JP2516980B2 - Optical matrix switch - Google Patents

Optical matrix switch

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JP2516980B2 JP62142273A JP14227387A JP2516980B2 JP 2516980 B2 JP2516980 B2 JP 2516980B2 JP 62142273 A JP62142273 A JP 62142273A JP 14227387 A JP14227387 A JP 14227387A JP 2516980 B2 JP2516980 B2 JP 2516980B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、小型で集積度が高く、しかも挿入損失の小
さい光マトリクススイッチに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical matrix switch having a small size, a high degree of integration, and a small insertion loss.

[従来の技術] PN接合を有する導波路で構成された従来の光マトリク
ススイッチの一例を第5図に示す。ここで、21〜37は光
導波路、1はN型InP基板、2および2′はPN接合を有
する光入力導波路21と29および25と31の各光入力端子、
3および3′はPN接合を有する光出力導波路28と31およ
び34と36の各光出力端子、41〜48は分離された各導波路
部へ電流を注入するための電極である。ここで、光導波
路21〜37、端子部分2,2′および3,3′、および電極41〜
48は、基板1上に配置され、それぞれ、各部分のパター
ンに対応した形状のN型InPによるN型クラッド層101
と、InGaAsPによる活性層102と、さらにこの活性層を覆
うP型InPによるP型クラッド層103との3層構造をと
る。
[Prior Art] An example of a conventional optical matrix switch composed of a waveguide having a PN junction is shown in FIG. Here, 21 to 37 are optical waveguides, 1 is an N-type InP substrate, 2 and 2'are optical input waveguides 21 and 29 and 25 and 31 having PN junctions,
3 and 3'are optical output terminals of the optical output waveguides 28 and 31 and 34 and 36 having a PN junction, and 41 to 48 are electrodes for injecting current into the separated waveguide portions. Here, the optical waveguides 21 to 37, the terminal portions 2, 2'and 3, 3 ', and the electrodes 41 to 37
Numerals 48 are arranged on the substrate 1, and each of them is an N-type cladding layer 101 of N-type InP having a shape corresponding to the pattern of each portion.
And an active layer 102 made of InGaAsP and a P-type clad layer 103 made of P-type InP covering the active layer.

今、入力端子2′に入力信号光I1が入射したとする。
電極42に順方向電流J1を注入すると、十字形部分の光導
波路25,26,27および28が吸収媒質から利得媒質に変化
し、入射光信号は光導波路26に導かれる。さらに電極48
に電流J2′が注入してあると、曲がり部分の光導波路36
が利得媒質となり、光出力端子3′から光信号は出射さ
れる。光出力端子3から出射させるためには、電極47に
電流J2を印加すればよい。
Now, it is assumed that the input signal light I 1 is incident on the input terminal 2 '.
When the forward current J 1 is injected into the electrode 42, the optical waveguides 25, 26, 27 and 28 in the cross shape change from the absorption medium to the gain medium, and the incident optical signal is guided to the optical waveguide 26. Further electrode 48
If current J 2 ′ is injected into the optical waveguide 36
Becomes a gain medium, and an optical signal is emitted from the optical output terminal 3 '. In order to emit the light from the light output terminal 3, a current J 2 may be applied to the electrode 47.

第6図(A)および(B)はパルス光信号が入射した
場合の光出力波形を示したもので、第6図(A)は導波
路26における波形、第6図(B)は出力端子3′での波
形を表わしている。第6図(A)の波形において光パワ
の直流成分が示してあるのは、光出力端子3における光
スイッチでの順方向電流による自然放出光成分が加わる
ためである。第6図(B)の出力波形では、2つのスイ
ッチ部42と3′を通るため、自然放出光成分もさらに増
加する。スイッチ部では、自然放出光成分が増加する
と、利得が飽和する現象が起るため、第6図(B)に示
したように信号光成分も若干減少する。したがって、多
段に光スイッチ部を通れば通る程、信号光成分に対する
自然放出光成分が増加し、光信号の伝送上雑音が増加す
るという欠点があった。
6 (A) and 6 (B) show optical output waveforms when a pulsed optical signal is incident. FIG. 6 (A) shows waveforms in the waveguide 26, and FIG. 6 (B) shows output terminals. The waveform at 3'is represented. The direct current component of the optical power is shown in the waveform of FIG. 6 (A) because the spontaneous emission light component due to the forward current in the optical switch at the optical output terminal 3 is added. In the output waveform of FIG. 6B, the spontaneous emission light component further increases because it passes through the two switch portions 42 and 3 '. In the switch section, when the spontaneous emission light component increases, the phenomenon that the gain is saturated occurs, so that the signal light component also slightly decreases as shown in FIG. 6 (B). Therefore, there is a drawback in that the more spontaneous light passes through the optical switch section in multiple stages, the more spontaneous emission light component with respect to the signal light component increases, and noise on the transmission of the optical signal increases.

