DE19514782A1 - Vorrichtung zum Richtungsschalten von Licht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Richtungs­ schalten von Licht mit wenigstens einem Eingangsarm und zwei Ausgangsarmen, mit einem von in dem Eingangsarm geführten Licht beaufschlagbaren Schaltelement, das wenigstens eine dem Eingangsarm zugewandte geneigte Schaltfläche aufweist, wobei das Schaltelement in einem Transmissionsschaltzustand einen an den Brechungsindex des Eingangsarmes angepaßten Transmissionsbrechungsindex zur Transmission des Lichtes in einen der Ausgangsarme und in einem Reflexionsschaltzustand einen von dem Brechungsindex des Eingangsarmes verschiedenen Ablenk­ brechungsindex zum Ablenken des Lichtes in den anderen Ausgangsarm aufweist

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel "Auto­ mated optical main-distributing-frame system" von T. Kanai, A. Nagayama, S. Inagaki und K. Sasakura aus 1993 Technical Digest Series, Volume 4, Conference Edition zu der Conference on Optical Fiber Communication/Inter­ national Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication OFC/IOOC ′93 vom 21.-26. Februar 1993 in San Jose, Kalifornien (U.S.A.) bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind an Knoten von Wellenleiterarmen angeordnete Schaltelemente vorgesehen, die eine mit Öl befüllbare Kammer aufweisen. Ein sich von der Kammer erstreckender Kanal durchtrennt den Kreuzungsbereich der Wellenleiterarme und ist im Bereich einer Schaltfläche gegen diese geneigt. Eine an einer Positioniervor­ richtung angebrachte Befüllungseinheit ist dazu vor­ gesehen, Öl in die Kammern einzubringen und zu ent­ fernen. Bei eingebrachtem Öl weist der Kanal einen dem Brechungsindex der Wellenleiterarme angepaßten Trans­ missionsbrechungsindex auf und ist für einfallendes Licht transmittiv. Bei entferntem Öl wird durch den Brechungsindexsprung zwischen dem Eingangswellenleiter­ arm und dem luftgefüllten Kanal mit einem Reflexions­ brechungsindex, der kleiner als der Brechungsindex des Wellenleiters ist, das einfallende Licht durch Reflexion an der Schaltfläche abgelenkt.

In dem eingangs genannten Artikel ist zwar die prinzipielle Funktionsweise einer derartigen Vorrichtung demonstriert, allerdings ist die technische Realisierung mit der Positioniervorrichtung und insbesondere der Be­ füllungseinheit mit optischen Detektoren sowie mechanischen Elementen zum Befüllen und Entleeren der Kammern mit Öl sehr aufwendig. Überdies ist die Reali­ sierung größerer Schaltmatrizen aus einer Vielzahl von Schaltelementen aufgrund der benötigten Schaltzeit sowie aus praktischen Nachteilen wie der Verschmutzung nach vielen Schaltvorgängen oder der Größe nicht praktikabel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der bei einem kompakten Aufbau auch nach einer Vielzahl von Schaltzyklen ein zuverlässiges Richtungsschalten bei einem geringen Energieverbrauch erzielt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ablenkelement ein Material aufweist, dessen Brechungsindex über elektrisch ansteuerbare Elektroden in dem Transmissionsbrechungsindex oder dem Ablenk­ brechungsindex entsprechende Werte schaltbar ist.

Dadurch, daß das Ablenkelement über ein Material ver­ fügt, dessen Brechungsindex über Elektroden sehr leistungsarm steuerbar ist, ergibt sich ein verlust­ armes, nahezu unbegrenzt wiederholbares Schalten bei einem äußerst kompakten Aufbau. Insbesondere läßt sich die gesamte Vorrichtung monolithisch integriert ohne zu bewegende Teile aufbauen und zu großen Schaltmatrizen kaskadieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind als Material des Ablenkelementes Flüssigkristalle vorgesehen, die in einem spannungsfreien Zustand der Elektroden in einer transmittiven Ruhekonfiguration und bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen die Elektroden in einer Ablenkkonfiguration vorliegen. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch besonders geringe Schaltleistungen aus. Bei monolithisch integriertem Aufbau der Vor­ richtung sind in einer Ausführungsform die Flüssig­ kristalle in eine Kammer eingebracht. In einer anderen monolithisch integrierten Ausführungsform umgeben sie als Flüssigkristallschicht geätzte Wellenleiter, die an ihren Kreuzungspunkten einen mit Flüssigkristallen gefüllten Durchstich mit der Schaltfläche aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Material aus einer optisch isotropen Flüssigkeit gebildet, deren temperaturabhängiger Brechungsindex über eine elektrisch ansteuerbare, einen ohmschen Widerstand aufweisende Heizelektrode einstellbar ist. Bei einem niedrigen Temperaturwert, beispielsweise der Raumtemperatur, weist die Flüssigkeit einen relativ hohen Brechungsindex und bei einer hohen Temperatur einen niedrigeren Brechungs­ index auf. Bei diesen den Transmissionsbrechungsindex beziehungsweise dem Ablenkbrechungsindex entsprechenden Werten ist das Ablenkelement transmittiv beziehungsweise zur Reflexion aktiviert. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch ein bezüglich den Polarisationsrichtungen des einfallenden Lichtes isotropes Schaltverhalten aus.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 drei zu einer 2×2-Schaltmatrix angeordnete Vor­ richtungen zum Richtungsschalten von Licht in Draufsicht in einem ersten Schaltzustand,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 2 in einem zweiten Schaltzustand,

