JP4318632B2 - 波長ルーティング装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信ノード間を任意に接続可能な光ネットワークシステムを構成するための波長ルーティング装置に関する。

近年、ブロードバンドサービスの普及や企業のインターネットを利用した情報交換の利用増加に伴い、通信トラフィックは恒常的に増加しており、通信ネットワークの大容量化及び高速化の要求は絶えることがない。

波長分割多重（ＷＤＭ）通信技術は、光ファイバ１本あたりの伝送容量を大幅に増加させ、２地点間で伝送される情報の大容量化を実現した。ＷＤＭ技術を使用した伝送を多くの通信ノード間に適用するためには、伝送路の合流点(分岐点)において多重化された多数の光信号を高速に交換、処理する機能が必要である。しかしながら、伝送速度の高速化や大容量化に伴い、通信ノードにおける、電気信号処理による経路制御処理が膨大な量となり、近い将来限界に達すると考えられる。

上述の問題の解決手段として、光信号を電気信号に変換して電気的にルーティングを行うのではなく、光信号のままでルーティングを行う技術が盛んに研究されている。光信号の波長に応じてルーティングを行う波長ルーティングは、代表的な技術である。波長ルーティングを実現する上でキーとなる光部品として、アレイ導波路回折格子がある。アレイ導波路回折格子は、複数の入力ポートと複数の出力ポートを有する光部品であり、入力ポートに入力する光信号の波長に応じて出力ポートが変化する特性を有している。

図１は、アレイ導波路回折格子を用いて波長ルーティングを行う光ネットワークシステムの一例を示した図である。（例えば、非特許文献１に記載されている。）

図１に示した光ネットワークシステムは、４つ通信ノード１０−１〜１０−４および、４個の入力ポート１４−１〜１４−４及び４個の出力ポート１５−１〜１５−４を有する４×４アレイ導波路回折格子１１から構成されている。通信ノード１０−１〜１０−４から送出される光信号は、それぞれ上りの光導波路１２−１〜１２−４を通り、４×４アレイ導波路回折格子１１の入力ポート１４−１〜１４−４に入力されている。また、４×４アレイ導波路回折格子１１の出力ポート１５−１〜１５−４から出力された光信号は、下りの光導波路１３−１〜１３−４を通り、通信ノード１０−１〜１０−４に入力されている。

図２は、４×４アレイ導波路回折格子の各入力ポートと各出力ポートが波長によってどのような関係で結ばれているかを示す図である。図２（ａ），図２（ｂ）は波長周回性を有する４×４アレイ導波路回折格子の場合を、図２（ｃ），図２（ｄ）は波長周回性を有しない場合をそれぞれ示している。

例えば、図２（ａ）において、４×４アレイ導波路回折格子の第１入力ポートにλ３の波長の光信号が入力された時、λ３の光信号は４×４アレイ導波路回折格子の第３出力ポートより出力される。従って、図１の光ネットワークについて考えれば、通信ノード１０−１が波長λ３の光信号を送出すると、λ３の光信号は光導波路１２−１を通って４×４アレイ導波路回折格子１１の入力ポート１４−１に入力され、波長ルーティングにより、λ３の光信号は４×４アレイ導波路回折格子１１の出力ポート１５−３から出力される。その後、λ３の光信号は光導波路１３−３を通って通信ノード１０−３に届く。

上述したように、アレイ導波路回折格子の波長ルーティング機能を用いることにより、光信号を電気信号に変換することなく、光信号の波長に基づいてルーティングを行い通信ノード間の通信が可能となる。

通信ノードに設置する光信号送出用光源として、出力される光信号の波長が固定された波長固定光源と、出力される光信号の波長を可変することができる波長可変光源とがある。

図１に示した波長ルーティングを行う光ネットワークシステムにおいて、各通信ノードが同時に複数の通信ノードと通信を行わず、通信相手が不定期に変わるシステムの場合には、通信ノードにおいて使用する全ての波長の波長固定光源を実装することはコスト的に有効ではない。即ち、波長固定光源の利用は、通信する相手が常に定まっている場合にコスト的に有効である。一方、状況に応じて通信相手が変わる場合には波長可変光源の利用がコスト的に有効となる。

波長可変光源を光信号送出用光源として用いる通信ノードにおいては、この波長可変光源の出力光波長や光出力のオンオフを制御する波長可変光源制御手段が設けられている。波長可変光源制御手段は、各通信ノード内に設けられた波長可変光源制御手段同士で波長可変光源制御などに関する情報をお互いにやりとりすることにより、光信号が波長ルーティング装置１１によって目的の通信ノードに届くように波長可変光源を制御する。以下、光ネットワークシステムの波長ルーティングについて、さらに詳細に説明する。

