DE3210980C2

DE3210980C2 - Optisches Schaltelement und optische Schaltmatrix

Info

Publication number: DE3210980C2
Application number: DE3210980A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tokio/Tokyo Ikeda
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1982-03-25
Publication date: 1986-11-20
Also published as: DE3210980A1; FR2503394A1; US4521069A; CA1178703A; FR2503394B1

Abstract

Bei einem optischen Halbleiter-Schaltelement ist ein PN-Übergang mit einer aktiven Schicht vorgesehen, die mit Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern verbunden ist. Der aktiven Schicht wird ein optisches Eingangssignal mit einer dicht bei der Mitte des durch den PN-Übergang bestimmten Verstärkungsspektrums liegenden Wellenlänge zugeführt, und dieses optische Eingangssignal wird in Abhängigkeit von einem dem PN-Übergang zugeführten Injektionsstrom ein- oder ausgeschaltet. Die Stärke des zum Einschalten des optischen Schalters erforderlichen Injektionsstroms liegt im Bereich von 80 bis 90 des Schwellwertstroms, der Schwingungen des PN-Übergangs auslöst. Wenn der Injektionsstrom Null ist, wird das optische Eingangssignal nicht zum Ausgang durchgeschaltet, während bei einem Injektionsstrom von 80 bis 90 des Schwellwertstroms das optische Eingangssignal zum Ausgangsanschluß durchgeschaltet wird. Wenn ein Schalter eingeschaltet ist, wird das optische Eingangssignal etwas verstärkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Schallelement und eine optische Schaltmatrix nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1,6 und 10.

Fig. 1 zeigt einen bekannten optischen Schalter mit optischen Eingangswellenleitern 1, optischen Ausgangswellenleitern 2. Linsen 3 zur Erzeugung paralleler optischer Strahlen und beweglichen Spiegeln 4. Bei diesem optischen Schalter kann ein optisches Signal dadurch geschaltet werden, daß ein Spiegel mechanisch in den optischen Strahlengang eingeführt oder aus diesem entfernt wird. Dieser Schalter hat wegen der erforderlichen Verschiebung der Spiegel nur eine geringe Betricbsgeschwindigkeit von einigen Mikrosekunden, und seine Abmessungen lassen sich nicht klein halten.

Fig. 2 stellt einen anderen bekannten optischen Schalter dar, der als Richtungskoppler wirkt. Er weist

3 4

cine Elektrode 5 und einen elektro-optischen Kristall, ment ungeeignet, weil er selbst dann Einfügungsverluste z.B. aus LiNbO₃ oder LiTaO₃, zur Steuerung des Kopp- verursacht, wenn der Modulator leitend ist Die Auslungsgrades eines Richtungskopplers auf. Bei diesem gangsleistung des Modulators würde daher nur die optischen Schalter ist nachteilig, daß der Nebenspeech- Hälfte der Eingangsleistung betragen,
pegel hoch ist, z. B. —10 dB oder —20 dB erreicht, sehr 5 Beim Erfindungsgegenstand wird dagegen eine Verenge Herstellungstoleranzen eingehalten werden müs- Stärkung der Eingangsleistung (anstelle einer Dämpsen, eine Gleichvorspannung erforderlich ist, die Einfü- fung) bewirkt, da die aktive Schicht als Verstärkungsgungsveriuste hoch sind und ein langes Substrat erfor- schicht wirkt, wenn der Injektionsstrom in Durchlaß derlich ist, wenn eine Einrichtung in großen Stückzahlen richtung fließt
hergestellt werden solL io Das erfindungsgemäße Schaltelement hat daher kei-

Ein anderer bekannter optischer Schalter weist einen ne Einfügungsverluste.

Flüssigkristall oder elektro-optischen Reflektor auf, wie Wenn der Injektionsstrom beim Erfindungsgegenes z. B. in der DE-AS 22 38 336 und der US-PS 40 65 729 stand ausgeschaltet ist dann wirkt die aktive Schicht als gezeigt ist Bei dem zuerst genannten optischen Schalter Absorptionsschicht so daß die Übertragung der Einwird das optische Schalten durch Steuerung der Polari- 15 gangsleistung (ohne »Leckage«) verhindert wird, wenn sation bewirkt Dies hat jedoch den Nachteil, daß die das Schaltelement ausgeschaltet ist
Schaltgeschwindigkeit seiir gering ist und jeder Schalt- Das erfindungsgemäße Schaltelement hat daher im Vorgang etwa 50 Millisekunden dauert Bei dem zuletzt Vergleich zu einem Modulator nach der DE-OS genannten Schalter wird das Schalten durch Steuerung 22 52 247 ein sehr viel höheres EIN/AUS-Verhältnis, des Brechungsindex bewirkt Dies hat jedoch den 20 Dieses EI N/AUS- Verhältnis, die Finfügungsverluste Nachteil, daß der Nebensprechpegel hoch ist die Einfü- und die Leckage sind die wichtigsten Eigenschaften eigungsverluste hoch sind und eine hohe Spannung zum nes Schalters.
Schalten erforderlich ist Durch die abgeschrägten Enden der aktiven Schicht

