DE3785382T2

DE3785382T2 - Opto-elektronischer Wechselschalter.

Info

Publication number: DE3785382T2
Application number: DE87302059T
Authority: DE
Inventors: John Edward Carroll; Richard Steven Linton; Ian Hugh White
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1986-03-10
Filing date: 1987-03-10
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2007-03-11
Also published as: JPS6326637A; US4809290A; GB8605862D0; EP0241143A2; EP0241143A3; CA1284836C; ATE88300T1; EP0241143B1; DE3785382D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf opto-elektronische Schalter. Sie findet besondere Anwendung auf dem Gebiet optischer Kommunikation, beim Schalten oder Steuern des Weges optischer Signale in einem Kommunikationssystem.
Die bei optischer Kommunikation verwendete Strahlung ist nicht notwendigerweise in dem sichtbaren Bereich, und die Worte "optisch" und "Licht", wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, sollen nicht so interpretiert werden, daß daraus eine Beschränkung hergeleitet wird. Z. B. werden zur Übertragung durch optische Silikafasern längere Wellenlängen bevorzugt, da die Verlustminima in solchen Fasern im Infrarot- Bereich bei ungefähr 1,3 um und 1,55 um auftreten.
Optische Schalter auf der Grundlage von Richtungskoppler-Vorrichtungen sind bei optischer Kommunikation bekannt. Sie weisen allgemein zwei optische Wellenleiter in geringem Abstand auf. Optische Strahlung kann aus einem Wellenleiter in den anderen mittels eines abgeschwächten Feldes außerhalb der Wellenleiterbereiche ausgekoppelt werden. Diese Kopplung findet jedoch nur über eine bestimmte Kopplungslänge statt, was eine minimale Vorrichtungslänge, typisch in der Größenordnung von mm, auferlegt. Eine solche Vorrichtung ist in EP-A-0 147 808 offenbart.
Ein optischer Schalter kann passiv sein. D. h., es kann sein, daß er keine optische Verstärkung bereitstellt. Es ist jedoch erkannt worden, daß es Vorteile bei Verwendung einer aktiven Vorrichtung gibt, einer Vorrichtung, die eine optische Verstärkung bereitstellt, und zwar in einem Richtungskoppler. Die Verwendung einer aktiven Vorrichtung ermöglicht, daß optische Leistungsverluste, die unvermeidlich in einem optischen Kommunikationssystem auftreten, zumindest teilweise aufgehoben werden.
Eine bekannte Klasse aktiver Vorrichtungen ist jene von Halbleiter- Injektionslasern, die verwendet werden können, um einen optischen Strahl zu erzeugen oder zu verstärken. Eine Halbleiter-Injektionslaserstruktur weist im allgemeinen Materialschichten auf einem Substrat und eine Einrichtung zum Injizieren elektrischen Stroms in die Schichten auf, was zusammen einen longitudinalen "aktiven Wellenleiterbereich" bereitstellt.
Ein Halbleiterübergang ist in der Nähe des aktiven Bereichs bereitgestellt. Wenn der injizierte Strom durch die Schichten, über den Halbleiterübergang geführt wird, vereinigen sich Elektronen und Löcher (Ladungsträger) in dem aktiven Bereich, um optische Strahlung zu erzeugen. Die optische Strahlung kann auf den aktiven Bereich in einer ersten Richtung mittels relativer Brechungsindizes (Leitungsindex) und Bandabständen der Schichtmaterialien eingeengt bzw. eingeschlossen werden und kann in einer zweiten senkrechten Richtung mittels der Stromverteilung (Verstärkungsleitung) eingeengt bzw. eingeschlossen werden. Der Strom ist normalerweise auf einem bestimmten Pfad durch Verwendung eines engen elektrischen "Streifen"-Kontaktes und optional durch Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der Materialschichten in der zweiten Richtung eingeengt bzw. eingeschlossen.
Optische Einengung bzw. Einschluß in der zweiten Richtung kann auch optional durch die Verteilung des Brechungsindex und des Bandabstandes der Schichtmaterialien mittels abgestufter Übergänge zwischen den Schichten gewährleistet werden.
Der aktive Bereich kann als ein Wellenleitungsweg angesehen werden. D. h., ein Weg, entlang dessen Strahlung bei Verwendung des Lasers geführt werden wird.
Der Schwellenstrom, bei dem das Anfangen des Laserbetriebs auftritt, hängt von dem Grad einer Rückkopplung in die Struktur ab, z. B. durch Reflexionen von Ihren Endflächen, von der (stromabhängigen) Verstärkung über stimulierte Emission, wenn Photonen entlang des aktiven Bereichs laufen und von anderen Faktoren ab. Bei Strömen unterhalb dem des Schwellenstroms funktioniert der Laser als eine lichtaussendende Diode oder als ein superlumineszenter Sender und kann verwendet werden, um ein optisches Signal zu verstärken. Bei Strömen höher als der Schwellenstrom kann der Laser auch verwendet werden, um ein optisches Eingabesignal zu verstärken.
Eine andere bekannte Klasse aktiver Vorrichtungen ist die Wanderwellenvorrichtung (TW). Diese haben die gleiche allgemeine Struktur wie ein Laser; aber mit vernachlässigbarer Rückkopplung. Zum Beispiel wird der Grad der Rückkopplung von einer reflektierenden Fläche in einer TW- Vorrichtung im allgemeinen weniger als 0,1 % sein, und es ist eine Vorrichtung mit Rückkopplung in der Größenordnung von 0,01 % hergestellt worden. Die Charakteristiken einer TW-Vorrichtung können wesentlich unterschiedlich von denen eines Lasers sein.
