DE69315435T2 - Mehrzweigiger digitaler optischer schalter - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft generell optische Schalter und insbesondere digitale optische Schalter mit einem Haupt-Wellenleiter, der sich in mindestens drei weitere Wellenleiter verzweigt.
• Optische Wellenleiter werden verwendet, um optische Energie zwischen vorgewählten Wegen zu leiten. Wellenleiter können aus einer Anzahl verschiedener Materialien hergestellt werden, zu denn sowohl kristalline als auch amorphe Materialien zählen. Einige dieser Materialien zeigen einen elektrooptischen Effekt, bei dem in Gegenwart eines elektrischen Feldes Änderungen des Brechungsindexes auftreten. Ein Wellenleiter kann erzeugt werden, indem aufeinanderfolgende kristalline Schichten aus z.B. Galliumaluminiumarsenid (Glas) und Galliumarsenid (GaAs) gezüchtet werden. Weitere Beispiele für Materialien, die zur Herstellung von Wellenleitern geeignet sind, sind Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), Zinkoxid (ZnO) und glasige Polymere, die mit nichtlinearen optischen Anteilen dotiert sind. Die Möglichkeit zum Verändern des Brechungsindexes mit einem elektrischen Feld ist nützlich für die Herstellung optischer Schaltungen, bei denen optische Schalter und Modulatoren verwendet werden. Optische Wellenleiter sind verwendbar zur Bildung photonischer Chips, die zur optischen Aufzeichnung, für die Telekommunikation, für Rechenvorgänge und zum Abbilden von Graphik verwendet werden können.
• Optische Wellenleiter, die einen Eingangs-Abzweig und zwei Ausgangs-Abzweige aufweisen, sind als Y-Schalter bekannt. US- A-3,883,220 beschreibt einen Y-Schalter, der sich in zwei räumliche getrennte optische Wege verzweigt. Bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes wird in den Wellenleiter eintretendes Licht zu gleichen Anteilen zwischen den beiden Wegen aufgeteilt. Wenn ein entsprechendes elektrisches Feld an einem der optischen Wege aufgebracht wird, wird der Brechungsindex dieses Weges verkleinert und, so daß er optische Energie aus diesem Weg zu dem anderen Weg ablenkt oder umschaltet. US-A- 4,070,092 beschreibt einen Y-Schalter, bei dem der Brechungsindex des einen Armes des Y um einen geringen Betrag, Δn, vergrößert wird und der Brechungsindex des zweiten Arms und den gleichen Betrag verkleinert wird.
• Optische Wellenleiter, die zwei Eingangs-Abzweige und zwei Ausgangs-Abzweige aufweisen, sind als X-Schalter bekannt. US- A-4,775,207 beschreibt einen X-Schalter, der zwei konvergierende Eingangs- und zwei divergierende Ausgangs-Wellenleiter und Elektroden aufweist, um angrenzend an den Konvergierungspunkt der Ausgangs-Wellenleiter ein elektrisches Feld zu erzeugen.
• Bei einem X- oder Y-Schalter, bei dem beide Ausgangs-Abzweige den gleichen Brechungsindex haben, wird die optische Energie, die in irgendeinem gegebenen lokalen Normal-Modus in den Schalter eintritt, zu gleichen Anteilen zwischen den Ausgangs- Abzweig-Wellenleitern aufgeteilt. Falls jedoch einer der Ausgangs-Abzweige einen höheren Brechungsindex als der andere Abzweig hat, tendieren die örtlichen Normal-Modi der niedrigeren Ordnung dazu, durch denjenigen Ausgangs-Abzweig auszutreten, der den höheren Brechungsindex hat, während die örtlichen Normal-Modi der höheren Ordnung dazu tendieren, durch denjenigen Ausgangs-Abzweig auszutreten, der den niedrigeren Brechungsindex hat.
• Bei einen digitalen Schalter handelt es sich um einen Schalter, durch den hindurch Licht nahezu adiabatisch ausgebreitet wird. Eine adiabatische Ausbreitung impliziert eine Veränderung der Wellenleiter-Parameter, die niedrig genug bemessen ist, daß die optische Energie, die in einem gegebenen lokalen Normal-Modus in den Schalter eintritt, im wesentlichen in diesem Modus verbleibt, wenn sie durch die Ausgangs-Abzweig-Wellenleiter hindurchtritt. Somit tritt keine wesentliche Modus- Konversion oder Energieübertragung zwischen den lokalen Normal-Modi auf.
• Somit wird, falls die optische Energie in dem lokalen Normal- Modus niedrigerer Ordnung in den Schalter eintritt, das Licht dazu tendieren, durch denjenigen Ausgangs-Abzweig-Wellenleiter auszutreten, der den höheren Brechungsindex hat, was in einem hohen Auslöschungsverhältnis resultiert, falls die Ausbreitung der Energie durch den Schalter im wesentlichen adiabatisch ist. Bei dem Auslöschungsverhältnis handelt es sich um den Betrag der aus einem Abzweig austretenden optischen Energie, dividiert den Betrag der aus dem anderen Abzweig austretenden optischen Energie. Auslöschungsverhältnisse werden typischerweise logarithmisch in Decibel (dB) ausgedrückt: 10 dB sind einem Verhältnis von 10:1 äquivalent, 20 dB sind 100:1 äquivalent, und 30 dB sind 1.000:1 äquivalent.