[発明が解決しようとする問題点] そこで、本発明の目的は、光出力信号における自然放
出光成分を削減して、信号/雑音比を大幅に改善した光
マトリクススイッチを提供することにある。
[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, an object of the present invention is to provide an optical matrix switch in which a spontaneous emission light component in an optical output signal is reduced and a signal / noise ratio is significantly improved.

[問題点を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明は、電流を
注入されて光信号の通過状態を制御する光スイッチ素子
をマトリクス状に配置し、光スイッチ素子の1単位はPN
接合により構成され、光スイッチ間を導波路により結合
し、導波路のうち、あらかじめ定めた導波路を光入力端
子および光出力端子にそれぞれ接続した光マトリクスス
イッチにおいて、光出力端子の光出力面が光出射方向に
垂直な面に対して斜めに傾斜して構成されるところの光
出力端子となし、光出力端子に光微分特性を有する素子
を光学的に接続し、光出力端子からの出力光を光微分特
性を有する素子に導くようにしたことを特徴とする。
[Means for Solving Problems] In order to achieve such an object, according to the present invention, optical switch elements for injecting a current and controlling a passing state of an optical signal are arranged in a matrix, and the optical switch element is arranged. 1 unit is PN
In an optical matrix switch that is configured by bonding and couples optical switches with a waveguide, and connects the predetermined waveguides of the waveguides to the optical input terminal and the optical output terminal respectively, the optical output surface of the optical output terminal is The output light from the optical output terminal is an optical output terminal that is configured to be inclined with respect to the plane perpendicular to the light emission direction, and an element having optical differential characteristics is optically connected to the optical output terminal. Is led to an element having an optical differential characteristic.

〔作 用〕[Work]

本発明では、出力端子の出射端を斜めに傾斜して構成
し、かつ出力端子に光微粉特性を有する素子を配置する
ことによって、自然放出光成分を低下させるとともに信
号光の増幅もを可能となし、以て、信号/雑音比を大幅
に改善することができる。
According to the present invention, the output end of the output terminal is inclined and the element having the optical fine powder characteristic is arranged at the output terminal, whereby the spontaneous emission light component can be reduced and the signal light can be amplified. None, so that the signal / noise ratio can be significantly improved.

本発明に用いられる光微分特性を有する素子とは、こ
の素子の入力光と出力光との関係を、横軸に入力光、縦
軸に出力光をとって特性曲線に表したときに、ヒステリ
シルループが現れず、ある閾値入力光に対して出力光が
非線形的にジャンプアップする特性を示す素子である。
The element having an optical differential characteristic used in the present invention is a hysteresis curve when the relationship between the input light and the output light of this element is expressed in a characteristic curve with the input light on the horizontal axis and the output light on the vertical axis. It is an element that does not show a loop and has a characteristic that the output light jumps up nonlinearly with respect to a certain threshold input light.

[実施例] 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例の概略構成を示す。ここ
で、5および5′はそれぞれ光出力端子3および3′に
隣接して配置した光微分利得を有する素子である。第1
図における他の構成は第5図に示したPN接合を有する光
導波回路と同様であり、同一符号を付して示してある。
この第1図においては、電極部分41〜48および導波構造
の詳細は省略している。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of the present invention. Here, 5 and 5'are elements having an optical differential gain, which are arranged adjacent to the optical output terminals 3 and 3 ', respectively. First
Other configurations in the figure are similar to those of the optical waveguide circuit having the PN junction shown in FIG. 5, and are denoted by the same reference numerals.
In FIG. 1, details of the electrode portions 41 to 48 and the waveguide structure are omitted.

