WO2004051359A1

WO2004051359A1 - 光信号交換装置並びに光スイッチの制御装置及び制御方法

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Publication number: WO2004051359A1
Application number: PCT/JP2002/012666
Authority: WO
Inventors: Atsuo Ishizuka
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-06-17
Also published as: JPWO2004051359A1

Description

光信号交換装置並びに

光スィツチの制御装置及び制御方法技術分野

本発明は、高速 ·大容量の波長分割多重（WDM： Wavelength Division Multiplexing)システムにおける光クロスコネクト装置ゃ光ァド Zドロップ装置、波長ルー夕装置等で用いられる光ス明ィッチの制御装置及び制御方法に関する。背景技術書

大容量光通信網を構築する有力な手段として WDM方式があるが、近年のィン夕一ネットの爆発的な普及とともに、そのトラフィックが爆発的に増加している。基幹光ネットワークにおける光クロスコネクト（OXC： Optical Cross- Connect) システムは、光ファイバに障害が発生した場合、即時に予備の光ファイバゃ別ル —卜の光ファイバに自動的に迂回してシステムを高速に復旧させることができる他、波長単位での光パスの編集、波長変換可能な特徴を有する。

図 5に OXCシステムの一例を模式的に示す。この図 5に示す OXCシステムは、複数の光ノード（光信号交換装置） 1 0 0がメッシュ状に接続されて構成されており、各光ノ一ド 1 0 0は、それぞれ、例えば、プリアンプ 1 0 1，デマルチプレクサ（光分波器） 1 0 2，光スィッチ 1 0 3，マルチプレクサ（光合波器） 1 0 4及びポストアンプ（EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier) 1 0 5等をそなえて構成されている。

ここで、プリアンプ 1 0 1は、入力光伝送路から入力される WDM信号を所定のレベルにまで波長一括増幅するものであり、デマルチプレクサ 1 0 2は、このプリアンプ 1 0 1から出力される WDM信号を波長 (チャンネル) ごとの光信号に分離するものである。なお、これらのプリアンプ 1 0 1及びデマルチプレクサ 1 0 2は、それぞれ、光ノード 1 0 0が収容する入力光伝送路ごとに設けられている。また、光スィッチ 1 0 3は、上記の各デマルチプレクサ 1 0 2から出力される波長ごとの光信号を所定の入力ポートから受けて、任意の出力ポートへ出力することにより、入力光信号の波長単位のクロスコネクトを行なうものである。さらにマルチプレクサ 1 0 4は、この光スィッチ 1 0 3から出力される、異なる波長の光信号を波長多重して WDM信号を出力するものであり、ポストアンプ 1 0 5は、マルチプレクサ 1 0 4からの WDM信号を次光ノードへの伝送にそなえて所定のレベルにまで波長一括増幅するものである。なお、これらのマルチプレクサ 1 0 4及びポストアンプ 1 0 5も、それぞれ、出力光伝送路ごとに設けられている。

このような構成により、光ノード 1 0 0では、それぞれ、或る入力伝送路から受信された WDM信号が対応するデマルチプレクサ 1 0 2にて波長ごとの光信号 (以下、チャンネル信号ともいう）に分離されたのち、光スィッチ 1 0 3にて波長単位のクロスコネクトが行なわれる。したがって、光スィッチ 1 0 3の任意の入力ポートに入力されたチャンネル信号を任意の出力ポート、つまり、任意の出力光伝送路へ出力させることができる。

OXCシステムとしては、他に、例えば図 6に模式的に示すような、光アド/ド口ップ（OADM： Optical Add/Drop Multiplexing) リングシステムが知られている。このリングシステムは、基幹ネットワークの下位に位置する県内 ·都巿網でよく用いられ、 1波長ごとの光信号を電気信号に変換することなく、そのまま任意に出し入れ（アド · ドロップ）することが可能である。

なお、この図 6に示すリングシステムを構成する光ノード 1 0 0は、図 5により上述した光ノ一ド 1 0 0と同様の機能を用いて実現でき、この場合も、例えば、プリアンプ 1 0 1 , デマルチプレクサ（光分波器） 1 0 2 , 光スィッチ 1 0 3，マルチプレクサ（光合波器） 1 0 4及びポストアンプ（EDFA) 1 0 5等がそなえられる。

そして、この場合は、光スィッチ 1 0 3での波長単位のクロスコネクトにより、 SONET (Synchronous Optical NETwork) 伝送装置 2 0 0や下位（トリビュータリ側）に位置するルータ 3 0 0からの光信号を、リングシステム上を伝送する WDM信号の空き波長にァドしたり、逆に、リングシステム上を伝送する WDM 信号から任意の波長の光信号を SONET伝送装置 2 0 0やルー夕 3 0 0にドロップしたりすることが可能になる。

したがって、或る地点でトラフィックが増加した場合に、波長の割り当てをダイナミックに変更することによって帯域を自動的に拡張して転送可能容量を増やすなど、ユーザの利用状況に合わせてネットワーク構成を自動的に変更することが可能である。

ただし、既存の光スィッチ 1 0 3は、光信号を一旦電気信号に変換して信号の伝達先を切り替え、その後、再び光信号に変換するタイプのものが主流である。しかし、データ転送速度が 10Gb/s (ギガビット毎秒）を超え、また、チャンネル数も増加してくると、光電気変換が前提ではデータ転送速度及び装置規模の縮小化に対応できないので、光信号の速度（ビットレート）に依存しない OXC/OADM 装置を構成することが望まれている。

