DE69121200T2

DE69121200T2 - Lichtaktivierte optische schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE69121200T2
Application number: DE69121200T
Authority: DE
Inventors: Jeff Bullington; Joseph Evans
Original assignee: Radiant Technologies Inc
Current assignee: Radiant Technologies Inc
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1991-05-06
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2011-05-07
Also published as: AU7985391A; JP3031707B2; WO1991018305A1; EP0528961A4; KR100264523B1; EP0528961B1; CA2082938A1; JPH05507564A; KR937000860A; EP0528961A1; ATE141012T1; US5078478A; DE69121200D1; AU641335B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Schalten von Lichtstrahlen zwischen festgelegten Kanälen und insbesondere eine lichtbetätigte Schaltvorrichtung.
Kommunikations- und Rechnersysteme, die geschaltete Lichtstrahlen verwenden, weisen das Potential auf, wesentliche Verbesserungen bei Telefon- und Computersystemen vorzusehen. Faseroptische Übertragungsleitungen werden bereits verwendet, um die Kapazität von Telefonsystemen zu vergrößern. Rechenvorrichtungen, die auf dem Schalten von Lichtstrahlen basieren, versprechen einen dramatischen Zuwachs bei der Kapazität und der Geschwindigkeit von Computern.
Bedauerlicherweise ist die maximale Geschwindigkeit, mit der ein derzeitiges, lichtschaltendes Gerät arbeitet, immer noch durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der elektrische Signale ein- und ausgeschaltet werden können. Z. B. verwenden Lichtleitfaserkommunikationssysteme immer noch elektrische Komponenten, um die Laserstrahlen ein- und auszuschalten, um die Lichtimpulse am Sendeende einer Lichtleitfaser zu erzeugen. Zusätzlich verwenden solche Systeme Lichtdetektoren und elektrische Schaltkreiselemente am Empfangsende der Faser, um die auf der Faser übertragene Information zu entschlüsseln.
Lichtleitfasern sind in der Lage, hunderte von Milliarden von Lichtimpulsen pro Sekunde zu übertragen. Jedoch ist auf dem Fachgebiet keine wirtschaftliche elektrische Schaltung bekannt, die in der Lage ist, solche dicht beieinanderliegenden Lichtimpulse zu unterscheiden. Folglich arbeiten faseroptische Kommunikationssysteme typischerweise bei ein paar hundert MHz.
Im Prinzip könnten aufeinanderfolgende Lichtimpulse im Lichtwellenleiter zu verschiedenen Detektoren geleitet werden, um die Belastung an jedem einzelnen Detektor zu verringern. Vorrichtungen zum Leiten eines Lichtstrahls in eine von zwei Bahnen sind auf dem optischen Fachgebiet gut bekannt. Solche Vorrichtungen verwenden ein elektrisches Feld, um den Brechungsindex eines Mediums, durch das der Lichtstrahl durchläuft, zu ändern. In seiner einfachsten Form weist eine solche Vorrichtung zwei Brechungsindizes auf, entsprechend zweier elektrischer Feldzustände. In einem der Zustände verläßt das Licht das Medium durch eine erste Öffnung. Das Licht wird durch Anlegen des geeigneten elektrischen Feldes an das Medium zu einer zweiten Öffnung geschaltet. Das elektrische Feld ändert den Brechungsindex des Mediums, was dazu führt, daß das Licht an einer Trennungsfläche zwischen zwei Bereichen mit verschiedenen Brechungsindizes reflektiert wird.
Um das Licht zwischen den Öffnungen zu schalten, muß ein Potential zwischen Elektroden auf der Oberfläche des in Frage kommenden Mediums geschaltet werden. Folglich kann der Lichtstrahl nicht schneller geschaltet werden, als das in Frage kommende Potential geschaltet wird. Daher waren solche Vorrichtungen durch die Geschwindigkeit beschränkt, mit der elektrische Komponenten Potentiale schalten können.
Optische Schalter und Ablenker, die Licht oder ein elektrisches Feld verwenden, um den Brechungsindex auf einem Teil einer optischen Bahn zu schalten, werden z. B. in Japanese Journal of Applied Physics, Band 24, Nr. 2 1985, Seiten 281-283, 'Optical Deflector Using PLZT Ceramic' von T. Utsonomiya et al. und in Japanese Journal of Applied Physics, Band 28, Nr. 2 1989, Seiten 170-172, 'All-Optical Control Devices Utilizing Bulk Photovoltaic Effect' von M. Tanimura et al. diskutiert.
Die japanische Patentschrift JP-A-59022028 beschreibt die Verwendung eines Lichtstrahls, um zu Heizen und um den Brechungsindex eines Spaltes auf einer optischen Bahn zu ändern und um den Spalt auf optischem Wege leitfähig zu machen.
Die europäische Patentschrift EP-A-207725 beschreibt eine optische Schaltvorrichtung mit einer lichtleitenden Bahn aus einem ersten Material, das durch ein zweites Material unterbrochen ist. Der Brechungsindex des zweiten Materials kann von Außen beeinflußt werden, so daß das Licht an der Trennungsfläche zum ersten Material durchgelassen oder reflektiert wird.
