WO1997009654A1 - Optischer schalter - Google Patents

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WO1997009654A1
WO1997009654A1 PCT/EP1996/003877 EP9603877W WO9709654A1 WO 1997009654 A1 WO1997009654 A1 WO 1997009654A1 EP 9603877 W EP9603877 W EP 9603877W WO 9709654 A1 WO9709654 A1 WO 9709654A1
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waveguides
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coupler
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PCT/EP1996/003877
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Detlef Hoffmann
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HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FüR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
    • G02F1/3133—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type the optical waveguides being made of semiconducting materials
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • G02F1/01—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 intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—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 intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01708—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells in an optical wavequide structure

Definitions

  • the invention relates to an optical switch with a first input waveguide and a second input waveguide, a first output waveguide and a second output waveguide and with controllable switching means, by means of which optionally
  • optical switches are used in communications technology, where information is transmitted via optical fibers in the form of glass fibers.
  • the optical switches then serve as switches or crossings through which information arriving via an input channel in the form of a modulated light wave can optionally be routed to one of two different output channels.
  • the optical switches are controlled by electrical signals. By using a matrix of Depending on the triggering of the switches, one input channel can be connected to one of a large number of output channels.
  • the present invention relates to a so-called .2x2 switch "" .
  • This is an optical switch with two input waveguides and two output waveguides, with each input waveguide optionally being able to be optically coupled to each of the two output waveguides. The respective other input waveguide is then coupled to the other output waveguide.
  • the Franz Keldysh effect is the change in the optical absorption or transmission of a semiconductor under the influence of an electric field.
  • the most obvious phenomenon is a shift in the absorption edge towards smaller photon energies, i.e. longer wavelengths towards (.Encyclopedia of natural sciences and technology "", Verlag Moderne Industrie (1980), 1510).
  • the known arrangement shows undesirably strong crosstalk and highly asymmetrical switching behavior.
  • the electrode lies there on the waveguide into which the light wave is coupled.
  • the invention has for its object in an optical switch of the type mentioned with two input waveguides and two output waveguides
  • the switching means comprise a first connection waveguide which can be coupled to the first input waveguide via a first coupler and a second coupler to the second output waveguide, and a second connection waveguide which can be coupled to the via a third coupler second input waveguide and a fourth coupler can be coupled to the first output waveguide,
  • the means for generating the electro-optical effect are located in the output parts of the input-side couplers and in the input-side parts of the output-side couplers, namely the ends of the connecting waveguides. If an electrical field is applied to these parts of the couplers, they show a changed refractive index and a changed absorption capacity. This prevents the transition of the light wave into the connecting waveguide and from it into the associated output waveguide coupled to it. This applies to a light wave which is fed to the switch via the first input waveguide as well as to a light wave which is fed to the switch via the second input waveguide. In this case, these light waves are each directed onto the first or the second output waveguide. This can be done in several ways:
  • the first input waveguide can be directly connected to the first output waveguide between the first and fourth couplers and the second input waveguide can be directly connected to the second output waveguide between the third and second couplers.
  • the means for generating the electro-optical effect When the means for generating the electro-optical effect are activated, the light waves are conducted practically without loss from the first input waveguide into the first output waveguide and from the second input waveguide onto the second output waveguide. If these "means " are not activated, the couplers take effect.
  • the light wave from the first input waveguide is guided largely without loss exclusively due to the dimensioning of the waveguide onto the second output waveguide. Analogously, the light wave is conducted from the second input waveguide, likewise largely without loss, into the first output waveguide.
  • the optical switch does not work exactly symmetrically but practically or largely without loss.
  • the crosstalk between the two switched channels can be reduced to less than -40 dB.
  • the arrangement can also be designed so that
  • Couplers can be coupled to a third connecting waveguide
  • the second input waveguide and the second output waveguide can be coupled to a fourth connecting waveguide via a seventh and an eighth coupler
  • means for generating the electro-optical effect are activated either in the first to fourth couplers or in the fifth to eighth couplers.
  • An active control signal is therefore required for each "switching state" of the optical switch.
  • the transmission is therefore exactly symmetrical for both switching states and practically lossless with extremely low crosstalk.
  • the control of the second and fourth or the sixth and eighth couplers to produce an electro-optical effect in the straight coupler sections at the ends of the connecting waveguides ensures that no " switched through" light wave from the output waveguides into the connecting waveguide.
  • Waveguide can be coupled. This arrangement also ensures that the optical switch can be used in both directions: the functions of input and output waveguides can be interchanged.
  • Fig.l is a schematic representation of an optical
  • FIG. 2 shows a modification of the optical switch according to FIG. 1 such that the two "switching states" "are generated by active signals, so that symmetrical conditions prevail.
  • FIG. 3 shows a section through a substrate with waveguides for producing an optical one
  • FIG. 4 is a representation similar to FIG. 3 and illustrates the intensity curve of a
  • FIG. 5 shows the intensity curve in the X direction of FIG. 4 in the middle of the wave-guiding layer.
  • Fig. 6 is a schematic diagram illustrating a matrix of switches of the type shown in Fig Fig.l or 2 shown type, through which a plurality of m inputs can be distributed to a plurality of m outputs.
  • Fig.l 10 denotes a rectangular substrate which carries waveguides produced by the methods of integrated optics.
  • the substrate 10 carries a first input waveguide 12 and a second input waveguide 14.
  • a light wave I x for example from a glass fiber, is introduced into the first input waveguide 12 on the end face.
  • a light wave I 2 is introduced into the second input waveguide 14 on the end face.
  • the two input waveguides 12 and 14 run parallel to one another and parallel to the long sides of the substrate from the narrow side of the rectangular substrate 10.
  • a first output waveguide 16 and a second output waveguide 18 are provided on the opposite narrow side of the substrate 10.
  • a light wave O x emerges from the first output waveguide 16.
  • a light wave 0 2 emerges from the second output waveguide 18.
  • the two output waveguides 16 and 18 run parallel to one another and parallel to the long sides of the substrate from the narrow side of the rectangular substrate 10 and are aligned with the first and second input waveguides 12 and 14, respectively.
  • the first input waveguide 12 is included connected to the first output waveguide 16 by a first waveguiding connection 20.
  • the first input waveguide 12, the wave-guiding connection 20 and the first output waveguide 16 form a single continuous waveguide.
  • the second input Waveguide 14 connected to the second output waveguide 18 by a second waveguiding connection 22.
  • the first wave-guiding connection 20 contains a third, straight coupler section 24 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10, a loop 26 arched towards the longitudinal edge of the substrate and a fourth, straight coupler section 28, which is aligned with the coupler section 24.
  • the second wave-guiding connection 22 contains a first straight coupler section 30 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10, a loop 32 arched towards the longitudinal edge of the substrate and a second straight coupler section 34 which is aligned with the coupler section 30.
  • a first connection waveguide 36 and a second connection waveguide 38 are arranged in the region between the waveguiding connections 20 and 22.
  • the first connecting waveguide 36 contains at one end a first straight coupler section 40 which runs at a short distance from the first coupler section 24 of the waveguiding connection 20 and forms a first coupler 42 with it.
  • the first connecting waveguide 36 also contains at the other end a second straight coupler section 44 which runs at a short distance from the fourth coupler section 34 of the waveguiding connection 22 and forms a second coupler 46 with it.
  • the two coupler sections 40 and 44 of the first connecting waveguide 36 are connected by a central section 48 which runs obliquely (from top left to bottom right in FIG. 1).
  • the second connecting waveguide 38 contains at one end a third straight coupler section 50 which runs at a short distance from and with the third coupler section 30 of the waveguiding connection 22 forms third coupler 52.
  • the second connecting waveguide 38 also contains at the other end a fourth straight coupler section 54 which runs at a short distance from the second coupler section 28 of the waveguiding connection 20 and forms a fourth coupler 56 with it.
  • the two coupler sections 50 and 54 of the second connecting waveguide 38 are connected by a central section 58 which runs obliquely (from the bottom left to the top right in FIG. 1).
