JPS60242723A - 光スイツチ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多チャンネルの光伝送路間の接続を任意に切換
える光スイツチ回路に関するものである。

（従来技術とその問題点） 近年の光通信システムの本格的な実用化に伴い、従来に
ない新しい機能やサービスを提供するシステムが考えら
れてきている。そのようなシステムで必要とされるデバ
イスとして多数の光伝送路の接続を高速に切換える光ス
イツチ回路があげられる。このような光スイツチ回路と
して祉、従来プリズム、レンズ若しくは光伝送路自体を
移動させるいわゆる機械式のものが広く用いられている
が、スイッチング速度の高速性、動作の信頼性、多チャ
ンネル化等の要求を考えると非機械式かつ集積化が可能
なスイッチ回路が今後主流となると考えられる口そのよ
うな光スイツチ回路の１つとして、出願人らの特願昭５
８−２３５５１５号で示されているような光分岐−光ゲ
ート型スイッチ回路と呼ばれるものが知られている。こ
の光分岐−光ゲート型スイッチ回路の構成及び動作につ
いて説明する。

第１図は光分岐−光ゲート型スイッチ回路の動作につい
て説明するための図である。ここでは簡単のために２人
力、２出力の場合につき示′した０２本の入力光伝送路
３ａ、３ｂにより伝送された光信号は、それぞれ光分岐
２１ａ　、　２１ｂにより分岐され、光分岐２１ａから
の光信号は光ゲートスイッチ２２ａ　、　２２ｂに、光
分岐２１ｂからの光信号は光ゲートスイッチ２２ｃ　、
　２２ｄにそれぞれ入る。ここで光ゲートスイッチと呼
ぶのは制御信号（で応じ、光信号の通過をＯＮ、ＯＦＦ
する光変調器屋のスイッチである◇光ゲートスイッチが
ＯＮ状態ならば光信号はそのまま通過し、ＯＦＦ状態な
らば光信号は光ゲートスイッチを通過せずそこで止まる
。出力用導波路は合波導波路（第１図参照）となってお
シ、光ゲートスイッチ２２ａ又は２２ｃを通過した光信
号は合波導波路２３ａを通）出力光２４ａとなシ、光ゲ
ートスイッチ２２ｂ又は２２ｄを通過した光信号は導波
路２３ｂを通シ出力光２４ｂとなる０ここで例として入
力光伝送路３ａからの光信号が光出力２４ｂへ、入力光
伝送路３ｂからの光信号が光出力２４ｍへ出力される場
合の接続について考える０上述の接続が得られるために
は光ゲートスイッチを２２３−ＯＦＦ、２２ｂ　−ＯＮ
、２２ｃｍ０Ｎ、２２ｄ−ＯＦＦの状態にしておけばよ
いコこの状態では光伝送路３ａからの光信号は光分岐２
１ａによシ分岐されるが、光ゲートスイッチ２２ｍに入
った光信号はそれがＯＦＦ状態であるためにそこを通過
せず、ＯＮ状態である光ゲートスイッチ２２ｂに入った
光信号のみが通過し出力用導波路２３ｂを経て光出力２
４ｂとして出力される０出力用導波路２３ｂは光ゲート
スイッチ２２ｄとも接続しているが、光ゲートスイッチ
２２ｄはＯＦＦ状態であるために入力光伝送路３ｂから
の光信号は出力用導波路２３ｂへは出力されず、光出力
２４ｂへは入力光伝送路３ｍからの信号のみが出力され
る。一方入力光伝送路３ｂからの光信号は光分岐２１ｂ
によシ分岐され、ＯＮ状愈である光ゲートスイッチ２２
ｃの方に分岐した光信号のみが通過し、出力用光導波路
２３ａｔ−通りて光出力２４ａとして出力される。また
、入力光伝送路３ａからの光信号を光出力２４ａへ、入
力光伝送路３ｂからの光信号を光出力２４ｂへ出力した
い場合はそれぞれの光ゲートスイッチを２２ａ−ＯＮ、
２２ｂ−ＯＦＦ、２２ｃｍ０ＦＦ。

