JP3989958B2 - 光ｔｄｍａ網における４チャンネル選択 - Google Patents

Description

この発明は、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）信号を搬送するための光網、とくにこのような網のノードで使用するための受信機に関する。
この発明を実施する網は例えば計算機システムを相互接続するためのローカルエリア網（ＬＡＮ）として使用できよう。プロセッサ速度と記憶容量という項目で見て計算機システムの力が大きくなったことが通常のパーソナルコンピュータをしてマルチメディア応用を処理できるようにし、その中には実時間ビデオ及びアニメーション並びにコンピュータグラフィクスを含んでいる。このような応用と関係した広帯域幅データは網に対して重い要求を発して、通常のＬＡＮの性能では対応できないことになる。
同期ＴＤＭＡを用いる光網はずっと広い帯域幅を提供する可能性があり、通常のＬＡＮを置換するために高速度ＬＡＮとして使用できるかもしれない。しかし、既存の光網では、信号伝送が光ドメインで行なわれているので、実用上は何がしかの電子回路がチャンネル選択のような機能にとって必要とされてきた。網構成のこのような電子部品は網の性能を限定するボトルネックを構成している。
“A High Speed Broadcast and Select TDMA network Using All-Optical Demultiplexing”,L P Barry et al,ECOC’95 pp437-440は実験したＯＴＤＭ網について記述している。網ノードの受信機では光クロック信号が検出され、また特定のＴＤＭＡチャンネルを選択するために検出されたクロック信号に電気ドメイン内で可変遅延が加えられた。パルス整形後に、光ドメイン内にローカル光信号源であるＤＦＢレーザを駆動することにより信号が戻されており、後の全光式スイッチング段階で使用する光信号が作られている。
Prucnalらの論文“Ultrafast all-optical synchronous multiplex access fibre networks”,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,SAC-4,no.9,December 1986は別なやり方を提案しており、そこでは異なる遅延、したがって異なるＴＤＭＡチャンネルが光ドメインで選ばれている。光信号は異なる経路間に分けられ、各経路は異なる特性遅延をもち、各経路内の電子光学的ゲートが制御されて、信号は所望の遅延をもつ経路だけを通る。
この発明の第１の特徴によると、光時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）網内のノードで使用するのに適した受信機が提案されており、この受信機は：
ａ） 光クロック信号用の入力と；
ｂ） 該入力で受けた光クロック信号を電気ドメインに変換するようにされた検出器と；
ｃ） 電気ドメイン内のクロック信号に遅延を加えるようにされた可変遅延段と；
ｄ） 非線形電子光学変調器であってその構成が
ｉ）ＴＤＭＡデータ流を受けるようにされた光入力と、
ii）該可変遅延段の出力に接続されている電気制御入力とを含むものによって構成されており、使用時には該電子光学変調器は該可変遅延段の遅延設定により選ばれるＴＤＭＡチャンネルを出力するようにしている。
電子光学変調器は電子吸収変調器（ＥＡＭ）であるのが好い。
本願発明者は、かなりの利点が電気ドメインでのチャンネル選択を組合せることにより得られることを見出しており、選ばれたチャンネルを読出すために高速の非直線性をも電子光学的スイッチを備えるようにして、これを見出した。とくに、光チャンネル選択との関連で一般に生ずるパワー損失なしに、相対的に高いスイッチングレートが得られる。ＥＡＭを用いるととくに好結果が得られることが見付かった。このようなデバイスの高速応答時間は数ピコ秒という短いスイッチング窓を可能とする。そこで受信機全体は４０Ｇビット／秒よりも早いビットレートで動作することができる。
受信機は受けたＴＤＭＡデータ流から光ドメイン内でクロック信号を分離するための手段を含むのがよい。この分離のための手段は偏光ビームスプリッタを含み、使用時にはクロック信号がＴＤＭＡデータ流に対して異なる偏光状態としてしるし付けされている。
分離のための手段の第１の出力は電子光学変調器の光入力に接続されていて、使用時にはＴＤＭＡデータが変調器の第１の出力から流れて、また分離のための手段の第２の出力は検出器に接続されていて、使用時には光クロック信号が第２の出力から検出器へ流れるのが好い。
