JP6963280B2 - 光スイッチ装置 - Google Patents

Description

本開示は、光信号の経路を切り替える光スイッチ装置に関する。より詳細には、データセンタ内ネットワークに適した大規模光回線交換スイッチ装置に関する。

世界規模で様々なタイプの情報端末機器が人や物へ行き渡り、無線有線を問わず通信ネットワークは拡大を続けており、そこを流通するデータ量は莫大なものとなっている。このような中、情報通信システムにおける消費電力も莫大なものとなり、コアネットワーク、メトロ／ＬＡＮ、アクセス系ネットワークなど、情報通信ネットワークの様々な階層において低消費電力化の検討が精力的になされている。情報通信システムの低消費電力化の１つのための１つのキー技術は、情報処理を電気信号レイヤではなく光信号レイヤで行う光ルーティング技術である。光ルーティング技術を使用して、光パッシブデバイスによってルーティングを行うことで、通信ノードにおける電気レイヤの処理を大幅に減らし通信ネットワーク全体の大幅な低消費電力化が進められると考えられている。

情報通信ネットワークの重要なインフラの要素の１つにデータセンタがある。データセンタは、インターネット用のサーバやデータ通信、固定・携帯・ＩＰ電話などの設備を設置し、運用することを目的とする建物の総称である。データセンタには多数の通信回線が引き込まれているとともに、建物の内部には膨大な数のサーバコンピュータなどが集約されており、データセンタ内部における消費電力を減らすことが非常に重要な課題となっている。とりわけ近年では、ユーザの増加だけでなく、アプリケーションサーバ、データストレージ、データベースサーバの機能分化、分散処理・並列処理の使用などのために複数のサーバ間での処理が増えて、データセンタ内におけるＩＰトラフィックが大幅に増加すると予測されている。データセンタ内で流通するトラフィック量はインターネットの全トラフィックの４倍程度になると見積もられている。また、データセンタにおけるトラフィックの多くはデータセンタ内に留まるトラフィックであって、２０１５年にはその量は４．８ゼタバイト（４．８×１０²¹）にも達すると言われている。結果として、大規模データセンタの消費電力は１００ＭＷ（１０万ｋＷ）を超える状況に至っており、データセンタ内におけるトラフィックに起因する消費電力を下げることが焦眉の急となっている。

データセンタ内ではメールやウェブ検索などで生じる小容量であって発生頻度の高いＭｉｃｅフローと、仮想機械の移動やデータストレージなどで生じる大容量且つ発生頻度の低いＥｌｅｐｈａｎｔフローが存在する。そこで低消費電力化に向けＭｉｃｅフローは電気スイッチで処理し、トラフィックの大半を占めるＥｌｅｐｈａｎｔフローを光スイッチで処理するハイブリッドネットワークが提案されている。

図１は、データセンタにおけるトラフィック処理の概要を示す図である。データセンタ１０内では、トップオブラック（ＴＯＲ）と呼ばれる構成がとられている。非常に多くのサーバコンピュータやストレージなどがラック単位で構成され、複数のラック１−１、１−２、・・、１−ｎが配置されている。ＴＯＲ構成では、各ラックの上部２−１、２−２、・・２−ｎにスイッチ（ＳＷ）を設置してラック間を接続し、ラック内にサーバを収容して、最小構成単位を１ラックとした自由度の高い設備管理が可能となる。データセンタ１０は、サーバコンピュータやストレージの他に、図示していないコアレイヤの装置を含んでおり、コアレイヤと外部ネットワーク８の間は大容量の通信回線７で接続されている。

各ラック間のトラフィックのＭｉｃｅフローについては、電気ＳＷ３を使ってラック間で経路５の切り替えを行い、一方でＥｌｅｐｈａｎｔフローについては、低消費電力化のために光ＳＷ４を使ってラック間で経路６の切り替えを行うようデータセンタ内のトラフィックを処理できる。近年の通信トラフィックの急激な増加とともに、データセンタ内のラックの数ｎは１０００を越える状態となっており、１０００個のラック間の経路を任意に設定・変更ができる光スイッチ装置が求められている。具体的には、１０００×１０００を越える大規模な回線交換光スイッチ装置へのニーズが大きい。

図２Ａ〜図２Ｃは、光スイッチの機能および構成を説明する図である。図２Ａは光スイッチの概念的な構成を示している。光スイッチ２０は、左側に描かれたＮ個の入力ポートの１つへ入力された光信号を、右側に描かれたＮ個の出力ポートのうちのいずれか１つへ出力するよう動作する。光スイッチ２０は、図１における複数（ｎ個）のラックの内の１つのラックのＴＯＲ部から、他のいずれかのラックのＴＯＲ部への経路を任意に形成することができ、必要に応じて別の新しい経路に高速に切り替える。光スイッチのもっとも単純な構成は、図２Ｂに示したように、２次元のマトリックス状に配置された要素ＳＷ素子２２で構成される空間マトリックスＳＷである。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を使用して３次元的に空間マトリックスＳＷを構成することもできる。しかしながら、要素ＳＷ素子で構成される空間マトリックスＳＷでは、図２Ｃに示したポート数Ｎと要素ＳＷ素子数の間の関係概念図のように、ポート数Ｎが増えるほど、Ｎ²に比例して必要な要素ＳＷ素子２２の数が増えることが知られている。したがって、データセンタ内で相互接続するサーバラックの数が１０００を越え、光スイッチ装置の入力ポートおよび出力ポート数Ｎがそれぞれ１０００を越えるような状況では、要素ＳＷ素子の数が膨大なものとなり、回路規模およびコストの点で空間マトリックスＳＷは現実的でない。

複数のマトリックスＳＷを従属接続した多段化構成とすることによって、ＳＷ全体の要素ＳＷ素子数をある程度減らすことができる。しかしながらその効果は限定的で、図２Ｃに示したように、ポート数Ｎが増えると、Ｎ^1.5に比例して必要な要素ＳＷ素子２２の数が増える。光スイッチ装置のポート数Ｎが１０００を越えるような場合、多段化をしても要素ＳＷ素子の数の増加は依然として大きな問題であり、さらに完全ＳＷの条件を満たすためには構成上の制限も加わる。ポート数Ｎが増えたときの要素ＳＷ素子の数の増加が、図２Ｃの点線で示されたように、ほぼリニア（Ｎの一乗）に抑えられる空間光スイッチの構成として、波長ルーティングＳＷが知られている。

図３は、波長ルーティングＳＷの構成を概念的に示した図である。例示的な波長ルーティングＳＷ３０は、１００入力を１００出力に切り替える空間ＳＷであって、入力ポート側に１００個の波長可変光源（ＬＤ：レーザダイオード）３１−１〜３１−１００と、出力ポート側に１００個の出力ポート３６−１〜３６−１００を持つ分波器３５を備えている。１００個の波長可変ＬＤの各々は、λ₁〜λ₁₀₀の異なる波長のうちのいずれかに設定が可能であって、各ＬＤの出力光は情報信号３２−１〜３２−１００によって変調される。波長可変ＬＤ３１−１〜３１−１００からの異なる波長の変調光は、カプラ３３によって合波され、さらに必要に応じて光増幅器３４によって増幅される。光増幅器３４からの合波された変調光は、分波器３５によってλ₁〜λ₁₀₀の波長に対応した１００個の出力ポート３６−１〜３６−１００のいずれかにそれぞれ分波される。分波器３５としては、例えばアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使用することができ、合波されたλ₁〜λ₁₀₀の最大１００個の異なる波長を含む波長多重化光を波長毎に分波できる。

波長ルーティングの動作は以下のように説明される。例えば、１番目の入力ポートに対応する波長可変ＬＤ３１−１の発振波長をλ₁₀₀に設定する。この時、波長λ₁₀₀の出力光は１番目の入力ポートに入力された情報信号３２−１によって変調される。変調を受けた波長λ₁₀₀の光信号は、分波器３５によって、１００番目の出力ポートに対応する出力ポート３６−１００に出力される。したがって、１番目の入力ポートに入力された情報信号は、１００番目の出力ポートに接続されることになる。ここで波長可変ＬＤ３１−１の発振波長をλ₁に設定すれば、分波器３５の１番目の出力ポートに対応する出力ポート３６−１に出力される。同様に、波長可変ＬＤ３１−１の発振波長をλ₅₀に設定すれば、光分波器３５の５０番目の出力ポートに対応する出力ポート３６−５０に出力される。

上述のように、１００個の波長可変ＬＤの各々の発振波長を任意に設定することで、変調光信号を出力するポートを任意に選択することができる。１００個の異なる情報信号を、１００個の出力ポートの任意の位置に出力することが可能となり、１００×１００の波長ルーティングＳＷが実現される。波長ルーティングＳＷでは、原理の差異から空間マトリックスＳＷと要素ＳＷ素子の構成が全く異なるものの、回路のハードウェア規模は入力ポート・出力ポートの数Ｎに概ね比例して増加する。したがって、空間マトリックスＳＷと比べ、より小規模のハードウェアで低コストの光スイッチ装置を実現できると考えられている。

光通信では、伝搬損失の少なさからＣバンド（幅は約４４００ＧＨｚ）が広く使用されており、関連する装置、部品が広く利用可能となっている。このＣバンドにおいて１つの通信チャネルの帯域幅を５０ＧＨｚとし、Ｃバンドをやや越えた帯域も使用すれば、概ね１００個の通信チャネル程度（１００波）を利用できる。１つの通信チャネルの帯域幅を半分の２５ＧＨｚとすれば、Ｃバンドに２００チャネル（２００波）を構成することもできるが、情報信号の帯域も半分になってしまう。関連部品の波長制御の精度も問題になるため、波長ルーティングＳＷのポート数を１００以上に増やすのは簡単ではない。そこで波長ルーティングＳＷをより大規模化するための構成として、波長ルーティング部分を並列化する構成が提案されている。

図４は、並列化した波長ルーティング部を持つ従来技術の波長ルーティングＳＷの構成を示す図である。図４の波長ルーティングＳＷ４０は、図３の最も単純な波長ルーティングＳＷの構成と比べると、後段でＫ個の波長ルーティング部４８−１〜４８−Ｋに並列化されている。入力ポート側で、Ｎ個のグループに分けられたＫＮ個の波長可変ＬＤ４１からの変調光は、Ｎ個の分配選択（ＤＣ：Delivery and Coupling）スイッチによって、選択および合流されて、Ｋ個の波長ルーティング部４８−１〜４８−Ｋに供給される。波長ルーティング部４８−１〜４８−Ｋを並列化することで、入力ポート側の波長可変ＬＤ４１における設定波長の数を増やさないで、光スイッチ装置の多ポート化が実現できる。尚、ＤＣスイッチはマルチキャストスイッチとも呼ばれており、入力ポートおよび出力ポート数の異なる様々なものがＭ×Ｎポートの汎用品として入手可能である。

