DE3101415C2

DE3101415C2 -

Info

Publication number: DE3101415C2
Application number: DE3101415A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Terui; Morio Mito Ibaraki Jp Kobayashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1981-01-17
Publication date: 1989-07-06
Also published as: NL185037B; FR2475239B1; US4365862A; DE3101415A1; CA1155934A; GB2070271A; NL185037C; FR2475239A1; NL8100175A; GB2070271B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Bekannte optische Dünnschichtschalter gehören zur Bauart, die einen elektrooptischen Effekt oder einen akustisch- optischen Effekt verwenden. Diese Vorrichtungen lenken den geführten Lichtstrahl durch ein Beugungsgitter, gebildet in einer optischen Wellenleiterschicht durch den elektro-optischen Effekt oder die akustische Oberflächenwelle. Speziell sind interdigitale Elektroden auf einem Dünnschichtwellenleiter vorgesehen, der beispielsweise aus einem elektro- optischen Kristall LiNb_xTa_1-xO₃ im LiNbO₃-System besteht.

Ein Beugungsgitter wird durch einen elektro-optischen Effekt gebildet, der entsprechend einer an diese Elektrode angelegten Spannung erzeugt wird, um so den geführten Lichtstrahl abzulenken. Alternativ wird eine akustische Oberflächenwelle durch eine Ta₂O₅-Schicht fortgepflanzt, der als eine Wellenleiterschicht auf einem piezoelektrischen Kristall wie beispielsweise Quarz, beispielsweise einem Y-geschnittenen α-Quarz abgeschieden ist. Das auf diese Weise durch die die Wellenleiterschicht sich fortpflanzende akustische Oberflächenwelle gebildete Beugungsgitter beugt den geleiteten Lichtstrahl derart, daß der geleitete Lichtstrahl abgelenkt wird. Bei diesen optischen Schaltern ist die wichtigste Eigenschaft ein Ablenkungswinkel des Lichtstrahls, und es ist zweckmäßig, daß der Ablenkungswinkel groß ist, da ein sehr langer Wellenleiter erforderlich ist, um ein ausreichendes Übersprecherfordernis im Falle eines kleinen Ablenkungswinkels zu erhalten. Der durch den obenerwähnten optischen Schalter der Beugungsgitterbauart erhaltene Ablenkungswinkel ist höchstens 2° oder weniger. Dieser kleine Ablenkungswinkel stellt ein großes Problem dar, wenn ein optisches Schalterelement integriert ausgebildet werden soll. Beim optischen Schalter der Beugungsgitterbauart gilt, daß je kürzer die Gitterperiode ist, desto größer der Ablenkungswinkel wird. Es ist infolgedessen notwendig, daß eine den elektro-optischen Effekt verwendende optische Schaltvorrichtung derart ausgelegt ist, daß sie interdigitale Elektroden mit einer Gitterperiode gleich dem Beugungsgitter aufweist. Um diese interdigitale Elektrode zu realisieren, muß ein Elektrodenmuster mit hoher Genauigkeit in der Submikrongrößenordnung ausgebildet werden, wodurch weit fortgeschrittene Verfahren zur Herstellung eines genauen Elektrodenmusters angewandt werden müssen. Bei der die akustische Oberflächenwelle verwendenden optischen Schaltvorrichtung ist es notwendig, eine akustische Oberflächenwelle mit einer Frequenz von mehreren 100 MHz oder mehr zu erzeugen. Daraus ergibt sich, daß außerordentlich komplizierte periphere Vorrichtungen erforderlich sind, wie beispielsweise ein Wandler mit hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung der Ultraschallwelle, ein Hochfrequenzoszillator o. dgl. Diese konventionelle Schaltvorrichtung der Beugungsgitterbauart hat somit den Nachteil, daß die Herstellungskosten hoch sind und daß sich zudem der obenerwähnte Nachteil des kleinen Ablenkwinkels egibt.

Eine weitere Schaltvorrichtung wurde in folgender Literaturstelle vorgeschlagen: S. K. Sheem et al. in Applied Optics, Band 17, No. 6, S. 892 (15. März 1978), mit dem Titel "Light beam switching and modulation using a built-in dielectric channel in LiNbO₃ planar waveguide". Bei diesem Vorschlag wird ein Paar von Streifenelektroden mit einem ordnungsgemäßen Abstand entgegengesetzt auf einem Dünnschichtwellenleiter aus einem elektro-optischen Kristall angeordnet, beispielsweise auf einem Ti diffundierten LiNbO₃ Dünnschichtwellenleiter. Wenn eine vorbestimmte Spannung an diese Elektrode nicht angelegt wird, so pflanzt sich der geleitete Lichtstrahl geradewegs durch die Wellenleiterzone oder den Kanal zwischen den Elektroden hinweg fort. Wenn an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, so vermindert der elektro-optische Effekt den Brechungsindex in der Wellenleiterzone zwischen den Elektroden, um den geleiteten Lichtstrahl derart total zu reflektieren, daß der Lichtstrahl abgelenkt wird. Der durch die Schaltvorrichtung erreichte Ablenkwinkel ist jedoch höchstens 12° und der Ablenkwinkel wirft daher noch immer große Probleme bei der Herstellung eines optischen Schalters in der Form einer optischen integrierten Schaltung auf.

Aus der US-PS 35 89 794, insbesondere Fig. 19, ist eine Anordnung bekannt, bei der das Licht in einem kanalartigen Wellenleiter geführt und ein beweglicher dielektrischer Körper vorgesehen ist, der die Kopplung zwischen dem kanalartigen Wellenleiter und einem zweiten kanalartigen Wellenleiter, der einen Resonator darstellt, und damit die Intensität und Phase des sich im ersten Wellenleiter ausbreitenden Lichtes steuert. Die Arbeitsweise der bekannten Anordnung stellt jedoch keine Schaltfunktion für den Lichtstrahl dar. Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das bekannte Prinzip der Beeinflussung des Brechungsindexes einer Lichtwellenleiterschicht durch Annäherung eines dielektrischen Körpers, wie es aus der US-PS 85 89 794 bekannt ist, so weiterzubilden, daß eine Schaltfunktion für die in der Lichtwellenleiterschicht geführten Lichtstrahlen geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der erfindungsgemäße optische Schalter ermöglicht ein vollständiges Umschalten von Lichtstrahlen aus einer Richtung in eine andere, wenn mit Hilfe des beweglichen dielektrischen Körpers das Licht einmal gerade durchgelassen und das andere Mal total reflektiert wird. Ein besonderer Vorteil des optischen Schalters liegt insbesondere darin, daß sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein großer Ablenkwinkel ergibt, so daß bei einer Anordnung mit mehreren Schaltern eine kompakte Bauweise möglich ist, wie im weiteren noch ausführlich erläutert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-20 angegeben.

Gemäß des in Anspruch 2 angegebenen Mischungsverhältnisses ergibt sich eine besonders große Änderung des Brechungsindex. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eine optische Wellenleiterschicht, gebildet durch eine SiO₂-TaO₅- Schicht, in der folgenden Literaturstelle beschrieben: Applied Physics Letter, 32 (10), 15. Mai 1978, "Refractive- indexadjustable SiO₂-Ta₂O₅ films for integrated optical circuits". Ferner haben die Erfinder ein neues Verfahren zur Herstellung eines Kanalwellenleiters auf einer SiO₂-Ta₂O₅-Schicht durch einen CO₂-Laser in der folgenden Literaturstelle beschrieben: Electronic Letters, 1. Februar 1979, Bd. 15, 3, S. 79-80, mit dem Titel "Fabrication of channel optical waveguide using CO₂ laser". Gemäß dem Verfahren wurde in erfolgreicher Weise eine große Änderung des Brechungsindex von 2% erreicht. Die Erfinder haben festgestellt, daß der Ablenkwinkel des Lichtstrahls dadurch vergrößert werden kann, daß man ein solches Verfahren ausnutzt, wobei die vorliegende Erfindung auf dieser technischen Erkenntnis basiert.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen der dielektrische Körper nicht manuell, sondern mittels einer Steuereinrichtung in seiner Lage verändert wird, sind in den Ansprüchen 15-18 angegeben.

