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Die Erfindung betrifft einen rein
optischen Schalter zum direkten Steuern von Licht mit Licht und insbesondere
einen ultraschnellen, rein optischen Schalter, der als ein optisches
Steuerelement auf dem Gebiet der optischen Faserkommunikation und der
optischen Datenverarbeitung verwendet wird.
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Für
einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb der optischen Faserkommunikation
und eines optischen Datenverarbeitungssystems ist es absolut notwendig,
die Betriebsgeschwindigkeit der für die optische Steuerung verwendeten
Elemente zu erhöhen.
Beim herkömmlichen
optischen Steuerelement ist das elektrooptische Steuerverfahren
verwendet worden, bei dem die optische Steuerung durch elektrische
Signale durchgeführt
wird. Neuerdings hat ein rein optisches System, bei dem die optische
Steuerung durch Licht durchgeführt
wird, als ein Verfahren an Anziehung gewonnen, das einen Betrieb
in höherer Geschwindigkeit
der optischen Elemente ermöglicht. Ein
rein optisches Steuersystem hat viele Vorteile, wie beispielsweise,
dass die Betriebsgeschwindigkeit desselben nicht von der CR-Zeitkonstante
einer Schaltung abhängig
ist und dass es möglich
ist, optische Impulse direkt zu verwenden, wodurch es möglich wird,
sehr viel kürzere
Impulse als elektrische Impulse zu erzeugen.
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Es bleiben jedoch immer noch Schranken
zu überwinden,
um eine rein optische Vorrichtung, die in dem vorstehend beschriebenen
rein optischen Steuersystem verwendet wird, auszuführen. Insbesondere
ist es für
die Ausführung
einer rein optischen Vorrichtung notwendig gleichzeitig Anforderungen,
die für
eine rein optische Vorrichtung erforderlich sind, eine niedrige
Leistungscharakteristik, eine hohe Durchlässigkeit für ein Signallicht und eine
hohe Wiederholungsschaltgeschwindigkeit zu erfüllen. Bezüglich der Anforderungen, die
für eine
rein optische Vorrichtung erforderlich sind, umfassen sie jene,
wie dass der Weg eines Signallichtes durch ein Steuerlicht geändert werden
kann und dass solche Vorrichtungen als Kaskade geschaltet werden
können.
Es gibt zwei Methoden, die die Anforderungen nach den vorstehend
beschriebenen Ausführungen
erfüllen würden; ein
Wellenleiterelement der Mach-Zehnder-Bauart und ein Wellenleiterelement
der gerichteten Koppler-Bauart. Anzugeben ist, dass das Wellenleiterelement
der Mach-Zehnder-Bauart dem Wellenleiterelement der gerichteten
Koppler-Bauart überlegen
ist, weil der Betrieb des ersteren nur die Hälfte der optischen Leistungen
benötigt,
die für
den Betrieb des zuletzt genannten erforderlich ist.
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Der Betrieb einer rein optischen
Vorrichtung basiert auf nichtlinearen Brechungsindexänderungen,
ungeachtet der Konfiguration der rein optischen Vorrichtung. Anders
ausgedrückt,
die Rate und/oder Effizienz der nichtlinearen Brechungindexänderungen
bestimmt die Betriebsgeschwindigkeit und die Energie einer rein
optischen Vorrichtung. Das nichtlineare optische Phänomen, welches
nichtlineare Brechungsindexänderungen
begleitet, kann zu mehreren Gruppen gruppiert werden; als erstes
werden sie bezüglich
dessen gruppiert, ob sie ein Resonanz verstärktes Phänomen haben oder nicht. Anzugeben
ist, dass die vorliegende Technologie eine rein optische Vorrichtung
schaffen könnte,
die in der Lage ist, in der Größenordnung
von THz mit einer ultrahohen Wiederholungsgeschwindigkeit zu arbeiten,
wenn die rein nichtresonanten Effekte verwendet werden. Die Schranke
bei einer derartigen rein optischen Vorrichtung ist jedoch, dass
sie eine signifikant hohe optische Leistung benötigt.
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Das heißt somit, die optische Intensität zu reduzieren,
wobei der Vorteil der Resonanzverstärkung erhalten bleibt. Die
durch Resonanz verstärkten
Effekte können
danach unterteilt werden, ob sie kohärente Effekte sind oder nicht.
