(57)【要約】【課題】素子サイズが小さく高密度集積が可能で、また、高い出力の光源を必要としない光論理演算器を提供する。【解決手段】所定のビットパターンの制御光とこれとは波長が異なる信号光とを合波回路１０４で合波し、合波した光を、シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成された光導波路１０１を導波させ、光導波路１０１を導波した光より、ろ波回路１０５で信号光を取り出す。取り出した信号光は、制御光により変調されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる光強度のオン状態とオフ状態とから構成されたビットパターンの第１波長の制御光と、第２波長の信号光とを合波する合波回路と、
シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、前記合波回路で合波された光を導波する光導波路と、
前記合波回路で合波されて前記光導波路を導波した光より、第２波長の光を取り出すろ波回路と
を少なくとも備えることを特徴とする光論理演算器。
【請求項２】
請求項１記載の光論理演算器において、
前記合波回路は、前記信号光と、波長が各々異なる複数の前記制御光と合波する
ことを特徴とする光論理演算器。
【請求項３】
請求項２記載の光論理演算器において、
前記合波回路の前段に設けられ、前記信号光及び前記制御光の光強度を減衰する減衰器を備えることを特徴とする光論理演算器。
【請求項４】
異なる光強度のオン状態とオフ状態とから構成されたビットパターンの第１波長の制御光と、第２波長の第１信号光とを合波する第１合波回路と、
シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、前記第１合波回路で合波された光を導波する第１光導波路と、
前記第１合波回路で合波されて前記第１光導波路を導波した光より、第２波長の光を取り出す第１ろ波回路と、
この第１ろ波回路で取り出された光と、第３波長の第２信号光とを合波する第２合波回路と、
シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、前記第２合波回路で合波された光を導波する第２光導波路と、
前記第２合波回路で合波されて前記第２光導波路を導波した光より、第３波長の光を取り出す第２ろ波回路と
を少なくとも備えることを特徴とする光論理演算器。
【請求項５】
請求項４記載の光論理演算器において、
前記第１ろ波回路より出力された光を増幅して前記第２合波回路に入力させる光増幅器を備える
ことを特徴とする光論理演算器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光反転器として用いることができる光論理演算のための光論理演算器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光エレクトロニクス技術の進歩はめざましいものがあり、この技術の範囲は、光通信を中心にセンシングやコンピューティングにまでおよんでいる。光エレクトロニクスを応用した光コンピュータの実現にあたっては、電気回路が介在することが無く、信号光を制御光で制御する光−光制御による方法が注目され、これまでも、光−光制御の高度化のための検討が進められている。
【０００３】
光−光制御の方法の代表としては、吸収飽和型半導体素子を用いる方法や側面入射双安定レーザダイオードを用いる方法（非特許文献１参照）がある。また、偏光面の異なる２つの光でセットリセット（set-reset）を行う方法（非特許文献２参照），エルビウムイオンの非線形負性吸収を用いる方法（非特許文献３参照）などがある。これら方法による光論理素子の動作も報告されている。しかしながら、これらの技術では、素子サイズが大きくなり、高密度集積化には不向きである。
【０００４】
また、光−光制御の方法として、非線形光学素子を用いた方法も多く検討されている。非線形光学素子を用いた方法では、光の強度に対する屈折率や吸収係数の変化により、光−光制御を可能としている。しかしながら、これらの効果は、物質の３次の分極により生じるため、非線形定数の大きな非線形光学結晶と同時に、尖頭値の高い高出力パルスレーザ光源を必要とするので、実用的な光集積デバイスを実現するためには、さらなる高効率化が必要となる。
【０００５】
また、基礎的な検討として、化合物半導体光導波路の二光子吸収を利用した光スイッチ（非特許文献４参照）などが報告されており、これらの検討を元に、シリコンフォトダイオードの二光子吸収を利用したオートコリレータ（非特許文献５参照）、シリコンＣＣＤカメラを用いたオートコリレータ（非特許文献６参照）、シリコンフォトダイオードの二光子吸収を利用したリフレクトメータ（非特許文献７参照）などの実用的なデバイスや装置の報告もある。しかしながら、これらは、大がかりな装置群が必要であると同時に、素子サイズが大きいため、光集積回路への適応報告はまだ無い。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】K.Nonaka, H.Tsuda, H.Uenofara, H.Iwamura, and T.Kurokawa "Optical Nonlinear Characteristics of a Side-injection Light-controlled Laser Diode with a Multiple-quantum-well Saturable Absorption Region",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.5, NO.2, pp139-141, FEBRUARY 1993.
