JP2003507767A - 偏光ゲートを利用するオール・オプティカル相互接続 - Google Patents

偏光ゲートを利用するオール・オプティカル相互接続

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、１つの偏光子１１０を使用して、２つの個別の入力を結合して、非停止の光経路に沿って２つの個別の出力からなるいずれかの結合にするスイッチ素子１００（図３Ａ〜図３Ｂ）を含んでいる。このスイッチ素子１００は、図４〜図６において示されるようなスイッチ１５０及び１５０’のように大きな入力数及び出力の数（Ｎ）を有するスイッチにスケーリングするために、追加のスイッチ素子１００に便利にネットワーク接続されてもよい。本発明は、従来の偏光ゲートと典型的に関連する利点を提供する。この利点は、テラビット／秒のデータレートを含んでおり、ファイバ−オプティクスネットワークにおける使用を容易にする。さらに、従来の光学機械スイッチとは異なり、本発明は、環境的な外乱に対して比較的ロバストで感度が低く、再構築の前に一般に数ミリ秒を要する従来の光学機械スイッチよりも速いオーダの再構築時間を有する。さらに、本発明は、一定の「遅延」、損失及び歪みのないデータ出力のための一定のデータ経路長を提供する。また、本発明は、Ｎ（log2Ｎ）のスイッチを必要とする従来のアプローチに対して、Ｎ×（log2Ｎ−１）の２×２のスイッチを使用した非停止のＮ×Ｎの構成に対する便利なスケーリング、及び比較的簡単でコンパクトな構成を有利にも提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［発明の背景］ １．発明の技術分野 本発明は、テレコミュニケーションおよび光学コンピュータ用途に対する光学
信号の切替（スイッチング）および配信（ルーティング）に関連する。特に、本
発明は、Ｎ個の光学入力信号をＮ個の出力位置の任意の組み合わせに結合するよ
う配される偏光反射器およびプログラム可能な位相遅延素子の配列に関する。 ２．背景情報 本出願を通じて、様々な文献、特許および特許出願が引用され参照される。本
件で参照される文献、特許および特許出願の内容は、本願の参考文献に含まれる
。
【０００２】 高速の光学的相互接続は、国際的およびグローバルな情報インフラストラクチ
ャの発展に大きな役割を演ずる傾向があり、アプリケーションとしては、更なる
高ビット・レートでデータを配信する能力を前提とするスーパーコンピューティ
ング、テレコミュニケーション・スイッチングおよび軍事的Ｃ３Ｉのようなもの
がある。高ビット・レートの光学的スイッチの研究開発は世界中で行われている
。日本政府は、毎秒数ギガビットの光学スイッチに関する研究機関を設立し、東
芝株式会社は毎秒１５５Ｍビットの６４×６４ＡＴＭスイッチを発表した。この
ようなスループットは今日の多くのアプリケーションに対しては充分なものであ
り、電子スイッチを使用して達成されるパフォーマンスに比肩し得る。しかしな
がら、入力／出力ポート数（Ｎ）の増加に伴って、すなわちＮが６４に至りまた
はそれを超えるようになると、これらのスイッチを実現するために必要とされる
電子素子は、特に困難性を生じる。さらに、光ファイバの比較的大きな帯域幅（
）は充分に活用されておらず、これは毎秒テラビットのデータ・ストリームを配
信することの可能なオール・オプティカル・スイッチが欠如していることに起因
する。
【０００３】 ファイバ光学ネットワークにおいて最も一般的に使用される相互接続のいくつ
かは、光電装置である。これらのスイッチは、光検出器／前段増幅器／増幅アレ
イを利用することによって、光入力信号を電気信号に変換する。これらの変換さ
れた信号は、光信号を再度生成するダイオード・レーザ・アレイに電子回路的に
配信される。この配信は電子回路的に行われるので、この技術におけるチャネル
帯域はスイッチング素子の帯域によって制限され、これは理論的には６２０ＭＨ
ｚに達し得るが、１５０−２００ＭＨｚの大きさに収まる傾向にある。更に、い
ったん光学信号が電子的な信号に変換されると、電子的なクロストーク、電磁干
渉（ＥＭＩ）ノイズおよび伝送線の形式の伝播遅延に敏感になってしまう。
【０００４】 これらの帯域制限を克服するため、いくつかのオール・オプティカル・スイッ
チが設計され、商業的に入手可能である。これらの装置は光学信号の変換を必要
とせず、したがって比較的高いデータ・レートを実現することが可能である。従
来の電子装置の帯域制限を解放するそのようなオール・オプティカル・スイッチ
は、毎秒テラビットのデータ・ストリームを実現し、総てのファイバ光学ネット
ワークで障害となっていたものを回避する。このような装置を提供するために使
用される手法は、変化に富んでおり、多くは機械的および／または偏光の手法を
含む。
【０００５】 そのような装置の１例は、カリフォルニア州パロアルトのオプティビジョン，
インク(Optivision, Inc.)から入手可能な相互接続である。この装置は、行列−
ベクトル構成で半導体光増幅器（ＳＯＡ’Ｓ）を利用し、高速スイッチングを達
成する。しかしながらこのシステムは、内部損失を補償するための光学増幅器を
必要とし、これは比較的大きく、そして８つのＩ／Ｏポートに限定される。
【０００６】 光−機械的な光学接続の例は、アスターテ・ネットワーク，インク（
【０００７】
【外１】 ）から商業的に入手可能である。動作時にあっては、各入力ファイバからの光は
レンズに関して平行に置かれ(collimate)、圧電効果により起動するミラーを利
用して適切なあて先へ向けるものである。出力ポートにおいて、その光は他のレ
ンズ群を利用することによってファイバへ結合される。この装置は比較的大きな
帯域（自由空間）を示すが、その機械的な性質からいくつかの欠点を招いてしま
う。その機械的な装置の１つの欠点は、約５０ｍｓという比較的遅い再構成時間
