JP5128254B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、波長選択光スイッチに関し、より詳細には、波長分割多重通信システムにおいて、任意の波長チャンネルを光信号のまま電気信号に変換することなく切り替えるスイッチングノード装置（例えば、波長クロスコネクト）で用いられる波長選択光スイッチに関する。

経済的な大容量通信網を構築するため、波長分割多重（ＷＤＭ）技術をノードでの転送処理に用いた光クロスコネクト（ＯＸＣ）の検討が進みつつある。ＯＸＣを導入したネットワークでは、ネットワーク構成を波長単位で柔軟に変更することが可能になるため、ネットワークの保守／運用コストを低減することができる。

ＯＸＣの構成法には、波長変換機能を装備した完全ＯＸＣと、波長変換機能を装備しない波長クロスコネクト（ＷＸＣ）の２種類がある。完全ＯＸＣでは、通常、波長変換器を兼ねたＯＥＯ変換器を装備し、波長を跨る任意の接続パターンが可能となっている。一方、ＷＸＣでは、波長変換機能を持たないため同一波長間のみ接続可能といった接続パターンに対する制約があるが、光信号のままトランスペアレントにノードを通過させることができるため任意の信号フォーマットを扱うことが出来、また、比較的高価であるＯＥＯ変換器を持たないため安価に装置を構成できるメリットがある。

このＷＸＣを構成するキーデバイスとして、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の開発が多くの機関でなされている。ＷＳＳとは、波長毎に独立に任意の経路設定ができるスイッチのことである。例えば、１入力多出力（１×Ｍ）のＷＳＳの場合、図１のような構成で表わされる。即ち、ｎ波長が多重されたファイバ入力に対して、ｎ波長分波器１０１と、ｎ個の１×Ｍスイッチ１０２と、Ｍ個のｎ波長合波器１０３とを備える。ｎ波長分波器１０１で分波された波長チャンネルが、波長毎に１×Ｍスイッチ１０２で出力ポートの切替処理がなされ、ｎ波長合波器１０３で再びＷＤＭ信号光に合波される（特許文献１参照）。同様の考え方による構成で、多入力１出力（Ｍ×１）のＷＳＳや多入力多出力（Ｍ×Ｍ）のＷＳＳなどもある。

従来の技術では、具体的なデバイス実現構成として、例えば、図２に示すようなバルクグレーティング２１０と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラー２２０を組み合わせて実現した１×ＭのＷＳＳが報告されている（非特許文献１参照）。この組み合わせの構成では、入力ファイバ２０１から出力されたＷＤＭ信号光がグレーティング２１０で分波され、それぞれの波長の焦点位置に配置されたＭＥＭＳミラー２２０で反射され、再びグレーティング２１０を通ることで合波されて、出力ファイバ２０２に導かれる。グレーティング２１０の前後に置かれているレンズアレイ２０３及びレンズ２０４は、信号光をグレーティング２１０前後で平行光とし、出力ファイバ２０２及びＭＥＭＳミラー２２０で焦点を結ばせるために置かれている。それぞれのＭＥＭＳミラー２２０の傾きを制御することで反射方向、即ち出力先を、それぞれの波長チャンネルで独立に切り替えることができる。

このようなＷＳＳを用いてＭ対の入出力伝送路を接続するＷＸＣノードの構成方法には、主に二つの構成方法がある。一つ目は、単純にＭ×Ｍ−ＷＳＳを用いる「単純構成」である。二つ目は、図３に示すように１×Ｍ−ＷＳＳとＭ×１−ＷＳＳを組み合わせる「モジュラー構成」と呼ばれる構成である。この構成は一つ目の単純構成よりもやや複雑であるが多くのメリットを持つ。通常、ＷＸＣノード等の装置では、新設当初から多数の入出力伝送路対を接続することは少なく、最初は２対程度から始まりネットワークの規模拡大に伴い徐々に接続数を増やしていくのが普通である。単純構成では、新設当初から最大規模Ｍの形態で装置を設置することになるが、モジュラー構成では、接続する入出力伝送路に応じて１×Ｍ−ＷＳＳとＭ×１−ＷＳＳを増設していけばよいので、初期コストが低く抑えられるというメリットがある。また、故障時等の保守交換単位が、単純構成では全体一括となり通信断の影響が大きいのに対して、モジュラー構成では伝送路対に対応しているので通信断の影響が伝送路断と同じ範囲に抑えられるというメリットがある。従って、近年では、二つ目のモジュラー構成が経済的な構成として主力になりつつある。

尚、二つ目の構成において、スイッチ機能が１×Ｍ−ＷＳＳとＭ×１−ＷＳＳの双方にある必要性は無いため、コスト及び装置サイズの観点から、実際には一方のＷＳＳはカプラーで代用されることもある。また、図３では、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐポートが各ＷＳＳで１ポートしか記載していないが、実際には、複数ポートを用意するか、あるいは、合波器／分波器をそれぞれ接続し、各波長チャンネルへの接続を確保している。

特許第３４４４５４８号公報 D. M. Marom et al., "Wavelength selective 1×4 switch for 128 WDM channels at 50 GHz spacing," OFC2002, Post deadline Papers, FB7-1

しかしながら、このようなＷＸＣを構成する従来のＷＳＳには、将来の拡張性を考えると以下の問題があった。モジュラー構成では、前述のように需要に応じてスイッチ規模を増設できるが、その最大増設可能数は、ＷＳＳのポート数で制限される。例えば、図３に示すように、使用するＷＳＳのポート数Ｍが４の場合、すなわち１×４−ＷＳＳと４×１−ＷＳＳの場合、最大接続伝送路対数は４になる。従って、将来のネットワーク規模拡大に備え、想定される最大接続伝送路対以上のポート数を持つＷＳＳを選ぶ必要があった。一方、多くのＷＸＣノードでは接続される伝送路対はそれほど多くなく、特にネットワーク新設当初は通常４対以下である。また、一般にポート数の多いＷＳＳは高価になる。従って、ＷＳＳのポート数に関しても需要に応じて増加できる構成が強く望まれていた。

