DE69022257T2 - Optischer Halbleiterschalter und Schaltermatrix. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit Wellenleitern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Halbleiterschalter, der zur Verwendung in einem integrierten optischen Schaltkreis oder einem integrierten opto-elektronischen Schaltkreis geeignet ist, die für optisches Berechnen, optische Informationsübertragung etc. verwendet werden.
2. Beschreibung der verwandten Technik
• Die Erfinder dieser Anmeldung haben bereits einige Vorschläge bezüglich der Struktur von optischen Halbleiterschaltern gemacht. Dies sind ein optischer Halbleiterschalter vom Wellenleitertyp, der eine kurze Baulänge hat und daher eine Integration in großem Umfang auf einem Halbleitersubstrat ermöglicht, ein optischer Schalter vom Kreuzungsweichen (slip)-Struktur-Typ und ein optischer Schalter vom integrierten Halbleiter-Wellenleiter-Typ, der als Photonenschalter verwendet wird. Wir diskutierten diese beispielsweise in der Zeitschrift IEEE Journal on Selected Areas in Communications, J-SAC-6, Seiten 1262 - 1266, 1988.
• Der Aufbau der optischen Schaltermatrix und eines die Matrix bildenden optischen Schalters, der bis jetzt durch die vorliegenden Erfinder vorgeschlagen worden ist, wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 2A, 2B und 2C erklärt. Eine 4 x 4 optische Schaltermatrix ist in Fig. 2A gezeigt. Eine Vielzahl von optischen Wellenleitern sind auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen. Die Vielzahl der Wellenleiter bilden eine Vielzahl von X-Wellenleiterkreuzungen und sind optisch auf der Signaleingangsseite an optische Fasern 201 und auf der Signalausgangsseite an optische Fasern 202 gekoppelt.
• Eine vergrößerte Ansicht einer Einzelzelle eines optischen Schalters, die eine X-Wellenleiterkreuzung bildet, ist in Fig. 2B gezeigt. Ein weiterer Wellenleiter ist mit den entsprechenden Teilen der Wellenleiter verbunden, die einander in der Form eines X kreuzen, um so zwei Y-Verzweigungen 203 zu bilden. Diese Wellenleiter 206 sind in der Weise hergestellt, daß ein Halbleitermaterial, beispielsweise InGaAsP auf einem InP-Substrat 204 aufgebracht ist, um eine Schicht 205 bereitzustellen, die dann beispielsweise einer reaktiven Ionenstrahlätzung mittels Cl&sub2; oder ähnlichem mit einem als Maske verwendeten Photoresist ausgesetzt wird, um dabei einen rippenförmigen Aufbau zu bilden. Die Querschnittsfläche der rippenförmigen Wellenleiter 206 beträgt etwa 5 um Breite x 1,5 um Höhe. Ein Schnittbild entlang der Linie A-A' des in Fig. 2B gezeigten optischen Schalters ist in Fig. 2C gezeigt. Auf dem InP-Substrat 204 sind nacheinander eine Wellenleiterschicht 205 (Wellenlängenbandlücke: 1,15 um) aus n-InGaAsP, eine Überzugsschicht 206 aus n-InP und eine Deckschicht 207 aus n-InGaAsP mittels des üblichen LPE (Liquid Phase Epitaxy)-Verfahrens aufgebracht. Nachdem ein Trägerinjektionsbereich 209 durch Diffusion von Zn oder ähnlichem ausgebildet worden ist, werden darauf durch Bedampfung oder ähnliche Mittel eine Isolierschicht 208 aus SiO&sub2; oder ähnlichem und eine p-seitige Elektrode 210 ausgebildet. Eine n-seitige Elektrode 211 ist in ähnlicher Weise auf der Rückseite des InP-Substrats 204 vorgesehen. Dieser optische Schalter, der auf der Basis einer Trägerinjektion eine Änderung des Brechungsindexes nutzbar macht, ist relativ groß in dem Betrag des Wechsels im Brechungsindex des Grundmaterials und daher insbesondere passend für die Herstellung einer optischen Schaltermatrix mit kleinbauenden optischen Schaltern und einer großen Anzahl von Lichteingangs- und Ausgangswellenleitern.
• Jedoch wurde als Ergebnis von weiteren durch die vorliegenden Erfinder gemachten Studien herausgefunden, daß der oben beschriebene optische Schalter oder die optische Schaltermatrix einige Übertragungsverluste aufweist. Beispielsweise erhöht sich die Dämpfung und Kreuzkopplung, hervorgerufen durch Lichtstreuung an den Verzweigungen, durch niedrige optische Schaltcharakteristiken und durch einen für Wellenleiter spezifischen Wellenleiterverlust. Diese Übertragungsverluste sind technische Probleme, die nicht ignoriert werden können, wenn es gewünscht ist, optische Schalter in großem Umfang und mit hoher Dichte zu integrieren.