２２ｄ　−ＯＮの状態にしておけばよい。以上のように
光ゲートスイッチ２２ａ　、２２ｂ　、２２ｃ　、２２
ｄの０Ｎ−ＯＦＦを切シ換えることによって入力光伝送
路３ａ、３ｂからの光信号と光出力２４ａ、　２４ｂの
切シ換えが実現できる。また、それぞれの光ゲートスイ
ッチ’ｔ、　２２ａ−ＯＮ、　２２ｂ−ＯＮ、　２２ｃ
ｍ０ＦＦ、　２２ｄ−ＯＦＦの状態にしておくと入力光
伝送路３ｂからの光信号は出力されず、入力光伝送路３
ａからの光信号が２つの光出力２４ａ、２４ｂに出力さ
れる。

このように、この構成では光信号の接続の切シ換え以外
にも光信号を分配するという機能をもつ。

この光スイツチ回路の構造では光信号を光のまま旦 で切シ換えるため、光信号を二昶電気信号に変換した後
スイッチング上行なう方法に比べ、伝送信号の帯域、質
を劣化させることがなく、電磁誘導、クロストークの問
題がないという利点がある。更に通常の導波型の光路を
切換える型のスイッチ（例として電気光学効果を利用し
た方向性結合器型光スイッチ等がある０）に比べ光ゲー
ト・スイッチは小型化が可能なため、多チャンネル化に
適している。このように光分岐−光ゲート型スイッチ回
路は原理的には非常に優れたものである。しかしながら
との型の光スイツチ回路には次に述べるような問題点が
あった。光分岐−光ゲート型スイッチ回路では光ゲート
・スイッチからの出力光を合波するため、ＯＦＦ状態の
光ゲート・スイッチによシ消光しきらなかった信号光に
対しクロストーク成分として混入する０この効果は多チ
ャンネル化に従い大きくなる０従って光ゲートスイッチ
としては小型、高速等の要求以上に、大きな消光比がめ
られることになる◇従来光ゲート・スイッチとしては、
１）電気光学効果を利用したもの、２）７ランツ・ケル
ディシェ効果を利用したもの、３）液晶を用いたもの（
散乱効果若しくは電気光学効果利用）、４）半導体への
キャリア注入によシ利得、損失を変調するもの、などが
考えられていた。

これらのうちｌ）〜３）では実験的に得られている消光
比は２０〜３０　ｄＢ程度で充分なものではない。

４沖うち半導体レーザへの電流注入を制御するいわゆる
半導体レーザ・スイッチでは消光比６０〜７０　ｄＢが
得られているが、半導体レーザの利得機構金利用するた
め入射光のモード、波長によシ特性が左右され、多モー
ド・ファイバ光のスイッチングには適していない。この
ように従来は、光ゲート・スイッチとして充分なものが
得られなかったため、光分岐−光ゲート型スイッチ回路
の優れた特徴が生かされていなかった。