図３は、各通信ノードの光信号送出用光源として波長可変光源を用いて、波長ルーティングを行う光ネットワークシステムの一例を示す図である。例えば、特許文献１に詳細が記載されている。図３において、通信ノード２００−１〜２００−４は、それぞれ波長可変光源内蔵光信号送信器２１０、波長可変光源制御手段２２０、および光信号受信器２３０を備えている。但し、図３においては通信ノード２００−１内にのみ示しており、通信ノード２００−２〜２００−４については省略している。

各通信ノード２００−１〜２００−４の波長可変光源制御手段２２０同士は、波長可変光源制御などに関する情報をやりとりする制御信号線２７０によってお互いに接続されている。図３において、制御信号線２７０は、模式的に点線で示している。また、各波長可変光源内蔵光信号送信器２１０は、光導波路２８０−１〜２８０−４によって、４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の入力ポート２５１−１〜２５１−４にそれぞれ接続されている。さらに、４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の出力ポート２５２−１〜２５２−４は、光導波路２９０−１〜２９０−４によって、各通信ノード２００−１〜２００−４の光信号受信器２３０にそれぞれ接続されている。

すなわち、図３において、通信ノード２００−１は４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の第１入力ポート２５１−１と第１出力ポート２５２−１に、通信ノード２００−２は４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の第２入力ポート２５１−２と第２出力ポート２５２−２に、通信ノード２００−３は４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の第３入力ポート２５１−３と第３出力ポート２５２−３に、通信ノード２００−４は４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０の第４入力ポート２５１−４と第４出力ポート２５２−４にそれぞれ接続されている。４×４波長周回性アレイ導波路回折格子２５０は、図２（ａ）に示したような入出力ポートと波長の関係を有している。

図４は、図３に示した構成の光ネットワークシステムが正常に動作している場合の光ルーティング動作の一例を示している。通信ノード２００−１から通信ノード２００−２へ、そして通信ノード２００−２から通信ノード２００−３へ、そして通信ノード２００−３から通信ノード２００−４へ、そして通信ノード２００−４から通信ノード２００−１へ、それぞれ光パスが確立され、通信がおこなわれている。この時、通信ノード２００−１の波長可変光源出力波長はλ２、通信ノード２００−２の波長可変光源出力波長はλ４、通信ノード２００−３の波長可変光源出力波長はλ２、通信ノード２００−４の波長可変光源出力波長はλ４である。

特開２００４−０８８７０５号公報 K.Kato, A. Okada, Y. Sakai, K. Noguchi, T. Sakamoto, S.Suzuki, A. Takahara, S. Kamei, A. Kaneko, M. Matsuoka," 32 ×32 full-mesh(1024path) wavelength-routing WDM network based on uniform-loss cyclic-frequency arrayed-waveguide grating,"Electronics Letters, 2000/7/20, Volume 36 , Issue 15 , 1294-1296

しかしながら、通信ノードの波長可変光源制御手段２２０の異常、あるいは制御信号線２７０の通信路障害などによって波長可変光源の波長が正常に制御されない状況が発生した場合、光信号同士の干渉妨害によってネットワーク運用に支障が生じるという問題があった。

例えば、図４に示した正常動作の状態から、通信ノード２００−１から通信ノード２００−４へ、そして通信ノード２００−２から通信ノード２００−３へ、そして通信ノード２００−３から通信ノード２００−２へ、そして通信ノード２００−４から通信ノード２００−１へ、それぞれ光パスを確立し通信を行うように、ルーティング経路を変更する場合を考える。

上記のルーティング経路変更をする場合には、本来通信ノード２００−１の波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長はλ４に、通信ノード２００−２の波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長はλ４に、通信ノード２００−３の波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長はλ４に、通信ノード２００−４の波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長はλ４にそれぞれ制御されなければならない。

図５は、図３に示した光ネットワークシステムに異常が発生した場合の光ルーティング動作の一例を示す。前述したように、波長可変光源制御手段２２０の異常、あるいは制御信号線２７０の通信路障害などによって、波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長が正常に制御されない状況が発生する。例えば、通信ノード２００−３の波長可変光源内蔵光信号送信器２１０からの出力光信号波長がλ４に切り替わらず、波長がλ２の光信号が出力された場合を考える。このとき、本来第２出力ポート２５２−２にルーティングされるべき通信ノード２００−３からの光信号は、図５に示すように第４出力ポート２５２−４にルーティングされてしまい、通信ノード２００−１からの光信号と干渉する。その結果、通信ノード２００−１の波長可変光源の出力光波長は正常に切り替わったにも拘らず、通信ノード２００−３からの光信号との干渉があるために、通信ノード２００−１からの光信号は通信ノード２００−４によって正常に受信されない。