光出力端子3と光微分利得を有する素子5(5′)の
具体的な実施例の断面図を第2図に示す。第2図におい
て、6はP側電極、7はP型クラッディング、8は活性
層、9はN型クラッディング、10はN側電極を示してい
る。
FIG. 2 shows a sectional view of a concrete embodiment of the optical output terminal 3 and the element 5 (5 ') having an optical differential gain. In FIG. 2, 6 is a P-side electrode, 7 is a P-type cladding, 8 is an active layer, 9 is an N-type cladding, and 10 is an N-side electrode.

ここで、基板1の一方の主面上にクラッディング9,活
性層8,クラッディング7および電極6をこの順序で配置
し、基板1の他方の主面上に電極10を配置する。この実
施例では、微分利得を有する素子5におけるP側電極6
が二つに分離されており、それら分離された電極6Aおよ
び6Bに独立に電流JcおよびJc′をそれぞれ注入すること
ができる構造とする。
Here, the cladding 9, the active layer 8, the cladding 7 and the electrode 6 are arranged in this order on one main surface of the substrate 1, and the electrode 10 is arranged on the other main surface of the substrate 1. In this embodiment, the P-side electrode 6 in the element 5 having the differential gain is used.
Are separated into two, and the currents Jc and Jc ′ can be independently injected into the separated electrodes 6A and 6B, respectively.

光出力端子3の出射端を斜めに傾斜して構成し、した
がって、光出力端子3へ導波された光信号は傾斜端面で
反射されることなく出射し、隣接する素子5の活性層8
へ光入力Pinとして注入される。この素子5の光出力と
順方向への注入電流利得との関係は光双安定特性として
広く知られている。すなわち、一方の電極6A(または6
B)へ電流を注入していくと、ある閾値電流で急激に光
出力が増大し、ある一定値の光出力が得られる。さらに
増大しても光出力はあまり増大せず飽和傾向を示す。逆
に、注入電流を減少させていくと、ある電流値で急に光
出力は減少する。そして、他方の電極6B(または6A)に
注入する電流を制御することによって、ヒステリシスル
ープを制御することができる。この場合には、微分利得
を有するようにヒステリシスループを極力押さえた状態
で使用する。一番簡単な条件では、電極6Aの電流Jc′を
0に設定することによって達成される。
The output end of the optical output terminal 3 is configured to be inclined, so that the optical signal guided to the optical output terminal 3 is output without being reflected by the inclined end surface, and the active layer 8 of the adjacent element 5 is emitted.
Is injected as a light input P in . The relationship between the optical output of the device 5 and the injection current gain in the forward direction is widely known as an optical bistable characteristic. That is, one electrode 6A (or 6
When the current is injected into B), the light output sharply increases at a certain threshold current, and a light output of a certain constant value is obtained. Even if it increases further, the light output does not increase so much and shows a saturation tendency. On the contrary, when the injection current is decreased, the light output suddenly decreases at a certain current value. Then, by controlling the current injected into the other electrode 6B (or 6A), the hysteresis loop can be controlled. In this case, the hysteresis loop is used while being suppressed so as to have a differential gain. The simplest condition is achieved by setting the current Jc 'of electrode 6A to zero.

そこで、注入電流Jcを該閾値電流の直前にバイアスし
た状態での光信号の入出力特性について説明する。
Therefore, the input / output characteristics of the optical signal when the injection current Jc is biased immediately before the threshold current will be described.

第3図は上記条件下での光入力パワPinに対する光出
力Poutの特性を示す特性図である。素子5に注入された
光信号がある閾値Pin,0を越えると、光出力Poutは急激
に増加し、光出力Pout,0を出射する。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing characteristics of the optical output P out with respect to the optical input power P in under the above conditions. When the optical signal injected into the element 5 exceeds a certain threshold P in, 0 , the optical output P out rapidly increases and the optical output P out, 0 is emitted.

