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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf optoelektronische
Geräte
mit integrierter Schaltung und insbesondere auf Matrizen derartiger
Geräte.
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DARSTELLUNG DES BISHERIGEN
STANDS DER TECHNIK
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Hochgeschwindigkeitsgeräte mit integrierter Schaltung
sind wohl bekannt und werden bei der Datenverarbeitung und in der
Telekommunikation weitläufig
eingesetzt. Die stete Nachfrage richtet sich auf eine beständig zunehmende
Geschwindigkeit, Kapazität
und Bauelementedichte. Photonische Geräte mit integrierter Schaltung
werden als ein wichtiger Teil der Zukunft von Hochgeschwindigkeitsschaltungen
angesehen, da sie den Vorteil haben, elektromagnetische Hochfrequenz-Interferenzprobleme,
die in elektrischen Schaltungen gefunden werden, zu minimieren.
Wenngleich photonische Geräte
Signale noch immer in und aus elektrischen Signalen umwandeln, können die
elektrischen Signalleitungen gekürzt
werden, und die elektromagnetischen Probleme können bedeutend reduziert werden.
In derartigen Schaltungen müssen
optische Bauelemente mit den aktiven optoelektronischen Bauelementen
zusammengebaut werden, um ein vollständiges Gerät zu ergeben.
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Eine
der bedeutenderen Anwendungen, die von der minimierten elektromagnetischen
Interferenz optoelektronischer Bauelemente wesentlichen Nutzen zieht,
ist die der Telekommunikation. Insbesondere werfen Schaltfunktionen
komplizierte und schwierige Fragen der Schaltleitweglenkung auf,
die elektromagnetischer Interferenz gegenüber sehr anfällig sind.
Versuchen, Matrizen optoelektronischer Elemente anzuwenden, wurde
nur begrenzter Erfolg beschieden, und sie wurden durch die für derartige Geräte notwendige
Leitweglenkung der elektrischen Signale vor Herausforderungen gestellt.
Ein Beispiel eines zweidimensionalen Schalters, der eine zweidimensionale
Matrix optoelektronischer Emitter-Detektor-Paare verwendet, ist
in Dokument
US 5 671 304 offenbart.
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Aus
den obigen Gründen
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Hochgeschwindigkeitssignalmatrix
bereitzustellen, in der integrierte optoelektronische Geräte verwendet
werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine derartige
Signalmatrix in der Form eines Kreuzschienenschalters bereitzustellen,
bei dem jeder beliebige von N Eingängen mit jedem beliebigen von
M Ausgängen
verbunden werden kann.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine derartige
Signalmatrix bereitzustellen, bei der die optischen Bauelemente
mittels effizienter Fertigungsverfahren konstruiert werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß stellt
eine Form der vorliegenden Erfindung eine optoelektronische Signalmatrix zum
selektiven Verbinden von einem beliebigen von N Eingängen mit
einem beliebigen von M Ausgängen bereit,
die Folgendes umfasst: eine integrierte Schaltungsmatrix, die N
Reihen mal M Spalten von optoelektronischen Matrixelementen aufweist,
wobei jedes Matrixelement ein Detektor-und-Emitter-Paar umfasst,
das angepasst ist, um erste photonische Signale zu erfassen und
die erfassten ersten photonischen Signale als zweite photonische
Signal erneut zu senden; einen oder mehrere Eingangsemitter für jeden N-Eingang,
angepasst, um ein erstes photonisches Signal entlang einer separaten
betreffenden N-Matrixreihe
zu übertragen,
wobei die ersten photonischen Signale, die dadurch übertragen
werden, eine oder mehrere Wellenlängen aufweisen, die einem oder
mehreren betreffenden M-Ausgängen
entsprechen; einen oder mehrere Ausgangsdetektoren für jeden
M-Ausgang, die angepasst
sind, um zweite photonische Signale aus einer separaten betreffenden
Matrixspalte zu empfangen; einen Wellenleiter, der angrenzend an
die Matrix lokalisiert und angepasst ist, um ein Übertragungsmedium
entlang individuellen Reihen und entlang individuellen Spalten der Matrix
bereitzustellen; ein separates Beugungsgitter, das über jedem
Detektor von jedem Matrixelement mit dem Wellenleiter in Verbindung
steht und angepasst ist, um von der Wellenlänge abhängige Beugung der ersten photonischen
Signale bereitzustellen, die in dem Wellenleiter entlang jeder N-Reihe
in den Matrixelementdetektor von die Wellenlänge betreffenden M-Spalten
verlaufen; und ein separates optisches Verteilelement, das mit dem
Wellenleiter über
jedem Emitter von jedem Matrixelement in Verbindung steht und angepasst ist,
um zweite photonische Signale, die aus jedem Matrixelementemitter
in den Wellenleiter und entlang der betreffenden M-Spalte gesendet
werden, zu verteilen; wobei die Signalmatrix angepasst ist, um an
jedem N-Eingang für
jeden beliebigen M-Ausgang bestimmte Signale zu empfangen, die empfangenen
Signale durch den Wellenleiter als erste photonische Signale mit
einer Wellenlänge,
die dem bestimmungsgemäßen M-Ausgang entspricht,
zu übertragen,
die übertragenen
ersten photonischen Signale für
die Erfassung durch das Matrixelement der entsprechenden M-Spalte
zu beugen, das erfasste Signal aus dem erfassenden Matrixelement
als ein zweites photonisches Signal erneut zu senden, das zweite
photonische Signal in die betreffende M-Spalte zu verteilen und
das verteilte zweite photonische Signal an dem betreffenden M-Ausgangsdetektor
zu erfassen. Der Wert von N ist mehr als eins und der Wert von M
ist mehr als eins.
