DE19637696A1

DE19637696A1 - Optical switch for information communications network

Info

Publication number: DE19637696A1
Application number: DE19637696A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl Phys Dr I Hoffmann
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1997-03-13
Also published as: WO1997009654A1; JPH11514451A; CA2231424A1

Abstract

The switch has a pair of input waveguides (12,14) and a pair of output waveguides (16,18), with an intermediate switching device allowing either input to be coupled to either output. The switching device uses a pair of cross-connection waveguides (36,38) for connecting the input waveguides to the opposite output waveguides and a pair of waveguide loops (26,32), for connecting the input waveguides to the corresponding output waveguides, with couplers (42,46,52,56) at each of the light signal switching points.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit einem ersten Eingangs-Wellenleiter und einem zweiten Eingangs- Wellenleiter, einem ersten Ausgangs-Wellenleiter und einem zweiten Ausgangs-Wellenleiter und mit ansteuerbaren Schaltmitteln, durch welche wahlweiseThe invention relates to an optical switch with a first input waveguide and a second input Waveguide, a first output waveguide and one second output waveguide and with controllable Switching means through which optional

- the first input waveguide with the second Output waveguide and the second input Waveguide with the first output waveguide

oderor

- the first input waveguide with the first Output waveguide and the second input Waveguide with the second output waveguide

verbindbar ist.is connectable.

Solche optischen Schalter werden verwendet in der Nachrichtentechnik, wo Informationen über Lichtwellenleiter in Form von Glasfasern übertragen werden. Die optischen Schalter dienen dann als Weichen oder Kreuzungen, durch welche eine über einen Eingangskanal ankommende Information in Form einer modulierten Lichtwelle wahlweise auf einen von zwei verschiedenen Ausgangskanälen geleitet werden kann. Die optischen Schalter werden durch elektrische Signale angesteuert. Durch Verwendung einer Matrix von parallel und in Serie angeordneten Schaltern kann jeweils ein Eingangskanal je nach Ansteuerung der Schalter wahlweise mit einem von einer Vielzahl von Ausgangskanälen verbunden werden.Such optical switches are used in the Telecommunications, where information about fiber optic cables are transmitted in the form of glass fibers. The optical Switches then serve as switches or crossings which is information arriving via an input channel in the form of a modulated light wave optionally on one can be routed from two different output channels can. The optical switches are made by electrical Controlled signals. By using a matrix of switches arranged in parallel and in series can each one input channel depending on the activation of the switches optionally with one of a variety of output channels get connected.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei auf einen sog. "2×2-Schalter". Das ist ein optischer Schalter mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei Ausgangs-Wellenleitern, wobei wahlweise jeder Eingangs-Wellenleiter mit jedem der beiden Ausgangs-Wellenleiter optisch koppelbar ist. Der jeweils andere Eingangs-Wellenleiter ist dann mit dem anderen Ausgangs-Wellenleiter gekoppelt.The present invention relates to a so-called "2 × 2 switch". This is an optical switch with two Input waveguides and two output waveguides, optionally each input waveguide with each of the two output waveguides can be optically coupled. Of the each other input waveguide is then with the coupled to another output waveguide.

State of the art

Eine Veröffentlichung "Dilated Networks for Photonic Switching" von Padmanabhan und Netravali in "IEEE Transactions on Communications" Bd. COM 35 (1987), 1357-1365 beschreibt Netzwerke von optischen Schaltern. In Fig. 4(b) dieser Veröffentlichung ist ein Schalter mit vier Eingangs-Wellenleitern und vier Ausgangs-Wellenleitern dargestellt. Zwei "innere" Eingangs-Wellenleiter sind überkreuz mit zwei "inneren" Ausgangs-Wellenleitern verbunden. Jeder der inneren Eingangs-Wellenleiter ist über einen steuerbaren optischen Koppler mit dem benachbarten "äußeren" Eingangs-Wellenleiter koppelbar. Entsprechend ist jeder "innere" Ausgangs-Wellenleiter über einen steuerbaren optischen Koppler mit dem benachbarten "äußeren" Ausgangs- Wellenleiter verbunden. A publication "Dilated Networks for Photonic Switching" by Padmanabhan and Netravali in "IEEE Transactions on Communications" Vol. COM 35 (1987), 1357-1365 describes networks of optical switches. Fig. 4 (b) of this publication shows a switch with four input waveguides and four output waveguides. Two "inner" input waveguides are cross-connected to two "inner" output waveguides. Each of the inner input waveguides can be coupled to the neighboring “outer” input waveguide via a controllable optical coupler. Accordingly, each "inner" output waveguide is connected to the neighboring "outer" output waveguide via a controllable optical coupler.

Eine Veröffentlichung "Guided-Wave Intensity Modulators using Amplitude-and-Phase Perturbations" von Soref, McDaniel und Bennet in "Journal of Lightwave Technology" Bd. 6 (1988), 437-444 beschreibt eine in integrierter Optik aufgebaute Anordnung mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei damit unmittelbar durch "Verbindungs-Wellenleiter" verbundenen Ausgangs-Wellenleitern. Eingangs- und Ausgangs- Wellenleiter bilden praktisch jeweils einen durchgehenden Wellenleiter. Die Verbindungs-Wellenleiter sind auf einer Koppelstrecke dicht nebeneinander geführt und bilden so einen Koppler. An einem der Verbindungs-Wellenleiter sitzt eine Elektrode zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes, durch den der Brechungsindex und damit die Phase sowie die Absorption in diesem Verbindungs-Wellenleiter verändert wird. Damit wird die Kopplung gestört.A publication "Guided-Wave Intensity Modulators using amplitude-and-phase perturbations "by Soref, McDaniel and Bennet in "Journal of Lightwave Technology" Vol. 6 (1988), 437-444 describes an integrated optic built arrangement with two input waveguides and two so directly by "connecting waveguide" connected output waveguides. Input and output Waveguides practically form a continuous one Waveguide. The connecting waveguides are on one Coupling route run close together and form a coupler. Sitting on one of the connecting waveguides an electrode for generating an electro-optical Effect through which the refractive index and thus the phase as well as the absorption in this connecting waveguide is changed. This interferes with the coupling.

Wenn zwei Wellenleiter dicht nebeneinander verlaufen, so daß das elektromagnetische Feld einer in einem ersten Wellenleiter laufenden Lichtwelle in den zweiten Wellenleiter hineinstreut, dann tritt bei Fortschreiten der Welle nach und nach immer mehr Licht aus dem ersten Wellenleiter in den zweiten Wellenleiter über, bis schließlich nach einer bestimmten Strecke, der Koppellänge, die gesamte Lichtwelle in dem zweiten Wellenleiter läuft. Jetzt wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Richtung. Es ist daher möglich mit einem optischen Koppler, in welchem zwei Wellenleiter auf der Koppellänge dicht nebeneinander verlaufen, die gesamte in einem Wellenleiter laufende Lichtwelle in den anderen Wellenleiter zu übertragen. Das ist eine Erscheinung ähnlich den Schwingungen zweier aufeinander abgestimmter, gekoppelter Pendel. Durch Veränderung des Brechungsindex in dem einen Wellenleiter wird diese Kopplung gestört. If two waveguides run close together, so that the electromagnetic field is one in a first Waveguide running light wave in the second Scatters waveguide, then occurs when the Wave gradually more and more light from the first Waveguide into the second waveguide until finally after a certain distance, the coupling length, the entire light wave runs in the second waveguide. Now the process is repeated in the opposite direction. It is therefore possible with an optical coupler, in which two waveguides close to the coupling length run side by side, all in one waveguide running light wave into the other waveguide transfer. This is a phenomenon similar to that Vibrations of two coordinated, coupled Pendulum. By changing the refractive index in one This coupling is disturbed by waveguides.

Dieser Effekt wird bei der vorerwähnten bekannten Anordnung ausgenutzt. Bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden wird die Kopplung zwischen den Verbindungs-Wellenleitern stark reduziert. Es tritt daher nur wenig Licht aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter in den zweiten Ausgangs- Wellenleiter und aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter in den ersten Ausgangs-Wellenleiter.This effect occurs in the aforementioned known arrangement exploited. When voltage is applied to the electrodes becomes the coupling between the connecting waveguides greatly reduced. Therefore, little light comes out of the first input waveguide into the second output Waveguide and from the second input waveguide in the first output waveguide.

