HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen
Wellenleiterschalter mit innerer Totalreflexion, und
insbesondere einen optischen Wellenleiterschalter mit innerer
Totalreflexion dessen Anfangsübersprechpegel beim Schaltbetrieb
reduziert ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation wird ein
optischer Wellenleiterschalter mit innerer Totalreflexion zur
Schaltung von optischen Pfaden verwendet. Als Beispiel dieses
optischen Wellenleiterschalters mit Innerer Totalreflexion wird
nun ein Halbleiter-Lichtwellenleiterschalter mittels der
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 ist eine schematische Ansicht, die ein
herkömmliches Beispiels des optischen Wellenleiterschalters mit
innerer Totalreflexion zeigt. In Fig. 1 kreuzen sich zwei
optische Wellenleiter 1 und 2 in einem Winkel θ, wobei ein
Kreuzungsbereich 3 gebildet wird. Wenn Licht wie von Pfeil p
gezeigt einfällt, dann dienen beide optischen Wellenleiter 1a
und 2a als einfallseitige optische Wellenleiter und beide
optischen Wellenleiter 1b und 2b dienen als emissionsseitige
optische Wellenleiter. Ein Brechungsindexwechselbereich 4 ist
zwischen den optischen Wellenleitern in dem Kreuzungsbereich 3
ausgebildet.
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Der Abschnitt eines jeden optischen Wellenleiters, der
sich vom Brechungsindexwechselbereich 4 unterscheidet, ist gemäß
der Schnittansicht in Figur 2, die entlang der Linie II - II in
Fig. 1 verläuft, aufgebaut. Wenn beispielsweise GaAs und AlGaAs
als Halbleitermaterialien verwendet werden, dann wird ein
Substrat 12 aus GaAs auf der Rückseite einer unteren Elektrode
11 geformt und n&supmin;GaAs wird als 5 Pufferschicht 13 auf dem
Substrat 12 gebildet.
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Eine untere Überzugsschicht 14 aus n&supmin;AlGaAs und eine
Kernschicht 15 aus n&supmin;GaAs werden nacheinander auf der
Pufferschicht 13 gebildet. Dann werden eine obere
Überzugsschicht 16 aus n&supmin;AlGaAs und eine Deckschicht 17 aus
n&supmin;GaAs nacheinander auf der Kernschicht 15 gebildet, und
hiernach werden diese geätzt, um einen stegförmigen optischen
Wellenleiter zu bilden. Die resultierende Gesamtstruktur wird
mittels eines Isolierfilms 18 aus SiO&sub2; oder dergleichen
umschlossen.
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Wie in der Schnittansicht gemäß Fig. 3 gezeigt ist, die
entlang der Linie III - III in Fig. 1 verläuft, ist andererseits
eine Diffusionszone 4a in dem Brechungsindexwechselbereich 4
ausgebildet, indem eine vorbestimmte Menge eines Fremdstoffes,
wie beispielsweise Zn, in die obere Überzugsschicht 16
eindiffundiert wird, so daß der Fremdstoff beinahe die
Kernschicht 15 erreicht. Eine schlitzförmige Isolierfilmöffnung
18a wird durch die teilweise Entfernung des Isolierfilms 18
gebildet, der die Oberfläche des Kreuzungsbereiches 3 für eine
vorbestimmte Breite in bezug auf die Längsrichtung des
Kreuzungsbereiches 3 abdeckt. Hiernach wird eine obere Elektrode
19 an der Isolierfilmöffnung 18a angebracht.
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Wenn Licht im Falle dieses optischen
Wellenleiterschalters mit innerer Totalreflexion von dem
einfallseitigen optischen Wellenleiter 2a einfällt, wie von dem
Pfeil p in Fig. 1 dargestellt, ohne jeglichen Betrieb zwischen
der oberen und unteren Elektrode 19 und 11 zu auszulösen,
passiert das Licht direkt und gerade den Kreuzungsbereich 3 und
tritt aus dem emissionsseitigen optischen Wellenleiter 2b aus,
wie von dem Pfeil g gezeigt wird.
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Wenn elektrischer Strom mit einem vorbestimmten Wert z.B.
von der oberen Elektrode 19 über die Isolierfilmöffnung 18a
zugeführt wird, dann wird aber der Brechungsindex desjenigen
Bereichs der Kernschicht 15 vermindert, der unterhalb des
Brechungsindexwechselbereichs 4 liegt. Als Ergebnis entsteht
eine Grenzfläche 4b in dem Kreuzungsbereich 3 zwischen dem
Brechungsindexwechselbereich 4, dessen Brechungsindex
herabgesetzt ist, und den optischen Wellenleitern, deren
Brechungsindex nicht herabgesetzt ist. Die Grenzfläche 4b
befindet sich auf einer geraden Linie, die den Schnittwinkel θ
schneidet.