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In
einer anderen Form stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Verbinden von elektrischen Signalen aus jedem beliebigen von
N Eingängen
mit jedem beliebigen von M Ausgängen
bereit, das Folgendes umfasst: Senden eines ersten photonischen
Signals, das ein elektrisches Signal aus einem N-Eingang repräsentiert,
mit einer photonischen Wellenlänge,
die einem bestimmungsgemäßen M-Ausgang entspricht,
Befördern
des gesendeten ersten photonischen Signals angrenzend an eine separate
Reihe einer integrierten Schaltungsmatrix von N Reihen mal M Spalten
von optoelektronischen Matrixelementen, Erfassen des beförderten
ersten photonischen Signals an einem Matrixelement, das dem bestimmungsgemäßen M-Ausgang
entspricht, erneutes Senden des erfassten ersten photonischen Signals
als ein zweites photonisches Signal aus dem entsprechenden Matrixelement,
Befördern
des erneut gesendeten zweiten photonischen Signals entlang der betreffenden
M-Spalte, und Erfassen des beförderten
zweiten photonischen Signals in der betreffenden M-Spalte an dem
betreffenden M-Ausgang,
wobei beide Schritte des Beförderns
das Führen
des ersten und des zweiten photonischen Signals durch einen Wellenleiter,
der angrenzend an die Matrix lokalisiert ist, umfassen, wobei N
einen Wert von mehr als eins aufweist und M einen Wert von mehr als
eins aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist illustrativ gezeigt und wird in Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
repräsentative
Draufsicht eines Geräts
ist, das gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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2 eine
ausführlichere
Teildraufsicht eines Abschnitts des Geräts aus 1 ist;
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3 eine
repräsentative
Schnittansicht des Geräts
aus 1 und 2 entlang der Linien 3-3 von 2 ist;
und
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4 eine
zum Teil freigelegte, repräsentative,
perspektivische Ansicht eines Geräts ist, das gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
der Draufsicht von 1 ist eine Signalmatrix 10 gezeigt.
Die Signalmatrix 10 umfasst eine optoelektronische 4×4-Matrix 11 mit
integrierter Schaltung der optoelektronischen Matrixelemente 12A–12P,
einen separaten Mehrwellenlängenemitter 14A–14D für jede Reihe
der Matrix 11 und einen separaten Mehrwellenlängendetektor 16A–16D für jede Spalte
der Matrix 11. Jeder der Emitter 14 ist mit einem
repräsentativen
Signaleingangsanschluss N1-N4 gezeigt. Jeder der Mehrwellenlängendetektoren 16 ist
mit einer betreffenden Konfliktbeseitigungsschaltung 18 und
einem betreffenden Signalausgangsanschluss M1-M4 gezeigt. In der
Praxis würden
die optoelektronischen Geräte 12, 14 und 16 aus optoelektronischem
Material konstruiert und mittels Kontakthöcker an eine ASIC (anwendungsspezifische
integrierte Schaltung) 60 von 3 gebondet werden,
während
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
N, M und die Konfliktbeseitigungsschaltungen 18 als Teil
derselben ASIC konstruiert werden könnten. Jedes Matrixelement 12 wird
mit einem Detektor 20 und einem Emitter 22 konstruiert,
und erfasste photonische Signale werden an die Emitter 22 jedes
betreffenden Matrixelements gekoppelt, wie gezeigt. Jeder Mehrwellenlängendetektor 16 könnte eine
Vielzahl von Detektoren umfassen, um eine Vielzahl von unterschiedlichen
Wellenlängen
gleichzeitig zu erfassen.
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Die
Konventionen N und M werden begrifflich verwendet, um Reihen und
Spalten der optoelektronischen Matrix 11 zu bezeichnen,
und sollen die Art und Weise, auf die die Signalmatrix der vorliegenden Erfindung
implementiert werden kann, nicht einschränken.
