采用分布式布拉格反射的混合型导模谐振滤波器和方法

具体实施方式

本发明的实施例提供混合型导模谐振(GMR)光栅，它采用分布式布拉格反射以扩充和增强带外反射响应。具体地说，根据本发明，混合型GMR光栅中采用的分布式布拉格反射提供落在混合型GMR光栅的GMR频带之外或超出该GMR频带的相对宽且基本平坦的反射响应。伴随地，混合型GMR光栅在GMR频带中表现出基本类似于或有效地拟似传统GMR光栅响应的耦合响应。根据各个实施例，相对宽且平坦的反射响应有利于在各种滤波器和调制器应用中使用混合型GMR光栅。例如，相对宽且平坦的反射响应可有利于实现级联的多频率窄带滤波器(例如频率多路复用器)和频率选择调制器。

根据各实施例，本发明的混合型GMR光栅包括分布式布拉格反射器(DBR)。在一些实施例中，DBR被夹设在衍射光栅和支持导模谐振的波导层之间。在一些实施例中，波导层被夹设在衍射光栅和DBR之间。在其它实施例中，衍射光栅和DBR中的一者或两者内嵌在波导层中。DBR跨与DBR提供的分布式布拉格反射一致的相对较宽的频范围或带宽反射信号。然而，在与支持的导模谐振对应的频率上或该频率附近(即在GMR频带内)，衍射光栅和波导层的联合作用本质上消除了分布式布拉格反射，并且混合型GMR光栅本质上起到传统GMR光栅的作用。换句话说，混合型GMR光栅就像DBR本质上不在GMR频带的中央那样发挥作用。换句话说，在GMR频带以外，混合型GMR光栅基本遵循DBR或与DBR一致地发挥作用。

在各实施例中，根据本发明的混合型GMR光栅可整合在基本任何表面之上或之内并通常利用相对小的形状因数或表面上的覆盖区。具体地，混合型GMR光栅可使用许多传统制造方法来制造，包括但不局限于用于电路制造的基于微米光刻法的表面图案化和基于纳米光刻法的表面图案化中的一者或两者。例如，传统半导体制造技术(例如CMOS相容制造工艺)可用来在光子集成电路(IC)的表面之上或之内形成混合型GMR光栅。如此，利用本发明各实施例的混合型GMR光栅的滤波器或调制器可容易地整合在IC上的传统光子元件和电路。此外，这种示例性基于IC的滤波器或调制器可使用当前可用的制造方法实现在如1平方毫米(mm)或更小的表面覆盖区内。

本文中所使用的“导模谐振”被定义为通过例如衍射光栅的相位匹配元件在波导中激发并同时从波导提取的异常谐振。在一些情形下，例如入射角和信号波长的某些组合形式，入射到衍射光栅上的激发信号或激发波(例如光)耦合于并基本但通常暂时地作为能量“陷入”波导中的谐振模。谐振模可表现为金属光栅表面上的表面波的激发(例如表面等离子体激元)或表现为(例如本发明各实施例所例示的)波导介电层本体内的谐振波(例如导模或准导模)。陷入的能量可能继而从波导中逸出并建设性和损坏性地与通过光栅反射的信号或通过光栅透射的信号相结合。导模谐振也经常被称为“渗漏谐振”。

本文中使用的“导模谐振(GMR)光栅”被定义为与能够支持导模谐振的波导耦合的任意衍射光栅。传统GMR光栅也已知并称为“谐振光栅波导”和“介质波导光栅”。例如，光学GMR光栅可包括具有形成在其表面层之上或之内的衍射光栅的介电板波导。衍射光栅可包括形成在介电板表面上的凹槽或凸脊。又如，GMR光栅是在介电薄片内具有周期交替变化的折射率的平面介电薄片(例如相栅)。示例性相栅可通过在介电薄片中或贯穿介电薄片形成周期性孔阵列而形成。入射到GMR光栅表面上并在其中激发导模谐振的信号可同时提取为从GMR光栅入射表面反射的反射信号(即反射波)以及经过GMR光栅并从GMR光栅与入射表面相对的一侧射出的透射信号(即透射波)中的一者或两者。

