JP7248931B2

JP7248931B2 - ノード装置

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Publication number: JP7248931B2
Application number: JP2021551086A
Authority: JP
Inventors: 勇介村中; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2023-03-30
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Description

本発明は、ノード装置に関し、より詳細には、光回線交換方式と光パケット交換方式の両方に対応可能なノード装置に関する。

近年、多様なネットワークサービスの進展によって、通信トラフィックは急激に増大しており、波長多重化技術による伝送容量の拡張、帯域利用効率の高い位相変調、多値変調の検討などが進み、高度化された多種多様な大容量光信号が光通信ネットワーク上で転送されている。

ネットワークは複数のリンク、ノードで構成されており、それぞれにおいて高速、大容量通信に向けた研究開発が行われている。リンクでは信号の高速化や波長の多重化などが進む一方で、ノードでは効率的なトラフィックを実現すべく、ノード間を接続する経路を柔軟に変更する技術が重要とされている。ノード技術としては様々な伝送方式が検討されており、光／電気変換を必要としない光スイッチング技術は、ネットワーク機器の消費電力や遅延等の面において有効な技術であり、光スイッチング技術を主体とした光伝送方式が盛んに研究されている。

その中でも、光回線交換（Optical Circuit Switching: ＯＣＳ）方式と光パケット交換（Optical Packet Switching: ＯＰＳ）方式は相反する特徴を持ち、それぞれに適したデータや運用が考えられる。

ＯＣＳ方式では、特定のノード間でリンクが確立され、連続したデータの伝送が可能である。リンクの確立には、特定の波長帯域を占有することによって光パスが張られることが一般的であるが、リンクの波長を占有するために、他のノードからの転送の妨げとなる。ＯＣＳ方式では、パケットのロスが少ないため高い信頼性が求められる場合や、安定して大容量のデータを伝送する場合に適している。

その一方、ＯＰＳ方式では、ノード間のリンクを確立せず、コネクションレスな伝送が可能である。伝送される光パケットにあらかじめラベルを付与し、そのラベルに基づいて各ノードでの衝突回避を考慮しながら転送されることが一般的である。ＯＰＳ方式では、伝送データのトラフィック変動が大きな場合や、低遅延性が要求されるデータに適している。

多様なネットワークサービスに対応すべく、柔軟で高速可変性を有する光通信ネットワークを実現するためには、光パスの高速な切換え、ラベル情報などに基づいたルーティング機能などが必要だが、現在ではネットワークの仮想化技術、ＳＤＮ技術などによりソフトウェア上で仮想的なパス制御が行われている。さらに高度な柔軟性、高速可変性を実現するためには、ハードウェアでの光パスの高速な切換えが必要になると考えられる。

非特許文献１に示すように、将来の大容量光通信ネットワークに対しては、ＯＣＳ方式とＯＰＳ方式とを組み合わせ、ハードウェアで実現可能な柔軟なネットワークが有望視されており、それらを実現するノード技術の研究が進められている。

光スイッチング技術としては、光／電気変換を必要とせず、光信号を光のまま高速にスイッチングすることが求められる。このような光スイッチは、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）上に構成した熱光学（Thermo-Optic：ＴＯ）スイッチ、ＩｎＰ系の電界吸収型光変調器（Electro Absorption Modulator：ＥＡＭ）、マッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を用いたスイッチ、ＬｉＮｂＯ３系の位相変調器型のスイッチなどが研究開発されている。例えば、光半導体導波路を用いた光ゲートとマッハツェンダ干渉計とによって構成された光スイッチが非特許文献２（Fig. 3参照）に開示されている。

将来の多様なネットワークサービスにおける通信トラフィックの増大に対しては、リンクを伝送される信号の高速化だけでは対応しきれず、ネットワーク全体を通した最適化が必要となる。しかし、コアネットワーク、メトロネットワーク、アクセスネットワークなどのように階層化され、接続された現状のネットワークにおいては、階層ごとに異なる制御方式で運用されているため、ネットワーク全体を通した最適化は困難な状況にある。