である。さらに、圧電効果により起動するミラーを利用することは、このスイッ
チを機械的な動揺や振動等の影響を受けやすくしてしまう。これらの制約は、サ
ーボ機構による追跡システムによって幾分緩和され得るが、そのような安定化シ
ステムは有利なことではなく比較的複雑化させてしまう。
【０００８】 偏光に基づくスイッチは、変更ゲートを利用することによって動作する。その
ような装置はロバスト的であり(robust)、機械的に安定であり、マイクロ秒（又
はそれより速く）の再構成時間を達成することが可能である。しかしながらこれ
らの装置は、比較的扱いづらいネットワーク構成に立脚し、それらは非実用的で
あり、比較的大きな数のＩ／Ｏポートを有するシステムに拡張することが困難で
ある。さらに、これらの装置は、さまざまなＩ／Ｏポート間で等しくない経路長
を有し、一定でない遅延、様々な信号減衰のレベルおよび互いにずれた出力デー
タ・ストリームを招いてしまう。したがって、高速でコンパクトで大容量でロバ
スト性のあるオール・オプティカル相互接続装置が望まれており、その装置は総
てのＩ／Ｏ置換に関して一定の信号遅延を有するものである。
【０００９】 ［発明の要約］ 本発明の第１形態によれば、光スイッチ素子は偏光子を有し、その偏光子は、
少なくとも２つの入力経路から入来する電磁エネルギを受信するよう形成され、
少なくとも２つの出力経路にそって電磁エネルギを送出する。このスイッチング
素子は入力経路内に少なくとも１つの位相シフタを有し、その位相シフタは選択
的に起動可能であり、位相をシフトさせ又はさせずに電磁エネルギを通過させる
。
【００１０】 本発明の他の形態では、光学相互接続装置が提供され、複数の入力および複数
の出力の間で複数の電磁信号を選択的に相互接続する。この光学相互接続装置は
、上記の本発明の第１形態の複数の光学的なスイッチング素子と、複数の入力お
よび複数の出力の間に伸びる複数のオール・オプティカル信号経路とを有する。
複数のオール・オプティカル信号経路は、光学的なスイッチング装置の少なくと
も２つの入力経路および少なくとも２つの出力経路を有する。
【００１１】 本発明の更なる形態では、方法が提供され、複数の入力および複数の出力の間
で複数の電磁信号を選択的に相互接続する。この方法は以下のステップを含み、
その方法は： （ａ） 少なくとも２つの入力経路から入来する複数の電磁信号を受信し、
少なくとも２つの出力経路にそって複数の電磁信号を送出するような偏光子を準
備するステップ； （ｂ） 少なくとも２つの入力経路内に少なくとも１つの位相シフタを配置
するステップであって、その少なくとも１つの位相シフタは選択的に起動可能で
あり、位相をシフトさせ又はさせずに電磁信号を通過させるところのステップ；
および （ｃ） 少なくとも１つの位相シフタを選択的に作動させるステップ； を有する方法である。
【００１２】 本発明の上記および他の特徴ならびに利益は、図面を考慮した本発明の様々な
形態の以下の詳細な説明によって一層明瞭になるであろう。
【００１３】 ［好適実施例の詳細な説明］ 以下、添付図面における各図を参照し、本発明の実施例が詳細に説明される。
説明を簡潔にするため、添付図面に示されている要素は参照番号を用いて示され
、図中他の実施例で示されるような類似する要素は類似する参照番号を利用して
示される。
【００１４】 図３Ａ−６を参照するに、本発明の原理に従って構築された装置が示されてい
る。本発明はスイッチ素子１００を含み（図３Ａ−３Ｂ）、単独の偏光子１１０
を利用して、２つの別個の入力を非妨害的な(non-blocking)光学経路に沿って２
つの別個の出力の任意の組み合わせに結合する。このスイッチ素子１００は、付
加的なスイッチ素子１００に対して適切にネットワーク接続可能であり、図４−
６におけるスイッチ１５０，１５０’として示されるような多数（Ｎ）の入力お
よび出力を有するスイッチに対してスケール化を行う。本発明は、毎秒テラビッ
ト(terabit)のデータ・レートを有する従来の偏光ゲートに主に関する恩恵を与
え、ファイバ光学ネットワークにおける利用を促進する。さらに、従来の光学的
機械的なスイッチとは異なり、本発明は比較的ロバスト的(robust)であり、環境
的な外乱に対して敏感ではない。また、本発明は、一般に再構成に１０ミリ秒要
していた従来の光学的機械的スイッチよりも少なくとも約１桁高速の再構成時間
を提供する。さらに、本発明は、一定の「遅れ(latency)」，損失およびずれて
いない(unskewed)データ出力のために一定のデータ経路長を提供する。また、本
発明は、Ｎ（ｌｏｇ２Ｎ）個のスイッチを要する従来の手法とは異なり、Ｎ（ｌ
ｏｇ２Ｎ−１）２×２スイッチを利用して非妨害的なＮ×Ｎ形態に適切にスケー
ル化し、比較的簡易でコンパクトな形態を与える。
【００１５】 本明細書において使用される「光学的」なる用語は、電磁エネルギを導くため
に適合させられた装置またはその装置を介した経路に言及するものとする。同様
に、「オール・オプティカル(all-optical)」なる用語は、電磁輻射を伝送又は
導通させるために適合された装置またはその装置のネットワークであって、その
エネルギを電気的な又は電子的な信号のような他の形式の信号に変換しないもの
をいうものとする。「電磁輻射」または「電磁エネルギ」なる用語は、ガンマ線
から無線波および可視光に至る範囲の電磁スペクトルの一連の電磁波をいうもの
とする。「透明」なる用語は、信号がそこを通じて流れることが可能であって、
その位相または偏光を実質的に不変にするものをいう。さらに、「コンピュータ
」または「コンピュータ・サブシステム」なる用語は、任意のコンピュータ、コ
ンピュータ・ワークステーション、専用プロセッサ、マイクロプロセッサまたは
専用のマイクロ・コントローラをいうものとする。
【００１６】 図１−１３を参照するに、従来技術および本発明の装置が更に説明される。図