在各实施例中，混合型GMR光栅可包括1维(1D)衍射光栅或2维衍射光栅。1D衍射光栅可包括一组平行且基本直的凹槽，这组凹槽例如仅沿第一方向(例如沿x轴)具有周期性。2D衍射光栅的一个示例包括介电板或薄片中的孔阵列，其中这些孔是沿两正交方向(例如沿x轴和y轴)周期间隔设置的。对应用于本发明的混合型GMR光栅的GMR光栅和导模谐振的进一步讨论记载在例如Magnusson等人的美国专利No.5,216,680以及Wawro等人的美国专利No.7,167,615中，这两篇文献均通过引用全文纳入于此。

在传统GMR光栅的特征中，并通过直接扩展，本发明在GMR频带内的混合型GMR光栅是入射波的入射角和GMR光栅的响应之间的角关系。响应或者可以是反射响应或者可以是透射响应。根据本发明的一些实施例，考虑示例性1D混合型GMR光栅包括相对浅或薄的介电层并具有光栅周期Λ。作为示例性1D光栅的入射波的自由空间波长λ的函数的平面波向量β由分散关系等式(1)给出的。

$>\beta \left(\lambda \right)=n_{\mathrm{eff}}\left(\lambda \right)\frac{2\pi }{\lambda }---\left(1\right)$>

其中n_eff(λ)是光栅导模的有效折射率。有效折射率n_eff(λ)是其中导模在1D GMR光栅中传播的材料的折射率的加权平均值。1D GMR光栅内的平面动量的准导模和波长λ的入射波(例如光束)之间的相互作用可按整数模m由等式(2)描述。

$>{\beta }_m(\lambda ,\theta )=\frac{2\mathrm{\pi n}}{\lambda }\sin \left(\theta \right)+\frac{2\mathrm{\pi n}}{\Lambda }---\left(2\right)$>

其中入射波是从具有折射率n的介质入射的并具有入射角θ，而Λ是1D GMR光栅的周期。这种相互作用产生1D GMR光栅的导模谐振响应。对于示例性1D GMR光栅，在法向入射角的入射信号(即θ＝0°)耦合于具有+/-2π/Λ动量的1D GMR光栅的板模。因此，谐振发生在λ＝Λ·n_eff(λ)。

如此，示例性1D GMR光栅的导模谐振响应是波长λ和入射角θ两者的函数。在一些实施例中，导模谐振响应是反射响应，而在其它实施例中，导模谐振响应是1D GMR光栅的透射响应。在本文中，入射角θ被定义为在入射波的主要入射方向和垂直于GMR光栅表面的平面之间的角。

此外在本文中，也称为“布拉格镜”的“分布式布拉格反射器”被定义为包含具有不同折射率的多层材料的反射结构、元件或层。材料层的不同折射率跨多个层地产生有效折射率的变化(例如周期性变化)。多个组合材料层的有效折射率的变化可能反射跨多个层或贯穿多个层传播的电磁波或信号。

具体地说，在分布式布拉格反射器内的一对材料层之间边界处的材料不连续性造成传播的电磁信号的部分反射。在多个层内的材料层的连续附加成对层边界处的材料不连续性产生额外的部分反射。在一些实施例中，多种部分反射可建设性地相加以使电磁信号的组合反射相对较强或基本为全反射。

例如，分布式布拉格反射器可包括多个材料层，其具有在相对较高折射率和相对较低折射率之间周期性交替变化的折射率。各层的有效折射率的周期性变化造成跨多个层传播的电磁信号的反射。当周期性层的厚度是沿传播方向传播的电磁信号的四分之一波长时，所得到的反射可以基本是全反射。

总地来说，分布式布拉格反射器的反射率R既随着边界处的成对层折射率之间的相对差(即增加折射率对比)增大而增大又随着层数增加而增大。例如，对于包含两个交替变化层的分布式布拉格反射器，反射率R由等式(3)给出

$>R=\left[\frac{n_0{\left(n_2\right)}^{2N}-n_s{\left(n_1\right)}^{2N}}{n_0{\left(n_2\right)}^{2N}+n_s{\left(n_1\right)}^{2N}}\right]---\left(3\right)$>

其中n₀是在分布式布拉格反射器上方的周围材料的折射率，n_s是在分布式布拉格反射器下方的衬底的折射率，而N是两交替材料层的重复对的数目，n₁、n₂是两交替层各自的折射率。分布式布拉格反射器可提供强反射的相对宽的带宽。例如，前述具有两交替层的示例性分布式布拉格反射器的光子抑止频带Δv₀由等式(4)给出