• Im wesentlichen das gesamte Licht, das in den Schalter eintritt, tritt durch den einen seitlichen Abzweig oder den anderen aus. "Verlust" ist definiert als der Prozentanteil des in den Schalter eintretenden Lichtes, der durch den "Aus"-Abzweig austritt oder in den Hintergrund - z.B. das Substrat etc. - abstrahlt.
• Eine adiabatische Ausbreitung tritt nicht auf, wenn der Winkel zwischen benachbarten Ausgangs-Abzweigen nicht klein ist. Gemäß den Erläuterungen von Y. Silberberg, P. Perimutter und J.E. Baran in ihrem Artikel mit dem Titel "Digital Optical Switch", erschienen in Applied Physics Letters 51 (16), 19. Oktober 1987, pp. 1230-1232, sollte der Winkel sehr viel kleiner sein als δβ/γ wobei δβ die mittlere Differenz zwischen den Ausbreitungskonstanten der beiden Normal-Modi und γ ihre Quer-Ausbreitungskonstante in dem Ummantelungsbereich ist. Typischerweise ist γ = 50δβ, was einen Winkel ergibt, der sehr viel kleiner ist als 0,02 Radiant (1,10º).
• Silberberg et al. beschreiben ein Auslöschungsverhältnis von 20 dB bei ±15 Volt für einen zwischen seitlichen Abzweigen bestehenden Winkel von 1 Milliradiant (0,06º). Da dieser Winkel derart klein ist, war es erforderlich, den Schalter mindestens 1,5 cm lang zu machen, damit die Enden der Ausgangs- Abzweig-Wellenleiter weit genug (15 µm) getrennt werden können, um zu gewährleisten, daß die Verbindung zwischen den seitlichen Abzweigen zu dem Zeitpunkt, zu dem das Licht das Ende des Schalters erreicht, vernachlässigbar ist. Genau dieser Trennungsabstand von 15 µm zwischen den Abzweigen ist kritisch für das Entkoppeln des Lichtes zwischen den Abzweigen des Schalters. Die zum Entkoppeln des Lichtes erforderliche Länge des Schalters steht in trigonometrischer Beziehung zu dem Winkel zwischen den Abzweigen und deren Trennung am Ende des Schalters.
• Somit kann der von Silberberg et al. beschriebene Schalter nur dadurch verkürzt werden, daß der Winkel zwischen den Abzweigen vergrößert wird. Wenn jedoch der Winkel vergrößert wird, wird die Ausbreitung wesentlich weniger adiabatisch, bis der Schalter aufhört, digital zu arbeiten.
• Der für das digitale Schalten - d.h. die adiabatische Ausbreitung - erforderliche Winkel zwischen den seitlichen Abzweigen beträgt weniger als 0,2º bei Berechnung mittels der Beam Propagation Method (BPM) gemäß dem mit "Optical LiNbO&sub3; 3-branched Waveguide and its Application to a 4-port Optical Switch" betitelten Artikel von K. Mitsunaga, K. Murakami, M. Masuda and J. Koayma, erschienen in Vol 19, Nr. 22 von Applied Optics, 15. November, 1980, pp. 3837-3842 (im folgenden "Mitsunaga et al."). Das Strahlenausbreitungsverfahren (BPM) ist ein Verfahren zum Berechnen der Ausbreitung von Licht durch einen Wellenleiter, wenn das elektrische Feld lokalisiert ist. BPM wird erläutert in einem Artikel mit dem Titel "Light Propagation in Graded-Index Optical Fibers" von M.D. Feit und J.A. Fleck, Jr. erschienen in Applied Optics, Vol 17, Nr. 24, 15. Dezember 1978, pp. 3990-3998.
• Ferner sind Schalter mit drei Ausgängen (oder Eingängen) bekannt. US-A-4,813,757 beschreibt einen 1x3-Abzweig-Schalter, der zwischen dem mittleren Abzweig und jedem seitlichen Abzweig ein Winkel von 7º aufweist, der viel zu groß ist, um eine adiabatische Ausbreitung zu gestatten. Mitsunaga et al. beschreiben einen 1x3-Abzweig-Schalter, der zwischen benachbarten Abzweigen einen Winkel von 1º aufweist, der wiederum zu groß ist, um eine adiabatische Ausbreitung zu gestatten. In einem Artikel mit dem Titel "Design Optimization and Implementation of an Optical Ti:LiNbO&sub3; 3-branch Switch by the Beam Projection Method", erschienen in SPIE Vol 1177, Integrated Optics and Optoelectronics, pp. 216-227 (1989) beschreiben M.A. Serkerka-Bajbus und G.L. Yip einen 1x3-Abzweig-Schalter, der zwischen benachbarten Abzweigen einen Winkel von 0,01 Radiant (0,6º) aufweist, der immer noch zu groß ist, um eine nennenswerte adiabatische Ausbreitung zu gestatten.
• Der von R.N. Thurston in SPIE Proceedings Vol 836 (1987), S. 211-219 veröffentlichte Artikel (im folgenden als Thurston I bezeichnet) beschreibt einen digitalen optischen Mehrkanal- Schalter mit einem Haupt-Wellenleiter mit einem ersten und einem zweiten Ende, zwei seitlichen Abzweig-Wellenleitern, die von dem zweiten Ende des Haupt-Wellenleiters abgehen, und drei mittleren Abzweig-Wellenleitern. Jeder mittlere Abzweig-Wellenleiter ist an einem Ende mit dem zweiten Ende des Haupt- Wellenleiters verbunden. Sämtliche mittleren Abzweig-Wellen leiter sind zwischen den beiden seitlichen Abzweig-Wellenleitern angeordnet, wobei der Winkel, der zwischen jedem Paar benachbarter Abzweige gebildet ist, hinreichend klein ist, daß die Modell-Entwicklung in dem Schalter im wesentlichen adiabatisch ist. Ferner beschreibt Thurston I eine Einrichtung zum Vergrößern des Brechungsindex des Brechungsindex eines seitlichen Abzweig-Wellenleiters um einen Betrag Δn über dem Brechungsindex des Haupt-Wellenleiters.
