JP7356050B2 - 光スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光スイッチ装置に関し、より詳細には、大容量光通信ネットワークを支えるための重要な光部品である光スイッチ装置に関する。

近年、通信トラフィックの急激な増大に対応すべく、光通信ネットワークの高速、大容量化が進められている。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。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は、これら２つの方式の組み合わせによる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）やマッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）や半導体光増幅器（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。１×Ｎ光スイッチを構成する従来技術として、たとえば特許文献１に示す２×２光スイッチ素子が提案されている。

図１に、従来の２×２光スイッチ素子の斜視図を示す。図１の２×２光スイッチ素子は、方向性結合器型の光スイッチ素子であり、ｎ－ＩｎＰ基板上に、光入力部（図中のＩ）、光スイッチ部（同II）、光出力部（同III）および光吸収部（同IV）を設けた構成となっている。

より詳細に説明すると、従来の２×２光スイッチ素子は、ｎ－ＩｎＰ基板６上に、ｉ－ＭＱＷ層５、ｉ－ＩｎＰクラッド層４、ｐ－ＩｎＰクラッド層３が順に積層され、ｐ－ＩｎＰクラッド層３は、図１に示すような構造で、細線状に形成されている。さらに、光スイッチ部IIの一方のｐ－ＩｎＰクラッド層３上、および光吸収部IVの両方のｐ－ＩｎＰクラッド層３上には、ｐ^＋－ＩｎＧａＡｓキャップ層２およびｐ形電極１、１０、１１が順に形成されている。ｎ－ＩｎＰ基板６の裏面にはｎ型電極７が形成されている。また、電極が形成されている光スイッチ部IIと光吸収部IVの両端には、電気的分離溝９が設けられている。

入力信号光は、ｉ－ＭＱＷ層５内の、細線状に形成されたｐ－ＩｎＰクラッド層３の下部に位置する部分を導波する。以下、光入力部Ｉ、光スイッチ部II、光出力部IIIおよび光吸収部IVに設けたｐ－ＩｎＰクラッド層３の下部に位置するｉ－ＭＱＷ層５を、それぞれ入力導波路、光スイッチ導波路、出力導波路および光吸収導波路と呼ぶこととする。

入力信号光は、いずれか一方の入力導波路に入力され、光スイッチ導波路に導かれる。光スイッチ導波路では、光スイッチ部IIに設けたｐ形電極1とｎ型電極７との間に所望の電圧を印加することにより、たとえば多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造に起因する量子井戸閉じ込め効果（Quantum Confined Stark Effect：ＱＣＳＥ）により、ｐ形電極１下方の光スイッチ導波路の屈折率を変えることで、いずれか一方の光スイッチ導波路からのみ信号光を出力する。すなわち、光路切り替えを行う。

光吸収部IVでは、信号光が入力された光吸収導波路と異なる光吸収導波路に設けたｐ形電極１と、ｎ型電極７との間に、所望の電界が印加される。これにより、光スイッチ導波路から漏れ出たクロストーク光は光吸収導波路で吸収される一方、光スイッチ導波路から出力された信号光は出力導波路（図１中のＣまたはＤ）へ導かれる。このように、光吸収部IVを備えることにより、光スイッチ導波路からの漏れ光の影響を低減可能な光スイッチ素子を実現している。

ＯＰＳ方式とＯＣＳ方式を統合させたネットワークの実現には、既存のＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）ネットワーク技術への適応が不可欠である。リングネットワークのＲＯＡＤＭにおける光スイッチには、波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch：ＷＳＳ）が用いられているが、ノードにはＷＳＳの機能と高速光スイッチの機能が求められる。ＷＳＳ単体では、ＯＰＳ方式とＯＣＳ方式両方の信号を扱うことができないため、それらを実現する新たなノード技術の実現が必要となる。

ＯＰＳ方式への対応を可能とする場合、光パケットと光パケットとの間でスイッチングする必要があるため、光スイッチには高速性が求められる。光スイッチの高速動作を可能とするためには、ＩｎＰやＳｉなどの半導体にキャリアを注入し、電気光学効果によってスイッチングする構造が一般的となるが、半導体導波路は光閉じ込めが強いため光ファイバとの接続損失は大きく、また、キャリアの吸収などによって伝搬損失が大きくなる傾向がある。ノード装置における損失はＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）などの増幅器によって補償も可能であるが、伝送信号品質の劣化を招くため好ましくない。また、ノード装置の機能に応じて光スイッチのポート数を拡張するほど損失が増加することになる。光スイッチのポート構成は、適用するネットワークやノード構成に関連するため、要求性能に合わせた光スイッチに対して、低損失化の実現が重要な課題となる。

