JP2816691B2 - 光スイッチアセンブリー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般に光スイッチ特に自由空間で光信号を交
換する光スイッチアセンブリーに関する。

背景技術 光導波路の光信号をスイッチするためには２×２の方
向性結合器が使用される。このような導波路方向性結合
器の問題はこれを入出力で光結合するときの電力損失で
ある。この結果として、これらの方向性結合器を含むス
イッチマトリクスの大きさが制約される。このような方
法性結合器のひとつとして、リチウムニオブのクロスバ
結合器があり、これは長い物理的構造を有している。こ
の結果として、このクロスバ結合器を含む大形のスイッ
チマトリクスを作るには物理的に折り曲げる必要があ
り、このために電力損失が増大することになる。

導波路を使わないで、自由空間の中で光信号をひとつ
の列の任意の位置から、単一の行の選択された位置にス
イッチする光クロスバスイッチも知られている。セレク
タ／デコーダの２次元の配列が典型的に二つのレンズの
間に設けられてこのクロスバ光スイッチを実現する。し
かし、この光スイッチは光信号を１次元でスイッチす
る。すなわち、単一の列から単一の行へ、またこの逆方
向へスイッチする動作に限定されている。

これらの従来技術の光クロスバスイッチの単一の段で
は光ファイバで受信された直列のビットを並べ換えるよ
うな時分割光交換を実現することができる。このような
光スイッチを１段使用して、直列のビットの流れを１本
の入力ファイバから選択された出力ファイバにスイッチ
するような空間分割交換を実現することもできる。さら
に、これらの光スイッチを何段か相互接続して空間・時
間交換を実行することもできる。しかし、これらの光ク
ロスバスイッチの問題はこれを組合わせて、単一の段で
空間および時間分割の組合わせた交換実行することがで
きないということである。

発明の要約 本発明の図示の実施例においては、２次元の入力配
列、ディストリビュータ、２次元の出力配列を有する自
由空間光スイッチアセンブリーによって、光情報信号を
入力配列の選択された行から出力配列の選択された行に
スイッチすることによって上述の問題と関連する欠点が
解決される。またスイッチには時間的に分離された光情
報信号の直列のビット列を入力配列に記憶された空間的
に分離された並列のビット情報に変換するための入力シ
ステムを含んでいる。この結果として、単一の交換段で
光信号の空間スイッチと時間スイッチの両方を実行でき
るという大きな技術上の進歩が実行できることになる。
さらに、この光スイッチアセンブリーは光源の配列の行
のような２次元の光信号を有利に交換することができ
る。本発明の光スイッチのディストリビュータは電界パ
ターンを空間的に分配し、この結果として、例えば、複
数の入力位置の内の任意の位置からの光信号を出力電界
パターンにして、複数の出力位置のすべてを照らして、
出力の電界パターンの大きさを入力電界パターンのフー
リエ変換にすることができる。ディストリビュータは、
例えば、入力位置の配列の選択された行からの個々の列
の光信号をその光軸と出力配列の対応する列の中心に関
して中心を合わせて分散し、個々の対応する出力列の各
位置を照らすようにすることができる。入力列における
光信号の垂直位置には無関係に同一の結果が得られる。
選択された入力配列の行の他の列から発された各々の光
信号についても同様の結果が得られる。

光スイッチアセンブリーにさらに含まれるのは選択さ
れた入力位置から選択的に光入力信号を放出するための
各入力位置に設けられたエンコーダである。エンコーダ
は選択された光信号がディストリビュータを通過する順
序を制御する。入力位置が行および列状に配置された図
示の実施例においては、エンコーダは一時に空間的に分
離された光信号のひとつの行を選択的に発光させてディ
ストリビュータに光を与える。

スイッチの入力システムは例えば複数の入力光ファイ
バからの光情報信号の時間的に分離された直列のビット
列を空間的に分離された情報ビットパターンに変換する
光入力シフトレジスタの行を持つ配列と、各シフトレジ
スタの行からの空間的に分離した情報ビットパターンを
記憶するための行を持つ入力記憶配列を含んでいる。例
えば、光ファイバからの直列の時間的に分離された情報
は同時にシフトレジスタの行のグループの一端に同時に
与えられる。各々のタイムスロットすなわち時間周期の
グループの中のひとつのシフトレジスタだけに時間的に
分離した情報信号が受信されて行の全長にわたって空間
的に分離した情報をシフトすることができるようにな
る。即ち、直列データ流から送信器にＭワード到達した
ときに各ワードがＭ個のシフトレジスタの別々のものに
シフトされる。各々の連続的なタイムスロットの間に他
の個々のシフトレジスタの行が付勢されて、そのタイム
スロットの情報を受信してシフトする。グループ中のす
べてのシフトレジスタの行に情報が与えられたあと、す
べての行の空間的に分離した情報ビットは全体として並
列に転送されて入力記憶配列に与えられる。

時間的に分離した情報を空間的に分離した情報に変換
するのに加えて、この入力システムの他の利点は、情報
を蓄積した入力記憶配列は例えば、１フレーム分の空間
的に分離した情報の全配列をエンコーダ配列に与えて、
ディストリビュータに選択的に与えているのと同時に、
シフトレジスタ配列に対しては光入力ファイバから時間
的に分離した情報の連続した時間フレームを与えること
ができる。

この時間・空間変換の重要な結果として、シフトレジ
スタ配列だけが、時間的に分離された情報のデータ速度
に対して作用することができることがある。入力記憶配
列、デコーダおよびディストリビュータは時間的情報よ
り低い動作速度で動作することができる。

出力位置に分配される光信号の信号対雑音比を改善す
るために、デコーダ配列はその光デバイスの位置を周期
的に配置しており、例えば、入力配列を行と列に配置
し、光信号を選択されたデバイスあるいはデバイスの行
から放出するようにする。出力配列の列の分配された光
出力信号の信号対雑音比は入力配列の列中のエンコーダ
デバイスの間の距離を減少しても、エンコーダデバイス
の放出領域の形状を制御することによって従来技術のス
イッチに比べて大幅に改善される。例えば、双安定エン
コーダデバイスのコントラスト比は1.5から2.0程度に低
いこともあるから、これは本発明の光スイッチの特記す
べき利点となる。光素子の双安定導通状態と非導通状態
の間に無限のコントラスト比が存在しなくても、入力列
の各素子の光の雑音信号は選択された光情報と先に空間
的に出力配列に分配される。エンコーダは各々の光雑音
信号の入力電界パターンへの寄与分を有利に制御し、そ
のフーリエ変換を各々の出力配列の列の全体の高さにわ
たって分布する所定の出力電界パターンに帰着させるよ
うにする。ディストリビュータへの入力スポットの強度
分布は、エンコーダにおける変調器の大きさと形状によ
って規定されることが知られており、そしてディストリ
ビュータによって遂行されるフーリエ変換の効果も非常
によく知られているので、出力デバイス配列においてデ
ィストリビュータによって生成される強度パターンを容
易にあらかじめ定めることができるのである。各々の入
力雑音信号の寄与分が本質的に均一であれば、出力列の
予め定められた位置における信号対雑音比は大幅に改善
され、そこにデコーダ素子を有利に配置すればよいこと
になる。

出力列の予め定められた位置における信号対雑音比を
さらに改善するために、光スイッチアセンブリーはさら
にエンコーダ配列に対して、エンコーダ配列の列の全高
さに対してガウス分布を持ち、エンコーダ配列の行の全
長にわたって均一な分布を持つような予め定められた大
きさを持つ光電力信号を与える手段を含んでいる。この
結果として得られる光雑音信号と光情報信号のフーリエ
変換により、出力列の高さに沿った選択された位置の信
号対雑音比がさらに改善される。もう少し詳しくいう
と、入力デバイス配列の非付勢化スポットは、何らかの
望ましくない出力パワーを生じる可能性があるため、ま
た非付勢化スポットは規制正しく離間された間隔上にあ
るため、これら非付勢化スポットからのパワーは、フー
リエ変換関数の影により出力デバイス配列における離散
的な場所（ロケーション）に導かれることになる。とり
わけ、任意の周期関数のフーリエ変換はそれ自体周期関
数である。付勢化スポットからの望ましくないパワー
は、ディストリビュータシステムにおける雑音を表わす
ので、雑音パワーの大部分が出力デバイス配列における
離散的に向けられるという利点がある。出力検出器が雑
音パワーを向けられる離散位置から離れたところに位置
づけられる場合には、受信器は、非常に低い雑音レベル
で動作することが可能となる。これが「出力列の高さに
そって選択された場所における信号対雑音比がさらなる
改善を示す」理由である。

交換機能を完成するためにスイッチの出力位置に設け
られた複数の光蓄積素子を有するデコーダ配列はディス
トリビュータを通過する空間的に分布する光信号を選択
的に記憶する。これによって、入力配列の位置からの光
信号は出力配列位置の任意のひとつあるいはそれ以上に
スイッチされる。図示のスイッチにおいては、デコーダ
記憶素子にはまた、周期的に蓄えられる光源のフーリエ
変換に関連した信号対雑音比の改善を利用するために、
同一の番号を有する列と行はエンコーダ配列と同様に整
えて並べられている。ひとつあるいはそれ以上の選択さ
れた出力配列の行のひとつあるいはそれ以上に記憶され
た情報は次に光出力システムに与えられて、さらに空間
時間変換を受けて複数の出力フィルタに分配される。デ
コーダ記憶素子を行と列に配置することによって、配列
のひとつあるいはそれ以上の行を個別の通信チャネルに
対応させることによって、ブロードキャスト機能を有利
に実現することができる。

図示の光スイッチアセンブリーにおいては、ディスト
リビュータはその軸に関して入力位置の任意のものから
伝播する光信号の中心となる光軸を有している。一例と
して、これはレンズの焦点面にフーリエ変換を発生する
円筒収束レンズを含んでいる。

隣接した入力および出力配列で、出力位置のすべてを
照らすために、ディストリビュータはまた例えば垂直方
向に通過する光信号を拡大するための円筒分散レンズの
ような拡大手段を含んでいる。

光スイッチのディストリビュータはさらに、例えば水
平方向の光信号の分散を制限するための円筒収束レンズ
のようなイメージ手段を含んでいる。これによって隣接
した列の干渉を防止し、光電力の損失を減少する。

本発明の光スイッチの他の利点は空間的に分離した情
報を時間的に分離した光情報の直列のビットの流れに変
換して、複数の出力ファイバに送出するための光情報に
送出するために記憶する光出力システムを含むことであ
る。光入力システムと同様に、出力システムはデコーダ
配列から受信された情報の選択された行を記憶する行を
存する出力記憶配列と、出力記憶子配列の行に記憶され
た情報をシフトして時間的に分離した光情報信号の直列
のビット列として出力光ファイバに送出するための複数
の出力シフトレジスタ行を含んでいる。

本発明は以下の図面を参照して詳細な説明を読むこと
によって完全に理解されるものである。

詳細な説明 第１図には１段のスイッチで自由空間で導波路を用い
ずに光領域で交換を行なう時間、空間分割交換を実行す
るための光スイッチ100を図示している。基本的にはス
イッチは入力システム101、エンコーダ配列102、ディス
トリビュータ103、デコーダ配列104および出力システム
105を含み、これがスイッチ制御回路110の制御下にあ
る。入力システム101はシフトレジスタの行を有する入
力シフトレジスタ131とシフトレジスタの行と面し、シ
フトレジスタの行に関連して対応する位置を持つ記憶素
子132の配列を含んでいる。入力システムは入力光ファ
イバ150（１）−150（Ｎ）の各対から受信された相補的
な光情報信号の一対の直列ビット流によって表わされる
時間的に分離された情報を空間的に分離された形式に変
換し、与えられた時間周期の間に空間的に分離された情
報をシフトレジスタの行に記憶する（時間的に分離され
た情報とは、時分割直列データ流のことをいう。システ
ムへの入力は光ファイバの集合であると仮定されるの
で、２つのファイバがシリアルデータ流の各々に必要と
なる。ファイバの各ペアは単一の時分割多重差分データ
流を搬送し、論理“1"に対してはファイバ＃１は光パワ
ーを有しておりファイバ＃２は光パワーを有さず、また
論理“0"に対してはファイバ＃１が光パワーを有さずに
ファイバ＃２が光パワーを有している。このようにし
て、各ファイバはその関連するファイバに２値相補正信
号を搬送する。）この時間周期は複数のタイムスロット
を含む時間フレームと呼ばれる。各タイムスロットの情
報あるいはデータは典型的には通信チャネルからのデー
タのサンプルを含んでいる。相補的光情報信号の各ビッ
ト対は２進情報の単一のビットを表わす。情報はデータ
の各タイムスロットが単一のシフトレジスタの行に記憶
されるようにシフトレジスタに入れられる。各時間フレ
ームの終りで、シフトレジスタの行の中のすべての空間
的に分離された情報は転送されて、入力記憶配列の対応
する行に記憶されて、次の時間フレームの間でエンコー
ダ選択するように動作し、この間にシフトレジスタユニ
ットには他の時間フレームの情報が与えられる。

