JPS6191623A - Optical switch element - Google Patents
Optical switch elementInfo
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- JPS6191623A JPS6191623A JP21254984A JP21254984A JPS6191623A JP S6191623 A JPS6191623 A JP S6191623A JP 21254984 A JP21254984 A JP 21254984A JP 21254984 A JP21254984 A JP 21254984A JP S6191623 A JPS6191623 A JP S6191623A
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- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3137—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions
- G02F1/3138—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions the optical waveguides being made of semiconducting materials
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[技術分野]
大発明は小型でかつ高速動作の可能な光スィッチに関す
るものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field] The present invention relates to an optical switch that is compact and capable of high-speed operation.
[従来技術]
従来の光スイッチ素子のうち代表的な方向性結合器形光
スイッチ素子の概念図を第3図に示す。[Prior Art] FIG. 3 shows a conceptual diagram of a typical directional coupler type optical switch element among conventional optical switch elements.
図中、 IAおよび2Aは入力光導波路、IBおよび2
Bはそれぞれ導波路IAおよび2Aに接続された出力光
導波路、3Aおよび3Bは電極であり、以上の構成の導
波路がLiNbO3結晶基板lOにTiの拡散によって
形成される。In the figure, IA and 2A are input optical waveguides, IB and 2A are input optical waveguides,
B is an output optical waveguide connected to waveguides IA and 2A, respectively, 3A and 3B are electrodes, and the waveguide having the above configuration is formed by diffusing Ti into the LiNbO3 crystal substrate IO.
この場合には2×2の光スイッチ素子として動作する0
例えば、導波路IAから入射してきた光信号は電極3に
電圧Vが印加されていない場合には出力導波路IBへ出
射すると、電極3に電圧■を印加した場合には出力導波
路2Bへ出射させることができる。これは2つの導波路
間を接近させておき、その間の光信号の結合係数を電極
3により印加する電界により制御することによってスイ
ッチングさせるものである。In this case, 0
For example, when the voltage V is not applied to the electrode 3, the optical signal incident from the waveguide IA is outputted to the output waveguide IB, and when the voltage ■ is applied to the electrode 3, the optical signal is outputted to the output waveguide 2B. can be done. In this method, two waveguides are placed close to each other, and the coupling coefficient of the optical signal between them is controlled by an electric field applied by an electrode 3 to perform switching.
したがって、入力導波路IAに入射した光信号が出力導
波路2Bへ出射される状態の場合には、入力導波路2A
に入射した光信号は出力導波路IBに出射される。この
状態でさらに入力導波路2Aからの光信号を出力導波路
2Bへ出射させることは原理的に不可能であ、る。Therefore, when the optical signal incident on the input waveguide IA is output to the output waveguide 2B, the input waveguide 2A
The optical signal incident on is output to the output waveguide IB. In this state, it is theoretically impossible to further output the optical signal from the input waveguide 2A to the output waveguide 2B.
また、光の位相条件を制御してスイッチング動作させる
ので、光導波路の作製条件が厳しく、入射光の偏光に特
性が依存し、しかも温度に対する安定性が悪い等の欠点
がある。さらにまた、従来のこの種の光スィッチは全て
受動回路で構成されるため挿入損失が大きく、素子の形
状が大きい等の欠点もあった。Furthermore, since the switching operation is performed by controlling the phase conditions of the light, the manufacturing conditions for the optical waveguide are strict, the characteristics depend on the polarization of the incident light, and there are disadvantages such as poor stability with respect to temperature. Furthermore, since all conventional optical switches of this kind are composed of passive circuits, they have drawbacks such as large insertion loss and large element shapes.
[目 的]
そこで、本発明の目的は、これらの欠点を解決するため
に、光スイッチ素子の材料として半導体を用い、スイッ
チング原理としては損失変調を用いて構成した光スイッ
チ素子を提供することにある。[Objective] Therefore, in order to solve these drawbacks, an object of the present invention is to provide an optical switching element configured using a semiconductor as a material of the optical switching element and using loss modulation as the switching principle. be.
〔発明の構成]
かかる目的を達成するために、本発明は、複数の入力端
子および複数の出力端子を有し、これら入力および出力
端子間に光導波路を配置した光スイッチ素子において、
端子の各間を結ぶ導波路に泊ってPN接合を形成した半
導体導波路を配設し、端子のうち任意所望の端子間のP
N接合に注入する電流の有無に応じて任意所望の端子間
における光信号の伝搬を制御するようにしたことを特徴
とする。[Structure of the Invention] In order to achieve the above object, the present invention provides an optical switch element having a plurality of input terminals and a plurality of output terminals, and in which an optical waveguide is disposed between these input and output terminals.