  • the two central sections 48 and 58 intersect at an angle excluding a wave transition (> 10 °).
  • the waveguide arrangement is centrally symmetrical to the crossing point of the two central sections 48 and 58.
  • the lengths of the coupler sections correspond to the coupling lengths, so that in the case of undisturbed waveguides, the entire light wave, for example I lt , is coupled from the input waveguide 12 via the couplers, for example 42 and 46, into the cross-lying output waveguides, for example 18.
  • the first input waveguide 12 is thus coupled to the second output waveguide 18 and the second input waveguide is coupled to the first output waveguide with almost no loss.
  • Means are provided for in the coupler sections 40, 44; 50, 54 of the connecting waveguides 36 and 38 induce electro-optical effects, by means of which a change in the refractive index and thus at the same time a substantial increase in the absorption capacity of the waveguide material is brought about.
  • Coupler sections 40, 44; 50, 54 of the connecting waveguides 36 and 38 consist of a p-doped Layer 60 (FIG. 3) and an n-doped layer 62 above and below an undoped, waveguiding layer 64 in the coupler sections 40, 44; 50, 54.
  • the layers 60 and 62 form a pn junction, ie practically a diode.
  • the p-doped layers 60 are connected to metallic contacts 66 and 68.
  • the n-doped layers 62 are connected to metallic contacts 70 and 72 or 74 and 78 and are at a reference potential. A voltage in the reverse direction of the diode can be applied between the relevant metallic contacts. No electricity then flows. However, an electric field is generated in the wave-guiding layer 64.
  • Layers 60 are isolated from the rest of the respective interconnect waveguide by a narrow break in the waveguide. Instead, a selective p-diffusion can also be provided in the layers 60 in contrast to the undoped central sections 48 and 58 of the ribs assigned to the connecting waveguides (FIG. 3). Then contacts 66 and 68 are isolated from each other.
  • the p-doped regions are then preferably beyond the straight coupling sections as far as into the curved sections of the connecting waveguides, i.e. the sections between the coupling links of the couplers and the central sections of the connecting waveguides, extended.
  • an electric field is generated in the wave-guiding layer 64. Due to the Franz Keldysh effect, this electric field causes the band edge for the transmission of the semiconductor material to shift towards longer wavelengths. When the wavelength of the light guided in the waveguides is just above it Band edge, then a strong change in the refractive index and a strong increase in the absorption capacity of the material for this wavelength occurs when the electric field is applied.
  • metals are highly absorbent due to their high electrical conductivity. A light wave striking a metal surface therefore does not penetrate the metal but is reflected. If there is no voltage, the waveguides are undisturbed. On the coupling length, the light waves are coupled, for example, from the first input waveguide via the first coupler 42 into the first connecting waveguide 36 and from there via the second coupler 46 into the output waveguide 18 without loss.
  • absorbers 78 and 80 are in the areas between the loops 26 and 32 and the connecting waveguides 36 and 38 arranged.
  • the optical switch of Fig.l works with the two switching states “voltage applied” “and .no voltage applied” ". In the former case, the light waves are just being passed through, in the latter case the inputs and outputs are connected crosswise.
  • 2 shows an optical switch to which voltages are applied in both switching states, but to different contacts, so that completely symmetrical switching behavior can be achieved.
  • the basic structure of the optical switch of FIG. 2 is similar to the optical switch of FIG. Corresponding parts are given the same reference numerals in FIG. 2 as in FIG.
  • the first and second input waveguides 12 and 14 are not connected directly to the output waveguides 16 or 18 via waveguiding connections, as in FIG. Rather, the connection of the first input waveguide 12 to the first output waveguide 16 takes place via a third connection waveguide 82.
  • the first input waveguide 12 can be coupled to the third connection waveguide 82 via a fifth coupler 84.
  • the third connecting waveguide 82 is in turn one sixth coupler 86 can be coupled to the first output waveguide 16.
  • the second input waveguide 14 can be coupled to a fourth connecting waveguide 90 via a seventh coupler 88.
  • the fourth connecting waveguide 82 can in turn be coupled to the second output waveguide 18 via an eighth coupler 92.
  • the couplers 84, 86, 88 and 92 are identical to one another and constructed similarly to the couplers 42,
  • the third connecting waveguide 82 has a straight coupling section 94 at its input end.
  • the coupling section 94 runs a short distance from the end of the input waveguide 12 on the side facing away from the coupling section 40.
  • the coupling section 94 also extends over the coupling length, on which a wave from the input waveguide 12 can be completely coupled into the third connecting waveguide 82.
  • the coupling section 94 is constructed as described above with reference to FIG. 3.
  • Layer 60 is connected to a metallic contact 96.
  • the metallic contact 96 extends outside "" of the third connecting waveguide 82 parallel to the longitudinal edge of the substrate 10.
  • the metallic contact 96 is also connected to the layer 60 of a corresponding coupling section 98 at the other end of the third connecting waveguide 82.
  • the coupling section 98 forms part of the sixth coupler 86.
  • the layer 62 of the coupling section 94 is connected to the metallic contacts 70 and 72, which are kept at reference potential. If a voltage is present on contacts 66 and 68 and no voltage on contact 96 and its counterpart 100, then the light wave from first input waveguide 12 is coupled through coupler 84, third connecting waveguide 82 and coupler 86 first output waveguide 16 coupled. Correspondingly, the light wave from the second input waveguide 14 is coupled into the second output waveguide 18 via the coupler 88, the fourth connecting waveguide 90 and the coupler 92.
  • the first input waveguide 12 is cross-coupled with the second output waveguide 18 and the second input waveguide 14 the first output waveguide 16.
  • a voltage is present at the metallic contact 96 and its counterpart 100 but there is no voltage at the contacts 66 and 68
  • the first input waveguide 12 is cross-coupled with the second output waveguide 18 and the second input waveguide 14 the first output waveguide 16.
  • Four coupler sections are active or inactive, for example 94.98 and 95.99 or 40.44 and 50.54. In both switching states there are symmetrical conditions for the transmission of light waves.
  • FIG 3 illustrates the construction and manufacture of an optical switch of the type described above.
  • Sulfur-doped indium phosphide InP serves as substrate 10.
  • This material is n-type.
  • the n-doped contact layer 62, a lightly n-doped optical buffer layer 104, the undoped, quaternary, waveguiding layer 64, an indium phosphide cover layer 106 and a quaternary etching stop layer 108 are applied to this substrate 10 in one step by means of epitaxy.
  • An undoped indium phosphide layer 109 and the p-doped layer follow the etch stop layer 108, likewise applied by epitaxy like the further layers that follow Layer 60 in the form of an indium phosphide layer and a quaternary p-doped contact layer 110.
  • the n-doped contact layer 62 is connected to a reference potential.
  • a voltage for generating an electric field in the wave-guiding layer 64 can be applied to the contact layer 110 via a metallic contact (not shown in FIG. 3).
  • the layers 60, 110 and 109 form ribs 112 corresponding to the waveguide structure of Fig.l or 2, as indicated in Fig.3. Such ribs 112 cause a lateral limitation of a light wave running in the wave-guiding layer.
  • a rib 112 with a high refractive index is provided in an extended, waveguiding layer 64 which extends over the surface of the substrate 10, then a light wave running in the layer 64 is not only limited vertically in FIG. 3 by the boundaries of the waveguiding layer and also bundled laterally, horizontally in FIG. 3 by the dimensions of the ribs 112, on both sides of which the waveguiding layer 64 (and 106) borders on air, that is to say a medium with a low refractive index.
  • 4 shows a calculated intensity distribution across the cross section of the light wave.
  • the individual closed curves are curves of the same electric field strength or intensity.
  • the innermost curve 114 corresponds to an intensity of 90% of the maximum field strength.
  • the outermost curve 116 corresponds to an intensity of 10% of the maximum field strength.
  • 5 shows the field strength profile transverse to the direction of propagation of the light waves
  • the layers described are first built up by means of epitaxy. A photoresist is applied to the top layer. A mask is placed on the photoresist, which reproduces the structure of the electrodes to be applied to the waveguide as a negative. The photoresist is then irradiated with UV light. The photoresist is developed or hardened at the points where the electrodes are to be created.