• Ferner sind optische Schalter in der JP-A-6191623 und in der Zeitschrift IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 6, Nr. 7, August 1988, Seiten 1248 - 1254 offenbart. Diese Schalter basieren auf dem Prinzip der Dämpfungsmodulation und verwenden Halbleiterstrukturen, die als optische Absorber oder Verstärker arbeiten können. Infolge des Prinzips der Dämpfungsmodulation haben diese Schalter den Nachteil, daß die einfallende Lichtwelle teilweise abgeschwächt wird, wobei der Gesamtverlust in dem Schalter erhöht und der Rauschabstand verringert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Halbleiterschalter und eine optische Schaltermatrix anzugeben, die eine geringe Dämpfung und ein geringes Übersprechen haben.
• Diese Aufgabe wird durch den optischen Halbleiterschalter gemäß Anspruch 1 und die Schaltermatrix gemäß Anspruch 8 gelöst.
• Gemäß einer Ausführungsform ist ein optischer Halbleiterschalter mit einem ersten Wellenleiter zum Führen einer Lichtwelle, einem zweiten Wellenleiter zum Fuhren der Lichtwelle, zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiter angeordneten Mitteln zum Ausbreitungsrichtungswechsel, um die Ausbreitungsrichtung der durch den ersten Wellenleiter fortschreitenden Lichtwelle zu ändern, einem den ersten und zweiten Wellenleiter verbindenden dritten Wellenleiter (Ausweichwellenleiter), um die Lichtwelle von dem ersten Wellenleiter zum zweiten Wellenleiter zu führen, und an dem dritten Wellenleiter vorgesehenen Mittel zum Verstärken der Lichtwelle versehen, um die durch den dritten Wellenleiter fortschreitende Lichtwelle zu verstärken. Durch Vorsehen der Mittel zum Verstärken der Lichtwelle an dem dritten Wellenleiter ergänzend zum Mittel zum Ausbreitungsrichtungswechsel wird die Lichtwelle verstärkt, ohne einen unnötigen Rauschanteil zu verstärken, wodurch ein Schalter geringer Dämpfung realisiert wird. Ein Halbleiterlaseraufbau kann als Mittel zur Verstärkung der Lichtwelle verwendet werden. Halbleiterlaser haben einen optisch aktiven Bereich. Die Zustände des optisch aktiven Bereichs können in drei Zustände klassifiziert werden. Das sind ein Laserzustand, ein Verstärkungszustand und ein Absorptionszustand in Übereinstimmung mit dem Pegel der in den Bereich eingespeisten Trägerenergie. Die vorliegende Erfindung verwendet positiv den Verstärkungszustand oder den Absorptionszustand der drei Zustände. Ein derartiger Halbleiter-Laseraufbau ist optisch mit dem dritten Wellenleiter verbunden. In einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Halbleiterschalter durch Kombinieren der oben beschriebenen Mittel zur Verstärkung der Lichtwelle mit dem Mittel zum Ausbreitungsrichtungswechsel realisiert, das einen Wechsel im Brechungsindex eines Halbleitermediums nutzbar macht, der durch Trägerinjektion von einer Elektrode induziert wird. Bezugnehmend auf einen begrenzten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden die Betätigungszeit der Mittel zur Verstärkung der Lichtwelle und die Betätigungszeit der Mittel zum Ausbreitungsrichtungswechsel miteinander synchronisiert.
• Diese Synchronisierung kann durch Aktivieren der Mittel zur Verstärkung der Lichtwelle und der Mittel zum Ausbreitungsrichtungswechsel unter Verwendung einer gemeinschaftlichen Elektrode erreicht werden.
• Gemäß der oben genannten Ausführung weist der oben beschriebene optische Halbleiterschalter weiter einen vierten Wellenleiter auf, der von dem zweiten Wellenleiter zum Führen der durch den ersten Wellenleiter fortschreitenden Lichtwelle verschieden ist. In einem derartigen optischen Halbleiterschalter führt das Mittel zum Wechsel der Ausbreitungsrichtung die durch den ersten Wellenleiter sich ausbreitende Lichtwelle entweder zum zweiten oder zum vierten Wellenleiter in Abhängigkeit eines von außen an das Mittel zum Wechsel der Ausbreitungsrichtung angelegten Signals.
