DE3587515T2

DE3587515T2 - Optische Schalteinrichtung.

Info

Publication number: DE3587515T2
Application number: DE85106005T
Authority: DE
Inventors: Akira Ajisawa; Masahiko Fujiwara; Shuji Suzuki
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-05-17
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2005-05-16
Also published as: EP0161683A2; EP0161683B1; EP0161683A3; DE3587515D1; CA1257924A; US4798435A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Schalteinrichtung zur beliebigen Schaltung von Verbindungen zwischen optischen Übertragungswegen von Mehrkanalanordnungen. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer optischen Matrixschalteinrichtung, bei der mehrere optische Schalter, von denen jeder ein elektrooptisches Element und ein als optoelektronisches Element wirkendes Lichtmodulationselement aufweist, an den Matrixkoppelpunkten angeordnet sind.
Die wesentliche Ausführung jüngerer optischer Kommunikationssysteme bietet ein neues Konzept des Systems an, indem es neue Funktionen und Dienste bereitstellt, die im Stand der Technik nicht ausgeführt worden sind. Als Beispiel für ein Gerät, das ein derartiges System benötigt, dient eine optische Schalteinrichtung, die mit hoher Geschwindigkeit die Verbindungen zwischen einer groben Zahl optischer Übertragungskanäle schaltet. Im bisherigen Stand der Technik ist bei der optischen Schalteinrichtung dieser Art weitgehend ein mechanischer Schalter verwendet worden, bei dem ein optisches Element, wie etwa ein Prisma oder eine Linse, oder der optische Übertragungskanal selbst beweglich angebracht ist. Jedoch unter Berücksichtigung von Anforderungen, z. B. von hoher Schaltgeschwindigkeit, Betriebszuverlässigkeit und Vielkanalschema, etc., wird in der Zukunft erwartet, daß eine nichtmechanische Schalteinrichtung, die integriert werden kann, praktisch anstelle eines derartigen mechanischen Schalters gesetzt werden wird.
US-A-4,381,881 betrifft ein System zur automatischen optischen Schaltung von faseroptischen Datensignalen zwischen mehreren optischen Ausgangsfasern und aus mehreren Ausgangsfasern ausgewählten Fasern. Das System umfaßt optische Detektoren, die mit jeder Eingangsfaser zur Umwandlung der optischen Datensignale, die an den jeweiligen Eingangsfasern auftreten, in ein HF-Signal verbunden sind. Mehrere HF/Optosignalkonverter sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Das Ausgangssignal jedes optischen Detektors wird einer entsprechenden Zeile der Optosignalkonverter zugeführt, um in ein optisches Signal zurückverwandelt zu werden, wenn der spezielle Optosignalkonverter durch eine Gleichspannung wahlweise in Betrieb gesetzt wird. Diese optischen Signale werden dann über optische Fasern optischen Detektoren zugeführt, die das optische Signal zurück in ein HF-Signal umwandeln, das zum Treiben der ILDs verwendet wird. Die ILDs wandeln dann die HF-Signale wieder zurück in optische Signale, ohne daß entweder die optischen Signale oder die HF-Signale irgendwie mechanisch geschaltet werden. Die Ausgangsfasern sind mit dem Ausgang der treibenden ILDs verbunden.
FR-A-2,547,071, das am 7. Dezember 1984, d. h. nach den Prioritätsdaten der ersten und zweiten beanspruchten Prioritäten, veröffentlicht wurde, betrifft eine Schalteinrichtung für optische Eingangs- und Ausgangssignale. Sie besteht aus P (1 · N) lichtwellenleiterartigen Verteilern, die in m Zeilen des Abstands r angeordnet sind, N lichtwellenleiterartigen Konzentratoren, die in n Spalten des Abstands t angeordnet sind, die in der Lage sind, P optische Eingangssignale zu sammeln, die zur selben Zeile, die im Abstand r ausgerichtet ist, gehören, wobei die Verteiler und Konzentratoren so angeordnet sind, daß sie eine Matrix mit m Zeilen und n Spalten bilden, und N optische Detektorfelder mit P Elementen, von denen jedes mit einem Ausgangsanschluß des wellenleiterartigen Konzentrators optisch verbunden ist. Die N optischen Detektorfelder wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um, die in einem Verstärker kombiniert werden. Das von dem Verstärker ausgegebene elektrische Signal wird durch ein elektrooptisches Gerät wieder in ein optisches Signal umgewandelt.
FR-A-2,528,586 betrifft eine optische (4 · 1)-Schaltung mit einem Paar optischen (2 · 1)-Schaltern, wobei deren Eingangsanschluß mit vier Halbleiterlasergeräten und einem optischen Multiplexer verbunden ist, der die Ausgangssignale der optischen (2 · 1)-Schalter multiplext.
Als weiteres Beispiel einer derartigen nichtmechanischen Schaltung ist eine optische Schalteinrichtung eines optischen Spaltoptik-Gattertyps bekannt, wie in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 97994/83 gezeigt ist.
Diese Druckschrift betrifft eine Umwandlungsschaltung für elektrische Eingangs- und Ausgangssignale. Sie besteht aus elektrooptischen Umwandlungselementen zur Umwandlung von insgesamt N elektrischen Eingangssignalen in optische Signale, (1 · M) optischen Verteilerschaltungen, um jeweils ein Eingangssignal der umgewandelten optischen Signale auf m Kanäle zu verteilen, m · n optischen Schaltelemente, die so angeordnet sind, daß sie eine Matrix mit m Zeilen und n Spalten bilden, (N · 1) optischen Multiplexschaltungen mit insgesamt M optischen Kanälen, um N optische Ausgangssignale der Matrixschaltung zu multiplexen, und optischen Detektoren, um das optische Ausgangssignal der optischen Multiplexschaltung in elektrische Ausgangssignale umzuwandeln.
Der Aufbau und der Betrieb einer Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung des oben erwähnten optischen Spaltoptik-Gattertyps wird beschrieben werden.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, um den Betrieb einer optischen Schalteinrichtung des optischen Spaltoptik-Gattertyps zu erklären, bei der zur Vereinfachung der Beschreibung eine Schaltung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen gezeigt ist. Lichtsignale, die über die optischen Eingangsübertragungskanäle 11a und 11b übertragen werden, werden jeweils durch optische Teilereinrichtungen 12a und 12b aufgeteilt. Von der optischen Teilereinrichtung 12a aufgeteilte Lichtsignale werden jeweils den optischen Gatterschaltern 13a und 13b zugeführt. Genauso werden von der optischen Teilereinrichtung 12b aufgeteilte
Lichtsignale jeweils den optischen Gatterschaltern 13c und 13d zugeführt. Der optische Gatterschalter ist als ein lichtmodulatorartiger Schalter bestimmt, der entsprechend eines Steuersignals den Durchgang eines Lichtsignals ein- oder ausschaltet. Zum Beispiel, wenn der optische Gatterschalter im eingeschaltenen Zustand ist, kann ihn ein Lichtsignal passieren, während, wenn er im ausgeschalteten Zustand ist, das Lichtsignal dort gesperrt werden kann. Bei diesem Beispiel ist ein Wellenleiterweg für Ausgangssignale als optischer Kombinator aufgebaut. Das Lichtsignal, das durch den optischen Gatterschalter 13a oder 13c gelaufen ist, läuft weiter über einen optischen Kombinator 14a, und das kombinierte optische Signal wird dann als Ausgangslicht 40a ausgegeben. Ebenso läuft das Lichtsignal, das durch den optischen Gatterschalter 13b oder 13d gelaufen ist, über einen optischen Kombinator 14b weiter, und das kombinierte optische Signal wird dann als Ausgangslicht 40b ausgegeben.