そこで、ネットワーク間の階層を感じさせない、大規模フラットネットワークの構成が有望視されている。大規模フラットネットワークでは、階層化されたネットワークに対して、サービスに応じて一気通貫でネットワークリソースを提供可能とするものであり、ハードウェアとソフトウェアの連携により実現される柔軟なネットワークが求められる。そこでは、現状態、将来状態に基づく最適化制御に加え、頻繁に発生しうる想定を超えた状態変化に対する即応的な修正能力を兼ね備えた、強い弾力性を有する接続性の高いパスの設定制御が不可欠となる。しかし、それらを実現可能な実用的なハードウェアは実現できておらず、ネットワークに最適化されたノード技術の確立が課題となる。そのため、リンクを伝送される様々な光信号方式に依存せず、高速に可変可能な光スイッチデバイスをベースとしたハードウェアを用いて、柔軟なノード技術の確立が必要となる。

現状のネットワークでは、コアネットワーク、メトロネットワークにおいてＯＣＳ方式による、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing: ＷＤＭ）伝送が用いられており、ファイバの利用効率が究極に高められた状態で利用されている。一方、アクセスネットワークなどサーバやユーザが多数接続されたネットワークでは、時間統計多重化されたパケットでのデータ転送が求められている。大規模フラット化には波長光パスを想定して光ファイバの利用効率を保ったまま柔軟性を持たせる構成が必要となる。従来、一般的に用いられているＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add/drop multiplexer）では、波長パスを半固定とした運用が基本とされており、柔軟性に欠ける。そこで、ＲＯＡＤＭに対して高速性を実現するために、新たな高速光デバイスを組み合わせる技術と、それらを最適な状態で運用可能な制御技術の実現が課題となる。

Hiroaki Harai et. al., "Optical Packet and Circuit Integrated Networks and Software Defined Networking Extension," Journal of Lightwave Technology, August 15, 2014, vol. 32, no. 16, pp. 2751-2759 Yusuke Muranaka et. al., "Monolithically Integrated 4×4 Optical Switch with Cascaded MZIs and EAM-Gate Array," in Proc. ECOC2017, P1.SC2.33 Kenya Suzuki et. al., "Application of Waveguide/Free-Space Optics Hybrid to ROADM Device," Journal of Lightwave Technology, February, 2017, vol. 35, no. 4, pp. 596-606

本発明の目的は、大規模フラットネットワークにおいて、高速光スイッチとその制御技術によって、光信号方式によらずネットワークのトラフィック状況に応じた最適な転送が可能なノード装置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光回線交換方式の光信号であるＯＣＳ光信号及び光パケット交換方式の光信号であるＯＰＳ光信号の両方のスイッチングを行うノード装置において、入力側の光ファイバに接続された第１の波長選択スイッチと、前記第１の波長選択スイッチに接続され、カットスルー、ＯＣＳ制御部またはＯＦＳ／ＯＰＳ制御部への選択スイッチングを行う高速選択スイッチと、前記高速選択スイッチのカットスルー出力、前記ＯＣＳ制御部の出力および前記ＯＦＳ／ＯＰＳ制御部の出力に接続された光カプラと、前記光カプラの出力に接続された第２の波長選択スイッチと、前記第１および前記第２の波長選択スイッチに対して波長割当て制御を行い、前記高速選択スイッチに対してパス／ラベル切替制御を行い、前記ＯＦＳ／ＯＰＳ制御部に対してフロー／パケット切替制御を行うノードコントローラとを備えたことを特徴とする。

図１は、ＲＯＡＤＭに適用される１×９５波長選択スイッチの一例を示す図、図２は、１×９５波長選択スイッチの透過スペクトルを示す図、図３は、３つの光伝送方式の物理層のスイッチング方式を示す図、図４は、本発明の一実施形態にかかるノード装置の構成を示す図、図５は、本実施形態にかかるノード装置のスイッチング制御法を示す図、図６は、本実施形態にかかるノード装置の物理層の接続法を示す図、図７は、本発明の一実施形態にかかる高速アドドロップ光スイッチの構成を示す図、図８は、本実施形態の分配選択型光スイッチの光導波路の構成を示す断面図、図９は、本発明の一実施形態にかかる分配選択型光スイッチを示す図、図１０は、本発明の一実施形態にかかるＭＺＩ型光スイッチを示す図である。

