(57)【要約】【課題】すべて光学的なＡＮＤゲートを提供する。【解決手段】すべて光学的なＡＮＤゲートは、光学共振器を有し、且つ、バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された非線形素子であって、非線形素子は、第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、非線形素子は、ハイ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力し、光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、非線形素子は、ロウ論理レベルを有する光学出力信号として実質的に光を出力しないように、光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、この結果、光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備しており、非線形素子は、基板上にリングとして形成されている、非線形素子、を有する。【選択図】図５
2014016636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学共振器を有しており、且つ、バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された非線形素子であって、
前記非線形素子は、
前記第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、前記非線形素子は、ハイ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力し、前記光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、前記非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、
この結果、前記光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備しており、前記非線形素子は、基板上にリングとして形成されている、非線形素子、
を有するすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項２】
前記光学入力信号を受信するべく前記基板上に形成された少なくとも２つの別個の光学入力媒体と、
合成媒体であって、前記光学入力媒体は、前記光学入力信号を合成信号に合成する前記合成媒体にマージしており、前記合成媒体は、前記リングに光学的に結合されている、合成媒体と、
を更に有する請求項１記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項３】
前記合成媒体の一端は、前記合成信号を前記リングにエバネッセントに結合するべくテーパー化されている請求項２記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項４】
個々の光学入力信号を受信するべく前記基板上に形成された少なくとも２つの別個の光学入力媒体であって、前記光学入力媒体は、前記リングに光学的に結合されている、少なくとも２つの別個の光学入力媒体を更に有する請求項１記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項５】
前記光学入力媒体の個々の端部は、前記光学入力信号を前記リングにエバネッセントに結合するべくテーパー化されている請求項４記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項６】
光学共振器を有しており、且つ、バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した個々の第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された非線形素子であって、
前記非線形素子は、
前記第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、前記非線形素子は、ハイ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力し、前記光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、前記非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、
この結果、前記光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備しており、前記非線形素子は、非線形材料から構成された光ファイバ内に形成された離隔したブラッグ格子によって形成されている、非線形素子、
を有するすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項７】
個々の光学入力信号を受信する少なくとも１つの光学入力媒体であって、前記光学入力媒体は、前記個々の光学入力信号を前記非線形素子に提供するべく光学的に結合されている、少なくとも１つの光学入力媒体を更に有する請求項６記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項８】
前記光学入力媒体は、光ファイバである請求項７記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項９】
前記非線形素子から前記出力信号を受信する少なくとも１つの光学出力媒体であって、前記光学出力媒体は、前記光学出力信号を受信及び出力するべく光学的に結合されている、少なくとも１つの光学出力媒体を更に有する請求項６記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項１０】
前記光学出力媒体は、光ファイバを有する請求項９記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項１１】
光学共振器を有しており、且つ、バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された非線形素子であって、
前記非線形素子は、
前記第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、前記非線形素子は、ハイ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力し、前記光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、前記非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、従って、前記光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備しており、前記非線形素子は、第１及び第２の離隔して対向するミラーと、前記ミラーの間に配置された非線形材料と、を有しており、前記離隔したミラーは、前記光学出力信号を生成するべく前記非線形材料による非線形弁別のために前記光学入力信号をトラップしている、非線形素子、
を有するすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項１２】
個々の光学入力信号を受信して前記非線形素子に導波するべく光学的に結合された少なくとも１つの光学入力媒体を更に有する請求項１１記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項１３】
前記非線形素子によって生成された前記光学出力信号を受信及び出力するべく光学的に結合された少なくとも１つの光学出力媒体を更に有する請求項１１記載のすべて光学的なＡＮＤゲート。
【請求項１４】
バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された第１非線形素子を有するＡＮＤゲートであって、
前記第１非線形素子は、
前記第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、前記第１非線形素子は、ハイ論理レベルを有する第１光学出力信号として光を出力し、前記第１及び第２光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、前記非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記第１光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記第１及び第２光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、
この結果、前記光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備している、ＡＮＤゲートと、
