DE4329334A1

DE4329334A1 - Digitaler optischer Schalter mit nahezu Z-Ausbreitung

Info

Publication number: DE4329334A1
Application number: DE4329334A
Authority: DE
Inventors: Per Olov Granestrand
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1994-03-03
Also published as: US5303315A; GB2271192A; SE513450C2; SE9302622D0; SE9302622L; GB2271192B; FR2695216B1; JPH06194696A; GB9316702D0; FR2695216A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Schaltung unter Verwendung von optischen Dünnschicht-Wellenleitern zum Modulieren oder zum Schalten eines Lichtsignals mit Hilfe eines elektrooptischen Effekts. Speziell geht es um einen digitalen optischen Schalter mit einem X-Schnitt oder nahezu Y-Schnitt und Ausbreitung in nahezu Z-Richtung.

Der zunehmende Einsatz von optischen Fasern in der Nachrichtentech nik, von Sensoren und andere Anwendungen haben das optische Schalten zum Gegenstand verstärkten Interesses gemacht. Besonderes Interesse gilt dem Schalten von Signalen in optischer Form ohne elektrooptische Umsetzung. Versuche wurden in zahlreiche Richtungen unternommen, beispielsweise in Richtung der Verwendung mechanischer Schalter und integrierter optischer Halbleiterschalter aus Halbleitermaterial wie GaAs und InP.

Viele dieser Schalter machen für die Schaltfunktion Gebrauch von einem elektrooptischen Effekt. Ein elektrooptischer quadratischer oder Kehr- Effekt ist bei sämtlichen Substanzen zu beobachten. Der Effekt bezieht sich auf die Änderung des Brechungsindex Δn im Verhältnis zum Qua drat des angelegten elektrischen Feldes E. Viel stärkere Indexänderungen lassen sich in Einkristallen realisieren, die einen elektrooptischen, linea ren oder Pockel-Effekt aufweisen. Hierbei ist die Änderung des Bre chungsindex Δn direkt proportional zu dem angelegten elektrischen Feld E. Der Effekt ist nur bei nicht-schwerpunktsymmetrischen Einkristallen vorhanden, und die induzierte Indexänderung hängt ab von der Orientie rung des elektrischen Feldes E und der Polarisierung des Lichtstrahls. Gut bekannte lineare elektrooptische Stoffe sind Kalium-Diwasserstoff- Phosphat (KDP) und dessen deuterierte isomorphe Form (DKDP oder KD*P), Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtantalat (LiTaU₃), außerdem Halbleiterstoffe wie Galliumarsenid (GaAs) und Kadmiumtellurid (CdTe).

Eine derzeit am weitesten ausgereifte Technologie bei der Herstellung integrierter optischer Schaltungen (IOCs) ist Ti:LiNbO₃, welches einen Bandleiter beinhaltet, gebildet durch Diffundieren von Titan in Li thiumniobat. Der Lithiumniobat-Leiter ist in einem monokristallinen Wafer ausgebildet, auf dem Längselektroden in der Nachbarschaft des Bandleiters angeordnet sind. Die Elektroden modifizieren den lokalen Wert des Brechungsindex, wenn eine Potentialdifferenz angelegt wird.

Bei dieser Technologie lassen sich in einfacher Weise Kanäle mit relativ geringer Dämpfung bei guter stellenweiser Anpassung an Einzelmodenfa sern fertigen. Allerdings gibt es ein gravierendes Problem: Die LiNbO₃- Bauelemente sind naturgemäß polarisationsabhängig, d. h., sie machen eine Erregung einer spezifischen linearen Polarisation erforderlich ("or dentlicher" elektrischer Transversal-Typ TE oder "außerordentlicher" magnetischer Transversal-Typ TM für beispielsweise einen Z-Schnitt), abhängig von der Kristallorientierung, während der Polarisationszustand (SOP) am Ausgang der Einzelmodenfaser ein willkürliches Verhalten zeigt. Dieses Problem wird üblicherweise dadurch gelöst, daß man Methoden anwendet, die in der Lage sind, die naturgemäße Polarisa tionsabhängigkeit von LiNbO₃-Bauelemente zu akkomodieren, was die Systeme verkompliziert.

Es gibt eine Anzahl von Konzepten für polarisationsunabhängige Schalter und Modulatoren, vergleiche z. B. M. Kondo u. a., "Low Drive Voltage and Low Loss Polarization Independent LiNbO₃ Optical Waveguide Switches, "Electron. Lett., vol 23, (1987), S. 1167-1169; R. C. Alfer ness, "Polarization Independent Optical Directional Coupler Switch Using Weighted Coupling," Appl. Phys. Lett., Vol 35, (S. 748-750; O. G. Ramer u. a., "Polarization Independent Optical Switch with Multiple Sections of Δβ Reversal and a Gaussian Taper Function," IEEE Journ. Quantum Electron. Vol QE-18 (1982), S. 1772-1779; L. McCaughan "Low Loss Polarization Independent Electrooptical Switching at λ=1,3µm," IEEE Journ. Lightwave Techn.; Vol LT-2, (1984), S. 51-55; Y. Bourbon u. a., "Polarization-Independent Modulator with Ti:LiNbO₃ Strip Waveguides," Electron. Lett. Vol 20, (1984) S. 496-497; N. Tsu kada u. a., "Polarization-Insensitive Integrated-Optical Switches: A New Approach," IEEE Journ. Quantum Electron., Vol QE-17, (1981), S. 959-964; J. E. Watson, "A Low-Voltage Polarization Independent Gui ded Wave Direction-Coupler Switch in Lithium Niobate," SPIE Vol 835, Integrated Optical Circuit Engineering V, (1987), s. 132-135; J. E. Watson u. a., "A Polarization Independent 1×16 Guided-Wave Optical Switch Integrated on Lithium Niobate," Journ. Lightwave Techn., Vol LT-4, (1986), S. 1717-1721; W. K. Burns u. a., "Interferometric Wave guide Modulator with Polarization-Independent Operation," Applied Physics Letters, Vol 3, (1978), S. 944; P. Granestrand u. a., "Polariza tion Independent Optical Switches," Fourth European Conference on Integrated Optics (ECIO ′87) S. 36-39; P. Granestrand u. a., "Polarization Independent Switch and Polarization Splitter Employing Δβ and Δβ Modulation," Electron. Lett. 1988, 1142-1143; J. L. Nightingale u. a., "Low-Voltage Polarization Independent Optical Switch in Ti-in diffused Lithium Niobate," Techn. Digest of Integrated and Guided Wave Optics Conf. (IGWO ′89), paper MAA3, S. 10-13; K. Takizawa u. a., "Polarization-Independent and Optical Damage-insensitive LiNbO₃ Interferometric Waveguide Modulator," Japanese Journal of Applied Physics, Vol 27, (1988), S. L696-L698; Y. Silberberg u. a., "Digital Optical Switch," Techn. Digest OFC 1988, paper THA3; H. F. Taylor, "Polarization Independent Guided Wave Optical Modulators and Switches," IEEE Journ. Lightwave Techn., Vol LT 3 (1985), S. 1277-1280; T. Pohlmann u. a., "Polarization independent switches on LiNbO₃," Proceedings of the Topical Meeting on Integrated Photonics Research, Hilton Head, SC, 1990, S. 38-39. Die ersten praktischen Ergebnisse bei polarisationsunabhängigen Schaltern wurden von Alfer ness 1979 berichtet.

