(57)【要約】【課題】光信号を光のまま超高速で論理演算処理することができる光論理演算処理方法および光論理演算処理装置を提供すること。【解決手段】２つの２値の光ディジタル入力信号を入力するとともに前記２つの光ディジタル入力信号の波長と異なる波長を有する光パルス列を入力する光信号入力ステップと、非線形光学効果を用いて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度によって前記入力した光パルス列の光強度を制御することにより、前記光パルス列を、前記２つの光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力する光論理演算ステップと、を含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの２値の光ディジタル入力信号を入力するとともに前記２つの光ディジタル入力信号の波長と異なる波長を有する光パルス列を入力する光信号入力ステップと、
非線形光学効果を用いて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度によって前記入力した光パルス列の光強度を制御することにより、前記光パルス列を、前記２つの光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力する光論理演算ステップと、
を含むことを特徴とする光論理演算方法。
【請求項２】
前記光信号入力ステップは、前記論理演算の種類に応じて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度を調整する光強度調整ステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の光論理演算方法。
【請求項３】
前記光信号入力ステップは、波長が互いに異なる前記２つの光ディジタル入力信号を合成する光合成ステップを含み、
前記光論理演算ステップは、光干渉計内に備えられた非線形光学媒質に前記合成した２つの光ディジタル入力信号を入力して、前記光干渉計に入力した光パルス列の光強度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の光論理演算方法。
【請求項４】
前記光論理演算ステップは、光干渉計内に備えられた非線形光学媒質に前記２つの光ディジタル入力信号を互いに異なる経路を通るように入力して、前記光干渉計に入力した光パルス列の光強度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の光論理演算方法。
【請求項５】
前記光干渉計は、非線形光ループミラーであることを特徴とする請求項３または４に記載の光論理演算方法。
【請求項６】
非線形光学効果を用いて前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することにより、前記光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高める光閾値処理ステップを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光論理演算方法。
【請求項７】
前記光閾値処理ステップは、非線形光ループミラーのループ内に備えられた光減衰手段を用いて、前記非線形光ループミラーに入力した前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することを特徴とする請求項６に記載の光論理演算方法。
【請求項８】
２つの２値の光ディジタル入力信号の入力受付を行う光信号入力部と、
前記２つの光ディジタル入力信号の波長と異なる波長を有する光パルス列を発生する光パルス列発生部と、
非線形光学効果を用いて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度によって前記入力した光パルス列の光強度を制御することにより、前記光パルス列を、前記２つの光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力する光論理演算器と、
前記光ディジタル出力信号を出力する光信号出力部と、
を有することを特徴とする光論理演算装置。
【請求項９】
前記光信号入力部は、前記論理演算の種類に応じて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度を調整する光強度調整器を備えることを特徴とする請求項８に記載の光論理演算装置。
【請求項１０】
前記光信号入力部は、波長が互いに異なる前記２つの光ディジタル入力信号を合成して出力する光合波器を備え、
前記光論理演算器は、
光入力端子と、
２つの光出力端子と、
非線形光学媒質を含む光干渉計と、
前記光入力端子から入力した前記光パルス列の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光干渉計内を互いに異なる経路で伝搬させた後に結合し、前記２つの光出力端子から出力するように接続した１つ以上の光方向性結合器と、
前記光干渉計内の前記非線形光学媒質に前記光合波器から出力される光ディジタル入力信号を入力する光合波器と、
を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光論理演算装置。
【請求項１１】
前記光論理演算器は、
光入力端子と、
２つの光出力端子と、
１つ以上の非線形光学媒質を含む光干渉計と、
前記光入力端子から入力した前記光パルス列の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光干渉計内を互いに異なる経路で伝搬させた後に結合し、前記２つの光出力端子から出力するように接続した１つ以上の光方向性結合器と、
前記光干渉計内の前記非線形光学媒質に前記２つの光ディジタル入力信号を互いに異なる経路を通るように入力する２つの光合波器と、
を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光論理演算装置。
【請求項１２】
前記光干渉計は、非線形光ループミラーであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光論理演算装置。
【請求項１３】
前記光信号出力部は、前記光論理演算器の前記２つの光出力端子から出力される前記光ディジタル出力信号を切り換えて出力する切り換えスイッチを備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一つに記載の光論理演算装置。
【請求項１４】
前記光信号出力部は、非線形光学効果を用いて前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することにより、前記光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高める光閾値処理器を備えることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一つに記載の光論理演算装置。
【請求項１５】
前記光閾値処理器は、
光入力端子と、
光出力端子と、
非線形光学媒質を含む光ファイバループと、
前記光入力端子から入力した前記光ディジタル出力信号の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光ファイバループ内を互いに反対方向に伝搬させた後に結合し、前記光入力端子または前記光出力端子から出力するように接続した光方向性結合器と、
前記光ファイバループ内に挿入された光減衰器と、
