JP4074565B2 - Optical signal pattern identification method and identification apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、光信号パターンの識別技術に関し、特に近い将来有望とされる光パケットスイッチネットワークにおいて、入力光パケットのアドレス情報等を有する光ラベル(ヘッダ)が、各ノードのローカルアドレス信号と、一致するか否かを高速に判別するための光−光型の光信号パターン識別方法及び光信号パターン識別装置に関する。   The present invention relates to an optical signal pattern identification technique, and particularly in an optical packet switch network that is expected to be promising in the near future, an optical label (header) having address information of an input optical packet matches a local address signal of each node. The present invention relates to an optical-optical type optical signal pattern identification method and an optical signal pattern identification apparatus for quickly determining whether or not to perform.

近年、インターネットに代表されるデータ通信の爆発的増加に伴い、光信号の高速化の要求が高まっている。しかし、10Gbps以上の光信号を受光素子で電気信号に変換した後、その電気信号をそのまま従来の電子回路で処理することが問題となってきている。例えば、光パケット通信では、ルータ等において、光パケットのラベルに含有されるアドレス情報を解読して出力ポートを判別したり、光パケット同士の衝突回避のためにそのパケット信号を任意の時間だけ遅延させたりするようなバッファメモリ機能が必要であるが、従来ではそれらラベル認識処理やメモリ処理機能はシリコン系のLSI(大規模集積回路)で構成されているため、その動作速度は1Gbps以下となってしまう。   In recent years, with the explosive increase in data communication represented by the Internet, there has been an increasing demand for high-speed optical signals. However, after converting an optical signal of 10 Gbps or more into an electrical signal by a light receiving element, it has become a problem to process the electrical signal as it is by a conventional electronic circuit. For example, in optical packet communication, a router or the like decodes address information contained in an optical packet label to determine an output port, or delays the packet signal for an arbitrary time to avoid collision between optical packets. However, since the label recognition process and the memory processing function are conventionally constituted by a silicon-based LSI (Large Scale Integrated Circuit), the operation speed is 1 Gbps or less. End up.

そこで、高速光パケット信号を、受光素子を用いたO/E(光/電気)受信回路により電気信号に変換し、その電気信号からInPまたはGaAs系の高速電子回路技術を用いた電気クロック信号発生器によりクロック信号を抽出するとともに、そのクロック信号により電気シリアル−パラレル変換器において高速電気信号を複数の低速な電気信号へパラレル変換した後、ラベル認識を可能とする方法が考えられている。しかし、このような方法では、クロック発生およびシリアル−パラレル変換をすべて電子回路に依存しているため、40Gbps程度の速度が限界であると考えられる。さらに、InPまたはGaAs系高速電子回路技術によりシリアル−パラレル変換を行い、複数の低速な信号に変換する場合には、高速な電気信号を順次半分の速度に分周する(40GHz→20GHz→・・・→数100MHz)必要があるため、かなりの段数が必要となり、またそれぞれの段におけるクロック抽出および位相制御等の問題も発生する。また、これら電子回路を用いた場合は、全体の消費電力も相当大きくなると予想される。しかも、電子回路を用いた従来のクロック抽出では、PLL(Phase Locked Loop:位相ロックループ) によるフィードバックをかけ、VCO(Voltage Control Oscillator:電圧制御発振器) の発振周波数をロックする必要があるため、バースト的に入力するパケット信号に対しては、瞬時にクロックを抽出することが不可能である。   Therefore, a high-speed optical packet signal is converted into an electric signal by an O / E (optical / electric) receiving circuit using a light receiving element, and an electric clock signal is generated from the electric signal using InP or GaAs high-speed electronic circuit technology. A method is conceivable in which a clock signal is extracted by a device, and a high-speed electric signal is converted into a plurality of low-speed electric signals in parallel by the electric serial-parallel converter using the clock signal, and then label recognition is possible. However, in such a method, since clock generation and serial-parallel conversion all depend on an electronic circuit, a speed of about 40 Gbps is considered to be the limit. Further, when serial-parallel conversion is performed by InP or GaAs high-speed electronic circuit technology to convert a plurality of low-speed signals, the high-speed electrical signal is sequentially divided into half speeds (40 GHz → 20 GHz →. Therefore, a considerable number of stages are required, and problems such as clock extraction and phase control in each stage also occur. In addition, when these electronic circuits are used, the overall power consumption is expected to be considerably large. Moreover, in conventional clock extraction using an electronic circuit, it is necessary to apply feedback by a PLL (Phase Locked Loop) and lock the oscillation frequency of a VCO (Voltage Control Oscillator). Therefore, it is impossible to extract a clock instantaneously for a packet signal that is input automatically.

高速な光ラベルのアドレス情報を解読する方法としては、上記のシリアル−パラレル変換により光ラベルの全ビットを低速な電気信号に変換した後、シリコンLSIで処理する方法と、入力光パケットの光ラベルが、ノードが保有するローカルアドレスと一致するか否かで判別する方法とが存在する。リング型ネットワークの各ノードにおいて、入力光パケットをドロップさせて、別のネットワークへ移行させるか、または通過(バイパス)させるかを判断するバイパス/ドロップ装置には、後者の方法の方がより簡便で有利である。   As a method of decoding the address information of the high-speed optical label, all the bits of the optical label are converted into a low-speed electrical signal by the serial-parallel conversion described above, and then processed by the silicon LSI, and the optical label of the input optical packet There is a method for discriminating whether a node matches a local address held by a node. The latter method is more convenient for a bypass / drop device that determines whether an input optical packet is dropped and transferred to another network or passed (bypassed) at each node of the ring network. It is advantageous.

