CN113885123A - 具有悬臂耦合器的mems光开关 - Google Patents

Abstract

具有悬臂耦合器的MEMS光开关。一种光开关包括：由基板支撑的总线波导、悬挂在总线波导上方的耦合波导、与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极、由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极、以及与耦合波导耦合并且设置在距总线波导固定距离处的光学天线。当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

Description

具有悬臂耦合器的MEMS光开关

对相关申请的交叉引用。

技术领域

本发明一般地涉及用于引导和发射光信号的系统和装置。

背景技术

激光雷达（Lidar）被认为是许多新技术（诸如自主车辆）的关键推动因素。芯片-激光雷达（也称为固态激光雷达，或片上激光雷达）有望在未来的自主车辆中得到广泛使用。然而，在创建能够满足车辆OEM的要求的实用芯片-激光雷达方面仍然存在许多挑战。挑战之一是波束控制（beam steering）。已经开发了各种方法来控制芯片-激光雷达中的波束，诸如微镜阵列、光学相控阵、波长调谐和光子晶体波导，然而，这些方法面临着诸如视场有限、控制电子器件复杂、以及对激光器要求较高之类的挑战。

发明内容

一种光开关包括：由基板支撑的总线波导、悬挂在总线波导上方的耦合波导、与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极、由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极、以及与耦合波导耦合并且设置在距总线波导固定距离处的光学天线。当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

一种波束控制系统包括：由基板支撑的总线波导、悬挂在总线波导上方的耦合波导、与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极、由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极、以及光学天线、光树和透镜。光学天线与耦合波导耦合，并且设置在距总线波导固定距离处。光树具有至少一种类型的光开关，并被配置成将光分配给光学天线。透镜与基板间隔开，并且被配置成衍射由光学天线发射的光。当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

一种波束控制系统包括：由基板支撑的总线波导、悬挂在总线波导上方的耦合波导、与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极、致动电极、光学天线、光树和透镜。致动电极由基板支撑，并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位。光学天线与耦合波导耦合。光树具有至少一种类型的光开关，并且被配置成收集来自光学天线的光。透镜与基板间隔开，并且被配置成衍射从光学天线接收的光。当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

附图说明

图1是光开关阵列系统的顶视图。

图2是光开关阵列系统的侧视图。

图3是硅光子开关阵列的透视图。

图4A是光开关阵列中的光开关的顶视图。

图4B是处于关闭（OFF）状态的光开关阵列中的光开关的侧视图。

图4C是处于开启（ON）状态的光开关阵列中的光开关的侧视图。

图5A是在开关阵列中具有光耦合悬臂和固定光学天线的光开关的透视图。

图5B是二维固定光学天线的透视图。

图6是具有固定光学天线的光耦合悬臂的透视图。

图7A是处于空闲状态的图6的MEMS开关的光耦合悬臂的剖视图。

图7B是处于致动状态的图6的MEMS开关的光耦合悬臂的剖视图。

图7C是处于空闲状态的图6的MEMS开关的固定光学天线的剖视图。

图7D是处于致动状态的图6的MEMS开关的固定光学天线的剖视图。

图8是发射光信号的光开关阵列系统的透视图。

图9是接收光信号的光开关阵列系统的透视图。

图10是接收和发射光信号的光开关阵列系统的透视图。

图11是包括至少两种类型的光开关的光开关阵列系统的透视图。

图12是包括分路树（splitter tree）和光开关的光开关阵列系统的透视图。

图13是包括分路树和至少两种类型的光开关的光开关阵列系统的透视图。

图14是被配置成独立寻址行和列的开关阵列系统的示图。

图15是被配置成同时寻址子阵列的开关阵列系统的示图。

图16是总线波导和对应的耦合器波导的透视图。

图17是耦合场分布关于距离的图形表示。

图18是耦合场分布关于传播距离的一系列二维图形表示。

图19是耦合效率关于耦合锥形（taper）长度的图形表示。

图20是传输损耗关于波长的图形表示。

图21是能量损失关于间隙大小的图形表示。

图22是辐射图关于角度的图形表示。

图23是波导光栅对自由空间角的侧视图示。

图24是由电压偏置的悬臂弹簧的透视图。

图25是沿Z轴的位移关于切换速度的图形表示。

图26是开关阵列布局的顶视图，其中详细说明了单个元件。

图27A是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列的透视图。

图27B是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列的顶视图。

图28A是图27的可移动光耦合器在处于关闭方位时的横截面图。

图28B是图27的可移动光耦合器在处于开启方位时的横截面图。

图29是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列布局的顶视图，其中详细说明了单个元件。

图30是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列布局的顶视图，其中详细说明了单个元件。

图31是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列布局中的元件的顶视图。

图32是图31的元件的横截面图。

图33是光栅天线的场分布关于X和Y坐标的图形表示。

图34是图示了光耦合器的位移的透视图。

图35是图示了发射角的光栅天线的透视图。

图36是强度关于发射角的图形表示。

图37是图示了用于补偿非零天线发射角的反射镜的侧视图。

图38是图示了用于补偿非零天线发射角的光学棱镜的侧视图。

图39是图示了用于补偿非零天线发射角的微棱镜阵列的侧视图。

图40A是具有分路树和开关的天线阵列的顶视图。

图40B是具有多种开关类型的天线阵列的顶视图。

图40C是具有分路树和多种开关类型的天线阵列的顶视图。

图41A是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下纵向行进。

图41B是可移动光栅的详细透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下纵向行进到来自图41A的总线波导。

图41C是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅纵向行进到总线波导。

图41D是纵向行进到来自图41C的总线波导的两个可移动光栅的详细透视图。

图41E是可移动光栅的顶视图，该可移动光栅经由叉指电极纵向行进到总线波导。

图42A是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下横向行进到总线波导。

图42B是可移动光栅的详细透视图，该可移动光栅在具有来自图41A的开关阵列的多个停止方位的情况下横向行进到总线波导。

图42C是可移动光栅的顶视图，该可移动光栅经由叉指电极横向行进到总线波导。

图43是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有与波导的平面内和平面外停止方位的情况下横向行进。

图44是利用静电悬浮来控制总线波导与光栅之间的耦合距离的开关的透视图。

图45A是具有梳状驱动器的开关的透视图，该梳状驱动器用于控制总线波导与光栅之间的耦合距离。

图45B是沿着图45A的切口的横截面图，其图示了梳状驱动器。

图46是图示了封装的开关阵列系统的横截面图。

图47是在具有与波导的平面内停止方位的情况下横向行进的双光栅开关的透视图。

图48是在具有与波导的平面内和平面外停止方位的情况下横向行进的双光栅开关的透视图。

图49是其中光栅处于平面内方位的双形态（bimorphic）开关的透视图。

图50是在平面外方位中垂直旋转光栅的双形态开关的透视图。

图51是其中光栅元件围绕与波导垂直的轴线旋转的开关阵列的透视图。

图52是其中光栅元件围绕与波导平行的轴线旋转的开关阵列的透视图。

图53是旋转盘上的光栅阵列的顶视图，该旋转盘利用旋转机构来对准平面内和平面外操作。

图54A是具有处于关闭方位的双稳态膜的耦合器波导的横截面图。

图54B是具有处于开启方位的双稳态膜的耦合器波导的横截面图。

具体实施方式

根据需要，本文中公开了本发明的详细实施例；然而，要理解到，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以各种和替代的形式体现。各图不一定是按比例的；某些特征可能会被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不要被解释为限制性的，而仅仅被解释为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

术语“基本上（substantially）”可以在本文中用来描述所公开或要求保护的实施例。术语“基本上”可以修饰本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在这样的情况下，“基本上”可以表示它修饰的值或相对特性在该值或相对特性的±0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%以内。

尽管在本申请中借助于硅MEMS结构说明了不同的实施例，但MEMS结构可以是其他MEMS材料，诸如SiC、SiN。

本公开呈现了微机电系统(MEMS)开关、开关阵列，以及包括具有耦合器悬臂和多个固定光学天线配置的MEMS开关的系统。在各种应用中，这样的MEMS开关可以用来将光从光子集成电路(PIC)芯片上的波导耦合到自由空间。

激光雷达是许多新系统（诸如自主驾驶）的关键推动因素。芯片-激光雷达（也称为固态激光雷达、片上激光雷达）由于其大小紧凑和成本较低而有望在未来的自主车辆中得到广泛使用。尽管如此，在创建满足来自OEM的要求的实用芯片-激光雷达方面仍然存在许多挑战。挑战之一是波束控制。已经开发了各种方法来引导芯片-激光雷达中的波束，诸如微镜阵列、光学相控阵、波长调谐、光子晶体波导等。然而，这些方法面临着一个或多个挑战，诸如视场有限、控制电子器件复杂、对激光器的要求较高、技术成熟度较低等。

除了上述方法外，光学振幅阵列还可以在芯片-激光雷达中控制光束。图1是光开关阵列系统100的顶视图。系统100包括：光子集成电路(PIC)芯片102、多个光源/光学天线104和透镜106。图2是光开关阵列系统200的侧视图。系统200包括：光子集成电路(PIC)芯片202、多个光源/光学天线204和透镜206。

