JP5012329B2

JP5012329B2 - 光スイッチ

Info

Publication number: JP5012329B2
Application number: JP2007222741A
Authority: JP
Inventors: 智弘上野; 雅司野口; 雄高甲斐; 節生吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP2009055550A; US20090058534A1; US7898341B2

Description

本発明は、光スイッチに関し、特に、プリエンファシス型の光スイッチに関する。

将来のマルチメディアネットワークの構築を目指し、高速かつ大容量の光通信装置が要求されており、この高速かつ大容量化を実現する方式として、ナノセックオーダーの高速光スイッチを用いた光パケットスイッチングシステムの研究開発が進められている。

ＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：光半導体光増幅器）ゲート型光スイッチは、ナノセックオーダーの高速切替えが可能なデバイスであり、光パケットスイッチングシステムへの適用が期待されている。

図１は、光パケットスイッチングネットワークの一例の構成図を示す。同図中、光パケットスイッチングネットワークは、複数のコアノード１と複数のエッジノード２から構成されている。コアノード１は、光パケット信号を切替えるためのマトリクス光スイッチ機能を有する。

図２は、コアノードの一例の構成図を示す。同図中、光パケット信号Ｄａｔａは、波長変換部５において、波長変換される。波長変換された光パケット信号データは、制御部６のリザベーションマネジャ部（Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｒ）６ａにより指示された出力先ポートに向けて、マトリクス光スイッチ部７で方路が切替えられる。制御部６内のコントロールチャンネル部（ＣｏｎｔｒｏｌＣｈａｎｎｅｌｓ）６ｂでは、光パケット信号データの方路情報をコントロールチャンネルのラベル信号として中継しており、リザベーションマネジャ部６ａは、そのラベルの方路情報を解析してマトリクス光スイッチ部７を制御する。

図１に示すように、コントロールチャンネルの方路情報を持つラベル信号から一定のオフセット時間後に光スイッチの切替えが行われる。この光スイッチ切替え時間は、約４５ｎｓｅｃであり、光パケット信号に影響を与えないためのガード時間でもある。すなわちこのガード時間内に光の切替えが完了しなければならない。

図３にＳＯＡゲート型光スイッチを用いた分配型のマトリクス光スイッチの一例の構成図を示す。同図中、各入力ポート部では光パケット信号を光カプラ１０−１〜１０−ｎで分配後、ＳＯＡゲート型光スイッチ１１−１−１〜１１−ｎ−ｎのＯＮ／ＯＦＦによる速選択で所望の光パケット信号の方路切替えを行う。出力ポート部では合波カプラ１２−１〜１２−ｎにより光パケット信号の合流を行って出力する。

図３において、入力ポート＃１に入力された光パケット信号＃ｎ（出力先は出力ポート＃ｎ）は、光カプラ１０−１においてｎ分岐される。ｎ分岐された光信号は、各出力ポート単位に用意されたＳＯＡゲート型光スイッチ１１−１−１，…，１１−ｎ−１に入力される。この場合、出力ポート＃ｎに出力するための光パケット信号であるため、出力ポート＃ｎ部に用意されたＳＯＡゲート型光スイッチ１１−ｎ−１のみＯＮになる。その他の出力ポートに用意されたＳＯＡ光スイッチゲートは、全てＯＦＦ状態となっている。

図４にＳＯＡゲート型光スイッチの駆動構成図を示す。同図中、ＳＯＡゲート型光スイッチ２０は、光信号増幅領域２１に電流を注入することによって、増幅領域を伝播する光信号を増幅することが可能なデバイスである。駆動電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、光パケット信号のゲート素子として使用する。

図４においては、入力した光パケット信号＃１，＃２，＃３に対して、光パケット信号＃１，＃３はゲートオン、＃２はゲートオフの駆動電流制御が行われている状態を示している。制御部６からの制御信号を駆動回路２２において電流形態に変換して光信号増幅領域２１に供給し、ＳＯＡゲート型光スイッチ２０を駆動する。

図５にＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電流と光増幅率の特性図を示す。ＳＯＡは半導体光増幅器であり、駆動電流により光増幅率が変化する特性を有する。同図中、駆動電流を約３００ｍＡ流すことで、光増幅率約１０ｄＢが得られ増幅率はほぼ飽和状態になる。駆動電流が少なくなると、光の減衰特性を示す。