A semiconductor waveguide that forms a PN junction is placed in the waveguide connecting each of the terminals, and a P-N junction is formed between any desired terminals.
The present invention is characterized in that the propagation of optical signals between arbitrary desired terminals is controlled depending on the presence or absence of current injected into the N junction.
〔実 施 例] 以下に、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。〔Example] The present invention will be described in detail below based on the drawings.
第2図は末完明光スイッチ素子で用いるスイッチング原
理を説明するための概念図である。ここで、IIAおよ
びIIBは各々入力および出力光導波路、14Aおよび
14Bはそれぞれ入力および出力光導波路11Aおよび
11Bと対向するように配置された結合用レンズ、15
はPN接合を有、する半導体素子であり、レンズ14A
と14Bとの間に配置される6■は半導体素子15に印
加される電源、Rは保護抵抗である。FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the switching principle used in the complete optical switch element. Here, IIA and IIB are input and output optical waveguides, respectively, 14A and 14B are coupling lenses arranged to face input and output optical waveguides 11A and 11B, respectively, and 15
is a semiconductor element having a PN junction, and the lens 14A
and 14B is a power supply applied to the semiconductor element 15, and R is a protection resistor.
第2図゛に示した構成での光スィッチの特性については
文献rM、Ikeda、 ”La5er diode
5w1tch”。The characteristics of the optical switch with the configuration shown in Fig. 2 are described in the literature rM, Ikeda, "La5er diode".
5w1tch”.
EIectron、Lett、、 Vol、17. N
o、23. pp、899−1300゜1981Jに報
告されている。すなわち、入力導波路11Aから入射し
た光信号は半導体素子15のPN接合部に注入される。EIectron, Lett, Vol. 17. N
o, 23. pp. 899-1300° 1981J. That is, the optical signal incident from the input waveguide 11A is injected into the PN junction of the semiconductor element 15.
ここで、PN接合部に電流が注入されていない場合には
、入射光は接合部で吸収されて出射しないが、PN接合
部に順方向に電流が注入されている場合には、入射光は
かかるPN接合部で増幅されて出射され、光信号は出力
導波路11Bに結合されることになる。ここで、PN接
合素子15としてレーザダイオード構造のものを用いる
と、素子での利得としては30dB程度が得られる。し
たがって、光信号のオン・オフ比として定義されるアイ
ソレーションは80dB以上が得られる。Here, when no current is injected into the PN junction, the incident light is absorbed by the junction and does not emerge; however, when a current is injected into the PN junction in the forward direction, the incident light The optical signal is amplified and emitted by the PN junction, and is coupled to the output waveguide 11B. Here, if a laser diode structure is used as the PN junction element 15, a gain of about 30 dB can be obtained with the element. Therefore, isolation defined as the on/off ratio of the optical signal can be obtained at 80 dB or more.
次に、以上で説明した光スィッチの原理を用いた末完明
光スイッチ素子の一実施例を第1図に示す。Next, FIG. 1 shows an embodiment of a complete optical switch element using the principle of the optical switch explained above.
第1図は光信号の端子が4個ある場合の平面図を示し、
ここで、 21A、22A、21B、22Bは各々入力
および出力導波路であるが、後述するように、入力側ま
たは出力側と限定されるものではない、本例では、導波
路21Aと22B 、 22Aと21Bをそれぞれ対向
し、かつ直交して配置する。25は導波路21A。Figure 1 shows a plan view when there are four optical signal terminals.
Here, 21A, 22A, 21B, and 22B are input and output waveguides, respectively, but as described later, they are not limited to the input side or the output side. In this example, the waveguides 21A, 22B, and 22A and 21B are arranged facing each other and perpendicular to each other. 25 is a waveguide 21A.
