JPH0769549B2

JPH0769549B2 - 光駆動形スイッチ

Info

Publication number: JPH0769549B2
Application number: JP26538587A
Authority: JP
Inventors: 勝之宇高; 雅宣藤岡
Original assignee: 国際電信電話株式会社
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1995-07-31
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: EP0313388B1; DE3853569D1; EP0313388A3; DE3853569T2; JPH01108530A; EP0313388A2; US4923265A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、光信号の伝搬経路を切り替える光スイッチに
係わるもので、特にそのスイッチ動作を引起こす制御エ
ネルギーとして予め定められた波長を有する光を用いた
光駆動形スイッチに関するものである。

（従来技術とその問題点）光ファイバ通信の発展に伴い、光信号を所望のチャンネ
ルに切り替える光スイッチ技術が注目されている。特
に、加入者系に光線路が普及するにつれ、そのスイッチ
数は莫大なものになると考えられ、その小型化，高性能
化が望まれている。また、一体化された光スイッチ素子
は、スペースが限られかつ高信頼度が要求される海底光
ファイバ伝送系での海中スイッチングや衛生搭載用スイ
ッチへの適応としてもその開発が望まれている。

このような光スイッチを実現する上で、光信号のすべて
を一旦電気信号に変換（O/E変換）し、スイッチングは
従来のように電子回路で行い、そしてスイッチングされ
た電気信号を再び光信号に変換（E/O変換）する光スイ
ッチが検討されており、近年のOEIC（Opto−Electronic
Integrated Circuit）技術の進展により、ハイブリッ
ド構成ではあるが、４×４の光スイッチが報告されてい
る。このO/E/O型すなわち光→電気→光型の光スイッチ
は、従来の個別素子で構成されていた光スイッチング装
置を小型化したものとして受け入れられ易いが、高速動
作時の電子回路内での電磁干渉によるクロストークの増
大という問題があると考えられ、また数GHz以上で充分
に動作する超高速電子回路も現在の技術では得難いとい
う問題がある。

一方、もう一つの構成は、電気信号に変換することなく
光信号のままでスイッチングするものであり、言わばO/
O型と称せられる。第１図及び第２図に従来の光スイッ
チの正面図を示す。第１図では方向性結合器が用いら
れ、スイッチ部に制御信号として電圧を印加することに
より導波路の屈折率が変化し、これにより２導波路間の
位相整合条件を合わせたり、外したりすることにより、
両導波路間で光をスイッチングさせている。一方、第２
図の構成では制御信号に電流を用いたもので、２導波路
の交差部中央に電流を注入することによりキャリア密度
に応じた屈折率変化が生じ、その結果光が前反射され他
の導波路にスイッチングされるものである。これらの方
式では広帯域な光情報信号についてはO/E及びE/O変換を
行う必要がないため、素子構成が簡易であるばかりでな
く、光信号の有する広帯域性を損なうことなくスイッチ
ングが行える長所を有している。しかしながら、従来の
この型の光スイッチはスイッチ部分のみを示したもの
で、多チャンネル入力時の動作、すなわち、被閉塞チャ
ンネルの蓄積やその他の多重信号への適応については何
ら考慮されていなかった。

（発明の目的と特徴）本発明は、上述した従来技術の欠点を鑑みてなされたも
ので、予め定められた波長を有する光制御信号を取り出
すと共に光制御信号とは異なる波長を有する広帯域な光
情報信号をO/E変換する必要なしにスイッチングさせる
ことを可能とした光駆動形スイッチを提供することを目
的とする。

本発明の特徴は、入力した光信号の光路を切替えて所望
の出力側光路に該光信号を取り出す光スイッチにおい
て、予め定めた所望の波長の光制御信号の一部を分岐する分
波器と、該分岐された光制御信号のみを光電変換し、その強度に
応じて該光信号を所望の出力側光路にスイッチングする
電気制御形光スイッチまたは前記分岐された光制御信号
の強度に応じて前記光信号を所望の出力側光路にスイッ
チングする非線形反射型光スイッチとを備えたことにあ
る。

（発明の構成）以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。なお、以
下の説明では波長多重光信号を用いて順次光スイッチを
切替えるパケット交換用の光駆動形スイッチを例に取り
詳述する。