高速スイッチングにおいては、光スイッチ素子の高速動作に加え、宛先認識処理を高速に行う必要がある。伝送信号内に宛先ラベル情報などを加え、光スイッチ素子への入力前にラベルを読み込むことで実現される。光スイッチ素子がディレクションレスであってもラベル認識が必要なため、ノード装置内ではディレクションレスとはならない。図２に示すように、リングネットワークに適用するＯＰＳノード用の光スイッチサブシステムにおいては、２つの入出力を備えるので、双方向通信を行うために、光スイッチにその２倍のポート数が必要となる。また、図３に示すように、メッシュライクなネットワークに適用するＯＰＳノード用の光スイッチサブシステムにおいては、入出力数に対して方路倍のポート数が光スイッチに求められる。

特開平６－５９２９４号公報

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

本発明の目的は、ＯＣＳ方式とＯＰＳ方式の光信号を転送可能なネットワークおよびノード装置における光スイッチに対して、より少ないポート数で低損失な光スイッチ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、一実施態様は、波長選択スイッチを有するノード装置に設けられ、複数の光入力ポートと複数の光出力ポートを有する光スイッチ装置において、前記波長選択スイッチの後段に配置され、複数の光スイッチからなる高速アドドロップ光スイッチであって、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スイッチングを行い、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前記光スイッチからなる第１の光スイッチ部、並びに前記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光信号のドロップ処理を行う前記光スイッチ及び前記ＯＰＳ信号を第１の光スイッチ部の光入力ポートにスイッチングしてアド処理を行う前記光スイッチからなる第２の光スイッチ部を有する、高速アドドロップ光スイッチと、前記高速アドドロップ光スイッチの入力ポートと出力ポートのそれぞれに接続された複数のサーキュレータとを備えたことを特徴とする。

図１は、従来の２×２光スイッチ素子を示す斜視図、 図２は、リングネットワークに適用するＯＰＳノード用の光スイッチサブシステムを示す図、 図３は、メッシュライクなネットワークに適用するＯＰＳノード用の光スイッチサブシステムを示す図、 図４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５は、本実施形態の分配選択型光スイッチの透過率を示す図、 図６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、 図７は、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの透過率を示す図、 図８は、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの変形例を示す図、 図９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１０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１１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１２は、本実施形態の高速アドドロップ光スイッチに適用される２×２光スイッチの構成を示す図、 図１３は、本実施形態の高速アドドロップ光スイッチに適用される２×２光スイッチの構成を示す図、 図１４は、多入力多出力のノード装置に適用する高速アドドロップ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。
（光スイッチ）

ＯＰＳ方式の光信号のスイッチングにおいて用いる、高速光スイッチについて説明する。スイッチング機構には、図４に示す分配選択型光スイッチや、図５に示すＭＺＩ型光スイッチを用いる。

図４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２０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２１を用いて２つの光導波路２２_１，２２_２に分岐し、２つの光導波路２２_１，２２_２は、各光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２を有する光吸収ゲート２３_１，２３_２に接続されている。

光吸収ゲート２３_１、２３_２は、後述するように、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２３_１，２３_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２３_１、２３_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２３_１、２３_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２３_１、２３_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２２_１，２２_２の一方の光を、対応する光吸収ゲート２３_１、２３_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。

図５に、本実施形態の分配選択型光スイッチの透過率を示す。光吸収ゲート２３_１、２３_２にＥＡＭを用いた場合、例えば、印加電圧－３Ｖで消光比２０ｄＢ以上、印加電圧－７Ｖで消光比４０ｄＢ以上を得ることができる。

また、図４に示した分配選択型光スイッチは、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６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３０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３１を用いて、２つのアーム光導波路３２_１，３２_２に分岐し、２分岐された入力光は、アーム光導波路３２_１，３２_２において、制御電極３３_１、３３_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３４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３２_１，３２_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３２_１，３２_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３２_１，３２_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。

図７に、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの透過率を示す。２つのアーム光導波路３２_１，３２_２への注入電流が０ｍＡの場合、入力信号光は、図６における光出力ポートＰＯ_１側に出力される。制御電極３３_１、３３_２のどちらか一方に電流を注入すると、注入した方のアーム光導波路の屈折率が変化し、伝搬する光の位相が変化する。このアーム光導波路への注入電流が５ｍＡ程度となったとき、光出力ポートＰＯ_１からの出力は最小となり、光出力ポートＰＯ_２への光出力が最大となる。このとき、光出力ポートＰＯ_１への光出力と光出力ポートＰＯ_２への光出力との比は２０ｄＢ以上が得られる。