第３光学入力信号として前記第１非線形素子から前記第１光学出力信号を受信するべく構成された第２非線形素子を有するＮＯＴゲートであって、
前記第２非線形素子は、一定の連続波（ＣＷ）光を具備した第４光学入力信号を受信しており、
前記第２非線形素子は、
前記第３光学入力信号がロウ論理レベルを具備している場合に、前記第２非線形素子は、ハイ論理レベルを有する第２光学出力信号として前記ＣＷ光を出力し、前記第３光学出力信号がハイ論理レベルを具備している場合には、前記第２非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、
この結果、前記第２光学出力信号は、前記ＣＷ光の振幅によって実質的に決定される前記ハイ論理レベルの振幅によって振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備している、ＮＯＴゲートと、
を有するすべての光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項１５】
前記第１及び第２非線形素子の少なくとも１つのものは、フォトニック結晶内に実装されている請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項１６】
前記第１及び第２非線形素子の少なくとも１つのものは、基板上に形成されたリングとして実装されている請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項１７】
前記非線形素子は、非線形材料から構成された光ファイバ内に形成された離隔したブラッグ格子によって形成されている請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項１８】
前記非線形素子の少なくとも１つのものは、
第１及び第２の離隔して対向するミラーと、
前記ミラーの間に配置された非線形材料と、
を有する請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項１９】
前記第１及び第２光学入力信号の個々のものを受信して前記非線形素子に導波するべく光学的に結合された少なくとも１つの光学入力媒体を更に有する請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【請求項２０】
前記第２非線形素子によって生成された前記第２光学出力信号を受信及び出力するべく光学的に結合された少なくとも１つの光学出力媒体を更に有する請求項１４記載のすべて光学的なＮＡＮＤゲート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、すべて光学的な論理ゲートとして機能する光学装置に関するものである。更に詳しくは、デジタル光学信号を合成し、その共振周波数がチューニングされている光学共振器又は空洞スイッチなどの非線形素子に供給することにより、所望の論理出力信号を生成している。
【背景技術】
【０００２】
電子装置においては、トランジスタから構成された論理ゲートは、基本素子であるデジタル回路を有している。電圧に基づいた入力をゲートにおいて受信しており、この結果、所望の論理関数に対応した電圧に基づいた出力信号を得ている。
【０００３】
近年、電子的な論理ゲートに類似した方式において動作する光学装置の開発が関心を集めるようになっている。この関心の理由は、光学信号の場合には、論理状態間におけるスイッチングを低速化する容量の影響を受けないため、集積回路内において潜在的に電気信号よりも高速に伝播可能であるという点にある。更に高速のスイッチングに対する需要が絶え間なく増大し、且つ、電子工学における大きな技術的進歩が存在しないとすれば、将来的には、デジタル光学装置の使用が、不可欠でない場合にも、益々望ましくなるものと予想される。
【０００４】
しかしながら、光学装置を使用した集積論理回路の形成は、固有の課題を有している。光は、その特性により、伝播するが、保存することはできない。必要な期間にわたって論理レベルを安定的に表現する能力が課題となる。従って、光学信号を使用して論理状態を安定的に表現するべく使用可能である光学論理ゲートを提供することが望ましいであろう。
【０００５】
更には、光パルスの振幅又は強度がデジタル論理状態を表す振幅変調された光学信号を主に使用する光学コンポーネントを使用している確立された産業も存在している。又、データを光学的に保存及び処理可能である解決策は、理想的には、既存の光通信インフラストラクチャと互換性を有する必要もあろう。
【０００６】
いくつかの光学変調方式においては、２つを上回る数の振幅レベルによってデータを表現している。このような方法に伴う問題点は、論理演算の実行の基礎をなしている光学信号の振幅に対する非常に厳格な制御が必要であるという点にある。例えば、ＡＮＤゲートにおいて、２つのパルスが、この例においては「１」の振幅によって表されているハイ（ＨｉＧＨ）又は「１」論理レベルである場合には、出力は、これら２つのレベルの線形和、即ち、「２」である振幅を具備することになる。次いで、「２」が、次の段の論理ゲートに伝達されることになるが、この論理ゲートは、「２」がＨｉｇｈ論理レベルを表しており、「１」又は「０」がロウ（Ｌｏｗ）論理レベルを表していると見なすように構成されていなければならない。従って、論理ゲートがカスケード接続されるのに伴って、複数のＨｉｇｈレベルの加算という問題が、更に複雑化し、複合的なものとなる。従って、この問題を回避する光学回路を提供することが望ましいであろう。
【０００７】
信号が光学装置を通じて伝播するのに伴って、オプティクスのカスケード接続を通常妨げる伝播損失が大きな問題となる。更には、高密度に集積された基板内における光学信号に対する利得の提供が、現在、解決を要する技術的及び実際的な障壁となっている。デジタル光学信号の回復を別の方式によって管理することができれば、いくつかの光学論理ゲートのカスケード接続が可能となろう。
【０００８】
通常は、非線形光学空洞を使用することにより、すべて光学的なスイッチングを実行している。この「非線形」という用語は、具体的には、その屈折率が共振器の内部における強度又はパワーに依存している１つ又は複数の材料から構成された共振器を意味している。入射パワーは、入力信号の組み合わせに依存しており、これにより、共振器内部の屈折率が決定されている。共振器の共振周波数は、次式のように、その屈折率に依存している。
【０００９】
ｆ＝ｑｃ／２ｎＬ
【００１０】
ここで、ｆは、共振器の共振周波数であり、ｃは、光の速度であり、Ｌは、共振器の長さであり、ｑは、任意の正の整数であり、ｎは、屈折率である。共振器の無負荷状態の屈折率及び長さを入力キャリア周波数とはわずかに異なる共振周波数に調節することにより、十分なパワーの光のみが、到来キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）周波数と等しくなるように共振器の共振周波数をシフトさせるのに十分なだけ、共振器の屈折率を増減させることができるようにすることができる。入力光が共振器内において共振すると、それらの光子は、格段に大きな共振器寿命を具備することになり、この結果、入力の相対的に大きな割合が出力として共振器を透過する。入力パワーの設計値に基づいて不透明状態から透明状態に容易にスイッチングする共振器のこの能力が、非線形空洞が、すべて光学的なスイッチの最も一般的な形態であることの理由である。
【発明の概要】
【００１１】
十分なパワーにより、透過するべく非線形共振器をスイッチング可能であるが、更に大きな値の入力パワーは、もはやキャリア周波数にマッチングしなくなる時点まで共振器の共振周波数を更にシフトさせ、この結果、出力がオフにスイッチングされることになる。従来のデジタル設計においては、閾値に到達した後に、入力レベルとは無関係に、一定の出力レベルを必要としているため、この動作は、常に望ましくないものと考えられてきた。研究及び産業界における現在の考え方及び最新技術は、すべて光学的な論理の実装が現在のものよりも格段に好ましいものになるように、この動作を設計者の利点として使用可能であるということを認識していない。
【００１２】
又、非線形共振器は、その無負荷状態の共振器周波数を入力キャリア周波数と同一にすることにより、前述のデチューニング（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）された共振器とは逆のものとして機能することも可能である。この結果、相対的に小さなパワーを有する入力が透過する一方で、相対的に大きなパワーの入力によって共振器が共振状態から外れるようにシフトされ、出力がオフにスイッチングされる。前述のその他の機能との関連において適切に利用された場合に、この非線形共振器の逆転機能が有用であることは、これまで認識されていない。
【００１３】
その様々な実施例において開示されている装置のそれぞれは、前述の問題点の中の１つ又は複数のものを克服しており、且つ、以下に記述されている更なる利点を実現している。
【００１４】
