SE455969B - Optisk riktkopplare - Google Patents

Description

15 20 455 969 Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en optisk om- kopplare vilken uppfyller ovanstående önskemål eller funktion.

Uppfinningen är därvid kännetecknad sa som framgår av efterföljande patent- krav.

F IGURFÖRTECKNING Uppfinnlngen skall nu närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar i vllka figur l schematiskt visar en optisk omkopplare enligt uppfinningen i vy ovanifran, figur 2 visar omkopplaren enligt snittet A - A i figur l, figur 3a, 3b visar tillståndsdiagram, figur 4 visar exempel pà diagram över brytningsindex för de bada vägleder- ledarna enligt figur l - 2.

F igurerna 5 och 6 visar diagram över förstiârkningen hos riktkopplaren i genom- kopplingstillståndet resp överkopplingstillstandet.

UTFURINGSFORMER F igurerna l och 2 visar närmare en utföringsform av den optiska riktkopplaren enligt uppfinningen i form av en s k dubbelheterostruktur.

I figur l visas strukturen sedd ovanifran, i vilken inkommande ljus lades via en inkommande vägledare 23, varvid ljuset skall 'r (a) antingen genomkopplas, så att allt inkommande ljus ledas ut vid vagledare 21: och samtidigt förstärkas, eller (b) inkommande ljus genom vågledaren 23 överkopplas tswitchas) till utgående vàgledare 22 samtidigt som förstärkning enligt (a) sker. 1D 15 2D 25 30 455 969 Själva riktkopplaren utgörs av en struktur visad i tvärsnitt enligt figur 2 med två rnatalliska slaktroder 3 och 4 till vilka via kontaktpunkterna a resp b strömmarna il resp I2 matas från en yttre (ej visad) källa. Beteckningen 1 i figur 1 och 2 avser dat överst liggande skiktet hos heterostrukturen pa vilket elektrodarna 3 och 4 är fast anordnade.

Figur 2 visar närmare strukturen utefter snittet A - A -enligt figur l. Under det överst liggande skiktet 1, som exempelvis utgörs av en gallium - aluminium - arsenidförening Gal_xAlxAs, finns ett andra skikt 2, som består av gallium- arsenid Ga As och under detta ett tredje skikt 5 av galliumalumlnlumarsenid.

Ett metalliskt jordplan 6 för elektroderna 3 och 4 avslutar strukturen.

De bada vågledarna 21 - 22 och 23 - 24 enligt figur l är anordnade som tilledare till omkopplingsomràdet i den visade strukturen. Under resp. elektrod 3, 4 är dessa utformade som s k ribbvågledara betecknade 212 resp 234 ingående i skiktet 2, dvs vardera ljusledaren är försedd med en upphöjning 2la resp 23a, vilket ger vägledning i horisontallad hos riktkopplaren. Vidare är skiktet l dopat med exempelvis tannatomer av en dopkoncentration IGN/cm; och skiktet 2 3. För brytningsindex nl och n2 hos resp dopat med en koncentration lilla/cm skikt 1, 2 gäller att nl > n2. Detta ger en heterogen struktur i vertikailed x.

Den heterogena strukturen ger således en ljusvågledning i vågledarna 21 - 22 och 23 - 24. l övriga delar hos skiktet 2 sker endast en starkt dämpad ljusutbredning. Ljuset följer således den ribbformade strukturen.

Om ljusets våglängd Ä är ungefärligen lika med bandgapet E g för gallium- arsenid, dvs bandgapet för skiktet 2, kommer brytningsindex nl att bli kom- plext, medan brytningsindex n2 är reellt då ljusvåglängden är mindre än bandgapet.

Genom att injicera en ström ll resp i2 i vardera av elektroderna 3 och 4 mot jordplanet 6 kan populationsinversion och stimulerad emission (jfr förhållandet i en halvledarlaser) erhållas i båda vågledarna.

Vågledaravsnitten 212 och 234 är placerade så nära varandra att deras optiska fält överlappar varandra, varigenom en riktkopplarstruktur erhålles. Exempelvis gäller följande dimensioner i strukturen enligt figur 2: 455 969 10 15 20 25 30 al = 0,53,um 0,63,4tm a; = 2 /tm aa = B/im.