  • Metal Ti / Pt / Au
  • a metal layer is formed on a photoresist layer partially developed according to the mask.
  • the photoresist is then dissolved in acetone. Where the photoresist has not been exposed, it can be mechanically removed using the lift-off technique. This also removes the metal layer deposited on these unexposed parts of the photoresist.
  • a metal layer is then obtained on the surface of the block formed by the layers described, the contours of which correspond to the electrodes to be applied to the waveguides.
  • etching step in which the top quaternary layer 110 is etched away using reactive ion beam etching (RIE).
  • RIE reactive ion beam etching
  • the indium phosphide Layers 60 and 109 etched away to the etch stop layer 108. In this way, the projecting ribs are formed, by which the light waves are limited laterally.
  • this expression is not limited to visible light but also includes the infrared light that is preferably used here.
  • each coupler In the case of a practical optical switch of the type shown in FIG. 1, the length of each coupler is 4 mm. The entire structure is 14 mm long. The width of the ribs 112 defining the waveguide is 2.5 ⁇ m. In the area of the couplers, the distance between the adjacent ribs is 3.5 ⁇ m. The ends of the input and output waveguides are arranged at intervals of 250 ⁇ m from each other in order to facilitate the coupling of light-guiding fibers.
  • FIG. 6 shows a matrix of optical switches E ik of the type described above.
  • the switches are connected and controlled in series in various combinations such that each input I to I m can be connected to each output 0 X to 0 m .

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Abstract

Ein optischer Schalter weist einen ersten Eingangs-Wellenleiter (12) und einen zweiten Eingangs-Wellenleiter (14), einen ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) und einen zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) und ansteuerbare Schaltmittel auf, durch welche wahlweise der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) und der zweite Eingangs-Wellenleiter (14) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) oder der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) und der zweite Eingangs-Wellenleiter (14) mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) verbindbar ist. Die Schaltmittel enthalten zwei sich kreuzende Verbindungs-Wellenleiter (36, 38) und zwei Schleifen (26, 32) oder zwei weitere Verbindungs-Wellenleiter (82, 90), die gewölbt sind, sowie vier Koppler (42, 46, 52, 56) bzw. vier weitere Koppler (84, 86, 88, 92), in denen jeweils ein einen Übergang von Lichtwellen ausschließender Zustand erzeugt wird.

Description

Optischer Schalter
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit einem ersten Eingangs-Wellenleiter und einem zweiten Eingangs- Wellenleiter, einem ersten Ausgangs-Wellenleiter und einem zweiten Ausgangs-Wellenleiter und mit ansteuerbaren Schaltmitteln, durch welche wahlweise
- der erste Eingangs-Wellenleiter mit dem zweiten Ausgangswellenleiter und der zweite Eingangs- Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter
oder
- der erste Eingangs-Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter und der zweite Eingangs- Wellenleiter mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter
verbindbar ist.
Solche optischen Schalter werden verwendet in der Nachrichtentechnik, wo Informationen über Lichtwellenleiter in Form von Glasfasern übertragen werden. Die optischen Schalter dienen dann als Weichen oder Kreuzungen, durch welche eine über einen Eingangskanal ankommende Information in Form einer modulierten Lichtwelle wahlweise auf einen von zwei verschiedenen Ausgangskanälen geleitet werden kann. Die optischen Schalter werden durch elektrische Signale angesteuert. Durch Verwendung einer Matrix von parallel und in Serie angeordneten Schaltern kann jeweils ein Eingangskanal je nach Ansteuerung der Schalter wahlweise mit einem von einer Vielzahl von Ausgangskanälen verbunden werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei auf einen sog. .2x2-Schalter"" . Das ist ein optischer Schalter mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei Ausgangs-Wellenleitern, wobei wahlweise jeder Eingangs-Wellenleiter mit jedem der beiden Ausgangs-Wellenleiter optisch koppelbar ist. Der jeweils andere Eingangs-Wellenleiter ist dann mit dem anderen Ausgangs-Wellenleiter gekoppelt.
Stand der Technik
Eine Veröffentlichung .Dilated Networks for Photonic Switching"" von Padmanabhan und Netravali in .IEEE Transactions on Communications" Bd. COM 35 (1987), 1357- 1365 beschreibt Netzwerke von optischen Schaltern. In Fig.4(b) dieser Veröffentlichung ist ein Schalter mit vier Eingangs-Wellenleitern und vier Ausgangs-Wellenleitern dargestellt. Zwei .innere"" Eingangs-Wellenleiter sind überkreuz mit zwei .inneren"" Ausgangs-Wellenleitern verbunden. Jeder der inneren Eingangs-Wellenleiter ist über einen steuerbaren optischen Koppler mit dem benachbarten .äußeren"" Eingangs-Wellenleiter koppelbar. Entsprechend ist jeder .innere"" Ausgangs-Wellenleiter über einen steuerbaren optischen Koppler mit dem benachbarten .äußeren"" Ausgangs- Wellenleiter verbunden.
Eine Veröffentlichung .Guided-Wave Intensity Modulators using Amplitude-and-Phase Perturbations"" von Soref, McDaniel und Bennet in .Journal of Lightwave Technology"" Bd. 6 (1988), 437-444 beschreibt eine in integrierter Optik aufgebaute Anordnung mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei damit unmittelbar durch .Verbindungs-Wellenleiter"" verbundenen Ausgangs-Wellenleitern. Eingangs- und Ausgangs- Wellenleiter bilden praktisch jeweils einen durchgehenden Wellenleiter. Die Verbindungs-Wellenleiter sind auf einer Koppelstrecke dicht nebeneinander geführt und bilden so einen Koppler. An einem der Verbindungs-Wellenleiter sitzt eine Elektrode zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes, durch den der Brechungsindex und damit die Phase sowie die Absorption in diesem Verbindungs-Wellenleiter verändert wird. Damit wird die Kopplung gestört.
Wenn zwei Wellenleiter dicht nebeneinander verlaufen, so daß das elektromagnetische Feld einer in einem ersten Wellenleiter laufenden Lichtwelle in den zweiten Wellenleiter hineinstreut, dann tritt bei Fortschreiten der Welle nach und nach immer mehr Licht aus dem ersten Wellenleiter in den zweiten Wellenleiter über, bis schließlich nach einer bestimmten Strecke, der Koppellänge, die gesamte Lichtwelle in dem zweiten Wellenleiter läuft. Jetzt wiederholt sich der Vorgang in umgekehrter Richtung. Es ist daher möglich mit einem optischen Koppler, in welchem zwei Wellenleiter auf der Kopplellänge dicht nebeneinander verlaufen, die gesamte in einem Wellenleiter laufende Lichtwelle in den anderen Wellenleiter zu übertragen. Das ist eine Erscheinung ähnlich den Schwingungen zweier aufeinander abgestimmter, gekoppelter Pendel. Durch Veränderung des Brechungsindex in dem einen Wellenleiter wird diese Kopplung gestört.
Dieser Effekt wird bei der vorerwähnten bekannten Anordnung ausgenutzt. Bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden wird die Kopplung zwischen den Verbindungs-Wellenleitern stark reduziert. Es tritt daher nur wenig Licht aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter in den zweiten Ausgangs- Wellenleiter und aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter in den ersten Ausgangs-Wellenleiter.
Als elektro-optischer Effekt wird in der Veröffentlichung ein .Freie-Ladungsträger-Effekt"" (free-carrier effect) und der Franz-Keldysh-Effekt erwähnt.
Der Franz-Keldysh-Effekt ist die Änderung der optischen Absorption oder Transmission eines Halbleiters unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Als deutlichste Erscheinung tritt eine Verschiebung der Absorptionskante zu kleineren Photonenenergien, d.h. längeren Wellenlängen hin auf (.Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik"", Verlag Moderne Industrie (1980), 1510).