スイッチ制御回路110の制御によって、エンコーダ配
列102は１行ごとに入力記憶配列に記憶された情報を表
わす光信号を選択し、空間的に分離された光情報信号の
内の１行だけが一時にディストリビュータを通して伝搬
するようにする。ディストリビュータ103は光信号の各
対を空間的に分配し、光信号は選択されたエンコーダ行
から放出され、デコーダ配列104の個々の対応する列の
高さを通して行うようにする。この結果として、デコー
ダ配列の各行はエンコーダ配列によって選択された入力
記憶配列の任意の行に記憶された情報にアクセスするよ
うにする。デコーダ配列は入力エンコーダ配列と同一の
列番号を有しており、これは共にスイッチ制御回路110
の制御下にある。デコーダ配列はその行の内のひとつあ
るいはそれ以上を選択し、情報を出力システムに転送し
てそこに記憶する。デコーダ配列がエンコーダ配列と少
なくとも同一の数の行を持っていれば、スイッチは完全
に非閉塞のスイッチとして動作する。

入力システム101と同様に、出力システム105は記憶素
子の配列133とシフトレジスタの行を持つ出力シフトレ
ジストユニット129を含んでいる。与えられた時間フレ
ームの間に、エンコーダ配列によって選択された入力記
憶配列の各行の情報はデコーダ配列によって選択された
出力記憶配列の行に空間的にスイッチされる。これによ
って、入力記憶配列の任意の行の情報は出力記憶配列の
行のひとつあるいはそれ以上に選択的に転送される。時
間フレームの終りで、出力記憶配列のすべての空間的に
分離された情報は出力シフトレジスタユニットに転送さ
れて記憶されて時間的に分離された情報に変換される。
空間的に分離されたフォーマットの情報は再び相補的光
情報信号の対として表わされ、複数の光出力ファイバ対
160（１）〜160（Ｎ）の１対にシフトされる。この結果
として、光スイッチ100は任意の入力ファイバ対からの
情報を任意の出力ファイバ対にスイッチし、さらに入力
ファイバ対のデータのタイムスロットのような直列情報
を時間フレームの任意の他のタイムスロットにスイッチ
することによって時分割交換を実行する。さらに、光ス
イッチは同時に１本の入力ファイバ対から与えられた時
間フレームの任意のタイムスロットの情報を任意のひと
つあるいはそれ以上の出力ファイバ対の同一のタイムス
ロットにスイッチすることによって同時に時分割と空間
分割の交換を実行する。

第２図には入力システム101の詳細図を示す。入力シ
ステムは光入力インタフェース装置106、シフトレジス
タ列131R1−131RPを持つ光入力シフトレジスタ装置13
1、中間インタフェース装置135および入力記憶素子配列
132を含んでいる。入力シフトレジスタ装置131は光入力
インタフェース装置106を経由して入力光ファイバ150
（１）−150（Ｎ）の各対から受信された相補的光情報
信号の直列ビットの対によって表わされる時間的に分離
した情報を受信する。

第２図に図示し、第12図により詳細に図示するよう
に、入力シフトレジスタ131は行144R1−144RPおよび列1
44C1−144C8として割当てられた光記憶素子144と、ホロ
グラム139の対応する配列および入力シフトレジスタ131
R1−131RPを形成するその間に位置するイメージングシ
ステム138を含んでいる。各々のビット位置にマスタと
スレーブの記憶装置を有する電気的シフトレジスタと同
様に、各々のシフトレジスタの行131R1−131RPは各ビッ
ト位置にマスタとスレーブの光学的な記憶素子を有して
いる。各々のシフトレジスタの行が８ビットの情報を記
憶してシフトすると仮定すれば、各々のシフトレジスタ
の行は16個の光記憶素子を含み、これらがホログラム配
列139の16個の対応して設けられたホログラムによって
光学的に相互接続されている。

第12図に示すように、シフトレジスタ134R1はマスタ
およびスレーブの光記憶素子対144（R1、C1）M,S−139
（R1,C8）M,Sを含んでいる。ホログラム配列の行139R1
は100％以下の回折効率を有する同様の反射形ホログラ
ム対139（R1,C1）M,S−139（R1,C8）M,Sからなり、それ
ぞれ光記憶素子144（R1,C1）MS−144（R1,C8）M,Sと相
対して置かれている。入力記憶配列の行132R1は光記憶
素子132（R1,C1）−132（R1,C8）Ｍに相対するように置
かれている。

第２図に示しているように各々の入力ファイバ対は複
数の入力シフトレジスタの行と一義的に関連している。
例えば、入力ファイバ対150（１）は入力シフトレジス
タの行131R1−131R3に関連している。この構成によっ
て、直列に伝送されて与えられた入力ファイバ対で受信
された相補的な光情報ビット信号対のタイムスロットに
よって表わされるここのデータのタイムスロットが、入
力ファイバ対に関連した個々のシフトレジスタ行に記憶
されることになる。個々の入力ファイバ対に関連した行
の数は受信された光信号のデータ速度と、入力記憶配列
132の各行をスイッチの残りの部分にどの程度の頻度で
分配しなければならないかによって決まる。

光入力インタフェース装置106は光学的に透明なスペ
ーサ材107と、入力ファイバ対から受信された光情報信
号対を記憶素子に与えるための複数の伝送ホログラム10
8と、入力シフトレジスタ装置131の記憶素子の各々にク
ロック同期のとれたタイミング制御信号のような光電力
信号を与えるビームスプリッタ109とを含んでいる。周
知のセメテクスサイトモド変調器のような空間光変調器
140がスイッチ制御回路110の制御下に光源（図示せず）
からの光バイアスアビーム151に応答してクロックのと
れた光タイミング信号163−165を放出する。バス170を
経由してスイッチされた制御回路110からの制御信号を
受信して、変調器は第13図に示すようにタイミング信号
163−165を放出し、与えられた光ファイバから選択され
た入力シフトレジスタ行に対して情報を格納し、シフト
し、転送する。

伝送ホログラム108のホログラムフリンジパターンの
対108（１）−108（Ｎ）はそれぞれの入力ファイバ対15
0（１）−150（Ｎ）の各々からの直列光情報信号対を分
割して方向を変えて入力ファイバに一義的に関連した行
に与える。特定の入力ファイバに関連した行の各々は同
時に光情報信号対を受信するから、与えられたタイムス
ロットの間にはそのファイバに関連した入力シフトレジ
スタの行の内のひとつだけが動作して光情報信号対によ
って表わされる情報を受信して記憶する。ホログラム対
は周知の方法で形成されていて与えられた入力ファイバ
対からの光信号を分割して方向を変えて、各々の記憶素
子の行の終りで、列144C1の光記憶素子に行くようにす
る。入力ファイバの各々は周知の方法でスペーサ107に
固定されている。スペーサ材料107の厚さは入力ファイ
バ対からの光情報信号が、入力ファイバ対に関連したホ
ログラムのフリンジパターンの対の全体を照らすのに充
分なように分散することができる長さに選択されてい
る。第１図に示すように、それに入力ファイバ対150
（１）−150（Ｎ）が含まれる光入力キャリヤ設備180は
バス166を通してスイッチ制御回路110に周知のタイミン
グと同期信号を与える。

周知の偏波型のビームスプリッタ109を使えば、光情
報信号を入力ファイバ対150（１）−150（Ｎ）からわず
かの損失で列144C1のシフトレジスタ記憶素子に与える
ことができる。ビームスプリッタはまたクロック用の光
タイミング信号163−165のような光信号を入力レジスタ
装置131の記憶素子各々に向けることができる。記憶素
子として144で使用される光素子のタイプに従って光タ
イミング制御信号163−165は均一な電界分布を有するコ
ヒーレントあるいはインコヒーレントな光であり、これ
が配列131の素子の各々に与えられる。

シフトレジスタ装置131の光記憶素子の各々は、入力
光ファイバ対150（１）−150（Ｎ）のひとつに受信され
る相補的光情報信号によって表わされる２進情報のビッ
トを記憶する。単一入力、単一出力の光記憶素子として
使用するのに適した光素子は米国特許第4,546,244で述
べられた自己電気−光効果素子である。これらの素子は
光によって相互接続されてシフトレジスタを形成し、直
列に受信された光情報のビットを記憶配列の行として格
納する。自己電気光効果デバイス（SEED）はH.S.ヒント
ンの米国特許第4,764,890号およびH.S.ヒントンとD.A.
B.ミラーの米国特許第4,764,889号に述べられているよ
うに相互接続されて光によって制御される。これらの特
許では光シフトレジスタを光によって相互接続し、入力
シフトレジスタ装置131として使用する光シフトレジス
タを形成する方法を述べている。

入力シフトレジスタ装置131として使用するのに適当
なデバイスはH.S.ヒントン、A.L.レンティンおよびD.A.
B.ミラーの米国特許第4,715,378号と4,754,132号に述べ
られている。これらの文献では二つの相補的で対称な光
信号を、それに入射する二つの光信号の比が予め定めら
れてスレショルドを越えたときにこれらのデバイスに記
憶するような自己電気−光効果デバイスについて述べて
いる。それに記憶された情報は、デバイスの二つの量子
井戸に同時に光信号電力を与えることによって読み出さ
れる。このときそこに記憶された情報を表わすデバイス
から二つの相補的で対称な光出力信号が放出される。他
の周知の光デバイスを使用して２進光信号によって表わ
される情報を記憶してもよい。

与えられたタイムスロットの間に、入力ホログラム対
108（１）−108（Ｎ）の各々はシフトレジスタ装置の列
131C1への入力ファイバのそれぞれの対からの直列の光
情報信号の相補的対を与えて、これは次に１時に１ビッ
トずつそのタイムスロットの２進報が受信されたときに
選択されたシフトレジスタ行にシフトされる。このあと
で、そのファイバ対に関連した他のシフトレジスタの行
に次のタイムスロットのデータが格納される。ひとつの
タイムスロットのデータはすべての行に格納が行なわれ
るまで各ファイバ対に関連した行に記憶され、与えられ
た時間フレームに関連する情報のタイムスロット空間的
に分離されることになる。各入力ファイバ対に関連する
行の数は時間フレーム当りの情報用タイムスロットの数
によって決まる。

第13図は入力ファイバ対150（Ｎ）上の理想化された
光情報信号1301と光システム101に与えられる理想化さ
れた光タイミング制御信号162−165の時間ｔに関するタ
イミング図を図示している。時間フレームＦのデータ13
02の最後のタイムスロットだけをデータあるいは情報と
呼んでおり、時間フレーム（Ｆ＋１）の最初のデータワ
ードの一部だけを示している。光情報信号対1301のデー
タの各ワードは８ビットの情報B1−B8を含んでいる。

