JPH0834479B2 - 光パケット交換方式 - Google Patents

光パケット交換方式

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JPH0834479B2
JPH0834479B2 JP26538687A JP26538687A JPH0834479B2 JP H0834479 B2 JPH0834479 B2 JP H0834479B2 JP 26538687 A JP26538687 A JP 26538687A JP 26538687 A JP26538687 A JP 26538687A JP H0834479 B2 JPH0834479 B2 JP H0834479B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、光ファイバを中心として構成される広帯域
通信網において、光信号を電気信号に変換することなく
高速で効率良く交換を行う光パケット交換方式に関する
ものである。
（従来技術とその問題点） 従来の方式によるパケット交換機の一構成例を第１図
に示す。第１図において、1,2,3,4は光ファイバケーブ
ルからなりパケットを転送するためのパケット交換機へ
の入回線を、OE1,…,OE4は光信号を電気信号に変換する
O/E変換装置を、11,12,13、14は光ファイバケーブルか
らなりパケットを転送するためのパケット交換機からの
出回線を、EO1,…,EO4は電気信号を光信号に変換するE/
O変換装置を、30はパケット処理装置をそれぞれ示す。
パケット処置装置30中、BMは全方路のパケットにより共
用されるバッファメモリを、CPUは中央処理装置をそれ
ぞれ示す。本図の構成においては、パケット交換機への
入力パケットはOE1,…,OE4で一旦電気信号に変換されパ
ケット処理装置30に入力された後、全て共通バッファメ
モリBMに一旦蓄積される。蓄積されたパケットは、中央
処理装置CPUの制御の下に、目的方路の分析，決定がな
され、EO1,…,EO4で光信号に変換された後、出回線11,1
2,13,14上を所望ルートに送出される。
パケット処理装置30を、自己ルーティング形のスイッ
チ網に置換した従来のパケット交換機の別の構成例を第
２図に示す。第２図において、1,…,8は光ファイバケー
ブルからなり、パケットを転送するためのパケット交換
機への入回線を、OE1,…,OE8は光信号を電気信号に変換
するO/E変換装置を、11,…18は光ファイバケーブルから
なりパケットを転送するためのパケット交換機からの出
回線を、EO1,…,EO8は電気信号を光信号に変換するE/O
変換装置を、31はパケット処理装置を示す。パケット処
理装置31中、N11,N12,…,N34はそれぞれ２×２のスイッ
チノードを示す。第３図は、第２図の構成例において用
いられるパケットの構成であり、RHは３ビットの信号か
らなるルーチングヘッダを、PCはパケット内容を、EMは
パケットの終了を示す符号である。第２図の構成におい
て、入回線1,2,…,8上を転送されたパケットは、OE1,OE
2,…,OE8により一旦電気信号に変換された後、パケット
処理装置31に入力される。パケット処理装置31中の第１
段目のスイッチノードN11,N12,N13及びN14は、パケット
のルーチングヘッダRHの第１ビット目が０か１かによっ
て、第２段目のスイッチノードN21,N22,N23,N24を選択
し、それへのバケットの転送を行う。同様に、第２段目
のスイッチノードN21,N22,N23,N24は、ルーチングヘッ
ダRHの第２ビット目が０か１かによって、第３段目のス
イッチノードN31,N32,N33,N34を選択し、それへのパケ
ットの転送を行う。第３段目のスイッチノードN31,N32,
N33,N34は、パケットのルーチングヘッダRHの第３ビッ
ト目が０か１かによって、出回線11,12,…,18を選択
し、これへのパケットの転送を行う。このとき、電気信
号として転送されたパケットはEO1,…,EO8により光信号
に変換された後、出回線11,12,…,18上に転送される。