Ein Laser (d. h., eine Nicht-TW-Vorrichtung) zeigt im allgemeinen eine Rückkopplung von zumindest 0,1 % oder 0,5 % und zeigt gewöhnlich eine wesentlich größere Rückkopplung. Wenn die Rückkopplung durch Reflexionen an Endfacetten bereitgestellt ist, ist der Laser als ein Fabry- Perot-Laser bekannt und hat, wenn die Facetten unbeschichtet sind, im allgemeinen einen Rückkopplungsgrad von zumindest 20 %.
In dem Aufsatz "Directional Coupler Switches With Optical Gain", IEEE Journal of Quantum Mechanics, QE-22(5), S. 595-602, 1986, von C. J. Setterlind und L. Thylen ist ein aktiver Richtungskoppler beschrieben und theoretisch analysiert, der eine TW-Vorrichtung einschließt.
Die beschriebene TW-Struktur weist ein Paar eingegrabener Rippenwellenleiter auf, die parallel auf einem Substrat angeordnet sind. Jeder Wellenleiter ist oberhalb der Rippe mit einem schmalen, d. h. streifenförmigen, Metallkontakt versehen, und die freiliegende Fläche des Substrats ist metallisiert, um einen dritten Kontakt bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel besteht jeder Streifenkontakt aus zwei Segmenten, wobei es eine Lücke auf halbem Wege entlang ihrer Länge gibt. Ein optischer Strahl kann in einen der Wellenleiter eingegeben werden.
Durch Variieren der relativen Ströme, die an die Streifenkontakte und deren Segmente geliefert werden, können unterschiedliche Verteilungen der optischen Strahlung zwischen den zwei Wellenleitern erreicht werden. In einem idealen "Kreuzzustand" tritt das ganze Licht, das in einen Wellenleiter eingekoppelt ist, aus dem anderen Wellenleiter heraus. In einem idealen "Blockierzustand" tritt das ganze Licht aus dem Eingangswellenleiter heraus. Abweichungen von diesen Idealzuständen werden als "Nebensprechen" bezeichnet. (Nebensprechen tendiert dazu, den Rauschpegel und den Leistungsverlustpegel zu erhöhen, und ist daher unerwünscht.)
Obwohl ein Grad einer Steuerung über die Verteilung von Licht gezeigt ist, leidet die TW-Struktur unter dem Nachteil, daß das Ausmaß, zu dem man ein erfolgreiches Koppeln von einem Wellenleiter zu dem anderen erreichen kann mit einem geringen Grad von Nebensprechen, eine Funktion der Länge der Struktur ist, und die beschriebene Struktur muß notwendigerweise in der Größenordnung von 2 mm lang sein.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen opto-elektronischen Schalter geringer Ausmaße bereitzustellen, der brauchbare Betriebscharakteristiken zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein opto-elektronischer Schalter bereitgestellt, der eine Halbleiterlaserstruktur aufweist, die in der Lage ist, selektiv einen optischen Gewinn bzw. eine optische Verstärkung in mehr als einem optischen Pfad bzw. Weg bereitzustellen, wobei die Struktur in der Lage ist, einen optischen Gewinn in wenigstens zwei unterscheidbaren, länglichen, wellenleitenden Pfaden bereitzustellen, wobei jeder dieser wenigstens teilweise durch einen jeweiligen Strominjektionskontakt festgelegt ist und bei Verwendung einen relativ engen optischen Einschluß bereitstellt, so daß wenigstens 50 % der optischen Strahlung, die sich in dem oder jedem wellenleitenden Pfad ausbreitet, unter einem zugehörigen Kontakt oder Kontakten liegt, wobei die Pfade sich benachbart in einem Gebiet befinden, wo es eine Unstetigkeit bzw. Diskontinuität in dem Kontakt gibt, der jedem der wenigstens zwei Pfade zugeordnet ist, wobei die Laserstruktur mit ausreichender optischer Rückkopplung versehen ist, um einen Wanderwellenbetrieb auszuschließen oder im wesentlichen auszuschließen, wobei der Schalter weiterhin eine Steuereinrichtung aufweist zum Verändern der relativen Strompegel, die entlang jeder der Pfade injiziert werden, oder um ein optisches Signal in zumindest einem der Pfade einzugeben, so daß eine Änderung in einer optischen Kopplung zwischen den Pfaden auftritt und demgemäß die Beziehung zwischen Licht, das von den zwei Pfaden ausgegeben wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand geändert wird, wobei die Konfiguration der wellenleitenden Pfade, wo sie benachbart auftreten, in dem Gebiet der Unstetigkeiten bzw. Diskontinuitäten und der zugeordneten Kontakte an den Unstetigkeiten so ist, daß optische Strahlung, die sich in einem Pfad ausbreitet, in den anderen Pfad an der Unstetigkeit mittels Brechung koppeln kann.
Es ist herausgefunden worden, daß durch Verwenden einer Laserstruktur des obigen Typs ein aktiver Schalter hergestellt werden kann, der eine Länge hat, der um Größenordnungen kürzer ist als bekannte aktive Schalter; der jedoch gute Betriebscharakteristiken aufrechterhält. Zum Beispiel kann ein gutes Zurückweisungsverhältnis für Licht erreicht werden, das von einem der wellenleitenden Pfade ausgegeben wird, verglichen bei verschiedenen Betriebsmoden des Schalters. Der Nebensprechpegel ist signifikant geringer abhängig von der Länge der Struktur; und es ist möglich, einen aktiven Schalter herzustellen, indem der Nebensprechpegel akzeptierbar gering bei Strukturlängen ist, die um Größenordnungen kürzer als in bekannten aktiven Richtungsschaltern ist.