インパルス生成器が可変遅延段の出力と電子光学変調器の制御入力との間に接続されているのが好い。
電子光学変調器は遅延段による出力よりも若干短いパルスをもつ駆動信号を必要とすることになろう。この場合には何らかの形のパルス整形を使用するのがよく、とくに遅延段の出力は電気インパルス生成器に加えられることになる。これは正弦波から短い電気パルスを生成するためのステップ・リカバリィ・ダイオートを用いる装置となろう。
可変遅延段は複数の論理ゲートと、各ゲートの第１の入力をクロック信号のための入力経路へ接続する手段と、各ゲートの第２の入力に接続された制御手段と、ゲートの出力を共通に遅延したクロック信号用の出力経路に接続する手段とを含み、ゲートの入力と出力とをそれぞれの入力と出力経路に接続する該手段は異なるゲートを経て異なるそれぞれの長さの経路を用意するようにされており、使用時には該制御手段は制御信号をゲートに加えて、経路とそれに合わせてクロック信号用の遅延とを選ぶようになっている。
この発明のこの好ましい特徴は論理ゲートのアレイを用いて一体構成に適し、かつ素早い再構成ができる電子チャンネルセレクタを用意することである。このチャンネルセレクタはこの発明の第１の特徴による受信機への応用に限定されないで、他の受信機設計やノード内送信機と一緒に使用できる。とくに、受信機内のローカル光源と組合されて、発明の第１の特徴をもつ電子光学変調器のところで使われていた全光式スイッチが使われていた受信機で使用される。
この発明の第２の特徴によると、上記の特徴のいずれか１つを備えた受信機であって、その可変遅延段の構成が：
複数の論理ゲートと；
各ゲートの第１の入力をクロック信号のための入力経路に接続する手段と；
各ゲートの第２の入力に接続されている制御器と；
ゲートの出力を共通に遅延したクロック信号のための出力経路に接続する手段とを含み；
ゲートの入力と出力とをそれぞれの入力と出力との経路に接続する該手段は異なるゲートを経由して、異なるそれぞれの長さの経路を用意するようにされており、かつ使用時には制御器が制御信号をゲートに加えてクロック信号のための経路と対応した遅延とを選ぶようにする受信機が提供されている。
入力と出力とを接続する前記手段の少なくとも１つはマイクロストリップ遅延線を含むのが好い。入力と出力とを接続する手段は１対のマイクロストリップ遅延線を含み、かつゲートがこの１対のマイクロストリップ遅延の間に接続されているのが好い。
ゲートの入力側にあるマイクロストリップ遅延線上のゲートへの隣りの接続はτ／２に対応する経路長だけ隔てられており、ゲートの出力側のマイクロストリップ遅延線上の隣の接続はτ／２に対応する経路長だけ隔てられていて、使用時にはゲートがτの倍数だけ遅延が変るように制御されるのが好い。ここでτはＴＤＭＡ信号の時間ドメイン内のチャンネル間隔とする。
この発明の第３の特徴によると、光ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）網のノードで受信機を動作する方法であって、その方法の構成は：
ａ） ＴＤＭＡデータ流と、関係する光クロック信号とを受けることと；
ｂ） 光クロック信号を検出し、それによって光クロック信号を電気ドメインに変換することと；
ｃ） 電気ドメインでクロック信号に可変遅延を与えることと；
ｄ） ＴＤＭＡデータ流を非線形電子光学変調器を通って送ることと；
ｅ） 遅延されたクロック信号に依存して変調器を制御し、それにより変調器がＴＤＭＡチャンネルの選ばれたものを出力することとを含む方法が提供されている。
この発明の第４の特徴によると、複数のＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）チャンネルであって光通信網上で運ばれているもののうちの若干のものだけを選択的にデマルチプレクスする方法であって、その方法の構成は：
ａ） ＴＤＭＡデータ流と関係する光クロック信号とを受けることと；
ｂ） 光クロック信号を検出し、それによって光クロック信号を電気ドメインに変換することと；
ｃ） 該複数のチャンネルのいずれがデマルチプレックスされるかに依存して可変遅延のための値を設定することと；
ｄ） 電気ドメインでクロック信号に該可変遅延を与えることと；
ｅ） ＴＤＭＡデータ流を非線形電子光学変調器を通って送ることと；
ｆ） 遅延されたクロック信号に依存して変調器を制御して、変調器が選ばれた１又は複数のＴＤＭＡチャンネルを出力することとで成る方法が提供されている。