Ioptlmpat tillstànd, eller med nettoförstârkningen = 1, är vagledaravonitten 212 och 234 starkt fasmissmpassade, ss att en försumbar överkoppling av ljus mellan vagledarna sker. Detta är det s k genomkopplingstillstandet ("bar atate") i riktkopplaren. Da överkoppling av ljus fran vagledaren 21 till vagledare 24 i riktkopplaren sker eller da ljus överkopplas fran vagledare 23 till vagledare 22, det s k överkopplingstillstandet ("cross - state") sker i allmänhet en viss dämpning av ljuset beroende pa att allt inkommande ljus ej kan överkopplas, när riktkopplaren ej inkluderar förstärkning.

För att möjliggöra en förstärkning i riktkopplaren och för att få samma förstärkning av ljuset i såväl genomkopplings- som överkopplingstillstàndet föreslås en riktkopplare enligt föreliggande uppfinning, varav olika utförings- former beskrivas nedan.

I en första utföringsform gäller att i det opumpade tillstandet enligt ovan vågledarna 21 - 22, 23 - 24 är relativt kraftigt fasmissanpassde, sa att försumbar överkoppling sker. För att åstadkomma över-koppling och förstärkning pumpas det vänstra vàgledaravsnittet 212 i figur 2 (excitation alltid i den högra vagledaren). Härvid ökar imaginärdelen i brytningsindex nl (förstärkningen ökar) samtidigt som realdelen minskar, se exempelvis "Spectral dependence of the change in refractive index due to carrier injection in gallium-aisenide lasers", Journal of Applied Physics Vol. 52, 1981 p. 4457 - 4461. Minskningen i den reella delen hos brytningsindex i det vänstra vagledaravsnittet 212 kan avpassas så att fasanpassning och överkoppling fràn avsnittet 234 till avsnittet 212 samt förstärkning erhålles. Genom att istället enbart pumpa det högra vâgledaravsnittet 234, ökas enligt ovan fasmissanpassningen mellan de båda vagledaravsnitten. Ljuset förblir därvid i det högra vâgledaravsnittet 234 och förstärks (genomkopplingstillständet) . Exempel på förstärkningar och över- hörning vilka erhållits genom datorsimuleringar pä en fullständig struktur är Ad = IBdB resp -ZSdB En ytterligare fördel med en komponent enligt uppfinningen är att interband- interaktionen år polarisationsoberoende. De flesta passiva ornkopplare för ljus 10 15 20 25 455 969 är baserade pa elektrooptiska effekter, vilka i allmänhet är polarisatione- beroende.

I överkopplingetillstandet, da exempelvis vaglederavsnittet 212 pumpas genom att ström Il tillföras elektroden 3 sker en vandring av elektroner över okiktet lb enligt figur 2 och ett överskott av elektroner skapas i det övre bandet (ledningsbandet) hos det av galliumarsenid bildade vâgledaravenittet 212. Figur 3a, 3b visar förenklade tillstandsdiagram för Ga As där bandgapet angetts med E . Figur 3a visar opumpat tillstànd dvs underskott av elektroner i övre bandet medan figur Bb visar det pumpade tillståndet med elektronöverskott i det övre bandet, s k populationsinversion. Da ljus infaller i vagledaren 23, sker i pumpat tillstànd en övergång av elektroner fran ledningsbandet till valensbandet genom stimulerad emission (figur Bb), varvid ljus emitteras i beroende av det ljus som ledes genom vagledaren 23. Effekten blir att förstärkt ljus lämnar riktkopplaren ut genom vagledaren 24. I överkopplingstillstândet utdärnpas större delen av inkommande ljus genom vägledaren 23 och pumpning sker, dvs ström Il tillföras elektroden 3, varvid ovannämnda lasereffekt (figur 3a, 3b) istället uppträder i vagledaren 21 och 22. l figur 4 visas exempel pa reaidelen av brytningsindex nl för tre olika tillstànd hos riktkopplaren enligt uppfinningen. (a) Opumpat tillstànd. F asmissanpassning. (b) Överkopplingstillstandet med fasanpassning. Vänstra vagledaravsnittet 212 pumpas, dvs en ström ll tillföras elektroden 3, medan strömmen 12 motsvarar förstärkningen 1. (c) Genomkopplingstillstandet och fesmissanpassning mellan ljuset i vagledarna 21 och 23. Högre vâgledaravsnittet 234 pumpas, dvs l2 är skilt från 0 och ll motsvarar förstärkningen 1.

