(57)【要約】【課題】  極めて小型で、超高速動作が可能な、ＥＸ−ＯＲ型の全光パターン識別が可能な、光−光型の光信号パターン識別方法及び光信号パターン識別装置を提供する。【解決手段】  偏光状態の異なる２つの光パルス列とプローブ光を多重量子井戸構造面型光スイッチに同時に入射させ、２つの光パルスパターンが異なるときにのみ、プローブ光の出力を得る。光信号パターンの識別の原理に、スピンに依存する位相空間フィリング現象を用いる。その結果、超高速の光パルス信号のパターン識別が可能となる。この光信号パターン識別装置は、偏光ビームスプリッタ、λ／４板（および−λ／４板）、集光レンズ、および多重量子井戸構造面型光スイッチから構成されている。【選択図】  図３
2005049799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎビット（ｎは２以上の整数）の光パルスからなる第１の円偏光光信号と、前記第１の円偏光光信号と逆の円偏光を有し、同じくｎビットの光パルスからなる第２の円偏光光信号と、同じくｎビットの光パルスからなる光プローブとを、多重量子井戸層からなる面型光スイッチの１点に照射して、前記第１の円偏光光信号によりダウンスピン（またはアップスピン）のキャリアを励起させ、前記第２の円偏光光信号により第１の円偏光光信号とは逆のスピンのキャリアを励起させる第１のステップと、
前記アップスピンと前記ダウンスピンのキャリアの差により生じる前記光プローブの偏光状態の変化の有無を測定することにより、前記第１の円偏光光信号の信号パターンと前記第２の円偏光光信号の信号パターンとが、同一であるか否かを識別する第２のステップと
を有することを特徴とする光信号パターン識別方法。
【請求項２】
前記第１の円偏光光信号は光パケットに付与された光ラベルであり、前記第２の円偏光光信号はノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号であることを特徴とする請求項１に記載の光信号パターン識別方法。
【請求項３】
前記第１のステップにおいて前記１点に照射するために集光レンズを用い、前記第２のステップにおいて前記測定をするためにポラライザを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号パターン識別方法。
【請求項４】
ｎビット（ｎは２以上の整数）の光パルスからなる第１の光信号と、同じくｎビットの光パルスからなる第２の光信号と、同じくｎビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第１の光信号と前記第２の光信号をそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ／４板と、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ／４板を通過した前記第１の光信号と前記第２の光信号を１点に集光するためのレンズと、
前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチと
を有することを特徴とする光信号パターン識別装置。
【請求項５】
前記λ／４板を通過する前に前記第１の光信号と前記第２の光信号を合わせるための反射ミラーを有することを特徴とする請求項４に記載の光信号パターン識別装置。
【請求項６】
ｎビット（ｎは２以上の整数）の光パルスからなる第１の光信号と、同じくｎビットの光パルスからなる第２の光信号と、同じくｎビットの光パルスからなるプローブ光とが通過するための偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第１の光信号と前記第２の光信号とをそれぞれ逆回りの円偏光に変換するためのλ／４板および−λ／４板と、
前記偏光ビームスプリッタを通過した前記プローブ光と、前記λ／４板を通過した前記第１の光信号と、前記−λ／４板を通過した前記第２の光信号とを１点に集光するためのレンズと、
前記レンズにより集光された光を受けるための多重量子井戸層からなる反射型の面型光スイッチと
を有することを特徴とする光信号パターン識別装置。  
【請求項７】
前記第１の光信号は円偏光光信号であり、前記第２の光信号は前記第１の光信号と逆の円偏光の円偏光光信号であり、かつ前記第１の光信号は光パケットに付与された光ラベルであり、前記第２の光信号はノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光信号パターン識別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号パターンの識別技術に関し、特に近い将来有望とされる光パケットスイッチネットワークにおいて、入力光パケットのアドレス情報等を有する光ラベル（ヘッダ）が、各ノードのローカルアドレス信号と、一致するか否かを高速に判別するための光−光型の光信号パターン識別方法及び光信号パターン識別装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットに代表されるデータ通信の爆発的増加に伴い、光信号の高速化の要求が高まっている。しかし、１０Ｇｂｐｓ以上の光信号を受光素子で電気信号に変換した後、その電気信号をそのまま従来の電子回路で処理することが問題となってきている。例えば、光パケット通信では、ルータ等において、光パケットのラベルに含有されるアドレス情報を解読して出力ポートを判別したり、光パケット同士の衝突回避のためにそのパケット信号を任意の時間だけ遅延させたりするようなバッファメモリ機能が必要であるが、従来ではそれらラベル認識処理やメモリ処理機能はシリコン系のＬＳＩ（大規模集積回路）で構成されているため、その動作速度は１Ｇｂｐｓ以下となってしまう。