実験例ではPin,0が1.2mWの時、光出力Pout,0は約4m
W得られた。また、光出力は飽和する傾向にあり、ほぼ
out,0+10%の変動幅に納まった。
In the experimental example, when P in, 0 is 1.2 mW, the optical output P out, 0 is about 4 m.
W got. Further, the optical output tends to be saturated, and the fluctuation range is almost P out, 0 + 10%.

さらに、制御電極6Aに注入する電流Jc′を制御するこ
とによって光出力Pin,0の値を制御することができる。
これは、注入電流Jc′によって可飽和領域の吸収係数を
制御することができるためである。したがって、今、光
出力端子3からの光信号における自然放出光成分がP
in,0以下で極く近い値となるように設定すると、素子5
からの光出力信号は、第3図に示すように、自然放出光
成分に相当する光パワは削減され、かつ信号光成分に相
当する光パルスは増幅されて出射される。
Further, the value of the light output P in, 0 can be controlled by controlling the current Jc ′ injected into the control electrode 6A.
This is because the absorption coefficient in the saturable region can be controlled by the injection current Jc '. Therefore, the spontaneous emission light component in the optical signal from the optical output terminal 3 is now P
If it is set to be very close to in, 0 or less, the element 5
As shown in FIG. 3, the optical output signal from the optical output signal is reduced in optical power corresponding to the spontaneous emission light component, and the optical pulse corresponding to the signal light component is amplified and emitted.

第4図は本発明の他の一実施例の構造を示す構造図
で、光微分特性を有する素子5として、ファブロペロ素
子構造を用いた例を示す。ここで、11は高反射膜であ
る。12は可飽和吸収媒質で、例えばGaAsとGaAlAsの多重
量子井戸構造(MQW)媒質を使用できる。MQW媒質12の両
主面に高反射膜11を配置したものを、その主面が入射光
Pinの方向とする垂直な方向となるように配置する。
FIG. 4 is a structural diagram showing the structure of another embodiment of the present invention, and shows an example in which a Fabro-Perot element structure is used as the element 5 having optical differential characteristics. Here, 11 is a high reflection film. Reference numeral 12 denotes a saturable absorbing medium, for example, a multiple quantum well structure (MQW) medium of GaAs and GaAlAs can be used. The MQW medium 12 with the high-reflection film 11 on both main surfaces is
Arrange them so that they are perpendicular to the P in direction.

素子5の製造法は、例えば分子ビーム・エピタキシャ
ル法で作成したMQW媒質12の両主面上に高反射率の薄膜1
1を蒸着したものを、光出力端子3に外付けする方法が
一番簡単である。
The element 5 is manufactured by, for example, a thin film 1 having a high reflectance on both principal surfaces of the MQW medium 12 formed by the molecular beam epitaxial method.
The easiest method is to attach the vapor-deposited 1 to the optical output terminal 3 externally.

ファブリベロ型素子の光入出力特性も第3図に示した
特性と同様であるが、本例の素子5は受動素子であるた
め、利得を得ることはできない。しかし、自然放出光成
分に相当する光パワを削減することができる。
The optical input / output characteristics of the Fabry-Bello type element are similar to those shown in FIG. 3, but since the element 5 of this example is a passive element, no gain can be obtained. However, the optical power corresponding to the spontaneous emission light component can be reduced.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、光出力端子に
光微分特性を有する素子を配置することにより、以下の
ような利点がある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the following advantages can be obtained by disposing the element having the optical differential characteristic at the optical output terminal.

(1)多段構成の大型マトリクスを構成した場合に生ず
る自然放出光成分の増加によるS/Nの劣化を改善するこ
とができる。
(1) It is possible to improve S / N deterioration due to an increase in spontaneous emission light components that occurs when a large matrix having a multi-stage structure is formed.

(2)出力光信号レベルを一定値に揃えることができ
る。
(2) The output optical signal level can be made constant.

