JP3577289B2 - Optical signal processing method and optical signal processing device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光パケット等の光パルス列を入力してシリアル―パラレル変換や、並列電気信号を一つの光信号に変換するパラレル‐シリアル変換等を行う光信号処理方法および装置に関する。
【0002】
さらにまた、本発明は、高速の光パケットのアドレス情報等を認識するためのラベル処理方法および装置に関する。
【0003】
さらにまた、本発明は、高速の光パケット信号を電子回路によるメモリに自由に書き込み、かつ読み出し、再び光パケット信号として出力させる光メモリ方法および装置に関する。
【0004】
さらにまた、本発明は、上記シリアル―パラレル変換、光クロックパルス発生、ラベル処理、光メモリ等の技術を組み合わせることで、ルータや光コンピュータなどの高次機能を実現することに関する。
【0005】
【従来の技術】
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、光信号を受光素子で電気信号に変換した後、10Gbps以上の電気信号を従来の電子回路でそのまま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するためのラベル認識機能や、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の機能はシリコン系のLSI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。
そのため、高速の光パケット信号に対して、このラベル認識処理やメモリ処理を実現することは、従来のシリコン系電子回路を用いたのでは、困難になってきている。
【0006】
そこで近年では、図19に示すように、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1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2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3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したり、一方メモリ処理では、それらパラレル変換された電気信号をSRAMのメモリセルアレイ4に記憶させ、さらにそれら電気信号を読み出す際にも、メモリセルアレイ4から読み出した複数の低速な出力電気信号を、電子回路技術を用いた電気パラレル―シリアル変換器5により高速なシリアル電気信号に再構成し、最後にこの高速なシリアル電気信号をE/O(電気/光)送信回路6により光パケット信号に変換する方法が考えられている。
【0007】
しかし、このような方法では、クロック発生、シリアル―パラレル変換、およびその逆変換をすべて電子回路2、3、5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、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−Controlled 0scilltor: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。
一方、上記システムとは独立に、高速なシリアル光信号のパラレル変換(空間変換時間ともいう)に関するいくつかの研究が行われている。従来の光シリアル―パラレル変換方法として、高速な光信号を複数に分岐し、それぞれの光信号を高速な光―光スイッチを用いて、低速な光信号に変換する方法が考えられる。例えば、100Gbpsの高速な光信号を10Gbpsの低速な光信号10本にパラレル変換する場合は、10個の光―光スイッチを使用していた。
【0008】
その他の光シリアル―パラレル変換方法として、複数の表面出射2次高調波発生を用いた方法(Shih−Chen Wang et a1., J. Lihgtwave Techno1. Vo1.14, No.12, P.2736 (l996))、エキシトン的巨大非線形効果を用いた方法(K. Ema et a1.,App1. Rhys. Lett. Vol.59, No.25, p.2799 (1991))、ホログラムを用いた方法 (P.C.Suneta1., 0pt.Lett. Vo1.20, No.16, p.1728 (1995))などがあった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光シリアル―光パラレル変換に複数の光―光スイッチを用いた従来方法では、かなり大掛かりな装置となる上、消費電力も大きくなるという問題があった。さらに、表面出射2次高調波発生を用いた従来の方法は、非共鳴の光非線形効果を用いるために、極端に効率が悪く、損失が非常に大きいという問題がある。また、エキシトン的巨大非線形効果を用いた従来の方法は、大きな非線形効果を得るために、非線形媒質を液体へリウム温度に冷やす必要があるなどの問題がある。さらに、ホログラムを用いた従来の方法は回折効果を用いているために、極端に損失が大きいなどの問題がある。したがって、このような従来方法はいずれも極端なランニングコストを要し、かつ非効率であり、長期にわたって安定した性能を維持することは非常に困難であるという問題を孕んでいる。
【0010】
そこで、本発明の第1の目的は、上述の従来技術の課題を解決するため、入力する高速な光パケット信号が、自分自ら低速な並列光信号への変換を行うことにより、様々なシリコン系電子回路による光信号処理を、低消費電力かつ比較的簡単な構成で実現できるようにすることにある。
【0011】
また、本発明の第2の目的は、上述の従来技術の課題を解決するため、入力光パケットから単一の光パルスを発生させ、その光パルスを用いて、光パケットのラベル部分を一括でパラレル変換し、上記シリコン系電子回路としてラベル認識回路に導くことにより、バースト的に入力される高速光パケットのラベル情報の読取等を瞬時に実現できるようにすることである。
【0012】
また、本発明の第3の目的は、上述の従来技術の課題を解決するため、高速かつ低消費電力で、かつバースト信号に対応可能な光メモリ方法および装置を実現することにある。
【0013】
さらに、本発明の第4の目的は、上記のシリアル―パラレル変換、光クロックパルス発生、ラベル処理、光メモリ等の技術を組み合わせることで、高性能なルータや光コンピュータなどの高次機能を実現することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の光信号処理方法は、入力する高速なバースト光パケットが自分自ら低速なパラレル信号に変換することにより、動作速度は低速であるが高い機能性を有するシリコン系電子回路での信号処理を可能とするものである。前述した従来の電子回路では、クロック抽出を行い、光パケット信号の分周を繰り返すことにより(10GHz→5GHz、2本→2.5GHz、4本→・・)、低速な並列電気信号へ変換する必要があるため、随時クロックの分周およびタイミング調整が必要であった。それに対し、本発明の第一の方法では、光パケット信号の先頭ビットを基に単一の光パルスを発生させ、それによって、光パケットの一部または全部を一括で光の状態のままにパラレル変換するものであり、極めて簡便な構成によって、高速光信号処理が実現できる。
【0015】
本発明の第1の光信号処理方法では、前述したように、入力バースト光パケット信号から、常に一定のタイミングで単一の光パルスを発生させる必要がある。そのため、本方法では、光パケットを光伝導スイッチに照射させ、そこで発生した電荷をキャパシタに送り込み蓄積させる。光パケットの先頭ビットで発生した電荷がキャパシタを満充電すると、キャパシタの電位は一定に固定され、その後に続く光パルスがどのようなパターンで光伝導スイッチに照射されようとも、キャパシタの電位は変化しない。先頭ビットにより急峻に立ち上がったキャパシタの電位を、CR微分回路で微分することにより、電気パルスへ変換し、その電気パルスを用いて、半導体レーザを駆動して光パルスを発生させる。この本発明の方法の利点としては、光パケットの到来に対し、常に先頭ビットから光パルスがつくられるため、光パケットの入射から単一光パルスの発生までのタイミングが常に一定であり、従来の電子回路では適用困難であったバースト的に入射する光パケットに対しても瞬時に単一パルスを発生させることが可能である。さらに、入射する光パケットの偏光状態には依存することなく動作し、かつ出力の光パルスの偏光状態は常に一定にすることができる(この特性は、後述する光−光型シリアル−パラレル変換器に必要不可欠である)。さらに、先頭ビットがキャパシタを満充電した後は、強度の依存性がなくなるため、入力光パケットの強度が変動した場合でも、出力光パルスの強度を一定にすることができる。さらに、従来の電子回路による方法では40GHzのクロックを抽出する場合には当然その電子回路にそれだけの高速性が必要であるが、本発明の方法では、半導体レーザのGain−switch法(数100psの電気パルスから20ps以下の光パルスを発生させる)を利用しているため、本発明の電子回路部分の帯域は数GHz程度で十分である。
【0018】
本発明の第2の光信号処理方法は、上記単一光パルスをループ状の光導波路により光パルス列に変換し、上述した光―光シリアル―パラレル変換器により、光パケットをkビットづつ順次一括でのパラレル変換を繰り返すことにより、光パケット全体を低速なk本の光信号列へ変換し、低速な光電変換器でk本の電気信号列へ変換し、シリコン系電子回路で処理を行うものである。本方法は光パケット長が長く、全体を処理したい場合に有効であり、例えば、電子回路として、シリコン系電子メモリを用いることにより、極めて高速な光パケット信号を自由に電子メモリに書き込むことが可能となる。さらに電子メモリから読み出されたk個の並列電気信号は、電気―光型のパラレル―シリアル変換器(詳細は後述)により再び高速な光パケット信号へ再構築され出力される。
【0019】
【発明の実施の形態】
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。
【0020】
前述したように、光信号の高速化に伴い、高速光信号を直接に従来のシリコン電子回路で処理することは困難となってきている。図1の(A)および図1の(B)は本発明の光信号処理装置の構成例を示す図である。高速な光パケット信号を2つに分岐させ、一方を光パルス発生器102に導き、光パルスを発生させ、光―光型シリアル―パラレル変換器104において、他方の分岐した光パケット信号を空間的にパラレルに変換する。後は、光電変換器として低速な受光素子アレイ106を用いて、それら短パルスの光信号を低速な電気信号へ変換し、シリコンLSIで構成された電子回路108で処理をおこなうものである。これにより、高速な光パケット信号(電子回路の動作速度×パラレル数)の信号処理が可能となる。
【0021】
図1の(A)は、光パルス発生器102において、一つの光パケットの到来ごとに1つの光パルスを発生させ、それによって光パケットの全ビットを一括でパラレル変換するものであり、光パケットのビット数が少ない場合(<100)に有効である。例えば、インターネットに代表される光データ通信では、光パケットそのもののビット長は長いが、そのアドレス情報等を有するラベル(またはヘッダ)の部分は数10ビット程度であり、そのラベル部分のみを一括でパラレル変換し、シリコンLSI108内のラベル認識回路(後述の図13のラベル認識回路34)で処理を行うことにより、極めて高速な光パケットのアドレス抽出を可能にすることができる。
【0022】
さらに、光コンピュータ等においては、32ビットまたは64ビット高速光データに対する信号処理が必要となる。この場合、例えば、電子回路108として、D/Aコンバータを用いることにより、高速デジタルーアナログ変換器を構成することが可能である。また、図1の(A)を2つ並列に置いて、そのパラレル信号を一つの論理演算回路(図示しない)へ入力させることにより、2つの高速光データ信号間の、極めて高速な論理演算器を構成することができる。
【0023】
一方、パケット長が長い光パケット全体を処理しようとした場合、図1の(A)の方法ではパラレル数が極めて膨大となり、光―光型シリアル―パラレル変換器104を構成することが困難となる。その場合には、図1の(B)に示すように、光パルス発生器102において、低繰り返しの光パルス列(入力する光パケットのビット間隔のk倍の周期をもつ)を発生させ、それにより光―光型シリアル―パラレル変換器104で光パケット信号をkビットづつ繰り返しパラレル変換して、低速な受光素子106で低速な電気信号に変換後、電子回路108で処理を実行させる。例えば、高速な光パケット信号全体を、シリコン系電子メモリ(後述の図14のSi系RAMアレイ400)に記憶させたい場合がこれにあたる。
【0024】
以降、これらを構成する光パルス発生器102、光―光型シリアル―パラレル変換器104、および図1の(A)の一実施例である高速光ラベル処理回路、図1の(B)の一実施例である光メモリについて詳細に述べる。なお、光メモリに関しては、記録した光パケットを読み出す際に、パラレルな電気信号からもとの光パケットへ再構築する必要があるが、それを含めて後に述べる。
【0025】
[光―光型のシリアル―パラレル変換器]
図2は本発明の一実施形態の光―光型のシリアル―パラレル変換器200の構成を示す図である。図2において、201は入力する光シリアル信号をk本に分波する光分波器、202は分波された並列の各光信号を順次1ビットずつ遅延する光遅延器、203は集光レンズ、204は透過型の面型スイッチ(光―光スイッチ)、および205は集光レンズである。
