么为了计算机监视器的稳定"白色"背景的 舒适观看，法拉第旋转也将不会在最大值上。总之，驱动任何给定子 像素的任何给定法拉第衰减器会很少需要处于全旋转，因此很少要求 全功率。颜色由于只有纯白色需要簇中RGB子像素的相等强度的 组合，应当指出，对于彩色图像或灰度图像中的任何一个而言，在任
何一时刻都是将是对显示器的子像素的某些部分寻址。由RGB组合
加性地形成的颜色暗示了以下 一些彩色像素会要求仅仅一个(R、 G、 或B)子像素(变化的强度)是"开"， 一些像素会要求两个子像素(变化
的强度)是"开"，而一些像素会要求三个子像素(变化的强度)是"开"。
纯白像素会要求所有三个子像素是"开"，使它们的法拉第衰减器旋转以达到相等的强度。(彩色和白色像素可以并置来稀释颜色；在本 发明的一个可替换实施例中，"簇"中的附加子像素可以是平衡的白 光，以达到对饱和度的更加有效的控制)。考虑到有关子像素簇的彩色成像命令和灰度成像命令，显然，对 于平均帧而言，所有显示器子像素中的某部分会确实需要进行寻址， 而对于那些"开"到某种程度的那些子像素而言，平均强度会显著地 小于最大值。这仅仅由于RGB加性的配色方案中的子像素的功能， 这是除了要考虑绝对伽马之外的一个因素。统计分析能够确定FLAT有源矩阵/连续编址器件的功率需求曲 线，这归功于这些考虑。无论如何，它都明显小于同时处于全法拉第 旋转的显示器每一子像素的虚数(imaginary)最大值。对于任何给定的帧而言，绝对不是所有子像素"开"，并且由于各种原因，这些"开" 的子像素的强度典型的是最大强度的某一相对小的部分。就当前的需 求而论，对于0-90°的旋转而言，0-50m.amp被视为最小规格。还很 重要的是要指出，根据现有法拉第衰减器器件的性能规格，已经给出 了对于0-90。旋转的作为示例性的当前范围(0-50.amp)，但是这性能规格是作为最小值来提供的，明显已正被用于光通信的参考器件的现有 技术取代和胜过。最重要的是它没有反映本发明中所列举的新颖实施 例，包括来自改进的方法和材料技术的好处。由于所引用的规格的实 现，性能的改善已正在发生，任何已经加速并且将会持续加速的事物 都会进一步縮小这个范围。在该申请中所描述的系统、方法、计算机程序产品和所传播的信 号当然也可以用硬件实现；例如在中央处理器("CPU")、微处理器、 微控制器、系统整合芯片("SOC")或者其他可编程器件中或者与之 连接。此外，系统、方法、计算机程序产品和所传播的信号可以用软 件(例如，计算机可读代码、程序代码、指令和/或者以任何形式布置 的数据，例如源、目标或者机器语言)实现，例如置于用于存储软件 的计算机可用(例如可读)介质中。这种软件实现在此描述的装置和过 程的功能、制造、建模、仿真、描述和/或者测试。例如，其能够通 过普通编程语言(例如C， C++)、 GDSII数据库、包括VerilogHDL、 VHDL、 AHDL(Altera HDL)等等的硬件描述语言(HDL)或者其他可用 程序、数据块、纳米处理和/或者电路(即布图)捕获工具的使用来实现。 这种软件能够置于任何已知计算机可用介质中，包括半导体、磁盘、 光盘(例如CD-ROM， DVD-ROM等等)，并且能够作为在计算机可用 (例如可读)传输介质(例如，载波或者其他介质，包括数字介质、光学 介质、或者基于模拟的介质)中实现的计算机数据信号。同样，所述 软件可以通过包括因特网和企业内部互联网的通信网络进行传输。采 用软件体现的系统、方法、计算机程序产品和所传播的信号可以包含 在半导体知识产权核心中(例如在HDL中体现)并在集成电路生产中 转化为硬件。此外，在此所述的系统、方法、计算机程序产品和所传 播的信号可以作为硬件和软件的组合体现。