本发明涉及利用电场控制来控制能量，特别是光束传播的装置，特 别是光学装置。详细地讲，本发明涉及具有包括周期极化结构的极化结 构和电极的装置，该装置在施加于电极之间的受控电场存在时使得光能 可以受控传播。

更详细地讲，本发明涉及一种新类型的基于利用在固态材料中的极 化结构可转换的能量变换装置，能量传导装置，滤波器，和大型能量转 移装置。在一些应用中，可以用电切换极化结构，以控制光能或甚至声 能。极化切换特别可用于激光控制，通信，平板显示，扫描装置，以及 记录和重放装置等领域。

可以用在电光(EO)或压电材料中施加的电场来控制像光或声束 这样的能量束之间的相互作用。希望在所有种类的切换的或调制的装置 中有一个波束相互作用的电控空间图形。通过把电场形成图形可以在利 用电光或压电效应的均匀基片中取得图形化的响应。但是，关于电场的 麦克斯韦方程使得锐变场不能扩展到一个大的范围应用。一些材料可以 被极化，这表明响应某些外部影响可以使它们的电光和/或压电响应定 向。在这些材料中可以在潜在的大范围内在EO系数上产生锐变空间变 化。通过把缓慢变化的电场与锐变(极化)材料结合在一起，可以制造 和使用新型的图形化结构。

与固定EO晶体相比，可极化EO材料具有一个必须控制的额外自 由度。通常在可以观察到任何宏观的EO响应之前，必须把基片极化为 一种均匀的对准状态。已经从最初具有无序分子的基材，以及仅在随机 定向的宏观畴中具有局部自发相互对准的分子的基材制造出均匀极化 的基片。第一种类型材料的一个例子是非线性聚合物。第二种类型材料 的例子有锆酸钛酸铅(PZT)之类的烧结压电材料，液晶，以及铌酸锂 (LiNbO3)之类的晶态铁电材料。E.Van Tomme，P.P.Van Daele，R.G. Baets，P.E.Lagasse等发表的“基于非线性光学聚合物的集成光学装置 (＂Integrated optic devices based on nonlinear optical polymers＂，IEEE JQE 27 778，1991)”描述了非线性光学聚合物的极化。在，例如，Miller 等人10/1983申请的题为“利用反射器的表面声波装置(Surface acoustic wave device employing reflectors)”的第4,410,823号美国专利中 描述了PZT的极化。(在标准参考资料中描述了液晶的极化，例如，S. Chandrasekhar，Liquid Crystals，Second Edition(1992)，Cambridge University Press，Cambridge。)在Byer等人07/1991申请的题为“非线 性光学辐射发生器和控制在固态体中的铁电极化畴的区域的方法 (Nonlinear optical radiation generator and method of controlling regions of ferroelectric polarization domains in solid state bodies)”的第5,036, 220号美国专利中描述了铁电晶体的极化。

极化的EO装置的例子包括：

Jpn.J.Appl.31，1378(1992)[UOS92]上S.Ura，R.Ohyama， T.Suhara和H.Nishihara等发表的“用于集成光子装置的使用新聚合物 p-NAn-PVA的电光功能波导”一文中所述的在具有叉指式电极的聚合物 层中的波束衍射体；

Schildkraut等10/1992申请的题为“用于反射调制的光学产品”的 第5,157,541号美国专利中所述的在一个具有平面电极的聚合物层中的 光束调制器；

H.Nzitoh，K.Muto，T.Nakayama等在Appl.Opt.17，101-104 (1978)上发表的“反射镜型分光器和光切换器”一文中所述的在一 个具有一个电极对的铌酸锂波导管中的全内反射光束反射器；

M.Papuchon，Am.Roy等在Appl.Phys.Lett.31，266-267(1977) 上发表的“电激活光分叉：OBA”一文中所述的在具有两个电极的铌 酸锂中的2×2波导开关；和

H.Sasaki和I.Anderson在IEEE Journ.Quant.Elect.，QEl4，883-892 (1978)上发表的“光波导中的活性Y-形接头的理论和实验研究”一 文中所述的在一个具有三个电极的铌酸锂波导管中的Y-形接头光束路 由选择器。

这些装置使用了具有改变的电极和光学结构的均匀极化的材料。图 形化的极化的装置的许多优点还没有被认识到。例如，在H.Nishihara，N. Haruna，T.Suhara所写的“光学集成电路(Optical Integrated Circuits， McGraw-Hill，New York(1989)[NHS89]”一书中，描述了许多由各 种电极图形激活的电光装置，但是所有这些装置都是在一个均匀极化的 基片上制造的。在T.Suharah和H.Nishihara所写的另一篇评述文章“使 用周期结构的集成光学元件和装置(＂Integrated optics components and devices using periodic structure＂IEEE J.Quantun Electron，QE-22,845， (1986)[TH86])”中也是一样，这篇文章描述了光栅耦合的装置的 一般特性，而没有认识到一个极化的光栅与一个电极光栅不同的优点。

在一些选择的文献中已经指出了图形化的极化基片的某些优点。

在Miller等人的第4,410,823号美国专利中描述一种具有一个在压 电陶瓷(但没有电极)中的畴反转阵列的表面声波反射器；

Q.Chen，Y.Chiu，D.N.Lambeth，T.E.Schlesinger，D.D.Stancil等所 写的“在LiTaO3中利用畴反转的薄膜电光波束偏转器(＂Thin film electro-optic beam deflector using in LiTaO3＂，CTuN63，CLEO′93 Conference Proceedings，pp 196 et.seq.，Optical Society of America)中描 述了具有在LiTaO3中的三角形畴反转区的波束控制器。

在Schaffner 01/1994申请的题为“周期畴反转电光调制器 (Periodic domain reversal electro-optic modulator)”的第5,278,924号 美国专利中描述了一种具有畴反转以补偿微波和光束之间的相位差的 Mach-Zehnder调制器。

在Sriram等人11/1993申请的题为“用于检测电场的电光传感器 (Electro-optical sensor for detecting electric fields)”的第5,267,336号 美国专利中描述了一种具有在一个电光基片上的一个畴反转区的 Mach-Zehnder电场传感器。

图形化的极化结构的利用为波束控制(包括产生，调制，变向，聚 焦，滤波，转换，分析，检测和隔离)提供了效率优势，并能应用于激 光控制；通信；数据存储；和显示。这些领域中所需要的是高效率的可 调节波束控制方法。由于锐变畴过渡，一般可用图形化极化的基片产生 高频变化来获得较高效率的装置；需要用电极来激发图形化极化的基 片，不需用电极产生高频变化。

在聚合物中的极化方法与晶体中的有很大不同，并且会导致不确定 的畴边界。在晶体中，有多种(通常是两种)稳定的极化方向，并且极 化一个局部区域包括在这些交替的状态之间倒转原子。极化的区域是充 分对准的，并且在相反方向的畴之间存在着锐变的边界。在极化的聚合 物中，无论极化的方向如何，任何分子可以在任何方向上定向。极化方 法仅产生各个分子的随机分布中的对准的平均向量。在聚合物中，这种 极化(以及相关的EO系数)因而具有在强度和方向上的连续的变化。 缺乏在晶体中获得的那种锐变的畴边界。这对在聚合物中的某些类型的 极化的装置的效率产生很大的影响。由于聚合物中极化强度和方向取决 于局部施加电场的强度和方向，因此不可能获得具有比麦克斯韦方程允 许的更为清晰的空间尺寸的极化分布。在聚合物中，如果空间图形化极 化的区域不是电极的话，几乎不能从中获得任何利益。

在基于光学聚合物的装置中，需要极化以创建电光响应。通过向制 造在装置上的电极施加电压(在加热的条件下)进行极化。用一个均匀 的电极极化整个聚合物薄膜，然后再根据所需的功能把电极制成空间图 形。由于每个电场中的激活区也能被极化，因此如果利用图形结构化的 电极进行极化，装置的EO特性不会有很大的变化。主要是根据制造的 方便来选择极化整个薄层还是仅极化电极下的区域。Baken等09/1989 申请的题为“电光感应光波导，和包括这种波导的活性装置”的第4, 867,516号美国专利，和Ticknor等04/1992申请的题为“电光沟道切 换器”的第5,103,492号美国专利中的切换波导说明了聚合物EO 装置的一些例子，其中极化是在装置激活区外部进行空间图形化的。这 些装置中没有一个具有穿越多个图形化的极化结构的边界的电极。

极化方法也不会改变聚合物中的折射椭圆率。这一事实具有一些有 利的结果，例如像J.I.Thackara，G.F.Lipscomb，M.A.Stiller，A.J.Ticknor 和R.Lytel发表的“在薄膜有机介质中形成极化电光波导(＂Poled electro-optic waveguide formation in thin-film organic media＂Appl.Phys. Lett.，52，1031(1988)[TLS88])”一文中，和Thackara等人04/1991和 04/1991申请的题为“电光沟道波导”的第5,006,285和5,007, 696号美国专利中描述的，这使得可以通过极化可极化的聚合物条来制 造波导。但它存在着极化的聚合物边界在它们的非激发状态的损耗问题 (它们散射，衍射和折射)。光束跨越极化的聚合物边界的装置存在着 尽管可以获得透明度，但必须用电激发极化的聚合物以产生一个均匀折 射率的问题。由于极化不改变极化结晶体装置的折射率，因此它们没有 这种问题。

Diemeer在05/1991申请的题为“电光元件及其制造方法”的第 5,016,959号美国专利中提出了解决在极化的聚合物中横向空间界限不 清的问题，他描述了一种全内反射(TIR)波导切换器，其中整个聚合 物薄膜被极化，但是选定区域的电光系数被幅照射破坏，产生了具有锐 变空间边界的非极化区域。尽管在这些非极化的被辐射区域中的下层分 子仍保持对准，它们不再具有任何电光响应。这种方法在聚合物薄膜中 产生锐变极化-非极化畴边界是有用的。它的缺点是它不能产生反向极 化畴，因而与等同的晶体极化技术相比，它的效率显著地降低了。

在非线性变频装置中，不同极性的畴一般被周期性地极化为一种非 线性光学材料，但没有用电场激发。极化结构沿波束的轴线周期性地改 变，以便能够进行纯能量变换，而不管在两个波束之间累积的相位差。 这种方法被称为准相位匹配(quasi-phasematching)，并且已经在铌酸 锂，KTP，和钽酸锂之类的铁电材料(Byer等的第5,036,220号美国专 利)中，以及聚合物中得到演示，如Khanarian等09/1989申请的题为 “倍频聚合物波导”的第4,865,406号美国专利中所述的那样。由于在 不存在电场的情况下发生相位匹配，因此在这些装置中一般不使用电 极。Khanarian等10/1991申请的题为“具有用于辐射相位匹配的双向 极化的聚合物波导”的第5,061,028号美国专利中描述了在聚合物中的 一般化的变频，以及TE-TM调制。Khanarian等在两个专利中都使用了 图形化的电极极化聚合物薄膜；空间图形的锐变性所伴随的损耗成为一 个严重的问题，像以后申请的专利中所述的那样，解决这个问题需要更 为复杂的电极结构。

已知有利用周期结构的装置，这种装置使用电场控制光栅，以便控 制传播场。在Baues等02/1977申请的题为“可控电光光栅耦合器”的 第4,006,963号美国专利中显示了一种衍射光栅调制器。这种结构是通 过在一个电光基片上周期性地除去材料，形成一个永久光栅而制造的。 通过用电光激发基片，固定折射率光栅具有较大或较小的效应，产生某 些调谐。这种结构不包含极化的区域。Baues结构的缺陷与聚合物薄膜 的是一样的：不用很强的电场不能使光栅透明。

图1(现有技术)显示了用于EO可切换光栅的现有技术。在这种 结构中，用制为周期图形的电极作为限定光栅的元件。如以下将说明的 那样，下层材料没有图形化极化结构。把一个输入波束12耦合到一个 包含一个可电控光栅6的电光活性材料2中。当切断连接于光栅电极的 电压源10时，输入波束继续传播通过材料，形成一个输出波束16。当 光栅控制电压源接通时，在材料中产生一个折射率调制光栅，并且把输 入波束的一部分耦合到一个反射输出波束14中。材料有一个具有单一 畴的电光活性极化区4，整个极化结构的极性相同。第一电极6与第二 电极7叉指状地放置在基片的共同表面18上。当在电极之间施加电压 时，沿波束12路径的电场的垂直的分量交替地具有相反的符号，产生 交替的正和负折射率变化以形成一个光栅。光栅的强度是由两根导线8 连接在两个电极之间的电压源控制的。

使用均匀基片和图形化电极的EO和压电装置的现有技术的第二个 一般问题是激发的电场的图形随着离开电极距离的增大而迅速地消 失。在离开电极的距离等于图形的外形尺寸时，图形就基本上不存在 了。在一个光栅的场合，由于很小的外形尺寸，这个问题变得更为严重。 由叉指式电极产生的现有技术的光栅仅在很浅的表面层中产生调制效 应。EO结构与大于外形尺寸的波导仅有微弱的相互作用。尽管可以在 较高阶的相互作用装置中使用较长的光栅周期，但上述的缺乏锐变的边 界还是严重地限制了装置的效率。当前技术的有效相互作用的最小光栅 周期大约为10微米。需要有一种尽管有较大的宽高比(即，光束宽度 与外形尺寸的比)仍能保持基于微型结构的EO装置的效率的方法。需 要有沿波导的整个宽度延伸并且与大的非制导波束相匹配的可切换图 形化结构。

在块状材料中，可以用全息曝光和声激励形成光栅。全息曝光十分 困难，并且像SBN这样的存储材料还未发展到商业应用的阶段。声激 励的执行和驱动成本很高，而且需要额外的组件，例如软支架和阻尼匹 配的阻尼结构。形成表面光栅的其它方法包括淀积技术，材料去除技 术，和材料改进技术(例如向内扩散，向外扩散，和离子交换)。需要 的是能够有一种足够大的宽高比以产生块状相互作用结构的方法，最好 是具有在可进入表面上的特征控制。

尽管EO材料原则上可以是任何电光活性材料，液晶材料是一种特 殊情况，并且具有有限的可用性。O′Callaghan等01/1999申请的题为“衍 射光调制器”的第5,182,665号美国专利中描述了一种基于从一个对准 的液晶畴的可调节图形衍射的光调制器。Handschy等03/1989申请的题 为“使用铁电液晶的电光切换装置”的第4,813,771号美国专利中描述 了一种基于利用液晶畴形成调制的全内反射的光调制器。在所有这些装 置中，畴必须物理地显现或消失，以产生希望的效应。液晶装置中的分 子方向响应施加的电场而改变，产生一种与光相互作用的图形化结构。 但是液晶有一些重大的缺陷。它们当然是液态的和并难于封装的，它们 具有受限的温度范围，并且其制造方法比固态装置更为复杂。因为激发 场图形随距离加大而减弱，因此不能制造大宽高比的结构。电场一撤除 分子的定向作用就松弛下来，并且重新建立图形要用很长的时间，因此 不能进行快速切换。

在现有技术中的把光从波导管切换到波导管的结构具有高的介入 损耗或大的沟道间隔，这是得它们不适于用作大的路由结构。一个大的 切换结构必须具有介入损耗足够低的切换元件，以便光能够通过该结构 传播。例如，如果一个波导有100个切换器，这些切换器的介入损耗必 须小于大约.03dB。在现有技术中这是不可能的。R.A.Becker和W.S.C. Chang在“用于计算机通信总线的薄膜波导中的电光切换(＂Electro- optical switching in thin film waveguides for a computer communication bus＂，Appl.Opt.18，3296(1979))”一文说明了一种经过叉指式电光光栅 切换器耦合的多模交叉波导阵列结构。这个切换器有一个固有的高介入 损耗(0.4dB)和低的切换效率(≈10％)。J.H.Hong在8/1991申请 的题为“光交叉点切换器模块”的第5,040,864号美国专利中披露了 一种平面波导结构，其原则上可以有低的介入损耗，但为了有效的切换 需要很大的交叉连接，因此不能够产生一种高密度的切换阵列。

总之，现有技术在以下几个方面存在着不足：1)为了与体波或小 的图形有效的相互作用需要可控图形的大的宽高比；2)为了提高在高 阶相互作用中的效率需要锐变畴过渡；3)为了适当的无动力操作需要 在零作用场的畴透明度；和4)需要切换器阵列的低介入损耗。迄今为 止还没有充分地利用包含在上述的和其它结构中的极化结构来实现实 际可用的装置。

根据本发明，一种光能转移器件和能量导向器件使用电场以利用固 体材料中的一种类型的极化结构来控制能量传播。可形成呈薄膜或块状 构造光栅的极化结构可以与波导结构组合。把电场施加于该极化结构以 控制光能的路由选择。器件包括选频可切换的-和可调节的-可调谐反射 器，分束器，定向耦合器，可调频切换器和有效波束组合器，以及偏振 波束组合器。可调节的可调谐性是通过一种极化结构获得的，这种极化 结构在存在一个可变电场的条件下沿一轴线产生可变折射率的空间梯 度。

在一个实施例中，本发明是一种切换一个由具有特定周期的交替畴 结构的极化材料构成的光栅的方法。当把一个电场横跨施加于该周期结 构时，通过电光效应形成一个Bragg光栅，反射具有在一个中心波长左 右的特定带宽的光辐射。可以单独使用该光栅，或是与其它光栅组合使 用，以在铁电晶体中形成集成结构。特别的兴趣是一种利用一种集成结 构的方法，在该集成结构中一个或多个光波导与一个或多个周期性结构 相互作用，以形成一个波长选择集成光调制器，切换器，或反馈元件。

通过结合附图参考以下详细的说明将对本发明有更清楚的理解。

图1是一个根据现有技术的带有叉指式电极的调制器；

图2是根据本发明的用于与体光束相互作用的可切换光栅的一种 一般化的实施例；

图3是一个利用可切换光栅的一种波导反向反射器的实施例；

图4是一个用于具有三个设置在晶体的相同表面上的电极的反向 反射装置的电极构造的实施例；

图5是一个用于同样装置的电极构造的实施例，其中在晶体的相同 表面上设置着两个电极；

图6是一个用于同样装置的电极构造的实施例，其中具有锥形间隔 的三个电极设置在晶体的相同表面上；

图7是一个极化的交叉波导耦合器的T-形实施例；

图8是一个极化的交叉波导耦合器的X-形实施例；

图9是一个极化的波导输出耦合器的实施例，输出到波导平面之 外；

图10是一个平行波导极化定向耦合器的实施例；

图11是显示了替代的输入和输出波型分布的X交叉波导耦合器的 顶视图；

图12是一个具有用锥形电极间隙激励的锥形耦合区几何形状的X 交叉波导耦合器的实施例；

图13是一个具有一般化的耦合区几何形状和电极图形的X交叉波 导耦合器的实施例；

图14是一个可调谐频率极化电光反向反射器的块型光学实施例；

图15是一个可调谐频率极化电光反向反射器的波导实施例；

图16是具有电光镀层和极化光栅和镀层的单独激励的可调谐频率 电光反向反射器的块型光学实施例；

图17是一个倍频极化的电光反向反射器的波导实施例；

图18是一个相移极化光栅的说明图；

图19是一个多周期光栅反射器的实施例；

图20是一个具有多周期性和不同自由频谱范围的两种装置的频率 响应曲线的说明图；

图21是一个双光栅可调谐反射器的实施例；

图22是一个由具有可调节光路长度的双光栅构成的集成校准器的 示意说明图；

图23是一个带有移相器的双光栅可切换Y形接头的实施例；

图24是一个极化波导模式变换器的实施例；

图25是一个使用波导模式变换器的波导路由器的实施例；

图26是一个可切换的平行波导谐振器的实施例；

图27是一个三臂波导校准器的实施例；

图28是一个环形波导校准器的实施例；

图29A是一个具有可控极化中间结构的调制器/衰减器的实施例；

图29B是一个可调节透镜结构的实施例；

图30是一个具有可切换极化波导短截段的极化的全内反射 (TIR)波导切换器的实施例；

图31是一个双TIR波导切换器的实施例；

图32是一个具有可切换非极化波导短截段的TIR电切换波束导向 器的实施例；

图33是一个不带TIR的二位置极化波导路由器的实施例；

图34是一个具有50％切换器组装密度的极化的TIR切换器阵列的 实施例；

图35是一个具有100％切换器密度的极化的TIR切换器阵列的实施 例；

图36是一个用于具有永久调谐反射镜和不对称损耗交叉区的高密 度组装结构的双波导结构的实施例；

图37是一个具有TIR切换器的可切换波导阵列的实施例；

图38是一个具有光栅切换器的可切换波导阵列的实施例；

图39A是一个带有系统控制线的m×m通信转接阵列的实施例；

图39B是一个具有WDM能力的3×3转接阵列的实施例；

图40是一个带有像素元件的二维转接阵列的实施例；

图41是一个带有耦合于数据轨迹的像素元件的一维转接阵列的实 施例；

图42是一个利用可选择光栅反射器部分和一个检测器阵列的可切 换光谱分析仪的实施例；

图43是一个极化的声多层干涉仪结构的示意图；

图44是一个极化的声换能器的实施例；

图45是一个多频光波的可调谐相干检波器的实施例；

图46是一个利用单极化区的低损耗可切换波导分束器的实施例；

图47是一个利用多极化区的低损耗可切换波导分束器的实施例；

图48是一个用于1×3波导分束器的关键设计要素的示意图；

图49是一个显示为可调节相控阵调制器的活性波导装置的多层堆 栈；

图50是一个现有技术的可调节波导衰减器的实施例；

图51是一个多极化段可调节波导衰减器的实施例；

图52是一个带有利用角度展宽极化光栅展宽的频带的结构的实施 例；

图53是一个具有利用曲线波导展宽的频带的结构的实施例；

图54是一个可电控极化透镜的实施例。

参考图2，图2显示了本发明的装置11的一般化的实施例，它是 一个图形化极化的介电装置。这个装置基本上是一个可电控的堆栈式介 电光能变向器，或更简捷地讲，是一个可电切换的反射镜。在一个优选 的实施例中，本发明是一个在铌酸锂铁电晶体20中的块状光反射器， 电控的切换元件是一个极化的光栅22，它是由36和38两种类型的交 替排列的极化的畴组成的。

一个畴——它可以是任何形状或尺寸的——是一个其中某些材料 特性是近似不变的物理区域。一个极化的畴是一种材料中的一个区域， 其中分子团具有一种方向性，并且这些分子团基本上对准(或部分地对 准)，或近似对准一个被称为极化方向的方向。有许多类型的畴，它们 包括：在不同方向上对准的原子结构的畴，具有各种像非线性活性或电 光系数之类的改变的参数的对准的分子或原子结构的畴，具有非优先定 向的原子结构的畴，由不同电极激活的区域，就像用局部电极极化的聚 合物和熔融二氧化硅情况下发生的在整个区域上极化方向系统地改变 的极化区域所限定的畴，随机定向分子的畴，和扩大范围的，随机畴结 构：在畴内随机极化的子畴的畴。一个极化结构是各个单独的畴的集 合。图形化的极化的区域是材料中的一种区域，其中区域内的畴被按照 空间图形极化为不止一种畴类型。根据极化方法的性质，极化后的图形 与极化工艺过程中使用的施加的图形之间可能存在着系统偏差。图形的 边界也可能有些不规则，并且可能不完全与施加的图形相同，特别是如 果极化加工没有完全处于控制之下时。由于使用电场来控制装置，所以 把该装置作为一种图形化的极化介电质加以说明，因此材料必须是介电 的，以便能经受所需的电场而不会损坏。典型的极化过程也是用一个材 料必须能够承受的电场来完成的。一般地讲，我们用介电的来表示材料 对使用中所需最小电场的承受能力。

在操作中，输入光束40沿一个光轴入射到晶体上并穿过晶体。光 轴垂直于光束的相前，并且是由传播中的光束在波阵面上的亮度分布的 平均位置确定的。光轴在均匀材料中是直线，但在包括曲线型波导管， 非均匀介质等几种情况中，以及在反射或衍射结构中可能弯曲。输入光 束40最好在整个晶体长度上有足够小的光斑尺寸21，使得它不会被晶 体穿孔，造成不希望的功率损耗和波型变换。在如图2所示的块状相互 作用装置中，畴36和38必须穿透基片20足够的距离，使得它们可以 至少与输入光束40的一部分相互交叠。光栅22相对于输入光束40横 向设置。这表示光栅22的平面34横向于输入光束40的轴线。我们说 两根线(或一根线和一个平面，或两个平面)是相互横向的意思是它们 不平行。由于光栅横向于光束40，光束至少穿过光栅22的结构的一部 分。

光束40是从一个光频源(未示出)产生的，并具有一种波长使得 该光束基本上不被晶体吸收，并且使得光折射效应不会使光束显著的变 形。光频源装置可以包括一个或更多的能够提供光栅反射器22接受范 围内波长的足够的亮度以产生一个有用的切换输出光束44的光激励 器。输出光束可以被耦合到同一个基片上的其它元件中，或可以把它耦 合到外部装置中，在这种情况下，光束从中穿出的输出表面最好是镀有 抗反射涂层。抗反射涂层可以是多层介电涂层，具有十分合适的折射率 材料的单一四分之一波长涂层，或溶胶-凝胶涂层。激励器可以是任何 光源，包括激光器，发光二极管，弧光灯，放电灯，或甚至白炽灯，只 要能达到适当的频谱亮度就行。适当的频谱亮度可以由一个或更多的激 励器直接提供，从一个或更多的频率变换(倍频的，混频的，或参量放 大的)激励器间接提供，或是由上述几种激励器组合提供。吸收效应把 波长限制在大约400至4000nm的范围。光折射现象的效果随构造，波 长，掺杂物，和极化结构的改变而改变，这里我们假设它处于控制之下， 因而任何光束的变形都处于可接受的限度之内。

光栅22是由交替排列的两种类型的畴的边界34形成或限定的。第 一种类型的畴36具有与第二种类型畴38不同的电光(E-O)系数，因 此施加在电极24和26之间的均匀电场导致了在两种类型的畴中的折射 率的不同的变化。由于折射率改变波的相速，因此在不同的折射率或相 速的区域中存在着阻抗失配。在材料中区域36具有相对于其它畴类型 38和原始晶片20的极化方向相反的指向，如极化方向箭头39，41所 示，有助于使材料达到这种折射率变化的目的。我们用相反的指向表示 与一些参考方向相反的极化方向。(一种可用电场控制光栅的替代方法 是在幅照掩蔽聚合物膜中实现的，在区域36之内或之外该聚合物膜的 E-O系数被破坏了。)施加于结构22的均匀电场产生了一个调制折射 率。折射率调制的图形添加到预先存在的折射率分布上；最简单的构造 在没有施加电场时没有折射率调制，并且线性地响应施加的电场产生折 射率光栅。光栅22的一个周期48是两个畴边界之间的距离，完全地包 括了一个相应于每一种畴类型的一个区域。

一种实现折射率光栅的替代方法是用向极化区域施加应力场获得 的。材料的光弹性响应在不同的极化区产生不同的折射率变化。例如可 以通过在高温下在基片的顶面上铺设一层薄膜，然后冷却到室温的方法 施加永久的应力场。例如，可以通过蚀刻掉一条薄膜造成应力集中。

极化的的元件36和38交替地排满整个光栅22，它们之间没有间 隔。如果可用额外类型的畴，利用由不同类型畴的可变距离间隔的畴可 以形成更为复杂的交替排列图形。对于一些应用，光栅22如图2中所 示是一种均匀周期性的光栅，使得在包含在沿光栅22的长度方向的一 个周期中的畴类型在其它的周期中重现。对于另外的应用，这有助于改 变周期以获得例如多个频谱峰值或更宽的频谱带宽这样的优点。我们用 光栅一词表示包括所有可能种类的几何形状和周期性的可识别的结构 的阵列。