Allgemein gesprochen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lichtschaltvorrichtung vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtschaltvorrichtung vorzusehen, die nicht durch die Geschwindigkeit beschränkt ist, mit der elektrische Signale geschaltet werden können.
Demzufolge sieht die Erfindung eine optisch aktivierte Lichtschaltvorrichtung vor mit: einer Schicht, die eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bereichen aufweist, wobei ein erster der Bereiche ein transparentes Material mit einem festgelegten Brechungsindex aufweist, wobei eine erste Elektrode auf dem ersten Bereich angeordnet ist, wobei ein zweiter der Bereiche ein transparentes Material aufweist, dessen Brechungsindex durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Brechungsindex geschaltet werden kann, bei dem der erste Brechungsindex im wesentlichen gleich dem festgelegten Brechungsindex ist, und wobei ein dritter Bereich ein photoleitendes Material aufweist, wobei eine zweite Elektrode mit dem dritten Bereich in Kontakt steht und vom zweiten Bereich beabstandet ist; einer Eingabeöffnungseinrichtung, die angeordnet ist, um empfangenes Licht unter einem solchen Winkel in Richtung des zweiten Bereichs der Schicht zu führen, daß das Licht die Schicht im ersten Bereich verläßt, wenn das Material den ersten Brechungsindex aufweist, und daß zumindest ein Teil des Lichts den zweiten Bereich der Schicht verläßt, wenn das Material den zweiten Brechungsindex aufweist; einer ersten Ausgabeöffnungseinrichtung, die so angeordnet ist, das Licht aus dem ersten Bereich zu empfangen; einer zweiten Ausgabeöffnungseinrichtung, die so angeordnet ist, das Licht aus dem zweiten Bereich zu empfangen; einer Steueröffnungseinrichtung zum Empfangen eines Lichtsignals und die zum Führen des Lichtsignals zum dritten Bereich angeordnet ist, um das Schalten des Brechungsindexes zu steuern; und einer Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten durch die folgende, detaillierte Beschreibung der Erfindung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Lichtschaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Lichtschaltvorrichtung.
Fig. 3 ist eine Ersatzschaltung der in Fig. 1 dargestellten Lichtschaltvorrichtung.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Lichtschaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Ersatzschaltung der in Fig. 4 dargestellten Lichtschaltvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung kann am allereinfachsten anhand der Fig. 1 und 2 verstanden werden. Fig. 1 ist eine Draufsicht einer Lichtschaltvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Lichtschaltvorrichtung 10 längs der Linie 19a-19b. Die Lichtschaltvorrichtung 10 empfängt Licht über einen Eingabelichtleiter 12 und leitet dieses Licht entweder über einen Ausgabelichtleiter 14 oder einen Ausgabelichtleiter 16 weiter. Falls in einen Steuerlichtleiter 18 kein Licht eingegeben wird, tritt das Licht vom Eingabelichtleiter 12 durch den Ausgabelichtleiter 14 aus. Falls jedoch Licht einer kleineren Wellenlänge als einer festgelegten Wellenlänge in den Steuerlichtleiter 18 eingegeben wird, tritt das Licht vom Eingabelichtleiter 12 über den Ausgabelichtleiter 16 aus.
Die Lichtschaltvorrichtung 10 ist vorzugsweise aus einer dünnen, optisch transparenten Schicht 11 paraelektrischen Materials aufgebaut. Die Art und Weise auf die diese Schicht abgeschieden und bearbeitet wird, wird unten detaillierter diskutiert. Zum Zwecke der jetzigen Diskussion ist es ausreichend anzumerken, daß die Schicht 11 in vier Bereiche 13, 15, 20 und 17 unterteilt ist. Ein Bereich 13 ist ein Abschnitt der Schicht 11, der unterhalb einer Elektrode 22 liegt. Angrenzend hieran befindet sich ein Bereich 15. Die Trennungsfläche zwischen den Bereichen 13 und 15 ist in Fig. 2 bei 31 dargestellt. Wenn kein Licht in den Steuerlichtleiter 18 eingegeben wird, weisen die Bereiche 13 und 15 den gleichen Brechungsindex auf. Aus Gründen, die aus der folgenden Diskussion verständlich werden, wird der Bereich 15 als Modulationsbereich bezeichnet.
Angrenzend an den Modulationsbereich 15 befindet sich der dritte Bereich, der in der folgenden Diskussion als photoleitender Bereich 20 bezeichnet wird. Der photoleitende Bereich 20 wird vorzugsweise durch Ionenimplantation der Dünnschicht 11 angelegt. Die Details der Ionimplantation werden unten detaillierter diskutiert. Zum Zwecke der jetzigen Diskussion reicht es aus, anzumerken, daß der photoleitende Bereich 20 ohne Beleuchtung im wesentlichen ein elektrischer Isolator ist. Der photoleitende Bereich 20 wird ein elektrischer Leiter, wenn er mit Licht beleuchtet wird. Das in Frage kommende Licht, ist das Licht, das über den Steuerlichtleiter 18 eingegeben wird. Die Grenzfläche zwischen dem photoleitenden Bereich 20 und dem Modulationsbereich 15 ist in Fig. 2 bei 33 dargestellt.