本发明的优选实现之一，例如用于开关控制，是作为在计算机工 作过程中由驻留在计算系统存储器中的指令或者编程步骤组成的操 作系统中的例行程序。在计算机系统需要之前，所述程序指令可以存 储在另一可读介质中，例如磁盘驱动器中，或者可移动存储器中，例 如在CD-ROM计算机输入中使用的光盘或者在软盘驱动器计算机输 入中使用的软盘。此外，所述程序指令在本发明的系统中使用之前可 以存储在另一计算机的存储器中，并在本发明的用户需要时通过 LAN或者WAN(例如因特网)进行传输。本领域技术人员应该理解控 制本发明的过程能够以多种形式的计算机可读介质的形式发布。任何合适的编程语言都能够用于实现本发明的例行程序，包括 C， C++， Java,汇编语言等等。能够采用不同的编程技术，例如程 序上的或者特定目的对象。例行程序能够在单一处理器件或者多处理 器上执行。尽管步骤、操作或者计算可以采用特定顺序，但是在不同 实施例中，该顺序是可改变的。在一些实施例中，在本说明书中顺序 示出的多个步骤能够同时执行。在此所述的操作顺序能够中断、暂停、 或者进行由另外进程(例如操作系统、核等等)控制的其他动作。例行 程序能够工作在操作系统环境中，或者作为占用系统处理的全部或者 主要部分的单机例行程序。
在此所述中，提供了多个具体细节，例如部件和减者方法的示 例，以便于对本发明的彻底理解。本领域技术人员会知道在没有一个 或多个明确细节时，或者采用其他装置、系统、组件、方法、部件、 材料、部分和/或者类似时，如何实现本发明。在其他例子中，已知 的结构、材料或者操作没有特别地详细示出或描述，以避免混淆本发 明的实施例的方面。用于本发明的实施例的"计算机可读介质"可以是能够通过使用 指令执行系统、装置、系统或器件或者与之连接而包括、存储、通信、 传播或者传送所使用程序的媒介。例如，计算机可读介质可以是但不 局限于电子、磁性、光学、电磁、红外或者半导体系统、装置、系 统、器件、传播介质或者计算机存储器。"处理器"或者"程序"包括处理数据、信号或其他信息的任何 人、硬件和/或者软件系统、机制或者部件。处理器能够包括具有通 用中央处理器、多个处理单元、功能性专用电路的系统或者其他系统。 处理不需要限定在地理位置上，或者具有时间限制。例如，处理器能 够采用"实时"、"离线"，采用"成批模式"等等实现其功能。处理 中的组成部分能够在不同时间和不同地点采用不同(或者相同)处理 系统执行。整个说明书中所提到的"一个实施例"、"实施例"、"优选实施 例"、"特定实施例"表示，结合实施例所描述的特定的特点、结构或 者特征包含在本发明的至少一个实施例中，而不必包含在所有实施例 中。因此，在整个说明书中的各个地方分别出现的语句"在一个实施 例中"、"在实施例中"或者"在特定实施例中"不是必须指相同的实 施例。此外，本发明的任意特定实施例的特定的特点、结构或者特征 可以以适当的方式与一个或多个其他实施例合并。应该理解的是，在 此所描述和图示的本发明的实施例的其他变化和修改也可以是根据 在此的讲述，并且是作为本发明的思想和范围的组成部分。可以通过使用已编程通用数字计算机，通过使用特定用途集成电 路、可编程逻辑器件、场可编程门阵列、光学的、化学的、生物的、 量子的或者纳米技术的系统、部件和机制实现本发明的实施例。通常，
本发明的功能能够通过现有技术中的任何方式实现。能够使用分布式 或者网络系统、部件和电路。数据通信或者传送可以是有线的、无线 的，或者采用任何其他方式。还应该认识到，附图/表中所描述的一个或者多个元件还能够采 用更加分离或者集成的方式实现，或者甚至在特定情况下去掉或设为 不工作，只要其根据特定应用能够使用。实现能够存储在机器可读介 质中的程序或者代码以允许计算机执行上述任何方 去，也在本发明的 思想和范围内。另外，在附图/表中的任何信号箭头都应该仅作为示例，而不应 该进行限定，除非有特殊的标注。