第13図においては、入力タイミング制御信号162−165
はタイミングバス166上の入力参照クロック信号と参照
・同期され、この信号が入来情報ビットの境界に関する
情報を与えるようになっている。この参照クロック信号
に応動して、スイッチ制御回路110は周知の方法で光タ
イミング制御信号の変化を制御する。説明のために、各
時間フレームには３タイムスロットすなわちワードがあ
るものと仮定する。入力ファイバ150（Ｎ）に順次に到
来する８ビットB1−B8のデータワードは入力シフトレジ
スタ装置131の最後の行131PRにシフトされて記憶され
る。

時間フレームＦの最後のワード1302を最後の入力シフ
トレジスタの行131RPにシフトするために、電気的に制
御された空間光変調器140が、第13図に示されるように
時刻ｔに関して光タイミング制御信号163−165を発す
る。空間変調器140は光タイミング制御信号163と164を
交互に入力ファイバ対に関連した各々の複数の行の第３
の行に交互に印加する。光タイミング信号165はこのタ
イムスロット期間に信号を与えるように選択されていな
かった入力シフトレジスタ装置131のすべての行につい
て高レベルを保つ。光タイミング信号163と164は、最後
のシフトレジスタ行131RPについて交互に高（１）およ
び低（０）の電力レベルでパルスを与える。光タイミン
グ信号163は行131PRでマスタフリップフロップ記憶素子
に向けられ、一方光タイミング信号164は行131PRでスレ
ーブフリップフロップ記憶素子に向けられる。

時刻toにおいて、第１ビットB1を表わす光信号1301の
前縁が入力ファイバ150（Ｎ）で安定化して、入力シフ
トレジスタ記憶配列144の最後の３行の列144C1のマスタ
フリップフロップ記憶素子の各々に、ホログラム108
（Ｎ）によって分散されたときに、行144RPのすべての
マスタフリップフロップ記憶素子に入射したタイミング
制御信号163は高電力レベル（１）から低電力レベル
（０）に変化し、これによって、データが最後のシフト
レジスタ行131RPの第１のマスタフリップフロップ記憶
素子144（PR,C1）Ｍに記憶されるようにする。同様に、
空間光変調器140は他の入力ファイバ対の各々に関連し
た選択された入力シフトレジスタ行に対してタイミング
制御信号163および164を与える。

第１のマスタフリップフロップ記憶素子144（PR,C1）
ＭにデータB1が記憶されたあと、時刻t1でマスタフリッ
プフロップ記憶素子に入射するタイミング制御信号163
は、高電力レベル（１）に変化し、同一の行のスレーブ
フリップフロップ記憶素子に入射するタイミング信号16
4は高電力レベル（１）から低レベルに変化する。第１
のフリップフロップに記憶素子を含むマスタフリップフ
ロップに光電力レベル対の光信号が入射しているとき、
各々に記憶されたデータは１対の相補光情報信号の大た
いとしてホログラム行139RPに伝播して出てゆき、ホロ
グラム行はこの信号の方向を変えて行144RPの隣接した
スレーブフリップフロップ素子に与える。最後の行144R
Pのスレーブフリップフロップ素子ではタイミング制御
信号164は低電力レベルにあるから、マスタフリップフ
ロップ素子からの相補的情報信号対によって表わされる
各々の情報は隣接したスレーブフリップフロップ素子に
記憶される。行139RPのホログラムによって送信された
各々の光情報信号対の部分は入力記憶配列132には影響
を与えない。これは入力シフトレジスタの行を通して入
力データをシフトしている間は全体の入力記憶配列に入
射しているタイミング制御信号が高レベルにあるからで
ある。この結果としてデータビットB1は第１のマスタフ
リップフロップ記憶素子144（RP,C1）Ｍから第１のスレ
ーブフリップフロップ記憶素子144（PR,C1）Ｓにシフト
される。

時刻t2において、スレーブ素子に入射するタイミング
制御信号164が高レベルに変化し、相補的情報信号対130
1が時刻t2とt3の間でデータビットB2を表わす相補信号
レベルをとるようになる。

時刻t3で入力ファイバ対150（Ｎ）に現われる入来ビ
ットB2が安定状態になったときに、制御信号163−165は
先に述べたように変化し、この結果としてデータビット
B2とB1はそれぞれ連続したスレーブフリップフロップ素
子144（RP,C1）と144（RP,C2）に記憶されることにな
る。光制御信号163および164のこのシーケンスはビット
B1−B7が行144RPの連続したスレーブフリップフロップ
素子に記憶されてしまうまで繰返される。

時刻t5で入力ファイバ対150（Ｎ）上のビットB8を表
わす情報信号対1301が安定になり、ホログラム108
（Ｎ）によって記憶素子144（PR,C1）Ｍに向けられたと
き、タイミング制御信号163は再び行144RP上のマスタフ
リップフロップ素子で低レベルに変化し、これによって
ビットB8をマスタフリップフロップ記憶素子144（RP,C
1）Ｍに記憶するように付勢する。これと同時に情報ビ
ットB1−B7は光情報信号対を経由してスレーブフリップ
フロップ素子から次に続くマスタフリップフロップ素子
に伝播する。時刻t6において、タイミング制御信号163
は高電力レベルに戻り、これによって記憶行144RPのマ
スタフリップフロップ素子にビットB1−B8が記憶される
ことになる。これがフレームＦの最後のワード、すなわ
ちタイムスロットであるから、第１図および第２図に示
したクロック光源143は時刻t6で、入力記憶素子の配列
のすべてのフリップフロップで低電力レベルをとり、一
方タイミング制御信号163−165は高電力レベルをとるよ
うにタイミング制御信号162を動作する。これによっ
て、８ビットのデータワードはすべて配列144のマスタ
フリップフロップの記憶素子から、その各々が光の１部
を反射し光情報信号対の残りの部分を伝送するホログラ
ム配列を通して、入力記憶配列132に並列に転送され
る。この並列のデータ転送の間タイミング制御信号163
−165が高電力レベルになるので、反射された光はフリ
ップフロップ記憶素子要素配列144に記憶されたデータ
に影響を与えることはない。このデータの並列転送は時
刻t7で完了し、このとき、信号162は高電力レベルに戻
る。時刻t8で時間フレームＦが終了し、時間フレーム
（Ｆ＋１）が開始される。時刻t6の前には、先の時間フ
レーム（Ｆ−１）の間に入力記憶素子配列に記憶されて
いたすべてのＰデータワードはエンコーダ配列102とデ
ィストリビュータ103を経由してデコーダ配列104に与え
られていることになる。

インタフェースユニット135は周知の光イメージング
システム136とビームスプリッタ137であり、これは周知
の偏波形である。イメージングシステム136は個々にホ
ログラム配列139の各ホログラムから送出された光信号
対を入力記憶配列132の対応する記憶素子上に焦点を結
ぶ。光情報信号は最小の電力損失でビームスプリッタ13
7を通して伝播する。さらに、ビームスプリッタ137はク
ロック光源143からのクロックされた光タイミング制御
信号162を入力記憶配列132の素子に向ける。スイッチ制
御スイッチ110が制御バス175を通してクロックされた光
源143を制御する。

第１図に図示されるように、光情報信号対192（P,M）
は入力記憶配列132から光エンコーダインタフェース装
置111を通してエンコーダ配列102に伝播する。エンコー
ダインタフェース111は光イメージングシステム112とビ
ームスプリッタ113を含んでいる。イメージングシステ
ム136と同様に、周知のイメージングシステム112は入力
記憶配列132の各々の記憶素子対からの光信号対を、ビ
ームスプリッタ113を経由してエンコーダ配列102の対応
する素子対に焦点をあてて与える。偏波形のビームスプ
リッタ113はまたクロック付きのコヒーレント光源114か
らのクロックされた光バイアスビーム153を非無定形の
ビーム形成システム115を通して周知の方法でエンコー
ダ配列に与える。スイッチ制御回路110は制御バス168を
通してクロック付きの光源114を制御する。クロック制
御されたコヒーレントな光バイアスビーム152は周知の
光源114から放出され非無定形のビーム形成システム115
に与えられる。ビーム形成システムはバイアスビーム15
2の均一な大きさを一方向にガウス分布を持ちそれに直
交した方向に均一な分布を持つ光バイアスビーム153に
成形する。ビームスプリッタ113はバイアスビームの方
向を変えて、ガウス分布がエンコーダ配列102の各列の
全体の高さに沿って中心を持つようにする。バイアスビ
イーム153の均一な大きさはエンコーダ配列の行にわた
って分散する。

第３図には、第１の方向にガウス分布を持ち、第１の
方向とは直交した方向に均一な大きさを有する光バイア
スビーム153の大きさを図示している。エンコーダ配列1
02の各列にガウス分布を持つ光バイアスビームを印加す
ることによって、デコーダ配列104と出力システム105に
よって受信される光信号の信号対雑音比（SNR）が改善
される。デコーダ配列104上で空間的に分布される光の
信号対雑音比を変化するために、エンコーダ配列102に
対して他の分布を持つバイアスビームを与えてもよい。

エンコーダ配列102は行ごとに入力記憶配列132に記憶
された情報を変調する空間的光変調器である。スイッチ
制御回路110は制御バス172を使用して、周知の方法でエ
ンコーダ配列の行を走査し、その１行だけを付勢して任
意の与えられた行サイクルの周期の間に入力記憶配列か
らの情報を記憶する。エンコーダ配列の行は各々の行サ
イクル時間の間に、入力記憶配列132から光情報信号192
（P,M）を受信するが、スイッチ制御回路110によってエ
ンコーダの１行だけが情報を記憶し、次にコヒーレント
光情報信号対を放出してデストリビュータシステム103
に与える。

第１図に部分的に図示し、第５図により詳しく図示し
たように、エンコーダ配列102の有利な実施例は列102
（C1）−102（C8）と行102（R1）−102（RP）に配列さ
れた複数個の３状態光記憶素子を含んでいる。エンコー
ダ配列中の３状態の光記憶素子として使用するのに適し
た光デバイスは第４図に図示されており、これは米国特
許第4,754,132に記述された電気−光効果デバイスを変
形したものとなっている。

第４図に示されているのは、イントリンニック（ｉ）
領域にそれぞれの半導体量子井戸領域403と404を有する
光検出器401、402を有する３状態の対称自己電気−光効
果デバイス400である。このデバイスはさらに光検出器4
01と402および電圧源405が直列に接続されたトランジス
タのような導通および非導通状態スイッチ406を含んで
いる。これが付勢されたときに、このデバイスは端子
およびＱからそれぞれの光検出器401および402に同時に
入射する光バイアスビーム153に応動して対称で相補的
な高および低の電力レベルを有する相補的な光情報信号
対193（P,M）を放出する。入力記憶配列132の対応する
対称な光記憶素子対からの相補的光情報信号対192（P,
M）は、制御バス172を経由してスイッチ制御回路110の
制御下にある電子スイッチ406が付勢されて導通状態に
なったときに、参考文献に述べられたようにバイアスの
二つの状態をセット、リセットする。スイッチ406が消
勢されて非導通状態にあるときには、それにバイアスビ
ーム153が入射しているときには各々の光検出器は低電
力レベルの光出力信号対を発生する。デバイス400は光
のＳ−Ｒラッチとして動作し、その論理状態の真理値表
は表Ａに示す通りである。

表Ａの真理値表は第４図における３状態SEEDデバイス
400の物理的動作を示すものである。特に、デバイス
は、Ｑおよびと印される２つの光出力信号を生成す
る。トランジスタへの付勢入力が非付勢化（En＝“0"）
されるときは、Ｑとの両方の出力は論理“0"でありこ
れは極めてわずかの光パワーがデバイスの２つの光出力
ポートから放射されていることを示す。しかしながら、
トランジスタへの付勢入力が付勢される（En＝“1"）と
きは、２つの光出力は（その空間位置が、デバイスが入
力ＳおよびＲによって初期設定された仕方に依存する）
明るいビーム（論理“1"）と暗いビーム（論理“0"）と
から構成される相補出力信号を生成する。