現在は、入力ポート数が 3 2、出力ポート数が 3 2 ( 3 2 X 3 2チャンネル）の光スィッチモジュールが実現されており、このような光スィツチモジュールを多段接続して非閉塞（ノンブロッキング）のスィッチ網（光スィッチ 1 0 3 ) を構築した例もある。

具体例として、光学的スィツチング素子として可動式のマイクロミラーを用いたものがある。即ち、静電力や電磁力によりマイクロミラーの向きを制御して、光信号の伝播する方向を切り替えるというものである。なお、上記マイクロミラ —は、 MEMS (Micro Electro Mechanical System) 技術を用いて形成される。そして、光スィッチモジュールは、多数のマイクロミラーを 2次元（X方向及び Y方向）に配列して構成される。

このようなメカニカルなマイクロミラー光スィツチに対し、可動部のない非メ力二カルな光スィッチも提案されている。例えば、電気光学効果を利用したスィツチング素子（光偏向素子）として、特開平 9-5797号公報（以下、特許文献 1 という）等で開示されているものがある。図 7 Aは本特許文献 1による光偏向素子を示す模式的平面図、図 7 Bは図 7 Aにおける A矢視図である。

これらの図 7 A及び図 7 Bに示すように、特許文献 1の光偏向素子は、導電性又は半導電性の単結晶基板 4 0 1の上に電気光学効果を有する光導波路 4 0 2が形成され、更にその上に上部電極 4 0 3が形成されている。

また、上部電極（プリズム電極） 4 0 3は、入射光の光軸に対し直交する辺（以下、底辺という） 4 0 3 aと斜めに交差する辺（以下、斜辺という） 4 0 3 bとを有するくさび（テ一パ）形状（直角三角形状）に形成されている。

このように構成された光偏向素子において、光は図 7 Aに示すように、上部電極 1 2の底辺 4 0 3 a側から光導波路 4 0 2に入射し、上部電極 4 0 3の斜辺 4 0 3 b側から出射する。ここで、基板 4 0 1を下部電極とし、上部電極 4 0 3との間に電圧を印加すると、光導波路 4 0 2のうち上部電極 4 0 3の下方部分の屈折率が変化し、周囲との間に屈折率の差が生じる。このため、光導波路 4 0 2を伝播する光は、屈折率が変化する部分で屈折して進行方向が変化する。即ち、上部電極 4 0 3と基板 4 0 1との間に印加する電圧を変化させることで、光の出射方向を制御することができる。

そして、例えば、特開 2002-318398号公報（以下、特許文献 2という）に記載されているように、上記プリズム電極 4 0 3を入射側及び出射側にそれぞれ対向して配置して、電気光学効果光スィッチの小型化を図る提案もなされている。図 8はかかる特許文献 2により提案されている光スィツチモジュール（以下、公知例 2ともいう）の模式的平面図で、この図 8に示す光スィツチモジュールは、入射側光導波路部 5 0 1 , コリメート部 5 0 2，入射側光偏向素子部 5 0 3 , 共通光導波路 5 0 4 , 出射側光偏向素子部 5 0 5 , 集光部 5 0 6及び出射側光導波路部 5 0 7をそなえて構成されている。なお、これらの入射側光導波路部 5 0 1，コリメート部 5 0 2，入射側光偏向素子部 5 0 3，共通光導波路 5 0 4 , 出射側光偏向素子部 5 0 5 , 集光部 5 0 6及び出射側光導波路部 5 0 7は、基板上に一体的に形成されている。

ここで、入射側光導波路部 5 0 1は、複数本の入力ポートとして機能する光導波路（コア） 5 0 1 aと、これらの光導波路 5 0 1 aを被覆して屈折率の差により光を光導波路 5 0 1 a内に閉じ込めるクラッド層 5 0 1 bとにより構成されている。出射側光導波路部 5 0 7も、これと同様に、複数本の出力ポートとして機能する光導波路（コア） 5 0 7 aと、これらの光導波路 5 0 7 aを被覆して屈折率の差により光を光導波路 5 0 7 a内に閉じ込めて伝播するクラッド層 5 0 7 b とにより構成されている。

なお、入射側光導波路部 5 0 1の光導波路（入力ポート） 5 0 1 aの数と、出射側光導波路部 5 0 7の光導波路（出力ポート） 5 0 7 aの数は同じ（n ) である。つまり、この場合は、 n X nの光スィッチモジュールとなる。ただし、勿論、光導波路 5 0 1 aの数と光導波路 5 0 7 aの数とは異なっていてもよい。

コリメ一卜部 5 0 2は、入射側光導波路部 5 0 1の各光導波路 5 0 1 aから入射される複数の光信号をそれぞれ個別にコリメートするもので、このために、 n 個のコリメートレンズ 5 0 2 aにより構成されている。各コリメ一トレンズ 1 0 2 aは、それぞれ光導波路 5 0 1 aの端部から若干離れた位置に配置されている。これにより、光導波路 1 0 1 aから出射された光は放射状に広がるが、コリメ一トレンズ 1 0 2 aによって平行光となる。