本発明による論理ゲートは、１つ又は複数のデジタルの振幅変調された光学入力信号を受信している。いくつかの実施例においては、光学入力信号の中の１つのものは、例えば、レーザー源からの連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：ＣＷ）光である。論理ゲートは、光学入力信号又はこれらの合成から結果的に得られる合成信号を受信する非線形素子を有しており、且つ、論理レベルを非線形的に弁別することにより、バイナリ論理レベルを具備した光学出力信号を生成している。非線形素子は、特定の論理演算を実行するべく光学入力信号のキャリア周波数との関係においてチューニング（ｔｕｎｉｎｇ）されるように構成された光学共振器又は空洞を有することができる。いくつかの実施例においては、論理ゲートは、光学入力信号を受信及び合成して合成信号を生成する合成媒体を有しており、この合成媒体は、論理レベルの弁別のために非線形素子に対して出力している。その他の実施例においては、光学入力信号は、非線形素子に対して供給されており、この非線形素子が、その論理レベルを効率的に合成及び弁別している。実施例の中のいくつかのものにおいては、１つ又は複数の導波路を使用して光学入力信号を合成媒体又は非線形素子に対して導波している。いくつかの実施例においては、１つ又は複数の導波路を使用することにより、非線形素子から光学出力信号を受信し、且つ、これを論理ゲートの出力としてダウンストリーム（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）要素に供給可能である。論理ゲートを直列構成において１つに光学的に結合することにより、実質的にあらゆる論理関数を実行する能力を有する光学回路を形成可能である。個々の又は合成された論理ゲートは、ＡＮＤ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＯＲ、ＸＯＲ、及びＸＮＯＲ論理演算を実行する能力を有している。
【００１５】
非線形素子は、光学入力信号の論理レベルに対して応答するスイッチとして機能しており、非線形素子が入力キャリア周波数に対してチューニング及びデチューニングされている方法に応じて、その出力を、オフからオンに、又はオンからオフにスイッチングしている。更には、デチューニングの量を変更することにより、スイッチングに必要な入力パワーの量を変更可能である。入力の数を適切に構成し、且つ、それぞれの非線形素子の無負荷状態及び有負荷状態における共振周波数をカスタマイズすることにより、電子回路を使用することなしに、選択された論理関数を競争力のあるスイッチング速度において実装可能である。更には、非線形素子に対する光学入力信号の１つとして連続光が結合されている場合には、光学回路のそれぞれの段における光学強度（即ち、論理レベル）の回復（ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）も可能である。連続光を使用して非線形素子を最大透過率に維持すれば、追加のデータパルスにより、非線形素子が共振状態から外れるようにシフトすることになり、この結果、すべて光学的な論理の逆転を得ることができる。すべてが光学的な強度回復型（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−ｒｅｓｔｏｒａｔｉｖｅ）の論理ゲートが可能であるため、安定したすべて光学的なメモリが本発明の別の可能な実施例である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】入力光の周波数との関係においてデチューニングされたその共振周波数における共振状態に非線形素子を駆動するのに非線形素子に対する光入力の強度が不十分である場合の（例えば、光共振器などの）非線形素子の透過率対非線形素子に対する光入力の周波数のグラフである。
【図２】入力光が十分に強力である際の共振及び光透過における非線形素子のシフトを示す非線形素子の透過率対非線形素子に対する光入力の周波数のグラフである。
【図３】すべて光学的なインバータ（ＮＯＴゲート）の平面図であり、これは、１つの光学入力信号としての連続波（ＣＷ）光、第２光学入力信号としてのゼロであるデータ入力、及び共振又は透過モードにある（例えば、光学共振器などの）非線形素子を内蔵している。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図４】すべて光学的なインバータ（ＮＯＴゲート）の平面図であり、これは、１つの光学入力信号としての連続波（ＣＷ）光、第２光学入力信号としてのＯＮである（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルである）データ入力、及び非共振又は不透明モードにおける非線形素子を内蔵している。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図５】すべてが光学的なＡＮＤゲートの平面図であり、これは、ゼロ振幅である（即ち、Ｌｏｗ振幅又は論理レベルである）データを有する２つの光学入力信号及び非共振又は不透明モードにある非線形素子を含んでいる。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図６】すべて光学的なＡＮＤゲートの平面図であり、これは、ＯＮである（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを有するデータを具備している）２つの光学入力信号及び共振又は透過モードにおける非線形素子を含んでいる。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図７】両方とも１のビットである（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルである）データを具備した光学入力信号を受信し、ゼロのビットを具備した（即ち、Ｌｏｗ振幅又は論理レベルである）データを有する光学出力信号を出力するすべて光学的なＮＡＮＤゲートの平面図である。
【図８】すべて光学的なＮＯＲゲートの平面図であり、これは、１つの光学入力信号としての連続波（ＣＷ）光、そのいずれか又は両方がオンである（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルである）個々のデータを具備した２つの追加光学入力信号、及び非共振又は不透明モードにおける非線形素子を含んでいる。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図９】論理レベルの回復を有するすべて光学的なＯＲゲートの平面図であり、これは、データを具備した２つの光学入力信号を受信しており、且つ、回復された論理レベルを有する光学出力信号を生成する直列構成の２つのインバータを具備している。
【図１０】すべて光学的なＸＯＲゲートの平面図であり、これは、個々のデータを具備した２つの光学入力信号を受信しており、且つ、図５の半分だけデチューニングされた非線形素子を有している。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図１１】すべて光学的なＸＮＯＲゲートの平面図であり、これは、個々のデータを具備した２つの光学入力信号を受信しており、且つ、図５の半分だけデチューニングされた非線形素子を有しており、これに図３及び図４に示されているインバータが後続している。非線形素子の上部には、素子の透過率対周波数のグラフが示されており、縦のラインは、光のキャリア周波数を表している。
【図１２】光学入力信号としての２つの連続波（ＣＷ）光入力、「セット」及び「リセット」という個々のデータ入力を具備した２つの追加光学入力信号、４つの非線形要素、及びＱ及びＱバーという２つの光学出力信号を具備したすべて光学的なＮＡＮＤラッチの平面図である。
【図１３】ブリッジ構造によって支持されたフォトニック結晶を含む光学論理ゲートの斜視図である。
【図１４】図１３のフォトニック論理ゲートの一部分の詳細図であり、光ファイバコアから論理ゲート内に伝播する光のモードプロファイルに整合するべくテーパー化されたフォトニック論理ゲートに対する入力の構造を示している。
【図１５】図１３のフォトニック論理ゲートの平面図である。
【図１６】図１３のフォトニック論理ゲートの切り取り斜視図である。
【図１７】光学入力信号を合成する合成媒体と、リングとして実装された非線形素子を有するすべて光学的な論理ゲートの一実施例の平面図である。
【図１８】別個の合成媒体を有していないリングを使用するすべて光学的な論理ゲートの平面図である。
【図１９】光ファイバを使用して実装されたすべて光学的な論理ゲートの平面図である。
【図２０】空洞内に配置された非線形材料を有する共振器空洞を定義するミラーによって実装されたすべて光学的な論理ゲートの平面図である。
【図２１】本発明による一般化されたすべて光学的な論理ゲートのブロックダイアグラムである。
【図２２】バイナリ論理レベルを具備した１つ又は複数の光学入力信号を受信するべく構成されており、且つ、バイナリ論理レベルを具備した１つ又は複数の光学出力信号を生成するべく１つ又は複数の非線形素子を具備した１つ又は複数の光学論理ゲートを含む光学回路の一般化された製造方法のフローチャートである。