光ラベルのパターンとローカルアドレス信号のパターンとを比較するパターンマッチング法としては、電界吸収型光変調器(EAM:electro absorption type modulator)等のAND(論理積)回路を用いたものが考えられる。すなわち、光ラベルは、ノーマリオンに設定されたEAMを通過する際に、ローカルアドレスの電気信号により変調される。このとき、光ラベルが「1」でローカルアドレス信号が「1」の場合は、光信号は出力されず、光ラベルが「1」でローカルアドレスが「0」の場合のみ光信号は出力される。すなわち、EAMからの出力光信号が「0」の場合は、光ラベルとローカルアドレスのパターンが一致したと判断することができ、一方その出力が得られた場合は光ラベルとローカルアドレスのパターンが不一致と判断することができる。しかしこの方法では、光ラベルが「0」でローカルアドレスが「1」の場合にも、不一致であるにもかかわらず、出力光が得られず、一致と判断されてしまう問題が発生する。そのため、この方法では、光ラベルとローカルアドレスの「1」のビットの数は互いに等しくなければならないという制約が生じる。さらに、動作速度はEAMによって制限されてしまうため、現状では40Gbit/s程度が限界である。   As a pattern matching method for comparing the pattern of the optical label with the pattern of the local address signal, a method using an AND (logical product) circuit such as an electro absorption type modulator (EAM) can be considered. That is, the optical label is modulated by the electric signal of the local address when passing through the EAM set to normally-on. At this time, if the optical label is “1” and the local address signal is “1”, the optical signal is not output, and the optical signal is output only when the optical label is “1” and the local address is “0”. . That is, when the output optical signal from the EAM is “0”, it can be determined that the pattern of the optical label and the local address match, whereas when the output is obtained, the pattern of the optical label and the local address is determined. It can be judged as a mismatch. However, with this method, even when the optical label is “0” and the local address is “1”, there is a problem that the output light is not obtained despite the mismatch, and it is determined that they match. For this reason, this method has a restriction that the number of “1” bits of the optical label and the local address must be equal to each other. Furthermore, since the operation speed is limited by EAM, the limit is about 40 Gbit / s at present.

一方、上記のようなAND型回路を用いることによる生じる、アドレス内に用いることができる「1」の数の制限や、電気信号による動作速度の制限を打破する方法として、光ファイバループを用いた非線形ミラー(NOLM:Nonlinear optical loop mirror)による全光パターンマッチング法が研究されている(非特許文献1参照)。この方法では、AND型ではなくExclusive OR(EX−OR)型の論理演算が用いられるため、上記「1」の数の制限がなくなり、任意の光ラベルの付与が可能となる。さらに、全光処理により40Gbit/sを超える高速光ラベルのパターンマッチングも可能となる。   On the other hand, an optical fiber loop was used as a method of overcoming the limitation on the number of “1” s that can be used in addresses and the limitation on the operation speed due to electrical signals, which are caused by using the AND circuit as described above. An all-optical pattern matching method using a non-linear optical loop mirror (NOLM) has been studied (see Non-Patent Document 1). In this method, since an exclusive OR (EX-OR) type logical operation is used instead of an AND type, the number of “1” is not limited, and an arbitrary optical label can be assigned. Furthermore, pattern matching of high-speed optical labels exceeding 40 Gbit / s is possible by all-optical processing.

K. L. Hall et al. “All-optical bit pattern generation and matching” Electron Letters Vol.32, No.13 P.1214-1215(1996-7)K. L. Hall et al. “All-optical bit pattern generation and matching” Electron Letters Vol.32, No.13 P.1214-1215 (1996-7) 中原達志、高橋亮他「自己同期型全光シリアル−パラレル変換による超高速光パケットのラベル認識とセルフルーチング」信学技報EMD2002-35, CPM2002-77,OPE2002-57、LQE2002-112 P.25-29(2002-08)Tatsushi Nakahara, Ryo Takahashi et al. "Label recognition and self-routing of ultrafast optical packets by self-synchronous all-optical serial-parallel conversion" IEICE Technical Report EMD2002-35, CPM2002-77, OPE2002-57, LQE2002-112 P.25 -29 (2002-08)

上述したように、AND型回路を用いたパターンマッチングでは、光ラベルの「1」の数に制約があり、さらに電気信号を用いることによる動作速度の制限が存在する。さらに光ファイバを用いたEX−OR型のパターンマッチングでは、「1」の数の制約はなく、動作速度も極めて高速となるが、装置全体が大きくなるという課題がある。   As described above, in the pattern matching using the AND type circuit, the number of “1” of the optical label is limited, and further, the operation speed is limited by using the electric signal. Furthermore, in the EX-OR type pattern matching using an optical fiber, there is no restriction on the number of “1” and the operation speed is extremely high, but there is a problem that the entire apparatus becomes large.

