DE3688607T2

DE3688607T2 - Teilerstruktur, diese Strukturen verwendendes optisches Schaltelement und diese Schaltelemente verwendende optische Schaltmatrix.

Info

Publication number: DE3688607T2
Application number: DE86201196T
Authority: DE
Inventors: Marko Societe Civile S P Erman; Jean-Bernard Societe C Theeten; Nakita Societe Civile Vodjdani
Original assignee: Alcatel Alsthom Recherche SA
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-07-08
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2006-07-09
Also published as: DE3688607D1; FR2584825A1; EP0210690B1; EP0210690A1; JPS6218506A; US4775206A; AU582877B2; FR2584825B1; CA1267012A; AU6004086A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltelement zwischen Lichtleitern, die monolithisch in Form von Halbleiterbändern eines Materials mit einem ersten Brechungsindex auf einem Halbleitersubstrat aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex integriert sind, derart, daß das Licht in den die Lichtleiter bildenden Bändern eingeschlossen bleibt, wobei das Schaltelement eine Eingangszone mit mindestens einem Monomodelichtleiter, eine Zwischenzone mit einem bimodalen Lichtleiter und eine Ausgangszone mit mindestens einem Lichtleiter enthält, der eine aus der Zwischenzone kommende Welle fortleiten kann.
Die Erfindung betrifft auch eine optische Schaltmatrix aus solchen Elementen.
Die Erfindung findet ihre Anwendung in der Umschaltung von Lichtsignalen, die von Lichtfasern z. B. im Bereich der Nachrichtentechnik übermittelt werden, wobei die Umschaltung zwischen zahlreichen Lichtleitfasern ermöglicht sein muß, um zu vermeiden, daß die von den Lichtleitern transportierten Lichtsignale in elektrische Signale in Höhe der Durchschaltung zwischen den verschiedenen Teilnehmern umgewandelt werden müssen.
Eine optische Schaltmatrix mit Schaltelementen ähnlich der oben definierten ist durch den Aufsatz von A. Neyer und W. Mevenkamp mit dem Titel "Single-Mode electrooptic X-switch for integrated optic switching networks" bekannt geworden, der in IEEE, Second European Conference on Integrated Optics, Florenz (17.-18. Oktober 1993, Konferenz-Veröffentlichung Nr. 227, Seiten 136-139) veröffentlicht wurde.
Diese Druckschrift beschreibt eine Schaltmatrix mit n·n Lichtleitern, die monolithisch auf einen Substrat aus LiNbO&sub3; integriert ist. Monomode-Lichtleiter werden im Substrat durch Diffusion von Ti gebildet. Diese Lichtleiter besitzen eine Breite w und kreuzen sich paarweise unter einem Winkel α.
Die Kreuzungszone zweier Lichtleiter bildet das Schaltelement. Die Veränderung des Brechungsindex bezüglich des Substrats ist dort zweimal so groß wie die eines einzigen Lichtleiters. Andererseits besitzt diese Zone eine Abmessung d parallel zum Substrat, die größer ist als die Abmessung w eines einzigen Lichtleiters. Daher ist die Kreuzungszone zweier Lichtleiter in einer Ebene parallel zum Substrat bimodal. Sie überträgt sowohl den Grundmodus als auch den Transversalmodus erster Ordnung.
Diese Vorrichtung ist in der Lage, die Umschaltung zwischen zwei Ausgangslichtleitern zu bewirken. Die von jedem der Ausgangslichtleiter transportierte Leistung wird durch die relative Phasendifferenz zwischen den beiden Modi, nämlich dem Fundamentalmodus und dem Transversalmodus erster Ordnung am Ende der Kreuzungszone bestimmt. Dieses Phasendifferenz hängt von der Breite w, von der Veränderung des Brechungsindex und dem Winkel α am Kreuzungspunkt ab.
Diese Phasendifferenz kann elektrisch durch eine elektrooptische Veränderung des Brechungsindex gesteuert werden, indem zwei Elektroden vorgespannt werden, die zu beiden Seiten der Kreuzungszone von jeweils zwei Lichtleitern angeordnet werden.
Diese bekannte Vorrichtung besitzt aber mehrere Nachteile:
Erstens sind die Winkel α im Kreuzungspunkt der beiden Lichtleiter gering, zwischen 0,6º und 1,4º. Sie lassen sich damit nur schwierig in einem Halbleitermaterial herstellen. Alle Herstellungsverfahren, die zu Lichtleitern führen, insbesondere das Ätzen oder das epitaxiale Wachstum, sind anisotrop. Somit führen alle Operationen, die nicht parallel zu den Achsen oder den kristallographischen Flächen verlaufen, zu unebenen Flächen oder Stufen an den Wänden der Lichtleiter und damit zu Verlusten.
Winkel in der Größenordnung von 1º können nicht zu kristallographischen Richtungen in den Halbleitermaterialien führen. Die bekannte Vorrichtung läßt sich also nur sehr schwierig herstellen und führt zu erheblichen Verlusten. Andererseits bedingen solche Winkel unweigerlich eine große Oberfläche für die Matrix. Für eine Matrix von 10·10 Schaltelementen liegt dann die benutzte Oberfläche bei etwa 20·20 mm. Im Sinne von integrierten Kreisen ist eine solche Oberfläche wirklich außerordentlich groß.
Der Aufsatz, der in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-26, Nr. 10, Oktober 1978, Seite 738-746 veröffentlicht ist, beschreibt einen Lichtleiter mit einer abrupten Diskontinuität seiner Abmessung quer zu seinen Hauptflächen, so daß dort eine bimodale Zone im Bereich größter Dicke und eine monomodale Zone in dem dünneren Bereich begrenzt werden.
In dem Aufsatz, der in Electronics Letters, Vol. 12, Nr. 18, September 1976, Seiten 473-475, veröffentlicht wurde, ist ein Lichtleiter beschrieben, der eine plötzliche Verringerung der Dicke in Richtung der Ausbreitung des Lichts aufweist.
Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Verringerung der oben erwähnten Nachteile. Dieses Ziel wird mit Hilfe eines Schaltelements erreicht, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dieses Schaltelement dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Separatorstruktur anders orientiert ist als die Normale auf der optischen Achse derart, daß im zweiten Polarisationszustand der Strahl von dem Wandbereich dieser zweiten Struktur in einem Winkel abgelenkt wird, der dem doppelten Wert des Einfallswinkels des Strahls auf diese Wand entspricht. Der zweite Lichtleiterabschnitt der Ausgangszone ist vorzugsweise in der Achse des reflektierten Strahls angeordnet.
Dieses Schaltelement besitzt eine Zwischenzone, deren Längsabmessung in Richtung der optischen Achse sehr beschränkt ist. Außerdem ist diese Abmessung nicht kritisch, da, falls diese Abmessung sich bei der Herstellung der Vorrichtung nur ungenau ergeben hat, die für den gewünschten Betrieb erforderliche Phasenverschiebung durch eine einfache Veränderung Polarisationszustände herbeigeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Schaltelement besitzt also geringe Abmessungen und ist leicht herzustellen.
In einer Ausführungsform ist dieses Element dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Galliumarsenid vom Typ n&spplus; ist und daß die Lichtleiter aus Galliumarsenid vom Typ n sind.
Vorzugsweise wird die erste Separatorstruktur, die zwischen der Eingangszone und der Zwischenzone liegt, von einer kristallographischen Facette gebildet, die senkrecht zur optischen Achse des Eingangslichtleiterabschnitts verläuft, und die zweite Separatorstruktur, die zwischen der Zwischenzone und der Ausgangszone liegt, schließt eine kristallographische Facette ein, die unter 45º zur optischen Achse des Lichtleiterabschnitts der Zwischenzone ausgebildet ist, so daß der zweite Lichtleiterabschnitt der Ausgangszone, der den reflektierten Strahl empfängt, senkrecht zu dieser Achse verläuft.
Unter diesen Bedingungen ist das Schaltelement besonders gut für Anwendungen in der Nachrichtentechnik geeignet, bei denen die verwendete Wellenlänge 1,3 um oder 1,55 um beträgt.
In einer Variante wird das Licht besonders gut in Lichtleitern durch kristallographische Facetten eingeschlossen, so daß die Verluste verringert sind. Außerdem ergibt sich ein maximaler Reflektionskoeffizient für den ersten Strahl eines ersten Fortpflanzungsmodus, der an einer von einer kristallographischen Facette gebildeten Separatorstruktur reflektiert wird, wenn das Milieu außerhalb dieser Facette Luft oder ein anderes Milieu mit geringem Brechungsindex ist. Die Verluste bei der Strahltrennung sind so ebenfalls verringert.
Auf diese Weise kann eine optische Schaltmatrix zwischen einer Anzahl von n·n Lichtleitern gebildet werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus n·n erfindungsgemäßen Schaltelementen besteht. Diese Matrix besitzt den Vorteil eine kleine Oberfläche und eine einfache Herstellung zu gewährleisten. Außerdem ergibt sich eine breitbandige Umschaltung, wie sie mit einer rein elektrischen Umschaltung nicht erreicht werden könnte.
Schließlich liegt ein Hauptvorteil in der Tatsache, daß der Fehler bezüglich der Abstände zwischen den Schaltelementen in der Matrix wieder aufgefangen werden kann, indem eine Vorspannung an jeden der Zweige angelegt wird, so daß einfach und ohne Vergrößerung der Oberfläche jeder Phasenverschiebungsfehler aufgefangen werden kann.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1a-1c zeigen im Längs- bzw. Querschnitt eine Separatorstruktur zwischen einer Monomodezone und einer bimodalen Zone eines Lichtleiters.
Die Fig. 2a-2c zeigen im Längsschnitt bzw. im Querschnitt eine Separatorstruktur zwischen einer bimodalen Zone und einer Monomodezone eines Lichtleiters.
Die Fig. 3a-3d zeigen das Fortschreiten der Amplitude der Wellen in der bimodalen Zone eines Schaltelements.
Die Fig. 4a und 4b zeigen das Fortschreiten der Intensität der Wellen in der bimodalen Zone eines Schaltelements.
Die Fig. 5a und 5b zeigen das Fortschreiten der Intensität für eine Position der Separatorstruktur gemäß Fig. 2.
Die Fig. 6a und 6b zeigen das Fortschreiten der Intensität für eine andere Position der Separatorstruktur gemäß Fig. 2.
Die Fig. 7a und 7b zeigen das Fortschreiten der Intensität für eine Position der Separatorstruktur gemäß Fig. 2, in Verbindung mit einer Vorspannung der bimodalen Zone.
Die Fig. 8a und 8b zeigen das Fortschreiten der Intensität für eine gleiche Position dieser Separatorstruktur, in Verbindung mit einer anderen Vorspannung, der bimodalen Zone.
Fig. 9 zeigt von oben diese Separatorstruktur.
Die Fig. 10a bis 10c zeigen im Längsschnitt bzw. von oben bzw. im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Schaltelement.
Die Fig. 11a bis 11c zeigen im Längsschnitt bzw. von oben bzw. im Querschnitt einen Bereich der erfindungsgemäßen Schaltmatrix.
Fig. 12 zeigt schematisch von oben eine solche Schaltmatrix mit 4·4 Schaltelementen.
Fig. 13a bis 13e zeigen die verschiedenen Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein Schaltelement im Querschnitt.
Wie im Längsschnitt in Fig. 1a zu sehen ist, befindet sich eine plötzliche Diskontinuität, erste Separatorstruktur S genannt, in einem Lichtleiter 100. Dieser Lichtleiter wird von einem Halbleiterband gebildet, das an der Oberfläche eines ebenen Substrats 10 aus einem kompatiblen Halbleitermaterial hergestellt ist. Der Brechungsindex ng des Lichtleiters ist geringfügig größer als der des Substrats ns, derart, daß das Licht, das sich entlang der Richtung der optischen Achse z'z fortpflanzt, in dem Lichtleiter eingeschlossen wird. Der Lichtleiter 100 kann einen rechteckigen Querschnitt besitzen, wie dies in Fig. 1b und 1c gezeigt ist. Der Lichtleiter 100 besitzt eine Pflichteingangszone G&sub1;, deren Abmessung parallel zum Substrat den Wert w und deren Abmessung senkrecht zum Substrat den Wert e&sub1; besitzt. Die Zone G&sub1; ist zum Transport einer Monomodewelle der Wellenlänge λ vorgesehen.