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung eine Vorrichtung zum Richtungsschalten von Licht in der Ausge­ staltung als X-Knoten mit einer Boden- und einer Deckelektrode,

Fig. 4 einen X-Knoten gemäß Fig. 3 mit Seiten­ elektroden,

Fig. 5 in perspektivischer Darstellung einen thermisch steuerbaren X-Knoten mit einer Heizelektrode,

Fig. 6 einen in einer Flüssigkristallschicht einge­ betteten X-Knoten mit geätzten Streifenwellen­ leitern in perspektivischer Darstellung,

Fig. 7 eine Vorrichtung zum Richtungsschalten von Licht mit kaskadierten Y-Knoten in Draufsicht in einem Schaltzustand,

Fig. 8 die Vorrichtung gemäß Fig. 7 in einem anderen Schaltzustand,

Fig. 9 einen Y-Knoten mit einer quaderförmigen Kammer zur Aufnahme des Materials mit seitlich ange­ brachten Deckelektroden in Draufsicht,

Fig. 10 eine Vorrichtung zum Richtungsschalten von Licht als X-Knoten mit zwei aktiven Schaltflächen einer quaderförmigen Kammer in Draufsicht,

Fig. 11 eine Vorrichtung zum polarisationsunabhängigen Richtungsschalten von Licht in Draufsicht und

Fig. 12 eine weitere Vorrichtung zum polarisations­ unabhängigen Richtungsschalten von Licht in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine 2×2-Schaltmatrix 1 mit einem ersten Eingangswellenleiter 2 und einem zweiten Eingangswellen­ leiter 3 sowie einem ersten Ausgangswellenleiter 4 und einem zweiten Ausgangswellenleiter 5. Die 2×2-Schalt­ matrix 1 weist einen X-Knoten 6, einen Eingangs-Y-Knoten 7, einen Ausgangs-Y-Knoten 8 als Vorrichtungen zum Richtungsschalten von Licht sowie einen Reflektor 9 mit einer luftgefüllten Hohlkammer 10 auf. Der zweite Ein­ gangswellenleiter 3 geht in einen Eingangsarm 11 des Eingangs-Y-Knotens 7 über. Ein gegenüber dem Eingangsarm 11 stumpf abgewinkelter erster Ausgangsarm 12 des Ein­ gangs-Y-Knotens 7 ist an einen Eingangsarm 13 des X-Knotens 6 angefügt. An den anderen Eingangsarm 14 des X-Knotens 6 ist der erste Eingangswellenleiter 2 ange­ schlossen.

Ein gegenüber dem an den ersten Eingangswellenleiter 2 angefügten ersten Eingangsarm 14 abgewinkelter erster Ausgangsarm 15 des X-Knotens 6 geht in Verlängerung des an den ersten Ausgangsarm 12 des Eingangs-Y-Knotens 7 angefügten zweiten Eingangsarmes 13 in den ersten Aus­ gangswellenleiter 4 über, während der zweite Ausgangsarm 16 des X-Knotens 6 in Verlängerung des ersten Eingangs­ armes 14 an einen ersten Eingangsarm 17 des Ausgangs-Y-Knotens 8 angefügt ist.

Der zweite Ausgangsarm 18 des Eingangs-Y-Knotens 7 geht in einen im Bereich des Reflektors 9 abgewinkelten Verbindungswellenleiter 19 über, an den der zweite Eingangsarm 20 des Ausgangs-Y-Knotens 8 angefügt ist. In Verlängerung zu dem zweiten Eingangsarm 20 sowie stumpf abgewinkelt zu dem ersten Eingangsarm 17 ist der Aus­ gangsarm 21 des Ausgangs-Y-Knotens 8 durch den zweiten Ausgangswellenleiter 5 fortgesetzt.

Jeder der Knoten 6, 7, 8 verfügt über eine Kammer 22, die jeweils mit Flüssigkristallen 23 gefüllt ist. Die Kammern 22 der Knoten 6, 7, 8 weisen jeweils eine gegen­ über einem Eingangsarm 11, 14, 17 geneigte Schaltfläche 24 auf, die mit dem in dem zugeordneten Eingangsarm 11, 14, 17 geführten Licht beaufschlagbar ist.

