DE60121578T2 - Cdznte elektrooptischer schalter - Google Patents

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Übertragung und Steuerung von optischen Signalen. Im Genaueren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrisch gesteuerten optischen Schalter, wobei der Schalter zur Steigerung der elektrooptischen Leistungsfähigkeit einen CdxZn1-xTe Kristall verwendet.
  • Einige Verbindungen einer kristallinen Natur können unter bestimmten Bedingungen verwendet werden zur Drehung der Polarisationsebene von transmittiertem Licht. Beispiele von Verbindungen dieser Art sind CdTe:In, GaAs und Bi12SiO20. Wenn diese einem elektrischen Feld unterliegen, variieren die Brechungsindizes des Kristalls gemäß den Variationen der Stärke des Feldes. Die Polarisationskomponenten eines Lichtstrahls, der in einem solchen Kristall propagiert, weisen verschiedene Phasengeschwindigkeiten auf, und erzeugen daher eine Phasenverschiebung, wobei das Wesen der Phasenverschiebung von der Stärke und Orientierung des angewendeten Feldes abhängt. Der zuvor erwähnte Effekt wird im Allgemeinen als „elektrooptischer Effekt" bezeichnet. Unter den Materialien, die den elektrooptischen Effekt zeigen, sind kubische Kristalle der Symmetriegruppe 43m Beispiele von Mitgliedern dieser Gruppe sind: InAs, CuCl, GaAs und CdTe. Amnon Yariv, Introduction to Optical Electronics, Appendix A, Seiten 334-337 (ed. Holt, Rinehart and Winston, Inc, 1971) diskutiert den elektrooptischen Effekt für diese Symmetriegruppe.
  • Eine bekannte Kristallklasse, die zu der 43m Gruppe gehört, sind Zinkblendenstrukturen, zum Beispiel GaAs, CdTe:In. M.L. Laasch et al. „Growth of twin-free CdTe single crystals in a semi-closed vapor phase system", Journal of Crystal Growth, Vol. 174, Seiten 696-707 (1997) beschreibt ein modifiziertes Markov-Verfahren zum Züchten von CdTe Einkristallen. Gemäß dem Artikel können Vanadium und Ga-dotierte CdTe Einkristalle mit einem Durchmesser von einem Zoll gezüchtet werden ohne Wandkontakt mit einem halb geschlossenen Gasphasensystem. Das Fehlen des Wandkontakts verbessert die Kristallperfektion.
  • Der elektrooptische Koeffizient ist ein charakteristischer Parameter jedes elektrooptischen Materials, das das angewendete elektrische Feld mit der Variation von Doppelbrechung verbindet, die durch dieses elektrische Feld induziert wird. S. Namba, „Electro-Optical Effect of Zincblende", Journal of the Optical Society of America, Vol. 51, Nr. 1, Seiten 76-79 (Januar 1961) berichtet über Messungen des elektrooptischen Koeffizienten r41 von Zinkblenden bei verschiedenen Wellenlängen zwischen 404 und 644 μm. Tabelle 1 des Artikels stellt die elektrooptischen Eigenschaften eines ZnS Kristalls dar.
  • Die Qualität eines elektrooptischen Materials wird auch gekennzeichnet durch den Gütefaktor. Für eine Zinkblendenstruktur ist der Gütefaktor identisch mit dem Produkt des elektrooptischen Faktors r41 und der dritten Potenz des Brechungsindex n0, nämlich r41n0 3. Darüber hinaus kann eine Halbspannung Vπ an einen elektrooptischen Kristall angewendet werden zum Erzeugen einer Doppelbrechung, die eine Verschiebung der Phasen der Polarisationskomponenten zur Folge hat, die durch den Kristall der Quantität π hindurchlaufen. Für eine Zinkblendenstruktur ist diese Spannung:
    Figure 00030001
    wobei λ die Wellenlänge des Eingangslichtes ist, r41n0 3 der Gütefaktor ist, L die Länge des Kristalls ist, und d die Distanz zwischen zwei Elektroden zur Anwendung der Spannung ist, zum Beispiel der Kristalldicke.
  • Der ternäre Kristall CdZnTe ist ein Gemisch der binären Komponenten CdTe und ZnTe. CdZnTe ist ein Halbleiter, der zur Gruppe IIB-VIA gehört, und eine Zinkblendenstruktur aufweist. Eine solche Struktur umfasst zwei unterschiedliche Atomarten, wobei jede Art auf Gitterpunkten einer kubisch-flächenzentrierten Zelle positioniert ist. Die zwei Zellen sind durch ein Viertel der Länge der Körperdiagonalen der kubischen Einheitzelle voneinander getrennt. Der CdZnTe Kristall wurde als ein Röntgen- und Gammastrahlendetektor eingesetzt.
  • Sudhir B. Trivedi et al., „Optoelectronic Material Cd1-xZnxTe: Growth Characterization and Applications", SPIE, „Optoelectronic Materials, Devices, Packaging, and Interconnects II", Vol. 994, Seiten 154-159 (1988) diskutiert eine Bridgeman-Technik zum Züchten von Cd1-xZnxTe Kristallen, wobei x and 1-x den molaren Anteilen der Elemente repräsentiert. Im Genaueren handelt dieser Artikel von der Züchtung von Cd1-xZnxTe, wobei x = 0,04 ist. Der Artikel beschreibt die Verwendung von bestimmten Züchtungstechniken zum Produzieren guter Cd1-xZnxTe Kristallen, die im Vergleich zu CdTe verbesserte Eigenschaften aufweisen. Gemäß dem Artikel können die Cd1-xZnxTe Kristalle verwendet werden als infrarotelektrooptische Modulatoren, Infrarot-Laserfenster, Röntgen- und Gammastrahlendetektoren, Solarenergiekonverter und Gunn-Dioden-Oszillatoren.
  • Ein elektrooptisches Material kann auch den sog. „photoleitenden Effekt" aufweisen, was die Erzeugung von freien Ladungsträgern ist, wenn ein optischer Strahl mit einer geeigneten Wellenlänge auf den Kristall angewendet wird. Der optische Strahl, der auf eine Zone des Kristalls angewendet wird, regt Ladungsträger in das Leitungsband von den Störstellenleveln an. Wenn gleichzeitig ein elektrisches Feld simultan auf den Kristall angewendet wird, migrieren die photoerzeugten Ladungsträger hinein und werden in einer benachbarten Dunkelzone des Kristalls gefangen, die nicht durch den optischen Strahl illuminiert ist. Die resultierende Raumladungsdichte, die mit den gefangenen Ladungsträgern verbunden ist, erzeugt ein entgegen gerichtetes elektrisches Feld zu dem Angelegten, d.h. ein Gegenfeld. Bei geeigneten Intensitäten des einfallenden optischen Strahls gleicht das Gegenfeld das angelegte Feld aus und verhindert dadurch den elektrooptischen Effekt, während der so genannte „Auto-Sperr-Effekt" erzeugt wird, der auch „Abschirmeffekt" oder „Raumladungseffekt" bezeichnet wird.
  • Die „Bandkante" ist die Übergangsregion des Absorptionsspektrums eines bestimmten Materials, das die spektrale Region der Absorption von der spektralen Region einer niedrigen Absorption trennt. In dem Teil der Region mit niedriger Absorption in der Nähe der Bandkante ist der Absorptionsfaktor nicht vernachlässigbar, während im Teil, der von der Bandkante weit entfernt ist, der Absorptionsfaktor beträchtlich niedriger ist.
  • Der Anmelder beobachtet, dass gemäß dem allgemeinen Wissen in dem Gebiet der Raumladungseffekt lichtabsorptionsabhängig ist. Im Genaueren ist der Raumladungseffekt umso größer, je größer der Lichtabsorptionsprozess ist.
  • Beispielsweise berichtet I.P. Kaminow in „Measurements of the Electrooptic Effect in CdS, ZnTe, and GaAs at 10.6 Microns", IEEE Journal of Quantum Electronics, Seiten 23-26 (Januar 1968) über experimentelle Ergebnisse der Materialien, die geeignet sind, CO2 Laser bei 10,6 μm zu modulieren. Im Genaueren führte der Autor Experimente an CdS und an Materialien durch, die zur Zinkblendenklasse gehören, d.h. ZnTe und GaAs, um deren elektrooptische Koeffizienten zu messen.
  • Der Autor beobachtete für den CdS Kristall bei einer Wellenlänge von 0,633 μm, d.h. in der Nähe der Bandkante, einen Abfall des elektrooptischen Koeffizienten für die Modulationsfrequenz, die zwischen 1 kHz und 20 Hz liegt.
  • Der Autor hat auch beobachtet, dass für den CdS Kristall bei 10,6 μm, d.h. sehr weit weg von der Bandkante, keine Träger erzeugt wurden und die Raumladungseffekte nicht vorhanden waren.
  • Für GaAs und ZnTe Kristalle beobachtete der Autor dasselbe Verhalten des elektrooptischen Koeffizienten, das für den CdS Kristall gefunden wurde.
  • Der Autor folgerte, dass die Raumladungseffekte aufgrund der Bewegung der lichterzeugten Raumladungen, die Verwendung solcher Materialien bei niedrigen Modulationsfrequenzen und bei Wellenlängen in der Nähe der Bandkante begrenzen.
  • Optische Schalter sind wichtige Vorrichtungen in optischen Kommunikationssystemen, d.h. Systemen, die verwendet werden zum Übertragen von optischen Signalen über optischen Fasern. Der Ausdruck „Schalter" bedeutet im Folgenden eine Vorrichtung, die in der Lage ist, optische Pfade zu erzeugen, zu ändern oder zu unterbrechen, die N Eingangsanschlüsse mit M Ausgangsanschlüssen verbindet. Ein Schalter kann verwendet werden zum Leiten eines optischen Strahls, der in einen Eingangsanschluss eintritt, zu einem vorbestimmten Ausgangsanschluss, oder um die optische Verbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen zu unterbrechen. Der Ausdruck „elektrooptischer Schalter" bedeutet im Folgenden einen Schalter, in dem eine externe elektrische Spannung einen elektrooptischen Effekt induziert für den Zweck der Leitung des optischen Strahls von einem Eingangsanschluss zu einem vorbestimmten Ausgangsanschluss, oder zum Unterbrechen einer optischen Verbindung zwischen optischen Anschlüssen.
  • William H. Steier et al. beschreibt in „Infrared Power Limiting and Self-switching in CdTe", Applied Physics Letters, Vol. 53(10), Seiten 840-841 (1988) einen Leistungsbegrenzer und einen „Selbst-Schalter", der den Abschirmeffekt des durch Photoladungen erzeugten elektrischen Effektes, der erzeugt wird als eine Folge der Photoleitfähigkeit von CdTe:In bei 1,06 μm, verwendet. Die durch diesen Artikel beschriebenen Vorrichtungen verwenden einen einzelnen einfallenden optischen Strahl, der den Abschirmeffekt verursacht und dem Strahl ermöglicht, simultan als ein Signal- und als ein Steuerungsstrahl zu agieren.
  • Andrea Zappettini et al. untersuchte in „Optically induced switching in CdZnTe", Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest, Seiten 283-284 (Washington, DC, 23.-28. Mai 1999) optisch induzierte optische Schalter in Cd0,90Zn0,10Te Kristallen. Ein Experiment wies wirksames optisches Schalten bei einem 1550 nm Lichtstrahl nach durch einen Steuerungslichtstrahl, der Wellenlängen im Bereich von 870-1300 nm aufweist. Gemäß dem Artikel erzeugen freie Ladungsträger, die photoerzeugt werden durch einen Steuerungsstrahl in elektrisch polarisiertem CdTe Kristall, ein Gegenfeld, das lokal das extern angelegte elektrische Feld abschirmt und dadurch den elektrooptischen Effekt reduziert. Die Aktivierungszeit (τon) des Gegenfelds hängt von dem einfallenden photonischen Fluss und dem angelegten elektrischen Feld ab, und die Erholungszeit (τoff) ist mit Einfang- und Rekombinationsprozessen verbunden. CdTe basierte Schalter weisen eine extrem lange τoff auf, die im Millisekundenbereich ist. Die Autoren offenbarten, dass die Erholungszeit τoff für den Cd0,90Zn0,10Te Kristall auf den Nanosekundenbereich begrenzt werden kann. Ferner haben die Autoren gezeigt, dass die τoff in CdZnTe von einem schnellen Rekombinationszentrum bestimmt zu sein scheint, während die langsame τoff in CdTe einem Fluchtmechanismus zugeordnet werden kann.
