JP4400716B2 - 全光スイッチおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、光スイッチに関し、特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で用いられる全光スイッチおよび方法に関する。

光ファイバ通信システムの飛躍的な伝送容量増大や運用効率向上に向け、光電変換を介さず光領域で信号処理を行う技術の開発が活発化している。光領域で信号処理を行うには全光スイッチが必要である。特に、光領域で各種の論理演算を実現するためには、排他的論理和（ＸＯＲ）動作を行う全光スイッチが必要となる。例えば、パリティ判定装置や擬似ランダムビット列発生装置を構築する上で、ＸＯＲ動作を行う素子が必要である
ＸＯＲ動作を、論理積（ＡＮＤ）動作を行う全光スイッチを組み合わせることにより実現する方法は、例えば、非特許文献1（プースティ他著「オプティカル・コミュニケーションズ」誌（Optical Communications）、第１５６巻、第２２頁〜第２６頁、１９９８年）に記載されている。以下、この方法を従来例１とする。

ＡＮＤ型全光スイッチとしては、例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を共鳴励起して得られる高効率な非線形光学効果を利用し、さらにこのＳＯＡをマッハ・ツェンダー型光回路に組み込んで動作原理を工夫することで高速性をも兼ね備えた方式が、特許文献１（特開平７−２０５１０号公報）と、非特許文献２（田島一人著「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」誌（Japanese Journal of Applied Physics）、第３２巻、第Ｌ１７４６頁〜第Ｌ１７４９頁、１９９３年）に記載されている。

従来例１では、入力Ａ、Ｂに対し、そのＸＯＲが

と表されることを利用し、ＡＮＤに加えＯＲ、ＮＯＴを組み合わせることにより実現される。その回路図を図６（ａ）に示す。実際に全光スイッチを用いて構成する場合には、図６（ｂ）に示すように、ＡＮＤとして動作する全光スイッチ５１、波長変換器として動作する全光スイッチ５２、ＮＯＴとＡＮＤの組合せとして動作する全光スイッチ５３が用いられる。入力ポート５４より波長λ１のデータ変調された信号光パルス（これを入力データＡとする）が入力され、入力ポート５５より波長λ２のデータ変調された信号光パルス（これを入力データＢとする）が入力される。

二つのデータ信号光は、それぞれ分岐され、分岐された一方は全光スイッチ５１へ入力され、他方は合波器５６へ入力される。全光スイッチ５１は、ポート５７より入力される波長λ１のデータ信号光により駆動され、ポート５８より入力される波長λ２のデータ信号光に対するスイッチングを引き起こす。これにより、データＡとデータＢのＡＮＤとなる波長λ２のデータ信号光が出力される。

全光スイッチ５１の出力と、波長λ３の無変調連続（ＣＷ）光を発生させる光源６３の出力は、全光スイッチ５２へ入力される。全光スイッチ５２は、ポート５９より入力される波長λ２のデータ信号光により駆動され、波長λ３のＣＷ光に対するスイッチングを引き起こす。これにより、入力データと同一のパターンを有する波長λ３のデータ信号光が出力される。

さらに、全光スイッチ５２の出力と、合波器５６の出力は、全光スイッチ５３へ入力される。全光スイッチ５３は、ポート６０より入力される波長λ３のデータ信号光により駆動され、ポート６１より入力される波長λ１及びλ２のデータ信号光に対するスイッチングが引き起こされる。ポート６０からの入力がオフの場合に、スイッチングウィンドウが開くように設定されることにより、ポート６０からの入力のＮＯＴとポート６１からの入力とのＡＮＤが出力される。これにより、ポート６２からの出力として、入力Ａと入力ＢとのＸＯＲが得られる。

これに対し、全光スイッチ１台でＸＯＲ動作を実現する方法が、例えば、特許文献２（特開２００１−２５１２５１号公報）や非特許文献３（フェールデ他著「アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ」誌（IEEE Photonics Technology Letters）、第１３巻、第７５０頁〜第７５２頁、２００１年）に記載されている。以下、この全光スイッチを従来例２とする。

従来例２によるＸＯＲ型全光スイッチの構成図を図７に示す。マッハ・ツェンダー型光回路の両アームに非線形導波路として用いられるＳＯＡが配置されている。光スイッチへは、波長λ１のデータ変調された信号光パルス（これを入力データＡとする）、波長λ２のデータ変調された信号光パルス（これを入力データＢとする）、波長λ３の無変調連続（ＣＷ）光を入力する。波長λ１、波長λ２、波長λ３は、いずれもＳＯＡの利得領域に設定される。波長λ１の信号光は、ポート２１より入力され、３ｄＢカプラ３１を通過して非線形導波路１１へ入力される。また、波長λ２の信号光は、ポート２３より入力され、３ｄＢカプラ３２を通過して非線形導波路１２へ入力される。

