CN108604929A - 光开关装置 - Google Patents

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Abstract

数据中心内的服务器、存储装置间的数据流量急剧增加，为了降低消耗电力，需要输入输出端口数达到1000这样大规模的光开关装置。作为现有技术的大规模的光开关装置，存在波长路由SW，但需要与输入端口数相同数量的波长可变光源。为了波长可变光源在宽大的波长范围内实现稳定的振荡动作，需要复杂的控制机构，在成本和电路规模方面成为提供大规模的光开关装置的阻碍。本公开的波长路由SW由N个波长组发生器、分路选择部以及MN个可变滤波器构成。各波长组发生器分别具备M个固定波长光源。关于固定波长光源，能够利用不需要用于使波长可变的控制机构的廉价的通用器件。也能够利用限定为狭窄范围的波长可变光源和AWG的基于波长选择输出端口的功能来减少光开关装置的路径损失。

Description

光开关装置
技术领域
本公开涉及用于切换光信号的路径的光开关装置。更详细地说，涉及适于数据中心内部网络的大规模光路切换开关装置。
背景技术
在全世界范围内，各种类型的信息终端设备普及到人、物，不论无线方式还是有线方式的通信网络都在持续扩张，在通信网络中流通的数据量也变得巨大。在这种情况下，信息通信系统中的消耗电力也变得巨大，大力地探讨了核心网络、城域网(Metro/LAN)、接入网络等信息通信网络的各种层次中的低消耗电力化。用于实现信息通信系统的低消耗电力化的一个关键技术是不在电信号层而在光信号层进行信息处理的光路由技术。能够认为，通过使用光路由技术，利用光无源器件进行路由，能大幅削减通信节点处的电气层的处理，推进了通信网络整体实现消耗电力的大幅降低。
数据中心是信息通信网络的重要的公共基础设施的要素之一。数据中心是为了设置并运用互联网用的服务器、数据通信、固定/移动/IP电话等设备的建筑物的总称。在数据中心引入有很多通信线路，并且在建筑物的内部汇集了数量庞大的服务器计算机等，减少数据中心内部的消耗电力成为非常重要的课题。尤其是，近年来，不仅预测到用户的增加，还预测到由于应用程序服务器、数据存储装置、数据库服务器的功能分化、使用分散处理、并行处理等，多个服务器之间的处理也增加，从而数据中心内的IP流量大幅增加。预计在数据中心内流通的流量为互联网的全部流量的4倍左右。另外，普遍认为数据中心的流量大多是止于数据中心内的流量，在2015年数据中心内的流量已达到4.8泽字节(4.8×1021)。结果是，达到大规模数据中心的消耗电力超过100MW(10万kW)的状况，减少数据中心内的流量所产生的消耗电力成为燃眉之急。
在数据中心内存在因邮件、万维网检索等而产生的小容量且产生频度高的老鼠流(Mice Flow)、因虚拟机的移动、数据存储装置等而产生的大容量且产生频度低的大象流(Elephant Flow)。因此，面向低消耗电力化，提出有如下一种混合网络：利用电气开关来处理老鼠流，利用光开关来处理占流量的大半的大象流。
图1是表示数据中心中的流量处理的概要的图。在数据中心10内，采用被称作架顶式(TOR)的结构。非常多的服务器计算机、存储装置等以机架为单位构成，配置有多个机架1-1、1-2、……、1-n。在TOR结构中，在各机架的上部2-1、2-2、……2-n设置开关(SW)来将机架间连接，在机架内收容服务器，能够进行将最小结构单位设为一个机架的自由度高的设备管理。数据中心10除包括服务器计算机、存储装置外，还包括未图示的核心层的装置，核心层与外部网络8之间通过大容量的通信线路7连接。
能够以如下方式处理数据中心内的流量：针对各机架间的流量的老鼠流，使用电气SW 3在机架间进行路径5的切换，另一方面，针对大象流，为了降低消耗电力而使用光SW4在机架间进行路径6的切换。随着近年来的通信流量的急剧增加，成为数据中心内的机架的数量n超过1000的状态，寻求一种能够任意地设定、变更1000个机架间的路径的光开关装置。具体地说，对超过1000×1000的大规模的线路交换光开关装置的需求很大。
图2A～图2C是说明光开关的功能和结构的图。图2A示出光开关的概念性的结构。光开关20以将输入至在左侧描绘出的N个输入端口中的一个端口的光信号输出至在右侧描绘出的N个输出端口中的任一个输出端口的方式动作。光开关20能够任意地形成从图1中的多个(n个)机架中的一个机架的TOR部向任意一个其它机架的TOR部的路径，根据需要高速地切换为另外的新路径。如图2B所示，光开关的最简单的结构是由配置为二维的矩阵状的要素SW元件22构成的空间矩阵SW。也能够使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)来以三维的方式构成空间矩阵SW。然而，已知在由要素SW元件构成的空间矩阵SW中，如在图2C中示出的端口数N与要素SW元件数之间的关系概念图那样，随着端口数N增加，所需的要素SW元件22的数量也与N2成比例地增加。因此，在数据中心内相互连接的服务器机架的数量超过1000并且光开关装置的输入端口和输出端口数N分别超过1000这样的状况下，要素SW元件的数量变得庞大，在电路规模和成本方面，空间矩阵SW并不现实。
通过将多个矩阵SW设为从属连接的多级化结构，能够在某种程度上减少SW整体的要素SW元件数。然而，其效果有限，如图2C所示，当端口数N增加时，所需的要素SW元件22的数量与N1.5成比例地增加。在光开关装置的端口数N超过1000这样的情况下，即使进行多级化，要素SW元件的数量的增加依然是大问题，并且，为了完全满足SW的条件，也加以结构上的限制。作为如图2C中虚线所示那样将端口数N增加时的要素SW元件的数量的增加抑制为大致线性(N的一次幂)增加的空间光开关的结构，已知有波长路由SW。
图3是概念性地表示波长路由SW的结构的图。例示性的波长路由SW 30是用于将100个输入切换为100个输出的空间SW，在输入端口侧具备100个波长可变光源(LD：激光二极管)31-1～31-100，在输出端口侧具备具有100个输出端口36-1～36-100的分波器35。能够将100个波长可变LD分别设定为不同波长λ1～λ100中的任一波长，利用信息信号32-1～32-100对各LD的输出光进行调制。利用耦合器33对来自波长可变LD 31-1～31-100的不同波长的调制光进行合成，并且根据需要利用光放大器34进行放大。利用分波器35将来自光放大器34的合成后的调制光分离后分别输出到与波长λ1～λ100对应的100个输出端口36-1～36-100中的任一输出端口。作为分波器35，例如能够使用阵列波导光栅(AWG)，能够将合成后的λ1～λ100中的最多包括100个不同的波长的多路复用光按每个波长进行分离。
波长路由的动作的说明如下。例如，将与第一个输入端口对应的波长可变LD 31-1的振荡波长设定为λ100。此时，利用被输入至第一个输入端口的信息信号32-1对波长λ100的输出光进行调制。利用分波器35将接受了调制的波长λ100的光信号输出至与第100个输出端口对应的输出端口36-100。因而，被输入至第一个输入端口的信息信号与第100个输出端口连接。在此，如果将波长可变LD 31-1的振荡波长设定为λ1，则被输出至与分波器35的第一个输出端口对应的输出端口36-1。同样，如果将波长可变LD 31-1的振荡波长设定为λ50，则被输出至与光分波器35的第50个输出端口对应的输出端口36-50。
如上所述，通过任意地设定100个波长可变LD各自的振荡波长，能够任意地选择用于输出调制光信号的端口。能够将100个不同的信息信号输出至100个输出端口中的任意位置，由此实现100×100的波长路由SW。在波长路由SW中，根据原理上的差异，与空间矩阵SW及要素SW元件的结构完全不同，但电路的硬件规模与输入端口、输出端口的数量N大体成比例地增加。因此，普遍认为，与空间矩阵SW相比，能够以更小规模的硬件实现低成本的光开关装置。
在光通信中，从减少传播损失考虑，广泛使用C频带(带宽约为4400GHz)，能够广泛地利用相关联的装置、部件。将该C频带中的一个通信信道的带宽设为50GHz，如果还使用略超过C频带的带域，则大概能够利用100个通信信道(100个波)。如果将一个通信信道的带宽设为减半后的25GHz，则也能够在C频带构成200个信道(200个波)，但信息信号的带域也减半。关联部件的波长控制的精度也成为问题，因此将波长路由SW的端口数增加至100个以上并不简单。因此，作为用于使波长路由SW进一步大规模化的结构，提出有将波长路由部分并列设置的结构。
图4是表示具有并列化的波长路由部的现有技术的波长路由SW的结构的图。与图3的最简单的波长路由SW的结构相比，图4的波长路由SW 40在后级并列地形成K个波长路由部48-1～48-K。在输入端口侧，利用N个分配选择(DC：Delivery and Coupling：分配耦合)开关将来自被划分为N个组的KN个波长可变LD 41的调制光进行选择及合并，并供给至K个波长路由部48-1～48-K。通过将波长路由部48-1～48-K并列设置，不增加输入端口侧的波长可变LD 41中的设定波长的数量，就能够实现光开关装置的多端口化。此外，DC开关也被称作多点开关，作为M×N端口的通用品，能够获取输入端口及输出端口数不同的各种DC开关。
