(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）時系列の第１の直線偏光の光信号が入力される光分岐・遅延線と、ハーフミラーと、該ハーフミラーへの第１の直線偏光のセット光照射手段及び第２の直線偏光のリセット光照射手段とを具備する光信号書き込み手段と、
（ｂ）該光信号書き込み手段によって、前記時系列の光信号を空間並列信号に変換した上で１ビットずつ書き込み、偏光方向が直交する第１の直線偏光のモードと第２の直線偏光のモードとを２つの固有レーザ発振モードとするとともに、前記空間並列信号に変換された光信号と前記セット光とのＡＮＤ動作であるＡＮＤゲート動作およびメモリー動作を行う複数個の双安定半導体レーザを有するアレイと、
（ｃ）前記複数個の双安定半導体レーザからの出力光のうち第１の直線偏光を透過する検光子と、該検光子を透過した第１の直線偏光の光が入力される可飽和吸収体からなる光ゲート手段と、該光ゲート手段を照射するゲート光パルス照射手段と、読み出された信号光の光遅延・合流線とを具備し、前記アレイに書き込まれた光信号を読み出す光信号読み出し手段とを備え、
（ｄ）光信号を電気信号に変換することなく全光型で、時系列の光信号を各双安定半導体レーザに１ビットずつ記録し、必要なタイミングに合わせ時系列信号として記録信号を読み出すことを特徴とする双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置。
【請求項２】
請求項１記載の双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置において、前記超高速光メモリー装置が、第１段の複数個の双安定半導体レーザの各々からの出力光を反射して第２段の複数個の双安定半導体レーザの各々に入力するための反射器と、第２の光ゲート手段と、第２のハーフミラーと、該第２のハーフミラーへの第２のゲート光パルス照射手段とを備え、前記第２のハーフミラーを介して前記第２のゲート光パルス照射手段からの第２のゲート光パルスが前記第２の光ゲート手段に入射された時に、前記第１段の複数個の双安定半導体レーザの各々からの出力光が前記第２の光ゲート手段を透過して前記反射器により反射された後に前記第２段の複数個の双安定半導体レーザの各々に入力されることにより、記録信号が転送および記録されるシフトレジスタ機能を有することを特徴とする双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光ファイバ通信システムは高度情報社会を担う通信伝送方式として発展している。しかし、現状の光ファイバ通信システムは、キャリア周波数が２００ＴＨｚという光の特性をまだ十分には活用していない。今後の情報量の増大に応えるためには、より一層の超高速光通信システムの開発が望まれているが、その超高速化のためには信号処理も光が行う全光型のシステムが期待されている。とりわけ、全光型でのパケット単位のルーティング技術が必要とされている。
【０００３】
図５は従来のファイバ遅延線バッファメモリーの模式図である。
この図において、１０１はパケット入力、１０２は第１の光スイッチ、１０３はパケットの保存装置、１０４は第２の光スイッチ、１０５はパケット出力である。
しかし、かかるファイバ遅延線バッファメモリーを用いる方式では、各ビット毎の制御や必要なタイミングに情報を読み出すことが困難であった。
【０００４】
【非特許文献１】
田村、山吉、河口  「超高速偏光双安定面発光半導体レーザを用いた全光型光信号処理」信学技法、ＬＱＥ  ２０００−４２（２０００年８月）
【０００５】
【非特許文献２】
山吉、河口、「面発光半導体レーザの偏光双安定性を用いた全光型超高速ＤＥＭＵＸ」信学技法、ＰＳ９８−１５（１９９８年６月）
【０００６】
【非特許文献３】
Ｈ．Ｋａｗａｇｕｃｈｉ，“Ｂｉｓｔａｂｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；  Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｒｔ，”ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，３（１９９７）１２５４．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者らはＡＮＤゲート動作およびメモリー動作を行う複数個の双安定半導体レーザを備え、光信号を電気信号に変換することなく全光型で、時系列の光信号を、各双安定半導体レーザに１ビットずつ記録し、必要なタイミングに時系列信号として記録信号を読み出すことができる超高速光メモリーの開発をすることが課題となった。
【０００８】
