JPH0731330B2

JPH0731330B2 - マトリクススイツチ及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH0731330B2
Application number: JP59033466A
Authority: JP
Inventors: 充和近藤; 雅彦藤原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPS60177326A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、複数の入力信号路と出力信号路間を任意に切
換えて接続するマトリクススイッチ及びその駆動方法に
関する。

（従来技術とその問題点）光通信システムの急速な発展により、伝送路の大容量化
がはかられ、さらに益々高度のシステムへと開発が進め
られている。通信システムの機能の拡大のため、各種信
号の交換や伝送路網の高速切換え等新たな機能が要求さ
れつつあり、それらを可能にする光スイッチングネット
ワークの必要性が高まっている。光信号の交換、伝送路
切換えを行なう方法としては、（１）、光の状態のまま
光路を切換えてスイッチングする方法、（２）光信号を
一旦電気信号に変換し、電気信号の状態でスイッチング
して再び光信号に変換する方法、（３）入力光信号を分
岐された光伝送路の終端に設置した光検出器へのバイア
ス電圧のON、OFFにより出力すべき信号を選択して出力
端子へ接続する方法等が提案されている。

先ず、（１）の光路切換形のスイッチでは電磁石等によ
るプリズムやミラー等の機械的移動を用いたメカニカル
光スイッチと基板上に設けた光導波路によって構成され
る導波形光スイッチがあるが、高速性や多チャンネル化
の可能性では後者の方が優れている。導波形光スイッチ
は、光信号をそのまま高速にスイッチできるという利点
があるが、一般に入射光が直線偏光でないと正常な動作
が得難いので通常の単一モード光ファイバや多モード光
ファイバ系にそのまま適用できないこと、十分なクロス
トーク特性や損失特性が得難いこと、多チャンネル化し
た場合に形状が大きくなってしまうこと等の欠点があ
る。（２）の電気スイッチング回路を用いる方法では、
再生増幅系となるので挿入損失は考える必要がなく、光
ファイバの種類には依存しないという利点があるが、複
雑な電気回路内での信号の遅延や信号間の干渉が浮遊容
量等により生ずるので広帯域の信号に対して十分なクロ
ストーク特性を得るのが難しいという欠点がある。

（３）の方法は広帯域信号に対してクロストークを比較
的低くでき、電気回路もそれほど複雑ではないという利
点がある。第１図はこの（３）の方法を説明するための
図である。入力光伝送路1a、1bにより伝送された光信号
はそれぞれ光分岐2a,2bにより分岐され、それぞれフォ
トダイオード3a、3b、4a、4bにより受光される。ここで
制御信号に応じフォトダイオードに与えるバイアスを切
換え所望のフォトダイオードのみを動作させれば出力ブ
ランチ5a、5bに出力される電気信号を切換えることがで
きる。この方法は前記のような利点を有しているが、一
方、第１図のように光分岐回路を必要とするという大き
な欠点がある。現在、光分岐回路は主として複数本の光
ファイバを束ねて融着する方法によって製作されるが、
一般に多数分岐の場合には損失が大きくなってしまい、
小型の分岐回路は得にくい。また、（３）の方法はフォ
トダイオードのスイッチング電圧が大きく、高速切換え
が難しいという欠点もある。

（発明の目的）本発明の目的は、上述のような従来の各種の光スイッチ
の欠点を除き、小型で集積化にも適し、低クロストーク
で多チャンネルの広帯域信号を高速に切換えることが可
能なマトリクススイッチ及びその駆動方法を提供するこ
とにある。

（発明の構成）本発明のマトリクススイッチは、Ｍ、ＮをＭ１、Ｎ
１なる整数とするとき、Ｍ×Ｎ個の発光素子と、該発光
素子のそれぞれに１個ずつ光学的に結合された合計Ｍ×
Ｎ個の光制御素子と、前記光制御素子のＭ個に対して１
個光学的に結合された合計Ｎ個の光検出器とからなるＭ
入力、Ｎ出力端子をもつ構成となっており、その駆動方
法は、上記マトリクススイッチにおいて、駆前記発光素
子は、該発光素子のＮ個に対して１個電気的に接続され
たＭ入力端子からの入力信号によって変調され、前記光
制御素子はそれぞれ、前記発光素子によって発生した変
調光を入出力端子の接続状態に応じて通過もしくは遮断
するように制御される駆動方法、及び前記光制御素子
は、該光制御素子のＮ個に対して１個電気的に接続され
たＭ入力端子からの入力信号によって変調され、前記発
光素子は入出力端子の接続状態に応じて発光をONまたは
OFFするように制御される駆動方法である。

