(57)【要約】【課題】  本発明は、複数の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる光論理回路を提供することを目的とする。【解決手段】  複数の共振器と、前記複数の共振器に結合する複数の導波路からなる光論理回路であって、前記複数の共振器は、少なくとも１つの同一共鳴周波数を有する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の共振器と、
前記複数の共振器に結合する複数の導波路からなる光論理回路であって、
前記複数の共振器は、少なくとも１つの同一共鳴周波数を有することを特徴とする光論理回路。
【請求項２】
請求項１記載の光論理回路において、
第１の共鳴周波数と第２の共鳴周波数を持つ第１の共振器と、
前記第１の共振器に結合する第１の導波路と、
前記第１の共鳴周波数と第３の共鳴周波数を持ち前記第１の共鳴周波数の共鳴モードで前記第１の共振器と結合する第２の共振器と、
前記第２の共振器に結合する第２の導波路を有し構成したことを特徴とする光論理回路。
【請求項３】
請求項２記載の光論理回路において、
前記第１の共振器は、第２の共鳴周波数の光の入力、または、第１の共鳴周波数の光と第２の共鳴周波数の光の入力によりオンし、
前記第２の共振器は、第１の共振器のオン及び第３の共鳴周波数の光の入力によりオンするよう構成したことを特徴とする光論理回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器及び前記第１、第２の導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１の導波路は、前記第１、第２、第３の共鳴周波数を通し、
前記第２の導波路は、前記第３の共鳴周波数のみを通すことを特徴とする光論理回路。
【請求項５】
請求項１記載の光論理回路において、
第１の共鳴周波数と第２の共鳴周波数を持つ第１の共振器と、
前記第１の共振器に結合する複数の第１の導波路と、
前記第１の共鳴周波数と前記第２の共鳴周波数を持つ第２の共振器と、
前記第２の共振器に結合する複数の第２の導波路と、
前記第１、第２の共振器の間に設けられ前記第１の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第２の共鳴周波数を遮断するフィルタ手段を有し構成したことを特徴とする光論理回路。
【請求項６】
請求項５記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器及び前記第１、第２の導波路及びフィルタ手段は、フォトニック結晶上に形成され、
前記フィルタ手段は、フィルタ特性を持つ第３の導波路であることを特徴とする光論理回路。
【請求項７】
請求項６記載の光論理回路において、
前記複数の第１の導波路の一部と前記複数の第２の導波路の一部と前記第３の導波路は、前記第１の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第２の共鳴周波数を遮断し、
前記複数の第１の導波路の残りと前記複数の第２の導波路の残りは、前記第２の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第１の共鳴周波数を遮断することを特徴とする光論理回路。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項記載の光論理回路において、
前記第３の導波路は、前記第１の共振器と前記第２の共振器の間で前記第１の共鳴周波数の光が干渉を起こさない導波路長に設定されていることを特徴とする光論理回路。
【請求項９】
請求項２記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器は、リング共振器またはディスク共振器であることを特徴とする光論理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光論理回路に関し、複数の共振器から構成される光論理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高速光デジタル処理を実現するためには、フリップフロップ回路のような識別、再生機能が必須であるが、これまでは光領域でこのような機能を有する複雑な光回路を構成することが困難であるのが現状である。フォトニック結晶をベースとする光デバイスは、従来のものよりも設計の自由度が圧倒的に高いため、上記の限界を打破する可能性があると考えられている。
【０００３】
光機能デバイスを実現する一つの構成が、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すような、共振器と導波路の結合系である。
【０００４】
図１（Ａ）は、導波路１と共振器２で構成されている。共振器２を共振器内に時計回りの周回モードしか励起されないようにリング（ディスク）共振器で構成した場合、光は共振器２に共鳴する、共鳴しないにかかわらず、導波路１の右端の出力ポートから出力される。ただし、共鳴した出力光と共鳴していない出力光では位相関係が反転している。
