DE60222918T2

DE60222918T2 - Verfahren und vorrichtung zum schalten und modulieren eines optischen signals mit erhöhter empfindlichkeit

Info

Publication number: DE60222918T2
Application number: DE60222918T
Authority: DE
Inventors: Achintya San Jose BHOWMIK
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: US7006716B2; TWI237711B; DE60222918D1; EP1428067B1; ATE375529T1; CN1555508A; EP1428067A1; CN1260609C; WO2003025663A1; US20030053731A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft allgemein die optische Signalisierung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, optische Schalter und Modulatoren.
STAND DER TECHNIK
Optische Schalter und Modulatoren werden in optischen Kommunikationssystemen in großem Umfang verwendet. Solche optischen Systeme umfassen Wellenleiter- (z. B. Lichtleitfasern, planare Schaltungen auf Waferbasis) und Vakuumsysteme oder Kombinationen solcher Systeme. In vielen Anwendungen wird die Modulation in optischen Kommunikationssystemen als digitale Modulation implementiert, bei der der Modulator entweder im EIN- oder im AUS-Zustand ist, wie bei einem Lichtschalter. Daher sind optische Modulatoren in digitalen Signalgabesystemen im wesentlichen optische EIN-AUS-Schalter.
Ein Ansatz zum optischen Schalten und Modulieren beruht auf der Steuerung der Phase von Teilen eines optischen Signals, um die gegenseitige Beeinflussung zwischen diesen Teilen selektiv zu steuern. Bei einem Ansatz wird zum Beispiel das optische Eingangssignal in zwei übereinstimmende Teile aufgespaltet, dann wird die Phasendifferenz zwischen ihnen gesteuert, und dann werden die Teile wieder vereinigt, um das Ausgangssignal zu bilden. Wenn die Phasendifferenz 180 Grad (oder ein Vielfaches davon) beträgt, dann tritt eine vollkommen auslöschende Interferenz auf, wenn die Teile wieder vereinigt werden, was zu einem Ausgangssignal führt, das idealerweise eine Stärke von null hat. Diese Konfiguration kann als AUS-Zustand des Schalters oder Modulators verwendet werden. Wenn umgekehrt die Phasendifferenz null Grad (oder ein Vielfaches von 360 Grad) beträgt, dann tritt eine vollkommen konstruktive Interferenz auf, die dazu führt, dass das Ausgangssignal im wesentlichen dieselbe Stärke hat wie das Eingangssignal. Diese Konfiguration kann als EIN-Zustand des Schalters oder Modulators verwendet werden.
Es gibt mehrere Ansätze dafür, wie man die Phasendifferenz zwischen den Teilen des optischen Eingangssignals erreicht. Ein Ansatz besteht darin, eine Differenz im Brechungsindex der Medien zu bewirken, in denen sich die Teile ausbreiten, die wiederum zu einer Phasendifferenz zwischen den Teilen führt. Es können verschiedene elektro-optische, thermooptische und spannungs-dehnungsoptische Mechanismen verwendet werden, um den Brechungsindex eines Ausbreitungsmediums zu variieren.
Einer der wichtigen Parameter von optischen Schaltern und Modulatoren ist die Leistung, die vom optischen Schalter oder Modulator zum Schalten zwischen dem EIN- und AUS-Zustand (d. h. die Ansteuerleistungsanforderung), benötigt wird. In den meisten Anwendungen ist es wünschenswert, die Ansteuerleistungsanforderungen der optischen Schalter oder Modulator zu verringern.
VISAGATHILAGAR Y S ET AL, "Fabry-Perot type resonantly enhanced Mach-Zehnder modulator" MICROWAVE PHOTONICS, 1999. MWP '99. INTERNATIONAL TOPICAL MEETING ON MELBOURNE, VIC., AUSTRALIA 17.-19. NOV. 1999, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, US, 17. November 1999 (1999-11-17), S. 17-20, SP010367460 ISBN: 07803-5558-X, offenbart einen Mach-Zehnder-Modulator unter Verwendung eines Resonators vom Typ FP, offenbart aber nicht die Verwendung eines solchen Resonators in einem optischen Resonator.
EP-A-0140578 (Plessey Overseas) offenbart einen Lichtmodulator unter Verwendung eines FP-Resonators, macht aber keinen Gebrauch von einer ersten und zweiten optischen Weiche.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine optische Schaltvorrichtung und Verfahren bereitzustellen, bei der die Leistungsanforderungen beträchtlich reduziert sind.