入射側光偏向素子部 5 0 3は、このコリメート部 5 0 2を通過した各光信号の伝播方向を、電気光学効果（ポッケルス効果）を利用してそれぞれ個別に切り替えるためのもので、 n個の光偏向素子 5 0 3 aがそれぞれコリメートレンズ 5 0 2 aからその光軸方向に若干離れた位置に配置されている。各光偏向素子 5 0 3 aは、それぞれ、いずれも 1つ又は複数のプリズムペアにより構成され、当該プリズムペアは、 PLZT ( (Pb, La) (Zr, Ti) 0₃) ) などの電気光学効果を有する材料で形成された光導波路〔スラブ（slab) 型導波路〕 4 0 2上に、くさび形状 (例えば、三角形状）に形成され、くさび先端方向が逆となるようにスラブ型導波路 4 0 2の光信号領域上に配置された第 1及び第 2の前記上部電極 4 0 3 ( 4 0 3 a , 4 0 3 b ) 及び第 1及び第 2の前記下部電極 4 0 1 ( 4 0 1 a , 4 0 1 b ) とにより構成されている。

共通光導波路 5 0 4は、入射側光偏向素子部 5 0 3を通過した光を出射側光偏向素子部 5 0 5へ伝播する。この共通光導波路 5 0 4には複数の光信号が同時に通るが、これらの光信号は共通光導波路 5 0 4内を決められた方向に直進するので、他の光信号と干渉することなく伝達される。なお、図 9に入射側の光偏向素子部 5 0 3 aと出射側の光偏向素子部 5 0 5 aとの間の光路（光パス）の一例を模式的に示す。

出射側光偏向素子部 5 0 5は、共通光導波路 5 0 4を通過した各光信号の伝播方向を、電気光学効果を利用してそれぞれ個別に切り替えるもので、入射側光偏向素子部 5 0 3と同様に、 n個の光偏向素子 5 0 5 aが設けられている。これらの光偏向素子 5 0 5 aは、それぞれ、光偏向素子 5 0 3 aと同様の構造を有し、共通光導波路 5 0 4を通って光偏向素子 5 0 5 aに到達した光を、光導波路 5 0 7 aに平行な方向に偏向する。

集光部 5 0 6は、 n個の集光レンズ 5 0 6 aにより構成されており、これらの集光レンズ 5 0 6 aによって、光偏向素子 5 0 5 aを通過した光が集光されて光導波路 5 0 7 aに導かれるようになつている。

このような光スィッチモジュールによれば、各光偏向素子部 5 0 3及び 5 0 5 において、第 1の上部電極 4 0 3 aと第 1の下部電極 4 0 1 aとの間で光の伝播方向を変更し、第 2の上部電極 4 0 3 bと第 2の下部電極 4 0 3 bとの間で光の伝播方向を更に変更するので、光の伝播方向を大きく変えることができるという利点がある。

また、第 1及び第 2の上部電極 4 0 3 a， 4 0 3 bをそれらのくさび先端が相互に逆方向となるように配置し、第 1の上部電極 4 0 3 aに第 1の下部電極 4 0 1 aを対向させ、第 2の上部電極 4 0 3 bに第 2の下部電極 4 0 1 bを対向させているので、電極の配置密度が高いという利点もある。なお、その他の本光スィツチモジュールの作用効果については、特許文献 2に詳細に記載されているので省略する。

しかしながら、本特許文献 2に示されるような構成の光スィッチモジュールにおいては、電気光学定数の温度依存性や経時的なドリフト、光結合系の温度依存性等の変動要因があるため、光スィッチモジュール組立後の調査で、最大光結合効率を得られる最適電圧（電極 4 0 1， 4 0 3に印加する電圧）を初期設定値として求めておいても、様々な変動要因により十分な光結合効率を得ることができないことがある。

例えば、上記特許文献 2の光スィッチモジュールにおいて、入射側のコリメ一ト部 5 0 2が光入射方向と垂直方向に 5 0 mずれた場合、光結合効率は 5 d B 低下する。また、温度変動時には、コリメート部 5 0 2と共通光導波路 5 0 4との熱膨張係数の差異により上記光学系のずれが生じることが予想される。さらに、本特許文献 2の光スィツチモジュールのように電気光学効果を有する材料により作製された光偏向素子 503 a, 505 aにおいては、印加電圧に対する偏向角の特性が経時的又は温度で変化する可能性がある。

以上のことから、特許文献 2の光スィッチモジュールにおいては、光出力パヮ一をモニタし、光出力パワーが変動しないようにフィードバック制御を行なうことが必要になる。ここで、従来例を説明するため、くさび電極による光ビーム偏向角について考える。電気光学効果を有する厚さ dのスラブ導波路の上下にくさび型電極を対向させ電圧 Vを印加したとき、 1次の電気光学効果（ポッケルス効果）による屈折率変化 Δηは次式（1) で与えられる。 An = --r-n³ -- … (1)

2 d

なお、上記の式（1) において、 rは電界方向の電気光学定数（ポッケルス定数 TE モード）、 nは異常光に対する屈折率を表す。また、図 1 OAに示すように、くさび電極への入射角を Θ _in、入力端での偏向角を α、出射角を 0。_utとしたとき、 θίη, 9_0Ut, ひにおいて、全て近軸光線近似が成り立つとすると、 0_inと 0。_utには以下の式（2) に示す関係が成り立つ。

また、プリズムペアの場合（図 10B) は以下の式（3) で表される。

Θ -2·— ·— ··· (3)

W n

次に、図 8に示した光学系に、ガウシアンビームモデルを適用し、入出力ファィバ間光結合効率を算出する。図 11に示すように、光学参照面 700を入出力の中間点とし、横方向を z軸、縦方向を X軸、紙面垂直方向を y軸と定義し、偏向角は近軸光線近似が成り立つ程度に小さいものとする。また、入出力は参照面 700に対し対称であり、入力光と出力光のスポットサイズ及び参照面 700からビームウェストまでの距離は等しいものとする。このとき、ガウシアンビームの光結合効率 Vは次式 (4) ， (5) で表される。