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。

（波長選択スイッチ）
図１に、ＲＯＡＤＭに適用される波長選択スイッチの一例を示す。ＲＯＡＤＭでは、波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch: ＷＳＳ）を用いてＯＣＳ光信号の波長パスをスイッチングする。図１（ａ）は分散平面を示し、図１（ｂ）はスイッチング平面を示している。ＷＳＳ１０は、１×９５のポートを有する導波路フロントエンド１１、コリメートレンズ１２、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）１３および半波長板（Half-Wavelength Plate：ＨＷＰ）１４を含む偏光ダイバーシティ光学系と、回折格子１５、ポート選択シリンドリカルレンズ１６、焦点シリンドリカルレンズ１７およびＬＣＯＳ（Liquid Cristal On Silicon）装置３８を含む空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）とにより構成される。

導波路フロントエンド１１に入力されたＷＤＭ信号は自由空間に放出される。その信号は、垂直方向（ｙ軸方向）にコリメートレンズ１２でコリメートされる。ＬＣＯＳ装置１８は、偏光感度を持っているため、信号がｙ軸に沿って２つの直交偏光線に分かれている場合、偏光ダイバーシティ光学系が使用される。そのうちの１つは、偏光信号がＬＣＯＳ装置１８に直線的に入射するように、ＨＷＰ１４で９０度回転している。次に、その信号は、分散方向がｙ軸に沿っている回折格子１５を通っている。その信号は、ポート選択シリンドリカルレンズ１６によりｘ軸方向でコリメートされ、焦点シリンドリカルレンズ１７によりｙ軸に沿って焦点が決められる。ＳＬＭは、ｙ軸において、同じルートで導波路フロントエンド１１へ信号を反射しながら、ｘ軸においては、導波路フロントエンド１１の異なる位置に信号が当たるように信号を操作している。なお、ｘ軸及びｙ軸をそれぞれスイッチング軸及び分散軸という。

図２に、１×９５波長選択スイッチの透過スペクトルを示す。９５個のＷＤＭチャネルがそれぞれ異なる出力ポートにスイッチングされる。ＬＣＯＳ装置１８は、高い信頼性で空間光変調が可能だが、スイッチングポートの再設定のためには、数１００ミリ秒の時間を要する。

そこで、このようなＷＳＳに、ナノ秒オーダでスイッチング可能な高速光スイッチを組み込むことにより、時間統計多重効果を最大限に発揮可能なノード技術を実現する。

（スイッチング方式）
様々な光伝送信号の制御方法に関して、ＯＣＳ方式とＯＰＳ方式、その中間の特徴を有する光フロー交換（Optical Flow Switching: ＯＦＳ）方式の３つの方式について説明する。図３に、３つの光伝送方式の物理層のスイッチング方式を示す。

波長割当て制御は、光ファイバの利用効率の観点からすべてのスイッチング方式で必要となる。一方、切り替え動作の観点では、ＷＳＳやノード間の連携を必要とするため、秒単位での切り替えとなることから低速の切り替えとなる。負荷状況に応じて能動的にＯＣＳパスを準備し、保存パスとして提供することにより、より適切な対地間にオフローディングパスを提供するプロアクティブ制御・波長保存パス制御を導入する。これにより、ＯＣＳパスの設定時間を短縮し、低速性を補う。仮想ＯＣＳパスは、擬似的な回線交換パスであり、各ノードでの交換はあくまでＯＰＳ処理である。光帯域資源と経路の管理を行うことで、一般のパケットトラヒックとの競合を避けることができる。

