JPH10500786A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は光によりスイッチ可能な光スイッチ（１）に関する。スイッチ（１）は４つのゲートを有する方向性カプラ（３）を具え、その第１ゲート（５）は光データパルス列を受信するスイッチ（１）の入力（４）の部分を形成し、第２ゲート（７）はスイッチ（１）の出力（６）の部分を形成し、第３ゲート（９）および第４ゲート（１１）は導波管構体（１３）により相互接続されている。この導波管（１３）は当該導波管（１３）の非対稱位置に非線形光部分を有する。制御パルス信号がまた方向性カプラ（３）の第１ゲート（５）を介し導波管（１３）に導入される。導波管（１３）はデータパルス列に関し非対稱で制御パルス信号に関し対稱である。

Description

【発明の詳細な説明】 光スイッチ この発明は４つのゲートを有する方向性カプラを具えた輻射線によりスイッチ 可能な光スイッチに関するもので、その第１ゲートは光データパルス列を受信す るスイッチの入力の部分を形成し、第２ゲートはスイッチの出力の部分を形成し 、第３および第４ゲートは導波管構体により相互接続され、その構体は当該構体 の中心からオフセットされている非線形光部分を有し、前記スイッチはさらに導 波管に制御パルス信号を結合させる手段を具えている。 この種冒頭のパラグラフに記載された光スイッチは例えば文献、Sokoloff et al．“A terahertz optical asymmetric demultiplexer（ＴＯＡＤ）”ＩＥＥＥ Photonics Technology Letters，Vol.5，No.7，July 1993から公知である。この 文献に記載されているスイッチでは導波管構体は光ファイバで構成され、その非 線形部分は半導体レーザ増幅器で構成されている。ファイバの２つの端部はリン グが得られるよう方向性カプラにより相互接続されている。輻射線がスイッチの 入力に導入されると、リングを介して反対方向に伝播する２つの副信号にカプラ により分割される。半導体レーザ増幅器はリングの非対稱の位置に存在し、すな わち２つの副信号がそこに異なった瞬時に到達するようリングの中心からオフセ ットされている。リングの中心とは反対方向に伝播する２つの副信号が同時に到 達する場所を意味するものと理解されるべきである。非対稱の程度はリングの増 幅器の位置を変えることにより調整することができる。別に手段を設けなければ 、ほぼすべての輻射線が入力にもどされたり、出力で測定可能な強度がほとんど ないか全くないかという程２つの副信号が干渉するだろう。この場合この構体は 鏡としてふるまう。事実、副信号の強度はあまりに微弱で増幅器を飽和させない 。その結果、制御パルス信号は特別のカプラにより導波管構体に注入される。こ れら制御パルスはリングを介して一方向にのみ伝播し、それらパルスが十分な強 度を有するなら増幅器を飽和させるだろう。増幅器の飽和は屈折率の変化の結果 電荷キャリア密度を擾乱する。屈折率のこの変化は、なかんずく、増幅器を介し て 伝播する輻射線の位相変化を導入する。制御パルスと入力で導入される信号のパ ルスは、制御パルスが増幅器への第１副信号の到達と増幅器への第２副信号の到 達との間に増幅器に到達するように互いに同期がとられる。この場合第１副信号 は増幅器により増幅されて通過するだろう。続いて、制御パルスが増幅器が飽和 されるように増幅器に到達する。第２副信号が増幅器の飽和される期間に増幅器 に到達する時、この信号はまた増幅され通過されるが位相変化を受けるだろう。 このようにして、位相差が反対方向に伝播する２つの副信号間に発生する。この 位相差が十分に大きいと、建設的な干渉がスイッチの出力で発生するだろう。こ の場合、スイッチは開となる。スイッチが開となる時間は制御パルスの長さと半 導体レーザ増幅器および導波管構体の中心間距離Δｘとにより決定される。 説明してきたスイッチの欠点はスイッチの出力から所望のデータパルスが供給 されるのみならず、関連制御パルスの一部も供給されることである。