JP2015022242A - Optical switch and optical switch system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光情報通信で用いられるルータやスイッチの基幹部品である大規模な光スイッチ及びこの光スイッチを用いた光スイッチシステムに関するものである。 The present invention relates to a large-scale optical switch, which is a basic part of a router or switch used in optical information communication, and an optical switch system using this optical switch.
光通信は大容量、超高速性という特長があり、近年では多くの情報通信網で実用化されている。このような光通信ネットワークの経路構成は、二地点を個別の光ファイバで結ぶポイントトゥポイント(Point-to-Point)での接続が最も単純である。 Optical communication has the features of large capacity and ultra-high speed, and has been put into practical use in many information communication networks in recent years. The path configuration of such an optical communication network is simplest in a point-to-point connection that connects two points with individual optical fibers.
一方、光ファイバの大容量性を利用して、複数の経路を一本の光ファイバに収容して、各ノードで光信号をスイッチングすることが提案されている。 On the other hand, it has been proposed to switch a light signal at each node by accommodating a plurality of paths in one optical fiber by utilizing the large capacity of the optical fiber.
例えば、光パススイッチングでは光信号の波長を経路(パス)と対応させ、アレイ導波路格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)や波長選択型光スイッチ等を用いて、波長毎に経路をスイッチングできる。
ただし、経路数は設定できる波長数で制限される。
For example, in optical path switching, the wavelength of an optical signal is associated with a path, and the path can be switched for each wavelength using an arrayed waveguide grating (AWG), a wavelength selective optical switch, or the like.
However, the number of paths is limited by the number of wavelengths that can be set.
さらに光パケット単位で経路をスイッチングさせる光パケットスイッチング(OPS:Optical Packet Switching)が提案されている。この方式では各光パケットにラベル情報を付加して経路と対応させ、各ノードでラベルを認識している。各ノードでは、光スイッチを用いて光パケットをラベルに応じた経路にスイッチングする。
この方式は波長数に制約されずに経路数を増加できるため、より柔軟なネットワーク構築が可能となる。
Furthermore, optical packet switching (OPS) that switches paths in units of optical packets has been proposed. In this method, label information is added to each optical packet to correspond to the path, and the label is recognized at each node. In each node, an optical packet is switched to a route according to a label using an optical switch.
Since this method can increase the number of paths without being restricted by the number of wavelengths, a more flexible network can be constructed.
ここで用いられる光スイッチは、到着した光パケットを、次の伝送先に対応するポートへ高速にスイッチングする機能をもつ必須の構成要素である。 The optical switch used here is an indispensable component having a function of switching an incoming optical packet to a port corresponding to the next transmission destination at high speed.
このような光スイッチとして実現されているものとしては、波長可変半導体レーザとアレイ導波路格子(AWG)で構成された波長選択型光スイッチ、微小電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)で構成された空間光スイッチ、さらに電気光学効果を用いたフェーズドアレイ型の空間光スイッチなどがある。 What is realized as such an optical switch is a wavelength selective optical switch composed of a tunable semiconductor laser and an arrayed waveguide grating (AWG), and a micro electro mechanical system (MEMS). And a phased array type spatial light switch using an electro-optic effect.
このような光スイッチには、ネットワークトラフィックの需要増加に伴い、高速化は勿論のこと、大規模化即ち多ポート化や、単位時間当たりで多くの光パケットを処理できること即ち高スループット化、そして低消費電力化が要求される。 In such an optical switch, as the demand for network traffic increases, not only the speed is increased, but also the scale is increased, that is, the number of ports is increased, and a large number of optical packets can be processed per unit time, that is, the throughput is increased. Power consumption is required.
上記のような光スイッチには以下のような課題がある。 The optical switch as described above has the following problems.
波長選択型光スイッチでは、高速なスイッチングを実現するためには、高速に波長を可変できる複雑な構成の波長可変半導体レーザを用いる必要がある。このため、高コスト化が懸念される。 In the wavelength selective optical switch, in order to realize high-speed switching, it is necessary to use a wavelength-tunable semiconductor laser having a complicated configuration capable of changing the wavelength at high speed. For this reason, there is a concern about cost increase.
またMEMSを用いた空間光スイッチでは、大規模化が容易である利点があるが、MEMSのスイッチング速度がマイクロ秒からミリ秒程度であるため高速化に限界がある。 In addition, a spatial optical switch using MEMS has an advantage that it can be easily scaled up, but there is a limit to speeding up because the switching speed of MEMS is about microseconds to milliseconds.
フェーズドアレイ型の空間光スイッチは、アレイ導波路部分で位相変調を行い、スラブ導波路にて集光位置を変調することで出力ポートのスイッチングを行うことができるため、空間光スイッチとして有望である(非特許文献1参照)。 A phased array type spatial optical switch is promising as a spatial optical switch because it can perform phase modulation in the arrayed waveguide section and modulate the converging position in the slab waveguide to switch the output port. (Refer nonpatent literature 1).
しかしながら、上記の空間光スイッチでは、以下のような課題がある。
まず、電気的に電気光学効果もしくはキャリア効果を用いて各アレイ導波路の位相を変化させるため、多数の電極とそれに付随する電気制御装置が必要となり、高コスト、高消費電力となる。
また光パケットをそのまま空間的にスイッチングするため、同一の時間では入力ポートと出力ポート間がパケットの占有時間で占有されてしまう。このため、同時に受信された複数のパケットを一素子でスイッチングすることが不可能であるという課題があった。
このため空間光スイッチの大規模化、高スループット化、そして低消費電力化には限界があった。
However, the above spatial light switch has the following problems.
First, since the phase of each arrayed waveguide is electrically changed using the electro-optic effect or the carrier effect, a large number of electrodes and an electric control device associated therewith are required, resulting in high cost and high power consumption.
Further, since the optical packet is spatially switched as it is, the input port and the output port are occupied by the occupied time of the packet at the same time. For this reason, there is a problem that it is impossible to switch a plurality of packets received at the same time by one element.