本発明は後述するように構成上ルーティング情報を持つ
波長の有無により制御される光スイッチ部と、２入力の
うち優先権をとられたパケットの蓄積及び再送出制御機
能を有する光メモリ部との２つに分けられ、各部の装置
形態はルーティング情報，パケット存在情報及びパケッ
ト終了情報パルスの長さにより異なる。そこで、第３図
（ａ）〜（ｄ）のように分類された４種類の波長多重光
信号を例に取り述べる。但し、λ_sはパケットの存在を
示す波長、λ_eはパケット終了を示す波長、λ_Dがデータ
信号の波長、λ₁，λ₂，λ₃がルーティング情報を示す
波長で、ここでは３波長、即ち３段スイッチ構成を例と
しているが、本質的に異なる波長の数を増すことにより
段数を増やすことができる。

まず、予め定めた波長の光制御信号（以下「ルーティン
グ信号」と称す）の有無によりスイッチングする本発明
の光スイッチ部の構成について説明する。

（１）光スイッチ部（実施例１）第４図は本発明による第１の実施例であり、光駆動形ス
イッチの光スイッチ部の概略図である。

第４図は、パケットの構成が第３図（ａ）及び（ｂ）に
示したように、波長λ_i（ｉ＝1,2,3）から成るルーティ
ング情報パルスがパケット全長をカバーする場合の実施
例である。本実施例は、非線形反射器40,分波器41,光増
幅器42,光結合器43から成る。44は後述する光メモリ部
で、＃１もしくは＃２からの入力信号のうち先に入力し
た方を優先的に信号線路45に取り出すと同時に他方の遅
れて入力した信号を一旦蓄積する機能を内臓している。
尚、光信号の経路を太線で示してある。非線形反射器40
は、入射光強度が著しく高い場合に表面が前反射状態と
なり、一方、低い場合は信号光を通過させる機能を有す
るもので、非線形定数の大きな半導体結晶，半導体をド
ープしたガラス、ZnOなどの酸化物等で実現される。

本実施例では材料表面の反射を用いた例について示して
あるが、同一出願人によりすでに特許出願されている導
波路型光スイッチ「特願昭62−9942号」を用いることも
できる。

本実施例の動作は次の通りである。＃１もしくは＃２か
ら入力されたパケットに波長λ_i（ｉ＝１または２また
は３）のルーティングパルスがあれば、λ_i用の分波器4
1を通して取り出され、λ_i用光増幅器42で増幅される。
そして光結合器43で元の信号線路45に戻され非線形反射
器40を照射する。ここでλ_iのパルスは十分の光強度に
増幅されているため非線形反射器40は全反射状態とな
り、続いて届くパケット内の信号はすべて＃３に出力さ
れる。パケットがすべて＃３に反射すると同時にλ_iの
パルスも終了するため、自動的に非線形反射器40は元の
通過状態に回復する。他方パケットにλ_iパルスが無い
場合には非線反射器40には何も起こらず、パケットはす
べて＃４に通過する。以上により、λ_iパルスの有無に
よりスイッチング動作が完了する。

（実施例２）第５図は本発明による光スイッチ部の第２の実施例で、
第３図（ｃ）に示したパケット構成に適応されるもので
ある。第３図（ｃ）のパケットはヘッダ部に波長λ_sに
よるパケット存在パルス、続いてλ_i＝（ｉ＝1,2,3）の
各ルーティングパルスが配され、次に波長λ_Dのデータ
信号、そしてパケットの最後にパケット終了パルスがあ
る。この場合、ルーティングパルスが短いため、第４図
のλ_i用光増幅器42の代わりにλ_iの光注入により発振
し、波長λ_LDの連続な強い光を放出する半導体レーザ46
が用いられている。

半導体レーザ46の出力光が光結合器43で信号線45に合流
し、非線形反射器40を全反射状態にオンする動作は実施
例１の場合と同じである。ルーティングパルスλ_iの有
無により＃３もしくは＃４にパケットが出力されると、
波長λ_eのパケット終了パルスが夫々のλ_e用分波器47ま
たは47′により分波され、受光器48または48′で光電変
換されて半導体レーザ46の給電線上のノーマリ・オン形
のFETスイッチ49をオフにする。これにより半導体レー
ザ46の給電は一時的に停止し、と同時に発振も停止し、
非線形反射器40も元の状態に回復する。尚、半導体レー
ザ46の発振光は＃３にも出力されるが、これは後段では
不要であり、λ_LD用分波器50で取り除かれる。ちなみ
に、細線は電気信号の経路であり、以下の説明でも同じ
である。