Als elektro-optischer Effekt wird in der Veröffentlichung ein "Freie-Ladungsträger-Effekt" (free-carrier effect) und der Franz-Keldysh-Effekt erwähnt.The electro-optical effect is in the publication a "free-carrier effect" and the Franz Keldysh effect mentioned.

Der Franz-Keldysh-Effekt ist die Änderung der optischen Absorption oder Transmission eines Halbleiters unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Als deutlichste Erscheinung tritt eine Verschiebung der Absorptionskante zu kleineren Photonenenergien, d. h. längeren Wellenlängen hin auf ("Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie (1980), 1510).The Franz Keldysh effect is the change in the optical Absorption or transmission of a semiconductor under the Influence of an electric field. As the clearest Phenomenon occurs a shift of the absorption edge smaller photon energies, d. H. longer wavelengths on ("Encyclopedia of Natural Sciences and Technology", publisher Modern Industry (1980), 1510).

Die bekannte Anordnung zeigt unerwünscht starkes Nebensprechen und stark asymmetrisches Schaltverhalten. Die Elektrode liegt dort an dem Wellenleiter, in den die Lichtwelle eingekoppelt wird. Dadurch ergibt sich bei Anlegen der Spannung an die Elektrode infolge der Absorption ein Energieverlust für die gerade von dem ersten Eingangs-Wellenleiter zu dem ersten Ausgangs-Wellenleiter durchgehende Lichtwelle. Bei Abschalten der Spannung erfolgt dagegen eine nahezu verlustlose Übertragung der Lichtwelle von dem ersten Eingangs-Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter.The known arrangement shows undesirably strong Crosstalk and highly asymmetrical switching behavior. The The electrode lies there on the waveguide into which the Light wave is coupled. This results in Applying the voltage to the electrode as a result of Absorption an energy loss for just from the first Input waveguide to the first output waveguide continuous light wave. When the voltage is switched off however, there is an almost lossless transmission of the Light wave from the first input waveguide to the second output waveguide.

Eine Veröffentlichung "Novel optical switches based on carrier injection in three and five waveguide couplers" von Acklin, Schienle, Weiss, Stoll und Müller in "Electronic Letters" (1994), 217-218 beschreibt einen Schalter mit einem Eingangs-Wellenleiter und zwei Ausgangs-Wellenleitern in einer Y-Anordnung. Die eingangseitigen Enden der Ausgangs-Wellenleiter verlaufen längs einer Koppellänge in geringem Abstand von dem ausgangseitigen Ende des Eingangs- Wellenleiters. Durch Ladungsträger-Injektion können die Enden der Ausgangs-Wellenleiter wahlweise in ihrem Brechungsindex und ihrem Absorptionsvermögen verändert werden, so daß keine Kopplung vom Eingangs-Wellenleiter zum Ausgangs-Wellenleiter stattfindet. Das ist nur ein "1×2"- Schalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen.A publication "Novel optical switches based on carrier injection in three and five waveguide couplers "by Acklin, Schienle, Weiss, Stoll and Müller in "Electronic Letters "(1994), 217-218 describes a switch with an input waveguide and two output waveguides in a Y arrangement. The input ends of the Output waveguides run along a coupling length in short distance from the exit end of the entrance Waveguide. By injection of charge carriers Ends of the output waveguides optionally in their Refractive index and its absorptivity changed be, so that no coupling from the input waveguide to Output waveguide takes place. This is just a "1 × 2" - Switch with one input and two outputs.

Disclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem optischen Schalter der Eingangs genannten Art mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei Ausgangs-WellenleiternThe invention is based, with one optical switch of the type mentioned with two Input waveguides and two output waveguides

- Crosstalk to a level that is no longer disturbing reduce and
- An at least essentially symmetrical Ensure signal transmission, d. H. a coupled light wave in both "switch positions" of the optical switch with as little as possible Transfer losses.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention this object is achieved in that

(a) the switching means a first connecting waveguide, via a first coupler with the first input Waveguide and a second coupler to the second Output waveguide can be coupled, and a second Connection waveguide included that over a third coupler with the second input waveguide and a fourth coupler with the first output Waveguide can be coupled,
(b) the first connection waveguide and the second Connection waveguide in the area of the coupler means to create an electro-optical effect have a change in the Refractive index and the absorbency of the concerned connection waveguide to a Exclusion of waves via the coupler Condition is done, and
(c) the means for producing the electro-optical effect can be controlled in the same way for all four couplers are.

Bei einer solchen Anordnung liegen die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes in den ausgangseitigen Teilen der eingangsseitigen Koppler sowie den eingangsseitigen Teilen der ausgangsseitigen Koppler, nämlich den Enden der Verbindungs-Wellenleiter. Wenn an diese Teile der Koppler ein elektrisches Feld angelegt wird, zeigen diese einen veränderten Brechungsindex und ein verändertes Absorptionsvermögen. Damit wird der Übergang der Lichtwelle in die Verbindungs-Wellenleiter und von diesen in die damit gekoppelten, zugehörigen Ausgangs- Wellenleiter verhindert. Das gilt für eine Lichtwelle, die über den ersten Eingangs-Wellenleiter dem Schalter zugeführt wird ebenso wie für eine über den zweiten Eingangs-Wellenleiter dem Schalter zugeführte Lichtwelle. In diesem Fall werden diese Lichtwellen jeweils auf den ersten bzw. auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Das kann auf verschiedene Weise geschehen:
Es kann der erste Eingangs-Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter zwischen dem ersten und dem vierten Koppler unmittelbar wellenleitend verbunden sein und der zweite Eingangs-Wellenleiter mit dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter zwischen dem dritten und dem zweiten Koppler unmittelbar wellenleitend verbunden sein. In diesem Fall werden die Lichtwellen bei Ansteuern der Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes praktisch verlustlos von dem ersten Eingangs-Wellenleiter in den ersten Ausgangs-Wellenleiter und von dem zweiten Eingangs- Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Werden diese "Mittel" nicht angesteuert, dann werden die Koppler wirksam. Die Lichtwelle aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter wird weitgehend verlustlos ausschließlich infolge der Dimensionierung der Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Analog wird die Lichtwelle aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter, ebenfalls weitgehend verlustlos in den ersten Ausgangs- Wellenleiter geleitet. Der optische Schalter arbeitet zwar nicht exakt symmetrisch jedoch praktisch bzw. weitgehend verlustlos.With such an arrangement, the means for generating the electro-optical effect are located in the output parts of the input-side couplers and in the input-side parts of the output-side couplers, namely the ends of the connecting waveguides. If an electrical field is applied to these parts of the couplers, they show a changed refractive index and a changed absorption capacity. This prevents the transition of the light wave into the connecting waveguide and from it into the associated output waveguide coupled to it. This applies to a light wave which is fed to the switch via the first input waveguide as well as to a light wave which is fed to the switch via the second input waveguide. In this case, these light waves are each directed onto the first or the second output waveguide. This can be done in several ways:
The first input waveguide can be directly connected to the first output waveguide between the first and fourth couplers and the second input waveguide can be directly connected to the second output waveguide between the third and second couplers. In this case, when the means for generating the electro-optical effect are activated, the light waves are conducted practically without loss from the first input waveguide into the first output waveguide and from the second input waveguide onto the second output waveguide. If these "means" are not activated, the couplers take effect. The light wave from the first input waveguide is guided largely without loss exclusively due to the dimensioning of the waveguide onto the second output waveguide. Analogously, the light wave is conducted from the second input waveguide, likewise largely without loss, into the first output waveguide. The optical switch does not work exactly symmetrically but practically or largely without loss.

Durch die Anwendung eines elektro-optischen Effektes, der den Brechungsindex und das Absorptionsvermögen verändert, kann das Übersprechen zwischen den beiden geschalteten Kanälen auf weniger als -40 dB reduziert werden.By applying an electro-optical effect that changes the refractive index and absorptivity, can cross talk between the two switched Channels can be reduced to less than -40 dB.