周期性折射率光栅可以在光束之间的相互作用中提供虚光子。这表 明光栅结构可以为相互作用提供动量，但不是能量。为了进行相互作 用，必须保存能量和动量，当需要增加动量以同时满足这两种保存关系 时，光栅是有用的。光栅的周期性确定了可用于相互作用的动量。光栅 的强度决定了虚光子束的“亮度”。光束穿过光栅截面中的周期的数量 确定了可用虚光子动量的带宽。由于带宽的限制，相互作用仅在光频率 的一个特定频谱范围(或多个频谱范围)内进行。因此光栅装置本身具 有频率选择性，并且一般在一个标称波长附近操作。

例如，在如图2所示的以一定角度简单反射的过程中，输入光束 40的光子具有与输出光束44和42的光子相同的光频率，因而观察到能 量保存。但是，输入光束40和改变了方向的输出光束44中的光子的动 量不同；为了产生反射过程，光栅22必须提供动量的变化，如与图2 相关的矢量图43中所示的那样。光栅22为相互作用提供虚(有动量但 没有能量)光子，以便能够保存动量。与ith波型相关的动量矢量，ki＝2 πni/λi，等于2π乘以该波型的有效折射率ni的积除以那个波的波长 λi，并且它指向传播的方向。动量矢量的量值也称为传播常数。在单 一周期光栅的情况中，动量矢量k1＝2π/Λ的指向垂直于光栅表面，并 且它可以具有任何存在于光栅的傅里叶变换中的波长值Λ。因此与50％ 负载循环光栅的传播常数k1相关的光间隔(光栅线和间隔的宽度)是Λ /2。也可以通过调节，例如，光束的反射率，或用热膨胀法或其它方法 改变光栅周期的手段来调谐相互作用的频率。根据如何使用一个给定的 装置，一个折射率结构可以有一个可以用于相互作用的波长和矢量方向 的频谱。也可以把多虚光子用于所谓“较高阶”光栅相互作用中的相互 作用。  “较高阶”光栅是一种具有一个与被一个整数所除的动量保存所 需的周期有关的周期的光栅。所需的动量虚光子是从“较高阶”光栅的 谐波获得的。可以通过该方法保存的动量的条件一般被称为Bragg条 件，因此本发明的光栅是Bragg光栅，在光栅上的入射角是用于带内或 谐振频率分量的Bragg角。对于任何能量束相互作用这种能量和动量的 双重保存都是必须的，无论该能量束是光束，微波束，声波束，还是任 何其它的包括随时间变化而变化的能量场的波类能量形式。只有光栅的 使用可以改变，以产生用于不同能量形式的阻抗调制，使得结构的图形 可以与波类能量形式耦合。

在图2中，折射率光栅起选频光能路由器或反射器的作用。一个在 相互作用带宽内的(能够与一个或多个虚光子相互作用的)特性频率的 波束被称为带内波束，其它频率的能量束被称为带外波束。光栅22具 有一个相当于作为光频率的函数的光栅的反射效率的最大值的一半的 全部宽度的带宽。当折射率光栅存在时(光栅“导通”)，具有在光栅 的带宽之内的光频率的光束以围绕光栅结构的法线47的角46从光栅反 射。带外光束沿着与输入光束相同的光轴，并且以输入光束相同的方向 通过晶体透射，形成部分透射输出光束42。一个施加于包括光栅的 区域中的电场控制折射率调制的强度(也可以将其想象为虚光子的强 度)，调节透射的输出光束42和反射的输出光束44中的功率的比率。

对于一个弱反向反射光栅(它没有全部耗尽输入光束)，全宽一半 最大带宽Δλ由下式给出： $\mathrm{\Delta \lambda }=\frac{{\lambda }^2}{2.24\mathrm{nL}}------\left(1\right)$

其中：

λ＝输入光束的真空波长。

n＝光束的折射率，和

L＝光栅的长度。

对于高反射光栅，有效长度小于光栅的总长度，因而加大了带宽。

在施加电场之前两种类型的畴可以显示出折射率差。在这种情况 下，一个永久折射率光栅伴随极化可切换折射率光栅同时存在。当施加 电场时，根据极性，折射率的净调制(光栅强度)可能增加或减少。在 一个施加电场的特定值则产生“光栅切断(grating off)”的情况(折 射率光栅值接近零)。接着可以通过施加任何其它场强“导通”光栅。 如果反转施加电场的极性，例如，将产生一个两倍于原始永久光栅强度 的折射率光栅。

本发明的极化光栅结构比现有技术有两个主要的优点。首先，极化 畴结构可以具有很清晰的边界，为虚光子动量提供了一个强傅里叶系 数，其数倍于对应基本光栅周期的动量。这在由于要求的小的外形尺寸 而不能进行光刻的场合是十分有用的。其次，即使是在与光栅周期相比 光波形尺寸较大的情况下也能产生强折射率调制光栅。这在用图形化电 极激励的均匀极化基片中是不可能的，因为随着离开电极阵列平面距离 的增加电场调制成指数地减弱，当距离等于光栅周期时失去了绝大部分 的调制。极化方法可以产生具有非常大的高宽比的极化外形，或极大的 畴深度与宽度的比率。利用电场极化技术，已经取得了超过250∶1的高 宽比。由于我们使用基本上均匀的电极，我们取得了良好的静电穿透 性；由于具有深的畴壁，可以对整个光束进行良好的调制。

光栅也可以是一种二维折射率变化阵列，在这种情况下光栅具有两 个方向上的周期性。因此光栅提供的虚光子可以提供两个方向的动量。 这可以用在，例如，从一个单一的光栅输出几个光束。

在本优选实施例中，铁电晶体是一种市售的Z-切割铌酸锂单晶片。 根据极化方法和希望的极化畴方向，也可以使用包括X-，Y-和角度-切割 在内的其它切割方式。制造步骤包括初始极化和电极制造。在处理之前 先清洁晶体(例如用氧等离子灰化)，以除去来自抛光和搬运过程的所 有碳氢化合物和其它污染物。为了控制极化，使用了掩模和处理电极， 以建立一个晶片的表面的和穿过晶片的施加电场的图形，如1994年5 月9日申请的第08/239,799号美国专利申请中所述的那样。在施加极化 电场的过程中，调节极化图形以在区域36中产生极化畴反转。简单地 讲，在晶片20的+Z表面23上沉积一层几微米厚的二氧化硅。把希望 畴反转的区域36上的二氧化硅膜减薄或除去，利用一种液体电极或沉 积的金属膜，以便在图形化的二氧化硅上产生一个良好的等位面，然后 施加一个超过大约24kV/mm的电场，并使+Z表面23的电位高于-Z表 面25的电位。使用这种技术，已经使铌酸锂的铁电晶体极化，产生了 具有相反极性(畴反转)的两种类型的畴的图形。两种类型畴的电光系 数的量值是相同的，尽管它们具有相反的极性。

除了本优选技术之外，利用向内扩散法，离子交换法，和交替电场 极化技术也在铁电材料中获得了畴反转。已经做到利用钛通过热增强向 内扩散技术在铌酸锂中形成畴。反转区的三角形限制了小尺寸畴的相互 作用效率，但是可以主要用在长周期的波导装置中。在含有铷和钡离子 的盐浴中显示了通过离子交换在KTP中的图形极化，其中晶体中的钾 离子被铷离子替换。利用交替磁场技术的磁场极化是优选的方法，其也 在铌酸锂和钽酸锂中都显示了成功的经验。包括KTP和钛酸钡在内的 所有的固体铁电材料都可以用电场畴反转技术极化。(所谓固体表示可 以在一定的时间阶段中保持其结构，例如冷却的流体，玻璃，交联聚合 物等。)

用不同的技术产生具有不同特性的光栅。电场极化使晶体中的畴对 齐，而不会对折射率造成本质的改变，但离子交换和扩散技术的确在极 化区中造成了折射率的变化。当使用后面这些技术时永久折射率光栅伴 随可切换极化光栅同时存在。

一般地讲，有两种不同类型的畴，至少第一种类型的畴被极化。尽 管只需要两种类型的畴，但利用额外类型的畴可以制造更为复杂的可切 换光栅结构。可以把第二种畴类型反向极化，不极化，或以其它角度极 化，并且通过其拥有的特殊电活性系数(例如，电光或压光系数)把它 区别出来。例如，在一些应用中，可以用较低的成本从未极化的铌酸锂 晶片制造装置，在这种情况中基片晶片包括多个随机定向的畴。极化的 畴会有均匀的方向性，而其它畴中的方向性则是随机的。根据装置的类 型，随机图形的细节将会影响装置的性能。作为另一个例子，第二类型 畴可以垂直第一类型定向或以另外的角度定向，电响应中的差别仍能产 生有用的电控结构。也可以在一种事先未经极化的并且在分子级别上随 机定向的材料中，例如在熔融的二氧化硅或聚合物中，形成极化畴。极 化过程使材料结构定向以形成第一畴类型，而第二畴类型是由材料中的 未极化的或随机定向的区域构成的。

在一个替代技术中，可以通过有选择地改变或破坏相当于第二畴类 型的区域中的电活性系数来形成极化结构。不需要改变这些区域中的原 子结构的定位方向：如果在第二畴区域中改变电活性，畴就不相同了。 例如在非线性聚合物中，可以用辐照使电光系数失效，而在辐照屏蔽区 产生电活性区域。在铌酸锂中也显示了相同的效果，其中质子交换破坏 了非线性系数。也可以在许多其它材料中——包括KTP和钽酸锂这类 的大多数非线性材料——用光辐照，电子轰击，和/或离子轰击技术达到 改变电光系数的目的。

铌酸锂中，沿晶体的z轴施加的电场E3引起非寻常折射率δne的 改变，δne用下式给出： $\delta n_e=\frac{r_{33}{E}_3{n}_e^3}{2}------\left(2\right)$

其中r33是适当的电光非线性光系数。由于r33是铌酸锂中最大的非 线性常数，在实际装置中最好利用非寻常折射率的变化。(由于施加电 场E3而在寻常折射率中产生变化的非线性常数r13是一个比r33小的系 数3.6。)为了利用在非寻常折射率中的变化，光波必须沿材料的z轴 偏振。在一个Z-切割晶体中，这个偏振被称为TM。(在TE偏振中， 电向量位于晶体表面的平面上。另外仅有的重要非线性系数是r15，其 在施加电场E1或E2时耦合TE和TM波。)

由于在极化结构中引起的折射率变化相当小(沿铌酸锂基片的z轴 施加的10V/μm的电场，折射率的变化δne仅为1.6×10-3)，图2中 的光栅反射器有很强的角度依赖性。弱折射率改变的Brewster角度是45 °，因此当光栅的平面与光束相前的夹角为45°时，光栅将完全透射 任何TE偏振波。因此，可以把装置用作偏振器。反射的光束将总是在 45°入射角被偏振。如果TM波的反射系数高时，(可以安排足够的光 栅周期和高的施加电场提高反射系数)，偏振器的消光比在前进方向上 也可以非常高。当然，在垂直入射时，两次偏振之间的反射由于这种效 应而没有区别(尽管由于其它效应是存在区别的，例如，如上所述的不 同的电光系数)。操作在掠入射的全内反射装置远离Brewster角，并且 由于这种效应在反射上仅有很小的差别。

晶片材料可以是任何可极化固体介电材料的，包括铁电材料，聚合 物薄膜材料，以及一些非晶材料，例如像熔融二氧化硅之类的也可以被 极化而产生许多根据本发明的有用的装置。极化的材料也可以是淀积在 一种第二材料的基片上的薄膜。已经把许多中可极化薄膜成功地淀积在 基片上，例如熔融二氧化硅，铌酸锂，铌酸钾，钛酸钡，氧化锌，II- VI材料，以及各种不同的聚合物等。使用过许多种基片，包括MgO， 硅，砷化镓，铌酸锂，以及包括石英和熔融二氧化硅在内的各种玻璃。 对于可电切换的畴而言，它们必须由电光材料组成，这种材料有由施加 电场引起的折射率变化。

在极化步骤之后，最好除去液态电极和二氧化硅掩蔽薄膜。再参考 图2，第一电极24和第二电极26面对介电材料，以便提供一种器件， 用以产生控制光栅的电场。(面对一个材料意指其位置靠近材料但不必 接触到，几乎对齐材料的表面但不必有一个固定的间隙尺寸，并且包括 放置在材料顶部的各种尺寸的额外材料的情况。)由导电材料组成的电 极24和26最好利用标准的淀积技术以空间间隔的方式敷设在晶体的相 反表面。即使表面作为较大的几何体的一部分可能是弯曲的和/或不平行 的，也称这些电极是在相反的平面上。这些电极可以是由能够提供足够 的电荷传递的任何材料形成，以便达到适当的场强，因而能在与施加时 间一致的时间中激发极化的光栅。例如，电极可以是由铝，金，钛，铬 等金属材料，导电漆，环氧树脂，半导体材料，或铟和锡氧化物之类的 透光材料，以及盐溶液之类的液体导体选择组成的。它们也可以面对表 面23和25，并带有由空气，透光缓冲层，和/或其它材料填充的间隙。 仅需要一个电极，因为可以在这个电极和任何电位参比物——例如一个 外部接地平面，一个第二电极，或多个电极——之间建立一个电位电压 差。由于向电极施加的电压建立了一个由电极决定的电场图形，所以电 极是电场建立器件。当然也需要电压和电流源。电极的设置方式使得控 制电场是通过本发明的有效体积施加的，其可由一个图形极化区域或一 个光栅构成的。

在金属电极的场合，最好结合一个淀积在电极下方的涂层，以降低 光损耗，光损耗是在引导波型的一部分延伸到金属电极时发生的。在多 个电极安装在同一表面的场合，涂层应当足够薄，以维持高电场，但要 足够的厚，以降低光损耗。也可以在电极上方使用另一个涂层，以减少 击穿的可能性。

一个电压控制源32(或一个电位源)提供电位，以经过连接线30 驱动电极激活光栅。被激活的电极根据施加电压的极性被彼此相对极 化。电压源的电压产生一个通过极化区域的足够大的电场，以将相当大 量的光切换到被切换输出的光束44。电压源的电压是可变化的，以便 提供一个装置来控制两个输出光束中的功率比。实际上，如果电场足够 高，可以用一个长的光栅反射所有输入光束，形成了一个电激活的反射 镜。对于较低的电场来说，光栅形成了一个部分反射器。电压控制源可 以是一个电池，一个电变压器，一个气体驱动的发电机，或任何其它类 型的电流和电位的可控制源。控制装置32也可以含有一个产生时变电 压的控制器，并且提供电流以便以应用所需的频率改变电极24和26上 的电压。控制装置32也可以有可以控制多个装置的多个输出，并且其 可以根据某些图形临时排序。源32可以有由计算机或其它仪器输入的， 用于手工或电子控制其功能的控制输入。

为了避免不必要的重复，应当理解参考图2表述的各种变化适用于 以下表述的实施例，而参考以下附图表述的各种变化也适用于图2。

现在参考图3，其显示了本发明的波导实施例。特定地讲，本实施 例是一个电控，选频波导反向反射器。本装置中的所有光束由一个光波 导64限定在二维中，其穿过形成装置61的基片60的可极化介电材料 的一个表面。

一个波导是尽管存在衍射效应仍可以允许波通过其长度传播，并且 可弯曲的任何结构。一个光波导是由具有一个相对于周围介质增大的折 射率的延伸区域限定的。波的引导或限制的强度取决于波长，折射率差 异，和引导宽度。较强的限制通常导致较窄的波型。波导可以支持多个 光波型或仅支持单一波型，这取决于限制的强度。通常，一种光波型是 由其电磁场二维几何形状，其偏振状态，和其波长区分的。在一个双折 射材料中的波导或不对称波导的偏振状态是典型的线性偏振。但是，通 常的偏振状态可以包含不平行偏振分量，以及椭圆和非偏振分量，特别 是在波具有大的带宽时。如果折射率差足够小(例如，Δn＝0.003) 并且波导管足够窄(例如，W＝4μm)，那么波导将仅限制某一波长 范围中的单一横向波型(最低阶波型)。如果波导设置在一个基片的表 面，使得波导的上下存在折射率的不对称，在折射率差或波导宽度中存 在一个截止值，在其之下没有波型的限制。一个波导可以设置在基片中 (例如，用向内扩散)，在基片之上(例如，通过蚀刻掉周围的区域， 或通过施加一个涂层并蚀刻掉除了限定波导的条带的所有部分)，在基 片内(例如，通过把几个处理过的基片结合或粘合在一起)。在所有场 合中，我们所说的波导穿过基片。在波导中传播的光波型有一个横向的 尺寸，其与所有的限制参数有关，不仅仅是波导宽度。

基片最好是铌酸锂单晶，形成有两个相反的，由晶片厚度隔开的表 面63和65的芯片。两个相反表面不需要是平行的，或是平坦的。波导 最好是由现有的技术制造的，例如在表面63进行退火质子交换 (APE)。作为替代，可以用离子，而不是质子，向内离散到或离子 交换到基片材料中。APT波导加大晶体非寻常折射率，形成了用于沿z- 轴偏振光的波导。对于Z-切割晶体，这相当于TM偏振波型。由替代技 术形成的波导，例如将钛向内扩散到铌酸锂中，可以支持TM和TE偏 振。

最好把波导设计为仅支持一个单一最低阶横向波型，以消除与较高 阶波型有关的复杂性。较高阶横向波型有不同于最低阶波型的传播常 数，和较高的散射损耗，这在某些应用中可能造成问题。但是，多波模 波导对于某些应用可能是较好的，例如对于高功率传播。

一种替代的构造是借助施加压力，而不是直接施加电场来激励光 栅。施加压力的效果是间接地相同的：凭借压电效应，施加的应力产生 一个电场，电场接着又改变畴的折射率。但是，例如如果以机械方式压 缩结构，则不需要施加保持能量来维持应力。这种替代方法像这里所述 的其它方法一样，也适用于以下所述的其它类似的本发明的实现方法。

一旦确定了波导的尺寸，则可以产生用于波导的光掩模，并用许多 已知的光刻加工技术中的一种把图形转移到基片上的掩模材料。掩模材 料可以是SiO2，钽或其它金属，或其它耐酸材料。为了制造一个APE 波导，把掩蔽的基片材料浸在融化的苯甲酸中，以从酸中交换晶体中锂 离子所用的质子。然后可以把所得的阶越折射率波导在300℃左右退火 数小时，以使质子更深地扩散到晶体中，并产生一种具有高电活性系数 的低损耗波导。

除了向内扩散和离子交换二维波导以外，也可以形成平面和二维脊 形或有条纹的波导。可以通过在低折射率的基片上淀积电活性材料来形 成平面波导。用于波导制造的淀积技术是已知的，其包括液相外延 (LPE)分子束外延(MBE)，火焰水解，旋转，和溅射。脊形波导 可以从这些平面波导加工而成，使用加工方法有，例如，举升(lift- off)，湿蚀刻，或例如反应离子蚀刻(RIE)这样的干蚀刻。平面波 导也可以在本发明中使用，特别用在利用可变衍射离开光栅的装置中。

在本实施例中的光栅62垂直于光波导64设置，而光波导穿过基 片。光栅是由一个类型畴66和一个第二类型畴68构成的，其不必延伸 过基片。例如，当使用向内扩散或离子交换极化活性材料时，反转畴66 一般延伸到材料中的一个有限的深度。当利用离子轰击或UV辐照破坏 材料的活性(或降低电光活性)来达成极化时，也可以形成部分畴。

输入的光束80入射到波导上，并且被耦合到波导中。耦合是指功 率从一个区域跨过某种一般化的边界——例如跨过一个界面——到另 一个区域的传递过程，或是在两个平行或有角度的波导之间，或是在一 个平面波导和一个条纹波导之间，或是在单模和多模波导之间，等等。 当光栅导通时，输入光束的一部分耦合回到一个向后反射的输出光束82 中。光栅的向后反射无需完全，即光栅可在相反方向几度角的范围内反 射，而波导捕获大多数光并形成一个完全向后反射的光束。向后反射的 不完全性造成向后反射的光束进入波导64时的耦合损失。当光栅切断 时(当控制电场被调节到“切断”位置，其中折射率光栅有几乎为零的 最小值，典型地是在零电场)，输入光束继续在相同的方向上传播通过 波导，以形成一个透射的输出光束84。在块型装置中，光栅的强度可 随电压源76变化，以控制两个输出光束中的功率比。

第一电极70和第二电极72面对介电材料60的相反表面。基片是 介电的，因为它可以承受施加的电场而不损坏，但只要电流不对装置的 性能造成不良影响，它不必是一种理想绝缘体。电极可以是由任何导电 材料形成的。必须有一种装置来利用第一电极结构建立一个穿过介电材 料的电场。

电极连接了形成光栅的第一种类型的极化结构的至少两个元件。这 表明电极产生的电场穿透到至少两个元件。因此，这些元件可以由电场 激活。两根导线74把电压控制源76连接于两个电极，以在由波导64 和极化结构62的交界处形成的区域中提供电场。导线可以是任何材料 形成的，而且可以有任何形状，其在操作频率有足够的导电性，以便可 以把电极充电至应用所需的程度。导线可以是圆形，扁平的，同轴电缆， 或集成的导引图形导体，而且它们可以是电阻，电容，半导体，或是漏 电介电体。

或者，电极可以安排成任何方式，只要是允许电场被横跨施加到电 活性材料上。例如，电极可以交替地设置在基片上的不同层中，而活性 材料设在电极之间。这种构造可以用低电压产生高电场，并且对可淀积 在电极材料上的非晶态活性材料，例如二氧化硅和一些聚合物，特别有 用。

极化结构62最好比波导深，使波导64与极化结构62之间的交界 处具有波导中的波型的横向尺寸和光栅的纵向尺寸。

图4，5和6显示了替代电极构造，其中电极装设在介电材料189 的共同平面上。因为共面电极构造允许低电压时有高电场，所以这些构 造对于本发明的使用波导180引导光束的实施例特别有用。由于电极靠 近穿过光栅的波导截面，这些电极结构对于光栅182的低电压控制有特 殊的意义。在图4所示的电极构造186中，第一电极170和第二电极172 在同一表面上面对介电材料。即使平面可能是较大的几何形状的弯曲部 分，这些电极也是称为在同一平面上。第一电极设置在包含几个光栅元 件的波导部分的上方，每个光栅元件是由一个第一类型畴184和一个第 二类型磁畴185的交替区域组成的。第二电极设置在第一电极的周围。 电极之间沿波导的距离在沿波导轴方向大约不变，以使沿波导轴有所需 的均匀电场。也可以改变电极间距以形成逐渐削弱的锥形场强，如图6 的装置188中所示。连接在如图4所示那样放置的两个电极之间的电压 源174可以在电极之间产生电场。电场矢量176的最大分量在电活性波 导的区域内垂直于材料表面。对于铌酸锂这样的铁电晶体，这种电场结 构激活最大的电光系数r33，建立用于TM偏振光束的折射率变化。对 于在铌酸锂中施加的10V/μm的电场和波长1.5μm的光束，第一阶 光栅的强度是40cm-1。

对于每一电极构造而言，需要有一种器件178把电极连接到电压源 上。为形成这种器件，把一个导电材料——例如导线——电气连接在装 置的电极的电位源的端子之间。在所有电极构造中，每个电极一般有一 个区，或垫片，或是接点以供电线接触。垫片最好有足够大的尺寸，以 减少电连接上的放置公差，便于结合。然后可以用，例如，超声波，加 热，或导电环氧树脂这样的导线结合技术把导线连接到垫片上。另一种 方法是，可以用一个受弹簧作用的导电体片直接接触电极，以实现所需 的与电压源的电气连接。在附图中，电极一般足够大，而且本身作为接 触垫片使用。

图5显示了共面电极结构的另一种实施例，其中第一电极171和第 二电极173设置在光波导的任一侧。当跨越如此放置的两个电极施加电 位时，电场矢量177的最大分量平行于基片表面。对于Z-切割铁电晶体， 建立用于TM偏振光波的折射率变化和施加电场的电光系数是r13。对 于在铌酸锂中的10V/m的施加电场和1.5μm波长的光束而言，第 一阶光栅耦合常数是12cm-1。

或者，对于TE波导而言，活性电光系数可以被切换以用于两种构 造。对电场矢量垂直于芯片表面的场合，适当的系数是r13，对于电场 矢量平行于芯片表面的场合，使用的电光系数是r33。同样的状况可用 于X-或Y-切割晶体，或中间切割晶体。

作为图5的构造的另一个变化，电极是不对称安排的，使得其中一 个电极几乎覆盖波导180，另一个电极则设置在侧面。在这种构造中， 在相邻电极的边缘下感应的强垂直电场占优势地穿过电极之一下方的 波导区。

在图6中，电极175和179与中央电极181隔开，形成锥形。当施 加跨越这些电极施加电压时，这种构造产生一个锥形的电场强度，强电 场向右而弱电场向左。“锥形”意指任何参数具有从一个值到另一个值 的一般化的空间变化，而没有特别指出该变化是线性的还是单调的；该 参数可以是间隙，宽度，密度，折射率，厚度，负载循环，等等。因此 在朝向波导180左面的极化畴中引起的折射率变化比朝向右面所引起的 折射率变化弱。这也许是有用的，例如，用于获得很窄带宽的全反射器， 在此需要延伸相互作用区的长度。在非垂直入射角装置中，如图7和图 8所示，该锥形可以用来将一个特定输入波型最佳地耦合到一个特定输 出波型中。

在所有电极构造中，施加的电压范围可以从一常数值到迅速变化的 信号或脉冲信号，并且可以在两个电极之间施加任意极性。适当选择电 压值以在给定的应用中避免突然损坏电活性材料和周围的材料。

当施加一个稳定电场通过铌酸锂这类材料时，在电极上积累的电荷 可能造成随时间增长的电场强度的直流漂移。不时地改变电压源的极性 可以消除这种变化，因而使电场强度又回到它的全值。如果平均时间之 间的电场接近于零，净电荷漂移也将趋近于零。对于漂移敏感的应用而 言，必须小心地降低材料的光折射敏感度，例如通过向内扩散MgO， 并且最好在没有直流场的情况下操作。

表面层有助于防止电场击穿和与电极的光接触损耗。由于光束在表 面上或表面附近传播，因此对于波导装置而言损耗是尤其重要的。这点 也适用于活性材料的极化，以及电光切换。在两个共面电极之间的电场 的最大矢量分量平行于材料表面。通过在波导区和电极之间淀积一个具 有高介电强度的透光材料层可以大大地减少击穿问题和光损耗问题。二 氧化硅是这种材料的一个好例子。由于两个电极之间表面上方及本身的 空气中也可能发生击穿，在电极的顶部也可以淀积一层类似的高介电强 度材料。

图7和图8显示了电控选频波导耦合器的两个实施例。在图7中， 一对二维波导穿过一个介电材料的一面，而且相互相交成一个角度118 形成一个T形结构，构成三通装置。由一个第一类型畴104和一个第二 类型畴102组成的光栅100处于两个波导相交区(由两个波导中的光波 型共同占据的体积)与之形成一个夹角。在相交区的峰值折射率变化最 好等于波导中的峰值折射率变化。如果T形结构的制造是在一个步骤中 完成的(借助向内扩散，离子交换，蚀.刻等)的话，即可完成上述情形。 在一种替代方法中是在后续的步骤中放置两个波导的，这对制造图8的 交叉波导是最方便的了，但是其在相交区域中的峰值折射率变化是波导 中的折射率变化的两倍，这是不需要的。通常，光栅的周期性和角度的 选择使得反射过程的相位匹配是由在光栅带宽内的虚光子动量完成 的。为了第一波导中的带内输入光束和第二波导108中的输出光束114 之间的最佳耦合，输入光束的入射角等于衍射离开光栅的角度。此时， 两个波导之间的角平分线垂直于波导平面中的光栅的畴边界。