図５は、従来技術の波長ルーティングＳＷで使用されるＤＣスイッチの構成例を示した図である。ＤＣスイッチ５０は、最小構成の一例であって、３つの波長可変ＬＤからの３波（λ₁、λ₂、λ₃）をそれぞれ選択および合流するよう構成されており、３個の１×３のスイッチ５１−１〜５１−３および３個の３×１光合波器５２−１〜５２−３から構成される。図５では、ＤＣスイッチ５０の３つの入力ポートへの３つの波長λ₁、λ₂、λ₃を、すべて１番目の出力ポート５３に出力した設定例を示している。ＤＣスイッチ５０によって、３つの波長をそれぞれ任意の出力ポートに出力可能となる。尚、図５のＤＣスイッチを逆の信号方向で使用すれば、多重化光（λ₁、λ₂、λ₃）を分配していずれかの波長の光のみを選択して出力するように動作する。そのような動作の場合も含めて、分配選択（ＤＣ）スイッチと呼ぶ。このように光信号の方向が図５に示したのとは逆方向であるＤＣスイッチの使用法は、後述する本開示の実施例で示される。

図４では、１番目の波長可変ＬＤのグループの内の１つの波長が、ＤＣスイッチ４２−１によって、Ｋ個の波長ルーティング部４８−１〜４８−Ｋの内の１つを選択して接続されるよう設定が可能であって、出力側のＫＮ個の出力ポートの内の任意のポートへ至る経路を構成できる。発明者らは、データセンタにおけるトラフィックの増大に対応できる、より大規模な波長ルーティングＳＷを実現すべく図３および図４に示した構成に基づいて、波長ルーティングＳＷの具体的な構成例を提案している（非特許文献１）。

図６は、発明者らが提案した従来技術の大規模波長ルーティングＳＷの構成を示す図である。図６に示した波長ルーティングＳＷ６０は、図４の全体構成に図５のＤＣスイッチの構成を含めてより具体的に示したものであって、Ｎ個のグループに分けた波長可変ＬＤおよびＭ個の並列化した波長ルーティング部６３−１〜６３−Ｍから成る。詳細な構成・動作の説明は省略するが、８×８のＤＣスイッチ、エルビウム添加ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ：Erbium-doped fiber amplifier)、非サイクリックＡＷＧを使用して、良好な伝送信号特性を持つ８００×８００の大規模な波長ルーティングＳＷの実現例が図６に示されている。

上田恒，森洋二郎，長谷川浩，佐藤健一，渡辺俊夫他、「データセンタ内ネットワークに適した大規模光スイッチ構成」、2015年3月19日、電子通信情報学会、フォトニックネットワーク研究会資料

しかしながら、従来技術の大規模波長ルーティングＳＷには、依然として以下に述べるような問題があって、使用するデバイスの利用可能性やコストの上で十分なものではなかった。図４および図６に示した構成の波長ルーティングＳＷでは、Ｃバンド全体をカバーする任意の波長に発振波長を設定が可能であって、入力ポート数と同じ数の波長可変ＬＤが必要となる。一般に波長可変ＬＤは、広い波長範囲で安定に発振可能なものは非常に高価であって、発振器に伴って必要となる増幅器も高価なものとなる。また、ポート数を増やすために、Ｃバンドを越えてＬバンドでの動作も可能な波長可変ＬＤは、さらに作製が困難であって高価になる。波長可変ＬＤ自身および関連する部品も一般に流通する汎用の物を利用することが難しいため、入手性にも問題がある。また、発振光の安定化のために関連する複雑な波長可変・制御機構が必要となり、光源自体のサイズも大きくなる。このような波長可変ＬＤを１０００個以上も備えることは、波長ルーティングＳＷの大きさの点でも問題であった。

本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低コストで光スイッチ装置を提供することにある。

本開示の１つの側面によれば、最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個の合波器と、前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＭＮ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐と、前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＭＮ個のＮ×１光スイッチと、前記ＭＮ個のＮ×１光スイッチによって選択された前記１つの合波器において合波された、最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタとを備えたことを特徴とする光スイッチ装置が開示される。

以上説明したように、本開示によって、従来技術よりも低コストで光スイッチ装置を実現できる。

図１は、データセンタにおけるトラフィック処理の概要を示す図である。 図２Ａは、光スイッチの機能および構成を説明する図である。 図２Ｂは、光スイッチの機能および構成を説明する別の図である。 図２Ｃは、ポート数Ｎと要素ＳＷ素子数の間の関係の概念図である。 図３は、波長ルーティングＳＷの構成を概念的に示した図である。 図４は、並列化した波長ルーティング部を持つ従来技術の波長ルーティングＳＷの構成を示す図である。 図５は、従来技術の波長ルーティングＳＷで使用されるＤＣスイッチの構成例を示し図である。 図６は、従来技術の大規模波長ルーティングＳＷの別構成を示す図である。 図７Ａは、１×Ｎ構成のＡＷＧの構成を示す図である。 図７Ｂは、アレイ導波路格子の動作を説明する図である。 図８Ａは、非周回性ＡＷＧの分波動作を説明する図である。 図８Ｂは、非周回性ＡＷＧの合波動作を説明する図である。 図９Ａは、周回性ＡＷＧの分波動作を説明する図である。 図９Ｂは、周回性ＡＷＧの合波動作を説明する図である。 図１０は、本開示の波長ルーティングＳＷの最も基本的な構成（実施例１）を示す図である。 図１１は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例２の構成図である。 図１２は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例３の構成図である。 図１３は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例４の構成図である。 図１４Ａは、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例５の波長群発生器におけるＡＷＧの構成例を示す図である。 図１４Ｂは、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例５の波長群発生器におけるＡＷＧの別の構成例を示す図である。 図１４Ｃは、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例５の波長群発生器におけるＡＷＧのさらに別の構成例を示す図である。 図１５は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例６の構成図である。 図１６は、実施例６において非周回性ＡＷＧの場合の各光源における使用波長を模式的に示した図である。 図１７は、実施例６において周回性ＡＷＧの場合の各光源における使用波長を模式的に示した図である。 図１８Ａは、本開示の波長ルーティングＳＷにおける光分岐または波長選択スイッチの構成を説明する図である。 図１８Ｂは、本開示の波長ルーティングＳＷにおける光分岐または波長選択スイッチの別の構成を説明する図である。 図１８Ｃは、本開示の波長ルーティングＳＷにおける光分岐または波長選択スイッチのさらに別の構成を説明する図である。 図１９は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例８の構成図である。 図２０は、ＭＮ／Ｌの値が自然数である実施例６と、非自然数である実施例９の構成パラメータを比較した表である。

本開示の波長ルーティングスイッチ（以下ＳＷ）は、安価な固定波長光源および可変フィルタを利用することによって、より安価で大規模な光スイッチ装置を実現する。従来技術の波長ルーティングＳＷでは、入力ポート側にある光源の波長を可変として、ルーティングする情報に対して設定する（関連付ける）波長を選択し、後段の分波器の波長ルーティング機能を利用して最終目的の出力ポートに至る経路が構成されていた。一方、本開示の波長ルーティングＳＷでは、入力ポート側にある光源の波長をポート毎に固定として、非常に安価な光源を利用するとともに、各光源からの異なる波長の変調光を合波し、多重化光を生成し、必要に応じて増幅を行い、１つの多重化光を各出力ポートに向けて分岐または分波する。最後段の目的出力ポートでは、可変フィルタの波長選択機能を利用して、出力すべき波長の光信号のみを選択することで、対応する波長の入力ポートから目的出力ポートまでの経路が構成されるように動作する。

以下の説明では、用語「波長ルーティングスイッチ」は、「光スイッチ装置」とも呼ばれ、これらの用語は交換可能に使用されて、同じものを意味するものとする。また、本明細書における以下の開示では、用語「分波」および「合波」は波長に関して使用されるため、簡単のため、波長分波器、波長合波器、波長合分波器を、それぞれ単に分波器、合波器、合分波器とも呼ぶ。

本開示の１つの側面によれば、最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個の合波器と、前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光を、ＭＮ／Ｋが自然数となるＫ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐と、前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＫ個のＮ×（ＭＮ／Ｋ）分配選択（ＤＣ）スイッチであって、各々が、前記Ｎ個の光分岐からの出力が接続されたＮ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐と、前記Ｎ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐の各々の出力ポートと接続された（ＭＮ／Ｋ）個のＮ×１光スイッチとから構成されたＤＣスイッチと、前記（ＭＮ／Ｋ）個のＮ×１光スイッチの各々によって選択された前記１つの合波器において合波された、最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタとを備えた光スイッチ装置が提供される。

本開示の別の側面によれば、最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個の合波器と、前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光を、ＭＮ／Ｋ≦Ｙとなる最少の自然数Ｙ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐と、前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＹ個のＮ×Ｋ分配選択（ＤＣ）スイッチであって、各々が、前記Ｎ個の光分岐からの出力が接続されたＮ個の１×Ｋ光分岐と、前記Ｎ個の１×Ｋ光分岐の各々の出力ポートと接続されたＫ個のＮ×１光スイッチとから構成されたＤＣスイッチと、前記Ｋ個のＮ×１光スイッチの各々によって選択された、前記１つの合波器において合波された最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタとを備えた光スイッチ装置が提供される。

好ましくは、上述の光スイッチ装置では、各々が、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の内の１つの波長の光を発生し、電気信号によって前記光を変調する手段を有し、前記１つの波長の変調光を出力する、最大Ｍ個の複数の光源をさらに備え、前記最大Ｍ個の複数の光源および前記Ｎ個の合波器の対応する１つが、波長群発生器を構成し、前記ＭＮ個の可変フィルタによって、任意の１つの波長の変調光が選択されることができる。

また、前記Ｎ個の光分岐または前記ＤＣスイッチにおける前記光分岐の少なくともいずれかは、光分岐および波長選択スイッチを組み合わせて構成されることもできる。さらに、前記Ｋ個のＮ×（ＭＮ／Ｋ）ＤＣスイッチは、Ｍ個のＮ×Ｎ ＤＣスイッチとすることができる。

上述の光スイッチ装置では、前記Ｎ個の光分岐の各々の前段または後段の少なくとも一方に１つ以上の光増幅器をさらに備えることもできる。また、前記合波器は、複数のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と、前記複数のＡＷＧからの多重化光をさらに合流する光合流器、インタリーバまたは波長選択スイッチのいずれかとから構成されても良い。