【０００３】
そこで、高速光パケット信号を、受光素子を用いたＯ／Ｅ（光／電気）受信回路により電気信号に変換し、その電気信号からＩｎＰまたはＧａＡｓ系の高速電子回路技術を用いた電気クロック信号発生器によりクロック信号を抽出するとともに、そのクロック信号により電気シリアル−パラレル変換器において高速電気信号を複数の低速な電気信号へパラレル変換した後、ラベル認識を可能とする方法が考えられている。しかし、このような方法では、クロック発生およびシリアル−パラレル変換をすべて電子回路に依存しているため、４０Ｇｂｐｓ程度の速度が限界であると考えられる。さらに、ＩｎＰまたはＧａＡｓ系高速電子回路技術によりシリアル−パラレル変換を行い、複数の低速な信号に変換する場合には、高速な電気信号を順次半分の速度に分周する（４０ＧＨｚ→２０ＧＨｚ→・・・→数１００ＭＨｚ）必要があるため、かなりの段数が必要となり、またそれぞれの段におけるクロック抽出および位相制御等の問題も発生する。また、これら電子回路を用いた場合は、全体の消費電力も相当大きくなると予想される。しかも、電子回路を用いた従来のクロック抽出では、ＰＬＬ(Phase Locked Loop：位相ロックループ) によるフィードバックをかけ、ＶＣＯ(Voltage Control Oscillator：電圧制御発振器) の発振周波数をロックする必要があるため、バースト的に入力するパケット信号に対しては、瞬時にクロックを抽出することが不可能である。
【０００４】
高速な光ラベルのアドレス情報を解読する方法としては、上記のシリアル−パラレル変換により光ラベルの全ビットを低速な電気信号に変換した後、シリコンＬＳＩで処理する方法と、入力光パケットの光ラベルが、ノードが保有するローカルアドレスと一致するか否かで判別する方法とが存在する。リング型ネットワークの各ノードにおいて、入力光パケットをドロップさせて、別のネットワークへ移行させるか、または通過（バイパス）させるかを判断するバイパス／ドロップ装置には、後者の方法の方がより簡便で有利である。
【０００５】
光ラベルのパターンとローカルアドレス信号のパターンとを比較するパターンマッチング法としては、電界吸収型光変調器（ＥＡＭ：electro absorption type modulator）等のＡＮＤ(論理積)回路を用いたものが考えられる。すなわち、光ラベルは、ノーマリオンに設定されたＥＡＭを通過する際に、ローカルアドレスの電気信号により変調される。このとき、光ラベルが「１」でローカルアドレス信号が「１」の場合は、光信号は出力されず、光ラベルが「１」でローカルアドレスが「０」の場合のみ光信号は出力される。すなわち、ＥＡＭからの出力光信号が「０」の場合は、光ラベルとローカルアドレスのパターンが一致したと判断することができ、一方その出力が得られた場合は光ラベルとローカルアドレスのパターンが不一致と判断することができる。しかしこの方法では、光ラベルが「０」でローカルアドレスが「１」の場合にも、不一致であるにもかかわらず、出力光が得られず、一致と判断されてしまう問題が発生する。そのため、この方法では、光ラベルとローカルアドレスの「１」のビットの数は互いに等しくなければならないという制約が生じる。さらに、動作速度はＥＡＭによって制限されてしまうため、現状では４０Ｇｂｉｔ／ｓ程度が限界である。
【０００６】
一方、上記のようなＡＮＤ型回路を用いることによる生じる、アドレス内に用いることができる「１」の数の制限や、電気信号による動作速度の制限を打破する方法として、光ファイバループを用いた非線形ミラー（ＮＯＬＭ：Nonlinear optical loop mirror)による全光パターンマッチング法が研究されている（非特許文献１参照）。この方法では、ＡＮＤ型ではなくExclusive OR（ＥＸ−ＯＲ）型の論理演算が用いられるため、上記「１」の数の制限がなくなり、任意の光ラベルの付与が可能となる。さらに、全光処理により４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速光ラベルのパターンマッチングも可能となる。
【０００７】
【非特許文献１】K. L. Hall et al. “All-optical bit pattern generation and matching” Electron Letters Vol.32, No.13 P.1214-1215(1996-7)
【非特許文献２】中原達志、高橋亮他「自己同期型全光シリアル−パラレル変換による超高速光パケットのラベル認識とセルフルーチング」信学技報EMD2002-35, CPM2002-77,OPE2002-57、LQE2002-112 P.25-29(2002-08)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ＡＮＤ型回路を用いたパターンマッチングでは、光ラベルの「１」の数に制約があり、さらに電気信号を用いることによる動作速度の制限が存在する。さらに光ファイバを用いたＥＸ−ＯＲ型のパターンマッチングでは、「１」の数の制約はなく、動作速度も極めて高速となるが、装置全体が大きくなるという課題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上述の課題を解決して、極めて小型で、超高速動作が可能な、ＥＸ−ＯＲ型の全光パターン識別が可能な、光−光型の光信号パターン識別方法及び光信号パターン識別装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