(3)双安定機能を利用したメモリ動作を行わせること
ができる。
(3) A memory operation using the bistable function can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明光マトリクススイッチの一実施例の概略
構成を示す概略図、 第2図は本発明における光微分特性を有する素子の一実
施例を示す断面図、 第3図は第2図に示した素子での光入出力波形を示す特
性図、 第4図は本発明の光微分特性を有する素子の他の一実施
例を示す断面図、 第5図は従来のPN接合を有する光マトリクススイッチの
構造例を示す斜視図、 第6図(A)および(B)は従来の光マトリクススイッ
チにおける光出力波形の例を示す動作説明図である。 1……N型InP基板、 2,2′……PN接合を有する光入力導波路の光入力端子、 3,3′……PN接合を有する光出力導波路の光出力端子、 21〜37……光導波路、 41〜48……電極、 5,5′……光微分特性を有する素子、 6,6A,6B……P側電極、 7……P型クラッディング、 8……活性層、 9……N型クラッディング、 10……N側電極、 11……高反射膜、 12……可飽和吸収媒質、 13……導波路、 101……N型クラッド層、 102……活性層、 103……P型クラッド層。
FIG. 1 is a schematic view showing a schematic configuration of an embodiment of an optical matrix switch of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of an element having an optical differential characteristic in the present invention, and FIG. 3 is FIG. FIG. 4 is a characteristic view showing an optical input / output waveform in the element shown in FIG. 4, FIG. 4 is a sectional view showing another embodiment of the element having the optical differential characteristic of the present invention, and FIG. 6 is a perspective view showing a structural example of a matrix switch, and FIGS. 6 (A) and 6 (B) are operation explanatory views showing an example of optical output waveforms in a conventional optical matrix switch. 1 ... N-type InP substrate, 2,2 '... optical input terminal of optical input waveguide having PN junction, 3,3' ... optical output terminal of optical output waveguide having PN junction, 21-37 ... … Optical waveguide, 41 to 48 …… electrodes, 5,5 ′ …… elements with optical differential characteristics, 6,6A, 6B …… P side electrode, 7 …… P type cladding, 8 …… active layer, 9 ...... N-type cladding, 10 ... N-side electrode, 11 ... High-reflection film, 12 ... Saturable absorption medium, 13 ... Waveguide, 101 ... N-type cladding layer, 102 ... Active layer, 103 ... P-type clad layer.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電流を注入されて光信号の通過状態を制御
する光スイッチ素子をマトリクス状に配置し、前記光ス
イッチ素子の1単位はPN接合により構成され、前記光ス
イッチ間を導波路により結合し、該導波路のうち、あら
かじめ定められた導波路を光入力端子および光出力端子
にそれぞれ接続した光マトリクススイッチにおいて、前
記光出力端子の光出力面が光出射方向に垂直な面に対し
て斜めに傾斜して構成されるところの光出力端子とな
し、該光出力端子に光微分特性を有する素子を光学的に
接続し、前記光出力端子からの出力光を前記光微分特性
を有する素子に導くようにしたことを特徴とする光マト
リクススイッチ。
1. An optical switch element for controlling a passing state of an optical signal when a current is injected is arranged in a matrix, and one unit of the optical switch element is composed of a PN junction, and a waveguide is provided between the optical switches. In the optical matrix switch in which predetermined waveguides of the waveguides are coupled to the optical input terminal and the optical output terminal, respectively, in the optical matrix switch, the optical output surface of the optical output terminal is perpendicular to the light emitting direction. And an element having an optical differential characteristic is optically connected to the optical output terminal, and the output light from the optical output terminal has the optical differential characteristic. An optical matrix switch characterized by being led to an element.
【請求項2】前記光微分特性を有する素子が、電流の非
注入領域を有する構成としたPN接合でなる導波路である
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の光マト
リクススイッチ。
2. The optical matrix switch according to claim 1, wherein the element having the optical differential characteristic is a waveguide formed of a PN junction having a current non-injection region. .
【請求項3】前記光微分特性を有する素子がファブリペ
ロ素子であることを特徴とする特許請求の範囲第1項に
記載の光マトリクススイッチ。
3. The optical matrix switch according to claim 1, wherein the element having the optical differential characteristic is a Fabry-Perot element.
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