Der optische Einschluß der wellenleitenden Pfade sollte relativ stark sein. Z. B. sollte mindestens 50 %, und vorzugsweise mindestens 80 %, der optischen Strahlung, die sich in einem Pfad ausbreitet, so eingeschlossen sein, daß sie unter dem zugehörigen Kontakt liegt. Typischerweise werden die Kontaktbreiten in der Größenordnung von 5 um oder weniger in einem Halbleiterschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein. Der Einschluß kann durch Mittel zusätzlich zur Verstärkungsleitung, die durch die Kontakte gewährleistet ist, bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann Indexleitung bereitgestellt sein.
Ein zusätzlicher Vorteil der Läserstruktur ist, daß, solange eine ausreichende Rückkopplung, z. B. unter Verwendung von Endfacetten mit einem Reflexionsvermögen von wenigstens 1 % in einem Fabry-Perot- Laser; gewährleistet ist, ein Schalten mit einer Speichercharakteristik auftreten kann. Das heißt, die Vorrichtung kann von einem Schaltzustand zu einem anderen durch Anlegen eines Steuerimpulses geschaltet werden, der nachfolgend nicht aufrechterhalten werden muß.
Es kann entweder ein elektrischer oder ein optischer Steuerimpuls verwendet werden. Das heißt, die Steuereinrichtung kann eine Einrichtung aufweisen, um die relativen Pegel injizierter Ströme entlang jeder der Pfade zu variieren oder um ein optisches Signal in zumindest einen der Pfade einzugeben.
Die Konfiguration der wellenleitenden Pfade, wo sie in dem Gebiet der Unstetigkeiten benachbart sind, und der zugehörigen Kontakte an den Unstetigkeiten sollte derart sein, daß optische Strahlung, die sich in einem Pfad ausbreitet, in den anderen Pfad an den Unstetigkeiten mittels Brechung an den Unstetigkeiten koppeln kann. Es wird angenommen, daß wegen des diffraktiven Koppelns zwischen den Pfaden die Laserstrukturlänge so viel kürzer sein kann als in bekannten aktiven Richtungsschaltern. Indem Koppeln auf diese Weise verwendet wird, kann der Entwurf der Charakteristiken der Laserstruktur; die die wellenleitenden Pfade bestimmen, relativ flexibel sein. Insbesondere können die Pfade gerade und parallel gemacht sein, wobei optische Strahlung an den Unstetigkeiten überkoppelt. Dies ist vorteilhaft in der Fertigungstechnologie und im Entwurf, z. B. einer Matrix von mehreren Pfaden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können zwei parallele benachbarte Streifenkontakte bereitgestellt sein, wobei jeder in zwei Segmente durch eine Unstetigkeit im wesentlichen auf halbem Wege entlang ihrer Länge aufgeteilt ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben werden, in denen.
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines opto-elektronischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Halbleiterinjektionslasers zur Verwendung in dem Schalter von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht des Lasers von Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 unterschiedliche Betriebsmodi des Lasers von Fig. 2 zeigt;
Fig. 5 einen Graph einer Lichtausgabe von dem Laser von Fig. 2 gegenüber einem Treiberstrom bei diagonal angesteuerten Kontakten zeigt;
Fig. 6 die Nahfeldverteilung der Lichtausgabe von Fig. 5 unter ausgewählten Bedingungen zeigt;
Fig. 7 bis 11 weitere experimentelle Ergebnisse zeigen;
Fig. 12 einen Laser zur Verwendung in einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 einen Matrixschalter zeigt, der Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 14 eine schematische Draufsicht der effektiven Kontaktmatrix für ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 15 eine schematische Draufsicht einschließlich der effektiven Kontaktmatrix eines Schalters, wie gezeigt in Fig. 1, zeigt, der abgeändert ist, um eine Strahlsteuerung an einem Ausgang des Schalters bereitzustellen.
Die Fig. 5, 7a, 8a, 9a, 10 und 11 enthalten schematische Draufsichten des Schalters von Fig. 1, um relevante Treiberstromanordnungen anzuzeigen.
Obwohl Ausdrücke wie "oben" und "zuoberst" in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, werden sie nur aus Zweckmäßigkeit der Beschreibung verwendet und sollten nicht genommen werden, um irgendeine notwendige zugehörige Orientierung anzugeben, außer wenn der Kontext anderes anzeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 1 weist ein Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung einen Fabry-Perot-Halbleiterinjektionslaser 1 auf, der auf einer Kupferplatte 2 zwischen zwei Paaren von Stromeingängen 3, 4, 5, 6 montiert ist. Jede Endfacette 7, 8 des Lasers 1 ist freigelegt.
Bezugnehmend auf Fig. 1, 2 und 3 basiert der Laser 1 auf einem GaAs-Substrat 11 mit einer Anzahl von Schichten aus Halbleitermaterial, die epitaxial darauf gewachsen sind. Vier Kontakte 12, 12 und 13, 13 sind an der obersten Oberfläche der obersten Schicht 16 vorgesehen, die elektrischen Kontakt mit der obersten Schicht 16 über zwei Streifenfenster 18, 19 in einer dazwischenliegenden dielektrischen Schicht 17 herstellt.