For this reason, there has been a limit to the large-scale space optical switch, high throughput, and low power consumption.
本発明は、上記従来技術に鑑み、光スイッチの大規模化、高スループット化、低消費電力化が可能な、光スイッチ及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical switch and an optical switch system capable of increasing the scale, increasing the throughput, and reducing the power consumption of the optical switch in view of the above-described conventional technology.
上記課題を解決する本発明の光スイッチは、
複数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートのいずれかから光が入力されると、等しい光強度で分配された光が前記出力ポートのそれぞれから出力される入力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと同数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートにそれぞれ入力される各光の相対的な位相差に応じて、複数の前記出力ポートのうち光が出力される一つの出力ポートが定まる出力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと、前記出力用スラブ導波路の前記入力ポートを、それぞれ個別に接続する順に並んで隣接する複数のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路にそれぞれ挿入されており、前記アレイ導波路のうち隣接する一方の端のアレイ導波路から隣接する他方の端のアレイ導波路に向かう毎に、長さが順次一定の長さだけ長くなっている非線形媒質と、
を有し、
前記入力用スラブ導波路の入力ポートには、ポンプ光と、前記ポンプ光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光と同期した信号光が入力され、
前記ポンプ光による前記非線形媒質の屈折率変化に応じて、前記出力用スラブ導波路の複数の出力ポートのうち前記信号光が出力される一つの出力ポートが定まる
ことを特徴とする。
The optical switch of the present invention that solves the above problems is as follows.
An input slab waveguide that includes a plurality of input ports and a plurality of output ports, and outputs light from each of the output ports when light is input from any of the input ports. When,
The same number of input ports as the output ports of the input slab waveguide, and a plurality of output ports, and according to the relative phase difference of each light input to the input port, An slab waveguide for output in which one output port from which light is output is determined,
A plurality of arrayed waveguides adjacent to each other in the order in which the output port of the slab waveguide for input and the input port of the slab waveguide for output are individually connected;
Each time it is inserted into each of the arrayed waveguides, and the length of each of the arrayed waveguides is shifted from the adjacent one of the arrayed waveguides to the adjacent adjacent one of the arrayed waveguides, the length is sequentially constant. A long non-linear medium,
Have
The input light of the input slab waveguide is input with pump light and signal light having a wavelength different from that of the pump light and synchronized with the pump light.
One output port from which the signal light is output is determined among a plurality of output ports of the output slab waveguide according to a change in the refractive index of the nonlinear medium due to the pump light.
また本発明の光スイッチは、前記信号光のパルス幅は、前記ポンプ光のパルス幅に比して狭いことを特徴とする。 In the optical switch of the present invention, the pulse width of the signal light is narrower than the pulse width of the pump light.
また本発明の光スイッチは、前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、前記ポンプ光を除去すると共に前記信号光を透過させる波長フィルタを備えていることを特徴とする。 In the optical switch of the present invention, each of the output ports of the output slab waveguide is provided with a wavelength filter that removes the pump light and transmits the signal light.
また本発明の光スイッチは、前記非線形媒質がニオブ酸リチウムで構成され、
前記入力用スラブ導波路、前記出力用スラブ導波路、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されていることを特徴とする。
In the optical switch of the present invention, the nonlinear medium is composed of lithium niobate,
The input slab waveguide, the output slab waveguide, the arrayed waveguide, and the nonlinear medium are integrated in a quartz-based planar lightwave circuit.
また本発明の光スイッチは、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていることを特徴とする。 The optical switch according to the present invention is characterized in that the arrayed waveguide and the nonlinear medium are monolithically integrated with semiconductor materials having different bandgap wavelengths and waveguide structures.
また本発明の光スイッチは、前記非線形媒質が、フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする。 In the optical switch of the present invention, the nonlinear medium is composed of a photonic crystal.
また本発明の光スイッチは、前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、3R再生器が接続されていることを特徴とする。 In the optical switch of the present invention, a 3R regenerator is connected to each of the output ports of the output slab waveguide.
また本発明の光スイッチシステムは、
前記のいずれかの光スイッチと、
ポンプ光用の短パルス光を発生する第1の短パルス光源と、
前記ポンプ光用の短パルス光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光用の短パルス光と同期した信号光用の短パルス光を発生する第2の短パルス光源と、
光減衰選択器と全光ゲートと光結合器を有すると共に、前記光結合器から出力される光を前記光スイッチの入力ポートに送る複数の光制御回路と、
前記第1の短パルス光源から発生した前記ポンプ光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記ポンプ光用の短パルス光の遅延量を異ならせて複数の前記光減衰選択器にそれぞれ伝播する第1の分岐・遅延回路と、
前記第2の短パルス光源から発生した前記信号光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記信号光用の短パルス光の遅延量を異ならせ、しかも遅延状態が前記第1の分岐・遅延回路における遅延状態と同じにして、複数の前記全光ゲートにそれぞれ伝播する第2の分岐・遅延回路とを有し、
前記光減衰選択器は、それぞれ、前記第1の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記ポンプ光用の短パルス光を複数に分岐すると共に、分岐した前記短パルス光に対して減衰強度を異ならせて減衰し、分岐・減衰した前記パルス光の一つをポンプ光として出力し、
前記全光ゲートは、それぞれ、前記第2の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記信号光用の短パルス光を、外部から入力される光パケット情報に対応した制御光があるときに透過させると共に前記制御光が無いときに減衰させることにより、信号光として出力し、
前記光結合器は、それぞれ、前記光減衰選択器から出力された前記ポンプ光と、このポンプ光に同期した前記全光ゲートから出力された前記信号光とを合波して、前記光スイッチの入力ポートの一つに送ることを特徴とする。
The optical switch system of the present invention is
Any one of the above optical switches;
A first short pulse light source that generates short pulse light for pump light;
A second short pulse light source that generates a short pulse light for signal light having a wavelength different from that of the short pulse light for pump light and synchronized with the short pulse light for pump light;
A plurality of optical control circuits having an optical attenuation selector, an all-optical gate, and an optical coupler, and sending light output from the optical coupler to an input port of the optical switch;
The short pulse light for the pump light generated from the first short pulse light source is branched and propagated to the plurality of optical attenuation selectors with different delay amounts of the branched short pulse light for the pump light. A first branch / delay circuit;
The short pulse light for signal light generated from the second short pulse light source is branched, the amount of delay of the branched short pulse light for signal light is made different, and the delay state is the first branch / delay A second branch / delay circuit that propagates to each of the plurality of all optical gates in the same manner as the delay state in the circuit,
Each of the optical attenuation selectors branches the short pulse light for the pump light propagated by the first branch / delay circuit into a plurality of parts, and has different attenuation intensity with respect to the branched short pulse light. Attenuate and output one of the branched and attenuated pulsed light as pump light,
Each of the all-optical gates transmits the short pulse light for signal light propagated by the second branch / delay circuit when there is control light corresponding to optical packet information inputted from the outside. Attenuate when there is no control light, and output as signal light,
Each of the optical couplers combines the pump light output from the optical attenuation selector and the signal light output from the all-optical gate synchronized with the pump light, and It is sent to one of the input ports.