Die Diskussion wird in Hinblick auf ein Beispiel des Verbindungszustands geführt werden, in dem jeweils ein Lichtsignal von dem Eingangslichtübertragungskanal 11a und ein Lichtsignal vom dem Eingangslichtübertragungskanal 11b als Lichtausgangssignale 40b und 40a ausgegeben werden. Um die oben erwähnte Verbindung herzustellen, genügt es, daß die optischen Gatterschalter 13a und 13d im ausgeschalteten Zustand und die optischen Gatterschalter 13b und 13c im eingeschalteten Zustand sind. Andere beliebige Verbindungen können durch Kombination der Ein/Aus-Zustände der optischen Gatterschalter 13a, 13b, 13c und 13d verwirklicht werden.
Die optische Schalteinrichtung der oben erwähnten Struktur bewirkt Schaltvorgänge eines Lichtsignals. Dementsprechend ist diese Einrichtung insoweit vorteilhaft, daß die Bandbreite und die Qualität eines Übertragungssignals nicht vermindert sind und Probleme aufgrund elektromagnetischer Induktion und Kreuzkopplung, etc., in Vergleich zu einem Verfahren, bei dem ein Lichtsignal zuerst in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, um danach die Schaltung zu bewirken, nicht auftreten. Außerdem, verglichen mit einem Schalter, der Lichtwege eines gewöhnlichen Wellenleitertyps (z. B. einen optischen Schalter eines Richtungskopplungstyps, der auf einem elektrooptischen Effekt basiert) schaltet, kann der oben erwähnte optische Gatterschalter klein dimensioniert sein, um so Anwendbarkeit für Mehrkanalzwecke zu schaffen.
Die optische Schalteinrichtung dieses Typs weist jedoch die unten dargelegten Nachteile auf. Die optische Schalteinrichtung des Spaltoptik-Gattertyps ist so aufgebaut, daß Ausgangslichtflüsse aus optischen Gatterschaltern optisch kombiniert werden. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, daß Signallicht, das durch einen ausgeschalteten Gatterschalter nicht genügend ausgelöscht wurde, in das kombinierte Ausgangslicht als eine Kreuzkopplungskomponente gemischt wird. Wenn die Anzahl der Übertragungskanäle sich in großem Maß erhöht, erhöht sich dementsprechend auch das Auftreten eines derartig unerwünschten Phänomens. Deshalb wird für den optischen Gatterschalter eher ein großes Extinktionsverhältnis als Anforderungen an kleine Größen und hohe Geschwindigkeit erforderlich sein. Herkömmliche optische Gatterschalter werden in den folgenden Artikeln beschrieben: (i) ein Schalter eines Wellenleitertyps unter Verwendung elektrooptischer Effekte (z. B. Applied Physics Letters, Bd. 43, S. 998, 1983); (ii) ein Absorptions- Lichtmodulator auf der Grundlage des Franz-Keldysh-Effekts (z. B. Journal of Applied Physics, Bd. 47, S. 1523, 1976); (iii) ein optischer Shutter unter Verwendung eines Flüssigkeitskristalls oder ferroelektrischen Kristalls (z. B. Proceedings of IEEE, Bd. 65, S. 143, 1977) und (iv) ein Gerät, das Gewinn und Verlust durch Trägerinjektion in einen Halbleiter reguliert (IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-19, S. 157, 1983).
Das mit den obigen Artikeln (i) bis (iii) experimentell erhaltene Extinktionsverhältnis beträgt etwa 20 bis 30 dB, das für die Anforderungen an den optischen Gatterschalter ungenügend ist. Andererseits kann mit einem Schalter zur Steuerung der Strominjektion in einen Halbleiterlaser, einem sogenannten Halbleiterlaserdiodenschalter, der in Artikel (iv) beschrieben ist, ein Extinktionsverhältnis von 60 bis 70 dB erhalten werden. Da jedoch dieser Schalter den Gewinnmechanismus des Halbleiterlasers verwendet, zeigen seine Kennwerte eine Abhängigkeit vom Modus und der Wellenlänge des einfallenden Lichts, was zur Unfähigkeit führt, durch Multimode-Lichtleiter übertragenes Licht zu schalten.
Wie oben erklärt, ist ein optischer Gatterschalter, der von einem praktischen Gesichtspunkt her akzeptabel ist, im Stand der Technik nicht verwirklicht worden, und somit wurde es versäumt, ein ausgezeichnetes Merkmal der optischen Schalteinrichtung des Spaltoptik-Gattertyps gut zu verwenden.
In Hinblick auf das obige ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die oben erwähnten Nachteile, die bei herkömmlichen optischen Schalteinrichtungen angetroffen werden, zu beseitigen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine klein dimensionierte optische Schalteinrichtung, die zur Integration geeignet ist, bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine optische Schalteinrichtung bereitzustellen, die geringe Kreuzkopplung zeigt und in der Lage ist, mit hoher Geschwindigkeit zu schalten, ohne daß die Verzerrung von Breitbandsignalen bewirkt wird.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine optische Schalteinrichtung für Mehrkanäle mit einer breiten Anwendbarkeit bereitzustellen, so daß Licht, das durch Multimode-Lichtleiter übertragen wird, ebenfalls geschaltet werden kann. Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 14 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Insbesondere kann die elektrooptische Einrichtung als eine Lichtmodulationseinrichtung arbeiten.
Der optische Gatterschalter kann einen lichtempfindlichen Detektor zum Nachweis eines Lichtsignals, ein Treiberelement, das mit dem lichtempfindlichen Detektor verbunden ist, und eine durch das Treiberelement getriebene elektrooptische Einrichtung umfassen. Jeder der lichtempfindlichen Detektoren als auch das Treiberelement können aus einem Metallhalbleiter -Feldeffekttransistor bestehen, und das elektrooptische Element kann aus einer Laserdiode bestehen.
Der optische Gatterschalter kann in Kombination eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, einen Phototransistor, eine Lumineszenzdiode und einen bipolaren Transistor, etc., aufweisen.
Eine optische Schalteinrichtung kann in Kombination aufweisen: eine Anzahl m optischer Teilereinrichtungen (m ist eine positive ganze Zahl), um ein durch einen Eingangsanschluß hereinkommendes Lichtsignal in eine Anzahl n Lichtsignale (n ist eine ganze Zahl größer als zwei) aufzuteilen, optische Schalteinrichtungen, die mit jedem Ausgang der Anzahl m optischer Tellereinrichtungen in einer Kaskade optisch verbunden sind, wobei die optischen Schalteinrichtungen optoelektrische Einrichtungen zur Umwandlung der aufgeteilten Lichtsignale in elektrische Signale einschließen, elektrooptische Einrichtungen zur Umwandlung der elektrischen Signale in Lichtsignale und Schaltsteuereinrichtungen, die betriebsbereit sind, um eine Schaltsteuerung der optoelektrischen Einrichtung und der elektrooptischen Einrichtung zu bewirken, um so eine Funktion zu bieten, die den aufgeteilten Lichtsignalen der Anzahl m der optischen Teilereinrichtungen ermöglicht, im eingeschaltenen Zustand durch die optischen Schalteinrichtungen zu laufen und sie im ausgeschaltenen Zustand am Durchlaufen hindert, und Wellenleitereinrichtungen, die mit jeder der optischen Schalteinrichtungen in einer Kaskade verbunden sind, um zu ermöglichen, daß die optischen Signale von der optischen Schalteinrichtung von ihr ausgegeben werden.
