(57)【要約】【課題】同一波長の信号光を光電変換せずにルーティングを行うルータを得る。【解決手段】入力信号光を２個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータはある閾値以上の強度を有する信号光を反射し、閾値より低い強度を有する信号光を透過する光スイッチを有することを特徴とする光ルータ、または入力信号光をＮ個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータはＮ段階の強度で識別される入力信号光それぞれを取り出す光スイッチをＮ−１個有することを特徴とする光ルータを用いる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号光を２個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータは所定の値以上の強度を有する信号光を反射し、前記所定の値より低い強度を有する信号光を透過する光スイッチを有することを特徴とする光ルータ。
【請求項２】
入力信号光をＮ（Ｎは２以上の整数）個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータはＮ段階の強度で識別される入力信号光それぞれを取り出す光スイッチをＮ−１個有することを特徴とする光ルータ。
【請求項３】
入力信号光をＮ（Ｎは２以上の整数）個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータはＮ段階の強度の信号光それぞれに反応して屈折率が変化する薄膜を有する光スイッチをＮ−１個有することを特徴とする光ルータ。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の光ルータを有する光ルーティングシステムであって、信号光に励起光を上乗せする発光素子を有することを特徴とする光ルーティングシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の光ルーティングシステムであって、励起光フィルターを有することを特徴とする光ルーティングシステム。
【請求項６】
請求項１乃至３記載の光スイッチを加熱する装置を有する光ルータ。
【請求項７】
所定の値以上の強度を有する信号光を反射し、前記所定の値より低い強度を有する信号光を透過する非線形光学薄膜を有することを特徴とする光ヒューズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ルータに関し、特にＮ（Ｎは２以上の整数）段階の強度の信号光それぞれに応じて反応するＮ個の光スイッチを用い、高速に信号光のルーティングを行う光ルータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光通信を用いた情報化社会の発展により、大容量の情報を高速で通信できる通信システムの構築が必要となっている。従来のフォトニックネットワークにおいては、送信情報をインターネットプロトコル（ＩＰ）パケットとして信号光に変換し、送信していた。
【０００３】
この場合、信号光の伝送速度は光の速度になるが、ルータによってＩＰパケットをルーティングする際には、一度光情報を電気情報に変換し、ＩＰアドレス情報を電子回路により解読する必要があるため、ルーティングの速度は電子回路の速度により決定されていた。
【０００４】
現在では、波長多重通信（ＷＤＭ）が展開され、ネットワークの高速化が急速に進んでいる。この光システムネットワークを結ぶ光ファイバは、電子的なパスに比較して遥かに高速のデータ通信を可能とする。光学的な信号は大きな帯域を持っており、これを効果的に利用するために光学的なルータが必要不可欠である。波長多重された信号光をルーティングする際には、アレイ導波路回折格子やフォトニック結晶が有望とされ、既に多くの出願がなされている（特許文献１，２，３，４）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１９７１２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１１５８４号公報
【特許文献３】
特開２００２−７２２６０号公報
【特許文献４】
