DE69311638T2

DE69311638T2 - Optischer Schalter

Info

Publication number: DE69311638T2
Application number: DE69311638T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ikeda; Yasuo Shibata
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2013-07-14
Also published as: EP0579166B1; EP0579166A1; US5444802A; DE69311638D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Schalter, die in Kommunikationssystemen, die auf der Fortpflanzung von Licht in Wellenleitern beruhen, zu verwenden sind, und bezieht sich insbesondere auf einen optisch gesteuerten optischen Gitterschalter, bei dem An-Aus von Signallicht durch Steuerungslicht gesteuert wird.
Bis jetzt sind optisch gesteuerte optische Schalter als wichtige Vorrichtungen zum Verwirklichen von vollständig optischen Signalverarbeitungssystemen und optischen Schaltsystemen mit ultrahoher Geschwindigkeit angesehen worden. Aufgrund der herausragenden großen optischen Nichtlinearitäts-Charakteristik von Mehrfach-Quantentöpfen ist die Anwendbarkeit eines Halbleiterlasers als Lichtquelle und weiteres, eines optischen Schalters unter Verwendung einer MQW-Struktur aus Verbindungshalbleitern der III-V- Gruppe untersucht worden und als eine der nützlichsten optischen Schalter entwickelt worden, und daher ist über einige Typen dieser Vorrichtung berichtet worden, beispielsweise über ein Fabry-Perot-Plattenetalon (A. Miqus et al., Appl. Phys. Lett. 46, 70, 1985) und einen Wellenleiter-Gitterkoppler (R. Jin et al., Appl. Phys. Lett. 53, 1791, 1988). Insbesondere hat ein optisch gesteuerter Gitterschalter (OG-SW) spezielles Interesse aufgrund seiner ausgezeichneten Schalteigenschaften angezogen (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 182833/1989 und Electronics Letters 27/3, Seite 246 bis 247).
Ein Beispiel für den herkömmlichen optisch gesteuerten Gitterschalter wird durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Fig. 1 bis 5 erklärt werden.
Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, um eine typische Struktur des herkömmlichen optischen Schalters zu zeigen, während Fig. 2 seine Draufsicht zeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt, umfaßt der OG-SW einen optischen Eingangs/Ausgangswellenleiter für Signallicht 1 (1A und 1B), einen Gitterschalterbereich 2, der für das Schalten von Signallicht-Transmission und Signallicht-Reflexion verantwortlich ist, einen optischen Steuerungslicht-Wellenleiter 3, eine InP-Mantelschicht 4 und ein InP-Substrat 5.
Die Figuren 3, 4 und 5 sind Querschnittsansichten entlang den Linien A-A', B-B' und C-C' in den Fig. 1 bzw. 2. Die optischen Eingangs/Ausgangswellenleiter 1A und 1B sind aus Kernen aufgebaut, die aus In0,72Ga0,28As0,59P0,41 hergestellt sind. Das Gitter 2 ist aus einem optisch nicht linearen Material mit einer Mehrfach-Quantentopfstruktur aufgebaut, und ihre innere Struktur ist aus Quantentopfschichten 6 und Barrierenschichten 7 zusammengesetzt. Die Quantentopfschicht 6 besteht aus einer 5 nm (50Å) dicken Schicht aus In0,479Ga0,53As während die Barrierenschicht 7 aus einer 7,5 nm (75Å) dicken InP-Schicht besteht.
Die Wellenlänge λg der Bandlücke der Mehrfachquantentopfstruktur nimmt einen Wert von 1,50µm an. Diese Wellenlänge der Bandlücke ist als eine Absorptionsband- Wellenlänge λg definiert, die durch die Bandlücke des Halbleiters festgelegt ist. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichts kürzer als die Absorptionsband- Wellenlänge λg ist (d.h. λ < λg ) wird das einfallende Licht absorbiert. Wenn die Wellenlänge λ des einfallenden Lichts größer als die Absorptionsband-Wellenlängen λg ist (d.h. λ > λg) wird andererseits das einfallende Licht transmittiert. Dieser optische Schalter ist so aufgebaut, daß die optische Achse des Gitters 2 mit der des Kerns 1 zusammenfällt. Die optische Achse ist als die Fortpflanzungsrichtung entlang der Z-Achse senkrecht zu der X-und Y-Achse definiert (diese Achsen sind in dem dreidimensionalen Raum wie in Fig. 1 gezeigt fixiert). Der optische Wellenleiter 3 für das Steuerungslicht ist als ein Kern gebildet, der aus In0,72Ga0,28As0,59P0,41 hergestellt ist, und ist in der Mantelschicht 4 wie in Fig. 3 gezeigt eingebettet. Der Aufbau des optischen Steuerungslicht-Wellenleiter 3 ist ähnlich dem, der in Fig. 3 gezeigt ist. In dem herkömmlichen optischen Schalter sind, wie in Fig. 2 gezeigt, der optische Eingangs/Ausgangswellenleiter 1 und der optische Steuerungslicht-Wellenleiter 3 so positioniert, daß sie senkrecht einander schneiden, und somit werden das Signallicht und das Steuerungslicht in das Gitter 2 von Richtungen eingebracht, die einander senkrecht schneiden.