Ein anderer bekannter optischer Schalter Ist in »AppL werden Reflexionen der Eingangsleistung am Ende der Phys. Letters« 1973, Heft 22, S. 372—374, beschrieben. 25 aktiven Schicht verhindert, wenn die aktive Schicht als Dieser Schalter nutzt den Franz-Kerdish-Effekt aus und Verstärkungsschicht wirkt. Dies ist günstig für die Aushat eine hohe Schaltgeschwindigkeit Nachteilig sind je- bildung eines hohen EIN/AUS-Verhältnisses,
doch sein geringer Sperrwiderstand und die hohen Ein- Der Gegenstand der US-PS 42 23 977 unterscheidet fügungsverluste. sich insofern von der erfindungsgemäßen Schaltmatrix,

Ein anderer bekannter optischer Schalter ist in »IEEE 30 als dort ein optischer Verteiler vorgesehen ist der die

Trans. CAS-26«, 1979, S. 1125—1131, beschrieben. Die- Phasenlage eines Signals mittels eines elektro-optischen

scr Schalter hat zwar eine hohe Schaltgeschwindigkeit Effekts steuert während die erfindungsgemäße Schalt-

jedoch einen geringen Sperrwiderstand. Ferner benö- matrix die Energie eines Signals unter Anwendung eines

tigt er eine hohe Vorspannung, seine Einfügungsverlu- Induktionsstrahlungseffekts steuert Bei der US-PS

ste sind hoch, und der Schaltvorgang ist polarisationsab- 35 42 23 977 sind ein Richtungskoppler, ein Phasenschieber

hängig. und ein bestimmte Wellenlängen reflektierender Gitter-

Ein anderer bekannter optischer Schalter ist ein opto- koppler, beim Erfindungsgegenstand dagegen ein PN-

eleklronischer Schalter, der eine Photodiode aufweist. Obergang, Eingangs/Ausgangs-Wellenleiter, ein opti-

Das Einschalten der Vorspannung der Photodiode be- scher Verteiler und ein optisches Vereinigungselement

wirkt das Umschalten von einem optischen Signal in ein 40 vorgesehen.

elektrisches Signal. Dieser Schalter ist breitbandig, hat Ferner treten beim Gegenstand der US-PS 42 23 977

einen hohen Sperrwiderstand und eine hohe Schaltge- F Jifügungsverluste auf, während der Erfindungsgegen-

schwindigkeit, jedoch den Nachteil, daß das elektrische stand keine solchen Verluste, sondern eine Verstärkung

Ausgangssignal in ein optisches Signal umgeformt wer- bewirkt,

den muß. damit der Schalter als optischer Schalter wirkt. 45 Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schalt- nachstehend anhand der Zeichnungen bevorzugter Aus-

elcment dzw. eine Schaltmatrix der gattungsgemäßen führungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Art anzugeben, bei dem bzw. der das EIN/AUS-Ver- Fig. 1 den Aufbau eines bekannten optischen Schal-

hältnis einen möglichst großen Wert aufweist. ters,

- Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprü- 50 F i g. 2 einen anderen bekannten optischen Schalter,

chen 1,6 und 10gekennzeichnet. Fig. 3 vereinfacht der. Aufbau eines erfindungsgemä-

Der Aufbau des Schaltelements nach dem Patentan- Ben optischen Schaltelements,

spruchl ähnelt zwar dem eines Lasers, wie er in »Elek- Fig. 4A den Zusammenhang zwischen dem Strom

tronik-Anzeiger« 1976, Nr. 3, S. 65—69 angegeben ist, unH d^m optischen Ausgangssignal eines Halbleiter-La-

jedoch bildet dort der optische Leiter eine durchgehen- 55 ser-Verstärkers zur Erläuterung der Wirkungsweise des

de Ebene, während beim Erfindungsgegenstand der op- erfindungsgemä/V;n Schaltelements,

tische Leiter eine aktive Schicht enthält F i g. 4B das Verstärkungsspektrum des erfindungsge-

Die DE-OS 22 52 247 zeigt einen optischen Modula- mäßen optischen Schaltelements,

tor, bei dem eine in Sperrichtung wirkende Vorspan- F i g. 5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßan

nung angelegt wird, so daß der Modulator leitend ist, 60 optischen Schal.elements, das in einer Schaltmatrix ver-

wenn die Vorspannung ausgeschaltet, dagegen nicht lei- wendet w erden kann,

tend ist, wenn die Vorspannung eingeschaltet ist. Beim F i g. 6 den Schnitt A-A nach F i g. 5,

Erfindungsgegenstand ist der Vorstrom (Injektions- F i g. 7 den Zusammenhang zwischen der Wellenlän-

strom) dagegen in Durchlaßrichtung gerichtet, so daß ge und der Phasenkonstanten eines optischen Kopp-

das Schaltelement leitend (eingeschaltet) ist, wenn der 65 lungswellenleiters,

Strom eingeschaltet ist, und nicht leitend ist, wenn der F i g. 8 den Querschnitt eines weiteren Ausführungs-Strom ausgeschaltet ist. beispiels eines erfindungsgemäßen optischen Schaltele-

Dcr bekannte Modulator ist als optisches Schaltele- ments,

F i g. 9 den Schnitt A -A nach F i g. 8,

F i g. 10 den Schnitt B-B nach F i g. 8,

Fig. 1IA, 11B, 11C eine Anordnung optischer Schaltelemente zur Ausbildung einer Schaltmatrix und

Fig. 12 eine andere Anordnung optischer Schaltelemente zur Ausbildung einer Schaltmatrix.