ここで、 λは波長、 wはビームウェスト幅、 zは参照面 7 0 0からビームゥェストまでの距離をそれぞれ表す。また、 Δ χは参照面 7 0 0における光軸交差位置ズレ、 Δ 0は同じく光軸交差角度ズレをそれぞれ表す。

入射側プリズムペア 5 0 3 aに印加する電圧を Vin、出射側プリズムペア 5 0 6 aに印加する電圧を Vout とすると、ある入力チャンネル mからある出力チヤンネル nへの光パスが確立されるとき、理想的には Vin二 Voutとなる。即ち、コリメート部 5 0 2を出射し、入射側プリズムペア 5 0 3 aで偏向したビームは、出射側プリズムペア 5 0 6 aによりコリメート部 5 0 2を出射したビームと平行な角度に偏向され、集光部 5 0 6に入射する。これら Vin， Vout の値をパス確立時の初期値（パス情報）とする。このパス情報は、メモリを参照することにより与えられる。

上述のように、温度変化や経時変化等の変動要因により、上記初期値が最適な光結合状態からずれることが考えられるが、光パワーが十分検出（モニタ）できる程度になる。この状態になると、 Vin， Vout のフィードバック制御が行なえるようになる。光結合効率を最大にする制御（最適結合制御）においては、 Vin 又は Vout は、フィードバック制御により検出される光パワーが最大になるところに微量にその値が調整されることになる。

ここで、 Vin, Vout の変化に対する光結合効率を計算すると、図 1 2 Aに示すような分布が得られる。図 1 2 Bは図 1 2 Aに示す光結合効率の分布の等高線マップを示す図である。なお、これらの図 1 2 A及び図 1 2 Bにおいて光結合効率は規格化しており、等高線マップは Vin軸、 Vout軸に対して、傾いた楕円の分布となる。

このような光結合効率の分布をもつ制御系に対し、従来の制御方式では、 Vin, Vout を交互に微調整することでフィードバック制御を行なっていた。つまり、従来の制御方式は、上記等高線マップの Vin軸、 Vout軸に沿った制御である。この方式によれば、ピーク点探査方向の誤認識ゾーンが発生することになる。その例を図 13に示す。

まず、図 13中の X点からピーク点（P点）に到達するまでのプロセスを考える。 Vin軸と平行に A— A' 断面に沿ってフィードバック制御を開始して、単位ステップ（AVin) 動作後の光出力パワー（光結合効率）と直前のパワーとを比較し、パワーが増加する方向に Vinを変化させる。数ステップ後にパワーがピーク X' を超えた時点で Vin軸に平行な制御は一旦終了し、 Vout軸に沿った制御に移行する。

同様に、 Vout軸に平行な制御は、単位ステツプ Δ Voutのステツプで行なわれ、 Β-Β' 断面のピーク点 Υで終了する。かかる動作を繰り返し、ピーク点 Ρを探索する。ピーク点 Ρは Vinの（+ ) 軸，（―）軸及び Voutの（+ ) 軸，（一）軸のどの方向に移動してもパワーが減少する点をピーク点と決定し、探索を完了する。

上述したフィードバック制御アルゴリズムを、図 14を用いて説明すると、まず、入出力チャンネル情報をメモリから読み出して（ステップ Al)、制御対象のプリズムペア 503 a, 505 aを選択し、選択したプリズムペア 503 a , 5 05 aに対する印加電圧（Vin， Vout) (初期値）を決定し（ステップ A 2)、決定した電圧をプリズムペア 503 a, 505 aに印加する（ステップ A3)。ここで、光出力パワーをモニタし受信レベルを検出（AZDコンバータ出力値検出等）し（ステップ A4)、光出力パワーが検出できない等の異常が無いかを判定し（ステップ A 5)、異常がある場合（ステップ A 5で NOの場合）は、上記ステツプ A 1からの処理が再び実行される。つまり、以上の処理は、入出力チャンネル情報に基づいて制御対象のプリズムペア 503 a, 505 aに印加すべき初期電圧を決定するフィ一ドフォヮード制御を意味する。

一方、モニタした光出力パワーに異常がない場合（ステップ A 5で YESの場合）は、次のフィードバック制御に移行する。即ち、まず、入射側プリズムペア 503 aの印加電圧 Vinを AVinだけ増加し（ステップ A 6)、そのときの受信レベル（AZD値）を検出する（ステップ A 7)。 AZD値が増加すれば（ステツプ A8で YESの場合）、探査方向として正しい方向と判断し、さらに AVinだけ増加する（ステップ A9)。逆に、 A/D値が減少すれば（ステップ A8で NO の場合)、探査方向を誤ったと判断し、 Vinを△ Vinだけ減少させる（ステップ A 12

その後、 AZD値が減少するまで（ステップ A 11又は A 14で NOと判定されるまで） Vinの増加を繰り返し（ステップ A 10又は A 14、及び、ステップ A 1 1又は A14の YESルート）、 A/D値が減少した時点でこの Vin軸に沿つた制御を停止し、 Vout軸の制御（出射側プリズムペア 505 aの印加電圧制御）に移行する（ステップ A 15)。

