FR2503394A1

FR2503394A1 - Element de commutation optique et matrice de commutation optique avec de tels elements

Info

Publication number: FR2503394A1
Application number: FR8205325A
Authority: FR
Inventors: Masahiro Ikeda
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1982-03-29
Publication date: 1982-10-08
Also published as: US4521069A; FR2503394B1; CA1178703A; DE3210980A1; DE3210980C2

Abstract

UN ELEMENT DE COMMUTATION OPTIQUE COMPREND UNE JONCTION P-N 12, 13-9 ET 10 AVEC UNE COUCHE ACTIVE INTERMEDIAIRE 11 COUPLEE A DES GUIDES OPTIQUES D'ENTREE ET DE SORTIE 10. UN SIGNAL OPTIQUE D'ENTREE AYANT UNE LONGUEUR D'ONDE VOISINE DU CENTRE DE LA REPONSE SPECTRALE DE GAIN RELATIVE A LA JONCTION P-N EST APPLIQUEE A LA COUCHE ACTIVE ET LE SIGNAL D'ENTREE EST BLOQUE OU EST CONDUIT A TRAVERS L'ELEMENT EN FONCTION DU COURANT D'INJECTION APPLIQUE A LA JONCTION P-N. POUR L'ETAT CONDUCTEUR CORRESPONDANT A LA TRAVERSEE DU SIGNAL OPTIQUE VERS LA SORTIE, LE COURANT D'INJECTION EST ENTRE 80 ET 90 DU COURANT DE SEUIL DECLENCHANT L'OSCILLATION DANS LA JONCTION P-N. LORSQUE LE COURANT D'INJECTION EST NUL, LE SIGNAL D'ENTREE EST BLOQUE ET N'EST PAS TRANSMIS VERS LA SORTIE.

Description

ELEMENT DE COMMUTATION OPTIQUE ET MATRICE DE COMMUTATION

OPTIQUE AVEC DE TELS ELEMENTS.

La présente invention concerne un commutateur optique et plus particulièrement un élément de commutation optique ayant de petites dimensions et une vitesse de commutation élevée. La Fig. 1 montre des commutateurs optiques connus. Dans cette figure, 1 désigne un guide d'onde optique d'entrée, 2 un guide d'onde optique de sortie, 3 une lentille fournissant

un faisceau optique parallèle et 4 un miroir mobile. Le com-

mutateur optique selon la Fig. 1 commute un signal optique en introduisant un miroir dans une voie optique ou en retirant

mécaniquement un miroir d'une voie optique. Puisque le dé-

placement mécanique d'un miroir est essentiel dans le commu-

tateur selon la Fig. 1, la vitesse de fonctionnement du com-

mutateur est plutôt lente, de quelques millisecondes, et la

dimension du commutateur ne peutpas être petite.

La Fig. 2 montre un autre commutateur optique connu du type coupleur directionnel dans lequel 5 désigne une électrode et 6 un cristal électrooptique, par exemple de formule Li Nb 03 ou Li Ta O., pour commander le degré de couplage du coupleur directionnel. Le commutateur optique de la Fig.2

présente les inconvénients suivants: -

a) le niveau de diaphonie est élevé et peut même attein-

dre par exemple - 10 dB ou - 20 dB;

b) les tolérances de fabrication permises sont très sé-

vères; c) une tension de polarisation continue est nécessaire d) l'affaiblissement d'insertion est grand; et e) un grand substrat est nécessaire lorsqu'un

équipement à nombreux commutateurs est construit.

Un autre commutateur optique connu fait appel à un cris-

tal liquide ou réflecteur électro-optique, comme divulgué dans la DE-B-2. 238.336 et le US-A-4.065.729. Selon le premier de ces documents de brevet, une commutation optique est obtenue par commande de polarisation; la vitesse de commutation est -2- cependant très faible et chaque commutation peut durer

environ 50 ms. Selon le second document de brevet, une com-

mutation optique est accomplie par commande de l'indice de réfraction mais présente l'inconvénient que le niveau de diaphonie est élevé, l'affaiblissement d'insertion est élevé

et la tension pour commander la commutation doit être grande.

Un autre commutateur optique connu est décrit dans l'ar-

ticle intitulé "Electroabsorption in AlyGa (1Y)As-AlxGa(1 xpAs

double heterostructures" par F.K.Reinhart, paru dans Appl.

Phys. Letters, vol.22, pages 372-374, 1973. Ce commutateur utilise l'effet Franz-Kerdish et fonctionne avec une rapidité de commutation élevée. Cependant il a les inconvénients que l'isolement est faible et que l'affaiblissement d'insertion

est grand.

