DE3789437T2

DE3789437T2 - Optischer Schalter.

Info

Publication number: DE3789437T2
Application number: DE3789437T
Authority: DE
Inventors: Michael John Adams
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2007-12-15
Also published as: JPH01502615A; DE3789437D1; EP0274250B1; ES2050117T3; US4873690A; WO1988004791A1; ATE103400T1; CA1294804C; EP0274250A2; GB8629871D0; EP0274250A3; JP2637531B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter. Er findet insbesondere Anwendung in der optischen Logik und der Signalverarbeitung.
Es ist bekannt, optische Halbleitervorrichtungen als Schalter bei der optischen Logik und Signalverarbeitung zu verwenden. Sie sind dadurch vorteilhaft, daß sie entworfen sein können, um bei niedrigen Leistungspegeln zu arbeiten, physikalisch wenig Raum in einem Signalverarbeitungssystem einnehmen, bei Wellenlängen arbeiten, die kompatibel mit denjenigen sind, die bei optischer Kommunikation gebräuchlich sind, und potentiell monolitisch integriert mit anderen optischen Komponenten sein können.
Als Schalter können sowohl passive als auch verstärkende Vorrichtungen verwendet werden. Die inhärente Verstärkung einer verstärkenden Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Laser; reduziert das Bedürfnis nach zusätzlicher Verstärkung in einem System und gibt daher verstärkenden Vorrichtungen einen Vorteil verglichen mit passiven Vorrichtungen. Außerdem können verstärkende Vorrichtungen entworfen sein, daß sie bei Leistungspegeln schalten, die typischerweise in der Größenordnung von 10³ mal niedriger als diejenigen sind, die für passive Vorrichtungen erforderlich sind, und so daß sie leicht verfügbar sind.
Ein Halbleiterlaser weist im allgemeinen einen Wafer auf, der aus Materialien aufgewachsen ist, die Kombinationen von Elementen aus den Gruppen III und V der Periodentafel enthalten. Die Schichten des Wafer sind selektiv dotiert, um einen p-n-Übergang bereitzustellen, in dessen Nachbarschaft ein aktiver Bereich liegt. Photonen können in dem aktiven Bereich durch radiative Rekombination von Elektronenlochpaaren (Trägern) unter einem Treiberstrom erzeugt werden, der über den Übergang angelegt ist. Durch Variation des Refraktionsindex des Wafer-Materials und/oder durch Steuerung der Stromverteilung in der Fotodiode werden die erzeugten Photonen geleitet, damit sie sich in einem wellenleitenden Bereich längs der Fotodiode bewegen. Eine Rückkopplung ist zu dem wellenleitenden Bereich bereitgestellt, zum Beispiel durch reflektive Endfacetten des Laser (einem Fabry-Perot-Laser) oder durch Welligkeiten in einer Schnittstelle, die nahe dem aktiven Bereich liegt (ein Beispiel eines Laser mit verteilter Rückkopplung).
Ein Faktor bei der Auswahl von Materialien für optische Vorrichtungen ist die Tatsache, daß optische Fasern aus Silikat, die allgemein in derzeitigen Kommunikationssystemen verwendet werden, Verlustminima bei ungefähr 0,9 um, 1,3 um und 1,55 um haben. Demgemäß gibt es ein besonderes Bedürfnis nach Vorrichtungen, die günstige Charakteristiken zeigen, wenn sie unter Verwendung optischer Strahlung in dem Wellenlängenbereich von 0,8 bis 1,65 um betrieben werden, und insbesondere in den Bereichen von 0,8 bis 1,0 um und von 1,3 bis 1,65 um. (Diese Wellenlängen, wie alle hier genannten Wellenlängen, außer denen, wo der Kontext etwas anderes anzeigt, sind in-vacuo-Wellenlängen). Materialien, die als geeignet für die Herstellung von optischen Schaltern mit solchen günstigen Charakteristiken gefunden wurden, umfassen die Halbleitermaterialien der Gruppen III/V einschließlich Galiumarsenid, Indium-Galliumarsenid, Gallium-Alluminiumarsenid, Indiumphosphid und den quaternären Materialien, Indium-Galliumarsenid-Phosphide (InxGa1-xAsyP1-y). Im Hinblick auf die quaternären Materialien ist es durch geeignete Wahl von x und y möglich, Bereiche aus unterschiedlichen dieser Materialien mit benachbarten Materialien der III-V-Gruppe in einer Vorrichtung dem Gitter anzupassen, während es möglich ist, die dem zugeordneten Bandabstand äquivalente Wellenlänge auszuwählen.
Wenn optische Strahlung zu dem aktiven Bereich eines Halbleiterlasers eingegeben wird und ein Treiberstrom angelegt wird, tritt eine Verstärkung der Strahlung auch dann auf, wenn der Treiberstrom unter dem lasernden Schwellwertstrom ist, der notwendig ist, daß eine lasernde Wirkung auftritt. Die Beziehung zwischen der Eingangs- und Ausgangsstrahlungsintensität ist nicht linear und kann eine Bistabilität zeigen, wobei die Ausgangsintensität schnell zwischen zwei Werten schaltet, wenn die Eingangsintensität einen relevanten Schaltpegel erreicht. Die Nichtlinearität rührt von den Änderungen in dem Refraktionsindex des Materials des aktiven Bereiches her. Die Eingangsstrahlung in der erfahrenen Verstärkung reduziert die Konzentration der freien Träger und damit die Verstärkung. Der Refraktionsindex variiert mit der Verstärkung gemäß der Beziehung von Kramers-Kronig. Umgekehrt hängt der Verstärkungsgrad der Eingangsstrahlung von einer Beziehung zwischen der Eingangswellenlänge und dem Refraktionsindex des Materials des aktiven Bereiches ab. Daher; wenn der Refraktionsindex sich ändert, aber die Eingangswellenlänge konstant bleibt, wird der Verstärkungsgrad sich ändern und daher die Ausgangsstrahlungsintensität.