【非特許文献２】H.Kawaguchi and T.Irie "OPTICALLY TRIGGERED POLARISATION BISTABLE SWITCHING IN LASER DIODES WITH EXTERNAL CAVITIES", ELECTRONICS LETTERS, Vol.28, No.17, pp1645-1647, 13th August 1992.
【非特許文献３】Y.Maeda "All-optical NAND logic device operating at 1.51-1.55μｍ in Er-doped aluminosilicate glass", ELECTRONICS LETTERS, Vol.35, No.7, pp582-584, 1st April 1999.
【非特許文献４】H.K.TSANG, R.S.GRANT, R.V.PENTY, I.H.WHITE, J.B.D.SOOLE, E.COLAS, H.P.LEBLANC, N.C.ANDREADAKIS, M.S.KIM, W.SIBBETT, "GaAs/GaAlAs MULTIQUANTUM WELL WAVEGUIDES FOR ALL-OPTICAL SWITCHING AT 1.55μｍ" , ELECTRONICS LETTERS, Vol.27, No.22, pp1993-1994, 24th October 1991.
【非特許文献５】C.Xu, J.M.Roth, W.H.Knox and K.Bergman, "Ultra-sensitive autocorrelation of 1.5μｍ light with single photon counting silicon avalanche photodiode", ELECTRONICS LETTERS, Vol.38, No.2, pp86-88, 17th January 2002.
【非特許文献６】Dmitriy Panasenko and Yeshaiahu Fainman, "Interferometric correlation of infrared femtosecond pulses with two-photon conductivity in a silicon CCD", APPLIED OPTICS,Vol.41,No.18,pp3748-3752,20 June 2002.
【非特許文献７】Y Tanaka,N Sako, T Kurokawa, H Tsuda, and M Takeda, "Profilometry based on two-photon absorption in a silicon avalanche photodiode",OPTICS LETTERS, Vol.28, No.6, pp402-404, 15 March 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上に説明したように、従来の光−光制御による光論理素子は、素子サイズが大きいことや効率があまり高くないために高出力の光源が必要となるなど、高集積化された光論理集積回路へ適用しにくいという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、素子サイズが小さく高密度集積が可能で、また、高い出力の光源を必要としない光論理演算器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】
【０００７】
本発明に係る光論理演算器は、異なる光強度のオン状態とオフ状態とから構成されたビットパターンの第１波長の制御光と、第２波長の信号光とを合波する合波回路と、シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、合波回路で合波された光を導波する光導波路と、合波回路で合波されて光導波路を導波した光より、第２波長の光を取り出すろ波回路とを少なくとも備えるものである。
この光論理演算器では、光導波路を導波する制御光が一方の光強度の状態では光導波路において多光子吸収が起こり、オン状態とオフ状態との２つの状態に変化する制御光で、光導波路を同時に導波する信号光が変調される。
【０００８】
上記光論理演算器において、合波回路は、信号光と、波長が各々異なる複数の制御光と合波するものであってもよい。また、この光論理演算器において、合波回路の前段に設けられ、信号光及び制御光の光強度を減衰する減衰器を備えるようにしてもよい。
【０００９】
また、本発明に係る他の光論理演算器は、異なる光強度のオン状態とオフ状態とから構成されたビットパターンの第１波長の制御光と、第２波長の第１信号光とを合波する第１合波回路と、シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、第１合波回路で合波された光を導波する第１光導波路と、第１合波回路で合波されて第１光導波路を導波した光より、第２波長の光を取り出す第１ろ波回路と、この第１ろ波回路で取り出された光と、第３波長の第２信号光とを合波する第２合波回路と、シリコンからなるコアとこのコアより低い屈折率のクラッドとから構成され、第２合波回路で合波された光を導波する第２光導波路と、第２合波回路で合波されて第２光導波路を導波した光より、第３波長の光を取り出す第２ろ波回路とを少なくとも備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、シリコンコアからなる光導波路を用いるようにしたので、高密度集積化が容易であり、また、光導波路における光強度密度を高めることが容易であるので安価でハイブリッド実装が容易な、低出力半導体ＣＷレーザなどを光源として用いることができるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光論理演算器である光反転器１００の構成例を示す構成図である。この光反転器１００は、シリコンのコアとこれより低屈折率のクラッドとから構成された光導波路１０１と、例えば方向性結合器（３ｄＢカプラ）などの合波回路１０４と、例えばバンドパスフィルタなどのろ波回路１０５とから構成されたものである。