Zum Zweck der Durchführung
einer ultraschnellen Antwort ist es wünschenswert, die Kohärenzeffekte
zu verwenden, weil die Antwortzeit desselben nicht von der Longitudinalrelaxationszeit
des elektronischen Systems abhängig ist.
Hierbei bedeuten die Kohärenzeffekte
diejenigen Effekte, bei denen die Korrelation zwischen einer Phase
einer Wellenfunktion des elektronischen Systems und einer Phase
eines Lichtes strikt aufrechterhalten wird, während das Licht mit einer Materie
interagiert. Die Kohärenzeffekte
treten unter der Bedingung auf, dass die Impulsbreite ei nes Lichtes
kürzer als
die Phasenrelaxationszeit der Materie ist, was beispielsweise in
kompaktem GaAs bei Zimmertemperatur im Bereich von 0,1 bis 0,2 Mikrosekunden liegt.
Wenn die Impulsbreite des Lichtes länger als die Phasenrelaxationszeit
ist, tritt eine reale Trägererzeugung
auf. Das Auftreten der realen Trägererzeugung
erfordert eine Longitudinalrelaxation der angeregten Elektronen
und reduziert währenddessen die
Betriebsgeschwindigkeit einer rein optischen Vorrichtung und verhindert
das Auftreten von Kohärenzeffekten.
Wenn die Impulsbreite des Lichtes kürzer als die Phasenrelaxationszeit
ist, ist zu berücksichtigen,
dass die reale Trägererzeugung
infolge von Zwei-Photonen-Absorption usw. auftritt.
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Eine höhere Impulswiederholungsrate
induziert eine stärker
bemerkbare Akkumulation der realen Trägerzeugung. Somit ist zu berücksichtigen, dass
ein ultraschnelles Phänomen,
das mit ultrakurzen Impulsen bei einer Wiederholungsrate von ungefähr 100 MHz,
die durch einen Modus synchronisierten Laser erzeugt worden sind,
beobachtet werden kann, infolge des Einflusses der realen Trägererzeugung
nicht beobachtet werden kann, wenn die Wiederholungsrate sehr viel
höher wird,
um die Trägerlebenszeit
zu überschreiten.
Aus diesen Gründen
wird es als unmöglich
erachtet, eine rein optische Vorrichtung auszuführen, die unter Verwendung
von durch Resonanz verstärkten
Kohärenzeffekten,
wie beispielsweise dem Wechselstrom-Stark-Effekt mit einer ultrahohen
Wiederholungsrate arbeiten kann.
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Andererseits sind die resonanten
inkohärenten
Effekte, die durch die reale Trägererzeugung
verursacht werden, ziemlich praktisch, da zu bedenken ist, dass
eine rein optische Vorrichtung mit niedriger Leistung unter 1 Watt
betrieben werden kann. Die Abschaltzeit oder Relaxationszeit des
optischen nichtlinearen Brechungsindex ist jedoch von der Longitudinalrelaxationszeit
oder der Zwischenbandrekombinationszeit des Trägers abhängig. Da die Zwischenwandrekombinationszeit
in GaAs in der Größenordnung
von Nanosekunden ist, ist es unmöglich,
die Hochgeschwindigkeitseigenschaft von Licht zu verwenden.
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Somit ist es wünschenswert die Relaxationszeit
des inkohärenten
Effektes, wie beispielsweise den Bandfülleffelct, durch irgendein
geeignetes Verfahren zu reduzieren. Es sind einige Verfahren zum Erhöhen der
Geschwindigkeit der Relaxationszeit des Bandfülleffektes bedacht worden.
Ein derartiges Verfahren ist es, Rekombinationszentren durch Protonenbombardement
usw. einzubringen. Dieses Verfahren kann jedoch die Nicht-Linearität in gewissen Fällen zerstören. Die
Erhöhung
der Geschwindigkeit der Relaxationszeit durch Oberflächenrekombination ist
bei einer einfachen Konfiguration, wie beispielsweise Etalon, effizient,
es bleiben jedoch Zweifel bezüglich
der Kompatibilität
mit dem Wellenleiterelement, und es besteht eine Grenzung bei der
Erhöhung
der Geschwindigkeit der Relaxationszeit. Bei irgendeiner Geschwindigkeit
ist es nicht möglich, durch
irgend eines der herkömmlichen
Verfahren eine rein optische Vorrichtung in der Größenordnung von
Picosekunden zu betreiben, bei der die Hochgeschwindigkeitscharakteristik
von Licht vorteilhaft verwendet werden kann. Zusätzlich bleibt das Problem der
Verschlechterung der Nicht-Linearität.