ＷＳＳのポート数を要求に応じて増加する手段として、図４に示すような、ＷＳＳの従属接続が知られている。この方法では、ノード新設時には、例えば、４ポートのＷＳＳを使用し、４ポート目が必要になったときに２台目のＷＳＳを従属接続し、いわゆる蛸足配線をすることで、ポート数を増設する。しかしながら、この方法では増設したポートの経路は２台のＷＳＳを通過することになるので挿入損失が２倍に、同様に３台目を従属接続した場合は挿入損失が３倍に、という具合に、ポート増設に伴い実質的な挿入損失が著しく増大するという大きな問題があった。

また、合分波機能を内蔵しているＷＳＳは波長チャンネル毎に通過帯域を持つ。この通過帯域の幅は、通常、光信号スペクトルを通過させるのに十分な幅を持って設計されているが、何１０段ものＷＳＳを光信号が通過する場合は、その影響が無視できなくなり、最悪の場合は信号波形の劣化を引き起こす。上述のＷＳＳを従属接続する方法は通過段数を増加させることと等価であるため、通過ノード数を実質的に制限する要因となるという問題があった。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、ポート数が必要に応じて増設可能であり、且つ、増設に伴う損失増加および通過帯域幅制限を抑制したＷＳＳを提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１入力多出力可能な波長選択スイッチであって、基本ユニット及び１つ以上の拡張ユニットで構成され、前記基本ユニットは、入力ポートに接続された第１の分波器と、前記第１の分波器により分波された出力光の光路を選択して出力する波長毎の第１の光スイッチ素子と、前記第１の光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の第１の出力ポートへそれぞれ出力する第１の合波器と、前記第１の光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の第１の拡張出力ポートとを備え、前記拡張ユニットは、波長毎の拡張入力ポートからの入力光の光路を選択して出力する波長毎の第２の光スイッチ素子と、前記第２の光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の第２の出力ポートへそれぞれ出力する第２の合波器と、前記第２の光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の第２の拡張出力ポートとを備え、前記基本ユニットを初段に、前記拡張ユニットが、前記第１の拡張出力ポートと前記拡張入力ポートを介してカスケードに接続されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、多入力１出力可能な波長選択スイッチであって、基本ユニット及び１つ以上の拡張ユニットで構成され、前記基本ユニットは、１つ以上の第１の入力ポートにそれぞれ接続された第１の分波器と、波長毎の第１の拡張入力ポートと、前記第１の分波器により分波された出力光と前記第１の拡張入力ポートからの入力光とを選択して出力する波長毎の第１の光スイッチ素子と、前記第１の光スイッチ素子からの出力光を合波して出力ポートに出力する第１の合波器とを備え、前記拡張ユニットは、１つ以上の第２の入力ポートにそれぞれ接続された第２の分波器と、波長毎の第２の拡張入力ポートと、前記第２の分波器により分波された出力光と前記第２の拡張入力ポートからの入力光とを選択して波長毎の拡張出力ポートへ出力する波長毎の第２の光スイッチ素子とを備え、前記基本ユニットを最終段に、前記拡張ユニットが、前記第１の拡張入力ポートと前記拡張出力ポートを介してカスケードに接続されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、１入力多出力可能な波長選択スイッチであって、分波ユニットと、当該分波ユニットとは別個独立に形成された１つ以上のスイッチユニットとで構成され、前記分波ユニットは、入力ポートからの入力光を分波して波長毎の個別出力ポートに出力する分波器を備え、前記スイッチユニットは、波長毎の拡張入力ポートからの入力光の光路を選択して出力する波長毎の光スイッチ素子と、前記光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の出力ポートへそれぞれ出力する合波器と、前記光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の拡張出力ポートとを備え、前記分波ユニットを初段に、前記スイッチユニットが、前記個別出力ポートと前記拡張入力ポートを介してカスケードに接続され、前記光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の個別波長出力ポートをさらに備えていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、多入力１出力可能な波長選択スイッチであって、合波ユニットと、当該合波ユニットとは別個独立に形成された１つ以上のスイッチユニットとで構成され、前記合波ユニットは、波長毎の個別入力ポートからの入力光を合波して出力ポートに出力する合波器を備え、前記スイッチユニットは、１つ以上の入力ポートにそれぞれ接続された分波器と、波長毎の拡張入力ポートと、前記分波器により分波された出力光と前記拡張入力ポートからの入力光とを選択して波長毎の拡張出力ポートへ出力する波長毎の光スイッチ素子とを備え、前記合波ユニットを最終段に、前記スイッチユニットが、前記拡張出力ポートと前記個別入力ポートを介してカスケードに接続され、前記波長毎の光スイッチ素子にそれぞれ入力光を入力する波長毎の個別波長入力ポートをさらに備えていることを特徴とする。

本発明によれば、波長毎の拡張出力ポートまたは拡張入力ポートを用いて、合波器または分波器を介さずに追加のユニットを接続することにより、ポート数が必要に応じて増設可能であり、且つ、増設に伴う損失増加および通過帯域幅制限を抑制したＷＳＳを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図５は、実施形態１に係る１入力多出力（１×Ｍ）のＷＳＳの構成を示している。ＷＳＳ５００は、基本ユニット５１０と拡張ユニット５２０で構成されている。