５０：５０ のカプラが使用されると、増幅器により増幅される制御パルス強度の少なくとも 半分がこれで、その強度は増幅されたデータパルスの強度より一般にはるかに大 きい。制御パルス信号を抑圧できるように、この時波長感知フィルタが出力背後 に配知されるべきで、そのフィルタはデータ信号を通過させ制御パルス信号を阻 止する。実際には、かかるフィルタは実現困難である。さらに、データ信号と制 御パルス信号の波長は互いに十分相異しているべきで、所望の抑圧が実現できる よう前もって知られているべきである。このことはスイッチの応用の可能性の範 囲をかなり制限する。 本発明の目的は、供給される輻射線でデータ信号がその目的を達成し、光学損 失が著しく削減され、しかも他の電子部品とともに集積化可能な大きさを有する 光スイッチを提供せんとするものである。 この目的を達成するため、本発明にかかる光スイッチは、その制御パルスを結 合させる手段が方向性カプラの第１ゲートにより構成され、該光スイッチが制御 パルス信号に関してはほぼ対稱でデータパルス列に関しては非対稱であることを 特徴とする。 導波管構体の中心は反対方向に構体をよぎる２つの副信号が同時に到達する構 体の位置を意味するものと理解される。 対稱とは方向性カプラにより発生され反対方向に伝播する２つの副信号がスイ ッチの出力で破壊的に干渉するだろうことを意味するものと理解される。 非対稱とは方向性カプラにより発生され反対方向に伝播する２つの副信号がス イッチの出力で建設的に干渉するだろうことを意味するものと理解される。 制御パルス信号はまたスイッチの入力へ印加されるから、導波管構体の特別の カプラは免除される。この結果導波管構体の光損失は著しく削減される。さらに 、スイッチは他の電子部品と一緒に集積化できるようより簡潔になるだろう。 制御パルスはまた方向性カプラを介して導波管構体に注入されるから、そのパ ルスは導波管構体を介して反対方向に伝播する２つの副パルスに分割されるだろ う。その結果、位相変化がなくまたは制御パルスの副パルス間に同一の位相変化 のあるときは、スイッチの出力でよりも入力でこれら副パルスのずっとより大き な強度が現われるよう、これら副パルスはスイッチの出力で破壊的に干渉するで あろう。その結果制御パルスを抑圧すべく出力に配置された波長感知フィルタは 免除されることができる。 本発明にかかる光スイッチの好適な実施態様は、非線形光要素が光スイッチの 中心から距離ｄに配置され、これに関し ｄ／ｃ’≒ｄｘ／ｃ’±Δｘ’／ｃ’ が保持され、ここでｄｘ／ｃ’＝Ｔ／４＋ｎ・Ｔ／２およびΔｘ’／ｃ’〜｜ｔ₁ −ｔ₂｜で、さらにｃ’は導波管構体における光の速度、Ｔは制御パルス信号の パルス周期、ｎは整数、ｔ₁とｔ₂は非線形光部分への制御パルス信号の第１およ び第２副パルスのそれぞれの到達時間、さらにここでｔ₁＋ｔ₂＝Ｔただしｔ₁と ｔ₂は等しくないことを特徴とする。 好適には、ｄ／ｃ’は与えられた式に実質的に等しい。その場合、制御パルス 信号の副パルスの位相変化は、導波管構体を通過した後は、反対方向に伝播する ２つの制御副パルス間には位相差がないかほとんどないであろう、それでスイッ チの出力で制御パルス信号の強度はほとんどないか全くない。しかしながら、こ のことは反対方向に伝播するデータ信号の２つの副パルスの場合にもその通りに なる。データパルス信号の副パルスの少なくとも１つは増幅器が飽和される瞬時 に増幅器を通過し、それで関連副パルスは位相変化をうけるだろう。データパル ス信号の２つの副パルス間に発生した位相差はかくてスイッチの出力で建設的干 渉が導入される。スイッチは開となる。スイッチの窓の大きさは制御パルスのパ ルス幅と距離Δｘ’により決定され、ここでΔｘ’は非対稱がデータ信号につい て発生するようそのｄｘだけ増大されたり減少されたりする距離である。増幅器 と導波管構体の中心間全距離ｄがｄｘ±Δｘ′である時、スイッチは制御パルス 信号に関してはほぼ対稱に、データ信号に関しては非対稱であるだろう。