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Demgemäß ändert das auf den einfailseitigen optischen
Wellenleiter 2a einfallende Licht seinen optischen Pfad in
Richtung des emissionsseitigen optischen Wellenleiters lb, wobei
die Grenzfläche 4b als Reflexionsoberfläche verwendet wird, wie
von der gebrochenen Linie q' in Fig. 1 dargestellt, und tritt
dann aus dem optischen Wellenleiter 1b aus. Die Grenzfläche 4b
des Brechungsindexwechselbereichs 4 ist derart ausgebildet, daß
sie durch die Stromeinspeisung zu einer Oberfläche mit
Totalreflexion wird, und das Licht wird vollständig von dieser
Oberfläche reflektiert, so daß eine Schaltfunktion entsteht.
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Im Falle des oben beschriebenen optischen
Wellenleiterschalters ist jedoch die Isolierfilmöffnung
schlitzförmig, so daß die Grenzfläche 4b des
Brechungsindexwechselbereichs 4, die durch das Eindiffundieren
von Zn durch die Isolierfilmöffnung gebildet wird, eine ebene
Konfiguration aufweist.
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Im Kreuzungsbereich 3 beinhaltet der
Brechungsindexwechselbereich 4 verschiedene Materialien, so daß
sich der Brechungsindex der verbleibenden Abschnitte der
optischen Wellenleiter geringfügig von dem des Bereiches 4
unterscheidet. Auch wenn kein elektrischer Strom von der
Elektrode 19 zugeführt wird, wird das auf den einfallseitigen
optischen Wellenleiter 2a einfallende Licht von der Grenzfläche
4b reflektiert oder gebrochen, was zu einem optischen Verlust
führt. Daher ist der Anfangsübersprechpegel in dem auf Durchgang
geschalteten Zustand hoch.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
optischen Wellenleiterschalter mit innerer Totalreflexion gemäß
Anspruch 1 bereitzustellen, der in der Lage ist, den optischen
Verlust beim Schaltbetrieb zu senken, wodurch der
Anfangsübersprechpegel reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
ein optischer Wellenleiterschalter mit innerer Totalreflexion
bereitgestellt wird, der sich kreuzende optische Wellenleiter
umfaßt, so daß ein Brechungsindexwechselbereich zum Reflektieren
von Licht in einem Kreuzungsbereich zwischen den optischen
Wellenleitern geformt wird, wobei der
Brechungsindexwechselbereich eine konkave Reflexionsoberfläche
aufweist, die in bezug auf einen Seitenabschnitt des
Kreuzungsbereiches vertieft ist.
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Im Kreuzungsbereich des optischen Wellenleiterschalters
mit innerer Totalreflexion ist gemäß der vorliegenden Erfindung
die Grenzfläche (Reflexionsoberfläche), die auf einer durch die
unterschiedlichen Werkstoffe zwischen dem
Brechungsindexwechselbereich und den verbleibenden Abschnitten
der optischen Wellenleiter hervorgerufenen
Brechungsindexdifferenz basiert, konkav.
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Wenn der Brechungsindexwechselbereich nicht aktiviert
ist, wird also das Licht, das sich vom einfallseitigen optischen
Wellenleiter bis hin zur Grenzfläche ausbreitet, gegenüber
Veränderungen des Brechungsindexes in dem
Brechungsindexwechselbereich weniger empfindlich sein, als im
Falle einer ebenen Grenzoberfläche, so daß der
Anfangsübersprechpegel gesenkt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen
herkömmlichen optischen Wellenleiterschalter mit innerer
Totalreflexion zeigt;
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II - II
aus Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie
III - III aus Fig. 1;
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines optischen Schalters
zeigt;
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die
Schaltungseigenschaften des optischen Schalters gemäß Fig. 4
zeigt;
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die
Schaltungseigenschaften einer Modifikation des optischen
Schalters gemäß Fig. 4 zeigt;
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die
Schaltungseigenschaften einer weiteren Modifikation des
optischen Schalters zeigt;
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Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Schalters
zeigt;
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Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die
Schaltungseigenschaften des optischen Schalters gemäß Fig. 8
zeigt;
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Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die
Schaltungseigenschaften einer Modifikation des optischen
Schalters aus Fig. 8 zeigt; und
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Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die noch eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen
Schalters zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines
erfindungsgemäßen Schalters zeigt.