基本ユニット５１０は、入力ポート５１１と、入力ポート５１１に接続された分波器５１２と、分波器５１２が分波する波長毎に用意された１×（ｍ＋１）スイッチ５１３と、ｍ個の出力ポート５１５と、出力ポート５１５にそれぞれ接続された合波器５１４と、拡張出力ポート５１６で構成されている。入力ポート５１１から入力された信号光は、分波器５１２で各波長チャンネルに分波される。分波された信号光は波長毎にスイッチ５１３で出力先が振り分けられる。それぞれのスイッチ５１３で、出力ポート５１５側に振り分けられた出力光は、出力先毎に合波器５１４で合波されて出力ポート５１５に出力され、拡張出力ポート５１６に振り分けられた信号光は、そのまま拡張出力ポート５１６に出力される。

拡張ユニット５２０は、拡張入力ポート５２１と、波長毎に用意された１×（ｍ’＋１）スイッチ５２３と、ｍ’個の出力ポート５２５と、出力ポート５２５にそれぞれ接続された合波器５２４と、拡張出力ポート５２６で構成されている。入力された信号光は、波長毎にスイッチ５２３で出力先が振り分けられる。それぞれのスイッチ５２３で、出力ポート５２５側に振り分けられた出力光は、出力先毎に合波器５２４で合波されて出力ポート５２５に出力され、拡張出力ポート５２６側に振り分けられた信号光は、そのまま拡張出力ポート５２６に出力される。

各ユニットの接続は、複数のポートからなる拡張入力ポート群および拡張出力ポート群を介して、基本ユニットを初段に、拡張ユニットをカスケードに接続して行う。例えば、ｍ＝４の基本ユニットとｍ’＝４の拡張ユニット２台で、１×１２のＷＳＳを構成するには、基本ユニットの拡張出力ポート群に拡張ユニットの拡張入力ポート群を接続し、更にこの拡張ユニットの拡張出力ポート群にもう一台の拡張ユニットの拡張入力ポート群を接続する。

この様に、要求ポート数に応じて必要な台数のユニットを接続すれば良いので、経済的に波長選択スイッチを構成することができる。

また、拡張ユニットの接続は、上流にあるユニットに既に接続されているポートの再接続やユニットの動作状態の変更を伴わないので、上流のユニットは動作させたまま、拡張ユニットを増設することができる。これは、既に接続されている信号に影響を与えず、イン・サービスで増設を行えることを意味する。従って、需要に応じて必要となった時期にポート増設を行うことができるので、非常に経済的な運用が可能となる。

尚、カスケードに接続する拡張ユニットのｍ’は全て同じ数字である必要は無い。ポート増設の需要の伸びが装置設置エリア毎にバラツキが大きいような場合に、例えば、２ポート拡張ユニットと８ポート拡張ユニットのように増設ポート数の異なる拡張ユニットを用意することで、ポート増設頻度が高いと見込まれるスイッチでは８ポート拡張で一気に増設し、ポート増設頻度が低いと見込まれるスイッチでは２ポート拡張で経済的に増設といった具合に、需要の伸び率に合わせた増設を行うことで、物品費と人件費の和が最も少なくなるように運営することが可能になる。

さて、ここで各ポートの経路における損失について考えてみる。入力ポートから基本ユニットの出力ポートへの経路においては、通過信号光は合分波器がそれぞれ一つと光スイッチ一つを通過する。これに対して、入力ポートから一台目の拡張ユニットの出力ポートへの経路においては、通過信号光は合分波器がそれぞれ一つと光スイッチ二つを通過する。従って、差分は光スイッチ一つ分になり、この光スイッチの損失にコネクタ接続損失を加えたものだけが、一台目の拡張ユニットの出力ポートにおける損失増加要因になり、合分波器の損失は拡張時の損失増加に影響しない。よって、単純にＷＳＳを従属接続した場合と比べると小さな損失増加で増設を行うことができる。二台目以降の拡張ユニットの出力ポートにおいても同様に考えることができ、増設に伴う損失増加は、拡張ユニット一段当たりで、光スイッチの損失とコネクタ接続損失のみに抑えられることが分かる。

また、通過帯域幅についても同様に考えてみる。拡張ユニットを何段増設しても、各経路における、合分波器の通過数は増加せず常に一つずつであり一定であることから、通過帯域幅も一定になり、増設に伴う通過帯域の縮小といった問題は生じない。

本実施形態では、拡張出力ポート群は一群のみであったが必要に応じて複数（ｋ）群（ｋは整数）を用意し、出力ポート数ｍに対して、光スイッチを１×（ｍ＋ｋ）としても良い。拡張出力ポート群を複数群にする分、構成がやや複雑になるが、複数の拡張ユニットを増設する際に、単純なカスケード接続だけでなくツリー状に増設することが可能になり、増設に伴う損失増を抑制することが可能になる。例えば二つの拡張ユニットを増設する場合、ｋ＝１の場合は、基本ユニットの下流に直列にしか接続できないので、最悪経路での損失は合分波器がそれぞれ一つと光スイッチ三つ分の損失となる。これがｋ＝２の場合は、基本ユニットの下流に二つの拡張ユニットを並べてツリー状に増設できるので、最悪経路での損失は合分波器がそれぞれ一つと光スイッチ二つ分の損失で済み、光スイッチ一つ分だけ低損失になる。このようにｋが大きくなると、増設時の損失増加のタイミングが緩やかになる為、特に多数の増設を行った場合には、実質的な挿入損失が小さくなるという利点がある。一方、ポート数が多くなるという欠点があるので、適宜、バランスを勘案してｋの値は決定する。