图5是表示在现有技术的波长路由SW中使用的DC开关的结构例的图。DC开关50是最小结构的一例，构成为从三个波长可变LD分别选择三个波(λ1、λ2、λ3)并进行合并，DC开关50由三个1×3的开关51-1～51-3和三个3×1光合波器52-1～52-3构成。在图5中示出将输入至DC开关50的三个输入端口的三个波长λ1、λ2、λ3全部输出至第一个输出端口53的设定例。能够利用DC开关50将三个波长分别输出至任意的输出端口。此外，如果以相反的信号方向使用图5的DC开关，则以对多路复用光(λ1、λ2、λ3)进行分配其仅选择某一波长的光来输出的方式动作。包括这样的动作情况也被称作分配选择(DC)开关。在后述的本公开的实施例中示出像这样光信号的方向与图5所示的方向相反的DC开关的使用法。
在图4中，能够设定为第一个波长可变LD的组内的一个波长通过DC开关42-1来选择K个波长路由部48-1～48-K中的一个波长路由部进行连接，能够构成到达输出侧的KN个输出端口中的任意端口的路径。发明人们基于图3和图4所示的用于实现能够应对数据中心中的流量的增大的、规模更大的波长路由SW的结构，提出了波长路由SW的具体结构例(非专利文献1)。
图6是表示发明人们提出的现有技术的大规模波长路由SW的结构的图。图6所示的波长路由SW 60是在图4的整体结构中加入图6的DC开关的结构来更具体地进行表示的波长路由SW，由被划分为N个组的波长可变LD和M个并列设置的波长路由部63-1～63-M构成。在图6中示出了使用8×8的DC开关、掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium-doped fiberamplifier)、非循环AWG来实现具有良好的传输信号特性的800×800的大规模的波长路由SW的例子，但省略结构、动作的详细说明。
非专利文献1：上田恒、森洋二郎、长谷川浩、佐藤健一、渡边俊夫等，“适于数据中心内部网络的大规模光开关结构”，2015年3月19日，电子通信信息学会，光子网络研究会资料。
发明内容
发明要解决的问题
然而，现有技术的大规模波长路由SW依然存在下述问题，在使用的器件的可利用性、成本方面存在不足。在图4和图6所示的结构的波长路由SW中，能够将振荡波长设定为覆盖C频带整体的任意波长，且需要与输入端口数相同数量的波长可变LD。一般而言，波长范围较宽且能够稳定地振荡的波长可变LD的价格非常高，需要与振荡器相伴使用的放大器的价格也高。另外，能够超出C频带而在L频带动作以增加端口数的波长可变LD的制作更加困难且价格更高。对于波长可变LD本身以及相关联的部件也难以利用普遍流通的通用的部件，在可获取性方面也存在问题。另外，为了使振荡光稳定，需要相关联的复杂的波长可变/控制机构，光源自身的尺寸也增大。在波长路由SW的大小方面，具备1000个以上这样的波长可变LD也是个问题。
本公开是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于以低成本提供光开关装置。
用于解决问题的方案
根据本公开的一个侧面，公开一种光开关装置，该光开关装置的特征在于，具备：N个合波器，所述N个合波器将最多M个波长不同的光进行合成且输出多路复用光；N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成MN个分路光；MN个N×1光开关，所述MN个N×1光开关从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光；以及MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由所述MN个N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个波长不同的光中选择任意一个波长的光，其中，M为2以上的自然数。
发明的效果
如以上说明的那样，根据本公开，相比现有技术能够以更低的成本实现光开关装置。
附图说明
图1是表示数据中心中的流量处理的概要的图。
图2A是用于说明光开关的功能和结构的图。
图2B是用于说明光开关的功能和结构的其它图。
图2C是端口数N与要素SW元件数之间的关系的概念图。
图3是概念性地表示波长路由SW的结构的图。
图4是表示具有并列化的波长路由部的现有技术的波长路由SW的结构的图。
图5是表示在现有技术的波长路由SW中使用的DC开关的结构例的图。
图6是表示现有技术的大规模波长路由SW的其它结构的图。
图7A是表示1×N结构的AWG的结构的图。
图7B是用于说明阵列波导光栅的动作的图。
图8A是用于说明非周回性AWG的分波动作的图。
图8B是用于说明非周回性AWG的合成动作的图。
图9A是用于说明周回性AWG的分波动作的图。
图9B是用于说明周回性AWG的合成动作的图。
图10是表示本公开的波长路由SW的最基本的结构(实施例1)的图。
图11是本公开的波长路由SW的实施例2的结构图。
图12是本公开的波长路由SW的实施例3的结构图。
图13是本公开的波长路由SW的实施例4的结构图。
图14A是表示本公开的波长路由SW的实施例5的波长组发生器中的AWG的结构例的图。
图14B是表示本公开的波长路由SW的实施例5的波长组发生器中的AWG的其它结构例的图。
图14C是表示本公开的波长路由SW的实施例5的波长组发生器中的AWG的另一其它结构例的图。
图15是本公开的波长路由SW的实施例6的结构图。
图16是示意性地表示实施例6中非周回性AWG的情况下的各光源中的使用波长的图。
图17是示意性地表示实施例6中周回性AWG的情况下的各光源中的使用波长的图。
图18A是用于说明本公开的波长路由SW中的光分路器或者波长选择开关的结构的图。
图18B是用于说明本公开的波长路由SW中的光分路器或者波长选择开关的其它结构的图。
图18C是用于说明本公开的波长路由SW中的光分路器或者波长选择开关的另一其它结构的图。
图19是本公开的波长路由SW的实施例8的结构图。
图20是将MN/L的值为自然数的实施例6与MN/L的值为非自然数的实施例9的结构参数进行比较得到的表。
具体实施方式
本公开的波长路由开关(下面记为SW)通过利用廉价的固定波长光源和可变滤波器来实现更为廉价且大规模的光开关装置。在现有技术的波长路由SW中构成有如下的路径：使处于输入端口侧的光源的波长可变来选择针对路由的信息设定(建立关联)的波长，利用后级的分波器的波长路由功能到达最终目的的输出端口。另一方面，在本公开的波长路由SW中，使处于输入端口侧的光源的波长针对每个端口而固定，利用非常廉价的光源，并且将来自各光源的不同波长的调制光进行合成来生成多路复用光，根据需要进行放大，将一个多路复用光分离或者分波后朝向各输出端口输出。在最后级的目的输出端口，利用可变滤波器的波长选择功能来仅选择应输出的波长的光信号，由此以构成从对应的波长的输入端口至目的输出端口的路径的方式动作。
在下面的说明中，术语“波长路由开关”也被称作“光开关装置”，这些术语可交换使用，指相同的物体。另外，在本说明书中的下面的公开中，术语“分波”以及“合波”是针对波长使用的，因此，为了简便，也将波长分波器、波长合波器、波长分波合波器简称作分波器、合波器、分波器。
根据本公开的一个侧面，提供一种光开关装置，该光开关装置具备：N个合波器，所述N个合波器将最多M个(M为2以上的自然数)不同波长的光进行合成且输出多路复用光；N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成MN/K为自然数的K个分路光；DC开关，其是从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光的K个N×(MN/K)分配选择(DC)开关，且各所述DC开关分别包括连接有来自所述N个光分路器的输出的N个1×(MN/K)光分路器以及与所述N个1×(MN/K)光分路器各自的输出端口连接的(MN/K)个N×1光开关；以及MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由所述(MN/K)个N×1光开关的各光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光。
