CN101515104A - 光缓存装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供光缓存装置。其课题在于，按照每个光脉冲将作为信号光的光脉冲写入光存储元件或从光存储元件读出。作为解决手段，提供具有光延迟元件(30)和能够保持光的多个光存储元件(20)的光缓存装置(10)。多个光存储元件配置为排列于在彼此相反的方向上传播信号光和控制光的光路上。并且，光延迟元件分别设置在邻接的光存储元件之间。各光延迟元件对信号光和控制光赋予不同的延迟。根据该光缓存装置的优选实施方式，光存储元件具有：传播信号光和控制光的光波导；以及接近该光波导而设置的光学谐振器，根据有无输入控制光，来生成或解除光波导和光学谐振器之间的耦合。

Description

光缓存装置

技术领域

本发明涉及能够保持信号光的光缓存装置。

背景技术

构成光通信系统网络的各节点具有路由器，该路由器进行用于对期望节点发送信号光的线路切换。

现在，在光通信系统网络所使用的各节点中，将接收到的光信号临时转换为电信号，进行线路切换所需要的处理。然后，各节点将电信号转换为光信号，发送到其他节点。

此前研究了不转换为电信号而在光信号的状态下进行该线路切换处理的所谓的光路由器。在光路由器所使用的技术中，能够比较容易地实现在空间上切换光的行进方向的光开关。与此相对，作为保持光信号的缓冲存储器，除了仅使光延迟的光纤以外，没有良好的装置。例如，虽然能够将光双稳态元件用作光缓存装置，但是，除强度以外，光双稳态元件无法存储光所具有的物理信息中的其它信息。

最近，作为能够应用于光缓存装置的技术，通过控制光的群速度而使光停止的技术备受瞩目。在该光的群速度的控制中，公知有使用光子晶体和谐振器的方法(例如参照专利文献1和非专利文献1)、使用利用了原子能级的电磁感应透明(EIT)材料的方法(例如参照非专利文献2)。

【专利文献1】日本特开2006-234964号公报

【非专利文献1】M.F.Yanik et al.，“Stopping Light in a Waveguide withan All-Optical Analog of Electromagnetically Induced Transparency”，Phys.Rev.Lett.Vol.93，(2004)233903

【非专利文献2】“Dark-State Polaritons in Electromagnetically InducedTransparency”(M.Fleischhauer and M.D.Lukin，Phys.Rev.Lett.vol.84(2000)5094)

但是，关于上述通过控制光的群速度而使光停止的技术，此前主要进行了原理上的研究。因此，几乎没有提出将该技术用于光通信的具体结构的方案。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于提供如下的光缓存装置：其具有多个光存储元件，能够按照每个光脉冲将作为信号光的光脉冲写入光存储元件或从光存储元件读出。

为了达成上述目的，根据本发明的主旨，提供具有光延迟元件和能够保持光的多个光存储元件的光缓存装置。多个光存储元件配置为排列于在彼此相反的方向上传播信号光和控制光的光路上。并且，光延迟元件分别设置在邻接的光存储元件之间。各光延迟元件对信号光和控制光赋予不同的延迟。

根据该光缓存装置的优选实施方式，光存储元件构成为具有：光波导，其传播信号光和控制光；以及光学谐振器，其接近该光波导设置。该情况下，根据有无输入控制光，来生成或解除光波导和光学谐振器之间的耦合。

并且，根据该光缓存装置的其他优选实施方式，光存储元件使用电磁感应透明材料构成。该情况下，电磁感应透明材料根据有无输入控制光而成为透明或不透明。

在本发明的光缓存装置的实施时，优选使用光子晶体来构成光延迟元件。并且，光延迟元件也可以具有：第1波长滤波器、第2波长滤波器、以及光路长度在第1波长滤波器和第2波长滤波器之间不同的第1光路和第2光路，信号光在第1光路中传播，并且，控制光在第2光路中传播。