Das erfindungsgemäße optische Schaltelement nach F i g. 3 hat einen optischen Eingangswellenleiter 1, einen optischen Ausgangswellenleiter 2, ein PN-Übergangs-Bauelement 7, eine Vorspannungsquelle V und einen ohmschen Lastwiderstand Rl- Vorzugsweise sind die ein- und ausgangsseitigen Enden Ta und Tb des Lasers 7 mit einem dielektrischen Dünnfilm überzogen, so daß der Reflexionskoeffizient dieser Enden kleiner als 0,1% ist. Die Länge L des PN-Übergangs-Bauelements 7 ist kleiner als 300 Mikrometer, vorzugsweise kleiner als 100 Mikrometer.

Wenn die Vorspannung des PN-Übergangs-Bauelements 7 ein- oder ausgeschaltet wird, wird der optische Schalter ein- oder ausgeschaltet.

F i g. 4A zeigt den Zusammenhang zwischen dem dem Halbleiter-Laserverstärker zugeführten Injektionsstrom und der optischen Ausgangsleistung für zwei Prüflinge. LD1 und LD 2 (siehe Aufsatz »The gain, gain saturation and noise of a semiconductor laser amplifier« von Mukal und anderen, in OQE 80-71 in dem Untersuchungsbericht des Institute of Electronics and Communications of japan). Bei dem im Diagramm nach F i g. 4A aufgetragenen Injektionsstrom handelt es sich um einen normalisierten Strom, bei dem der tatsächliche Strom durch den Schwellwertstrom, bei dem die Schwingung des Lasers einsetzt, dividiert ist. Wie F i g. 4A zeigt, beträgt die Verstärkung des Laserverstärkers nahezu 20 dB. wenn der Injektionsstrom /dicht beim Schwellwertstrom J,h der Halbleiter-Laserverstärker LDi und LD^ liegt. Wenn der Injektionsstrom dagegen Null ist, bewirkt das PN-Übergangs-Bauelement eine Dämpfung von mehr als 80 dB. Durch Umschalten des Injektionsstroms zwischen Null und einem Wert nahe beim Schwellwertstrom, ergibt sich daher eine optische Schaltwirkung, bei der die Isolation bzw. Sperrfähigkeit (die Differenz zwischen der Verstärkung im eingeschalteten Zustand und den Verlusten im ausgeschalteten Zustand) des vorliegenden optischen Schaltelements höher als 100 dB ist. Der Schwellwertstrom liegt bei einen*, typischen Halbleiter-Laserverstärker bei 60 mA, und die Schaltgeschwindigkeit beträgt weniger als 10 Nanosekunden. Die Bandbreite eines Halbleiter-Laserverstärkers beträgt mehr als 1 Gigahertz, was für eine Breitbandkommunikation ausreichend ist

Da erfindungsgemäß ein Halbleiter-Laserverstärkerelement als optisches Schaltelement verwendet wird, ist ein Schalten zwischen optischem Signal und optischem Signal möglich, und da das Element ferner eine Verstärkung aufweist, sind die Einfügungsverluste gering, und der Nebensprechpegel ist ebenfalls gering. Da ferner kein mechanisches Glied verwendet wird, ist ein Hochgeschwindigkeits-Schaltbetrieb in einem großen Frequenzberesch möglich.

F i g. 4B zeigt die Verstärkungsspektralkurve des erfindungsgernäßen optischen Schalters, bei der auf der horizontalen Achse die Wellenlänge eines optischen Eingangssignals und auf der vertikalen Achse die Verstärkung im eingeschalteten Zustand sowie die Verluste im ausgeschalteten Zustand aufgetragen sind. Die Kurve A ist experimentell anhand des Halbleiter-Bauelements nach den Fig.8—10 ermittelt worden, bei dem die Länge L des optischen Schalters in Übertragungsrichtung des optischen Signals bei 100 Mikrometer und der Injektionsstrom / = 0,86 · /,λ ist, wobei /,/, der Schwellwertstrom ist, bei dem die Schwingung des PN-Übergangs beginnt. Vorzugsweise ist der Injektionsstrom / kleiner als 90% des Schwellwertstroms /,/, und größer als 80% des Schwellwertstroms /₍λ, um einen stabilen Schaltbetrieb, eine hinreichende Verstärkung, eine hinreichende Bandbreite und eine befriedigende Sättigungskennlinie eines optischen Eingangssignals zu

ίο erzielen. Wie die Kurve A zeigt, ist die 1 dB-Abnahme-

Bandbreite größer als 100A, d.h. die Bandbreite mil einer Verstärkungsabweichung von 1 dB ist größer als

100 A.

Die Kurve B in Fig.4B ist für den Fall berechnet worden, daß der Schalter den Ausschaltzustand (unterbrochenen Zustand) einnimmt, in dem der Injektionsstrom / Null ist. Wie sich aus F i g. 4B ergibt, erreicht die Isolation oder Sperrfähigkeit zwischen der Verstärkung, wenn sich der Schalter im Ein-Zustand befindet, und den

iö Verlusten, wenn sich der Schalter im Aus Zustand befindet, bis zu 500 dB.