Förhöjningen av brytningsindex' realdel enligt figur 4 (a) - (e) motsvarar ribborna Zla, 23a i figur 2. l fallet (a) är förhöjningen av brytningsindex i vagledarna inbyggd i den opumpade strukturen genom de geometriska di- 30 mensionerna hos strukturen. l fallet (b) sker en sänkning av brytningsindex 10 15 2D 25 30 455 969 relativt (a) beroende pa pumpningen och möjlighet ges för ljuset att överkopplas till vagledare 21. I fallet (c) sker en sänkning av brytningsindex för det högra vagledaravsnittet 234 beroende pa pumpningen och saledes inträder anyo fasmisaanpassning och inget ljus överkopplás, utan endast en förstärkning i vagledaravanittet 234. Detta är genomkopplingstillstandet.

Figur 5 visar ett diagram över förstärkningen hos riktkopplaren i över- kopplingstillstandet för olika propageringslöngder genom förstärkarstrukturen.

Av diagrammet framgår att man erhaller en förstärkning av omkring lBdB vid överkoppling mellan kanal 2 (vagledare 23) till kanal l (vagledare 22), medan förstärkningen år negativ i kanal 2.

Figur 6 visar motsvarande förstärkning i genomkopplingstillstandet. Som fram- gar av diagrammet är förstârkningen ungefär samma vid genomkoppling i kanal 2 medan ljuset i kanal 1 har negativ förstärkning. Diagrammen enligt figur 5 och 6 visar således att ungefär samma förstärkning fas i bada tillstanden och att överkopplingen är försumbar i genomkopplingstíllstandet och genomkopp- lingen är försumbar i överkopplingstillstandet.

I ovan beskrivna utföringsform kommer allmänt sett förstärknings- och över- föringsegenskaperna i överkopplings- och genomkopplingstillstanden att vara beroende av vilken av de bada vagledarna 21 och 23 som väljes som excitations- port vid pumpningen, dvs till vilken av ledarna 21 och 22 inmatning av ljus skar.

Detta har verifierats vid datorsimuleringar. Även om ovanstående struktur (fig 1) till stor utsträckning är användbar, är ett s k -element, dvs en struktur vars över- och genomkopplingsprestanda är oberoende av excitationsport ännu mer flexibelt.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen erhalles ett dylikt -element genom att en tva-sektioners riktkopplare (active ) utnyttjas. Figur 7 visar schematiskt en sadan riktkopplare. Vagledarena 21 - 24 jämte avsnitten 212, 234 under resp elektrod är av samma utförande som i strukturen enligt figur l, Z, varför samma beteckningar har bibehallits. De bada elektroderna 3 och 4 i figur 1 har i strukturen enligt figur 7 uppdelats i vardera tva sektioner 3a, 3b resp lia, 4b, men är i övrigt av samma utseende som visats i figur 2. Till vardera sektionen tillförs strömmarna 13, lá, 15, 16.

'IS 20 455 969 I opumpat tillstånd är den i figur 7 visade strukturen symmetrisk vad avser brytningsindex, figur Ba. Genom symmetrisk pumpning, dvs 13 = l¿ = 15 = 16 fas överkopplingstiilstandet med en viss förstärkning, figur Bb. Om samma struktur pumpas sa att I; = 16 och I¿ = Is = X3 och 16, erhålles ett genomkopplingstiilstand med samma förstärkning oberoende av excitationsport (av reciprocitetsskäl).

Figur 8c, 8d visar det senare fallet, varvid figur 8c visar realdelen av indexprofilen i den första longitudinelia sektionen och figur 8d indexprofilen i den andra iongitudinella sektionen. Man far genomkoppling med samma för- stärkning oberoende av excitationsport (vägledare 21, 23). De streckade linjerna i figur Bb - d motsvarar indexprofil enligt figur Ba, dvs med all förstärkning = 1 i strukturen enligt figur 7.