Als nächstes wird eine Schaltwirkung des herkömmlichen optischen Schalters, der wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, wie folgt erklärt. In diesem Fall wird die Schaltwirkung unter Verwendung von einer Signallicht-Wellenlänge von 1.55 µm, die auch in Beispielen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, für den Zweck erklärt, einen leichten Vergleich mit der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Die Gitterkonstante oder dgl. des Gitters 2 ist durch ein Wellenlängenband des Signallichts, das als die Bragg-Wellenlänge λB zu definieren ist, bestimmt. Wenn eine Wellenlänge λB = 1,55 µm verwendet wird, sollte beispielsweise das Gitter als ein Beugungsgitter erster Ordnung aufgebaut sein, um das Licht bei einer Wellenlänge von 1,55 µm perfekt zu reflektieren, aber das Licht bei einer Wellenlänge in der Umgebung von 1,55µm zu transmittieren. Es gibt eine bestimmte Beziehung zwischen der Bragg-Wellenlänge λB und einer Gitterkonstanten Λ des Gitters. Entsprechend der Bragg-Wellenlänge λB = 1,55 µm sind die Gitterkonstante und die Dicke des Gitters in dem herkömmlichen Beispiel jeweils auf Werte von 0,24 µm und 0,34 µm fixiert. Der Reflexions- Kopplungskoeffizient κ ist durch einen Grad an periodischen Veränderungen eines Brechungsindex und eines Prozentsatzes des Lichteinschlusses in dem Bereich, in dem sich der Brechungsindex periodisch verändert, definiert, und ergibt auch einen Grad der Kopplung zwischen einer Vorwärtswelle (einfallendes Licht) und eine Rückwärtswelle (reflektiertes Licht) an. Daher sind die Brechungsindizes des optisch nicht linearen Materials 6 und der Mantelschicht 5 3,4 bzw. 3,2, so daß der κ-Wert ungefähr 300 cm&supmin;¹ oder mehr annimmt, wenn das Gitter 2 so gebildet ist, daß es eine Tiefe von 0,15 µm hat, und auch das Licht kann fast perfekt reflektiert werden (ungefähr 99%), wenn das Gitter 2 so gebildet ist, daß es eine Länge von (Lg von 100 µm hat).
Fig. 6 zeigt eine berechnete Charakteristik des Wellenlängen-Reflexionsvermögens des Gitters 2. Das Gitter 2 ist so aufgebaut, daß es ein Profil des Reflexionsvermögens hat, wie es durch eine Kurve A angegeben ist, mit einem Spitzenwert bei einer Wellenlänge, die der Wellenlänge des Signallichts λS = 1,55 µm entspricht. Daher entspricht die Bragg-Wellenlänge λB des Gitters 2 der Wellenlänge λS des Signallichts. Wenn das Steuerungslicht bei einer bestimmten Wellenlänge λC auf das Gitter 2 einfällt, wird die Bragg- Wellenlänge von der Wellenlänge des Signallichts λS um Δλ verschoben, wie durch eine Kurve B angedeutet, so daß das Reflexionsvermögen des Signallichts bei der Wellenlänge λS einen Wert von 0 annimmt. Als Ergebnis geht das Signallicht durch das Gitter durch.
Die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge hängt von der Anregung von Ladungsträgern in dem optisch nicht linearen Material 6 durch Einbringen des Steuerungslichts in das Gitter 2 ab. In diesem Fall kann Schalten mit sehr hoher Geschwindigkeit erreicht werden, da der Übergang von dem Anfangszustand des Schalters durch eine Interband- Übergangszeit der Ladungsträger der Mehrfach- Quantentopfstruktur bestimmt ist.
Wie vorstehend beschrieben ist der herkömmliche optische optisch gesteuerte Gitterschalter durch das Halbleitermaterial mit einer Quantentoptstruktur aufgebaut, bei der das Steuerungslicht von einer Richtung senkrecht zu dem optischen Eingangs-/Ausgangswellenleiter eingebracht wird. Daher sind die Vorteile des herkömmlichen Schalters wie folgt:
(i) Da der herkömmliche Schalter wie in dem Wellenleiterstruktur-Typ aufgebaut ist, ist eine Integration und Miniaturisierung möglich;
(ii) da der herkömmliche Schalter wie in dem Wellenleiterstruktur-Typ aufgebaut ist, kann der Schaltvorgang durch eine niedrige Schaltleistung durchgeführt werden;
(iii) da das Signallicht entlang einer Richtung senkrecht zu dem Steuerungslicht durchgeht, gibt es keine unerwarteten Ergebnisse, die durch die Wechselwirkung zwischen ihnen zu erwarten sind, und somit gibt es keinen Bedarf, einen optischen Isolator oder dgl. zu verwenden;
(iv) Signallicht und Steuerungslicht bei einer bestimmten Wellenlänge können optional ausgewählt werden, so daß der Schalter leicht aufgebaut werden kann und mit einem hohen Wirkungsgrad funktioniert; und
(v) es gibt keinen Bedarf, die Konstruktion des optischen Schalters zu modifizieren, um einen optischen Schalter vom Gate-Typ, einen bistabilen Speicher, eine Vorrichtung mit einer Funktion der Wellenform-Rekonstruktion oder mit anderen hochausgebildeten Funktionen und dgl. bereitzustellen.
Trotz dieser Vorteile fordert der herkömmliche optische Schalter jedoch eine Schaltgeschwindigkeit von mindestens 10 Nanosekunden, um die Anfangsbedingungen wieder herzustellen, da der Schaltvorgang durch die Lebensdauer der Ladungsträger in der Mehrfach-Quantentopfstruktur beschränkt ist. Die Schaltgeschwindigkeit in solch einer Größenordnung ist nicht ausreichend, um die Anforderung der schnellen Schaltwirkung zu erfüllen.
