DE3644309A1 - Integrierter optischer schalter - Google Patents

Integrierter optischer schalter

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Optik, und zwar insbesondere integrierte optische Schalter bzw. Um­ schalter.
Das Gebiet der integrierten Optik, das in den frühen 1970er Jahren begann, beinhaltet unter anderem den Aufbau bzw. die Ausbildung von integrierten optischen Wellenleitern und Schaltern auf dielektrischen Miniatursubstraten, wie auch die Integration von optischen und elektronischen Komponen­ ten bzw. Bauteilen auf einem einzigen Substrat.
Der Status des Gebiets des integrierten optischen Schaltens bzw. Umschaltens ist in einem Paper von M. Sakaguchi und H. Goto beschrieben, die unter dem Titel "High Speed Opti­ cal Time-Division and Space-Division Switching" (in deut­ scher Übersetzung: "Optisches Hochgeschwindigkeitszeittei­ lungs- und -raumteilungsschalten") auf der "5th Interna­ tional Conference on Integrated Optics and Optical Fibre Communication", Venedig, 1. bis 4. Oktober 1985 präsentiert und als Teil der Konferenzproceedings bzw. -veröffentlichun­ gen publiziert worden ist.
Die integrierten optischen Schalter nach dem Stande der Technik sind aus einer Anordnung von 1×2, 2×2 oder l×n Schaltern konfiguriert. Demgemäß sind Schalter höhe­ rer Ordnung durch eine Akkumulation von Quersprech- bzw. Kreuzkopplungsverlusten und Zwischenschaltungs- bzw. Inser­ tionsverlusten charakterisiert und haben eine resultierende niedrige Leistungsfähigkeit.
Beispiele für integrierte Optikschalter vom Typ 1×n sind in dem US-Patent 44 25 024 von Keil et al., dem US-Patent 41 48 556 von Sauter et al. und dem US-Patent 44 91 384 von Yamashita et al. beschrieben. Beispiele für Anordnungen von Schaltern vom Typ 2×2 sind in dem US-Patent 40 13 000 von Kogelnik beschrieben.
Kurz zusammengefaßt soll mit der vorliegenden Erfindung ein hochqualitativer, kosteneffektiver integrierter optischer Mehrfachterminalschalter zur Verfügung gestellt werden.
Infolgedessen wird gemäß einer Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung ein integrierter optischer Mehrfachtermi­ nalschalter zur Verfügung gestellt, der folgendes umfaßt: ein Substrat, eine erste Mehrzahl von optischen sendenden Terminals, die auf dem Substrat gebildet bzw. vorgesehen sind, eine zweite Mehrzahl von optischen empfangenden Ter­ minals, die auf dem Substrat gebildet bzw. vorgesehen sind, eine Wellenleitereinrichtung, die eine optische Verbindung zwischen der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl lie­ fert, und eine Einrichtung zum wahlweisen Richten von Licht von ausgewählten Terminals aus der ersten Mehrzahl von op­ tischen sendenden Terminals zu der zweiten Mehrzahl von optischen empfangenden Terminals.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erzeugt die Einrichtung zum wahlweisen Richten von Licht einander schneidende bzw. kreuzende Lichtstrahlen bzw. -bündel.
Weiter wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung außerdem eine Einrichtung zum wahlweisen Richten von Licht zu ausgewählten Terminals aus der zweiten Mehr­ zahl von optischen empfangenden Terminals von der ersten Mehrzahl von optischen sendenden Terminals zur Verfügung gestellt.
Darüber hinaus sind gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung die erste Mehrzahl von optischen sendenden Terminals und die zweite Mehrzahl von optischen empfangenden Terminals identisch, derart, daß optisch empfangende Terminals als optisch sendende Terminals operativ sein können, und umge­ kehrt, und daß Licht gleichzeitig in beiden Richtungen zwi­ schen denselben laufen bzw. übertragen werden kann.
Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachfolgend zum besseren und umfassenderen Verständnis der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausfüh­ rungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsichtsdarstellung auf einen integrierten optischen Schalter bzw. Umschalter, der gemäß ei­ ner bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbeitet;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang den Linien II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines richtbaren Termi­ nals, der in der Einrichtung der Fig. 1 und 2 verwendbar ist; und
Fig. 4 eine Aufsichtsdarstellung eines integrierten opti­ schen Schalters bzw. Umschalters, in dem Breit­ strahlen bzw. -bündel angewandt werden.
