-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter
zum Schalten des Fortpflanzungswegs eines optischen Signals
und insbesondere einen optischen Wellenleiterschalter, der
Licht als Steuerenergie zum Auslösen seines Schaltvorgangs
verwendet.
-
Mit der Entwicklung optischer Faserübertragungen zieht die
optische Schalttechnologie zum Schalten eines optischen
Signals auf einen gewünschten Kanal jetzt Aufmerksamkeit auf
sich. Es wird insbesondere angenommen, daß, da eine optische
Leitung zunehmend üblich bei Teilnehmersystemen wird,
optische Schalter in großen Zahlen benötigt werden, und daß ihre
Miniaturisierung und ihre Weiterentwicklung gewünscht werden.
Es gibt ebenfalls einen Bedarf für die Entwicklung eines
integrierten optischen Schaltelements zur Anpassung zum
Unterwasserschalten in einem Seeübertragungssystem mit optischen
Fasern oder für einen Schalter für Sateliten, für den nur
geringer Platz zur Verfügung steht und der hochzuverlässig sein
soll.
-
Zur Erfüllung derartiger Erfordernisse werden zur Zeit
hauptsächlich zwei Typen optischer Schalter untersucht. Der eine
weist eine Anordnung auf, bei der ein optisches Signal einmal
in ein elektrisches Signal umgewandelt wird (eine
opto-elektrische Umwandlung) und von einer elektronischen Schaltung
wie in der Vergangenheit geschaltet wird, wonach das Signal
in ein optisches Signal zurückumgewandelt wird (eine
elektrooptische Umwandlung). Als Ergebnis des jüngsten Fortschrittes
der OEIC-Technologie (opto-elektronische integrierte
Schaltung)
wurde von einem 4 x 4 optischen Schalter berichtet,
obwohl noch in einer hybriden Struktur. Dieser optische
Schalter vom O/E/O-Typ, bei dem ein optisches Signal in eine
elektrische Form und dann zurück in optische Form verwandelt
wird, ist leicht als miniaturisierte Version eines
herkömmlichen, von diskreten Elementen gebildeten optischen
Schaltelements akzeptierbar. Andererseits nimmt man jedoch an, daß
aufgrund einer großen Zahl von verwendeten Elementen dieser
optische Schalter die Nachteile der komplizierten
Herstellung, der niedrigen Zuverlässigkeit und einer Zunahme in der
Übersprecherscheinung durch elektromagnetische Interferenz in
der elektronischen Schaltung während eines
Hochgeschwindigkeitsbetriebs aufweist. Darüberhinaus ist es gegenwärtig
schwierig, eine elektronische
Ultrahochgeschwindigkeitsschaltung zu erhalten, die in der Lage ist, bei hohen Frequenzen
oberhalb von einigen Giga-Hertz zufriedenstellend zu
arbeiten.
-
Der andere optische Schalter ist einer, der ein optisches
Signal ohne Umwandlung in ein elektrisches Signal schaltet,
und dieser Schalter wird als O/O-Typ bezeichnet. Da jedoch
diese optischen Schalter zum Schalten des optischen Signals
elektrische Energie wie eine Spannung und einen Strom
benötigen, haben sie die O/E (opto-elektrische) Umwandlung eines
dem optischen Signal über lagerten Steuersignals
durchzuführen.