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahlungsintensität wird durch einen anderen Faktor verkompliziert, der den Refraktionsindex des Materials des aktiven Bereiches beeinflußt; die Temperatur. Sowohl die Laserantriebsbedingungen als auch die Eingangsstrahlung haben einen Effekt auf die Temperatur. Überall wird die Zwischenwirkung der Verstärkung, des Refraktionsindex, des Treiberstromes und der Eingangsstrahlung verkompliziert und schwierig zu spezifizieren für eine spezifische Vorrichtung.
Eine bistabile Schaltwirkung in sowohl passiven als auch verstärkenden Vorrichtungen in Antwort auf Änderungen in der Eingangsstrahlung kann in der optischen Logik als "AND/OR" oder "NAND/NOR"-Gatter ausgenutzt werden. Wenn die Bistabilität ein plötzliches Anwachsen in der Ausgangsstrahlungsintensität in Antwort auf ein Anwachsen der Eingangsstrahlung aufweist, dann ist die Vorrichtung geeignet zur Verwendung als ein "AND/OR"-Gatter. Wenn die Bistabilität ein plötzliches Absinken aufweist, dann ist die Vorrichtung geeignet zur Verwendung als ein "NAND/NOR"-Gatter. Vorrichtungen sind bekannt, die mit einer oder der anderen dieser Charakteristiken arbeiten werden. Zum Beispiel ist es für einen einfachen passiven Fabry-Perot-Resonator (Etalon) bekannt, daß er in der Lage ist, als ein "AND/OR"-Gatter bei der Übertragung zu wirken, während ein Laser dafür bekannt ist, in der Lage zu sein, als ein "NAND/NOR"-Gatter in Reflexion zu wirken. ("In Übertragung" beschreibt den Fall, bei dem die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse einer Vorrichtung an einander entgegengesetzten Enden der Vorrichtung liegen, während "in Reflexion" den Fall beschreibt, bei dem die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an dem gleichen Ende sind).
Eine optische Speichervorrichtung, die auf einem bistabilen Halbleiterlaser basiert, ist in der EP-Patentanmeldung mit der Nummer 0 188 290 im Namen der NEC Corporation beschrieben. Die Vorrichtung ist auch als nützlich als eine optische Master-Slave-Flip-Flop-Vorrichtung und in einer optischen Signalschiebevorrichtung oder einem optischen Schieberegister beschrieben.
Es ist jetzt gefunden worden, daß eine einzelne verstärkende Vorrichtung sowohl als ein AND/OR- als auch als ein NAND/NOR-Logikgatter verwandt werden kann. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen Schalter bereitzustellen, der entweder als ein AND/OR- oder als ein NAND/NOR-Logikgatter verwandt werden kann.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Schalter bereitgestellt, der einen Halbleiterlaserverstärker zum Verstärken eines optischen Eingangssignales mit einer Wellenlänge, die so verstimmt ist, damit eine Resonanz des Verstärkers vermieden wird, eine Einrichtung zum Koppeln optischer Eingangssignale zu dem Verstärker; und eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Treiberstromes an den Verstärker aufweist, wobei der Verstärker in Reflexion betrieben wird und optische Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an einem gemeinsamen Ende hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstromeinrichtung eine Schalteinrichtung aufweist, die so angeordnet ist, daß der Treiberstrom zwischen einem ersten Wert, an dem der optische Ausgang des Verstärkers eine optische AND- oder eine OR-Logikgattercharakteristik in bezug auf die optischen Eingangssignale hat, abhängig von der Amplitude des Signales, und einem zweiten Wert geschaltet werden kann, bei dem der optische Ausgang des Verstärkers eine optische NAND- oder eine optische NOR-Logikgattercharakteristik mit Bezug auf die optischen Eingangssignale abhängig von der Amplitude der Signale hat.
Der Verstärker kann einen Fabry-Perot-Laser oder einen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) aufweisen. Bevorzugterweise sollte die für die Eingangssignale relevante Wellenlänge eine sein, für die der Verstärker eine starke Verstärkung zeigt. Im Fall eines Fabry-Perot- Lasers sollten die Eingangssignale von einer Hohlraumresonanz des Laser verstimmt sein. Im Falle eines DFB-Lasers sollten die Eingangssignale von einer Ausgangsspitze auf der Seite der kurzen Wellenlängen eines Sperrbereiches verstimmt sein.
Der Begriff Sperrbereich wird hier auf die gewöhnliche Art verwandt, um einen Bereich von Wellenlängen eines Eingangssignales zu einer DFB- Vorrichtung zu beschreiben, für die die Bragg-Bedingungen erfüllt sind, und wobei die Vorrichtung wirkt, um die meisten oder alle der Eingangssignale zu reflektieren, statt sie zu übertragen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum optischen Signalverarbeiten bereitgestellt, das Koppeln optischer Eingangssignale zu einem Eingangsanschluß eines Schalters gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung aufweist, und Auswählen des Treiberstromes, damit er entweder den ersten Wert oder den zweiten Wert hat, so daß der optische Ausgang des Verstärkers ausgewählt ist, um entweder die optische AND/OR-Logikgattercharakteristik oder die optische NAND/NOR-Logikgattercharakteristik mit Bezug auf die Eingangssignale zu haben.
Optische Schalter gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können von einem Vorteil profitieren, von dem bekannt ist, daß er der Verwendung von passiven Vorrichtungen in Reflexion zugeordnet ist, d. h. niedriger kritischer Eingangsintensitäten unter Verwendung von reflektiven Beschichtungen auf der Rückfacette.
Weil die Vorrichtungen eher aktiv als passiv sind, gibt es eine beachtenswerte Steuerung, die über die verwendeten Operationsparameter verfügbar ist.