Wenn die optische Schalteinrichtung mit der Anzahl m optischer Teilereinrichtungen (m ist eine positive ganze Zahl größer als zwei) versehen ist, kann die optische Schalteinrichtung als eine zweidimensionale Planarmatrixschaltung mit (m · n) Koppelpunkten aufgebaut werden, auf denen die optischen Schalteinrichtungen angeordnet sind, wobei die Anzahl m optischer Teilereinrichtungen mit der einen Oberfläche der Planarmatrixschaltung verbunden sind, und die Wellenleitereinrichtungen mit deren anderen Oberfläche verbunden sind.
Die elektrooptischen Einrichtungen können betriebsbereit sein, um an die optischen Teilereinrichtungen Lichtsignale mit sich voneinander unterscheidenden Wellenlängen auszusenden.
Der optische Kombinator kann eine Linse, die ermöglicht, daß die optischen Signale von den elektrooptischen Einrichtungen parallel zueinander sind, und einen Interferenzfilter aufweisen, um die von der Linse parallel ausgerichteten optischen Signale optisch zu verbinden. Der optische Kombinator kann ein optisches Gitter enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Die Merkmale und Vorteile einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, die eine erste Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das eine elementare Schaltungsanordnung eines optischen Gatterschalters veranschaulicht, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines als optischen Überträgers aufgebauten optischen Gatterschalters veranschaulicht, der bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 4 eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche optische Schalteinrichtung des optischen Spaltoptik-Gattertyps veranschaulicht;
Fig. 5 eine erläuternde Ansicht, die einen als optisches Gatterschaltfeld aufgebauten optischen Schalter zeigt, der bei einer zweiten Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die die zweite Ausführungsform der optischen Schalteinrichtung unter Verwendung des in Fig. 5 gezeigten optischen Schalters veranschaulicht;
Fig. 7 eine schematische Ansicht, die eine dritte Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 8 eine schematische Ansicht, die eine vierte Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 9 ein Blockdiagramm, das eine elektrische Anordnung eines optischen Gatterschalters veranschaulicht, die bei der in Fig. 8 gezeigten optischen Schalteinrichtung verwendet wird;
Fig. 10 eine Zeittafel, die den Betrieb der in Fig. 8 gezeigten optischen Schalteinrichtung veranschaulicht;
Fig. 11 eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Lichtmodulators veranschaulicht, der in der in Fig. 8 gezeigten optischen Schalteinrichtung verwendet wird; und
Fig. 12 eine schematische Ansicht, die ein anderes Beispiel eines Lichtmodulators veranschaulicht, der bei der in Fig. 8 gezeigten optischen Schalteinrichtung verwendet wird.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung hat durch Anpassung der oben erwähnten Anordnungen Probleme gelöst, die im Stand der Technik aufgetreten sind. Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elementare Schaltungsanordnung eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Schalters (optischer Gatterschalter) veranschaulicht, der die Funktion hat, im eingeschalteten Zustand Licht passieren zu lassen und es im ausgeschalteten Zustand zu sperren.
Ein einfallendes Lichtsignal 21 wird durch eine optoelektrische Einrichtung 22 in ein elektrisches Signal 23, das ein Informationssignal enthält, umgewandelt. Das elektrische Signal 23 läuft durch einen passenden Wellenformer und eine Verstärkerschaltung 24 und wird dann zum zweiten Mal durch eine elektrooptische Einrichtung 25 als ein Lichtsignal 21a ausgegeben.
Bei der folgenden Beschreibung wird die optoelektrische Einrichtung als optoelektrisches oder optoelektronisches Schaltungselement oder Gerät bestimmt, das als Opto/Elektro-Signalkonverter dient, der zur Verkürzung der Beschreibung im folgenden als O/E-Konverter bezeichnet wird. Desgleichen wird die elektrooptische Einrichtung als elektrooptisches Schaltungselement oder Gerät bestimmt, das als Elektro/Opto-Signalkonverter dient, der aus dem gleichen Grund im folgenden als E/O-Konverter bezeichnet wird. Beispielsweise kann die O/E-Konvertereinrichtung aus einem lichtempfangenden Element, z. B. einer Photodiode (PD), aufgebaut sein, und die E/O-Konvertereinrichtung kann aus einem lichtemittierenden Element aufgebaut sein, z. B. einer Halbleiterlaserdiode (LD), einer Lumineszenzdiode (LED), einer Kombination aus einem lichtemittierenden Element und einem äußeren Lichtmodulator. Durch Änderung der Betriebsbedingungen der so aufgebauten O/E- und E/O-Konvertereinrichtungen 22 und 25 und der Wellenformer/Verstärkerschaltung 24 kann der Ein/Aus-Schaltvorgang eines Lichtsignals verwirklicht werden. Tatsächlich wird der Schaltvorgang verwirklicht, indem ein Ein/Aus-Betrieb einer Sperr-Vorspannung bezüglich PD oder ein Ein/Aus-Betrieb einer Durchlaß-Vorspannung bezüglich LD oder LED ausgelöst wird, oder indem ein Ein/Aus-Betrieb einer Vorspannung für ein elektrisches Element ausgelöst wird, das zwischen der O/E- und der E/O-Konvertereinrichtung verbunden ist.
Mit einer derartigen Anordnung können die O/E- und E/O-Konvertereinrichtungen in unabhängiger Weise gesteuert werden, was ermöglicht, daß das Extinktionsverhältnis im Ein/Aus-Betrieb extrem grob ist. Außerdem ermöglicht die so aufgebaute optische Schalteinrichtung, daß eine Signalwellenform durch die dazwischenliegende elektrische Schaltung verstärkt wird, und daß der Schaltvorgang unabhängig von dem Modus und der Wellenlänge des einfallenden Lichts ausgelöst wird. Ein derartiger optischer Gatterschalter kann ebenfalls auf einem einzigen Substrat unter Verwendung der Materialien, wie z. B. GaAlAs/GaAs oder InGaAsP/InP, etc., integriert werden. Dementsprechend ist es durch Verwendung des so aufgebauten optischen Gatterschalters, sogar wenn er in einer optischen Spaltoptik-Gatter- Schalteinrichtung angewendet wird, möglich, einen optischen Schalter für Mehrkanäle zu verwirklichen, der klein dimensioniert und zum Integrieren geeignet ist, der kleine Kreuzkopplung besitzt und Hochgeschwindigkeitsschaltvorgänge auslösen kann, ohne ein Breitbandsignal zu verzerren, und der eine breite Anwendbarkeit zeigt, so daß durch Multimode-Fasern übertragenes Licht geschaltet werden kann.