根据本公开的其它侧面，提供一种光开关装置，该光开关装置具备：N个合波器，所述N个合波器将最多M个(M为2以上的自然数)不同波长的光进行合成且输出多路复用光；N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成使MN/K≤Y成立的最小自然数Y个分路光；DC开关，其是从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光的Y个N×K分配选择(DC)开关，且各所述DC开关分别包括连接有来自所述N个光分路器的输出的N个1×K光分路器以及与所述N个1×K光分路器各自的输出端口连接的K个N×1光开关；以及MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由各所述N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光。
优选的是，还具备最多为M个的多个光源，所述多个光源的各光源分别产生所述最多M个不同波长的光中的一个波长的光，具有利用电信号来调制所述光的单元，且输出所述一个波长的调制光，由所述最多为M个的多个光源以及所述N个合波器中的对应的一个合波器构成波长组发生器，利用所述MN个可变滤波器来选择任意一个波长的调制光。
另外，所述N个光分路器和所述DC开关中的所述光分路器中的至少任一方是将光分路器与波长选择开关组合而构成的。并且，所述K个N×(MN/K)DC开关是M个N×N DC开关。
在所述的光开关装置中，在所述N个光分路器各自的前级和后级中的至少一方还具备一个以上的光放大器。另外，所述合波器包括：多个阵列波导光栅(AWG)；以及将来自所述多个AWG的多路复用光进一步合并的光合并器、光交叉波分复用器(日语：インタリーバ)或者波长选择开关。
根据本公开的另一其它侧面，是将最多M(M为2以上的自然数)个不同波长的光进行合成且输出多路复用光的M输入L输出的N个合波器，并且所述最多M个不同波长的光的各波长的光分别是从包括L(M>L的自然数)种波长的不同波长组中选择出的一个波长的光，MN/L为自然数，所述光开关装置还具备L个N输入波长分路选择部和MN/L个可变滤波器，其中，所述N输入波长分路选择部与所述N个合波器各自的L个输出端口中的对应的N个输出端口连接，且从所述对应的N个输出端口输入所述多路复用光，所述L个N输入波长分路选择部分别包括：N个光分路器，所述N个光分路器与所述波长分路选择部的所述N输入分别连接，将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成MN/L个分路光；以及MN/L个N×1光开关，所述MN/L个N×1光开关从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光，所述MN/L个可变滤波器从在由所述MN/L个N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的不同波长的光中选择任意一个波长的光。
优选的是，在所述的光开关装置中，还具备最多为M个的多个光源，所述多个光源的各光源分别产生所述最多M个不同波长的光中的一个波长的光，具有利用电信号来调制所述光的单元，且输出所述一个波长的调制光，由所述最多为M个的多个光源以及对应的一个所述合波器构成波长组发生器。
另外，在所述的光开关装置中，所述合波器构成为循环合波器，所述MN/L个可变滤波器针对所述N个合波器的整体，从M个不同波长中选择任意一个波长的调制光，或者所述合波器构成为非循环合波器，所述MN/L个可变滤波器针对所述N个合波器的整体，从(M+L-1)个不同波长中选择任意一个波长的调制光。
另外，所述波长组中的L种所述不同波长包括作为连续设定的M个波长中的一个波长的开始波长以及与所述开始波长相邻的(L-1)个波长。并且，在所述光开关装置中，同所述N个合波器的各合波器连接的多个光源的MN个进行调制的单元与光路交换开关的输入端口对应，所述可变滤波器的MN个输出与所述光路交换开关的输出端口对应，所述光开关装置作为波长路由开关发挥功能。
在本公开中，出示了比现有技术成本低且大规模的光路交换方式的光开关装置。在本公开的光开关装置中，能够利用固定波长的光源，因此，与现有技术相比，只需简单的光源结构就能够大幅减小电路规模和成本。另外，还呈现了如下结构：通过将利用波长在非常窄的范围内可变的功能的波长可变光源与可变滤波器组合，来减少波长路由SW中的路径损失，使波长路由SW的结构进一步简化。
在说明本公开的光开关装置的详细结构和动作前，简单地说明所使用的基本的要素器件的结构和动作。绝大多数的要素器件与在图4～图6中示出的现有技术的波长路由SW(光开关装置)中所使用的要素器件相同。
图7A～图7B是说明阵列波导光栅(AWG)的结构和动作的图。在本公开的波长路由SW中，使用AWG来作为适于用作合波器或者分波器的器件。图7A示出1×N结构的AWG的结构，作为一例，示出了具有一个输入端口72和14个输出端口的AWG。AWG 70的输入端口72与波长可变LD 71连接，在设定为λ1～λ14中的任一波长时，向输出端口73中与输入端口的光信号的波长相应的位置(第1～14个)的端口进行输出。如果向输入端口72输入将如图7B所示那样的波长轴上的不同波长的λ1～λ14的光信号(波长组)进行合成得到的多路复用光时，在输出端口73中的各输出端口被分波为各个波长。
图8A～图8B是说明非周回性AWG的结构和动作的图。图8A示出16×16结构的非周回性AWG 80的分波动作。非周回性AWG 80具有16个输入端口，当将输入光信号的输入端口错开一个端口时，输出相同波长的光信号的输出端口的位置也逐一地错开。例如，在向第一个输入端口输入λ1～λ16的多路复用光且向输出端口的各端口输出λ1～λ16的波长组81时，当向第二个输入端口输入λ2～λ17的多路复用光时，向输出端口的各端口输出λ2～λ17的波长组82。即使向第二个输入端口输入λ1也会在AWG发生散射而消失，不出现在输出端口。
图8B示出调换输入输出来使光信号的方向相反从而作为合波器进行动作的情况。可知，在进行合成时，当使向一个输入端口输入的波长错开一个输入端口时，输出端口的位置也逐一地错开。另外，需要留意的是：通过使输入波长变化来改变光信号的输出端口的位置的另一种说法是根据向输入端口输入的光信号的波长来选择向哪个输出端口输出信号光，具有基于输入光的波长来选择输出端口的选择功能。在后述的实施例6中利用该性质。能够通过适当地决定AWG的设计参数来自由地设定进行合成和分波的具体波长。例如，能够以适于ITU-T栅格上的波长的方式设定各端口的波长。
图9A～图9B是说明周回性AWG的结构和动作的图。图9A示出8×8结构的周回性AWG90的分波动作。通过将周回性AWG 90的FSR(Free Spectral Range：自由光谱区)设定为波长间隔(频率间隔)Δ的N倍，周回性AWG 90能够以FSR的重复间隔向同一输出端口周期性地输出波长。在图9A的例子中，如果将周回性AWG的FSR(400GHz)设定为波长间隔Δ(例如50GHz)的8倍，则在具有8个输入端口、8个输出端口的周回性AWG的一个输出端口反复出现以8为周期的波长。在图9A所示的分波器中，如果向第一个输入端口输入λ1～λ16，则如附图标记91所示那样，向第一个输出端口输出λ1、λ9，向第二个输出端口输出λ2、λ10，……，向第八个输出端口输出λ8、λ16。与图8A所示的非周回性AWG相同，当将输入端口错开一个输入端口时，如附图标记92所示的波长编号那样，出现同一波长的输出端口的位置逐一地错开。
图9B示出调换输入输出来使光信号的方向相反从而作为合波器进行动作的情况。除了具有周回性AWG的波长(编号)以端口数的重复周期周期性地出现在同一输出端口的特征之外，与非周回性AWG同样地作为合波器进行动作。另外，同样也具有基于输入光的波长来选择输出端口的选择功能。
作为其它要素器件，还使用在图5中说明的由开关和耦合器构成的DC开关。在本公开的波长路由SW中使用的要素器件能够采用上述器件以外的各种各样的器件，在后述的每个实施例中示出其它各种类型的器件的利用方式。下面，根据附图，伴随各种实施例对本公开的波长路由SW的结构和动作进行说明。
实施例1
在下面的说明中，作为本公开的波长路由SW(光开关装置)，示例性地示出输入端口的数量与光源的数量MN对应且输出端口的数量也是MN的波长路由SW。然而，只要能够将向输入端口输入的全部的信息信号(电信号)分别切换至任意的目的输出端口即可，不一定使输入端口与输出端口的数量相同。具体地说，即使是输入端口的数量比输出端口的数量少的结构，也作为波长路由SW同等地发挥功能。因此，需留意的是，在下面的所有实施例中均不限定输入端口的数量和输出端口的数量相同。
图10是表示本公开的波长路由的最基本的结构的图。大致来讲，波长路由SW(光开关装置)100由N个波长组发生器101-1～01～N、分路选择部107以及MN个可变滤波器(TF：Tunable Filter)106-1～106-MN构成。着眼于N个波长组发生器中的各波长组发生器中的例如波长组发生器101-1，具有被固定为M个不同的λ1～λM中的任一波长的M个固定波长激光组102-1。利用未图示的信息信号对M个不同波长的光分别进行调制，利用合波器103-1对M个调制光被进行合成，且作为多路复用光从波长组发生器101-1输出。在波长路由SW100的整体中，由于M个固定波长LD的组为N组(101-1～101-N)，因此，利用来自MN个固定波长LD的各输出光来运送个别的信息信号。与现有技术的波长路由SW相同，能够输入信息信号的MN个光源与MN个输入端口对应。此处应留意的是，在本公开的波长路由SW中，由光源(LD)设定的输出光的波长是固定的，与现有技术中使用波长可变LD有很大不同。