如图1（顶视图）和图2（侧视图）所示，光学振幅阵列由光源或光学天线（如104、204）的阵列（每个光源或光学天线可以被看作一个“像素”）和透镜或透镜系统（例如，106、206）（为了简单起见，在以下描述中使用“透镜”）组成，其中光学像素阵列位于透镜的焦平面（或靠近透镜的焦平面）。从每个光学像素发出的光振幅可以是0（不发光）或1（完全发光）。来自每个光学像素的发射光在传过透镜时会体验到折射，并且遵循物理光学定律被偏转到某个方向中。通过在不同方位处开启光学像素，可以控制光，并且将光导向自由空间中的不同方向，并且因此实现波束控制。二维(2D)布置的光学像素阵列可以实现2D波束控制。

有多种方式来制成光学像素阵列。例如，这样的阵列可以由诸如垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)之类的光源阵列构成。这样的阵列也可以由波导阵列组成，该波导阵列具有由光开关阵列控制的光学天线阵列。在本公开中，探索了包括被配置成控制来自光学天线的光发射的光学MEMS开关阵列的方法。

本公开包括由基于MEMS开关的振幅阵列使能的波束控制。这样的基于MEMS开关的振幅阵列由波导阵列组成，该波导阵列具有位于或接近透镜的焦平面的MEMS可切换天线。在不同方位打开光学天线可以使波束转向不同的方向，如图1和图2所示。

与基于微镜阵列的波束控制相比，振幅阵列波束控制可以达到更大的视场。与光学相控阵波束控制相比，振幅阵列波束控制需要简单得多的控制电子器件。与基于波长调谐的波束控制相比，振幅阵列波束控制不需要激光源的大波长可调性。与基于光子晶体波导的波束控制相比，振幅阵列波束控制更加直接，并且技术上更加稳定。

光开关有很多选项。可以用于振幅阵列应用的最常见的光开关包括：基于微镜的开关、液晶开关、热光开关等。基于微镜的开关和液晶开关具有相对较大的大小，诸如数百微米，并且需要毫秒范围内的切换时间，这使得每个像素对于芯片-激光雷达应用来说过大且过慢。另一方面，热光开关具有较低的消光比和较高的插入损耗，这也不利于这种应用。基于MEMS结构的光开关可以是紧凑和快速切换的，并且具有较高消光比，因此该技术是振幅阵列应用的良好候选。

图3是硅光子集成开关(PIC)阵列300的透视图。该阵列具有入端口（in-port）310、通过端口（through port）314和分出端口（drop port）312，使得当低损耗交叉口316（诸如光开关）被激活时，光从入端口310行进到通过低损耗交叉口316到分出端口312。为了使光从入端口310行进到低损耗交叉口316，MEMS驱动的绝热耦合器必须与总线波导相距一定距离。当低损耗交叉口316未被激活时，光从入端口310行进到通过端口314。

阵列304的光开关元件的特写视图包括：MEMS驱动的绝热耦合器318和总线波导320。处于关闭状态306的光开关的图示，其中光从输入310传递到输出314，同时悬臂耦合器处于距总线波导的距离316的位置，使得耦合效率小于1%。处于开启状态308的光开关的图示，其中光从输入310传递到输出312，同时悬臂耦合器318被激活，使得来自总线波导的光以大于50%的耦合效率与输出312耦合。

如图3所示，这样的硅光子MEMS开关网络采用两组正交的总线波导和MEMS驱动的垂直绝热耦合器。垂直间隙距离可以由MEMS静电致动器（actuator）和机械限位器（stopper）控制。在关闭状态下，绝热耦合器位于波导上面很远的地方，所以光继续朝向通过端口传播而不会中断。在开启状态下，绝热耦合器朝向总线波导移动，并且光耦合到绝热耦合器，并且然后通过另一个绝热耦合器向外耦合到分出端口。

MEMS开关可以用来将光选择性地耦合进出光发射/接收终端中的波导。在一个实施例中，每个光开关可以通过物理可平移光学光栅来实现。在关闭状态下，可平移光学光栅在总线波导上面足够远的地方，而在开启状态下，MEMS致动器可以将可平移光学光栅向下移向总线波导，以实现光栅与总线波导之间的有效光耦合。

图4A是光开关400的顶视图。光开关400包括：光栅402，其包括与总线波导410对准的多个光耦合器元件404、406、408。图4B是处于关闭状态的光开关400的侧视图。波412在总线波导410中沿方向414行进。该总线波导由基板416支撑并且处于关闭状态下，光栅402位于总线波导410上面的距离418的位置，使得光栅402与总线波导410之间的耦合效率较低，并且波继续在总线波导410中传播。图4C是处于开启状态的光开关400的侧视图。在该图中，光栅402位于总线波导410上面的距离420的位置，使得光栅402与总线波导410之间的耦合效率较高，并且波从总线波导410折射422到自由空间中。

在本公开中，多个MEMS开关实施例包括具有耦合器悬臂和光学天线的MEMS开关。图5A图示了在光学终端中使用的这种MEMS开关的阵列。在这里，光栅在一个示例中被用作光学天线来说明该概念，其他光学天线（例如，图5B）在这个概念中也是可行的。

图5A是在开关阵列500中的具有光耦合悬臂和固定光学天线的光开关的透视图。开关阵列500可以在单个基板502上，或者可以被配置为多芯片模块，其中多个光开关被单片集成在光子集成电路(PIC)芯片上，其然后与其他PIC芯片组合以形成阵列系统500。单基板光子集成电路(PIC)芯片502包括：总线波导，其被配置成输入光504，并且在光开关的多个行510和列当中分配光。在这里，三个行被配置为第一行510a、第二行510b和第三行510c，其中每行具有三列光开关506。

图5B是二维固定光学天线550的透视图。该光学天线包括：耦合器悬臂552和具有长度554和宽度556的光学天线。长度554与宽度556的比率可以基本上是3:1、5:2、2:1或类似的。在光学天线与侧面之间具有间隙558的情况下，其可以基本上是宽度556的0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。光学天线可以被配置成基本上沿着x轴560中的一定角度和y轴562中的一定角度输出或接收光。

图6是具有光耦合悬臂614和固定光学天线616的MEMS开关600的透视图。MEMS开关600包括：具有绝缘层604（诸如二氧化硅）的基板602（诸如硅基板）。在绝缘层604顶部的是结构层606，诸如硅层。在结构层606中的是诸如总线波导608、MEMS致动电极610、MEMS弹簧612、耦合悬臂614和光学天线616之类的结构。在该实施例中，耦合波导614基于MEMS原理移动或铰接。例如，MEMS致动电极610可以被配置成与位于耦合波导附近并且在MEMS弹簧612与耦合波导614之间的反应电极配合。当在反应电极与致动电极之间施加小于下阈值的电压差时，经由静电力将耦合波导保持在距总线波导第一距离处。下阈值可以是低差分电压，诸如0伏或零伏左右的某个低电压，诸如-5、-4、-3、-2、-1、1、2、3、4或5伏。低于该下阈值的电压，耦合悬臂可以维持静止方位，或者可能略微移动，使得总线波导608与光学天线616之间经由耦合波导614的耦合效率小于1%（例如，关掉）。类似地，当反应电极与致动电极610之间的电压差大于上阈值时，经由静电力将耦合波导保持在距总线波导608第二距离处，其中第二距离小于第一距离。例如，在第二距离处，总线波导608与光学天线616之间经由耦合波导614的耦合效率可以大于50%（例如，打开）。

换言之，图6是由可移动光耦合器614和固定光学天线616组成的单个MEMS开关600的示意图。光耦合器614可以移动到足够靠近总线波导，使得足够量的光将从总线波导608向外耦合到耦合器波导614。这种光耦合器的一个示例可以是逐渐变细的波导（taperedwaveguide），并且静电驱动的悬臂可以上下移动光耦合器。光学天线616与光耦合器在同一层上，但它是固定的。来自光耦合器的光可以经由光学天线发射到自由空间，反之亦然，来自自由空间的光也可以经由光学天线往回耦合到光耦合器，然后进一步往回耦合到总线波导。

MEMS开关包括具有绝缘层702（诸如二氧化硅）的基板700（诸如硅基板）。在绝缘层702顶部的是硅层704。前三层(700、702、704)可以是绝缘体上硅(SoI)基板。下一层可以是被用来形成锚定点的氧化物706，诸如低温氧化物(LTO)。顶层可以是硅层708，诸如是可以经由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)沉积的多晶硅层。在该实施例中，诸如总线波导608和MEMS致动电极610之类的结构在硅层704中，而MEMS弹簧612、耦合悬臂614、反应电极和光学天线616在多晶硅层708中。

图7A是处于空闲状态的图6的MEMS开关的光耦合悬臂的剖视图。当处于空闲或关闭状态时，当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，多晶硅层708的悬臂可以距硅层704的总线波导第一距离。并且总线波导608与光学天线616之间经由耦合波导614的耦合效率小于1%（例如，关掉）。

图7B是处于致动状态的图6的MEMS开关的光耦合悬臂的剖视图。当处于开启状态时，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，多晶硅层708的悬臂可以距硅层704的总线波导第二距离。并且总线波导608与光学天线616之间经由耦合波导614的耦合效率大于50%（例如，打开）。

