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CN1264475A - 集成光束偏转器及其系统 - Google Patents

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CN1264475A
CN1264475A CN98806485A CN98806485A CN1264475A CN 1264475 A CN1264475 A CN 1264475A CN 98806485 A CN98806485 A CN 98806485A CN 98806485 A CN98806485 A CN 98806485A CN 1264475 A CN1264475 A CN 1264475A
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waveguides
waveguide
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埃亚·舍克尔
丹尼尔·马耶尔
什洛莫·鲁施因
盖伊·马特姆恩
雅各布·维克特
耶迪蒂尔·阿里埃勒
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EOST Ltd
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Abstract

一种光学开关(20),其包括:单片的多个方向可选的光束偏转装置(52,54,56,58),和多个光束接收装置(55,424)。

Description

集成光束偏转器及其系统
             发明领域
本发明涉及一种集成光束偏转器及其系统，如采用这种偏转器的扫描仪和光学开关。
             发明背景
现有技术中已知有各种类型的集成光束偏转器。在此插入专利号为5,239,598号的美国专利文件中公开的内容及在该专利文件中引用的部分以及下述文章中公开的现有技术部分以作参考，下述文章包括：
《应用物理通讯》1983年第43期第521-523页中公开的Katz等人的具有单独触点的锁相半导体激光器阵列；
1993年6月20日《应用光学》第32期的第18卷中公开的Vaseyd等人的用集成调相阵列AlGaAs进行立体光束转向。
            本发明的概述
本发明力图提供一改进的光束偏转器和采用该光束偏转器的系统。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导，每个波导接收和发射光，由该大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束；和
至少一个序贯复用器，其将电输入提供给该的至少一个衬底上以分别控制大量波导的每一个发射的光，从而掌握该方向可选的输出光束的旋转。
最好，该至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的相位的相位控制器。
此外或另外的，该至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的强度的强度控制器。
按照本发明的一个优选实施例，该至少一个衬底包括多个衬底，每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收光和发射光，并且其中该至少一个序贯复用器将电输入提供给该多个衬底。
按照本发明的一个优选实施例还提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：
多个衬底，在每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收和发射光，由该大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束。
按照本发明的一个优选实施例进一步提供的一种方向可选的光束生成装置，包括：
一光源；
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导，每个波导接收来自光源的光并发射光，由该大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束；和
最好，该光源包括一形成在该至少一个衬底上的激光器；
至少一个序贯复用器，其将电输入提供给该的至少一个衬底上以分别控制大量波导的每一个发射的光，从而掌握该方向可选的输出光束的方向。
最好，该至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的相位的相位控制器。
此外或另外的，该至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的强度的强度控制器。
最好，该至少一个衬底包括多个衬底，每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收光和发射光，并且其中该至少一个序贯复用器将电输入提供给该多个衬底。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种方向可选的光束生成装置，包括：
至少一个光源；和
多个衬底，在每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收来自该至少一个光源的光并发射光，由该大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一微透镜阵列，用于接收光并将该接收的光耦合到该大量波导。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种方向可选的光束生成装置，包括：
一光源；
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一微透镜阵列，用于接收来自该光源的光并将该接收的光耦合到该大量波导。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种方向可选的光束生成装置，包括：一光源；至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一微透镜阵列，用于接收来自该光源的光并将该接收的光耦合到该大量波导。
最好，该方向可选光束生成装置能够实现波分复用。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种光学装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有多个偏振独立的、电控的波导；和一光接收机，该光接收机将光引入该大量波导。
按照本发明的一优选实施例还提供的该大量偏振独立的、电控的波导的每一个都包括第一和第二相移波导部分。
按照本发明的一优选实施例，不同方向的电场施加到该第一和第二相移波导部分上。
最好，大量偏振独立的电控波导的每一个都包括相应第一和第二长度的第一和第二相移波导部分，相应的不同方向的第一和第二电场施加到该第一和第二相应波导部分上。
另外，按照本发明的一优选实施例，该大量偏振独立电控波导的至少一个包括被四分之一波片分开的第一和第二相移波导部分，其中来自该第一波导部分的光在进入该第二波导部分之前穿过该四分之一波片。
按照本发明的一优选实施例提供的光学装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和一光接收机，该光接收机用于将光引入该大量波导，该光接收机包括一可选的偏振旋转器。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种光学装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和一偏振旋转器，用于将穿过该大量电控波导的光的偏振方向旋转90度或90度的奇数倍。
按照本发明的一优选实施例，其中该偏振旋转器的操作是通过产生一沿着与该大量波导的纵轴方向平行延伸的磁场来实现的。
按照本发明的一优选实施例，其中该可选偏振旋转器是自动地执行使偏振旋转，从而提供从大量波导输出的最佳光输出。
按照本发明的一优选实施例，其中该可选偏振旋转器响应于该大量波导的输出。
按照本发明的一优选实施例，其中该可选偏振旋转器响应于一输入到该大量波导的偏振。
按照本发明的一优选实施例，其具有方向可选的光束偏转功能。另外，该方向可选的光束偏转功能包括方向可调的光束接收功能。
按照本发明的一优选实施例，该方向可选功能是通过相移实现的。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和一光接收机，该光接收机将光引入该大量波导，并且该光接收机包括偏振保持光纤。
