(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セット光入力ポート及びリセット光入力ポートを備えた光セットリセットフリップフロップと、
二値強度変調されたデータ光とクロック光またはＣＷ光とを受け、前記データ光に基づいて前記クロック光またはＣＷ光の一部又は全部を前記セット光入力ポート及び前記リセット光入力ポートへ振り分けるスイッチング手段とを備え、
前記光セットリセットフリップフロップの光出力ポート又は該光出力ポートに接続された光回路の出力ポートに、前記データ光を遅延させたのに実質的に等しい遅延データ光を出力させるようにしたことを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項２】
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、
前記スイッチング手段が、少なくとも一つのマッハ・ツェンダー型光スイッチを含むことを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項３】
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、
前記スイッチング手段が、単一のマッハ・ツェンダー型光スイッチを含み、
該マッハ・ツェンダー型スイッチが、前記クロック光を分岐し、一対のアームを通過させた後、合波干渉させるマッハ・ツェンダー型光回路と、前記一対のアームに配置された第一及び第二の非線形導波路と、非線形光学効果を励起するために前記第一及び前記第二の非線形導波路に前記データ光を入力させる手段と、前記第一及び前記第二の非線形導波路の非線形光学効果の励起状態に応じて前記マッハ・ツェンダー型光回路で合波干渉させたクロック光を前記セット光入力ポート又は前記リセット光入力ポートへ導く手段と、を備えていることを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項４】
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、
前記スイッチング手段が、一対のマッハ・ツェンダー型光スイッチを含み、
該マッハ・ツェンダー型スイッチが、前記クロック光を分岐し、一対のアームを通過させた後、合波干渉させるマッハ・ツェンダー型光回路と、前記一対のアームに配置された第一及び第二の非線形導波路と、非線形光学効果を励起するために前記第一及び前記第二の非線形導波路に前記データ光を入力させる手段とを備え、
前記一対のマッハ・ツェンダー型光スイッチの出力光が互いに論理反転するように前記マッハ・ツェンダー型光回路の光路長を定め、一方のマッハ・ツェンダー型光スイッチで合波干渉させたクロック光を前記セット光入力ポートへ、他方のマッハ・ツェンダー型光スイッチで合波干渉させたクロック光を前記リセット光入力ポートへそれぞれ導くようにしたことを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の光フリップフロップにおいて、
前記光セットリセットフリップフロップの光出力ポートに接続された光回路として、他の光ゲートを含み、
該光ゲートが、前記光セットリセットフリップフロップの出力光と第二のクロック光を受け、前記第二のクロック光に基づいて前記光セットリセットフリップフロップの出力光を透過させるようにしたことを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項６】
請求項３又は４に記載の光フリップフロップにおいて、
前記光セットリセットフリップフロップの光出力ポートに接続された光回路として、他のマッハ・ツェンダー型光スイッチを含み、
該マッハ・ツェンダー型スイッチが、前記光セットリセットフリップフロップの出力光を分岐し、一対のアームを通過させた後、合波干渉させるマッハ・ツェンダー型光回路と、前記一対のアームに配置された第一及び第二の非線形導波路と、非線形光学効果を励起するために前記第一及び前記第二の非線形導波路に他のクロック光を入力させる手段と、前記マッハ・ツェンダー型光回路の出力光を外部へ導く手段とを備えていることを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項７】
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、
前記スイッチング手段が、前記データ光の入力において連続するビット列に０、１が現れたときに前記クロック光の単一パルスを前記セット光入力ポートに導き、前記データ光の入力において連続するビット列に１、０が現れたときに前記クロック光の単一パルスを前記リセット光入力ポートに導く手段とを備えることを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項８】
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、
前記スイッチング手段が、第一及び第二のマッハ・ツェンダー型光スイッチを含み、
前記第一のマッハ・ツェンダー型スイッチが、前記クロック光を分岐し、一対のアームを通過させた後、合波干渉させる第一のマッハ・ツェンダー型光回路と、前記一対のアームに配置された第一及び第二の非線形導波路と、非線形光学効果を励起するために前記第一及び前記第二の非線形導波路に前記データ光を互いに１ビット分の差を持たせて入力させる手段と、を備え、
前記第二のマッハ・ツェンダー型光スイッチが、第一のマッハ・ツェンダー型光回路の出力光を分岐し、一対のアームを通過させた後、合波干渉させる第二のマッハ・ツェンダー型光回路と、前記一対のアームに配置された第三及び第四の非線形導波路と、非線形光学効果を励起するために前記第三及び前記第四の非線形導波路に前記データ光を入力させる手段と、前記第三及び前記第四の非線形導波路の非線形光学効果の励起状態に応じて前記第二のマッハ・ツェンダー型光回路の出力光を前記セット光入力ポート又は前記リセット光入力ポートへ導く手段と、を備えていることを特徴とする光フリップフロップ。
【請求項９】
請求項８に記載の光フリップフロップにおいて、
前記クロック光に変えてＣＷ光を前記第一のマッハ・ツェンダー型スイッチに入力させるようにしたことを特徴とする光フリップフロップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デジタル信号処理の実現に必要な光フリップフロップに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、通常、伝送には光信号が用いられ、信号処理には電気信号が用いられる。しかし、信号の高速化に伴い、信号処理の一部を光信号のままで行うことが期待されている。
【０００３】
デジタル信号処理を行う論理回路は、一般に、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、反転回路を基本要素とする。また、論理回路の重要な構成要素として、フリップフロップがある。フリップフロップには、いくつかの形態があるが、その一つにセットリセット（ＳＲ）・フリップフロップがある。ＳＲ・フリップフロップの回路図および特性表を図１０に示す。
【０００４】
図１０を参照してＳＲフリップフロップの動作を説明する。セット入力と称される第一の入力（Ｓ）が１になると、出力（Ｑ）が１になり、入力Ｓが０になった後も出力Ｑは１を保持し続ける。また、リセット入力と称される第二の入力（Ｒ）が１になると、出力Ｑが０になり、入力Ｒが０になった後も出力Ｑは０を保持し続ける。なお、入力Ｓおよび入力Ｒが共に１のときの動作は保証されておらず、このような入力状態は禁止されている。
【０００５】
電気信号で動作する論理回路においては、１と０の二値を電圧レベルにより決定するのが一般的であり、しきい値電圧Ｖｔを基準として、電圧がＶｔより高い場合を１、低い場合を０とする。電気信号で動作する各種のフリップフロップは、実際に、プロセッサやメモリの中に使用されている。
【０００６】
光デジタル信号処理の実現に向け、光論理回路や全光素子の提案もなされてきた（例えば、特許文献１又は２参照）。光論理回路においても、１と０の二値を光強度レベルに対応させるのが一般的である。本願出願人も、光信号で動作する光ＳＲフリップフロップを既に提案している（特願２００６−２２４１６５号）。この提案に係る光ＳＲフリップフロップの構成を図１１に示す。
【０００７】
図１１の光ＳＲフリップフロップは、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１１及び１１２を有している。
【０００８】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１１では、非線形導波路６１および６２が両アームに配置され、セット光パルス（Ｓ）入力ポート６３、リセット光パルス（Ｒ）入力ポート６５、連続（ＣＷ）光（Ｂ）入力ポート６４、光出力ポート６６が備えられている。光出力ポート６６からの出力光は、光分岐部６７を通して出力光（Ｑ）として光出力ポート６８から出力されると共に、一部がマッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２への入力光（Ａ１）として用いられる。