图7C是处于空闲状态的图6的MEMS开关的固定光学天线的剖视图。当处于关闭状态时，多晶硅层708的光学天线可以基本上与硅层704的总线波导相距第一距离。

图7D是处于致动状态的图6的MEMS开关的固定光学天线的剖视图。当处于开启状态时，多晶硅层708的光学天线基本上维持在与硅层704的总线波导相距第一距离。

图7A-D分别图示了处于开启和关闭状态的光耦合器和光学天线的横截面。这个概念的优点是它对MEMS开关设计施加的设计限制比目前的现有技术要少。激光雷达系统的工作频率需要非常高的切换/移动速度。这转化成对平移质量的限制，这需要在天线和耦合器设计之间进行权衡。然而，在本公开中，天线保持静止，并且因此可以以大得多的自由度进行设计，例如，它可以具有垂直于总线波导的更大的平面内延伸，这转化成有利的更窄发射光束分布。例如，对于图6中的设计，光学天线的扇形角可以更大，天线沿总线波导以及跨波导的面积都可以更大，使得输出波束将会更窄。较窄的波束有助于在波束控制中达到更好的角分辨率。

如果天线不固定，则优选地将会把天线的面积限制成30×30 um²或更小，在天线是固定的情况下，则没有这样的限制。此外，光学天线在周期（period）和纵横比方面可以具有更大的自由，这可以提高其发射效率。例如，由于对固定天线的表面积和质量没有硬性限制，因此它可以沿着波导具有更大的延伸，这意味着有更多的周期。纵横比受天线质量的限制。在不受质量限制的情况下，可以主要基于发射效率而不是发射效率与天线质量之间的权衡来设计纵横比。并且可以将光耦合器设计成具有更小的尺寸和更轻的重量，而无需天线是可移动的，因此，在这种MEMS开关设计中可以实现快速的切换操作和优化的输出波束质量。

在另一个实施例中，多于一个耦合悬臂可以耦合到每个天线。它们可以连接到天线的相对端，从而提供单独的发射和接收通道。发射悬臂将朝向激光源定向，而接收悬臂将使用用于光耦合的相同波导或使用单独的波导而朝向光检测器定向。单独的发射和接收通道可以独立操作，从而使得能够实现附加的功能。例如，可以从当前发射像素周围的几个像素接收光，因此提高了整体光收集效率。

MEMS开关阵列可以在光学终端中被组织成矩形图案（图8）、圆形图案或其他图案。结合透镜，该终端可以用作光发射器，其中发射波束被引导到不同的方向（例如，图 8）。图8是发射光信号的光开关阵列系统800的透视图。在这里，基板802可以是单片芯片，诸如硅芯片、绝缘体上硅(SoI)芯片、碳化硅芯片、氮化硅芯片或其他单片MEMS芯片，或者基板可以是基板上的多芯片模块。每个光学天线806被配置成与总线波导810对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导810a、第二总线波导810b和第三总线波导810c。在该实施例中，每个总线波导810经由I型开关818与主总线波导耦合。其与光源814（例如，激光器、LED等）耦合，使得从光源814发射的光沿着方向812行进，并且它经由I型开关818被分配到光学天线806。位于芯片附近的是透镜804，其被配置成经由透镜804从光学天线806产生准直光束816。在该实施例中，光束816可以通过沿着垂直于基板802和光学天线806的轴线808平移透镜804、或者通过沿着垂直于透镜804的轴线809平移基板802和光学天线806来准直。

这样的终端也可以作为光接收器，其可以接收从各个方向返回的波束，并且将波束往回耦合到PIC（图9）。图9是接收光信号的光开关阵列系统900的透视图。在这里，基板902可以是单片芯片，诸如硅芯片、绝缘体上硅(SoI)芯片、碳化硅芯片、氮化硅芯片或其他单片MEMS芯片，或者基板可以是基板上的多芯片模块。每个光学天线906被配置成与总线波导910对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导910a、第二总线波导910b和第三总线波导910c。在该实施例中，每个总线波导910经由I型开关918与主总线波导耦合。其与光检测器924（例如，光电二极管、光电晶体管、CCD等）耦合，使得当光沿着方向922行进时，从光检测器924收集光，并且经由I型开关918收集光，其是经由光学天线906聚集的。位于芯片附近的是透镜904，其被配置成经由透镜904将光束920聚集到光学天线906。在该实施例中，光束920可以通过沿着垂直于基板902和光学天线906的轴线908平移透镜904，或者通过沿着垂直于透镜904的轴线909平移基板902和光学天线906来聚焦。

这样的终端也可以作为收发器，其既可以发射也可以接收波束（图10）。图10是接收和发射光信号的光开关阵列系统1000的透视图。在这里，基板1002可以是单片芯片，诸如硅芯片、绝缘体上硅(SoI)芯片、碳化硅芯片、氮化硅芯片或其他单片MEMS芯片，或者基板可以是基板上的多芯片模块。每个光学天线1006被配置成与总线波导1010对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导1010a、第二总线波导1010b和第三总线波导1010c。在该实施例中，每个总线波导1010经由I型开关1018与主总线波导耦合。其与光检测器1024（例如，光电二极管、光电晶体管、CCD等）耦合，使得当光沿着方向1022行进时，从光检测器1024收集光，并且经由I型开关1018收集光，其是经由光学天线1006聚集的。位于芯片附近的是透镜1004，其被配置成经由透镜1004从光学天线1006聚集聚焦光束1020。在该实施例中，光束1020可以通过沿着垂直于基板1002和光学天线1006的轴线1008平移透镜1004，或者通过沿着垂直于透镜1004的轴线1009平移基板1002和光学天线1006来聚焦。并且，其与光源1014（例如，激光器、LED等）耦合，使得从光源1014发射的光沿着方向1012行进，并且它经由I型开关1018被分配到光学天线1006。位于芯片附近的是透镜1004，其被配置成经由透镜1004从光学天线1006产生准直光束1016。在该实施例中，光束1016可以通过沿着垂直于基板1002和光学天线1006的轴线1008平移透镜1004，或着通过沿着垂直于透镜1004的轴线1009平移基板1002和光学天线1006来准直。如果这样的终端仅作为发射器工作，则可以将独立的光学光电检测器或光电检测器阵列，或者比如图9所示的接收器用作接收器。类似地，如果这样的终端仅用作接收器，则其他类似于图8所示内容的光发射极、发射极阵列或发射器可以用作独立发射器。

虽然不限于所呈现的实施例，但在上述设计实施例中，透镜和/或MEMS开关阵列芯片可以与机械结构集成，使得它们中的一个或两个可以沿着z方向移动，如图8-10所示。包括这种自由的好处是能够调整透镜与MEMS开关阵列芯片之间的距离，以最大化来自每个像素的发射效率和到每个像素中的接收效率。

所提出的系统可以用于芯片-激光雷达系统，包括飞行时间(ToF)操作和调频连续波(FMCW)操作。在芯片-激光雷达系统中，光耦合到PIC的一个波导上，并且然后被分布到子波导中。所提出的MEMS开关可以与其他类型的二元开关（图11）或分路光树（图12）或开关和分路光树（图13）进行组合以用于光分布。图11是包括至少两种类型的光开关的光开关阵列系统1100的透视图。在这里，图示了具有悬臂耦合开关的基板1102，该悬臂耦合开关与光学天线1106耦合，该光学天线1106被配置成与总线波导1110对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导1110a、第二总线波导1110b和第三总线波导1110c。在该实施例中，每个总线波导1110经由I型开关1118与主总线波导耦合。

图11示出了具有两种类型的二元开关的布局。以发射终端为例，光在主波导中传播。在主波导和行波导的交叉处，存在I型开关选择性地将光引导到所选行中（在该示例中选择了波导1110b的行）。并且然后光在所选行波导中传播，直到它到达处于开启状态的MEMS开关（开关类型II）并且发射出去。I型开关可以是MEMS开关或其他开关，诸如热光开关、电光开关等。图12示出了具有分路树和二元MEMS开关的布局。图12是包括分路树和光开关的光开关阵列系统1200的透视图。在这里，图示了具有悬臂耦合开关的基板1202，该悬臂耦合开关与光学天线1206耦合，该光学天线1206被配置成与总线波导1210对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导1210a、第二总线波导1210b、第三总线波导1210c和第四总线波导1210d。在该实施例中，每个总线波导1210经由分路树1218与主总线波导耦合。而且，图12图示了处于关闭状态的悬臂耦合和光学天线1206a，以及处于开启状态的悬臂耦合和光学天线1206b，使得当耦合悬臂和光学天线1206b打开时，光1216经由与总线引导件1210c耦合的耦合悬臂从光学天线1206b辐射。这两种布局之间的差异在于，在分路树布局中，来自激光器的光功率均匀分布到波导中，而在组合的二元开关布局中，来自激光器的光被选择性地引导到期望波导。