Gemäß Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine optische Schaltvorrichtung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht, und eine planare integrierte optische Schaltung, wie in Anspruch 10 beansprucht.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie in Anspruch 13 beansprucht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nichteinschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei ähnliche Verweiszahlen auf ähnliche Teile in allen verschiedenen Ansichten verweisen, wenn nicht anders angegeben.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine optische Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung von 1 detaillierter illustriert.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Funktion der optischen Schaltvorrichtung von 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
4 ist ein Diagramm, das eine elektro-optische Implementierung einer optischen Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
5 ist ein Diagramm, das eine normierte Schaltübertragungsfunktion einer als Beispiel dienenden optischen Schaltvorrichtung illustriert.
6 ist ein Diagramm, das die Phasenverschiebung einer als Beispiel dienenden optischen Schaltvorrichtung als Funktion des Reflexionsvermögens der reflektierenden Flächen des optischen Resonators der optischen Schaltvorrichtung illustriert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERLÄUTERTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden hierin Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Schalten und Modulieren eines optischen Signals beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, um für ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung zu sorgen. Fachleute auf diesem Gebiet werden jedoch erkennen, dass die Erfindung ohne ein oder mehrere der speziellen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. ausgeführt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, um Elemente der Erfindung zu vermeiden, die das Verständnis erschweren.
Der Verweis in der ganzen Patentschrift auf "eine Ausführungsform" bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, Struktur oder Kennzeichen, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher bedeutet das Auftreten des Ausdrucks "in einer Ausführungsform" an verschiedenen Stellen in der ganzen Patentschrift nicht notwendigerweise, dass alle sich auf dieselbe Ausführungsform beziehen. Ferner können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
1 illustriert eine optische Schaltvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Ausführungsformen der optischen Schaltvorrichtung 10 umfassen optische Schalter und optische Modulatoren. In dieser Ausführungsform umfasst die optische Schaltvorrichtung 10 einen optischen Resonator 12, der einen Phasenmodulator 14 enthält, welcher ein MZI (hierin auch als MZI-Struktur bezeichnet) aufweist. In dieser Ausführungsform ist die MZI-Struktur 14 zum Arbeiten als Schalter oder Modulator ausgelegt, der auf ein Steuersignal (nicht dargestellt) für den Übergang zwischen den EIN- und AUS-Zuständen reagiert. Der optische Resonator 12 kann jede geeignete Hohlraumstruktur sein, die mindestens zwei teilweise reflektierende Flächen oder Facetten hat. In einer Ausführungsform ist der optische Resonator 12 ein Fabry-Perot (FP)-Resonator für die Wellenlänge des optischen Signals, das geschaltet werden soll.
Diese Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 arbeitet im allgemeinen folgendermaßen. Ein optisches Signal 16 (als Pfeil angezeigt) breitet sich in die Hohlraumresonatorstruktur 12 aus, in der das Signal über viele Durchläufe durch das Ausbreitungsmedium eingeschlossen ist. Außerdem breitet sich das optische Signal 16 während dieser mehrfachen Durchläufe durch die MZI-Struktur 14 aus. In einigen Ausführungsformen umfasst die MZI-Struktur 14 zwei oder mehr Ausbreitungswege. Die MZI-Struktur 14 kann so gesteuert werden, dass sie selektiv eine Phasenverschiebung zwischen optischen Signalen einführt, die sich auf verschiedenen Wegen ausbreiten, um eine Interferenz zu erzeugen, wenn diese optischen Signale kombiniert werden. Es ist vorteilhaft, dass die mehreren Durchläufe durch die MZI- Struktur 14 eine Akkumulation von relativen Phasenverschiebungen ermöglichen. Die MZI-Struktur 14 kombiniert dann die optischen Signale von den zwei Wegen zur Bildung eines Ausgangssignals. Wenn die MZI-Struktur 14 eine Phasenverschiebung einführt, die zu einer akkumulierten relativen Phasenverschiebung von 180 Grad (oder einem Mehrfachen davon) führt, ist das Ausgangssignal im AUS-Zustand, weil sich die optischen Signale auf den zwei Wegen auslöschend überlagern. Wenn im Gegensatz dazu die akkumulierte relative Phasenverschiebung null (oder ein Mehrfaches von 360 Grad) ist, ist das Ausgangssignal im EIN-Zustand, weil die optischen Signale auf den zwei Wegen sich aufbauend überlagern, wenn sie kombiniert werden.
