(57)【要約】【課題】電気信号を用いることなくスイッチングして、大規模化、高スループット化、低消費電力化した光スイッチを実現する。【解決手段】入力用スラブ導波路１１０と出力用スラブ導波路１２０を、複数のアレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋにより接続する。各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋには、長さが順に異なる非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋが挿入されている。ポンプ光ＰPと信号光ＰSが同期して入力されると、非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋがポンプ光ＰPの強度に応じて屈折率が変化して位相差が付与されることにより、出力用スラブ導波路１２０の出力ポートのうち、信号光ＰSが出力されるポートが変化する。【選択図】図１
2015022242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートのいずれかから光が入力されると、等しい光強度で分配された光が前記出力ポートのそれぞれから出力される入力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと同数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートにそれぞれ入力される各光の相対的な位相差に応じて、複数の前記出力ポートのうち光が出力される一つの出力ポートが定まる出力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと、前記出力用スラブ導波路の前記入力ポートを、それぞれ個別に接続する順に並んで隣接する複数のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路にそれぞれ挿入されており、前記アレイ導波路のうち隣接する一方の端のアレイ導波路から隣接する他方の端のアレイ導波路に向かう毎に、長さが順次一定の長さだけ長くなっている非線形媒質と、
を有し、
前記入力用スラブ導波路の入力ポートには、ポンプ光と、前記ポンプ光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光と同期した信号光が入力され、
前記ポンプ光による前記非線形媒質の屈折率変化に応じて、前記出力用スラブ導波路の複数の出力ポートのうち前記信号光が出力される一つの出力ポートが定まる
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１において、
前記信号光のパルス幅は、前記ポンプ光のパルス幅に比して狭いことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、前記ポンプ光を除去すると共に前記信号光を透過させる波長フィルタを備えていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記非線形媒質がニオブ酸リチウムで構成され、
前記入力用スラブ導波路、前記出力用スラブ導波路、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記非線形媒質が、フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、３Ｒ再生器が接続されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項の光スイッチと、
ポンプ光用の短パルス光を発生する第１の短パルス光源と、
前記ポンプ光用の短パルス光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光用の短パルス光と同期した信号光用の短パルス光を発生する第２の短パルス光源と、
光減衰選択器と全光ゲートと光結合器を有すると共に、前記光結合器から出力される光を前記光スイッチの入力ポートに送る複数の光制御回路と、
前記第１の短パルス光源から発生した前記ポンプ光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記ポンプ光用の短パルス光の遅延量を異ならせて複数の前記光減衰選択器にそれぞれ伝播する第１の分岐・遅延回路と、
前記第２の短パルス光源から発生した前記信号光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記信号光用の短パルス光の遅延量を異ならせ、しかも遅延状態が前記第１の分岐・遅延回路における遅延状態と同じにして、複数の前記全光ゲートにそれぞれ伝播する第２の分岐・遅延回路とを有し、
前記光減衰選択器は、それぞれ、前記第１の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記ポンプ光用の短パルス光を複数に分岐すると共に、分岐した前記短パルス光に対して減衰強度を異ならせて減衰し、分岐・減衰した前記パルス光の一つをポンプ光として出力し、