根据本发明的光缓存装置，构成为在传播信号光和控制光的光路上具有多个光存储元件，在这些光存储元件中，以针对信号光和控制光中的一方使另一方受到规定延迟的方式输入该信号光和控制光。当使用光学谐振器或电磁感应透明材料来构成这些光存储元件时，能够根据有无输入控制光，来进行是否在光存储元件中保持光的控制。

其结果，能够按照每个光脉冲，将信号光所具有的光脉冲写入光存储元件或从光存储元件读出。此时，如果并列设置n个光存储元件，则n个光存储元件能够分别保持不同的光脉冲，所以，能够保持n比特的信息。并且，例如，如果构成为输入控制光时光存储元件保持光脉冲、没有输入控制光时不保持光脉冲，则能够赋予与控制光的持续时间对应的任意的延迟量。

附图说明

图1是本发明的光缓存装置的示意图。

图2是使用光学谐振器的光存储元件的示意图。

图3是示出EIT材料中的群速度控制的仿真结果的图。

图4是用于说明光延迟元件的结构例的示意图。

图5是用于说明光缓存装置的动作的示意图(1)。

图6是用于说明光缓存装置的动作的示意图(2)。

图7是用于说明光缓存装置的动作的示意图(3)。

图8是用于说明光缓存装置的动作的示意图(4)。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式，关于各结构要素的形状、大小和配置关系，只不过是在可理解本发明的程度上概略地示出。并且，下面说明本发明的优选结构例，各结构要素的材质和数值条件等只不过是优选例。因此，本发明不限于以下的实施方式，可以进行不脱离本发明的结构范围且能获得本发明的效果的多种变更或变形。

(光缓存装置的结构)

参照图1说明本发明的光缓存装置。图1是本发明的光缓存装置的示意图。

在光缓存装置10中输入有信号光(图中箭头S101所示)。光缓存装置10具有配置为排列于传播该信号光S101的光路15上的多个光存储元件20。至少准备光缓存装置10的缓存所需要的比特数那么多个光存储元件20。

输入到光缓存装置10中的信号光S101经由光路15上的多个光存储元件20，从光缓存装置10输出。并且，在该光路15上还传播控制光(图中箭头S103所示)。此时，控制光S103从信号光S101的输出侧输入光缓存装置10。即，控制光S103在与信号光S101相同的光路即光路15中与信号光S101反方向传播。控制光S103经由光路15上的多个光存储元件20，从光缓存装置10的输入信号光S101的一侧输出。另外，信号光S101和控制光S103的波长不同。

作为光存储元件20，可以使用与专利文献1所记载的现有技术相同的光学谐振器。参照图2说明光存储元件。图2是使用光学谐振器的光存储元件的示意图。

光存储元件20例如构成为具有光学谐振器24和与该光学谐振器24邻接设置的光波导22。光波导22和光学谐振器24可以利用折射率由于克尔效应而变化的非线性光学材料形成。作为该非线性光学材料，例如有化合物半导体、硫属化物玻璃等。

这里，光学谐振器24设计成针对信号光S101的波长产生共振的尺寸和折射率。另一方面，针对控制光S103的波长，光学谐振器24不共振。

在光学谐振器24中仅输入信号光S101而没有输入控制光S103的状态下，生成光波导22和光学谐振器24之间的耦合。因此，当信号光S101到达光存储元件20时，一边激励光学谐振器24，一边通过光存储元件20。

当在该信号光S101正在激励光学谐振器24的状态下，在光存储元件20中输入控制光S103时，由于克尔效应使光波导22的折射率变化。其结果，解除了光波导22和光学谐振器24之间的耦合。该情况下，在光学谐振器24被激励的状态下解除耦合，所以，成为在光存储元件20中保持信号光S101的状态。