Ein Vorteil, der durch die optische Schaltvorrichtung 10 erreicht wird, ist eine reduzierte Leistungsanforderung für die Ansteuerung. Das heißt: Da die Phasenverschiebungen bei jedem Durchlauf akkumuliert werden, benötigt die MZI-Struktur 14 eine Ansteuerleistung, die kleiner als bei einem herkömmlichen MZI-Schalter ist (der nur einen Durchlauf bereitstellt), um dieselbe effektive relative Phasendifferenz zu erreichen, um die gewünschten EIN-/AUS-Zustände zu erhalten.
2 illustriert detaillierter eine Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 (1). Bei dieser Ausführungsform wird der optische Resonator 12 unter Verwendung von teilweise reflektierenden Facetten 21 und 22 implementiert. Die teilweise reflektierenden Facetten 21 und 22 können in jeder geeigneten Weise implementiert werden, wie zum Beispiel Reflexionsgitter (z. B. ein planares Beugungsgitter, durch UV erzeugter Gittermaßstab usw.), hoch reflektierende dielektrische Beschichtungen (d. h. eine Beschichtung aus abwechselnden Schichten aus Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex), teilweise versilberte Spiegel usw. In einigen Ausführungsformen stimmt das Reflexionsvermögen der teilweise reflektierenden Facetten 21 und 22 überein, obwohl es in anderen Ausführungsformen nicht übereinzustimmen braucht. Außerdem werden in dieser Ausführungsform die Parameter des optischen Resonators 14 so ausgelegt, dass der optische Resonator 14 für die Wellenlänge des optischen Eingangssignals 16 resoniert.
In dieser Ausführungsform umfasst die MZI-Struktur 14 den Optokoppler 24, den Optokoppler 25 und einen Phasenschieber 26. Der Optokoppler 24 kann zum Beispiel unter Verwendung eines Standard-50:50-Kopplers implementiert werden, wie zum Beispiel eines Y-Kopplers, eines Strahlteilungsprismas oder einer anderen optischen Leistungsteilervorrichtung. Der Optokoppler 25 kann auch ein 50:50-Koppler sein. In anderen Ausführungsformen können die Teiler beliebige Leistungsteilungsverhältnisse haben. Der Phasenschieber 26 kann jede beliebige Phasenschiebevorrichtung sein, wie zum Beispiel elektro-optische, thermo-optische und spannungsoptische Phasenschieber. In dieser Ausführungsform variiert der Phasenschieber 26 die Phase eines optischen Signals durch Ändern des Brechungsindex des Mediums, in dem sich das optische Signal ausbreitet. Andere Ausführungsformen können Phasenschieber verwenden, die Phasendifferenzen unter Verwendung anderer Ansätze oder Mechanismen erzeugen.
Die Elemente dieser Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 sind folgendermaßen miteinander verbunden. Die teilweise reflektierende Facette 21 ist so angeschlossen oder angeordnet, dadd sie das optische Eingangssignal 16 aufnimmt. Der Optokoppler 24 hat einen Eingangsport, der mit der teilweisende reflektierenden Facette 21 verbunden ist. Das heißt, der Optokoppler 24 ist so angeschlossen, dass er den Anteil des optischen Signals 16, der durch die teilweise reflektierende Facette 21 läuft, und die optischen Signale aufnimmt, die von der Oberfläche der teilweise reflektierenden Facette 21, die dem Optokoppler 24 gegenüberliegt, reflektiert werden. Der Optokoppler 24 hat erste und zweite Ausgangsports, die mit einem der Enden der Lichtwege oder -arme 28A bzw. 28B verbunden sind. In einigen Ausführungsformen stimmen die Arme 28A und 28B in der Länge überein, während sie in anderen Ausführungsformen unterschiedliche Längen haben können. Der Phasenschieber 26 ist mit einem oder beiden der Arme 28A und 28B verbunden, wie durch die Strichlinien 29A und 29B angezeigt. Die anderen Enden der Arme 28A und 28B sind mit den ersten und zweiten Eingangsports des Optokopplers 25 verbunden. Ein Ausgangsport des Optokopplers 25 ist mit der teilweisende reflektierenden Facette 22 verbunden. Das optische Signal, das durch die teilweise reflektierende Facette 22 läuft, bildet das Ausgangssignal 18 der optischen Schaltvorrichtung 10.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Funktion der optischen Schaltvorrichtung 10 (2) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Mit Bezug auf die 2 und 3 arbeitet die optische Schaltvorrichtung 10 folgendermaßen.