Erste Ausführungsform

Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung, die eine Ausführungsform eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Gatterschalters veranschaulicht. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen unter Verwendung der Anordnung eines optischen Überträgers aufgebaut, der in dem Dokument "A monolithically integrated optical repeater" von M. Yust et al., Applied Physics Letters, Bd. 35, Nr. 10, S. 795 bis 797, 1979 detailliert beschrieben wird. In dem Bezugsmaterial ist das Versuchsfertigungsergebnis eines Geräts beschrieben, bei dem die gesamten Schaltungselemente innerhalb einer gestrichelten Linie in Fig. 3 unter Verwendung des Materials des GaAlAs/GaAs-Systems auf einem GaAs-Substrat integriert sind.
Der optische Gatterschalter in Fig. 3 umfaßt drei Metallhalbleiter FETs (MESFETs) aus GaAs, die mit 30, 31 und 32 bezeichnet sind, und eine Laserdiode (LD) 33. Der FET 31 dient als lichtempfindlicher Detektor zum Nachweis von auf das Gatter des Schalters auftreffenden Lichts, der FET 32 als Treiber für den LD 33 und der FET 30 als Transistor, der als aktive Last dient. Wenn kein Licht auf das Gatter des FET 31 auftrifft, wird dem Gatter des FET 32 im wesentlichen eine Vorspannung, die durch eine Leistungsquelle 34 erzeugt wird, zugeführt, um somit den FET 32 abzuschalten. Eine Stromquelle 35 ist vorgesehen, um dem LD 33 eine Gleichstromvormagnetisierung zuzuführen. Angenommen, daß der LD 33 durch die Stromquelle 35 bis in die Nähe des Grenzwertes unter Vorspannung gesetzt wird, flieht in den LD 33 nur Gleichstromvormagnetisierungsstrom, wenn kein auftreffendes Licht da ist, mit dem Ergebnis, daß keine Oszillationen auftreten. Im Gegensatz dazu, wenn auf das Gatter des FET 31 Licht auftrifft, treten durch Licht angeregte Ladungsträger auf, die es ermöglichen, daß die Betriebsbedingungen der FETs 30 und 31 verändert werden können. Folglich tritt an dem Gatter des FET 32 eine Änderung der Durchlaß-Vorspannung auf, wobei er eingeschaltet wird. Somit flieht ein dem auftreffenden optischen Signal entsprechender Strom durch den LD 33, wodurch das auftreffende optische Signal reproduziert wird.
Der Betrieb des optischen Überträgers kann durch Unterbrechung jeder Vorspannung beendet werden. Dementsprechend kann dieses System praktisch als ein optischer Gatterschalter verwendet werden. Zusätzlich kann das Gerät bei dem Versuchsfertigungsbeispiel sehr klein dimensioniert sein, bis zu einem Maß, daß seine Abmessung 0.5 · 1.5 mm beträgt. Es wird hier bemerkt, daß ein Beispiel eines monolithisch integrierten Schalters als die Ausführungsform des optischen Gatterschalters vorgestellt worden ist, aber es ist unnötig zu sagen, daß der optische Gatterschalter durch die Kombination gewöhnlicher Einzelelemente gefertigt werden kann. Jedoch in Hinsicht auf die Zukunft ist zu bevorzugen, daß die gesamten Elemente auf einem einzigen Substrat integriert werden, wie bei der vorliegenden Erfindung. Bei der oben erwähnten Ausführungsform wird der MESFET als lichtempfangendes Element, der LD als lichtemittierendes Element und der MESFET als das elektrisch aktive Element verwendet. Außer diesen Elementen ist es möglich, gewöhnliche Elemente, wie etwa PD, Avalanche-Photodioden (ATD), Phototransistoren, LED oder bipolare Transistoren, etc., in Kombination zu verwenden. Im Fall dieser Ausführungsform kann der Ein/Aus- Betrieb des Überträgers durchgeführt werden, indem die Vorspannungsleistungsquelle 34 oder die Stromquelle 35 in den Ein/Aus- Betrieb versetzt wird, um dem LD 33 einen Vormagnetisierungsstrom zuzuführen. Das heißt, der Ein/Aus-Betrieb des Überträgers kann durch Änderung der Vorspannung oder des Vormagnetisierungsstroms in Einklang mit einem Steuersignal verwirklicht werden.
In Hinblick auf andere Systeme zur Verwirklichung des Ein/Aus-Betriebs des Überträgers gibt es ein Verfahren zum Schalten einer Vorspannung für PD oder APD, wenn er als lichtempfangendes Element verwendet wird, ein Verfahren zur Auslösung des Ein/Aus-Betriebs der jeweiligen Zwischenstufen zwischen dem O/E-Konverter und dem Verstärker und zwischen dem Verstärker und dem E/O-Konverter, durch Verwendung eines Gatterschalters des FET-Typs, oder ein Verfahren zur Auslösung des Ein/Aus-Betriebs einer Vorspannung oder eines Signals für ein lichtemittierendes Element, etc. Es ist möglich, ein gewünschtes Verfahren unter den oben erwähnten Verfahren oder ein durch wahlweise Kombination der gewünschten Verfahren erhaltenes Verfahren anzuwenden.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung des Spaltoptik-Gattertyps unter Verwendung des so aufgebauten optischen Gatterschalters wird beschrieben werden. Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine erste Ausführungsform des optischen Gatterschalters entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, worin auf die optische Schalteinrichtung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen ebenfalls zur Verkürzung der Erklärung Bezug genommen wird. Die über Eingangslichtübertragungskanäle 11a und 11b übertragenen Lichtsignale sind mit fasergeschmolzenen Sternkopplern 12a und 12b, die jeweils als Lichtteilereinrichtungen dienen, optisch verbunden. Jedes Lichtsignal wird durch jeden Sternkoppler in zwei Lichtsignale aufgeteilt. Das heißt, Eingangslichtsignale werden insgesamt in vier Lichtsignale aufgeteilt. Die zwei durch den Sternkoppler 12a aufgeteilten Lichtsignale werden jeweils optischen Gatterschaltern 13a und 13b zugeführt, und die zwei durch den Sternkoppler 12b aufgeteilten Lichtsignale werden jeweils den optischen Gatterschaltern 13c und 13d zugeführt. Die Gatterschalter 13a, 13b, 13c und 13d sind, wie vorher beschrieben, mit Überträgersystemen aufgebaut. Jeder Gatterschalter ist mit einer Schaltsteuereinheit 15 verbunden, um so einer Steuerung unterworfen zu sein, daß er in einen gewünschten Ein/Aus-Zustand geschaltet wird. Die Schaltsteuereinheit 15 kann so aufgebaut sein, daß eine Vorspannung für jedes Element im Übertrager entsprechend eines Steuersignals geändert werden kann, und daß ein Signal zum Öffnen oder Schließen des Gatters des FET-Gatterschalters erzeugt wird, obwohl die Anordnung der Schaltsteuereinheit 15 sich abhängig von der Tatsache, welches Verfahren unter den Verfahren zur Durchführung des Ein/Aus-Betriebs des Überträgers verwendet wird, etwas unterscheidet. Beispielsweise kann die Schaltsteuereinheit 15 eine Mehrkanal-Logikschaltung aufweisen.
Zusätzlich, wenn ein durch Licht steuerbares Element, wie etwa zum Beispiel ein optischer Gatter-FET, als Element zur Ein/Aus-Funktionssteuerung des Überträgers verwendet wird, kann die Schaltsteuereinheit 15 durch die oben erwähnte logische Schaltung und den E/O-Konverter kombiniert aufgebaut sein (kombiniert mit einer Treiberschaltung und einem lichtemittierenden Element), um somit die Übertragung eines Steuersignals in Form von Licht durch eine optische Faser zu ermöglichen. In diesem Fall können Probleme aufgrund der Interferenz zwischen dem Steuersignal und einem elektrischen Signal im Überträger perfekt beseitigt werden.
Ein optischer Kombinator 14a ist mit den entsprechenden Ausgängen der optischen Gatterschalter 13a und 13c verbunden.
Desgleichen ist ein optischer Kombinator 14b mit den entsprechenden Ausgängen der optischen Gatterschalter 13b und 13d verbunden. Die Ausgänge der Lichtkombinatoren 14a und 14b sind jeweils mit Ausgangsübertragungskanälen 16a und 16b verbunden.
Die in Fig. 1 gezeigte optische Schalteinrichtung besitzt grundlegend die gleiche Anordnung wie diejenige der vorher beschriebenen optischen Schalteinrichtung des Spaltoptik-Gattertyps, was die Möglichkeit bietet, daß der Schalter klein dimensioniert ist und Mehrkanäle verwirklicht werden. Außerdem, da das Überträgersystem, das in der Lage ist, ein großes Extinktionsverhältnis zu liefern, für jeden optischen Gatterschalter 13a, 13b, 13c und 13d verwendet wird, ist es möglich, geringe Kreuzkopplung zu verwirklichen und Signale ohne Beachtung der Natur des auftreffenden Lichts zu verstärken. Zwischenzeitlich, da die oben erwähnte Schalteinrichtung so aufgebaut ist, daß ein Lichtsignal zuerst in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, gibt es die Möglichkeit, daß eingeschränkte Übertragungsbandbreite oder das Auftreten von Verzerrung verursacht werden kann verglichen mit dem Fall, bei dem der Schaltvorgang mit dem Gesamtsignal in Form eines Lichtsignals bewirkt wird. Da jedoch das Lichtsignal nur im Überträger als elektrisches Signal übertragen wird, kann ein optischer Gatterschalter mit geringer Verzerrung über eine grobe Bandbreite relativ leicht verwirklicht werden. Dementsprechend ist der Einfluß der Kreuzkopplung aufgrund elektrostatischer Kopplung oder elektromagnetischer Induktion sehr viel kleiner als in dem Fall, bei dem das Lichtsignal in Form eines elektrischen Signals durch eine Matrixschalteinrichtung läuft. Aus diesem Grund ist die Schalteinrichtung dieser Ausführungsform nicht nur für das Schalten von Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalen, sondern auch für das Schalten von Breitband-Analogsignalen anwendbar.