然后，当控制光S103为非输入状态时，再次生成光波导22和光学谐振器24之间的耦合。其结果，输出被保持在光存储元件20中的信号光S101。

这样构成时，在输入控制光S103的期间，成为在光学谐振器24中保持信号光S101的状态，所以，能够对光存储元件20赋予与控制光S103的持续时间对应的任意的延迟量。

另外，有无输入控制光S103、与生成或解除光波导22和光学谐振器24之间的耦合的关系不限于上述例子。即，也可以形成为在输入控制光的期间生成耦合，在没有输入控制光的期间解除耦合。这样构成时，在没有输入控制光S103的期间，成为在光学谐振器中保持信号光的状态。

这样构成时，在光学谐振器24中输入信号光S101和控制光S103的状态下，由于克尔效应使光波导22的折射率变化，生成光波导22和光学谐振器24之间的耦合。因此，当信号光S101到达光存储元件时，一边激励光学谐振器，一边从光存储元件输出。

该状态下，当停止向光存储元件20输入控制光S103时，由于克尔效应，光波导22的折射率的变化返回到原来的状态。其结果，解除了光波导22和光学谐振器24之间的耦合。该情况下，保持了光学谐振器24被激励的状态，所以，成为在光存储元件20中保持信号光的状态。

光学谐振器24也可以设计成针对控制光S103的波长产生共振的尺寸和折射率。然后，再次输入控制光S103时，生成光波导22和光学谐振器24之间的耦合。其结果，输出被保持在光存储元件20中的信号光。

并且，也可以使用电磁感应透明(EIT：Electromagnetically InducedTransparency)材料来构成光存储元件20。作为EIT材料，公知有Rb气体、金绿宝石等。当输入连续光即控制光时，EIT材料针对脉冲光即信号光为透明。另一方面，在没有输入控制光的状态下，EIT材料针对信号光为不透明。在该不透明的状态下，EIT材料内部的信号光被原样保持，且不输入来自EIT材料外部的信号光。

图3是示出EIT材料中的群速度控制的仿真结果的图。在图3中，横轴示出波数k和传播距离z之积，纵轴示出强度。

使用以下的式(1)和式(2)来进行该仿真。

$\{\frac{\∂}{\∂\left(\mathrm{\ωt}\right)}+\left(\frac{i}{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}\right)[1+\frac{{\∂}^2}{\∂{\left(\mathrm{kz}\right)}^2}\left]\right\}{\hat{E}}_p=0---\left(1\right)$

例如如非专利文献2所示，根据表示原子能级和光的相互作用的式子，能够得到这些式子。另外，包含非专利文献2在内，通常进行前进方向的解析。

但是，在本实施方式中，信号光和控制光的行进方向相反，所以，使用能够对前进和反射的双方向进行解析的式子。在式(1)和式(2)中，ω表示光的中心频率，k表示光波数，z表示传播距离，N表示原子密度，d_ba表示能级b和能级a之间的跃迁偶极矩，ε₀表示真空中的介电常数，Ω表示控制光的强度。其中，为了使光停止，使用使θ＝π/2的条件成立的Ω的值。

图3示出控制光和信号光从相反方向输入到EIT材料中的状态的仿真结果。根据该结果可知，所输入的信号光被保持在一定的场所(图3中kz＝75的附近)。在EIT材料中，在控制光的上升部分，信号光停止。

根据仿真发现，在通过了EIT材料的控制光的上升部分后的部分中，信号光无法进入EIT材料而被反射。因此，在EIT材料中保持信号光的光脉冲后，其他光脉冲无法进入该EIT材料中。

在该EIT材料中，使用原子能级来进行光的保持，所以，使用EIT材料作为光存储元件20时，与使用光学谐振器的情况相比，能够延长光的保持时间。

光缓存装置10在邻接的光存储元件20之间分别具有光延迟元件30。光延迟元件30对信号光和控制光赋予相互不同的延迟。例如，与信号光相比，延迟控制光的速度。

作为光延迟元件30，例如可以使用光子晶体波导。光子晶体波导例如如“Low-group velocity and low-dispersion slow light in photonic crystalwaveguides”(S.Kubo et al.，Optics Letters vol.32(2007)2981)所示，群速度根据波长而变化，其结果，能够根据波长赋予不同的延迟。