Aufgrund des mit der vorliegenden Erfindung erzielten größeren Ablenkwinkels ist es möglich, einen optischen Schalter mit einer Vielzahl von Eingängen und einer Vielzahl von Ausgängen zu schaffen, wie dies in den Ansprüchen 20 und 21 angegeben ist. Trotz der Vielzahl der optischen Schaltbereiche ergibt sich dennoch ein kompakter Aufbau.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Schaffung integrierter optischer Schalter geeignet.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines optischen Schalters gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des optischen Schalters gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Dicke l₃ der Zwischenlage im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters, und zwar abhängig von der Änderung des kritischen Winkels der TotalreflexionΔR c,

Fig. 4 eine graphische Darstellung von Kennlinien der Beziehung zwischen einer Dicke l₃ der Zwischenlage und der Änderung des kritischen Winkels der Totalreflexion ΔR c, wobei eine Dicke l₂ der optischen Wellenleiterschicht einen Parameter bildet,

Fig. 5 eine graphische Darstellung von Kennlinien einer Beziehung zwischen einem Brechungsindex n₄ eines dielektrischen Glieds und der Änderung des kritischen Winkels der Totalreflexion, wobei eine Dicke l₂ der optischen Wellenleiterschicht einen Parameter bildet,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Schalters,

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des optischen Schalters gemäß Fig. 6,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Schalters,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer 1×3-Schaltanordnung, unter Verwendung von optischen Schaltelementen gemäß Fig. 8,

Fig. 10 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines 1×5-Schalters, unter Verwendung von optischen Schaltern gemäß der Erfindung,

Fig. 11 und 12 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optischen Schalters,

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines 2×2 optischen Schalterelements gemäß der Erfindung,

Fig. 14A und 14B schematische Diagramme, welche die Verbindungszustände des 2×2-Schalters gemäß Fig. 3 darstellen,

Fig. 15 und 16 schematische Diagramme von zwei Ausführungsbeispielen eines N×N-Schaltkreises gemäß der Erfindung,

Fig. 17 und 18 schematische Diagramme, welche den detaillierten Aufbau eines N×N-Schaltkreises gemäß der Erfindung darstellen.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wo der Grundaufbau eines erfindungsgemäßen optischen Schalters dargestellt ist. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein geglättetes Substrat bezeichnet, beispielsweise ein Vycor-Substrat, welches bezüglich eines geführten Lichtstrahls transparent ist. Eine optische Führungsschicht (Film) 2 mit einer Dicke vergleichbar mit einer Wellenlänge des Lichts, beispielsweise eine SiO₂-Ta₂O₅-Schicht, ist auf dem Substrat 1 abgeschieden. Zum Zwecke der Darstellung ist das x-y-Koordinatensystem auf einer Ebene der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet, wobei eine z-Achse orthogonal zu den x-y-Koordinaten verläuft. Eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone (Region) 2′ erstreckt sich linear in Richtung der y-Achse und ist an einer vorbestimmten Stelle der optischen Wellenleiterschicht 2 durch CO₂-Laserbestrahlung ausgebildet. Ein dielektrisches Chip (Element) 4 ist transparent bezüglich in die optische Wellenleiterschicht 2 eintretendem Licht 5 und besitzt eine Unterseite (Bodenoberfläche) parallel zur x-y-Ebene und ist ferner oberhalb der optischen Wellenleiterschicht 2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ angeordnet, wobei eine Zwischenlage, beispielsweise eine Luftlage 3 dazwischen angeordnet ist. Das dielektrische Chip 4 ist in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung oder in Richtung der Z-Achse beweglich und dient zur Änderung der effektiven Brechungsindices in der optischen Wellenleiterschicht 2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ durch Änderung eines Abstandes zwischen einer durch die optische Wellenleiterschicht 2 und die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ gebildete Ebene und dem dielektrischen Chip 4. Statt daß man das dielektrische Chip 4 in Richtung der Z-Achse bewegt, ergibt sich klar, daß der Abstand auch dadurch geändert werden kann, daß man das dielektrische Chip 4 bezüglich dem die Schicht 2 tragenden Substrat 1 und der Zone 2′ in einer entsprechenden x-y-Richtung versetzt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des optischen Schalters gemäß Fig. 1, und zwar verläuft der Schnitt in der x-y-Ebene. In Fig. 2 sind mit l₂ und l₃ die Dicken (Stärken) der optischen Wellenleiterschicht 2 bzw. der Zwischenlage 3 bezeichnet. In diesem Fall werden die Dicken von Substrat 1 und beweglichem dielektrischem Chip 4 als unbegrenzt angesehen. Wenn eine Beziehung n₂<n₂′<n₄<(n₁, n₃) vorliegt, wobei n₁, n₂, n₂′, n₃ und n₄ die Brechungsindices des Substrats 1 bzw. der optischen Wellenleiterschicht 4 bzw. die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ bzw. der Zwischenlage 3 bzw. des beweglichen dielektrischen Chips 4 sind, so existiert eine Wellenleitermode (Betriebsart) in der optischen Wellenleiterschicht 2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′. Ferner ist der Brechungsindex n₂′ dann, wenn, wie beschrieben eine Gauß'sche Verteilung vorliegt, ein Wert erhalten in der Mitte der Zone 2′ in y-Achsen-Richtung. Wenn der effektive Brechungsindex N ist, so ist eine Eigen- Gleichung der Mode zur Erfüllung von n₂<n₂′<N<n₄< (n₁, n₃) wie folgt gegeben.

a₂l₂ = tan^-1 (T₂₁² a₁/a₂) - tan^-1 (T₂₃² Φ a₃/a₂) + m π (1)

dabei ist

wobei λ die Wellenlänge des geleiteten Lichts ist und m Null oder eine positive ganze Zahl ist, welche die Ordnung der Mode bezeichnet.

Es sei ein Fall angenommen, wo der geführte Lichtstrahl 5, wie in Fig. 1 gezeigt, unter einem Winkel R in die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ einfällt. Wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 einen hinreichenden Abstand gegenüber der optischen Wellenleiterschicht 2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ besitzt, d. h. dann, wenn die Dicke l₃ groß ist, so wird angenommen, daß ein effektiver Brechungsindex in der optischen Wellenleiterlage 2 bezüglich des geleiteten Lichtstrahls 5 N₀ ist, und daß ein effektiver Brechungsindex in der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ bezüglich des geführten Lichtstrahls 5 N₀′ ist. Die Werte der effektiven Brechungsindices N₀ und N₀′ werden dadurch erhalten, daß man n₂ und n₂′ für n₂ in Gleichung (1), jeweils substituiert, und dadurch, man l₃→∞ gehen läßt. Wenn cos R<(N₀′/N₀), so wird ein extrem kleiner Teil des geführten Lichtstrahls 5 durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ reflektiert, aber der größere Teil des geführten Lichtstrahls läuft durch die Zone 2′ hindurch und wird als ein durchgelassener Lichtstrahl 5′ abgegeben. Wenn cos R<(N₀′/N₀), so wird der geführte Lichtstrahl 5 in der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ total in einen abgelenkten Lichtstrahl 5′′ reflektiert. Der Ablenkwinkel ist dabei, wie man in Fig. 1 erkennt, 2R.

Wenn man unter dieser Bedingung das bewegliche Chip 4 der optischen Wellenleiterlage 2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ nähert oder wenn man, anders ausgedrückt, die Dicke l₃ verkürzt, so steigen die effektiven Brechungsindices von sowohl der optischen Wellenleiterschicht 2 als auch der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ an, weil n₄<n₃. Die Anstiegsrate oder Geschwindigkeit des effektiven Brechungsindex der Zone 2′ ist größer als die der Schicht 2, wie man aus Gleichung (1) erkennt. Wenn die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht 2 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ N bzw. N′ sind, und wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 dicht zur Wellenleiterschicht 2 und Zone 2′ gebracht ist, so gilt folgende Beziehung:

N′/N<N₀/N₀ .

Wenn somit ein Einfallswinkel R derart ausgewählt ist, daß

(N′/N<cos R<(N₀′/N₀) (2)

Genüge getan wird, so erhält man folgendes Resultat.

Das heißt also, wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 sich dicht zur Schicht 2 und der Zone 2′ befindet, so ist die Bedingung für die totale interne Reflexion nicht erfüllt, und der geleitete Lichtstrahl 5 wird durch die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ übertragen und tritt aus dieser als übertragener Lichtstrahl 5′ aus. Wenn umgekehrt das dielektrische Chip 4 entfernt von Schicht 2 und Zone 2′ angeordnet ist, so wird die Bedingung für die Totalreflexion erfüllt, so daß der geführte Lichtstrahl der abgelenkte Lichtstrahl 5′′ wird. Auf diese Weise kann durch Bewegung des dielektrischen Chips 4 in Richtung der Z-Achse, wie durch den Pfeil in Fig. 1 angezeigt, der geführte Lichtstrahl 5, der übertragene Lichtstrahl 5′ oder der abgelenkte Lichtstrahl 5′′ werden, so daß der geführte Lichtstrahl 5 abgelenkt werden kann.

Wie oben beschrieben ist der Ablenkwinkel gemäß der Erfindung 2R und wird größer, wenn N₀′/N₀ kleiner wird, wie man aus Gleichung (2) erkennt. Diese Tatsache deutet an, daß, um so kleiner das Verhältnis aus dem Brechungsindex n₂′ die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ zu Brechungsindex n₂ der Wellenleiterschicht 2, um so größer der Ablenkwinkel 2R wird. Gemäß der Erfindung ist es möglich, das Verhältnis von n₂′/n₂ hinreichend zu verkleinern, wie dies sich klar aus den Beispielen der Erfindung ergibt.