Die Kontakte 12, 12' und 13, 13' weisen eine Doppelmetallschicht auf, die sich über die ganze obere Oberfläche des Lasers 1 erstreckt mit Ausnahme eines Querspalts H über die Breite des Lasers 1 und eines Längsspaltes W der sich über die Länge des Lasers 1 zwischen den zwei Streifenfenstern 18, 19 in der dielektrischen Schicht 17 erstreckt.
Nur einer der Stromeingänge 3, 4, 5, 6 ist mit einem entsprechenden der Kontakte 12, 12, 13, 13 verbunden, welcher dann unabhängig von den drei anderen in jedem Fall gesteuert werden kann. Jeder Stromeingang 3, 4, 5, 6 weist eine 1 mm breite Kupferleitungsschiene auf einer Mikrostreifenplatte 20 auf, gekoppelt mit seinem entsprechenden Kontakt mittels eines Golddrahtes und Silberepoxid-Verbindungspunkten (nicht gezeigt).
In größerem Detail sind die Struktur und Herstellung des Lasers 1 herkömmlich in Bezug auf einen Doppelheterostrukturlaser Ga(1-x) Alx As, wobei x 0,3 ist.
Das Substrat 11 ist 100 um dick, weist GaAs auf und ist an seiner untersten Oberfläche 14 metallisiert. Auf dem Substrat 11 sind durch herkömmliche epitaxiale Wachstechniken vier Schichten gewachsen: Eine 2 um-Schicht 21 aus n-dotiertem GaAlAs; eine 0,2 um-Aktivschicht 22 aus GaAs; eine 0,8 um p-dotierte Schicht 15 aus GaAlAs; und eine 0,8 um p-dotierte Kontaktschicht 16 aus GaAs. Jede der dotierten Schichten ist auf ein herkömmliches Niveau zur Verwendung in der Halbleiterlasertechnologie dotiert. Die Aktivschicht 22 liegt zwischen zwei Schichten 21, 15 aus Material mit höherem Bandabstand und niedrigerem Brechungsindex, um sowohl einen optischen als auch einen Ladungsträgereinschluß in einer Richtung senkrecht zu den Schichten zu gewährleisten.
Auf die Kontaktschicht 16 ist die dielektrische Schicht 17 aus SiO&sub2; abgelagert. Zwei Streifenfenster 18, 19 sind durch das SiO&sub2; nach unten bis zu der Ebene der Kontaktschicht 16 durchgeätzt. Zn ist in die Kontaktschicht 16 in dem Gebiet der Streifenfenster 18, 19 diffundiert, um Dotierniveaus in der Größenordnung von 3 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu ergeben. Eine Doppelmetallschicht aus 3 um Au auf 60 Ångström Ti ist auf der dielektrischen Schicht 17 und in den Streifenfenstern 18, 19 abgelagert, dann geätzt, um die vier Kontakte 12, 12, 13, 13 durch Bilden der Quer- und Längsspalte H und W zu bilden. Obwohl sowohl die Ti- und die Au-Schicht geätzt sind, um den Querspalt H zu bilden, ist nur die Au-Schicht geätzt, um den Längsspalt W zu bilden.
Der Laser 1 ist zwischen seinen Endfacetten 7, 8 400 um lang und 200 um breit, wohingegen jedes Streifenfenster 18, 19 4 um breit ist. Die Entfernung zwischen den Mittellinien der Streifenfenster 18, 19 ist 7 um. Der Querspalt H ist 15 um breit. Der Widerstand, der zwischen jedem Kontaktpaar in einer Richtung über die Breite des Lasers 1 gemessen wird, beträgt etwa 60 Ohm, wohingegen jener; der in einer Richtung längs dem Laser 1 gemessen wird und den Querspalt H enthält, etwa 900 Ohm ist.
Um den Laser 1 als einen opto-elektronischen Schalter zu verwenden, ist er wie gezeigt in Fig. 1 montiert, wobei jeder Stromeingang 3, 4, 5, 6 über einen 50 Ohm-Chip-Widerstand 23, 24 (nur 2 gezeigt) mit einem OSSM-Verbinder 25 verbunden ist. Vorspannströme können unabhängig zu jedem der Kontakte 12, 12', 13, 13' gespeist werden, und Triggerimpulse können dem Vorspannstrom irgendeines oder mehrerer Kontakte überlagert werden. Der Laser 1 kann verwendet werden, um entweder optische Strahlung durch Laserbetrieb zu erzeugen oder um ein optisches Eingabesignal zu verstärken.
Bezugnehmend auf Fig. 2, 4a und 4b kann bei Verwendung der Halbleiterinjektionslaser 1 betrachtet werden, als zwei optische Kanäle bereitstellend, wobei jeder Kanal unterhalb eines der Streifenfenster 18, 19 liegt. Er kann im Laserbetrieb sein oder verstärken, und zwar auf zwei oder mehr unterschiedliche stabile Moden, wobei Licht bei unterschiedlichen Verteilungen zwischen den optischen Kanälen getragen wird.
Zum Beispiel kann Licht, das von dem Laser erzeugt ist, auf einen optischen Kanal eingeschlossen werden oder zwischen beiden verteilt werden. In alternativer Weise kann eine Lichteingabe 40 an einen der Kanäle von diesem Kanal getragen und ausgesendet werden, wobei der Schalter; wie gezeigt in Fig. 4a, in einem Blockierzustand ist, oder sie kann eingekoppelt werden und von dem anderen Kanal ausgesendet werden, wobei der Schalter in einem Kreuzzustand ist, wie gezeigt in Fig. 4b, oder sie kann sich in den Kanälen in einer Kombination aus Kreuz- und Blockierzustand ausbreiten.
Bezugnehmend auf Fig. 5 und 6 wurde in einem Experiment unter Verwendung von Licht, das von dem Laser 1 erzeugt ist, die Lichtausgabe von einer Endfacette 8 des Lasers gemessen, wobei die Kontakte 12, 12', 13, 13' in diagonalen Paaren angetrieben wurden.
Der Strom zu jedem Kontakt 12, 12', 13, 13' wurde jeweils i&sub1;, i&sub2;, i&sub3; und i&sub4; bezeichnet. Die Ströme i&sub2; und i&sub3; zu einem diagonalen Kontaktpaar 12', 13 wurden auf einen festen Pegel gewählt, so daß i&sub2; + i&sub3; = 180
mA und i&sub2; = 1,1 i&sub3;. Variable Ströme i&sub1; und i&sub4; wurden an das andere diagonale Kontaktpaar 12, 13' gespeist, wobei diese Ströme miteinander gleich gehalten wurden.