按照本发明的一优选实施例，一方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量相移波导；和一光接收机，该光接收机将光引入该大量波导，并且其中：该至少一个衬底包括具有多个导体的多层相互绝缘的导电层，至少这些导电层中的一些通过通孔与该波导相连。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束生成装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和与该至少一个衬底形成为一个整体的激光器，该激光器用于向该大量波导提供光。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和与该至少一个衬底形成为一个整体的激光器，该激光器用于向该大量波导提供光，该大量波导和该激光器形成在同一层的不同区域上。
按照本发明的一优选实施例提供的一种半导体激光器，包括：一掺杂砷化镓的N型衬底；一在该衬底上形成的掺杂砷铝化镓的N型层；一在该掺杂砷铝化镓的N型层上形成的掺杂砷化镓的N型层；一在该掺杂砷化镓的N型层之上形成的掺杂砷化镓的P型层；一在该掺杂砷化镓的P型层之上形成的掺杂砷铝化镓的P型层；一在该掺杂砷铝化镓的P型层之上形成的掺杂砷化镓的P型层。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一光接收机，该光接收机用于在该大量波导的第一端处将光耦合到该大量波导，并且其中：该大量波导在其该第一端处向外呈圆锥状。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一将光引入到该大量波导的光接收机，该光接收机包括一柱形透镜。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一将光引入到该大量波导的光接收机，该光接收机包括一多模干涉耦合器。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一将光引入到该大量波导的光接收机，该光接收机包括一平面型波导。
按照本发明的一优选实施例，该大量波导具有与该平面型波导邻接的第一端，该第一端是向外呈圆锥状。
按照本发明的一优选实施例，该多模干涉耦合器包括一光接收波导。最好，该光接收波导包括一向外呈圆锥状的光接收端。
按照本发明的一优选实施例，该光接收波导包括一电吸收调制器。
而且，按照本发明的一优选实施例，该电吸收调制器接收来自一光检测器的调制输入，该光检测器与该电吸收调制器一起形成在该至少一个衬底上。
此外或另外的，该大量波导是可控的，从而有选择地提供多个方向可选的输出光束。
按照本发明的一优选实施例提供的一种方向可选的光束偏转装置，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和一将光引入到该大量波导的光接收机，并且其中该大量波导是可控的，从而有选择地提供多个方向可选的输出光束。
此外或另外，该光学装置还包括：一波导滤波器，该波导滤波器包括：一具有相对宽的输入端的颈状波导，该输入端用于接收光并允许通过该输入端的多模光波的传播；一较窄的颈部，在颈部处较高模的光辐射到波导外，仅有能够通过该颈部传播的模式下的光可以通过该颈部；和相对宽的输出端。
按照本发明的一优选实施例提供的一波导滤波器，包括：一具有相对宽的输入端的颈状波导，该输入端用于接收光并允许通过该输入端的多模光波的传播；一较窄的颈部，在颈部处较高模的光辐射到波导外，仅有能够通过该颈部传播的模式下的光可以通过该颈部；和相对宽的输出端。
最好，该光学装置在砷化镓上实现。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：一单片的多个方向可选的光束偏转装置；多个光束接收装置。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个单片的方向可选的光束偏转装置的多元部件；多个光束接收装置。
按照本发明的一优选实施例，该多个单片的光束偏转装置的多元部件一般沿着与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的轴彼此平行的设置。
按照本发明的一优选实施例，该多个单片的光束偏转装置的多元部件一般沿着一弧形分布设置，该弧形在与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的平面内延伸。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个方向可选的光束偏转装置，每个装置包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和多个光束接收装置。
按照本发明的一优选实施例，其中该多个光束接收装置的每一个包括一光纤。最好，该光纤具有小于0.3的数值孔径。
此外，按照本发明的一优选实施例，该方向可选的光束偏转装置的每个包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个光束发射装置；和单片的多个方向可选的光束接收装置。最好，该光束接收装置是方向可选的。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个光束发射装置；和多个单片的方向可选的光束接收装置的多元部件。
按照本发明的一优选实施例，该多个单片的光束接收装置的多元部件一般沿着与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的轴彼此平行的设置。此外，该多个单片的光束接收装置的多元部件一般沿着一弧形分布设置，该弧形在与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的平面内延伸。
按照本发明的一优选实施例，该方向可选的光束接收装置的每个包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个光束发射装置；和多个方向可选的光束接收装置，每个装置包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
此外，按照本发明的一优选实施例，该光束发射装置和该光束接收装置都是方向可选择的。
而且，按照本发明的一优选实施例，包括一到该多个光束装置的光输入耦合器和接收来自该多个光束装置的光的柱形透镜光输出耦合器。最好，该柱形透镜光输出耦合器包括多个柱形透镜，每个透镜与一光束装置相关。另外，该柱形透镜光输出耦合器包括单独的一个柱形透镜，该柱形透镜与多个光束装置相关。
此外，按照本发明的一优选实施例，包括一到该多个光束装置的光输入耦合器，其中该光输入耦合器包括至少一个柱形透镜。最好，该光束装置的该光输入耦合器包括至少一个柱形透镜。
而且，按照本发明的一优选实施例，该至少一个柱形透镜包括多个柱形透镜，每个透镜与光束装置相关。
按照本发明的一优选实施例，该至少一个透镜包括单独的一个柱形透镜，该柱形透镜与多个光束装置相关。
按照本发明的一优选实施例，该光输入耦合器还包括对于该至少一个柱形透镜固定的大量微透镜，该大量微透镜的每个将光引入到一单独的光束发送装置。
最好，该大量微透镜包括聚焦微透镜。另外，该大量微透镜包括准直微透镜。
按照本发明的一优选实施例提供的一种有源光束传送装置，包括至少一个衬底，在该衬底上形成有：多层集成电路；和大量电控波导。
另外，按照本发明的一优选实施例，该波导发射方向可选的光束。此外或另外的，该波导有选择地接收光束。
此外，按照本发明的一优选实施例，该大量波导可同时运作以使多个光束偏转。
最好，覆盖在该波导上有大量电子触点，每个触点提供到大量电控波导中至少一个的电子连接。
按照本发明的一优选实施例提供的一种有源光束传送装置，包括至少一个衬底，在该衬底上形成有：大量波导组装单元，每个波导组装单元包括大量电控波导；和覆盖在该波导组装单元的每个上面的大量电子触点，每个触点提供到该组装单元内的大量电控波导中至少一个的电子连接。
按照本发明的一优选实施例提供的一种单片的光学光调制器，包括一衬底，一同形成在该衬底上的有：电吸收调制器，和向该电吸收调制器提供调制输出的光检测器。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学波导透镜，包括：至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控的相移波导；和一电子控制信号源，该电子控制信号源用于向该大量波导提供电子信号以使其具有一期望的透镜功能。
此外，上述的光学装置还包括：一电子控制信号源，该电子控制信号源用于向该大量波导提供电子信号以使其具有一期望的透镜功能。并且，该光学开关还包括一在该光束接收装置和该光束偏转装置之间的反馈连接。
此外，按照本发明的一优选实施例，构成该光束接收装置以接收一足够大的区域内的光，从而与偏转器有关的波长基本不影响接收装置所检测的光量。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个方向可选的光束偏转装置；多个光束接收装置，其中该多个方向可选的光束偏转装置和该多个光束接收装置是整体性地形成在同一衬底上。
另外，按照本发明的一优选实施例，该多个方向可选的光束偏转装置和该多个光束接收装置是整体性地形成在同一衬底上。
按照本发明的一优选实施例提供的形成一具有电子触点的单片结构的方法，包括步骤：在一晶片上构建各区域，以在该晶片上定义上下表面；以与该上下表面通常垂直的方向利用蒸发法在该上下表面上涂上金属，该方向是参照互连表面选择的，该互连表面将该上下表面互相连接，使得金属基本上不会涂在该互连表面上，从而经由该互连表面的该上下表面之间的电子连接不是通过该金属涂敷而形成的。
