JP2001503160A

JP2001503160A - プログラム可能な波長ルータ

Info

Publication number: JP2001503160A
Application number: JP10520505A
Authority: JP
Inventors: クァンイーウー; ジァンユーリュー
Original assignee: コラムテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2001-03-06
Also published as: CA2268131A1; US5978116A; US5867291A; CN1235721A; AU4674397A; US6288807B1; EP0937346A1; WO1998019415A1; EP0937346A4; AU731680B2; US6137606A

Abstract

(57)【要約】複数のカスケード接続されたステージ（１００）を有するプログラム可能な波長ルータ（１３００）であって、各ステージ（１００）が複数の波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルを含む１つ又は２つ以上の光信号（１０１）を受ける。各ステージ（１００）は受けた光信号（１０１）をチャネルサブセットを含む光信号（１１６，１１７）に分割し、これらの分割された光信号（１１６，１１７）を各ステージ（１００）に供給される制御信号に応じて空間的に所定の位置に位置させる。各ステージ（１００）は受けたＷＤＭ信号（１０１）を１つのチャネル又はＷＤＭ信号（１０１）である２つのサブセット（１１６、１１７）に分割することが好適である。最終段のステージ（３００）は所望の位置に出力光信号を出力する。このようにして、ＷＤＭ信号（１０１）内の２^N個の光信号をＮ個の制御信号を用いて空間的に分離し、振り分けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】プログラム可能な波長ルータ発明の背景１．発明の分野本発明は、一般に通信システムに関するものであり、特に波長分割多重（ＷＤＭ）光通信に用いられるプログラム可能な波長ルータに関するものである。２．問題点の説明光ファイバの伝送帯域は１０−２０ＴＨｚのオーダと非常に広いものであるが、ファイバを介して伝送されるシステムデータレートは、波長同調・分布帰還型レーザーのような典型的な光源を用いる単一チャネル伝送で使用されている電子光変調器の変調レートによって現在は制限されている。光ファイバ伝送システムにおける情報伝送効率は、光波長分割多重（ＷＤＭ）を用いることによって向上することができる。このＷＤＭシステムは光ファイバを経て情報を伝送するために、キャリア信号又はチャネルとして知られる多数の波長の異なる光信号から成る信号を採用している。各キャリア信号は１つ又はそれ以上の情報信号によって変調される。その結果、ＷＤＭ技術を用いることによって、１つの光ファイバを経て極めて多くの情報信号を伝送することができる。ＷＤＭ技術を採用することによって光ファイバの相当広い帯域を有効に利用できるが、このようなシステムを商業的に利用できるようにするには、多くの重大な問題を解決する必要がある。例えば、光信号のマルチプレックス技術、デマルチプレックス技術及び光信号の振り分け技術である。波長領域を増大させるとフィルタリングと振り分けとの双方を取り扱わなければならないので、ネットワークの管理が複雑となる。マルチプレックスには、それぞれが独自の周波数スペクトラムを有する多重チャネルを１つのＷＤＭ信号に合成する処理が必要となる。デマルチプレックスはこれとは反対の処理であり、１つのＷＤＭ信号を個々のチャネルに分離するものである。個々のチャネルは空間的に分離しており、個々の出力に結合されている。振り分けはデマルチプレックスとは相違しており、ルータは入力光チャネルを出力ポートに空間的に分離するものであり、制御信号に従ってこれらのチャネルの順序を入れ換えて、或る入力チャネルと或る出力チャネルとの間に所望の結合を構築するものである。波長振り分けに対する従来のアプローチの１つに、プリズム又は回折格子を用いてＷＤＭ信号を多数の成分信号にデマルチプレックスするものがある。これらの成分信号のそれぞれは、通常は光−機械的なスイッチとして構成されている２ ×２個の光スイッチに結合されている。ＷＤＭ信号に信号を追加する場合には、この信号を２×２個のスイッチの１つに結合することもできる。２×２個の光スイッチのそれぞれの第１の出力は、追加された信号を含む保留信号を結合する保留された出力マルチプレクサに結合され、これらの信号を保留された信号出力ポートに結合する。２×２個の光スイッチのそれぞれの第２の出力は、欠落信号マルチプレクサに結合される。光スイッチを適切に配置することによって、１つの信号を欠落信号出力ポートに結合し、残りの全ての信号を保留された信号出力ポートに通すことができる。このような構成は、追加−欠落（add-dropped）光ファイバとしても知られている。この構成は複雑であり、光−機械スイッチに依存しており、相互接続が困難となる。「受動星(passive star)」型の波長空間スイッチは、幾つかのＷＤＭネットワーク、例えばLAMBDANETやRAINBOWネットワークにおいて用いられている。この受動星型のネットワークは極めて大きな容量を持っていると共に、制御装置も特に簡単である。しかしながら、ユーザーの数が増えると、伝送の分割損失が極めて大きくなる。また、使用される波長空間スイッチは、ファブリペロー型フィルタか音響−光フィルタの同調型のフィルタに基づいており、その共振ピークが狭いと共に、サイドローブの抑圧比は小さいものである。第３のタイプの波長選択空間スイッチは、グランス（Glance）に対して発行されたアメリカ特許５，４８８，５００に開示されている。