Die Wellenlänge eines optischen Eingangssignals ist so gewählt, daß sie nahe bei der Mitte der Verstärkungsspektralkurve A nach F i g. 4B liegt, und beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise 0,825 Mikrometer. Die Mitte des Verstärkungsspektrums hängt von dem verwendeten Halbleitermaterial und dem Mengenverhältnis der Bestandteile des Halbleitermaierials ab.

F i g. 5 zeigt ausführlicher den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Schaltelements, bei dem ein PN-Übergangselement a!s Schaltelement verwendet wird. F i g. 6 stellt den Querschnitt A-A dvr F i g. 5 dar.
Das Schaltelement nach den F i g. 5 und 6 arbeitet bei einer Wellenlänge von etwa 1,55 Mikrometer, bei der die optischen Verluste in Silicafasern minimal sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bezeichnet 9 einen N-Halbleiterkristall aus InP und 10 einen N-Halbleitcrkristall aus GaInAsP zur Ausbildung eines Wcllenlei ters. Der Brechungsindex und die Bandabstandscnergic des Wellenleiters 10 sind durch entsprechende Wahl des Mengenverhältnisses der Halbleiterbestandteile festgelegt. Mit 11 ist eine aktive Schicht bezeichnet, die mit einem PN-Übergang gekoppelt ist und aus einem eigcnleitenden GalnAsP-Halbleiterkristall besteht. Mit 12 ist ein P-Halbleiterkristall aus GaInAsP bezeichnet, der als Antischmelz-Stützschicht für das anschließende Aufwachsen eines Kristalles dient. Mit 13 ist ein P-Halbleiterkristall aus InP und mit 14 ein P-Halbleiterkristall aus GaInAsP bezeichnet, der als Deckschicht dient, die den elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiterelement und einer Elektrode herstellt Mit 15 ist eine Isolierschicht SjO₂ bezeichnet, die eine streifenförmige Elektrode bildet Mit 16 ist eine Elektrode aus Au und mit 17 ein mit der Elektrode 16 verbundener Anschlußdraht bezeichnet

Das Element nach den F i g. 5 und 6 hat einen versenkten (»begrabenen«) Hetero-Übergang und wird auf ähnliche Weise wie ein herkömmlicher Halbleiter-Laser hergestellt Zunächst wird jede Schicht in F i g. 5 von der Schicht 9 bis zur obersten Schicht 14 durch ein Krislall-Aufwachsverfahren hergestellt, und dann wird die gewünschte Wellenleiterform durch Ätzen dieses Halbleiters ausgebildet Wenn der Wellenleiter einen gekrümmten Teil aufweist erfolgt das Ätzen durch aktive Katodenzerstäubung unter Verwendung von CO2F2, Ar. O2 und anderen Gasen. Als nächstes wird eine N-leitende InP-Schicht 9' auf beiden Seiten der Wellenleiter

durch Kristallaufwachsen aufgebracht, so daß sich schließlich der in F i g. 6 dargestellte Aufbau ergibt.

Der Brechungsindex jeder Schicht des in F i g. 6 dargestellten Bauelements ist links in Fig.6 dargestellt. Die Zusammenhänge zwischen der Bandabstandsenergic und dem Brechungsindex und das Mengenverhältnis der Bestandteile in GaInAsP ist in »Appl. Phys. Lett.,« Heft 33, S. 659-661, Oktober 1978, angegeben. So können die Brechungsindizes /ii = 3,53, n-i = 3,36, Π3 = 3,16, die sich auf die Bandabstandsenergie für einen Wellenleiter beziehende Wellenlänge 1,4 Mikrometer und die sich auf die BandabstandseV^rgie für eine aktive Schicht beziehende Wellenlänge 1,55 Mikrometer betragen, wobei das Verstärkungsspektrum die maximale Verstärkung aufweist und diese Parameter sich durch entsprechende Wahl des Mengenverhältnisses der Halbleiterbestandteile ergeben.

Nach F i g. 5 ist die aktive Schicht 11 optisch mit dem Wellenleiter 10 in dem Element 7 in F i g. 6 gekoppelt. Der Aufbau nach F i g. 5 ergibt sich durch Abtragung b's auf das optische Schaltelement 7 nach dem Kristallaufwachsen und durch Anbringung der Halbleiter 9 und 9', die die gleichen Bestandteile aufweisen, der Isolationsschicht S1O2 und der Elektrode.

