JP3899705B2

JP3899705B2 - 光スイッチ

Info

Publication number: JP3899705B2
Application number: JP27831698A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000111962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート型光スイッチに係り、特に、広帯域、高出力、低クロストーク特性を持った広帯域光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ネットワークの進展と共にダイナミックなトラフィック制御用や障害時の迂回用としてマトリクス光スイッチのニーズが高まってきた。マトリクス光スイッチには、１）低損失、２）低クロストーク、３）高速スイッチング、４）低消費電力、５）小型、６）低コストなどが要求される。このような要求を満足する可能性のあるマトリクス光スイッチとして、半導体光増幅器を光分波回路の各出力側に光ゲートとして配置し、これらの光ゲートへの注入電流を制御することにより、出力を行う光ゲートを選択して光路切り替えを行う方式によるマトリクス光スイッチ、即ち、半導体光増幅器を用いたゲート型マトリクス光スイッチが注目されている。このようなマトリクス光スイッチを構成する光スイッチの従来構成を図６に示す。
【０００３】
図６に示した光スイッチは、１入力２出力の１×２型光スイッチであり、１個の入力ポートと２個の出力ポートとを有する光分岐回路（以下、１入力２出力の光分岐回路と記す）２の各出力ポート２−２，２−３に前記光ゲートを構成する半導体光増幅器３−１，３−２の入力端をそれぞれ接続したものである。
【０００４】
図６の光スイッチにおいて、信号光１は、光分岐回路２の入力ポート２−１に入力され、出力ポート２−２，２−３へほぼ等分岐され、信号光１−１，１−２として伝搬し、それぞれの出力ポート２−２，２−３に接続された半導体光増幅器３−１，３−２に入力される。ここで、例えば、信号光６−１を出力させる場合には、半導体光増幅器３−１に電流注入回路４−１からの順方向電流Ｉｋ₁をスイッチ５−１を通して注入し、半導体光増幅器３−２にはスイッチ５−２をオフにして順方向電流Ｉｋ₂を注入しないようにする。このようにすると、半導体光増幅器３−１の出力端からは増幅された信号光６−１が取り出され、一方、半導体光増幅器３−２には順方向電流Ｉｋ₂が注入されていないので、信号光１−２は半導体光増幅器３−２で吸収を受けて減衰してしまい、半導体光増幅器３−２の出力端からは信号光がほとんど出力されない。即ち、両出力端間のクロストークは低く抑えられる。また、注入電流は１０ｍＡ程度であるので、低消費電力である。さらに、スイッチ５−１とスイッチ５−２とのオン、オフにより信号光を高速でスイッチングして半導体光増幅器３−１，３−２の出力端のどちらにでも選択切り替え出力させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体光増幅器を用いたゲート型光スイッチには次のような課題が残されている。
【０００６】
（１）光スイッチに入力されてくる信号光は、１．５３μｍ〜１．６１μｍの波長範囲を使用して十数チャンネルから数十チャンネルの波長多重された信号光を用いる波長多重信号光の場合が多い。そのため、光分岐回路及び半導体光増幅器には、上記波長帯をカバーする広帯域特性を持っていることが要求される。また、上記半導体光増幅器の上記帯域内での増幅利得特性ができる限り平坦であることが望まれる。ところが、従来の半導体光増幅器は、このような要求に対して不十分な特性しか持っていない。
【０００７】
（２）光スイッチの低消費電力を実現するためには、半導体光増幅器に注入する順方向電流はできる限り小さい値に設定しなければならない。しかし、順方向電流を小さくすることは増幅利得の低下につながり、結果的に出力された信号光のパワを増大することができず、また低クロストーク特性を実現することも難しくなる。