Vout軸方向の制御も上述した Vin軸方向の制御と同様に行ない（ステツプ A 16〜A24)、再度、 Vin軸方向の制御に移行する（ステップ A25)。以上のループを所定回数（N回）繰り返す（ステップ A26の NOルート）ことによりピーク点探査は完了する（ステップ A 26の YESルート）。

しかしながら、このような制御方法では、最短制御のコースは図 13中の符号 602で示す経路であるにもかかわらず、出発点 Xが誤認識ゾーン 600中にある場合には、探査開始方向が最短コース 602と正反対になる（経路 601参照)。したがって、ピーク点 Pに収束するまでに大きく迂回することになり、フィードバック制御に非常に時間がかかり、光スィッチモジュールでの光パス切替が大幅に遅延してしまう。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、光信号交換装置で用いられる光スィツチの切替制御に要する時間を短縮化して光スィツチの切替制御を高速化することを目的とする。発明の開示

上記の目的を達成するために、本発明の光信号交換装置は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スィツチと、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニ夕するモニタ手段と、該モニタ手段によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行して制御する制御手段とをそなえたことを特徴としている。

また、本発明の光スィッチの制御装置は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スィツチの制御装置であって、該出力ポー卜への光信号の光結合効率をモニ夕するモニタ手段と、該モニタ手段によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行して制御する制御手段とをそなえたことを特徴としている。

さらに、本発明の光スィッチの制御方法は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スィツチの制御方法であって、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモ二夕し、モニタした光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行.して制御することを特徴としている。図面の簡単な説明

図 1は本発明の光ノード（光信号交換装置）の構成を示すブロック図である。図 2は本実施形態に係る光結合効率の等高線マップの一例を示す図である。図 3は本実施形態の光スィツチの制御方法を説明するためのフローチヤ一卜である。

図 4は本実施形態の光スィツチの制御方法を説明すべく光結合効率の等高線マップを示す図である。

図 5は従来の OXCシステムの一例を示すブロック図である。

図 6は従来の OXCシステム（光ァド 7ド口ップリングシステム) の一例を示すブロック図である。

図 Ί Aは従来の光偏向素子を示す模式的平面図である。

図 7 Bは図 7 Aの A矢視図である。

図 8は従来の電気光学効果を利用した光スィツチモジュールの構成を示す平面図である。

図 9は従来の光スィツチモジュールにおける光パスを示す図である。

図 1 O A及び図 1 0 Bはいずれも従来の電気光学効果（ポッケルス効果）による光偏向素子の屈折率変化に伴う光パスの変化を説明するための図である。

図 1 1はガウシアンビームモデルに基づく入出力ファイバ間光結合効率の算出を説明するための図である。

図 1 2 Aは図 8に示す入出力プリズムペアの印加電圧変化に対する光結合効率の分布の一例を示す図である。

図 1 2 Bは図 1 2 Aに示す等高線マップを示す図である。

図 1 3は従来の光スィッチの制御方法を説明すべく光結合効率の等高線マップを示す図である。

図 1 4は従来の光スィッチの制御方法を説明するためのフローチャートである。発明を実施するための最良の形態

(A) 一実施形態の説明

図 1は本発明の光ノード（光信号交換装置）の構成を示すブロック図で、この図 1に示す光ノード 1も、図 5又は図 6により前述した OXCシステムに適用されるもので、ここでは、例えば、光スィッチ 2，光分岐部 3，光検出部 4，制御部 5，駆動部 6及びメモリ 7等をそなえて構成されている。

ここで、光スィッチ 2は、例えば図 8により前述したものと同様の電気光学効果を利用した光スィッチモジュールとして構成され、入力側の光偏向素子部（入力光偏向手段） 2— 1及び出力側の光偏向素子部（出力光偏向手段） 2— 2をそなえている。これらの光偏向素子部 2— 1， 2— 2は、それぞれ、図 8により前述した光偏向素子部 5 0 3 , 5 0 5と同様の構成を有しており、入力側の光偏向素子部 2— 1は、所定の入力ポート（光導波路） 5 0 1 aから入力された光信号を任意の方向に偏向し、出力側の光偏向素子部 2— 2は、入力側の光偏向素子部 2— 1からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポート（光導波路） 5 0 7 aへ結合できるようになつている。

このため、各光偏向素子部 2— 1 , 2— 2には、例えば、入力波長数（光チヤンネル数） nに対応する数の光偏向素子（図示省略）が設けられており、この場合も、当該光偏向素子の上部電極及び下部電極に印加する電圧（Vin， Vout) を可変することで、光偏向素子部 5 0 3 , 5 0 5間の光パス切替を行なえるようになっている。

光分岐部 3は、光スィッチ 2 (光偏向素子部 2 _ 2 ) から出射される各光信号 (チャンネル信号）を個別に分岐して光出力パワーのモニタ光として光検出部 4 へ出力しうるもので、このために、例えば、チャンネルごとに光分岐力ブラ 3 1 が設けられている。

光検出部（モニタ手段） 4は、上記の各光分岐力ブラ 3 1から分岐されてくるモニタ光を受光して、その受光量に応じた電気信号に変換することにより、光スイッチ 2の光出力パワー（出力ポート 5 0 7 aへの光結合効率）をチャンネルごとに検出（モニタ）しうるものである。なお、この場合も、前記光出力パヮ一（受信レベル）は、例えば、上記電気信号を A/D変換した A/D値として得られる。駆動部 6は、制御部 5からの指示に従つて光偏向部 2— 1 , 2— 2に電圧 Vin, Vout を印加してそれぞれの偏向状態を個別に制御しうるものであり、メモリ 7 は、制御部 5によるフィードバック制御に必要な情報を保持するもので、例えば R AM等が用いられる。