【００１２】
例えば、パタンジェネレータ１０２及び光変調器１０３によってビットパターンに変調した波長λ1（１．１μｍ＜λ1＜２．２μｍ）の制御光と、波長λ2（１．１μｍ＜λ2＜２．２μｍ）の連続光である信号光とが、合波回路１０４の入力側より入力され、合波回路１０４で合波されて出力する。出力した合波光は、光導波路１０１に入力される。
【００１３】
光導波路１０１に制御光もしくは信号光のいずれか一方のみを入力した場合、これら各々の波長がシリコンのバンドギャップより長いため、光の強度が低い場合は、光導波路１０１を透過（導波）して出力（出射）される。光導波路１０１を出射した光は、ろ波回路１０５を通ることで、信号光だけが取り出される。ろ波回路１０５により取り出された信号光の状態は、Ｏ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６により測定可能である。Ｏ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６は、ビットパターンの反転した光信号を測定する。
【００１４】
ここで、シリコンコアの光導波路１０１は、波長１．１〜２．２μｍの光であれば、コアの径を５００ｎｍ以下としても導波させることが可能であり、この構成の光導波路１０１を導波する波長１．１〜２．２の光は、コア内で光強度が著しく大きくなる。この構造において、光導波路１０１を導波する制御光の強度を大きくし、この強度が所定値を超えると二光子吸収が起こり、キャリア（電子正孔対）が生成されて光吸収が起きる。なお、より強い光強度の光により、光導波路１０１においては、三光子吸収，四光子吸収・・と多光子吸収が起こる。
【００１５】
従って、二光子吸収が起こる光強度を境に、これより小さい光強度をオフレベルとし、これより大きい光強度をオンレベルとしたビットパターンの制御光を光導波路１０１に入射させると、オンレベルでは二光子吸収が起きる状態となる。二光子吸収により生成されたキャリアは、信号光も吸収するため、制御光がオンレベルの際には、合波回路１０４で合波されて同時に入射した信号光も、光導波路１０１において吸収を受ける。
【００１６】
また、二光子吸収により生成された電子正孔対が再結合する場合、制御光の２倍のエネルギーの光を放出するが、光導波路１０１のコアを構成しているシリコンのバンドギャップよりエネルギーが大きいため、再結合により放出された光は、光導波路１０１を伝播することができない。従って、図１に示した光反転器１００によれば、合波回路１０４によって信号光に合波させた制御光により、信号光を変調することができる。
【００１７】
図２は、制御光の波形を示した特性図である。図３は、制御光のみを入射したときにＯ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６で測定された制御光の波形を示した特性図である。また、図４は、制御光の入力ピーク強度を変化させた場合の、図３のＢ／Ａの値をプロットした特性図である。なお、これら場合、光導波路１０１を出射した光を、ろ波回路１０５を介さずにＯ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６で測定した結果を示している。
【００１８】
図４より判るように、制御光の入力ピーク強度と透過率の逆数が比例関係にあり、図３に示す制御光の減衰が、光導波路１０１における二光子吸収であることを示している（文献：J.H.Bechtel and W.L.Smith,"Two-photon absorption in semiconductors with picosecond laser pulses", PHYSICAL REVIEW B, Vo.13, No.8, pp3515-3522, 15th APRIL 1976.）。
【００１９】
制御光の減衰が起こる光ピーク強度の条件下では、二光子吸収によるキャリア（電子正孔対）の生成が生じており、電子正孔対が生成されている導波路に信号光が入射すると、信号光も減衰を受け、信号光は制御光によって反転変調を受ける。
図５は、制御光と信号光とを合波して光導波路１０１に入射したときに、Ｏ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６で測定された出力光信号（信号光）の波形を示したものである。また、図６は、図５における反転変調率（Ｄ／Ｃ）をプロットしたものである。
これらより明らかなように、入力ピーク強度が２０ｍＷ程度（位置Ｅ）では、ほとんど反転動作を示さないが、入力ピーク強度が５０ｍＷ程度（位置Ｆ）では、５０％近くの変調を受けることが判る。
