(57)【要約】【課題】光スイッチを切り換えている最中に光スイッチに到達したパケット情報の喪失は避けられず、失われたパケットを再送信しなければならない。光スイッチの切り換え速度が遅いほど、失われるパケットは増加する。本発明は、こうした問題を解決するための手法の提案を課題とする。【解決手段】光信号喪失回避回路とマトリックス光スイッチとから構成される光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチであり、光信号喪失回避回路を、少なくとも２つ以上に光の経路を切り換える経路切換器として光導波路を用い、該回路の出力ポートの一方をマトリックス光スイッチの入力ポートと結合し、他方の出力ポートを本線に戻す回路に結合して構成し、マトリックス光スイッチの経路切り換え動作を認識し、マトリックス光スイッチに送信されるデータをあらかじめ本線に戻す回路にも分配する事で、マトリックス光スイッチの経路切換時に起こるデータ喪失を防止する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号喪失回避回路トマトリックス光スイッチとから構成される光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチであり、光信号喪失回避回路として、少なくとも２つ以上に光の経路を切り換える経路切換器を用い、マトリックス光スイッチの経路切り換え動作を認識し、マトリックス光スイッチに送信されるデータをあらかじめ別経路にも分配する事で、マトリックス光スイッチの経路切換時に起こるデータ喪失を防止することを特徴とする光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチ。
【請求項２】
経路切換器として光導波路を用い、マトリックス光スイッチの各入力ポートに、電気光学効果を有する結晶基板の上に設けられた光導波路により形成された方向性結合器と、その方向性結合器に近接して設けられた電極とから構成される回路を設け、該回路の出力ポートの一方をマトリックス光スイッチの入力ポートと結合し、他方の出力ポートを本線に戻す別経路に結合して光信号喪失回避回路とすることを特徴とする光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチ。
【請求項３】
マトリックス光スイッチとしてＭＥＭＳミラーを用いることを特徴とする光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチ。
【請求項４】
光導波路に用いる結晶基板が、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムのいずれかである請求項１〜３記載のいずれかの光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチ。
【請求項５】
結晶基板の主面方位が光学軸と垂直であり，光導波路の伝搬方向が光学軸と平行であることを特徴とする請求項４記載の光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５記載のいずれかの光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチの使用方法であり、光導波路に設けられた電極に印加する電圧を操作することにより、前記結晶基板上に形成された方向性結合器の結合率を制御することを特徴とする光信号喪失回避方法。
【請求項７】
前記方向性結合器の結合率を、少なくとも０，５０，１００％の３段階で制御する請求項６記載の光信号喪失回避方法。
【請求項８】
前記方向性結合器の結合率を、０，５０％の２段階で制御する請求項６記載の光信号喪失回避方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムや光情報処理システム特にパケット通信方式を用いる分野で重要な情報の損失を回避する光回路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＤＳＬや光ファイバー等の普及でアクセス回線の高速化が進み、それに合わせて、通信事業者間を結ぶ大容量の基幹通信回線も速度向上が不可欠となっている。こうした要求をかなえる手段の一つにパケット通信がある。このパケット通信では、データをいったん小さな部分（パケット）に分割し、分割したパケットを送受信する通信方式が用いられている。各パケットには、宛先やデータのどこの部分かを示す情報が付加されていて、受信の際はこの付加情報を基に元のデータに組み立てられ、記憶される。
【０００３】
