(57)【要約】【課題】  光双安定素子の2状態間の切り替え動作を高速化する。【解決手段】  入力光強度を増していくと、第１の閾値P1を越えたところで、出力光強度が不連続に上昇し、入力光強度を減じていくと、第２の閾値P2になったところで、出力光強度が再び不連続に下降する非線形光学特性をもった光共振器を備え、該光共振器にセット用光パルスを加えることにより、透過率が低い状態から高い状態に切り替え、かつ、リセット用光パルスを加えることにより、透過率が高い状態から低い状態に切り替える。このセット用光パルスとして、連続(CW)光のバイアス光に、それと同位相の光パルスを重畳して入力し、かつ、リセット用光パルスとして、連続(CW)光のバイアス光に、それと反位相の光パルスを重畳して入力する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光強度を増していくと、第１の閾値P1を越えたところで、出力光強度が不連続に上昇し、入力光強度を減じていくと、第２の閾値P2になったところで、出力光強度が再び不連続に下降する非線形光学特性をもった光共振器を備え、該光共振器に光パルスを含むセット用光信号を入力ることにより、透過率が低い状態から高い状態に切り替え、かつ、光パルスを含むリセット用光信号を入力することにより、透過率が高い状態から低い状態に切り替える光双安定素子において、
前記セット用光信号として、連続(CW)光であるバイアス光に、それと同位相の光パルスを重畳したものを入力し、
前記リセット用光信号として、連続(CW)光であるバイアス光に、それと反位相の光パルスを重畳したものを入力する、
ことから成る光双安定素子。
【請求項２】
前記リセット用光信号は、前記光パルスの前記バイアス光に対する位相の進みを、180度より大きくとる方向に調整した請求項１に記載の光双安定素子。
【請求項３】
前記リセット用光信号として、連続(CW)光であるバイアス光に重畳される光パルスは、1つの光パルスにより構成するか、或いは第１の光パルスと、第１の光パルスよりも位相が遅れた小振幅の第２の光パルスを加えたパルス対により構成した請求項１又は２に記載の光双安定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学特性をもった光共振器を備え、該光共振器に光パルスを含むセット用光信号を入力することにより、透過率が低い状態から高い状態に切り替え、かつ、光パルスを含むリセット用光信号を入力することにより、透過率が高い状態から低い状態に切り替える光双安定素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パケット処理の全光化に光バッファメモリが必要となることが広く認識されるようになったことを背景に、その要素素子として光双安定素子(光フリップ・フロップ素子とも呼ばれる。特許文献１)が関心を集めている。光双安定性には、70年代後半以降、長い研究の歴史があり、非線形性と帰還の種類が異なる、様々なタイプの光双安定性が存在する。その中で最も単純な光双安定性の仕組みは、非線形エタロン効果と呼ばれるものである。以下に、非線形エタロン効果による光双安定素子について、その動作原理を説明する。
【０００３】
屈折率が光の強度に比例して変わるという非線形光学特性をもった材料、を内に含む光共振器(非線形エタロン)は、図1(a)に示すような入出力特性を持つ。入力光強度を増していくと、ある閾値P1を越えたところで、出力光強度が不連続に上昇する。そこから、入力光強度を減じていくと、その強度がある閾値P2になったところで、出力光強度は再び不連続に下降する。これら2つの閾値P1とP2の間の入力光強度について、高低2通りの透過率を示し得る性質を指して光双安定性と呼ぶ。実際にどちらの透過率を示すかは、その直前までの透過率に応じて決まる。
【０００４】
入力光強度の基準値(バイアス)をP1とP2の間にとり、これに強度変調を与えて、強度がP1を越える時間(図1(b) 記号S)を設けると、入力光強度をバイアス値に戻した後も、素子は透過率が高い状態(H状態)をとり続ける。ここで、入力光強度がP2を下回る時間(図1(b) 記号R)を設けると、素子は透過率が低い状態(L状態)に変わり、次に入力光強度がP1を超えるまで、L状態が保たれる。これは、1ビットのフリップ・フロップ素子の動作と見なすことができる。素子をLからH状態に切り替えることをセット動作、そのために入力光に設けられる強度変調部分をセットパルス、素子をHからL状態に切り替えることをリセット動作、そのために入力光に設けられる強度変調部分をリセットパルスと呼ぶ。
【０００５】
通信機器の光源部の省電力の観点から、図1(b)のようなフリップ・フロップ動作を見ると、動作に要する入力光強度のバイアス値ＰBは、小さいことが望ましい。光通信用途の場合、ＰBが数mWを越えないことを実用上の目安としてよい。次式が示す通り、
【数１】