図６は、ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電圧と光増幅率の特性図を示す。ＳＯＡは、電流駆動型であるが、電流３００ｍＡ以上流せる電圧源から電圧印加することで、電圧駆動することも可能である。同図中、約１．５Ｖの電圧ソースを与えたとき駆動電流として約３００ｍＡ流れることになる。駆動電圧を小さくすると、光の減衰特性を示す。

図７にＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電圧とＳＯＡゲート型光スイッチ間消光比の特性図を示す。図３に示したマトリクス型光スイッチ構成では、出力部の合波カプラ部１２−１〜１２−ｎにおいて、出力ポート数分のＳＯＡゲート型光スイッチが接続されており、ある１つのＳＯＡゲート型光スイッチがＯＮしたとき、残りのＳＯＡゲート型光スイッチは全てＯＦＦ状態になる。

しかしながら、ＯＦＦ状態であっても漏れ光があるため、合波カプラ１２で光のクロストークとなる。この光のクロストークを消光比特性としてグラフ化したものが図７である。例えば８×８のマトリクス型光スイッチを構成しようとすると、ＯＮ状態とＯＦＦ状態間の消光比特性として約５８ｄＢが要求されている。この消光比特性を得るには、駆動電圧０．６５Ｖ以下に設定する必要がある。

図８は、従来のＳＯＡゲート型光スイッチ駆動回路の一例の回路図を示す。図９は図８に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図を示し、図１０は図８に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図を示す。

図８では、３００ｍＡ以上の出力電流容量を持ち、２ｎｓｅｃ程度のセットリングタイムを持つ高速演算増幅器３０を用いてＳＯＡゲート型光スイッチを駆動する回路を示している。演算増幅器３０はボルテージフォロア回路を構成している。

演算増幅器３０の出力部に接続されたインダクタＬ２，Ｌ３とキャパシタＣ１とで構成される遅延等価回路３２はＳＯＡチップの内部遅延の等価回路成分である。ダイオードＤ１で構成されるスイッチ等価回路３２はＳＯＡチップの光スイッチの等価回路成分である。

演算増幅器３０の非反転入力端子に、光スイッチをＯＮ／ＯＦＦするための矩形波信号が与えられる。図８では信号発生器（ＳＧ：ＳｉｇｎａｌＧｅｎｅｒａｔｏｒ）３１から入力矩形波信号を与える構成を示しているが、一般的に、制御部６からのコントロール信号によりＦＰＧＡ回路やロジックバッファ回路により所望の矩形電圧波形を与えることになる。

信号発生器３１の波形としては、ＯＮ時に１．５Ｖ、ＯＦＦ時に０Ｖになるように設定されている。ボルテージフォロア出力も入力電圧と同じ電圧値に設定されることになる。電圧１．５Ｖが演算増幅器３０の出力に設定されると、ＳＯＡチップには約３００ｍＡの駆動電流が流れることになり、ＳＯＡゲートがＯＮになる。０Ｖが演算増幅器の出力に設定されると、ＳＯＡチップには駆動電流が流れなくなり、ＳＯＡゲートがＯＦＦする。このとき、十分な消光比が保たれることになる。なお、遅延等価回路３２の時定数は約３ｎｓｅｃあり、この時定数と光スイッチ駆動回路の立ち上がり／下がり時間の和が、実際の駆動時間となっている。

図９において、実線で示す演算増幅器３０の出力電圧波形は０〜９０％の立ち上がりエッジが約１ｎｓｅｃを実現しているが、破線で示す時定数３ｎｓｅｃの遅延等価回路３２を通過した後の電圧波形では、０〜９０％の立ち上がりエッジが約４ｎｓｅｃと遅くなってしまう。この影響で、一点鎖線で示すスイッチ等価回路３２の電流波形も同様に０〜９０％の立ち上がりエッジが４ｎｓｅｃと遅くなってしまう。

図１０において、実線で示す演算増幅器３０の出力電圧波形は１００〜１０％の立ち下がりエッジが約１ｎｓｅｃを実現しているが、破線で示す遅延等価回路３２を通過した後の電圧波形では、１００〜１０％の立ち下がりエッジが約４ｎｓｅｃと遅くなってしまう。この影響で、一点鎖線で示すスイッチ等価回路３２の電流波形も同様に１００〜１０％の立ち下がりエッジが４ｎｓｅｃと遅くなってしまう。このように、ＳＯＡチップの内部遅延の時定数が、駆動信号の立ち上がり／立ち下がりの時間に影響を与えることにより、高速化が阻害されることになる。

