JP4599614B2 - 光分岐挿入スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、光分岐挿入スイッチに関し、より詳細には、波長分割多重通信システムにおけるノードにおいて、任意の波長パスのスイッチングを行うための光分岐挿入スイッチに関する。

波長分割多重（ＷＤＭ）を用いた光ファイバ伝送路を介して、複数のノードをリング状またはバス状に接続した波長分割多重通信システムが知られている。各ノードには、波長毎に接続を切り替える光スイッチが装備されており、波長パスの構成を容易に変更することができることから、再構成可能光アドドロップ多重（ＲＯＡＤＭ）システムと呼ばれている。各々のノードのスイッチング動作は、一方の光ファイバ伝送路から入力された任意の波長の光信号を、他方の光ファイバ伝送路に出力するスルーモードと、光ファイバ伝送路から入力された任意の波長の光信号をノードに接続された端局装置に出力し（ドロップ動作）、端局装置から入力された任意の波長の光信号を光ファイバ伝送路に出力する（アド動作）アド／ドロップモードとを有している。このようなスイッチング動作によって、波長パスを、任意のノード間で任意の数だけ設定することができる。従って、波長分割多重通信システムは、トラヒック変動に対して、波長パスの構成を変更することにより柔軟に対応でき、伝送路や端局装置の障害に対して容易に対処できるという特徴がある。

図１に、従来のＲＯＡＤＭシステムのノードの構成を示す。ここでは隣接して接続されている２つのノードを、便宜的にそれぞれ西側ノードおよび東側ノードいい、西側ノードから東側ノードへの信号光の流れを右回り、東側ノードから西側ノードへの信号光の流れを左回りと規定する。右回りの波長多重信号光は、光ファイバ１０５Ｒから前置光増幅器１０４Ｒを介して、光分波器１０２Ｒに入力される。光分波器１０２Ｒは、入力された波長多重信号光を、波長ごとにｎ個の信号光に分離する。光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎは、ｎ個に分離された信号光それぞれに対して、スルーモードまたはアド／ドロップモードで動作する。光合波器１０３Ｒは、光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎからの光信号を波長多重信号光に多重する。波長多重信号光は、後置光増幅器１０６Ｒを介して光ファイバ１０７Ｒから東側ノードへ出力される。左回りの波長多重信号光は、図の符号をＲからＬに変えて、同様に説明することができる（例えば、特許文献１参照）。

図２に、従来の光分岐挿入スイッチの機能を示す。光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎ，１０１Ｌ−１〜ｎ（以下、Ｒ，Ｌを省略し１０１−１〜ｎまたは添字を省略し１０１と記載する）は、２入力２出力光スイッチであり、２つの入力ポート（Ｉｎ，Ａｄｄ）と２つの出力ポート（Ｏｕｔ，Ｄｒｏｐ）とを有する。スルーモードでは、ＩｎポートとＯｕｔポートが接続され、アド／ドロップモードではＩｎポートとＤｒｏｐポートとが接続され、ＡｄｄポートとＯｕｔポートとがそれぞれ接続される。

図３に、従来の光分岐挿入スイッチの詳細な構成を示す。光分岐挿入スイッチ１０１は、Ｉｎポートから入力された信号光を、Ｄｒｏｐポートまたは可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に分岐する光スイッチ１２１と、ＶＯＡ１２２の出力とＡｄｄポートに接続されているＶＯＡ１２３の出力とを選択する光スイッチ１２４とを含む。さらに、光分岐挿入スイッチ１０１は、ＶＯＡ１２２，１２３の減衰量を制御する制御回路（ＣＯＮＴ）１２５と、光スイッチ１２４の出力を分岐する分岐回路１２６と、分岐された出力光をモニタして制御回路１２５にフィードバックする光検出器１２７とを備えている。

光分岐挿入スイッチ１０１は、１枚の石英系光導波路基板により集積されており、光スイッチおよびＶＯＡをマッハツェンダ型干渉計により構成する。この光分岐挿入スイッチ１０１を、右回り（Ｒ）と左回り（Ｌ）にそれぞれｎ個実装することにより、図１に示したノードを構成することができる。