（実施例）以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第２図は本発明によるマトリクススイッチの一実施例で
ある２×２マトリクススイッチ及びその駆動方法を示す
図である。第２図において、４個の発光素子11a,12a、1
1b、12bに対してそれぞれ光制御素子13a、14a、13b、14
bが光伝送路15a、16a、15b、16bによってそれぞれ光学
的に結合され、光制御素子13a14aが光検出器17aに光制
御素子13b、14bが光検出器17bにそれぞれ上記と同様な
光伝送路によって光学的に結合されている。ここで、発
光素子としては半導体レーザや発光ダイオード、光検出
器としては、アバランシェフォトダイオード（APD）やP
INフォトダイオード等を用いることができる。また光制
御素子としては、基板上に光導波路によって形成された
導波形の光スイッチや光変調器等、あるいは半導体レー
ザの注入電流切換えにより透過光を制御する素子（以下
LDスイッチと略す）を用いることができる。第３図は上
記導波形光スイッチの一例を示す平面図である。電気光
学効果を示す誘電体又は半導体基板、例えばニオブ酸リ
チウムやInP基板上に金属拡散や結晶成長等によって光
導波路21、22を形成し、上記光導波路21、22を互いに数
μｍ程度に近接させ、その近接した光導波路上に制御電
極23を設置して該制御電極23への印加電圧により透過光
の光量又は光路を制御するものである。光導波路21への
入射光24は制御電極23への印加電圧が０のときには光導
波路22に結合して出射光27となるがある適当な印加電圧
では光導波路21に再び結合して出射光25となる。また、
制御電極23へ変調電圧を印加することにより出射光25を
変調することができる。第４図はLDスイッチの一例を示
す断面図である。第４図において、通常のPn接合を有す
る半導体レーザ30への注入電流をONにすると、半導体レ
ーザ30は光増幅器として働き、入射光31は増幅されて出
射する。注入電流をOFFにすると、入射光31は吸収さ
れ、出射光32は０となる。すなわち、本LDスイッチでは
注入電流のON、OFFによって入射光を透過又は遮断状態
とすることや、注入電流を変調することにより透過光を
変調することができる。

第２図の実施例は、２個の入力端子10a、10bと２個の出
力端子20a、20bをもち、入力端子10aに入力される信号
は増幅器18aにより増幅されて発光素子11a、11bに印加
され、入力端子10bに入力される信号は増幅器18bにより
増幅されて発光素子12a、12bに印加される。その結果、
発光素子11a、11bは入力端子10aに入力される信号によ
って、発光素子12a、12bは入力端子10bに入力される信
号によってそれぞれ変調され、それらの変調光はそれぞ
れ光制御素子13a、13b、14a、14bに入射する。ここで上
記４個の光制御素子は全てコントローラ19に接続されて
おり、コントローラ19の発生する制御電圧又は制御電流
によってそれぞれ独立に入射光を透過もしくは遮断する
ように制御される。コントローラ19は中央制御装置（第
２図では省略されている）からの指令に基いて４個の光
制御素子を駆動する装置である。例えば光制御素子とし
て第３図に示すような印加電圧の大きさによって入射光
を透過または遮断するものを用いる場合には、４個の光
制御素子に対して各々独立して２個の電圧を発生する。
最も簡単な一例としては、１つの光制御素子に対して１
つのトランジスタを用いた回路で構成できる。例えばト
ランジスタのコレクタを抵抗Ｒを通して電圧V₁の電源に
接続し、エミッタを接地し、ベースを制御信号の入力端
子とし、コレクタから出力電圧端子を出すことによって
構成される。この回路では制御信号の電圧が０のとき出
力電圧V₁となり制御信号電圧が正のときは出力電圧は０
となる。また、第４図に示すような注入電流の有無によ
って入射光を透過または遮断する光制御素子を用いる場
合には、コントローラ19は中央制御装置からの指令に基
いて４個の光制御素子に対して各々独立に２個の電流、
即ち電流０か任意の電流I₁を発生する。１つの光制御素
子に対して最も簡単には１つのトランジスタを用いた回
路で構成できる。例えばトランジスタのコレクタ側に抵
抗R₁を介して光制御素子であるLDスイッチのPn接合のｎ
側を接続し、そのＰ側を接地する。また、上記トランジ
スタのエミッタ側を電圧−V₁の負電源に接続し、ベース
を制御信号の入力端子とする。トランジスタのベース電
位が０であるとトランジスタはオンとなるのでLDスイッ
チには電流I₁＝V₁／（R₁＋r₁＋r₂）が流れる。ここでr₁
はLD/スイッチの抵抗、r₂はトランジスタの抵抗であ
る。一方、トランジスタのベースに十分な大きさの負電
圧が印加されると、トランジスタはオフとなるので電流
は０となる。光制御素子13a、14aを通過した光信号は光
検出器17aで検出されて出力端子20aに伝達され、光制御
素子13b、14bを通過した光は光検出器17bで検出されて
出力端子20bに伝達される。入出力端子間の接続の一例
として、例えば、光制御素子14a、13bを遮断状態とし、
他を透過状態とすれば入力端子10aが出力端子20aに入力
端子10bが出力端子20bに接続される。また、光制御素子
13a、13bを透過、他を遮断状態とすれば入力端子10aを2
0a、20bの両方の出力端子に接続するいわゆるブロード
キャストモードの接続も可能である。