この時 Δｘ’／ｃ’〜｜ｔ₁〜ｔ₂｜で、ここでｔ₁＋ｔ₂＝Ｔでありｔ₁とｔ₂は等しくな く、ｔ₁およびｔ₂は非線形光部分で制御パルス信号の第１および第２副信号のそ れぞれの到達時間である。 改善されたＴＯＡＤの実施態様におけるｄｘ／ｃ’＝Ｔ／４＋ｎ・Ｔ／２に関 する偏倚Δｘ’／ｃ’の結果としての効果は、説明してきたように従来のＴＯＡ Ｄにおける導波管構体の中心に関して増幅器の距離Δｘによりひきおこされる効 果に対応する。従来のＴＯＡＤにおける中心をはずれる増幅器の距離は、Ｔを制 御パルス信号のパルス周期とするとき、遅延時間がＴ／４＋ｎ・Ｔ／２に相当す る距離に加算されあるいはから減算されるという事実で、特別のカプラは免除さ れることができる。 本発明にかかる光スイッチの別の実施態様は非線形光部分が半導体レーザ増幅 器で構成されることを特徴とする。 非線形光部分は、例えばＩ_nＰのような非線形光材料の要素により例えば構成 されてもよい。一般にスイッチにおける相対的に弱いデータ信号は増幅を受ける から特に適切な要素は半導体レーザ増幅器である。 本発明にかかる光スイッチの別の実施態様は、半導体レーザ増幅器が偏光に不 感症であることを特徴とする。 この種の増幅器はそれ自体本願人の先の出願になる米国特許ＵＳ−Ａ第５，１ ５１，８１８号に公知である。未だ未公開であるヨーロッパ特許出願ＥＰ第９４ ２０３５９３．２号（ＰＨＮ１５．１２０）に記載された他の実施態様も本願人 になるものである。かかる増幅器の使用により、導波管構体における複数の偏光 制御要素は免除でき、これら要素はたしかに、スイッチの出力で干渉するデータ 信号が建設的に干渉できるよう、十分に大きな位相差において偏光の適切な方向 を有するべきである。 本発明にかかるこれらのおよび他の態様については以下に説明する実施例によ りより明らかにされる。 添付する諸図面で、 図１は公知の光スイッチの線図的表示であり； 図２は本発明にかかる光スイッチの線図的表示であり； 図３ａ，３ｂおよび３ｃは本発明にかかるスイッチに制御パルスを導入した効 果を示すグラフである。 図１に示す光スイッチ１は第１ゲート５，第２ゲート７，第３ゲート９および 第４ゲート１１を備えた方向性カプラを具えている。第１ゲート５はスイッチ１ の入力４の部分を形成し、第２ゲート７はスイッチ１の出力６の部分を形成する 。第３ゲート９と第４ゲート１１は光導波管構体１３により相互接続されている 。導波管構体１３は例えば光ファイバのような光非線形材料は勿論光線形材料か らなっていてもよい。スイッチの入力４で導入される輻射線は方向性カプラ３に より２つの副信号に分割され、それら副信号は導波管構体１３を介して互いに反 対方向に伝播するだろう。光導波管構体１３は非線形光要素１５を具えている。 この要素はＩ_nＰから形成されていてもよい。一般にスイッチの相対的に弱いデ ータ信号は増幅を受けるから要素１５は好適には半導体レーザ増幅器がよい。 要素１５は導波管１３に非対稱、すなわち導波管１３の中心ｍから距離Δｘに 配置される。導波管１３の中心は互いに反対方向に伝播する副信号が同時に到達 する位置を意味すると理解される。さらに、パルス周期Ｔを有する制御パルス信 号は特別のカプラ１７を介して導波管１３へ連結される。光パルス列の形でデー タ信号がスイッチ１の入力４に導入されると、この信号は導波管１３を介して反 対方向に伝播する２つの副信号に分割されるだろう。２つの副信号は異なった瞬 時に増幅器１５に到達するが両者は増幅され続いてこれを通過する。制御パルス 信号がないと、２つの副信号は各々それらの位相を保持し続いてスイッチの出力 ６で破壊的に干渉する。このようにして出力６でよりも入力４でずっと大きな強 度が存在するだろう。事実、データ信号の副パルスの強度は増幅器を飽和させる ほど十分高くはない。制御パルスを導波管１３に注入することにより、増幅器に より導入される非対稱は有効になるだろう。制御パルスは一方向にのみ伝播して 増幅器を飽和させるに十分な強度を有する。制御パルス信号とデータ信号とは、 データパルスの第１副信号の増幅器への到達とこのデータパルスの第２副信号の 増幅器への到達との間の時間間隔に制御パルスが増幅器に到達するよう互いに同 期がとられる。