一个光束112入射到第一波导106上，并且耦合到第一波导106 中。第一电极120和第二电极122设置在介电材料的同一表面，使得当 一个由导体126连接到两个电极上的电压源124接通时，在波导的相交 区域中建立了一个电场。电场凭借由电光效应控制相交区域中的光栅的 强度，把来自第一波导的带内光束耦合到第二波导中，以形成一个反射 的输出光束114。当切断光栅时，输入光束继续占优地向下传播到第一 波导段，在很小的损耗下形成透射的输出光束116。或者，在波导中 可以使用反向传播光束，使得输入光束进入第二波导108，并且通过与 光栅的相互作用被切换进入输出波导106。

在单波型系统中，光栅强度最好在空间中以非均匀方式分布，使得 进入波导106的最低阶高斯波耦合到波导108的最低阶高斯波。通过调 节电极的几何形状，调节电极间隙，和调节光栅的负载循环可以调制光 栅强度。也可以通过许多已知技术中的一种来提高光栅的带宽，例如线 性调频脉冲，相移，和使用多周期结构。

耦合区的尺寸是受限的，在图7和图8的几何形状中是受到波导之 间它们的波型重叠的相交区域的尺寸的限制。为了获得用于一个给定电 场强度的高净相互作用强度，有必要加大波导的尺寸，以产生一个较大 的相交区域。但是大的波导是多波型的，其对于一些应用可能是不合适 的。如果使用绝热膨胀和收缩，可同时获得大相交区域和单波型波导的 优点。输入波导106开始是一个窄波导，并且当逼近相交区域时在宽度 上绝热地增大。输出波导108在相交区域有大的宽度，以捕获大部分的 反射光，并且它在宽度上绝热地逐渐地减小到一个窄的波导。输入和/ 或输出波导的绝热逐渐缩小的观念可以使用于本文所述的许多相交区 域。

参考图8，两个波导136和138相交成角158，以造成X相交，形 成一个四通装置。这个装置是多功能的波导切换器，因为其同时产生两 个切换操作(光束142进入光束146和148，以及光束144进入光束148 和146)。由第一类型畴134和第二类型畴132组成的光栅130设置在 两个波导之间的相交区域中，与两个波导有一夹角。选择光栅的角度， 使得在波导的平面中两个波导之间的角的平分线垂直于光栅的边界。

第一输入光束142入射到第一波导136且耦合到波导136，第二输 入光束144耦合到第二波导138。第一电极150和第二电极152设置在 介电材料上，使得当连接在两个电极之间的电压源154导通时，在波导 的相交区域建立一个电场。通过电光效应电场控制在相交区域中的折射 率光栅的强度。当光栅导通时，第一输入光束的带内分量的一部分从第 一波导耦合到第二波导中，以形成一个第一输出光束146。与此同时， 来自第二波导的第二输入光束的带内分量的一部分耦合到第一波导 中，以形成一个第二输出光束148。此外，两个光束的带外分量，和带 内光束的任何未切换的分量继续往下在它们各自的波导中传播，以形成 适当输出光束的额外部分。因此，对于多光频分量的两个光束而言，在 两个输出光束中的单频分量可以在两个输出光束中切换。

波导可仅为一段，此时它被连接到位于基片外部或是与同一基片制 成一体的其它光元件上。例如，波导段可连接到泵激光器，光纤，交叉 波导，其它可切换光栅，反射镜器件，和其它元件上。一个交叉波导切 换器阵列应包含一个光切换网络。

在图9中，波导耦合开关的另一个实施例。光栅的畴壁现在是设置 为不垂直于晶体158的表面157，使得波导160中的输入光束159被反 射出晶体平面之外，以形成一个反射输出光束161。如同以前一样，未 反射的光束继续经由波导传播，以形成一个透射的输出光束162。一 个透光第一电极——它可以是由铟锡氧化物构成的——放置在介电材 料158的一个表面上，并且在光栅跨越波导的部分的上方。一个第二电 极结构164——其可以有对光的吸收性——放置在材料上。如本文中所 述，第二电极安排为许多可选择构造中的任何一种：如图7所示安排在 第一电极周围，如图2所示安排在材料158相反侧，如图6所示锥形构 造。两个电极由两根导线156连接到一个电压源154上，其控制透射 光束162和反射光束161之间的带内光束的功率分配比率。或者，电极 构造可以像图5所示的那样，此时两个电极都是不透明的。

再参考图9，畴壁最好由铁电晶体的电场极化所形成，而铁电晶体 是与z-轴165成一个角度切割的。由于电场极化畴优先向下通过z轴， 用这种技术极化一个角度切割的晶体导致边界平行于z轴，且与平面所 夹角度相同。晶体切割角度166最好为45°，使晶体平面中的光的传 播可以反射出垂直于材料表面的基片之外(任何角度均可使用)。图9 所示的畴是平面，但可以构造为更一般的结构。平面光栅将从一个平的 输入相前产生一个平的输出相前。如果将所示装置作为一个没有波导的 大型反射器，一个准直输入光束将产生一个准直输出光束。这种装置作 为块型反射器是有用的，例如如果光束是从装置外侧入射的，或如果波 导在装置的一端，并且波导的端部和极化的反射器之间有一段距离。然 而，由于在某些场合中应用要求聚焦——例如从光盘读取数据，因此最 好可以从一个准直的光束产生一个弯曲的输出相前。通过图形化，在图 9所示的基片的上表面上形成一组弯曲的畴，由于畴反转优先沿z轴传 播，所以可以把一组弯曲畴极化到材料的主体中。因此，当被一个电场 激发时，可以形成一组下凹(或上凸)的畴以建立一个圆柱形的透镜。 用同样的方法可以形成楔形的以及更为复杂与表面相交成一个角度的 立体结构。

在一种替代的方法中，如果极化技术使畴边界与z-轴成一个角度传 播时，可以用Z-切割晶体作为基片。例如，将钛(Ti)向内扩散到铌 酸锂的Z-切割晶体中产生可用于把光束反射出晶体表面的三角畴。由向 内扩散形成的相对于表面的畴的角度一般为大约30°，使得入射的光 栅的输入光束将被以大约与晶体表面成60°的角度反射出表面。然后， 可以用一个棱镜引出输出光束，或是在从顶表面全内反射后从后表面 (其可以抛光成一个角度)输出。

所示的电极结构激发一个E3分量，以及一个E1或一个E2分量。一 个TM偏振输入波经历一个折射率变化，这个折射率变化是非寻常和寻 常折射率变化达到组合。

在图10中，显示了一个可切换波导定向耦合器的实施例。一个第 一波导204实际上在一定长度上平行于一个第二波导206。由于光束彼 此靠近传播且在相似方向，它们的中心轴被移动了。中心轴永远不会共 轴，使得波导不会相交。但是，波导段在由耦合器长度限定的位置相当 靠近，使得两个波导的光波型的横向分布或多或少地重合。因此两个波 型的传播至少是逐渐消失地耦合(意思是折射率尾部重合)。波型场的 逐渐消失部分是在波导的高折射率区域外的指数地衰减部分。与两个波 导的每个的波型相关的传播常数是由传播方向的方程式k＝2πneff/λ确 定的。有效折射率neff是光在真空中的速度与传播的群速度的比，其根 据波导中的波型而变化。neff的值是由波型分布与被引导的波结构的重 叠决定的。

两个波导的宽度最好不同，因此两个波导中的波型的传播常数也不 同，使得当光栅切断时，波型之间的耦合不是相位匹配的。(两个波导 的折射分布折射率也可调节，以产生不同传播常数。)当光栅切断时， 任何在第一波导中的输入光束210将在波导中继续传播，以形成一个输 出第一波导204的输出光束214。当光栅导通时，光栅补偿两个波导的 传播常数的差，使得两个波型间的耦合成为相位匹配，并把一个带内输 出光束212输出第二波导206。为了优化耦合，适当选择光栅周期Λ使 得两个波导中的传播常数等于光栅常数(在容许误差范围内)。两个波 导的传播常数可选择相等，使光栅切断时两个波导管之间发生耦合。在 这种情况下，导通光栅将降低两个波导之间的耦合。

光栅的强度决定耦合常数，其界定两个波导之间的耦合程度。沿两 个波导的交界区域的长度，功率在波导间以正弦波往返传播，使得耦合 首先从第一波导到第二波导，然后回到第一波导。在特定波导波型中在 最大功率的两个位置之间的距离是大家所熟知的耦合波导的脉动长度 (best length)。此脉动长度取决于光栅的强度。

一个第一电极220和一个第二电极222设置在材料表面，以便当在 两个电极之间施加电场时，建立越过光栅区202的电场。利用一个导电 材料224将一个电压源226连接于两个电极。通过施加到光栅的电压控 制光栅的强度，因而也控制了两个波导之间的脉动长度。

两个波导的传播常数非常依赖于波长。由于虚光子的动量基本上或 主导上是固定的(即，它是由在应用中不变化的参数确定的)，功率仅 在单一频率附近被传播到第二波导，而单一频率的频带宽度是由耦合区 域的长度决定的。根据光栅强度，带内输入光束的可调节部分作为耦合 的输出光束212输出第二波导，同时输入光束的带外部分作为透射的 输出光束214与带内光束的剩余的部分一同从第一波导输出。

两个波型之间的耦合可以几种方式电光控制，包括波型之间的耦合 强度，增加波型的重叠，或改变其中一个波导的有效折射率。上面所说 的电光控制耦合是优选的方法。为了使两个波导中的波型之间有效地耦 合，输入光束向前散射，这需要最小光栅周期。

或者，如上文结合图2所述，耦合光栅可为永久和可切换光栅的组 合。在此我们详述如何完成此目的。在形成所需的周期畴后，可以化学 蚀刻基片，以形成凹凸光栅，其周期与被极化结构完全相同。对于优选 的铌酸锂材料而言，蚀刻可以在没有进一步掩蔽的步骤下完成，因为不 同类型的畴蚀刻的速度不同。例如，氢氟酸(HF)对铌酸锂的-z畴的 蚀刻显著(＞100x)快于+z畴。因此，把z-切割晶体浸在50％的HF 溶液中，由第一类型的畴构成的区域被蚀刻，而由第二类型畴构成的区 域基本上保持未被蚀刻。这一步骤产生永久耦合光栅，其本身可用来在 两个波导之间产生耦合。在施加电极后，可以激励极化光栅以产生迭加 在蚀刻的基片的光栅上的折射光栅的附加折射率。可以控制蚀刻的深 度，使得永久蚀刻光栅引起的有效折射率改变可以被在电极以一种极性 激发时电光引起的光栅部分地或全部地抵偿，同时折射率光栅在另一种 偏振上倍增。因此产生一种推挽光栅，借此光栅可以在一种非激活状态 和一种强激活状态之间切换。

当蚀刻区被一种具有高电光系数和接近基片的折射率的电光材 料——例如聚合物或透光液晶——充满时，蚀刻的光栅也是有用的。被 充填的蚀刻区最好向下延伸到光束。当施加一个电压通过充填蚀刻区 时，充填材料的折射率也是在波导的其余部分的折射率附近变化。

或者，可以电光修改两个波导中的波型重叠。例如，两个波导之间 的区域的折射率可以提高。这降减小了对波导的限制，并扩展了各个波 型朝向彼此的空间量，加大了重叠。要实施此方法，可以相对于横向于 波导的基片的极性反向极化两个波导之间的区域。如果电极延伸跨越两 个波导以及它们的中间区域，一个施加的电压将增加波导之间区域的折 射率，同时减小两个波导中的折射率。波型限制减小的结果增大了两种 波型之间的重叠和耦合。必须小心不要在波导中引起不须要的反射或波 型耦合损耗，其会在极化区域的边缘发生。这些损耗可以降到最小，例 如使极化区或电极的几何形状成为锥形，使得波型变化沿波导绝热地发 生，以将反射降至最小。绝热变化意思是指与在有限速率下发生的平衡 维持过程相比之下的一个非常缓慢的变化。在这种场合下，其系指与能 量重新分配速率相比之下该变化很慢，能量重新分配是由于波导内的衍 射而产生的，并且维持波导中的光的波型特征。

改变两个波导之间的耦合的第三种方法是相对一个波导改变另一 个的有效折射率。因此，改变了波导的传播常数，这又改变了相位匹配 条件。此效应可以借助极化其中一个波导使得它的电光系数的符号与另 一个波导的相反而最大化。此时，耦合光栅可以是永久的或是可切换的 光栅。一个第一电极覆盖了两个波导以及它们之间的区域，而第二电极 可以设置在第一电极的两侧。一个施加于两个电极之间的电场造成一个 波导的传播常数增加，并使另一个的传播常数降低，因而使得两个传播 常数的差达到最大。光栅耦合过程在传播常数的差异为一特定值时有最 大效率。通过调谐施加的电压，可以根据需要调节相位匹配。此效应可 以用来建立一个波长可调谐的滤波器。

图10中显示的平行波导可以是不平行的，而且波导甚至可以不是 直的。例如，如果需要改变波导之间的空间相互作用强度，这个目的可 以通过调节波导之间的空间间隔而完成。当然，这些修改可应用于下面 所述的平行波导实施例。

参考图12和13，其显示了用于控制反射光束分布的交叉波导耦合 器的替代实施例。在每个实施例中，光栅覆盖的区域并未延伸完全跨越 两个波导的交界区。要了解这些光栅结构的动机请参阅图11。视其如 何构造，功率耦合结构282可以使它耦合到输出波导中的波型284的空 间分布扭曲。在空间上均匀的且均匀地完全覆盖两个以大夹角——例如 90°——设置的波导之间的相交区域280的功率耦合器将产生一个输 出光束分布，例如不对称分布286。当输入光束通过功率耦合结构或光 栅时，输入光束中的功率降低。在直角相交的场合，反射光束的近场分 布(near field profile)与输入光束中的单调降低的功率匹配。不对称分 布286的缺点在于单波型结构，其中仅有部分耦合的功率会留在波导 中。大部分功率将从波导处损失。

对于单波型装置而言，其需要有一种结构将功率耦合到输出波导的 最低阶波型的高斯式空间构造288中。为达到这个目的，区域282必须 向外延伸到被引导波型的逐渐消失的尾部，并且必须调制——形状调制 或通过空间调节功率耦合光栅的局部强度——净相互作用。图12和13 显示了利用光栅的几何形状安排达到此目的的方法。也可以通过在功率 耦合区域282内空间调制光栅的“负载循环”，通过改变在选择区域中 的光栅的阶数，以及在电控耦合的场合，通过锥形化施加电场的强度(如 图6所示那样通过调节电极的间距，或通过在光栅电极结构的场合调节 电极负载循环)来完成此目的。光栅的负载循环是指由一个给定畴类型 占据的每个周期分数；负载循环可随位置变化。

在图12中，显示了一个具有修改了的光栅的装置300，其中光栅 区域310覆盖了部分的，但不是全部的两个正交波导316和318的矩形 交界区。当光栅未激活时，输入光束302未被偏转地通过波导316，以 作为输出光束308输出。交界区的尺寸与两个波导的宽度304和305相 匹配。功率耦合结构的一个小区域出现在交界区中的任何一点上将造成 输入波导中的光束分布的一个给定横向段局部耦合到一个输出波导中 的光束分布的一个给定横向段中。被反射的光束分布是从这些相位耦合 的分布的传播总数构成的。所述的光栅区域310是三角形的，具有三角 顶点311，312和313。光栅区域形状可以改为不是三角形的，并且可 以调制局部光栅强度。在波导间使单波型耦合特性最佳化的光栅区域的 精确形状用已经建立的波导传播技术计算，例如光束传播法。

图13表述了单波型耦合光栅装置340的又一个实施例。光栅区域 350是一个双凸形，其中在拐角351的一点与波导346和348以及光束 330和342共用，而相反的拐角352的一点与波导和光束342和332共 用。这种结构的优点就是在光束中段的功率大部分被反射，光的密度在 该处最高，因此较好地耦合了在两个波导346和348中的最低阶波型之 间的功率。光栅区域的最佳形状也是由光栅耦合常数决定的。

参考图12和13，一个第一电极320设置在与波导同一基片的表面 上，在光栅区域的上方，第二电极322设置在同一表面的第一电极的周 围。两个电极之间的距离如图13中所示是一定的，或是如图12所示可 以沿一个方向逐渐缩小。一个电压控制源324由两个导线326连接于两 个电极。因而可以施加一个电场通过光栅区域以激活电光系数之一，并 改变输入光束和输出光束之间的耦合。

为了说明的目的，图12也显示了一个锥形输入波导段287和一个 锥形输出段289。一个输入光束285绝热地膨胀通过锥形段287以增大 交界区域，并因此增加了从光栅310的总反射。光栅可以将现时膨胀的 光束285朝输出光束308反射。如果需要到话，输出波导也可以包含一 个锥形段289以减小输出光束的宽度。(或者，如果需要的话，可以保 持输出光束的宽度，以用于稍后的光束切换相互作用。)

光栅可以延伸超过两个波导的交界区。一个沿着输入波导延伸的光 栅可以使交界区后面的残余透射光从波导移去，一般是进入辐射波 型。延伸的光栅使切换阵列中光信道之间的串音降低到最小，其中一个 单独波导可以有一个以上的沿其长度传播的信号信道。

本发明的特别构思是一个用于调谐光栅的装置。图14-17中显示了 可以完成这种调谐的几个实施例。参考图14，其为一个块状光装置 400，其中一个垂直入射反射光栅的强度和中央波长由一个单一电压源 426控制。这个装置由一个图形化的极化光栅构成，其被两个在材料的 相反表面上并由导体424连接到电压源426上的电极电光激活。光栅的 强度和中央频率由施加在装置的两个电极之间的单一电压同时调谐。光 栅的平均折射率随施加的电场变化，引起光栅的中央波长与电场成比例 的变化，通过对在各种类型的畴中的加权折射率变化求和，计算出在一 个周期性的光栅中的一个单一光栅周期中的平均折射率。加权因数是每 个类型的畴沿输入光束404的光路的物理长度416和418。调频的条件 是加权的和数不等于零，使得平均折射率变化成为电场变化的结果。

折射率和光束经过的实际距离的乘积被称为光程。(对于波导器 件，用有效折射率代替折射率)。如果跨越两类畴的平均光程基本相等(在 由应用需求确定的误差范围内近似相等)，在有两类畴的光栅中获得50 ％负载循环。平均值取自许多后续畴，以允许线性调频脉冲、非周期、 或其它更多通用类型的光栅的可能性。通常，畴可具有不同折射率以及 不同电-光系数。用于调谐的一般条件以在不同类型畴中行进的实际距 离表示。对于每种畴，由光所行进的光程(乘2π/λ)给出全光相位超前。 然而，由所施加的电场、适当的电-光系数、和实际距离(乘2π/λ)的乘 积给出相位超前中的变化。该波经历的折射率的平均变化等于材料长度 为1(乘λ/2π1)的区段内的光波经过的所有畴中相位超前变化的总和。 平均折射率变化根据δλ/λ＝δn/n确定峰值交互作用波长中的变化。 光栅强度与结构中的波长同时变化，但这种同时变化可能是不希望的。 设计该结构以使完成调谐的工作点针对跨越整个波长调谐范围的应用 保持足够高的光栅强度。或者，可使用如下面参考图16和17描述的分 离调谐结构。

可通过不同方法实现平均折射率中的变化。一种方式是随机非电- 光作用畴414与电-光作用畴412交替设置。电-光作用区是极化畴，而 非电-光作用畴可以被随机极化或非极化或禁止辐射。因此，电场引起 跨越该光栅的折射率的平均值增加Δnavg。在图14的随机极化结构 中，Δnavg等于作用畴412中的折射率变化与负载循环的乘积。负载 循环等于长度418除以长度418和416之和。使用该技术在一随机极化 结构中达到的可调谐性是λΔnavg/n，其中λ是光波长、n是材料的 固有(有效)折射率。假设在铌酸锂中的波长为1.55μm、电场为10V/ μm、对于50％负载循环结构而言，其调谐范围为1.1nm。

当输入光束404在光栅的带宽内时，该光栅将光束耦合到向后反射 输出光束402中；否则，输入光束形成透射输出光束406。如两种类型的 畴具有相同电-光系数但极性相反，如畴反向的情况，则与50％负载循 环的光栅的运行状态相反。在后一情况下，由于第一类畴的折射率变化 由另一类畴的折射率变化抵失，故此不改变平均折射率。50％负载循 环畴的反向光栅不调谐其中心频率。

在畴反向光栅中实现平均有效折射率改变的另一种方法是使用不 相等长度416≠418极化畴区的非50％负载循环。使用该技术获得的 可调谐性是(2D-1)Δnλ/n，其中D是最大畴型的负载循环(D)0.5)。 例如，对于75％负载循环，铌酸锂中的波长为1.55μm、电场为10V/ μm，则调谐范围为0.54nm。畴反向光栅也比第二类畴是非电光作用 的光栅强。

图15示出使用相同平均折射率效果的波导器件440。这种情况下， 波导管442的平均有效折射率在光栅区450中随所施加的引起光栅中心 波长改变的电场而改变。电压控制源466用来向最好是设置在材料相同 表面的第一电极460和第二电极462之间施加电场。通过包括非电-光作 用畴或带有50％负载循环的畴反向光栅的各种几何形状可实现平均有 效折射率。当输入光束455处在光栅带宽内时，光栅将光束耦合到向后 反射输出光束444中；否则，输入光束形成透射输出光束446。

增强波导器件480中光栅的调谐性的一种方法是在波导管上叠加 第二电-光材料482以形成覆盖层，如图16所示。该覆盖层应对在波导 管中传播的波透明并应对电场敏感以便可调节修正其折射率。由该覆盖 层的折射率部分地确定平均有效折射率。第二材料可比基片具有更高的 电-光系数。液晶和聚合物是可作为覆盖层材料的较好实例。镀层的折 射率最好接近引导区的折射率以引导大部分光束在覆盖层中传播。

对于该实施例，由第二电极504在基片上围绕第一电极502，用于 施加跨越极化光栅490的电场。电极最好设置在覆盖层下面直接在基片 上。如果第一电极502直接设置在波导管484上方，如图16所示，则 必须由透光材料制成。电极也可配置在波导管484的任何一侧，这种情 况下不要求材料透光。第三电极506设置覆盖层顶部上，在波导管和第 一电极上方。对于该实施例，该光栅的中心波长和强度可分别控制。由 用两条导线513、514连到第一和第二电极的第一电压源510控制光栅 强度，由用两条导线514、515连在第一和第二电极之间的第二电压源 512控制光栅的中心波长。在另一种电极结构中，仅使用两个电极，两 个电极最好都设置在覆盖层材料顶部上，以使其感应场透过光栅上的覆 盖层材料，和光栅结构本身。用一个电压源控制中心波长和光栅强度， 而不是独立控制。

用电-光作用覆盖层实现的调谐性的量取决于哪部分引导光束在覆 盖层中传播。如果两个折射率相对接近以致有10％光束在覆盖层中传 播，引导模式的有效折射率中的平均变化则等于覆盖层折射率中变化的 10％。对于0.1的覆盖层折射率变化，可调性性大约在7nm的数量级。

图17示出由可独立控制的光栅530、532、534组成的单独可调 谐光栅器件520的实施例。该光栅与输入光束522、正向光束523和反 射光束524路径中的所有光栅串联。该结构中每个独立光栅也是在一小 范围内可连续调谐。图17中的每个光栅具有用导线连接到电压控制网 络552的第一电极542和第二电极544。每次可将一个光栅切换到导通， 以便在小通带中一次仅反射一波长，或可同时将多个光栅切换到道通， 以产生中心波长和带宽可被分开控制的可编程光滤波器。可通过包括每 个光栅中多周期可能性的上述改进实施光栅本身。

该结构可以为块状或作为导管器件实现。在后一种情况下，在基片 上制造光波导528以使波导与极化光栅相交。光栅畴536可仅延伸通过 波导而不需要延伸穿过材料所有方向。两个电极最好(对于更高的场强) 象波导一样沉积在基片同一表面上。所有光栅的第二电极可如图所示连 接以使电连接数量最小。

另一方面，独立的可编址光栅结构可以是一个块状器件，在此情况 下可省略波导528，以足够深度适宜地制造极化区530、532和534以 便以传播的光波型重叠。控制每个光栅的两个电极适宜地设置在材料相 对面的最佳位置，以使电场透射最佳，如图12的单个光栅实例所示。 通过将光栅-电极群隔开到与基片厚度可与相比的范围，或通过增加交 替固定电位电极可使电极间的电场边缘引起的相邻光栅之的交叉激发 最小。

另一种调谐光栅的方法是改变作用材料的温度。由于两种效应产生 调谐：热膨胀和热-光效应。对于不同材料，两种效应的任何一种可支配 热感应调谐。在铌酸锂中，较大的效应是热膨胀，其最大(a轴)膨胀系 数ΔL/L为+14×10-6℃-1，而普通轴Δn0/n的热-光系数是+5.6×10-6  ℃-1。对于100℃的温度范围，这两种效应的组合给出2.6nm的总波 长调谐范围。

为了许多目的，希望产生具有广义频率内容的极化光栅。例如需要 多交互作用峰值，或简单地展宽一个交互作用的带宽。为实现该目的， 需要采用某种方式确定对应于所给出的包含所要求频率的数学函数的 极化区边界的图形。图18表明在包含任意相移的单频率情况下的处理 结果。参考图18，可沿正弦函数560在一个或多个位置合并光相移564 和565以改进其波长结构。由直线561给出该函数的平均电平。还示出 了具有相同相移的对应方波函数562，如通过一般极化处理可实现的。 为实现连续函数向方波函数的转换，曲线560超出正弦波平均值561的 区570对应于一种类型的畴，而曲线560低于平均值561的区572对应 于第二种类型的畴。在正弦波频率谐波以下的低频范围内方波曲线562 的傅里叶变换将与正弦函数560的变换具有相同的频率分量。该方法工 作于任何类型的广义频率分布，只要该带宽不超过载频的一小部分。

在此可用例如诸如图2中那样描述的任何器件实施相移光栅，可通 过图18的图形562而不是周期函数确定光栅22中畴壁34的位置。可 用引入所需图形的极化掩模控制相移图形。

可用类似技术规定任意多个周期光栅。出现在光栅中的每个周期是 由所需幅度的对应正弦波以傅里叶级数(或积分)表示的。所有波加在一 起形成一合成波。合成波的正值部分对应于一种类型的畴，而其负值部 分对应于第二种类型的畴。叠置光栅的数量在原理上可增大到任何数 量，在实际中则受可达到的最小尺寸限制。

图19示出制造叠置多周期光栅装置580的另一种方法。其中揭示 了二光栅波导结构，该结构中有一可切换的单周期极化光栅582和一个 在波导中与一单光束交互作用的永久释放光栅584。在释放光栅顶部沉 积一层涂层588以降低当引导波波型渐渐消失的尾部与金属电极重叠时 产生的损耗。该涂层是对这里描述的所有元件最佳化的重要设计，并应 施加在每个电极结构和相邻光波导之间。也可在这里描述的所有元件中 的电极上使用一涂层以减少击穿的可能性。

在超周期结构中，由一对电极602和604切换可电控的光栅，电极 由导线606连到电压控制源608。第一电极602最好在波导上方的中间， 而第二电极604在波导任一侧且与第一电极平行。所述装置为一带有限 制输入光束590，以及透射输出光束592和反射输出光束594的波导586 的波导装置。

可用很多方式构成多周期光栅。例如，可将频谱中多个独立峰值用 作一个多频率反馈反射镜。在组合启动处理的两个适当周期的单个光栅 中可实现两种操作(例如相位匹配和反射)。最后一个实例，可通过调节 其元件的相位和幅度使两种极化波型上等效来制造光栅，制成一个极化 不敏感的元件。

周期结构的另一种有益改进是线性调频脉冲周期。该周期沿光栅结 构的长度逐渐增加或降低，以使中心频率从光栅的一端变到另一端。因 此，该光栅的波长带宽被加宽为超过一常数周期光栅的波长带宽。跨越 光栅的线性调频脉冲不一定为线性：依据线性调频脉冲率的变化可实现 在频率空间(例如方波，洛伦兹型)中的许多不同波长反射分布。如上所 述，也可在空间上调节激发电场的负载循环和/或强度，以改进线性调频 脉冲光栅不同部分的强度。可按要求通过掩模控制光栅的负载循环。通 过调节图6中例子所示的电极间隔控制电场强度。