Ein spezielles Beispiel eines erfindungsgemäßen in Fig. 1 gezeigten optischen Schalters sei nunmehr beschrieben. Für das Substrat 1 wurde Vycor-Glas (Brechungsindex n₁=1,457) verwendet. Für die Herstellung der optischen Wellenleiterschicht 2 wurde ein Sprühtarget verwendet, und zwar bestehend aus einer Mischung von SiO₂ und Ta₂O₅-Pulvern mit einem Verhältnis von SiO₂ 25 Mol-% - Ta₂O₅ 75 Mol-%. Eine Schicht (Brechungsindex n₂=2,056) mit dem oben beschriebenen Verhältnis der Bestandteile wurde auf dem Substrat 1 mit einer Dicke l₂=0,8 µm abgeschieden, und zwar durch Verwendung eines konventionellen H-F-Sprühverfahrens, um so die optische Wellenleiterschicht 2 zu bilden. Darauffolgend wurde ein CO₂-Gas-Laser als Wärmequelle verwendet, und die optische Wellenleiterschicht 2 wurde mit einer Gaußschen Lichtintensitätsverteilung bestrahlt, wobei eine Relativbewegung erfolgte zwischen dem Laserstrahl und der optischen Wellenleiterschicht 2, um so die in Fig. 1 gezeigte, einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ mit einer Breite von 300 µm auszubilden. Durch richtige Steuerung der Bestrahlungsleistung des CO₂-Gas-Laserstrahls wurde der Brechungsindex n₂′ der Zone 2′ auf 2,015 eingestellt. In diesem Falle war die Brechungsindexverteilung der Zone 2′ in der Y-Achsenrichtung die Gaußsche Verteilung entsprechend der Lichtintensitätsverteilung des Laserstrahls. Alternativ könnte die Brechungsindexverteilung stufenweise oder schrittweise vorgesehen sein. Der geführte Lichtstrahl 5 mit einer Wellenlänge λ von 0,6328 µm fiel in die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ ein. Das dielektrische Chip 4 in der Form von einen hohen Brechungsindex aufweisendem Glas (n₄= 1,975) war oberhalb der Schicht 2 und der Zone 2′ angeordnet, und zwar über eine Luftblase 3 (n₃=1,0). Wie oben beschrieben ist der kritische Winkel der Totalreflexion R _c gegeben durch R _c=cos^-1 (N′/N).

Eine Veränderung des kritischen Winkels der Totalreflexion R _c wurde dann gemessen, wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 bezüglich der Schicht 2 und der Zone 2′ bewegt wird, und zwar von l₃=3 µm zu l₃=0 (wo das dielektrische Chip 4 die Schicht 2 und die Zone 2′ kontaktiert). Das Ergebnis dieser Messung ist graphisch in Fig. 3 dargestellt und wird mathematisch wie folgt ausgedrückt:

ΔR _c = cos^-1 (N₀′/N₀) - cos^-1 (N′/N) .

Bei dieser Messung wurden hierbei die TE₀- und TM₀-Moden verwendet. Wenn l₃=3 µm war, so ergab sich der kritische Winkel der Totalreflexion R _c zu 11,32° bei der TE₀-Mode und zu 11,27° in der TM₀-Mode, und zwar gemäß Gleichung 1. Mit dem Abnehmen des Abstandes l₃ von 3 µm an beginnt R _c seinen Wert bei ungefähr 1000 Å zu ändern, wie man in Fig. 3 erkennt. Wenn l₃=0 war, so wurde der Winkel R _c um 1,16° in der TE₀-Mode und um 1,89° in derTM₀-Mode verkleinert. Daraus ergibt sich, daß in der TE₀-Mode der auf die optische Wellenleiterschicht 2 mit einem Winkel R innerhalb des Bereichs von 10,16°<R<11,32° einfallende geführte Lichtstrahl 5 durch Bewegung des dielektrischen Chips 4 abgelenkt werden kann. In der TM₀-Mode sollte der Einfallswinkel R innerhalb eines Bereichs von 9,38°<R<11,27° liegen. Der Ablenkwinkel 2R liegt für beide Moden im Bereich von 20,32° bis 22,64° in der TE₀-Mode und von 18,76 bis 22,54° in der TM₀-Mode. Die Auslöschverhältnisse des abgelenkten Lichtstrahls 5′′ und des übertragenen Lichtstrahls 5′ betrugen 16 dB bzw. 12 dB in der TE₀-Mode. Die TM₀-Mode hatte endliche Werte für die entsprechenden Auslöschverhältnisse.

Wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 von einer Stelle l₃=3 µm zur optischen Wellenleiterschicht 2 hinbewegt wird, so wurde eine Beziehung zwischen dem Abstand l₃ und der Änderung des kritischen Winkels der Totalreflexion ΔR _c der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ gemessen, wobei das Ergebnis in Fig. 4 für die TE₀-Mode aufgetragen ist. Wie man aus der Darstellung der Fig. 4 erkennt, wird dann, wenn die Versetzung des dielektrischen Chips 4 höchstens 0,2 µm beträgt, die optische Schaltfunktion erhalten.

Die graphische Darstellung in Fig. 5 zeigt die Beziehung der Änderung ΔR _c des kritischen Winkels der Totalreflexion, abhängig vom Brechungsindex n₄ des dielektrischen Chips 4, wobei die Dicke der Wellenleiterschicht 2 einen Parameter bildet, und zwar für eine Versetzung oder Verschiebung des dielektrischen Chips 4 von l₃=3 µm zu l₃=0. Diese Darstellung zeigt, daß ΔR _c mit dem Anstieg von n₄ ansteigt und das Maximum bei einem speziellen Wert von n₄ erreicht. Oberhalb des speziellen Werts von n₄ wird ΔR _c abgeschnitten. Sämtliche verwendete Wellenleiterschichten zeigten dieses Merkmal gemeinsam. Wenn eine Dicke der Schicht 2 0,5 µm oder kleiner ist, so ist ΔR _c 2° oder größer; der Lichtstrahl leckt jedoch zum dielektrischen Chip 4 hin, was eine Erhöhung des Einsetzens bedeutet. Wenn eine Dicke von 1,0 µm oder mehr vorliegt, so ist ΔR _c 1° oder kleiner, so daß das Auslöschverhältnis vermindert wird und demgemäß wird die Schaltfunktion degradiert (verschlechtert). Infolgedessen ist eine bevorzugte Dicke der optischen Wellenleiterschicht 2 im Bereich von 0,6 µm bis 1 µm gegeben.

Im Falle des zylindrischen dielektrischen Chips 4 gemäß Fig. 1 war bei Bewegung des dielektrischen Chips 4 durch Schraubmittel der für die Bewegung notwendige Lastdruck 160 g. Wenn die untere Kante des dielektrischen Chips 4 scharf zugespitzt wurde, so wurde der Lastdruck auf 1 g oder weniger vermindert. Der letztgenannte Fall hatte jedoch den Nachteil, daß die Strahlenkonfiguration des Schalterausgangslichtes deformiert wurde.

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Schalters. Die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 werden auch in Fig. 6 aus Gründen der Einfachheit für die gleichen oder gleichwirkenden Teile verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Abstandselemente 11 mit einer ordnungsgemäßen Dicke, beispielsweise dünne Fotoresistlagen auf der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet, und zwar an Stellen, welche eine glatte Fortpflanzung des geführten Lichtstrahls 5 in der Wellenleiterschicht 2 gestatten. Durch die Abstandselemente 11 wird eine bezüglich des geführten Lichtstrahls 5 transparente flexible dielektrische dünne Schicht 12 auf der Wellenleiterschicht 2 befestigt. Infolgedessen wird die Zwischenlage 3 oder die Luftlage 3 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, die bestimmt ist durch die Höhe der Abstandselemente 11, gebildet zwischen der optischen Wellenleiterschicht 2 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ sowie der dielektrischen Dünnschicht 12. Die Oberseite der dielektrischen Dünnschicht 12 ist mit einer Schutzschicht (Film) 13, bestehend aus Epoxyharz, Silikonharz o. dgl. abgedeckt. Ein Druckelement (Kissen) 14 ist oberhalb der Schutzlage 13 angeordnet und ist in einer durch den Pfeil angedeuteten Richtung beweglich, und zwar senkrecht zu den entsprechenden Oberflächen der optischen Wellenleiterlage 2 und der dielektrischen Dünnschicht 12, d. h. in Richtung der z-Achse, und zwar infolge der Bewegung eines Hebels 15. Die Schutzlage 13 verhindert eine Beschädigung der dielektrischen Dünnschicht 12 infolge direkten Kontakts der Schicht 12 mit dem Druckelement 14.