  • U.S. Patent Nr. 5,090,824 beschreibt einen elektrisch gesteuerten optischen Schalter (d.h. einen elektrooptischen Schalter), der einen elektrooptischen Kristall des Typs verwendet, der mindestens einen Satz von schnellen und langsamen optischen Achsen aufweist. Da die Anwendung eines elektrischen Feldes auf den Kristall Doppelbrechung induziert, kann eine Polarisationsebene, die entlang einer ersten Richtung des Lichtstrahls, der durch den Kristall läuft, in eine Polarisationsebene geschaltet werden, die entlang einer zweiten Richtung orientiert ist. Eine Polarisationsstrahlteilereinrichtung, die an einem Ende des Kristalls angeordnet ist, dirigiert einen Lichtstrahl durch den Kristall, dessen Polarisationsebene entlang der ersten Richtung orientiert ist, die unterschiedlich von einem Lichtstrahl ist, der eine Polarisationsebene entlang der zweiten Richtung aufweist. Während der elektrooptische Kristall ausgewählt werden kann von den Kristallklassen 43m, 42m und 23, einem Bismuth-Germaniumoxid-Kristall oder einem Bismuth-Silikonoxid-Kristall.
  • U.S. Patent Nr. 5,305,136 beschreibt einen optisch bidirektionale elektrisch gesteuerten optischen Schalter, der einen reduzierten Lichtverlust aufweist. Der Schalter beinhaltet einen elektrooptischen Kristall, der einen Satz von schnellen und langsamen optischen Achsen aufweist, und mindestens zwei Lichtpfade zum Empfangen von Lichtstrahlen durch den Kristall aufweist. Der Kristall weist durch ein elektrisches Feld induzierte Doppelbrechung auf, so dass die Orientierung der Polarisationsebene eines Lichtstrahls, der durch den Kristall läuft, von einer ersten Richtung in eine zweite Richtung geschaltet wird. Strahlteilerpolarisatoren sind an jedem Ende des elektrooptischen Kristalls angeordnet und optisch mit den zwei Lichtpfaden ausgerichtet. Die Strahlteilerpolarisatoren spalten den optischen Strahl in zwei Lichtstrahlen auf, die Polarisationsebenen aufweisen, die in der ersten und zweiten Richtung orientiert sind, wenn Licht durch die zwei Lichtpfade übertragen wird. Die Polarisatoren kombinieren auch die zwei Lichtstrahlen in einen einzelnen Lichtstrahl, wenn Lichtstrahlen von den zwei Lichtpfaden empfangen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrooptische Kristall ein kubischer Kristall, der aus den Kristallklassen 43m, 42m und 23 ausgewählt wurde. Beispiele von geeigneten Kristallen beinhalten Bismuth-Germaniumoxid und Bismuth-Siliziumoxid-Kristalle.
  • Kohji Tada et al. beschreibt in „Electrically controlled optical switch", Sumitomo Electric Technical Review, Nr. 19, Seiten 47-56 (Januar 1980) einen optischen Schalter, der Bi12SiO20 als das elektrooptisches Material verwendet.
  • Da Bi12SiO20 natürlich keine Doppelbrechung erfährt, kann durch dessen Verwendung ein hohes Extinktionsverhältnis erhalten werden. Auch ist dieses Material stabil, wenn dieses Temperaturveränderungen unterworfen wird. Solche Eigenschaften favorisieren die Verwendung von Bi12SiO20 für optische Schalter. Licht kann durch einen Polarisator laufen gelassen werden, um in eine Welle konvertiert zu werden, die eine Polarisationskomponente in einer Richtung aufweist. Es kann dann durch den Kristall laufen gelassen werden, um einer Phasenmodulation zu unterlaufen, um elektrisch polarisiertes Licht zu bilden. Ein ausgangsseitiger Analysator kann verwendet werden zum Modulieren der optischen Intensität des Strahls. Die Autoren demonstrierten durch theoretische Analyse, dass die Auswahl von optischen Winkeln für die Achsen der Polarisatoren und deren Analysatoren ein hohes Extinktionsverhältnis erzeugt. Ein optischer Schalter mit mehreren Abschnitten wurde konstruiert durch Teilen des Bi12SiO20 Kristalls in mehrere Wafer, zum Reduzieren der Halbwellenspannung des Schalters.
  • In Relation zu deren Anwendung in optischen Kommunikationsnetzwerksknoten können optische Schalter kategorisiert werden entweder als Paket-Schalter oder als Leitungsvermittlungs-Schalter. In optische Wellenlängenmultiplex Systemen (WDM, engl.: wavelength-division-multiplexing) werden typischerweise Leitungsvermittlungs-Schalter eingesetzt, um eine räumliche Rekonfiguration der Eingangs-/Ausgangsleitung zu ermöglichen. Die Leitungsvermittlungs-Schalter verbinden einen rekonfigurierbaren Weg des Eingangsanschlusses mit Ausgangsanschlüssen unabhängig von der Information, die von den geleiteten Signalen getragen werden. Die Rekonfiguration von Leitungsvermittlungs-Schaltern wird beispielsweise benötigt für Fehlererholung oder Verkehrneuaufteilung.
  • Eine Schaltzeit von Millisekunden ist im Allgemeinen akzeptabel. Alternativ leiten Paket-Schalter Datenpakete in Relation zu Daten, die in diesen laufen. Dateikopf/Anhänger Abtastung und Erkennung und Paket/Zellen Multiplexen/Demultiplexen sind notwendige Operationen im Knotenpunkt. Es werden sehr hohe Schaltzeiten benötigt, aufgrund der Datenübertragungsbitrate.
  • Der Anmelder hat herausgefunden, dass die Leistungsfähigkeit von konventionellen elektrooptischen Schaltern begrenzt ist durch den Auto-Sperr-Effekt der eingesetzten Kristalle. Der Auto-Sperr-Effekt beeinflusst den elektrooptischen Effekt solcher Kristalle nachteilig. Der Anmelder glaubt deshalb, dass Schalter, die Litiumniobatkristalle mit integrierter Technologie verwenden, momentan vielversprechend sind. Unglücklicherweise sind Litiumniobat- und KD*P (KD2PO4)-Kristalle nicht isotropisch und weisen daher Doppelbrechung in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes auf. Diese intrinsische Doppelbrechung führt zu einer Komplexität der Schaltungsauslegung und benötigt eine Optimierungsprozedur. Andere elektrooptische isotropische Kristalle, so wie Bismuth-Germaniumoxid (BGO), Bismuth-Tantalumoxid (BTO), B12SiO20 (BSO) weisen optische Aktivität im Kommunikationsfenster auf. Solche optische Aktivität verursacht eine Störung des Polarisationszustandes des Signals, das durch den Kristall läuft, das geeignete Kompensation benötigt.
  • Der Einsatz solcher Kristalle in optischen Schaltern ist deshalb weniger attraktiv.
  • Im Allgemeinen weist ein hoch qualitativer elektrooptischer Schalter, der in optischen Kommunikationssystemen verwendet wird, bestimmte Faktoren auf, so wie niedrige Eingangsverluste, niedriges Übersprechen, niedrige Vπ und eine Reaktionsfrequenz-Zeitkonstante im Bereich von Millisekunden auf. Der Anmelder hat herausgefunden, dass in einem konventionellen optischen Kommunikationssystem das Schalten von einem Zustand in einen anderen (verbunden mit unterschiedlichen Verbindungen entlang optischen Pfaden, zum Beispiel optischen Fasern) gelegentlich auf treten kann, so dass keine charakteristische Frequenz des Schalters definiert werden kann. In diesem Fall ist das Verhalten des Schalters in einem festen Zustand für eine ausgedehnte Zeitperiode gleich wichtig.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Anmelder hat herausgefunden, dass CdZnTe Kristalle, die durch ein elektrisches Feld induzierte Doppelbrechung aufweisen, unerwarteterweise lediglich einen kleinen oder gar keinen Auto-Sperr-Effekt in der Nähe der Bandkante aufweisen, d.h. in einem Wellenlängenband von etwa 1000-1650 nm. Solche Kristalle weisen demzufolge eine bessere elektrooptische Leistungsfähigkeit auf als andere Kristalle derselben 43m Klasse für dieselben Wellenlängen. Der Anmelder hat ferner herausgefunden, dass ein elektrisch gesteuerter optischer Schalter, der einen CdZnTe Kristall verwendet, bessere Eigenschaften aufweist als konventionelle Schalter, die andere Arten von Kristallen verwenden. Beispielsweise benötigt ein Schalter, der einen CdZnTe Kristall aufweist, eine niedrigere Halbwellenspannung für den Betrieb. Auch ist die Leistungsfähigkeit eines solchen Schalters relativ konstant für den Betrieb sowohl in einem festen Zustand als auch wenn die Schaltfrequenz verändert wird. Darüber hinaus kann eine höhere optische Signalleistung mit einem solchen Schalter verwendet werden.
  • Der Anmelder zieht in Erwägung, dass ein elektrisch gesteuerter optischer Schalter, der in einem optischen Kommunikationssystem verwendet werden soll, einen CdxZn1-xTe Kristall beinhaltet, wobei der molare Anteil von Cd x zwischen etwa 0,7 und 0,99 liegt. Vorzugsweise ist der molare Anteil Cd x in dem Bereich 0,8 ≤ x ≤ 0,95. Noch mehr vorzuziehen ist ein molarer Anteil von Cd x im Bereich 0,85 ≤ x ≤ 0,92.
  • Eine Schaltsteuerungseinheit stellt dem CdxZn1-xTe Kristall eine Schaltspannung bereit, die unter einem Satz von vorbestimmten Spannungen ausgewählt wird, wobei jede Spannung in dem Satz mit einer korrespondierenden optischen Schaltkonfiguration verbunden ist.
  • Der Kristall weist eine Doppelbrechung auf, die durch das elektrische Feld induziert wird, so dass der Schalter beim Anlegen einer korrespondierenden Spannung in dem Satz eine der Schaltkonfigurationen annimmt.
  • Im Genaueren kann eine genügende Spannung angelegt werden an den CdxZn1-xTe Kristall, um den Schalter von einem „Balkenzustands-"Betrieb zu einem „Kreuzzustands-"Betrieb zu bringen. Im Genaueren wechselt ein Schalter von einem Balken-Zustandsbetrieb zu einem Kreuz-Zustandsbetrieb, wenn die Halbwellenspannung Vπ an den Kristall angelegt wird, wodurch die Polarisationsebene eines optischen Strahls oder Strahlen, die durch den Kristall laufen, um 90° gedreht wird.
  • Vorzugsweise weist der Kristall eine Dicke zwischen etwa 200 μm und 2 mm auf.
  • Noch mehr vorzuziehen ist, dass die Kristalldicke kleiner als 500 μm ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Schalter in der Lage, bei der Schaltfrequenz von weniger als 100 Hz und vorzugsweise bei etwa gleich 0 zu arbeiten.
  • Eingangs- und Ausgangslenkvorrichtungen sind nahe liegend der Eingangs- und Ausgangsenden des Kristalls positioniert zum Lenken eines optischen Strahls zu und von einem Schalter. Erste und zweite optische Eingangsfasern sind aufeinander folgend an den Eingangslenkvorrichtungen angebracht, und erste und zweite optische Ausgangsfasern sind aufeinander folgend an den Ausgangslenkvorrichtungen angebracht. „Balkenzustand-"Betrieb tritt auf, wenn der Schalter einem optischen Strahl ermöglicht, von der ersten Eingangsfaser zur ersten Ausgangsfaser zu laufen, oder alternativ von der zweiten Eingangsfaser zur zweiten Ausgangsfaser. „Kreuzzustands-"Betrieb tritt auf, wenn der Schalter den optischen Strahl von der ersten Eingangsfaser zur zweiten Ausgangsfaser lenkt, oder alternativ von der zweiten Eingangsfaser zur ersten Ausgangsfaser.
  • Ein optischer Strahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1650 nm wird dem elektrisch gesteuerten optischen Schalter durch eine optische Quelle bereitgestellt. Die Quelle kann zum Beispiel ein Laser, einer Superfluoreszent oder eine ASE-Quelle oder eine LED sein. Die optische Quelle kann entweder in der Nähe oder entfernt von dem elektrisch gesteuerten optischen Schalter positioniert sein. Beispielsweise kann die optische Quelle ein Teil einer Übertragungsstation sein, und der elektrisch gesteuerte optische Schalter ist ein Teil eines Schaltknotens, der in einer optischen Übertragungsleitung oder -netzwerk der Übertragungsstation nachgelagert angeordnet ist.
  • Gemäß einem Aspekt beinhaltet die Eingangslenkvorrichtung des Schalters einen Polarisationsstrahlteiler (PBS, englisch: Polarisation Beam Splitter) und einen Eingangsreflektor. Der Eingangsreflektor ist orientiert zum Reflektieren eines optischen Strahls von der ersten Eingangsfaser zum Eingang des PBS. Der Eingang des PBS ist positioniert zum Lenken eines optischen Strahls von dem Eingang des Reflektors oder von der zweiten Eingangsfaser zu einem optischen Pfad entlang des Kristalls. Die Ausgangslenkvorrichtung beinhaltet auch einen Ausgangs-PBS und einen Ausgangsreflektor. Der Ausgangs-PBS ist orientiert zum Lenken eines optischen Strahls von dem optischen Pfad entlang des Kristalls zu einer zweiten Ausgangsfaser oder zu dem Ausgangsreflektor. Der Ausgangsreflektor ist konfiguriert zum Lenken eines optischen Strahls von dem Ausgangs-PBS zur ersten Ausgangsfaser.