• Ein weiterer Artikel von R.N. Thurston, veröffentlicht im IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-23 (1987), S. 1245- 1254 (im folgenden als Thurston II bezeichnet) beschreibt einen Mehrkanal-Abzweig-Wellenleiter, bei dem die Ausgangs- Wellenleiter unterschiedliche Weiten haben. Thurston II führt an, daß der Brechungsindex der verschiedenen Abzweig-Kanäle ferner mittels des elektrooptischen Effektes dynamisch variiert werden kann, wobei der Brechungsindex nicht monoton von dem am weitesten links gelegenen Abzweig-Kanal zu dem am weitesten rechts gelegenen Abzweig-Kanal ansteigt. Ferner beschreibt Thurston II eine Einrichtung, bei der die Kanäle in der Reihenfolge der zunehmenden Kanal-Weite angeordnet sind.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, einen drei Abzweige aufweisenden digitalen Schalter zu schaffen, der eine adiabatische Abweichung mit einem Auslöschungsverhältnis ermöglicht, das 20 dB (100:1) übersteigt, wobei die Länge des Schalters kürzer sein soll als bei derzeit erhältlichen digitalen Schaltern, um eine bessere Integration der Schalter in optische Schaltungen möglich zu machen.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen digitalen optischen Mehrkanal-Schalter gemäß den in den Ansprüchen 1 und 5 gegebenen Definitionen gelöst. Die Unteransprüche betreffen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele
• Ein digitaler optischer Mehrkanal-Schalter gemäß der Erfindung weist einen Haupt-Wellenleiter auf, der sich in drei zusätzliche Wellenleiter verzweigt: einen mittleren Abzweig-Wellenleiter und zwei seitliche Abzweig-Wellenleiter. Die beiden seitlichen Abzweig-Wellenleiter gehen von dem Haupt-Abzweig-Wellenleiter unter einem Winkel ab, der derart hinreichend klein ist, daß die Modell-Entwicklung in dem Schalter im wesentlichen adiabatisch ist, während sich der mittlere Abzweig-Wellenleiter nur so weit erstreckt, wie es nötig ist, um zu gewährleisten, daß hinter dem Ende des mittleren Abzweig-Wellenleiters die Kopplung zwischen den seitlichen Abzweigen vernachlässigbar ist. Der Schalter weist eine Einrichtung auf, um den Brechungsindex des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters über den Brechungsindex des Haupt-Abzweig-Wellenleiters zu erhöhen, jedoch den Brechungsindex des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters unter den Brechungsindex des Haupt-Abzweig-Wellenleiters zu verkleinern.
• Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein digitaler optischer Mehrkanal-Schalter einen Haupt- Wellenleiter auf, der sich in m+2 Wellenleiter verzweigt: zwei seitliche Abzweig-Wellenleiter und m mittlere Abzweig-Wellenleiter, wobei m eine positive Ganzzahl ist. Die beiden seitlichen Abzweig-Wellenleiter gehen mit Winkeln, die derart hinreichend klein sind, daß die Modell-Entwicklung in dem Schalter im wesentlichen adiabatisch ist, symmetrisch von dem Haupt-Abzweig-Wellenleiter ab.
• Der Schalter weist eine Einrichtung auf, um den Brechungsindex des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters um einen Betrag Δn über den Index des Haupt-Wellenleiters zu erhöhen und den Brechungsindex des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters um einen Betrag Δn unter den Index des Haupt-Wellenleiters zu verkleinern.
• Die neuartigen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die auf die zugehörigen zeichnungen Bezug nimmt, deutlicher ersichtlich.
• Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen 1x3-Abzweig-Schalter gemäß der Erfindung;
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Elektroden, die zum Induzieren eines elektrischen Feldes in dem 1x3-Abzweig-Schalter gemäß Fig. 1 verwendet werden; und
• Fig. 3 veranschaulicht das pro Abzweig emittierte Licht als Funktion der zugeführten Spannung des 1x3-Abzweig- Schalters gemäß Fig. 1.
• Fig. 1 zeigt einen gemäß der Erfindung ausgebildeten 1x3-Abzweig-Schalter 10. Dieser 1x3-Abzweig-Schalter 10 wird aufgrund seiner Ähnlichkeit mit dem griechischen Buchstaben ψ als Psi(ψ)-Schalter bezeichnet. Der ψ-Schalter 10 weist einen Haupt-Wellenleiter 12, einen mittleren Abzweig-Wellenleiter 14 und seitliche Abzweig-Wellenleiter 16 und 18 auf. Der mittlere Abzweig-Wellenleiter 14 kann die gleiche Länge haben wie die seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18, oder er kann gemäß Fig. 1 mit einer kürzeren Länge enden. Die seitlichen Abzweig- Wellenleiter 16 und 18 sind an einer Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden, die auch den Haupt-Wellenleiter 12 und den mittleren Abzweig 14 miteinander verbindet. Die seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18 weichen in bezug auf den mittleren Abzweig 14 jeweils um einen Winkel 6 ab. (Somit sind die seitlichen Abzweige 16 und 18 um 20 voneinander getrennt.) Der Winkel θ zwischen benachbarte Abzweigen muß hinreichend klein sein, um zu gewährleisten, daß ein Lichtstrahl nahezu adiabatisch, d.h. ohne eine signifikante Konversion des Modus, durch den Schalter 10 hindurchtreten kann.