Um das mit der Schaltgeschwindigkeit verbundene Problem zu lösen, das der herkömmliche optische Schalter nicht lösen kann, ist ein modifizierter optisch gesteuerter Gitterschalter in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 208920/1992 vorgeschlagen worden. In diesem Dokument kann ein optischer Schalter mit einer Schaltgeschwindigkeit von ungefähr einer Nanosekunde bereitgestellt werden, indem man den optischen Schalter so aufbaut, daß er ein Gitter mit einem Reflexionskopplungskoeffizienten κ von 500 cm&supmin;¹ oder eine Verunreinigungskonzentration von über 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ in der Mehrfach-Quantentopfstruktur hat. Trotz solch einer Modifikation ist die Schaltgeschwindigkeit noch immer nicht deutlich verringert worden, und somit ist sie nicht zufriedenstellend. Weitere Verbesserungen, um die höhere Schaltgeschwindigkeit zu erhalten, sind erforderlich gewesen. Zusätzlich umfaßt der herkömmliche optische Schalter einen Schaltbereich mit einem Absorptionskoeffizienten von 50 bis 100 cm&supmin;¹ bei einem Absorptionsverlust von 3 bis 6 dB, da es erforderlich ist, daß der Einfall von Signallicht bei einer Wellenlänge in der Umgebung einer Wellenlänge der Bandlücke der Mehrfach-Quantentopfstruktur durchgeführt wird.
Entsprechend ist ein neuartiger optisch gesteuerter Gitterschalter mit Eigenschaften einer extrem höheren Schaltgeschwindigkeit und niedrigeren Absorptionsverlusten im Vergleich zu dem herkömmlichen erforderlich gewesen.
Aus Electronics Letters 16/18, Seite 1459 bis 1460 ist bekannt, daß in optischen Fasern ein Signallichtstrahl durch einen Steuerungslichtstrahl unter Verwendung von Kreuzphasenmodulation, die durch ein Indexgitter bewirkt wird, moduliert werden kann.
In Hinblick auf die vorstehenden Probleme ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, optische Schalter bereitzustellen, die den Schaltbetrieb mit hoher Geschwindigkeit mit wenig Absorptionsverlusten des Signallichts erzielen können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorstehenden Aufgaben gelöst durch einen optischen Gitterschalter zur AN-AUS-Schaltersteuerung der Transmission von Signallicht und der Reflexion von Signallicht durch Reflexion von Steuerungslicht, umfassend ein Halbleitersubstrat, einen ersten optischen Wellenleiter zum Führen des Signallichts, der auf dem Substrat gebildet ist, einen zweiten optischen Wellenleiter zum Führen von Steuerungslicht, der auf dem Substrat gebildet ist, einen Schaltbereich für die AN-AUS-Schaltersteuerung, durch den die Transmission von Signallicht und die Reflexion von Signallicht geschaltet werden, einen Kopplungsbereich zum Koppeln des Steuerungslicht an das Signallicht, einen Trennbereich zum Trennen des Signallichts und des Steuerungslichts, wobei der Kopplungsbereich das Steuerungslicht parallel zu dem Signallicht koppelt und das Steuerungslicht zusammen mit dem Signallicht zu dem Schaltbereich geführt wird.
Die bevorzugten Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 12 dargelegt.
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Effekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ihrer Ausführungsform in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher.
Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen herkömmlichen optischen Schalter zeigt;
Fig. 2 ist eine Draufsicht des optischen Schalters in Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in den Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in den Fig. 1 und 2;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C' in den Fig. 1 und 2;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die berechnete Charakteristik des Wellenlängen- Reflexionsvermögens zeigt, um eine Arbeitsfunktion eines Gitterschalterbereichs des herkömmlichen optischen Schalters zu erklären;
Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein erstes Beispiel eines optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D' in Fig. 7;
Fig. 9A ist ein Vektordiagramm eines Gitterkopplers für einfallendes Signallicht;
Fig. 9B ist ein Vektordiagramm eines Gitterkopplers für einfallendes Steuerungslicht;
Fig. 10 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein zweites Beispiel des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E' in Fig. 10;
Fig. 12 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein drittes Beispiel des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F' in Fig. 12;
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Beispiels des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht eines fünften Beispiels des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht eines sechsten Beispiels des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 17 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein siebtes Beispiel des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 17.

