JPH0990440A - Optical switch driving method and optical switch - Google Patents

Optical switch driving method and optical switch

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JPH0990440A
JPH0990440A JP7266107A JP26610795A JPH0990440A JP H0990440 A JPH0990440 A JP H0990440A JP 7266107 A JP7266107 A JP 7266107A JP 26610795 A JP26610795 A JP 26610795A JP H0990440 A JPH0990440 A JP H0990440A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size of a device by dispensing with the making of the optical path lengths of two optical paths for control light being in a Mach- Zehnder type light control optical switch large. SOLUTION: A control light is inputted to nonlinear waveguides 6, 7 via an input port for control light 9, a 3db coupler 3 and couplers for control light 4, 5 to change refractive indexes of the waveguides. A signal light is inputted from an input port 8 and is bisected to be guided into arms A, B. After the signal light receives phase changes by being transmitted through nonlinear waveguides 6, 7, signals interfer and are multiplexed with each other in a 3db coupler 2 to be outputted from either of output ports 10, 11. The nonlinear waveguides 6, 7 are constituted of materials whose band edge energies are respectively E1 , E2 and are made so that relations of hν-E1 <3kBT/2 and hν-E2 >3kBT/2 are established among the band edge energies E1 , E2 , the temp. T of nonlinear waveguides and the frequency ν of the control light.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光で光を制御する
光スイッチの駆動方法および光スイッチに関し、特に光
ファイバ通信や光情報処理などの分野で光制御素子とし
て用いられるマッハツェンダ型の光スイッチの駆動方法
および光スイッチに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical switch driving method and an optical switch for controlling light with light, and more particularly to a Mach-Zehnder type optical switch used as an optical control element in the fields of optical fiber communication and optical information processing. Drive method and optical switch.

【0002】[0002]

【従来の技術】光ファイバ通信や光情報処理システムの
高速化には、光制御を行う素子の高速化が必要不可欠で
ある。このような目的に使用できる光制御素子として、
光により光を制御する全光スイッチが注目されている。
特に、制御光により信号光のルートを制御でき、縦続接
続可能なマッハツェンダ型の導波路素子は、超高速信号
を合周(マルチプレックス)/分周(デマルチプレック
ス)によりエンコード/デコード可能にするデバイスと
して重要視されている。
2. Description of the Related Art In order to increase the speed of optical fiber communications and optical information processing systems, it is essential to increase the speed of elements that perform optical control. As a light control element that can be used for such purposes,
An all-optical switch that controls light by light is drawing attention.
In particular, the Mach-Zehnder type waveguide element that can control the route of the signal light by the control light and can be cascaded makes it possible to encode / decode ultrahigh-speed signals by combining (multiplex) / dividing (demultiplex). It is regarded as important as a device.

【0003】このような全光型のデバイスを実現するた
めには、媒質の光学非線形特性が利用される。この際、
制御光が光学非線形材料の非吸収波長領域にある非共鳴
型の光学非線形性と、制御光が光学非線形材料の吸収波
長領域にある共鳴型の光学非線形性のいずれかが利用さ
れる。
In order to realize such an all-optical device, the optical nonlinear characteristics of the medium are used. On this occasion,
Either the non-resonant optical nonlinearity in which the control light is in the non-absorption wavelength region of the optical nonlinear material or the resonant optical non-linearity in which the control light is in the absorption wavelength region of the optical nonlinear material is used.

【0004】非共鳴型の光学非線形性はスイッチオン/
スイッチオフ時間は速いが、制御光に非常に高いパワー
が必要とされ、光スイッチモジュールの小型化の点で難
点がある。一方、共鳴型の光学非線形性は低パワー動作
が可能であるが、スイッチオフ時間が励起キャリアの縦
緩和時間(キャリア寿命;通常数ナノ秒程度)に制限さ
れ、高速化に難点があった。そこで、低制御光パワーで
スイッチングが可能であるという特性を活かしつつ励起
キャリアの縦緩和時間に制限されないスイッチオフ時間
を実現する全光型の光スイッチが特開平7−20510
号公報により提案されている。
Non-resonant optical non-linearity is switched on /
Although the switch-off time is short, a very high power is required for the control light, and there is a difficulty in downsizing the optical switch module. On the other hand, the resonance-type optical nonlinearity enables low-power operation, but the switch-off time is limited to the longitudinal relaxation time of the excited carriers (carrier life; usually about several nanoseconds), and there is a difficulty in increasing the speed. Therefore, an all-optical type optical switch that realizes a switch-off time that is not limited by the longitudinal relaxation time of excited carriers while making use of the characteristic that switching is possible with low control light power is disclosed in JP-A-7-20510.
Has been proposed.

【0005】この従来例は、マッハツェンダ干渉系の2
つの光路の少なくとも一部を光学非線形性を示す半導体
材料により構成し、それぞれに単一の制御光を2分して
一定の時間差をつけて導入するものであって、その具体
的な構成を図1に示す。図1に示されるように、入力ポ
ート8より入力された信号光は、3dBカプラ1により
2分されてアームAとアームB内を伝搬し、それぞれの
アーム内に設けられた第1、第2非線形導波路6、7に
おいてそれぞれの屈折率に応じた位相変化を受ける。
This conventional example is based on the Mach-Zehnder interference system 2
At least a part of one optical path is composed of a semiconductor material exhibiting optical non-linearity, and a single control light is divided into two parts and introduced with a certain time difference. Shown in 1. As shown in FIG. 1, the signal light input from the input port 8 is divided into two by the 3 dB coupler 1, propagates in the arm A and the arm B, and is divided into the first and second arms provided in the respective arms. The nonlinear waveguides 6 and 7 undergo a phase change according to their respective refractive indexes.