Der vierte Bereich 17 liegt unterhalb einer zweiten Elektrode 24 und verbindet den photoleitenden Bereich mit dem Steuerlichtleiter 18.
Eine konstante Potentialdifferenz V wird durch Verbindung mit geeigneten Spannungsquellen zwischen den Elektroden 22 und 24 erzeugt. Zum Zwecke dieser Diskussion wird angenommen, daß die Elektrode 22 mit einem Potential V und die Elektrode 24 mit Masse verbunden ist. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß eine andere Auswahl von Potentialen ebenfalls entsprechend funktionieren wird.
Die Lichtschaltvorrichtung 10 schaltet das über den Lichtleiter 12 eingegebene Licht zum Ausgabelichtleiter 16 durch Änderung des Brechungsindexes des Modulationsbereichs 15. Wenn der Modulationsbereich 15 einen vom Bereich 13 hinreichend verschiedenen Brechungsindex aufweist, wird die Grenzfläche an der Trennungsfläche 31 das darauf einfallende Licht reflektieren. Falls der Einfallswinkel des Lichts bezüglich der Trennungsfläche 31 hinreichend flach ist, wird das Licht von der Grenzfläche 31 total reflektiert. Die in Frage kommenden Winkel werden unten detaillierter diskutiert.
Wie oben erwähnt, sind der Bereich 13 und der Modulationsbereich 15 vorzugsweise aus einer Dünnschicht aus paraelektrischern Material aufgebaut. Bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes im Modulationsbereich 15 wird er den gleichen Brechungsindex wie Bereich 13 aufweisen. Folglich existiert keine Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen. Folglich wird das in den Lichtleiter 12 eintretende Licht den Modulationsbereich 15 und den Bereich 13 durchqueren und dann über den Ausgabelichtleiter 14 austreten.
Die Art und Weise, auf die als Reaktion auf Licht, das über den Steuerlichtleiter 18 eingegeben wird, ein elektrisches Feld im Modulationsbereich 15 erzeugt wird, wird jetzt mit Hilfe von Fig. 3 erklärt. Fig. 3 ist eine Ersatzschaltung der Lichtschaltvorrichtung 10. Der Modulationsbereich 15 ist elektrisch äquivalent zur Parallelanordnung eines Kondensators Cm und eines Widerstands Rm. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt Rm typischerweise 10¹&sup0; Ohm. Der Kondensator Cm entspricht der Kapazität zwischen der Elektrode 22 und der Trennungsfläche 33.
Der photoleitende Bereich 20 ist der Parallelanordnung eines Kondensators Cp und eines veränderbaren Widerstands Rp äquivalent. Cp entspricht der Kapazität zwischen der Trennungsfläche 33 und der Elektrode 24. Bei Abwesenheit von Licht ist sehr groß. Wie unten detaillierter diskutiert wird, beträgt beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Rp typischerweise 10 Ohm. In Gegenwart von Licht beträgt Rp typischerweise ein paar hundert Ohm.
Die Art und Weise, auf die die Änderung des Wertes von Rp bei der vorliegenden Erfindung zum Schalten des Brechungsindex des Modulationsbereichs 15 verwendet wird, wird am einfachsten durch Betrachten des stationären Potentiales an der Trennungsfläche 33 verstanden. In Gegenwart von Licht ist Rp viel kleiner als Rm. In diesem Fall liegt die Trennungsfläche 33 im wesentlichen auf Masse. Folglich ist der Potentialabfall über den Modulationsbereich 15 gleich V. D. h., es ist im wesentlichen ein konstantes, elektrisches Feld im Modulationsbereich 15 vorhanden. Wie oben erwähnt, weist der Modulationsbereich 15 vorzugsweise ein paraelektrisches Material auf. Wie von den Fachleuten richtig erkannt wird, ändert sich der Brechungsindex eines paraelektrischen Materials als Antwort auf ein elektrisches Feld, das darin erzeugt wird. Wenn folglich Licht im photoleitenden Bereich vorhanden ist, ist ein elektrisches Feld im Modulationsbereich 15 vorhanden, welches folglich eine Änderung in seinem Brechungsindex hervorruft. Jedoch ist im Bereich 13 kein solches Feld vorhanden. Folglich trennt die in Fig. 2 dargestellte Trennungsfläche 31 Bereiche verschiedener Brechungsindizes.
Wenn kein Licht auf den photoleitenden Bereich 20 fällt, ist Rp viel größer als Rm. In diesem Fall wird das Potential an der Trennungsfläche 33 im wesentlichen gleich V sein, das gleiche Potential wie an der Elektrode 22. Also besteht im wesentlichen keine Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 22 und der Trennungsfläche 33. Folglich ist das elektrische Feld im Modulationsbereich 15 im wesentlichen gleich dem im Bereich 13. Da der Bereich 13 und der Modulationsbereich 15 aus dem gleichen Material aufgebaut sind, ist die Trennungsfläche 31 nicht vorhanden.