Beispiel 1

Fig. 7 und 8 veranschaulichen eine der bevorzugten Ausführungsformen eines optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, um den optischen Schalter zu veranschaulichen, und Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D' in Fig. 7.
Der in diesen Figuren veranschaulichte optische Schalter ist als eine Struktur mit zwei rippenförmigen optischen Wellenleitern gebildet, einer für das Steuerungslicht 18 und der andere für das Signallicht 17, die sich beide auf einem laminierten Körper, der durch eine AlGaAs-Mantelschicht 11A, eine GaAs-Kernschicht 10 und einer AlGaAs-Manteischicht 11b auf einem GaAs-Substrat 12 gebildet sind, erheben. Der optische Wellenleiter für Signallicht 17 hat optische Eingangs/Ausgangs-Wellenleiterbereiche auf beiden Enden, und zwischen den zwei Enden sind mehrere verschiedene Bereiche gebildet: Ein Gitterschalterbereich 13 zum Schalten von Transmission und Reflexion des Signallichts; ein Richtkopplerbereich 15 zum Koppeln des Signallichts und des Steuerungslichts; und ein Gitterkopplerbereich 16 zum Trennen des Signallichts und des Steurungslichts. In dieser Ausführungsform ist der optische Wellenleiter für das Signallicht 2 µm breit.
Der Gitterschalterbereich 13 ist durch das herkömmliche Herstellungsverfahren hergestellt. Ein Gittermuster aus Resistmaterial wird zuerst durch Elektronenstrahllithographie gebildet, dann wird es durch Argon-Ionenstrahlätzen geätzt, wobei das Gitter hergestellt wird, und dann wird die dicke Mantelschicht durch MOVPE gewachsen, nachfolgend wird ein Muster des optischen Wellenleiters auf der Mantelschicht durch C&sub2;H&sub6;-RIE gebildet, so daß er sich zu einem rippenförmigen Typ ergibt. In dieser Ausführungsform sind die Gitterkonstante und die Länge des Gitterschalterbereichs 13 0,24 µm bzw. 100 µm, und somit wird der Gitterschalter gebildet, so daß er bei der Bragg- Wellenlänge 1,55 µm, die der Wellenlänge des Signallichts entspricht, anspricht. Der Kopplungskoeffizient κ wird auf ungefähr 300 cm&supmin;¹ oder mehr aus dem Brechungsindex 3,5 des GaAs-Kerns und dem Brechungsindex 3,3 der AlGaAs- Mantelschicht abgeschätzt. Ein maximales Reflexionsvermögen kann bei über 99 % erreicht werden, indem man das Gitter 100 µm lang macht.
Da das Eingangs-Signallicht bei einer Wellenlänge von 1,55 µm liegt, absorbiert der GaAs-Kern nur eine vernachlässigbare Menge des Signallichts, und somit kann der optische Eingangs/Ausgangs-Wellenleiterbereich durch dieselbe GaAs-Schicht wie in dem Gitterbereich verwendet gebildet werden.
Die folgende Beschreibung wird erklären, wie sich das einfallende Licht zwischen den zwei verschiedenen Wellenleitern, die parallel und angrenzend aneinander bereitgestellt sind, fortpflanzt.
Ein von einer Kristallfläche des optischen Wellenleiters eingegebene Lichtstrahl wird durch eine Grenze zwischen der Kernschicht und der Mantelschicht totalreflektiert, und das reflektierte Licht ist in der Kernschicht eingeschlossen und pflanzt sich durch sie durch. Das einfallende Licht pflanzt sich durch die Kernschicht durch, aber es besitzt nicht die Freiheit, jeden Fortpflanzungswinkel anzunehmen. Das einfallende Licht nimmt konstante Fortpflanzungswinkel an, die diskontinuierlich verschieden Winkel annehmen und eine vorgeschriebene Bedingung der Phasenanpassung entsprechend einer Wellenleiterstruktur (einer Kernbreite, eines Brechungsindex und einer Differenz der Vergleichsindizes) und einer Wellenlänge λ des Lichts von einer Lichtquelle (die Wellenzahl ist definiert als k = 2π/λ) erfüllen. Eine Form der optischen Wellenform zum Erfüllen der vorgeschriebenen Bedingung der Phasenanpassung wird als eine "Mode" definiert. Ein elektrisches Feld in dem Wellenleiter kann durch die Summe der ungeraden Mode und der geraden Mode ausgedrückt werden. Wenn zwei Wellenleiter dicht aneinander gebracht werden, werden die ungerade Mode und die gerade Mode in jedem Wellenleiter miteinander gekoppelt. Die Kopplungscharakteristik des Richtkopplers hängt von einer Interferenz zwischen der ungeraden Mode und der geraden Mode in dem Wellenleiter ab. In dem Kopplungsbereich, in dem zwei Wellenleiter dicht aneinander gebracht werden, werden ungerade und gerade Moden in Phase angeregt. In diesem Beispiel geben Ee (X) und βe jeweils eine Verteilung des elektrischen Feldes und eine Fortpflanzungskonstante der geraden Mode an, während Eo (X) und βo jeweils eine elektrische Feldverteilung und Fortpflanzugskonstante der ungeraden Mode angeben. Wenn sich ein Lichtstrahl in einen Wellenleiter (bezeichnet als Kern I) bei einem Eingangsende Z = 0 bewegt, werden ungerade und gerade Moden mit gleichen elektrischen Feldamplituden mit gleichen Phasen an diesem Punkt angeregt. Das elektrische Feld bei dem Eingangsende z = 0 ist gegeben durch:
E (X,0) = E e(X) + E &sub0;(X) = E &sub1;(X)
worin E&sub1; (X) eine lokalisierte elektrische Feldverteilung in dem Kern I angibt.
Dann ist das elektrische Feld bei einem Abstand Z gegeben durch:
E (X,Z) = Ee(X) + E&sub0;(X) exp[j(βe - β&sub0; )Z] .