  • Vorzugsweise ist der Eingangsreflektor ein rechtwinklig reflektierendes Prisma.
  • Vorzugsweise ist der Ausgangsreflektor ein rechtwinklig reflektierendes Prisma.
  • Gemäß einem anderen Aspekt umfasst die Eingangslenkvorrichtung des Schalters einen Eingangs-PBS und ersten und zweiten Eingangsreflektoren. Der Eingangs-PBS ist so positioniert, dass er einen optischen Strahl, der von der Eingangsfaser oder dem zweiten Eingangsreflektor kommt, separieren kann in einen ersten Strahl, der in Richtung des Eingangsreflektors gelenkt wird, und einen zweiten Strahl, der entlang eines ersten optischen Pfades entlang des Kristalls gelenkt wird. Darüber hinaus ist der erste Eingangsreflektor orientiert zum Reflektieren eines optischen Strahls von dem Eingangs-PBS zu einem zweiten optischen Pfad entlang des Kristalls. Der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad sind im Wesentlichen parallel zueinander. Der zweite Eingangsreflektor ist orientiert zum Reflektieren eines optischen Strahls von der zweiten Eingangsfaser zu dem Eingang des PBS.
  • Die Ausgangslenkvorrichtung des Schalters beinhaltet eines Ausgangs-PBS und einen ersten und zweiten optischen Reflektor. Der Ausgangs-PBS ist konfiguriert zum Lenken eines optischen Strahls von dem zweiten optischen Pfad zu der zweiten optischen Faser oder zu dem ersten optischen Reflektor. Der Ausgangs-PBS ist auch orientiert zum Lenken eines optischen Strahls von dem zweiten Ausgangsreflektor zu dem ersten Ausgangsreflektor oder der zweiten Ausgangsfaser. Darüber hinaus ist der Ausgangsreflektor orientiert zum Reflektieren eines optischen Strahls von dem Ausgangs-PBS zu der ersten Ausgangsfaser. Der zweite Ausgangsreflektor ist positioniert zum Reflektieren eines optischen Strahls von dem ersten optischen Pfad zu dem Ausgangs-PBS.
  • Vorzugsweise sind der erste und/oder der zweite Eingangsreflektor rechtwinklig reflektierende Prismen.
  • Vorzugsweise sind der erste und/oder der zweite Ausgangsreflektor rechtwinklig reflektierende Prismen.
  • Ein elektrisch gesteuerter optischer Schalter, der einen CdxZn1-xTe Kristall beinhaltet, kann verwendet werden zum Verbessern der Leistungsfähigkeit eines optischen Kommunikationssystems. Das System kann beispielsweise eine erste und zweite Eingangsübertragungsstation beinhalten, die optische Quellen zum Erzeugen von optischen Signalen und Multiplexer zum Senden der erzeugten optischen Signale aufweisen. Die entsprechenden ersten und zweiten optischen Eingangsfasern verbinden die erste und zweite Übertragungsstation mit dem Schalter. Das optische Kommunikationssystem kann auch erste und zweite Empfangsstationen beinhalten, und mit dem Schalter durch entsprechende erste und zweite optische Ausgangsfasern verbunden sein.
  • Die erste oder die zweite Empfangsstation, oder beide, können optische Vorverstärker enthalten.
  • In einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung gerichtet auf ein Verfahren zum Schalten eines optischen Signals, das eine Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1650 nm aufweist. Das Verfahren umfasst das Angeben des optischen Signals in einen CdxZn1-xTe Kristall, wobei x zwischen etwa 0,7 und 0,99 ist, und Anwenden einer Steuerungsspannung an den Kristall, die aus einem Satz von vorbestimmten Spannungen ausgewählt wird.
  • Es versteht sich, dass die vorangegangene allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung lediglich exemplarisch und darstellend sind, und dafür gedacht sind, eine weitere Erklärung der beanspruchten Erfindung bereitzustellen. Die folgende Beschreibung als auch die Anwendung der Erfindung zeigen zusätzliche Vorteile und Einstzmöglichkeiten der Erfindung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Spezifikation mit aufgenommen sind und ein Teil dieser sind, illustrieren Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erklärung der Vorteile und Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer Testanordnung zum Untersuchen der Leistungsfähigkeit eines CdxZn1-xTe Kristalls übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2A–2C sind Graphen des tatsächlichen Gütefaktors M gegen die Modulationsfrequenz f bei einer niedrigen optischen Leistung, für einen Cd0,90Zn0,10Te Kristall, zwei CdTe:In Kristalle und einem GaAs Kristall, übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Graph, der den tatsächlichen Gütefaktor M gegen die Strahlwellenlänge für die Auswahl eines Cd0,90Zn0,10Te Kristalls darstellt, der gebildet ist durch Nehmen der besten linearen Interpolation der gemessenen Werte, die in 2A dargestellt sind;
  • 4 ist Graph von gemessenen Werten von Vπ' gegen die Strahlwellenlänge λ zusammen mit einer linearen Interpolationskurve für einen Cd0,90Zn0,10Te Kristall übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5A und 5B sind Graphen des tatsächlichen Gütefaktors M gegen die optische Leistung für f = 10 Hz und f = 1 Hz für einen Cd0,90Zn0,10Te Kristall übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist ein Graph eines tatsächlichen Gütefaktors M gegen eine angelegte Spannungsamplitude Va bei einer Modulationsfrequenz von 1 Hz, für einen Cd0,90Zn0,10Te Kristall übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist eine Testanordnung zum Bestimmung des Absorptionsfaktors α, der gemessen wurde für Kristallproben übereinstimmend mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist ein Graph einer Ausgangsleistung Pout gegen eine totale Phasenverschiebung Δφtot eines optischen Signals, das durch den in 1 gezeigten Testaufbau läuft;
  • 9 ist ein Graph von 1-I(V)/(V=0) gegen die optische Strahlleistung Pin für einen Kristall in der Testanordnung aus 1;
  • 10 ist ein Blockdiagramm eines polarisationsempfindlichen elektrooptischen Schalters übereinstimmend mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines polarisationsunempfindlichen elektrooptischen Schalters übereinstimmend mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ist ein Blockdiagramm eines WDM Systems beinhaltend den polarisationsempfindlichen elektrooptischen Schalter aus 11;
  • 13 ist ein Blockdiagramm eines 4 × 4 optischen Kreuzverbindungsschalters für ein optisches Kommunikationssystem beinhaltend den polarisationsempfindlichen elektrooptischen Schalter aus 11; und
  • 14 ist ein Blockdiagramm eines optischen Kreuzverbindungsschalters mit Wellenlängenaustausch beinhaltend die 4 × 4 optischen elektrooptischen Schalter aus 13;
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nun wird Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung, Beispiele, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind und aufgrund der Beschreibung dieser Erfindung offensichtlich sind. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Elemente in den unterschiedlichen Zeichnungen, wenn möglich.
  • Die 10 und 11 stellen elektrooptische Schalter 1000 und 1100 dar, die übereinstimmend sind mit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Schalter 1000 und 1100 beinhalten einen CdxZn1-xTe Kristall. Der molare Anteil von Cd x ist im Bereich zwischen 0,7 ≤ x ≤ 0,99. Vorzugsweise ist der molare Anteile von Cd x im Bereich zwischen 0,8 ≤ x ≤ 0,95. Noch mehr vorzuziehen ist ein molarer Anteil von Cd x im Bereich zwischen 0,85 ≤ x ≤ 0,92.
  • Die elektrooptischen Schalter 1000 und 1100 arbeiten für optische Signale (d.h. Strahlen), die beispielsweise Wellenlängen im Bereich von 1480 nm bis 1610 nm aufweisen. Vorzugsweise sind die Wellenlängen der optischen Signale im Bereich zwischen 1510 nm bis 1610 nm, was dem sog. „dritten Fenster" der optischen Kommunikation entspricht. Die elektrooptischen Schalter 1000 und 1100 können alternativ optische Signale verwenden, die Wellenlängen im Bereich zwischen 1300 nm bis 1350 nm aufweisen („zweites Fenster"). Im Allgemeinen können die elektrooptischen Schalter 1000 und 1100 optische Signale verwenden, die Wellenlängen im Bereich zwischen 1000 nm bis 1650 nm aufweisen.
  • Der den in 10 dargestellte optische Schalter ist ein bidirektionaler 2 × 2 optischer Schalter, der als eine Kreuzbalkenvorrichtung eingesetzt werden kann. Erste und zweite optische Eingangsfasern 1002 und 1004, die mit dem Schalter 1000 verbunden sind, übertragen optische Signale zu und von dem Schalter über erste und zweite Kollimatoren 1006 und 1008. Der Schalter 1000 beinhaltet auch erste und zweite optische Elemente 1028 und 1030, CdxZn1-xTe Kristallelement 1014, dritte und vierte Kollimatoren 1022 und 1020, und erste und zweite optische Ausgangsfasern 1024 und 1026. Das erste optische Elemente 1028 umfasst einen ersten Polarisationsstrahlteiler 1012 und ein konventionelles, rechtwinklig reflektierendes Prisma 1010. Das zweite optische Elemente 1030 umfasst einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 1018 und ein zweites konventionelles, rechtwinklig reflektierendes Prisma 1016.
  • Im typischen Betrieb für den elektrooptischen Schalter 1000 läuft ein optisches Signal, das bezeichnet ist als „Signal S", das sich in einem linearen Zustand der Polarisation S befindet, zuerst durch eine erste optische Eingangsfaser 1002 zum Kollimator 1006. Das rechtwinklig reflektierende Prisma 1010 reflektiert das kollimierte Signale S, das aus dem Kollimator 1006 kommt, zum ersten Polarisationsstrahlteiler 1012. Der Polarisationsstrahlteiler 1012 ist so orientiert, dass das Signal S entlang des Kristallelements 1014 gelenkt wird.
  • Eine verstärkte Spannung V kann angelegt werden an das Kristallelement 1014 über eine Schaltsteuerungseinheit 1036 unter Verwendung geeigneter Elektroden 1032 und 1034. Das Kristallelement 1014 ist angeordnet in einer als AM-Schnitt bekannten Anordnung. Im Balkenzustandsbetrieb (d.h. Verbindung von der Eingangsfaser 1002 zur Ausgangsfaser 1024) legt die Schaltsteuerungseinheit 1036 eine Spannung V = 0 an das Kristallelement 1014 an, wobei keine Polarisationsdrehung induziert wird.
  • Das Signal S wird dann durch den zweiten Polarisationsstrahlteiler 1018 und das rechtwinklig reflektierende Prisma 1016 zum Kollimator 1020 und der ersten optischen Ausgangsfaser 1024 gelenkt. Um vom Balkenzustandsbetrieb zum Kreuzzustandsbetrieb zu wechseln (d.h. Verbindung von der Eingangsfaser 1002 zur Ausgangsfaser 1026), kann eine Spannung V = Vπ an das Kristallelement 1014 durch die Schaltsteuerungseinheit 1036 angelegt werden, was zu einer Polarisationsdrehung von 90° führt. Auf diese Weise wird das Signal S konvertiert in ein „Signal P", d.h. ein Signal, das einen linearen Polarisationszustand senkrecht zum Zustand S aufweist. Das Signal P wird über einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 1018 zur zweiten optischen Ausgangsfaser 1026 übertragen. Für den Fachmann ist es evident, dass ein Signal P, das in eine Vorrichtung 1000 von der zweiten optischen Eingangsfaser 1004 eintritt, auf dieselbe Weise geschaltet werden kann, wie das für das Eingangssignal S Beschriebene bei der Eingangsfaser 1002. Die Vorrichtung 1000 ist polarisationsabhängig, da dessen Betrieb Eingangssignale an den korrespondierenden Eingängen benötigt, um einen linearen Polarisationszustand S oder P aufzuweisen.
  • Eine Ausführungsform eines bidirektionalen und polarisationsunabhängigen Schalters 1100 ist schematisch in 11 dargestellt. Die Architektur des Schalters 1100 ermöglicht es dem optischen Schalter unabhängig von einer Polarisation zu arbeiten. Die Vorrichtung 1100 umfasst erste und zweite optische Eingangsfasern 1002 und 1004; erste und zweite Kollimatoren 1006 und 1008; erste und zweite optische Elemente 1102 und 1104; ein CdxZn1-xTe Kristallelement 1106; dritte und vierte Kollimatoren 1022 und 1020; eine erste und eine zweite optische Ausgangsfaser 1024 und 1026. Das erste optische Element 1102 umfasst einen ersten Polarisationsstrahlteiler 1108 und zwei konventionelle, rechtwinklig reflektierende Prismen 1110 und 1112. Das zweite optische Element 1104 umfasst einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 1116 und zwei konventionelle rechtwinklig reflektierende Prismen 1114 und 1118.