１に示されるように、フレドキン(Fredkin)４×４スイッチと一般に呼ばれる従
来の１×２偏光ゲートに基づく従来の４×４スイッチは、７つの偏光ビーム分割
器２２と、６つの液晶位相シフタ２４と、他の光学的素子を有する。この装置は
、４つの入力ビームＡ，Ｂ，ＣおよびＤを受け入れ、それらを操作して出力ポー
ト１，２，３および４の任意の組み合わせに導く。入力Ａの出力ポートに対する
経路は破線２６で示される。
【００１７】 この構造は、いくつかの重大な欠点を有する。例えば、Ｎ×Ｎ相互接続のため
にはＮ×（Ｎ−１）／２個のゲートが必要である。１６×１６スイッチでは１２
０の偏光子を要し、そのような装置は高価で巨大であって不利である。さらに、
この装置の光学的経路は、非妨害的である。システムの再構築は、割り込みと１
つ又はそれ以上の経路またはチャネルの遅延とを要し、２つ又はそれ以上の信号
が同一チャネルを同時に占有することを防止する。以後詳細に説明されるように
、競合に拘束されない(contention-free)（非妨害的な）経路を提供するために
、更なる光学素子が必要となる。
【００１８】 さらに、スイッチ２０はＩ／Ｏ間で等しくない経路長を有する。言い換えれば
、様々な出力に対して各入力ビームが通過する素子数は等しくない。例えば、入
力Ａから出力４へ向かう信号は、入力Ａから出力２へ向かう信号よりも長い経路
を伝送する。したがって、同一強度の入力はスイッチ２０によって別々に減衰さ
せられる。また、等しくない経路長は、一定でない遅れを与え、出力データ・ス
トリームにずれ(skew)を生じさせる。
【００１９】 さらに、スイッチ２０は、Ｉ／Ｏの大きな数Ｎへ拡張することが比較的困難で
あり、コンパクトな大きさに実現することが困難である。比較的長い光学的経路
は、環境的および機械的な動揺(perturbation)によって発声する不整合成分をぞ
服する傾向がある。
【００２０】 図２を参照するに、従来のスイッチ３０は、富士通／ベルコア(Fujitsu/Bellc
ore)スイッチとして一般に知られる装置であり、これは、T.Yamamoto, J.S. Pat
el, および T. Nakagami, によるProc. SPIE, 1807, 345 (1992)の ‘A multi-c
hannel free space optical switch using liquid crystal polarization contr
ol device’と題する文献に述べられている。図示されているように、この装置
は、偏光子３２と、液晶位相シフタ３４と、１／４波長板３６とビーム変位プリ
ズム３８を使用する。入力Ａから４つ総ての可能な出力ポート１，２，３および
４への信号の経路は、破線３９によって示される。
【００２１】 この装置は、毎秒１ギガビットまでのスイッチング速度を提供する。しかしな
がら、図１のスイッチ２０と同様に、スイッチ３０はＩ／Ｏポート間で等しくな
い経路長を与える。スイッチ２０の上述した欠点の多くは、スイッチ３０にもあ
てはまり、すなわち減衰度を変化させ、一定でない遅れが互いにずれた出力デー
タ・ストリームに導く。さらに、スイッチ３０が大きな数Ｎに至るようスケール
変更することが比較的困難であるのは、この４×４スイッチは、より大きなＮ×
Ｎ装置への段階的移行のための基本構成ブロックとして使用することが容易でな
いからである。各素子（偏光ビーム分割器および位相シフタ）に関して、完全に
異なる物理的配置が必要となるのが一般的であろう。
【００２２】 さらに、８つの位相シフタ３４のみが４×４装置に使用されているが、スイッ
チ３０は、ビーム変位用のいくつかの屈折プリズムを要する（４×４スイッチに
関して３つを要し、８×８または１６×１６装置では更に多く必要である。）。
このような複雑さおよびスケール変更の困難性により、従来の装置は、高効率ネ
ットワークに関してあまり魅力的な候補ではない。
【００２３】 図３Ａおよび３Ｂを参照するに、本発明は２×２基本スイッチ素子１００を有
し、これは少なくとも２つの別個の入力経路ＡおよびＢに入射する電磁的または
光学的エネルギを受信し、少なくとも２つの別個の出力経路１および２に沿って
エネルギを伝送するよう設けられた偏光子１１０を有する。さらに、電気的に作
用させ得る位相シフタまたはπセル１２０が入力経路ＡおよびＢの各々に配置さ
れ、位相をシフトさせ又はさせずにそこを介して電磁エネルギを通過させる。偏
光子１１０および位相シフタまたはπセル１２０は、ELECTROMAGNETIC ENERGY B
EAM STEERING DEVICEと題され、１９９５年１０月１７日にSadeg M Farisに特許
された米国特許第５，４５９，５９１、又はSadeg M Farisにより１９９７年１
月１６日に出願され、FLAT PANEL DISPLAY AND A METHOD OF FABRICATION THERE
FORと題する米国特許出願番号０８／７８４，４４０（以下、‘４４０出願とい
う。）に記載されているような任意の適切な構成要素とすることが可能である。
潜在的に適用可能な他の偏光子１１０は、Fan, et al.により１９９７年２月２
６日に出願され、POLARIZER DEVICES AND METHODS FOR MAKING THE SAMEと題す
る米国特許出願番号０８／８０７，０２０（以下、‘０２０出願という。）、お
よびFan, et al.により１９９８年９月１１日に出願され、STRUCTURALLY ORDERE
D ARTICLES, FABLICATION METHOD AND APPLICATIONS OF THE SAMEと題する米国
特許出願番号０９／１５１，９０９（以下、‘９０９出願という。）に記載され
ている。
【００２４】 手短に言うと、偏光子１１０は、１／４波長膜スタック、コレステリック(cho