このグランスフィルタによれば、チャネルを自由に配置できるという利点があるが、装置に２列の導波路クラスのデマルチプレックサと２つのカップラを設ける必要があるので、大きな光学的な結合損失があるという欠点がある。光信号処理についての他の従来のアプローチの問題点は、チャネル間のクロストークが大きいということである。或るチャネルからの光エネルギによって他のチャネルに信号即ちノイズが発生するときにクロストークが起きる。通信の信頼性を得るにはクロストークは最小とする必要がある。また、光振り分けで用いられるフィルタは屡々偏光に依存するものとなる。このような偏光依存性は通常クロストークを大きくしてしまう。その理由は、特定の偏光方向の光エネルギはチャネル問でリークする虞れがあるか、又は選択した出力ポートに適切に指向させるように空間的に指向させることが難しくなるためである。同様に、光ファイバの通過帯域特性も不十分なものであり、過大な減衰が生ずるか又は通過帯域のサイドローブでの信号の抑圧が十分に高くない。これらの問題のため、光信号を用いるデータ通信は不完全で不十分なものとなる。大規模なネットワークにおける他チャネルからの不必要な干渉を除去できる低クロストークで、波長ルータがレーザーの波長ドリフトによる僅かな波長の変動を許容できるように当該光スペクトラム内でのフラットな通過帯域特性、偏光に対する不感性、ネットワーク振り分けの高速スイッチング速度を緩和できる振り分け装置が必要とされている。更に、ルータがネットワークに与える影響を最小とし、光増幅器の必要性を制限するために挿入損失の小さなルータが望ましい。３．問題の解決法従来技術の上述した問題及びその他の問題は、ＷＤＭ信号から任意の個数のチャネルをデマルチプレックスでき、それと同時にチャネルを空間的に分離でき、波長ルーチングを達成することができるデジタル的にプログラム可能な波長ルータによって解決できる。慣用されている論理レベル信号に対して光スイッチング素子を用いることにより高速スイッチングが可能になると共に、動作中の電力消費を最少とすることができる。広範な帯域に亘って平坦なスペクトル特性を有するフィルタを用いることによって、歪みや信号の減衰を制限することができ、しかも所望のチャネル選択特性を得ることができる。到来したＷＤＭ信号即ち到来ＷＤＭ信号中の任意のチャネルの偏光に対する不感性が高く、信頼性のある低クロストークの振り分けを実現できる。規模を任意に設定できる設計とすることにより、送信機／検出器技術及び利用できる光ファイバに応じて、任意の個数のチャネルをＷＤＭ信号中に設定することができる。発明の概要簡単に云うと、本発明によるプログラム可能な波長ルータは、カスケード接続された複数のステージを有し、各ステージは波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルを構成する１つ又は２つ以上の光信号を受ける。各ステージは受けた光信号をチャネルサブセットを構成する光信号に分割し、分割した光信号を各ステージに供給される制御信号に応じて空間的に位置決めする。各ステージは受けたＷＤＭ信号を１つのチャネル又はＷＤＭ信号とすることができる２つのサブセットに分割することが好適である。最終段のステージは多重化された光信号を所望の位置に出力する。このようにして、ＷＤＭ信号中の２^N個の光信号を空間的に分離することができ、Ｎ個の制御信号を用いることによって、２^N個の出力ラインへ振り分けることができる。図面の簡単な説明図１は本発明による光ルータの機能を表すブロック線図；図２及び図３は本発明によるルータの一部分を簡略化して示す線図；図４はＷＤＭ信号の波長とエネルギの関係を示すスペクトル図；図５は水平偏光入力エネルギから生ずる中間の信号のスペクトル図；図６は垂直偏光入力エネルギから生ずる中間の信号のスペクトル図；図７−図１０は本発明におけるフィルタリング後の水平及び垂直偏光された種々の信号のスペクトル図：図１１及び図１２は、本発明によって空間的に分離され、振り分けられた出力信号のスペクトル図：図１３は本発明の一実施例における多段ステージを持つプログラム可能なルータを示すブロック図：図１４は図１３に示す多段ステージフィルタの各ステージの通過帯域のスペクトル図：図１５は図２及び図３に示す本発明による波長フィルタの一部分の詳細を示す図：図１６Ａ及び図１６Ｂは本発明による平坦な頂部を有するフィルタのコンピュータシュミレーションした通過帯域を示す図である。好適な実施例の詳細な説明１．全体本発明による好適な装置は、波長分割多重（ＷＤＭ）光信号をデマルチプレックスする（スペクトル的に分離する）と共に振り分ける（空間的に振り分ける）ものである。図１は本発明の全体の機能を線図的に示すものである。ＷＤＭ信号１０１はそれぞれが固有の波長、即ち周波数範囲を持った多重チャネルを構成している。ここでは、「チャネル」とは、固有の情報信号を規定する特定の周波数即ち波長範囲を意味するものとする。各チャネルは隣接チャネルから均等に離間しているが、そのことは必ずしも必要ではない。しかし、不均一に離間させると何らかの効率の悪さ又は設計の複雑さを招く虞れがあるが、後述するように本発明はそのようなチャネル構成にも適用できるものである。このような融通性は重要であり、チャネルの配置が送信機（即ちレーザーダイオード）及び検出器の技術的な能力に大きく依存するものとなるので、融通性は非常に重要である。Ｎ個のチャネルに対して完全な振り分けを行うにはＮ！個の可能な出力の振り分けが必要となるが、それは実際的ではない。ここで用いられている振り分けとは、一般の信号振り分けで用いられているような部分的な又は不完全な振り分けをも含むものとする。多重化された入力チャネルのそれぞれを、利用できる出力ラインの任意のものに振り分けられるようにすると共に、全ての入力チャネルを或るライン上に存在させることが望ましい。そのためには、幾つかの出力信号がルータから出力されるときに多重化されたままでない場合には、入力信号と少なくとも同数の出力をルータに設ける必要がある。