• Gemäß der oben beschriebenen Ausführung weist der oben beschriebene optische Halbleiterschalter weiter einen fünften Wellenleiter zum Führen einer von der sich durch den ersten Wellenleiter ausbreitenden ersten Lichtwelle verschiedenen zweiten Lichtwelle auf. Daher breitet der zweite Wellenleiter entweder die erste oder zweite Lichtwelle durch die Betätigung der Mittel zum Wechsel der Ausbreitungsrichtung in Abhängigkeit eines extern daran angelegten Signals aus. Der fünfte Wellenleiter ist so mit dem Mittel zum Wechsel der Ausbreitungsrichtung (optisch) verbunden, daß die durch den fünften Wellenleiter sich ausbreitende zweite Lichtwelle sich nicht durch den dritten Wellenleiter ausbreiten wird. Der zweite Wellenleiter führt entweder die erste oder zweite Lichtwelle in Abhängigkeit eines extern an das Mittel zum Wechsel der Ausbreitungsrichtung angelegten Signals.
• Gemäß einer Ausführungsform hat das Mittel zur Lichtwellenverstärkung des oben beschriebenen optischen Halbleiterschalters eine Überwachungsfunktion zur Lichtwellenunterscheidung. Ein derartiger optischer Halbleiterschalter macht es möglich, zwischen der ersten und zweiten Lichtwelle zu unterscheiden. Als Mittel zur Lichtwellenverstärkung mit Überwachungsfunktion kann beispielsweise der oben beschriebene Aufbau verwendet werden, der eine Halbleiter-Laserstruktur benutzt. Das Mittel zur Lichtwellenverstärkung des optischen Halbleiterschalters ist mit einem Unterscheidungsmittel zur Unterscheidung von Lichtwellen verbunden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das Mittel zur Lichtwellenverstärkung des optischen Halbleiterschalters eine Tor(gate)-funktion. In diesem optischen Halbleiterschalter absorbiert das Mittel zur Lichtwellenverstärkung die erste Lichtwelle, wenn die erste Lichtwelle nicht zum zweiten Wellenleiter geführt werden soll.
• Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist ein optischer Halbleiterschalter vorgesehen, der eine Vielzahl von Eingangs-Wellenleitern und eine Vielzahl von Ausgangs-Wellenleitern, eine Vielzahl von jeweils an den Kreuzungspunkten der Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern angeordneten Umschaltfunktionsabschnitten und eine Vielzahl von jeweils an den Umschaltfunktionsabschnitten vorgesehenen Lichtwellenverstärkungsmitteln enthält. Da ein derartiger optischer Halbleiterschalter in jedem Umschaltfunktionsabschnitt ein Lichtwellenverstärkungsmittel aufweist, wird eine bestimmte Lichtwelle allein in jedem Umschaltfunktionsabschnitt verstärkt.
• Gemäß einer Ausführungsform haben die Umschaltfunktionsabschnitte des oben beschriebenen optischen Halbleiterschalters Ausweichwellenleiter, die nur eine durch eine bestimmte der Eingangs-Wellenleiter sich ausbreitende Lichtwelle ausbreiten, wobei die Lichtwellenverstärkungsmittel jeweils an den Ausweichwellenleitern vorgesehen sind.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein optischer Halbleiterschalter vorgesehen, der eine Vielzahl von Eingangs-Lichtwellen aufnimmt, nur eine bestimmte, von den Eingangs-Lichtwellen ausgewählte Eingangs-Lichtwelle verstärkt und die verstärkte Eingangs-Lichtwelle ausgibt. Gemäß eines derartigen optischen Halbleiterschalters enthält die bestimmte Ausgangs-Lichtwelle keine anderen verstärkten Eingangs-Lichtwellen als die bestimmte Eingangs-Lichtwelle.
• Gemäß einer Ausführung ist eine optische Halbleiterschaltermatrix vorgesehen, die eine Kombination von einer Vielzahl von optischen Halbleiterschaltern, wie oben dargelegt, aufweist. Beim Untereinanderverbinden einer Vielzahl von erfindungsgemäßen optischen Halbleiterschaltern in einer parallelen oder mehrfach gestapelten Form ist es möglich, eine optische Halbleiterschaltermatrix zu erzeugen, in der eine geringe Dämpfung und ein geringes Übersprechen innerhalb des ganzen Geräts erreicht werden.
• Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist ein optischer Halbleiterschalter vorgesehen, der an einem Ausweichwellenleiter vorgesehene optische Verstärkungsmittel aufweist, die durch einen Teil einer Weiche von entweder einem einfachen oder doppelten Kreuzungsweichen-Struktur-artigen optischen Schalter definiert sind.