さらに、後に詳しく述べるように、ビット数が多くなると入出力のための光時系列信号を受ける光空間並列信号変換器や光並列信号を受ける光時系列信号変換器がビット数の分だけ必要となり、装置が大型になるといった欠点があり、それをも解決することが課題となった。
本発明は、上記状況に鑑み、各ビット毎の制御や必要なタイミングで情報を読み出すことができ、また、シフトレジスタ機能を有する双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置において、時系列の第１の直線偏光の光信号が入力される光分岐・遅延線と、ハーフミラーと、このハーフミラーへの第１の直線偏光のセット光照射手段及び第２の直線偏光のリセット光照射手段とを具備する光信号書き込み手段と、この光信号書き込み手段によって、前記時系列の光信号を空間並列信号に変換した上で１ビットずつ書き込み、偏光方向が直交する第１の直線偏光のモードと第２の直線偏光のモードとを２つの固有レーザ発振モードとするとともに、前記空間並列信号に変換された光信号と前記セット光とのＡＮＤ動作であるＡＮＤゲート動作およびメモリー動作を行う複数個の双安定半導体レーザを有するアレイと、前記複数個の双安定半導体レーザからの出力光のうち第１の直線偏光を透過する検光子と、この検光子を透過した第１の直線偏光の光が入力される可飽和吸収体からなる光ゲート手段と、この光ゲート手段を照射するゲート光パルス照射手段と、読み出された信号光の光遅延・合流線とを具備し、前記アレイに書き込まれた光信号を読み出す光信号読み出し手段とを備え、光信号を電気信号に変換することなく全光型で、時系列の光信号を各双安定半導体レーザに１ビットずつ記録し、必要なタイミングに合わせ時系列信号として記録信号を読み出すことを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置において、前記超高速光メモリー装置が、第１段の複数個の双安定半導体レーザの各々からの出力光を反射して第２段の複数個の双安定半導体レーザの各々に入力するための反射器と、第２の光ゲート手段と、第２のハーフミラーと、この第２のハーフミラーへの第２のゲート光パルス照射手段とを備え、前記第２のハーフミラーを介して前記第２のゲート光パルス照射手段からの第２のゲート光パルスが前記第２の光ゲート手段に入射された時に、前記第１段の複数個の双安定半導体レーザの各々からの出力光が前記第２の光ゲート手段を透過して前記反射器により反射された後に前記第２段の複数個の双安定半導体レーザの各々に入力されることにより、記録信号が転送および記録されるシフトレジスタ機能を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置の模式図である。
この図において、１は超高速光信号（入力信号）、１Ａはヘッダー、２は光時系列信号／光空間並列信号変換装置、３，４，１３はハーフミラー、５は一次元又は二次元の偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ、６はセット光、７はリセット光、１１は検光子（０°偏光を透過する）、１２は光ゲート素子、１４はゲート光パルス、１５は光空間並列信号／光時系列信号変換装置、１６は超高速光信号（出力信号）である。
【００１２】
以下、双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーへの信号の書き込みと双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーからの信号の読み出しに分けて、詳細に説明する。
図２は光空間並列信号から光時系列信号への変換に光分岐・遅延線を用いた本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーへの信号の書き込みを説明する模式図である。
【００１３】
この図において、２１は超高速光信号（入力信号）、２１Ａはヘッダー、２２は光分岐・遅延線、２２Ａは入力ポート、２２Ｂは出力ポート、２３はハーフミラー、２４は一次元又は二次元の偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ、２５はセット光、２６はリセット光である。
ここで、ＶＣＳＥＬエレメントの動作原理について述べておく。
【００１４】
光導波路が正方形の断面形状を持つ、面発光半導体レーザには、電界方向が正方形の辺に沿う２つの固有モードが存在する。ここでは、０°モード、９０°モードと呼ぶ。２つのレーザ発振モードに対して面発光半導体レーザの光学利得はほぼ等しく、２つのモードは利得飽和を通して強結合し、双安定性が生じる。短光パルスを外部から入射すると、入射パルス光と同一偏光のモードに偏光がスイッチし、入射パルスがなくなってもスイッチした後の偏光を保持する。従って、偏光双安定光メモリーが実現できる。偏光スイッチングの速度は７ｐｓと極めて速く、光双安定素子のスイッチング速度としては世界最高速である。超高速光通信における光多重分離（光ＤＥＭＵＸ）や光ＲＺ信号の光ＮＲＺ信号への直接変換など、超高速光機能素子としての応用が期待できる。