Die bekannte Anordnung zeigt unerwünscht starkes Nebensprechen und stark asymmetrisches Schaltverhalten. Die Elektrode liegt dort an dem Wellenleiter, in den die Lichtwelle eingekoppelt wird. Dadurch ergibt sich bei Anlegen der Spannung an die Elektrode infolge der Absorption ein Energieverlust für die gerade von dem ersten Eingangs-Wellenleiter zu dem ersten Ausgangs-Wellenleiter durchgehende Lichtwelle. Bei Abschalten der Spannung erfolgt dagegen eine nahezu verlustlose Übertragung der Lichtwelle von dem ersten Eingangs-Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter.
Eine Veröffentlichung .Novel optical switches based on carrier injeetion in three and five waveguide couplers"" von Acklin, Schienle,Weiss, Stoll und Müller in .Electronic Letters"" (1994), 217-218 beschreibt einen Schalter mit einem Eingangs-Wellenleiter und zwei Ausgangs-Wellenleitern in einer Y-Anordnung. Die eingangseitigen Enden der Ausgangs-Wellenleiter verlaufen längs einer Koppellänge in geringem Abstand von dem ausgangseitigen Ende des Eingangs- Wellenleiters. Durch Ladungsträger-Injektion können die Enden der Ausgangs-Wellenleiter wahlweise in ihrem Brechungsindex und ihrem Absorptionsvermögen verändert werden, so daß keine Kopplung vom Eingangs-Wellenleiter zum Ausgangs-Wellenleiter stattfindet. Das ist nur ein .1x2""- Schalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem optischen Schalter der Eingangs genannten Art mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei Ausgangs-Wellenleitern
das Übersprechen auf ein nicht mehr störendes Maß zu reduzieren und
eine zumindest im wesentlichen symmetrische Signalübertragung zu gewährleisten, d.h. eine eingekoppelte Lichtwelle in beiden .Schaltstellungen"" des optischen Schalters mit möglichs gleichen, geringen Verlusten zu übertragen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
(a) die Schaltmittel einen ersten Verbindungs-Wellenleiter, der über einen ersten Koppler mit dem ersten Eingangs- Wellenleiter und einen zweiten Koppler mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter koppelbar ist, und einen zweiten Verbindungs-Wellenleiter enthalten, der über einen dritten Koppler mit dem zweiten Eingangs-Wellenleiter und einen vierten Koppler mit dem ersten Ausgangs- Wellenleiter koppelbar ist,
(b) der erste Verbindungs-Wellenleiter und der zweite Verbindungs-Wellenleiter im Bereich der Koppler Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes aufweisen, durch die eine Veränderung des Brechungsindex und des Absorptionsvermögens des betreffenden Verbindungs-Wellenleiters zu einem einen Übergang von Wellen über den Koppler ausschließenden Zustand erfolgt, und
(c) die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effekts für alle vier Koppler in gleicher Weise ansteuerbar sind.
Bei einer solchen Anordnung liegen die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes in den ausgangseitigen Teilen der eingangsseitigen Koppler sowie den eingangsseitigen Teilen der ausgangsseitigen Koppler, nämlich den Enden der Verbindungs-Wellenleiter. Wenn an diese Teile der Koppler ein elektrisches Feld angelegt wird, zeigen diese einen veränderten Brechungsindex und ein verändertes Absorptionsvermögen. Damit wird der Übergang der Lichtwelle in die Verbindungs-Wellenleiter und von diesen in die damit gekoppelten, zugehörigen Ausgangs- Wellenleiter verhindert. Das gilt für eine Lichtwelle, die über den ersten Eingangs-Wellenleiter dem Schalter zugeführt wird ebenso wie für eine über den zweiten Eingangs-Wellenleiter dem Schalter zugeführte Lichtwelle. In diesem Fall werden diese Lichtwellen jeweils auf den ersten bzw. auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Das kann auf verschiedene Weise geschehen:
Es kann der erste Eingangs-Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter zwischen dem ersten und dem vierten Koppler unmittelbar wellenleitend verbunden sein und der zweite Eingangs-Wellenleiter mit dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter zwischen dem dritten und dem zweiten Koppler unmittelbar wellenleitend verbunden sein. In diesem Fall werden die Lichtwellen bei Ansteuern der Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes praktisch verlustlos von dem ersten Eingangs-Wellenleiter in den ersten Ausgangs-Wellenleiter und von dem zweiten Eingangs- Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Werden diese .Mittel"" nicht angesteuert, dann werden die Koppler wirksam. Die Lichtwelle aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter wird weitgehend verlustlos ausschließlich infolge der Dimensionierung der Wellenleiter auf den zweiten Ausgangs-Wellenleiter geleitet. Analog wird die Lichtwelle aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter, ebenfalls weitgehend verlustlos in den ersten Ausgangs- Wellenleiter geleitet. Der optische Schalter arbeitet zwar nicht exakt symmetrisch jedoch praktisch bzw. weitgehend verlustlos.
Durch die Anwendung eines elektro-optischen Effektes, der den Brechungsindex und das Absorptionsvermögen verändert, kann das Übersprechen zwischen den beiden geschalteten Kanälen auf weniger als -40 dB reduziert werden.
Die Anordnung kann aber auch so ausgebildet sein, daß
(a) der erste Eingangs-Wellenleiter und der erste Ausgangs- Wellenleiter über einen fünften und einen sechsten
Koppler mit einem dritten Verbindungs-Wellenleiter koppelbar sind,
(b) der zweite Eingangs-Wellenleiter und der zweite Ausgangs-Wellenleiter über einen siebten und einen achten Koppler mit einem vierten Verbindungs- Wellenleiter koppelbar sind,
(c) der dritte Verbindungs-Wellenleiter und der vierte Verbindungs-Wellenleiter im Bereich der Koppler Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes aufweisen, durch den eine Veränderung des Brechungsindex und des Absorptionsvermögens des betreffenden Verbindungs-Wellenleiters zu einem einen Übergang von Wellen über den Koppler ausschließenden Zustand erfolgt, und
(d) die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effekts für die fünften, sechsten, siebten und achten Koppler in gleicher Weise und im Gegentakt zu den Mitteln zur
Erzeugung des elektro-optischen Effekts in den ersten, zweiten, dritten und vierten Kopplern ansteuerbar sind.
In diesem Fall werden Mittel zur Erzeugung des elektro- optischen Effektes entweder in den ersten bis vierten Kopplern oder in den fünften bis achten Kopplern aktiviert. Für jeden .Schaltzustand"" des optischen Schalters ist somit ein aktives Steuersignal erforderlich. Hier erfolgt somit die Übertragung exakt symmetrisch für beide Schaltzustände und praktisch verlustlos mit extrem geringem Übersprechen.
Die Ansteuerung der zweiten und vierten bzw. der sechsten und achten Koppler zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes in den geraden Kopplerabschnitten an den Enden der Verbindungs-Wellenleiter stellt sicher, daß keine .durchgeschaltete"" Lichtwelle aus den Ausgangs- Wellenleitern in die Verbindungs-Wellenleiter gekoppelt werden kann. Außerdem gewährleistet diese Anordnung die Benutzbarkeit des optischen Schalters in beiden Richtungen: Die Funktionen von Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern können vertauscht werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 4 bis 21. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l ist eine schematische Darstellung eines optischen
Schalters mit zwei Eingangs-Wellenleitern und zwei
Ausgangs-Wellenleitern, der witgehend bzw. praktisch verlustfrei mit geringem Übersprechen schaltet.
Fig.2 zeigt eine Abwandlung des optischen Schalters gemäß Fig.l derart, daß die beiden .Schaltzustände"" durch aktive Signale erzeugt werden, so daß symmetrische Verhältnisse herrschen.
Fig.3 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat mit Wellenleitern zur Herstellung eines optischen
Schalters der in Fig.l oder 2 dargestellten Art als integrierte Optik.
Fig.4 ist eine Darstellung ähnlich Fig.3 und veranschaulicht den Intensitätsverlauf einer
Lichtwelle, die in der ausgedehnten wellenleitenden Schicht unter einer über der Schicht angebrachten Rippe läuft, mit Kurven gleicher Intensität.
