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Als Schalter dienender Richtungskoopler für optische Signale und Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Die Erfindung betrifft einen speziellen Schalter für optische Signale
in integrierter Technik, der insbesondere für ein Koppelfeld mit rein optischen
Zwischenleitungen in einem Fernsprech-Vermittlungssystem entwickelt rde.
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Die-Erfindung eignet sich darüber hinaus jedoch auch für sonstige
rälle, in denen Licht in einem Lich4~leiter geschaltet werden soll.
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Die Erfindung geht nämlich von einem speziellen Richtungskoppler aus,
vergleiche den Oberbegriff des Patentanspruches 1, welcher für sich z.B. durch Electronics
Letters 12 (28.Okt.1976) No.22, 575 - 577, insbesondere Fig. 2 auf Seite 570, sowie
Appl. Phys. Lett. 28 (1.Mai 1975) No. 9, 5G3 - 506, insbesondere Fig 1 (a) auf Seite
504, vorbekannt ist. Bei diesen bekannten Richtungskopplern sind zwar jeweils längs
der Koppelstrecke eines der beiden Lichtleiter , dem ersten Lichtleiter, hintereinander
zwei getrennt steuerbare Elektroden angebracht, jedoch am anderen, zweiten Lichtleiter
jeweils nur eine einzige, sehr lange Elektrode, und zwar in solcher Weise, daß jede
der beiden Elektroden am ersten Lichtleiter jeweils gegenüber der einzigen Elektrode
des zweiten Lichtleiters, bezogen auf die Längsrichtung der Koppelstrecke, liegt.
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Diese bekannten Richtungskoppler benötigen bereits deutlich weniger
Steurspannung zwischen den Elektroden,
um zuverlässig diesen als
Schalter dienenden Richtungskoppler entweder direkt oder kreuzweise durchzuschalten,
im Vergleich zu den bekannten Richtungskopplern, bei welchen nur eine einzige Elektrode
an jedem Lichtleiter pro Koppel strecke angebracht ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, die Steuerspannung zwischen den Elektroden
des Richtungskopplers weitar erheblich verringern zu können Diese Aufgabe der erfindung
wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannte MaBnahme gelöst.
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Die im Patentanspruch 2 genannte zusätzliche M.aBranme gestattet,
die betreffende Steuerspannung bzw. die betreffenden Steuerspannungen weiter erheblich
verringern zu können Die erfindung wird anhand der beiden Figuren näher erläutert.
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Fig91 zeigt ein besonders einfaches Beispiel der Erfindung mit vier
Elektroden längs des Lichtleiters A -innerhalb der Koppeistrecke, welche, abwechselnd
hintereinander, jeweils das Potential V1 und V2 aufweisen.
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Bei dem in FIG 2 gezeigten Beispiel sind sechs Elektrode den '¢11....z16
an diesem Lichtleiter innerhalb derselben Koppelstrecke angebracht. Am anderen Lichtleiter
3 - B' könnte an sich auch in für sich bekannter Weise nur eine einzige, z.B. auf
mittlerem Potential liegende, statt mehrerer Elektroden angebracht sein, um bereits
eine deut- -liche Verminderung der Steuerspannungsamplituden V1/V2 zu ermöglichen.
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In beiden Figuren handelt es sich also Jeweils um einen als Schalter
dienenden Richtungskoppler für optische
Signale in integrierter
Technik. Es sind dazu also jeweils eng benachbart, z.B. in 3 P Entfernung, längs
der Koppelstrecke zwei parallel angeordnete Lichtleiter A - A', B - B' auf einem
Substrat angebracht. Bei dem Substrat kann es sich z.B. um LiNbOD handeln, welches
z.B. mittels Ti dotiert wurde,um die Lichtleiter im Substrat zu erzeugen. Grundsätzlich
ist die Erfindung jedoch nicht auf ein Substrat aus diesem Material beschränkt,
weil der physikalische Effekt, welcher der im Kennzeichen des Patentanspruches 1
angegebenen Maßnahme zugrunde liegt, im Prinzip auch mit Substraten aus anderen
Materialien erreicht werden kann.