Wie oben erwähnt, sind Rm und ziemlich groß, wenn kein Licht im photoleitenden Bereich 20 vorhanden ist. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schnell schaltende Lichtschaltvorrichtung aufzubauen. Das Einschwingverhalten der Lichtschaltvorrichtung 10 hängt von Cm und % ab. Wie jetzt im Detail erklärt wird, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, daß Cm viel größer als Cp ist.
Man betrachte den Fall, in dem Licht im photoleitenden Bereich 20 vorhanden ist und dann plötzlich ausgeschaltet wird. Kurz bevor das Licht ausgeschaltet wird, ist das Potential an der Trennungsfläche 33 im wesentlichen gleich der Masse. Kurz nachdem das Licht ausgeschaltet wird, ist noch nicht genügend Zeit vergangen, um Cp durch den über Rm fließenden Strom zu laden. Folglich scheint der Schaltkreis ein einfaches Paar serienverschalteter Kondensatoren zu sein. Also erscheint das Potential V über der Serienanordnung von Cm und %. Um ein schnelles Schalten zu erreichen, muß das Potential an der Trennungsfläche 33 auf V springen. Dies ist der Fall, wenn Cm viel größer als Cp ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dies durch Ändern der dielektrischen Konstante des photoleitenden Bereichs 20 erreicht. Wie unten detallierter erklärt wird, kann die dielektrische Konstante des photoleitenden Bereichs 20 durch Ionenbeschuß dieses Bereichs erreicht werden.
In dem Fall, in dem der photoleitende Bereich 20 plötzlich mit Licht bestrahlt wird, nachdem er im Dunkeln war, besteht kein kapazitives Aufladungsproblem. In diesem Fall ist die Trennungsfläche 33 über den Widerstand Rp, der nur in der Größenordnung von 1000 Ohm liegt, direkt mit Masse verbunden, wenn der photoleitende Bereich 20 mit Licht bestrahlt wird. Solange R% klein ist im Vergleich zur Anstiegszeit des Lichtimpulses, der über den Steuerlichtleiter 18 einfällt, schaltet die Lichtschaltvorrichtung in einer Zeit, die mit der Anstiegszeit des Lichtimpulses vergleichbar ist. Hier ist R der Wert von Rp in Gegenwart von Licht.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 bei 400 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet einen Pull-up-Widerstand, um die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern, nachdem das Licht an der Steueröffnung abgeschaltet wurde. Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung der Schaltvorrichtung 400. Die Schaltvorrichtung 400 unterscheidet sich nur durch das Hinzufügen einer Widerstandsschicht 450, die mit der Elektrode verbunden ist, die über eine leitfähige Schicht 452 mit V verbunden ist. Die Widerstandsschicht 450 kann aufgebaut werden durch Abscheiden einer Dünnschicht aus SnO&sub2; oder InSnO&sub2; auf dem Substrat, auf dem die Schaltvorrichtung 400 aufgebaut ist.
Die anderen Elemente der Schaltvorrichtung 400 sind analog zu den in Fig. 1 dargestellten; folglich sind sie mit ähnlichen Nummern versehen. Die Widerstandsschicht 450 sieht eine ohmsche Verbindung zwischen einer Trennungsfläche 433 und einer Elektrode 422 vor. Der Widerstand der Widerstandsschicht 450 wird mit Rs bezeichnet.
Eine Ersatzschaltung der Schaltvorrichtung 400 ist in Fig. 5 dargestellt. Rs ist so ausgewählt, daß er viel kleiner ist als Rm. Jedoch ist er auch viel größer als Rp, wenn Licht in einem photoleitenden Bereich 420 vorhanden ist.
Wenn der photoleitende Bereich 420 beleuchtet wird, liegt die Trennungsfläche 433 wieder auf einem Potential, das im wesentlichen gleich der Masse ist. Wenn das Licht vom photoleitenden Bereich 420 entfernt wird, wechselt die Trennungsfläche 433 mit einer Zeitkonstante von RsCp auf ein Potential V. Folglich ermöglicht das Einschließen der Widerstandsschicht 450 eine kürzere Schaltzeit, unabhängig vom Verhältnis zwischen Cp und Cm.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind Bereiche 13, 15, 20 und 17 aus einer Dünnschicht von paraelektrischern oder ferroelektrischern Material aufgebaut, welches auf der Oberfläche eines geeigneten Substrates abgeschieden ist. Das in Frage kommende Material ist vorzugsweise Blei-Lanthan-Zirconat- Titanat (PLZT). Durch Einstellen der Zusammensetzung der Komponenten kann das Material entweder paraelektrisch oder ferroelektrisch sein. Die Schicht ist typischerweise eine Struktur der Form ABO&sub3;, bei der die A-Lage entweder durch Blei oder durch Lanthan gefüllt sein kann und die B-Lage entweder durch Zirkon oder Titan gefüllt sein kann. Eine paraelektrische Schicht kann erhalten werden durch Einstellen der Zusammensetzung der A-Lage auf 91% Blei und 9% Lanthan und der B-Lage auf 65% Zirkon und 35% Titan. Ein ferroelektrischer Film kann erhalten werden durch Weglassen des Lanthans aus der A-Lage und Einstellen der Zusammensetzung der B-Lage auf 60% Zirkon und 40% Titan. Andere Zusammensetzungen sind den Fachleuten offensichtlich.