光子晶体波导在小型化方面优良，例如适用于利用EIT材料构成光存储元件的情况等、在光缓存装置内空间耦合各结构要素的结构。

并且，作为光延迟元件，也可以构成为，具有光路长度不同的第1光路和第2光路，根据光路长度的差异来赋予不同的延迟。

参照图4说明光延迟元件的结构例。图4是用于说明光延迟元件的结构例的示意图。

光延迟元件30可以构成为具有：第1波长滤波器32、第2波长滤波器38、以及光路长度在第1波长滤波器32和第2波长滤波器38之间不同的第1光路34和第2光路36。通过第1波长滤波器32和第2波长滤波器38设定为，例如，信号光在第1光路34中传播，控制光在第2光路36中传播。

该光延迟元件是波导型元件，所以，在如参照图2说明的那样使用光学谐振器构成光存储元件20的情况下，可以在同一基板上形成光存储元件和光延迟元件。

(光缓存装置的动作)

参照图5～7说明光缓存装置的动作。图5～7是用于说明光缓存装置的动作的示意图。

这里，以光缓存装置作为具有4个光存储元件、即第1～4光存储元件20a～20d的4比特的缓冲存储器进行动作的情况为例进行说明。另外，光存储元件的个数不限于4，只要根据光缓存装置所要求的比特数来确定个数即可。并且，在图5～7中，作为光缓存装置，示出第1～4光存储元件20a～20d，省略光延迟元件等其他结构要素的图示。

设信号光S101为光脉冲。光脉冲在空间上具有某种程度的宽度。例如，当设脉冲光的周期τ为1[ps]时，各光脉冲在空气中具有300[μm]左右的宽度。另外，在元件中，折射率高，所以脉冲宽度窄。这里，列举作为4比特的光缓存器来构成光缓存装置的情况为例。信号光S101所具有的各光脉冲分别表示1比特的信息。这里，设4比特的信号光具有第1～4光脉冲S101a～S101d。

并且，将控制光作为连续光进行说明。这里，信号光S101以通常的光速度进行传播，控制光S103以比信号光S101慢的速度进行传播。

首先，以光缓存装置的全长与光脉冲的宽度相比充分小的情况为例进行说明。因此，在该例子中，当在光缓存装置中输入一个光脉冲时，在全部4个光存储元件中输入光脉冲，分别激励光学谐振器。

设邻接的光存储元件20之间的距离为L_s，控制光的传播速度为V_c。该情况下，输入到一个光存储元件中的控制光输入到相邻的光存储元件中的时间由L_s/V_c给定。其中，V_c是经由光延迟元件(在图5～7中省略图示)在两个光存储元件之间传播时的平均速度。

另外，使输入到一个光存储元件20中的控制光S103输入到相邻的光存储元件20中的时间(L_s/V_c)与信号光的光脉冲S101-1～4的周期(τ)相等。

这里，光存储元件从信号光的输出侧到输入侧，依次配置第1光存储元件20a、第2光存储元件20b、第3光存储元件20c和第4光存储元件20d。并且，第1～4光脉冲S101a～S101d以该顺序输入到光缓存装置中(图5(A))。

当第1光脉冲S101a到达光缓存装置时，第1光脉冲S101a同时激励第1～4光存储元件20a～20d。在该第1光脉冲S101a激励各光存储元件的状态下，控制信号S103到达第1光存储元件20a。当控制信号S103到达第1光存储元件20a时，在第1光存储元件20a中，解除光学谐振器和光波导的耦合，在第1光存储元件20a中保持第1光脉冲S111a(图5(B))。