Der Brechungsindex und die Abmessungen aller Teile des Elements nach den F i g. 5 und 6 sind so gewählt, daß der Wellenleiter 10 optisch mit der aktiven Schicht 11 gekoppelt ist. Durch den Wellenleiter 10 übertragene optische Energie bewirkt eine Kopplung mit der aktiven Schicht 11, d. h. wird zwischen dem Wellenleiter 10 und der aktiven Schicht 11 hin und her übertragen. Die Ko,,plungslänge L eines Schaltelements ist NirlC, wobei N eine ganze Zahl und größer als 2 und Cder Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Kanälen 10 und 11 ist, so daß ein Energieaustausch zwischen den beiden Kanälen 10 und 11 bewirkt wird.

Wenn der Brechungsindex des Wellenleiters 10 von dem des Kanals U abweicht, stimmt die Phasenkonstantc des ersten Kanals 10 mit der des zweiten Kanals U bei der vorbestimmten Wellenlänge Ao überein, so daß sich eine vollständige optische Kopplung ergibt. F i g. 7 veranschaulicht diesen Zustand vollständiger Kopplung. Darin ist Ko = ΙπΙλ,Α. h. die Schwingungszahl im Vakuum, und λ die Wellenlänge. Der Zusammenhang zwischen Brechungsindex, Abmessungen und Wellenlänge in einem optischen Übertragungskanal oder Wellenleiter ist in »Optics Communications«, August 1973, Heft 8, S. 421 —425, beschrieben. Wählt man zum Beispiel die Längen a = 035 Mikrometer, b = 0,2 Mikrometer, c = 0.1 Mikrometer und d = 0,4 Mikrometer (siehe F i g. 6), dann ergibt sich eine vollständige Kopplung bei der Wellenlänge κ = 1,55 Mikrometer.

Nachstehend wird ein Schaltvorgang beschrieben. Ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von 135 Mikrometer wird in einem Wellenleiter mit geringen Verlusten übertragen, da in einem Wellenleiter keine Absorption erfolgt Im Schaltelementteil 7, der einen PN-Übergang aufweist, wird das optische Signal, wenn der Injektionsstrom Null ist, gedämpft, da die aktive Schicht 11 eine hohe Grundabsorption aufweist, so daß sich kein optisches Ausgangssignai ergibt Wenn dem PN-Übergang 7 dagegen ein Injektionsstrom zugeführt wird, arbeitet die aktive Schicht 11 als Verstärker, so daß das optische Eingangssignal jedesmal verstärkt wird, wenn die Eingangsenergie in die aktive Schicht 11 eingekoppelt wird, und am Ausgang des Schaltelements 7 ein verstärktes optisches Signal auftritt
Auch wenn keine vollständige Kopplung zwischen

der aktiven Schicht und dem Wellenleiter auftritt, kann das vorliegende Element einen Schaltvorgang bewirken. Wenn die Wellenlänge des Eingangssignals gleich /ίο ist, ist die Phasenbedingung nicht erfüllt, so daß keine vollständige Kopplung bewirkt und das elektrische Feld des Eingangssignals in der aktiven Schicht verteilt wird. Wenn daher der Injektionsstrom ausgeschaltet ist. wird die in der aktiven Schicht verteilte Energie in der aktiven Schicht absorbiert und gedämpft. Wenn der Injektionsstrom dagegen eingeschaltet ist, wird die in der aktiven Schicht verteilte Energie in der aktiven Schicht verstärkt, so daß die Energie im Wellenleiter zunimmt. Das Schalten ist daher selbst dann möglich, wenn keine vollständige Kopplung erreicht wird, sofern keine hohe Verstärkung erforderlich ist.

Durch Ein- und Ausschalten des Injektionsstroms kann daher die Übertragung eines optischen Signals durch den Wellenleiter 10 ein- und ausgeschaltet werden. Das aus dem PN-Übergang bestehende Schaltele-

2Q ment 7 kann auf dem gleichen Substrat wie der Eingangs- und/oder Ausgangswellenleiter des optischen Schaltelements ausgebildet sein.

Nachstehend sind einige besondere Vorteile des in den F i g. 5 und 6 dargestellten Aufbaus angegeben:

1. Der Nebensprechpegel, mit dem ein Signal in einem Kanal ein Signal in einem anderen Kanal beeinflußt, ist gering.

2. Die Einfügungsverluste des Schaltelements sind gering.

3. Das Schaltelement ermöglicht ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit.

4. Die Abmessungen des Schaltelements sind klein.

5. Die Bandbreite ist groß.

6. Die Herstellungskosten sind gering, weil das Schaltelement zusammen mit den zugehörigen Wellenleitern wie ein Halbleiter hergestellt wird.

7. Das gesamte Bauelement ist stabil, da sowohl das Schaltelement als auch die zugehörigen Wellenleiter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

8. Unerwünschte natürliche Strahlen, die in der aktiven Schicht erzeugt werden, werden durch die Filterwirkung der Kopplung unterdrückt.