• Im Stand der Technik wird das Licht, das durch ein Lichtwellen-Modulationsmittel, beispielsweise einen optischen Schalter, geführt wird, nach der Modulation, z. B. optisch am Ausgangsende verstärkt. Der Ausbreitungsverlust in dem Lichtwellenmodulationsmittel wird durch die optische Verstärkung ausgeglichen, jedoch wird zur gleichen Zeit eine unnötige Lichtwellenkomponente, die aufgrund von Übersprechen oder dergleichen in dem Lichtwellenmodulationsmittel in das Licht gemischt wird, ebenso optisch verstärkt, und folglich verringert sich die Rauschkomponente in der Ausgangs-Lichtwelle nicht. Um dieses Problem zu lösen, soll nur die benötigte Lichtwelle optisch verstärkt werden. Wenn jedoch diese optische Verstärkung durchgeführt wird, bevor das Licht das Lichtwellen-Modulationsmittel erreicht, steigt indes das Übersprechen der gewünschten Lichtwelle an, was ähnlich zu einer Verringerung im Ausgangssignalabstand des optischen Halbleiterschalters führt.
• Demgemäß werden all die oben beschriebenen Probleme gelöst, wenn die optische Verstärkungsfunktion auf den Umschaltfunktionsabschnitt eines optischen Schalters übertragen wird. Genauer hat der Umschaltfunktionsabschnitt einen Abschnitt, der eine bestimmte Lichtwelle auswählt (in anderen Worten: die Ausbreitungsrichtung ändert) und, wenn die Lichtwelle nach dem Passieren durch diesen Abschnitt optisch verstärkt wird, ist es möglich, nur die gewünschte Lichtwelle zu verstärken. Wenn das Licht nach dem Passieren durch den Umschaltfunktionsabschnitt (insbesondere in dem Ausgangs- Wellenleiter) optisch verstärkt wird, ist das Resultat gleichwohl dasselbe, wie in dem Fall der am Ausgangsende durchgeführten Verstärkung, was bedeutungslos ist. Es sollte angemerkt werden, daß der erfindungsgemäße Umschaltfunktionsabschnitt ein Bereich ist, der zwischen einem Eingangs- Wellenleiter und einem Ausgangs-Wellenleiter angeordnet ist und der eine Funktion zur Lichtablenkung hat.
• Zuerst wirkt der Verstärkungsbereich eines Halbleiterlasers oder dergleichen wie ein Absorptionsabschnitt, wenn er nicht angeregt wird, und er verstärkt, wenn er ausreichend angeregt wird. Der dritte Wellenleiter oder der Ausweichwellenleiter, der Teil der Weiche von entweder einem einfachen oder doppelten Kreuzungsweichen-Struktur-artigen optischen Schalter ist, hat in der vorliegenden Erfindung eine Wirkungsweise, bei der nur ein auszutauschendes optisches Signal hindurchgelassen wird, und die nicht in konventionellen optischen Schaltern vorliegt. Wenn eine optische Verstärkungsfunktion auf diesen Ausweichwellenleiter übertragen wird, kann der Ausweichwellenleiter wie ein Absorptionsabschnitt wirken, wenn sich der optische Schalter in einem Aus-Zustand befindet (ein Zustand, wo keine optischen Signale durch den Ausweichwellenleiter durchgelassen werden), und er kann wie ein Verstärkungsabschnitt wirken, wenn sich der optische Schalter in einem Ein-Zustand befindet (ein Zustand, bei dem ein optisches Signal durch den Ausweichwellenleiter durchgelassen wird). Als Ergebnis ist das Übersprechen markant verringert und folglich ist die Dämpfung reduziert oder das optische Signal ist gemäß dem Verstärkungsfaktor in dem Verstärkungsabschnitt verstärkt. Wenn der optische Verstärkungsabschnitt in jedem optischen Schalter vorhanden ist, kann ferner der Verstärkungsgrad individuell angepaßt werden, wenn optische Schalter des oben beschriebenen Typs in einer großen Menge eingeführt sind, und es ist daher möglich, gleichmäßige Charakteristiken der resultierenden optischen Schaltermatrix zu erhalten. Da es ebenso möglich ist, das im optischen Verstärkungsabschnitt absorbierte Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln und es zu lesen, kann der optische Verstärkungsabschnitt wie eine optische Signalüberwachung verwendet werden. Wenn die vorliegende Erfindung für einen optischen Rechenapparat, wie etwa einen Photonenschalter verwendet wird, ist es demgemäß möglich, zwischen Zellen zu unterscheiden und beispielsweise über das Ende eines Telefongesprächs zu entscheiden. Wenn die vorliegende Erfindung zusammen mit einem optischen Schaltsystem vom Träger-Injektionstyp verwendet wird, kann die Träger-Injektion sowohl für die Schalt- als auch für die Verstärkungsfunktion verwendet werden, und es ist daher möglich, einen optischen Schalter mit kleinen Abmessungen und guter Wirkung leicht zu realisieren. Daher ist es möglich, eine optische Schaltmatrix für einen optischen Austausch herzustellen, die klein in den Abmessungen und überlegen in den Charakteristiken für Übersprechen und geringe Dämpfung ist.
• Noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offenbart werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung kann in verschiedenen Bauteilen und Anordnungen von Bauteilen ausgebildet werden. Die Zeichnungen sind nur zum Zwecke der Illustration der bevorzugten Ausführungsformen angeführt und sind nicht zur Begrenzung der Erfindung auszulegen.
• Es zeigen:
• Fig. 1a eine Ansicht zum Darstellen des Konzepts der erfindungsgemäßen Anordnung,
• Fig. 1B ein Beispiel des Aufbaus des Verstärkungsbereichs in dem Ausweichwellenleiter des erfindungsgemäßen optischen Schalters im Querschnitt,
• Fig. 2A, 2B und 2C Ansichten zur Darstellung eines konventionellen, von den vorliegenden Erfindern vorgeschlagenen optischen Schalters und einer optischen Schaltmatrix,
• Fig. 3A und 3B Ansichten zur Darstellung der Strukturen im Fall, wo die vorliegende Erfindung in Form von optischen Schaltern einer einfachen bzw. doppelten-Kreuzungsweichenstruktur realisiert wird,
• Fig. 4A, 4B und 4C Ansichten zur Darstellung eines Beispiels des Aufbaus des erfindungsgemäßen optischen Schalters im Querschnitt,
• Fig. 5 eine Ansicht zur Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Schalters,
• Fig. 6 eine Ansicht zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Schalters,
• Fig. 7 und 9 Ansichten zur Darstellung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Schaltmatrix,
• Fig. 8 die Anordnung einer konventionellen optischen Schaltmatrix und
• Fig. 10, 11 und 12 Ansichten zur Darstellung des Aufbaus von anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Schalters im Querschnitt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Mit Bezug auf die Fig. 1A und 1B wird eine Ausführungsform, in der die vorliegende Erfindung auf einen optischen Schalter vom sogenannten "einfachen Kreuzungsweichen (single-slip)-Strukturtyp" angewendet wird, erklärt werden Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht des optischen Schalters, in dem ein Ausweichwellenleiter 101, der einen Aufbau einer einfachen Kreuzungsweiche hat, mit einem optischen Verstärkungsabschnitt 102 vorgesehen ist. Fig. 1B zeigt den Aufbau des Ausweichwellenleiters 101 im Querschnitt (entlang der Linie B-B' der Fig. 1A).
• In dieser Ausführungsform wurden auf einem InP-Substrat 103 durch ein LPE-Verfahren nacheinander eine InGaAsP Wellenleiterschicht 104 (Absorptionsgrenzwellenlänge λg = 1,15 um), eine InP Grenzschicht 105, eine InGaAsP Wellenleiterschicht 106 (Absorptionsgrenzwellenlänge λg = 1,30 um), eine InP Überzugsschicht 107 und eine InGaAsP Deckschicht 108 aufgebaut. Danach wurde die InGaAsP Deckschicht 108 entfernt und die InP Überzugsschicht 107 und die InGaAsP Wellenleiterschicht 106 wurden bis auf die Abschnitte in dem Verstärkungsbereich innerhalb des Ausweichwellenleiters durch ein selektives Ätz-Verfahren entfernt. Dann wurden eine InP Überzugsschicht 107 und eine InGaAsP Deckschicht 108 wieder auf die gesamte Oberfläche aufgebracht. Danach wurden Wellenleiter mit einem in den Fig. 4A und 4B gezeigten Querschnittsaufbau durch bekannte Lithographie- und Ätztechniken ausgebildet, um Wellenleiter 109, die außerhalb des Verstärkungsabschnitts liegen, und einen Wellenleiter, der im Verstärkungsabschnitt 101 liegt, zu bilden. Die so gebildeten Wellenleiter haben eine Breite von 5 um. Der X-Kreuzungswinkel der Wellenleiter betrug 14º und der Y-Verzweigungswinkel der Wellenleiter betrug 7º. Der so gebildete optische Schalter wurde mit Träger-Injektionsbereichen 110 für eine optische Schaltoperation und Elektroden 112 für Träger-Injektion in die zugehörigen Bereiche durch Verwendung bekannter Elektrodenbildungstechnik ausgestattet. Fig. 4C zeigt den Aufbau eines Wellenleiters im Querschnitt, der einen Träger-Injektionsbereich 110 des wie oben beschrieben geformten optischen Schalters enthält. Um die Träger-Injektionsabschnitte 110 zu bilden, wurde ein Zn-Diffusionsverfahren angewendet. Andere Merkmale des