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Zum Überwinden der vorstehenden
Probleme bezüglich
der Charakteristika von nichtlinearem Material ist in der japanischen
ungeprüften
Patentveröffentlichung
Nr. 7-20510, die seit 24. Januar 1995 offengelegt ist und die vom
Erfinder der vorliegenden Erfindung erfunden und vom Anmelder der vorliegenden
Erfindung eingereicht worden ist, und weiterhin in der Veröffentlichung
von S. Nakamura, K. Tajima und Y. Sugimoto: Experimental investigation on
high speed switching characteristics of a novel symmetric Mach-Zehnder
all-optical switch, Applied Physics Letters, Vol. 65, Nr. 3, Seite
283 bis 285, 18. July, 1994, eine rein optische Vorrichtung der Mach-Zehnder-Bauart
vorgeschlagen worden, deren Abschaltzeit nicht von der Longitudinalrelaxationszeit der
Nichtlinearitätseffekte
abhängig
ist. Anzumerken ist, dass der Anmelder die vorstehend genannte japanische
ungeprüfte
Patentveröffentlichung
Nr. 7-20510 nicht als Stand der Technik der vorliegenden Erfindung
ansieht, und dass diese lediglich zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung angeführt
wird.
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Die rein optischen Vorrichtungen
der Mach-Zehnder-Bauart, die in den vorstehend genannten Veröffentlichungen
vorgeschlagen worden sind, haben die vorstehend genannten Probleme
bezüglich
der Charakteristika des nichtlinearen Materials überwunden. Solche rein optischen
Vorrichtungen erfordern jedoch ein paar identischer nichtlinearer
Teile. Tatsache ist, dass es ziemlich schwierig ist, exakt gleiche
nichtlineare Teile herzustellen, und somit bleibt immer noch ein
weiteres Problem, dass eine stabilisierende Schaltung erforderlich
ist, um eine Differenz in der Charakteristik zwischen den zwei nichtlinearen
Teilen zu kompensieren.
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In der Veröffentlichung Applied Physics
Letters vom 22. Mai 1989, USA, Vol. 54, Nr. 21, ISSN 0003-6951,
Seite 2068 bis 2070, XP000080568, von LaGasse u. a. mit dem Titel:
Femtosecond all-optical switching in AlGaAs waveguides using a time
division interferometer",
ist ein Versuchsgerät
offenbart, welches polarisierende Strahlteiler hat. In einem AlGaAs-Stegwellenleiter
werden kollineare Pump-, Prüf- und
Referenzstrahler erzeugt, und die Interferenz zwischen den Prüf- und Referenzstrahlen
wird durch einen Polarisator an einem Ausgang detektiert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
einen rein optischen Schalter zu schaffen, der die Eigenschaft hat,
dass seine Abschaltzeit nicht durch die langsame Longitudinalrelaxationszeit
der nichtlinearen Effekte begrenzt ist, und der eine überlegene
Langzeitstabilität
hat.