• Die Wellenleiter 12, 14, 16 und 18 können die gleiche Weite und das gleiche Brechungsindex-Profil (d.h. die gleiche Ausbreitungskonstante) aufweisen, wenn sie nicht miteinander gekoppelt sind. Der Brechungsindex der beiden seitlichen Abzweige kann durch den elektrooptischen Effekt, der durch eine geeignete Anordnung von Elektroden erzielt wird, verändert werden. Der Brechungsindex kann auch durch mehrere andere Mittel verändert werden, zu denen der magnetooptische Effekt, der akustooptische Effekt, die Temperatur und die Einführung von Ladungsträgern zählen.
• Eine typische Elektrodenanordnung 30 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Elektrodenanordnung 30 weist ein erstes Paar symmetrischer Elektroden 32 und 34 auf, die sich entlang sowie oberhalb der seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18 erstrecken. Ein zweites Paar symmetrischer Elektroden 36 und 38 erstreckt sich entlang der Außenflächen der seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18. Die Elektrode 32 ist elektrisch mit der Elektrode 38 verbunden, und die Elektrode 34 ist elektrisch mit der Elektrode 36 verbunden. Eine (nicht gezeigte) Energiequelle erzeugt ein elektrisches Differenzpotential zwischen den Elektroden 32 und 36 und zwischen den Elektroden 34 und 38. Dieses wiederum erzeugt ein durch die seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18 verlaufendes elektrisches Feld, das die Brechungsindizes der seitlichen Abzweig-Wellenleiter beeinflußt.
• Mittels BPM wurden Intensitäts-/Amplituden-Profile für einen ψ-Schalter berechnet, bei dem angenommen wurde, daß das Licht in den Haupt-Wellenleiter 12 eintritt und durch die Abzweig- Wellenleiter 14, 16 und 18 austritt. Es wurde angenommen, daß die seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 und 18 von dem mittleren Abzweig 14 jeweils um einen Winkel θ von 2,5 Milliradiant (0,14º) abweichen. Für sämtliche vier Wellenleiter wurden gleiche Ausbreitungskonstanten angenommen. Es wurde vorausgesagt, daß nahezu 50% des Lichtes durch den mittleren Abzweig 14 austreten würde und 25% durch jeden seitlichen Abzweig 16 und 18 austreten würde. Die Verteilung des austretenden Lichtes stimmt mit den Erwartungen für den Fall überein, in dem die Modal-Entwicklung des Lichtes bei dessen Hindurchtreten durch den Ψ-Schalter adiabatisch ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die seitlichen Abzweige 16 und 18 von dem mittleren Abzweig 14 unter einem Winkel θ = 2,5 Milliradiant (0,14º) ab. Der Brechungsindex des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters ist über den Brechungsindex des mittleren Abzweig-Wellenleiters hinaus vergrößert, und der Brechungsindex des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters ist unter denjenigen des mittleren Abzweigs 14 verkleinert. Falls der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 16 um 0,0005 unter denjenigen des mittleren Abzweig- Wellenleiters 14 abgesenkt wird und derjenige des seitlichen Abzweigs 18 um 0,0005 über denjenigen des mittleren Abzweig- Wellenleiters 14 angehoben wird (was durch LiNbO&sub3; und andere elektrooptische Medien erzielt werden kann), wird mittels BPM vorausgesagt, daß 97% des in den Haupt-Wellenleiter 12 eintretenden Lichtes durch den seitlichen Abzweig 18 austritt, ungefähr 2% durch den mittleren Abzweig 14 austritt und nur 0,015% durch den seitlichen Abzweig 16 austritt. Dies ergibt ein theoretisches Auslöschungsverhältnis von 6500:1 (38 dB) zwischen den beiden seitlichen Abzweigen des Ψ-Schalters und einen Verlust von 3% von dem Mittel-Abzweig und Strahlungs- Modi.
• Eine ähnliche Berechnung für einen herkömmlichen Ψ-Schalter, die unter gleichen Bedingungen und mit einem zwischen den seitlichen Abzweigen vorhandenen Winkel θ von 2,5 Milliradiant (0,14º) getroffen wird, führt zu der Voraussage, daß 94,5% des in den Haupt-Wellenleiter eintretenden Lichtes durch den einen seitlichen Abzweig austritt und 4,5% durch den anderen austritt, wobei ein Verlust von 1% besteht. Dies führt zu einem Auslöschungsverhältnis von nur 21:1 (13 dB) zwischen den Abzweigen de Y-Schalters. Somit wird durch das Hinzufügen eines mittleren Abzweigs 14 ein Ψ-Schalter mit einem theoretischen Auslöschungsverhältnis geschaffen, das um einen Faktor von 300:1 (25 dB) größer ist als dasjenige des Y-Schalters.