【０００９】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２では、非線形導波路７１および７２が両アームに配置され、入力光（Ａ１）を光分岐部７７経由で入力する光入力ポート７３および光入力ポート７５、ＣＷ光（Ａ２）を入力する光入力ポート７４、出力光（Ａ３）を出力する光出力ポート７６が備えられている。さらに、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２からの出力光Ａ３を光合波部７８経由でマッハ・ツェンダー型光スイッチ１１１のセット光パルス入力ポート６３にフィードバックさせる構造を有している。
【００１０】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１１では、セット光パルスＳが非線形導波路６１における非線形光学効果を励起し、リセット光パルスＲが非線形導波路６２における非線形光学効果を励起する。ＣＷ光Ｂは、連続光入力ポート６４へ入力され、一旦分岐され、非線形導波路６１及び６２を通過した後、合波される。分岐されたＣＷ光Ｂには、非線形導波路６１あるいは６２を通過する際、励起されている非線形光学効果に応じた位相シフト（非線形位相シフト）が与えられる。その結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｑが生成され、光出力ポート６６から出力される。干渉の際の位相差が０であれば、出力光Ｑは高強度状態、すなわち１状態となる。逆に、干渉の際の位相差がπであれば、出力光Ｑは低強度状態、すなわち、０状態となる。
【００１１】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２では、入力光Ａ１が、光分岐部７７で分岐された後、時間差及び強度差をつけられ、一方は光入力ポート７３から入力され非線形導波路７１での非線形光学効果の励起に用いられ、他方は光入力ポート７５から入力され非線形導波路７２での非線形光学効果の励起に用いられる。ＣＷ光Ａ２は、光入力ポート７４へ入力され、一旦分岐され、非線形導波路７１及び７２を通過し、非線形位相シフトを与えられた後、合波される。その結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光Ａ３が生成され、光出力ポート７６から出力される。入力光Ａ１が０の場合には、非線形導波路７１および７２への励起が行われないので、入力光Ａ２が非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート７６からの出力光Ａ３は低強度状態、すなわち、０となる。逆に、入力光Ａ１が１の場合には、非線形導波路７１および７２への励起が行われるので、入力光Ａ２が非線形導波路を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート７６からの出力光Ａ３は高強度状態、すなわち、１となる。
【００１２】
次に、図１１の光ＳＲフリップフロップの動作を、図１２に示した波形図を用いて説明する。セット光パルス光Ｓ及びリセット光パルスＲは、図１２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示すように、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列である。また、セット光パルスＳとリセット光パルスＲの間隔は２００ｐｓに設定されている。
【００１３】
まず、初期状態においては、図１２（ｄ）に示すように、出力光Ｑは低強度状態、すなわち、０状態となっている。すなわち、入力光Ｂが非線形導波路６１および非線形導波路６２を通過して干渉する際の位相差はπとなっている。このとき、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２において、入力光Ａ１が０状態であるので、図１２（ｃ）に示すように、出力光Ａ３も０状態である。
【００１４】
次に、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート６３へ入力されると、非線形導波路６１において非線形光学効果が励起され、入力光Ｂが非線形導波路６１を通過する際には非線形位相シフトを受ける。通常、この非線形位相シフトはπに近い値が望ましい。その場合、入力光Ｂが干渉する際の位相差は０へ変化し、出力光Ｑは１状態へ変化する。このとき、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２において、入力光Ａ１が１状態へ変化し、出力光Ａ３も１状態へ変化する。この出力光Ａ３が、非線形導波路６１に対する励起光としてフィードバックされ、出力光Ｑを１状態に保ち続ける。
【００１５】
フィードバック開始までに要する時間、すなわち、セット光パルス入力ポート６３において、セット光パルスＳが入力されてからマッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２の出力光Ａ３が入力され始めるまでの時間は１０ｐｓとなっている。この時間は、フィードバックされる光Ａ３の形成に用いられる部分の光路長で定まる。
【００１６】
次に、セット光パルスＳが入力されてから２００ｐｓ後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート６５から入力されると、非線形導波路６２において非線形光学効果が励起される。入力光Ｂが非線形導波路６２を通過する際にも非線形位相シフトを受けることにより、入力光Ｂが干渉する際の位相差は初期状態と同じ値のπに戻り、出力光Ｑは０状態へ戻る。このとき、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１１２において、入力光Ａ１が０状態となり、出力光Ａ３も０状態に戻る。
【００１７】
以上のようにして、光ＳＲフリップフロップが実現される。
【００１８】
【特許文献１】特開昭５９−１６８４２１号公報
【特許文献２】特開平７−２０５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
光ＳＲフリップフロップでは、二つの入力光ポートが備えられ、セット光パルスとリセット光パルスがそれぞれのポートに入力されることによって、出力光の状態が制御される。ＳＲフリップフロップは、各種のフリップフロップの基本となるものであるが、波形整形、シフトレジスタ、カウンタ等、様々な機能を実現する上では、ディレイ（Ｄ）・フリップフロップが必要である。なお、Ｄフリップフロップはデータ・フリップフロップと呼ばれることもある。Ｄフリップフロップの回路図および特性表を図１３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図１３（ｂ）の特性表は、クロックパルスが十分短い幅であることを前提とするものである。
【００２０】
光Ｄフリップフロップは、二つの入力光ポートを備え、データ光とクロック光が入力されると、クロック光が入力された時点のデータ光の状態に基づき、出力光の状態を制御するものである。このようなクロック光に同期した光出力を得ることができる光論理回路の実現が求められている。
【００２１】
本発明の目的は、光Ｄフリップフロップを提供することにある。
【００２２】
なお、特許文献１及び２のいずれにも、光Ｄフリップフロップを実現するための手段について開示しあるいは示唆する記載はない。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明による光フリップフロップは、セット光入力ポート及びリセット光入力ポートを備えた光セットリセットフリップフロップと、二値強度変調されたデータ光とクロック光またはＣＷ光とを受け、前記データ光に基づいて前記クロック光またはＣＷ光の一部又は全部を前記セット光入力ポート及び前記リセット光入力ポートへ振り分けるスイッチング手段とを備え、前記光セットリセットフリップフロップの光出力ポート又は該光出力ポートに接続された光回路の出力ポートに、前記データ光を遅延させたのに実質的に等しい遅延データ光を出力させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による光フリップフロップでは、二つの入力光ポートが備えられ、データ光とクロック光パルスがそれぞれのポートに入力されることによって、出力光の状態が制御される。これによりＤフリップフロップ動作が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
本発明による第一実施形態の光フリップフロップの構成を図１に示す。この光Ｄフリップフロップは、データ光（Ｄ）入力ポート１とクロック光パルス（Ｃｌｋ）入力ポート２、光出力（Ｑ）ポート３が備えられ、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２と光ＳＲフリップフロップ１０１で構成される。