なお、特許文献１には、プリエンファシスをかけたドライバＩＣ等を含む回路で、入力バッファ３５が信号線２１、２２とインダクタ３１、３２とで接続されることが記載されている。

特許文献２には、ＳＯＡの動作安定化のため、ＳＯＡの駆動電極にインダクタ２６を介して電流源２４を接続することが記載されている。

特許文献３には、ＳＯＡ駆動回路で、演算増幅器とＳＯＡ電極の間にインダクタを接続することが記載されている。
特開２００６−２５４３０３号公報特開２００５−２０８１７８号公報特開２００６−２５３３３９号公報

ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動には高速な切替え速度が要求されるため、駆動回路においても高速動作可能な部品選定が求められる。しかし、駆動回路側が高速でも、ＳＯＡチップの内部遅延による時定数が既に３ｎｓｅｃ程度あるために、この時定数が高速切替えの阻害要因となり、遅い立ち上がり／立ち下がり波形となってしまう。このため、この問題を解決する方法として、図１１に示すように、スピードアップコンデンサＣ４と高速トランジスタＱ１を用いたプリエンファシス型の駆動回路がある。

図１１は、従来のプリエンファシスを用いたＳＯＡゲート型光スイッチ駆動回路の一例の回路図を示す。図１２は図１１に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図を示し、図１３は図１１に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図を示す。

図１１においては、コンデンサＣ４と抵抗Ｒ１による１次ハイパス・フィルタを用いて高域の周波数成分を強調する。

この方法は、トランジスタＱ１の種類によっては発振が発生し、トランジスタＱ１の出力が電流過負荷となる場合があり、駆動回路の安定性に問題がある。また、ＳＯＡチップを接続して負荷とした場合、スイッチ等価回路３２は容量性負荷とみなされるが、図１２に実線で示すように、ＳＯＡ駆動電圧の立ち上がり波形は、プリエンファシス効果によって、０〜９０％の立ち上がり波形が高速になっている。

しかし、図１３に示す立ち下がり波形は、プリエンファシス効果で、実線で示すトランジスタＱ１の出力電圧波形が１００〜１０％の立ち下がりエッジで高速になっているが、その後に大きなリンギング波形が生じている。このリンギング波形は破線に示す遅延等価回路３２通過後の電圧波形と、一点鎖線に示すスイッチ等価回路３２の電流波形にも同様にみられる。

これは既存のプリエンファシス型の駆動回路ではＯＦＦ時にトランジスタＱ１が開放となるために、負荷に溜まった電荷の放電により発生する逆電流を吸収できず過渡的な放電が発生するためである。

これにより、トランジスタＱ１の出力電圧波形に駆動電圧１．５Ｖよりもかなり大きい振幅のリンギングが生じていることと、遅延等価回路３２通過後の電圧波形に０．６５Ｖを超える電圧が発生するため、図７におけるＳＯＡゲート型スイッチのＯＮ状態とＯＦＦ状態間の消光比特性約５８ｄＢを満足できなくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、半導体光増幅器の内部遅延の影響を低減して半導体光増幅器を高速に駆動することができる光スイッチを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様による光スイッチは、
信号源と、
演算増幅器と、
半導体光増幅器と、
前記信号源と前記演算増幅器との間に前記信号源からの信号の高周波成分を強調して前記演算増幅器の非反転入力端子に入力することにより、出力端子と電気的に接続された前記半導体光増幅器の内部遅延を補償するプリエンファシス回路と、
を備えることにより、半導体光増幅器の内部遅延の影響を低減して半導体光増幅器を高速に駆動することができる。

本発明によれば、負荷の内部遅延の影響を低減して負荷を高速に駆動することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

<第１実施形態>
図１４は、本発明の光スイッチ駆動回路の第１実施形態の回路図を示す。この光スイッチ駆動回路はプリエンファシス型の駆動回路である。図１５は図１４に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図を示し、図１６は図１４に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図を示す。