図４に、マッハツェンダ型干渉計の詳細な構成を示す。マッハツェンダ型干渉計は、２本の入力導波路１１１ａ，１１ｂに接続された３ｄＢカプラ１１２と、２本の出力導波路１１３ａ，１１３ｂに接続された３ｄＢカプラ１１４との間を、２本のアーム導波路１１５ａ，１１５ｂで接続した構成を有している。一方のアーム導波路１１５ａ上には位相調整用の位相器となる薄膜ヒータ１１６が配置されている。導波路を構成している石英系ガラスの屈折率は、熱光学効果によって、温度により変化するので、薄膜ヒータ１１６の通電加熱により、２本のアーム導波路１１５ａ，１１５ｂでの光路差を任意に制御することができる。

入力導波路１１１ａより入力された信号光は、光路長差が半波長、即ち、位相差がπの場合、公知の干渉原理により、出力先導波路１１３ａから出力され（バー状態）、光路長差がゼロ、即ち、位相差がゼロの場合、出力先導波路１１３ｂから出力される（クロス状態）。また、中間の光路長差を与え、０〜πの適切な位相差にすることで、入力導波路１１１ａより入力された信号光を、任意の分岐比で２本の出力導波路１１３ａ，１１３ｂに分岐させることもできる。従って、光スイッチとしても、可変光減衰器としても動作させることができる。

特開２００４−３７９６８号公報（第５，６図）

現用系／予備系の冗長構成を有する通信システムの切替方式として、片方向切替方式と双方向切替方式とが知られている。双方向切替方式は、切替の単位が送受信のペアで行われるので、通信が確立されるためには、正常な送信と正常な受信がペアとなっている必要がある。ＲＯＡＤＭシステムにおいて、現用系／予備系の冗長構成を双方向切替方式で実現するためには、伝送路の障害に対応できるように、東側ノード経由の送受信対を１ペアにし、かつ、西側ノード経由の送受信対を１ペアにして、現用系／予備系を構成する。

従来の光分岐挿入スイッチ１０１の構成では、西側ノードからの受信と東側ノードへの送信とが同じ光分岐挿入スイッチ１０１Ｒを通り、また、東側ノードからの受信と西側ノードへの送信とが同じ光分岐挿入スイッチ１０１Ｌを通ることになる。このような構成では、光分岐挿入スイッチ１０１Ｒが故障すると、西側ノードからの受信と、東側ノードへの送信が使えなくなる。すなわち、送受信対としては、西側ノード経由および東側ノード経由のいずれも不完全となることから、現用系／予備系の両方とも通信を確立することができなくなる。従って、従来の光分岐挿入スイッチでは、光ファイバ伝送路の障害を救済できるものの、光分岐挿入スイッチの障害を救済することができない。

また、光分岐挿入スイッチ１０１において、スルーモード時のＡｄｄポートからＯｕｔポートへの漏れ光、アド／ドロップモード時のＩｎポートからのＯｕｔポートへの漏れ光は、同一波長のクロストーク、すなわち干渉性クロストークとなるので、伝送特性を大幅に劣化させる。従って、漏れ光の減衰量（以下、消光比ともいう）は、４０ｄＢ以上あることが望ましい。

さらに、電源回路の小型化の観点から、光分岐挿入スイッチ１０１は、最大電力消費量が小さい構成であることが望ましい。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、消光比が高く、最大消費電力の少ない光分岐挿入スイッチを提供することにある。また、本発明の目的は、光ファイバ伝送路または光分岐挿入スイッチのいずれの障害に対しても、少なくとも１ペアの送受信対が障害の影響を受けない構成となる光分岐挿入スイッチを提供することにある。