を有した非線形光ループミラーを備えることを特徴とする請求項１４に記載の光論理演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を超高速で論理演算する光論理演算方法および光論理演算装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、論理演算装置の動作速度の高速化により電子計算機や信号処理装置の高性能化、高機能化が進んでいるが、現状ではその演算処理は半導体を用いた電子デバイスによる電気処理が中心である。論理演算装置は電気領域では既に半導体電子デバイスを用いた集積回路を用いたものが実用化されており、制御回路や電子計算機などに幅広く使用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１８７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の論理演算装置の動作速度は論理演算を行う電子デバイスの応答速度に制限されるため、近年の光通信や電子計算機における高速化に対する要求に応えることが難しくなってきている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光信号を光のまま超高速で論理演算処理することができる光論理演算処理方法および光論理演算処理装置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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光論理演算処理方法は、２つの２値の光ディジタル入力信号を入力するとともに前記２つの光ディジタル入力信号の波長と異なる波長を有する光パルス列を入力する光信号入力ステップと、非線形光学効果を用いて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度によって前記入力した光パルス列の光強度を制御することにより、前記光パルス列を、前記２つの光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力する光論理演算ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、前記光信号入力ステップは、前記論理演算の種類に応じて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度を調整する光強度調整ステップを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、前記光信号入力ステップは、波長が互いに異なる前記２つの光ディジタル入力信号を合成する光合成ステップを含み、前記光論理演算ステップは、光干渉計内に備えられた非線形光学媒質に前記合成した２つの光ディジタル入力信号を入力して、前記光干渉計に入力した光パルス列の光強度を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、前記光論理演算ステップは、光干渉計内に備えられた非線形光学媒質に前記２つの光ディジタル入力信号を互いに異なる経路を通るように入力して、前記光干渉計に入力した光パルス列の光強度を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、前記光干渉計は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、非線形光学効果を用いて前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することにより、前記光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高める光閾値処理ステップを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、この発明に係る光論理演算方法は、上記の発明において、前記光閾値処理ステップは、非線形光ループミラーのループ内に備えられた光減衰手段を用いて、前記非線形光ループミラーに入力した前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光論理演算装置は、２つの２値の光ディジタル入力信号の入力受付を行う光信号入力部と、前記２つの光ディジタル入力信号の波長と異なる波長を有する光パルス列を発生する光パルス列発生部と、非線形光学効果を用いて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度によって前記入力した光パルス列の光強度を制御することにより、前記光パルス列を、前記２つの光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力する光論理演算器と、前記光ディジタル出力信号を出力する光信号出力部と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光信号入力部は、前記論理演算の種類に応じて前記２つの光ディジタル入力信号の光強度を調整する光強度調整器を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光信号入力部は、波長が互いに異なる前記２つの光ディジタル入力信号を合成して出力する光合波器を備え、前記光論理演算器は、光入力端子と、２つの光出力端子と、非線形光学媒質を含む光干渉計と、前記光入力端子から入力した前記光パルス列の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光干渉計内を互いに異なる経路で伝搬させた後に結合し、前記２つの光出力端子から出力するように接続した１つ以上の光方向性結合器と、前記光干渉計内の前記非線形光学媒質に前記光合波器から出力される光ディジタル入力信号を入力する光合波器と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光論理演算器は、光入力端子と、２つの光出力端子と、１つ以上の非線形光学媒質を含む光干渉計と、前記光入力端子から入力した前記光パルス列の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光干渉計内を互いに異なる経路で伝搬させた後に結合し、前記２つの光出力端子から出力するように接続した１つ以上の光方向性結合器と、前記光干渉計内の前記非線形光学媒質に前記２つの光ディジタル入力信号を互いに異なる経路を通るように入力する２つの光合波器と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光干渉計は、非線形光ループミラーであることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光信号出力部は、前記光論理演算器の前記２つの光出力端子から出力される前記光ディジタル出力信号を切り換えて出力する切り換えスイッチを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光信号出力部は、非線形光学効果を用いて前記光ディジタル出力信号の光強度を非線形的に制御することにより、前記光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高める光閾値処理器を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る光論理演算装置は、上記の発明において、前記光閾値処理器は、光入力端子と、光出力端子と、非線形光学媒質を含む光ファイバループと、前記光入力端子から入力した前記光ディジタル出力信号の光を２分岐し、該２分岐した光を前記光ファイバループ内を互いに反対方向に伝搬させた後に結合し、前記光入力端子または前記光出力端子から出力するように接続した光方向性結合器と、前記光ファイバループ内に挿入された光減衰器と、を有した非線形光ループミラーを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、超高速応答の可能な非線形光学効果を用いて２つの２値の光ディジタル入力信号の光強度によって光パルス列の光強度を制御することにより、光パルス列を、２つの２値の光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力するので、光信号を電気信号に変換せずに光のまま超高速で論理演算処理することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明に係る光論理演算方法および光論理演算装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光論理演算装置の構成の概略を示すブロック図である。本実施の形態１に係る光論理演算装置１００は、たとえば入力された２値の光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対するＡＮＤ演算またはＮＡＮＤ演算の結果を示す２値の光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２を出力するものである。
【００２４】