Da der Laser 1 so aufgebaut ist, daß die p-dotierten Schichten zuoberst sind, wurden Stromimpulse von 300 ns verwendet, um ein Überhitzen zu verhindern.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wurde die gesamte Lichtausgabe von einer Endfacette des Lasers unter Verwendung eines Photodetektors in mV gemessen. Da die variablen Ströme i&sub1; und i&sub4; von Null angehoben wurden, verblieb die Lichtausgabe im wesentlichen konstant und erhöhte sich nur ein wenig bevor sie eine Unstetigkeit und einen scharfen Anstieg 60 zeigt, wenn die Summe aus i&sub1; und i&sub4; geringfügig höher als 100 mA war.
Bezugnehmend auf Fig. 6 wurde die Lichtausgabeverteilung 28 über die Endfacette 8 des Lasers 1 in einer Richtung, die über die Achsen beider optischen Kanäle verläuft, für zwei Werte A, B der variablen Ströme i&sub1; und i&sub4; gemessen. Die zwei Werte A, B lagen auf verschiedenen Seiten des steilen Anstiegs 60 der Lichtausgabe, gesehen in Fig. 5. Die Positionen 26, 27 der Streifenfenster 18, 19 und damit der zwei optischen Kanäle in Bezug auf die Lichtausgabeverteilung 28 wurde ebenso aufgezeichnet.
Es konnte festgestellt werden, daß die Unstetigkeit in der Lichtausgabe einer Änderung im Mode des Lasers 1 entsprach. Bei i&sub1; + i&sub4; = A emittierte der Laser 1 spontan Licht im wesentlichen aus unter der Position 26 von nur einem Streifenfenster 18. Bei i&sub1; + i&sub4; = B war der Laser 1 im Laserbetrieb, wobei Licht aus unter den Positionen 26, 27 von beiden Streifenfenstern 18, 19 gesendet wurde. Damit hat der Laser 1 von einem ersten Mode, in dem Licht in nur einem Kanal erzeugt wurde und davon ausgesendet wurde, zu einem zweiten Mode geschaltet, in dem Licht von beiden optischen Kanälen erzeugt wurde und davon ausgesendet wurde.
Unter Verwendung einer Unstetigkeit in der Gesamtlichtausgabe des Lasers 1 als eine Anzeige einer Änderung im Mode wurden weitere Experimente durchgeführt, wobei unterschiedliche Kombinationen der Kontakte 12, 12', 13, 13' genommen wurden und wobei die zugehörigen Ansteuerströme i&sub1;, i&sub2;, i&sub3;, i&sub4; variiert wurden. Bezugnehmend auf Fig. 7a und 8a wurden unter den folgenden Bedingungen Unstetigkeiten 61 beobachtet:
i. Diagonal zugehörige Kontakte, zusammen angesteuert (Fig. 7a) i&sub2; - i&sub3;, fest i&sub1; = i&sub4;, ansteigend
ii. Zusammen angesteuerte "Seiten"-Kontakte (Fig. 8a) i&sub1; - i&sub2;, fest; i&sub3; = i&sub4;, ansteigend i&sub1; + i&sub2; = von 220 mA bis 240 mA.
Bezugnehmend auf Fig. 9a wurden keine Unstetigkeiten unter den folgenden Bedingungen beobachtet:
iii. Zusammen angesteuerte "End"-Kontakte i&sub2; = i&sub4;, fest i&sub1; - i&sub3;, ansteigend.
Bezugnehmend auf Fig. 7b, 8b und 9b wurden Graphen der Werte der Ansteuerströme der zugehörigen Kontaktpaare in den obigen Fällen i.-iii. gemacht, bei denen das Einsetzen des Laserbetriebs beobachtet wurde. Wenn keine Unstetigkeiten vorhanden waren, z. B. im obigen Fall in., wurde ein im wesentlichen linearer Graph erhalten (Fig. 9b). Wenn Unstetigkeiten vorhanden waren, z. B. im obigen Fall ii., zeigte der Graph ein Plateau 41, das mit den Unstetigkeiten in Verbindung gebracht werden konnte (Fig. 8b).
Bezugnehmend auf Fig. 10 wurde in einer weiteren Demonstration des Betriebs des Lasers 1 die optische Ausgabe über jede Facette 7, 8 für jeden der zwei bi-stabilen Zustände aufgetragen. Konstante Vorspannströme wurden an die Kontakte geliefert, und inkrementelle elektrische Impulse von 10 Nanosekunden Zeitbreite und 20 mA Amplitude wurden wechselweise den Vorspannströmen der zwei Kontakte 12 und 13 überlagert. Die gelieferten konstanten Vorspannströme waren, bezugnehmend auf die Draufsicht des Lasers 1 in Fig. 10, i&sub1; - 180 mA, i&sub2; = 89 mA, i&sub3; = 100 mA und i&sub4; = 180 mA. Der Laser 1 schaltete zwischen den zwei in Fig. 10 gezeigten Ausgabekonfigurationen mit Schaltzeiten von weniger als 10 Nanosekunden. Die Schaltzeiten wurden jedoch wahrscheinlich durch die Eingabe-Anstiegszeit (15 Nanosekunden) des elektrischen Triggerimpulses beeinträchtigt.
Wenn das Ausgangslichtsignal ausschließlich von dem rechten Streifenfenster 18 an dem Oberen der Laserfacetten 7 gesammelt wurde, wie gezeigt in der Draufsicht des Lasers 1 in der Figur; war das Ein-/Aus- Verhältnis zwischen den zwei bi-stabilen Zuständen bis zu 8 : 1.
An Stelle des elektrischen Schaltens kann in der obigen Konfiguration optisches Schalten verwendet werden, indem die elektrischen Impulse durch optische Impulse ersetzt werden, die an die Enden der wellenleitenden Pfade unter den Kontakten eingegeben werden. Unter Verwendung einer optischen Strahlung einer Wellenlänge entsprechend jener der Strahlung, die durch den Laser 1 erzeugt ist, wobei die Strahlung auf unterschiedliche Eingangspositionen der Laserfacette fokussiert ist, kann ein Schaltverhalten erreicht werden, wie oben beschrieben bezüglich elektrischer Impulse von 10 Nanosekunden.