Ein vergrößerter Querschnitt des in Fig. 6 gezeigten optischen Schalters längs x-Z-Ebene ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 2 bezeichnen l₂ bzw. l₃ die Dicken der optischen Wellenleiterschicht 2 bzw. der Zwischenlage 3. Die Dicken des Substrats 1 und der flexiblen dielektrischen Schicht 12 sind hinreichend größer als die Wellenlänge des geleiteten Lichtstrahls 5 und die Dicke l₂ der optischen Wellenleiterschicht 2 und können als unendlich oder unbegrenzt angesehen werden. Wenn das Druckelement 14 durch die Wirkung des Hebels 15 in einen Zustand niedergedrückt wird, wo die Dicke l₃ auf einem Wert durch das Abstandselement gehalten wird, der hinreichend größer ist als die Wellenlänge λ, so wird die flexible dielektrische Dünnschicht 12 örtlich an einem Teil gebogen, wo die flexible dielektrische Dünnschicht 12 zur Schicht 2 und zur Zone 2′ hin niedergedrückt wird, um so den Abstand l₃, wie in Fig. 7 gezeigt, zu verkürzen. Durch Bewegung des Druckelements 14 in Richtung der z-Achse oder in Richtung des Pfeils in Fig. 6, wird der geführte Lichtstrahl 5 in den übertragenen oder transmittierten Lichtstrahl 5′ oder den abgelenkten Lichtstrahl 5′′ transformiert. Infolgedessen wird die Fortpflanzrichtung des geführten Lichtstrahls 5 um einen Winkel 2R geschaltet.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel des optischen Schalters gemäß Fig. 6 wird im folgenden weiter erläutert. Das Verfahren zur Herstellung der optischen Wellenleiterschicht 2 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ war genau das Gleiche wie für das obenerwähnte Ausführungsbeispiel. Die Abstandselemente 11 wurden beispielsweise durch Abscheidung eines Fotoresists auf der optischen Wellenleiterschicht 2 mit der Dicke 3 µm ausgebildet. Speziell wurde ein gemusterter Fotoresistteil verwendet, und zwar erhalten durch Entwicklung eines Fotoresists, der mit einem solchen Muster belichtet wurde, um so die optischen Pfade des geführten Lichtstrahls 5, des übertragenen Lichtstrahls 5′ und des abgelenkten Lichtstrahls 5′′ zu vermeiden. Eine einen hohen Brechungsindex (n₄=1,975) aufweisende dünne Glaslage mit 50 µm Dicke wurde als die dielektrische Dünnschicht 12 mit den Abstandselementen 11 durch ein geeignetes Klebemittel verbunden. Die dielektrische Dünnschicht 12 wurde mit der Schutzlage 13 überzogen, die hergestellt war aus einem Epoxy- oder Silikonharz mit einer Dicke von 50 µm. Wie beim obenerwähnten Ausführungsbeispiel kann das vorliegende Ausführungsbeispiel den Ablenkwinkel 2R, d. h. von 20,32° bis 22,64° in der TE₀-Mode und von 18,75° bis 22,54° in der TM₀-Mode erreichen.

Beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, daß das dielektrische Chip 4 direkt die Wellenleiterschicht 2 kontaktiert. Wenn infolgedessen das dielektrische Chip 4 seitlich auf der Wellenleiterschicht 2 gleitet, so kann eine Verkratzung durch das dielektrische Chip 4 auftreten. Andererseits ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 der Abstand l₃ der Zwischenlage 3 bestimmt durch Wellenleiterschicht 2 und die dielektrische dünne Lage 12, so daß die Wellenleiterschicht 2 selbst dann nicht beschädigt wird, wenn die dielektrische dünne Lage 12 die Wellenleiterschicht 2 kontaktiert. Anders ausgedrückt gibt es hier, anders als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, keine Gleitbewegung zwischen den Schichten 2 und 12.

Die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden die manuelle Bewegung des dielektrischen Chips 4 und des Druckelements 14. Eine derartige Anordnung ist für eine optische integrierte Schaltung nicht geeignet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Lösung dieses Problems wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben, wo der Raum zwischen dem dielektrischen Chip und der Wellenleiterschicht elektrisch gesteuert wird. Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet die Flexibilität des beweglichen dielektrischen Chips und die Veränderung oder Variation des dielektrischen Chips wird durch einen elektrischen Druckmechanismus in der Weise gesteuert, daß der Abstand zwischen der optischen Wellenleiterschicht und dem dielektrischen Chip geändert wird, um so die Fortpflanzungsrichtung des einfallenden geleiteten Lichtstrahls zu ändern.

In Fig. 8 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 die gleichen oder äquivalenten Teile aus Gründen der Einfachheit. Die Wellenleiterschicht mit dem Brechungsindex n₂ ist auf dem Substrat 1 mit dem Brechungsindex n₁ abgeschieden. Die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ mit dem Brechungsindex n₂′ (n₂<n₂′) ist in der Wellenleiterschicht 2 ausgebildet. Eine flexible dielektrische dünne Lage 21, die bezüglich des geführten Lichtstrahls 5 transparent ist, ist oberhalb der Zone 2′ ausgebildet, und zwar unter Zwischenanordnung der Luftlage 3 zwischen der dielektrischen dünnen Lage 21 und der Zone 2′. Die flexible dielektrische dünne Lage 21 ist durch ein Klebemittel 23 an vorbestimmten Stellen der optischen Wellenleiterschicht 2 befestigt, und zwar an Stellen, die nicht vom Fortpflanzungspfad des geleiteten Lichtstrahls 5 eingenommen sind, wobei das Abstandselement 22 zwischen der Lage 21 und der Schicht 2, wie in Fig. 8 gezeigt, angeordnet ist, so daß die Lage 21 an einer Bewegung in Richtung der Oberfläche der Wellenleiterschicht 2 gehindert ist. Eine flexible Schutzabdeckung 24 bedeckt die Teile, wo die dielektrische dünne Lage 21 vorgesehen ist, um einen Puffer zu bilden für den mechanischen Stoß auf die dielektrische dünne Lage 21 dann, wenn Druck daran angelegt wird, um so zu verhindern, daß Staub in die Luftlage 3 eintritt. Eine Druckkugel 25, befestigt an einer Druckfeder 26, ist oberhalb der flexiblen dielektrischen dünnen Lage 21 in Berührung mit der Oberseite der Schutzabdeckung 24 angeordnet. Die Druckkugel 25 wird zur Reduzierung der Druckkraft verwendet. Die Feder 26 besitzt einen Schenkel, der einen Eisenhebel 27 berührt und einen weiteren Schenkel, der an einem Rahmen 28 befestigt ist. Der Eisenhebel 27 ist schwenkbar an einem Ende mit dem unteren Ende des Rahmens 28 verbunden. Ein Elektromagnet 29 ist am Rahmen 28 derart befestigt, daß der Eisenhebel 27 vom Elektromagneten 29 angezogen werden kann. Der Rahmen 28 ist ferner an einem Elektromagnetbefestigungsglied 30 befestigt. Wenn kein Strom in den Elektromagneten 29, befestigt am Elektromagnetbefestigungsglied 30, eingespeist wird, so wird die flexible dielektrische Dünnschicht 21 nach unten in Fig. 8 durch die Druckfeder 26 und die Kugel 27 gedrückt, um gegen die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ und ein Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 in der Nachbarschaft oder Nähe der Zone 2′ gebogen und gedrückt zu werden. Wenn Strom in den Elektromagneten 29 eingespeist wird, so wird der Eisenhebel 27 angezogen und die flexible dielektrische dünne Schicht 21 kehrt nach oben (in ihre Ausgangslage) zurück, und zwar infolge ihrer Elastizität, um so einen Spalt zwischen der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und dem Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 und der dielektrischen dünnen Platte (Schicht) 21 zu bilden.