-
WO-A-84/03363 offenbart eine weitere Form eines
Wellenleiterkopplers, bei dem zwei Wellenleiter bei einem koaxialen
Verbindungsbereich parallel angeordnet sind, der eine mehrfache
Quantensenke enthält, die einen variablen Brechungsindex je
nach seiner inneren Beleuchtung aufweist. Für einen Wert des
Brechungsindex wird Licht durch Mehrfachreflexion längs der
Länge des Verbindungsbereichs übertragen, um auf diese Weise
den Wellenleiterkoppler auf dem gleichen Wellenleiter zu
verlassen, auf dem er in diesen eintrat, und für einen anderen
Wert des Brechungsindex derart, daß es den Koppler auf dem
anderen Wellenleiter verläßt.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
optischen Wellenleiterschalter zu schaffen, der das Schalten
eines optischen Signals ohne die Notwendigkeit seiner
optoelektrischen Umwandlung ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird ein optischer Wellenschalterleiter
vorgesehen, mit
-
einem ersten und einem zweiten optischen Wellenleiter, von
denen jeder einen Zwischenbereich zwischen einem
Eingangsabschnitt und einem Ausgangsabschnitt aufweist und die optisch
aneinander durch ein optisch nichtlineares Material gekoppelt
sind, dessen Brechungsindex eine Funktion der Intensität des
auf das Material fallenden Lichtes ist,
-
wobei das optisch nichtlineare Material zwischen dem
Zwischenbereich der Wellenleiter derart angeordnet ist, daß an
den Eingangsabschnitt eines der Wellenleiter angelegtes Licht
in den Ausgangsabschnitt des anderen der optischen
Wellenleiter gekoppelt wird, wenn die Lichtintensität nicht ausreicht,
einen Wechsel in dem Brechungsindex des nichtlinearen
Materials zu bewirken, und daß zu dem Eingangsabschnitt eines der
Wellenleiter gelangendes Licht in den Ausgangsabschnitt
dieses Wellenleiters reflektiert wird, wenn die Intensität des
Lichtes ausreicht, eine Änderung in dem Brechungsindex des
nichtlinearen Materials zu bewirken,
-
wobei der optische Wellenleiterschalter dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Eingangsabschnitte der Wellenleiter mit den
Ausgangsabschnitten der Wellenleiter derart ausgerichtet
sind, daß sie eine "X"-förmige Wellenleiteranordnung bilden,
und daß ein Rückkopplungswellenleiter vorgesehen ist, der den
Ausgangsabschnitt und den Eingangsabschnitt eines der
Wellenleiter verbindet, um für eine positive Rückkopplung eines
Teils des in den Ausgangsabschnitt reflektierten Lichts zu
dem nichtlinearen Material zu sorgen, um die in dem
Brechungsindex des Materials berwirkte Änderung zu vergrößern.
-
Eine positive Rückkopplung mit Hilfe des
Rückkopplungswellenleiters ermöglicht es, daß das optische Signal intakt
geschaltet wird.
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, als
Beispiel, im einzelnen im Vergleich mit dem Stand der
Technik und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
-
Fig. 1 und 2 zeigen einen bekannten optischen Schalter, der
ein elektrisches Steuersignal verwendet;
-
Fig. 3 ist ein Erklärungsdiagramm des Prinzips des
optischen Schaltelements der vorliegenden
Erfindung;
-
Fig. 4A und 4B zeigen Wellenlängen-Charakteristika des
Absorptionskoeffizienten und des Brechungsindex
eines optisch nichtlinearen Materials;
-
Fig. 5A und 5B erläutern Ausführungsformen des optischen
Wellenleiterschalters der vorliegenden
Erfindung;
-
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der in
Fig. 5A und 5B dargestellten Ausführungsformen
zeigt;
-
Fig. 7A und 7B zeigen die Beziehung zwischen dem
Eingangslicht und dem Ausgangslicht in den in Fig. 5A
und 5B dargestellen Ausführungsformen; und
-
Fig. 8 erläutert eine weitere Ausführungsform des
optischen Wellenleiterschalters der
vorliegenden Erfindung.
-
Um die Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der
vorliegenden Erfindung klar zu machen, wird zunächst der
Stand der Technik beschrieben.
-
Fig. 1 und 2 zeigen, im Aufriß, bekannte optische Schalter.
Der in Fig. 1 dargestellte optische Schalter verwendet
Richtungskoppler. Durch Anlegen einer Spannung als Steuersignal
an einen Schaltabschnitt werden die Brechungsindizes
verändert, so daß die Phasenanpassungsbedingung zwischen den
beiden Wellenleitern erfüllt oder nicht erfüllt ist, zum
Schalten von auftreffendem Licht zwischen ihnen. Der optische
Schalter in Fig. 2 verwendet einen Strom als Steuersignal.
Durch Einprägen eines Stroms in den Kreuzungsabschnitt der
beiden Wellenleiter zentral gegenüber diesen werden ihre
Brechungsindizes verändert mit der sich daraus ergebenden
Trägerdichte, wodurch auftreffendes Licht total reflektiert und
von einem Wellenleiter zu dem anderen geschaltet wird. Diese
optischen Schalter verwenden nicht die oben erwähnten O/E und
E/O Umwandlungen des optischen Signals und haben daher
Vorteile darin, daß sie einfach im Aufbau und in der Lage sind,
zu schalten, ohne die Breitbandeigenschaft des optischen
Signals zu beeinträchtigen. Da diese optischen Schalter jedoch
auf elektrischer Energie wie Spannung und Strom zum Schalten
des optischen Signals beruhen, haben sie die O/E Umwandlung
eines dem optischen Signals über lagerten Steuersignals
durchzuführen und sind daher unvermeidlicherweise mit einem
Photodetektor und Schaltungselementen für diesen versehen.