以上、１×Ｍ−ＷＳＳの構成について説明したが、Ｍ×１−ＷＳＳの構成についても、入出力の関係を逆にして、光信号の流れを逆にして用いれば同様に考えることができる。図面ではいずれも示していないが、各ユニットには必要に応じて入出力ポートでのモニターや、波長別のレベルモニターが付加される。また、各波長のレベル等化を行うための可変減衰器も必要に応じて付加される。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る１入力多出力（１×Ｍ）のＷＳＳの構成を示している。ＷＳＳ６００は、分波ユニット６１０とスイッチユニット６２０で構成されている。分波ユニット６１０は、入力ポート６１１と、入力ポート６１１に接続された分波器６１２と、個別出力ポート６１６で構成されている。入力ポート６１１から入力された信号光は、分波器６１２で各波長チャンネルに分波され、個別出力ポート６１６に出力される。スイッチユニット６２０は、実施形態１の拡張ユニット５２０と同一の構成である。従って、実施形態２に係る構成は、実施形態１と比べて、基本ユニットが分波ユニットに変わった点のみが異なる。

分波ユニット６１０は、通常のＷＤＭシステムで用いられるものと基本的には同じであるので、既存の合分波モジュールを流用／共用することができる、或いは、通常のＷＤＭシステムからスイッチユニットを追加することでアップグレードできる、という点が本実施形態の利点である。一方、実施形態１では一体化されていた基本モジュールが、本実施形態では、分波ユニットとスイッチユニットに分離していることと等価なので、接続点数が増え、損失が増加する点が欠点である。

いずれにしても、実施形態１で得られた増設に伴う損失増加が小さい点や増設に伴う通過帯域縮小が無いという利点に関しては、本実施形態においても同様に有している。

以上、１×Ｍ−ＷＳＳの構成について説明したが、Ｍ×１−ＷＳＳの構成についても、入出力の関係を逆にして、光信号の流れを逆にして用いれば同様に考えることができる。この場合、分波ユニットは合波ユニットになる。また、図面ではいずれも示していないが、各ユニットには必要に応じて入出力ポートでのモニタや、波長別のレベルモニターが付加される。また、各波長のレベル等化を行うための可変減衰器も必要に応じて付加される。

（実施形態３）
図７は、実施形態３に係る１入力多出力（１×Ｍ）のＷＳＳの基本ユニットの構成を示している。拡張ユニットは、実施形態１と同一である。本実施形態に係る基本ユニット７１０は、基本的には実施形態１と同じ構成であるが、一部の出力ポート（図７では出力（１）のみ）及びそれに接続された合波器を省き、この合波器へ入力されていた入力光を、代わりに設けた個別波長出力ポート７１７に出力している点が異なる。あるいは、合波器を省くのではなく個別波長出力ポート７１７を追加してもよい。

ＷＸＣノードでは、しばしば、個別の波長チャンネルを取り出したり、挿入したりする。このときこのＷＸＣノードに用いられているＷＳＳが実施形態１で説明したものである場合は、全波長を個別に取り出すには、出力ポートを波長数分用意しなければならないが、本実施形態の場合は、出力ポート１つを個別波長出力ポート群７１７に置き換えているので、少ないハード量で個別波長の取り出しに対応できるというメリットがある。

尚、図７では基本モジュールの出力１のみを個別波長出力ポート群としたが、必要に応じて任意のモジュールで複数の出力ポートをそれぞれ個別波長出力ポート群としても良い。

本実施形態においても、実施形態１で得られた増設に伴う損失増加が小さい点や増設に伴う通過帯域縮小が無いという利点に関しては、同様に有している。

以上、１×Ｍ−ＷＳＳの構成について説明したが、Ｍ×１−ＷＳＳの構成についても、入出力の関係を逆にして、光信号の流れを逆にして用いれば同様に考えることができる。また、図面ではいずれも示していないが、各ユニットには必要に応じて入出力ポートでのモニタや、波長別のレベルモニターが付加される。また、各波長のレベル等化を行うための可変減衰器も必要に応じて付加される。

（実施形態４）
図８は、実施形態１の１×Ｍ−ＷＳＳおよびＭ×１−ＷＳＳを用いて構成したＭ×Ｍ−ＷＳＳ、すなわちＷＸＣの構成を示している。ここではｍ＝ｍ’＝４、ｋ＝１の例で図示している。基本モジュール４台で接続伝送路対数４まで対応可能であり、５以上の接続伝送路対数に関しても拡張モジュールを追加することにより、対応が可能である。尚、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐポートが各ＷＳＳで１ポートしか記載していないが、本形態の場合は、合波器／分波器をそれぞれ接続し、各波長チャンネルへの接続を確保する。

実施形態３のＷＳＳを用いた場合も基本的には同様の構成となるが、実施形態３の場合は、個別波長出力／入力ポート群が基本ユニットに備わっているので、実施形態１の場合のように、合波器／分波器を外付けで用意する必要は無い。

また、実施形態２のＷＳＳを用いた場合は、１×Ｍ側基本ユニットを分波器と１×Ｍ側スイッチユニットに、Ｍ×１側基本ユニットを合波器とＭ×１側スイッチユニットに、１×Ｍ側／Ｍ×１側拡張ユニットをそれぞれ１×Ｍ側／Ｍ×１側スイッチユニットに置き換えた構成になる。

いずれの構成にしても、入出力伝送路数に応じて、適宜、ＷＸＣの規模を経済的に拡張することができると共に、拡張に伴うＷＸＣの損失増加を最小限に抑えることができ、また拡張に伴って通過帯域縮小といった問題が生じることが無いという特徴を持っている。