【0026】
入力した光パケットは分波器201によりk本に分けられ、さらにそれぞれが1ビット分づつずれるように遅延させる。この時、k本の並列光信号のある時間タイミングに着目すると、元の光パケットの連続するk個のビットの光パルスが1つずつ含まれることとなる。k本の並列光信号は、図2では平面的に表現されているが、紙面に垂直方向に2次元的に配列されていても問題はない。紙面に垂直方向に5×5のマトリクス状に配列されている場合を例とすると、その中央の1本のみが制御光パルスで、その周囲の残りの24本が分波器201で分波された並列光信号である。これら24本の並列光信号と1本の制御光パルスは前方の集光レンズ203によって、面型光スイッチ204上の1点に集光される。
【0027】
面型光スイッチ204には、制御光パルスが照射されると、活性層内の吸収係数が減少することにより透過率が増加する吸収飽和型や、活性層内の屈折率が変化することにより透過率が変化するエタロン型などが用いられる。いずれの場合も制御光パルス(光クロック)が「0」の状態では、面型光スイッチ204の透過率が極めて低く、それらの並列光信号は通過できないが、制御光パルスが「1」の状態では、その透過率が上昇して、それらの並列光信号が通過できるようになる。
【0028】
空間的に配置された24本の並列光信号は各ポートごとに1ビット分づつ遅延がかけられているため、制御光パルスが光スイッチ204に到達した時間タイミングにおいて、元の光信号の連続する24ビットのデータが同時に並列に光スイッチ204に到達することとなる。よって、制御光パルスにより光スイッチ204の透過率が上昇すると、全ポートの24ビットのデータは、同時に光スイッチ204を通過し、後方のレンズ205により再び空間的にパラレルに展開される。これにより高速な光信号(光パケット)の情報は、制御光パルスに同期する低速な24本の並列光信号へパラレル変換されたことになる。このときの制御光パルスの周期は、元の光パケットのビット周期の24倍である。
【0029】
図3は面型光スイッチとして反射型の面型光スイッチ211を使用した光シリアル―パラレル変換器の実施形態を示す図である。図2に示した面型光スイッチ204の片方の面(図3の左側面)に100%ミラーを蒸着して反射型とすることにより、活性層における吸収係数または屈折率の変化の増強を図り、消光比を大きくした反射型の面型光スイッチ211を実現することが可能となる。ここでは個別のマイクロレンズアレイ206に取り付けられた多数の光ファイバ207から1個の制御光Aと複数の信号光Bが入射される。208は光入射面にそのマイクロレンズアレイ206が取り付けられた偏光ビームスプリッタ(PBS:polarizing beam splitter)、209はこのPBS208の集光レンズ210の側に配置されたλ/4波長板である。
【0030】
制御光Aと各信号光Bを、PBS208を通過する直線偏光に設定することにより、信号光Bは反射型の面型光スイッチ211上で反射した後、λ/4波長板209を往復することにより、90度回転した直線偏光になるので、それら信号光BはPBS208により反射されてパラレルの光パルス列として取り出される。
【0031】
しかし、この方法の場合は、制御光Aが「0」の状態でも面型光スイッチ211で完全に吸収されない一部の信号光が面型光スイッチ211で反射されて、出力されてしまうおそれがあるので、信号光BのOn/Off比(制御光が「1」の場合と「0」の場合での出力信号光の強度の比)を大きくするためには、面型光スイッチ211の吸収係数の変化を大きくする必要があり、そのためには制御光Aの強度を大きくすることが必要となってしまう。そこで、制御光Aをあまり大きくすることなく、信号光BのOn/Off比を大きくするには、制御光Aが「0」の状態での信号光Bの出力を極力押さえることが必須となる。
【0032】
そこで、ここでは、図4に示すように、光信号を分波して得た並列光信号および制御光は、PBS208を通過する直線偏光に予め設定されており、中央の制御光のみがλ/4波長板209を通過するように、λ/4波長板209の大きさと位置を設定している。このため、制御光のみがλ/4波長板209により円偏光に変換され、その他の並列光信号は直線偏光のままの状態で、レンズ210により反射型の面型光スイッチ211の一点に照射される。このときの動作原理を吸収飽和型の面型光スイッチを例に以下に説明する。
【0033】
電子および正孔は、1つのエネルギー状態に対し、アップスピンとダウンスピンの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を考えると、光スイッチ211の多重量子井戸層(multiple quantum wells layer;MQW 層)の一点に、円偏光の制御光が入射した場合には一方のスピンのみを、直線偏光の並列光信号が入射した場合は両方のスピンを、励起することになる。その結果、円偏光の「1」の制御光で一方のスピンのみを励起した場合には、そのスピンと相互作用のある偏光状態の並列光信号のみが、吸収および屈折率の変化を感じる。すなわち、この場合、直線偏光の並列光信号を照射すると、制御光と同じ円偏光成分のみが、制御光により変調を受けることになり、面型光スイッチ211で反射された並列光信号は楕円偏光となるため、PBS208により反射されることになる。一方、制御光が「0」の場合は、並列光信号はその偏光状態を変えることができないので、PBS208で反射されることなく、そのままもとのポートへ戻ることとなり、出力光はほとんど「0」となる。
【0034】
本方法による面型光スイッチ211のスイッチング速度は、スピン緩和時間とキャリア寿命の短い方で決まる。活性層として―般に使われる摂氏500度で成長した多重量子井戸層の場合、キャリア寿命はナノ秒オーダーであるため、数10psであるスピン緩和時間までスイッチ速度を改善することができる。一方、摂氏200度程度の低温で成長させ、ドーパントとしてp型元素またはBeを1037cm−3以上添加することにより、キャリア寿命を10ps以下とした量子井戸層を用いると、さらに高速な面光スイッチを作ることが可能となる。
【0035】
ところで、上記方法では、並列光信号の偏光状態は直線偏光に限定されることとなる。しかし実際の光通信等での応用を考えると、任意の偏光状態の光信号に対して動作することが必要となる。そこで、図5では、PBS208の隣合う2つの側に、反射型の面型光スイッチ211,211A、λ/4波長板209,209A、およびレンズ210,210Aをおのおの配置し、制御光に円偏光を用いることにより、並列光信号に対する偏光無依存性を可能としている。
【0036】
中央の円偏光の制御光は、PBS208により2つの同じ強度の直交した直線偏光に分岐され、それぞれλ/4波長板209、209Aを通過することにより再び円偏光となり、面型光スイッチ211,211Aを照射して、並列光信号を反射させる。この場合、面型光スイッチ211,211Aに照射される制御光強度は全く等しいため、両者の反射率は等しくなる。
【0037】
そのため、任意の偏光で入射した並列光信号は、その偏光状態に応じてPBS208で分岐し、光スイッチ211,211Aで反射されるが、光信号の偏光状態にかかわらず、2つの面型光スイッチ211,211Aによりそれぞれ反射された並列光信号強度の和は常に等しくなり、再びPBS208で合波されて出力される。すなわち、これにより光信号に対する偏光無依存性を実現することが可能となる。
【0038】
図2−図5の方法において、パラレル変換の数を多くするためには、マイクロレンズアレイ206を多くする必要があり、それに伴い、集光レンズ210の直径に対する各入力光のビーム径の割合が小さくなるため、集光レンズ210で集光したときのスポットの大きさが大きくなり、同じパワー密度を得るためには制御光パルスのエネルギーを大きくする必要が生じるおそれがある。また、全ての光信号が同一のスポットに集中するため、光信号のみで可飽和吸収効果等の非線形効果が起きてしまい、制御光を照射したときの効果が薄れれてしまうおそれや、光を吸収することにより発生する熱の影響が大きく出てしまうおそれがある。
【0039】
そこで、図6に示すように、マイクロレンズアレイ206の一つのレンズからL本の光ファイバを束ねて光信号を入射させる方法が考えられる。今L=2の場合を考える。制御光パルスの入力ポートにA1とA2の光ファイバを近接に配置すると、各々から出た制御光パルスはわずかな角度の違いを持って伝播し、集光レンズ210により、面型光スイッチの異なる2点に集光される。光パケット信号を入力させるポートも同様にB1とB2の光ファイバを近接して配置させると、B1、B2から入力させた光パケット信号はそれぞれA1、A2と同一のスポットへ集光される。図7に示すように、分岐された光パケット信号は1ビットづつ遅延がかけられており、2つに分岐した制御光パルスは両者同時に、全てのビットがそろう時間タイミングにおいて、面型光スイッチ211に照射される。面型光スイッチ211上の異なる2点で反射した光は、再び異なる角度で伝播し、出力側に配置されたマイクロレンズアレイ206によって、異なる2点に集光される。受光素子アレイ106は、これらパラレル変換された光パルスを独立に受光可能なように配置している。本方法によって、マイクロレンズアレイの規模大きくすることなく、パラレル変換数をL倍に増加することができる。
【0040】
一方、従来の電気的手法では、複数の光パケットを処理するためには、同じ数の電気シリアルーパラレル変換器が必要であったが、本方法を用いれば、図8に示すように、B1、B2のポートから別の光パケット信号を入射させることにより、一つの光―光シリアル―パラレル変換器を用いて、複数の光パケット信号のパラレル変換処理を独立かつ同時に実行することが可能となる。
【0041】
図2−図8に示す光信号と制御光の入力ポートを逆にすることにより、例えば図9(図2と対応)に示すような、光シリアル―光パラレル変換を行う光信号処理装置も提供可能となる。すなわち、図9では光信号を高速の信号光Aと低速繰り返しプローブ光Bの2種類とし、図2において制御光を入力するポートからシリアルの光信号Aを入射させ、図2において光信号を入力するポートからパラレルのプローブ光B(作用の性質の違いにより、ここでは制御光ではなくプローブ光と呼ぶ)を入力させることにより、1個のシリアル信号光Aを複数のプローブ光Bによってシリアル―パラレル変換する。その際、この信号光Aとプローブ光Bの光パルス列は、図2と同様に、集光レンズ203によって例えば半導体多重量子井戸層を有する透過型の面型光スイッチ204上の1点に集光される。
【0042】
空間的に配置された複数のプローブ光Bは、各ポートごとに信号光Aの1ビット分だけ遅延がかけられ、且つ位相が互いに異なっている。そして、このプローブ光Bの本数がkであるとすると、その各プローブ光Bの周期は信号光Aの1ビットのk倍である。よって、信号光Aのあるビットは第1のプローブ光、2番目のビットは第2のプローブ光、3番目のビットは第3のプローブ光、・・・k番目のビットは第kのプローブ光と同期している。このため、プローブ光Bと同期している信号光Aのビットが「1」のときには、信号光が面型光スイッチ204の透過率を増加させるため、当該プローブ光が「1」となり、プローブ光Bと同期している信号光Aのビットが「0」のときは当該プローブ光が「0」となって、レンズ205側に現れる。
【0043】
このように、各ポートのプローブ光Bは、信号光Aにより面型光スイッチ204の多重量子井戸層で順次透過率を変調され、後方の集光レンズ205により再び空間的にパラレルに展開される。これにより、高速な信号光Aの情報は、より低速な複数個の光信号にパラレル変換されたことになる。
【0044】
図3―図8の構成においても、上記と同様に光シリアル―光パラレル変換を行うことが可能である。さらに、分波器201、光遅延器202、および光ファイバアレイ207をPLC等のガラス導波路で一体的に構成することにより、全体としてさらに小型化を行うことが可能である。
【0045】
上述した実施形態では、面型光スイッチ204または211の一点のみで作用するため、面型光スイッチ204または211は1個または2個のみを必要し、そのため極めて小型で、全体として低消費電力な素子を作製することが可能となる。
【0046】
[光パルス発生装置]
図10は上述した光シリアル―パラレル変換に必要な制御光パルス(または、プローブパルス)を発生する光パルス発生装置の実施形態の構成例を示す回路図である。
【0047】
図10において、71は光パケットから単一の光パルスを生成する単発光パルス発生器であり、電源41、光導電スイッチ42、キャパシタ43、微分回路44、および半導体レーザ(LD)45とから成る。72はこの単発光パルス発生器71で発生した単一光パルスを連続光パルスに変換する光パルス列発生器であり、PLC (Planar Lightwave Circuit:プレーナ型光導波路)上に構成されたループ状の導波路81、光カプラ82、可飽和吸収体83、および光増幅器84とから成る。
【0048】
単発光パルス発生器71は、直流電源 (DC電源)41により電圧Vaが印加された受光素子としての光伝導スイッチ42、その光伝導スイッチ42から出力する光電流を充電するキャパシタ43、そのキャパシタ43の電圧を微分する微分回路44、その微分回路44の出力パルスにより駆動されて1個の光パルスを発生する半導体レーザ45とから成る。
【0049】
この構成においては、図11のタイムチャートに示すように、光伝導スイッチ42に最初の光パルスが入力すると、電圧Vaにより光電流が流れて、キャパシタ43が充電される。キャパシタ43が満充電されて光伝導スイッチ42の両端の電位が同じになると、その後に入射する光パルスがあっても光伝導スイッチ42とキャパシタ43の共通接続点aの電位はVaから変化することなく一定値を保持する。微分回路44ではこのキャパシタ43の電圧Vaの立ち上がりを検出して電気パルスを生成し、その電気パルスにより半導体レーザ45が駆動される。よって、複数の光パルスが入力したとしても、先頭の1個の光パルスによってのみ半導体レーザ45が駆動される。