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Die Erfindung schafft einen rein
optischen Schalter mit (a) einem ersten polarisierenden Strahlteiler
zum Aufspalten eines Signallichtes in vertikal und horizontal polarisierte
Komponenten, (b) einer Anzahl von total reflektierenden Spiegeln,
die einen optischen Pfad ausgehend von dem ersten polarisierenden
Strahlteiler definieren, zum Einbringen einer Laufzeitdifferenz
A in die vertikal und horizontal polarisierten Komponenten, (c)
einem zweiten polarisierenden Strahlteiler zum Kombinieren der vertikal und
horizontal polarisierten Komponenten zu einem einzigen Signallicht,
(d) einem Halbleiter-Wellenleiter zum
Aufprägen
einer Phasenmodulation auf das Signallicht, wobei der Halbleiter-Wellenleiter
Brechungsindexänderungen
induziert, wenn ein Steuerlicht an ihn angelegt wird, (e) einem
dritten polarisierenden Strahlteiler zum Aufteilen des Signallichtes
in vertikal und horizontal polarisierte Komponenten, (f) einer Kombination
aus einem rechtwinkligen Spiegel und einem Winkelwürfel, wobei
der rechwinklige Spiegel im optischen Pfad einer vertikal und horizontal
polarisierten Komponente des Signallichtes plaziert ist, wobei der
Winkelwürfel
so angeordnet ist, dass er eine der Komponenten emp fängt, die
durch den rechtwinkligen Spiegel reflektiert worden ist, wobei die
Kombination aus einem rechtwinkligen Spiegel und einem Winkelwürfel eine
Laufzeitdifferenz B, die entgegengesetzt zu der Laufzeitdifferenz
A ist, in die vertikal und horizontal polarisierten Komponenten des
Signallichtes einbringt, (g) eine Halbwellenplatte, die die Polarisation
der anderen der Komponenten in entgegengesetzte Polarisation dreht,
um die Polarisation der Komponenten miteinander in Übereinstimmung
zu bringen, und (h) einem Halbspiegel, um die vertikal und horizontal
polarisierten Komponenten des Signallichtes miteinander interferieren
zu lassen.
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Die Erfindung schafft weiterhin einen
rein optischen Schalter, der aus einem Halbleiterchip hergestellt
ist, wobei der Halbleiterchip aufweist (a) einen ersten TE-TM-Teiler
zum Aufspalten eines Signallichtes in vertialen horizontal polarisierte
Komponenten, (b) einen zweiten TE-TM-Teiler zum Empfangen der aufgespaltenen
Komponenten, um sie miteinander zu einem einzigen Strahl zu kombinieren,
(c) einen ersten optischen Pfad, der den ersten TE-TM-Teiler mit
dem zweiten TE-TM-Teiler verbindet, (d) einen zweiten optischen
Pfad, der den ersten TE-TM-Teiler mit dem zweiten TE-TM-Teiler verbindet,
wobei der zweite optische Pfad länger
als der erste optische Pfad ist, wobei die aufgespaltenen Komponenten den
ersten und zweiten optischen Pfad passieren, um eine Laufzeitdifferenz
A zwischen ihnen zu erzeugen, (e) einen nichtlinearen Wellenleiter
zum Aufpräger
einer Phasenmodulation auf das Signallicht, wobei der nichtlineare
Wellenreiter Brechungsindexänderungen
induziert, wenn an ihn ein Steuerlicht angelegt wird, (f) einen
dritten TE-TM-Teiler
zum Aufspalten des Signallichtes in vertikal und horizontal polarisierte
Komponenten, (g) einen dritten optischen Pfad zum Einbringen einer
Laufzeitdifferenz B in die vertikal und horizontal polarisierten
Komponenten des Signallichtes, die entgegengesetzt zu der Laufzeitdifferenz
A ist, (h) einen TE-TM-Wandler um die Polarisation der vertikal
und horizontal polarisierten Komponenten des Signallichtes in Übereinstimmung
miteinander zu bringen, und (i) einen 3 dB-Koppler, um die vertikal
und horizontal polarisierten Komponenten des Signallichtes miteinander
zur Interferenz zu bringen.
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In einem rein optischen Schalter
gemäß der vorstehend
beschriebenen Erfindung ist die Schaltgeschwindigkeit nicht durch
eine langsame Relaxationszeit beschränkt, wodurch ein hoch effizienter nichtlinearer
optischer Effekt charakterisiert ist, und zwar selbst dann, wenn
ein hocheffizienter Bandfülleffekt
verwendet wird. Somit ist es möglich,
ein ultraschnelles optisches Schalten in der Größenordnung von Picosekunden
zu bewerkstelligen. Zusätzlich
erfordert der rein optische Schalter gemäß der Erfindung nur einen nichtlinearen
Wellenleiter anders als der herkömmliche,
symmetrische rein optische Schalter von Mach-Zehnder-Bauart, woraus eine bessere
Langzeitstabilität
resultiert. Darüberhinaus ermöglicht ein
hoch empfindlicher nichtlinearer Brechungsindexeffekt, der in dem
rein optischen Schalter gemäß der Erfindung
verwendet wird, dass der rein optische Schalter mit geringer Leistung
arbeitet.