このようにしてデバイスは、En“1"のときはいつでも
クリップ−フロップ蓄積素子のように作用し、そしてEn
＝“0"のときには（観察し得ない出力を発生する）トラ
イステート（３状態）素子のように作用する。この機能
は、任意の与えられた時間でスイッチへのただ１つの行
のみを付勢せねばならないエンコーダ機能を実施し、他
の行のすべてを強制的に非付勢化するのに有用である。
任意の与えられた時間でのディストリビュータのところ
で付勢化される行はスケジュールアルゴリズムによって
決定される。

各フレームの間で、光タイミング制御信号162は先に
述べたような時間フレームの終りの前の短い時間を除い
て高い電力レベルにある。信号162が高い電力レベルに
ある間は、入力記憶配列132は、エンコーダ配列102に対
して、それに含まれる情報を表わす光出力信号192（P,
M）を各記憶素子から放出する。先に述べたように、ス
イッチ制御回路110は入力記憶配列132の記憶素子の対応
する行からの情報を記憶するために記憶素子の選択され
た行だけを付勢する。エンコーダ配列102の行の記憶配
列132から１行の情報だけを記憶するための他の必要条
件はコヒーレントなバイアスアビーム153が低電力レベ
ルにあって、各々の付勢されたエンコーダ素子が記憶配
列132からの光情報信号に応答できるようになっている
ことである。この結果として、付勢されたエンコーダ行
の各々のビットに記憶された情報を表わす光情報信号対
193（P,M）が、エンコーダ配列の各列の他の要素の各々
からの低電力レベルの光雑音信号と共に放出される。エ
ンコーダの列から放出された各々の光雑音信号の大きさ
は累算してガウス分布を近似する。これはバイアスビー
ム153がガウス分布するからである。エンコーダ配列か
ら放出されたすべての光雑音と情報信号の対はすべてデ
ィストリビュータ103に与えられる。各々の時間フレー
ムの間で、スイッチ制御回路110は、情報信号対がディ
ストリビュータ107を通して通過できるようにするため
に、選択された行サイクル時間に１回各デコーダ行を付
勢する。

選択されたエンコーダ行のピクセルとも呼ばれる記憶
素子から放出された各光情報信号の各々を光信号ディス
トリビュータ103は空間的に分配して対応するデコーダ
配列104の列に写像する。特にディストリビュータ103は
エンコーダ配列の列の各素子からの光信号の入力電界パ
ターンを空間的に分配して、出力電界パターンの大きさ
が入力電界パターンのフーリエ変換となるように、デコ
ーダ配列の個々の対応する列のすべての要求を照らすよ
うな大きさを持つ出力電界パターンとする。マグローヒ
ル社刊のJ.W.グッドマンの“フーリエオプティックス”
と題する書物の第５頁に示されているように、二つの独
立変数ｘおよびｙの複素関数ｇのフーリエ変換Ｆは数学
的に次式で与えられる。

ディストリビュータ103は後述するように円筒レンズ
を含んでいるから、必要な積分はｙ方向についてだけ実
行される。この結果として、フーリエ変換は一方向に帰
着させる。

ここでｇ（ｙ）＝ｇ（x,y）であり、これはｘを与え
られた値x₁に固定した電界分布のパターンである。

光信号がデコーダ配列の列の全体の高さにわたって空
間的に分布しているので、デコーダ配列は、エンコーダ
配列と同様に各行サイクル時間の間にひとつあるいはそ
れ以上の選択された行を付勢し、空間的に分布した光信
号によって表わされる情報を記憶する。次にデコーダ配
列はクロック付きのバイアスビーム154に応動して、そ
れに記憶された情報を表わす各素子から他の信号対194
（P,M）を放出し、出力システム105の出力記憶配列133
の対応する行に対して放出する。一時にはエンコーダ配
列の列の記憶素子の内のひとつだけがディストリビュー
タに対して付勢されるから、ディストリビュータは入力
記憶配列からの任意の行を出力記憶配列の任意の行にブ
ロードキャストすることができる。これを実現するため
に、ディストリビュータは３つの条件を満足しなければ
ならない。

1.出力ビームをその光軸に関して中心を合わせ、次にデ
コーダ列の中心に合わせる。

2.出力ビームをデコーダ配列の列の全体の高さにわたっ
て分散する。

3.出力ビームの水平の分散を制御し、隣接した列の間の
漏話を減少する。始めの二つの要求は分配によって実行
されるフーリエ変換で満足される。ディストリビュータ
103の信号光は単にデコーダ配列102中の付勢された光素
子からシステムに入った光である。理想的な光スイッチ
中の唯一の光源は、例えばエンコーダ配列の付勢された
行から放出された論理的“1"を表わす高レベルの光情報
信号である。理想的なシステムのエンコーダ配列中の他
の光素子のすべては不透明であり、ディストリビュータ
に対する光には寄与しない。この結果として、理想的な
エンコーダ配列は無限大のコントラスト比を持つデバイ
スを必要とする。コントラスト比は付勢された入力光素
子のビットから放出される光の放射と、消勢された入力
光素子のビットから放出される光の放射と、消勢された
入力光素子のビットから放出される光の放射の比であ
る。残念なことに、市販されているデバイスでも多くの
実験的デバイスでも100までのコントラスト比しか実現
できない。このようなコントラスト比は比較的低いの
で、消勢されたエンコーダの消勢された行からディスト
リビュータに可なりの量の望ましくない光が入る。この
光は付勢された行をとりまくバックグラウンド配列素子
から発するので、バックグラウンド光と呼ぶことができ
る。バックグラウンド光はディストリビュータ中の情報
信号の光と干渉する可能性があり、特にエンコーダ配列
103の付勢された行からの、例えば、論理“0"を表わす
低レベルの光情報信号対と干渉して、デコーダ配列でビ
ット誤りを生ずる可能性があるから、これはまたバック
グラウンド雑音と呼んでもよい。光スイッチ100には、
二つのタイプのバックグラウンド雑音が存在する。垂直
バックグラウンド雑音は情報信号光と同一の列の中の光
素子から発するバックグラウンド光である。水平バック
グラウンド雑音は隣接した列の光素子から発生し、列の
境界を越えて分散するバックグラウンドの光である。垂
直および水平のバックグラウンド雑音は組合わさってこ
の光スイッチの全バックグラウンドを形成する。

三つの先に述べた要求を満足し、雑音問題を最小化す
るために、ディストリビュータ103は三つのサブシステ
ム：フーリエ変換サブシステム116、水平イメージ増大
サブシステム117、水平増大システム118から成る。

第５図に示されているのは、サブシステム116、117お
よび118と、ディストリビュータシステム103の入力平面
500に置かれたエンコーダ配列102およびディストリビュ
ータシステムの出力平面505に置かれたデコーダ配列104
と共にディストリビュータ103の詳細な図を示してい
る。ディストリビュータ103の側面図および第５図のエ
ンコーダ配列102とデコーダ配列104のサブシステムは第
６図に示されている。第７図に示されているのは第５図
の装置の上面図である。フーリエ変換サブシステム116
はL1とラベル付けした収束用の円筒レンズ501を含み、
これはエンコーダ配列102の光素子102（R1,C8）からの
入力平面において入力電界パターン550の１次元フーリ
エ変換をその焦点面502に生ずる。エンコーダ配列102か
ら収束レンズ501への距離d₀は必ずしもレンズの焦点距
離と等しくはないので、焦点面502におけるイメージは
実際にはエンコーダ配列からの電界パターンをある位相
項で乗じたもののフーリエ変換となっている。しかし、
デコーダ配列の動作は光の放射の大きさに応動するか
ら、これらの位相項は無視することができる。変換によ
って、エンコーダ配列のイメージに現われる空間周波数
はこの焦点面の明るい領域あるいはスポットとして現わ
れる。エンコーダ配列の入力イメージはＰによって与え
られる側長を有する単一の正方形の開口部であるから、
垂直方向（すなわち、ｙ方向）の電界分布パターンは で与えられる。もし収束レンズ501が焦点距離f₁を持っ
ていれば、レンズの焦点面の垂直方向のフーリエ変換55
1のイメージは次式で近似される電界となる。

これは良く知られたsinc（ｙ）′＝sin（πｙ）／
（πｙ）の垂直方向の関数である。この平面内の放射だ
けしか検出されないから、検出される信号はフーリエ変
換の２乗（sinc²）に比例し、これが入力イメージの電
界スペクトルとなる。エンコーダ配列の正方形の開口部
の垂直位置とは関係なく電力スペクトラム（およびsinc
²のパターンの主ローブ）は常に収束レンズ501の光軸に
中心をおいている。従って、三つの要求の内の第１のも
のが満足される。オン状態の光素子のエネルギーの大部
分は主ローブに含まれているから、これはデコーダ配列
104が置かれている出力平面505の検出に使用される出力
イメージ552の部分である。残念なことに、sinc²の関数
のこのローブの垂直の広がりはディストリビュータの第
２の要求を満足するのに充分でないかもしれない。その
第１の垂直０は、 の点にあるからである。ここで である。

垂直増大サブシステム118は、出力ビームをデコーダ
配列の列の全体の高さにわたって広げることによって第
２のディストリビュータの要求を満足するようにsinc²
関数の垂直の広がりを拡大する。出力平面のフーリエ分
布を増大するために、種々の周知の光イメージングシス
テムを使用してもよい。有利な方法としては、垂直拡大
サブシステム118をL3と名付けた単一の円筒分散レンズ5
04で構成し、焦点面502のフーリエ変換のイメージをデ
コーダ配列を配置した出力面505に作る方法がある。分
散レンズ504がフーリエ面の左に設けられているから、
フーリエ変換イメージは垂直に拡大されて、フーリエ面
の代わりに出力面に現われる。分散レンズからフーリエ
変換面までの距離をS₀（負の数）で表わし、分散レンズ
から出力面のイメージまでの距離をS_iで表わせば、その
ときには出力面における拡大されたsinc関数の第１の垂
直０点は であり、これが で与えられることになる。ここでF_scaledは出力面に生
ずる拡大されたフーリエ変換522を表わす。軸平行近似
が有効であると仮定すれば、周知のレンズ方程式とレン
ズの拡大を記述する式から、システム設計のために極め
て有用な二つの式が得られる。

ここで、M_requiredは全体の出力面505にsinc関数のメ
インローブを広げるのに必要なシステムの拡大率であ
り、f₂は分散のための負の焦点距離である。

必要な拡大を行なうためには、距離S_iが大きくなるこ
とが多い。この結果として、システムを通るビームの伝
播には水平の分散が生じ、ビーム幅は近似的に で表わされるから、ビーム幅ｂは大きくなりすぎること
がある。ここでｚはシステムの全長である。これによっ
てシステムの隣接した列の間に水平の雑音問題を生ず
る。

水平イメージングサブシステム117は第７図に示すよ
うに水平方向にビームを分散するイメージングによって
水平の雑音問題を制御する。光の焦点をこのようにとり
なおすことによって、システムで雑音となる可能性があ
る光を出力面の有用な点に向け直し、出力信号のレベル
を高めることができる。水平イメージングサブシステム
117は、L2とも呼ばれるイメージングレンズ506を含み、
これは第５図−第７図の他の二つのレンズの水平向きか
ら90度回転した円筒収束レンズとなっている。もしレン
ズ506の焦点距離がf₃であれば、エンコーダ配列からの
距離はS₁＝２（f₃）で与えられ、再焦点レンズからデコ
ーダ配列への距離はS₂＝２（f₃）で与えられる。この結
果として再焦点レンズはすべての入力ビームをその初期
の水平幅に戻し、各入力ビームを第６図に示す出力平面
の共役点に向ける。伝播するビームの水平の拡大と縮小
は距離S₁とS₂を変化することによって注意して制御する
ことができる。この結果として、水平の広がりが含まれ
るから、ディストリビュータの第３の条件も満足される
ことになる。

エンコーダ配列102の光素子の列から生ずる出力波形
について考える面に、エンコーダ配列の単一の光素子か
ら生ずる出力波形について議論することが望ましい。入
力平面の単一の光素子の存在はこのスイッチが無限のコ
ントラスト比を持つ理想的な光デバイスを持つエンコー
ダ配列を使用することを意味する。理想的なエンコーダ
配列で単一の素子（幅＝Ｐ）が付勢されると仮定する
と、出力面に生ずる電界波形の は近似的に次式で与えられる。