電流注入により反転分布が生じている非線形導波路１１、１２において、信号光パルスは誘導放出によりキャリア密度を減少させる。また、波長λ３のＣＷ光はポート２２へ入力され、３ｄＢカプラ２４で一旦分岐された後、非線形導波路１１、１２で発生しているキャリア密度変化に伴う相互利得変調、相互位相変調（非線形位相シフト）を受け、３ｄＢカプラ２５で再び合波され、ポート２６より出力される。

従来例２によるＸＯＲ型全光スイッチの動作を示す波形図を図８（ａ）〜（ｇ）に示す。図８（ａ）に示すような光強度Ｓ₁、波長λ１の信号光パルス列が非線形導波路１１に入力されると、非線形導波路１１を通過した波長λ３のＣＷ光は、強度Ｊ₁が図８（ｃ）のように、位相φ₁が図８（ｅ）のように変化する。なお、位相φ₁は、相互位相変調が起きていない状態をゼロとした。また、図８（ｂ）に示すような光強度Ｓ₂、波長λ２の信号光パルス列が非線形導波路１２に入力されると、非線形導波路１２を通過した波長λ３のＣＷ光は、強度Ｊ₂が図８（ｄ）のように、位相φ₂が図８（ｆ）のように変化する。ポート２６からの波長λ３の出力光強度Ｐは、

と表される。Δφは、波長λ３のＣＷ光が３ｄＢカプラ２５で干渉する際の位相差の初期値であり、位相調整器１７、１８を用いて設定される。ここでは、Δφ＝π、すなわち、波長λ１の信号光も波長λ２の信号光も入力オフ（Ａ＝０、Ｂ＝０）でφ₁＝０、φ₂＝０となる場合、波長λ３の出力光がオフとなるように設定される。一方のアームの非線形導波路に信号光パルスが入力されると、波長λ３の出力光がオンとなる。すなわち、波長λ１の信号光パルスが非線形導波路１１に入力される場合（Ａ＝１，Ｂ＝０）には、非線形導波路１１で生じた非線形位相シフトにより波長λ３の出力光がオンとなる。また、波長λ２の信号光パルスが非線形導波路１２に入力される場合（Ａ＝０，Ｂ＝１）には、非線形導波路１２で生じた非線形位相シフトにより波長λ３の出力光がオンとなる。さらに、波長λ１の信号光パルスの非線形導波路１１への入力と、波長λ２の信号光パルスの非線形導波路１２への入力が同時に生じる場合（Ａ＝１，Ｂ＝１）には、両アームで生じる非線形位相シフトは相殺され、両アームの位相差は半波長となるように保たれ、波長λ３の出力光はオフとなる。これにより、ポート２６からの出力として、入力Ａと入力ＢとのＸＯＲが得られる。

上記の特許文献２に記載の発明は、マッハ・ツェンダー型光回路の両アームに非線形導波路として用いられるＳＯＡが配置されるものであるが、この種の形態のものとしては特許文献３（特開２００３−２９５２４８号公報）に記載されるものもある。

特許文献３には、上記構成によりＸＯＲ演算を行なう光ｅｘＯＲ演算装置の外部に、パルス幅を整形するための構成が開示されている。
特開平７−２０５１０号公報 特開２００１−２５１２５１号公報 特開２００３−２９５２４８号公報 プースティ他著「オプティカル・コミュニケーションズ」誌（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）、第１５６巻、第２２頁〜第２６頁、１９９８年 田島一人著「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」誌（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｙｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第３２巻、第Ｌ１７４６頁〜第Ｌ１７４９頁、１９９３年 フェールデ他著「アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ」誌（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第１３巻、第７５０頁〜第７５２頁、２００１年

従来例１に記載された方法では、ＸＯＲ動作を実現するために３台の全光スイッチが用いられており、構成が複雑である。

従来例２に記載された方法では、高い消光比を歩留まり良く得ることが難しいという問題がある。これは、Ａ＝０、Ｂ＝０、及び、Ａ＝１、Ｂ＝１の両方の動作条件において、両アームを通過する波長λ３の光を３ｄＢカプラ２５で干渉させることにより出力オフ状態を実現する必要があるためである。

まず、Ａ＝０、Ｂ＝０、すなわち、非線形導波路１１、１２のいずれにおいても信号光パルスの入力がない状態において、波長λ３の出力光がオフとなっているとする。これは、両アームを通過する波長λ３のＣＷ光の強度を等しくする（Ｊ₁＝Ｊ₂）と共に位相差を半波長とする（φ₁−φ₂＋Δφ＝π）ことによって実現される。