-
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden nun
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben.
-
Zunächst wird eine Beschreibung des Wirkungsprinzips des
optischen Schalters nach der Erfindung gegeben. Fig. 3 zeigt
die Grundstruktur eines optischen Wellenleiterschalters, der
das Wirkungsprinzip der vorliegenden Erfindung erläutert.
Wellenleiter 1, 1' und 2, 2' sind so vorgesehen, daß sie
miteinander die Form des Buchstabens X bilden. Die Bezugszeichen
1 und 2 bezeichnen ankommende Wellenleiter, und 1' und 2'
herausführende Wellenleiter. Im Zentrum ihrer Kreuzung ist ein
optisch nichtlineares Material 3 aufgebracht (beispielsweise
eine Quantensenkenstruktur oder Quantendrahtstruktur eines
Halbleiters). Der Grund, warum der Brechungsindex eines
derartigen nichtlinearen Materials 3 sich ändert, wird wie
folgt erklärt: Das optisch nichtlineare Material 3 weist ein
Absorptionsspektrum basierend auf der Resonanz der Niveaus
der es bildenden Atome oder Moleküle auf, siehe Fig. 4A, und
sein Absorptionskoeffizient ist mit dem Brechungsindex durch
die Kramers-Kronig-Beziehungen verbunden, siehe Fig. 4B. Wenn
das an das nichtlineare Material angelegte Licht schwach ist,
zeigt dieses eine Charakteristik, wie sie durch die
ausgezogene Linie dargestellt ist, wenn jedoch ein Material einer
großen Nichtlinearitätskonstante mit Licht einer bestimmten
Intensität bestrahlt wird, wird seine Absorption gesättigt,
wie durch die gestrichelte Linie angezeigt, und
dementsprechend verändert sich auch die Dispersionscharakteristik des
Brechungsindex, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt.
Das heißt, daß der Brechungsindex bei Wellenlängen größer als
die mittlere Wellenlänge λo des Absorptionsspektrums abnimmt
und bei kürzeren Wellenlängen zunimmt. Das nichtlineare
Material 3 mit derartigen Eigenschaften wird unter einem
geeigneten Winkel 0 auf den Wellenleiter 1 aufgebracht, siehe Fig.
3, und Licht wird auf das nichtlineare Material durch den
Wellenleiter 1 angelegt, wie durch Pex angezeigt, oder direkt
von der Außenseite, wie durch P'ex angezeigt. Wenn das
einfallende Licht eine größere Wellenlänge als die mittlere
Wellenlänge λo aufweist, verringert sich der Brechungsindex des
nichtlinearen Material scharf, und das auftreffende Licht von
dem Wellenleiter 1 wird total reflektiert und in den
Wellenleiter 1' geschaltet. Dies bedeutet, daß der optische Weg
durch Lichtbestrahlung geschaltet wird. In diesem Fall, wenn
die Wellenlänge des eintreffenden Lichts Pex (P'ex) nahe bei
der WelIenlänge λo gewählt wird, kann das Licht bei einer
niedrigeren Intensität geschaltet werden. Selbst wenn die
Wellenlänge etwas von dieser λo abweicht, könnte die gleiche
Wirkung durch Vergrößern der Lichtintensität erzeugt werden.
-
Nun wird eine genaue Beschreibung einer Ausführungsform
gegeben, die das Wirkungsprinzip des optischen
Wellenleiterschalters nach der vorliegenden Erfindung verwendet.