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Signale,
die an jedem Eingang N1-N4 empfangen werden, bewirken, dass erste
photonische Signale von dem betreffenden Emitter 14 mit
einer Wellenlänge
gesendet werden, die dem bestimmungsgemäßen Ausgangsanschluss M1-M4
des betreffenden Eingangssignals entspricht. Die gesendeten ersten photonischen
Signale werden lateral über
die Matrix übertragen
und von einem Matrixelementdetektor 20 erfasst, der spezifisch
auf diese Wellenlänge
abgestimmt sein kann. Auf diese Weise werden Signale, die für einen
spezifischen M-Ausgangsanschluss bestimmt sind, nur von einem Matrixelementdetektor 20 empfangen,
der diesem Anschluss entspricht. Diese Erfassung bewirkt eine reagierende
erneute Sendung eines zweiten photonischen Signals durch das erfassende
Matrixelement 12 in der relativ zu dem ersten photonischen
Signal orthogonalen Matrixrichtung. Die erneut gesendeten, zweiten
photonischen Signale können
eine Wellenlänge
aufweisen, die jedem der separaten N-Eingangsanschlüsse entspricht.
Auf diese Weise können
Signale, die von demselben M-Ausgangsanschluss
von unterschiedlichen N-Eingangsanschlüssen empfangen werden, von
dem Mehrwellenlängendetektor 16 unterschieden
werden. Derartige sich widersprechende Signale werden von den Konfliktbeseitigungsschaltungen 18 gehandhabt
und an den entsprechenden M-Ausgangsanschluss weitergeleitet. Die
Konfliktbeseitigungsschaltungen 18 können jede geeignete Multiplexierfunktion
durchführen,
wie etwa Domänenmultiplexierung,
um den Empfang von gleichzeitigen Signalen aus mehr als einem M-Eingang zu ermöglichen.
Die Konfliktbeseitigungsschaltungen 18 können auch
einfach mehrere Ausgänge
für jeden
Anschluss M1-M4 erschaffen.
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Wie
erwähnt,
können
die Konfliktbeseitigungsschaltungen in einer darunter liegenden
ASIC oder sogar in einer zweiten ASIC, die an die darunter liegende
ASIC gebondet ist, erschaffen werden. Die spezifischen Schaltungen
hängen
von der gewünschten
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Konfliktbeseitigungsfunktion
ab und können gemäß bekannten
Schaltungen und bekannten Konstruktionsverfahren erschaffen werden.
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2 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
mehrerer Matrixelemente 12A, 128, 12E und 12F von 1.
Aus Gründen
der Illustration werden in jedem Matrixelement 12A und 12B unterschiedliche
Einzelheiten gezeigt, jedoch sollen alle Anordnungselemente 12A–12P identisch
sein. Jedes Element, wie etwa 12A, umfasst einen Detektor 20 und
einen Emitter 22. Jeder Detektor 20 und jeder
Emitter 22 weist einen Oberflächenbereich auf, der zwischen
einer photonischen Oberfläche
und einem elektrischen Kontakt geteilt wird. Jeder Detektor 20 weist
eine photonische Empfangsoberfläche 24 und
einen elektrischen Kontakt 26 auf. Auf gleiche Weise weist
jeder Emitter 22 eine photonische Sendeoberfläche 28 und
einen elektrischen Kontakt 30 auf. Da die Detektoren und
Emitter photonische Signale verwenden, die in Beziehung auf ihre
jeweilige photonische Oberfläche,
von der Zeichnungsoberfläche
repräsentiert, in
einer normalen Richtung verlaufen, und sich die photonischen Signale über die
Matrix 11 parallel zu dieser Oberfläche fortpflanzen, müssen die
photonischen Signale zur Erfassung und auch nach erneuter Sendung
neu gelenkt werden. Dies wird durch die Verwendung von Beugungsgittern 32,
die über
den photonischen Empfangsoberflächen 24 der
Detektoren 20 lokalisiert sind, und durch optische Verteilelemente,
die über
den photonischen Sendungsoberflächen 28 lokalisiert
sind, wie in Element 12B gezeigt, erreicht. Die Beugungsgitter 32 sind
gemäß den bestimmungsgemäßen Wellenlängen ihrer
betreffenden Detektoren 20 konstruiert. Eingangsdatensignale
verlaufen in 2 von links nach rechts und
werden durch die Beugungsgitter 32 in die Detektoren 20 neu
gelenkt. Entsprechende Signale von den Emittern 22 werden
in Beziehung auf die Matrixoberfläche normal gesendet und neu
gelenkt, im Allgemeinen parallel zu dieser Oberfläche, zu
dem unteren und oberen Ende von 2. Das orthogonale
Arrangement der Detektor- und Emittergitter trägt dazu bei, die photonischen
N-Eingangssignale von den photonischen M-Ausgangssignalen zu isolieren.