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Der allgemeine Aufbau dieses Schalters unterscheidet sich
von jenigem eines herkömmlichen optischen Wellenleiterschalters
mit innerer Totalreflexion gemäß Fig. 1 nur in der Konfiguration
der Grenzfläche zwischen dem Brechungsindexwechselbereich 4 und
den anderen Abschnitten der optischen Wellenleiter im
Kreuzungsbereich.
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Insbesondere ist die Grenzfläche des
Brechungsindexwechselbereiches 4 derart ausgebildet, daß deren
Abschnitt, der sich von der Kreuzungsstelle A1 zwischen den
einfailseitigen optischen Wellenleitern 1a und 2a, zur
Kreuzungsstelle A2 zwischen den emissionsseitigen optischen
Wellenleitern 1b und 2b erstreckt, eine Austiefung aufweist, die
in bezug auf jenen Seitenabschnitt des Kreuzungsbereiches 3 auf
der Seite des einfailseitigen optischen Wellenleiters 2a (und
des emissionsseitigen optischen Wellenleiters 1b) vertieft ist,
wie aus Fig. 4 hervorgeht.
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In diesem Falle kann die Austiefung beispielsweise eine
gekrümmte Oberfläche sein, die von einem Kreisbogen mit festem
Krümmungsradius R gebildet ist, oder eine gekrümmte Oberfläche,
die von einer Krümmung mit einem sich schrittweise verändernden
Krümmungsradius wie z.B. der Umfang einer Ellipse gebildet ist.
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Im folgenden wird eine präzise Beschreibung eines
Beispiels eines Herstellungsverfahrens eines solchen optischen
Schalters dargelegt.
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Wie in Figur 2 und 3 gezeigt, können z.B. die
Pufferschicht 13 aus beispielsweise n&supmin;GaAs, die untere
Überzugsschicht 14 aus beispielsweise n&supmin;AlGaAs, die Kernschicht
15 aus beispielsweise n&supmin;GaAs, die obere Überzugsschicht 16 aus
beispielsweise n&supmin;AlGaAs und die Deckschicht 17 aus
beispielsweise n&supmin;GaAs nacheinander auf dem Substrat 12 aus
n&supmin;GaAs mittels des MOCVD-Verfahrens aufgebaut werden.
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Hiernach wird der andere Abschnitt der Oberfläche mit
Ausnahme der Isolierfilmöffnung 18a gemäß Figur 4 mit einem
Maskierungswerkstoff überzogen, und Zn wird durch die Öffnung
isa zur Bildung der Zn-Diffusionszone 4a, die die obere
Oberfläche der Kernschicht 15 erreicht, eindiffundiert. Die
Konfiguration der Diffusionszone 4a umfaßt die gekrümmte
Oberfläche, die zwischen den Kreuzungsstellen Al und A2 gemäß
Fig. 4 gekrümmt ist, und von dem Kreisbogen mit dem
Krümmungsradius R ausgebildet ist.
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Hiernach wird der Maskierungswerkstoff entfernt und die
Deckschicht 17 und die obere Überzugsschicht 16 geätzt, so daß
das zu leitende Licht einwellig ist, und die einfailseitigen
optischen Wellenleiter la und 2a, die emissionsseitigen
optischen Wellenleiter ib und 2b und der Kreuzungsbereich 3
jeweils stegförmig ausgebildet sind, so daß der Schnittwinke θ
beträgt.
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Anschließend wird der Isolierflim 18 aus beispielsweise
SiO&sub2; über die gesamte Oberfläche der resultierenden Struktur
gebildet, wobei der Abschnitt, der der Isolierfilmöffnung lsa
aus Fig. 1 entspricht, durch Ätzen entfernt und die obere
Elektrode 19, beispielsweise Ti/Pt/Au, dor angebracht wird.
Zuletzt wird die untere Oberfläche des GaAs-Substrats 12 poliert
und die untere Elektrode 11, beispielsweise aus AgGeNi/Au, dort
angebracht.
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Obwohl die Halbleiter als Werkstoffe des Schalters
beschrieben worden sind, beschränkt sich die vorliegende
Erfindung nicht auf diese, und der Schalter kann alternativ
hierzu aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise
LiNbO&sub3;, gebildet sein. Falls die werkstoffzusammensetzung des
Brechungsindexwechselbereiches verändert wird, kann zudem der
Schaltbetrieb durch das Anlegen von Spannung an die obere
Elektrode durchgeführt werden.