Für den Grundmodus unterliegt die Abmessung e&sub1; des Lichtleiters senkrecht zum Substrat der folgenden Bedingung (1):
Hierbei entsprechen m und m' Moduskonstanten derart, daß m = 0 dem Grundmodus und m' = 1 den Modus der Ordnung 1 entspricht.
Diese Gleichung ist aus dem Werk von R.G. Hunsperger, "Integrated Optics: Theory and Technology", Springer Series in Optical Sciences, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seiten 35-37, § 3.1.2, 3.1.3 bekannt.
Die Separatorstruktur S, die in Fig. 1 gezeigt ist, trennt die Monomodezone G&sub1; von einer zweiten Zone G&sub1;&sub1; ab, die dazu bestimmt ist, eine bimodale Welle senkrecht zum Substrat zu transportieren. Die Abmessung e&sub2; des Lichtleiters G&sub1;&sub1; senkrecht zum Substrat muß also folgender Bedingung genügen (2):
Hierbei entspricht m' = 1 dem Modus erster Ordnung und im'' = 2 dem Modus zweiter Ordnung.
Die Gleichungen 1 und 2 bringen zum Ausdruck, daß in jeder Zone des Lichtleiters die Abmessungen senkrecht zum Substrat ausreichend groß sein müssen, um die Fortpflanzung des gewählten Modus zu gewährleisten, aber zugleich beschränkt, um die Fortpflanzung eines Modus höherer Ordnung zu vermeiden. Die Fig. 1b und 1c zeigen je Querschnitte durch den Lichtleiter 100 in den Zonen G&sub1; bzw. G&sub1;&sub1; entlang von Schnittebenen A'A'' und B'B''.
Es ist festzustellen, daß in der bimodalen Zone G&sub1;&sub1; sowohl die Grundmoduswelle als auch die Welle erster Ordnung übertragen werden. Außerdem ist die Abmessung w der Zone G&sub1; dieselbe wie die Abmessung w der Zone G&sub1;&sub1; parallel zum Substrat. Diese Abmessung w wird so gewählt, daß die Zonen G&sub1; und G&sub1;&sub1; beide parallel zum Substrat als Monomodeleiter wirken.
Die Separatorstruktur S, mit der der Übergang von der Monomodezone G&sub1; des Lichtleiters zur bimodalen Zone G&sub1;&sub1; erfolgt, besteht in einer plötzlichen Veränderung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht diese plötzliche Änderung in einer Vergrößerung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat, so daß diese Abmessung von einem Wert e&sub1; auf einen Wert e&sub2; (e&sub1; < e&sub2;) entlang einer ebenen Wand 1 senkrecht zum Substrat und senkrecht zur optischen Achse z'z des Lichtleiters übergeht.
Andererseits zeigt Fig. 2a eine andere plötzliche Diskontinuität, die zweite Separatorstruktur S genannt wird und die an die bimodale Zone G&sub1;&sub1; senkrecht zum Substrat 10 des Lichtleiters 100 angelegt wird, der den Lichtstrahl der Wellenlänge X in Richtung z'z der optischen Achse des Lichtleiters transportiert.
Die Separatorstruktur S erlaubt es, von der bimodalen Zone G&sub1;&sub1; zu Monomodezone G'&sub1; durch eine plötzliche Veränderung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat überzugehen. Diese plötzliche Veränderung ist eine Verringerung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat, derart, daß diese Abmessung von dem Wert e&sub2; auf den e&sub1; entlang einer ebenen Wand 11 übergeht (e&sub1; < e&sub2;).
Die Abmessung dieser Zone G&sub1;&sub1; des Lichtleiters unterliegt wie bereits erwähnt der Gleichung (2). Die Abmessung e&sub1; der Zone G'&sub1; muß dann der oben erwähnten Gleichung (1) genügen. Die Fig. 2b und 2c zeigen Querschnitte durch den Leiter 10 in der Zone G&sub1;&sub1; bzw. in der Zone G'&sub1; gemäß Schnittebenen C'C'' bzw. D'D''.
Die bimodale Zone G&sub1;&sub1; senkrecht zum Substrat transportiert einerseits den Grundmodus, dessen Amplitude U in der Ebene (x'x, y'y) des Querschnitts des Lichtleiters in dieser Zone in Fig. 3b durch die Kurve F dargestellt wird (Fig. 3b zeigt die relative Lage der Achsen x'x und y'y in diesem Querschnitt). Dieser Grundmodus ist ein symmetrischer Modus. Die Zone G&sub1;&sub1; transportiert andererseits den Modus erster Ordnung, der ein asymmetrischer Modus ist. Die Amplitude U dieses asymmetrischen Modus erster Ordnung ist durch die Kurve α in Fig. 3c dargestellt. Die Kurve A' in Fig. 3d zeigt die Energieverteilung E des asymmetrischen Modus erster Ordnung, die das Quadrat der Amplitude α ist. Die Energieverteilung E des Grundmodus, die das Quadrat der Amplitude F ist, könnte auch durch eine Kurve S' dargestellt werden, die der vorliegenden Kurve F ähnelt.
In der bimodalen Zone G&sub1;&sub1; ergibt sich also eine Schwebungserscheinung zwischen dem Grundmodus der Amplitude F und dem Modus erster Ordnung der Amplitude α. Dies führt zu einem Strahl, dessen Energieschwerpunkt in Fig. 4a durch die unterbrochen dargestellte Linie β eingetragen ist.
Die Fig. 4b zeigen die Energiekurven in den Querschnittsebenen der Zone G&sub1;&sub1; an den Stellen M&sub0;M'&sub0;, M&sub1;M'&sub1;, M&sub2;M'&sub2;, M&sub3;M'&sub3;, M&sub4;M'&sub4;, M&sub5;M'&sub5;, des Längsschnitts der Fig. 4a.