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Beliebige
geeignete optische Elemente können
für die
Beugungsgitter 32 und Verteilelemente 34 verwendet
werden. Ein Beispiel eines geeigneten Beugungsgitters 32,
das auf dem Stand der Technik bekannt ist, wird gebildet, indem
eine Serie von rechteckigen Vertiefungen mit einem dem in 2 gezeigten ähnlichen
Muster in die obere Oberfläche
eines Wellenleiters geätzt
wird. Die Vertiefungen und die obere Oberfläche des Wellenleiters werden
dann mit einem reflektierenden Material wie etwa Gold beschichtet.
Die von der Wellenlänge
abhängige
Reaktion des Beugungsgitters 32 wird von der Größe und dem
Abstand der Vertiefungen festgelegt. Die kurze Breite jeder Vertiefung
beträgt
typischerweise die Hälfte
des periodischen Abstands der Vertiefungen in derselben Richtung.
Auf diese Weise beugt das Beugungsgitter 32 photonische
Signale, die eine effektive Wellenlänge aufweisen, welche gleich
dem periodischen Abstand ist, wenn derartige Signale durch den Wellenleiter
in den entgegengesetzten Richtungen des in 1 gezeigten
ersten photonischen Signalflusses verlaufen. Die resultierende Beugung
lenkt die photonischen Signale neu nach unten in den Wellenleiter,
weg von dem Gitter 32. Somit werden der Abstand und die
Größe der Vertiefungen
verwendet, um die Reaktion des Gitters 32 auf eine spezifische Wellenlänge abzustimmen.
Ein anderes Beispiel eines geeigneten, bekannten Beugungsgitters 32 wäre ein Metallgitter,
das auf der oberen Oberfläche
des Wellenleiters abgelagert wird.
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Ein
Beispiel eines geeigneten Verteilelements 34, das auf dem
Stand der Technik bekannt ist, ist ein Streuungselement. Ein Streuungselement kann
einfach als eine Mehrzahl von dreieckig geformten Einschnitten,
die wiederum in der oberen Oberfläche eines Wellenleiters gebildet
sind, gebildet sein. Derartige dreieckig geformte Einschnitte sowie
die obere Wellenleiteroberfläche
werden mit einem hochgradig reflektierenden Material wie etwa Gold beschichtet.
Die dreieckigen Seiten müssen
eine Länge
des reflektierenden Merkmals aufweisen, die gleich oder größer als
die Wellenlänge
von Interesse in dem Wellenleitermedium ist. Photonische Signale, die
in einer normalen Richtung in den Wellenleiter eindringen, werden
wunschgemäß entlang
dem Wellenleiter neu gelenkt. Jedes beliebige andere, auf geeignete
Weise arbeitende optische Verteilelement, wie etwa die oben beschriebenen
Beugungsgitter, kann ebenfalls für
das Verteilelement 34 verwendet werden.
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2 bildet
auch eine Wahl für
die Matrix in der Form einer Photonen oder Licht absorbierenden Abschirmung
oder Blende 36, die dazu beitragen, die ersten und zweiten
photonischen Signale zu leiten. Die Abschirmung kann während der
Konstruktion der Matrix gebildet werden, indem Muster auf eine Weise,
die von dem spezifischen verwendeten Konstruktionsprozess abhängt, in
das optische Medium geätzt werden.
Die geätzten
Muster können
dann mit einem Licht absorbierendem Material wie etwa Epoxid gefüllt werden.
Auf diese Weise können
photonische Signale noch immer von links und rechts und zu dem unteren
und dem oberen Ende von 2 übertragen werden, während diagonales
Streulicht von der Abschirmung 36 blockiert würde. Dieses
Arrangement könnte
mit dem Plan von Detektoren 20 und Emittern 22 und
der Platzierung ihrer betreffenden photonischen und elektrischen
Kontaktflächen
kombiniert werden, so dass erneut gesendete photonische Signale
nicht notwendigerweise für
beliebige der Detektoren 20 über Beugungsgitter führen. Mit
anderen Worten werden photonische Ausgangssignale durch jedes Umwandlungselement 12 auf
einer Seite (rechts, wie gezeigt) dieses Elements zu dem unteren
und dem oberen Ende von 1 und 2 übertragen,
wohingegen das Detektorgitter 32 für jedes Matrixelement 12 auf
der anderen Seite (links, wie gezeigt) davon lokalisiert ist. Eingangs-
oder erste photonische Signale werden auch von links nach rechts
entlang dem unteren Abschnitt von jedem Matrixelement 12 übertragen,
wie gezeigt, und nicht absichtlich über die Beugungsgitter von
beliebigen der Emitter übertragen,
um die Interferenz von Signalen oder die Erschaffung falscher Sendungssignale
zu verhindern.