利用分路选择部107对来自N个波长组发生器中的各波长组发生器的N个多路复用光进行分离和选择，输出包括会在目的输出端口被选择的信息信号在内的MN个分路和选择得到的多路复用光。更具体地说，分路选择部107由将来自一个波长组发生器的波长组的多路复用光分离成MN个的N个光分路器(前级)104-1～104-N、以及从来自N个波长组发生器的多路复用光中选择一个多路复用光的MN个N×1光开关(后级)105-1～105-MN构成。N个光分路器(前级)104-1～104-N能够将来自各自所对应的一个波长组发生器的多路复用光分离成MN个即可，但如后文所述，只要能够选择性地分离至作为目的的输出端口，也可以具有波长选择性。MN个N×1光开关(后级)105-1～105-MN具有选择N个波长组发生器中的一个波长组发生器的功能，以选择来自包括MN个输入端口中的进行路由的输入端口的一个波长组发生器的多路复用光(λ1～λM)的方式动作。
分路选择部107的MN个N×1光开关105-1～105-MN的输出与可变滤波器(TF)106-1～106-MN分别连接。TF是能够从包括多个波长的多路复用光中选择任意一个波长的光信号的滤波器。MN个TF与波长路由SW 100的MN个输出端口对应。MN个TF中的一个TF选择包括与MN个固定波长LD中的任意一个LD对应的信息信号的调制后的光信号，由此设定从与该LD对应的输入端口向与该TF对应的输出端口的路径。如在前面已述的那样，N个波长组发生器中的固定波长LD的数量最多是M个，在全部或一部分波长组发生器中，固定波长LD也可以少于M个。也可以是，每个波长组发生器中的光源的数量是不同的。因而，MN个可变滤波器(TF)以从在由MN个N×1光开关选择出的一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光的方式动作。
如下所示，列举波长路由动作的一个具体例。例如，设是第一个波长组发生器101-1的第M个固定波长LD具有固定波长λM，且利用信息信号M对该固定波长LD进行了调制。利用合波器103-1将调制后的λM的光信号与其它波长的光信号进行合成，从101-1输出包括λM的光信号的多路复用光。多路复用光被光分路器104-1分离成MN个，一直连接到第MN个1×N光开关105-MN。第MN个1×N光开关105-MN输入来自N个光分路器104-1～104-N的各多路复用光，但选择从其中的光分路器104-1分离出的多路复用光。由光开关105-MN选择出的多路复用光包括利用所述的信息信号M调制后的λM的光信号。进一步地，利用第MN个TF从该选择出的多路复用光中仅选择λM的光信号。因而，能够从第MN个输出端口得到利用信息信号M调制后的光信号。最终，构成从第M个输入端口至第MN个输出端口的路径，在MN×MN的光开关中，从第M个输入端口向第MN个输出端口进行了波长路由。
在现有技术的波长路由SW中，通过使输入端口侧的各光源的光的波长可变，能够选择任意的输出端口，在输入端口与输出端口之间设定有任意的路径。与此相对，本公开的波长路由SW使输入端口侧的各光源的光的波长固定，另一方面，在输出端口侧的最后级配置TF，利用TF的波长选择功能在输入端口与输出端口之间设定了任意的路径。因而，并非使光源的光的设定波长具有波长路由中的路由路径的设定能力及其选择的任意性，而是使最后级的TF的选择波长具有波长路由中的路由路径的设定能力及其选择的任意性，关于这一点，在结构上与现有技术存在大的差异。
如上所述，本公开的波长路由SW在波长组发生器中利用固定波长的光源(LD)来生成用于传输信息信号的信号光，这一点与现有技术存在大的差异。在图4和图6所示的现有技术的波长路由SW中，为了以宽的波长范围进行稳定动作，需要复杂的控制机构，采用了电路规模更大且价格更高的波长可变光源，这一点具有对照性。即使波长可变LD是最新技术，除光源本身外，还需要为了实现波长可变功能而附带的控制电路。当光开关大规模化时，虽想将光源的波长范围从C频带进一步扩展至L频带等其它频带，但能够在不同频带进行稳定动作的波长可变LD尚未实现。另外，虽想缩窄波长间隔来增加波长数并增加光开关装置的端口数，但针对波长精度的要件愈发严格。另一方面，如果是固定波长的光源，附带的控制机构是简单且廉价的通用品，能够容易地得到，与波长可变光源相比成本非常低。
在本公开中，需要与输出端口的数量相应数量的TF，但能够利用各种类型的TF，例如有将AWG与开关组合而成的滤波器、利用AO(Acousto-Optic：声光)效应的滤波器、基于硅光子技术的环形谐振器型滤波器、基于硅光子技术的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型滤波器等。尤其是，在低小化和低价格化的方面，基于硅光子技术的谐振器型滤波器适于本公开的TF。与波长可变LD中的波长可变功能相比，能够以低价格来实现TF的波长选择功能，存在能够利用通用性高且能以更低成本得到的部件的可能性，TF更加适于提供大规模的波长路由SW。
作为波长组发生器中的合波器103-1～103-N，例如能够利用阵列波导光栅(AWG)，但也能够利用其它分立衍射光栅(日语：バルク状の回折格子)或者光合波器(耦合器)等。作为光分路器104-1～104-N，能够利用将光大致均等地分离的1×N光耦合器来作为最简单的结构的光分路器。另外，也能够利用具有波长选择功能的波长选择开关(WSS：WavelengthSelective Switch)。WSS是当向输入进行波长多路复用光的输入时能够向任意的输出端口输出任意波长的任意组合的器件。当将分路数设为n时，在简单的光分路器中产生10log(n)的损失(dB)，因此，例如当分路数为100时，损失增大至20dB。另一方面，1输入L输出(1×L)的WSS能够构成为比分路数相同的光耦合器的损失少(例如分路数为20时损失为7dB左右)。
在本公开的波长路由SW中，光分路器104-1～104-N将来自N个波长组发生器中的一个波长组发生器的多路复用光分离后输出至输出端口数(MN个)的TF即可。然而，原本无需将在最后级的目的TF中不被选择的波长的光信号进行分离后提供至该目的TF。因而，无需利用WSS的波长选择性，但能够利用WSS的波长选择功能来代替光分路器，能够以更低损失选择从包括选择出的输入端口的波长组发生器向目的TF的所需的路径。
作为WSS，能够利用基于3D MEMS的波长选择开关、分波器、以及将1×N开关与分波器组合而成的波长选择开关(WSS)。另外，不仅能够由光耦合器或者WSS实现光分路器104-1～104-N，也能够将光耦合器与WSS组合来实现光分路器104-1～104-N。并且，在分路数多的情况下，能够利用多级结构的光耦合器、多级结构的WSS、光耦合器从属于WSS的从属连接、以及WSS从属于光耦合器的从属连接等各种变形方式。在实施例7中说明详细情况。
根据图10所示的本公开的实施例1的波长路由SW，能够利用低成本的固定波长光源、光耦合器、光开关以及TF来实现与现有技术完全相同的光开关装置。能够以低成本实现光开关装置。其结果，能够在抑制成本的高涨的同时实现大规模的光开关装置。与现有技术相比，关于固定波长光源等要素部件，能够利用更小型且廉价的部件，并且，还能够实现超过1000×1000的大规模的光开关装置。例如，300×300的光开关装置能够以固定波长光源数M＝100、波长组发生器数N＝3来实现。并且，1000×1000的光开关装置能够以固定波长光源数M＝100、波长组发生器数N＝10来实现。M和N的选择能够进行各种组合、变形，完全不局限于上述例子的数值。本公开的光开关装置(波长路由SW)也适于在数据中心等利用，还能够有助于数据中心的消耗电力的大幅减少。
实施例2
在所述的实施例1中，构成为利用分路选择部中的光分路器104-1～104-N将来自波长组发生器的多路复用光一次性分离成输出端口的数量(MN)。然而，在光耦合器等光分路器中，与分路数n相应地有10×log(n)的损失(dB)。因而，需要在光开关装置的光信号路径的任一位置处加入光放大器来进行水平图(日语：レベルダイヤ)的调整。即使将光分路器多级化，整体的损失也不变，用于调整水平图的光放大器的配置变得更加灵活。下面，示出本公开的将光分路器设为多级化结构的实施例。
图11是表示本公开的波长路由SW的实施例2的结构的图。波长路由SW(光开关装置)200由N个波长组发生器201-1～201～N、分路选择部209以及MN个可变滤波器(TF：Tunable Filter)206-1～206-MN构成。在本实施例中，除分路选择部209外的波长组发生器201-1～201～N以及TF的结构与实施例1完全相同，输入端口以及输出端口的结构也相同。下面，聚焦分路选择部209中的与实施例1的结构的不同点进行说明。