【０００５】
フォトニック結晶で、このような結合系を構成すれば、さらに光デバイスの小型化が可能になる。この結合系はリング共振器などよりもさらに微小領域に光を効率的に閉じ込めることができるため、従来の光デバイスよりも光と媒質の相互作用の増強を期待できる。この場合、共振器２を反時計回りの周回モードも励起できるようになり、導波路１の左端の入力ポートからも光が出力される。
【０００６】
つまり、図１（Ａ）の構成では、光が共振器２に共鳴するときのみ光は共振器の中に一時蓄えられ、その後、導波路１の左端の入力ポートに反射される。共鳴周波数以外では、光は共振器２に入ることができず導波路１の右端の出力ポートから出力される。
【０００７】
フォトニック結晶を利用すれば、図１（Ｂ）に示す構成が可能となる。この構成は２ポート共鳴トンネルフィルタと呼ばれ、導波路５から入射した光が共振器４に共鳴するときのみ光は共振器４の中に一時蓄えられ、その後、導波路６の出力ポートから出力される。共鳴周波数以外の光は共振器４に入ることができず、入力ポートに反射される。
【０００８】
これらの結合系に含まれる共振器２，４の共鳴周波数は共振器２，４を構成する媒質の屈折率に依存し、その屈折率は光強度により制御可能であるため、上記のような構成は、共振器と光が共鳴する（オン状態）、共鳴しない（オフ状態）を光強度で制御できる簡単な光スイッチとして機能する。
【０００９】
たとえば、共鳴周波数から少しずれた光を徐々に強くしていけば、オフからオンに状態が変化するスイッチ特性を示す。また、共鳴トンネルフィルタは双安定特性も示す。つまり、光強度を弱状態から強に調整したときにオフ状態からオン状態になる光強度の閾値と、強状態から弱に調整したときにオン状態からオフ状態になる閾値がずれるヒステリシス特性を示す。
【００１０】
これにより、ずれた２つの閾値の中間に光強度の初期値を設定すれば、ある限界を超えた強度の光を加えることにより、オフからオン状態に移行させ、強度を初期値にもどしてもオン状態を維持できる。これにより本構成を簡単な光メモリとして利用することができる。
【００１１】
さらに、本フィルタの共振器が２種類の共鳴周波数をもてば、更に複雑な信号処理が可能となる。つまり、一方の光で共振器の屈折率を制御することで、他方の共鳴状態を制御できる。つまり、制御光で信号光の共鳴状態のオン、オフを切り替える全光スイッチや光メモリが実現できる。
【００１２】
なお、リング共振器を用いた光スイッチや光メモリに関する文献として非特許文献１，２があり、また、フォトニック結晶を用いた光スイッチや光メモリに関する文献として非特許文献３〜１０がある。
【非特許文献１】ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．２０，ｐｐ．２３８７，２００４
【非特許文献２】ＮＡＴＵＲＥ  Ｖｏｌ．４３１，ｐｐ．１０８１，２００４
【非特許文献３】２００４  春応物学会講演会予稿集  ２９ｐ−Ｍ−１３
【非特許文献４】２００４  春応物学会講演会予稿集  ２９ｐ−Ｍ−１６
【非特許文献５】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−９
【非特許文献６】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−１０
【非特許文献７】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−１１
【非特許文献８】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−１
【非特許文献９】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−２
【非特許文献１０】２００４  秋応物学会講演会予稿集  ４ａ−ＺＣ−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１（Ａ），（Ｂ）に示す構造では、信号光と制御光を同一の導波路を伝播させて利用することになる。つまり、信号線と制御線が同一ライン上に存在し、入出力用ラインがそれぞれ１本しかない。さらに複雑な信号処理をするためには、制御線を増やさなければならない場合があると考えられる。
【００１４】
リング共振器などを用いた構成では、図１（Ｃ）に示すように導波路３を増やすことができることは広く知られているが、フォトニック結晶を用いた構成では、図１（Ｄ）に示すように１個の共振器４に４本の導波路５，６，７，８が結合した系では具合が悪い。このような結合系では、共振器４に入った光が４方向に分配されて出力されるため、１本の導波路から出力される信号強度が４分の１になってしまい、効率が悪くなってしまうからである。
【００１５】
また、上記の構造は１個の共振器２（または４）で構成されているため、ＡＮＤ論理やＮＯＴ論理のような限られた機能性しか実現できないという問題があった。