Beim Betrieb wird das optische Eingangssignal 16 in den optischen Resonator 14 ausgebreitet. In einer Ausführungsform ist das optische Eingangssignal 16 Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1550 nm. In anderen Ausführungsformen können andere Wellenlängen verwendet werden, die normalerweise von dem beabsichtigten Endzweck der Vorrichtung (z. B. einem speziellen optischen Kommunikationsnetz) und dem Ausbreitungsmedium abhängen, das in der Anwendung verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird das optische Eingangssignal 16 zur teilweise reflektierenden Facette 21 hin ausgebreitet. Dieser Vorgang wird durch einen Block 31 in 3 dargestellt.
Ein Teil des optischen Eingangssignals 16 läuft durch die teilweise reflektierende Facette 21 und breitet sich zum Optokoppler 24 hin aus. In dieser Ausführungsform teilt der Optokoppler 24 dieses optische Signal in zwei Komponenten signale, die in Phase und Energie übereinstimmen. Ein Komponentensignal breitet sich in Arm 28A und das andere in Arm 28B aus. Dieser Vorgang wird durch einen Block 33 in 3 dargestellt. In anderen Ausführungsformen teilt der Optokoppler das optische Signal in mehrere (mehr als zwei) Komponenten mit unterschiedlichen Phasenbeziehungen und Energieverhältnissen auf.
Der Phasenschieber 26 führt dann eine kontrollierte Phasendifferenz zwischen den Komponentensignalen ein, die sich in Arm 28A und 28B ausbreiten. Der Phasenschieber 26 bewirkt im Idealfall eine relative Phasenverschiebung zwischen den Komponentensignalen, die entweder zu einer aufbauenden Überlagerung von Licht führt, um den EIN-Zustand zu erreichen, oder zu einer auslöschenden Überlagerung von Licht, um den AUS-Zustand zu erreichen, wenn die optischen Komponentensignale später kombiniert werden und den optischen Resonator 14 verlassen. Dieser Vorgang wird durch einen Block 35 in 3 dargestellt.
Die Komponentensignale breiten sich dann in Arm 28A und 28B zum Optokoppler 25 aus. Der Optokoppler 25 kombiniert die Komponentensignale zu einem einzigen optischen Signal. Dieser Vorgang wird durch einen Block 37 in 3 dargestellt.
Das rekombinierte optische Signal (d. h. das Ausgangssignal des Optokopplers 25) breitet sich dann zur teilweise reflektierenden Facette 22 hin aus. In dieser Ausführungsform ermöglicht die teilweise reflektierende Facette 22 einem Teil des rekombinierten Signals den Durchgang. Das heißt, der nichtreflektierte Teil des rekombinierten Signals tritt aus dem optischen Resonator 14 aus und dient als Ausgangssignal 18. Dieser Vorgang wird durch einen Block 39 in 3 dargestellt.
Die teilweise reflektierende Facette 22 reflektiert jedoch auch einen Teil des rekombinierten optischen Signals, so dass es sich über den Optokoppler 25, die Arme 28A und 28B und den Optokoppler 24 zurück zur teilweise reflektierenden Facette 21 ausbreitet. Spezieller gesagt,

(a) teilt der Optokoppler 25 das reflektierte Signal, so dass es sich in Arm 28A und 28B ausbreitet;
(b) führt der Phasenschieber 26 eine weitere relative Phasenverschiebung zwischen den Komponentensignalen ein, die von der Signalweiche 25 ausgegeben werden; (c) kombiniert der Optokoppler 24 diese Komponentensignale; und (d) reflektiert die teilweise reflektierende Facette 21 einen Teil dieses rekombinierten Ausgangssignals von Optokoppler 24. Dieser tatsächlich reflektierte Teil wird dann so verarbeitet, wie in Block 31 usw. beschrieben. Daher werden im Effekt Teile des optischen Eingangssignals 16 im optischen Resonator 12 (der durch die teilweise reflektierenden Facetten 21 und 22 bestimmt ist) für mehrere Durchläufe durch die MZI-Struktur 14 (die durch den Phasenschieber 26 und die Optokoppler 24 und 25 gebildet wird) eingeschlossen. Im Ergebnis dessen können diese Teile des optischen Signals die Phasenverschiebungen akkumulieren, die vom Phasenschieber 26 vor dem Verlassen der teilweise reflektierenden Facette 22 eingeführt werden.