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Obwohl
die Matrix 11 mit N-Eingängen auf einer Seite und M-Ausgängen auf
einer orthogonalen Seite gezeigt ist, deckt die vorliegende Erfindung auch
Ausführungsformen
ab, bei denen die ersten photonischen Signale von zwei gegenüberliegenden Matrixseiten
gesendet und die zweiten photonischen Signale entlang zweier gegenüberliegender
Matrixseiten erfasst werden können.
Dies veranschaulicht einen bedeutenden Vorteil der vorliegenden
Erfindung, der darin besteht, dass die Signalmatrix 10 in mehreren
Richtungen um die Grundmatrix 11 erweitert werden kann.
Die optischen Wellenleiter für
die M-Spalten können
somit verlängert
werden, und die optischen Signale darin können durch separate zusätzliche
Detektoren aufgegriffen werden. Die so erfassten Signale können in
der ASIC, auf der sich die optischen Elemente befinden, verarbeitet
werden, und die Signale können
dann an weitere optoelektronische Matrizen auf demselben ASIC-Substrat
gespeist werden. Auf diese Weise kann eine serielle Signalzustellung
durchgeführt
werden, um die Grundzustellungskapazität der ersten Matrix 11 zu
erweitern. Alternativ dazu können
die so erfassten optischen Ausgangssignale durch eine Serie von
Detektor/Emitterelementen, wie in der Matrix 11 zu finden, individuell
optisch anderswo auf dem ASIC-Substrat hingelenkt werden. Diese
Anwendung könnte
die räumliche
Signalkonfliktbeseitigung bereitstellen und unterstützen. Auf
diese Weise ist die Verwendung von Mehrwellenlängen-Ausgangsdetektoren 16 als Ausgangsanschlüsse nicht
erforderlich.
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Ein
repräsentativer
Querschnitt ist in 3 entlang Linien 3-3 in 2 gezeigt. 3 unterscheidet
sich von 2 darin, dass sie zusätzlich den
Querschnitt eines Eingangsemitters 14B zeigt. 3 zeigt
allgemein einen Abschnitt der Signalmatrix 11, der durch
individuelle optoelektronische Matrixelemente 12E und 12F repräsentiert
wird. Ein Wellenleiter 42 ist angrenzend an die Matrixelemente 12E und 12F lokalisiert.
Der Wellenleiter 42 kann aus mehreren Schichten 44, 46 und 48 aus
lichtdurchlässigem
photonischen Material zusammengesetzt sein, um bei der Leitung photonischer
Energie zu helfen. Optische Verteilelemente 34 sind in
dem Wellenleiter 42 gebildet gezeigt. 3 zeigt
auch einen Mehrwellenlängenemitter 14B,
der angrenzend an das Matrixelement 12E lokalisiert ist.
Die Matrixelemente 12E und 12F und der Emitter 14B sind
durch Metallbindungen 62 elektrisch mit einer ASIC 60 verbunden. Die
ASIC 60 stellt auf eine Art und Weise, die auf dem Stand
der Technik wohl bekannt ist, die verschiedenen Ansteuer-, Vorpolungs-
und Signalleitungen für die
optoelektronischen Elemente 12, 14 und 16 bereit.
An dem Emitter 14B ist ein Spiegel 49 angebracht.
Photonische Signale von dem Emitter 14B werden in den Wellenleiter 42 reflektiert,
um die verschiedenen Detektoren 20 zu erreichen. Alternativ dazu
kann jedes beliebige andere geeignete Gerät verwendet werden, um die
Signale von den Emittern 14 in die Matrix 11 neu
zu lenken. 3 zeigt auch Trennvorrichtungen 50 und
Verlängerungen 52 davon.
Die Trennvorrichtungen 50 isolieren die optoelektronischen
Elemente 12E, 12F und 14B elektrisch, und
die Verlängerungen 52 dienen
als Teilabschirmungen 36 von 2.
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4 zeigt
eine teilweise freigelegte perspektivische Ansicht einer optoelektronischen
Matrix 80. Die Matrix 80 in verwendbarer Form
wäre eine volle,
dreidimensionale Struktur. Sie ist in 4 gezeigt,
wobei verschiedene Teilabschnitte freigelegt sind, um innere Merkmale
zu illustrieren. Diese inneren Merkmale, die nur für einige
der Elemente gezeigt sind, sind in Wahrheit in allen Elementen und über die
ganze Struktur beständig.