Es sei bemerkt, daß an den Stellen M&sub0;M'&sub0; und M&sub4;M'&sub4; die Energie den Wert (F-α)² besitzt, während sie an der Stelle M&sub2;M'&sub2;, den Wert (F+α)² besitzt.
Fig. 5 zeigt im Längsschnitt, daß beispielsweise für die Stellen M&sub0;M'&sub0;, oder auch M&sub4;M'&sub4;, der Struktur S entlang der Achse z'z die Welle der Energie (F-α)² ihren Weg in die verschmälerte Zone G'&sub1; des Lichtleiters fortsetzt, wobei Fig. 5b die Wellenform in einer Querschnittsebene des Lichtleiters in dieser Zone G'&sub1; zeigt.
Es ist klar, daß es möglich ist eine andere Stelle, beispielsweise M&sub2;M'&sub2; der Struktur S entlang der Achse z'z zu finden, damit die Welle der Energie (F+α)² an der Wand 11 reflektiert wird. Fig. 6a zeigt im Längsschnitt eine so angeordnete Struktur S und Fig. 6b zeigt die Form der reflektierten Welle in einer Querschnittsebene des Lichtleiters in der Zone G&sub1;&sub1;.
Für eine Position der Struktur S gemäß der Darstellung in Fig. 5a, derart, daß beispielsweise die Welle F-α übertragen wird, könnte die Welle F+α aufgrund einer Steuerung an derselben Stelle der Struktur S reflektiert werden, indem in der Zone G&sub1;&sub1; eine Vorspannung angelegt wird, die geeignet ist, den Brechungsindex ng des Lichtleiters um einen Wert Δng zu variieren, so daß sich eine Variation der Phasendifferenz zwischen f-α und f+α ergibt, derart, daß diese selbe Position von S die Welle F+α an der Wand 11 reflektiert wird. Diese Erscheinung ist in den Fig. 7a und 8a dargestellt. Diese Vorspannung kann beispielsweise durch ein Potentialdifferenz erzeugt werden, die zwischen einer auf der Oberfläche der Zone G&sub1;&sub1; angebrachten Elektrode und einer nicht dargestellten Elektrode angelegt wird, deren Kontakt auf dem Substrat genommen wird, wie dies in den Fig. 7a, 8a und 9 gezeigt ist. Diese Figuren zeigen den Lichtleiter im Längsschnitt in einem ersten Polarisationszustand P&sub0; bzw. in einem zweiten Polarisationszustand P&sub1; bzw. von oben mit einer Elektrode E&sub1;&sub1;. Die Fig. 7b und 8b zeigen die Kurve der in der Zone G'&sub1; entsprechend Fig. 7a übertragenen Energie bzw. die Kurve der in der Zone G&sub1;&sub1; entsprechend der Fig. 8a reflektierten Energie, wobei diese Kurven in einer Querschnittebene dieser Zonen verlaufen.
Die Umschaltung von einem Polarisationszustand P&sub0; in einen Polarisationszustand P&sub1; mit Hilfe eines Potentialdifferenz zwischen einer Elektrode E&sub1;&sub1; auf der Zone G&sub1;&sub1; und einer nicht dargestellten Elektrode deren Kontakt auf dem Substrat genommen wird, erlaubt die entsprechende Umschaltung zwischen der Übertragung und der Welle F-α der Zone G'&sub1; und Reflexion der Welle F+α an der Wand 11 (Fig. 7 und 8).
Will man die reflektierte Welle F+α verwenden, dann kann die Wand 11 so angeordnet werden, daß der einfallende Strahl mit dieser Wand einen Winkel e einschließt. Die Welle F+α wird dann an der Wand 11 unter einem doppelten Winkel (2R) reflektiert und kann durch einen Lichtleiter G''&sub1; übernommen werden, der im Weg des reflektierten Strahls in diese Ausbreitungsrichtung angeordnet ist, wie dies in der Ansicht von oben gemäß Fig. 9 zu sehen ist.
Man erkennt, daß unter diesen Bedingungen die Wellen F-α und F+α jenseits der Separatorstruktur S(11) in Lichtstrahlen transportiert werden, deren Abstand zum Substrat unterschiedlich ist.
Man erkennt weiter, daß die Lage der Struktur S(11) entlang der Achse z'z der Zone G&sub1;&sub1; nicht kritisch ist, um die oben beschriebene Betriebsweise zu erreichen. Es genügt nämlich geeignete Polarisationen P&sub0; und P&sub1; anzulegen, um in einem Fall die Übertragung der Wellen F-α und im anderen Fall die Reflexion der Welle F+α zu erhalten.
Hieraus wird klar, daß die unbeschriebenen Elemente zu einem optischen Schaltelement führen.
Wie in der Längsschnittdarstellung in Fig. 10a gezeigt, besteht dieses Schaltelement aus einem Lichtleiter 100 der oben beschriebenen Art, der auf einem Substrat 10 ausgebildet ist.
Dieses Element enthält eine Monomode-Eingangszone G&sub1;, eine Zwischenzone G&sub1;&sub1;, die senkrecht zum Substrat bimodal und parallel zum Substrat monomodal ist, und eine Ausgangszone mit zwei Lichtleitern G'&sub1; und G''&sub1;. Dieses Element enthält weiter eine erste Separatorstruktur S, die von einer Wand 1 senkrecht zum Substrat und senkrecht zur optischen Achse z'z gebildet wird, und eine zweite Separatorstruktur S, die von der Wand 11 senkrecht zum Substrat, aber unter einem Winkel R zur optischen Achse gebildet wird. Eine Polarisation wird außerdem an die Zwischenzone G&sub1;&sub1;, beispielsweise mit Hilfe einer Elektrode G&sub1;&sub1; angelegt, die mit einer nicht dargestellten Elektrode zusammenwirkt, deren Kontakt auf dem Substrat genommen wird.
Die Betriebsweise dieses Schaltelements hängt von den bereits beschriebenen Eigenschaften der von der Wand 1 gebildeten Separatorstruktur und der von der Wand 11 gebildeten Separatorstruktur ab.