【0050】
すなわち、単発光パルス発生器71は、先頭ビットを常に「1」と規定した光パケットを光伝導スイッチ42に照射すると、1つの光パルスを発生する。放電回路(図示しない)により1パケット単位でキャパシタ43の電荷を消滅させれば、光パケットが到来する度に1つの光パルスが単発光パルス発生器71から発生する。
【0051】
この単一の光パルスは、光パルス列発生器72のループ状の導波路81に入射し、その一部は光カプラ82により出力側に取り出されるが、残りの光パルスは光増幅器84によりその損失を補償されて導波路81のループをぐるぐる回ることとなる。よって、この導波路81のループ長を調整することによって、所望の周期の制御光パルス列を出力側に取り出すことができる。
【0052】
ループ状の導波路81に挿入されている可飽和吸収体83は、光強度により透過率が異なるものであり、光増幅器84から放出される自然放出光の発振を押さえるためのものである。また、光増幅器84の制御信号としてキャパシタ43の電圧を用いることにより、光パケットの続く間のみ、光パルスを出力し続け、光パケットの終了とほぼ同時に光パルスの出力を終了させることができる。なお、ここではPLCによる導波路81を使用したが、光ファイバを用いた導波路を用いてもよい。
【0053】
図12は上記の単発光パルス発生器71に、繰り返し光パルスを発生する別の構成の光パルス列発生器72Aを組み合わせた制御光パルス列発生装置の構成を示す図である。この光パルス列発生器72Aは、PBS85、λ/4波長板86、本図において左側面に無反射膜が施され右側面に30%程度の適当な反射膜が施された光増幅器87、および本図において左側面に高反射膜を施した可飽和吸収体88とからなる。
【0054】
この光パルス列発生器72Aでは、単発光パルス発生器71から1個の光パルスが入力すると、その光パルスはPBS85とλ/4波長板86を通過して円偏光となり、さらに可飽和吸収体88で反射して再度λ/4波長板86を通過することによって、元の入力時の光パルスの偏光と90度直交した偏光の直線偏光に変換され、PBS85により反射されて外部に出力される。このとき、可飽和吸収体88で反射された光パルスの一部は再度光増幅器87で増幅された後、光増幅器87の右側面で反射し、再度可飽和吸収体88で反射される。これを繰り返すことにより、出力側から制御光のパルス列を取り出すことができる。
【0055】
図12の光パルス列発生器72Aの構成では、光増幅器87と可飽和吸収体88の距離を調整することにより、所望の周期のパルス列を得ることが可能となる。なお、ここではPBS85とλ/4波長板86を用いることにより簡便な光サーキュレータ機能を実現しているが、光サーキュレータ機能を有するものであれば、他の構成のものであっても、全て同様に用いることができる。
【0056】
このように、本実施形態の光パルス発生装置では、極めて簡便かつ小型な構成で、光パケットの先頭ビットのみを正確に抽出するため、従来の電気的手法では困難であった高速なバースト信号からの単一光パルスの発生を可能としている。さらに本実施形態の光パルス発生装置では、先頭ビットがキャパシタを充電した後は、その強度に関係なく動作するため、入力光パケットの強度が変動した場合でも、出力光パルスの強度を一定にすることができる。また、任意の偏光状態の入力光パケットに対して、出力光パルスの偏光状態を一定に固定することが可能である。これは前記光―光型シリアル―パラレル変換器の制御光(またはプローブ光)として用いる際には必要不可欠な条件である。また、従来の電気的手法では、高速光パケットからクロックを抽出するには、同じ帯域を有する高速な電子回路が必要であったが、本実施形態の光パルス発生装置では、半導体レーザのGain−switch法をもちいているため、その駆動電気パルスは数100ps程度で十分であり、すなわち電子回路に要求される帯域は数GHz程度の遅いもので構わない。半導体レーザのGain−switch法で直接発生する光パルスは、現在の技術では10−20ps程度であり、10―40Gbps程度の光パケットに対応可能であるが、さらにファイバ等を用いたパルス圧縮技術を用いると、3ps程度へ容易に圧縮できるため、100Gbps以上の極めて高速な光パケット処理への対応が可能となる。さらに、この光パケットの到来ごとに発生する単一光パルスを、図10または図12の構成により、任意の周期の光パルス列を発生させることができる。
【0057】
[ラベル認識回路]
従来の技術の欄で述べたように、光パケット通信では、ルータにおいて、高速な光パケットのラベル(ヘッダともいう)に含まれるアドレス情報を瞬時に読み取る必要がある。図13は前述の単一パルス発生器71と光シリアル―パラレル変換器を組み合わせた、光パケットのラベル情報を処理する光信号処理装置の実施形態を示す図である。
【0058】
図13において、入力した光パケットは2つに分岐され、その一方は図10で説明した単発光パルス発生器71に入力されて、1個の制御光パルスを発生し、この制御光パルスは図2−図8で説明した光シリアル―パラレル変換器32に送り込まれる。分岐された他方の光パケットは、分波器23でラベルのビット数と同数のn個に分波され、光遅延器24でそのn個が1ビットづつ遅延された後、光シリアル―パラレル変換器32へ送り込まれ、上記制御パルスにより光シリアル―パラレル変換器32の面型光スイッチ204のゲートを開かせる。
【0059】
その際、光パルス発生器71から出力する制御光パルスのタイミングを、ある適切な時間にあわせると、同じ時間タイミングに光ラベルの全てのパルスが同時に面型光スイッチ204に照射されるようになる。そのため、制御光によってある瞬間だけ面型光スイッチ204のゲートが開かれると、光ラベルの全ての光パルスは、空間的にパラレルに出力されることとなる。光シリアル―パラレル変換器32から出射するこれらパラレルなn個の光パルスは、n個の低速な受光素子を具備する光電変換部33により電気信号に変換され、その電気信号はその後シリコンLSIで構成されるラベル処理回路34に送られ、ラベル処理回路34によりそのラベルの情報の解読が可能となる。
【0060】
ところで、入力した光パケットを2つに分岐し、一方の光パケットから単発光パルス発生器71により生成した1個の制御光パルスを上記の分波器23と同様な分波器と上記の光遅延器24と同様な光遅延器を通してラベルのビット数と同数のn個のプロープ光を発生し、このプロープ光と上記分岐した他方の光パケットとを、図9で説明した光シリアル―パラレル変換器に送り込む構成としても、図9から分かるように、光パケットのラベル部分の光シリアル―パラレル変換は可能であり、よってラベル識別は可能である。しかしこの場合は、図13の構成と異なり、光パケットのラベル部分を一括でパラレル変換できないので、ラベル情報の瞬時読取には適さない。
【0061】
[光メモリ]
次に、本発明を適用したの光メモリの実施形態について説明する。本実施形態では、前述の実施形態と同様に、入力する光パケットの先頭のビットを常に「1」に設定し、光パケットが入力する度に、常に同じタイミングで単一の光パルスを発生させ、これをループ状の光導波路に入れて、当該光パケットのビット周期のk倍の周期の光パルス列を発生させる。また、その光パルス列を使用して、入力する光パケットを光―光型のシリアル―パラレル変換によりk本の並列光信号に変換し、このk本の並列光信号を受光素子によりk個の並列電気信号に変換してから、電子回路により構成されたk個のメモリ回路に同時に書き込む。そのk個のメモリ回路からの読み出しは、k個の並列電気信号を同時に読み出し、電気―光型のパラレル―シリアル変換により1本の光パルス列に変換して光パケットとして出力する。
【0062】
光―光型のシリアル―パラレル変換は、半導体多重量子井戸層を有する透過型又は反射型の面型光スイッチを使用することにより、極めて小型で全体として低消費電力を実現する。電気―光型のパラレル―シリアル変換でも、後述のように極めて簡便な構成とする。このように入出力部分には光を積極的に利用し、かつメモリ部分にはSi系電子メモリ回路を用いる構成により、極めて高速なバースト光信号への対応が可能な、かつ大容量・小型・低消費電力の光メモリの実現が可能となる。以下、詳しく説明する。
【0063】
図14は本発明による光メモリ装置の全体構成を示す図である。入力する光パケットPは分波器(図示しない)により2つに分岐され、その一方は図10または図12で説明した光パルス列発生器100に入力し、そこで元の光パケットのビット周期のk倍の周期の低速な光パルス列が発生する。その光パルス列は前述した光―光型のシリアル―パラレル変換器200に入力し、そこで他方の光パケットをk本の低速な(元の光パケットのビット周期のk倍の周期の)並列光パルス列信号に変換する。この並列光パルス列信号はkビットづつ同時に出力される。このkビットの並列光パルス列信号は、各々低速な受光素子アレイ300により電気信号に変換され、この電気信号はコラムおよびローアドレスが共通化されたSi系メモリセルアレイ401のk個のアレイに1つづつ同時に保持される。
【0064】
Si系メモリセルアレイのアレイ400(以下、メモリアレイと呼ぶ)は、図15に示すように、受光素子アレイ300を構成するk個の受光素子301に対応して、k個のメモリセルアレイ401を有し、制御回路402で制御されるカラムアドレス回路403とローアドレス回路404とにより読み書きが行われる。すなわち、両アドレス回路403,404で1つのアドレスを指定すると、k個のデータが同時に各メモリセルアレイ401に書き込まれる。このように、光パルス列発生器100によって発生された光パルス列によって、光パケットが続く間だけ、光パケットはkビットづつ次々とパラレル変換され、メモリアレイ400に書き込まれることにより、光パケット全体が電子メモリ回路に書き込まれることになる。このときの光パケット信号のビットレートは、メモリセルアレイ401の書き込み速度のk倍の速度まで高速化することが可能となる。
【0065】
また、各メモリセルアレイ401に書き込まれたデータを読み出す際には、両アドレス回路403,404でアドレスを指定する度にk個づつ同時にデータが出力される。このようにして読み出された電気データは、電気―光型のパラレル―シリアル変換器500により、再び高速な1本の光パケット信号として出力されることとなる。
【0066】
メモリアレイ400からのk個の出力電気信号を電気―光型のパラレル―シリアル変換器500に送り込む方法としては、図16の左側に示すように、面発光レーザ405で電気信号を光信号に変換後、その光信号を再び受光素子501で電気信号に変換する光I/O方式や、あるいは図16の右側に示すように、ソルダーボンディング法により接点406と接点502とを張り付けて電気信号のまま送り込む方法等が使用できる。
【0067】
[電気―光型のパラレル―シリアル変換器]
図17は上記電気―光型のパラレル―シリアル変換器500の構成例を示す図である。503は元の光パケットのビット周期のk倍の周期のパルスを発振する光パルス光源である。504は分波器、505はk個の光変調器、506は光遅延器、および507は光合波器であり、以上のうち導波路部分はPLCにより構成されている。なお、光遅延器506は分波器504と光変調器505の間に設けても良い。
【0068】
上記したように、メモリアレイ400では、書き込まれたデータのアドレスを指定して読み出すと、アドレスを共通化されたk個のメモリセルアレイ401からk個の低速な電気信号が同時に出力される。これらk個の並列電気信号は、k個の光変調器505にそれぞれ供給される。光パルス光源503からの光パルスは、分波器504によりk本に分けられ、k個の光変調器505を通過する際に、上記したk個の電気信号により変調を受け、変調を受けたそれら光パルスは光遅延器506により1ビットづつの遅延を受けた後に、合波器507で合波される。以上により、k個の低速な並列電気信号は再びビット周期が1/k倍の元の高速な1本の光パケットに再構築される。
【0069】
図18は電気―光型のパラレル―シリアル変換器500の別の構成例を示す図である。図17に示した電気―光型のパラレル―シリアル変換器500では、kが大きい場合は、大量の光変調器が必要になってしまう。
【0070】
そこで、このようにkが大きい場合は、図18に示すように、k個の並列電気信号をn個単位で束ねて、m本の並列電気信号列を作成し(k=n×m)、上述と同様に、m個の光変調器505Aにより再び元の高速な光パケット信号を出力させる。これにより、必要とする光変調器の数を大幅に削減(1/n)することが可能となる。
【0071】
n個の並列電気信号を束ねるには、n個のトランジスタ508のドレインに、RAMアレイ400から同時に出力するk個の並列電気信号の内のn個をそれぞれバイアス電源として供給する。図18では1組のn個のトランジスタ508とその関連部分のみを示しているがこのような回路をm組使用する。そして、各トランジスタ508のゲートに電気パルスを入力して、電気信号の一部をサンプリングし、そのサンプリング信号でそのトランジスタのソースに接続されたキャパシタ509を充電する。以上のトランジスタ508とキャパシタ509はサンプルホールド部を構成し、ここでn個の電気信号が同時にサンプルホールドされる。
【0072】
さらに、光クロック(周期は元の光パケットのビット周期のk倍)をPLC等で構成された光遅延器511で1ビットずつ遅延して、n個の光伝導スイッチ510に順次照射することにより、各キャパシタ509に蓄積された電荷は順に放電して、負荷抵抗512によりn個のパルスが連続する電気パルス列信号に変換される。以上の光伝導スイッチ510、光遅延器511、負荷抵抗512は電気―電気型のパラレル―シリアル変換部を構成する。