上記のように、通信ノードが波長可変光源を光信号送出用光源として用いる波長ルーティングを行う光ネットワークシステムにおいては、通信ノードに設置された波長可変光源の出力光波長制御の不調によって、正常に動作している他の通信ノード間の通信にまで妨害を引き起こす。従って、光ネットワークシステムの正常なネットワーク運用のためには、上述の通信妨害を防ぐ必要がある。

また、図３に示した光ネットワークシステムでは、ある一つの通信ノードが複数の通信ノードに同一のデータを送出する、いわゆるマルチキャストを行う場合、マルチキャストを行う通信ノードは、時間をずらして同一データを、複数回、複数の通信ノードに送信しなければならなかった。なぜなら、各通信ノードは、波長可変光源内蔵光信号送信器２１０を１つしか有しておらず、波長可変光源内蔵光信号送信器２１０は、同時に複数の異なる波長の光信号を送出することができないためである。

上記の問題点を、図３に示した光ネットワークシステムを用いて説明する。通信ノード１００−１が、通信ノード１００−２と通信ノード１００−４にマルチキャストを行う場合を考える。まず、通信ノード１００−１は通信ノード１００−２に向けて波長λ２の光信号を送信する。送信完了後、通信ノード１００−１は通信ノード１００−４に向けて波長λ４の光信号を送信する。例えば、通信ノード１００−１から通信ノード１００−２までの光路長と、通信ノード１００−１から通信ノード１００−４までの光路長とが等しい場合、少なくとも光信号の送信時間（光信号の長さ）分だけ、光信号が通信ノード２００−２へ届く時刻と通信ノード２００−４へ届く時刻に差が生じることになる。また、通信ノード１００−１は、少なくとも上記光信号の送信時間（光信号の長さ）の２倍の分、マルチキャスト送信に時間を費やすことになる。

例えば、光ネットワークシステムを用いて、多数のコンピュータを接続するコンピュータクラスタリングを行う場合などには、上述したマルチキャスト送信における光信号の到達時刻のばらつきや送信時間の長時間化は、コンピュータクラスタリングの性能劣化につながる重大な問題となる。より具体的には、多数のコンピュータを光ネットワークによって接続して高速計算を行うような場合には、一つのコンピュータが他の多数のコンピュータに計算指示命令を出すためにマルチキャスト送信が必要になる。上述のような、光信号の到達時刻ばらつきや送信時間の長時間化は、光ネットワークシステムを用いた高速計算の性能を制限し、特定のコンピュータすなわち特定の送信ノードに重い負担が掛かることとなる。

以上に述べたように、図３に示した光ネットワークシステムにおいては、マルチキャストを行う場合、光信号を受信する通信ノードに光信号が到達する時刻がばらつくという問題や、送信ノードに負荷がかかるという問題があった。

本発明は上記の事情を考慮してなされたものであり、波長ルーティングを用いた、複数の通信ノード間を任意に接続可能な光ネットワークシステムにおいて、波長可変光源の波長設定制御不調などにより発生する上述のようなネットワーク障害を防ぎ、信頼性に優れた光ネットワークシステムを実現可能な波長ルーティング装置を提供することを目的とする。

更に、波長ルーティング装置にマルチキャスト機能を持たせることにより、受信ノードに光信号が到達する時刻のばらつきを抑え、且つ、送信ノードの負荷を軽減することが可能な波長ルーティング装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、前記通信ノードの制御部との間で、前記通信ノード間の通信接続を制御する接続制御信号を送受信する制御回路と、前記制御回路からの光源制御信号により出力光波長が定まるＮ個の波長可変光源と、前記波長可変光源が入力ポートに接続された第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子と、前記装置入力ポートが第一の入力ポートに接続され、前記第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の出力ポートが第二の入力ポートに接続されたＮ個の波長変換器と、前記波長変換器の出力ポートが入力ポートに接続され、前記装置出力ポートが出力ポートに接続された第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子とを備え、送信元の通信ノードが発する送信先情報を含む前記接続制御信号によって前記波長可変光源の出力光波長が定まり、前記送信元の通信ノードの光信号送信器が発する光信号の波長と前記波長可変光源の前記出力光波長とによって、前記波長変換器が出力する光信号の波長が定まることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記装置入力ポートと前記波長変換器との間に接続された接続制御信号分離手段と、前記装置出力ポートと前記第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の出力ポートとの間に接続された接続制御信号合成手段とを備え、前記接続制御信号を前記第１の光導波路および前記第２の光導波路によって伝送することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記波長変換器が、前記第一の入力ポートが接続される光電変換器と、前記光電変換器と前記第二の入力ポートに接続される光変調器とを備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記波長変換器が、前記第一の入力ポートと前記第二の入力ポートが接続される波長変換用光合波器と、前記波長変換用光合波器に接続される非線形光素子と、前記非線形光素子にて生成された波長変換された光信号のみを透過する光フィルタとを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子及び前記第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子が波長周回性を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の通信ノード間を任意に接続可能な光ネットワークシステムにおいて、光信号受信器における光信号同士の衝突を防ぎ、信頼性に優れた光ネットワークシステムを実現することが可能となる。