此外，按照本发明的一优选实施例，其中该单片结构包括一波导装置。
按照本发明的一优选实施例提供的一种使波导装置对准的方法，包括：提供具有光发射能力的波导，和在该波导对准期间使该波导工作以发出光。
按照本发明的一优选实施例还提供的一种光学开关，包括：多个端口；一光交叉组装单元；和多个信息承载光纤，其将具有输入的该多个端口与该光交叉组装单元互连，该信息承载光纤包括偏振保持光纤。
按照本发明的一优选实施例提供的一种光学开关，包括：多个端口；一光交叉组装单元；和多个信息承载光纤，其将具有输入的该多个端口与该光交叉组装单元互连，该多个端口的每个具有一时钟同步的输入和输出。
另外，按照本发明的一优选实施例，该多个端口之间是时钟同步的。
         附图简要说明
通过下文中结合附图的详细说明，本发明将会更容易理解。
图1是按照本发明的一优选实施例构成和运作的激光写入设备的简化示意图；
图2是在图1的激光写入设备中适用的扫描机的简化示意图；
图3A和3B是形成图2的扫描机的一部分的集成光学扫描单元的两个例子；
图4是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光学开关设备的简化示意图；
图5是在图4的光学开关设备中适用的光交叉连接组装单元的简化示意图；
图6A和6B是形成图5的交叉连接组装单元的一部分的集成光学开关单元的两个实例；
图7是用作图3A和3B所式类型的集成光学扫描单元的一部分或图6A或图6B中所示类型的集成光学开关单元的一部分的集成光束偏转单元的简化绘制的示意图；
图8A和8B是用作图7的集成光束偏转单元的一部分的波导单元的示意图；
图9A、9B、9C和9D是对于不同的施加电压，按照本发明的一优选实施例构成和运作的一光束偏转器生成的远场衍射图形的图解；
图10是向形成本发明的一优选实施例的光束偏转单元的一部分的大量波导提供顺序电压输入的复用器的简化示意图；
图11是按照本发明的一优选实施例生成的波长与衍射角度位置之间的关系的曲线图；
图12是按照本发明的一优选实施例构成和运作的波分复用设备的简化示意图；
图13是按照本发明的一优选实施例制作波导装置的简化流程图；
图14A、14B、14C、14D和14E示出了在按照图13设定的步骤中波导装置制作的不同阶段；
图15是按照本发明的一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导(polarization-independent wave)的简化示意图；
图16A、16B和16C示出图15的波导的运作参数；
图17是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图；
图18是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图；
图19是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图；
图20是对于一给定波长的按照本发明的一优选实施例的最佳波导结构的简化示意图；
图21是按照本发明的一优选实施例构成和运作的具有多个导体的波导装置的一部分的简化示意图；
图22是按照本发明的一优选实施例构成和运作的单片激光器和波导结构的简化示意图；
图23是具有锥形输入的波导装置的一部分的简化示意图；
图24是一具有多模干涉耦合器的波导装置的简化示意图，其中该多模干涉耦合器包括一锥形输入波导；
图25是在具有多模干涉耦合器的波导装置中的波传导的简化示意图；
图26是在一具有自由空间输入耦合器的波导装置中波传导的简化示意图；
图27是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图；
图28是具有电和光功能的单片装置的简化示意图；
图29是按照本发明一优选实施例的包括一整块的大量方向可选的光束偏转装置的光学开关的一部分的简化示意图；
图30是按照本发明另一优选实施例的包括一整块的大量方向可选的光束偏转装置的光学开关的一部分的简化示意图；
图31是按照本发明另一优选实施例的包括一整块的大量方向可选的光束偏转装置的光学开关的一部分的简化示意图；
图32是一具有一光耦合器的波导装置的简化示意图，其中该光耦合器包括一与输入波导有关的调制器；
图33是按照本发明的一优选实施例的包括一波导结构的光束偏转器的简化示意图；
图34是按照本发明的一优选实施例的具有透镜功能的波导装置的运作参数；
图35是按照本发明的一优选实施例构成和操作的光交叉连接组装单元的一部分的简化示意图；
图36是按照本发明的另一优选实施例构成和操作的光交叉连接组装单元的一部分的简化示意图；
图37是按照本发明的另一优选实施例构成和操作的光交叉连接组装单元的一部分的简化示意图；
图38是在图35-37中任意一图中所示类型的具有反馈功能的光交叉连接组装单元的简化示意图；
图39是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图；
图40是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图；
图41是按照本发明的一优选实施例构成和运作的波导滤波器的简化示意图；
图42是按照本发明的一优选实施例构成和运作的单片的光交叉连接组装单元的简化示意图。
        优选实施例的详细描述
参见附图1，附图1是按照本发明的一优选实施例构成和运作的激光写入设备的简化示意图。一般地，激光器写入设备包括一如图2所示的激光扫描单元20，该激光扫描单元20将一潜像21写到光感受体22上，该光感受体22一般位于磁鼓23的柱面上。
印有潜像21的该光感受体22，经由显影辊26从调色剂贮斗(tonerhopper)24接收调色剂，并在转印电晕充电装置(corotron)30的协助下将调色剂转印到衬底28上。调色剂由熔丝(fuser)32熔化在衬底上。放电灯34用作使光感受体22放电。顺向移动放电灯34，一电荷电晕充电装置36使光感受体均匀地充电，逆向移动使光感受体与来自激光扫描单元20的激光束37在其表面相互作用，其中有选择地使光感受体上的区域放电，这样形成潜像21。
本发明的一个特殊特征是：激光扫描单元20，如图2所示，包括：一包括一基座50的方向可选的光束偏转器，其中在基座50上安装了多个衬底52，在每个衬底52上形成有大量波导54，最好波导数为256个，每个波导54最好能够接收和发射具有相位、强度、或相位与强度的组合可以选择的光。在每个衬底52上的大量波导54发射的光的总和输入到输出透镜55，该输出透镜55生成方向可选的输出光束56，该输出光束56覆盖了该光感受体的一给定的扇形区域。不同衬底结合以覆盖该光感受体的整个有用区域。
本发明的一特殊特征是：衬底52不必与基座50对准到非常高的精度，因为这样生成的光束56的方向是电方式确定的并且是可调整的，特别考虑到了未校准的情况。
至少一个序贯复用器58将电输入信号提供给每个衬底52，以分别控制大量波导54中的每个波导发射的光以便掌握所述方向可选的输出光束56的方向。最好，该序贯复用器58是一相位控制器，其控制大量波导中的每个波导发射的光的相位。另外，该复用器58也可以是强度控制器或相位/强度组合的控制器。该复用器58可以是与衬底52分开的，也可以是与衬底52集成在一起。
作为输入光源60，如二极管激光器或光纤，提供一光束62，该光束62作用于输入透镜组装单元64上，其一优选实施例如图7所示。该输入透镜组装单元64提供大量的聚焦的光束65，每个聚焦的光束65作用于衬底52上的其中一个波导54上。
如图7所示，输入透镜组装单元64一般包括柱面透镜66和与其粘合在一起的一个阵列的柱面微透镜67的组合。该输出透镜55一般包括相互垂直对准的柱面透镜68和69。
参见图3A和3B，图中示出形成图2的扫描机的一部分的两种集成光学扫描单元的实施例。在图3A实施例中，输入激光器70，如二极管激光器，接收来自内容控制电子仪器(未示出)的控制信号，并提供作用于如图7所示的一优选实施例的输入透镜组装单元74的激光束72。
该输入透镜组装单元74提供大量聚焦的光束76，每个聚焦的光束76作用于衬底52上的其中一个波导54上。每个波导54经由相应的导体78接收电输入信号，该导体78从波导延伸到相应的连接盘(connector pad)80，该连接盘80也形成在衬底52上。一形成在单独衬底82上的序贯复用器58(图2)经由地址总线84接收地址信息，并经由来自控制电子仪器(未示出)的输入线86接收相位、强度或相位/强度输入信号，然后经由导体88、相应的连接盘80和导体78向每个波导54提供相位、强度或相位/强度控制信号。
每个波导54的相位、强度或相位/强度控制的输出90在输出透镜92中合成，并经由复用器58产生一其方向受所提供的相位、强度或相位/强度输入控制的聚焦的输出光束94。
图3B的实施例与图3A的相同，其区别在于：复用器58(图2)不是象图3A那样的嵌在与形成有波导54的衬底分开的衬底上。在图3B的实施例中，波导54和序贯复用器58都嵌在一个衬底100上，这样连接盘80可以省略。图3B的其他部件与图3A的相同，并用相同的标号表示。
按照本发明的另一实施例，输入和输出透镜74和92可以删除。取而代之，可以采用本领域已知的其他类型的光耦合器。