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Die
Matrix 80 umfasst alternierende Reihen von Detektoren 82 und
Emittern 84. Jeder der Emitter 82 und Detektoren 84 umfasst
eine aktive photonische Oberfläche 83 bzw. 85 und
einen elektrischen Kontakt, wie zuvor in Bezug auf 2 beschrieben. Die
Reihen von Detektoren 82 und Emittern 84 sind an
eine Kontroll-ASIC 86, die die zur Verwendung der Detektoren 82 und
Emitter 84 notwendigen Steuer- und Vorpolungsschaltungen
enthält,
mit Kontakthöckern
flip-chip-gebondet.
Die Detektoren 82 weisen relativ zu den Emittern 84 eine
kürzere
Höhe auf
und sind an separate Wellenleiter gekoppelt.
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Jede
Reihe von Detektoren 82 weist einen separaten Wellenleiter 90 auf,
und die Reihen der Emitter 84 sind an separate Wellenleiter 92 gekoppelt.
Jeder Detektorwellenleiter 90 umfasst ein Beugungsgitter 91,
das über
jeder betreffenden photonischen Oberfläche 83 lokalisiert
ist. Auf die gleiche Weise umfasst jeder Emitterwellenleiter 92 ein
separates optisches Verteilelement 93, das über jeder photonischen
Emitteroberfläche 85 lokalisiert
ist. Jeder Wellenleiter 90 ist mit einer reflektierenden
Beschichtung 89 abgedeckt, und alle Emitterwellenleiter 92 sind
durch eine reflektierende Beschichtung 94 abgedeckt. Die
Emitterwellenleiter 92 sind auch voneinander durch Trennwände 96 getrennt. 4 zeigt eine
alternative Ausführungsform,
bei der die reflektierende Schicht 94 durch einen Wellenleiter
oder ein Faseroptikbündel,
das durch gestrichelte Linien 100 repräsentiert wird, ersetzt ist.
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Die
Matrix 80 funktioniert auf die gleiche allgemeine Art und
Weise wie die Matrix 11 in 1–3.
Eingangs- oder erste photonische Signale werden in die Wellenleiter 90 gesendet
und verlaufen dort, bis sie auf ein Beugungsgitter 91 treffen, das
Merkmale aufweist, die auf die Wellenlänge des photonischen Signals
in dem optischen Medium des Wellenleiters 90 reagieren.
Auf diese Weise werden Signale in die aktive Oberfläche 83 der
Detektoren 82 gebeugt, wo sie in entsprechende elektrische
Signale umgewandelt werden. Diese elektrischen Signale werden durch
die ASIC 60 in den komplementären Emitter 84 jedes
Matrixelements gekoppelt und durch eine photonische Oberfläche 85 erneut
gesendet. Die erneut gesendeten oder zweiten photonischen Signale
dringen in den Wellenleiter 92 ein und werden von dem optischen
Verteilelement 93 gestreut. Zusätzlich zu den optischen Verteilelementen 93,
die entworfen sind, um die Richtung der Streuung zu kontrollieren,
werden die Wellenleiter 92 ferner durch die Trennwände 96 unterstützt, die
entweder aus reflektierenden, lichtbrechenden oder absorbierenden Materialien
gebildet sein können,
um Störsignale
daran zu hindern, in die angrenzenden Wellenleiter 92 einzudringen.
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In
der alternativen Ausführungsform
von 4 können
die reflektierende Beschichtung 94 und sogar die gesamte
Struktur der Wellenleiter 92 durch das Ende einer Wellenleiterstruktur
oder das Ende einer geordneten Anordnung von Lichtleitfasern, die
durch die gestrichelten Linien 100 repräsentiert werden, ersetzt werden,
und die Verteilelemente 93 wären nicht vorhanden. In dieser
Konfiguration würden
photonische Signale von den Emittern 84 in diesen Wellenleiter
oder diese geordnete Faseranordnung übertragen und könnten dadurch
ein Element eines Kommunikationssystems bilden. Wenn die Wellenleiter 92 verbleiben,
könnten ähnliche Trennwände orthogonal
zu den Trennwänden 96 gebildet
werden, um die Kreuzkopplung zwischen angrenzenden Emittern 84 in
demselben Wellenleiter 92 zu minimieren.
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Eine
noch weitere Ausführungsform
ist in 4 repräsentiert,
wobei die Matrix 80 verwendet wird, um Signale von einem
Wellenleiter oder einer geordneten Faseranordnung zu empfangen.
In dieser Konfiguration müssten
die Detektoren 82 und die Emitter 84 konstruiert
sein, um als das gegenüberliegende
Element zu dienen, so dass photonische Signale von einem Wellenleiter
oder einer geordneten Faseranordnung empfangen und umgewandelt und als
photonische Signale in Wellenleiter 90 erneut gesendet
würden.
Für dieses
Arrangement könnten entweder
die Beugungsgitter 91 verwendet werden, oder sie könnten durch
geeignete Verteilelemente ersetzt werden.