  • Der Betrieb der Vorrichtung 1100 im Fall des Kreuzzustandes (d.h. Verbindung der Eingangsfaser 1002 zur Ausgangsfaser 1026) wird unten beschrieben mit Bezug auf 11. Ein optisches Eingangssignal, das einen zufälligen Polarisationszustand aufweist, tritt in den Schalter 1100 über die ersten optische Eingangsfaser 1002 ein. Es läuft durch den Kollimator 1006 und wird dadurch ein kollimiertes Signal. Das optische Signal wird dann zum Polarisationsstrahlteiler 1108 übertragen, wo es in zwei Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils orthogonale Polarisationszustände S und P aufweisen. Der Strahl S wird durch das rechtwinklig reflektierende Prisma 1112 reflektiert, so dass die zwei Strahlen zwei separaten parallelen optischen Pfaden folgen. Die Strahlen S und P propagieren jeweils entlang einer oberen Region und einer unteren Region des Kristallelements 1106. Die Propagationsrichtung der einfallenden optischen Strahlen mit Bezug auf das Kristallelement 1106 ist entlang der Kristallachse <110>. Wenn an das Kristallelement 1106 keine Spannung angelegt wird, findet keine Polarisationsdrehung der optischen Strahlen im Kristallelement 1106 statt. Der Polarisationsstrahlteiler 1116 und das rechtwinklige Prisma 1118 kombinieren die zwei Strahlen in einen einzelnen optischen Strahl, der durch das rechtwinklig reflektierende Prisma 1114 in Richtung des Kollimators 1020 und der Ausgangsfaser 1024 reflektiert wird.
  • Um Kreuzzustandsschalten durchzuführen, wird eine Spannung V = Vπ an das Kristallelement 1106 angelegt zum Erzeugen eines externen elektrischen Feldes entlang des Kristalls. Daraufhin unterlaufen die Strahlen S und P eine Polarisationsdrehung um 90°, so dass am Ausgang des Kristallelements 1106 der Strahl S ein Strahl P und der Strahl P ein Strahl S wird. Bei Erreichen des Polarisationsstrahlteilers 1116 wird der P Strahl zur zweiten Ausgangsfaser 1026 übertragen, und der S Strahl wird durch das rechtwinklig reflektierende Prisma 1118 in eine Richtung zur zweiten Ausgangsfaser 1026 reflektiert. Die Strahlen werden deshalb rekombiniert an den vorbestimmten Ausgang und zur Ausgangsfaser 1026 gesendet. Da die Strahlen optischen Pfaden folgen, die äquivalente Längen aufweisen, wird keine Zeitverzögerung zwischen den zwei Strahlen während derer Passage eingeführt.
  • Andere Verfahren zum Betreiben des Schalters 1100 würden dem Fachmann klar werden durch die obere Beschreibung und Figuren. Zum Beispiel könnten Balkenzustandsbetrieb und Betrieb, in dem der optische Strahl in eine von der Faser 1002 unterschiedliche optische Faser eintritt, durchgeführt werden. Die Schalter können bei jeder Schaltfrequenz f betrieben werden. Im Genaueren können diese betrieben werden als Leitungsvermittlungs-Schalter und Paketschalter. Vorzugsweise ist die Schaltfrequenz f kleiner als 100 Hz. Noch mehr vorzuziehen ist eine Schaltfrequenz von f = 0, so dass Schalten von einem Zustand zu einem anderen lediglich gelegentlich auftritt und der Schalter überwiegend in einem festen Zustand für eine ausgedehnte Zeitperiode arbeitet.
  • Die Schalter 1000 und 1100 können realisiert werden durch Verwendung der folgenden Komponenten. Die Polarisationsstrahlteiler und die rechtwinklig reflektierenden Prismen können beispielsweise hergestellt werden durch NITTO (Japan). Vorzugsweise sind alle optischen Komponenten mit Antireflexbeschichtungen beschichtet. Die Kollimatoren, die geeignet mit den entsprechenden optischen Fasern verbunden sind, können „grin-rod" (graduierter Index) Linsen sein, die verfügbar sind unter dem Handelsnamen SELFOCTM von NSG (Japan). Um Temperatur- und mechanische Stabilität für die optischen Schalter 1000 und 1100 zu gewährleisten, kann jeder platziert sein auf einem MacorTM-(Handelsmarke von Corning Glaxo (USA)) Tisch, der mit Aluminiumhalterungen zum Halten der Linsen bereitgestellt ist. Die Elektroden können gebildet sein durch Abscheiden eines Goldfilmes auf eine bekannte Art und Weise, zum Beispiel durch Vakuumverdampfung auf einen CdxZn1-xTe Kristall. Eine Silikonpaste kann verwendet werden zum Verhindern, dass der CdxZn1-xTe Kristall Spannungen ausgesetzt wird, die zu Deformationen im Kristall führen könnten. Solche Spannungen könnten andererseits verursacht werden durch das angelegte elektrische Feld. Es kann eine konventionelle Paste eingesetzt werden zum Fixieren der anderen optischen Komponenten. Der MacorTM-Tisch, das die Schalter haltert, kann eingesetzt sein in eine Aluminiumbox, die bereitgestellt ist mit einer Steuereinheit zum Steuern der elektrischen Spannung.
  • Die Schalter können mit optischen Signalen arbeiten, die eine Leistung aufweisen in Übereinstimmung mit der Leistung, die verwendet wird für optische Signale in Telekommunikationssystemen. Die optische Leistungsdichte, d.h. das Verhältnis zwischen Leistung Pin und der Fläche des einfallenden Strahlabschnitts, ist vorzugsweise niedriger als 100 mW/mm2. Noch mehr vorzuziehen ist eine optische Leistungsdichte, die niedriger ist als 15 mW/mm2.
  • Die Länge L des CdxZn1-xTe Kristalls 1014 und 1106, der in den Schaltern 1000 und 1100 eingesetzt ist, wird ausgewählt, einen geeigneten Wert der Halbwellenspannung Vπ zu erreichen. Vergrößern der Länge L reduziert die Halbwellenspannung Vπ, kann jedoch dazu führen, dass der Kristall fragiler wird. Vorzugsweise ist die Länge L des CdxZn1-xTe Kristalls 1014 und 1106 weniger als etwa 15 mm aber mehr als etwa 10 mm. Der Abstand d zwischen den Elektroden zum Anlegen der Spannung, d.h. die Dicke des Kristalls, kann auch reduziert werden zum Erniedrigen des Werts der Halbwellenspannung Vπ Vorzugsweise ist der Abstand d zwischen etwa 200 μm und 2 nm. Noch mehr vorzuziehen ist, dass der Abstand d weniger ist als 500 μm. Durch Vergrößern der dritten Dimension des CdxZn1-xTe Kristalls können viele unterschiedliche parallele optische Strahlen im Inneren des Kristalls propagieren. Auf diese Weise kann das simultane Schalten von vielen Strahlen erreicht werden. Darüber hinaus können integrierte optische Strukturen, durch die das zu schaltende optische Signal geleitet werden kann, unter Verwendung von CdxZn1-xTe Wellenleitern vom Fachmann entwickelt werden.
  • Beispiel 1
  • Der Anmelder testete das Verhalten von Kristallproben von Cd0,90Zn0,10Te im Vergleich mit anderen Kristallproben, die eine Zinkblendenstruktur aufweisen. Wenn nicht speziell angezeigt, unterlief in den folgenden Experimenten der optische Strahl, der in die Kristallprobe eintritt, lineare Polarisation entlang der Kristallachse <110>, an die das elektrische Feld angelegt wurde. Die Propagation des Strahls wurde entlang der Kristallachse <110> gelenkt. Zusätzlich wurden die Kristalle in der als AM-Schnitt bekannten Konfiguration angeordnet. Die Anlegung des elektrischen Felds entlang der Achse <110> gewährleistete beste elektrooptische Effizienz für die Konfiguration von Zinkblendenkristallen.
  • Alle Kristallproben waren Parallelepiped-förmig und wiesen eine quadratische Basis der Dimension d × d und eine Länge L auf. Im Genaueren wurden folgende Proben verwendet:
    • • Proben A1 und A2: Cd0,90Zn0,10Te, d = 2 mm, L = 10 mm.
    • • Probe B1: CdTe:In, d = 5 mm, L = 10 mm.
    • • Probe B2: CdTe:In, d = 2,5 mm, L = 10 mm.
    • • Probe C: GaAs, d = 5 mm, L = 15 mm.
  • Proben A1, A2, B1 und B2 wurden hergestellt durch eV Product (PA, USA) und kommerzialisiert durch II-VI Inc. (PA, USA). Die Probe C wurde hergestellt durch CNR-MASPEC, ein Forschungszentrum, das in der Nähe von Parma, Italien, liegt.
  • Als erstes wurde für jede der Proben A1, A2, B2 und C der Absorptionsfaktor α gemessen. Für die Proben A1, B1 und B2 wurde das Experiment gemäß der in 7 dargestellten Konfiguration aufgebaut. Eine Laserquelle 101 emittiert einen einfallenden Lichtstrahl bei einer Wellenlänge λ = 1550 nm mit einer Maximalleistung von 540 μW. Die Kristallprobe 115 war so orientiert, dass der einfallende Lichtstrahl einen relativ kleinen Winkel θ mit der Achse orthogonal zu dessen Basis bildete.
  • Der Kristall 115 transmittierte partiell den einfallenden Lichtstrahl und reflektierte partiell den Lichtstrahl in eine Richtung symmetrisch zum einfallenden Lichtstrahl. Leistungsmessköpfe 116 wurden verwendet zum Messen der Intensitäten I0, IR und IT, die jeweils den Leistungen des einfallenden, reflektierten und transmittierten Lichtstrahls entsprechen. Zum Bestimmen des Absorptionsfaktors α wurden die folgenden Ausdrücke verwendet:
    Figure 00270001
    wobei R der Reflexionsfaktor ist. Die anderen Parameter wurden bereits oben definiert.
  • Da die Probe B1 eine antireflexionsbeschichtete Basis enthielt, wurde diese nicht getestet. Das Labor von MASPEC bestimmte den Absorptionsfaktor der Probe C unter Verwendung einer Fourier-Transform-Interferometer (FTIR) Technik. Tabelle 1 zeigte Werte von α für die Proben A1, A2, B2 und C.
  • TABELLE 1
    Figure 00270002
  • Alle Proben, die bei einer Wellenlänge von 1550 nm getestet wurden, sind in einem Gebiet des Absorptionsspektrums in der Nähe der Bandkante, wie oben definiert.
  • Bei 1550 nm sind die Absorptionsfaktoren der Proben A1 und A2 größer als der Absorptionsfaktor der Probe B2. Folglich hat der Anmelder anfangs geglaubt, dass die Photoerzeugung und der Raumladungseffekt für die Proben A1 und A2 größer sein sollte als für die Probe B2 bei 1550 nm. Jedoch hat sich diese Theorie später als inkorrekt herausgestellt.
  • Zusätzlich wurde die Absorption der A1 und A2 bei einer Wellenlänge 1064 nm gemessen, resultierend in Absorptionswerten von 0,24 cm–1 und entsprechend von 0,26 cm–1 für die zwei Proben.
  • Die elektrooptischen Qualitäten der Proben wurden bestimmt durch Messen des charakteristischen Parameterverhaltens bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. 1 zeigt schematisch das verwendete System zum Ausführen der Messungen. Dieses System beinhaltet eine Lichtwellenleiter-Laserdiode 101, die von NEC (USA) hergestellt wurde, die einen Ausgang aufweist, der mit einer Mono-Moden-Faser gekoppelt ist, die mit einer konventionellen Polarisationssteuereinheit 102 verbunden ist. Die Polarisationssteuereinheit 102 beinhaltet eine Vielzahl von optischen Faserspulen, die geeignet gespannt sind, die hintereinander angeordnet und so gehaltert sind, dass diese orientiert sein können mit Bezug auf eine gemeinsame Achse der Anordnung zum Bereitstellen der gewünschten Polarisationssteuerung.
  • Der Ausgang der Polarisationssteuereinheit 102 ist optisch mit einer konventionellen kollimierenden Linse 103 gekoppelt, der ein optisches System 113 folgt. Das optische System 113 umfasst einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) 104, der optisch gekoppelt ist mit der Kristallprobe 115, einer Viertelwellenplatte 106 und einem Polarisationsanalysator 107, d.h. einem zweiten PBS. Bernhard Halle stellte die speziellen Viertelwellenplatten 106 her, die in diesem Beispiel verwendet wurden, und das PBS 107 war vom Glenn-Thomson Typ. Die Probe 115 ist auf einer beweglichen und manuell einstellbaren Basis (nicht dargestellt) montiert, die eine Auflösung von einem Mikrometer ermöglicht. Eine Fokussierlinse 108 ist zwischen dem optischen System 113 und einer Photodiode 109 positioniert, die diese zwei miteinander koppelt.