参见图4，图4是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光学开关设备的简化示意图。该光学开关设备最好包括：一光学内连单元110，该光学内连单元110与大量端口112连接，多数端口112或每个端口112都具有一数据输出线114、地址输出线116和数据输入线118以及最好是双工的信息导管120，该信息导管能够适合于任意合适的形式，例如能够接收任意适当格式的数据的铜线或光纤。一些端口112没有数据输入线或没有数据输出线和地址输出线。
当光纤用作数据输出线114时，最好采用与偏振激光器或其他偏振光源相结合的偏振保持光纤。这样消除光束偏转的偏振敏感度。
最好在每个端口112的输入和输出部分之间以及不同端口112之间保持时钟同步。
该光学内连单元110，如图5中所示的本发明的一个优选实施例，包括：一光束偏转器组装单元阵列122和光束接收组装单元阵列124。每个阵列122中的光束偏转器组装单元接收来自端口112的数据和地址输入信号，每个阵列124中的光束接收组装单元将数据输入提供给端口112。
本发明的一个特殊特征是：光学内连单元110，如图5所示，包括一方向可选的光束偏转器，该光束偏转器包括一基座150，其中在基座150上安装了多个衬底152，在每个衬底152上形成有大量波导154，最好波导数为256个，每个波导154最好能够接收和发射具有相位可以选择的光。在每个衬底152上的大量波导154发射的光的总和生成一方向可选的输出光束156。
另外，最好在基座150上安装光束接收组装单元阵列124。每个光束接收组装单元158最好包括一光束接收透镜160，该光束接收透镜160将所接收的光束耦合到输出光纤162上，该输出光纤162最好是一能够弯曲的光纤。另外，输出光纤162可以被合适的光检测器取代。
本发明的一特殊特征是：衬底152不必在基座150上与光束接收组装单元158对准到非常高的精度，因为这样生成的光束156的方向是电方式确定的并且是可调整的，特别考虑到了未校准的情况。
至少一个序贯复用器168将电输入信号提供给每个衬底152，以分别控制大量波导154中的每个波导发射的光以便掌握所述方向可选的输出光束156的方向。
最好，该序贯复用器168是一相位控制器，其控制大量波导中的每个波导发射的光的相位。另外，该复用器168也可以是强度控制器或相位/强度控制器。
参见图6A和6B，图中示出形成图5的交叉连接组装单元的一部分的两种集成光学开关单元的实施例。在图6A中，输入光纤170提供一光束172，该光束172作用于如图7所示的一优选实施例的输入透镜组装单元174。
该输入透镜组装单元174提供大量聚焦的光束176，每个聚焦的光束176作用于衬底152上的其中一个波导154上。每个波导154经由相应的导体178接收电输入信号，该导体178从波导延伸到相应的连接盘180，该连接盘180也形成在衬底152上。一形成在单独衬底182上的序贯复用器168(图5)经由地址总线184接收地址信息，并经由来自控制电子仪器(未示出)的输入线186接收相位、强度或相位/强度输入信号，然后经由导体188、相应的连接盘180和导体178向每个波导154提供相位、强度或相位/强度控制信号。
每个波导154的相位、强度或相位/强度控制的输出190在输出透镜192中合成，并经由复用器168产生一其方向受所提供的相位、强度或相位/强度输入控制的聚焦的输出光束194。
图6B的实施例与图6A的相同，其区别在于：序贯复用器168(图5)不是象图6A那样的嵌在与形成有波导154的衬底分开的衬底上。在图6B的实施例中，波导154和序贯复用器168都嵌在一个衬底200上，这样连接盘180可以省略。图6B的其他部件与图6A的相同，并用相同的标号表示。
参见图8A和8B。图8A是用作图7中集成光束偏转单元的一部分的波导单元的立体图，而图8B是形成图8A的波导单元的一部分的一对波导的详细截面图。从图8A和8B可以看到，衬底52(图2&7)最好由掺杂GaAs的N型半导体层250构成，在其底层形成有N型欧姆触点252，通常该欧姆触点252包括有蒸发的Ni/GeAu/Ni/Au。在层250之上是包层254，该包层254最好由掺杂AlGaAs的N型半导体构成。
波导54是基于层254上，其包括芯层256，芯层256包括由N型半导体层258和P型半导体层260定义的掺有GaAs的PN结。包层262最好由掺杂AlGaAs的P型半导体构成，最好形成在层260之上。顶盖层264最好由掺杂GaAs的P+半导体形成，最好形成在层262之上。
沿波导的长度提供有P型半导体欧姆触点266，该欧姆触点266一般由Ti/Au形成。相邻的波导54之间通过刻蚀分离开。所产生的间隙由标号268表示。
聚酰亚胺绝缘层270最好形成在层266之上填充间隙268并定义间歇的分立孔径272。金属层274的间歇带形成在聚酰亚胺绝缘层270之上，并通过聚酰亚胺层270中的分立孔径272与欧姆触点266接触。该间歇带提供了分开的相互绝缘的单独与每个波导54进行通信的电子通道。这些电子通道在图3A和3B中由标号78表示，在图6A和6B中由标号178表示。
可以理解由刻蚀定义的间隙268的深度可以是不同的，从而层250、254、258和260可以被刻蚀或可以不被刻蚀以定义间隙和波导。应当理解，波导54也可以通过任意其他适合的技术，如离子植入法来实现。
这种类型的波导结构在以下公开文件和这些公开文件中所引用的参考文件中均有描述，所公开的内容在此引用以作参考：
在IEEE期刊的1988年6月的第6卷第6册《波导技术》的第793-808页公开的J.G.Mendoza-Alvarez等人的“耗尽边界转换光波调制器的分析”一文中公开的内容。
参照图9A、9B、9C和9D，图9A、9B、9C和9D是对于不同的施加电压，按照本发明的一优选实施例构成和运作的一光束偏转器生成的远场衍射和干涉图形的模拟的曲线。该模拟是针对包括256个波导且相邻波导间间距为9微米的光束偏转器。每个波导的宽度是3微米，穿过该偏转器的光的波长是1.3微米。
图9A、9B、9C和9D示出了分别对于相邻波导间的相移是0、π/2、π和3π/2时的远场衍射和干涉图形。
从图9A-9D可以看到，每个波导的相对相位决定了干涉图形的给定波瓣(1obe)的角度位置，而衍射图形定义了一强度包络，该包络不随相位而变化但是会对不同强度导致不同的角度位置。
本发明的一个特殊特点是每个波瓣的角度宽度与相邻波瓣间角度分离之间的比率几乎相等，这是由于本发明使得大量波导(一般256个)形成在一个衬底上并分别进行运作。
这种高比率使得在例如扫描和开关、提供大量可分别寻址的扫描和开关位置这样不同的应用场合，能够相应实现高水平的分辨率。
采用大量波导可以使得峰值信号与背景信号的比很高，这对于本领域技术人员应该是可以理解的。
参照图10，图10示出了向形成本发明的一优选实施例的光束偏转单元的一部分的大量波导提供顺序电压输入的光学复用器。
如图10所示，每个波导54经由电子通道，如通道78(图3A和3B)或178(图6A和6B)间歇地接收电输入信号。最好从FET晶体管300的漏极301施加电输入信号，该FET晶体管300的栅极302耦合到与门(AND)304的输出。每个FET晶体管300的源极接收来自模拟电压线306的相位、强度或相位/强度输入，该相位、强度或相位/强度输入在图3A和3B中由标号86标识，在图6A和6B中由标号186标识。
每个与门304接收来自地址总线310经由非门308的多个数字地址输入，该多个数字地址输入在图3A和3B中由标号84标识，在图6A和6B中由标号184标识。每个与门304的构成不同，从而每个可以得到的地址输入的组合使得只有不同的一个与门将电信号输出到相应FET晶体管300的相应栅极。
本发明的一个特殊特点是：复用器利用数字地址编码，顺序地向各个波导提供各自相位、强度或相位/强度输入，这样使得大量波导可分别被寻址。
参照图11，图11示出波长与衍射级的角度位置的关系。采用按照本发明的波长依赖关系的好处在于：可以提供波分复用(WDM)。在这种方式中，复用信息信道可以通过沿单独的波长发射每个信道而在一个物理光纤上发送。
参见图12，图12是按照本发明的一优选实施例构成和运作的波分复用设备的简化示意图。
波分复用设备410最好包括光束衍射器组装单元阵列422和光束接收组装单元阵列424。阵列422中的每个光束衍射器组装单元接收来自端口的数据和地址输入，并生成具有多个波长分量的光束，阵列424中的每个光束接收组装单元向端口提供数据输入。
本发明的一个特殊特点是：如图12所示的波分复用单元410包括：一光束衍射器，该光束衍射器最好作为一方向可选的光束偏转器而运作，并且该光束衍射器包括一基座450，在基座450上安装了多个衬底452，在每个衬底452上形成有大量波导454，最好波导数为256个，每个波导454最好能够接收和发射根据其波长的多个光束。在每个衬底452上的大量波导454发射的光的总和最好生成多个方向可选的输出光束，这里该输出光束由光束456和457表示。
另外，最好安装在基座450上的是该光束接收组装单元阵列424。每个光束接收组装单元458最好包括一光束接收透镜460，该光束接收透镜460将接收的光束耦合到输出光纤462，该输出光纤462最好是能够弯曲的光纤。另外，该输出光纤462可以被合适的光检测器取代。每个光束接收组装单元最好接收一不同波长的光束。
本发明的一个特殊特点是：衬底452和光束接收组装单元458不必与基座450对准到非常高的精度，因为这样生成的光束456的方向是电方式确定的并且是可调整的，特别考虑到了未校准的情况。