前記全光ゲートは、それぞれ、前記第２の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記信号光用の短パルス光を、外部から入力される光パケット情報に対応した制御光があるときに透過させると共に前記制御光が無いときに減衰させることにより、信号光として出力し、
前記光結合器は、それぞれ、前記光減衰選択器から出力された前記ポンプ光と、このポンプ光に同期した前記全光ゲートから出力された前記信号光とを合波して、前記光スイッチの入力ポートの一つに送ることを特徴とする光スイッチシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報通信で用いられるルータやスイッチの基幹部品である大規模な光スイッチ及びこの光スイッチを用いた光スイッチシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信は大容量、超高速性という特長があり、近年では多くの情報通信網で実用化されている。このような光通信ネットワークの経路構成は、二地点を個別の光ファイバで結ぶポイントトゥポイント（Point-to-Point）での接続が最も単純である。
【０００３】
一方、光ファイバの大容量性を利用して、複数の経路を一本の光ファイバに収容して、各ノードで光信号をスイッチングすることが提案されている。
【０００４】
例えば、光パススイッチングでは光信号の波長を経路（パス）と対応させ、アレイ導波路格子（ＡＷＧ:Arrayed Waveguide Grating）や波長選択型光スイッチ等を用いて、波長毎に経路をスイッチングできる。
ただし、経路数は設定できる波長数で制限される。
【０００５】
さらに光パケット単位で経路をスイッチングさせる光パケットスイッチング（ＯＰＳ：Optical Packet Switching）が提案されている。この方式では各光パケットにラベル情報を付加して経路と対応させ、各ノードでラベルを認識している。各ノードでは、光スイッチを用いて光パケットをラベルに応じた経路にスイッチングする。
この方式は波長数に制約されずに経路数を増加できるため、より柔軟なネットワーク構築が可能となる。
【０００６】
ここで用いられる光スイッチは、到着した光パケットを、次の伝送先に対応するポートへ高速にスイッチングする機能をもつ必須の構成要素である。
【０００７】
このような光スイッチとして実現されているものとしては、波長可変半導体レーザとアレイ導波路格子（ＡＷＧ）で構成された波長選択型光スイッチ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ:Micro Electro Mechanical Systems）で構成された空間光スイッチ、さらに電気光学効果を用いたフェーズドアレイ型の空間光スイッチなどがある。
【０００８】
このような光スイッチには、ネットワークトラフィックの需要増加に伴い、高速化は勿論のこと、大規模化即ち多ポート化や、単位時間当たりで多くの光パケットを処理できること即ち高スループット化、そして低消費電力化が要求される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ibrahim Murat Soganci, et al., "Monolithically Integrated InP 1 x 16 Optical Switch With Wavelength-Insensitive Operation", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 22, No. 3, PP.143-145, 2010.
【非特許文献２】Katsunari Okamoto著、「Fundamentals of Optical Waveguides, 2nd edition」、PP. 424-425、Elsevier、2006年、ISBN: 978-0-12-525096-2。
【非特許文献３】Hisaya Oda, et al., "Self-phase modulation in photonic-crystal-slab line-defect waveguides", Applied Physics Letters, 90, 231102, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような光スイッチには以下のような課題がある。
【００１１】
波長選択型光スイッチでは、高速なスイッチングを実現するためには、高速に波長を可変できる複雑な構成の波長可変半導体レーザを用いる必要がある。このため、高コスト化が懸念される。
【００１２】
またＭＥＭＳを用いた空間光スイッチでは、大規模化が容易である利点があるが、ＭＥＭＳのスイッチング速度がマイクロ秒からミリ秒程度であるため高速化に限界がある。
【００１３】
フェーズドアレイ型の空間光スイッチは、アレイ導波路部分で位相変調を行い、スラブ導波路にて集光位置を変調することで出力ポートのスイッチングを行うことができるため、空間光スイッチとして有望である（非特許文献１参照）。
【００１４】
しかしながら、上記の空間光スイッチでは、以下のような課題がある。