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben
und vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus
der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden Figuren hervor,
in welchen in allen Zeichnungen gleiche Bezugsziffern gleiche oder ähnliche
Teile bezeichnen.
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1 ist
eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform
des rein optischen Schalters gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Signalformen
des Signallichtes zur Erläuterung
des Prinzips der ersten Ausführungsform;
und
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3 ist
eine Draufsicht zur Veranschaulichung der zweiten Ausführungsform
des rein optischen Schalters gemäß der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert.
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1 veranschaulicht
den rein optischen Schalter gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Auf einem optischen Pfad eines Signallichtes
SL sind ein erster und ein zweiter polarisierender Strahlteiler
(PBS) 1 und 2 nebeneinander gestellt. Da das Signallicht
SL im Winkel von 45 Grad relativ zur Ebene der 1 polarisiert ist, wird das Signallicht
SL durch den ersten polarisierenden Strahlteiler 1 in zwei
Komponenten geteilt, d. h. in eine p-polarisierte Komponente und
eine s-polarisierte Komponente. Hierbei entspricht das horizontal
polarisierte Licht dem p-polarisierten Licht in der Terminologie,
die in Verbindung mit den polarisierenden Strahlteiler verwendet
wird. Die p-polarisierte Komponente wird horizontal polarisiert,
nämlich
in der Ebene der 1,
und geht durch den ersten polarisierenden Strahlteiler 1 und
geht gerade zum zweiten polarisierenden Strahlteiler 2.
Die s-polarisierte Komponente ist durch den ersten polarisierenden Strahlteiler 1 vertikal
polarisiert und wird reflektiert. Die reflektierte s-polarisierte
Komponente wird durch die Totalreflexionsspiegel 3 und 4 zweimal
reflektiert und tritt somit in den zweiten polarisierenden Strahlteiler 4 ein.
Somit werden die p- und s-polarisierten Komponenten in dem zweiten
polarisierenden Strahlteiler kombiniert.
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Es ist offensichtlich, dass die s-polarisierte Komponente
bezogen auf die p-polarisierte Komponente eine unterschiedliche
optische Länge
durchläuft.
Demgemäß induziert
die Differenz der optischen Länge
zwischen den p- und s-polarisierten Komponenten eine Laufzeitdifferenz
zwischen den p- und s-polarisierten Komponenten. Dieser Zustand
ist in der 2-B gezeigt, in welcher
die p- und s-polarisierten Komponenten der Klarheit halber separat dargestellt
sind, obwohl sie tatsächlich
miteinander kombiniert sind.
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Die kombinierten p- und s-polarisierten
Komponenten, nämlich
das Signallicht SL, geht durch einen Wellenlängenselektionsspiegel 5 und
tritt dann in einen Halbleiterwellenleiter 6 mit Einzelmodus
ein. Der Halbleiterwellenleiter 6 besteht aus einem GaAs-Kern
und einer AlGaAs-Hülle.
Durch den Wellenlängenselektionsspiegel 5 wird
Steuerlicht CL reflektiert und tritt dann zusammen mit dem Signallicht SL
in den Halbleiterwellenleiter 6 ein. Das Signallicht SL
ist so gewählt,
dass es eine Wellenlänge
von 900 nm hat, die innerhalb des transparenten Wellenlängenbandes
des Halbleiterwellenleiters 6 liegt, und das Steuerlicht
CL ist so gewählt,
dass es eine Wellenlänge
von 870 nm hat, die innerhalb des Absorptionswellenlängenbandes
des Halbleiterwellenleiters 6 liegt. Das Steuerlicht CL
besteht aus ultrakurzen Impulsen, die bei halbem Maximum eine volle
Breite von 1 Picosekunden haben. Wenn demgemäß 1 Picosekunde vergangen ist,
nachdem der Steuerimpuls in den Halbleiterwellenleiter 6 eingetreten
ist, werden in dem Halbleiterwellenleiter Fototräger (Elektronen-Loch-Plasma)
mit einer räumlich
gemittelten Dichte von 3 × 1016/cc in dem Halbleiterwellenleiter erzeugt.