本発明の目的は、上述の課題を解決して、極めて小型で、超高速動作が可能な、EX−OR型の全光パターン識別が可能な、光−光型の光信号パターン識別方法及び光信号パターン識別装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to realize an optical-optical type optical signal pattern identification method and an optical device capable of identifying an all-optical pattern of an EX-OR type that is extremely small and capable of operating at an ultra high speed. An object is to provide a signal pattern identification device.

上記目的を達成するため、請求項1の光信号パターン識別方法の発明は、nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなる光プローブとを、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて、多重量子井戸層からなる面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号によりダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアを励起させ、前記第2の円偏光光信号により第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアを励起させる第1のステップと、前記アップスピンと前記ダウンスピンのキャリアの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別する第2のステップとを有することを特徴とする。
上記目的を達成するため、請求項4の光信号パターン識別装置の発明は、nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号をそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ/4板と、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ/4板を通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号を1点に集光するためのレンズと、前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチとを有し、前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号と前記プローブ光を、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて前記面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号により励起されるダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアと、前記第2の円偏光光信号により励起される前記第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアとの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別することに用いることを特徴とする。
上記目的を達成するため、請求項6の光信号パターン識別装置の発明は、nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号とをそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ/4板および−λ/4板と、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ/4板を通過した前記第1の円偏光光信号と、前記−λ/4板を通過した前記第2の円偏光光信号とを1点に集光するためのレンズと、前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチとを有し、前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号と前記プローブ光を、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて前記面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号により励起されるダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアと、前記第2の円偏光光信号により励起される前記第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアとの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別することに用いることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention of an optical signal pattern identification method according to claim 1 is characterized in that a first circularly polarized optical signal composed of optical pulses of n bits (n is an integer of 2 or more) and the first circularly polarized light. A second circularly polarized light signal having circular polarization opposite to that of the optical signal and also comprising an n-bit optical pulse and an optical probe comprising the same n-bit optical pulse are respectively represented as i-th (i is 1). All integers from 1 to n) are synchronized and irradiated to one point of a planar optical switch composed of multiple quantum well layers, and downspin (or upspin) is caused by the first circularly polarized light signal. A first step of exciting carriers to excite carriers of spin opposite to the first circularly polarized light signal by the second circularly polarized light signal, and a difference between the upspin and downspin carriers. Polarized shape of the optical probe A second step of identifying whether or not the signal pattern of the first circularly polarized light signal and the signal pattern of the second circularly polarized light signal are the same by measuring the presence or absence of a change in It is characterized by having.
In order to achieve the above object, an optical signal pattern identification device according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that a first circularly polarized optical signal composed of an optical pulse of n bits (n is an integer of 2 or more) and the first circularly polarized light. A polarization beam splitter having circular polarization opposite to that of the optical signal and passing through the second circularly polarized optical signal, which is also composed of an n-bit optical pulse, and probe light, which is also composed of an n-bit optical pulse, A λ / 4 plate for converting the first circularly-polarized light signal and the second circularly-polarized light signal that have passed through the polarizing beam splitter into reverse circularly polarized light, respectively, and the probe that has passed through the polarizing beam splitter Receiving light, a lens for condensing the first circularly polarized light signal and the second circularly polarized light signal that have passed through the λ / 4 plate, and light collected by the lens; Reflection type consisting of multiple quantum well layers for The first circularly polarized light signal, the second circularly polarized light signal, and the probe light are respectively i-th (i is an integer from 1 to n). Are applied to one point of the surface optical switch in synchronization with each other, downspin (or upspin) carriers excited by the first circularly polarized light signal, and the second circularly polarized light signal. Signal of the first circularly polarized light signal by measuring the presence or absence of a change in the polarization state of the optical probe caused by the difference from the spin carrier opposite to the first circularly polarized light signal excited by It is used for identifying whether the pattern and the signal pattern of the second circularly polarized light signal are the same.
In order to achieve the above object, the invention of an optical signal pattern identification device according to claim 6 is characterized in that a first circularly polarized optical signal composed of an optical pulse of n bits (n is an integer of 2 or more) and the first circularly polarized light. A polarization beam splitter having circular polarization opposite to that of the optical signal and passing through the second circularly polarized optical signal, which is also composed of an n-bit optical pulse, and probe light, which is also composed of an n-bit optical pulse, A λ / 4 plate and a −λ / 4 plate for converting the first circularly polarized light signal and the second circularly polarized light signal that have passed through the polarizing beam splitter into reverse circularly polarized light, respectively, and the polarization The probe light that has passed through the beam splitter, the first circularly polarized light signal that has passed through the λ / 4 plate, and the second circularly polarized light signal that has passed through the −λ / 4 plate are taken as one point. A lens for condensing, and the light is collected by the lens. A reflection-type surface optical switch composed of a multiple quantum well layer for receiving light, and the first circularly polarized light signal, the second circularly polarized light signal, and the probe light are respectively connected to the i th Down-spin (or up-spin) excited by the first circularly polarized light signal by irradiating one point of the planar optical switch with synchronized bits of the i th (i is an integer from 1 to n) ) And the change in the polarization state of the optical probe caused by the difference between the first circularly polarized light signal excited by the second circularly polarized light signal and the opposite spin carrier. Thus, the signal pattern of the first circularly polarized light signal and the signal pattern of the second circularly polarized light signal are used for identifying whether or not they are the same.