Das Material kann auf dem Substrat durch Einsatz von Sputtern, chemischer Dampfphasenabscheidung oder Sol-Gel- Abscheidung abgeschieden werden. Das bevorzugte Abscheideverfahren ist die herkömmliche Sol-Gel- Abscheidetechnik. Bei dieser Technik wird eine Lösung des PLZT-Materials auf das Substrat geschleudert. Die Lösung besteht aus einem Lösungsmittel, das einen metallorganischen Komplex trägt, der teilweise zu langen Ketten erstarrt wurde. Die Ketten bestehen aus einer linearen Anordnung von Metallatomen, die mit Sauerstoffatomen alternieren und von koordinativ angelagerten Kohlenwasserstoffgruppen längs der Außenseite der linearen Anordnung umgeben sind. Die Ketten werden normalerweise durch Hydrolyse von Alkoxiden gebildet, die einzelne, an Kohlenwasserstoffe gebundene Metallatome sind. Die Alkoxide werden gemischt, um das in der endgültigen Keramik gewünschte Verhältnis von Metallatomen zu erzeugen und danach wird der Mischung Wasser zugegeben. Das Wasser hydrolysiert die einzelnen Alkoxid-Moleküle zu Ketten, die im Lösungsmittel suspendiert bleiben. Auf diese Weise werden Metalloxidmoleküle in Lösungsmitteln so wie einfache Alkohole aufgelöst.
Unter Einsatz eines herkömmlichen Schleuderapparats wird das Sol-Gel auf das Substrat aufgeschleudert. Das Lösungsmittel verdampft während des Schleuderns und zurück bleibt die mit metallorganischen Ketten bedeckte Oberfläche des Substrats. Das Substrat wird dann nach und nach aufgeheizt, um das restliche Lösungsmittel zu verdampfen. Nachdem das Lösungsmittel verdampft wurde, wird das beschichtete Substrat weiter geheizt, um die Kohlenwasserstoffbindungen zu brechen. Folglich werden Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff freigesetzt und zurück bleibt eine Beschichtung aus Metallen und Sauerstoff. Das Substrat wird dann auf eine Temperatur aufgeheizt, die die amorphe Schicht zu ihrer keramischen Form sintert. Bei PLZT verdampfen die Kohlenwasserstoffe unterhalb 400 Grad Celsius.
Nach der Abscheidung wird der Film gesintert, um die endgültige Keramikschicht zu bilden. Die Temperatur bei der der Film gesintert wird, kann ebenfalls verwendet werden, um die Eigenschaften der Schicht zu steuern. Falls z. B. eine Zusammensetzung aus 98% Blei, 2% Lanthan, 65% Zirkon und 35% Titan verwendet wird, wird die endgültige Schicht ferroelektrisch sein, falls sie auf 550 Grad Celsius aufgeheizt wird. Findet jedoch das Sintern zwischen 400 und 500 Grad Celsius statt, wird eine Pyrochlor-Struktur gebildet. Eine solche Struktur ist paraelektrisch im Gegensatz zu der Perowskit-Struktur, die bei einer höheren Temperatur erhalten wird und ferroelektrisch ist.
Zum Zwecke der vorliegenden Diskussion wird angenommen, daß der Modulationsbereich 15 eine paraelektrische Struktur ist. Der Einsatz ferroelektrischer Strukturen wird unten detaillierter diskutiert.
Bei PLZT-Materialien beträgt der Unterschied der Brechungsindizes zwischen den zwei Polarisationszuständen ungefähr 0,002. PLZT-Materialien werden bevorzugt, weil diese mit die höchsten Unterschiede beim Brechungsindex aufweisen, die bei einem Material erreicht werden können, das den Temperaturen standhält, die bei der herkömmlichen Halbleiterbearbeitung verwendet werden. Für die Fachleute ist es offensichtlich, daß es vorteilhaft wäre, Lichtschaltvorrichtungen auf dem gleichen Substrat zu konstruieren, wie bei konventionellen integrierten Halbleitern.
Der photoleitende Bereich 20 ist vorzugsweise auch aus der gleichen dünnen PLZT-Schicht aufgebaut. Nach der Abscheidung wird der photoleitende Bereich 20 gegen den Modulationsbereich 15 abgesetzt durch den Einbau von Ionen, die ihn photoleitend machen, wenn mit Licht mit einer Wellenlänge, die kleiner ist als eine festgelegte, kritische Wellenlänge, beleuchtet wird. Die in Frage kommenden Ionen können durch Ionenimplantationstechniken oder andere konventionelle Techniken, wie z. B. Diffusion, eingebaut werden. Es sollte angemerkt werden, daß der Prozeß der Ionenimplantation ebenfalls die dielektrische Konstante der PLZT-Schicht verringert. Es wurde festgestellt, daß durch Ionenimplantation ein Unterschied um einen Faktor 10 in der dielektrischen Konstante erreicht werden kann.