【００２７】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、非線形導波路１１および１２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート１３、光入力ポート１５へ入力され、クロック光パルスＣｌｋはクロック光パルス入力ポート２を経由して、光入力ポート１４へ入力され、出力光が光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００２８】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルス（Ｓ）入力ポート４、リセット光パルス（Ｒ）入力ポート５が備えられ、それぞれ光出力ポート１６および光出力ポート１７に接続されており、出力光が光出力ポート６から出力され、光出力ポート３へ導かれる。
【００２９】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、データ光Ｄが非線形導波路１１および１２における非線形光学効果を励起する。他方、クロック光パルスＣｌｋは、光入力ポート１４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路１１及び１２を通過した後、合波される。分岐されたクロック光パルスＣｌｋには、非線形導波路１１あるいは１２を通過する際、励起されている非線形光学効果に応じた位相シフト（非線形位相シフト）が与えられる。その結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｓ，Ｒ）が生成され、光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００３０】
データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われないので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート１６の出力光強度が低い０状態、光出力ポート１７の出力光強度が高い１状態となる。逆に、データ光Ｄが１の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート１６の出力光強度が高い１状態、光出力ポート１７の出力光強度が低い０状態となる。
【００３１】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されると光出力ポート６からの出力光Ｑの光強度が高い１状態に遷移し、以後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。逆に、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されると出力光Ｑの光強度が低い０状態に遷移し、以後、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。
【００３２】
次に、第一実施形態の光Ｄフリップフロップの動作を、図２（ａ）乃至（ｅ）に示した波形図を用いて説明する。図２（ａ）乃至（ｅ）は、データ光Ｄ、クロック光パルスＣｌｋ、セット光パルスＳ、リセット光パルスＲ及び出力光Ｑの波形をそれぞれ示している。ここで、データ光Ｄはビットレート４０Ｇｂ／ｓの非ゼロ復帰（ＮＲＺ）変調光信号であり、クロック光パルスＣｌｋは、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【００３３】
データ光Ｄが０状態のときには、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路１１，１２の励起が行われておらず、このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１および１２を通過して合波する際の位相差がπとなっている。このため、光出力ポート１６からは光パルスが出力されず、光出力ポート１７から光パルスが出力される。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され続け、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０状態が保持される。
【００３４】
次に、データ光Ｄが１状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路１１，１２の励起が開始される。このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１及び１２を通過して合波する際の位相差が０となる。このため、データ光Ｄが１状態になってから入力された最初のクロック光パルス以後は、光出力ポート１６から光パルスが出力され、光出力ポート１７からは光パルスが出力されないようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは１状態に遷移し、以後、保持される。
【００３５】
さらに、データ光Ｄが０状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路１１，１２の励起が行われなくなる。このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１及び１２を通過して合波する際の位相差はπとなる。このため、データ光Ｄが０状態になってから入力された最初のクロック光パルスＣｌｋ以後は、光出力ポート１６からは光パルスが出力されなくなり、光出力ポート１７から光パルスが出力されるようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０状態に遷移し、以後、保持される。
【００３６】
以上により、クロック光パルスが入力される時点のデータ光の状態に対応して出力光の状態を制御する光Ｄフリップフロップが実現される。なお、図２の波形図の説明では、入力されるデータ光ＤがＮＲＺ光信号の場合を例にとったが、ＲＺ光信号が用いられる場合にも同様の動作が実現される。
【００３７】
上記では、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２において、データ光Ｄによる励起を非線形導波路１１および１２の両方に対して行う場合を説明した。非線形導波路１１または１２のどちらか一方を励起して出力光の状態を制御することも可能であるが、両アームを励起し時間差あるいは強度差を活用することによって、非線形光学効果の緩和時間の影響が抑えられ高速動作が可能となる。
【００３８】
ＲＺ変調されたデータ光で励起される場合に、両アームの非線形導波路の励起の時間差を活用して高速動作を可能にする方法は、例えば、田島著「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス」誌（Japanese Journal of Applied Physics）、第３２巻、第Ｌ１７４６頁〜第Ｌ１７４９頁、１９９３年に記載されている。また、ＮＲＺ変調されたデータ光で励起される場合に、両アームの非線形導波路の励起の時間差及び強度差を活用して高速動作を可能にする方法は、例えば、中村他著「オプティカル・ファイバー・コミュニケーション・コンファレンス」（Optical Fiber Communication Conference）、論文番号ＦＤ３、２００４年に記載されている。
【００３９】
本発明による第二実施形態の光フリップフロップの構成を図３に示す。この光Ｄフリップフロップは、データ光Ｄ用のデータ光入力ポート１とクロック光パルスＣｌｋ用のクロック光パルス入力ポート２、出力光Ｑ用の光出力ポート３が備えられ、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３、１０４と光ＳＲフリップフロップ１０１で構成される。
【００４０】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３では、非線形導波路２１および２２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート２３、光入力ポート２５へ入力され、クロック光パルスＣｌｋはクロック光入力ポート２を経由して光入力ポート２４へ入力され、出力光（Ｓ）が光出力ポート２６から出力される。
【００４１】
また、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４では、非線形導波路３１および３２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート３３、光入力ポート３５へ入力され、クロック光パルスＣｌｋはクロック光パルス入力ポート２を経由して光入力ポート３４へ入力され、出力光（Ｒ）が光出力ポート３６から出力される。
【００４２】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳのセット光パルス入力ポート４、リセット光パルスＲ用のリセット光パルス入力ポート５が備えられ、それぞれ光出力ポート２６および光出力ポート３６に接続されており、出力光Ｑが光出力ポート６から出力され、光出力ポート３へ導かれる。