次に、Ａ＝１、Ｂ＝１となる場合、非線形導波路１１、１２のいずれにおいても信号光パルスが入力され、キャリア密度が変化する。非線形導波路１１、１２を通過する波長λ３のＣＷ光には、キャリア密度変化に応じた相互利得変調と相互位相変調が与えられる。すなわち、Ｊ₁、Ｊ₂も、φ₁、φ₂が変化する。この場合でも、波長λ３の出力光はオフとなる必要があるので、両アームの強度が等しく（Ｊ₁＝Ｊ₂）、位相差が半波長となる（φ₁−φ₂＋Δφ＝π）必要がある。

しかし、例えば、非線形導波路１２の入力側または出力側の光結合効率が低い場合を考えると、これを補うために非線形導波路１２での利得を非線形導波路１１での利得よりも高くする必要がある。したがって、信号光パルスの入力がない状態とある状態での利得の差は、非線形導波路１１で生じる量よりも非線形導波路１２で生じる量の方が大きくなる。しかし、これに伴って、信号光パルスの入力がない状態とある状態での位相シフト量の差も、非線形導波路１１で生じる量よりも非線形導波路１２で生じる量の方が大きくなる。すなわち、Ｊ₁＝Ｊ₂を満足させようとすると、φ₁−φ₂＋Δφ＝πを満足させることが難しくなる。このことは、従来例２と同様にマッハ・ツェンダー型光回路の両アームに非線形導波路として用いられるＳＯＡが配置される特許文献３に記載の発明でも同様に発生する。

本発明は上述した従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で高い消光比のＸＯＲ動作を歩留まり良く実現する全光スイッチおよび方法を提供することを目的とする。

本発明の全光スイッチは、非線形屈折率変化を示す非線形光学素子をそれぞれ第一のアームおよび第二のアームに配置したマッハ・ツェンダー型光回路を用いた全光スイッチであって、
第一の信号光を前記第一のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
第二の信号光を前記第二のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
搬送光を入力する手段と、
前記第一のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第一のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第一の手段と、
前記第二のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第二のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第二の手段を有することを特徴とする。

この場合、第一の手段および第二の手段が、非線形光学素子及びこれに接続される光路長の異なる二つの光路を有する非対称マッハ・ツェンダー型光回路であるとしてもよい。

また、第一の手段および第二の手段が、光路長の異なる二つの光路を有し、その両光路上に非線形光学素子が配置された非対称マッハ・ツェンダー型光回路であるとしてもよい。

また、第一の手段および第二の手段が、非線形光学素子および該非線形光学素子へ時間差をもって信号光を入力させる手段を有する対称マッハ・ツェンダー型光回路であるとしてもよい。

本発明の全光スイッチ方法は、非線形屈折率変化を示す非線形光学素子をそれぞれ第一のアームおよび第二のアームに配置したマッハ・ツェンダー型光回路を用いた全光スイッチ方法において、
第一の信号光を前記第一のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
第二の信号光を前記第二のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
搬送光を入力する手段と、
前記第一のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第一のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第一の手段と、
前記第二のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第二のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第二の手段を設けることを特徴とする。

この場合、第一の手段および第二の手段を、非線形光学素子及びこれに接続される光路長の異なる二つの光路を有する非対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることとしてもよい。

また、第一の手段および第二の手段を、光路長の異なる二つの光路を有し、その両光路上に非線形光学素子が配置された非対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることとしてもよい。

また、第一の手段および第二の手段を、非線形光学素子および該非線形光学素子へ時間差をもって信号光を入力させる手段を有する対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることとしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明による全光スイッチでは、Ａ＝０、Ｂ＝０の入力条件では干渉させる両アームの光の強度をゼロとする（Ｊ₁＝０、Ｊ₁＝０）ことにより、Ａ＝１、Ｂ＝１の入力条件でのみ両アームの光の強度を等しくし（Ｊ₁＝Ｊ₂）、位相差を半波長とする（φ₁−φ₂+Δφ＝π）ことが求められるような動作を行わせる。

上記の構成を用いることにより、第一のアームへの信号光の入力も第二のアームへの信号光の入力もない入力条件（Ａ＝０、Ｂ＝０）の場合、マッハ・ツェンダー型光回路の合波部に到着する前に搬送光の強度がゼロとなる。したがって、従来例２では、Ａ＝０、Ｂ＝０、及び、Ａ＝１、Ｂ＝１の両方の入力条件に対し、両アームの搬送光の強度を等しくして位相差を半波長とする必要があるのに対し、本発明による全光スイッチでは、Ａ＝１、Ｂ＝１の入力条件に対してのみ、両アームの搬送光の強度を等しくして位相差を半波長とすれば良い。このような全光スイッチを用いることにより、したがって、高い消光比のＸＯＲ動作を歩留まり良く実現することが可能となる。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明による全光スイッチの第一実施形態の構成を示す図である。本実施形態では、基本となるマッハ・ツェンダー型光回路の両アームに、非線形導波路と、光路長の異なるアームを有する非対称マッハ・ツェンダー型光回路が備えられている。この構造により、それぞれのアームにおいて、信号光の入力がない場合には搬送光の強度を出力ポート直前の合波部に到着する前にゼロとするものである。