此外，在此所用的术语"或者"通 常是为了指"和/或者"，除非另有所指。部件或者步骤的组合也将看 作是进行了标注，并不清楚在何处将术语预先看作提供分离或者合并 的能力。如在此的描述中和以下权利要求中所使用的，"一个"，"该"包 括复数含义，除非上下文明确的规定其他情况。此外，如在此的描述 中和以下权利要求中所使用的，"在...之中"的意思包括"在...之中" 和"在...之上"，除非上下文明确的规定其他情况。之前对本发明的已图示实施例的描述，包括摘要中所描述的内 容，并非穷举或者将本发明限制在在此所公开的精确形式中。在此所 描述的本发明的特定实施例，示例仅仅是为了说明的目的，本领域技 术人员应该理解，在本发明的思想和范围内可以进行各种等同修改。 如所示，对本发明所作出的这些修改是在根据在之前的本发明的已图 示说明的实施例，并且要包括在本发明的思想和范围内。因此，这里已经参考其特定实施例描述了本发明，修改的范围、 各种变化和置换的都在之前的公开中，并且应该理解的是，在一些例 子中，将会采用本发明的实施例的一些特点，而不使用其他相应的特 点，这不会脱离所公开的本发明的思想和范围。因此，在本发明的实 质的思想和范围内，可以进行各种修改以适应特定情况或者材料。本 发明目的不是要限定在以下权利要求中所使用的特定术语和/或者限 定于作为用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发
明将包括在所附权利要求的范围内的任何和所有实施例和等同物。因 此，本发明的范围仅由所附权利要求决定。
权利要求
1、 一种电子护目镜(goggle)装置，包括 一个或多个半导体衬底，每个所述衬底支撑多个集成波导结构，每个波导结构包括传导通道和一个或多个边 界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；以及影响器系统，响应于控制并耦合到所述波导结构，用于在所述输出处独立地控制每个所述辐射信号的振幅；显示系统，用于将所述多个波导结构的所述输出排列成显示矩 阵；以及戴在头上的眼镜(eyewear)结构，用于将所述显示矩阵定位在用户 的视场内。
2、 如权利要求l所述的装置，其中，每个所述衬底包括多个叠 层的(laminated)衬底带，每个所述带包括一行所述波导结构。
3、 如权利要求2所述的装置，其中，所述波导结构从每个所述 带的第一边缘侧向地延伸到所述带的第二边缘，并且所述输出排列在 所述第二边缘上。
4、 如权利要求3所述的装置，其中，所述波导结构包括光子晶 体元件。
5、 如权利要求l所述的装置，其中，每个所述衬底包括与衬底 表面垂直地延伸的所述波导结构。
6、 如权利要求5所述的装置，其中，所述衬底包括半导体晶片， 其中，所述衬底表面是所述半导体晶片的顶端。
7、 如权利要求5所述的装置，其中，每个所述波导结构包括光 子晶体元件。
8、 如权利要求1所述的装置，其中，每个所述衬底包括与衬底 表面平行地延伸的所述波导结构。
9、 如权利要求8所述的装置，其中，每个所述衬底包括半导体 晶片，其中所述衬底表面是所述半导体晶片的顶端。
10、 如权利要求8所述的装置，其中，每个所述波导结构包括光 子晶体元件。
11、 如权利要求8所述的装置，其中，所述显示矩阵平行于所述 衬底表面，并且其中，所述显示系统包括耦合到所述波导结构的偏转 系统，以使所述辐射信号射向所述衬底表面上。
12、 如权利要求1所述的装置，其中，照明源远离所述眼镜结构。
13、 一种护目镜系统，包括戴在头上的眼镜结构，用于将显示矩阵安置在用户的视场内；多个波导结构，每个波导结构包括传导通道和一个或多个边界区 域，用于将辐射信号从输入传播到输出；影响器系统，响应于控制并耦合到所述波导结构，用于在所述输 出处独立地控制每个所述辐射信号的振幅；显示系统，用于将所述多个波导结构的所述输出排列成所述显示 矩阵。