lesteric)液晶膜または人工的な無機的な反射偏光子として形成される従来のマ
ックニール(MacNiell)型の偏光反射器から構成することが可能である。これらの
装置は既存の手法で動作し、所定の偏光状態（例えば、縦または「Ｓ偏光」）を
有する光を選択的に反射し、他の偏光状態のもの（例えば、水平または「Ｐ偏光
」）を通過させる。同様に、偏光子１１０は、円偏光光線（例えば、左旋回偏光
「ＬＨＣＰ」光線）を選択的に反射し、他の偏光状態のもの（例えば、右旋回偏
光「ＲＨＣＰ」光線）を通過させるように構成される。本明細書を通じて、ｓも
しくはｐまたはＬＨＣＰもしくはＲＨＣＰの反対の偏光状態は、単に他の偏光状
態Ｐ１およびＰ２として言及される。
【００２５】 πセルまたは位相シフタ１２０は電気的に制御可能な半波長遅延素子(retarde
r)である。一般に、そのセルに何らの電場も印加されていない場合は、半波長遅
延素子として動作する。位相シフタ１２０上に到来した偏光状態Ｐ１を有するビ
ームは、Ｐ２偏光のビームに変換されてそこを通過する。πセルの壁面に所定の
電場が印加されている場合は、セルの遅延特性は消去され、Ｐ１偏光ビームはそ
の変更状態を維持してそのセルを通過する。
【００２６】 図１および２に関連して図示および説明される従来の構造において、各スイッ
チ素子は１つの入力のみを受け入れ、その入力を２つの可能な出力の１つに向け
ることができる。しかしながら、本発明のスイッチ素子１００は、有利なことに
、偏光子１１０の相互的な(reciprocal)性質を利用して少なくとも２つの入力を
受け入れ（すなわち、偏光子１１０の反対側での入力）、それらを２つの別個の
出力１，２の何れかに結合させる。したがって、図示されているような正方形ま
たは立方体として形成されるスイッチ素子１００は、その４つ総ての表面をＩ／
Ｏとして効果的に使用し、２×２スイッチ素子を提供する。その充実した状態(s
olid state)またはモノリシック形態に起因して、この構成は比較的簡潔であり
、コンパクトで光学的機械的に適切である。スイッチ素子１００のブロック図は
図３Ｂに示されている。
【００２７】 スイッチ素子１００の動作は、次のようになる。入力ＡおよびＢに沿う入射エ
ネルギは、Ｐ１偏光状態のものであるとする。位相シフタ１２０が活性化されて
いない場合、入力Ａ，Ｂにおけるこれらのビームはそれぞれ出力１，２への切替
を通じて通過する。しかし、位相シフタが活性化されているとき、入力Ａ，Ｂに
おけるビームはＰ２状態に変換され、各ビームは偏光子１１０によってそれぞれ
出力ポートへ１，２反射される。以下の表は、様々な状態に対する相互接続を要
約したものである。
【００２８】
【表１】 したがって、本発明の基本スイッチ素子１００は、図３Ｂに概略的に示される
ように入力Ａを出力１又は２の一方に、同様に入力Ｂを出力１又は２の一方に結
合するのに適した２×２スイッチである。この基本素子１００は、有利なことに
、図４に示される４×４スイッチのような、より大きなＮ×Ｎスイッチに更に拡
張ことが可能である。
【００２９】 図４を参照するに、４つの基本スイッチ素子１００が論理に従って接続され又
は相互接続され、４×４スイッチ１５０を提供する。図示されているように、２
つのスイッチ素子１００（αおよびβと記される）からの出力は、第２組の２つ
の２×２スイッチ素子１００（γおよびδと記される）に対する入力になる。個
の手法では、４つの入力Ａ，Ｂ，ＣおよびＤは、４つの出力１，２，３および４
の任意の組み合わせに配信されることが可能である。この相互接続論理は、物理
的なハードウエアにおいて、スイッチング素子αからスイッチング素子γおよび
δへ単に出力を配信することによって、およびスイッチング素子βの出力を同様
に配信することによって実現可能である。
【００３０】 この実現例は、図５，６に示されている。図５を参照するに、４つのスイッチ
素子１００は、正方形の中に密集して配置され、４×４スイッチ１５０’を形成
し、破線１５２で示されるように、入力Ａから４つの可能な出力ポート１ないし
４の総てに配信している。このスイッチ１５０’は、キューブαからの出力の１
つがキューブγの入力になり、キューブαからの他の出力がキューブδの入力に
なる等して、図４の配信論理図に従う。有利なことに、この４×４スイッチ１５
０’は、それらを通じて一定の経路長を有し、総ての可能な配信経路に対して一
定の遅延および一定の損失を提供する。各入力ビームは、総ての入力／出力の順
列に関して、２つの偏光子１１０および２つの位相シフタ１２０のみを介して通
過する。さらに、スイッチ１５０’はコンパクトな大きさを提供し、「デュプレ
ックス(duplex)」（対の）ファイバ光学接続を支援し、スイッチの各側が１組の
空間的に並列に隔てられたＩ／Ｏポートを有する。さらに、スイッチ素子１５０
’は、従来のファイバ光学接続も提供可能であり、自由空間相互接続ではなくフ
ァイバ光学を利用して、以下に説明するような手法でより大きなＮ×Ｎスイッチ
のモジュラ構成を支援する。このモジュラ手法は、柔軟な再構成（すなわち、様
々なＮに対して）、サービス提供の管理、および冗長手段の簡略化を支援する。
【００３１】 図６を参照するに、４×４スイッチ１５０の他の実施例が１５０”として示さ
れている。この実施例では、α，β，γおよびδで示される４つの基本スイッチ
素子１００は、図示されるように角と角を合わせて(corner to corner)またはダ
イヤモンド・パターンで配置される。図４の配信条件を満足するために、このス
イッチ１５０”は、スイッチの対抗する端部に設けられたミラー１５４を有する
。これらのミラーは、銀の塗布されたプリズムとして形成可能であり、モノリシ
ックおよびソリッド・ステート構成を支援する。入力Ａから総ての可能な出力ポ
ートへの経路は、破線１５４によって示される。図４の論理は満たされている。