例えば、ルーチングヘッダRHが第１ビット目から順に
「011」であるパケットが、入回線５上を光信号として
転送されてくると、まずOE5でこれが電気信号に変換さ
れた後、パケット処理装置31中の２×２スイッチノード
N13に入力される。N13は、RHの第１ビット目が０である
ことから、パケットを第２段目の２×２スイッチノード
N23に転送する。次に、N23はRHの第２ビット目が１であ
ることから、パケットを第３段目の２×２スイッチノー
ドN32へ転送する。続いて、N32はRHの第３ビット目が１
であることから、パケットを出回線14に転送すべく、EO
4に送出する。EO4は電気信号として入力された該パケッ
トを光信号に変換し、出回線14上に転送する。ここに、
上述した動作により、同一のルーチングヘッダRHを有す
るパケットは全て同一の出方路へ転送されることにな
る。２×２スイッチノードN11,N12,…,N34は、次段のノ
ードあるいは出回線が使用中で送出できない場合に、パ
ケットを一旦蓄積する機能を有する場合もある。
第１図，第２図に示したような従来の方式によるパケ
ット交換機においては、伝送路上を光信号として送られ
るパケットを一旦電気信号に変換する必要があるため、
装置規模が大きくなり、かつ光の高速性が阻害されると
いう欠点があった。
（発明の目的と特徴） 本発明の目的は、比較的小規模で光の高速性を充分に
利用し得る光パケット交換方式を提供することにある。
本発明の特徴は、ルーティング信号が波長多重光信号
からなり、情報部およびパケット終了符号も光信号から
構成される光パケット交換方式において、前記波長多重
光信号における特定の波長の有無によりスイッチ閉接動
作が決められる光駆動形スイッチを多段に組合せてスイ
ッチ網が形成されたことにある。
（発明の構成） 以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
第４図は、本発明による実施例であり、図（ａ）はパ
ケット交換機の基本構成を、（ｂ）はパケットの基本構
成を示す。第４図（ａ）において、IC1，IC2，…，IC2n
はパケット交換機への入回線を、OC1，OC2，…，OCnは
出回線を、32は交換処理装置を、交換処理装置32中、PS
11,PS12,…，PSmnは光駆動形の２×２光スイッチを示
す。ｎが２のべき乗の場合、ｍ＝log2n＋１となる。第
４図（ｂ）において、RHはルーチングヘッダを示し、波
長λ１，λ２，…，λｍの有／無によりルーチング情報
を示す波長多重光信号であり、PCは光信号からなるパケ
ット内容、EMはパケットの終了を示す光信号である。第
４図（ａ）の基本構成において、入回線IC1，…，IC2n
上を送出された第４図（ｂ）の構成の入力パケットの光
波長多重信号からなるルーチングヘッダがパケット処理
装置32中の２×２光スイッチPS11,PS12,…，PS1nに入る
と、PS11,PS12,…，PS1nはRH中の波長λ１の有無に従っ
て該パケットを転送すべき次段の２×２光スイッチPS2
1,PS22,…，PS2nを決定し、RH,パケット内容PC及び終了
信号EM迄を該２段目の２×２スイッチに転送し終わるま
でスイッチ接続を保持する。同様に、第２段目の２×２
光スイッチPS21,PS22,…，PS2nにパケットのルーチング
ヘッダRHが入ると、PS21,PS22,…，PS2nはRH内の波長λ
２の有無に従って該パケットを転送すべき次段の２×２
光スイッチPS31,PS32,…，PS3nを決定し、RH,パケット
内容PC及び終了信号EMを該３段目の２×２スイッチに転
送し終わるまでスイッチ接続を保持する。同様に第３段
目，第４段目，…第ｍ段目の２×２スイッチがスイッチ
ング動作を行い、パケットは出回線OC1，OC2，…，OC2n
上に送出される。ここで、同一の波長λ１，λ２，…，
λｍの組み合わせからなるルーチングヘッダRHを持つパ
ケットは、同一の出回線上を送出されることになる。
本発明の光パケット交換方式によるパケット交換機の
実施例としては、第２図における２×２スイッチノード