Die Anordnung kann aber auch so ausgebildet sein, daßThe arrangement can also be designed so that

(a) the first input waveguide and the first output Waveguides over a fifth and a sixth Coupler with a third connection waveguide are connectable,
(b) the second input waveguide and the second Output waveguides over a seventh and one eighth coupler with a fourth connection Waveguides can be coupled,
(c) the third connection waveguide and the fourth Connection waveguide in the area of the coupler means to create an electro-optical effect have a change in the Refractive index and the absorbency of the concerned connection waveguide to a Transition from. Excluding waves over the coupler Condition is done, and
(d) the means for producing the electro-optical effect for the fifth, sixth, seventh and eighth couplers in the same way and in counteract to the means for Generation of the electro-optical effect in the first, second, third and fourth couplers are controllable.

In diesem Fall werden Mittel zur Erzeugung des elektro optischen Effektes entweder in den ersten bis vierten Kopplern oder in den fünften bis achten Kopplern aktiviert. Für jeden "Schaltzustand" des optischen Schalters ist somit ein aktives Steuersignal erforderlich. Hier erfolgt somit die Übertragung exakt symmetrisch für beide Schaltzustände und praktisch verlustlos mit extrem geringem Übersprechen.In this case, means for generating the electro optical effect in either the first to fourth Couplers or activated in the fifth to eighth couplers. For each "switching state" of the optical switch is thus an active control signal is required. So here is done the transmission is exactly symmetrical for both switching states and practically lossless with extremely low crosstalk.

Die Ansteuerung der zweiten und vierten bzw. der sechsten und achten Koppler zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes in den geraden Kopplerabschnitten an den Enden der Verbindungs-Wellenleiter stellt sicher, daß keine "durchgeschaltete" Lichtwelle aus den Ausgangs- Wellenleitern in die Verbindungs-Wellenleiter gekoppelt werden kann. Außerdem gewährleistet diese Anordnung die Benutzbarkeit des optischen Schalters in beiden Richtungen:
Die Funktionen von Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern können vertauscht werden.Driving the second and fourth or the sixth and eighth couplers to produce an electro-optical effect in the straight coupler sections at the ends of the connecting waveguides ensures that no "switched through" light wave from the output waveguides into the connecting waveguides can be coupled. This arrangement also ensures that the optical switch can be used in both directions:
The functions of input and output waveguides can be interchanged.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 4 bis 21.Further refinements of the invention are the subject of Subclaims 4 to 21.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.Two embodiments of the invention are below with reference to the accompanying drawings explained.

Brief description of the drawings

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Schalters mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei Ausgangs-Wellenleitern, der weitgehend bzw. praktisch verlustfrei mit geringem Übersprechen schaltet. Fig. 1 is a schematic representation of an optical switch with two input waveguides and two output waveguides, which switches largely or practically lossless with little crosstalk.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des optischen Schalters gemäß Fig. 1 derart, daß die beiden "Schaltzustände" durch aktive Signale erzeugt werden, so daß symmetrische Verhältnisse herrschen. FIG. 2 shows a modification of the optical switch according to FIG. 1 in such a way that the two "switching states" are generated by active signals, so that symmetrical conditions prevail.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat mit Wellenleitern zur Herstellung eines optischen Schalters der in Fig. 1 oder 2 dargestellten Art als integrierte Optik. FIG. 3 shows a section through a substrate with waveguides for producing an optical switch of the type shown in FIG. 1 or 2 as integrated optics.

Fig. 4 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 3 und veranschaulicht den Intensitätsverlauf einer Lichtwelle, die in der ausgedehnten wellenleitenden Schicht unter einer über der Schicht angebrachten Rippe läuft, mit Kurven gleicher Intensität. FIG. 4 is an illustration similar to FIG. 3 and illustrates the intensity profile of a light wave which runs in the extended waveguiding layer under a rib attached above the layer, with curves of the same intensity.

Fig. 5 zeigt den Intensitätsverlauf in X-Richtung von Fig. 4 in der Mitte der wellenleitenden Schicht. FIG. 5 shows the intensity curve in the X direction of FIG. 4 in the middle of the waveguiding layer.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht eine Matrix von Schaltern der in Fig. 1 oder 2 dargestellten Art, durch welche eine Vielzahl von m Eingängen auf eine Vielzahl von m Ausgängen verteilt werden kann. FIG. 6 is a schematic illustration and illustrates a matrix of switches of the type shown in FIG. 1 or 2, by means of which a multiplicity of m inputs can be distributed over a multiplicity of m outputs.

Preferred embodiments of the invention

In Fig. 1 ist mit 10 ein rechteckiges Substrat bezeichnet, welches nach den Methoden der integrierten Optik hergestellte Wellenleiter trägt. Das Substrat 10 trägt einen ersten Eingangs-Wellenleiter 12 und einen zweiten Eingangs-Wellenleiter 14. In den ersten Eingangs- Wellenleiter 12 wird eine Lichtwelle I₁ z. B. aus einer Glasfaser an der Stirnseite eingeleitet. In den zweiten Eingangs-Wellenleiter 14 wird eine Lichtwelle I₂ an der Stirnseite eingeleitet. Die beiden Eingangs-Wellenleiter 12 und 14 verlaufen von der Schmalseite des rechteckigen Substrats 10 aus parallel zueinander und parallel zu den Längsseiten des Substrats. An der gegenüberliegenden Schmalseite des Substrats 10 sind ein erster Ausgangs- Wellenleiter 16 und ein zweiter Ausgangs-Wellenleiter 18 vorgesehen. Aus dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 tritt eine Lichtwelle O₁ aus. Aus dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter 18 tritt eine Lichtwelle O₂ aus. Die beiden Ausgangs-Wellenleiter 16 und 18 verlaufen von der Schmalseite des rechteckigen Substrats 10 aus parallel zueinander und parallel zu den Längsseiten des Substrats und fluchten mit dem ersten bzw. zweiten Eingangs- Wellenleiter 12 bzw. 14. Der erste Eingangs-Wellenleiter 12 ist mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 durch eine erste wellenleitende Verbindung 20 verbunden. Praktisch bildet hier der erste Eingangs-Wellenleiter 12, die wellenleitende Verbindung 20 und der erste Ausgangs- Wellenleiter 16 einen einzigen durchgehenden Wellenleiter. In entsprechender Weise ist der zweite Eingangs- Wellenleiter 14 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 durch eine zweite wellenleitende Verbindung 22 verbunden.In Fig. 1, 10 denotes a rectangular substrate which carries waveguides produced by the methods of integrated optics. The substrate 10 carries a first input waveguide 12 and a second input waveguide 14 . In the first input waveguide 12 , a light wave I₁ z. B. initiated from a glass fiber on the front side. In the second input waveguide 14 , a light wave I₂ is initiated on the front side. The two input waveguides 12 and 14 run parallel to one another and parallel to the long sides of the substrate from the narrow side of the rectangular substrate 10 . A first output waveguide 16 and a second output waveguide 18 are provided on the opposite narrow side of the substrate 10 . A light wave O 1 emerges from the first output waveguide 16 . From the second output waveguide 18 , a light wave O₂ emerges. The two output waveguides 16 and 18 run parallel to one another and parallel to the long sides of the substrate from the narrow side of the rectangular substrate 10 and are aligned with the first and second input waveguides 12 and 14, respectively. The first input waveguide 12 is connected to the first output waveguide 16 by a first waveguiding connection 20 . In practice, the first input waveguide 12 , the wave-guiding connection 20 and the first output waveguide 16 form a single continuous waveguide. In a corresponding manner, the second input waveguide 14 is connected to the second output waveguide 18 by a second waveguiding connection 22 .