（発明の目的） 本発明の目的は上述したような光分岐−光ゲート型スイ
ッチ回路の欠点を除去し、小型かつ集積化に適し、低ク
ロストークで広帯域信号を歪ませることなく高速切換が
可能で、かつ多モード・ファイバ光も切換可能という適
用範囲の広さを併せ持った多チヤンネル用光スイツチ回
路を提供することにある〇 （発明の構成） 本発明によれば、ひとつの入力端から入った光ｆ　ｍ　
（；２２　）本の光に分岐するｎ　（〉１　）個の光分
岐と、前記光分岐の各々の分岐先に光学的に縦続接続さ
れ、　ＯＮ状態では光を通しＯＦＦ状態では光を通さな
い機能を持つスイッチと、各々の前記スイッチに縦属接
続された出力用導波路とからなる光スイツチ回路に於て
、前記ＯＮ状態では光を通し、ＯＦＦ状態では光を通さ
ない機能を持つスイッチを、前記光分岐の出力光を電気
信号に変換する光電変換手段し、前記光電変換手段の出
力を再び光信号に変換し前記出力用導波路に出力する電
光変換手段と、制御信号に応じて前記光電変換手段、電
光変換手段の動作を制御する手段によりｗ成したことｔ
−％徴とする光スイツチ回路が得られるＯ （構成の詳細な説明） 本発明は上述の構成をとることにょシ従来技術の問題点
を解決した。第２図は本発明に用いるＯＮ状態では光を
通し、ＯＦＦ状態では光を通さない機能を持つスイッチ
（光ゲート・スイッチ）の構成を示すブロック図である
０入射した光信号１は光電変換手段１０によシ情報信号
を含んだ電気信号２に変換される。電気信号２は適当な
波形整形、増幅回路１１を通ル電光変換手段１２にょル
再び光信号１ａとして出力される。光電変換、電光変換
手段としては具体的にはフォトダイオード（ＦＤ）等の
学兄素子、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）等の発光素子４気回路にょシ構成出来る。このよ
うな構成で光電変換、電光変換手段及び波形整形増幅回
路の動作状態を変化させることによシ、光信号の０Ｎ１
０ＦＦスイツチングが実現できる０具体的にはＦＤへの
逆バイアス、ＬＤ、ＬＥＤへの順方向バイアスの０Ｎ１
０ＦＦ１途中の電気素子のバイアスのＯＮ１０　Ｆ　Ｆ
によシスイツチングが実現される。しかも光電変換、電
光変換手段のそれぞれに動作を制御できるため、０Ｎ１
０ＦＦの消光比は非常に大きくとることが可能である。

更にこのような構成では途中の電気回路で波形の増幅が
可能で入射光のモード、波長によらずスイッチングが可
能である。また、このような光ゲート・スイッチはＧａ
Ａ／Ａｓ／ＧａＡｓ　、　ＩｎＧａＡｓＩ’／　ＩｎＰ
等の材料を用いれば一つの基板上に集積することも可能
である０従ってこのような光ゲート・スイッチを用いる
ことによシ、光分岐−光ゲート型スイッチ回路で小型か
つ集積化に適し、低クロストークで広帯域信号を歪ませ
ることなく高速切換が可能で、かつ多モード・ファイバ
光も切換可能という適用範囲の広さを併せ持った、多チ
ヤンネル用光スィッチが可能となる。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。第３図は本発明に用いる光ゲート・スイッチの一
実施例の回路構成を示したものである０本実施例は雑誌
［アプライド・フィツクス・レターズ、」第３５巻、ｉ
ｏ号、７９５〜７９７頁（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ、　３５．Ｎｏ１Ｏｔ
ｐｐ　７９５〜７９７）に掲載されたＭ、ユスト（Ｍ。

Ｙｕｓｔ）等による論文「モノリシックに集積された光
再生増幅器」（１人ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌ　Ｉｙｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｃｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｒｅｐｅａｔ
ｅｎ　’　）の中で詳しく述べられている光再生増幅器
の構成をそのまま利用したものである。引用文献の中で
は、ＧａＡ／Ａｓ／Ｑａ　Ａ　ｓ系の材料によｐ　Ｇａ
Ａｓ基板上に第３図の点線内の総ての素子を集積した素
子の試作結果が述べられている。