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入力光強度のバイアス値ＰBは、共振器長Ｌに比例し、共振器のQ値
【数２】
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の二乗に逆比例する。比例係数ｋは、動作波長と共鳴波長の隔たり、共振器内媒質の屈折率の非線形係数、共振器の断面積などで決まる。上式から、共振器寸法を小さく、共振器のQ値を高くすることが、バイアス値ＰBを下げるための設計方針であることが分かる。
【０００６】
図２は、標準的な半導体プロセス技術を用いて作製できる半導体共振器構造と、その仕様の一例を示している。この半導体共振器（微小共振器）は、屈折率が光の強度に比例して変わるという非線形光学特性をもった材料（非線形媒質）の両側に共振器ミラーを備えて構成される。本発明は、後述するように、振幅と位相を制御した光パルスを、連続(CW)光であるバイアス光に重畳して、微小共振器への入力光とすることで、状態切り替えを行う点に特徴を有しているが、本発明が利用する微小共振器自体は、従来より知られている通常のものを用いることができる。その仕様の一例を図２の下段にまとめた。
【０００７】
図３は、図２にまとめた仕様の微小共振器を想定して、図1(a)にあたる入出力光強度の関係を計算した結果を示す図である。LからH状態への切り替え閾値P1は、4.1mW、HからL状態への切り替え閾値P2は3.1mWである。入力光強度のバイアス値を、3.5mWとした。
【特許文献１】特開2003-084327号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
L、H、2状態間の切り替えは、図1(b)に示すような急峻なものではなく、実際には、ある程度の時間を要する。入力光に図1(b)のような強度変調をかける場合、通常、電気光学変調器を用いる。ところが、変調信号を電気信号で与えるため、変調速度の上限は20ps程度である。
これを考慮して、現在、つくることのできる最短時間のセット、リセット用強度変調を持った、光強度の時間波形を図4(上)に示す。図2の仕様の共振器に、図4(上)の光を入力させたときの、出力光強度の波形を図4(下)に示す。入力光強度のバイアス値は、図3の2つの入力閾値P1、P2の中間値3.5mWに設定している。波形の立ち上がり・下がりに見てとれるように、2状態間の切り替えには、強度変調の時間幅程度の時間を要していることが分かる。
このように、電気光学変調器を用いた通常の強度変調では、電気信号の帯域に由来する20psより短時間で、状態切り替えが出来ず、光双安定素子の応用対象をせばめるものとなっている。
そこで、本発明は、係る問題点を解決して、光双安定素子の2状態間の切り替え動作を高速化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光双安定素子は、入力光強度を増していくと、第１の閾値P1を越えたところで、出力光強度が不連続に上昇し、入力光強度を減じていくと、第２の閾値P2になったところで、出力光強度が再び不連続に下降する非線形光学特性をもった光共振器を備え、該光共振器に光パルスを含むセット用光信号を入力することにより、透過率が低い状態から高い状態に切り替え、かつ、光パルスを含むリセット用光信号を入力することにより、透過率が高い状態から低い状態に切り替える。このセット用光信号として、連続(CW)光であるバイアス光に、それと同位相の光パルスを重畳したものを、かつ、リセット用光信号として、連続(CW)光であるバイアス光に、それと反位相の光パルスを重畳したものを使う。
このリセット用光信号では、光パルスのバイアス光に対する位相の進みを、180度より大きくとる方向に調整する。また、リセット用光信号として、連続(CW)光のバイアス光に重畳される光パルスは、1つの光パルス、或いは第１の光パルスとそれよりも遅れた小振幅の第２の光パルスを加えることで構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、連続(CW)光であるバイアス光に、それと同位相の光パルスを重畳したものを、セット用光信号として、かつ、連続(CW)光のバイアス光に、それと反位相の光パルスを重畳したものをリセット用光信号として、光双安定素子に入力することにより、光双安定素子の2状態間の切り替え動作を高速化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図５は、光双安定素子に入力されるセット、リセット用光信号発生器の全体構成を例示する図である。リセット用パルス対発生器には、リセット用光パルスが入力されて、リセット用パルス対を出力して、これをリセット用パルス合波器に入力する。但し、後述するように、このリセット用パルス対発生器は必ずしも必要ではなく、リセット用光パルスを直接リセット用パルス合波器に入力することができる。リセット用光パルスまたはパルス対は、リセット用パルス合波器で、セット用パルス合波器の出力と重ね合わされる。セット用パルス合波器の出力には、バイアス光が常にに含まれており、リセット用合波器において、リセット用光パルスまたはパルス対は、バイアス光と重ね合わされる。