Die Eingangszone G&sub1; des Lichtleiters 100 ist monomodal sowohl parallel zum Substrat als auch senkrecht dazu. Die Abmessung e&sub1; dieser Zone senkrecht zum Substrat ergibt sich aus der obigen Gleichung (1). Die Abmessung w dieser Zone parallel zum Substrat ist ebenfalls in Einklang mit dieser Gleichung gewählt.
Die Wand 1 bildet eine plötzliche Vergrößerung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat und die Abmessung des Lichtleiters in der Zwischenzone G&sub1;&sub1; ist e&sub2;, gemäß der Gleichung (2). Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine bimodale Fortpflanzung der Wellen in der Zwischenzone G&sub1;&sub1; im Einklang mit obigen Ausführungen für eine solche Zone einer Abmessung w parallel zum Substrat.
Die zweite Separatorstruktur, die eine plötzliche Verringerung der Abmessung des Lichtleiters senkrecht zum Substrat mit Hilfe der Wand 11 bildet, liegt in einem Abstand l von der ersten Separatorstruktur, die von der Wand 1 gebildet wird. Dieser Abstand l hängt von der Wellenlänge λ, der Abmessung e&sub2; und den Brechungsindices ng des Lichtleiters und ns des Substrats ab, um eine Übertragung der Welle F-α in der verengten Zone des Lichtleiters G'&sub1; zu erhalten.
Durch Anwendung einer Polarisation an die Zone G&sub1;&sub1;, beispielsweise über eine Elektrode E&sub1;&sub1; in Verbindung mit einer nicht dargestellten Elektrode, deren Kontakt am Substrat genommen wird, erzeugt man eine Veränderung des Brechungsindex im Lichtleiter G&sub1;&sub1; und somit eine Phasendifferenz zwischen den Wellen, derart, daß die Welle F+α an der Wand 11 reflektiert wird. Diese Wand ist unter einem Winkel R zur optischen Achse z derart angeordnet, daß der so reflektierte Strahl im Lichtleiter G''&sub1; weitergeleitet wird, der mit der Achse z'z einen Winkel von 2R einschließt.
Die Strahlen, die sich einerseits im Lichtleiter G'&sub1; und andererseits im Lichtleiter G''&sub1; fortpflanzen, sind Monomodestrahlen, und die Abmessungen dieser Lichtleiterzonen erfüllen die Gleichung (1). Außerdem liegt die Lichtleiterzone G''&sub1; nicht in derselben Ebene bezüglich des Substrats wie die Zone G'&sub1;, wie dies Fig. 10c zeigt, die einen Querschnitt entlang der Achse I'I'' in Fig. 10b darstellt. Letztere Figur zeigt von oben das Schaltelement.
Wie Fig. 10c zeigt, kann so eine halbleitende Zone 29 mit niedrigerem Brechungsindex als der Index des Lichtleiters G''&sub1; zwischen diesem und dem Substrat hergestellt werden.
Die Lichtleiter G'&sub1; und G''&sub1;, von denen der erstgenannte in der Verlängerung des übertragenen Strahls und der zweitgenannte in der Verlängerung des von der durch die Wand 11 gebildeten Separatorstruktur reflektierten Strahls liegt, bilden die beiden Ausgangslichtleiter des Schaltelements, zwischen denen die Umschaltung durch die Polarisation der Zwischenzone ausgelöst wird.
Die Länge l der Zwischenzone ist nicht kritisch. Eine erste Polarisation P&sub0; kann nämlich an diese Zone G&sub1;&sub1; angelegt werden, um genau die Übertragung der Welle F-α in dem Lichtleiter G'&sub1; zu erzielen. Dann kann eine zweite Polarisation P&sub1; an die Zone G&sub1;&sub1; angelegt werden, um exakt die Reflexion der Welle F+α in dem Lichtleiter G''&sub1; zu erhalten.
Ein Ausführungsbeispiel einer optischen Schaltmatrix mit vier Eingängen I&sub1;, I&sub2;, I&sub3;, I&sub4; und vier Ausgängen O&sub1;, O&sub2;, O&sub3;, O&sub4; ist in Fig. 12 gezeigt. Optische Signale der Wellenlänge λ die monomodal und senkrecht zum Substrat 10 verlaufen, werden an jeden der Eingänge I&sub1;, I&sub2;, I&sub3;, I&sub4; angelegt, die aus Lichtleitern vom oben beschriebenen Typ G&sub1; gebildet werden, nämlich G&sub1;, G&sub2;, G&sub3;, G&sub4;, mit einer Abmessung e&sub1; senkrecht zum Substrat. Die Signale werden jenseits der Separatorstrukturen S&sub1;, S&sub2;, S&sub3;, S&sub4;, die von den Wänden der Art der oben beschriebenen Wand 1 gebildet werden, bimodal und werden durch die Zwischenzonen G&sub1;&sub1;, G&sub2;&sub1;, G&sub3;&sub1; und G&sub4;&sub1; weitertransportiert.
Fig. 11a zeigt im Längsschnitt eine Zone der über den Eingang I&sub1; angesteuerten Matrix und Fig. 11b zeigt dieselbe Zone von oben.
Wie auf dieser Figur zu erkennen ist, trifft der von der Zone G&sub1;&sub1; transportierte Strahl die Separatorstruktur S&sub1;&sub1; vom Typ der oben beschriebenen Wand 11, und je nach der an diese Zwischenzone G&sub1;&sub1; angelegten Polarisation wird entweder ein Strahl gemäß einem ersten Fortpflanzungsmodus in dem Lichtleiter G'&sub1;&sub1; reflektiert, oder ein zweiter Strahl eines zweiten Fortpflanzungsmodus wird in die verengte Zone G'&sub1;&sub1; übertragen.
Um erneut weitere Umschaltungen mit Hilfe der von diesen Schaltelement ausgehenden Strahlen zu bewirken, sind weitere bimodale Zonen im Verlauf dieser Strahlen eingerichtet.