Ohne Dotierung werden PLZT-Materialien photoleitend, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge kleiner als 0,35 Mikrometer beleuchtet werden. Falls der photoleitende Bereich 20 mit Argon- und Nickelionen dotiert ist, kann die kritische Wellenlänge auf ungefähr 0,57 Mikrometer vergrößert werden. Falls Eisenionen verwendet werden, wird die Wellenlänge auf ungefähr 0,7 Mikrometer vergrößert. Falls schließlich Neodym- oder Siliziumionen verwendet werden, kann die Wellenlänge auf ungefähr 1 Mikrometer ausgedehnt werden. Falls der Steuerbereich 112 ungefähr 0,5 Mikrometer dick ist, können die obigen Ionen mit Energien zwischen 50 keV und 100 keV ionenimplantiert werden. Die endgültige Konzentration liegt vorzugsweise bei ungefähr 10¹&sup8; Ionen/cm³.
Die kritische Wellenlänge ist vorzugsweise länger als die des über den Eingabelichtleiter 18 eingegebenen Lichts. Folglich werden Neodym- und Siliziumionen bevorzugt. Dies ermöglicht, daß Lichtschaltvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindungen zum Lichtschalten zum Zwecke des Steuerns anderer Lichtschaltvorrichtungen in komplexen, optischen Systemen verwendet werden.
Der Winkel, unter dem der Eingabelichtleiter 12 Licht in den Modulationsbereich 15 einführt, hängt vom Unterschied im Brechungsindex des Modulationsbereichs 15 und des Bereichs 13 ab, wenn der photoleitende Bereich 20 mit Licht bestrahlt wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dieser Winkel ausreichend, um das Licht vom Eingabelichtleiter 12 an der Trennungsfläche 31 intern total zu reflektieren. Das reflektierte Licht verläßt die Lichtschaltvorrichtung 10 über den Ausgabelichtleiter 16. Wie oben erwähnt, verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung PLZT-Materialien, bei denen ein Unterschied im Brechungsindex von ungefähr 0,002 erzeugt werden kann. Bei diesen Materialien muß der Einfallswinkel des Lichts bezüglich der Oberflächennormale der Trennungsfläche 31 mindestens 88,5º betragen.
Für die Fachleute ist jedoch offensichtlich, daß nicht immer eine interne Totalreflexion erforderlich ist. Bei den Anwendungen z. B., bei denen nur das durch den Ausgabelichtleiter 16 austretende Licht verwendet wird, reicht eine teilweise Reflexion an der Trennungsfläche 31 aus.
Wie oben erwähnt, ist PLZT das bevorzugte Material zum Aufbauen des Modulationsbereichs und des Steuerbereichs. Dieses Material weist unter den anorganischen Materialien den höchsten Brechungsindexunterschied auf. Da es wichtig ist, daß sowohl der Modulationsbereich als auch der photoleitende Bereich den mit der Halbleiterbearbeitung verbundenen Temperaturen widersteht, sind organische Materialien nicht geeignet. Zusätzlich können durch Einstellen der Zusammensetzung der PLZT-Materialien entweder paraelektrische oder ferroelektrische Modulationsbereiche erhalten werden. Falls eine schnelle Schaltvorrichtung erforderlich ist, wird im allgemeinen ein paraelektrisches Material bevorzugt, da es in den gleichen Polarisationszustand zurückkehrt, nachdem das elektrische Feld entfernt wurde.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen es vorteilhaft wäre, den Brechungsindex des Modulationsbereichs so zu ändern, daß garantiert ist, daß der Brechnungsindex auf dem neuen Wert bleibt, sogar wenn die Stromversorgung ausfällt. Wenn der Modulationsbereich ferroelektrisch ist, dann kann der Brechungsindex auf eine solche Weise geändert werden. Um den Brechungsindex auf den ursprünglichen Wert zurückzuwechseln, muß bedauerlicherweise das Potential V auf eine Weise verändert werden, die durch die das Material kennzeichnende Hysteresiskurve diktiert wird. Folglich kann die Lichtschaltvorrichtung nicht in einer Zeit zurückgeschaltet werden, die unabhängig von der Geschwindigkeit ist, mit der ein elektrisches Potential geschaltet werden kann.
Die obigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden eine Trennungsfläche, die für die Reflexion des über den Eingabelichtleiter empfangenen Lichts eben ist. Für die Fachleute ist jedoch offensichtlich, daß Trennungsflächen mit verschiedenen geometrischen Anordnungen ebenfalls nützlich sind. Z. B. könnte eine konkav geformte Trennungsfläche verwendet werden, um das eintretende Licht in den Ausgabelichtleiter zu fokussieren.
Im vorliegenden wurde eine Lichtschaltvorrichtung beschrieben. Den Fachleuten werden aus der vorhergehenden Beschreibung und den beiliegenden Abbildungen verschiedene Modifikationen an der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden. Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. Eine optisch aktivierte Lichtschaltvorrichtung (10) mit:

einer Schicht (11), die eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bereichen (13, 15, 20, 17) aufweist, wobei ein erster der Bereiche (13) ein transparentes Material mit einem festgelegten Brechungsindex aufweist, wobei eine erste Elektrode (22) auf dem ersten Bereich (13) angeordnet ist, wobei ein zweiter der Bereiche (15) ein transparentes Material aufweist, dessen Brechungsindex zwischen einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Brechungsindex durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes geschaltet werden kann, wobei der erste Brechungsindex im wesentlichen gleich dem festgelegten Brechungsindex ist, und wobei ein dritter Bereich (20) ein photoleitendes Material aufweist, und wobei eine zweite Elektrode (24) mit dem dritten Bereich (20) in Kontakt steht und vom zweiten Bereich (15) beabstandet ist;

eine Eingabeöffnungseinrichtung (12), die angeordnet ist, um empfangenes Licht unter einem Winkel in Richtung des zweiten Bereichs (15) der Schicht (11) zu führen, so daß das Licht die Schicht (11) im ersten Bereich (13) verläßt, wenn das Material den ersten Brechungsindex aufweist, und daß zumindest ein Teil des Lichts den zweiten Bereich (15) der Schicht (11) verläßt, wenn das Material den zweiten Brechungsindex aufweist;