Fig.5 zeigt den Intensitätsverlauf in X-Richtung von Fig.4 in der Mitte der wellenleitenden Schicht.
Fig.6 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht eine Matrix von Schaltern der in Fig.l oder 2 dargestellten Art, durch welche eine Vielzahl von m Eingängen auf eine Vielzahl von m Ausgängen verteilt werden kann.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
In Fig.l ist mit 10 ein rechteckiges Substrat bezeichnet, welches nach den Methoden der integrierten Optik hergestellte Wellenleiter trägt. Das Substrat 10 trägt einen ersten Eingangs-Wellenleiter 12 und einen zweiten Eingangs-Wellenleiter 14. In den ersten Eingangs- Wellenleiter 12 wird eine Lichtwelle Ix z.B. aus einer Glasfaser an der Stirnseite eingeleitet. In den zweiten Eingangs-Wellenleiter 14 wird eine Lichtwelle I2 an der Stirnseite eingeleitet. Die beiden Eingangs-Wellenleiter 12 und 14 verlaufen von der Schmalseite des rechteckigen Substrats 10 aus parallel zueinander und parallel zu den Längsseiten des Substrats. An der gegenüberliegenden Schmalseite des Substrats 10 sind ein erster Ausgangs- Wellenleiter 16 und ein zweiter Ausgangs-Wellenleiter 18 vorgesehen. Aus dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 tritt eine Lichtwelle Ox aus. Aus dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter 18 tritt eine Lichtwelle 02 aus. Die beiden Ausgangs-Wellenleiter 16 und 18 verlaufen von der Schmalseite des rechteckigen Substrats 10 aus parallel zueinander und parallel zu den Längsseiten des Substrats und fluchten mit dem ersten bzw. zweiten Eingangs- Wellenleiter 12 bzw. 14. Der erste Eingangs-Wellenleiter 12 ist mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 durch eine erste wellenleitende Verbindung 20 verbunden. Praktisch bildet hier der erste Eingangs-Wellenleiter 12, die wellenleitende Verbindung 20 und der erste Ausgangs- Wellenleiter 16 einen einzigen durchgehenden Wellenleiter. In entsprechender Weise ist der zweite Eingangs- Wellenleiter 14 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 durch eine zweite wellenleitende Verbindung 22 verbunden.
Die erεte wellenleitende Verbindung 20 enthält einen dritten, zur Längskante des Substrats 10 parallelen, geraden Kopplerabschnitt 24, eine zur Längskante des Substrats hin gewölbte Schleife 26 und einen vierten, geraden Kopplerabschnitt 28, der mit dem Kopplerabschnitt 24 fluchtet. In entsprechender Weise enthält die zweite wellenleitende Verbindung 22 einen ersten zur Längskante des Substrats 10 parallelen, geraden Kopplerabschnitt 30, eine zur Längskante des Substrats hin gewölbte Schleife 32 und einen zweiten geraden Kopplerabschnitt 34, der mit dem Kopplerabschnitt 30 fluchtet.
In dem Bereich zwischen den wellenleitenden Verbindungen 20 und 22 sind ein erster Verbindungs-Wellenleiter 36 und ein zweiter Verbindungs-Wellenleiter 38 angeordnet. Der erste Verbindungs-Wellenleiter 36 enthält an einem Ende einen ersten geraden Kopplerabschnitt 40, der in geringem Abstand von dem ersten Kopplerabschnitt 24 der wellenleitenden Verbindung 20 verläuft und mit diesem einen ersten Koppler 42 bildet. Der erste Verbindungs-Wellenleiter 36 enthält weiterhin an dem anderen Ende einen zweiten geraden Kopplerabschnitt 44, der in geringem Abstand von dem vierten Kopplerabschnitt 34 der wellenleitenden Verbindung 22 verläuft und mit diesem einen zweiten Koppler 46 bildet. Die beiden Kopplerabschnitte 40 und 44 des ersten Verbindungs-Wellenleiters 36 sind durch einen schräg (von links oben nach rechts unten in Fig.l) verlaufenden Mittelabschnitt 48 verbunden. In entsprechender Weise enthält der zweite Verbindungs-Wellenleiter 38 an einem Ende einen dritten geraden Kopplerabschnitt 50, der in geringem Abstand von dem dritten Kopplerabschnitt 30 der wellenleitenden Verbindung 22 verläuft und mit diesem einen dritten Koppler 52 bildet. Der zweite Verbindungs- Wellenleiter 38 enthält weiterhin an dem anderen Ende einen vierten geraden Kopplerabschnitt 54, der in geringem Abstand von dem zweiten Kopplerabschnitt 28 der wellenleitenden Verbindung 20 verläuft und mit diesem einen vierten Koppler 56 bildet. Die beiden Kopplerabschnitte 50 und 54 des zweiten Verbindungs-Wellenleiters 38 sind durch einen schräg (von links unten nach rechts oben in Fig.l) verlaufenden Mittelabschnitt 58 verbunden. Die beiden Mittelabschnitte 48 und 58 kreuzen sich unter einem einen Wellenübergang ausschließenden Winkel (>10°).
Die Wellenleiter-Anordnung ist zentralsymmetrisch zu dem Kreuzungspunkt der beiden Mittelabschnitte 48 und 58.
Die Längen der Kopplerabschnitte entsprechen den Koppellängen, so daß bei ungestörten Wellenleitern die gesamte Lichtwelle, z.B. Il t aus dem Eingangs-Wellenleiter 12 über die Koppler, z.B. 42 und 46, in die überkreuz liegenden Ausgangs-Wellenleiter, z.B. 18 gekoppelt wird. Es werden also nahezu verlustlos der erste Eingangs- Wellenleiter 12 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 und der zweite Eingangs-Wellenleiter mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter gekoppelt.
Es sind Mittel vorgesehen, um in den Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54 der Verbindungs-Wellenleiter 36 und 38 elektro- optische Effekte zu induzieren, durch welche eine Änderung des Brechungsindex und damit gleichzeitig eine wesentliche Erhöhung des Absorptionsvermögens des Wellenleiter- Materials hervorgerufen wird.
Die Mittel zum Induzieren eines optischen Effektes in den
Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54 der Verbindungs- Wellenleiter 36 und 38 bestehen aus einer p-dotierten Schicht 60 (Fig.3) und einer n-dotierten Schicht 62 über und unter einer undotierten, wellenleitenden Schicht 64 in den Kopplerabschnitten 40, 44; 50, 54. Die Schichten 60 und 62 bilden einen pn-Übergang, also praktisch eine Diode. Die p-dotierten Schichten 60 sind mit metallischen Kontakten 66 und 68 verbunden. Die n-dotierten Schichten 62 sind mit metallischen Kontakten 70 und 72 bzw. 74 und 78 verbunden und liegen auf einem Referenzpotential. Zwischen die betreffenden metallischen Kontakte ist eine Spannung in Sperrichtung der Diode anlegbar. Es fließt dann kein Strom. Es wird aber in der wellenleitenden Schicht 64 ein elektrisches Feld erzeugt. Die Schichten 60 sind von dem Rest des jeweiligen Verbindungs-Wellenleiters durch eine schmale Unterbrechung des Wellenleiters isoliert. Stattdessen kann auch in den Schichten 60 im Gegenstz zu den undotierten Mittelabschnitten 48 bzw. 58 der den Verbindungs-Wellenleitern zugeordneten Rippen (Fig.3) eine selektive p-Diffusion vorgesehen sein. Dann sind die Kontakte 66 und 68 voneinander isoliert.