多重量子井戸層内にキャリアが励起されると、スピンに依存する位相空間フィリングとスピンに依存しないクーロン相互作用とにより、励起子吸収飽和が生じる。そのため、内部に励起されたキャリアのアップスピンとダウンスピンの数に差が生じると、直線偏光（直線偏光は右回りと左回り円偏光の合波）のプローブ光の右回りおよび左回り円偏光成分のそれぞれが、スピンに依存する位相空間フィリングにより異なる可飽和吸収効果を受けるため、直線偏光のプローブ光は楕円偏光に変化して光スイッチから反射される。よって、入力プローブ光偏波と直交したポラライザを出力側に配置すると、アップスピンとダウンスピンのキャリア数が同じ場合には、プローブ光は出力されないが、その数に違いがあるときは、プローブ光はポラライザを通過して出力されるようになる。
【００１１】
そのため、ｎビット（ｎは２以上の整数）からなる円偏光の光ラベル信号と、逆の円偏光を有するローカル光信号とを多重量子井戸層に照射し、アップスピンとダウンスピンをそれぞれ励起させると、両者のパターンが一致した場合には内部のスピンのバランスが常に保たれるため、プローブ光の出力は得られないが、両者のパターンに１ビットでも不一致のビットが存在した場合には、プローブ光出力が得られ、両者のパターンが不一致であることが判断される。
【００１２】
本発明では、光ラベルが多重量子井戸層内に励起されるアップスピン（またはダウンスピン）キャリアとローカル光信号が励起するダウンスピン（またはアップスピン）キャリアの数の違いによって生じるプローブの偏光状態の変化を検出することにより、光ラベルとローカル光信号の一致／不一致の判別を可能としており、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速光信号に対する識別が可能となる。
【００１３】
さらに、本発明では、光ラベルとローカル光信号のパターンが不一致のときにのみ、プローブ光が検出されるＥＸ−ＯＲ型の動作が実現されるため、光ラベル内に用いることが可能な「１」の数に制限が無くなり、任意のパターンの光ラベルを付与することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、光ファイバループを用いた方法（非特許文献１参照）に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置の実現が可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、信号光１が一方のスピンのキャリアを、信号光２が他方のスピンのキャリアを励起し、プローブ光がそのスピンのパランスをモニターすることにより、信号光１および信号光２のパターンの一致／不一致を認識することができる。プローブ光透過率の変化は、内部のトータルキャリア数に関係なく、スピンのパランスにのみ反応するため、本発明によれば、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速な光パケットに対するパターンの認識を実現することが可能となる。また、本発明では、プローブ光はスピンのパランスが崩れたときのみ出力される、いわゆるＥＸ−ＯＲ型動作を行うため、光ラベル内の「１」のビット数に対する制限は払拭される。さらに、本発明によれば、光ファイバを用いた装置に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の光信号パターン識別方法の基本構成を示す図であり、１１は集光レンズ、１２は光スイッチ、１３は集光レンズ、１４はポラライザである。図２はその原理を説明する図である。
【００１７】
電子および正孔は、１つのエネルギー状態に対し、アップスピン（図２で上向の矢印で示す）とダウンスピン（図２で下向きの矢印で示す）の２つの状態が縮退して存在する。今、電子−重い正孔の励起子遷移に信号光の波長を合わせ、多重量子井戸層からなる光スイッチ１２に照射する。このとき円偏光の信号光が入射した場合には一方のスピンのみを、逆の円偏光の信号光が入射した場合には他方のスピンを励起することになる。
【００１８】
信号光が「０」の場合は、直線偏光のプローブ光はその偏光状態を変えることができないので、入力プローブ光偏光と直交したポラライザ１４を出力側に配置すると、出力光はほとんど「０」となる。
【００１９】
一方、円偏光の信号光（光信号）１または２で一方のスピンのみを励起した場合には、直線偏光（直線偏光は右回りと左回り円偏光の合波）のプローブ光のうち、そのスピンと相互作用のある円偏光成分のみが、吸収および屈折率の変化を感じる。すなわち、この場合、直線偏光のプローブ光を照射すると、信号光と同じ円偏光成分のみが、信号光により変調を受けることになり、光スイッチ１２を透過したプローブ光は楕円偏光となるため、ポラライザ１４を通過することが可能となる。
【００２０】
一方、円偏光の信号光（光信号）１と、その逆の円偏光を有する信号光（光信号）２が、同等のエネルギーをもって同時に光スイッチに照射された場合には、アップスピンとダウンスピンが同等数同時に励起されるため、位相空間フィリングによる可飽和吸収効果は、直線偏光プローブ光の右回りと左回りの両方の円偏光成分に同等に作用するため、そのプローブ光は偏光状態を変えることなく光スイッチ１２を通過し、ポラライザ１４でカットされて出力されない。
【００２１】