制御部 5は、上記光検出部 4で得られるチャンネルごとの受信レベルに基づいて、当該チャンネルの受信レベルが最大となる（つまり、図 8に示す出力ポ一ト 5 0 7 aへの光信号の結合効率が最大となる）よう、駆動部 6に各光偏向部 2— 1 , 2 - 2に対する印加電圧 Vin, Vout の指示を与えて、光偏向部 2— 1 , 2 一 2の偏向状態をフィードパック制御するものである。この制御部 5は、例えば、 C P U等を用いて実現される。

ただし、上記の Vin， Vout の初期値の設定は、この場合も、例えば、外部入力される初期情報（入出力チャンネル情報や初期電圧情報)，スィッチ情報（光パス切替情報）等に基づいて、フィードフォワード制御により、制御対象のチャンネルを選択して上記初期電圧情報に基づいて印加電圧 Vin, Voutが決定される。そして、上記フィードパック制御時においては、本制御部 5は、従来のように入力側の光偏向部 2— 1に対する印加電圧 Vin の制御と出力側の光偏向部 2— 2に対する印加電圧 Vout の制御とを時間的にシーケンシャルに実行するのではなく、並行して行なう、より具体的には、 Vin及び Voutの制御を同時に行なうようになつている。

即ち、本実施形態においては、図 1 2 Bや図 1 3に示した光結合効率の分布を示す電圧 Vin— Vout の等高線マップ（以下、電圧マップ又は光結合効率分布マップともいう）上での傾斜した楕円（同じ光結合効率となる上記の各光偏向部 2 一 1， 2— 2に対する各偏向制御量の関係が楕円形状となっていること）に着目し、この楕円の長径と短径に平行な方向に制御軸を変換する。具体的には、例えば図 2に示すように、実際の制御において各光偏向部 2— 1， 2— 2に印加するフィードバック制御電圧 Vin, Vout は、 Δ 0， Δ χの単位ステツプ量をそれぞれ A 0unit， A xunitと定めると、次式（6) ， (7) で表される。

△ 0軸方向制御時の印加電圧

AVin = ixdunit sin « ... ( g、

bVout = θ ηϊί cosa

Δ x軸方向制御時の印加電圧

AVin = Axunit cos β , 、

Α ^μ … (7)

I out = -Axunit sin β

なお、ここでは、 α, をそれぞれ与えているが、実際には軸と Δ χ軸は直交しているため、ひ = )3として構わない。以下、ひ = iQとして説明を行なう。また、 Δ 0unit, Δ xunitには次式（8)の関係を適用する。なお、下記の式（8) において Aは楕円の長径、 Bは楕円の短径を表す。 A6unU ₌A … （_{8 )}

ixunit B

つまり、本実施形態の制御部 5は、上記の電圧 Vin— Vout の等高線マップ情報（制御マップ情報）により表される各光倔向部 2— 1 , 2— 2に対する各偏向制御軸を、上記式（8) で表される演算により、当該偏向制御軸と異なる、楕円の長径と短径に平行な方向の制御軸（Δ χ軸， Δ 0軸）にそれぞれ変換する制御軸変換部 5 1としての機能をそなえているのである。

これにより、各光偏向部 2 _ 1, 2— 2に対する電圧制御は、従来のように V in軸， Vout軸に沿った方向ではなく、図 2に示す楕円の長径軸（Δ0軸），短径軸（Δχ軸）に沿った方向に行なわれることになる。かかる制御により、図 13 により前述した光結合効率のピーク点 Ρの探査方向誤認識ゾーン 600を無くして、ピーク点 Ρへの収束時間を従来よりも大幅に短縮することが可能である。なお、上記の等高線マップ情報は、事前に理論値あるいは実測値によりチャンネル（光偏向部 2— 1， 2-2間の光パス）毎に求められてそれぞれテーブル形式のデ一夕等としてメモリ 7に格納される。また、上記演算式（8) に必要なデ一夕（α， β, A, B等）も事前にメモリ 7に格納される。ただし、メモリ 7には、これらの情報は格納せずに、事前に上記演算式（8) により求められる値をテ一ブル形式のデータとして格納しておくことも可能である。

つまり、上述した制御部 5，駆動部 6及びメモリ 7から成る部分は、光検出部 4によってモニタされる光結合効率が最大となるように、各光偏向部 2— 1, 2 一 2の偏向状態を並行して制御する制御手段（光スィッチ 2の制御装置）としての機能を果たすのである。

以下、上述のごとく構成された本実施形態の制御部 5による光スィッチ 2の制御方法について、図 3に示すフローチャート（ステップ S 1〜S 24) 及び図 4 に示す電圧マップを参照しながら詳述する。

まず、制御部 5は、メモリ 7にアクセスして、入出力チャネル情報を参照し（ステツプ S 1)、制御対象チャネルを選択し、選択した制御対象チャネルに対する V in, Voutの初期値を決定し (ステップ S 2)、駆動部 6に指示を与えて決定した電圧を各光偏向部 2— 1 , 2-2の制御対象チャネルに対応するプリズムペア 5 03 a, 505 aに印加する（ステップ S 3)。