例えば、キューブαへのエネルギ入力は、キューブδへ直接伝送され、またはミ
ラー１５４で反射されてスイッチ素子γに向かう。この配置は、４つの偏光子１
１０のみを利用して、非妨害的な自由接続(connection free)の４×４スイッチ
を提供する。
【００３２】 スイッチ１５０”は、実質的にソリッド・ステート形式で、すなわち素子間の
ファイバ光学ケーブル接続を要することなしに、高位のＮネットワークに容易に
拡張可能な利益を与える。さらに、この４×４スイッチ１５０”は、べネス(
【００３３】
【外２】 )、シャッフル交換(shuffle-exchange)、オメガ、ＰＭ２１その他の切替装置の
技術分野における当業者に知られている多数の構成に対する基本構成ブロックと
して機能する。
【００３４】 図７に示されるように、４×４スイッチ１５０は、べネス構成を利用して相互
接続され、８×８相互接続スイッチ２５０を形成する。べネス論理の条件は、図
示されているように、スイッチα１とスイッチα２およびγ２とが結合されるこ
と、スイッチβ１がスイッチβ２およびδ２に結合されること等を含む。このシ
ステムを通じたトレース経路は、入力Ａからの信号が、８つの出力ポート１−８
の任意の１つに配信可能である。このスイッチ２５０は、べネス・ネットワーク
の論理条件を満足し、よく知られた配信アルゴリズムを利用して、πセル１２０
を選択的に活性化させ、以下により詳細に説明されるように、Ｎ入力をＮ出力の
任意の組み合わせに切り替える。さらに、この実現手段は、４×４スイッチ１５
０を基礎として素子を繰り返し使用し、Ｎ×Ｎスイッチに拡張可能である。
【００３５】 図８を参照するに、べネス・スイッチ２５０のハードウエア実現手段がスイッ
チ２５０’として示されている。図示されているように、この実現手段は、４つ
の４×４スイッチ素子１５０”および２組の外部ミラー対２５４を使用する。有
利なことに、本発明のこのスイッチ２５０’は、従来とは異なり、Ｎ個の２×２
スイッチを利用して、Ｎ信号の自由競合(contention free)配信を提供する。こ
の点に関し、競合に拘束されない配信を提供するために、Ｎ（ｌｏｇ２Ｎ）個の
２×２スイッチを使用する必要のあることが、一般的には認められる。しかしな
がら、本発明のスイッチ２５０’は、Ｎ（ｌｏｇ２Ｎ−１）個の２×２スイッチ
しか必要としない。スイッチ２５０’のオール・オプティカル(all-optical)の
性質によって、および各入力について別々の偏光子１１０を利用するのではなく
、入力の対を切り替える前述した単独の偏光子１１０を利用することによって、
上記の相当な改善が提供される。
【００３６】 上述したように、従来のスイッチでは、２つの信号が同一の経路を採用しよう
とする場合に競合が生じる。そのような経路は一度に一つの信号のみを収容可能
であるので、一方の信号はそれが配信され得る前にその経路が解放されるまで待
機することを要する。競合は配信アルゴリズムをいくぶん複雑にし、そのスイッ
チが接続されるネットワークの実効性を減少させる。本発明のオール・オプティ
カル・スイッチは、有利なことに、任意の２つのノード間で又は信号の交点の間
で、２つの信号が同一の経路を共有することを可能にする。電気的な信号とは異
なり、光学的信号は２つの直交する状態を有し、すなわち偏光状態Ｐ１およびＰ
２であり、これらは同一経路に存在可能であり、個別性を維持しつつ、互いに干
渉しない。本発明の実現化において、経路を共有した後、２つの信号が自動的に
分割するのは、それらが次の偏光子１１０に遭遇した場合であり、その場合にお
いて経路が共有されることを保障し、その経路は単独のセグメント（すなわち、
単独の２×２スイッチ）に対して共有されるのみである。
【００３７】 このべネス・ネットワーク構造は、各チャネルおよびスケール変更可能性等に
対して、自由う配信、一定の遅延、一様な伝送を提供する。本発明の更なる実施
例が以下に説明され、これは有利なことに、いくつかのミラー２５４の必要性を
排除し、本発明を更に簡潔にする。
【００３８】 図９を参照するに、本発明の他の実施例が８×８スイッチ３５０として示され
ている。このスイッチはＰＭ２Ｋ構造を使用し、その構造は図７のべネス・ネッ
トワークとは幾分異なる配信論理を有するが、一定の遅延および一定の減衰で自
由競合方式でＮ信号を配信する能力を保持するものである。
【００３９】 本発明によるスイッチ３５０のハードウエア実現手段は、図１０のスイッチ３
５０’として示される。図示されるように、この実現手段はスイッチ２５０’と
類似するが、スイッチ３５０’はスイッチ２５０’よりも少ないミラーに関する
配信論理条件を満足する。入力Ａと８つ総て可能な出力ポートとの間の信号配信
は、破線３５６で示されている。スイッチ３５０’は、有利なことに、少ないミ
ラーを利用し、スイッチ２５０’のべネス構造に比較して製造コストを減少させ
る。さらに、このスイッチ３５０’は一層コンパクトな設計を可能にし、より高
位のＮ値に拡張することを支援する。なぜなら、べネス・スイッチ２５０’に対
して必要とされるミラーは、スイッチ３５０’に比較して装置の幅を広くする傾
向にあるからである。有利なことに、一定遅延および一様損失に関する完全自由
競合を許容することに加えて、スイッチ３５０’は単独の半導体装置としてモノ
リシックに適切に構成され得る。さらに、スイッチ３５０’は、Ｎ（ｌｏｇ２Ｎ
−１）個の素子のみを利用して完全自由配信を達成する。損失およびクロストー
クは、一様であって比較的低く、以下に説明するように、周知の配信アルゴリズ
ムが使用される。
【００４０】 本発明のいくつかの構成が示されてきたが、本発明を学んだ当業者であれば、
本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、本発明を他の構成に応用する