14、 如权利要求13所述的护目镜系统，其中，所述显示系统包 括第一通信系统，所述第一通信系统具有将所述输出耦合到所述眼镜 结构的一个或多个波导。
15、 一种制造方法，所述方法包括a) 将多个波导结构布置到一个或者多个衬底中，每个波导结构包 括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输 出；b) 响应于控制，使影响器系统接近于所述波导结构，以便在所述 输出处独立地控制所述辐射信号的振幅；c) 将所述多个波导结构的所述输出排列成显示矩阵；以及d) 将所述显示矩阵安置在用户的视场内。
16、 一种载有计算机可执行指令的传播信号，当计算机系统执行 所述指令时，所述指令实现一种方法，所述方法包括a) 将多个波导结构布置到一个或者多个衬底中，每个波导结构包 括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输 出；b) 响应于控制，使影响器系统接近于所述波导结构，以便在所述 输出处独立地控制所述辐射信号的振幅；c) 将所述多个波导结构的所述输出排列成显示矩阵；以及d) 将所述显示矩阵安置在用户的视场内。
17、 一种操作方法，所述方法包括a) 通过在一个或多个衬底中支撑并排列成显示矩阵的多个波导结构中的每一个来传播辐射信号，每个波导结构包括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；b) 独立地控制在所述相应的波导结构的所述输出处的每个所述辐射信号的振幅；c) 为所述多个波导结构调整所述辐射信号振幅控制，以便从一连 串的所述振幅受控辐射信号中共同地确定显示系统；以及d) 将所述显示系统安置在用户的视场内。
18、 一种装置，包括 用于通过在一个或多个衬底中支撑并排列成显示矩阵的多个波 导结构中的每一个来传播辐射信号的单元，每个波导结构包括传导通 道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；用于独立地控制在所述相应的波导结构的输出处的每个所述辐 射信号的振幅的单元；用于为所述多个波导结构调整所述辐射信号振幅控制，以便从一 连串的所述振幅受控辐射信号中共同地确定显示系统的单元；以及用于将所述显示系统安置在用户的视场内的单元。
全文摘要
公开了一种用于衬底支撑护目镜系统和组合(componentized)护目镜系统的装置和方法。该电子护目镜装置包括一个或多个半导体衬底，每个衬底支撑多个集成波导结构，每个波导结构包括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；以及影响器系统，响应于控制并耦合到波导结构，以在输出处独立地控制每个辐射信号的振幅；显示系统，用于将多个波导结构的输出排列成显示矩阵；以及戴在头上的眼镜结构，用于将显示矩阵安置在用户的视野区域内。一种操作方法，包括a)通过在一个或多个衬底中支撑并排列成显示矩阵的多个波导结构中的每一个来传播辐射信号，每个波导结构包括传导通道和一个或多个边界区域，用于将辐射信号从输入传播到输出；b)独立地控制在相应的波导结构的输出处的每个辐射信号的振幅；c)为多个波导结构调整辐射信号振幅控制，以便从振幅受控辐射信号中整体地确定显示系统；以及d)将显示系统安置在用户的视野区域内。
文档编号G02B6/00GK101124498SQ200580010983
公开日2008年2月13日 申请日期2005年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者萨瑟兰·埃尔伍德 申请人:帕诺拉马实验室有限公司