Zur Verbesserung der Dämpfung beim Überkoppeln von Licht sind dann vorzugsweise die p-dotierten Bereiche über die geraden Koppelstrecken hinaus bis in die gekrümmten Abschnitte der Verbindungs-Wellenleiter, d.h. die Abschnitte zwischen den Koppelstrecken der Koppler und den Mittelabschnitten der Verbindungs-Wellenleiter, verlängert.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Sperrichtung der Diode an die Kontakte, z.B. 66 und 70,72, wird ein elektrisches Feld in der wellenleitenden Schicht 64 erzeugt. Dieses elektrische Feld bewirkt durch den Franz- Keldysh-Effekt eine Verschiebung der Bandkante für die Transmission des Halbleitermaterials zu längeren Wellenlängen hin. Wenn die Wellenlänge des in den Wellenleitern geleiteten Lichtes dicht oberhalb dieser Bandkante liegt, dann tritt bei Anlegen des elektrischen Feldes eine starke Änderung des Brechungsindex und eine starke Erhöhung des Absorptionsvermögens des Materials für diese Wellenlänge ein.
Es läßt sich zeigen, daß unter diesen Umständen praktisch kein Licht z.B. über den Koppler 42 aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter 12 in den Verbindungs-Wellenleiter 36 übergekoppelt wird. Die Lichtwelle I1 läuft über die wellenleitende Verbindung 20 gerade durch zu dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16. In entsprechender Weise läuft bei Anlegen der Spannung die Lichtwelle I2 vom zweiten Eingangs- Wellenleiter 14 über die wellenleitende Verbindung 22 gerade durch zu dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18. Der Effekt kann wieder in Analogie zu der Mechanik gekoppelter Pendel erläutert werden: Wenn von den zwei gekoppelten Pendeln eines stark gedämpft, also praktisch festgehalten wird, dann nimmt es von dem anderen Pendel keine Energie auf. Das andere Pendel schwingt mit konstanter Amplitude. Oder ein vereinfachtes Beispiel bei Lichtwellen: Metalle sind wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit stark absorbierend. Eine auf eine Metalloberfläche auftreffende Lichtwelle dringt daher nicht in das Metall ein sondern wird reflektiert. Wenn keine Spannung anliegt, dann sind die Wellenleiter ungestört. Auf der Koppellänge werden die Lichtwellen z.B. aus dem ersten Eingangs-Wellenleiter über den ersten Koppler 42 in den ersten Verbindungs- Wellenleiter 36 und aus diesem über den zweiten Koppler 46 verlustfrei in den Ausgangs-Wellenleiter 18 gekoppelt.
Es hat sich gezeigt, daß mit einem optischen Schalter der beschriebenen Art die Umschaltung der Lichtwellen praktisch bzw. weitgehend verlustfrei und -bis auf vernachlässigbare Unterschiede- symmetrisch erfolgen kann. Es ergibt sich jedenfalls ein extrem niedriges Übersprechen in der Größenordnung von -40 dB. Das liegt daran, daß einmal, wie erläutert, bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte 66 praktisch kein Licht z.B. über den Koppler 42 in den Verbindungs-Wellenleiter 36 eingekoppelt wird und zum anderen etwa eingekoppeltes Licht durch die Absorption in den Koppelabschnitten 40 und 44 eliminiert wird. Um Licht zu eliminieren, das an den Krümmungen der Wellenleiter z.B. 20 und 36 austreten und in die damit fluchtenden Wellenleiter 54 bzw. 28 eintreten könnte, sind Absorber 78 und 80 in den Bereichen zwischen den Schleifen 26 bzw. 32 und den Verbindungs-Wellenleitern 36 und 38 angeordnet.
Der optische Schalter von Fig.l arbeitet mit den beiden Schaltzuständen .Spannung angelegt"" und .keine Spannung angelegt"" . Im ersteren Falle werden die Lichtwellen jeweils gerade hindurchgeleitet, im letzteren Fall erfolgt eine Verbindung der Ein- und Ausgänge überkreuz. Fig.2 zeigt einen optischen Schalter, an welchen in beiden Schaltzuständen Spannungen angelegt werden, jedoch an unterschiedliche Kontakte, so daß völlig symmetrisches Schaltverhalten erzielbar ist. Der optische Schalter von Fig.2 ist im Grundaufbau ähnlich dem optischen Schalter von Fig.l. Entsprechende Teile sind in Fig.2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig.l.
Bei der Ausführung nach Fig.2 sind die ersten und zweiten Eingangs-Wellenleiter 12 und 14 nicht wie bei Fig.l über wellenleitende Verbindungen mit den Ausgangs-Wellenleitern 16 bzw. 18 direkt wellenleitend verbunden. Vielmehr erfolgt die Verbindung des ersten Eingangs-Wellenleiters 12 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 über einen dritten Verbindungs-Wellenleiter 82. Der erste Eingangs- Wellenleiter 12 ist über einen fünften Koppler 84 mit dem dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 koppelbar. Der dritte Verbindungs-Wellenleiter 82 ist wiederum über einen sechsten Koppler 86 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 koppelbar. In entsprechender Weise ist der zweite Eingangs- Wellenleiter 14 über einen siebten Koppler 88 mit einem vierten Verbindungs-Wellenleiter 90 koppelbar. Der vierte Verbindungs-Wellenleiter 82 ist wiederum über einen achten Koppler 92 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 koppelbar.
Die Koppler 84, 86, 88 und 92 sind untereinander übereinstimmend und ähnlich aufgebaut wie die Koppler 42,
46, 52 und 56. Es wird daher nur der Koppler 84 im einzelnen beschrieben.
Der dritte Verbindungs-Wellenleiter 82 weist an seinem eingangseitigen Ende einen geraden Koppelabschnitt 94 auf. Der Koppelabschnitt 94 verläuft in geringem Abstand von dem Ende des Eingangs-Wellenleiters 12 auf der dem Koppelabschnitt 40 abgewandten Seite. Der Koppelabschnitt 94 erstreckt sich ebenfalls über die Koppellänge, auf welcher eine Welle aus dem Eingangs-Wellenleiter 12 vollständig in den dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 Überkoppelbar ist. Der Koppelabschnitt 94 ist so aufgebaut, wie oben unter Bezugnahme auf Fig.3 beschrieben ist. Die Schicht 60 ist mit einem metallischen Kontakt 96 verbunden. Der metallische Kontakt 96 erstreckt sich .außerhalb"" des dritten Verbindungs-Wellenleiters 82 parallel zu der Längskante des Substrats 10. Der metallische Kontakt 96 ist außerdem mit der Schicht 60 eines entsprechenden Koppelabschnitts 98 am anderen Ende des dritten Verbindungs-Wellenleiters 82 verbunden. Der Koppelabschnitt 98 bildet einen Teil des sechsten Kopplers 86. Die Schicht 62 des Koppelabschnitts 94 ist mit den metallischen Kontakten 70 und 72 verbunden, die auf Referenzpotential gehalten werden. Wenn eine Spannung an den Kontakten 66 und 68 anliegt und keine Spannung an dem Kontakt 96 und seinem Gegenstück 100, dann wird die Lichtwelle aus dem ersten Eingangs- Wellenleiter 12 über den Koppler 84, den dritten Verbindungs-Wellenleiter 82 und den Koppler 86 in den ersten Ausgangs-Wellenleiter 16 gekoppelt. Entsprechend wird die Lichtwelle aus dem zweiten Eingangs-Wellenleiter 14 über den Koppler 88, den vierten Verbindungs- Wellenleiter 90 und den Koppler 92 in den zweiten Ausgangs- Wellenleiter 18 gekoppelt. Wenn dagegen eine Spannung an dem metallischen Kontakt 96 und seinem Gegenstück 100 anliegt aber keine Spannung an den Kontakten 66 und 68, dann erfolgt überkreuz eine Kopplung des ersten Eingangs- Wellenleiters 12 mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter 18 und des zweiten Eingangs-Wellenleiters 14 mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter 16. Für beide Schaltzustände ist hier das Anlegen einer Spannung erforderlich. Dabei sind jeweils vier Kopplerεtrecken aktiv bzw. inaktiv, z.B. 94,98 und 95,99 oder 40,44 und 50,54. In beiden Schaltzuständen liegen symmetrische Verhältnisse für die Übertragung von Lichtwellen vor.
