DE3101415C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen
optischen Schalter der
im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
Bekannte optische Dünnschichtschalter gehören zur Bauart,
die einen elektrooptischen Effekt oder einen akustisch-
optischen Effekt verwenden. Diese Vorrichtungen lenken den
geführten Lichtstrahl durch ein Beugungsgitter, gebildet
in einer optischen Wellenleiterschicht durch den elektro-optischen
Effekt oder die akustische Oberflächenwelle.
Speziell sind interdigitale Elektroden auf einem Dünnschichtwellenleiter
vorgesehen, der beispielsweise aus einem elektro-
optischen Kristall LiNb x Ta1-x O₃ im LiNbO₃-System besteht.
Ein Beugungsgitter wird durch einen elektro-optischen Effekt
gebildet, der entsprechend einer an diese Elektrode
angelegten Spannung erzeugt wird, um so den geführten
Lichtstrahl abzulenken. Alternativ wird eine akustische
Oberflächenwelle durch eine Ta₂O₅-Schicht fortgepflanzt,
der als eine Wellenleiterschicht auf einem piezoelektrischen
Kristall wie beispielsweise Quarz, beispielsweise
einem Y-geschnittenen α-Quarz abgeschieden ist. Das
auf diese Weise durch die die Wellenleiterschicht sich fortpflanzende
akustische Oberflächenwelle gebildete Beugungsgitter
beugt den geleiteten Lichtstrahl derart, daß der
geleitete Lichtstrahl abgelenkt wird. Bei diesen optischen
Schaltern ist die wichtigste Eigenschaft ein Ablenkungswinkel
des Lichtstrahls, und es ist zweckmäßig, daß der Ablenkungswinkel
groß ist, da ein sehr langer Wellenleiter
erforderlich ist, um ein ausreichendes Übersprecherfordernis
im Falle eines kleinen Ablenkungswinkels zu erhalten.
Der durch den obenerwähnten optischen Schalter der Beugungsgitterbauart
erhaltene Ablenkungswinkel ist höchstens 2°
oder weniger. Dieser kleine Ablenkungswinkel stellt ein großes
Problem dar, wenn ein optisches Schalterelement integriert
ausgebildet werden soll. Beim optischen Schalter der
Beugungsgitterbauart gilt, daß je kürzer die Gitterperiode
ist, desto größer der Ablenkungswinkel wird. Es ist infolgedessen
notwendig, daß eine den elektro-optischen Effekt
verwendende optische Schaltvorrichtung derart ausgelegt
ist, daß sie interdigitale Elektroden mit einer Gitterperiode
gleich dem Beugungsgitter aufweist. Um diese interdigitale
Elektrode zu realisieren, muß ein Elektrodenmuster
mit hoher Genauigkeit in der Submikrongrößenordnung ausgebildet
werden, wodurch weit fortgeschrittene Verfahren zur
Herstellung eines genauen Elektrodenmusters angewandt werden
müssen. Bei der die akustische Oberflächenwelle verwendenden
optischen Schaltvorrichtung ist es notwendig,
eine akustische Oberflächenwelle mit einer Frequenz von
mehreren 100 MHz oder mehr zu erzeugen. Daraus ergibt sich,
daß außerordentlich komplizierte periphere Vorrichtungen
erforderlich sind, wie beispielsweise ein Wandler mit hohem
Wirkungsgrad zur Erzeugung der Ultraschallwelle, ein
Hochfrequenzoszillator o. dgl. Diese konventionelle Schaltvorrichtung
der Beugungsgitterbauart hat somit den Nachteil,
daß die Herstellungskosten hoch sind und daß sich zudem
der obenerwähnte Nachteil des kleinen Ablenkwinkels
egibt.
Eine weitere Schaltvorrichtung wurde in folgender Literaturstelle
vorgeschlagen: S. K. Sheem et al. in Applied Optics,
Band 17, No. 6, S. 892 (15. März 1978), mit dem Titel "Light
beam switching and modulation using a built-in dielectric
channel in LiNbO₃ planar waveguide". Bei diesem Vorschlag
wird ein Paar von Streifenelektroden mit
einem ordnungsgemäßen Abstand entgegengesetzt auf einem Dünnschichtwellenleiter
aus einem elektro-optischen Kristall angeordnet,
beispielsweise auf einem Ti diffundierten LiNbO₃ Dünnschichtwellenleiter.
Wenn eine vorbestimmte Spannung an diese
Elektrode nicht angelegt wird, so pflanzt sich der geleitete
Lichtstrahl geradewegs durch die Wellenleiterzone
oder den Kanal zwischen den Elektroden hinweg fort. Wenn
an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, so vermindert
der elektro-optische Effekt den Brechungsindex in
der Wellenleiterzone zwischen den Elektroden, um den geleiteten
Lichtstrahl derart total zu reflektieren, daß der
Lichtstrahl abgelenkt wird. Der durch die Schaltvorrichtung
erreichte Ablenkwinkel ist jedoch höchstens 12° und
der Ablenkwinkel wirft daher noch immer große Probleme bei
der Herstellung eines optischen Schalters in der Form einer
optischen integrierten Schaltung auf.
Aus der US-PS 35 89 794, insbesondere Fig. 19, ist eine
Anordnung bekannt, bei der das Licht in einem kanalartigen
Wellenleiter geführt und ein beweglicher dielektrischer
Körper vorgesehen ist, der die Kopplung zwischen
dem kanalartigen Wellenleiter und einem zweiten kanalartigen
Wellenleiter, der einen Resonator darstellt, und damit
die Intensität und Phase des sich im ersten Wellenleiter
ausbreitenden Lichtes steuert. Die Arbeitsweise
der bekannten Anordnung stellt jedoch keine Schaltfunktion
für den Lichtstrahl dar. Ausgehend von dem zuvor beschriebenen
Stand der Technik ist es daher Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, das bekannte Prinzip der Beeinflussung
des Brechungsindexes einer Lichtwellenleiterschicht
durch Annäherung eines dielektrischen Körpers,
wie es aus der US-PS 85 89 794 bekannt ist, so weiterzubilden,
daß eine Schaltfunktion für die in der Lichtwellenleiterschicht
geführten Lichtstrahlen geschaffen
wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Der erfindungsgemäße optische Schalter ermöglicht ein
vollständiges Umschalten von Lichtstrahlen aus einer
Richtung in eine andere, wenn mit Hilfe des beweglichen
dielektrischen Körpers das Licht einmal gerade durchgelassen
und das andere Mal total reflektiert wird. Ein
besonderer Vorteil des optischen Schalters liegt insbesondere
darin, daß sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
ein großer Ablenkwinkel ergibt, so daß bei einer
Anordnung mit mehreren Schaltern eine kompakte Bauweise
möglich ist, wie im weiteren noch ausführlich erläutert
wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2-20 angegeben.
Gemäß des in Anspruch 2 angegebenen Mischungsverhältnisses
ergibt sich eine besonders große Änderung des Brechungsindex.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eine
optische Wellenleiterschicht, gebildet durch eine SiO₂-TaO₅-
Schicht, in der folgenden Literaturstelle beschrieben:
Applied Physics Letter, 32 (10), 15. Mai 1978, "Refractive-
indexadjustable SiO₂-Ta₂O₅ films for integrated optical
circuits". Ferner haben die Erfinder ein neues Verfahren
zur Herstellung eines Kanalwellenleiters auf einer
SiO₂-Ta₂O₅-Schicht durch einen CO₂-Laser in der folgenden
Literaturstelle beschrieben: Electronic Letters, 1. Februar
1979, Bd. 15, 3, S. 79-80, mit dem Titel "Fabrication of
channel optical waveguide using CO₂ laser". Gemäß dem Verfahren
wurde in erfolgreicher Weise eine große Änderung
des Brechungsindex von 2% erreicht. Die Erfinder haben
festgestellt, daß der Ablenkwinkel des Lichtstrahls dadurch
vergrößert werden kann, daß man ein solches Verfahren
ausnutzt, wobei die vorliegende Erfindung auf dieser
technischen Erkenntnis basiert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen
der dielektrische Körper nicht manuell, sondern mittels
einer Steuereinrichtung in seiner Lage verändert wird,
sind in den Ansprüchen 15-18 angegeben.
Aufgrund des mit der vorliegenden Erfindung erzielten
größeren Ablenkwinkels ist es möglich, einen optischen
Schalter mit einer Vielzahl von Eingängen und einer Vielzahl
von Ausgängen zu schaffen, wie dies in den Ansprüchen
20 und 21 angegeben ist. Trotz der Vielzahl der
optischen Schaltbereiche ergibt sich dennoch ein kompakter
Aufbau.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Schaffung
integrierter optischer Schalter geeignet.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Schalters gemäß der
Erfindung,
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils
des optischen Schalters gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
einer Dicke l₃ der Zwischenlage im Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Schalters,
und zwar abhängig von der Änderung des kritischen
Winkels der TotalreflexionΔR c,
Fig. 4 eine graphische Darstellung von Kennlinien der
Beziehung zwischen einer Dicke l₃ der Zwischenlage
und der Änderung des kritischen Winkels
der Totalreflexion ΔR c, wobei eine Dicke l₂
der optischen Wellenleiterschicht einen Parameter
bildet,
Fig. 5 eine graphische Darstellung von Kennlinien einer
Beziehung zwischen einem Brechungsindex n₄ eines
dielektrischen Glieds und der Änderung des kritischen
Winkels der Totalreflexion, wobei eine
Dicke l₂ der optischen Wellenleiterschicht einen
Parameter bildet,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
optischen Schalters,
Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teils des optischen Schalters gemäß Fig. 6,
Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen optischen
Schalters,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer 1×3-Schaltanordnung, unter
Verwendung von optischen Schaltelementen gemäß
Fig. 8,
Fig. 10 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels
eines 1×5-Schalters, unter Verwendung
von optischen Schaltern gemäß der Erfindung,
Fig. 11 und 12 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen optischen
Schalters,
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines 2×2 optischen Schalterelements
gemäß der Erfindung,
Fig. 14A und 14B schematische Diagramme, welche die Verbindungszustände
des 2×2-Schalters gemäß Fig. 3
darstellen,
Fig. 15 und 16 schematische Diagramme von zwei Ausführungsbeispielen
eines N×N-Schaltkreises gemäß der
Erfindung,
Fig. 17 und 18 schematische Diagramme, welche den detaillierten
Aufbau eines N×N-Schaltkreises gemäß der
Erfindung darstellen.
Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wo der Grundaufbau
eines erfindungsgemäßen optischen Schalters dargestellt ist.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein geglättetes Substrat
bezeichnet, beispielsweise ein Vycor-Substrat, welches bezüglich
eines geführten Lichtstrahls transparent ist. Eine
optische Führungsschicht (Film) 2 mit einer Dicke vergleichbar
mit einer Wellenlänge des Lichts, beispielsweise eine
SiO₂-Ta₂O₅-Schicht, ist auf dem Substrat 1 abgeschieden.
Zum Zwecke der Darstellung ist das x-y-Koordinatensystem auf
einer Ebene der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet,
wobei eine z-Achse orthogonal zu den x-y-Koordinaten verläuft.
Eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone (Region)
2′ erstreckt sich linear in Richtung der y-Achse und ist
an einer vorbestimmten Stelle der optischen Wellenleiterschicht
2 durch CO₂-Laserbestrahlung ausgebildet. Ein dielektrisches
Chip (Element) 4 ist transparent bezüglich in die
optische Wellenleiterschicht 2 eintretendem Licht 5 und besitzt
eine Unterseite (Bodenoberfläche) parallel zur x-y-Ebene
und ist ferner oberhalb der optischen Wellenleiterschicht 2
und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′
angeordnet, wobei eine Zwischenlage, beispielsweise eine
Luftlage 3 dazwischen angeordnet ist. Das dielektrische Chip
4 ist in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung oder
in Richtung der Z-Achse beweglich und dient zur Änderung der
effektiven Brechungsindices in der optischen Wellenleiterschicht
2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′ durch Änderung eines Abstandes zwischen einer durch
die optische Wellenleiterschicht 2 und die einen niedrigen
Brechungsindex aufweisende Zone 2′ gebildete Ebene und dem
dielektrischen Chip 4. Statt daß man das dielektrische Chip 4
in Richtung der Z-Achse bewegt, ergibt sich klar, daß der Abstand
auch dadurch geändert werden kann, daß man das dielektrische
Chip 4 bezüglich dem die Schicht 2 tragenden Substrat
1 und der Zone 2′ in einer entsprechenden x-y-Richtung
versetzt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des optischen Schalters gemäß
Fig. 1, und zwar verläuft der Schnitt in der x-y-Ebene. In
Fig. 2 sind mit l₂ und l₃ die Dicken (Stärken) der optischen
Wellenleiterschicht 2 bzw. der Zwischenlage 3 bezeichnet. In
diesem Fall werden die Dicken von Substrat 1 und beweglichem
dielektrischem Chip 4 als unbegrenzt angesehen. Wenn eine Beziehung
n₂<n₂′<n₄<(n₁, n₃) vorliegt, wobei n₁, n₂, n₂′,
n₃ und n₄ die Brechungsindices des Substrats 1 bzw. der optischen
Wellenleiterschicht 4 bzw. die einen niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′ bzw. der Zwischenlage 3 bzw.
des beweglichen dielektrischen Chips 4 sind, so existiert
eine Wellenleitermode (Betriebsart) in der optischen Wellenleiterschicht
2 und der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′. Ferner ist der Brechungsindex n₂′ dann, wenn,
wie beschrieben eine Gauß'sche Verteilung vorliegt, ein Wert
erhalten in der Mitte der Zone 2′ in y-Achsen-Richtung.
Wenn der effektive Brechungsindex N ist, so ist eine Eigen-
Gleichung der Mode zur Erfüllung von n₂<n₂′<N<n₄<
(n₁, n₃) wie folgt gegeben.
a₂l₂ = tan-1 (T₂₁² a₁/a₂) - tan-1 (T₂₃² Φ a₃/a₂) + m π (1)
dabei ist
wobei λ die Wellenlänge des geleiteten Lichts ist und m
Null oder eine positive ganze Zahl ist, welche die Ordnung
der Mode bezeichnet.
Es sei ein Fall angenommen, wo der geführte Lichtstrahl 5,
wie in Fig. 1 gezeigt, unter einem Winkel R in die einen
niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ einfällt. Wenn
das bewegliche dielektrische Chip 4 einen hinreichenden Abstand
gegenüber der optischen Wellenleiterschicht 2 und
der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ besitzt,
d. h. dann, wenn die Dicke l₃ groß ist, so wird angenommen,
daß ein effektiver Brechungsindex in der optischen
Wellenleiterlage 2 bezüglich des geleiteten Lichtstrahls 5
N₀ ist, und daß ein effektiver Brechungsindex in der einen
niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ bezüglich des
geführten Lichtstrahls 5 N₀′ ist. Die Werte der effektiven
Brechungsindices N₀ und N₀′ werden dadurch erhalten, daß
man n₂ und n₂′ für n₂ in Gleichung (1), jeweils substituiert,
und dadurch, man l₃→∞ gehen läßt. Wenn cos R<(N₀′/N₀),
so wird ein extrem kleiner Teil des geführten Lichtstrahls 5
durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′
reflektiert, aber der größere Teil des geführten Lichtstrahls
läuft durch die Zone 2′ hindurch und wird als ein durchgelassener
Lichtstrahl 5′ abgegeben. Wenn cos R<(N₀′/N₀), so
wird der geführte Lichtstrahl 5 in der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ total in einen abgelenkten Lichtstrahl
5′′ reflektiert. Der Ablenkwinkel ist dabei, wie man
in Fig. 1 erkennt, 2R.
Wenn man unter dieser Bedingung das bewegliche Chip 4 der
optischen Wellenleiterlage 2 und der einen niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ nähert oder wenn man, anders ausgedrückt,
die Dicke l₃ verkürzt, so steigen die effektiven
Brechungsindices von sowohl der optischen Wellenleiterschicht
2 als auch der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′ an, weil n₄<n₃. Die Anstiegsrate oder Geschwindigkeit
des effektiven Brechungsindex der Zone 2′ ist größer als
die der Schicht 2, wie man aus Gleichung (1) erkennt. Wenn
die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht
2 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′ N bzw. N′ sind, und wenn das bewegliche dielektrische
Chip 4 dicht zur Wellenleiterschicht 2 und Zone 2′ gebracht
ist, so gilt folgende Beziehung:
N′/N<N₀/N₀ .
Wenn somit ein Einfallswinkel R derart ausgewählt ist, daß
(N′/N<cos R<(N₀′/N₀) (2)
Genüge getan wird, so erhält man folgendes Resultat.
Das heißt also, wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 sich
dicht zur Schicht 2 und der Zone 2′ befindet, so ist die
Bedingung für die totale interne Reflexion nicht erfüllt,
und der geleitete Lichtstrahl 5 wird durch die einen niedrigen
Brechungsindex aufweisende Zone 2′ übertragen und
tritt aus dieser als übertragener Lichtstrahl 5′ aus. Wenn
umgekehrt das dielektrische Chip 4 entfernt von Schicht 2
und Zone 2′ angeordnet ist, so wird die Bedingung für die
Totalreflexion erfüllt, so daß der geführte Lichtstrahl der
abgelenkte Lichtstrahl 5′′ wird. Auf diese Weise kann durch
Bewegung des dielektrischen Chips 4 in Richtung der Z-Achse,
wie durch den Pfeil in Fig. 1 angezeigt, der geführte Lichtstrahl
5, der übertragene Lichtstrahl 5′ oder der abgelenkte
Lichtstrahl 5′′ werden, so daß der geführte Lichtstrahl 5 abgelenkt
werden kann.
Wie oben beschrieben ist der Ablenkwinkel gemäß der Erfindung
2R und wird größer, wenn N₀′/N₀ kleiner wird, wie man aus
Gleichung (2) erkennt. Diese Tatsache deutet an, daß, um so
kleiner das Verhältnis aus dem Brechungsindex n₂′ die einen
niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ zu Brechungsindex
n₂ der Wellenleiterschicht 2, um so größer der Ablenkwinkel
2R wird. Gemäß der Erfindung ist es möglich, das Verhältnis
von n₂′/n₂ hinreichend zu verkleinern, wie dies
sich klar aus den Beispielen der Erfindung ergibt.
Ein spezielles Beispiel eines erfindungsgemäßen in Fig. 1
gezeigten optischen Schalters sei nunmehr beschrieben. Für
das Substrat 1 wurde Vycor-Glas (Brechungsindex n₁=1,457)
verwendet. Für die Herstellung der optischen Wellenleiterschicht
2 wurde ein Sprühtarget verwendet, und zwar bestehend
aus einer Mischung von SiO₂ und Ta₂O₅-Pulvern mit einem
Verhältnis von SiO₂ 25 Mol-% - Ta₂O₅ 75 Mol-%. Eine Schicht
(Brechungsindex n₂=2,056) mit dem oben beschriebenen Verhältnis
der Bestandteile wurde auf dem Substrat 1 mit einer
Dicke l₂=0,8 µm abgeschieden, und zwar durch Verwendung
eines konventionellen H-F-Sprühverfahrens, um so die optische
Wellenleiterschicht 2 zu bilden. Darauffolgend wurde ein
CO₂-Gas-Laser als Wärmequelle verwendet, und die optische Wellenleiterschicht
2 wurde mit einer Gaußschen Lichtintensitätsverteilung
bestrahlt, wobei eine Relativbewegung erfolgte
zwischen dem Laserstrahl und der optischen Wellenleiterschicht
2, um so die in Fig. 1 gezeigte, einen niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′ mit einer Breite von 300 µm auszubilden.