更には、波長ルーティング装置にマルチキャスト機能を持たせることにより、受信ノードに光信号が到達する時間のばらつきを抑え、且つ、送信ノードの負荷を軽減することが可能となる。

以下、図面に従って本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、本発明の波長ルーティング装置の装置入力ポート及び装置出力ポートの数Ｎとして、それぞれＮ＝４の場合を例にとって説明しているが、これに限定されるものではなく、Ｎは２以上の整数であれば良い。

（実施の形態１）
図６は、本発明の第１の実施形態を示し、本発明にかかる波長ルーティング装置を含む光ネットワークシステムの全体構成を示す図である。

図６において、光ネットワークシステムは、通信ノード１０００−１〜１０００−４、波長ルーティング装置１０１０、各通信ノード１０００−１〜１０００−４と波長ルーティング装置１０１０とを接続する光導波路１０３０−１〜１０３０−４及び波長ルーティング装置１０１０と各通信ノード１０００−１〜１０００−４とを接続する光導波路１０９０−１〜１０９０−４からなる。波長ルーティング装置１０１０は、装置入力ポート５−１〜５−４、装置出力ポート６−１〜６−４を有している。

波長ルーティング装置１０１０は、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０及び制御回路１１２０を有している。さらに、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０は入力ポート１３６０−１〜１３６０−４及び出力ポート１３７０−１〜１３７０−４を、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０は入力ポート１０６０−１〜１０６０−４及び出力ポート１０７０−１〜１０７０−４をそれぞれ有している。

制御回路１１２０は、現在どの通信ノード間で通信が行われているかを常に把握しており、上記の通信状態に関する情報をデータベースとして所有している。

波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４は、制御回路１１２０からの光源制御信号により、光出力の波長を変化させることができる。波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４から出力された光は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−１〜１３６０−４から第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０に入力される。

本実施形態の第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０は波長周回性を有し、入出力ポートと波長の関係は図２（ａ）に示した関係となっている。

図２（ａ）に従い、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−１〜１３６０−４に入力された光は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１〜１３７０−４のいずれかから出力される。

第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１〜１３７０−４から出力された光はそれぞれ、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４に入力される。

波長変換器１０４０−１〜１０４０−４は、通信ノード１０００−１〜１０００−４から送信されて来る光信号の波長と、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１〜１３７０−４から入力される光の波長とから定まる波長へ、光信号の波長を変換する。

例えば、波長変換器１０４０−１について考える。通信ノード１０００−１から送信されて来る光信号の波長をλinとして、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１から入力される光の波長がλ１，λ２，λ３，λ４の時、波長変換器１０４０−１から出力される光信号の波長がそれぞれλ１′，λ２′，λ３′，λ４′へと変換されるとする。

ここで、１つの波長変換器（例えば、１０４０−１とする）に、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１から、波長の異なる複数の光を入力しても良い。例えば、波長λ２，λ３の光が入力されたとすると、波長変換器１０４０−１から出力される光信号の波長は、λ２′，λ３′の両方となる。

波長変換器１０４０−１〜１０４０−４から出力される光信号は、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１〜１０６０−４から第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０に入力される。

本実施形態の第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０は波長周回性を有し、入出力ポートと波長の関係は図２（ｂ）に示した関係となっている。図２（ｂ）の関係に従い、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０に入力された光は、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−１〜１０７０−４のいずれかから出力される。

第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−１〜１０７０−４はそれぞれ、光導波路１０９０−１〜１０９０−４を介し、通信ノード１０００−１〜１０００−４に接続されている。