实施例2的分路选择部209由N个1×K光分路器204-1～204-N以及K个N×(MN/K)DC开关(后级)205-1～205-K构成，所述N个1×K光分路器204-1～204-N用于选择来自N个波长组发生器201-1～201-N的多路复用光中的一个多路复用光，所述K个N×(MN/K)DC开关(后级)205-1～205-K用于将来自一个波长组发生器的波长的多路复用光分离成K个。DC开关205-1～205-K与在图5中示出的3×3结构的DC开关分别相同，但需留意的是，光信号的方向为与现有技术中的DC开关的使用时的方向相反的方向。在实施例2的情况下，各DC开关205-1～205-K分别由N个1×(MN/K)光分路器207和(MN/K)个N×1结构的光开关208构成。
如上所述，关注例如波长组发生器201-1的输出，分路选择部209包括第一级的1×K光分路器204-1、以及从属连接于光分路器204-1的第二级的K个1×(MN/K)光分路器207。因此，来自波长组发生器201-1的多路复用光输出通过从属连接的两级结构的光分路器而被分离成MN个光路，可理解为，本实施例的分路选择部209的结构与实施例1的分路选择部107的结构实质上完全相同。
与实施例1相同，只要能够将一个多路复用光向作为目的的输出端口的TF分离，N个光分路器204-1～204-N和DC开关中的N个1×(MN/K)光分路器207中的哪一方具有波长选择性都可以。即，作为光分路器的最简单的结构，能够利用将光大致均等地分离的1×K或者1×(MN/K)的光耦合器，或者能够利用具有波长选择功能的波长选择开关(WSS)。并且，也能够利用光分路器与波长选择开关的组合，对光分路器与波长选择开关的前后顺序也无要求。
在图11所示的本实施例的波长路由SW中示出如下结构：光分路器或者波长选择开关(204-1～204-N)将多路复用光分离成K个(使MN/K成为自然数的K)，光开关装置的输入端口和输出端口的数量均为MN个，在输出侧没有未使用端口。然而，本公开的光开关装置不局限于图11那样的在输入输出端口无多余端口(未使用端口)的结构，这是不言而喻的。作为实施例8，在后面叙述也允许存在未使用端口的本实施例的更为普遍的结构例。
在本实施例中，作为分路选择部209中的多级化的光分路器，示出由第一级的光分路器和包括第二级的光分路器的DC开关构成的结构，但这是因为输入端口数与输出端口数的各种组合的DC开关能够作为通用品流通，容易得到，并不局限于利用DC开关。需留意的是，实施例2的结构的特征在于将分路选择部209中的光分路器多级化，具体用什么样的器件来实现各要素完全不局限于上述的例子。
实施例3
图12是表示本公开的波长路由SW的实施例3的结构的图。波长路由SW(光开关装置)300由N个波长组发生器301-1～301～N、分路选择部308以及MN个可变滤波器(TF)306-1～306-MN构成。本实施例的波长路由SW的结构与实施例1的结构大体相同，输入端口以及输出端口的结构也相同。在本实施例中，在波长组发生器的各波长组发生器与对应的分路选择部之间还具备光放大器307-1～307～N。如上所述，在分路选择部308中，将来自各波长组发生器的多路复用光分离成与输出端口数MN相应的数量，因此产生与分路数相应的路径损失。并且，还需要考虑光开关、合波器等中的附加损失。即使在光开关装置中进行了路径切换后，也需要针对输出光信号维持恒定的光电力水平，因此，优选在光开关装置内插入用于补偿水平图的降低的光放大器。
为了尽量减少高价的光放大器的数量，将用于插入光放大器的位置局限在对很多光信号进行了合成的部分。在本公开的波长路由SW中，能够如本实施例那样在波长组发生器301-1～301-N的输出级分别进行插入。在本公开的波长路由SW中，根据一个波长组发生器内所包含的波长的种类数M和波长组发生器(波长组)的数量N，来决定作为光SW的规模的输入输出端口的数量MN。因而，能够将波长的种类数M与波长组数N组合起来，根据所使用的器件的当时的限制条件等来选择光开关装置的结构，本公开的光开关装置的特征也在于这样的设计的灵活性。
例如，一般来说，宽带域的光放大器的价格较高，因此能够构成为抑制波长的种类数M而使用带域比较窄的放大器来增加波长组的数量N。相反，如果能够廉价地得到带域更宽的光放大器，则也能够构成为增加波长的种类数M而抑制波长组数N。另外，在波长数M相同时，如果将光源的波长间隔选择为窄间隔，则使用波长带域窄的的光放大器即可，因此能够低成本化。光源的波长间隔也能够根据固定波长光源的稳定度、TF的精度等来决定。另外，如果能够使TF动作的波长范围足够宽，则也可以是，在波长组发生器之间，波长组发生器中产生的M个波长只有一部分重复或完全不同。
实施例4
图13是表示本公开的波长路由SW的实施例4的结构的图。波长路由SW(光开关装置)400由N个波长组发生器401-1～401～N、分路选择部411以及MN个可变滤波器(TF)406-1～406-MN构成。本实施例的波长路由SW的结构与实施例2的结构大体相同，输入端口以及输出端口的结构也相同。
在本实施例中，在各波长组发生器与对应的分路选择部之间还具备光放大器409-1～409-M，或者在光分路器404-1～404-N的各光分路器与对应的DC开关405-1～405-K之间还具备光放大器410-1～410～K。在图13所示的例子中，在光分路器404-1～404-N的前级与后级这两方分别插入了光放大器，但也可以在前级或后级插入光放大器。根据本实施例的波长路由SW的结构，能够插入光放大器的场所为两处，因此，对于光放大器的配置方法、增益分配，能够进一步得到设计上的灵活性。在端口数增加而使路径的损失增加且仅在路径中的一处插入光放大器无法得到充分的增益时，必须采用本实施例的结构。另外，由于高增益或者高光输出的光放大器的价格很高，因此，也能够采用将增益更低的光放大器分两级使用的结构。另外，也可以使N个波长组发生器之间的光放大器的配置结构不同。因而，根据本实施例，能够考虑当时的光放大器的性能、成本来选择最佳的结构。
实施例5
在上述的实施例1～4的各波长路由SW中，示出了分路选择部的结构上的各种变更，但在本实施例中呈现波长组发生器中的合波器的变更。如之前已述的那样，优选利用小型且损失比较小的AWG来作为波长组发生器的合波器。然而，当想要增加光开关装置的端口数时，需要增加每一个波长组发生器的波长数M、或缩窄波长间隔，AWG的设计、制作愈发困难。在本实施例中，示出用于减少这些问题且使用了多个AWG的波长组发生器的具体结构例。
图14A～图14C是本公开的实施例5的波长路由SW，是表示波长组发生器中利用了AWG的合波器的结构例的图。图14A示出本公开的波长路由SW中的波长组发生器500的基本结构。合波器501将来自分别产生不同波长(λ1～λM)的M个光源503的各调制光进行合成且输出多路复用光。因而，能够利用M×1的AWG来作为合波器。然而，例如，即使想要实现以50GHz间隔具有100个输入端口的AWG、以25GHz间隔具有100～200个输入端口的AWG，也难以进行在全部信道中满足中心波长的精度、透过损失的绝对值、偏差等特性要件的设计。
图14B示出减少一个AWG的端口数的结构例1。在结构例1中，波长组发生器510由M个固定波长光源513、两个AWG511-1、511-2、以及波长合并器512构成。在本结构例中，将M个固定波长光源513划分成两组，来利用与各组的子波长组对应的信道结构的AWG。由于能够减少平均一个AWG的输入端口数，因此AWG的设计条件放宽。利用波长合并器512将来自两个AWG511-1、511-2的多路复用光进行合并后作为一个多路复用光供给至下级的分路选择部。作为波长合并器512，能够利用光耦合器、WSS、MZ干涉仪、AWG等各种方式的器件。
在图14B中，示出将M个光源(波长)划分成两组的最简单的例子，但也可以划分成三组以上。另外，平均一组的波长数既可以相同，也可以不同。
图14C示出减少一个AWG的端口数并扩大波长间隔的结构例2。在结构例2中，波长组发生器520由M个固定波长光源523、两个AWG521-1、521-2、以及光交叉波分复用器522构成。在本结构例中，将M个固定波长光源513划分为两组，利用与各组的子波长组对应的信道结构的AWG。在本结构例中，一个光源组由波长编号λ1～λM中的第奇数个波长的光源构成。另一个光源组由波长编号λ1～λM中的第偶数个波长的光源构成。通过像这样以利用两个AWG521-1、521-2交替地进行连续的M个波长λ1～λM的合成的方式构成各AWG，能够减少平均一个AWG的端口数，并且能够将进行合成的波长间隔设为2倍(例如50GHz→100GHz)。AWG的设计条件在端口数、波长间隔这两方面放宽。来自两个AWG521-1、521-2的多路复用光通过光交叉波分复用器522而被合并，作为一个多路复用光供给至下级的分路选择部。作为光交叉波分复用器522，能够利用光耦合器、WSS、MZ干涉仪、AWG等各种方式的器件。