Durch richtige Steuerung der Bestrahlungsleistung
des CO₂-Gas-Laserstrahls wurde der Brechungsindex n₂′ der
Zone 2′ auf 2,015 eingestellt. In diesem Falle war die Brechungsindexverteilung
der Zone 2′ in der Y-Achsenrichtung
die Gaußsche Verteilung entsprechend der Lichtintensitätsverteilung
des Laserstrahls. Alternativ könnte die Brechungsindexverteilung
stufenweise oder schrittweise vorgesehen
sein. Der geführte Lichtstrahl 5 mit einer Wellenlänge λ
von 0,6328 µm fiel in die einen niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′ ein. Das dielektrische Chip 4 in der
Form von einen hohen Brechungsindex aufweisendem Glas (n₄=
1,975) war oberhalb der Schicht 2 und der Zone 2′ angeordnet,
und zwar über eine Luftblase 3 (n₃=1,0). Wie oben beschrieben
ist der kritische Winkel der Totalreflexion R c gegeben
durch R c =cos-1 (N′/N).
Eine Veränderung des kritischen Winkels der Totalreflexion
R c wurde dann gemessen, wenn das bewegliche dielektrische
Chip 4 bezüglich der Schicht 2 und der Zone 2′ bewegt wird,
und zwar von l₃=3 µm zu l₃=0 (wo das dielektrische Chip
4 die Schicht 2 und die Zone 2′ kontaktiert). Das Ergebnis
dieser Messung ist graphisch in Fig. 3 dargestellt und wird
mathematisch wie folgt ausgedrückt:
ΔR c = cos-1 (N₀′/N₀) - cos-1 (N′/N) .
Bei dieser Messung wurden hierbei die TE₀- und TM₀-Moden verwendet.
Wenn l₃=3 µm war, so ergab sich der kritische
Winkel der Totalreflexion R c zu 11,32° bei der TE₀-Mode und
zu 11,27° in der TM₀-Mode, und zwar gemäß Gleichung 1. Mit
dem Abnehmen des Abstandes l₃ von 3 µm an beginnt R c seinen
Wert bei ungefähr 1000 Å zu ändern, wie man in Fig. 3 erkennt.
Wenn l₃=0 war, so wurde der Winkel R c um 1,16°
in der TE₀-Mode und um 1,89° in derTM₀-Mode verkleinert.
Daraus ergibt sich, daß in der TE₀-Mode der auf die optische
Wellenleiterschicht 2 mit einem Winkel R innerhalb des Bereichs
von 10,16°<R<11,32° einfallende geführte Lichtstrahl
5 durch Bewegung des dielektrischen Chips 4 abgelenkt
werden kann. In der TM₀-Mode sollte der Einfallswinkel
R innerhalb eines Bereichs von 9,38°<R<11,27° liegen.
Der Ablenkwinkel 2R liegt für beide Moden im Bereich von
20,32° bis 22,64° in der TE₀-Mode und von 18,76 bis 22,54°
in der TM₀-Mode. Die Auslöschverhältnisse des abgelenkten
Lichtstrahls 5′′ und des übertragenen Lichtstrahls 5′ betrugen
16 dB bzw. 12 dB in der TE₀-Mode. Die TM₀-Mode hatte
endliche Werte für die entsprechenden Auslöschverhältnisse.
Wenn das bewegliche dielektrische Chip 4 von einer Stelle
l₃=3 µm zur optischen Wellenleiterschicht 2 hinbewegt
wird, so wurde eine Beziehung zwischen dem Abstand l₃ und
der Änderung des kritischen Winkels der Totalreflexion ΔR c
der einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′
gemessen, wobei das Ergebnis in Fig. 4 für die TE₀-Mode
aufgetragen ist. Wie man aus der Darstellung der Fig. 4
erkennt, wird dann, wenn die Versetzung des dielektrischen
Chips 4 höchstens 0,2 µm beträgt, die optische Schaltfunktion
erhalten.
Die graphische Darstellung in Fig. 5 zeigt die Beziehung
der Änderung ΔR c des kritischen Winkels der Totalreflexion,
abhängig vom Brechungsindex n₄ des dielektrischen Chips 4,
wobei die Dicke der Wellenleiterschicht 2 einen Parameter
bildet, und zwar für eine Versetzung oder Verschiebung des
dielektrischen Chips 4 von l₃=3 µm zu l₃=0. Diese Darstellung
zeigt, daß ΔR c mit dem Anstieg von n₄ ansteigt
und das Maximum bei einem speziellen Wert von n₄ erreicht.
Oberhalb des speziellen Werts von n₄ wird ΔR c abgeschnitten.
Sämtliche verwendete Wellenleiterschichten zeigten
dieses Merkmal gemeinsam. Wenn eine Dicke der Schicht 2
0,5 µm oder kleiner ist, so ist ΔR c 2° oder größer; der
Lichtstrahl leckt jedoch zum dielektrischen Chip 4 hin,
was eine Erhöhung des Einsetzens bedeutet. Wenn eine Dicke
von 1,0 µm oder mehr vorliegt, so ist ΔR c 1° oder kleiner,
so daß das Auslöschverhältnis vermindert wird und demgemäß
wird die Schaltfunktion degradiert (verschlechtert). Infolgedessen
ist eine bevorzugte Dicke der optischen Wellenleiterschicht
2 im Bereich von 0,6 µm bis 1 µm gegeben.
Im Falle des zylindrischen dielektrischen Chips 4 gemäß Fig. 1
war bei Bewegung des dielektrischen Chips 4 durch Schraubmittel
der für die Bewegung notwendige Lastdruck 160 g.
Wenn die untere Kante des dielektrischen Chips 4 scharf zugespitzt
wurde, so wurde der Lastdruck auf 1 g oder weniger
vermindert. Der letztgenannte Fall hatte jedoch den Nachteil,
daß die Strahlenkonfiguration des Schalterausgangslichtes
deformiert wurde.
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
optischen Schalters. Die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 werden auch in Fig. 6 aus Gründen der Einfachheit
für die gleichen oder gleichwirkenden Teile verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Abstandselemente 11 mit
einer ordnungsgemäßen Dicke, beispielsweise dünne Fotoresistlagen
auf der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet,
und zwar an Stellen, welche eine glatte Fortpflanzung des
geführten Lichtstrahls 5 in der Wellenleiterschicht 2 gestatten.
Durch die Abstandselemente 11 wird eine bezüglich
des geführten Lichtstrahls 5 transparente flexible dielektrische
dünne Schicht 12 auf der Wellenleiterschicht 2 befestigt.
Infolgedessen wird die Zwischenlage 3 oder die Luftlage 3
beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, die bestimmt ist durch
die Höhe der Abstandselemente 11, gebildet zwischen der optischen
Wellenleiterschicht 2 und der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ sowie der dielektrischen Dünnschicht
12. Die Oberseite der dielektrischen Dünnschicht 12
ist mit einer Schutzschicht (Film) 13, bestehend aus Epoxyharz,
Silikonharz o. dgl. abgedeckt. Ein Druckelement (Kissen)
14 ist oberhalb der Schutzlage 13 angeordnet und ist in
einer durch den Pfeil angedeuteten Richtung beweglich, und
zwar senkrecht zu den entsprechenden Oberflächen der optischen
Wellenleiterlage 2 und der dielektrischen Dünnschicht
12, d. h. in Richtung der z-Achse, und zwar infolge der Bewegung
eines Hebels 15. Die Schutzlage 13 verhindert eine Beschädigung
der dielektrischen Dünnschicht 12 infolge direkten
Kontakts der Schicht 12 mit dem Druckelement 14.
Ein vergrößerter Querschnitt des in Fig. 6 gezeigten optischen
Schalters längs x-Z-Ebene ist in Fig. 7 dargestellt.
In Fig. 2 bezeichnen l₂ bzw. l₃ die Dicken der
optischen Wellenleiterschicht 2 bzw. der Zwischenlage 3.
Die Dicken des Substrats 1 und der flexiblen dielektrischen
Schicht 12 sind hinreichend größer als die Wellenlänge des
geleiteten Lichtstrahls 5 und die Dicke l₂ der optischen
Wellenleiterschicht 2 und können als unendlich oder unbegrenzt
angesehen werden. Wenn das Druckelement 14 durch
die Wirkung des Hebels 15 in einen Zustand niedergedrückt
wird, wo die Dicke l₃ auf einem Wert durch das Abstandselement
gehalten wird, der hinreichend größer ist als die
Wellenlänge λ, so wird die flexible dielektrische Dünnschicht
12 örtlich an einem Teil gebogen, wo die flexible dielektrische
Dünnschicht 12 zur Schicht 2 und zur Zone 2′ hin
niedergedrückt wird, um so den Abstand l₃, wie in Fig. 7
gezeigt, zu verkürzen. Durch Bewegung des Druckelements 14
in Richtung der z-Achse oder in Richtung des Pfeils in Fig. 6,
wird der geführte Lichtstrahl 5 in den übertragenen oder
transmittierten Lichtstrahl 5′ oder den abgelenkten Lichtstrahl
5′′ transformiert. Infolgedessen wird die Fortpflanzrichtung
des geführten Lichtstrahls 5 um einen Winkel 2R
geschaltet.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel des optischen Schalters
gemäß Fig. 6 wird im folgenden weiter erläutert. Das Verfahren
zur Herstellung der optischen Wellenleiterschicht 2
und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′
war genau das Gleiche wie für das obenerwähnte Ausführungsbeispiel.
Die Abstandselemente 11 wurden beispielsweise durch
Abscheidung eines Fotoresists auf der optischen Wellenleiterschicht
2 mit der Dicke 3 µm ausgebildet. Speziell wurde
ein gemusterter Fotoresistteil verwendet, und zwar erhalten
durch Entwicklung eines Fotoresists, der mit einem solchen
Muster belichtet wurde, um so die optischen Pfade des
geführten Lichtstrahls 5, des übertragenen Lichtstrahls 5′
und des abgelenkten Lichtstrahls 5′′ zu vermeiden. Eine einen
hohen Brechungsindex (n₄=1,975) aufweisende dünne Glaslage
mit 50 µm Dicke wurde als die dielektrische Dünnschicht
12 mit den Abstandselementen 11 durch ein geeignetes Klebemittel
verbunden. Die dielektrische Dünnschicht 12 wurde
mit der Schutzlage 13 überzogen, die hergestellt war aus
einem Epoxy- oder Silikonharz mit einer Dicke von 50 µm.