本発明によれば規模を変更することができ、従って多重化された入力信号中の入力チャネルの個数よりも、はるかに多数の出力ラインを設けることができる。そのような場合には、出力ラインの幾つかは信号を流さないので振り分けの融通性は向上するが、ハードウエアの利用効率は低くなる。ここで説明する特定の実施例からの変形例及びそれと等価な変形例は、本発明による波長ルータに等価なものである。ＷＤＭ信号は慣用の光信号結合技術を用いて１×２^Nルータ１３００に入力として供給される。ルータ１３００はＮ個の制御信号Ｃ₁−Ｃ_Nを受ける。特定の例においてはＮは３であるが、本発明による高度の規模拡張性によって任意の個数の制御信号を受けることができる。ルータ１３００は光ファイバ又は他の適当な光学的な伝送手段よりなる出力ポートＰ₁−Ｐ₂ ^N上に２^N個の出力信号を発生する。ルータ１３００はＷＤＭ信号中の各チャネルを空間的に分離する。各チャネルは構成ビットＣ₁−Ｃ_Nによって選択された１つの出力ポートにプログラムに従って配給される。好適な実施例においては、構成ビットＣ₁−Ｃ_Nを慣用のＴＴＬコンパチブル論理レベル信号として慣用の電子システムと容易に集積化できるようにする。図１に示された３つの出力ダイアグラムは、ルータ１３００の８個の出力ポートのそれぞれに出力されるチャネル位置を示すものである。説明を容易とするために、ＷＤＭ信号１０１中の８つのチャネルを、図１において分離して示すようにチャネル１−８で表し、チャネル１は最も短い波長で、チャネル８が最も長い波長となるようにグループ分けされている。構成ビットＣ₁−Ｃ_Nとして（０，０，０）が入力されるときは最も短い波長のチャネル（即ちチャネル１）が出力ポートＰ₁に結合される。第１の構成では、チャネル１が出力ポートＰ₁に、チャネル２が出力ポートＰ₂に、そしてチャネル８が出力ポートＰ₂ ^Nに現れる。これに対して、構成ビットが（０，０，１）にセットされる場合には、チャネル２が出力ポートＰ₁に結合され、チャネル１が出力ポートＰ₂に結合され、他のチャネルは図１に示すように結合される。同様に、構成ビットが（１，０，０）にセットされる場合には、チャネル１が出力ポートＰ₅に結合され、チャネル２がポートＰ₄に、チャネル３がポートＰ₇に、チャネル４がポートＰ₂ ^Nに、他のチャネルは図１に示すように結合される。表１は、ルータ１３００で可能な全ての結合を示すものである。制御ビットＣ₁−Ｃ_Nによって、２^N通り（即ちＮ＝３では８つ）の組み合わせのチャネル振り分けが機能的に可能であることが分かる。チャネル１−８は均等に分離しているように示したが、送信機／検出器が利用できない場合やチャネルが必要ない場合には１つ又は２つ以上のチャネルを省略することができる。また、チャネルはもっと密に分離することもできる。更にチャネルを追加することもできる。最近のシステムでは、信号１０１中のＷＤＭ信号は８つまでであり、１６から６４のチャネル光送信機が利用できる。２．基本的なチャネル振り分け素子図２及び図３は、基本的なチャネル振り分け素子の２つの制御状態を線図的に示すものである。好適な実施例においては、各基本素子は制御ビットＣ₁−Ｃ_Nの１つからの制御を受けるので２つの状態を持っている。各基本素子１００は入力ポートに与えられる周波数スペクトルの種々の部分を分離し、分離された信号のそれぞれを結合すべき２つの出力ポートのうちの何れかを選択するものである。後述するように、これらの基本素子をカスケード接続して本発明による１×２^N ルータ１３００を構成している。図２及び図３において、太い実線はＷＤＭ入力信号１０１中の全スペクトルを含む光路を示すものである。細い実線は第１のチャネルサブセットを含む信号の光路を示す。細い破線は第２のチャネルサブセットを含む光チャネルを示している。サブチャネルのそれぞれは、１つ以上のチャネルを含むことができ、それ自身が帯域は元のＷＤＭ信号１０１よりは狭いがＷＤＭ信号とすることができることを理解することが重要である。Ｈを付したラインは水平偏光を示し、Ｖを付したラインは垂直偏光を示し、ＨＶを付したラインはその点において光信号中の水平偏光及び垂直偏光が混合していることを示している。ＷＤＭ信号１０１は複屈折素子１０２に入射し、信号１０１の水平及び垂直偏光成分に分離される。複屈折素子１０２は光信号の垂直偏光成分を進路を変えることなく通す材料で構成されており、素子１０２内では垂直偏光は常光線となる。これに対して、水平偏光波は複屈折による分裂効果によってある角度で曲げられる。この複屈折角度は、個々の選択された材料の既知の関数となっている。本実施例で用いられる複屈折素子を構成する適当な材料の例は、ルチル、ニオブ酸リチウム、ＹＶＯ系の結晶などである。複屈折素子１０１内において水平偏光は異常光線となり、光路１０３を経て進み、垂直偏光成分１０４は常光線として進行し、方向は変えられない。信号１０３及び１０４の双方共にＷＤＭ信号１０１の全スペクトルを含んでいる。水平及び垂直偏光成分１０３及び１０４の双方は、図１に示されたＣ₁−Ｃ_Nのような制御ビットによって制御されるプログラム可能な偏光旋光子１０６に結合される。この偏光旋光子１０６は信号１０３及び１０４のそれぞれの偏光状態を予め決められた量だけ選択的に回転させるものである。好適な実施例においては、旋光子１０６は信号を０°（即ち回転させない）又は９０°だけ回転させるようにする。偏光変換器即ち旋光子は、ツイステッドネマチック液晶旋光子、強誘電体ネマチック液晶旋光子、磁気−光学効果によるファラデイ旋光子、音響−光学及び電子−光学効果による偏光旋光子を含む既知の素子の１つ又は２つ以上を含むものである。液晶技術に基づく市販の旋光子を用いることが好適であるが、個々の用途の要求に応じて他の旋光子を用いることもできる。これらの素子のスイッチング速度は数ミリ秒から数ナノ秒であり、従って個々の用途の要求を満足するように広範なシステムに適応することができる。