Eine Vorgehensweise bei der Fertigung polarisationsunabhängiger Schal ter besteht darin, Kristallorientierungen zu benutzen, bei denen die Bedingungen für die beiden Polarisationen ähnlich sind. Dies bedeutet, daß die elektrooptisch induzierten Störungen gleich sind, und daß die TE- und TM-Typen annähernd die gleichen Kopplungslängen besitzen. Die "isotropen" Orientierungen mit der Z-Achse in der Ausbreitungs richtung sind Beispiele für solche Orientierungen. Dabei sehen beide Polarisationen den ordentlichen Brechungsindex und deshalb sind die Polarisationen gleich. Dies bedeutet, daß die Kopplungslängen annähernd gleich groß sind. Die elektrooptisch induzierten Indexstörungen für die beiden Polarisationen werden verursacht durch die elektrooptischen r- Koeffizienten r₁₂ und r₂₂ (konzentrierte Indexschreibweise). Sie besitzen gleiche Beträge, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen, und der Index 2, der r₁₂ und r₂₂ gemeinsam ist, bedeutet, daß die Störungen den externen elektrischen Feldern entlang der Y-Achse entsprechen. Ein verkomplizie render Faktor in diesem Zusammenhang ist der Umstand, daß die zwei Polarisationen annähernd synchron sind, und daß es einen elektroopti schen Koeffizienten (mit dem gleichen Betrag wie r₁₂ und r₂₂) gibt, der eine Kopplung zwischen den zwei Polarisationen bewirkt. Dieser r- Koeffizient ist r₆₁ mit den Indizes 1,2,1 in nicht-konzentrierter Schreib weise. Der Index 6 (1,2 nicht-konzentriert) entspricht der Kopplung zwischen elektrischen Feldern entlang der X- und Y-Achsen-Richtungen (das Format der Schreibweise wird unten erläutert). Die Kopplung wird induziert durch ein äußeres elektrisches Feld entlang der Y-Achse, wie es durch den jeweils als zweites angeschriebenen Index angegeben wird.

Um eine gute Leistungsfähigkeit bei einem Schalter mit dieser Orientie rung zu erzielen, muß diese TE-TM-Umwandlung vermieden werden. Da allerdings unerwünschte (TE ↔ TM) - und die gewünschten (Δn_TM, Δn_TE)-Störungen unterschiedlichen Komponenten des elektrischen Fel des entsprechen, ist es möglich, diese Kopplung durch geeignete Aus legung des Bauteils zu vermeiden.

Ein Vorteil bei den Konzepten mit Z-Ausbreitung ist der, daß von den zwei verschiedenen Polarisationen der gleiche (ordentliche) Index gese hen wird. Deshalb gibt es keine Bandbreitenverschlechterung aufgrund einer Impulsverbreiterung, die dann auftritt, wenn von den beiden Pola risationen verschiedene Indizes gesehen werden.

Diese Indexdifferenz (die unterschiedliche Geschwindigkeiten für die Anteile eines Impulses mit den TE- und den TM-Polarisationen bedeu ten) tritt in Erscheinung, wenn Kristallorientierungen mit der Z-Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung verwendet werden, und sie beschränken die zulässige Bitrate auf annähernd 10 Gbit/s pro Kanal für ein 10 cm langes Chip bei diesen Orientierungen. Wenn allerdings die Information nach einem anderen Grundprinzip gepackt wird, beispiels weise durch Wellenlängen-Multiplexbetrieb oder durch kohärente Metho den, so lassen sich Informationsbandbreiten im THz-Bereich auch mit Schaltern solcher Orientierungen schalten.

Ein weiterer Vorteil der Konzepte mit Z-Ausbreitung besteht darin, daß beide Polarisationen annähernd die gleiche Übertragungsfunktion be sitzen (im allgemeinen bedeutet bei anderen Konzepten die Polarisations unabhängigkeit, daß es möglich ist, den Schalter in zwei polarisations unabhängige Schaltzustände zu bringen, ohne Abhängigkeit von "Zwi schenpunkten"). Dies ist besonders bedeutsam, z. B. dann, wenn Anwen dungen linearer (Kleinsignal-)Modulation betrachtet werden.

Sämtliche oben erläuterten Schaltertypen sind sogenannte interferomet rische Schalter; sie basieren auf der aufbauenden und auslöschenden Interferenz von Schwingungstypen, so daß sie sämtlich oszillierende Übertragungsfunktionen besitzen. Allerdings gibt es noch eine weitere Möglichkeit, und die ist der Einsatz von Bauelementen, welche anstatt auf Interferometrie auf dem Wellentyp-Sortieren beruhen. Verwiesen wird hierzu auf W. K. Burns u. a., "Mode Conversion in Planar Dielec tric Separating Waveguides", IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol QF-11 (1975), S. 32-35, und Y. Silberberg u. a., "Digital Optical Switch," Tech. Digest OFC, 1988, paper THA3.

Fig. 1 zeigt einen Schalter 100 mit Wellentypsortierung. Es ist ein optischer 2×2-Digitalschalter, und er besteht aus einem asymmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiter 101 auf einer Seite und einem symmetri schen Y-Verzweigungs-Wellenleiter 102 auf der anderen Seite. Die letztere Verzweigung 102 kann dadurch asymmetrisch gemacht werden, daß über Elektroden 103 und 104 ein elektrisches Feld angelegt wird. Eine asymmetrische Y-Verzweigung 101 übernimmt die Wellentypsortie rung, vorausgesetzt, daß die Transformation "adiabatisch" (ausreichend langsam) erfolgt. Das Wellentypsortieren bedeutet hier, daß der Kanal- Wellentyp im Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index allmählich entlang der Verzweigung übergeht in den örtlichen Normal- Wellentyp erster Ordnung (Grundwellentyp) der zwei Wellentypen aufweisenden Zone, in der die Kanäle nahe nebeneinander liegen und einander beeinflussen (es gibt keinen Leitungsübergang zwischen den lokalen Normal-Wellentypen; bei einer starken Trennung hat der Wel lentyp erster Ordnung die Form des Kanal-Wellentyps). Gleichermaßen geht der Wellentyp in dem anderen Kanal über in den Wellentyp zweiter Ordnung (d. h. in den Wellentyp der ersten höheren Ordnung). Damit geht das Signal in dem breiten Kanal über in den Wellentyp erster Ord nung in der Mittelzone, und das Signal im schmaleren Kanal geht über in den Wellentyp zweiter Ordnung in der Mittelzone. Wenn die andere Hälfte 102 des Schalters 100 ebenfalls asymmetrisch wird (d. h., es wird eine ungeradzahlige Indexstörung induziert), indem an die Elektroden 103 und 104 eine Spannung angelegt wird, geht in ähnlicher Weise der Wellentyp erster Ordnung in der Mittelzone (entsprechend dem breiten Eingangskanal) über in den Ausgangskanal mit dem höchsten Index, und umgekehrt geht der Wellentyp zweiter Ordnung über in den Ausgangs kanal mit dem niedrigsten Index.