第３図に於て、３０，３１，３２はＧａＡｓのＭＥＳＦ
ＥＴで、３１はゲートへの入射光に対する光検出器、３
２はＬＤ３３のドライバー、３０はアクティブな負荷と
して働＜、ＦＥＴ３１のゲートへの光入射がない場合に
は、ＦＥＴ３２のゲートには電源３４によるバイアス電
圧がほぼそのまま印加され、ＦＥＴ３２はカットオフ状
態となる。電流源３５はＬＤ３３の直流バイアスを与え
るもので、電流源３５によ、９ＬＤ３３をしきい値近傍
にバイアスしておけは、光入射のない時にはＬＤ３３に
はＤＣバイアス電流のみが流れ、発振には至らない。こ
こで、ＦＥＴ３１のゲートに光が入射するとフォトキャ
リアが発生し、ＦＥＴ、３０．３１の動作状態が変化す
るため、ＦＥＴ３２のゲートに正の電圧変化が生じＦＥ
Ｔ３２がオン状態になるため、ＬＤ３３に入射光信号に
応じた電流が流れ、入射光信号が再生される。この光再
生増幅器の動作は各バイアスを切ることによシ止めるこ
とができるのでこの系をそのまま光ゲートスイッチとし
て用いることができる。しかも、この素子の試作例では
素子の大きさは０．５　Ｘ　１．５　ｍｍという非常に
小型なものである。ここでは光ゲート・スイッチの実施
例としてモノリシックに集積化された例を示したが勿論
通常の個別の素子を組合せて製作してもよい。ただ将来
的には本実施例のように１つの基板上に集積化されるの
が望ましい。ここでは受光素子としてＭＥ８Ｆ’ＢＴ、
発光素子としてＬＤ、電気的なアクティブ素子としてＭ
ＥＳＦＪＴ’ｉ用いているが、これらの他に通常のＦＤ
。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、フォトトラ
ンジスタ、ＬＥＩ）、バイポーラ・トランジスタ等を組
合せて用いることが可能である。本実施例の場合、リピ
ータとしての動作をＯＮ１０　Ｆ　Ｆするためには、バ
イアス用型、源３４やＬＤ３３ヘバイアス電流全与える
′電流源３５を０Ｎ１０ＦＦすればよい。

つｔシ具体的には制御信号に応じてバイアス電圧、電流
を変化させるようにすればよい。この他にリピータの０
Ｎ１０ＦＦ動作を実現する手段としては、受光素子とし
てＦＤ、ＡＰＤｔ用いた際にはそのバイアス電圧の切換
、リピータの０／Ｅ、アンプ、Ｅｌｏ　各部の段間ｅＦ
ＥＴ利用のゲートスイッチによＦ）ＯＮｌｏＦＦする方
法、発光素子へのバイアス若しくは信号をＯＮ１０　Ｆ
　Ｆする方法などかあシ、これらのうちの１つ若しくは
焼つかを選択して組合せて用いることが出来る。

次に、このような光ゲート・スイッチを用いた光分岐−
光ゲート型スイッチ回路の実施例について説明する。第
４図は本発明による光スイツチ回路１実施例を示すもの
である０ここでも簡単のため２人力、２出力の場合につ
いて示した。人力光伝送４３ａ、３ｂからの光信号はそ
れぞれ光分岐の役割を果すファイバを融着したスターカ
プラ４１ａ　、　４１ｂに結合されそれぞれ２つづつ、
合計４つの光に分岐式れる。スターカプラ４１ａからの
２つの元信号は元ゲート・スインｆ　４２ａ　、４２ｂ
に入力され、スターカプラ４１ｂからの２つの光信号は
光ゲート・スイッチ４２ｃ　、４２ｄに入力される０光
ゲート・スイッチ４２ａ　、４２ｂ　、４２ｃ　、４２
ｄはそれぞれ先に説明したような再生増幅系で構成され
、それぞれスイッチ制御装置４６に接続制御され所望の
ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ状態が切換えられるようになっている
０スイツチ制御装置４６は、先に述べた各種のリピータ
の０Ｎ１０ＦＦ動作の実現手段のうちどの方法を採用す
るかＫよシ多少異なるが、制御信号に応じリピータ内各
素子へのバイアスを変化させることや、　ＦＦｉ’ｒゲ
ート・スイッチへのゲート開閉信号を供給することを行
なうもので具体的には電気的な多チャンネルの論理回路
にょ多構成される。またリピータのＯＮ１０　Ｆ　Ｆ機
能制御用の素子として光グー）　ＦＥＴのような光によ
り制御可能螺子を用いればスイッチ制御装置４６を上述
の論理回路とＥ１０変換器（駆動回路と発光素子を組合
せたもの）によ多構成し、光ファイバなどにょシ制御信
号も光の形態で伝送することができる。この場合には制
御信号とリビーメ同Ｃっ電気信号の干渉の問題を完全に
除くことができる。元ゲートスイッチ４２ａ　、４２ｃ
の先には合波器４３ａが、４２ｂ。