ここで、光出力パワーをモニタし受信レベルを検出（例えば、光検出部 4内の AZDコンバータ出力値を検出）し（ステップ S 4)、光出力パワーが検出できない等の異常がないかを判定し（ステップ S 5)、異常がある場合（ステップ S 5で NOの場合）は、上記ステップ S 1からの処理が再び実行される。

一方、モニタした光出力パワーに異常がない場合（ステップ S 5で YESの場合）は、次のフィードパック制御に移行する（この際、図 4中に示すように探査開始点は点 Xに位置しているものとする）。即ち、まず、プリズムペア 503 a, 505 aの印加電圧 Vin, Voutを△ xunitに相当する分だけ増加し（ステップ S 6)、そのときの受信レベル（A/D値）を検出する（ステップ S 7)。このとき、制御部 5は、前記の式（3) の通り、 AVinと AVoutとを同時に出力することになる。

その結果、受信レベルの AZD値が増加すれば (ステップ S 8で YESの場合）、探査方向として正しい方向（図 4中の点 X→点 X' の方向）と判断し、さらに Δ unit だけ増加する（ステップ S 9)。逆に、 A/D値が減少すれば（ステップ S 8で NOの場合）、探査方向を誤ったと判断し、 Δχを Axunit〔あるいは、 Δ xunit よりも大きい分（例えば、 2Axunit)〕だけ減少させる（ステップ S 1 2)。

その後、 A/D値が減少するまで（ステップ S 11又は S 14で NOと判定されるまで） △ xunitの増加を繰り返し（ステップ S 10又は S 13、及び、ステップ S 11又は S 14の YESルート）、 A/D値が減少した時点（図 4に示す A 一 A' 断面のピーク点 X' に到達した時点）でこの Δχ軸に沿った制御を停止し、軸の制御に移行する（ステップ S 15)。

即ち、まず、を A0unit だけ増加させ（ステップ S 16)、受信レベルを検出する（ステップ S 17)。この場合も、制御部 5は、前記の式（3) の通り、 △ Vinと AVoutとを同時に出力することになる。その結果、受信レベルの AZ D値が増加すれば（ステップ S 18で YESであれば)、制御部 5は、探査方向として正しい方向と判断し、さらに、 Δ 0 unitだけ増加させる（ステップ S 19)。反対に、受信レベルの AZD値が減少すれば (ステップ S 18で NOであれば)、制御部 5は、探査方向を誤ったと判断し、 0を^ 01111 〔あるいは、 ASunit よりも大きい分 (例えば、 2 Δ 0unit)] だけ減少させる (ステップ S 22)。その後、制御部 5は、受信レベルの AZD値が減少するまで（ステップ S 21 又は S 24で NOと判定されるまで）、上記のステップ S 19〜S 24を繰り返し、 A/D値が減少した時点で、この制御軸（Δ0) についての制御をストップし、ピーク点 Pの探索が完了する（ステップ S 21又は S 24の NOルート）。

以上のように、本実施形態によれば、光信号交換装置 1の光スィッチ 2を制御して光偏向部 2— 1， 2— 2間の光パスを切り替えるに当たって、前記等高線マップの楕円の長径と短径に平行な軸（Δ Χ軸，軸）に制御軸（AVin， AV out) を変換し、得られた制御軸（Δχ軸，軸）に沿って光偏向部 2— 1, 2 —2への印加電圧をフィードバック制御することにより、各光偏向部 2— 1， 2 一 2の偏向状態を並行して（同時に）フィードバック制御するので、光スィッチ 2の最適制御電圧値が温度ドリフトや経時ドリフ卜等でずれた場合でも、光結合効率のピーク点探索時間を大幅に短縮して、高速な光パス切替を実現できる。

(Β) 第 1変形例の説明

図 2に示す光結合効率分布マップの楕円の傾き αは、ビームウェストがちようど光学参照面 700 (図 1 1参照）と一致したときに 45度となる。即ち、軸と Δχ軸は Vin軸， Vout軸に対し 45度傾く。これは、前記の式（4) において、制御量 AVinと AVoutの大きさが同じになることを意味する。したがつて、次式（9) , (1 0) に示すように、 Δ S軸方向制御時の印加電圧は、

AVm = IVout = dunit ί ϊ … （ 9 )

と表すことができ、 Δχ方向制御時の印加電圧は、

AVin = -by out = bxunitHl … (10) と表すことができる。

つまり、この場合、制御部 5は、入力側の光偏向部 2— 1の偏向状態と出力側の光偏向部 2— 2の偏向状態とを同じ制御量比率（1 ： 1) で並行制御するのである。したがって、 Δχ軸，軸の単位制御量（単位ステップ幅） Axunit, A^unitを共通化することができ、制御が簡易になるとともに、メモリ 7に必要な容量を削減することも可能である。

(C) 第 2変形例の説明

上述した例では、フィードバック制御の制御量、即ち、ステップ幅 Axunit, △ Simitを一定としているが、可変するようにしてもよい。例えば、探索位置がピーク点 Pから遠いときにはフィードパック制御のステップ幅を粗くし、ピーク点 Pに近づくほどステツプ幅を細かくするように重み付けすることで、より高速にフィードバック制御を収束させることができる。

ここで、ピーク点からの遠近を判断する情報としては、例えば、 AZD値の絶対値情報やステップごとの A/D値の変化量情報を用いることができる。即ち、ピーク点 Pでの A/D値が予想されるときは、光検出部 4で検出される A/D値の絶対値情報で場合分けして、それに応じてステップ幅の重み付けを行なう。一方、光結合効率のプロファイル形状が予想されているときは、光検出部 4で検出される AZD値の変化量（変化前後の差分値）情報で場合分けして、それに応じてステツプ幅の重み付けを行なう。