図１４において、従来通り３００ｍＡ以上の出力電流容量を持ち、２ｎｓｅｃ程度のセットリングタイムを持つ高速演算増幅器４０を用いてＳＯＡゲート型光スイッチを駆動する回路を示している。演算増幅器４０は出力端子を反転入力端子に接続されてボルテージフォロア回路を構成している。

信号発生器（ＳＧ）４１の正極と演算増幅器４０の非反転入力端子との間に抵抗Ｒ１３が接続され、演算増幅器４０の非反転入力端子は直列接続された終端抵抗Ｒ１１とインダクタＬ１を介して接地され、信号発生器４１の負極は接地されている。なお、演算増幅器４０の非反転入力端子に抵抗Ｒ１１を接続するよう抵抗Ｒ１１とインダクタＬ１の接続を逆にしても良い。なお、抵抗Ｒ１１，Ｒ１３それぞれの抵抗値は例えば５０Ωであり、インダクタＬ１のインダクタンスは例えば８０ｎＨである。

演算増幅器４０の出力部に接続されたインダクタＬ２，Ｌ３とキャパシタＣ１とで構成される遅延等価回路４２はＳＯＡチップの内部遅延と等価の回路成分である。ダイオードＤ１で構成される回路はスイッチ等価回路４３である。

信号発生器４１から発生された矩形波は、抵抗Ｒ１３とＲ１１によって分圧されるが、その際にインダクタＬ１に伝送された矩形波の高周波成分は、インダクタＬ１によって発生する逆起電力によって高周波成分が強調された波形を生成させる。この信号を演算増幅器４０によって増幅し、遅延等価回路４２を通して負荷としてのスイッチ等価回路４３に伝達させる。この際に遅延等価回路４２によって入力段のプリエンファシス回路（抵抗Ｒ１１，Ｒ１３，インダクタＬ１）で強調された高周波成分が減衰し、元の意図した矩形波を伝送し、スイッチ等価回路４３を駆動することによって、高速な駆動が可能となる。

図１５に示す立ち上がり波形は、実線で示す演算増幅器４０の出力電圧波形に高速なオーバーシュート電圧を発生させることにより、この演算増幅器４０の出力電圧が時定数３ｎｓｅｃの遅延等価回路４２を通過する際に過渡的なオーバーシュート成分が平滑化され、結果的に図１５に破線で示す遅延等価回路４２を通過後の電圧波形が理想的な高速な立ち上がりエッジを得ることができる。そのため、図１５に一点鎖線で示すスイッチ等価回路４３の電流波形も同様に高速化がみられる。

また、図１６に示す立ち下がり波形は、実線で示す演算増幅器の出力電圧波形が１００〜１０％の立ち下がりエッジで高速になっており、しかもその後のリンギングの発生がない。これは演算増幅器４０の出力インピーダンスが低いため、ＳＯＡチップからの反射電流や逆電流を演算増幅器４０が吸収するためであり、このため十分な消光比を確保したＳＯＡ駆動が可能となる。

この実施形態は、演算増幅器４０の入力電圧を利用する構造であるため、負荷であるＳＯＡチップの影響をアイソレートすることができる、また立ち下がり時にはＳＯＡチップの寄生容量であるダイオードＤ１に蓄積した電荷の逆流電流は、演算増幅器４０の出力が低インピーダンスであるため演算増幅器４０に高速に吸い込むことができ、立ち下がりのリンギングを抑圧することができる。また、演算増幅器４０のフロントエンドデバイスである信号発生器４１の出力電流が微小で済むので低消費電力を実現することができる。

<第２実施形態>
図１７は、本発明の光スイッチ駆動回路の第２実施形態の回路図を示す。この光スイッチ駆動回路はプリエンファシス型の駆動回路である。図１８は図１７に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図を示し、図１９は図１７に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図を示す。

図１７において、従来通り３００ｍＡ以上の出力電流容量を持ち、２ｎｓｅｃ程度のセットリングタイムを持つ高速演算増幅器４０を用いてＳＯＡゲート型光スイッチを駆動する回路を示している。演算増幅器４０は出力端子を反転入力端子に接続されてボルテージフォロア回路を構成している。