まず、電気的に電気光学効果もしくはキャリア効果を用いて各アレイ導波路の位相を変化させるため、多数の電極とそれに付随する電気制御装置が必要となり、高コスト、高消費電力となる。
また光パケットをそのまま空間的にスイッチングするため、同一の時間では入力ポートと出力ポート間がパケットの占有時間で占有されてしまう。このため、同時に受信された複数のパケットを一素子でスイッチングすることが不可能であるという課題があった。
このため空間光スイッチの大規模化、高スループット化、そして低消費電力化には限界があった。
【００１５】
本発明は、上記従来技術に鑑み、光スイッチの大規模化、高スループット化、低消費電力化が可能な、光スイッチ及び光スイッチシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決する本発明の光スイッチは、
複数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートのいずれかから光が入力されると、等しい光強度で分配された光が前記出力ポートのそれぞれから出力される入力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと同数の入力ポートと、複数の出力ポートを備え、前記入力ポートにそれぞれ入力される各光の相対的な位相差に応じて、複数の前記出力ポートのうち光が出力される一つの出力ポートが定まる出力用スラブ導波路と、
前記入力用スラブ導波路の前記出力ポートと、前記出力用スラブ導波路の前記入力ポートを、それぞれ個別に接続する順に並んで隣接する複数のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路にそれぞれ挿入されており、前記アレイ導波路のうち隣接する一方の端のアレイ導波路から隣接する他方の端のアレイ導波路に向かう毎に、長さが順次一定の長さだけ長くなっている非線形媒質と、
を有し、
前記入力用スラブ導波路の入力ポートには、ポンプ光と、前記ポンプ光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光と同期した信号光が入力され、
前記ポンプ光による前記非線形媒質の屈折率変化に応じて、前記出力用スラブ導波路の複数の出力ポートのうち前記信号光が出力される一つの出力ポートが定まる
ことを特徴とする。
【００１７】
また本発明の光スイッチは、前記信号光のパルス幅は、前記ポンプ光のパルス幅に比して狭いことを特徴とする。
【００１８】
また本発明の光スイッチは、前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、前記ポンプ光を除去すると共に前記信号光を透過させる波長フィルタを備えていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の光スイッチは、前記非線形媒質がニオブ酸リチウムで構成され、
前記入力用スラブ導波路、前記出力用スラブ導波路、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されていることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の光スイッチは、前記アレイ導波路及び前記非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていることを特徴とする。
【００２１】
また本発明の光スイッチは、前記非線形媒質が、フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする。
【００２２】
また本発明の光スイッチは、前記出力用スラブ導波路の前記出力ポートには、それぞれ、３Ｒ再生器が接続されていることを特徴とする。
【００２３】
また本発明の光スイッチシステムは、
前記のいずれかの光スイッチと、
ポンプ光用の短パルス光を発生する第１の短パルス光源と、
前記ポンプ光用の短パルス光とは異なる波長で且つ前記ポンプ光用の短パルス光と同期した信号光用の短パルス光を発生する第２の短パルス光源と、
光減衰選択器と全光ゲートと光結合器を有すると共に、前記光結合器から出力される光を前記光スイッチの入力ポートに送る複数の光制御回路と、
前記第１の短パルス光源から発生した前記ポンプ光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記ポンプ光用の短パルス光の遅延量を異ならせて複数の前記光減衰選択器にそれぞれ伝播する第１の分岐・遅延回路と、
前記第２の短パルス光源から発生した前記信号光用の短パルス光を分岐し、分岐した前記信号光用の短パルス光の遅延量を異ならせ、しかも遅延状態が前記第１の分岐・遅延回路における遅延状態と同じにして、複数の前記全光ゲートにそれぞれ伝播する第２の分岐・遅延回路とを有し、
前記光減衰選択器は、それぞれ、前記第１の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記ポンプ光用の短パルス光を複数に分岐すると共に、分岐した前記短パルス光に対して減衰強度を異ならせて減衰し、分岐・減衰した前記パルス光の一つをポンプ光として出力し、