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、光ファイバ伝送路を介して接続されるノードに配置された光分岐挿入スイッチにおいて、位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、スルー入力ポート（ＴｈｒＩｎ）から入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第１光スイッチ２２７と、位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、前記第１光スイッチ２２７から入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第１可変光減衰器２２２と、位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、アドポート（Ａｄｄ）から入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第２可変光減衰器２２３と、位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、バー状態で前記第１可変光減衰器２２２から入力された信号光を選択し、クロス状態で前記第２可変光減衰器２２３から入力された信号光を選択して、出力ポート（Ｏｕｔ）へ出力する第２光スイッチ２２４と、入力ポート（Ｉｎ）から入力された信号光を、任意の分岐比でスルー出力ポート（ＴｈｒＯｕｔ）とドロップポート（Ｄｒｏｐ）へ出力する光分岐器２２６とを備え、前記マッハツェンダ型干渉計は、前記位相器が非通電状態のときにバー状態となり、２分の１波長の光路長差を有し、前記位相器が通電状態のときにクロス状態となり、光路長差が０波長となり、前記ノード内で前記光分岐挿入スイッチを対向させ、一方の光分岐挿入スイッチのスルー入力ポートと他方の光分岐挿入スイッチのスルー出力ポートとがそれぞれ接続されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記位相器は、熱光学効果を利用して位相を調整していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光分岐挿入スイッチにおいて、前記光分岐挿入スイッチは、平面光導波路を用いて構成され、前記位相器は、薄膜ヒータを装荷した導波路で構成されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の構成によれば、スルーモードにおいて、２個のマッハツェンダ型干渉計が、アドポートから入力された信号光に対してクロス経路になり、４０ｄＢ以上の消光比が得られる。アド／ドロップモードにおいても、２個のマッハツェンダ型干渉計が、スルー入力ポートから入力された信号光に対してクロス経路になり、１個のマッハツェンダ型干渉計がバー経路になるので、５０ｄＢ以上の消光比が得られ、いずれのモードにおいても高い消光比を確保することが可能となる。

また、本発明によれば、いずれのモードでも、同時に駆動するマッハツェンダ型干渉計は２個となり、最大消費電力を抑えることができ、加えて、消費電力の平準化を図ることが可能となる。

さらに、本発明によれば、マッハツェンダ型干渉計の駆動回路をスルーモードとアド／ドロップモードで回路を共用することにより、光分岐挿入スイッチの回路規模を削減することが可能となる。

さらにまた、本発明によれば、西側ノードへの光ファイバ伝送路と東側ノードへの光ファイバ伝送路とが、別の光分岐挿入スイッチを通ることになるので、伝送路／光分岐挿入スイッチのいずれの障害に対しても、少なくとも１ペアの送受信対を確保することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態では、対向するノードに対する信号光の送受信の２方向の波長パスを１つの光分岐挿入スイッチで切り換えるようにする。

図５に、本発明の一実施形態にかかる光分岐挿入スイッチの構成を示す。光分岐挿入スイッチ２０１Ｗ，２０１Ｅ（以下、Ｗ，Ｅを省略し２０１と記載する。ポートの名称等も同様である。）は、Ｉｎポートから入力された信号光を、ＤｒｏｐポートとＴｈｒＯｕｔポートに分岐する光分岐器２２１を有する。このブロックをＤｒｏｐＳＷ２１１という。

また、光分岐挿入スイッチ２０１は、ＴｈｒＩｎポートに接続されているＶＯＡ２２２の出力とＡｄｄポートに接続されているＶＯＡ２２３の出力とを選択する光スイッチ２２４と、ＶＯＡ２２２，２２３の減衰量を制御する制御回路（ＣＯＮＴ）２２５とを有する。さらに、Ｏｕｔポートへの出力光を分岐する分岐回路２２６と、分岐された出力光のレベルを検出し、その検出結果を制御回路２２５にフィードバックする光検出器２２７とを備えている。このブロックをＡｄｄＳＷ２１２という。