Wie beim obenerwähnten Ausführungsbeispiel kann das vorliegende
Ausführungsbeispiel den Ablenkwinkel 2R, d. h. von
20,32° bis 22,64° in der TE₀-Mode und von 18,75° bis 22,54°
in der TM₀-Mode erreichen.
Beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die
Möglichkeit, daß das dielektrische Chip 4 direkt die Wellenleiterschicht
2 kontaktiert. Wenn infolgedessen das dielektrische
Chip 4 seitlich auf der Wellenleiterschicht 2 gleitet,
so kann eine Verkratzung durch das dielektrische Chip
4 auftreten. Andererseits ist beim Ausführungsbeispiel der
Fig. 6 der Abstand l₃ der Zwischenlage 3 bestimmt durch
Wellenleiterschicht 2 und die dielektrische dünne Lage 12,
so daß die Wellenleiterschicht 2 selbst dann nicht beschädigt
wird, wenn die dielektrische dünne Lage 12 die Wellenleiterschicht
2 kontaktiert. Anders ausgedrückt gibt es hier, anders
als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, keine Gleitbewegung
zwischen den Schichten 2 und 12.
Die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
verwenden die manuelle Bewegung des dielektrischen Chips
4 und des Druckelements 14. Eine derartige Anordnung ist
für eine optische integrierte Schaltung nicht geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Lösung dieses
Problems wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben, wo
der Raum zwischen dem dielektrischen Chip und der Wellenleiterschicht
elektrisch gesteuert wird. Das vorliegende
Ausführungsbeispiel verwendet die Flexibilität des beweglichen
dielektrischen Chips und die Veränderung oder Variation
des dielektrischen Chips wird durch einen elektrischen
Druckmechanismus in der Weise gesteuert, daß der Abstand
zwischen der optischen Wellenleiterschicht und dem dielektrischen
Chip geändert wird, um so die Fortpflanzungsrichtung
des einfallenden geleiteten Lichtstrahls zu ändern.
In Fig. 8 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1
die gleichen oder äquivalenten Teile aus Gründen der Einfachheit.
Die Wellenleiterschicht mit dem Brechungsindex n₂
ist auf dem Substrat 1 mit dem Brechungsindex n₁ abgeschieden.
Die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′
mit dem Brechungsindex n₂′ (n₂<n₂′) ist in der Wellenleiterschicht
2 ausgebildet. Eine flexible dielektrische dünne
Lage 21, die bezüglich des geführten Lichtstrahls 5 transparent
ist, ist oberhalb der Zone 2′ ausgebildet, und zwar
unter Zwischenanordnung der Luftlage 3 zwischen der dielektrischen
dünnen Lage 21 und der Zone 2′. Die flexible dielektrische
dünne Lage 21 ist durch ein Klebemittel 23 an vorbestimmten
Stellen der optischen Wellenleiterschicht 2 befestigt,
und zwar an Stellen, die nicht vom Fortpflanzungspfad
des geleiteten Lichtstrahls 5 eingenommen sind, wobei
das Abstandselement 22 zwischen der Lage 21 und der Schicht 2,
wie in Fig. 8 gezeigt, angeordnet ist, so daß die Lage 21
an einer Bewegung in Richtung der Oberfläche der Wellenleiterschicht
2 gehindert ist. Eine flexible Schutzabdeckung 24
bedeckt die Teile, wo die dielektrische dünne Lage 21 vorgesehen
ist, um einen Puffer zu bilden für den mechanischen
Stoß auf die dielektrische dünne Lage 21 dann, wenn Druck
daran angelegt wird, um so zu verhindern, daß Staub in die
Luftlage 3 eintritt. Eine Druckkugel 25, befestigt an einer
Druckfeder 26, ist oberhalb der flexiblen dielektrischen
dünnen Lage 21 in Berührung mit der Oberseite der Schutzabdeckung
24 angeordnet. Die Druckkugel 25 wird zur Reduzierung
der Druckkraft verwendet. Die Feder 26 besitzt einen
Schenkel, der einen Eisenhebel 27 berührt und einen weiteren
Schenkel, der an einem Rahmen 28 befestigt ist. Der Eisenhebel
27 ist schwenkbar an einem Ende mit dem unteren Ende
des Rahmens 28 verbunden. Ein Elektromagnet 29 ist am Rahmen
28 derart befestigt, daß der Eisenhebel 27 vom Elektromagneten
29 angezogen werden kann. Der Rahmen 28 ist ferner an
einem Elektromagnetbefestigungsglied 30 befestigt. Wenn
kein Strom in den Elektromagneten 29, befestigt am Elektromagnetbefestigungsglied
30, eingespeist wird, so wird die
flexible dielektrische Dünnschicht 21 nach unten in Fig. 8
durch die Druckfeder 26 und die Kugel 27 gedrückt, um gegen
die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ und
ein Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 in der
Nachbarschaft oder Nähe der Zone 2′ gebogen und gedrückt zu
werden. Wenn Strom in den Elektromagneten 29 eingespeist wird,
so wird der Eisenhebel 27 angezogen und die flexible dielektrische
dünne Schicht 21 kehrt nach oben (in ihre Ausgangslage)
zurück, und zwar infolge ihrer Elastizität, um so
einen Spalt zwischen der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′ und dem Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht
2 und der dielektrischen dünnen Platte (Schicht)
21 zu bilden.
Der Abstand des Spalts zwischen der flexiblen dielektrischen
dünnen Lage 21 und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′ und dem Nachbarschaftsgebiet kann durch den
Elektromagneten 29 gesteuert werden. Die Fortpflanzrichtung
des geleiteten Lichtstrahls 5 in der optischen Wellen
leiterschicht
2 kann in der Richtung des durchgelassenen
Lichtstrahls oder die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls
durch Steuerung des Abstands des Spalts geschaltet werden.
Wenn speziell der Einfangswinkel R des Wellenleiter-geführten
Lichtstrahls 5 bezüglich der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ derart gewählt wird, daß der Gleichung
(2) Genüge getan wird, so ist die Totalreflexionsbedingung
des geführten Lichtstrahls 5 zu der Zeit nicht erfüllt, wo
das bewegliche dielektrische Chip 21 dicht zur Schicht 2
und der Zone 2′ liegt, so daß der geführte Lichtstrahl durch
die den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ übertragen
wird und der übertragene Lichtstrahl von dort abgeleitet
wird. Wenn das dielektrische Chip 21 entfernt gegenüber
der Zone 2′ angeordnet ist, so wird die Bedingung der
Totalreflexion erfüllt, und der abgelenkte Lichtstrahl wird
von Zone 2′ abgeleitet. Auf diese Weise wird durch Bewegung
des dielektrischen Chips 21 vertikal in Fig. 8 durch den
Elektromagneten 29 der geführte Lichtstrahl 5 in den übertragenen
Lichtstrahl oder den abgelenkten Lichtstrahl transformiert,
was das optische Schalten der Fortpflanzrichtung
des geführten Lichtstrahls zur Folge hat. Im folgenden wird
ein spezielles Beispiel des optischen Schalters der Erfindung
gemäß Fig. 8 erläutert. Es wurde hier ein Vycor-Glas
(Brechungsindex n₁=1,457) für das Substrat 1 verwendet.
Für die Herstellung der optischen Wellenleiterschicht 2
wurde ein Zerstäubungs- oder "sputter target" benutzt, bestehend
aus einer Mischung von SiO₂- und Ta₂O₅-Pulvern, und
zwar mit einem Verhältnis von SiO₂ 25 Mol-% - Ta₂O₅ 75 Mol-%,
wie vorstehend beschrieben. Eine Schicht (Brechungsindex
n₂=2,056) mit dem oben beschriebenen Verhältnis der Bestandteile
wurde auf dem Substrat 1 mit einer Dicke l₂=0,72 µm
abgeschieden, und zwar durch ein konventionelles H-F-Sprühverfahren,
um so die optische Wellenleiterschicht (Film) 2
zu bilden. Darauffolgend wurde ein CO₂-Gas-Laser als Wärmequelle
vewendet, und die optische Wellenleiterschicht 2 wurde
wie vorstehend beschrieben bestrahlt, um die den niedrigen
Brechungsindex aufweisende Zone 2′ mit einer Breite von
300 µm und einem Brechungsindex n₂′=2,015 zu erzeugen.
Eine dielektrische dünne Lage 21 aus einem GGG (gadolinium
gallium garnet)-Kristall mit einer Dicke von 60 µm und dem
Brechungsindex n₄=1,980 wurde oberhalb der den niedrigen
Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und der Nachbarschaftszone
(Nachbarschaftsgebiet) der Wellenleiterschicht 2 vorgesehen,
und zwar über eine dazwischen angeordnete Luftlage
3 mit dem Brechungsindex n₃=1,0. Die dielektrische dünne
Lage 21 wurde durch Klebemittel 23 an Stellen, die sich
vom Fortpflanzungspfad des geführten Lichtstrahls 5 unterscheiden,
auf der optischen Wellenleiterlage 2 befestigt,
und zwar über eine Kunststoffabdeckung (Folie) 22 mit einer
Dicke von 50 µm. Zum Schutz der GGG-Dünnschicht 21 ist eine
flexible Kunststoffschutzabdeckung oder Folie 24 mit einer
Dicke von 50 µm als Überzug über der GGG-Dünnschicht 21 aufgebracht.
Die Stahlkugel 25 mit einem Durchmesser von 1 mm
wurde derart an der Feder 26 befestigt, daß die GGG-Dünnschicht
21 durch die Kunststoffolie 24 mittels der Stahlkugel
25 zusammendrückbar war. Bei diesem Material und diesem
Aufbau war für den optischen Schaltvorgang eine Druckkraft
von 25 g erforderlich. Der Druck in einer solchen Größenordnung
war leicht erhältlich durch Verwendung eines Miniaturelektromagnets,
der beispielsweise mit einer niedrigen
Leistung von 6 V und 0,06 A betrieben werden kann.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 8 ist die
Druckkraft hinreichend klein, und das dielektrische Chip
ist flexibel, so daß die Wellenleiterschicht nicht beschädigt
wird. Die Schutzabdeckung 24 verhindert das Eintreten von
Staub in den Schaltabschnitt. Die Stellen, an denen der
Druck durch die Druckkugel 24 aufgebracht wird, können mit
einem hohen Freiheitsgrad ausgewählt werden, so daß die
Elektromagnete leicht anzuordnen sind.