本開示のさらに別の側面によれば、最大Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の異なる波長の光を合波して多重化光を出力するＭ入力Ｌ出力のＮ個の合波器であって、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の各々は、Ｌ（Ｍ＞Ｌの自然数）種類の波長からなる異なる波長グループの中から選択された１つの波長の光であり、ＭＮ／Ｌは自然数であって、前記Ｎ個の合波器の各々のＬ個の出力ポートの内の対応するＮ個の出力ポートが接続され、前記対応するＮ個の出力ポートから前記多重化光が入力されるＬ個のＮ入力波長分岐／選択部であって、各々が、前記波長分岐／選択部の前記Ｎ入力にそれぞれ接続され、前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＭＮ／Ｌ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐、および前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＭＮ／Ｌ個のＮ×１光スイッチを含むＮ入力波長分岐／選択部と、前記ＭＮ／Ｌ個のＮ×１光スイッチによって選択された前記１つの合波器において合波された、異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ／Ｌ個の可変フィルタとをさらに備えた光スイッチ装置が提供される。

好ましくは、上述の光スイッチ装置では、各々が、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の内の１つの波長の光を発生し、電気信号によって前記光を変調する手段を有し、前記１つの波長の変調光を出力する最大Ｍ個の複数の光源をさらに備え、前記最大Ｍ個の複数の光源と、対応する１つの前記合波器とが波長群発生器を構成することができる。

また、上述の光スイッチ装置では、前記合波器は、サイクリック合波器であって、前記ＭＮ／Ｌ個の可変フィルタは、前記Ｎ個の合波器の全体でＭ個の異なる波長から任意の１つの波長の変調光を選択するか、または、非サイクリック合波器であって、前記ＭＮ／Ｌ個の可変フィルタは、前記Ｎ個の合波器の全体で（Ｍ＋Ｌ−１）個の異なる波長から任意の１つの波長の変調光を選択するよう構成されていることができる。

また、前記波長グループの中の前記Ｌ種類の異なる波長は、連続して設定されたＭ個の波長の内の１つである開始波長と、前記開始波長に隣接する（Ｌ−１）個の波長から成ることができる。さらに上述の光スイッチ装置では、前記Ｎ個の合波器の各々に接続された複数の光源のＭＮ個の変調する手段が光回線交換スイッチの入力ポートに対応し、前記可変フィルタのＭＮ個の出力が前記光回線交換スイッチの出力ポートに対応し、波長ルーティングスイッチとして機能することができる。

本開示では、従来技術よりも低コストで大規模な光回線交換方式の光スイッチ装置が提示される。本開示の光スイッチ装置では固定波長の光源が利用可能となるので、従来技術と比べて光源の構成が簡単なもので済み、回路規模およびコストを大幅に減らすことができる。また、非常に狭い範囲で波長可変機能を利用する波長可変光源および可変フィルタを組み合わることで、波長ルーティングＳＷ内の経路損失を減らし、波長ルーティングＳＷの構成をより簡略化する構成も提示される。

本開示の光スイッチ装置の詳細な構成および動作を説明する前に、使用される基本的な要素デバイスの構成および動作を簡単に説明する。ほとんどの要素デバイスは、図４〜図６で示した従来技術の波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）で使用されるものと共通している。

図７Ａ〜図７Ｂは、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）の構成および動作を説明する図である。ＡＷＧは、本開示の波長ルーティングＳＷで、合波器または分波器に好適なデバイスとして使用される。図７Ａは、１×Ｎ構成のＡＷＧの構成を示し、一例として１個の入力ポート７２および１４個の出力ポートを持つものを示している。ＡＷＧ７０の入力ポート７２に波長可変ＬＤ７１が接続され、λ₁〜λ₁₄の内のいずれかの波長に設定されるとき、出力ポート７３では、入力ポートの光信号の波長に応じた位置（１〜１４番目）のポートに出力される。図７Ｂに示したように、入力ポート７２に、波長軸上でλ₁〜λ₁₄の異なる波長の光信号（波長群）が多重化された多重化光が入力されれば、出力ポート７３の各々において個々の波長に分波される。

図８Ａ〜図８Ｂは、非周回性ＡＷＧの構成および動作を説明する図である。図８Ａは、１６×１６の構成の非周回性ＡＷＧ８０の分波動作を示している。非周回性ＡＷＧ８０は１６個の入力ポートを持っており、光信号が入力される入力ポートを１つだけずらすと、同じ波長の光信号が出力される出力ポートの位置が１つずつずれる。例えば、１番目の入力ポートにλ₁〜λ₁₆の多重化光が入力され、出力ポートの各々にλ₁〜λ₁₆の波長群８１が出力されるとき、２番目の入力ポートにλ₂〜λ₁₇の多重化光が入力されると、出力ポートの各々にはλ₂〜λ₁₇の波長群８２が出力される。２番目の入力ポートにλ₁を入力してもＡＷＧ内で散乱して消失し、出力ポートには現れない。

図８Ｂは、入出力を入れ替え光信号の方向を逆にして合波器として動作させた場合を示している。合波時では、１つの入力ポートへの波長を１つだけずらすと、出力ポートの位置が１つだけずれることがわかる。また、入力波長を変化させることで、光信号の出力ポートの位置が変わることは、換言すれば、どの出力ポートに信号光を出力するかは入力ポートへ入力される光信号の波長によって選択され、入力光の波長による出力ポートの選択機能があることに留意されたい。この性質は、後述する実施例６において利用される。合分波をする具体的な波長は、ＡＷＧの設計パラメータを適宜決定することで自由に設定できる。例えば、ＩＴＵ−Ｔグリッド上の波長に適合するように各ポートの波長を設定できる。

図９Ａ〜図９Ｂは、周回性ＡＷＧの構成および動作を説明する図である。図９Ａは、８×８の構成の周回性ＡＷＧ９０の分波動作を示している。周回性ＡＷＧ９０はそのＦＳＲ（Free Spectral Range）を、波長間隔（周波数間隔）ΔのＮ倍となるように設定することで、同一の出力ポートに、ＦＳＲの繰返し間隔で、周期的に波長が出力される。図９Ａの例では、波長間隔Δ（例えば５０ＧＨｚ）の８倍に周回性ＡＷＧのＦＳＲ（４００ＧＨｚ）を設定すれば、それぞれ８個の入力ポート、出力ポートを持つ周回性ＡＷＧの１つの出力ポートに、８を周期とする波長が繰り返し現れる。図９Ａに示した分波器においては、１番目の入力ポートにλ₁〜λ₁₆が入力されれば、符号９１で示したように１番目の出力ポートにλ₁、λ₉、２番目の出力ポートにλ₂、λ₁₀、・・、８番目の出力ポートにλ₈、λ₁₆がそれぞれ出力される。図８Ａに示した非周回性ＡＷＧと同様に、入力ポートを１つだけずらすと、符号９２で示した波長番号のように同一の波長が現れる出力ポートの位置が１つずつずれる。

図９Ｂは、入出力を入れ替えて光信号の方向を逆にして合波器として動作させた場合を示している。同一の出力ポートにポート数の繰返し周期で周期的に波長（番号）が現れる周回性ＡＷＧの特徴とともに、非周回性ＡＷＧと同様に合波器として動作する。また、入力光の波長による出力ポートの選択機能があることも同様である。

他の要素デバイスとしては、図５で説明をしたスイッチおよびカプラで構成されるＤＣスイッチも使用される。本開示の波長ルーティングＳＷで使用される要素デバイスは、上述のもの以外に様々なものを採用可能であって、後述の実施例毎に他の様々なタイプのデバイスの利用形態が示される。以下図面と合わせて、本開示の波長ルーティングＳＷの構成および動作を様々な実施例とともに説明する。

以下の説明では、本開示の波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）として、入力ポートの数が光源の数ＭＮに対応し、出力ポートの数もＭＮであるものを例示的に示している。しかしながら、入力ポートへのすべての情報信号（電気信号）を、それぞれ任意の目的出力ポートに切り替えることができる限り、入力ポートおよび出力ポートの数が必ずしも同じである必要はない。具体的には、入力ポートの数が出力ポートの数より少ない構成であっても、波長ルーティングＳＷとして同等に機能する。したがって、以下のいずれの実施例でも、入力ポートの数と出力ポートの数が同じものだけに限定されないことに留意されたい。

図１０は、本開示の波長ルーティングの最も基本的な構成を示す図である。波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）１００は、大まかに言ってＮ個の波長群発生器１０１−１〜１０１〜Ｎ、分岐／選択部１０７およびＭＮ個の可変フィルタ（ＴＦ：Tunable Filter）１０６−１〜１０６−ＭＮから構成される。Ｎ個の波長群発生器の各々は、例えば波長群発生器１０１−１に着目すると、異なるＭ個のλ₁〜λ_Mのうちのいずれか１つの波長に固定されたＭ個の固定波長レーザ群１０２−１を持っている。Ｍ個の異なる波長の光は、それぞれ図示されていない情報信号によって変調され、Ｍ個の変調光は合波器１０３−１によって合波されて、多重化光として波長群発生器１０１−１から出力される。波長ルーティングＳＷ１００全体では、Ｍ個の固定波長ＬＤがＮ組（１０１−１〜１０１−Ｎ）あるので、ＭＮ個の固定波長ＬＤからの各出力光によって別箇の情報信号が運ばれる。従来技術の波長ルーティングＳＷ同様に、情報信号を入力可能なＭＮ個の光源がＭＮ個の入力ポートに対応する。ここで留意すべきは、本開示の波長ルーティングＳＷでは、光源（ＬＤ）で設定される出力光の波長が固定されていることであり、従来技術において波長可変ＬＤを使用していたのと大きく相違している。

Ｎ個の波長群発生器の各々からのＮ個の多重化光は、分岐／選択部１０７によって分岐および選択され、目的の出力ポートにおいて選択されることになる情報信号を含む、ＭＮ個の分岐および選択された多重化光が出力される。より具体的には、分岐／選択部１０７は、１つの波長群発生器からの波長群の多重化光をＭＮ個に分岐する、Ｎ個の光分岐（前段）１０４−１〜１０４−Ｎと、Ｎ個の波長群発生器からの多重化光の内の１つを選択するＭＮ個のＮ×１光スイッチ（後段）１０５−１〜１０５−ＭＮとから構成される。Ｎ個の光分岐（前段）１０４−１〜１０４−Ｎは、それぞれ、対応する１つの波長群発生器からの多重化光をＭＮ個に分岐できれば良いが、後述するように、目的とする出力ポートに選択的に分岐ができる限り波長選択性を持つものであっても良い。ＭＮ個のＮ×１光スイッチ（後段）１０５−１〜１０５−ＭＮは、Ｎ個の波長群発生器の内の１つを選択する機能を持ち、ＭＮ個の入力ポートの内で、ルーティングを行う入力ポートを含む１つの波長群発生器からの多重化光（λ₁〜λ_M）を選択するよう動作する。