9. Die Lebensdauer ist nahezu unbegrenzt.

Die F i g. 8,9 und 10 stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Schaltelements dar, wobei F i g. 8 einen Schnitt in Längsrichtung eines Wellenleiters, Fig.9 den Schnitt A-A der Fig.8 und Fig. 10 den Schnitt B-B der Fig.8 darstellen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 8 bis 10 ist eine aktive Schicht in einem Wellenleiter angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß Herstellungstoleranzen bezüglich der Abmessungen jedes Teils zulässig sind, ohne daß die Schalteigenschaften beeinträchtigt werden.

Dieses Schaltelement weist eine Isolierschicht 15 aus S1O2, eine Elektrode 16 und einen Anschlußdraht 17 auf. Das Substrat besteht aus GaAs. Mit 23 ist ein N-leitendes GaAs, mit 24 und 24' ein N-Ieitendes AUGafn^AS, wobei für χ gilt OS χ S 1, mit 25 eine aktive Schicht aus GaAs, mit26 ein P-leitendes AI,Ga(i._A>As, mit 27 eine Deckschicht aus P-leitendem GaAs und mit 28 ein optischer Übertragungskanal aus AI^Gaii^yVs bezeichnet, wobei fury gilt 0 SySl.

Die Übergänge Γ des Wellenleiters 28 und der aktiven Schicht 25 sind abgeschrägt wie es in F i g. 8 dargestellt ist und der Wellenleiter 28 und die aktive Schicht

25 liegen in der gleichen Ebene.

Der Aufbau des Ausführungsbeipiels nach den F i g. 8, 9 und 10 ist ähnlich dem eines Lasers mit versenktem Doppel-Hetero-Übergang, so daß durch das Ein- bzw. Ausschalten eines Injektionsstroms ein optisches Eingangssignal ein- bzw. ausgeschaltet wird. Die bevorzugte Dicke der aktiven Schicht 25 liegt bei etwa 0,2 Mikrometer. Wenn χ etwa gleich 0,4 gewählt wird, beträgt die Wellenlänge der Schwingung bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig.8 bis 10 etwa 0,87 Mikrometer. Die Wellenlänge eines optischen Eingangssignals wird daher gleich 0,87 Mikrometer gewählt. Das Verstärkungsspektrum nach F i g. 4B hat sein Maximum bei der Wellenlänge von 0,825 Mikrometer. Dies weicht von 0,87 Mikrometer ab, weil das Mengenverhältnis der Halbleiterbestandteile bei der Versuchsausführung nach F i g. 4B von dem der obigen Daten abweicht.

Die Größe y des Bestandteils des Wellenleiters 28 wird dagegen etwa gleich 0,2 gewählt. Für die Abhängigkeit der Band?.b$*andsenergie E. und des Brechungsindex η vom Verhältnis y des Materials AljGa^.yjAs gelten bekanntlich folgende Beziehungen:

1,424 + l,226y +
3.6 - 0,7y

Bei y = 0,2 läßt sich die Wellenlänge A_b aus der Bandabstarrlsenergie und die relative Brechungsindexdifferenz Δ, die sich aus dem Brechungsindex des Wellenleiters und dem Brechungsindex des den Wellenleiter umgebenden Mediums ergibt, aus nachstehenden Gleichungen berechnen:

A_b = hc/Eg

Δ = (η, - oj — n_} _ 0.4)/ n_} .

<u

wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Aus diesen Gleichungen erhält man für Ab = 0,68 Mikrometer und für Δ = 4%. Da die Wellenlänge von 0,87 Mikrometer eines optischen Signals größer als dieser Wert von 0,68 Mikrometer ist, ist die Energie dieses optischen Signals kleiner als die von Ab. Das optische Signal wir6 daher nicht in dem Wellenleiter gedämpft oder absorbiert, und da ferner die relative Brechungsindexdifferenz Δ mit Δ = 4% groß genug ist, wirkt der Wellenleiter als scharf begrenzter Wellenleiter.

Da die aktive Schicht 25 in der Ebene des Wellenleiters 28 liegt, ist die optische Kopplung zwischen der aktiven Schicht und dem Wellenleiter vollständig. Darüber hinaus erleichtert die Abschrägung der Enden der aktiven Schicht 25, wie es in F i g. 8 dargestellt ist, die vollständige Kopplung zwischen dem optischen Übertragungskanal und der aktiven Schicht und die Impedanzanpassung zwischen Wellenleiter und aktiver Schicht Ein weiterer Vorteil ist der, daß eine geringere Reflexion an der Grenzfläche des Wellenleiters und der aktiven Schicht auftritt.

Nachstehend wird das Herstellungsverfahren des optischen Schaltelements nach den F i g. 8 bis 10 erläutert. Zunächst werden die N-leitende GaAs-Schicht 23, die N-Ieitende ALGa^/vs-Schicht 24 und die aktive Schicht 25 auf dem Substrat in herkömmlicher Weise durch schichtweises Kristallaufwachsen aufgebracht Ferner erfolgt eine Al- und/oder As-Ionen-Implantation in dem den Wellenleiter bildenden Teil 28, in der Weise, daß in dem Wellenleiter 28 der Wert von y = 02 wird. Diese Ionen-Implantation erfolgt bis zu einer Tiefe von 0,2 Mikrometer. Anstelle der Ionen-Implantation kann auch eine AlAs-Eindiffusion bewirkt werden, oder der Wellenleiter 28 ν Wd durch selektives Kristallaufwachsen ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich ein Zwischenprodukt.