【００１６】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、複数の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる光論理回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、複数の共振器と、
前記複数の共振器に結合する複数の導波路からなる光論理回路であって、
前記複数の共振器は、少なくとも１つの同一共鳴周波数を有することにより、複数の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光論理回路において、
第１の共鳴周波数と第２の共鳴周波数を持つ第１の共振器と、
前記第１の共振器に結合する第１の導波路と、
前記第１の共鳴周波数と第３の共鳴周波数を持ち前記第１の共鳴周波数の共鳴モードで前記第１の共振器と結合する第２の共振器と、
前記第２の共振器に結合する第２の導波路を有し構成したことにより、第１、第２の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の光論理回路において、
前記第１の共振器は、第２の共鳴周波数の光の入力、または、第１の共鳴周波数の光と第２の共鳴周波数の光の入力によりオンし、
前記第２の共振器は、第１の共振器のオン及び第３の共鳴周波数の光の入力によりオンするよう構成した。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器及び前記第１、第２の導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１の導波路は、前記第１、第２、第３の共鳴周波数を通し、
前記第２の導波路は、前記第３の共鳴周波数のみを通す。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の光論理回路において、
第１の共鳴周波数と第２の共鳴周波数を持つ第１の共振器と、
前記第１の共振器に結合する複数の第１の導波路と、
前記第１の共鳴周波数と前記第２の共鳴周波数を持つ第２の共振器と、
前記第２の共振器に結合する複数の第２の導波路と、
前記第１、第２の共振器の間に設けられ前記第１の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第２の共鳴周波数を遮断するフィルタ手段を有し構成したことにより、第１、第２の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器及び前記第１、第２の導波路及びフィルタ手段は、フォトニック結晶上に形成され、
前記フィルタ手段は、フィルタ特性を持つ第３の導波路である。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、請求項６記載の光論理回路において、
前記複数の第１の導波路の一部と前記複数の第２の導波路の一部と前記第３の導波路は、前記第１の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第２の共鳴周波数を遮断し、
前記複数の第１の導波路の残りと前記複数の第２の導波路の残りは、前記第２の共鳴周波数を通過し、かつ、前記第１の共鳴周波数を遮断する。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれか１項記載の光論理回路において、
前記第３の導波路は、前記第１の共振器と前記第２の共振器の間で前記第１の共鳴周波数の光が干渉を起こさない導波路長に設定されている。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、請求項２記載の光論理回路において、
前記第１、第２の共振器は、リング共振器またはディスク共振器である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複数の共振器を用いて複雑な信号処理を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
図２及び図３は、本発明の原理構成図を示す。
【００２９】
図２において、導波路１１，１２それぞれに隣接してリング共振器（またはディスク共振器）１３，１４が配置され、また、リング共振器１３の共鳴モードは導波路１１の導波モードと直接結合し、リング共振器１４の共鳴モードは導波路１２の導波モードと直接結合し、リング共振器１３，１４は互いに隣接して配置されている。
【００３０】
図３において、導波路２０，２１の互いに対向する端部に隣接して共振器２２が配置されている。また、導波路２３，２４の互いに対向する端部に隣接して共振器２５が配置されている。また、共振器２２の共鳴モードは導波路２０，２１の導波モードと直接結合し、共振器２５の共鳴モードは導波路２３，２４の導波モードと直接結合し、共振器２２，２５は互いに隣接して配置されている。この図３の回路はフォトニック結晶で構成できる。
【００３１】
図２、図３では簡単のため、２個の共振器と３種類の共鳴周波数（ω１，ω２，ω３）の共鳴モードを利用する場合を説明するが、それ以上の複数の共振器、共鳴周波数を用いてもよい。以降に、これらの条件を元に、複雑な機能をもつ回路を簡潔に構成する手法について述べる。