(D) 第 3変形例の説明

制御部 5では、上述した光結合効率の等高線マップを基に楕円近似演算を行ない、近似した楕円より、前記の楕円の長径 A, 短径 B , 傾きひ， ^を求めることができる。これらの値を各光パスについて求め、メモリ 7内に収め、光パス切替時にその情報を参照して使用することができる。

ここで、上記楕円近似演算には、例えば、最小自乗法楕円近似演算を適用することができる。一般に、楕円は以下の式（1 1 ) で表され、最小自乗法楕円近似法では、最低 5点の座標デ一夕で近似できる。

X² + axv + by ~ + cx + dy + e … ( 1

ししし、

x + ca_iy_i + byf + cx_t + dy_t + e (i=0, ... ,n) の 2乗禾ロは、 D(a,b,c,d,e) = + fl^ }⁷/ + by + cx_£ + dy_t + e と表され、この 2乗和の偏微分が 0となるときが誤差最小であるので、

から、各係数を求めることができる。このようにして、制御部 5は、求めた楕円の係数から楕円の長径 A, 短径 Bおよび傾き， /3を求めることができる。つまり、この場合、制御部 5は、光結合効率の電圧マップに楕円近似を実施し、楕円の回転角を求め、この結果に基づき、回転角と制御ステップ幅の演算を行なう機能を有しているのである。なお、かかる演算も、光パスごとに行なわれる。 (E) その他

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、本発明を、電気光学効果を利用した光スイツチに適用した場合について説明したが、例えば、 MEMSによるマイクロミラーを用いたメカニカルな光スィッチに適用しても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上述した実施形態では、各光偏向部 2— 1， 2— 2に対する印加電圧 Δ Vinと A Vcmtとを同時に印加しているが、厳密な時間的同時性は必要ない。少なくとも、 A Vinと A Voutの両方を調整した上で光検出部 4にて得られる AZ D値に基づいてフィ一ドバック制御が行なわれればよい。産業上の利用可能性

以上のように、本発明によれば、光信号交換装置に用いられる光スィッチの入力側及び出力側の各光偏向部による光信号の偏向が並列に行なわれるようにフィ一ドバック制御することで、光スィツチの最適制御量が温度ドリフトゃ経時ドリフトでずれた場合でも、最適制御量の探索時間を大幅に短縮して、光パスの高速切替を実現できる。したがって、 WD Mシステム等の光通信システムの信頼性等の性能向上に大きく寄与し、その有用性は極めて高いものと考えられる。

Claims

請求の範囲

1. 所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（2— 1) と、該入力光偏向手段（2— 1) からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（2— 2) とを有する光スィッチ（2) と、

該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段（4) と、該モニタ手段（4) によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（2— 1) の偏向状態と該出力光偏向手段（2— 2) の偏向状態とを並行して制御する制御手段（5, 6， 7) とをそなえたことを特徴とする、光信号交換装置。

2. 該制御手段が、

該光結合効率と上記の各光偏向手段に対する各偏向制御量との関係を表す制御マップ情報を記憶するメモリ（7) と、

該制御マツプ情報により表される上記の各光偏向手段に対する各偏向制御軸を当該偏向制御軸と異なる制御軸にそれぞれ変換する制御軸変換部（51) と、該制御軸変換部（51) により得られた制御軸に沿って該光結合効率が最大となるよう上記の各光偏向手段（2— 1， 2-2) を並行制御する制御部（5) とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 1項に記載の光信号交換装置。

3. 該制御軸変換部（51) が、

該制御マップ情報により表される、同じ光結合効率となる上記の各光偏向手段に対する各偏向制御量の関係が楕円形状である場合に、上記の各偏向制御軸を該楕円形状の長径軸及び短径軸に変換するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 2項に記載の光信号交換装置。

4. 該制御軸変換部（51) が、該長径軸及び該短径軸に関する情報を該制御マップ情報について楕円近似演算を施すことにより求めるように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 3項に記載の光信号交換装置。

5. 該制御手段（5， 6, 7) が、

該入力光偏向手段（2— 1) の偏向状態と該出力光偏向手段（2— 2) の偏向状態とを同じ制御量比率で並行制御するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 1〜 4項のいずれか 1項に記載の光信号交換装置。 6. 該制御手段（5,

6, 7) が、

該モニタ手段（4) によってモニタされる該光結合効率の絶対値情報又は変化量情報に応じて、上記の各光偏向手段（2— 1, 2-2) に対する制御量を可変するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 1〜 5項のいずれか 1項に記載の光信号交換装置。

7. 所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（2— 1) と、該入力光偏向手段（2— 1) からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（2— 2) とを有する光スィッチ（2) の制御装置であって、

該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段（4) と、該モニタ手段（4) によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（2— 1) の偏向状態と該出力光偏向手段（2— 2) の偏向状態とを並行して制御する制御手段（5， 6, 7)とをそなえたことを特徴とする、光スィッチの制御装置。

8. 所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（2— 1) と、該入力光偏向手段（2— 1) からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（2— 2) とを有する光スィッチ (2) の制御方法であって、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタし、

モニタした光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（2— 1 ) の偏向状態と該出力光偏向手段（2— 2 ) の偏向状態とを並行して制御することを特徵とする、光スィッチの制御方法。