在包含两个具有多峰值结构的分开光栅结构中可实现宽频谱可调 谐装置，如图21和22所示。图20说明了这些装置的基本原理并描绘 了多峰值梳状透射(或反射)分布620和622，作为这两个光栅的光频率 的函数。第一光栅分布620具有由第一周期626分开的透射峰值，而第 二光栅分布622具有由第二周期624分开的峰值，第二周期与第一周期 略有不同。本装置的主要构思是使该装置仅在从两曲线(频率ν1)峰值 的重叠确定的频率操作。通过彼此相对调谐光栅透射峰值的梳齿实现调 谐。两个梳齿中的不同透射峰值将在相对频移的不同范围内相互重叠， 以使组合光栅的净透射单独地跳跃到比单一的热或电-光调谐所达到的 波长范围宽得多的波长范围。在图20的实例中，峰值间隔差为10％， 如果第一光栅的频率增加频率间隔626的10％，下一个更高的频率峰 值将重叠，造成有效频移比调谐量大十倍。

在图21中示出该装置的引导波实施例，其中两个光栅650和652 设置在单个波导642上。输出光束644部分地反射到光束643和透射为 光束645。第一电极666和第二电极668设置在第一光栅650周围，以 使连接到电极的第一电压源662触发该光栅。第三电极664与第二电极 一道设置在第二光栅652周围。由连接到第二和第三电极的第二电压源 660控制第二光栅。在该优选实施例中，每个光栅是如图20所述的多峰 值结构，并且该装置形成一个跳频调谐反射器。根据图20的曲线，光 栅构成为宽带反射器，主要反射除透射较高的等间隔频率梳齿外的所有 入射辐射频率。因此，级联光栅将反射图20所示频率范围中的所有频 率，在ν1两透射峰值重叠处除外。如果排列两个光栅的反射，以便在 反射光束643中增加相位，透射光谱将基本等于两个透射曲线620和622 的乘积。当对光栅之一的中心频率调谐时，在ν1的单个透射峰值将跳 跃到下一个相邻峰值，然后再下一个，以此类推。这种结构对作为例如 波分复用(WDM)通信系统中的电调谐接收机特别有用。可将该接收机做 成只检测特定频带的输出光，而对其它频率的光不敏感。

如上所见，假设有75％负载循环的畴反相光栅中的电场为10V/μ m，光栅结构可偏移约0.5nm。如果单个频率峰值628的宽度窄于频率 间隔的1/100，该连续调谐范围可用于在跨越或许100个频带的结构640 中产生50nm范围的不连续调谐。

应指出，如果已知输入光的频率例如仅处在图20中曲线620的透 射频带内，则仅能用具有曲线622的透射频谱的单光栅结构主要使用 Moire效应实现该装置。通过调谐频谱622的中心频率，可选择任何一 种所需频带而将其余的反射。图7的T型结构在这种情况下有其特定的 意义：由光栅结构100(构成用于如此所述的调谐)将包含多频率分量的输 入光束112分成可被检测或用其它方法处理的单透射光束116，和包含 所有其它频率分量的反射光束114。光束114中包含的功率不损失，但 可路由选择到例如一通信网络中的其它节点。

其它变化可形成该基本结构，其中，例如图20的频谱是单独光栅 的反射曲线而不是透射曲线。这种情况下，当反射极化的频率相互对准 时，该结构根据反射波的相对相位借助反射性作为一标准器。否则，复 合结构的净反射主要是两个单独结构的反射曲线的总和。

通过调节两个光栅之间的光径长度653来优化两个反射的相对相 位可能是很重要的。可在两个光栅入口654和655之间使用一电-光结构 (如图22中实例所示)控制相对相位，以调节光径长度653。对于铌酸锂 晶体和1.5μm的输入波长，光栅之间的触发距离至少需要250μm， 以调节高达±π的两光束之间的相对相位，(使用被施加10V/μm电场 的z轴)。如果该光栅不是设计用于调谐(构成其平均折射率与所施加的 电压无关)，经在其电极施加的电场任意控制光栅之一的强度(而不是其 频率)。如果两个光栅一起调谐，会造成窄范围连续调谐。作为电子激 发的另一种方式或补充，两个反射的相位和光栅的峰值波长都可以通过 芯片的热或机械控制一起改变。

图22示意地示出由移相器部分635隔开并形成具有特性自由光谱 范围(FSR)的集成标准器640的两个光栅反射器633和634。(结构630 与图21中的结构基本相同，但增加了移相器部分，由能激发横向于波 导636的电-光材料区的电极组成)。为简化起见，我们考虑均匀单周期 光栅的情况，但个别光栅通常为更复杂的结构。该光栅可被固定或由电 子激发。通过调节施加到移相器部分635的电压可使偏离两个光栅的反 射在参考频率增加光束的相位。如果由多个FSR分开两个光栅的频率， 在第二频率的光束也将增加相位。由于FSR与两个光栅之间的光径长度 成反比，光径长度的选择确定了标准器反射峰值结构的密度。例如，在 铌酸锂中由220μm隔开的两个短的高反射光栅可具有由多个1nm隔 开的光栅反射峰值。图20描述的多峰值结构620或622的每一个可实 施作为集成标准器。

图23示出双光栅Y型接头实施例，其中两个光栅690和692跨越 两个分开的波导682和684延伸。Y型接头通常具有可处在一个平面或 一个空间中的一个输入和多个输出波导。两个波导通过Y型接头688连 接到第一波导686。在第二波导682和第三波导684之间分开光输入光 束691中的功率，以使近50％的输入光束691入射到每个光栅。两个 光栅可具有简单的反射结构，或可具有一系列高反射峰值。光栅可以是 永久的，或也可以是电子调节的，这种情况下设置电极694和696激发 光栅。然后，跨越晶片(或另一方式是在与波导相同的平面上，类似图 21邻接其它电极)设置共用电极698。

波导两个分支的相对光径长度可由配置在电-光作用区上方的电极 689调节。通过调节相位调节电极689上的电压，可调节两反向传播反 射光束在其在Y型接头相遇时具有相同相位。反射波型依据两个波的相 对相位叠加并形成在中心具有相位不连续的波前分布。随着组合波的传 播，相移强烈影响引导区中光波型的空间集中。如果其具有相同相位， 其分布则形成有效地耦合到输入波导最低阶波型的对称波型，以形成向 后反射输出光束693。在Y型接头加入异相的两个反射光束将有很低耦 合到波导686的任何对称波型(例如最低阶波型)。如果波导686是单个 波型，该反射能量将从波导排除。因此，通过用电极689调节Y型臂之 一的光径长度，可迅速将反射从几乎100％调节到几乎接近零的值。此 外，如果在此处所述可调谐结构之一中将光栅实施成电子调谐反射器， 调制反射特性可移到不同频谱区中。

参考图24，示出使用极化光栅722的可切换波导波型转换器720。 波导730最好同时支持输入波型和输出波型，其可为两个横向波型或两 个极化波型(例如TE和TM)。在波导中的两种波型通常具有由波型的有 效折射率确定的不同传播常数。光栅722由通过连线746耦合到电势源 744的电极740和742电激发。选择光栅周期Λ(724)，以使两波导中的 传播常数差的大小等于光栅常数2πn/Λ。当光栅导通时，光栅补偿两 波导传播常数之差，以使两波型之间的耦合相位匹配。应设定光栅强度 和器件在光栅中的交互作用长度，以使功率流从输入波型到输出波型最 佳。从一种波型向另一种波型的功率转换之净速率由电-光系数(铌酸锂 中为γ51)强度和电场强度确定。

对于两种横向波型，其耦合取决于有光栅结构的情况下两种波型的 空间叠加和光栅强度。两种波型可通过对称而正交，以致即使波型相位 匹配，在对称结构中没有转换。这种情况下，相位匹配结构本身可制成 不对称以消除该问题。在图24的优选实施例中，可通过激发极化结构 的电场引入不对称。电场的垂直分量在两电极740和742中间反转符 号。最好将电极设置在波导中央，以使不同对称的横向波型之间的波型 转换最佳。当耦合相同对称的横向波型时，其反转为真：现在应将相位匹 配结构制成对称以使转换最佳。也可使用几种不同方法。一种三电极结 构具有一对称的电场垂直分量和一不对称水平分量。可结合水平耦合的 电-光系数之一使用该水平电场以耦合不同的对称波型。或者，极化结 构可具有基本平分波导的反相平面，这种情况下可用电场的对称分量耦 合不同对称的波型(在三电极情况下为垂直电场，两电极情况下为水平 电场)。

由于两种波型的传播常数强烈依赖于波长，其交互作用的差拍长度 也依赖于波长。因此，对于两种波型间耦合区的给定长度而言，耦合到 第二波型的功率对频率敏感。该耦合具有与之相关的频带宽度。对于给 定的光栅强度，一部分带内输入光束耦合到作为耦合的输出光束离开的 输出波型，而输入光束的其余部分作为透射输出光束离开第一波导。

图24所示结构也可用于耦合在TE和TM极化波型之间。例如电- 光系数γ51能使铌酸锂晶体中的两个正交极化之间耦合。如前所述， 选择光栅周期以使光栅常数等于两波型间传播传输之差。选择交互作用 长度以使功率传送最佳。

一种诸如支持TE和TM波型的向内扩散钛波导之类的波导被用于 两极化可进入或离开转换器的应用中。一种诸如仅支持一种极化(z切割 铌酸锂基片中的TM或x切割或y切割中的TE)的质子交换波导之类的 波导可用于仅要求单极化的应用中。这种单极化波导可作为用于其它极 化的非常有效的滤波器。因衍射造成错误极化分量从波导迅速消散，仅 将引导极化留在波导中。例如，质子交换波导731按需要可起到仅引导 输入极化或输出极化的作用。如果光栅耦合强并且正确选择交互作用长 度和电场，该装置可用作具有优异透射和吸光特性的光调制器。用质子 交换波导构成的调制器基本上可透射所有被正确极化的输入光，并产生 耦合到垂直极化波型的非常低的透射光。另一种方式，输入波导可以是 向内扩散的钛以在输入处接受任一极化。形成两光束的波导的折射率分 布最好相似，以使TE和TM波型的分布重叠好，并使耦合效率最大。

为触发γ51系数，沿晶体Y或X轴施加电场。达到适当电场方 向的电极构造取决于晶体切割。对于具有沿x轴定向的波导的z切割晶 体，第一和第二电极可设置在波导的任一侧。另一方面，对于具有沿x 轴定向的波导的y切割晶体，第一电极可直接设置在波导上方，而第二 电极可设置在波导的任一侧，平行于第一电极。

由于光栅722中的极化畴可通过整体基片(例如0.5mm或更厚)延 伸，图24的结构也可用于可控制的整体极化转换器。这种情况下，不 需要波导730，并且电极最适宜构成在极化材料整体薄板的任一侧上。

参考图25，示出包括Y型功率分离器702和横向波型转换器704 的切换光束导向器700。波型转换器以与上面相关的图24描述的横向 波型转换器类似方式工作。光栅结构706相位匹配从入射到波导708最 低阶(对称)波型到波导的下一个更高阶(不对称)波型的能量转换。选择 波导和光栅结构重叠的交互作用区的长度和强度，以便将近似一半输入 单对称波型功率转换成较高阶不对称波型。此外，选择光栅波型转换器 部分704和Y型分相器702之间的光径长度，以便两波型的相位在Y 型分支712之一建设性地增加而在另一分支713破坏性地增加。其结果 是功率主要被路由选择到有相长干涉的波导712，只有很少功率漏入另 一个分支713。这种情况下，波导713中的反向传播功率基本被排除在 耦合到波型耦合器704之后的波导708中的反向传播波型之外。该装置 在正向形成一个有效的功率路由选择器而在反向形成隔离结构。

通过调节光栅波型转换器部分704和Y型分相器702之间的光径 长度，可将输出功率从波导712切换到波导713。这是通过调节最低阶 波型和较高阶波型的相对光径长度以使两波型相互相对滑移π相位，于 是在波导713中产生相长干涉和在波导712中产生破坏性干涉进行的。 通过用电压源714激发电极对711和709，经基片703中的电-光效应改 变电极711下的折射率在光径长度调节部分705中实现相对光径长度调 节，基片703最好是铌酸锂(但可以是对诸如锂钽酸盐、KTP、GaAs、 InP、AgGaS2、结晶石英等之类波具有透明性的任何电-光材料)。与 激发电压一起选择波导708在电极711下的传播距离，以便将两波型的 相对相位至少改变所需之量。

光栅706可以是用本领域已知的任何一种技术制造的永久光栅。然 而，为使本器件的功能最佳，希望在对称和不对称波型中的功率几乎完 全相等。在现有制造技术中很难实现足够的控制以达到该目的，因此需 要在光栅强度中做一些调整。使用至少一些由电极709和710激发的极 化光栅部分可实现该调节性，电极709和710由电源715驱动，并且其 本身可被用来完成所要求的波型转换，或调节组合极化永久光栅的强 度。

输入波导708最好实施为一个包括一个(最好是绝热)锥度701的单 波型波导，以允许在横向波型耦合器704和Y型分相器702之间引导两 波型。波导712和713最好都是单波型。在该器件中也可使用其它波型， 只要其对称相反，对于互连目的，最需要的是在输入和输出引线用最低 阶波型工作。中间激发波型不太重要，并且例如可以是一较高的不对称 波型。

图26示出一平行波导可切换谐振器750，其中输入波导752沿交 互作用区753耦合到平行波导754。光栅反射器755和756以在波导中 传播向后反射光的方式跨越波导754配置。该对隔开的反射器和波导 754形成耦合到输入波导752的集成标准器。选择耦合区753的长度和 耦合区中平行波导的间隔，以便将所需的输入光束757的一小部分T耦 合到波导754中。耦合到标准器结构754、755和756的光在反射器755 和756之间谐振，并耦合出到两主要输出通道：在波导752中的正向传播 波759和反向传播波758。在标准器中循环的同一小部分T功率耦合到 两个输出通道758和759的每一个。

就任何标准器而言，集成标准器有一个频率接受结构，该结构带有 视谐振器损耗而定的宽度，在频率控制内包括多个峰值，并且间隔等于 自由频谱范围。如果输入光束757的光频率与这些谐振频率之一匹配， 在标准器中循环的功率将增进到由Pcirc＝Pinc T/(T+Γ/2)2确定的值 Pcirc，其中Pinc是波导752中的入射功率，Γ是标准器损耗，不包括 耦合到波导752中的正向传播波759和反向传播波758的输出，并假设 弱耦合和低损耗。来自标准器在波导752中以反向传播的输出耦合波形 成反射波758。光束758中的反射功率在谐振峰值上等于Pref＝Pinc/(1+ Γ/2T)2。当T》Γ/2时，所有入射功率基本被反射。来自标准器在波 导752中以正向传播的输出耦合波与输入波757的未耦合部分异相(在 空腔谐振上)，并且两光束破坏性地干涉，产生低幅度输出光束759。由 于两光束幅度不等，输出光束759中的残余功率Ptrans＝Pinc/(1+2T/Γ)2 不等于零，但可很接近零。如果使耦合Γ与标准器损耗相比非常大，该 装置的透射被大大地抑制(如T＝10Γ则为26dB)。该结构则在由FSR隔 开的频率梳齿处作为非常低损耗的反射器。

该器件可通过改变两反射器755和756之间的光径长度来切换。设 置电极761和762以穿过波导754在反射镜755和756之间产生电场。 用电源763激发电极，通过电-光效应改变电极761下的基片的有效折射 率，从而改变反射镜间的光程长度并使集成标准器的谐振移位。如果谐 振移位大于谐振宽度或入射光束的频带宽度之一，由于标准器中的循环 功率被抑制到约Pinc T/4，反射将下降到零，透射将基本上升到100％。

如前面的附图和说明所示，光栅755和756可以是永久光栅，或它 们可以是由电极激发的极化光栅。如果光栅756是极化光栅，可通过切 断光栅切换该装置。随着光栅756切断，即不反射，入射波757的损耗 等于耦合常数T，但现在消除了梳齿结构而仅由电极761进行频移。两 操作波型间切换函数之差可以较明显，例如是宽带输入信号，在此必须 切断反射而不是仅改变其频率。对于单频率输入光束，可通过用电极761 改变光程长度或通过切断反射镜756破坏谐振器的Q均匀地切换反射。 然而，如果维持反射镜756的反射性和用电极761仅移位标准器的频 谱，宽带输入波的其它频率分量将被反射，这可能是某些应用中极不希 望的。

如果T和Γ较小，在标准器中建立的功率Pcirc可能相当大，并可 用于例如诸如二次谐波产生的应用中。在该应用中，铌酸锂基片的一部 分中的准相位匹配(QPM)定期极化结构在反射镜756和交互作用区753 之间，或可能在交互作用区本身中被引入。然后对标准器的谐振频率之 一调谐以便与QPM倍频器的相位匹配频率一致。由于建立因数Pcirc /Pinc的平方，所产生的功率建立增强了器件的频率转换效率。如果FSR 足够大以致其它谐振波型不被同时注入锁定，在该频率出现的高反射也 可用于将泵激光注入锁定在所要求的频率。上面参考图21和22描述的 线性集成标准器的几何结构也可用来完成同样目的。

为使标准器中反射器755和756之间建立的功率最佳，必须使谐振 器中的损耗最小。图26的耦合不能＂阻抗匹配＂，与本领域中已知的整体 建立空腔的处理类似，调节耦合到谐振器的输入通过对未耦合到空腔内 的入射光束部分进行破坏性干涉而抵消。这是标准器透射干涉峰值的条 件。如上所述，集成结构中所发生的是透射光束几乎可被抵消，而同时 在所耦合的谐振器中建立功率，但出现一强反射波。该反射波可在环形 波导结构中消除，如图27和28所说明的。

如果需要，可使与标准器内的功率循环成正比的输出751通过光栅 756，或另一种方式是通过光栅755。

图27中示出三臂标准器760，该三臂标准器760包括一个输入波 导752、一个平行波导耦合区753、一个由三个波导段764、765和766 构成的环形谐振器、三个光栅反射器767、768和769。电极761和762 之间形成的光程长度调节部分是任选的。设置光栅反射器767以使从波 导764到来的功率最佳地反射到波导765。在单波型系统中，设计光栅 (和其电极，如果有的话)的空间结构，以使来自波导764的最低阶波型 耦合到波导765的最低阶波型。光栅768和769结构相似，以使功率最 佳地从波导765到波导766然后再到波导764，用确定的光程长度、 FSR、光损系数、和用输入波导752的耦合系数T形成一个Fabry-Perot 谐振器。现在，阻抗匹配是可能的，并当耦合系数T等于小于输出耦合 损耗的谐振器总行程损耗系数，主要是在耦合区753时实现。如果相位 匹配倍频器设置在谐振器中，谐振器中循环的基频光束外的转换功率不 算作总行程损耗中的一项损耗。

如果入射光束757以等于三臂标准器的谐振之一的频率入射到器 件上，功率将跨越平行波导交互作用区耦合到该标准器并建立循环功率 Pcirc＝Pinc T/(T+Γ)2。由于该环形结构，功率主要在从波导764到波 导765、766，并回到764的一个方向循环。从标准器到波导752仅有 一个单耦合波并且其在正向传播。输出耦合波与输入波757的剩余部分 进行破坏性干涉，形成弱透射波759。输出光束759中的透射功率Ptrans 由Ptrans＝Pinc(1-Γ/T)2/(1+Γ/T)2给出，如果Γ＝T，其值为零，作为 阻抗匹配条件。这种情况下，所有入射功率流入谐振器。阻抗匹配状态 中，两光束幅度相等，且透射功率降低到零。除来自波导752不连续处 的反射外在光束758中基本没有反射功率，通过良好设计可使波导752 中的反射最小。

光栅767或任何其它光栅可构成可切换光栅，这种情况下，通过关 闭光栅可破坏标准器的质量Q，消除整个梳齿结构，但留下一些因耦合 到波导764的功率造成的光损耗。可引导输出光束751透射过光栅768， 和/或通过光栅767或769。    

图28示出环形波导标准器770。如前所述，输入波导752在平行 交互作用区753耦合到波导772。交互作用区753包括图28中的一个 光栅(虽然并不需要)，以强调光栅耦合在图26、27和28的标准器几何 结构中一种有用的选择。波导772随一弯曲封闭路径(有任何几何形状， 包括带交叉的电位多环路)将从区段753出现的一部分功率反馈到交互 作用区753。如前所述，提供电极761和773以允许调节光程长度并因 此而调节FSR，虽然这种情况下它们设置在基片的相同面上。提供平直 区771，可根据标准器结构的应用在其中可制备某些重用功能元件。如 果标准器装置770用于倍频，有助于将倍频结构插入平直区，例如环的 771部分，但必须做出将频率转换光耦合出环形波导的规定。

器件770在其它方面的功能与器件760的类似。而装置760可在基 片上占据较小表面区，器件770在标准器中的损耗较低，如果直径为1cm 或更大则更是如此。

器件760和770可起建立倍频空腔的作用，在空腔中到光源的反馈 最小。它们也可在没有向后反射情况下切换给定频率的透射，以在包括 光通信的应用中使用。

在WDM通信中，一条光纤上可承载由其光波长分隔的许多通信信 道。为检测信道，在所需波长区中的光必须首先与路由选择到其它目的 地的剩余信道分开。该分隔功能由信道下线滤波器(channel dropping filter)执行。信道下线滤波器是波分复用(WDM)环境中使用的通信装 置。需要通过在不同波长上承载信道多路复用跨越单个传输光纤的信 道。该系统中的一个重用元件是允许为路由选择或检测目的而抽取单个 信道的信道下线滤波器。理想光纤通过良好的消光比基本上抽取信道中 所有的光以便在后面的网络中可使用相同波长而没有串话。由于可将多 个信道下线滤波器安装在任何给定的线路上，带外分量的介入损耗必须 很低。它最好是可切换的，以使信道可在目的地下线，并在该通信结束 后，该信道可继续通过该位置到另一种目的地。与信道下线滤波器对应 的是信道上线滤波器，向光纤加入信道而不明显影响其它信道中的功率 传播。透射和反射滤波器在[HL91，KHO87]中已详细分析。上面的多 种结构可用于信道下线滤波器，包括参考图7、10、26、27和28描 述的装置。    

图7的T型光栅耦合波导是对带外分量具有低损耗的信道下线滤 波器。与现有技术的光栅相比，由于针对带内分量达到99.9％的外耦合 需要很长的光栅，该结构对串话有困难。由于使用带有跨越波导整个延 伸的尖锐界面的较高阶光栅的能力使得本发明的周期极化光栅的耦合 强度比现有技术明显提高。而现有技术受使用浅波导使浅光栅和波导之 间的重叠最佳的限制，由于我们的光栅结构跨越波导深度整个延伸，能 使用深度与宽度基本相等的较低损耗的波导结构。该结构也可用作信道 上线滤波器。

如果按Haus等人在J.光波技术1992年第十期第57-62页＂窄带光 信道下线滤波器＂一文所述构造光栅，图10的装置也是一个信道下线滤 波器。这种情况下我们的贡献仅在于极化光栅耦合技术，能使波导之间 在短距离内强烈耦合，从而减少制造高效率的更高级光栅的困难。

通过将标准器的谐振调谐到从输入波导752抽取的信道频率，装置 750、760和770可用作信道下线滤波器。如果集成标准器接近阻抗匹 配，谐振频率处的所有功率基本上传送到标准器。在图27和28的环形 几何结构中，可将波导752中的透射和反射功率减小到任何所要求程 度，使串话最少。与所要求信道对应的光被完全从输入波导抽出(下线)， 即不留反射也不留透射。在图26的线性几何结构中，一些光损失到反 射中，不明显降低检测效率，但可能会在通信网络引起串话问题。通过 将检测器放置在标准器的波导部分上并与波导中的光耦合可检测光中 携带的信号。或者，检测器可耦合到例如图26中的输出波导754、图 27中的764、765、或766、和图28中的794之一。在装置760的情 况下，通过调节谐振器光栅反射器767、768、或769之一的反射使一 小部分循环功率外耦合到如用于输出光束751的所示波导的连续部分来 完成外耦合。那些连续波导部分也可连接到其它装置的端口，可以是分 立器件或集成在同一基片上。在装置770的情况下，平行波导输出耦合 器(有或无光栅)可设置在环形的平直区771。虽然仅有一小部分循环功 率可外耦合到这些端口，由于标准器中产生的建立造成总外耦合功率可 非常接近进入波导752的信道功率的100％。用相邻波导794表示输出 耦合，产生输出光束751。

环形几何结构在消光比(光分隔效率高时消光比高)和低串话方面 具有优势，这是由于可对它们进行调节以使几乎全部功率传送进入到标 准器。所有标准器器件可设计成对带外光束具有很低的介入损耗。图 26-28的所有装置可通过相移电极761和762(和图28中的763)切换。

如前所述，可用电极761调节光程长度以移位集成标准器谐振频 率。可以该方式直接选择所需通道。或者，用上面参考图20、21、和 22描述的方法通过该技术可选择多个通道；如果选择标准器的FSR与通 道间隔略有不同，可用Moire效应选择带有最小连续调谐的宽间隔通 道。(较好的选择是使FSR等于通道间隔加上几倍通道带宽与标准器谐 振带宽缠绕时获得的频带宽度)。

随着结构750、760、和770的变化，可按上面参考图10描述的 光栅辅助式耦合器实施耦合区753。这样有其优点，在极化光栅实施中， 可调节耦合系数T。特别是对环形谐振器设计760和770，可调节耦合 有助于实现阻抗匹配。随着进一步变化，可在基片的同一面上设置电 极，如上所述，以获得较低电压激发。

例如，如果加到输出光束759的信号被引入波导766上，或如果其 经波导794耦合到平直区771，图27和28的结构也可用作有效信道上 线滤波器。这些输入交互作用最好阻抗匹配。

参考图29A，示出使用极化段806的波导调制器/衰减器800。极 化段806的功能是(可切换地)收集从输入波导段802发出的光，并在输 出波导段804接通时将其透射到输出波导段804。在该器件中，输入 光束820耦合到输入波导802。极化段806位于输入波导段和输出波导 段804之间。输入和输出波导段最好是可通过包括向内扩散和离子交换 的任何标准技术制造的永久波导。段806最好是一均匀极化基片内的反 向极化区，以使其折射率基本没有区别并且当电场切断时没有波导效 应。段806是如图29A中所示波导段。(可交替地用几种不同的几何方 式构成，例如，一个凸透镜结构、一个凹透镜结构、或在许多这类元件 之间传递光的复合结构：见图9)。通过经段806施加电场使其接通。电 场改变极化段和周围区的折射率。由于被段806按照基片材料各不相同 地极化(最好是反向极化)，通过施加正确的电场极性，可使该段的折射 率相对于周围材料增加，形成波导。可增加波导边界内侧的折射率，或 可降低边界外侧的折射率。当该极化段导通时，形成一连接输入和输出 段的连续波导。这是通过将波导连接在一起、在同一轴上对齐、并调节 极化段的宽度以使其横向波型分布最佳地匹配输入和输出波导802和 804的波型分布实现的。

随着极化段切断，输入光束不限制在极化区中，以使光束到达输出 波导段前通过衍射充分扩张。如果输入和输出波导段的间隔比非引导光 束的瑞利(Rayleigh)范围大得多，以致光束扩展到比输出波导大得多的尺 寸，仅有一小部分输入光束将耦合到输出波导段以形成输出光束822。 通过相对于瑞利范围调节段806的长度，可将切断状态下的功率透射量 减小到所要求的程度。