Sodann werden die P-Ieitende Al.»Ga(i.,/^s-Schicht 26 und die P-leitende GaAs-Schicht 27 aufgewachsen.

Dann wird zur Ausbildung des gewünschten Wellenleiter-Pfades oder -Übertragungskanals ein Ätzverfahren bis zur Tiefe der N-Ieitenden GaAs-Schicht 23, und zwar durch die herkömmliche reaktive Kathodenzerstäubung, angewandt um den Überzugteil 24' nach den Fig.9 und 10 zu bilden, und dann wird die Überzugsschicht 24' aus N-leitendem Al»Ga(i.»;As um den Schalt- elementteil herum angebracht. Schließlich werden die Elektrode 16 und der Anschluß- oder Zuleitungsdraht 17 in herkömmlicher Weise angebracht.

Erfindungsgemäß werden mehrere Schaltelemente und Halbleiter auf einem einzigen Halbleiter-Substrat zur Bildung einer Schahmatrix angeordnet.

Fig. HA zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau der optischen Schaltmatrix, bei der 101 bis 10/) Schaltanordnungen sind, die jeweils mehrere Schaltelemente 101-1, 101-2, 101-n usw. und optische Verteiler 101a, 102a,...

lOna oder optische Koppler 101'a, 102'a,... 10/j'a aufweisen. Die optischen Verteiler 101a, 102a,... lOna haben einen einzigen Eingangszweig, der auf eine Anzahl von η Ausgangszweigen aufgeteilt bzw. verteilt wird, wobei η eine ganze Zahl ist, die größer als 2 ist. Die optischen Koppler 101'a, 102'a,... 10/j'a haben eine Anzahl von η Eingangszweigen und einen einzigen Ausgangszweig. Ein einem Eingangsanschluß IN, ... IN_n zugeführtes optisches Eingangssignal wird daher durch Einschalten der Schaltelemente 101-1,... 101-n, indem bei jedem Schaltelement ein Injektionsstrom eingeschaltet wird, auf irgendeinen Ausgangsanschluß OUT, ... OUT_n durchgeschaltet.

F i g. 11B zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung 101 oder 1On, bei der das Eingangssignal zuerst auf eine Anzahl von π Zweige verteilt und erst dann durchgeschaltet wird. Fig. HC stellt dagegen ein Ausführungsbeispiei einer Schaltanordnung dar, bei der das optische Eingangssignal zuerst durchgeschaltet und dann auf eine Anzahl von π Zweige verteilt wird.

Fig. 12 zeigt einen anderen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltmatrix, bei dem mehrere optische Pfade bzw. Übertragungskanäle i, i + \,j,j + 1 usw. nach Art eines Kreuzschienenverteilers angeordnet sind und an jeder Kreuzung Sy, S? usw. der sich kreuzenden optisehen Wellenleiter ein Schaltelement angeordnet ist. Hierbei werden der optische Eingangs-Wellenleiter i und der optische Ausgangs-Wellenleiter./dadurch miteinander gekoppelt bzw. verbunden, daß dem Schaltelement Sn ein Injektionsstrom zugeführt wird. Wenn ein Schaltelement an einer Kreuzung nicht eingeschaltet (nicht durchgeschaltet) ist wird das optische Signal durch die Verstärkung des Schaltelements S/ bis auf den gewünschten Wert verstärkt Dieses Schaltelement 5/ kann weggelassen werden, wenn ein Schaltelement Sy den gewünschten Pegel des optischen Ausgangssignals sicherstellt Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 hat ^uesonders niedrige Einfügungsverluste (eine besonders Jeine Einfügungsdämpfung), weil in den Ausgangswellenleitern kein optischer Verteiler liegt

Die Ausbildung als Kreuzschienenverteiler-Scbaltanurdnung nach Fig. 12 hat beispielsweise folgende Vorteile:

Der A'i^-tbau ist einfach, und die Anordnung kann
große Abmessungen aufweisen.

2. Da sich alle optischen Wellenleiter im rechten Winkel kreuzen, ist der Nebensprechpegel gering.

3. Da die Anzahl der Schaltelemente im Vergleich zu 5 einer Anordnung mit kombinierten Schaltelementen gering ist, läßt sich leicht eine Schaltmatrix in
großen Stückzahlen bzw. serienmäßig herstellen.

4. Die zugehörige Steuerschaltung ist einfach, weil sie
lediglich das Schalten eines Schaltelements an einer io Kreuzung bewirken muß.