この発明はまた、第１又は第２の特徴による受信機が関与する光網にも、またそのような網を用いて形成されるＬＡＮにも及ぶものである。
この発明を実施するシステムについてさらに詳細に例としての目的に限って、添付の図面を参照して記述して行く。
図１はこの発明の実施例の網の模式図である。
図２は図１のノードの１つの構造を示す図である。
図３は図１の網で使用するための送信機の模式図である。
図４は図１の網で使用するための受信機の模式図である。
図５は電気チャンネルセレクタ用の回路図である。
図６はローカル光源を備えた電気チャンネルセレクタの使用を示す図である。
図７は図６のトポロジィを応用した受信機の詳細図である。
図８はパルス源の模式図である。
光網は多数のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３…が光ファイババス１に接続されて構成されている。この例では、網は構内通信網（ＬＡＮ）であり、多数のパーソナルコンピュータＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…が光ファイババスを経て相互にまた網サーバ２に接続されている。簡明にするために、３つのノードしか示されていないが、実際には網はもっとたくさんのノードを支持できる。図２に示すように、各ノードは２点でバス１に接続されている送信機ＴＸ２１を含み、また送信機よりも下流点でファイババス１に接続されている受信機２２を含む。送信機２１と受信機２２とは電子的インターフェースＩ／Ｆ２３によってそれぞれのパーソナルコンピュータＰＣに接続されている。
この網は同期ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）プロトコルを用いて動作する。クロック流は網の全使用者に配分され、それによって各ノードの同期を確かにしている。クロックパルスは各フレームの開始のしるしとなる。フレームは時間スロットに正確に分けられており、例えば１００Ｇビット／秒ラインレートに対しては１０ピコ秒の期間のスロットとなる。一般に、各ノードは同調可能な送信機と同調可能な受信機とを備え、それによってどんな時間スロットでも送受信ができる。網のグラニュラリティ（粒塊度）、すなわち全体の網帯域幅と個別チャンネルの帯域幅との関係は比較的高い値に選ぶことができ、それによって各使用者は、１００Ｇビット／秒を超えるレートをもっている光ファイバパイプからの比較的遅い速度（例えば１５５Ｍビット／秒）へアクセスすることになる。必要とされる電子部品のコストを最小とするために、この例では各ノードはたかだか２．５Ｇビット／秒の電子系速度としている。クロック源は一般にサーバ２と関係する網制御器３に置かれている。このクロックは光パイプのピークラインレート（１００Ｇビット／秒）に対して低い繰返しレート、たとえば１５５または２５０ＭＨＺでピコ秒継続する規則的な流れを作る。このようなクロック源はモードロックレーザや利得スイッチ付きレーザで外部パルス補償機能を備えたもので用意される。ガイドラインとしては、約２ピコ秒のパルス継続時間が１００Ｇビット／秒ＬＡＮに対して必要とされ、それに対して４０Ｇビット／秒システムでは約５−７ピコ秒で十分である。１００Ｇビット／秒かそれよりも高いところでの動作に適したパルス源は本願出願人の未決欧州特許出願（出願日１９９６年２月１６日、名称“Optical Pulse Source”，（出願人ファイル番号A25146））に開示され、請求項に記載されている。この先願の開示をここでは参考に供することとする。このパルス源はリッジ導波路の、利得スイッチ形式の分散帰還半導体レーザダイオードＤＦＢ−ＳＬＤ）であり、その出力は電子吸収変調器によってゲートがかけられている。連続波（ＣＷ）光がＤＦＢ−ＳＬＤの光空洞に注入されている。同期ＲＦドライブがＤＦＢ−ＳＬＤとＥＡＭとに加えられている。このパルス源は模式的に図８に示されている。
図３はノードの１つの中の送信機を示す。この送信機では、分配されたクロック流の部分が分けられ（スプリットオフされ）て、電子光学変調器によって符号化される。たとえばこれは市販されているリチウムナイオベート変調器（United Technologies社、モデルno.APE MZM-1.5-3-T-1-1-B/C）もしくは電子吸収変調器（ＥＡＭ）でよい。適切なＥＡＭは次の出版物に記載されている：D.G.Moodie et al,pp.1370-1371 Electron.Letts.,3 August 1995,Vol.31,no.16.次に、送信機内の可変時間遅延（ΔＴ）が正しい時間スロット内に変調されたパルス流を置くようにして前方送りに備える。