Hierzu wird eine weitere Separatorstruktur S'&sub1;&sub1; nach Art der beschriebenen Wand 1 auf dem Lichtleiter G'&sub1; angeordnet, so daß sich eine Zone des Zwischentyps G&sub1;&sub2; ergibt.
So bildet die Vorrichtung aus der Wand S&sub1;&sub1; des Typs 1 und der Wand S'&sub1;&sub1; des Typs 11 eine Lamelle L&sub1;&sub1;, mit parallelen Seiten und einer Tiefe von e&sub2;-e&sub1;, wobei e&sub2; die Abmessung der Zonen G&sub1;&sub1; und G&sub1;&sub2; senkrecht zum Substrat und e&sub1; die der Zone G'&sub1; bedeutet. Diese Lamelle L&sub1;&sub1; kann entweder eine Luftlamelle oder eine Lamelle aus einem Material mit einem geringeren Brechungsindex als der der Lichtleiter sein, um die totale Reflexion zu bewirken.
Die bimodale Ausbreitung im Lichtleiter G'&sub1;&sub1;, der den reflektierten Strahl transportiert, ergibt sich, wenn man die Abmessung dieses Lichtleiters senkrecht zum Substrat gleich der der Zwischenzone G&sub1;&sub1; wählt, wie dies in Fig. 11c gezeigt ist, welche einen Querschnitt durch die in Fig. 11b dargestellte Zone zeigt, wobei der Schnitt entlang der Linie J'J'' verläuft.
Um eine regelmäßige Form der Schaltmatrix zu erreichen, kann der Winkel, unter dem die Lamelle L&sub1;&sub1; geneigt ist, vorzugsweise 45º betragen, so daß der Lichtleiter G'&sub1;&sub1; senkrecht zum Eingangslichtleiter verläuft.
Ein Einheitselement der Schaltmatrix besteht also aus einer bimodalen Zwischenzone gleich G&sub1;&sub1; und einer Lamelle mit parallelen Seiten gleich L&sub1;&sub1; und kann entweder einen übertragenen Strahl oder einen reflektierten Strahl liefern, je nach der Polarisation, die an die Zwischenzone angelegt wird.
Durch 15-malige Wiederholung dieses Einheitselements erhält man die in Fig. 12 gezeigte Schaltmatrix.
Es sei bemerkt, daß die Zweige senkrecht zu den Eingangszweigen von der Art der Lichtleiterzweige G'&sub1;&sub1; ebenfalls Polarisationselektroden wie z. B. E'&sub1;&sub1;, E'&sub2;&sub1; usw. enthalten. Diese Elektroden sollen eine eventuelle Phasenkorrektur einführen, damit der von diesen Zweigen transportierte Strahl auf den seiner Richtung entsprechenden Ausgang gerichtet werden kann, nämlich O&sub1; oder O&sub2; oder O&sub3; oder O&sub4;. Diese Phasenkorrekturelektroden sind nicht unbedingt erforderlich, wenn der Abstand zwischen zwei Lamellen mit parallelen Seiten in den Zweigen hinreichend genau eingehalten wird, damit die Welle F-α direkt übertragen werden kann. Wenn die Vorrichtung nicht mit ausreichender Genauigkeit hergestellt worden ist, dann sind die Elektroden E'&sub1;&sub1;, E&sub2;&sub1;, E'&sub3;&sub1;, usw. nützlich, um dieses Ergebnis zu erzielen. Es sei ebenfalls bemerkt, daß eine einzige Elektrode, deren Kontakt auf dem Substrat genommen wird, ausreicht zum Anlegen des Bezugspotentials zu dem die anderen Elektroden die Potentialdifferenz herstellen.
So können die vier Eingänge I&sub1;, I&sub2;, I&sub3;, I&sub4; je entweder auf den Ausgang O&sub1; oder den Ausgang O&sub2;, oder den Ausgang O&sub3; oder den Ausgang O&sub4; gelenkt werden. Ein nicht auf einen Ausgang gelenkter Eingang kann gegebenenfalls an einen der Ausgänge der übertragenen Strahlen I'&sub1;, I'&sub2;, I'&sub3;, I'&sub4; gerichtet werden, damit er nicht verloren geht. All diese Schaltoperationen sind also möglich.

Ausführungsbeispiel

Alle oben beschriebenen Vorrichtungen beruhen vorzugsweise auf Lichtleitern, die in das Substrat eingebettet sind. Diese Vorrichtungen enthalten nämlich Abschnitte von Lichtleitern, die bimodal senkrecht zum Substrat und monomodal parallel zum Substrat sind. Dieser Effekt wird einfach erzielt, wenn ein Material der gleichen Art wie das Substrat die Seitenflächen der Lichtleiter bedeckt.
Wie anhand der Erläuterung des Stands der Technik klar wurde, sind alle Herstellungsverfahren, die auf Halbleitervorrichtungen anwendbar sind, mehr oder weniger anisotrop. Es ist daher von Vorteil, diese Eigenschaft so zu nutzen, daß die Seiten der Lichtleiter und die Wände der Separatorstruktur kristallographische Facetten sind. Das Licht wird so besser in den Lichtleitern eingeschlossen oder besser an den Lamellen mit parallelen Flächen reflektiert, die in der Matrix enthalten sind. Vorzugsweise wird die Schaltmatrix auf einem monokristallinen Halbleitersubstrat hergestellt, und die Lichtleiter sowie die Separatorstrukturen ergeben sich durch anisotropes Ätzen oder anisotropes epitaxiales Wachstum entlang der bevorzugten kristallographischen Achsen, so daß diese Facetten zutage treten.
Es ist schließlich von Vorteil, Gallium-Arsenid (GaAs) als Halbleitermaterial des Substrats zu verwenden, da dieses Material die Fortpflanzung der Wellen mit den Wellenlängen 1,3 um und 1,55 um erlaubt, die für die Anwendungen im Bereich der Nachrichtentechnik in Betracht gezogen werden.
Die verschiedenen Fig. 13 zeigen ein Herstellungsbeispiel, das die oben definierten Bedingungen erfüllt.