Da die Asymmetrie der Ausgangs-Y-Verzweigung auf elektrooptischem Wege geändert werden kann, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter, vorausgesetzt, daß die Indexstörung groß genug und der Übergang adia batisch ist. Wenn an die Elektroden eine Spannung von null gelegt wird, erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.

In Fig. 2 ist eine Übertragungsfunktion für einen optischen Digitalschal ter mit X-Schnitt für TE (ausgezogene Linie) und TM (gestrichelte Linie) dargestellt (man achte auf die Differenz). Wie man sehen kann, zeigt die Übertragungsfunktion nicht das oszillierende Verhalten von interferometrischen Schaltern, sondern der Schalter arbeitet unabhängig von der Polarisation, wobei vorausgesetzt wird, daß der Betrag der Treiberspannung groß genug ist.

Ein signifikanter Vorteil des optischen Digitalschalters ist dessen überle gene Stabilität. Die durch Gleichstromdrift und Temperaturschwankun gen verursachten Instabilitäten treten als Schwankungen der "effektiv" angelegten Spannung in Erscheinung, und das digitale Ansprechverhalten mit seiner geringen Neigung der Übertragungsfunktion dämpft die indu zierte Schalterzustand-Störung, wenn ein Betriebspunkt mit ausreichend hoher Spannungsamplitude gewählt wird.

Ein weiterer Vorteil des optischen Digitalschalters ist das bei einer Spannung von Null erreichte Leistungssplitting. Dies ist besonders dann wichtig, wenn ein Rundspruchbetrieb erforderlich ist, z. B. in einigen Koppelmatrix-Anwendungen.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Koppelmatrix, bei dem der Digitalschalter eine äußerst attraktive Wahl für das jeweilige Schalterelement ist, man vergleiche R. A. Spanke, "Architectures for Large Non-blocking Optical Space Switches," IEEE Journ. of Quantum Electron., Vol QE-22 (1986), S. 964-967. Hier werden 1×2-Schalter benötigt, was bedeutet, daß der oben beschriebene Schalter vereinfacht werden kann zu einer optischen 1×2-Digitalschalterstruktur gemäß Fig. 4 (X-Schnitt-Beispiel).

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Schalter erregt das Signal in dem an kommenden Einzelmodenkanal 131 den Wellentyp erster Ordnung der Zwei-Moden-Zone 132, und dieser Wellentyp wird (wie oben beschrie ben) zu dem Ausgang mit dem höchsten effektiven Index transformiert durch das Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes über drei Elek troden 133, 134, 135 (d. h., 133 und 135 sind auf Masse gelegt, wäh rend 134 positives oder negatives Potential ausreichender Stärke erhält, oder 134 ist auf Masse gelegt, und 133 und 135 sind bei ausreichender Amplitude auf positives oder negatives Potential gelegt). Der Aufbau nach Fig. 3 besitzt gutes Übersprechverhalten, da ein Signal in zwei Schaltern fehllaufen muß, bevor es einen unerwünschten Ausgang er reicht, wenn das Koppelfeld richtig eingestellt ist (dies gilt nicht für den weiter unten beschriebenen Vorgang des passiven Aufspaltens und akti ven Kombinierens). Es wird auf den Artikel von Spanke verwiesen.

Das gute Übersprechverhalten des Aufbaus schwächt die Übersprechan forderungen an die individuellen Schaltelemente ab, was deshalb von Vorteil ist, weil es wahrscheinlich schwieriger ist, extrem geringes Übersprechen bei einem optischen Digitalschalter zu erreichen als bei einem elektronisch einstellbaren Richtungskoppler, wie in dem Artikel von Granestrand u. a. gezeigt ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal einer Koppelmatrix gemäß Fig. 3 mit optischen Digitalschaltern als Schaltelemente ist die Möglichkeit der geeigneten Realisierung von Rundspruchfunktionen, bei denen das Signal vom Eingang auf mehrere Ausgänge verteilt wird. In diesem Fall wer den einige (oder sämtliche) der Schalter in der ersten Hälfte der Matrix auf die 3-dB-Leistungsaufspaltung eingestellt, was bei dem optischen Digitalschalter bei einer Spannung von null Volt erreicht wird.

Jeder der oben beschriebenen Koppler oder Schalter leidet an dem Nach teil einer komplizierten Fertigung, mühsamen Ausgestaltung und/oder Steuerung, begrenzten Bitrate und unzulänglicher Empfindlichkeit ge genüber der Umgebung.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine verbesserte Treiberspan nungs-Gleichförmigkeit für die beiden Polarisationen erreicht, kombiniert mit einer beträchtlichen Toleranz gegenüber Treiberspannungsschwan kungen. Diese Toleranz hängt eng zusammen mit der Stabilität. Die Schalterzustände sind relativ unempfindlich gegenüber einer Änderung der Treiberspannungen in der Nähe des Betriebspunkts, und damit zeigt der Schalter auch ein gutes Stabilitätsverhalten, da sich der Effekt von Temperaturschwankungen beispielsweise als Schwankung der "effekti ven" Spannung darstellt. Somit reduziert sich die Komplexität der Trei bereinrichtung (Anzahl von Treibern, Toleranz der Spannung).

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung beinhalten die Verbesse rung von Fertigungstoleranzen und des Übersprechens (was dazu in Beziehung steht), und die Schaffung einer großen Bandbreite, sowohl der Momentan-Bandbreite (entsprechend der maximalen Bitrate eines durch den Schalter geleiteten Signals) als auch der Gesamtbandbreite (entsprechend dem gesamten Wellenlängenbereich, welcher möglicher weise zahlreiche Kanäle enthält, die gleichzeitig schaltbar sind).

Die vorliegende Erfindung behebt zahlreiche weitere Nachteile der her kömmlichen optischen digitalen Schalter. Beispielsweise wird die oben erwähnte Beschränkung der Bitrate, zurückzuführen auf die Differenz im effektiven Index zwischen den beiden Polarisationen, verringert. Außer dem beseitigt die vorliegende Erfindung den Nachteil, daß für die zwei Polarisationen verschiedene Übertragungsfunktionen vorhanden sind, was auf den Umstand zurückzuführen ist, daß die zwei Polarisationen norma lerweise unterschiedliche elektrooptische Koeffizienten sehen. Zusätzlich beseitigt die vorliegende Erfindung den Effekt der Polarisation, welche normalerweise den außerordentlichen Brechungsindex sieht. Dieser Teil des Signals unterlegt einer Oberflächenleitung, hervorgerufen durch das Ausdiffundieren von Li, welches möglicherweise die Leistung der Schal ter in beispielsweise einer Koppelmatrix beeinträchtigt. Erfindungsgemäß jedoch wird dies durch die gewählten Orientierungen vermieden.