【００１５】
次に、偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ２４への信号の書き込みについて、図２を参照して説明する。
最初に紙面に垂直方向に電場をもつ（９０°光と呼ぶ）リセット光２６を入射することにより、各偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ２４の発振偏光は紙面に垂直（９０°光）にリセットされる。
【００１６】
図２に示すように、超高速の時系列光信号にはヘッダー２１Ａが付与されている。紙面内に偏光した（０°光と呼ぶ）光信号は光分岐・遅延線２２の入力ポート２２Ａから入射し、分岐された後、ビット間隔ずつ遅延され各々の出力ポート２２Ｂから出射し、ハーフミラー２３を介してＶＣＳＥＬアレイ２４に注入される。
【００１７】
次いで、光分岐・遅延線２２により最も大きく遅れた光信号が、ＶＣＳＥＬアレイ２４に到達した時に、０°偏光のセット光２５が、ヘッダー２１Ａからの信号によりＶＣＳＥＬアレイ２４に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ２４の偏光は信号光のみではスイッチしないが、セット光２５と信号光が同時に入射した時には、９０°光から０°光にスイッチする。
【００１８】
従って、図２に示すように、セット光２５が入射した時、ＶＣＳＥＬアレイ２４内に注入されている、「１」「０」信号がＶＣＳＥＬアレイ２４に発振偏光として記録される。
図３は本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーからの信号の読み出しを説明する模式図である。
【００１９】
この図において、２７はハーフミラー、２８は検光子、２９は可飽和吸収体、３０はゲート光パルス、３１は光遅延・合流線、３２はミラー、３３は超高速光信号（出力信号）である。
図２に示すようにして書き込まれた光信号（記録）の読み出しは、次のように行われる。
【００２０】
ＶＣＳＥＬアレイ２４からは「１」「０」信号に従って０°偏光と９０°偏光のレーザ発振光が連続的（ＣＷ）に出射されている。検光子２８により０°偏光のみを通過させ、可飽和吸収体２９に入射する。次に、ゲート光パルス３０を可飽和吸収体２９に入射し、ＶＣＳＥＬアレイ２４からのＣＷ光をパルス光として切り出す。次に、光遅延・合流線３１により、光パルスを時系列に並べて、超高速光信号（出力信号）３３として読み出す。
【００２１】
以上により、光パケット単位でメモリーし、必要な時に光パケット単位で読み出すことができるようになる。
上記の実施例により、超高速光メモリー動作が可能なことをレート方程式を用いた詳細な計算機シミュレーションにより示す。
この解析手法が、この種の光メモリー動作の解析に適し、その結果が実験結果と良く一致することは上記した非特許文献１〜３などで知られている。
【００２２】
図４は本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーのシミュレーション結果を示す図であり、図４（ａ）は超高速光信号（０°）の時間波形、図４（ｂ）はセット光（０°）、図４（ｃ）はリセット光（９０°）、図４（ｄ）はメモリー出力の０°偏光成分、図４（ｅ）はゲート光パルス、図４（ｆ）は読み出し出力を示している。また、縦軸は光パワー（μＷ）、横軸は時間（ｐｓ）を示している。
【００２３】
図４（ａ）に示す超高速光信号の時間波形において、光信号のパルス幅は１ｐｓ、パルス間隔５ｐｓであり、信号伝送速度は２００Ｇｂｉｔ／ｓである。各チャンネルの光信号パワーは５μＷである。図２、図３に示した模式図に合わせ６チャンネルの場合を解析した。１０ｐｓのパルス幅を持つヘッダー２１Ａを読み取り、適当な時間遅れで１ｐｓのセット光（１０μＷ）を発生し、６番目のチャンネルの信号光と同時にＶＣＳＥＬアレイ２４に入射するように設定する。
【００２４】
その結果、図４（ｄ）に示すように、メモリー出力の０°偏光成分は光信号が「０」か「１」かにより、「０」か「１」になり保存される。この時、メモリーの光出力は約５００μＷであり、光信号に対し１００倍（２０ｄＢ）大きいという利点を持つ。
次に、図４（ｅ）に示すように、１ｐｓ，１００μＷ程度のゲート光パルス３０で可飽和吸収体２９の吸収を飽和し、信号光を、図４（ｆ）に示すように読み出す。
【００２５】
信号光の読み出しが終わった時点で、図４（ｃ）に示すように、１ｐｓ，２０μＷのリセット光２６で光メモリーを９０°信号へリセットする。