参照图13，图13是按照本发明的一优选实施例制作图8B所示类型的波导装置的简化流程图。如图13所示的图8B中的包括层250、254、258、260、262和264的一多层砷化镓晶片上涂有金属以提供一个如层252这样的层(图8B)。在图14A中示出的该初始级，晶片由标号500表示，该金属层由标号502表示。
波段开关(waver)的波导区域，如层258、260、262和264(图8B)最好由标准光刻工艺和反应离子刻蚀法构成。这个阶段如图14B所示，其中波导区域由参考标号504表示。
本发明的一个特殊特征是：晶片的前侧面，即：波导区域504的顶层表面506和这些顶层表面506之间的凹槽510的顶层表面508，被有选择性地利用蒸发法以与其一般垂直的方向涂上金属，该方向是参考将上表面506和下表面508分别进行互连的互连表面512来选择的，这样金属基本上不涂在互连表面512上，因此经由互连表面512的上表面506和下表面508之间的电连接不是通过金属涂敷形成的。在图8B中由标号266表示的金属层在图14中由标号514表示。
在利用蒸发法形成如前所述的层514之后，最好提供一个或多个彼此间分开设置并通过绝缘层与金属层514分开的导电层。在图8B中由标号274表示的导电层在图14D中由标号516表示，在8B中由标号270表示的绝缘层在图14D中由标号518表示。最好为互连导电层如层516提供通孔520(via)，以使得层514穿过绝缘层518。然后，如图14E所示，通过解理和切割定义该单片装置的轮廓。
参照图15，图15是按照本发明的一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导(polarization-independent wave)的简化示意图。图15的波导的特征在于，该波导是由至少两个由间隙534分开的细长部分530和532形成。间隙534最好小于波导传导的光的波长。第一极性的直流(DC)电压V1提供给细长部分530，与第一极性相反的第二极性的DC电压V2提供给细长部分532。间隙534不必被切割或进行其他的物理分离，但也许仅需电或导电分离。
已知砷化镓波导中电场的存在改变了穿过波导的光的相位。相位产生的变化使得光的极性产生不同，从而对于一种偏振状态的给定的电场的光，如TE模式下的光，其相移大于偏振方向与其垂直的光，如TM模式下的光。
通过本发明可以看到，通过转换电场的方向，作用于TE和TM模式下光上的其效果是相反的。参见图16A和16B，其示出利用相反极性的电场由偏振方向相互垂直的光生成的相移。
这样，如果第一方向中的电场导致TE模式下的光的相位变化大于TM模式下的光，则与第一方向垂直的第二方向中的电场导致TM模式下的光的变化大于TE模式下的光。
因此，通过将第一方向中的电场提供给沿波导传导的光，然后将与第一方向的相反的第二方向的电场提供给该光，关于光的相位变化的偏振效果被中和。如图16C所示。
应当可以理解，两个电场不必一定要相反以中和前述的偏振效果。即使采用不相反的电场也可以从实验上实现所期望的中和。
参照图17，图17是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图。图17的波导在特征在于，该波导是由两块相同长度的由四分之一波片分开的细长部分550和552构成。该四分之一波片用于使得沿波导传导的光的偏振方向旋转90度，从而使TM分量移成TE分量，或将TE分量移成TM分量。
这样，沿着整个波导传播的光具有相同的相位变化，不论其进入波导时的偏振状态。
现在参见图18，图18是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图。在该实施例中，提供了一个方向可选的光束偏转装置，该装置包括一衬底570，在该衬底上形成有大量电控的相移波导572，如上述参照图8A和8B所描述类型的波导。
按照本发明的一优选实施例，在衬底570上形成有一光接收机574，该光接收机574用于将光引入大量波导572。最好该光接收机包括一可选偏转旋转器576。按照本发明的优选实施例，该可选偏转旋转器自动地进行旋转操作形成偏振，从而使得从大量波导输出最佳的光。
最好该可选偏振旋转器响应于大量波导的输出。另外，该可选偏振旋转器响应于到大量波导的输入的偏振。
该可选偏振旋转器最好嵌在砷化镓电压受控波导中，该砷化镓电压受控波导以与上述描述类似或相同的方式构成。
参照图19，图19是按照本发明的另一优选实施例构成和运作的偏振独立的波导的简化示意图。该实施例的特征在于：偏振旋转器590使得穿过大量电控相移波导592的光旋转90度以产生偏振。最好，该偏振旋转器590包括一产生磁场强度为B的的磁场源，磁场B的轴平行于波导592的长轴。磁场B一般是由图19所示的电流为i的电流的流动产生的。
以这种方式，沿波导传导的光具有90度的偏振相移，从而将TM分量移为TE分量，反之将TE分量移为TM分量。
因此，沿整个波导传播的光具有相同的相位变化，而不论进入到波导的偏振状态。
如图18所示，按照本发明的一优选实施例，该可选偏振旋转器590自动地进行旋转操作形成偏振，从而使得从大量波导592输出最佳的光。
最好该可选偏振旋转器590响应于大量波导的输出。另外，该可选偏振旋转器590响应于到大量波导592的一输入的偏振。
现在参照图20，图20是对于一给定波长的按照本发明的一优选实施例的最佳波导结构的简化示意图。图20示出图8B的波导中光的最佳分布。光强由轨迹598所示。最好，该波导的构成使得多数光限制在层256(图8B)中。少量光或没有光进入导电层266和252。将光限定在层256中的技术在本领域已广为人知，这里不必再进行描述。
另外，最好将P-N结600定义在图8B所示的层256中。
参照图21，图21是按照本发明的一优选实施例构成和运作的具有多个导体的波导装置的一部分的简化示意图。在图21实施例中，有一衬底610，在衬底610上形成有大量相移波导612。一光接收机(未示出)，将光的方向引入大量波导。该衬底610包括多个相互绝缘的导电层614，该导电层614通过绝缘层616绝缘并通过通孔618连接到所述波导。逐层构建该通孔618，且通过盘620使得各层通孔互连。
参见图22，图22是按照本发明的一优选实施例构成和运作的单片激光器和波导结构的简化示意图。确信这种单片结构是新颖的。图22的结构最好包括有一衬底620，在衬底620上形成有大量波导622，其中大量波导622中仅有一个显示在图中，和激光器624，该激光器624整块地形成在衬底620上并向大量波导622提供激光。
该激光器624最好按照前述图8B的描述构建，并包括：
一掺杂砷化镓的N型半导体衬底626；
一形成在衬底626上的掺杂砷铝化镓的N型半导体层628；
一形成在掺杂砷铝化镓的N型半导体层628之上的掺杂砷化镓的N型半导体层630；
一形成在掺杂砷化镓的N型半导体层630之上的掺杂砷化镓的P型半导体层632；
一形成在掺杂砷化镓的P型半导体层632之上的掺杂砷铝化镓的P型半导体层634；
一形成在掺杂砷铝化镓的P型半导体层634之上的掺杂砷化镓的P型半导体层636。
本发明的一个特殊特征在于这样的事实：图8B的波导结构可以当作光源操作，极大的增强了相对于外部光学元件的波导对准的容易性，这是由于波导在其对准期间能够产生光束。
参照图23，图23是具有锥形输入的波导装置的一部分的简化示意图。图23的结构可以用作方向可选的光束偏转装置的一部分，并且该结构包括一衬底650，在衬底650上形成有大量波导652和作为其第一端的将光引入大量波导的光接收机654。该结构的特征在于：大量波导652在其所述第一端656处是向外呈圆锥状，且在第一端处光线进入波导。最好，该光接收机采用柱形透镜658。可以理解，图23的结构可以用作光输出结构，而不仅仅是作为光输入结构。
参见图24，图24是一具有多模干涉耦合器的波导装置的简化示意图，其中该多模干涉耦合器包括一锥形输入波导。图24的结构是除图23结构以外的另一种结构，并且该结构包括一衬底670，在衬底670上形成有大量波导672。这里，光接收机674包括一多模干涉耦合器676，该多模干涉耦合器676将光引入到大量波导672。
最好该多模干涉耦合器包括一光接收波导678，该光接收波导678包括一光接收端680，该光接收端680可以是向外呈圆锥状的。在光接收端680接收的光一般与光纤682耦合。该光纤682最好是一耦合到接收端680的匹配输出端683。
参照图25，图25是在具有多模干涉耦合器的图24所示类型的波导装置中波传导的简化示意图。可以看到，在标号690所示的多模干涉耦合器中，波干涉均是相长干涉和非相长干涉。通过本领域熟知的适当地选择多模干涉耦合器690的尺寸，可以保证相长干涉发生在多模干涉耦合器和波导之间的界面694处的数个位置692处。
按照本发明的优选实施例，该波导696的构造使得它们的入口698与位置692对准，从而使得多模干涉耦合器690和波导696之间的耦合效率最大。
按照本发明的优选实施例，到多模干涉耦合器690的输入波导700可以操作为电吸收调制器，其功能对本领域技术人员是已知的。
参照图26，图26是在一具有自由空间输入耦合器710的波导装置中波传导的简化示意图。该波导装置除了自由空间输入耦合器710的尺寸使得在其内不产生干涉以外，其结构和功能与图24和25的相同。相反，光自由地穿过如图所示的与波导714的界面712。按照本发明的优选实施例，每个波导714的入口716向外呈圆锥型，以增强耦合效率。
如图27所示，上述参照图23、24、25和26描述的波导装置可以用在光学开关中，既可以在输入端734作为方向可选的光束偏转装置730，也可以在输出端738作为方向可选的接收装置736。