-
Fig. 5A und 5B illustrieren eine Ausführungsform des
optischen Wellenleiterschalters nach der vorliegenden Erfindung,
bei der geleitetes Licht, wirksam in praktischen Anwendungen,
als Bestrahlungslicht verwendet wird (im folgenden als
Erregungslicht bezeichnet). In Fig. 5A bezeichnen die
Bezugszeichen 1 und 2 ankommende Seitenwellenleiter, 1' und 2'
herausführende Seitenreflektions- und Übertragungswellenleiter, 3
ein nichtlineares Material, 4 einen
Rückkopplungswellenleiter, 5 einen optischen Verstärker und 6 ein anderes
Halbleitermaterial als das nichtlineare Material 3. Die
hereinführenden und herausführenden Wellenleiter 1 und 1' und der
Rückkopplungswellenleiter 4 sind so geformt, daß sie eine
Schleife bilden, wie dargestellt. Obwohl bei dieser
Ausführungsform der eine optische Rückkopplung erleichternde
optische Rückkopplungsverstärker 5 an dem
Rückkopplungswellenleiter 4 vorgesehen ist, so daß er als optischer Verstärker vom
Sendetyp nach Einprägen eines Stromes arbeiten kann, braucht
dieser optische Verstärker nicht immer vorgesehen zu sein,
und bei praktischen Anwendungen wird die positive
Rückkopplungsschleife allein ausreichen. Zur Erleichterung eines
besseren Verständnisses dieses optische Schaltelementes zeigt
Fig. 6 Zeitdiagramme des erregten Lichts Pex, des
reflektierten Lichts Po, des reflektierten Signallichts Pso, des
übertragenen Signallichts P'so, der Reflektivität R an der
Schnittstelle zwischen dem nichtlinearen Material 3 und dem
umgebenden Halbleitermaterial 6 und einen dem optischen
Verstärker 5 eingeprägten Strom Ial. Wenn das erregte Licht Pex
einer Wellenlänge größer als die
Absorptionsmittelpunktswellenlänge λo auf den hereinführenden Seitenwellenleiter 1
einfällt, wird es von den nichtlinearen Material 3
absorbiert, infolge dessen der Absorptionskoeffizient des
nichtlinearen
Materials 3 wie in Fig. 4 dargestellt abnimmt, und
sein Brechungsindex sich dementsprechend verringert. Da die
Brechungsindizes des nichtlinearen Materials 3 und des
umgebenden Materials 6 derart ausgewählt werden, daß sie bei
Fehlen des Erregungslichtes Pex einander gleich sind, ist die
Reflektivität an der Schnittstelle zwischen ihnen Null. Wenn
nach Auftreffen eines Lichtes Pex ein Unterschied im
Brechungsindex vorkommt, beginnt die Reflektivät R zuzunehmen,
und ein Teil des Lichtes Pex wird in Richtung auf den
herausführenden Seitenwellenleiter 1' reflektiert. Weiterhin wird
ein Teil des reflektierten Lichtes Po in den
Rückkopplungswellenleiter 4 abgezweigt, in dem er von dem optischen
Verstärker 5 verstärkt wird, und das verstärkte Licht wird
wieder zu dem hereinführenden Seitenwellenleiter 1 geführt und
anschließend von dem nichtlinearen Material 3 absorbiert.
Dieser Vorgang verstärkt weiter die Verringerung des
Absorptionskoeffizienten des nichtlinearen Materials 3, und infolge
dessen nimmt das reflektierte Licht Po auch zu. Dies
bedeutet, daß durch das Vorhandensein des
Rückkopplungswellenleiters 4 eine positive Rückkopplung in der Veränderung der
Absorption und des Brechungsindex des nichtlinearen Materials 3
verursacht wird, und der oben erwähnte Vorgang wird
wiederholt, wodurch der Rückkopplungseffekt deutlich beschleunigt
wird, was den Brechungsindex in einem solchen Ausmaß
reduziert, daß schließlich eine Totalreflektion auftritt. In
diesem Fall kann durch Auswahl des Verstärkungsfaktors des
optischen Verstärkers 5 größer als ein bestimmter Wert die
Totalreflexion aufrechterhalten werden, selbst wenn das
Erregungslicht Pex abgeschaltet wird. Weiterhin wird die Reflektivität
R durch Verringern des in den optischen Verstärker 5
eingeprägten Stromes Ial auf Null zurückgebracht. Dementsprechend
wird durch Anlegen des Signallichts Ps in der Periode,
während der das Erregungslicht Pex und der injizierte Strom Ial
beide vergrößert werden, das Signallicht Ps vollständig
reflektiert und durch den herausführenden Seitenwellenleiter 1'
emittiert. Andererseits wird in einem zweiten Intervall, in
dem kein Erregunslicht Pex angelegt wird, der oben erwähnte
Vorgang, der zur Totalreflektion führt, nicht auftreten, und
das durch den hereinführenden Seitenwellenleiter 1
auftreffende Signallicht Ps wird intakt durch den Schalter
übertragen und durch den herausführenden Seitenwellenleiter 2'
ausgegeben. Mit anderen Worten kann das Signallicht Ps in
Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Fehlen des Erregungslichts
Pex zu dem Wellen-leiter 1' oder 2' geschaltet werden.
Übrigens wird die dem Erregungslicht Pex zuschreibbare Komponente
Po dem Ausgang aus dem Wellenleiter 1' überlagert, kann aber
anschließend durch ein elektrisches Filter eliminiert werden,
da jedes Intervall länger als die Zeitscheibe des
Signallichtes Ps ist.