21B、22A、22Bの各端子間を結ぶ導波路形状の
PN接合を有する半導体素子、26八〜280および2
7A〜270は導波路21A、21B、22A、22B
の各端子間を結んで半導体素子25の導波路上に互いに
電気的に分離して配置した電極であり、各々分離・独立
して電流を注入できるようにしている。これら電極28
A〜280 、27A〜270の下側の導波路部分は、
第2図で説明したようなPN接合を持った活性層を有し
ており、その構造は埋込型タプルヘテロ構造の半導体レ
ーザと同様である。第1図に示したような構造のPN接
合を持つ導波路の作製は、反応性スパッタエツチング技
術で導波路パターンを形成し、その導波路の周囲を再結
晶成長させる技術で達成できる。Semiconductor element having a waveguide-shaped PN junction connecting terminals 21B, 22A, and 22B, 268 to 280 and 2
7A to 270 are waveguides 21A, 21B, 22A, 22B
These electrodes are electrically separated from each other and placed on the waveguide of the semiconductor element 25 by connecting the respective terminals of the semiconductor element 25, so that current can be injected into each terminal separately and independently. These electrodes 28
The lower waveguide portions of A~280 and 27A~270 are
It has an active layer with a PN junction as explained in FIG. 2, and its structure is similar to that of a buried tuple heterostructure semiconductor laser. The production of a waveguide having a PN junction having the structure shown in FIG. 1 can be achieved by forming a waveguide pattern using a reactive sputter etching technique, and then recrystallizing the area around the waveguide.
次に、この光スイッチ素子を動作させる方法について説
明する。第2図の場合と同様に、光信号の波長は、光ス
イッチ素子の活性層として用いる半導体材料で決まる利
得スペクトルのほぼ中心に選択する。Next, a method for operating this optical switch element will be explained. As in the case of FIG. 2, the wavelength of the optical signal is selected approximately at the center of the gain spectrum determined by the semiconductor material used as the active layer of the optical switch element.
今、従来の2X2光スイッチ素子と同様の動作をさせる
場合について説明する。導波路21Aから入射した光信
号を導波路21Bの端子に出射させるためには、導波路
21Aおよび21Bの各端子を結ぶ電極26Aに順方向
電流を注入してやればよく、それによって光信号は分岐
された後に増幅されて導波路21Bの端子に出射される
。分岐および合流部分での損失が原理的には9.5dB
i! hあるため、増幅度が10dB以上あれば、出
射光のレベルは入射光具ヒのレベルに増幅されることに
なる。Now, a case will be described in which the device operates in the same way as a conventional 2×2 optical switch element. In order to output the optical signal incident from the waveguide 21A to the terminal of the waveguide 21B, a forward current may be injected into the electrode 26A that connects each terminal of the waveguides 21A and 21B, whereby the optical signal is branched. After that, it is amplified and output to the terminal of the waveguide 21B. In principle, the loss at branching and merging sections is 9.5 dB.
i! Therefore, if the amplification degree is 10 dB or more, the level of the emitted light will be amplified to the level of the incident light.
同様に、導波路21Aの端子からの光信号を導波路22
Bの端子へ出射させるためには、これら導波路21Aと
22Bの両端子を結ぶ電極27Aおよび27Dに順方向
電流を注入してやればよい。Similarly, the optical signal from the terminal of the waveguide 21A is transferred to the waveguide 22A.
In order to emit the light to the terminal B, a forward current may be injected into the electrodes 27A and 27D connecting both terminals of the waveguides 21A and 22B.
その他の導波路間の端子から他の端子への光の伝搬につ
いても同様である。また、同時に多数の゛電極に電流を
印加することによって、同時に多数の端子から光信号が
出射されるようにすることができること勿論である。The same applies to the propagation of light from other terminals between waveguides to other terminals. Furthermore, by applying current to a large number of electrodes at the same time, it is of course possible to emit optical signals from a large number of terminals at the same time.
通常のInGaAsP系の半導体材料で第1図のような
構造の光スイッチ素子を作製する場合には、活性層を有
する導波路の長さを200 p−mとしたとき、光パワ
ーで10dB以上の利得と50dB以七のアイソレーシ
ョンを得ることができた。したがって。When fabricating an optical switching device with the structure shown in Figure 1 using a normal InGaAsP-based semiconductor material, the optical power must be 10 dB or more when the length of the waveguide with the active layer is 200 pm. Gain and isolation of more than 50 dB could be obtained. therefore.
本発明光スイッチ素子を300gm’以下の大きさで構
成できる。The optical switch element of the present invention can be constructed with a size of 300 gm' or less.
また、各電極28A〜2B0,2?A〜27Dへの電流
注入量を制御することにより各部での利得を制御するこ
とができるので各端子への出射光レベルを同一にするこ
ともできるし、あるいは任意所望のレベルに定めること
も可能である。このことは製作時における精度の許容度
が大きいことを意味しており、本発明光スイッチ素子は
製造ヒからも有利である。Also, each electrode 28A to 2B0, 2? By controlling the amount of current injected into A to 27D, the gain in each part can be controlled, so the output light level to each terminal can be made the same, or it can be set to any desired level. It is. This means that there is a large tolerance for precision during manufacturing, and the optical switch element of the present invention is also advantageous in terms of manufacturing efficiency.