特開２００２−１５８６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフォトニックＩＰルータでは中継点において光電変換が必要であり、通信速度の低下及び必要とされるハードウエアの増加の面から、デメリットが多かった。中継点の増加による消費電力の増加，ルーティング速度の高速化といった問題を解決するためには、信号光を光電変換せずにルーティングを行うことが必須である。波長多重化された信号光はアレイ導波路回折格子やフォトニック結晶を応用した分波回路によって物理的に高速にルーティングされるが、ルーティングされた後の信号光は同一波長のものであり、それから先のルーティングは光電変換を行った後、論理的にルーティングする必要がある。
【０００７】
本発明は、フォトニックネットワークでパケット送信を行う際、同一波長の信号光のルーティングを物理的に高速に行うための光ルータの提供をするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施態様の一つとしての簡単なルーティング法は、入力信号光を２個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、光ルータは所定の値以上の強度を有する信号光を反射し、前記所定の値よりも低い強度を有する信号光を透過する光スイッチを有することを特徴とする光ルータを用いる。出力先がＮ（Ｎは２以上の整数）個の場合は、上記原理を応用し、入力信号光をＮ個の出力先にルーティングする光ルータにおいて、前記光ルータはＮ段階の強度で識別される入力信号光それぞれを取り出す光スイッチをＮ−１個有することを特徴とする光ルータを用いることによって解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１における光スイッチは信号光の強度に応じて屈折率が連続的に変化する薄膜を有しており、ある所定の値以上の強度の信号光を反射し、前記所定の値よりも低い強度の信号光を透過する特徴を有する。この境界となる強度の値を以後、強度閾値と称する。また、屈折率に整合性があるガラスと非線形光学薄膜の部分（入射光を透過，反射する要素部分、図１における１と２）を光スイッチと称し、その光スイッチが組み込まれた導波路，加熱等励起部分を有するデバイスを光ルータと称する。
【００１０】
本実施例で示す光ルータは、信号光の強度がそれぞれ異なる場合のルーティングに関して有効である。一方、信号光の波長も強度も物理的に識別できない場合は、ルーティングすべき信号光に励起光を上乗せする発光素子を有する光ルーティングシステムを用いることにより、ルーティングが可能である（実施例２図５）。ここで光ルーティングシステムとは、光信号をルーティングする系統をいう。
【００１１】
この場合は励起光が光スイッチのＯＮ／ＯＦＦを決定する。励起光が上乗せされた信号光をルーティングした後は励起光のみを除去する必要があるが、そのために励起光のみを選択的に除去する光学フィルターを用いる（実施例３図９）。
【００１２】
本実施例の光ルータに組み込まれる光スイッチは模式的には図１に示すような構造となる。図１において１は光の励起により屈折率が低下する非線形光学薄膜、２は薄膜と整合した屈折率を有するガラス基板である。このような光スイッチに信号光３，４を入射する。
【００１３】
非線形光学薄膜１の強度閾値をＩ０、屈折率をｎ１とする。この非線形光学薄膜１はＩ０以上の強度の光が入射すると表面が励起することにより屈折率がｎ１からｎ０へと変化する。信号光３の強度をＩ０、信号光４の強度をＩ１とし、
Ｉ０＞Ｉ１とし、ガラス基板２の屈折率はｎ１とする。
【００１４】
非線形光学薄膜１は、強度閾値Ｉ０以上の強度を有する信号光３が入射した場合、その屈折率はｎ０となる。一方ガラス基板２の屈折率はｎ１であるため、
ｎ０＜ｎ１となる。ここで信号光の入射角Θを
ｓｉｎΘ＞ｎ０／ｎ１
となるようにしておくと、信号光３は界面にて全反射条件を満たすため反射され、５の方向に出力される。また強度閾値Ｉ０よりも低い強度Ｉ１を有する信号光４が入射した場合、非線形光学薄膜１の屈折率はｎ１となり、これはガラス基板２の屈折率と同値であるため界面で全反射は起こらず、信号光４は６の方向に出力される。このような原理に基づき、図１に示す光スイッチは信号光をルーティングする。
【００１５】
非線型光学薄膜の屈折率，非線型光学薄膜が励起された後の屈折率，基板材料の屈折率との関係は非線型光学薄膜が励起された後の屈折率が基板材料の屈折率を下回ることが重要であり、非線型光学薄膜の屈折率と基板材料の屈折率はより近い方が好ましいので、本実施例では同じ値とした。
【００１６】