N11,N12…N34を第４図（ａ）に示す２×２光スイッチの
機能を持つPS11,PS12,…,PS34で置換し、光・電気変換
回路OE1,OE2,…,OE8及び電気・光変換回路EO1,EO2,…,E
O8を除いたものである。従って、従来のO/E変換装置及
びE/O変換装置が不要となるため交換機を比較的小規模
にし、光の高速性を充分活用することが可能となる。
また、光の波長多重を用いるため雑音の影響を受けに
くくなり、S/Nも改善される。
さらに、データ転送に対してオーバヘッドとなるルー
チングヘッダ（RH）が複数の波長を短い時間内に多重し
て形成できるので、オーバヘッド長が短くして高効率の
パケット通信が可能となる。
なお、２×２の光駆動形光スイッチとしては、同一発
明者等により同日特許出願されている光駆動形スイッチ
を用いれば良い。
以下に、特定の波長の有無によりスイッチ機能を有す
る光駆動形スイッチの構成について説明する。
光駆動形スイッチは、ルーティング情報を持つ波長の
有無により制御される光スイッチ部と、２入力のうち優
先権をとられたパケットの蓄積及び再送出制御機能を有
する光メモリ部に分けられる。各部の装置形態はルーテ
ィング情報，パケット存在情報及びパケット終了情報パ
ルスの長さにより異なる。ここで、第５図（ａ）〜
（ｄ）のように分類された４種類の波長多重光信号を例
に取り述べる。但し、λｓはパケットの存在を示す波
長、λｅはパケット終了を示す波長、λＤがデータ信号
の波長、λ１，λ２，λ３がルーティング情報を示す波
長で、ここでは３波長、即ち３段スイッチ構成を例とし
ているが、本質的に異なる波長の数を増すことにより段
数を増やすことができる。
（１）光スイッチ部 （実施例） 第６図は本発明に用いる光駆動形スイッチのスイッチ
部の構成例であり、パケットの構成が第５図（ａ）及び
（ｂ）に示したように、波長λｉ（ｉ＝1,2,3）から成
るルーティング情報パルスがパケット全長をカバーする
場合の例である。本構成例は、非線形反射器40,分波器4
1,光増幅器42,光結合器43から成る。44は後述する光メ
モリ部で、＃１もしくは＃２からの入力信号のうち先に
入力した方を優先的に信号線路45に取り出すと同時に他
方の遅れて入力した信号を一旦蓄積する機能を内臓して
いる。尚、光信号の経路を太線で示してある。非線形反
射器40は、入射光強度が著しく高い場合に表面が全反射
状態となり、一方、低い場合は信号光を通過させる機能
を有するもので、非線形定数の大きな半導体結晶，半導
体をドープしたガラス、ZnOなどの酸化物等で実現され
る。
本構成例では材料表面の反射を用いた例について示し
てあるが、同一出願人によりすでに特許出願した導波路
型光スイッチ「特願昭62−9942号」を用いることもでき
る。
本構成例の動作は次の通りである。＃１もしくは＃２
から入力されたパケットに波長λｉ（ｉ＝１または２ま
たは３）のルーティングパルスがあれば、λｉ用の分波
器41を通して取り出され、λｉ用光増幅器42で増幅され
る。そして光結合器43で元の信号線路45に戻され非線形
反射器40を照射する。ここでλｉのパルスは十分の光強
度に増幅されているため非線形反射器40は全反射状態と
なり、続いて届くパケット内の信号はすべて＃３に出力
される。パケットがすべて＃３に反射すると同時にλｉ
のパルスも終了するため、自動的に非線形反射器40は元
の通過状態に回復する。他方パケットにλｉパルスが無
い場合には非線反射器40には何も起こらず、パケットは
すべて＃４に通過する。以上により、λｉパルスの有無
によりスイッチング動作が完了する。
第７図は本発明に用いる光スイッチ部の第２の構成例
で、第５図（ｃ）に示したパケット構成に適応されるも
のである。第５図（ｃ）のパケットはヘッダ部に波長λ
ｓによるパケット存在パルス、続いてλｉ（ｉ＝1,2,
3）の各ルーティングパルスが配され、次に波長λＤの
データ信号、そしてパケットの最後にパケット終了パル
スがある。この場合、ルーティングパルスが短いため、
第６図のλｉ用光増幅器42の代わりにλｉの光注入によ
り発振し、波長λLDの連続な強い光を放出する半導体レ