参照图28，图28是具有电和光功能的单片装置的简化示意图。图28所示的实施例提供一有源光束传输装置，该有源光束传输装置至少包括一衬底750，在该衬底750上形成有多层集成电子电路752和多个电控波导754。
按照本发明的一优选实施例，该波导754射出一方向可选的光束或有选择地接收光束。
参见图29，图29是按照本发明一优选实施例的包括一整块的多个方向可选的光束偏转装置760的光学开关的一部分的简化示意图。可以理解，在图29的实施例中，所有装置760形成在单个衬底762上。每个装置760基本上与图23和24中描述的装置相同。
在图29的实施例中，电子连接盘764位于与每个单独装置760相邻的位置。
图30是按照本发明另一优选实施例的包括一整块的多个方向可选的光束偏转装置的光学开关的一部分的简化示意图。除了所有方向可选的光束偏转装置776的电子连接盘774都是位于公共衬底780的边缘778相邻位置以外，图30的实施例与图29的类似。
参照图31，图31是按照本发明另一优选实施例的包括一整块的多个方向可选的光束偏转装置的光学开关的一部分的简化示意图。这里，电子连接盘794形成在方向可选光束偏转波导装置796的上部。
参见图32，图32是一具有一光耦合器800的波导装置的简化示意图，其中该光耦合器800是上述参照图24-26描述的包括一作为电吸收调制器的输入波导802的一种类型的光耦合器。图32的实施例还包括向电吸收调制器波导802提供调制输出806的光检测器804。最好，该光检测器804接收来自信息承载调制光源808的光输入。
图32的电吸收调制器波导802可用在图24-26的电吸收调制器。该光检测器804最好与电吸收调制器波导802一同整块地形成在同一衬底上。
参见图33，图33是按照本发明的一优选实施例的包括一波导结构的光束偏转器的简化示意图。图33的光束偏转器的特征在于：包括一球状输出透镜820，该球状输出透镜接收来自柱形透镜822的光。柱形透镜822光学耦合到大量波导824，并将从波导824接收的光引导与波导824的平面垂直的方向。该球状输出透镜820将从柱形透镜822接收的光聚焦。
类似上述参照图23描述的结构，该波导824接收来自柱形透镜826的光，依次地，柱形透镜826接收来自光学纤维830的端828的光。另外，波导824的输入结构类似于上述参照图24的描述。
参照图34，图34是按照本发明的一优选实施例的具有透镜功能的波导装置的运作参数。图34表示的是通过适当的选择到图33的波导装置的电输入，该波导824可提供球状透镜820的聚焦功能，而球状透镜820可以省略。
因此，可以理解，这样提供的光波导透镜包括一衬底，该衬底上形成有大量电控相移波导和将电信号提供到大量波导的电控制信号源，以使得其具有所期望的透镜功能。
图34示出电控制信号生成的相移作为波导数的函数的关系。可以看出，透镜函数、倾角函数和组合了透镜与倾角的函数都可以通过适当选择电控制信号而实现。应当可以理解，单独的透镜函数或与倾角函数的组合可以应用在本发明的任意和所有实施例中。
本发明还提供一包括多个方向可选的光束偏转装置和多个光束接收装置的光学开关。
参见图35，图35是按照本发明的一优选实施例构成和操作的光交叉连接组装单元的一部分所简化示意图。图35的实施例的特殊特征在于，其包括多个方向可选的光束偏转装置850，每个方向可选的光束偏转装置850包括至少一个衬底，该衬底上形成有大量波导。这种类型的光束偏转装置在上文中参照图23和24已经描述。
图35的另一个特殊特征在于，其包括多个光束接收机852。光束接收机852可以是如图35所看到的光学纤维端。该光纤可以是单模的或多模的光纤，并且其端子可以具有小的数值孔径。另外，光束接收机852可以是光检测器或方向可选的光接收机，如上文参照图27所述的。
在图35的实施例中，在输入侧854，排列有多个方向可选的光束偏转装置850，每个方向可选的光束偏转装置850接收来自位置合适的光纤端856的光。应注意的是，装置850安装在如多层陶瓷材料衬底的衬底858上，在该衬底858上还装有控制电子仪器860。
在光纤端856和光束偏转装置850之间耦合的光可以利用微透镜阵列862得到，如图所示。该微透镜阵列862包括以两个垂直方向安置的柱形透镜的组合。该微透镜阵列862在两个相互垂直的方向上提供不同光功率的聚焦。这里，装置850类似图23中描述的装置，微透镜阵列862提供在与装置850的平面平行的方向上准直的输出光束。这里，装置850类似图24中描述的装置，微透镜阵列862提供在与装置850的平面平行的方向上聚焦的输出光束。
虽然，图35中仅示出了一行柱形透镜，但应当理解到，可以采用两行柱形透镜来替换一行柱形透镜。
另外，微透镜阵列862可以被省略，各个透镜可以形成或安置在光纤端856。
在多个方向可选的光束偏转装置850的下行位移处提供有一个或多个柱形透镜864，该柱形透镜基本上与图33的实施例中的柱形透镜822具有相同的功能。球状透镜866接收来自一个或多个柱形透镜864的光，并具有图33实施例中球状透镜820的功能。类似球状透镜820，在多个方向可选的光束偏转装置850具有透镜功能的情况下，该球状透镜866也可以被省略。
应当可以理解，输入侧854可以用作输出侧而不是输入侧。在这种情况下，该结构，如用作光接收机852的光纤端可以用作替代光发送机。该光发送机可以是静态的或方向可调的。
参见图36，图36是按照本发明的另一优选实施例构成和操作的光交叉连接组装单元的一部分所简化示意图。该图36的光交叉连接组装单元的特殊特征在于，其包括方向可选的光束偏转装置872的多个单片多元部件(pluralities)870和多个光束接收装置874。该方向可选的光束偏转装置872可以是图23-34中描述的任意一种结构的装置。该单片多元部件870可以是参照图35描述的任意一种形式的结构。
按照本发明的一优选实施例，该多个方向可选的光束偏转装置872的单片多元部件870通常沿与生成光束可选偏转的平面垂直的轴876彼此平行的设置，也就是每个多个单片多元部件870的平面。
聚焦透镜878接收来自多个光束偏转装置872的单片多元部件870的光并将其聚焦到光接收装置874。透镜878可以是一个或多个透镜，并且可以具有图33实施例的透镜820的功能。这样，将多个光束偏转装置872的单片多元部件870中的透镜功能囊括在一起，透镜878也可以省略。
应当可以理解：光束偏转装置872的多个单片多元部件870和透镜878也可以另外用作光接收机而不是光发送机。在这种情况下，如用作光接收机874的光纤端子这样的结构可以代用作光发送机。该光发送机可以是静态的或方向可调的。
参照图37，图37是按照本发明的另一个优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图。图37的光交叉连接组装单元的特殊特征在于：其包括多个单片的方向可选的光束偏转装置882的多元部件880，和多个光束接收装置884。该方向可选的光束偏转装置882可以是参照图23-34描述的任意装置。单片多元部件880可以是参照图35描述的任意结构。
这里，多个单片的光束偏转装置882的多元部件880通常沿弧形886分布设置，该弧形886在与产生可选光束偏转的平面垂直的平面内延伸，该产生可选光束偏转的平面是多个单片多元部件880的每个平面。
聚焦透镜888接收来自多个光束偏转装置882的单片多元部件880的光，并将其聚焦到光接收装置884上。该透镜888可以是一个或多个透镜，并可以具有图33实施例中透镜820的功能。因此，将多个光束偏转装置882的多元部件880的透镜功能囊括在一起，该透镜888也可以被省略。
应当可以理解：光束偏转装置882的多个单片多元部件880和透镜888也可以另外用作光接收机而不是光发送机。在这种情况下，如用作光接收机884的光纤端子这样的结构可以代用作光发送机。该光发送机可以是静态的或方向可调的。
现在，参照图38，图38是在图35-37任意一图中所示类型的具有反馈功能的光交叉连接组装单元的简化示意图。图38的实施例包括：一接收来自大量光纤902的已调制的光并有选择地将该调制的光发送到如光纤端子这样的大量光接收机904的光学开关输入端900。该开关输入端可以是图35、36和37中任意一图所描述类型的任意合适的开关输入端。
信号拾取装置906接收光接收机904所收到的信号的至少一个参数，并将反馈输入信号提供给反馈处理器908。从反馈处理器908输出的信号在操作中掌握光学开关输入端900的操作的至少一个参数。
这种反馈设置可以提供较低的串扰，并能够增强传输效率。
该反馈处理器908的反馈输入信号可以代表接收的信号强度和串扰。受来自反馈处理器的输出信号影响的光学开关输入端900的操作参数包括各个波导产生的相移和偏转旋转器如旋转器576(图18)或旋转器590(图19)产生的旋转量。该反馈处理器908有效地在光束接收装置和光束偏转装置之间提供一反馈连接。
应当可以理解，该反馈功能不必一定是自动的，而是可以包括某些操作人员的干预。
参照图39，图39是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图。这里，所构成的光束接收装置910接收覆盖在充分大的区域912里的光，从而与光束偏转器914有关的波长基本不会影响接收装置所检测的光量。