また、本実施例の場合にはガラス基板２の屈折率はｎ０より大きくｎ１以下の範囲であれば差し支えなく同様の現象が生じる。本実施例の光ルータを用いれば、信号光は波長で区別される必要がない。
【００１７】
図１に示す光スイッチに用いる非線形光学薄膜の屈折率は、入射光の強度に応じて低下するものであり、薄膜の屈折率と入射光強度の相関の一例を図２に示す。
【００１８】
図２に示す特性を有する薄膜を用いれば、図１の光スイッチの強度閾値を連続的に変化させたＮ−１（Ｎは２以上の整数）数個の光スイッチを組み合わせることにより、Ｎ個の出力先を有する光ルータが作製できる。
【００１９】
図３には、図１に示す光スイッチを３個用いた、４つの出力先を有する光ルータの構造を模式的に示す。光ルータに用いる光スイッチ７，８，９は、図１に示すものと同じ構造を有し、それぞれに組み込まれている非線型光学薄膜の強度閾値をＩ０，Ｉ１，Ｉ２とする。これらの異なる強度閾値を有する非線型光学薄膜を得るには、光学材料の組成を制御し、屈折率の初期値（非励起時の屈折率）を所望の値に変化させるとよい。例えば、図８のＦｅ３Ｏ４やＣｏ３Ｏ４であれば、薄膜に含まれる酸素含有量を調整することにより屈折率を連続的に変化させられる。Ｄｙ４Ｆｅ６Ｏ１２やＥｒ４Ｆｅ６Ｏ１２ではＤｙやＥｒの含有量を変化させ、
９５Ｆｅ３Ｏ４＋５ＳｉＯ２ＴｉＯ２であればＳｉＯ２ＴｉＯ２の含有量を変化させるることにより、非線形光学材料の屈折率を連続的に変化させることができる。この光ルータに信号光１０，１１，１２，１３（それぞれ強度Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）を入射する。但し、Ｉ０＞Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３である。この時各光スイッチ７，８，９の基板材料の屈折率は、それぞれ順にｎ１，ｎ２，ｎ３とする。
【００２０】
信号光１０の強度は光スイッチ７の強度閾値Ｉ０と同値であるため光スイッチ７にて反射され、１４方向に出力される。同時に信号光１１，１２，１３の強度は全て、光スイッチ７の強度閾値よりも小さいため１５方向に透過し、光スイッチ８へと入射される。同様に光スイッチ８では信号光１１のみが反射、１６方向に出力され、信号光１２，１３は光スイッチ９へと入射される。光スイッチ９では信号光１２のみが反射され１７方向に出力される。信号光１３は光スイッチ７，８，９の全てを透過し、１８方向に出力される。このようにして４段階の強度を有する信号光を４方向に物理的にルーティングすることが可能である。
【００２１】
Ｎ（Ｎは２以上の整数）段階の強度を有する信号光をＮ個の出力先にルーティングする方法も基本的に全く同じであり、この場合はＮ−１個の光スイッチが必要となる。
【００２２】
上記説明は、Ｎの数の少ない実験系に基づき、かつ信号光の進路を幾何光学的にわかりやすく表示するために用いた系であり、実際問題としては、導波路等を用いる方が生産効率は高い（実施例２図４）。
【００２３】
このような原理に基づく光ルータにて信号光をルーティングする場合、原理的に信号光の宛先情報を解読する必要がないため、非常に高速に信号光をルーティングできる光ルータが得られる。
【００２４】
光ネットワークにおいて、ルーティングされた先の光路に何らかのトラブルが生じる場合があるが、上記原理に基づくルーティングをしている限り、トラブルを有する光路へも物理的な条件を満たす信号光をルーティングしてしまう。このような事態が想定される場合は、あらかじめ光ルータが有する光スイッチを加熱する装置を組み込んでおく。本実施例の非線形光学薄膜は、入射光の強度に応じて屈折率が変化するのと同様に、加熱によっても屈折率が変化するため、ルーティング先に何らかのトラブルが生じた場合は、人為的に光スイッチを加熱し、全ての信号光を強制的に一方向に流し情報を保護する。
【００２５】
光通信システムにおいては長距離光ファイバー中を信号光が伝播していく際、または光デバイスを通過する際に、信号光は減衰する。このため光通信システムには信号光を増幅するデバイスが含まれる場合がある。しかしながらこの光増幅デバイスからは、強度の高いサージ（光ノイズ）が発生することも知られている。
【００２６】
このサージの強度よりも強度閾値を低くした図１の光スイッチを用いれば、サージのみを反射し、強度の低い信号光は通過させ、サージから光回路を保護する光ヒューズとして用いることができる。
【００２７】