ーザ46が用いられている。
半導体レーザ46の出力光が光結合器43で信号線45に合
流し、非線形反射器40を全反射状態にオンする動作は第
６図の場合と同じである。ルーティングパルスλｉの有
無により＃３もしくは＃４にパケットが出力されると、
波長λｅのパケット終了パルスが夫々のλｅ用分波器47
または47′により分波され、受光器48または48′で光電
変換されて半導体レーザ46の給電線上のノーマリ・オン
形のFETスイッチ49をオフにする。これにより半導体レ
ーザ46の給電は一時的に停止し、と同時に発振も停止
し、非線形反射器40も元の状態に回復する。尚、半導体
レーザ46の発振光は＃３にも出力されるが、これは後段
では不要であり、λLD用分波器50で取り除かれる。ちな
みに、細線は電気信号の経路であり、以下の説明でも同
じである。
第８図はルーティングパルスはパケットヘッド部にあ
るが、パケット存在パルス（λｓ）がパケットをカバー
する長さである第５図（ｄ）のパケット構成に対して適
応される本発明による光スイッチ部の第３の構成例であ
る。非線形反射器40を動作させるしくみは第７図の場合
と同じであるが、相違点はλＳ用分波器51でパケットが
存在すると光電交換され、半導体レーザ46の給電線上の
ノーマリ・オフ形のFETスイッチ53をオンすることにあ
る。従って、ルーティングパルス中にλｉの信号がある
と半導体レーザ46を光注入により発振せしめ、非線形反
射器40を全反射状態にしてパケットは＃３に出力され
る。他方、λｉのパルスが無ければパケットはそのまま
＃４に通過する。
尚、第６図〜第８図では光スイッチ素子として非線形
反射器40を例として示したが、これに限らず、電気制御
形光スイッチ素子を用いても実現できる。第６図，第７
図及び第８図に対応する電気制御形光スイッチ素子を用
いた他の構成例を夫々第９図，第10図及び第11図に示
す。ここで、54が電気制御形光スイッチで、LiNbO3等の
強誘電体基板もしくは半導体基板上に形成された方向性
結合導波路間の結合度もしくは交差導波路の交差部での
全反射が電気信号により制御される。すなわちルーティ
ングパルス（λｉ）を分波，受光し、その電気信号によ
り光スイッチの給電がオン・オフされ、パケットを＃３
もしくは＃４にスイッチさせることができる。ちなみに
55はフリップ・フロップで、白丸印に接続された信号に
よりオン、黒丸印に接続された信号によりオフする機能
を有する。
また、光スイッチ素子の動作をパケット光信号のタイ
ミングは主に光ファイバから成る光信号線45の長さを最
適化することにより得られる。さらに、各制御に必要な
波長、ここではλｓ，λｉ，λｅの光強度の一部を分波
すればよく、従って、後段へもすべての情報がそのまま
維持され、伝搬する。必要とあらば光増幅器を付加して
もよい。
（２）光メモリ部 本発明による光メモリ部の第１の構成例を第12図に示
す。本構成例は、波長λｓから成るパケット存在パルス
がパケット全長をカバーする第５図（ａ）及び（ｄ）の
パケット構成に対して適応され、波長λｓの有無により
優先パケット通過、非優先パケットの蓄積，再送出が制
御される。ここに60,60′,61,61′はλｓ用光増幅器、6
2,62′は非線形反射器、63,63′はλｓ用分波器、65,6
5′は受光器、64,64′は入力電気信号が予め設定された
上位（Ｖ）と下位（Ｌ）の間のレベルの場合にのみ電気
信号を出力する識別器、66,66′,67,67′はノーマリ・
オン形FETスイッチ、69,69′は主光信号線、70,70′は
光ループ線、71,71′,72は光結合器、45は光メモリ出力
線で前述の光スイッチ部へと続く。尚、太線は主に光フ
ァイバから成る光信号線、細線は電気信号線を示してい
る。
本構成例の光メモリ部の動作原理を次に説明する。
まず最初に、＃１よりパケット＃１が入力されたとす
る。パケット存在パルス（波長λｓ）はλｓ用光増幅器
60によりその光強度が増幅され、非線形反射器62を照射
し、全反射状態にする。λｓはパケット全長に渡ってい
るため、パケットは反射され、光結合器72を通して光メ
モリ出力線45に出力される。パケット＃１が通過中は、