前記全光ゲートは、それぞれ、前記第２の分岐・遅延回路により伝播されてきた前記信号光用の短パルス光を、外部から入力される光パケット情報に対応した制御光があるときに透過させると共に前記制御光が無いときに減衰させることにより、信号光として出力し、
前記光結合器は、それぞれ、前記光減衰選択器から出力された前記ポンプ光と、このポンプ光に同期した前記全光ゲートから出力された前記信号光とを合波して、前記光スイッチの入力ポートの一つに送ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、電気信号を用いずに光信号により出力ポートをスイッチングし、さらに同時に複数のパケット信号をスイッチングできることにより、大規模化、高スループット化、そして低消費電力化が可能な光スイッチ及び光スイッチシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係る光スイッチを示す構成図である。
【図２】非線形媒質の設計手法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例に係る光スイッチシステムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る光スイッチ及び光スイッチシステムを、実施例に基づき詳細に説明する。
【００２７】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る光スイッチ１０を示す。この光スイッチ１０は、スイッチファブリック(switch fabric)部１００と、複数の３Ｒ再生器１４０を有している。
３Ｒ再生器１４０は、増幅（Re-amplification）、タイミング再生（Re-timing）、波形整形（Re-shaping）という３つの機能を持つ再生器である。
【００２８】
スイッチファブリック部１００は、入力用スラブ導波路１１０と、出力用スラブ導波路１２０と、複数本（本例では１１本）のアレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋにより構成されている。
【００２９】
入力用スラブ導波路１１０は、複数（本例では５個）の入力ポート１１１ａ〜１１１ｅと、複数（本例では１１個）の出力ポート１１２ａ〜１１２ｋを備えている。
この場合、入力ポート１１１ａ〜１１１ｅのうちのいずれか一つから光が入力されると、等しい光強度で分配された光が、各出力ポート１１２ａ〜１１２ｋから出力されるように、入力用スラブ導波路１１０の分配特性が設計されている。
【００３０】
出力用スラブ導波路１２０は、複数（本例では５個）の出力ポート１２１ａ〜１２１ｅと、複数（本例では１１個）の入力ポート１２２ａ〜１２２ｋを備えている。
この場合、各入力ポート１２２ａ〜１２２ｋに入力される各光の相対的な位相差に応じて、入力した各光が干渉して集光していく一つの出力ポート（出力ポート１２１ａ〜１２１ｅのうちの何れか一つの出力ポート）が定まるように、出力用スラブ導波路１２０の集光特性が設計されている。
【００３１】
入力用スラブ導波路１１０の各出力ポート１１２ａ〜１１２ｋと、出力用スラブ導波路１２０の各入力ポート１２２ａ〜１２２ｋは、順に並んで隣接する複数のアレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋにより、それぞれ個別に接続されている。
即ち、入力用スラブ導波路１１０の各出力ポート１１２ａ〜１１２ｋにアレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋの入力端が接続され、出力用スラブ導波路１２０の各入力ポート１２２ａ〜１２２ｋにアレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋの出力端が接続されている。
【００３２】
アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋは、同じ長さに設定されている。ただし、物理的なレイアウトの制約等でアレイ導波路長を同じ長さにしない場合には、予め決められた一定の長さだけ異ならせることができる。例えば、最も上側にあるアレイ導波路１３０ａが最も短く、下側のアレイ導波路１３０ｋに向かう毎に、各アレイ導波路が順次、一定の長さだけ長くなるようにする。ここでは説明を簡潔にするため、アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋは同じ長さに設定する。
【００３３】
更に、各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋには、それぞれ個別に、長さの異なる非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋが挿入されている。
例えば、図１において最も上側にある一方のアレイ導波路１３０ａの非線形媒質１３１ａの長さが最も短く、図１において最も下側にある他方のアレイ導波路１３０ｋの非線形媒質１３１ｋの長さが最も長くなるように、上側の非線形媒質１３１ａから下側の非線形媒質１３１ｋに向かう毎に、各非線形媒質長が順次、一定の長さだけ長くなっている。これにより、アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋの各出力端からは、位相差が付いた光が出力される。