多重量子井戸層内にキャリアが励起されると、スピンに依存する位相空間フィリングとスピンに依存しないクーロン相互作用とにより、励起子吸収飽和が生じる。そのため、内部に励起されたキャリアのアップスピンとダウンスピンの数に差が生じると、直線偏光(直線偏光は右回りと左回り円偏光の合波)のプローブ光の右回りおよび左回り円偏光成分のそれぞれが、スピンに依存する位相空間フィリングにより異なる可飽和吸収効果を受けるため、直線偏光のプローブ光は楕円偏光に変化して光スイッチから反射される。よって、入力プローブ光偏波と直交したポラライザを出力側に配置すると、アップスピンとダウンスピンのキャリア数が同じ場合には、プローブ光は出力されないが、その数に違いがあるときは、プローブ光はポラライザを通過して出力されるようになる。
そのため、nビット(nは2以上の整数)からなる円偏光の第1の円偏光光信号(光ラベル信号と、逆の円偏光を有する第2の円偏光光信号(ローカルアドレス信号と、同じくnビットの光プローブとを、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて、多重量子井戸層からなる面型光スイッチの1点に照射し、アップスピンおよびダウンスピンをそれぞれ励起させると、第1、第2の円偏光光信号の信号パターンが一致した場合には、内部のスピンのバランスが常に保たれるため、光プローブの出力は得られないが、その両者の信号パターンに1ビットでも不一致数のビットが存在した場合には、光プローブ出力が得られ、その両者のパターンが不一致であることが判断される。すなわち、アップスピンとダウンスピンのキャリアの差により生じる光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、第1の円偏光光信号の信号パターンと第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別することができる。
When carriers are excited in the multiple quantum well layer, exciton absorption saturation occurs due to spin-dependent phase space filling and spin-independent Coulomb interaction. Therefore, if there is a difference in the number of up-spin and down-spin of carriers excited inside, the probe light of the linearly polarized light (linearly polarized light is a combination of clockwise and counterclockwise circularly polarized light) clockwise and counterclockwise circularly polarized light. Each of the components is subjected to different saturable absorption effects due to spin-dependent phase space filling, so that the linearly polarized probe light changes to elliptically polarized light and is reflected from the optical switch. Therefore, if a polarizer orthogonal to the input probe light polarization is placed on the output side, probe light is not output when the number of upspin and downspin carriers is the same, but if there is a difference in the number of probes, Is output through the polarizer.
Therefore, a circularly polarized first circularly polarized light signal ( optical label signal ) composed of n bits (n is an integer of 2 or more ), and a second circularly polarized light signal ( local address signal ) having a reverse circular polarization. Similarly, an n-bit optical probe is irradiated to one point of a planar optical switch composed of multiple quantum well layers by synchronizing each i-th bit (i is an integer from 1 to n). When the up-spin and down-spin are respectively excited, if the signal patterns of the first and second circularly polarized light signals match, the internal spin balance is always maintained, so that the output of the optical probe can be obtained. Never but 1 when the bits of the number of mismatches were present at bits in the signal pattern of both, the optical probe output is obtained, it is determined the pattern of both do not match. That is, by measuring the presence or absence of a change in the polarization state of the optical probe caused by the difference between the up-spin and down-spin carriers, the signal pattern of the first circularly polarized light signal and the signal pattern of the second circularly polarized light signal are Can be identified.

本発明では、光ラベルが多重量子井戸層内に励起されるアップスピン(またはダウンスピン)キャリアとローカル光信号が励起するダウンスピン(またはアップスピン)キャリアの数の違いによって生じるプローブの偏光状態の変化を検出することにより、光ラベルとローカル光信号の一致/不一致の判別を可能としており、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速光信号に対する識別が可能となる。   In the present invention, the polarization state of the probe caused by the difference in the number of up-spin (or down-spin) carriers in which the optical label is excited in the multiple quantum well layer and the down-spin (or up-spin) carrier in which the local optical signal is excited. By detecting the change, it is possible to determine whether the optical label and the local optical signal match or not, and it is possible to identify an extremely high-speed optical signal without being affected by the carrier lifetime or the spin relaxation time.

さらに、本発明では、光ラベルとローカル光信号のパターンが不一致のときにのみ、プローブ光が検出されるEX−OR型の動作が実現されるため、光ラベル内に用いることが可能な「1」の数に制限が無くなり、任意のパターンの光ラベルを付与することが可能となる。   Further, according to the present invention, since an EX-OR type operation in which probe light is detected is realized only when the pattern of the optical label and the local optical signal does not match, “1” that can be used in the optical label. The number of "" is not limited, and an optical label having an arbitrary pattern can be applied.

また、本発明は、光ファイバループを用いた方法(非特許文献1参照)に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置の実現が可能である。   In addition, the present invention can realize an optical signal pattern identification device that is extremely small and highly efficient as compared with a method using an optical fiber loop (see Non-Patent Document 1).