Es ist vorteilhaft, dass dieser Prozess die Leistungsanforderungen der optischen Schaltvorrichtung 10 reduzieren kann, indem er der Anwendung ermöglicht, den Phasenschieber 26 zur Einführung einer relativ geringen "Einmal"-Phasenverschiebung zu bewegen, die dann akkumuliert wird, um die gewünschte resultierende Phasenverschiebung zu erreichen. Im Gegensatz dazu erfordern typische herkömmliche optische Schalter und Modulatoren eine relativ große Ansteuerleistung, um den Phasenschieber 26 zu veranlassen, eine Phasenverschiebung von 180 Grad in einem einzigen Durchlauf einzuführen. Das Verhalten einer Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 wird unten in Verbindung mit 5 beschrieben.
4 illustriert eine elektro-optische Implementierung der optischen Schaltvorrichtung 10 (2) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. In dieser Ausführungsform wird die optische Schaltvorrichtung 10 in Form einer planaren integrierten optischen Schaltung implementiert, wobei das optische Signal durch die Wellenleiter läuft. Genauer gesagt, werden die optischen Weichen 24 und 25 (2) mit 50:50-Weichen 41 bzw. 42 (z. B. Y-Koppler) in dieser Ausführungsform implementiert. Die teilweise reflektierenden Facetten 21 und 22 (2) werden mit Reflexionsgittern 44 bzw. 45 implementiert. In dieser Ausführungsform wird das Reflexionsgitter 44 so ausgelegt, dass es ein Reflexionsvermögen von etwa 90% für die Wellenlänge des optischen Eingangssignals 16 hat. In anderen Ausführungsformen können andere Werte des Reflexionsvermögens verwendet werden, wobei die Phasenverschiebungsoperation tendenziell das Reflexionsvermögen (das detaillierter unten in Verbindung mit 6 beschrieben wird) verbessert. In dieser Ausführungsform wird der Phasenschieber 26 (2) mit einem elektro-optischen Phasenschieber 46 implementiert, der eine Spannungsquelle 47, einen Schalter 47A, eine erste Elektrode 48A und eine zweite Elektrode 48B umfasst.
Ferner wird ein Wellenleiter 49 (der die Abschnitte 49A, 49B, 49C und 49D und die Arme 28A und 28B umfasst) zum Ausbreiten der optischen Signale innerhalb dieser Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 verwendet. In dieser Ausführungsform wird der Wellenleiter als planarer Wellenleiter implementiert, der ein LiNbO₃-Ausbreitungsmedium aufweist. In anderen Ausführungsformen können unterschiedliche Ausbreitungsmedien verwendet werden, die für das optische Signal, das in der Anwendung verwendet wird, transparent sind und die Brechungsindizes haben, welche variieren können, wenn sie einem sich ändernden elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden. Der Brechungsindex zum Beispiel von LiNbO₃ variiert mit der elektrischen Feldstärke.
Die Elemente dieser Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 sind folgendermaßen miteinander verbunden. Der Wellenleiterabschnitt 49A ist zum Aufnehmen des optischen Signals 16 angeschlossen. Ein Lichtleiter kann zum Beispiel an die planare integrierte optische Schaltung angeschlossen sein, die die optische Schaltvorrichtung 10 enthält, um das optische Signal 16 zum Wellenleiterabschnitt 49A hin auszubreiten. Das Reflexionsgitter 44 liegt zwischen den Wellenleiterabschnitten 49A und 49B und bildet so ein teilweise reflektierendes Ende des optischen Resonators 12. Die optische Weiche 41 ist an das andere Ende des Wellenleiterabschnitts 49B und an die Arme 28A und 28B angeschlossen. Die optische Weiche 42 ist an die anderen Enden der Arme 28A und 28B und an den Wellenleiterabschnitt 49C angeschlossen. Das Reflexionsgitter 45 liegt zwischen den Wellenleiterabschnitten 49C und 49D und bildet so das andere reflektierende Ende des optischen Resonators 12.
Ferner sind die Elemente des elektro-optischen Phasenschiebers 46 operativ folgendermaßen mit Arm 28A verbunden. Die Spannungsquelle 47 hat eine Ausgangsklemme, die mit der Elektrode 48A verbunden ist, und die andere ist mit einer Klemme von Schalter 47A verbunden.
Eine weitere Klemme von Schalter 47A ist mit Elektrode 48B verbunden. Die Elektroden 48A und 48B sind in der Nähe von Arm 28A angeordnet, so dass beim Schließen von Schalter 47A Arm 28A im elektrischen Feld liegt, das zwischen den Elektroden 48A und 48B erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der elektro-optische Phasenschieber 46 zwei weitere Elektroden (nicht dargestellt) umfassen, die analog in der Nähe von Arm 28B angeordnet sind, aber die entgegengesetzte Polarität haben.