ことが可能であろう。そのような他の構成の１例は、図１１にスイッチ４５０と
して示されている従来のシャッフル交換４×４相互接続である。本発明によるス
イッチ４５０のハードウエア実現手段は、図１２のスイッチ４５０’として示さ
れている。
【００４１】 上述したように、本発明の上記のスイッチは、高位の数Ｎの入力および出力チ
ャネルに拡張され得る。例えば、図１３に示されるように、図８のべネス構成が
１６×１６スイッチ５５０’に拡張され得る。本発明の構成の総ては、同様にし
て、１６×１６，３２×３２，６４×６４またはより一般的なＮ×Ｎ構成に拡張
され得る。この手法におけるスイッチのスケーリング（拡張）は、一定遅延、損
失およびクロストーク等の本発明の特性を保持している。
【００４２】 図１４を参照するに、上述したスイッチ１５０，１５０’，１５０”，２５０
，２５０’，３５０，３５０’，４５０，４５０’，５５０’等の任意のものが
、相互接続システム６００に組み込まれる。図示されるように、相互接続システ
ム６００は、好ましくは、プログラム・モジュール６１０を含むコンピュータ実
現装置であり、コンピュータ読み取り可能なプログラム・コード又はそこに生じ
る命令を有するコンピュータの利用可能な媒体を含む。プログラム・コードは、
上述したような様々な従来の配信アルゴリズムの任意のものを含む。プログラム
・モジュールはコントローラ６１２と通信行うよう配置され、コントローラ６１
２は、コンピュータのサブシステム（図示せず）によってプログラム・モジュー
ル６１０へのアクセスを制御するために従来の手法で動作するよう設けられる。
コントローラ６１２はドライバ６１４と通信するよう配置され、ドライバ６１４
はスイッチ１５０，１５０’等とのインターフェースを行うために従来の手法で
動作する。ドライバ６１４はハードウエア装置より成ることが可能であるが、又
は好ましくは、ソフトウエア・モジュールとしてソフトウエアで実現されること
も可能である。プログラム・モジュール６１０、コントローラ６１２およびドラ
イバ６１４は、Ｎ×Ｎスイッチを操作するよう設けられた制御手段より成り、図
示されるような各入力および出力ポートの間で、上述したように信号を配信する
。
【００４３】 本発明のスイッチは、任意の適切な手法で製造可能であり、上記の‘４４０出
願に説明されている製造方法、および半導体製造業で一般的に使用されているフ
ォトリソグラフィック・マスキングおよびエッチング技術を含む他の技術を含む
がこれらに限定されない。
【００４４】 これまでの説明は主に例示目的に対するものを意図している。本発明はそれら
の実施例に関して示され説明されてきたが、当業者にとって、形態に関する上記
のおよび様々な他の変更、省略および付加およびその詳細は、本発明の精神およ
び範囲から逸脱することなしになされ得ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来の光学的４×４スイッチの部分外略図である。
【図２】 図２は、従来の他の光学的４×４スイッチの部分外略図である。
【図３Ａ】 図３Ａは、本発明による２×２スイッチ素子の部分外略図である。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、図３Ａの２×２スイッチ素子のブロック図である。
【図４】 図４は、本発明による４×４スイッチ素子のブロック図である。
【図５】 図５は、図４の４×４スイッチの実施例の部分外略図である。
【図６】 図６は、図５の４×４スイッチの他の実施例の部分外略図である。
【図７】 図７は、本発明による８×８スイッチ素子のブロック図である。
【図８】 図８は、図７のスイッチの実施例の部分外略図である。
【図９】 図９は、本発明の８×８スイッチの他の実施例の部分外略図である。
【図１０】 図１０は、図９のスイッチの部分外略図である。
【図１１】 図１１は、本発明の８×８スイッチの更なる実施例のブロック図である。
【図１２】 図１２は、図１１のスイッチの部分外略図である。
【図１３】 図１３は、本発明の１６×１６スイッチの実施例の部分外略図である。
【図１４】 図１４は、本発明のＮ×Ｎスイッチを含む相互接続システムのブロック図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ル ディ ティ，ジョージ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 07302 ジャージー・シティ ワシント ン・ストリート 155 (72)発明者 トゥリパティ，サンジェイ アメリカ合衆国 アリゾナ州 85331 ケ イヴ・クリーク イー・エデン・ドライヴ 4839 (72)発明者 カーン，スティーヴン ジェイ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 07044 ヴェローナ クレアモント・アヴ ェニュー 219 Ｆターム(参考） 2K002 AA02 AA03 AB05 AB07 BA06 DA02 EA11 EA14 HA04 【要約の続き】 て、Ｎ×（log2Ｎ−１）の２×２のスイッチを使用した 非停止のＮ×Ｎの構成に対する便利なスケーリング、及 び比較的簡単でコンパクトな構成を有利にも提供する。

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２つの入力経路から入射する電磁エネルギーを受
    け、少なくとも２つの出力経路に沿って前記電磁エネルギーを透過するために適
    合される偏光子と、 前記少なくとも２つの入力経路内に配置され、選択的に作用して、前記電磁エ
    ネルギーの位相をシフトすることと、シフトしないことを交互にして前記電磁エ
    ネルギーを通過させる少なくとも１つの位相シフタと、を備える光スイッチング