スイッチの制御の観点から、パス制御はネットワーク全体で制御するのに対して、ラベル制御はローカルで制御する。ラベル処理による空間パスの切り替えは、伝送損失の増加による伝送特性の劣化を招くことから、一般的に長距離伝送に向かない。このため、パス制御とバス＋ラベル制御との間を適切に切り替え、ＯＣＳ方式とＯＦＳ方式とを適宜共用する。

ＯＦＳ方式では、複数のノードをカットスルーさせるため、フロー制御とパケット制御の切り替えを導入する。

（ノード装置）
図４に、本発明の一実施形態にかかるノード装置の構成を示す。ノード装置２０は、ネットワークコントローラ３０とノードコントローラ２１とが連携し、上述したスイッチング方式のそれぞれについて、装置内のスイッチ制御を行う。ノード装置２０には、入力側の光ファイバに接続されたＷＳＳ２２に、高速選択スイッチ（Fast Selective Switch: ＦＳＳ）２３が接続されている。ＦＳＳ２３は、カットスルー、ＯＣＳ方式のアドドロップ制御を行うＯＣＳ制御部（ＯＣＳＡＤＳ）２４、またはＯＦＳ方式とＯＰＳ方式のアドドロップ制御を行うＯＦＳ／ＯＰＳ制御部（ＯＦＳ／ＯＰＳＡＤＳ）２５への選択スイッチングを行う。ＯＰＳＡＤＳ２４とＯＦＳ／ＯＰＳＡＤＳ２５の出力は、光カプラ２６で束ねられてＷＳＳ２７を経て、出力側の光ファイバから出力される。

ネットワークコントローラ３０とノードコントローラ２１は、波長割当て制御、パス／ラベル制御切替制御、フロー／パケット切替制御のすべてに関して互いに情報をやり取りし、ノード装置２０内のスイッチを制御する。ノードコントローラ２１からの制御信号により、波長割当て制御とパス／ラベル切替制御のモードを切替えながら、ＷＳＳ２２，２７を制御する。ノードコントローラ２１は、パス／ラベル切替制御の信号によりＯＣＳＡＤＳ２４とＯＦＳ／ＯＰＳＡＤＳ２５の振り分け設定をＦＳＳ２３に対して行い、フロー／パケット切替制御の信号によりＯＦＳ光信号／ＯＰＳ光信号のアドドロップ制御をＯＦＳ／ＯＰＳＡＤＳ２５に対して行う。

図５に、本実施形態にかかるノード装置のスイッチング制御法を示す。ＷＳＳ２２，２７とＦＳＳ２３の連携動作をハイブリッド動作と呼び、ハイブリッド動作制御として波長パス確保のためのプロアクティブ波長割当て制御、波長保存パス制御、統計データに基づく動的ラベルテーブル制御、およびフロー制御の機能を収容する。これらの制御のもと、連続信号モードとバースト信号モードの切り替え、ノードの透過数に応じたカットスルー、パケットルーティングの動的なスイッチング制御を実現する。

図６に、本実施形態にかかるノード装置の物理層の接続法を示す。ノード装置２０には、光ファイバに接続された入出力用の光バッファアンプ４１，４２と、カットスルーまたは折り返し制御のための光カプラ４３およびＷＳＳ４４とを含む入力インタフェースに、入力側ＷＳＳ４５が接続されている。入力側ＷＳＳ４５のスイッチングポートには、ＦＳＳ４７と入力側ＯＣＳＡＤＳ４６ａとが接続される。ＦＳＳ４７の出力は、ラベル処理機（Label Processor：ＬＰ）および高速アドドロップ光スイッチ（Fast Add/Drop Switch：ＦＡＤＳ）４８、またはカットスルーされて光カプラ４９に接続される。ＬＰ＋ＦＡＤＳ４８は、ＯＦＳ方式とＯＰＳ方式のアドドロップ機能を有し、その出力は光カプラ４９に接続され、ＦＳＳ４７からカットスルーされた光信号と合波される。合波された光信号は、光カプラ５０において、出力側ＯＣＳＡＤＳ４６ｂから出力された光信号と、さらに合波される。合波された光信号は、出力インタフェースの出力側ＷＳＳ５３のスイッチングポートに出力される。出力インタフェースには、光ファイバに接続された入出力用の光バッファアンプ５１，５２と、出力側ＷＳＳ５３およびカットスルーまたは折り返し制御のための光カプラ５４が含まれている。