Die erste wellenleitende Verbindung 20 enthält einen dritten, zur Längskante des Substrats 10 parallelen, geraden Kopplerabschnitt 24, eine zur Längskante des Substrats hin gewölbte Schleife 26 und einen vierten, geraden Kopplerabschnitt 28, der mit dem Kopplerabschnitt 24 fluchtet. In entsprechender Weise enthält die zweite wellenleitende Verbindung 22 einen ersten zur Längskante des Substrats 10 parallelen, geraden Kopplerabschnitt 30, eine zur Längskante des Substrats hin gewölbte Schleife 32 und einen zweiten geraden Kopplerabschnitt 34, der mit dem Kopplerabschnitt 30 fluchtet.The first waveguiding connection 20 contains a third, straight coupler section 24 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10 , a loop 26 arched towards the longitudinal edge of the substrate and a fourth, straight coupler section 28 which is aligned with the coupler section 24 . In a corresponding manner, the second waveguiding connection 22 contains a first straight coupler section 30 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10 , a loop 32 arched towards the longitudinal edge of the substrate and a second straight coupler section 34 which is aligned with the coupler section 30 .

In dem Bereich zwischen den wellenleitenden Verbindungen 20 und 22 sind ein erster Verbindungs-Wellenleiter 36 und ein zweiter Verbindungs-Wellenleiter 38 angeordnet. Der erste Verbindungs-Wellenleiter 36 enthält an einem Ende einen ersten geraden Kopplerabschnitt 40, der in geringem Abstand von dem ersten Kopplerabschnitt 24 der wellenleitenden Verbindung 20 verläuft und mit diesem einen ersten Koppler 42 bildet. Der erste Verbindungs-Wellenleiter 36 enthält weiterhin an dem anderen Ende einen zweiten geraden Kopplerabschnitt 44, der in geringem Abstand von dem vierten Kopplerabschnitt 34 der wellenleitenden Verbindung 22 verläuft und mit diesem einen zweiten Koppler 46 bildet. Die beiden Kopplerabschnitte 40 und 44 des ersten Verbindungs-Wellenleiters 36 sind durch einen schräg (von links oben nach rechts unten in Fig. 1) verlaufenden Mittelabschnitt 48 verbunden. In entsprechender Weise enthält der zweite Verbindungs-Wellenleiter 38 an einem Ende einen dritten geraden Kopplerabschnitt 50, der in geringem Abstand von dem dritten Kopplerabschnitt 30 der wellenleitenden Verbindung 22 verläuft und mit diesem einen dritten Koppler 52 bildet. Der zweite Verbindungs- Wellenleiter 38 enthält weiterhin an dem anderen Ende einen vierten geraden Kopplerabschnitt 54, der in geringem Abstand von dem zweiten Kopplerabschnitt 28 der wellenleitenden Verbindung 20 verläuft und mit diesem einen vierten Koppler 56 bildet. Die beiden Kopplerabschnitte 50 und 54 des zweiten Verbindungs-Wellenleiters 38 sind durch einen schräg (von links unten nach rechts oben in Fig. 1) verlaufenden Mittelabschnitt 58 verbunden. Die beiden Mittelabschnitte 48 und 58 kreuzen sich unter einem einen Wellenübergang ausschließenden Winkel (<10°).A first connection waveguide 36 and a second connection waveguide 38 are arranged in the region between the waveguiding connections 20 and 22 . The first connecting waveguide 36 contains at one end a first straight coupler section 40 which runs at a short distance from the first coupler section 24 of the waveguiding connection 20 and forms a first coupler 42 with it. The first connecting waveguide 36 also contains at the other end a second straight coupler section 44 which runs at a short distance from the fourth coupler section 34 of the waveguiding connection 22 and forms a second coupler 46 with it. The two coupler sections 40 and 44 of the first connecting waveguide 36 are connected by a central section 48 which runs obliquely (from top left to bottom right in FIG. 1). In a corresponding manner, the second connecting waveguide 38 contains at one end a third straight coupler section 50 , which runs at a small distance from the third coupler section 30 of the waveguiding connection 22 and forms a third coupler 52 with it. The second connecting waveguide 38 also contains at the other end a fourth straight coupler section 54 which runs at a short distance from the second coupler section 28 of the waveguiding connection 20 and forms a fourth coupler 56 with it. The two coupler sections 50 and 54 of the second connecting waveguide 38 are connected by a central section 58 which runs obliquely (from the bottom left to the top right in FIG. 1). The two middle sections 48 and 58 intersect at an angle excluding a wave transition (<10 °).

Die Wellenleiter-Anordnung ist zentralsymmetrisch zu dem Kreuzungspunkt der beiden Mittelabschnitte 48 und 58.The waveguide arrangement is centrally symmetrical to the crossing point of the two central sections 48 and 58 .

Die Längen der Kopplerabschnitte entsprechen den Koppellängen, so daß bei ungestörten Wellenleitern die gesamte Lichtwelle, z. B. I₁, aus dem Eingangs-Wellenleiter 12 über die Koppler, z. B. 42 und 46, in die überkreuz liegenden Ausgangs-Wellenleiter, z. B. 18 gekoppelt wird. Es werden also nahezu verlustlos der erste Eingangs- Wellenleiter 12 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 und der zweite Eingangs-Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter gekoppelt.The lengths of the coupler sections correspond to the coupling lengths, so that with undisturbed waveguides the entire light wave, e.g. B. I₁, from the input waveguide 12 via the coupler, for. B. 42 and 46 , in the cross-lying output waveguide, for. B. 18 is coupled. The first input waveguide 12 is thus coupled to the second output waveguide 18 and the second input waveguide is coupled to the first output waveguide with almost no loss.

Es sind Mittel vorgesehen, um in den Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54 der Verbindungs-Wellenleiter 36 und 38 elektro optische Effekte zu induzieren, durch welche eine Änderung des Brechungsindex und damit gleichzeitig eine wesentliche Erhöhung des Absorptionsvermögens des Wellenleiter- Materials hervorgerufen wird.Means are provided for in the coupler sections 40 , 44 ; 50 , 54 of the connecting waveguides 36 and 38 induce electro-optical effects, by means of which a change in the refractive index and thus at the same time a substantial increase in the absorption capacity of the waveguide material is brought about.

Die Mittel zum Induzieren eines optischen Effektes in den Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54 der Verbindungs- Wellenleiter 36 und 38 bestehen aus einer p-dotierten Schicht 60 (Fig. 3) und einer n-dotierten Schicht 62 über und unter einer undotierten, wellenleitenden Schicht 64 in den Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54. Die Schichten 60 und 62 bilden einen pn-Übergang, also praktisch eine Diode. Die p-dotierten Schichten 60 sind mit metallischen Kontakten 66 und 68 verbunden. Die n-dotierten Schichten 62 sind mit metallischen Kontakten 70 und 72 bzw. 74 und 78 verbunden und liegen auf einem Referenzpotential. Zwischen die betreffenden metallischen Kontakte ist eine Spannung in Sperrichtung der Diode anlegbar. Es fließt dann kein Strom. Es wird aber in der wellenleitenden Schicht 64 ein elektrisches Feld erzeugt. Die Schichten 60 sind von dem Rest des jeweiligen Verbindungs-Wellenleiters durch eine schmale Unterbrechung des Wellenleiters isoliert. Statt dessen kann auch in den Schichten 60 im Gegensatz zu den undotierten Mittelabschnitten 48 bzw. 58 der den Verbindungs-Wellenleitern zugeordneten Rippen (Fig. 3) eine selektive p-Diffusion vorgesehen sein. Dann sind die Kontakte 66 und 68 voneinander isoliert.The means for inducing an optical effect in the coupler sections 40 , 44 ; 50 , 54 of the connecting waveguides 36 and 38 consist of a p-doped layer 60 ( FIG. 3) and an n-doped layer 62 above and below an undoped, waveguiding layer 64 in the coupler sections 40 , 44 ; 50 , 54 . The layers 60 and 62 form a pn junction, that is to say practically a diode. The p-doped layers 60 are connected to metallic contacts 66 and 68 . The n-doped layers 62 are connected to metallic contacts 70 and 72 or 74 and 78 and are at a reference potential. A voltage in the reverse direction of the diode can be applied between the relevant metallic contacts. No electricity then flows. However, an electric field is generated in the wave-guiding layer 64 . Layers 60 are isolated from the rest of the respective interconnect waveguide by a narrow break in the waveguide. Instead of this, a selective p-diffusion can also be provided in the layers 60, in contrast to the undoped central sections 48 and 58 of the ribs assigned to the connecting waveguides ( FIG. 3). Then contacts 66 and 68 are isolated from each other.