【００３２】
＜共振器を直接結合する＞
異なる２つの共振器１３，１４または２２，２５が、１つの同一共鳴周波数ω１と、異なる２つの共鳴周波数ω２，ω３を持つように設計する。これにより、１つの光回路をそれぞれの共鳴周波数ω１，ω２，ω３において３種類の等価回路として取り扱うことができる。
【００３３】
つまり、第１の回路では全ての共振器の共鳴モードが結合するため、全ての共振器１３，１４または２２，２５と導波路１１，１２または２０，２１，２３，２４に共鳴周波数ω１の光が通る。第２の回路は上半分だけ、つまり、共振器１３または２２と導波路１１または２０，２１だけに共鳴周波数ω２の光が通る。第３の回路は下半分だけ、つまり、共振器１４または２５と導波路１２または２３，２４だけに共鳴周波数ω３の光が通る。図２、図３では光が通る部分を黒で示す。
【００３４】
これにより、１つの同一共鳴周波数で動作する第１の回路が、２つの異なる周波数で独立した第２、第３の回路を仲介する役割を果たす。つまり、例えば、第３の回路を第１，２の回路で制御することが可能となる。この場合、共振器１３，１４または２２，２５の共鳴モードが直接結合しているため、素子間が干渉する際の位相の問題がなくなり、デバイスの設計が飛躍的に簡単になる。
【００３５】
＜共振器の間にフィルタ機能を付加する＞
同一の２つの共振器が２つの共鳴周波数ω１，ω２（＝ω３）をもち、共鳴周波数ω１でのみ２つの共振器の共鳴モードが結合するように、２つの共振器の間にフィルタ特性をもつ構造とする。これにより、１つの共鳴周波数ω１で動作する第１の回路が、他の周波数ω２で動作する独立した第２の回路と第３の回路を仲介する役割を果たす。つまり、例えば、第３の回路を第１の回路と第２の回路で制御することが可能となる。この場合、フィルタ特性を示す構造が素子間干渉に与える影響を考慮しなければならないが、同一の共振器を利用できる点で作製上のメリットがある。
【００３６】
＜フォトニック結晶導波路のフィルタ特性を利用する＞
フォトニック結晶導波路は、それ自身が帯域を容易に設定できるバンドパスフィルタであり、その帯域設定の自由度は高い。つまり、この特性を利用することで、共振器間の結合や、導波路と共振器の結合に周波数依存性を自由にもたせることができ、複雑な回路を従来の光回路よりも簡潔に構成することができる。
【００３７】
例えば図３に示す回路はフォトニック結晶で構成できる。図１（Ｄ）で説明したように共振器４に入った光が４方向に分配されて出力され効率が悪くなってしまうが、これはフォトニック結晶で構成される導波路のフィルタ特性を利用することで解決できる。つまり、導波路２３，２４の導波モードと共振器２５の共鳴モードが結合しないように導波路２３，２４の帯域を設定する。これにより、第１、第２、第３の回路は全て図１（Ｂ）に示されるような２ポート共鳴トンネルフィルタとなる。
【００３８】
＜第１実施形態＞
図４は、本発明の第１実施形態の構成図を示す。同図中、導波路３０，３１の互いに対向する端部に隣接して共振器３２が配置されている。また、導波路３３，３４の互いに対向する端部に隣接して共振器３５が配置されている。また、共振器３２の共鳴モードは導波路３０，３１の導波モードと直接結合し、共振器３５の共鳴モードは導波路３３，３４の導波モードと直接結合し、共振器３２，３５は互いに隣接して配置されている。この図４の回路はフォトニック結晶で構成できる。
【００３９】
ここで、共振器３２は共鳴周波数ω１，ω２を持ち、共振器３５は共鳴周波数ω１，ω３を持ち、この共振器３２のω１の共鳴モードと共振器３５のω１の共鳴モードは互いに強く結合している。また、導波路３０，３１は共鳴周波数ω１，ω２を通す構造であり、共鳴周波数ω３は通しても通さなくても良い。導波路３３，３４は共鳴周波数ω３を通し、共鳴周波数ω１を通さない構造であり、共鳴周波数ω２は通しても通さなくても良い。
【００４０】
図５（Ａ）は、図４の回路の共鳴周波数ω１に対する等価回路である第１回路を示しており、図中、黒で示す共振器３２，３５と導波路３０，３１に共鳴周波数ω１の光が通る。
【００４１】
図５（Ｂ）は、図４の回路の共鳴周波数ω２に対する等価回路である第２回路を示しており、図中、黒で示す共振器３２と導波路３０，３１に共鳴周波数ω２の光が通る。
【００４２】
図５（Ｃ）は、図４の回路の共鳴周波数ω３に対する等価回路である第３回路を示しており、図中、黒で示す共振器３５と導波路３３，３４に共鳴周波数ω３の光が通る。
【００４３】
これにより、同一の共鳴周波数ω１で動作する第１の回路が、２つの異なる共鳴周波数ω２，ω３で独立した第２、第３の回路を仲介する役割を果たすことができる。つまり、例えば第３の回路を第１、第２の回路で制御することが可能となる。
【００４４】
ここで、３種類の共鳴状態において、それぞれに対応する光が双安定のオフ状態であり、ある共鳴状態の光に別の共鳴状態が重なり合ったときの光強度で双安定オンの状態になるように、それぞれの光強度および周波数を設定する。つまり、共振器３２を共鳴周波数ω１だけの光入力では共鳴周波数ω１に対してオンにならず、共鳴周波数ω１とω２の光入力が合わさったとき共鳴周波数ω１とω２に対してオンになるように設定する。