Diese Ausführungsform der optischen Schaltvorrichtung 10 arbeitet im wesentlichen auf dieselbe Weise wie die oben in Verbindung mit den 2 und 3 beschriebene. Spezieller arbeitet jedoch der elektro-optische Phasenschieber folgendermaßen, um eine Phasenverschiebung zwischen den optischen Komponentensignalen einzuführen, die sich in den Armen 28A und 28B ausbreiten.
Der elektro-optische Phasenschieber 46 führt selektiv eine Phasenverschiebung in ein optisches Signal ein, das sich in Arm 28A ausbreitet. In dieser Ausführungsform erzeugt der elektro-optische Phasenschieber 46 ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 48A und 48B, wenn der Schalter 47A geschlossen ist. Wie in 4 gezeigt, ist Arm 28A zwischen den Elektroden 48A und 48B angeordnet. Das elektrische Feld bewirkt eine Änderung im Brechungsindex des LiNbO₃ in Arm 28A, die in Beziehung zur Stärke und Polarität des elektrischen Feldes (relativ zur Ausbreitungsrichtung) steht. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in Beziehung zum Brechungsindex des Ausbreitungsmediums steht, bewirkt die Änderung des Brechungsindex in Arm 28A (d. h. dem Teil von Arm 28A innerhalb des elektrischen Feldes) eine Phasenverschiebung des Komponentensignals, das sich in Arm 28A ausbreitet, relativ zum Komponentensignal, das sich in Arm 28B ausbreitet. Um einen Zustand einzugeben, kann die optische Schaltvorrichtung 10 zum Beispiel in einer Ausführungsform bewirken, dass Schalter 47A geschlossen wird, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das den Brechungsindex von Arm 28A ändert. Diese Änderung im Brechungsindex wiederum erzeugt eine Phasendifferenz zwischen den Komponentensignalen, die sich in Arm 28A und 28B ausbreiten.
Um den entgegengesetzten Zustand einzugeben, wird Schalter 47A geöffnet, so dass kein elektrisches Feld erzeugt wird. Auf diese Weise gibt es keine Änderung im Brechungsindex in Arm 28A, was dazu führt, dass die relativen Phasen der Komponentensignale unverändert sind. Wenn die Längen von Arm 28A und 28B gleich sind, dann gibt es keine Phasendifferenz, wenn die optischen Komponentensignale eine optische Weiche erreichen.
5 illustriert eine normierte Schaltübertragungsfunktion der optischen Schaltvorrichtung 10 (4), die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung simuliert wird. Mit Bezug auf die 4 und 5, stellt die vertikale Achse der Übertragungsfunktion das Übersetzungsverhältnis (d. h. das Verhältnis der Leistung oder Energie des optischen Ausgangssignals 18 zum optischen Eingangssignal 16) dar. Die horizontale Achse der Übertragungsfunktion repräsentiert die Einmal-Phasenverschiebung, die vom elektro-optischen Phasenschieber 46 bereitgestellt wird. Diese Übertragungsfunktion kann auch für andere Arten von Phasenschiebern gelten. Dementsprechend dient die Übertragungsfunktion dazu, die Energie oder Leistung des optischen Ausgangssignals 18 als Funktion der Einmal-Phasenverschiebung anzuzeigen, die vom Phasenschieber bereitgestellt wird. Weil die Einmal-Phasenverschiebung eines Phasenschiebers in Beziehung zur Ansteuerleistung steht, zeigt 5 auch die Energie oder Leistung des optischen Ausgangssignals 18 als Funktion der Ansteuerleistung an.
Die Übertragungsfunktion dieser Ausführungsform des optischen Schaltkreises 10 wird durch Kurve 51 repräsentiert. Die Kurven 52 und 53 sind zum Vergleich in 5 aufgenommen worden, um die Übertragungsfunktionen einer herkömmlichen MZI-Vorrichtung und einer herkömmlichen FP-Vorrichtung zu zeigen. Wie in 5 gezeigt, hat die Kurve 51 ein Maximum bei ca. 90 Grad und ein Minimum bei ca. 180 Grad. Daher benötigt die optische Schaltvorrichtung 10 ihren Phasenschieber, um nur für eine Einmal-Phasenverschiebung von etwa 90 Grad zu sorgen, um von einem Maximum zu einem Minimum zu wechseln (d. h. von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand). Im Gegensatz dazu haben die Kurven 52 und 53 Maxima bei null Grad und Minima bei 180 Grad. Die herkömmlichen MZI- und FP-Vorrichtungen machen es also erforderlich, dass ihre Phasenschieber für eine 180-Grad-Phasenverschiebung sorgen, um von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand überzugehen.