分岐／選択部１０７のＭＮ個のＮ×１光スイッチ１０５−１〜１０５−ＭＮの出力は、それぞれ可変フィルタ（ＴＦ）１０６−１〜１０６−ＭＮに接続される。ＴＦは、複数の波長を含む多重化光の中から任意の１つの波長の光信号を選択できるフィルタである。ＭＮ個のＴＦが、波長ルーティングＳＷ１００のＭＮ個の出力ポートに対応する。ＭＮ個のＴＦの１つは、ＭＮ個の固定波長ＬＤの内の任意の１つのＬＤに対応する情報信号を含む変調された光信号を選択することによって、そのＬＤに対応する入力ポートからそのＴＦに対応する出力ポートへの経路が設定されることになる。先にも述べたように、Ｎ個の波長群発生器の中の固定波長ＬＤの数は、最大Ｍ個であって、すべてのまたは一部の波長群発生器で固定波長ＬＤがＭ個より少なくても構わない。波長群発生器毎に光源の数が異なっていても良い。したがって、ＭＮ個の可変フィルタ（ＴＦ）は、ＭＮ個のＮ×１光スイッチによって選択された１つの合波器において合波された、最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するように動作する。

具体的な波長ルーティング動作の一例を挙げれば、以下の通りである。例えば、１番目の波長群発生器１０１−１のＭ番目の固定波長ＬＤは、λ_Mの固定波長を持ち、この固定波長ＬＤが情報信号Ｍで変調されたとする。変調されたλ_Mの光信号は、合波器１０３−１で他の波長の光信号と合波され、λ_Mの光信号を含む多重化光が１０１−１から出力される。多重化光は光分岐１０４−１によってＭＮ個に分岐され、ＭＮ番目のＮ×１光スイッチ１０５−ＭＮにも接続されている。ＭＮ番目のＮ×１光スイッチ１０５−ＭＮは、Ｎ個の光分岐１０４−１〜１０４−Ｎからの各多重化光が入力されているが、そのうちの光分岐１０４−１からの分岐された多重化光を選択する。光スイッチ１０５−ＭＮによって選択された多重化光は、上述の情報信号Ｍで変調されたλ_Mの光信号を含んでいる。この選択された多重化光から、さらにＭＮ番目のＴＦによってλ_Mの光信号のみが選択される。したがって、情報信号Ｍで変調された光信号を、ＭＮ番目の出力ポートから得ることができる。最終的に、Ｍ番目の入力ポートからＭＮ番目の出力ポートまでの経路が構成されたことになり、ＭＮ×ＭＮの光スイッチにおいて、Ｍ番目の入力ポートからＭＮ番目の出力ポートへ波長ルーティングがされたことになる。

従来技術の波長ルーティングＳＷでは、入力ポート側の各光源の光の波長を可変とすることによって任意の出力ポートを選択できるようにして、入力ポートおよび出力ポート間に任意の経路を設定していた。これに対して本開示の波長ルーティングＳＷは、入力ポート側の各光源の光の波長を固定とする一方で、出力ポート側の最終段にＴＦを配置して、ＴＦの波長選択機能を利用して入力ポートおよび出力ポート間に任意の経路を設定している。したがって、波長ルーティングにおけるルーティング経路の設定能力およびその選択の任意性を、光源での光の設定波長に対してではなく、最終段のＴＦの選択波長に持たせている点で、従来技術との大きな構成上の差異がある。

上述のように、本開示の波長ルーティングＳＷは、波長群発生器において情報信号を運ぶ信号光を固定波長の光源（ＬＤ）によって生成する点に、従来技術との大きな差異がある。図４および図６に示した従来技術の波長ルーティングＳＷにおいて、広い波長範囲で安定動作させるために複雑な制御機構を必要とし、回路規模がより大きくより高価な波長可変光源を採用していたのと対照的である。波長可変ＬＤは、最新技術のものであっても、光源自体に加えて波長可変機能を実現するために付随する制御回路が必須である。光スイッチの大規模化にあたって、光源の波長範囲をＣバンドからさらにＬバンドなどの他のバンドに広げようとしても、異なるバンドに渡って安定動作できる波長可変ＬＤは未だ実現されていない。また、波長間隔を狭めて波長数を増やし光スイッチ装置のポート数を増やそうとしても、波長精度に対する要件が厳しくなる。一方で固定波長の光源では、付随する制御機構が簡単であり安価な汎用品も容易に入手可能であって、波長可変光源に比べて非常に低コストである。

本開示では出力ポートの数分のＴＦが必要となるが、ＴＦは様々なタイプのものが利用可能であり、例えば、ＡＷＧとスイッチを組み合せたフィルタ、ＡＯ（Acousto-Optic：音響光学）効果を用いたフィルタ、シリコンフォトニクスによるリング共振器型フィルタ、シリコンフォトニクスによるマッハツェンダ干渉計型フィルタなどがある。特に、シリコンフォトニクスによる共振器型フィルタは小低化および低価格化の点で本開示のＴＦに好適である。ＴＦの波長選択機能は、波長可変ＬＤにおける波長可変機能と比べてより低価格で実現可能であって、汎用が高くより低コストで入手可能な部品を利用できる可能性があり、ＴＦは大規模な波長ルーティングＳＷを提供するのにより好適である。

波長群発生器における合波器１０３−１〜１０３−Ｎとしては、例えばアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が利用可能であるが、他のバルク状の回折格子または光合波器（カップラ）等も利用できる。光分岐１０４−１〜１０４−Ｎとしては、最も簡単な構成のものとして概ね均等に光を分岐する１×ＭＮ光カプラを利用可能である。また、波長選択機能を持つ波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）も利用できる。ＷＳＳは、入力に波長多重光を入力すると、任意の出力ポートに任意の波長の任意の組み合わせで出力できるデバイスである。単純な光分岐では、分岐数をｎとするとき１０ｌｏｇ（ｎ）で損失（ｄＢ）が発生するため、例えば分岐数が１００になると損失は２０ｄＢにまで増大する。一方で、１入力Ｌ出力（１×Ｌ）のＷＳＳは、同じ分岐数の光カプラよりも損失を少なく構成できる（例えば分岐数が２０で７ｄＢ程度）。

本開示の波長ルーティングＳＷにおいて光分岐１０４−１〜１０４−Ｎは、Ｎ個の波長群発生器の内の１つの波長群発生器からの多重化光を出力ポート数（ＭＮ個）のＴＦへ分岐すれば良い。しかしながら、最終段の目的ＴＦにおいて選択をしない波長の光信号はそもそも分岐してその目的のＴＦに供給する必要がない。したがって、ＷＳＳの波長選択性を利用する必要はないが、光分岐の代わりにＷＳＳの波長選択機能を利用して、より低損失で、選択された入力ポートを含む波長群発生器から目的ＴＦへ必要な経路を選択することができる。

ＷＳＳとしては、３Ｄ ＭＥＭＳによる波長選択スイッチや、分波器、１×Ｎスイッチおよび分波器を組み合わせた波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を利用できる。また、光分岐１０４−１〜１０４−Ｎは、光カプラまたはＷＳＳだけでなく、光カプラおよびＷＳＳを組み合わせて実現することもできる。さらに、分岐数が多い場合には多段構成の光カプラ、多段構成のＷＳＳ、光カプラおよびＷＳＳの従属接続、ＷＳＳおよび光カプラの従属接続など、様々な変形形態が利用可能である。詳細は、実施例７で説明する。

図１０に示した本開示の実施例１の波長ルーティングＳＷによれば、低コストの固定波長光源、光カプラ、光スイッチおよびＴＦを利用して、従来技術と全く同様の光スイッチ装置を実現できる。低コストで光スイッチ装置を実現できる。その結果、 コストの高騰を抑制しつつ大規模な光スイッチ装置を実現できる。固定波長光源などの要素部品は従来技術と比べてより小型で安価なものが利用可能であり、しかも、１０００×１０００を超える大規模な光スイッチ装置も実現可能である。例えば、３００×３００の光スイッチ装置は、固定波長光源の数Ｍ＝１００、波長群発生器の数Ｎ＝３として実現できる。さらに、１０００×１０００の光スイッチ装置は、固定波長光源の数Ｍ＝１００、波長群発生器の数Ｎ＝１０として実現できる。ＭおよびＮの選択は、様々な組み合わせや変形が可能であって、上述の例の数値に何ら限定されない。本開示の光スイッチ装置（波長ルーティングＳＷ）は、データセンタ等での利用にも好適であって、データセンタにおける消費電力の大幅な低減にも寄与することができる。

上述の実施例１では、分岐／選択部における光分岐１０４−１〜１０４−Ｎによって、波長群発生器からの多重化光を一度に出力ポートの数（ＭＮ）に分岐する構成であった。しかしながら、光カプラなどの光分岐では、分岐数ｎとともに、１０×ｌｏｇ（ｎ）に従って損失（ｄＢ）が生じる。したがって、光スイッチ装置の光信号経路のいずれかの場所に光増幅器を入れて、レベルダイヤの調整が必要となる。光分岐を多段化することによっても全体の損失は変わらないが、レベルダイヤの調整のための光増幅器の配置がより柔軟に可能となる。以下、光分岐を多段化構成とした本開示の実施例を示す。

図１１は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例２の構成を示す図である。波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）２００は、Ｎ個の波長群発生器２０１−１〜２０１〜Ｎ、分岐／選択部２０９およびＭＮ個の可変フィルタ（ＴＦ：Tunable Filter）２０６−１〜２０６−ＭＮから構成される。本実施例では、分岐／選択部２０９を除いた波長群発生器２０１−１〜２０１−ＮおよびＴＦの構成は実施例１と全く同一であり、入力ポートおよび出力ポートの構成も同一である。以下では、分岐／選択部２０９における実施例１の構成との相違点に絞って説明する。

実施例２の分岐／選択部２０９は、１つの波長群発生器からの波長の多重化光をＫ個に分岐する、Ｎ個の１×Ｋ光分岐２０４−１〜２０４−Ｎと、Ｎ個の波長群発生器２０１−１〜２０１−Ｎからの多重化光の内の１つを選択するＫ個のＮ×（ＭＮ／Ｋ）ＤＣスイッチ（後段）２０５−１〜２０５−Ｋとから構成される。ＤＣスイッチ２０５−１〜２０５−Ｋは、それぞれ図５に示した３×３構成のＤＣスイッチと同様のものであるが、光信号の方向は従来技術におけるＤＣスイッチの使用時とは逆方向になることに留意されたい。実施例２の場合、ＤＣスイッチ２０５−１〜２０５−Ｋの各々は、Ｎ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐２０７および（ＭＮ／Ｋ）個のＮ×１構成の光スイッチ２０８から構成される。