【図２３】１つ又は複数のバイナリ論理レベルを有する１つ又は複数の光学入力信号に基づいて、振幅に基づいた非線形弁別を使用して１つ又は複数のバイナリ論理レベルを具備した１つ又は複数の光学出力信号を生成する論理ゲートの動作方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
従って、本発明の概略的な説明を以上において終了し、以下においては、添付の図面を参照することとするが、これらの添付図面は、その縮尺が必ずしも正確に描画されてはいない。
【００１８】
以下、本発明のいくつかの、但し、そのすべてではない、実施例を示している添付の図面を参照し、本発明について更に詳しく説明する。実際に、これらの発明は、多くの異なる形態において実施可能であって、本明細書に記述されている実施例に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施例は、適用される法的要件を本開示が満足することになるように、提供されているものである。添付の図面においては、類似の参照符号により、類似の要素を表している。
【００１９】
（定義）
「ダウンストリーム」とは、基準点との関係においてもっと先である光学伝送経路に沿った位置又は要素を意味している。又、これは、基準点から離れる方向における光学回路内における光の伝播方向を意味するべく使用することも可能である。
【００２０】
「オフ」又は［ロウ（Ｌｏｗ）」又は「０」は、相対的に低い振幅又は論理レベルを具備した光学信号を意味している。
【００２１】
「オン」又は「ハイ（Ｈｉｇｈ）」又は「１」は、高い振幅又は論理レベルを具備した光学信号を意味している。
【００２２】
「又は（ｏｒ）」は、文脈によってそうではないと示されていない限り、この用語に先行又は後続する事物の任意の１つ、いくつか、又はすべてを意味するべく、その包括的な意味において使用されている。従って、「Ａ又はＢ」は、その意味において、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、並びに、「Ａ」及び「Ｂ」の両方を含んでいる。
【００２３】
「複数形表現（（ｓ）又は（ｉｅｓ））」は、綴り「ｓ」の直前の用語によって意味されている事物の１つ又は複数のものを意味している。従って、「ｓｉｇｎａｌ（ｓ）」は、「１つ又は複数の信号」を意味している。
【００２４】
「チューニング」は、一般に、その共振周波数が１つ又は複数の光学入力信号の周波数との関係において設定されるように、非線形素子を構成することを意味している。又、本明細書において具体的に言及されている場合には、「チューニング」は、その共振周波数が光学入力信号の（例えば、キャリア周波数などの）周波数に対してチューニングされるように、非線形素子を構成することをも意味可能である。「デチューニング」は、一般に、その共振周波数が光学入力信号の周波数とは異なる周波数に設定されるように、非線形素子を構成することを意味している。
【００２５】
「光学共振器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）」又は「光学空洞（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ）」は、有限の期間にわたって光をトラップ（ｔｒａｐ）した後に、その光を透過、反射、又は消光する構造物として定義されている。フォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ）内の共振器は、光が存在可能な１つ又は複数の経路を配置し、且つ、光を経路に閉じ込める周期的な構造物によってこれらの経路を取り囲むことにより、生成される。二次元フォトニック結晶の場合には、周期的な構造物は、フォトニック結晶を有する媒体内に定義された空気孔及び／又は半導体柱であり、経路は、通常、媒体内の孔や柱などの構造物の欠如によって定義されている。又、共振器は、半導体材料又は光ファイバから製造されたリング様の導波路を有することも可能である。リングは、入力及び出力ポートに結合されている。或いは、この代わりに、共振器は、交互に変化する誘電材料、異なる屈折率を有する交互に変化する材料、内部全反射用の低屈折率によって終端された表面、又は金属表面のいずれかである反射性表面によって取り囲まれた媒体を有することも可能である。又、共振器は、光を選択的にトラップできるように、その反射順序（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｏｒｄｅｒｓ）がアライメントされた重畳された格子（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇ）を有することも可能である。又、共振器は、（例えば、ソリトンや電圧誘発プロファイルなどの）光を保持する電磁的に誘発された屈折率プロファイルを含む非線形材料を有することも可能である。
【００２６】
「基板」は、その上部に論理ゲートが形成される被加工物又は開始材料である。基板は、半導体又はマイクロリソグラフィ産業において使用されているものなどのウエハであってよい。例えば、基板は、半導体又はＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を含む１つ又は複数の物質から構成可能である。可能な材料は、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム（Ｇａ）、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及びその他のものを含んでいる。
【００２７】
「アップストリーム」とは、基準点との関係において光学ゲート又は回路内において光の発生源に向かう位置における位置又は要素を意味している。又、これは、光の発生源に向かう方向を意味することも可能である。
【００２８】
「導波路」とは、光を閉じ込め、且つ、導波することができる媒体の任意の構造又は組み合わせを意味している。例えば、導波路は、コアのものよりも高い屈折率（ＲＩ）を有すると共に特定の波長の光をコア内に閉じ込める効果を具備したクラッディングによってコアが取り囲まれた光ファイバであってよい。又、導波路は、フォトニック結晶内に形成することも可能であり、この場合には、光は、フォトニック結晶内の構造物が定義されているエリアとは対照的に、フォトニック結晶内に定義された経路内において容易に伝播する。
【００２９】
（すべて光学的な論理ゲート用の非線形素子）
図１は、非線形素子における入力光の強度の割合としての透過率対入力光の周波数のグラフを示しており、この場合には、非線形要素は、光学共振器として実装されている。入力光は、１９２．９ＴＨｚの周波数１（即ち、１．５５マイクロメートルの波長）を具備している。非線形素子は、１９３ＴＨｚの共振周波数２を具備しており、従って、これは、入力光の周波数１からデチューニングされている。図１においては、入力光のパワーは、光学空洞を共振状態にシフトさせるには不十分なものになっている。従って、空洞を透過するキャリア周波数における光の割合は、相対的に低く、図１に示されている状況においては、略ゼロである。
【００３０】
図２は、光学共振器として実装された非線形素子を通じた透過率のグラフを非線形素子に対する光入力の強度の割合として示している。図２に示されている状況においては、入力光のパワーは、非線形素子が共振状態にシフトするべく十分に大きなものになっている。換言すれば、光が非線形素子内において共振すると共に略百パーセントである相対的に大きな量の入力光を出力するように、光学パワーは、十分に大きく、且つ、周波数において近接している。後程明らかになるように、この非線形素子の選択的な共振特性は、後述する論理ゲートにおいて優れた利点として使用可能である。
【００３１】
（非線形素子を使用するすべて光学的な論理ゲート）
図３は、別個の導波路であってよい２つの別個の入力媒体３及び４を有するすべて光学的な論理インバータ（ＮＯＴゲート）１０である。入力媒体３及び４は、合成媒体５にアライメント又はマージ（ｍｅｒｇｅ）しており、この合成媒体５は、例えば、単一の導波路又はフォトニック結晶であってよい。合成媒体５は、個々の入力媒体３、４上の光学入力信号Ａ、Ｂを光学共振器などの非線形素子６に対して伝達するべく構成されている。この実施例における光学入力信号Ａは、第１光学入力媒体３に伝達された一定のパワーを具備した連続波（ＣＷ）光であり、光学入力信号Ｂは、第２光学入力媒体４に伝達された振幅変調された（例えば、データストリームなどの）光データである。非線形素子６は、連続波光のみが非線形素子に進入した場合に、非線形素子が自身の共振周波数２がＣＷ光の周波数１とアライメントする共振状態にシフトすると共に光学出力媒体７上に光学出力信号として光を出力するように、正確にデチューニングされている。
【００３２】