全光スイッチへは、波長λ１のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＡとする）、波長λ２のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＢとする）、波長λ３の無変調連続（ＣＷ）光を入力する。非線形導波路としては半導体光増幅器（ＳＯＡ）が用いられ、波長λ１、波長λ２、波長λ３は、いずれもＳＯＡの利得領域に設定される。

波長λ１の信号光は、ポート２１より入力され、３ｄＢカプラ３１を通過して非線形導波路１１へ入力される。波長λ２の信号光は、ポート２３より入力され、３ｄＢカプラ３２を通過して非線形導波路１２へ入力される。電流注入により反転分布が生じている非線形導波路１１、１２において、信号光パルスは誘導放出によりキャリア密度を減少させる。また、波長λ３のＣＷ光はポート２２へ入力され、３ｄＢカプラ２４で一旦分岐された後、非線形導波路１１、１２で生じるキャリア密度変化に伴う相互利得変調、相互位相変調（非線形位相シフト）を受ける。

非線形導波路１１を出射した波長λ３のＣＷ光は、さらに３ｄＢカプラ３３で一旦分岐され、一方のアームに時間ΔＴの遅延が与えられた後、３ｄＢカプラ３５で合波され干渉する。干渉の結果、波長λ１の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。また、非線形導波路１２を出射した波長λ３のＣＷ光は、さらに３ｄＢカプラ３４で一旦分岐され、一方のアームに時間ΔＴの遅延が与えられた後、３ｄＢカプラ３６で合波され干渉する。干渉の結果、波長λ２の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。３ｄＢカプラ３５において生成される波長λ３の光パルスと、３ｄＢカプラ３６において生成される波長λ３の光パルスは、３ｄＢカプラ２５で干渉し、ポート２６より出力される。

本発明の第一の実施形態の動作について各部の波形図を図２（ａ）〜（ｉ）を参照して以下に説明する。

図２（ａ）に示すような光強度Ｓ₁、波長λ１の信号光パルス列が非線形導波路１１に入力されると、非線形導波路１１を通過した波長λ３のＣＷ光は、強度Ｊ₁は図２（ｃ）に示すように変化し、位相φ₁は図２（ｅ）に示すように変化する。位相φ₁の時間変化は、信号光パルス幅程度の時間で立ち上がり、キャリア寿命程度の時間で緩和する。

さらに、波長λ３のＣＷ光は、３ｄＢカプラ３３、位相調整器１５、３ｄＢカプラ３５から成る非対称マッハ・ツェンダー型光回路を通過する。３ｄＢカプラ３５で干渉する光の電界は、それぞれ、

と表され、光路が長い方を伝搬してきた光に遅延時間ΔＴが与えられる。ここで、ωは光周波数である。干渉の結果、光強度Ｋ₁は、

と表され、図２（ｇ）に示すように変化する。Δφ₁は、非線形導波路１１に信号光パルスが入力され、非線形位相シフトが生じた場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されるように、位相調整器１５を用いて設定される。すなわち、生成される光パルスの強度は、３ｄＢカプラ３５で干渉する一方の光の相互位相変調φ₁（ｔ）（図２（ｇ）における実線）が始まるとともに立ち上がり、もう一方の光の相互位相変調φ₁（ｔ−ΔＴ）（図２（ｇ）における点線）が始まるとともに立ち下がる。そのパルス幅は遅延時間ΔＴにほぼ等しい。

また、図２（ｂ）に示すような光強度Ｓ₂、波長λ２の信号光パルス列が非線形導波路１２に入力されると、非線形導波路１２を通過した波長λ３のＣＷ光は、強度Ｊ₂が図２（ｄ）に示すように変化し、位相φ₂が図２（ｆ）に示すように変化する。位相φ₂の時間変化は、信号光パルス幅程度の時間で立ち上がり、キャリア寿命程度の時間で緩和する。さらに、波長λ３のＣＷ光は、３ｄＢカプラ３４、位相調整器１６、３ｄＢカプラ３６から成る非対称マッハ・ツェンダー型光回路を通過する。３ｄＢカプラ３６で干渉する光の電界は、それぞれ、