上述のように分岐／選択部２０９は、例えば波長群発生器２０１−１の出力に注目すれば、第１段目の１×Ｋ光分岐２０４−１と、これに従属接続される第２段目のＫ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐２０７とを含んでいる。したがって、波長群発生器２０１−１からの多重化光出力は従属接続された２段構成の光分岐によってＭＮ個の経路に分岐されており、本実施例の分岐／選択部２０９は、実施例１の分岐／選択部１０７の構成と実質的に全く同じであることが理解されるだろう。

実施例１と同様に、Ｎ個の光分岐２０４−１〜２０４−ＮおよびＤＣスイッチ内のＮ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐２０７は、いずれも、１つの多重化光を目的とする出力ポートのＴＦへ分岐ができる限り波長選択性を持つものであっても良い。すなわち、光分岐の最も簡単な構成のものとして概ね均等に光を分岐する１×Ｋまたは１×（ＭＮ／Ｋ）の光カプラを、または、波長選択機能を持つ波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を利用できる。さらに、光分岐および波長選択スイッチの組み合わせも利用可能であり、光分岐と波長選択スイッチの前後の順序も問わない。

図１１に示した本実施例の波長ルーティングＳＷでは、光分岐または波長選択スイッチ（２０４−１〜２０４−Ｎ）が多重化光をＫ個（ＭＮ／Ｋが自然数となるＫ）に分岐し、光スイッチ装置の入力ポートおよび出力ポートの数がいずれもＭＮ個であって、出力側に未使用ポートが無い構成を示している。しかしながら、本開示の光スイッチ装置が図１１のような入出力ポートに余り（未使用ポート）が無い構成だけに限られないことは言うまでもない。未使用ポートの存在も許容する、本実施例のより一般的な構成例は、実施例８として後述する。

本実施例では、分岐／選択部２０９における多段化した光分岐として、第１段目の光分岐と、第２段目の光分岐を含むＤＣスイッチとで構成されるものを示したが、これは様々な入力ポート数および出力ポート数の組合せのＤＣスイッチが汎用品として流通し入手容易であるためで、ＤＣスイッチを利用することに限定されるわけでない。実施例２の構成は、分岐／選択部２０９における光分岐を多段化しているところに特徴があり、各要素をどのような具体的なデバイスで実現するかは何ら上述の例に限定されないことに留意されたい。

図１２は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例３の構成を示す図である。波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）３００は、Ｎ個の波長群発生器３０１−１〜３０１−Ｎ、分岐／選択部３０８およびＭＮ個の可変フィルタ（ＴＦ）３０６−１〜３０６−ＭＮから構成される。本実施例の波長ルーティングＳＷは実施例１の構成と概ね同一であり、入力ポートおよび出力ポートの構成も同一である。本実施例では、波長群発生器の各々と対応する分岐／選択部との間に、光増幅器３０７−１〜３０７−Ｎをさらに備えている。前述のように、分岐／選択部３０８では、各波長群発生器から多重化光を出力ポート数ＭＮだけ分岐するため、分岐数に応じて経路の損失が生じる。さらに、光スイッチや合波器などにおける過剰損失も考慮する必要がある。光スイッチ装置において経路切換えをした後でも、出力光信号について一定の光電力レベルを維持することが必要なので、光スイッチ装置内においてレベルダイヤの低下を補償する光増幅器を挿入するのが好ましい。

光増幅器を挿入する箇所は、高価な光増幅器の数をできるだけ減らすために、多くの光信号が多重化されている部分に限られる。本開示の波長ルーティングＳＷでは、本実施例のように波長群発生器３０１−１〜３０１−Ｎの出力段にそれぞれ挿入することができる。本開示の波長ルーティングＳＷでは、光ＳＷの規模である入出力ポートの数ＭＮは、１つの波長群発生器内に含まれる波長の種類の数Ｍおよび波長群発生器（波長群）の数Ｎによって決定される。したがって、本開示の光スイッチ装置は、波長の種類数Ｍと波長群数Ｎとを組み合わせて、使用するデバイスのその時々の制限条件などに応じて光スイッチ装置の構成を選択できる設計の柔軟性にも特徴がある。

例えば、広帯域の光増幅器は一般に高価であるため、波長の種類数Ｍを抑えて、比較的狭い帯域の増幅器を使用して波長群の数Ｎを多めに構成することができる。逆により広い帯域の光増幅器が安価に入手可能となれば、波長の種類数Ｍを増やして、波長群数Ｎを抑えた構成とすることもできる。また波長数Ｍが同じとき、光源の波長間隔を狭く選べば、狭い波長帯域の光増幅器を使用すれば良いので低コスト化が可能となる。光源の波長間隔は、固定波長光源の安定度や、ＴＦの精度などによっても決定できる。またＴＦの動作可能な波長範囲が十分広いものであれば、波長群発生器で発生させるＭ個の波長が、波長群発生器間で一部だけ重複していたり、全く異なっていたりしても良い。

図１３は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例４の構成を示す図である。波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）４００は、Ｎ個の波長群発生器４０１−１〜４０１−Ｎ、分岐／選択部４１１およびＭＮ個の可変フィルタ（ＴＦ）４０６−１〜４０６−ＭＮから構成される。本実施例の波長ルーティングＳＷは実施例２と概ね同一の構成であり、入力ポートおよび出力ポートの構成も同一である。

本実施例では、波長群発生器の各々と対応する分岐／選択部との間に光増幅器４０９−１〜４０９−Ｍを、または、光分岐４０４−１〜４０４−Ｎの各々と対応するＤＣスイッチ４０５−１〜４０５−Ｋとの間に光増幅器４１０−１〜４１０−Ｋをさらに備えている。図１３に示した例では光分岐４０４−１〜４０４−Ｎの前段と後段の両方に光増幅器がそれぞれ挿入されているが、前段か後段のいずれか一方であっても良い。本実施例の波長ルーティングＳＷの構成によれば、光増幅器を挿入できるステージが２箇所となるため、光増幅器の配置方法やゲイン配分について、より設計の柔軟性が得られる。ポート数が増えて経路の損失が増加し、経路中の１箇所に光増幅器を挿入するだけでは十分なゲインが得られないとき、本実施例の構成が必須となる。また、高ゲインまたは高光出力の光増幅器は高価であるため、より低ゲインの光増幅器を２段使用する構成とすることもできる。また、Ｎ個の波長群発生器の間で、光増幅器の配置構成を異なるものとしても良い。したがって、本実施例によれば、その時々の光増幅器の性能やコストを考慮して、最適の構成を選択することが可能となる。

上述の実施例１〜４の各波長ルーティングＳＷでは、分岐／選択部の構成における様々なバリエーションを示したが、本実施例では波長群発生器における合波器のバリエーションを提示する。先にも述べたように、波長群発生器の合波器としては、小型で損失が比較的少ないＡＷＧを利用するのが好ましい。しかしながら、光スイッチ装置のポート数を増やそうとすると、１つの波長群発生器当たりの波長数Ｍを増やしたり、波長間隔を狭くしたりする必要があり、ＡＷＧの設計・作製が難しくなってくる。本実施例では、これらの問題を軽減する、複数のＡＷＧを使用した波長群発生器の具体構成例を示す。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、本開示の実施例５の波長ルーティングＳＷであって、波長群発生器においてＡＷＧを利用した合波器の構成例を示す図である。図１４Ａは、本開示の波長ルーティングＳＷにおける波長群発生器５００の基本構成を示す。合波器５０１は、それぞれ異なる波長（λ₁〜λ_M）を発生するＭ個の光源５０３からの各変調光を合波して、多重化光を出力する。したがって、合波器として、Ｍ×１のＡＷＧを利用できる。しかしながら、例えば、５０ＧＨｚ間隔で１００入力ポートを持つＡＷＧや、２５ＧＨｚ間隔で１００〜２００入力ポートを持つＡＷＧを実現しようとしても、中心波長の精度や透過損失の絶対値・ばらつきなどの特性要件を全チャネルで満たす設計は難しい。

図１４Ｂは、１つのＡＷＧのポート数を減らす構成例１を示す。構成例１では、波長群発生器５１０は、Ｍ個の固定波長光源５１３と、２つのＡＷＧ５１１−１、５１１−２、波長合流器５１２から構成される。本構成例では、Ｍ個の固定波長光源５１３を２つのグループに分けて、それぞれのグループの波長サブ群に対応したチャネル構成のＡＷＧを利用する。１つのＡＷＧあたりの入力ポート数を減らすことができるのでＡＷＧの設計条件が緩和される。２つのＡＷＧ５１１−１、５１１−２からの多重化光は、波長合流器５１２で合流され、１つの多重化光として次段の分岐／選択部へ供給される。波長合流器５１２としては、光カプラ、ＷＳＳ、ＭＺ干渉計、ＡＷＧなどの様々な形態のものを利用できる。

図１４Ｂでは、Ｍ個の光源（波長）を２つのグループに分けた最も簡単な例を示したが、３以上のグループに分けても良い。また、１つのグループ当たりの波長数は同じであっても異なっていても良い。

図１４Ｃは、１つのＡＷＧのポート数を減らし、波長間隔を広げる構成例２を示す。構成例２では、波長群発生器５２０は、Ｍ個の固定波長光源５２３と、２つのＡＷＧ５２１−１、５２１−２、インタリーバ５２２から構成される。本構成例では、Ｍ個の固定波長光源５２３を２つのグループに分けて、それぞれのグループの波長サブ群に対応したチャネル構成のＡＷＧを利用する。本構成例では、一方の光源のグループは、波長番号λ₁〜λ_Mの内の奇数番目の波長の光源で構成される。他方の光源のグループは、波長番号λ₁〜λ_Mの内の偶数番目の波長の光源で構成される。このように、連続したＭ個の波長λ₁〜λ_Mの合波が２つのＡＷＧ５２１−１、５２１−２で交互に行われるように各ＡＷＧを構成することで、１つのＡＷＧ当たりのポート数を減らし、かつ、合波する波長間隔を２倍（例えば、５０ＧＨｚ―＞１００ＧＨｚ）とすることができる。ＡＷＧの設計条件が、ポート数、波長間隔の両面で緩和される。２つのＡＷＧ５２１−１、５２１−２からの多重化光は、インタリーバ５２２で合流され、１つの多重化光として次段の分岐／選択部へ供給される。インタリーバ５２２としては、光カプラ、ＷＳＳ、ＭＺ干渉計、ＡＷＧなど様々な形態のものを利用できる。