【０００８】
（３）現状ではクロストーク特性として−４０ｄＢ〜−４５ｄＢが実現されているが、マトリクス数が多くなれば、さらに低クロストーク特性（−６０ｄＢ程度）が必要になる。このような低クロストーク特性を実現することは現状では難しい。
【０００９】
（４）信号光は必ず半導体光増幅器を通るので、信号光に半導体光増幅器から発生する自然放出光により雑音成分が付加され、信号光対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下する。特に、信号光パワが低いときのＳ／Ｎの低下が問題である。
【００１０】
（５）オンになっている光ゲートの出力側で生じた反射光は、半導体光増幅器に逆方向に入射することによって大きく増幅され、入力側へ大きなパワとして戻ってくるので、入力側の光源の波長変動を誘引したり、クロストーク劣化の原因となる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、広帯域、高出力、低クロストーク特性を持った広帯域光スイッチを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、半導体光増幅器に順方向電流を注入するか、注入しないかを制御することにより、前記半導体光増幅器から信号光を出力させるか、出力させないかを制御する光スイッチにおいて、前記半導体光増幅器のゲイン領域の波長に設定された信号光と、前記半導体光増幅器のゲイン領域の波長帯以外のロス領域の波長に設定された監視光とを前記半導体光増幅器に入力するようにしたものである。
【００１３】
前記半導体光増幅器の出力側に、前記監視光を分波して取り出すための光分波回路を設け、この取り出した監視光を電気信号に変換する光・電気変換回路を設けて前記監視光をモニタするようにしてもよい。
【００１４】
前記光・電気変換回路の出力信号により、前記半導体光増幅器に順方向電流を注入する電流注入回路を制御してもよい。
【００１５】
前記半導体光増幅器は、順方向電流を注入して信号光を増幅する光増幅部と、逆方向電圧を印加して増幅された信号光中の雑音成分を低減する可飽和吸収部とを備えてもよい。
【００１６】
Ｎ（Ｎは整数≧１）個の入力ポートとＭ（Ｍは整数≧２）個の出力ポートとを有する光分岐回路の前記Ｍ個の出力ポートの側にそれぞれ前記半導体光増幅器を設けてもよい。
【００１７】
Ｎ（Ｎは整数≧１）個の入力ポートとＭ（Ｍは整数≧２）個の出力ポートとを有する第一光分岐回路の前記Ｍ個の出力ポートと、Ｍ個の入力ポートとＮ個の出力ポートとを有する第二光分岐回路の前記Ｍ個の入力ポートとの間に、それぞれ前記半導体光増幅器を挿入してもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１に本発明の第一の実施形態による広帯域光スイッチを示す。この広帯域光スイッチは、光分岐回路２の入力ポート２−１に入力した信号光１を光分岐回路２の出力ポート２−４側か出力ポート２−５側かのどちらかへ切り替えて信号光６−１か信号光６−２かを伝送させるための１×２の広帯域ゲート型光スイッチである。上記切り替え操作は、半導体光増幅器３−１，３−２へ順方向電流を注入するか、注入しないかを切り替えることによって行う。即ち、電流注入回路４−１，４−２からの順方向電流Ｉｋ₁，Ｉｋ₂をスイッチ５−１，５−２によりオン／オフすることによって行う。なお、スイッチ５−１，５−２は電流注入回路４−１，４−２内に機能として含ませておいてもよい。
【００２０】
この広帯域光スイッチは、次の特徴を有している。
【００２１】
まず、光分岐回路２の入力側でＷＤＭカプラ９−１により信号光１に半導体光増幅器３−１，３−２のロス領域の波長の監視光８を重畳させ、各々の光ゲートを構成する半導体光増幅器３−１，３−２に信号光１−１，１−２と共に監視光８−１，８−２を入力させている。これにより、半導体光増幅器３−１，３−２の増幅帯域幅を広げることができる。
【００２２】