Bezugnehmend auf Fig. 11 wurden Nahfeldmessungen ausgeführt, um die optische Ausgabe über jede Facette 7, 8 des Lasers 1 aufzutragen, wenn diese angesteuert war; um in unterschiedlichen (Laserbetriebs)-Moden zu arbeiten. Bezugnehmend auf Fig. 11a, wo ähnliche Ansteuerströme an jeden der vier Kontakte geliefert wurden, wurden vorherrschende Nahfelder mit Doppelspitzen an jeder Facette 7, 8 beobachtet. Eine kleine Spitze 70 zwischen den Streifen wurde auch an einer Facette beobachtet, die aus einer Interferenz zwischen den gekrümmten Wellenfronten der optischen Strahlung, die an der betreffenden Facette austritt, resultiert.
Bezugnehmend auf Fig. 11b, wo ein diagonales Kontaktpaar vorzugsweise angesteuert wurde, wurde Kreuzkopplung beobachtet, wobei eine optische Ausgabe unter dem diagonalen Kontaktpaar auftrat.
Bezugnehmend auf Fig. 11c wurden drei von vier der Kontakte vorzugsweise angetrieben. Wie erwartet, trat eine optische Ausgabe vorherrschend von unter jeder der vorzugsweise angesteuerten Kontakte auf.
Bezugnehmend auf Fig. 11d, wo beide Kontakte bezüglich eines der Streifenfenster vorzugsweise angesteuert wurden, trat ein Direkt-Durchkoppeln auf, wobei eine optische Ausgabe an jedwedem Ende dieses Streifenfensters beobachtet wurde.
(In Fig. 11 ist jeder Graph mit optischer Ausgabe in der gleichen Querrichtung bezüglich dem Laser 1 aufgetragen.)
Der Gesamtansteuerstrom, der an die Kontakte geliefert wurde, um die in Fig. 11 gezeigten Moden zu erreichen, wurde als ein Maß der effektiven Absorption in dem Laser 1 in jedem Falle verglichen. Der Schwellenstrom für den Sperrzustand von Fig. 11d war 175 mA, wohingegen jener für den Kreuzkopplungsmode von Fig. 11b und für den geteilten Mode von Fig. 11c jeweils 399 mA und 360 mA waren. Dies zeigte Zunahmen in der effektiven Absorption von 28 % (22 cm&supmin;¹) bzw. 6 % (4,5 cm&supmin;¹).
In der obigen Beschreibung wurden Beispiele gegeben, bei denen Änderungen in den Ansteuerströmen der verschiedenen Kontakte 12, 12', 13, 13' verwendet wurden, um den Schalter zu betätigen. In einer alternativen Anordnung können die Ansteuerströme i&sub1;, i&sub2;, i&sub3;, i&sub4; bei einem Pegel unterhalb irgendeiner Laserschwelle des Lasers verbleiben, und ein optisches Eingabesignal kann verwendet werden, um den Schalter zu betätigen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 kann in einer optisch geschalteten Anordnung ein optisches Eingabesignal in einen ersten optischen Kanal des Lasers 1 an einer Endfacette 7 injiziert werden. Das Signal sollte eine Wellenlänge haben, die geeignet zur Verstärkung durch den Laser 1 ist. Durch Anlegen eines optischen Triggerimpulses an einen der Kanäle kann dann das optische Eingabesignal selektiv geschaltet werden, um aus einem der optischen Kanäle an dem anderen Ende der Facette 8 des Lasers herauszutreten.
In alternativer Weise können die Kontakte wiederum mit einem Strom unterhalb irgendeiner Laserschwelle des Lasers 1 angesteuert werden, sowie mit einem optischen Eingabesignal, das in einen Kanal des Lasers 1 eingegeben wird, jedoch kann der optische Triggerimpuls durch einen elektrischen Triggerimpuls an einen oder mehrere der Kontakte ersetzt werden, der dem betreffenden Ansteuerstrom überlagert ist.
Die vorliegende Erfindung ist auf das Schalten optischer Signale zwischen alternativen optischen Kanälen in einem Laser gerichtet und sollte nicht angesehen werden, auf ein Schalten zwischen nur zwei Kanälen begrenzt zu sein. Z. B. kann eine Matrix aus wenigstens drei optischen Kanälen vorhanden sein, zwischen denen ein optisches Signal geschaltet werden kann.
Weiterhin können sich zwei optische Kanäle einen gemeinsamen Abschnitt teilen. Zum Beispiel kann, bezugnehmend auf Fig. 12, ein gegabeltes Streifenfenster 118 bereitgestellt sein, das drei zugehörige Kontakte 112, 112', 113' aufweist. Es sind dann zwei optische Kanäle verfügbar, die beide einen der Kontakte 112 einschließen, die jedoch dann divergieren, um jeweils den verbleibenden Kontakten 112', 113' zu folgen. Ein solcher Schalter kann mittels elektrischer Triggerimpulse gesteuert werden, die an die verbleibenden Kontakte 112', 113' geliefert werden.
Der Laser 1 des beschriebenen Ausführungsbeispiels erzeugt optische Strahlung einer Wellenlänge von 0,8 um, jedoch können Laser eingesetzt werden, die unterschiedliche Wellenlängen erzeugen oder verstärken. Weiterhin können Laser unterschiedlicher Strukturen, z. B. mit unterschiedlichen Kontaktanordnungen, Halbleitermaterialien oder Schichtanordnungen, eingesetzt werden.
Es ist nicht notwendig, daß der Querspalt H sich nur durch das Au/Ti- Kontaktmaterial erstreckt. Er kann sich auch in die Schichten aus Halbleitermaterial erstrecken. Zum Beispiel können sich gegenüberliegende Facetten in das Halbleitermaterial geätzt oder ionen-gefräst werden.
Unter diesen Umständen kann dielektrisches Material verwendet werden, um den Querspalt H zu füllen.