入力面において、光素子によって発生された垂直電界
波形 は第８図に示すように矩形分布801を持つ。フーリエ変
換レンズ501の働きによって、出力面の垂直方向の電界
波形パターンは第８図に示すように で記述されるsinc分布802を持つ。この場合も、出力の
垂直方向に実際に検出されるイメージは式（４）で記述
される零点の間隔を有し、sinc²sの形を持つ。光素子の
寸法が減少するのにつれてsincの主ローブが広くなるこ
とに注意しておくことは重要である。式（８）から出力
平面の水平方向に与えられるビームが幅Ｐの矩形分布に
よって正しく近似されることに注意しておくことが重要
である。

入力面のすべての光素子が消勢されたとき、これは任
意の列を見下すときに、これは矩形波に類似した電界分
布パターンを形成する。この矩形波分布は多くのデバイ
スは矩形配列の構造で生産されるから、多くのエンコー
ダ配列についても観測することができる。この矩形の電
界分布パターン901は第９図に示すような雑音入力 に対応する。従って、垂直方向の電界分布パターン902
は次式よって記述される。

ここでＰは光素子の大きさで、Ｇは素子の間のすき間
の大きさである。エンコーダは実際には有限な空間的広
がりを有するから、このイメージは実際にはウィンドウ
関数ｗ（ｙ）によって切り出される。従って、次式が得
られる。

ここで＊はたたみ込みの操作を表わし、comb（y/（Ｐ
＋Ｇ））は距離Ｐ＋Ｇに広がったディラックのデルタ関
数の列である。スレショルド操作を使用してエンコーダ
のすべての行を消勢すれば、入力イメージのすべての要
素は近似的に同一の放射を持つ。従って、垂直の電界波
形 が入力面に生じ垂直電界波形パターンは のように出力面に生ずる。出力面においては、単一の光
源素子でなく入力面において発光する複数の光源がある
効果は大きく のようになる。入力イメージにrect（y/w）のウィンド
ウをかけ、ウィンドウ長Ｗを素子の大きさＰよりはるか
に大きくしておけば次のようになる。

出力波形は中心から中心までの距離をλf₁S_i／（（Ｐ
＋Ｇ）S₀）とした幅の狭いsincパルスの列であり、Ｐは
素子の大きさで、Ｇは第９図に示した素子の間の隙間の
大きさである。sincパルスの各々はその０点がλf₁s_i／
（Ws₀）の間隔を持ち、全体のパルス列は幅の広いsinc
である によって変調される。ウィンドウ長Ｗが増加するにつれ
て（すなわちエンコーダ配列の大きさが大きくなるにつ
れて）sincパルスの主ローブの幅は小さくなる。さら
に、エンコーダ配列の素子と素子間の隙間の大きさが小
さくなるにつれて、矩形波イメージが高い空間周波数を
持つようになるから出力面におけるsincパルス素子の間
の間隔が増大する。

エンコーダ配列のすべての素子がひとつを除いて消勢
されたときに、 で記述される波形分布パターン1001の電界は第10図に示
すように入力面に生ずる。従って、次式が成立する。

ここでＡは によって記述される定数であり、ｋはエンコーダ配列に
おけるデバイスのコントラスト比である。出力面におけ
る垂直電界分布波形パターンは によって与えられ、フーリエ変換は線形演算であるか
ら、第10図に示すように次のようになる。

ここで は破線1002で示され、 は実線1003で示される。

第10図はまた二つの出力領域を示し、ここで出力信号
は出力面に設けられたデコーダ配列104の光デバイス素
子のような検出器によってサンプルされる。これらの領
域は情報信号によって生ずる幅の広いsinc分布の主ロー
ブの中にあるが、これらはバックグラウンド雑音から生
ずる狭いsinc分布の主ローブによって制限される。従っ
て、光検出器は出力情報信号の主ローブの高放射をサン
プルし、一方出力雑音のワイドローブについては低放射
をサンプルする。デコーダ素子をこれに従って配置して
あるときには、雑音信号の低放射は情報信号の高放射に
比べて無視できるようになっている。

ディストリビュータ103の動作の特性を示すために
は、スイッチの信号対雑音比（SNR）を規定することが
有効である。出力面における電界分布波形パターンの変
動があるために、出力の信号対雑音比が出力面のサンプ
ル位置によって変わってくることは明らかである。この
結果として、ディストリビュータの光軸からの垂直方向
のずれの関数として信号対雑音比を調べることは興味の
あることである。この関数はSNR（ｙ）と呼ばれる。

SNR（ｙ）を定義する前に、“雑音信号”と“情報信
号”を電界波形に適用する場合の定義が必要である。バ
ックグラウンドの入力雑音はエンコーダ配列102の光素
子がどれも付勢されていない時に存在する電界波形とし
て定義される。これは第９図に示す によって記述される波形901に対応し、結果として得ら
れる出力雑音は によって記述される波形902によって表わされる。先に
述べたように、この雑音は、バイアスビーム153が与得
られたときに消勢されたエンコーダ素子を通してシステ
ムに入る望ましくない光である。レンズのフーリエ変換
の性質はこの雑音を出力面の離散的な領域に強制的に与
えるのに使用される。

システムの入力が“情報信号”はエンコーダ配列で単
一の光素子がオンとなっていて、雑音信号の電力レベル
に比べて高電力レベルの光信号を放射しているときに存
在する電界波形であると定義される。消勢された素子か
らの光はまた付勢された素子がオンと名手いるときにも
存在するから、この光はまた入力信号の一部であると考
えられる。この結果として、第10図に示すように で記述される波形1001は入力信号を表わし、 で記述される波形1003は出力信号を表わす。この結果次
のようになる。

エンコーダ配列102で低コントラスト比のデバイスを
使えるようにするために、ディジタル信号処理の応用で
利用されるウィンドウ手法が使用できる。ウィンドウと
ディジタル信号処理の研究は、すべての信号をディジタ
ル信号処理手法に適用する前に打ち切らなければならな
いという要求から生ずる。通常に打ち切りを行なうのは
先に述べたように信号に矩形のウィンドウをかけること
に相当する。周波数領域では、打ち切られた信号によっ
て生ずるフーリエ変換は元の打ち切られていない信号の
フーリエ変換と矩形ウィンドウのフーリエ変換のたたみ
込みとなる。（式12参照）矩形ウィンドウのフーリエ変
換はsinc関数であるから、sinc曲線のサイドローブは初
期の信号スペクトルの分布を分散させる傾向がある。こ
の結果として、矩形ウィンドウを使用すると、元の信号
のフーリエ変換の帯域幅が広がる傾向がある。この現象
はスペクトルの漏れと呼ばれることが多く、矩形ウィン
ドウのみならず、打ち切りのためにどのようなウィンド
ウを使用しても観測される。サイドローブに広がってゆ
くエネルギーの量は使用されるウィンドウの関数であ
る。矩形ウィンドウのフーリエ変換は主ローブを小さく
サイドローブを大きくする傾向がある。３角ウィンド
ウ、ハミングウィンドウ、ガラスウィンドウのような他
のウィンドウのフーリエ変換ではサイドローブは小さ
い。サイドローブが低いようなウィンドウを使って光ス
イッチ100の信号対雑音比を改善できる。

光スイッチアセンブリー100でどのようにウィンドウ
手法が使用されているかを知るためには、エンコーダ配
列の素子によって形成される光の放射の周期的な分布に
対して、エンコーダ配列102の最終的な高さが実効的に
ウィンドウの効果をあげていることを知ることが重要で
ある。このことを視覚化するのに良い方法は、垂直方向
に無限まで延びたエンコーダ配列102を想像することで
ある。この結果として、スイッチは無限の数の行が存在
する。この場合には、入力平面に存在する無限の矩形波
のフーリエ変換は変化する光のデルタ関数の列となる。
今もし無限に長いエンコーダ配列の前にマスクが置かれ
て、数行を除いてすべての残りの行をブロックすれば、
入力信号が明らかに矩形ウィンドウを用いれ、ウィンド
ウされたことになり、フーリエ平面上のデルタ関数はス
ペクトルの漏れの結果として広がることになる。もし矩
形ウィンドウ以外のウィンドウを使用すれば、このスペ
クトルの漏れは最小化することができる。光の領域でフ
ーリエ技術とウィンドウ技術を使用するには、システム
がコヒーレントな光源14からのコヒーレントな光を使用
する必要がある。多くのレーザではその発光の形はガウ
ス形しており、従って非不定形のビーム形成システムに
よって形成されるエンコーダ配列上にバイアスビーム15
3としてイメージを持つレーザを使用することによって
ガウスウィンドウを容易に形成することができる。

ディストリビュータ103に対してガウスウィンドウを
適用したときの効果は重要である。ガウスウィンドウを
適用することによって、雑音のピークの間の出力領域に
おいて矩形ウィンドウを使用する場合に比べて劇的な改
善が見られる。このような信号対雑音比の改善はエンコ
ーダ配列102を照射するビーム形成システム115として、
エンコーダ配列をガウスウィンドウで照らしたときに、
雑音信号のサイドローブが大幅に減少することの直接の
結果である。

残念なことに、このような信号対雑音比の改善はただ
で実現されるわけではない。このために検討しなければ
ならない兼ね合いの問題がある。第１の兼ね合いは雑音
信号における雑音のピークの主ローブは、ガウスビーム
の幅が減少するにつれて広くなってゆくということであ
る。この結果として、信号対雑音比が高い出力の動作領
域の大きさは減少する傾向があり、これによってデコー
ダ配列104の出力サンプリングの垂直の距離は小さくな
る。

第２の兼ね合いは、ガウスビームの尾で照らされるエ
ンコーダ配列102の行が出力面のデバイスをスイッチす
るのに充分な光を発生しないことである。この結果、こ
れらの入力行はスイッチング動作で使用できなくなる。
実際に、“入力動作領域”と呼ばれるガウスビームの中
心は近くの使用できる入力行の領域が存在していること
になる。光素子がガウスビームの中心から尾の方に動く
に従って信号対雑音比は低下する。入力動作領域は出力
平面上で必要な信号対雑音比の他にガウスビーム幅の関
数となることに注意することは重要である。

エンコーダ配列のすべての素子が消勢されているとき
に、実際のシステムでは有限のコントラスト比ｋがある
から、光の一部はエンコーダ配列を通ることができる。
エンコーダ配列はまたスレショルド機能を持ち、フーリ
エ変換の入力面のすべてのオフの素子（付勢されている
行も他の行も）が同一の放射すなわち電界の大きさをも
つようになっている。もし線形でスレショルドを持たな
いエンコーダ配列が使用されたときには、エンコーダ配
列で付勢されていない入力記憶配列の行にはオンとオフ
の素子が共に存在し得るので問題が生ずることがある。
これらの素子からの異なる放射は線形のエンコーダは単
に入射を するだけであるから線形のエンコーダ配列を通って伝播
する。この結果として消勢状態の情報ビットについては
二つの異なるオフの発光がある。このために、入力イメ
ージの周期性は失われ、信号対雑音比に関する利点が失
われる。

このような問題の可能性はエンコーダ配列にスレショ
ルドゲートを用いることによって解決される。エンコー
ダ配列を先に述べたような３状態の対称自己電気−光効
果デバイスのようなラッチデバイスで構成することによ
って他の解決も可能である。光スイッチアセンブリー10
0の動作によって、先に述べたように任意の時点でエン
コーダ配列に１行だけをラッチすることが必要である。