Zur Verbesserung der Dämpfung beim Überkoppeln von Licht sind dann vorzugsweise die p-dotierten Bereiche über die geraden Koppelstrecken hinaus bis in die gekrümmten Abschnitte der Verbindungs-Wellenleiter, d. h. die Abschnitte zwischen den Koppelstrecken der Koppler und den Mittelabschnitten der Verbindungs-Wellenleiter, verlängert. To improve the attenuation when coupling light over are then preferably the p-doped regions over the straight coupling sections out into the curved ones Sections of the connecting waveguides, i.e. H. the Sections between the coupling links of the couplers and the Middle sections of the connecting waveguide, extended.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Sperrichtung der Diode an die Kontakte, z. B. 66 und 70, 72, wird ein elektrisches Feld in der wellenleitenden Schicht 64 erzeugt. Dieses elektrische Feld bewirkt durch den Franz- Keldysh-Effekt eine Verschiebung der Bandkante für die Transmission des Halbleitermaterials zu längeren Wellenlängen hin. Wenn die Wellenlänge des in den Wellenleitern geleiteten Lichtes dicht oberhalb dieser Bandkante liegt, dann tritt bei Anlegen des elektrischen Feldes eine starke Änderung des Brechungsindex und eine starke Erhöhung des Absorptionsvermögens des Materials für diese Wellenlänge ein.By applying an electrical voltage in the reverse direction of the diode to the contacts, for. B. 66 and 70 , 72 , an electric field is generated in the waveguiding layer 64 . Due to the Franz Keldysh effect, this electric field causes the band edge for the transmission of the semiconductor material to shift towards longer wavelengths. If the wavelength of the light guided in the waveguides is just above this band edge, then a strong change in the refractive index and a strong increase in the absorption capacity of the material for this wavelength occurs when the electric field is applied.

Es läßt sich zeigen, daß unter diesen Umständen praktisch kein Licht z. B. über den Koppler 42 aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter 12 in den Verbindungs-Wellenleiter 36 übergekoppelt wird. Die Lichtwelle I₁ läuft über die wellenleitende Verbindung 20 gerade durch zu dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16. In entsprechender Weise läuft bei Anlegen der Spannung die Lichtwelle I₂ vom zweiten Eingangs- Wellenleiter 14 über die wellenleitende Verbindung 22 gerade durch zu dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18. Der Effekt kann wieder in Analogie zu der Mechanik gekoppelter Pendel erläutert werden: Wenn von den zwei gekoppelten Pendeln eines stark gedämpft, also praktisch festgehalten wird, dann nimmt es von dem anderen Pendel keine Energie auf. Das andere Pendel schwingt mit konstanter Amplitude. Oder ein vereinfachtes Beispiel bei Lichtwellen: Metalle sind wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit stark absorbierend. Eine auf eine Metalloberfläche auftreffende Lichtwelle dringt daher nicht in das Metall ein sondern wird reflektiert. Wenn keine Spannung anliegt, dann sind die Wellenleiter ungestört. Auf der Koppellänge werden die Lichtwellen z. B. aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter über den ersten Koppler 42 in den ersten Verbindungs- Wellenleiter 36 und aus diesem über den zweiten Koppler 46 verlustfrei in den Ausgangs-Wellenleiter 18 gekoppelt.It can be shown that, under these circumstances, practically no light, e.g. B. is coupled over the coupler 42 from the first input waveguide 12 into the connecting waveguide 36 . The light wave I 1 runs straight through the waveguiding connection 20 to the first output waveguide 16 . In a corresponding manner, when the voltage is applied, the light wave I 2 runs straight through from the second input waveguide 14 via the waveguiding connection 22 to the second output waveguide 18 . The effect can again be explained in analogy to the mechanics of coupled pendulums: If one of the two coupled pendulums is strongly damped, i.e. practically held, then it does not absorb any energy from the other pendulum. The other pendulum swings with a constant amplitude. Or a simplified example for light waves: metals are highly absorbent due to their high electrical conductivity. A light wave striking a metal surface therefore does not penetrate the metal but is reflected. If there is no voltage, the waveguides are undisturbed. On the coupling length, the light waves z. B. coupled from the first input waveguide via the first coupler 42 into the first connecting waveguide 36 and from this via the second coupler 46 without loss into the output waveguide 18 .

Es hat sich gezeigt, daß mit einem optischen Schalter der beschriebenen Art die Umschaltung der Lichtwellen praktisch bzw. weitgehend verlustfrei und - bis auf vernachlässigbare Unterschiede - symmetrisch erfolgen kann. Es ergibt sich jedenfalls ein extrem niedriges Übersprechen in der Größenordnung von -40 dB. Das liegt daran, daß einmal, wie erläutert, bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte 66 praktisch kein Licht z. B. über den Koppler 42 in den Verbindungs-Wellenleiter 36 eingekoppelt wird und zum anderen etwa eingekoppeltes Licht durch die Absorption in den Koppelabschnitten 40 und 44 eliminiert wird. Um Licht zu eliminieren, das an den Krümmungen der Wellenleiter z. B. 20 und 36 austreten und in die damit fluchtenden Wellenleiter 54 bzw. 28 eintreten könnte, sind Absorber 78 und 80 in den Bereichen zwischen den Schleifen 26 bzw. 32 und den Verbindungs-Wellenleitern 36 und 38 angeordnet.It has been shown that the switching of the light waves can be carried out practically or largely without loss and - apart from negligible differences - symmetrically with an optical switch of the type described. In any case, there is an extremely low crosstalk on the order of -40 dB. This is because once, as explained, when a voltage is applied to the contacts 66, practically no light, for. B. is coupled via the coupler 42 into the connecting waveguide 36 and, on the other hand, approximately coupled light is eliminated by the absorption in the coupling sections 40 and 44 . To eliminate light from the curvatures of the waveguides such. B. 20 and 36 could emerge and enter the aligned waveguides 54 and 28 , absorbers 78 and 80 are arranged in the areas between the loops 26 and 32 and the connecting waveguides 36 and 38 .

Der optische Schalter von Fig. 1 arbeitet mit den beiden Schaltzuständen "Spannung angelegt" und "keine Spannung angelegt". Im ersteren Falle werden die Lichtwellen jeweils gerade hindurchgeleitet, im letzteren Fall erfolgt eine Verbindung der Ein- und Ausgänge überkreuz. Fig. 2 zeigt einen optischen Schalter, an welchen in beiden Schaltzuständen Spannungen angelegt werden, jedoch an unterschiedliche Kontakte, so daß völlig symmetrisches Schaltverhalten erzielbar ist. Der optische Schalter von Fig. 2 ist im Grundaufbau ähnlich dem optischen Schalter von Fig. 1. Entsprechende Teile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.The optical switch of Fig. 1 operates with the two switching states "voltage applied" and "no voltage applied". In the former case, the light waves are just being passed through, in the latter case the inputs and outputs are connected crosswise. Fig. 2 shows an optical switch to which voltages are applied in both switching states, but to different contacts, so that completely symmetrical switching behavior can be achieved. The basic structure of the optical switch of FIG. 2 is similar to the optical switch of FIG. 1. Corresponding parts in FIG. 2 are given the same reference numerals as in FIG. 1.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die ersten und zweiten Eingangs-Wellenleiter 12 und 14 nicht wie bei Fig. 1 über wellenleitende Verbindungen mit den Ausgangs-Wellenleitern 16 bzw. 18 direkt wellenleitend verbunden. Vielmehr erfolgt die Verbindung des ersten Eingangs-Wellenleiters 12 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 über einen dritten Verbindungs-Wellenleiter 82. Der erste Eingangs- Wellenleiter 12 ist über einen fünften Koppler 84 mit dem dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 koppelbar. Der dritte Verbindungs-Wellenleiter 82 ist wiederum über einen sechsten Koppler 86 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 koppelbar. In entsprechender Weise ist der zweite Eingangs- Wellenleiter 14 über einen siebten Koppler 88 mit einem vierten Verbindungs-Wellenleiter 90 koppelbar. Der vierte Verbindungs-Wellenleiter 82 ist wiederum über einen achten Koppler 92 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 koppelbar.In the embodiment according to FIG. 2, the first and second input waveguides 12 and 14 are not connected directly to the output waveguides 16 and 18 via waveguiding connections as in FIG . Rather, the connection of the first input waveguide 12 to the first output waveguide 16 takes place via a third connection waveguide 82 . The first input waveguide 12 can be coupled to the third connecting waveguide 82 via a fifth coupler 84 . The third connecting waveguide 82 can in turn be coupled to the first output waveguide 16 via a sixth coupler 86 . In a corresponding manner, the second input waveguide 14 can be coupled to a fourth connecting waveguide 90 via a seventh coupler 88 . The fourth connecting waveguide 82 can in turn be coupled to the second output waveguide 18 via an eighth coupler 92 .