この一連の動作により、光パケット単位でメモリーし、必要な時に光パケット単位で読み出すことができるようになる。
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２６】
図６は本発明の第２実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置の模式図である。
この図において、２０１はハーフミラー、２０２は二次元偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ、２０３は光ゲート素子、２０４は反射器である。
【００２７】
本実施例の装置は、第１実施例で示した偏光双安定面発光半導体レーザアレイ２４を二次元アレイ２０２で置き換えたもので、光時系列信号／光空間並列信号変換器（図示なし）、リセット光発生装置（図示なし）、セット光発生装置（図示なし）、ゲート光発生装置（図示なし）、検光子１１、光ゲート素子１２および光空間並列信号／光時系列信号変換器（図示なし）からなる装置を有しており、この装置に反射器２０４と光ゲート素子２０３およびゲート光発生装置が付加された構成である。
【００２８】
まず、第１実施例に示したように、二次元偏光双安定面発光半導体レーザアレイ２０２への信号の書き込みについて説明する。最初に紙面に垂直方向に電場をもつ（９０°光と呼ぶ）リセット光を入射することにより、各偏光双安定面発光半導体レーザの発振偏光は紙面に垂直（９０°光と呼ぶ）にリセットされる。
超高速の時系列信号にはヘッダーが付与されている。紙面内に偏光した（０°光と呼ぶ）光時系列信号は光時系列信号／光空間並列信号変換器により変換され、１ビット毎に異なる偏光双安定面発光半導体レーザに注入される。次に、光信号がＶＣＳＥＬアレイ２０２の初段（図６のＡ1 〜Ａ4 ）に到達した時に０°偏光のセット光が、ヘッダーからの信号によりＶＣＳＥＬアレイ２０２に入射する。ＶＣＳＥＬアレイ２０２の偏光は信号光のみではスイッチしないが、セット光と信号光が同時に入射した時には９０°光から０°光にスイッチする。従って、セット光が入射された時、ＶＣＳＥＬアレイ２０２内に注入されている「１」、「０」信号がＶＣＳＥＬの発振偏光として記録される。
【００２９】
次に、シフトレジスタ機能について図６および図７を参照しながら説明する。
図７は光信号の面発光半導体レーザＡ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、Ｄ1 の１列について配置をより詳細に示した模式図である。
上述した従来の光パケットメモリーでは、一般にビット数が増加すると光時系列信号／光空間並列信号変換装置の入出力ポートがビット数だけ必要になり、構成上大きな問題となる。本発明では、いくつかの双安定半導体レーザに記録されている信号を別の双安定半導体レーザへ一括転送し、記録する光シフトレジスタ機能を持たせることにより、この問題を解決している。
【００３０】
図６に４×４の面発光半導体レーザからなる二次元偏光双安定面発光半導体レーザアレイを用いたシフトレジスタの概念図を示す。図１に示した動作原理によりＡ1 〜Ａ4 に、「１」及び「０」信号がそれぞれ０°と９０°発振偏光として記録されている。Ａ1 〜Ａ4 の面発光半導体レーザの出力は、数度の回折拡がりをもって出射され、上面に配置した反射器２０４でＢ1 〜Ｂ4 の面発光半導体レーザに集光される。反射器２０４の近くには外部からゲート光パルスが入射された時に、面発光半導体レーザの出力が透過する光ゲート素子２０３が配置されている。面発光半導体レーザと反射器２０４の間の間隔をｌとすると２ｌ／ｃ（ｃは光速）よりも短い間ゲートが開かれるとＢ1 〜Ｂ4 のレーザ発振偏光は、Ａ1 〜Ａ4 の出力の注入によりＡ1 〜Ａ4 と各々同じ発振偏光になり、信号がそれぞれ書き込まれ、記録される。例えば、ｌを５ｃｍとするとゲートの開かれる時間は３０ｐｓ以下になる。次に、Ａ1 〜Ａ4 を９０°偏光をもつリセット光でリセットし、新しい信号を書き込む。次にゲート光でゲートを開くと、Ｂ1 〜Ｂ4 の信号がＣ1 〜Ｃ4 に、Ａ1 〜Ａ4 の信号がＢ1 〜Ｂ4 にそれぞれ書き込まれ記録される。信号の読出しは、最終段（図の列ではＤ1 〜Ｄ4 ）の面発光半導体レーザのＣＷ出力を後述のように読み出すことによって実現できる。
【００３１】
図８は光信号の面発光半導体レーザＡ1 〜ＡN の記録を示すタイミングチャート、図９はこのシフトレジスタ機能をタイミングチャートで示したもの、すなわち、Ａ1 からＢ1 、Ｂ1 からＣ1 へ、Ｃ1 からＤ1 への信号の転送と記録の様子を示すタイミングチャートである。