【００４５】
このとき、共振器３２は共鳴周波数ω２だけの入力だけで共鳴周波数ω２に対してオンになってもかまわない。また、共振器３５を、共鳴周波数ω３だけの光入力ではオンにならず、共振器３２，３５が共鳴周波数ω１に対してオンの状態のとき、共鳴周波数ω３の光入力がなされれば共振器３５が共鳴周波数ω３に対してオンになるように設定する。
【００４６】
共鳴周波数ω１，ω２，ω３の光が図６に示すタイミングで導波路３０のポートＰ１または導波路３３のポートＰ３から入射されたときの、導波路３４のポートＰ４からの光出力、つまり第３の回路から光出力について説明する。
【００４７】
図７は、図６に示すタイミング（１）〜（７）それぞれにおける各等価回路の双安定状態（入出力状態）を示す。
【００４８】
（１）入射光が共鳴周波数ω３だけのため、共振器３５がオフのままであり、光はＰ４に出力されない。
【００４９】
（２）共振器３２がオフのため、第１の回路に入射された光は共振器３５に達することができず、共振器３５もオフのままである。そのため、ポートＰ４からの出力はない。
【００５０】
（３）共振器３２，３５がオンになる。ただし、第１、第２の回路は導波路３４を含まないため、ポートＰ４からの出力はない。
【００５１】
（４）双安定オン状態のため、第２の回路が遮断されても共振器３２，３５はオン状態を保持する。その状態で第３の回路に光が入射されるため、ポートＰ４から光が出力される。
【００５２】
（５）第１の回路が遮断されても共振器３５は双安定オン状態を保持する。そのためポートＰ４から光が出力される。
【００５３】
（６）共振器３５がオフのためポートＰ４からの出力はない。
【００５４】
（７）共振器３２，３５ともにオフのためポートＰ４からの出力はない。
【００５５】
ここでは、共鳴周波数ω２の光だけで共振器３２の状態をオンできる入力強度を用いた場合を考察したが、共鳴周波数ω２の光だけでは共振器３２の状態をオンできず、共鳴周波数ω１とω２の入力が合わさったときそれぞれの光に対してオンになるように設定してもよい。この場合は、（３）の状況は変わらず、（６）における共鳴周波数ω２に対する共振器３２の状態がオフになる。
【００５６】
いずれにせよ、第１、第２の回路はポートＰ４を含まないため、（３），（６）におけるポートＰ４からの出力はないので、ポートＰ４からの出力は図６に示す通りである。
【００５７】
さらに、共鳴周波数ω２とω３は時間的に相反となるように設定されており、これにより、いずれの設定の場合においても、第１、第２の回路に光が入射された直後に、第３の回路に入射された光のみがポートＰ４から出力される光順序回路として機能する。
【００５８】
上記の特徴は、クロックから少しずれてしまった光デジタル信号列をクロックに同期させる全光型デジタル回路として利用できる。
【００５９】
図８に示すように、導波路３０のポートＰ１から第１の回路にデータ信号を入射し、導波路３０のポートＰ１から第２の回路に反転クロック信号を入射し、導波路３３のポートＰ３から第３の回路にクロック信号を入射する。ここで、データ信号はクロックに同期した理想のデータ列（破線で示す）からずれた状態で第１の回路に入射されている状況を想定している。
【００６０】
図８に示すように、導波路３４のポートＰ４からの出力Ｑはクロック信号に同期した理想のデータ列に対応する信号である。さらに、ポートＰ３から出力される信号は、ポートＰ３から入力されたクロック信号の反射光なので、ポートＰ４から信号が出力されないときにポートＰ３から出力Ｑの反転信号Ｑバーが出力される。
【００６１】
このように、図４の回路は入力されたＮＲＺ（Ｎｏｎ  Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）データ信号をＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）信号に変換し、かつクロックに同期した信号Ｑと、その反転信号Ｑバーを出力する全光型デジタル回路となる。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図４の回路をフォトニック結晶で構成し、２次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）計算法で動作確認をする。
【００６３】
図９は、三角格子空気穴２次元スラブフォトニック結晶に構成した光論理回路の第２実施形態の構成図を示す。同図中、図４と同一部分には同一符号を付す。図９において、２次元スラブフォトニック結晶４０は、スラブ４１に三角格子状の空気孔４２を設けたものである。ここでフォトニック結晶４０の格子定数ａ＝４００ｎｍ、空気孔直径０．５５ａ、スラブ厚さ０．５ａ、フォトニック結晶を構成する媒質の屈折率＝３．２を想定し有効屈折率２．８とする。
【００６４】