in den Fig. 4A und 4B gezeigten Wellenleiteraufbaus sind, daß die Zonenübergangsdämpfung klein ist, da die Wellenleiterschicht 104 dem Verstärkungsabschnitt und dem optischen Schaltabschnitt gemeinsam ist, und daß die Polarisationsabhängigkeit klein ist, da die optische Verstärkungsschicht 106 die Dämpfungskompenente in dem geführten Licht verstärkt. Die Arbeitsweise des so hergestellten optischen Schalters wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 beschrieben. Zur Auswertung der Eigenschaften wurde Halbleiterlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1,3 um an den Eingangsanschluß 511 angelegt. In der in Fig. 5 gezeigten Anordnung wurden die Elektroden des optischen Schaltabschnitts und des Verstärkungsabschnitts verbunden, um einen gemeinschaftlichen Anschluß 515 vorzusehen, um die beiden Träger-Injektionsabschnitte zur selben Zeit anzusteuern. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Ausgangsende 512 im wesentlichen auf das Ausgangsende 513 umgeschaltet, wenn der Injektionsstrom etwa 200 mA betrug und die Einfügungsdämpfung und das Übersprechen betrugen 3 dB bzw. -30 dB, was 5 dB und 10 dB geringer war, als diejenigen Werte eines ohne optischen Verstärkungsabschnitt ausgestatteten Geräts. Danach wurden die zwei Träger-Injektionsabschnitte durch Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung individuell angesteuert, d. h. durch Verwendung der Anschlüsse 616 und 617, die in Verbindung mit den entsprechenden Elektroden des optischen Schaltabschnitts und des optischen Verstärkungsabschnittes vorgesehen sind. Wenn der optische Schaltabschnitt und der optische Verstärkungsabschnitt mit Injektionsströmen von etwa 120 ma bzw. etwa 200 mA versorgt wurden, wurde die Ausbreitungsrichtung des vom Eingangsanschluß 611 eingegebenen Lichts mit einer Wellenlänge von 1,3 um im wesentlichen vollständig von dem Ausgangsende 612 zum Ausgangsende 613 gewechselt. Die Einfügungsdämpfung und das Übersprechen betrugen -2 dB bzw. -30 dB. D. h., es war möglich, eine Verstärkung von 2 dB zu erhalten. Als ein Ergebnis war es möglich, die Hauptwirkungen der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung oder Beseitigung der Dämpfung und zur Reduzierung der Übersprechung zu bestätigen.
• Obwohl in dieser Ausführungsform die in Fig. 3 gezeigte Bereichsstruktur für die Wellenleiter verwendet wurde, ist es natürlich möglich, dieselben vorteilhaften Wirkungen durch Verwendung von optischen Wellenleiterstrukturen vom Verstärkungstyp in Ergänzung zu optischen Wellenleiterstrukturen vom Brechungsindextyp zu erhalten, wie etwa jene vom belasteten Typ, BH-Typ und CSP-Typ, die gewöhnliche optische Wellenleiterstrukturen sind. Die Fig. 10, 11 bzw. 12 zeigen Beispiele von besonderen optischen Wellenleiterstrukturen vom belasteten Typ, BH-Typ und CSP-Typ. Wenn diese optischen Wellenleiterstrukturen verwendet werden, ist es ebenso vorteilhaft, die Dämpfung im Zonenübergang zwischen dem Verstärkungsabschnitt und dem Umschaltabschnitt zu reduzieren und die Polarisationsabhängigkeit im Verstärkungsabschnitt wie in der Wellenleiterstrukur des Rippentyps der vorangehenden Ausführungsform zu reduzieren. Es sollte erwähnt werden, daß das Bezugszeichen 114 in Fig. 11 eine vergrabene Schicht (Bereich) bezeichnet, die ein Halbleiter (InP oder dergleichen)-Bereich zur Begrenzung des sich durch den Wellenleiterbereich 104 ausbreitenden Lichts und des eingespeisten Stromes innerhalb des Mesa-Bereiches im Zentrum ist. Obwohl im vorgenannten Ausführungsbeispiel ein InGaAsP-Material als Halbleitermaterial verwendet wurde, wird ferner ebenso dieselbe vorteilhafte Wirkung durch Verwendung von anderen Halbleitermaterialien erreicht, wie etwa III-V-Gruppen-Halbleitermaterialien wie etwa GaAlAs, InGaAlAs, etc. und II-VI- Gruppen-Halbleitermaterialien.
• Mit Bezug auf Fig. 7 wird eine Ausführungsform der optischen Schaltmatrix gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt werden.