（実施例３）第６図は本発明による光スイッチ部の第３の実施例であ
り、ルーティングパルスはパケットヘッド部にあるが、
パケット存在パルス（λ_s）がパケットをカバーする長
さである第３図（ｄ）のパケット構成に対して適応され
る光スイッチ部の実施例である。非線形反射器40を動作
させるしくみは実施例２の場所と同じであるが、相違点
はパケットの存在を示す波長λ_s用分波器51でパケット
が存在すると光電変換され、半導体レーザ46の給電線上
のノーマリ・オフ形のFETスイッチ53をオンすることに
ある。従って、ルーティングパルス中にルーティングパ
ルスλ_iの信号があると半導体レーザ46を光注入により
発振せしめ、非線形反射器40を全反射状態にしてパケッ
トは＃３に出力される。他方、λ_iのパルスが無ければ
パケットはそのまま＃４に通過する。

尚、上記実施例1,2及び３では光スイッチ素子として非
線形反射器40を例として示したが、これに限らず、電気
制御形光スイッチ素子を用いても実現できる。実施例１
（第４図），実施例２（第５図）及び実施例３（第６
図）に対応する電気制御形光スイッチ素子を用いた他の
構成例を夫々第７図，第８図及び第９図に示す。ここ
で、54が電気制御形光スイッチで、LiNbo₃等の強誘電体
基板もしくは半導体基板上に形成された方向性結合導波
路間の結合度もしくは交差導波路の交差部での全反射が
電気信号により制御される。すなわちルーティングパル
ス（λ_i）を分波，受光し、その電気信号により光スイ
ッチの給電がオン・オフされ、パケットを＃３もしくは
＃４にスイッチさせることができる。ちなみに55はフリ
ップ・プロップで、白丸印に接続された信号によりオ
ン、黒丸印に接続された信号によりオフする機能を有す
る。

また、光スイッチ素子の動作とパケット光信号のタイミ
ングは主に光ファイバから成る光信号線45の長さを最適
化することにより得られる。さらに、各制御に必要な波
長、ここではλ_s，λ_i，λ_eの光強度の一部を分波すれ
ばよく、従って、後段へもすべての情報がそのまま維持
され、伝搬する。必要とあらば光増幅器を付加してもよ
い。

次に、本発明による光メモリ部について説明する。

（２）光メモリ部（実施例４）本発明による光メモリ部の実施例を第10図に示す。本実
施例は、波長λ_sから成るパケット存在パルスがパケッ
ト全長をカバーする第３図（ａ）及び（ｄ）のパケット
構成に対して適応され、波長λ_sの有無により優先パケ
ット通過、非優先パケットの蓄積，再送出が制御され
る。ここに60,60′,61,61′はλ_s用光増幅器、62,62′
は非線形反射器、63,63′はλ_s用分波器、65,65′は受
光器、64,64′は入力電気信号が予め設定された上位
（Ｕ）と下位（Ｌ）の間のレベルの場合にのみ電気信号
を出力する識別器、66,66′,67,67′はノーマリ・オン
形FETスイッチ、69,69′は主光信号線、70,70′は光ル
ープ線、71,71′,72は光結合器、45は光メモリ出力線で
前述の光スイッチ部へと続く。尚、太線は主に光ファイ
バから成る光信号線、細線は電気信号線を示している。