本発明によれば、電気信号を用いずに光信号により出力ポートをスイッチングし、さらに同時に複数のパケット信号をスイッチングできることにより、大規模化、高スループット化、そして低消費電力化が可能な光スイッチ及び光スイッチシステムを実現することができる。 According to the present invention, an optical switch capable of switching the output port with an optical signal without using an electric signal and simultaneously switching a plurality of packet signals can achieve large scale, high throughput, and low power consumption. In addition, an optical switch system can be realized.
以下、本発明に係る光スイッチ及び光スイッチシステムを、実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an optical switch and an optical switch system according to the present invention will be described in detail based on examples.
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1に係る光スイッチ10を示す。この光スイッチ10は、スイッチファブリック(switch fabric)部100と、複数の3R再生器140を有している。
3R再生器140は、増幅(Re-amplification)、タイミング再生(Re-timing)、波形整形(Re-shaping)という3つの機能を持つ再生器である。
[Example 1]
FIG. 1 shows an
The 3R regenerator 140 is a regenerator having three functions of amplification (Re-amplification), timing reproduction (Re-timing), and waveform shaping (Re-shaping).
スイッチファブリック部100は、入力用スラブ導波路110と、出力用スラブ導波路120と、複数本(本例では11本)のアレイ導波路130a〜130kにより構成されている。
The
入力用スラブ導波路110は、複数(本例では5個)の入力ポート111a〜111eと、複数(本例では11個)の出力ポート112a〜112kを備えている。
この場合、入力ポート111a〜111eのうちのいずれか一つから光が入力されると、等しい光強度で分配された光が、各出力ポート112a〜112kから出力されるように、入力用スラブ導波路110の分配特性が設計されている。
The
In this case, when light is input from any one of the
出力用スラブ導波路120は、複数(本例では5個)の出力ポート121a〜121eと、複数(本例では11個)の入力ポート122a〜122kを備えている。
この場合、各入力ポート122a〜122kに入力される各光の相対的な位相差に応じて、入力した各光が干渉して集光していく一つの出力ポート(出力ポート121a〜121eのうちの何れか一つの出力ポート)が定まるように、出力用スラブ導波路120の集光特性が設計されている。
The
In this case, according to the relative phase difference of each light input to each
入力用スラブ導波路110の各出力ポート112a〜112kと、出力用スラブ導波路120の各入力ポート122a〜122kは、順に並んで隣接する複数のアレイ導波路130a〜130kにより、それぞれ個別に接続されている。
即ち、入力用スラブ導波路110の各出力ポート112a〜112kにアレイ導波路130a〜130kの入力端が接続され、出力用スラブ導波路120の各入力ポート122a〜122kにアレイ導波路130a〜130kの出力端が接続されている。
The
That is, the input ends of the arrayed
アレイ導波路130a〜130kは、同じ長さに設定されている。ただし、物理的なレイアウトの制約等でアレイ導波路長を同じ長さにしない場合には、予め決められた一定の長さだけ異ならせることができる。例えば、最も上側にあるアレイ導波路130aが最も短く、下側のアレイ導波路130kに向かう毎に、各アレイ導波路が順次、一定の長さだけ長くなるようにする。ここでは説明を簡潔にするため、アレイ導波路130a〜130kは同じ長さに設定する。
The arrayed
更に、各アレイ導波路130a〜130kには、それぞれ個別に、長さの異なる非線形媒質131a〜131kが挿入されている。
例えば、図1において最も上側にある一方のアレイ導波路130aの非線形媒質131aの長さが最も短く、図1において最も下側にある他方のアレイ導波路130kの非線形媒質131kの長さが最も長くなるように、上側の非線形媒質131aから下側の非線形媒質131kに向かう毎に、各非線形媒質長が順次、一定の長さだけ長くなっている。これにより、アレイ導波路130a〜130kの各出力端からは、位相差が付いた光が出力される。
Furthermore,
For example, the length of the nonlinear medium 131a of the one
非線形媒質131a〜131kでは、電界を印加すると、カー効果により印加電界強度に応じて屈折率が変化することが知られている。この効果により、強い光を入射した場合に生じる電界、即ちカー効果を引き起す電界が光電界のときであっても、同様に屈折率を変化させることができる。したがって、光カー効果によって非線形媒質131a〜131kの屈折率を変化させれば、そこを通過する光、即ち信号光(後述)の位相を所定の値に変化させることができる。この現象は非常に高速であるため、短パルス幅となっている信号光であっても、十分に位相変化をさせることができる。
In the
入力用スラブ導波路110の入力ポート111a〜111eのうちの任意の一つの入力ポート(例えば入力ポート111c)には、ポンプ光PPと信号光PSが入力される。
ポンプ光PPは、予め決めた一定の周期をもつ短パルス光である。信号光PSは、ポンプ光PPと同期しており、且つ論理レベルが1のときのみに短パルス光を持つものである。
なお、ポンプ光PPのパルス幅は例えば1.6psとなっており、信号光PSのパルス幅は例えば1.4psとなっている。つまり、信号光PSのパルス幅は、ポンプ光PPのパルス幅よりも狭くなっている。また、ポンプ光PPと信号光PSの波長は異なっている。
Pump light P P and signal light P S are input to any one of the
The pump light P P is short pulse light having a predetermined constant period. The signal light P S is synchronized with the pump light P P and has short pulse light only when the logic level is 1.