本発明では、信号光1が一方のスピンのキャリアを、信号光2が他方のスピンのキャリアを励起し、プローブ光がそのスピンのパランスをモニターすることにより、信号光1および信号光2のパターンの一致/不一致を認識することができる。プローブ光透過率の変化は、内部のトータルキャリア数に関係なく、スピンのパランスにのみ反応するため、本発明によれば、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速な光パケットに対するパターンの認識を実現することが可能となる。また、本発明では、プローブ光はスピンのパランスが崩れたときのみ出力される、いわゆるEX−OR型動作を行うため、光ラベル内の「1」のビット数に対する制限は払拭される。さらに、本発明によれば、光ファイバを用いた装置に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置を実現することが可能となる。   In the present invention, the signal light 1 excites the carrier of one spin, the signal light 2 excites the carrier of the other spin, and the probe light monitors the spin balance. Match / mismatch can be recognized. Since the change in the probe light transmittance reacts only to the spin balance regardless of the total number of internal carriers, according to the present invention, it is extremely fast without being affected by the carrier lifetime or the spin relaxation time. It is possible to realize pattern recognition for optical packets. In the present invention, since the probe light is output only when the spin balance is lost, the so-called EX-OR type operation is performed. Therefore, the restriction on the number of bits of “1” in the optical label is eliminated. Furthermore, according to the present invention, it is possible to realize an extremely small and highly efficient optical signal pattern identification device as compared with a device using an optical fiber.

以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明の光信号パターン識別方法の基本構成を示す図であり、11は集光レンズ、12は光スイッチ、13は集光レンズ、14はポラライザである。図2はその原理を説明する図である。
The best mode for carrying out the invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an optical signal pattern identification method according to the present invention, in which 11 is a condenser lens, 12 is an optical switch, 13 is a condenser lens, and 14 is a polarizer. FIG. 2 is a diagram for explaining the principle.

電子および正孔は、1つのエネルギー状態に対し、アップスピン(図2で上向の矢印で示す)とダウンスピン(図2で下向きの矢印で示す)の2つの状態が縮退して存在する。今、電子−重い正孔の励起子遷移に信号光の波長を合わせ、多重量子井戸層からなる光スイッチ12に照射する。このとき円偏光の信号光が入射した場合には一方のスピンのみを、逆の円偏光の信号光が入射した場合には他方のスピンを励起することになる。   Electrons and holes are present in a degenerated state of upspin (indicated by an upward arrow in FIG. 2) and downspin (indicated by a downward arrow in FIG. 2) for one energy state. Now, the wavelength of the signal light is adjusted to the exciton transition of electron-heavy hole, and the optical switch 12 composed of a multiple quantum well layer is irradiated. At this time, when circularly polarized signal light is incident, only one spin is excited, and when opposite circularly polarized signal light is incident, the other spin is excited.

信号光が「0」の場合は、直線偏光のプローブ光はその偏光状態を変えることができないので、入力プローブ光偏光と直交したポラライザ14を出力側に配置すると、出力光はほとんど「0」となる。   When the signal light is “0”, the polarization state of the linearly polarized probe light cannot be changed. Therefore, when the polarizer 14 orthogonal to the input probe light polarization is arranged on the output side, the output light is almost “0”. Become.

一方、円偏光の信号光(光信号)1または2で一方のスピンのみを励起した場合には、直線偏光(直線偏光は右回りと左回り円偏光の合波)のプローブ光のうち、そのスピンと相互作用のある円偏光成分のみが、吸収および屈折率の変化を感じる。すなわち、この場合、直線偏光のプローブ光を照射すると、信号光と同じ円偏光成分のみが、信号光により変調を受けることになり、光スイッチ12を透過したプローブ光は楕円偏光となるため、ポラライザ14を通過することが可能となる。   On the other hand, when only one of the spins is excited with the circularly polarized signal light (optical signal) 1 or 2, the probe light of linearly polarized light (linearly polarized light is a combination of clockwise and counterclockwise circularly polarized light) Only the circularly polarized component that interacts with the spin feels changes in absorption and refractive index. That is, in this case, when linearly polarized probe light is irradiated, only the same circularly polarized component as the signal light is modulated by the signal light, and the probe light transmitted through the optical switch 12 becomes elliptically polarized light. 14 can be passed.

一方、円偏光の信号光(光信号)1と、その逆の円偏光を有する信号光(光信号)2が、同等のエネルギーをもって同時に光スイッチに照射された場合には、アップスピンとダウンスピンが同等数同時に励起されるため、位相空間フィリングによる可飽和吸収効果は、直線偏光プローブ光の右回りと左回りの両方の円偏光成分に同等に作用するため、そのプローブ光は偏光状態を変えることなく光スイッチ12を通過し、ポラライザ14でカットされて出力されない。   On the other hand, when an optical switch is irradiated with circularly polarized signal light (optical signal) 1 and signal light (optical signal) 2 having the opposite circularly polarized light at the same time, upspin and downspin Are excited simultaneously, so that the saturable absorption effect due to phase space filling acts equally on both the clockwise and counterclockwise circular polarization components of linearly polarized probe light, so that the probe light changes its polarization state. Without passing through the optical switch 12, it is cut by the polarizer 14 and is not output.