【0006】一方、制御光入力ポート9より入力された
制御光は、3dBカプラ3により2分された後、第1、
第2制御光入力用カプラ4、5を介してアームA、Bに
導入される。ここで、3dBカプラ3から第1、第2制
御光入力用カプラ4、5までの距離は、制御光が一定の
時間差(例えば1ps)をもってアームA、Bに入力さ
れるように、一方の方が長くなされている。アームA、
Bに導入された制御光は次いで第1、第2非線形導波路
6、7に入力される。
On the other hand, the control light input from the control light input port 9 is divided into two by the 3 dB coupler 3, and then the first,
It is introduced into the arms A and B through the second control light input couplers 4 and 5. Here, the distance from the 3 dB coupler 3 to the first and second control light input couplers 4 and 5 is one so that the control light is input to the arms A and B with a certain time difference (for example, 1 ps). Has been made long. Arm A,
The control light introduced into B is then input to the first and second nonlinear waveguides 6 and 7.

【0007】この非線形導波路6、7はGaAs(バン
ド端エネルギーに対応する波長:870nm)により構
成されされており、これに対し信号光には900nm程
度の波長の光が、また制御光には波長865nm程度の
光が用いられる。したがって、信号光は非線形導波路
6、7に吸収されることなく通過し、制御光はここで吸
収されその屈折率を変化させる。アームA、Bを伝搬し
た信号光は3dBカプラ2において干渉し、合波され
る。
The non-linear waveguides 6 and 7 are made of GaAs (wavelength corresponding to band edge energy: 870 nm). On the other hand, the signal light has a wavelength of about 900 nm and the control light has a wavelength of about 900 nm. Light having a wavelength of about 865 nm is used. Therefore, the signal light passes through the nonlinear waveguides 6 and 7 without being absorbed, and the control light is absorbed here and changes its refractive index. The signal lights propagating through the arms A and B interfere with each other in the 3 dB coupler 2 and are combined.

【0008】3dBカプラ2内において干渉し、合波さ
れた信号光の行き先は、両アームを伝搬してきた光の相
対位相によって決まる。すなわち、両アームの光学長
(屈折率を考慮した光の伝搬距離)が全く等しいときに
は、合波後の信号光は第1、第2出力ポート10、11
へ再び2分される。しかし、アームAの光学長がアーム
Bよりも1/4波長短いときには、合波された信号光は
全て第1出力ポート10へ導かれる。逆に、アームAの
光学長がアームBよりも1/4波長長いときには、信号
光は全て第2出力ポート11へ導かれる。光学長は、実
際の導波路長×屈折率、で与えられるため、制御光によ
り非線形導波路の屈折率を変化させることにより、3d
Bカプラ2に信号光のスイッチングを行わせることが可
能になる。
The destination of the signal light which is interfered and multiplexed in the 3 dB coupler 2 is determined by the relative phase of the light propagating through both arms. That is, when the optical lengths of both arms (propagation distance of light in consideration of the refractive index) are exactly the same, the signal light after the combination has the first and second output ports 10 and 11.
Is divided into two again. However, when the optical length of the arm A is ¼ wavelength shorter than that of the arm B, all the multiplexed signal lights are guided to the first output port 10. On the contrary, when the optical length of the arm A is ¼ wavelength longer than that of the arm B, all the signal light is guided to the second output port 11. Since the optical length is given by the actual waveguide length × refractive index, by changing the refractive index of the nonlinear waveguide with control light, 3d
The B coupler 2 can be caused to switch the signal light.

【0009】図4は、この従来のマッハツェンダ干渉系
の2つの非線形導波路における制御光強度と屈折率変
化、および第1、第2出力ポートから出力される信号光
強度の時間変化を模式的に表した図である。図示した例
では、簡単のために入力される信号光が一定電圧の直流
となされている。また、制御光が入射されない状態では
全ての信号光は第2出力ポート11へ導かれるようにな
されている。制御光が入力されると、3dBカプラ3以
降の導波路の短い第1制御光入力用カプラ4側に先に制
御光が入力され、この光は第1非線形導波路6に吸収さ
れ、その屈折率を変化させる。これにより、3dBカプ
ラ2へ入力される両アームからの信号光の相対位相が変
化して、信号光は全て第1出力ポート10から出力され
るようにようにスイッチングされる。
FIG. 4 schematically shows changes in control light intensity and refractive index in two nonlinear waveguides of the conventional Mach-Zehnder interference system, and changes in signal light intensity output from the first and second output ports with time. FIG. In the illustrated example, the input signal light is a direct current having a constant voltage for simplicity. Further, all the signal light is guided to the second output port 11 when the control light is not incident. When the control light is input, the control light is first input to the side of the first control light input coupler 4 having a short waveguide after the 3 dB coupler 3, and this light is absorbed by the first nonlinear waveguide 6 and refracted. Change the rate. As a result, the relative phase of the signal light from both arms input to the 3 dB coupler 2 changes, and all the signal light is switched so as to be output from the first output port 10.