【００３４】
非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋでは、電界を印加すると、カー効果により印加電界強度に応じて屈折率が変化することが知られている。この効果により、強い光を入射した場合に生じる電界、即ちカー効果を引き起す電界が光電界のときであっても、同様に屈折率を変化させることができる。したがって、光カー効果によって非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋの屈折率を変化させれば、そこを通過する光、即ち信号光（後述）の位相を所定の値に変化させることができる。この現象は非常に高速であるため、短パルス幅となっている信号光であっても、十分に位相変化をさせることができる。
【００３５】
入力用スラブ導波路１１０の入力ポート１１１ａ〜１１１ｅのうちの任意の一つの入力ポート（例えば入力ポート１１１ｃ）には、ポンプ光ＰPと信号光ＰSが入力される。
ポンプ光ＰPは、予め決めた一定の周期をもつ短パルス光である。信号光ＰSは、ポンプ光ＰPと同期しており、且つ論理レベルが１のときのみに短パルス光を持つものである。
なお、ポンプ光ＰPのパルス幅は例えば１.６ｐｓとなっており、信号光ＰSのパルス幅は例えば１.４ｐｓとなっている。つまり、信号光ＰSのパルス幅は、ポンプ光ＰPのパルス幅よりも狭くなっている。また、ポンプ光ＰPと信号光ＰSの波長は異なっている。
【００３６】
複数（本例では５個）の３Ｒ再生器１４０は、それぞれ個別に、出力用スラブ導波路１２０の出力ポート１２１ａ〜１２１ｅに接続されている。
なお、図示はしていないが、出力用スラブ導波路１２０の各出力ポート１２１ａ〜１２１ｅの後段で、且つ、各３Ｒ再生器１４０の前段に、ポンプ光ＰPを除去すると共に信号光ＰSを透過させる波長フィルタをそれぞれ設置している。
【００３７】
次に、上記構成となっている光スイッチ１０の動作について説明する。
【００３８】
短パルス光であるポンプ光ＰPと信号光ＰSは、入力用スラブ導波路１１０の入力ポート１１１ａ〜１１１ｅのうちの任意の一つの入力ポート（例えば入力ポート１１１ｃ）に入力されると、等しい光強度で出力ポート１１２ａ〜１１２ｋに分配され、更に各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋに入力される。
【００３９】
短パルス光が各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋを伝播する際の動作を、ポンプ光ＰPがある場合と、ポンプ光ＰPがない場合とに分けて説明すると、以下の通りである。
【００４０】
まず、ポンプ光ＰPがない場合、即ち非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋにおいて屈折率変化がない場合を考える。
この場合では、各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋの入力端から出力端まで各信号光ＰSが伝播することにより、各信号光ＰSは、出力用スラブ導波路１２０にそれぞれ入力される。
各信号光ＰSは、出力用スラブ導波路１２０内で干渉し、所定の出力ポート（出力ポート１２１ａ〜１２１ｅのうち何れか一つの出力ポート）で集光されて出力される。ここでは、例えば図１で一番上の出力ポート１２１ａから出力される。
【００４１】
次に、ポンプ光ＰPがある場合、即ち非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋにおいて屈折率変化がある場合を考える。
このとき、各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋの非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋで与えられる屈折率変化は、ポンプ光ＰPの強度と非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋの長さに対応する。
【００４２】
前述したように、非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋの長さを、図１において上側（非線形媒質１３１ａ）から下側（非線形媒質１３１ｋ）にいくほど長くなるように設定しているため、ポンプ光ＰPの入力に伴い非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋで屈折率変化が生じると、アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋのうち下側のものほど導波路長が等価的に長くなったようになる。
このため、各アレイ導波路１３０ａ〜１３０ｋから出力してきた各信号光ＰSを、出力用スラブ導波路１２０で干渉させると、先ほどの屈折率変化がない場合と比べて、信号光ＰSは、図１において、一番上の出力ポート１２１ａよりも下側の出力ポートに集光される。