また、入力側ＯＣＳＡＤＳ４６ａにはＯＣＳ光信号の受信器５５が接続され、出力側ＯＣＳＡＤＳ４６ｂにはＯＣＳ光信号の送信器５６が接続される。ＬＰ＋ＦＡＤＳ４８には、ＯＰＳ光信号の受信器５７および送信器５８が接続される。

このような構成により、入力側と出力側のＷＳＳの一部のスイッチングポートを利用し、ＦＳＳとＦＡＤＳとを階層的に接続することにより、ネットワークの状況に合わせてＯＣＳ、ＯＦＳ、ＯＰＳを柔軟に切替え可能なノード構成を実現することができる。

（ＦＡＤＳ）
図７に、本発明の一実施形態にかかる高速アドドロップ光スイッチの構成を示す。ＦＡＤＳ６０は、４つの入力ポートＰＩ_１～ＰＩ_４と４つの出力ポートＰＯ_１～ＰＯ_４とを持つ光スイッチ装置とし、ＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号とが同時に転送可能なものとする。ＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号間のアドドロップ用には、１×２光スイッチ６１_１，６１_２の２つと２×１光スイッチ６２_１，６２_２の２つを用いる（第１の光スイッチ部）。ＯＰＳ信号のアドドロップ用に２×２光スイッチ６３_１，６３_２の２つを用いる（第２の光スイッチ部）。

光入力ポートＰＩ_１は、１×２光スイッチ６１_１の入力側に接続され、光入力ポートＰＩ_２は、１×２光スイッチ６１_２の入力側に接続され、光入力ポートＰＩ_３、ＰＩ_４は、２×２光スイッチ６３_１の入力側に接続されている。また、光出力ポートＰＯ_１は、２×１光スイッチ６２_１の出力側に接続され、光出力ポートＰＯ_２は、２×１光スイッチ６２_２の出力側に接続され、光出力ポートＰＯ_３、ＰＯ_４は、２×２光スイッチ６３_２の出力側に接続されている。

１×２光スイッチ６１_１の一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_１により、２×１光スイッチ６２_２の一方の光入力ポートに接続され、１×２光スイッチ６１_１のもう一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_２により、２×２光スイッチ６３_２の一方の光入力ポートに接続される。また、１×２光スイッチ６１_２の一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_３により、２×１光スイッチ６２_２の一方の光入力ポートに接続され、１×２光スイッチ６１_２のもう一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_４により、２×２光スイッチ６３_２のもう一方の光入力ポートに接続される。また、２×２光スイッチ６３_１の一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_５により、２×１光スイッチ６２_１のもう一方の光入力ポートに接続され、２×２光スイッチ６３_１のもう一方の光出力ポートは、光ファイバ６４_６により、２×１光スイッチ６２_２のもう一方の光入力ポートに接続される。

本実施形態に係かかる光スイッチでは、１×２光スイッチ、２×１光スイッチ、及び２×２光スイッチの各スイッチング要素を個別のチップ、またはモジュールとし、それらを光ファイバ接続する構成としたり、もしくは各スイッチング要素を１チップ上に集積し、各スイッチング要素間を光導波路で接続した構成にすることができる。

ネットワークコントローラの制御に従って、高速アドドロップ光スイッチを制御する場合、１×２光スイッチと２×１光スイッチとは、あらかじめ設定したポートへのスイッチングを前提とし、ＯＰＳ光信号の高速スイッチングは２×２光スイッチで行う。具体的には、２×２光スイッチ６３_１及び、２×２光スイッチ６３_２の直前でＯＰＳ信号のラベルを読み取り、ラベルテーブルに基づいてスイッチングを行う。ドロップしないＯＣＳ光信号は、そのままカットスルーされて転送されるため、遅延や損失なく転送が可能である。