【００４３】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３では、データ光Ｄが非線形導波路２１および２２における非線形光学効果を励起する。他方、クロック光パルスＣｌｋは、光入力ポート２４へ入力され、一旦分岐され、非線形導波路２１及び２２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。その結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｓ）が、光出力ポート２６から出力される。
【００４４】
データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路２１および２２への励起が行われないので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路２１，２２を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート２６の出力光強度が低い０状態となる。逆に、データ光Ｄが１状態の場合には、非線形導波路２１および２２への励起が行われるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路２１，２２を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート２６の出力光強度が高い１状態となる。
【００４５】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４では、データ光Ｄが非線形導波路３１および３２における非線形光学効果を励起する。他方、クロック光パルスＣｌｋは、光入力ポート３４へ入力され、一旦分岐され、非線形導波路３１及び３２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。その結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｒ）が、光出力ポート３６から出力される。
【００４６】
データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路３１および３２への励起が行われないので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路３１，３２を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート３６の出力光強度が高い１状態となる。逆に、データ光Ｄが１状態の場合には、非線形導波路３１および３２への励起が行われるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路３１，３２を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート３６の出力光強度が低い０状態となる。すなわち、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３の出力とマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４の出力は互いに論理反転している。マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３の出力とマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４の出力とが互いに論理反転するように各光の光路量が定められている。
【００４７】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されると光出力ポート６からの出力光Ｑの光強度が高い１状態に遷移し、以後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。逆に、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されると出力光Ｑの光強度が低い０状態に遷移し、以後、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。
【００４８】
第二実施形態の光Ｄフリップフロップの動作は、第一実施形態の動作と同様、図２に示した波形図で説明される。ここでも、データ光Ｄはビットレート４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ光信号であり、クロック光パルスＣｌｋは、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【００４９】
データ光Ｄが０状態のときには、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４では非線形導波路の励起が行われておらず、このとき、光出力ポート２６からは光パルスが出力されず、光出力ポート３６から光パルスが出力される。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され続ける。光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０状態が保持される。
【００５０】
次に、データ光Ｄが１状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４では非線形導波路の励起が開始される。このとき、データ光Ｄが１状態になってから入力された最初のクロック光パルスＣｌｋ以後は、光出力ポート２６から光パルスが出力され、光出力ポート３６からは光パルスが出力されないようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは１状態に遷移し、以後、保持される。
【００５１】
次に、データ光Ｄが０状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０３、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０４では非線形導波路の励起が行われなくなる。このため、データ光Ｄが０状態になってから入力された最初のクロック光パルスＣｌｋ以後は、光出力ポート２６からは光パルスが出力されなくなり、光出力ポート３６から光パルスが出力されるようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０状態に遷移し、以後、保持される。
【００５２】
以上により、クロック光パルスが入力される時点のデータ光の状態に対応して出力光の状態を制御する光Ｄフリップフロップが実現される。
【００５３】
本発明による第三実施形態の光フリップフロップの構成を図４に示す。この光Ｄフリップフロップは、データ光Ｄ用のデータ光入力ポート１とクロック光パルスＣｌｋ用のクロック光パルス入力ポート２、出力光Ｑ用の光出力ポート３が備えられ、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２、光ＳＲフリップフロップ１０１、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５で構成される。
【００５４】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、非線形導波路１１および１２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート１３、光入力ポート１５へ入力され、クロック光パルスＣｌｋはクロックパルス光入力ポート２を経由して、光入力ポート１４へ入力され、出力光（Ｓ，Ｒ）が光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００５５】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳ用のセット光パルス入力ポート４、リセット光パルスＲ用のリセット光パルス入力ポート５が備えられ、それぞれ光出力ポート１６および光出力ポート１７に接続されており、出力光（Ｑ’）が光出力ポート６から出力される。
【００５６】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５では、非線形導波路４１および４２が両アームに配置されており、この非線形導波路を励起するためのクロック光パルスＣｌｋ’が光入力ポート４３、光入力ポート４５へ入力され、光ＳＲフリップフロップからの出力光（Ｑ’）が光入力ポート４４へ入力され、出力光Ｑが光出力ポート４６から出力され、光出力ポート３へ導かれる。
【００５７】