5. Sie ist verlustarm, hat einen hohen Frequenzbereich und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, da die
Anzahl der Schalter im Ein-Zustand gering ist.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Schaltelement mit einem Halbleitersubstrat;

einem auf dem Halbleitersubstrat angebrachten PN-Übergang mit einer P-Halbleiterschicht und einer N-Halbleiterschichi und mit einer aktiven Schicht, die mit wenigstens einer der N- und P-Halbleiterschichten gekoppelt ist;

einer der aktiven Schicht ein optisches Eingangssignal zuführenden Einrichtung;
einer mit der aktiven Schicht gekoppelten Einrichtung für den Empfang eines optischen Ausgangssignals;

einer dem PN-Übergang einen Injektionsstrom zuführenden Einrichtung zum Einschalten des Schaltelements und

einer derartigen Ausbildung des PN-Übergangs, daß die Mitte seines Verstärkungsspektrums dicht bei der Wellenlänge des optischen Eingangssignals liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Schicht (25) in der gleichen Ebene wie der Wellenleiter (28) angeordnet ist
daß die Enden (T) der aktiven Schicht (25) abgeschrägt sind und

daß der Injektionsstrom in Durchlaßrichtung des PN-Übergangs gerichtet ist, so daß ein optisches Eingangssignal verstärkt wird, wenn das Schaltelement eingeschaltet ist.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Enden der aktiven Schicht so beschichtet sind, »laß der Reflexionskoeffizient an jedem Ende der aktiven Schicht kb iner als 0,1% ist.

3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge d » aktiven Schicht in Übertragungsrichtung eines optischen Signals kleiner als 100 μπι ist.

4. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis

3. dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionsstrom zum Einschalten des optischen Schaltelements zwischen etwa 80% und 90% des Schwellwertstroms liegt, bei dem Schwingungen des PN-Übergangs einsetzen.

5. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der der Kopplung der äußeren Schaltung mit dem optischen Schaltelement dienende Wellenleiter auf dem gleichen Substrat wie das Schaltelement ausgebildet ist.

6. Optische Schaltmatrix mit mehreren Eingangswellenleitern und mehreren mit diesen wählbar zu verbindenden Ausgangswellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß mit den einzelnen Zweigen eines in der Schaltmatrix liegenden Wellenleiters aktive Teile integriert sind, daß diese Teile jeweils die aktive Schicht einer aus mehreren Halbleiterschichten bestehenden, an sich bekannten Diodenanordnung bilden, daß diese Diodenanordnung mit einem Injektionsstrom betrieben wird, der unter dem Schwellwert liegt, bei dem die Diode als Laser aktiv wird, und daß diese Diodenanordnung ebenfalls mit dem Substrat integriert ist.

7. Schaltmatrix nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Diodenanordnung eine optische Schaltelementanordnung aufweist, von denen mehrere jeweils mit einem Eingangswellenleiter oder einem Ausgangswellenleiter verbunden sind;

daß jede der optischen Schaltelementanordnungen eine Einrichtung zum Aufteilen oder Verbinden eines einzigen Wellenleiters auf bzw. mit mehreren Wellenleitern und ein mit einem Wellenleiter verbundenes optisches Schaltelement aufweist;

daß das optische Schaltelement ein Halbleitersubstrat, einen PN-Übergang mit einer P-Halbleiterschicht und einer N-Halbleiterschicht und einer aktiven Schicht aufweist die mit mindestens einer der Νιο und P-Schichten verbunden ist;

daß der PN-Übergang auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist;

daß die aktive Schicht optisch mit dem Wellenleiter der optischen Schaltelementanordnung verbunden ist;

daß der PN-Übergang so ausgebildet ist daß die Mitte seines Verstärkungsspektrums dicht bei der Wellenlänge eines optischen Signals liegt und daß die aktive Schicht in der gleichen Ebene wie der Wellenleiter angeordnet ist

8. Schaltmatrix nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß ein jeder optischen Schaltelementanordnung zugeführtes optisches Eingangssigna! zuerst die Aufteilungs/Verbindungseinrichtung und dann ein optisches Schaltelement durchläuft

9. Schaltmatrix nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß ein jeder optischen Schaltelementanordnung zugeführ»ts optisches Einga.igssignal erst ein optisches Schaltelement und dann die Aufleilungs/Verbindungseinrichtung durchläuft

10. Optische Schaltmatrix mit mehreren Wellenleitern in Kreezschienenverteileranordnung und mehreren optischen Schaltelementen, die jeweils an einem Kreuzungspunkt der Kreuzschienenverteileranordnung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet daß das optische Schaltelement ein Halbleitersubstrat einen PN-Übergang mit einer P-Halbleiterschicht und einer N-Halbleiterschicht und einer aktiven Schicht aufweist die mit mindestens einer der N- und P-Schichten verbunden ist daß der PN-Übergang auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, daß die aktive Schicht optisch mit dem Wellenleiter der Kreuzschienenverteileranordnung verbunden ist, daß der PN-Übergang so ausgebildet ist daß die Mitte seines Verstärkungsspektrums dicht bei der Wellenlänge des optischen Signals, das geschaltet werden soll, liegt und daß die aktive Schicht in der gleichen Ebene wie der Wellenleiter angeordnet ist.