Der Abstand des Spalts zwischen der flexiblen dielektrischen dünnen Lage 21 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und dem Nachbarschaftsgebiet kann durch den Elektromagneten 29 gesteuert werden. Die Fortpflanzrichtung des geleiteten Lichtstrahls 5 in der optischen Wellen leiterschicht 2 kann in der Richtung des durchgelassenen Lichtstrahls oder die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls durch Steuerung des Abstands des Spalts geschaltet werden. Wenn speziell der Einfangswinkel R des Wellenleiter-geführten Lichtstrahls 5 bezüglich der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ derart gewählt wird, daß der Gleichung (2) Genüge getan wird, so ist die Totalreflexionsbedingung des geführten Lichtstrahls 5 zu der Zeit nicht erfüllt, wo das bewegliche dielektrische Chip 21 dicht zur Schicht 2 und der Zone 2′ liegt, so daß der geführte Lichtstrahl durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ übertragen wird und der übertragene Lichtstrahl von dort abgeleitet wird. Wenn das dielektrische Chip 21 entfernt gegenüber der Zone 2′ angeordnet ist, so wird die Bedingung der Totalreflexion erfüllt, und der abgelenkte Lichtstrahl wird von Zone 2′ abgeleitet. Auf diese Weise wird durch Bewegung des dielektrischen Chips 21 vertikal in Fig. 8 durch den Elektromagneten 29 der geführte Lichtstrahl 5 in den übertragenen Lichtstrahl oder den abgelenkten Lichtstrahl transformiert, was das optische Schalten der Fortpflanzrichtung des geführten Lichtstrahls zur Folge hat. Im folgenden wird ein spezielles Beispiel des optischen Schalters der Erfindung gemäß Fig. 8 erläutert. Es wurde hier ein Vycor-Glas (Brechungsindex n₁=1,457) für das Substrat 1 verwendet. Für die Herstellung der optischen Wellenleiterschicht 2 wurde ein Zerstäubungs- oder "sputter target" benutzt, bestehend aus einer Mischung von SiO₂- und Ta₂O₅-Pulvern, und zwar mit einem Verhältnis von SiO₂ 25 Mol-% - Ta₂O₅ 75 Mol-%, wie vorstehend beschrieben. Eine Schicht (Brechungsindex n₂=2,056) mit dem oben beschriebenen Verhältnis der Bestandteile wurde auf dem Substrat 1 mit einer Dicke l₂=0,72 µm abgeschieden, und zwar durch ein konventionelles H-F-Sprühverfahren, um so die optische Wellenleiterschicht (Film) 2 zu bilden. Darauffolgend wurde ein CO₂-Gas-Laser als Wärmequelle vewendet, und die optische Wellenleiterschicht 2 wurde wie vorstehend beschrieben bestrahlt, um die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ mit einer Breite von 300 µm und einem Brechungsindex n₂′=2,015 zu erzeugen. Eine dielektrische dünne Lage 21 aus einem GGG (gadolinium gallium garnet)-Kristall mit einer Dicke von 60 µm und dem Brechungsindex n₄=1,980 wurde oberhalb der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und der Nachbarschaftszone (Nachbarschaftsgebiet) der Wellenleiterschicht 2 vorgesehen, und zwar über eine dazwischen angeordnete Luftlage 3 mit dem Brechungsindex n₃=1,0. Die dielektrische dünne Lage 21 wurde durch Klebemittel 23 an Stellen, die sich vom Fortpflanzungspfad des geführten Lichtstrahls 5 unterscheiden, auf der optischen Wellenleiterlage 2 befestigt, und zwar über eine Kunststoffabdeckung (Folie) 22 mit einer Dicke von 50 µm. Zum Schutz der GGG-Dünnschicht 21 ist eine flexible Kunststoffschutzabdeckung oder Folie 24 mit einer Dicke von 50 µm als Überzug über der GGG-Dünnschicht 21 aufgebracht. Die Stahlkugel 25 mit einem Durchmesser von 1 mm wurde derart an der Feder 26 befestigt, daß die GGG-Dünnschicht 21 durch die Kunststoffolie 24 mittels der Stahlkugel 25 zusammendrückbar war. Bei diesem Material und diesem Aufbau war für den optischen Schaltvorgang eine Druckkraft von 25 g erforderlich. Der Druck in einer solchen Größenordnung war leicht erhältlich durch Verwendung eines Miniaturelektromagnets, der beispielsweise mit einer niedrigen Leistung von 6 V und 0,06 A betrieben werden kann.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 8 ist die Druckkraft hinreichend klein, und das dielektrische Chip ist flexibel, so daß die Wellenleiterschicht nicht beschädigt wird. Die Schutzabdeckung 24 verhindert das Eintreten von Staub in den Schaltabschnitt. Die Stellen, an denen der Druck durch die Druckkugel 24 aufgebracht wird, können mit einem hohen Freiheitsgrad ausgewählt werden, so daß die Elektromagnete leicht anzuordnen sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer 1×3-Schaltanordnung unter Verwendung von optischen Schaltern gemäß Fig. 8 ist in Fig. 9 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise auf der optischen Wellenleiterschicht 2 ein Paar von den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′-1 und 2′-2 streifenförmig und parallel zueinander in einem Abstand von 2,5 mm angeordnet. In die Wellenleiterschicht 2 fällt Licht unter einem Einfallswinkel R über ein Einfallsprisma 34 in Form eines Rutilprismas ein. Den Bezugszeichen sind hier die Teile "-1" und "-2" zugefügt, um die Teile des in Fig. 8 gezeigten Schaltabschnitts zu bezeichnen. Ferner werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 zur Bezeichnung entsprechender Teile in Fig. 8 benutzt. Ein Einfallslichtstrahl L₁ fällt auf das Einfallsprisma 34 ein, und ein aus dem Einfallsprisma 34 austretender Lichtstrahl L₂ wird derart geleitet, daß er durch den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′-1 in einem ersten Schaltabschnitt läuft. Ein übertragener Lichtstrahl L₃ pflanzt sich in einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Richtung fort, wohingegen ein abgelenkter Lichtstrahl L₄ in einer durch eine ausgezogene Linie angezeigten Richtung läuft. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein zweiter Schaltabschnitt mit der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′-2 dem optischen Pfad des abgelenkten Lichtstrahls L₄ angeordnet. Der übertragene oder durchgelassene Lichtstrahl L₃ vom ersten Schaltabschnitt fällt auf ein Ausgangsprisma 35 in der Form eines Rutilprismas auf. Ein abgelenkter Lichtstrahl L₅ emittiert vom zweiten Schaltabschnitt, angedeutet durch eine ausgezogene Linie, fällt auf ein Ausgangsprisma 36 in der Form eines Rutilprismas auf. Ein übertragener Lichtstrahl L₆, ausgetreten aus dem zweiten Schaltabschnitt, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, fällt auf ein Ausgangsprisma 37 in der Form eines Rutilprismas auf. Elektrische Leistung wird von einer Leistungswelle 39 an die Elektromagnete 38-1 bzw. 38-2 über Schalter 38-1 bzw. 38-2 geliefert. Auf diese Weise läuft der einfallende geführte Lichtstrahl durch die beiden Schaltabschnitte zu irgendeinem der Ausgangsprismen 35-37 und wird zur Außenseite der optischen Wellenleiterschicht 2 emittiert.

Im dargestellten Zustand der Schaltanordnung gemäß Fig. 9 sind die beiden Schalter 38-1 und 38-2 geschlossen, so daß Leistung an die beiden ersten und zweiten Elektromagnete 29-1 und 29-2 geliefert wird. Demgemäß wird der geführte Lichtstrahl L₂ zweimal in die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′-1 und 2′-2 reflektiert, um das Ausgangsprisma 36 zu erreichen. Wenn die Leistungsversorgung für den ersten Elektromagneten 29-1 durch Öffnen des Schalters 38-1 unterbrochen wird, so erreicht der geführte Lichtstrahl L₂ das Ausgangsprisma 35. Wenn der Schalter 38-1 geschlossen ist und Leistung an den ersten Elektromagneten 29-1 liefert und der Schalter 38-2 geöffnet ist und die Leistungsversorgung zum zweiten Elektromagneten 29-2 unterbricht, so erreicht der geführte Lichtstrahl das Ausgangsprisma 37.

Beim optischen Schaltkreis der vorliegenden Erfindung betrug bei Verwendung eines TE₀-Mode geführten Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von 0,6328 µm der erhaltene Ablenkwinkel 22°, und die Schaltgeschwindigkeit war annähernd 100 msec. Die Größe der Dämpfung zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂ und dem übertragenen Lichtstrahl L₃ betrug 0,5 dB. Die Dämpfungsgröße zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂ und dem abgelenkten Lichtstrahl L₅ betrug 0,2 dB. Die Dämpfungsgröße zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂ und dem übertragenen Lichtstrahl L₆ betrug 1,0 dB. Die Auslöschverhältnisse der Ausgangsprismen 35, 36 und 37 betrugen 20 dB bzw. 12 bis 16 dB bzw. 12 dB.

Obwohl das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel für zwei Druckabschnitte mit den entsprechenden flexiblen dielektrischen dünnen Lagen zeigt, d. h. die Schaltabschnitte sind auf der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet, so ist doch die Anzahl der Schaltabschnitte nicht auf 2 begrenzt. Beispielsweise kann ein Einzelschaltabschnitt auf der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet sein, oder aber alternativ kann eine Vielzahl von Schaltabschnitten in den Richtungen des übertragenen Lichtstrahls und/oder des abgelenkten Lichtstrahls angeordnet sein, und diese Schaltabschnitte können durch einen Elektromagneten oder Elektromagnete gesteuert werden. Diese Anordnung kann auch einen optischen Dünnschichtschalter bilden, der elektrisch gesteuert ist.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer 1×5-Schaltanordnung unter Verwendung von vier optischen Schaltern gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden ein Paar von einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′-1 und 2′-2 in der Form von Streifen auf der optischen Wellenleiterschicht 2 ausgebildet. Der geleitete Lichtstrahl 5 fällt mit einem Einfallswinkel R von beispielsweise 11° auf die den niedrigen Brechungsindex besitzende Zone 2′-1 auf. Optische Schalter SW 1 , SW 2, SW 3 und SW 4 sind angeordnet auf den optischen Pfaden des einfallenden Lichts 5, darauffolgend übertragene Lichtstrahlen 5′-1, 5′-2, 5′-3 und 5′-4 und darauffolgend abgelenkter Lichtstrahlen 5′′-1, 5′′-2, 5′′-3 und 5′′-4. Der obenerwähnte optische Schalter kann für diese Schalter SW 1, SW 2, SW 3 und SW 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines bimorphen Elements ist in Fig. 11 gezeigt. In Fig. 11 sind die gleichen Teile wie in Fig. 8 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine piezoelektrische Keramikplatte, d. h. eine sog. bimorphe Platte 41, die aus einer festen Lösung von PbZrO₃ und PbTiO₃ (PZT) besteht, an einem Preßmechanismus- Befestigungsglied 30 über bimorphe Tragmittel 42 befestigt. Eine Andruck- oder Anpreßkugel 25 ist mit dem entfernt gelegenen Ende der bimorphen Platte 41 verbunden (verklebt), so daß die Kugel 25 die Schutzfolie 24 kontaktiert. Wenn eine Leistungsquelle 44 eine Spannung an die bimorphe Platte 41 durch einen Schalter 43 anlegt, so biegt sich die bimorphe Platte 41 wegen ihres piezoelektrischen Effekts nach unten, und bewirkt das Pressen der flexiblen dielektrischen dünnen Lage gegen die optische Wellenleiterschicht 2 und die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′. Der Bewegungsabstand oder die Versetzung der dielektrischen Dünnschicht 21 zum Schalten des geführten Lichtstrahls beträgt höchstes 0,2 µm, wie oben beschrieben. Die 0,2-µm-Versetzung wird dadurch realisiert, daß man einige Zähne V an die bimorphe Platte 41 anlegt. Somit kann der in Fig. 11 gezeigte Andrückmechanismus unter Verwendung der bimorphen Platte 41 ohne weiteres realisiert werden.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines laminierten (geschichteten) piezoelektrischen Elements dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein laminiertes piezoelektrisches Element 51, welches mehrlagige piezoelektrische Keramikplatten, hergestellt aus einer festen Lösung von PbZrO₃ enthält, an seiner Oberfläche am Andrückmechanismus-Befestigungsglied 30 befestigt und mit seiner Unterseite mit der Andrückkugel 25 verbunden. Die entsprechenden piezoelektrischen Keramikplatten des piezoelektrischen Elements 51 sind in der Weise viellagig ausgebildet, daß eine Spannung von einer Leistungsquelle 53 an die entsprechenden Keramikplatten über einen Schalter 52 angelegt wird. Die Andruckkugel 25 kann um 0,2 µm versetzt werden, und zwar durch Anlegen von mehreren Zähnen von V an die entsprechenden Keramikplatten.