相对输入和输出波导端部的位置调节极化段806端部位置以使不 连续性引起的损耗最小。由于永久波导有一扩散边界，极化波导有一不 连续边界，和切换段中的折射率改变加到预先存在的折射率，需要在波 导802和804的石版印刷所定边界和极化段806端部之间留有相当于一 半扩散长度的小间隙。为进一步减少波导802和806间结合部的反射和 损耗，通过使激发电极810略短于段806或通过使电极宽度靠近其端部 呈锥状也有助于使段806中的折射率变化的开始呈锥状，在两种情况 下，通过边缘效应利用电场的降低。

该结构的一个显著方面是在导通和切断两种状态下可使反射功率 最小。随着切断，反射由波导802端部803的残余反射支配。通过沿波 导长度使折射率差逐渐降低可使该反射最小。由＂切断＂透射的平方抑制 来自波导804端部805的反射。在＂导通＂状态下，还是通过沿传播方向 逐渐减小结构806的折射率差，形成平滑边界而不是锐变界面可使该反 射最小。

当极化区由于边界内的折射率增加而被激发时，被激发的极化区的 边界侧向地限定光束。如果极化区的深度等于波导802和804的深度， 极化段边界也在垂直方向限制该光束。然而，很难在z切割铌酸锂晶片 中控制极化深度。使一深畴极化最容易，并采用几种不同的量度之一在 垂直尺度获得限制。优选方法是排列电极以使电场幅度在垂直尺度下 降。这是通过图29A所示的同侧电极构造，而不是设置在基片相对侧的 电极实现的。通过使两个电极间的间隙变窄和通过减小整个电极结构的 宽度可减小电场的穿透深度。

此外或作为另一种方式，可在输入和输出波导间的空间内制造一个 弱永久波导，其本身不足以传送很多能量，但其与极化段806中产生的 折射率升高结合后可最佳地将光限制在二维，以便基本上将所有光传送 到输出波导804。这是通过例如将段内的永久折射率变化(相对于基片) 调节到波导802和804中折射率变化的约0.6倍实现的。如果将段806 中的＂导通＂折射率变化调整到同一值的约0.5倍，组合折射率变化足以 达到合理的引导，而永久折射率变化则不够。在＂导通＂状态下，波型被 限定在两横向尺寸中，即使在极化区中产生的切换折射率变化可比所要 求的波导尺寸深得多：＂导通＂波导的有效深度主要由永久折射率变化确 定。弱波导可在第二掩模步骤中制造，或可在用一较窄的弱掩模段定义 弱波导段的同一步骤中制造。

作为一种相对替代，输入和输出波导之间的区可以是一平面波导， 这种情况下传播波型可在一维中处在最小衍射。接通一极化区的情况下 将增加所需的横向限定，而不管比平面波导有更深的折射率变化。由于 两种情况下在二维上的波导限定是由两种独立技术实现的，因此可形成 基本上有任何宽高比(波导宽度与深度之比)的可切换波导。用相同技 术，最好是退火质子交换处理可制造平面和信道波导。可使用分开质子 交换步骤定义平面波导和信道波导。通过退火完成波导制造过程，在此 期间折射率变化被向下扩散到所要求的深度，并记录材料的旋光性。两 组波导最好退火相同时间长度，虽然在第二质子交换步骤进行前可将一 组的部分退火做得更深。

一种重用替换是使用横向于极化段806的全部、均匀永久波导，并 使用电子激发段以切断波导。这种情况下，选择电场极性以抑制极化区 中的折射率，极化区的深度可以非常深(实际上，这在波型扩散方面有 其优点)。这种切换波导通常为导通(即透射)，并需要施加电场将其切 断。常闭和常断切换器构造就其在功率故障期间的行为而言有其优点， 因此重要的一点是本发明能提供两种模式。为将段806中的波导切断， 需要一个与永久波导中感应的折射率变化近似相等并相反的折射率变 化。随着电场深度处在＂切断＂状态的变化效应非常小，这是由于其足以 抑制大部分波导以使光强烈地扩散所至。

不需要平面波导，而通过有限深度极化技术可在两维上实现限定。 数种极化技术(例如诸如铌酸锂和钽酸锂中的钛向内扩散以及KTP中的 离子交换)产生对有限深度的极化，通过特定深度可能对其优化以形成 一极化通道波导。然而，这些技术与极化一道产生折射率变化，依据处 理参数略微形成一些永久波导。可依据该折射率变化强度用＂常闭＂或＂ 常断＂构造中任何一种制造极化波导段。

最好通过跨越两个电极施加电压产生电场，两个电极与极化波导段 布置在同一晶体面。第一电极810布置在极化区上，而第二电极812设 置在第一电极一侧或多侧附近。对于z切割晶体，该构成激发基片的d33 电-光系数。电压源816基本是经两条导线814连接到电极，以便为装置 提供驱动电压。该装置可用作数字或非线性模拟调制器。全导通电压定 义为跨越极化区的损耗最低的电压。断开电压定义为将到输出波导段的 耦合降到所需程度的电压。在导通电压和断开电压之间连续变化可将该 装置用作模拟调制器或可变衰减器。

在另一种结构中，结构806形成切换弯曲波导，再次与输入波导 802和输出波导804对齐。该结构模式被称为＂耳语廊＂波型，在极个别 情况下，曲率较小并且内侧边缘上的波型限定变成与波导内侧波导边缘 无关。对于较大的曲率，波型是一种改进的耳语廊波型，由波导内侧边 缘提供某些限制。该极化结构在可切换性之外提供了另一优点，即在其 外壁上的尖锐折射率极大地改善了在弯曲波导中传播的改进耳语廊波 型的限定。这种情况下，输入和输出波导不必同轴或平行，在切断状态 下可能增加正向隔离。如果输入和输出波导沿其轴相互成一角度排列， 结构806可以是带有单曲率半径或锥状曲率半径的弯曲波导段，当弯曲 波导结构806导通时用来在它们之间最佳地耦合功率。

图29B示出另一种结构801，为一切换透镜调制器/衰减器，其中 段806的棱形结构被改成透镜型结构，其中局部光程长度与局部(加符号) 折射率的乘积随着离波导802和804的轴的横向距离呈平方地减小。设 置透镜型结构以便其将从输入波导802端部803发出的光束821会聚或 再聚焦到输出波导804的端部805。允许光波衍射离开端部803并通过 透镜型结构807。应指出，在该结构中，多个元件可彼此相邻放置，以 增加净聚焦效应。增加区807内的折射率以获得聚焦效应。如果周围区 以与区807相反方向极化，或如果周围区的电-光系数与区807的电-光 系数相反，透镜间的间隔也可作为聚焦区。(透镜807间的区形成的且被 激发到较低折射率值的凹透镜作为会聚透镜结构)。电极810设置在结构 806上，电极812设置在该结构外侧与电极810相邻，但相隔所要求的 间隙。未激发电极时，光束连续发散，并且仅有很少功率再聚焦到波导 端部805。当切换器接通时，光束再聚焦，并且一小部分功率连续通过 波导804。在导通状态，需要垂直限制以便有效功率的收集，而在切断 状态则不需要。例如，可根据需要通过跨越结构图形的整个表面提供均 匀平面波导835来提供垂直限制。如果极化深入到基片，也可由透镜型 结构806提供垂直限定，作为深度函数的电场降低适合收集能量并将能 量再聚焦回到波导端部805。当然，图29B的结构也可在一个或两个波 换器。

根据附图，由六个垂直面界定极化区836，其中一个面以等于TIR 角并小于用于所需电极激发的全内反射的临界角的小角度848横向于波 导832。该面是TIR反射界面。该极化区接下来的三个连续垂直面包围 波导832外侧的一个突出部分。该突出部分是可切换波导段。接下来的 两个垂直面并不重要，可随波导边界并与其相交90°。

畴(836和基片外侧836的区)的特征在于静态折射率分布，是无施 加电场情况下折射率的空间分布。当施加激发电场分布通过这些畴时， 它们将具有与相应的静态分布不同的激发折射率分布。激发分布根据施 加电场可达到的范围也具有一个范围。将两种类型的畴相互靠近并列的 优点在于两个畴中的电场响应可相反，提供跨越并列区有两倍折射率变 化的过度。在折射率或折射改变的情况下，该过度形成一反射边界，其 反射比用单类型畴获得的反射大。

当切换器导通时，耦合到波导的输入光束反射离开TIR界面，向下 传播到极化波导段，并进入输出波导段834形成偏转输出光束854。当 切换器切断时，输入光束穿过极化界面传播并继续通过输入波导，形成 未偏转输出光束852。由于在TIR界面的折射率变化较低，在切断状态 下反射很低。由于永久波导段834是由来自波导832的数个波型指数型 衰减长度隔开的，光束通过切换区域时因散射造成的功率损耗也非常 低。＂切断＂切换器对波导而言基本上是不可见的，在输入波导中产生非 常低的损耗。在切断状态下切换区的附加损耗与未激励波导的相同长度 相比被称为介入损耗，当输入波导是带有许多极化切换器的总线时特别 需要低介入损耗。

极化界面相对于输入波导的角度θ(848)必须小于最大或临界TIR 角θc，从斯涅尔(Snell)定律导出： $\theta \le {\theta }_c={\cos }^{-1}(1-\frac{2\left|\mathrm{\Delta n}\right|}{n})\infty 2\sqrt{\frac{\left|\mathrm{\Delta n}\right|}{n}}-----\left(3\right)$ 其中θ＝TIR角(波导和极化界面之间的角度) n＝波导区的折射率，和 Δn＝极化边界每一侧折射率的电-光变化 由于折射率变化发生在有相反符号的极化边界的每一侧，有效折射 率变化为2Δn。该表达式假设远离边界的折射率变化缓慢改变(绝热)。 由于有效折射率变化变为两倍，用一个极化TIR切换器能够达到的最大 切换角度增加到用一对电极且没有极化界面的现有技术切换器的 倍。由于其增加了使用一个TIR切换器可达到的切换器阵列的最大存储 密度，因此这是一个很明显的提高。

由于折射率变化Δn取决于极化，临界角θc取决于输入光束的极 化。例如，在z切割铌酸锂中，带有垂直电场E3，TM波借助r33对 超常折射率中的变化很敏感，而TE波借助r13对普通折射率中的变化 很敏感。由于r33》r13，更容易切换TM波。使用退火质子交换波导 很方便，这是由于它们仅在z方向极化的波所至。另一方面，在x-切割 y-传播(或y-切割x-传播)的铌酸锂中，TE波具有更高的折射率变化。 应指出，这种情况下，必须改变电极构造，以便在基片平面的z方向而 不是垂直方向产生电场分量。

实际TIR切换器的设计角度必须在数个因素最佳化后选定。待切换 的波型包括两角状分布(在波导制造平面内和平面外)，如果两平面中波 导宽度不同，两角状分布可不同。给定平面中波型的角含量几乎覆盖δ Φ＝±λ/πwo，其中wo是该平面中的1/e2波型收敛部分。我们希望 大部分光在TIT界面反射，因入射角度必须比临界角度θc小大约切换 波导平面中的角含量δΦ。角含量δΦ与收敛部分的大小成反比，但因 此是我们希望最佳的存储密度。波型在波导平面外的方向上的角含量也 必须考虑，由于它也对有效入射角起作用，虽然其几何结构更复杂。

生产TIR切换器的另一种方式是应变场代替电场，或在电场外增加 一应变场。应变场最便于在永久方式中实施；电场在产生反射变化时最有 效。施加在畴边界的定向应变场在折射率中产生不同变化，在两个畴中 通过光弹性效应在折射界面产生一折射率。如上述参考图2所述，可通 过将样品加热到高温，沉积一层有不同热膨胀系数的薄膜，并冷却到室 温来产生应变场。通过蚀刻出例如条状区施加到薄膜上的图形将在薄膜 中的间隙周围产生应变场。然后，可使用该应变场在畴边界激励变化。 如果所施加薄膜是一电介质，只要电极的沉积不是不按要求地改变应变 场，可施加电场通过电介质到极化区。该薄膜最好是吸光率低的薄膜， 以使其可直接接触基片，而不是由缓冲层隔开。

极化区包括一部分输入波导和一个垂直于波导传播轴的界面。包含 TIR交叉界面的输入波导部分定义切换器长度如下： $L=W\cot \left(\theta \right)\infty \frac{W}{\theta }------\left(4\right)$

其中θ如前面所定义的

L＝沿输入波导测量的切换器长度，和

W＝波导宽度

因此，为使切换器尺寸最小，必须将波导宽度做得尽可能小。对于 空间临界应用，波导段最好是单波型。例如，如果单波型波导的宽度是 4μm，最大折射率变化Δn是0.0015，折射率是2.16，TIR角θ则 为3°而切换器长度L为76μm。

极化波导段与输入波导形成等于2θ的夹角，其为TIR界面的偏转 角。为了有效地将偏离TIR界面的反射光束波型匹配到极化波导段，极 化段应与输入波导具有近乎相同的横向波型分布。通过选择极化波导的 宽度和折射率差的适当组合可实现有效波型匹配。极化波导沿由切换器 界面占据的波导后半侧与输入波导相交。确定波导的准确尺寸和位置， 以使从全内反射处理发出的近场波型分布最佳地匹配到以传播方向和 横向分布表示的波导的波型。对于极化波导段和永久波导段834之间的 匹配也是如此，类似于上面参考图29A所述内容。

永久波导段基本上是极化波导段的继续。极化段长度取决于输入波 导和切换波导中的最佳损耗。为避免切换器起断时输入波导中的未偏转 光束之间的散射作用，永久波导段必须与输入波导分开一段距离(至少 一个光波长)。对于带有许多切换器的总线波导，输入波导中的损耗必 须降低到与切换器数量成反比的值。输入波导中光束的形态分布在波导 未扩散边缘之外延伸一特定距离，在该处呈指数衰减。如果永久段与输 入波导隔开数个指数衰减常数，损耗可减小到总线波导可接受的程度。

极化段的长度也影响反射光束中的损耗。由于高壁的粗糙度，造成 极化波导段每单位长度的损耗比未扩散波导的损耗高。另外，在波导的 每一端存在上述波型转换损耗，可通过最佳地匹配该波型分布使波型转 换损耗最小。如果极化段较短(相当于光束的瑞利范围)，透射光束实质 上未转换成极化段的波型，因而降低耦合损耗。极化段的最佳长度取决 于输入波导和切换波导内的光束中可承受的相对损耗。

在图29A所示波导段调制器/衰减器的情况下，在切换波导837中 需要对波型有垂直限制。上面描述的相同任选方案可在此实施。图30 示出一平面波导835，将光束限制在平行于基片表面的平面中。由于平 面波导均匀，它的存在对波导切换器汇接点在其切断状态的损耗不会造 成影响。也可实施其它方式代替平面波导或其某些组合，包括设计电场 深度以获得垂直限制，使用短深度极化，使用通过电场感应折射率变化 扩大的部分波导，以及使用由场激发极化区关闭的全永久波导。后两种 替代方式具有因相邻折射率不连续造成光束通过波导832的损耗较高的 缺点。

水平限制也是最佳化切换区中的一个问题。如果要求高切换效率， 最好具有较大的TIR反射角。输入波851左半部分首先反射出界面838 形成右半部分反射波。然而，反射后，反射波的右半部分在横向尺寸中 未受限制，直到其到达波导段837。在其未受限制通过期间将因衍射而 扩张，而使耦合到输出波导834的光束功率减少一小部分。该效应降低 了切换器在其导通状态的效率。然而，平均未引导距离近似地被限定在 角848四倍的正弦值所划分的波导宽度。输入波右半部分通过波导段 837后仍受限制，直到其因波导832右半侧造成永久折射率变化而反射 离开界面838为止。然后，较好地匹配到输出波导834。输入光束851 的两部分从TIT表面838反射后经受所不希望的来自波导832侧面的反 射。由于该表面与光束传播轴和表面838的夹角相同，但仅有一小部分 折射率不同，从该表面仅是部分而不是全反射，该反射也增加切换器损 耗。

为使反射器效率最佳并使波导损耗最小，电极设计是该切换器的一 个重要方面。最好使用两个电极触发切换器。第一电极840设置在TIR 界面838上方，而第二电极842设置在第一电极旁边，与该界面相邻。 最佳化的主要参数是两电极的间隔和第一电极边缘与极化边界之间的 距离，电极边缘和极化边界可以重叠，也可以不重叠。两电极间的间隔 影响激发该器件所需的电压，以及透入基片并产生折射率变化分布的电 场图形的宽度。进一步分开的电极需要更高电压，但产生比靠近隔开的 电极更向基片深度延伸的电场。

电场穿入深度对获得较大净反射很重要。由于离电极越远电场越 弱，极化边界的感应折射率变化也随深度降低，与TIR角一样。在被称 为有效深度的某一特定深度折射率变化变得不足以维持光束中央射线 在切换结构的角度的全反射。由于反射在最小TIR值之下的值随折射率 变化迅速下降，TIR反射镜在此深度实质上不起作用。对于进入波导 837和834的高净反射，可调整该器件设计，以便在波导832中主要电 场分布下方产生有效深度。

由电极设计影响的第二主要操作参数是在TIR界面838之外反射 波渐逝场的穿透。虽然在导通状态下没有功率可透射到TIR界面之外， 电磁场穿透TIR表面相当于一个波长的距离。在TIR表面之外也存在空 间对所施加电场的依赖关系，电场强度在靠近其它电极842的区内降低 (实际是反向)。因此，折射率变化在TIR界面之外降低。必须注意的是 在电场中发生实质变化之前渐逝场衰减到一可忽略的值，或功率漏过 TIR界面。最佳情况是第一电极与极化界面重叠一段距离，针对最大折 射率变化和在界面838之外有足够的电场稳定性选定该段距离。

第一电极还跨越极化波导段836延伸，并且可能进入相邻区。通过 使流经波导段并进入永久波导834的功率最佳化来确定激发该区836的 两个电极的形状。可使用其它电极以改善极化区中的电场强度。例如， 如果第二电极围绕延伸而形成U形，第一电极下方的电场平均增加，但 其形成有些象凸起的波导，可能无法提供理想的折射率分布。

TIR切换器是一个光能路由器并且也可作为一个调制器。如果电压 源连续可变，调制器则为模拟，在电压和反射性之间有非线性关系。随 着所施加电压的增加，全反射界面的深度增加，从波851产生连续可调 节的反射进入波854。该调制器可用于反射或透射波型，取决于移去电 压时透射是否应到零或100％。对于特殊的非线性应用，反射和透射系 数的非线性作为电压的函数可能有用，例如接收机对信号程度呈对数敏 感。

图31示出带有两个TIR反射器的TIR切换器。如果要求增加输出 波导834和输入波导832之间的角度，可加入第二TIR界面839。输入 波导832和输出波导834之间的角度为图30中的两倍，并可通过加入 附加TIR界面一次又一次地加倍。以与相对界面838有一角度849建立 界面839，该角度等于角度848的两倍。(如果增加TIR界面，后续TIR 界面应在相对前面的TIR界面有相同角度838的情况下增加)。由于双 TIR反射镜使光远离输入波导832，以致永久波导834可直接靠在极化 区836的端部，不对波导932造成明显损耗，因此不再需要图30的切 换波导部分837。另外，极化区836中提供垂直限制。构成极化区836 和输出波导834并对齐，以使在TIR链和波导段中传播的电场分布最佳 地匹配输入波导832的局部最低阶波型电场分布。在TIR反射器之后， 偏转光束匹配到永久波导834以便当切换器导通时形成输出光束854。

由通过一个接一个的TIR反射镜的输入波导反射定义输入波导832 外侧极化区内侧边界的形状。内侧边界的这种确定在从两TIR反射镜反 射时实现了波导波型内侧边缘的最佳引导。

图32示出带极化TIR切换器831的TIR切换光束导向器，该导向 器有一电子切换波导段。在该结构中，区836反向极化，位于界面838 之后，并且如前所述由一对电极840和842激发，电极由经导体844所 连接的电压源846激发。再次选择激发极性以产生来自输入光束851方 向的负折射率变化。切换器导通时，光束离开TIR界面838反射到永久 波导834，但与图31不同，二者之间没有极化波导段连接它们。代之 以电极842在输入波导和输出波导834之间的中间区上延伸。通过向包 含TIR反射边界的输入波导832段的侧向边界和输出波导834的输入边 界之间的区施加电场可形成耦合波导段。如同以往一样，借助电极和 Maxwell方程确定电场的三维分布。由该电极产生的电场通过电-光效应 产生正折射率变化，提供所需的切换波导段。如上所述，也构成该波导 段并对齐，以使输入波型最佳地耦合到输出波型854。作为这种和任何 TIR切换器实施的替换，输出波导可在有可忽略间隙的输入波导处开 始。该替换方式在切换器切断(直通)构造时具有更高介入损耗。

参考图33，示出使用极化段的两位置波导路由器，不以全内反射 为基础。极化区866形成可电激发的波导段，以一小角度跨越输入波 导862。施加电场时，段866中的折射率增加，而输入波导中相邻区中 的折射率降低。因此输入光束880至少部分地耦合到极化波导段。当切 换器切断时，输入光束继续通过输入波导传播，以形成未切换的输出光 束882。如果需要将所有或大部分输入光切换到输出波导864作为经切 换的输出光束884离开该器件，该小角度可绝热地成为锥状，形成低损 耗波导弯曲。

至少用两个电极跨越极化区施加电场以激发波导。第一电极870 设置在极化波导段上方，而第二电极872与第一电极相邻设置。第二电 极872与第一电极相邻并可位于极化波导段的两侧，以达到高功率分配 比。如前所述，由电源846经导体844激发电极，使用平面波导835， 或电场随深度下降，或在此描述的其它方法之一获得切换传播波型的垂 直限制。

参考图34，数个极化TIR切换器并列放置形成阵列900。形成TIR 界面的极化区912和914沿波导910一个接一个地设置。每个极化区具 有相同晶体取向，晶体z轴在区912和914中与其余晶体相反。该构造 的其它方面和许多变化已在上面参考图30描述。

用通过导线928连到电极的多输出电压控制源926分别激发每个切 换器。当所有切换器切断时，输入光束902向下传播到输入波导910以 形成损耗可忽略的未切换输出光束904。如果第一切换器导通，输入光 束反射离开TIR界面，以便在波导916中形成第一反射输出光束908。 如果第一切换器切断而第二切换器导通，输入光束反射离开第二TIR界 面，以便在波导918中形成第二反射输出光束906，对后续切换器以此 类推。该多切换器结构可延续到n个切换器。

电极如上所述配置在每个TIR界面。电极920、922、和924中的 一个或多个作为一个切换器的阴极和另一个切换器的阳极。例如，电压 施加在第二电极922与第一和第三电极920和924之间，以激发第二切 换器形成输出光束906。作为阳极和阴极的电极922最好应延伸到预先 被极化的段912的TIR界面附近，同时覆盖一个极化区914的TIR界面 和极化区域914的一个波导段。仅示出一部分结构，其中有两个完整的 极化段912和914以及一个完整的电极922。该结构可通过对齐复制完 整电极和极化段复制n个切换器。

为避免通道中串话，以输入光束直到进入被激发切换器为止不能看 到任何电-光折射率变化的方式向电极上施加电压。例如，为激发第二 极化区914的TIR界面，可在电极922和924之间施加电压，使电极920 和922与以前电极保持相同电位。

虽然极化区的总长度比L长，给定区沿波导占据的距离等于所定义 的L。带有100％存储密度的TIR切换器的线性阵列因此在开始每隔距 离L处具有新极化区。将其称为100％存储密度是由于在该密度下相邻 区仅在波导内极化区的内侧角相互接触。由于被在先极化的结构中引导 的某些光漏出到与该结构接触的下一个极化结构，相邻区相互接触是不 利的。

我们已在上面指出，与在先极化区接触的角部是由极化区的两个垂 直面形成的，其位置并不重要。通过移动这些面使极化区宽度在该内侧 角部一侧变薄，可使这些区不再相互接触排列，从而减少光能泄漏。例 如，通过使90°横向于波导的面的长度减半可使内侧角移动到波导中 部。用来与波导平行的面现在与TIR界面平行，并变成一重要的位置表 面。我们称具有该几何形状的极化区为＂密集存储＂极化区。(存在其它方 式实现使漏光最小的目的，例如在两个不重要的面之间加入第七垂直 面，但此变化如前所述在密集存储方面有另一优点)。

图35示出一种结构，其中通过使用用于极化区的密集存储几何形 状和使相邻极化区的极化相反来使切换器的线性密度加倍。横向经过波 导的极化区的界面现在相同，但仅用于沿波导轴转移。极化区将因此沿 波导牢固地叠层，使切换器密度加倍。实际上，由于其它区与基片的极 化方向相同(在最佳情况下基片完全极化)，仅有相反区在空间上完全界 定。图35示出两个相反极化的区952和954。可认为TIR界面是极化 区的第一面或输入面以及第二面或输出面，在波导950中传输的未切换 光很可能分别进入或离开未激发极化区。

用于输出光束946的TIR界面形成在极化基片和反向极化区952 的第一(输入)面之间，由电极966激发。用于输出光束947的TIR界面 形成在反向极化区952的第二(输出)面和极化基片之间，由电极967激 发。用于输出光束948的TIR界面形成在极化基片和反向极化区954的 第一面之间，由电极968激发。用于输出光束949的TIR界面形成在反 向极化区954的第二面和极化基片之间，由电极969激发。电极沿连接 到永久输出波导956、957、958和959的切换波导段在相应的TIR界 面上延伸。电极966、967、968、969和970中的一个或多个最好作 为一个切换器的阴极和另一个切换器的阳极。因此，每个电极沿前一切 换器TIR界面的整个长度平行延伸。

每个切换器由电压源926经导体928施加电场而可分别切换。当所 有切换器切断时，输入光束942向下传播到总线波导950形成一未切换 输出光束944。当第一切换器导通时，输入光束反射离开其对应的TIR 界面耦合到第一输出波导段956，以形成第一反射输出光束946。对应 后续切换器，输入光束反射离开对应的后续TIR界面耦合到波导段 957、958、或959以形成反射输出光束947、948、或949。电极上 电压的典型设定是不存在来自相邻切换器的光干扰：所有在前切换器断 开。例如，将所有前一电极保持在相同电位作为已切换电极可实现此目 的。该多切换器结构可延续到n个切换器。

需要将密集存储极化区的上游端明显地延伸到输入波导950边缘 之外，保持垂直表面相对于波导的角度。该延伸捕捉输入波导波型的全 指数尾部，并将所延伸的密集存储极化区的其余不重要定位表面推出波 导950，从而消除光损耗。(上游和下游定义为相对于输入光束942传播 的方向)。

如果如上所述参考图30设计极化区的切换波导，输出波导的间隔 变成与其在最高密度存储中的宽度相同，以便其归入平面波导。对于某 些应用平面输出波导可能有用，可使用每个切换器中的第二极化TIR界 面隔开输出波导。已参考图31描述了在一个切换器中使用两个TIR界 面。应指出，在图35的情况下，极化区的几何形状略有不同，以实现 叠层。延伸密集存储极化区的＂输出波导＂部分绕第一TIR界面端部相对 于输入波导942旋转一角度3θ，保持其面的平行。该＂输出波导＂部分 因此而变成第二TIR反射器段。

第二TIR反射器段的宽度比输入波导约大50％。第二TIR反射器 段内的波型传播在其内侧不限制于约2W/sinθ的距离，其中W已定义 为波导宽度。在该侧出现的任何衍射将导致耦合到输出波导956-959的 功率降低。应保持该距离小于约瑞利范围。在4μm宽的波导在4.5° TIR角工作的情况下，总的未限制距离约为100μm，近似等于蓝光束 的瑞利范围。使这种切换器阵列性能最佳的一种解决方案是在第二TIR 反射器段内的关键位置增加一折射率的永久减量(不劣化电-光系数)。该 关键位置是由延伸密集存储极化区的内壁和由如参考图31定义的极化 区836内壁所界定的区。永久折射率减量在其从两个连续TIR反射镜反 射时在波型限制的最佳位置界定一个永久波导边界。所增加的折射率减 量在其到达输入波导时逐渐减小到零，通过截去足够远离波导的折射率 减量区可使加到输入波导的损耗明显减少。折射率减量也不干扰前一个 TIR界面的TIR功能(实际上有帮助)。