In einer Ausführungsform sind die Arme 28A und 28B der optischen Schaltvorrichtung 10 mit unterschiedlichen Längen ausgelegt, so dass es eine 90-Grad-Einmal-Phasendifferenz zwischen den optischen Komponentensignalen gibt, wenn sie durch eine optische Weiche zusammengeführt werden. Wenn für den elektro-optischen Phasenschieber 46 keine Ansteuerleistung bereitgestellt wird, gibt es auf diese Weise keine 90-Grad-Einmal-Phasenverschiebung, was zu maximaler Übertragung des optischen Ausgangssignals 18 (d. h. zum EIN-Zustand) führt. Um in den AUS-Zustand zu gelangen, braucht der elektro-optische Phasenschieber 46 nur angesteuert zu werden, um für eine Einmal-Phasenverschiebung von 90 Grad zu sorgen. Die optische Schaltvorrichtung 10 erreicht also eine beträchtliche Verringerung der Ansteuerleistung für die Umschaltung zwischen dem EIN- und AUS-Zustand.
6 illustriert das Verhalten der optischen Schaltvorrichtung 10 (4) als Funktion des Reflexionsvermögens des optischen Resonators 12 (4), das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung simuliert wird. Die vertikale Achse repräsentiert die Einmal-Phasenverschiebung der optischen Schaltvorrichtung 10 (4), die für den Übergang zwischen einer maximalen und minimalen Übertragung des optischen Ausgangssignals 16 (4) erforderlich ist. Die horizontale Achse repräsentiert das Reflexionsvermögen der Reflexionsgitter 44 und 45 (4). Wenn mit Verweis auf 4 das Reflexionsvermögen null ist, gibt es effektiv keinen optischen Resonator. In diesem Fall ist also die optische Schaltvorrichtung 10 einer MZI-Vorrichtung äquivalent. Mit Verweis wieder auf 6, zeigt das Diagramm, dass eine 180-Grad-Einmal-Phasenverschiebung erforderlich ist, wie bei einer herkömmlichen MZI-Vorrichtung. Wenn sich das Reflexionsvermögen erhöht, verringert sich die benötigte Einmal-Phasenverschiebung. Bei etwa 90% Reflexionsvermögen beträgt die benötigte Phasenverschiebung etwa 90 Grad. In einem Reflexionsgitter ist ein Reflexionsvermögen von 90% relativ leicht zu erreichen.
Eine thermo-optische Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen der optischen Schaltvorrichtung 10 (4) ähnlich, außer dass der Wellenleiter 49 ein Ausbreitungsmedium mit einem Brechungsindex hat, der mit der Temperatur statt mit einem elektromagnetischen Feld variiert. Wellenleiter 49 kann zum Beispiel mit einem Silika-(SiO₂)-Ausbreitungsmedium implementiert werden. Außerdem hat der Phasenschieber Heizelemente statt der Elektroden 48A und 48B. Das/die Heizelement(e) kann/können zum Beispiel ein Widerstand/Widerstände sein, der/die in der Nähe zu Arm 28A oder in Kontakt mit demselben angeordnet ist/sind. Diese thermo-optische Implementierung arbeitet im wesentlichen in derselben Weise wie die optische Schaltvorrichtung 10 (4). In Anbetracht der vorliegenden Offenbarung kann ein Fachmann auf diesem Gebiet auch eine spannungs-/dehnungsoptische Implementierung ohne übermäßiges Experimentieren entwerfen.
Die obige Beschreibung der illustrierten Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich dessen, was in der Zusammenfassung beschrieben wird, soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen Formen, die offenbart werden, beschränken. Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung und Beispiele für die Erfindung hierin für erläuternde Zwecke beschrieben werden, sind innerhalb des Geltungsbe reichs der Erfindung verschiedene äquivalente Modifizierungen möglich, wie Fachleute auf diesem Gebiet erkennen werden.
Diese Modifizierungen können an der Erfindung im Licht der obigen detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Die Begriffe, die in den folgenden Ansprüchen verwendet werden, dürfen nicht so ausgelegt werden, dass sie die Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen, die in der Patentschrift offenbart werden, und die Ansprüche begrenzen. Der Geltungsbereich der Erfindung soll vielmehr vollständig durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden, die gemäß den anerkannten Lehren der Auslegung von Ansprüchen ausgelegt werden sollen.