Die Erzeugung von Fototrägern ändert den
Brechungsindex des Halbleiterwellenleiterkerns, wie dies in der 2-C gezeigt ist. Diese Brechungsindexänderung
ist eine nichtlineare Änderung.
Als Ergebnis wird das Signallicht SL, welches durch den Halbleiterwellenleiter 6 hindurch
geht, einer Phasenmodulation (PM) mit π-rad unterzogen. Da die Fototräger eine
Lebensdauer von einer Nanosekunde haben, ist die Phasenmodulation
durch eine Exponentialfunktion definiert, in welcher in erster Näherung der Anfangswert π-rad und
die Zeitkonstante 1 Nanosekunde sind. Dieser Zustand ist
in der 2-D gezeigt. Wie vorstehend
angegeben ändert
sich der Grad der Phasenmodulation, d. h. die Trägerdichte, während einigen
zehn Picosekunden, da die Zeitkonstante eine Nanosekunde ist, wie
dies in der 2 gezeigt
ist.
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Der Halbleiterwellenleiter 6 wird
durch das Steuerlicht CL angeregt und prägt wie in der 2C gezeigt,
dem Signallicht SL die Phasenmodulation dabei auf. Als ein Ergebnis
wird die Phase des Signallichtes SL geändert, wie dies in der 2-D gezeigt ist. In der 2-D werden
nur die schwarzen Impulse einer Phasenverschiebung um π-rad unterzogen,
wie dies in der 2-C gezeigt ist.
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Das Signallicht SL, welches durch
den Halbleiterwellenleiter hindurch gegangen ist, wird durch einen
dritten polarisierenden Strahlteiler 7 wiederum in p- und
s-polarisierte Komponenten aufgespalten. Die p-polarisierte Komponente
geht durch den dritten polarisierenden Strahlteiler hindurch, während die s-polarisierte
Komponente durch den dritten polarisierenden Strahlteiler 7 reflektiert
wird. In dem optischen Pfad der p-polarisierten Komponente ist ein rechtwinkeliger,
dreiecksförmiger
Spiegel 11 angeordnet. Oberhalb des rechtwinkeligen Spiegels 11 ist auch
ein Winkelwürfel 12 angeordnet,
sodass er die p-polarisierte Komponente, welche von dem rechtwinkeligen
Spiegel 11 reflektiert worden ist, aufnimmt. Der rechtwinkelige
Spiegel 11 kooperiert mit dem Winkelwürfel 12 so zusammen,
dass er eine Lichtverzögerungsschaltung
bildet. Die p-polarisierte Komponente, die durch die dritte polarisierende Komponente 7 hindurch
gegangen ist, wird durch den rechtwinkeligen Spiegel 11 und
den Winkelwürfel 12 viermal
reflektiert. Auf diese Art und Weise verleiht die Lichtverzögerungsschaltung
bestehend aus dem rechtwinkeligen Spiegel
11 und dem Winkelwürfel 12 den
p- und s-polarisierten Komponenten eine Laufzeitdifferenz. Anzumerken
ist, dass die Laufzeitdifferenz, die durch den Lichtverzögerungsschaltkreis verliehen
wird, genau entgegengesetzt zu der Laufzeitdifferenz ist, die durch
das Paar totalreflektierender Spiegel 3 und 4 dem
Signallicht SL verliehen wird. Die Struktur der Lichtverzögerungsschalung
ist nicht auf die Kombination aus rechtwinkeligem Spiegel 11 und
Winkelwürfel 12 begrenzt.
Beispielsweise können
stattdessen vier totalreflektierende Spiegel verwendet werden.
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Die s-polarisierte Komponente, die
durch den dritten polarisierenden Strahlteiler 7 reflektiert wird,
wird durch die totalreflektierenden Spiegel 8 und 10 weiter
reflektiert. Während
die s-polarisierte Komponente vom Spiegel 8 zum Spiegel 10 geschickt
wird, geht die s-polarisierte Komponente durch eine Halbwellenplatte 9,
wodurch die s-polarisierte Komponente in ihrer Polarisationsrichtung
in eine p-polarisierte Komponente gedreht wird. Dieser Zustand ist
in der 2-E gezeigt.