The pulse width of the pump light P P is a example 1.6 ps, a pulse width of the signal light P S has a example 1.4Ps. That is, the pulse width of the signal light P S is narrower than the pulse width of the pump light P P. The wavelengths of the pump light P P and the signal light P S are different.
複数(本例では5個)の3R再生器140は、それぞれ個別に、出力用スラブ導波路120の出力ポート121a〜121eに接続されている。
なお、図示はしていないが、出力用スラブ導波路120の各出力ポート121a〜121eの後段で、且つ、各3R再生器140の前段に、ポンプ光PPを除去すると共に信号光PSを透過させる波長フィルタをそれぞれ設置している。
A plurality (five in this example) of
Although not shown in the figure, the pump light P P is removed and the signal light P S is passed through the
次に、上記構成となっている光スイッチ10の動作について説明する。
Next, the operation of the
短パルス光であるポンプ光PPと信号光PSは、入力用スラブ導波路110の入力ポート111a〜111eのうちの任意の一つの入力ポート(例えば入力ポート111c)に入力されると、等しい光強度で出力ポート112a〜112kに分配され、更に各アレイ導波路130a〜130kに入力される。
The pump light P P and the signal light P S that are short pulse lights are equal when input to any one of the
短パルス光が各アレイ導波路130a〜130kを伝播する際の動作を、ポンプ光PPがある場合と、ポンプ光PPがない場合とに分けて説明すると、以下の通りである。
The operation when the short pulse light propagates through each of the arrayed
まず、ポンプ光PPがない場合、即ち非線形媒質131a〜131kにおいて屈折率変化がない場合を考える。
この場合では、各アレイ導波路130a〜130kの入力端から出力端まで各信号光PSが伝播することにより、各信号光PSは、出力用スラブ導波路120にそれぞれ入力される。
各信号光PSは、出力用スラブ導波路120内で干渉し、所定の出力ポート(出力ポート121a〜121eのうち何れか一つの出力ポート)で集光されて出力される。ここでは、例えば図1で一番上の出力ポート121aから出力される。
First, let us consider a case where there is no pump light P P, that is, a case where there is no refractive index change in the
In this case, each signal light P S propagates from the input end to the output end of each of the arrayed
Each signal light P S interferes with the
次に、ポンプ光PPがある場合、即ち非線形媒質131a〜131kにおいて屈折率変化がある場合を考える。
このとき、各アレイ導波路130a〜130kの非線形媒質131a〜131kで与えられる屈折率変化は、ポンプ光PPの強度と非線形媒質131a〜131kの長さに対応する。
Next, consider the case where there is pump light P P, that is, the case where there is a refractive index change in the
At this time, the refractive index change given by the nonlinear medium 131A~131k of each arrayed
前述したように、非線形媒質131a〜131kの長さを、図1において上側(非線形媒質131a)から下側(非線形媒質131k)にいくほど長くなるように設定しているため、ポンプ光PPの入力に伴い非線形媒質131a〜131kで屈折率変化が生じると、アレイ導波路130a〜130kのうち下側のものほど導波路長が等価的に長くなったようになる。
このため、各アレイ導波路130a〜130kから出力してきた各信号光PSを、出力用スラブ導波路120で干渉させると、先ほどの屈折率変化がない場合と比べて、信号光PSは、図1において、一番上の出力ポート121aよりも下側の出力ポートに集光される。
As described above, the length of the nonlinear medium 131A~131k, since the set to be longer toward the lower side (nonlinear medium 131k) from above (nonlinear medium 131a) in FIG. 1, the pump light P P When the refractive index change occurs in the
For this reason, when each signal light P S output from each of the arrayed
この集光位置、即ち信号光PSが集光して出力する出力ポート121a〜121eは、非線形媒質131a〜131kにおける屈折率変化量を調整することで変化させることができる。即ち、ポンプ光PPの強度と非線形媒質131a〜131kの長さを所望の値に設定することで、調整することができる。
したがって、予め非線形媒質131a〜131kの長さを所望の長さで設置し、ポンプ光PPの強度を調整することで、信号光PSを出力ポート121a〜121eのうちの任意の出力ポートから出力させることができる。
The condensing position, that is, the
Accordingly, by setting the lengths of the
出力ポート121a〜121eのうちの一つの出力ポートから出力された信号光PSは、波長フィルタを通過した後、3R再生器140により3R再生され所望の変調フォーマットに再生される。
The signal light P S output from one of the
次に、図2を用いて、非線形媒質の長さの具体的な設計手法を説明する。
ここでは入力ポートと出力ポートとスラブ導波路とアレイ導波路と非線形媒質の導波路から構成されたスイッチ構造で、出力ポートをスイッチングするために必要な屈折率変化量、即ち信号光が受ける位相変化量を求めればよい。
Next, a specific design method for the length of the nonlinear medium will be described with reference to FIG.
Here, a switch structure composed of an input port, an output port, a slab waveguide, an arrayed waveguide, and a nonlinear medium waveguide, the refractive index change necessary for switching the output port, that is, the phase change that the signal light receives Find the amount.