Die Kammern 22 der Knoten 6, 7, 8 sind jeweils mit einem zwischen zwei nahezu verlustfrei leitenden Elektroden 25, 26 erzeugbaren elektrischen Feld beaufschlagbar, wobei die Elektrode 25 für alle Knoten 6, 7, 8 einheit­ lich an einer Spannungsquelle 27 angeschlossen ist, während die einzelnen Elektroden 26 über Schalter 28, 29, 30 an die Spannungsquelle 27 zuschaltbar sind.

In dem in Fig. 1 dargestellten Parallelschaltzustand der 2×2-Schaltmatrix 1 ist der die Elektrode 26 des X-Knotens 6 ansteuernde Schalter 28 geöffnet. Die Flüssig­ kristalle 23 sind bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes in einer Ruhekonfiguration, in der für eine durch Punkte 31 symbolisierte Polarisationsrichtung des in dem Eingangsarm 14 geführten Lichtes an der Schaltfläche 24 ein Sprung in dem Brechungsindex zwischen dem Eingangs­ arm 14 und den Flüssigkristallen 23 auftritt. In der Ruhekonfiguration der Flüssigkristalle 23 ist deren Brechungsindex kleiner als der des Eingangsarmes 14. Der der Ruhekonfiguration entsprechende Ablenkbrechungsindex ist so eingerichtet, daß an der Schaltfläche 24 ent­ sprechend dem Brechungsgesetz eine Totalreflexion des aus dem ersten Eingangswellenleiter 2 über den zweiten Eingangsarm 14 einfallenden Lichtes in den ersten Aus­ gangsarm 15 und den ersten Ausgangswellenleiter 4 er­ folgt.

Die Y-Knoten 7, 8 sind in dem Parallelschaltzustand der 2×2-Schaltmatrix 1 gemäß Fig. 1 bei zugeordneten ge­ schlossenen Schaltern 29, 30 mit einem durch die Kammern 22 durchtretenden elektrischen Feld beaufschlagt. Durch die Einwirkung des elektrischen Feldes liegen die Flüssigkristalle 23 in einer Transmissionskonfiguration mit einem Transmissionsbrechungsindex vor, der an den Brechungsindex in den Eingangsarmen 11, 20 der Y-Knoten 7, 8 angepaßt ist. Dementsprechend ist das über den zweiten Eingangswellenleiter 3 sowie den Eingangsarm 11 eintretende Licht durch die Kammer 22 des Eingangs-Y-Knotens 7 weitestgehend reflexionsfrei in den zweiten Ausgangsarm 18 sowie den Verbindungswellenleiter 19 transmittiert. Nach Reflexion an einer geneigten Umlenk­ fläche 32 des Hohlraumes 10 des Reflektors 9 beauf­ schlagt das durch den Eingangs-Y-Knoten 7 transmittierte Licht den Ausgangs-Y-Knoten 8.

Da in dem in Fig. 1 dargestellten Parallelschaltzustand der 2×2-Schaltmatrix 1 auch die Elektrode 26 des Aus­ gangs-Y-Knotens 8 bei geschlossenem Schalter 30 an die Spannungswelle 27 zugeschaltet ist, weisen die Flüssig­ kristalle 23 den an den Brechungsindex des zweiten Eingangsarmes 20 angepaßten Transmissionsbrechungsindex auf. Demzufolge tritt das auf eine gegenüber der Richtung des einfallenden Lichtes abgeschrägte Grenz­ fläche 33 der Kammer 22 auftreffende Licht durch die Kammer 22 des Ausgangs-Y-Knotens 8 hindurch und ist über den Ausgangsarm 21 in den zweiten Ausgangswellenleiter 5 geführt.

Das Abschrägen der Grenzfläche 33 gegenüber dem an­ grenzenden Eingangsarm 20 ist zweckmäßig, um bei einem geringfügigen Sprung in dem Brechungsindex zwischen dem Eingangsarm 20 des Y-Knotens 8 eine Rückreflexion von rückgeworfenen Lichtanteilen in den zweiten Eingangs­ wellenleiter 3 zu vermeiden. Die von einer Grenzfläche 33 rückgeworfenen Lichtanteile treten statt dessen aus dem Eingangsarm 20 aus.