Un autre commutateur optique connu est décrit dans l'article intitulé "Design and development of a high-speed electro-optic A/D converter" par F.J. Leonberger et al, paru

dans IEEE Trans. CAS-26, pages 1125-1131, 1979. Ce commuta-

teur peut fonctionner à une vitesse de commutation élevée,

mais l'isolement est faible, il nécessite une tension de po-

larisation continue, confère un affaiblissement d'insertion

élevé et a sa polarisation dépendante de la commutation.

Un autre commutateur optique connu est un commutateur opto-

électronique possédant une photodiode. La commutation de la

tension de polarisation de la photodiode réalise la commuta-

tion d'un signal optique en un signal électrique. Ce commu-

tateur est à large bande, à isolement élevé, à vitesse de com-

mutation élevée, mais a l'inconvénient qu'un signal électri-

que doit être converti en un signal optique afin de réaliser

un commutateur optique.

La présente invention a pour but d'obvier aux inconvé-

nients des commutateurs optiques connus précédents en fournis-

sant un élément de commutation optique à petites dimensions, fonctionnant à vitesse élevée, ayant une grande fiabilité, une bande de fréquence large et un affaiblissement d'insertion petit. A ces fins, un élément de commutation optique ayant un -3- substrat semiconducteur et une jonction '-N incluant des

couches semiconductrices de type P et ces couches semiconduc-

tricG de type N, est caractérisé en ce que la jonction P-N

comprend une couche active couplée avec au moins l'une des-

dites couches de type N et de type P et est disposée sur le-

dit substrat semiconducteur et en ce que ledit élément de com-

mutation optique comprend des moyens tels qu'un guide d'onde optique pour appliquer un signal optique d'entrée à ladite couche active, des moyens tels qu'un guide d'onde optique

couplés à ladite couche active pour recevoir un signal opti-

que de sortie et des moyens pour appliquer un courant d'injec-

tion dans ladite jonctionP-N en vue de commuter le signal optique, la longueur d'onde du signal optique d'entrée étant voisine du centre de la courbe spectrale de gain définie par

la structure de la jonction P-N.

De préférence, le courant d'injection pour commander l'état conducteur dudit élément est compris entre 80% et 90% du courant de seuil déclenchant les conditions d'oscillation dans la jonctionP-N et le courant d'injection pour commander

l'état bloqué dudit élément est voisin de zéro.

D'autres avantages et caractéristiques de la présente in-

vention apparaîtront plus clairement à la lecture de la des-

cription suivante en référence aux dessins annexés, dans les-

quels: - la Fig. 1 montre la structure d'un commutateur optique selon l'art antérieur déjà commenté; - la Fig. 2 montre un autre commutateur optique selon l'art antérieur déjà commenté; - la Fig. 3 montre la structure schématique d'un élément de commutation optique selon l'invention; - la Fig. 4A représente des courbes de puissance optique

de sortie d'un amplificateur laser à semiconducteur en fonc-

tion d'un courant d'injection normalisé en vue de l'explica-

tion du fonctionnement selon l'invention; - la Fig. 4B montre les courbes de gain et de perte en fonction de la longueur d'onde pour un élément de commutation optique selon l'invention; -4-

- la Fig. 5 est une vue en coupe d'un élément de commu-

tation optique selon l'invention - la Fig. 6 est une vue en coupe le long de la ligne A-A de la Fig. 5 - la Fig. 7 montre la relation entre la longueur d'onde et la constante de phase d'un guide optique de couplage; la Fig. 8 est une vue en coupe d'un autre élément de commutation optique selon l'invention; - la Fig. 9 est une vue en coupe le long de la ligne AA de la Fig. 8; - la Fig. 10 est une vue en coupe le long de la ligne B-B de la Fig. 8; - les Figs. 11A, 11B et 11C montrent des combinaisons d'éléments de commutations optiques pour former une matrice de commutation optique; et - la Fig. 12 montre une autre combinaison d'éléments de commutations optiques pour former une matrice de commutation optique. La Fig. 3 montre la structure schématique d'un élément de commutation optique selon l'invention. Dans cette figure, 1 désigne un guide d'onde optique d'entrée, 2 un guide d'onde

optique de sortie, 7 un dispositif à jonction P-N, V la ten-

sion de polarisation du dispositif et RL une résistance de charge. De préférence, les faces extrêmes du dispositif 7 sont recouvertes d'un film mince diélectrique afin que le coefficient de réflexion de ces faces soit inférieur à 0,1%, et la longueur L du dispositif à jonction P-N est

inférieure à 300 pm et de préférence inférieure à 100 mm.