次に、半導体光増幅器３−１，３−２の出力側でＷＤＭカプラ９−２，９−３により監視光８−３，８−４を取り出して光・電気変換回路１０−１，１０−２で受光している。この光・電気変換回路１０−１，１０−２で変換された電気信号をモニタすることにより各々の光ゲートの動作状態を常時監視することができる。
【００２３】
詳しく説明すると、監視光８は、監視用光源７から出力され、ＷＤＭカプラ９−１により信号光１に重畳され光分岐回路２の入力ポート２−１に入力される。ここで、監視光８の波長は、半導体光増幅器３−１，３−２のロス領域の波長帯から選ばれるが、できる限りゲイン領域の波長域に近い波長が好ましい。また、監視光８のパワが大きいほど、半導体光増幅器での信号光のゲインを高める効果と、ゲイン領域の波長域を拡大する効果とが大きい。
【００２４】
一方、信号光１の波長は、半導体光増幅器３−１，３−２のゲイン領域の波長域から選ばれる。信号光１は、通常、数チャンネルから数十チャンネルが波長多重される。従って、半導体光増幅器３−１，３−２は、できる限り広い帯域特性を持っていることが望ましい。本発明のように、監視光８を信号光１に重畳させることによって半導体光増幅器３−１，３−２の利得帯域幅を拡大させる効果があると、多チャンネルを波長多重するのに有利である。
【００２５】
光分岐回路２の入力ポート２−１に入力された監視光８は、光分岐回路２で等分配されて監視光８−１，８−２となり、信号光１−１，１−２と共に半導体光増幅器３−１，３−２に入力される。そして、監視光８−１，８−２は、半導体光増幅器３−１，３−２における信号光１−１，１−２の利得増大及び利得帯域幅拡大効果をもたらした後、出力ポート２−４，２−５側に出力され、ＷＤＭカプラ９−２，９−３で分波される。分波された監視光８−３，８−４は、それぞれ光・電気変換回路１０−１，１０−２で受光されて電気信号に変換される。この電気信号をモニタしておけば、スイッチがオンされているゲートの動作状態を監視することができる。なお、スイッチがオフされているゲート、例えば図１の半導体光増幅器３−２では、この半導体光増幅器３−２が光吸収部として作用するので、監視光８−２はほとんど吸収されてしまい、出力ポート２−５側には出力されない。従って、光・電気変換回路１０−２の電気信号はほとんど出力されない。
【００２６】
図２に本発明の第二の実施形態による広帯域光スイッチを示す。図１の構成と異なる点は次の２点である。まず、光分岐回路２の入力側にＷＤＭカプラ９−１が設けられておらず、監視光８は図示されない送信器側から伝送されてくるようになっている。次に、光・電気変換回路１０−１，１０−２の出力信号により電流注入回路４−１，４−２を制御する制御回路１１−１，１１−２が設けられ、半導体光増幅器３−１，３−２の出力側から取り出した監視光８−３，８−４を光・電気変換回路１０−１，１０−２で電気信号に変換し、この電気信号を制御回路１１−１，１１−２へ入力させるようになっている。
【００２７】
制御回路１１−１，１１−２の出力信号は、電流注入回路４−１，４−２の注入電流を制御するように作用する。つまり、監視光８−３，８−４の光パワが小さいときには注入電流を大にするよう作用する。その結果、光ゲートの出力信号光６−１，６−２が一定となるように制御される。
【００２８】
図１及び図２の構成に共通した利点として、監視光８の導入により半導体光増幅器３−１，３−２の増幅利得を増やすことができるので、その分だけ、半導体光増幅器３−１，３−２への注入電流を少なくすることができ、低消費電力で光スイッチングを行うことができる。
【００２９】