図１の光スイッチの場合は、強度閾値Ｉ０以上の光をサージと見れば、これは光ヒューズの役割を果たすことになる。
【００２８】
（実施例２）
図４には光ルータの製造方法の一例を示す。まず図４（ａ）に示すように、石英ガラス系ガラス基板の上にフォトレジスト１９を塗布し、フォトリソグラフィで導波路パターン２０を形成する。次に図４（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により通信光に対して透明な材料、例えばＳｉ−Ｇｅ系薄膜を堆積した後、レジストを除去することによりＳｉ−Ｇｅ系導波路を形成し導波路２１とする。
【００２９】
この状態の基板にスパッタリング法により、図４（ｃ）に示す状態にＣｏ３Ｏ４−ガラス系薄膜２２を付ける。スパッタリングガスはアルゴン＋２０％酸素混合ガス，ガス圧０．６７Ｐａ，基板温度３００°とし、ターゲットにはＣｏＯ、ガラス成分としてＳｉＯ２−ＴｉＯ２を用いた。
【００３０】
次いで図４（ｄ）に示すように、先ほどと同様に導波路パターンを形成するが、この際にはＳｉ−Ｇｅ系薄膜のＧｅ量を調節し、導波路２３は導波路２１よりも屈折率の高い導波路とする。
【００３１】
更に図４（ｅ）に示すようにスパッタリング法によりＣｏ３Ｏ４−ガラス系薄膜２４をつける。
【００３２】
同様の工程を必要回数繰り返し、図４（ｆ）のような構造を作製する。本実施例では、４カ所の出口を有する光ルータとなる基礎デバイスを作製した。
【００３３】
図５は上記の手法により作製した１ラ４の光ルータの概略構成を示している。図中２５は石英基板である。図表を簡素化するために、このデバイスに接続した光ファイバは図示していない。
【００３４】
光ルータに組み込まれた光スイッチの強度閾値は、信号光入射口に近い薄膜から順に１２ｍＷ，７ｍＷ，３ｍＷとし、各出口には、光検出器２６，２７，２８，２９を配置する。この光ルータに、図に示す方向から、１ｍＷ，５ｍＷ，１０ｍＷ，１５ｍＷの４段階の強度を有するパルス状の信号光を連続して入射した。
【００３５】
１つの信号光のパルス幅は１ｎｓとし、パルス間の間隔は１０μｓとした。
１５ｍＷの信号光は２６の光検出器にて検出され、１０ｍＷの信号光は２７から、５ｍＷの信号光は２８から、そして１ｍＷの信号光はどの光スイッチでも反射せずに２９の光検出器にて検出された。
【００３６】
入力光と各出口に設置した光検出器２６〜２９で検出された出力光との相関の一例を図６に示す。信号光の強度に応じて出力先が指定されていることが示される。以上のような手法により、４段階の強度を有する信号光を強度に応じてルーティングできる事が示された。
【００３７】
入力信号光の強度やパルス幅等を変化させ、同様の実験を行った結果を図７に示す。信号光のパルス間隔は相当に短くても正確にルーティングできるが、その限界はおおむね数１０ｎｓ程度であることがわかる。
【００３８】
次に、上記の実施例におけるＣｏ３Ｏ４薄膜を、様々な種類の非線形光学薄膜に置き換えて同様の実験を行った。図８に、上記方法により調べた非線形光学薄膜の屈折率，屈折率変化，透過率，ルーティング特性，応答時間を示す。この図において、ルーティング特性の欄では、ルーティング出来た場合を○、出来なかった場合を×で示している。その結果、ＣｏＯ，ＺＮＯを除いては、同様の効果が得られ、良好なルーティング特性を確認した。ＣｏＯの屈折率変化が０．０５％　で、その他の物質の屈折率変化が２％以上であることから、非線形光学薄膜の屈折率変化は概ね２％以上で、ルーティング特性が得られることが分かった。
【００３９】
ＣｏＯの屈折率変化が０．０５％　で、その他の物質の屈折率変化が２％以上であることから、２％以上で特性が検出されることが分かった。さらに、Ｃｏ３Ｏ４薄膜，Ｆｅ３Ｏ４薄膜を用いると、屈折率変化が３％以上と非常に大きいため、
１．２ｐｓと非常に速い速度でスイッチングした。
【００４０】
さらに、希土類酸化物を４０％混入した薄膜（Ｅｒ４Ｆｅ６Ｏ１４，Ｎｄ４Ｆｅ６Ｏ１４）は屈折率が１．９　になっていることが分かった。そこで、これらの酸化物薄膜に対して、積層用の基板として、ＳｉＯ２　にＴｉＯ２　を重量比４０％混入させた屈折率が１．９　のガラス基板を用いた。その結果、先程と同様のスイッチング特性が得られた。さらに、出力光強度を調べたところ、先程の場合が７０％であったのに対し、ガラス基板を使用した場合は９５％と非常に効率がいいことが分かった。
【００４１】