データとクロック流とは区別可能でなければならず、この例では偏光が使用されて、クロックをフレームの他部と区別している。送信機では、ポラライザＰがデータチャンネルの介入と電子光学変調器（ＥＯＭｏｄ）での変調の可能性を排除している。ポラライザは別個のデバイスである必要はなく、ＥＯ変調器と一体となっていてよい。例えば、上記参照のUnited Technologies社のＥＡＭはその動作が本来偏光選択性を備えている。遅延ラインは必要とされる遅延を備えるようにし、データパルスはクロック流に直交する偏光として適切な時間スロット内に挿入される。この偏光回転は簡単な偏光回転子（ＰＲ）、例えば減速度（retardation）板、もしくは偏光保存ファイバを回路実現上使用する場合には光ファイバパイプ内に再挿入をする前に物理的に導波路を回転して得られる回転、によって行なわれる。
受信機では、光パイプからの光の一部をタップどりした後で、クロックとデータとが分離される。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）がこの機能を実行するために使われる。クロックとデータパルスとは次に相対的な（プログラマブルな）光遅延を受けるように強制され、可変時間遅延デバイスが使用される。このことはクロックパルスがいずれものデータパスルスロットと時間的に重ねられることを意味し、したがっていずれものチャンネルをデマルチプレックスしたり読取ったりするのに使用できることを示している。チャンネルがデマルチプレックスされる後で、使用者当りの割当て帯域幅が最高２．５Ｇビット／秒で動作する受信機を用いる電気ドメインにそれが戻るように変換される。
図４は受信機の構造の詳細を示し、とくにどのように電気チャンネルセレクタ（ＥＣＳ）が使われて信号が用意され、この信号が適当な増幅と整形の後に電子吸収変調器（ＥＡＭ）を駆動するかを示している。電気チャンネルセレクタ（ＥＣＳ）は図５に示されている。光ＬＡＮクロックは先ず検出器５２を用いて検出され、検出器は例えばＰＩＮホトダイオードとなろう。増幅後に、この信号がフィルタにかけられて、きれいな電気的正弦波を生成する。この信号は次に一連の電気的ＡＮＤ論理ゲート（ＬＧ）で線形アレイに並べられたものを含む遅延段５３に入力される。このアレイはNEL NLB6202として市販されている単一の低コストチップとして実現されている。このＡＮＤゲートはマイクロストリップ遅延線へのアクセスを制御する。この遅延線ＬＡＮのチャンネル間隔と等しい遅延で正確に段階がつけられている。４０Ｇビット／Ｓで動作するシステムに対しては、チャンネル遅延ｔは２５ｐｓ（ピコ秒）に等しい。ＡＮＤゲートはデマルチプレクサ５４からの入力を介して制御される。この例では、デマルチプレクサはNL4705デバイス（NEL製）である。デマルチプレクサはノードに接続されたＰＣによって生成された到来シリアル遅延選択ワードをＡＮＤゲートアレイ用の適当なゲート用信号に変換し、それによって適当な遅延を選択する。
デイスクリートの論理ゲートを遅延設定のために使う代りに、連続可変のマイクロ波アナログ位相シフタを使用してもよい。適当なデバイスがモデルno.DPV2425-360LとしてVectronics Microwave Corp.社から市販されている。このデバイスは２．５ＧＨＺの帯域幅を有し、入力制御電圧０ないし１０ボルトに応答して０ないし３６０度の位相シフトを生じさせる。
電気チャンネルセレクタはその出力に段階のついた正弦波を作る。これが後に増幅され、適切な整形がされて次段で必要とされる適切な駆動信号を生成するようにしている。適切な同軸のステップリカバリィダイオード櫛形生成器（コムジェネレータ）がELISRAシリーズMW15900として市販されている。電子クロック再生がサブピコ秒時間ジッタで実行でき、マイクロストリップ遅延線がピコ秒精度で制御できるとすると、このような電気チャンネルセレクタを１００Ｇビット／秒のレートで使用することが潜在的に可能である。