Ein optischer Schalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird jetzt nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen Schalters, eine Einrichtung zum Liefern eines Schaltsignales zu dem Schalter; und eine Einrichtung zum Erfassen der Antwort des Schalters auf das Schaltsignal zeigt;
Fig. 2a und 2b in schematischer Graphform die optische Ausgangsantwort des Schalters von Fig. 1 auf die optischen Schaltsignale zeigen, wenn sie als ein AND/OR-Gatter bzw. als ein NAND/NOR- Gatter verwendet wird;
Fig. 3 eine Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangs-Strahlungsintensitäten für den optischen Schalter von Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 in schematischer Form die optische Ausgangsantwort des Schalters von Fig. 1 auf ein optisches Schaltsignal für einen speziellen Fall der Betriebsbedingungen zeigt;
Fig. 5 eine Spektralantwort des Schalters der Fig. 1 zeigt;
Fig. 6 bis 8 die Antwort des Schalters von Fig. 1 auf ein sinusförmiges optisches Eingangssignal mit hoher Frequenz zeigt; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer optischen Zeitteilungsmultiplex-Anordnung zeigt, die Schalter; wie in Fig. 1 gezeigt, aufweist.
Bezug nehmend auf Fig. 1 weist der Schalter einen Laserverstärker 1 mit einer eingegrabenen planaren Doppelkanalheterostruktur (DCPBH-Laser) auf, der in Reflexion verwendet wird. Ein optisches Schaltsignal ist durch eine abstimmbare Laserquelle 2 in Kombination mit einem Dämpfungsglied 7 bereitgestellt.
Ein Strahlteiler 3, der zwischen der Quelle 2 und dem Verstärker 1 montiert ist, lenkt einen Teil der optischen Ausgabe der Quelle 2 zu einem Schaltsignalüberwacher 6, und einen Teil der Ausgabe des Verstärkers 1 zu einem Ausgabesignalüberwacher 5. Eine Wechselwirkung zwischen der Quelle 2 und dem Verstärker 1 wird durch einen Isolator 8 verhindert, der sich zwischen dem Strahlteiler 3 und der Quelle 2 befindet, und ein Dämpfungsglied 7 wird verwendet, um die Ausgabe der Quelle 2 zu modifizieren, um ein steuerbares Schaltsignal zu erzeugen. (Die Quelle 2 und das Dämpfungsglied 7 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bereitgestellt, um ein eingehendes Signal nachzuahmen, das in der Praxis ein Signal aufweist, das zum Beispiel von einem optischen Kommunikationssystem beim Betrieb getragen wird).
Der Verstärker 1 ist ein Fabry-Perot-DCPBH-Laser ohne Antireflexionsbeschichtungen, 200 um lang, der eine InP mit einer aktiven InGaAsP- Schicht aufweist. Der Schwellwertstrom bei Raumtemperatur ist 15,7 mA und die Emissionswellenlänge ist 1508 nm.
Der Laser hat einen aktiven Querschnitt von 0,4 um².
Die Quelle 2 ist ein mit einem Gitter abgestimmter Laser mit externem Resonator; der ein Einzelmoden-Signal bereitstellt. Dieser Laser ist ein Wellenleiterlaser mit einem antireflexionsbeschichteten Steg, der in dem Bereich von 1450 bis 1580 nm einschließlich abstimmbar ist, und wieder InP mit einer aktiven InGaAsP-Schicht aufweist.
Der Isolator 8 ist durch zwei isolierende Vorrichtungen bereitgestellt, die zusammen eine 60 dB-Isolation ergeben. Eine maximale gekoppelte Leistung von der Quelle 2 zu dem Verstärker 1 von einigen 100 uW kann erhalten werden, abgeleitet von dem resultierenden Fotostrom, der im Verstärker 1 induziert wird. Der Strahlteiler 3 weist ein einfaches unbeschichtetes Glasbild auf, und eine schnelle PIN-Vorverstärkerkombination (nicht gezeigt) stellt eine temporäre Auflösung von 100 psecs bereit, um Schaltgeschwindigkeitsmessungen durch direktes Modulieren der abstimmbaren Quelle 2 zu erlauben.
Verfahren zum Betreiben des Schalters werden jetzt beschrieben werden und Ergebnisse werden diskutiert werden.
Die Quelle 2 ist abgestimmt, um ein Signal zu erzeugen, das von einer Hohlraumresonanz verstimmt ist, die eine starke Verstärkung des Verstärkers 1 zeigt um einen Betrag, der einer Einzeldurchlauf- (d. h. nicht reflektierter) Phasenänderung von -0,3 π oder 30% des Unterschiedes zwischen benachbarten Hohlraummoden entspricht. Durch Anlegen ausgewählter Kombinationen von Treiberstrom und Schaltsignalen kann der Verstärker 1 dazu veranlaßt werden, eine optische Bistabilität auf drei verschiedene Weisen zu zeigen.
Bezug nehmend auf Fig. 2a, unter Verwendung eines Treiberstromes, der eine Materialverstärkung in dem Verstärker 1 von 0,95 mal der lasernden Schwellwertverstärkung erzeugt, zeigt der Verstärker 1 das Verhalten eines ersten Types, das als ein logisches AND/OR-Gatter ausgenutzt werden kann. In der Fig. ist die Ausgangssignalintensität "Io" des Verstärkers gegen die Eingangsintensität des Schaltsignals "Ii" aufgezeichnet, wobei beide Intensitäten unter Verwendung einer skallierenden Intensität "Is" normiert sind. Es kann gesehen werden, daß "Io/Is" eine Hystereseschleife 10 entgegen dem Uhrzeigersinn in Antwort auf "Ii/Is" zeigt, wobei die Schleife 10 einen Stufenanstieg 9 in Antwort auf ein anwachsendes "Ii/Is" aufweist. Wenn "Ii/Is" von einem Wert unter dem Stufenanstieg 9 (kleiner als B) zu einem Wert über ihm (größer als C) ansteigt, wird "Io/Is" von einem Wert in einem niedrigen Bereich (kleiner als b) zu einem Wert in einem relativ hohen Bereich (größer als c) schalten. Diese beiden Bereiche für "Io/Is" können dann verwendet werden, um "logisch 0"- bzw. "logisch 1"-Ausgaben darzustellen.
Wenn "Ii/Is" die Summe der beiden eingehenden binären logischen Signale (i) und (ii) darstellt, können die Werte der eingehenden Signale, die "1"- und "0"-Eingaben darstellen, wie folgt ausgewählt werden:

1 AND-Gatter-Betrieb

(i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in einem Bereich (A bis B), der in der Hystereseschleife 10 für eine "1"-Eingabe liegt, so daß (i) und (ii) "1"-Eingaben summiert eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" größer als C haben;
das ergibt die folgende Logiktabelle:

2. OR-Gatter-Betrieb

(i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" größer als C für eine "1"-Eingabe;
dies ergibt die folgende Logiktabelle:
Es kann gesehen werden, daß der Stufenanstieg 9 als Teil einer Hystereseschleife 10 auftritt, die einen Stufenabfall 11 umfaßt. Der Stufenabfall 1 liegt an, wenn "Io/Is" zu einem kritischen Wert c' abgefallen ist. Wenn der Bereich der Werte für "Io/Is" größer als c' genommen wird, um eine "logisch 1"-Ausgabe darzustellen, dann kann gesehen werden, daß der Schalter einen AND-Gatter-Betrieb wie oben bietet, aber mit einer Speichercharakteristik. Dies ist der Fall, weil, wenn "Io/Is" einmal eine "logisch 1"-Ausgabe gezeigt hat, wenn nur eines der eingehenden Signale zu einer "0"-Eingabe abfällt, wird "Io/Is" fortfahren, die "logisch 1"-Ausgabe zu zeigen. Nur wenn beide eingehende Signale zu einer "0"-Eingabe abgefallen sind, wird "Io/Is" den Stufenabfall erreichen und zu einer "logisch 0"-Ausgabe schalten. Dies ist durch die folgende Logiktabelle dargestellt.