【0010】一定時間(例えば1ps)遅れて第2制御
光入力用カプラ5へ制御光が入力され、これにより第2
非線形導波路7にキャリアが生成され、その屈折率が変
化する。而して、この時点では第1非線形導波路6内に
において生成されたキャリアは殆ど消滅せずに残されて
おり、そのため屈折率も制御光入射により変化した値か
ら殆ど変化していない。従って、第2非線形導波路に制
御光が入射した時点でアームA、B間で屈折率の差はな
くなり、3dBカプラ2に入力する2つの信号光の位相
差は制御光の入射前の状態と同じになる。そのため、信
号光は再び第2出力ポート11からのみ出力されるよう
になる。
The control light is input to the second control light input coupler 5 with a delay of a fixed time (for example, 1 ps), whereby the second control light is input.
Carriers are generated in the nonlinear waveguide 7, and the refractive index thereof changes. Thus, at this point, the carriers generated in the first nonlinear waveguide 6 remain without being almost extinguished, so that the refractive index also hardly changes from the value changed by the incident control light. Therefore, when the control light is incident on the second nonlinear waveguide, there is no difference in the refractive index between the arms A and B, and the phase difference between the two signal lights input to the 3 dB coupler 2 is the same as before the control light is incident. Will be the same. Therefore, the signal light is again output only from the second output port 11.

【0011】第1、第2非線形導波路6、7の屈折率は
同様の変化率をもって元の値に復帰するので、その過程
において信号光が第2出力ポートから出力される状態が
続く。縦緩和時間(ナノ秒オーダ)経過後、制御光入射
によって生成されたキャリアは消滅し、非線形導波路
6、7の屈折率も元の値に復帰する。以上のように、上
述した従来例では、各アームに導入される制御光のタイ
ミングを調整するすることにより、縦緩和時間に関係な
く十分に速いスイッチング動作が可能になる。
Since the refractive indices of the first and second nonlinear waveguides 6 and 7 return to their original values at the same rate of change, the signal light continues to be output from the second output port in the process. After the elapse of the longitudinal relaxation time (on the order of nanoseconds), the carriers generated by the incident control light disappear, and the refractive indices of the nonlinear waveguides 6 and 7 also return to their original values. As described above, in the above-described conventional example, by adjusting the timing of the control light introduced into each arm, a sufficiently fast switching operation can be performed regardless of the vertical relaxation time.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の光スイッチでは、非線形導波路にそのバンド端エ
ネルギー程度の波長の制御光を入射するのみで、素子の
温度状態や生成されたキャリアの温度についてはなんら
考慮が払われていなかったので、以下の解決すべき課題
を有していた。
However, in the above-mentioned conventional optical switch, the temperature state of the element and the temperature of the generated carrier are only changed by injecting the control light having the wavelength of the band edge energy into the nonlinear waveguide. Had no consideration, it had the following problems to be solved.

【0013】第1の課題は、一般に光学非線形材料に生
じる光非線形性は前記公報において想定されているよう
に、その時間変化が単一の時定数で記述できるような単
調な時間変化をするものではなく、過渡的な小さな時定
数を持つ成分を持つことから生じる。この小さな時定数
を持つ成分は、主に光励起によるキャリアの温度変化か
ら生じていることが理論的に明らかにされている。
The first problem is that the optical non-linearity that generally occurs in an optical non-linear material, as assumed in the above publication, changes monotonically with time so that it can be described by a single time constant. Rather, it comes from having components with small transient time constants. It has been theoretically clarified that the component having the small time constant is mainly caused by the temperature change of carriers due to photoexcitation.

【0014】この過渡的な光非線形成分により、前記光
スイッチからの光スイッチ出力波形は前記公報に示され
たようなスムーズな波形にはならず、歪んだ波形になる
という欠点があった。図4の部分拡大図はこのことを模
式的に示している。この過渡的光非線形応答が生じる時
間領域は、通常制御光入射後からキャリアの温度緩和の
時間程度であり、キャリア−フォノン散乱に基づくエネ
ルギー緩和時間(1psのオーダ)程度持続する過渡的
応答が生じる。この過渡的光非線形性は、上記方式の光
スイッチ波形に歪みを生じさせる原因となる。
Due to this transient optical non-linear component, the output waveform of the optical switch from the optical switch does not have a smooth waveform as shown in the above publication, but has a distorted waveform. The partially enlarged view of FIG. 4 schematically shows this. The time domain in which this transient optical nonlinear response occurs is usually the time for temperature relaxation of the carrier after the control light is incident, and a transient response lasting for about the energy relaxation time (on the order of 1 ps) based on carrier-phonon scattering occurs. . This transient optical non-linearity causes distortion in the optical switch waveform of the above method.

【0015】第2の解決すべき課題は、前記光スイッチ
においては単一の制御光をほぼ2分して有限の時間差を
持って2つのアームに導入することが必要であり、この
有限の時間差を設けるために2つの制御光光路に光路差
を与えなくてはならないが、この光路差を設けるために
デバイスの物理的サイズが大きくなってしまうことであ
る。例えば、1ピコ秒のスイッチングを実現するために
は100ミクロン程度の実光路差を設ける必要があるた
め、デバイスの物理的サイズは100ミクロンよりも小
さくすることは困難である。
A second problem to be solved is that in the above optical switch, it is necessary to divide a single control light into two arms and introduce them into two arms with a finite time difference. This finite time difference In order to provide the optical path difference, it is necessary to give an optical path difference to the two control light optical paths, but the physical size of the device becomes large because of the optical path difference. For example, it is difficult to reduce the physical size of the device to less than 100 microns because it is necessary to provide an actual optical path difference of about 100 microns to realize switching of 1 picosecond.