すなわち、図2に示すように、光信号1と光信号2の最初の3ビットは等しいため、内部に励起されたアップスピンとダウンスピンの数は等しく、プローブ光のポラライザ14の透過率はゼロであるが、第4ビットで両者のパターンに不一致が発生した瞬間に、アップスピンとダウンスピンの数に差が発生し、プローブ光はポラライザ14を通過することが可能となる。このとき、発生した過剰なアップスピンのキャリアは、数10psのスピン緩和時間でダウンスピンへ移行していくため、その後の光信号のパターンが同じであっても、ポラライザ14のプローブ透過率は長いテールを引くこととなる。第4ビットとは逆の不一致ビットである第7ビットにより、ダウンスピンが励起され、スピンの数が同程度となると、再びプローブの透過率はゼロとなる。   That is, as shown in FIG. 2, since the first three bits of the optical signal 1 and the optical signal 2 are equal, the number of up-spin and down-spin excited inside is equal and the transmittance of the probe light polarizer 14 is zero. However, at the moment when the mismatch between the two patterns occurs in the fourth bit, a difference occurs in the number of up spins and down spins, and the probe light can pass through the polarizer 14. At this time, the generated excess upspin carriers shift to downspin with a spin relaxation time of several tens of ps, so that the probe transmittance of the polarizer 14 is long even if the subsequent optical signal pattern is the same. The tail will be pulled. The downspin is excited by the seventh bit which is a mismatch bit opposite to the fourth bit, and when the number of spins is approximately the same, the transmittance of the probe becomes zero again.

以下、再び不一致ビットが現れ、スピンのバランスが崩れるたびにプローブ光は出力されることとなる。すなわち、プローブ光の出力が得られた場合には、両者の光信号パターンは不一致であり、プローブ出力が全てゼロの場合は一致していると識別することができる。この時、内部のトータルキャリア数は、ナノ秒の再結合寿命を有するため、次第に蓄積されていくこととなるが、プローブの透過率はトータルのキャリア数ではなく、アップスピンとダウンスピンのキャリア数の差にのみ反応して変化するため、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に関係なく、超高速動作をさせることが可能となる。ここでは、プローブ光として、信号光と同じビット数の光パケットを用いているが、同じ時間持続する矩形波やCW(continuous-wave)光を用いることも可能である。   Thereafter, the mismatch bit appears again, and the probe light is output every time the spin balance is lost. That is, when the output of the probe light is obtained, the optical signal patterns of the two do not match, and when the probe outputs are all zero, it can be identified that they match. At this time, the total number of internal carriers has a nanosecond recombination lifetime, so it gradually accumulates, but the transmittance of the probe is not the total number of carriers, but the number of upspin and downspin carriers. Since it changes only in response to the difference between the two, it is possible to perform an ultra-high speed operation regardless of the carrier lifetime and the spin relaxation time. Here, an optical packet having the same number of bits as the signal light is used as the probe light, but a rectangular wave or CW (continuous-wave) light that lasts for the same time can also be used.

従って、図1の構成において、光信号1として光パケットに付与された光ラベル(ヘッダともいう)を入力し、信号光2としてノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号を入力することにより、ノードに入力する光パケットのアドレスが、そのノードのアドレスと同一であるか否かの判断を行うことが可能となる。   Accordingly, in the configuration of FIG. 1, an optical label (also referred to as a header) given to an optical packet is input as an optical signal 1 and a local address signal having node address information is input as a signal light 2 to the node. It is possible to determine whether the address of the input optical packet is the same as the address of the node.

(第2の実施形態)
図3は本発明の光信号パターン識別装置の構成の一例を示す。ここで、31は反射ミラー、32は偏光ビームスプリッタ(PBS)、33はλ/4板、34は集光レンズ、および35は光スイッチである。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows an example of the configuration of the optical signal pattern identification device of the present invention. Here, 31 is a reflection mirror, 32 is a polarization beam splitter (PBS), 33 is a λ / 4 plate, 34 is a condenser lens, and 35 is an optical switch.

直交した直線偏光を有する二つの信号光(光信号)1および信号光(光信号)2は偏光ビームスプリッタ(PBS)32で合わさり、λ/4板33で互いに逆の円偏光の信号光に変換されてから、光スイッチ35上に同時に照射される。この時、前述したように信号光1,2の両者のパターンとエネルギーが等しい場合には、内部で励起されるスピンは常に同数となり、プローブ光は常に直線偏光のまま反射されるため、PBS32でカットされて出力されない。   Two signal light (optical signal) 1 and signal light (optical signal) 2 having orthogonal linearly polarized light are combined by a polarization beam splitter (PBS) 32 and converted into mutually circularly polarized signal light by a λ / 4 plate 33. Then, the light is irradiated onto the optical switch 35 at the same time. At this time, as described above, when the patterns and energies of both the signal lights 1 and 2 are equal, the internally excited spins are always the same, and the probe light is always reflected as linearly polarized light. Cut and not output.