【００１２】
セット用パルス合波器には、セット用光パルスとバイアス光が入力され、これを合波して、その出力をリセット用パルス合波器に入力する。リセット用パルス合波器は、上記２つの入力を合波して、その出力を光双安定素子に入力する。
このように、合波器、パルス対発生器を組み合わせて、セット、リセット用の光入力を用意する。合波器、パルス対発生器は、各々1つにつき、例えば３dBの挿入損失があり、初段で用意すべきバイアス光強度は、例えば14mWである。光パルスの時間幅を0.53psと想定すると、初段で用意すべき、セット用、リセット用光パルスのエネルギーは、それぞれ1.9、3.0pJ/パルスとなる。リセット用動作を、光パルス1つだけで行う場合は、リセット用パルス対発生器は不要であり、リセット用の初段入力は、1.5pJ/パルスとなる。
【００１３】
このように、連続(CW)光であるバイアス光に、別途用意した尖頭パワーの高い光パルスを重畳して、双安定素子への入力光とする。光パルスをバイアス光と重ね合わせるときに、光パルスの搬送波の位相が、バイアス光の搬送波の位相から、指定された進みまたは遅れを持つように、位相差を適切に制御する。光パルスの搬送波がバイアス光の搬送波と同位相になるように、光パルスとバイアス光を重ね合わせたものを、L-状態にある光双安定素子に入力すると、セット動作は光パルスの時間幅程度で完了する。また、光パルスの搬送波の位相がバイアス光のそれから約180度進んでいる状態で、光パルスとバイアス光を重ねあわせたものを、H-状態にある光双安定素子に入力すると、リセット動作は光パルスの時間幅程度で完了する。光パルスの尖頭パワーが高いこととバイアス光と光パルスの位相差が重要である。その理由は以下の通りである。
セット動作の本質は、共振器に光が蓄積されていない状態(L-状態)から、光が規定量、蓄積されている状態(H-状態)への切り替えであり、入力光パワーの瞬時値が大きければ、その分、共振器への光の充填は速く進み、結果、短時間でこれを完了できる。光パルスをバイアス光と同位相にすることは、重ね合わせのパワー瞬時値を最大にする効果と、光パルスが消えた後も、蓄積された光を維持する効果がある。
【００１４】
一方、リセット動作は、共振器に、光が規定量、蓄積された状態(H-状態)から、蓄積されていない状態(L-状態)への切り替えである。一般的に、H-状態では、共振器内の光は、バイアス光と概ね同位相である。パルス光をバイアス光に対して反位相にすれば、これは、共振器内の光に対しても反位相であり、パルス光が加わると共振器内の光は弱められる。パルス光の尖頭パワーが大きいため、その分、光の打消しは急速に進行し、短時間でL-状態への移行が完了する。L-状態での共振器内の光の位相は、一般に、バイアス光に対して、約90度遅れているが、パルス光のバイアス光に対する位相差を180度にとった場合、パルス光が消えた直後の共振器内の光は、バイアス光に対して同位相になり、L-状態でとるべき位相に変わるまで一定の時間を要する。パルス光のバイアス光に対する位相の進みを、180度より大きくとる方向に調整することで、L-状態に落ち着くまでの時間を短縮できる。
【００１５】
次に、図５に示したセット用パルス合波器について、その構成の一例を図６を参照して説明する。図示のセット用パルス合波器は、連続(CW)光であるバイアス光に、意図した位相差をもって光パルスを重ねるための光学系である。ビームスプリッタ(BS1, BS2)で、光パルスとバイアス光をそれぞれ、例えばパワー比99/1に分岐する。1%の光パルスとバイアス光は、分岐比50/50のビームスプリッタ(BS3)で合波し、その上ポート出力を図７で説明するモニター部(Monitor)に送り、位相差を評価する。位相差が、セット用には0 rad.、リセット用では1.2π rad.となるように、マイクロヒータなどを用いた位相シフタ(PS)で光パルスの位相を調整する。
99%のバイアス光は、分岐比50/50のビームスプリッタ(BS4)に送られる。99%の光パルスは、クロスバスイッチ(SW)を通過する。クロスバスイッチ(SW)は、モニター部から位相調整完了の信号を受けると、クロス状態となり、光パルスをビームスプリッタ(BS4)へ送る。ビームスプリッタ(BS4)で、光パルスはバイアス光と合波される。後段には、ビームスプリッタ(BS4)の上ポートの出力を送る。
【００１６】
図７は、図６に示した位相差モニター部 (Monitor)を例示する図である。合波された光パルスとバイアス光は、帯域幅0.1nmのファイバブラッググレーティング(FBG)に送られる。これにより、パルス成分は、時間幅が数10ps程度に伸張される。光出力をフォトダイオードで受光し、オシロスコープで観測する。図６の位相シフタ(PS)の制御信号によって位相シフト量を変えると、パルス部分の強度は変化し、その上限、下限が、図中、上下に大きく離れた2本の破線である。セット用に用いる場合は、パルス部分の強度が、上限、下限の真ん中に位置するように、リセット用には、真ん中から下限までの振れ幅の58.8%にあたるところに位置するように、位相シフタ(PS)の制御信号を調整する。調整が完了したら、図６のクロスバスイッチ(SW)をバー状態からクロス状態にするための制御信号を、クロスバスイッチ(SW)に送る。