Die elektrischen Steuermittel zur Steuerung des Andruckgliedes gegen die Schutzabdeckung, wie in den Fig. 8-12 gezeigt, ist nicht auf den Elektromagneten, die bimorphe Platte oder das laminierte piezoelektrische Element beschränkt, sondern es können verschiedene Arten von Steuermitteln gemäß den erforderlichen Zwecken verwendet werden. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 kann die bimorphe Platte 41 durch ein Bimetallelement ersetzt werden. In diesem Fall wird die Leistungsversorgung von der Leistungsquelle 4 zum Bimetall durch den Schalter 43 gesteuert. Infolge des Nachuntenbiegens des Bimetalls wird die dielektrische dünne Schicht 21 gegen die Wellenleiterschicht 2 und die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ gedrückt.

Wie oben beschrieben, wird bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 8 bis 12 die elektrische Steuerung des optischen Dünnschichtschalters erreicht durch die entsprechende Kombination der Abstandselemente, der Schutzfolie und des Andruckmechanismus mit der Andruckkugel, die elektrisch gesteuert wird. Ferner ist der Andruckmechanismus mit der Andruckkugel durch geringe Leistung betätigbar, so daß diese Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Miniaturisierung der Vorrichtung und eine integrierte Herstellung geeignet sind.

Wie oben beschrieben liefert der erfindungsgemäße optische Schalter einen größeren Ablenkwinkel als übliche optische Schalter. Demgemäß können die erfindungsgemäßen optischen Schalter dazu verwendet werden, um einen optischen Schaltkreis mit einer Vielzahl von Eingängen und einer Vielzahl von Ausgängen vorzusehen. Bevor Ausführungsbeispiele eines derartigen optischen Schaltkreises beschrieben werden, sei der Aufbau eines optischen Schalters, verwendet in diesen Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf Fig. 13, beschrieben. Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.

In Fig. 13 bezeichnet 61 einen dielektrischen Chip-Treiberabschnitt (beispielsweise ein piezoelektrisches bimorphes Element) mechanisch gekoppelt mit dem beweglichen dielektrischen Chip 4 zum vertikalen Antrieb des dielektrischen Chips 4 in Richtung der z-Achse. Mit dem Bezugszeichen 62 ist eine Treiberschaltung bezeichnet, die elektrisch mit dem dielektrischen Chip-Treiberabschnitt 61 gekoppelt ist.

Wenn, wie in Fig. 13 gezeigt, die geführten Lichtstrahlen 63 und 63′ auf die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ in der optischen Wellenleiterschicht 2 auffallen, so werden sie in oder durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ gemäß dem Einfallswinkel R total reflektiert oder durchgelassen (übertragen). Die Brechungsindexverteilung durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ kann stufenartig oder graduell verlaufen. Das in Fig. 13 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ der graduellen Bauweise mit einer Brechungsindexverteilung, die in y-Achsenrichtung gradiert ist oder graduell verläuft. Die Ablenkung des Lichtstrahls erfolgt in der Mitte der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′. In diesem Fall ist der Brechungsindex n₂′ ein Wert, erhalten in der Mitte der y-Achsenrichtung der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′. Hier wird die Beziehung zwischen dem Abstand l₃, zwischen dem beweglichen dielektrischen Chip 4 und der optischen Wellenleiterschicht 2 gemäß Fig. 2, und der Totalreflexionsbedingung, in der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ in der obenerwähnten Weise bestimmt. Wenn demgemäß der Abstand l₃ groß ist, d. h. dann, wenn das bewegliche dielektrische Chip entfernt von der Wellenleiterschicht 2 angordnet ist, so ist die Totalreflexionsbedingung erfüllt, so daß der einfallende geführte Lichtstrahl 63 total reflektiert wird und der geführte Ausgangslichtstrahl 64 erzeugt wird und wobei ferner der geführte einfallende Lichtstrahl 63′ ebenfalls total reflektiert wird, um einen geführten Ausgangslichtstrahl 64′ zu erzeugen.

Wenn andererseits, wie oben erwähnt, der Abstand l₃ hinreichend klein ist, d. h. dann, wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 dicht genug zur Wellenleiterschicht 2 angeordnet ist, so wird die Totalreflexionsbedingung nicht erfüllt, so daß der einfallende geführte Lichtstrahl 63 durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ läuft und einen geführten Ausgangslichtstrahl 64′ erzeugt. Der einfallende geführte Lichtstrahl 63′ wird ebenfalls durch die Zone 2′ übertragen, und der geführte Ausgangslichtstrahl 64 wird erzeugt.

In diesem Fall ist der zwischen den geführten Ausgangslichtstrahlen 64 und 64′ gebildete Abzweigwinkel 2R, wie man in Fig. 13 erkennt. Der Abzweigwinkel 2R ist 20° oder größer, wenn eine spezielle Brechungsindexdifferenz (n₂-n₂′)/ n₂ 2% beträgt zwischen der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und der optischen Wellenleiterschicht 2. Um ein derartiges Schalterelement zu betreiben, wird von der Treiberschaltung 62 ein Treibersignal an den dielektrischen Treiberabschnitt 61 angelegt, um das bewegliche dielektrische Chip 4 nach oben oder unten in z-Achsenrichtung zu bewegen. Ein derartiges Schaltelement der obenerwähnten Art führt einen Schaltvorgang aus, wie er schematisch in den Fig. 14A und 14B dargestellt ist. Wenn der optische Schalter SW eingeschaltet wird, d. h. dann, wenn das bewegliche dielektrische Chip 4, verdichtet zur Schicht 2 und der Zone 2′, angeordnet ist, so wird eine Eingangsöffnung P₁ mit der Ausgangsöffnung P 2′ gekoppelt, und die Eingangsöffnung P 2 ist mit einer Ausgangsöffnung P 1′ gekoppelt, wie in Fig. 14A gezeigt. Wenn andererseits der optische Schalter SW abgeschaltet ist, d. h. dann, wenn das Chip 4 entfernt von Schicht 2 und Zone 2′ angeordnet ist, so ist die Eingangsöffnung P 1 mit der Ausgangsöffnung P 1′, und die Eingangsöffnung P 2 ist mit der Ausgangsöffnung P 2′ gekoppelt, wie dies in Fig. 14B gezeigt ist. Der Schalter dieser Bauart wird als 2×2-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart (rearrangable blocking type) bezeichnet. Dabei bedeutet der Ausdruck "wiederanordenbare" Bauart, daß irgendeine der Eingangsöffnungen notwendigerweise mit irgendeiner der Ausgangsöffnungen auf der Basis einer Eins-zu- Eins-Entsprechung gekoppelt ist. "Sperr"- oder "Blocking"-Bauart bedeutet, daß eine Verbindung von einer Eingangsöffnung zu einer Ausgangsöffnung die Verbindung anderer Eingangsöffnungen beeinflußt. Es ist bekannt, daß dann, wenn der 2×2-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart als ein Einheitsschalter verwendet wird, ein K×K-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart aufgebaut wird durch K(K-1)/2 2×2-Einheitsschalter SW. Eine Anordnung auf dem K×K-Schalter kann, wie in Fig. 15 gezeigt, in Diamantenanordnung, oder wie in Fig. 16 gezeigt, in Dreiecksanordnung erfolgen. Beide in den Fig. 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispiele von Schaltern sind 7×7-Schaltanordnungen. Die K×K-Schaltanordnung gemäß Fig. 15 und Fig. 16 kann unter Verwendung des 2×2- Schaltelements, gezeigt in Fig. 13, angeordnet werden.