In der nun folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen der Erfindung sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen ein exemplarischer integrier­ ter optischer Schalter veranschaulicht ist, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist und arbeitet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Fig. 1 und 2 nur zu Erläuterungszwecken dienen und damit keine maß­ stabsgerechte Darstellung beabsichtigt ist.
Der optische Schalter nach der vorliegenden Erfindung ist typischer- bzw. vorzugsweise auf einem Substrat 10 ausge­ bildet, das zum Beispiel aus LiNbO₃, Silizium oder Glas aus­ gebildet ist. Ein relativ dünner Wellenleiter 12 ist typischer­ bzw. vorzugsweise durch Titandiffusion in LiNbO₃ oder Dampf­ ablagerung von Si3N4 oder Ta2O5 auf einem Siliziumsubstrat oder irgendeinem anderen geeigneten Material über eine we­ sentliche Breite, die faktisch den gesamten oder einen we­ sentlichen Teil des Substrats 10 überdecken kann, ausgebil­ det.
Die typische bzw. bevorzugte Dicke des Wellenleiters liegt in der Größenordnung von wenigen Mikron bzw. µm, und typi­ sche Dimensionen des Wellenleiters sind wenige Zentimeter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind entlang dem Umfang oder in der Nähe des Umfangs des Sub­ strats 10 eine Mehrzahl von optischen Kommunikations- bzw. Datenübertragungsterminals 14 bzw. eine Mehrzahl von Kommu­ nikations- bzw. Datenübertragungsein- und/oder -ausgängen 14 verteilt, von denen jeder vorzugsweise zur Verbindung mit einer optischen Faser oder einem anderen optischen Kom­ munikations- bzw. Datenübertragungsglied angeordnet und/oder ausgebildet ist. Aus Gründen der Klarheit sind vorliegend nur fünf optische Kommunikationsterminals auf jeder Seite des Substrats veranschaulicht, wobei jedoch darauf hinge­ wiesen sei, daß eine viel größere Anzahl von optischen Kom­ munikationsterminals vorgesehen sein kann, zum Beispiel in der Größenordnung von hundert oder von hunderten.
Zur einfacheren Erläuterung seien die fünf optischen Kommu­ nikationsterminals auf der linken Seite des Substrats als eine erste Mehrzahl 16 bezeichnet, während die fünf opti­ schen Kommunikationsterminals auf der rechten Seite des Substrats als eine zweite Mehrzahl 18 bezeichnet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß hier zwar Kommunikationen bzw. Datenübertragungen von der Mehrzahl 16 zu der Mehrzahl 18 veranschaulicht und in Form von Strahlen 20, insbesondere Wellen- bzw. Lichtstrahlen, dargestellt sind. In Wirk­ lichkeit ist das Schalten bzw. Umschalten jedoch nicht auf ein solches von Seite zu Seite über das Substrat beschränkt, vielmehr kann die erste und zweite Mehrzahl auch irgendwo entlang dem Substrat verschachtelt bzw. einander durchset­ zend angeordnet sein. Weiterhin kann im Prinzip jeder Termi­ nal mit jedem anderen Terminal kommunizieren bzw. in Verbin­ dung treten.
Jeder Terminal steht über eine geeignete Stoß- bzw. Stumpf­ verbindung oder irgendeine andere geeignete Verbindung mit einer entsprechenden optischen Faser 22 in Verbindung. Es sei darauf hingewiesen, daß jede bzw. irgendeine der opti­ schen Fasern 22 durch eine Lichtquelle oder durch einen Lichtsensor ersetzt werden kann, die bzw. der direkt oder indirekt an den Wellenleiter angekoppelt sein kann.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist jeder Terminal aus der ersten Mehrzahl von Terminals mit einer integrier­ ten bzw. mit ihm integrierten elektro-optischen Einrichtung zum Richten, Leiten, Lenken, Bündeln o. dgl. von Licht ver­ bunden. Wenn die erste Mehrzahl von Terminals als Sender betrachtet werden, sind die integrierten elektro-optischen Einrichtungen dahingehend wirksam, daß sie Licht von jedem der ersten Terminals zu einem ausgewählten Terminal von den zweiten Terminals richten, leiten, bündeln o. dgl. Wenn die erste Mehrzahl von Terminals als eine Mehrzahl von Empfän­ gern betrachtet wird, dann sind die elektro-optischen Ein­ richtungen dahingehend wirksam, daß sie Licht wahlweise von einem der zweiten Terminals zu jedem bzw. je einem oder einem ausgewählten der ersten Terminals richten, leiten, lenken, bündeln o.dgl.
Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, welche den Aufbau ei­ nes Terminals veranschaulicht, der in der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 verwendbar ist. Wie man aus Fig. 3 er­ sieht, ist hier eine optische Faser 22 dargestellt, die an den Wellenleiter 12 typischer- bzw. vorzugsweise mittels einer Stoß- bzw. Stumpfverbindung angekoppelt ist. Eine in­ tegrierte optische Linse 32 ist dahingehend operativ, daß sie ein von dem Stoß- bzw. Stumpfende der optischen Faser 30 emittiertes Lichtbündel kollimiert bzw. richtet. Die Linse 32 kann eine konventionelle integrierte optische Lin­ se sein, und zwar beispielsweise von der Art, wie in dem Artikel von Ettore Colombine "Design of thin-film Luneburg lenses for maximum focal length control" (in deutscher Über­ setzung: "Ausbildung von Dünnfilm-Luneburg-Linsen für Maxi­ malbrennweitensteuerung") in Applied Optics, Bd. 20, Nr. 20 vom 15. Oktober 1981, Seite 3589 bis 3593 beschrieben, und die technische Lehre dieses Artikels wird durch diese Bezugnah­ me mit zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Eine andere Veröffentlichung, in der eine inte­ grierte optische Linse beschrieben und dargestellt ist, ist der Artikel "Integrated lenses on silicon nitride waveguides" (in deutscher Übersetzung: "Integrierte Linsen auf Silizium­ nitridwellenleitern") von P. Gidon et al. in Optical En­ gineering, März, April 1985, Bd. 24, Nr. 2, Seite 235 bis 240. Auch die technische Lehre dieser Veröffentlichung wird durch diese Bezugnahme mit zum Offenbarungsinhalt der vor­ liegenden Anmeldung gemacht.
Ein Strahlrichtelement 34 liegt in dem von der Linse 32 er­ zeugten Strahlenbündel und ist dahingehend operativ, daß sie dieses Strahlenbündel richtet, leitet, lenkt, bündelt o. dgl., wenn bzw. wie es gewünscht wird. Ein solches Strahl­ richtelement ist in dem US-Patent 43 94 060 von Verber et al. beschrieben, und die technische Lehre dieser US-Patent­ schrift wird durch diese Bezugnahme ebenfalls mit zum Offen­ barungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Ein kombiniertes Linsen- und Strahlrichtelement, das in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, ist in dem Artikel "Electro-optic Fresnel lens-scanner with an array of channel waveguides" (in deutscher Übersetzung: "Elektro­ optischer Fresnellinsenabtaster mit einer Anordnung von Kanalwellenleitern") von K. Takizawa in Applied Optics, Bd. 22, Nr. 16 vom 15. August 1983, Seite 2468 bis 2473 beschrieben.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehend in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Einrichtung auch als ein richtba­ rer bzw. ausrichtbarer Empfänger arbeiten kann. In einem solchen Falle wählt das Strahlrichtelement 34 einen Bereich von Winkeln aus, aus dem Licht durch die Linse 32 empfangen und auf die Faser 22 fokussiert wird. Es sei weiter darauf hin­ gewiesen, daß die Einrichtung der Fig. 3 gleichzeitig so arbeiten kann, daß sie empfängt und sendet.