【0073】
上記のようにして得られた電気パルス列信号は、光変調器505Aの1個に入力する。この場合は、k個の並列信号がm本ごとn回に分けて光変調器505Aで変調されることになる。なお、ここで使用する光パルス光源503Aから出力するパルス周期は、元の光パケットのビット周期のm倍とする。このようにして、k個づつのデータが順次読み出され、全体として元の光パケットが出力されることになる。
【0074】
以上述べたように、本発明の上記の実施形態によれば、高速なバースト的光パケット信号を、Si系メモリ回路に書き込み、再び高速光パケットとして自由に読み出すことが可能な大容量光メモリ装置が小型・低消費電力で実現できる。
【0075】
[他の実施形態]
本発明の光メモリ装置は、ルータ装置において光パケットどうしの衝突を回避するための光バッファメモリとして、用いることが可能であり、さらに大量のデータを保管し随時出しいれを行うデータセンタにおいて、高速な光パケット信号の送受信のための光メモリ装置としても利用することができる。さらに、高速光コンピュータにおいては、瞬時にデータのやり取りを行うキャッシュメモリとしても用いることができる。さらに、高速な光パケット信号を一旦メモリに蓄えた後、読み出す際により低速な光パケットとして出力させることにより(低速から高速の変換も可)、エッジノード等において必要な、ビットレート変換器としても用いることが可能である。
【0076】
また、以上の説明から理解できるように、本発明は、本発明による上述したシリアル―パラレル変換、光クロックパルス発生、パラレル−シリアル変換等の技術を組み合わせることで、ラベル処理、光メモリ、光ビットレート変換等の機能を実現することが可能であり、さらにそれらを融合することにより高性能なルータや光コンピュータなどの高次機能の光情報処理装置または光情報処理システムを実現できる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低消費電力で、簡便かつ小型に、高速光信号処理装置を構成することが可能となる。
【0078】
また、本発明によれば、バースト信号への対応も可能であり、かつ高速光パケットの部分的処理や全体的処理も自由に可能である。
【0079】
また、本発明によれば、上述したシリアル―パラレル変換、光クロックパルス発生、パラレル−シリアル変換等の技術を組み合わせ、電子回路として、ラベル認識回路や電子メモリを用いることにより、将来の極めて高速なルータの機能として不可欠である高速光ラベル認識(光パケットのアドレス情報等を読み取り、出力ポートを判断する機能)や、高速光バッファメモリ(光パケットどうしが出力ポートで衝突しないように、光パケットを一時的に退避させる機能)、光ビットレート変換(高速な光パケットを低速な光パケットへ変換、またはその逆)等を実現することができる。
【0080】
さらに、本発明によるラベル処理、光メモリ、光ビットレート変換等の機能を融合することにより、高性能なルータや光コンピュータなどの高次機能の光情報処理装置または光情報処理システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光信号処理装置の構成例を示すブロック図である。
【図2】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図3】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図4】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図5】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図6】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図7】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図8】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図9】光信号列をシリアル―パラレル変換する本発明の一実施形態の説明図である。
【図10】本発明の一実施形態における光パルス発生装置の回路図である。
【図11】図10の単一パルス発生器のタイムチャートである。
【図12】本発明の一実施形態における光パルス発生装置の回路図である。
【図13】光パケットのラベル認識を行う本発明の一実施形態における光信号処理装置のブロック図である。
【図14】本発明の一実施形態における光ランダムアクセスメモリ装置のブロック図である。
【図15】Si系RAMアレイ部分の詳細な説明図である。
【図16】Si系RAMアレイから出力する電気データを電気―光型のパラレル―シリアル変換器に転送する手法の説明図である。
【図17】本発明の一実施形態における電気―光型のパラレル―シリアル変換器の説明図である。
【図18】本発明の一実施形態における別の例の電気―光型のパラレル―シリアル変換器の説明図である。
【図19】従来の光パケット通信系の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 O/E受信回路
2 電気クロック信号発生器
3 電気シリアル―パラレル変換器
4 Siメモリセルアレイ
5 電気パラレル―シリアル変換器
6 E/O送信回路
23 分波器
24 光遅延器
32 光―光型シリアル―パラレル変換器
34 ラベル認識回路
35 光電変換器
41 電源
42 光導電スイッチ
43 キャパシタ
44 微分回路
45 半導体レーザ(LD)
71 単一光パルス発生器
72、72A 光パルス列発生器
81 ループ状の導波器
82 光カプラ
83 可飽和吸収体
84 光増幅器
85 偏光ビームスプリッタ(PBS)
86 λ/4波長板
87 光増幅器
88 可飽和吸収体
100 光パルス列発生器
102 光パルス発生器
104 光―光型シリアル―パラレル変換器
106 受光素子アレイ
108 シリコン電子回路
200 光―光型シリアル―パラレル変換器
201 分波器
202 光遅延器
203,205 集光レンズ
204 透過型の面型光スイッチ
206 マイクロレンズアレイ
207 光ファイバ(光ファイバアレイ)
208 偏光ビームスプリッタ(PBS)
209 λ/4波長板
210 集光レンズ
211 反射型の面型光スイッチ
300 受光素子アレイ
301 受光素子
400 Si系RAMアレイ
401 メモリセルアレイ
402 制御回路
403 カラムアドレス回路
404 ローアドレス回路
405 面発光レーザ
406、502 接点
500 電気―光型パラレル―シリアル変換器
501 受光素子
503、503A 光パルス光源
504、504A 分波器
505、505A 光変調器
506、506A 光遅延器
507、507A 合波器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical signal processing method and apparatus for performing serial-parallel conversion by inputting an optical pulse train such as an optical packet or the like, or parallel-serial conversion for converting a parallel electric signal into one optical signal.
[0002]
Furthermore, the present invention relates to a label processing method and apparatus for recognizing high-speed optical packet address information and the like.
[0003]
Furthermore, the present invention relates to an optical memory method and apparatus for freely writing and reading a high-speed optical packet signal to and from a memory by an electronic circuit and outputting the optical packet signal again as an optical packet signal.
[0004]
Furthermore, the present invention relates to realizing higher-order functions of a router, an optical computer, and the like by combining technologies such as the above-described serial-parallel conversion, optical clock pulse generation, label processing, and optical memory.
[0005]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the explosion of data communication represented by the Internet, a demand for faster optical signals has been increasing. However, after converting an optical signal into an electric signal by a light receiving element, there is a problem that an electric signal of 10 Gbps or more is directly processed by a conventional electronic circuit. For example, in optical packet communication, a router or the like decodes address information contained in a label of an optical packet to determine a label output port and a packet signal for avoiding collision between optical packets. Although a buffer memory function that delays by an arbitrary time is required, conventionally, since the functions of the label recognition processing and the memory processing are configured by a silicon-based LSI, the operation speed is 1 Gbps or less. .
Therefore, it is becoming difficult to realize the label recognition processing and the memory processing for a high-speed optical packet signal using a conventional silicon-based electronic circuit.
[0006]
In recent years, as shown in FIG. 19, a high-speed optical packet signal is converted into an electric signal by an O / E (optical / electrical)
[0007]
However, in such a method, the clock generation, the serial-parallel conversion, and the inverse conversion are all dependent on the
On the other hand, independently of the above system, some researches on parallel conversion of high-speed serial optical signals (also referred to as spatial conversion time) have been performed. As a conventional optical serial-parallel conversion method, a method of branching a high-speed optical signal into a plurality of signals and converting each optical signal into a low-speed optical signal by using a high-speed optical-optical switch can be considered. For example, when performing a parallel conversion of a high-speed optical signal of 100 Gbps into ten low-speed optical signals of 10 Gbps, ten optical-optical switches are used.