$>{\mathrm{\Delta v}}_0=\frac{4v_0}{\pi }\left[\frac{n_2-n_1}{n_2+n_1}\right]---\left(4\right)$>

其中v₀是频带的中心频率。如等式(4)所例示，增加层数和层之间的折射率对比中的一者或两者也增加了光子抑止频带Δv₀的带宽。

在本文中为简单起见，不对衬底或板以及衬底/板上的任意层或结构作出区别，除非这种区别是正确理解所必需的。同样，所有衍射光栅被一般地引述，除非其区别是正确理解所必要的。此外，本文中使用的冠词“一”打算具有其在专利领域内的一般含义，即“一个或多个”。例如，“一层”一般表示一个或多个层，同样，“该层”在本文中表示“该一个或多个层”。另外，本文中对“顶”、“底”、“高”、“低”、“上”、“下”、“左”或“右”的任何引述在本文中不构成限制。此外，本文中的例子仅为示例性的并出于阐述目的给出而非作为限定。

另外并借助定义，本文中对于在其它结构或层“之间”的结构或层的引用被定义为范围明确包括“相邻于”和“在……之内”或等同表达“内嵌在……之内”中的一者或两者。因此，如本文中定义的，两其它结构“之间”的结构可能是与一个或两个其它结构相邻和完全或部分落在其内的结构中的一种。例如，在第二层和第三层之间的第一层可能是与第二层和第三层之一或两者分离的层并与第二层和第三层相邻。同样，第一层可能在一侧以第二层为边界而在相对侧以第三层为边界(例如与之相邻)。又如，第一层可以在第二层和第三层之间，其中第一层可基本落在第二层和第三层中的一个或两个层内。

图1示出根据本发明实施例的混合型导模谐振光栅100的横截面图。混合型导模谐振(GMR)光栅100将一部分入射信号耦合入GMR模中。耦合的部分具有与混合型GMR光栅100的GMR谐振频率对应的频率。“与……对应”在本文中表示该频率是在GMR谐振频率的频率范围内和等于GMR谐振频率中的一者或两者。“在频率范围内”表示该频率落在GMR谐振频率的耦合带宽内。混合型GMR光栅100还反射具有远离GMR谐振频率的频率的另一部分入射信号。“远离”在本文中意指该频率在前述频率范围之外以及不等于(即不同于)GMR谐振频率中的一者或两者。在一些实施例中，耦合的部分被称为透射信号。具体地说，在一些实施例中，耦合的部分越过或基本经过混合型GMR光栅100以作为透射信号从GMR光栅背对其入射侧的后侧脱出(即射出)。在一些实施例中，反射部分可被称为反射的信号。

混合型GMR光栅100包括波导层110。波导层110支持GMR谐振频率下的导模谐振。例如，波导层110可包括一层介电材料。示例性介电材料层例如可以是沉积在或以其它方式由衬底(未示出)支承的层。在这种示例性配置中，波导层110和衬底具有不同的折射率。具体地说，波导层110的折射率大于衬底的折射率。

在一些实施例中，波导层110包括具有相对低损耗的材料。即，该材料在入射信号的频率下是基本无损耗的。因此，信号的几乎全部耦合部分都可基本振幅不变地被发射出。例如，透射的信号可以是利用混合型GMR光栅100的多路复用器滤波器的输出。在这种示例性应用中，可选择波导层110的材料以将最小损耗(例如＜1dB)引入入射信号的耦合部分，从而例如保持透射信号的功率级。

在其它实施例中，波导层110包括吸收入射信号全部或大部分的耦合部分的吸收器(未示出)。在这些实施例中，进入波导层110的耦合部分在波导层110中基本被耗散掉(例如作为热量)并且不导致透射信号。例如，混合型GMR光栅100可用作吸收性陷波滤波器，该滤波器从入射信号中去除耦合部分并仅留下反射的信号。在一些实施例中，波导层110的吸收器的吸收(即吸收水平或量)是可控的。在这些实施例中，混合型GMR光栅100可充当耦合信号的调制器，其中通过控制混合型GMR光栅100的吸收和/或谐振频率来控制调制。