（光スイッチ）
ＦＡＤＳ６０の１×２光スイッチ６１_１、６１_２と２×１光スイッチ６２_１、６２_２には、後述する図９に示す分配選択型光スイッチ８０、または図１０に示すＭＺＩ型光スイッチ９０を採用することにより、高速にＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号の切換えが可能である。

最初に、光スイッチ素子の作製方法について述べる。ｎ－ＩｎＰ基板上に、ｎ－ＩｎＰ下部クラッド層、１．４Ｑ組成０．３μｍ膜厚のバルクｉ－ＩｎＧａＡｓＰコア層、ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層、ｐ＋－ＩｎＧａＡｓＰキャップ層を、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）により成長させる。

次いで、フォトリソグラフィとドライエッチングとにより、ハイメサ光導波路構造を有する入力光導波路、１×２光カプラ、光導波路、光吸収ゲートおよび出力光導波路を一括形成する。光導波路構造を形成後、局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene：ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ_２／Ｃ_２Ｆ_６混合ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により基板表面が露出するまでエッチバックし、基板表面を平坦化する。

最後に、光吸収ゲート、１×２光カプラのｐ＋－ＩｎＧａＡｓＰキャップ層上にｐ型電極を形成し、ｎ－ＩｎＰ基板裏面ないし同基板の光導波路構造が形成されていない領域にｎ型電極を形成する。

以上説明したように、ＭＯＶＰＥ成長および光導波路構造の形成を一括に行えるようになる。また、従来の光スイッチ素子と異なり、１×２光カプラと光吸収ゲートとの間で、ｎ－ＩｎＰ上部クラッド層およびｐ＋－ＩｎＧａＡｓＰキャップ層を除去するプロセスが不要となる。ゆえに、作製方法が簡便で、光学的特性を劣化させることなく、かつ、極めて低い光クロストークを有する光スイッチ素子を提供することができるようになる。

図８に、本実施形態の分配選択型光スイッチの光導波路の構成を示す。ｎ－ＩｎＰ基板７１上に、ｎ－ＩｎＰ下部クラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰコア層７３、ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層７４、ｐ＋－ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７５が順に積層されている。ＩｎＧａＡｓＰコア層７３は、膜厚０．３μｍ、幅１．５μｍの１．４Ｑ組成のバルクｉ－ＩｎＧａＡｓＰからなる。これらの設計値は、光スイッチ素子の光学的特性を決める重要なパラメータとなる。

入力信号光波長が、例えば１．５３μｍから１．５７μｍで動作し、低損失、高速かつ低消費電力な動作を実現するためには、下記の条件が満たされることが好ましい。
（１）ＩｎＧａＡｓＰコア層７３の厚さは、入力信号光に対してシングルモード導波条件であり、かつＩｎＧａＡｓＰコア層７３への十分な光閉じ込めを有する条件であり、０．１μｍ～０．４μｍの範囲が望ましい。
（２）ＩｎＧａＡｓＰコア層７３の幅は、入力信号光に対してシングルモード導波条件であり、０．８μｍ～３μｍの範囲が望ましい。
（３）ＩｎＧａＡｓＰコア層７３の組成は、１．３Ｑ～１．５Ｑであり、各電極長はＥＡＭの場合１００μｍ～２０００μｍ、ＭＺＩの場合５０μｍ～１０００μｍの範囲が望ましい。

本実施形態における光スイッチでは、光吸収ゲートのＩｎＧａＡｓＰコア層としてバルク層を用いるように説明してきたが、ＭＱＷ構造としてもよい。その場合は、ＱＣＳＥ効果により高効率に消光できるようになる。また、光導波路構造をハイメサ光導波路構造としているが、それ以外の構造、例えば、リッジ型光導波路構造として作製してもよい。あるいはＩｎＧａＡｓＰコア層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型光導波路構造やリブ型光導波路構造などであってもよい。