Lorsque la tension de polarisation sature ou bloque le

dispositif 7 à jonction P-N, le commutateur optique est con-

ducteur ou bloqué.

La Fig. 4A montre la courbe relative à la puissance op-

tique de sortie - en ordonnée - en fonction du courant d'in-

jection appliqué à l'amplificateur laser semiconducteur - en abscisse -, pour deux échantillons d'essais LD1 et LD2 (voir l'article intitulé "The gain, gain saturation and noise of a semiconductor laser amplifier" par Mukai et al, -5- dans OQE 80-71, rapport d'étude de Institute of Electronics and Communications du Japon. Le courant sur l'axe des abscisses dans la Fig. 4A est indiqué sous la forme d'un courant normalisé fonction du rapport d'un courant réel et du courant de seuil qui déclenche l'oscillation laser. Comme il apparaît à la Fig. 4A, lorsque le courant d'injection J est voisin du courant de seuil Jth des amplificateurs laser

à semiconducteur LD1 et LD2' le gain de l'amplificateur la-

ser est presque de 20 dB et, d'autre part, lorsque le courant d'injection est nul, le dispositif à jonction P-N confère une atténuation supérieure à 80 dB. Dans ces conditions,

lors du passage d'un courant d'injection entre zéro à un cou-

rant voisin du courant de seuil, une commutation optique est réalisée et l'isolement (différence entre le gain à l'état conducteur et l'affaiblissement à l'état bloqué) de l'élément de commutation optique est supérieur à 100 dB. Le courant de seuil d'un amplificateur laser typique à semiconducteur est 60 mA et la commutation à vitesse élevée est réalisée en moins de 10 ns. La largeur de bande de l'amplificateur laser à semiconducteur est plus grande que 1 GHz ce qui est

suffisant pour des communications à large bande.

Puisqu'un élément amplificateur laser à semiconducteur est utilisé comme un élément de commutation optique selon la présente invention, une commutation entre signaux optiques est possible également en vertu du fait qu'un élément a un gain, un affaiblissement d'insertion petit et un niveau de diaphonie faible. En outre, aucun organe mécanique n'étant utilisé, une commutation à grande vitesse dans une bande de

fréquence large est possible.

La Fig. 4B montre la réponse spectrale, c'est-à-dire la courbe de gain en fonction de la longueur d'onde pour un élément de commutation optique selon l'invention. Dans cette figure, l'axe des abscisses indique la longueur d'onde d'un signal optique d'entrée et l'axe des ordonnées indique le gain à l'état conducteur et l'affaiblissement d'insertion à l'état bloqué. La courbe A est une courbe expérimentale

pour la structure semiconductrice des Figs. 8 à 10 dans la-

-6- quelle la longueur L dans le commutateur optique le long du chemin suivi par le signal optique est égale à 300 pm, et le courant d'injection I est I = 0,861, o Ith est le courant de seuil au début de l'oscillation dans la jonction P-N1. De préférence, le courant d'injection I est inférieur à 90% du courant de seuil Ith et est supérieur à 80% du courant de seuil Ith pour produire la commutation stable,

le gain suffisant, la largeur de bande suffisante et les ca-

ractéristiques de saturation satisfaisantes du signal optique d'entrée. Comme le montre la courbe A de la Fig. 4B, la largeur de bande à 1 dB est plus grande que 100 A* c'est-à-dire la largeur de bande avec une différence de gain de 1 dB est plus grande que 100 A La courbe B de la Fig. 4B est la courbe obtenue par le calcul lorsque le commutateur est à l'état bloqué pour

lequel le courant d'injection I est nul. Comme cela appa-

ra t dans la Fig. 4B, l'isolement entre le gain lorsque le commutateur est à l'état conducteur, et l'affaiblissement

d'insertion lorsque le commutateur est à l'état bloqué, at-

teint au moins 500 dB.

La longueur d'onde d'un signal optique d'entrée est choisie de sorte qu'elle soit voisine du centre de la courbe spectrale de gain A de la Fig. 4B et pour une réalisation préférée, la longueur d'onde est égale à 0, 825 pm. Le centre de la courbe spectrale de gain est déterminé par le matériau semiconducteur utilisé et les proportions des composants

dans ce matériau semiconducteur.

La Fig. 5 montre la structure détaillée d'un mode de

réalisation d'un élément de commutation optique selon l'in-

vention dans lequel un élément de jonction P-N est utilisé comme élément de commutation. La Fig. 6 est une vue en coupe

le long de la ligne A-A de la Fig. 5.