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In den beiden Figuren handelt es sich uorigens um Beispiele, bei denen
an beiden Lichtleitern längs der Koppelstrecke Jeweils elektrisch steuerbare, elektrisch
leitende Elektroden angebracht sind. Diese Elektroden gestatten, abhängig von der
elektrischen Steuerspannung, vergleiche V1/V2, zwischen den einzelnen Elektroden,
das in einem oder in beiden Lichtleitern zugeführte Licht jeweils direkt weiterzuleiten
oder kreuzweise zwischen den Lichtleitern ausgetauscht weiterzuleiten. Bei der direkten
Weiterleitung wird das bei A zugeführte Licht über den ersten Lichtleiter bei A'
abgeführt und das über B dem zweiten Lichtleiter zugeführte Licht bei 3' abgeführt.
Bei kreuzweise vertauschter Weiterleitung wird hingegen däs bei A dem ersten Lichtleiter
zugeführte Licht bei B' über den zweiten Lichtleiter abOeführt und das bei B dem
zweiten Lichtleiter zugeführte Licht über A', also über den ersten Lichtleiter abgeführt.
Derartige Schalter sind übrigens auch für elektrische statt optische Signale seit
Jahren vorbekannt, und zwar insbesondere im Zusammenhang mit der Bildung komplizierter
Koppelfelder von Fernsprech-Vermittlungssystemen, vergleiche DE-AS 20 36 176 und
20 36 128, so-
wie US 3 593 295 und 3 638 193.
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Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind längs der
Koppel strecke jeweils an beiden Lichtleitern, und nicht nur jeweils an einem derselben,
-hintereinander je mindestens drei Elektroden angebracht.
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Dabei sind diese Elektroden in spezieller Weise so angebracht, daß
nämlich jeweils eine Elektrode, vergleiche Zell, in Fig.2, am ersten Lichtleiter
A - A' gegenüber einer Elektrode, vergleiche R21, am zweiten Lichtleiter 3 - 3'
liegt. Zusätzlich sind die beiden, jeweils einander gegenüberliegenden Elektroden,
vergleiche z.B. E11/E21 und R12/E22, getrennt steuerbar. Diese einander gegenüberliegenden
Elektroden, vergleiche E11/E21, bilden also Jeweils ein Elektrodenpaar, bei welchem
Jedes der beiden Elektroden jeweils von einem anderen potential der Steuerspannung
V1/V2 gesteuert wird. Beachte insbesondere in den Fipl-en, daß die Slektrode 11
vom Potential 71, aber die gegenüberliegende Elektrode 21 vom Potential V2 dieser
Steuerspannung 5-steuert wird.
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Trotz dieser hohen Anzahl von Elektroden bei der Erfindung - sie enthält
mindestens eine Elektrode am Lichtleiter A -A' mehr als der vergleichbare bekannte
Richtungskoppler, ist es Jedoch nicht nötig, unbedingt mindestens drei oder vier
verschiedene Potentiale zur Steuerung des Schalters zu verwenden. Es zeigte sich,
daß zur Steuerung sogar des zwölf Elektroden auSweisenden Beispiels ausreichend
ist, daß jede Elektrode, vergleiche E11, am ersten Lichtleiter A - A' jeweils elektrisch
leitend mit einer zu einem anderen Elektrodenpaar gehörenden Elektrode, vergleiche
E22, am zweiten Lichtleiter B - 31 verbunden ist. Bei den in beiden Figuren gezeigten
Beispielen sind, als einfachster Fall,
nur zwei verschiedene Potentiale,
vergleiche V1 und Y2, zur Steuerung sämtlicher Elektroden aufgrund solcher kreuzweiser
leitender Verbindungen zwischen den Elektroden nötig, wobei Isolierschichten Is
Kurzschlüsse zwischen V1/V2 verhindern.