図４においては、（例えば、ＣＷ光などの）第１光学入力信号Ａは、（例えば、パルス又はデジタルビットなどの）第２光学入力信号Ｂと実質的に同一の周波数を有している。第１及び第２光学入力信号Ａ，Ｂは合成媒体５内において合成されて非線形素子６に進入している。非線形素子６に入射した光学パワーは、光学入力信号ＡのＣＷ光と振幅変調された光学入力信号Ｂの間の位相差に応じた肯定的又は否定的な干渉を通じて十分に増大又は減少することにより、非線形素子を共振状態から外れるようにシフトさせ、これにより、導波路７上の出力が「オフ」又はＬｏｗ振幅又は論理レベルにスイッチングされる。図３及び図４の装置は、第２入力媒体４上において受信した振幅変調された光学入力データの論理レベル（即ち、振幅レベル）の逆転したものを出力しているため、これは、事実上、光学論理インバータである。インバータ１０の光パワー出力は、媒体４上の振幅変調された光学入力信号Ｂの潜在的に減少したデータによってではなく、入力媒体３上のＣＷ光のパワーによってのみ決定されているため、図３及び図４の論理インバータは、電圧源に関連付けられた電子的なインバータ又はトランジスタが論理レベルの回復を実行する方法に類似した方式により、すべて光学的な論理レベルの回復を実行している。
【００３３】
図５は、例えば、フォトニック結晶内に定義された単一導波路又は経路であってよい合成媒体２５にアライメント又はマージされた導波路であってよい２つの別個の光学入力媒体２３及び２４を有するすべて光学的なＡＮＤゲート装置２０である。合成媒体２５は、非線形素子２６にアライメント又は光学的に結合されるように構成されている。それぞれ個々のデータによって変調された振幅変調光学入力信号Ａ、Ｂが個々の光学入力媒体２３及び２４に伝達されており、非線形素子２６に進入する前に、合成媒体２５内において合成されている。図５に示されているように、光学入力信号Ａ、Ｂのいずれか又は両方がＬｏｗ又は「オフ」論理レベルを具備している場合には、非線形素子２６は、Ｌｏｗ又は「オフ」論理レベルを具備するように、光学出力信号を生成する。非線形素子２６は、図６に示されているように、両方の入力が同時に「オン」である際にのみ、光学出力媒体２７上における非線形素子２６の出力が「オン」にスイッチングするように、光学入力信号Ａ、Ｂのキャリア周波数２１から離れるように十分にデチューニングされている。この動作は、すべて光学的なＡＮＤゲートに対応している。媒体２７上の光パワー出力は、その入力のいずれかのもののパワーの二倍を伝送しており、即ち、この光学出力信号は、光学入力信号Ａ、Ｂの論理レベルの加算である論理レベルを具備している。この強化された出力パワーは、具体的には、任意の後続の装置が論理「１」ビット（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベル）の一般的な強度を受信するように設計されている場合には、有害である可能性があろう。この実施例においては、この問題のために、２つの解決策が存在しており、これらは、後続の受信非線形素子を更にデチューニングすることによってＡＮＤゲートからの２倍のパワー用に後続の論理ゲートを設計するか、或いは、適切な出力パワーレベルを回復するべく、単一レベルフォロア（ｆｏｌｌｏｗｅｒ）（光学入力信号Ａ、Ｂの中の１つのものにおいてＣＷ光を、そして、光学入力信号Ａ、Ｂの中のもう１つのものにおいて振幅変調されたデータを受信する図５及び図６のＡＮＤゲートであって、両方の入力がＨｉｇｈであり、且つ、２つの信号が否定的に干渉する場合にのみ、半分のパワーのみを出力するが、いずれかがＬｏｗである場合には、パワーを出力しないように、共振周波数が十分にデチューニングされているもの）又は２つのインバータをＡＮＤゲートの後に直列構成において配置するというものである。
【００３４】
本発明の一実施例においては、図５及び図６のＡＮＤゲート２０に続いて図３及び図４のゲート１０などのインバータを配置することにより、図７に示されているすべて光学的なＮＡＮＤゲート３０を結果的に得ている。更に詳しくは、図５及び図６のゲート２０の出力媒体２７を図３及び図４のゲート１０の入力媒体４にアライメント又は光学的に結合すると、光学出力信号のデータが入力媒体２３、２４上の光学入力信号Ａ、Ｂとの関係においてＮＡＮＤブール論理を実現するすべて光学的なＮＡＮＤゲート３０が生成される。従って、光学入力信号Ａ、Ｂの両方がＬｏｗ論理レベルを具備している場合には、ＮＡＮＤゲート３０によって結果的に生成される光学出力信号は、「Ｈｉｇｈ」論理レベルを具備しており、光学入力信号Ａ及びＢのいずれか又は両方が「Ｌｏｗ」論理レベルを具備している場合には、ＮＡＮＤゲート３０によって結果的に生成される光学出力信号は、「Ｈｉｇｈ」論理レベルを具備している。更に詳しくは、光学入力信号Ａ、Ｂの両方がＨｉｇｈ論理レベルにある場合にのみ、媒体２７、４上の光学信号の振幅が、光学入力信号Ｃ（ＣＷ光）との組み合わせにおいて、非線形素子６の共振周波数２を光学入力信号Ａ、Ｂ、Ｃのキャリア周波数１から離れるようにシフトさせるのに十分な振幅を具備し、この結果、媒体７上の光学出力信号がＬｏｗ論理レベルを具備することになるように、非線形素子６は、光学入力信号Ａ、Ｂのキャリア周波数１との関係においてチューニングされている。そして、光学入力信号Ａ、Ｂのいずれか又は両方がＬｏｗ論理レベルを具備している場合には、媒体２７、４上の光学信号は、媒体７上の光学出力信号が、この状況において「Ｈｉｇｈ」論理レベルを具備するように、光学入力信号Ｃとの組み合わせにおいて、非線形素子６を共振状態から外れるようにシフトさせるのに不十分なパワーを具備している。
【００３５】
図８は、ＯＲゲート４０との組み合わせにおいて光学インバータ１０を有するすべて光学的なＮＯＲゲート５０である。ＯＲゲート４０は、（例えば、単一の光学導波路又はフォトニック結晶の領域などの）合成媒体４３にアライメント又はマージしている（例えば、光学導波路又はフォトニック結晶を通じた経路などの）２つの別個の入力４１及び４２を有している。媒体４１、４２上の光学入力データ信号Ａ、Ｂのいずれか又は両方の振幅がＨｉｇｈである場合には（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを具備している場合には）、媒体４３上の光学出力信号上のデータは、Ｈｉｇｈである（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルである）。逆に、媒体４１、４２上の両方の光学入力データ信号がＬｏｗ論理レベルである場合には（即ち、Ｌｏｗ振幅又は論理レベルである場合には）、媒体４３上の光学出力データ信号も、同様にＬｏｗ論理レベルである（即ち、Ｌｏｗ振幅又は論理レベルである）。合成媒体４３は、図３及び図４を参照して前述した装置に類似した方式によって構築並びに機能可能であるインバータ１０の入力媒体４にアライメント又は光学的に接続されている。この装置に対する入力媒体３、４上の光学入力信号Ａ、Ｂのいずれか又は両方が十分なパワーを含んでいる場合には（即ち、対応するＨｉｇｈ振幅レベルを有する「Ｈｉｇｈ」又は「１」論理レベルにある場合には）、インバータの出力媒体７上の光学出力信号は、オフにスイッチングすることになる（即ち、Ｌｏｗ振幅又は論理レベルを具備することになる）。さもなければ、インバータ１０によって生成される光学出力信号は、「オン」に留まることになる（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを具備することになる）。このゲート５０は、インバータ１０によって終端しているため、これも、論理レベルを回復するのに十分なパワーを具備するインバータ１０に入力された媒体３上の一定の連続波（ＣＷ）光を具備した光学入力信号Ｃを受信することにより、低下した論理レベルを回復している。
【００３６】
図９に示されている本発明の一実施例においては、すべて光学的なＯＲゲート５５は、図３及び図４に示されている第１及び第２インバータ１０、１０’に光学的にアライメント又は結合された図８のＯＲゲート４０を有している。図８のゲート４０は、この光学論理ゲートと同一の論理関数を実現しているが、図９の実施例は、単純な受動的導波路によっては実現されない論理レベルの回復を実現している。
【００３７】
図１０は、単一の合成媒体５５にマージしている２つの別個の入力媒体５３及び５４を有するすべて光学的なＸＯＲゲート６０である。合成媒体５５は、非線形共振器５６に光学的にアライメント又は接続している。非線形共振器５６は、単一の光学入力信号５３、５４がオンである際にのみ（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを具備している場合にのみ）、媒体５７上の光学入力信号がオンにスイッチングするように（Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを具備するように）、図５及び図６の光学ＡＮＤゲート２０の場合の半分だけ、光学入力データ信号のキャリア周波数５１からその共振周波数５２においてデチューニングされている。両方の光学入力信号Ａ、Ｂがオンである場合には（即ち、Ｈｉｇｈ振幅又は論理レベルを具備している場合には）、非線形素子の共振周波数５２が、光学出力媒体５７に対する光の透過を許容するには、入力キャリア周波数５１との関係において過剰に遠くにシフトし、この結果、非線形素子５６は、光学出力信号がＬｏｗ論理レベルを具備するように、媒体５７上の光をターンオフすることになる。光学入力信号Ａ、Ｂが、いずれもオンではない場合には、非線形素子５６は、光学出力信号がＬｏｗ論理レベルを具備するように、有意な光を出力しない。このゲート６０は、単一の光学入力信号Ａ、Ｂがオンである場合に、Ｈｉｇｈ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力しているため、その動作を補償するための論理レベルの回復が不要である。