第三実施形態の光Ｄフリップフロップは、第一実施形態の光Ｄフリップフロップの後段にクロック光パルスＣｌｋ’で駆動される光ゲート（１０５）が備えられた構成となっている。第一実施形態においては、光ＳＲフリップフロップ１０１に入力されるセット光パルスＳが連続で入力される場合、出力光が１状態に保持されるものの、セット光パルスＳが入力される度に出力光強度がゆらぐおそれがある。また、リセット光パルスＲが連続で入力される場合にも、出力光が０状態に保持されるものの、リセット光パルスＲが入力される度に出力光強度がゆらぐおそれがある。第三実施形態では、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５におけるゲート動作を用いることにより、光強度のゆらぎが除去された出力光Ｑが得られる。
【００５８】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、データ光Ｄが非線形導波路１１および１２における非線形光学効果を励起する。他方、クロック光パルスＣｌｋは、光入力ポート１４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路１１及び１２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。この結果、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｓ，Ｒ）が生成され、光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００５９】
データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われないので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート１６の出力光強度が低い０状態、光出力ポート１７の出力光強度が高い１状態となる。逆に、データ光Ｄが１の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート１６の出力光強度が高い１状態、光出力ポート１７の出力光強度が低い０状態となる。
【００６０】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されると光出力ポート６からの出力光Ｑ’の光強度が高い１状態に遷移し、以後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。逆に、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されると出力光Ｑ’の光強度が低い０状態に遷移し、以後、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。
【００６１】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５では、クロック光パルスＣｌｋ’が非線形導波路４１および４２における非線形光学効果を励起する。他方、光ＳＲフリップフロップ１０１の光出力ポート６からの出力光Ｑ’が、光入力ポート４４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路４１あるいは４２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。そして、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｑが、光出力ポート４６から出力される。
【００６２】
次に、第三実施形態の光Ｄフリップフロップの動作を、図５（ａ）乃至（ｇ）に示した波形図を用いて説明する。図５（ａ）乃至（ｇ）は、データ光Ｄ、クロック光パルスＣｌｋ、セット光パルスＳ、リセット光パルスＲ、光ＳＲフリップフロップ１０１の出力Ｑ’、クロック光パルスＣｌｋ’及び出力光Ｑの波形をそれぞれ示している。ここで、データ光Ｄはビットレート４０Ｇｂ／ｓのＲＺ変調光信号であり、クロック光パルスＣｌｋは、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【００６３】
データ光Ｄが０状態のときには、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路の励起が行われておらず、このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１あるいは１２を通過して合波する際の位相差がπとなっている。このため、光出力ポート１６からは光パルスが出力されず、光出力ポート１７から光パルスが出力される。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され続ける。光出力ポート６からの出力光Ｑ’は０状態が保持される。
【００６４】
次に、データ光Ｄが１状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路の励起が開始される。このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１あるいは１２を通過して合波する際の位相差が０となる。このため、データ光Ｄが１状態になってから入力された最初のクロック光パルス以後は、光出力ポート１６から光パルスが出力され、光出力ポート１７からは光パルスが出力されないようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力され、光出力ポート６からの出力光Ｑ’は１状態に遷移し、以後、保持される。
【００６５】
続いて、データ光Ｄが０状態に変化すると、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では非線形導波路の励起が行われなくなる。このとき、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路１１を通過する分岐光と非線形導波路１２を通過する分岐光の位相差はπとなる。このため、データ光Ｄが０状態になってから入力された最初のクロック光パルスＣｌｋ以後は、光出力ポート１６からは光パルスが出力されなくなり、光出力ポート１７から光パルスが出力されるようになる。すなわち、光ＳＲフリップフロップ１０１において、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力され、光出力ポート６からの出力光Ｑ’は０状態に遷移し、以後、保持される。
【００６６】
ここで、光ＳＲフリップフロップ１０１の光出力ポート６から出力される光Ｑ’の波形においては、１状態を保持する間の光強度ゆらぎ、あるいは、０状態を保持する間の光強度のゆらぎが生じている。これらの光強度ゆらぎは、ビット誤りの原因となり得るため、好ましくない。出力光Ｑ’における１状態保持中の光強度ゆらぎは光ＳＲフリップフロップ１０１に入力されるセット光パルスＳが連続している場合に生じており、また、出力光Ｑ’における０状態保持中の光強度ゆらぎは光ＳＲフリップフロップ１０１に入力されるリセット光パルスＲが連続している場合に生じている。ここでは、この出力光Ｑ’はさらにマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５に入力される。マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０５では、クロック光パルスＣｌｋ’が入力された時、入力されている光Ｑ’に対し６ｐｓのスイッチングウィンドウを開けるように設定されており、これによりＱ’の波形における強度ゆらぎの顕著な部分は除去される。したがって、その出力光Ｑでは、光強度ゆらぎが除去された出力光が得られる。
【００６７】
本発明による第四実施形態の光フリップフロップの構成を図６に示す。この光Ｄフリップフロップは、データ光Ｄ用のデータ光入力ポート１とクロック光パルスＣｌｋのクロック光パルス入力ポート２、出力光Ｑ用の光出力ポート３が備えられ、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２、光ＳＲフリップフロップ１０１で構成される。
【００６８】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、非線形導波路５１、５２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート５３、光入力ポート５５へ入力され、クロック光パルスＣｌｋはクロック光パルス入力ポート２を経由して、光入力ポート５４へ入力され、出力光Ｐが光出力ポート５６から出力される。
【００６９】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、非線形導波路１１および１２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート１３、光入力ポート１５へ入力され、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６の出力光Ｐが光出力ポート５６から光入力ポート１４へ入力され、出力光（Ｓ，Ｒ）が光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００７０】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳ用のセット光パルス入力ポート４、リセット光パルスＲ用のリセット光パルス入力ポート５が備えられ、それぞれ光出力ポート１６および光出力ポート１７に接続されており、出力光Ｑが光出力ポート６から出力され、光出力ポート３へ導かれる。