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Die
Signalmatrix der vorliegenden Anwendung könnte durch eines oder mehrere
wohl bekannte Verfahren konstruiert werden. Zum Beispiel können die
Emitter und die Detektoren separat konstruiert werden und dann separat
an eine ASIC flip-chip-gebondet werden, oder die Emitter und die Detektoren
können
als eine einzige optoelektronische Matrix konstruiert und dann in
einem einzigen Verarbeitungsschritt flip-chip-gebondet werden. Auf die
gleiche Weise kann der Wellenleiter durch mehrere wohl bekannte
Verfahren konstruiert werden. Zum Beispiel kann der Wellenleiter
in jeder Reihenfolge konstruiert und angefügt werden, oder der Wellenleiter
könnte
integral mit den aktiven Emittern und Detektoren konstruiert werden,
und die Merkmale des Wellenleiters könnten entweder vor oder nach
dem Bonden mit der ASIC in die Struktur verarbeitet werden. Diese
Konstruktionsverfahren werden mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben.
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3 veranschaulicht
allgemein die Konstruktion der Matrixelemente 12 als einen
integralen Prozess mit dem optimalen Medium des Wellenleiters 42.
Ein derartiger Prozess könnte
mit einem geeigneten Substrat wie etwa GaAs beginnen, wie es der
Fall ist bei optoelektronischen Geräten auf GaAs-Basis. Die Wellenlängen von
photonischen Signalen können
so gewählt
werden, wo GaAs ihnen gegenüber
transparent ist, und daher kann das GaAs-Substrat verwendet werden,
um den Wellenleiter 42 zu bilden. Eine Zwischenschicht 46 aus
Aluminium-Gallium-Arsenid AlGaAs mit einem anderen Brechindex als
GaAs kann verwendet werden, um dazu beizutragen, photonische Signale
innerhalb des Wellenleiters 42 zu leiten. Aus diesem Grund
würde eine
Schicht von AlGaAs auf dem GaAs-Substrat 40 aufgebaut,
und dieser würde
eine Schicht GaAs folgen. Diesem würden die verschiedenen Schichten folgen,
die verwendet werden, um die aktiven Elemente 12, 14 und 16 zu konstruieren.
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Die
aktiven Elemente 12, 14 und 16 werden dann
durch bekannte Techniken konstruiert und gemäß dem gewünschten Leistungsvermögen dieser Geräte individuell
entworfen. Die aktiven Geräte
können
typischerweise als Photodioden, oberflächenemittierende Laser mit
vertikalem Resonator (VCSEL) oder Leuchtdioden erschaffen werden.
Die Detektoren 20 können
mit Hohlraumresonatorstrukturen, die auf spezifische Wellenlängen abgestimmt
sind, verstärkt
werden, so dass die Konstruktion sowohl von den Beugungsgittern
als auch den Detektoren verwendet wird, um zugunsten der bestimmungsgemäßen Wellenlängen zu
diskriminieren. Derartige Konstruktionstechniken können auch
für die
Mehrwellenlängen-Ausgangsdetektoren 16 verwendet
werden, indem separate Detektoren auf ähnliche Weise für die unterschiedlichen
Wellenlängen
abgestimmt sind.
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Die
Kombination von wellenlängenspezifischen
Detektoren und auf Wellenlänge
reagierenden Beugungsgittern stellt eine bedeutende Menge von Wellenlängenunterscheidung
bereit. Auf diese Weise können
die vorliegenden Ausführungsformen
eine Anwendung bei der Wellenlängendemultiplexierung haben,
wobei gleichzeitig empfangene photonische Signale, die Signale mit
separater Wellenlänge
aufweisen, effektiv demultiplexiert werden können.
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Sobald
diese optoelektronischen Geräte 12, 14 und 16 gebildet
sind, können
sie durch das Ätzen einer
Serie von Kanälen 50 in
die Schichten separiert werden. Die Kanäle 50 können teilweise
verlängert werden,
indem nicht verlängerte
Abschnitte maskiert werden, und durch weiteres Ätzen, um die Form der Teilabschirmungen 36 zu
bilden. Nach dem Ätzen kann
ein fließfähiges, Photonen
absorbierendes Material wie etwa Epoxid auf die Kanäle 50 und
die Verlängerungen 52 aufgetragen
werden, um die eigentlichen Trennvorrichtungen 50 und Abschirmungen 36 zu
bilden. Als nächstes
würden
Lötkugeln 62 an
der freigelegten Oberfläche 53 befestigt,
und das Substrat würde
an eine ASIC flip-chip-gebondet. Ein anderes fließfähiges Härtemittel
wie etwa Epoxid kann in den Raum 64 gezwungen werden, um
der Struktur zusätzliche
mechanische Festigkeit zu verleihen. Diese zusätzliche Festigkeit hilft bei
dem Schritt der Substratentfernung, in dem der überschüssige Abschnitt 66 des
Substrats 40 durch Schleifen und Ätzen entfernt wird, um somit
den Wellenleiter 42 mit einer Schicht 44 von GaAs
zu vervollständigen.