【００３８】
本発明の一実施例においては、図１１に示されているすべて光学的なＸＮＯＲゲート６５は、インバータ１０（図３及び図４）が後続しているＸＯＲゲート５０（図１０）を有している。この実施例においては、光学入力信号Ａ、Ｂの両方がＨｉｇｈ論理レベルを具備している場合に、ＸＯＲゲート５０によって生成される光学出力信号は、Ｌｏｗ論理レベルを具備している。ＸＯＲゲート５０は、Ｌｏｗ論理レベルを有する光学出力信号を媒体５７上に出力し、これが、１つの光学入力信号として媒体４上においてインバータゲート１０に入力されている。もう１つの光学入力信号Ｃは、光学入力媒体３上においてインバータゲート１０に入力されるＣＷ光である。これらの信号は、媒体５内において合成されており、この結果得られた合成信号は、光学入力信号のキャリア周波数との関係において非線形素子６の共振周波数２を共振状態から外れるようにシフトさせるのに不十分なパワーを具備している。従って、インバータゲート１０によって生成される光学出力レベルは、「Ｈｉｇｈ」論理レベルを具備している。光学入力信号Ａ、Ｂの両方がＬｏｗ論理レベルである場合には、非線形素子５６によって生成される光学出力信号は、「Ｌｏｗ」論理レベルを具備している。光学出力媒体５７上におけるＸＯＲゲート５０からの光学出力信号は、光学入力媒体４上においてインバータゲート１０に入力されるが、このレベルは、光学入力信号Ｃとの組み合わせにおいて、共振状態から外れるように非線形素子６を駆動するのに十分な振幅を有する合成信号を生成するには、不十分である。従って、インバータゲート１０によって生成される光学出力信号は、Ｈｉｇｈ論理レベルを具備している。光学入力信号Ａ、Ｂの両方ではなく、いずれかがＬｏｗ論理レベルを具備している場合には、非線形素子５６は、共振状態に駆動され、この結果、ＸＯＲゲート５０からの光学出力信号は、「Ｈｉｇｈ」論理レベルを具備している。この「Ｈｉｇｈ」論理レベルは、媒体５７上に出力され、媒体４を介してインバータゲート１０に対する光学入力信号の１つとして受信される。この光学入力信号は、媒体５内において、光学入力信号Ｃ（ＣＷ光）と合成され、この結果得られた合成信号の振幅は、合成信号のキャリア周波数１（光学入力信号と同一である）から離れるように非線形素子６の共振周波数２を駆動し、これにより、ＸＮＯＲ論理ゲートによって生成される光学出力信号を「Ｌｏｗ」論理レベルにスイッチングするのに十分である。従って、ゲート６５は、光学入力信号に対してＸＮＯＲ論理演算を実行し、その光学出力信号を生成している。
【００３９】
図１２は、別個のＮＡＮＤゲート３０、３０’（図７）に光学的に結合された２つの光学入力信号Ｒ及びＳを有するすべて光学的なメモリラッチ７０である。この場合に、両方のＮＡＮＤ３０及び３０’の光学出力信号Ｑ、Ｑバーは、もう１つのＮＡＮＤ３０、３０’の第２入力として個々の第２入力媒体２４、２４’に接続されている。媒体２４、２４’は、この実施例においては、交差点７３において交差しているが、光学クロストークフィルタ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｒｏｓｓ−ｔａｌｋ  ｆｉｌｔｅｒ）７４に起因し、クロストークは発生しない。この装置は、基本的な電子的ＮＡＮＤラッチが実行するように動作しており、この場合には、以下の論理表が実装されている。
【００４０】
【表１】
2014016636.tif 000003
【００４１】
従って、光学入力信号Ｓ及びＲに基づいて出力媒体７上の光学出力信号を所望の値に設定して保存可能であるため、論理制御されたすべて光学的なメモリが可能である。この装置の光学出力信号は、一定の連続波（ＣＷ）光を使用してインバータ１０、１０’によって効率的に生成されているため、その論理レベルは、すべてのスイッチングサイクルにおいて連続的に回復されている。従って、保存された信号は、無制限にリサイクル可能であり、この結果、電子的なメモリゲートにおいて既に存在しているすべて光学的なメモリ性能が実現されている。尚、この実施例に開示されているすべて光学的なラッチは、論理ゲートからメモリを生成する唯一の方式ではなく、本発明がすべて光学的なメモリとして機能可能である方法の唯一の例であると見なしてはならない。
【００４２】
ラッチ７０の動作を具体的に説明するべく、光学入力信号Ｓ、Ｒの両方がＬｏｗ論理レベルを具備している場合には、非線形素子２６、２６’は、非線形素子６、６’を共振状態から外れるように駆動するのに十分なパワーを有する光学入力信号を受信せず、この結果、光学出力信号Ｑ、Ｑバーの両方は、媒体３、３’上のＣＷ光の個々の光学入力信号の入力に起因してＨｉｇｈ論理レベルを具備することになる。同一の論理レベルを具備した光学出力信号Ｑ、Ｑバーの両方は、ラッチ７０の無効な論理レベルと見なされる。光学入力信号Ｓ、ＲがＬｏｗ及びＨｉｇｈ論理レベルをそれぞれ具備している場合には、光学入力信号ＲのＨｉｇｈ論理レベルにより、ＮＡＮＤゲート３０’の光学出力信号Ｑバーが強制的にＬｏｗ論理レベルになり、これがＮＡＮＤゲート３０にフィードバックされることにより、非線形素子６が入力されたＣＷ光によって強制的に共振状態となり、この結果、非線形素子６が、光学出力信号ＱのＨｉｇｈ論理レベルを生成することになる。光学入力信号Ｓ、Ｒが、それぞれ、Ｈｉｇｈ及びＬｏｗ論理レベルを具備している場合には、光学入力信号ＳのＨｉｇｈレベルにより、ＮＡＮＤゲート３０によって生成される光学出力信号Ｑが強制的にＬｏｗ論理レベルになる。光学出力信号ＱがＮＡＮＤラッチ３０’に光学入力信号としてフィードバックされているという事実は、光学出力信号ＱがＨｉｇｈ論理レベルを具備することを保証している。最後に、光学入力信号Ｓ、Ｒの両方がＨｉｇｈ論理レベルを具備している場合には、ＮＡＮＤゲート３０、３０’は、いずれも、論理レベルをスイッチングすることにならず、光学出力信号Ｑ、Ｑバーの論理レベルは変化しない。
【００４３】
（すべて光学的な論理ゲートの模範的な製造方法）
本発明によるすべて光学的な論理ゲート及び回路の構造及び機能に関する説明を以上において終了し、以下、すべて光学的な論理ゲートの模範的な製造方法について説明することとする。
【００４４】
ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ基板８０を窒素ガスによって処理し、ゴミ及び破片を除去する。研磨装置及びパウダーを使用することにより、基板８０を研磨する。ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）ツールを使用することにより、５ｎｍ未満の表面粗度を有するシリコンの厚さが２００〜４００ｎｍのレイヤ（ｌａｙｅｒ）８１をシリコン基板８０上に成長させる。次いで、ウエハ８０を電子ビームリソグラフィーチャンバ内に配置する。近接効果を防止するべく、それぞれの最小特徴エリアに連続的に電子エッチングを適用する。外部ソフトウェアを使用することなしに、このようなそれぞれの「ピクセル」を選択的に手作業によって露出させる。装置の特徴をエッチングすることにより、２３１ｎｍの直径を有し、且つ、同一列内において４２０ｎｍだけ離隔した基板内に垂直に貫通する孔８２を定義し（図１３には、この中のいくつかのもののみに具体的にラベルが付与されている）、且つ、第１列との関係において、２４０ｎｍだけ左及び右にシフトして、例えば、三角形のフォトニック結晶格子を形成するように、隣接する列の孔をレイヤ８１内に定義する。レイヤ８１内に形成される装置内においては、光が伝播するべく意図されているところにのみ、孔をエッチングしない。このフォトニック結晶構造は、いくつかの理由から、論理ゲートの形成のために有利である。第１に、フォトニック結晶内にサブミクロンの経路を定義して光の伝播方向を迅速に変化させることにより、論理回路を定義する経路を通じて光学信号を導波可能である。又、フォトニック結晶空洞は、サブミクロン〜ミクロンのスケールにおいて、非常に高いＱファクタを具備可能であり、この結果、論理スイッチングを実行するための相対的に低いパワー要件が得るこができる。
【００４５】
光をトラップする場所のいずれかの面に孔を挿入することにより、非線形素子６を形成する。孔の直径を変化させるか、それぞれの面上の孔の間の距離を増減させるか、１つの又は両方の面上の孔の数を増減させるか、又はこれらの技法の組み合わせにより、非線形素子を入力キャリア周波数からチューニング又はデチューニング可能である。通常、孔の数及び両面の間の距離は、所望のスイッチングパワー、寿命、及び帯域幅に起因して固定された状態に留まることになる。従って、この特定の手順においては、最も内部及び最も外部の孔の直径は、共振器をチューニングして所望の１つ又は複数の波長において透過させるためにのみ、変更されている。
【００４６】