Fig. 17 zeigt eine K×K optische Schalteranordnung der in Fig. 15 gezeigten Diamantenbauart. Zur Erleichterung der Erläuterung wird ein x-y-Koordinatensystem an der Schaltanordnung, wie in Fig. 17 gezeigt, angeordnet. In Fig. 17 sind (K+1) einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′ in der Form eines Streifens parallel miteinander in der Wellenleiterschicht 2 derart angeordnet, daß die entsprechenden Mittellinien der Streifenzonen 2′ mit y=-kd (k=0, 1, . . ., K) zusammenfallen, und die linken Enden der Zonen 2′ befinden sich im dritten Quadranten des x-y-Koordinatensystems. Hier bezeichnet d einen Abstand zwischen den Mittellinien von zwei benachbarten, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′, wie in Fig. 17 gezeigt. Es wird angenommen, daß l einen Abstand in Richtung der x-Achse zwischen einer Öffnung auf einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und einer Öffnung bezeichnet, die auf einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′, benachbart zur erstgenannten Zone 2′, liegt und die ferner mit dem kürzesten Abstand gegenüber der erstgenannten Öffnung angeordnet ist, wobei ferner angenommen wird, daß dann, wenn die x-Koordinaten der (K+1) einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ repräsentiert sind durch l=d/tan R (R genügt Gleichung (2)), die rechten Enden der Zonen 2′ hinreichend größer sind als (K-1)l.

Die beweglichen Chips 4 haben jeweils eine Bodenfläche, die hinreichend breit ist, um die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ und das Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 in der Nähe der Zone 2′ zu überdecken, und sie sind vorgesehen über der Zwischenlage 3 oberhalb der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und den Nachbarschaftsgebieten an den K(K-1)/2-Positionen, die hier präsentiert werden durch die Koordinaten

[2 (k - 1)l, 2 (k₂ - 1)d ] ,

wobei K eine ungerade Zahl ist,

k₁ = 1, 2, . . ., (K + 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,

wenn k eine gerade Zahl ist,

k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., K/2

und durch die Koordinaten

[(2k₁ - 1)l, 2k₂d ] ,

wenn K eine ungerade Zahl ist,

k₁ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,

wenn K eine gerade Zahl ist,

k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K/2) - 1 .

Diese Anordnung bildet einen 7×7 optischen Dünnschicht- Schaltkreis der wiederanordenbaren Sperrbauart mit Ausgangsöffnungen P 1′ bis P 7′ für den in der Fig. 17 auf die Eingangsöffnungen P 1 bis P 7 auffallenden geführten Lichtstrahl. Hier sind die Eingangs- und Ausgangs-Öffnungen P 1, P 2 . . . und P 1′, P 2′ . . . in der Reihenfolge von der Öffnung am dichtesten zur x-Achse ausnumeriert. Fig. 17 zeigt eine Verbindungsanordnung der Öffnungen P 1-P 3′, P 2-P 2′, P 3-P 4′, P 4-P 7′, P 5-P 5′, P 6-P 1′ und P 7-P 6′. In der Figur zeigen die mit einem einzigen Kreis umschlossenen Schaltelemente an, daß diese sich in dem EIN-Zustand befinden, während die mit einem Doppelkreis umschlossenen Schaltelemente anzeigen, daß sie sich im AUS-Zustand befinden. Die Verbindung des Verbindungspaares Pa und Pa′ (Pa bezeichnet P 1, P 2, . . ., P 7, und Pa′ bezeichnet P 1′, P 2′, . . ., P 7′) wird hergestellt in der Reihenfolge von einem Paar mit dem größten "|a-a′ |", da um so größer der "|a-a′ |" der Verbindung ist, um so enger die Auswahl der optischen Pfade ist.

Fig. 18 zeigt eine Anordnung eines K×K optischen Dünnschichtschalters der wiederanordenbaren Sperrbauart mit Dreieckaufbau gemäß Fig. 16. In der Anordnung sind die K einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′ streifenförmig in der optischen Wellenleiterschicht 2 derart angeordnet, daß die entsprechenden Mittellinien der Zonen 2′ mit y=kd (k=0, . . ., K-1) zusammenfallen und daß die x-Koordinaten der rechten Enden größer sind als (k-1)l und die x-Koordinaten der linken Enden kleiner sind als -(k-1)l. Die beweglichen dielektrischen Chips 4 haben jeweils eine Bodenfläche, die breit genug ist, um die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ und ein Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 in der Nähe der Zone 2′ zu überdecken, und sie sind vorgesehen über der Zwischenlage 3 oberhalb der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′ und den Nachbarschaftsgebieten an K(K-1)/2-Positionen, die durch folgende Koordinaten repräsentiert werden, wobei

[(k₁ - 1)l - 2l (k₂ - 1), (k₁ - 1)d ] ,
k₁ = 1, 2, . . ., K - 1 ,
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ .

Diese Anordnung kann auch den 7×7 optischen Dünnschichtschaltkreis der wiederanordenbaren Sperrbauart bilden mit Ausgangsöffnungen P 1′ bis P 7′ für Eingangsöffnungen P 1 bis P 7. Die Eingangs- und Ausgangsöffnungen P 1, P 2 . . . und P 1′, P 2′ . . . sind der Reihe nach von der am weitesten von der x-Achse weggelegenen Öffnung aus numeriert. In Fig. 17 zeigt Fig. 18 eine Verbindungsanordnung von P 1-P 3′, P 2-P 2′, P 3-P 4′, P 4-P 7′, P 5-P 5′, P 6-P 1′ und P 7-P 6′. Die Verbindung der Öffnungspaare erfolgt in der Reihenfolge von der Eingangs- oder Ausgangs-Öffnung mit der größten Zahl zu der mit der kleinsten Zahl, da um so größer die Eingangs- oder Ausgangs-Öffnungszahl der Verbindung ist, um so begrenzter die Auswahl des optischen Pfades wird. Obwohl die in den Fig. 17 und 18 gezeigten Ausführungsbeispiele 7×7 optische Schaltanordnungen sind, so kann doch ein k×k-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart in der oben beschriebenen Weise gemäß der Erfindung angeordnet sein.

Wie oben beschrieben, besitzt ein optischer Dünnschichtschaltkreis unter Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Schalters eine Struktur derart, daß die beweglichen dielektrischen Chips oberhalb der K einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen angeordnet sind, die parallel zueinander verlaufen und ohne weiteres in der Wellenleiterschicht ausgebildet werden können. Der Aufbau des optischen Schalters ist daher einfach, und der K×K-Schaltkreis kann auf einem einzigen Substrat hergestellt werden. Zudem ist der Ablenkwinkel eines den Schaltkreis bildenden Grundschalterelements groß, so daß die Schaltungsdichte der Schalteranordnung stark verbessert wird.

Wenn infolgedessen ein optischer Dünnschichtschaltkreis unter Verwendung einer Vielzahl von optischen Schaltern gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung und der optischen Datenverarbeitung eingesetzt wird, so sind die Herstellungskosten und die Größe der Vorrichtung in beträchtlicher Weise vermindert.

Wie oben beschrieben, besitzt der erfindungsgemäße optische Schalter einen großen Ablenkwinkel in der Größenordnung von ungefähr 20°. Insofern ist die Ablenkleistungsfähigkeit des optischen Schalters beträchtlich verbessert gegenüber einem konventionalen Schalter. Ein erfindungsgemäßer optischer Schalter macht daher einen langen Wellenleiter nicht erforderlich und ist demgemäß für Integrationszwecke geeignet. Darüber hinaus sichert der einfache Aufbau des optischen Schalters einen stabilen Betrieb. Der optische Schalter kann hergestellt werden, ohne daß Verfahrensschritte erforderlich werden, die eine hohe Erfahrung zur Voraussetzung haben, und somit ist die Herstellung des optischen Schalters leicht durchzuführen. Infolgedessen, und da periphere Vorrichtungen nicht erforderlich sind, sind die Herstellungskosten für den optischen Schalter gering. Die elektrische Steuerung des Abstands zwischen der flexiblen dielektrischen dünnen Lage (Schicht) und der Wellenleiterschicht ermöglicht das elektrische Schalten der Ablenkrichtung und trägt dadurch zur Verminderung der Größe der Schaltvorrichtung stark bei. Ferner kann der K×K optische Schaltkreis auf einem einzigen Substrat mit hoher Integrationsdichte integriert ausgebildet werden. Der erfindungsgemäße optische Schalter ist somit auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung, der optischen Datenverarbeitung und dergl. sehr zweckmäßig.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Einen optischen Schalter mit einem einen Brechungsindex n₁ aufweisenden Substrat, welches bezüglich eines geführten Lichtstrahls transparent ist, einer einen Brechungsindex n₂ aufweisenden, auf dem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiterschicht, einer einen niedrigen Brechungsindex n₂′ aufweisenden Zone, wobei der Brechungsindex n₂′ kleiner ist um einen vorbestimmten Wert als der Brechungsindex n₂, wobei die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone an einer vorbestimmten Stelle in der optischen Wellenleiterschicht ausgebildet ist, einem beweglichen einen Brechungsindex n₄ aufweisenden dielektrischen Chip, welches bezüglich des geführten Lichtstrahls transparent ist, und einen Relativabstand aufweist, der bezüglich einer Ebene einstellbar ist, welche die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone und ein Nachbarschaftsgebiet der optischen Wellenleiterschicht in der Nähe der Zone umfaßt, und mit einer einen Brechungsindex n₃ aufweisenden Zwischenlage, angeordnet zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip, wobei die Brechungsindices n₁, n₂,n₂′, n₃ und n₄ eine Beziehung von n₂<n₂′<n₄<(n₁, n₃) aufweisen, wobei ferner die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone verändert werden durch Änderung des Abstands zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip derart, daß der geführte Lichtstrahl einfallend auf die Zone abgelenkt wird. Durch eine derartige Anordnung kann ein Ablenkwinkel von 20° oder mehr erhalten werden, so daß der optische Schalter für seine Integration oder seine integrale Herstellung geeignet ist.