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden erreicht durch die vorliegende Erfindung, welche einen monokristallinen Wafer mit X- Schnitt oder nahezu Y-Schnitt aus elektrooptischem Material als Substrat eines optischen Digitalschalters schafft. In den Wafer hinein sind zur Bildung von bandförmigen Wellenleitern Wellenleiter aus Ti:LiNbO₃ eindiffundiert. Diese Wellenleiter bilden eine Y-Form, deren Brechungs indizes durch dazu in enger Nachbarschaft angeordnete Elektroden ge steuert werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen herkömmlichen optischen digitalen 2×2-Schalter;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer praktischen Übertra gungsfunktion für den in Fig. 1 gezeigten optischen digita len Schalter;

Fig. 3 den Aufbau eines Schaltbaums;

Fig. 4 einen digitalen optischen 1×2-Schalter, wie er in dem Schaltbaum nach Fig. 3 verwendet wird;

Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines optischen Digitalschalters gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines optischen digitalen Schalters mit X-Schnitt und nahezu Z- Ausbreitung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der effektiven r-Koeffizienten des in Fig. 5 dargestellten Schalter als Funktion des Win kels zwischen der Z-Achse und der Ausbreitungsrichtung;

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Ver wendung eines digitalen optischen Schalters mit nahezu Y- Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung;

Fig. 8 eine Kristallstruktur und die Orientierung eines Koordina tensystems bei LiNbO₃;

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Verwen dung eines digitalen optischen 2×2-Schalters mit X-Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung; und

Fig. 10 eine vierte Ausführungsform der Erfindung unter Verwen dung eines digitalen optischen 2×2-Schalters mit nahezu Y- Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung.

Wenn optische Schalter in Ti:LiNbO₃ ausgebildet werden, wird üblicher weise eine solche Kristallorientierung gewählt, die die Verwendung des stärksten elektrooptischen r-Koeffizienten (r₃₃ in konzentrierter Index schreibweise r₃₃₃ in nicht-konzentrierter Schreibweise) entsprechend einer Änderung des Brechungsindex in Z-Richtung aufgrund eines in Z-Rich tung angelegten Feldes liefert. Diese Orientierungen sind Z-Schnitt bei X- oder Y-Ausbreitung, Y-Schnitt mit X-Ausbreitung und X-Schnitt mit Y-Ausbreitung. Beispielsweise bedeutet Z-Schnitt und Y-Ausbreitung, daß die Lichtkanäle derart ausgerichtet sind, daß die Lichtausbreitung vornehmlich in der Y-Richtung innerhalb des Kristalls stattfindet, und daß die Oberfläche senkrecht zu der Z-Achse orientiert ist. Bei solchen Orientierungen läuft die Z-Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung.

Ein Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik ist die Orientierung der Z-Achse relativ zu der Ausbrei tungsrichtung. Bei der vorliegenden Erfindung liegt die Ausbreitungs richtung nahezu parallel zu der Z-Achse, und verläuft nicht entlang der X- oder Y-Achse.

Wafermaterial aus beispielsweise Lithiumniobat besitzt eine Kristallstruk tur. Fig. 8 zeigt die Orientierung eines rechtwinkligen, rechtshändigen Koordinatensystems X, Y, Z, dem ein kristallographisches Koordinaten system a, b, c, zugeordnet ist. Die Achsen dieses Koordinatensystems sind derart gewählt, daß die X-Achse in Richtung der kristallographi schen a-Achse weist und die Z-Achse in Richtung der kristallographi schen c-Achse zeigt, bei der es sich um die optische Achse handelt. Lithiumniobat besitzt doppelten Brechungsindex, und seine Brechungs indizes werden durch einen Rotationselipsoid beschrieben. Der Schnitt des Ellipsoids mit der X-Y-Ebene ist ein Kreis, und sein Schnitt mit der X-Z-Ebene ist eine Ellipse, deren Hauptachse dem Durchmesser des Kreises entspricht. Ein monochromatischer Lichtstrahl in Richtung der Z-Achse wird in dem Kristall durch einen Brechungsindex bewirkt, dessen Betrag dem Kreisradius entspricht. Die Stärke der Brechungs indizes ist abhängig von der Richtung der Lichtstrahl-Polarisation, und sämtliche Polarisationsrichtungen des Lichtstrahls breiten sich mit derselben Geschwindigkeit durch den Kristall aus. Im Gegensatz dazu weist ein sich in die anderen Richtungen ausbreitender Lichtstrahl Eigen polarisationen auf, die durch Brechungsindizes unterschiedlicher Beträge beeinflußt werden, wobei diese Beträge abhängen von dem Winkel zwi schen der Ausbreitungsrichtung und der Z-Achse. Lichtstrahlen mit derselben Richtung, jedoch mit unterschiedlichen Polarisationsebenen breiten sich in dem Kristall mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus. Das Ergebnis hiervon ist, daß ein Lichtimpuls, welcher Leistung in beiden Eigenpolarisationen besitzt, eine Impulsverlängerung erfährt, wenn er den Kristall durchläuft, falls die Ausbreitungsrichtung von der Z-Richtung abweicht. Die Impulsverlängerung wiederum beschränkt die hohe Impulsfrequenz, bei der ein aus einem Kristallmaterial gefertigtes Bauteil zu arbeiten vermag.

Um ein Bauteil mit höherer oberer Impulsfrequenz zu erhalten, wird die Orientierung des Wafers derart gewählt, daß die Richtung der Wellenlei ter 181-183 (Fig. 5) erfindungsgemäß im wesentlichen mit derjenigen der Z-Achse zusammenfallen. Die Schwingungsmoden der Lichtwelle, der TE-Typ, der parallel zur Oberfläche polarisiert ist, und der TM- Typ, der senkrecht zur Oberfläche polarisiert ist, besitzen in diesem Fall annähernd gemeinsame Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Das Maß, mit dem Licht irgendeinen gegebenen Wellenleiter durchläuft, kann beein flußt werden durch ein in dem Kristall induziertes elektrisches Feld. Das elektrische Feld ändert die Form des Brechungsindex-Ellipsoids nach Maßgabe des Pockel-Effekts für schwache elektrische Felder. Die Ände rungen werden in den meisten allgemeinen dreidimensionalen Fällen mathematisch beschrieben durch einen drittrangigen Tensor mit 27 Ten sorelementen. Diese werden üblicherweise mit r_ÿ,k bezeichnet, wobei die Indizes i, j und k die Werte 1, 2 oder 3 annehmen können. Die Indizes beziehen sich auf das rechtwinklige, rechtshändige Koordinatensystem (häufig werden die zwei ersten Indizes gruppenweise zu sogenannten konzentrierten Indizes zusammengefaßt: 1,1 wird als 1 bezeichnet; 2,2 wird als 2 bezeichnet; 3,3 wird als 3 bezeichnet; 2,3 wird als 4 bezeich net; 1,3 wird als 5 bezeichnet und 1,2 wird als 6 bezeichnet.) Die Ten sorelemente r_ÿ,k haben die physikalische Dimension von Länge pro elektrischer Potentialdifferenz (Meter pro Volt), was das Maß der Ände rung zwischen den Schwingungsmoden ist, die durch das elektrische Feld erreicht wird. Diese Änderungen des Brechungsindex haben Einfluß auf die Schwingungsmoden TM und TE, so daß der Schaltvorgang durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß ist der optische Schalter unabhängig von der Polarisa tion. Die Orientierung des monokristallinen Wafers wird in folgender Weise ausgewählt: Wenn eine Kanalorientierung ausgewählt wird, die nicht entlang den kristallographischen X-, Y- oder Z-Achsen verläuft, ist der "effektive" elektrooptische Tensor (wie er von den zwei Polarisationen in dem Kanal gesehen wird) eine Linearkombination der "konventionellen" r- Koeffizienten (in dem X-, Y-, Z-(1,2,3)-System.