装置の下の絶縁体に対する側面アクセスを得るべく、外部光が進入する又は装置から出射する左又は右のエッジにおいて、基板を深くエッチングする。エリアの全体を露出させて１つ又は複数の光学論理ゲートを形成した後に、装置の真下の絶縁体が洗い流され、この結果、図１３及び図１５に示されているように、空気中に浮いた状態のメンブレインブリッジ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｂｒｉｄｇｅ）８３が得られる時点まで、ウエハをフッ化水素（ＨＦ）酸に浸漬する。ウエハ８０を洗浄した後に、エッジをクリービング（ｃｌｅａｖｉｎｇ）して光学チップ８４を生成する。
【００４７】
ファイバ導波路３ａ、４ａをクリービング及び研磨し、屈折率整合接着剤３ｂ、４ｂをファイバの端部に塗布した後に、これらを突起３ｃ、４ｃに装着する。光学論理ゲート装置１０の導波路の端部との関係において定位置に保持されるように、接着剤又はその他の機械的な留め具８６によってファイバをチップ８４内においてブリッジ８５に固定可能である。適宜、ファイバの反対側の端部を入力側においてＣＷレーザー源又はアップストリーム信号源に装着することにより、論理ゲート１０に光学入力信号Ａ、Ｂを供給可能である。次いで、個々のファイバ３ａ、４ａ、接着剤３ｂ、４ｂ、及び突起３ｃ、４ｃ、を介して光学入力信号Ａ、Ｂを装置１０に供給する。光学入力信号Ａ、Ｂは、個々の領域３ｄ、４ｄを通じて合成媒体５に更に伝播する。光学入力信号の合成の結果得られた光は、共振器６に伝播し、トラップされる。共振器６は、光学出力信号を領域７ｄに出力し、ここから、光学出力信号は、突起７ｃ、接着剤７ｂ、そして、最終的に光ファイバ７ａに伝播し、更には、ファイバ７ａの出力端部に伝播することになるが、このファイバ７ａは、後続の論理ゲートに対する入力として又はチップ８４の最終的な出力として終端可能である。前述の同一の方式により、又は当業者には既知の多数の技法及び装置を使用することにより、ファイバ７ａの出力端を（図示されてはいない）別の光ファイバ又は光学回路に接合可能である。
【００４８】
図１４に示されているように、光学入力及び出力媒体３、４、７を突合せ結合法を使用することにより、個々のファイバに結合可能である。この場合には、論理ゲート１０は、定義された孔が論理ゲート１０の入力側において光学入力信号の伝播方向に沿って更に細くなるように徐々にテーパー化３ｅ、４ｅして光学出力信号のモードプロファイル（ｍｏｄａｌ  ｐｒｏｆｉｌｅ）と整合するように、定義されている。出力媒体７においては、この構成が反転されており、基板８１内の孔によって定義されたテーパー７ｅは、ゲート１０の出力のモードプロファイルが出力媒体７ａ内のものと整合するように、装置１０からの光学出力信号の伝播方向に沿って徐々に増大又は広くなっている。外部源の内外において光を結合している導波路を緩やかにテーパー化させることにより、突合せ結合されたファイバのモードプロファイルと整合させている。
【００４９】
図１５及び図１６は、論理ゲート１０の光学共振器６を更に詳細に示している。共振器６のそれぞれの端部における最も外側の孔は、最も内側の孔よりも小さいことが明らかである。その他の孔を共振器６内に含む場合には、それらは、最も外側及び最も内側の孔の間に配置されることになり、且つ、共振器６の外側のフォトニック結晶内の別の場所において使用されている孔と同一のサイズを具備することになろう。
【００５０】
本発明の別の実施例は、図１７の論理ゲート装置９０である。この論理ゲート装置９０は、ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板９０上に形成されたフォトニック結晶の代わりに半導体「ワイヤ」を使用している。フォトニックワイヤ９３ｃ、９４ｃを前述と同一の装置を使用してエッチングし、次いで、これらを直接的に又はエバネッセントに、この場合にはサーキュレータ又は共振器である非線形素子９６として機能するリング又はループワイヤ導波路に接続している。非線形素子９６のリングの円周を定義することにより、非線形素子９６をチューニング又はデチューニングする。メンブレインブリッジを構築せず、且つ、装置９０が絶縁体基板９０上に留まっていることを除いて、以前の例と同様のすべてのその他の手順を踏襲している。動作の際には、光学入力信号Ａ、Ｂが個々の入力媒体９３、９４上を合成媒体９５に伝播する。更に詳しくは、光学導波路９３ａ、９４ａを接着剤９３ｂ、９４ｂを使用してワイヤ９３ｃ、９４ｃにアライメント及び光学的に結合している。この結果、個々の導波路９３ａ、９４ａ上の光学入力信号は、接着剤９３ｂ、９４ｂを通じて、媒体９５にマージしている光学ワイヤ９３ｃ、９４ｃに伝播し、媒体９５において合成されている。合成媒体９５は、光学入力信号を非線形素子９６にエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｓｅｎｔ）に結合している。非線形素子９６は、接着剤９７ｂを通じて出力媒体９７を形成している出力光学導波路９７ａに光学ワイヤ９７ｃをエバネッセントに結合することにより、媒体９３、９４上の光学入力信号の論理レベルに応じて光学出力信号を出力している。
【００５１】
図１８の論理ゲート１００の実施例は、図１８においては、光学入力信号を個々の媒体９３、９４を通じて非線形素子９６に直接的に結合することによって合成媒体９５を省略しており、このような両方の信号が互いに合成されて干渉し、光学出力信号を出力媒体９７上に生成している点を除いて、大部分に関して図１７のものに類似している。
【００５２】
図１９に示されている本発明の論理ゲート１１０の別の実施例は、光ファイバ１０３ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０７ａを有している。一般的なシングルモード光ファイバ１０３ａ、１０４ａを導波路として使用しており、次いで、これらを、非線形材料を構成しているファイバ１０６ａに接続している。非線形ファイバは、通常、シリカなどの弱いカー（Ｋｅｒｒ）材料から製造されている。次いで、ファイバ１０６ａの周期的なセクションに（例えば、ＣＯ２レーザーからの）強い光を適用することにより、非線形ファイバ内の離隔した位置にブラッグ格子１０６ｂ、１０６ｃを生成している。この結果得られた非線形素子１０６は、強い光に露出させる長さ及び配置を変化させることにより、又はファイバを曲げて共振器の形状を変化させることにより、チューニング可能である。
【００５３】
図２０は、非線形材料１１６ａ及びミラー１１６ｂ、１１６ｃから構成された非線形素子１１６を具備した光学論理ゲートの一実施例１１０を示している。光学論理ゲート１１０は、光学入力信号を非線形材料１１６ａに伝送するべく、この場合には光ファイバとして示されている媒体１１３、１１４と、非線形材料１１６ａによって生成された光学出力信号を出力するための出力媒体１１７をも有している。更に詳しくは、媒体１１３、１１４からの光学入力信号は、一方通行のミラー１１６ｂに伝播し、これを通過し、媒体１１５内において合成されることにより、合成信号を生成し、これが非線形材料１１６ａに進入している。媒体１１５は、空気又は非線形素子１１６の外部の又は内部の周辺環境であってよく、或いは、これは、単独の又は周辺環境との組み合わせにおける非線形材料１１６ａであってもよい。光学入力信号の周波数との関係における非線形素子１１６の共振周波数に応じて、合成信号は、非線形材料１１６ａによって消光されるか又は透過する。非線形材料１１６ａは、例えば、エステルに基づいた染料から構成可能である。非線形材料１１６ａを通過した合成信号は、一方通行のミラー１１６ｃを通過して、更に光学媒体１１７に伝播し、これを通じて光学論理ゲート１１０から出力されることになる。ミラー間の距離を変更することにより、又は共振器の形状を変更することにより、空洞をチューニング可能である。
【００５４】
図２１は、本発明による一般化されたすべて光学的な論理ゲート２００のブロックダイアグラムである。図２１においては、すべて光学的な論理ゲート２００は、フォトニック結晶によって形成された光学共振器又は光学空洞、非線形材料の光ファイバ内におけるブラッグ格子、サーキュレータ、分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ：ＤＦＢ）レーザー、又はその他の非線形装置の中の１つ又は複数のものを有する非線形素子２０６を有している。少なくともその１つが振幅変調されている光学入力信号Ａ、．．．、Ｂ（「．．．」という省略表現は、２つを上回る数の信号が存在可能であるという事実を表している）を非線形素子２０６に直接的に供給しており、この非線形素子は、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂを合成し、この結果得られた合成信号の１つ又は複数の論理レベルを弁別し、且つ、例えば、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂのキャリア周波数との関係においてその共振周波数を設定することによって非線形素子２０６が実行するように構成されている論理演算に従ってその出力にバイナリ論理レベルを生成するべく構成されている。或いは、この代わりに、図２１の破線によって示されているように、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂを、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂを合成する導波路又は経路などの合成媒体２０５に供給している。この結果得られた合成信号は、非線形素子２０６に伝播し、この非線形素子が、自身が実行するべく構成された論理演算に従って論理レベルを弁別し、且つ、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂの論理レベルに基づいた論理レベルを有する振幅変調された光学出力信号を出力している。光学入力媒体２０３を使用することにより、光学入力信号Ａ、．．．、Ｂを供給源又はアップストリーム論理ゲートから非線形素子２０６に、或いは、合成媒体２０５に供給し、これから、非線形素子２０６に、供給可能である。光学出力媒体２０７を使用することにより、光学出力信号を光学回路内の次の論理ゲートに、又は別のダウンストリーム要素に出力可能である。