実施例１
図９および１０は、実施形態１の基本モジュール及び拡張モジュールの構成を示している。それぞれのモジュールには、１×Ｍ側のユニットとＭ×１側のユニットが入っているが、コスト及び装置サイズの観点から、１×Ｍ側のユニットはスイッチが入った構成ではなくカプラで代用した構成になっている。

１×Ｍ側の基本ユニットは、入力ポート及びこれに接続された１×（ｍ＋１）の光分岐カプラとｍ個の出力ポート、拡張出力ポート、及び、個別波長出力ポート群と分波入力ポートに接続された分波器で構成されている。入力ポートから入力された信号光は、光分岐カプラで所定の分岐比（今回は等分岐比）で分岐されて、各出力ポート、及び拡張出力ポートへ出力される。入力ポートには入力光モニターが付いており、入力光の監視ができるようになっている。尚、図では拡張ポートを含む出力ポートに、出力光モニターが付いているが、入力光の監視で出力光の監視も代用できるので、今回はこの出力モニターは搭載していない。また、拡張ポートを含む出力ポートには出力光の出力レベルを調整するための可変減衰器が装備されている。出力ポート１は、通常、外部光パッチコードにより分波入力ポートに接続されている。

Ｍ×１側の基本ユニットは、実施形態３の基本ユニット７１０と基本的に同じ構成であるが、（ｍ＋１）×１光スイッチは可変減衰機能付であり、且つ、光スイッチの出力側に各波長のレベルモニターを備えている。また、個別波長入力ポート群を含む入力ポートには入力光モニターが付いており、入力光の監視ができるようになっている。尚、図では出力ポートに、出力光モニターが付いているが、各波長のレベルモニターでの監視で出力光の監視も代用できるので、今回はこの出力モニターは搭載していない。また、逆に拡張入力ポート群には入力監視用モニターが付いていないが、必要に応じて搭載しても良い。

１×Ｍ側の拡張ユニットは、１×Ｍ側の基本ユニットと殆ど同じ構成であるが、個別波長出力ポート群と分波入力ポートに接続された分波器は装備されていない。

Ｍ×１側の拡張ユニットは、第一の実施形態の拡張ユニットと基本的に同じ構成であるが、Ｍ×１側の基本ユニットと同様、光スイッチは可変減衰機能付であり、且つ、光スイッチの出力側に各波長のレベルモニターを備えている。また、入力ポートには入力光モニターが付いており、入力光の監視ができるようになっている。また、拡張入力ポート群には入力監視用モニターが付いていないが、必要に応じて搭載しても良い。

尚、今回作製したモジュールでは、ｍ＝ｍ’＝４としている。

各ユニット間の接続の様子を図１１に示す。１×Ｍ側のユニットの接続は、基本ユニットを先頭に、拡張入力ポート／拡張出力ポートを介して、分岐損失を補償するための光アンプをユニット間に挟みながら、拡張ユニットをカスケードに接続して行った。Ｍ×１側のユニットの接続は、拡張入力ポート群／拡張出力ポート群を介して、基本ユニットを先頭に、拡張ユニットをカスケードに接続して行った。尚、図１１は、図８に示すＷＸＣノードの構成の破線で囲った部分に相当する。実際に、図１１のモジュールを複数用意し、相互に接続することでＷＸＣノードを構成した。

挿入損失は、Ｍ×１側で基本ユニットの入力（２〜４）から出力までで７．５ｄＢ、拡張ユニットの入力（５〜８）から基本ユニットの出力までで８．８ｄＢであった。また、通過帯域幅は、入力（２〜４）から出力までのいずれの経路においても、ほぼ４２ＧＨｚと一定であった。

本実施例のモジュール構成では、１×Ｍ側のユニットを光スイッチが入った構成ではなく光分岐カプラーを用いた構成で代用している。これにより、分岐に伴う分岐損失が発生するという欠点が生じるものの、モジュールの構成を大幅に簡素化することができるという大きな利点を得ている。モジュールサイズは、基本モジュール／拡張モジュールそれぞれ２２０×１３５×１４ｍｍであり、光分岐カプラーを用いない構成に比べて、約半分のサイズにコンパクトに収めることができると共に、作製コストも削減することができた。

また、１×Ｍ側が分岐回路となっていることで、入力された光信号は全ての出力にコピーされて分配される。従って、ＷＸＣノード全体で考えてみると分かるように、分配された光信号をＭ×１側のスイッチで選ぶことで、ノードの全ての出力に応じ信号を配信することも可能である。このように、ユニキャスト動作だけでなく、マルチキャスト動作やブロードキャスト動作を行うことが出来ることも、光分岐カプラーを用いたことの大きな利点である。

１×Ｍ側の基本ユニットの入力から出力（１〜４）への経路の挿入損失は、分岐カプラーや可変減衰器の過剰損失や光モニターのタップ損失を加えて８．５ｄＢであった。１×Ｍ側の基本／拡張ユニット間に割り入れてある光アンプはこの損失を補償する利得を与えるように設計し、１×Ｍ側の基本ユニットの入力から拡張ユニットの出力（５〜８）への経路の透過的な挿入損失も同様に８．５ｄＢであった。尚、この光アンプは、上記の分岐損失を踏まえると、通常は備えたほうが好ましいが、レベルダイヤ設計上許されるのであれば、省く場合もある。この場合、光分岐カプラーの分岐比は、例えば出力（１〜８）で等分岐比となるように設定する。

また、本実施例のモジュール構成では、Ｍ×１側のユニットの光スイッチに可変減衰機能が備えられ、また、且つ、光スイッチの出力側に各波長の光レベルモニターを備えている。レベルモニターからのモニター値を基に光スイッチの減衰量をフィードバック動作させることで、伝送路ファイバへの出力レベルを極めて正確に制御することができた。