Fig. 6 zeigt die effektiven r-Koeffizienten für die zwei Polarisationen, die von den Kanal-Wellentypen gesehen werden, wenn eine Ausbrei tungsrichtung in der Nachbarschaft der Z-Achse innerhalb der Y-Z- Ebene gewählt wird, wobei die Kanalmittelachse in eine Richtung zwi schen der negativen Y-Achse und der positiven Z-Achse zeigt und ge genüber letzterer einen Abweichungswinkel R vorliegt. Wie man sieht, haben bei R = 0 die r-Koeffizienten unterschiedliche Vorzeichen, was bedeutet, daß die reine Z-Ausbreitungsrichtung in Verbindung mit dem optischen digitalen Schalter nicht verwendet werden kann (da dies unter schiedliche Polarisationen zu verschiedenen Ports leiten würde und da es sich deshalb nicht um einen Schalter, sondern um einen Polarisationsauf spalter handelt). Wenn allerdings der Winkel R auf annähernd 10 Grad angehoben wird, erreicht man den gleichen Betrag und das gleiche Vor zeichen der effektiven elektrooptischen Koeffizienten. Deshalb kann man diese Ausbreitungsrichtung für optische digitale Schalter verwenden. Man beachte, daß dies lediglich die Ausbreitungsrichtung definiert, der Kristallschnitt kann in zwei grundsätzlich verschiedenen Weisen gewählt werden, die beide interessant sind (der Grund dafür, daß lediglich zwei Kristallschnitte interessieren, besteht darin, daß es möglich sein muß, das maßgebliche elektrische Feld über den Elektroden bereitzustellen). Selbstverständlich gibt es Kristallschnitte, die den oben beschriebenen Kristallschnitten äquivalent sind (wenn z. B. das Substrat mit der Ober seite nach unten bei jedem der vorgeschlagenen Schnitte angeordnet wird oder wenn die Ausbreitungsrichtung des Lichts umgekehrt wird).

Der bei der ersten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagene Kristallschnitt ist ein X-Schnitt bei einer Kanalorientierung entsprechend den gleichen effektiven r-Koeffizienten für die zwei Kanal-Wellentypen (oder annähernd gleich, ein exakter Betrieb auf dem "gleichen" Betriebs punkt ist nicht notwendig), wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Gründe für diese Wahl des Kristallschnitts liegen darin, daß Material mit X-Schnitt eine Standard-Orientierung darstellt, welche diese Wahl einfach und für die Praxis brauchbar macht.

Fig. 5 stellt eine erste Ausführungsform eines optischen Digitalschalters gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Schalter setzt sich zusam men aus einem einen X-Schnitt aufweisenden monokristallinen Wafer 180 aus elektrooptischem Material, auf welchem bandförmige Wellenlei ter 181-183 durch Diffundieren von Ti in das elektrooptische LiNbO₃- Material ausgebildet sind. Die Wellenleiter 181 bis 183 sind in Form eines "Y" ausgebildet und beinhalten einen ersten Wellenleiter 181 an einer Oberseite des Wafers, welche nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft.

Dieser erste Wellenleiter 181 bildet den Schenkel der Y-Form. Ein zweiter und ein dritter Wellenleiter 182,183 sind auf der Oberseite des Wafers ausgebildet. Der zweite und der dritte Wellenleiter 182, 183 bilden die Arme der Y-Form, wobei der erste Wellenleiter 181 an einem Zwischenbereich geschnitten wird. Eine erste Elektrode 186, an welche eine Spannung angelegt wird, ist in dem Kreuz der Y-Form ausgebildet. Die erste Elektrode 186 ist auf der Oberseite des Wafers 180 ausgebildet und im wesentlichen durch den zweiten und den dritten Wellenleiter 182, 183 begrenzt. Eine zweite und eine dritte Elektrode 184,188 sind in der Nachbarschaft der Außenränder oder -grenzen des zweiten und des dritten Wellenleiters 182,183, welche die Arme der Y-Form bilden, ausgebildet. Diese Elektroden 184 und 186 sind auf Masse gelegt und liegen der ersten Elektrode 186 über den zweiten bzw. den dritten Wel lenleiter 182, 183 gegenüber. Im allgemeinen lassen sich die Elektrode (die Elektroden), welche auf Masse gelegt wird (werden) und die Elek trode (die Elektroden), denen ein Potential zugeführt wird, austauschen.

Wenn eine starke Spannung an die erste Elektrode 186 gelegt wird, ändert das induzierte elektromagnetische Feld die Brechungsindizes der Wellenleiter, um auf diesen Weise das ankommende Licht aus einem Wellenleiter umzuschalten auf den anderen Wellenleiter, wie es dem Fachmann an sich bekannt ist.

Die Ausbreitungsrichtung der Wellenleiter 181-183 bildet mit der Z- Achse des Wafers 180 einen Winkel R. Dieser Winkel ist ein spitzer Winkel R und liegt vorzugsweise zwischen 0 und 20 Grad. Optimal ist es, wenn der spitze Winkel R zwischen der Ausbreitungsrichtung des ersten Wellenleiters 181 und der Z-Achse einen Winkel von ungefähr 10 Grad bildet, wie oben ausgeführt ist.

Wie oben angedeutet, zeigt Fig. 6 die effektiven r-Koeffizienten (die elektrooptischen Koeffizienten, die auf die senkrecht zur Ausbreitungs richtung verlaufenden Richtung projiziert sind) für eine durch die in Fig. 5 gezeigte Struktur bedingte Orientierung als Funktion des Winkels R zwischen der Z-Achse und der Ausbreitungsrichtung. Die gestrichelte Linie repräsentiert den TE-Wellentyp, und die ausgezogene repräsentiert den TM-Wellentyp. Wie man sieht, ist ein Winkel R zwischen der Z- Achse und der Ausbreitungsrichtung von annähernd 10 Grad für dieses spezielle Ausführungsbeispiel optimal.