図１４Ｃでは、Ｍ個の光源（波長）を偶数番号および奇数番号の２つの波長グループに分けた例を示したが、３以上のグループに分けても良い。例えば３グループの場合では、各グループの波長番号は、波長番号を３で割った剰余（０、１、２）で分ければ良い。ｎグループの場合では、各グループの波長番号は、波長番号をｎで割った剰余（０、１、・・ｎ−１）で分ければ良い。

上述の本実施例の各構成例によって、１つの波長群発生器あたりの光源数（波長数Ｍ）を１００以上に拡大することがより簡単となり、１０００×１０００を超える大規模な光スイッチ装置も実現可能である。

本開示の波長ルーティングＳＷの上述の各実施例では、波長群発生器における各光源は固定波長のものを利用している。従来技術のような波長可変光源に比べて非常に安価な光源を採用できるため、データセンタでの利用にも適した低コストの光スイッチ装置を実現している。しかしながら、光源において限定的に狭い範囲で波長可変な光源を使用すれば、ＡＷＧの合波機能および入力波長に応じた出力ポートの選択機能をさらに利用できる。これによって光スイッチ装置の経路損失を減らすこと可能となり、光増幅器の数を減らしたり、必要なゲインを下げたりするなど、光増幅器の所要要件を緩和することができる。

図１５は、本開示の波長ルーティングＳＷの実施例６の構成を示す図である。本実施例の波長ルーティングＳＷ（光スイッチ装置）６００は、Ｎ個の波長群発生器６０１−１〜６０１−Ｎと、Ｌ個の波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌからなる。波長ルーティング部の各々は、実施例１における分岐／選択部および可変フィルタ（ＴＦ）を合わせた構成と同一である。すなわち、本実施例では、分割された実施例１の分岐／選択部および可変フィルタ（ＴＦ）がＬ個並列に構成されている。１つの波長群発生器からＬ組の異なる多重化光が出力され、Ｌ個の波長ルーティング部の各々に供給されている。

波長群発生器６０１−１〜６０１−Ｎの構成も、他の実施例と概ね同様であるが以下の点で異なっている。本実施例では、１つの波長群発生器におけるＭ個の光源は、λ₁〜λ_Mの内の開始波長（λ₁〜λ_M）に加えて、開始波長を含めて連続したＬ個に限定された範囲内で波長可変な光源を使用する。具体的には、波長群発生器６０１−１においては、Ｍ個の光源の内の１番目の光源については、λ₁を開始波長として、さらにλ₂、・・λ_Lの範囲で、光源の発振波長を可変できる。同様に、２番目の光源については、λ₂を開始波長としてさらにλ₃、・・λ_L+1の範囲で、３番目の光源については、λ₃を開始波長としてさらにλ₄、・・λ_L+2の範囲で光源の発振波長を可変できる。したがって、Ｍ番目の光源では、λ_Mを開始波長として、さらにλ_M+1、・・λ_L+M-1の範囲で光源の発振波長を可変できる。すなわち、１つの光源に１つの波長グループが対応し、１つの波長グループにおいてＬ種類の波長を含んでいる。これに限定されないが、異なる光源には、異なる波長グループを割り当てることができる。

より具体的には、１つの波長群発生器の最大の光源数をＭ＝１００とすると、従来技術ではそれぞれの光源が１００種類の異なる波長を出力する波長可変機能を必要としていた。これに対して、本実施例においてＬ＝１０すると、開始波長を含めて隣接する１０種類の波長を出力する波長可変機能を備えていれば十分であって、波長の可変範囲は従来技術の１／１０で済む。広い範囲で安定に光源波長を可変する性能を実現することは、波長可変光源のコストおよび設計の困難度に直結しており、波長の可変範囲が１／１０程度であれば、レーザ光源の波長制御機構を大幅に簡略化することができる。先にも述べたように本実施例においても、Ｎ個の波長群発生器の中の波長可変ＬＤの数は最大Ｍ個であって、すべてのまたは一部の波長群発生器で波長可変ＬＤがＭ個よりも少なくても構わない。また、波長群発生器毎に光源の数が異なっていても良い。

本実施例の波長ルーティングＳＷでは、限定的な狭い波長範囲で、波長可変光源を利用する。これと同時に、波長群発生器６０１−１の合波器としてＡＷＧ６０３−１のＬ個の出力ポートを利用し、光源からＡＷＧの１つの入力ポートへ入力される光の波長を狭い範囲（例えばＬ＝１０）で可変することで、その光源からの変調光を出力するＡＷＧ出力ポート１〜Ｌを選択することができる。図８Ｂに示した非周回性ＡＷＧの合波動作例を再び参照すれば、各光源の開始波長は波長群８３に対応しており、出力ポート１に合波され出力される。これに対して、開始波長から波長番号を１つ変更したときの状態が波長群８４に対応し、出力ポート２で合波され出力されることが理解されよう。このようにＡＷＧの合波機能および入力波長に応じた出力ポートの選択機能よって、対象とする光源からの変調光を含む多重化光の出力先を前述のＬ個の波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの内のいずれか１つに選択できる。

上述のＡＷＧの波長合波機能および入力波長に応じた出力ポートの選択機能は、非周回性ＡＷＧおよび周回性ＡＷＧに共通しており、本実施例の構成では、非周回性ＡＷＧおよび周回性ＡＷＧのいずれも使用することができる。非周回性ＡＷＧにおいて例えばＭ＝１００、Ｌ＝１０とした場合、１つの波長群発生器全体ではλ₁〜λ₁₁₀の範囲の波長を出力する必要がある。しかし、個々の波長可変光源について見れば、各々の光源での波長可変範囲は非常に狭いので（Ｌ＝１０で、１０種類の波長で良い）、波長可変光源としての複雑さやコストのハードルはむしろ従来技術よりも本実施例の構成の方が緩い。従来技術ではすべての光源においてλ₁〜λ₁₀₀の全波長範囲で波長可変する能力が必要とされたのと比べると、本実施例のように狭い波長範囲に限定された波長可変光源を実現するほうがむしろ簡単である。周回性ＡＷＧを利用して、光源の数Ｍ、周回性ＡＷＧのポート数、すなわち１つの光源で可変する波長数Ｌを適切に設定すれば、１つの波長群発生器全体でも、実質的に他の実施例と同じ数の開始波長λ₁〜λ₁₀₀にできる。

図１６は、実施例６において非周回性（非サイクリック）ＡＷＧを使用する場合の各光源における使用波長を模式的に示した図である。１つの波長群発生器内の光源（ＬＤ）の数がＭで、簡単のため、Ｌ＝３の場合を示しており、各ＬＤにおける使用波長の番号を矩形内に表記している。１番目のＬＤでは、波長番号１、２、３が使用され、２番目のＬＤでは、波長番号２、３、４が使用される、以下同様にして、Ｍ番目のＬＤでは、波長番号Ｍ、Ｍ＋１、Ｍ＋２が使用される。矩形内の最初の波長が開始波長に対応する。

図１７は、実施例６において周回性（サイクリック）ＡＷＧを使用する場合の各光源における使用波長を模式的に示した図である。図１６と同様に、波長群発生器内の光源数がＭで、Ｌ＝３の場合を示しており、各ＬＤにおける使用波長の番号を矩形内に表記している。非サイクリックＡＷＧとの相違点は、開始波長がＭ番目に近づいたときに、使用波長範囲は周回的に隣接する波長を含む点である。すなわち、Ｍ−１番目のＬＤでは波長番号Ｍ−１、Ｍ、１が使用され、Ｍ番目のＬＤでは波長番号Ｍ、１、２が使用される。Ｍ番目の波長と１番目の波長は物理的には離れているが、周回性ＡＷＧにおいては周回的には隣接する関係にある。周回性ＡＷＧを用いることで、波長群発生器内で使用する波長の総数はＭ個のままで済む。

波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの各々は、実施例１の分岐／選択部および可変フィルタ（ＴＦ）の構成と同一である。より具体的には、波長ルーティング部６０７−１の波長分岐／選択部は、Ｎ個の波長群発生器６０１−１〜６０１−Ｎの各々のＬ個の出力ポートの内の対応するＮ個の出力ポートが接続され、これらの対応するＮ個の出力ポートから多重化光が入力されるＮ個の入力を持つ。波長ルーティング部６０７−１の波長分岐／選択部は、これらＮ個の入力にそれぞれ接続されたＮ個の波長群発生器の各々からの多重化光をＭＮ／Ｌ個に分岐するＮ個の光分岐または波長選択スイッチ６０４−１、および、Ｎ個の光分岐または波長選択スイッチの各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の波長群発生器の内の１つの波長群発生器に対応する分岐光を選択するＭＮ／Ｌ個のＮ×１光スイッチ６０５−１を含む。

ここでは簡単のため、ＭＮ／Ｌの値は自然数であるものとする。したがって、図１５では光スイッチ装置としての入力ポートおよび出力ポートの数がいずれもＭＮ個であって、波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの出力ポートに未使用ポートが無い構成を示している。ＭＮ／Ｌの値が非自然数であって光スイッチ装置として未使用の出力ポートがあることを許容し、本実施例をより一般化した構成は、後述の実施例９で説明する。

図１５に示した本実施例の波長ルーティングＳＷでは、１つの波長群発生器内で２つの光源の設定波長が同じであっても、光源が接続されるＡＷＧの入力ポートが異なれば、各光源からの変調光を含む合波された多重化光の出力ポートも異なり、Ｌ個の波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの内の異なるものが選択される。したがって、１つの波長群発生器内の個々の光源において、開始波長から連続したＬ個の波長範囲内の任意の波長を選択することで、ＡＷＧのＬ個の出力ポートのいずれかが選択され、さらに対応するＭＮ個の出力ポートが選択される。換言すると、本実施例の非常に優れた点は、他の実施例における分岐／選択部の光分岐機能の一部を、波長群発生器のＡＷＧの出力ポート選択機能によって兼ねているところにある。

光分岐として使用される光カプラでは、２分岐で３ｄＢ、４分岐で６ｄＢ、・・１０分岐で１０ｄＢのように、分岐数に対応して損失が増えてゆく。これに対し、本実施例で出力ポート選択機能を実行するＡＷＧの入出力ポート間の損失は３〜５ｄＢ程度で、出力ポート選択機能を利用することで、光スイッチ装置全体で各経路の損失を減らすことができる。光カプラと比較した損失の減少量はＡＷＧの出力ポート数が多いほど大きくなる。これによって、光増幅器の数を減らしたり、光増幅器のゲイン、最大光出力レベル等の性能条件を緩和したりすることが可能となり、光スイッチ装置の小型化、低コスト化をさらに進めることができる。