Die Koppler 84, 86, 88 und 92 sind untereinander übereinstimmend und ähnlich aufgebaut wie die Koppler 42, 46, 52 und 56. Es wird daher nur der Koppler 84 im einzelnen beschrieben.The couplers 84 , 86 , 88 and 92 are identical to one another and constructed similarly to the couplers 42 , 46 , 52 and 56 . Therefore, only the coupler 84 will be described in detail.

Der dritte Verbindungs-Wellenleiter 82 weist an seinem eingangseitigen Ende einen geraden Koppelabschnitt 94 auf. Der Koppelabschnitt 94 verläuft in geringem Abstand von dem Ende des Eingangs-Wellenleiters 12 auf der dem Koppelabschnitt 40 abgewandten Seite. Der Koppelabschnitt 94 erstreckt sich ebenfalls über die Koppellänge, auf welcher eine Welle aus dem Eingangs-Wellenleiter 12 vollständig in den dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 überkoppelbar ist. Der Koppelabschnitt 94 ist so aufgebaut, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben ist. Die Schicht 60 ist mit einem metallischen Kontakt 96 verbunden. Der metallische Kontakt 96 erstreckt sich "außerhalb" des dritten Verbindungs-Wellenleiters 82 parallel zu der Längskante des Substrats 10. Der metallische Kontakt 96 ist außerdem mit der Schicht 60 eines entsprechenden Koppelabschnitts 98 am anderen Ende des dritten Verbindungs-Wellenleiters 82 verbunden. Der Koppelabschnitt 98 bildet einen Teil des sechsten Kopplers 86. Die Schicht 62 des Koppelabschnitts 94 ist mit den metallischen Kontakten 70 und 72 verbunden, die auf Referenzpotential gehalten werden.The third connecting waveguide 82 has a straight coupling section 94 at its input end. The coupling section 94 runs a short distance from the end of the input waveguide 12 on the side facing away from the coupling section 40 . The coupling section 94 also extends over the coupling length, on which a wave can be completely coupled from the input waveguide 12 into the third connecting waveguide 82 . The coupling section 94 is constructed as described above with reference to FIG. 3. Layer 60 is connected to a metallic contact 96 . The metallic contact 96 extends "outside" of the third connection waveguide 82 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10 . The metallic contact 96 is also connected to the layer 60 of a corresponding coupling section 98 at the other end of the third connecting waveguide 82 . The coupling section 98 forms part of the sixth coupler 86 . Layer 62 of coupling section 94 is connected to metallic contacts 70 and 72 , which are kept at reference potential.

Wenn eine Spannung an den Kontakten 66 und 68 anliegt und keine Spannung an dem Kontakt 96 und seinem Gegenstück 100, dann wird die Lichtwelle aus dem ersten Eingangs- Wellenleiter 12 über den Koppler 84, den dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 und den Koppler 86 in den ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 gekoppelt. Entsprechend wird die Lichtwelle aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter 14 über den Koppler 88, den vierten Verbindungs- Wellenleiter 90 und den Koppler 92 in den zweiten Ausgangs- Wellenleiter 18 gekoppelt. Wenn dagegen eine Spannung an dem metallischen Kontakt 96 und seinem Gegenstück 100 anliegt aber keine Spannung an den Kontakten 66 und 68, dann erfolgt überkreuz eine Kopplung des ersten Eingangs- Wellenleiters 12 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 und des zweiten Eingangs-Wellenleiters 14 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16. Für beide Schaltzustände ist hier das Anlegen einer Spannung erforderlich. Dabei sind jeweils vier Kopplerstrecken aktiv bzw. inaktiv, z. B. 94, 98 und 95, 99 oder 40, 44 und 50, 54. In beiden Schaltzuständen liegen symmetrische Verhältnisse für die Übertragung von Lichtwellen vor.If a voltage is present on contacts 66 and 68 and no voltage on contact 96 and its counterpart 100 , then the light wave from first input waveguide 12 is coupled through coupler 84 , third connecting waveguide 82 and coupler 86 first output waveguide 16 coupled. Correspondingly, the light wave from the second input waveguide 14 is coupled into the second output waveguide 18 via the coupler 88 , the fourth connecting waveguide 90 and the coupler 92 . If, on the other hand, a voltage is present at the metallic contact 96 and its counterpart 100 but there is no voltage at the contacts 66 and 68 , then the first input waveguide 12 is cross-coupled with the second output waveguide 18 and the second input waveguide 14 the first output waveguide 16 . Applying a voltage is required for both switching states. Four coupler sections are active or inactive, e.g. 94 , 98 and 95 , 99 or 40 , 44 and 50 , 54 . In both switching states there are symmetrical conditions for the transmission of light waves.

Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau und die Herstellung eines optischen Schalters der vorstehend beschriebenen Art. Fig. 3 illustrates the construction and manufacture of an optical switch of the type described above.

Als Substrat 10 dient mit Schwefel dotiertes Indiumphosphid InP. Dieses Material ist n-leitend. Auf dieses Substrat 10 sind mittels Epitaxie in einem Schritt die n-dotierte Kontaktschicht 62, eine schwach n-dotierte optische Pufferschicht 104, die undotierte, quaternäre, wellenleitende Schicht 64, eine Indiumphosphid-Deckschicht 106 und eine quaternäre Ätzstoppschicht 108 aufgebracht. Auf die Ätzstoppschicht 108 folgt - ebenfalls wie die weiter folgenden Schichten durch Epitaxie aufgebracht - eine undotierte Indiumphosphid-Schicht 109 und die p-dotierte Schicht 60 in Form einer Indiumphosphid-Schicht sowie eine quaternäre p-dotierte Kontaktschicht 110. Die n-dotierte Kontaktschicht 62 ist mit einem Referenzpotential verbunden. An die Kontaktschicht 110 ist über einen (in Fig. 3 nicht dargestellten) metallischen Kontakt eine Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der wellenleitenden Schicht 64 anlegbar. Die Schichten 60, 110 und 109 bilden Rippen 112 entsprechend der Wellenleiter struktur von Fig. 1 oder 2, wie in Fig. 3 angedeutet ist. Solche Rippen 112 bewirken eine seitliche Begrenzung einer in der wellenleitenden Schicht laufenden Lichtwelle.Sulfur-doped indium phosphide InP serves as substrate 10 . This material is n-type. The n-doped contact layer 62 , a weakly n-doped optical buffer layer 104 , the undoped, quaternary, waveguiding layer 64 , an indium phosphide cover layer 106 and a quaternary etching stop layer 108 are applied to this substrate 10 in one step by means of epitaxy. The etch stop layer 108 is followed - like the layers that follow by epitaxy - by an undoped indium phosphide layer 109 and the p-doped layer 60 in the form of an indium phosphide layer and a quaternary p-doped contact layer 110 . The n-doped contact layer 62 is connected to a reference potential. A voltage for generating an electric field in the wave-guiding layer 64 can be applied to the contact layer 110 via a metallic contact (not shown in FIG. 3). The layers 60 , 110 and 109 form ribs 112 corresponding to the waveguide structure of FIG. 1 or 2, as indicated in FIG. 3. Such ribs 112 cause a lateral limitation of a light wave running in the wave-guiding layer.