3. AND-Gatter-Betrieb mit Speichercharakteristik

(i) und (ii) haben Werte in der aufeinanderfolgenden Reihenfolge von gezeigten Kombinationen;
Es wird verstanden werden, daß nach der 1-1-Kombination der Werte für (i) und (ii) die Kombinationen 1-0 und 0-1 auswechselbar sind. Nur die 1-0-Kombination ist hier jedoch gezeigt worden, und in den folgenden Logiktabellen mit Speichercharakteristiken, um die praktische Gefahr darzustellen, daß aufeinanderfolgendes Schalten von 1-0 zu 0-1 den Verstärker durch eine 0-0-Bedingung führen könnte, und so die Speichercharakteristik löschen könnte.
Außerdem kann die Speichercharakteristik durch Anlegen einer optischen Vorspannung (iii) an den Verstärker 1 und durch andern der Werte von (i) und (ii) für eine "1"-Eingabe wie folgt modifiziert werden:

4. AND-Gatter-Betrieb mit vorgespannten Speichercharakteristiken

Optische Vorspannung (iii) hat eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" leicht über A;
(i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität für eine "1"-Eingabe, so daß (iii) plus dieser Intensität äquivalent zu "Ii/Is" kleiner als B ist, aber (iii) plus zwei mal dieser Intensität äquivalent ist zu "Ii/Is" größer als C;
dies ergibt die folgende Logiktabelle Vorspannung ein Vorspannung ein aus
Eine optische Vorspannung (iii) kann auch verwendet werden, um einen OR-Gatterbetrieb mit einer Speichercharakteristik wie folgt zu erzeugen:

5. OR-Gatter-Betrieb mit vorgespannter Speichercharakteristik

Optische Vorspannung (iii) hat eine Intensität wie unter 4. oben;
(i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität für eine "1"-Eingabe, so daß (iii) plus dieser Intensität äquivalent zu "Ii/Is" größer als C ist;
dies ergibt die folgende Logiktabelle: Vorspannung ein Vorspannung ein aus
Bezug nehmend auf Fig. 2b, unter Verwendung eines Treiberstromes, der eine Materialverstärkung in dem Verstärker 1 von 0,65 mal der lasernden Schwellwertverstärkung erzeugt, zeigt der Verstärker 1 das Verhalten eines zweiten Types, der als ein logisches NAND/NOR- Gatter ausgenutzt werden kann. Wieder ist in der Fig. "Io" gegen "Ii" aufgezeichnet, wobei beide gegenüber "Is" normiert sind. Es kann gesehen werden, daß in diesem Falle "Io/Is" eine Hystereseschleife 12 im Uhrzeigersinn in Antwort auf "Ii/Is" zeigt, wobei die Schleife 12 einen Stufenabfall 13 in Antwort auf ein anwachsendes "Ii/Is" und einen Stufenanstieg 14 in Antwort auf abfallendes "Ii/Is" zeigt.
Durch Auswählen von Bereichen von Werten von "Io/Is" als "logisch 1"- und "logisch 0"-Ausgaben, zum Beispiel von G zu H bzw. von E zu F kann gesehen werden, daß der Verstärker 1 als ein Schalter wie oben beschrieben wirken wird, aber mit umgekehrten logischen Ausgaben. Wegen der Richtung und Position bezüglich 0 "Io/Is" der Hystereseschleife 12, wird es bevorzugt, eine optische Vorspannung (iv) zu verwenden. Ohne eine optische Vorspannung (iv) gibt es zwei Bereiche von Werten von "Ii/Is", g bis h und g' bis h', die einen "logisch 0"-Ausgabewert von "Io/Is" erzeugen werden. Um eine Zweideutigkeit zu vermeiden, zum Beispiel im Falle von Rauschen oder Fehlfunktion, sollte die optische Vorspannung (iv) äquivalent zu einem Wert von "Ii/Is" größer als h' sein, der den Schalter in einen Betriebsbereich bringen wird, der den Bereich von Werten von "Ii/Is", g' zu h', ausschließt, der eine Zweideutigkeit einführt. Durch Anwenden einer optischen Vorspannung (iv) bietet der Verstärker die folgenden Betriebsarten:

6. NAND-Gatter-Betrieb

Eine optische Vorspannung (iv) hat eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" gerade über e', die eine "logisch 1"-Ausgabe von "Io/Is" erzeugen kann, liegt aber gut unter der Hystereseschleife 12;
eingehende binäre logische Signale (i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität für eine "1"-Eingabe, so daß (iv) plus dieser Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich e' bis e ist, der eine "logisch 1"-Ausgabe von "Io/Is" erzeugen kann, aber unter der Hystereseschleife 12 liegt, aber so, daß (iv) plus zwei mal diese Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich g bis h ist, der eine "logisch 0"-Ausgabe von "Io/Is" erzeugt;
dies ergibt die folgende Logiktabelle: Vorspannung ein Vorspannung ein
Durch Ändern der relativen Werte der Vorspannung (iv) und jedes eingehenden binären logischen Signales (i) und (ii) kann ein NAND- Gatter-Betrieb mit einer Speichercharakteristik auch erreicht werden, wie folgt:

7. NAND-Gatter-Betrieb mit vorgespannter Speichercharakteristik

Eine optische Vorspannung (iv) hat eine Intensität wie unter 6. oben;
eingehende binäre logische Signale (i) und (ii) haben jeweils null oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität für eine "I"-Eingabe, so daß (iv) plus dieser Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in einem Bereich e bis f innerhalb der Hystereseschleife 12 ist, während (iv) plus zwei mal diese Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich g bis h ist, der eine "logisch 0"-Ausgabe von "Io/Is" erzeugt;
dies ergibt die folgende Logiktabelle, wobei (i) und (ii) Werte in der aufeinanderfolgenden Reihenfolge von gezeigten Kombinationen haben: Vorspannung ein
(iv)

8. NOR-Gatter-Betrieb

Eine optische Vorspannung (iv) hat eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich e' bis e, gerade unter der Hystereseschleife 12;
(i) und (ii) haben jeweils 0 oder insignifikante Intensität für eine "0"-Eingabe;
(i) und (ii) haben jeweils alleine eine Intensität für eine "1"-Eingabe, so daß (iv) plus dieser Intensität, oder plus zwei mal dieser Intensität, äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich g bis h ist, der eine "logisch 0"-Ausgabe von "Io/Is" erzeugt;
dies ergibt die folgende Logiktabelle: Vorspannung ein
Es wird bemerkt werden, daß der NOR-Gatterbetrieb wie oben keine Speichercharakteristik zeigt. Durch Einführen eines höheren Wertes der optischen Vorspannung (iv) zeigen jedoch sowohl NAND- als auch NOR-Betrieb eine Speichercharakteristik, wie folgt:

9. NAND-Gatter-Betrieb mit modifizierter vorgespannter Speichercharakteristik

Optische Vorspannung (iv) hat eine Intensität äquivalent zu "Ii/Is" in dem Bereich e bis f, der innerhalb der Hystereseschleife 12 liegt;
(i) und (ii) haben jeweils Intensitäten wie unter 7. oben;
dies ergibt die folgende Logiktabelle, wobei (i) und (ii) Werte in der aufeinanderfolgenden Reihenfolge von gezeigten Kombinationen haben: Vorspannung ein aus rückgesetzt
Es wird gesehen werden, daß wenn die optische Vorspannung (iv) und sowohl (i) als auch (ii) bei 0 sind, "Io/Is" eher zurückgesetzt wird als, daß ein Ausgabewert gegeben wird, da die Bereiche von "Io/Is", die für "logisch 0"- und "logisch 1"-Ausgaben E bis F und G bis H ausgewählt sind, 0 nicht umfassen.