【0016】これらの課題は、マッハツェンダ干渉系の
2つの光路に設けられる光学非線形性半導体材料の温度
Tとそのバンド端エネルギーEと入力される制御光の周
波数νを勘案することにより解決される。すなわち、こ
れらを適当な条件に設定する光スイッチの駆動方法によ
り、スイッチ出力波形を歪まないようにすることがで
き、あるいは物理的な光路差を必要とすることなくスイ
ッチングを行わせることのできる光スイッチを実現可能
とする。
These problems can be solved by considering the temperature T of the optical nonlinear semiconductor material provided in the two optical paths of the Mach-Zehnder interference system, its band edge energy E, and the frequency ν of the control light to be input. That is, an optical switch driving method that sets these to appropriate conditions can prevent the switch output waveform from being distorted, or can perform switching without requiring a physical optical path difference. Make the switch feasible.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明による光スイッチ駆動方法は、マッハツェン
ダ系を構成する2つのアームの各々の少なくとも一部が
光学非線形性材料により構成され、該マッハツェンダ系
の両アームの前記光学非線形性材料部に一つの制御光を
ほぼ2分して導入する手段を有する、制御光で信号光の
スイッチングを制御するマッハツェンダ型の光スイッチ
の駆動方法であって、前記光学非線形材料の温度Tに従
って、前記光学非線形性材料のバンド端エネルギーEと
制御光の周波数νとの関係を定めることを特徴とするも
のである。
In the optical switch driving method according to the present invention for solving the above-mentioned problems, at least a part of each of the two arms constituting the Mach-Zehnder system is made of an optical nonlinear material. A method of driving a Mach-Zehnder type optical switch for controlling switching of signal light by control light, which has a means for introducing one control light into the optical nonlinear material portions of both arms of a Mach-Zehnder system in approximately two halves. The relationship between the band edge energy E of the optical nonlinear material and the frequency ν of the control light is determined according to the temperature T of the optical nonlinear material.

【0018】より具体的には、2つのアームの光学非線
形性材料がバンド端エネルギーがE0 の同一の材料によ
り構成され、2分された制御光が一定の時間差をもって
2つのアームの光学非線形性材料に導入され、かつ、バ
ンド端エネルギーE0 と光学非線形性材料の温度Tと制
御光の周波数νとの間に、概略、 hν−E0 =3kB T/2 (但し、hはプランク定数、kB はボルツマン定数)の
関係が成立ようになされる。
More specifically, the optical non-linearity materials of the two arms are made of the same material having the band edge energy E 0 , and the control light divided into two parts has the optical non-linearity of the two arms with a certain time difference. Between the band-edge energy E 0 , the temperature T of the optically nonlinear material, and the frequency ν of the control light, which is introduced into the material, hν−E 0 = 3k B T / 2 (where h is Planck's constant , K B are established such that the Boltzmann constant) is established.

【0019】あるいは、2つのアームの光学非線形性材
料がバンド端エネルギーがそれぞれE1 、E2 である異
なる材料により構成され、バンド端エネルギーE1 、E
2 と光学非線形性材料の温度Tと制御光の周波数νとの
間に、hν−E1 <3kB T/2、かつ、hν−E2
3kB T/2の関係が成立するようになされる。
Alternatively, the optical non-linear materials of the two arms are composed of different materials having band edge energies E 1 and E 2 , respectively, and band edge energies E 1 and E 2.
Between the temperature T 2 and the optical nonlinear material and the frequency ν of the control light, hν-E 1 <3k B T / 2 and,, hν-E 2>
Relationship 3k B T / 2 is made to stand by.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1は、本発明が実施されるマッハツェン
ダ型の光スイッチの概略の構成を示す平面図である。第
1の実施の形態において、光スイッチそのものの構成は
先に説明した従来例の場合と同様であるので、重複する
説明は省略する。第1の実施の形態において、光学非線
形性を発現する非線形導波路6、7の材料としては例え
ばGaAsが用いられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a Mach-Zehnder type optical switch according to the present invention. In the first embodiment, the configuration of the optical switch itself is the same as in the case of the conventional example described above, so redundant description will be omitted. In the first embodiment, GaAs, for example, is used as the material of the nonlinear waveguides 6 and 7 that exhibit optical nonlinearity.

【0021】先に述べたように、過渡的な光学非線形成
分は光励起に伴うキャリア温度変化によって生じる。従
って、これを克服するためには、キャリアの温度変化を
防止することができればよい。このためには、入射制御
光のエネルギーhν(h:プランク定数、ν:光周波
数)が、キャリア全体の持つ平均エネルギーE0 +3k
B T/2〔kB :ボルツマン定数、E0 :非線形導波路
材料のバンドギャップエネルギー、T:非線形導波路
(あるいは本光スイッチ)の温度〕と等しくなるように
すればよい。
As described above, the transient optical nonlinear component is caused by the carrier temperature change caused by the optical excitation. Therefore, in order to overcome this, it is only necessary to prevent the temperature change of the carrier. For this purpose, the energy hν of the incident control light (h: Planck's constant, ν: optical frequency) is the average energy E 0 + 3k of all the carriers.
B T / 2 [k B : Boltzmann's constant, E 0 : bandgap energy of the nonlinear waveguide material, T: temperature of the nonlinear waveguide (or the optical switch)].