Das ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Wenn über in einer sich über die Fläche des Substrats 10 erstreckenden, ausgedehnten, wellenleitenden Schicht 64 eine Rippe 112 mit hohem Brechungsindex vorgesehen ist, dann wird eine in der Schicht 64 laufende Lichtwelle nicht nur vertikal in Fig. 3 durch die Grenzen der wellenleitenden Schicht begrenzt und gebündelt sondern auch seitlich, horizontal in Fig. 3 durch die Abmessungen der Rippen 112, beiderseits derer die wellenleitende Schicht 64 (und 106) an Luft, also ein Medium mit niedrigem Brechungsindex grenzt. Fig. 4 zeigt eine berechnete Intensitätsverteilung über den Querschnitt der Lichtwelle hinweg. Die einzelnen geschlossenen Kurven sind Kurven gleicher elektrischer Feldstärke bzw. gleicher Intensität. Die innerste Kurve 114 entspricht einer Intensität von 90% der maximalen Feldstärke. Die äußerste Kurve 116 entspricht einer Intensität von 10% der maximalen Feldstärke. Fig. 5 zeigt den Feldstärkeverlauf quer zur Fortpflanzungsrichtung der Lichtwellen.This is shown in Figs. 4 and 5. If a rib 112 with a high refractive index is provided in an extended, waveguiding layer 64 which extends over the surface of the substrate 10 , then a light wave traveling in the layer 64 is not only limited vertically in FIG. 3 by the boundaries of the waveguiding layer and also bundled laterally, horizontally in FIG. 3 by the dimensions of the ribs 112 , on both sides of which the waveguiding layer 64 (and 106 ) borders on air, that is to say a medium with a low refractive index. Fig. 4 shows a calculated intensity distribution over the cross section of the light wave of time. The individual closed curves are curves of the same electric field strength or intensity. The innermost curve 114 corresponds to an intensity of 90% of the maximum field strength. The outermost curve 116 corresponds to an intensity of 10% of the maximum field strength. Fig. 5 shows the field strength curve transverse to the direction of propagation of light waves.

Es ist erkennbar, daß die Lichtwelle seitlich über die Breite der Rippe 112 hinausstreut. Das führt bei Kopplern mit zwei dicht benachbarten Rippen zu dem schon geschilderten Überkoppeln.It can be seen that the light wave laterally scatters across the width of the rib 112 . In couplers with two closely adjacent ribs, this leads to the above-mentioned coupling.

Zur Herstellung des optischen Schalters von Fig. 1 oder 2 werden zunächst mittels Epitaxie die beschriebenen Schichten aufgebaut. Auf die oberste Schicht wird ein Photolack aufgebracht. Auf den Photolack wird eine Maske aufgelegt, welche die Struktur der auf die Wellenleiter aufzubringenden Elektroden als Negativ wiedergibt. Der Photolack wird dann mit UV-Licht bestrahlt. An den Stellen, wo die Elektroden entstehen sollen, ist der Photolack durchentwickelt oder gehärtet.To produce the optical switch of FIG. 1 or 2, the layers described are first built up by means of epitaxy. A photoresist is applied to the top layer. A mask is placed on the photoresist, which reproduces the structure of the electrodes to be applied to the waveguide as a negative. The photoresist is then irradiated with UV light. The photoresist is developed or hardened at the points where the electrodes are to be created.

Auf die so belichtete Photolack-Schicht wird dann Metall (Ti/Pt/Au) aufgedampft. Dann entsteht eine Metallschicht auf einer teilweise entsprechend der Maske durchentwickelten Photolackschicht. Der Photolack wird dann in Azeton gelöst. Dort, wo der Photolack nicht belichtet wurde, kann er in Abhebetechnik (lift-off) mechanisch entfernt werden. Damit wird auch die auf diesen nicht belichteten Teilen des Photolacks niedergeschlagene Metallschicht entfernt. Man erhält dann auf der Oberfläche des von den beschriebenen Schichten gebildeten Blocks eine Metallschicht, deren Konturen den auf die Wellenleiter aufzubringenden Elektroden entsprechen.Metal is then applied to the photoresist layer thus exposed (Ti / Pt / Au) evaporated. Then a metal layer is created on a part corresponding to the mask developed photoresist layer. The photoresist will then dissolved in acetone. Where the photoresist does not expose , it can be lifted off mechanically be removed. This does not mean that on these either exposed parts of the photoresist Removed metal layer. You then get on the surface of the block formed by the described layers one Metal layer, the contours of which on the waveguide electrodes to be applied.

Als nächstes erfolgt ein Ätzschritt, bei welchem mit reaktivem Ionenstrahlätzen (RIE) die oberste quaternäre Schicht 110 weggeätzt wird. An den Stellen, an denen die aufgedampfte Metallschicht erhalten geblieben ist, d. h. im Bereich der Elektroden, bleibt auch die Schicht 110 erhalten. Die Metallschicht dient als Elektroden zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes.Next, there is an etching step in which the top quaternary layer 110 is etched away using reactive ion beam etching (RIE). The layer 110 is also retained at the points at which the vapor-deposited metal layer has been retained, ie in the region of the electrodes. The metal layer serves as electrodes for producing the electro-optical effect.

Als nächstes werden dann in einem selektiven Naßätzprozeß nach Abdecken der Elektroden und der nicht von Elektroden bedeckten Wellenleiter-Strukturen die Indiumphosphid- Schichten 60 und 109 bis zu der Ätzstoppschicht 108 weggeätzt. Auf diese Weise werden die vorstehenden Rippen gebildet, durch welche eine seitliche Begrenzung der Lichtwellen erfolgt.Next, in a selective wet etch process, after covering the electrodes and the waveguide structures not covered by electrodes, the indium phosphide layers 60 and 109 are etched away to the etch stop layer 108 . In this way, the projecting ribs are formed, by which the light waves are limited laterally.

Wenn hier von Lichtwellen gesprochen wird, dann ist dieser Ausdruck nicht auf sichtbares Licht beschränkt sondern schließt auch das hier vorzugsweise benutzte infrarote Licht ein.If one speaks of light waves here, then this is Printout is not limited to visible light but also includes the infrared used here Light on.

Bei einem praktisch ausgeführten optischen Schalter nach Art von Fig. 1 beträgt die Länge jedes Kopplers 4 mm. Die gesamte Struktur ist 14 mm lang. Die Breite der die Wellenleiter definierenden Rippen 112 beträgt 2,5 µm. Im Bereich der Koppler ist der Abstand der benachbarten Rippen 3,5 µm. Die Enden der Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter sind jeweils in Abständen von 250 µm voneinander angeordnet, um das Ankoppeln von lichtleitenden Fasern zu erleichtern.In a practical optical switch of the type shown in FIG. 1, the length of each coupler is 4 mm. The entire structure is 14 mm long. The width of the ribs 112 defining the waveguide is 2.5 μm. In the area of the couplers, the distance between the adjacent ribs is 3.5 µm. The ends of the input and output waveguides are arranged at intervals of 250 µm from one another in order to facilitate the coupling of light-guiding fibers.

Fig. 6 zeigt eine Matrix von optischen Schaltern E_ik der vorstehend beschriebenen Art. Die Schalter sind so in verschiedenen Kombinationen in Reihe geschaltet und angesteuert, daß jeder Eingang I₁ bis I_m mit jedem Ausgang O₁ bis O_m verbunden werden kann. Fig. 6 shows a matrix of optical switches E _{ik of} the type described above. The switches are connected in series and controlled in various combinations so that each input I₁ to I _{m can be} connected to each output O₁ to O _m .

Claims

1. Optical switch with a first input waveguide ( 12 ) and a second input waveguide ( 14 ), a first output waveguide ( 16 ) and a second output waveguide ( 18 ) and with controllable switching means, by which either

- The first input waveguide ( 12 ) with the second output waveguide ( 18 ) and the second input waveguide ( 14 ) with the first output waveguide ( 16 )

or

- The first input waveguide ( 12 ) with the first output waveguide ( 16 ) and the second input waveguide ( 14 ) with the second output waveguide ( 18 )

is connectable
characterized in that

(a) the switching means comprises a first connecting waveguide ( 36 ) which can be coupled to the first input waveguide ( 12 ) via a first coupler ( 42 ) and to the second output waveguide ( 18 ) via a second coupler ( 46 ) , and a second connecting waveguide ( 38 ) which can be coupled to the second input waveguide ( 14 ) via a third coupler ( 52 ) and to the first output waveguide ( 16 ) via a fourth coupler ( 56 ),
(b) the first connecting waveguide ( 36 ) and the second connecting waveguide ( 38 ) in the area of the couplers ( 42 , 46 ; 52 , 56 ) have means for producing an electro-optical effect, by means of which a change in the refractive index and the absorption capacity of the respective connecting waveguide ( 36 ; 38 ) to a state excluding a transition of waves via the relevant coupler ( 42 , 46 ; 52 , 56 ), and
(c) the means for generating the electro-optical effect can be controlled in the same way for all four couplers ( 42 , 46 ; 52 , 56 ).