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Weil bei der Erfindung in dieser Weise nicht nur am einen Lichtleiter,
sondern an beiden Lichtleitern jeweils mehrere eigene Elektroden angebracht sein
können, die, gesehen in Längsrichtung der Koppelstrecke, jeweils abwechselnd hintereinander
mit nur zwei unterschiedlichen Potentialen gesteuert werden, ist die Höhe der Steuerspannung
V1/V2, welche zum Schalten in beiden Schaltzuständen nötig sind, jeweils besonders
deutlich kleiner, als werm nur eine einzige, sehr lange Elektrode längs des zweiten
Lichtleiters B - B' angebracht worden wäre. Es zeigte sich nämlich, daß die Beeinflussung
der Lichtgeschwindigkeit der Lichtstrahlen in beiden Lichtleitern längs dieser Koppelstrecke
Jeweils um so intensiver ist, je mehr Elektroden hintereinander auf Jeden der beiden
Lichtleiter wirken. Besonders geringe Hohen der Steuerspannung sind also, vergleiche
Fig. 2, erreichbar, wenn mehr als nur zwei Elektrodenpaare längs der Koppel strecke
angebracht werden - in dem in Fig.2 gezeigten Beispiel sind z.B. sechs Elektrodenpaare
angebracht. Grundsätzlich ist die Steuerspannung weiter verminderbar dadurch, daß
noch mehr als sechs Elektrodenpaare längs dieser Koppelstrecke des Richtungskopplers
angebracht werden.
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Demnach wird bei der Erfindung ausgenutzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Licht in den Lichtleitern besonders stark beeinflußt wird durch besonders raschen
Wechsel der elektrischen Felder, erzeugt mittels besonders vieler Elektroden an
mindestens einem der beiden Lichtleiter - trotz Verminderung der nötigen Steuersoan-
nung,
-auch falls die Länge der Koppelstrecke nicht verndert wird, Man kann zwar dadurch,
daß man die Koppelstrecke verlängert, ebenfalls die Amplitude der Steuer spannung
verringern. Durch die Erfindung ist es aber möglich, ohne Verlängerung der Koppelstrecke,
sondern alleine durch Vergrößerung der Anzahl der Elektroden längs dieser Koppelstrecke,
also durch Verkleinerung der betreffenden Elektroden, die Steuerspannung zu vermindern.
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Bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen hat die Koppelstrecke
jeweils z.B. 3 mm Länge, wobei die Elektroden in Fig. 1 jeweils circa 0,7 mm, und
in Fig. 2 jeweils circa 0,5 mm Länge aufweisen. Die Erfindung gestattet sogar, diese
Länge der Koppelstrecke zu vermindern, ohne die Steuerspannung V1/V2 für den Normalbetrieb
unrealisierbar hoch machen zu müssen. Dadurch kann der Substratflächenbedarf verringert
werden.
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Die Versorgung der Elektroden mit den jeweiligen Steuerspannungen
erfordert einen besonders kleinen Aufwand an Substratoberfläche und Steuerpotentialquellen,
wenn den verschiedenen Elektroden des Schalters zu ein und derselben Zeit höchstens
zwei verschiedene Potentiale zugeleitet werden, also z.B. gemäß Fig. 2 den Elektroden
E11, E22, E13, E24, E15, E26 gemeinsam das erste Potential V1 und den restlichen
Elektoden E21, E12, E23, E14, E25, E16 gemeinsam ein zweites Potential V2.Hierzu
werden am Schalter selbst die Elektroden der mit dem ersten Potential aus nur einer
einzigen ersten Potentialquelle, z.B.
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von außerhalb des Substrates, zu beliefernden Elektrodengruppe untereinander
über ein in den Figuren gezeigtes eigenes Leitungssystem, das nur einen einzigen
Zuleitungsanschluß (V1) hat, verbunden. In entsprechender Weise werden am Schalter
selbst die Elektroden der mit dem zweiten Potential aus nur einer einzigen zweiten
Potentialquelle zu beliefernden anderen Elektrodengruppe untereinander über ein
weiteres eigenes Leitungssystem, das nur einen einzigen anderen Zuleitungsanschluß
(V2) hat, verbunden, und zwar so, daß längs jeden Lichtleiters die
Elektroden
hintereinander abwechselnd jeweils an dem einen und dem anderen Potential liegen
und daß gegenüber liegend benachbarte, an verschiedenen Lichtleitern angeordnete
Elektroden ebenfalls an verschiedenen Potentialen liegen, vgl. Fig. 2. Bei einem
Schalter mit solchen Leitungssystemen ist die Höhe der Steuerspannung V1/V2, die
dann nur zwei verschiedene Potentiale zur selben Zeit aufweisen, sogar jeweils besonders
niedrig wählbar, um ein Schalten zu erreichen.