在图14C中示出将M个光源(波长)划分为偶数编号和奇数编号的两个波长组的例子，但也可以划分成三组以上。例如，在三组的情况下，按照将波长编号除以3得到的余数(0、1、2)来划分各组的波长编号即可。在n组的情况下，按照将波长编号除以n得到的余数(0、1、……n-1)来划分各组的波长编号即可。
通过上述的本实施例的各结构例，能够更加简单地将平均一个波长组发生器的光源数(波长数M)扩大至100以上，也能够实现超过1000×1000的大规模的光开关装置。
实施例6
在上述的本公开的波长路由SW的各实施例中，波长组发生器中的各光源利用固定波长的光源。由于能够采用与现有技术那样的波长可变光源相比非常廉价的光源，因此，实现了也适于在数据中心利用的低成本的光开关装置。然而，如果限定性地使用光源中的波长在窄范围内可变的光源，则还能够利用AWG的合成功能以及与输入波长相应地选择输出端口的选择功能。由此，能够放宽光放大器的所需要件，如减少光开关装置的路径损失、或减少光放大器的数量、降低所需的增益等。
图15是表示本公开的波长路由SW的实施例6的结构的图。本实施例的波长路由SW(光开关装置)600由N个波长组发生器601-1～601-N和L个波长路由部607-1～607-L构成。各波长路由部的结构分别同实施例1中的将分路选择部与可变滤波器(TF)合起来得到的结构相同。即，在本实施例中，构成为实施例1的分割出的L个分路选择部以及可变滤波器(TF)并列设置。从一个波长组发生器输出L组不同的多路复用光，并供给至L个波长路由部的各波长路由部。
波长组发生器601-1～601-N的结构也与其它实施例大体相同，但下面这一点不同。在本实施例中，一个波长组发生器中的M个光源使用波长在如下范围内可变的光源，该范围被限定为：除包括λ1～λM中的开始波长(λ1～λM)外，还包括开始波长起连续的L个波长。具体地说，在波长组发生器601-1中，关于M个光源中的第一个光源，能够使光源的振荡波长在将λ1作为开始波长且还包括λ2、……、λL的范围内可变。同样，关于第二个光源，能够使光源的振荡波长在将λ2作为开始波长且还包括λ3、……、λL+1的范围内可变，关于第三个光源，能够使光源的振荡波长在将λ3作为开始波长且还包括λ4、……、λL+2的范围内可变。因此，在第M个光源中，能够使光源的振荡波长在将λM作为开始波长且还包括λM+1、…、λL+M-1的范围内可变。即，一个光源对应一个波长组，在一个波长组中包括L种波长。不限定于此，能够对不同的光源分配不同的波长组。
更具体地说，当将一个波长组发生器的最大光源数设为M＝100时，在现有技术中需要各光源分别输出100种不同波长的波长可变功能。与此相对，在本实施例中，当设定L＝10时，具备输出包括开始波长在内的相邻的10种波长的波长可变功能就足够，波长的可变范围为现有技术的1/10即可。实现使光源波长在宽范围内稳定地可变的性能直接关联到波长可变光源的成本和设计难度，如果波长的可变范围为1/10左右，则能够大幅度地简化激光源的波长控制机构。如之前已述的那样，在本实施例中也是，N个波长组发生器中的波长可变LD的数量最多为M个，也可以在全部或者一部分的波长组发生器中使波长可变LD少于M个。另外，在每个波长组发生器中，光源的数量也可以不同。
在本实施例的波长路由SW中，在限定的窄的波长范围内利用波长可变光源。与此同时，作为波长组发生器601-1的合波器，利用AWG 603-1的L个输出端口，且使从光源向AWG的一个输入端口输入的光的波长在窄的范围内(例如L＝10)可变，由此能够选择用于输出来自该光源的调制光的AWG输出端口1～L。再次参照图8B所示的非周回性AWG的合成动作例，各光源的开始波长与波长组83对应，在输出端口1进行合成后输出。与此相应地，可理解为，从开始波长变更了一个波长编号后的状态与波长组84对应，在输出端口2进行合成后输出。像这样，通过AWG的合成功能以及与输入波长相应地选择输出端口的选择功能，能够将包括来自作为对象的光源的调制光的多路复用光的输出目的地选择为上述L个波长路由部607-1～607-L中的任意一个波长路由部。
所述的AWG的波长合波功能以及与输入波长相应地选择输出端口的选择功能在非周回性AWG和周回性AWG中是共同的，在本实施例的结构中，能够使用非周回性AWG和周回性AWG中的任一方。在非周回性AWG中，例如在设为M＝100、L＝10的情况下，需要在一个波长组发生器整体中输出λ1～λ110的范围的波长。但是，如果从各个波长可变光源来看，各光源中的波长可变范围非常小(L＝10，10种波长即可)，因此，与现有技术相比，本实施例的结构中的作为波长可变光源的复杂度、成本的阻碍更小。在现有技术中，在全部的光源中需要波长在λ1～λ100的全部波长范围内可变的能力，与此相比，如本实施例那样，实现被限定在窄的波长范围的波长可变光源反而简单。若果利用周回性AWG且适当地设定光源的数量M、周回性AWG的端口数即一个光源中可变的波长数L，则在一个波长组发生器整体中就能够设为实质上与其它实施例相同的数量的开始波长λ1～λ100。
图16是示意性地表示实施例6中使用非周回性(非循环)AWG的情况下的各光源中的使用波长的图。为了简便，示出一个波长组发生器中的光源(LD)的数量为M且L＝3的情况，在矩形内记入各LD中的使用波长的编号。在第一个LD中，使用波长编号1、2、3，在第二个LD中，使用波长编号2、3、4，下面相同，在第M个LD中，使用波长编号M、M+1、M+2。矩形中的最初的波长与开始波长对应。
图17是示意性地表示实施例6中使用周回性(循环)AWG的情况下的各光源中的使用波长的图。与图16相同，示出波长组发生器中的光源数为M且L＝3的情况，在矩形内记入各LD中的使用波长的编号。与非循环AWG的不同点在于，在开始波长接近第M个时，使用波长范围包括以周回的方式相邻的波长。即，在第M-1个LD中使用波长编号M-1、M、1，在第M个LD中使用波长编号M、1、2。第M个波长与第一个波长在物理上远离，但在周回性AWG中处于以周回的方式相邻的关系。通过使用周回性AWG，在波长组发生器内使用的波长的总数保持M个即可。
各波长路由部607-1～607-L的结构与实施例1的分路选择部以及可变滤波器(TF)的结构相同。更具体地说，波长路由部607-1的波长分路选择部与N个波长组发生器601-1～601-N各自的L个输出端口中的对应的N个输出端口连接，且具有从这些对应的N个输出端口输入多路复用光的N个输入。波长路由部607-1的波长分路选择部包括：N个光分路器或者波长选择开关604-1，其将来自与所述N个输入分别连接的N个波长组发生器各自的多路复用光分离成MN/L个；以及MN/L个N×1光开关605-1，其从N个光分路器或者波长选择开关各自的所述分路光中选择与所述N个波长组发生器中的一个波长组发生器对应的分路光。
此处，为了简便，设MN/L的值为自然数。因而，在图15中示出作为光开关装置的输入端口和输出端口的数量均为MN个且在波长路由部607-1～607-L的输出端口不存在未使用端口的结构。在后述的实施例9中说明MN/L的值为非自然数且允许光开关装置存在未使用的输出端口的、将本实施例进一步一般化得到的结构。
在图15所示的本实施例的波长路由SW中，即使在一个波长组发生器内两个光源的设定波长相同，如果连接光源的AWG的输入端口不同，则包括来自各光源的调制光的、合成后的多路复用光的输出端口也不同，选择L个波长路由部607-1～607-L中的不同的波长路由部。因而，通过在一个波长组发生器中的各个光源中选择从开始波长起连续的L个波长范围内的任意波长，来选择AWG的L个输出端口中的任一输出端口，进一步选择对应的MN个输出端口。换言之，本实施例的非常优越之处在于：利用波长组发生器的AWG的输出端口选择功能来兼具其它实施例中的分路选择部的光分路器功能的一部分。
在作为光分路器使用的光耦合器中，损失与分路数对应地增加，如2分路产生3dB的损失、4分路产生6dB的损失、……10分路产生10dB的损失。与此相对，在本实施例中，执行输出端口选择功能的AWG的输入输出端口间的损失为3～5dB左右，通过利用输出端口选择功能，能够在光开关装置整体中减少各路径的损失。AWG的输出端口数越多，则与光耦合器相比损失减少的量越大。由此，能够减少光放大器的数量，能够放宽光放大器的增益、最大光输出水平等性能条件，能够进一步推进光开关装置的小型化、低成本化。
能够在本实施例的结构中组合以上的实施例的特征，这是不言而喻的。例如，能够在本实施例的结构中组合实施例2的将光分路器多级化得到的结构。另外，也能够如实施例3和实施例4那样组合光放大器。并且，也能够如实施例5那样在波长组发生器内利用多个AWG。
实施例7
图18A～图18C是说明本公开的实施例7的波长路由SW中的光分路器或者波长选择开关的结构的图。是表示上述的实施例1～6中的光分路器或者波长选择开关的其它结构例的图。图18A示出由光分路器构成如在上述的各实施例中所示的那样将来自波长组发生器的多路复用光进行分离的光分路器或者波长选择开关(104-1～104-N、204-1～204-N、304-1～304-N、404-1～404-N)的情况。作为光分路器，例如能够利用光耦合器801，例示性地示出12分路结构的光耦合器。