【0022】従って、制御光の周波数ν、非線形導波路
の温度Tおよび非線形導波路の半導体材料のバンド端エ
ネルギーE0 を、 hν=E0 +3kB T/2 (1) が満たされるように制御すればよい。熱的エネルギー3
B T/2は、室温においては40meV程度の大きさ
である。第1の実施の形態による方法は、前記特開平7
−20510号公報において提案された光スイッチに
(1)式に示したような条件を付加することにより、キ
ャリア温度変化に基づく過渡的光非線形による光スイッ
チ波形歪みを防止することができる
Therefore, the frequency ν of the control light, the temperature T of the nonlinear waveguide, and the band edge energy E 0 of the semiconductor material of the nonlinear waveguide are controlled so that hν = E 0 + 3k B T / 2 (1) is satisfied. do it. Thermal energy 3
k B T / 2 is about 40 meV at room temperature. The method according to the first embodiment is disclosed in
By adding the condition as shown in the equation (1) to the optical switch proposed in Japanese Patent No. 20510, it is possible to prevent the optical switch waveform distortion due to the transient optical nonlinearity based on the carrier temperature change.

【0023】次に、第2の実施の形態について説明す
る。第2の実施の形態において用いられる光スイッチも
図1に示したものであるが、第1の実施の形態の場合と
次の点で相違している。 3dBカプラ3からアームA、Bに至るまでの光路
長はほぼ等しくなされている(但し、適当な光路長差が
あってもよい)。 第1、第2非線形導波路6、7を構成する半導体材
料としてバンドギャップエネルギーの異なるものが用い
られている。
Next, a second embodiment will be described. The optical switch used in the second embodiment is also the one shown in FIG. 1, but it is different from the case of the first embodiment in the following points. The optical path lengths from the 3 dB coupler 3 to the arms A and B are substantially equal (however, there may be an appropriate optical path length difference). As semiconductor materials forming the first and second nonlinear waveguides 6 and 7, materials having different bandgap energies are used.

【0024】特開平7−20510号公報にて提案され
た光スイッチの動作原理は、2つの光路(アームA、
B)中に生じる非線形屈折率変化に伴う光の位相変化
に、短い時間差を設け、その位相変化の時間差を光のス
イッチングに利用することである。従って、アームAお
よびBに同時に制御光を入射したとしても、自動的にア
ームA中およびB中に生じる非線形屈折率変化に過渡的
相違が発生する仕組みがあればよい。
The operating principle of the optical switch proposed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-20510 is that two optical paths (arm A,
B) is to provide a short time difference for the phase change of the light due to the change in the nonlinear refractive index, and use the time difference of the phase change for the light switching. Therefore, even if the control light is incident on the arms A and B at the same time, it is sufficient to have a mechanism that automatically causes a transient difference in the nonlinear refractive index change occurring in the arms A and B.

【0025】第2の実施の形態においては、この仕組み
として先に述べた光吸収に伴うキャリア温度変化による
光学非線形特性を積極的に利用する。アームA、B中の
光学非線形性を発現する半導体材料のバンド端エネルギ
ーをそれぞれE1 、E2 とする。今、 hν−E1 <3kB T/2 (2) hν−E2 >3kB T/2 (3) となるように、制御光の周波数ν、半導体材料の温度T
およびそのバンド端エネルギーE1 、E2 を制御する
と、アームA中の半導体媒質ではキャリアの冷却が、ア
ームB中の半導体媒質ではキャリアの加熱が起こる。こ
れによる過渡的な光学非線形性の符号、すなわち屈折率
変化の符号は逆である。
In the second embodiment, as this mechanism, the above-mentioned optical non-linear characteristic due to the carrier temperature change due to light absorption is positively utilized. The band edge energies of the semiconductor materials in the arms A and B that exhibit optical nonlinearity are E 1 and E 2 , respectively. Now, a so that hν-E 1 <3k B T / 2 (2) hν-E 2> 3k B T / 2 (3), the temperature T of the frequency [nu, the semiconductor material of the control light
When the band edge energies E 1 and E 2 are controlled, carrier cooling occurs in the semiconductor medium in the arm A and carrier heating occurs in the semiconductor medium in the arm B. The sign of the transient optical nonlinearity due to this, that is, the sign of the refractive index change is opposite.

【0026】エネルギー緩和後は、通常のバンドフィリ
ングによる光学非線形性がそれぞれの光路中の半導体材
料に生じるが、これは符号も大きさも同じ程度になる。
従って、両光路中の光学非線形性すなわち非線形屈折率
変化の差成分は、キャリア温度の変化に伴う過渡的な光
学非線形性が持続する時間だけ持続する。
After the energy relaxation, optical nonlinearity due to ordinary band-filling occurs in the semiconductor material in each optical path, which has the same sign and magnitude.
Therefore, the optical nonlinearity in both optical paths, that is, the difference component of the nonlinear refractive index change, lasts for the time period during which the transient optical nonlinearity associated with the carrier temperature change lasts.