非特許文献2に示されているように、図2のアレイ導波路格子に類似した構造では、アレイ導波路を伝搬した光を1つの出力ポートに集光するため、隣接したi番目とi-1番目のアレイ導波路で下式を満足する必要がある。
ここで、βs、βc,L、βc,NLはそれぞれ、スラブ導波路、アレイ導波路、非線形媒質の導波路の伝搬定数、fjはスラブ導波路の曲率半径、ljはアレイ導波路間隔、xjは入出力ポートのスラブ導波路の中心からの距離、λ0は信号光波長、Lcはアレイ導波路長であり、ΔLは非線形媒質導波路の隣接したアレイ導波路間での長さの差でアレイ導波路が図の下にいくに従って長さが長くなる。なお添え字jは1が入力側、2が出力側を示している。上式を整理すると下式が得られる。
ここで、上式をポンプ光強度Ppumpで微分して、位相変化による出力ポート位置の変移をΔx2とし、非線形媒質での位相変化量をψNLで表すと下式になり、非線形媒質での位相変化により出力ポートを別のポートに切り替えるためには下式を満たす必要がある。
ここでnsはスラブ導波路の屈折率である。ここで、具体的に
ここでアレイ導波路の本数を16本と設計すると、最も長い非線形媒質の導波路では、下式のように0.135πの位相変化量が必要になる。
さらにスイッチの入出力ポート数を8×8と設計すると、1番目のポートから8番目のポートにスイッチする場合には、下記のように0.95πの位相変化量が必要になる。
一方、光カー効果による屈折率変化とそれに伴う非線形媒質の導波路で必要な最大の位相変化量は、非線形屈折率n2、ポンプ光強度Ppumpを用いて下式のように表せる。
ここで、半導体材料のAlGaAsで作製された非線形媒質の導波路として設計する。非特許文献3より、n2=3.8×10-13cm2/Wであることが示されている。非線形媒質の導波路を幅w=1.5μm、厚さt=0.1μm、Ppump=3.5Wに設計すると、Lmax=831μmとなり、ΔLは16分の一の52μmに設定すればよい。 Here, it is designed as a waveguide of a nonlinear medium made of semiconductor material AlGaAs. Non-Patent Document 3 shows that n 2 = 3.8 × 10 −13 cm 2 / W. If the waveguide of the nonlinear medium is designed to have a width w = 1.5 μm, a thickness t = 0.1 μm, and P pump = 3.5 W, Lmax = 831 μm and ΔL may be set to 52 μm, which is 1/16.
したがって、スイッチングには各アレイ導波路にPpump=3.5Wが必要で、ポンプ光のパルス幅を1.6ps、信号光のパルス幅を1.4ps程度とし、入力ポートから各非線形媒質までの挿入損失を3dBと設計すると、ポンプ光強度は最大で112Wあればスイッチングすることができる。これはパルスをi番目のポートに出力したい場合は上記の (i-1)/7倍のポンプ光を入力すればよい。 Therefore, switching requires P pump = 3.5 W in each array waveguide, the pump light pulse width is set to 1.6 ps, the signal light pulse width is set to about 1.4 ps, and insertion loss from the input port to each nonlinear medium is reduced. If the design is 3 dB, switching is possible if the pump light intensity is 112 W at maximum. In order to output a pulse to the i-th port, it is only necessary to input the above (i-1) / 7 times pump light.
以上のように、アレイ導波路の総本数をk本とし、各アレイ導波路へ入射するポンプ光パワーがPpumpであるときの、所望の出力ポートへ信号光を出力させるために必要な非線形媒質導波路の最大長をLmaxとすると、隣接する非線形媒質導波路間の長さの差ΔLは、
ΔL=Lmax/k
となるようにすればよいことが分かる。
As described above, when the total number of arrayed waveguides is k, and the pump light power incident on each arrayed waveguide is P pump , a nonlinear medium necessary for outputting signal light to a desired output port If the maximum length of the waveguide is Lmax, the length difference ΔL between adjacent nonlinear medium waveguides is
ΔL = Lmax / k
It can be seen that
最後に出力ポートから出射された信号光と残留しているポンプ光を、例えば波長フィルタで分離した後、光信号を3R再生(増幅、タイミング再生、波形整形)できる3R再生器で所望の変調フォーマットに再生すれば、光信号を空間的にスイッチングすることができる。 Finally, the signal light emitted from the output port and the remaining pump light are separated by, for example, a wavelength filter, and then the desired modulation format is obtained by a 3R regenerator capable of 3R regeneration (amplification, timing regeneration, waveform shaping). Thus, the optical signal can be spatially switched.
ここで、光挿入損失を低減して、かつ波長フィルタで信号光と残留したポンプ光を波長フィルタで効率よく分離するため、信号光とポンプ光の波長は各導波路および非線形媒質の吸収端波長より長く、且つ波長フィルタの透過帯域以上に離して設定すればよい。例えば、非線形媒質吸収端波長を1400nmに設定し、信号光波長を1550nm、ポンプ光波長を1547nmに設定し、波長フィルタの透過帯域の1550nmを中心に3nmとすれば、容易に信号光を分離できる。 Here, in order to reduce the optical insertion loss and to efficiently separate the signal light and the remaining pump light with the wavelength filter with the wavelength filter, the wavelength of the signal light and the pump light is the absorption edge wavelength of each waveguide and nonlinear medium. What is necessary is just to set longer and more than the transmission band of a wavelength filter. For example, if the nonlinear medium absorption edge wavelength is set to 1400 nm, the signal light wavelength is set to 1550 nm, the pump light wavelength is set to 1547 nm, and the transmission band of the wavelength filter is set to 3 nm around the transmission band, the signal light can be easily separated. .