図８は、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの変形例を示す。ＭＺＩ型光スイッチ３０の場合、光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２における消光比の向上が困難であるため、分配選択型光スイッチに用いられる光吸収ゲート３５_１、３５_２を、光出力ポートＰＯ_１，ＰＯ_２に付加してもよい。

また、図６に示したＭＺＩ型光スイッチ３０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。後述する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。
（光スイッチの作製方法）

次に、高速動作可能な光スイッチとなる分配選択型光スイッチ２０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２１、光導波路２２_１，２２_２、光吸収ゲート２３_１，２３_２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２３_１，２３_２、１×２光カプラ２１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２１と光吸収ゲート２３_１，２３_２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９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４１上に、ｎ－ＩｎＰ下部クラッド層４２、ＩｎＧａＡｓＰコア層４３、ｐ－ＩｎＰ上部クラッド層４４、ｐ＋－ＩｎＧａＡｓＰキャップ層４５が順に積層されている。ＩｎＧａＡｓＰコア層４３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４３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４３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４３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４３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２３_１，２３_２のＩｎＧａＡｓＰコア層４３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。
（ノード装置）

図１０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。ノード装置に適用する光スイッチサブシステムとして、４入力４出力を有する高速アドドロップ光スイッチの構成を説明する。高速アドドロップ光スイッチ５１の２入力２出力は、他ノードから他ノードに接続される伝送信号線とし、他の２入力２出力をトランスミッタ５３_１，５３_２及びレシーバ５４_１，５４_２に接続する。高速アドドロップ光スイッチ５１に接続される伝送信号線には、それぞれサーキュレータ５２_１～５２_４を配置し、高速アドドロップ光スイッチの入出力及び伝送信号線への入出力を選択する。サーキュレータ５２_１～５２_２のポートの接続は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ａとし、Ａから入力された光はＢに出力され、Ｂから入力された光はＣに出力され、Ｃから入力された光はＡに出力される。

ノード装置に入力された信号光について説明する。入力１から入力された光は、サーキュレータ５２_１を通過し、高速アドドロップ光スイッチ５１に入力される。高速アドドロップ光スイッチ５１でドロップされる信号は、レシーバ５４_１，５４_２に接続され、スルーされる信号は、入力４につながるサーキュレータ５２_４へ入力され、出力１から出力される。逆方向の入力４から入力された光は、同様にドロップされる信号はレシーバ５４_１，５４_２に接続され、スルーされる信号は出力４から出力される。
（高速アドドロップ光スイッチ）

図１１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。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。

上記の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、図４に示した分配選択型光スイッチ２０、または図６に示したＭＺＩ型光スイッチ３０を採用することにより、高速にＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号の切換えを可能とする。

図１２に、本実施形態の高速アドドロップ光スイッチに適用される２×２光スイッチの構成を示す。ＭＺＩ型光スイッチ７０は、２つの光入力ポートＰＩ_１、ＰＩ_２に接続されたＭＭＩ光カプラである２×２光カプラ７１と、２つの光出力ポートＰＯ_１、ＰＯ_２に接続されたＭＭＩ光カプラである２×２光カプラ７４との間を、位相制御用の制御電極７３_１、７３_２がそれぞれ設けられた２つのアーム光導波路７２_１，７２_２により接続している。

図１３に、本実施形態の高速アドドロップ光スイッチに適用される２×２光スイッチの他の例を示す。図４に示した分配選択型光スイッチ２０または図６に示したＭＺＩ型光スイッチ３０を採用した４つの１×２光スイッチ７０_１～７０_４対向させて接続し、２×２光スイッチを構成することもできる。

１×２分配選択型光スイッチを向い合せて接続した２×２光スイッチを採用することで、高速なＯＰＳ信号の処理を可能とする。また、ＭＺＩ型光スイッチは消光比の向上が困難であるため、分配選択型光スイッチに用いられる光ゲートと組み合わせてもよい。

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同一のチップ上にモノリシックに集積し、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。