图18B示出将3分路的光耦合器801与1×4结构的WSS802-1～802-3组合且纵续连接以实现相同的12分路的结构例。1×4结构的WSS能够将多路复用光以任意波长的组合输出至四个输出中的任意的端口。因而，WSS不是具有简单的分路器功能，而是具有波长选择性，具有本公开的各实施例中的最后级的波长选择滤波器(TF)的功能。如已述的那样，在波长路由SW中，在与期望的输出端口对应的最后级的目的TF中未选择的波长的光信号原本就无需进行分离来向该目的TF提供。因而，只要在最后级具备TF，就无需利用WSS的波长选择性，但能够将光分路器与WSS组合且利用WSS的波长选择性，来将从包括选择出的输入端口的波长组发生器至目的TF的路径设为损失更低的结构。
如果将图18B的结构作为光分路器或者波长选择开关应用于实施例1、实施例3，则能够用WSS代替最后级的TF的波长选择功能，因此能够省略TF。但是，一般而言，WSS的价格比光耦合器的价格高，能够实现的输出端口的数量最多为20个左右，从而被限制为1×20的结构。在光开关装置的目标规模为如1000×1000等这样非常大的规模的情况下，不适用WSS的数量增加的图18B的结构。如已述的那样，在光耦合器中，例如如果是20分路则产生13dB的损失，但在1×20WSS中产生7dB左右的损失。因而，为了减少光开关装置整体的路径的损失，将光分路器和WSS组合是有效的。
图18C是示出将1×3结构的WSS 803与四个2分路光耦合器804-1～804-4组合且纵续连接以实现与图18A的光耦合器801相同的12分路的结构例。图18C的结构是将图18B中纵续连接的顺序进行前后更换得到的，与如图18A的结构那样使用光耦合器801单体的情况相比，能够以更低损失实现相同的12分路。另外，与图18B的结构相比，能够减少高价的WSS的数量。在如图18C的结构那样在后级侧设置有光耦合器804-1～804-4的情况下，不能够省略最后级的TF，但与图18B的结构相同，将光分路器与WSS组合能够减少光开关装置整体的路径的损失。
如上述的图18B和图18C所示那样将光分路器与WSS组合得到的结构也能够应用于实施例2、实施例4中的DC开关中的光分路器或者波长选择开关207、407，这是不言而喻的。通过如本实施例这样将光分路器与WSS组合，能够进一步减少光开关装置的路径损失，也能够简化光放大器的结构、规格。
实施例8
图19是本公开的实施例8的波长路由SW，是表示将图11所示的实施例2的波长路由SW的结构进一步一般化得到的波长路由SW的结构例的图。在图11的实施例2的结构中，限定为光分路器或者波长选择开关204-1～204-N的分路数K是使MN/K为自然数的数。原因是当MN/K为非自然数时，实现不了DC开关。由于该限制，在图11的实施例2的结构中，各DC开关205-1～205-K的输出端口不存在未使用的多余端口，在输出端口的利用上没有浪费。在图19的本实施例的结构中，在分路选择部256中，光分路器或者波长选择开关251-1～251-N中的多路复用光的分路数Y是满足MN/K≤Y的最小自然数Y，这一点与实施例2不同。更具体地说，具备Y个分配选择(DC)开关252-1～252-Y，各DC开关分别包括用于选择来自N个波长组发生器201-～201-N中的一个波长组发生器的多路复用光的N个1×K光分路器或者波长选择开关253、以及与来自N个光分路器或者波长选择开关253的输出连接的K个N×1光开关254。
另外，在本实施例中，Y个DC开关252-1～252-Y的合计的输出端口数为KY个，与作为光开关装置进行波长路由所需的MN个、即可变滤波器(TF)所需的数量的MN个多。因此，例如图19所示那样，在最后的第Y个DC开关252-Y中，(YK-MN)个输出端口不需要TF，成为未使用端口255。在此，无需使未使用端口的位置都集中在第Y个DC开关252-Y内，只要是Y个DC开关252-1～252-Y的输出端口中的任意位置即可。在本实施例中，关于光分路器或者波长选择开关251-1～251-N的分路数Y的选择，在与MN的值的关系上放宽限制的代价是产生多余端口，与实施例2的不同之处仅在于此。因而，就本实施例而言，对其分路数Y不进行限制而相应地成为将实施例2的波长路由SW的结构进一步一般化得到的结构。
在此，列举如下更加具体的数值例。将波长组发生器的数量设为N＝2，将波长组发生器中的光源的数量设为M＝100，将K设为6。此时，100×2/6＝33.33，因此，满足MN/K≤Y的最小的Y为34。作为分路选择部，具备两个1×34结构的光分路器(或者波长选择开关)、以及34个2×6结构的DC开关即可。各DC开关分别包括两个1×6结构的光分路器(或者波长选择开关)和六个2×1结构的光开关。各DC开关分别具有六个输出端口，因此34个DC开关整体具有YK个即34×6＝204个输出端口。但是，作为波长路由SW的所需输出端口具有MN个即100×2＝200个足够，因此34个DC开关的全部204个输出端口中的四个输出端口为未使用。在未使用端口的位置设为第34个DC开关中的四个即可，但无需集中在一处，只要是34个DC开关的输出端口中的任意的四处即可。
实施例9
在图15中进行了说明的实施例6的波长路由SW中，将波长组发生器中的AWG的输出端口的数量L限定为使MN/L为自然数的数。原因是当MN/L为非自然数时，实现不了波长路由部中的光分路器或者波长选择WSS。由于该限制，在实施例6中，在各波长路由部607-1～607-L的输出端口也不存在多余的未使用输出端口，以光开关装置整体看来，在输出端口的利用上不存在浪费。然而，同实施例2与实施例8之间的关系相同，如果允许光开关装置中存在未使用输出端口，则MN/L的值也包括非自然数的情况，能够使实施例6的结构更为一般化。就将实施例6一般化得到的本实施例的结构而言，与实施例6的不同之处仅在于L个波长路由部607-1～607-L中是否存在一部分未连接TF的波长路由部、或者L个波长路由部607-1～607-L的结构并非全部相同这两点，基本的结构与图15相同。
在本实施例中，在MN/L的值不是自然数的情况下，重新导入满足MN/L≤K的最小自然数的K。在波长路由部中的分路选择部中，用K代替MN/L来分别表示光分路器或者波长选择开关604-1～604-L的结构以及光开关605-1～605-L的数量。因而，波长路由部内的各要素间的连接关系与实施例6的情况相同。但是，不需要与未使用端口相应的分路，因此能够减少一部分的波长路由部的分路的数量。因而，无需L个波长路由部的结构全部相同。与不包括未使用端口的其它波长路由部相比，在包括未使用端口的波长路由部中能够减少分路来简化成与未使用端口的数量相应的结构。
图20是将MN/L的值为自然数的实施例6与MN/L的值为非自然数的本实施例的光开关装置结构参数进行比较得到的表。还针对M、N、L的值的不同组合记载了具体的结构例(例1～例6)。在本实施例中，如果将波长路由部607-1～6-7-L的结构设为全部相同，则如从实施例2与实施例8的对比中能够容易地理解的那样，波长路由部607-1～607-L的输出端口的总数为KL个，比光开关装置的最多端口数MN个多。列举具体例，在图20的例6中，MN＝82×8＝656，KL＝94×7＝658，波长路由部整体产生两个未使用端口。因而，例如能够仅将第L个波长路由部607-L设为光分路器或者波长选择开关604-L的分路数减少了的结构。
然而，就制作在一个波长路由装置内结构不同的波长路由部而言，如果考虑利用模块化结构、制造工序等，管理上的繁琐反而增多。因此，使全部的波长路由部607-1～607-L的结构相同才更合理。在图20的表中，在本实施例中如图15所示那样全部的波长路由部的结构相同且存在未使用输出端口的前提下示出具体的结构例。波长路由部607-1～607-L的输出端口的总数为KL个，但理所当然的是，具备作为光开关装置所需的MN个最后级的TF即可。另外，在本实施例的光开关装置中，无需将未使用输出端口的位置设在第L个波长路由部607-L内，设在L个波长路由部的输出端口中的任意位置即可。
因而，即使在未使用输出端口非常多的情况下也是，只要包括至少一个图20的表中所例示的波长路由部的结构中的至少一个，就包括在本实施例的结构中。然而，有很多未使用输出端口这样的M、N、L的结构是存在很多浪费、最初就选择了不恰当的参数的设计，当然尽量设为未使用输出端口少的结构才是合理的。