本実施例の光メモリ部の動作原理を次に説明する。

まず最初に、＃１よりパケット＃１が入力されたとす
る。パケット存在パルス（波長λ_s）はλ_s用光増幅器60
によりその光強度が増幅され、非線形反射器62を照射
し、全反射状態にする。λ_sはパケット全長に渡ってい
るため、パケットは反射され、光結合器72を通して光メ
モリ出力線45に出力される。パケット＃１が通過中は、
λ_sの一部がλ_s用分波器63及び受光器65により電気信号
として取り出され、ノーマリ・オン形FETスイッチ67′
をオフ状態にするため、＃２側のλ_s用光増幅器60′増
幅度はゼロもしくはマイナスの状態となっている。従っ
て、この時に＃２からパケット＃２が後から入力されて
も、そのパケット存在パルス（波長λ_s）は減衰するた
め、非線形反射器62′は通過状態を維持されたままであ
る。その結果、パケット＃２は光ループ線70′に入り、
主光信号線69′及び光ループ線70′によって構成される
光ループを、パケット＃１が通過するまで周回し蓄積さ
れる。この際、オフ状態のλ_s用光増幅器60′によって
減衰したパケット存在パルスの強度を補償するため、λ
_s用光増幅器61′によって増幅される。パケット＃１が
光メモリ出力線45に通過後は、＃２側のノーマリ・オン
形FETスイッチ67′をオン状態に復起させ、パケット＃
２のパケット存在パルスを増幅し、非線形反射器62′を
全反射状態にし、従ってパケット＃２は光メモリ出力線
45に出力される。この際、＃２パケットが光増幅器60′
を通過中にオンし、パケットが分断されることがないよ
うに、受光器63′の出力の一部がレベル識別され、パケ
ットが光増幅器60′を通過する前か通過した後にみの光
増幅器60′がオンされる。尚、＃２側がオン状態の時に
は前述の＃１側と＃２側の機能が反転することは言うま
でもない。

本実施例では、非線形反射器62,62′を用いた例につい
て示したが、第７図と同じ概念でλ_sパルスを検出する
ことにより、前述の電気制御形光スイッチを用いること
もできる。

（実施例５）第11図は、本発明による光メモリ部の他の実施例であ
り、第３図（ｂ）もしくは（ｃ）のようにパケットヘッ
ドにパケット存在パルス（波長λ_s）、パケット尾部に
パケット終了パルス（波長λ_e）をするパケット構成に
対して適応される。

80,80′は電気制御形光スイッチ、81,81′,82,82′はλ
_s用分波器、83,83′はλ_e用分波器、84,84′,85,85′,8
6,86′は受光器、87,87′,88,88′,89,89′はフリップ
・フロップ（白丸印はオン、黒丸印はオフ用）、90,9
0′はノーマリ・オン形FETスイッチである。

本実施例の動作原理は次の通りである。まず、＃１から
パケット＃１が入力されると、パケット存在パルス（波
長λ_s）がλ_s用分波器81,受光器84を介して、フリップ
・フロップ88をオフにする。また、通常フリップ・フロ
ップ89もオフ状態になっているため、従って、光スイッ
チ80に電気制御信号は印加されていず、パケット＃１は
通過し、光結合器72を通して光メモリ出力線45に出力さ
れる。パケット＃１が主光信号線69を通過中は、パケッ
ト＃１のλ_sパルスがλ_s用分波器81を介して光電変換さ
れてフリップ・フロップ87をオンし、さらにノーマリ・
オン形FETスイッチ90を通って、フリップ・フロップ8
9′をオンし、＃２側の光スイッチ80′をクロス状態に
スイッチする。従って、＃２にパケット＃２が遅れて入
力されても、パケット＃２は光ループ線70′に迂回させ
られ、＃２側の主光信号線69′及び光ループ線70′から
成る光ループを周回し蓄積される。そして、パケット＃
１のパケット終了パルス（波長λ_e）が、λ_e用分波器83
により検出されるとフリップ・フロップ89′をオフす
る。ループ周回中のパケット＃２のλ_sパルスがλ_s用分
波器81′で検出されると、フリップ・フロップ88′をオ
フにするため、従って光スイッチ80′は通過状態とな
り、光メモリ部出力線45に出力される。この光スイッチ
80′のクロスから通過状態のスイッチングがパケット＃
２の通過中に生じて、パケット＃２が寸断されることを
防止するために、光スイッチ80′の直後にλ_s用分波器8
2′が設けられており、パケット＃２が光スイッチ80′
をクロス状態に通過中はその状態を保持するしくみにな
っている。パケット＃２が光ループ内に蓄積・待機後に
光メモリ部出力線45に出力され始めると、前述の＃１側
と＃２側の機能が反転する。

尚、光メモリ部内各素子のオン・オフ動作とパケット光
信号のタイミングは、主に光ファイバから成る主光信号
線69,69′及び光ループ線70,70′の長さを最適化するこ
とによって得られる。