【００４３】
この集光位置、即ち信号光ＰSが集光して出力する出力ポート１２１ａ〜１２１ｅは、非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋにおける屈折率変化量を調整することで変化させることができる。即ち、ポンプ光ＰPの強度と非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋの長さを所望の値に設定することで、調整することができる。
したがって、予め非線形媒質１３１ａ〜１３１ｋの長さを所望の長さで設置し、ポンプ光ＰPの強度を調整することで、信号光ＰSを出力ポート１２１ａ〜１２１ｅのうちの任意の出力ポートから出力させることができる。
【００４４】
出力ポート１２１ａ〜１２１ｅのうちの一つの出力ポートから出力された信号光ＰSは、波長フィルタを通過した後、３Ｒ再生器１４０により３Ｒ再生され所望の変調フォーマットに再生される。
【００４５】
次に、図２を用いて、非線形媒質の長さの具体的な設計手法を説明する。
ここでは入力ポートと出力ポートとスラブ導波路とアレイ導波路と非線形媒質の導波路から構成されたスイッチ構造で、出力ポートをスイッチングするために必要な屈折率変化量、即ち信号光が受ける位相変化量を求めればよい。
【００４６】
非特許文献２に示されているように、図２のアレイ導波路格子に類似した構造では、アレイ導波路を伝搬した光を１つの出力ポートに集光するため、隣接したi番目とi-1番目のアレイ導波路で下式を満足する必要がある。
【数１】
2015022242.tif 000003
【００４７】
ここで、βs、βc,L、βc,NLはそれぞれ、スラブ導波路、アレイ導波路、非線形媒質の導波路の伝搬定数、fjはスラブ導波路の曲率半径、ljはアレイ導波路間隔、xjは入出力ポートのスラブ導波路の中心からの距離、λ0は信号光波長、Lcはアレイ導波路長であり、ΔLは非線形媒質導波路の隣接したアレイ導波路間での長さの差でアレイ導波路が図の下にいくに従って長さが長くなる。なお添え字jは1が入力側、2が出力側を示している。上式を整理すると下式が得られる。
【数２】
2015022242.tif 000004
【００４８】
ここで、上式をポンプ光強度Ppumpで微分して、位相変化による出力ポート位置の変移をΔx2とし、非線形媒質での位相変化量をψNLで表すと下式になり、非線形媒質での位相変化により出力ポートを別のポートに切り替えるためには下式を満たす必要がある。
【数３】
2015022242.tif 000005
【００４９】
ここでnsはスラブ導波路の屈折率である。ここで、具体的に
【数４】
2015022242.tif 000006
と設計して、スイッチングに必要な位相変化量を求めると下式になる。
【数５】
2015022242.tif 000007
【００５０】
ここでアレイ導波路の本数を１６本と設計すると、最も長い非線形媒質の導波路では、下式のように0.135πの位相変化量が必要になる。
【数６】
2015022242.tif 000008
【００５１】
さらにスイッチの入出力ポート数を８×８と設計すると、1番目のポートから８番目のポートにスイッチする場合には、下記のように0.95πの位相変化量が必要になる。
【数７】
2015022242.tif 000009
【００５２】
一方、光カー効果による屈折率変化とそれに伴う非線形媒質の導波路で必要な最大の位相変化量は、非線形屈折率n2、ポンプ光強度Ppumpを用いて下式のように表せる。
【数８】
2015022242.tif 000010
ここで、Aeffは非線形媒質の導波路の断面積である。
【００５３】
ここで、半導体材料のAlGaAsで作製された非線形媒質の導波路として設計する。非特許文献３より、n2=3.8×10-13cm2/Wであることが示されている。非線形媒質の導波路を幅w=1.5μm、厚さt=0.1μm、Ppump=3.5Wに設計すると、Lmax=831μmとなり、ΔLは１６分の一の52μmに設定すればよい。
【００５４】
したがって、スイッチングには各アレイ導波路にPpump=3.5Wが必要で、ポンプ光のパルス幅を1.6ps、信号光のパルス幅を1.4ps程度とし、入力ポートから各非線形媒質までの挿入損失を3dBと設計すると、ポンプ光強度は最大で112Wあればスイッチングすることができる。これはパルスをｉ番目のポートに出力したい場合は上記の (i-1)/7倍のポンプ光を入力すればよい。
【００５５】
以上のように、アレイ導波路の総本数をｋ本とし、各アレイ導波路へ入射するポンプ光パワーがPpumpであるときの、所望の出力ポートへ信号光を出力させるために必要な非線形媒質導波路の最大長をLmaxとすると、隣接する非線形媒質導波路間の長さの差ΔLは、
ΔL＝Lmax／ｋ
となるようにすればよいことが分かる。
【００５６】
最後に出力ポートから出射された信号光と残留しているポンプ光を、例えば波長フィルタで分離した後、光信号を３Ｒ再生（増幅、タイミング再生、波形整形）できる３Ｒ再生器で所望の変調フォーマットに再生すれば、光信号を空間的にスイッチングすることができる。
【００５７】