本実施例の構成にこれまでの実施例の特徴と組み合わせることができるのは言うまでも無い。例えば、本実施例の構成に実施例２の光分岐を多段化した構成を組み合わせることができる。また、実施例３および実施例４のように光増幅器を組み合わせることもできる。さらに実施例５のように波長群発生器内で複数のＡＷＧを利用することも可能である。

図１８Ａ〜図１８Ｃは、本開示の実施例７の波長ルーティングＳＷにおける光分岐または波長選択スイッチの構成を説明する図である。上述の実施例１〜６における光分岐または波長選択スイッチの別の構成例を示す図である。図１８Ａは、上述の各実施例で示したように、波長群発生器からの多重化光を分岐する光分岐または波長選択スイッチ（１０４−１〜１０４−Ｎ、２０４−１〜２０４−Ｎ、３０４−１〜３０４−Ｎ、４０４−１〜４０４−Ｎ）を光分岐で構成した場合を示す。光分岐として例えば光カプラ８０１を利用することができ、例示的に１２分岐構成の光カプラを示している。

図１８Ｂは、同じ１２の分岐を実現するために、３分岐の光カプラ８０１と、１×４構成のＷＳＳ８０２−１〜８０２−３とを組み合わせて、縦続接続した構成例を示す。１×４構成のＷＳＳは、多重化光を４つの出力の内の任意のポートに任意の波長の組み合わせで出力できる。したがって、ＷＳＳは単純な分岐機能ではなく波長選択性を持っており、本開示の各実施例における最終段の波長選択フィルタ（ＴＦ）の機能を持っていることになる。既に述べたように、波長ルーティングＳＷでは、所望の出力ポートに対応する最終段の目的ＴＦで選択をしない波長の光信号は、そもそも分岐してその目的のＴＦへ供給する必要がない。したがって、最終段にＴＦを備えている限りＷＳＳの波長選択性を利用する必要はないが、光分岐およびＷＳＳを組み合わせてＷＳＳの波長選択性を利用して、選択された入力ポートを含む波長群発生器から目的ＴＦまでの経路を、より低損失に構成することができる。

光分岐または波長選択スイッチとして図１８Ｂの構成を実施例１、実施例３に適用すれば、最終段のＴＦの波長選択機能をＷＳＳで代替できるため、ＴＦを省略することができる。ただし、一般にＷＳＳは光カプラに比べて高価であり、実現可能な出力ポートの数も最大で２０程度であって、１×２０の構成に制限されている。目的とする光スイッチ装置の規模が１０００×１０００などのように非常に大きい場合には、ＷＳＳの数が増える図１８Ｂの構成は適さない。既に述べたように、光カプラでは例えば２０分岐では１３ｄＢの損失が生じるが、１×２０ＷＳＳでは、７ｄＢ程度の損失で済む。したがって、光スイッチ装置全体の経路の損失を減らすために、光分岐とＷＳＳを組み合わせることが有効である。

図１８Ｃは、図１８Ａの光カプラ８０１と同じ１２の分岐を実現するために、１×４構成のＷＳＳ８０３と、４つの３分岐光カプラ８０４−１〜８０４−４とを組み合わせて、縦続接続した構成例を示す。図１８Ｃの構成は、図１８Ｂにおいて縦続接続の順序を前後に入れ替えたものであり、図１８Ａの構成のように光カプラ８０１単体を使用する場合と比べて、同じ１２分岐をより低損失で実現できる。また、図１８Ｂの構成と比べて、高価なＷＳＳの数を減らすことができる。図１８Ｃの構成のように後段側に光カプラ８０４−１〜８０４−４を置いた場合は、最終段のＴＦを省略することはできないが、図１８Ｂの構成と同様に、光分岐とＷＳＳを組み合わせて、光スイッチ装置全体の経路の損失を減らすことができる。

上述の図１８Ｂおよび図１８Ｃのように光分岐とＷＳＳを組み合わせた構成は、実施例２、実施例４におけるＤＣスイッチの中の光分岐または波長選択スイッチ２０７、４０７に対しても適用できることは言うまでもない。本実施例のように、光分岐とＷＳＳを組み合わせることで、光スイッチ装置の経路損失をより少なくして光増幅器の構成や仕様を簡略化することも可能となる。

図１９は、本開示の実施例８の波長ルーティングＳＷであって、図１１に示した実施例２の波長ルーティングＳＷの構成をより一般化した波長ルーティングＳＷの構成例を示す図である。図１１の実施例２の構成では、光分岐または波長選択スイッチ２０４−１〜２０４−Ｎの分岐数ＫがＭＮ／Ｋが自然数となるものに限定されていた。ＭＮ／Ｋが非自然数では、ＤＣスイッチが実現でないためである。この制限によって、図１１の実施例２の構成では、各ＤＣスイッチ２０５−１〜２０５−Ｋの出力ポートに未使用の余りポートが無く、出力ポートの利用に無駄がなかった。図１９の本実施例の構成では、分岐／選択部２５６において、光分岐または波長選択スイッチ２５１−１〜２５１−Ｎにおける多重化光の分岐数Ｙが、ＭＮ／Ｋ≦Ｙを満たす最小の自然数Ｙである点で実施例２と相違している。より具体的には、Ｙ個の分配選択（ＤＣ）スイッチ２５２−１〜２５２−Ｙを備え、各々のＤＣスイッチは、Ｎ個の波長群発生器２０１−１〜２０１−Ｎの中から１つの波長群発生器からの多重化光を選択するＮ個の１×Ｋ光分岐または波長選択スイッチ２５３と、Ｎ個の光分岐または波長選択スイッチ２５３からの出力と接続されたＫ個のＮ×１光スイッチ２５４からなる。

また本実施例では、Ｙ個のＤＣスイッチ２５２−１〜２５２−Ｙの合計の出力ポート数はＫＹ個となり、光スイッチ装置として波長ルーティングのために必要なＭＮ個、すなわち可変フィルタ（ＴＦ）に必要な数ＭＮ個よりも多い。したがって、例えば図１９のように最後のＹ番目のＤＣスイッチ２５２−Ｙで、（ＹＫ−ＭＮ）個の出力ポートはＴＦが不要となり、未使用ポート２５５となる。ここで、未使用ポートの位置をＹ番目のＤＣスイッチ２５２−Ｙ内だけに集中させる必要はなく、Ｙ個のＤＣスイッチ２５２−１〜２５２−Ｙの出力ポートの内の任意の位置とすれば良い。本実施例では、光分岐または波長選択スイッチ２５１−１〜２５１−Ｎの分岐数Ｙの選択について、ＭＮの値との関係で制限が緩和される代わりに余りポートが生じる点のみで、実施例２と相違している。したがって本実施例は、この分岐数Ｙの制限が無い分、実施例２の波長ルーティングＳＷの構成をより一般化したものとなっている。

ここで、より具体的な数値例を挙げると以下の通りとなる。波長群発生器の数をＮ＝２、波長群発生器の中の光源の数をＭ＝１００として、Ｋを６とする。この時、１００×２／６＝３３．３３となるので、ＭＮ／Ｋ≦Ｙを満たす最小のＹは、３４となる。分岐／選択部として、２個の１×３４構成の光分岐（または波長選択スイッチ）、および、３４個の２×６構成のＤＣスイッチを備えれば良い。各々のＤＣスイッチは、２個の１×６構成の光分岐（または波長選択スイッチ）と、６個の２×１構成光スイッチを含んでいる。各々のＤＣスイッチは６つの出力ポートを持っているので、３４個のＤＣスイッチ全体には、ＹＫ個すなわち３４×６＝２０４個の出力ポートがある。しかし、波長ルーティングＳＷとしての所要出力ポートはＭＮ個すなわち１００×２＝２００個あれば十分なので、３４個のＤＣスイッチの全出力ポート２０４個の内、４個の出力ポートが未使用となる。未使用ポートの場所は、３４番目のＤＣスイッチの中の４つとすれば良いが、１カ所に集中させてまとめる必要性はなく、３４個のＤＣスイッチの出力ポートの内の任意の４カ所であれば良い。

図１５で説明をした実施例６の波長ルーティングＳＷでは、波長群発生器内のＡＷＧの出力ポートの数Ｌを、ＭＮ／Ｌが自然数となるものに限定していた。ＭＮ／Ｌが非自然数では、波長ルーティング部内の光分岐または波長選択スイッチが実現できないためである。この制限によって実施例６では、各波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの出力ポートにも余った未使用出力ポートが無く、光スイッチ装置全体で見たときに出力ポートの利用に無駄がなかった。しかしながら、実施例２と実施例８との間の関係と同様に、光スイッチ装置で未使用出力ポートがあることを許容すれば、ＭＮ／Ｌの値が非自然数の場合も含めて、実施例６の構成をより一般化することができる。実施例６を一般化した本実施例の構成は、Ｌ個の波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの内の一部にＴＦが接続されないものがあるか、または、Ｌ個の波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの構成のすべてが同一ではない点だけで実施例６と相違しており、基本的な構成は図１５と同じである。

本実施例では、ＭＮ／Ｌの値が自然数でない場合に、新たにＭＮ／Ｌ≦Ｋ を満たす最小の自然数のＫが導入される。波長ルーティング部内の分岐／選択部において、光分岐または波長選択スイッチ６０４−１〜６０４−Ｌの構成、並びに、光スイッチ６０５−１〜６０５−Ｌの数が、それぞれ、ＭＮ／Ｌの代わりにＫによって表される。したがって、波長ルーティング部内の各要素間の接続関係は実施例６の場合と変わりがない。ただし未使用ポートの分の分岐経路は不要なので、一部の波長ルーティング部の分岐経路の数を減らすことができる。したがって、Ｌ個の波長ルーティング部の構成がすべて同一である必要はない。未使用ポートを含む波長ルーティング部では、未使用ポートを含まない他の波長ルーティング部よりも分岐経路を減らして、未使用ポートの数に応じた構成の簡略化が可能となる。

図２０は、ＭＮ／Ｌの値が自然数である実施例６と、ＭＮ／Ｌの値が非自然数である本実施例の光スイッチ装置構成パラメータを比較した表である。Ｍ、Ｎ、Ｌの値の異なる組み合わせについて、具体的な構成例（例１〜例６）も記載されている。本実施例において波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの構成をすべて同一とすれば、実施例２および実施例８の対比からも容易に理解できるように、波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの出力ポートの総数はＫＬ個となって、光スイッチ装置の最大ポート数ＭＮ個よりも多くなる。具体例を挙げれば、図２０の例６においては、ＭＮ＝８２×８＝６５６、ＫＬ＝９４×７＝６５８となって、波長ルーティング部全体で２ポートの未使用ポートが生じる。したがって、例えばＬ番目の波長ルーティング部６０７−Ｌだけを、光分岐または波長選択スイッチ６０４−Ｌの分岐数を減らした構成とすることができる。