さて、今回のモジュールでは、後述のように、使用したスイッチの構成上、拡張入力群からの入力光に対しては可変減衰動作を行うことができないため、基本的なフィードバック制御は各モジュールに閉じて行った。しかし、拡張モジュールで得られるモニター値は、基本モジュールの損失バラツキやモジュール間の接続損失バラツキの影響を受けるため、伝送路ファイバへの出力レベルを正確には反映していない。そこで、定期的に、拡張モジュールは基本モジュールからモニター値をモジュール間の通信で得ることにより、モジュール間モニター値誤差の校正を行い、正確なレベル制御が行えるようにした。これにより、出力レベルは入力（５〜８）からの信号光も入力（２〜４）の信号光と同様にいずれも±０．１ｄＢ以内の制御精度で出力できた。

さて、本実施例では、１×Ｍ側を光分岐カプラーにより簡略化したが、逆に、Ｍ×１側を光合流カプラーにより簡略化する構成も有る。この場合は、簡略化によるサイズの小型化、低コスト化の利点は得られるが、マルチキャスト動作やブロードキャスト動作は行えず、また、出力レベル制御に関しても、光合流カプラーの損失バラツキの影響を受けるので、１×Ｍ側を簡略化した場合程のメリットは得られない。

今回、合分波器や可変減衰機能付き光スイッチには、石英系導波路ベースの平面光波回路（ＰＬＣ）技術を用いて作製した。合分波器は、アレイ導波路光子（ＡＷＧ）回路を使用している。合分波の波長チャンネル間隔は１００ＧＨｚ、波長チャンネル数は４０ｃｈである。

図１２に、今回用いた可変減衰機能付き光スイッチの構成概略を示す。２×１スイッチ素子を従属に多段接続したタップ型の構成となっている。入力ポート１〜ｍには各分波器、又は個別波長入力ポート群からの信号光が入力され、入力ポート（ｍ＋１）には、拡張入力ポート群からの信号光が入力される。

２×１スイッチ素子は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型スイッチを基本構成としている。ＭＺＩ型スイッチは、２個の方向性結合器からなるＭＺＩ干渉計とスイッチ動作のための熱光学位相シフターとして動作する薄膜ヒータで構成されている。各ＭＺＩ型スイッチの干渉計部分には光信号波長の半波長に相当する光路長差が設けられており（非対称干渉計構成）、薄膜ヒータに電力印加していないときには、公知の干渉原理により、バー経路に光が伝播し、薄膜ヒータに半波長の光路長差を打ち消すに相当する電力（ＯＮ電力）を印加すると、クロス経路に光が伝播する。従って、入力ポート１〜ｍからの信号光、すなわち各分波器又は個別波長入力ポート群からの信号光のいずれかを選択して出力する際に駆動する２×１スイッチは一つのみとなる。従って、消費電力を小さくできると共に、駆動回路を一つに集約することができている。また、スイッチ素子が基本的に一直線に並ぶため、図１２のように多連を集積した際に、小型高密度に集積することができている。

また、ＭＺＩ型スイッチはアナログ動作するので、薄膜ヒータに０〜ＯＮ電力の間の電力を印加すると印加電力量に応じたアナログ的な切替となり、光可変減衰器（ＶＯＡ）として動作させることができる。

今回は、２×１スイッチ素子にゲート用ＭＺＩと切替用ＭＺＩの２重構成のＭＺＩ型スイッチを用いた。この２重構成の２×１スイッチ素子は、ＭＺＩ型スイッチ数が２倍となってしまうが、各２×１スイッチ素子において入力１から出力への経路に対して２個のＭＺＩスイッチを通るので高い消光比が得られる。一方、入力２から出力への経路に対しては、一個のＭＺＩスイッチしか通らないので、高消光比化に伴う損失増加の影響が最小限になる構成になっている。従って、低損失を維持しながらも、入力ポート１〜ｍからの信号光、すなわち各分波器又は個別波長入力ポート群からの信号光に対しては、必ず高い消光比が得られる。入力ポート（ｍ＋１）からの信号光、すなわち拡張入力ポート群からの入力に対しては、一見すると高い消光比が得られる構成とはなっていないが、基本ユニット／拡張ユニットを通しても見てみると、拡張入力ポート群に直接入力される信号光は無く、必ずいずれかのユニットで信号光は２×１スイッチ素子の入力１から出力への経路を通るので、全体としてみれば必ず高い消光比が得られる構成となっている。

さて、２×１スイッチ素子において、ＶＯＡ動作を行う場合、入力１からの信号光に減衰が掛かると共に、反対に入力２からの信号光が漏れ込む事になる。これは、一見するとクロストークが発生するように見えるが、これに関しても、タップ型の構成では、基本ユニット／拡張ユニットを通しても、動作させる２×１スイッチ素子は必ず一つになるので、動作させている２×１スイッチ素子の入力２には信号光は入ってこない。従って、ＶＯＡ動作に伴ってクロストークが発生することはない。

このように、タップ型のスイッチ構成では、拡張ポートのためのスイッチ素子をあえて設ける必要は無く、少ないスイッチ素子数で高消光比／低クロストークが得られるという利点がある。

実施例２
実施例２として実際に作製した波長選択スイッチについて説明する。図１３は実施例２の合分波モジュールの構成を、図１４は同じくスイッチモジュールの構成を示す。