• Das Hinzufügen des abgeschlossenen mittleren Abzweig zu dem Y- Schalter bietet den zusätzlichen Vorteil, daß man einen Schalter schaffen kann, der kürzer ist als ein in vergleichbarer Weise arbeitender Y-Schalter, ohne daß irgendeine Minderung des Auslöschungsverhältnisses auftritt. Dies ist der Fall, weil der Schalter lang genug sein muß, daß zu dem Zeitpunkt, zu dem das Licht aus dem Schalter austritt, im wesentlichen keine Kopplung von Licht zwischen den seitlichen Abzweigen erfolgt. Da die Länge des Schalters, die zu einem hinreichenden Trennen der Enden der seitlichen Abzweige erforderlich ist, in trigonometrischer Beziehung zu dem Winkel θ und der Trenn-Distanz 15 µm steht, führt eine Verkleinerung des Winkels zwischen den seitlichen Abzweigen dazu, daß die Länge des Schalters, die zum hinreichenden Trennen der Enden der seitlichen Abzweige erforderlich ist, zunimmt. Beispielsweise braucht ein nichtadiabatischer Y-Schalter, zwischen dessen Abzweigen ein Winkel von 10 besteht, nur 0,9 mm lang zu sein, um eine Enden-Trennung von 15 µm zwischen seinen Abzweigen aufzuweisen. Falls jedoch der Winkel auf 1 Milliradiant (0,06º) verkleinert wird, damit sich der Schalter adiabatisch verhält, muß der Schalter 1,5 cm lang sein, um eine Enden- Trennung von 15 µm aufzuweisen.
• Bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Schalter jedoch ist der zum Ermöglichen einer adiabatischen Ausbreitung erforderliche Winkel nicht durch den Winkel zwischen den seitlichen Abzweigen bestimmt, sondern vielmehr durch den Winkel zwischen benachbarten Abzweigen. Somit hat der erfindungsgemäße Ψ- Schalter ein Auslöschungsverhältnis, das demjenigen eines herkömmlichen Y-Schalters vergleichbar ist, wobei der Winkel zwischen benachbarten Abzweigen in dem Ψ-Schalter dem Winkel zwischen den seitlichen Abzweigen des Y-Schalters gleicht. Bei einem erfindungsgemäßen 1x3-Abzweig-Schalter, bei dem der mittlere Abzweig von den beiden seitlichen Abzweigen um einen Winkel θ von 1 Milliradiant getrennt war (so daß der Winkel zwischen den beiden seitlichen Abzweigen 20 oder 2 Milliradiant (0,12º) betrug), müßte somit der Schalter 7,5 mm lang sein, um eine Enden-Trennung von 15 µm zwischen den beiden seitlichen Abzweigen zu erzielen. Ein derartiger Schalter hätte ein Auslöschungsverhältnis, das einem doppelt so langen Y-Schalter vergleichbar wäre.
• Es wird angenommen, daß durch die Hinzufügung des mittleren Abzweigs zu dem Y-Schalter mit der treppenstufenartigen Anordnung der Brechungsindizes in den drei Abzweig-Wellenleitern die Modal-Entwicklung des Lichtes, während es durch den Schalter hindurchtritt, sehr viel adiabatischer ist als in dem Fall, in dem nur die seitlichen Abzweige vorhanden sind. Der mittlere Abzweig scheint einen Schlüsseleffekt auf die Leistung des Ψ-Schalters zu haben.
• Dies läßt sich durch Verwendung eines einfachen heuristischen Modells verstehen, bei dem eine Photonen-Durchtunnelung zwischen Potential-Mulden erfolgt. Bei diesem Modell repräsentiert jeder Abzweig-Wellenleiter in dem Ψ-Schalter eine Potential-Mulde für Photonen. Der mittlere Kanal ist ein Pseudo- Kanal, der für einen gegebenen Winkel zwischen seitlichen Abzweigen die Kopplung zwischen den seitlichen Abzweigen begünstigt, indem er eine zusätzliche Potential-Mulde schafft, die die Weite der Barriere reduziert, welche die Photonen durchtunneln müssen, wenn sie sich von einem seitlichen Abzweig zu dem anderen bewegen. Dies erzeugt eine zusätzliche Kopplung zwischen den seitlichen Abzweigen, die den Betrag der bei der Ausbreitung auftretenden Modal-Konversion reduziert und somit die Ausbreitung adiabatischer macht, wodurch wiederum das Auslöschungsverhältnis für einen gegebenen Winkel zwischen seitlichen Abzweigen gegenüber dem herkömmlichen Y- Schalter, der den gleichen Winkel zwischen seitlichen Abzweigen aufweist, um eine oder mehrere Größenordnungen vergrößert wird.
• Der mittlere Abzweig erstreckt sich nur so weit, wie es erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß an dem Punkt, an dem der mittlere Abzweig endet, die direkte Kopplung zwischen den seitlichen Abzweigen vernachlässigbar ist. Nachdem der mittlere Abzweig geendet hat, wird weiterhin sämtliches verbleibende Licht in den seitlichen Abzweigen darin eingeschlossen, wobei das aus dem mittleren Abzweig austretende Licht in den Hintergrund wegstrahlt. Dadurch wird ein digitaler Schalter mit niedrigem Verlust, hohem Auslöschungsverhältnis und im Vergleich zu derzeit erhältlichen Schaltern kürzerer Länge zwischen den Eintritts- und Austrittsenden geschaffen.