図１において、光論理演算装置１００は、光信号入力部１０１と、光パルス列発生部１０２と、光論理演算器１０３と、光信号出力部１０５とを有する。また、光信号入力部１０１は、光強度調整器１０６を備える。また、光信号出力部１０５は、光閾値処理器１０７を備える。
【００２５】
光信号入力部１０１は、“０”および“１”の符号を持つ２値のディジタル情報Ｘ、Ｙを搬送する２値の光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の入力を受け付ける。光ディジタル入力信号Ｓｘ１は、時刻ｔ1、ｔ2では所定の光強度を有し符号“１”が割り当てられ、時刻ｔ3、ｔ4では光強度が実質的に零であり符号“０”が割り当てられている。光ディジタル入力信号Ｓｙ１は、時刻ｔ1、ｔ3では符号“１”が割り当てられ、時刻ｔ2、ｔ4では符号“０”が割り当てられている。光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１は同期し、波長はそれぞれλ11、λ11´である。
【００２６】
また、光信号入力部１０１に備えられた光強度調整器１０６は、論理演算の種類に応じて光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度を調整し、光論理演算器１０３に出力する。
【００２７】
一方、光パルス列発生部１０２は、波長がλ12であり、時刻ｔ1〜ｔ4で所定の光強度を有する光パルス列Ｓｐ１を発生し、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１と同期させて光論理演算器１０３に出力する。なお、波長λ11、λ11´と波長λ12とは異なる値を有する。
【００２８】
光論理演算器１０３は、非線形光学効果を用いて光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度によって光パルス列Ｓｐ１の光強度を制御することにより、光パルス列Ｓｐ１を、２値の光ディジタル出力信号である光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２に変換し、光信号出力部１０５に出力する。
【００２９】
そして、光信号出力部１０５に備えられた光閾値処理器１０７は、光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２における２値の間の消光比を高めて光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２を光論理演算装置１００の外部に出力する。
【００３０】
光ディジタル出力信号Ｓout１１は時刻ｔ1では所定の光強度を有し符号“１”と識別され、時刻ｔ2、ｔ3、ｔ4では光強度が実質上零であり符号“０”と識別される２値の光ディジタル入力信号であり、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対するＡＮＤ演算の結果を示すものである。また、光ディジタル出力信号Ｓout１２は時刻ｔ1では符号“０”と識別され、時刻ｔ2、ｔ3、ｔ4では符号“１”と識別される２値の光ディジタル入力信号であり、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対するＮＡＮＤ演算の結果を示すものである。
【００３１】
次に、本実施の形態１に係る光論理演算装置１００の詳細な構成を説明する。図２は、本実施の形態１に係る光論理演算装置１００の詳細な構成を説明するブロック図である。光出力部１０１は、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の入力を受け付ける。次に、偏波コントローラＰＣ１は光ディジタル入力信号Ｓｘ１の偏波状態を調整し、さらに可変光減衰器ＶＯＡは光ディジタル入力信号Ｓｘ１を減衰して光強度を調整する。一方、偏波コントローラＰＣ２は光ディジタル入力信号Ｓｙ１の偏波状態を調整する。そして、光合波ＯＣ０は光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１を合成して合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙとし、光増幅器ＯＡ１は合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙを増幅して光強度を調整し、光論理演算器１０３に出力する。光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１は波長が互いに異なるので、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の位相がずれたときでも信号間の干渉が起こらず、合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙの強度が不安定にならない。なお、光合波器ＯＣ０は３ｄＢカプラなどである。
【００３２】
一方、光パルス列発生部１０２は、パルス光源ＬＳ１から光パルス列Ｓp１を発生し、光ディレイラインＯＤＬ１によって合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙと同期するように光パルス列Ｓp１の位相を調整し、光論理演算器１０３に出力する。なお、この位相の調整は、合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙの一部を分岐するためのモニタカプラを設け、分岐された光信号をモニタし、モニタの結果を光ディレイラインＯＤＬ１に入力することによって行うことができる。
【００３３】
光論理演算器１０３に入力した光パルス列Ｓp１は、光サーキュレータＯＣＩＲ１を通って光干渉計である非線形光ループミラー１０４に入力する。非線形光ループミラー１０４は、光入力端子１０４ａと、光出力端子１０４ｂと、非線形光学媒質である高非線形光ファイバＨＮＬＦ１を含む光ファイバループ１０４ｃと、光入力端子１０４ａから入力した光パルス列Ｓp１の光を２分岐し、２分岐した光を光ファイバループ１０４ｃ内を互いに異なる経路を通るように反対方向に伝搬させた後に結合し、光入力端子１０４ａまたは光出力端子１０４ｂから出力するように接続した分岐比が１：１の光方向性結合器ＯＣ１と、光ファイバループ１０４ｃ内の非線形光ファイバＨＮＬＦ１に光合波器ＯＣ０から出力される合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙを入力する光合波器ＯＣ２と、光ファイバループ１０４ｃ内を伝搬する光の偏波状態を調整するための偏波コントローラＰＣ４とを有する。上述のように、非線形光ループミラー１０４において光入力端子１０４ａは光が出力する端子としても機能する。
【００３４】
非線形光ループミラー１０４は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ１において発生する非線形光学効果を用いて合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙの光強度によって光パルス列Ｓp１の光強度を制御して所定の論理演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２に変換し、光入力端子１０４ａまたは光出力端子１０４ｂから出力する。以下、非線形光ループミラー１０４の動作原理について図を用いて具体的に説明する。
【００３５】
図３は、非線形光ループミラー１０４の動作原理を説明するブロック図である。波長がλ12であって光強度がＰp１である光パルス列Ｓp１が光サーキュレータＯＣＩＲ１を通って光入力端子１０４ａに入力すると、光方向性結合器ＯＣ１によって光強度が１：１の光パルス列Ｓp１１およびＳp１２に２分岐され、光パルス列Ｓp１１は光ファイバループ１０４ｃ内を時計回りの方向ｄ１１に伝搬し、光パルス列Ｓp１２は光ファイバループ１０４ｃ内を反時計回りの方向ｄ１２に伝搬する。一方、波長がλ11、λ11´であって所定の光強度を有する合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙは偏波コントローラＰＣ３によって偏波状態が調整されて、光合波器ＯＣ２により光ファイバループ１０４ｃ内に入力する。合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙと光パルス列Ｓp１１は同期しており、時間的に重ね合わせられて時計回りの方向ｄ１３から高非線形光ファイバＨＮＬＦ１に入力する。
【００３６】