Fig. 2 zeigt die 2×2-Schaltmatrix 1 gemäß Fig. 1 in einem Kreuzschaltzustand, bei dem die Schalter 29, 30 zu den Elektroden 26 der Y-Knoten 7, 8 geöffnet und der Schalter 28 zu der Elektrode 26 des X-Knotens 6 ge­ schlossen ist. In dem Kreuzschaltzustand der 2×2-Schalt­ matrix 1 führt nunmehr die Transmissionskonfiguration der Flüssigkristalle 23 in dem X-Knoten 6 zu einem an den Brechungsindex der Eingangsarme 13, 14 angepaßten Transmissionsbrechungsindex, während in der bei ge­ öffneten Schaltern 29, 30 vorliegenden Reflexions­ konfiguration der Flüssigkristalle 23 an den zugehörigen Schaltflächen 24 der Y-Knoten 7, 8 ein Brechungsindex­ sprung für die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes rechtwinklig zur Zeichenebene auftritt. Dement­ sprechend ist das in dem ersten Eingangswellenleiter 2 geführte Licht durch den X-Knoten 6 transmittiert und an der Schaltfläche 24 des Ausgangs-X-Knotens 8 in den zweiten Ausgangswellenleiter 5 reflektiert, während das in dem zweiten Eingangswellenleiter 3 geführte Licht an der Schaltfläche 24 des Eingangs-Y-Knoten 7 reflektiert und über die gegen den zweiten Eingangsarm 13 abge­ schrägte Grenzfläche 33 ebenfalls durch die Kammer 22 des X-Knotens 6 in den ersten Ausgangswellenleiter 4 eintretend transmittiert ist.

Die Verwendung von Flüssigkristallen 23 als mittels elektrischer Felder in seinem Brechungsindex zwischen dem Transmissionsbrechungsindex und dem Ablenk­ brechungsindex schaltbaren Material zeichnet sich durch eine schnelle Ansteuerbarkeit und eine sehr geringe Verlustleistung aus. Da im spannungsfreien Zustand der Elektroden 25, 26 der Brechungsindexsprung auftritt, muß beispielsweise in dem in Fig. 2 dargestellten Kreuz­ schaltzustand der 2×2-Schaltmatrix 1 lediglich der X-Koppler 6 an die Spannungsquelle 27 gelegt werden. Die Y-Knoten 7, 8 arbeiten hingegen vollständig spannungs­ frei und damit verlustlos.

Bei der Verwendung nematischer, cholesterischer oder smektischer Flüssigkristalle 23 als Material des Schalt­ elementes und in Siliziumdioxid eingebetteten dotierten Siliziumdioxidwellenleiter aus beispielsweise Silizium­ oxynitrid (Si_XO_YN_Z) ergeben sich für typische Werte des Brechungsindexsprunges zwischen den Eingangsarmen 11, 14, 17 und den Flüssigkristallen 23 in der Reflexions­ konfiguration von etwa 0,03 bis 0,2 gegen die Flächen­ normale der Schaltfläche 24 gemessene Totalreflexions­ winkel von etwa 78 Grad bis 60 Grad.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen X-Knoten 6 in einem monolithisch integrierten Aufbau.

Die Eingangsarme 13, 14 und die Ausgangsarme 15, 16 sind als in einer Wellenleiterschicht 34 vergrabene Wellen­ leiter ausgeführt. Die Wellenleiterschicht 34 ist auf einem Substrat 35 aufgebracht und mit einer dem Substrat 35 gegenüberliegenden Deckschicht 36 begrenzt. Die Eingangsarme 13, 14 und die Ausgangsarme 15, 16 grenzen an die Kammer 22 an. Die Ausbreitung des in den Ein­ gangsarmen 13, 14 geführten Lichtes in die gegenüber­ liegenden Ausgangsarme 15, 16 erfolgt in der Kammer 22 in freier Strahlausbreitung, wobei die in der Kammer 22 zurückgelegte Entfernungen zu keiner wesentlichen Ver­ breiterung des Strahlquerschnittes führen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten X-Knoten 6 mit den zwischen dem Substrat 35 und der Wellenleiterschicht 34 beziehungsweise der Deckschicht 36 und der Wellenleiter­ schicht 34 angeordneten Elektroden 25, 26 ist als Flüssigkristall 23 ein nematisches Flüssigkristall­ material mit einer im spannungsfreien Ruhezustand planaren, in Richtung des ersten Eingangsarmes 14 und des zweiten Ausgangsarmes 16 parallel verlaufenden Orientierung der Molekülachsen und in dem transmittiven Schaltzustand homöotropen, parallel zu dem zwischen den Elektroden 25, 26 herrschenden elektrischen Feld ver­ laufenden Orientierung der Flüssigkristalle 23 vorge­ sehen.