これらの基本素子と同様の基本素子も等価であり、本発明の精神を逸脱することなく代替可能、交換可能である。図２は信号が０°だけ回転され、従って旋光子１０６を出射する信号の偏光状態は変化しない状況を示している。図３は偏光が９０°回転される第２の場合を示し、旋光子１０６に入射する水平偏光は垂直偏光として出射し、垂直偏光は水平偏光として出射する。この段階でも、水平偏光及び垂直偏光の双方共にＷＤＭ信号１０１のチャネルの全スペクトルを持っている。素子１０７は複数の複屈折波長板（図１５の１０７a−１０７ｎ）を選択した方位に配列したものである。２つの偏光子、即ち１０２と１０８の間に素子１０７を配置した組み合わせは、水平偏光の選択された周波数及び垂直偏光の周波数の相補セットを通す偏光干渉フィルタを構成する。理想的には、この偏光干渉フィルタはほぼ平坦な頂部を有するコムフィルタ応答曲線、従って矩形のスペクトル応答を持つものである。偏光干渉フィルタは到来光信号の偏光に感応する。複屈折素子１０８の同じ出力点で見た場合に、水平偏光入力信号に対するスペクトル応答は、垂直偏光入力信号のスペクトル応答とは相補的となっている。素子１０７の詳細な構成は図１５を参照して更に詳しく述べる。光信号１０５及び１１５は複屈折素子１０８へ結合される。複屈折素子１０８は複屈折素子１０２と同様の構成であり、入力光信号１０５及び１１５の水平偏光成分及び垂直偏光成分を空間的に分離するものである。図２に示すように、光信号１１５は第１のチャネルセットを有する垂直成分１１１と、第２の周波数セットを含む水平成分１１２とに分割される。同様に、光信号１０５は第２の周波数セットを含む垂直成分１１３と、第１の周波数セットを含む水平成分１１４とに分割される。複屈折素子１０８の幾何学的な配置を適切に設定して水平成分１１２が垂直成分１１３と合成され、第２の周波数セットを含む光信号１１６として出射されるようにする。光信号１１６は水平成分及び垂直成分の双方を含むものである。光学的結合手段１０９及び１１０は垂直成分を水平成分と合成して第１の周波数セットを含む出力信号１１７を生成するものである。合成素子１０９及び１１０は、レトロ反射器、ミラー、プリズム又は他の光学的信号合成手段などの多くの既知の形態を採ることができる。出力信号１１６及び１１７は、光ファイバ又は後段の光学的な処理素子のような出力ポートと物理的に整列させる必要がある。一方、図３においては、垂直成分１１１は第２のチャネルセットを含み、水平成分１１２は第１のチャネルセットを含んでいる。同様に、垂直成分１１３は第１のチャネルセットを含み、水平成分１１４は第２のチャネルセットを含んでいる。合成手段１０９及び１１０は、図２に示したものと同様に動作して、第１の周波数セットを含む第１の出力信号１１６と第２の周波数セットを含む第２の出力信号１１７を生成する。このようにして、旋光子１０６に与えられる単一の制御信号によって副次的に分割されたＷＤＭ入力信号を光学的に振り分けることができる。図２及び図３に示す装置の波長選択機能は、図４−図６に示すスペクトル図を参照することによって最も良く理解できる。図４はＷＤＭ信号１０１を構成する８つのチャネルを示すものである。図４−図６において、波長を水平軸上に表し、信号の振幅を垂直軸上に表す。各チャネルは整然と分離された矩形で表されているが、実際にはチャネルは周波数範囲に亘って振幅が変化する周波数領域を含んでいる。個々の周波数範囲は、図４に示すものよりも大きくても小さくてもよい。図５には、積層された複屈折波長板１０７（図２に示す）の水平偏光入力の機能が示されている。破線で囲まれた部分は、垂直偏光として通る水平偏光入力の部分を示している。破線以外の部分は、水平偏光で通る部分（即ち回転されない）を示している。従って、図５に示すように、チャネル５−８は水平偏光で積層された複屈折波長板に入射する場合には垂直偏光で出射する。反対に、これらのチャネル５−８は、水平偏光で入射する場合には、積層された複屈折波長板を水平偏光で出射する。図６は積層された複屈折波長板１０７に入射する入力が垂直偏光の場合のスペクトル図を示すものである。これは図２の旋光子１０６を出射する下側の信号及び図３の旋光子を出射する上側の信号である。破線は回転された波長（即ち積層された複屈折波長板１０７を水平偏光として出射する波長）を示すものである。図６に示すようにチャネル１−４は回転され、水平偏光として積層された複屈折波長板１０７を出射し、チャネル５−８は回転されず、元の垂直偏光のままで出射する。このようにして、図２及び図３に示すように同じ光路１０５及び１１５を進むものであるが、異なる周波数セットを区別することができる。図５及び図６において、破線で示す機能を果たすフィルタの構成について以下より詳細に説明する。図７−図１０は複屈折素子１０８において分離される種々の成分を示すものである。図７はチャネル１−４を含む垂直偏光成分１１１を示す。旋光子１０６に供給される制御信号が反転すると、信号１１１はチャネル５−８の垂直偏光成分を含むものとなる。図８において、成分１１２はチャネル５−８の水平偏光成分を含むが、制御ビットが反転すると、信号１１２はチャネル１−４の水平偏光成分を含むものとなる。図９はチャネル１−４の水平偏光成分を含む信号１１４を示すが、制御ビットが反転すると反転したものとなる。同様に、図１０において、信号成分１１３はチャネル５−８の垂直偏光成分を含むが、構成ビットが反転すると、成分１１３はチャネル１−４の垂直偏光成分を含むものとなる。信号１１１及び１１４は図２に示すように光学的に合成され、チャネル１−４の水平及び垂直偏光成分を含む出力信号１１７を生成する。制御ビットが反転すると、出力信号１１７はチャネル５−８の水平及び垂直偏光成分を含むものとなる。これとは反対に、成分１１２及び１１３は複屈折素子１０８を出射するときに光学的に合成され、チャネル５−８の水平及び垂直偏光成分を含む出力信号１１６が生成される。