Ein Ausführungsbeispiel einer 1×3-Schaltanordnung unter
Verwendung von optischen Schaltern gemäß Fig. 8 ist in Fig. 9
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise
auf der optischen Wellenleiterschicht 2 ein Paar von
den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′-1 und
2′-2 streifenförmig und parallel zueinander in einem Abstand
von 2,5 mm angeordnet. In die Wellenleiterschicht 2
fällt Licht unter einem Einfallswinkel R über ein Einfallsprisma
34 in Form eines Rutilprismas ein. Den Bezugszeichen
sind hier die Teile "-1" und "-2" zugefügt, um die Teile des
in Fig. 8 gezeigten Schaltabschnitts zu bezeichnen. Ferner
werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 zur Bezeichnung
entsprechender Teile in Fig. 8 benutzt. Ein Einfallslichtstrahl
L₁ fällt auf das Einfallsprisma 34 ein, und
ein aus dem Einfallsprisma 34 austretender Lichtstrahl L₂
wird derart geleitet, daß er durch den niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′-1 in einem ersten Schaltabschnitt
läuft. Ein übertragener Lichtstrahl L₃ pflanzt sich
in einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Richtung
fort, wohingegen ein abgelenkter Lichtstrahl L₄ in einer
durch eine ausgezogene Linie angezeigten Richtung läuft.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein zweiter
Schaltabschnitt mit der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′-2 dem optischen Pfad des abgelenkten Lichtstrahls
L₄ angeordnet. Der übertragene oder durchgelassene
Lichtstrahl L₃ vom ersten Schaltabschnitt fällt auf ein
Ausgangsprisma 35 in der Form eines Rutilprismas auf.
Ein abgelenkter Lichtstrahl L₅ emittiert vom zweiten Schaltabschnitt,
angedeutet durch eine ausgezogene Linie, fällt
auf ein Ausgangsprisma 36 in der Form eines Rutilprismas
auf. Ein übertragener Lichtstrahl L₆, ausgetreten aus dem
zweiten Schaltabschnitt, wie durch die gestrichelte Linie
angedeutet, fällt auf ein Ausgangsprisma 37 in der Form eines
Rutilprismas auf. Elektrische Leistung wird von einer Leistungswelle
39 an die Elektromagnete 38-1 bzw. 38-2 über Schalter
38-1 bzw. 38-2 geliefert. Auf diese Weise läuft der einfallende
geführte Lichtstrahl durch die beiden Schaltabschnitte
zu irgendeinem der Ausgangsprismen 35-37 und wird zur Außenseite
der optischen Wellenleiterschicht 2 emittiert.
Im dargestellten Zustand der Schaltanordnung gemäß Fig. 9
sind die beiden Schalter 38-1 und 38-2 geschlossen, so daß
Leistung an die beiden ersten und zweiten Elektromagnete
29-1 und 29-2 geliefert wird. Demgemäß wird der geführte Lichtstrahl
L₂ zweimal in die den niedrigen Brechungsindex aufweisende
Zone 2′-1 und 2′-2 reflektiert, um das Ausgangsprisma
36 zu erreichen. Wenn die Leistungsversorgung für
den ersten Elektromagneten 29-1 durch Öffnen des Schalters
38-1 unterbrochen wird, so erreicht der geführte Lichtstrahl
L₂ das Ausgangsprisma 35. Wenn der Schalter 38-1 geschlossen
ist und Leistung an den ersten Elektromagneten 29-1 liefert
und der Schalter 38-2 geöffnet ist und die Leistungsversorgung
zum zweiten Elektromagneten 29-2 unterbricht, so erreicht
der geführte Lichtstrahl das Ausgangsprisma 37.
Beim optischen Schaltkreis der vorliegenden Erfindung betrug
bei Verwendung eines TE₀-Mode geführten Lichtstrahls mit einer
Wellenlänge von 0,6328 µm der erhaltene Ablenkwinkel 22°,
und die Schaltgeschwindigkeit war annähernd 100 msec. Die
Größe der Dämpfung zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂
und dem übertragenen Lichtstrahl L₃ betrug 0,5 dB. Die
Dämpfungsgröße zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂ und
dem abgelenkten Lichtstrahl L₅ betrug 0,2 dB. Die Dämpfungsgröße
zwischen dem geführten Lichtstrahl L₂ und dem übertragenen
Lichtstrahl L₆ betrug 1,0 dB. Die Auslöschverhältnisse
der Ausgangsprismen 35, 36 und 37 betrugen 20 dB bzw.
12 bis 16 dB bzw. 12 dB.
Obwohl das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel für zwei
Druckabschnitte mit den entsprechenden flexiblen dielektrischen
dünnen Lagen zeigt, d. h. die Schaltabschnitte sind
auf der optischen Wellenleiterschicht 2 angeordnet, so ist
doch die Anzahl der Schaltabschnitte nicht auf 2 begrenzt.
Beispielsweise kann ein Einzelschaltabschnitt auf der optischen
Wellenleiterschicht 2 angeordnet sein, oder aber alternativ
kann eine Vielzahl von Schaltabschnitten in den Richtungen
des übertragenen Lichtstrahls und/oder des abgelenkten
Lichtstrahls angeordnet sein, und diese Schaltabschnitte
können durch einen Elektromagneten oder Elektromagnete gesteuert
werden. Diese Anordnung kann auch einen optischen
Dünnschichtschalter bilden, der elektrisch gesteuert ist.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer 1×5-Schaltanordnung
unter Verwendung von vier optischen Schaltern gemäß
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden ein
Paar von einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen
2′-1 und 2′-2 in der Form von Streifen auf der optischen
Wellenleiterschicht 2 ausgebildet. Der geleitete Lichtstrahl
5 fällt mit einem Einfallswinkel R von beispielsweise 11°
auf die den niedrigen Brechungsindex besitzende Zone 2′-1
auf. Optische Schalter SW 1 , SW 2, SW 3 und SW 4 sind angeordnet
auf den optischen Pfaden des einfallenden Lichts 5,
darauffolgend übertragene Lichtstrahlen 5′-1, 5′-2, 5′-3 und
5′-4 und darauffolgend abgelenkter Lichtstrahlen 5′′-1, 5′′-2,
5′′-3 und 5′′-4. Der obenerwähnte optische Schalter kann für
diese Schalter SW 1, SW 2, SW 3 und SW 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
verwendet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung
eines bimorphen Elements ist in Fig. 11 gezeigt.
In Fig. 11 sind die gleichen Teile wie in Fig. 8 mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine piezoelektrische Keramikplatte,
d. h. eine sog. bimorphe Platte 41, die aus einer festen Lösung
von PbZrO₃ und PbTiO₃ (PZT) besteht, an einem Preßmechanismus-
Befestigungsglied 30 über bimorphe Tragmittel 42
befestigt. Eine Andruck- oder Anpreßkugel 25 ist mit dem
entfernt gelegenen Ende der bimorphen Platte 41 verbunden
(verklebt), so daß die Kugel 25 die Schutzfolie 24 kontaktiert.
Wenn eine Leistungsquelle 44 eine Spannung an die bimorphe
Platte 41 durch einen Schalter 43 anlegt, so biegt
sich die bimorphe Platte 41 wegen ihres piezoelektrischen
Effekts nach unten, und bewirkt das Pressen der flexiblen
dielektrischen dünnen Lage gegen die optische Wellenleiterschicht
2 und die den niedrigen Brechungsindex aufweisende
Zone 2′. Der Bewegungsabstand oder die Versetzung der dielektrischen
Dünnschicht 21 zum Schalten des geführten Lichtstrahls
beträgt höchstes 0,2 µm, wie oben beschrieben.
Die 0,2-µm-Versetzung wird dadurch realisiert, daß man einige
Zähne V an die bimorphe Platte 41 anlegt. Somit kann der in
Fig. 11 gezeigte Andrückmechanismus unter Verwendung der bimorphen
Platte 41 ohne weiteres realisiert werden.
In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Verwendung eines laminierten (geschichteten) piezoelektrischen
Elements dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird ein laminiertes piezoelektrisches Element
51, welches mehrlagige piezoelektrische Keramikplatten, hergestellt
aus einer festen Lösung von PbZrO₃ enthält, an seiner
Oberfläche am Andrückmechanismus-Befestigungsglied 30 befestigt
und mit seiner Unterseite mit der Andrückkugel 25 verbunden.
Die entsprechenden piezoelektrischen Keramikplatten
des piezoelektrischen Elements 51 sind in der Weise viellagig
ausgebildet, daß eine Spannung von einer Leistungsquelle 53
an die entsprechenden Keramikplatten über einen Schalter 52
angelegt wird. Die Andruckkugel 25 kann um 0,2 µm versetzt
werden, und zwar durch Anlegen von mehreren Zähnen von V an
die entsprechenden Keramikplatten.
Die elektrischen Steuermittel zur Steuerung des Andruckgliedes
gegen die Schutzabdeckung, wie in den Fig. 8-12 gezeigt,
ist nicht auf den Elektromagneten, die bimorphe Platte
oder das laminierte piezoelektrische Element beschränkt,
sondern es können verschiedene Arten von Steuermitteln gemäß
den erforderlichen Zwecken verwendet werden. Beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 11 kann die bimorphe Platte 41
durch ein Bimetallelement ersetzt werden. In diesem Fall
wird die Leistungsversorgung von der Leistungsquelle 4 zum
Bimetall durch den Schalter 43 gesteuert. Infolge des Nachuntenbiegens
des Bimetalls wird die dielektrische dünne
Schicht 21 gegen die Wellenleiterschicht 2 und die den niedrigen
Brechungsindex aufweisende Zone 2′ gedrückt.
Wie oben beschrieben, wird bei den Ausführungsbeispielen
gemäß Fig. 8 bis 12 die elektrische Steuerung des optischen
Dünnschichtschalters erreicht durch die entsprechende Kombination
der Abstandselemente, der Schutzfolie und des Andruckmechanismus
mit der Andruckkugel, die elektrisch gesteuert
wird. Ferner ist der Andruckmechanismus mit der
Andruckkugel durch geringe Leistung betätigbar, so daß diese
Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Miniaturisierung
der Vorrichtung und eine integrierte Herstellung geeignet
sind.