Da sich diese Moden in dem Kopplerbereich fortpflanzen, tritt eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Moden auf. Die Phasenverschiebung ist gegeben durch
P = (βe - β0) Z
wenn die zwei Moden eine Distanz von
L = π/ (βe - β0)
überqueren, nimmt die Phasenverschiebung einen Wert von π an, und zu diesem Zeitpunkt gilt
E(x,Z) = Ee(X) + E&sub0;(X) = E&sub2; (X)
worin E&sub2; (X) eine lokalisierte elektrische Feldverteilung in einem anderen Wellenleiter (bezeichnet als ein Kern II) angibt. D.h., daß die zusammengesetzte elektrische Feldverteilung der ungeraden und geraden Moden mit einer elektrischen Feldverteilung der Wellenleitermode in dem Kern II außerhalb des Kopplerbereichs zusammenfallen. D.h., das Licht pflanzt sich von dem Kern I zu dem Kern II fort, und das Licht wird in den Kern II ohne jede Abschwächung gekoppelt, wenn die Kopplungslänge einen Wert von L (d.h. eine vollständige Kopplungslänge) annimmt. Die vollständige Kopplungslänge L hängt von der Fortpflanzungskonstanten ab, so daß die vollständige Kopplungslänge mit einer Wellenlänge des Wellenleiterlichts variiert.
Wenn die vollständige Kopplungslänge L&sub1; für das Wellenleiterlicht bei einer Wellenlänge von λ&sub1; und die vollständige Kopplungslänge L&sub2; für das Wellenleiterlicht bei einer Wellenlänge λ&sub2; ist, nimmt der Kopplerbereich 15 von Fig. 15 eine Kopplungslänge Lc an, wobei die Gleichung:
Lc = (2n +1) L&sub1; ( n=0, 1, 2..) erfüllt ist.
Das einfallende Licht bei einer Wellenlänge von λ&sub1; von dem Wellenleiter 18 bewegt sich immer wieder von einem Wellenleiter zu dem anderen und wird schließlich in den Wellenleiter 17 gekoppelt. Die Kopplungslänge Lc ist auch durch die folgende Gleichung gegeben:
Lc = 2nL&sub2; ( n=1, 2...)
Daher bewegt sich das einfallende Licht bei einer Wellenlänge λ&sub2; von dem Wellenleiter 17 immer wieder von einem Wellenleiter zu dem nächsten und wird schließlich aus dem Wellenleiter 17 gekoppelt. Folglich werden diese Strahlen λ&sub1;, λ&sub2; innerhalb des Wellenleiters 17 gekoppelt, und der Bereich 15 wirkt als eine Wellenlängenkoppler.
Wenn Steuerungslicht bei einer Wellenlänge von λ&sub1; = 1,06 µm in dem Wellenleiter 18 bereitgestellt wird, während Signallicht bei einer Wellenlänge von λ&sub2; = 1,55 µm in dem Wellenleiter 17 bereitgestellt wird, werden das einfallende Steuerungslicht und das einfallende Signallicht innerhalb des Wellenleiters 17 gekoppelt, und sie bewegen sich in den Schaltbereich durch denselben optischen Durchgang, wenn der Kopplerbereich 15 eine Kopplerlänge Lc hat, die gegeben ist durch
Lc = 3L&sub1; = 2L&sub2; = 1.8 µm
Wenn das Signallicht bei einer Wellenlänge von 1,55 µm in den Schaltbereich 13 eingegeben wird, wird es von dem Gitter reflektiert. Wenn Steuerungslicht bei einer Wellenlänge von 1,06 µm eingegeben wird und durch denselben Durchgang wie das Signallicht durchgeht, geht das einfallende Steuerungslicht durch GaAs durch und es gibt keine Anregung der Ladungsträger in GaAs-Kern. In diesem Fall kann der Brechungindex der GaAs-Kernschicht durch das elektrische Feld des Steuerungslichts verändert werden, und der Brechungsindex von GaAs kann verändert werden (d.h. der optische Kerr Effekt) . Der optische Kerr-Effekt ist proportional zum Quadrat des optischen Feldes. Daher wird der Brechungsindex von n&sub0; zu n&sub0; + n&sub2; x E ² durch das optische elektrische Feld E verändert, und in diesem Fall ist n&sub2; die Kerr- Konstante (nichtlinearer Brechungsindex des Kerr-Effekts). Jedes Material zeigt seinen eigenen speziellen Wert der Kerr- Konstanten, aber solch ein Wert wird ungefähr um das 1,5- fache durch Aufbauen des Materials als eine Mehrfach- Quantentopf (MQW)-Struktur verbessert werden. In diesem Beispiel nimmt der nichtlineare Brechungsindex n&sub2; des Kerr Effekts einen Wert in der Größenordnung von 10&supmin;¹&sup0; cm² /W an.
Die Differenz Δn, die zum Verschieben der Bragg- Wellenlänge um Δλ=3nm (30Å) erforderlich ist, ist ungefähr 0,007, eine Fleckgröße eines Strahls des Wellenleiterlicht in dem Wellenleiter (d.h., eine Modengröße, die dem Ausmaß des optischen magnetischen Feldes entspricht) ist ungefähr 3 µm².
Die Beziehung zwischen einem Wert der Brechungsindexdifferenz Δnsw, der für den Schaltvorgang erforderlich ist, und einem Wert für die Spitzenleistungsdichte I&sub0; ist gegeben durch
I&sub0; =Δnsw /n&sub2; (W/ cm²)
und die Spitzenleistung des Steuerungslichts wird durch die folgende Gleichung berechnet:
I &sub0; [Modengröße]
In diesem Beispiel wird daher die Spitzenleistung des Steuerungslichts durch die vorstehenden Gleichungen berechnet und nimmt einen Wert von 2,1W an.