• Der Psi-Schalter 10 ist verwendbar zum digitalen Schalten eines Lichtstrahls, der auf den Haupt-Wellenleiter 12 auftrifft. In den Haupt-Wellenleiter 12 eintretendes Licht tritt in veränderlichen Mengen, die eine Funktion der Größe der durch die Elektroden aufgebrachten Spannung sind, durch die Abzweig-Wellenleiter 14, 16 und 18 aus. Fig. 3 zeigt ein Schaubild zur Darstellung der Intensität des Lichtes, das als Funktion des angelegten Potentials in Volt aus jedem Wellenleiter austritt.
• Die Intensität des aus dem seitlichen Abzweig 16 austretenden Lichtes ist durch die Linie 50 gezeigt und durch Quadrate markiert, die Intensität des aus dem seitlichen Abzweig 18 austretenden Lichtes ist durch die Linie 52 gezeigt und durch Kreise markiert, und die Intensität des aus dem mittleren Abzweig 14 austretenden Lichtes ist durch die Linie 54 gezeigt und durch Dreiecke markiert. Wenn keine Spannung angelegt wird, tritt der Großteil (ungefähr 3/5) des auftreffenden Lichtes aus dem mittleren Abzweig 14 aus, und der Rest tritt in gleichen Mengen (jeweils 1/5) aus den seitlichen Abzweigen 16 und 18 aus. Wenn die angelegte Spannung zunehmend positiv wird, nimmt der Ausgang aus dem seitlichen Abzweig 18 und dem mittleren Abzweig 14 ab, während der Ausgang aus dem seitlichen Abzweig 16 zunimmt. Wenn umgekehrt die angelegte Spannung zunehmend negativ wird, nimmt der Ausgang aus dem seitlichen Abzweig 16 und dem mittleren Abzweig 14 ab, während der Ausgang aus dem seitlichen Abzweig 18 zunimmt. Es sind Schalter hergestellt worden, die ein Auslöschungsverhältnis von 28 dB (700:1) aufweisen, wobei in dem Schalter 0 = 2,5 Milliradiant (0,14º) war und der Brechungsindex um ungefähr 1,5 x 10&supmin;&sup4; vergrößert wurde, während der Index des anderen Abzweigs um 1,5 x 10&supmin;&sup4; verkleinert wurde, und zwar bei einer angelegten Spannung von ±15 Volt.
• Es ist nicht erforderlich, daß sämtliche Abzweig-Wellenleiter die gleiche Weite haben. Beispielsweise kann der Verlust in dem Schalter reduziert werden, indem die Weite des mittleren Abzweig-Wellenleiters kleiner gemacht wird als die Weite der seitlichen Abzweig-Wellenleiter und dadurch der effektive Brechungsindex des mittleren Abzweigs verkleinert wird, so daß weniger Lichtstrahlen aus dem mittleren Abzweig austreten. Der Nachteil dabei ist jedoch, daß dies zu einem Absinken des Auslöschungsverhältnisses des Schalters führt.
• Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß man, statt die Lichtstrahlen durch den Haupt- Wellenleiter 12 einzuleiten und durch die mittleren und seitlichen Abzweig-Wellenleiter austreten zu lassen, die Lichtstrahlen durch einen der seitlichen Abzweig-Wellenleiter 16 oder 18 einleitet und durch den Haupt-Wellenleiter 12 austreten läßt. Lichtstrahlen, die nicht durch den Haupt-Wellenleiter 12 austreten, werden in ein (nicht gezeigtes) Substrat gestrahlt. Falls z.B. der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 16 über den Index des mittleren Abzweig-Wellenleiters 14 angehoben wird, dann wird das meiste Licht, das derart ausgerichtet ist, daß es auf den seitlichen Abzweig 16 auftrifft, aus dem Haupt-Wellenleiter ausgegeben. Falls umgekehrt der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 16 unter den Index des mittleren Abzweig-Wellenleiters 14 abgesenkt wird, dann wird ein sehr kleiner Anteil des Lichtes, das derart ausgerichtet ist, daß es auf den seitlichen Abzweig 16 auftrifft, aus dem Haupt-Wellenleiter ausgegeben. Das Verhältnis zwischen demjenigen Licht, das aus dem Haupt-Wellenleiter 12 ausgegeben wird, wenn der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 16 um 1,5 x 10&supmin;&sup4; vergrößert wird, und demjenigen Licht, das aus dem Haupt-Wellenleiter ausgegeben wird, wenn der Index des seitlichen Abzweigs 16 um 1,5 x 10&supmin;&sup4; verkleinert wird, betrug 700:1 (28 dB) bei einer zugeführten Spannung von ±15 Volt.
• Gemäß einer (nicht gezeigten) weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Schalter 10 einen oder mehrere mittlere Abzweig-Wellenleiter aufweisen, die an einer Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden sind. Ein derartiger Schalter weist m mittlere Abzweig-Wellenleiter zwischen den seitlichen Abzweig-Wellenleitern 16 und 18 auf, wobei m eine positive Ganzzahl ist. Der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 16 kann um einen Betrag Δn über denjenigen des mittleren Abzweig-Wellenleiter 14 vergrößert werden, während der Brechungsindex des seitlichen Abzweigs 18 um den gleichen Betrag verkleinert wird. Der Brechungsindex der m mittleren Abzweige kann auf dem gleichen Betrag gehalten werden wie der Index des Haupt-Wellenleiters 