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Diese zwei Komponenten, von denen
eine durch den rechtwinkeligen Spiegel 11 und den Winkelwürfel 12 verläuft und
die andere durch den total reflektierenden Spiegel 8, die
Halbwellenplatte 9 und den total reflektierenden Spiegel 10 verläuft, treffen sich
wieder am Halbspiegel 13 und interferieren miteinander.
Eine Phasendifferenz zwischen diesen Komponenten bewirkt, dass das
Signallicht den Halbspiegel 13 durch unterschiedliche Ausgänge verläßt. Die
Einzelheit ist in der 2-F gezeigt.
Da im Einzelnen die ersten Impulse der Komponenten keiner Phasenmodulation
unterzogen sind, verstärken
sie einander am Ausgang A und schwächen einander am Ausgang B
als Ergebnis der Interferenz miteinander. Somit verlassen die ersten
Impulse den Halbspiegel 13 durch den Ausgang A. Da andererseits
einer der zweiten Impulse der zwei Komponenten einer Phasenmodulation
unterzogen wurde, haben sie eine Phasendifferenz von π-rad zueinander. Somit
ist der Zustand der Interferenz umgekehrt, und dadurch verlassen
die zweiten Impulse den Halbspiegel 13 durch den Ausgang
B. Dritte Impulse wurden beide einer Phasenmodulation mit π-rad unterzogen
und haben daher keine Phasendifferenz. Demgemäß verlassen die dritten Impulse
den Halbspiegel 13 durch den Ausgang A, ähnlich wie
die ersten Impulse.
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Wie früher erwähnt, begleiten hochempfindliche
nichtlineare Brechungsindexänderungen
immer eine langsame Relaxationszeit. Somit verwendet der rein optische
Schalter gemäß der Erfindung
die nichtlinearen Brechungsindexänderungen,
wie in der 2-C gezeigt, wobei der
rein optische Schalter es möglich
macht, ein ultraschnelles Schalten zu bewerkstelligen. Da zusätzlich der
rein optische Schalter nur einen nichtlinearen Teil erfordert, der
dem Halbleiterwellenleiter 6 in der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
entspricht, hat der rein optische Schalter den Vorteil einer Langzeitstabilität.
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In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
ist der rein optische Schalter aus verschiedenen optischen Komponenten
aufgebaut. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass der rein optische
Schalter gemäß der Erfindung
auch aus einem Halbleiterchip aufgebaut sein kann. 3 veranschaulicht einen rein optischen
Schalter 20 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der aus einem Halbleiterchip gebildet
ist. Der dargestellte rein optische Schalter 20 hat einen
ersten TE-TM-Teiler 21 zum Aufspalten des empfangenen Signallichtes
SL in TE- und TM-polarisierte Komponenten und einen zweiten TE-TM-Teiler 22 zum Empfangen
der TE- und TM-polarisierten Komponenten, um diese wiederum zu einem
Signallicht SL zu kombinieren. Im Fall des Durchtritts durch freien Raum,
wie bei der vorstehenden Ausführungsform, sind
die Polarisationszustände
als p- oder s-Polarisation bezeichnet, aber im Wellenleiter sind
sie als TE- oder TM-Polarisation bezeichnet. Der erste TE-TM-Teiler 21 ist
an den zweiten TE-TM-Teiler 22 über erste und zweite optische
Pfade 30A und 30B angeschlossen, durch welche
die TE- bzw. TM-polarisierten
Komponenten übertragen
werden. Wie in der 3 dargestellt,
ist der zweite optische Pfad 30-B so gestaltet, dass er
länger
als der erste optische Pfad 30-A ist. Somit wird zwischen
den TE- und TM-polarisierten Komponenten eine Laufzeitdifferenz
gebildet.
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Durch einen Wellenlängenwellkoppler 25 wird
Steuerlicht CL in den rein optischen Schalter eingeleitet und tritt
zusammen mit dem Signallicht SL in einen nichtlinearen Wellenleiter 26 ein.
Der nichtlineare Wellenleiter 26 induziert Brechungsindexänderungen
durch das angelegte Steuerlicht CL und prägt somit dem Signallicht SL
eine Phasenmodulation auf.