2. Optical switch according to claim 1, characterized in that the first input waveguide ( 12 ) with the first output waveguide ( 16 ) between the first and the fourth coupler ( 42 or 56 ) is directly connected in a wave-guiding manner and the second input -Waveguide ( 14 ) with the second output waveguide ( 18 ) between the third and the second coupler ( 52 or 46 ) is directly connected in a wave-guiding manner.

3. Optical switch according to claim 1, characterized in that

(a) the first input waveguide ( 12 ) and the first output waveguide ( 16 ) can be coupled to a third connecting waveguide ( 82 ) via a fifth and a sixth coupler ( 84 or 86 ),
(b) the second input waveguide ( 14 ) and the second output waveguide ( 18 ) can be coupled to a fourth connecting waveguide ( 90 ) via a seventh and an eighth coupler ( 88 and 92 ),
(c) the third connecting waveguide ( 82 ) and the fourth connecting waveguide ( 90 ) in the area of the couplers ( 84 , 86 ; 88 , 92 ) have means for producing an electro-optical effect by which a change in the refractive index and the absorption capacity of the respective connecting waveguide ( 80 ; 90 ) to a state excluding a transition of waves via the relevant coupler ( 84 , 86 ; 88 , 92 ), and
(d) the means for generating the electro-optical effect for the fifth, sixth, seventh and eighth couplers ( 84 , 86 ; 88 , 92 ) in the same way and in counter-clockwise fashion to the means for generating the electro-optical effect in the first , second, third and fourth couplers ( 42 , 46 ; 52 , 56 ) can be controlled.

4. Optical switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the waveguides and couplers are formed in the form of integrated optics on a semiconductor substrate ( 10 ).

5. Optical switch according to claim 4, characterized in that

(a) the first and second input waveguides ( 12 , 14 ) are spaced apart and parallel to one another,
(b) the first and second output waveguides ( 16 , 18 ) are arranged in alignment with the first and second input waveguides ( 12 , 14 ),
(c) the first and second connection waveguides ( 36 , 38 ) are arranged spatially between the aligned pairs of input and output waveguides, the first connection waveguide ( 36 ) having coupler sections ( 40 , 44 ) along each one Coupling path runs at a distance that allows coupling of waves from the first input waveguide ( 12 ) or the second output waveguide ( 18 ) and the second connecting waveguide ( 38 ) with coupler sections ( 50 , 54 ) each along a coupling path in a distance of overcoupling of waves from the second input waveguide ( 14 ) or the first output waveguide ( 16 ) and the two connecting waveguides ( 36 , 38 ) are located under one another in their central sections ( 48 , 58 ) Cross over and exclude waves
(d) the means for generating an electro-optical effect are provided on the coupler sections ( 40 , 44 ; 50 , 54 ) of the first and second connecting waveguides ( 36 , 38 ) thus guided.

6. Optical switch according to claim 2 and 5, characterized in that the first input waveguide ( 12 ) with the first output waveguide ( 16 ) and the second input waveguide ( 14 ) with the second output waveguide ( 18 ) through in each case one outwardly curved waveguide loop ( 26 , 32 ) away from the connecting waveguides ( 36 , 38 ) are connected to one another.

7. Optical switch according to claims 3 and 5, characterized in that

(a) the third connection waveguide ( 82 ) is formed on the side of the first input waveguide ( 12 ) and the first output waveguide ( 16 ) facing away from the first and second connection waveguides ( 36 , 38 ) and with coupler sections ( 94 , 98 ) along a coupling path at a distance from the first input waveguide ( 12 ) or the first output waveguide ( 16 ) that allows waves to be coupled,
(b) the fourth connecting waveguide ( 90 ) is formed on the side of the second input waveguide ( 14 ) and the second output waveguide ( 18 ) facing away from the first and second connecting waveguides ( 36 , 38 ) and having coupler sections ( 95 , 99 ) runs along a coupling path at a distance from the second input waveguide ( 14 ) or the second output waveguide ( 18 ) that allows waves to be coupled over and
(c) the means for generating an electro-optical effect on the coupler sections ( 94 , 98 ; 95 , 99 ) of the third and fourth connecting waveguides ( 82 , 90 ) are provided.

8. Optical switch according to claim 7, characterized in that the third and fourth connecting waveguides ( 82 , 90 ) each form an outwardly curved waveguide loop away from the first and second connecting waveguides ( 36 , 38 ).

9. Optical switch according to claim 6 or 8, characterized in that between the waveguide loops and the first and second connecting waveguides ( 36 , 38 ) in alignment with the input and output waveguides ( 12 , 14 ; 16 , 18 ) Absorbers ( 78 , 80 ) are formed to eliminate the stray light.

10. Optical switch according to one of claims 4 to 9, characterized in that contacts ( 66 , 68 ) for driving the optical effect in the first and second connecting waveguides ( 36 , 38 ) generating means on mutually facing sides between the inputs - And output waveguides ( 12 , 14 ; 16 , 18 ) are arranged.

11. Optical switch according to claim 7 or 8, characterized in that contacts ( 96 , 100 ) for driving the optical effect in the third and fourth connecting waveguides ( 82 , 90 ) generating means on opposite sides outside the input and output - Waveguide ( 12 , 14 ; 16 , 18 ) are arranged.

12. Optical switch according to one of claims 4 to 11, characterized in that

(a) the waveguides have a transmittance characteristic with a band edge, light being guided in the waveguides with a wavelength lying in the transmittance region but close to the band edge, and
(b) the electro-optical effect affects the band edge.

13. Optical switch according to claim 12, characterized characterized in that the electro-optical effect of Franz-Keldysh effect is.

14. Optical switch according to claim 12, characterized characterized in that the electro-optical effect of Stark effect on excitons in semiconductors ("Quantum confined "Stark effect) is.

15. Optical switch according to one of claims 4 to 14, characterized in that the means for producing the electro-optical effect are layers acting as electrodes ( 60 ) which form the p-contact of a pn junction and electrically from the other parts of the waveguide are isolated.

16. Optical switch according to claim 15, characterized in that a short interruption of the connecting waveguide ( 26 , 28 , 82 , 90 ) is provided for insulation in connection with the electrodes.

17. Optical switch according to claim 15, characterized characterized in that for isolation in the areas of Electrodes to generate a selective p-diffusion a pn transition is provided.

18. Optical switch according to claim 17, characterized characterized in that to increase the damping at Coupling of light over the p-doped areas themselves beyond the straight coupling sections of the couplers into the curved sections of the connecting Extend waveguide.

19. Optical switch according to one of claims 4 to 18, characterized in that the waveguides in an over the entire substrate ( 10 ) extending, waveguiding layer ( 64 ) made of a material with respect to the refractive indices (n₁₀₄, n₆₂, n₁₀) of For this purpose, adjacent layers on the substrate side with a high refractive index (n₆₄) are defined by ribs ( 112 ) running on this layer made of a material with a refractive index (n₁₁₂) lying between the refractive index (n₆₄) of the wave-guiding layer and the refractive index (n _air ) of the air.

20. Optical switch according to claim 19, characterized in that the ribs ( 112 ) are formed by a layer ( 60 ) made of p-doped material, which forms one of the electrodes for producing the electro-optical effect.

21. Optical switch according to claim 20, characterized in that an n-doped layer ( 62 ) is applied to the substrate ( 10 ), which is held at a reference potential and forms a counter electrode for producing the electro-optical effect and with contacts ( 70 , 72 , 74 , 76 ) is connected.