L'élément de commutation montré aux Figs. 5 et 6 fonc-

tionne pour une longueur d'onde d'environ 1,55 pm pour la-

quelle les affaiblissements d'insertion dans des fibres en

silice sont minimaux.

Dans les Figs. 5 et 6, 9 désigne un cristal semicon-

-7- ducteur du type N en InPetlO un cristal semiconducteur du type N en Ga In AsP pour former un guide d'onde. L'indice de réfraction et l'énergie de bande interdite du guide d'onde 10 sont déterminés convenablement en sélectionnant la proportion de chacun des composants des semiconducteurs. Le repère numérique 11 désigne une couche active couplée à une jonction P-N et constituée d'un cristal semiconducteur

intrinsèque Ga In As P et 12 désigne un cristal semicon-

ducteur du type P en Ga In As P appelé "contre-couche d'anti-fusion" relative à la croissance ultérieure d'un

cristal. Le repère numérique 13 désigne un cristal semi-

conducteur du type P en In P et 14 un cristal semiconduc-

teur du type P en Ga In As P appelé " couche de tête" qui forme le contact électrique entre l'élément semiconducteur et une électrode. Le repère numérique 15 désigne une couche

isolante en Si 02 pour prévoir une électrode comme un ruban.

Le repère numérique 16 désigne une électrode en Au et 17

désigne un fil conducteur connectés l'électrode 16.

La structure selon les Figs. 5 et 6 est une structure à hétérojonction du type "noyée" et est fabriquée suivant un

procédé analogue à celui d'un laser semiconducteur classique.

En premier lieu, chaque couche dans la Fig. 5 à partir de la couche 9 jusqu'à la couche de tête 14 est obtenue par un processus de croissance de cristal, et ensuite un modèle désiré de guide d'onde est obtenu par un procédé de gravure

ou d'attaque chimique pour le produit semiconducteur. Lors-

qu'un guide d'onde a une partie courbe, ledit procédé de gravure est produit par une attaque par pulvérisation active utilisant un gaz tel que CCI2F2, Ar, 2 ou analogue. Ensuite, une couche 9' du type N en InP croît sur les côtés des guides d'onde pendant le processus de croissance de cristal et la

structure de la Fig. 6 est obtenue.

L'indice de réfraction dans chacune des couches de la

structure de la Fig. 6 est indiqué à gauche dans la Fig.6.

Les relations entre l'énergie de bande interdite et l'indice de réfraction, et la nronortion de chacun des composants dans le Ga In As p sontindiquées dans l'article intitulé "Band gap versus composition and démonstration of Vigards law for

-- g --

In (1x) Ga As P(1 y) lattice matched to InP" par R.E.Nabory, I(1_x) xa As ? Y

M.A.Pollack et W.D.Johnstorn, paru dans Jr. Appl. phys.

Lett., Vol. 33, pages 659-661, Octobre 1978. Par exemple, les indices de réfraction n1 = 3,53; n2 = 3,36 et n3 = 3,16 sont obtenus et la longueur d'onde relative à l'énergie de bande interdite pour un guide d'onde peut être 1,4 pm, et la longueur d'onde relative à l'énergie de bande interdite pour

une couche active peut être 1,55 pm à laquelle la courbe spec-

trale de gain fournit le gain maximum, ces valeurs étant ob-

tenues en sélectionnant convenablement les proportions des des composants, semiconducteurs. Comme cela est visible à la Fig. 5, la couche active 11 couple optiquement le guide d'onde 10 à l'élément indiqué par le repère numérique 7 dans la Fig. 6. La structure de la Fig. 5 est fabriquée en supprimant la partie correspondante, à l'exception de l'élément de commutation optique 7, après

la croissance complète de cristal et en reliant le semicon-

ducteur 9 et le semiconducteur 9' qui a les mêmes composants que le semiconducteur 9, la couche isolante en Si 02 et

l'électrode.

L'indice de réfraction et les dimensions de chaque partie dans les Figs. 5 et 6 sont choisis de sorte que le guide

d'onde 10 soit couplé optiquement à la couche active 11.

Une puissance optique se propageant dans le guide d'onde 10 est couplée à la couche active 11, c'est-à-dire une puissance optique circule du guide d'onde 10 vers la couche active 11 et retourne à nouveau vers le guide d'onde 10 d'une manière

répétitive. La longueur de couplage L d'un élément de com-

mutation est déterminée par le rapport NU/C o N est un entier plus grand que deux et C est le coefficient de couplage entre les deux voies 10 et 11 afin que l'échange de puissance entre

les deux voies 10 et 11 soit réalisé.