Ausführungsform 1
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Die 0.5 µm dicke Pufferschicht 13 aus n GaAs, die 3.0 µm
dicke untere Überzugsschicht 14 aus n&supmin;Al0.2Ga0.8s, die 0.8 µm
dicke Kernschicht 15 aus n&supmin;GaAs, die 0.8 µm dicke obere
Überzugsschicht 16 aus n&supmin;Al0.2Ga0.8As und die 0.2 µm dicke
Deckschicht 17 aus n&supmin;GaAs werden nacheinander mittels des MOCVD-
Verfahrens auf dem n&supmin;GaAs-Substrat 12 aufgebaut. Dadurch wurde
ein optischer Schalter wie beispielsweise der aus Fig. 4
hergestellt, der einen Krümmungsradius R von 5 mm und einen
Schnittwinkel θ von 4º besitzt.
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Fig; 5 zeigt die Schalteigenschaf ten dieses optischen
Wellenleiterschalters für das Licht mit einer Wellenlänge von
1.55 µm.
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In Fig. 5 stellt der Kreis die Emissionsielstung des
emissionsseitlgen optischen Wellenleiters 2b dar, die erhalten
wird, wenn das Licht von dem einfaliseitigen optischen
Wellenleiter 2a einfällt, und ein schwarzer Bildpunkt stellt die
Emissionsielstung von dem emissionsseitigen optischen
Wellenleiter 1b dar.
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Wenn kein elektrischer Strom an die obere Elektrode 19
angelegt wird, wie in Fig. 5 gezeigt, wandert das einfallende
Licht gerade durch den Kreuzungsbereich 3 und breitet sich bis
hin zum emissionsseitigen optischen Wellenleiter 2b aus. Wenn
der angelegte Strom erhöht wird, steigt die Emissionsielstung
des emissionsseitigen optischen Wellenleiters 1b an, wodurch ein
Schaltbetrieb bei ungefähr 200 mA ermöglicht wird.
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Wie aus Fig. 5 ferner ersichtlich, beträgt der
Anfangsübersprechpegel dieses optischen Schalters ungefähr 18.5
dB. Verglichen mit ungefähr 9.2 dB des Anfangsübersprechpegels
des optischen Schalters mit dem Aufbau gemäß Fig. 11 in dem die
Reflexionsoberfläche des Brechungsindexwechselbereiches eben
ausgebildet ist, zeigt dieser Wert, daß der optische Verlust des
resultierenden optischen Schalters sehr gering ist.
Ausführungsform 2
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Ein optischer Wellenleiterschalter wurde auf die gleiche
Art und Weise gemäß Ausführungsform 1 hergestellt, mit Ausnahme,
daß die Halbleiterzusammensetzung der unteren und oberen
Überzugsschicht 14 und 16 jeweils aus n&supmin;Al0.1Ga0.9As und
n&supmin;Al0.1Ga0.9As bestand, die Kernschicht 15 aus n&supmin;GaAs eine Dicke
von 1.0 µm aufwies, und der Schnittwinkel θ 5º betrug.
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Fig. 6 zeigt die Schalteigenschaften dieses optischen
Wellenleiterschalters für das Licht mit 1.55 µm Wellenlänge.
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In Fig. 6 stellt ein Kreis die Emissionsielstung des
emissionsseitigen optischen Wellenleiters 2b dar, die erhalten
wird, wenn das Licht von dem einfailseitigen optischen
Wellenleiter 2a einfällt, und ein schwarzer Bildpunkt stellt die
Emissionsielstung des emissionsseitigen optischen Wellenleiters
1b dar.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlicb, startet dieser optische
Schalter den Schaltbetrieb bei ungefähr 100 mA und sein
Anfangsübersprechpegel beträgt 16.0 dB.
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Ferner beträgt der Betriebsübersprechpegel dieses
optischen Schalters 17.8 dB. Somit erfahren sowohl die
Anfangsals auch die Betriebsübersprecheigenschaf ten eine bedeutende
Verbesserung.
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Im Falle eines optischen Schalters mit dem Schnittwinkel
θ von 5º und seinem wie in Fig. 1 geformten
Brechungsindexwechselbereiches, betrugen sein Anfangs- und
Betriebsübersprechpegel jeweils 12.4 dB und 18.0 dB.
Ausführungsform 3
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-Ein optischer Wellenleiterschalter wurde auf die gleiche
Art und Weise wie Ausführungsform 2 hergestellt, mit Ausnahme,
daß der Schnittwinkel θ 6º betrug.
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Fig. 7 zeigt die Schalteigenschaften dieses optischen
Wellenleiterschalters für das Licht mit 1.55 µm Wellenlänge.
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In Fig. 7 stellt ein Keis die Emissionsielstung des
emissionsseitigen optischen Wellenleiters 2b dar, die erhalten
wird, wenn das Licht an den einfallseitigen optischen
Wellenleiter- 2a angelegt wird, und ein schwarzer Bildpunkt
stellt die Emissionsleistung für den emissionsseitigen optischen
Wellenleiter ib dar.