【0027】先にも述べたように、エネルギー緩和の時
間はおおよそ1ピコ秒程度であるから、1ピコ秒程度の
高速の光スイッチングが可能になる(図3参照)。この
ようにして生じる光学非線形性の大きさは決して大きい
ものではないが、両光路中の光位相変化は非線形媒質中
の光路長に比例して生じるので、非線形媒質の長さを適
当に選べば十分なスイッチング特性を得ることは可能で
ある。以上の原理を活用するためには、光路A中の半導
体媒質のバンド端エネルギーと光路B中の半導体媒質の
バンド端エネルギーを互いに異なるものにする必要があ
るが、バンド端エネルギーは歪み導入や量子閉じ込め効
果などによっても制御可能である。
As described above, the energy relaxation time is approximately 1 picosecond, so high-speed optical switching of approximately 1 picosecond is possible (see FIG. 3). The magnitude of the optical nonlinearity generated in this way is by no means large, but the optical phase change in both optical paths occurs in proportion to the optical path length in the nonlinear medium, so if the length of the nonlinear medium is selected appropriately. It is possible to obtain sufficient switching characteristics. In order to utilize the above principle, the band edge energy of the semiconductor medium in the optical path A and the band edge energy of the semiconductor medium in the optical path B need to be different from each other. It can also be controlled by the confinement effect.

【0028】[0028]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 [第1の実施例]図1は、本発明の第1の実施例の方法
を適用するマッハツェンダ型光スイッチの概略構成図で
ある。その構成および基本的な動作は従来例の場合と同
様であるので、重複した説明は省略する。入、出力ポー
ト(8〜11)、3dBカプラ1〜3、制御光入力用カ
プラ4、5およびそれらを接続する導波路は光ファイバ
により構成され、非線形導波路6および7はGaAsコ
ア/AlGaAsクラッドの半導体導波路により構成さ
れている。もちろん、全てのコンポーネントを半導体で
構成することもできる。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. [First Embodiment] FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder type optical switch to which the method of the first embodiment of the present invention is applied. The configuration and the basic operation are the same as in the case of the conventional example, and the duplicated description will be omitted. Input / output ports (8 to 11), 3 dB couplers 1 to 3, control light input couplers 4 and 5 and waveguides connecting them are composed of optical fibers, and nonlinear waveguides 6 and 7 are GaAs core / AlGaAs cladding. It is composed of a semiconductor waveguide. Of course, all components can be made of semiconductors.

【0029】ここで、信号光としては、吸収端が870
nm程度である光学非線形材料(GaAs)において光
吸収の起きない、波長が900nm程度の光が用いられ
る。これに対して、制御光としては、非線形導波路材料
(GaAs)において光吸収が生じる吸収端エネルギー
よりも高いエネルギーを持つ光が用いられる。第1の実
施例の方法においては、制御光の光波長は吸収端波長よ
り短くするだけでなく、上記の式(1)の条件を満足す
るように選定される。先に述べたように、熱的エネルギ
ー3kB T/2は室温においては40meV程度の大き
さであるので、本デバイスを室温で動作させる場合、制
御光の光波長としては846nm程度の光波長を有する
光を用いればよい。実際に、実験を行った結果による
と、波長820nmの制御光を用いた場合には、図4に
示したようなスイッチング波形の歪みが観測されたのに
対して、波長846nmの制御光を用いた場合にはその
ような歪みは観測されなかった。この場合、制御光の波
長を(1)式を満足するように選んだが、もちろん素子
温度やバンド端エネルギーを(1)式が満足されるよう
に制御してもよい。
Here, the signal light has an absorption edge of 870.
Light having a wavelength of about 900 nm that does not cause optical absorption in an optical nonlinear material (GaAs) having a wavelength of about nm is used. On the other hand, as the control light, light having energy higher than the absorption edge energy at which light absorption occurs in the nonlinear waveguide material (GaAs) is used. In the method of the first embodiment, the light wavelength of the control light is selected not only to be shorter than the absorption edge wavelength, but also to satisfy the condition of the above formula (1). As mentioned earlier, since the thermal energy 3k B T / 2 in the room is the size of about 40 meV, when operating the present device at room temperature, the optical wavelength of about 846nm as a light wavelength of the control light The light that the user has may be used. Actually, according to the result of the experiment, when the control light having the wavelength of 820 nm is used, the distortion of the switching waveform as shown in FIG. 4 is observed, whereas the control light having the wavelength of 846 nm is used. If so, no such distortion was observed. In this case, the wavelength of the control light is selected so as to satisfy the expression (1), but of course the element temperature and the band edge energy may be controlled so as to satisfy the expression (1).

【0030】[第2の実施例]次に、本発明の第2の実
施例について説明する。本実施例においては、第1およ
び第2非線形導波路6、7を構成する半導体材料の混晶
比を変えて、両材料のバンド端エネルギーを異なるもの
にし(それぞれをE1 、E2 とする)、かつ制御光の光
波長を上記の式(2)および(3)を満足するように選
定する。図2は、制御光の光エネルギーと両材料のバン
ド端エネルギーの相互関係を示す。今、第1非線形導波
路6をGaAsで構成するものとする。GaAsのバン
ド端エネルギーE1 は約1429meV(波長:870
nm)である。室温動作を考えると、GaAs中のキャ
リアの平均エネルギーはE1 +(3kB T/2)=14
69meV(波長:846nm)程度の大きさである。
もう一方の非線形導波路7はAlGaAs混晶で作製
し、そのバンド端エネルギーをE1 より20meVだけ
大きい値、E2 〜1449meV(波長:858nm)
となるようにする。このためには、Alx Ga1-x As
で定義される混晶比xをx=0.016とすればよい。
[Second Embodiment] Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the mixed crystal ratios of the semiconductor materials forming the first and second nonlinear waveguides 6 and 7 are changed to make the band edge energies of both materials different (E 1 and E 2 respectively). ), And the light wavelength of the control light is selected so as to satisfy the above expressions (2) and (3). FIG. 2 shows the mutual relationship between the light energy of the control light and the band edge energy of both materials. Now, it is assumed that the first nonlinear waveguide 6 is made of GaAs. The band edge energy E 1 of GaAs is about 1429 meV (wavelength: 870).
nm). Considering room temperature operation, the average energy of carriers in GaAs is E 1 + (3k B T / 2) = 14.
The size is about 69 meV (wavelength: 846 nm).
The other nonlinear waveguide 7 is made of an AlGaAs mixed crystal, and its band edge energy is larger than E 1 by 20 meV, E 2 to 1449 meV (wavelength: 858 nm).
So that To this end, Al x Ga 1-x As
The mixed crystal ratio x defined by is set to x = 0.016.