10. NOR-Gatter-Betrieb mit Speichercharakteristik

Eine optische Vorspannung (iv) hat eine Intensität wie unter 9. oben;
(i) und (ii) haben jeweils Intensitäten wie unter 8. oben;
dies ergibt die folgende Logiktabelle: Vorspannung ein aus rückgesetzt
Bezug nehmend auf Fig. 3 wird angenommen, daß das oben beschriebene Schaltverhalten von einer Beziehung zwischen "Io/Is" und "Ii/Is" abgeleitet ist, wie es durch den Treiberstrom beeinflußt wird, der zu dem Verstärker 1 geliefert wird. Diese Beziehung ist für einen Bereich von Werten von Treiberstrom aufgezeichnet worden, dargestellt durch das Verhältnis des Verstärkergewinnes bei Betrieb gegenüber der lasernden Schwellwertverstärkung des Verstärkers, g/gth.
Es kann gesehen werden, daß für höhere Werte von g/gth von 0,85 und darüber die Beziehung eine offene nach oben gerichtete Schleife 15 zeigt. Für kleinere Werte, von 0,7 und niedriger; zeigt die Beziehung eine offene nach unten gerichtete Schleife 16. Tatsächlich tritt die nach unten gerichtete Schleife 16 für Werte von g/gth von bis zu und einschließlich 0,74 auf. Es werden diese Schleifen 15, 16 angenommen, innerhalb derer der Wert von "Io/Is" bistabil ist, was die Hystereseschleifen 10,12 der Fig. 2a und 2b einführt. (Bistabilität anstelle von Tristabilität tritt auf, weil die verbindenden Teile der Schleifen 15, 16, mit entgegengesetzter "Ii/Is"-Richtung instabil sind).
Für einen Bereich von Werten von g/gth, der zwischen 0,74 und 0,85 liegt, zeigt die Beziehung eine geschlossene Schleife 17 und der Verstärker 1 zeigt das Verhalten eines dritten Types. Bezug nehmend auf Fig. 4 zeigt diese geschlossene Schleife 17 eine doppelte Hystereseschleife 18 mit zwei Stufenabfällen in "Io/Is" an, wobei ein erster Teil 19 der Schleife 18 in einer Uhrzeigerrichtung (für ansteigende Eingabe) durchquert wird, und ein zweiter Teil 20 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn (für abfallende Eingabe) durchquert wird.
Um die genormten Intensitäten der Fig. 2 bis 4 zu optischen Eingangsleistungspegeln für den oben beschriebenen Verstärker 1 umzuwandeln, hat die skallierende Intensität "Is" einen Wert von ungefähr 8 · 10&sup5; W/cm².
Über den aktiven Querschnitt der Verstärkerdiode entspricht dies einem Faktor von 8 · 10&sup9; · 0,4 · 10&supmin;¹² W oder 3,2 · 10&supmin;³ W. Daher kann es aus Fig. 3 gesehen werden, daß bei dem höheren Wert von g/gth, 0,95, die offene nach oben gerichtete Schleife 15 zwischen Werten von ungefähr 16 uW und 64 uW für "Ii" auftritt. Bei dem niedrigeren Wert von g/gth, 0,7, tritt jedoch die offene nach unten gerichtete Schleife 16 zwischen Werten von ungefähr 100 uW und 120 uW für "Ii" auf. Es kann erwartet werden, daß diese höheren Werte von "Ii", die erforderlich sind, um eine optische Bistabilität zu erhalten, ein Ergebnis des zugeordneten niedrigeren Wertes von g/gth sind. Es gibt hier einen Kompromiß. Wenn die Quelle 2 abgestimmt ist, um ein Signal zu erzeugen, das näher an einer Hohlraumresonanz des Verstärkers 1 ist, wird eine optische Bistabilität bei niedrigen Werten von "Ii" erreicht, aber die Schleifen 15, 16 sind in der Größe reduziert. Umgekehrt, wenn das Verstimmen der Quelle 2 erhöht wird, wird eine optische Bistabilität erreicht, bei höheren Werte von "Ii", aber die Schleifen 15, 16 sind breiter.
Ein anderer Faktor; der die Größe der Schleifen 15, 16 und die Werte von "Ii", die mit optischer Bistabilität verbunden sind, beeinflußt, ist die Reflektivität der reflektierenden Facetten des Verstärkers 1. D.h., die "Rück"-Facetten des Verstärkers 1, die weder als Eingangs- noch als ein Ausgangsanschluß wirken. Durch Erhöhen der Reflektivität dieser Facetten, zum Beispiel durch die Verwendung einer Hochreflektivitätsbeschichtung, kann die Tiefe der erzeugten optischen Bistabilitäten erhöht werden. D.h., die Bereiche von Werten von "Io/Is", die genommen werden, um "logisch 0"- und "logisch 1"- Ausgaben darzustellen, können gewählt werden, um weiter voneinanderweg zu liegen. Zur gleichen Zeit erhöhen sich jedoch die Werte von "Ii", bei denen optische Bistabilität auftritt. (unbeschichtet, wie in der Anordnung von Fig. 1, hat die reflektierende Facette des Verstärkers 1 eine Reflektivität von ungefähr 30%).
Weitere Informationen über die Hystereseschleifen der Fig. 3 kann aus der berechneten Spektralantwort des Verstärkers für eine feste Eingangsleistung erhalten werden. Bezug nehmend auf Fig. 5, zeigen die Spektralantwortskurven, die für einen Bereich von Werten von 00, nämlich der Verstimmung der Eingangssignalphasen von einer Hohlraumresonanz des Verstärkers, für ein festes "Ii/Is" von 0,03 und für Werte von g/gth, wie markiert, aufgezeichnet sind, Schleifen 21, die den Hystereseschleifen von Fig. 3 bei Verstärkung g/gth von 0,8 und 0,9 zugeordnet sind. Für Verstärkungen g/gth von 0,7 und 0,6 ähneln die Spektralantwortskurven denjenigen, die für passive Fabry-Perot-Vorrichtungen erkannt werden.
Die Schaltgeschwindigkeit eines optischen Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann durch Betrachten der Vorrichtungsantwort auf ein optisches Eingangssignal geschätzt werden, das sinusförmig mit der Zeit variiert.
Bezug nehmend auf die Fig. 6, 7 und 8 ist in jedem Falle eine berechnete optische Ausgabeantwort für ein Eingangsignal im Ruhezustand (Graph (a)) und für sinusförmige Eingabesignale von Perioden gleich 4, 8 und 12 mal der Trägerrekombinationszeit von ungefähr 1,7 nsecs (jeweilige Graphen (b) bis (d)) gezeigt. (Ein Signal im Ruhezustand in diesem Kontext ist ein Signal, dessen Wiederholungsrate in der Größenordnung von KHz oder weniger liegt). Der Wert von g/gth ist unterschiedlich für jede Figur; d. h. 0,9, 0,8 und 0,7 für die Fig. 6, 7 bzw. 8. Der erste Graph (a) jeder Figur entspricht demgemäß einer der aufgezeichneten Kurven von Fig. 3.
Von der beobachteten Vorrichtungsantwort zu den sinusförmigen Signalen kann gesehen werden, daß die Schaltzeit zwischen stabilen Verstärkungszuständen, zumindest wo der optische Schalter als ein AND/OR-Gatter verwendet wird, ähnlich der Größenordnung der Trägerrekombinationszeit ist. Daher wird die maximale Taktrate, bei dem der Schalter arbeiten wird, durch Nanosekunden-Schaltzeiten begrenzt sein.
Intensitätsspitzen 22 können auf den Vorrichtungsantwortskurven beobachtet werden. Sie werden so verstanden, daß sie von Änderungen in dem Materialrefraktionsindex des Verstärkers 1 aufgrund von Änderungen in der optischen Eingangsintensität herrühren. Im Falle der Fig. 8 kann gesehen werden, daß diese Spitzen 22 nach unten gerichtet und nur spurenhaft sind.
Bezug nehmend auf Fig. 9 können optische Schalter 26 gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Matrix zum Beispiel beim optischen Zeitteilungsschalten verwendet werden. Unter Verwendung von direktionalen LiNbO&sub3;-Kopplermatrizen, um Lesegatter 23 und ein Schreibgatter 24 bereitzustellen, werden vier digital codierte Farbvideosignale von 24 Mb/s, die zeitgemultiplext in bit-überlappender Form sind, an einen Zeitschalter 25 angelegt, der optische Schalter 26 gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung aufweist. Das Schreibgatter 24 liefert das zeitgemulitplexte Signal von 256 Mb/s zu jedem Schalter 26. Die Schalter 26 speichern jeweils die optischen Signale für eine Rahmenperiode. Die gespeicherten Signale können dann gemäß einer erforderten Sequenz ausgelesen werden und das Zeitschalten ist ausgeführt worden.
Die optischen Schalter 26 können durch die Verwendung von optischen Taktsignalen zurückgesetzt werden.
Bei einer anderen Anwendung können optische Schalter gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in optischen Regeneratoren verwendet werden. Unter Verwendung eines eingehenden digitalen Signales und Taktimpulsen als die beiden eingehenden binären logischen Signale (i) und (ii), auf die sich oben bezogen wurde, kann das eingehende digitale Signal tatsächlich regeneriert werden und weiter gesandt werden.
Es ist nicht notwendig, daß ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung alle oben beschriebenen Merkmale aufweist. Insbesondere ist es nicht notwendig, daß eine Fabry-Perot-Laserdiode als Verstärker 1 verwendet wird. Anstelle kann zum Beispiel eine DFB- Laserdiode verwendet werden.