  • Ein Funktionsgenerator 111 erzeugt das an die Kristallprobe 115 anzulegende modulierende elektrische Feld. Der für dieses Beispiel ausgewählte Funktionsgenerator war das Modell 5100A von Krohn (MA, USA). Dieser spezielle Funktionsgenerator konnte eine modulierte elektrische Spannung bis hin zu 3 MHz erzeugen, die eine Amplitude von wenigen Volt aufweist. Ein Verstärker 110 wird verwendet zum Verstärken des elektrischen Signals, das durch den Funktionsgenerator 111 erzeugt wird. Ein Krohn Hite 7602M Verstärker diente als Verstärker 110 in diesem Beispiel. Dieser spezielle Verstärker konnte eine maximale Amplitude von 400 Vpp (Spitzen-zu-Spitzen-Spannung) in dem oben indizierten Frequenzbereich erreichen.
  • Die zwei Elektroden 105, die durch eine Distanz d von der Kristallprobe getrennt sind, ermöglichen das Anlegen der verstärkten Spannung an die Kristallprobe 115. Ein Lock-in Verstärker 112 ist mit der Photodiode 109 und dem Funktionsgenerator 111 verbunden. Als Lock-in Verstärker 112 wurde der Stanford-SR830 DSP, CA (USA) verwendet.
  • Die Photodiode 109 ist auch mit einem elektronischen Multimeter 114 verbunden. Im Genaueren war die Photodiode 109 eine InGaAs Photodiode, die von New Focus (USA) hergestellt wurde, Nr. 1811, die eine Bandbreite von 125 MHz aufweist. Der PBS 104 kann verwendet werden zum Auswählen der vertikalen oder horizontalen optischen Strahlpolarisation, die einen Winkel von 45° mit den dielektrischen Achsen der Kristallprobe 115 bildet, die durch das extern angelegte Feld induziert werden.
  • Als erstes wurde die beschriebene Anordnung aus 1 verwendet zum Analysieren der Veränderungen des elektrooptischen Verhaltens der oben angezeigten Proben für Variationen der Frequenz der elektrischen Spannung. Der Laser 101 erzeugte einen optischen Strahl, der eine Wellenlänge λ von 1554 nm aufweist und eine maximale Leistung von etwa 540 μW aufweist. Die Polarisationssteuereinheit 102 war geeignet orientiert zum Maximieren der optischen Leistungstransmission des optischen Systems 113. Die Linse 103 wurde verwendet zum Erhalten eines Strahls mit einer Taille von etwa 115 μm. Die Polarisation des optischen Strahls, der geeignet ist für die Wechselwirkung mit der Kristallprobe 115, wurde ausgewählt unter Verwendung des PBS 104, wie oben erwähnt. Der Funktionsgenerator 111 erzeugte eine Spannung als eine sinusförmige Funktion, die eine Amplitude Va und eine Winkelfrequenz ω:V = Vasin(ωt) aufweist. Der Betrag von Va wurde beibehalten bei oder unter 50 Volt, was signifikant weniger war als die Halbwellenspannung Vπ der Proben. Diese variable externe Spannung V induzierte eine variable Doppelbrechung in der Kristallprobe 115.
  • Die Basis, die die Kristallprobe 115 hält, wurde manuell zur Position und dem Winkel der Kristallprobe 115 justiert, so dass dessen optische Oberflächen senkrecht waren zu dem einfallenden optischen Strahl. Die an die Kristallprobe 115 angelegte Spannung V bewirkte, dass die Polarisationskomponenten des durchlaufenden optischen Strahls entlang zweier unerschiedlicher dielektrischer Achsen mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten propagierten. Der optische Strahl unterlief daher einer Phasenverschiebung Δϕext, die repräsentiert wird durch den Ausdruck:
    Figure 00310001
    wobei λ die optische Strahlwellenlänge, L und d die oben erwähnte Kristallprobengröße und r41no 3 der Gütefaktor ist.
  • Die optische Achse der Viertelwellenplatte 106 bildete einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung des aus der Kristallprobe 115 hervortretenden optischen Strahls. Die Viertelwellenplatte 106 erzeugte eine Phasenverschiebung im optischen Strahl, die gleich ist Δφλ/4 = π/2 entsprechend einer Polarisationsdrehnung von 45°. Das optische System 113 erzeugt eine Transmissionsfunktion:
    Figure 00310002
    wobei Pin die Leistung des optischen Strahls, der in das optische System 113 eintritt, Pout die Leistung des optischen Strahls, der aus dem optischen System 113 hervortritt, und Δφtot die Phasenverschiebung identisch zu der Summe der Verschiebung, die durch das externe Feld induziert wird, Δφext und der Verschiebung, die durch die Viertelwellenplatte verursacht wird, ist, Δφλ/4 = π/2. Die Anwendung der Viertelwellenplatte 106 und eines niedrigen Wertes der Spannung V an die Kristallprobe bewirkten, dass der optische Strahl in einer linearen Region der Transmissionsfunktion des optischen Systems 113 arbeitete. Die lineare Region korrespondiert mit dem Wendepunkt der in 8 dargestellten Funktion, die ein Graph von T(Pout) gegen Δφtot ist. Dann
    Figure 00320001
    Das von der Photodiode 109 detektierte elektrische Signal wurde in der Frequenz und Phase durch den Lock-in Verstärker demoduliert. Die Spitze-zu-Spitze-Amplitude ΔVout der Modulation, die durch den elektrooptischen Effekt induziert wurde, wurde bestimmt. Das Multimeter 114 zeigte die mittlere Komponente Vout des detektierten Signals an. Das Anwenden einer solchen Lock-in Demodulationstechnik ermöglicht es, ein gutes Signal/Rauschverhältnis zu erreichen, was zu einer guten Sensitivität der Messung führt. Der Anmelder hat die Signale detektiert, die mit einer Amplitude von wenigen μV moduliert sind, durch Anwenden dieser Technik. Für Messungen, die bei einer hohen Frequenz durchgeführt werden, zum Beispiel f > 100 kHz, können die Spitze-zu-Spitze-Werte ermittelt werden unter Verwendung eines Oszilloskops, da die Bandbreite des Lock-in Verstärkers begrenzt ist auf 120 kHz.
  • Der tatsächliche Gütefaktor M wurde bestimmt für mehrere Werte von elektrischer Frequenz unter Verwendung der folgenden Gleichung:
    Figure 00320002
    wobei ΔV = 2 Va eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude der an den Kristall 115 angelegten Spannung ist, ΔVout die Spitze-zu-Spitze-Amplitude der durch die Photodiode 109 detektierten Spannung ist, Vout die durchschnittliche Komponente der durch die Photodiode 109 detektierten Spannung ist, λ die optische Strahlwellenlänge ist und d und L die Dimensionen des Kristalls sind. Der tatsächliche Gütefaktor M repräsentiert die tatsächliche elektrooptische Kapazität des Kristalls 115 unter experimentellen Bedingungen. Dieser gemessene M kann sich von dem Gütefaktor n0 3r41 Charakteristik des Typs des Kristalls, der als Kristall 115 eingesetzt wird, unterscheiden. Der Ausdruck (7) wurde bestimmt unter Verwendung der Ausdrücke (5) und (6) unter Berücksichtigung, dass die involvierte Leistung ein lineares Verhalten des Kristalls ermöglicht.
  • Die oben beschriebenen Schritte wurden wiederholt für die Kristallproben A1, B2, B1 und C unter Verwendung unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die von 1 Hz bis zu 2,2 MHz reichten. 2 stellt Graphen des tatsächlichen Gütefaktors M gegen die Modulationsfrequenz F für die Kristallproben A1, B2, B1 und C dar. Der Anmelder hat herausgefunden, dass für die Proben B1, B2 und C das Verhalten des tatsächlichen Gütefaktors in drei Regionen unterteilt ist:
    • – eine erste Region, wo M ein resonantes Verhalten zeigt;
    • – eine zweite Region, wo M im Wesentlichen konstant ist; und
    • – eine dritte Region, wo M mit dem Abfallen der Frequenz f abfällt.
  • Für CdTe:In Proben B1 und B2 trat das resonante Verhalten für f > 100 kHz auf. Der Wert von M verblieb im Wesentlichen konstant für Frequenzen zwischen 100 Hz und 100 kHz, und M verringerte sich bei f < 100 Hz. Für die GaAs Probe trat resonantes Verhalten für die Probe C bei f > 105 Hz auf. Für Frequenzen zwischen 103 Hz und 105 Hz wurde M im wesentlichen konstant bei etwa 50 pm/V. M erringerte sich für f < 103 Hz. Im Speziellen war für f = 102 Hz der tatsächliche Gütefaktor in etwa 30 pm/V.
  • Zusatzlich hat der Anmelder beobachtet, dass für die Cd0,90Zn0,10Te Probe A1, M ein resonantes Verhalten aufwies bei f > 500 kHz und im Wesentlichen konstant blieb für f < 200 kHz. Für f < 200 kHz wies die Cd0,90Zn0,10Te Probe ein unterschiedliches Verhalten von anderen Proben darin auf, dass M sich nicht wesentlich verringerte. Der Anmelder glaubt, dass das Absinken von M in der dritten Region für die Proben B1, B2 und C aufgrund des Auto-Sperr-Effektes auftrat, der für niedrige Modulationsfrequenzen stärker wird. Ferner glaubt der Anmelder, dass der im Wesentlichen konstante Wert von M für die Cd0,90Zn0,10Te Probe bei f < 100 kHz anzeigt, dass der Auto-Sperr-Effekt nicht vorhanden oder minimiert war.
  • Wie oben in Tabelle 1 gezeigt, wies die Cd0,90Zn0,10Te Probe einen Absorptionsfaktor größer als die der CdTe:In Proben bei einer Wellenlänge von 1550 nm auf. Es besteht eine Verbindung zwischen dem Auto-Sperr-Effekt und den Ladungsträgern, die durch Lichtabsorption, d.h. Photoerzeugung, erzeugt werden. Unter der Annahme, dass die gesamte absorbierte Lichtleistung freie Ladungsträger anregt und dass keine andere Absorptionsart auftritt, hat der Anmelder zuerst angenommen, dass die Cd0,90Zn0,10Te Probe einem stärkeren Auto-Sperr-Effekt unterzogen werden würde als die CdTe:In Proben. Daher war das Nichtauftreten oder die Schwäche des Auto-Sperr-Effekts in der Cd0,90Zn0,10Te Probe überraschend. Eine mögliche Erklärung für dieses unerwartete Resultat kann sein, dass die photoerzeugten Träger des Cd0,90Zn0,10Te eine Rekombinationsgeschwindigkeit aufwiesen, die größer ist als die der Träger anderer Proben. Die Cd0,90Zn0,10Te Ladungsträger könnten sich deshalb einfacher und wirksamer rekombiniert haben, was in der Reduktion des elektrischen Gegenfeldes resultiert, was für den Auto-Sperr-Effekt verantwortlich ist.
  • Wie in Tabelle 1 angezeigt, weist die GaAs Probe den größten Absorptionsfaktor auf. Durch Aufweisen des kleinsten Wertes von M von allen Proben verhielt sich die GaAs Probe, wie zu erwarten war, basierend auf dessen höchsten Absorptionsfaktor.
  • Das gleiche Verhalten der drei Proben B1, B2 und C in der zweiten Region kann erklärt werden unter Berücksichtigung, dass die photoerzeugten Ladungsträger nicht in der Lage waren, den schnellen Oszillationen des externen elektrischen Felds bei solch einer hohen Frequenz zu folgen. Deshalb konnte kein wirksames Gegenfeld produziert werden.
  • In der zweiten Region der Probe B1 und in der nicht resonanten Region der Probe A1, wo der Auto-Sperr-Effekt abwesend ist, können die entsprechenden Gütefaktoren und elektrooptischen Koeffizienten bestimmt werden. Diese Parameter hängen lediglich von den Materialeigenschaften der Kristalle ab und sind bekannt als „ungeklemmt" Parameter. Des Weiteren ist es für Frequenzen, die höher sind als die, die mit der ersten Resonanz verbunden ist, auch möglich, den Gütefaktor und den elektrooptischen Koeffizienten zu bestimmen, die auch als „geklemmt" Parameter bezeichnet werden. Die geklemmten und ungeklemmten Parameter für die Proben A1 und B1, die durch Mitteln der Ergebnisse der mehreren Messungen erhalten werden, sind in Tabelle 2 gezeigt. Die entsprechende geschätzte Unsicherheit jeder Messung ist auch dargestellt. Der Anmelder verwendete die Werte der Brechungsindizes n0, die angegeben werden in dem Artikel S. Adachi et al. „Refractive Index Dispersion in Zn1-xCdxTe Ternary Alloys" J. Appl. Phys., Vol. 32, Seiten 3866-3867 (1993).
  • TABELLE 2
    Figure 00360001
  • In einem anderen Experiment testete der Anmelder das elektrooptische Verhalten der Probe A1 in Reaktion auf Variationen der Wellenlänge des optischen Strahls. Es wurde herausgefunden, dass die gemessenen Werte des tatsächlichen Gütefaktors M sich mit der Variation der Wellenlänge des optischen Strahls ändern. Der oben diskutierte Aufbau mit Bezug auf 1 wurde für den Test eingesetzt. In diesem Fall wurde die Spannungsamplitude V und die Frequenz f konstant gehalten. Im Genaueren war die verwendete Frequenz 50 kHz. Die Messungen wurden ausgeführt für verschiedene Wellenlängen des optischen Strahls, die von 1480 nm bis zu 1590 nm reichten. Die Leistung des optischen Strahls war weniger als 500 μW.