Fig. 4 zeigt ins perspektivischer Darstellung einen X-Knoten 6 mit einem dem in Fig. 3 dargestellten X-Knoten 6 weitestgehend entsprechenden Aufbau, bei dem aller­ dings in der Wellenleiterschicht 34 liegende Seitenelektroden 37, 38 vorgesehen sind. Die Seiten­ elektroden 37, 38 erstrecken sich über die gesamte Dicke der Wellenleiterschicht 34 und weisen jeweils eine der Kammer 22 zugewandte Flachseite 39, 40 auf, die jeweils parallel zu der Schaltfläche 24 liegen. Die Flüssig­ kristalle 23 in der Kammer 22 sind beispielsweise aus einem planar-verdrillten nematischen oder choleste­ rischen Flüssigkristallmaterial gebildet, dessen Brechungsindex durch Veränderung oder Aufhebung der Verdrillung durch das elektrische Feld steuerbar ist.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen weiteren X-Knoten 6 in einem den X-Knoten 6 gemäß Fig. 3 und Fig. 4 entsprechenden monolithisch integrierten Aufbau, bei dem als in die Kammer 22 eingebrachtes Material eine thermisch stabile und in ihrem Brechungs­ index thermisch änderbare Flüssigkeit 41 eingebracht ist. Zwischen dem Substrat 35 und der Wellenleiter­ schicht 34 ist eine flächige Heizelektrode 42 vorge­ sehen, die im Bereich der Kammer 22 angeordnet ist. Die Heizelektrode 42 weist zwischen zwei Anschlußleitungen 43, 44 einen ohmschen Widerstand auf, so daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschlußleitungen 43, 44 mit der von der Heizelektrode 42 abgegebenen Wärme­ energie die Temperatur der in der Kammer 22 einge­ brachten Flüssigkeit 41 steuerbar ist.

Bei einem Temperaturwert, beispielsweise der Raum­ temperatur, weist die Flüssigkeit 41 den zu einer weitestgehend vollständigen Transmission erforderlichen Transmissionsbrechungsindex auf, der im wesentlichen dem Brechungsindex der Eingangsarme 13, 14 entspricht. Bei einem höheren Temperaturwert führt der gegenüber dem Brechungsindex in den Eingangsarmen 13, 14 geringere Ablenkbrechungsindex der Flüssigkeit 41 zu einer Total­ reflexion des in dem ersten Eingangsarm 14 geführten Lichtes an der Schaltfläche 24 in den ersten Ausgangsarm 15.

Die Kammer 22 des X-Knotens 6 gemäß Fig. 5 verfügt zweckmäßigerweise über einen Flüssigkeitsausgleichsraum 45, der von der Heizelektrode 42 beabstandet ist. Weiterhin sind in die Wellenleiterschicht 34 zur Wärme­ abschirmung gegenüber benachbarten Schaltelementen Aus­ nehmungen eingebracht, wobei in Fig. 5 eine Ausnehmung 46 beispielhaft dargestellt ist.

In einer Ausführungsform des X-Knotens 6 gemäß Fig. 5 ist als Flüssigkeit 41 Glyzerin oder Terpentin vorge­ sehen, die bei Raumtemperatur (25 Grad Celsius) einen Brechungsindex von etwa 1,47 aufweisen. Als Wellen­ leiterschicht 34 ist mit Titan, Germanium oder Bor dotiertes Silizium mit einem Brechungsindex von 1,47 verwendet. Bei einer Erwärmung von Glyzerin oder Ter­ pentin auf etwa 85 Grad Celsius ändert sich der Brechungsindex um etwa 0,004, so daß sich ein Total­ reflexionswinkel von etwa 85 Grad ergibt.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwar eine im Vergleich zu der Verwendung von Flüssig­ kristallen 23 als Material eine höhere Verlustleistung auf, allerdings ist das Schaltverhalten des X-Knotens 6 gemäß Fig. 5 unabhängig von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung einen monolithisch integriert aufgebauten X-Knoten 6, bei dem die Eingangsarme 13, 14 sowie die Ausgangsarme 15, 16 als geätzte Streifenwellenleiter mit einem einen Kern umgebenden Mantel ausgeführt sind. Die Eingangsarme 13, 14 sowie die Ausgangsarme 15, 16 sind auf dem Substrat 35 aufgebracht und in eine von dem Substrat 35 und der Deckschicht 36 begrenzte Flüssigkristallschicht 47 eingebettet. Der Verlauf der gekreuzten Streifen­ wellenleiter von dem ersten Eingangsarm 14 in den zweiten Ausgangsarm 16 sowie von dem zweiten Eingangsarm 13 in den ersten Ausgangsarm 15 ist durch einen mit Flüssigkristallen 23 gefüllten Durchstich 48 unter­ brochen, der zwischen von dem ersten Eingangsarm 14 und dem zweiten Eingangsarm 13 sowie zwischen dem ersten Ausgangsarm 15 und dem zweiten Ausgangsarm 16 ausge­ bildeten Bereichen der Flüssigkristallschicht 47 ver­ läuft. Der erste Eingangsarm 14 sowie der erste Aus­ gangsarm 15 grenzen an eine gegen den ersten Eingangsarm 14 sowie den ersten Ausgangsarm 15 geneigte Schaltfläche 24 des Durchstichs 48.

An der der Flüssigkristallschicht 47 zugewandten Seite der Deckschicht 36 sind zwei Deckelektroden 49, 50 vorgesehen, die einander gegenüberliegende und parallel zu dem Durchstich 48 ausgerichtete Abschlußseiten auf­ weisen. Mit dem sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Deckelektroden 49, 50 ausbildenden elektrischen Feld ist die Orientierung der Flüssigkristalle 23 in dem Durchstich 48 steuerbar, so daß in dem transmittiven Schaltzustand der Transmissionsbrechungsindex und dem ablenkenden Schaltzustand der Ablenkbrechungsindex eingestellt ist.