と表され、光路が長い方を伝搬してきた光には遅延時間ΔＴが与えられる。干渉の結果、光強度Ｋ₂は、

と表され、図２（ｈ）のように変化する。Δφ₂は、非線形導波路１２に信号光パルスが入力され、非線形位相シフトが生じた場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されるように、位相調整器１６を用いて設定される。すなわち、生成される光パルスの強度は、３ｄＢカプラ３６で干渉する一方の光の相互位相変調φ₂（ｔ）（図２（ｈ）の実線）が始まるとともに立ち上がり、もう一方の光の相互位相変調φ₂（ｔ−ΔＴ）（図2（ｈ）の点線）が始まるとともに立ち下がる。そのパルス幅は遅延時間ΔＴにほぼ等しい。

第一のアームの非線形導波路１１と非対称マッハ・ツェンダー光回路を通過してきた波長λ３、強度Ｋ₁、位相θ₁の光と、第二のアームの非線形導波路１２と非対称マッハ・ツェンダー光回路を通過してきた波長λ３、強度Ｋ₂、位相θ₂の光は３ｄＢカプラ２５で干渉する。干渉の結果、ポート２６から出力される光強度Ｐは、

と表され、図２（ｉ）に示すものとなる。Δθは、波長λ１の信号光パルスの非線形導波路１１への入力と、波長λ２の信号光パルスの非線形導波路１２への入力が同時に生じる場合に、θ₁−θ₂+Δθ＝πとなるように設定される。

以上の構成により、波長λ１の信号光パルスと波長λ２の信号光パルスの入力に対するＸＯＲ動作が得られる。すなわち、波長λ１の信号光も波長λ２の信号光も入力されない場合（Ａ＝０、Ｂ＝０）、３ｄＢカプラ２５の直前における波長λ３の光強度は、両アーム共にゼロとなるので、ポート２６からの出力もオフとなる。波長λ１の信号光パルスが非線形導波路１１に入力される場合（Ａ＝１，Ｂ＝０）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。また、波長λ１の信号光パルスが非線形導波路１２に入力される場合（Ａ＝０，Ｂ＝１）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。さらに、波長λ１の信号光パルスの非線形導波路１１への入力と、波長λ２の信号光パルスの非線形導波路１２への入力が同時に生じる場合（Ａ＝１，Ｂ＝１）には、両アームで生成された波長λ３の光パルスは３ｄＢカプラ２５において位相差πで干渉するため、波長λ３の出力光はオフとなる。

次に、本発明による全光スイッチの第二の実施形態についてその構成を示す図３を参照して説明する。

本実施形態においては、基本となるマッハ・ツェンダー型光回路の両アームに、非線形導波路を光路長の異なるアームの両方に配置した非対称マッハ・ツェンダー光回路が備えられている。この構造により、それぞれのアームにおいて、信号光の入力がない場合には搬送光の強度が出力ポート直前の合波部に到着する前にゼロとなる。

全光スイッチへは、波長λ１のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＡとする）、波長λ２のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＢとする）、波長λ３の無変調連続（ＣＷ）光を入力する。非線形導波路としては半導体光増幅器（ＳＯＡ）が用いられ、波長λ１、波長λ２、波長λ３は、いずれもＳＯＡの利得領域に設定される。

波長λ１の信号光は、ポート２１より入力され、３ｄＢカプラ３１を通過し、３ｄＢカプラ３７で分岐され、非線形導波路１１及び１３に入力される。波長λ２の信号光は、ポート２３より入力され、３ｄＢカプラ３２を通過し、３ｄＢカプラ３８で分岐され、非線形導波路１２及び１４に入力される。電流注入により反転分布が生じている非線形導波路１１、１２、１３、１４において、信号光パルスは誘導放出によりキャリア密度を減少させる。また、波長λ３のＣＷ光はポート２２へ入力され、３ｄＢカプラ２４で一旦分岐される。

３ｄＢカプラ２４で分岐された波長λ３のＣＷ光の一方は、３ｄＢカプラ３７で分岐され、それぞれ非線形導波路１１、１３を通過した後、一方のアームに遅延時間ΔＴが与えられ、３ｄＢカプラ３９で干渉する。ここでは、非線形導波路１１を含むアームの光路長の方が長いとする。干渉の結果、波長λ１の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。

また、３ｄＢカプラ２４で分岐された波長λ３のＣＷ光の他方は、３ｄＢカプラ３８で分岐され、それぞれ非線形導波路１２、１４を通過した後、一方のアームに遅延時間ΔＴが与えられ、３ｄＢカプラ４０で干渉する。ここでは、非線形導波路１４を含むアームの光路長の方が長いとする。干渉の結果、波長λ２の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。３ｄＢカプラ３９において生成される波長λ３の光パルスと、３ｄＢカプラ４０において生成される波長λ３の光パルスは、３ｄＢカプラ２５で干渉し、ポート２６より出力される。