第2光脉冲S101b接着第1光脉冲S101a输入到光缓存装置10中。第2光脉冲S101b激励第2～4光存储元件20b～20d。此时，由于控制光S103的存在而解除了耦合，所以，第1光存储元件20a不被第2光脉冲S101b激励。

输入到一个光存储元件中的控制光S103输入到相邻的光存储元件中的时间与信号光的光脉冲的周期τ相等(L_s/V_c＝τ)，所以，在第2光脉冲S101b激励第2～4光存储元件20b～20d的状态下，控制信号S103到达第2光存储元件20b。当控制信号S103到达第2光存储元件20b时，在第2光存储元件中，解除光学谐振器24和光波导22的耦合，在第2光存储元件20b中保持第2光脉冲S101b(图6(A))。

同样，在第3光存储元件20c中保持第3光脉冲S101c，在第4光存储元件20d中保持第4光脉冲S101d。

其结果，在第1～4光存储元件20a～20d中分别保持第1～4光脉冲S111a～S111d(图6(B))。

然后，当控制光S103消失时，在各光存储元件20a～20d中，分别生成光学谐振器和光波导的耦合，按顺序输出所保持的光脉冲。

首先，在第1光存储元件20a中，当控制光S103消失时，在第1光存储元件20a中生成耦合，并输出第1光脉冲S112a(图7(A))。

接着，当经过时刻τ(＝L_s/V_c)时，在第2光存储元件20b中，控制光S103消失。于是，在第2光存储元件20b中生成耦合，并输出第2光脉冲S112b(图7(B))。

同样，在第3光存储元件20c和第4光存储元件20d中，控制光消失时，在第3光存储元件20c和第4光存储元件20d中生成耦合，并输出第3光脉冲和第4光脉冲。

该从各光存储元件输出的光脉冲与输入到光缓存装置10之前的信号光的光脉冲周期相同，均为τ，该从各光存储元件输出的光脉冲延迟控制信号S103的持续时间后，从光缓存装置输出。

接着，参照图8，以光缓存装置的全长与光脉冲的宽度相比无法忽略的情况为例进行说明。图8是用于说明光缓存装置的动作的示意图。

这里，设光缓存装置所具有的光存储元件20的个数为N个，被输入信号光所具有的N个光脉冲S101-1～N。

在该例子中，各光脉冲依次在N个光存储元件中传播，分别激励光学谐振器。这里，从信号光的输出侧到输入侧，依次排列第1～N光存储元件20-1～N。即，输入到光缓存装置的信号光按第N光存储元件20-N、第N-1光存储元件20-(N-1)、…、第2光存储元件20-2和第1光存储元件20-1的顺序通过，并从光缓存装置输出。

沿着光路15取X轴，设信号光S101的传播方向为正方向。设有第1～N光存储元件20的X轴上的位置分别为S(1)～S(N)。另外，设第N光存储元件20-N的位置为X轴的原点。即，S(N)＝0。

在初始状态(时刻t＝0)下，第1光脉冲S101-1位于X轴的原点，第2～N光脉冲S101-2～N朝向X轴的负方向，分别以S_p的间隔依次排列。并且，设控制光S103的开头位于S(0)。

设光缓存装置外部的信号光S101和控制光S103的速度分别为V_s0和V_c0。并且，设光缓存装置内部的信号光S101和控制光S103的速度分别为V_s和V_c。

控制光S103到达第J光存储元件20-J的时间t_c(J)由下式(3)给定。

$t_c\left(J\right)=\frac{S\left(0\right)-S\left(1\right)}{V_{c0}}+\frac{S\left(1\right)-S\left(J\right)}{V_c}---\left(3\right)$

另一方面，第J光脉冲S101-J到达第J光存储元件20-J的时间t_s(J)由下式(4)给定。

$t_s\left(J\right)=\frac{(J-1)\mathrm{Sp}}{V_{s0}}+\frac{S\left(J\right)-S\left(N\right)}{V_s}---\left(4\right)$