因此，已切换的光束从两个连续的TIR界面反射，使切换器的全偏 转角度加倍到4θ。通过加倍输出角度，使得空间可供宽度等于输入波 导的输出波导使用，间隔等于其最密结构中的宽度。

输出波导在第二TIR反射器的最终角落连到图35中的极化区，相 对于第二TIR界面的角度为θ，并最佳地对准以便收集离开第二TIR界 面的光反射。最好将用于给定开关的两个TIR反射器无介入波导段地连 接。这样可使必须在极化波导中传输的偏转光束的路径长度最小，因壁 面粗糙和不对称造成可能比永久信道波导具有更高损耗。

在另一种极化边界结构中，在两个相邻极化区之间的边界可以是弯 曲TIR结构。该结构的波型也是耳语廊式波型，可能由波导内侧边界上 的某些限制改进。使极化边界的曲率半径足够小以使耳语廊波型与耦合 在两种类型波导之间的较大功率的波导波型有良好匹配，在波型内针对 角度分布在足够大的实际全内反射发生。

图36示出用于更高存储密度的双交叉波导结构980。该结构有两 种改进：一个不对称损耗波导交叉997，和90°反射镜976和977。密 度随着平行于第一输入波导984的第二输入波导982的加入而增加，第 一和第二波导在基片981的同一表面上，有效地使存储密度加倍。切换 器元件983和985已作为上述极化TIR切换器的变化之一概略说明，但 可用本文中描述的任何集成光切换器替换，因此，我们在此或图36中 不详细描述该切换器。(该切换器也可用这里描述的其它方式实施，例 如参考图7描述的光栅切换器、参考图10描述的耦合器、参考图25描 述的分配器、和参考图33描述的引导切换器。)

第一输入光束992向下传播到第一波导，而第二输入光束994向上 传播到第二波导。两光束可从不同光源发出，或由同一光源经一主动或 被动分离器发出。当相关切换器切断时，输入光束992和994通过其传 播分别形成未偏转输出光束993和995。如果相关切换器导通，第一输 入光束994偏转进入输出光束996，同时第二输入光束992偏转进入输 出光束998。

在不对称波导交叉997中，两波导相互交叉，调节折射率分布，以 一个波导中损耗略微增高为代价使另一波导中的损耗最小。两个交叉波 导彼此相对以较大夹角布置(此处说明为90°)，以使交叉损耗最小。参 考图36的几何形状，第二偏转光束998跨越第一波导984(这种情况下， 已切换输出光束可平行于输出波导986和988传播)。波导988在交叉点 处与波导984分开，留下间隙990和991。这样使波导984中的损耗最 小，产生不对称损耗结构，该结构中，波导988中的损耗比交叉区中波 导984中的损耗高。为便于后面叙述，我们称不对称交叉沿波导有较低 损耗为＂定点＂。不对称交叉997沿波导984定点。如果间隙990和991 比波导984中波型的数个指数衰减长度宽，交叉结构基本不会对波导 984提供附加损耗。然后可沿波导984将多个不对称交叉结构依次定 点，以产生跨接许多波导的低损耗波导。间隙990和991将对在断开波 导988中传播的光束998产生一些反射和散射，在两波导中所要求低损 耗的组合限制下可使间隙宽度最小。为使来自在波导988中传播的光束 998的光损耗在交叉结构最小，可调制横向于波导传播轴的折射率分布 或沿波导轴使其逐渐减小。其目的是在波导984中保持很低损耗，同时 使波导988中损耗最小。如果与波导984相邻的区中折射率变化较小并 且与波导984本身的折射率变化相比变化缓慢则可实现该目的。(在此所 称的所有折射率变化是相对于基片而言)。

第二波导中的损耗有两部分：一个是折射率不连续引起的反射造成 的，另一个是因衍射扩张造成的。由波导中折射率变化大小和其在波导 端部和侧面的锥形分布确定反射损耗。例如，如果在两波导芯的折射率 变化相同，都是Δn＝0.003，在四个界面的净反射损耗将小于5％，可 减少反射的准确折射率分布引起的校正可忽略不计。由于间隙宽度通常 比自由空间瑞利范围小得多，衍射损耗甚至更低。例如，如果最窄波型 尺寸的深度是2μm，假设材料折射率为2.2，波长为0.5μm，瑞利 范围则为55μm。假设间隙宽度为3μm，每个间隙的衍射损耗小于 1％。如果波导深度为4μm，衍射损耗实质上更小。通过相对于间隙 尺寸增加波导大小可使衍射损耗最小。

通常，＂间隙＂900相邻交叉区有一折射率分布。相对于基片折射率 定义该折射率分布。间隙中折射率可从一等于波导988折射率分布的值 逐渐减小到相邻交叉区的另一值。交叉区的重要部分是波导984的光波 型在其中传播的体积。为使波导984中的损耗最小，该重要部分中交叉 区附近的折射率比波导984内折射率分布小得多。

带有不对称光损耗的交叉波导几何形状可由许多几何变化组合。例 如，对于已切换输出波导横向于输入波导的多个交叉点可使用三个或更 多输入波导。对最佳波导的选择也可以许多方式进行，最好是在使其在 交叉点损耗最小的意义上进行选择。我们已讨论了一个最佳波导为平行 的实例。然而，在更复杂的系统中，可能有彼此交叉的最佳波导，以及 交叉非最佳波导得到的最佳波导。如何实现最佳波导的交叉的选择取决 于其应用。在一器件中的波导交叉结构可以是不对称损耗交叉和间隙宽 度为零的对称损耗交叉的任何组合。

对于以小角度偏转光束的切换器(例如TIR切换器)，可提供诸如 976和977之类的附加光束旋转器件，以便在波导交叉处获得大交角。 光束旋转器件976和977最好是垂直微型反射镜，安装在固定位置。通 过使基片材料在其体积内移动，留下一个与波导相邻的平坦垂直表面 (粗糙度最好较低)并在将反射光最佳地向下导向输出波导986或988的 角度定向来形成每个微型反射镜。可采用传统处理技术制造微型反射 镜，包括用例如高功率激元激光或离子束蚀刻的激光烧蚀，二者可在掩 模的帮助下界定反射镜的几何形状。体积内可充以低折射率，低损耗材 料，例如氧化铝或二氧化硅，以防止反射镜表面受到污染并保持反射镜 的全内反射性质。

最好将微型反射镜相对于波导之一的输入的角度调整到提供全内 反射。微型反射镜体积在其反射表面垂直方向的厚度最好比光波长大得 多，以使反射光波渐逝尾部通过微型反射镜的泄漏最小。调整相对于其 它波导的角度，以使反射光束的中间传播方向平行于其它波导中轴。调 整微型反射镜的位置以使从一个波导到另一个波导的光耦合最佳。最好 调整反射镜在结合区的位置，以使照亮反射镜表面的两光束的＂重心＂在 同一位置。反射镜横向于入射和反射光束的长度大于波导宽度的两倍， 以便将整个波型全部反射，包括光束尾中的指数降低强度。从波导波型 之一输入的光通过波导结合区衍射到微型反射镜，在耦合到输出波导波 型之前以反射角通过波导结合区反射和衍射回来。在反射镜附近两波导 之间的结合区最佳地保持在与未限制光束的瑞利范围相比较小范围 内，使波导宽度在2至5微米范围内即可实现。

图36的结构使已切换光分布波导的大叉指阵列成为可能。整个结 构980沿一对输入波导复制多次，用交替来源(图形rentage)的小图形产 生一组交错输出波导(本文中，来源是指从一特定＂来源＂输入波导得到的 光功率)。每个输入波导可连接到大量输出波导，只要切换元件具有很 小的介入损耗，如同上面列出和在此描述的元件的情况。由于不对称交 叉结构，在其它波导(包括附加切换器、微型反射镜、不对称波导交叉、 和交错输出波导)上方增加更多的输入波导不明显增加较低输入波导的 损耗或影响其在长距离上向许多输出波导分配光的能力。它将适度地增 加每个附加输入波导所需的光源功率，以便向其相应输出波导的端部传 送相同功率。可平行使用和所要求一样多的输入波导以分配尽可能大的 总的光功率。其输出波导可使用图36的方法以许多不同图形交错。使 用光栅反射器代替TIR切换器可得到相同结果。如果光栅反射器相对于 输入波导以较大的角度定向，则不再需要微型反射镜。

上一段描述的结构是一种一对多构造，其中每个切换器一个输出伴 随每个输入多个切换器。无法将许多输入连到同一输出。需要一种多对 一构造。通过组合一对多和多对一构造获得多对多构造。

图37示出有TIR切换器的波导阵列1060排列成多对一构造。所示 结构中，两个输入波导1072和1074将两输入光束1062和1064切换成 一个输出波导1076中的一个输出光束1070。输入TIR切换器1090和 1092，以及输出切换器1094和1096已在前面参考图30-32和36描述， 因此仅将其概略示出，为清楚起见省略许多元件(例如电极、接点、功 率源、控制器、垂直限制器件、极化区深度、输出波导限制类型)。如 参考图36所述，输入TIR切换器被排列成以正向传播光束，而输出TIR 切换器被排列成以反向传播光束。切换器1090和1092基本上同时切 换，如同切换器1094和1096，由于需要二者完成将功率注入输出切换 器1076。如参考图36所示，当切换器1090或1094导通时，光束1062 和1064的一小部分分别切换到波导1078或1084。剩余的输入光束沿 输入波导的延伸传播到一输出路径成为光束1066或1068，其可被用于 其它元件或将其束流收集器以吸收或散射到系统之外。设置微型反射镜 以便将来自波导1078和1084的光束分别反射到波导1080或1086。在 其导通状态下，TIR切换器1092或1096接收分别在波导1080或1086 中传播的光束，形成输出光束1070。如果需要将光束1062切换到输出 光束1070，很显然，切换器1096和所有后续切换器必须断开。(否则， 将所需要的大部分光束反射出波导1076)。在多切换器阵列中的所有其 它切换光束也适用类似限制。

如在此所述处理基片1098，以产生所说明的结构。当切换器1090 或1094切断时，输入光束通过切换器区1090或1094传播，其损耗可 忽略，然后横向于波导1076(如果需要，在不对称交叉中)，并分别以输 出光束1066或1068出现，可作为附加切换器的输入。

也可提供附加输入波导，耦合到波导1076(或如需要可不耦合)，在 输出光束1070方向以修改方式重复该结构。也可提供附加输出波导， 如果需要耦合到输入波导1072和/或1074，在光束1066和1068方向以 修改方式重复该结构。

图38以多对多构造示出光栅反射器阵列1210。在所示结构中，两 个输入波导1222和1224将两输入光束1212和1214切换成靠近或接触 该输入波导的两个输出波导1226和1228中的两个输出光束1220和 1221。包含光栅1238、1240、1244和1246的光栅TIR切换器1230、 1232、1234、和1236已在前面参考图7、8、12、和13描述，因此 仅将其概略示出，为清楚起见省略许多元件(例如电极、接点、功率源、 控制器、垂直限制器件、极化区深度、极化区锥状或电极间隔)。当切 换器1230或1232导通时，光束1212的一小部分分别切换到输出光束 1220或1221。剩余的输入光束沿输入波导的延伸传播到一输出路径成 为光束1250，其可被用于某些其它元件或将其束流收集器以吸收或散 射到系统之外。当切换器1234或1236导通时，光束1214的一小部分 分别切换到输出光束1220或1221。剩余的输入光束沿输入波导的延伸 传播到一输出路径成为光束1252，其可被用于某些其它元件或将其束 流收集器以吸收或散射到系统之外。

如在此所述处理基片1248，以产生所说明的结构。当切换器切断 时，输入光束通过开关区(如果需要，其中波导可构成为不对称交叉)传 播，并分别作为输出光束1250或1252出现，可作为附加切换器的输入。 波导可相互以简单的大角度结合，或可以是实质上不影响光栅1238、 1240、1244、和1246位置的不对称交叉。应指出，实际光栅可以是覆 盖基片和由所要求电极仅在不同切换器区激发的单个大型光栅的一部 分。例如，如果光栅由极化畴构成，这样可允许整个基片极化为光栅所 用，可使生产更简单。另一方面，可将光栅排列成条纹状或其它组群。

也可提供附加输入波导，耦合到波导1226或1228(或如需要可不耦 合)，在输出光束1220和1221的方向以修改方式重复该结构。也可提供 附加输出波导，如果需要耦合到输入波导1222和/或1224，在光束1250 和1252方向以修改方式重复该结构。

图39A示意地示出另一种切换器阵列在n×n通信路由选择应用 中的应用实例。在该应用中，输入光通道中的光功率以最小损耗和最小 串话路由选择到输出光通道。控制器在两通道之间建立可编址路径。通 过重复图38的结构形成一简单的方形阵列，直到n个输入排列在左侧 和n个输出排列在底部，切换器位于波导所有n2个相交点处。交角可 以是任何适宜角度。在该结构中，通过激发切换器之一实现将一个通道 切换到另一个通道。光束在波导交叉处以较小串话量相互交叉，，可通 过使波导几何形状最佳减少串话量。该结构能够在任何输入和任何输出 之间独立地一对一连接。还应指出，该连接可以是双向的，以便实际上 可以同时在两个方向同样使用通过通道。所示切换器作为光栅的特定应 用，但也可用如参考图37所述的双TIR切换器通过复制图37的结构形 成n×n输入和输出，或用已知或已发现的任何其它光切换技术来将其 实施。应指出，在TIR切换器的情况下，光数据路径不通过输入和输出 波导之间相交顶点，而是通过相交处附近的另一个波导。根据切换器的 特定几何形状，输入和输出波导可以如图37、38、和39所示大角度， 或一斜角相交。在波导倾斜相交的情况下不需要双TIR切换几何形状中 的固定反射器1088和1082。

在该带有n个平行输入波导的简单方形几何形状中，有一个输入波 导通过单个切换器连接到最近的输出波导，形成具有最低损耗的最好情 况。在另一个极端方面，有一个波导必须横向于切换到最远输出波导的 2(n-1)个波导交叉。这种最坏情况的连接将比最好情况的连接具有高得 多的损耗。为减少切换器阵列结构的最大介入损耗，可采用参考图36 所述的不对称交叉连接。在每个波导交叉在其横向于沿输入或输出波导 中的一个的光传播方向定点的不对称交叉最好地帮助最坏情况连接的 损耗。很明显，由于在中间结合中不对称切换器的使用将以其它切换器 为代价帮助某些切换路径，该结构不能在内部波导普遍化。需要一种选 择不对称交叉最佳方向的算法。一种配置不对称交叉的好方式是在每个 方向定点大约一半交叉。观察到对角线左上方上的n(n-1)个交点(不包括 对角线)主要用于向右侧分配能量。这种交点因此应沿输入波导方向定 点而右下方的交点应定点在输出波导的方向。在双向结构中，对角线上 的交点应是简单的对称交点，在此被称为不对称交点的简单对角线排 列。根据不同应用图形可使用其它排列，但这对一般目的的排列较好。

一个n×m(其中n＞m)排列仅允许n个＂输入＂线和m个＂输出＂线 之间的全连接线。在此，由于所有线路是双向的，＂输入＂和＂输出＂仅用 于识别目的。附加的n-m＂系统＂线路可用于监控和广播功能中的系统控 制。例如，如果线路A希望连接到线路B，它将针对该功能发送系统请 求，直到应答。例如，线路m+3可用于扫描系统请求的所有＂输入＂线路。 (为提供类似线路来监测＂输出＂线路，需要大型矩阵线路，例如图39A 所示的n×n矩阵，其中m×m个线路子群中的m条线路提供给用户。 一条线路，例如线路n-2可用于监控＂输出＂线路)。在监控中，系统将接 通对应于＂输入＂或＂输出＂线路的连续光栅，并检测线路是否运行。如果 所监控的线路中任何一条运行，通过依次接通与监控检测器在同一线上 的光栅可使某些功率切换到监控检测器。一条运行的线路具有将其连接 到另一条所选线路的激发反射器。然而，通过激发反射器时将泄漏一些 功率，形成可由监控检测器检测到光束。当本实例中连到线路m+3的监 控检测器将切换器1255(为具体起见将其画成一个光栅切换器)切换到导 通并从线路A接收请求，控制系统将检测线路B是否忙。当该连接通过 切换器1253到线路n-2时，通过线路B连接切换器泄漏的残余光束将 警告系统线路B在运行中。如果未检测到运行，系统请求将发送到线路 A和B二者(如果其具有多路发送/接收能力可能通过同一监控线，或可 能通过分离的系统线路)，切换器1254可闭合以建立连接。

由于即使部分地接通与来自给定输入的所有输出对应的所需行的 切换器将干扰其它信道之间某些已建立和可能会运行的通信连接，用于 一对一连接的基础m×m切换单元内的线路不适用于广播功能。从作 为图39A所说明的m×m切换单元＂外侧＂的系统线路最适合于广播。(几 何形状的＂内侧角落＂是＂输入＂侧上的线路1和＂输出＂侧上的线路1之间 具有最低损耗的波导连接的最好情况)。以广播为例，所示线路C借助 光栅1256运行地连接到图39A中大多数或所有＂输出＂线路。线路C上 的切换器1256必须仅部分导通，以便有足够的功率传送到每个＂输出＂ 线路。可使用类似的协议以防止广播时在简单通信连接情况下信道之间 冲突。仅用不起作用的信道建立广播连接，系统可将信道组合在一起和 /或等待单独信道以便允许对它们广播。

为提高切换效率，波导可为较大的多波型波导，在单波型通信网络 的情况下用别处描述的绝热扩展器连接单波型输入和输出端口1至m。

上面参考图39A描述的整个结构可作为非同步传送波型切换器， 或任何点对点通信应用。该结构的一个有效变化是用于WDM网络中的 多波长操作。可使用极化光栅切换器，或使用调谐进入和离开特定通信 频带的可调谐固定光栅如在此所述来实施波长选择光切换器。在WDM 网络中，所需要的是在信道之间切换特定波长，而不影响可能在同一信 道中传送(双向)的其它波长。对于可选择反射频率同时在WDM光谱中 实质地传输其它组频率的可调谐切换器，图39A的简单几何形状是合适 的。然而，如果使用单操作频率的切换光栅，每个波长需要分开的连接 路径。

图39B示出带有分开路径的切换WDM通信网络1260，用于网络 中使用的每个频率。该实例用于双频率WDM网络，但可推广到任何数 量的通信频率。图39B示出连接到三个端口1a、2a、和3a的＂输入＂ 波导1276，并示出连接到三个端口1b、2b、和3b的＂输出＂波导1276。 波导形成9个交点。在每个交点，有三个连接到每个＂输入＂和每个＂输出 ＂的附加光径。在该实例中附加路径相同，并包括三种类型。第一类光 径1266包括一对固定频率切换反射器，两个反射器可反射WDM系统 的两信号频带中的第一个。反射器最好是横向于与该交点相关的＂输入＂ 和＂输出＂波导的光栅，并反射对应波导和连接到两光栅的附加波导段之 间第一频带中的功率。第二类光径1268包括一对固定频率切换反射器， 两个反射器可反射WDM系统的两信号频带中的第二个。另外，反射器 最好是横向于相应波导放置的光栅，并反射对应波导和连接到两第二光 栅的附加波导段之间第二频带中的功率。第三类光径1270包括一对频 率独立切换反射器，两个反射器可反射WDM系统的两信号频带。第三 类光径可由波导和固定反射镜连接的TIR反射器对实施(参考图37所 述)。

这种情况下，端口1a、2a、1b、和2b加相关波导1276、1277 形成一2×2切换网络，该网络可在任何＂输入＂端口和任何＂输出＂端口 之间同时切换双频通道。带有相关波导1276，1277的系统控制端口3a 和3b提供监控和系统通信功能。例如，如果需要在端口2a和1b之间 切换WDM系统的第一频率，与第一类光径1266相关在波导交点连接 到端口2a和1b的两切换器导通，通过连接两切换器的波导在端口2a 和1b之间在第一频率路由选择光功率。如果与给定端口相关的所有频 率被路由选择到另一端口，切换器和第三类光径1270则在与两端口对 应的交点导通。由于切换任意两信道之间之间的两WDM频率，可触发 两个对应光径1266和1268，因此在2×2网络中光径1270实际是多 余的。然而，在具有许多WDM频率的更高级通信网络中，由于其将具 有最小损耗，一个单的全频连接是所要求的。

图40中示出了一种二维一对多路由选择结构。第一行波导路由选 择切换器把一从输入波导来光功率连接到象素波导的各列。在此未示出 该切换器的细部结构，在此仅以光栅形式示出，但可以数种不同方式实 施。＂象素＂切换器二维阵列将离开象素的功在＂象素位置＂定向。(功率在 象素位置所发生的情况视应用不同而定)。双层切换器被用来到达所有 象素。此结构可用于显示器，启动或控制过程或装置，或是读取特定形式 数据。在后一种场合中，功率流动方向相反而装置的操作有如一多对一定 向结构。

输入光束1342在输入波导1352中传输且由切换元件二维阵列 1356耦合到许多象素波导1354中的其中之一。切换元件1364可做为光 栅切换器，如上文中结合图7，8，12，13，和38所述，或可做为TIR切换器，如 上文结合图30-32和37所述，或可做为其他可切换元件。所述光束1344 由切换元件1358切换到一象素波导，在此它被切换元件1360第二次切换， 形成传到象素元件1362的光束1346。象素元件1362可由所示的波导 段而与波导1354隔开，或可靠在波导上一小段距离，使未切换光一小部分 由象素元件通过。

在显示器应用的情况下，所述象素元件可以是用于产生出自基板 1348的光1342的辐射。该象素元件可以是处于基片1348表面上的粗糙 斑点(patchs)，或斜角微型镜面，或用于光散射的粗糙斜角微镜，或荧光凹 点，或产生可见光的其他器件。在显示器的情况下，输入光束1342可以包 含几种颜色，在这种情况中，所述波导能够波导向所有的颜色，所述切换器 能够耦合所有的颜色。顺序地对波导切换器扫描，以产生显示器的图象。 光栅切换器可按多周期光栅实现，但TIR切换器用于此目的不需要什么 修改。如果为单模波导，则它们必须有效地波导向最短波长的光束。最好 对该输入光束1342进行外部调制(包括其所有的颜色成分)，以便转换元 件是单纯的开-关器件。注意，如果象素元件以约直线的方式设置，且是可 沿行电连接的，则可以跨越各纵列波导设置一单排电极，以激发一行象素 切换器。

在投影显示器的情况下，需要一个附加透镜，以收集由阵列中所有象 素发射的光，并把它们重会聚到距该透镜一定(大的)距离的屏幕上。该透 镜最好应该具有一个良好的轴外特性，以便在屏幕上聚焦面被合理地变 平，和它应该具有一个足够大的数值孔径(NA)，以收集由该象素阵列辐射 的光的大部分。把一个透镜矩阵耦合到象素结构上以减小由各个透镜产 生的光束的散射将是有利的，从而减小在投射透镜上的(昂贵的)NA需 求。实现这种情况的另一种方式是再使波导递减到象素的最大可能尺 寸。把象素递减到大的横向尺寸是相对容易的，但获得一种深波导是困难 的。可通过把一个宽波导与一个长光栅耦合器耦合来形成大的象素。

在路由选择结构中分布的光也可被用于激发过程，例如在DNA读 出器或过敏症读出器，或蛋白质读出器的情况下。在上述的每一种特定情 况中，利用可被光激活的荧光标记制备DNA或过敏症或蛋白质的分离阵 列。可为每一象素期间的激活按排一种分子或分子的一种制备。在不同 象素期间对光进行电扫描，该扫描的速度和顺序可根据结果确定。可对荧 光进行收集，以便通过一个外部透镜和检测器进行检测。然而，对于一些 应用来说，收集和把发射的辐射波导向到一个光能检测装置以及对源光 的辐射进行控制，对于象速(和其透镜)和波导结构本身是有利的。取决于 所需的光照和收集形态，该透镜可以是准直透镜，重聚焦透镜，甚至是可以 想到的能产生发散光束的透镜。通过透镜的焦距把准直透镜与波导的一 端分开，以便该发射(和收集)的光束基本是平行的。如果存在将由质询光 束往返移动的大量材料，准直透镜是非常有用的。通过物距把重聚焦透镜 从该波导的一端分开，该物距的倒数与象距的倒数和焦距的倒数之差有 关，其中象距是从透镜到所需成象光束点的距离。如果需要把取样集中到 一个小的光点上，和照射和或从波导读取它，则要使用重聚焦透镜。利用 一个由小于其焦距之距离与波导分开的透镜生成散射光束。如果接近透 镜的波的散射在两个平面上是不同的，则自该透镜输出光束不必是环绕 的。产生光束环绕的最简单方法(对于在重聚焦后的最小光点)是在该波 导的一端实现环绕光束开始，这可通过对波导进行设计实现，或通过逐渐 缩小波导来实现。该透镜最好具有合适的数值空径，以允许来自波导的整 个波，和根据应用把其聚焦到一个衍射受限点或准直光束。

象素元件1362可以是上述情况中的任何一种元件，它可以与要被激 活的材料直接结合，或通过与该材料已结合的一外部片配合间接地结 合。每个象速元件可包含一个如上所述的准直透镜，以便一切换器阵列可 以通过在一基本公共的聚焦面中的成象光束点与一个透镜阵列耦合。 (在这种情况下，基本公共意味着在真聚焦面的瑞利(Rayleigh)区域内的 上下，由于象差它可能大大地发生了畸变)。如果所述路由选择结构也被 用于检测荧光辐射，则在象素元件1362中最好使用一种反射体来取代散 射体，该反射体把辐射耦合回其所来自的波导。只要用于某一给定象素的 切换器被激发，这种耦和就被维持。如果需要，可在切换到另一象素元件 之前将光源切断，以便解决辐射的衰减。

当被作为数据读出器使用时，光传播的方向从图40中所示方向反过 来。来自一设备包括数据的光在各象素元件被收集，并被耦合到路由波导 结构，该路由波导结构，将其波导向回输入波导1352。被连接到波导1352 的是一个用于读取数据的检测器。该检测器经位于波导1352与用于数 据媒体照明的光源之间的一个分光镜可被同时连接到该波导。象素元件 1366(或只是＂象素＂)最好经透镜与各数据光点耦合，以收集选定路由通过 结构1350的光，并将其送到数据媒体。耦合的透镜还用于收集从该数据 媒体反射或发射的光，和将其重聚焦到与该象素元件耦合的波导的一端 上。数据可以是在靶体积中，在此种情况下，透镜可被构造成与光束平行， 数据可以是在靶面上，在此种情况下，不同的象素元件可以对应着旋转磁 光盘数据存储面(例如CD)上的不同轨迹。构造透镜使其以一种衍射受限 的方式把来自象素的光重聚焦到数据光点上。通过把不同的象素与不同 的轨迹组合，可电子地实现逐轨迹地切换，基本没有时延。

不同的象素也可被耦合到数据媒体的不同面上。这对于读取已被记 录在该媒体上的多个面中的数据是有用的，以增加整个存储容量。各面之 间的切换也可通过在耦合到不同面的象素之间的切换电子地实现。

此外，几个不同的象素元件可被集中到由(最好正交于)一给定轨迹 的轨迹分割横截面之几分之一分开的各位置上。当轨迹偏移时，通过在象 素之间切换可电子地实现正跟踪，以取代机械地跟踪。需要一个传感器和 电子设备对轨迹偏移进行检测，需要一个控制器用于切换到所需的象 素。可以对不同信道中的信号强度或信噪比(SNR)进行检测，以确定最佳 (对的最准的)信道。如果沿波导1352的转换器被做成4通接头而不是3 通接头，第四腿在基片的边沿露出，则检测器阵列1368可以按与该第四腿 对准的方式设置。各个检测器1367单独地与各列对准，用于检测来自每 一列的返回功率。如果使用检测器1367，为了使来自检测器阵列1368上 数据媒体的返回功率最大化，对于沿波导1352设置的光栅的最佳反射率 是大约50％。如果在路由器结构的上游、波导1352中设置一个单独的 分光镜，其最佳反射也是50％。