12 (d.h. Δn=0), oder die mittleren Abzweige können andere Indizes aufweisen, die zwischen den Indizes der seitlichen Abzweige 16 und 18 liegen. Beispielsweise können die Brechungsindizes der m mittleren Abzweig-Wellenleiter derart ausgelegt sein, daß jeder mittlere Abzweig-Wellenleiter einen Brechungsindex hat, der von demjenigen der ihm benachbarten Wellenleiter um 2Δn(m+1) abweicht. Somit unterscheidet sich bei m=l, d.h. einem Ψ-Schalter, jeder Abzweig-Wellenleiter um 2Δn/2=Δn; für m=2, d.h. einem 1x4-Abzweig-Schalter, unterscheidet sich jeder Abzweig-Wellenleiter um 2/3Δn; und für m=3, d.h. einem lxs-Abzweig-Schalter, unterscheidet sich jeder Abzweig-Wellenleiter um 1/2Δn, etc. Falls m eine ungerade Ganzzahl ist, existiert ein mittlerer Abzweig, der zentral zwischen den seitlichen Abzweigen 16 und 18 angeordnet ist, und somit braucht der Brechungsindex dieses Abzweigs nicht geändert zu werden. Somit müßten nur die Brechungsindizes von m-1 der m mittleren Abzweige eingestellt werden.
• Durch die Verwendung zusätzlicher mittlerer Abzweige wird bei einem gegebenen Schalter das Auslöschungsverhältnis eines Schalters vergrößert, und es wird bei einem gegebenen Anwendungsfall eine Reduzierung der erforderlichen Länge des Schalters ermöglicht. Die erforderliche Länge L des Schalters nimmt als Funktion der Anzahl von mittleren Abzweigen m ab.
• Die gemäß der Erfindung ausgebildeten optischen Schalter werden durch einen Vorgang hergestellt, der dem in US-A-4,400,052 beschriebenen Vorgang ähnlich ist. Es wird ein Substrat aus einem optisch anisotropen Material gewählt, das zwei Brechungsindizes im Inneren und kristallographische Richtungen x, y und z aufweist, wobei die z-Richtung in der Hauptfläche des Substrats angeordnet ist. Ein bevorzugtes Material für das Substrat ist Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), jedoch können auch andere Materialien verwendet werden, z.B. Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), Halbleiterzusammensetzungen der Gruppen III-V, wie z.B. GaAs, ZnSe etc., NLO-Polymere, MgO-dotiertes LiNbO&sub3;, und andere anorganische und organische elektrooptische dielektrische Materialien. Im Fall von LiNbO&sub3; werden dann schmale und seichte Wellenleiter in der Oberfläche des Substrats ausgebildet, und zwar durch selektiven Protonen-Austausch mittels eines Vorgangs, der die folgenden Schritte umfaßt.
• Zuerst wird eine ungefähr 100 nm dicke Schicht aus Titan als Vorderseiten-Maskenmaterial mittels Elektronenstrahlevaporation aufgetragen. Anschließend wird eine ungefähr 70 nm dicke Schicht aus Titan als Rückseiten-Maskenmaterial mittels Elektronenstrahlevaporation aufgetragen. Dann wird eine Wellenleiter-Pegel-Photolithographie durchgeführt, und die Vorderseiten- und Rückseiten-Metalle werden für ungefähr 10 Minuten in einer auf EDTA-Basis vorliegenden Titan-Ätzlösung geätzt, um die Wellenleiter-Maske zu definieren. Anschließend wird eine ungefähr 200 nm dicke zweite Schicht aus Titan mittels Elektronenstrahlevaporation als Rückseiten-Maskenmaterial aufgetragen. In sämtlichen der oben angeführten Schritte kann das Titan durch Aluminium oder andere alternative Metalle ersetzt werden.
• Als nächstes erfolgt der zum Definieren der Wellenleiter vorgesehene Protonen-Austausch-Vorgang in einer Protonen-Quelle wie z.B. einem Benzoesäurebad. Die Substrate werden für ungefähr 30 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 175ºC in dem Bad plaziert. Anschließend wird eine ungefähr 230 nm dicke Schicht aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;) mittels eines atmosphärischen CVD-Vorgangs aufgetragen und für ungefähr 3 1/2 Stunden bei 350ºC mit den Lithiumniobat(LiNbO&sub3;)-Substraten getempert.
• Anschließend wird eine ungefähr 250 nm dicke Schicht mittels Elektronenstrahlevaporation als Aluminium als Vorderseiten- Elektroden-Material aufgetragen. Dann wird eine ungefähr 100 nm dicke Schicht aus Aluminium mittels Elektronenstrahlevaporation als Aluminium als Rückseiten-Elektroden-Material aufgetragen. Das Aluminium kann durch Gold oder andere alternative Metalle ersetzt werden. Anschließend wird eine Elektroden- Pegel-Photolithographie durchgeführt, und das Vorderseitenund Rückseiten-Aluminium wird für ungefähr drei Minuten in einer Phosphorsäure basisierenden Alumiuniumätzlösung naßgeätzt, um die Elektroden zu definieren.
• Das unmaskierte SiO&sub2; wird entfernt, indem für ungefähr 90 Minuten ein RIE-Ätzvorgang in einer Ätzgasmischung von 15% O&sub2; und 85% CF&sub4; vorgenommen wird. Anschließend werden die Wafer zu Chips gestanzt, und die Enden der Chips werden mechanisch poliert. Die Chips können dann montiert und drahtverbondet werden, damit man sie testen kann.