一方、信号光1と信号光2のパターンに1ビットでも不一致ビットが存在する場合には、その瞬間にスピンのバランスは崩壊し、プローブ光出力が得られるため、両者のパターンは不一致であることを識別することが可能となる。   On the other hand, if even one bit does not match in the pattern of signal light 1 and signal light 2, the spin balance collapses at that moment, and probe light output is obtained, so both patterns do not match. Can be identified.

(第3の実施形態)
図4は本発明の光信号パターン識別装置の他の構成例を示す。ここで、41は偏光ビームスプリッタ(PBS)、42はλ/4板、43は−λ/4板、44は集光レンズ、45は光スイッチである。
(Third embodiment)
FIG. 4 shows another configuration example of the optical signal pattern identification apparatus of the present invention. Here, 41 is a polarization beam splitter (PBS), 42 is a λ / 4 plate, 43 is a -λ / 4 plate, 44 is a condenser lens, and 45 is an optical switch.

図3で記載された構成例では信号光2をPBS32に入力する際、信号光1とは別の面から入力させる必要が生じる。これに対し、図4の構成では、信号光1および信号光2をPBS41の同じ面から入射させ、それぞれλ/4板42と−λ/4板43を用いて、互いに逆の円偏光の光に変換している。直線偏光のプローブ光は、前述と同じ原理で、信号光1および信号光2のパターンが不一致で出力され、一致では出力されない。   In the configuration example described in FIG. 3, when the signal light 2 is input to the PBS 32, it is necessary to input the signal light 2 from a different surface from the signal light 1. On the other hand, in the configuration of FIG. 4, the signal light 1 and the signal light 2 are incident from the same surface of the PBS 41, and the circularly polarized light beams that are opposite to each other using the λ / 4 plate 42 and the −λ / 4 plate 43 respectively. Has been converted. The linearly polarized probe light is output with the pattern of the signal light 1 and the signal light 2 being inconsistent and not in accordance with the same principle as described above.

本発明は、上述したように、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速な光パケットに対するパターンの認識を実現することが可能となり、また、光ラベル内の「1」のビット数に対する制限は払拭され、さらに光ファイバを用いた従来装置に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置を実現することが可能となる。従って、本発明の光信号パターン識別方法及び識別装置は、将来特に有望である光パケットスイッチネットワークの発展に貢献できると期待できる。   As described above, the present invention can realize pattern recognition for an extremely high-speed optical packet without being affected by the lifetime of the carrier and the relaxation time of the spin, and “1” in the optical label. The limitation on the number of bits is eliminated, and it is possible to realize an extremely small and highly efficient optical signal pattern identification device as compared with the conventional device using an optical fiber. Therefore, it can be expected that the optical signal pattern identification method and identification apparatus of the present invention can contribute to the development of a particularly promising optical packet switch network in the future.

本発明の光信号パターン識別方法の基本構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic composition of the optical signal pattern identification method of this invention. 図1の光信号パターン識別方法の動作原理を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the principle of operation of the optical signal pattern identification method of FIG. 本発明の光信号パターン識別装置の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the optical signal pattern identification apparatus of this invention. 本発明の光信号パターン識別装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the optical signal pattern identification apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 集光レンズ
12 光スイッチ
13 集光レンズ
14 ポラライザ
31 反射ミラー
32 偏光ビームスプリッタ(PBS)
33 λ/4板
34 集光レンズ
35 光スイッチ
41 偏光ビームスプリッタ(PBS)
42 λ/4板
43 −λ/4板
44 集光レンズ
45 光スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Condensing lens 12 Optical switch 13 Condensing lens 14 Polarizer 31 Reflection mirror 32 Polarization beam splitter (PBS)
33 λ / 4 plate 34 Condensing lens 35 Optical switch 41 Polarizing beam splitter (PBS)
42 λ / 4 plate 43 -λ / 4 plate 44 Condensing lens 45 Optical switch

Claims (7)

nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなる光プローブとを、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて、多重量子井戸層からなる面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号によりダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアを励起させ、前記第2の円偏光光信号により第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアを励起させる第1のステップと、
前記アップスピンと前記ダウンスピンのキャリアの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別する第2のステップと
を有することを特徴とする光信号パターン識別方法。
The first circularly-polarized optical signal consisting of an n-bit (n is an integer of 2 or more) optical pulse and the circularly polarized light opposite to the first circularly-polarized optical signal, and the same as the n-bit optical pulse. Two circularly polarized optical signals and an optical probe consisting of an n-bit optical pulse are synchronized with each i-th bit (i is an integer from 1 to n), and from the multiple quantum well layer. The surface-type optical switch is irradiated with one point, downspin (or upspin) carriers are excited by the first circularly polarized light signal, and first circularly polarized light is emitted by the second circularly polarized light signal. A first step for exciting carriers of spin opposite to the signal;
By measuring the presence or absence of a change in the polarization state of the optical probe caused by the difference between the upspin and downspin carriers, the signal pattern of the first circularly polarized light signal and the second circularly polarized light signal And a second step of identifying whether or not the signal patterns are the same.
前記第1の円偏光光信号は光パケットに付与された光ラベルであり、前記第2の円偏光光信号はノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号であることを特徴とする請求項1に記載の光信号パターン識別方法。   2. The first circularly polarized optical signal is an optical label attached to an optical packet, and the second circularly polarized optical signal is a local address signal having node address information. Optical signal pattern identification method. 前記第1のステップにおいて前記1点に照射するために集光レンズを用い、前記第2のステップにおいて前記測定をするためにポラライザを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の光信号パターン識別方法。   3. The optical signal according to claim 1, wherein a condensing lens is used for irradiating the one point in the first step, and a polarizer is used for the measurement in the second step. Pattern identification method. nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号をそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ/4板と、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ/4板を通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号を1点に集光するためのレンズと、
前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチとを有し、
前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号と前記プローブ光を、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて前記面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号により励起されるダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアと、前記第2の円偏光光信号により励起される前記第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアとの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別することに用いることを特徴とする光信号パターン識別装置。
The first circularly-polarized optical signal consisting of an n-bit (n is an integer of 2 or more) optical pulse and the circularly polarized light opposite to the first circularly-polarized optical signal, and the same as the n-bit optical pulse. A polarization beam splitter through which two circularly polarized optical signals and probe light consisting of n-bit optical pulses pass,
A λ / 4 plate for converting the first circularly-polarized light signal and the second circularly-polarized light signal that have passed through the polarization beam splitter, into circularly-polarized light in reverse directions, respectively;
A lens for condensing the probe light that has passed through the polarization beam splitter, the first circularly polarized light signal and the second circularly polarized light signal that have passed through the λ / 4 plate, at one point;
A reflective surface optical switch composed of multiple quantum well layers for receiving the light collected by the lens;
The first circularly polarized light signal, the second circularly polarized light signal, and the probe light are synchronized with the i-th bit (i is an integer from 1 to n) and the surface light is synchronized. Irradiating one point of the switch, the down-spin (or up-spin) carrier excited by the first circularly polarized light signal and the first circularly polarized light excited by the second circularly polarized light signal The signal pattern of the first circularly polarized optical signal and the second circularly polarized optical signal are measured by measuring the presence or absence of a change in the polarization state of the optical probe caused by the difference between the spin carrier opposite to the optical signal. An optical signal pattern identification device used for identifying whether or not the signal pattern is the same.
前記λ/4板を通過する前に前記第1の光信号と前記第2の光信号を合わせるための反射ミラーを有することを特徴とする請求項4に記載の光信号パターン識別装置。   5. The optical signal pattern identification device according to claim 4, further comprising a reflection mirror for matching the first optical signal and the second optical signal before passing through the λ / 4 plate. nビット(nは2以上の整数)の光パルスからなる第1の円偏光光信号と、前記第1の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくnビットの光パルスからなる第2の円偏光光信号と、同じくnビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号とをそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ/4板および−λ/4板と、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ/4板を通過した前記第1の円偏光光信号と、前記−λ/4板を通過した前記第2の円偏光光信号とを1点に集光するためのレンズと、
前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチとを有し、
前記第1の円偏光光信号と前記第2の円偏光光信号と前記プローブ光を、それぞれの第i番目(iは1からnまでの全ての整数)のビットを同期させて前記面型光スイッチの1点に照射して、前記第1の円偏光光信号により励起されるダウンスピン(またはアップスピン)のキャリアと、前記第2の円偏光光信号により励起される前記第1の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアとの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第1の円偏光光信号の信号パターンと前記第2の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別することに用いることを特徴とする光信号パターン識別装置。
The first circularly-polarized optical signal consisting of an n-bit (n is an integer of 2 or more) optical pulse and the circularly polarized light opposite to the first circularly-polarized optical signal, and the same as the n-bit optical pulse. A polarization beam splitter through which two circularly polarized optical signals and probe light consisting of n-bit optical pulses pass,
A λ / 4 plate and a −λ / 4 plate for converting the first circularly polarized light signal and the second circularly polarized light signal that have passed through the polarizing beam splitter into reverse circularly polarized light, respectively;
The probe light that has passed through the polarization beam splitter, the first circularly polarized light signal that has passed through the λ / 4 plate, and the second circularly polarized light signal that has passed through the −λ / 4 plate are 1 A lens for focusing on the point;
A reflective surface optical switch composed of multiple quantum well layers for receiving the light collected by the lens;
The first circularly polarized light signal, the second circularly polarized light signal, and the probe light are synchronized with the i-th bit (i is an integer from 1 to n) and the surface light is synchronized. Irradiating one point of the switch, the down-spin (or up-spin) carrier excited by the first circularly polarized light signal and the first circularly polarized light excited by the second circularly polarized light signal The signal pattern of the first circularly polarized optical signal and the second circularly polarized optical signal are measured by measuring the presence or absence of a change in the polarization state of the optical probe caused by the difference between the spin carrier opposite to the optical signal. An optical signal pattern identification device used for identifying whether or not the signal pattern is the same.
前記第1の円偏光光信号は光パケットに付与された光ラベルであり、前記第2の円偏光光信号はノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の光信号パターン識別装置。   7. The first circularly polarized optical signal is an optical label attached to an optical packet, and the second circularly polarized optical signal is a local address signal having node address information. The optical signal pattern identification device according to any one of the above.
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