制御ビットが反転すると、出力信号１１６はチャネル１−４の水平及び垂直偏光成分を含むものとなる。本発明の特徴の１つによれば、ＷＤＭ信号１０１における殆ど全ての光学的なエネルギを保持したままで振り分けを行えることである。即ち、ＷＤＭ信号１０１に含まれる信号の偏光状態に依存することなく水平及び垂直偏光の双方を利用し、再合成して出力信号１１６及び１１７を得ることができ、その結果として、本発明によるルータは非常に損失の小さいものとなる。図１１及び図１２から明らかなように、出力信号は２つ以上のチャネルを含むことができるものであるから、それ自身ＷＤＭ信号である。チャネル振り分けをグループ分けすることは或る状況では有用であるが、本発明の好適な実施例においては、図１１及び図１２に示すようなＷＤＭ信号を、空間的に分離された個々のチャネル成分に分離するように多段ステージに設計する。３．多段ステージルータ図１３は本発明によるルータ１３００をブロック図で示すものである。ルータ１３００は３段のルータであり、各段は１つの制御ビットＣ₁−Ｃ_Nを受ける。第１段のステージ１００は図２及び図３に示すルータ１００と同様の１つの１×２ルータを備えている。この第１段のステージ１００はＷＤＭ信号を２つのグループに分割するように動作する。第２段のステージ２００は、それぞれが第１段ステージ１のルータ１００と同様のほぼ同一構成の２つのルータ２００を備えている。これらのルータ２００は、ライン１１６及び１１７に現れるＷＤＭ信号を２つの出力信号に分割するものである。ルータ２００のルータ１００との相違点は、偏光干渉フィルタの通過帯域が一層狭い「歯状部分(tines)」を有すると共に、一層高い周波数の歯状部分を有することである。例えば、ステージ２００の通過帯域はステージ１００の通過帯域の半分である共に周波数は２倍である。これは図２及び３に示す素子１０７に波長板を追加したり波長板のリターデイションを増大させることによって実現できる。第３段のステージは、上述したルータ素子２００及び１００と同様の構成のルータ素子を４個備えている。ステージ３００からの出力のそれぞれは２つのＷＤＭチャネルを有している。各ステージ３００は受信した２つのＷＤＭチャネルを更に分割して２つの信号チャネル出力を出力ポートＰ₁−Ｐ₂ ^Nに出力するものである。各ルータ素子３００は２進状態を選択する１つの構成ビットＣ₁と結合されている。図１３に示すように、２進ルータ素子１００、２００及び３００をカスケード接続することにより、３つの制御ビットによってＷＤＭ信号１０１を出力ポートＰ₁−Ｐ₂ ^Nへの２^N通りの振り分けを行うことができる。しかしながら、個々の用途の要求に応じてルータ素子１００、２００及び３００のそれぞれを個々に制御又はプログラムすることもでき、更に幾つかの素子には構成ビットを与えずに、固定したデマルチプレックス機能を持たせることもできる。また、これと等価な例の可能であり、本発明の精神の範囲内である。図１４はルータステージ１００，２００及び３００の通過帯域が、図１４の最も上に示されているＷＤＭ信号１０１に対してどのうように相違しているのかを示すものである。図面に示すように、ステージ１００の通過帯域は、チャネル１ −４が水平方向で入射する場合には、図１４において斜線を付けて示すように、方向を変えることなくこれらのチャネルを通すものである。垂直偏光としてステージ１００に入射する光のエネルギは、それがチャネル５−８に含まれるものであれば回転を受けることなくステージ１００を通過する。各ステージ１００，２００及び３００は、図１４に示すようにほぼ平坦な通過帯域特性を有していることが有利である。図１４に示すステージ２００については、チャネル１−２及び５−６は水平偏光で入射する場合には通過し、チャネル３−４及び７−８は垂直偏光で入射する場合には通過する。通過されないチャネルは回転され、上述したところとは反対の偏光を持つようになる。同様に、ステージ３００の通過帯域は、チャネル１，３，５及び７は水平偏光では通過し、チャネル２，４，６及び８は垂直偏光で通過するものである。各ステージの偏光干渉フィルタへ入射する信号の方向を制御することによって、各チャネルセットの空間的な位置を決めることができる。４．平坦な頂部を有する光学フィルタの設計図１５は偏光変換器１０６によって制御される平坦な頂部を有する偏光干渉フィルタの一層詳細な構成を示すものである。フィルタ２０５は偏光旋光子１０６及び複屈折素予１０４及び１０８の間に挟まれたＮ個のカスケード接続された複屈折素子１０７を備えている。慣用のフィルタ設計では、２個の偏光予の間に１０７Ａ−１０７Ｎのような複屈折素子を挟むように設けることによって、スペクトル特性を得るようにしている。このような慣用の設計では、偏光変換器によって与えられるような制御を行うことはできない。更に、慣用の設計では出力偏光子において特定の偏光のエネルギの全てを除去するので光のエネルギを浪費してしまうものである。本発明は慣用の偏光子の代りに、複屈折素子１０４及び１０８を用いることによって、このエネルギを保存することができる。各複屈折素子１０７Ａ−１０７Ｎの光学軸は、偏光変換器の光軸に対して特定の角度で指向されている。任意の光伝送関数はＮ次のフーリエ関数で近似できる。近似フーリエ関数の係数からフィルタのインパルス応答を予測することができる。Ｎ個の素子から成るフィルタによれば、Ｎ＋１次のフーリエ指数関数によって所望の関数を近似することができる。図１６は５枚の波長板を用いて平坦な頂部を有するスペクトルを合成する例を示すものである。これらの波長板の光軸を適当に指向させることによって、サイドローブの抑圧比が３０ｄＢで平坦な頂部を持ったスペクトル特性を実現できる。図１６Ａ及び図１６Ｂには、偏光変換器１０６を切換える以前及び以後の平坦な頂部を持つスペクトル特性を示す。図１６Ａ及び図１６Ｂにおいて、垂直軸は正規化された伝送量を示し、水平軸は波長を示す。