第14図にはディストリビュータ103を通して選択的に
スイッチするために、バス172を通してスイッチ制御回
路110からエンコーダ102に対して送られる入力記憶配列
102の行に記憶された３つの異なるタイムスロットのデ
ータワードのための３つの理想化されたエンコーダタイ
ミング制御信号1401−1403を図示している。第14図に図
示するようにディストリビュータによってスイッチされ
るべきはじめの２行の情報は最後の配列行の次の行132R
（Ｐ−１）と最後の行132RPに記憶される。この情報は
先に時間フレーム（Ｆ−１）の終りで入力記憶配列の中
に記憶されたものである。ディストリビュータを通して
スイッチされるべき情報の第３行は第14図に示すように
第１の記憶配列の行132R1に記憶される。この第３の情
報の行は時間フレームＦの間に記憶されたものである。
ディストリビュータシステムのタイミングはスイッチ制
御回路110の周知の内部クロックによって同期される。
ディストリビュータシステムのタイミングの要求は第13
図の時刻t6t7の間に示すような光タイミング信号162の
低電力レベルが、エンコーダ制御信号1401−1403の光電
力レベルあるいはスイッチ制御回路110からバス173を経
由してデコーダ配列104に送られるデコーダ制御信号140
4−1406の光電力レベルとは一致しないことである。従
って、各々の選択された記憶配列の情報の行でディスト
リビュータシステムを通してスイッチされる間は、光タ
イミング制御信号は高電力レベルになければならない。

ディストリビュータを通して最後の入力記憶配列の行
132R（Ｐ−１）の前の行の情報をスイッチするには、ス
イッチ制御回路は選択された行に関連したエンコーダ制
御信号を動作して、その行のデバイスを電気的に付勢す
るために、時刻t1で高電力レベルに切替える。エンコー
ダ102の他のすべての行はその制御信号が低電力レベル
に保たれているために電気的に消勢されている。エンコ
ーダ信号1401が高電力レベルにある間に、制御回路110
はバス168を経由してコヒーレント光源114を動作し、時
刻t1t2の間では低電力レベルを発生するようにし、エン
コーダ102のすべてのフリップフロップ対に入射するバ
イアスビーム153には低レベルのパルスが与えられる。
バイアスビーム153に低レベルのパルスが与えられたと
きに、入力記憶配列132のすべてのフリップフロップ対
に入射するタイミング制御信号162は高電力レベルにな
るから、入力記憶配列に記憶されたすべてのデータは、
そこから情報信号対192（P,M）を通してエンコーダ配列
102に伝播するが、情報は付勢されたエンコーダ行102R
（Ｐ−１）にだけ行く。付勢されたエンコーダ行にデー
タが蓄積されているので、バイアスアビーム153は時刻t
2で高電力レベルに戻り、付勢されたエンコーダ配列102
の行に記憶された情報はディストリビュータシステム10
3を通して、デコーダ配列104に行く。また時刻t2におい
て、デコーダ制御信号1404は高い論理レベル（１）をと
り、デコーダの単数あるいは複数の行の素子を電気的に
付勢して光情報信号の対を受信する。時間幅t2−t3の間
に、クロックで同期した光源が、バス169を通してスイ
ッチ制御回路110によって制御されて、バイアスビーム1
54にパルスを与え、低電力レベルとし、デコーダ配列の
素子を光学的に付勢して、ディストリビュータを通った
光情報信号対を受信する。この結果として、ディストリ
ビュータ103を通った情報信号対によって表わされる情
報がデコーダ配列の電気的および光学的に付勢された行
のフリップフロップ対に記憶される。

付勢された104のデコーダ配列の行にデータが記憶さ
れたあとで、時刻t3において、光源145はビーム154にパ
ルスを与えて、高電力レベルとし、デコーダ配列104に
今記憶された情報の行が時刻t3t4の間で、出力システム
105の出力記憶配列133に伝播するようにする。バス176
を経由してスイッチ制御回路110によって制御される光
源142は、バイアスビーム156が低レベルで出力記憶配列
133に入射した状態を保つから、付勢されたデコーダ行
の情報は出力記憶配列の対応する行に記憶される。制御
タイミング信号154がデコーダ配列104上で高電力レベル
のパルスとなる時刻t3とt4の間で出力記憶配列に情報信
号が記憶される。デコーダ配列の他の行はすべて消勢さ
れ、共に低レベルである１対の光信号を送出する。この
結果として、これらの低電力レベルの光信号対はそれが
入射した出力の記憶配列の行に影響を与えないことにな
る。時刻t4において、電気的なデコーダ制御信号が低論
理レベル（０）に戻り、光制御信号154も低電力レベル
に戻り、これによってデコーダ配列の行104（Ｐ−１）
を電気的、光学的に消勢する。

時刻t3において、エンコーダのバイアスビーム153が
低電力レベルのパルスになり、エンコーダ制御信号1402
が高レベルになり、最後のエンコーダ行102RPが電気的
に付勢されたときに、上述したシーケンスが繰返され
る。この結果として、対応する入力記憶配列の行132RP
に記憶された情報は並列に転送され、行スイッチングプ
ロセスの次のサイクルを開始する。時刻t4でエンコーダ
のバイアスビーム153が高電力レベルになったときに、
情報信号対によって表わされた新しい情報の行がディス
トリビュータを通してデコーダ配列に伝播する。これと
同時にデコーダ制御信号1405は高電力レベルに変化し
て、新しいデコーダ行を付勢し、デコーダバイアスビー
ム154は低電力レベルに変化して付勢されたエンコーダ
配列の行からの情報をデコーダ配列に記憶するように付
勢する。時刻t5において、エンコーダ信号1402は低論理
レベルに変化し、エンコーダ配列102RPを電気的に消勢
し、エンコーダビーム154は高電力レベルに戻ってデコ
ーダからの最後の行のデータを出力記憶配列に通過させ
る。時刻t6においてデコーダ信号1405とバイアスビーム
154が低レベルに変化し、ディストリビュータからの次
の行のデータがデコーダに記憶されるようになる。

入力記憶配列の時間フレーム（Ｆ−１）の情報のすべ
ての行が出力記憶配列133に転送された後で、第１の記
憶配列中の時間フレームＦの情報の第１行について、上
述のプロセスが繰返される。これには第14図に示すよう
にエンコーダ制御信号1403とデコーダ制御信号1406が関
与する。

エンコーダ配列102と同様に、デコーダ配列104は第１
図に示すように行104R1−104RPと列104C10−104CMに配
列された３状態対称SEEDのような複数の光記憶素子を含
んでいる。スイッチ制御回路110はバス173を経由して、
ひとつあるいはそれ以上のデコーダ配列の行を付勢して
対応する列の対の全体にわたって分配された情報信号対
によって表わされる情報を記憶する。デコーダ配列104
の付勢された行に情報が記憶された後、ディストリビュ
ータシステム103とデコーダ配列104の間に挿入された周
知の偏光形のビームスプリッタ119がクロック付きの光
源145からのバイアスビーム154のようなクロックを持っ
た光電力信号を先に述べたデコーダ配列のデバイスの各
々に与える。このクロック付きのバイアスビームの大き
さは均一である。バイアスビームはコヒーレントあるい
は非コヒーレントな光源ら第14図で先に説明したように
デコーダ配列全体に与えられる。デコーダ配列の付勢さ
れた行だけが、それに含まれた情報を出力システム105
に記憶するために高電力レベルと低電力レベルを持つ相
補的な光信号対を生ずる。表Ａに示したように消勢され
た素子の行は低電力レベルの対だけを放出する。先に引
用した米国特許第4,754,132に述べられているように、
対称SEEDの状態を変化するためには２つの光制御信号ビ
ームの電力の間に予め定められた以上の比が存在する必
要がある。各々の消勢された素子からの光出力信号対の
電力レベルは同一であるから、この光出力信号対は同一
であり、光出力信号対は出力システム105の対称SEED記
憶素子の状態を変化することはない。しかし、付勢され
たデコーダ素子の各々の情報を表わす高電力レベルと低
電力レベルの出力光信号の比は充分大きく、出力システ
ムにおける記憶素子の状態を変化するようになってい
る。従って、付勢されたデコーダ行からの情報だけが出
力システムに記憶されることになる。

第11図はデコーダ配列104によって選択された情報の
行を記憶するための出力記憶配列133と記憶された情報
を空間的に分離された形式から、関連する出力対160
（１）−160（Ｎ）に直列に送信するための時間的に分
離された形式に変換するための出力システムレジスタユ
ニット129を含む光出力システムの詳細図である。出力
記憶配列133と出力シフトレジスタユニット129とを含む
出力システムハインタフェースユニット127、128と光透
明な材料126ではさまれている。

出力記憶インタフェースユニット127はデコーダ配列1
04の素子からの光信号対194（P,n）の像をビームスプリ
ッタ121を通して、出力記憶配列133の対応する位置を有
する受信面に形成するための周知のイメージングシステ
ム120を含んでいる。周知の偏光形のビームスプリッタ1
21は光源142からのクロック付きの光バイアスビーム156
を出力記憶配列133の光記憶素子の各々に向けるように
なっている。

入力記憶配列101と同様に、出力記憶配列133は行133R
1−133RPとなり列133C1−133C8のように周期的に並べら
れた対称SEEDのような複数の光記憶素子を含んでいる。
バイアスアビーム156に応動して、出力記憶配列133はそ
の記憶素子の各々からのそれに含まれた情報を表わす相
補的光情報信号の対を放出して出力シフトレジスタユニ
ット129に記憶する。ある時間フレームの周期からの情
報が出力シフトレジスタユニットに記憶されたあとで、
出力記憶配列はデコーダ配列104からのスイッチされた
情報の次のフレームを記憶しながら、シフトレジスタユ
ニットに記憶されている情報を直列に出力ファイバ対16
0（１）−161（Ｎ）に直列にシフトして出す準備ができ
ることになる。

光シフトレジスタインタフェースユニット128に出力
記憶配列133とシフトレジスタ129の間に挿入され、記憶
配列からの光信号の像を出力シフトレジスタユニットの
対応するマスタ記憶素子に形成し、光タイミング制御信
号157−159をシフトレジスタユニットの素子に与えるよ
うになっている。スイッチ制御ユニット110はバス174を
経由して空間光変調器141を制御し、これが図示してい
ない光源からの光電力信号155に応動して光タイミング
制御信号157−159を放出する。シフトレジスタインタフ
ェースユニットは各々の記憶素子からの光信号のイメー
ジをシフトレジスタユニットの各々の対応する位置を持
つマスタSEEDに形成するイメージングシステム122を含
む。周知の偏光形のビームスプリッタ133がシフトレジ
スタユニット129の記憶素子の各々に対してタイミング
信号を向けるようになっている。

入力シフトレジスタユニット131と同様に、出力シフ
トレジスタユニット129は複数の光シフトレジスタ行129
R1−129RPを有し、それに空間的に分離された形式で記
憶された情報を直列に出力光ファイバ対160（１）−160
（Ｎ）の関連する対に直列にシフトして、時間的に分離
された形式で送信する。出力シフトレジスタユニット12
9は行134R1−134RPおよび列134C1−134C8に配列された
光記憶素子配列134と、行125R1J−125RPと列125C1−125
C8に配列されたホログラム125の同様の配列を含んでい
る。光学的に透明なスペーサ材料124が記憶素子とホロ
グラム配列の間に入れられている。各々の列は情報のビ
ットを記憶してシフトするためのマスタ、スレーブとし
て指定された１対の記憶素子を含んでいる。記憶素子対
に面して置かれた対応する反射ホログラムの対の配列12
5が周知のマスタスレーブフリップフロップの構成にな
るようにその対を相互接続する。各行の記憶素子の対は
また相対して面したホログラムによって光学的に相互接
続されて、ある記憶対から他の記憶対に対して相補的な
光情報信号をシフトする。例えば、行134R1の記憶素子
の第１のマスタスレーブ対は134（R1,C8）Ｍ、134（R1,
C8）Ｓとして指定されている。相対して面するホログラ
ムも図示のように同様に名付けられている。