スルーモード時には、ＡｄｄＳＷ２１２においてＴｈｒＩｎポートとＯｕｔポートとがそれぞれ接続される。アド／ドロップモード時には、ＡｄｄＳＷ２１２においてＡｄｄポートとＯｕｔポートとがそれぞれ接続される。

光分岐挿入スイッチ２０１を、西側ノード向け２０１Ｗと東側ノード向け２０１Ｅにそれぞれ配置して、ＴｈｒＯｕｔＷポートとＴｈｒＩｎＥポートとを接続し、ＴｈｒＯｕｔＥポートとＴｈｒＩｎＷとを接続する。ＤｒｏｐＷポートおよびＡｄｄＷポートと、ＤｒｏｐＥポートおよびＡｄｄＥポートとは、それぞれ送受信対として端局装置に接続される。光分岐挿入スイッチ２０１Ｗ，２０１Ｅをそれぞれスルーモードに設定すると、このノードを通過するように、右回りと左回りの通信路が生成される。一方、光分岐挿入スイッチ２０１Ｗ，２０１Ｅをそれぞれアドドロップモードに設定すると、西側ノード経由の送受信号対と東側ノード経由の送受信号対とが、端局装置に接続される。端局装置からみると、西側ノード経由または東側ノード経由の一方を現用系、他方を予備系とする冗長構成をとることができる。

西側ノードに対する送信／受信は、光分岐挿入スイッチ２０１Ｗを通り、東側ノードに対する送信／受信は、別の光分岐挿入スイッチ２０１Ｅを通ることになるので、例えば、光分岐挿入スイッチ２０１Ｗが故障しても、東側ノード経由の通信は確保される。逆に、光分岐挿入スイッチ２０１Ｅが故障しても、西側ノード経由の通信は確保され、伝送路／光分岐挿入スイッチのいずれの障害に対しても、少なくとも１ペアの送受信対を確保することができる。

この構成によれば、現用系と予備系の光ファイバ伝送路が異なるノードを経由することから、双方向切替方式を適用した場合でも、光ファイバ伝送路の故障を救済することができる。また、光分岐挿入スイッチは、現用系と予備系がそれぞれ別の光分岐挿入スイッチに収容されていることから、双方向切替方式を適用した場合でも、光分岐挿入スイッチの故障を救済することができる。従って、光ファイバ伝送路の障害と光分岐挿入スイッチの障害とを救済することができる。

図６に、本発明の一実施形態にかかる光分岐挿入スイッチの詳細構成を示す。光分岐挿入スイッチ２０１は、シリコン基板上に作製された石英系の平面光導波路により構成されている。図４に示したマッハツェンダ型干渉計により、光スイッチ２２４，２２９およびＶＯＡ２２２，２２３を構成する。マッハツェンダ型干渉計は、２本のアーム導波路の長さが異なる非対称型とし、短い方のアーム導波路に薄膜ヒータを配置して位相器を構成する。また、Ｉｎポートから入力された信号光は、光カプラ２２８により分岐され、ＴｈｒＯｕｔポートとＤｒｏｐポートとに分離される。

２本のアーム導波路の光路長差は、光スイッチ２２４，２２９の場合、薄膜ヒータが非通電状態のとき１／２波長とし（バー状態）、通電状態のとき０波長とする（クロス状態）。また、ＶＯＡ２２２，２２３の場合、薄膜ヒータが非通電状態のとき１／２波長とし（バー状態、すなわちクロス側は遮断）、通電状態のとき０〜１／２波長とする（クロス側は透過から遮断まで任意）。

このような構成により、スルーモードのとき、光スイッチ２２９を通電状態とし、ＶＯＡ２２２を所定の減衰量となるように通電制御する。光スイッチ２２４およびＶＯＡ２２３は非通電状態である。アド／ドロップモードのとき、光スイッチ２２４を通電状態とし、ＶＯＡ２２３を所定の減衰量となるように通電制御する。光スイッチ２２９およびＶＯＡ２２２は非通電状態である。従って、いずれのモードでも、同時に動作する光スイッチとＶＯＡが１つずつとなり、最大消費電力を抑えることができるとともに、消費電力の平準化を図ることができる。また、光スイッチを駆動する回路と、ＶＯＡを制御する回路とを各々１つずつ配置し、スルーモードとアド／ドロップモードの２つの状態で回路を共用することで、光分岐挿入スイッチの駆動回路の規模を削減することができる。