Claims

Optische Schaltvorrichtung, umfassend: einen optischen Resonator (12), der einen Eingangsport und einen Ausgangsport hat; und einen Phasenmodulator (14), der innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist, wobei der Phasenmodulator Folgendes umfasst: einen Phasenmodulator-Eingangsport und einen Phasenmodulator-Ausgangsport, die an den Eingangsport bzw. den Ausgangsport des optischen Resonators angeschlossen sind; einen ersten optischen Kombinierer (24, 41), der an den Phasenmodulator-Eingangsport angeschlossen ist; und einen zweiten optischen Kombinierer (25, 42), der an den Phasenmodulator-Ausgangsport angeschlossen ist, wobei der Phasenmodulator dafür ausgelegt ist, eine Phasenverschiebung in einen Teil eines optischen Signals einzuführen, der sich im optischen Resonator in einer Richtung ausbreitet, und eine Phasenverschiebung in einen anderen Teil des optischen Signals einzuführen, der sich in einer anderen Richtung ausbreitet.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Phasenmodulator ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Phasenmodulator einen elektrooptischen Phasenschieber umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Phasenmodulator einen thermooptischen Phasenschieber umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Phasenmodulator einen spannungsoptischen Phasenschieber umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das MZI einen Y-Koppler umfasst.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine erste reflektierende Facette und eine zweite reflektierende Facette beim Implementieren des optischen Resonators verwendet sind.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Facette eine Beschichtung umfasst, die mehrere aneinandergrenzende Schichten hat, wobei jede Schicht einen Brechungsindex hat, der sich von dem einer angrenzenden Schicht unterscheidet, wobei die Brechindizes zwischen höheren und niedrigeren Werten abwechseln.
Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Facette ein Reflexionsgitter umfasst.
Planare integrierte optische Schaltung, umfassend: einen optischen Resonator, der einen Eingangsport und einen Ausgangsport hat; einen Phasenmodulator, der innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist, wobei der Phasenmodulator Folgendes umfasst: eine erste Facette (21, 44), die einen Reflexionsgrad von kleiner als eins hat; eine zweite Facette (22, 45), die einen Reflexionsgrad von kleiner als eins hat; einen ersten optischen Kombinierer (24, 41), der mit der ersten Facette verbunden ist; einen zweiten optischen Kombinierer (25, 42), der mit der zweiten Facette verbunden ist; einen ersten Arm (28A, 28B), der ein Ende hat, das mit dem ersten optischen Kombinierer verbunden ist, und der ein anderes Ende hat, das mit dem zweiten optischen Kombinierer verbunden ist; einen zweiten Arm (28B, 28A), der ein Ende hat, das mit dem ersten optischen Kombinierer verbunden ist, und der ein anderes Ende hat, das mit dem zweiten optischen Kombinierer verbunden ist; und einen Phasenschieber (26), der operativ mit dem ersten und zweiten Arm verbunden ist, um entgegengesetzte Phasenverschiebungen in optische Signale einzuführen, die sich in verschiedenen Richtungen im ersten bzw. zweiten Arm ausbreiten.
Planare optische integrierte Optikschaltung nach Anspruch 10, wobei jede der ersten und zweiten Facetten jeweils ein Reflexionsgitter umfasst.
Planare optische integrierte Optikschaltung nach Anspruch 10, wobei der Phasenschieber ein elektrooptischer Phasenschieber, ein thermooptischer Phasenschieber oder ein spannungsoptischer Phasenschieber ist.
Verfahren, umfassend: Ausbreiten eines optischen Signals in einen optischen Resonator (12) durch einen ersten Eingangsport, der innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist; Bewirken, dass ein Teil des optischen Signals sich auf einem Strahlenweg ausbreitet und dass ein anderer Teil des optischen Signals sich auf einem anderen Strahlenweg ausbreitet mittels eines ersten optischen Kombinierers (24, 41), der mit dem ersten Eingangsteil verbunden ist; selektives Einführen eines Phasenunterschieds zwischen den Teilen des optischen Signals innerhalb des optischen Resonators; Kombinieren der Teile des optischen Signals unter Verwendung eines zweiten optischen Kombinierers (25, 42); und Ausbreiten eines Teils des kombinierten optischen Signals aus dem optischen Resonator heraus durch einen Ausgangsport, der mit dem zweiten optischen Kombinierer verbunden ist.