Wie oben beschrieben liefert der erfindungsgemäße optische
Schalter einen größeren Ablenkwinkel als übliche optische
Schalter. Demgemäß können die erfindungsgemäßen optischen
Schalter dazu verwendet werden, um einen optischen Schaltkreis
mit einer Vielzahl von Eingängen und einer Vielzahl
von Ausgängen vorzusehen. Bevor Ausführungsbeispiele eines
derartigen optischen Schaltkreises beschrieben werden, sei
der Aufbau eines optischen Schalters, verwendet in diesen
Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf Fig. 13, beschrieben.
Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
In Fig. 13 bezeichnet 61 einen dielektrischen Chip-Treiberabschnitt
(beispielsweise ein piezoelektrisches bimorphes
Element) mechanisch gekoppelt mit dem beweglichen dielektrischen
Chip 4 zum vertikalen Antrieb des dielektrischen Chips
4 in Richtung der z-Achse. Mit dem Bezugszeichen 62 ist eine
Treiberschaltung bezeichnet, die elektrisch mit dem dielektrischen
Chip-Treiberabschnitt 61 gekoppelt ist.
Wenn, wie in Fig. 13 gezeigt, die geführten Lichtstrahlen 63
und 63′ auf die den niedrigen Brechungsindex aufweisende
Zone 2′ in der optischen Wellenleiterschicht 2 auffallen,
so werden sie in oder durch die den niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′ gemäß dem Einfallswinkel R
total reflektiert oder durchgelassen (übertragen). Die Brechungsindexverteilung durch
die den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ kann stufenartig oder graduell verlaufen.
Das in Fig. 13 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet
eine einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ der
graduellen Bauweise mit einer Brechungsindexverteilung, die
in y-Achsenrichtung gradiert ist oder graduell verläuft.
Die Ablenkung des Lichtstrahls erfolgt in der Mitte der
den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′. In diesem
Fall ist der Brechungsindex n₂′ ein Wert, erhalten in
der Mitte der y-Achsenrichtung der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′. Hier wird die Beziehung zwischen
dem Abstand l₃, zwischen dem beweglichen dielektrischen Chip
4 und der optischen Wellenleiterschicht 2 gemäß Fig. 2,
und der Totalreflexionsbedingung, in der den niedrigen
Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ in der obenerwähnten
Weise bestimmt. Wenn demgemäß der Abstand l₃ groß ist, d. h.
dann, wenn das bewegliche dielektrische Chip entfernt von
der Wellenleiterschicht 2 angordnet ist, so ist die Totalreflexionsbedingung
erfüllt, so daß der einfallende geführte
Lichtstrahl 63 total reflektiert wird und der geführte Ausgangslichtstrahl
64 erzeugt wird und wobei ferner der geführte
einfallende Lichtstrahl 63′ ebenfalls total reflektiert
wird, um einen geführten Ausgangslichtstrahl 64′ zu
erzeugen.
Wenn andererseits, wie oben erwähnt, der Abstand l₃ hinreichend
klein ist, d. h. dann, wenn das bewegliche dielektrische
Chip 4 dicht genug zur Wellenleiterschicht 2 angeordnet
ist, so wird die Totalreflexionsbedingung nicht
erfüllt, so daß der einfallende geführte Lichtstrahl 63
durch die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′
läuft und einen geführten Ausgangslichtstrahl 64′ erzeugt.
Der einfallende geführte Lichtstrahl 63′ wird ebenfalls
durch die Zone 2′ übertragen, und der geführte Ausgangslichtstrahl
64 wird erzeugt.
In diesem Fall ist der zwischen den geführten Ausgangslichtstrahlen
64 und 64′ gebildete Abzweigwinkel 2R, wie
man in Fig. 13 erkennt. Der Abzweigwinkel 2R ist 20° oder
größer, wenn eine spezielle Brechungsindexdifferenz (n₂-n₂′)/
n₂ 2% beträgt zwischen der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ und der optischen Wellenleiterschicht
2. Um ein derartiges Schalterelement zu betreiben,
wird von der Treiberschaltung 62 ein Treibersignal an den
dielektrischen Treiberabschnitt 61 angelegt, um das bewegliche
dielektrische Chip 4 nach oben oder unten in z-Achsenrichtung
zu bewegen. Ein derartiges Schaltelement der obenerwähnten
Art führt einen Schaltvorgang aus, wie er schematisch
in den Fig. 14A und 14B dargestellt ist. Wenn der
optische Schalter SW eingeschaltet wird, d. h. dann, wenn
das bewegliche dielektrische Chip 4, verdichtet zur Schicht
2 und der Zone 2′, angeordnet ist, so wird eine Eingangsöffnung
P₁ mit der Ausgangsöffnung P 2′ gekoppelt, und die
Eingangsöffnung P 2 ist mit einer Ausgangsöffnung P 1′ gekoppelt,
wie in Fig. 14A gezeigt. Wenn andererseits der optische
Schalter SW abgeschaltet ist, d. h. dann, wenn das
Chip 4 entfernt von Schicht 2 und Zone 2′ angeordnet ist,
so ist die Eingangsöffnung P 1 mit der Ausgangsöffnung P 1′,
und die Eingangsöffnung P 2 ist mit der Ausgangsöffnung P 2′
gekoppelt, wie dies in Fig. 14B gezeigt ist. Der Schalter
dieser Bauart wird als 2×2-Schalter der wiederanordenbaren
Sperrbauart (rearrangable blocking type) bezeichnet. Dabei
bedeutet der Ausdruck "wiederanordenbare" Bauart, daß
irgendeine der Eingangsöffnungen notwendigerweise mit irgendeiner
der Ausgangsöffnungen auf der Basis einer Eins-zu-
Eins-Entsprechung gekoppelt ist. "Sperr"- oder "Blocking"-Bauart
bedeutet, daß eine Verbindung von einer Eingangsöffnung
zu einer Ausgangsöffnung die Verbindung anderer Eingangsöffnungen
beeinflußt.
Es ist bekannt, daß dann, wenn der 2×2-Schalter der wiederanordenbaren
Sperrbauart als ein Einheitsschalter verwendet
wird, ein K×K-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart
aufgebaut wird durch K(K-1)/2 2×2-Einheitsschalter
SW. Eine Anordnung auf dem K×K-Schalter kann, wie
in Fig. 15 gezeigt, in Diamantenanordnung, oder wie in Fig. 16
gezeigt, in Dreiecksanordnung erfolgen. Beide in den Fig. 15
und 16 gezeigten Ausführungsbeispiele von Schaltern sind
7×7-Schaltanordnungen. Die K×K-Schaltanordnung gemäß
Fig. 15 und Fig. 16 kann unter Verwendung des 2×2-
Schaltelements, gezeigt in Fig. 13, angeordnet werden.
Fig. 17 zeigt eine K×K optische Schalteranordnung der
in Fig. 15 gezeigten Diamantenbauart. Zur Erleichterung der
Erläuterung wird ein x-y-Koordinatensystem an der Schaltanordnung,
wie in Fig. 17 gezeigt, angeordnet. In Fig. 17
sind (K+1) einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zonen 2′ in der Form eines Streifens parallel miteinander
in der Wellenleiterschicht 2 derart angeordnet, daß die entsprechenden Mittellinien der Streifenzonen 2′ mit y=-kd
(k=0, 1, . . ., K) zusammenfallen, und die linken Enden der
Zonen 2′ befinden sich im dritten Quadranten des x-y-Koordinatensystems.
Hier bezeichnet d einen Abstand zwischen den
Mittellinien von zwei benachbarten, einen niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zonen 2′, wie in Fig. 17 gezeigt.
Es wird angenommen, daß l einen Abstand in Richtung der x-Achse
zwischen einer Öffnung auf einer einen niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone 2′ und einer Öffnung bezeichnet,
die auf einer einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden
Zone 2′, benachbart zur erstgenannten Zone 2′, liegt und
die ferner mit dem kürzesten Abstand gegenüber der erstgenannten
Öffnung angeordnet ist, wobei ferner angenommen
wird, daß dann, wenn die x-Koordinaten der (K+1) einen
niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ repräsentiert
sind durch l=d/tan R (R genügt Gleichung (2)), die rechten
Enden der Zonen 2′ hinreichend größer sind als (K-1)l.
Die beweglichen Chips 4 haben jeweils eine Bodenfläche, die
hinreichend breit ist, um die den niedrigen Brechungsindex
aufweisende Zone 2′ und das Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht
2 in der Nähe der Zone 2′ zu überdecken, und
sie sind vorgesehen über der Zwischenlage 3 oberhalb der den
niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone 2′ und den Nachbarschaftsgebieten
an den K(K-1)/2-Positionen, die hier
präsentiert werden durch die Koordinaten
[2 (k - 1)l, 2 (k₂ - 1)d ] ,
wobei K eine ungerade Zahl ist,
k₁ = 1, 2, . . ., (K + 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
wenn k eine gerade Zahl ist,
k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., K/2
k₂ = 1, 2, . . ., K/2
und durch die Koordinaten
[(2k₁ - 1)l, 2k₂d ] ,
wenn K eine ungerade Zahl ist,
k₁ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
wenn K eine gerade Zahl ist,
k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K/2) - 1 .
k₂ = 1, 2, . . ., (K/2) - 1 .