すなわち、図２に示すように、光信号１と光信号２の最初の３ビットは等しいため、内部に励起されたアップスピンとダウンスピンの数は等しく、プローブ光のポラライザ１４の透過率はゼロであるが、第４ビットで両者のパターンに不一致が発生した瞬間に、アップスピンとダウンスピンの数に差が発生し、プローブ光はポラライザ１４を通過することが可能となる。このとき、発生した過剰なアップスピンのキャリアは、数１０ｐｓのスピン緩和時間でダウンスピンへ移行していくため、その後の光信号のパターンが同じであっても、ポラライザ１４のプローブ透過率は長いテールを引くこととなる。第４ビットとは逆の不一致ビットである第７ビットにより、ダウンスピンが励起され、スピンの数が同程度となると、再びプローブの透過率はゼロとなる。
【００２２】
以下、再び不一致ビットが現れ、スピンのバランスが崩れるたびにプローブ光は出力されることとなる。すなわち、プローブ光の出力が得られた場合には、両者の光信号パターンは不一致であり、プローブ出力が全てゼロの場合は一致していると識別することができる。この時、内部のトータルキャリア数は、ナノ秒の再結合寿命を有するため、次第に蓄積されていくこととなるが、プローブの透過率はトータルのキャリア数ではなく、アップスピンとダウンスピンのキャリア数の差にのみ反応して変化するため、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に関係なく、超高速動作をさせることが可能となる。ここでは、プローブ光として、信号光と同じビット数の光パケットを用いているが、同じ時間持続する矩形波やＣＷ（continuous-wave）光を用いることも可能である。
【００２３】
従って、図１の構成において、光信号1として光パケットに付与された光ラベル（ヘッダともいう）を入力し、信号光２としてノードのアドレス情報を有するローカルアドレス信号を入力することにより、ノードに入力する光パケットのアドレスが、そのノードのアドレスと同一であるか否かの判断を行うことが可能となる。
【００２４】
（第２の実施形態）
図３は本発明の光信号パターン識別装置の構成の一例を示す。ここで、３１は反射ミラー、３２は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３３はλ／４板、３４は集光レンズ、および３５は光スイッチである。
【００２５】
直交した直線偏光を有する二つの信号光（光信号）１および信号光（光信号）２は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２で合わさり、λ／４板３３で互いに逆の円偏光の信号光に変換されてから、光スイッチ３５上に同時に照射される。この時、前述したように信号光１，２の両者のパターンとエネルギーが等しい場合には、内部で励起されるスピンは常に同数となり、プローブ光は常に直線偏光のまま反射されるため、ＰＢＳ３２でカットされて出力されない。
【００２６】
一方、信号光１と信号光２のパターンに１ビットでも不一致ビットが存在する場合には、その瞬間にスピンのバランスは崩壊し、プローブ光出力が得られるため、両者のパターンは不一致であることを識別することが可能となる。
【００２７】
（第３の実施形態）
図４は本発明の光信号パターン識別装置の他の構成例を示す。ここで、４１は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４２はλ／４板、４３は−λ／４板、４４は集光レンズ、４５は光スイッチである。
【００２８】
図３で記載された構成例では信号光２をＰＢＳ３２に入力する際、信号光１とは別の面から入力させる必要が生じる。これに対し、図４の構成では、信号光１および信号光２をＰＢＳ４１の同じ面から入射させ、それぞれλ／４板４２と−λ／４板４３を用いて、互いに逆の円偏光の光に変換している。直線偏光のプローブ光は、前述と同じ原理で、信号光１および信号光２のパターンが不一致で出力され、一致では出力されない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、上述したように、キャリアの寿命やスピンの緩和時間に影響を受けることなく、極めて高速な光パケットに対するパターンの認識を実現することが可能となり、また、光ラベル内の「１」のビット数に対する制限は払拭され、さらに光ファイバを用いた従来装置に比べ、極めて小型で高効率な光信号パターン識別装置を実現することが可能となる。従って、本発明の光信号パターン識別方法及び識別装置は、将来特に有望である光パケットスイッチネットワークの発展に貢献できると期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の光信号パターン識別方法の基本構成を示す模式図である。
【図２】図１の光信号パターン識別方法の動作原理を説明する概念図である。
【図３】本発明の光信号パターン識別装置の構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の光信号パターン識別装置の他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１  集光レンズ
１２  光スイッチ
１３  集光レンズ
１４  ポラライザ
３１  反射ミラー
３２  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３３  λ／４板
３４  集光レンズ
３５  光スイッチ
４１  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４２  λ／４板
４３  −λ／４板
４４  集光レンズ
４５  光スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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