    素子。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも２つの入力経路のうちのいずれか一方から前
    記偏光子に入射する前記電磁エネルギーは、前記少なくとも２つの出力経路のう
    ちのいずれか一方に沿って透過されるように適合される、請求項１記載の光スイ
    ッチング素子。
  3. 【請求項３】 前記少なくとも２つの入力経路のそれぞれに配置される少な
    くとも１つの位相シフタをさらに備え、複数の前記位相シフタは、互いに関して
    独立に作用する、請求項１記載の光スイッチング素子。
  4. 【請求項４】 前記複数の位相シフタのそれぞれは実質的に平面であり、該
    位相シフタを通して通過する前記入力経路に関して直交して配置される、請求項
    ３記載の光スイッチング素子。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも１つの位相シフタは、前記少なくとも２つの
    出力経路が前記少なくとも１つの位相シフタから離れているように、前記偏光子
    に関して離れた関係に配置される、請求項１記載の光スイッチング素子。
  6. 【請求項６】 前記少なくとも２つの入力経路は相互に直交しており、前記
    少なくとも２つの出力経路は相互に直交している、請求項１記載の光スイッチン
    グ素子。
  7. 【請求項７】 前記偏光子は実質的に平面であり、前記少なくとも２つの入
    力経路のそれぞれに対して４５度の角度で配置されている、請求項５記載の光ス
    イッチング素子。
  8. 【請求項８】 前記電磁エネルギーに対して透過性があり、４つの相互に直
    交する面を有する固体をさらに備え、 平面である前記偏光子は、前記４つの相互に直交する面のそれぞれに対して４
    ５度の角度で配置されており、前記少なくとも１つの位相シフタは、前記４つの
    相互に直交する面のうちの２つの隣接する面のそれぞれに関して配置され、 前記出力経路は、前記４つの相互に直交する面のうちの２つの隣接する他の面
    を通して通過する、請求項７記載の光スイッチング素子。
  9. 【請求項９】 コンピュータに前記少なくとも１つの位相シフタを選択的に
    作用させるために、該コンピュータ内で具現化されるコンピュータ読み取り可能
    なプログラムコードを有するコンピュータ使用可能な媒体をさらに備え、前記コ
    ンピュータ読み取り可能なプログラムコードはルーティングアルゴリズムを含む
    、請求項１記載の光スイッチング素子。
  10. 【請求項１０】 複数の入力と複数の出力の間の複数の電磁信号を選択的に
    相互接続するための光相互接続装置であって、 請求項１記載の複数の前記光スイッチング素子と、 前記複数の入力と前記複数の出力の間に延び、前記少なくとも２つの入力経路
    と前記少なくとも２つの出力経路を含む複数のオールオプティカル信号経路と、
    を備える光相互接続装置。
  11. 【請求項１１】 前記光相互接続素子は固体素子である、請求項１０記載の
    光相互接続装置。
  12. 【請求項１２】 前記複数のオールオプティカル信号経路のそれぞれは、実
    質的に同じ経路長を有する、請求項１０記載の光相互接続装置。
  13. 【請求項１３】 前記複数のオールオプティカル信号経路のそれぞれは、実
    質的に同じ遅延を有する、請求項１０記載の光相互接続装置。
  14. 【請求項１４】 前記複数のオールオプティカル信号経路のそれぞれは、互
    いに関して競合しない、請求項１０記載の光相互接続装置。
  15. 【請求項１５】 前記複数のオールオプティカル信号経路のそれぞれは、該
    経路に複数の電磁信号を同時に保持するために適合される、請求項１４記載の光
    相互接続装置。
  16. 【請求項１６】 前記複数のオールオプティカル信号経路のそれぞれは、互
    いに関して実質的に同じ信号減衰を与える、請求項１０記載の光相互接続装置。
  17. 【請求項１７】 Ｎ個の入力及びＮ個の出力をさらに備え、 前記複数のオールオプティカル信号経路は競合がなく、前記光スイッチング素
    子のＮ（log2Ｎ−１）を使用して、前記Ｎ個の入力のそれぞれを前記Ｎ個の出力
    のそれぞれに結合するために適合されている、請求項１０記載の光相互接続装置
    。
  18. 【請求項１８】 前記複数の光スッチング素子のそれぞれは、前記電磁信号
    に対して透過性があり、４つの相互に直交する面を有する固体をさらに備え、 平面の前記偏光子は、前記４つの相互に直交する面のそれぞれに対して４５度
    の角度で配置されており、前記少なくとも１つの位相シフタは、前記４つの相互
    に直交する面のうちの２つの隣接する面に関して配置されており、 前記複数の光スイッチング素子のぞれぞれは、互いに角と角を合わせた位置関
    係で配置されている、請求項１０記載の光相互接続装置。
  19. 【請求項１９】 前記複数の光スイッチング素子のそれぞれは、前記電磁信
    号に対して透過性があり、４つの相互に直交する面を有する固体をさらに備え、 平面の前記偏光子は、前記４つの相互に直交する面のそれぞれに対して４５度
    で配置されており、前記少なくとも１つの位相シフタは、前記４つの相互に直交
    する面のうちの２つの隣接する面に関して配置されており、 前記複数の光スイッチング素子のそれぞれは、互いに面と面を対面させた位置
    関係で配置されている、請求項１０記載の光相互接続装置。
  20. 【請求項２０】 第１、第２、第３及び第４の２×２の光スイッチング素子
    を有する４×４の相互接続ブロックをさらに備え、 前記第１の２×２のスイッチング素子の一方の出力経路は、前記第３の２×２
    のスイッチング素子の入力経路に接続され、前記第１の２×２のスイッチング素