フォトニック結晶４０には、４本の導波路３０，３１，３３，３４と、２つの共振器３２，３５を図９のように配置する。導波路３０，３１それぞれはＸ軸方向に延在している。共振器３２はＸ軸に対し−６０度傾いたΓＫ軸方向に延在し、共振器３５はＸ軸に対し＋６０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。導波路３３はＸ軸に対し＋６０度傾いたΓＫ軸方向に延在し、導波路３４はＸ軸に対し−６０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。なお、三角格子空気孔の結晶配位方向のΓＫ軸は隣接する２つ空気孔の中心を結ぶ方向（三角格子の３辺の方向）である。
【００６５】
ここで、２つの共振器構造は、複数の互いに異なる共鳴周波数を有するように異なる点欠陥数が用いられ、かつ、最低１つの同一共鳴周波数を有するように、共振器の幅Ｗが調整されている。
【００６６】
即ち、共振器３２は、図１０（Ａ）に示すように、破線で示す５点の空気孔を取り除いた単純５点欠陥共振器で構成する。共振器３５は、図１０（Ｂ）に示すように、破線で示す４点の空気孔を取り除き、取り除いた空気孔列の両側に隣接する空気孔列の幅Ｗを通常幅Ｗ０（＝ａ√３）の１．０２倍となるようにシフトした幅調整４点欠陥共振器で構成する。これによって、共振器３２は図１１に実線Ｉで示す複数の共鳴周波数を有し、共振器３５は実線IIで示す複数の共鳴周波数を有する。
【００６７】
また、導波路３０，３１は、１列の空気孔を取り除いた単純線欠陥導波路で構成する。導波路３３，３４は、図１０（Ｃ）に示すように、１列の空気孔を取り除き、取り除いた空気孔列の両側に隣接する空気孔列の幅Ｗを通常幅Ｗ０の０．８０倍となるようにシフトした幅調整導波路で構成する。
【００６８】
これによって、導波路３０，３１は、図１１に示すように、波長１５５０ｎｍ付近の共振器３２と共振器３５のモードが結合した共鳴モード（＝共鳴周波数）Ｍ１（＝ω１）と、波長１４９０ｎｍ付近の共鳴モードＭ２（＝ω２）と、波長１４６０ｎｍ付近の共鳴モードＭ３（＝ω３）のそれぞれ独立したモードに共鳴する光を通す導波路となる。また、導波路３３，３４は共鳴モードＭ３の光のみを通す導波路となる。
【００６９】
つまり、導波路３０のポートＰ１から入射された共鳴モードＭ１の光は、共振器３２，３５と共鳴し、導波路３１のポートＰ２から出力される。導波路３０のポートＰ１から入射された共鳴モードＭ２の光は、共振器３２とのみ共鳴し、導波路３１のポートＰ２から出力される。導波路３３のポートＰ３から入射された共鳴モードＭ３の光は、共振器３２と共鳴しないためポートＰ１，Ｐ２に到達できず、共振器３５とのみ共鳴し、導波路３４のポートＰ４に出力される。つまり、共鳴モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３の光それぞれについて、図５に示される第１、第２、第３の回路が適用される。
【００７０】
次に、共鳴モードＭ１，Ｍ３のモードの双安定動作を確認する。
【００７１】
ここで用いられる非線形パラメータはχ３／ε０＝３．２×１０−６であり、電束Ｄに対しＤ＝（ε０εｒ＋χ３｜Ｅ｜２）Ｅで作用する。ここで、χ３は３次の非線型定数、ε０は真空誘電率、εｒは比誘電率、Ｅは電界である。
【００７２】
共鳴モードＭ１，Ｍ３から少しずれた波長（＋１．０ｎｍ，＋１．５ｎｍ）の光を入射し（デチューニング動作）、入射光電界振幅を変化させたときの出力光磁界強度の変化を図１２に示す。ここで、入力光電界振幅は１２から４８まで４ずつ時間的にステップ関数で変化されており、実線が徐々に入力光電界振幅を大きくしていったときの出力磁界強度を示し、破線が徐々に入力光電界振幅を小さくしていったときの出力磁界強度を時間軸を逆にして黒の信号に重ねて示す。実線と破線の両信号間に相違が見られ、ヒステリシス特性つまり、双安定現象を確認できる。
【００７３】
本実施形態では、デチューニングを１．５ｎｍで、入力電界振幅２０で光回路を動作させる。つまり、共鳴モードＭ１，Ｍ３の光に対して初期状態をオフに設定し（共振器３２，３５ともにオフ）、共鳴モードＭ２の光（電界振幅５０程度）を入射することで共振器３２をオン状態に移行させる。これにより、共鳴モードＭ１の光が共振器３５に入ることができるようになり、共振器３５もオン状態となり、ポートＰ３から入射された共鳴モードＭ３の光がポートＰ４から出力される。
【００７４】
上記の非線形パラメータを用いた図８に示す動作の計算結果を図１３に示す。図１３において、ポートＰ４からの出力Ｑは、ポートＰ３から入射されるクロック信号に同期した理想のデータ列に対応する信号である。さらに、ポートＰ３から出力される信号は、ポートＰ３から入力されたクロック信号の反射光なので、ポートＰ４に信号が出力されないときポートＰ３からＱの反転信号Ｑバーが出力されている。
【００７５】
図１４にポートＰ４から出力されるパルスの時間応答を示す。実線が非線形光学効果である光カー効果のない場合（χ３／ε０＝０）を示し、破線が光カー効果のある場合（χ３／ε０＝３．２×１０−６）を示す。ここでは、実線と破線のスケールを合わせるため、光カー効果がない場合の信号強度を０．４２５倍して表示している。
【００７６】
共振器３２のＱ値は４０００程度であるため、光カー効果のない場合はパルスの立下り時間は６ｐｓ程度である。光カー効果のある場合のパルスの立ち上がりと立ち下がり時間はこれ以下であり、１００Ｇｂｐｓ以上の高速で動作可能な光デジタル回路であることを示している。