Claims

1. Optischer Schalter; der einen Halbleiterlaserverstärker (1) zum Verstärken eines optischen Eingangssignales mit einer Wellenlänge, die so verstimmt ist, damit eine Resonanz des Verstärkers (1) vermieden wird, eine Einrichtung zum Koppeln optischer Eingangssignale zu dem Verstärker (1), und eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Treiberstromes an den Verstärker (1) aufweist, wobei der Verstärker (1) in Reflexion betrieben wird und optische Eingangs- und Ausgangsanschlüsse an einem gemeinsamen Ende hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstromeinrichtung eine Schalteinrichtung aufweist, die so angeordnet ist, daß der Treiberstrom zwischen einem ersten Wert, an dem der optische Ausgang des Verstärkers (1) eine optische AND- oder eine OR-Logikgattercharakteristik mit Bezug auf die optischen Eingangssignale hat, abhängig von der Amplitude des Signals, und einem zweiten Wert geschaltet werden kann, bei dem der optische Ausgang des Verstärkers (1) eine optische NAND- oder eine optische NOR-Logikgattercharakteristik mit Bezug auf die optischen Eingangssignale abhängig von der Amplitude der Signale hat.

2. Schalter gemäß Anspruch 1, worin der Treiberstrom unter dem lasernden Schwellwertstrom des Laserverstärkers liegt.

3. Schalter gemäß Anspruch 2, worin der Verstärker (1) einen Fabry- Perot-Laser aufweist, und worin die Wellenlänge des Eingangssignales von einer Hohlraumresonanz des Verstärkers verstimmt ist.

4. Schalter gemäß Anspruch 2, worin der Verstärker (1) einen verteilten Rückkopplungslaser (distributed feedback laser) aufweist und die Wellenlänge des Eingangssignales von einer Ausgangsspitze auf der Seite der kurzen Wellenlängen eines Sperrbereiches des Lasers verstimmt ist.

5. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Verstärker mit einer reflektierenden Facette (4) versehen ist, die mit einer Hochreflektivitätsbeschichtung beschichtet ist.

6. Schalter gemäß Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, wenn abhängig von Anspruch 2, worin die Treiberstromeinrichtung so angeordnet ist, daß der Treiberstrom zwischen einem Wert von zumindest 85% des lasernden Schwellwertstromes des Lasers und einem Wert von nicht mehr als 70% des lasernden Schwellwertstromes des Lasers geschaltet werden kann.

7. Optischer Zeitteilungsschalter, der einen optischen Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

8. Optischer Signalregenerator, der einen optischen Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

9. Verfahren zum optischen Signalverarbeiten, das Koppeln optischer Eingangssignale zu einem Eingangsanschluß eines Schalters gemaß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, und Auswählen des Treiberstromes, damit er entweder den ersten Wert oder den zweiten Wert hat, so daß der optische Ausgang des Verstärkers (1) ausgewählt ist, um entweder die optische AND/OR-Logikgattercharakteristik oder die optische NAND/NOR-Logikgattercharakteristik mit Bezug auf die Eingangssignale zu haben.