Lorsque l'indice de réfraction du guide d'onde 10 est différent de celui de la voie 11, la constante de phase de la première voie 10 coïncide avec celle de la seconde voie 11

à la longueur d'onde prédéterminée À0O et la condition de cou-

plage optique complet est obtenue telle que montrée à la Fig.7.Dans la Fig.7, K est -9- le nombre d'onde dans le vide, tel que K0 = 2-t/X o À est la longueur d'onde. Les relations en fonction d'indice de réfraction, de dimension et de longueur d'onde pour chaque voie optique ou guide d'onde sont divulguées par H.F. Taylor, dans Optic Communications, Vol. 8, pages 421-425, Août 1973.

Par exemple, en choisissant des longueurs a, b, c et d indi-

quées dans la Fig. 6 respectivement égales à 0,55 pm, 0,2 pm, 0,1 pm et 0, 4 pi, la condition de couplage total est obtenue

au voisinage de la longueur d'onde X = 1,55 pm.

Le fonctionnement de la commutation est maintenant décrit.

Un signal optique ayant la longueur d'onde 1,55 pm est trans-

mis dans un guide d'onde à faibles pertes o aucune absorption n'existe. Au niveau de la partie 7 d'élément de commutation qui a une jonction P-N, si un courant d'injection est nul, un signal optique est atténué dans l'élément de commutation 7

puisque la couche active 11 présente une absorption fondamen-

talement grande, et aucun signal optiquede sortie n'est obtenu.D'au-

tre part, lorsqu'un courant d'injection est appliqué à la jonction P-N 7, la couche active 11 fonctionne comme un moyen d'amplification et par conséquent un signal optique d'entrée est amplifié chaque fois que la puissance d'entrée est couplée

à la couche active 11, et le signal optique amplifié est pro-

duit à la sortie de l'élément de commutation 7.

En outre, lorsque le couplage entre une couche active et un guide d'onde n'est pas complet, l'élément selon l'invention peut accomplir une commutation. Lorsque la longueur d'onde d'un signal est X(, la condition de phase n'est pas satisfaite et aucune condition de couplage total n'est satisfaite, le champ électrique d'un signal d'entrée étant propagé dans la couche active. Dans ces conditions, lorsqu'un courant d'injection provoque l'état bloqué, la puissance propagée dans la couche active est absorbée et atténuée. D'autre part, lorsqu'un courant d'injection provoque l'état conducteur, la puissance propagée dans la couche active est amplifiée et par suite la

puissance dans le guide d'onde augmente. Ainsi la commuta-

tion est même possible quand le couplage n'est pas total,

aucun gain élevé n'étant nécessaire.

- 10 -

Une commutation optique dans un guide d'onde 10 est effectuée sous la commande du courant d'injection. On notera qu'un élément de commutation 7 constitué par une jonction P-N peut être implanté sur le même substrat qu'un guide d'onde pour l'entrée et/ou la sortie relatif à l'élément de

commutation optique.

Des avantages inhérents à la structure montrée aux

Figs. 5 et 6 sont indiqués ci-après.

1) Le niveau de diaphonie concernant la perturbation par

un signal sur d'autres voies est faible.

2) L'affaiblissement d'insertion d'un élément de commu-

tation est faible.

3) La commutation à vitesse élevée est possible.

4) La dimension d'un élément de commutation est petite.

5) La largeur de bande est grande.

6) Le coût de fabrication est faible puisqu'un élément de commutation est produit selon un procédé de fabrication

de semiconducteurs conjointement à des guides d'ondes.

7) Des caractéristiques stables sont obtenues, un élé-

ment de commutation et des guides d'ondes associés étant im-

plantés sur un substrat commun.

8) L'émission spontanée non nécessaire généréedans une couche active est suppriméepar la fonction de filtrage

d'un couplage.

9) La durée de vie de la structure est pratiquement infinie.

Les Figs. 8, 9 et 10 montrent un autre mode de réalisa-

tion de la structure de l'élément de commutation optique selon l'invention. La Fig. 8 est une vue en coupe de long de la direction longitudinale d'un guide d'onde. La Fig. 9 est une vue en coupe le long de la ligne A-A de la Fig. 8. La Fig. 10 est une vue en coupe le long de la ligne B-B de la Fig.8. L'une des caractéristiques de la structure des Figs. 8 à 10 consiste en une couche active introduite dans un guide d'onde et présente l'avantage que certaines erreurs à la fabrication relatives aux dimensions de chaque partie sont

possibles sans affecter les caractéristiques de la commuta-

tion. Dans les Figs. 8 à 10, le repère numérique 15 désigne une couche isolante en Si O2 16 une électrode et 17 un fil

conducteur. La structure fait appel à un substrat en Ca As.