合分波モジュールは、分波ユニットと合波ユニットからなり、通常のＷＤＭシステムで用いられるものと同じ構成である。分波ユニットは、入力ポート、個別出力ポート群及びこれに接続された分波器からなる。入力ポートには入力光モニターが付いており、入力光の監視ができるようになっている。尚、図では拡張ポートを含む出力ポートに、出力光モニターが付いているが、入力光の監視で出力光の監視も代用できるので、今回はこの出力モニターは搭載していない。合波ユニットは、個別入力ポート群、出力ポート及びこれに接続された合波器からなる。合波器の入力には波長毎に可変減衰器、及び、レベルモニターが備えられており、各波長の出力レベルを監視する共にこれらを連動させることで、各波長の出力レベル調整を行っている。尚、図では出力ポートに、出力光モニターが付いているが、各波長のレベルモニターでの監視で出力光の監視も代用できるので、今回はこの出力モニターは搭載していない。

スイッチモジュールは、１×Ｍ側、及び、Ｍ×１側のスイッチユニットからなる。それぞれのユニットは第二の実施形態の拡張ユニットと基本的に同じであるが、入出力ポートには光モニターが付いており、入出力光の監視ができるようになっている。また、拡張入出力ポート群には監視用モニターが付いていないが、必要に応じて搭載しても良い。尚、今回作製したモジュールでは、ｍ＝４としている。

各ユニット間の接続の様子を図１５に示す。１×Ｍ側／Ｍ×１側共にユニットの接続は、拡張入力ポート群／拡張出力ポート群を介して、基本ユニットを先頭に、拡張ユニットをカスケードに接続して行った。尚、図１５は、図８に示すＷＸＣノードの構成の破線で囲った部分に相当する。実際に、図１５のモジュールを複数用意し、相互に接続することでＷＸＣノードを構成した。スイッチモジュール（１）の１×Ｍ側のスイッチユニットの４ポートの出力を、それぞれ、出力（１〜４）とし、Ｍ×１側のスイッチユニットの４ポートの入力をそれぞれ入力（１〜４）とする。同様に、スイッチモジュール（２）の１×Ｍ側のスイッチユニットの４ポートの出力を、それぞれ、出力（６〜８）とし、Ｍ×１側のスイッチユニットの４ポートの入力をそれぞれ入力（５〜８）とする。

挿入損失は、分波ユニットの入力からスイッチユニットの出力（１〜４）までで７．５ｄＢ、分波ユニットの入力からスイッチユニットの出力（５〜８）までで８．５ｄＢであった。また、同様にスイッチユニットの入力（１〜４）から合波ユニットの出力までで７．８ｄＢ、スイッチユニットの入力（５〜８）から合波ユニットの出力までで８．８ｄＢであった。また、通過帯域幅は、上記いずれの経路においても、ほぼ４２ＧＨｚと一定であった。

本実施例では、合波ユニットで閉じて各波長の出力レベル調整を行っており、各ユニットの損失のバラツキやコネクタ接続損失のバラツキ等の不確定要素が入らないため、レベル制御の精度は、±０．１ｄＢと良好であった。

今回、合分波器や可変減衰器、光スイッチには、石英系導波路ベースの平面光波回路（ＰＬＣ）技術を用いて作製した。合分波器は、アレイ導波路光子（ＡＷＧ）回路を使用している。合分波の波長チャンネル間隔は１００ＧＨｚ、波長チャンネル数は４４ｃｈである。

図１６に、今回用いたスイッチモジュールの１×Ｍ側のスイッチユニットでの光スイッチの構成概略を示す。１×２スイッチ素子を従属に多段接続したタップ型の構成となっている。出力ポート１〜ｍからは各合波器への信号光が出力され、出力ポート（ｍ＋１）からは、拡張出力ポート群への信号光が出力される。１×２スイッチ素子は、実施例１と同様に、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型スイッチを基本構成としているが、ゲート用のＭＺＩは無くと切替用のＭＺＩのみで構成している。本構成のスイッチもタップ型のスイッチ構成であり、拡張ポートのためのスイッチ素子をあえて設ける必要は無いという点が同じである。

Ｍ×１側のスイッチユニットでの光スイッチの構成は、上記構成の入出力入れ替えた構成になっている。本実施例でのスイッチでは、ゲートスイッチを用いていないが、これは１×Ｍ側とＭ×１側で併せて２箇所でスイッチを行っていることと等価であるので、十分な消光比が得られるためである。システム仕様上、消光比が不足する場合は、適宜、実施例１のようにゲートスイッチを設けても良い。

以上２つの実施例では、導波路をベースとした光素子でデバイスを構成したが、これは実装集積性に優れるためである。他の方法、例えば、誘電体多層膜を用いた合分波器や、機械式のスイッチを用いた構成でも、最良の形態で説明した本発明の基本的な効果が得られることに変わりは無いことを付記しておく。

また、今回の導波路ベースの光素子は、石英系導波路で実現をしたが、これは信頼性に優れ、光ファイバとの接続親和性が高く、また、生産技術としても確立された技術で量産に向くためである。しかしながら、他の材料系の導波路、例えば、シリコン導波路や、ＬＮ導波路や高分子導波路等でも本実施例等で示した効果が同様に得られることは、明らかである。

また、本実施例ではスイッチ素子にはＭＺＩ型を用いているが、これは、石英系導波路でのスイッチとしては、最も実績のある形態であるからである。しかしながら、いわゆるデジタル型とも呼ばれるＹ分岐を用いた構成でも、本発明での効果が得られることに変わりは無い。