以上に説明した夫々の光スイッチ部及び光メモリ部にお
いて、第３図に示した各パケットの構成に対して適応で
きる組合せを表１に示す。どの組み合わせのシステムで
も、制御用にパケット存在信号，ルーティング信号，パ
ケット終了信号の一部を取り出し、光電変換することは
あるが、それらの原信号はそのまま後段に伝達され、ま
た、特に高速なデータ信号はまったく光電変換されない
ので、光の有する高速性が活かされている。また、第３
図（ｃ）及び（ｄ）のパケット構成については、各ルー
ティングパルスは同一タイムスロットに来るように多重
化されていてもかまわない。

尚、本発明による光パケット交換方式用の光源として
は、第12図に示したように、単一波長でしかも夫々異な
った波長で動作する例えば分布帰還形（DFB）半導体レ
ーザ100をモノリシックに集積化し、それらの出力光を
低損失導波路101を介して多重することにより実現され
る。102は、第３図に示した各パケット構成が得られる
ように、各レーザへの給電タイミングを調整する回路を
も含めた集積回路である。

以上のように本発明によれば光信号として転送されるパ
ケット信号を、電気信号に変換することなく、光のまま
交換することが可能となり、光・電気間の変換が不要で
あり交換機の構成が単純化すると同時に、光の高速性を
生かした高速パケット交換が可能となる。

（発明の効果）以上のように、本発明は予め定めた所望の波長の光信号
の有無で光路を切替える光スイッチ部により、予め定め
られた波長を有する光制御信号を取り出すと共に光制御
信号とは異なる波長を有する広帯域な光信号に対してO/
E変換が不要な光駆動形スイッチを実現でき、かつ光ス
イッチ部と光信号に応じて通過もしくは蓄積動作が制御
される光メモリ部とを組み合わせて光駆動形スイッチを
構成して複数用いることにより高速パケット交換網ある
いは広帯域統合通信網を構築することが可能となり、そ
の効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】第１図及び第２図は従来の制御信号に電気信号を用いた
光スイッチの概略図、第３図は本発明による光パケット
交換方式に用いられる４種類のパケット構成を示す構成
図、第４図，第５図，第６図，第７図，第８図，第９図
は本発明による光駆動形スイッチを構成する光スイッチ
部の実施例、第10図，第11図は本発明による光メモリ部
の概略図、第12図は本発明の方式に用いられる集積化光
源の模式図である。 40……非線形反射器、41,47,47′,50,51,63,63′,81,8
1′,82,82′,83,83′……分波器、42,60,60′,61,61′
……光増幅器、43,71,71′,72……光結合器、44……光
メモリ部、45……光信号線路、46,100……単一波長半導
体レーザ、48,48′,52,56,65,65′,48,48′,85,85′,8
6,86′……受光器、49,67,67′,90,90′……ノーマリ・
オン形FETスイッチ（66,66′追加）、53……ノーマリ・
オフ形FETスイッチ、54,80,80′……電気制御光スイッ
チ、55,87,87′,88,88′,89,89′……フリップ・フロッ
プ、69,69′……主光信号線、70,70′……光ループ線、
101……低損失導波路、102……集積回路、64,64′……
レベル識別器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力した光信号の光路を切替えて所望の出
力側光路に該光信号を取り出す光スイッチにおいて、予め定めた所望の波長の光制御信号の一部を分岐する分
波器と、該分岐された光制御信号を光電変換し、その強度に応じ
て該光信号を所望の出力側光路にスイッチングする電気
制御形光スイッチまたは前記分岐された光制御信号の強
度に応じて前記光信号を所望の出力側光路にスイッチン
グする非線形反射型光スイッチとを備えたことを特徴と
する光駆動形スイッチ。
【請求項２】入力した光信号の光路を切替えて所望の出
力側光路に該光出力を取り出す光スイッチにおいて、前記入力した複数の光信号のうち該出力側光路への優先
権を持たない光信号を蓄積する機能を有する光メモリ部
と、予め定めた所望の波長の光制御信号の一部を分岐する分
波器と、該分波された光制御信号を光電変換しその強度に応じて
該光信号を所望の出力側光路にスイッチングする電気制
御形光スイッチまたは前記分岐された光制御信号の強度
に応じて前記光信号を所望の出力側光路にスイッチング
する非線形反射型光スイッチとを有する光スイッチ部と
を備えたことを特徴とする光駆動形スイッチ。