このとき、信号光のパルス幅をポンプ光より狭くしておくことで、信号光のパルス幅全体で屈折率変化を起こすようにしておくと、信号光の波形歪が生じにくくなる利点がある。 At this time, if the pulse width of the signal light is made narrower than that of the pump light so that the refractive index change occurs over the entire pulse width of the signal light, there is an advantage that the waveform distortion of the signal light is less likely to occur.
このような構造を用いることで、空間光スイッチの中核部分、即ちスイッチファブリック部は、受動光回路のみで構成できるため、消費電力が高い電気駆動回路や、製造コストの高い複雑な配線構造などが不要になる。
また波長変換機能を用いないので、高速な波長可変レーザなどが必要なく、多ポート化などの拡張性が高い。但し、ポート数は出力ポートでのクロストークや3R再生回路の受信感度なども考慮する必要がある。
また、この空間光スイッチを多段に接続することで、さらなる多ポート化も可能になる。
By using such a structure, the core part of the space optical switch, that is, the switch fabric part, can be composed of only passive optical circuits, so there are electric drive circuits with high power consumption and complicated wiring structures with high manufacturing costs. It becomes unnecessary.
In addition, since the wavelength conversion function is not used, a high-speed wavelength tunable laser or the like is not necessary, and expandability such as multi-ports is high. However, the number of ports must also take into account crosstalk at the output port, reception sensitivity of the 3R reproduction circuit, and the like.
Further, the number of ports can be increased by connecting the space optical switches in multiple stages.
[実施例2]
次に本発明の実施例2に係る光スイッチシステム200を、図3を参照しつつ説明する。
この光スイッチシステム200は、図1に示す光スイッチ10の中核部分であるスイッチファブリック部100と同様な構成のスイッチファブリック部100aと、このスイッチファブリック部100aに入力するポンプ光及び信号光を生成する部分とにより構成されている。
[Example 2]
Next, an
The
更に詳述すると、図3に示す光スイッチシステム200は、複数(本例では11個)の入力ポート111a〜111kと11個の出力ポート(図示省略)を持つスイッチファブリック部100aと、複数(本例では11個)の光制御回路210−1〜210−11と、ポンプ光用モードロックレーザ(Pump MLL)221と、波形整形器(Pump Pulse Shaper)222と、信号用モードロックレーザ(Signal MLL)223と、波形整形器(Signal Pulse Shaper)224と、分岐・遅延機能を有する第1の分岐・遅延回路である第1の光ファイバ回路231と、分岐・遅延機能を有する第2の分岐・遅延回路である第2の光ファイバ回路232とにより構成されている。
More specifically, the
ポンプ光用モードロックレーザ221と波形整形器222により、ポンプ光PPの基となる短パルス光PPSを生成する第1の短パルス光源が構成されている。
また、信号用モードロックレーザ223と波形整形器224により、信号光PSの基となる短パルス光PSSを生成する第2の短パルス光源が構成されている。
スイッチファブリック部100aは、図1に示すスイッチファブリック部100に対して、入出力ポートの数は異なるが、その他の構成及びスイッチング機能は同一である。
The mode pump light locked
The signal mode-locked
The
各光制御回路210−1〜210−11は、それぞれ、光減衰選択器(Attenuation selector)211と、全光ゲート(All-optical Gate)212と、光結合器(combiner)213を有している。
Each of the optical control circuits 210-1 to 210-11 includes an
ポンプ光用モードロックレーザ221は、ポンプ光PPの基となる短パルス光PPSを生成する。生成された短パルス光PPSは、必要に応じて波形整形器222により波形整形される。波形整形された短パルス光PPSは、光ファイバ回路231により伝播・分岐されて、各光制御回路210−1〜210−11の光減衰選択器211に遅延量を異ならせてそれぞれ入力(分配)される。
The pump light mode-locked
このとき、光ファイバ回路231により伝播され分岐されて、各ポートの各光制御回路210−1〜210−11の光減衰選択器211に分配されていく各短パルス光PPSは、少なくとも各ポート間で短パルス光PPSのパルス幅以上の間隔(時間ずれ)を持ち、且つ、各ポートの短パルス光PPSを基に生成したポンプ光PPがスイッチファブリック部100aに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路231の回路構成(分岐部の位置や、遅延量を規定するファイバ長など)を調整している。
At this time, been propagated branched by an
各光制御回路210−1〜210−11に入力された短パルス光PPSは、光減衰選択器211において、まず分岐され、次に分岐された各短パルス光PPSはそれぞれパケット長全域で減衰強度が異なって調整され、更に複数の光強度(減衰強度)の各短パルス光PPSの中から一つが選択され、選択された一つの短パルス光PPSがポンプ光PPとして光結合器213に送られる。
異なる減衰強度で調整された複数の短パルス光PPSの中から選択された一つのポンプ光PPの光強度は、スイッチファブリック部100aの所定の出力ポートから光が出力されるように、非線形媒質の屈折率変化を生成する強度となっている。
Pulsed light P PS input to the optical control circuit 210-1~210-11 is the
Different light intensities of the selected one of the pump light P P from the attenuated intensity is adjusted a plurality of short optical pulses P PS, as the light from a predetermined output port of the
信号光用モードロックレーザ223は、ポンプ光用モードロックレーザ221と同期しており、信号光PSの基となる短パルス光PSSを生成する。この短パルス光PSSは、ポンプ光用モードロックレーザ221にて生成される短パルス光PpSと同期し、波長は異なっている。
生成された短パルス光PSSは、必要に応じて波形整形器224により波形整形される。波形整形された短パルス光PSSは、光ファイバ回路232により伝播・分岐されて、各光制御回路210−1〜210−11の全光ゲート212に遅延量を異ならせてそれぞれ入力(分配)される。
The signal light mode-locked
The generated short pulse light P SS is shaped by the
このとき、光ファイバ回路232により伝播され分岐されて、各ポートの各光制御回路210−1〜210−11の全光ゲート212に分配されていく短パルス光PSSは、少なくとも各ポート間で短パルス光PSSのパルス幅以上の間隔(時間ずれ)を持ち、且つ、各ポートの短パルス光PSSを基に生成した信号光PSがスイッチファブリック部100aに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路232の回路構成(分岐部の位置や、遅延量を規定するファイバ長など)を調整している。
At this time, the short pulse light P SS propagated and branched by the
したがって、各ポートのポンプ光PPと信号光PSは時間軸上で重なっていて、且つ異なるポートのそれらとは重なっていない。 Therefore, the pump light P P and the signal light P S at each port overlap on the time axis, and do not overlap those at different ports.