[0008]
As another optical serial-parallel conversion method, a method using generation of a plurality of surface-emitted second-order harmonics (Shih-Chen Wang et al., J. Lihgtwave Technology 1. Vo 1.14, No. 12, P. 2736 (l996) )), A method using an exciton-like giant nonlinear effect (K. Ema et al.,
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method using a plurality of light-to-light switches for the light serial-to-light parallel conversion has a problem that the device becomes considerably large and the power consumption becomes large. Further, the conventional method using surface-emitting second-harmonic generation requires a non-resonant light Since the nonlinear effect is used, there is a problem that the efficiency is extremely low and the loss is very large. Further, the conventional method using the exciton-like giant nonlinear effect has a problem that it is necessary to cool the nonlinear medium to a liquid helium temperature in order to obtain a large nonlinear effect. Further, the conventional method using a hologram has a problem that the loss is extremely large because the diffraction effect is used. Therefore, such conventional methods all have extremely high running costs, are inefficient, and have a problem that it is very difficult to maintain stable performance over a long period of time.
[0010]
Therefore, a first object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art by converting an input high-speed optical packet signal into a low-speed parallel optical signal by itself, thereby making it possible to use various silicon-based parallel optical signals. An object of the present invention is to enable optical signal processing by an electronic circuit to be realized with low power consumption and a relatively simple configuration.
[0011]
A second object of the present invention is to generate a single optical pulse from an input optical packet and to collectively label the label portion of the optical packet using the optical pulse in order to solve the above-mentioned problem of the prior art. The purpose of the present invention is to make it possible to instantaneously read the label information of a high-speed optical packet input in a burst by performing parallel conversion and leading the signal to the label recognition circuit as the silicon-based electronic circuit.
[0012]
Further, a third object of the present invention is to realize an optical memory method and apparatus capable of responding to a burst signal with high speed and low power consumption in order to solve the above-mentioned problems of the prior art.
[0013]
Further, a fourth object of the present invention is to realize high-order functions such as high-performance routers and optical computers by combining the above-mentioned technologies such as serial-parallel conversion, optical clock pulse generation, label processing, and optical memory. It is in.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The optical signal processing method of the present invention burst The optical packet converts itself into a low-speed parallel signal, thereby enabling signal processing in a silicon-based electronic circuit having a low operation speed but high functionality. In the above-described conventional electronic circuit, a clock is extracted and the frequency division of the optical packet signal is repeated (10 GHz → 5 GHz, 2 lines → 2.5 GHz, 4 lines →...) To convert the signal into a low-speed parallel electric signal. Therefore, clock division and timing adjustment are required as needed. On the other hand, in the first method of the present invention, a single optical pulse is generated based on the first bit of the optical packet signal, whereby a part or the whole of the optical packet is parallelized in a collective light state. The conversion is performed, and high-speed optical signal processing can be realized with an extremely simple configuration.
[0015]
In the first optical signal processing method of the present invention, as described above, burst It is necessary to always generate a single optical pulse from an optical packet signal at a constant timing. Therefore, in the present method, the optical packet is irradiated on the photoconductive switch, and the charges generated there are sent to the capacitor and accumulated. When the charge generated in the first bit of the optical packet fully charges the capacitor, the potential of the capacitor is fixed and the potential of the capacitor changes regardless of the pattern of the subsequent light pulse applied to the photoconductive switch. do not do. The potential of the capacitor, which has risen sharply by the first bit, is converted into an electric pulse by differentiating it with a CR differentiating circuit, and the electric pulse is used to drive a semiconductor laser to generate an optical pulse. The advantage of the method of the present invention is that the optical pulse is always generated from the first bit for the arrival of the optical packet, so that the timing from the input of the optical packet to the generation of a single optical pulse is always constant, It is possible to instantaneously generate a single pulse even for an optical packet that enters in a burst, which is difficult to apply in an electronic circuit. Further, it operates without depending on the polarization state of an incident optical packet, and the polarization state of an output optical pulse can always be kept constant (this characteristic is obtained by an optical-optical serial-parallel converter described later). Indispensable). Furthermore, after the head bit has fully charged the capacitor, the intensity does not depend, so that even if the intensity of the input optical packet fluctuates, the intensity of the output optical pulse can be kept constant. Further, in the case of extracting a clock of 40 GHz by a conventional method using an electronic circuit, the electronic circuit naturally needs to have such a high speed. However, in the method of the present invention, the gain-switch method (several 100 ps) of the semiconductor laser is used. Since an optical pulse of 20 ps or less is generated from an electric pulse), the bandwidth of the electronic circuit portion of the present invention is about several GHz.
[0018]
According to a second optical signal processing method of the present invention, the single optical pulse is converted into an optical pulse train by a loop-shaped optical waveguide, and the optical-optical serial-parallel converter sequentially converts the optical packets into k bits at a time. That converts the entire optical packet into a low-speed k optical signal train by repeating the parallel conversion in the above, converts it into k electric signal trains with a low-speed photoelectric converter, and performs processing with a silicon-based electronic circuit. It is. This method is effective when the optical packet length is long and it is desired to process the whole.For example, by using a silicon-based electronic memory as the electronic circuit, it is possible to freely write an extremely high-speed optical packet signal to the electronic memory. It becomes. Further, the k parallel electric signals read from the electronic memory are reconstructed into high-speed optical packet signals again by an electric-optical type parallel-serial converter (details will be described later) and output.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
As described above, it has become difficult to directly process a high-speed optical signal by a conventional silicon electronic circuit with an increase in the speed of the optical signal. FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing a configuration example of an optical signal processing device of the present invention. The high-speed optical packet signal is split into two, and one is guided to the
[0021]
FIG. 1A shows a case where the
[0022]
Further, in an optical computer or the like, signal processing for 32-bit or 64-bit high-speed optical data is required. In this case, for example, by using a D / A converter as the
[0023]
On the other hand, when processing the entire optical packet having a long packet length, the number of parallels becomes extremely large in the method of FIG. 1A, and it is difficult to configure the optical-optical serial-
[0024]
Hereinafter, the
[0025]
[Optical-optical serial-parallel converter]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical-optical serial-
[0026]
The input optical packet is divided into k packets by the
[0027]
When a control light pulse is applied to the surface type optical switch 204, the surface-type optical switch 204 transmits light when the absorption coefficient decreases in the active layer and the transmittance increases because the refractive index in the active layer changes. An etalon type or the like whose rate changes is used. In any case, when the control light pulse (optical clock) is “0”, the transmittance of the surface-type optical switch 204 is extremely low, and these parallel optical signals cannot pass, but the control light pulse is “1”. In this case, the transmittance increases so that those parallel optical signals can pass.
[0028]
Since the 24 parallel optical signals spatially arranged are delayed by one bit for each port, the original optical signal continues at the timing when the control optical pulse reaches the optical switch 204. The 24-bit data arrives at the optical switch 204 in parallel at the same time. Therefore, when the transmittance of the optical switch 204 increases due to the control light pulse, the 24-bit data of all ports simultaneously passes through the optical switch 204 and is spatially developed again by the
[0029]
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of an optical serial-to-parallel converter using a reflection type surface
[0030]
By setting the control light A and each signal light B to linearly polarized light passing through the
[0031]
However, in the case of this method, even when the control light A is “0”, a part of the signal light that is not completely absorbed by the surface
[0032]
Therefore, here, as shown in FIG. 4, the parallel optical signal and the control light obtained by demultiplexing the optical signal are preset to linearly polarized light passing through the
[0033]
Electrons and holes exist in which two states of up spin and down spin degenerate with respect to one energy state. Now, considering the exciton transition between an electron and a heavy hole, when a control light of a circularly polarized light is incident on one point of a multiple quantum wells layer (MQW layer) of the
[0034]
The switching speed of the planar
[0035]
By the way, in the above method, the polarization state of the parallel optical signal is limited to linearly polarized light. However, when considering applications in actual optical communication and the like, it is necessary to operate on an optical signal having an arbitrary polarization state. Therefore, in FIG. 5, the reflection type surface
[0036]
The central circularly polarized control light is split into two orthogonal linearly polarized lights of the same intensity by the
[0037]
Therefore, the parallel optical signal incident with an arbitrary polarization is split by the
[0038]
In the method of FIGS. 2 to 5, in order to increase the number of parallel conversions, it is necessary to increase the number of
[0039]
Therefore, as shown in FIG. 6, a method of bundling L optical fibers from one lens of the
[0040]
On the other hand, the conventional electrical method required the same number of electrical serial-to-parallel converters to process a plurality of optical packets, but using this method, as shown in FIG. , And B2, another optical packet signal is input, so that a single optical-optical serial-parallel converter can be used to independently and simultaneously execute parallel conversion processing of a plurality of optical packet signals. .
[0041]
By inverting the input ports of the optical signal and the control light shown in FIGS. 2 to 8, an optical signal processing device for performing optical serial-optical parallel conversion as shown in FIG. 9 (corresponding to FIG. 2) is also provided. It becomes possible. That is, in FIG. 9, two types of optical signals are used, a high-speed signal light A and a low-speed repetitive probe light B. In FIG. 2, a serial optical signal A is input from a port for inputting control light, and an optical signal is input in FIG. A parallel probe light B (hereinafter, referred to as a probe light instead of a control light due to a difference in action) is input from a port to be connected, so that one serial signal light A is serial-parallelized by a plurality of probe lights B. Convert. At this time, the light pulse train of the signal light A and the probe light B is condensed by the condensing
[0042]
The plurality of probe lights B spatially arranged are delayed by one bit of the signal light A for each port, and have different phases. If the number of the probe lights B is k, the cycle of each probe light B is k times of 1 bit of the signal light A. Therefore, a certain bit of the signal light A is the first probe light, the second bit is the second probe light, the third bit is the third probe light,..., The k-th bit is the k-th probe light. Is synchronized with For this reason, when the bit of the signal light A synchronized with the probe light B is “1”, the signal light increases the transmittance of the surface-type optical switch 204, so that the probe light becomes “1” and the probe light becomes “1”. When the bit of the signal light A synchronized with B is “0”, the probe light becomes “0” and appears on the
[0043]
In this way, the probe light B of each port is sequentially modulated in transmittance by the multiple quantum well layer of the surface type optical switch 204 by the signal light A, and is developed spatially in parallel again by the
[0044]
Also in the configurations shown in FIGS. 3 to 8, it is possible to perform optical serial-optical parallel conversion in the same manner as described above. Furthermore, by integrally configuring the
[0045]
In the above-described embodiment, since only one point of the surface type
[0046]
[Light pulse generator]
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of an embodiment of an optical pulse generator that generates a control optical pulse (or a probe pulse) required for the optical serial-parallel conversion described above.