【００２０】
次に、図１に示した光反転器１００を構成する合波回路，ろ波回路の他の例について、図７を用いて説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、光導波路１０１を出射した光より、光ラティスフィルタからなるろ波回路１１５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、光導波路１０１を出射した光より、リング共振器よりなるろ波回路１２５で信号光を取り出すようにしてもよい。
【００２１】
また、図７（ｃ）に示すように、光ラティスフィルタよりなる合波回路１１４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、ろ波回路１１５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図７（ｄ）に示すように、合波回路１１４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、ろ波回路１２５で信号光を取り出すようにしてもよい。
【００２２】
また、図７（ｅ）に示すように、リング共振器よりなる合波回路１２４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、ろ波回路１１５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図７（ｆ）に示すように、合波回路１２４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、ろ波回路１２５で信号光を取り出すようにしてもよい。
【００２３】
また、図７（ｇ）に示すように、反射形回折格子よりなる合波回路１３４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、反射形回折格子よりなるろ波回路１３５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図７（ｈ）に示すように、透過形回折光値よりなる合波回路１４４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、透過形回折光値よりなるろ波回路１４５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図７（ｉ）に示すように、アレイ導波路回折格子よりなる合波回路１５４で信号光と制御光とを合波し、光導波路１０１を出射した光より、アレイ導波路回折格子よりなるろ波回路１５５で信号光を取り出すようにしてもよい。
【００２４】
次に、上述した本実施の形態における光反転器を用いた光回路の構成例について説明する。
図８は、２つの光反転器１００ａ，１００ｂを直列２段に配置して構成した光波長変換回路を示す構成図である。前段となる光反転器１００ａに、ビットパターンに変調された制御光と、制御光とは波長が異なる連続光からなる１次信号光を入力し、後段となる光反転器１００ｂに、光反転器１００ａからの出力光と、１次信号光とは波長が異なる２次信号光とを入力し、光反転器１００ｂより２次信号光を出力する。
【００２５】
図８に示す光波長変換回路によれば、光反転器１００ｂより出力される２次信号光は、制御光の変調パターンが複写された状態、すなわち、制御光により変調された状態となる。従って、  図８に示す光波長変換回路により、入力された１次信号光は、異なる波長で制御光に変調された２次信号光として出力されることになる。ここで、２次信号光は、１次信号光と異なる波長であれば良く、制御光と同じ波長であってもよい。
【００２６】
なお、光反転器１００ｂは、光反転器１００ａに比較して感度が高い構造とした方がよい。光反転器１００ｂを光反転器１００ａと同様に構成した場合、図９に示すように、光反転器１００ａより出力された１次信号光を、光増幅器２００により増幅してから光反転器１００ｂに入力するようにすればよい。
【００２７】
ところで、上述では、光反転器に１つの制御光を入力するようにしたが、これに限るものではなく、図１０に示すように、２つの異なる制御光を入力して信号光を変調するようにしてもよい。図１０に示す光論理演算器は、制御光Ａ，制御光Ｂ及び信号光を合波する合波回路１０４ａを用いるようにしたものである。
【００２８】
図１０に示す光論理演算器によれば、制御光Ａと、これとは波長及びビットパターンが異なる制御光Ｂと、これら制御光とは波長が異なる連続光である信号光を入力し、制御光Ａと制御光Ｂの否定論理積が、信号光としてろ波回路１０５より出力される。
この光論理演算器では、制御光Ａ，制御光Ｂの少なくとも一方がオフレベルの場合、図６に示した位置Ｅ以下の入力ピーク強度になる。また、制御光Ａ，制御光Ｂの両方がオンレベルのとき、図６に示した位置Ｆの入力ピーク強度となる。
【００２９】
従って、制御光Ａと制御光Ｂが合波された光が、光導波路１０１に入射（入力）すると、制御光Ａと制御光Ｂの両方がオンレベルのときのみ反転操作を受けるので、光導波路１０１の出力光をろ波回路１０５でろ波して信号光を取り出すことで、否定論理積回路として動作することになる。
【００３０】