図１６Ａ及び図１６Ｂを比較することによって明らかなように、２つのスペクトル特性は互いに相補的な関係にあり、この点は波長ルータを設計する上での１つの重要な要因である。その理由は、このような直交的な特性によって偏光旋光子１０６は何れかのスペクトルを選択し、後に複屈折結晶を用いて空間的に分離できるからである。サンプリング点の数又は波長板の数を増やすことによって、より良好な伝送特性が得られ、急峻な転移点を持ち平坦な頂部を有する伝送特性を一層良好に近似することができる。理論的には、この伝送特性は所望のスペクトル帯域において完全な矩形波形とすることができる。サイドスロープを最小とし１００％の伝送ができ、平坦な頂部を持った応答が可能である。しかし実際には、物理的な寸法によってステージ段数は制限されるので、実際の装置では頂部でのリップル、より浅いスロープ、サイドロープの変動などの特性の幾つかは犠牲とされることになる。本発明によれば、高速スイッチング、簡単で信頼性の高い設計、規模の変更が容易なアーキテクチャを与えるプログラム可能な波長ルータを提供することができる。更に、請求の範囲に記載された発明は上述した好適な実施例にのみに限定されるものではなく、他の変形や変更も本発明の範囲及び精神に含まれるものである。

【手続補正書】【提出日】平成１１年５月１日（１９９９．５．１）【補正内容】請求の範囲１．波長ルータであって、波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を受けるように配置され、互いの反対の偏光を有すると共に空間的に分離された第１の光路及び第２の光路を出力に規定する第１の複屈折素子と；第１の複屈折素子からの第１及び第２の光路を受けるように結合され、これら第１及び第２の光路の少なくとも一方の偏光状態を回転する偏光変換器と；偏光変換器からの第１及び第２の光路を受けるように結合された波長フィルタであって、該フィルタを通った第１の光路が垂直偏光の第１の周波数セットと水平偏光の第２の周波数セットとを含み、フィルタを通った第２の光路が水平偏光の第１の周波数セットと垂直偏光の第２の周波数セットとを含むような偏光に依存する光伝送関数を有し、第１及び第２の周波数セットをほぼ相補的とした波長フィルタと；波長フィルタからの第１及び第２の光路を受けるように結合され、これら第１及び第２の光路のそれぞれを水平偏光成分及び垂直偏光成分に空間的に分離する第２の複屈折素子と；第１の光路の水平成分を第２の光路の垂直成分と合成して第１の出力信号を生成する手段と；第１の光路の垂直成分を第２の光路の水平成分と合成して第２の出力信号を生成する手段と；を備えるもの。２．請求項１の波長ルータにおいて、第１及び第２の複屈折素予を、カルサイト、ルチル及びＬｉＮｂＯ₃から成る材料群から選択したもの。３．請求項１の波長ルータにおいて、偏光変換器が強誘電体液晶（ＦＬＣ）に基づく偏光変換器であるもの。４．請求項１の波長ルータにおいて、偏光変換器がネマチック液晶に基づく偏光変換器であるもの。５．請求項１の波長ルータにおいて、波長フィルタが多段の偏光干渉フィルタを備えるもの。６．請求項５の波長ルータにおいて、少なくとも１つのステージが多層複屈折波長板素子を備え、この多層複屈折波長板素子のそれぞれは直列に結合され、偏光変換器に対してそれぞれ固有の方向に指向された光軸を有するもの。７．請求項６の波長ルータにおいて、少なくとも１つのステージが少なくとも５つの複屈折素子を備えるもの。８．請求項５の波長ルータにおいて、波長フィルタをコムフィルタとし、その光学的伝送関数が波長の関数として方形の減衰関数を有するもの。９．請求項１の波長ルータにおいて、偏光変換器をプログラム可能としたもの。１０．複数のチャネルを有する入力波長分割（ＷＤＭ）信号を振り分ける波長ルータであって、複数のカスケード接続したステージを備えており、各ステージは複数のＷＤＭチャネルを含む１つ又は２つ以上の光信号を受け、受けた光信号をフィルタリングし、複数の光信号に分割し、この分割した光信号のそれぞれは当該ステージで受けたチャネルの総数よりも少ない少なくとも１つのサブセットを含むものであり、Ｎをステージの個数とするとき、Ｎ個の制御信号用いて入力ＷＤＭ信号内の２^Nまでの光信号を空間的に分離して振り分けるもの。１１．請求項１０の波長ルータにおいて、複数のカスケード接続したステージが、ＷＤＭ信号を複数の空間的に分離された第１ステージ光信号に分割する第１のステージであって、第１ステージの光信号のそれぞれは、ＷＤＭ信号中の複数のチャネルの総数よりも少ない少なくとも１つのチャネルを含むものと、複数の第１ステージ光信号のそれぞれを空間的に分離された第２ステージ光信号に分離する第２のステージであって、第２ステージ光信号のそれぞれは第１ステージ光信号の１つから受けるチャネルサブセットを含むものと、を備えるもの。１２．請求項１１の波長ルータにおいて、複数のカスケード接続された複数のステージが、複数の第２ステージ光信号のそれぞれを複数の空間的に分離された複数の第３ステージ光信号へ分割する第３のステージを備え、第３ステージ光信号のそれぞれは、第２ステージ光信号の１つから受けるチャネルのサブセットを含むもの。１３．請求項１０の波長ルータにおいて、各ステージが水平偏光の第１のチャネルサブセットと、垂直偏光の第２のチャネルサブセットとを通す平坦な頂部を有する波長応答特性を有する偏光依存性の光コムフィルタを含み、第１及び第２のチャネルサブセットは相互に排他的であるもの。１４．請求項１３の波長ルータにおいて、各ステージが更に、受けた光信号を水平成分と垂直成分に分離する手段と；分離した光信号の成分の少なくとも１つ成分の偏光を回転し、回転した成分をコムフィルタへ通す手段とを備えるもの。１５．