Durch Einbringen des Steuerungslichts mit einer Spitzenleistung von 2,1W geht das Signallicht durch das Gitter 13 als Ergebnis der Verschiebung eines Bandes der Bragg-Wellenlänge zu einer kürzeren hin, durch. In diesem Fall beträgt die Schaltzeit ungefähr eine Pikosekunde. Es ist eine sehr kurze Zeit im Vergleich mit der herkömmlichen, da sie nicht von dem Ladungsträgereffekt abhängt.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Signallicht durch das Gitter 13 durchgeht, geht das Steuerungslicht auch durch das Gitter 13 durch, und dann bewegen sich beide Lichtstrahlen in dem Gitterkoppler 16. Ein Betrieb des Gitterkopplers wird durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und 9B beschrieben. Fig. 9A ist ein Vektordiagramm des Gitterkopplers für das Signallicht, während Fig. 9B ein Vectordiagramm des Gitterkopplers für das Steuerungslicht ist. In diesen Figuren ist K = 2π/Δ eine Wellenzahl im Vakuum, nI ist ein Brechungsindex der Mantelschicht, nII ist ein Brechungsindex der Kernschicht, neg ist ein äquivalenter Brechungsindex des Wellenleiters, K = 2π/Δ ist ein Gitterverktor, Λ ist eine Gitterperiode (konstant). Zusätzlich bedeutet "s" Signallicht und "c" bedeutet Steuerungslicht.
Im Fall von sich fortbewegendem Wellenleiterlicht mit einer Fortpflanzungskonstante β = kneg in dem Gitter wird eine räumliche harmonische Welle erzeugt und zeigt eine Fortpflanzungskonstante βq wobei sich die Gleichung ergibt:
βq = β + q K (q = 0, ±1, ±2, ....)
Worin q eine Ordnung ist, die für den Phasenanpassungsvorgang des Gitters verantwortlich ist.
Wenn die Ordnung q einen speziellen Wert annimmt, der die Ungleichung
βq < k nI
erfüllt, wird die räumliche harmonische Welle von der Kernschicht in Richtung nach oben und unten bei einem Strahlungswinkel θ ausgestrahlt, der durch die folgende Gleichung definiert ist.
nis sinθ = βq = k neq + q nis
Wenn der Wert K = 2 π/Λ die Ungleichung
ks nIs βq = β-K < kc nIs
erfüllt, pflanzt sich das Signallicht durch das Gitter ohne jegliche Beeinträchtigung fort, und gleichzeitig wird das Steuerungslicht von dem Gitter ausgestrahlt, und daher ist das Signallicht perfekt von dem Steuerungslicht isoliert.
Gemäß dem Aufbau des optischen Schalters der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, daß das isolierte Signallicht ferner in einen weiteren optischen Schalter eingeführt werden kann, und ein Matrixschalter kann bereitgestellt werden, in dem man eine Vielzahl der optischen Schalter verwendet.
Der vorstehend beschriebene optische Schalter verwendet den Richtkoppler als ein Mittel zum Koppeln des Steuerungslichts und des Signallichts und verwendet auch den Gitterkoppler als Einrichtung zum Trennen des Steuerungslichts und des Signallichts, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Es ist bemerkenswert, daß die Gitterkoppler sowohl für Trennung- als auch für Kopplungsvorgänge verwendet werden können, oder der Gitterkoppler kann nur für den Kopplungsvorgang verwendet werden. Wenn der Gitterkoppler für die Kopplungsvorgänge verwendet wird, sollte sich das Steuerungslicht beispielsweise in dem Schalter bei dem Winkel θ wie vorstehend beschrieben fortbewegen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu schließen, daß der optische Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung keine dissipative Absorption des einfallenden Lichts im Schaltbereich zeigt, da das Schalten bei einem nicht resonanten Bereich durchgeführt wird. Das einfallende Licht wird nur in dem Schaltbereich durch Streuverluste, die auf unter 0,1 dB geschätzt werden, abgeschwächt.
In diesem Beispiel wird GaAs-Volumenmaterial als Kernmaterial verwendet, aber dies ist keine Einschränkung. Bei einem AlGaAs-Halbleiter, einem Halbleiter auf Grundlage von GaAs mit einer Struktur eines GaAs/AlGaAs- Mehrfachquantentopfs oder eines AlGaAs/AlGaAs- Mehrfachquantentopfs oder dgl. kann eine deutliche Verbesserung des Schaltvorgangs erwartet werden. Zusätzlich können Verbindungshalbleiter der Gruppe II-VI mit breiter Bandlücke beispielsweise CdTe, ZnTe, ZnS oder dgl. auch als Kernmaterial verwendet werden. Darüber hinaus kann ein InP- Verbindungshalbleiter mit einer Wellenlänge der Bandlücke, die kürzer als die von Signal- oder Steuerungslicht ist, wie beispielsweise InP, InGaAsP, InGaAlAs oder Mehrfach- Quantentöpfe aus diesem Materialien oder dgl. verwendet werden. Weiterhin kann ein Glasmaterial beispielsweise ein Halbleiter-dotiertes Glas oder dgl. oder ein organisches Material verwendet werden.
Der optische Schalter des vorliegendem Beispiels ist durch das Material aufgebaut, das für das Schalten der Transmission und Reflexion des Wellenleiter-Signallichts verantwortlich ist, und in dem ein Absorptionsspektrum nicht resonant in Bezug auf sowohl Steuerungs- als auch Signallicht ist. Daraus folgt:
(i) die für das AUS-Schalten erforderliche Zeit ist stark reduziert im Vergleich zu der eines herkömmlichen Schalters;
(ii) die dissipative Absorption des einfallenden Signallichts ist stark reduziert;
(iii) die Herstellungskosten können verringert werden, da der Eingangs/Ausgangs-Wellenleiter durch dasselbe Halbleitermaterial des Schaltbereichs aufgebaut ist;
(iv) die Schaltleistung ist verringert;
(v) eine hohe Kosteneffizienz und ein stabiler Schaltbetrieb kännen erzielt werden, da es keinen Bedarf gibt, weitere optische Elemente zu verwenden; und
(vi) die Polarisationsbedingungen von sowohl Signal als auch Steuerungslicht können wahlweise ausgewählt werden.