Fig. 7 zeigt in Draufsicht einen Y-Knoten 51, der aus einem Eingangs-Y-Knoten 52 und zwei Ausgangs-Y-Knoten 53, 54 aufgebaut ist. Mit dem Y-Knoten 51 ist in einem Eingangsarm 55 geführtes Licht entweder in einen ersten Ausgangsarm 56 oder einen zweiten Ausgangsarm 57 schalt­ bar. Der Eingangs-Y-Knoten 52 sowie die Ausgangs-Y-Knoten 53, 54 verfügen jeweils über eine mit Flüssig­ kristallen 23 gefüllte Kammer 22. Jede Kammer 22 ist zwischen einer direkt an die Spannungsquelle 27 ange­ schlossenen gemeinsamen Elektrode 25 und einer separaten Elektrode 26 angeordnet, die über Schalter 28, 29, 30 jeweils an die Spannungsquelle 27 zuschaltbar und ab­ schaltbar sind.

In dem in Fig. 7 dargestellten Ablenkschaltzustand des Y-Schalters 51 ist die Schaltfläche 24 des Eingangs-Y-Knotens 52 aktiviert, so daß das in dem Eingangsarm 55 geführte Licht abgelenkt ist und durch den transmittiv geschalteten ersten Ausgangs-Y-Knoten 53 in den Aus­ gangsarm 56 transmittiert ist.

Durch die Schaltfläche 24 des Eingangs-Y-Knotens 52 beispielsweise bei ungenügender Totalreflexion durch­ tretendes Licht ist an der aktivierten Schaltfläche 24 des zweiten Ausgangs-Y-Knotens 54 reflektiert und tritt in einen Absorber 58 ein, mit dem die einfallende Strah­ lung absorbierbar ist.

Fig. 8 zeigt den Y-Knoten 51 gemäß Fig. 7 in einem Transmissionsschaltzustand, bei dem in dem Eingangsarm 55 geführtes Licht in den zweiten Ausgangsarm 57 ge­ schaltet ist. Mit gegenüber der in Fig. 7 gezeigten Stellung der Schalter 28, 29, 30 komplementären Be­ schaltung der Elektroden 26 des Eingangs-Y-Knotens 52 sowie der Ausgangs-Y-Knoten 53, 54 ist das in dem Ein­ gangsarm 55 geführte Licht durch die durch Brechungs­ indexanpassung deaktivierten Schaltflächen 24 in den zweiten Ausgangsarm 57 transmittiert. Ein beispielsweise bei unzureichender Brechungsindexanpassung an der Schaltfläche 24 des Eingangs-Y-Knotens 52 reflektierter Lichtanteil ist an der aktivierten Schaltfläche 24 des ersten Ausgangs-Y-Knotens 53 abgelenkt und beaufschlagt den Absorber 58.

Der Y-Knoten 51 gemäß Fig. 7 und Fig. 8 weist durch das Vorsehen von dem Eingangs-Y-Knoten 52 nachgeschalteten Ausgangs-Y-Knoten 53, 54 eine besonders gute Übersprech­ dämpfung auch bei nicht optimalem Schaltverhalten des Eingangs-Y-Knotens 52 auf.

Fig. 9 zeigt in einer Draufsicht eine Abwandlung bei­ spielsweise des in Fig. 8 dargestellten Eingangs-Y-Knotens 52. Der in Fig. 9 dargestellte Y-Knoten 59 weist eine Kammer 22 mit rechteckigem Querschnitt auf, der zur Stabilisierung der Molekülorientierung bei der Ver­ wendung beispielsweise eines smektisch-ferroelektrischen Flüssigkristallmateriales dient. Die Schaltfläche 24 der Kammer 22 ist in Richtung eines Eingangsarmes 60 ge­ neigt. Der Y-Knoten 59 verfügt über zwei parallel zu dem Eingangsarm 60 mit einem seitlichen Abstand angeordnete Streifenelektroden 61, 62. Die Streifenelektrode 61 ist mit einem Schalter 28 an einen Ausgang der Spannungs­ quelle 27 zuschaltbar und abschaltbar, während die andere Streifenelektrode 62 direkt an den anderen Aus­ gang der Spannungswelle 27 angeschlossen ist. Eine Orientierung der Streifenelektroden 61, 62 parallel zu der Kammer 22 ist ebenfalls möglich.