図８（ａ）は、本発明の第１の実施形態における通信ノード１０００−１〜１０００−４の構成を示す図である。

図８（ａ）において、通信ノード１０００−１〜１０００−４は、光信号送信器２０１０、制御部２０２０、光信号受信器２０３０を有する。通信ノード１０００−１〜１０００−４の各光信号送信器２０１０は、それぞれ光導波路１０３０−１〜１０３０−４と装置入力ポート５−１〜５−４を介して波長変換器１０４０−１〜１０４０−４に接続されている。また、通信ノード１０００−１〜１０００−４の各光信号受信器２０３０は、それぞれ光導波路１０９０−１〜１０９０−４と装置出力ポート６−１〜６−４を介して第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−１〜１０７０−４に接続されている。

波長可変光源１３４０−１から出力された波長λ１，λ２，λ３，λ４の光は、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４にて波長がλ１′，λ２′，λ３′，λ４′のいずれかに変換された後、必ず第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の第１出力ポート１０７０−１から出力される。以下に、図面を用いて詳細に説明する。

図９（ａ）は、波長可変光源から出力される波長の異なる光が、本波長ルーティング装置によりどのようにルーティングされるかを説明する図である。

図２（ａ）に示した入出力ポートと波長の関係によれば、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−１から入力された光が出力される出力ポートは、光の波長がλ１，λ２，λ３，λ４の時それぞれ、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１、１３７０−２、１３７０−３、１３７０−４となる。第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１、１３７０−２、１３７０−３、１３７０−４はそれぞれ波長変換器１０４０−１〜１０４０−４を経由して、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１、１０６０−２、１０６０−３、１０６０−４に接続されている。従って、波長変換された波長λ１′，λ２′，λ３′，λ４′の光はそれぞれ、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１、１０６０−２、１０６０−３、１０６０−４に入力される。図２（ｂ）に示した入出力ポートと波長の関係によれば、上記の波長λ１′，λ２′，λ３′，λ４′の光はすべて第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の第１出力ポート１０７０−１から出力される。従って、図９（ａ）に示したように、波長可変光源１３４０−１から出力された光は波長変換された後、必ず第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−１から出力される。
同様に、波長可変光源１３４０−２から出力された光は波長変換された後、必ず第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−２から出力される。

同様に、波長可変光源１３４０−３から出力された光は波長変換された後、必ず第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−３から出力される。

同様に、波長可変光源１３４０−４から出力された光は波長変換された後、必ず第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−４から出力される。

すなわち、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４は、出力光の波長にかかわらず、通信ノード１０００−１〜１０００−４の各光信号受信器２０３０とそれぞれ一対一に対応している。したがって、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４の出力光の波長の制御不調が生じても、他の通信ノード間の通信に対する通信妨害が発生する恐れがない。

次に、本発明の波長ルーティング動作をさらに詳細に説明する。

例えば、通信ノード１０００−１が、通信ノード１０００−２に送信を行う場合を考える。通信ノード１０００−１内の制御部２０２０は、接続制御信号によって、制御回路１１２０に、通信ノード１０００−２への接続要求を伝える。制御回路１１２０は、通信ノード１０００−２の光信号受信器２０３０が空いているかどうかを、所有しているデータベースを参照して判断する。通信ノード１０００−２の光信号受信器２０３０が空いていなければ、制御回路１１２０は、接続制御信号により、空いていないことを通信ノード１０００−１に知らせる。空いていれば、制御回路１１２０は、波長可変光源１３４０−２の出力光の波長をλ２に設定する。第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−２から入力された波長λ２の光は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１より出力される。そして、通信ノード１０００−１から送信されて来る光信号（波長λin）は、波長変換器１０４０−１にて、波長λ２′に波長変換される。波長λ２′の光信号は、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１に入力され、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−２より出力される。そして光導波路１０９０−２を介して通信ノード１０００−２の光信号受信器２０３０にて受信される。

もう一つのルーティング動作の例として、通信ノード１０００−１が、通信ノード１０００−２と１０００−３への送信（マルチキャスト送信）を行う場合を考える。通信ノード１０００−１内の制御部２０２０は、マルチキャスト送信をすべき通信ノードの行き先情報を含んだ接続制御信号を制御回路１１２０に送信する。制御回路１１２０は、通信ノード１０００−２と通信ノード１０００−３の光信号受信器２０３０がそれぞれ空いているかどうかを、所有しているデータベースを参照して判断する。空いていなければ、制御回路１１２０は、接続制御信号により、空いていないことを通信ノード１０００−１に知らせる。空いていれば、制御回路１１２０は、波長可変光源１３４０−２、１３４０−３の出力光波長をそれぞれλ２、λ３に設定する。

第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−２から入力された波長λ２の光は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１より出力される。また、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−３から入力された波長λ３の光は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１より出力される。そして、通信ノード１０００−１から送信されて来る光信号（波長λin）は、波長変換器１０４０−１にて、波長λ２′とλ３′に波長変換される。