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Richtungskoppler der vorgenannten Art können in integrierter Technik
auf einem Substrat so hergestellt werden, daß die Dämpfung der durch die Lichtleiter
geleiteten Lichtsignale in den in integrierter Technik auf dem Substrat angebrachten
Lichtleitern und Richtungskopplern vergleichsweise gering bleibt, so daß auf dem
Substrat auch mehrere Richtungskoppler hintereinander auf ein und denselben Lichtleiter
eines Substrates einwirken können. Es kann sich also bei den Richtkopplern, die
gemäß derer im folgenden beschriebenen Verfahren auf einem einzigen Substrat hergestellt
sind, um einen Ausschnitt eines mehrstufigen Koppelfeldes handeln, wobei die Richtungskoppler
jeweils die Koppelpunkte eines Ausschnittes eines mehrstufigen Koppelfeldes bilden
und wobei die Zwischenleitungen zwischen den Koppelpunkten, ebenso wie die Schaltstrecken
innerhalb der Koppelpunkte nicht durch elektrische Leitungen, sondern durch in integrierter
Technik auf dem Substrat hergestelle Lichtleiter gebildet sind.
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Dazu wird auf einem LiNbO3-Substrat, wie in der Halbleitertechnik
üblich, mit Hilfe von Fotolack-Masken Titan aufgedampft; - nach dem Abwaschen des
restlichen Fotolackes und der darauf liegenden Titan-Schicht, also nach dem Bedampfen
des Substrates mit Titan an jenen Teilen der Substratoberfläche, in der Lichtleiter
angebracht werden sollen, wird das so bedampfte Substrat z.B.
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4 Stunden lang getempert, bis das in das Substrat dann eindiffundierte
Titan den Lichtleiter mit der beabsichtigten Dicke erzeugt hat. Zur Verminderung
von Ausschußquoten, die vielleicht durch nichteindiffundierte Titanreste und damit
durch Kurzschlüsse zwischen Elektroden verschiedener Potentiale verursacht sind,
sollte das getemperte, von Titanresten gut gereinigte Substrat mit einer dünnen
Isolatorschicht überzogen werden, auf welcher anschließend wiederum mit Hilfe von
Fotolack einige der, also ein erster Teil der, Elektroden zusammen mit einem ersten
Leitungssystem, das diese Elektroden untereinander leitend verbindet, formiert wird.
Anschließend wird eine Isolatorschicht zumindeste dort über dem ersten Leitungssystem,
wo später darüber Abschnitte eines zweiten Leitungssystems angebracht werden sollen
- wenn nicht sogar auch über dem ersten Teil der Elektroden angebracht. Mit Hilfe
von Fotolack wird danach ein zweiter Teil, z.B. *) Elektroden zusammen mit dem zweiten
Leitungssystem, das diese Elektroden untereinander verbindet, formiert.
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Gleichzeitig mit diesem zweiten Teil der Elektroden, oder in späteren
Verfahrensschritten, kann in für sich bekannter Weise die Zuleitung für die Potentiale
der beiden Leitungssysteme angebracht werden. Es können in gleichartiger Weise auch
weitere Isolatorschichten und weitere Elektroden mit weiteren Leitungssystemen bei
Bedarf noch zusätzlich darüber angebracht werden, z.B. um einige der Elektroden
mit einem weiteren dritten Potential steuern zu können.
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Die Elektroden und die Leitungssysteme können z.B. aus Aluminium hergestellt
werden.
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4 Patentansprüche *) der Rest, der 2 Figuren