波長λ１の信号光が非線形導波路１１及び１３に入力されていない状態では、非線形導波路１１、１３を通過したそれぞれの光の位相差は位相調整器１５を用いることにより半波長に設定されており、３ｄＢカプラ３９からの出力はオフとなっている。波長λ１の信号光が入力された場合、非線形導波路１１及び１３において屈折率変化が生じる。波長λ３の光は、非線形導波路１１及び１３で非線形位相シフトを受け、３ｄＢカプラ３９では遅延時間ΔＴだけずれた位相変化を有する光が干渉することになる。非線形導波路１３側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ３９からの出力がオンとなり、非線形導波路１１側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ３９からの出力がオフとなる。これにより、パルス幅がほぼΔＴに等しい光パルスが生成される。

波長λ２の信号光が非線形導波路１２及び１４に入力されていない状態では、非線形導波路１２、１４を通過したそれぞれの光の位相差は位相調整器１６を用いることにより半波長に設定されており、３ｄＢカプラ４０からの出力はオフとなっている。また、波長λ２の信号光が入力された場合、非線形導波路１２及び１４において屈折率変化が生じる。波長λ３の光は、非線形導波路１２及び１４で非線形位相シフトを受け、３ｄＢカプラ４０では遅延時間ΔＴだけずれた位相変化を有する光が干渉することになる。

非線形導波路１２側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ４０からの出力がオンとなり、非線形導波路１４側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ４０からの出力がオフとなる。これにより、パルス幅がほぼΔＴに等しい光パルスが生成される。さらに、波長λ１の信号光パルスと波長λ２の信号光パルスが同時に入力された場合、３ｄＢカプラ２５において波長λ３の光パルスが干渉することになるが、位相調整器１７、１８を用いることにより、このときの位相差は半波長となりポート２６からの出力がオフとなるように設定される。

以上の構成により、波長λ１の信号光パルスと波長λ２の信号光パルスの入力に対するＸＯＲ動作が得られる。すなわち、波長λ１の信号光も波長λ２の信号光も入力されない場合（Ａ＝０、Ｂ＝０）、３ｄＢカプラ２５の直前における波長λ３の光強度は、両アーム共にゼロとなるので、ポート２６からの出力もオフとなる。

波長λ１の信号光パルスが入力される場合（Ａ＝１，Ｂ＝０）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。また、波長λ１の信号光パルスが入力される場合（Ａ＝０，Ｂ＝１）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。

さらに、波長λ１の信号光パルスの入力と波長λ２の信号光パルスの入力が同時に生じる場合（Ａ＝１，Ｂ＝１）には、両アームで生成された波長λ３の光パルスは３ｄＢカプラ２５において位相差πで干渉するため、波長λ３の出力光はオフとなる。

次に、本発明による全光スイッチの第三の実施形態についてその構成を示す図４を参照して説明する。

本実施形態においては、基本となるマッハ・ツェンダー型光回路の両アームに、信号光が時間差を持って入力されるような非線形導波路を両アームに配置したマッハ・ツェンダー光回路が備えられている。この構造により、それぞれのアームにおいて、信号光の入力がない場合には搬送光の強度が出力ポート直前の合波部に到着する前にゼロとなる。

全光スイッチへは、波長λ１のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＡとする）、波長λ２のデータ変調された信号光パルス列（これを入力データＢとする）、波長λ３の無変調連続（ＣＷ）光を入力する。非線形導波路としては半導体光増幅器（ＳＯＡ）が用いられ、波長λ１、波長λ２、波長λ３は、いずれもＳＯＡの利得領域に設定される。波長λ１の信号光は、ポート２１より入力され、３ｄＢカプラ４３で分岐され、非線形導波路１１及び１３に入力される。入力の時間差はΔＴであり、ここでは、非線形導波路１１への入力が遅れるとする。

波長λ２の信号光は、ポート２３より入力され、３ｄＢカプラ４４で分岐され、非線形導波路１２及び１４に入力される。入力の時間差はΔＴであり、ここでは、非線形導波路１１への入力が遅れるとする。電流注入により反転分布が生じている非線形導波路１１、１２、１３、１４において、信号光パルスは誘導放出によりキャリア密度を減少させる。また、波長λ３のＣＷ光はポート２２へ入力され、３ｄＢカプラ２４で一旦分岐される。

３ｄＢカプラ２４で分岐された波長λ３のＣＷ光の一方は、３ｄＢカプラ４１で分岐され、それぞれ非線形導波路１１、１３を通過した後、３ｄＢカプラ４９で干渉する。干渉の結果、波長λ１の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。

また、３ｄＢカプラ２４で分岐された波長λ３のＣＷ光の他方は、３ｄＢカプラ４２で分岐され、それぞれ非線形導波路１２、１４を通過した後、３ｄＢカプラ５０で干渉する。干渉の結果、波長λ２の信号光パルスが入力された場合のみ、波長λ３の光パルスが生成されることになる。３ｄＢカプラ４９において生成される波長λ３の光パルスと、３ｄＢカプラ５０において生成される波長λ３の光パルスは、３ｄＢカプラ２５で干渉し、ポート２６より出力される。