本発明によるシフトレジスタ機能付超高速光メモリー装置では、図６に示したｙ方向の面発光半導体レーザの数に一致する数のビットが、セット光と信号光とのＡＮＤゲート動作によりＡ1 〜ＡN の面発光半導体レーザに記録される。ゲート光の入力により、この信号はＢ1 〜ＢN に転送され記録された後、リセット光でＡ1 〜ＡN の発振偏光は９０°にリセットされ、次の信号を記録する。
【００３２】
記録の読出しは次のように行われる。ＶＣＳＥＬアレイ２０２の最終段（図６のＤ1 〜Ｄ4 ）からは「１」、「０」信号に従って０°偏光と９０°偏光のレーザ発振光が連続的（ＣＷ）に出射されている。検光子１１により０°偏光のみを通過させ、光ゲート素子１２に入射する。次に、ゲート光パルスを光ゲート素子１２に入射し、ＶＣＳＥＬアレイ２０２の最終段からのＣＷ光を通過させパルス光として切り出す。次に光空間並列信号／光時系列信号変換器により、光パルスを時系列に並べる。以上により、光パケット単位でメモリーし、必要な時に光パケット単位で読み出すことができるようになる。
【００３３】
本発明の第２実施例によれば、ＡＮＤゲート動作およびメモリー動作を行う複数個の双安定面発光半導体レーザを備え、光信号を電気信号に変換することなく全光型で、時系列の光信号を、各双安定半導体レーザに１ビットずつ記録し、必要なタイミングに時系列信号として記録信号を読み出すことができる超高速光メモリーにおいて、記録信号をある双安定半導体レーザから別の双安定半導体レーザへ転送し、記録する機能を有する。
【００３４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）光信号を電気信号に変換することなく、全光型で光パケット単位でルーティングができ、光通信の高速化を達成することがきる。
【００３６】
（２）記録信号をある双安定半導体レーザから別の双安定半導体レーザへ転送し、記録することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置の模式図（２次元偏光双安定面発光半導体レーザアレイを用いたシフトレジスタの概念図）である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーへの信号の書き込みを説明する模式図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーからの信号の読み出しを説明する模式図である。
【図４】  本発明の第１実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリーのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】  従来のファイバ遅延線バッファメモリーの模式図である。
【図６】  本発明の第２実施例を示す双安定半導体レーザを用いた超高速光メモリー装置の模式図である。
【図７】  本発明の第２実施例の光信号の面発光半導体レーザＡ1 、Ｂ1 、Ｃ1 、Ｄ1 の１列について配置をより詳細に示した模式図である。
【図８】  本発明の第２実施例を示す光信号の面発光半導体レーザＡ1 〜ＡN の記録を示すタイミングチャートである。
【図９】  本発明の第２実施例を示す光信号の面発光半導体レーザＡ1 からＢ1 、Ｂ1 からＣ1 、Ｃ1 からＤ1 への信号の転送と記録の様子を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１，２１    超高速光信号（入力信号）
１Ａ，２１Ａ    ヘッダー
２    光時系列信号／光空間並列信号変換装置
３，４，１３，２３，２７，２０１，２０５    ハーフミラー
５，２４，２０２    一次元又は二次元の偏光双安定面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ
６，２５    セット光
７，２６    リセット光
１１，２８    検光子（０°偏光を透過する）
１２，２０３    光ゲート素子
１４，３０    ゲート光パルス
１５    光空間並列信号／光時系列信号変換装置
１６，３３    超高速光信号（出力信号）
２２    光分岐・遅延線
２２Ａ    光分岐・遅延線の入力ポート
２２Ｂ    光分岐・遅延線の出力ポート
２９    可飽和吸収体
３１    光遅延・合流線
３２    ミラー
２０４    反射器
【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】
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【図８】
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【図９】
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