図４の回路はＥＡＭを使用するが、ＥＣＳも代ってローカル光源と組合せて使うことができるであろう。このような光源とではＥＣＳはプログラマブルチャンネル挿入（図６）用の送信機内か、チャンネルドロッピング（図７）用の受信機内かで使用されることになる。チャンネルドロッピングの場合には、ローカルピコ秒（ｐｓ）パルスレーザの出力は光ＡＮＤゲート内でデータと組合せがされる。近年におけるピコ秒パルスレーザの進歩は半導体応用の能動媒体を用いる安定なピコ秒継続光パルスの発生を可能としている。このようなレーザの一例は利得切換え（スイッチド）ＤＦＢレーザと、それに続くチャープ補償とであり、前記引用の出願人の未決出願に記載されているところである。これはＭＨｚからＧＨｚの１０倍に及ぶフレキシブルな繰返しレートでピコ秒継続パルスの簡単で信頼性のある光源を提供している。現在の例では、このような源（ソース）は広帯域増幅後のＥＣＳの出力とインパルス発生器を用いることによって駆動されている。結果として得られる光パルス流はそこで光ＡＮＤゲート内で必要なチャンネルをデマルチプレックスするために直接に使用される。デマルチプレクサとして光ＡＮＤゲートを使用することは、現出願人の先の国際出願ｎｏ．ＰＣＴ／ＧＢ９５／００４２５、出願日１９９５年２月２８日に詳細に記述されている。源（ソース）の波長は光ＡＮＤゲートの設計に依存するが、データ波長と同じにすべて、限定されるわけではない。光ＡＮＤゲートはＳＬＡ−ＮＯＬＭもしくは集積半導体応用デバイスでよい。

Claims (10)

1. 光ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）網内のノードで使用するのに適した受信機であって、
   ａ） 光クロック信号用の入力と、
   ｂ） 該入力で受けた光クロック信号を電気ドメインに変換するようにされた検出器と、
   ｃ） 電気ドメイン内のクロック信号に遅延を加えるようにされた可変遅延段と、
   ｄ）ｉ）ＴＤＭＡデータ流を受けるようにされた光入力と、
   ｉｉ）該可変遅延段の出力に接続されている電気制御入力と、
   を備える非線形電子光学変調器であって、使用時には該電子光学変調器は該可変遅延段の遅延設定により選ばれるＴＤＭＡチャンネルを出力するものと、
   を備える受信機。
2. 前記電子光学変調器は電子吸収変調器（ＥＡＭ）である請求項１記載の受信機。
3. 受けたＴＤＭＡデータ流から光ドメイン内でクロック信号を分離するための手段を含む請求項１又は２記載の受信機。
4. 前記分離のための手段は偏光ビームスプリッタを含み、使用時にはクロック信号がＴＤＭＡデータ流に対して異なる偏光状態としてしるしがつけられる請求項３記載の受信機。
5. 前記分離のための手段の第１の出力は電子光学変調器の光入力に接続されていて、使用時にはＴＤＭＡデータが第１の出力から変調器へ流れて、また分離のための手段の第２の出力は検出器に接続されていて、使用時には光クロック信号が第２の出力から検出器へ流れる請求項３又は４記載の受信機。
6. さらに可変遅延段の出力と電子光学変調器の電気制御入力との間に接続されているインパルス発生器を含んだ請求項１ないし５のいずれか１項記載の受信機。
7. 前記可変遅延段は、複数の論理ゲートと、
   各ゲートの第１の入力をクロック信号のための入力経路へ接続する手段と；
   各ゲートの第２の入力に接続された制御手段と、
   ゲートの出力を共通に遅延したクロック信号用の出力経路に接続する手段とを含み、
   ゲートの入力と出力とをそれぞれの入力と出力経路に接続する該手段は異なるゲートを経て異なるそれぞれの長さの経路を用意するようにされており、使用時には該制御手段は制御信号をゲートに加えて、クロック信号用の対応する遅延を有する経路を選ぶ、請求項１ないし６のいずれか１項記載の受信機。
8. ａ）光クロック信号用の入力と、
   ｂ）クロック信号を電気ドメインに変換するための検出器と、
   ｃ）電気ドメインでクロック信号に選ばれた遅延を与えるための可変遅延段であって、該可変遅延段は、
   複数の論理ゲートと、
   各ゲートの第１の入力をクロック信号のための入力経路に接続する手段と、
   各ゲートの第２の入力に接続されている制御器と、
   ゲートの出力を共通に遅延したクロック信号のための出力経路に接続する手段とを含み、
   ゲートの入力と出力とをそれぞれの入力と出力との経路に接続する該手段は異なるゲートを経由して異なるそれぞれの長さの経路を用意するようにされており、かつ使用時には制御器が制御信号をゲートに加えてクロック信号用の対応する遅延を有する経路を選ぶようにするものと、
   ｄ）遅延されたクロック信号に依存して制御され、かつＴＤＭＡデータ流から１又は複数のチャンネルを選ぶようにされたスイッチと、
   を備える光網内のノード用受信機。
9. 前記接続するための手段の少くとも１つはマイクロストリップ遅延線を含む請求項７又は８記載の受信機。
10. 前記接続するための手段は１対のマイクロストリップ遅延線を含み、前記ゲートはその１対のマイクロストリップ遅延線の間に接続されている請求項９記載の受信機。

Images