高非線形光ファイバＨＮＬＦ１は、光ファイバループ１０４ｃを構成する光ファイバよりも光学非線形性が高い光ファイバである。光パルス列Ｓp１１は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ１を伝搬中に、時間的に重ね合わせられて伝搬する合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙによって非線形光学効果である相互位相変調（Cross  Phase  Modulation：XPM）を受ける。その結果、光パルス列Ｓp１１は光の位相が変化する。この位相の変化量をφ１１、光ディジタル入力信号Ｓｘ１の光強度をＰｘ、光ディジタル入力信号Ｓｙ１の光強度をＰｙ、高非線形光ファイバＨＮＬＦ１の非線形定数をγ、長さをＬとすると、φ１１はφ１１＝２ＡγＰｘＬ＋２ＢγＰｙＬで表される。２ＡγＰｘＬ＝φｘは、光ディジタル入力信号Ｓｘ１による位相の変化量であり、２ＢγＰｙＬ＝φｙは、光ディジタル入力信号Ｓｙ１による位相の変化量である。なお、Ａ、Ｂは２／３より大きく２より小さい係数であり、Ａは光パルス列Ｓp１１と光ディジタル入力信号Ｓｘ１との偏波状態の関係により定まり、Ｂは光パルス列Ｓp１１と光ディジタル入力信号Ｓｙ１との偏波状態の関係により定まる。本実施の形態１においては光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１はそれぞれ偏波コントローラＰＣ１、ＰＣ２によって別々に偏波状態を調整することができるので、ＡおよびＢが高い値となるように偏波コントローラＰＣ１、ＰＣ２を調節して、より少ない光強度で効率よく位相を変化させることができる。
【００３７】
一方、光パルス列Ｓp１２は、反時計回りの方向ｄ１４から高非線形光ファイバＨＮＬＦ１に入力するが、高非線形光ファイバＨＮＬＦ１を伝搬中であっても反対方向に伝播する合成光ディジタル入力信号ＳｘｙによってXPMを受けない。したがって光パルス列Ｓp１２は光の位相はほとんど変化しない。すなわち、光パルス列Ｓp１２の光の位相の変化量をφ１２とするとφ１２≒０である。
【００３８】
高非線形光ファイバＨＮＬＦ１を通過した光パルス列Ｓp１１、Ｓp１２は、光ファイバループ１０４ｃ内を伝搬し、光方向性結合器ＯＣ１によって結合される。結合した光は光ディジタル出力信号として光入力端子１０４ａまたは光出力端子１０４ｂから出力される。光出力端子１０４ｂから透過ポート１０９ａに出力される光ディジタル出力信号Ｓout１１の光強度をＰout１１、位相シフト量をΔφ＝φ１１−φ１２≒φｘ＋φｙとすると、Ｐout１１＝Ｐp１（１−ｃｏｓΔφ）／２が成立する。また、光入力端子１０４ａから反射ポート１０９ｂに出力される光ディジタル出力信号Ｓout１２の光強度をＰout１２とすると、Ｐout１２＝Ｐp１（１＋ｃｏｓΔφ）／２が成立する。φｘは光ディジタル入力信号Ｓｘ１の光強度であるＰｘに比例し、φｙは光ディジタル入力信号Ｓｙ１の光強度であるＰｙに比例するから、非線形光ループミラー１０４の入力光強度に対する出力光強度は、２つの光ディジタル入力信号の光強度に応じて周期的に変化することになる。その結果、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度を調整して位相シフト量を所定値に設定することにより、非線形光ループミラー１０４から出力される光ディジタル出力信号Ｓout１１、Ｓout１２を、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対する所定の論理演算結果を示す光ディジタル信号とすることができる。
【００３９】
次に、具体的な位相シフト量の設定について説明する。図４は、非線形光ループミラー１０４によってＡＮＤ演算およびＮＡＮＤ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図である。なお、このグラフでは位相シフト量は２πまで表示している。ここで出力光強度に対して所定の値を有する閾値Ｔｈ１および閾値Ｔｈ２を設定し、出力光強度が閾値より高ければ符号“１”、低ければ符号“０”と認識されることとする。
【００４０】
ＡＮＤ演算またはＮＡＮＤ演算を行う場合、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度を所定値に調整しておくと、以下の特性が実現できる。すなわち、図４の上部に示される透過ポートに出力される光ディジタル出力信号Ｓout１１に関しては、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の符号が（０：０）の場合、位相シフト量であるΔφは０であるから、出力光強度であるＰout１１は０であり、符号“０”と認識される。また、符号が（１：０）または（０：１）の場合、Δφがφ１となり、Ｐout１１はＰ１となる。Ｐ１は閾値Ｔｈ１の値より低いから符号“０”と認識される。また、符号が（１：１）の場合、Δφはφ１＋φ１＝φ２となり、Ｐout１１はＰ２となる。Ｐ２は閾値Ｔｈ１の値より高いから符号“１”と認識される。つまり、光ディジタル出力信号Ｓout１１は、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対するＡＮＤ演算結果を示すものとなる。
【００４１】
一方、図４の下部に示される反射ポートに出力される光ディジタル出力信号Ｓout１２に関しては、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の符号が（０：０）の場合、Δφは０であり、出力光強度であるＰout１２は閾値Ｔｈ２の値よりも高くなるから符号“１”と認識される。また、（１：０）または（０：１）の場合、Δφはφ１となり、Ｐout１２は閾値Ｔｈ２の値より高くなるから符号“１”と認識される。また、（１：１）の場合、Δφはφ１＋φ１＝φ２となり、Ｐout１２は閾値Ｔｈ２の値より低くなるから符号“０”と認識される。つまり、光ディジタル出力信号Ｓout１２は、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１に対するＮＡＮＤ演算結果を示すものとなる。
【００４２】
具体的には、図１３の項目の番号「８」および「９」に示されるように、本実施の形態１では、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度を、φｘがπ／３、φｙがπ／３となるように調整する。すると、光ディジタル出力信号Ｓout１１については、符号が（０：０）ではＰout１１＝０、（１：０）または（０：１）ではＰout１１＝０．２５Ｐp１、（１：１）ではＰout１１＝０．７５Ｐp１となるので、閾値Ｔｈ１を０．５Ｐp１に設定すれば、上記のＡＮＤ演算を実現できる。また、光ディジタル出力信号Ｓout１２については、符号が０：０ではＰout１２＝Ｐp１、１：０または０：１ではＰout１２＝０．７５Ｐp１、１：１ではＰout１２＝０．２５Ｐp１となるので、閾値Ｔｈ２を０．５Ｐp１に設定すれば、上記のＮＡＮＤ演算を実現できる。
【００４３】
また、図５は、非線形光ループミラー１０４によってＯＲ演算およびＮＯＲ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図であり、図６は、非線形光ループミラー１０４によってＸＯＲ演算および一致演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図である。図５および６においても、図４の場合と同様に、所定の閾値Ｔｈ３〜６を設定し、２つの光ディジタル入力信号の符号の組み合わせに対して所定の位相シフト量となるように光ディジタル入力信号の強度を調整することによって、所望の論理演算を実現できる。図４〜６における位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフは、いずれも非線形光ループミラー１０３の特性を示すものであり、構成を変更しなくても、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度を調整し、位相シフト量の設定を変更するだけで、いずれの演算も実現することができる。そして、図１３の本実施の形態１の場合について示すようにφｘ、φｙを設定すれば、項目の番号「１」〜「１６」に示す２入力１出力の全ての論理演算を同じ構成で実現することができる。
【００４４】