λｓの一部がλｓ用分波器63及び受光器65により電気信
号として取り出され、ノーマリ・オン形FETスイッチ6
7′をオフ状態にするため、＃２側のλｓ用光増幅器6
0′の増幅度はゼロもしくはマイナスの状態となってい
る。従って、この時に＃２からパケット＃２が後から入
力されても、そのパケット存在パルス（波長λｓ）は減
衰するため、非線形反射器62′は通過状態を維持された
ままである。その結果、パケット＃２は光ループ線70′
に入り、主光信号線69′及び光ループ線70′によって構
成される光ループを、パケット＃１が通過するまで周回
し蓄積される。この際、オフ状態のλｓ用光増幅器60′
によって減衰したパケット存在パルスの強度を補償する
ため、λｓ用光増幅器61′によって増幅される。パケッ
ト＃１が光メモリ出力線45に通過後は、＃２側のノーマ
リ・オン形FETスイッチ67′をオン状態に復起させ、パ
ケット＃２のパケット存在パルスを増幅し、非線形反射
器62′を全反射状態にし、従ってパケット＃２は光メモ
リ出力線45に出力される。この際、＃２パケットが光増
幅器60′を通過中にオンし、パケットが分断されること
がないように、受光器63′の出力の一部がレベル識別さ
れ、パケットが光増幅器60′を通過する前か通過した後
にみの光増幅器60′がオンされる。尚、＃２側がオン状
態の時には前述の＃１側と＃２側の機能が反転すること
は言うまでもない。
本構成例では、非線形反射器62,62′を用いた例につ
いて示したが、第９図と同じ概念でλｓパルスを検出す
ることにより、前述の電気制御形光スイッチを用いるこ
ともできる。
第13図は、本発明用いる他の光メモリ部の構成例であ
り、第５図（ｂ）もしくは（ｃ）のようにパケットヘッ
ドにパケット存在パルス（波長λｓ）、パケット尾部に
パケット終了パルス（波長λｅ）をするパケット構成に
対して適応される。
80,80′は電気制御形光スイッチ、81,81′,82,82′は
λｓ用分波器、83,83′はλｅ用分波器、84,84′,85,8
5′,86,86′は受光器、87,87′,88,88′,89,89′はフリ
ップ・フロップ（白丸印はオン、黒丸印はオフ用）、9
0,90′はノーマリ・オン形FETスイッチである。
動作原理は次の通りである。まず、＃１からパケット
＃１が入力されると、パケット存在パルス（波長λｓ）
がλｓ用分波器81,受光器84を介して、フリップ・フロ
ップ88をオフにする。また、通常フリップ・フロップ89
もオフ状態になっているため、従って、光スイッチ80に
電気制御信号は印加されていず、パケット＃１は通過
し、光結合器72を通して光メモリ出力線45に出力され
る。パケット＃１が主光信号線69を通過中は、パケット
＃１のλｓパルスがλｓ用分波器81を介して光電変換さ
れてフリップ・フロップ87をオンし、さらにノーマリ・
オン形FETスイッチ90を通って、フリップ・フロップ8
9′をオンし、＃２側の光スイッチ80′をクロス状態に
スイッチする。従って、＃２にパケット＃２が遅れて入
力されても、パケット＃２は光ループ線70′に迂回させ
られ、＃２側の主光信号線69′及び光ループ線70′から
成る光ループを周回し蓄積される。そして、パケット＃
１のパケット終了パルス（波長λｅ）が、λｅ用分波器
83により検出されるとフリップ・フロップ89′をオフす
る。ループ周回中のパケット＃２のλｓパルスがλｓ用
分波器81′で検出されると、フリップ・フロップ88′を
オフにするため、従って光スイッチ80′は通過状態とな
り、光メモリ部出力線45に出力される。この光スイッチ
80′のクロスから通過状態のスイッチングがパケット＃
２の通過中に生じて、パケット＃２が寸断されることを
防止するために、光スイッチの直後にλｓ用分波器82′
が設けられており、パケット＃２が光スイッチ80′をク
ロス状態に通過中はその状態を保持するしくみになって
いる。パケット＃２が光ループ内に蓄積・待機後に光メ
モリ部出力線45に出力され始めると、前述の＃１側と＃
２側の機能が反転することは言うまでもない。
尚、光メモリ部内各素子のオン・オフ動作とパケット