【００７７】
＜第３実施形態＞
第１、第２実施形態は共振器の共鳴モードを直接結合する手法を用いたが、共振器を連結する導波路長Ｌの最適化が可能であれば、図１５（Ａ），（Ｂ）に示すように、共振器が導波路で連結された構造も有効な回路構成となる。
【００７８】
図１５（Ａ）では、導波路５１，５２の導波モードに共振器５３の共鳴モードが結合し、共振器５３の共鳴モードに導波路５４，５５の導波モードが結合し、導波路５４，５５の導波モードに共振器５６の共鳴モードが結合し、共振器５６の共鳴モードに導波路５７，５８の導波モードが結合している。共振器５３，５６の間の導波路長Ｌは共振器５３，５６間で同一の共鳴周波数の光が干渉して減衰を起こさない長さに設定されている。
【００７９】
図１５（Ｂ）では、導波路６１，６２の導波モードに共振器６３の共鳴モードが結合し、共振器６３の共鳴モードに導波路６４，６５の導波モードが結合し、導波路６５，６７の導波モードに共振器６６の共鳴モードが結合し、共振器６６の共鳴モードに導波路６８，６９の導波モードが結合している。共振器６３，６６の間の導波路長Ｌは共振器５３，５６間で同一の共鳴周波数の光が干渉して減衰を起こさない長さに設定されている。図１５（Ａ），（Ｂ）はフォトニック結晶を用いた構成である。
【００８０】
図１５（Ｂ）に示す論理回路は、１種類の共振器と２種類の導波路で構成されている。ここで共振器６３，６６は２つの共鳴周波数ω１，ω２をもち、２種類の導波路はそれぞれ一方の共鳴周波数の光しか通さないように構造が調整されている。
【００８１】
この条件をもとに、図１５（Ｂ）の回路の３種類の等価回路を図１６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に第１、第２、第３の回路として示す。図１６では光が通る部分を黒で示す。ここで、第１の回路と第２、第３の回路は、互いに異なる共鳴周波数に対する等価回路である。
【００８２】
図１６（Ａ）に示す第１の回路は、共振器６３，６６をつなぐ導波路６５とポートＰ１の導波路６１と、ポートＰ２の導波路６９に同一の導波路（共鳴周波数ω１を通す）が用いられており、ポートＰ１から入射された光はポートＰ２からのみ出力される。
【００８３】
図１６（Ｂ），（Ｃ）に示す第２、第３の回路は同一の共鳴周波数ω２で動作するが、この共鳴周波数ω２の光は共振器６３，６６をつなぐ導波路６５を伝播できないため、導波路６２のポートＰ５から入力された光は導波路６４のポートＰ６からのみ出力され、導波路６７のポートＰ３から入力された光は導波路６８のポートＰ４からのみ出力され、互いに独立である。
【００８４】
つまり、一方の共鳴周波数ω１で動作する第１の回路が、他方の共鳴周波数ω２で動作する互いに独立した第２、第３の回路を仲介する役割を果たすことがわかる。つまり、例えば第３の回路を第１，２の回路で制御することが可能となる。
【００８５】
この構成により、第１実施形態と同等の動作が可能となり、第３実施形態では共振器６３，６６として同一の共振器を利用できる点で作製上のメリットがある。
【００８６】
＜第４実施形態＞
フォトニック結晶をベースとした第１、第２実施形態の論理回路を、古典的な導波路とリング共振器（またはディスク共振器）を組み合わせることにより構成すると、図１７に示す構成になる。
【００８７】
図１７において、導波路７１，７２それぞれに隣接してリング共振器（またはディスク共振器）７３，７４が配置され、また、リング共振器７３の共鳴モードは導波路７１の導波モードと直接結合し、リング共振器７４の共鳴モードは導波路７２の導波モードと直接結合し、リング共振器７３，７４は互いに隣接して配置されている。
【００８８】
ここで、共振器７３は共鳴周波数ω１，ω２を持ち、共振器７４は共鳴周波数ω１，ω３を持ち、この共振器７３のω１の共鳴モードと共振器７４のω１の共鳴モードは互いに強く結合している。また、導波路７１，７２は共鳴周波数ω１，ω２、ω３を通す構造である。
【００８９】
この場合、フォトニック結晶導波路特有のフィルタ特性は利用できない。また、リング共振器と導波路の結合系の特性より、１本の導波路とリング共振器が結合した系では、入力された光は、リング共振器に共鳴する、共鳴しないにかかわらず、入力ポートの反対側のポートから出力される。ただし、共鳴したときと共鳴しないときとでは、出力光の位相がπだけずれている。
【００９０】
一方、２本の導波路でリング共振器を挟み込んだ構造の場合、共鳴しないときは、入力された光は同一の導波路の反対側から出力され、共鳴するときは、もう一方の導波路の片端から出力される。図１７の回路の３種類の等価回路を図１８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に第１、第２、第３の回路として示す。図１８では光が通る部分を黒で示す。
【００９１】
図１８（Ａ）に示す第１の回路は、リング共振器７３，７４がオンのとき、導波路７１のポートＰ１から入力された光を導波路７２のポートＰ４から出力し、リング共振器７３，７４がオフのとき導波路７１のポートＰ２から出力する。
【００９２】