• In dieser Ausführungsform wurden 16 optische Halbleiterschalter des in Fig. 1A gezeigten Typs integriert, um eine komplette gitterartige 4 x 4 optische Schaltermatrix mit vier Eingängen und vier Ausgängen, wie in der Fig. gezeigt, zu bilden. Da der Ausweichwellenleiter, der Teil der Weiche des erfindungsgemäßen optischen Schalters vom Typ einer einfachen oder doppelten Kreuzungsweiche ist, eine Funktion hat, bei der nur ein optisches Signal, das ausgetauscht werden soll, hindurchgelassen wird, was in gewöhnlichen optischen Schaltern nicht verfügbar ist, ist es möglich, eine optische Austauschfunktion zu realisieren, die im Stand der Technik nicht bekannt ist. Mit der im Stand der Technik bekannten Anordnung, d. h. der in Fig. 8 gezeigten Anordnung, worin optische Verstärker an den Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüssen angeordnet sind, hängen bei einer optischen Schaltmatrix diejenigen Ausgangsanschlüsse 831, 832, 833 und 834, an die optische Signale von den Eingangsanschlüssen 811, 812, 813 und 814 gegeben werden, von denjenigen an den Gitterpunkten der optischen Schaltmatrix angeordneten Schalteinheiten, die auf "ein" geschaltet sind, ab und da der Weg, die Länge, etc. der Wellenleiter in Abhängigkeit von jedem bestimmten Verbindungszustand variiert, wenn die optischen Verstärker 821, 822, 823 und 824, die an den Eingangs- oder Ausgangsanschlüssen angeordnet sind, unter konstanter Bedingung betrieben werden, ist es unmöglich, die Abweichungen in der Dämpfung aufgrund des Verbindungszustandes auszugleichen. Beispielsweise werden optische Signale von den Eingangsanschlüssen 811, 812, 813 und 814 auf den Ausgangsanschluß 831 ausgegeben, wenn jeweils die Schalteinheiten 411, 421, 431 und 441 eingeschaltet sind. Da sich die Länge und die Beschaffenheit der Wellenleiter für jeden Weg unterscheiden, unterscheidet sich der Dämpfungswert für jeden Weg, was eine Selbstverständlichkeit ist. Im Gegensatz dazu erlaubt die in Fig. 7 gezeigte optische Umschaltmatrix, die erfindungsgemäße optische Halbleiterschalter aufweist, die Anpassung von Dämpfungsvariationen aufgrund der Unterschiede in Weg, Länge, etc. der Wellenleiter in Abhängigkeit von dem Verbindungszustand, da eine an jedem Gitterpunkt angeordnete Schalteinheit jeweils eine individuelle optische Verstärkungswirkung hat. Da der Weg von einem Eingangsanschluß zu einem Ausgangsanschluß durch den bzw. diejenigen der Schalteinheiten an den Gitterpunkten, die auf "ein" geschaltet sind, eindeutig bestimmt ist, genügt es insbesondere, einen Verstärkungsgrad an jedem Gitterpunkt bedingungslos in Abhängigkeit von der Dämpfung an diesem Weg zu bestimmen. In dieser Ausführungsform wurden optische Verstärkungsgrade für vier Schaltpunkte 311, 312, 313 und 314 in der in Fig. 7 gezeigten Anordnung individuell bestimmt, so daß der optische Signaleingang von dem Eingangsanschluß 711 an den Ausgangsanschlüssen 731, 732, 733 und 734 mit der gleichen Lichtintensität ausgegeben wurde, und so daß die Einfügungsdämpfung 5 dB war. Die Werte des benötigten Stromes waren 200, 220, 230 bzw. 260 mA. Annlich wurden die optischen Verstärkungsgrade der übrigen zwölf Schalteinheiten 321, 322, 323, 324, 331, 332, 333, 334, 341, 342, 343 und 344 individuell angepaßt, so daß die optischen Signaleingänge von den Eingangsanschlüssen 712, 713 und 714 an den Ausgangsanschlüssen 731, 732, 733 und 734 mit der gleichen Lichtintensität ausgegeben wurden und so daß die Einfügungsdämpfung 5 dB betrug. Als Ergebnis war es möglich, die neue Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung zu erreichen, daß ein optisches Eingangssignal von irgendeinem Eingangsanschluß zu irgendeinem Ausgangsanschluß mit dergleichen Lichtintensität ausgegeben wird.
• Mit Bezug zur Fig. 9 wird eine Ausführungsform eines optischen Wechslers beschrieben werden, der die optische Signalkontrollfunktion der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein an den Eingangsanschluß 911 angelegtes optisches Signal wurde auf der Basis eines Wechsels in der Anschlußspannung im optischen Verstärkungsabschnitt eines jeden der Schalteinheiten 311, 312, 313 und 314 überwacht (in der Fig. bezeichnen die Bezugsnummern 921 bis 924 Energieversorgungen zur Ansteuerung der optischen Schalteinheiten mit einer Spannungsüberwachungsschaltung, die daher auch als Überwachungsmittel dienen). Dadurch wird der Kopfabschnitt im optischen Signal gelesen, um einen anzuschließenden Ausgangsanschluß von den anderen zu unterscheiden. In Abhängigkeit des unterschiedenen Signals wurde die entsprechende Schalteinheit 312 auf "ein" geschaltet, so daß das Signal an den entsprechenden Ausgangsanschluß 932 ausgegeben wurde. Ferner wurden in diesem Zustand die Inhalte der Signale auf der Basis eines Wechsels in der Anschlußspannung am optischen Verstärkerabschnitt der Schalteinheit 312 überwacht, um den Zeitpunkt des Endes eines Gesprächs zu erkennen, und wenn das Gespräch beendet war, wurde die Schalteinheit 312 auf "aus" geschaltet, um die Verbindung zum Ausgangsanschluß 932 zu trennen. Als Ergebnis wurde es möglich, die optische Signalüberwachungsfunktion zu bestätigen. Und es ist möglich, einen optischen Wechsler mit hoher Leistung zu realisieren.