Beispiel 2

Die Figuren 10 und 11 veranschaulichen eine weitere bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 ist eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung des optischen Schalters, und Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters, die bei einer Ebene E-E' in Fig. 10 aufgenommen ist.
Die Struktur des optischen Schalters ist dieselbe wie die der ersten Ausführungsform, außer, daß der Richtkoppler 15,15' zum Koppeln und Trennen von jeweils Signallicht und Steuerungslicht verwendet werden.

Beispiel 3

Die Figuren 12 und 13 veranschaulichen eine dritte bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 12 ist eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung des optischen Schalters und Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters entlang einer Ebene F-F' in Fig. 12. Die Struktur des optischen Schalters ist dieselbe wie die der ersten Ausführungsform, außer, daß nur ein rippenförmiger Bereich auf dem laminierten Körper gebildet ist, und daß Gitterkoppler 16,16' zum Koppeln und Trennen von jeweils den Signallicht und Steuerungslicht verwendet werden.

Beispiel 4

Fig. 14 veranschaulicht eine vierte bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Figur ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters wie die bei einer Ebene D-D' in Fig. 1, außer, daß der Gitterschaltbereich aus einem Material hergestellt ist, das Steuerungslicht absorbiert.
In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 19 einen InP- Mantelbereich, 20 bezeichnet eine Mehrfachquantentopfstruktur (eine laminierte Struktur aus abwechselnden InGaAs- Quantentopfschichten und InP-Barrierenschichten), 21 bezeichnet eine InGaAsP-Wellenleiterschicht, 22 bezeichnet ein InP-Substrat, 23 bezeichnet einen Gitterschalterbereich zum Schalten der Transmission von Signallicht, 24 bezeichnet einen optischen Eingangs/Ausgangs-Wellenleiterbereich, 25 bezeichnet einen Richtkopplerbereich und 26 bezeichnet einen Gitterkopplerbereich. Zwei Koppler 25, 26 wirken in derselben Weise wie der von Beispiel 1, außer, daß in dem Fall von Beispiel 4 das einfallende Steuerungslicht in der InGaAs/InP- MQW-Struktur durch den Gitterschalterbereich absorbiert wird. Diese Absorption führt zur Erzeugung von Ladungsträgern, was dazu führt, daß der Brechungsindex durch die Ladungsträgereffekte wie beispielsweise Bandfüllung, Plasmaeffekt und dgl. verschoben wird, und das Schalten tritt auf. Gemäß dem herkömmlichen optischen Schalter verschwinden erzeugte Ladungsträger hauptsächlich durch den Rekombinationseffekt und wenig durch den Diffusionseffekt. Gemäß dem vorliegendem Beispiel können andererseits die Ladungsträger in einem Bereich mit 2µm Breite entsprechend einer Breite des Wellenleiters eingeschlossen sein. Der Diffusionseffekt wird zu einem dominierendem Effekt, und die Schaltzeit ist im Vergleich mit der herkömmlichen um eine Stelle verschoben.

Beispiel 5

Fig. 15 veranschaulicht eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Figur ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters wie bei der Ebene E-E' in Fig. 10 außer, daß der Gitterschalterbereich aus einem Material hergestellt ist, das Steuerungslicht absorbiert.

Beispiel 6

Fig. 16 veranschaulicht eine sechste bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung, und die Figur ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters wie bei einer Ebene F-F' in Fig. 12, außer, daß der Gitterschalterbereich aus einem Material hergestellt ist, das Steuerungslicht absorbiert.

Beispiel 7

Die Fig. 17 und 18 veranschaulichen eine siebte bevorzugte Ausführungsform des optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 17 ist eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung des optischen Schalters, und Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht des optischen Schalters entlang einer Ebene G-G' in Fig. 17. Der optische Schalter in dieser Ausführungsform ist derselbe wie der von Beispiel 1, außer, daß die Wellenleiter eine eingebettete Struktur haben.
In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen 30 einen InGaAsP-Kern (λg < λs), 31 bezeichnet eine InP-Mantelschicht, 32 bezeichnet ein InP-Substrat, 33 bezeichnet einen Gitterschalterbereich, 34 bezeichnet einen optischen Eingangs/Ausgangs-Wellenleiter, 35 bezeichnet einen Koppler, 36 bezeichnet einen Gitterkoppler, 37 bezeichnet einen Signallicht-Wellenleiter, und 38 bezeichnet einen optischen Steuerungslicht-Wellenleiter.
Der Gitterschalterbereich ist durch das herkömmliche Herstellungsverfahren gebildet, d.h. zuerst wird ein Gittermuster aus einem Resistmaterial durch Elektronenstrahllithographie gebildet, und dann wird das Halbleitergitter unter Verwendung von Ar-Ionenstrahlätzen hergestellt. Nach Einbetten des Gitters in einer Mantelschicht durch MOVP wird das Wellenleitermuster auf der Mantel- und der Kernschicht durch C&sub2; H&sub6;-RIE gebildet. Und schließlich werden alle Wellenleiter in der Mantelschicht durch MOVPE eingebettet.
Die vorliegende Erfindung ist im Detail in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, und Veränderungen und Modifikationen können gemacht werden, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Ausgestaltungen abzuweichen und es ist daher beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle solche Veränderungen und Modifikationen abdecken.