Claims

1. Optischer Schalter mit einem einen Brechungsindex n₁ aufweisenden, lichtdurchlässigen Substrat, mit einer auf dem Substrat ausgebildeten, einen Brechungsindex n₂ aufweisenden Wellenleiterschicht, mit einer an einer Stelle in der Wellenleiterschicht ausgebildeten, einen niedrigeren Brechungsindex n₂′ als die Wellenleiterschicht aufweisenden Grenzzone, mit einem einen Brechungsindex n₄ aufweisenden beweglichen lichtdurchlässigen dielektrischen Körper, der so angeordnet ist, daß ein relativer Abstand zwischen ihm und der Grenzzone einstellbar ist, wobei der dielektrische Körper so bemessen ist, daß er bei Annäherung an die Grenzzone diese und die ihr benachbarten Bereiche der optischen Wellenleiterschicht überdeckt, und mit einer Zwischenschicht mit einem Brechungsindex n₃, die zwischen dem dielektrischen Körper und der Wellenleiterschicht angeordnet ist, wobei die Brechungsindices der Beziehung n₂<n₂′<n₄<n₁, n₃ genügen, derart, daß durch Bewegung des dielektrischen Körpers der effektive Brechungsindex der optischen Wellenleiterschicht und der Grenzzone variierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Wellenleiterschicht (2) aus einer Mischung aus SiO₂ und Ta₂O₅ besteht, daß die den niedrigeren Brechungsindex aufweisende Grenzzone (2′) durch Erhitzen eines linearen Bereiches in der optischen Wellenleiterschicht (2) gebildet ist, und daß eine Einstelleinrichtung zum Bewegen des dielektrischen Körpers (4) und zum Einstellen des relativen Abstands vorgesehen ist, und daß die in der optischen Wellenleiterschicht (2) geführten Lichtstrahlen (5) auf die Grenzzone (2′) unter einem Winkel einfallen, derart, daß sie durch die Grenzzone (2′) durchgelassen oder von ihr im wesentlichen totalreflektiert werden, je nachdem welcher relative Abstand zwischen dem dielektrischen Körper (4) und der Grenzzone (2′) eingestellt ist.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis zwischen SiO₂ undTa₂O₅ 1 : 3 beträgt.

3. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die geführten Lichtstrahlen (5) im TE₀-Mode sind, der Einfallswinkel (R) im Bereich von 10,16° bis 11,32° liegt.

4. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die geführten Lichtstrahlen (5) im TM₀-Mode sind, der Einfallswinkel (R) in dem Bereich von 9,38° bis 11,27° liegt.

5. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung den dielektrischen Körper (4) in einer Richtung vertikal oder horizontal zur Wellenleiterschicht (2) bewegt.

6. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung den dielektrischen Körper (4) in einer Richtung parallel zur Wellenleiterschicht (2) verschiebt.

7. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (4) zylindrisch ist.

8. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zur Wellenleiterschicht hinweisenden Endteil des dielektrischen Körpers (4) eine zugespitzte Kante ausgebildet ist.

9. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Vycorglas besteht.

10. Optischer Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (4) aus Gadolinium-Gallium-Granat besteht.

11. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) eine Luftschicht ist.

12. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (4) eine flexible dielektrische dünne Schicht (12) ist, die oberhalb der Wellenleiterschicht über der Zwischenschicht (3) angeordnet ist, und daß die Einstelleinrichtung (14, 15) ein Treiberglied (14) aufweist, das über der flexiblen dielektrischen dünnen Schicht (12) angeordnet und in einer Richtung vertikal zu der Wellenleiterschicht beweglich ist, wobei die effektiven Brechungsindices durch Änderung eines Abstandes (l₃) zwischen der Wellenleiterschicht und der flexiblen dielektrischen dünnen Schicht (12) mittels des Treibergliedes (14) veränderbar sind (Fig. 6, 7).

13. Optischer Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer dem Treiberglied (14) zugekehrten Oberfläche der flexiblen dielektrischen dünnen Schicht (12) eine Schutzschicht (13) angeordnet ist (Fig. 6, 7).

14. Optischer Schalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) definiert ist durch ein Abstandselement (11), das zwischen der optischen Wellenleiterschicht (2) und der flexiblen dielektrischen dünnen Schicht (12) angeordnet ist (Fig. 6).

15. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Andruckglied (25) eine Andruckkugel ist, die gegen die Schutzabdeckung (24) unter Steuerung der elektrischen Einstelleinrichtung (29) gedrückt wird (Fig. 8).

16. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einstelleinrichtung (29) aus einem Elektromagneten besteht (Fig. 8).

17. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einstelleinrichtung (29) aus einem piezoelektrischen Bimorph (41, 51, 61) besteht (Fig. 11-13).

18. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem wenigstens zwei Schalterbereiche vorgesehen sind, die den niedrigen Brechungsindex (n₂′) aufweisenden Grenzzonen (2′-1; 2′-2) in den Schalterbereichen streifenförmig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind (Fig. 9).

19. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Grenzzone (2′) aus (K+1) Streifenzonen zusammengesetzt ist, wobei K eine natürliche Zahl ist, und in der dann, wenn ein orthogonales x-y-Koordinatensystem auf die optische Wellenleiterschicht (2) angewandt wird, die Mittellinien der entsprechenden Streifenzonen (2′) mit den (K+1) geraden Linien zusammenfallen, die gegeben sind durch y=-kd, mit k=0, 1, . . ., K und wobei d einen Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten Streifen (2′) bedeutet, und die am weitesten links liegende Seite jeder der Streifenzonen in dem dritten Quadranten des x-y-Koordinatensystems liegt,
- daß ferner ein Totalreflexionswinkel (R) in der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone (2′) bezüglich des geführten Lichtstrahls vorliegt, der der Beziehung N′/N<cos R gehorcht,
- daß ein Abstand (l) in Richtung der x-Achse zwischen einer ersten Öffnung einer ersten Streifenzone und einer zweiten Öffnung einer zur ersten Streifenzone benachbarten zweiten Streifenzone vorhanden ist,
- daß die am dichtesten an der ersten Öffnung liegende zweite Öffnung der Beziehung l=d/tan R genügt,
- daß eine x-Koordinate jeder der am weitesten rechts liegenden Seiten der (K+1) Streifenzonen größer ist als (K-1) · l und
- daß bewegliche dielektrische Körper (4) mit einem Brechungsindex (n₄) vorgesehen sind, die jeweils eine ausreichend breite Bodenoberfläche aufweisen, um die erwähnte Streifenzone und einen benachbarten Bereich der optischen Wellenleiterschicht (2) in der Nähe der Streifenzone zu überdecken, und die jeweils parallel zur optischen Wellenleiterschicht (2) auf einer Zwischenschicht mit einem Brechungsindex (n₃) an jeder der K · (K-1)/2 Stellen angeordnet sind, die durch die folgenden Koordinaten des x-y-Koordinatensystems auf der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone repräsentiert werden: (2 (k₁ - 1) · l; (2k₂ - 1) d) ,wobei, wenn K eine ungerade Zahl ist, folgendes gilt: k₁ = 1, 2, . . ., (K + 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,und wenn K eine gerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., K/2und[(2k₁ - 1)l, 2k₂d ] ,wobei, wenn K eine ungerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,und, wenn K eine gerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K/2) - 1 ,wobei die Beziehung N′/N<cos R<N₀′/N₀ erfüllt ist und N₀ und N₀′ die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht (2) und der Mitte der Streifenzone (2′) sind, wenn ein Abstand l₃ zwischen dem beweglichen dielektrischen Körper (4) und der optischen Wellenleiterschicht (2) größer ist als die Dicke der optischen Wellenleiterschicht (2), und wobei N und N′ die effektiven Brechungsindices der Wellenleiterschicht (2) und der Mitte der Streifenzonen (2′) sind (Fig. 17).

20. Optischer Schalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die K(K-1)/2 Stellen durch die folgenden Koordinaten des x-y-Koordinatensystems auf der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone repräsentiert werden: [(k₁ - 1)l - 2l (k₂ - 1), (k₁ - 1)d ] ,wobeik₁ = 1, 2, . . ., K - 1 ,
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ ,wobei die Beziehung N′/N<cos R<N₀′/N₀ erfüllt ist, und N₀ und N₀′ die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschichten (2) und der Mitte der Streifenzone (2′) sind, wenn ein Abstand l₃ zwischen dem beweglichen dielektrischen Körper (4) und der optischen Wellenleiterschicht (2) größer ist als die Dicke der optischen Wellenleiterschicht (2) und wobei N und N′ die effektiven Brechungsindices der Wellenleiterschicht und der Mitte der Streifenzonen (2′) sind (Fig. 18).