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Das Signallicht SL wird durch einen
dritten TE-TM-Teiler 27 wiederum in TE- und TM-polarisiere Komponenten
aufgespalten. Die TM-polarisierte Komponente wird über einen
dritten optischen Pfad 3-A übertragen, während die
TE-polarisierte Komponente über
einen vierten optischen Pfad 31-B übertragen wird. Die TE-polarisierte
Komponente wird durch einen TE-TM-Wandler 29, der in dem
vierten optischen Pfad angeordnet ist, in ihrer Polarisation in eine
TM-polarisierte Komponente umgewandelt. Zusätzlich prägt eine Differenz in der optischen
Länge zwischen
dem dritten und dem vierten optischen Pfad 31-A und 31-B den
TE- und TM-polarisierten Komponenten eine Laufzeitdifferenz auf.
Diese Laufzeitdifferenz liegt genau entgegengesetzt zu derjenigen,
die durch den ersten und den zweiten optischen Pfad 30-A und 30-B aufgeprägt wird.
Dann werden die TE- und TM-polarisierten Komponenten an einem 3-dB-Koppler 23 zur
Interferenz gebracht und verlassen den rein optischen Schalter 20 durch
einen Ausgang A oder B.
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Die vorstehend genannten Elemente
sind alle auf einem Wafer durch Ätzen
ausgebildet. Das Ätzen
ist tiefer als eine Kernschicht, und daher ist der rein optische
Schalter 20 als Steg-Bauart gestaltet. Es sollte jedoch
angemerkt werden, dass der nichtlineare Wellenleiter 26 andere
Bauarten aufweisen kann, wie beispielsweise eine Streifen belastete
Bauart.
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Der nichtlineare Wellenleiter 26 hat
infolge von wahlweisem Wachsen und Nachwachsen einen Kern mit einer
engeren Bandlücke
als der Rest desselben. Der nichtlineare Wellenleiter 26 entspricht dem
Halbleiterwellenleiter 6 der ersten Ausführungsform,
die in der 1 dargestellt
ist. Die TE-TM-Teiler 21, 22 und 27 entsprechen
jeweils den polarisierenden Strahlteilern 1, 2 und 7 der
ersten Ausführungsform. Ähnlich entsprechen
der Wellenlängenwählkoppler 25,
der TE-TM-Wandler 29 und der 3-dB-Koppler 23 dem
Wellenlängenselektionsspiegel 5,
der Halbwellenplatte 9 bzw. dem Halbspiegel 3 der ersten
Ausführungsform
und haben die gleiche Funktion. Somit hat die in der 3 gezeigte zweite Ausführungsform
das gleiche Betriebsprinzip wie die in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
Die TE-TM-Teiler 21, 22 und 27 und der
TE-TM-Wandler 29 können
durch Anordnen einer Differenz der Laufzeitkonstanten der TE- und
TM-Modi der Wellenleiter mit einem bestimmten Wert hergestellt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand gewisser bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist zu ersehen, dass der Gegenstand der
durch die vorliegende Erfindung vorgestellt worden ist, nicht auf
diese spezifischen Ausführungsformen
begrenzt ist. Im Gegenteil, besteht die Intention für den Gegenstand
der Erfindung, dass er alle alternativen Modifikationen einschließt, wie
sie innerhalb des Umfanges der folgenden Patentansprüche enthalten
sein können.
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Beispielsweise können, obwohl bei den vorstehend
beschriebenen Auführungsformen
ein Material der GaAs-Familie verwendet worden ist, andere Materialien,
wie beispielsweise InP, InGaAsP und GaAlAs, für jede deren Wellenlängen verwendet
werden. Obwohl die Ausführungsformen
nichtlineare Brechnungsindexänderungen,
die durch einen Bandfülleffekt
des Halbleiterwellenleiters verursacht werden, anwenden, können zusätzlich die
gleichen Effekte selbst dann erhalten werden, wenn die Nichtlinearität eines
Halbleiters verwendet wird, in welchem Träger in Form von Strom eingeleitet
werden, wie dies von R. J. Manning u. a. in Electronic Letters,
Vol. 30, Nr. 10, Seite 787–788,
1994, vorgeschlagen worden ist. Die in den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
verwendeten optischen Elemente und Komponenten können durch andere Elemente und
Komponenten ersetzt werden, wenn sie die gleiche Funktion und die
gleichen Wirkungen wie diese optischen Elemente und Komponenten
der Ausführungsformen
haben.