Wenn der überschüssige Abschnitt 66 entfernt
ist, kann die freigelegte Oberfläche 68 bearbeitet
werden, um die optischen Verteilelemente 34 und die Beugungsgitter 32 zu
erschaffen. Diesem würde
ein Beschichten der Oberfläche 68 mit
einem hochgradig reflektierendem Material wie etwa Gold folgen.
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Ein
alternativer Prozess bezüglich 3 würde den
Aufbau und die Trennung der aktiven Elemente 12, 14 und 16 durch
bekannte Verfahren, gefolgt von dem Anfügen eines optischen Mediums,
um den Wellenleiter 42 zu bilden, enthalten. Die optischen
Merkmale des Wellenleiters 42 könnten entweder vor oder nach
einem derartigen Anfügen
konstruiert werden. Das Material, das verwendet wurde, um den Wellenleiter 42 so
zu bilden, kann jedes beliebige Material sein, das sowohl für die Merkmalsbearbeitung
als auch für
die erforderlichen optischen Eigenschaften geeignet ist. Beispiele
eines derartigen Materials sind Quarz, Saphir und GaAs.
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Ein
anderer Konstruktionsprozess kann allgemein mit Bezug auf die Signalmatrix 80 von 4 beschrieben
werden. Die Detektoren 82 und Emitter 84 können auch
separat gebildet und separat an die ASIC 86 gebondet werden.
Dies könnte
als eine zweidimensionale Anordnung von Detektorreihen, die auf
einem Substrat gebildet sind, vorgenommen werden. Nach dem Bonden
wird das Substrat dann entfernt, wobei die Reihen von Detektoren 82 zurückbleiben.
Diesem folgt im Allgemeinen das ähnliche Bonden
einer zweidimensionalen Anordnung von Emitterreihen, die zwischen
den Detektorreihen verschränkt
sind. Diesem folgt gleichermaßen
die Entfernung des Emittersubstrats, wodurch somit die parallelen
Reihen der Detektoren 82 und der Emitter 84 freigelegt
werden. Als nächstes
würde ein
geeignetes transparentes Material wie etwa ein fließfähiges Polymer
verwendet, um die Wellenleiter 90 zu bilden. Nach dem Härten würde das
transparente Material bearbeitet, um die Beugungsgitter 91 zu
bilden, und die Wellenleiter 90 würden durch eine hochgradig
reflektierende Schicht 89 wie etwa Gold abgedeckt. Auf diese
Weise werden die Wellenleiter 90 von den nachfolgend gebildeten
Wellenleitern 92 isoliert. Die Wellenleiter 92 können auf
jede beliebige geeignete Art und Weise aufgetragen werden, wie etwa
als ein festes Element, das bearbeitet wird, um entweder vor oder
nach einer derartigen Auftragung die Verteilelemente 93 und
Trennwände 96 zu
bilden. Auf die gleiche Weise können
die Wellenleiter 92 aus einem fließfähigen Polymer gebildet werden.
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Alle
oben beschriebenen individuellen Bearbeitungsschritte sind dem Fachmann
im Allgemeinen bekannt.
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Zusammengefasst
stellt die vorliegende Erfindung eine effektive Signalmatrix zum
kontrollierbaren Zusammenschalten von Hochfrequenzsignalen unter
Verwendung von optoelektronischen Bauelementen bereit. Die Matrix
stellt eine vollständige
Zusammenschaltung bereit, während
sie die Eingangs/Ausgangszwänge,
die mit derartigen Matrizen verbunden sind, minimiert. Während andere
Anstrengungen, derartige Matrizen einzusetzen, versuchen, Hochgeschwindigkeitsdatensignale
mit jedem Matrixelement elektrisch zu verbinden, vermeidet die vorliegende
Erfindung eine derartige Leitweglenkung elektrischer Signale, während sie
aus dem Leistungsvermögen
der Matrix Vorteile zieht. Des Weiteren können die optoelektronischen
Bauelemente mit ihren erforderlichen optischen Bauelementen zur
effizienten Herstellung leicht konstruiert und/oder zusammengebaut
werden.
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Die
Ausführungsformen
der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung sollen illustrativ
und nicht in einem begrenzenden Sinn verstanden werden. Verschiedene
Abwandlungen und Veränderungen
können
von dem Fachmann an den obigen Ausführungsformen vorgenommen werden,
ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung, der in den beigefügten Patentansprüchen definiert
ist, zu verlassen.