信号発生器（ＳＧ）４１の正極と演算増幅器４０の非反転入力端子との間に抵抗Ｒ２３とキャパシタＣ１２が並列接続され、演算増幅器４０の非反転入力端子は終端抵抗Ｒ２１を介して接地され、信号発生器４１の負極は接地されている。なお、抵抗Ｒ２１，Ｒ２３それぞれの抵抗値は例えば５０Ωであり、キャパシタＣ１２のキャパシタンスは例えば３０ｐＦである。

信号発生器４１から発生された矩形波は、抵抗Ｒ２３とＲ２１によって分圧され、波形の立ち上がりの際に矩形波の高周波成分はキャパシタＣ１２に伝送されるが、抵抗Ｒ２３とキャパシタＣ１２のインピーダンス特性によって低周波数成分は減衰され、高周波成分が強調された波形を生成させる。この信号を演算増幅器４０によって増幅し、遅延等価回路４２を通して負荷としてのスイッチ等価回路４３に伝達させる。この際に遅延等価回路４２によって入力段のプリエンファシス回路（抵抗Ｒ２１，Ｒ２３，キャパシタＣ１２）で強調された高周波成分が減衰し、元の意図した矩形波を伝送し、スイッチ等価回路４３を駆動することによって、高速な駆動が可能となる。

図１８に示す立ち上がり波形は、実線で示す演算増幅器４０の出力電圧波形に高速なオーバーシュート電圧を発生させることにより、この演算増幅器４０の出力電圧が時定数３ｎｓｅｃの遅延等価回路４２を通過する際に過渡的なオーバーシュート成分が平滑化され、結果的に図１８に破線で示す遅延等価回路４２を通過後の電圧波形が理想的な高速な立ち上がりエッジを得ることができる。そのため、図１８に一点鎖線で示すスイッチ等価回路４３の電流波形も同様に高速化がみられる。

また、図１９に示す立ち下がり波形は、図１９に実線で示す演算増幅器の出力電圧波形が１００〜１０％の立ち下がりエッジで高速になっており、しかもその後のリンギングの発生がない。これは演算増幅器４０の出力インピーダンスが低いため、ＳＯＡチップからの反射電流や逆電流を演算増幅器４０が吸収するためであり、このため十分な消光比を確保したＳＯＡ駆動が可能となる。

この実施形態は、演算増幅器４０の入力電圧を利用する構造であるため、負荷であるＳＯＡチップの影響をアイソレートすることができる、また立ち下がり時にはＳＯＡチップの寄生容量であるダイオードＤ１に蓄積した電荷の逆流電流は、演算増幅器４０の出力が低インピーダンスであるため演算増幅器４０に高速に吸い込むことができ、立ち下がりのリンギングは抑圧することができる。また、演算増幅器４０のフロントエンドデバイスである信号発生器４１の出力電流が微小で済むので低消費電力を実現することができる。

光パケットスイッチングネットワークの一例の構成図である。コアノードの一例の構成図である。ＳＯＡゲート型光スイッチを用いた分配型のマトリクス光スイッチの一例の構成図である。ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動構成図である。ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電流と光増幅率の特性図である。ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電圧と光増幅率の特性図である。ＳＯＡゲート型光スイッチの駆動電圧とＳＯＡゲート型光スイッチ間消光比の特性図である。従来のＳＯＡゲート型光スイッチ駆動回路の一例の回路図である。図８に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図である。図８に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図である。従来のプリエンファシスを用いたＳＯＡゲート型光スイッチ駆動回路の一例の回路図である。図１１に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図である。図１１に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図である。本発明の光スイッチ駆動回路の第１実施形態の回路図である。図１４に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図である。図１４に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図である。本発明の光スイッチ駆動回路の第２実施形態の回路図である。図１７に示す回路の立ち上がり動作速度を説明するための波形図である。図１７に示す回路の立ち下がり動作速度を説明するための波形図である。

符号の説明

４０演算増幅器
４１信号発生器
４２遅延等価回路
４３スイッチ等価回路
Ｃ１２キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ３インダクタ
Ｒ１１，Ｒ１３，Ｒ２１，Ｒ２３抵抗

Claims

信号源と、
演算増幅器と、
半導体光増幅器と、
前記信号源と前記演算増幅器との間に前記信号源からの信号の高周波成分を強調して前記演算増幅器の非反転入力端子に入力することにより、出力端子と電気的に接続された前記半導体光増幅器の内部遅延を補償するプリエンファシス回路と、
を備えることを特徴とする光スイッチ。