Le repère numérique 23 désigne un semiconducteur du type N en Ga As, 24 et 24' désignent des semiconducteurs du type N en Alx Ga x) As o x satisfait la double inégalité 0 x,<1,

désigne une couche active en Ga As, 26 désigne un semi-

conducteur du type P en Al Ga(,-) As, 27 désigne une couche de tête du type P en Ga As, 28 une voie optique en Aly Ga(1 y)

As o y satisfait la double inégalité O 4y,.<.

On notera que la jonction du guide d'onde 28 et de la couche active 25 est effilée comme cela est indiqué par le repère T à la Fig. 8, et que le guide d'onde 28 et la couche

active 25 sont positionnés dans un plan commun.

La structure des Figs. 8, 9 et 10 est analogue à celle d'une structure laser du type double-hétérojonction "noyée" et par conséquent un signal optique d'entrée est conduit et bloqué en dépendance du courant d'un signal injecté. De préférence l'épaisseur de la couche active 25 est d'environ 0,2 pm. Lorsque la proportion x est choisie égale à environ 0,4, la longueur d'onde d'oscillation pour la structure des

Figs. 8 à 10 est de l'ordre de 0,87 pm. Par suite, la lon-

gueur d'onde d'un signal optique d'entrée est 0,87 pm. La courbe spectrale de gain de la Fig. 4B est au niveau maximum

lorsque la longueur d'onde est 0,825 pm, laquelle est diffé-

rente de 0,87 mm puisque la proportion des composants semi-

conducteurs pour la courbe de la Fig. 4B est différente de

celle de la structure ci-dessus.

D'autre part la proportion y dans le composant du

guide d'onde 28 est choisie égale à environ 0,2.

Les relations connues entre l'énergie de bande interdite E g l'indice de réfraction n et la proportion y pour le matériau Al Ga(1 y) As sont les suivantes: Eï = 1,424 ' 1,226 y + 0,26 y n = 3,6 - 0,7y

- 12 -

Lorsque y = 0,2, la valeur Àb qui est la longueur d'onde calculée à partir de l'énergie de bande interdite, et la différence relative d'indice de réfraction à qui est fonction de l'indice de réfraction dans le guide d'onde et de l'indice de réfraction du milieu entourant le guide d'onde, sont obtenues par les équations suivantes = hc / r a = (n -02 /nny=0,4y=0,2 o h est la constante de Planck et c la vitesse de la lumière. A partir des équations ci-dessus, on en déduit = 0,68 pm et A = 4%. Puisqu'une longueur d'onde de signal optique égale à 0,87/est plus grande que la valeur 0,68 pm, l'énergie d'un signal optique est plus petite que celle correspondant à Xb. Par conséquent le signal optique n'est pas atténué ou absorbé dans le guide d'onde et, en outre, puisque la différence relative d'indice de réfraction à est suffisamment grande ( A = 0,4%), le guide d'onde fonctionne

comme un guide d'onde fortement confiné.

On notera que la couche active 25 est dans le plan du guide d'onde 28, le couplage optique entre la couche active et le guide d'onde étant complètement réalisé. En outre, on remarquera que les extrémités de la couche active 25 sont effilées comme montrées à la Fig. 8. Ces extrémités effilées facilitent de plus le couplage total entre la voie optique

et la couche active et l'adaptation d'impédance entre le gui-

de d'onde et la couche active. Moins de réflexion survient

alors sur la bordure du guide d'onde et de la couche active.

Le procédé de fabrication de l'élément de commutation

optique selon les Figs. 8 à 10 est maintenant décrit. Premiè-

rement, le semiconducteur 23 du type N en Ga As, le semi-

conducteur 24 du type N en Alx Ga(I x) As et la couche active sont déposés par couches successives sur le substrat selon le procédé de croissance de cristal connu. Deuxièmement, l'implantation ionique d'ions Al et/ou d'ions As est effectuée dans la partie formant le guide d'onde 28 afin que la valeur y atteigne 0,2 dans le guide d'onde 28. Cette implantation

ionique est accomplie jusqu'à une profondeur de 0,2 mm.

- 13 -

Alternativement,, le procédé de diffusion de Al As peut rem-

placer cette implantation ionique, ou le guide d'onde 28 peut

être produit par un procédé de croissance sélective de cris-

tal. Ainsi le produit intermédiaire est obtenu.