本実施形態では、４入力４出力のノード装置に適用する高速アドドロップ光スイッチの例を説明した。さらに、多くの入出力ポート数を有するノード装置に適用する場合について説明する。図１４に、多入力多出力のノード装置に適用する高速アドドロップ光スイッチを示す。Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎを１以上の整数として、ＯＣＳ光信号のカットスルー用にＬポート、ＯＰＳ光信号のアドドロップ用にＫポートとする。ＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号間のアドドロップ用には、Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチ８１と、（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチ８２とを用いる（第１の光スイッチ部）。ＯＰＳ信号のアドドロップ用にＫ×Ｍ光スイッチ８３，８４の２つを用いる（第２の光スイッチ部）。

なお、ＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号のアドドロップ用の光スイッチの入出力は、Ｎポートとしたが、１ポートとしてスイッチをＮ個に分割してもよい。その場合は、Ｋポート、Ｌポートの総数を合わせる必要がある。また、Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチの後段に光吸収ゲートを設けてもよい。
（高速アドドロップ光スイッチの制御）

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。

本実施形態によれば、ＷＳＳベースのＲＯＡＤＭに対して、ＯＣＳ光信号とＯＰＳ光信号との間のアドドロップ専用の１×２光スイッチと２×１光スイッチを導入し、波長選択スイッチの後段に高速光スイッチを配置することにより、ＯＣＳ光信号へのデメリットを与えず、ＯＣＳ方式とＯＰＳ方式両方の信号を扱うことが可能となる。さらに、各光スイッチのポート数、及び光ファイバ接続をネットワーク形態に最適化することにより、高速光スイッチの欠点である損失を抑えたノード装置の構成が可能である。

Claims (7)

1. 波長選択スイッチを有するノード装置に設けられ、複数の光入力ポートと複数の光出力ポートを有する光スイッチ装置において、
   前記波長選択スイッチの後段に配置され、複数の光スイッチからなる高速アドドロップ光スイッチであって、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スイッチングを行い、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前記光スイッチからなる第１の光スイッチ部、並びに、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光信号のドロップ処理を行う前記光スイッチ及び前記ＯＰＳ信号を第１の光スイッチ部の光入力ポートにスイッチングしてアド処理を行う前記光スイッチからなる第２の光スイッチ部を有する、高速アドドロップ光スイッチと、
   前記高速アドドロップ光スイッチの入力ポートと出力ポートのそれぞれに接続された複数のサーキュレータと
   を備えたことを特徴とする光スイッチ装置。
2. 前記第１の光スイッチ部でのスイッチングを制御するネットワークコントローラと、
   前記第２の光スイッチ部でのスイッチングを前記ＯＰＳ光信号のラベルに基づいて制御するラベルテーブルと
   をさらに備え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. Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎをそれぞれ１以上の整数とすると、
   前記第１の光スイッチ部は、Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）のポート構成のＮ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチと（Ｋ＋Ｌ）×Ｎのポート構成の（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチとを有し、
   前記第２の光スイッチ部は、Ｍ×Ｋのポート構成のＭ×Ｋ光スイッチとＫ×Ｍのポート構成のＫ×Ｍ光スイッチとを有し、
   前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチの出力側のＬ個のポートを前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチの入力側のＬ個のポートに接続し、前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチの出力側のＫ個のポートを前記Ｋ×Ｍ光スイッチの入力側のＫ個のポートに接続し、
   前記Ｍ×Ｋ光スイッチの出力側のＫ個のポートを前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチの入力側のＫ個のポートに接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スイッチ装置。
4. Ｊを２以上の整数とすると、
   前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチ、前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチ、前記Ｍ×Ｋ光スイッチ及び前記Ｋ×Ｍ光スイッチの各々は、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３に記載の光スイッチ装置。
5. Ｊを２以上の整数とすると、
   前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチ、前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチ、前記Ｍ×Ｋ光スイッチ及び前記Ｋ×Ｍ光スイッチの各々は、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３に記載の光スイッチ装置。
6. 前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチの後段に光吸収ゲートを設けたことを特徴とする請求項３、４または５に記載の光スイッチ装置。
7. 前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチと前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチとの間、前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチと前記Ｋ×Ｍ光スイッチとの間、および前記Ｍ×Ｋ光スイッチと前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチとの間は、光導波路により接続され、
   前記Ｎ×（Ｋ＋Ｌ）光スイッチ、前記（Ｋ＋Ｌ）×Ｎ光スイッチ、前記Ｍ×Ｋ光スイッチ、前記Ｋ×Ｍ光スイッチ、および前記光導波路は、同一チップ上にモノリシック集積されたことを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項に記載の光スイッチ装置。

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