  • Die Werte von M für die Probe A1 wurden bestimmt unter Verwendung des Ausdrucks (7), wie dieser oben angezeigt wurde. 3 zeigt eine Zeichnung von M gegen die Wellenlänge, die gebildet wurde durch Heranziehen der besten linearen Interpolation der gemessenen Werte. Der Wert von M bliebt relativ konstant in dem für den Test ausgewählten Wellenlängenbereich. Der Anmelder glaubt, dass dieses Verhalten in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage ist, da die Messungen ausgeführt wurden in der Region, wo keine resonanten Effekte vorhanden sind und der elektrooptische Koeffizient r41 und der Brechungsindex n0 keine nennenswerten Dispersionsphänomene produzieren. Der Wert von M verminderte sich tatsächlich ein wenig mit steigender Wellenlänge. Dieser Trend kann ein Ergebnis der Abhängigkeit des Brechungsindex n0 auf die Wellenlänge des optischen Strahls sein.
  • Zusätzlich können die gemessenen Werte von M und λ in Gleichung (1) substituiert werden zum Berechnen der tatsächlichen Halbwellenspannung Vπ' der Probe A1.
  • Figure 00370001
  • 4 stellt die gemessenen Werte von Vπ' gegen die Strahl-Wellenlänge λ zusammen mit einer linear interpolierenden Kurve dar. In dem berücksichtigten Wellenlängenbereich unterlief Vπ' eine Steigerung von 7%.
  • Des Weiteren maß der Anmelder das Verhalten des Gütefaktors n0 3r41 der Cd0,90Zn0,10Te Kristallprobe A1 für Leistungsvariationen des optischen Strahls. Der optische Strahl, der von der Laserquelle 101 erzeugt wird, wurde verstärkt unter Verwendung eines erbiumdotierten Faserverstärkers des Modells AmpliphosTM, der durch den Anmelder hergestellt wurde. Dieser Verstärker ist in der Lage, eine maximale kontinuierliche Leistung von etwa 11 mW bei λ = 1550 nm bereitzustellen. Die Messungen wurden durchgeführt für zwei Werte der Funktionsgeneratorfrequenz f, d.h. f = 10 Hz und f = 1 Hz und für eine Spannung, die in etwa gleich 20 Volt ist.
  • Die 5A und 5B zeigen jeweils den tatsächlichen Gütefaktor M gegen die optische Leistung in mW für f = 10 Hz und f = 1 Hz mit Bezug auf Probe A1. In den 5A und 5B sind die linearen Interpolationskurven der gemessenen Punkte auch dargestellt. Für f = 10 Hz wies die Cd0,90Zn0,10Te Kristallprobe einen tatsächlichen Gütefaktor auf, der im Wesentlichen konstant über einen Bereich der Leistungen des optischen Strahls ist. Die in 5A gezeigten leichten Variationen von M sind wahrscheinlich zurückzuführen auf Unsicherheiten in den gemachten Messungen. Die Instabilität des experimentellen Aufbaus, zum Beispiel Laserquelleninstabilität kann dazu führen, dass die Messungen leicht variieren. Dieses Verhalten kann erklärt werden unter Berücksichtigung, dass der Auto-Sperr-Effekt bei f = 10 Hz und bei 1550 nm nicht nennenswert ist.
  • Zusätzlich bemerkt der Anmelder, dass für f = 1 Hz und V = 20 Volt, die Cd0,90Zn0,10Te Kristallprobe A1 einen tatsächlichen Gütefaktor aufweist, der von der optischen Strahlleistung abhängig ist. Für eine optische Strahlleistung von 1 mW ist im Genaueren der elektrooptische Effekt um etwa 25% reduziert. Eine mögliche Erklärung für dieses experimentelle Ergebnis ist, dass eine Erhöhung der optischen Strahlleistung dazu führt, dass das photoerzeugte elektrische Gegenfeld erhöht wird. Folglich wird der Grad der Abschirmung, die durch das externe elektrische Feld erzeugt wird, beträchtlich.
  • Der Anmelder maß auch das Verhalten des tatsächlichen Gütefaktors M der Probe A1 für externe Spannungsamplitudenvariationen. Der in 1 gezeigte Aufbau, der mit einem erbiumdotierten Faserverstärker AmpliphosTM bereitgestellt wird, wurde mit Gleichung (7) verwendet zum Bestimmen der M Werte. Die Frequenz wurde beibehalten bei f = 1 Hz und die optische Strahlleistung wurde beibehalten bei P = 4 mW, während die Spannungsamplitude Va variiert wurde von etwa 20 V zu etwa 200 V.
  • 6 stellt eine Zeichnung von M gegen Va für die Probe A1 dar. Wie gezeigt, steigt M, wenn Va sich vergrößert, bis dieses einen Sättigungswert erreicht, der dem ungeklemmten Wert n0 3r41 entspricht, der in etwa gleich ist 97 pm/V bei Va = 202,5 V. Der Anmelder glaubt, dass die Region, in der sich M mit der Spannung Va vergrößert, einer Region von nicht kompensierten Gegenfeld entspricht, und somit mit einer Region, die den Auto-Sperr-Effekt erfährt. Beim Sättigungspunkt, wo M relativ konstant wird, wird eine komplette Kompensation des Auto-Sperr-Feldes erreicht durch Mittel des externen elektrischen Feldes. Der Anmelder glaubt, dass das Gegenfeld konstant bleibt für einen festen Wert der optischen Strahlleistung, und dass eine Erhöhung des externen elektrischen Feldes das Gegenfeld ausgleicht. Im Gegensatz dazu war für den vorherigen Test die Spannung Va = 20 V nicht ausreichend zum Kompensieren des elektrischen Gegenfeldes.
  • Darüber hinaus bemerkt der Anmelder, dass die bestimmte Spannung Va = 202, 5 V, die in der Lage ist, das elektrische Gegenfeld zu kompensieren, beträchtlich niedriger ist als die Halbwellenspannung Vπ = 1460 V der Probe A1, die durch die Gleichung (1) bestimmt ist.
  • Der Anmelder untersuchte ferner das Verhalten der Proben A1 und B1 in Reaktion auf eine Erhöhung der optischen Strahlleistung Pin, wenn die Spannung auf einen konstanten Wert beibehalten wurde. Dieser Test wurde durchgeführt bei einer Wellenlänge λ = 1550 nm unter Verwendung der in 1 dargestellten Ausrüstung. Ein Leistungsmesskopf wurde optisch mit einem Ausgang des zweiten PBS gekoppelt zum Messen der Leistungsintensität I, die durch das optische System übertragen wurde.
  • Für jeden Wert der optischen Leistung wurde das Verhältnis zwischen der Leistungsintensität, die durch das optische System übertragen wurde, das mit einer externen Spannung V und der Leistungsintensität korrespondiert, die einer Null-Spannung V = 0 entspricht, d.h. I(V)/I(V=0), gemessen. Für V = 0 ist keine Polarisationsdrehung in der Probe aufgetreten, und es wurde die maximale Übertragung erreicht. Für ein V ungleich Null war die gemessene Leistungsintensität niedriger, da ein Teil der optischen Leistung einer Polarisationsdrehung unterzogen wurde und zu einem anderen Ausgang des zweiten PBS übertragen wurde. Mit anderen Worten wurde der Leistungsmesskopf strategisch platziert, so dass die Intensität des Strahls, der eine nicht rotierte Polarisation aufweist, gemessen werden konnte.
  • Es wurde eine Spannung V = Vπ = 1460 V an die Probe A1 angelegt, was in einer Polarisationsdrehung von 90° für den eingehenden optischen Strahl resultierte. Für die Cd0,90Zn0,10Te Probe A1 führte die Erhöhung der optischen Leistung, bis diese einen wert von 10 mW erreichte, nicht dazu, dass sich das Verhältnis I(V)/I(V=0) veränderte. Der Anmelder glaubt, dass eine Erhöhung der optischen Leistung weder die Polarisationsdrehung beeinflusst, noch ein elektrisches Gegenfeld verursacht, das in der Lage ist, das externe elektrische Feld abzuschirmen, dass durch die Spannung V erzeugt wurde.
  • Zusätzlich testete der Anmelder das Verhalten der CdTe:In Probe B1. Die Probe B1 wies die folgende Halbwellenspannung auf:
    Figure 00400001
  • Der elektrische Generator und der elektrische Verstärker, die für den Test eingesetzt wurden, konnten keine Spannungsamplitude in der Höhe von 3600 V produzieren, so dass der Test ausgeführt wurde bei 2500 V. Die gemessenen Werte von 1-I(2500 V)/I(V=0) für unterschiedliche optische Strahlleistungen Pin sind in 9 gezeigt. Für Pin = 0,016 mW ist das Verhältnis I(2500 V)/I(V=0) gleich 0, 525, und 1-I(2500 V)/I(V=0) ist gleich 0,475. In diesem Fall wurde in etwa die Hälfte der eingehenden Leistung zu dem anderen Ausgang des zweiten PBS übertragen und folgte einer Polarisationsdrehung. Der Wert von 1-I(2500 V)/I(V=0) verminderte sich, als Pin von 0, 076 mW auf 0, 083 mW verändert wurde.
  • Bei Pin = 1,7 mW ist das Verhältnis I(2500 V)/I(V=0) gleich 0,976 und 1-I(2500 V)/I(V=0) ist gleich 0,024. Die Leistung, die für V = 0 übertragen wurde, war annähernd gleich der Leistung, die für V = 2500 V übertragen wurde. Eine Erhöhung der optischen Leistung beeinflusste folglich die Polarisationsdrehung, die durch die Probe B1 induziert wurde, merklich.
  • Der Anmelder glaubt, dass das elektrische Feld, das sich in der CdTe:In Probe befindet, ausreicht zum kompletten Abschirmen des externen elektrischen Feldes. Das Verhalten der GaAs Probe C wurde auch untersucht unter Bedingungen, die analog zu diesen sind, die verwendet wurden zum Analysieren des Verhaltens der Probe B1. Die Probe C wies eine schlechtere Leistungsfähigkeit als die Probe B1 auf.
  • Auch bei der Ausführung eines Dauertests fand der Anmelder experimentell heraus, dass sich die Leistungsfähigkeit der Cd0,9Zn0,1Te Probe A1 nicht veränderte nach dem einstündigen Betrieb bei λ = 1550 nm, Pin = 500 μW und V = Vπ = 1460 V.
  • Die experimentellen Tests der vorliegenden Erfindung demonstrieren, dass gleichwohl der Cd0,9Zn0,1Te Kristall, der einen höheren Lichtabsorptionskoeffizienten aufweist als der CdTe:In Kristall, der Cd0,9Zn0,1Te Kristall eine bessere elektrooptische Leistungsfähigkeit aufweist, wenn dieser in Verbindung mit optischen Wellenlängen und optischen Leistungen verwendet wird, die charakteristisch für optische Kommunikationssysteme sind. Ein Cd0,9Zn0,1Te Kristall ermöglicht es einem optischen Schalter, ohne einen Auto-Sperr-Effekt zu erfahren, zu arbeiten. Ein Cd0,9Zn0,1Te Kristall erreicht die Polarisationskonversion durch Mittel einer Spannungsamplitude V = Vπ in einem breiten optischen Leistungsbereich, wenn der optische Strahl angewendet wird bei einer elektrischen Spannungsfrequenz, die niedriger ist als 100 Hz oder bei einer konstanten Spannung. Ein CdTe:In Kristall unter den gleichen Bedingungen benötigt eine viel größere V als Vπ zum Erreichen des gewünschten elektrooptischen Effekts. Ferner muss zum Erreichen einer guten Schaltleistungsfähigkeit unter Verwendung eines CdTe:In Kristalls die optische Strahlleistung innerhalb eines begrenzten Bereichs verglichen mit einem Cd0,9Zn0,1Te Kristalls gehalten werden.
  • Basierend auf den oben erwähnten Absorptionsmessungen bei einer Wellenlängen 1064 nm für die Proben A1 und A2, die relativ niedrige Absorptionswerte zeigen, hat der Anmelder herausgefunden, dass CdxZn1-xTe optische Signale herunter bis zu einer Wellenlänge von 1000 nm wirksam schalten kann. Ein Betriebsfenster von etwa 1000 nm bis etwa 1650 nm ist somit für den erfinderischen Schalter möglich. Dies ermöglicht das „zweite Fenster" von optischen Kommunikationen bei Wellenlängen zwischen 1300 und 1350 nm.
  • Beispiel 2
  • Der Anmelder bildete wie in 11 gezeigt, einen 2 × 2 Schalter 1100. Die oben beschriebene Cd0,9Zn0,1Te Probe A1 und die Komponenten der Schalter in den 10 und 11 wurden verwendet zum Herstellen dieses Schalters. Die Polarisationsstrahlteiler, die für den Schalter eingesetzt wurden, wiesen eine Polarisationsunempfindlichkeit von etwa –30 dB auf.