こうしたパケット通信では、送信時間ロスを最小限とするため、各種のデータのパケットが間断無く送信されるため、受信地への到達順序は必ずしも送信した順とならないことが特徴である。また、到達するパケット同士の間隔も一定である必要はない。
【０００４】
しかし、現状のパケット通信では、パケットを異なるネットワーク同士で相互に接続する場合、光信号を一旦電気信号に変換して信号処理を行い、再度光信号に戻して送信を行うため、送信速度の高速化が図れず、またコストも上昇するという問題から光信号をそのまま処理する光スイッチが望まれ、盛んに開発されている。
【０００５】
光のまま処理する光スイッチは、通常入力ポートがＭ個に対し、出力ポートがＭ個あり（Ｍ，Ｎは整数）、信号光の経路を電気制御などで切り換えるものであるが、様々な方法が考案されている。このような多段の光スイッチをマトリックス光スイッチとよぶ。ニオブ酸リチウム結晶を用いた光スイッチ素子は動作速度が高速であるが、光スイッチ内の交差点（分岐点）での損失が大きく多段の光スイッチには不適切である。
【０００６】
近年、半導体の微細加工技術を利用した微細な機械式の光スイッチが開発されているが、これは、交差点に設けられた鏡の方向を変えることで信号光が反射する方向を制御し、立体的に光信号の切り換えを実現するＭＥＭＳ  （Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いた光スイッチである（非特許文献１参照）。
分岐点での損失がなく非常に有望視されている方式の一つである。
【０００７】
ＭＥＭＳミラーは平行平板電極を用いて静電力を発生させるため、切り換え速度は１０ミリ秒程度である。ＭＥＭＳミラーを用いた光スイッチを単独で使用する場合は、経路切り換えの最中に光スイッチに到達したパケット情報が失われてしまうため、その間は光スイッチに到達するパケットを回避する手段が必要となる。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｌ．  Ｙ．  Ｌｉｎ，  Ｅ．  Ｌ．  Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ，  Ｒ．  Ｗ．  Ｔｋａｃｈ，  ＩＥＥＥ．  Ｊ．  ＥＬＥＣＴ．  ＴＯＰＩＣＳ．  ＱＵＡＮＴＵＭ．  ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，  Ｖｏｌ．５，  Ｎｏ．  １，  Ｊａｎｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １９９９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電気信号の処理であればバッファーメモリー等の記憶素子によってデータを一度蓄積し、スイッチの切り換えが終了した後など、都合のよいときにそれを排出することが容易に実現できるため、パッケット情報が失われることはない。一方、光信号処理の場合は、光信号を蓄積する研究は盛んになされているものの、その実用化は容易ではない。そのため、前記したように、光スイッチを切り換えている最中に光スイッチに到達したパケット情報の喪失は避けられず、失われたパケットを再送信しなければならない。光スイッチの切り換え速度が遅いほど、失われるパケットは増加する。
本発明は、こうした問題を解決するための手法の提案を課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、光信号喪失回避回路とマトリックス光スイッチとから構成される光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチであり、光信号喪失回避回路として、少なくとも２つ以上に光の経路を切り換える経路切換器を用い、マトリックス光スイッチの経路切り換え動作を認識し、マトリックス光スイッチに送信されるデータをあらかじめ別経路にも分配する事で、マトリックス光スイッチの経路切換時に起こるデータ喪失を防止することを特徴とする光信号喪失回避回路付きマトリックス光スイッチである。
【００１１】
一の態様として、前記経路切換器として光導波路を用い、マトリックス光スイッチの各入力ポートに、電気光学効果を有する結晶基板の上に設けられた光導波路により形成された方向性結合器と、その方向性結合器に近接して設けられた電極とから構成される回路を設け、該回路の出力ポートの一方をマトリックス光スイッチの入力ポートと結合し、他方の出力ポートを本線に戻す別経路に結合して光信号喪失回避回路とするものである。
【００１２】