eine erste Ausgabeöffnungseinrichtung (14), die so angeordnet ist, das Licht aus dem ersten Bereich (13) zu empfangen;

eine zweite Ausgabeöffnungseinrichtung (16), die so angeordnet ist, das Licht aus dem zweiten Bereich (15) zu empfangen;

eine Steueröffnungseinrichtung (18) zum Empfangen eines Lichtsignals und die zum Führen des Lichtsignals zum dritten Bereich (20) angeordnet ist, um das Schalten des Brechungsindexes zu steuern; und

eine Felderzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (22, 24).

2. Die Lichtschaltvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine erste Lichtquelle zum Erzeugen von Lichtsignalen einer festgelegten Wellenlänge für die Steuereinrichtung (18) und eine zweite Lichtquelle aufweist, die eine wellenlänge aufweist, die kleiner ist als die festgelegte Wellenlänge für die Eingabeöffnungseinrichtung (12).

3. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der zweite Bereich (15) ein ferroelektrisches Material aufweist.

4. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der das ferroelektrische Material Blei-Lanthan-Zirconat- Titanat aufweist.

5. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der zweite Bereich (15) ein paraelektrisches Material aufweist.

6. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, bei der das paraelektrische Material Blei-Lanthan-Zirconat- Titanat aufweist.

7. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der dritte Bereich (20) ein Blei-Lanthan-Zirconat- Titanat-Material aufweist, das mit einem Element aus der Gruppe Silizium, Eisen, Argon und Neodym dotiert ist.

8. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der die dielektrische Konstante des Materials, das der dritte Bereich (20) aufweist, kleiner ist als die dielektrische Konstante des Materials, das der zweite Bereich (15) aufweist.

9. Eine Lichtschaltvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, die ferner eine Widerstandseinrichtung (450) aufweist, die mit der ersten Elektrode (22, 422) und dem dritten Bereich (20, 420) gekoppelt ist.