Die zwei Polarisationen sehen einen effektiven r-Koeffizienten mit glei chem Vorzeichen und gleichem Betrag. In der "reinen" Z-Ausbreitungs richtung gibt es gleichen Betrag, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen. Ähnliche r-Koeffizienten bedeuten, daß die Übertragungsfunktionen für die zwei Polarisationen ähnlich sind, so daß eine kleine Signalmodula tion möglich ist. Da die von den zwei Schwingungstypen gesehenen effektiven Brechungsindizes enger beieinander liegen als bei Orientierun gen, bei denen die Z-Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft, kommt die oben erwähnte Bandbreitenbegrenzung nicht zum Tragen, wenn nicht viel höhere Bitraten verwendet werden. Da außerdem das Licht im wesentlichen einen ordentlichen Index sieht, ist das Problem des Nach-Außen-Diffundierens viel weniger gravierend. Auf der einen Seite werden diese Vorteile auf Kosten höherer Treiberspannungen erreicht, die in der Größenordnung von 30% höher liegen als bei kon ventionellen polarisationsunabhängigen optischen digitalen Schaltern. Andererseits können halbstreuende Schwingungstypen, die bei der Orien tierung gemäß Fig. 5 vorhanden sind, aufgrund der Polarisationskopp lung mit Substrat-Schwingungstypen besonders starke Verluste für die TE-Polarisation bedeuten, d. h. einen überschüssigen Verlust aufgrund der TE-TM-Kopplung (beschrieben von J. Ctoroky, M. Cada, "Guided and Semileaky Modes in Anisotropic Optical Waveguides of the LiNbO₃ Type," Optics Communications, Vol 27, (1978), S. 353-356). Wenn allerdings die Kristallorientierung um die Ausbreitungsrichtung um 90 Grad gedreht wird, ergibt sich eine Orientierung, die unter diesem Nachteil nicht leidet (vergleiche z. B. den Artikel von Ctoroky mit Fund stellen). Die sich ergebende Orientierung ist nahezu ein Y-Schnitt bei nahezu Z-Ausbreitung entsprechend der zweiten Version der vorliegen den Erfindung. (Man beachte in Fig. 6, daß ein X-Schnitt angenommen wird, was sich in der Zuordnung der TE- und TM-Polarisationen zeigt.) Ein eine solche Orientierung und korrekte r-Koeffizienten verwendender Schalter ist in Fig. 7 gezeigt.

Fig. 7 zeigt einen digitalen optischen Schalter mit annäherndem Y- Schnitt und nahezu Z-Ausbreitung. Bei dieser Orientierung wird der überschüssige Verlust aufgrund der halbstreuenden Schwingungstypen, welcher möglicherweise den Schalter nach Fig. 5 beeinflußt, vermieden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung enthält der optische Schalter einen monokristallinen Wafer 190 aus elektrooptischem LiNbO₃-Material mit nahezu Y-Schnitt, wobei die X-Achse in der Ebene der Oberfläche liegt.

Ein erster Wellenleiter 191 auf einer Oberseite des Wafers ist so orien tiert, daß er nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers 190 verläuft. Ein zweiter und ein dritter Wellenleiter 192, 193 auf einer Oberseite des Wafers 190 schneiden den ersten Wellenleiter 191 und bilden damit die Arme am Schenkel einer Y-Form. Eine erste Elektrode 194 befindet sich auf der Waferoberfläche und fällt praktisch zusammen mit einem Ab schnitt des zweiten Wellenleiters 192, während eine zweite Elektrode 195 benachbart zu dem dritten Wellenleiter 193 angeordnet ist und praktisch mit diesem zusammenfällt. Die erste Elektrode 194 kann eine Spannung erhalten, während die zweite Elektrode 195 auf Masse gelegt ist. Durch selektives Anlegen einer relativ hohen Spannung an die erste Elektrode 194 werden die Brechungsindizes und damit die Ausbreitung des Lichts in den bandförmigen Wellenleitern gesteuert.

Der erste, der zweite und der dritte Wellenleiter 191-193 werden gebil det durch Diffundieren von Ti in den LiNbO₃-Wafer.

Der erste Wellenleiter 191 bildet einen spitzen Winkel R bezüglich der Z-Achse des Wafers. Der spitze Winkel R hat einen Wert in dem Be reich von vorzugsweise 0 bis 20 Grad. Optimal ist der spitze Winkel R auf annähernd 10 Grad eingestellt, und zwar aus Gründen, die oben erläutert wurden. In ähnlicher Weise besitzt die Flächennormale des Wafers 190 eine Orientierung von 0-20 Grad und vorzugsweise an nähernd 10 Grad bezüglich der Y-Achse des Materials. Ein Nachteil dieses Schalters ist der spezielle Kristallschnitt, der benötigt wird, um den nahezu Y-Schnitt zu erhalten. Im übrigen zeigt dieser Schalter eine verbesserte Gesamtbandbreite und Stabilität, eine erhöhte Momentan bandbreite (praktisch die gleichen effektiven Indizes für beide Polarisa tionen), gute Linearität (gleiche r-Koeffizienten), verringertes Ausdiffun dieren und verringerten Zugriffsverlust bei halbstreuenden Wellentypen.

Typischerweise gibt es ein Spannungs-Längen-Produkt, welches für einen spezifischen Typ von Schalterelement, eine spezielle Orientierung und besondere Wellenleiterparameter konstant ist. Dies bedeutet, daß, wenn man die Länge des Bauelements verdoppelt (d. h. den Teilungs winkel der Y-Verzweigung des digitalen optischen Schalters verdoppelt) die zur Erreichung eines spezifischen Schalterzustands erforderliche Spannung halbiert wird. Typische Zahlen für einen digitalen optischen Schalter aus LiNbO₃ sind +/- 60 Volt zum Umschalten der ordentlichen Polarisation was höhere Spannungen erfordert) bei annähernd -15 dB Übersprechen (für ein Beispiel mit X-Schnitt und Y-Ausbreitung) in einem Schalter mit einem 0,004 Radiant betragenden Aufteilungswinkel (dem Winkel zwischen den Schenkeln der Y-Verzweigung). Bei der vorliegenden Erfindung lassen sich etwas höhere Spannungen (in der Größenordnung von 30 Prozent zusätzlich) erwarten.

Der Bereich für den spitzen Winkel kann 0 bis 20 Grad betragen, um die interessierenden Fälle abzudecken. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, wird, wenn dieser Winkel sehr klein ist (z. B. kleiner als 4 Grad ist) das richtige relative Vorzeichen der effektiven elektrooptischen Koeffizienten nicht erhalten werden.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Form eines digitalen optischen 2×2-Schalters 200 mit einem X-Schnitt und nahezu Z- Ausbreitung. Der digitale optische Schalter 200 enthält einen monokri stallinen LiNbO₃-Wafer, auf welchem Bandleiter aus Titan in Form eines asymmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 201 auf einer Seite und eines symmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 202 auf der anderen Seite ausgebildet sind. Die letztgenannte Verzweigung 202 kann dadurch asymmetrisch gestaltet werden, daß man über die Elektroden 203, 204 und 205 ein elektrisches Feld anlegt.