Claims

1. Optischer Gitterschalter zur AN-AUS-Schaltersteuerung der Transmission von Signallicht und der Reflexion von Signallicht durch Reflexion von Steuerungslicht, umfassend:

ein Halbleitersubstrat (12, 22, 32);

einen ersten optischen Wellenleiter (17, 24, 34) zum Führen des Signallichts, der auf dem Substrat (12, 22, 32) gebildet ist;

einen zweiten optischen Wellenleiter (18, 21, 38) zum Führen von Steuerungslicht, der auf dem Substrat (12, 22, 32) gebildet ist;

einen Schaltbereich (13, 23, 33) für die AN-AUS- Schaltersteuerung, durch den die Transmission von Signallicht und die Reflexion von Signallicht geschaltet werden;

einen Kopplungsbereich (15, 25, 35) zum Koppeln des Steuerungslichts an das Signallicht;

einen Trennbereich (16, 26, 36) zum Trennen des Signallichts und des Steuerungslichts,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Kopplungsbereich (15, 25, 35) das Steuerungslicht parallel zu dem Signallicht koppelt und daß

das Steuerungslicht zusammen mit dem Signallicht zu dem Schaltbereich (13, 23, 33) geführt wird.

2. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (13, 33) ein Gitterschalter aus einem nichtresonanten Material ohne die Fähigkeit, das Steuerungslicht zu absorbieren, ist.

3. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtresonante Material ein Halbleiter ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus III-V-Verbindungen und II-VI-Verbindungen besteht.

4. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Halbleitern der GaAs-Reihe und aus Halbleitern der InP- Reihe besteht.

5. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (23) ein Gitterschalter aus einen Material mit der Fähigkeit, das Steuerlicht zu absorbieren, ist.

6. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit der Fähigkeit, das Steuerlicht zu absorbieren, aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mehrfach-Quantentopfstrukturen aus III-V- Verbindungshalbleitern und II-VI-Verbindungshalbleitern besteht.

7. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsbereich (15, 25, 35) und/oder der Trennbereich (16, 26, 36) ein Richtkoppler ist.

8. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsbereich (15, 25, 35) und/oder der Trennbereich (16, 26, 36) ein Gitterkoppler ist.

9. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (13, 23), der erste (17, 24) und der zweite (18, 21) optische Wellenleiter, der Kopplungsbereich (15,25) und der Trennbereich (16, 26) jeweils in der Struktur eines Rippenwellenleiters gebildet sind, die auf demselben Substrat (12, 22) gebildet sind.

10. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (33), der erste (34) und zweite (38) optische Wellenleiter, der Kopplungsbereich (35) und der Trennbereich (36) jeweils in der Struktur eines eingebetteten Wellenleiters gebildet sind, die auf demselben Substrat (32) gebildet sind.

11. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, ferner umfassend:

einen weiteren Schaltbereich zum Schalten des Signallichts, der durch den ersten optischen Wellenleiter mit dem Trennbereich verbunden ist;

einen dritten optischen Wellenleiter zum Führen von weiterem Steuerungslicht, der auf dem Substrat gebildet ist;

einen weiteren Kopplungsbereich zum Koppeln des weiteren Steuerungslichts parallel zu dem Signallicht und zum Führen des weiteren Steuerungslichts zu dem weiteren Schaltbereich zusammen mit dem Signallicht; und

einen weiteren Trennbereich zum Trennen des Signallichts und des weiteren Steuerungslichts.

12. Optischer Gitterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Schaltbereich (12, 22, 32) aus einem Gitter aufgebaut ist, das in dem ersten optischen Wellenleiter (17, 24, 34) bereitgestellt ist und aus einem monoresonantem Material mit einer Mehrfach- Quantentopfstruktur für die AN-AUS-Schaltsteuerung hergestellt ist, wodurch die Transmission von Signallicht und die Reflexion von Signallicht geschaltet werden;

ein Teil des zweiten optischen Wellenleiters (18, 21, 38) in der Nähe des ersten optischen Wellenleiters (17, 24, 34) vorliegt, so daß ein Richtkoppler gebildet ist, der als ein Kopplungsbereich (15, 25, 35) wirkt;

der Trennbereich (16, 26, 36) aus einem Gitterkoppler aufgebaut ist und mit dem ersten optischen Wellenleiter (17, 24, 34) verbunden ist; und

das Gitter das Signallicht transmittiert, wenn das Steuerungslicht gekoppelt ist, und das Signallicht reflektiert, wenn das Steuerungslicht nicht gekoppelt ist, so daß das Gitter als ein Schalter wirkt.