しかしながら、１つの波長ルーティング装置内で構成の異なる波長ルーティング部を作製することは、モジュール化構成が利用されていることや製造工程などを考慮しても、かえって管理上の煩雑さが増す。このため、すべての波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの構成を同一とするのがより合理的である。図２０の表は、本実施例で図１５に示したようにすべての波長ルーティング部の構成が同一であり、未使用出力ポートがある前提で具体的な構成例を示したものである。波長ルーティング部６０７−１〜６０７−Ｌの出力ポートの総数はＫＬ個となるが、最終段のＴＦは、光スイッチ装置として必要なＭＮ個だけ備えていれば良いのは当然である。また本実施例の光スイッチ装置において、未使用出力ポートの位置をＬ番目の波長ルーティング部６０７−Ｌ内とする必要はなく、Ｌ個の波長ルーティング部の出力ポートの内の任意の位置とすれば良い。

したがって、未使用出力ポートが非常に多い場合でも、図２０の表に例示した波長ルーティング部の構成のものが少なくとも１つ含まれていれば、本実施例の構成に含まれる。しかしながら、未使用出力ポートが多数あるようなＭ、Ｎ、Ｌの構成は無駄が多く、そもそも不適切なパラメータを選択した設計であって、できるだけ未使用出力ポートが少ない構成とするのが合理的であるのは当然である。

本開示の光スイッチ装置は、実施例８の変形形態として、最大Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の異なる波長の光を合波して多重化光を出力するＭ入力Ｌ出力のＮ個の合波器（６０３−１〜６０３−Ｎ）であって、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の各々は、Ｌ（Ｍ＞Ｌの自然数）種類の波長からなる異なる波長グループの中から選択された１つの波長の光である、合波器を備え、ＭＮ／Ｌ≦Ｋ を満たす最小の自然数をＫとするとき、前記Ｎ個の合波器の各々のＬ個の出力ポートの内の対応するＮ個の出力ポートが接続され、前記対応するＮ個の出力ポートから前記多重化光が入力されるＬ個のＮ入力波長分岐／選択部であって、そのうちの少なくとも１つの波長分岐／選択部が、前記Ｎ入力にそれぞれ接続された前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＫ個に分岐するＮ個の光分岐、および、前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＫ個のＮ×１光スイッチを含むＮ入力波長分岐／選択部と、前記Ｋ個のＮ×１光スイッチによって選択された前記１つの合波器において合波された、異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ／Ｌ個の可変フィルタ（６０６−１〜６０６−Ｌ）とを備えた光スイッチ装置として実施できる。また、上述の光スイッチ装置において、各々が、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の内の１つの波長の光を発生し、電気信号によって前記光を変調する手段を有し、前記１つの波長の変調光を出力する最大Ｍ個の複数の光源をさらに備え、前記最大Ｍ個の複数の光源と、対応する１つの前記合波器とが波長群発生器を構成することもできる。

これまで述べたすべての実施例では、光スイッチ装置の経路を構成する構成要素だけを示しているが、波長ルーティングＳＷには各図には示されない各要素の制御部が含まれている。例えば、波長群発生器の各光源の波長を設定したり、可変フィルタの同調波長を設定したり、波長選択スイッチの選択波長を設定するために、光スイッチ装置の経路切り替えに合わせて、制御部が各要素を制御する。制御部の構成には何ら限定が無く、１つの制御部ですべての波長ルーティングＳＷの全体動作を制御しても良いし、分散した制御部によって制御しても良い。各制御部には、ＣＰＵやメモリなどが含まれるがその構成にも限定は無い。

以上詳細に述べたように、本開示の波長ルーティングＳＷは、固定波長の光源および可変フィルタを用いることによって、従来技術と比べて非常に低コストの光源を採用することが可能となる。また限定された狭い波長範囲の波長可変光源およびＡＷＧの入力波長による出力ポート選択機能を組み合わせて、固定波長光源に準じた安価な光源を利用しながら、波長ルーティングＳＷの経路の損失を抑えることができる。また、本開示の光スイッチ装置（波長ルーティングＳＷ）は、データセンタ等での利用にも好適であって、データセンタにおける消費電力の大幅な低減にも寄与することができる。

本開示は、光信号処理装置に利用することができる。特に、光信号の経路切換えを行う光スイッチ装置に利用できる。

Claims (13)

1. 最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の合波器と、
   前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＭＮ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐と、
   前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＭＮ個のＮ×１光スイッチと、
   前記ＭＮ個のＮ×１光スイッチによって選択された前記１つの合波器において合波された、最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタと
   を備え、
   前記Ｎ個の光分岐は各々、光分岐と複数の波長選択スイッチとを組み合わせて、または波長選択スイッチと複数の光分岐とを組み合わせて構成されたことを特徴とする光スイッチ装置。
2. 前記Ｎ個の光分岐は、光分岐および複数の波長選択スイッチを組み合わせて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ装置。
3. 最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の合波器と、
   前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＫ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐であり、ＫはＭＮ／Ｋが自然数となる自然数である、Ｎ個の光分岐と、
   前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＫ個のＮ×（ＭＮ／Ｋ）分配選択（ＤＣ）スイッチであって、各々が、前記Ｎ個の光分岐からの出力が接続されたＮ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐と、前記Ｎ個の１×（ＭＮ／Ｋ）光分岐の各々の出力ポートと接続された（ＭＮ／Ｋ）個のＮ×１光スイッチとから構成されたＤＣスイッチと、
   前記Ｎ×１光スイッチの各々によって選択された前記１つの合波器において合波された、最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタと
   を備え、
   前記Ｎ個の光分岐または前記ＤＣスイッチにおける前記光分岐の少なくともいずれかは、光分岐および波長選択スイッチを組み合わせて構成されたことを特徴とする光スイッチ装置。
4. 最大Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）の異なる波長の光を合波して、多重化光を出力するＮ個（Ｎは２以上の自然数）の合波器と、
   前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＹ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐であって、ＹはＭＮ／Ｋ≦Ｙとなる最少の自然数であり、ＫはＭＮ／Ｋが自然数となる自然数である、Ｎ個の光分岐と、
   前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＹ個のＮ×Ｋ分配選択（ＤＣ）スイッチであって、各々が、前記Ｎ個の光分岐からの出力が接続されたＮ個の１×Ｋ光分岐と、前記Ｎ個の１×Ｋ光分岐の各々の出力ポートと接続されたＫ個のＮ×１光スイッチとから構成されたＤＣスイッチと、
   前記Ｎ×１光スイッチの各々によって選択された、前記１つの合波器において合波された最大Ｍ個の異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ個の可変フィルタと
   を備え、
   前記Ｎ個の光分岐または前記ＤＣスイッチにおける前記光分岐の少なくともいずれかは、光分岐および波長選択スイッチを組み合わせて構成されたことを特徴とする光スイッチ装置。
5. 各々が、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の内の１つの波長の光を発生し、電気信号によって前記光を変調する手段を有し、前記１つの波長の変調光を出力する、最大Ｍ個の複数の光源をさらに備え、
   前記最大Ｍ個の複数の光源および前記Ｎ個の合波器の対応する１つが、波長群発生器を構成し、
   前記ＭＮ個の可変フィルタによって、任意の１つの波長の変調光が選択されること
   を特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ装置。
6. 前記Ｋ個のＮ×（ＭＮ／Ｋ）ＤＣスイッチは、Ｍ個のＮ×Ｎ ＤＣスイッチであることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ装置。
7. 前記Ｎ個の光分岐の各々の前段または後段の少なくとも一方に１つ以上の光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光スイッチ装置。
8. 前記合波器は、
   複数のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と、
   前記複数のＡＷＧからの多重化光をさらに合流する光合流器、インタリーバまたは波長選択スイッチのいずれかと
   から構成されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光スイッチ装置。
9. 最大Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個の異なる波長の光を合波して多重化光を出力するＭ入力Ｌ出力のＮ個（Ｎは２以上の自然数）の合波器であって、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の各々は、Ｌ（ＬはＭ≧Ｌとなる自然数）種類の波長からなる異なる波長グループの中から選択された１つの波長の光であり、
   ＭＮ／Ｌは自然数であって、
   前記Ｎ個の合波器の各々のＬ個の出力ポートの内の対応するＮ個の出力ポートが接続され、前記対応するＮ個の出力ポートから前記多重化光が入力されるＬ個のＮ入力波長分岐／選択部であって、各々が、
   前記波長分岐／選択部の前記Ｎ入力にそれぞれ接続され、前記Ｎ個の合波器の各々からの前記多重化光をＭＮ／Ｌ個の分岐光に分岐するＮ個の光分岐、および
   前記Ｎ個の光分岐の各々の前記分岐光の中から、前記Ｎ個の合波器の内の１つの合波器に対応する分岐光を選択するＭＮ／Ｌ個のＮ×１光スイッチ
   を含むＮ入力波長分岐／選択部と、
   前記ＭＮ／Ｌ個のＮ×１光スイッチによって選択された前記１つの合波器において合波された、異なる波長の光から、任意の１つの波長の光を選択するＭＮ／Ｌ個の可変フィルタと
   をさらに備えたことを特徴とする光スイッチ装置。
10. 各々が、前記最大Ｍ個の異なる波長の光の内の１つの波長の光を発生し、電気信号によって前記光を変調する手段を有し、前記１つの波長の変調光を出力する最大Ｍ個の複数の光源をさらに備え、
    前記最大Ｍ個の複数の光源と、対応する１つの前記合波器とが波長群発生器を構成することを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ装置。
11. 前記合波器は、
    サイクリック合波器であって、前記ＭＮ／Ｌ個の可変フィルタは、前記Ｎ個の合波器の全体でＭ個の異なる波長から任意の１つの波長の変調光を選択するか、または、
    非サイクリック合波器であって、前記ＭＮ／Ｌ個の可変フィルタは、前記Ｎ個の合波器の全体で（Ｍ＋Ｌ−１）個の異なる波長から任意の１つの波長の変調光を選択する
    よう構成されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の光スイッチ装置。
12. 前記波長グループの中の前記Ｌ種類の異なる波長は、連続して設定されたＭ個の波長の内の１つである開始波長と、前記開始波長に隣接する（Ｌ−１）個の波長から成ることを特徴とする請求項９乃至１１いずれかに記載の光スイッチ装置。
13. 前記Ｎ個の合波器の各々に接続された複数の光源のＭＮ個の変調する手段が光回線交換スイッチの入力ポートに対応し、前記可変フィルタのＭＮ個の出力が前記光回線交換スイッチの出力ポートに対応し、波長ルーティングスイッチとして機能することを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の光スイッチ装置。

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