【００１７】
次に、図５に示したリセット用パルス対発生器について、その構成の一例を図８を参照して説明する。リセット動作は、1つの光パルス(図９, 左側、一点鎖線)でも高速化できるが、例えば1.1ps遅れて小振幅の光パルスを加えることで、より完全なL状態をつくることができる(図９, 左側、実線)。まず、光パルスの印加による状態の切り替えについて、図９を参照して説明する。
【００１８】
図９は、図2で述べた仕様の微小共振器について、連続(CW)光であるバイアス光に光パルスを重ね合わせた入力光に対する、出力光強度の時間波形を計算で求めたものである。入力光の構成は、図９の右側に、まとめた。光パルスの時間幅(FWHM)は全て0.53ps、バイアス光の強度は3.5mWとした。光パルスのパワー尖頭値とバイアス光に重ねるときの位相差が結果を大きく左右する。ここでの位相差は、バイアス光の搬送波と光パルスの搬送波の位相差である。セット動作用には、パワー尖頭値0.875Wの光パルスを、同位相(位相差0πradian)でバイアス光に重ねる。図中、点線は、電気光学変調器を用いた従来型の強度変調による状態切り替えを比較のため再掲している。図中の一点鎖線は、リセット用光パルスとして1つの光パルス(右図のパルス2)を用いた場合、実線は、リセット用パルスとしてパルス対(右図のパルス2と3)を用いた場合、それぞれの計算結果である。セット動作用の光パルスの仕様は共通である。セット動作は、光パルスの時間幅程度に高速化できている。また、リセット動作用には、パワー尖頭値1.4Wの光パルスを、バイアス光から1.2π radian 進んだ位相を持たせて、バイアス光に重ねあわせている。リセット動作は、光パルスの時間幅程度に高速化されている(図中、一点鎖線)。このリセット用光パルスから1ps遅れたところに、更に、パワー尖頭値6.8mWの光パルスを、バイアス光から1.1π radian進んだ位相を持たせて加えると、1パルスでのリセット動作において、立下りのあとに残っていたうねり成分をほぼ完全に消去できる(図中、実線)。この計算結果は、パワー尖頭値とバイアス光に対する位相差を適切に設定した光パルスによって、セット・リセット動作を高速化できることを示すものである。
リセット用光パルスの、バイアス光に対する位相の進みが、π radianよりやや大きく設定されていることは、リセット用光パルスが消えた直後の、共振器内の光の位相を、L-状態が要求する位相に一致させるための修正である。低尖頭パワーのパルスを加えることは、更によい一致を得るための更に進んだ修正である。
【００１９】
再び、図８に戻り、リセット用途のパルス対をつくる仕組みを説明する。元パルスを、分岐比99.52/0.48のビームスプリッタ(BS5)に送る。0.48%側の光路には、1.06psの時間差を与えるための遅延光路とマイクロヒータなどを用いた位相シフタ(PS)を置く。ビームスプリッタ(BS5)の出力を、分岐比50/50のビームスプリッタ(BS6)で、再び合波する。ビームスプリッタ(BS6)の上ポート出力を光スペクトラムアナライザに送る。スペクトル上、ある波長間隔でうねりが観測される。2つのパルスが同位相の場合は、全体的なスペクトル分布(点線)の中心と、うねりの小山が一致する(一点鎖線)。うねりの小山が短波長側へ、うねりの周期の47%だけシフトするように(実線)、位相シフタ(PS)への制御信号を調整する。後段には、BS6の下ポート出力を送る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光双安定素子のフリップ・フロップ動作を説明する図である。
【図２】半導体共振器構造と、その仕様の一例を示す図である。
【図３】図２にまとめた仕様の微小共振器を想定して、図1(a)にあたる入出力光強度の関係を計算した結果を示す図である。
【図４】光強度の時間波形 (上)、及び出力光強度の波形 (下)を示す図である。
【図５】光双安定素子に入力されるセット、リセット用光信号の、発生器の全体構成を例示する図である。
【図６】セット(リセット)用パルス合波器の構成を例示する図である。
【図７】図６に示した位相差モニター部 (Monitor)を例示する図である。
【図８】リセット用パルス対発生器の構成を例示する図である。
【図９】出力光強度の時間波形を説明する図である。
【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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