【００７１】
第四実施形態の光Ｄフリップフロップでは、光ＳＲフリップフロップ１０１への入力光において、セット光パルスＳが連続で入力される状態、あるいは、リセット光パルスＲが連続で入力される状態を生じないようにすることができる。すなわち、セット光パルスＳとリセット光パルスＲの入力が常に交互に行われるようにすることができる。このため、光ＳＲフリップフロップ１０１の出力光において、光強度ゆらぎが生じなくなる。
【００７２】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、データ光Ｄが非線形導波路５１および５２における非線形光学効果を励起する。他方、クロック光パルスＣｌｋは、光入力ポート５４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路５１及び５２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。そして、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｐが生成され、光出力ポート５６から出力される。
【００７３】
ここで、非線形導波路５１に入力されるデータ光Ｄ１に対し、非線形導波路５２に入力されるデータ光Ｄ２には１ビット分の遅延が設けられている。データ光Ｄ１が０でデータ光Ｄ２が０の場合、非線形導波路５１および５２への励起が行われないので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート５６の出力光Ｐは０となる。
【００７４】
一方、データ光Ｄ１、データ光Ｄ２の一方が０、他方が１の場合、非線形導波路５１、５２のどちらか一方が励起されるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート５６の出力光Ｐは１となる。
【００７５】
また、データ光Ｄ１が１でデータ光Ｄ２が１の場合、非線形導波路５１および５２の両方が励起されるので、クロック光パルスＣｌｋが非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート５６の出力光Ｐは０となる。
【００７６】
以上により、出力光Ｐの状態はデータ光Ｄにおける前後ビット間の排他的論理和（ＸＯＲ）で決定されることになる。
【００７７】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、データ光Ｄが非線形導波路１１および１２における非線形光学効果を励起する。他方、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６の出力光Ｐは、光入力ポート１４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路１１あるいは１２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。そして、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｓ，Ｒ）が生成され、光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００７８】
データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われないので、光信号Ｐが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート１６の出力光強度が低い０状態、光出力ポート１７の出力光強度が高い１状態となる。逆に、データ光Ｄが１の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われるので、光信号Ｐが非線形導波路１１，１２を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート１６の出力光強度が高い１状態、光出力ポート１７の出力光強度が低い０状態となる。
【００７９】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されると光出力ポート６からの出力光Ｑの光強度が高い１状態に遷移し、以後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。逆に、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されると出力光Ｑの光強度が低い０状態に遷移し、以後、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。
【００８０】
次に、第四実施形態の光Ｄフリップフロップの動作を、図７（ａ）乃至（ｈ）に示した波形図を用いて説明する。図７（ａ）乃至（ｈ）は、データ光Ｄ、データ光Ｄ１、データ光Ｄ２、クロック光パルスＣｌｋ、光スイッチの出力光Ｐ、セット光パルスＳ、リセット光パルスＲ及び出力光Ｑの波形をそれぞれ示している。ここで、データ光Ｄはビットレート４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調光信号であり、クロック光パルスＣｌｋは、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【００８１】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、データ光Ｄの前後ビット間のＸＯＲで出力光の状態が決定されることから、データ光Ｄが０から１へ変化するとき、あるいは、１から０へ変化するときに出力光Ｐが１となる。出力光Ｐにおいて、データ光が０から１へ変化するときに発生した光パルスは、次段のマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２において、データ光Ｄの１が入力されるのと同時に入力される。すなわち、非線形導波路１１および１２の励起が行われているため、入力された光信号Ｐは光出力ポート１６から出力される。これが、光ＳＲフリップフロップ１０１に対するセット光パルスＳとなり、セット光パルス入力ポート４へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは１に変化する。
【００８２】
出力光Ｐにおいて、データ光が１から０へ変化するときに発生した光パルスは、次段のマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２において、データ光Ｄの０が入力されるのと同時に入力される。すなわち、非線形導波路１１および１２の励起が行われていないため、入力された光信号Ｐは光出力ポート１７から出力される。これが、光ＳＲフリップフロップ１０１に対するリセット光パルスＲとなり、リセット光パルス入力ポート５へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０に変化する。
【００８３】
以上により、クロック光パルスが入力される時点のデータ光の状態に対応して出力光の状態を制御する光Ｄフリップフロップが実現される。
【００８４】
第四実施形態の光フリップフロップの構成において、入力ポート２へクロック光パルスではなくＣＷ光を入力することにより、クロック光パルスを用意せずに動作させる光波形整形回路が実現される。これを第五実施形態とし、その構成を図８に示す。
【００８５】
この光波形整形回路は、データ光Ｄ用のデータ光入力ポート１とＣＷ光用の連続光入力ポート２、出力光Ｑ用の光出力ポート３が備えられ、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２、光ＳＲフリップフロップ１０１で構成される。
【００８６】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、非線形導波路５１、５２が両アームに配置されており、データ光Ｄはデータ光入力ポート１を経由して光入力ポート５３、光入力ポート５５へ入力され、ＣＷ光は連続光入力ポート２を経由して、光入力ポート５４へ入力され、出力光Ｐが光出力ポート５６から出力される。
【００８７】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、非線形導波路１１および１２が両アームに配置されており、データ光Ｄはポート１を経由して光入力ポート１３、光入力ポート１５へ入力され、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６の出力光Ｐが光出力ポート５６から光入力ポート１４へ入力され、出力光（Ｓ，Ｒ）が光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。
【００８８】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳ用のセット光パルス入力ポート４、リセット光パルスＲ用のリセット光パルス入力ポート５が備えられ、それぞれ光出力ポート１６および光出力ポート１７に接続されており、出力光Ｑが光出力ポート６から出力され、光出力ポート３へ導かれる。