Claims (8)

1. Optischer Halbleiterschalter mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten optischen Wellenleiterarm (109), die eine X-Form bilden, einem ersten, zwischen den ersten und zweiten optischen Wellenleiterarm gekoppelten ersten Ausweichwellenleiter (101), einem einen veränderbaren Brechungsindex aufweisenden, ersten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereich (110), der sich zwischen dem X-Kreuzungspunkt der optischen Wellenleiterarme (109) und dem Kopplungspunkt des ersten optischen Wellenleiterarms und des ersten Ausweichwellenleiters (101) befindet und einem, einen veränderbaren Brechungsindex aufweisenden zweiten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereich (110), der sich zwischen dem X-Kreuzungspunkt der optischen Wellenleiterarme (109) und dem Kopplungspunkt des zweiten optischen Wellenleiterarms und des ersten Ausweichwellenleiters (101) befindet, wobei der ersten und zweite Ausbreitungsrichtung- Wechselbereich jeweils Elektroden (112) aufweisen, um den Brechungsindex in den Bereichen zu verändern,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Ausweichwellenleiter (101) einen optischen Verstärkungsabschnitt (102) mit einer dazugehörigen Elektrode (112) aufweist, der als optischer Verstärker wirkt, wenn er aktiviert ist, und als optischer Absorber, wenn er deaktiviert ist, und

eine Einrichtung (515, 616, 617) zum Versorgen mit elektrischen Signalen vorgesehen ist, die mit den Elektroden (112) des ersten und zweiten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereichs und der Elektrode des optischen Verstärkungsabschnitts zum Aktivieren oder Deaktivieren des optischen Verstärkungsabschnitts (102) synchron mit dem ersten und zweiten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereichs (110) verbunden ist.

2. Der optische Schalter gemäß Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Versorgen mit elektrischen Signalen einen gemeinschaftlichen Anschluß (515) aufweist, der mit den Elektroden (112) des optischen Verstärkungsabschnitts (102) und des ersten und zweiten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereichs (110) verbunden ist.

3. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der optische Verstärkungsabschnitt (102) des ersten Ausweichwellenleiters (110) einen Halbleiterlaser-Aufbau besitzt.

4. Der optische Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiter einen zweiten Ausweichwellenleiter (111), der zwischen den dritten und vierten optische Wellenleiterarm gekoppelt ist und einen optischen Verstärkungsabschnitt aufweist, der, wenn aktiviert, ein vom dritten optischen Wellenleiterarm erhaltenes optisches Signal verstärkt, einen veränderbaren Brechungsindex aufweisenden, dritten Aufbreitungsrichtung-Wechselbereich, der sich zwischen dem X-Kreuzungspunkt der optischen Wellenleiterarme und dem Kopplungspunkt des dritten optischen Wellenleiterarms und des zweiten Ausweichwellenleiters (111) befindet, und einen einen veränderbaren Brechungsindex aufweisenden, vierten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereich, der sich zwischen dem X-Kreuzungspunkt der optischen Wellenleiterarme und dem Kopplungspunkt des vierten optischen Wellenleiterarms und des zweiten Ausweichwellenleiters (111) befindet, aufweist.

5. Der optische Schalter gemäß Ansprüch 4, wobei eine Einrichtung zum Versorgen mit elektrischen Signalen vorgesehen ist, die den optischen Verstärkungsbereich des zweiten Ausweichwellenleiters (111) zusammen mit dem dritten und vierten Ausbreitungsrichtung-wechselbereich gemeinschaftlich aktiviert oder deaktiviert.

6. Der optische Schalter gemäß Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Versorgen mit elektrischen Signalen einen gemeischaftlichen Anschluß aufweist, an den die Elektroden des optischen Verstärkungsabschnitts des zweiten Ausweichwellenleiters (111) und des dritten und vierten Ausbreitungsrichtung-Wechselbereichs gekoppelt sind.

7. Der optische Schalter gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der optische Verstärkungsbereich des zweiten Ausweichwellenleiters (111) einen Halbleiterlaser-Aufbau aufweist.

8. Optisches Array mit einer Vielzahl von optischen X-Kreuzungsschaltern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ein Gittermuster bilden.