短パルス光PSSは全光ゲート212に入力され、光パケット情報に対応した制御光PCを用いて、論理レベルが1のとき透過し、論理レベル0のとき減衰する。これにより、全光ゲート212から出力される信号光PSは、論理レベルが1のとき光が存在し、論理レベル0のとき光が存在しない。
Pulsed light P SS is input to all-
全光ゲート212としては、例えば、電界吸収型変調器の相互吸収変調(XAM:Cross Absorption Modulation)を用いれば良い。また論理レベルは、3R回路で反転させることもできるので、反転、即ち論理レベルが0のとき透過していても良い。
As the all-
ポンプ光PPと信号光PSは光結合器213で合波され、スイッチファブリック部100aの各入力ポート111a〜111kに入力される。
The pump light P P and the signal light P S are combined by the optical coupler 213 and input to the
以降は前記で述べた方法で、スイッチファブリック部100aにてスイッチングが行われ、所望のパケットの信号光PSが所望の出力ポートから出力される。
In the manner described in the above since the switching is performed in the
前述したように、
(1) 各ポートの光減衰選択器211に入力されていく短パルス光PPSは、少なくとも各ポート間で短パルス光PPSのパルス幅以上の間隔(時間ずれ)を持ち、且つ、各ポートの短パルス光PPSを基に生成したポンプ光PPがスイッチファブリック部100aに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路231の回路構成を調整しており、
(2) 各ポートの全光ゲート212に入力されていく短パルス光PSSは、少なくとも各ポート間で短パルス光PSSのパルス幅以上の間隔(時間ずれ)を持ち、且つ、各ポートの短パルス光PSSを基に生成した信号光PSがスイッチファブリック部100aに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路232の回路構成を調整している。
(3) しかも、各ポートのポンプ光PPと信号光PSは時間軸上で重なっていて、且つ異なるポートのそれらとは重なっていない。
As previously mentioned,
(1) short-pulse light P PS going inputted to the
(2) The short pulse light P SS input to the all-
(3) Moreover, the pump light P P and the signal light P S at each port overlap on the time axis and do not overlap those at different ports.
これにより時分割多重方式で同時に受信したパケット情報をスイッチングすることができる。例えば、信号速度が40Gb/s(1ビットが25ps)で短パルス幅が500fsの場合、各ポート間の短パルスの間隔を1psとすると、同時に25個の信号を相互の悪影響なく処理できる。
即ち、複数のポートからパケットが入力されても、お互いに影響することなく時分割多重方式で処理が行われる。
Thereby, the packet information received simultaneously by the time division multiplexing method can be switched. For example, when the signal speed is 40 Gb / s (1 bit is 25 ps) and the short pulse width is 500 fs, if the short pulse interval between each port is 1 ps, 25 signals can be processed simultaneously without any adverse effects.
In other words, even if packets are input from a plurality of ports, the processing is performed by the time division multiplexing method without affecting each other.
スイッチファブリック部100aのアレイ導波路に挿入した非線形媒質は、非線形効果が大きく、作製コストが低いことが望ましい。したがって、非線形媒質の材料としては、AlGaAsをはじめとする半導体、ニオブ酸リチウムをはじめとする誘電体材料、さらにはフォトニック結晶構造を持つ材料でもよい。
It is desirable that the nonlinear medium inserted into the arrayed waveguide of the
上記の構造は作製コストが低い材料で実現されることが望ましい。したがって、石英系の平面光回路、半導体の平面光回路、誘電体の平面光回路でもよい。さらにそれらでモノリシック、もしくはハイブリッドで集積しても良い。
例えば、入力用スラブ導波路、出力用スラブ導波路、アレイ導波路、及び非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されて構成されていても良い。
また、アレイ導波路及び非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていてもよい。
The above structure is desirably realized by a material with low manufacturing cost. Therefore, a quartz-based planar optical circuit, a semiconductor planar optical circuit, or a dielectric planar optical circuit may be used. Furthermore, they may be monolithically or hybridly integrated.
For example, an input slab waveguide, an output slab waveguide, an arrayed waveguide, and a nonlinear medium may be integrated in a silica-based planar lightwave circuit.
Further, the arrayed waveguide and the nonlinear medium may be monolithically integrated with semiconductor materials having different band gap wavelengths and waveguide structures.