本実施形態における光スイッチでは、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いて説明してきたが、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いてもよい。また、シリコン細線光導波路などの材料系を用いてもよい。これらの材料を用いた光導波路構造では、ナノ秒オーダの屈折率又は吸収係数の変化が可能であり、このような高速変化により、ＯＣＳ光信号やＯＰＳ光信号の高速なスイッチングが可能となる。

図９に、本発明の一実施形態にかかる分配選択型光スイッチを示す。分配選択型光スイッチ８０は、１×２光スイッチの構成を有し、光入力ポートＰＩから入力された入力光を、マルチモード干渉（Multi-Mode Interference: ＭＭＩ）光カプラである１×２光カプラ８１を用いて２つの光導波路８２_１，８２_２に分岐し、２つの光導波路８２_１，８２_２は、各光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２を有する光吸収ゲート８３_１，８３_２に接続されている。

光吸収ゲート８３_１、８３_２は、上述したように、ｎ－ＩｎＰ基板、ｎ－ＩｎＰ下部クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰコア層、ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層、ｐ＋－ＩｎＧａＡｓキャップ層を有している。光吸収ゲート８３_１，８３_２は、ｎ－ＩｎＰ基板に設けたｎ型電極を接地しており（電位＝０Ｖ）、光吸収ゲート８３_１、８３_２に設けたｐ型電極にマイナス電圧を印加すると、フランツケルディッシュ（Franz-Keldysh: ＦＫ）効果により、ＩｎＧａＡｓＰコア層における吸収端がシフトし、光吸収ゲート８３_１、８３_２を伝搬する信号光波長での吸収係数が増加する。

このようにして、光吸収ゲート８３_１、８３_２への印加電圧を制御することにより、出力不要な光導波路８２_１，８２_２の一方の光を、対応する光吸収ゲート８３_１、８３_２の一方で吸収することによりスイッチングする。ここで、光吸収ゲートとして用いるＥＡＭにはＳＯＡ等を用いてもよい。

また、図９に示した分配選択型光スイッチ８０は、１×２光スイッチの構成だけでなく、分岐数を増やすことにより１×Ｎ光スイッチを構成することができる。Ｊを２以上の整数とすると、１×Ｊのポート構成の１×Ｊ光スイッチとする場合には、１×Ｊ光カプラとＪ個の光吸収ゲートから構成される。

図１０に、本発明の一実施形態にかかるＭＺＩ型光スイッチを示す。ＭＺＩ型光スイッチ９０は、光入力ポートＰＩから入力された入力光を、ＭＭＩ光カプラである１×２光カプラ９１を用いて、２つのアーム光導波路９２_１，９２_２に分岐し、２分岐された入力光は、アーム光導波路９２_１，９２_２において、制御電極９３_１、９３_２により制御された位相変調による位相差を受けた後に、ＭＭＩ光カプラである２×２光カプラ９４を用いて結合されている。

このようにすると、干渉効果により２つのアーム光導波路９２_１，９２_２間の位相差が、±ｎπであれば、光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２の一方から出力し、±（２ｎ＋１）π／２であれば、光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２の他方から出力される。なお、ｎは０以上の整数である。従って、アーム光導波路９２_１，９２_２の片方の光導波路内に位相変調領域を配置して制御すれば、１×２のスイッチング動作が得られる。

上述した位相変調を得るには、アーム光導波路９２_１，９２_２の屈折率を変化させれば良い。ＩｎＰ系の光導波路では、電圧印加によるＦＫ効果やＱＣＳＥ効果もしくは電流注入によるプラズマ効果を用いて光導波路の屈折率を変化させ、ＬＮ系では電圧印加によるポッケルス効果を用いて光導波路の屈折率を変化させれば、スイッチング動作を行うことができる。また、光強度を２等分するＭＭＩ光カプラは方向性結合器などを用いても良い。