【００８９】
第四実施形態の光Ｄフリップフロップと同様、この光波形整形回路においても、光ＳＲフリップフロップ１０１への入力光において、セット光パルスＳが連続で入力される状態、あるいは、リセット光パルスＲが連続で入力される状態を生じないようにすることができる。すなわち、セット光パルスＳとリセット光パルスＲの入力が常に交互に行われるようにすることができる。このため、光ＳＲフリップフロップ１０１の出力光において、光強度ゆらぎが生じなくなる。
【００９０】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、データ光Ｄが非線形導波路５１および５２における非線形光学効果を励起する。他方、光入力ポート５４へ入力されたＣＷ光は、一旦分岐され、非線形導波路５１及び５２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。そして、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｐが生成され、光出力ポート５６から出力される。
【００９１】
非線形導波路５１に入力されるデータ光Ｄ１に対し、非線形導波路５２に入力されるデータ光Ｄ２には１ビット分の遅延が設けられている。データ光Ｄ１が０でデータ光Ｄ２が０の場合、非線形導波路５１および５２への励起が行われないので、ＣＷ光が非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート５６の出力光Ｐは０となる。
【００９２】
また、データ光Ｄ１、データ光Ｄ２の一方が０、他方が１の場合、非線形導波路５１、５２のどちらか一方が励起されるので、ＣＷ光が非線形導波路を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート５６の出力光Ｐは１となる。
【００９３】
さらに、データ光Ｄ１が１でデータ光Ｄ２が１の場合、非線形導波路５１および５２の両方が励起されるので、ＣＷ光が非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート５６の出力光Ｐは０となる。
【００９４】
以上により、出力光Ｐの状態はデータ光Ｄにおける前後ビット間の排他的論理和（ＸＯＲ）で決定されることになる。
【００９５】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２では、データ光Ｄが非線形導波路１１および１２における非線形光学効果を励起する。他方、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６の出力光Ｐが、光入力ポート１４へ入力された後、一旦分岐され、非線形導波路１１及び１２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波される。そして、合波され干渉する際の光の位相差に応じた強度を持つ出力光（Ｓ，Ｒ）が生成され、光出力ポート１６および光出力ポート１７から出力される。データ光Ｄが０の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われないので、光信号Ｐが非線形導波路を通過して干渉する際の位相差はπであり、光出力ポート１６の出力光強度が低い０状態、光出力ポート１７の出力光強度が高い１状態となる。逆に、データ光Ｄが１の場合には、非線形導波路１１および１２への励起が行われるので、光信号Ｐが非線形導波路を通過して干渉する際の位相差は０であり、光出力ポート１６の出力光強度が高い１状態、光出力ポート１７の出力光強度が低い０状態となる。
【００９６】
光ＳＲフリップフロップ１０１では、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されると光出力ポート６からの出力光Ｑの光強度が高い１状態に遷移し、以後、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。逆に、リセット光パルスＲがリセット光パルス入力ポート５へ入力されると出力光Ｑの光強度が低い０状態に遷移し、以後、セット光パルスＳがセット光パルス入力ポート４へ入力されるまで、その出力光状態を保持する。
【００９７】
次に、この光波形整形回路の動作を、図９（ａ）乃至（ｈ）に示した波形図を用いて説明する。図９（ａ）乃至（ｈ）は、データ光Ｄ、データ光Ｄ１、データ光Ｄ２、ＣＷ光、光スイッチの出力光Ｐ、セット光パルスＳ、リセット光パルスＲ及び出力光Ｑの波形をそれぞれ示している。ここで、データ光Ｄはビットレート４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調光信号である。
【００９８】
マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０６では、データ光Ｄの前後ビット間のＸＯＲで出力光の状態が決定されることから、データ光Ｄが０から１へ変化するとき、あるいは、１から０へ変化するときに出力光Ｐが１となる。出力光Ｐにおいて、データ光が０から１へ変化するときに発生した光パルスは、次段のマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２において、データ光Ｄの１が入力されるのと同時に入力される。すなわち、非線形導波路１１および１２の励起が行われているため、入力された光信号Ｐは光出力ポート１６から出力される。これが、光ＳＲフリップフロップ１０１に対するセット光パルスＳとなり、セット光パルス入力ポート４へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは１に変化する。
【００９９】
出力光Ｐにおいて、データ光が１から０へ変化するときに発生した光パルスは、次段のマッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２において、データ光Ｄの０が入力されるのと同時に入力される。すなわち、非線形導波路１１および１２の励起が行われていないため、入力された光信号Ｐは光出力ポート１７から出力される。これが、光ＳＲフリップフロップ１０１に対するリセット光パルスＲとなり、リセット光パルス入力ポート５へ入力され、光出力ポート６、光出力ポート３を経由して出力される光Ｑは０に変化する。以上により、光波形整形回路が実現される。
【０１００】
それぞれの実施形態における光回路の非線形導波路としては、半導体光アンプ（ＳＯＡ）を用いることができる。第一実施形態において、非線形導波路として波長１５５０ｎｍ帯を利得帯域とするＳＯＡを用いる場合の動作について説明する。
【０１０１】
ＳＯＡは、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２における非線形導波路１１および１２、光ＳＲフリップフロップ１０１における非線形導波路として用いられる。データ光Ｄは、波長１５５５ｎｍ、ビットレート４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調光信号、クロック光パルスＣｌｋは、波長１５４５ｎｍ、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【０１０２】
非線形導波路１１および１２では、データ光Ｄが入力されるとキャリア密度が減少し、クロック光パルスＣｌｋに対する非線形位相シフトが生じる。マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２の光出力ポート１６から出力される波長１５４５ｎｍの光パルスが、セット光パルスＳとして光ＳＲフリップフロップ１０１のセット光パルス入力ポート４へ入力され、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２の光出力ポート１７から出力される波長１５４５ｎｍの光パルスが、リセット光パルスＲとして光ＳＲフリップフロップ１０１のリセット光パルス入力ポート５へ入力される。光ＳＲフリップフロップ１０１では、波長１５５５ｎｍの出力光Ｑの状態が、セット光パルスＳおよびリセット光パルスＲにより制御される。
【０１０３】
あるいは、それぞれの実施形態における光回路の非線形導波路としては、活性層を量子ドット(ＱＤ)で構成した導波路を用いることができる。第一実施形態において、非線形導波路として波長１３００ｎｍ帯を吸収帯域とするＱＤ導波路を用いる場合の動作について説明する。
【０１０４】
ＱＤ導波路は、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２における非線形導波路１１および１２、光ＳＲフリップフロップ１０１における非線形導波路として用いられる。データ光Ｄは、波長１３００ｎｍ、ビットレート４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調光信号、クロック光パルスＣｌｋは、波長１２８０ｎｍ、繰返し周波数４０ＧＨｚ、パルス幅６ｐｓの光パルス列である。