波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を振り分ける方法であって、ＷＤＭ信号を水平偏光成分及び垂直偏光成分に空間的に分離する工程と；これらの成分のそれぞれに対する偏光回転を選択する工程であって、選択した後も相補的な偏光を維持し続けるようにする工程と；これら成分のそれぞれを一対の相補的波長−スペクトル信号に分割する工程であって、各対における２つの分割された信号のそれぞれが反対の偏光を有するようにする工程と；各対からの分割された信号を空間的に分離する工程と；一方の対からの１つの分割された信号と、他方の対からの１つの信号とを空間的に合成して水平及び垂直偏光成分を含む第１の波長スペクトル内の第１の出力信号と、水平及び垂直偏光成分を第２の波長スペクトル内に含む第２の出力信号を生成する工程と；を備えるもの。１６．請求項１５の方法において、第１及び第２の出力信号のそれぞれに対して分離処理、選択処理、分割処理、空間的な分離処理及び空間的な合成処理を繰り返して、それぞれ固有の波長スペクトルを所定の位置に有する４つの出力信号を生成するもの。１７．波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を振り分ける方法であって、ＷＤＭ信号を相補的な波長スペクトルを有する第１及び第２のサブスペクトルに分割する工程と；これら第１及び第２のサブスペクトルのそれぞれを第１及び第２の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；第１のサブスペクトルを第３及び第４のサブスペクトルに分割する工程と；これら第３及び第４のサブスペクトルのそれぞれを第３及び第４の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；第２のサブスペクトルを第５及び第６のサブスペクトルに分割する工程と；これら第５及び第６のサブスペクトルのそれぞれを第５及び第６の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；を備えるもの。１８．請求項１７の方法において、第３及び第４のサブスペクトルを４つの固有のサブスペクトルに分割する工程と；第５及び第６のサブスペクトルを４つの固有のサブスペクトルに分割する工程と；これらの固有のサブスペクトルのそれぞれを空間的に固有の光チャネルに選択的に結合する工程と；を更に含むもの。１９．波長ルータであって、複数のカスケード接続されたステージを備え、各ステージは複数の波長分割多重（ＷＤＭ）チャネルを含む１つ又は２つ以上の光信号を受け、受けた光信号をチャネルサブセットを含む光信号に分割し、これらの分割した光信号を、各ステージに供給される制御信号に応じて空間的に分離するものであって、ステージの少なくとも１つが、（a）受けた光信号のそれぞれを第１の光路を辿る水平偏光成分と、第２の光路を辿る垂直偏光成分に分割する手段と；（b）分離された光信号の少なくとも１つの成分の偏光を回転させる手段と；（c）回転された成分を受けるように結合された波長フィルタであって、このフィルタを通った第１の光路が垂直偏光の第１のチャネルセットと水平偏光の第２のチャネルセットとを含み、フィルタを通った第２の光路が水平偏光の第１のチャネルセットと垂直偏光の第２のチャネルセットとを含むような偏光に依存する光伝送関数を有し、第１及び第２のチャネルセットをほぼ相補的とした波長フィルタと；（d）第１及び第２の光路のそれぞれを水平偏光成分及び垂直偏光成分に空間的に分離する手段と；（e）第１の光路の水平成分を第２の光路の垂直成分と合成して第２のチャネルセットを出力する手段と；（f）第１の光路の垂直成分を第２の光路の水平成分と合成して第１のチャネルセットを出力する手段と；を備えるもの。２０．請求項１９の波長ルータにおいて、ＷＤＭ信号を複数の空間的に分離された第１ステージ光信号に分割する第１ステージであって、第１ステージ光信号のそれぞれはＷＤＭ信号内の複数のチャネルの総数よりも少ない少なくとも１つのチャネルを含むものと；複数の第１ステージ光信号のそれぞれを複数の空間的に分離された第２ステージ光信号に分割する第２のステージであって、各第２ステージ光信号が第１ステージ光信号の１つから受けたチャネルサブセットを含むものと；を備えるもの。２１．請求項２０の波長ルータにおいて、複数のカスケード接続されたステージが、複数の第２ステージ光信号のそれぞれを複数の空間的に分離された第３ステージ光信号に分割する第３ステージであって、第３ステージ光信号のそれぞれは、第２ステージ光信号の１つから受けたチャネルサブセットを含むものを備えるもの。２２．請求項１９の波長ルータにおいて、波長フィルタが水平偏光の第１チャネルサブセットと、垂直偏光の第２チャネルサブセットとを通す平坦な頂部を有する波長応答特性を有する偏光依存性の光コムフィルタを含み、第１及び第２のチャネルサブセットは相互に排他的であるもの。２３．請求項１９の波長ルータにおいて、分離された光信号の少なくとも１つの成分を回転させる手段がプログラム可能であるもの。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．プログラム可能な波長ルータであって、波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を受けるように配置され、互いの反対の偏光を有すると共に空間的に分離された第１の光路及び第２の光路を出力に規定する第１の複屈折素子と；この第１の複屈折素子からの第１及び第２の光路を受けるように結合され、これら第１及び第２の光路の偏光状態をプログラムに従って交換するプログラム可能な偏光変換器と；このプログラム可能な偏光変換器からの第１及び第２の光路を受けるように結合された波長フィルタであって、このフィルタを通った第１の光路が垂直偏光の第１の周波数セットと水平偏光の第２の周波数セットとを含み、フィルタを通った第２の光路が水平偏光の第１の周波数セットと垂直偏光の第２の周波数セットとを含むような偏光に依存する光伝送関数を有し、第１及び第２の周波数セットをほぼ相補的とした波長フィルタと；この波長フィルタからの第１及び第２の光路を受けるように結合され、これら第１及び第２の光路のそれぞれを水平偏光成分及び垂直偏光成分に空間的に分離する第２の複屈折素子と；第１の光路の水平成分を第２の光路の垂直成分と合成して第１の出力信号を生成する手段と；第１の光路の垂直成分を第２の光路の水平成分と合成して第２の出力信号を生成する手段と；を備えるもの。