Mit geöffnetem Schalter 28 ist entsprechend der Dar­ stellung gemäß Fig. 9 in Ruhekonfiguration der Flüssig­ kristalle 23 das in dem Eingangsarm 60 geführte Licht an der Schaltfläche 24 in einen ersten Ausgangswellenleiter 63 abgelenkt. In der Transmissionskonfiguration der Flüssigkristalle 23 ist das in dem Eingangsarm 60 ge­ führte Licht bei Brechungsindexanpassung zwischen der Kammer 22 und dem Eingangsarm 60 in den zweiten Aus­ gangsarm 64 transmittiert.

Fig. 10 zeigt in Draufsicht einen X-Knoten 65 zum Aus­ führen der Schaltfunktionen der 2×2-Schaltmatrix 1 gemäß Fig. 1 und Fig. 2. Der X-Knoten 65 weist eine zwischen die direkt an die Spannungsquelle 27 gelegte Elektrode 25 und die mit dem Schalter 28 an die Spannungsquelle zu- und abschaltbare Elektrode 26 angeordnete Kammer 22 mit rechteckigem Querschnitt auf, deren beide Längs­ seiten als Schaltflächen 24, 24′ vorgesehen sind. Die eine Schaltfläche 24 ist mit in dem ersten Eingangs­ wellenleiter 2 geführten Licht beaufschlagbar, während die andere Schaltfläche 24′ mit in dem zweiten Eingangs­ wellenleiter 3 geführtem Licht beaufschlagbar ist.

In dem in Fig. 10 dargestellten Ablenkschaltzustand mit geöffnetem Schalter 28 tritt an den Schaltflächen 24, 24′ ein Brechungsindexsprung auf, so daß in dem ersten Eingangswellenleiter 2 geführtes Licht in den ersten Ausgangswellenleiter 4 und in dem zweiten Eingangs­ wellenleiter 3 geführtes Licht über einen gekrümmten Wellenleiterabschnitt 66 in den in Verlängerung des ersten Eingangswellenleiters 2 angeordneten zweiten Ausgangswellenleiter 5 ablenkbar ist. Zur Stabilisierung der Molekülorientierung der Flüssigkristalle 23 in der Kammer 22 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 Ausrichtstrukturen 67 vorgesehen.

In dem Transmissionsschaltzustand des X-Knotens 65 ist der Schalter 28 geschlossen, so daß die Flüssigkristalle 23 in der Transmissionskonfiguration mit dem an dem Brechungsindex der Eingangswellenleiter 2, 3 angepaßten Transmissionsbrechungsindex vorliegen. Nunmehr sind die Schaltflächen 24, 24′ deaktiviert und das in den Ein­ gangswellenleitern 2, 3 geführte Licht ist durch die Kammer 22 hindurch in die gegenüberliegenden Ausgangs­ wellenleiter 5, 4 transmittiert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 zeichnet sich neben einem besonders kompakten Aufbau auch durch äußerst geringe aufzuwendende Schaltleistungen aus, da lediglich ein X-Knoten 65 zu schalten ist.

Fig. 11 zeigt in Draufsicht einen Y-Knoten 68 zum polarisationsunabhängigen Richtungsschalten von Licht. In einem Eingangsarm 69 geführtes, in beliebiger Rich­ tung polarisiertes Licht ist einem Polarisationsteiler 70 eingespeist, mit dem durch über Metallschichten 71, 71′ aus Gold das beliebig polarisierte Licht in zwei ge­ kreuzte Polarisationen in einen ersten Teileingangsarm 72 und einen zweiten Teileingangsarm 73 aufteilbar ist. Die Metallschicht 71 ist als Schicht auf dem Wellen­ leiter des Teileingangsarmes 73 aufgebracht und läßt nur die zur Zeichenebene rechtwinklige Polarisationsrichtung passieren. Die hierzu um 90 Grad gedrehte Polarisations­ richtung koppelt auf den Teileingangsarm 72 über. Die Metallschicht 71′ ist der Metallschicht 71 gegenüber­ liegend seitlich an dem Wellenleiter des Teileingangs­ armes 72 vorgesehen und weist eine dem ersten Teilein­ gangsarm 72 seitlich zugewandte Flachseite auf.

Die in den Teileingangsarmen 72, 73 geführten Licht­ anteile beaufschlagen jeweils einen auf die ent­ sprechende Polarisationsrichtung angepaßten Teil-Y-Knoten 74, 75, mit denen entweder die Lichtanteile in einen ersten Teilausgangsarm 76 und zweiten Teilaus­ gangsarm 77 oder in einen dritten Teilausgangsarm 78 und einen vierten Teilausgangsarm 79 schaltbar sind. Die in den Teilausgangsarmen 76, 77; 78, 79 geführten Licht­ anteile mit gekreuzter Polarisation sind über Ver­ einigungsabschnitte 80, 81, die auch als Richtkoppler ausführbar sind, in einen ersten Ausgangsarm 82 be­ ziehungsweise einem zweiten Ausgangsarm 83 einspeisbar.