  • Um das Übersprechen, das in dem Schalter 1100 aus 11 auftritt, zu bestimmen, bestimmte der Anmelder das Auslöschungsverhältnis des Schalters für verschiedene Werte der optischen Signalwellenlänge. Es wurde ein optisches Signal an eine Ausgangsfaser 1002 des Schalters 1100 angelegt. Eine optische Leistungsmessvorrichtung wurde in der Region der optischen Faser 1024 platziert. Der Schalter 1100 wurde dann in Kreuzverbindung mit der Faser 1002 betrieben, die mit der Faser 1026 verbunden ist, während die Spannung V = Vπ an die Elektroden des Kristallelements 1106 angelegt wurde. Die optische Leistung am Ausgang des Schalters 1100, die mit der nicht verbundenen Ausgangsfaser 1024 korrespondiert, wurde gemessen. Das Auslöschungsverhältnis wurde bestimmt durch Berechnen des Verhältnisses der optischen Leistung Pin, die in den Schalter 1100 eintritt, mit der Leistung Pout, die aus dem nicht verbundenen Ausgang austritt. Der Schalter wurde betrieben bei unterschiedlichen Wellenlängen, die von 1520 nm bis 1570 nm variierten. Das schlechteste Auslöschungsverhältnis war etwa –27 dB für eine angelegte Spannung von V = Vπ. Wenn keine Spannung angelegt wurde, wurde ein Auslöschungsverhältnis von etwa –30 dB erreicht.
  • Ein anderer experimenteller Test wurde durchgeführt zum Bestimmen der Empfindlichkeit des Schalters 1100 bezüglich der Polarisation des optischen Eingangssignals und zum Bestimmen der Variation der Leistung Pout, wenn der Zustand der Polarisation des optischen Eingangssignals variiert wurde. Die experimentellen Bedingungen blieben unverändert mit der Ausnahme, dass eine Viertelwellenplatte und eine Halbwellenplatte am Ausgang einer optischen Eingangsfaser 1002 positioniert wurden zum Variieren des Zustandes der Polarisation des optischen Signals, das aus der optischen Eingangsfaser 1002 kommt. Durch geeignetes Drehen dieser Platten war es möglich, alle möglichen Polarisationszustände zu erhalten. In diesem Experiment wurden eine Viertelwellenplatte und eine Halbwellenplatte verwendet, die von Bernhard Halle (Deutschland) hergestellt wurden.
  • Das Experiment wurde anfangs ohne das Kristallelement 1106 durchgeführt und wurde danach durchgeführt mit dem Kristallelement 1106, während eine Spannung V = Vπ an die Elektroden im Kreuzzustand angelegt wurde. Es wurde die optische Leistung Pout, die aus dem Schalter 1100 über zwei optische Fasern 1024 und 1026 austritt, gemessen. Die Variationen in der Ausgangsleistung waren minimal, wenn der Polarisationszustand des optischen Eingangssignals variiert wurde. Tatsächlich war die maximale Variation der Leistung Pout in etwa gleich 1/1000, d.h. –30 dB.
  • Der Anmelder glaubt, da die gleichen Variationen der Leistung Pout von der Vorrichtung aufgezeichnet wurden ohne und mit dem Kristallelement 1106, dass diese Variationen dem Kristall nicht zugeordnet werden können. Deshalb müssen diese Variationen anderen Elementen des Schalters 1100 zugeordnet werden, zum Beispiel dem PBS oder der rechtwinkligen Prisma.
  • Polarisationsstrahlteiler, die beispielsweise auf einem Niobatsubstrat integriert sind, sind weniger empfindlich hinsichtlich der Polarisation. Weitere Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen können durchgeführt werden zum Verbessern des Packprozesses und zum Minimieren jeglicher Abschwächung oder des Übersprechens.
  • Zusätzlich wurde die Reaktionszeit der Vorrichtung 1100 bestimmt. Eine variable Spannung von etwa 1000 V bei einer Frequenz von 1 kHz wurde an den Schalter 1100 angelegt. Die optische Leistung Pout wurde bei einem Ausgang der optischen Faser gemessen, zum Beispiel der Ausgangsfaser 1024. Für diesen Test war das Erreichen einer kompletten Polarisationsdrehung nicht notwendig. Da eine oszillierende Spannung angelegt wurde, wies die optische Ausgangsleistung dasselbe oszillierende Verhalten auf. Durch Vergleichen der Spannungsoszillation mit der Ausgangsoszillation bestimmte der Anmelder, dass die Antwortzeit weniger als eine Millisekunde war. Dieses experimentelle Ergebnis zeigte, das Cd0,9Zn0,1Te ein geeigneter Kristall zum Verwenden in den elektrooptischen Schaltern gemäß der Erfindung ist.
  • Solche elektrooptischen Schalter weisen folgende Vorteile auf:
    • – gleiche Leistungsfähigkeit bei hoher Schaltfrequenz und niedriger Schaltfrequenz;
    • – keine Veränderung der Leistungsfähigkeit für Betrieb in einem festen Zustand;
    • – niedrigere tatsächliche Halbwellenspannung;
    • – höhere optische Signalleistung zulässig; und
    • – im Wesentlichen konstante Leistungsfähigkeit im dritten Fenster.
  • Die Schalter 1000 und 1100, die auf den elektrooptischen Effekt der CdxZn1-xTe Kristalle 1114 und 1106 beruhen, bilden die elementaren Aufbaublöcke für komplexe Schaltknoten, die für optische Kommunikationssysteme notwendig sind. Als ein Beispiel zeigt 12 ein Wellenlängenmultiplex (WDM, englisch: Wavelength Division Multiplexing) optisches System 1200, das einen polarisationsunempfindlichen elektrooptischen Schalter 1100 aufweist. Die Überträger 1202 und 1204 stellen optische Signale dem Schalter 1100 in 12 bereit durch Mittel von entsprechenden optischen Fasern 1206 und 1208. Die Ausgangsanschlüsse des elektrooptischen Schalters 1100 sind verbunden durch Mittel der entsprechenden optischen Fasern 1210 und 1212 mit den in Empfangsstationen 1214 und 1216.
  • Die Übertragungsstationen 1202 und 1204 umfassen entsprechend eine oder mehrere optische Quellen, vorzugsweise Laserquellen, die in der Lage sind, optische Signale zu erzeugen. In einer Ausführungsform werden die optischen Signale direkt bei vorbestimmten Wellenlängen erzeugt. In einer anderen Ausführungsform werden die optischen Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt, detektiert und in elektrische Signale konvertiert und dann bei den vorbestimmten Wellenlängen durch Modulation der geeigneten Laserquellen emittiert. Das U.S. Patent Nr. 5,267,073 beschreibt eine exemplarische Vorrichtung, die in der Lage ist, diese Wellenlängenkonversion durchzuführen. Als Beispiele von WDM Übertragung enthält jede Übertragungsstation 1202 und 1204 einen konventionellen Multiplexer zum Senden der erzeugten optischen Signale zur Faser 1206 und zur Faser 1208. Im Allgemeinen sind Multiplexer passive optische Vorrichtungen, die zusammengesetzte Faserkoppler oder planare und mikrooptische Vorrichtungen umfassen.
  • Die Empfangsstationen 1214 und 1216 können die optischen Informationen detektieren und bearbeiten, die durch das System 1200 auf individuellen Wellenlängenkanälen laufen. Jede Station, die durch 1214 und 1216 repräsentiert ist, kann in einer WDM Konfiguration einen Demultiplexer zum Separieren einer Kombination von WDM Kanälen in diskrete Pfade beinhalten. Diese Pfade des Demultiplexers werden dann zu den entsprechenden Empfangsvorrichtungen verbunden.
  • Zusätzlich können die Vorverstärker 1218 und 1220 die optischen Signale, die vom Kristall 1100 bereitgestellt werden, vor den entsprechenden Empfangsstationen 1214 und 1216 verstärken. Zusätzlich dienen die Verstärker 1222 und 1224 zum Verstärken der optischen Signale, die von den Übertragungsstationen 1202 und 1204 bereitgestellt werden, auf eine bekannte Weise. Leitungsverstärker (nicht dargestellt) können entlang einem oder mehreren optischen Fasern 1206, 1208, 1210, 1212 angeordnet werden zum Ausgleichen der Abschwächung in den optischen Pfaden. Die Vorverstärker 1218 und 1220, die Verstärker 1206 und 1208 und die Leitungsverstärker können konventionelle optische Faserverstärker sein, zum Beispiel erbiumdotierte Faserverstärker.
  • Der Schalter 1100 weist Kreuz-/Balken-Funktionalität durch elektrische Steuereinrichtungen auf. Wenn der elektrooptische Schalter 1100 in einem Balkenzustand ist, werden die optischen Signale, die durch die Übertragungsstation 1202 übertragen werden, durch die optische Faser 1206 gesendet und zur optischen Faser 1210 geschaltet, wodurch die Empfangsstation 1214 erreicht wird. Analog werden optische Signale, die durch die Übertragungsstation 1204 übertragen werden, zur optischen Faser 1212 geschaltet, wodurch die Empfangsstation 1216 erreicht wird. Wenn der elektrooptische Schalter 1100 im Kreuzzustand ist, werden die optischen Signale, die von der Übertragungsstation 1202 (oder 1204) emittiert werden, zu den entgegengesetzten Ausgangsfasern 1212 (oder 1210) und dann zur Empfangsstation 1216 (oder 1214) geschaltet.
  • Auf diese Weise führen die elektrooptischen Schalter 1000 und 1100 Raum-Leitung oder eine Unterbrechung zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen durch anstelle von Wellenlängenleitung oder Demultiplexing. Die Übertragungsstationen 1202 und 1204 und/oder die Empfangsstationen 1214 und 1216 können ersetzt werden durch kompliziertere Telekommunikations-Schaltvorrichtungen, so wie Netzwerkknoten, in denen optische Signale unterwegs eintreten und austreten durch ein großes System.
  • Der Fachmann kann N × M Schalter herstellen, die N Eingangsanschlüssen und M Ausgangsanschlüsse aufweisen, die eine Kaskade von elementaren 2 × 2 Schaltern gemäß der Anordnung der Schalter 1000 und 1100 umfassen. Beispielsweise stellt 13 einen 4 × 4 elektrooptischen Schalter 1300 dar, der vier 2 × 2 elektrooptische Schalter 1302, 1304, 1306 und 1308 des Typs 1100 umfasst, der Eingangsfasern 1310, 1312, 1314 und 1316 und Ausgangsfasern 1318, 1320, 1322 und 1344 aufweist. Die optischen Fasern 1326 und 1328 verbinden jeweils die elektrooptischen Schalter 1302 und 1306 und die elektrooptischen Schalter 1304 und 1308. Die optischen Fasern 1330 und 1332 verwenden jeweils die elektrooptischen Schalter 1302 und 1308 und die elektrooptischen Schalter 1304 und 1306. Durch geeignetes Fixieren des Zustandes der elektrooptischen Schalter ermöglichen die in 13 gezeigten Verbindungen, dass ein optisches Signal von einer Eingangsfaser zu einem vorbestimmten Ausgangsanschluss geleitet wird.
  • Ein N × M Schalter stellt ein Schlüsselelement zum Herstellen eines verwendbaren leitungsvermittelten optischen Cross-Connect (OXC) zum Tauschen von Wellenlängen dar. In diesem Fall wird ein Demultiplexen der WDM Kanäle bei unterschiedlichen Wellenlängen, die von derselben Eingangsfaser kommen und an unterschiedliche Ausgangsfasern adressiert sind, erreicht. Verschiedene OXC Strukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Ein spezielles Schema eines Wellenlängentausch-Cross-Connect 1400 ist in 14 gezeigt. Das Wellenlängentausch-Cross-Connect 1400 umfasst optische Eingangsfasern α, β, und γ und optische Ausgangsfasern a, b und c. Die Eingangsfasern α, β, und γ sind jeweils verbunden mit optischen Verstärkern 1402, 1404 und 1406, denen drei Strahlteiler 1408, 1410 und 1412 folgen. Jeder Strahlteiler weist vier optische Ausgangsfasern auf, die mit vier Eingangsanschlüssen von vier Filtereinheiten 1414, 1416, 1418 und 1420 verbunden sind, die jede vier durchstimmbare Filter umfassen. Die durchstimmbaren Filter der Filtereinheiten sind geeignet zum Übertragen eines optischen Signals, das eine vorbestimmte Wellenlänge aufweist, und zum Blockieren der Signale, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
  • Die drei optischen Fasern, die jede Filtereinheit anregen, sind mit vier 4 × 4 elektrooptischen Schaltern 1422-1425 verbunden, die jeder gebildet sind durch Kaskadieren von vier 2 × 2 Schaltern, die CdxZn1-xTe Kristalle einsetzen. Drei Ausgangsfasern von jedem 4 × 4 elektrooptischen Schalter 1422-1425 sind, wie in 14 gezeigt, mit vier wellenlängenkonvertierenden Einheiten 1430, 1432, 1434 und 1436 verbunden, die vier Wellenlängenkonverter umfassen. Eine Eingangsfaser und eine Ausgangsfaser jedes elektrooptischen Schalters 1422-1425 wird nicht für eine optische Verbindung verwendet. Die wellenlängenkonvertierenden Einheiten sind mit drei Strahlkombinierern 1409, 1411 und 1413 verbunden, die jeder verbunden sind durch einen optischen Verstärker 1440, 1442 und 1444 mit den Ausgangsfasern A, B und C. Die Strahlteiler 1408, 1410 und 1412 und die Strahlkombinierer 1409, 1411 und 1413 sind konventionelle Vorrichtungen, zum Beispiel vereinigte Faserkoppler.