図１８（Ｂ）に示す第２の回路は、共振器７３のオン、オフにかかわらず、導波路７１のポートＰ１から入力された光を導波路７１のポートＰ２から出力する。ただし、共振器７３のオンのときの出力光の位相はオフの時に比べπだけずれている。
【００９３】
図１８（Ｃ）に示す第３の回路は、共振器７４のオン、オフにかかわらず、導波路７２のポートＰ３から入力された光を導波路７２のポートＰ４から出力する。ただし、共振器７４のオンのときの出力光の位相はオフの時に比べπだけずれている。
【００９４】
これにより、図８に示す回路動作は、図１９のように書き換えられる。図１９では図８と異なり、ポートＰ４から出力Ｑとその反転信号Ｑバーとデータ信号の一部が出力される。そのため、第１、第２実施形態におけるポートＰ４からの出力と同様の結果を得るためには、以下のような素子を付加する必要がある。
【００９５】
まず出力Ｑ及びその反転信号Ｑバーとデータ信号の波長が異なることを利用して、波長フィルタを後段に接続して、それぞれを分離する。次に、ポートＰ３から入力された光がポートＰ４から出力される間に生じる位相が出力Ｑ及びその反転信号Ｑバーの間でπだけずれていることを利用して、ポートＰ３への入力光とポートＰ４からの出力光の干渉系を付加することにより、出力Ｑまたは反転信号Ｑバーを選択的に抽出する。または、非特許文献１に記載のように、共振器のＱ値と共振器の中の光損失をつりあわせることにより、共鳴するときに光を出力させない設定とし、出力Ｑの信号を出力させないこともできる。
【００９６】
出力Ｑとその反転信号Ｑバーの位相の違いを利用すれば更に複雑な演算が可能となる。例えば、ポートＰ３からの入力が時間軸に対し位相情報を保ったままのパルスで構成されている場合、同一周波数の連続光ＣＷと干渉させることにより、出力Ｑとの干渉は互いに強めあい、反転信号Ｑバーとの干渉は互いに弱めあうことができる。
【００９７】
連続光を双安定スイッチのバイアス光とし、強め合うときの光で双安定スイッチの状態を双安定オンにし、弱めあうときの光で双安定オフに切り替えれば、クロックに同期したＤＡＴＡと同一時間幅の信号を取り出すことができる。つまり、クロックから少しずれたＮＲＺデータ信号を、クロックに同期したＮＲＺデータ信号に修正することができる。
【００９８】
このように、単純な光機能素子を容易に効率よく接続することができ、より複雑な光論理回路を構成することが可能となる。これにより、光パルス列を一時的に記憶し、デジタル信号処理を可能とする光回路を提供することができる。また、光パルス信号列に対し、各ポートから入力される信号の順番に応じて異なる出力特性を示す光論理回路を提供することができる。
【００９９】
なお、共振器３２，６３，７３が請求項記載の第１の共振器に相当し、導波路３０，３１，６１，６２，６４，７１が第１の導波路に相当し、共振器３５，６６，７４が第２の共振器に相当し、導波路３３，３４，６７〜６９，７２が第２の導波路に相当し、導波路６５が第３の導波路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】共振器と導波路の結合系の一例の構成図である。
【図２】本発明の原理構成図である。
【図３】本発明の原理構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図５】図４の回路の等価回路図である。
【図６】各共鳴周波数の光入力と光出力のタイミングを示す図である。
【図７】各タイミングにおける各等価回路の双安定状態を示す図である。
【図８】図４の回路動作を説明するための図である。
【図９】三角格子空気穴２次元スラブフォトニック結晶に構成した光論理回路の第２実施形態の構成図である。
【図１０】図９の共振器と導波路の構成図である。
【図１１】共振器の波長スペクトルを示す図である。
【図１２】入射光電界振幅を変化させたときの出力光磁界強度の変化を示す図である。
【図１３】図８に示す動作の計算結果を示す図である。
【図１４】ポートＰ４から出力されるパルスの時間応答を示す図である。
【図１５】共振器が導波路で連結された構造の論理回路の構成図である。
【図１６】図１５（Ｂ）に示す論理回路の等価回路図である。
【図１７】導波路とリング共振器で構成される論理回路の構成図である。
【図１８】図１７に示す回路の等価回路図である。
【図１９】図１７の回路動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０１】
３０，３１，３３，３４，６１，６２，６４〜６７，６８，６９，７１，７２  導波路
３２，３５，６３，６６  共振器
４０  フォトニック結晶
４１  スラブ
４２  空気孔
７１，７２  リング共振器
【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】
2006276184.tif 000009
【図８】
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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９】
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