Zweite Ausführungsform

Bei der oben erwähnten ersten Ausführungsform wurde der gewöhnliche LD als lichtemittierendes Element im Übertrager verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Gatterschaltfeld mit zweiseitig empfindlichem Bereich durch Verwendung eines Geräts verwirklicht ist, das so aufgebaut ist, daß beide Seitenoberflächen jeweils als lichtempfangende und lichtemittierende Bereiche verwendet werden. Fig. 5 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Ausführungsform einer Komponente eines derartigen optischen Gatterschaltfeldes zeigt. Eine Kollektorsperrschicht 51a aus n&supmin;-GaAs, eine Trägerschicht 51b aus p-GaAs, eine Emitterschicht 51c aus n&supmin;-GaAlAs und eine Schicht Std aus n&spplus;-GaAs sind auf einer Oberfläche eines Substrats 50 aus n&spplus;-GaAs aufgezogen, um einen Phototransistor als lichtempfangendes Element zu bilden. Außerdem sind eine Plattierungsschicht 52a aus n-GaAlAs, eine aktive Schicht 52b aus n&supmin;-GaAlAs, eine Plattierungsschicht 52c aus p-GaAlAs und eine Schicht 52d aus p&spplus;-GaAs auf der anderen Oberfläche des Substrats 50 aus n&spplus;-GaAs aufgezogen, um eine Lumineszenzdiode als lichtemittierendes Element zu bilden. Zusätzlich sind jeweils beide Oberflächen des Substrats 50 mit Elektroden 53 und 54 zum Einstellen einer Vorspannung versehen. Ein derartiges Gatterschaltfeld mit einem lichtempfangenden Element, das auf einer Oberfläche ausgebildet ist, und einem lichtemittierenden Element, das auf der anderen Oberfläche ausgebildet ist, wird in IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Bd. ED-28 (1983), 404 beschrieben.
Bei dem oben erwähnten Material wird eine einzige Einheit, die durch Kombination des Phototransistors mit der Lumineszenzdiode erhalten wird, als Einheitslichtverstärker verwendet. Um ihn als optischen Einheitsgatterschalter zu verwenden, genügt es, ferner eine Steuersignalquelle 55 zum Schalten der Vorspannung vorzusehen. Das oben erwähnte Gerät ist so aufgebaut, daß jeweils lichtempfangende und lichtemittierende Bereiche auf beiden Oberflächen eines einzigen Substrats ausgebildet sind. Dementsprechend kann eine optische Matrixschalteinrichtung aufgebaut werden, indem jeweils eine grobe Anzahl dieser lichtempfangenden und lichtemittierenden Bereiche auf beiden Oberflächen eines einzigen Substrats in einer Matrixweise integriert wird.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform einer optischen (4 · 4)-Schalteinrichtung des Spaltoptik-Gattertyps entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die optische Schalteinrichtung dieser Ausführungsform umfaßt ebene optische Teilereinrichtungen 61a, 61b, 61c und 61d, von denen jede mit einer Leitvorrichtung des SiO&sub2;-Systems mit einem als plattierende Schicht wirkenden SiO&sub2;-Film auf einem Si-Substrat aufgebaut ist, einem optischen Gatterschaltfeld 62 (mit 16 optischen Gatterschaltern), das jeweils durch Integration von Phototransistoren als lichtempfangende Elemente auf einer Oberfläche des oben erwähnten, mit 60 bezeichneten Substrats, und Lumineszenzdioden als lichtemittierende Elemente auf dessen anderen Oberfläche gebildet ist, und optische Kombinatoren 63a, 63b, 63c und 63d für Ausgänge, von denen jeder so aufgebaut ist, daß eine optische Teilereinrichtung, die der obigen ähnlich ist, in einer entgegengesetzten Richtung angeordnet ist, wobei die Einstellung so durchgeführt wird, daß die Abstände zwischen jedem Wellenleiterweg und den lichtempfangenden und lichtemittierenden Elementen zueinander gleich sind. Ein Eingangslichtsignal in jede optische Teilereinrichtung wird aufgeteilt und dann jedem optischen Gatterschalter zugeführt. Eine beliebige Schaltbedingung kann in Abhängigkeit des Ein/Aus-Zustands jedes optischen Gatterschalters gewählt werden. Somit wird ein Signal über den entsprechenden Ausgangswellenleiterweg als Ausgangslichtsignal abgeleitet, das der ausgewählten Schaltbedingung entspricht. Bei dieser Ausführungsform, wie vorher beschrieben, ist der Einheitsgatterschalter als Gerät mit zweiseitig empfindlichem Bereich in einer Weise aufgebaut, daß der Phototransistor als lichtempfangendes Element und der LED als Lumineszenzdiode jeweils auf beiden Oberflächen des Substrats ausgebildet sind. Dementsprechend, wenn die optische Schalteinrichtung unter Verwendung mehrerer derartiger Einheitsgeräte aufgebaut ist, werden lichtempfangende und lichtemittierende Bereiche jeweils auf beiden Oberflächen des Substrats in einer Matrixweise angeordnet sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Somit ermöglicht dies, daß eine Oberfläche als lichtempfangender Bereich und die andere Oberfläche als lichtemittierender Bereich dient. Bei dieser Anordnung sind optische Teilereinrichtungen, an die Eingangslichtsignale übertragen werden, und die Ausgangswellenleiterwege jeweils mit den lichtempfangenden und den lichtemittierenden Bereichen optisch verbunden, um somit effektiv zu vermeiden, daß die optische Verdrahtung kompliziert wird. Es ist ebenfalls offensichtlich, daß Mehrkanalanordnungen leicht ausgeführt werden können.