ここで、光挿入損失を低減して、かつ波長フィルタで信号光と残留したポンプ光を波長フィルタで効率よく分離するため、信号光とポンプ光の波長は各導波路および非線形媒質の吸収端波長より長く、且つ波長フィルタの透過帯域以上に離して設定すればよい。例えば、非線形媒質吸収端波長を1400nmに設定し、信号光波長を1550nm、ポンプ光波長を1547nmに設定し、波長フィルタの透過帯域の1550nmを中心に3nmとすれば、容易に信号光を分離できる。
【００５８】
このとき、信号光のパルス幅をポンプ光より狭くしておくことで、信号光のパルス幅全体で屈折率変化を起こすようにしておくと、信号光の波形歪が生じにくくなる利点がある。
【００５９】
このような構造を用いることで、空間光スイッチの中核部分、即ちスイッチファブリック部は、受動光回路のみで構成できるため、消費電力が高い電気駆動回路や、製造コストの高い複雑な配線構造などが不要になる。
また波長変換機能を用いないので、高速な波長可変レーザなどが必要なく、多ポート化などの拡張性が高い。但し、ポート数は出力ポートでのクロストークや３Ｒ再生回路の受信感度なども考慮する必要がある。
また、この空間光スイッチを多段に接続することで、さらなる多ポート化も可能になる。
【００６０】
［実施例２］
次に本発明の実施例２に係る光スイッチシステム２００を、図３を参照しつつ説明する。
この光スイッチシステム２００は、図１に示す光スイッチ１０の中核部分であるスイッチファブリック部１００と同様な構成のスイッチファブリック部１００ａと、このスイッチファブリック部１００ａに入力するポンプ光及び信号光を生成する部分とにより構成されている。
【００６１】
更に詳述すると、図３に示す光スイッチシステム２００は、複数（本例では１１個）の入力ポート１１１ａ〜１１１ｋと１１個の出力ポート（図示省略）を持つスイッチファブリック部１００ａと、複数（本例では１１個）の光制御回路２１０−１〜２１０−１１と、ポンプ光用モードロックレーザ（Pump MLL）２２１と、波形整形器（Pump Pulse Shaper）２２２と、信号用モードロックレーザ（Signal MLL）２２３と、波形整形器（Signal Pulse Shaper）２２４と、分岐・遅延機能を有する第１の分岐・遅延回路である第１の光ファイバ回路２３１と、分岐・遅延機能を有する第２の分岐・遅延回路である第２の光ファイバ回路２３２とにより構成されている。
【００６２】
ポンプ光用モードロックレーザ２２１と波形整形器２２２により、ポンプ光ＰPの基となる短パルス光ＰPSを生成する第１の短パルス光源が構成されている。
また、信号用モードロックレーザ２２３と波形整形器２２４により、信号光ＰSの基となる短パルス光ＰSSを生成する第２の短パルス光源が構成されている。
スイッチファブリック部１００ａは、図１に示すスイッチファブリック部１００に対して、入出力ポートの数は異なるが、その他の構成及びスイッチング機能は同一である。
【００６３】
各光制御回路２１０−１〜２１０−１１は、それぞれ、光減衰選択器（Attenuation selector）２１１と、全光ゲート（All-optical Gate）２１２と、光結合器（combiner）２１３を有している。
【００６４】
ポンプ光用モードロックレーザ２２１は、ポンプ光ＰPの基となる短パルス光ＰPSを生成する。生成された短パルス光ＰPSは、必要に応じて波形整形器２２２により波形整形される。波形整形された短パルス光ＰPSは、光ファイバ回路２３１により伝播・分岐されて、各光制御回路２１０−１〜２１０−１１の光減衰選択器２１１に遅延量を異ならせてそれぞれ入力（分配）される。
【００６５】
このとき、光ファイバ回路２３１により伝播され分岐されて、各ポートの各光制御回路２１０−１〜２１０−１１の光減衰選択器２１１に分配されていく各短パルス光ＰPSは、少なくとも各ポート間で短パルス光ＰPSのパルス幅以上の間隔（時間ずれ）を持ち、且つ、各ポートの短パルス光ＰPSを基に生成したポンプ光ＰPがスイッチファブリック部１００ａに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路２３１の回路構成（分岐部の位置や、遅延量を規定するファイバ長など）を調整している。
【００６６】
各光制御回路２１０−１〜２１０−１１に入力された短パルス光ＰPSは、光減衰選択器２１１において、まず分岐され、次に分岐された各短パルス光ＰPSはそれぞれパケット長全域で減衰強度が異なって調整され、更に複数の光強度（減衰強度）の各短パルス光ＰPSの中から一つが選択され、選択された一つの短パルス光ＰPSがポンプ光ＰPとして光結合器２１３に送られる。
異なる減衰強度で調整された複数の短パルス光ＰPSの中から選択された一つのポンプ光ＰPの光強度は、スイッチファブリック部１００ａの所定の出力ポートから光が出力されるように、非線形媒質の屈折率変化を生成する強度となっている。
【００６７】
信号光用モードロックレーザ２２３は、ポンプ光用モードロックレーザ２２１と同期しており、信号光ＰSの基となる短パルス光ＰSSを生成する。この短パルス光ＰSSは、ポンプ光用モードロックレーザ２２１にて生成される短パルス光ＰpSと同期し、波長は異なっている。