注意，通过对沿输入波导或象素波导的切换器部分地激活可实现不 同象素的部分激活。可通过施加电场的方式对切换元件1364进行调整， 以改变它们的反射系数。光束中的一些可通过供另一象素中同时使用的 所需部分激活的切换器发送。多象素激活在轨迹偏移校正情况中具有特 殊的意义，因为多个检测器也可被构造在路由器1350中。例如，如果路由 选择结构1350的三个不同列上的三个不同象素要被同时激活，则它们的 相应象素列切换器将需要被部分地激活。所述控制器需要进行计算，以确 定合适的多个切换器的激活。忽略切换器的损耗，对于最佳SNR，为了在 其各自检测器上产生相等的强度，与第一象素列对应的第一切换器应被 激活，以反射约3/16的入射光，与第二象素列对应的第二切换器应被激活， 以反射约1/4的已通过第一切换器的剩余光，和与第三象素列对应的最后 的切换器应被激活，以反射约1/2的已通过前两个切换器的剩余光。假设 来自媒体的反射为100％和100％的光收集效率，则大约15％的入射光 被反射到每个检测器。与单一象素的情况中单一检测器上接收的光束为 最佳25％比较，这一结果是相当不错的(最佳切换器激活＝50％反射 率)。确实，采用三个光束比仅用一个光束收集的光要多。电子跟踪将产 生更低成本、更快和更可靠的数据读/写设备。

可以采用这些方法(电子跟踪切换，电子数据平面切换，和电子跟踪) 的任意组合提高数据存储设备的性能。还需要一种方法来实现电子可变 聚焦，用于从驱动装置中潜在地除去所有机械的运动(除了媒体的旋转 外)。正如下面参考图54所描述的，利用一个波带片透镜通过改变光束 1342的波长可以实现电子可变聚焦。

如图所示，图40的路由选择结构是一个偏振结构，90度光栅切换器 仅反射TM模式。结果，仅可以使用依据强度的分光方法。能够使用偏振 分光器将是非常有利的，因为这将在一给定光强度的信号强度中产生4 倍增加的因数。然而，需要切换结构能够转移和然后分离这两种偏振。虽 然以一可忽略的充分切线TIR角可实现各TIR切换器的偏振关系，但是 在使用很低的角切换几何结构中存在着存储密度损耗。

图41示出了一个被设置作为数据读出器1370的与切换器有关的强 偏振的线性阵列。所述切换器由被TM偏振和在激发切换器1372中被 高反射的光束1342激活使用波导1376和1378(诸如铌酸锂中的钛散射 波导)为两种偏振进行波导向。象素元件由与集成透镜1380组合的微型 镜面1347实现。数据光点(例如1382)被设置在绕轴1388旋转的盘1386 上的轨迹中。从该数据轨迹上的双折射数据光点(或分离符)反射的垂直 偏振光被透镜1380收集，重聚焦回到波导1378，并由微型镜面反射回到 具有TE偏振的波导向面上。因为TE模两者都以光栅的Brewster角被 偏振和具有不同的非相位匹配的用于反射的传输常数，所以它通过切换 器传输，不反射回检测器阵列1368的检测器1367。(可替换地，如果该切 换器是一个TIR切换器，则TE波的反射率小小于TM波，大部分TE波通 过该切换器发送，照射到该检测器上。)如果另一切换器1373被激发而 不是切换器1372，光束将传播到不同的象素1375，并根据该象素1375与 其微透镜1381的校准被或者聚焦到另一数据轨迹，或者另一数据平面， 或者同一轨迹但具有几分之几轨迹宽度的横向偏差(根据该象素1375是 否用于轨迹切换，数据平面切换，或跟踪控制)。

在参考图40和41描述的结构上的许多变异是显而易见的，诸如可 对该路由器中的任何切换器定向，以改变光在该平面这中的传播方向；在 一单独设备中可使用多种类型的切换器，以及可附加更高的切换电平。其 他变异不胜枚举。

图42示出了一个可切换集成谱分析器930。输入光束进入输入波 导932一定距离后停止。输入光束912可在另一波导中转播，或它可以是 一个被对准和模匹配的自由空间光束，以使到达波导932的功率最佳。设 备930被提供有一个用于将转播限制在平面内的平面型波导835。自输 入波导的端面射出的光束927在平面型波导内的一个平面中散射，直到 其通过集成透镜元件925为止。该集成透镜具有一个相对于该平面波导 提高了的折射指数，其中该平面波导处在一限定了自光轴约平方地减小 光学厚度的边界内。(若如果它具有一被降低的指数，则光学厚度约平方 地增加。)该透镜可通过掩膜衍射或离子交换制造，或者它也可以是一个 由电极激励的相反被极化段(reverse poled segment)。

透镜925使光束对准，该光束然后转到三个光栅部分929，931，和933 中的至少一个。所述光栅由各个单元(cell)形成，每个单元为一个畴，从背 景材料中将这些畴区别开来，并根据应用不同有不同间隔量。所述单元具 有不同于基片的不变或可调整折射指数，且不同的单元可以具有不同的 畴类型。不变的畴类型例如包括散射区域，离子交换区域，蚀刻区域，粒子 辐射区域，和通常通过任何折射指数类型的改进方法形成的区域。所述光 栅部分可通过蚀刻，离子交换，或向内扩散形成，在这种情况下，这些光栅 是永久性的，但是在本优选实施例中示出的光栅是由极(poled)域形成 的。电极932，934，和936连同公共电极938一起被用于分别激励所述光 栅。为简便起见，公共电极可被设置在如所示基片的对边，或者围绕电极 932，934，和936设置，以用于低电压激励。

在个别光栅中的单元可以形式按排，以在所需方向形成所需周期性， 以提供具有所需动量的虚光子。它们可以按行排列，以限定某些特定平面， 这些平面具有与由行间隔所限定之动量的平面垂直的虚光子动量此时， 沿具有由行中各单元之间隔所限定的动量的平面也将具有拥有动量的 虚光子。为了使后向反射相位匹配，虚光子动量正好为入射光子动量的两 倍，并且以相反方向被波导向。任何其他反射过程有较小动量，而且被导向 横向于入射轴。因而，行间隔的周期∧部分地与入射波长λ相关，其中∧为 量λ/2neff的分数。在一般情况下，单元可由一距离分布所隔开，而该距离 分布随着通过光栅的位置变化，以便使沿任何入射轴的虚光子动量由沿 该轴分布的单元的空间频谱(通过富里叶变换确定)所决定。

通过调整相应电极的电位状态，光栅929，931，或933中至少有一个 被接通。在图42中，光栅929被激发。被激发的光栅提供虚光子给入射 光子，相位匹配散射过程到一输出方向，以形成具有不同波长的多个输出 光束935和937，输出光束依据其波长而在角度上被分开。来自被激发光 栅929的输出光束通过透镜939，透镜939将该输出光束重聚焦到一个检 测器阵列941上。该检测器是一组传感器，被设置接收输出光束的一部分 以用于检测，且最好是如图所示地被粘在装置930的边缘上。然而，若需 将装置930集成到一个较大的基片上，该基片在此位置也可不需要有一 边缘。此时，可以使用其他抽取光束的方法(诸如垂直折射镜子)以将光束 935，937的一部分折射到检测器阵列中。传感装置被大约设置在输出透 镜939的聚焦平面的一个瑞利区域内，在此位置，输入光束角可映射到输 出光束位置。由于光栅将输入波长映射到输出光束角，准直输入光束导致 不同波长在聚焦平面上要被映射到不同位置，而波长的空间解析度取决 于光栅的特性。检测所得功率(为阵列941中检测器位置的函数)与输入 光束921的功率频谱有关。因此，装置930是一个谱分析器。若输入光束 被分成占据数个不同频道的信道时，它也可以是一个多信道检测器，而该 装置被构成将信道分散到预定检测器或一组检测器。

通过将不同光栅接通，本装置在不同频率范围作用。例如，如果光栅 931或933被激发，则分散光被透镜939聚焦到一不同检测器阵列943或 延伸检测器阵列941的不同部分。光栅的频率范围由光栅到光束的角度 及光栅的周期性确定。所示的光栅931到光束拥有一较浅角度，以便使其 被激发时选定一较高光频率范围。光栅933具有彼此横向的多周期性， 以便能够选择多个重叠频率范围。多个频率可被映射到极区边界，如上文 参考图18所述。光栅933的极化元件一般可按排在垂直于两主要虚光 子动量方向的平面上。平面的定相是由将所需光栅分量频率抄录到畴边 界的过程来决定。然而，一般光栅可在所有方向有动量分量，在此种情况 下，造成的畴边界不会组织到平面内，除可能在一主要方向上外。

一透射光913被集成透镜907再聚焦到一输出波导段909，以形成输 出光束911，其包括并未与光栅交互作用的输入光束921的带外部分的至 少一部分。

已切换范围频谱分析器的一项有用变化与图42和30-35的元件组 合，其基本概念源于这样一个事实，即光栅的频谱范围可通过改变其角度 或等效于该源点而被位移。在此变化中，其使用一波导路由选择结构以允 许该源点被切换。波导切换器被设置在输入波导923(而且可能在发射波 导)上的一个或多个位置以产生一平行源波导阵列，输入光束921可在其 中切换。所有波导都在同一平面上终止，最好是在输入透镜925的聚焦面 上。频谱分析器的其余部分保持不变，虽然具有多个输入，但其不必要有 额外光栅931和933。多个已切换波导的分隔依据应用而作调整，以达到 分析器930所需的可切换频谱范围。

图43示出了一种被极化的声波多层干涉结构953。入射声波972 可以是一主体或表面声波。被极化结构被制造在一压电基片965的区域 955中，其包括两种形态的畴963和964。众所周知，极性反转造成部分声 波反射(例如米勒等人的美国专利4,410,823)。到光束973的反射以及到 光束961的透射被极区之间的界面的间隔所影响。若需要高反射和低透 射，相邻界面间隔应等于1/2声波长的整数倍。若需要高透射且低反射地 穿过一结构，该间隔应等于1/4声波长加1/2声波波长的整数倍。通过在 一其中声阻抗改变的界面附近提供适当数目的极区，可制造抗反射(AR) 结构，假设反射波的相位被选定成与从该界面来的反射波相位不同但幅 度相同。

图44示出了一种被极化的主体声波换能器971。一入射声束972 入射在包含一对电极974、975的压电性基片965的极区。该极区包括 最好为相反的两种畴963和964。通过每1/2声波长反向极化方向，由声 波在每一极区所感应的电场可被选为相同。此时，可使用单电极来拾取感 应电压而非现有技术的交叉梳状电极。使用电极974和975来检测输入 波972的存在。输出电压(由导体979引出并可见于电子控制器978)随 正弦变化(对于一窄频带而言)而且是时间和与该声波之振幅相关的振幅 的函数。如上所述，若被极化的界面间隔为1/2波长，结构也做为一高反射 器，在一给定实施中也许不需要。这一特征可通过在图44中所示波长的 1/4和1/3处交替地间隔界面消除。此时，该结构为一抗反射涂层，以消除 不需要的反射。由于几乎整个声波穿入被极化的结构，其能量在该处可几 乎完全被吸入检测电子设备，所述结构971为一个有效的声能调谐检测 器。该结构的带宽反比于声波周期数目，其落在由电极覆盖的被极化的结 构内。其效率与在电极之下的声路径长度有关。因此，带宽与检测器的效 率有关，而且可通过改变检测器的尺寸而进行调整。

结构971可做为一个发声器，其主要是运行相反的过程。以要被激 发的声波之频率在两电极之间提供一个与时间有关的电信号。基片的压 电系数在声波频率下产生一周期性张力且产生一对声波，其中一个961 在前进方向传输，另一个973贼在相反方向传输。若需仅产生一个波，可 通过将装置953和971合并制造一个高效单向发生器，而装置953可被做 成用于不需要的波的全反射器。如果该全反射器是与不需要的波夹90 度角被定向，且被反射波相位选定成与所需声波同相，则这两个波将出现 在同一方向上，如同一个单一波。

图44中的结构的一个变化是应变启动式光交互作用装置。在此装 置中，极取964和963由一应变场所激发，通过光弹性效应产生折射率的 改变。现在，结构975为一个应变感应衰减器，其可在温度上升下被沉积 到基片965上，以便使薄膜和基片的不同热膨胀系数在室温下产生一应 变场。该机械式应变场经光弹伸张器作用后，在基片中从畴到畴改变的折 射率变化，再度产生具有成型折射率的基片，其也可以用于本文所述的其 他场合。如果电极的沉积过程并不影响所需应变场，使用电-光效应的电 场可与光弹效应合并。

图45的结构890为一对光波用的调谐相干检测器。其调谐方式使 其仅能检测在一特定带宽(大约所需中央＂共振＂频率差)中的光波之间的 频差。在最简单的情况下，该装置被构造成在交叉梳状电极885和886 之间有相等的间隔，其形成具有周期为∧的周期性结构。在一给定瞬间， 出现在输入光束887中的两个输入频率在波导888中产生一电场的干涉 图形，其空间周期取决于光频率差及基片889在光频的折射率。在一频差 下，(此时干涉图形的空间周期等于周期∧)电极结构是处于谐振状态，而 且由于在波导顶部的感应位移电荷，电极将被激发到一电位差。

频率响应特性是与一正弦平方函数有关，而其谐振频率由光频差确 定，两光波在该处的被极化的光栅周期中的相移为2π。当电极结构被制 定后，需要缓冲层891来降低传输光波的损耗。若其厚度远小于周期∧， 在此实质上不能降低感应电位强度。干涉图形有一低频分量，其以两光波 之间的频率差振动。因此，由电子控制器978经由波导线979拾取的电子 信号也是在该频差下振动。电子信号的幅度在谐振频差下很大，且根据装 置带宽而降到其他频差，其与交叉梳状电极结构中的脉动周期数目的倒 数有关。

交叉梳状电极也可以构造成具有多频分量，以便具有数个谐振频率， 或以便对响应带宽进行修改。请注意此装置也可对多阶敏感。如果与1/2 周期比较该电极是窄小的话，在谐振差频的奇次谐波处将具有明显响 应。通过将指针彼此相对移动而使沿波导轴具有不对称性，可以产生对偶 次谐波的响应。较高阶响应仅可在降低第一阶响应下改进，这可通过将电 极彼此相对置于中心和增加其带宽而使其最小化，最后，波导888并不是 严格地必须。它可以被省略，但被检测波应该被带到很靠近电极之处，以 使信号拾取最佳化。

图46示出了一个低损耗切换式波导分离器780，该装置有一永久Y 型波导分离器774，其由一输入波导段构成，该输入波导段加宽进入一Y 型接点且分支到两个输出波导段775和776，775和776可做为入射在输 入段的光的路径。输入和输出段的宽度及指标最好相等。分离器780也 有一被极化的结构778，其电-光系数位于Y形分离器774的区域内。极 区778可为在基片顶端附近的一薄层，其可有多层，或可延伸通过整个基 片。基片的其他部分可为被极化的或非极化的。一对平面电极777，779 彼此靠近地设置在波导上方，其中一电极777覆盖一输出波导775的一部 分，而另一电极779则覆盖另一输出波导776的一部分。电极为平面状， 以使制造便利及行使功能：若其设置表面为平坦或弯曲，它们一致。电极 777的边缘781在很浅角在跨过波导775，且在Y形接头处形成波导776 的平滑连续内缘。同样地，电极779的边缘783以很浅角度跨过波导776， 且在Y形接头处形成波导775的平滑连续内缘。当电极彼此相对被激发 而有一极性时，在电极777下方的折射率降低，而在电极779下方的折射 率增加。结果，在电极边缘781下方的一个激发区形成一波导边界，将输 入光束789几乎完全转入输出光束784，只有很少的功率漏入另一输出光 束782。电极779下方所增加的折射率有助于将光能导离边界781。当 在电极之间施加相反电极时，输入光束几乎完全转入其他输出光束 782。若没有施加电压，假使结构对称，则输入功率被均匀分到两个输出端 口。因此，此结构为3dB分离器，其可被电气切换为一光束波导在低损耗 下进入其中一方向。

电极777，779在结构输入处呈锥状远离Y形结构774，以形成朝向波 导的渐进低折射区，使光损最小。静电场分布的平滑作用在两电极下方产 生很平滑的折射过渡折射率。跨越输出波导远离Y分支区域的电极最好 与波导夹90度角以降低损耗。

Y形分离器可按排成不对称方式，在电场关闭时产生与3dB不同的 分离比，这可通过增加其中之一波导的偏移角和/或降低另一波导的偏移 角而完成。该切换功能操作几乎如同有一不对称结构和一对称结构，假设 有足够大的电场施加到电极上。虽然有很大的不对称性，吸光比率(接通 波导中的功率与断开波导中的功率之间的比率)可维持很大。然而，在不 对称切换式波导分离器的两个腿处，光损将稍不同。因此，装置780可构 造成具有任何所需分离比率的分离器，而且可在良好效率及高吸光比率 下被切换。

此装置可级联以允许两个以上输出波导之间的切换。例如，若输出 波导775被连接到的一类似780的第二装置的输入端，其功率可被动或主 动地被切入额外的一对波导。可以用类似于780的四组切换器(分别为 1，2，4和8个)来完成十六条已切换输出线路。这些线路之间的功率分配 比在未切换状态下相等，或为任何其他功率分配比。当这些切换器被激发 时，可将一单一输出波导接通，一单一输出波导可被切断，或是任何输出波 导组合可被接通和切断。

光在装置中的传播方向可反向，此时在输出端口775和776中任一 个上面的输入可被切换以从输入端口出现。若无施加电压，在每一输出端 口的功率被耦合到输入端口且有一衰耗(在对称装置的情况下为3dB)。 当电场被接通时，处在＂接通＂波导中的功率在很低损耗下被连到输入端 口，同时，处在＂切断＂波导中的功率很有效地从输入波导衍射离开。所述＂ 切断＂波导与该输入端口基本上隔开。

或者，一镜象装置可背对背地与切换器连接，使输入波导结合在一起， 形成一个2×2切换器或路由器。在任一对波导端口上的输入可切换到 其他对端口的任一波导。同样地，可以进行级联，以产生一n×n切换器/ 路由器。

图47示出了使用多极区的切换式波导分离器的替换实施例790。 在此结构中，沿在Y形区域中各波导之边界的已切换折射率差被加强，从 而更佳地将光模限制到一更窄区，且使进入被切断输出波导的残余耦合 降低。沿Y形分离区的输入波导774的每一侧有两个极区785和786， 该极区之边界787，788已浅角跨过输出波导775和776，且在Y形接头处 形成波导776，775的平滑连续内缘。极区的边界慢慢地从输入波导处变 细以允许电气激发折射率变化的缓慢启动，且它们在远离Y形接头(电场 在此处实质上降低)处跨越输出波导以降低光损。电极791，792实质上设 置在极区785，786上方。

一电位差被施加到电极上，以激发一电场，其为静电形式且穿过电极 之间和围绕电极的空间。该电场穿透极区及周围区域，引起光相应形式的 折射率变化。该局部光折射率变化与局部电场方向及局部电-光系数的 积有关。极区最好是由有相反极性的区所围绕，此时其电-光系数的符号 与周围区域相反。在介面787和788处有尖锐的折射率变化，在波导其中 的一侧，折射率在介面处降低，以产生远离低折射率区的波导向趋势。对 波导的另一侧而言则相反。若施加的电场足够大，则具有降低折射率的介 面形成波导边界。由于波导引介面平滑连接如同从极区跨越的输出波导 内侧边界的延伸，因而输入光束被波导入该输出波导。如果波导引边界的 曲率为渐进的，则进入＂切断＂波导的光漏很低。在输入处的损耗很低，这 是因为极区缓慢地接近波导。在Y形接头处的损耗很低，这是因为延伸 到接合区之外的极区一部分降低了＂切断＂输出波导的的波导引效应，且 加强了＂接通＂输出波导的波导引。

做为一种替换，极区可由未被极化材料所围绕，在此，在介面787，788 处仍有突然的折射率变化，使本装置作用，但当极区是由相反极化材料所 围绕时，其折射率仅为所得之值的一半，使施加电场必须更高。以前所述 的各种改变也可应用于本装置。

图48示出了一个1×3切换器的主要设计元件，在此所示的设计元 件显示如何将图46的装置780转变为有一单一极区和成型电极的1×3 切换器。此装置包括一永久分支波导，它具有所需的分支数目n(n＝3)。该 波导通过一极区，此极区延伸到比波导更深处(用于良好吸光比率)而且

明显地到接合区之外，波导在该处是由大间隔隔开(例如其宽度的 三倍)。数个区域是由波导边界限定，通过其平滑地延伸回到输入波导边 界内，以及通过其明显地在接合区外一距离处跨越输出波导的正常边 界。在此有(n2+2n-2)/2个如此限定的区。使最外面的一区延伸到最外 侧波导外之外是有用的，以使输入变细。在每一区上方设有分开的电极，在 所有电极之间有一小间隙，但该间隙足以防止激发时的电气断损。

为操作本装置，电场被独立地施加到各区而其极性取决于相关区是 否限制在所需波导内。例如，在图48中的5个区则根据表I被激发。如前所 述，电场大小被调整，以沿着以不同极性被激发的相邻区的边界产生一良 好的波导引边界。     电极数     顶部     中部     底部     1     +     -     -     2     +     +     -     3     -     +     -     4     -     +     +     5     -     -     +

表I

或者，图48的设计元件也示出了如何将图47中装置转变成具有多 极区的1×3切换器，此装置包含一永久分支波导，其具有所需的分支数 目n(n＝3)数个区域是由波导边界限定，通过其平滑地延伸回到输入波导 边界内，以及通过其明显地在接合区外一距离处跨越输出波导的正常边 界。使最外面的一区延伸到最外侧波导外之外是有用的，以使输入变细。每 一区以与具有公共边界的相邻区相反方向被极化。有相同极化方向的区 域可共用至多一个顶点。输入波导区最好是相反于最内侧之区(即最靠 近输入波导的区)被极化。在图48中，最内侧的区被标为区2和区4，以 区为基础的极性的选择程序造成只有区和4反向地被极化，同时区 1，3，5(其为输出波导区)被正向极化(与周围区方向相同，如果周围区被极 化)。若使用4个输出波导，则有9个区，其中6反向极化，包括所有的输出 波导区。因此，偶数个输出波导的分离器有一些优点，因为只有偶数分离器 的输出波导区极化相反于一电压基片极化，其优点为在最终分割点有增 加限制而且有较高透射以用于“接通状态，而且在“切断”状态有较佳的

反向隔绝。在每一区上方设有分开的电极。

为操作此装置，电场被独立地施加到各区而其极性现为相反。极性是 由以下两因素决定：相关区是否限制在所需波导内，以及下方极区的极性。 例如，若施加一正极性到一正极化区产生折射率的增加，则其选择规则为： 若一区正向极化，其电子激发极性选定为正(若该区是在所需波导内)或 负(若该区在外面)；若一区反向极化(负)，其极性选定为负(若该区是在所 需波导内)或正(若该区在外面)。表II中所示为区的最佳极化方向，此时 n＝3且其三个输出端口如图48所示。1×n及n×n切换器的设计可从关 于图46，47和48的描述中得出。     区   极化方向     顶部     中部     底部     1     -     -     +     +     2     +     +     +     -     3     -     +     -     +     4     +     -     +     +     5     -     +     +     -

表II

在此描述的平面组成元件可以被叠层成包括电-光控制的设备与波 导组件的多层三维结构。通过交替铺设或设置电-光活性的可极化薄膜 (最好是聚合物)与缓冲隔离层(可以是介电材料或导电材料)，以制造上述 的平面波导与切换器的三维构造。叠层的结构的优点包括由被隔的更远 的波导元件所造成的串话隔离。叠层的结构还可达成更高的功率处理能 力，因为更多的光功率可被分配在各层之中。如果希望在显示设备中分配 独立的波导，也可使用独立层。

一旦被放在一适当的基片上，使用以上所述的技术即可完成上述的 活性光波导/切换层的极化。为了使一活性层与其他的活性层隔离，具有 低指数的缓冲层是必须的，且被设计在与上述的平面垂直的方向中建立 所需的引导。例如，可使用二氧化矽的缓冲层。接着的是一接地平面和一 厚缓冲层，可利用一金属层制造该接地平面，因为它与上述的光学活性层 隔离。上述缓冲层还必须能承受施加在上述不同电极层与接地平面之间 的电压。在聚合物之中，一个大的区域可被极化，且通过如上所述的UV 去辐射技术，所需区域被选择性地去极化，以产生波导特性，即使在一透光 缓冲层(例如二氧化矽已被铺设)以后。或者，可以电的方式来执行极化。 以聚合物而言，利用UV去辐射对一层进行的去极化将不影响在其后的 一层，这是因为上述垫在下面的金属接地平面所提供的屏蔽。然后利用标 准掩膜和涂敷技术来设下金属的电极与导电路径，接着是另一介电缓冲 层与下一活性层。上述缓冲层应被平面化以使在接下来的活性光波导/ 切换层之中的损失减到最少。只要给定装置需要，上述添加层的过程可被 重复。

为上述被极化装置叠层制造活性路径和电极所用制造技术的一种 变异是在上述的电-光层涂上一绝缘层，随后杂质被掺杂或注入到绝缘层， 以利用标准摄影蚀刻掩膜技术在上述缓冲层内产生电导性图形。把上述 电极并入上述缓冲层可使叠层在一起的装置的厚度减到最小。

由不同电-光活性材料组成的被混合的装置被用来改进制造复杂 性。例如，包含波导器件的第一电-光活性层可被制作在一铌酸锂基片中， 其还可用于支撑基片。接着为上述铌酸锂器件提供一缓冲层与电极层。 随后，把夹住一导电平面的两绝缘缓冲层涂敷在所述器件上，随后设置下 一活性层，该活性层可以是一种可极化的聚合物。接下来的若干层如上所 述地被建立，被极化和被构制图形。在缓冲层之间的导电平面可作为电极 以允许每一聚合物层的区域极化，且可使之前的若干层不受极化过程的 影响。

例如，叠层波导阵列可当做供自由空间光束操控用的转向设备。被 电子激发和可个别寻址的波导元件被紧紧地层叠在一起并与一源阵列 对齐以形成可控制的定相阵列以发射光辐射。如前所述，可通过改变在被 极化区域上的电压对上述光束的相对相位进行调整。通过以线性等变率 调整这些相位，从波导阵列发射的光可在上阵列的平面内快速被扫过。因 而，在一平面上的器件的线性阵列可仅在该平面内扫描。然而，当被极化 波导阵列平面被垂直地集成到一三维整体器件中时，自该器件发射出的 光束可被引导在二维中。

这种概念的一种延伸是使用一叠层波导光栅反射器所进行的对多 模激光器棒阵列的模式控制。上述波导叠层被空间地吻合以对接一激光 器二极管阵列。通过控制上述各元件的相位，多元件激光器棒的发射模形 式可以被控制。例如，在不需要对单模波导限制的设备中，多模或整个阵 列可被层叠在一起，以增加被切换的被极化设备的功率处理能力。

图49示出了定相阵列波导叠层部分1630的一个实施例，为清楚起 见，仅示出了波导的一个单列。光学辐射1640透过若干波导1638进入叠 层1630，上述波导1638被做在电-光活性薄膜1650(诸如可极化的聚合物) 中。在此，示出的输入光束1640被间隔，以表示相同的波长但有不同相位 的光束。光沿着波导1638传输，在其中它们遭遇被极化的区域1634，在该 区域内利用在此所描述的技术，折射率可被电子地修改。光束1642表示 在每一光波的相位单独地被调整以产生输出成分光束(其相位被对齐)以 后的定相阵列的输出。