    子の他方の出力経路は、前記第４の２×２のスイッチング素子の入力経路に接続
    され、前記第２の２×２のスイッチング素子の一方の出力経路は、前記第３のス
    イッチング素子の入力経路に接続され、前記第２のスイッチング素子の他方の出
    力経路は、前記第４の２×２のスイッチング素子の入力経路に接続される、請求
    項１０記載の光相互接続装置。
  21. 【請求項２１】 前記第１、第２、第３及び第４の２×２のスイッチング素
    子は、互いに面と面を対面させる配列で配置される、請求項２０記載の光相互接
    続装置。
  22. 【請求項２２】 前記第１、第２、第３及び第４の２×２のスイッチング素
    子は、互いに角と角を合わせる配列で配置される、請求項２０記載の光相互接続
    装置。
  23. 【請求項２３】 複数の前記４×４の相互接続ブロックをさらに備える、請
    求項２２記載の光相互接続装置。
  24. 【請求項２４】 前記第１及び第２の２×２のスイッチング素子の入力経路
    は、前記４×４の光相互接続ブロックの入力を備え、前記第３及び第４の２×２
    のスイッチング素子の出力経路は、前記４×４の光相互接続ブロックの出力を備
    える、請求項２０記載の光相互接続装置。
  25. 【請求項２５】 互いに接続される複数の前記４×４の相互接続されるブロ
    ックを備える、請求項２４記載の光相互接続装置。
  26. 【請求項２６】 前記光相互接続装置は１つの装置として設けられる、請求
    項２５記載の光相互接続装置。
  27. 【請求項２７】 前記光相互接続装置内に配置される複数のミラーをさらに
    備える、請求項２６記載の光相互接続装置。
  28. 【請求項２８】 ８×８の相互接続装置をさらに備える、請求項２５記載の
    光相互接続装置。
  29. 【請求項２９】 １６×１６の相互接続装置をさらに備える、請求項２５記
    載の光相互接続装置。
  30. 【請求項３０】 前記４×４の相互接続ブロックは、ベネのネットワークに
    おいて互いに接続される、請求項２５記載の光相互接続装置。
  31. 【請求項３１】 前記４×４の相互接続ブロックは、ＰＭ２Ｋネットワーク
    において互いに接続される、請求項２５記載の光相互接続装置。
  32. 【請求項３２】 前記４×４の相互接続ブロックは、シャッフルエクスチェ
    ンジアーキテクチャにおいて互いに接続される、請求項２５記載の光相互接続装
    置。
  33. 【請求項３３】 複数の入力と複数の出力の間の複数の電磁信号を選択的に
    相互接続するための光相互接続装置であって、 複数の選択的に作用可能な光スイッチング素子と、前記複数の入力と前記複数
    の出力の間の前記複数の選択的に作用可能な光スイッチング素子を通して延びる
    複数のオールオプティカル信号経路とを備え、 前記複数のオールオプティカル信号経路は実質的に同じ経路長を有する、光相
    互接続装置。
  34. 【請求項３４】 コンピュータに前記複数の選択的に作用可能な光スイッチ
    ング素子のそれぞれを選択的に作用させるための、コンピュータ内部で具現化さ
    れるコンピュータ読み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータ使用可
    能な媒体をさらに備え、前記コンピュータ読み取り可能なプログラムコードはル
    ーティングアルゴリズムを含む、請求項３３記載の光相互接続装置。
  35. 【請求項３５】 Ｎが入力数及び出力数であるＮ×Ｎの装置をさらに備える
    、請求項３３記載の光相互接続装置。
  36. 【請求項３６】 複数の入力と複数の出力の間の複数の電磁信号を選択的に
    相互接続するために適合され、複数の選択的に作用される光スイッチング素子、
    及び前記複数の入力と前記複数の出力の間の前記複数の光スイッチング素子を通
    して延びる、それぞれが実質的に同じ経路長を有する複数のオールオプティカル
    信号経路とを有する光相互接続装置と、 コンピュータに前記複数の選択的に作用可能な光スイッチング素子のそれぞれ
    を選択的に作用させるために、コンピュータ内部で具現化されるコンピュータ読
    み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータ使用可能なプログラムモジ
    ュールと、を備える光相互接続システム。
  37. 【請求項３７】 前記選択的な作用の間に、前記プログラムモジュール及び
    前記光相互接続装置との作用的なかみ合いにおいて配置されるドライバをさらに
    備える、請求項３６記載のシステム。
  38. 【請求項３８】 前記プログラムモジュールと前記ドライバとの前記作用的
    なかみ合いを制御するために、前記プログラムモジュール及び前記ドライバに作
    用的にかみ合うコントローラをさらに備える、請求項３７記載の相互接続システ
    ム。
  39. 【請求項３９】 複数の入力と複数の出力の間の複数の電磁信号を選択的に
    相互接続するための方法であって、 ａ）少なくとも２つの入力経路から入射する前記複数の電磁信号を受け、少な
    くとも２つの出力経路に沿って前記複数の電磁信号を透過するために適合される
    偏光子を設けるステップと、 ｂ）選択的に作用して、前記電磁信号の位相をシフトすることと、シフトしな
    いことを交互にして前記電磁信号を通過させる少なくとも１つの位相シフタを前
    記少なくとも２つの入力経路内に配置するステップと、 ｃ）前記少なくとも１つの位相シフタを選択的に作用するステップと、を備え
    る方法。
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