また、別の態様は、光導波路に用いる結晶基板が、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする光回避回路であり、好ましくは該結晶基板の主面方位が光学軸と垂直であり，光導波路の伝搬方向が光学軸と平行であるものである。
【００１３】
また、別の態様は、マトリックス光スイッチとしてＭＥＭＳミラーを用い、ＭＥＭＳミラーの各入力ポートに、電気光学効果を有する結晶基板の上に設けられた光導波路により形成された方向性結合器と、その方向性結合器に近接して設けられた電極とから構成される回路を設け、該回路の出力ポートの一方をＭＥＭＳミラーの入力ポートと結合し、他方の出力ポートを本線に戻す回路に結合して光信号喪失回避回路とするものである。
【００１４】
また、別の態様は、光導波路に設けられた電極に印加する電圧を操作することにより、前記結晶基板上に形成された方向性結合器の結合率を制御する光信号喪失回避方法であり、好ましくは前記方向性結合器の結合率を、少なくとも０，５０，１００％の３段階で制御する光信号喪失回避方法である。
【００１５】
また、別の態様は、前記方向性結合器の結合率を、０，５０％の２段階で制御する光信号喪失回避方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる経路切換器としての光導波路部の例を図１に示した。本例では、基板１としてニオブ酸リチウムを用いた。方向性結合器２は、特定の波長の光に対して、電極３に印加する電圧が０ボルトのとき、入力ポート４から入射した信号光が光導波路６に１００％移行するように作製されている。また、電極３に印加する電圧が所望の値Ｖ１ボルトのとき入力ポート４から入射した信号光がそのまま直線光導波路５に伝搬するようにしておく。
【００１７】
マトリックス光スイッチの切換時に起こる光信号の喪失を回避するための仕組みを図１と図２とを用いて説明する。なお、図２はマトリックス光スイッチ内に入射した信号光の経路を概念的に例示した図である。
【００１８】
いま、図１の入力ポート４から直線光導波路５に入射した信号光は、電極３に印加する電圧が０ボルトのとき、直線光導波路５から完全に移行して光導波路６を伝搬して出力ポート７を通って光ファイバー９に入る。さらに、光ファイバー９を通った信号光は図２に示すマトリックス光スイッチ２１のポート２２に入る。
【００１９】
いま、マトリックス光スイッチ２１の経路を切り換える。切換操作開始と同時に図１の電極３に電圧Ｖ１が印加される。この結果、入射した信号光は直線光導波路５、出力ポート８、光ファイバー１０を伝搬してマトリックス光スイッチ２１の、ポート２３に入る。光スイッチ切り換え動作開始後に、正規入力ポート２２を通過していたならば、最初のいくつかのパケットは光スイッチの切り換えが完了前にスイッチの交差点（分岐点）に到達するのでパケットが喪失するはずであるが、回避入力ポート２３に入力するので、予備の経路を経て例えば光ケーブルの本線に戻され、何れ入力ポート４に再入力される。この結果、パケットが喪失することはない。経路切換器として電圧印加切換速度の極めて速い光導波路を用いることによりデータが損なわれることなく、回避ルートを経由してパケットが最終的に目的地に届けられる。
【００２０】
なお、このような高速の光経路切り換え手段を用いても、方向性結合器の光路切換最中（電圧の上昇中）にパケットがちょうど方向性結合器に到達する場合もある。このような状況では信号は一部破壊され、再送が必要となる。このような状況を回避するために以下のような手段を用いるとよい。
【００２１】
光通信においては、光信号強度が半分程度になっても大きな問題は起こらない。そこで、方向性結合器の結合率を０％から１００％に一度に変化させず、まず０％から５０％とし、次いで５０％から１００％に二段階で変化させる。これにより方向性結合器の光路切換によるパケットの破損を最小限回避できる。
【００２２】
こうするのは、いきなり０％から１００％へ切り換えた場合、切り換えた瞬間に通過中の光信号は途中で分断されてしまう。即ち、パケット信号が分断されることになる。そこで、まずは０％から５０％へ切り換え、光導波路６と直線光導波路５の双方に同じ信号を流す。そうすることによりＯＦＦに向かって切り換えられた信号は、信号強度が、前部が１００％、後部が５０％の光信号強度のものとなるが情報は失われない。ただし、ＯＮに向かって切り換え始められた経路の信号は前半部分が欠落した異常パケットとなり、何れ破棄される。この状態を、最大長の１パケットが通り過ぎる時間以上保つ。
【００２３】
次に、５０％から１００％へ切り換える。この際、ＯＦＦに向かって切り換え始められた経路の信号は二つに分断され、後部分は欠落する。しかし、ＯＮに向かって切り換え始められた経路の同一内容の信号は前部が５０％、後部が１００％の光信号強度のものとなるが、情報は失われない。