[0047]
In FIG. 10,
[0048]
The single light
[0049]
In this configuration, as shown in the time chart of FIG. 11, when the first light pulse is input to the
[0050]
That is, the single light
[0051]
This single optical pulse enters the loop-shaped
[0052]
The
[0053]
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a control light pulse train generating apparatus in which the above single light emitting
[0054]
In the optical pulse train generator 72A, when one optical pulse is input from the single light
[0055]
In the configuration of the optical pulse train generator 72A of FIG. 12, a pulse train having a desired period can be obtained by adjusting the distance between the
[0056]
As described above, in the optical pulse generator of the present embodiment, since only the first bit of the optical packet is accurately extracted with a very simple and compact configuration, it is possible to extract a high-speed burst signal which is difficult with the conventional electrical method. Of a single optical pulse can be generated. Furthermore, in the optical pulse generation device of the present embodiment, after the head bit charges the capacitor, the operation is performed regardless of the intensity, so that even if the intensity of the input optical packet fluctuates, the intensity of the output optical pulse is kept constant. be able to. Further, it is possible to fix the polarization state of the output light pulse to an input light packet having an arbitrary polarization state. This is an indispensable condition when used as control light (or probe light) for the light-light type serial-parallel converter. Further, in the conventional electrical method, a high-speed electronic circuit having the same band is required to extract a clock from a high-speed optical packet. However, in the optical pulse generator of the present embodiment, the gain of the semiconductor laser Gain- Since the switch method is used, a driving electric pulse of about several hundred ps is sufficient, that is, a band required for an electronic circuit may be as slow as about several GHz. An optical pulse directly generated by the gain-switch method of a semiconductor laser is about 10-20 ps in the current technology, and can correspond to an optical packet of about 10-40 Gbps. However, a pulse compression technique using a fiber or the like is required. If it is used, it can be easily compressed to about 3 ps, so that it is possible to cope with extremely high-speed optical packet processing of 100 Gbps or more. Further, a single optical pulse generated every time an optical packet arrives can generate an optical pulse train having an arbitrary period by the configuration of FIG. 10 or FIG.
[0057]
[Label recognition circuit]
As described in the section of the related art, in optical packet communication, it is necessary for a router to read address information included in a label (also referred to as a header) of a high-speed optical packet instantaneously. FIG. 13 is a diagram showing an embodiment of an optical signal processing device for processing label information of an optical packet, in which the above-mentioned
[0058]
In FIG. 13, the input optical packet is split into two, one of which is input to the single light
[0059]
At this time, when the timing of the control light pulse output from the
[0060]
By the way, the input optical packet is branched into two, and one control light pulse generated from one of the optical packets by the single light
[0061]
[Optical memory]
Next, an embodiment of an optical memory to which the present invention is applied will be described. In the present embodiment, as in the previous embodiment, the first bit of an input optical packet is always set to “1”, and a single optical pulse is always generated at the same timing every time an optical packet is input. This is put in a loop-shaped optical waveguide to generate an optical pulse train having a period k times the bit period of the optical packet. Also, using the optical pulse train, an input optical packet is converted into k parallel optical signals by optical-optical serial-parallel conversion, and the k parallel optical signals are converted into k parallel optical signals by a light receiving element. After being converted into an electric signal, it is simultaneously written into k memory circuits constituted by electronic circuits. For reading from the k memory circuits, k parallel electric signals are read simultaneously, converted into one optical pulse train by electro-optical parallel-serial conversion, and output as an optical packet.
[0062]
The optical-optical serial-parallel conversion uses a transmission-type or reflection-type surface optical switch having a semiconductor multiple quantum well layer, thereby realizing an extremely small size and low power consumption as a whole. Even in the electric-optical parallel-serial conversion, an extremely simple configuration is used as described later. As described above, the configuration in which light is actively used for the input / output portion and the Si-based electronic memory circuit is used for the memory portion enables a very high-speed burst optical signal to be handled, and a large capacity, small size, An optical memory with low power consumption can be realized. The details will be described below.
[0063]
FIG. 14 is a diagram showing the entire configuration of the optical memory device according to the present invention. The input optical packet P is split into two by a demultiplexer (not shown), and one of them is input to the optical
[0064]
As shown in FIG. 15, an
[0065]
When reading data written in each
[0066]
As a method of sending the k output electric signals from the
[0067]
[Electric-optical parallel-serial converter]
FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of the electric-optical parallel-
[0068]
As described above, in the
[0069]
FIG. 18 is a diagram showing another configuration example of the electric-optical type parallel-
[0070]
Therefore, when k is large as described above, as shown in FIG. 18, k parallel electric signals are bundled in units of n to create m parallel electric signal trains (k = n × m). Similarly to the above, the original high-speed optical packet signal is output again by the m
[0071]
To bundle the n parallel electric signals, n of the k parallel electric signals output simultaneously from the
[0072]
Further, the optical clock (the cycle is k times the bit cycle of the original optical packet) is delayed one bit at a time by an
[0073]
The electric pulse train signal obtained as described above is input to one of the
[0074]
As described above, according to the above embodiment of the present invention, there is provided a large-capacity optical memory device capable of writing a high-speed burst optical packet signal to a Si-based memory circuit and freely reading it again as a high-speed optical packet. It can be realized with small size and low power consumption.
[0075]
[Other embodiments]
The optical memory device of the present invention can be used as an optical buffer memory for avoiding collision between optical packets in a router device, and can be used at a high speed in a data center that stores a large amount of data and retrieves data as needed. It can also be used as an optical memory device for transmitting and receiving optical packet signals. Furthermore, in a high-speed optical computer, it can be used as a cache memory for exchanging data instantaneously. Furthermore, by storing a high-speed optical packet signal in a memory once and outputting it as a lower-speed optical packet when reading (low-speed to high-speed conversion is also possible), it can be used as a bit rate converter necessary for an edge node or the like. It can be used.
[0076]
Also, as can be understood from the above description, the present invention combines the above-described techniques such as serial-parallel conversion, optical clock pulse generation, and parallel-serial conversion according to the present invention to achieve label processing, optical memory, and optical bit rate. Functions such as conversion can be realized, and by combining them, a high-performance optical information processing apparatus or system such as a high-performance router or optical computer can be realized.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to configure a high-speed optical signal processing device with low power consumption, simple and small size.
[0078]
Further, according to the present invention, it is possible to cope with a burst signal, and it is also possible to freely perform a partial processing or a whole processing of a high-speed optical packet.
[0079]
Further, according to the present invention, by combining the above-described technologies such as serial-parallel conversion, optical clock pulse generation, and parallel-serial conversion, and using a label recognition circuit or an electronic memory as an electronic circuit, an extremely high speed in the future can be achieved. High-speed optical label recognition (a function to read address information of optical packets and determine output ports), which is indispensable as a router function, and a high-speed optical buffer memory (to prevent optical packets from colliding at output ports, (A function of temporarily saving), optical bit rate conversion (conversion of high-speed optical packets to low-speed optical packets, or vice versa), and the like.
[0080]
Further, by integrating functions such as label processing, optical memory, and optical bit rate conversion according to the present invention, an optical information processing apparatus or an optical information processing system having higher-order functions such as a high-performance router and an optical computer can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an optical signal processing device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 3 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 4 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 5 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 6 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 7 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 8 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 9 is an explanatory diagram of one embodiment of the present invention for performing serial-parallel conversion of an optical signal sequence.
FIG. 10 is a circuit diagram of an optical pulse generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a time chart of the single pulse generator of FIG. 10;
FIG. 12 is a circuit diagram of an optical pulse generator according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram of an optical signal processing device according to an embodiment of the present invention that performs label recognition of an optical packet.
FIG. 14 is a block diagram of an optical random access memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a detailed explanatory diagram of a Si-based RAM array part.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a method of transferring electric data output from a Si-based RAM array to an electric-optical parallel-serial converter.
FIG. 17 is an explanatory diagram of an electric-optical parallel-serial converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram of another example of an electric-optical parallel-serial converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19: Conventional optical packet communication system FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 O / E receiving circuit
2 Electric clock signal generator
3 Electric serial-parallel converter
4 Si memory cell array
5 Electric parallel-serial converter
6 E / O transmission circuit
23 demultiplexer
24 Optical delay device
32 Optical-optical serial-parallel converter
34 Label Recognition Circuit
35 Photoelectric converter
41 power supply
42 Photoconductive switch
43 Capacitor
44 Differentiating circuit
45 Semiconductor laser (LD)
71 Single optical pulse generator
72, 72A Optical pulse train generator
81 Looped director
82 optical coupler
83 Saturable absorber
84 Optical Amplifier
85 Polarizing Beam Splitter (PBS)
86 λ / 4 wavelength plate
87 Optical Amplifier
88 Saturable absorber
100 Optical pulse train generator
102 Optical pulse generator
104 Optical-optical serial-parallel converter
106 light receiving element array
108 silicon electronic circuit
200 Optical-optical serial-parallel converter
201 duplexer
202 Optical delay unit
203,205 Condensing lens
204 Transmission type optical switch
206 micro lens array
207 Optical fiber (optical fiber array)
208 Polarizing Beam Splitter (PBS)
209 λ / 4 wavelength plate
210 Condensing lens
211 Reflective surface type optical switch
300 light receiving element array
301 light receiving element
400 Si RAM array
401 memory cell array
402 control circuit
403 column address circuit
404 row address circuit
405 surface emitting laser
406, 502 contacts
500 Electric-optical parallel-serial converter
501 light receiving element
503, 503A Optical pulse light source
504, 504A duplexer
505, 505A optical modulator
506, 506A Optical delay device
507, 507A multiplexer
Claims (23)
前記単一の光パルスによって前記入力光パケットの一部または全ビット信号を一括で空間的にパラレルに分離させる一つの光−光型シリアル−パラレル変換器と、
該光−光型シリアル−パラレル変換器によりパラレルに展開した並列光信号パルスを低速な電気信号に変換する光電変換器と、
該光電変換器で変換された前記電気信号を処理する電子回路と
を具備することを特徴とする光信号処理装置。One or more optical pulse generators for generating a single optical pulse from one or a plurality of input burst optical packets input in parallel,
One optical-optical serial-parallel converter for separating a part or all of the bit signals of the input optical packet by the single optical pulse collectively and spatially in parallel;
A photoelectric converter for converting a parallel optical signal pulse developed in parallel by the optical-optical serial-parallel converter into a low-speed electric signal;
An electronic circuit for processing the electric signal converted by the photoelectric converter.
前記単一の光パルスを前記入力バースト光パケットが存続する間だけ繰り返される光パルス列に変換する一つまたは複数の光パルス列発生器と、
前記光パルス列によって前記入力バースト光パケットの一定のビット数づつ繰り返し空間的にパラレルに分離させる一つの光−光型シリアル−パラレル変換器と、
該光−光型シリアル−パラレル変換器によりパラレルに展開した並列光信号パルスを低速な並列電気信号に変換する光電変換器と、
該光電変換器により変換された前記並列電気信号を処理する電子回路と
を具備することを特徴とする光信号処理装置。One or more optical pulse generators for generating a single optical pulse from a plurality of input burst optical packets input in one or in parallel,
One or more optical pulse train generators that convert the single optical pulse into an optical pulse train that is repeated only for the duration of the input burst optical packet;
One optical-optical serial-parallel converter that repetitively spatially separates a predetermined number of bits of the input burst optical packet by the optical pulse train in parallel;
A photoelectric converter that converts parallel optical signal pulses developed in parallel by the optical-optical serial-parallel converter into low-speed parallel electric signals;
An electronic circuit for processing the parallel electric signal converted by the photoelectric converter.
直流電源と、
キャパシタと、
入力する光パケットの先頭の光パルスを受光すると前記直流電源から前記キャパシタに電荷を満充電する光導電スイッチと、
前記キャパシタの電圧を微分する微分回路と、
該微分回路から出力する電気パルスにより1個の光パルスを生成する半導体レーザと
を有することを特徴とする光信号処理装置。The apparatus of claim 1, wherein the light pulse generator comprises:
DC power supply,
A capacitor,
A photoconductive switch that fully charges the capacitor from the DC power supply upon receiving a leading optical pulse of an input optical packet;
A differentiation circuit for differentiating the voltage of the capacitor,
An optical signal processing apparatus comprising: a semiconductor laser that generates one optical pulse by an electric pulse output from the differentiating circuit.