现在参见图40，图40是按照本发明的一优选实施例构成和运作的光交叉连接组装单元的简化示意图。这里，大量波导920的每个同时进行操作以使得多个光束922进行偏转，并将光束922引向多个不同的光接收机924。
现在参见图41，图41是按照本发明一优选实施例构成和运作的波导滤波器的简化示意图。图41的波导滤波器包括：一具有相对宽输入端932的颈状波导930，其中该输入端932接收光并允许多模光波在其内传播。当多模光波遇到变窄的颈部934时，较高模的光辐射到波导外，只有能够穿过颈部934而传播的模的光达到相对宽的输出端936。这种滤波器能够用于有效地去除会导致串扰的高模的光。
应当理解，图39、40和41的结构可以应用到这里所描述的任意的光束偏转器、光束接收机、交叉连接组装单元和光学开关。
参见图42，图42是按照本发明的一优选实施例构成和运作的单片的光交叉连接组装单元的简化示意图。多个方向可选的光束偏转装置950和多个光束接收装置952都整体地形成在同一衬底954上。
本领域的技术人员应当可以理解，本发明不限于上述具体描述的内容。本发明的范围包括上文描述的和附图中所示的各个特征的组合和部分组合，并且对于本领域技术人员和非本领域技术人员而言，在阅读了本说明书后，可以对本发明作出各种改进和变形。

Claims (92)

1、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导，每个波导接收和发射光，由所述大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束；和
至少一个序贯复用器，其将电输入提供给所述的至少一个衬底上以分别控制大量波导的每一个发射的光，从而掌握所述方向可选的输出光束的旋转。
2、如权利要求1所述的方向可选的光束偏转装置，其中所述的至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的相位的相位控制器。
3、如权利要求1所述的方向可选的光束偏转装置，其中所述的至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的强度的强度控制器。
4、如权利要求1所述的方向可选的光束偏转装置，其中所述至少一个衬底包括多个衬底，每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收光和发射光，并且其中所述至少一个序贯复用器将电输入提供给所述多个衬底。
5、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
多个衬底，在每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收和发射光，由所述大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束。
6、一种方向可选的光束生成装置，包括：
一光源；
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导，每个波导接收来自光源的光并发射光，由所述大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束；和
至少一个序贯复用器，其将电输入提供给所述的至少一个衬底上以分别控制大量波导的每一个发射的光，从而掌握所述方向可选的输出光束的方向。
7、如权利要求6所述的方向可选的光束生成装置，其中所述的至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的相位的相位控制器。
8、如权利要求6所述的方向可选的光束生成装置，其中所述的至少一个序贯复用器是一控制大量波导的每一个所发射的光的强度的强度控制器。
9、如权利要求6所述的方向可选的光束生成装置，其中所述至少一个衬底包括多个衬底，每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收光和发射光，并且其中所述至少一个序贯复用器将电输入提供给所述多个衬底。
10、一种方向可选的光束生成装置，包括：
至少一个光源；和
多个衬底，在每个衬底上形成有大量波导，每个波导接收来自所述至少一个光源的光并发射光，由所述大量波导发射的光的总和生成至少一个方向可选的输出光束。
11、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一微透镜阵列，用于接收光并将所述接收的光耦合到所述大量波导。
12、一种方向可选的光束生成装置，包括：
一光源；
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一微透镜阵列，用于接收来自所述光源的光并将所述接收的光耦合到所述大量波导。
13、按照上述任意权利要求所述的设备能够实现波分复用。
14、一种光学装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有多个偏振独立的、电控的波导；和
一光接收机，该光接收机将光引入所述大量波导。
15、如权利要求14所述的光学装置，其中所述大量偏振独立的、电控的波导的每一个都包括第一和第二相移波导部分。
16、如权利要求15所述的光学装置，其中不同方向的电场施加到所述第一和第二相移波导部分上。
17、如权利要求15-16任意一个权利要求所述的光学装置，其中所述大量偏振独立的电控波导的每一个都包括相应第一和第二长度的第一和第二相移波导部分，相应的不同方向的第一和第二电场施加到该第一和第二相应波导部分上。
18、如权利要求14所述的一种光学装置，其中所述大量偏振独立的电控波导的至少一个包括被四分之一波片分开的第一和第二相移波导部分，其中来自所述第一波导部分的光在进入所述第二波导部分之前穿过所述四分之一波片。
19、一种光学装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和
一光接收机，该光接收机用于将光引入所述大量波导，所述光接收机包括一可选的偏振旋转器。
20、一种光学装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和
一偏振旋转器，用于将穿过所述大量电控波导的光的偏振方向旋转90度或90度的奇数倍。
21、如权利要求20所述的光学装置，其中所述偏振旋转器的操作是通过产生一沿着与所述大量波导的纵轴方向平行延伸的磁场来实现的。
22、如权利要求19-21任意权利要求所述的光学装置，其中所述可选偏振旋转器是自动地执行使偏振旋转，从而提供从大量波导输出的最佳光输出。
23、如权利要求22所述的光学装置，其中所述可选偏振旋转器响应于所述大量波导的输出。
24、如权利要求22所述的光学装置，其中所述可选偏振旋转器响应于一输入到所述大量波导的偏振。
25、如权利要求14-24中任意权利要求所述的光学装置，具有方向可选的光束偏转功能。
26、如权利要求14-24中任意权利要求所述的光学装置，具有方向可选的光束接收功能。
27、如权利要求25和26任意权利要求所述的光学装置，其中所述方向可选功能是通过相移实现的。
28、一种光学装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控波导；和
一光接收机，该光接收机将光引入所述大量波导，并且该光接收机包括偏振保持光纤。
29、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量相移波导；和
一光接收机，该光接收机将光引入所述大量波导，并且其中：
所述至少一个衬底包括具有多个导体的多层相互绝缘的导电层，至少这些导电层中的一些通过通孔与所述波导相连。
30、如权利要求6所述的一方向可选的光束生成装置，其中所述光源包括一在所述至少一个衬底上形成的激光器。
31、一种方向可选的光束生成装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
与所述至少一个衬底形成为一个整体的激光器，该激光器用于向所述大量波导提供光。
32、一种光学装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
与所述至少一个衬底形成为一个整体的激光器，该激光器用于向所述大量波导提供光，所述大量波导和所述激光器形成在同一层的不同区域上。
33、一种半导体激光器，包括：
一掺杂砷化镓的N型衬底；
一在所述衬底上形成的掺杂砷铝化镓的N型层；
一在所述掺杂砷铝化镓的N型层上形成的掺杂砷化镓的N型层；
一在所述掺杂砷化镓的N型层之上形成的掺杂砷化镓的P型层；
一在所述掺杂砷化镓的P型层之上形成的掺杂砷铝化镓的P型层；
一在所述掺杂砷铝化镓的P型层之上形成的掺杂砷化镓的P型层。
34、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在所述衬底上形成有大量波导；和
一光接收机，该光接收机用于在所述大量波导的第一端处将光耦合到所述大量波导，并且其中：
所述大量波导在其所述第一端处向外呈圆锥状。
35、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一将光引入到所述大量波导的光接收机，所述光接收机包括一柱形透镜。
36、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一将光引入到所述大量波导的光接收机，所述光接收机包括一多模干涉耦合器。