许多其他输入和输出波情况是可能。例如，具有平相位波前的单模 激光束可照明波导元件区，其随后施加任意的相位延迟跨过激光束的空 间模式，由此允许该光束在自由空间中被电子地操纵。利用该方法的定向 光束控制装置将比当前机械的或A-O装置更快速和更小型化。利用在此 描述或本领域公知的光-电拾取装置可检测所述叠层器件内或外的相位 差或多频成分的存在，以便为一反馈环提供瞬时信息。

以后述方式，通过交替地设置电极，缓冲层，和可极化材料，在这里表 示的器件段1630被做在基片1632(例如二氧化矽)上。沉积一个宽面积 平面电极1654(由不透明金属膜或透明的导电性材料制成，例如铟锡氧化 物)，随后为一电绝缘缓冲层1652(例如二氧化矽)，该电绝缘缓冲层1652 还做为构造在下层可极化材料1650中波导1638的边界层。在该可极化 材料层1650的上部，另一缓冲层1652被添加其上以形成上波导边界，随 后施加用于激发被极化结构的成形电极1636。另一缓冲层1652随后被 添加，这次是使该成形电极与下一层-另一宽面积平面电极1654电绝 缘。成形电极1636仅通过一厚缓冲层与一平面电极隔开，并通过缓冲层 与可极化材料与其他平面电极隔开。因为需要跨越可极化材料施加电场， 所以跨越可极化材料的电隔离应该小于仅跨越缓冲层的隔离。两宽面积 平面电极之间的分层顺序被重复，直到最后一层可极化材料1650为止， 之后，仅需要添加缓冲层1652，成形电极1636和光学的最终绝缘层1652 以完成上述叠层。通过本领域公知的集成和接合技术电引线1646与 1648分别接触电极1636与1654，且连接到电压分布控制单元1644。

电压控制单元1644具有双重目的：分别激发上述的被极化器件，和 使它们与用来控制相邻激发元件层的电场隔离。实质上，电压控制单元 1644可以是一些耦合浮动电源的集合，其中夹住一活性层的电极1636与 1654之间的电压可被控制，而无需改变任何其他活性层两端的电压差。

区域1634表示一个具有一个或多个畴的被极化区域，电极1636表 示一个未被打破的或被分段的或已绘制图形区域，其具有一个或多个绝 缘元件。波导叠层1630被描述成用于相位控制的设备，但波导叠层结构 可以包括在此描述的被极化器件(光学上串联或以其他方式构造)之组合 的任意多个。

图50示出了一个现有技术的可调衰减器1400。一输入波导1402 横切于基片1404的一电-光活性区域。输入光束1406沿该输入波导传播 进入一输出波导1408，形成输出光束1410。电极1412，1414和1416被设 置在该波导之上，以便当电极1414在相对于电极1412与1416的一给定 极性(正或负)被激发时，由于电-光效应，在上述波导区域段1418内、在上 述电极之下和靠近该电极之处具有一折射率改变。该电极结构是任意的 并可以是不同的且可比图50所示现有技术的结构更复杂，但全部图形的 共同因素是当它们被激发到一电压时，它们将降低在核心的折射率并增 加周围区域的折射率。

当施加的电场不存在时，上述波导段的损耗是低的，其主要通过由沿 所述波导壁的粗糙度引起的散射来确定。然而，当电场被施加时，上述损 耗可被增加到一个非常大的值。三电极图允许当一正折射率改变发生在 该波导之外的同时，一负折射率改变发生在该波导之中，显著地使折射率 分布变平和变宽。当电场被提供时，在所述电极之下的波导1418的被修 改部分从该波导的输入1402和输出1408具有很宽的最低阶模式分布。 结果，当输入光束1416传入部分1418时和当部分1418中的光耦合回到 输出波导1408时，模式耦合损耗都会发生。若折射率改变足够大，该最低 阶模式降到截止以下，从波导1402的端面发出的光几乎自由地绕射到基 片上，在波导1408的开始造成大的耦合损耗。

当一给定模式进入所述波导的被修改部分1418时，该被修改段的折 射率分布的改变减小了在其强度分布和所述修改部分1418的任何模式 分布之间的重叠。如果段1418是多模的，几种传输模式与辐射模式将被 激发。若段1418是单模的，则多种模式将被激发。这些模式的结合然后 被传播到该段1418的远端，并耦合到输出波导部分1408，在此，仅所述光 的一小部分回到所述波导的一种模式中以形成输出光束1410。通过控 制施加到所述电极的电压，可把在设备1400中的损耗从非常低调整成非 常高。

可被获得的最大损耗依赖于所述折射率改变的大小，被激发区域的 尺寸，它们的长度，以及取决于该输入和输出波导是否为单模还是多模 的。在其几何形状的一种变异中，在波导段1418上仅可能设置两个电极， 从而减少该波导段中的折射率和使折射率增加到一侧而非两侧。其功能 是再次做为一个衰减器，但被拒绝的辐射场将倾向于离开所述设备而向 着所述被增加折射率的一侧。这种引导被损失的辐射的能力在希望对被 拒绝光进行控制的一些系统中是有优点的。一个吸收器还可被安放在段 1418的下游(在一侧或两侧)，以防止被拒绝光在系统中其他地方干扰其 他功能。

图51示出了一个被极化切换衰减器1420。该设备为图50所示现 有技术设备的一种改良，其中被极化区域被用来增加折射率改变的解析 度，并增加折射率的不连续性，由此增加在一单一阶段功能获得的衰减 量。区域1422和1424以与周围材料相反的反向被电-光极化。(做为一 替换方案，周围材料可以不被极化，或无光电系数，或其仅以与区域1422 和1424相反的方向被极化)中央电极1426覆盖在被极化区域与周围材 料上方。其被激发与电极1428和1430相关，以在极化区域1422，1424和 周围材料中产生一折射率改变。设备1420的工作方式与上述设备1400 的工作方式类似。被施加电压降低且使波导段1418的折射率分布加宽， 降低了输出波导1408的模式与在段1418中由输入波束激发的模式之间 的耦合。在这种构造中，在被修改的波导区域1448的开始，所述折射率分 布的改变是很剧烈的，因此损耗较大。只要与被激发波导段1418耦合的 模式异于与未被激发波导段耦合的模式，就可对被极化波导段1422和 1424的数量和形状进行改变。本设备可被做成在未被电激发的状况下有 高损耗，而在电激发状况下调整到低损耗。在此种情况下，被电激发区域 和/或被极化区域形成波导段1418的结构的一部分。波导段1418自身可 以多种方式被构造，最引入注意的是若其不存在而完全无激发，在这种情 况下，本设备与图29的切换波导调制器相同。

如上所述，这些设备可以级联以增加最大的衰减。

图50和图51的设备，也可被当做一种可变强度局部化的(＂点＂)光 源。在波导1402中传播的光被限制成只遵循该波导的路径，直到一个电 压被施加到该电极结构为止。当通过改变折射率使波导效应降低或摧毁 时，原先被限制的光束的部分或全部将依据自由空间衍射理论而传播。该 衍射光束将继续以向前的方向传播，同时光束区域在二维中扩展而大大 于波导1408的核心。在远离该电极结构的一适当距离之处，所述光束区 域可占据基片孔径的大部分，对于观测者呈现为一个从靠近所述电极结 构的空间位置而来的点光源。

如果需要，可使用这种技术制造一种一维局部化光源。图50和51 中的波导段1418可被埋在一个利用现有技术制造的平面波导结构中，以 便当一合适电压电平被加到该电极结构上时，模的横向限制被摧毁而所 述平面波导中的垂直限制却保留。因此，所述光束区域在一维中扩展，将 光限制到一个窄平面上。

图52示出了一个具有加宽角的极化光栅的极化设备1500。所示用 于加宽带宽的方法是参考图18等所描述带宽修改方案的一种替换方 案。如图所示，一个周期结构1500具有若干极化区域1502，它们最好被极 化到结构1504的一个极化区域，诸如波导和电极以及光栅的其他结构根 据需要设置。畴1502跨越输入光束传播的中央轴线，其图形可以是严格 周期性的，具有50％占空比。该极化区域的顶面四周都沿着从一对齐点 画出的线对齐。在进入所述材料的一段距离处，各极化区域复制其表面形 状。其结果是一种具有极化的结构而其周期的改变与在所述极化基片中 的横向位置有线性的关系。射过该极化区域的输入光束1508可以是一 个自由传播的高斯光束(如果这些畴被深度极化)或其可被限制在波导 1512中。根据光栅的功能，该输入光束可被耦合成一个被滤波的或频率 被转换的输出光束1510，或被耦合成后向反射光束1514。光栅结构中的 周期范围(由此到它的带宽)取决于该光束的宽度和点1506距该光束的 轴线的间隔。通过调整这些量，可在由适合上述光栅的第一阶周期数量确 定的最小值上充分地增加该极化结构的带宽。对被极化边界的最大所需 角度有着限制，因而，图52中所示结构不能无限制地扩展。然而，通过将几 个段级联在一起能够获得一长交互作用区域。为了使各段之间的相干最 大，沿光束中央轴线的畴的周期在各段之间的连接处不应被修改。

虽然增加光栅的带宽减少了交互作用的强度，但它却让使用该光栅 的设备对小频率漂移大大地不敏感。例如，使用角加宽光栅的倍频器设备 更能容忍温度漂移。另一应用的例子是频道下降滤波器，由于其必须使用 强光栅，所以它倾向具有窄的带宽。角加宽光栅的使用使得加宽的通带能 够接受高带宽的通信信号。所述角加宽光栅还能够应用于以上讨论的其 他光栅结构中。

有一些实施角加宽光栅的替换实施例而不遵循上述的图形。例如， 光栅周期的角与沿传播轴线的距离之间的关系可能比线性的更复杂。对 于大多数交互功率存在于所述光栅之一端的一些应用中，二次的或指数 的变化可能更为适合。角加宽技术也适用于现有技术的光栅类型，诸如散 射，离子交换，和被蚀刻的光栅。

图53示出了使用弯曲波导的另一角加宽设备。在此种情况中，极化 区域1522具有平行的面，该些面的角相对于波导内的局部传播方向是倾 斜的。其次，利用经历光栅的不同富里叶成分的波的不同成分使上述带宽 加宽。该弯曲波导具有比直波导更高的损耗，但并不需要大的曲率。图 53中示出的几个部分可被连在一起，例如形成沿着一基本上直的线前、 后蜿蜒的波导结构。

图54示出了一可控极化透镜1530。同心设置的畴1532，1534，1536， 和1538被极化到一电-光基片1540中，而其极性与该基片的极性相反。 两个透明电极1542与1544被放置在所述设备的相反两面(在所述极化 区域的上下)。当一电场被施加在两电极之间时，该极化区域的折射率根 据极性增加或减小。该极化区域的几何形状由聚焦给定色彩的光波的衍 射需求确定。边界之间的间隔随半径约平方地改变。例如，如果所述应用 需要把平面波聚焦到一圆点上，则该极化区域将是圆的(用于相等地聚焦 在两个平面上)，且随着所述极化区域的直径增加，上述极化区域的数量 被减小，因此上述极化区域被分开。所述极化区域的边界由相对于在该透 镜结构的面上的输入波的输出波的相位确定。每次波的相对相位变化到 π，一个极化区域边界就出现。例如，如果来的波是一个平面波，则沿着该 表面其相位是不变的。若出去的波是收敛的波(将聚焦在远离所述面的 一个点上)，则它基本为一球形波且在该球形波中的相位变化决定所述边 界。透镜1530是具有根据所加电压可调相位延迟的相位板，上述畴占据 目标的Fresnel域。

为了使一给定色彩的平面波聚焦，提供一足以使该平面波滞后(或 超前)π的电压。每种不同的频率都具有由极化透镜1530的不同的 Fresnel域结构限定的不同焦距。较高的频率具有较长的焦距。如果不是 散射的话，每个波长都以同一电压最佳地聚焦。该电压可被调整，以对基 片材料1540中的散射进行补偿。若调整该电压远离最佳值，则被聚焦到 所述点上的光的量被减少，因为来自不同域的光的相位不再最适宜地添 加。它们将部分破坏性地干涉，减小了纯强度。

图55示出了一个激光器反馈装置1450。激光源由放大器区域1452， 后反射器1454，和一个低反射输出区域1456组成，所述低反射输出区域 1456例如可以是一个抗反射涂膜窗。虽然通常的激光器将具有另一高反 射器，但在本发明中，该高反射器被取消，以便一光栅反馈装置能控制该激 光器的振荡。来自输出区域1456和耦合器1458的反射是足够地低，以便 如果没有来自外部源的额外反馈，该激光器不发射激光。所述外部反馈源 由一个光耦合系统1458和一个极化材料1460组成，当该极化材料1460 被一电场激发时反射来自光放大器的光束。因为极化材料1460的反射 谱在频率空间上可以是非常的窄，所以其可以选择一个窄的区域，在该区 域中激光器可根据光栅周期的分布围绕决定光栅的单一频率或多个频 率进行工作。若谐振腔足够长以便FSR是处在与该反射谱的宽度相同的 阶上，则该组合装置将以单一纵向模式振荡。

用于在所述光放大器和材料1460之间耦合光能的装置1458收集激 光器的输出模和把其重聚焦到极化材料上。耦合器可以由多种替换构造 组成，包括一个或多个下列部件：高数值孔径透镜，例如GRIN(渐变折射 率)，非球面的，衍射的，或多元素球面透镜；锥形波导；在从波导到波导对头 耦接情况中使用的贴近调整器和对准器。该耦合器1460的表面最好是 抗反射涂敷的。AR涂敷可以是一种多层电介质涂敷，或可溶凝胶涂敷， 或具有合适折射率的材料的四分之一波层(两相邻媒体的几何平均)。如 果所述材料被整体地极化，该材料1460中的最佳聚焦具有一近似与该被 极化区域的长度相等的瑞利区域。若该材料具有一用于限制传播光束的 波导，则该光耦合系统应该将激光器模式最佳地转换成在该波导入口处 的模式分布，根据相位前角，曲率半径，和横向尺度，该模式分布与该波导 的所需模式匹配。所述极化结构由至少两种类型的畴组成，它们最好是彼 此相反地被极化。极化材料具有电极1462和1464，它们跨越被极化区域 延伸并能由电源1466电激发。当一电压被施加到两电极上时，在所述材 料中的感应电场使折射率产生变化，折射率将根据极化方向和电场强度 部分地改变。通过在极化中感应周期性结构，能够根据折射率产生电可控 制周期调制。

为放大器1452提供必须的附件和激励以在具有中央光轴特征的延 伸区域之上产生一个光增益系数。该放大器的光带宽根据产生增益的过 程被加以限制。所述带宽是增益分布的宽度(典型地为3dB全带宽)：该增 益作为光频率的函数的关系。半导体二极管技术(诸如 InGaAs，AlGaAS，AlGaInP，InGaAsP，ZnSe，GaN，InSb)对于提供大的带宽是 有利的，虽然它们没有提供高功率的容量。光反射器1454是一反馈镜， 它可以是一个按半径与该模式的相前对准和匹配的整体镜，以把传播出 该放大器后面的模式反射回其自身。或者，在波导放大器的情况 下，(Nd：YAG，Er：YAG，Nd：LiNbO3，Er：LiNbO3，和稀有氧化离子和结晶或玻 璃基质的各种组合)，其可以是所述放大器的一个面，它与所述波导垂直 地贴附或被抛光。如果谐振腔的几何形状是个环(允许单一方向的光的 传播)，则该光反射器是一个由至少两个元件组成的多元件结构，以收集 从材料1460反射的并不通过该放大器的光，和对准以及将返回通过该放 大器的光再聚焦到材料1460上，它将再次具有与其先前通过时所具有的 模特征。

几个光束与周期极化的材料1460的交互作用是可能的。若选择周 期为为抗反射放大器1452增益内的光所需周期的倍数，则该装置将做为 一个(较高阶的)场控制反馈镜。当电压1466被接通时，激光器可被打开， 由此在光栅的带宽内产生抗反射。然后通过调制所述电压，该激光器输出 被放大调制，因为该激光器振荡与该电场强度成正比变化。调制控制装置 1466提供所需的电压和电流以在材料1460中建立做为时间函数的所需 电场。还可通过以一频率操作调制控制装置使所述激光器锁模，该频率等 于材料1460与激光器反射器1454之间光的来回行程频率的倍数。因为 以相同的频率对极化结构1450的反射率进行调制，在两个反馈镜1450 和1454之间谐振的光束倾向于分裂成一个(或多个)脉冲，当然它以所述 来回行程频率环绕脉动。如果频率是来回行程频率的倍数(1x，2x，3x，...)， 则所述脉冲每次接近反射器1450该反射率将是高的。在更高的倍数，反 射率保持高一较短的时间，因此产生一个较短的脉冲，但可能需要一些装 置以抑制倾向于在来回行程传输时间内以其他高反射倍数形成的附加 脉冲。也可通过以来回行程频率向反射器1450施加一信号的分量对该 附加脉冲进行抑制，也可通过调制放大器1452，或通过其他包括普通附加 部件的装置进行抑制。一个光输出可被抽取成光束1468或1649。

通过使用反馈装置1450使激光器频率稳定，因为周期反射器仅以特 定的频率工作。入射频率外侧，被极化结构的带宽不被反射。在一个简单 结构中，由第一阶光栅周期数的倒数确定该带宽，该第一阶光栅周期与包 含所述频率成分的极化区域的长度相适应。在一个具有多周期的更复杂 的结构中，带宽由沿入射和反射光束传播方向的等分角的极化结构的富 里叶变换确定。因为反馈仅出现于一受限频率区域期间，所以装置1450 的输出频率可以比一自由振荡激光器振荡器的输出频率窄得多，在自由 振荡激光器振荡器中极化结构已被一单独镜子所取代。若该反射的带宽 可与由反射器1454和极化结构形成的扩展腔的纵向模式的间隔相比较， 则该装置将以单一频率模式工作。

在半导体二极管激光器的情况下稳定性特征是特别重要的，在这种 激光器中增益很高且是宽带的。由于是二极管激光器，所以所有不需要的 内部反射(诸如来自输出区域1456的反射)都应最好被保持在很低(例如 10-3以下)的程度。根据场的深度和应用的最佳电压，电极1462和1464 可以处在结构的同侧或相反侧。包括激光器和切换反射器的谐振腔也可 以是一个环形谐振腔，而不是图5所示的线性谐振腔。正如现有技术所知， 需要一些附加光学元件来形成所述环形谐振腔，来自极化材料1460的反 射不与入射光垂直。光栅的周期和角度必须总能被调整，以便被加到交互 作用中的虚光子在输入和输出光子之间产生动量守恒。这种限制确定了 极化光栅的角度与周期。

图56示出了一个具有波导的反馈装置1470。一波导1470可被设 置到极化材料1460中以限定光束到达一个长的距离。这在需要交互作 用长度以产生大的反射的装置中，和在其中所有光在波导中传送的集成 装置中是特别有用的。如图56所示，波导激光器1474(例如半导体二极管 激光器或二极管真空固态激光器)可与该波导对接耦合，以便坚固和有效 地操作。在对接耦合中，光耦合系统1458为在表面1475和1477上涂敷 的AR，其与对准和装配结构一起必须保持对准。光放大器1474和极化 基片1460的波导被对准，以便从该光放大器射出的朝向该基片的光场相 前具有与在波导1472中传播的模式的相前的最佳程度：相同的角度，半径， 和横向尺寸。两波导的间隔必须地在一瑞利区域内，它们与轴对准的偏差 应该小于横向尺寸的几分之一。波导1472之一或放大器1476中的波导 可以被逐渐变细，以使这种叠加最佳化。在波导器件中，对于极化区域 1478和1480整个延伸通过基片1460是不必要的。电极1482，1484和1486 被设置在由波导1472横切的极化区域之上。当相对于电极1482和1486， 电极1484被激发时，在该波导中生成折射率图形，其结构基本上由极化基 片的结构确定。该折射率图形可做为如图55中描述的反射器，和/或可做 为与上述其他波导耦合的耦合器。在通过端口1488或放大器1489的相 反端，一个光输出可从该装置中取出。

一个倍频器可被设置在基片1460中，如果基片材料是一种非线性光 学材料，诸如铌酸锂，Lithium tantalate，或KTP的话。准相位匹配倍频器可 被安装做为反馈光栅结构的一部分，在其之前或之后。若光栅结构设置多 个反射频率，则该光放大器1452或1474可被感应以按在其增益带宽内的 两个或多个频率振荡。在这种情况下，非线性频率转换器可以是一个求和 频率混合器而不是倍频器，或者几个上述装置可被级联以形成多频率输 出的多频率组合。

上述涉及极化结构，它的激发，和其使用的模式的各种变异也可应用 在与外部光放大器的组合中。特别地，通过把图55和56的结构与图14 和15的可调谐光栅分别组合，可实现频率可调谐激光器。如前所述，通过 安排极化光栅结构实现调谐，以便平均折射率随施加的场改变。光放大器 1452或1474的工作频率由来自极化结构1460的反馈的频率确定，因而， 通过调制该极化结构的平均折射率可对输出频率进行调制。改变平均折 射率改变了光子的动量矢量，而不改变由光栅贡献的虚光子的动量矢 量。在平均折射率改变之后，旧的反射频率不再对反射最佳地相位匹配； 峰值反射率已移到一个新的频率。

利用参考图55和56描述的构造，外加如图14和15中所描述的对 平均折射率的改变，可构制一个调频(FM)激光器。用＂调制＂这个词表示变 化是某些参数的函数，在这里的情况下，该参数为时间，如具有高或低占空 比的脉动，正弦的变化，或具有任意瞬时关系的变化。可以提供一个控制 系统控制电压和施加所需的电流，以适应电场中所需的瞬时变化。

典型地，用于半导体激光器的最佳反馈需要的光栅的反射率小于10 ％。剩下的光可用于输出。可使该激光器以TM或TE极化方式操作，这 取决于在波导中光栅片上光束的限制。光栅中的散射，和增益元件中两极 化的相对增益。因为光栅的强度是可控制的，所以反射率可被调整以使激 光器的输出耦合最大化，从而使输出功率最大。

类似地，所述光栅能被用来形成无源或装配空腔的反射器。因为激 光器到一空腔的耦合依赖于输入耦合器的相对反射率与该空腔损耗之 比，所以可变反射率输入耦合器提供了一种使该参数最佳化的手段，并因 此提供了与该谐振腔阻抗匹配。

在一空腔中，本发明也可被用于单脉冲转换，模锁定，或腔排出，对于 较低功率CW源(例如半导体激光器)有很小或不存在啁啾声，此外，调谐 电位能够使该激光器用做通信，分光镜，和远端传感的源。

图57示出了一个由切换器阵列控制的可选择波长激光器1490该激 光器最好是一个二极管激光器1474，在基片1461中波导1476对接耦合 到波导1472。面1475和1477最好被涂敷，以便光放大器1474将不根据 其自身面的反射率发射。所述基片可以能够支撑切换器1492的任何基 片，该切换器可以多种方法实现，包括图30-32和34-35的TIR切换器，图 7-8和12-13的光栅切换器结构，图10和26-28的耦合器，图23，25，33和 46-48的分离器，或任何其他目前公知或将要讨论的光波导切换结构。 TIR切换器1492已在上面进行充分描述，在该图中仅示意性的表示。在 它们处于接通位置时，这些切换器把来自放大器的光能再向下传送到与 该切换器相关的波导1494之一。在所述波导中设置有一个抗反射器阵 列1496，这里如光栅所示。该光栅以一特定频率反射入射光，激光器在该 光栅的带宽内发射激光。所示光栅元件指向多少有些距离的点1498，以 便距该激光器较远的光栅的周期是逐渐地变短。通过选择与所需光栅周 期相关的切换器，可对激光器所需工作的频率进行选择。光频率由几何形 状确定，通过一个不变的切换间隔可获得线性分隔的光波长。如果需要， 可对此安排的存储密度容量内的任何波长间隔进行选择。由于TIR切换 器的低的接入损耗和其高的存储密度，可沿波导1472设置大量的切换 器。倾斜输出波导也很紧凑地堆在一起。

输出光束可从光放大器1474的后表面取出成为光束1489，或也可 从波导1472取出成为光束1488，因为TIR切换器将沿波导1472泄漏一 小部分激光器的光。诸如参考图56描述的许多替换结构也涉及了这种 结构。例如，该反射器阵列可由利用许多技术制造的固定光栅，或切换光 栅组成。它可以由统一的光栅结构组成，其中到达该光栅的不同光通路长 度选择用于激光器腔的不同FSR，以一个很窄间隔的谱峰的可选择阵列 产生单模操作。它甚至可以由沿波导1494的一个固定镜子的阵列所组 成，其可以被涂敷用于高反射或可变波长反射。此外，所述镜子的不同间 隔为在大的范围上调整可切换的激光器腔路径提供了机会。

图57的结构的一部分是利用可调整光能再导向器1492的调制器， 以及波导1494之一中的反馈反射器之一。若波导1472被做成不产生反 射，如例如使其宽度渐变到零，随后为再导向器1492，则通过由反射器 1496承担的反馈再次使该激光器反射。通过调整经再导向器1492的激 发反馈回的光能的量，可以控制激光器的输出特性。以这种方式可对激光 器进行调制，此时反射器1496可以是一个固定光栅或甚至是一个宽带的 固定镜子。利用光栅反射器，具有一固定频率的优点，从而该激光器可被 深度调制，而没有频移，产生了几乎纯的幅度调制。若以空腔来回行程时 间的整数倍对再导向器1492进行调制，则该装置是一个模锁定器并产生 一个脉动输出。所述来回行程时间是被同轴对准脉冲占用的时间，以返回 到其原始位置和空腔内的方向。通过使用不同的切换器，可以改变该空腔 的长度，以改变脉冲的间隔。通过同时使用两个不同的切换器，还有可能 对中频脉冲产生歧视，该中频脉冲倾向于以来回行程时间的高数量级倍 数随模锁定频率增长。通过对该反射器的中心频率进行调制可获得频率 调制。此时，该反射器1496最好被做成如图14-22所描述的可调谐光栅。

图58示出了波长调谐可调聚焦系统1550。诸如图54的区域板透 镜(或诸如不透明体或蚀刻的区域板)的衍射聚焦元件1522与一可调谐 光源1554的组合在数据存储场中提供了新的容量。当一区域板与一可 调频率光源组合时，通过调谐所述光源调整到达聚焦点的距离。这种能力 对于多层数据存储设备是很有用的，在这种设备中数据从以各种距离叠 成数据存储介质1558的数据面1556中读出和写入。若该光源的波导被 调谐(如我们上面通过各种手段已描述的)，从所述区域板到聚焦点的距 离被相应地调整。

选择用于驱动多面数据存储系统的频率可调谐激光器是一个基于 半导体二极管激光器1560的激光器系统，根据来自诸如我们已描述的电 调谐光栅1562的反馈进行调谐。该激光器还可在一准相位匹配部分 1564中被倍频，此时角加宽极化光栅的使用是使该倍频器的接收变得宽 的足以接受源激光器的重要调谐的最佳方法。透镜系统1566对准并环 绕激光器输出，为在区域板透镜1552上最终聚焦作准备。

因为区域板也可使一发散光束重新聚焦，所以透镜系统不是必须 的。然而，需要形成一个通过该区域板的环绕光束，因为其将产生最小的 光点尺寸，因而产生最高密度数据读取/写入容量。装置1562，1564和1566 可被制造在同一基片的波导中，如果需要(并以与所述面外的反射器之一 组合的方式)可以与该基片后面上的区域板透镜集成，以成为一个体积小 重量轻、能够在数据存储系统中迅速启动的单元。

以上，参考特定实施例已对本发明进行了描述。对于本领域的技术 人员来说，其他实施例是显而易见的。因此，除了所附权利要求表明的以 外，本发明并不受构成本发明所述部分的限制。

本发明参考以Simon J.Field和David A.G.Deacon的名义于 5/9/94提交的题为“形成图形的极化介质结构和器件的制造”，序号为 08/239,799的美国专利申请。