マッハツェンダ型干渉計で得られる消光比は、素子の作製誤差等により、クロス状態のときに、バー経路で１０ｄＢ以上であるのに対し、バー状態のときに、クロス経路では２０ｄＢ以上確保することができる。すなわち、クロス状態におけるバー方向よりも、バー状態におけるクロス方向の方が、漏れ光を遮断することができ、高い消光比が得られる。

スルーモードにおいて、光スイッチ２２４は、Ａｄｄポートから入力された信号光に対してクロス経路になり、アド／ドロップモードにおいて、光スイッチ２２９は、ＴｈｒＩｎポートから入力された信号光に対してクロス経路になるように動作する。従って、スルーモード時には、２個のマッハツェンダ型干渉計、ＶＯＡ２２３と光スイッチ２２４とがバー状態となり、Ａｄｄポートから入力された信号光を遮断するので、４０ｄＢ以上の消光比が得られる。アド／ドロップモード時には、２個のマッハツェンダ型干渉計、光スイッチ２２９とＶＯＡ２２２がバー状態となり、さらに１個のマッハツェンダ型干渉計、光スイッチ２２４がクロス状態となり、ＴｈｒＩｎポートから入力された信号光を遮断するので、５０ｄＢ以上の消光比が得られる。従って、いずれのモードにおいても、高い消光比を確保することができる。

本実施形態では、ＤｒｏｐＳＷ２１１において、製造が比較的簡単な光カプラ２２８を用いていることから、ＤｒｏｐＳＷ２１１とＡｄｄＳＷ２１２とを別々のチップで作製す場合に、コスト的なメリットが出てくる。なお、光スイッチ２２９とＶＯＡ２２２との接続順序は、入れ替わっても同じ動作となることは自明である。また、本実施形態では、光スイッチ２２９を光シャッタとして用いたが、ＶＯＡ２２２と連動したＶＯＡとして用いても、上述の効果が得られることに変わりは無い。

ノードが正常に動作していないときには、一般に、ＲＯＡＤＭシステムが予期せぬ動作を引き起こさないように、光ファイバ伝送路には信号光が入射されない方が望ましい。上述した構成では、ノードに供給される電源が断となったとき、Ａｄｄポートから入力された信号光に対しては、ＶＯＡ２２３と光スイッチ２２４とがバー状態となり、ＴｈｒＩｎポートから入力された信号光に対しては、光スイッチ２２９とＶＯＡ２２２がバー状態となり、いずれの信号光に対しても４０ｄＢ以上の遮断状態となる。従って、マッハツェンダ型干渉計は、非通電状態のときにバー状態となる構成であることが望ましい。

また、マッハツェンダ型干渉計を構成する石英系導波路の熱光学定数ｄｎ／ｄＴは、温度依存性ｆ（Ｔ）を有する。長さＬの薄膜ヒータの駆動により温度をΔＴ変化させた時、光路長変化は、ｆ（Ｔ）×ΔＴ×Ｌとなる。従って、同じ駆動条件ΔＴでも環境温度が異なると、光路長変化はわずかに異なってしまう。例えば、環境温度Ｔ１とＴ２では、｛ｆ（Ｔ１）−ｆ（Ｔ２）｝×ΔＴ×Ｌの差が生じる。一方、薄膜ヒータが非通電状態のときは、ΔＴ＝０なので熱光学定数の温度依存性ｆ（Ｔ）の影響を受けない。本実施形態では、薄膜ヒータが非通電状態のとき、マッハツェンダ型干渉計はバー状態となって、クロス方向の漏れ光を遮断する。従って、上述したように高い消光比が得られるクロス方向の遮断を利用した接続構成によって、温度に依存せずに高い消光比を、安定して得ることができる。