这两种布局可以被组合成第三布局，如图13所示。图13是包括分路树和至少两种类型的光开关的光开关阵列系统1300的透视图。在这里，图示了具有悬臂耦合开关的基板1302，该悬臂耦合开关与光学天线1306耦合，该光学天线1306被配置成与总线波导1310对准，例如，在该实施例中，存在第一总线波导1310a、第二总线波导1310b和第三总线波导1310c。在该实施例中，每个总线波导1310经由分路树1318和I型开关1328与主总线波导耦合。而且，图13图示了处于关闭状态的悬臂耦合和光学天线1306a，以及处于开启状态的悬臂耦合和光学天线1306b、1306c、1306d和1306e，使得当耦合悬臂和光学天线1306b、1306c、1306d和1306e打开时，光经由与总线引导件1310b、1310e、1310h和1310j耦合的耦合悬臂从光学天线1306b、1306c、1306d和1306e辐射。在这种布局中，来自激光器的光被分配到波导子阵列的几个部分中，然后在每个波导子阵列中，二元开关被用来将光选择性地引导到期望波导。这种布局使得各种子阵列中的MEMS开关能够被独立和同时控制。所有这些布局都可以在基于MEMS开关阵列的发射、接收和收发终端中工作。

MEMS开关阵列的优点之一是相对简单的控制电子器件。图14和图15示出了静电驱动的MEMS开关阵列的电子控制的两个示例。

图14是被配置成独立寻址行和列的开关阵列系统1400的示图。该系统1400经由列接触控制器1404寻址列，并且经由行接触控制器1406寻址行。在该图示中，列接触控制器1404c被启用，因此打开与该列相关联的所选开关或所有开关，并且行接触控制器1406.3被启用，因此打开与该开关相关联的波导。结果包括：打开光开关1408，使得光1410能够从阵列的单个光开关发射。图15是被配置成同时寻址子阵列的开关阵列系统1500的示图。该系统1500经由接触接触控制器1504寻址列，并且经由行接触控制器1506寻址行。在该图示中，列接触控制器1504b被启用，因此打开与该列相关联的所选开关或所有开关，并且行接触控制器1506.11、1506.8、1506.5和1506.3被启用，因此打开与这些开关相关联的波导。结果包括：光开关1512a、1512b、1512c和1512d打开，并且使得光1514a、1514b、1514c和1514d能够从阵列的单个光开关发射。

换句话说，驱动阵列中的MEMS开关的一种方式当然是让每个开关被单独寻址，因此，如果阵列中有M×N个开关，其中M是行数，并且N是列数，则将需要M×N个控件。一种简化控制的示例方法是对行和列进行寻址（如图14所示），使得M×N个开关只需要M+N个控件。在图14中，通过向行1406和列1404施加适量的电压来启用正在发光的可切换像素。另一个示例方法是将MEMS开关阵列拆分为子阵列，并且同时对多个子阵列中的开关进行寻址，如图15所示。在图15中，四个可切换像素同时发光，并且它们通过在列1504、行3、行5、行8和行11上施加合适的电压以驱动对应的MEMS开关来得到启用。而当然，子阵列也可以被单独寻址。所有这些电子控制方法都可以在基于MEMS开关阵列的发射、接收和收发终端中工作。图14和图15所示的控制方法的优点是简单。与单独控制的开关相比，控件的量显著减少。

图16是光开关1600上的总线波导和对应的耦合器波导的透视图。基板1602支撑总线波导1604，与总线波导1604对准的是悬臂耦合器1610，其通过垂直间隙1606与总线波导1604分开。悬臂耦合器1610可以是逐渐变细的，使得它具有窄的尖端1608和更宽的基部1612。例如，尖端1608可以是点、圆形尖端或具有钝端，其中尖端1608与基部1612的比率包括1:3、1:4、1.5等。例如，尖端宽度1608可以是0.08、0.1、0.15、0.2 um，而基部1612可以是0.2、0.3、0.4、0.5等。悬臂耦合器1614的长度使得悬臂耦合器可以被偏转以减小间隙106，使得波导1604与悬臂耦合器1610之间的耦合效率高于阈值，诸如50%、60%或更大。应当注意到，通常两个致动电极在与总线波导1604平行的基板1602上，其中一个电极在总线波导1604的任一侧上，电极的长度近似等于悬臂耦合器1610的长度。同样地，通常在悬臂耦合器1610上有两个反应电极，它们基本上与总线波导1604平行，其中一个电极在悬臂耦合器波导的任一侧上，该悬臂耦合器波导由窄尖端1608和宽基部1612勾勒出轮廓。反应电极的长度近似等于悬臂耦合器1610的长度。

图17是耦合场分布1700关于距离的图形表示。这说明了当耦合悬臂打开并且能量从总线波导传递到悬臂波导时的场分布。该图示与长度为7.5 um的图16的悬臂耦合器相关联，说明了能量在悬臂耦合器的长度上的传递。类似地，图18是耦合场分布1800关于传播距离的一系列二维图形表示。这说明了当耦合悬臂打开并且能量从总线波导传递时的场分布。该图示与长度为7.5 um的图16的悬臂耦合器相关联，说明了能量在悬臂耦合器的长度上的传递。

图19是耦合效率1902关于耦合锥形长度1904的图形表示1900。这说明了当具有各种锥形长度的耦合悬臂被打开并且能量从总线波导传递时的耦合效率1906。该图示与图16的具有各种锥形长度的悬臂耦合器相关联，说明了能量在悬臂耦合器的长度上的传递。图20是传输损耗2002关于波长2004的图形表示2000。这说明了当耦合悬臂被打开并且能量从波导传递时的传输损耗2002。该图示与长度为7.5 um的图16的悬臂耦合器相关联，说明了悬臂耦合器长度上的传输损耗2002。如本公开中陈述的，悬臂耦合器不限于硅，然而，在该示例中，悬臂耦合器是硅悬臂耦合器。

图21是能量损失2102关于间隙大小2104的图形表示2100。在该图示中，到总线2106的能量在近似180 nm处具有最小值，在该点处，到MEMS 2108的能量开始偏转和下降。基于此，在“开启”状态期间，间隙基本上维持在180 nm，以确保与MEMS波导的最大耦合效率。在“关闭”状态下，间隙返回到高于一定距离（例如650 nm）的距离，使得到MEMS的所得能量小于-30 dB。图22是辐射图2206关于角度β 2202（如图5B图示的角度562）和角度θ 2204（如图5B图示的角度560）的图形表示2200。在图22中，能量强度基于灰度被归一化为1，并且等高线被示为辐射图2206。

图23是在波导2304中包括波导光栅2302的光学系统2300的侧视图。波导可以是诸如硅、多晶硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅之类的材料，或者是可以被配置成传导能量的其他材料（例如，波导）。光栅2302包括间隙2310，该间隙2310可以以间距2312从100 nm变化到500 nm或更大，该间距2312可以是间隙2310的距离的1.5、2.0或2.5倍的因数。间隙距离可以在与下面的波导垂直的平面上变化。可以沿着基本上平行于基板和在基板上方的距离2316的平面2314来评估波导的性能。能量基本上以入射到平面2314的角度θ 2318衍射到自由空间中。图24是悬臂弹簧2400的透视图，其图示了在一定电压下由反应电极与致动电极之间的偏置所引起的位移。例如，反应电极与致动电极之间的40 V电压差说明了基本上为620 nm的位移。图25是沿着Z轴2502的位移关于切换速度2504的图形表示2500。该图形表示示出了在悬臂波导的不同位置处、沿着图24的Z轴的位移。在该示例中，显示了三个分布，悬臂波导2506的尖端附近的位移、在中间朝向悬臂波导2508的末端的位移和连接到光学天线2510的末端附近的位移。

图26是在基板2602上具有多个光开关的开关阵列布局2600的顶视图和单个元件2604的详细图示。光开关包括与基板2602耦合的波导2606，还与基板耦合的是锚定点2608。MEMS弹簧2610被示为与一个锚定点2608耦合，而光学光栅2612与另一个锚定点2608耦合。MEMS弹簧2610具有与锚定点2608耦合的第一端和与悬置在总线波导2606上方的悬臂耦合器2614耦合的第二端。在总线波导2606的任一侧上安装到基板2602的是致动电极，并且安装在悬臂耦合器2614的任一侧上的是被配置成与致动电极配合的反应电极。在该图示中，光学光栅/光学天线2612与悬臂耦合器2614在同一层上。在用于波束控制应用的光开关阵列系统中，一个实施例包括一种系统，在该系统中每个光开关由悬挂层上的可移动MEMS光耦合器和基板层上的光学天线组成。在包括激光雷达的各种应用中，支持MEMS光耦合器的开关阵列可以用来将光从光子集成电路(PIC)芯片上的波导耦合到自由空间（或反之亦然）。

图27A是在悬置层2716上具有可移动光耦合器2714并且在基板层2702上具有固定光学天线2712的开关阵列2700的透视图。图27B是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列2700的顶视图。光开关包括与基板2702耦合的波导2706，还与基板耦合的是锚定点2708。MEMS弹簧2710被示为与一个锚定点2708耦合。MEMS弹簧2710具有与锚定点2708耦合的第一端和经由悬挂在总线波导2706上方的悬置层2716与悬臂耦合器2714耦合的第二端。在总线波导2706的任一侧上安装到基板2702的是致动电极2718，并且安装在悬臂耦合器2714的任一侧上的是反应电极2716，其被配置成与致动电极2718配合。在该图示中，光学光栅/光学天线2712与总线波导2706在同一层上。