Die jeweiligen Zweige 201 und 202 sind zur Bildung einer X-Form verbunden, in der die Zweige bezüglich einer Achse annähernd sym metrisch sind, welche einen spitzen Winkel mit der Z-Achse des Wafers bildet. Der spitze Winkel liegt im Bereich von 0 bis 20 Grad, vorzugs weise bei 10 Grad, ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen.

Eine asymmetrische Y-Verzweigung 201 vollzieht eine Wellentyp-Sortie rung, vorausgesetzt, der Übergang erfolgt adiabatisch. Damit geht der Kanal-Schwingungstyp in dem Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index entlang der Verzweigung allmählich über in den lokalen Normal-Schwingungstyp erster Ordnung (Grundtyp) des zwei Schwin gungstypen führenden Bereichs, in welchem die Kanäle sich nahe sind und einander beeinflussen (es gibt keine Leistungsübertragung zwischen den lokalen Normal-Schwingungstypen; bei einer großen Trennung hat der Schwingungstyp der ersten Ordnung die Form des Kanal-Schwin gungstyps). In der gleichen Weise geht der Schwingungstyp in dem anderen Kanal über in den Schwingungstyp zweiter Ordnung. Damit transformiert sich das Signal in dem breiten Kanal in den Schwingungs typ erster Ordnung innerhalb der Mittelzone, während das Signal in dem schmaleren Kanal sich innerhalb der Mittelzone zu dem Schwingungstyp zweiter Ordnung transformiert. Wenn die andere Hälfte 202 des Schal ters 200 ebenfalls asymmetrisch ist (d. h., eine ungerade Indexstörung induziert), indem eine Spannung an die Elektrode 205 gelegt und die Elektroden 203 und 205 auf Masse gelegt werden (oder umgekehrt), transformiert sich der Schwingungstyp erster Ordnung in der Mittelzone (entsprechend dem breiten Eingangskanal) zu dem Ausgangskanal mit dem höchsten Index, und umgekehrt transformiert sich der Schwingungs typ zweiter Ordnung zu dem Ausgangskanal mit dem niedrigsten Index.

Da die Asymmetrie der Ausgangs-Y-Verzweigung sich auf elektroopti schem Wege ändern läßt, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter, vorausgesetzt, daß die Indexstörung groß genug ist und die Transforma tion adiabatisch ist. Wenn eine Spannung von null an die Elektroden gelegt wird, erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.

Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der es sich um einen Sortierschalter 210 mit nahezu Y-Schnitt und nahezu Z-Aus breitung handelt. Der Wellentyp-Sortierschalter 210 wirkt als digitaler optischer 2×2-Schalter und enthält einen LiNbO₃-Wafer, in welchem bandförmige Lichtleiter aus diffundiertem Titan in Form eines asym metrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 211 an einer Seite und eines symmetrischen Y-Verzweigungs-Wellenleiters 212 an der anderen Seite ausgebildet sind. Die letztere Verzweigung 212 kann dadurch asymme trisch gemacht werden, daß über die Elektroden 213 und 214 ein elek trisches Feld angelegt wird.

Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform sind die jeweiligen Ver zweigungen 211 und 212 zur Bildung einer X-Form miteinander ver bunden, bei der die Verzweigungen annähernd symmetrisch bezüglich einer Achse sind, die mit der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel bildet. Der spitze Winkel liegt im Bereich von 0 bis 20 Grad und beträgt vorzugsweise 10 Grad, so wie bei den anderen Ausführungsbeispielen. In ähnlicher Weise besitzt die Flächennormale auf dem Wafer 190 eine Orientierung von 0 bis 20 und vorzugsweise etwa 10 Grad bezüglich der Y-Achse des Materials.

Wie bei der dritten Ausführungsform besorgt eine asymmetrische Y- Verzweigung eine Wellentyp-Sortierung, vorausgesetzt, daß der Über gang adiabatisch ist, indem der Kanal-Wellentyp in dem Eingangswellenleiter mit dem höchsten effektiven Index entlang der Verzweigung allmählich übergeht in den örtlichen Normal-Schwingungs typ erster Ordnung (Grundtyp) der zwei Wellentypen aufweisenden Zone, wobei die Kanäle nahe beieinander liegen und Einfluß aufeinander haben (es gibt keine Leistungsübertragung zwischen den lokalen Normal- Wellentypen; bei starker Trennung hat der Wellentyp erster Ordnung (d. h. der erste Wellentyp höherer Ordnung) die Form des Kanal-Wellen typs). In der gleichen Weise geht der Wellentyp des anderen Kanals in den Wellentyp zweiter Ordnung über. Damit transformiert sich das Signal in dem breiten Kanal zu dem Wellentyp erster Ordnung in der Mittelzone, während das Signal in dem schmaleren Kanal sich in der Mittelzone zu dem Wellentyp zweiter Ordnung transformiert. Wenn die andere Hälfte 212 des Schalters 210 ebenfalls asymmetrisch ist (d. h. eine ungerade Indexstörung induziert wird), indem eine Spannung an die Elektroden 213 und 214 gelegt wird, transformiert sich der Wellentyp erster Ordnung in der Mittelzone zu dem Ausgangskanal mit dem höchsten Index, und umgekehrt geht der Wellentyp zweiter Ordnung in den Ausgangskanal mit dem niedrigsten Index über.

Da die Ausgangs-Y-Verzweigungs-Asymmetrie elektrooptisch geändert werden kann, arbeitet das Bauelement als 2×2-Schalter, vorausgesetzt, die Indexstörung ist groß genug und die Transformation erfolgt adiaba tisch. Wenn eine Spannung von null an die Elektroden gelegt wird, erfolgt für beide Signale eine 3-dB-Aufspaltung.

Der Ausdruck "digital" in Verbindung mit diesen Schaltern hat zu tun mit der Übertragungsfunktion (der Leistung, die als Funktion der ange legten Spannung auf die Schalterausgänge gekoppelt wird). Bei inter ferometrischen Schaltern wie z. B. Richtungskopplern, erhält man Über tragungsfunktionen mit Schwingungen in Abhängigkeit der Spannung. Im Fall des digitalen optischen Schalters wird ein Wellentyp-Sortierverhal ten dargestellt, welches auf der Wellentyp-Entwicklung basiert. Dies bedeutet, daß die genannte Schwingung nicht erhalten wird (wenn die Indexdifferenz in einem spezifischen Fall groß genug ist, erfolgt eine vollständige Umschaltung, während eine Änderung auch dann nicht erfolgt, wenn die Indexdifferenz weiter erhöht wird). Deshalb sind die Übertragungsfunktionen "digital".