増幅器１５の飽和は電荷キャリア密度の擾乱を結果する。結果と して、屈折率が変化して飽和増幅器を介する輻射線の伝播に位相麦化を生ずるで あろう。第１副信号は増幅され増幅器により通過される。次に制御パルス信号が 確実に増幅器を飽和させる。飽和後ではあるが飽和をとく期間が経過してしまう 前に到達する第２副信号はまた増幅されて通過されるが、位相変化をうける。従 って反対方向に伝播する関連データパルスの２つの副信号間位相差が発生する。 この位相差が十分大きく、２つの副信号の偏光方向がしんしゃくされると、スイ ッチ１の出力６で建設的な干渉が存在するだろう。スイッチ１は今や開である。 スイッチ１が開である期間は制御パルスの幅と増幅器１５および導波管１３の中 心ｍ間距離Δｘとにより決定される。 記載した実施例では、一般に強度がずっと強い制御パルス信号の輻射線のみな らずデータ信号の輻射線もスイッチ１の出力６で発生する。よい解決法はスイッ チ１の出力６に波長選択フィルタ（図示されず）を配置することであるが、実際 は、特に波長が互いに接近している時にはかかるフィルタは実現が困難である。 さらなる欠陥はデータ信号と制御パルス信号の波長が前もって知られておらねば ならぬことで、このことはスイッチの使用可能範囲を著しく削減する。 図２は本発明にかかるスイッチの実施例を線図的に示したもので、この場合前 述の欠陥は取り除かれる。図１図示のスイッチのそれらに対応する部品は同じ参 照番号が付されている。 図２図示スイッチ１では、制御パルス信号はスイッチの入力４を介して導波管 １３に導入され、そこではデータ信号がまた導波管１３に導入される。 データ信号のパルスに加うるに、制御パルス信号のパルスは導波管１３を介し て反対方向に伝播する２つの副信号にまた分割される。制御パルス信号の副パル スが増幅器１５に到達する時は常に、この副パルスの強度が十分高いとすると増 幅器は飽和するだろう。このことは方向性カプラ３を与えることにより、これら ２つの副パルスのうち弱い方がなお十分な強度を有するような適切な分割比を確 実に与えることができる。カプラ３は従来通り５０：５０カプラであることがで きる。増幅器１５について導波管構体１３の中心ｍへ適切な距離ｄを選択するこ とにより、導波管１３が制御パルス信号に対しては対稱、データ信号に対しては 非対稱であることを確実にすることができる。その場合、制御パルス信号の副パ ルスはスイッチ１の出力６で破壊的に干渉するだろうし、ほぼすべてのその強度 が入力４で測定されるだろう。スイッチ１は制御パルス信号に対し鏡として動作 する。しかしながら、データ信号の複数の副パルスはそれらが方向性カプラ３に 再び到達する時は相互位相差を有するだろう。この位相差が十分大きく、２つの 副パルスの偏光方向がしんしゃくされるとすると、建設的な干渉が存在しデータ 信号のパルスがスイッチの出力に現われるだろう。このパルスの幅、言いかえれ ば、スイッチの窓の幅は制御パルスの幅と中心への増幅器の距離の差とにより決 定され、その距離については制御パルス信号とデータ信号の両者について対稱で ある。主としてデータ信号から来る放射線は今やスイッチの出力に現われ、それ で制御パルス信号を阻止するため出力に波長選択フィルタを使用する必要はもは やない。 さらに、特別のカプラ１７は免除され、それで導波管１３における光損失は著 しく削減されスイッチ１はより簡潔になりかくて他の電子部品とともに集積化が 可能である。 出力で発生するデータパルス信号の強度と制御パルス信号の抑圧とは導波管構 体の中心への増幅器の距離ｄを最適化することにより最適化することができる。 好適には以下の条件： ｄ／ｃ’≒ｄｘ／ｃ’±Δｘ’／ｃ’ が保持され、ここでｄｘ／ｃ’＝Ｔ／４＋ｎ・Ｔ／２およびΔｘ’／ｃ’〜｜ｔ₁ −ｔ₂｜で、さらにｃ’は導波管構体における光の速度、Ｔは制御パルス信号の パルス周期、ｎは整数、ｔ₁とｔ₂は制御パルス信号の第１および第２副パルスの 増幅器へのそれぞれの到達時間、さらにここでｔ₁＋ｔ₂＝Ｔただしｔ₁とｔ₂は等 しくないものとする。 