【００２４】
マトリックス光スイッチの切り換えが完了したら、これと連動して電極３の電圧を０Ｖとして入力ポート４から入射した信号光が通常のルート、即ち光ファイバー９を通るようにしておく。
【００２５】
また、別の方法として、以下のようにマトリックス光スイッチの切り換え動作中だけ、パケットを２つに分岐し、正規ルートと回避ルートに全く同じパケットを送信しても良い。すなわち、マトリックス光スイッチを切り換えと同時に上記の経路切換器としての光導波路の電極３にＶ１／２の電圧を印加する。すると方向性結合器２によって１／２ずつの強度に分かれた同じパケットが図２に示すマトリックス光スイッチ２１のポート２２と、ポート２３とに伝搬される。
【００２６】
マトリックス光スイッチ切り換え動作開始後に、正規入力ポート２２を通過した最初のいくつかのパケットは、マトリックス光スイッチの切り換えが完了前にスイッチの交差点（分岐点）に到達するのでパケットが喪失する。しかし、全く同じパケットが回避入力ポート２３に到達するので、強度は１／２に減衰しているものの、データが損なわれることなく、回避ルートを経由して、別ルートでパケットが目的地に届けられる。前記と同様、マトリックス光スイッチの切り換えが完了したら光回避回路の状態をリセットしておくが、データを２つに分けているためリセットの時間的マージンを短くすることができ、前記方法と比較してリセットを早めに行うことが可能である。
【００２７】
本発明の特徴は、電気光学効果を用いるため、応答速度が速い。従って、素早い回避の発生を要求される場合に特に適している。
【００２８】
図３は専用回避回路付きマトリックス光スイッチの例を示した。図３の様に専用回避回路付きマトリックス光スイッチを使用すればマトリックス光スイッチのスイッチ数を１列分増やすだけで済む。
【００２９】
本発明において、光導波路の基板としてニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムを用いるが、以下、これに関して説明する。
【００３０】
電気光学効果を利用した高速の光導波路を作製する上で、電気光学係数が大きいこと、良質で直径３インチ以上の結晶が得られることが重要であるが、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは産業上多く利用されておりこれらの要求を満たす。しかし、このような結晶は複屈折性を有するため、結晶基板上に前記光導波路５，６を作製する場合には、この複屈折性の影響を小さくするための特別な工夫が必要となる。
【００３１】
たとえば、ニオブ酸リチウム結晶基板の主面方位を光学軸と平行にし、光導波路内を伝搬する信号光の方向を光学軸と垂直になるように選んだ場合、入射する信号光の偏光方向が結晶軸と平行ならば、ニオブ酸リチウムが有する電気光学定数の中で最も大きいｒ３３を利用することができ、上述の光回避回路に印加する電圧を非常に小さくできる。
【００３２】
しかし、これ以外の偏光方向を持つ信号光が入射する可能性がある場合は、光喪失回避回路を駆動するための電極を分割された２組以上の電極にするなどした上で、分割された電極に異なる値の電圧を印加するなど、複雑な方法で光回路を制御する必要がある。結晶基板の主面および信号光の伝搬方向を共に結晶軸と垂直になるように選んで光回路を作製した場合も同様の工夫が必要である。
【００３３】
ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムのような１軸性結晶では、前記したように信号光の伝搬方向が光学軸に平行になるように光導波路を作製した場合は、入射する信号光の偏光方向の違いによって生じる駆動電圧の変動や方向性結合器のクロストークを小さく抑えることができる。以下、ニオブ酸リチウムを基板とした光喪失回避回路について説明する。
【００３４】
ニオブ酸リチウムの光学軸に対し、垂直な方向を主面とする結晶基板上に光導波路を光学軸と平行に作製する。この場合、入射する信号光の偏光方向に関係なく、伝搬する光の屈折率は常光屈折率のみとなり、光導波路内は光学的に等方となる。電極に電圧を基板の主面および光学軸の両方に垂直な方向に印加することで、方向性結合器の経路を選択できる。この場合に利用するｒ２２の大きさはｒ３３と比較して１／５以下なので、光回避回路の駆動電圧を低減させるのには工夫を必要とするが、入射する信号光に対して偏光無依存型の光喪失回避回路が形成できる。
【００３５】