10 光スイッチ
100,100a スイッチファブリック部
110 入力用スラブ導波路
120 出力用スラブ導波路
130a〜130k アレイ導波路
131a〜131k 非線形媒質
140 3R再生器
200 光スイッチシステム
210−1〜210−11 光制御回路
211 光減衰選択器
212 全光ゲート
213 光結合器
221 ポンプ光用モードロックレーザ
222 波形整形器
223 信号光用モードロックレーザ
224 波形整形器
231,232 分岐遅延回路である光ファイバ回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと同数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートにそれぞれ入力される各光の相対的な位相差に応じて、複数の前記出力ポートのうち光が出力される一つの出力ポートが定まる出力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと、前記出力用スラブ導波路の前記入力ポートを、それぞれ個別に接続する順に並んで隣接する複数のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路にそれぞれ挿入されており、前記アレイ導波路のうち隣接する一方の端のアレイ導波路から隣接する他方の端のアレイ導波路に向かう毎に、長さが順次一定の長さだけ長くなっている非線形媒質と、
を有し、
前記入力用スラブ導波路の入力ポートには、ポンプ光と、前記ポンプ光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光と同期した信号光が入力され、
前記ポンプ光による前記非線形媒質の屈折率変化に応じて、前記出力用スラブ導波路の複数の出力ポートのうち前記信号光が出力される一つの出力ポートが定まる
ことを特徴とする光スイッチ。 An input slab waveguide that includes a plurality of input ports and a plurality of output ports, and outputs light from each of the output ports when light is input from any of the input ports. When,
The same number of input ports as the output ports of the input slab waveguide, and a plurality of output ports, and according to the relative phase difference of each light input to the input port, An slab waveguide for output in which one output port from which light is output is determined,
A plurality of arrayed waveguides adjacent to each other in the order in which the output port of the slab waveguide for input and the input port of the slab waveguide for output are individually connected;
Each time it is inserted into each of the arrayed waveguides, and the length of each of the arrayed waveguides is shifted from the adjacent one of the arrayed waveguides to the adjacent adjacent one of the arrayed waveguides, the length is sequentially constant. A long non-linear medium,
Have
The input light of the input slab waveguide is input with pump light and signal light having a wavelength different from that of the pump light and synchronized with the pump light.
One optical port from which the signal light is output is determined among a plurality of output ports of the output slab waveguide according to a change in refractive index of the nonlinear medium due to the pump light.
前記信号光のパルス幅は、前記ポンプ光のパルス幅に比して狭いことを特徴とする光スイッチ。 In claim 1,
The optical switch characterized in that the pulse width of the signal light is narrower than the pulse width of the pump light.
前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、前記ポンプ光を除去すると共に前記信号光を透過させる波長フィルタを備えていることを特徴とする光スイッチ。 In claim 1 or claim 2,
Each of the output ports of the slab waveguide for output is provided with a wavelength filter that removes the pump light and transmits the signal light.
前記非線形媒質がニオブ酸リチウムで構成され、
前記入力用スラブ導波路、前記出力用スラブ導波路、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されていることを特徴とする光スイッチ。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The nonlinear medium is composed of lithium niobate;
An optical switch, wherein the input slab waveguide, the output slab waveguide, the arrayed waveguide, and the nonlinear medium are integrated in a quartz-based planar lightwave circuit.
前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていることを特徴とする光スイッチ。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
An optical switch characterized in that the arrayed waveguide and the nonlinear medium are monolithically integrated with semiconductor materials having different bandgap wavelengths and waveguide structures.
前記非線形媒質が、フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする光スイッチ。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
An optical switch, wherein the nonlinear medium is composed of a photonic crystal.
前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、3R再生器が接続されていることを特徴とする光スイッチ。 In any one of Claims 1 thru | or 6,
An optical switch, wherein a 3R regenerator is connected to each of the output ports of the output slab waveguide.
ポンプ光用の短パルス光を発生する第1の短パルス光源と、
前記ポンプ光用の短パルス光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光用の短パルス光と同期した信号光用の短パルス光を発生する第2の短パルス光源と、
光減衰選択器と全光ゲートと光結合器を有すると共に、前記光結合器から出力される光を前記光スイッチの入力ポートに送る複数の光制御回路と、
前記第1の短パルス光源から発生した前記ポンプ光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記ポンプ光用の短パルス光の遅延量を異ならせて複数の前記光減衰選択器にそれぞれ伝播する第1の分岐・遅延回路と、
前記第2の短パルス光源から発生した前記信号光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記信号光用の短パルス光の遅延量を異ならせ、しかも遅延状態が前記第1の分岐・遅延回路における遅延状態と同じにして、複数の前記全光ゲートにそれぞれ伝播する第2の分岐・遅延回路とを有し、
前記光減衰選択器は、それぞれ、前記第1の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記ポンプ光用の短パルス光を複数に分岐すると共に、分岐した前記短パルス光に対して減衰強度を異ならせて減衰し、分岐・減衰した前記パルス光の一つをポンプ光として出力し、
前記全光ゲートは、それぞれ、前記第2の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記信号光用の短パルス光を、外部から入力される光パケット情報に対応した制御光があるときに透過させると共に前記制御光が無いときに減衰させることにより、信号光として出力し、
前記光結合器は、それぞれ、前記光減衰選択器から出力された前記ポンプ光と、このポンプ光に同期した前記全光ゲートから出力された前記信号光とを合波して、前記光スイッチの入力ポートの一つに送ることを特徴とする光スイッチシステム。 An optical switch according to any one of claims 1 to 7,
A first short pulse light source that generates short pulse light for pump light;
A second short pulse light source that generates a short pulse light for signal light having a wavelength different from that of the short pulse light for pump light and synchronized with the short pulse light for pump light;
A plurality of optical control circuits having an optical attenuation selector, an all-optical gate, and an optical coupler, and sending light output from the optical coupler to an input port of the optical switch;
The short pulse light for the pump light generated from the first short pulse light source is branched and propagated to the plurality of optical attenuation selectors with different delay amounts of the branched short pulse light for the pump light. A first branch / delay circuit;
The short pulse light for signal light generated from the second short pulse light source is branched, the amount of delay of the branched short pulse light for signal light is made different, and the delay state is the first branch / delay A second branch / delay circuit that propagates to each of the plurality of all optical gates in the same manner as the delay state in the circuit,
Each of the optical attenuation selectors branches the short pulse light for the pump light propagated by the first branch / delay circuit into a plurality of parts, and has different attenuation intensity with respect to the branched short pulse light. Attenuate and output one of the branched and attenuated pulsed light as pump light,
Each of the all-optical gates transmits the short pulse light for signal light propagated by the second branch / delay circuit when there is control light corresponding to optical packet information inputted from the outside. Attenuate when there is no control light, and output as signal light,
Each of the optical couplers combines the pump light output from the optical attenuation selector and the signal light output from the all-optical gate synchronized with the pump light, and An optical switch system characterized by being sent to one of the input ports.
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