【０１０５】
非線形導波路１１および１２では、データ光Ｄが入力されるとＱＤに吸収され、ＱＤにキャリアが生成され、クロック光パルスＣｌｋに対する非線形位相シフトが生じる。マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２の光出力ポート１６から出力される波長１２８０ｎｍの光パルスが、セット光パルスＳとして光ＳＲフリップフロップ１０１のセット光パルス入力ポート４へ入力され、マッハ・ツェンダー型光スイッチ１０２の光出力ポート１７から出力される波長１２８０ｎｍの光パルスが、リセット光パルスＲとして光ＳＲフリップフロップ１０１のリセット光パルス入力ポート５へ入力される。光ＳＲフリップフロップ１０１では、波長１３００ｎｍの出力光Ｑの状態が、セット光パルスＳおよびリセット光パルスＲにより制御される。
【０１０６】
また、それぞれの実施形態における光回路を構成する光導波路として、フォトニック結晶導波路あるいは高屈折率差導波路を用いることにより、曲がり導波路の曲率半径を小さくし、デバイスの超小型化が可能となる。ここではフォトニック結晶導波路を用いる場合を述べることとし、まず基本構造を説明する。
【０１０７】
ＧａＡｓ基板に犠牲層としてのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（厚み２μｍ）を介してＧａＡｓ層（厚み０．２５μｍ）を成長し、電子ビームリソグラフィとドライエッチングによってＧａＡｓ面内に周期的な円孔配列構造を形成することにより、２次元フォトニック結晶（以下、２ＤＰＣと呼ぶ）が得られる。厚み方向への光の閉じ込めには、上記犠牲層を選択的に除去（湿式エッチング）してコア層のみを残すことにより、空気層との大きな屈折率コントラストを有するエアブリッジ型平面光導波路を得る。
【０１０８】
この光導波路基板に所望の光配線を形成するには、上記の周期的円孔配列中に、円孔が欠損した配列、いわゆる欠陥導波路を光配線に沿って形成する。本欠陥導波路の設計には、前記２ＤＰＣのバンドギャップ内に本導波路の固有伝搬モードを設定する。こうして光は面内周辺への漏洩が禁止され、面内への損失がなく導波路に沿って伝搬する。
【０１０９】
光通信波長帯での２ＤＰＣの格子定数（ａ）は０．３〜０．４μｍであり、且つ１０ａ〜１０００ａの光路長の範囲に大方のデバイスが収まるので、２ＤＰＣは数μ〜数１００μの超小型光デバイスを提供する。また、作製過程で発生する構造の不完全性に由来する伝搬損失は、０．８ｄＢ／ｍｍ以下と十分小さいので、例えば〜５ｍｍ２の素子サイズでも４ｄＢ以下の低伝搬損失光デバイスが構築可能である。
【０１１０】
こうした２ＤＰＣの基本構造は、非線形導波路の部分にも用いることが可能である。この場合、非線形導波路の部分には、あらかじめＩｎＡｓから成る量子ドット（以下、ＱＤと称す）が埋め込まれている。ＱＤは１３００〜１５５０ｎｍ近辺の任意の波長で鋭い吸収スペクトル・ピークを示す。このため、ＱＤから成る前記非線形導波路は励起光が吸収されることにより非線形屈折率変化を誘起し、所望の非線形位相シフトを発生する。よって２ＤＰＣにより構成される光フリップフロップでは、それぞれの実施例で説明した動作原理が当てはまる。
【０１１１】
特願２００６−２２４１６５号の明細書にも記載したが、２ＤＰＣで構成された光ＳＲフリップフロップでは、フィードバックループの全光路長を１００μｍとし、セット光パルスとリセット光パルスの間隔を数ｐｓまで短縮することが可能となる。これは、光フリップフロップの動作ビットレートが、数１００Ｇｂ／ｓまで高速化可能であることを意味する。すなわち、２ＤＰＣを用いると超小型の全光スイッチが実現されるため、超高速動作の光フリップフロップが実現可能であるという特長を有する。
【０１１２】
また、光フリップフロップを構成する非線形導波路において、励起に用いられる光と非線形位相シフトを受ける光について同方向に伝搬する場合のみを説明したが、逆方向に伝搬させた場合にも同様の動作が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る光フリップフロップの構成図である。
【図２】図１の光フリップフロップの動作を説明するための波形図であって、（ａ）はデータ光Ｄ、（ｂ）はクロック光パルスＣｌｋ、（ｃ）はセット光パルスＳ、（ｄ）はリセット光パルスＲ及び（ｅ）は出力光Ｑの波形図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る光フリップフロップの構成図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る光フリップフロップの構成図である。
【図５】図４の光フリップフロップの動作を説明するための波形図であって、（ａ）はデータ光Ｄ、（ｂ）はクロック光パルスＣｌｋ、（ｃ）はセット光パルスＳ、（ｄ）はリセット光パルスＲ、（ｅ）は光ＳＲフリップフロップの出力Ｑ’、（ｆ）はクロック光パルスＣｌｋ’及び（ｇ）は出力光Ｑの波形図である。
【図６】本発明の第四実施の形態に係る光フリップフロップの構成図である。
【図７】図６の光フリップフロップの動作を説明するための波形図であって、（ａ）はデータ光Ｄ、（ｂ）はデータ光Ｄ１、（ｃ）はデータ光Ｄ２、（ｄ）はクロック光パルスＣｌｋ、（ｅ）は光スイッチの出力光Ｐ、（ｆ）はセット光パルスＳ、（ｇ）はリセット光パルスＲ及び（ｈ）は出力光Ｑの波形図である。
【図８】本発明の第五実施形態に係る光フリップフロップの構成図である。
【図９】図８の光フリップフロップの動作を説明するための波形図であって、（ａ）はデータ光Ｄ、（ｂ）はデータ光Ｄ１、（ｃ）はデータ光Ｄ２、（ｄ）はＣＷ光、（ｅ）は光スイッチの出力光Ｐ、（ｆ）はセット光パルスＳ、（ｇ）はリセット光パルスＲ及び（ｈ）出力光Ｑの波形図である。
【図１０】（ａ）はＳＲフリップフロップの回路図、（ｂ）はその動作を説明するための特性表である。
【図１１】本願出願人により提案された光ＳＲフリップフロップの概略構成図である。
【図１２】図１１の光ＳＲフリップフロップの動作を説明するための波形図であって、（ａ）はセット光パルスＳ、（ｂ）はリセット光パルスＲ、（ｃ）は光スイッチの出力光Ａ３、（ｄ）は光ＳＲフリップフロップの出力光Ｑの波形図である。
【図１３】（ａ）はＤフリップフロップの回路図、（ｂ）はその動作を説明するための特性表である。
【符号の説明】
【０１１４】
１      データ光入力ポート
２      クロック光パルスまたは連続光入力ポート
３      光出力ポート
４      セット光パルス入力ポート
５      リセット光パルス入力ポート
６      光出力ポート
１１    非線形導波路
１２    非線形導波路
１３    光入力ポート
１４    光入力ポート
１５    光入力ポート
１６    光出力ポート
１７    光出力ポート
２１    非線形導波路
２２    非線形導波路
２３    光入力ポート
２４    光入力ポート
２５    光入力ポート
２６    光出力ポート
３１    非線形導波路
３２    非線形導波路
３３    光入力ポート
３４    光入力ポート
３５    光入力ポート
３６    光出力ポート
４１    非線形導波路
４２    非線形導波路
４３    光入力ポート
４４    光入力ポート
４５    光入力ポート
４６    光出力ポート
５１    非線形導波路
５２    非線形導波路
５３    光入力ポート
５４    光入力ポート
５５    光入力ポート
５６    光出力ポート
６１    非線形導波路
６２    非線形導波路
６３    セット光パルス入力ポート
６４    連続光入力ポート
６５    リセット光パルス入力ポート
６６    光出力ポート
６７    光分岐部
６８    光出力ポート
７１    非線形導波路
７２    非線形導波路
７３    光入力ポート
７４    光入力ポート
７５    光入力ポート
７６    光出力ポート
７７    光分岐部
７８    光合波部
１０１    光セットリセットフリップフロップ
１０２    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１０３    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１０４    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１０５    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１０６    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１１１    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
１１２    マッハ・ツェンダー型光スイッチ
【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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