37、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一将光引入到所述大量波导的光接收机，所述光接收机包括一平面型波导。
38、按照权利要求37所述的方向可选光束偏转装置，其中所述大量波导具有与所述平面型波导邻接的第一端，所述第一端是向外呈圆锥状。
39、如权利要求36-38任意权利要求所述的方向可选的光束偏转装置，其中所述多模干涉耦合器包括一光接收波导。
40、如权利要求39所述的方向可选的光束偏转装置，其中所述光接收波导包括一向外呈圆锥状的光接收端。
41、如权利要求39和40中任意权利要求所述的方向可选光束偏转装置，其中所述光接收波导包括一电吸收调制器。
42、如权利要求41所述的方向可选光束偏转装置，其中所述电吸收调制器接收来自一光检测器的调制输入，该光检测器与该电吸收调制器一起形成在所述至少一个衬底上。
43、如上述任意权利要求所述的光学装置，其中所述大量波导是可控的，从而有选择地提供多个方向可选的输出光束。
44、一种方向可选的光束偏转装置，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
一将光引入到所述大量波导的光接收机，并且其中
所述大量波导是可控的，从而有选择地提供多个方向可选的输出光束。
45、如上述任意权利要求所述的光学装置，其还包括：一波导滤波器，该波导滤波器包括：
一具有相对宽的输入端的颈状波导，该输入端用于接收光并允许通过该输入端的多模光波的传播；
一较窄的颈部，在颈部处较高模的光辐射到波导外，仅有能够通过该颈部传播的模式下的光可以通过该颈部；和
相对宽的输出端。
46、一波导滤波器，包括：
一具有相对宽的输入端的颈状波导，该输入端用于接收光并允许通过该输入端的多模光波的传播；
一较窄的颈部，在颈部处较高模的光辐射到波导外，仅有能够通过该颈部传播的模式下的光可以通过该颈部；和
相对宽的输出端。
47、上述任意权利要求所述的光学装置，其中该光学装置在砷化镓上实现。
48、一种光学开关，包括：
一单片的多个方向可选的光束偏转装置；
多个光束接收装置。
49、一种光学开关，包括：
多个单片的方向可选的光束偏转装置的多元部件；
多个光束接收装置。
50、如权利要求49所述的光学开关，其中所述多个单片的光束偏转装置的多元部件一般沿着与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的轴彼此平行的设置。
51、如权利要求49所述的光学开关，其中所述多个单片的光束偏转装置的多元部件一般沿着一弧形分布设置，该弧形在与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的平面内延伸。
52、一种光学开关，包括：
多个方向可选的光束偏转装置，每个装置包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导；和
多个光束接收装置。
53、如权利要求48-52中任意权利要求所述的光学开关，其中所述多个光束接收装置的每一个包括一光纤。
54、如权利要求53所述的光学开关，其中所述光纤具有小于0.3的数值孔径。
55、如权利要求48和49中任一权利要求所述的光学开关，其中所述方向可选的光束偏转装置的每个包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
56、一种光学开关，包括：
多个光束发射装置；和
单片的多个方向可选的光束接收装置。
57、一种光学开关，包括：
多个光束发射装置；和
多个单片的方向可选的光束接收装置的多元部件。
58、如权利要求57所述的光学开关，其中所述多个单片的光束接收装置的多元部件一般沿着与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的轴彼此平行的设置。
59、如权利要求57所述的光学开关，其中所述多个单片的光束接收装置的多元部件一般沿着一弧形分布设置，该弧形在与其内产生光束的可选偏转的平面垂直的平面内延伸。
60、如权利要求56和57中任一权利要求所述的光学开关，其中所述方向可选的光束接收装置的每个包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
61、一种光学开关，包括：
多个光束发射装置；和
多个方向可选的光束接收装置，每个装置包括至少一个衬底，在该衬底上形成有大量波导。
62、如权利要求56-61任意权利要求所述的光学开关，其中所述光束发射装置和所述光束接收装置都是方向可选择的。
63、如权利要求48-52所述的光学开关，所述光束接收装置是方向可选的。
64、如权利要求48-63所述的任意权利要求所述的光学开关，包括到所述多个光束装置的光输入耦合器和接收来自所述多个光束装置的光的柱形透镜光输出耦合器。
65、如权利要求64所述的光学开关，其中所述柱形透镜光输出耦合器包括多个柱形透镜，每个透镜与一光束装置相关。
66、如权利要求64所述的光学开关，其中所述柱形透镜光输出耦合器包括单独的一个柱形透镜，该柱形透镜与多个光束装置相关。
67、如权利要求48-63所述的任意权利要求所述的光学开关，包括一到所述多个光束装置的光输入耦合器，其中该光输入耦合器包括至少一个柱形透镜。
68、如权利要求65-66所述的任意权利要求所述的光学开关，其中到所述光束装置的所述光输入耦合器包括至少一个柱形透镜。
69、如权利要求67和68任意权利要求所述的光学开关，其中所述至少一个柱形透镜包括多个柱形透镜，每个透镜与光束装置相关。
70、如权利要求67和68任意权利要求所述的光学开关，其中所述至少一个透镜包括单独的一个柱形透镜，该柱形透镜与多个光束装置相关。
71、如权利要求67-70任意权利要求所述的光学开关，其中所述光输入耦合器还包括对于所述至少一个柱形透镜固定的大量微透镜，所述大量微透镜的每个将光引入到一单独的光束发送装置。
72、如权利要求71所述的光学开关，其中所述大量微透镜包括聚焦微透镜。
73、如权利要求71所述的光学开关，其中所述大量微透镜包括准直微透镜。
74、一种有源光束传送装置，包括至少一个衬底，在该衬底上形成有：
多层集成电路；和
大量电控波导。
75、如权利要求74所述的有源光束传送装置，其中所述波导发射方向可选的光束。
76、如权利要求74所述的有源光束传送装置，其中所述波导有选择地接收光束。
77、如上述权利要求48-76任意权利要求所述的光学开关，其中所述大量波导可同时运作以使多个光束偏转。
78、如上述任意权利要求所述的光学装置，还包括：
覆盖在所述波导上面的大量电子触点，每个触点提供到大量电控波导中至少一个的电子连接。
79、一种有源光束传送装置，包括至少一个衬底，在该衬底上形成有：
大量波导组装单元，每个波导组装单元包括大量电控波导；和
覆盖在所述波导组装单元的每个上面的大量电子触点，每个触点提供到所述组装单元内的大量电控波导中至少一个的电子连接。
80、一种单片的光学光调制器，包括一衬底，一同形成在该衬底上的有：
电吸收调制器，和
向所述电吸收调制器提供调制输出的光检测器。
81、一种光学波导透镜，包括：
至少一个衬底，在该衬底上形成有大量电控的相移波导；和
一电子控制信号源，该电子控制信号源用于向所述大量波导提供电子信号以使其具有一期望的透镜功能。
82、如权利要求1-80任意权利要求所述的设备，还包括：一电子控制信号源，该电子控制信号源用于向所述大量波导提供电子信号以使其具有一期望的透镜功能。
83、如权利要求48-82任意权利要求所述的光学开关，还包括一在所述光束接收装置和所述光束偏转装置之间的反馈连接。
84、如权利要求48-83任意权利要求所述的光学开关，其中构成所述光束接收装置以接收一足够大的区域内的光，从而与偏转器有关的波长基本不影响接收装置所检测的光量。
85、一种光学开关，包括：
多个方向可选的光束偏转装置；
多个光束接收装置，其中所述多个方向可选的光束偏转装置和所述多个光束接收装置是整体性地形成在同一衬底上。
86、如权利要求48-84任意权利要求所述的光学开关，其中所述多个方向可选的光束偏转装置和所述多个光束接收装置是整体性地形成在同一衬底上。
87、形成一具有电子触点的单片结构的方法，包括步骤：
在一晶片上构建各区域，以在该晶片上定义上下表面；
以与所述上下表面通常垂直的方向利用蒸发法在所述上下表面上涂上金属，所述方向是参照互连表面选择的，该互连表面将所述上下表面互相连接，使得金属基本上不会涂在所述互连表面上，从而经由所述互连表面的所述上下表面之间的电子连接不是通过所述金属涂敷而形成的。
88、如权利要求87所述的形成具有电子触点的单片结构的方法，其中所述单片结构包括一波导装置。
89、一种使波导装置对准的方法，包括：
提供具有光发射能力的波导，和
在所述波导对准期间使所述波导工作以发出光。
90、一种光学开关，包括：
多个端口；
一光交叉组装单元；和
多个信息承载光纤，其将具有输入的所述多个端口与所述光交叉组装单元互连，所述信息承载光纤包括偏振保持光纤。
91、一种光学开关，包括：
多个端口；
一光交叉组装单元；和
多个信息承载光纤，其将具有输入的所述多个端口与所述光交叉组装单元互连，所述多个端口的每个具有一时钟同步的输入和输出。
92、如权利要求91所述的光学开关，其中所述多个端口之间是时钟同步的。
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