Diese Anordnung bildet einen 7×7 optischen Dünnschicht-
Schaltkreis der wiederanordenbaren Sperrbauart mit Ausgangsöffnungen
P 1′ bis P 7′ für den in der Fig. 17 auf
die Eingangsöffnungen P 1 bis P 7 auffallenden geführten
Lichtstrahl. Hier sind die Eingangs- und Ausgangs-Öffnungen
P 1, P 2 . . . und P 1′, P 2′ . . . in der Reihenfolge von der
Öffnung am dichtesten zur x-Achse ausnumeriert. Fig. 17
zeigt eine Verbindungsanordnung der Öffnungen P 1-P 3′,
P 2-P 2′, P 3-P 4′, P 4-P 7′, P 5-P 5′, P 6-P 1′ und
P 7-P 6′. In der Figur zeigen die mit einem einzigen Kreis
umschlossenen Schaltelemente an, daß diese sich in dem
EIN-Zustand befinden, während die mit einem Doppelkreis
umschlossenen Schaltelemente anzeigen, daß sie sich im
AUS-Zustand befinden. Die Verbindung des Verbindungspaares
Pa und Pa′ (Pa bezeichnet P 1, P 2, . . ., P 7, und Pa′ bezeichnet
P 1′, P 2′, . . ., P 7′) wird hergestellt in der Reihenfolge
von einem Paar mit dem größten "|a-a′ |", da um so
größer der "|a-a′ |" der Verbindung ist, um so enger die
Auswahl der optischen Pfade ist.
Fig. 18 zeigt eine Anordnung eines K×K optischen Dünnschichtschalters
der wiederanordenbaren Sperrbauart mit
Dreieckaufbau gemäß Fig. 16. In der Anordnung sind die
K einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zonen 2′
streifenförmig in der optischen Wellenleiterschicht 2
derart angeordnet, daß die entsprechenden Mittellinien der
Zonen 2′ mit y=kd (k=0, . . ., K-1) zusammenfallen und
daß die x-Koordinaten der rechten Enden größer sind als
(k-1)l und die x-Koordinaten der linken Enden kleiner
sind als -(k-1)l. Die beweglichen dielektrischen Chips
4 haben jeweils eine Bodenfläche, die breit genug ist, um
die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone 2′ und
ein Nachbarschaftsgebiet der Wellenleiterschicht 2 in der
Nähe der Zone 2′ zu überdecken, und sie sind vorgesehen über
der Zwischenlage 3 oberhalb der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zonen 2′ und den Nachbarschaftsgebieten
an K(K-1)/2-Positionen, die durch folgende Koordinaten
repräsentiert werden,
wobei
[(k₁ - 1)l - 2l (k₂ - 1), (k₁ - 1)d ] ,
k₁ = 1, 2, . . ., K - 1 ,
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ .
k₁ = 1, 2, . . ., K - 1 ,
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ .
Diese Anordnung kann auch den 7×7 optischen Dünnschichtschaltkreis
der wiederanordenbaren Sperrbauart bilden
mit Ausgangsöffnungen P 1′ bis P 7′ für Eingangsöffnungen P 1
bis P 7. Die Eingangs- und Ausgangsöffnungen P 1, P 2 . . .
und P 1′, P 2′ . . . sind der Reihe nach von der am weitesten
von der x-Achse weggelegenen Öffnung aus numeriert. In
Fig. 17 zeigt Fig. 18 eine Verbindungsanordnung von P 1-P 3′,
P 2-P 2′, P 3-P 4′, P 4-P 7′, P 5-P 5′, P 6-P 1′ und P 7-P 6′.
Die Verbindung der Öffnungspaare erfolgt in der Reihenfolge
von der Eingangs- oder Ausgangs-Öffnung mit der größten Zahl
zu der mit der kleinsten Zahl, da um so größer die Eingangs-
oder Ausgangs-Öffnungszahl der Verbindung ist, um so begrenzter
die Auswahl des optischen Pfades wird.
Obwohl die in den Fig. 17 und 18 gezeigten Ausführungsbeispiele
7×7 optische Schaltanordnungen sind, so kann
doch ein k×k-Schalter der wiederanordenbaren Sperrbauart
in der oben beschriebenen Weise gemäß der Erfindung angeordnet
sein.
Wie oben beschrieben, besitzt ein optischer Dünnschichtschaltkreis
unter Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen
Schalters eine Struktur derart, daß die beweglichen
dielektrischen Chips oberhalb der K einen niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zonen angeordnet sind, die parallel
zueinander verlaufen und ohne weiteres in der Wellenleiterschicht
ausgebildet werden können. Der Aufbau des optischen
Schalters ist daher einfach, und der K×K-Schaltkreis kann
auf einem einzigen Substrat hergestellt werden. Zudem ist
der Ablenkwinkel eines den Schaltkreis bildenden Grundschalterelements
groß, so daß die Schaltungsdichte der Schalteranordnung
stark verbessert wird.
Wenn infolgedessen ein optischer Dünnschichtschaltkreis
unter Verwendung einer Vielzahl von optischen Schaltern gemäß
der Erfindung in vorteilhafter Weise auf dem Gebiet der
optischen Nachrichtenübertragung und der optischen Datenverarbeitung
eingesetzt wird, so sind die Herstellungskosten
und die Größe der Vorrichtung in beträchtlicher Weise
vermindert.
Wie oben beschrieben, besitzt der erfindungsgemäße optische
Schalter einen großen Ablenkwinkel in der Größenordnung
von ungefähr 20°. Insofern ist die Ablenkleistungsfähigkeit
des optischen Schalters beträchtlich verbessert
gegenüber einem konventionalen Schalter. Ein erfindungsgemäßer
optischer Schalter macht daher einen langen Wellenleiter
nicht erforderlich und ist demgemäß für Integrationszwecke
geeignet. Darüber hinaus sichert der einfache Aufbau
des optischen Schalters einen stabilen Betrieb. Der
optische Schalter kann hergestellt werden, ohne daß Verfahrensschritte
erforderlich werden, die eine hohe Erfahrung
zur Voraussetzung haben, und somit ist die Herstellung des
optischen Schalters leicht durchzuführen. Infolgedessen,
und da periphere Vorrichtungen nicht erforderlich sind, sind
die Herstellungskosten für den optischen Schalter gering. Die
elektrische Steuerung des Abstands zwischen der flexiblen
dielektrischen dünnen Lage (Schicht) und der Wellenleiterschicht
ermöglicht das elektrische Schalten der Ablenkrichtung
und trägt dadurch zur Verminderung der Größe der Schaltvorrichtung
stark bei. Ferner kann der K×K optische Schaltkreis
auf einem einzigen Substrat mit hoher Integrationsdichte
integriert ausgebildet werden. Der erfindungsgemäße
optische Schalter ist somit auf dem Gebiet der optischen
Nachrichtenübertragung, der optischen Datenverarbeitung und
dergl. sehr zweckmäßig.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Einen optischen Schalter mit einem einen Brechungsindex n₁ aufweisenden Substrat, welches bezüglich eines geführten Lichtstrahls transparent ist, einer einen Brechungsindex n₂ aufweisenden, auf dem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiterschicht, einer einen niedrigen Brechungsindex n₂′ aufweisenden Zone, wobei der Brechungsindex n₂′ kleiner ist um einen vorbestimmten Wert als der Brechungsindex n₂, wobei die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone an einer vorbestimmten Stelle in der optischen Wellenleiterschicht ausgebildet ist, einem beweglichen einen Brechungsindex n₄ aufweisenden dielektrischen Chip, welches bezüglich des geführten Lichtstrahls transparent ist, und einen Relativabstand aufweist, der bezüglich einer Ebene einstellbar ist, welche die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone und ein Nachbarschaftsgebiet der optischen Wellenleiterschicht in der Nähe der Zone umfaßt, und mit einer einen Brechungsindex n₃ aufweisenden Zwischenlage, angeordnet zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip, wobei die Brechungsindices n₁, n₂,n₂′, n₃ und n₄ eine Beziehung von n₂<n₂′<n₄<(n₁, n₃) aufweisen, wobei ferner die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone verändert werden durch Änderung des Abstands zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip derart, daß der geführte Lichtstrahl einfallend auf die Zone abgelenkt wird. Durch eine derartige Anordnung kann ein Ablenkwinkel von 20° oder mehr erhalten werden, so daß der optische Schalter für seine Integration oder seine integrale Herstellung geeignet ist.
Einen optischen Schalter mit einem einen Brechungsindex n₁ aufweisenden Substrat, welches bezüglich eines geführten Lichtstrahls transparent ist, einer einen Brechungsindex n₂ aufweisenden, auf dem Substrat ausgebildeten optischen Wellenleiterschicht, einer einen niedrigen Brechungsindex n₂′ aufweisenden Zone, wobei der Brechungsindex n₂′ kleiner ist um einen vorbestimmten Wert als der Brechungsindex n₂, wobei die einen niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone an einer vorbestimmten Stelle in der optischen Wellenleiterschicht ausgebildet ist, einem beweglichen einen Brechungsindex n₄ aufweisenden dielektrischen Chip, welches bezüglich des geführten Lichtstrahls transparent ist, und einen Relativabstand aufweist, der bezüglich einer Ebene einstellbar ist, welche die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Zone und ein Nachbarschaftsgebiet der optischen Wellenleiterschicht in der Nähe der Zone umfaßt, und mit einer einen Brechungsindex n₃ aufweisenden Zwischenlage, angeordnet zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip, wobei die Brechungsindices n₁, n₂,n₂′, n₃ und n₄ eine Beziehung von n₂<n₂′<n₄<(n₁, n₃) aufweisen, wobei ferner die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht und der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone verändert werden durch Änderung des Abstands zwischen der Ebene und dem beweglichen dielektrischen Chip derart, daß der geführte Lichtstrahl einfallend auf die Zone abgelenkt wird. Durch eine derartige Anordnung kann ein Ablenkwinkel von 20° oder mehr erhalten werden, so daß der optische Schalter für seine Integration oder seine integrale Herstellung geeignet ist.