例如，注入波导层110的半导体材料的电荷可用来改变波导层110的介电常数。介电常数的示例性改变则可能引发混合型GMR光栅100的谐振频率变化。谐振频率漂移可用来对耦合的信号进行调制。可采用相似的方法来控制吸收。

混合型GMR光栅100还包括衍射光栅层或衍射光栅120。衍射光栅120与波导层110的表面相邻。“与……相邻”意指要么直接要么间接地与波导层110相邻。在一些实施例中，衍射光栅120层叠在波导层110上。例如，衍射光栅120可如图1所示地位于波导层110上方并形成在顶表面层122中。顶表面层122可包括例如介电材料的沉积层和成形层。具体地说，在一些实施例中，衍射光栅120可以是平面衍射光栅120，它包括形成在同样基本为平面的混合型GMR光栅100表面之中或之上的光栅元件阵列。

混合型GMR光栅100还包括分布式布拉格衍射(DBR)层或DBR 130。图1示出根据一些实施例DBR 130夹设在波导层110和衍射光栅120之间。换句话说，DBR 130在一些实施例中基本夹在波导层110和衍射光栅120之间。同样，与衍射光栅120相互作用并由衍射光栅120散射的信号在进入并可能由波导层110引导前遇到DBR 130。

在一些实施例中，DBR 130包括多个介电材料层、具有不同折射率的相邻层。几乎任何分布式布拉格衍射结构都可用作DBR 130。例如，DBR 130可包括氧化硅(SiO₂)和氧化钛(TiO₂)的连续层，其中每一层具有入射信号中心频率的波长大约1/4的厚度。例如，在多个介电材料层中可以有少至大约2个连续层和多至10个或更多个连续层(例如8个层)。如前所述，更多的层通常导致更好的反射和更宽的反射带宽。

在一些实施例中，混合型GMR光栅100包括光栅周期为Λ的1D衍射光栅120。这些实施例在本文中被称为“1D混合型GMR光栅”。图2A示出根据本发明实施例的1D混合型GMR光栅100的横截面图。如图所示，1D混合型GMR光栅100包括形成在顶表面层122之上或之中的衍射光栅120。例如，顶表面层122可包括覆盖在DBR 130之上的介电层(例如图1所示)。又如，顶表面层122可包括DBR 130的第一层或顶层(例如图2A所示)以使衍射光栅120基本形成在DBR 130的顶层内。注意，尽管衍射光栅120形成在DBR130的一个层内，然而根据本文提供的“在……之间”的定义，DBR 130仍然在衍射光栅120和波导层110之间。

衍射光栅120可作为周期间隔的光栅元件124形成在顶表面层122内，所述光栅元件124例如可以是具有光栅周期为Λ的凸脊和凹槽中的一者或两者。例如，光栅元件124可通过模制或蚀刻机械地形成。替代地，光栅元件124可通过在顶表面层122上沉积和图案化另一种材料(例如，电介质或金属)来形成。

图2B示出根据本发明另一实施例的1D混合型GMR光栅100的横截面图。如图所示，1D混合型GMR光栅100包括波导层110、提供衍射光栅120的顶表面层122以及位于顶表面层122和波导层110之间的DBR 130。根据图2B的实施例，衍射光栅120包括形成为在顶表面层122内的第一介电材料和第二介电材料的周期交替带124的光栅元件。在这些实施例中，顶表面层122通常是层叠在DBR 130之上的介电板。

带124以光栅周期Λ周期地间隔并基本彼此平行。在一些实施例中，沿光栅周期Λ的方向(即沿带交替的方向)测得的宽度从一个带124至下一个带基本相等。第一介电材料的折射率n₁不同于第二介电材料的折射率n₂，这导致沿光栅周期Λ的方向周期性交替变化的折射率。该周期性交替变化的折射率在顶表面层122的介电板中产生衍射光栅120。

在一些实施例中，波导层110、衍射光栅120、DBR 130形成为相异且分离的层(例如，见图1和图2B)。在其它实施例中，波导层110、衍射光栅120和DBR 130中的一个或多个一同实现和形成为具有多种功能的单个元件。例如，衍射光栅120可形成在DBR 130的顶表面层122之中或之内，如前面结合图2A描述的那样。