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Wie aus Fig. 7 ersichtlich, startet dieser optische
Schalter den Schaltbetrieb bei ungefähr 130 mA und sein
Übersprechpegel beträgt 18.7 dB.
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Ferner beträgt der Betriebsübersprechpegel dieses
optischen Schalters 9.9 dB.
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Im Falle eines optischen Schalters mit einem
Schnittwinkel θ von 6º und seinem
Brechungsindexwechselbereiches, der gemäß Fig. 1 geformt ist,
betrugen der Anfangs- und der Betriebsübersprechpegel jeweils
17.6 dB und 9.6 dB.
Ausführungsform 4
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Ein optischer Wellenleiterschalter wurde auf die gleiche
Art und Weise wie Ausführungsform 2 hergestellt, mit Ausnahme,
daß der Kreuzungsbereich 3 eine breite ebene Konfiguration
aufweist, die parallele Seitenabschnitte, wie in Fig. 8 gezeigt,
besitzt.
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Fig. 9 zeigt die Schalteigenschaften dieses optischen
Wellenleiterschalters für das Licht mit 1.55 µm Wellenlänge.
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In Fig. 9 stellt ein Kreis die Emissionsleistung des
emissionsseitigen optischen Weilenleiters 2b dar, die erhalten
wird, wenn das Licht von dem einfailseitigen optischen
Wellenleiter 2a einfällt, und ein schwarzer Bildpunkt stellt die
Emissionsielstung von dem ernissionsseitigen optischen
Wellenleiter 1b dar.
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Wie aus Fig. 9 ersichtlich, startet dieser optische
Schalter seine Schaltbetrieb bei ungefähr 80 mA, und der
Anfangsübersprechpegel beträgt 15.5 dB.
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Ferner beträgt der Betriebsübersprechpegel dieses
optischen Schalters 18.5 dB. Somit erfahren sowohl die
Anfangsals auch die Betriebsübersprechpegeieigenschaften eine
bedeutende Verbesserung.
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Im Falle eines optischen Schalters mit der ebenen
Konfiguration seines Kreuzungsbereiches 3, der die gleiche
Breite wie die der 4. Ausführungsform besitzt, einem
Schnittwinkel θ von 5º, und einem Brechungsindexwechselbereich,
der gemäß Fig. 1 geformt ist, betrugen der Anfangs- und
Betriebsübersprechpegel jeweils 13.2 dB und 15.3 dB.
Ausführungsform 5
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Ein optischer Wellenleiterschalter wurde auf die gleiche
Art und Weise wie Ausführungsform 4 hergestellt, mit Ausnahme,
daß der Schnittwinkel θ 6º betrug.
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Fig. 10 zeigt die Schalteigenschaften dieses optischen
Wellenleiterschalters für das Licht mit 1.55 um Wellenlänge.
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In Fig. 10 stellt ein Kreis die Emissionsielstung des
emissionsseitigen optischen Wellenleiters 2b dar, die erhalten
wird, wenn das Licht an den einfallseitigen optischen
Wellenleiter 2a angelegt wird, und ein schwarzer Bildpunkt
stellt die Emissionsielstung von dem emissionsseitigen optischen
Wellenleiter 1b dar.
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Wie aus Fig. 10 ersichtlich, startet dieser optische
Schalter den Schaltbetrieb bei ungefähr 110 mA, und sein
Anfangsübersprechpegel beträgt 17.6 dB.
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Ferner beträgt der Betriebsübersprechpegel dieses
optischen Schalters 10.6 dB.
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Im Falle eines optischen Schalter mit dem Aufbau gemäß
Ausführungsform 5, einem Schnittwinkel θ von 6º, und seinem
Brechungsindexwechselbereich, der gemäß Fig. 1 geformt ist,
betrugen der Anfangs- und Betriebsübersprechpegel jeweils 17.3
dB und 8.1 dB.
Ausführungsform 6
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Ein optischer Wellenleiterschalter wurde auf die gleiche
Art und Weise wie Ausführungsform 2 hergestellt, mit Ausnahme,
daß jeder Seitenabschnitt der ebenen Konfiguration des
Kreuzungsbereiches 3 durch den Umfang eines Kreisbogens mit
einem Krümmungsradius von 5 mm gebildet wurden, und daß der
Schnittwinkel θ 4º betrug. Der Anfangsübersprechpegel dieses
Schalters betrug 17.2 dB.
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Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit
Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen
lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden.
Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine
Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die
beispielsweise durch solche Bezugszelchen gekennzeichnet sind.