第15図に示されているのは、理想化された光タイミン
グ制御信号157−159、クロック付きの光バイアスビーム
156および出力ファイバ対160（１）上の相補的光情報信
号対の時間ｔに関するタイミング図である。図示のよう
に、相補的光情報信号対1502は最後のタイムスロットの
データワードを表わし、これは時間フレーム（Ｆ−２）
の８ビットの情報B1−B8を含む。同様の対1503は時間フ
レーム（Ｆ−１）の第１のタイムスロットのはじめの数
ビットを表わしている。時間フレーム（Ｆ−２）からの
情報は、時刻t3とt4の間で先の時間フレーム（Ｆ−３）
の終りのバイアスアビーム156ト同様にバイアスビーム1
56が高電力レベルのパルスとなったとき出力記憶配列13
3から出力シフトレジスタ129に転送されたものである。
この時間の間電子的に制御された空間光変調器141はタ
イミング制御信号157、158および159を低電力レベルに
保つから、情報信号対によって表わされるデータは出力
記憶配列133から出力シフトレジスタユニット129に伝播
する。この結果として、データは出力シフトレジスタユ
ニット129のフリップフロップ対に記憶される。例え
ば、行129R1−129R3のデータが出力シフトレジスタユニ
ットに記憶されたときに、これは一時に１行ずつ単一の
出力ファイバ対160（１）にシフトして出される。バイ
アスアビーム159は出力ファイバ対に情報を転送して出
していないすべての出力シフトレジスタ行については低
電力レベルに保たれる。

出力シフトレジスタユニット129は行134R1−134RPと
列134C1−134C8に配列された光記憶素子の配列134と同
様に行125R1−125RPと列125C1−125C8に配列されたホロ
グラムを含んでいる。記憶素子とホログラム配列の間に
は光学的に透明な材料124が入っている。配列134の各々
の列は情報のビットを記憶してシフトするマスターとス
レーブの光記憶素子を含んでいる。記憶素子の対に面し
た配列125のホログラムの対応する対が記憶素子の対を
光学的に相互接続して、周知のマスタースレーブフリッ
プフロップの構成を作る。各行の記憶素子の対はまたホ
ログラム対によって光学的に相互接続されて、ある記憶
素子対から他の補的光信号の対をシフトする光シフトレ
ジスタの行を形成する。例えば、記憶素子の行134R1の
第１のマスタースレーブ対は134（R1,C8）Ｍと134（R1,
C1）Ｓであり、その行の最後の対は134（R1,C8）Ｍと13
4（R1,C8）Ｓである。これに面しているホログラムにつ
いても図示のように同様の番号が付いている。

出力シフトレジスタ配列129に記憶された８ビットの
情報B1−B8のシフトは入力シフトレジスタユニット131
について先に述べた方法と同様に実行される。ビットB1
がマスタフリップフロップ記憶素子134（R3,C8）Ｍに記
憶されており、他のビットB2−B8が行134R3の他のマス
タフリップフロップ記憶素子に記憶されているとすれ
ば、データのシフトのためにはタイミンＧ信号58をその
行のすべてのマスタフリップフロップ記憶素子に与え、
タイミング信号157を同一の行のすべてのスレーブフリ
ップフロップ記憶素子に与えなければならない。第15図
に図示したように、時刻t0において、バイアスアビーム
は相補的情報信号が出力ファイバ対にシフトして出され
る行だけで高レベルのパルスとなる。マスタフリップフ
ロップ記憶素子に高電力レベルのバアイアスビーム158
が与えられるので、情報信号対はマスタフリップフロッ
プ記憶素子から放出されて配列125の相対するホログラ
ムに向けられ、ここで信号は再び対をなす隣接したフリ
ップフロップ記憶素子に与えられる。時刻t0とt1の間で
はバイアスビーム157は低レベルにあるので、マスタフ
リップフロップ記憶素子上の情報はフレーブフリップフ
ロップ記憶素子に転送される。さらに、マスタフリップ
フロップ記憶素子134（R3,C8）Ｍからの情報信号はホロ
グラム125（R3,C8）Ｍにゆき、これがこの信号を出力フ
ァイバ対160（１）に向ける。

時刻t1で情報の転送が終了したあと、タイミング制御
信号158は低電力レベルに変化する。この結果として、
スレーブフリップフロップ記憶素子に記憶された情報を
表わす相補的情報信号対は相対して面するホログラムに
与えられ、これが信号を隣接したマスタフリップフロッ
プ記憶素子に戻す。これによってスレーブフリップフロ
ップ記憶素子からマスタフリップフロップ記憶素子にデ
ータ転送されたことになる。時刻t2で、タイミング信号
157は低電力レベルに戻り、タイミング信号158は高電力
レベルに戻る。上述したシーケンスは次々に繰返されて
手情報の各ビットをシフトレジスタの行を通してシフト
し、出力ファイバの電力160（１）とする。従って、所
望の並直列変換が行なわれて、空間的に分離した情報を
時間的に分離したフォーマットに変換する。第13図に図
示するように、時間フレームの境界が時刻t8に存在す
る。第14図出は時間フレームの境界は時刻t7で生じ、第
15図では時間境界は時刻t4で生ずる。第13図に示すよう
に時間フレームＦが入力シフトレジスタユニット121に
入れられている間に、データがディストリビュータを通
してスイッチされるのであるから、第15図のフレーム境
界のあとでシフトして出されるデータは時間フレーム
（Ｆ−１）に対応することになる。

各々が情報タイムスロットを含む行129R1−129R3）の
ような出力シフトレジスタの行のグループが160（１）
のような各々の出力ファイバ対に関連している。このグ
ループは関連する出力ファイバ対に時間的に分離された
情報を直列に送信するための時間フレームの情報を含ん
でいる。制御タイミング信号156−159には出力ファイバ
送信システムのデータ速度のクロックが与えられて最後
のデバイスからの情報信号を付勢されたシフトレジスタ
の行の各々に放出する。各グループの行は周知の方法で
自動的に付勢されるか、あるいは代りに制御バス174を
通して出力ファイバシステム190によって制御される。
光スイッチと出力光搬送設備190を同期するために、周
知のタイミング制御信号が出力制御回路110からバス167
に送られる。

出力シフトレジスタユニット129と出力ファイバ対160
（１）−160（Ｎ）の間には光学的に透明なスペーサ材
料126の層がある。スペーサ材料126は各々のホログラム
対が光信号対を、関連する出力ファイバ対に対して最小
の伝送損失で向けるための空間を与える。

要約すれば、光スイッチアセンブリー100は完全にス
イッチの段の中で光領域で空間分割光スイッチアセンブ
リーと時分割光スイッチアセンブリーの動作を実行す
る。これはエンコーダ配列102からの光情報信号対をデ
コーダ配列124のすべての行に空間的に分配するディス
トリビュータシステムによって実行される。直列に受信
された光情報は入力シフトレジスタユニット131の行に
格納される。このシステムの並列動作を利用するため
に、交換されるべきデータは並列形式でシステムに与え
られなければならない。これは特定のデータのタイムス
ロットに関連した行に対して直列に受信されたデータを
シフトする入力シフトレジスタユニットによって実行さ
れる。同様に、逆の動作が出力シフトレジスタユニット
129で実行され、これではディストリビュータ103を通し
て交換されてきた出力情報が出力シフトレジスタの行か
ら直列に読み出され、出力ファイバ対160（１）−160
（Ｎ）に直列に送出される。シフトレジスタユニットに
なる光情報のシフト動作によってディストリビュータは
入来データあるいは出力データよりはるかに低い速度で
動作できる。入出力の記憶ユニットだけが入力と出力の
直列ビットの速度で動作することを要求される。入力シ
ステム101は時間的に分離された光信号のビットの流れ
を空間的に分離されたビットパターンに変換する。情報
は次に並列にディストリビュータを通して出力システム
105に対してスイッチされこのときにスイッチ制御回路1
10の制御下にエンコーダ配列102とデコーダ配列104が使
用される。従って、光ファイバ上の任意のタイムスロッ
トのデータを出力ファイバ中の任意の他のタイムスロッ
トにスイッチすることができ、これによって時間スイッ
チと空間スイッチの両方を実行することができる。

以上、本発明の光スイッチアセンブリーについて詳細
に説明を行ってきたが、最後にあたり本発明の端的かつ
明確な理解に資することを目的として、本発明に係る光
スイッチアセンブリーの動作原理および特徴をまとめて
おきたい。

動作原理 本発明の光スイッチアセンブリーは、光送信器素子の
配列（102）からの光を光受信器素子の配列（104）に対
して方向づける光ディストリビュータ（103）を含む。
これら素子はｘ方向に伸びる行とｙ方向に伸びる列に２
次元的に配列されている。重要なことは、これら素子は
行毎に選択的に活性化（付勢）可能なことである。ディ
ストリビュータは、ｘおよびｙ方向において異なる集束
特性を有する集束手段（501,504,506）で製作される。
集束特性が異なるために、送信器素子配列の任意の列中
の任意の素子からの光は、受信器素子配列の対応する列
中のすべての素子にわたって分配される。結果として、
送信器素子の任意の行からの光は受信器素子の行の任意
の１つもしくは２つ以上のものに選択的に転送される。
この光スイッチアセンブリーは、複数の直列光信号入力
チャンネル（150）から光信号を受信するよう構成され
た光シフトレジスタユニット（131）および入力記憶素
子配列からなる光入力システム（101）をも含んでい
る。光入力システムは、直列光信号を空間的に分離す
る。入力記憶素子配列（132）は、空間的に分離された
信号を受信し記憶するとともに、それらを送信器素子の
配列に印加する。入力チャンネルの各々は、入力記憶素
子配列の１つもしくは２つ以上の行に一義的に割り当て
られている。１つもしくは２つ以上の入力チャンネル
は、入力記憶配列の複数の行であって異なるタイムスロ
ットに対応する行に割り当てられている。

さらに、本発明の光スイッチは、受信器素子の配列か
らの信号を記憶するための出力記憶素子配列（133）
と、出力記憶素子配列に記憶された信号を複数の直列光
信号出力チャンネル（160）に直列にシフトするよう構
成された出力シフトレジスタユニット（129）とからな
る光出力システム（105）を含んでいる。出力チャンネ
ルの各々は、出力記憶素子配列の１つもしくは２つ以上
の行に一義的に割り当てられている。

この光スイッチは、単一交換段内において光信号の空
間分割交換（スイッチング）および時間分割交換の両方
を実行するよう動作する。入力ファイバーは、いくつか
のタイムスロットを有していてもよい。各入力ファイバ
ーの各タイムスロットは、送信器素子の配列中の異なる
行に割り当てられる。ディストリビュータの動作のため
に１つの送信器行中の情報は１つもしくは２つ以上の任
意の受信器行へと転送される。したがって、１つの入力
ファイバーのタイムスロットを任意の出力ファイバー上
の任意のタイムスロットに交換しスイッチングすること
ができる。

ディストリビュータは、好都合なことに入力位置の配
列の選択された行からの個々の列の光信号をその光軸と
出力配列の対応する列の中心に関して中心を合わせて分
散し、個々の対応する出力列のどの位置をも照らすよう
にすることができる。入力列における光信号の垂直位置
には無関係に同一の結果が得られる。選択された入力配
列の行の他の列から発された各々の信号についても同様
の結果が得られる。

特徴 本発明の光スイッチアセンブリーは、 光送信器素子の配列（102）、 光受信器素子の配列（104）、 該送信器素子の配列から受信器素子の配列に対して光
を方向づけるための光ディストリビュータ（103）、お
よび送信器素子の配列を通して受信器素子の配列に対し
て光を方向づけるための光ソース（150（１）、151
（１））を主な構成要素とする。