Puis la couche 26 du type P en Alx Ga(, x) As et la

couche 27 du type P en Ga As sont obtenues par croissance.

Ensuite en vue de fournir la voie désirée d'un guide

d'onde, un procédé de gravure ou d'attaque chimique est ef-

factué jusqu'à la profondeur de la couche 23 du type N en Ga As par le procédé connu de pulvérisation réactive pour obtenir la partie ne recouvrement (partie 24' dans les Figs. 9 et 10), et la couche de recouvrement de protection 24 en semiconducteur du type N en Alx Ga(,_x) As entoure la partie formant l'élément de commutation proprement dit. Finalement,

l'électrode 16 et le fil conducteur 17 sont reliés d'une ma-

nière classique.

Selon la présente invention, une pluralité d'éléments

de commutation et de guides d'ondes sont déposés sur un uni-

que substrat semiconducteur pour former une matrice de com-

mutation optique.

La Fig. 11A. montre la configuration d'une matrice de commutation optique selon l'invention dans laquelle 101 à lOn désignent des ensembles commutateurs ayant chacun une pluralité d'éléments de commutation, tels que 101 - 1 à 101-n pour l'ensemble 101, et d'un séparateur optique tel que 10la à 10 na ou coupleur optique 101'a à 100 n'a. Un séparateur optique 10la à 10 na a une unique branche d'entrée qui est séparée en un nombre n de branches de sortie o n est un entier plus grand que deux, et un coupleur optique 101'a à 10 n'a comprend n branches d'entrées et une unique branche de sortie. Ainsi, un signal optique d'entrée à une borne d'entrée IN1 à INN est commuté sur une quelconque branche

de sortie OUT1 à OUTN par des commutations appropriées ef-

fectuées dans les éléments de commutation tels que 101-1 à 101-n au moyen d'injection d'un courant dans chaque élément

de commutation.

La configuration de la Fig. 11B montre la réalisation pour laquelle unsignal optique d'entrée est d'abord séparé 14 - sur n branches dans l'ensemble commutateur 101 ou 10n, puis le signal optique dans chaque branche étant sélectionné par commutation. Alternativement, la configuration montrée à la Fig. 11C est relative à un signal d'entrée d'abord sélectionné par commutation, la sortie de l'élément de com-

mutation étant relié à n branches.

La Fig. 12 montre un autre mode de réalisation de la matrice de commutation selon l'invention dans laquelle une pluralité de voies optiques telles que i, i + 1 et j, j+1 se croisent et dans laquelle à chaque point de croisement d'un guide optique d'entrée tel que i et d'un guide optique de sortie j sont positionnés deux éléments de commutation Si, S. Ainsi le guide optique d'entrée i et le guide optique de sortie j sont couplés en appliquant un courant d'injection dans l'élément de commutation Sij. Quand un élément de commutation à un point de croisement n'est pas bloqué, le niveau du signal optique est amplifié au niveau désiré par le gain de l'élément optique Si. Cet élément Si peut être supprimé si un élément de commutation S.i fonctionne

pour fournir le niveau optique de sortie désiré. La configu-

ration selon la Fig. 12 présente des affaiblissements d'in-

sertion tout-à-fait faibles puisqu'aucun séparateur optique

est utilisé dans les guides de sortie.

Parmi les avantages inhérents à la configuration de la matrice de commutation selon la Fig. 12, on peut citer les suivants 1) Comme la structure est simple, un équipement à grand

nombre d'éléments est envisageable.

2) Chaque guide optique d'entrée croise à angle droit les guides optiques de sortie et le niveau diaphonie peut

être faible.

3) Le nombre d'éléments de commutation est petit compa-

rativement à la configuration ayant des éléments de commutation combiné, et une matrice de commutation à grand nombre d'éléments

est facilement réalisable.

4) Le circuit de commande des éléments peut être simple, comme tout ce qui est nécessaire au blocage d'un élément de

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commutation au point de croisement.

) La matrice est avantageuse pour une commutation à vi- tesse élevée et relativement à l'affaiblissement d'insertion et à la largeur de bande de fréquence puisque les commutateurs à l'état conducteur ne sont que quelques uns. Le modesde réalisation illustrés et décrits ci-dessus ont été présentés à titre d'exemple non limitatif et ne limitent pas la portée

de l'invention déterminée par les revendications annexéex ci-après.

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Claims

R e v e n d i c a t i o n s.