【0031】この時AlGaAs混晶中のキャリアの平
均エネルギーはE2 +(3kB T/2)=1489me
V(波長:835nm)程度の大きさとなる。この状況
で、制御光として、光エネルギー1459meV(波
長:840nm)の光を用いると、制御光のエネルギー
は一方の非線形導波路(GaAs)においてはキャリア
の平均エネルギーよりも大きいからキャリア加熱を引き
起こし、もう一方の非線形導波路(AlGaAs)にお
いてはキャリアの平均エネルギーよりも小さいからキャ
リア冷却を引き起こす。
At this time, the average energy of the carriers in the AlGaAs mixed crystal is E 2 + (3 k B T / 2) = 1489 me.
The size is about V (wavelength: 835 nm). In this situation, when light having an optical energy of 1459 meV (wavelength: 840 nm) is used as the control light, the energy of the control light is larger than the average energy of carriers in one of the nonlinear waveguides (GaAs), which causes carrier heating, In the other nonlinear waveguide (AlGaAs), carrier cooling is caused because it is smaller than the average energy of carriers.

【0032】先にも述べたように、これに伴う過渡的な
非線形屈折率変化の符号は逆である。図3には、第1非
線形導波路6がGaAs、第2非線形導波路7がAlG
aAsの場合の屈折率変化の時間波形の例が示されてい
る。実際、このような構成で、非線形導波路6および7
に制御光を同時照射したところ、1ピコ秒程度の光スイ
ッチングが可能であることを確認できた。
As described above, the sign of the transient nonlinear refractive index change accompanying this is opposite. In FIG. 3, the first nonlinear waveguide 6 is GaAs and the second nonlinear waveguide 7 is AlG.
An example of the time waveform of the refractive index change in the case of aAs is shown. In fact, with such a configuration, the nonlinear waveguides 6 and 7
It was confirmed that optical switching of about 1 picosecond was possible when the control light was simultaneously irradiated on.

【0033】以上の実施例では特定の半導体材料を例に
挙げて説明したが、本発明の方法はこれらの実施例の材
料に限定されるものではない。例えば、第2の実施例で
は、GaAsまたはAlGaAsの光キャリア実励起に
伴う非線形屈折率変化を例に挙げて説明したが、In
P、InGaAs、InGaAsPなど他の半導体材料
を用いた全光スイッチに適用することも可能である。な
お、第2の実施例においては、3dBカプラ3からカプ
ラ4、5に至るまでの光路の長さは必ずしも等しくする
必要はない。この光路長に差がある場合には、それに応
じて第1、第2非線形導波路6、7の長さを調整すれば
よい。
Although the above embodiments have been described by taking a specific semiconductor material as an example, the method of the present invention is not limited to the materials of these embodiments. For example, in the second embodiment, the nonlinear refractive index change accompanying the actual excitation of GaAs or AlGaAs optical carriers has been described as an example.
It can also be applied to all-optical switches using other semiconductor materials such as P, InGaAs, and InGaAsP. In the second embodiment, the lengths of the optical paths from the 3 dB coupler 3 to the couplers 4 and 5 do not necessarily have to be equal. If there is a difference in the optical path lengths, the lengths of the first and second nonlinear waveguides 6 and 7 may be adjusted accordingly.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光スイッ
チの駆動方法は、マッハツェンダ干渉系の2つの光路の
非線形材料のバンド端エネルギーと、その温度と、その
材料に入射する制御光の波長とが所定の関係を満たすよ
うに制御するものであるので、本発明方法によれば、ス
イッチ出力波形が歪まない光スイッチや、デバイスサイ
ズが光路差によって制限されない光スイッチを実現する
ことができる。
As described above, the method for driving an optical switch according to the present invention, the band edge energy of the nonlinear material of the two optical paths of the Mach-Zehnder interference system, its temperature, and the wavelength of the control light incident on the material. And are controlled so as to satisfy a predetermined relationship, the method of the present invention can realize an optical switch in which the switch output waveform is not distorted and an optical switch in which the device size is not limited by the optical path difference.

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

【図1】本発明の実施例および従来例を説明するための
マッハツェンダ型光スイッチの概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Mach-Zehnder type optical switch for explaining an example of the present invention and a conventional example.

【図2】制御光の光エネルギーと光学非線形性材料のバ
ンド端エネルギーとの相互関係を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a mutual relationship between optical energy of control light and band edge energy of an optical nonlinear material.