２．請求項１のプログラム可能な波長ルータにおいて、第１及び第２の複屈折素子を、カルサイト、ルチル及びＬｉＮｂＯ₃から成る材料群から選択したもの。３．請求項１のプログラム可能な波長ルータにおいて、プログラム可能な偏光変換器が、強誘電体液晶（ＦＬＣ）系の偏光変換器であるもの。４．請求項１のプログラム可能な波長ルータにおいて、プログラム可能な偏光変換器が、ネマチック液晶に基づく偏光変換器であるもの。５．請求項１のプログラム可能な波長ルータにおいて、波長フィルタが多段の偏光干渉フィルタを備えるもの。６．請求項５のプログラム可能な波長ルータにおいて、少なくとも１つのステージが、多層複屈折波長板素子を備え、この多層複屈折波長板素子のそれぞれは直列に結合され、偏光変換器に対してそれぞれ固有の方向に指向された光軸を有するもの。７．請求項６のプログラム可能な波長ルータにおいて、少なくとも１つのステージが少なくとも５つの複屈折素予を備えるもの。８．請求項５のプログラム可能な波長ルータにおいて、波長フィルタをコムフィルタとし、その光学的伝送関数が波長の関数として方形の減衰関数を有するもの。９．プログラム可能な波長ルータであって、複数のカスケード接続したステージを備えており、各ステージが複数の周波数分割多重（ＷＤＭ）チャネルを含む１つ又は２つ以上の光信号を受け、受けた光信号をチャネルサブセットを含む光信号に分割し、この分割した光信号を各ステージに供給される制御信号に応じて所定の位置に振り分けるもの。１０．請求項９のプログラム可能な波長ルータにおいて、複数のカスケード接続したステージが、ＷＤＭ信号を複数の空間的に分離された第１ステージ光信号に分割する第１のステージであって、第１ステージの光信号のそれぞれは、ＷＤＭ信号中の複数のチャネルの総数よりも少ない少なくとも１つのチャネルを含むものと、複数の第１ステージ光信号のそれぞれを空間的に分離された第２ステージ光信号に分離する第２のステージであって、第２ステージ光信号のそれぞれは第１ステージ光信号の１つから受けるチャネルサブセットを含むものと、を備えるもの。１１．請求項９のプログラム可能な波長ルータにおいて、複数のカスケード接続された複数のステージのそれぞれが、複数の第２ステージ光信号のそれぞれを複数の空間的に分離された複数の第３ステージ光信号へ分割する第３のステージを備え、第３ステージ光信号のそれぞれは、第２ステージ光信号の１つから受けるチャネルのサブセットを含むもの。１２．請求項９のプログラム可能な波長ルータにおいて、各ステージが、水平偏光の第１のチャネルサブセットと、垂直偏光の第２のチャネルサブセットとを通す平坦な頂部を有する波長応答特性を有する偏光依存性の光コムフィルタを含み、第１及び第２のチャネルサブセットは相互に排他的であるもの。１３．請求項１２のプログラム可能な波長ルータにおいて、各ステージが更に、受けた光信号を水平成分と垂直成分に分離する手段と；分離した光信号の成分のそれぞれの偏光をプログラムに従って回転し、プログラムに従って回転した成分をコムフィルタへ通す手段とを備えるもの。１４．波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を振り分ける方法であって、ＷＤＭ信号を水平偏光成分及び垂直偏光成分に空間的に分離する工程と；これらの成分のそれぞれに対する偏光回転を選択する工程であって、選択した後も相補的な偏光を維持し続けるようにする工程と；これら成分のそれぞれを一対の相補的波長−スペクトル信号に分割する工程であって、各対における２つの分割された信号のそれぞれが反対の偏光を有するようにする工程と；各対からの分割された信号を空間的に分離する工程と；一方の対からの１つの分割された信号と、他方の対からの１つの信号とを空間的に合成して水平及び垂直偏光成分を含む第１の波長スペクトル内の第１の出力信号と、水平及び垂直偏光成分を第２の波長スペクトル内に含む第２の出力信号を生成する工程と；を備えるもの。１５．請求項１４の方法において、第１及び第２の出力信号のそれぞれに対して分離処理、選択処理、分割処理、空間的な分離処理及び空間的な合成処理を繰り返してそれぞれ固有の波長スペクトルを所定の位置に有する４つの出力信号を生成するもの。１６．波長分割多重（ＷＤＭ）光信号を振り分ける方法であって、ＷＤＭ信号を相補的な波長スペクトルを有する第１及び第２のサブスペクトルに分割する工程と；これら第１及び第２のサブスペクトルのそれぞれを第１及び第２の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；第１のサブスペクトルを第３及び第４のサブスペクトルに分割する工程と；これら第３及び第４のサブスペクトルのそれぞれを第３及び第４の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；第２のサブスペクトルを第５及び第６のサブスペクトルに分割する工程と；これら第５及び第６のサブスペクトルのそれぞれを第５及び第６の光チャネルの一方に選択的に結合する工程と；を備えるもの。１７．請求項１６の方法において、第３及び第４のサブスペクトルを４つの固有のサブスペクトルに分割する工程と；第５及び第６のサブスペクトルを４つの固有のサブスペクトルに分割する工程と；これらの固有のサブスペクトルのそれぞれを空間的に固有の光チャネルに選択的に結合する工程と；を更に含むもの。