  • Die Filtereinheiten 1414, 1416, 1418 und 1420 beinhalten durchstimmbare Filter, zum Beispiel elektronisch durchstimmbare Fabry-Perot Filter (DMF Serie), die von Queensgate (UK) hergestellt werden, die nützlich sind für die Kanalauswahl in 100 GHz getrennten WDM Systemen. Die wellenlängenkonvertierenden Einheiten 1430, 1432 und 1436 können Wellenlängenkonverter WCM enthalten, die durch den Anmelder hergestellt werden, d.h. optoelektrische Vorrichtungen, die eine optische-zu-elektrische Konversion durchführen und dann eine elektronische-zu-optische Umwandlung bei einer unterschiedlichen Ausgangswellenlänge.
  • Der Betrieb des OXC 1400 wird durch folgende Beschreibung klar. Zwei optische Signale λ1α und λ2α, die entsprechende Wellenlängen λ1 und λ2 aufweisen, treten in die Eingangsfaser α ein, und zwei optische Signale λ1β und λ2β, die jeweils die Wellenlängen λ1 und λ2 aufweisen, werden von der Eingangsfaser β eingefügt. In diesem speziellen Beispiel weisen die optischen Signale λ1α und λ1β dieselbe Wellenlänge λ1 auf, und die optischen Signale λ2α und λ2β weisen dieselbe Wellenlänge λ2 auf. Die optischen Signale λ1α und λ2α und die optischen Signale λ1β und λ2β werden in ihrer Intensität aufgeteilt durch die Mittel der Teiler 1408 und 1410 und werden zu den durchstimmbaren Filtern gesendet, die in den Filtereinheiten 1414, 1416, 1418 und 1420 beinhaltet sind.
  • Die durchstimmbaren Filter der Filtereinheit 1414, die mit den Teilern 1408 und 1410 verbunden sind, wählen die optischen Signal λ1α und λ2β aus. Die optischen Signale λ1α und λ2β werden dann zum 4 × 4 elektrooptischen Schalter 1422 gesendet. Da der 4 × 4 elektrooptische Schalter 1422 im Balkenzustand ist, werden die Signale λ1α und λ2β zu den entsprechenden Ausgangsfasern geleitet und zur wellenlängenkonvertierenden Einheit 1430 gesendet, wie in 14 gezeigt. Diese Signale λ1α und λ2β, die die Wellenlängen λ1 und λ2 aufweisen, werden durch die Wellenlngenkonvertereinheit 1430 in Signale λ3α und λ3β konvertiert, die die Wellenlänge λ3 aufweisen. Das optische Signal λ3α, das dem Eingangssignal λ1α entspricht, wird über den Zusammenführer 1409 zur Ausgangsfaser A gesendet, während das optische Signal λ3β, das dem Eingangssignal λ2β entspricht, über den Kombinierer 147 zur Ausgangsfaser B gesendet wird.
  • Im Gegensatz dazu wählen die durchstimmbaren Filter der Filtereinheit 1416, die mit den Teilern 1408 und 1410 verbunden sind, die optischen Signale λ2α und λ1β aus. Die optischen Signale λ2α und λ1β werden zum 4 × 4 elektrooptischen Schalter 1423 gesendet, der sich im Kreuzzustand befindet. Somit unterlaufen die Signale λ2α und λ1β eine Kreuzleitung und werden zur wellenlängenkonvertierenden Einheit 1432 gesendet, wie in 14 gezeigt. Die Signale λ2α und λ1β, die die Wellenlängen λ2 und λ1 aufweisen, werden durch die wellenlngenkonvertierende Einheit 1432 in die Signale λ4α und λ4β konvertiert, die die Wellenlänge λ4 aufweisen. Das optische Signal λ4α, das dem Eingangssignal λ2α entspricht, wird über den Kombinierer 1411 zur Ausgangsfaser B gesendet und das optische Signal λ4β das dem Eingangssignal λ1β entspricht, wird über den Kombinierer 1409 zur Ausgangsfaser A gesendet.
  • Die Wellenlängenkonvertierungseinheiten 1430, 1432, 1434 und 1436 wurden eingesetzt zum Bewältigen potentieller Probleme aufgrund von Signalkanälen, die in den OXC 1400 eintreten bei denselben Wellenlängen durch unterschiedliche Eingänge, die zum selben Ausgang zu senden sind. Als ein Beispiel wurden die Signale λ3α und λ4β, die den Signalen λ1α und λ1β entsprechen, die von unterschiedlichen Eingangsfasern kommen, aber dieselben Wellenlängen λ1 aufweisen, zur Ausgangsfaser A geleitet. Probleme werden vermieden durch Verändern der Wellenlänge der Ausgangskanäle, und jede Permutation ist erlaubt.
  • Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen am System und am Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung deckt die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung ab, deren Bereich durch die angefügten Ansprüche und deren Äquivalente bestimmt ist.

Claims (20)

  1. Ein elektrisch gesteuerte optische Schaltvorrichtung, umfassend: eine Quelle zum Erzeugen eines optischen Strahls mit einer Wellenlänge im Bereich von 1000 bis 1650 nm; eine Schaltsteuereinheit zum Bereitstellen einer Schaltspannung, die unter einem Satz von vorbestimmten Spannungen, die zu entsprechenden Schaltkonfigurationen gehören, ausgewählt wird; ein CdxZn1-xTe Kristall, der ein Eingangsende zum Empfangen des optischen Strahls und ein Ausgangsende aufweist, wobei x zwischen 0,7 und 0,99 ist, wobei der Kristall ein durch ein elektrisches Feld induzierte Doppelbrechung aufweist, so dass der Schalter eine der Schaltkonfigurationen bei Anwendung einer entsprechenden Spannung in dem Satz annimmt; und Eingangs- und Ausgangs-Umlenkvorrichtungen, die nahe liegend zu den Eingangs- und Ausgangsenden des Kristalls zum Umlenken des optischen Strahls positioniert sind.
  2. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, wobei der Kristall die Ebene der Polarisation des optischen Strahls um 90° dreht, wenn die Schaltspannung identisch mit der Halbwellenspannung Vπ ist.
  3. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, wobei der Kristall eine Länge in dem Bereich von 10 bis 15 mm aufweist.
  4. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, wobei der Kristall eine Dicke zwischen etwa 200 μm und 2 mm aufweist.
  5. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, wobei der Schalter in der Lage ist, mit einer Schaltfrequenz zu arbeiten, die niedriger als 100 Hz ist.
  6. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, wobei der Kristall im wesentlichen parallelepiped geformt ist und in einer AM-Schnitt Konfiguration angeordnet ist.
  7. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 1, ferner umfassend erste und zweite optische Eingangsfasern, die optisch mit der Eingangsumlenkvorrichtung gekoppelt sind, und erste und zweite optische Ausgangsfasern, die optisch mit der Ausgangsumlenkvorrichtung gekoppelt sind.
  8. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 7, wobei die Eingangsumlenkvorrichtung einen Eingangs- polarisierenden-Strahlteiler (PBS) und einen Eingangsreflektor umfasst, wobei der Eingangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl aus der ersten optischen Eingangsfaser zu dem PBS zu reflektieren, und wobei der PBS orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem Eingangsreflektor oder von der zweiten optischen Faser zu einem optischen Pfad entlang des Kristalls umzulenken.
  9. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 8, wobei die Ausgangsumlenkvorrichtung einen Ausgangs-PBS und einen Ausgangsreflektor umfasst, wobei der Ausgangs-PBS orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem optischen Pfad entlang des Kristalls zu der zweiten Ausgangsfaser oder zu dem Ausgangsreflektor umzulenken, wobei der Ausgangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem Ausgangs-PBS zu der ersten Ausgangsfaser umzulenken.
  10. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 7, wobei die Eingangsumlenkvorrichtung einen Eingangs-PBS und ersten und zweiten Eingangsreflektor umfasst, wobei der Eingangs-PBS orientiert ist, um einen optischen Strahl, der von der ersten optischen Faser oder dem zweiten Eingangsreflektor kommt, in einen ersten Strahl, der zum ersten Eingangsreflektor und einen zweiten Strahl, der zu einem ersten optischen Pfad entlang des Kristalls umgelenkt wurde, zu trennen.
  11. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 10, wobei der erste Eingangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem Eingangs-PBS zu einem optischen Pfad entlang des Kristalls zu reflektieren, wobei der erste optische Pfad im wesentlichen parallel zu dem zweiten optischen Pfad ist.
  12. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 12, wobei der zweite Eingangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl von der zweiten Eingangsfaser zu dem Eingangs-PBS zu reflektieren.
  13. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 12, wobei die Ausgangsumlenkvorrichtung einen Ausgangs-PBS und ersten und zweiten Ausgangsreflektor umfasst, wobei der Ausgangs-PBS orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem zweiten optischen Pfad zu der zweiten optischen Faser oder zu dem ersten Ausgangsreflektor umzulenken, und wobei der Ausgangs-PBS orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem zweiten Ausgangsreflektor zu dem ersten Ausgangsreflektor oder der zweiten Ausgangsfaser umzulenken.
  14. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 13, wobei der erste Ausgangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl von dem Ausgangs-PBS zu der ersten Ausgangsfaser zu reflektieren.
  15. Der elektrisch gesteuerte optische Schalter nach Anspruch 14, wobei der zweite Ausgangsreflektor orientiert ist, um einen optischen Strahl von der ersten optischen Pfad zu dem Ausgangs-PBS zu reflektieren.
  16. Ein optisches Kommunikationssystem, umfassend: erste und zweite Eingangsübertragungsstationen, die optische Quellen zum Erzeugen von optischen Signalen mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 1000 bis 1650 nm und Multiplexer zum Senden der erzeugten optischen Signale umfassen; einen elektrisch gesteuerter optischen Schalter, der mit der ersten und zweiten Übertragungsstation durch entsprechende erste und zweite optische Fasern verbunden ist; und erste und zweite Empfangsstationen, die mit dem optischen Schalter durch entsprechende erste und zweite optische Ausgangsfasern verbunden sind, wobei der Schalter umfasst: einen CdxZn1-xTe Kristall zum Empfangen eines optischen Strahls, wobei der Kristall durch ein elektrisches Feld induzierte Doppelbrechung aufweist, so dass der Schalter vom Strich-Zustand Betrieb zu Kreuz-Zustand Betrieb wechselt, wenn eine ausreichende Spannung an den Kristall angelegt wird, wobei x zwischen etwa 0,7 und 0,99 ist, und wobei der Kristall Eingangs- und Ausgangsenden aufweist; und Eingangs- und Ausgangs- Umlenkvorrichtungen, die nächst zu dem Eingangs- und Ausgangsenden des Kristalls zum Umlenken des optischen Strahls positioniert sind.
  17. Das optische Kommunikationssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend ersten und zweiten optischen Eingangsverstärker, die zwischen den entsprechenden ersten und zweiten Übertragungsstationen und dem Schalter positioniert sind, wobei der erste und zweite optische Eingangsverstärker mit dem Schalter und den entsprechenden Übertragungsstationen durch entsprechende erste und zweite optische Eingangsfasern verbunden sind.
  18. Das optische Kommunikationssystem nach Anspruch 17, ferner umfassend ersten und zweiten optischen Ausgangsverstärker, die zwischen dem Schalter und den entsprechenden ersten und zweiten Übertragungsstationen positioniert sind, wobei der erste und zweite optische Ausgangsverstärker mit dem Schalter und den entsprechenden Übertragungsstationen durch entsprechende erste und zweite optische Eingangsfasern verbunden sind.
  19. Das optische Kommunikationssystem nach Anspruch 16, wobei der Schalter in der Lage ist, mit einer Schaltfrequenz zu arbeiten, die niedriger als 100 Hz ist.
  20. Verfahren zum Schalten eines optischen Signals, das eine Wellenlänge in dem Bereich von 1000 bis 1650 nm aufweist, umfassend: Eingeben des optischen Signals in einen CdxZn1-xTe Kristall, wobei x zwischen 0,7 und 0,99 ist, Anlegen einen Steuerungsspannung an den Kristall, die aus einem Satz von vorbestimmten Spannungen ausgewählt wird.
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