本実施例のマトリクス光スイッチはGaAs、InP等の半導
体材料を用いて構成すれば、増幅器、発光素子、光制御
素子、光検出器等はすべで同一の基板上にモノリシック
に集積することが可能で形状も小型にでき、多チャンネ
ル化も可能である。また、入力信号の伝達系とスイッチ
の制御を行なう制御回路部分とは独立に構成されるので
通常の電気回路によるスイッチング素子に比べると広帯
域信号を制御するのがかなり容易となり、光制御素子と
して消光比の高い素子を用いることにより低クロストー
クのスイッチングを行なうことができる。また第３図、
第４図に示した光制御素子は一般に/nsec以下のスイッ
チ速度が比較的容易に得られる。

第５図は本発明によるマトリクススイッチの他の実施例
である２×２マトリクススイッチ及びその駆動方法を示
す図である。第５図の実施例は、４個の発光素子11a,12
a、11b、12b、４個の光制御素子13a、14a、13b、14b、
２個の光検出器17a、17b及びそれらを接続する光伝送路
の各素子の配置及び構成は第２図の実施例と全く同様で
ある。但し、本実施例では入力端子10aから入力される
信号は増幅器40aにより増幅されて光制御素子13a、13b
に印加され、入力端子10bから入力される信号は増幅器4
0bにより増幅されて光制御素子14a、14bに印加される。
また、発光素子11a、12a,11b、12bは全てコントローラ4
1に接続されており、コントローラ41の発生する制御電
流によってそれぞれ独立に発光をON又はOFFするように
制御される。コントローラ41の構成は第２図の実施例で
光制御素子にLDスイッチを用いる場合と同じで、中央制
御装置からの指令に基いて前記４つの発光素子に対して
各々独立に電流をオン、オフする。本実施例の２×２マ
トリクススイッチも第２図の実施例と同様に入出力端子
間の任意接続が可能である。例えば、発光素子12a、11b
をONとし、他の発光素子をOFFとすれば入力端子10aが出
力端子20bに入力端子10bが出力端子20aに接続される。

本実施例のマトリクススイッチも第２図の例と同様に従
来のマトリクススイッチに比べると、小型で集積化に適
し、低クロストークで多チャンネルの広帯域信号を高速
に切換えることが可能である。また本実施例を第２図の
実施例と比べると、一般に発光素子のON、OFFを行なう
方が光制御素子の光透過、遮断制御よりも高い消光比が
得られるので、クロストーク特性に関しては本実施例の
方が有利であるといえる。

第６図は本発明の他の実施例である２×２光マトリクス
スイッチを示す図である。本実施例は第２図又は第５図
に示した２×２マトリクススイッチと光電変換器を組合
せて２光入力、２光出力のマトリクススイッチを構成し
たものである。本実施例では、入力光ファイバ51aを伝
送された入力光信号60aは光検出器52aで検出されて第２
図又は第５図に示した２×２マトリクススイッチ50の入
力端子10aに入力される。また入力ファイバ51bを伝送さ
れた入力光信号60bは光検出器52bで検出されて２×２マ
トリクススイッチ50の入力端子10bに入力される。２×
２マトリクススイッチ50の出力端子20a、20bにはそれぞ
れ、増幅器53a、53b、発光素子54a、54bが接続され、発
光素子54a、54bによりそれぞれ発生した出力光信号70
a、70bは出力光ファイバ55a、55bにそれぞれ入射され
る。すなわち、本実施例では入力光ファイバ51a、51b中
を伝送された入力光信号は、出力光ファイバ55a、55bの
うちの任意の光ファイバに再生、増幅されて結合する。
本実施例の２×２光マトリクススイッチも先に述べたよ
うな第２図、第５図の実施例がもつ特長を有しているの
はいうまでもない。