Dritte Ausführungsform

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine dritte Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein optisches Übertragungssystem zur Verwendung in einem 1 Mikron-Band wird nun angenommen, und eine optische Schalteinrichtung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen wird beschrieben werden. Lichtsignale, die über die optischen Eingangsübertragungskanäle 11a und 11b übertragenen werden, werden durch optische Spalteinrichtungen 12a und 12b aufgespalten, von denen jede aus einem Koppler, der eine Faser verwendet, besteht, und dann treffen die aufgespaltenen Lichtsignale auf den O/E-Konvertereinrichtungen 22a, 22b, 22c und 22d auf, von denen jede jeweils eine InGaAs/InP-Photodiode und einen FET-Vorverstärker aufweist. Von den O/E-Konvertereinrichtungen 22a, 22b, 22c und 22d ausgegebene elektrische Signale werden jeweils durch Verstärker 24a, 24b, 24c und 24d verstärkt, um die E/O-Konvertereinrichtungen 25a, 25b, 25c und 25d, von denen jede eine Treiberschaltung und eine InGaAsP/InP- Halbleiterlaserdiode (LD) aufweist, betriebsbereit sein zu lassen. Die in jeder E/O-Konvertereinrichtung zusammengebaute In- GaAsP/InP-LD ist betriebsbereit, um durch Einstellung des Zusammensetzungsverhältnisses von InGaAsP eine Wellenlänge der Schwingung zu erzeugen, die über einen Bereich von 1.2 bis 1.55 Mikron variiert. Bei dieser Ausführungsform wird die Einstellung so durchgeführt, daß jede Wellenlänge der E/O-Konvertereinrichtungen 25a und 25c etwa 1.2 Mikron beträgt und jede Wellenlänge der E/O-Konvertereinrichtungen 25b und 25d etwa 1.3 Mikron beträgt.
Ausgangslichtsignale von den E/O-Konvertereinrichtungen 25a, 25b, 25c und 25d werden jeweils durch Linsen 71a, 71b, 71c und 71d parallel ausgerichtet. Die so parallel ausgerichteten Ausgangslichtsignale werden durch Interferenzfilter 72a und 72b, deren optische Achsen miteinander übereinstimmen, optisch kombiniert, indem der Unterschied zwischen den Wellenlängen ausgenutzt wird. Die zwei kombinierten Lichtstrahlen werden mit hoher Effizienz jeweils durch die Linsen 73a und 73b mit den optischen Ausgangsübertragungskanälen 16a und 16b verbunden. Bei dieser Ausführungsform wird der für die optische Schalteinrichtung benötigte Schaltvorgang durchgeführt, indem die Steuereinheit 15 betriebsbereit gehalten wird, um entsprechend einer ausgewählten Schaltbedingung jedem FET-Gatterschalter, der in den Zwischenstufen der Verstärker 24a, 24b, 24c und 24d vorgesehen ist, ein Gattersignal, und den LDs der E/O-Konvertereinrichtungen 25a, 25b, 25c und 25d eine Vorspannung zu liefern.
Im allgemeinen, wenn ein Versuch unternommen wird, optische Kombination von Licht unter Verwendung lediglich einer optischen Teilereinrichtung mit einem Eingang und n Ausgängen zu verwirklichen, wobei ihre Eingang/Ausgangsbeziehung entgegengesetzt derjenigen der normalen Verwendung ist, kann die perfekte Abstimmung der Moden zwischen einer großen Zahl zu kombinierender Lichtsignale und einem einzigen Wellenleiterweg, der mit dem Ausgang der entgegengesetzt angeordneten optischen Teilereinrichtung verbunden ist, nicht erhalten werden, wobei hohe Verluste erzeugt werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Anordnung wie bei dieser Ausführungsform, einen Verlust, der erzeugt wird, wenn Ausgangslicht der E/O-Konvertereinrichtungen 25a, 25b, 25c und 25d optisch kombiniert wird, stark zu verringern. Dementsprechend stellt dies das Erreichen einer großen Spanne hinsichtlich des Verlusts des gesamten optischen Übertragungssystems sicher und gibt Anlaß, die Übertragungsentfernung zu erhöhen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Bei der oben erwähnten Ausführungsform wurde der Interferenzfilter als Einrichtung zur optischen Kombination von Licht unter Verwendung der Wellenlängendifferenz verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel, wenn die optische Teilereinrichtung unter Verwendung eines optischen Gitters aufgebaut ist, ist es möglich, aufgrund ihrer hohen Wellenlängenauflösung Licht mit Wellenlängen zu kombinieren, die näher aneinander liegen. Dies ist beim Einbau von Mehrkanälen der optischen Schalteinrichtung vorteilhaft. Außerdem, wenn als optische Teilereinrichtung ein wellenleiterartiger Wellenlängenmultiplexer einer solchen Struktur verwendet wird, daß ein Gitter auf einem Wellenleiterweg gebildet wird, ist es möglich, klein dimensionierte Geräte herzustellen und eine integrierte Anordnung zu verwirklichen. Zusätzlich, wenn ein wellenleiterartiger Wellenlängenmultiplexer des InGaAsP/InP-Systems verwendet wird, ist es möglich, ihn mit jeder LD der E/O-Konvertereinrichtungen 25a, 25b, 25c und 25d monolithisch zu integrieren.