４２ｄの先には４３ｂが接続されているりそして合波器
４３ａ　、　４３ｂの先には出力伝送路４ａ、４ｂが接
続される。この構成は基本的には既に説明した光分岐−
光ゲート型スイッチ回路と同様であシ、小型化が可能で
多チャンネル化が可能である。更に光ゲート中スイッチ
４２ａ　、　４２ｂ　、　４２ｃ　、　４２ｄとして大
きな消光比の可能な再生増幅系を用いているため、低ク
ロストーク化が可能で、入射光の性質を選ばず、信号の
増幅が可能である。一方この構旦 成では光信号を一折電気信号に変換するため、全てを光
信号のままでスイッチングを行なう場合に比べ信号の伝
送帯域の制限、歪の発生の原因となる可能性が有るが、
電気信号として伝送されるのは再生増幅系の中だけであ
るため比較的容易に広い帯域にわたシ、低い歪の光ゲー
トスイッチを実現することができる０静電的な結合によ
るクロストーク、電磁誘導の影響なども、従って電気信
号の状態でマトリックス状のスイッチング回路全通る場
合に比べると格段に小さい０そのため、高速のデジタル
信号のみならず、広帯域のアナログ信号のスイッチング
にも適用可能である。また先に述べたようにＧａＡｓ／
ＧａＡｌ！Ａｓ、　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ等の材料に
よシ光ゲート・スイッチを製作する場合には一つの基板
上にモノリシックに集積することができ、スイッチ回路
の小型、多チャンネル化、性能の向上の上で非常なメリ
ットとなる。

（発明の効果） 以上、詳細に説明したように、本発明によれば小型かつ
集積化に適し低クロストークで広帯域信号を歪ませるこ
となく高速切換が可能で、かつ多モード・ファイバ光を
切換えることができるという適用範囲の広さを併せ持っ
た光スイツチ回路が得られ、将来の種々の光システムの
実現に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ゲート・光分岐型スイッチ回路の動作を説明
するための図、第２図は本発明に用いる元ゲート・スイ
ッチの構成を示す図、第３図、第４図は本発明による光
スイツチ回路の一実施例を説明するだめの図である〇 図に於て、１．１　ａ、　２４ａ、２４ｂは信号光、２
は電気信号、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは光伝送路。 ２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂは光分岐、２３ａ　、
２３ｂ　。 ４３ａ　、４３ｂは光合波器、２２ａ　、２２ｂ　、２
２ｃ　、　２２ｄ　。 ４２ａ　、４２ｂ　、４２ｃ　、４２ｄは光ゲートスイ
ッチ、１０は光電変換手段、１１は波形整形、増幅系、
１２は電光変換手段、３０，３１，３２はＦＥＴ　。 ３３はＬＤ、３４．３５は電源、４６は制御装置である
。 代理人＝Ｒ江士　白、！１７　、”ｌ（Ｉ＼。 ギ　２　喝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ひとつの入力端から入った元をｍ（〉２　）本の光に分
   岐するｎ（、？１）個の光分岐と、前記光分岐の各々の
   分岐先に光学的に縦属接続され、ＯＮ状態では光を通し
   ＯＦＦ状態では光を通さない機能を持つスイッチと、各
   々の前記スイッチに縦続接続された出力用導波路とから
   なる光スイッチ回路であって、前記ＯＮ状態では光を通
   しＯＦＦ状態では光を通さない機能を持つスイッチを、
   前記光分岐の出力光を電気信号に変換する光電変換手段
   と、前記充電変換手段の出力を再び光信号に変換し前記
   出力用導波路に出力する電光変換手段と、制御信号に応
   じて前記光電変換手段及び電光変換手段の動作を制御す
   る手段により構成したことを特徴とする光スイツチ回路
   。