Der Querspalt H muß nicht einheitlich parallele Seiten aufweisen, sondern kann unterschiedliche Abstände zwischen den Kontaktpaaren, die er trennt, entlang dem Laser 1 aufweisen. Das heißt, zwischen den Segmenten jedes optischen Kanals. Jedoch ist die Breite des Querspalts H zwischen jedem dieser Kontaktpaare vorzugsweise begrenzt. Das nicht gepumpte Gebiet des Schalters, das durch den Spalt H hervorgerufen ist, verursacht eine Absorption in dem Laserresonanzraum. Wenn die Absorption zu hoch ist, kann eine absorptive Bistabilität auftreten, insbesondere wenn Rückkopplung verwendet wird, was die Betriebsgeschwindigkeit des Schalters herabsetzt. Um das Einsetzen signifikanter absorptiver Effekte in einer Fabry-Perot-Laserstruktur mit Facetten mit einem Reflexionsvermögen in der Größenordnung von 20 % zu vermeiden, ist berechnet worden, daß in einer 400um-langen Laserstruktur der Spalt H vorzugsweise kleiner oder gleich 40 um sein sollte. Es ist herausgefunden worden, daß das Einsetzen absorptiver Effekte von dem Verhältnis der Ströme abhängt, z. B. i&sub2;:i&sub1;, die an die Kontakte an beiden Seiten des Spalts H in einem der Streifenfenster 18, 19 geliefert werden. Bei großen Werten der Breite des Spalts H mußte das Verhältnis klein gehalten werden, z. B. in der Größenordnung von 1 : 1. Jedoch konnte bei kleinen Werten, z. B. 25 um oder 15 um, das Verhältnis i&sub2;:i&sub1; erhöht werden. Eine zweite Einschränkung in der Breite des Spalts H besteht darin, daß sie größer oder gleich dem Abstand zwischen den Mittellinien des Streifenfensters 18, 19 in dem Gebiet des Spalts H sein sollte. Diese Einschränkung wird durch die Anforderung diktiert, daß optisches Koppeln zwischen den zwei verschiedenen optischen Kanälen durch Brechung erleichtert wird.
Die obigen Beziehungen zwischen der Breite des Spalts H und der Länge der Laserstruktur können als Verhältnisse verallgemeinert werden, die allgemein auch auf Laserstrukturen anderer Längen anwendbar sind.
Wenn ein optischer Triggerimpuls verwendet wird, muß er nur eine Wellenlänge haben, die eine ausreichende Photonenenergie hat, um Ladungsträger in oder nahe dem optischen Kanal zu erzeugen, an dem er eingegeben wird. Diese Ladungsträger bewirken dann ein Schalten durch Ändern der Rückkopplungscharakteristiken, der optischen Verstärkung oder des Brechungsindex.
Die Charakteristiken, die die optischen Kanäle bestimmen, können variiert werden. Zum Beispiel kann Brechungsindex-Leitung in einer Richtung senkrecht zur Stromflußrichtung bereitgestellt sein. Weiterhin müssen die Kanäle nicht gerade sein. Jedoch sollte der Abstand zwischen den optischen Kanälen in dem Gebiet einer Unstetigkeit bzw. Diskontinuität in den zugehörigen Kontakten, d. h. der Abstand zwischen den Längsachsen der Kanäle, nicht so groß sein, daß ein diffraktives Koppeln von Strahlung von einem Kanal zu dem anderen verhindert wird. Der letztere Abstand muß typischerweise im Bereich von 2 um bis 10 um einschließlich liegen, kann jedoch auch oberhalb dieses Bereichs zufriedenstellend sein, wenn eine enge Steuerung über die Brechungsindexabweichungen in den Halbleitermaterialien verfügbar ist.
Bezugnehmend auf Fig. 13 kann der Schalter der vorliegenden Erfindung nicht nur als ein isolierter Schalter arbeiten, sondern auch als Teil eines variablen Strahlaufspalters oder eines Matrixschalters. Zum Beispiel kann eine Matrix aus Lasern 1 verbunden werden, um in einer Matrix zu arbeiten, wobei eine Lichtausgabe 51 von der Matrix durch das Muster einer Lichteingabe 52 sowie durch das zugehörige Muster von Ansteuerströmen an die elektrischen Kontakte (nicht gezeigt) gesteuert wird.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel können, anstelle nur vier Kontakte bereitzustellen, drei oder mehr Streifenfenster 70, 71, 72 auch einer einzelnen Laserstruktur bereitgestellt sein, wobei jede mit mehr als zwei Kontakten versehen ist. Bezugnehmend auf Fig. 14 kann ein Beispiel einer solchen erweiterten Vorrichtung neun Kontakte 73 aufweisen, wobei einige optional zusammengekoppelt sind und einige davon optional überhaupt keinen Ansteuerstrom erfordern, abhängig von der Anwendung, für die solch einer Vorrichtung eingesetzt wird.
Bezugnehmend auf Fig. 15 sind in einem weiteren Ausführungsbeispiel zwei besondere Kontakte 90, 91 nach Bereitstellung eines Facettengrabens 92 in den optischen Kanälen, die durch die Streifenfenster 18, 19 bereitgestellt sind, bereitgestellt. Ein solcher Facettengraben 92 kann z. B. durch chemisches Naßätzen erzeugt werden. In einer neueren Veröffentlichung im Journal of Quantum Electronics, QE 21, Seiten 658 bis 662 beschreiben M. Weight et al. Facettenätztechniken. Durch Anlegen eines Stroms an die zwei extra Kontakte 90, 91 ist es möglich, die Elektronendichte und damit die effektive Dielektrizität in dem Halbleitermaterial zu ändern, um einen Strahlsteuereffekt am Vorrichtungsausgang gemäß bekannter Prinzipien zu erreichen.
Der Facettengraben 92 erstreckt sich durch das Kontaktmaterial in die Schicht oberhalb der Aktivschicht der Vorrichtung und kann unter Verwendung bekannter Ätzmittel für das relevante Material der Schichten hergestellt werden.
Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um optische Eingabesignale zu schalten, selbst wenn sie über der Laserbetriebsschwelle angesteuert werden, da die Signale erscheinen, und zwar verstärkt, auf dem von der Laserstruktur erzeugten Licht überlagert zu sein.