図３に本発明の第三の実施形態による広帯域光スイッチを示す。この広帯域光スイッチは、半導体光増幅器７−１，７−２として光増幅部１２−１，１２−２と可飽和吸収部１３−１，１３−２とを有するものを用いている。光増幅部１２−１，１２−２には、電流注入回路４−１，４−２からしきい値以下の順方向電流を注入する。可飽和吸収部１３−１，１３−２には逆方向電圧−Ｖｋを印加することにより、光増幅部１２−１，１２−２で生じた雑音成分を抑圧する機能を持たせ、また、オフされた光ゲートからの出力光成分を大幅に低減させる機能も持たせる。即ち、オフされた光ゲートは光増幅部に順方向電流が注入されていないので光吸収部となって信号光を減衰させる。光増幅部の後に設けられた可飽和吸収部には逆方向電圧が印加されているので、光増幅部で大幅に減衰した信号光が入射すると強力な光吸収部として作用する。従って、信号光はさらに激減し、この光ゲートの出力側には信号光はほとんど出力されない。これに対して、オンされた光ゲートから出力される信号光のパワは、監視光の導入により増大しているので、オンとオフとのクロストーク特性（消光比）を−６０ｄＢ以下の超低クロストーク特性にすることができる。
【００３０】
また、半導体光増幅器の自然放出光による雑音成分は、可飽和吸収部に逆方向電圧を印加しておくことにより、小さく抑えることができる。このようにオンとオフとに関わらず光ゲートからの雑音成分を小さく抑えることができるので、良好な信号光対雑音比（Ｓ／Ｎ）特性を得ることができる。特に、信号光パワが低いときのＳ／Ｎ特性を良好に保つことができる。
【００３１】
図４に本発明の第四の実施形態による広帯域ゲート型マトリクス光スイッチを示す。この広帯域光スイッチは、２入力２出力の広帯域光スイッチである。この広帯域光スイッチは、信号光１Ａ及び信号光１Ｂを信号光６−１として、或いは信号光６−２として、或いは信号光６−１及び信号光６−２として選択的に出力させる機能を持つ。
【００３２】
信号光１Ａ（１Ｂ）と監視光８Ａ（８Ｂ）とは、１入力２出力の光分岐回路２Ａ（２Ｂ）に入力され、２つの出力ポートに等分配されて半導体光増幅器３−１，３−２（３−３，３−４）で構成された光ゲートに入力される。そして、所望の光ゲートをオン或いはオフすることにより、増幅された信号光６−１，６−２が出力される。即ち、光ゲートからの出力信号光は、２入力１出力の光分岐回路２Ｃ（２Ｄ）に入力されて合波され、信号光６−１，６−２として出力される。この広帯域光スイッチは、４つの光ゲート３−１，３−２，３−３，３−４のオン、オフの組み合わせにより、１０通りの信号光出力を選択的に出力させることができる。
【００３３】
図５に本発明の第五の実施形態による広帯域ゲート型マトリクス光スイッチを示す。この構成は、図４の構成を変形させたものである。ここでは、光分岐回路２Ａ，２Ｂへの監視光の供給手段として、監視光光源７からの監視光８を光分岐回路２Ｅで２分配し、一方の監視光はＷＤＭカプラ９−１を介して光分岐回路２Ａに供給し、他方の監視光はＷＤＭカプラ９−６を介して光分岐回路２Ｂに供給するようになっている。
【００３４】
本発明は、以上の実施形態に限定されない。まず、図１から図５において、電流注入回路からの順方向電流を半導体光増幅器へ注入するか、注入しないかを切り替える操作は、スイッチ５−１，５−２のオン／オフに限らず、電流注入回路にスイッチ機能を持たせて電流注入回路で行うようにしてもよい。
【００３５】
また、図１から図３において、１×２型光スイッチに限らず、１×３，４，５…のように多数の出力ポートを持つ光スイッチとしてもよい。
【００３６】
また、図４、図５では、２入力２出力の広帯域ゲート型マトリクス光スイッチに限らず、Ｎ入力Ｍ出力（Ｎ≧２，Ｍ≧２）の広帯域ゲート型マトリクス光スイッチとしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３８】
（１）半導体光増幅器に信号光と共に、その半導体光増幅器のロス領域の波長の監視光を入力することにより、その半導体光増幅器の増幅帯域幅を広げることができるので、広い波長域で波長多重された信号光をスイッチングすることができ、かつ、出力された信号光の出力パワもほぼ等しくすることができる。
【００３９】
（２）監視光を広帯域光スイッチの出力側で取り出してモニタすることにより、広帯域光スイッチの動作状態を監視することができる。
【００４０】
（３）監視光をモニタした信号で半導体光増幅器の注入電流を制御することにより、半導体光増幅器の増幅利得を制御して信号光の出力パワを制御することができる。
【００４１】