光送信器素子の配列102は、個々の光ビームのエンコ
ーディング配列、即ち入力配列から構成される。光受信
器素子の配列104は、配列102（第１図も参照のこと）に
おける素子に対応するよう並べられた素子を有するデコ
ーダ配列から成る。光ソース150（１）ないし150（Ｎ）
は、送信器素子の配列を通して受信器素子の配列に向け
られる光を提供するものである。各配列の素子は行ごと
に選択的に活性化、即ち付勢することができる。第５図
を参照するとわかるように、ディストリビュータはｘお
よびｙ方向（第５図の上部左端におけるｘ、ｙ、ｚ座標
系を参照のこと）において異なる集束特性を有する集束
手段501、506、504から成る。送信器素子および受信器
素子の配列は、ｘ方向における集束に関してディストリ
ビュータのそれぞれの共役面に配置されている。即ち、
第７図を参照すると、送信器素子102の配列における左
端の素子上の光入力はレンズ506によって方向づけら
れ、即ち集束されてその結果対応する光素子が受信器素
子104の配列の右端列における素子に現れることとな
る。この左から右へおよび右から左への置き換えは、
「ｘ方向における集束に関し共役面の関係にある」と定
義される。第６図はｙ方向（垂直方向）の光転送を図解
している。受信器素子の配列は、ｙ方向集束に関してデ
ィストリビュータの焦点面に配置される。これにより光
は、送信器素子の配列における１つの列の任意の行の素
子の任意のものから受信器配列における素子列のすべて
の素子を網羅して分配されることなる。第５図を参照す
ると、送信器配列102の最上行、左端列における光素子5
50は、第５図に示されるような受信器配列104上に示さ
れるような対応光分布に帰着するようディストリビュー
タのｘ方向とｙ方向の双方にマッピングされる。即ち、
ｘ方向においては共役なマッピング即ち左から右へのマ
ッピングにより、左端列から右端列への光ビーム転送が
結果として生じる。そしてｙ方向に関しては、入力ビー
ムはｘ方向マッピングによって決定されるような列にお
けるすべての行をカバーするよう広がる。このようにし
て送信器素子の任意の行からの光が受信器素子の行の任
意の１つ又は２つ以上のものに選択的に転送されること
になる。本発明の光スイッチアセンブリーは、光ビーム
によって搬送される情報の空間的な方向づけを許容する
という作用効果をもたらす。先に発明した例において、
第５図を参照すると、光ビーム550は、列（そこに光の
形552が分配される）中に並べられた対応する受信素子
の任意のものにより受信可能である。与えられたタイム
スロットに対して、対応する列における任意の受信器素
子は情報550を受信することができる。そして典型的に
は、この列の１つの行における１つの受信器素子のみが
活性化（付勢）されるので、送信器素子配列102におけ
る上部行、左列から受信器配列104における右端列の１
つの行への空間的な経路づけがなされることになる。本
発明の光スイッチアセンブリーに含まれる光ディストリ
ビュータは、入力デバイス配列の任意の行からの出力ビ
ットをとらえて光ディストリビュータにより光のビーム
を導びく（道案内をする）光学的装置である。しかしな
がら、入力ビットの各々からの光ビームを他のものと干
渉させてはならない（クロフトークを最小にせねばなら
ない）ため、行を越えて空間的に分離されるビットの各
々は光学機器によって保存されねばならない。このよう
にディストリビュータは、垂直なｙ方向における光ビー
ムを広げるとともに水平なｘ方向における光ビームの発
散を制御するよう機能するものである。アレイをｘ方向
に関してディストリビュータの共役面に配置することに
より、像形成を行ってビームの水平分散を制御する。一
方、ｙ方向に関してアレイをディストリビュータの焦点
面に配置しフーリエ変換を生じさせ、そしてビームの垂
直な広がりを得るようにする。

本発明は、単一のステージの光ディストリビュータを
使用して時間と空間の両方のスイッチングを提供するこ
とにより従来技術における問題を解消したものである。
このディストリビュータは、自由空間クロスバースイッ
チやリチウムニオブ多段スイッチに対するハードウエア
要求よりも複雑さが低減される。本発明では、フーリエ
変換の操作のため光入力信号の垂直位置にかかわらず同
じ垂直ビーム拡散効果が達成される。時間領域の信号を
表わす時間関数のすべてのフーリエ変換が周波数領域に
おいてＷ＝０点に関して対象的であるということを考慮
すればこの効果は容易に理解できることである。同様
に、この発明における入力空間関数のフーリエ変換もま
た光軸に関して対象的である。時間領域関数についての
時間信号の時間シフトはフーリエ変換の位相シフトに帰
着するにすぎない。そのため、フーリエ変換の振幅関数
は、時間信号の時間シフトにより少しも影響を受けな
い。これと同様に、本発明の実施例におけるレンズは、
入力デバイス配列の垂直ｙ軸にそって信号の電界分布の
フーリエ変換を生じさせるので、入力スポットの垂直な
空間シフトは出力デバイス配列で作り出されるフーリエ
変換の振幅関数を変化させることはない。即ち、出力デ
バイス配列に到達する光信号の位相が変化するにすぎな
い。出力デバイス配列の光検出器は光の位相に対して敏
感ではないので、出力検出器は、その信号が入力デバイ
ス配列のどこで付勢されたかにかかわらず同じ信号を受
信することとなる。入力デバイス配列における送信器の
付勢は入力電界パターンに直接反映する。送信器は、バ
ス上で付勢されつつあるワード中のビットの状態にもと
づいて変調されるので、この電界パターンは事実上ワー
ド中のビットの状態によって形成されることになる。

本発明の別の局面は、入力におけるシリアルデータ流
を、（ディストリビュータに注入することのできる）パ
ラレル（並列）構成のＷビットに変換するためのシフト
レジスタを用いていることである。任意のシフトレジス
タは、２つの基本的な要素、即ちフリップ・フロップ蓄
積素子と、フリップ・フロップＰの出力をフリップ・フ
ロップ（Ｐ＋１）の入力に接続するための手段とを有し
ている。図解された実施例において、フリップ・フロッ
プ蓄積素子は、SEEDデバイスにより提供される。また、
フリップ・フロップの出力を別のフリップ・フロップの
入力に接続するための手段は、１つのSEEDデバイスから
放射している光ビームを別のSEEDデバイスの入力に経路
づけするホログラムによって提供される。ホログラム
は、SEEDデバイスのｉ行、Ｐ段のビームをSEEDデバイス
のｉ行、（Ｐ＋１）段に反射させる反射ホログラムであ
る。

ビーム−スプリッタ（ビーム分割器）109は、セメテ
ックス空間光変調器から入力レジスタユニット131上へ
の光制御（即ち、クロック）信号と同様にファイバーか
らの光入力信号を導くために用いられる。これは、ファ
イバからの光がビームスプリッタを通過してデバイス配
列に進むようにその光をＰ−偏光することにより、また
セメテックスからの光がデバイス配列上で反射するよう
にその光をＳ−偏光させることにより遂行される。これ
らの信号が方向づけられるデバイス配列は、本発明では
フリップ・フロップとして動作するSEEDデバイスであ
る。その配列は、上述したようなシフトレジスタを実施
するのに必要な多くのフリップ・フロップを提供する。

上述したように、フーリエ光学を応用することにより
垂直方向において光ビームを拡大し、これにより出力面
に生ずる強度分布を入力ビームの垂直位置にかかわらず
光軸に集中させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光スイッチアセンブリーの図； 第２図は第１図の光スイッチアセンブリーの入力システ
ムの詳細な説明図； 第３図は第１図の光スイッチアセンブリーのビーム形成
システムによって形成されるガウス分布を有する光バイ
アスアビームの大きさを示す詳細図； 第４図は第１図の光スイッチアセンブリーのエンコーダ
配列で使用される自己電気−光効果デバイスの回路図； 第５図は第１図の光スイッチアセンブリーのディストリ
ビュータの詳細図； 第６図は第５図のディストリビュータの側面図； 第７図は第５図のディストリビュータの上面図； 第８図は第１図の光スイッチアセンブリーの単一のエン
コーダ素子の入力電界の波形例とデコーダ配列に存在す
る結果として得られるフーリエ変換を表わす図； 第９図は第１図の光スイッチのデコーダ配列の列の光素
子からの波形例とデコーダ配列に存在する結果として得
られるフーリエ変換を表わす図； 第10図は第１図の光スイッチアセンブリーのエンコーダ
配列の列からの雑音波形例と単一の光情報信号とデコー
ダ配列上の結果として得られるフーリエ変換を表わす
図； 第11図は第１図の光スイッチアセンブリーの出力システ
ムの詳細図； 第12図は第２図の入力システムの一部の詳細図； 第13図乃至第15図は第１図の光スイッチアセンブリーの
入力システム101、ディストリビュータ103および出力シ
ステム105に与えられる種々の光情報信号と光および電
気タイミング制御信号のタイミング図である。 ［主要部分の符号の説明］ ディストリビュータ手段……103 デコーダ手段……104 制御手段……110 エンコーダ手段……102

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーヴァード エス．ヒントン アメリカ合衆国 60565 イリノイズ, ネイパーヴィル，カリコ アヴェニュー 1229 (72)発明者 フレデリック ビー．マッコーミック, ジュニヤ アメリカ合衆国 60532 イリノイズ, リッスル，アパートメント ４エム，ア ベイ ドライヴ 5650

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光送信器素子の配列（102）、 光受信器素子の配列（104）、および該送信器素子の配
   列から受信器素子の配列に対して光を方向づけるための
   光ディストリビュータ（103）を含み、ここで、該配列
   は２次元配列であって、該素子はｘ方向に伸びる行とｙ
   方向に伸びる列に配列されており、 さらに、送信器素子の配列を通して受信器素子の配列に
   対し光を方向づけるための光ソース（150（１）ないし1
   50（Ｎ））を含む光スイッチアセンブリーにおいて、 該配列の該素子は行毎に選択的に活性化可能であり、該
   配列がｘ方向における集束に関してディストリビュータ
   のそれぞれの共役面に位置するとともに受信器素子の配
   列がｙ方向における集束に関してディストリビュータの
   焦点面に位置するように該ディストリビュータがｘおよ
   びｙ方向において異なる集束特性を有する集束手段（50
   1,504,506）からなり、また送信器素子の配列の任意の
   列中の任意の素子からの光が受信器素子の配列の対応す
   るすべての素子にわたって分配され、これにより結果と
   して送信器素子の任意の行からの光が受信器素子の行の
   任意の１つもしくは２つ以上のものに選択的に転送され
   るようになっていることを特徴とする光スイッチアセン
   ブリー。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の光スイッチ
   アセンブリーにおいて、 複数の直列光信号入力チャンネル（150）からの光信号
   を受信するよう構成され直列光信号を空間的に分離する
   ための光シフトレジスタユニット（131）、および該空
   間的に分離された信号を受信して記憶し、そしてそれら
   を送信器素子の該配列に印加するよう送信器素子の配列
   の行および列に対応する行および列に構成された入力記
   憶素子配列（132）からなる光入力システム（101）を含
   むことを特徴とする光スイッチアセンブリー。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載の光スイッチ
   アセンブリーにおいて、 該入力チャンネルの各々が、入力記憶素子配列の１つも
   しくは２つ以上の行に一義的に割り当てられていること
   を特徴とする光スイッチアセンブリー。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項に記載の光スイッチ
   アセンブリーにおいて、 該入力チャンネルの１つもしくは２つ以上が、該入力記
   憶配列の複数の行であって異なるタイムスロットに対応
   する複数の行に割り当てられていることを特徴とする光
   スイッチアセンブリー。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項、第２項、第３項お
   よび第４項のいずれかに記載の光スイッチアセンブリー
   において、 該受信器素子の配列からの信号を記憶するため該受信器
   素子の配列の行と列に対応する行と列に構成される出力
   記憶素子配列（133）、および 該出力記憶素子配列に記憶された信号を複数の直列光信
   号出力チャンネル（160）へと直列にシフトするよう構
   成された出力シフトレジスタユニット（129）からなる
   光出力システム（105）を含むことを特徴とする光スイ
   ッチアセンブリー。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第５項に記載の光スイッチ
   アセンブリーにおいて、 該出力チャンネルの各々が、出力記憶素子配列の１つも
   しくは２つ以上の行に一義的に割り当てられていること
   を特徴とする光スイッチアセンブリー。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載の光スイッチ
   アセンブリーにおいて、 該出力チャンネルの１つもしくは２つ以上が出力記憶素
   子配列の複数の行であって異なるタイムスロットに対応
   する複数の行に割り当てられていることを特徴とする光
   スイッチアセンブリー。