Claims (7)

1. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter mit:

- einem Haupt-Wellenleiter (12) mit einem ersten und einem zweiten Ende,

- einem mittleren Abzweig-Wellenleiter (14), der an einem Ende mit dem zweiten Ende des Haupt-Wellenleiters (12) verbunden ist,

- zwei seitlichen Abzweig-Wellenleitern (16,18), die jeweils an einem Ende jeweils auf einer Seite des mittleren Abzweig-Wellenleiters (14) mit dem zweiten Ende des Haupt-Wellenleiters (12) verbunden sind, wobei jeder seitliche Abzweig-Wellenleiter (16,18) von dem mittleren Abzweig-Wellenleiter (14) aus unter einem Winkel verläuft, der derart hinreichend klein ist, daß die Moden- Entwicklung in dem Schalter im wesentlichen adiabatisch ist, und wobei der mittlere Abzweig-Wellenleiter (14) sich nur so weit erstreckt, wie es erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß die Kopplung zwischen den seitlichen Abzweig-Wellenleitern (16,18) hinter dem Ende des mittleren Abzweig-Wellenleiters (14) vernachlässigbar ist, und

- einer Einrichtung (30) zum Erhöhen des Brechungsindexes des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (16;18) über den Brechungsindex des mittleren Abzweig-Wellenleiters (14) bei gleichzeitigem Absenken des Brechungsindexes des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (18;16) unter den Index des mittleren Abzweig-Wellenleiters (14).

2. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (16;18) um einen Betrag erhöht wird, der anähernd gleich dem Betrag ist, um den der Brechungsindex des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (18;16) abgesenkt wird.

3. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum Erhöhen und Absenken der Brechungsindizes die Verwendung zweier elektrischer Felder umfaßt.

4. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter bei einer angelegten Spannung von 15 Volt ein Extinktionsverhältnis von mindestens ungefähr 700:1 aufweist.

5. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter mit:

- einem Haupt-Wellenleiter (12) mit einem ersten und einem zweiten Ende,

- zwei seitlichen Abzweig-Wellenleitern (16,18), die von dem zweiten Ende des Haupt-Wellenleiters (12) abgehen,

- m mittleren Abzweig-Wellenleitern (14), wobei m eine positive Ganzzahl ist, von denen jeder an einem Ende mit dem zweiten Ende des Haupt-Wellenleiters (12) verbunden ist und die zwischen den beiden seitlichen Abzweig-Wellenleitern (16,18) angeordnet sind, wobei der zwischen jedem Paar benachbarter Abzweige gebildete Winkel derart hinreichend klein ist, daß die Moden-Entwicklung in dem Schalter im wesentlichen adiabatisch ist, und wobei mindestens ein mittlerer Abzweig-Wellenleiter (14) sich nur so weit erstreckt, wie es erforderlich ist, um zu gewährleisten, daß die Kopplung zwischen den seitlichen Abzweig-Wellenleitern (16,18) hinter dem Ende des mittleren Abzweig-Wellenleiters (14) vernachlässigbar ist, und

- einer Einrichtung (30) zum Erhöhen des Brechungsindexes des einen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (16;18) um einen Betrag Am über den Brechungsindex des Haupt-Wellenleiters (12) bei gleichzeitigem Absenken des Brechungsindexes des anderen seitlichen Abzweig-Wellenleiters (18;16) um einen Betrag µm unter den Index des Haupt-Wellenleiters (12).

6. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß m eine ungeradzahlige Ganzzahl ist und daß eine Einrichtung zum Einstellen der Brechungsindizes von m-1 der m mittleren Abzweig-Wellenleiter (14) vorgesehen ist.

7. Digitaler optischer Mehrwege-Schalter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um die Brechungsindizes der mittleren Abzweig-Wellenleiter (14) derart einzustellen, daß sich der Brechungsindex jedes mittleren Abzweig-Wellenleiters (14) von dem Brechungsindex der ihm benachbarten Abzweige (14) um 2Δn/(m+1) unterscheidet.