なお、高非線形光ファイバなどのガラス中で発生する非線形光学効果はフェムト秒オーダーの応答速度を持つため、周波数が数百〜数テラＨｚ以上での動作が原理的に可能である。したがって、高非線形光ファイバＨＮＬＦ１を備える非線形光ループミラー１０４は、今後の高速化への対応が可能な超高速動作をするものとなる。
【００４５】
次に、光論理演算器１０３は、光出力端子１０４ｂから出力されたＡＮＤ演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout１１を光バンドパスフィルタＢＰＦ１に入力し、光信号出力部１０５に備えられたスイッチ１０９の透過ポート１０９ａに出力するとともに、光入力端子１０４ａから出力されたＮＡＮＤ演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout１２を、光サーキュレータＯＣＩＲ１を介して光バンドパスフィルタＢＰＦ２に入力し、スイッチ１０９の反射ポート１０９ｂに出力する。なお、光バンドパスフィルタＢＰＦ１、ＢＰＦ２は、波長がλ12の光ディジタル出力信号Ｓout１１、Ｓout１２を透過し、波長がλ11、λ11´の合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙを透過させないので、光信号出力部１０５には合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙが漏洩しない。
【００４６】
次に、光信号出力部１０５に備えられたスイッチ１０９は、要求された論理演算に応じて、透過ポート１０９ａに入力した光ディジタル出力信号Ｓout１１および反射ポート１０９ｂに入力した光ディジタル出力信号Ｓout１２のいずれかを切り換えて共通ポート１０９ｃに出力する。次に、光増幅器ＯＡ２は共通ポート１０９ｃから出力された光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２を増幅して光閾値処理器１０７に出力する。
【００４７】
光閾値処理器１０７に入力した光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２は、光サーキュレータＯＣＩＲ２を通って非線形光ループミラー１０８に入力する。非線形光ループミラー１０８は、光入力端子１０８ａと、光出力端子１０８ｂと、非線形光学媒質である高非線形光ファイバＨＮＬＦ２を含む光ファイバループ１０８ｃと、光入力端子１０８ａから入力した光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２の光を２分岐し、２分岐した光を光ファイバループ１０８ｃ内を互いに反対方向に伝搬させた後に結合し、光入力端子１０８ａまたは光出力端子１０８ｂから出力するように接続した分岐比が１：１の光方向性結合器ＯＣ３と、光ファイバループ１０８ｃ内に挿入された光減衰器ＡＴＴ１と、光ファイバループ１０８ｃを伝搬する光の偏波状態を調整するための偏波コントローラＰＣ５とを有する。
【００４８】
非線形光ループミラー１０８は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ２において発生する非線形光学効果を用いて光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２の光強度を非線形的に制御することにより、光ディジタル出力信号における２値の間の消光比が高めて、光出力端子１０８ｂから光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２を光論理演算装置１００の外部へと出力する。以下、非線形光ループミラー１０８の動作原理について具体的に説明する。
【００４９】
光ディジタル出力信号Ｓout１１が光サーキュレータＯＣＩＲ２を通って光入力端子１０８ａに入力すると、光方向性結合器ＯＣ３によって光強度が１：１であって光ファイバループ１０８ｃ内を伝搬する方向が時計回りの光ディジタル出力信号と反時計回りの光ディジタル出力信号とに２分岐される。時計回りの光ディジタル出力信号は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ２に入力し、高非線形光ファイバＨＮＬＦ２を伝搬中に非線形光学効果である自己位相変調（Self  Phase  Modulation：SPM）によって光の位相が変化し、その後光減衰器ＡＴＴ１で光強度が減衰されて、再び光方向性結合器ＯＣ３に到達する。一方、反時計回りの光ディジタル出力信号は光減衰器ＡＴＴ１で光強度が減衰されてから高非線形光ファイバＨＮＬＦ２に入力するので、高非線形光ファイバＨＮＬＦ２を伝搬中にＳＰＭによる光の位相変化がほとんどおこらずに、再び光方向性結合器ＯＣ３に到達する。
【００５０】
つまり、非線形光ループミラー１０８においては、光ファイバループ１０８ｃを時計回りに伝搬する光と反時計回りに伝搬する光とで光の位相に差が生じるので、上述した非線形光ループミラー１０４と同様に、入力光強度に対する出力光強度の特性は（１−ｃｏｓΔφ´）／２に比例して周期的に変化する。ここで、Δφ´は光ファイバループ１０８ｃを時計回りに伝搬する光と反時計回りに伝搬する光の間の位相差すなわち位相シフト量である。
【００５１】
図７は、非線形光ループミラー１０８の入力光強度に対する出力光強度の特性を示すグラフである。なお、入力光強度は、位相シフト量がπとなる入力光強度の値で規格化したものであり、出力光強度は、位相シフト量がπのときの出力光強度の値で規格化したものである。非線形光ループミラー１０８の入力光強度に対する出力光強度の特性は線Ｌ１のような非線形の特性を有する。一方、線Ｌ３は入力光強度に対する出力光強度の線形的な特性を示す線である。
【００５２】
線Ｌ１が示すように、非線形光ループミラー１０８は、入力光強度が線Ｌ１と線Ｌ３の交点より小さければ線形的な特性を示す線Ｌ３よりも小さい値で出力される。一方、入力光強度が前記交点より大きければ線Ｌ３よりも大きい値で出力される。つまり、光論理演算器から符号“０”として出力された光は線形特性の場合よりも零に近い光強度で非線形光ループミラー１０８から出力され、符号“１”として出力された光は線形特性の場合よりも１に近い光強度で非線形光ループミラー１０８から出力される。その結果、非線形光ループミラー１０８は、入力した光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高めて出力する。なお、複数の非線形光ループミラー１０８を直列に接続することで、入力光強度に対する出力光強度の特性は線Ｌ２のようにすることができ、消光比を高める効果がより顕著になる。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光論理演算装置１００は、超高速応答の可能な非線形光学効果を用いて２つの２値の光ディジタル入力信号の光強度によって光パルス列の光強度を制御することにより、光パルス列を、２つの２値の光ディジタル入力信号に対する所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル出力信号に変換して出力するので、光信号を電気信号に変換せずに光のまま超高速で論理演算処理することができる。また、２つの２値の光ディジタル入力信号の光強度によって光パルス列の光強度を信号処理するので、２つの２値の光ディジタル入力信号の光強度を調整するのみで論理演算の種類を変えることができ、２入力１出力の全ての論理演算を同じ構成で行うことができる。その結果、全光制御の光入出力論理演算が可能となるため、光通信や光コンピューティングで用いられている光信号を光のみで制御することが可能となる。
【００５４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る光論理演算装置について説明する。本実施の形態２に係る光論理演算装置は、２つの光ディジタル入力信号を合成せずに別々に光論理演算器に入力する点が、実施の形態１に係る光論理演算装置とは異なる。
【００５５】
図８は、本実施の形態２に係る光論理演算装置２００の詳細な構成を説明するブロック図である。図８において、光論理演算装置２００は、光信号入力部２０１と、光パルス列発生部２０２と、光論理演算器２０３と、光信号出力部２０５とを有する。光信号入力部２０１は、光強度調整器２０６を備える。また、光信号出力部２０５は、光閾値処理器２０７を備える。
【００５６】