光信号のタイミングは、主に光ファイバから成る主光信
号線69,69′及び光ループ線70,70′の長さを最適化する
ことによって得られる。
以上に説明した夫々の光スイッチ部及び光メモリ部に
おいて、第５図に示した各パケットの構成に対して適応
できる組合せを表１に示す。どの組み合わせのシステム
でも、制御用にパケット存在信号，ルーティング信号，
パケット終了信号の一部を取り出し、光電変換すること
はあるが、それらの原信号はそのまま後段に伝達され、
また、特に高速なデータ信号はまったく光電変換されな
いので、光の有する高速性が活かされている。また、第
５図（ｃ）及び（ｄ）のパケット構成については、各ル
ーティングパルスは同一タイムスロットに来るように多
重化されていてもかまわない。
尚、本発明による光パケット交換方式用の光源として
は、第14図に示したように、単一波長でしかも夫々異な
った波長で動作する例えば分布帰還形（DFB）半導体レ
ーザ100をモノリシックに集積化し、それらの出力光を
低損失導波路101を介して多重することにより実現され
る。102は、第５図に示した各パケット構成が得られる
ように、各レーザへの給電タイミングを調整する回路を
も含めた集積回路である。
（発明の効果） 以上詳述したように本発明によれば特定の波長の光信
号の有無によってスイッチ閉塞動作を行うため、光信号
して転送されるパケット信号を電気信号に変換すること
なく、光のまま交換することは可能となり、光・電気間
の変換が不要であり交換機の構成が単純化すると同時
に、光の高速性を生かした高速パケット交換が可能とな
る。また、本発明による光パケット交換機と光伝送路に
よって広帯域統合通信網を構成することにより、光信号
による総合網の構築が可能となり、その効果は大であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は従来のパケット交換機の構成例を示
すブロック図、第３図は従来のパケットの構成例を示す
図、第４図（ａ）（ｂ）は本発明の原理を説明するため
のパケット交換機の基本構成図及びパケットの基本構成
例図、第５図は本発明による光パケットの交換方式に用
いられる４種類のパケット構成を示す図、第６図，第７
図，第８図，第９図，第10図，第11図は本発明に用いら
れる２×２光スイッチを構成する光スイッチ部の構成例
図、第12図，第13図は光メモリ部の各装置の回路構成例
図、第14図は本発明の方式に用いられる集積化光源の模
式図である。 1,2,3,4,5,6,7,8,11,12,13,14,15,16,17,18…光ファイ
バ、30,31…パケット処理装置、32…交換処理装置、40
…非線形反射器、41,47,47′,50,51,63,63′,81,81′,8
2,82′,83,83′…分波器、42,60,60′,61,61′…光増幅
器、43,71,71′,72…光結合器、44…光メモリ部、45…
光信号線路、46,100…単一波長半導体レーザ、48,48′,
52,56,65,65′,48,48′,85,85′,86,86′…受光器、49,
66,66′,67,67′,90,90′…ノーマリ・オン形FETスイッ
チ、53…ノーマリ・オフ形FETスイッチ、54,80,80′…
電気制御光スイッチ、55,87,87′,88,89,89′…フリッ
プ・フロップ、69,69′…主光信号線、70,70′…光ルー
プ線、101…低損失導波路、102…集積回路、64,64′…
レベル識別器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ルーティング信号が波長多重光信号からな
    り、情報部およびパケット終了符号も光信号から構成さ
    れる光パケット交換方式において、前記波長多重光信号
    における特定の波長の有無によりスイッチ閉接動作が決
    められる光駆動形スイッチを多段に組合せてスイッチ網
    を形成されたことを特徴とする光パケット交換方式。
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