【図3】本発明の実施例を説明するための、マッハツェ
ンダ型光スイッチの2つの光学非線形性材料部における
各量の時間変化を示した図。
FIG. 3 is a diagram showing changes over time of respective amounts in two optical nonlinear material portions of a Mach-Zehnder type optical switch for explaining an example of the present invention.

【図4】従来例のマッハツェンダ型光スイッチの各部の
出力波形を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing an output waveform of each part of a conventional Mach-Zehnder type optical switch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2、3 3dBカプラ 4 第1制御光入力用カプラ 5 第2制御光入力用カプラ 6 第1非線形導波路 7 第2非線形導波路 8 入力ポート 9 制御光入力ポート 10 第1出力ポート 11 第2出力ポート 1, 2, 3 3 dB coupler 4 first control light input coupler 5 second control light input coupler 6 first nonlinear waveguide 7 second nonlinear waveguide 8 input port 9 control light input port 10 first output port 11th 2 output ports

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 マッハツェンダ系を構成する2つのアー
ムの各々の少なくとも一部が光学非線形性材料により構
成され、該マッハツェンダ系の両アームの前記光学非線
形性材料部に一つの制御光をほぼ2分して導入する手段
を有する、制御光で信号光のスイッチングを制御するマ
ッハツェンダ型の光スイッチの駆動方法であって、前記
光学非線形性材料の温度Tに従って、前記光学非線形性
材料のバンド端エネルギーEと制御光の周波数νとの関
係を定めることを特徴とする光スイッチの駆動方法。
1. At least a part of each of the two arms constituting the Mach-Zehnder system is made of an optical non-linear material, and one control light is divided into approximately two minutes in the optical non-linear material portions of both arms of the Mach-Zehnder system. A method of driving a Mach-Zehnder type optical switch for controlling switching of signal light by control light, which comprises means for introducing the optical signal, and a band edge energy E of the optical nonlinear material according to a temperature T of the optical nonlinear material. And a frequency ν of the control light are defined.
【請求項2】 2つのアームの少なくとも一方の光学非
線形性材料のバンド端エネルギーが、該光学非線形性材
料へ歪みを導入することによりあるいは量子閉じ込め効
果を作用させることにより調整されていることを特徴と
する請求項1記載の光スイッチの駆動方法。
2. The band edge energy of the optical nonlinear material of at least one of the two arms is adjusted by introducing strain into the optical nonlinear material or by exerting a quantum confinement effect. The method of driving an optical switch according to claim 1.
【請求項3】 2つのアームの光学非線形性材料がバン
ド端エネルギーがE0 の同一の材料により構成され、2
分された制御光が一定の時間差をもって2つのアームの
光学非線形性材料に導入され、かつ、バンド端エネルギ
ーE0 と光学非線形性材料の温度Tと制御光の周波数ν
との間に、概略、 hν−E0 =3kB T/2 (但し、hはプランク定数、kB はボルツマン定数)の
関係が成立していることを特徴とする請求項1記載の光
スイッチの駆動方法。
3. The two arms of the optically non-linear material are made of the same material with band edge energy E 0.
The divided control light is introduced into the optical nonlinear material of the two arms with a certain time difference, and the band edge energy E 0 , the temperature T of the optical nonlinear material and the frequency ν of the control light are
Between, schematic, hν-E 0 = 3k B T / 2 ( where, h is Planck's constant, k B is Boltzmann's constant) optical switch according to claim 1, wherein a relationship is established Driving method.
【請求項4】 2つのアームの光学非線形性材料がバン
ド端エネルギーがそれぞれE1 、E2 である異なる構成
の素材により構成され、バンド端エネルギーE1 、E2
と光学非線形性材料の温度Tと制御光の周波数νとの間
に、hν−E1 <3kB T/2、かつ、hν−E2 >3
B T/2の関係が成立していることを特徴とする請求
項1記載の光スイッチの駆動方法。
4. The optical non-linearity material of the two arms is composed of materials of different configurations having band edge energies E 1 and E 2 , respectively, and band edge energies E 1 and E 2
Between the temperature T and the frequency of the control light ν optical nonlinearity material and, hν-E 1 <3k B T / 2 and,, hν-E 2> 3
The method of driving an optical switch according to claim 1, wherein the relationship of k B T / 2 is established.
【請求項5】 マッハツェンダ系を構成する2つのアー
ムの各々の少なくとも一部がバンド端エネルギーがそれ
ぞれE1 、E2 である異なる光学非線形性材料により構
成され、該マッハツェンダ系の両アームの前記光学非線
形性材料部に一つの制御光をほぼ2分して導入する手段
を有する、制御光で信号光のスイッチングを制御するマ
ッハツェンダ型の光スイッチであって、2つのアームの
光学非線形性材料部の長さが、制御光無入力時には一方
のアームを伝搬された光の位相が先行し、制御光入力時
には過渡的に他方のアームを伝搬された光の位相が先行
するように選定されていることを特徴とする光スイッ
チ。
5. At least a part of each of the two arms constituting the Mach-Zehnder system is made of different optical nonlinear materials having band edge energies E 1 and E 2 , respectively, and the optical components of both arms of the Mach-Zehnder system are provided. A Mach-Zehnder type optical switch for controlling switching of signal light by control light, which has a means for introducing one control light into the non-linear material part by dividing it into two parts. The length is selected so that the phase of the light propagating through one arm leads when the control light is not input, and the phase of the light propagating transiently through the other arm leads when the control light is input. Optical switch characterized by.
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