波長λ２′の光信号は、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１に入力され、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−２より出力された後、光導波路１０９０−２を介して通信ノード１０００−２の光信号受信器２０３０にて受信される。

一方波長λ３′の光信号は、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１に入力され、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−３より出力後、光導波路１０９０−３を介して通信ノード１０００−３の光信号受信器２０３０にて受信される。したがって、通信ノード１０００−１から通信ノード１０００−２と１０００−３へマルチキャスト送信が行われたことになる。

すなわち、波長ルーティング装置１０１０にマルチキャスト機能を持たせることにより、受信ノードに光信号が到達する時刻のばらつきを抑え、且つ、送信ノードの負荷を軽減することが可能となる。

本実施形態では、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０及び第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０は波長周回性を有し、入出力ポートと波長の関係は図２（ａ），図２（ｂ）に示した関係を想定したが、図２（ｃ），図２（ｄ）に示すように波長周回性を持たなくても良い。なぜなら、波長周回性を持たなくとも、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４は、通信ノード１０００−１〜１０００−４の光信号受信器とそれぞれ一対一に対応しているからである。以下、詳細に説明する。

図９（ｂ）は、第一の４×４アレイ導波路回折格子が周回性を持たない場合に、波長可変光源から出力される波長の異なる光が本波長ルーティング装置によりどのようにルーティングされるかを説明する図である。

例として、図９（ｂ）のように波長可変光源１３４０−３から出力される光を考える。図２（ｃ）に示した入出力ポートと波長の関係によれば、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート１３６０−３から入力された光が出力される出力ポートは、波長可変光源１３４０−３の出力光波長がλ３，λ４，λ５，λ６の時、それぞれ第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１、１３７０−２、１３７０−３、１３７０−４となる。第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１、１３７０−２、１３７０−３、１３７０−４はそれぞれ波長変換器１０４０−１〜１０４０−４を経由して、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１、１０６０−２、１６００−３、１０６０−４に接続されている。従って、波長変換されたλ３′，λ４′，λ５′，λ６′の光はそれぞれ、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１、１０６０−２、１６００−３、１０６０−４に入力される。図２（ｄ）に示した入出力ポートと波長の関係によれば、これらの光はすべて第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート１０７０−３から出力される。すなわち、波長可変光源１３４０−３と、通信ノード１０００−３の光受信器２０３０は一対一に対応している。

同様に、波長可変光源１３４０−１、１３４０−２、１３４０−４の場合も、通信ノード１０００−１、１０００−２、１０００−４の各光受信器２０３０とそれぞれ一対一に対応している。

上記の実施形態において、通信ノード１０００−１〜１０００−４の制御部２０２０と、波長ルーティング装置１０１０の制御回路１１２０との接続形態は問わない。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施形態を示し、接続制御信号の送受方法を変更した波長ルーティング装置を含む光ネットワークシステムを示した図である。

図８（ｂ）は、第２の実施形態における通信ノード１０００−１〜１０００−４の詳細な構成を示す図である。通信ノード１０００−１〜１０００−４の制御部２０２０と、波長ルーティング装置１０１０の制御回路１１２０との接続に光導波路１０３０−１〜１０３０−４及び光導波路１０９０−１〜１０９０−４を用いた例を示す。図７において、波長ルーティング装置１０１０は、制御用光分波器７−１〜７−４、制御用光合波器８−１〜８−４を有している。図８（ｂ）において、通信ノード１０００−１〜１０００−４は、それぞれ送信用光合波器２０６０、受信用光分波器２０７０を有している。

制御部２０２０が出力する接続制御信号の波長λcontrol を、光信号送信器２０１０が出力する光信号の波長λinと異なった波長にすれば、送信用光合波器２０６０で接続制御信号と光信号を合波し、また制御用光分波器７−１〜７−４で分波することが可能である。また、波長ルーティング装置１０１０の制御回路１１２０が出力する接続制御信号の波長を、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４から出力される波長変換された光信号の波長と異なった波長にすれば、制御用光合波器８−１〜８−４で接続制御信号と光信号を合波し、また受信用光分波器２０７０で分波することが可能である。

なお、本実施形態の光導波路として光ファイバを用いても良いが、これに限定されない。第２の実施形態にかかる発明によれば、接続制御信号を光信号と同一の光導波路によって伝送することで、各通信ノードと波長ルーティング装置の制御回路との接続制御信号の接続を省略し、ネットワーク構成を簡略化できる効果がある。