また、ＭＺＩ型光スイッチの場合、１段のＭＺＩだけでなく、ツリー状に複数段のＭＺＩを接続することにより１×Ｎ光スイッチを構成することができる。

また、図１０に示したＭＺＩ型光スイッチ９０の場合、１段のＭＺＩだけでなく、ツリー状に複数のＭＺＩを多段に接続することにより１×Ｎ光スイッチを構成することができる。Ｊを２以上の整数とすると、１×Ｊのポート構成の１×Ｊ光スイッチとする場合には、前段の１×２のＭＺＩ型光スイッチ３０の出力側の２つのポートの各々に、後段の１×２のＭＺＩ型光スイッチ３０の入力側のポートを接続した構成となる。２×２のＭＺＩ型光スイッチを用いる場合には、前段の２×２のＭＺＩ型光スイッチの出力側の２つのポートの各々に、後段の２×２のＭＺＩ型光スイッチの入力側の２つのポートの一方を接続した構成となる。

Claims

光回線交換方式の光信号であるＯＣＳ光信号及び光パケット交換方式の光信号であるＯＰＳ光信号の両方のスイッチングを行うノード装置において、
入力側の光ファイバに接続された第１の波長選択スイッチと、
前記第１の波長選択スイッチに接続され、カットスルー、ＯＣＳ制御部またはＯＦＳ／ＯＰＳ制御部への選択スイッチングを行う高速選択スイッチと、
前記高速選択スイッチのカットスルー出力、前記ＯＣＳ制御部の出力および前記ＯＦＳ／ＯＰＳ制御部の出力に接続された光カプラと、
前記光カプラの出力に接続された第２の波長選択スイッチと、
前記第１および前記第２の波長選択スイッチに対して波長割当て制御を行い、前記高速選択スイッチに対してパス／ラベル切替制御を行い、前記ＯＦＳ／ＯＰＳ制御部に対してフロー／パケット切替制御を行うノードコントローラと
を備えたことを特徴とするノード装置。
前記ＯＦＳ／ＯＰＳ制御部は、ラベル処理機および高速アドドロップ光スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のノード装置。
前記高速アドドロップ光スイッチは、複数の光スイッチからなり、前記光スイッチは、屈折率又は吸収係数がナノ秒オーダで変化する材料の光導波路構造からなり、前記屈折率又は前記吸収係数を変化させることにより、前記ＯＣＳ光信号および前記ＯＰＳ光信号の両方のスイッチングを行うことを特徴とする請求項２に記載のノード装置。
前記高速アドドロップ光スイッチは、
前記ＯＣＳ光信号と前記ＯＰＳ光信号を予め設定した光出力ポートにスイッチングして、前記ＯＣＳ光信号と前記ＯＰＳ光信号との間のアドドロップ処理を行う複数の光スイッチからなる第１の光スイッチ部と、
前記ＯＰＳ光信号を予め設定した前記光出力ポートにスイッチングして、前記ＯＰＳ光信号のアドドロップ処理を行う複数の光スイッチからなる第２の光スイッチ部と
を含むことを特徴とする請求項２に記載のノード装置。
前記高速選択スイッチと前記高速アドドロップ光スイッチとは、１×Ｊのポート構成の１×Ｊ光スイッチであり、少なくとも１つの前記１×Ｊ光スイッチは、１×Ｊ光カプラとＪ個の光吸収ゲートからなることを特徴とする請求項２、３または４に記載のノード装置。
前記高速選択スイッチと前記高速アドドロップ光スイッチとは、１×Ｊのポート構成の１×Ｊ光スイッチであり、少なくとも１つの前記１×Ｊ光スイッチは、複数の１×２マッハツェンダ干渉計または複数の２×２マッハツェンダ干渉計を多段に接続した構成であることを特徴とする請求項２、３または４に記載のノード装置。
前記ノードコントローラは、前記第１および前記第２の波長選択スイッチに対して、プロアクティブ波長割当て制御、波長保存パス制御、統計データに基づく動的ラベルテーブル制御、およびフロー制御を含むハイブリッド動作制御を行うとことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のノード装置。