1 - Elément de commutation optique ayant un substrat semiconducteur (9) et une jonction PN incluant des couches

semiconductricc (12-13) de type P et des coucho semiconduc-

trices (9-10) de type N, caractérisé en ce que la jonction PN comprend une couche active couplée avec au moins l'une desdites couches de type N (10) et de type P (12) et est disposée sur ledit substrat semiconducteur et en ce que ledit élément de commutation optique (7) comprend des moyens (10),

tels qu'un guide d'onde optique,pour appliquer un signal opti-

que d'entrée à ladite couche active (11), des moyens (10), tels qu'un guide d'onde optique,couplés à ladite couche active (11) pour recevoir un signal optique de sortie et des moyens (16-17) pour appliquer un courant d'injection dans ladite jonction PN en vue de commuter le signal optique, la longueur d'onde du signal optique d'entrée étant voisine du

centre de la courbe spectrale de gain (A) définie par la struc-

ture de la jonction PN.

2 - Elément de commutation optique conforme à la revendi-

cation 1, caractérisé en ce que des extrémités (9') de la cou-

che active (11) sont recouvertes afin que le coefficient de

réflexion à chaque extrémité de la couche active soit infé-

rieure à 0,1%.

3 - Elément de commutation optique conforme à la reven-

dication 1, caractérisé en ce que la longueur (L) de la couche

active (11) le long du chemin optique est inférieure à 100jim.

4 - Elément de commutation optique conforme à la reven-

dication 1, caractérisé en ce que le courant d'injection (I) pour commander l'état conducteur dudit élément est compris entre 80% et 90% du courant de seuil (Ith) déclenchant les conditions d'oscillation dans la jonction PN et en ce que le courant d'injection pour commander l'état bloqué dudit élément

est voisin de zéro.

- Elément de commutation optique conforme à la reven- dication 1, caractérisé en ce que la couche active (11) est

face à un guide d'onde optique (10) à travers une couche semi-

conductrice (9).

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6 - Elément de commutation optique conforme à la reven-

dication 1, caractérisé en ce que la couche active (25) est

dans le plan défini par un guide d'onde (28).

7 - Elément de commutation optique conforme à la reven-

dication 6, caractérisé en ce que les extrémités (T) de la

couche active (25) sont effilées.

8 - Elément de commutation optique conforme à la reven-

dication 1, caractérisé en ce qu'un guide d'onde pour coupler

un circuit externe à l'élément de commutation est prévu sur-

le même substrat que celui de l'élément de commutation.

9 - Matrice de commutation optique pour coupler sélec-

tivement l'un des guides d'onde optique d'entrée (IN) à l'un des guides d'onde optique de sortie (OUT) à travers une pluralité d'éléments de commutation optique, caractériséeen

ce que les éléments de commutation optique (101-1) ont cha-

cun un substrat semiconducteur, une jonction PN et une cou-

che active conformes à la revendication 1 et sont réunis en une pluralité d'ensembles (101) qui sont reliés chacun à

un guide d'onde d'entrée (IN) ou de sortie (OUT) et qui com-

prennent chacun des moyens pour séparer (101a) un guide d'onde en des guides d'ondes ou pour coupler (101'a) un guide

d'onde à des guides d'onde et un élément de commutation op-

tique (101-1) relié à chaque guide d'onde, la couche active

de l'élément étant couplée optiquement audit guide d'onde.

10 - Matrice conforme à la revendication 9, caractérisée en ce qu'un signal optique entrant dans chaque ensemble (101) traverse d'abord les moyens de séparation ou de couplage (101a)

puis à travers un élément de commutation optique (101-1).

11 - Matrice conforme à la revendication 9, caractérisée en ce qu'un signal optique entrant dans chaque ensemble (101) travers d'abord un élément de commutation optique (101-1)

puis les moyens de séparation ou de couplage.

12 - Matrice de commutation optique comprenant une plura-

lité de guides d'onde optique d'entrée (i) et une pluralité de guides d'onde optique de sortie (j), chaque guide d'onde d' entrée (i) rencontrant chaque guide d'onde de sortie (j) en un point de croisement, caractérisée en ce que chaque point de - 18- de croisement d'un guide d'entrée (i) et d'un guide de sortie (j) comprend deux éléments de commutation optique (S.., Si) incluant chacun un substrat semiconducteur, une jonction PN et une couche active conformes à la revendication 1, l'un (Si) des élément couplant le guide d'onde d'entrée (i) avec i le point de croisement suivant relatif au guide d'onde de sortie suivant (j+l) et l'autre élément (Si.) couplant le

guide d'onde d'entrée (i) avec le guide d'onde de sortie (j).