Claims

1. Opto-elektronischer Schalter; der eine Halbleiterlaserstruktur (1) aufweist, der in der Lage ist, selektiv einen optischen Gewinn in mehr als einem optischen Pfad bereitzustellen, wobei die Struktur in der Lage ist, einen optischen Gewinn in wenigstens zwei unterscheidbaren länglichen wellenleitenden Pfaden bereitzustellen, wobei jeder dieser wenigstens teilweise durch einen jeweiligen Strominjektionskontakt (12, 12', 13, 13') festgelegt ist und bei Verwendung einen relativ engen optischen Einschluß bereit stellt, so daß wenigstens 50 % der optischen Strahlung, die sich in dem oder jedem wellenleitendem Pfad ausbreitet, unter einem zugeordneten Kontakt oder Kontakten liegt, wobei die Pfade sich benachbart in einem Gebiet befinden, wo es eine Unstetigkeit (H) in dem Kontakt gibt, der jedem der wenigstens zwei Pfade zugeordnet ist, wobei die Laserstruktur mit ausreichender optischer Rückkopplung versehen ist, um einen Wanderwellenbetrieb auszuschließen oder im wesentlichen auszuschließen, wobei der Schalter weiterhin eine Steuereinrichtung aufweist zum Verändern der relativen Strompegel, die entlang jeder der Pfade injiziert werden, so daß eine Änderung in einer optischen Kopplung zwischen den Pfaden auftritt und demgemäß die Beziehung zwischen Licht, das von den zwei Pfaden ausgegeben wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand geändert wird, wobei die Konfiguration der wellenleitenden Pfade, wo sie benachbart auftreten, in dem Gebiet der Unstetigkeiten, und der zugeordneten Kontakte an den Unstetigkeiten so ist, daß optische Strahlung, die sich in einem Pfad ausbreitet, in den anderen Pfad an der Unstetigkeit mittels Brechung koppeln kann.

2. Schalter gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung aufweist, um die relativen Strompegel, die entlang der Pfade injiziert werden, zu verändern.

3. Schalter gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung aufweist, um ein optisches Signal bei wenigstens einem der Pfade einzugeben.

4. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontakte parallele benachbarte Streifenkontakte aufweisen.

5. Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Laserstruktur verwendet wird, um eine optische Strahlung in wenigstens einem der Pfade zu erzeugen.

6. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstruktur verwendet wird, um eine optische Signaleingabe auf wenigstens einem der Pfade zu verstärken.

7. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstruktur eine Fabry-Perot-Laserstruktur ist.

8. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es weiterhin eine Unstetigkeit der Pfade gibt, die an die Unstetigkeit in ihrem jeweiligen Kontakt angrenzen.

9. Schalter gemäß Anspruch 8, wobei die Unstetigkeit in jedem der Pfade ein Paar Endflächen in den Halbleitermaterialien der Laserstruktur aufweisen.

10. Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Rückkopplung wenigstens 0,1 % Rückkopplungsgrad bei Verwendung bereitstellt.

11. Schalter gemäß Anspruch 10, wobei die optische Rückkopplung wenigstens 0,5 % Rückkopplungsgrad bei Verwendung bereitstellt.

12. Schalter gemäß Anspruch 7 oder gemäß Anspruch 7 und einem der Ansprüche 8 oder 9 , wobei die optische Rückkopplung wenigstens 1 % Rückkopplungsgrad bei Verwendung bereitstellt.

13. Matrixschalter; der einen Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche einschließt.

14. Speicherbauelement, das einen Schalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche einschließt.