光出力部２０１は、光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１と同様の特性を有する光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の入力を受け付ける。次に、光強度調整器２０６に備えられた光増幅器ＯＡ３は光ディジタル入力信号Ｓｘ２を増幅して光強度を調整し、光論理演算器２０４に出力する。一方、光増幅器ＯＡ４は光ディジタル入力信号Ｓｙ２を増幅して光強度を調整し、光論理演算器２０３に出力する。
【００５７】
一方、光パルス列発生部２０２は、パルス光源ＬＳ２から光パルス列Ｓp１と同様の特性を有する光パルス列Ｓp２を発生し、光論理演算器２０３に出力する。
【００５８】
光論理演算器２０３に入力した光パルス列Ｓp２は、光サーキュレータＯＣＩＲ３を通って光干渉計である非線形光ループミラー２０４に入力する。非線形光ループミラー２０４は、光入力端子２０４ａと、光出力端子２０４ｂと、非線形光学媒質である高非線形光ファイバＨＮＬＦ３を含む光ファイバループ２０４ｃと、光入力端子２０４ａから入力した光パルス列Ｓp２の光を２分岐し、２分岐した光を光ファイバループ２０４ｃ内を互いに異なる経路を通るように反対方向に伝搬させた後に結合し、光入力端子２０４ａまたは光出力端子２０４ｂから出力するように接続した分岐比が１：１の光方向性結合器ＯＣ４と、非線形光ファイバＨＮＬＦ３の一端から光ディジタル入力信号Ｓｘ２を反時計回りの方向に伝搬するように入力させる光合波器ＯＣ６と、非線形光ファイバＨＮＬＦ３のもう一端から光ディジタル入力信号Ｓｙ２を時計回りの方向に伝搬するように、つまり、光ディジタル入力信号Ｓｘ２とは異なる経路を通るように入力させる光合波器ＯＣ７と、光方向性結合器ＯＣ４によって２分岐した光パルス列Ｓp２のうち光ファイバループ２０４ｃを時計回りに伝搬する光パルス列と光ディジタル入力信号Ｓｙ２とが同期するように位相を調整するための光ディレイラインＯＤＬ２と、２分岐した光パルス列Ｓp２のうち光ファイバループ２０４ｃを反時計回りに伝搬する光パルス列と光ディジタル入力信号Ｓｘ２とが同期するように位相を調整するための光ディレイラインＯＤＬ３と、光ファイバループ２０４ｃ内を伝搬する光の偏波状態を調整するための偏波コントローラＰＣ８とを有する。上述のように、非線形光ループミラー２０４においても光入力端子２０４ａは光が出力する端子としても機能する。また、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２は、光合波器ＯＣ６またはＯＣ７に入力する前に、偏波コントローラＰＣ６またはＰＣ７により偏波状態が調整される。また、上記の位相の調整は、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の一部を分岐するためのモニタカプラを設け、分岐された光信号をモニタし、モニタの結果を光ディレイラインＯＤＬ２またはＯＤＬ３に入力することによって行うことができる。
【００５９】
非線形光ループミラー２０４は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ３において発生する非線形光学効果を用いて光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度によって光パルス列Ｓp２の光強度を制御して所定の論理演算結果を示す２値の光ディジタル光出力信号Ｓout２１またはＳout２２に変換し、光入力端子２０４ａまたは光出力端子２０４ｂから出力する。以下、非線形光ループミラー２０４の動作原理について図を用いて具体的に説明する。
【００６０】
図９は、非線形光ループミラー２０４の動作原理を説明するブロック図である。波長がλ22であって光強度がＰp２である光パルス列Ｓp２が光サーキュレータＯＣＩＲ３を通って光入力端子２０４ａに入力すると、光方向性結合器ＯＣ４によって光強度が１：１の光パルス列Ｓp２１およびＳp２２に２分岐され、光パルス列Ｓp２１は光ファイバループ２０４ｃ内を時計回りの方向ｄ２１に伝搬し、光パルス列Ｓp２２は光ファイバループ２０４ｃ内を反時計回りの方向ｄ２２に伝搬する。一方、波長がλ21であって所定の光強度を有する光ディジタル入力信号Ｓｘ２は偏波コントローラＰＣ６によって偏波状態が調整されて、光合波器ＯＣ６により光ファイバループ２０４ｃ内に入力する。光ディジタル入力信号Ｓｘ２と光パルス列Ｓp２２は光ディレイラインＯＤＬ３によって同期しており、時間的に重ね合わせられて反時計回りの方向ｄ２４から高非線形光ファイバＨＮＬＦ３に入力する。他方、波長がλ21であって所定の光強度を有する光ディジタル入力信号Ｓｙ２は偏波コントローラＰＣ７によって偏波状態が調整されて、光合波器ＯＣ５により光ファイバループ２０３ｃ内に入力する。光ディジタル入力信号Ｓｙ２と光パルス列Ｓp２１は光ディレイラインＯＤＬ２によって同期しており、時間的に重ね合わせられて時計回りの方向ｄ２３から高非線形光ファイバＨＮＬＦ３に入力する。
【００６１】
光パルス列Ｓp２２は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ３を伝搬中に光ディジタル入力信号Ｓｘ２によってXPMを受け、光パルス列Ｓp２１は、高非線形光ファイバＨＮＬＦ３を伝搬中に光ディジタル入力信号Ｓｙ２によってXPMを受ける。その結果、光パルス列Ｓp２２、Ｓp２１は光の位相が変化する。この位相の変化量をそれぞれφ２２、φ２１、光ディジタル入力信号Ｓｘ２の光強度をＰｘ、光ディジタル入力信号Ｓｙ２の光強度をＰinｙ、高非線形光ファイバＨＮＬＦ３の非線形定数をγ、長さをＬとすると、φ２２はφ２２＝２ＡγＰｘＬ＝φｘ、φ２１はφ２１＝２ＢγＰｙＬ＝φｙで表される。なお、ＡおよびＢは２／３より大きく２より小さい係数であり、Ａは光パルス列Ｓp２２と光ディジタル入力信号Ｓｘ２との偏波状態の関係により定まり、Ｂは光パルス列Ｓp２１と光ディジタル入力信号Ｓｙ２との偏波状態の関係により定まる。本実施の形態２においても光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２はそれぞれ偏波コントローラＰＣ６、ＰＣ７で別々に偏波状態を調整することができるので、ＡおよびＢが高い値となるように偏波コントローラＰＣ６、ＰＣ７を調節して、より少ない光強度で効率よく位相を変化させることができる。
【００６２】
次に、高非線形光ファイバＨＮＬＦ３を通過した光パルス列Ｓp２１、Ｓp２１は、光ファイバループ２０４ｃ内を伝搬し、光方向性結合器ＯＣ４によって結合される。結合した光は光ディジタル出力信号として光入力端子２０４ａまたは光出力端子２０４ｂから出力される。光出力端子２０４ｂから透過ポート２０９ａに出力される光ディジタル出力信号Ｓout２１の光強度をＰout２１、位相シフト量をΔφ＝｜φ２１−φ２２｜＝｜φｙ−φｘ｜とすると、Ｐout２１＝Ｐp２（１−ｃｏｓΔφ）／２が成立する。また、光入力端子２０４ａから反射ポート２０９ｂに出力される光ディジタル出力信号Ｓout２２の光強度をＰout２２とすると、Ｐout２２＝Ｐp２（１＋ｃｏｓΔφ）／２が成立する。φｘは光ディジタル入力信号Ｓｘ２の光強度であるＰｘに比例し、φｙは光ディジタル入力信号Ｓｙ２の光強度であるＰｙに比例するから、非線形光ループミラー２０４の入力光強度に対する出力光強度は、２つの光ディジタル入力信号の光強度に応じて周期的に変化することになる。その結果、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度を調整して位相シフト量を所定値に設定することにより、非線形光ループミラー２０４から出力される光ディジタル出力信号Ｓout２１、Ｓout２２を、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２に対する所定の論理演算結果を示す光ディジタル信号とすることができる。なお、実施の形態１においては位相シフト量はΔφ＝φｘ＋φｙで表されたが、本実施の形態２では、位相シフト量はΔφ＝｜φｙ−φｘ｜で表される点で異なる。
【００６３】
次に、具体的な位相シフト量の設定について説明する。図１０は、非線形光ループミラー２０４によってＡＮＤ演算およびＮＡＮＤ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図である。なお、このグラフでは位相シフト量は２πまで表示している。ここで出力光強度に対して所定の値を有する閾値Ｔｈ７および閾値Ｔｈ８を設定し、出力光強度が閾値より高ければ符号“１”、低ければ符号“０”と認識されることとする。
【００６４】