波長λ１の信号光が非線形導波路１１及び１３に入力されていない状態では、非線形導波路１１、１３を通過したそれぞれの光の位相差は位相調整器１５を用いることにより半波長に設定されており、３ｄＢカプラ４９からの出力はオフとなっている。波長λ１の信号光が入力された場合、非線形導波路１１及び１３において屈折率変化が生じる。波長λ３の光は、非線形導波路１１及び１３で非線形位相シフトを受け、３ｄＢカプラ４９では遅延時間ΔＴだけずれた位相変化を有する光が干渉することになる。

非線形導波路１３側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ４９からの出力がオンとなり、非線形導波路１１側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ４９からの出力がオフとなる。これにより、パルス幅がほぼΔＴに等しい光パルスが生成される。

波長λ２の信号光が非線形導波路１２及び１４に入力されていない状態では、非線形導波路１２、１４を通過したそれぞれの光の位相差は位相調整器１６を用いることにより半波長に設定されており、３ｄＢカプラ５０からの出力はオフとなっている。また、波長λ２の信号光が入力された場合、非線形導波路１２及び１４において屈折率変化が生じる。波長λ３の光は、非線形導波路１２及び１４で非線形位相シフトを受け、３ｄＢカプラ５０では遅延時間ΔＴだけずれた位相変化を有する光が干渉することになる。

非線形導波路１２側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ５０からの出力がオンとなり、非線形導波路１４側の非線形位相シフトにより３ｄＢカプラ５０からの出力がオフとなる。これにより、パルス幅がほぼΔＴに等しい光パルスが生成される。さらに、波長λ１の信号光パルスと波長λ２の信号光パルスが同時に入力された場合、３ｄＢカプラ２５において波長λ３の光パルスが干渉することになるが、位相調整器１７、１８を用いることにより、このときの位相差は半波長となりポート２６からの出力がオフとなるように設定される。

以上の構成により、波長λ１の信号光パルスと波長λ２の信号光パルスの入力に対するＸＯＲ動作が得られる。すなわち、波長λ１の信号光も波長λ２の信号光も入力されない場合（Ａ＝０、Ｂ＝０）、３ｄＢカプラ２５の直前における波長λ３の光強度は、両アーム共にゼロとなるので、ポート２６からの出力もオフとなる。

波長λ１の信号光パルスが入力される場合（Ａ＝１，Ｂ＝０）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。また、波長λ１の信号光パルスが入力される場合（Ａ＝０，Ｂ＝１）には、３ｄＢカプラ２５に第一のアームから波長λ３の光パルスが入ってくるので、ポート２６からの出力がオンとなる。

さらに、波長λ１の信号光パルスの入力と波長λ２の信号光パルスの入力が同時に生じる場合（Ａ＝１，Ｂ＝１）には、両アームで生成された波長λ３の光パルスは３ｄＢカプラ２５において位相差πで干渉するため、波長λ３の出力光はオフとなる。

第三実施形態に関して、搬送光をＣＷ光とした場合を例にとって説明したが、ＣＷ光ではなくクロックパルス列を入力する場合に関しても同様の効果が得られる。クロック光パルス列を用いる場合には、Ａ＝１、Ｂ＝１の入力条件に対して、クロック光パルス光強度が３ｄＢカプラ２５に到達する前にゼロとなるような設定を用いることもできる。

また、上記の各実施形態における光回路は、半導体上にモノリシック集積されたものでもよく、ＳＯＡを石英系等の材料で作成される平面光回路にハイブリッド集積されたものでもよく、また、ディスクリートな光部品により構成されたものでもよい。

図５は、各実施形態のＸＯＲ型全光スイッチを含むパリティ判定装置である。この装置は、ビット間隔Ｔ秒の二値データ信号光パルス列に含まれる連続したＮビットの信号光パルス列のパリティを判定する。データ信号光パルス列はまずパルス列抽出器７１に入力され、連続したＮビットのデータ信号光パルスが出力される。

Ｎビットのデータ信号光パルスは、光分岐器７２で分岐された後、一方はＸＯＲ型全光スイッチ７５へ入力ポート７３を通して入力される。ＸＯＲ型全光スイッチのもう一方の入力ポート７４には、ＸＯＲ型全光スイッチ７５の出力ポート７６からの出力の一部が、光分岐器７７、光遅延回路７８を経由して入力される。ポート７３からの入力とポート７４からの入力とのＸＯＲ演算結果が、ポート７３に入力される次のビットの信号光パルスと同時に入力されるよう、光遅延回路７８での遅延時間が設定される。これにより、ポート７３より入力されるＮビット目の信号光パルスが受けたＸＯＲ演算結果が、連続するＮビットの二値データのパリティを示すことになる。このＸＯＲ演算結果をパリティビットと呼ぶことにする。