Vierte Ausführungsform

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vierte Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei zur Verkürzung der Beschreibung ebenfalls ein Beispiel einer optischen Teilereinrichtung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen gezeigt ist. Lichtsignale, die über die optischen Eingangsübertragungskanäle 11a und 11b übertragen werden, werden mit Sternkopplern 12a und 12b verbunden, die jeweils als optische Teilereinrichtungen dienen. Jedes derartig verbundene Lichtsignal wird in zwei Lichtsignale aufgeteilt.
Das heißt, Eingangslichtsignale werden insgesamt in vier Lichtsignale aufgeteilt. Zwei über den Sternkoppler 12a übertragene Lichtsignale werden optoelektronischen Gattern 81a und 81c zugeführt, und zwei über den Sternkoppler 12b übertragene Lichtsignale werden optoelektronischen Gattern 81b und 81d zugeführt. Jedes optoelektronische Gatter ist als ein Modul aufgebaut, das aus einem O/E-Konverter und einer Verstärkerstufe besteht, wie später beschrieben werden wird. Diese optoelektronischen Gatter 81a, 81b, 81c und 81d sind mit der Schaltsteuereinheit 15 verbunden, so daß eine gewünschte Ein/Aus- Schaltbedingung verwirklicht werden kann. Ein von einer Gleichstromlichtquelle 82a geliefertes Gleichstromlichtsignal wird einem Lichtmodulator 84a zugeführt, dem durch einen optischen Wellenleiterweg 85a ein von dem optoelektronischen Gatter 81a ausgegebenes elektrisches Ausgangssignal zugeführt wird. Das Ausgangslicht des Lichtmodulators 84a läuft durch einen optischen Wellenleiterweg 83b und einen optischen Modulator 84b, dem ein von dem optoelektronischen Gatter 81b ausgegebenes elektrisches Signal zugeführt wird, und wird dann an den optischen Ausgangsübertragungsweg 16a übertragen. Ebenso wird ein von einer Gleichstromlichtquelle 82b geliefertes Gleichstromlichtsignal einem optischen Modulator 84c zugeführt, dem durch einen Wellenleiterweg 83c ein von dem optoelektronischen Gatter 81c ausgegebenes elektrisches Signal zugeführt wird. Das Ausgangslicht eines Lichtmodulators 84c läuft durch einen optischen Wellenleiterweg 83d und einen Lichtmodulator 84d, dem ein von dem optoelektronischen Gatter 81d ausgegebenes elektrisches Signal zugeführt wird, und wird dann an den Ausgangsübertragungsweg 16b übertragen.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Schaltungsanordnung der in Fig. 8 gezeigten optoelektronischen Gatter 81a, 81b, 81c und 81d veranschaulicht. Ein auftreffendes Lichtsignal 21 wird durch eine O/E-Konvertereinrichtung 22 in ein elektrisches Signal 23 umgewandelt. Das elektrische Signal 23 wird über eine geeignete Verstärkerschaltung 24 als Modulationssignal 26 ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das Modulationssignal 26 entweder in ein Gleichstromsignal oder in ein Signal, das durch Verstärkung des elektrischen Signals 23 entsprechend eines von der Schaltsteuereinheit 15 gelieferten Steuersignals 90 erhalten wird.
Fig. 10 ist eine Zeittafel zur Erklärung des Betriebs der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform. In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 101 und 104 jeweils ein Eingangslichtsignal in den optischen Eingangsübertragungsweg 11a (Fig. 8) und ein Eingangslichtsignal in den optischen Eingangsübertragungsweg 11b (Fig. 8). Bei diesem Betriebsmodus wird der Schaltvorgang in einer Weise bewirkt, daß das Lichtsignal 101 während einer Zeitperiode T&sub1; bis T&sub2; (Zeitperiode τ&sub1;) an den optischen Ausgangsübertragungsweg 16a ausgegeben wird, und das Lichtsignal 104 während einer Zeitperiode T&sub2; bis T&sub3; (Zeitperiode τ&sub2;) an ihn ausgegeben wird. Wie mit dem Bezugszeichen 102 bezeichnet ist, ist das optoelektronische Gatter 81a während der Zeitperiode τ&sub1; betriebsbereit, um ein Modulationssignal auszugeben, das durch optoelektronische Umwandlung und Verstärkung des Lichtsignals 101 erhalten wird, und während Zeitperiode τ&sub2; betriebsbereit, um ein Modulationssignal einer konstanten Spannung V&sub1; auszugeben. Mit einem derartigen Modulationssignal 102 wird eine von der Gleichstromlichtquelle 82a über den optischen Wellenleiterweg 83a zum optischen Modulator 84a ausgegebener Gleichstromlichteingang moduliert. Dementsprechend, wie mit dem Bezugszeichen 103 bezeichnet ist, besitzt ein vom Lichtmodulator 84a zum optischen Wellenleiterweg 83b ausgegebenes Lichtsignal eine Wellenform, die derjenigen des Modulationssignals 102 ähnlich ist, d. h. es besitzt während der Zeitperiode τ&sub1; die gleiche Wellenform wie diejenige des Lichtsignals 101 und wird während der Zeitperiode τ&sub2; ein Gleichstromlicht eines konstanten Niveaus P&sub1;.
Andererseits, wie mit dem Bezugszeichen 105 bezeichnet ist, ist das optoelektronische Gatter 81b während der Zeitperiode τ&sub1; betriebsbereit, um ein Modulationssignal konstanter Spannung V&sub1; auszugeben, und ist während der Zeitperiode τ&sub2; betriebsbereit, um ein Modulationssignal auszugeben, das durch optoelektronische Umwandlung und Verstärkung des Lichtsignals 104 erhalten wird. Mit dem Modulationssignal 105 wird ein vom Lichtmodulator 84b über den optischen Wellenleiterweg 83b eingegebenes Lichtsignal 103 moduliert. Folglich, wie mit dem Bezugszeichen 106 bezeichnet ist, besitzt ein vom Lichtmodulator 84b zu dem optischen Ausgangsübertragungsweg 16a ausgegebenes Lichtsignal eine Wellenform, die derjenigen des Lichtsignals 101 während der Zeitperiode τ&sub1; ähnlich ist, und besitzt eine Wellenform, die derjenigen des Lichtsignals 104 während der Zeitperiode τ&sub2; ähnlich ist.
Um nicht irgendein Lichtsignal an die optischen Ausgangsübertragungswege 16a und 16b auszugeben, ist es ausreichend, daß ein Modulationssignal für jedes optoelektronische Gatter Null sein kann oder daß der Betrieb der Gleichstromlichtquellen 82a und 82b beendet werden kann.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die ein erstes Beispiel der Lichtmodulatoren 84a, 84b, 84c und 84d bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform veranschaulicht. Optische Wellenleiterwege 112a und 112b sind nahe beieinander auf einem kristallinen Substrat 111 mit einem elektrooptischen Effekt gebildet, so daß sie als Richtungskoppler betrieben werden können. Ein auf eine Endfläche 113 des optischen Wellenleiterwegs 112a auftreffendes Lichtsignal wird durch ein zwischen Elektroden 114 geliefertes Modulationssignal moduliert und wird dann von der anderen Endfläche 115 ausgegeben. Mit einem derartigen Lichtmodulator, der auf der Grundlage des elektrooptischen Effekts betrieben wird, wird ein kleiner optischer Verlust erwartet. Außerdem kann ein optisches Modulatorfeld durch Integration mehrerer derartiger Lichtmodulatoren auf einem kristallinen Substrat gebildet werden. Der Lichtmodulator mit einem derartigen elektrooptischen Effekt wird im Detail in IEEE TRANSAC- TIONS ON Microwave Theory and Techniques, Bd. 1, MIT-30, Nr. 8, August 1982 beschrieben.
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht, die ein zweites Beispiel der Lichtmodulatoren 84a, 84b, 84c und 84d, die in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform verwendet werden, veranschaulicht. Ein auf eine Endfläche einer aktiven Schicht eines Halbleiterlasers 121 auftreffendes Lichtsignal wird durch ein von einer Elektrode 124 geliefertes Modulationssignal moduliert. Das so modulierte Lichtsignal wird von der anderen Endfläche 123 der aktiven Schicht ausgegeben. Ein derartiger Lichtmodulator, der einen Halbleiterlaser verwendet, kann optische Verstärkung erzeugen. Der Lichtmodulator, der einen derartigen Halbleiterlaser verwendet, wird in dem Artikel des IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-19, S. 157, 1983 beschrieben.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist es möglich, die Lichtmodulatoren 84a und 84c durch ein modulierbares, lichtemittierendes Element (Halbleiterlaser) außer den Gleichstromlichtquellen 82a und 82b und den optischen Wellenleiterwegen 83a und 83c zu ersetzen, um somit zu ermöglichen, daß die Anzahl der Lichtmodulatoren durch die Anzahl der Ausgangskanäle verringert wird.
Wie im Detail beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung eine optische Schalteinrichtung bereitstellen, die klein dimensioniert und zur Integration geeignet ist, die eine geringe Kreuzkopplung besitzt, dabei in der Lage ist, ohne Verzerrung eines Breitbandsignals einen Schaltvorgang hoher Geschwindigkeit zu bewirken, und die breite Anwendungen findet, so daß durch eine optische Multimode-Faser übertragenes Licht geschaltet werden kann, was somit künftig bedeutend zur Verwirklichung verschiedener Arten optischer Systeme beiträgt.