图2C示出根据本发明另一实施例的1D混合型GMR光栅100的横截面图。具体地说，如图所示，1D混合型GMR光栅100包括形成在波导层110内的DBR 130。此外，衍射光栅120形成在波导层110的表面内，该表面也是DBR 130的顶表面。同样，衍射光栅120和DBR 130与波导层110基本形成一体或在波导层110之内。此外，根据本文提供的“在……之间”的定义，DBR 130位于图2C所示的1D混合型GMR光栅100中的波导层110和衍射光栅120之间。

图2D示出根据本发明另一实施例的1D混合型GMR光栅100的横截面图。如图2D所示，DBR 130形成在波导层110内而衍射光栅120是波导层110之上的顶表面层122。伴随地，衍射光栅120也在DBR 130之上。在一些这样的实施例中(未示出)，DBR 130和波导层110可以是基本共同延伸的(即DBR 130本质上也是波导层110)。同样，即使DBR 130和波导层110可以是共同延伸的，DBR 130仍被视为“在衍射光栅120和波导层110之间”，如本文所定义的那样。此外，尽管图2D中示出为交替的介电带(例如，类似于图2B)，然而顶表面层122的衍射光栅120作为选择可以是几乎任何衍射光栅(例如凹槽、凸脊、孔、条带等)。

图2E示出根据本发明另一实施例的1D混合型GMR光栅100的横截面图。如图2E所示，DBR 130与波导层110的后侧相邻，而衍射光栅120与波导层110的相对侧或前侧相邻。因此，波导层110被夹在衍射光栅120和DBR 130之间。其它配置(未示出)也是可能的并落在本发明的范围内，包括但不局限于，波导层、DBR和衍射光栅全都是基本共同延伸的。

在其它实施例中，混合型GMR光栅100包括2D衍射光栅并在本文中被称为“2D混合型GMR光栅”100。图3示出根据本发明实施例的2D混合型GMR光栅100的立体图。2D混合型GMR光栅100如前所述包括波导层110、DBR 130和顶表面层122。如通过图3中的示例所示出那样，衍射光栅120包括形成在顶表面层122内的2D周期性孔阵列124。2D周期性孔阵列124具有在顶表面层122内引入周期性重复折射率不连续性的二维周期Λ。周期性重复折射率不连续性形成衍射光栅120。

例如，混合型GMR光栅100可包括绝缘体上硅(SOI)晶片，而衍射光栅120可包括蚀刻在由硅(Si)表面层构成的顶表面层122内的孔的方点阵。在该例中，孔可具有大约400纳米(nm)的直径并被蚀刻至大约25nm的深度。方点阵内的孔之间的间距或该孔的周期Λ可以是大约1.05微米(μm)(即，其中Λ＝Λ₁＝Λ₂)。在该例中，Si的顶表面层122可具有大约50nm的厚度。

尽管图3中示出为孔，然而2D衍射光栅120可通过将2D周期性重复不连续引入顶表面层122的几乎任何手段来制成。例如，前面描述的孔可用具有与顶表面层122的介电板(例如硅)的折射率不同的折射率的介电材料(例如SiO₂)来填充。又如，2D衍射光栅120可通过孔或填充孔(例如介电插孔)提供，所述孔或填充孔完全通过顶表面层122的整个厚度或甚至通过混合型GMR光栅100的整个厚度延伸。再如，可将凸起表面特征阵列(例如凸块)用作2D衍射光栅120。在一些实施例中，2D衍射光栅120的光栅周期Λ₁沿周期阵列的第一方向(例如x轴)可以与周期阵列的第二方向(例如y轴)的光栅周期Λ₂不同。

图4示出根据本发明实施例的光学滤波器200的框图。光学滤波器200接收和过滤输入信号202。图4的光学滤波器200例示为级联的光学滤波器200。具体地，光学滤波器200包括级联配置的多个滤波器级204。除却第一级204，级联光学滤波器200的每个滤波器级204接收前一滤波器级204的输出信号202a(例如反射的信号)并对其滤波。第一级204直接地接收输入信号202。

如图4所示，光学滤波器200包括与每个级204相联的耦合器210。耦合器210接收光信号。例如，如图4所示，接收的光信号要么是输入信号202要么是前一滤波器级204的输出信号202a。耦合器210可以是棱镜，例如，如图4所示那样的棱镜。