Die Fig. 4 zeigt einen optischen Schalter, welcher demje­ nigen der Fig. 1 ähnlich ist. Jedoch werden hier relativ weitwinklige Strahlen durch die Kommunikationsterminals 40 der ersten Mehrzahl 16 gesendet. In dieser Ausführungsform sind die Strahlrichtelemente 34 normalerweise aus den Sen­ determinals 40 weggelassen, und die Linsen 32, die mit den sendenden Terminals verbunden sind, arbeiten dahingehend, daß sie das Licht von den Fasern 30 über alle potentiell empfangenden Terminals verteilen. Es ist möglich, auch die Linsen 32 aus den Sendern zu eliminieren, und zwar dort, wo die Verteilung des Lichts von dem Faserstoß- bzw. -stumpf­ ende akzeptabel ist. In dieser Ausführungsform wirken die Kommunikationsterminals 14 der zweiten Mehrzahl 18 als empfangende Terminals und können identisch mit den in Figur 3 veranschaulichten Terminals sein.
Die Einrichtung nach Fig. 4 ist insbesondere auf CATV-Netz­ werke anwendbar, worin jedes der gesendeten Signale für eine Auswahl durch jeden der Teilnehmer verfügbar sein muß (es sei hier darauf hingewiesen, daß unter CATV Fernsehen über Ortsantennenanlage bzw. Gemeinschaftsantennenanlage zu verstehen ist).
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschrie­ benen oder dargestellten Ausführungsformen beschränkt, son­ dern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist, sowie im Rah­ men des allgemeinen Erfindungsgedanken, wie er sich aus den gesamten Unterlagen entnehmen läßt, in vielfältiger Weise abwandeln und mit Erfolg verwirklichen.

Claims (7)

1. Optischer Mehrfachterminalschalter, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er folgendes umfaßt:
ein Substrat (10);
eine erste Mehrzahl (16) von optischen sendenden Terminals (14), die auf dem Substrat (10) gebildet bzw. vorgesehen sind;
eine zweite Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Termi­ nals (14), die auf dem Substrat (10) gebildet bzw. vorgese­ hen sind;
eine Wellenleitereinrichtung (12), welche eine optische Verbindung zwischen der ersten Mehrzahl (16) und der zwei­ ten Mehrzahl (18) herstellt; und
eine mit jedem Terminal (14) aus der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14) verbundene Ein­ richtung (32) zum wahlweisen Richten von Licht von ausge­ wählten Terminals (14) aus der ersten Mehrzahl (16) von op­ tischen sendenden Terminals (14) zu der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14) bzw. zu aus­ gewählten Terminals (14) aus der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung (32) zum wahlweisen Richten dahingehend operativ ist, daß sie einen Bereich von Winkeln auswählt, aus dem Licht in bzw. bei einem gegebenen Terminal (14) aus der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14) empfangen wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zum wahlweisen Richten dahingehend operativ ist, daß sie einen Bereich von Winkeln auswählt, durch den Licht von einem ge­ gebenen Terminal (14) aus der ersten Mehrzahl (16) von opti­ schen sendenden Terminals (14) gesendet wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen sendenden Terminals (14) und die optischen empfangenden Terminals (14) identisch sind und identische Funktionen haben.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen sendenden Terminals (14) und die optischen empfangenden Terminals (14) gleichzeitig oder abwechselnd als empfangende Termi­ nals und sendende Terminals operativ sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zum wahlweisen Richten eine integrierte elektrisch betätigbare Linse umfaßt oder ist.
7. Optisches Schalt- bzw. Umschaltsystem, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes umfaßt:
einen optischen Mehrfachterminalschalter, der folgendes aufweist:
ein Substrat (10);
eine erste Mehrzahl (16) von optischen sendenden Terminals (14), die auf dem Substrat (10) gebildet bzw. vorgesehen sind;
eine zweite Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Termi­ nals (14), die auf dem Substrat (10) gebildet bzw. vorgese­ hen sind;
eine Wellenleitereinrichtung (12), die eine optische Ver­ bindung zwischen der ersten Mehrzahl (16) und der zweiten Mehrzahl (18) herstellt bzw. bildet; und
eine mit jedem Terminal (14) aus der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14) verbundene Einrich­ tung (32) zum wahlweisen Richten von Licht von ausgewählten Terminals (14) aus der ersten Mehrzahl (16) von optischen sendenden Terminals (14) zu der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14) bzw. zu ausgewählten Terminals (14) aus der zweiten Mehrzahl (18) von optischen empfangenden Terminals (14); sowie
eine Steuereinrichtung zum Liefern von elektrischen Signa­ len an den optischen Mehrfachterminalschalter zum Herstel­ len der gewünschten Schalt- bzw. Umschaltverbindungen.
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