-
Fig. 5B zeigt einen Fall, wo der Rückkopplungswellenleiter 4
entsprechend bei jedem der hereinführenden Seitenwellenleiter
1 und 2 vorgesehen ist. Die Verwendung von zwei
Rückkopplungswellenleitern ermöglicht die Vergrößerung der
Reflektivität des nichtlinearen optischen Materials 3 selbst dann,
wenn das Erregungslicht Pex niedrige Intensität aufweist.
-
Das obige ist ein Fall, in dem der Verstärkungsfaktor des
optischen Verstärkers 5, d.h. der Einprägungsstrom Ial,
relativ groß ist. Fig. 7A zeigt die Beziehung zwischen dem
Erregungslicht Pex und dem Ausgangslicht Po aus dem Wellenleiter
1'. Wie man aus Fig. 7A sieht, ist das Ausgangslicht Po
kontinuierlich vorhanden (Totalreflexionszustand), sobald das
Erregungslicht Pex angelegt wird, und wenn dieser Zustand
beendet werden soll, muß der Strom Ial abgeschaltet werden.
Wenn andererseits der Strom Ial klein ist, zeigt das
Ausgangslicht Po eine derartige Bistabilität, wie sie in Fig. 7B
dargestellt ist. In diesem Fall kann jeder Ausgang Po von
seinem hohen Zustand (Totalreflexionszustand) in seinen
niedrigen Zustand (Null-Reflexionszustand) geschaltet werden,
indem das Erregungslicht Pex bei dem mittleren Pexb der
bistabilen Schleife gehalten wird und inkrementelle oder
dekrementelle Impulse hinzugefügt werden, wie dargestellt.
Mit anderen Worten kann das Schalten mit dem Erregungslicht
Pex allein erreicht werden, und ein Gleichstrom kann als
Strom Ial verwendet werden.
-
Die oben beschriebene Ausführungsform verwendet als
Rückkopplungswellenleiter 4 eine einfache Y-förmige Struktur zum
Ankoppeln und Abzweigen der hereinführenden und
herausführenden Seitenwellenleiter 1 und 1'. Fig. 8 stellt eine weitere
Ausführungsform dar, in der der Rückkopplungswellenleiter 4
ein Abzweigfilter 7 vom Bragg-Reflexionstyp mit einer
Wellenlängenselektivität verwendet, zum Abzweigen an der
herausführenden Seite. Allgemeiner gesprochen, je mehr sich die
Wellenlänge λex des Erregungslichtes Pex der
Absorptionsmittelpunktswellenlänge λo in Fig. 4A und 4B nähert, desto mehr
ist die Absorption des Lichtes gesättigt und der
Einfügungsverlust für das Signallicht Ps ist klein, wenn seine
Wellenlänge λo größer als die Absorptionsmittelpunktswellenlänge
in einigem Ausmaß ist. Dementsprechend wird im Fall
eines Systems, bei dem die Wellenlängen des Erregungslichts
Pex und des Signallichts Ps derart angenommen werden, daß
λex λo und λs > λex, das Abzweigfilter vom
Bragg-Reexionstypus derart gebildet, daß seine Bragg-Wellenlänge
gleich λex ist. Dadurch wird es möglich, daß nur das
Signallicht Pso aus dem herausführenden Seitenwellenleiter 1'
herausgeführt wird, und der Einfügungsverlust für das
Signallicht Ps kann ebenfalls verringert werden.
-
Auch bei dieser Ausführungsform kann der
Rückkopplungswellenleiter 4 für jeden der hereinführenden Seitenwellenleiter 1
und 2 verwendet werden.
-
Die Wellenleiter können durch Stegstrukturen,
Rippenstrukturen und eingegrabene Strukturen gebildet werden unter
Verwendung von Halbleitern, wie die InGaAsP und die AlGaAs
Kristallsysteme.
-
Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt, wird in
den Ausführungsformen des optischen Wellenleiterschalters der
vorliegenden Erfindung das optisch nichtlineare Material 3
in seinem Schaltabschnitt verwendet, um den Nullreflektions-
oder den Totalreflektionszustand vorzusehen, in Abhängigkeit
von der Intensität des Lichtes, und mindestens ein
Rückkopplungswellenleiter 4 ist zum Steuern des optisch
nichtlinearen Materials 3 vorgesehen, um das Schalten eines optischen
Signals selbst in dem Fall eines schwachen Erregungslichtes
zuzulassen.
-
Dementsprechend stellen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ein breitbandoptisches Schaltelement einer
einfachen Gerätestruktur ohne opto-elektrischen Umwandler zur
Verfügung und sind daher von großer praktischer Wirksamkeit.