Das Verfahren, daß zu dieser Ausführungsform führt, enthält die folgenden Verfahrensschritte:
a) Bildung eines monokristallinen Substrats aus Gallium-Arsenid 10, vom Typ n&spplus;, beispielsweise mit 6·10¹&sup7; Ladungsträgern je cm³ dotiert, wobei das Substrat eine ebene Seite 130 in Richtung der kristallographischen Ebene (100) besitzt (Figur 13a);
b) Begrenzung von Furchen 131 eine Breite W entlang den kristallographischen Achsen [110] und [ ] senkrecht zu den für die die Schaltmatrix bildenden Lichtleiter vorgesehenen Stellen, und zwar mit Hilfe einer Maske 140. Diese Maske kann aus Siliziumoxid (SiO&sub2;) sein und die Furchen können eine Breite W von etwa 4 um besitzen. Die Oberfläche (100) des Substrats tritt also in diesen Furchen zutage (13b);
c) Ätzen des Substrats in den Furchen, beispielsweise durch eine Methode RIE (Reactive Ion Etching). Diese Methode besitzt gegenüber anderen Methoden den Vorteil, genau senkrechte Ätzflanken am Substrat zu bilden, ohne unter die Maske eine Ätzwirkung zu entfalten. So erhält man in den Furchen 131 Rillen 132 im Substrat (Fig. 13c). Die Tiefe der Rillen entspricht der Dicke e&sub2;;
d) Einführung der so vorbereiteten Probe in einen Epitaxie-Reaktor in der Dampfphase und leichtes Beizen "in situ", um die in den Rillen durch die RIE-Methode entwickelten kristallinen Seiten besser in Erscheinung treten zu lassen. Es sei nämlich bemerkt, daß je nach den thermodynamischen Bedingungen der Epitaxie-Reaktor ein Beizen oder ein epitaxiales Wachstum bewirkt. Die Längsseiten der Rillen sind kristallographische Seiten (110) und ( );
e) Epitaxiales Wachstum eines Gallium-Arsenid-Bandes des Typs n&supmin;, das beispielsweise mit weniger als 10¹&sup5; Ladungsträgern je cm³ dotiert ist, in den Rillen und in der Dampfphase bis zur Füllung der Rillen, so daß sich eine Planarstruktur (Fig. 13d) ergibt. Dann wird die Maske entfernt.
f) Begrenzung von Öffnungen 133 entsprechend der Lage der Lamellen L mit parallelen Seiten mit Hilfe einer zweiten Maske 150. Diese Lamellen L mit parallelen Seiten sind unter 45º zu den Lichtleitern geneigt und verlaufen parallel zu den kristallographischen Ebenen (010) oder (001). Diese Maske kann auch aus Siliziumoxid (SiO&sub2;) bestehen.
g) Ausätzen von Rillen in Form von Lamellen L mit parallelen Seiten sowie die Separatorstrukturen S des Typs 1 in den Öffnungen dieser zweiten Maske, beispielsweise durch die RIE-Methode (Fig. 13e).
Ebenfalls nur beispielshalber werden nachfolgend Bereiche für die Abmessungen der Lichtleiter senkrecht zum Substrat angegeben.
Mit einem Brechungsindex ng von ungefähr 3,5, entsprechend einem mit 6·10¹&sup7; Ladungsträgern je cm³ dotierten Substrat einer Differenz zwischen den Brechungsindices ng-ns=10&supmin;³, und für eine Wellenlänge λ = 1,3 um gilt:
3,88 um < e&sub1; < 11,65 um
11,65 um < e&sub2; < 19.52 um
Die Dicke der Lamellen mit parallelen Seiten L (oder der Abstand zwischen den beiden diese Lamellen bildende Separatorstrukturen) kann in der Größenordnung von 1 um liegen.
Der Abstand l zwischen zwei Lamellen mit parallelen Seiten (oder die Länge der Zwischenzonen) kann in der Größenordnung von 200 um liegen, was der Schwingungsperiode auf der Kurve des Energieschwerpunktes äquivalent ist.
Das geeignete Beizen zur Bildung der Lamellen mit parallelen Seiten erfolgt natürlich über eine Tiefe gleich dem gewählten Wert e&sub2;-e&sub1;.
Die Elektroden E&sub1;&sub1;, E&sub2;&sub1;, E&sub3;&sub1; usw. können beispielsweise Schottky-Barrieren sein, die durch Verdampfung von Nickel- Platin-Gold (Ni-Pt-Au) über eine geringfügig kleinere Länge als die Zwischenzone und über eine Breite, die möglichst wenig die Abmessung w der Lichtleiter überschreitet, hergestellt werden, so daß die Kapazität klein gehalten wird. Es ist eine Lasche vorgesehen, um den elektrischen Kontakt herstellen zu können.
Die Elektrode, die den Kontakt auf dem Substrat bilden soll und aus Einfachheitsgründen in den Figuren nicht zu sehen ist, kann entweder auf der Rückseite des Substrats oder auf derselben Seite wie die Vorrichtung durch einen Ohm'schen-Kontakt gebildet werden, der z. B. aus einer Legierung Gold-Germanium (Au-Ge) besteht.
Eine Potentialdifferenz, die zwischen den Ohm'schen Kontakt des Substrats (der beispielsweise das Bezugspotential empfängt) und eine Elektrode vom Typ Schottky-Barriere, wie z. B. E&sub1;&sub1;, E&sub2;&sub1;, usw. angelegt wird, ergibt eine erhebliches elektrisches Feld in Höhe der Zwischenzone der Schaltelemente. Dieses Feld kann durch linearen elektrooptischen Effekt den Brechungsindex dieser Zone verändern und eine Brechungsindexdifferenz herbeiführen:
Δng = ng³·r&sub4;&sub1;·E
Hierbei ist r&sub4;&sub1; eine elektrooptisches Matrixelement, das eine Rolle spielt, wenn die Richtung des Lichts entweder [100] oder [ ] ist. E ist das elektrische Feld.
Andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Schaltelement für optische Signale zwischen Lichtleitern, die monolithisch in Form von Bändern (100) aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex auf einem Substrat (10) integriert sind, das aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex besteht, derart, daß das Licht in den die Lichtleiter bildenden Bändern eingeschlossen bleibt, wobei dieses Schaltelement eine Eingangszone mit einem Abschnitt eines Monomodelichtleiters (G1), eine Zwischenzone mit einem Abschnitt eines bimodalen Lichtleiters (G11), der sich in der Verlängerung des Monomodelichtleiters der Eingangszone erstreckt und eine Lichtwelle von dieser Eingangszone empfangen kann, und eine Ausgangszone mit einem ersten (G'1) und einem zweiten Lichtleiterabschnitt (G''1) enthält, die beide an den bimodalen Lichtleiterabschnitt (G11), der Zwischenzone angeschlossen sind und je selektiv eine von der Zwischenzone kommende Welle transportieren können, wobei zumindest der erste dieser Lichtleiterabschnitte (G'1) der Ausgangszone monomodal ist und sich in der Verlängerung des bimodalen Lichtleiterabschnitts (G11) der Zwischenzone erstreckt, wobei das Schaltelement weiter elektrische Vorspannmittel (E11) enthält, die an die Zwischenzone angelegt sind und zwischen einem ersten und einem zweiten Vorspannungszustand (P0, P1) umgeschaltet werden können, um den Brechungsindex des bimodalen Lichtleiterbereichs zu verändern und so die Umschaltung zwischen den beiden Ausgangslichtleiterabschnitten (G'1, G''1) auszulösen, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat (10) sowie die Bänder (100), die die Lichtleiter oder Lichtleiterabschnitte bilden, aus einem Halbleitermaterial bestehen,

- der Übergang von dem monomodalen Lichtleiterabschnitt (G1) der Eingangszone zum bimodalen Lichtleiterabschnitt (G11) der Zwischenzone von einer ersten Separatorstruktur (1) gebildet wird, die aus einer plötzlichen Vergrößerung der Abmessungen e1 und e2 senkrecht zum Substrat besteht, derart daß e2 > e1, wobei im bimodalen Lichtleiterabschnitt (G11) der Zwischenzone bei Eintreffen einer Welle von der Eingangszone Schwebungen entstehen zwischen dem ersten transportierten Modus, der symmetrisch ist, und dem zweiten transportierten Modus, der asymmetrisch ist, die in der Zwischenzone zu einem geführten Strahl führen, dessen Schwerpunkt (β) der Energien sich in einem Abstand vom Substrat befindet, der abhängig vom Abstand gegenüber der ersten Separatorstruktur und/oder vom Brechungsindex des bimodalen Lichtleiterabschnitts variiert,

- der Übergang vom bimodalen Lichtleiterabschnitt (G11) der Zwischenzone zum ersten monomodalen Lichtleiterabschnitt (G'1) der Ausgangszone von einer zweiten Separatorstruktur (11) gebildet wird, die aus einer plötzlichen Verringerung der Abmessungen e2 und e1 des Lichtleiters senkrecht zum Substrat besteht, wobei diese Separatorstruktur in einem Abstand l von der ersten Separatorstruktur angeordnet ist, gemessen entlang der optischen Achse, und wobei diese plötzliche Verringerung der Abmessungen zu einem reflektierenden Wandbereich (11) und zu einem ersten verengten Lichtleiterabschnitt (G' 1) einer Abmessung e1 führt, und

- der Abstand l zwischen den beiden Separatorstrukturen so gewählt ist, daß der geführte Lichtstrahl sich in der Zwischenzone entweder im ersten Vorspannungzustand (P0) der elektrischen Vorspannungsmittel (E11) durch den ersten monomodalen Lichtleiterabschnitt (G'1) der Ausgangszone übertragen wird oder im zweiten Vorspannungszustand (P1) der elektrischen Vorspannmittel an dem reflektierenden Wandbereich (11) in Richtung auf den zweiten Lichtleiterabschnitt (G''1) der Ausgangszone reflektiert wird.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Separatorstruktur anders orientiert ist als die Normale auf der optischen Achse (z'z) derart, daß im zweiten Polarisationszustand der Strahl von dem Wandbereich (11) dieser zweiten Struktur in einem Winkel abgelenkt wird, der dem doppelten Wert des Einfallswinkels (R) des Strahls auf diese Wand entspricht.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtleiterabschnitt (G''1) der Ausgangszone in der Achse (z'') des reflektierten Strahls angeordnet ist.

4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Galliumarsenid vom Typ n&spplus; ist und daß die Lichtleiter aus Galliumarsenid vom Typ n&supmin; sind.

5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Separatorstruktur (1), die zwischen der Eingangszone und der Zwischenzone liegt, von einer kristallographischen Facette gebildet wird, die senkrecht zur optischen Achse (z'z) des Eingangslichtleiterabschnitts (G1) verläuft, und daß die zweite Separatorstruktur (11), die zwischen der Zwischenzone und der Ausgangszone liegt, eine kristallographische Facette (11) einschließt, die unter 45º zur optischen Achse (z'z) des Lichtleiterabschnitts (G11) der Zwischenzone ausgebildet ist, so daß der zweite Lichtleiterabschnitt (G'1) der Ausgangszone, der den reflektierten Strahl empfängt, senkrecht zu dieser Achse verläuft.

6. Schaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen e&sub1; und e&sub2; senkrecht zum Substrat durch folgende Beziehungen miteinander verknüpft sind:

wobei λ die transportierte Wellenlänge, ng der Brechungsindex des Lichtleiters und ns der Brechungsindex des Substrats ist und wobei die Abmessung w der Lichtleiter parallel zum Substrat in der Größenordnung der Abmessung e&sub1; liegt, so daß der Lichtleiterabschnitt (G1) der Eingangszone monomodal und der Lichtleiterabschnitt (G11) der Zwischenzone bimodal ist.

7. Optische Schaltmatrix zwischen n·n Lichtleitern, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus n·n Schaltelementen gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6 besteht und daß die zweite Separatorstruktur eines gegebenen Elements mit der Separatorstruktur des nächst folgenden Elements eine Lamelle mit parallelen Seiten (L11) und einen niedrigen Brechungsindex bildet.