ＡＮＤ演算またはＮＡＮＤ演算を行う場合、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度を所定値に調整しておくと、以下の特性が実現できる。すなわち、図１０の上部に示される透過ポートに出力される光ディジタル出力信号Ｓout２１に関しては、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の符号が（０：０）の場合、位相シフト量であるΔφは０であるから、出力光強度であるＰout２１は０であり、符号“０”と認識される。また、符号が（１：０）の場合はΔφがφ３、（０：１）の場合はΔφがφ４となり、Ｐout２１はＰ３となる。Ｐ３は閾値Ｔｈ７の値より低いから符号“０”と認識される。また、符号が（１：１）の場合、Δφはφ４−φ３＝φ５となり、Ｐout２１はＰ５となる。Ｐ５は閾値Ｔｈ７の値より高いから符号“１”と認識される。つまり、光ディジタル出力信号Ｓout２１は、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２に対するＡＮＤ演算結果を示すものとなる。
【００６５】
一方、図１０の下部に示される反射ポートに出力される光ディジタル出力信号Ｓout２２に関しては、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の符号が（０：０）の場合、Δφは０であり、出力光強度であるＰout２２は閾値Ｔｈ８の値よりも高くなるから符号“１”と認識される。また、符号が（１：０）の場合はΔφがφ３、０：１の場合はΔφがφ４となり、Ｐout２２は閾値Ｔｈ８の値より高くなるから符号“１”と認識される。また、（１：１）の場合、Δφはφ４−φ３＝φ５となり、Ｐout２２は閾値Ｔｈ８の値より低くなるから符号“０”と認識される。つまり、光ディジタル出力信号Ｓout２２は、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２に対するＮＡＮＤ演算結果を示すものとなる。
【００６６】
具体的には、図１３の項目の番号「８」および「９」に示されるように、本実施の形態２では、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度を、φｘがπ／３、φｙが５π／３となるように調整する。すると、光ディジタル出力信号Ｓout２１については、符号が（０：０）ではＰout２１＝０、（１：０）または（０：１）ではＰout２１＝０．２５Ｐp２、（１：１）ではＰout２１＝０．７５Ｐp２となるので、閾値Ｔｈ７を０．５Ｐp２に設定すれば、上記のＡＮＤ演算を実現できる。また、光ディジタル出力信号Ｓout２２については、符号が（０：０）ではＰout２２＝Ｐp２、（１：０）または（０：１）ではＰout２２＝０．７５Ｐp２、（１：１）ではＰout２２＝０．２５Ｐp２となるので、閾値Ｔｈ８を０．５Ｐp２に設定すれば、上記のＮＡＮＤ演算を実現できる。
【００６７】
また、図１１は、非線形光ループミラー２０４によってＯＲ演算およびＮＯＲ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図であり、図１２は、非線形光ループミラー２０４によってＸＯＲ演算および一致演算を実行する場合の位相シフト量の設定について、位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフを用いて説明する図である。図１１および１２においても、図１０の場合と同様に、所定の閾値Ｔｈ９〜１２を設定し、２つの光ディジタル入力信号の符号の組み合わせに対して所定の位相シフト量となるように光ディジタル入力信号の強度を調整することによって、所望の論理演算を実現できる。図１０〜１２における位相シフト量に対する透過ポートおよび反射ポートへの出力光強度を示すグラフは、いずれも非線形光ループミラー２０４の特性を示すものであり、構成を変更しなくても、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度を調整し、位相シフト量の設定を変更するだけで、いずれの演算も実現することができる。そして、図１３の本実施の形態２の場合について示すようにφｘ、φｙを設定すれば、項目の番号「１」〜「１６」に示す２入力１出力の全ての論理演算を同じ構成で実現することができる。
【００６８】
次に、光論理演算器２０３は、光出力端子２０４ｂから出力されたＡＮＤ演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout２１を光バンドパスフィルタＢＰＦ３に入力し、光信号出力部２０５に備えられたスイッチ２０９の透過ポート２０９ａに出力するとともに、光入力端子２０４ａから出力されたＮＡＮＤ演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout２２を、光サーキュレータＯＣＩＲ３を介して光バンドパスフィルタＢＰＦ４に入力し、スイッチ２０９の反射ポート２０９ｂに出力する。なお、光バンドパスフィルタＢＰＦ３、ＢＰＦ４は、光バンドパスフィルタＢＰＦ１、ＢＰＦ２と同様に、光ディジタル出力信号Ｓout２１、Ｓout２２を透過し、光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２を透過させないので、光信号出力部２０５には光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２が漏洩しない。
【００６９】
次に、光信号出力部２０５に備えられたスイッチ２０９は、実施の形態１の場合と同様に、要求された論理演算に応じて光ディジタル出力信号Ｓout２１またはＳout２２のいずれかを切り換えて共通ポート２０９ｃに出力する。次に、光増幅器ＯＡ５は共通ポート２０９ｃから出力された光ディジタル出力信号Ｓout２１またはＳout２２を増幅して光閾値処理器２０７に出力する。
【００７０】
光閾値処理器２０７は、光閾値処理器１０７と同様の構成および動作原理を有するものであり、高非線形光ファイバＨＮＬＦ４において発生する非線形光学効果を用いて光ディジタル出力信号Ｓout２１またはＳout２２の光強度を非線形的に制御することにより、光ディジタル出力信号における２値の間の消光比を高めて、光出力端子２０８ｂから光ディジタル出力信号Ｓout２１またはＳout２２を光論理演算装置２００の外部へと出力する。
【００７１】
以上説明したように、本実施の形態２に係る光論理演算装置２００は、実施の形態１に係る光論理演算装置１００と同様に、２つの２値の光ディジタル入力信号を電気信号に変換せずに光のまま超高速で論理演算処理することができる。また、２つの２値の光ディジタル入力信号の光強度を調整するのみで論理演算の種類を変えることができ、２入力１出力の全ての論理演算を同じ構成で行うことができる。その結果、全光制御の光入出力論理演算が可能となるため、光通信や光コンピューティングで用いられている光信号を光のみで制御することが可能となる。
【００７２】
なお、上述した実施の形態１、２では、いずれも光干渉計として非線形光ループミラーを用いて光論理演算器１０３、２０３および光閾値処理器１０７、２０７を実現しているが、これにかぎらず、各種の非線形光学効果を用いた光干渉計や光スイッチを用いてもよい。たとえば、非線形光媒質を含む導波路型マハツェンダ干渉計を用いて実現してもよいし、非線形光媒質を含む複屈折性光導波路と偏光子を組み合わせた光カーシャッターを用いて実現してもよい。
【００７３】
図１４は、実施の形態１の変形例として光論理演算器１０３において光干渉計として導波路型マハツェンダ干渉計１１０を用いた構成を説明するブロック図である。マハツェンダ干渉計１１０は、光入力端子１１０ａと、光出力端子１１０ｂ、１１０ｃと、非線形光学媒質である高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ１を含む光導波路１１０ｄと、光導波路１１０ｅと、光入力端子１１０ａから入力した光パルス列Ｓp１の光を２分岐し、２分岐した光を互いに異なる光導波路１１０ｄ、１１０ｅを通るように伝搬させた後に結合し、光出力端子１１０ｂまたは光出力端子１１０ｃから出力するように接続した分岐比が１：１の光方向性結合器ＯＣ８、ＯＣ９と、光導波路１１０ｄ内の高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ１に合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙを入力する光合波器ＯＣ１０とを有する。
【００７４】