従来の１入力多出力波長選択スイッチ機能構成を示す図である。 １入力多出力ＷＳＳの実際の実現構成例を示す図である。 ＷＳＳを用いて構成した波長クロスコネクトノードの構成例（Ｍ＝４）を示す図である。 ＷＳＳのポート増設の実現例（Ｍ＝４）を示す図である。 実施形態１に係るＷＳＳの構成を示す図である。 実施形態２に係るＷＳＳの構成を示す図である。 実施形態３に係るＡｄｄ／Ｄｒｏｐポート付きＷＳＳの構成を示す図である。 本発明に係るＷＳＳを用いたＷＸＣの構成例を示す図である。 実施例１に係るブロードキャスト及びセレクト構成の基本モジュールを示す図である。 実施例１に係るブロードキャスト及びセレクト構成の拡張モジュールを示す図である。 実施例１での基本モジュールと拡張モジュールの接続の様子を示す図である。 実施例１に係るタップ形（ｍ＋１）×１スイッチの構成例を示す図である。 実施例２に係るＶｍｕｘ／Ｄｅｍｕｘ流用時の合分波モジュールを示す図である。 実施例２に係るＶｍｕｘ／Ｄｅｍｕｘ流用時のスイッチモジュールを示す図である。 実施例２での合分波モジュールとスイッチモジュール接続の様子を示す図である。 実施例２に係るタップ形１×（ｍ＋１）スイッチの構成例を示す図である。

符号の説明

５００、６００、７００ ＷＳＳ
５１０ 基本ユニット
５１１ 入力ポート
５１２ 分波器
５１３ スイッチ
５１４ 合波器
５１５ 出力ポート
５１６ 拡張出力ポート
５２０ 拡張ユニット
５２１ 拡張入力ポート
５２３ スイッチ
５２４ 合波器
５２５ 出力ポート
５２６ 拡張出力ポート
６１０ 分波ユニット
６１１ 入力ポート
６１２ 分波器
６１６ 個別出力ポート
６２０ スイッチユニット
７１０ 基本ユニット
７１７ 個別波長出力ポート

Claims (4)

1. １入力多出力可能な波長選択スイッチであって、
   基本ユニット及び１つ以上の拡張ユニットで構成され、
   前記基本ユニットは、
   入力ポートに接続された第１の分波器と、
   前記第１の分波器により分波された出力光の光路を選択して出力する波長毎の第１の光スイッチ素子と、
   前記第１の光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の第１の出力ポートへそれぞれ出力する第１の合波器と、
   前記第１の光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の第１の拡張出力ポートとを備え、
   前記拡張ユニットは、
   波長毎の拡張入力ポートからの入力光の光路を選択して出力する波長毎の第２の光スイッチ素子と、
   前記第２の光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の第２の出力ポートへそれぞれ出力する第２の合波器と、
   前記第２の光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の第２の拡張出力ポートとを備え、
   前記基本ユニットを初段に、前記拡張ユニットが、前記第１の拡張出力ポートと前記拡張入力ポートを介してカスケードに接続されていることを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 多入力１出力可能な波長選択スイッチであって、
   基本ユニット及び１つ以上の拡張ユニットで構成され、
   前記基本ユニットは、
   １つ以上の第１の入力ポートにそれぞれ接続された第１の分波器と、
   波長毎の第１の拡張入力ポートと、
   前記第１の分波器により分波された出力光と前記第１の拡張入力ポートからの入力光とを選択して出力する波長毎の第１の光スイッチ素子と、
   前記第１の光スイッチ素子からの出力光を合波して出力ポートに出力する第１の合波器とを備え、
   前記拡張ユニットは、
   １つ以上の第２の入力ポートにそれぞれ接続された第２の分波器と、
   波長毎の第２の拡張入力ポートと、
   前記第２の分波器により分波された出力光と前記第２の拡張入力ポートからの入力光とを選択して波長毎の拡張出力ポートへ出力する波長毎の第２の光スイッチ素子とを備え、
   前記基本ユニットを最終段に、前記拡張ユニットが、前記第１の拡張入力ポートと前記拡張出力ポートを介してカスケードに接続されていることを特徴とする波長選択スイッチ。
3. １入力多出力可能な波長選択スイッチであって、
   分波ユニットと、当該分波ユニットとは別個独立に形成された１つ以上のスイッチユニットとで構成され、
   前記分波ユニットは、入力ポートからの入力光を分波して波長毎の個別出力ポートに出力する分波器を備え、
   前記スイッチユニットは、
   波長毎の拡張入力ポートからの入力光の光路を選択して出力する波長毎の光スイッチ素子と、
   前記光スイッチ素子からの出力光を光路毎に合波して１つ以上の出力ポートへそれぞれ出力する合波器と、
   前記光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の拡張出力ポートとを備え、
   前記分波ユニットを初段に、前記スイッチユニットが、前記個別出力ポートと前記拡張入力ポートを介してカスケードに接続され、
   前記光スイッチ素子からの出力光を出力する波長毎の個別波長出力ポートをさらに備えていることを特徴とする波長選択スイッチ。
4. 多入力１出力可能な波長選択スイッチであって、
   合波ユニットと、当該合波ユニットとは別個独立に形成された１つ以上のスイッチユニットとで構成され、
   前記合波ユニットは、
   波長毎の個別入力ポートからの入力光を合波して出力ポートに出力する合波器を備え、
   前記スイッチユニットは、
   １つ以上の入力ポートにそれぞれ接続された分波器と、
   波長毎の拡張入力ポートと、
   前記分波器により分波された出力光と前記拡張入力ポートからの入力光とを選択して波長毎の拡張出力ポートへ出力する波長毎の光スイッチ素子とを備え、
   前記合波ユニットを最終段に、前記スイッチユニットが、前記拡張出力ポートと前記個別入力ポートを介してカスケードに接続され、
   前記波長毎の光スイッチ素子にそれぞれ入力光を入力する波長毎の個別波長入力ポートをさらに備えていることを特徴とする波長選択スイッチ。
   

Images