Fig.3 veranschaulicht den Aufbau und die Herstellung eines optischen Schalters der vorstehend beschriebenen Art.
Als Substrat 10 dient mit Schwefel dotiertes Indiumphosphid InP. Dieses Material ist n-leitend. Auf dieses Substrat 10 sind mittels Epitaxie in einem Schritt die n-dotierte Kontaktschicht 62, eine schwach n-dotierte optische Pufferschicht 104, die undotierte, quaternäre, wellenleitende Schicht 64, eine Indiumphosphid-Deckschicht 106 und eine quaternäre Ätzstoppschicht 108 aufgebracht. Auf die Ätzstoppschicht 108 folgt -ebenfalls wie die weiter folgenden Schichten durch Epitaxie aufgebracht- eine undotierte Indiumphosphid-Schicht 109 und die p-dotierte Schicht 60 in Form einer Indiumphosphid-Schicht sowie eine quaternäre p-dotierte Kontaktschicht 110. Die n-dotierte Kontaktschicht 62 ist mit einem Referenzpotential verbunden. An die Kontaktschicht 110 ist über einen (in Fig.3 nicht dargestellten) metallischen Kontakt eine Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der wellenleitenden Schicht 64 anlegbar. Die Schichten 60, 110 und 109 bilden Rippen 112 entsprechend der Wellenleiter- Struktur von Fig.l oder 2, wie in Fig.3 angedeutet ist. Solche Rippen 112 bewirken eine seitliche Begrenzung einer in der wellenleitenden Schicht laufenden Lichtwelle.
Das ist in Fig.4 und 5 dargestellt. Wenn über in einer sich über die Fläche des Substrats 10 erstreckenden, ausgedehnten, wellenleitenden Schicht 64 eine Rippe 112 mit hohem Brechungsindex vorgesehen ist, dann wird eine in der Schicht 64 laufende Lichtwelle nicht nur vertikal in Fig.3 durch die Grenzen der wellenleitenden Schicht begrenzt und gebündelt sondern auch seitlich, horizontal in Fig.3 durch die Abmessungen der Rippen 112, beiderseits derer die wellenleitende Schicht 64 (und 106) an Luft, also ein Medium mit niedrigem Brechungsindex grenzt. Fig.4 zeigt eine berechnete Intensitätsverteilung über den Querschnitt der Lichtwelle hinweg. Die einzelnen geschlossenen Kurven sind Kurven gleicher elektrischer Feldstärke bzw. gleicher Intensität. Die innerste Kurve 114 entspricht einer Intensität von 90% der maximalen Feldstärke. Die äußerste Kurve 116 entspricht einer Intensität von 10% der maximalen Feldstärke. Fig.5 zeigt den Feldstärkeverlauf quer zur Fortpflanzungsrichtung der Lichtwellen
Es ist erkennbar, daß die Lichtwelle seitlich über die Breite der Rippe 112 hinausstreut. Das führt bei Kopplern mit zwei dicht benachbarten Rippen zu dem schon geschilderten Überkoppeln. Zur Herstellung des optischen Schalters von Fig.l oder 2 werden zunächst mittels Epitaxie die beschriebenen Schichten aufgebaut. Auf die oberste Schicht wird ein Photolack aufgebracht. Auf den Photolack wird eine Maske aufgelegt, welche die Struktur der auf die Wellenleiter aufzubringenden Elektroden als Negativ wiedergibt. Der Photolack wird dann mit UV-Licht bestrahlt. An den Stellen, wo die Elektroden entstehen sollen, ist der Photolack durchentwickelt oder gehärtet.
Auf die so belichtete Photolack-Schicht wird dann Metall (Ti/Pt/Au) aufgedampft. Dann entsteht eine Metallschicht auf einer teilweise entsprechend der Maske durchentwickelten Photolackschicht. Der Photolack wird dann in Azeton gelöst. Dort, wo der Photolack nicht belichtet wurde, kann er in Abhebetechnik (lift-off) mechanisch entfernt werden. Damit wird auch die auf diesen nicht belichteten Teilen des Photolacks niedergeschlagene Metallschicht entfernt. Man erhält dann auf der Oberfläche des von den beschriebenen Schichten gebildeten Blocks eine Metallschicht, deren Konturen den auf die Wellenleiter aufzubringenden Elektroden entsprechen.
Als nächstes erfolgt ein Ätzschritt, bei welchem mit reaktivem Ionenstrahlätzen (RIE) die oberste quaternäre Schicht 110 weggeätzt wird. An den Stellen, an denen die aufgedampfte Metallschicht erhalten geblieben ist, d.h. im Bereich der Elektroden, bleibt auch die Schicht 110 erhalten. Die Metallschicht dient als Elektroden zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes.
Als nächstes werden dann in einem selektiven Naßätzprozeß nach Abdecken der Elektroden und der nicht von Elektroden bedeckten Wellenleiter-Strukturen die Indiumphosphid- Schichten 60 und 109 bis zu der Ätzstoppschicht 108 weggeätzt. Auf diese Weise werden die vorstehenden Rippen gebildet, durch welche eine seitliche Begrenzung der Lichtwellen erfolgt.
Wenn hier von Lichtwellen gesprochen wird, dann ist dieser Ausdruck nicht auf sichtbares Licht beschränkt sondern schließt auch das hier vorzugsweise benutzte infrarote Licht ein.
Bei einem praktisch ausgeführten optischen Schalter nach Art von Fig.l beträgt die Länge jedes Kopplers 4 mm. Die gesamte Struktur ist 14 mm lang. Die Breite der die Wellenleiter definierenden Rippen 112 beträgt 2.5 μm. Im Bereich der Koppler ist der Abstand der benachbarten Rippen 3,5 μm. Die Enden der Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter sind jeweils in Abständen von 250 μm voneinander angeordnet, um das Ankoppeln von lichtleitenden Fasern zu erleichtern.
Fig.6 zeigt eine Matrix von optischen Schaltern Eik der vorstehend beschriebenen Art. Die Schalter sind so in verschiedenen Kombinationen in Reihe geschaltet und angesteuert, daß jeder Eingang I, bis Im mit jedem Ausgang 0X bis 0m verbunden werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Schalter mit einem ersten Eingangs- Wellenleiter (12) und einem zweiten Eingangs- Wellenleiter (14), einem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) und einem zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) und mit ansteuerbaren Schaltmitteln, durch welche wahlweise
der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem zweiten Ausgangswellenleiter (18) und der zweite
Eingangs-Wellenleiter (14) mit dem ersten Ausgangs- Wellenleiter (16)
oder
der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) und der zweite Eingangs-
Wellenleiter (14) mit dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter (18)
verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Schaltmittel einen ersten Verbindungs- Wellenleiter (36), der über einen ersten Koppler (42) mit dem ersten Eingangs-Wellenleiter (12) und über einen zweiten Koppler (46) mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) koppelbar ist, und einen zweiten Verbindungs-Wellenleiter (38) enthalten, der über einen dritten Koppler (52) mit dem zweiten Eingangs-Wellenleiter (14) und über einen vierten Koppler (56) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) koppelbar ist,
(b) der erste Verbindungs-Wellenleiter (36) und der zweite Verbindungs-Wellenleiter (38) im Bereich der
Koppler (42,46;52, 56) Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes aufweisen, durch die eine Veränderung des Brechungsindex und des Absorptionsvermögens des betreffenden Verbindungs- Wellenleiters (36;38) zu einem einen Übergang von
Wellen über den betreffenden Koppler (42,46;52, 56) ausschließenden Zustand erfolgt, und
(c) die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effekts für alle vier Koppler (42,46;52,56) in gleicher Weise ansteuerbar sind.
2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) zwischen dem ersten und dem vierten Koppler (42 bzw. 56) unmittelbar wellenleitend verbunden ist und der zweite Eingangs-Wellenleiter (14) mit dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter (18) zwischen dem dritten und dem zweiten Koppler (52 bzw. 46) unmittelbar wellenleitend verbunden ist.
3. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) der erste Eingangs-Wellenleiter (12) und der erste Ausgangs-Wellenleiter (16) über einen fünften und einen sechsten Koppler (84 bzw. 86) mit einem dritten Verbindungs-Wellenleiter (82) koppelbar sind, (b) der zweite Eingangs-Wellenleiter (14) und der zweite Ausgangs-Wellenleiter (18) über einen siebten und einen achten Koppler (88 bzw. 92) mit einem vierten Verbindungs-Wellenleiter (90) koppelbar sind,
(c) der dritte Verbindungs-Wellenleiter (82) und der vierte Verbindungs-Wellenleiter (90) im Bereich der Koppler (84,86;88,92) Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes aufweisen, durch den eine Veränderung des Brechungsindex und des Absorptionsvermögens des betreffenden Verbindungs- Wellenleiters (80;90) zu einem einen Übergang von Wellen über den betreffenden Koppler (84,86;88,92) ausschließenden Zustand erfolgt, und
(d) die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effekts für die fünften, sechsten, siebten und achten Koppler (84,86;88,92) in gleicher Weise und im Gegentakt zu den Mitteln zur Erzeugung des elektro-optischen Effekts in den ersten, zweiten, dritten und vierten Kopplern (42,46;52,56) ansteuerbar sind.
Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter und Koppler in Form von integrierter Optik auf einem Halbleiter-Substrat (10) gebildet sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß (a) der erste und der zweite Eingangs-Wellenleiter (12,14) im Abstand voneinander und parallel zueinander verlaufen,
(b) der erste und der zweite Ausgangs-Wellenleiter (16,18) fluchtend mit dem ersten bzw. dem zweiten Eingangs-Wellenleiter (12,14) angeordnet sind,
(c) der erste und der zweite Verbindungs-Wellenleiter (36,38) räumlich zwischen den fluchtenden Paaren von Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern angeordnet sind, wobei der erste Verbindungs-Wellenleiter (36) mit Kopplerabschnitten (40,44) längs jeweils einer Koppelstrecke in einem ein Überkoppeln von Wellen gestatteten Abstand von dem ersten Eingangs-
Wellenleiter (12) bzw. dem zweiten Ausgangs- Wellenleiter (18) verläuft und der zweite Verbindungs-Wellenleiter (38) mit
Kopplerabschnitten (50,54) längs jeweils einer Koppelstrecke in einem ein Überkoppeln von Wellen gestatteten Abstand von dem zweiten Eingangs- Wellenleiter (14) bzw. dem ersten Ausgangs- Wellenleiter (16) verläuft und die beiden Verbindungs-Wellenleiter (36,38) sich in ihren Mittelabschnitten (48,58) unter einem ein
Überkoppeln von Wellen ausschließenden Winkel kreuzen und
(d) die Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes an den so geführten Kopplerabschnitten
(40,44;50,54) der ersten und zweiten Verbindungs- Wellenleiter (36,38) vorgesehen sind.
6. Optischer Schalter nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangs-Wellenleiter (12) mit dem ersten Ausgangs-Wellenleiter (16) und der zweite Eingangs-Wellenleiter (14) mit dem zweiten Ausgangs-Wellenleiter (18) durch jeweils eine nach außen, von den Verbindungs-Wellenleitern (36,38) weg gewölbte Wellenleiter-Schleife (26,32) miteinander verbunden sind.
7. Optischer Schalter nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) der dritte Verbindungs-Wellenleiter (82) auf der dem ersten und zweiten Verbindungs-Wellenleiter (36,38) abgewandten Seite des ersten Eingangs- Wellenleiters (12) und des ersten Ausgangs- Wellenleiters (16) gebildet ist und mit
Kopplerabschnitten (94,98) längs jeweils einer Koppelstrecke in einem ein Überkoppeln von Wellen gestatteten Abstand von dem ersten Eingangs- Wellenleiter (12) bzw. dem ersten Ausgangs- Wellenleiter (16) verläuft,
(b) der vierte Verbindungs-Wellenleiter (90) auf der dem ersten und zweiten Verbindungs-Wellenleiter (36,38) abgewandten Seite des zweiten Eingangs- Wellenleiters (14) und des zweiten Ausgangs-
Wellenleiters (18) gebildet ist und mit Kopplerabschnitten (95,99) längs jeweils einer Koppelstrecke in einem ein Überkoppeln von Wellen gestatteten Abstand von dem zweiten Eingangs- Wellenleiter (14) bzw. dem zweiten Ausgangs-
Wellenleiter (18) verläuft und
(c) die Mittel zur Erzeugung eines elektro-optischen Effektes an den so geführten Kopplerabschnitten (94,98;95,99) der dritten und vierten Verbindungs- Wellenleiter (82,90) vorgesehen sind.
8. Optischer Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Verbindungs- Wellenleiter (82,90) jeweils eine nach außen, von den ersten und zweiten Verbindungs-Wellenleitern (36,38) weg gewölbte Wellenleiter-Schleife bilden.
9. Optischer Schalter nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wellenleiter-Schleifen und den ersten und zweiten Verbindungs-Wellenleitern (36,38) fluchtend mit den Eingangs- und Ausgangs- Wellenleitern (12,14;16,18) Absorber (78,80) zur Eliminierung von austretendem Störlicht gebildet sind.
10. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakte (66,68) zum Ansteuern der den optischen Effekt in den ersten und zweiten Verbindungs-Wellenleitern (36,38) erzeugenden Mittel auf einander zugewandten Seiten zwischen den Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern (12,14;16,18) angeordnet sind.
11. Optischer Schalter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kontakte (96,100) zum Ansteuern der den optischen Effekt in den dritten und vierten Verbindungs-Wellenleitern (82,90) erzeugenden Mittel auf gegenüberliegenden Seiten außerhalb der Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter (12,14;16,18) angeordnet sind.
12. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß (a) die Wellenleiter eine Durchlässigkeits- Charakteristik mit einer Bandkante aufweisen, wobei in den Wellenleitern Licht mit einer im Durchlässigkeitsbereich aber in der Nähe der Bandkante liegenden Wellenlänge geleitet wird, und
(b) der elektro-optische Effekt die Bandkante beeinflußt.
13 Optischer Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-optische Effekt der Franz-Keldysh Effekt ist.
14. Optischer Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-optische Effekt der
Stark-Effekt an Excitonen in Halbleitern (.Quantum- confined"" Stark-Effekt) ist.
15. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes als Elektroden wirkende Schichten (60) sind, welche den p-Kontakt eines pn- Überganges bilden und elektrisch von den übrigen Teilen des Wellenleiters isoliert sind.
16. Optischer Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolation im Anschluß an die Elektroden jeweils eine kurze Unterbrechung des Verbindungs-Wellenleiters (26,28,82,90) vorgesehen ist.
17. Optischer Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolation in den Bereichen der Elektroden eine selektive p-Diffusion zur Erzeugung eines pn-Überganges vorgesehen ist. 18. Optischer Schalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Dämpfung beim Überkoppeln von Licht die p-dotierten Bereiche sich über die geraden Koppelstrecken der Koppler hinaus bis in die gekrümmten Abschnitte der Verbindungs- Wellenleiter erstrecken.
19. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter in einer sich über das gesamte Substrat (10) erstreckenden, wellenleitenden Schicht (64) aus einem Material mit gegenüber den Brechungsindizes (n104,n62,n10) der dazu substratseitig benachbarten Schichten hohem Brechungsindex (n64) durch auf dieser Schicht verlaufende Rippen (112) aus einem Material mit einem zwischen dem Brechungsindex (n64) der wellenleitenden Schicht und dem Brechungsindex (nLuft) der Luft liegenden Brechungsindex (n112) definiert sind
20. Optischer Schalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (112) von einer Schicht (60) aus p-dotierten Material gebildet sind, welche eine der Elektroden zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes bildet.
21. Optischer Schalter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (10) eine n- dotierte Schicht (62) aufgebracht ist, welche auf einem Referenzpotential gehalten ist und eine Gegenelektrode zur Erzeugung des elektro-optischen Effektes bildet und mit Kontakten (70,72,74,76) verbunden ist.
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