生成された短パルス光ＰSSは、必要に応じて波形整形器２２４により波形整形される。波形整形された短パルス光ＰSSは、光ファイバ回路２３２により伝播・分岐されて、各光制御回路２１０−１〜２１０−１１の全光ゲート２１２に遅延量を異ならせてそれぞれ入力（分配）される。
【００６８】
このとき、光ファイバ回路２３２により伝播され分岐されて、各ポートの各光制御回路２１０−１〜２１０−１１の全光ゲート２１２に分配されていく短パルス光ＰSSは、少なくとも各ポート間で短パルス光ＰSSのパルス幅以上の間隔（時間ずれ）を持ち、且つ、各ポートの短パルス光ＰSSを基に生成した信号光ＰSがスイッチファブリック部１００ａに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路２３２の回路構成（分岐部の位置や、遅延量を規定するファイバ長など）を調整している。
【００６９】
したがって、各ポートのポンプ光ＰPと信号光ＰSは時間軸上で重なっていて、且つ異なるポートのそれらとは重なっていない。
【００７０】
短パルス光ＰSSは全光ゲート２１２に入力され、光パケット情報に対応した制御光ＰCを用いて、論理レベルが１のとき透過し、論理レベル０のとき減衰する。これにより、全光ゲート２１２から出力される信号光ＰSは、論理レベルが１のとき光が存在し、論理レベル０のとき光が存在しない。
【００７１】
全光ゲート２１２としては、例えば、電界吸収型変調器の相互吸収変調（ＸＡＭ：Cross Absorption Modulation）を用いれば良い。また論理レベルは、３Ｒ回路で反転させることもできるので、反転、即ち論理レベルが０のとき透過していても良い。
【００７２】
ポンプ光ＰPと信号光ＰSは光結合器２１３で合波され、スイッチファブリック部１００ａの各入力ポート１１１ａ〜１１１ｋに入力される。
【００７３】
以降は前記で述べた方法で、スイッチファブリック部１００ａにてスイッチングが行われ、所望のパケットの信号光ＰSが所望の出力ポートから出力される。
【００７４】
前述したように、
（１）  各ポートの光減衰選択器２１１に入力されていく短パルス光ＰPSは、少なくとも各ポート間で短パルス光ＰPSのパルス幅以上の間隔（時間ずれ）を持ち、且つ、各ポートの短パルス光ＰPSを基に生成したポンプ光ＰPがスイッチファブリック部１００ａに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路２３１の回路構成を調整しており、
（２）  各ポートの全光ゲート２１２に入力されていく短パルス光ＰSSは、少なくとも各ポート間で短パルス光ＰSSのパルス幅以上の間隔（時間ずれ）を持ち、且つ、各ポートの短パルス光ＰSSを基に生成した信号光ＰSがスイッチファブリック部１００ａに入力されたときに同一時間軸上で重ならないように、光ファイバ回路２３２の回路構成を調整している。
（３）  しかも、各ポートのポンプ光ＰPと信号光ＰSは時間軸上で重なっていて、且つ異なるポートのそれらとは重なっていない。
【００７５】
これにより時分割多重方式で同時に受信したパケット情報をスイッチングすることができる。例えば、信号速度が40Gb/s（1ビットが25ps）で短パルス幅が500fsの場合、各ポート間の短パルスの間隔を1psとすると、同時に25個の信号を相互の悪影響なく処理できる。
即ち、複数のポートからパケットが入力されても、お互いに影響することなく時分割多重方式で処理が行われる。
【００７６】
スイッチファブリック部１００ａのアレイ導波路に挿入した非線形媒質は、非線形効果が大きく、作製コストが低いことが望ましい。したがって、非線形媒質の材料としては、ＡｌＧａＡｓをはじめとする半導体、ニオブ酸リチウムをはじめとする誘電体材料、さらにはフォトニック結晶構造を持つ材料でもよい。
【００７７】
上記の構造は作製コストが低い材料で実現されることが望ましい。したがって、石英系の平面光回路、半導体の平面光回路、誘電体の平面光回路でもよい。さらにそれらでモノリシック、もしくはハイブリッドで集積しても良い。
例えば、入力用スラブ導波路、出力用スラブ導波路、アレイ導波路、及び非線形媒質が、石英系平面光波回路に集積されて構成されていても良い。
また、アレイ導波路及び非線形媒質が、異なるバンドギャップ波長と導波路構造をもつ半導体材料でモノリシックに集積された構成になっていてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０  光スイッチ
１００，１００ａ  スイッチファブリック部
１１０  入力用スラブ導波路
１２０  出力用スラブ導波路
１３０ａ〜１３０ｋ  アレイ導波路
１３１ａ〜１３１ｋ  非線形媒質
１４０  ３Ｒ再生器
２００  光スイッチシステム
２１０−１〜２１０−１１  光制御回路
２１１  光減衰選択器
２１２  全光ゲート
２１３  光結合器
２２１  ポンプ光用モードロックレーザ
２２２  波形整形器
２２３  信号光用モードロックレーザ
２２４  波形整形器
２３１，２３２  分岐遅延回路である光ファイバ回路
【図１】
2015022242.tif 000011
【図２】
2015022242.tif 000012
【図３】
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