今や数値例を示してこのことを説明する。制御パルス信号のパルス周期が例え ば１００ｐｓｅｃ，ｄｘ／ｃ’＝２５ｐｓｅｃおよびΔｘ’／ｃ’＝０とすれば 増幅器は５０ｐｓｅｃに等しい周期で飽和するだろう。ｄ／ｃ’が２５ｐｓｅｃ に正確に等しければ制御パルスについてのみならずデータパルスについて対稱と なり、それでそれらはスイッチの出力で破壊的干渉を引き起すであろう。Δｘ’ ／ｃ’〜｜ｔ₁−ｔ₂｜でこれが零でないと、反対方向に伝播する制御パルスの２ つの副パルス間位相差は、制御パルス用出力でほとんどか全く建設的干渉のない 程十分に小さいだろう。しかしながら、データパルスについては出力において位 相差が建設的干渉を生ずることが実現されるよう導波管構体において十分な非対 稱が存在するだろう。 半導体レーザ増幅器１５は好適には偏光には不感症な増幅器である。事実、デ ータパルスの２つの副信号間の十分に大きな位相差で有効な建設的干渉がまた存 在するような偏光方向を２つの副信号がたしかに有するよう、偏光制御要素が一 般に導波管構体１３で要求され、それで建設的干渉が可能となる。偏光に不感症 な増幅器が使用されるとき、これら偏光制御要素は免除される。 図３ａ，３ｂおよび３ｃは入力で導入されるデータパルス列における本発明に かかる光スイッチの効果を示すいくつかのグラフを示す。 図３ａはスイッチに印加されるデータパルス列の一例を示す。図３ｂはスイッ チの出力で発生するデータパルス列を示し、その中央パルスは本発明にかかるス イッチによりスイッチオフされている。図３ｃはスイッチの出力で発生するデー タパルス列をまた示し、自然放出の強度レベルを減少させるため別のフィルタを 使用している。図３ｂと３ｃとを比較するに、“零”レベルとデータパルス間差 がほとんど等しいことは明らかで、これよりフィルタが余分なものであることが 明らかである。 以上説明してきた光スイッチは光通信システムでかなり有用に使用されること ができる。このスイッチはかかるシステムで例えばデータを有する光パルス列の 変調用送信機に使用される。かかるスイッチの複数を並列に配置することにより 、複数のデータ信号はより高い伝送速度を得るため同じチャンネルに印加される ことができる。本発明にかかるスイッチは光通信システムの受信機でデマルチプ レクサとして、言いかえれば同じ伝送チャンネルを介して送信されてきたデータ 信 号を再び別々の信号に分割するために使用されることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．４つのゲートを有する方向性カプラを具え、その第１ゲートは光データパル ス列を受信するスイッチの入力の部分を形成し、第２ゲートはスイッチの出力の 部分を形成し、第３および第４ゲートは導波管構体により相互接続され、その構 体は当該構体の中心からオフセットされている非線形光部分を有し、前記スイッ チがさらに導波管に制御パルス信号を結合させる手段を具える輻射線によりスイ ッチ可能な光スイッチにおいて、前記結合させる手段が方向性カプラの第１ゲー トにより構成され、該スイッチが制御パルス信号に関してほぼ対稱でありデータ パルス列に関して非対稱であることを特徴とする光スイッチ。 ２．請求項１記載の光スイッチにおいて、非線形光要素が光スイッチの中心から 距離ｄに配置され、これに関し ｄ／ｃ’≒ｄｘ／ｃ’±Δｘ’／ｃ’ が保持され、ここでｄｘ／ｃ’＝Ｔ／４＋ｎ・Ｔ／２およびΔｘ’／ｃ’〜｜ｔ₁ −ｔ₂｜で、さらにｃ’は導波管構体における光の速度、Ｔは制御パルス信号の パルス周期、ｎは整数、ｔ₁とｔ₂は非線形光部分への制御パルス信号の第１およ び第２副パルスのそれぞれの到達時間、さらにここでｔ₁＋ｔ₂＝Ｔただしｔ₁と ｔ₂は等しくないことを特徴とする光スイッチ。 ３．請求項１または２記載の光スイッチにおいて、前記非線形光部分が半導体レ ーザ増幅器により構成されることを特徴とする光スイッチ。 ４．請求項３記載の光スイッチにおいて、前記半導体レーザ増幅器が偏光に不感 症であることを特徴とする光スイッチ。