【００５５】
図２２において、１つ又は複数の光学論理ゲートを含む光学論理回路を製造する方法は、段階２２０において始まっており、この段階で、実行対象の論理演算を選択している。段階２２２において、選択された論理演算を実行するのに必要な１つ又は複数の論理ゲート及び光学接続により、光学回路を設計している。段階２２４において、光学回路の設計に従って論理ゲートが実行するように意図されている論理演算の部分を実行するべくその１つ又は複数の共振周波数がチューニングされるように、回路の１つ又は複数の論理ゲートを形成することにより、設計された光学回路を製造している。
【００５６】
図２２の方法の一例として、段階２２０において選択された次の論理演算に従って光学出力信号が生成されるものと仮定しよう。
【００５７】
光学出力信号＝（光学入力信号Ａ＊光学入力信号Ｂ）＋光学入力信号Ｃ
【００５８】
段階２２２において、光学回路を設計する。選択された論理演算を実現する能力を有する１つの設計は、ＡＮＤ論理ゲートを使用して光学入力信号Ａ、Ｂを弁別し、この結果得られた出力信号を光学入力信号Ｃと共にＯＲゲートに入力することにより、選択された論理演算の光学出力信号を生成するというものである。次いで、段階２２４において、所望のＡＮＤ及びＯＲ論理ゲートを生成するべく、１つ又は複数の非線形素子の１つ又は複数の共振周波数が光学入力信号の周波数から適切にチューニング又はデチューニングされるように、ＡＮＤ及びＯＲ論理ゲートを製造する。次いで、この結果得られた光学回路を結合することにより、その入力においてアップストリーム要素から個々の光学入力信号Ａ、Ｂ、Ｃを受信し、その出力を結合することにより、ダウンストリーム要素に光学出力信号を供給することになる。
【００５９】
図２３においては、論理ゲートの動作方法は、段階２３０において始まっており、この段階において、ＣＷ光用のレーザー源、光学振幅変調器、又は論理ゲートなどのアップストリーム光学回路要素などのアップストリーム要素から１つ又は複数の光学入力信号を受信している。段階２３２において、光学入力信号を導波している。段階２３０及び段階２３２は、個々の光学入力信号用の光学入力媒体によって実行可能である。段階２３４において、光学入力信号を合成して合成信号を生成している。この段階は、合成媒体によって実行可能である。尚、段階２３２及び２３４は、図２３の破線によって表されているように、任意選択の段階である。段階２３６において、１つ又は複数の光学入力信号の合成の結果として得られた論理レベルを弁別することにより、Ｌｏｗ振幅によって表されたＬｏｗ論理レベル又はＨｉｇｈ振幅によって表されたＨｉｇｈ論理レベルを具備したバイナリ論理レベルを有する光学出力信号を生成している。段階２３６は、論理ゲートの非線形素子によって実行可能である。最終的に、段階２３８において、その光学回路内の１つ又は複数の次のゲート又は別の光学装置などのダウンストリーム要素に１つ又は複数の光学出力信号を伝送している。
【００６０】
（手段の対応性）
添付の請求項における「光学入力信号の論理レベルを非線形的に弁別してバイナリ論理レベルを具備した光学出力信号を生成する非線形素子手段」は、本明細書に記述されている非線形素子６、６’、２６、２６’、５６、９６、１０６、１１６、２０６又はその等価物のいずれかを意味している。
【００６１】
（代替肢）
光学共振器を「チューニング」する段階は、通常は、共振器の共振周波数をオフセットさせる段階を意味しているが、本発明においては、所望の機能を実現するための可能な手段として共振器の透過特性を変化させるためのその他の方法をも「チューニング」が意味するものと考えている。例えば、クォリティファクタを変更するか、追加の共振ピークを共振器に追加するか、或いは、応力、電磁場又は圧電場の印加、正孔又は電子などの電荷キャリアの注入、光の注入、又は、その他の技法を通じてその形状又は屈折率を変更することにより、共振器の透過の帯域幅、プロファイル、又は中心を変更可能であろう。
【００６２】
光通信産業において現在標準である１．５５ミクロン（μｍ）の光学信号を参照して説明したが、当然のことながら、その他の波長又は周波数の光学信号を使用することにより、本発明の原理を適用して有利な結果を得ることも可能であることを理解されたい。開示されたゲート及びラッチと共に使用される光学信号が、この同一の周波数を必ずしも具備している必要はない。
【００６３】
本明細書に開示されている実施例は、相対的に大きな振幅を有する光学信号をＨｉｇｈ論理レベルと見なし、且つ、相対的に小さな振幅を有する光学信号をＬｏｗ論理レベルと見なす「肯定的論理」の文脈において記述されているが、この代わりに、相対的に大きな振幅を有する光学信号をＬｏｗ論理レベルと見なし、且つ、相対的に小さな振幅を有する光学信号をＨｉｇｈ論理レベルと見なす「否定的論理」を利用することも可能であろう。
【００６４】
本明細書に記述されている構造は、二次元構造であるが、当業者には容易に明らかなように、本明細書に提供されている教示内容の利益と共に、１次元又は３次元構造を使用することにより、前述のものと同一の機能を有するように本明細書のすべて光学的な論理ゲートを実装することも可能である。
【００６５】
本明細書においては、フォトニック結晶を定義する構造を媒体内における円形の孔として説明しているが、媒体内に孔を生成する代わりに、ポスト（ｐｏｓｔ）、カラム（ｃｏｌｕｍｎ）、円柱（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）、立方体、球体、又はその他の構造を基板上に製造してフォトニック結晶を定義することにより、この逆のことを実行することも可能であることを理解されたい。更には、選択的なエッチングとは対照的に、基板上の材料の選択的な堆積を通じてフォトニック結晶を形成することも可能であり、或いは、これらの技法の組み合わせを使用してフォトニック結晶を形成することも可能であろう。
【００６６】
その他の可能な構成及び機能については、Ｊｏｈｎ  Ｌｕｔｈｅｒ  Ｃｏｖｅｙを単独の発明者として記載している２００４年５月２１日付けで出願された本出願の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００５／０２５９９９９号（ＵＳ２００５／０２５９９９９）に開示されており、この内容は、そのすべてが本明細書に記述されているかのように、本引用により、本明細書に包含される。
【００６７】
当業者には、以上の説明及び添付の図面に提示されている教示内容の利益を具備した本明細書に記述されている本発明の多数の変更及びその他の実施例が想起されよう。従って、本発明は、開示されている特定の実施例に限定されるものではなく、且つ、変更及びその他の実施例も、添付の請求項の範囲に包含されるべく解釈されることを理解されたい。本明細書には、特定の用語が利用されているが、それらは、一般的且つ記述的な意味においてのみ使用されており、限定を意図したものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年9月12日(2013.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学共振器を有しており、且つ、バイナリ論理レベルを有する個々のデータを具備した第１及び第２振幅変調光学入力信号を受信するべく構成された非線形素子であって、
前記非線形素子は、
前記第１及び第２光学入力信号の両方がハイ論理レベルを具備している場合にのみ、前記非線形素子は、ハイ論理レベルを有する光学出力信号として光を出力し、前記光学入力信号のいずれか又は両方がロウ論理レベルを具備している場合には、前記非線形素子は、ロウ論理レベルを有する前記光学出力信号として実質的に光を出力しないように、
前記光学入力信号の少なくとも１つのものの周波数との関係においてチューニングされた共振周波数を具備しており、
この結果、前記光学出力信号は、振幅変調されたバイナリ論理レベルを具備しており、前記非線形素子は、基板上にリングとして形成されている、非線形素子、
を有するすべて光学的なＡＮＤゲート。