以上述べたように本発明によれば、小型で集積化に適
し、低クロストークで多チャンネル広帯域信号の高速切
換えが可能なマトリクススイッチ及びその駆動方法が得
られる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではな
い。例えば、入出力端子数も４×４、８×８、32×32等
の多チャンネル化が可能である。入力信号の増幅器も各
発光素子又は各光制御素子に対して独立に設けてもよ
い。また光検出器17a、17bを各光制御素子に対向するよ
うにそれぞれ分割して設置し、それらを第２図又は第５
図の実施例と同様に機能するように電気的に接続する方
法も可能である。本発明においては、上記のような電気
的に接続された光検出器は同一の光検出器として扱うも
のとする。

また、第２図及び第５図の実施例において、各列を構成
するＭ個の光制御素子を光検出器に結合する手段とし
て、前記Ｍ個の光制御素子を出射した光波を一旦光合流
器によって合流させて光検出器に結合させるか、または
さらにその光合流器を出射させた後光伝送路によって光
波を伝送させ、その後光検出器に結合させても本発明の
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマトリクススイッチの一例を示す図、第
２図、第５図、第６図は本発明によるマトリクススイッ
チの実施例を示す図、第３図、第４図は本発明に用いる
光制御素子の一例を示す図である。図において、11a、1
1b、12a、12bは発光素子、13a、13b、14a、14bは光制御
素子、17a、17bは光検出器、18a、18b、40a、40bは増幅
器、19、41はコントローラ、10a、10bは入力端子、20
a、20bは出力端子である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍ、ＮをＭ≧１、Ｎ≧１なる整数とすると
き、Ｍ×Ｎ個の発光素子と、該発光素子の１個に対して
１個光学的に結合された合計Ｍ×Ｎ個の光制御素子と、
前記光制御素子のＭ個に対して１個光学的に結合された
Ｎ個の光検出器とからなるＭ入力、Ｎ出力端子をもつマ
トリクススイッチ。
【請求項２】Ｍ個の光制御素子を１個の光検出器に光学
的に結合する手段としてM:1の光合流器を用いたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマトリクススイ
ッチ。
【請求項３】Ｍ個の光制御素子を１個の光検出器に光学
的に結合する手段としてM:1の光合流器及び該光合流器
に接続された光伝送路を用いたことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のマトリクススイッチ。
【請求項４】Ｍ、ＮをＭ≧１、Ｎ≧１なる整数とすると
き、Ｍ×Ｎ個の発光素子と、該発光素子のそれぞれに１
個ずつ光学的に結合された合計Ｍ×Ｎ個の光制御素子
と、前記光制御素子のＭ個に対して１個光学的に結合さ
れたＮ個の光検出器とからなるＭ入力、Ｎ出力端子をも
つマトリクススイッチにおいて、前記発光素子は、該発
光素子のＮ個に対して１個電気的に接続されたＭ入力端
子からの入力信号によって変調され、前記光制御素子は
それぞれ、前記発光素子によって発生した変調光を入出
力端子の接続状態に応じて通過もしくは遮断するように
制御されることを特徴とするマトリクススイッチの駆動
方法。
【請求項５】Ｍ、ＮをＭ≧１、Ｎ≧１なる整数とすると
き、Ｍ×Ｎ個の発光素子と、該発光素子のそれぞれに１
個ずつ光学的に結合された合計Ｍ×Ｎ個の光制御素子
と、前記光制御素子のＭ個に対して１個光学的に結合さ
れたＮ個の光検出器とからなるＭ入力、Ｎ出力端子をも
つマトリクススイッチにおいて、前記光制御素子は、該
光制御素子のＮ個に対して１個電気的に接続されたＭ入
力端子からの入力信号によって変調され、前記発光素子
は入出力端子の接続状態に応じて発光をONまたはOFFす
るように制御されることを特徴とするマトリクススイッ
チの駆動方法。