MEMS开关阵列可以通过悬挂层2716上的可移动MEMS光耦合器2714和基板层2702上的固定光学天线2712使能。图27A和图27B提供了这种MEMS开关的透视图和顶视图。每个MEMS开关由悬挂层2716（我们叫做“MEMS层”）上的可移动MEMS光耦合器2714和基板层2702上的光学天线2712组成。在这里，以光栅天线2712为例来说明这个概念，其他光学天线设计也适用于这个概念。当处于关闭状态时，MEMS层、反应电极2716和悬臂耦合器2714远离总线波导2706和致动电极2718，使得光可以在总线波导2706中不受干扰地传播。当处于开启状态时，反应电极2716被驱动，并且移动MEMS光耦合器2714靠近总线波导2706，使得光耦合到MEMS层上的耦合器波导2714，其中反应电极2716、第二悬臂耦合器下降到分离的总线波导，其连接到光学天线2712，该光学天线将信号发射到自由空间。当接收到信号时，这条光路被反转。

图28A是图27的可移动光耦合器处于关闭方位时的横截面图。当处于关闭状态时，MEMS层（包括反应电极）2716在总线波导2706的顶部上方第一距离处。该距离是由于致动电极2718与反应电极2716之间的电压差低于电压阈值所致，使得悬臂耦合器2714远离总线波导2706。第一距离使得光在总线波导2706中基本上不受干扰地传播。

图28B是图27的可移动光耦合器处于开启方位时的横截面图。当处于开启状态时，MEMS层（包括反应电极）2716在总线波导2706的顶部上方第二距离处。该第二距离是由于致动电极2718与反应电极2716之间的电压差高于电压阈值所致，使得悬臂耦合器2714被拉向总线波导2706。在第二距离处，光通过反应电极2716和第二悬臂耦合器耦合到MEMS层上的耦合器波导2714，该第二悬臂耦合器下降到分离的总线波导，其连接到光学天线2712，该光学天线2712将信号发射到自由空间。当接收到信号时，这条光路被反转。

图28A和图28B图示了光耦合器的致动的横截面。这个概念的优点是光学天线位于基板层上，这与其他结构相比，不会增加悬挂结构的重量，并且具有更少的制造挑战。激光雷达系统的工作频率需要非常高的切换/移动速度。这转化为对平移质量的限制。然而，在本公开中，光学天线保留在基板层上，使得其尺寸不影响操作速度。因此，天线可以具有更大的占地面积以形成有利的高斯光束轮廓，并且可以通过灵活的光栅周期和/或占空比来优化发射效率。悬挂层上的耦合器波导较小并且重量轻，这进一步保证了快速的切换速度。光耦合器可以静电地、压电地或通过其他机制来驱动。它可以是双悬臂，其中中间部分被锚定，使得两个端可以一起操作，或者可以独立地操作两个端。而且，其可以是其中整个耦合器波导在操作期间移动的波束（如图27B所示）。

在本文中描述的概念可以在替代实施例中实现。另一个实施例示于图29和图30。图29是在悬置层上具有可移动光耦合器2914并且在基板层2902上具有固定光学天线2912的开关阵列布局2900的顶视图，其中详细说明了单个元件。光开关包括与基板2902耦合的波导2906，还与基板耦合的是锚定点2908。MEMS弹簧2910被示为与一个锚定点2908耦合。MEMS弹簧2910具有与锚定点2908耦合的第一端和与悬臂耦合器2914耦合的第二端，该耦合都经由悬置在总线波导2906上方的悬置层2916。在总线波导2906的任一侧上安装到基板2902的是致动电极2918，并且安装在悬臂耦合器2914的任一侧上的是被配置成与致动电极2918配合的反应电极。在该图示中，光学光栅/光学天线2912与总线波导2906在同一层上。

图30是在悬置层上具有可移动光耦合器并且在基板层上具有固定光学天线的开关阵列布局3000的顶视图，其中详细说明了单个元件。光开关包括与基板3002耦合的波导3006，还与基板耦合的是锚定点3008。MEMS弹簧3010被示为与一个锚定点3008耦合。MEMS弹簧3010具有与锚定点3008耦合的第一端和与悬臂耦合器3014耦合的第二端，该耦合都经由悬挂在总线波导3006上方的悬置层3016。在总线波导3006的任一侧上安装到基板3002的是致动电极3018，并且安装在悬臂耦合器3014的任一侧上的是被配置成与致动电极3018配合的反应电极。在该图示中，光学光栅/光学天线3012与总线波导3006在同一层上。

图29中的布局由直线波导阵列和位于距波导2906一定偏移距离处的光学天线阵列2912组成。在该设计中，耦合器波导2914转向以从总线波导2906拾取光，并且将其放到天线2912。替代地，图30中的布局由弯曲的总线波导阵列3006和与总线波导3006的直线部分对准的光学天线阵列3012组成。在这种设计中，耦合器波导是直的。

图31是在悬置层3124上具有光耦合器3126并且在基板层上具有固定光学天线3104的开关阵列布局3100的元件的顶视图。光学天线3104覆盖角度3106，诸如45度、60度或90度，并且具有光栅在其之后开始的基部或锥形（taper）3108。光耦合器3126可以是单个元件或者可以由多个区段组成。在这里，光耦合器3126具有三个区段，第一区段3112是在被激活时，被下拉以与光学天线3104耦合的区段。第二区段3114将第一区段3112与第三区段3116连接起来。第三区段3116是向下移动以与总线波导3102耦合的区段。第二区段3114可以是固定的，并且可以直接与锚定点耦合，使得从第二区段3114到基板的距离并不移动，或者在另一个实施例中，第二区段3114是浮动的，并且随着第一区段3112和第三区段3116的移动而移动。总线波导3102可以在光耦合器3126的尖端在被激活时将会耦合的点处具有宽度3118，并且该宽度可以在半径3122的转弯之前变窄到宽度3120，使得转弯被配置成基本上是绝热的。通过光耦合器3126的传输可以具有通过第三区段3116的第一损耗3128、通过第二区段3114的第二损耗3130和通过第一区段3112的第三损耗3132。这些损耗可以是dB的一小部分，例如，第一区段3128和第三区段3132可以是0.1 dB，而第二区段3130中的损耗可以小于0.02 dB。图32是图31的元件3200的横截面图。在这里，光耦合器3126与悬置层3124耦合，并且在总线波导3102上方对准。光学总线波导3102具有高度3210，并且悬置层3124在总线波导3102上方的距离3212处，该距离随状态而变化，例如，当开启时，距离3212可以小于0.2微米，并且当关闭时，距离3212可以大于0.6微米。悬置层3124可以具有厚度3214，使得它可以提供支撑，但仍然允许总线波导3102与光耦合器3126之间的光耦合。光耦合器3126可以具有厚度3216。

图31和图32示出了图30布局中的单个MEMS光耦合器和固定光栅天线的示例。图31中标注的尺寸是示例，图17和图18示出了其与距离总线波导180 nm的MEMS光耦合器的耦合性能，并且图33示出了光栅上的电场分布。图33是光栅天线的场分布3300关于X坐标3304和Y坐标3302的图形表示。图34是光耦合器3400（诸如图31的光耦合器）的图示位移的透视图。图34是MEMS光耦合器的位移的模拟。一般而言，光耦合长度的范围取决于不同的设计为从几微米到几百微米，并且耦合器波导与总线波导/天线波导之间的距离的范围在开启状态下为从几纳米到几微米。

一些光学天线具有非零发射角θ，如图35和图36所示，这可能会引起振幅阵列终端方面的问题。图35是MEMS结构3502的光栅天线3500的透视图，其图示了发射角β 3504和θ3506。图36是强度3600关于发射角β 3602和θ 3604的图形表示。在该图中，示出了10个周期，其中经由灰度图示了强度。

该问题的一种解决方案是牺牲光学天线辐射效率和远场波束质量以获得零发射角。第二种解决方案是添加附加的结构来强制光线垂直发射，包括但不限于底部反射器、附加的顶部介电层、超精细蚀刻槽。第三种解决方案是相应地设计透镜以补偿非零发射角。然而，由于制造波动，它不够灵活以至于无法设法解决不同的发射角。在这里，我们提出在天线阵列与透镜之间使用反射镜或棱镜来补偿非零发射角，如图37、图38、图39所示。图37是图示了用于补偿非零天线发射角的反射镜的侧视图3900。在这里，远心透镜3902用来将来自天线阵列或光子集成电路的光通过反射镜准直到自由空间（发射），或者从反射镜3904反射到天线阵列或光子集成电路(PIC)3910（接收）。在这里，PIC 3910的虚拟图像3906被示出在虚拟平面3908上。图38是图示了用于补偿非零天线发射角的光学棱镜系统4000的侧视图。在这里，远心透镜4002用来将来自天线阵列的光通过棱镜准直到自由空间（发射），或者通过棱镜将光聚焦到天线阵列4004(PIC)(接收)。图39是图示了用于补偿非零天线发射角的微棱镜阵列的侧视图4100。在这里，远心透镜4102用来将来自天线阵列的光通过微棱镜准直到自由空间（发射），或者通过微棱镜将光聚焦到天线阵列4104(PIC)(接收)。

反射镜或棱镜可以使光弯曲，使得反射或折射的射线以零入射角入射到透镜系统上。由于反射镜或棱镜可以旋转，因此可以在校准阶段期间调整它们以补偿制造误差。同时，可以使用远心透镜来匹配倾斜的发射阵列。这种方法的优点是不需要复杂的透镜设计。