Omràdena 25, 26 och 27 i figur 2 och motsvarande i strukturen enligt figur 7 kan göras transparenta och elektriskt isolerande genom jonimplantation.

Vàgledarna 21, 22, 23 och 24 i figur 1 liksom motsvarande i figur 7 tjänstgör som tilledare för ljuset och görs transparenta för operationsvaglängden , företrädesvis genom ett de utgöra av GaLxAlxAs, jfr områdena l och 5 i figur 2, se ovan. Härigenom erhålles även en longitudinell heterostruktur. Avsnitten 212 och 234 görs transparenta genom pumpningen enligt ovan beskrivet. Även andra utföringsformer av uppfinningen är möjliga, t ex en separat styrning av brytningsindex' realdel i en struktur enligt figur 1 eller 7 för att fa bättre överhörningsprestanda. Ytterligare ett alternativ består i att påverka kopp- lingslängden vid pumpningen.

Claims (2)

1. 455 969 10 15 l 8 PATENTKRAV 1 Optisk riktkopplare med förstärkning innehållande en första vagledere för inkommande ljus, en andra vagledare för genomkoppling av ljus fràn den första vagledaren och en tredje vagledare för omkoppling av ljus från den första vagledaren, vilka vagledare är transparenta för det inkommande ljusets veg- längd och har ett visst brytningsindex, varvid i ett kopplingsomràde för vagledarna är anordnat dels vaglederevsnitt vilka utgör kopplingselement för nämnda första, andra och tredje vagledare och dels elektroder, k ä nne- t e c k n a d av att optisk förstärkning av ljuset genom den första (23) och den andra (24) vâgledaren i riktkopplarens .genomkopplingstillstànd och optisk för- stärkning av ljuset genom den första (23) lich den tredje (22) vàgledaren i riktkopplarens överkopplingstillstand åstadkommas genom matning av en ström 01,12) till respektive elektrod (3,4 eller 3a,3b,4a,4b) i beroende av vilket kopplingstillstánd som önskas varvid, vid en ändring av såväl real-som imaginär- delen av brytningsindexet (nl) hos respektive vegledaravsnitt (212,234), en ändring av imaginärdelen åstadkommer en förstärkning och en ändring av reaidelen åstadkommer en ändring av riktkopplarens tillstànd för genomkoppling eller överkoppling av det inkommande ljuset.

2. Optisk riktkopplare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den har tvâ elektroder (3,4) av vilka den första (4) är placerad vid nämnda första (23) och andra (24) vagledare och den andra (3) är placerad vid nämnda tredje vàgledare (22) för strömmatning till resp vegledaravsnitt (212 resp 234) för erhållande av ljusförstärkning, samt att realdelsändringen i brytningsindex åstadkommer fasanpassning mellan vâgledaravsnitten (2l2,234) för att fa över- koppling och fasmissanpassning mellan vagledaravsnitten (2l2,234) för att fe genomkoppling, 3 Optisk riktkopplare enligt patentkrav l - 2, k ä n n e t e c k n a d av att en första strömmatning till nämnda elektroder (3,li) ger genomkopplingstillstând _ för inkommande ljus i såväl den första vàgledaren (23) som en fjärde vågledare (21) och att en andra strömmatníng ger överkopplingstillstànd för ljus i bâdadera av nämnda första och fjärde vagledare (21, 23). 455 969 9 4 Optisk riktkopplare enligt patentkrav 3, k ä' n n e t e c k n a d av att elektroderna är uppdelade i minst två sektioner (3a,3b,4a,4b) med nämnda tva elektroder i varje sektion, varvid överkopplingstíllstàndet med förstärkning åstadkommas genom symmetrisk strömmatning (13 = Ia = 15 = 16) till sektionerna, och genomkopplingstillstandet med förstärkning erhålles genom en mellan sektionerna alternerande strömmatning (13 = 16, lä = 15). 5 Optisk riktkopplare enligt patentkrav l - 4, k ä n n e t e c k n a d av att kopplingslängden för de kopplade vägledaravsnitten (212, 234) är anordnade att förändras medelst nämnda strömmatning till elektroderna 0,4; 3a,3b,4a,fzb).