（４）監視光を信号光に重畳することにより、半導体光増幅器の増幅利得を増やすことができるので、その分だけ注入電流を少なくすることができ、低消費電力の光スイッチを実現することができる。
【００４２】
（５）光増幅部と可飽和吸収部とを有する半導体光増幅器を用いることにより、オフされた光ゲートは光増幅部に順方向電流が注入されていないので光吸収部となって信号光を吸収して減衰させると共に、その後に設けられた可飽和吸収部には逆方向電圧が印加されているので光増幅部で大幅に減衰した信号光が入射した場合には可飽和吸収部が光吸収部として作用し、さらに信号光が減衰し、このオフされた光ゲートの出力側には信号光はほとんど出力されない。一方、オンされた光ゲートの信号光出力パワは、監視光の導入により増大している。従って、オンとオフとのクロストーク特性（消光比）を−６０ｄＢ以下の超低クロストーク特性にすることができる。
【００４３】
（６）オンされた光ゲート及びオフされた光ゲートからの自然放出光による雑音成分は可飽和吸収部に逆方向電圧を印加しておくことにより小さく抑えることができるので、良好な信号光対雑音比（Ｓ／Ｎ）を得ることができる。特に、信号光パワが低いときのＳ／Ｎ特性を良好に保つことができる。
【００４４】
（７）大規模なマトリクス光スイッチを構成しても十分に低いクロストーク特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す広帯域光スイッチの構成図である。
【図２】本発明の第二の実施形態を示す広帯域光スイッチの構成図である。
【図３】本発明の第三の実施形態を示す広帯域光スイッチの構成図である。
【図４】本発明の第四の実施形態を示す広帯域光スイッチの構成図である。
【図５】本発明の第五の実施形態を示す広帯域光スイッチの構成図である。
【図６】従来の光スイッチの構成図である。
【符号の説明】
２光分岐回路
３−１，３−２，７−１，７−２半導体光増幅器
４−１，４−２電流注入回路
５−１，５−２スイッチ
９−１，９−２，９−３ＷＤＭカプラ
１０−１，１０−２光・電気変換回路
１１−１，１１−２制御回路
１２−１，１２−２光増幅部
１３−１，１３−２可飽和吸収部

Claims

半導体光増幅器に順方向電流を注入するか、注入しないかを制御することにより、前記半導体光増幅器から信号光を出力させるか、出力させないかを制御する光スイッチにおいて、前記半導体光増幅器は、順方向電流を注入して信号光を増幅する光増幅部と、逆方向電圧を印加して増幅された信号光中の雑音成分を低減する可飽和吸収部とを備え、前記半導体光増幅器のゲイン領域の波長に設定された信号光と、前記半導体光増幅器のゲイン領域の波長帯以外のロス領域の波長に設定された監視光とを前記半導体光増幅器に入力したことを特徴とする光スイッチ。
前記半導体光増幅器の出力側に、前記監視光を分波して取り出すための光分波回路を設け、この取り出した監視光を電気信号に変換する光・電気変換回路を設けて前記監視光をモニタするようにしたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
前記光・電気変換回路の出力信号により、前記半導体光増幅器に順方向電流を注入する電流注入回路を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の光スイッチ。
Ｎ（Ｎは整数≧１）個の入力ポートとＭ（Ｍは整数≧２）個の出力ポートとを有する光分岐回路の前記Ｍ個の出力ポートの側にそれぞれ前記半導体光増幅器を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光スイッチ。
Ｎ（Ｎは整数≧１）個の入力ポートとＭ（Ｍは整数≧２）個の出力ポートとを有する第一光分岐回路の前記Ｍ個の出力ポートと、Ｍ個の入力ポートとＮ個の出力ポートとを有する第二光分岐回路の前記Ｍ個の入力ポートとの間に、それぞれ前記半導体光増幅器を挿入したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光スイッチ。