直流電源と、
キャパシタと、
入力する光パケットの先頭の光パルスを受光すると前記直流電源から前記キャパシタに電荷を満充電する光導電スイッチと、
前記キャパシタの電圧を微分する微分回路と、
該微分回路で得られた1個の電気パルスにより1個の光パルスを生成する半導体レーザと、
該半導体レーザで得られた1個の光パルスを入力するループ状の導波路と、
該導波路に挿入した可飽和吸収体及び光増幅器と、
前記導波路で得られる光パルス列を取り出すフォトカプラと
を有することを特徴とする光信号処理装置。3. The apparatus of claim 2, wherein the input optical signal sequence is an optical packet signal, and the optical pulse generator comprises:
DC power supply,
A capacitor,
A photoconductive switch that fully charges the capacitor from the DC power supply upon receiving a leading optical pulse of an input optical packet;
A differentiation circuit for differentiating the voltage of the capacitor,
A semiconductor laser that generates one light pulse by one electric pulse obtained by the differentiating circuit;
A loop waveguide for inputting one optical pulse obtained by the semiconductor laser,
A saturable absorber and an optical amplifier inserted into the waveguide;
An optical signal processing device comprising: a photocoupler for extracting an optical pulse train obtained by the waveguide.
入力する光パケット信号をk本の並列光信号に分波する分波器と、
該分波器で分波されたk本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させる光遅延器と、
透過型の面型光スイッチと、
前記光遅延器により1ビットづつ遅延されたk本の並列光信号と前記単一の光パルスを前記面型光スイッチの一点に集光するための第1のレンズと、
前記面型光スイッチを透過した前記k本の並列光信号を空間的に分離する第2のレンズと
を有することを特徴とする光信号処理装置。3. The device according to claim 1, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
A demultiplexer for demultiplexing an input optical packet signal into k parallel optical signals;
An optical delay unit for sequentially delaying each of the k optical signals demultiplexed by the demultiplexer by one bit;
A transmission type surface optical switch,
A first lens for condensing the k parallel optical signals delayed by 1 bit by the optical delay unit and the single optical pulse at one point of the surface-type optical switch;
An optical signal processing device comprising: a second lens that spatially separates the k parallel optical signals transmitted through the surface-type optical switch.
入力する光パケット信号をk本の並列光信号に分波する分波器と、
該分波器で分波されたk本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させる光遅延器と、前記光遅延器で1ビットづつ遅延されたk本の並列光信号と円偏光または直線偏光の制御光パルスとが通過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、
前記偏光ビームスプリッタおよび前記λ/4波長板の透過光を一点に集光するためのレンズと、
該レンズにより集光された光を受け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処理装置。3. The device according to claim 1, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
A demultiplexer for demultiplexing an input optical packet signal into k parallel optical signals;
An optical delay unit for sequentially delaying the k optical signals demultiplexed by the demultiplexer by one bit, and k parallel optical signals delayed by one bit by the optical delay unit and circularly or linearly polarized light; A polarizing beam splitter through which the control light pulse passes;
A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface on one or two output sides of the polarizing beam splitter, or only on a portion through which a central control light pulse passes;
A lens for condensing the transmitted light of the polarization beam splitter and the λ / 4 wavelength plate at one point,
An optical signal processing device comprising: a reflection type surface optical switch that receives light collected by the lens.
入力する前記光パケット信号をk×L本の並列光信号に分波する分波器と、該分波器で分波されたk×L本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させる光遅延器と、
入力する前記単一の光パルスである制御光パルスをL本に分波する分波器と、該分波器で分波され前記光遅延器で遅延された前記k×L本の各光信号とL本の各前記制御光パルスを伝播させる合計(k+1)×L本の光導波路と、該光導波路から出力するそれらの光を平行光に変換するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと、
前記1ビットづつ遅延されたk本の前記並列光信号と円偏光または直線偏光の前記制御光パルスとが通過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、前記偏光ビームスプリッタおよび前記λ/4波長板の透過光を集光するためのレンズと、
該レンズにより集光された光を受ける反射型の面型光スイッチと、
前記面型光スイッチで反射され前記偏光ビームスプリッタから出力された光を分離して集光するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイとを有することを特徴とする光信号処理装置。3. The device according to claim 1, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
A demultiplexer for demultiplexing the input optical packet signal into k × L parallel optical signals, and an optical delay for sequentially delaying the k × L optical signals demultiplexed by the demultiplexer one bit at a time Vessels,
A demultiplexer for demultiplexing the input control light pulse, which is the single optical pulse, into L light, and each of the k × L optical signals demultiplexed by the demultiplexer and delayed by the optical delay device And L total of (k + 1) × L optical waveguides for propagating each of the control light pulses, and k + 1 lenses for converting the light output from the optical waveguide into parallel light. A lens array,
A polarization beam splitter through which the k parallel optical signals delayed by one bit and the control light pulse of circular polarization or linear polarization pass;
A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface of one or two output sides of the polarization beam splitter or only in a central portion where the control light pulse passes, and a λ / 4 wavelength plate comprising the polarization beam splitter and the λ / 4 wavelength plate. A lens for collecting transmitted light,
A reflective surface-type optical switch that receives light collected by the lens;
An optical signal processing device comprising: a lens array including k + 1 lenses for separating and condensing light reflected by the surface-type optical switch and output from the polarization beam splitter.
並列で入力するL個の前記光パケット信号のそれぞれをk本の並列光信号に分波するL個の分波器と、該分波器で分波されたk本の各光信号を1ビームづつ順次遅延させるL個の光遅延器と、
入力する前記単一の光パルスである制御光パルスをL本に分波する分波器と、該分波器で分波され前記光遅延器で遅延された前記k×L本の各光信号とL本の各前記制御光パルスを伝播させる合計(k+1)×L本の光導波路と、該光導波路から出力するそれら光を平行光に変換するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと、
前記並列光信号と円偏光または直線偏光の前記制御光パルスが通過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、
前記偏光ビームスプリッタおよび前記λ/4波長板の透過光を集光するためのレンズと、該レンズにより集光された光を受ける反射型の面型光スイッチと、前記面型光スイッチで反射され前記偏光ビームスプリッタから出力された光を分離して集光するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイとを有することを特徴とする光信号処理装置。3. The device according to claim 1, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
L demultiplexers for demultiplexing each of the L optical packet signals input in parallel into k parallel optical signals, and one beam of the k optical signals demultiplexed by the demultiplexer. L optical delayers for sequentially delaying
A demultiplexer for demultiplexing the input control light pulse, which is the single optical pulse, into L light, and each of the k × L optical signals demultiplexed by the demultiplexer and delayed by the optical delay device And a total of (k + 1) × L optical waveguides for transmitting the L control light pulses and k + 1 lenses for converting the light output from the optical waveguide into parallel light An array,
A polarization beam splitter through which the parallel optical signal and the circularly or linearly polarized control light pulse pass,
A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface on one or two output sides of the polarizing beam splitter, or only on a portion through which a central control light pulse passes;
A lens for condensing light transmitted through the polarizing beam splitter and the λ / 4 wavelength plate, a reflection type surface optical switch for receiving the light condensed by the lens, and a light reflected by the surface type optical switch An optical signal processing device comprising: a lens array configured by k + 1 lenses for separating and condensing the light output from the polarization beam splitter.
該光パルス列によって前記入力光パケットをkビットづつ繰り返し空間的にパラレルに分離させる光−光型のシリアル−パラレル変換器と、
該光−光型のシリアル−パラレル変換器によりパラレルに展開したk個の並列光信号パルスを低速な並列電気信号に変換するk個の光電変換器と、
前記並列電気信号を書き込むための電子メモリアレイと、
該電子メモリアレイから読み出されるk個の並列電気信号を再びシリアルな光パケット信号へ再構築するための電気−光型パラレル−シリアル変換器と、
を具備することを特徴とする光メモリ装置。An optical pulse generator that generates a low-repetition optical pulse train from an input burst optical packet;
An optical-optical serial-parallel converter for repetitively spatially separating the input optical packet by k bits by the optical pulse train in parallel;
K photoelectric converters for converting k parallel optical signal pulses developed in parallel by the optical-optical serial-parallel converter into low-speed parallel electric signals;
An electronic memory array for writing the parallel electrical signals,
An electro-optical parallel-serial converter for reconstructing the k parallel electric signals read from the electronic memory array into a serial optical packet signal again;
An optical memory device comprising:
直流電源と、
キャパシタと、
入力する光パケット信号の先頭パルスを受光すると前記直流電源から前記キャパシタに電荷を満充電させる光導電スイッチと、
前記キャパシタの電圧を微分する微分回路と、
該微分回路で得られる1個の電気パルス信号により1個の光パルスを発生する半導体レーザと、
該半導体レーザで得られた1個の光パルスを入力するループ状の導波路と、
該導波路に挿入した可飽和吸収体及び光増幅器と、
前記導波路で得られる光パルス列を取り出すフォトカプラと
を有することを特徴とする光メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the light pulse generator comprises:
DC power supply,
A capacitor,
A photoconductive switch for fully charging the capacitor from the DC power supply upon receiving a leading pulse of an input optical packet signal;
A differentiation circuit for differentiating the voltage of the capacitor,
A semiconductor laser that generates one light pulse by one electric pulse signal obtained by the differentiating circuit;
A loop waveguide for inputting one optical pulse obtained by the semiconductor laser,
A saturable absorber and an optical amplifier inserted into the waveguide;
An optical memory device comprising: a photocoupler for extracting an optical pulse train obtained by the waveguide.
入力する前記光パケット信号をk本の並列光信号に分波する分波器と、
該分波器で分波されたk本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させる光遅延器と、
該光遅延器で1ビットづつ遅延されたk本の並列光信号と円偏光または直線偏光の前記光パルス列である制御光パルスとが通過する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、
前記偏光ビームスプリッタとλ/4波長板の透過光を一点に集光するためのレンズと、
該レンズにより集光された光を受光す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メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
A demultiplexer for demultiplexing the input optical packet signal into k parallel optical signals;
An optical delay unit for sequentially delaying each of the k optical signals demultiplexed by the demultiplexer by one bit;
A polarization beam splitter through which k parallel optical signals delayed by one bit by the optical delay unit and a control light pulse which is the light pulse train of circularly or linearly polarized light pass; and one or two of the polarization beam splitters A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface on one of the output sides or only in the portion where the central control light pulse passes;
A lens for condensing the transmitted light of the polarization beam splitter and the λ / 4 wavelength plate at one point,
An optical memory device comprising: a reflection type surface optical switch for receiving light condensed by the lens.