Das in den Ausgangsarmen 82, 83 geführte Licht weist somit eine der Polarisationrichtung des in dem Eingangs­ arm 69 geführten Licht auf.

Fig. 12 zeigt eine Vorrichtung zum Richtungsschalten von in beliebiger Richtung polarisiertem Licht mit einem von in dem Eingangsarm 69 geführten unpolarisierten Licht beaufschlagten Polarisationsausrichter 84. Das beliebig polarisierte Licht ist entsprechend der in Fig. 11 dargestellten Ausgestaltung über Metallschichten 71, 71′ induziert in Teileingangsarme 72, 73 mit Lichtanteilen mit gekreuzten Polarisationsrichtungen aufteilbar. Bei­ spielsweise das in dem ersten Teileingangsarm 72 ge­ führte Licht ist mit einem Polarisationsdreher 85 bei­ spielsweise nach Art einer 1/2-Platte aus beispielsweise mit polarisationsdrehenden Flüssigkristallen gefüllte Grube entsprechender Länge um 90 Grad zu der in dem zweiten Teileingangsarm 73 geführten Polarisationsrich­ tung drehbar.

Die in den Teileingangsarmen 72, 73 geführten Licht­ anteile sind in einem dem Polarisationsdreher 85 nach­ geschalteten Vereinigungsabschnitt 86, der auch als Richtkoppler ausgeführt sein kann, zusammengeführt und einem Eingangsarm 87 eines Y-Knotens 88 eingespeist. Der Y-Knoten 88 ist bezüglich seiner optischen Eigenschaften auf die in dem Eingangsarm 87 vorliegende Polarisations­ richtung ausgelegt. Das Ausgangsarmen 89, 90 des Y-Knotens 88 zugeführte Licht weist somit die Eingangs­ polarisationsrichtung in dem Eingangsarm 87 auf.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Richtungsschalten von Licht mit wenigstens einem Eingangsarm und zwei Ausgangsarmen, mit einem von in dem Eingangsarm geführten Licht beaufschlagbaren Schaltelement, das wenigstens eine dem Eingangsarm zugewandte geneigte Schaltfläche aufweist, wobei das Schaltelement in einem Trans­ missionsschaltzustand einen an den Brechungsindex des Eingangsarmes angepaßten Transmissionsbrechungs­ index zur Transmission des Lichtes in einen der Ausgangsarme und in einem Reflexionsschaltzustand einen von dem Brechungsindex des Eingangsarmes ver­ schiedenen Ablenkbrechungsindex zum Ablenken des Lichtes in den anderen Ausgangsarm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (22, 24) ein Material (23, 41) aufweist, dessen Brechungsindex über wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Elek­ trode (25, 26; 37, 38; 42; 49, 50; 61, 62) in dem Transmissionsbrechungsindex oder dem Ablenk­ brechungsindex entsprechende Werte schaltbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Flüssigkristallen (23) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine optisch isotrope Flüssigkeit (41) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (25, 26; 49, 50; 61, 62) elektrisch verlustarm leitende, beidseitige des Materiales (23, 41) vorgesehene Schichten sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine einen ohmschen Widerstand aufweisende Schicht (42) ist, die in thermischen Kontakt mit dem Material (41) steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Materials (41) Wärmeisolatoren (46) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Arme (2 bis 5, 11 bis 21, 55 bis 57, 60, 63, 64, 69, 72, 73, 76 bis 83, 87, 89, 90) monolithisch integriert aufgebaute Wellenleiter sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (23, 41) in eine geschlossene, an die Arme (2 bis 5, 11 bis 21, 55 bis 57, 60, 63, 64, 69, 72, 73, 76 bis 83, 87, 89, 90) angrenzende Kammer (22) eingebracht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (23) als Schicht (47) zwischen einem Substrat (35) und einer Deckfläche (36) vor­ gesehen ist und die Schaltfläche (24) in einem Durchstich (48) zwischen Eingangsarmen (13, 14) und Ausgangsarmen (15, 16) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Eingangsarme (2, 3) und zwei Ausgangsarme (4, 5) vorgesehen sind und das Schaltelement (22, 23) zwei Schaltflächen (24, 24′) aufweist, die jeweils von Licht eines Eingangsarmes (2, 3) beaufschlagt sind, wobei das an einer Schalt­ fläche (24, 24′) reflektierte Licht mit dem an der anderen Schaltfläche (24′, 24) transmittierten Licht in jeweils einem Ausgangsarm (4, 5) geführt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Schaltelement (22, 23, 41) eine Polarisationseinheit (70, 84) vorgeschaltet ist, mit der das Licht in wenigstens eine Richtung linear polarisierbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ausgangsarm ein weiteres Schaltelement (53, 54) mit einem Eingangs­ arm und zwei Ausgangsarmen nachgeschaltet ist, wobei das in einen Ausgangsarm abgelenkte Licht jedes weiteren Schaltelementes (53, 54) in einen Absorber (58) eintritt.