図１０は、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４の構成を示す図である。波長変換器１０４０−１〜１０４０−４が、光電変換器３０１０と光変調器３０２０とから構成された場合を示す。波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４から出力された光（波長λｉ，ｉ＝１or２or３or４）は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１〜１３７０−４から光変調器３０２０に入力される。

一方、通信ノード１０００−１〜１０００−４から送信された光信号は、光導波路１０３０−１〜１０３０−４を介して光電変換器３０１０に入力される。光電変換器３０１０にて、光信号が、電気信号に変換される。電気信号により、光変調器３０２０に入力された光は変調され、波長λｉ′（ｉ＝１or２or３or４）へ光信号波長が変換されたことになる。この場合、λｉ′＝λｉとなる。波長変換後、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート１０６０−１〜１０６０−４へ入力される。

光電変換器３０１０として、pin フォトダイオード（pin-PD）や、なだれフォトダイオード（APD)や、単一走行キャリアフォトダイオード（UTC-PD）などを用いることができるが、光信号を電気信号に変換できれば、これらに限定されない。

また、光電変換器３０１０は、前置光増幅器や電気増幅器を含んでいても良い。

また、光電変換器３０１０は、識別再生回路を含んでいても良い。

光変換器３０２０として、マッハツェンダー型強度変調器や、電界吸収型強度変調器などを用いることができるが、電気信号により光を変調できれば、これらに限定されない。更には光変調器３０２０として位相変調器を用いても良い。

図１１（ａ）は、波長変換器１０４０−１〜１０４０−４の別の具体的な構成を説明する図である。波長変換器１０４０−１〜１０４０−４が、波長変換用光合波器３１１０と、非線形光素子３１２０と、光フィルタ３１３０とから構成された場合を示す。波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４から出力された光（波長λｉ，ｉ＝１or２or３or４）は、第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート１３７０−１〜１３７０−４からそれぞれ波長変換用光合波器３１１０に入力される。

一方、通信ノード１０００−１〜１０００−４から送信された光信号（波長λin）は、光導波路１０３０−１〜１０３０−４を介して波長変換用光合波器３１１０に入力される。非線形光素子３１２０において、非線形光学過程により、波長λｊ′（ｊ＝１or２or３or４）の光信号が生成される。非線形光素子３１２０における非線形光学効果を、以下さらに詳細に説明する。

図１１（ｂ）は、非線形光素子３１２０が３次の非線形光学効果を有する場合を説明したものである。横軸は光周波数ωであり、波長λとω＝２πｃ／λ（ｃは真空中での光速度）の関係がある。図中には、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４から、光周波数ω１、ω２、ω４の光が、１つの非線形光素子３１２０に入力された場合を示してある。また、通信ノードから光周波数ωinの光信号が非線形光素子３１２０に入力されている。３次の非線形光学効果によりωｊ′＝２ωｊ−ωin（ｊ＝１or２or３or４）を満たす光周波数ωｊ′の光信号が生成される。光フィルタ３１３０により、光周波数ωｊ′（ｊ＝１or２or３or４）のみを透過させることにより、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０には光周波数ωｊ′（波長λｊ′）の光信号のみが入力される。

図１１（ｃ）は、非線形光素子３１２０が２次の非線形光学効果を有する場合を説明したものである。横軸は光周波数ωである。図１１（ｃ）中には、波長可変光源１３４０−１〜１３４０−４から、光周波数ω１、ω２、ω４の光が、１つの非線形光素子３１２０に入力された場合を示してある。また、通信ノードから光周波数ωinの光信号が非線形光素子３１２０に入力されている。２次の非線形光学効果により、ωｊ′＝ωｊ−ωin（ｊ＝１or２or３or４）を満たす光周波数ωｊ′の光信号が生成される。光フィルタ３１３０により、光周波数ωｊ′（ｊ＝１or２or３or４）のみを透過させることにより、第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０には光周波数ωｊ′（波長λｊ′）の光信号のみが入力される。

以上、詳細に述べたように各種の方法で波長変換器が構成可能であり、本発明に掛かる波長ルーティング装置が実現できる。本波長ルーティング装置により、光信号受信器における光信号同士の衝突を防ぎ、信頼性に優れた光ネットワークシステムを実現するとともに、波長ルーティング装置にマルチキャスト機能を持たせることにより、受信ノードに光信号が到達する時刻のばらつきを抑え、且つ、送信ノードの負荷を軽減することが可能となる。