本発明で使用しうるマトリックス光スイッチは光導波路を用いたものや、小さなプリズムやミラーを用いたものや、半導体の微細加工技術を利用した微細な機械式の光スイッチなどのいずれでも良いが、交差点に設けられた鏡の方向を変えることで信号光が反射する方向を制御し、立体的に光信号の切り換えを実現するＭＥＭＳミラーを用いた光スイッチを用いることが好ましい。
【００３６】
【実施例】
以下実施例に基づき本発明を更に説明する。
（実施例１）
第４図のように、基盤の主面方向が結晶軸ｃと垂直であるニオブ酸リチウム基板４１に、レジストを塗布後、フォトリソグラフィー技術、電子ビーム蒸着、熱拡散により光導波路４３，光導波路４４を結晶軸と平行に作製した。この後、電子ビーム蒸着により二酸化シリコン４２をこの基盤の全面に成膜し、その上にフォトリソグラフィー技術、電子ビーム蒸着により金属（材質を記載してください。）電極４３を作製した。
【００３７】
次に、金属電極４３に電圧印加せず、波長１．５５μｍの光を入力ファイバー４６より入力ポート４７を経て光導波路４５に伝搬した。出力ポート４８，５０にて出射する光を測定したところ、出力ポート４８より光が出射され出力ポート５０からは光は出射されなかった。
【００３８】
光導波路４４、光導波路４５によって形成された方向性結合器が正常に作動し、入力された波長１．５５μｍの光が入力ファイバー４６より入力ポート４７を経て光導波路４５に伝搬し、方向性結合器により光導波路４４に移行して出力ポート４８から出射したことが確認できた。
【００３９】
次に、電極４３に１２ボルトの電圧を印加したところ、入力ポート４７から入射した光は光導波路４５を通り出力ポート５０から出射し、出力ポート４８からは出射しなかった。
【００４０】
次に、電極４３に６ボルトの電圧を印加したところ、入力ポート４７から入射した光は光導波路４４、および光導波路４５を伝搬し、入射された信号強度の１／２の強度で出力ポート４８および出力ポート５０から出射した。
【００４１】
出力ポート４８とマトリックス光スイッチの入力端子部と光ファイバー４９で結合して通常ルートとし、出力ポート５０とマトリックス光スイッチの回避ルートの入力端子部とを光りファイバーで結合して回避ルートとした。
【００４２】
そうして、入力ポート４７より信号光を入射しつつマトリックス光スイッチの切り替えと同期して、電極４３に１２ボルトを印可したところ、１μ秒以下で入力ポート４７から入射した光は光導波路４５を通り光ファイバー５０を経て、マトリックス光スイッチの回避ルートに入射した。１２ミリ秒後、マトリックス光スイッチの切り換え終了とともに、電極４３に印加していた電圧を０ボルトとした。入力ポート４７から入射した信号光は１μ秒以下で光導波路４４を経由して光スイッチ内の通常ルートを伝搬した。このときの時間と動作状態の概要を図５に示した。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、機械式に代表される応答速度は遅いが挿入損失の小さいマトリックス光スイッチと、応答速度の早い電気光学効果を用いた光導波路を光信号喪失回避回路として組み合わせたものである。これによって、応答速度の遅い光スイッチの切り換えが終了するまで、高速に応答する光回路を用いて回避経路に光信号を導くことで情報の喪失を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光導波路と光ファイバーを用いた光信号喪失回避回路例を示した図である。
【図２】光信号喪失回避回路から入射した信号光の光スイッチ内での経路を示した図である。
【図３】専用回避回路付きマトリックス光スイッチ例の概念図である。
【図４】実施例で用いたニオブ酸リチウム基板上の光信号喪失回避回路の図である。
【図５】実施例での光信号喪失回避専用回路付きマトリックス光スイッチの動作状態の概要を示した図である。
【符号の説明】
１――――結晶基板
２――――方向性結合器
３――――電極
４――――入力ポート
５――――直線光導波路
６――――光導波路
７――――出力ポート
８――――出力ポート
９――――光ファイバー
２１―――マトリックス光スイッチ
２２―――ポート
２３―――ポート
３１―――専用回避回路
３２―――正規入力ポート
３３―――回避入力ポート
４１―――ニオブ酸リチウム基板
４２―――二酸化シリコン
４３―――電極
４４―――光導波路
４５―――光導波路
４６―――入力ファイバー
４７―――入力ポート
４８―――出力ポート
５０―――出力ポート
５１―――光ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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