入力する一つの前記光パケット信号をk×L本の並列光信号に分波する分波器と、該分波器で分波されたk×L本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させる光遅延器と、入力する前記光パルス列である制御光パルスをL本に分波する分波器と、
前記分波器で分波され前記光遅延器で遅延された前記k×L本の各光信号と前記L本の各制御光パルスを伝播させる、合計(k+1)×L本の光導波路と、該光導波路から出力するそれら光を平行光に変換するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと、
前記光遅延器で1ビットづつ遅延されたk本の前記並列光信号と円偏光または直線偏光の前記制御光パルスとが通過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、
前記偏光ビームスプリッタおよび前記λ/4波長板の透過光を集光するためのレンズと、該レンズにより集光された光を受ける反射型の面型光スイッチと、該面型光スイッチで反射され前記偏光ビームスプリッタから出力された光を分離して集光するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと
を有することを特徴とする光メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
A demultiplexer for demultiplexing one input optical packet signal into k × L parallel optical signals; and sequentially delaying the k × L optical signals demultiplexed by the demultiplexer by one bit. An optical delay unit, and a demultiplexer that demultiplexes the input control pulse, which is the optical pulse train, into L pulses.
A total of (k + 1) × L optical waveguides for propagating the k × L optical signals and the L control optical pulses that are demultiplexed by the demultiplexer and delayed by the optical delay device; A lens array including k + 1 lenses for converting the light output from the optical waveguide into parallel light;
A polarization beam splitter through which the k parallel optical signals delayed by one bit by the optical delay unit and the control light pulse of circularly or linearly polarized light pass;
A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface on one or two output sides of the polarizing beam splitter, or only on a portion through which a central control light pulse passes;
A lens for condensing light transmitted through the polarizing beam splitter and the λ / 4 wavelength plate, a reflection type surface optical switch for receiving the light condensed by the lens, and a light reflected by the surface type optical switch An optical memory device, comprising: a lens array configured by k + 1 lenses for separating and condensing light output from the polarization beam splitter.
並列で入力するL個の前記光パケット信号のそれぞれをk本の並列光信号に分波する1個の分波器と、
該分波器で分波されたk本の各光信号を1ビットづつ順次遅延させるL個の光遅延器と、
入力する前記光パルス列である制御光パルスをL本に分波する分波器と、前記分波器で分波され前記光遅延器で遅延された前記k×L本の各光信号と前記L本の各制御光パルスを伝播させる、合計(k+1)×L本の光導波路と、該光導波路から出力するそれら光を平行光に変換するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと、
前記並列光信号と円偏光または直線偏光の前記制御光パルスとが通過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタの1つまたは2つの出力側の全面に、または中央の制御光パルスが通過する部分のみに配置されたλ/4波長板と、前記偏光ビームスプリッタとおよび前記λ/4波長板の透過光を集光するためのレンズと、
該レンズにより集光された光を受ける反射型の面型光スイッチと、
前記面型光スイッチで反射され前記偏光ビームスプリッタから出力された光を分離して集光するための、k+1個のレンズによって構成されたレンズアレイと
を有することを特徴とする光メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the light-light type serial-parallel converter comprises:
One demultiplexer for demultiplexing each of the L optical packet signals input in parallel into k parallel optical signals;
L optical delay devices for sequentially delaying each of the k optical signals demultiplexed by the demultiplexer by one bit;
A demultiplexer for demultiplexing the control light pulse, which is the input optical pulse train, into L light beams; k × L light signals demultiplexed by the demultiplexer and delayed by the optical delay device; A total of (k + 1) × L optical waveguides for transmitting each of the control light pulses, and a lens array including k + 1 lenses for converting the light output from the optical waveguide into parallel light. ,
A polarization beam splitter through which the parallel optical signal and the control light pulse of circular polarization or linear polarization pass,
A λ / 4 wavelength plate disposed on the entire surface of one or two output sides of the polarization beam splitter or only at a central portion where the control light pulse passes, the polarization beam splitter, and the λ / 4 wavelength plate A lens for condensing the transmitted light of
A reflective surface-type optical switch that receives light collected by the lens;
An optical memory device for separating and condensing light reflected by the surface-type optical switch and output from the polarizing beam splitter, the lens array including k + 1 lenses.
光パルス光源と、
該光パルス光源から出力する光信号をk個に分波する分波器と、
分波されたk本の並列光信号を前記k個の電子メモリアレイから読み出されたk個の並列電気信号で変調するk個の光変調器と、
該k個の光変調器の入力側又は出力側においてk本の並列光信号を1ビットづつ遅延させる光遅延器と、
遅延されたk本の並列光信号を1本の光パルス列に合波して光パケット信号と
する合波器と
を具備することを特徴とする光メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the electro-optical parallel-to-serial converter comprises:
An optical pulse light source,
A demultiplexer that splits an optical signal output from the optical pulse light source into k signals,
K optical modulators for modulating k separated parallel optical signals with k parallel electric signals read from the k electronic memory arrays;
An optical delay unit that delays k parallel optical signals by one bit at an input side or an output side of the k optical modulators;
An optical memory device, comprising: a multiplexer that multiplexes the delayed k parallel optical signals into one optical pulse train to generate an optical packet signal.
前記k個の電子メモリアレイから読み出されたk個の並列電気信号をn個単位でサンプリングするm(m=k/n)組のサンプルホールド部と、
該サンプルホールド部で前記n個単位でサンプリングされ蓄積された電荷を各々1本の電気パルス列信号として取り出すm組の電気−電気型のパラレル−シリアル変換部と、
光パルス光源と、
該光パルス光源から出力する光信号をm個に分波する分波器と、
該分波器で分波されたm本の並列光信号を前記m組の電気−電気型のパラレル−シリアル変換部から出力するm個の並列電気信号で変調するm個の光変調器と、
該m個の光変調器の入力側又は出力側においてm本の並列光信号を1ビットづつ遅延させる光遅延器と、
該光遅延器で遅延されたm本の並列光信号を1本の光パルス列に合波して光パケット信号とする合波器と
を有することを特徴とする光メモリ装置。13. The device of claim 12, wherein the electro-optical parallel-to-serial converter comprises:
M (m = k / n) sets of sample-and-hold units for sampling the k parallel electric signals read from the k electronic memory arrays in units of n;
M sets of electric-electric type parallel-serial conversion units for taking out the electric charges sampled and stored in units of n units in the sample and hold unit as one electric pulse train signal,
An optical pulse light source,
A demultiplexer for demultiplexing the optical signal output from the optical pulse light source into m optical signals;
M optical modulators for modulating m parallel optical signals split by the splitter with m parallel electric signals output from the m sets of electric-electric type parallel-serial converters;
An optical delay unit that delays the m parallel optical signals by one bit at an input side or an output side of the m optical modulators;
An optical memory device, comprising: a multiplexer that multiplexes the m parallel optical signals delayed by the optical delay unit into one optical pulse train to form an optical packet signal.
一つのまたは並列に入力する複数L個のバースト光パケット信号の各々を2つに分岐し、
前記2つに分岐した光パケット信号の一方の光パケット信号の先頭ビットを用いて、各々が単一の光パルスを発生させ、
該単一の光パルスを使用して、分岐した他方の光パケット信号の一部または全部を一括でk本の並列光信号に変換し、
該k本またはk+L本の並列光信号を低速な光電変換素子によりk個またはk+L個の低速な並列電気信号に変換し、
該並列電気信号を電子回路に入力する工程を有することを特徴とする光信号処理方法。An optical signal processing method that enables high-speed optical packet signal processing,
Each of a plurality of L burst optical packet signals input in one or in parallel is branched into two,
Using a leading bit of one optical packet signal of the two optical packet signals, each generates a single optical pulse,
Using the single optical pulse, part or all of the other optical packet signal that has been branched is converted into k parallel optical signals at a time,
The k or k + L parallel optical signals are converted into k or k + L low-speed parallel electric signals by a low-speed photoelectric conversion element,
Inputting the parallel electric signal to an electronic circuit.
前記単一の光パルスを面型光スイッチの1点に照射して、その点における透過率または反射率を変調し、
前記分岐した他方の光パケットをk個に分岐させて1ビットづつ順次位相をずらし、それらk個の光パケットを前記面型光スイッチの同一点に照射させ、
前記単一光パルスと同じタイミングで前記面型光スイッチに入射した光パケット内の光パルスのみが、該面型光スイッチを透過または反射することにより、光パケットの一部または全部の光パルスをパラレルに変換する工程を含み、
前記並列光パルスを低速な光電変換器により低速な並列電気信号に変換し、前記並列電気信号のラベルの情報をラベル認識回路により読み取ることを特徴とする光信号処理方法。21. The method of claim 20 , wherein converting one optical packet signal of the two branched optical packet signals into the k parallel optical signals comprises:
Irradiating the single light pulse to one point of the surface type optical switch to modulate transmittance or reflectance at that point;
Branching the other optical packet into k pieces, sequentially shifting the phase by one bit, and irradiating the k optical packets to the same point of the surface type optical switch;
Only the optical pulse in the optical packet that has entered the surface-type optical switch at the same timing as the single optical pulse transmits or reflects through the surface-type optical switch, so that part or all of the optical pulse of the optical packet is transmitted. Including the step of converting to parallel,
An optical signal processing method, comprising: converting the parallel light pulse into a low-speed parallel electric signal by a low-speed photoelectric converter, and reading label information of the parallel electric signal by a label recognition circuit.
該分岐した光パケット信号の一方の光パケット信号を用いて当該光パケット信号のビット周期のk倍の周期の光パルス列を発生させ、
該光パルス列を使用して他方の分岐した光パケット信号をk本の並列光信号に変換し、
該k本の並列光信号をk個の並列電気信号に変換し、
該k個の並列電気信号を電子回路により構成されたk個の電子メモリアレイに書き込み、
前記k個の電子メモリアレイからk個の並列電気信号を同時に読み出した該k個の並列電気信号を1本の光パルス列に変換して光パケット信号として出力する工程を有することを特徴とする光メモリ方法。The input burst optical packet signal is split into two,
An optical pulse train having a period k times the bit period of the optical packet signal is generated using one optical packet signal of the branched optical packet signals,
Using the optical pulse train, convert the other branched optical packet signal into k parallel optical signals,
Converting the k parallel optical signals into k parallel electrical signals;
Writing the k parallel electric signals into k electronic memory arrays formed by electronic circuits;
An optical memory comprising a step of converting the k parallel electric signals obtained by simultaneously reading out the k parallel electric signals from the k electronic memory arrays into one optical pulse train and outputting them as an optical packet signal. Method.
前記光パケットをもとに発生させた光パルス列を面型光スイッチの1点に照射して、その点における透過率または反射率を変調し、
他方の分岐した光パケットをk個に分岐させ、1ビットづつ位相をずらし、それらk個の光パケットを該面型光スイッチの同一点に照射させ、
前記光パルス列と同じタイミングで前記面型光スイッチに入射した光パケット内の光パルスのみが、該面型光スイッチを透過または反射することにより、光パケットをkビットづつパラレルに変換する工程を含み、
前記並列光パルスを低速な光電変換器により低速な並列電気信号に変換し、前記並列電気信号をシリコン系電子メモリアレイに書き込むことを特徴とする光メモリ方法。23. The method of claim 22 , wherein converting one optical packet signal of the two branched optical packet signals into k parallel optical signals,
Irradiating an optical pulse train generated based on the optical packet to one point of the surface-type optical switch, and modulating transmittance or reflectance at that point;
The other branched optical packet is branched into k pieces, the phase is shifted by one bit, and these k optical packets are irradiated on the same point of the surface type optical switch,
Only the optical pulse in the optical packet incident on the surface type optical switch at the same timing as the optical pulse train is transmitted or reflected by the surface type optical switch, thereby converting the optical packet into k bits in parallel. ,
An optical memory method, comprising: converting the parallel light pulse into a low-speed parallel electric signal by a low-speed photoelectric converter, and writing the parallel electric signal to a silicon-based electronic memory array.
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