図１０に示した光論理演算器の合波回路１０４ａは、例えば、図１１（ａ）に示すように、２つの光ラティスフィルタ１１４ａ，１１４ｂから構成すればよい。このとき、光導波路１０１を出力した光より、光ラティスフィルタからなるろ波回路１１５で信号光を取り出すようにしてもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、光導波路１０１を出力した光より、リング共振器よりなるろ波回路１２５で信号光を取り出すようにしてもよい。
【００３１】
なお、合波回路１０４ａは、２つの方向性結合器より構成しても良く、２つのリング共振器より構成してもよい。また、合波回路１０４ａは、３つ以上の入力チャネルをもつ反射型回折格子から構成しても良く、３つ以上の入力チャネルをもつ透過形回折格子から構成しても良く、また、３つ以上の入力チャネルをもつアレイ導波路回折格子から構成してもよい。また、ろ波回路は、光ラティスフィルタやリング共振器に限るものではなく、反射型回折光子，透過形回折格子，またアレイ導波路回折格子から構成してもよい。
【００３２】
次に、３つ以上の各々異なる複数の制御光を入力して信号光を変調する光回路例について説明する。図１２は、ｎ個（ｎ＞２）の制御光Ａ，制御光Ｂ，制御光Ｃ，・・・，及び信号光を、各々可変光減衰器１１０を通して合波回路１６４に入力し、合波回路１６４で合波された光を導波回路１０１に入力する光論理演算器の構成を示す構成図である。合波回路１６４、ｎ＋１個の光を合波する。
【００３３】
図１２の光論理演算器では、各々個別のビットパターンで個別の波長のｎ個の制御光と、これら制御光とは異なる波長の連続光である信号光を入力し、ｎ個の制御光の光強度の和によって信号光の出力をスイッチングする。合波回路１６４の前段には各制御光及び信号光毎に可変光減衰器１１０が設けられ、各々の入力光強度が調整可能とされている。
【００３４】
例えば、制御光チャネルパターンに対する出力ビットが予め判明している場合には、誤差逆伝搬アルゴリズムを用い、各可変光減衰器１１０の減衰量を設定しておけば、任意の制御光チャネルパターンに応じた出力を得るニューロコンピュータ用の光論理演算器として用いることができる。この例では、教師パターンとなる制御チャネルパターンが予め判明していない場合、学習過程においてパターン分類アルゴリズムを用いて各可変光減衰器１１０の減衰量を設定すればよい。
【００３５】
なお、可変光減衰器１１０には、例えばＰＩＮ型光減衰器を用いるようにすればよい。また、可変光減衰器１１０として、ＮＤフィルタ型光減衰器を用いるようにしても良く、また、磁気光学効果を用いた光減衰器や、マッハツェンダ干渉計を用いた光減衰器などを用いるようにしてもよい。また、予め各入力チャネル毎の光減衰量を決めておくことができる場合、可変光減衰器の代わりに固定光減衰器を用いてもよい。
【００３６】
以上に説明した本発明の光論理演算器は、シリコンコアからなる光導波路を用いるようにした。シリコンは、微細なパターンの形成が容易であり、素子の微細化が容易であるので、本発明の光論理演算器によれば、高密度集積化が容易である。また、コアの断面寸法を５００ｎｍ程度とすることも容易であり、このような微小領域に光を閉じ込めることができるので、光導波路における光強度密度を高めることが容易である。この結果、本発明の光論理演算器によれば、安価でハイブリッド実装が容易な、低出力半導体ＣＷレーザなどを光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態における光論理演算器である光反転器１００の構成例を示す構成図である。
【図２】制御光の波形を示した特性図である。
【図３】信号光がオフの状態で制御光を入射したときにＯ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６で測定された制御光の波形を示した特性図である。
【図４】制御光の入力ピーク強度を変化させた場合の、図３のＢ／Ａの値をプロットした特性図である。
【図５】制御光と信号光とを合波して光導波路１０１に入射したときに、Ｏ／Ｅサンプリングオシロスコープ１０６で測定された出力光信号（信号光）の波形を示したものである。
【図６】図５における反転変調率（Ｄ／Ｃ）をプロットしたものである。
【図７】図１に示した光反転器１００を構成する合波回路，ろ波回路の他の構成例を示す構成図である。
【図８】２つの光反転器１００ａ，１００ｂを直列２段に配置して構成した光波長変換回路を示す構成図である。
【図９】２つの光反転器１００ａ，１００ｂを直列２段に配置して構成した光波長変換回路を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態における光論理演算器の他の構成例を示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態における光論理演算器の他の構成例を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態における光論理演算器の他の構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００…光反転器、１０１…光導波路、１０２…パタンジェネレータ、１０３…光変調器、１０４…合波回路、１０５…ろ波回路、１０６…Ｏ／Ｅサンプリングオシロスコープ。
【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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