光学滤波器200还包括针对每一级204的混合型导模谐振(GMR)光栅220。混合型GMR光栅220包括具有第一GMR谐振频率的GMR光栅222。混合型GMR光栅220还包括分布式布拉格反射器(DBR)(或等效的DBR层)224。在一些实施例中，DBR 224夹在GMR光栅222的衍射光栅和波导层之间。在其它实施例中，波导层在衍射光栅和DBR 224之间。在一些实施例中，混合型GMR光栅220基本类似于前述混合型GMR光栅100的任何实施例。

耦合器210将接收的光信号202、202a耦合入混合型GMR光栅220。耦合器210还接收并耦合输出从混合型GMR光栅220反射的信号(例如输出信号202a)。滤波器级204包括耦合器210和混合型GMR光栅220的组合。尽管图4中示出为多级级联的光学滤波器200，但总地来说光学滤波器200可包括如特定光学滤波应用所指示那样少或那样多的滤波器级204。例如，在一些实施例中，光学滤波器200可包括单个滤波器级204。在另一示例中(如图4所示)，光学滤波器200可包括两个以上的滤波器级204。在本例中，至少一个滤波器级204包括根据各实施例如本文中描述的具有不同GMR谐振频率的混合型GMR光栅220。同样，级联的光学滤波器200可充当频率多路复用器。例如，每个具体滤波器级204可选择地耦合和基本从输入信号202去除与该滤波器级204的GMR谐振频率对应的特定频率分量或频带。

图5示出根据本发明实施例的光学滤波方法300的流程图。该光学滤波方法300包括在混合型GMR光栅内激发310导模谐振(GMR)。在一些实施例中，激发310 GMR包括使用混合型GMR光栅的衍射光栅将输入信号的第一信号部分耦合入波导层。第一信号部分具有落在混合型GMR光栅的GMR谐振频率的耦合带宽内的频率。耦合带宽被定义为GMR谐振频率周围的频带，在GMR谐振频率下将信号耦合入混合GMR光栅。

光学滤波方法300还包括反射320输入信号的第二信号部分。具体地说，第二信号部分包括落在耦合带宽外的频率分量。同样，第二信号部分基本处于与GMR谐振频率不同或远离GMR谐振频率的频率上。反射320第二信号部分使用混合型GMR光栅的分布式布拉格反射器(DBR)的分布式布拉格反射。根据一些实施例，DBR位于混合型GMR光栅的衍射光栅和波导层之间。在其它实施例中，波导层被位于衍射光栅和DBR之间。总之，DBR反射320第二信号部分。经反射320的第二信号部分被称为反射的信号。在一些实施例中，方法300采用如前所述的混合型GMR光栅100的任意实施例。

在光学滤波方法300的一些实施例中，耦合入波导层的第一信号部分在波导层中几乎被完全吸收。完全吸收例如可由波导层的静态性能提供。又如，完全吸收是可控的(例如被调制或接通和断开)以使第一信号部分仅当激活可控的完全吸收时被完全吸收。在其它实施例中，耦合入波导层的第一信号部分作为透射信号基本透过并逸出波导层。

在光学滤波方法300的一些实施例中，方法300进一步包括将反射的信号耦合330入另一混合型GMR光栅，如图5中作为示例进一步示出那样。在一些这样的实施例中，另一混合型GMR光栅具有另一GMR谐振频率。例如，另一混合型GMR光栅的另一GMR频率可以更高或更低。耦合330反射的信号包括使用其它混合型GMR光栅的衍射光栅将另一GMR谐振频率下的一部分反射信号耦合入另一混合型GMR光栅的波导层。

在光学滤波方法300的一些实施例中，方法300还包括反射340不同于另一GMR谐振频率的频率下的另一部分反射信号，这同样如图5作为示例进一步所示。反射340另一部分使用另一DBR的分布式布拉格反射，所述DBR要么在衍射光栅和波导层之间，要么在来自另一混合型GMR光栅的衍射光栅的波导层的相对侧。反射信号的另外一部分是另一反射信号。根据方法300的一些实施例，其结果是输入信号的级联光学滤波。

因此，已描述了混合型GMR光栅、光学滤波器以及采用分布式布拉格反射的光学滤波方法的一些实施例。应当理解，前述实施例仅为表征本发明原理的众多特定实施例中的一些的例示。显然，本领域内技术人员很容易构思出许多其它配置而不脱离本发明如下面权利要求书所定义的范围。