他方、光分岐器７２より分岐された信号光パルス列は、同期パルス発生器７９に入力され、単発の光パルスを発生させる。この単発の光パルスはＡＮＤ型全光スイッチ８０のスイッチングウィンドウを開く。このスイッチングウィンドウは、ＸＯＲ型全光スイッチ７５からの出力のうちパリティビットだけを通過させるように設定される。これにより、前記の連続したＮビットの信号光パルス列のパリティが出力されることになる。

本発明の全光スイッチの第一実施形態の構成図である。 本発明の全光スイッチの第一実施形態の動作を示す波形図である。 本発明の全光スイッチの第二実施形態の構成図である。 本発明の全光スイッチの第三実施形態の動作を示す波形図である。 本発明の全光スイッチを含むパリティ判定装置の構成図である。 従来の技術による全光スイッチの構成図である。 従来の技術による全光スイッチの構成図である。 従来の技術による全光スイッチの動作を示す波形図である。

符号の説明

１１ 非線形導波路
１２ 非線形導波路
１３ 非線形導波路
１４ 非線形導波路
１５ 位相調整器
１６ 位相調整器
１７ 位相調整器
１８ 位相調整器
２１ 第一の信号光の入力ポート
２２ ＣＷ光またはクロック光の入力ポート
２３ 第二の信号光の入力ポート
２４ ３ｄＢカプラ
２５ ３ｄＢカプラ
２６ 出力ポート
３１〜５０ ３ｄＢカプラ
５１〜５３ 全光スイッチ
５４〜６１ 入力ポート
６２ 出力ポート
６３ ＣＷ光源
７１ 光パルス列抽出器
７２ 光分岐器
７３ 入力ポート
７４ 入力ポート
７５ ＸＯＲ型全光スイッチ
７６ 出力ポート
７７ 光分岐器
７８ 光遅延回路
７９ 同期パルス発生器
８０ ＡＮＤ型全光スイッチ

Claims (8)

1. 非線形屈折率変化を示す非線形光学素子をそれぞれ第一のアームおよび第二のアームに配置したマッハ・ツェンダー型光回路を用いた全光スイッチであって、
   第一の信号光を前記第一のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
   第二の信号光を前記第二のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
   搬送光を入力する手段と、
   前記第一のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第一のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第一の手段と、
   前記第二のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第二のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第二の手段を有することを特徴とする全光スイッチ。
2. 請求項１に記載の全光スイッチにおいて、
   第一の手段および第二の手段が、非線形光学素子及びこれに接続される光路長の異なる二つの光路を有する非対称マッハ・ツェンダー型光回路であることを特徴とする全光スイッチ。
3. 請求項１に記載の全光スイッチにおいて、
   第一の手段および第二の手段が、光路長の異なる二つの光路を有し、その両光路上に非線形光学素子が配置された非対称マッハ・ツェンダー型光回路であることを特徴とする全光スイッチ。
4. 請求項１に記載の全光スイッチにおいて、
   第一の手段および第二の手段が、非線形光学素子および該非線形光学素子へ時間差をもって信号光を入力させる手段を有する対称マッハ・ツェンダー型光回路であることを特徴とする全光スイッチ。
5. 非線形屈折率変化を示す非線形光学素子をそれぞれ第一のアームおよび第二のアームに配置したマッハ・ツェンダー型光回路を用いた全光スイッチ方法において、
   第一の信号光を前記第一のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
   第二の信号光を前記第二のアーム上の一個または複数個の非線形光学素子に入力する手段と、
   搬送光を入力する手段と、
   前記第一のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第一のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第一の手段と、
   前記第二のアームへの信号光の入力がない場合に、前記第二のアームを通過する搬送光の光強度を前記マッハ・ツェンダー型光回路の合波部の前でゼロとする第二の手段を設けることを特徴とする全光スイッチ方法。
6. 請求項５に記載の全光スイッチ方法において、
   第一の手段および第二の手段を、非線形光学素子及びこれに接続される光路長の異なる二つの光路を有する非対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることを特徴とする全光スイッチ方法。
7. 請求項５に記載の全光スイッチ方法において、
   第一の手段および第二の手段を、光路長の異なる二つの光路を有し、その両光路上に非線形光学素子が配置された非対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることを特徴とする全光スイッチ方法。
8. 請求項５に記載の全光スイッチ方法において、
   第一の手段および第二の手段を、非線形光学素子および該非線形光学素子へ時間差をもって信号光を入力させる手段を有する対称マッハ・ツェンダー型光回路とすることを特徴とする全光スイッチ方法。

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