Claims

1. Optischer Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
einen zweiten und einen dritten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Wellen leiter sich mit einer der Form eines "Y" entsprechenden Orientierung eines Schenkels und der Arme schneiden;
eine erste Elektrode, die benachbart zu dem zweiten und dem dritten Wellenleiter angeordnet ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode in der Nachbarschaft des zweiten und dritten Wellenleiters, wobei diese beiden Elektroden jeweils der ersten Elektrode über einen von dem zweiten und dem dritten Wellenlei ter gegenüberliegen.

2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem das elektrooptische Material ein polarisationsabhängiges Material aufweist.

3. Schalter nach Anspruch 1 und 2, bei dem der erste, der zweite und der dritte Wellenleiter LiNbO₃ beinhaltet.

4. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die zweite und die dritte Elek trode elektrisch auf Masse gelegt sind.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an die erste Elektrode eine Spannung gelegt wird.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an die zweite und die dritte Elektrode eine Spannung gelegt wird.

7. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

8. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Achse des ersten Wellenleiters bezüglich der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel bildet.

9. Schalter nach Anspruch 8, bei dem der spitze Winkel einen Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.

10. Schalter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der spitze Winkel an nähernd 10 Grad beträgt.

11. Optischer Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei eine Achse des ersten Wellenleiters nahezu parallel zu der Z-Achse des Wa fers verläuft;
einen ersten und einen zweiten Wellenleiter an der Oberseite des Wa fers, wobei der erste Wellenleiter und der zweite und der dritte Aus gangs-Wellenleiter sich so schneiden, daß eine Y-Form mit einem Schenkel und Armen gebildet wird;
eine erste Elektrode, die dem zweiten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusammenfällt; und eine zweite Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und praktisch mit diesem zusam menfällt.

12. Schalter nach Anspruch 11, bei dem das elektrooptische Material ein polarisationsabhängiges Material aufweist.

13. Schalter nach Anspruch 12, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ beinhaltet.

14. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die zweite Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

15. Schalter nach Anspruch 11, bei dem eine Spannungsquelle eine Spannung an die erste Elektrode gibt.

16. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die Spannung an die zweite Elektrode gelegt wird.

17. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die erste Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

18. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die Achse des ersten Wellenlei ters zu der Z-Achse des Wafers einen spitzen Winkel bildet.

19. Schalter nach Anspruch 18, bei dem der spitze Winkel einen Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.

20. Schalter nach Anspruch 18 oder 19, bei dem der spitze Winkel annähernd 10 Grad beträgt.

21. Optischer Schalter nach Anspruch 11, bei dem eine Y-Achse des Wafers einen zweiten spitzen Winkel relativ zu der Oberseite des Wafers bildet, so daß nahezu ein Y-Schnitt gebildet wird.

22. Schalter nach Anspruch 21, bei dem der zweite spitze Winkel einen Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad besitzt.

23. Schalter nach Anspruch 21, bei dem der zweite spitze Winkel an nähernd 10 Grad beträgt.

24. Schalter nach Anspruch 11, bei dem die X-Achse des Wafers in einer Ebene der Oberseite des Wafers liegt.

25. Optischer 2×2-Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit X- Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an einer Oberseite des Wafers, wobei sich diese Wellenleiter so schnei den, daß sie die Arme einer X-Figur bilden, deren Achse etwa sym metrisch zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter liegt und nahezu parallel zu der Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter benachbart ist und von diesen im wesentlichen begrenzt wird; und
eine zweite und eine dritte Elektrode benachbart zu dem dritten und dem vierten Wellenleiter, wobei beide Elektroden der ersten Elektrode über einen von dem dritten und dem vierten Wellenleiter gegenüberliegt.

26. Schalter nach Anspruch 25, bei dem das elektrooptische Material ein polarisationsabhängiges Material ist.

27. Schalter nach Anspruch 25, bei dem der erste, der zweite, der dritte und der vierte Wellenleiter LiNbO₃ beinhalten.

28. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die zweite und die dritte Elek trode elektrisch auf Masse gelegt sind.

29. Schalter nach Anspruch 25, bei dem an die erste Elektrode eine erste Spannung gelegt wird.

30. Schalter nach Anspruch 25, bei dem an die zweite und die dritte Elektrode Spannung gelegt wird.

31. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die erste Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

32. Schalter nach Anspruch 25, bei dem die Achse ungefährer Sym metrie eine spitzen Winkel bezüglich der Z-Achse des Wafers aufweist.

33. Schalter nach Anspruch 32, bei dem der spitze Winkel einen Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad aufweist.

34. Schalter nach Anspruch 33, bei dem der spitze Winkel annähernd 10 Grad beträgt.

35. Optischer 2×2-Schalter, umfassend:
einen monokristallinen Wafer aus elektrooptischem Material mit nahezu Y-Schnitt;
einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Wellenleiter an der Oberseite des Wafers, welche sich bei einer Orientierung der Arme einer X-Form schneiden und eine Achse ungefährer Symmetrie zwischen dem ersten und dem zweiten und dem dritten und dem vierten Wellenleiter aufweisen, die nahezu parallel zur Z-Achse des Wafers verläuft;
eine erste Elektrode, die dem dritten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem im wesentlichen zusammenfällt; und
eine zweite Elektrode, die dem vierten Wellenleiter benachbart ist und mit diesem praktisch zusammenfällt.

36. Schalter nach Anspruch 35, bei dem das elektrooptische Material ein polarisationsabhängiges Material ist.

37. Schalter nach Anspruch 36, bei dem das elektrooptische Material LiNbO₃ beinhaltet.

38. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die zweite Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

39. Schalter nach Anspruch 35, bei dem eine Spannungsquelle eine Spannung an die erste Elektrode liefert.

40. Schalter nach Anspruch 35, bei dem eine Spannungsquelle eine Spannung an die zweite Elektrode liefert.

41. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die erste Elektrode elektrisch auf Masse gelegt ist.

42. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die Achse des ersten Wellenlei ters einen spitzen Winkel bezüglich der Z-Achse des Wafers bildet.

43. Schalter nach Anspruch 42, bei dem der spitze Winkel einen Wert im Bereich 0 bis 20 Grad besitzt.

44. Schalter nach Anspruch 43, bei dem der spitze Winkel annähernd 10 Grad beträgt.

45. Schalter nach Anspruch 35 bei dem eine Y-Achse des Wafers einen zweiten spitzen Winkel bezüglich der Oberseite des Wafers bildet, um den ungefähren Y-Schnitt zu bilden.

46. Schalter nach Anspruch 45, bei dem der zweite spitze Winkel einen Wert im Bereich von 0 bis 20 Grad hat.

47. Schalter nach Anspruch 46, bei dem der zweite spitze Winkel an nähernd 10 Grad beträgt.

48. Schalter nach Anspruch 35, bei dem die X-Achse des Wafers in nerhalb einer Ebene der Oberseite des Wafers liegt.