全光スイッチの導入

全光スイッチは光通信ネットワークの主要構成要素です。全光ネットワークを実現する鍵となる、低い励起電力、高いスイッチ効率、高速応答特性を備えており、近年大きな注目を集めています。

1980年代後半から現在に至るまで、多くの研究グループが様々な全光スイッチの徹底的な研究を行ってきました。全光スイッチは非常に重要な技術であり、光通信、光コンピュータ、光情報処理、光データ処理などの分野に応用されています。光スイッチは新世代全光ネットワークの主要コンポーネントとして、主に光レベルルーティング、波長選択、光アドドロップ多重化、光クロスコネクト、自己修復保護を実現するために使用されます。したがって、光スイッチの応答速度、クロストーク、挿入損失の性能は、光通信の品質に直接影響します。光ネットワークの実装は、光スイッチ、光フィルタ、新世代増幅器、高密度波長分割多重化技術デバイス、および技術の進歩に依存します。

全光ネットワークにおける光スイッチの用途には、高速応答、低挿入損失、低チャネルクロストーク、偏波非依存といった特性に加え、統合性と拡張性、低コスト、低消費電力、優れた熱安定性といった特性も求められます。全光スイッチは、以下の用途において大きな可能性を発揮すると期待されています。

（1）コンピュータの計算速度は、スイッチング素子の高速化とチップサイズの縮小に依存しており、この点でボトルネックが生じています。光コンピュータの開発は、その解決策となる可能性があります。光コンピュータは、高速光スイッチングチップと、その外部に光インターコネクトを備えたチップです。したがって、光スイッチは光コンピュータ開発の鍵となります。

（2）通信容量の需要増大に対応するため、電子通信は徐々に光ファイバ通信に取って代わられつつあります。高密度波長分割多重技術は、光ファイバ通信の信号伝送における全光信号交換を実現する上で、電子技術への依存度が高く、光通信速度の向上に限界があります。そのため、全光通信は全光スイッチの鍵となります。

（3）長距離ネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、アクセスネットワークにおける光ファイバ通信システムでは、光スイッチ間の接続は光クロスコネクトによって完結する必要があり、ユーザー間の光スイッチネットワークはOADMに依存している。光クロスコネクトとアドドロップマルチプレクサは光スイッチアレイによって構成されているため、光スイッチは全光スイッチングの基盤となっている。

1970年代から研究が始まって以来、光双安定性の研究は30年以上の歴史を誇ります。しかし、全光スイッチングの研究は、主に3つの理由から、多くの実用的な問題に直面しています。

（1）全光スイッチは三次非線形効果に基づいています。スイッチに必要な光パワーは非常に高く、信号光の光強度の5桁以上を必要とすることがよくあります。低電力電子スイッチとは異なり、低電力での光制御は実現できません。

（２）強い入力光により、特に波長スイッチング素子における誘電吸収ピークにおける強い熱効果によって熱が吸収され、素子が非常に不安定になり、素子のカスケード動作を実現することが困難になる。

（３）レーザービームがミクロン単位で伝播する場合、パワー密度は高くないが、非線形効果により非線形パワーを生成するのに必要な距離が制限され、ビームの横方向寸法に圧縮することが困難である。

したがって、スイッチング電力の低減は、全光スイッチの研究における重要な課題です。光を波長オーダーの横方向寸法を持つ光ファイバ導波路または平面集積光導波路に通すことで、より高い光パワー密度とより長い相互作用長が得られ、非線形光学効果の発生効率が大幅に向上し、光パワーを低減することで全光スイッチを実現できます。導波路型光スイッチが主な研究対象となっています。シリコン導波路（光ファイバを含む）は通信帯域における吸収が小さいものの、非線形効果が弱すぎるため、リング共振器に蓄積された非線形効果を利用できます。