Claims (20)
1. Optischer Schalter mit einem einen Brechungsindex n₁ aufweisenden,
lichtdurchlässigen Substrat, mit einer auf dem
Substrat ausgebildeten, einen Brechungsindex n₂ aufweisenden
Wellenleiterschicht, mit einer an einer Stelle in der Wellenleiterschicht
ausgebildeten, einen niedrigeren Brechungsindex
n₂′ als die Wellenleiterschicht aufweisenden Grenzzone, mit
einem einen Brechungsindex n₄ aufweisenden beweglichen lichtdurchlässigen
dielektrischen Körper, der so angeordnet ist,
daß ein relativer Abstand zwischen ihm und der Grenzzone
einstellbar ist, wobei der dielektrische Körper so bemessen
ist, daß er bei Annäherung an die Grenzzone diese und die ihr
benachbarten Bereiche der optischen Wellenleiterschicht überdeckt,
und mit einer Zwischenschicht mit einem Brechungsindex
n₃, die zwischen dem dielektrischen Körper und der Wellenleiterschicht
angeordnet ist, wobei die Brechungsindices der
Beziehung n₂<n₂′<n₄<n₁, n₃ genügen, derart, daß durch
Bewegung des dielektrischen Körpers der effektive Brechungsindex
der optischen Wellenleiterschicht und der Grenzzone
variierbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Wellenleiterschicht (2) aus einer Mischung aus SiO₂ und Ta₂O₅ besteht, daß die den niedrigeren Brechungsindex aufweisende Grenzzone (2′) durch Erhitzen eines linearen Bereiches in der optischen Wellenleiterschicht (2) gebildet ist, und daß eine Einstelleinrichtung zum Bewegen des dielektrischen Körpers (4) und zum Einstellen des relativen Abstands vorgesehen ist, und daß die in der optischen Wellenleiterschicht (2) geführten Lichtstrahlen (5) auf die Grenzzone (2′) unter einem Winkel einfallen, derart, daß sie durch die Grenzzone (2′) durchgelassen oder von ihr im wesentlichen totalreflektiert werden, je nachdem welcher relative Abstand zwischen dem dielektrischen Körper (4) und der Grenzzone (2′) eingestellt ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Wellenleiterschicht (2) aus einer Mischung aus SiO₂ und Ta₂O₅ besteht, daß die den niedrigeren Brechungsindex aufweisende Grenzzone (2′) durch Erhitzen eines linearen Bereiches in der optischen Wellenleiterschicht (2) gebildet ist, und daß eine Einstelleinrichtung zum Bewegen des dielektrischen Körpers (4) und zum Einstellen des relativen Abstands vorgesehen ist, und daß die in der optischen Wellenleiterschicht (2) geführten Lichtstrahlen (5) auf die Grenzzone (2′) unter einem Winkel einfallen, derart, daß sie durch die Grenzzone (2′) durchgelassen oder von ihr im wesentlichen totalreflektiert werden, je nachdem welcher relative Abstand zwischen dem dielektrischen Körper (4) und der Grenzzone (2′) eingestellt ist.
2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mischungsverhältnis zwischen SiO₂ undTa₂O₅ 1 : 3
beträgt.
3. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die geführten
Lichtstrahlen (5) im TE₀-Mode sind, der Einfallswinkel (R) im
Bereich von 10,16° bis 11,32° liegt.
4. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die geführten
Lichtstrahlen (5) im TM₀-Mode sind, der Einfallswinkel (R) in
dem Bereich von 9,38° bis 11,27° liegt.
5. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung den
dielektrischen Körper (4) in einer Richtung vertikal oder
horizontal zur Wellenleiterschicht (2) bewegt.
6. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung den
dielektrischen Körper (4) in einer Richtung parallel zur
Wellenleiterschicht (2) verschiebt.
7. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (4)
zylindrisch ist.
8. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem zur Wellenleiterschicht
hinweisenden Endteil des dielektrischen Körpers (4) eine
zugespitzte Kante ausgebildet ist.
9. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Vycorglas
besteht.
10. Optischer Schalter nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (4) aus
Gadolinium-Gallium-Granat besteht.
11. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3)
eine Luftschicht ist.
12. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische
Körper (4) eine flexible dielektrische dünne Schicht (12) ist,
die oberhalb der Wellenleiterschicht über der Zwischenschicht
(3) angeordnet ist, und daß die Einstelleinrichtung (14, 15)
ein Treiberglied (14) aufweist, das über der flexiblen
dielektrischen dünnen Schicht (12) angeordnet und in einer
Richtung vertikal zu der Wellenleiterschicht beweglich ist,
wobei die effektiven Brechungsindices durch Änderung eines
Abstandes (l₃) zwischen der Wellenleiterschicht und der
flexiblen dielektrischen dünnen Schicht (12) mittels des
Treibergliedes (14) veränderbar sind (Fig. 6, 7).
13. Optischer Schalter nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß auf einer dem Treiberglied (14)
zugekehrten Oberfläche der flexiblen dielektrischen dünnen
Schicht (12) eine Schutzschicht (13) angeordnet ist (Fig. 6,
7).
14. Optischer Schalter nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) definiert ist
durch ein Abstandselement (11), das zwischen der optischen
Wellenleiterschicht (2) und der flexiblen dielektrischen
dünnen Schicht (12) angeordnet ist (Fig. 6).
15. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Andruckglied (25) eine
Andruckkugel ist, die gegen die Schutzabdeckung (24) unter
Steuerung der elektrischen Einstelleinrichtung (29) gedrückt
wird (Fig. 8).
16. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einstelleinrichtung
(29) aus einem Elektromagneten besteht (Fig. 8).
17. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einstelleinrichtung
(29) aus einem piezoelektrischen Bimorph (41, 51, 61)
besteht (Fig. 11-13).
18. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem wenigstens
zwei Schalterbereiche vorgesehen sind, die den niedrigen
Brechungsindex (n₂′) aufweisenden Grenzzonen (2′-1; 2′-2) in
den Schalterbereichen streifenförmig ausgebildet und parallel
zueinander angeordnet sind (Fig. 9).
19. Optischer Schalter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die den niedrigen Brechungsindex aufweisende Grenzzone (2′) aus (K+1) Streifenzonen zusammengesetzt ist, wobei K eine natürliche Zahl ist, und in der dann, wenn ein orthogonales x-y-Koordinatensystem auf die optische Wellenleiterschicht (2) angewandt wird, die Mittellinien der entsprechenden Streifenzonen (2′) mit den (K+1) geraden Linien zusammenfallen, die gegeben sind durch y=-kd, mit k=0, 1, . . ., K und wobei d einen Abstand zwischen den Mittellinien der benachbarten Streifen (2′) bedeutet, und die am weitesten links liegende Seite jeder der Streifenzonen in dem dritten Quadranten des x-y-Koordinatensystems liegt,
- - daß ferner ein Totalreflexionswinkel (R) in der den niedrigen Brechungsindex aufweisenden Zone (2′) bezüglich des geführten Lichtstrahls vorliegt, der der Beziehung N′/N<cos R gehorcht,
- - daß ein Abstand (l) in Richtung der x-Achse zwischen einer ersten Öffnung einer ersten Streifenzone und einer zweiten Öffnung einer zur ersten Streifenzone benachbarten zweiten Streifenzone vorhanden ist,
- - daß die am dichtesten an der ersten Öffnung liegende zweite Öffnung der Beziehung l=d/tan R genügt,
- - daß eine x-Koordinate jeder der am weitesten rechts liegenden Seiten der (K+1) Streifenzonen größer ist als (K-1) · l und
- - daß bewegliche dielektrische Körper (4) mit einem
Brechungsindex (n₄) vorgesehen sind, die jeweils eine
ausreichend breite Bodenoberfläche aufweisen, um die erwähnte
Streifenzone und einen benachbarten Bereich der optischen
Wellenleiterschicht (2) in der Nähe der Streifenzone zu
überdecken, und die jeweils parallel zur optischen Wellenleiterschicht
(2) auf einer Zwischenschicht mit einem
Brechungsindex (n₃) an jeder der K · (K-1)/2 Stellen
angeordnet sind, die durch die folgenden Koordinaten des
x-y-Koordinatensystems auf der den niedrigen Brechungsindex
aufweisenden Zone repräsentiert werden:
(2 (k₁ - 1) · l; (2k₂ - 1) d) ,wobei, wenn K eine ungerade Zahl ist, folgendes gilt:
k₁ = 1, 2, . . ., (K + 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,und wenn K eine gerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., K/2und[(2k₁ - 1)l, 2k₂d ] ,wobei, wenn K eine ungerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K - 1)/2 ,und, wenn K eine gerade Zahl ist, folgendes gilt:k₁ = 1, 2, . . ., K/2 ,
k₂ = 1, 2, . . ., (K/2) - 1 ,wobei die Beziehung N′/N<cos R<N₀′/N₀ erfüllt ist und N₀ und N₀′ die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschicht (2) und der Mitte der Streifenzone (2′) sind, wenn ein Abstand l₃ zwischen dem beweglichen dielektrischen Körper (4) und der optischen Wellenleiterschicht (2) größer ist als die Dicke der optischen Wellenleiterschicht (2), und wobei N und N′ die effektiven Brechungsindices der Wellenleiterschicht (2) und der Mitte der Streifenzonen (2′) sind (Fig. 17).
20. Optischer Schalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die K(K-1)/2 Stellen durch die folgenden
Koordinaten des x-y-Koordinatensystems auf der den niedrigen
Brechungsindex aufweisenden Zone repräsentiert werden:
[(k₁ - 1)l - 2l (k₂ - 1), (k₁ - 1)d ] ,wobeik₁ = 1, 2, . . ., K - 1 ,
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ ,wobei die Beziehung N′/N<cos R<N₀′/N₀ erfüllt ist, und N₀ und N₀′ die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschichten (2) und der Mitte der Streifenzone (2′) sind, wenn ein Abstand l₃ zwischen dem beweglichen dielektrischen Körper (4) und der optischen Wellenleiterschicht (2) größer ist als die Dicke der optischen Wellenleiterschicht (2) und wobei N und N′ die effektiven Brechungsindices der Wellenleiterschicht und der Mitte der Streifenzonen (2′) sind (Fig. 18).
k₂ = 1, 2, . . ., k₁ ,wobei die Beziehung N′/N<cos R<N₀′/N₀ erfüllt ist, und N₀ und N₀′ die effektiven Brechungsindices der optischen Wellenleiterschichten (2) und der Mitte der Streifenzone (2′) sind, wenn ein Abstand l₃ zwischen dem beweglichen dielektrischen Körper (4) und der optischen Wellenleiterschicht (2) größer ist als die Dicke der optischen Wellenleiterschicht (2) und wobei N und N′ die effektiven Brechungsindices der Wellenleiterschicht und der Mitte der Streifenzonen (2′) sind (Fig. 18).
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