[効 果]
以ト説明したように、本発明では、その光スイッチング
を行うにあたり、利得と吸収損失の切換を用い、分岐導
波路部分を活性層導波路で構成するので、以下のような
利点が得られる。[Effects] As explained above, in the present invention, when performing optical switching, switching between gain and absorption loss is used, and the branching waveguide portion is configured with an active layer waveguide, so the following advantages are achieved. is obtained.
(1)任意所望の複数の端子への同時出力が可能である
。(1) Simultaneous output to any desired plural terminals is possible.
(2)出射光について利得を得ることができる。(2) Gain can be obtained for the emitted light.
(3)スイッチ網として大規模なものを容易に構成する
ことができる。(3) A large-scale switch network can be easily configured.
(4)半導体基板上に容易に集積化することができる。(4) It can be easily integrated on a semiconductor substrate.
(5)本発明素子は、単にスイッチだけではなく、発光
させることもできるため、光源としての機能を付加する
ことができる。(5) The device of the present invention is not only a switch, but also can emit light, so it can have an additional function as a light source.
(6)固体装置であるから、長寿命である。(6) Since it is a solid-state device, it has a long life.
(7)素子精度の許容度が大きいので、価格紙庫にして
大量に製造できる。(7) Since the tolerance of element accuracy is large, it can be manufactured in large quantities as a paper stock.
第1図は本発明光スイッチ素子の一実施例の構造を示す
平面図、
第2図は本発明の光スイッチ原理を説明する概念図。
第3図は従来の光スイッチ素子の一例としての光方向性
結合器を示す概念図である。
IA、2A・・・入力導波路、
1B、2B・・・出力導波路、
3A、3B・・・電極、
6・・・各端子を結んだ導波路に独立して電流を注入で
きる電極、
lO・・・LiNbO3結晶基板、
11A・・・入力光導波路、
11B・・・出刃先導波路、
14A、14B・・・結合用レンズ、
15・・・PN接合を有する半導体素子、21A、21
B、22A、22B・・・入力/出力光導岐路、
25・・・導波路状PN接合を有する
半導体素子。
26A〜2fiD 、2?A〜270・・・電極。
第1図
21A、21B、22A、22B−・−・4液路25−
・−6相応陽状PH祥合セ鳴す3車番僻青子2GA〜2
6T)、2’7A〜27D−生程第2図
■
第3図
■FIG. 1 is a plan view showing the structure of an embodiment of the optical switch element of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the principle of the optical switch of the present invention. FIG. 3 is a conceptual diagram showing an optical directional coupler as an example of a conventional optical switch element. IA, 2A...input waveguide, 1B, 2B...output waveguide, 3A, 3B...electrode, 6...electrode that can independently inject current into the waveguide connecting each terminal, lO . . . LiNbO3 crystal substrate, 11A .
B, 22A, 22B... Input/output optical branch, 25... Semiconductor element having a waveguide-like PN junction. 26A~2fiD, 2? A~270...electrode. Fig. 1 21A, 21B, 22A, 22B--4 liquid paths 25-
・-6 corresponding positive condition PH Shogo SE ringing 3rd car number Aoko 2GA~2
6T), 2'7A to 27D-Production process diagram 2■ Figure 3■
Claims (1)
力および出力端子間に光導波路を配置した光スイッチ素
子において、前記端子の各間を結ぶ導波路に沿ってPN
接合を形成した半導体導波路を配設し、前記端子のうち
任意所望の端子間のPN接合に注入する電流の有無に応
じて当該任意所望の端子間における光信号の伝搬を制御
するようにしたことを特徴とする光スイッチ素子。In an optical switch element having a plurality of input terminals and a plurality of output terminals, and an optical waveguide arranged between these input and output terminals, a PN
A semiconductor waveguide with a junction formed therein is arranged, and propagation of an optical signal between any desired terminals is controlled depending on the presence or absence of a current injected into a PN junction between any desired terminals among the terminals. An optical switch element characterized by:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21254984A JPS6191623A (en) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | Optical switch element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21254984A JPS6191623A (en) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | Optical switch element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6191623A true JPS6191623A (en) | 1986-05-09 |
Family
ID=16624523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21254984A Pending JPS6191623A (en) | 1984-10-12 | 1984-10-12 | Optical switch element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6191623A (en) |
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