上述のように、マッハツェンダ型干渉計は、非通電状態のときにバー状態、通電状態のときにクロス状態となる構成が望ましい。この構成を実現するためには、非通電状態のときに光路長差が（ｎ１＋１／２）×λとなり、通電状態のときに光路長差がｎ２×λとなれば良い。ここで、ｎ１，ｎ２：整数、λ：動作波長とする。ｎ１，ｎ２は、いずれの値でも良いが、一般的には小さい値の方が望ましい。これは、ｎ１，ｎ２が大きいと、僅かな動作波長のズレが光路長差の値に影響するためである。一般に、波長分割多重通信システムに用いられる波長帯、例えば、１．５５μｍ帯（１.５３〜１.５６μｍ）の波長では、（１／２）×λはほぼ一定値と見なせる。従って、非通電状態のときの光路長差が（１／２）×λで、通電状態のときの光路長差がゼロである構成が望ましい。

なお、本実施形態では、光スイッチ、可変減衰器に石英系導波路で構成されたマッハツェンダ干渉計を用いた。これは、集積性や低コスト化に優れ、また信頼性に優れているためである。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、高分子導波路で構成されたマッハツェンダ干渉計を用いたり、磁気光学効果を用いた微小光学デバイスで構成されたマッハツェンダ干渉計を用いても同様の効果が得られる。

従来の従来の波長分割多重通信システムのノードを示す構成図である。 従来の光分岐挿入スイッチの機能を示す図である。 従来の光分岐挿入スイッチの詳細を示す構成図である。 マッハツェンダ型干渉計の詳細を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる光分岐挿入スイッチを示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる光分岐挿入スイッチの詳細を示す構成図である。

符号の説明

１０１，２０１ 光分岐挿入スイッチ
１０２，２０２ 光分波器
１０３，２０３ 光合波器
１０４，２０４ 前置光増幅器
１０５，１０７，２０５，２０７ 光ファイバ
１０６，２０６ 後置光増幅器
１２１，１２４，２２４，２２７ 光スイッチ
１２２，１２３，２２２，２２３ ＶＯＡ
１２５，２２５ 制御回路（ＣＯＮＴ）
２１１ ＤｒｏｐＳＷ
２１２ ＡｄｄＳＷ
２２６ 光カプラ

Claims (3)

1. 光ファイバ伝送路を介して接続されるノードに配置された光分岐挿入スイッチにおいて、
   位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、スルー入力ポートから入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第１光スイッチと、
   位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、前記第１光スイッチから入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第１可変光減衰器と、
   位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、アドポートから入力された信号光を任意の減衰量によりクロス経路で出力する第２可変光減衰器と、
   位相器を内蔵したマッハツェンダ型干渉計により構成され、バー状態で前記第１可変光減衰器から入力された信号光を選択し、クロス状態で前記第２可変光減衰器から入力された信号光を選択して、出力ポートへ出力する第２光スイッチと、
   入力ポートから入力された信号光を、任意の分岐比でスルー出力ポートとドロップポートへ出力する光分岐器とを備え、
   前記マッハツェンダ型干渉計は、前記位相器が非通電状態のときにバー状態となり、２分の１波長の光路長差を有し、前記位相器が通電状態のときにクロス状態となり、光路長差が０波長となり、
   前記ノード内で前記光分岐挿入スイッチを対向させ、一方の光分岐挿入スイッチのスルー入力ポートと他方の光分岐挿入スイッチのスルー出力ポートとがそれぞれ接続されることを特徴とする光分岐挿入スイッチ。
2. 前記位相器は、熱光学効果を利用して位相を調整していることを特徴とする請求項１に記載の光分岐挿入スイッチ。
3. 前記光分岐挿入スイッチは、平面光導波路を用いて構成され、
   前記位相器は、薄膜ヒータを装荷した導波路で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光分岐挿入スイッチ。

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