所提出的系统可以用于芯片-激光雷达系统，包括飞行时间(ToF)操作和调频连续波(FMCW)操作。在芯片-激光雷达系统中，光耦合到PIC的一个波导上，并且然后被分布到子波导中。图40A是具有分路树4202和光开关4204的天线阵列4200的顶视图。图40B是具有多种开关类型的天线阵列4230的顶视图，在该示例中，存在I型开关4206和光开关4204。图40C是天线阵列4360的顶视图，其具有分路树4202和多种开关类型，诸如I型开关4206和光开关4204。所提出的MEMS开关可以与分路树（图40A）或其他类型的二元开关（图40B）或开关和分路树（图40C）组合以用于光分布。图40B示出了具有两种类型的二元开关的布局。以发射终端为例，光在主波导中传播。在主波导和行波导的交叉处，I型开关可以将光选择性地引导到所选行中（图中选择了从上数第二行）。然后光在所选行波导中传播，直到它到达开启状态的MEMS开关（开关类型II），并且发射出去。I型开关可以是MEMS开关或其他开关，诸如热光开关、电光开关等。图40A示出了具有分路树的布局。这两种布局之间的区别在于，在分路树布局中，来自激光器的光功率均匀分布到波导中，而在组合的二元开关布局中，来自激光器的光一次被选择性地引导到一个波导。这两种布局可以被组合成第三布局，如图40C所示。在这种布局中，来自激光器的光被分配到波导子阵列的几个部分中，然后在每个波导子阵列中，二元开关被用来将光选择性地引导到期望波导。这种布局使得各种子阵列中的MEMS开关能够被独立和同时控制。所有这些布局都可以在基于MEMS开关阵列的发射/接收终端中工作。在图40B和图40C的布局中，活动行由I型开关选择，而活动列由II型开关选择。因此，M×N阵列的控制复杂度与阵列大小成线性关系(O(M+N))，而不是平方关系(O(M×N))。

本节将公开用于光耦合的平面内移动的MEMS开关和阵列。在各种应用中，所提出的MEMS开关可以用来将光从光子集成电路(PIC)芯片上的波导耦合到自由空间。

图41A是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下纵向行进。在该实施例中，光栅4308纵向行进，使得存在多个停止方位，该图示示出了3个停止方位，4308a、4308b和4308c。在该实施例中，中性方位可以是4308a，使得基于施加到叉指电极的电压，将会把光栅移动到其他方位4308b和4308c。而且，光栅可以被配置成使得中性方位在中间4308b，使得跨叉指电极的正电压将光栅移动到一个方位（例如，4308a），并且跨叉指电极的负电压将光栅移动到另一个方位（例如，4308c）。在该图示中，光沿着波导4304向下行进，并且行进到三个总线波导4306a、4306b和4306c。如前所述，光可以经由分束器或光开关向下行进，并且光也可以在4304的相反方向上行进。图41B是可移动光栅4314的详细透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下纵向4312行进到来自图41A的总线波导4316。总线波导4316由基板支撑。该基板支撑锚4318，该锚4318与叉指电极4320耦合。

图41C是具有可移动光栅4328的开关阵列的透视图，该可移动光栅纵向4322行进到总线波导4326。此图示示出了两个停止方位，4328a和4328b。在该实施例中，中性方位可以是4328a，使得基于施加到叉指电极的电压，将会把光栅移动到另一个方位4328b。在该图示中，光沿着波导4324向下行进，并且行进到三个总线波导4326a、4326b和4326c。如前所述，光可以经由分束器或光开关向下行进，并且光也可以在4324的相反方向上行进。图41D是纵向行进到来自图41C的总线波导4316的两个可移动光栅4342的详细透视图。总线波导4316由基板支撑。基板支撑锚4338，该锚4338与叉指电极4334耦合。图41E是经由叉指电极4334纵向4332行进到总线波导4336的可移动光栅4342的顶视图。总线波导4336由基板支撑。该基板支撑锚4338，该锚4338与叉指电极4334耦合。弹簧4340在一侧与光栅4342耦合，并且在另一侧与锚4338耦合。

图42A是具有可移动光栅4408的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有多个停止方位的情况下横向4402行进到总线波导4406。在该实施例中，光栅4408横向行进，使得存在多个停止方位，该图示示出了3个停止方位，4408a、4408b和4408c。在该实施例中，中性方位可以是4408a，使得基于施加到叉指电极的电压，将会把光栅移动到其他方位4408b和4408c。而且，光栅可以被配置成使得中性方位在中间4408b，使得跨叉指电极的正电压将光栅移动到一个方位（例如，4408a），并且跨叉指电极的负电压将光栅移动到另一个方位（例如，4408c）。在该图示中，光沿着波导4404向下行进，并且行进到三个总线波导4406a、4406b和4406c。如前所述，光可以经由分束器或光开关向下行进，并且光也可以在4404的相反方向上行进。图42B是可移动光栅4408的详细透视图，该可移动光栅在具有来自图42A的开关阵列的多个停止方位的情况下横向4402行进到总线波导4406。总线波导4406由基板支撑。该基板支撑锚4418，该锚4418与叉指电极4420耦合。图42C是可移动光栅4442的顶视图，该可移动光栅经由叉指电极4434横向行进到总线波导4436。在该图示中，弹簧4440与锚4438耦合，该锚4438与基板耦合。弹簧4440的另一端与光栅4442耦合，使得由叉指电极4434施加的力将把光栅4442移动到如上所述的总线波导4436上方。

图43是具有可移动光栅的开关阵列的透视图，该可移动光栅在具有与波导4506的平面内和平面外停止方位的情况下横向4502行进。在该实施例中，光在方向4504上沿着总线波导向下行进，并且被分配到三个总线波导4506a、4506b和4506c。在该实施例中，平面外光栅被示为4510，并且不与任何总线波导4506对准。平面内光栅被示为4508，并且与总线波导4506对准，使得在光栅4508与总线波导4506b之间存在光耦合。

图41、图42和图43示出了振幅阵列激光雷达应用中的平面内可移动MEMS开关的三个示例。在所有这三幅图中，光栅天线都用作说明开关概念的示例，其他天线设计也适用于这些开关概念。在所有这三种设计中，MEMS开关层都悬挂在总线波导层之上。MEMS开关层与总线波导层之间的间隙距离为几纳米到几百纳米，使得MEMS开关与总线波导之间的耦合效率足以让50%以上的光从总线波导耦合到MEMS开关层。在图41中，MEMS开关可以沿着波导移动，并且像素是由MEMS开关的停止方位限定的虚拟像素。每当MEMS开关停止时，光从该方位耦合出去，并且该虚拟像素被打开。取决于波导的尺寸和MEMS开关的移动范围，可以存在一个（图41A和图41B）或多于一个（图41C和图41D）MEMS开关覆盖一个波导长度。在图42中，MEMS开关可以跨多个波导沿着x方向在平面内移动。与图41中的设计类似，像素也是由MEMS开关的停止方位限定的虚拟像素。取决于波导阵列的尺寸和MEMS开关的移动范围，一个MEMS开关可以覆盖阵列中的所有波导或阵列中的部分波导。图41和图42所示的MEMS开关的一个优点是开关在平面内移动，这比平面外的可移动开关更容易实现。而且，虚拟开关止动件允许开关灵活地停在沿着移动路径的任何方位处。

图43示出了另一种平面内MEMS开关设计。与图42中的设计不同，在这里的像素是由MEMS开关和总线波导的相对重叠限定的真实像素。在关闭状态下，开关位于波导之外，并且在开启状态下，开关会移动以与波导重叠。它的优点是每个开关的移动距离较小，使得开关更容易实现。

所提出的平面内MEMS开关也可以被组织成阵列，并且与透镜组合，以在光发射器、接收器或收发器终端中进行波束控制。所有开关组合和分路树组合概念以及行/列布线概念也适用于所提出的平面内MEMS开关。

本公开中呈现的具有悬臂耦合器和固定光学天线的可垂直移动的MEMS开关的概念需要停下悬臂耦合器。对于可垂直移动的MEMS开关（例如，图4A-4C、图6），需要对在总线波导之上的一定距离处停下MEMS开关或光学悬臂进行控制。机械限位器（凸块）可以用来机械地停下MEMS开关。然而，由于悬挂层在每次操作时都会接触机械限位器，因此机械限位器可能会磨损，并且由此可能会降低系统的光耦合性能。在这里，静电悬浮的系统和方法被用作MEMS开关光耦合应用中的MEMS开关限位器。

图44是利用静电悬浮来控制总线波导与光栅之间的耦合距离的开关4600的透视图。静电悬浮开关4600具有基板4602，该基板支撑底侧或排斥电极4604、总线波导4606、底部中心或激活电极4608以及锚4614。支撑在总线波导4606之上的是由与锚4614耦合的弹簧4612悬挂的光学光栅4610。位于光栅4610上的是顶部或反应电极4616。描述了利用非机械限位器控制可垂直移动的MEMS开关的停止方位的方法。图44中示出了一种利用静电悬浮的方法（以可切换的MEMS光栅为例来说明该概念）。在这样的设计中，底部中心电极和顶部电极用于将MEMS结构静电驱动到拉入状态或超出拉入状态，然后底部中心电极和顶部电极被保持在相同的电压电平（例如，两者都接地），并且向底侧电极施加较大的正电压。因此，底侧电极电压所生成的较大电场将MEMS结构向上推，并且最终将该结构保持在总线波导之上的一定距离处。静电悬浮限位器的优点是悬挂层不会物理接触底部总线波导层，使得在MEMS操作期间不会存在静摩擦问题或物理磨损担忧。然而，这种方法需要相对较高的电压来将悬挂层保持在某个方位处。