導波路型マハツェンダ干渉計１１０は、光導波路１１０ｄを構成する導波路よりも光学非線形性が高い高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ１において発生する非線形光学効果を用いて合成光ディジタル入力信号Ｓｘｙの光強度によって光パルス列Ｓp１の光強度を制御して所定の論理演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout１１またはＳout１２に変換し、光出力端子１１０ｃまたは１１０ｂから出力する。
【００７５】
導波路型マハツェンダ干渉計１１０の動作原理は非線形光ループミラー１０４とほぼ同様である。すなわち、光方向性結合器ＯＣ８が偏波コントローラＰＣ１０により偏波状態を調整した光パルス列Ｓp１を１：１に分岐する。そして導波路１１０ｄを伝搬する光パルス列は合成光ディジタル入力信号ＳｘｙによってXPMを受けて光の位相が変化し、導波路１１０ｅを伝搬する光パルス列はXPMを受けずに光の位相が変化しない。その結果、方向性結合器ＯＣ９が２つの光パルス列を合波して出力する出力光強度は、２つの光ディジタル入力信号Ｓｘ１、Ｓｙ１の光強度に応じて周期的に変化することになる。なお、図１４における光バンドパスフィルタＢＰＦ５、６は、それぞれ図２における光バンドパスフィルタＢＰＦ２、１に対応する。
【００７６】
図１５は、実施の形態２の変形例として光論理演算器２０３において光干渉計として導波路型マハツェンダ干渉計２１０を用いた構成を説明するブロック図である。マハツェンダ干渉計２１０は、光入力端子２１０ａと、光出力端子２１０ｂ、２１０ｃと、非線形光学媒質である高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ２を含む光導波路２１０ｄと、非線形光学媒質である高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ３を含む光導波路２１０ｅと、光入力端子２１０ａから入力した光パルス列Ｓp２の光を２分岐し、２分岐した光を互いに異なる光導波路２１０ｄ、２１０ｅを通るように伝搬させた後に結合し、光出力端子２１０ｂまたは光出力端子２１０ｃから出力するように接続した分岐比が１：１の光方向性結合器ＯＣ１１、ＯＣ１２と、高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ２に光ディジタル入力信号Ｓｘ２を入力する光合波器ＯＣ１３と、高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ３に光ディジタル入力信号Ｓｙ２を入力する光合波器ＯＣ１４とを有する。
【００７７】
導波路型マハツェンダ干渉計２１０は、光導波路２１０ｄ、２１０ｅを構成する導波路よりも光学非線形性が高い高非線形光導波路部ＨＮＬＷＧ２、ＨＮＬＷＧ３において発生する非線形光学効果を用いて光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度によって光パルス列Ｓp２の光強度を制御して所定の論理演算結果を示す光ディジタル出力信号Ｓout２１またはＳout２２に変換し、光出力端子２１０ｃまたは２１０ｂから出力する。
【００７８】
導波路型マハツェンダ干渉計２１０の動作原理は非線形光ループミラー２０４とほぼ同様である。すなわち、光方向性結合器ＯＣ１１が偏波コントローラＰＣ１３により偏波状態を調整された光パルス列Ｓp２を１：１に分岐する。そして導波路２１０ｄを伝搬する光パルス列は、偏波コントローラＰＣ１１により偏波状態を調整し光ディレイラインＯＤＬ４によって光パルス列と同期した光ディジタル入力信号Ｓｘ２によってXPMを受けて光の位相が変化する。一方、導波路２１０ｅを伝搬する光パルス列は、偏波コントローラＰＣ１２により偏波状態を調整し光ディレイラインＯＤＬ５によって光パルス列と同期した光ディジタル入力信号Ｓｙ２によってXPMを受けて光の位相が変化する。その結果、方向性結合器ＯＣ１２が２つの光パルス列を合波して出力する出力光強度は、２つの光ディジタル入力信号Ｓｘ２、Ｓｙ２の光強度に応じて周期的に変化することになる。なお、図１４における光バンドパスフィルタＢＰＦ７、８は、それぞれ図２における光バンドパスフィルタＢＰＦ２、１に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光論理演算装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る光論理演算装置の詳細な構成を説明するブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る光論理演算器に備えられた非線形光ループミラーの動作原理を説明するブロック図である。
【図４】図３に示す非線形光ループミラーによってＡＮＤ演算およびＮＡＮＤ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図５】図３に示す非線形光ループミラーによってＯＲ演算およびＮＯＲ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図６】図３に示す非線形光ループミラーによってＸＯＲ演算および一致演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図７】実施の形態１に係る光閾値処理器に備えられた非線形光ループミラーの入力光強度に対する出力光強度の特性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２に係る光論理演算装置の詳細な構成を説明するブロック図である。
【図９】実施の形態２に係る光論理演算器に備えられた非線形光ループミラーの動作原理を説明するブロック図である。
【図１０】図９に示す非線形光ループミラーによってＡＮＤ演算およびＮＡＮＤ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図１１】図９に示す非線形光ループミラーによってＯＲ演算およびＮＯＲ演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図１２】図９に示す非線形光ループミラーによってＸＯＲ演算および一致演算を実行する場合の位相シフト量の設定について説明する図である。
【図１３】所定の論理演算内容に対する真理値表、および実施の形態１および２の場合における位相シフト量の設定値と使用ポートとを示す図である。
【図１４】実施の形態１の変形例として光論理演算器において光干渉計として導波路型マハツェンダ干渉計を用いた構成を説明するブロック図である。
【図１５】実施の形態２の変形例として光論理演算器において光干渉計として導波路型マハツェンダ干渉計を用いた構成を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００８０】
１００、２００  光論理演算装置
１０１、２０１  光信号入力部
１０２、２０２  光パルス列発生部
１０３、２０３  光論理演算器
１０４、１０８、２０４、２０８  非線形光ループミラー
１０４ａ、１０８ａ、１１０ａ、２０４ａ、２０８ａ、２１０ａ、  光入力端子
１０４ｂ、１０８ｂ、１１０ｂ、１１０ｃ、２０４ｂ、２０８ｂ、２１０ｂ、２１０ｃ  光出力端子
１０４ｃ、２０４ｃ、１０８ｃ、２０８ｃ  光ファイバループ
１０５、２０５  光信号出力部
１０６、２０６  光強度調整器
１０７、２０７  光閾値処理器
１１０、２１０  導波路型マハツェンダ干渉計
１１０ｄ、１１０ｅ、２１０ｄ、２１０ｅ  光導波路
ＡＴＴ１、２  光減衰器
ＢＰＦ１〜８  光バンドパスフィルタ
ＨＮＬＦ１〜４  高非線形光ファイバ
ＨＮＬＷＧ１〜３  高非線形光導波路部
ＬＳ１、２  パルス光源
ＯＡ１〜５  光増幅器
ＯＣ１、ＯＣ３、ＯＣ４、ＯＣ７、ＯＣ８〜９、ＯＣ１１〜１２  光方向性結合器
ＯＣ０、ＯＣ２、ＯＣ５、ＯＣ６、ＯＣ１０、ＯＣ１３、ＯＣ１４  光合波器
ＯＣＩＲ１〜４  光サーキュレータ
ＰＣ１〜１３  偏波コントローラ
Ｓｘ１、Ｓｙ１、Ｓｘ２、Ｓｙ２  光ディジタル入力信号
Ｓｘｙ  合成光ディジタル信号
Ｓout１１、Ｓout１２、Ｓout２１、Ｓout２２  光ディジタル出力信号
Ｓp１、Ｓp２  光パルス列
ＶＯＡ  可変光減衰器
Ｘ、Ｙ  ディジタル情報
【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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