アレイ導波路回折格子を用いた光ネットワークシステムを示す図である。 ４×４アレイ導波路回折格子の入出力ポートと波長の関係を示す図である。 波長可変光源を用いた波長ルーティングをベースとした光ネットワークを示す図である。 正常動作をしている光ネットワークシステムの動作例を示す図である。 異常動作をしている光ネットワークシステムの動作例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 通信ノードの構成を示す図である。 本発明のルーティング動作を説明する図である。 波長変換器の構成を示す図である。 波長変換器の詳細な構成を示す図である。

符号の説明

５−１〜５−４ 装置入力ポート
６−１〜６−４ 装置出力ポート
７−１〜７−４ 制御用光分波器
８−１〜８−４ 制御用光合波器
１０−１〜１０−４、２００−１〜２００−４、１０００−１〜１０００−４ 通信ノード
１１ ４×４アレイ導波路回折格子
１２−１〜１２−４、１３−１〜１３−４、２８０−１〜２８０−４、２９０−１〜２９０−４、１０３０−１〜１０３０−４、１０９０−１〜１０９０−４ 光導波路
１４−１〜１４−４ ４×４アレイ導波路回折格子１１の入力ポート
１５−１〜１５−４ ４×４アレイ導波路回折格子１１の出力ポート
２１０ 波長可変光源内蔵光信号送信器
２２０ 波長可変光源制御手段
２３０ 光信号受信器
２５０ ４×４波長周回性アレイ導波路回折格子
２５１−１〜２５１−４ 入力ポート
２５２−１〜２５２−４ 出力ポート
２７０ 制御信号線
１０１０ 波長ルーティング装置
１０４０−１〜１０４０−４ 波長変換器
１０５０ 第二の４×４アレイ導波路回折格子
１０６０−１〜１０６０−４ 第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の入力ポート
１０７０−１〜１０７０−４ 第二の４×４アレイ導波路回折格子１０５０の出力ポート
１１２０ 制御回路
１３４０−１〜１３４０−４ 波長可変光源
１３５０ 第一の４×４アレイ導波路回折格子
１３６０−１〜１３６０−４ 第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の入力ポート
１３７０−１〜１３７０−４ 第一の４×４アレイ導波路回折格子１３５０の出力ポート
２０１０ 光信号送信器
２０２０ 制御部
２０３０ 光信号受信器
２０６０ 送信用光合波器
２０７０ 受信用光分波器
３０１０ 光電変換器
３０２０ 光変調器
３１１０ 波長変換用光合波器
３１２０ 非線形光素子
３１３０ 光フィルタ

Claims (5)

1. Ｎ個の通信ノード間を任意に接続可能な光ネットワークシステムを構成する波長ルーティング装置において、
   前記通信ノードの光信号送信器と第１の光導波路を介して接続される装置入力ポートと、
   前記通信ノードの光信号受信器と第２の光導波路を介して接続される装置出力ポートと、
   前記通信ノードの制御部との間で、前記通信ノード間の通信接続を制御する接続制御信号を送受信する制御回路と、
   前記制御回路からの光源制御信号により出力光波長が定まるＮ個の波長可変光源と、
   前記波長可変光源が入力ポートに接続された第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子と、
   前記装置入力ポートが第一の入力ポートに接続され、前記第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の出力ポートが第二の入力ポートに接続されたＮ個の波長変換器と、
   前記波長変換器の出力ポートが入力ポートに接続され、前記装置出力ポートが出力ポートに接続された第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子とを備え、
   送信元の通信ノードが発する送信先情報を含む前記接続制御信号によって前記波長可変光源の出力光波長が定まり、前記送信元の通信ノードの光信号送信器が発する光信号の波長と前記波長可変光源の前記出力光波長とによって、前記波長変換器が出力する光信号の波長が定まることを特徴とする波長ルーティング装置。
2. 前記装置入力ポートと前記波長変換器との間に接続された接続制御信号分離手段と、
   前記装置出力ポートと前記第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の出力ポートとの間に接続された接続制御信号合成手段とを備え、
   前記接続制御信号を前記第１の光導波路および前記第２の光導波路によって伝送することを特徴とする請求項１に記載の波長ルーティング装置。
3. 前記波長変換器は、
   前記第一の入力ポートが接続される光電変換器と、
   前記光電変換器と前記第二の入力ポートに接続される光変調器とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長ルーティング装置。
4. 前記波長変換器は、
   前記第一の入力ポートと前記第二の入力ポートが接続される波長変換用光合波器と、
   前記波長変換用光合波器に接続される非線形光素子と、
   前記非線形光素子にて生成された波長変換された光信号のみを透過する光フィルタとを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長ルーティング装置。
5. 前記第一のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子及び前記第二のＮ×Ｎアレイ導波路回折格子が波長周回性を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長ルーティング装置。

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