另一种方法是使用梳状驱动器（comb drive），一个示例在图45A和图45B中示出。图45A是具有梳状驱动器的开关4700的透视图，该梳状驱动器用于控制总线波导4706与光栅4710之间的耦合距离。静电梳状悬浮开关4700具有基板4702，该基板支撑底侧或激活梳状电极4704、总线波导4706和锚4714。被支撑在总线波导4706之上的是由与锚4714耦合的弹簧4712悬挂的光学光栅4710。与光学光栅4710耦合的是顶部或反应梳状电极4708。图45B是沿着图45A的切口的横截面图，其图示了梳状驱动器，其中底侧或激活梳状电极4704与邻近总线波导4706的顶部或反应梳状电极4708相互交错（interdigitate）。在该图示中，梳状驱动器的鳍部与总线波导4706垂直，但是鳍部也可以被配置成与总线波导4706平行。

指状电极形成在可移动悬挂层（顶部电极）和固定基板层（底部电极）上。顶部电极与底部电极之间的电场方向可以通过添加到电极的电压的极性来控制。当添加到顶部电极的电压高于底部电极时，电场向下，并且可以拉动悬挂层向总线波导移动。一旦其到达某个方位，将顶部电极电压改变为小于底部电极，电场就会向上，并且可以帮助克服重力且将悬挂层保持在某个方位处。梳状驱动器的优点是它不需要像静电悬浮那么大的电压，并且它也是一种非机械式限位器。

在本公开中，已经公开了MEMS开关和开关阵列的各种设计。那些各种设计被用于光发射、接收和收发终端。现在来描述将MEMS开关和开关阵列集成到芯片-激光雷达系统中的方法，以及封装这种系统的方法。

基于MEMS开关阵列的芯片-激光雷达系统将MEMS结构集成到硅光子学平台上。这种MEMS结构和硅光子学平台的组合提出了新的挑战，这些挑战在仅MEMS系统和仅硅光子学系统中是不存在的。因此，系统集成和封装需要进行很好地设计和处理。图46是开关阵列系统的横截面图，其图示了基于MEMS开关阵列的芯片-激光雷达模块4800的集成和封装。

MEMS结构可能有多种失效机制（例如，灰尘、湿气），因此，芯片-激光雷达的所有组件都需要封装在一起并且被气密密封（hermetically sealed）。气密密封的激光雷达模块4800包括：散热器/基板平台4802、光源4804（例如，激光、LED或其他常用光源）、光耦合组件4806、具有MEMS开关和ASIC控件的光子集成电路(PIC)芯片4808、透镜4810、抗反射内涂层4812、抗反射外涂层4814、一个或多个光电检测器4816（例如，光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件或其他常用的光电检测器），以及其他必要的耦合组件。光源4804可以是相干的和偏振的。

图46中示出了系统集成和封装的一个示例。所有组件都集成在一个具有散热机构的基板平台上，并且被气密密封在一个封装中。封装的盖子包括窗口区域，该窗口区域对激光雷达芯片中使用的波长是透明的，因此光可以从封装发射出来并且可以返回到PIC芯片。该窗口区域可以覆盖盖子的部分或整个表面。窗口内外表面上的抗反射涂层可以帮助减少光线透射穿过窗口时的反射。系统的不同部分可以被封装成不同的压力水平，并且被封装有不同的气体成分。例如，MEMS开关阵列/PIC 4808需要一定压力水平（例如，高于1 Torr）来诱发阻尼，使得MEMS开关可以停在用于打开开关的方位处。为了达到这个目的，使用重气体（诸如氮气、氩气等）来填充腔室，直到达到所需压力水平。而除了该区域（即，在气密密封的模块4800内）外，压力可以是真空压力水平（例如，低于1 mTorr）以最小化颗粒和湿气的影响。4800的气密密封温度应该低于可能影响系统中的其他组件（例如，PIC 4808、光源4804、光电检测器4816）性能的温度阈值水平。例如，建议密封温度保持在300°C以下，使得激光器的性能不会受到影响。关于ASIC的集成，经由硅吞吐量（throughput）进行芯片键合可以最小化电气路径对切换速度和切换性能的影响。

本节提出了用于光耦合的MEMS开关及其阵列的多种设计和概念。这些所提出的结构可以用于光学终端来进行光束控制。在这里，描述了MEMS开关和MEMS开关阵列的不同设计和布局布置方法。所有这些方法都可以用于构建光束控制终端。

图47中示出了MEMS开关阵列设计的一个示例。图47是在具有与波导4912的平面内停止方位的情况下横向4906行进的双光栅开关4900的透视图。基板4902具有多个I型开关（例如，4910a、4910b），用于将光引导到总线波导4912a、4912b、4912c和4912d。在该图示中，双光栅4914a和4914b被对准成使得光栅4914a与总线波导4912a对准，或者使得光栅4914b与总线波导4912b对准，使得光4904被耦合。

在这里，光栅被用作与MEMS开关集成的光耦合器/天线来说明这个概念。其他光耦合器/天线设计也适用于这个概念。在图47所示的MEMS开关阵列中，每个MEMS开关携带两个光学天线，并且负责两个邻近总线波导顶部上的两个像素。每个MEMS开关都可以被水平驱动，并且跨两个波导沿着x方向移动两个光栅耦合器/天线。MEMS开关具有两个方位（4914a和4914b）：一个光栅与两个波导中的任一个重叠（一个像素处于开启状态，方位4914a和方位4914b）。例如，打开波导4912b之上的第二像素，打开行开关4910b，并且驱动MEMS开关以将两个光栅耦合器/天线朝向x方向移动，使得一个光栅耦合器/天线可以与波导4912b具有足够的重叠，并且足够的光可以从波导4912b耦合到该光栅，并且然后发射到自由空间。取决于将打开哪个像素，开关将被偏转直到靠着机械弹簧的某个止动件（stop）为止（如图47中的单个开关略图所示）。梳状驱动的致动器可以用来驱动开关的平面内运动。由于光栅比波导大，来回弹跳对性能的影响将会非常小。偏转可以通过静电方式、感应方式、压电方式或类似方式进行。光栅层与总线波导层之间的距离应该足够小，以确保当开关处于方位4914a或4914b 时，有足够的光可以从总线波导耦合到光栅。这种设计的优点是MEMS开关的数量仅为像素数量的一半。

图48中示出了MEMS开关阵列的另一种设计，其中MEMS开关也被驱动以沿着x轴水平移动，并且一个MEMS开关携带多于一个光耦合器/天线（在这里再次将光栅用作耦合器/天线示例来说明这个概念）。

图48是在具有与波导5012的平面内和平面外停止方位的情况下横向5006行进的双光栅开关5000的透视图。基板具有多个I型开关（例如，5010a、5010b），用于将光引导到总线波导5012a、5012b、5012c和5012d。在该图示中，双光栅5014a和5014b被对准成使得光栅5014a与总线波导5012a对准，光栅5014a和5014b位于邻近的总线波导5012a和5012b之间的中心，使得没有光被耦合，或者使得光栅5014b与总线波导5012b对准，使得光被耦合。如图48所示，这些MEMS开关5000具有三个方位：中性方位，其中两个光栅位于两个波导之间，并且不与它们中的任一个重叠（两个像素都关闭，方位5014），一个光栅与一个波导重叠（一个像素为开启，方位1和方位5014a）。类似地，取决于将打开哪个像素，开关将被偏转直到靠着机械弹簧的某个止动件为止（如图48中具有单个开关的略图所示）。由于光栅比波导大，来回弹跳对性能的影响将会非常小。偏转可以通过静电方式、感应方式、压电方式或类似方式进行。然而，在该设计中，行开关不是必需的，因为方位5014是完全关闭方位（两个光栅都不与任一个总线波导重叠）。波导可以通过分路树连接，并且通过将开关转到方位5014a和5014b来开启不同的像素。在这种情况下，该MEMS开关是三路开关。而且当然，光栅层与总线波导层之间的距离应该足够小，以确保当开关处于方位5014a或方位5014b时，有足够的光可以从总线波导耦合到光栅。

图49是其中光栅5108处于平面内方位的双形态开关5100的透视图。双形态开关5100包括基板5102，并且悬挂在基板5102之上的是在悬置层5104上具有双形态压电致动器5106的光栅5108。当双形态压电致动器5106被激活5110时，双形态开关5100移动到图50。图50是在平面外方位中垂直旋转光栅5208的双形态开关5200的透视图。双形态开关5200包括基板5202，并且悬挂在基板5202之上的是在悬置层5204上具有双形态压电致动器5206的光栅5208。