本公开的光开关装置作为实施例8的变形方式，实施为如下的光开关装置，该光开关装置具备合波器，该合波器是将最多M(M为2以上的自然数)个不同波长的光合成且输出多路复用光的M输入L输出的N个合波器(603-1～603-N)，并且所述最多M个不同波长的光的各波长的光是从包括L(M>L的自然数)种波长的不同波长的组中选择出的一个波长的光，所述光开关装置具备L个N输入波长分路选择部和MN/L个可变滤波器(606-1～606-L)，其中，在将满足MN/L≤K的最小自然数设为K时，所述L个N输入波长分路选择部与所述N个合波器各自的L个输出端口中的对应的N个输出端口连接，且从所述对应的N个输出端口输入所述多路复用光，其中的至少一个所述L个N输入波长分路选择部分别包括：N个光分路器，所述N个光分路器将来自与所述N输入分别连接的所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成K个；以及K个N×1光开关，所述K个N×1光开关从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光，所述MN/L个可变滤波器(606-1～606-L)从在由所述K个N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的不同波长的光中选择任意一个波长的光。另外，也能够是，在所述的光开关装置中，还具备最多为M个的多个光源，所述多个光源分别产生所述最多M个不同波长的光中的一个波长的光，具有利用电信号来调制所述光的单元，且输出所述一个波长的调制光，由所述最多为M个的多个光源和对应的一个所述合波器构成波长组发生器。
在至此叙述的全部的实施例中，仅示出了构成光开关装置的路径的构成，但波长路由SW中还包括在各图中未示出的各要素的控制部。例如，为了设定波长组发生器的各光源的波长、设定可变滤波器的调谐波长、设定波长选择开关的选择波长，控制部相应于光开关装置的路径切换来控制各要素。对控制部的结构没有任何限定，既可以利用一个控制部来控制全部的波长路由SW的整体动作，也可以利用分散的控制部进行控制。各控制部分别具备CPU、存储器等，对其结构也没有限定。
如以上详细地叙述的那样，本公开的波长路由SW使用固定波长的光源和可变滤波器，由此能够采用成本相比于现有技术非常低的光源。另外，能够将限定后的窄的波长范围的波长可变光源与基于AWG的输入波长的输出端口选择功能组合，利用以固定波长光源为基准的廉价的光源，且能够抑制波长路由SW的路径的损失。另外，本公开的光开关装置(波长路由SW)也能够在数据中心等中适当地利用，还有助于大幅减少数据中心中的消耗电力。
产业上的可利用性
本公开能够利用于光信号处理装置。尤其能够利用于进行光信号的路径切换的光开关装置。

Claims (13)

1.一种光开关装置，其特征在于，具备：
N个合波器，所述N个合波器将最多M个不同波长的光进行合成且输出多路复用光；
N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成MN个分路光；
MN个N×1光开关，所述MN个N×1光开关从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光；以及
MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由所述MN个N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光，其中，M为2以上的自然数。
2.一种光开关装置，其特征在于，具备：
N个合波器，所述N个合波器将最多M个不同波长的光进行合成且输出多路复用光；
N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成使MN/K为自然数的K个分路光；
分配选择开关，其是从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光的K个N×(MN/K)分配选择开关，且各所述分配选择开关分别包括连接有来自所述N个光分路器的输出的N个1×(MN/K)光分路器以及与所述N个1×(MN/K)光分路器各自的输出端口连接的(MN/K)个N×1光开关；以及
MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由各所述N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光，其中，M为2以上的自然数。
3.一种光开关装置，其特征在于，具备：
N个合波器，所述N个合波器将最多M个不同波长的光进行合成且输出多路复用光；
N个光分路器，所述N个光分路器将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成使MN/K≤Y成立的最小自然数Y个分路光；
分配选择开关，其是从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光的Y个N×K分配选择开关，且各所述分配选择开关分别包括连接有来自所述N个光分路器的输出的N个1×K光分路器以及与所述N个1×K光分路器各自的输出端口连接的K个N×1光开关；以及
MN个可变滤波器，所述MN个可变滤波器从在由各所述N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的最多M个不同波长的光中选择任意一个波长的光，其中，M为2以上的自然数。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，
还具备最多为M个的多个光源，所述多个光源的各光源分别产生所述最多M个不同波长的光中的一个波长的光，具有利用电信号来调制所述光的单元，且输出所述一个波长的调制光，
由所述最多为M个的多个光源以及所述N个合波器中的对应的一个合波器构成波长组发生器，
利用所述MN个可变滤波器来选择任意一个波长的调制光。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，
所述N个光分路器和所述分配选择开关中的所述光分路器中的至少任一方是将光分路器与波长选择开关组合而构成的。
6.根据权利要求2所述的光开关装置，其特征在于，
所述K个N×(MN/K)分配选择开关是M个N×N分配选择开关。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，
在所述N个光分路器各自的前级和后级中的至少一方还具备一个以上的光放大器。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，所述合波器包括：
多个阵列波导光栅：以及
将来自所述多个阵列波导光栅的多路复用光进一步合并的光合并器、光交叉波分复用器或者波长选择开关。
9.一种光开关装置，其特征在于，
该光开关装置是将最多M个不同波长的光进行合成且输出多路复用光的M输入N输出的N个合波器，并且所述最多M个不同波长的光的各波长的光分别是从包括L种波长的不同波长组中选择出的一个波长的光，
MN/L为自然数，
所述光开关装置还具备L个N输入波长分路选择部和MN/L个可变滤波器，
其中，所述N输入波长分路选择部与所述N个合波器各自的L个输出端口中的对应的N个输出端口连接，且从所述对应的N个输出端口输入所述多路复用光，所述L个N输入波长分路选择部分别包括：
N个光分路器，所述N个光分路器与所述波长分路选择部的所述N输入分别连接，将来自所述N个合波器的各合波器的所述多路复用光分离成MN/L个分路光；以及
MN/L个N×1光开关，所述MN/L个N×1光开关从所述N个光分路器各自的所述分路光中选择与所述N个合波器中的一个合波器对应的分路光，
所述MN/L个可变滤波器从在由所述MN/L个N×1光开关选择出的所述一个合波器中进行了合成的不同波长的光中选择任意一个波长的光，其中，M为2以上的自然数，L为M>L的自然数。
10.根据权利要求9所述的光开关装置，其特征在于，
还具备最多为M个的多个光源，所述多个光源的各光源分别产生所述最多M个不同波长的光中的一个波长的光，具有利用电信号来调制所述光的单元，且输出所述一个波长的调制光，
由所述最多为M个的多个光源和对应的一个所述合波器构成波长组发生器。
11.根据权利要求9或10所述的光开关装置，其特征在于，
所述合波器构成为循环合波器，所述MN/L个可变滤波器针对所述N个合波器的整体，从M个不同波长中选择任意一个波长的调制光，或者
所述合波器构成为非循环合波器，所述MN/L个可变滤波器针对所述N个合波器的整体，从(M+L-1)个不同波长中选择任意一个波长的调制光。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，
所述波长组中的L种所述不同波长包括作为连续设定的M个波长中的一个波长的开始波长以及与所述开始波长相邻的(L-1)个波长。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的光开关装置，其特征在于，
同所述N个合波器的各合波器连接的多个光源的MN个进行调制的单元与光路交换开关的输入端口对应，所述可变滤波器的MN个输出与所述光路交换开关的输出端口对应，所述光开关装置作为波长路由开关发挥功能。
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