Claims

1. Optische Schalteinrichtung mit:

in (positive ganze Zahl) optischen Eingangskanälen (11), in optischen Teilereinrichtungen (12), von denen jede mit jedem optischen Eingangskanal zur Aufteilung eines Eingangslichtsignals in n (positive ganze Zahl) Zweiglichtsignale verbunden ist,

(m · n) Schalteinrichtungen (13), die so angeordnet sind, daß sie eine Matrix mit m Zeilen und n Spalten bilden, wobei die Eingangsanschlüsse der Schalteinrichtungen, die zur gleichen Zeile der Matrix gehören, jeweils durch die entsprechende optische Teilereinrichtung (12) mit dem gleichen optischen Eingangskanal (11) verbunden sind,

n optischen Kombinatoreinrichtungen (14), von denen jede mit Ausgangsanschlüssen der Schalteinrichtungen (13), die zur gleichen Spalte der Matrix gehören, zur Kombination der Lichtsignale von ihr verbunden sind und die jeweils ein kombiniertes Lichtsignal zu jedem der n optischen Ausgangskanäle (16) ausgeben, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schalteinrichtung (13) aufweist:

eine optoelektrische Einrichtung (22) zur Umwandlung des Eingangslichtsignals, das durch den entsprechenden optischen Eingangskanal (11) übertragen wird, in ein elektrisches Signal,

eine elektrische Schaltungseinrichtung (24), die auf ein Steuersignal anspricht, um ein elektrisches Signal auszugeben, das dem von der optoelektrischen Einrichtung (22) ausgegebenen elektrischen Signal entspricht, und

eine elektrooptische Einrichtung (25), die auf das von der elektrischen Schaltungseinrichtung (24) ausgegebene Signal anspricht, um das Lichtsignal zu erzeugen.

2. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrooptische Einrichtung betriebsbereit ist, um Lichtsignale mit voneinander verschiedenen Wellenlängen zu den optischen Teilereinrichtungen zu senden, und die optischen Koinbinatoreinrichtungen aus Wellenlängenaufteilungs-Multiplexern bestehen.

3. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrooptische Einrichtung (25) als Lichtmodulationseinrichtung arbeitet und ein moduliertes Lichtsignal erzeugt.

4. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die optoelektrische Einrichtung ein lichtempfindlicher Detektor (31) zur Detektion eines Lichtsignals ist, und ein Treiberelement (32) mit dein lichtempfindlichen Detektor verbunden ist.

5. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder lichtempfindliche Detektor (31) und jedes Treiberelement (32) aus einem Metallhalbleiter-Feldeffekttransistor besteht, und die elektrooptische Einrichtung aus einer Laserdiode (33) besteht.

6. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schalteinrichtung in Kombination eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, einen Phototransistor, eine Lumineszenzdiode und einen bipolaren Transistor aufweist.

7. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn die optische Schalteinrichtung mit der Anzahl in optischer Teilereinrichtungen (in ist eine positive ganze Zahl größer als zwei) versehen ist, die optische Schalteinrichtung als eine zweidimensionale Planarmatrixschaltung mit (m · n) Koppelpunkten aufgebaut ist, auf denen die Schalteinrichtungen (13) angeordnet sind, wobei eine Anzahl in der optischen Teilereinrichtungen (61) mit einer Oberfläche der Planarmatrixschaltung verbunden ist und der optische Kombinator (63) mit deren anderer Oberfläche verbunden ist.

8. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Matrixschaltung einen Phototransistor, der als lichtempfangendes Element mit einer Kollektorschicht (51a), einer Trägerschicht (51b) und einer Emitterschicht (51c) dient, die auf eine Oberfläche eines Substrats (50) geschichtet sind, und eine Lumineszenzdiode aufweist, die als ein lichtemittierendes Element mit einer ersten Abdeckschicht (52a), einer aktiven Schicht (52b) und einer zweiten Abdeckschicht (52c) dient, die auf der anderen Oberfläche des Substrats (50) geschichtet sind, wobei jeweils Elektroden (53, 54) auf der Oberseite des Phototransistors und der Photodiode vorgesehen sind, und eine Steuersignalquelle (55) zur Schaltung einer Vorspannung mit den jeweiligen Elektroden (53, 54) verbunden ist.

9. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 8, wobei in dein Phototransistor die Kollektorschicht (51a) aus n&supmin;-GaAs, die Trägerschicht (51b) aus p-GaAs, die Emitterschicht (51c) aus n&supmin;-GaAlAs besteht, und in der Photodiode die erste Abdeckschicht (52a) aus n-GaAlAs, die aktive Schicht (52b) aus n&supmin;-GaAlAs und die zweite Abdeckschicht (52c) aus p-GaAlAs besteht.

10. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der optische Kombinator einen Satz Linsen (71) zur parallelen Ausrichtung der optischen Signale von der elektrooptischen Einrichtung (25) und einen Interferenzfilmfilter (72) zur optischen Verbindung der optischen Signale, die durch den Satz von Linsen (71) parallel ausgerichtet sind, aufweist.

11. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der optische Kombinator ein optisches Gitter beinhaltet.

12. Optische Schalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der optische Kombinator einen wellenleiterartigen Multiplexer aufweist, in dem ein optisches Gitter durch einen Wellenleiterweg gebildet wird.

13. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 12, wobei, wenn der wellenleiterartige Multiplexer ein InGaAsP/ InP-System als ein Elementarmaterial verwendet, der wellenleiterartige Multiplexer des InGaAsP/InP-Systems und die Laserdiode der optoelektrischen Einrichtung monolithisch integriert sind.

14. Optische Schalteinrichtung mit:

(positive ganze Zahl) optischen Eingangskanälen (11),

optischen Teilereinrichtungen (12), die mit den Eingangskanälen (11) zur Aufteilung eines Eingangslichtsignals in n (positive ganze Zahl) Zweiglichtsignale verbunden sind,

m · n Schalteinrichtungen (81), die so angeordnet sind, daß sie eine Matrix mit in Zeilen und n Spalten bilden, wobei die Eingangsanschlüsse der Schalteinrichtungen (81), die zur gleichen Zeile der Matrix gehören, durch die entsprechende optische Teilereinrichtung (12) mit dein gleichen optischen Eingangskanal verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schalteinrichtungen (81) aufweist:

m · n elektrische Schalteinrichtungen (24), von denen jede elektrisch mit jeder optoelektrischen Einrichtung (22) zur elektrischen Schaltung der Ausgangssignale der optoelektrischen Einrichtung (22) als Antwort auf ein Steuersignal verbunden ist,

n Lichtemissionseinrichtungen (82) zur Emission von geliefertem Gleichstromlicht,

m · n Lichtmodulationseinrichtungen (84), die angeordnet sind, um eine Matrix mit in Zeilen und n Spalten zu bilden, und mit den m · n optoelektrischen Einrichtungen (22), die zur gleichen Zeile der letzteren Matrix gehören, elektrisch verbunden sind, die optisch miteinander in einer Kaskade geschaltet sind, und

Einrichtungen (83) zur Leitung des Gleichstromlichts von der Lichtemissionseinrichtung (82) zu der Lichtmodulationseinrichtung (84), die optisch in einer Kaskade geschaltet sind und zur gleichen Zeile der letzteren Matrix gehören.