图51是其中光栅元件围绕与波导垂直的轴线旋转（例如，围绕x轴旋转）的开关阵列5300的透视图。基板5302支撑总线波导5312，使得在方向5310上行进的光可以被分布到每个总线波导5312a、5312b、5312c和5312d。在这里，光栅5316、5304、5314被配置成围绕x轴旋转5306，并且当活动时（诸如光栅5314），光5308被从总线波导5312b引导。尽管这被示为发射光，但这也可以用来接收光。类似地，图52是其中光栅元件围绕与波导平行的轴线旋转（例如，围绕y轴旋转）的开关阵列5400的透视图。基板5402支撑总线波导5412，以使得在方向5410上行进的光可以被分布到每个总线波导5412a、5412b、5412c和5412d。在这里，光栅5416、5404、5414被配置成围绕y轴旋转5406，并且当活动时（诸如光栅5414），光5408被从总线波导5412b引导。尽管这被示为发射光，但这也可以用来接收光。

MEMS开关也可以被设计成倾斜或折叠的，如图51和图52所示。在图51的设计中，MEMS开关被驱动以在y-z平面中围绕x轴旋转。当MEMS开关与y轴平行时，光栅与总线波导之间存在重叠，并且如果光栅与波导之间的距离保持得足够小，光就可以从总线波导耦合到光栅，并且进一步发射到自由空间，因此MEMS开关被打开（图49）。当MEMS开关倾斜到足够大的角度以致光耦合非常弱时，MEMS开关关闭（图50）。类似地，如图52所示，MEMS开关被驱动以在x-z平面中围绕y轴旋转。MEMS开关可以由如图49和图50所示的双压电晶片致动器或电活性聚合物驱动。

开关还可以在平面内旋转以在波导上方滑动（比如圆盘陀螺仪），而不仅仅是在90度角上滑动。与图53类似，但比例不同。图53是旋转盘5502上的光栅阵列5500的顶视图，该旋转盘利用旋转机构来对准平面内和平面外操作。旋转盘5502包括被布置成阵列的光栅5504，使得盘的旋转5508允许光栅5504与总线波导5506对准来发射或接收光。一个优点是天线仅由一个电机控制，而不是每个天线都由一个开关控制。天线可以被设计成具有在旋转过程中不会影响极化的特定图案。

另外，MEMS可切换光栅可以使用双稳态膜来降低操作功率。在这种情况下，MEMS开关致动可以是两种方法的组合，以实现其开启或关闭状态。图54A是具有处于关闭方位的双稳态膜5612的耦合器波导5600的横截面图。基板5602支撑总线波导5604、致动电极5606和机械止动件5608。在悬挂层上的是双稳态膜5612，其包括反应电极5607、机械止动件5608和耦合器波导5610。图54B是具有处于开启方位的双稳态膜5612的耦合器波导的横截面图。图54A中图示的开关在柔性上膜5612上具有耦合器波导5610（带有光栅）。在关闭状态下，耦合器波导5610与总线波导5604分离。为了将开关改变到开启状态，耦合器波导5610需要被下拉到图54B中的总线波导5604。由电极5606和5607施加的静电下拉力是一种致动方法，但是这需要恒定电流来保持开关开启。这将增加操作器件所需的功率。为了消除保持施加恒定功率以保持器件开启的需要，可以实现膜的应力调整以创建双稳态膜。这将通过将压缩应力薄膜5612沉积到膜耦合器波导5610的顶面来进行。需要调整应力，使得膜与下表面相比是平行的或非常轻微地弯曲（bow up）。该膜具有双稳态特性，这意味着在没有致动力的情况下它可以是平坦的或略微弯曲的，并且当被静电致动下拉时，即使在电极5606和5607施加的功率停止的情况下也保持在下面。这种方法使得能够通过仅使用短功率脉冲将其下拉来打开开关，并且通过双稳态膜本身保持开关开启，当开关处于开启状态时不需要功率。为了使膜返回到分离关闭状态，使用脉冲排斥静电力将膜推动到分离关闭模式。

这些所提出的平面内MEMS开关也可以被组织成阵列，并且与透镜组合以在光发射器、接收器或收发器终端中进行波束控制。所有开关组合和分路树组合概念以及行/列布线概念也适用于所提出的平面内MEMS开关。

尽管通过各种实施例的描述已经说明了本发明的全部内容，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施例，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到这样的细节。本领域的技术人员将容易地想到附加的优点和修改。因此，本发明在其更宽泛的方面不限于所示和所描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不偏离总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这样的细节。

Claims (20)

1.一种光开关，其包括：

由基板支撑的总线波导；

悬挂在总线波导上方的耦合波导；

与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极；

由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极；以及

与耦合波导耦合并且设置在距总线波导固定距离处的光学天线，

其中，当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

2.根据权利要求1所述的光开关，其中，响应于电压差超过上阈值，总线波导与耦合波导之间的耦合效率大于50%，并且当电压差小于下阈值时，总线波导与耦合波导之间的耦合效率小于1%。

3.根据权利要求1所述的光开关，其中，下阈值为5伏，并且上阈值为15伏。

4.根据权利要求1所述的光开关，其中，第二距离基于机械止动件，使得总线波导与耦合波导分开至少10 nm。

5.根据权利要求1所述的光开关，其中，光学天线是在远场中提供高斯束斑的一维光栅。

6.根据权利要求1所述的光开关，其中，基板是绝缘体上硅(SoI)基板，其包括与绝缘层耦合的硅层，总线波导被蚀刻在硅层中，并且致动电极被注入在硅层中。

7.根据权利要求6所述的光开关，其中，硅层是Si、SiN或Si3N4。

8.一种波束控制系统，其包括：

由基板支撑的总线波导；

悬挂在总线波导上方的耦合波导；

与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极；

由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极；

与耦合波导耦合并且设置在距总线波导固定距离处的光学天线；

光树，其具有至少一种类型的光开关，并且被配置成将光分配给光学天线；以及

透镜，其与基板间隔开，并且被配置成衍射由光学天线发射的光，

其中，当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

9.根据权利要求8所述的波束控制系统，其中，光学天线是布置在至少一行和至少一列中的光学天线阵列，并且光树被配置成选择性地启用至少一行中的一行或至少一列中的一列。

10.根据权利要求8所述的波束控制系统，进一步包括：接触控制器，并且其中，光学天线是布置在至少一行和至少一列中的光学天线阵列，并且接触控制器被配置成选择性地启用至少一行中的一行或至少一列中的一列。

11.根据权利要求8所述的波束控制系统，其中，透镜被配置成沿着垂直于基板的矢量平移，并且随着透镜沿着矢量平移，与基板的距离改变。

12.根据权利要求8所述的波束控制系统，其中，基板被配置成沿着垂直于透镜的矢量平移，并且当透镜沿着矢量平移时，基板与透镜的距离改变。

13.根据权利要求12所述的波束控制系统，其中，光学天线是在远场中提供高斯束斑的一维光栅，并且随着基板沿着矢量平移，高斯束斑聚焦在光学天线上。

14.根据权利要求8所述的波束控制系统，进一步包括：

由基板支撑并且与总线波导分离的接收总线波导，

悬挂在接收总线波导上方的接收耦合波导，

与接收耦合波导耦合并且与接收耦合波导相邻的接收反应电极，

由基板支撑并且被配置成控制接收耦合波导相对于接收总线波导的方位的接收致动电极，以及

其中，光学天线与接收耦合波导耦合，并且

其中，当接收反应电极与接收致动电极之间的电压差超过上阈值时，接收总线波导与接收耦合波导之间的耦合效率大于50%。

15.一种波束控制系统，其包括：

由基板支撑的总线波导；

悬挂在总线波导上方的耦合波导；

与耦合波导耦合并且与耦合波导相邻的反应电极；

由基板支撑并且被配置成经由反应电极控制耦合波导相对于总线波导的方位的致动电极；

与耦合波导耦合的光学天线，

光树，其具有至少一种类型的光开关，并且被配置成收集来自光学天线的光；以及

透镜，其与基板间隔开，并且被配置成衍射从光学天线接收的光，

其中，当反应电极与致动电极之间的电压差小于下阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第一距离处，当反应电极与致动电极之间的电压差大于上阈值时，耦合波导被定位在距总线波导第二距离处，并且第二距离小于第一距离。

16.根据权利要求15所述的波束控制系统，其中，光学天线是布置在至少一行和至少一列中的光学天线阵列，并且光树被配置成选择性地启用至少一行中的一行或至少一列中的一列。

17.根据权利要求15所述的波束控制系统，进一步包括：接触控制器，并且其中，光学天线是布置在至少一行和至少一列中的光学天线阵列，并且接触控制器被配置成选择性地启用至少一行中的一行或至少一列中的一列。

18.根据权利要求15所述的波束控制系统，其中，透镜被配置成沿着垂直于基板的矢量平移，并且随着透镜沿着矢量平移，与基板的距离改变。

19.根据权利要求15所述的波束控制系统，其中，基板被配置成沿着垂直于透镜的矢量平移，并且随着透镜沿着矢量平移，基板与透镜的距离改变。

20.根据权利要求15所述的波束控制系统，进一步包括：

由基板支撑并且与总线波导分离的接收总线波导；

悬挂在接收总线波导上方的接收耦合波导；

与接收耦合波导耦合并且与接收耦合波导相邻的接收反应电极；

由基板支撑并且被配置成控制接收耦合波导相对于接收总线波导的方位的接收致动电极；以及

其中，光学天线与接收耦合波导耦合，并且

其中，响应于接收反应电极与接收激励电极之间的电压差超过上阈值，接收总线波导与接收耦合波导之间的耦合效率大于50%。

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