本発明の原理に基づいて光をスイッチングするには、理論計算によれば薄膜の屈折率が１．５％　から２％以上変化する必要がある。従って図８において、屈折率変化が２％以上の薄膜は光をルーティングすることが可能である。ただし非線形光学薄膜が不透明なものであれば透過後の信号光は減衰するため、薄膜材料は透明であるほどよい。光スイッチ素子としての損失を０．５ｄＢ　以下にしたい場合、薄膜の透過率は８８％以上とすることが望ましい。
【００４２】
（実施例３）
図９に示す光ルータの出口Ａに対応する光スイッチの強度閾値をＩ０、出口Ｂに対応する光スイッチの強度閾値をＩ１、出口Ｃに対応する光スイッチの強度閾値をＩ２とした。
【００４３】
次に信号光３０と強度Ｉ０の励起光３４が重なるように入射のタイミングを調整し、光ルータに入射した。同様に信号光３１に対しては強度Ｉ１の励起光３５，信号光３２に対しては強度Ｉ２の励起光３６がそれぞれ重なるようにして、光ルータに入射した。励起光を重ねない信号光３３も同様に光ルータに入射した。
【００４４】
図中３７，３８，３９は励起光フィルターである。各信号光のパルス幅は１ｎｓとし、励起光のパルス幅は１ｎｓ〜２ｎｓ、信号光間隔は１０μｓとした。実験ではＩ０＝１５ｍＷ，Ｉ１＝１０ｍＷ，Ｉ２＝５ｍＷとし、信号光の強度は一律１ｍＷとした。ただし、Ｉ０−Ｉ１＞Ｉｓ，Ｉ１−Ｉ２＞Ｉｓ，Ｉ２＞Ｉｓである。
【００４５】
光ルータの最初の光スイッチにて信号光３０と強度Ｉ０の励起光３４が同時に入射されるため、実施例１と同様に強度Ｉ０の励起光３４は出口Ａ方向に反射される。この際同時に信号光３０も反射され、励起光３４は励起光フィルター３７で遮断され、光検出器２６には信号光３０が検出された。同様に光ルータの２番目の光スイッチでは、強度Ｉ１の励起光３５と信号光３１が同時に反射され、励起光３５は励起光フィルター３８に遮断され、信号光３１が光検出器２７にて検出された。３番目の光スイッチでは、強度Ｉ２の励起光３６と信号光３２が反射され、励起光３６が励起光フィルター３９で遮断され、信号光３２が光検出器
２８にて検出された。信号光３３には励起光が重なっていないため、３つの光スイッチ全てを透過し、光検出器２９にて検出された。
【００４６】
このように、同一強度，波長の信号光と、強度の異なる励起光を組み合わせることにより、所望の出口に信号光をルーティングすることが可能であることがわかった。
【００４７】
上記の実施例におけるＣｏ３Ｏ４薄膜を、様々な種類の非線形光学薄膜に置き換えて同様の実験を行った。この場合も同様に、信号光のパルス幅１ｎｓ，励起光のパルス幅１ｎｓ，信号光間隔は１０μｓ，Ｉ０＝１５ｍＷ，Ｉ１＝１０ｍＷ，Ｉ２＝５ｍＷとし、信号光の強度は一律１ｍＷとした。各材料を用いた場合の検出値を図１０にまとめる。実験に用いた薄膜には４種類の非線形光学材料を用い、薄膜の厚みは６０ｎｍおよび１２０ｎｍの２種類とした。全体的に、信号光強度に応じて出力先が指定されていることが示される。
【００４８】
以上のような手法により、強度が同一の信号光を、励起光強度に応じてルーティングできることが示された。
【００４９】
【発明の効果】
本発明により、信号光の強度に応じて高速に進路をルーティングできる光ルータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スイッチの概念図。
【図２】薄膜に入射する光強度と屈折率の関係。
【図３】光ルータの構造概念図。
【図４】光ルータ作製方法例。
【図５】光ルータによる信号光ルーティングの様子を示す図。
【図６】図５の光ルータに入射した信号光と検出された信号光の関係図。
【図７】光ルータの時間応答特性一覧。
【図８】種々の非線形光学材料の光学特性と、ルーティング特性の比較。
【図９】信号光強度および波長が同一の場合の、出口に励起光フィルターを有する１×４光ルータ。
【図１０】種々の非線形光学材料を用いた場合の、強度及び波長が同一の信号光のルーティング特性の比較。
【符号の説明】
１…非線形光学薄膜、２…ガラス基板、３，４，１０，１１，１２，１３，
３０，３１，３２，３３…信号光、５，１４，１６，１７…反射光出力方向、６，１５，１８…透過光出力方向、７，８，９…光スイッチ、１９…フォトレジスト、２０…導波路パターン、２１，２３…導波路、２５…石英基板、２６，２７，２８，２９…光検出器、３４，３５，３６…励起光、３７，３８，３９…励起光フィルター。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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