当第J光脉冲S101-J和控制光S103同时到达第J光存储元件20-J时，即，当t_c(J)和t_s(J)一致时，在第J光存储元件20-J中保持第J光脉冲S101-J。因此，使用t_c(J)＝t_s(J)对式(3)和式(4)进行变形，得到下式(5)。另外，这里，设S(N)＝0。

$S\left(J\right)\·(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_c})$

$=-\frac{(J-1)S_p}{V_{s0}}+\frac{S\left(0\right)}{V_{c0}}+S\left(1\right)(\frac{1}{V_c}-\frac{1}{V_{c0}})---\left(5\right)$

在该式(5)中，设J＝1时，得到下式(6)。

$S\left(0\right)=V_{c0}S\left(1\right)(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_{c0}})---\left(6\right)$

因此，根据式(5)和式(6)，得到下式(7)。

$S\left(J\right)=(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_c})=\frac{-(J-1)S_p}{V_{s0}}+S\left(1\right)(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_c})---\left(7\right)$

接着，针对式(7)，当设J＝N时，由于S(N)＝0，因此得到下式(8)。

$\frac{(N-1)S_p}{V_{s0}}=S\left(1\right)(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_c})---\left(8\right)$

因此，根据式(7)和式(8)，第J光存储元件20-J的X坐标S(J)由下式(9)给定。

$S\left(J\right)=\frac{(N-J)S_p}{V_{s0}(\frac{1}{V_s}+\frac{1}{V_c})}---\left(9\right)$

根据式(9)可知，沿着光路15以等间隔L_s(＝S_p/V_s0/(1/V_s+1/V_c))配置各光存储元件即可。这里，当设信号光的传播时间为τ_s(＝L_s/V_s)，控制光的传播时间为τ_c(＝L_s/V_c)时，式(9)可以由以下式(10)表示。

$S\left(J\right)=\frac{(N-J)\mathrm{\τ}{V}_s}{1+\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\τ}}_s}}---\left(10\right)$

如果控制光S103的速度V_c与信号光的速度V_s相比充分小(V_c＜＜V_s)，则根据式(9)，成为S(J)＝(N-J)×τV_c。因此，控制光的速度越小，元件全长越短。

相反，即使在信号光S101的速度V_s与控制光S103的速度V_c相比充分小(V_s＜＜V_c)的情况下，根据式(9)，成为S(J)＝(N-J)×τV_s，所以，信号光S101的速度越小，元件全长能够越短。

关于到达第J光存储元件20-J的时间，第J光脉冲为t＝(J-1)τ+(N-J)τ_s，控制光S103为τ＝τ_c0+(J-1)τ_c。其中，τ是元件外的光脉冲的间隔，τ_s是信号光在光存储元件之间的传播时间，τ_c是控制光的传播时间。

在J＝1和J＝N的情况下，分别对这两个式子进行计算时，得到(N-J)τ_s＝τ_c0和τ＝τ_c0+τ_c。在元件全长相对于信号光可以忽略的情况下，能够近似于τ_s＝0，所以，该情况下，τ＝t_c近似成立。

写出时，以τ_c的间隔生成信号光脉冲，所以，在元件内生成原来的脉冲间隔τ时，需要使两者尽可能地接近。在元件终端输出再生信号时，时刻t由以下式(11)给定。

t＝(J-1)τ_c+(J-1)τ_s+t₀

＝(J-1)(τ_c+τ_s)+t₀

＝(J-1)τ+t₀(11)

因此，能够在元件终端以原来的脉冲间隔τ再生光信号。

如上所述，根据本发明的光缓存装置，构成为在传播信号光和控制光的光路上具有多个光存储元件，在这些光存储元件中，从相反方向输入信号光和控制光。当使用光学谐振器或电磁感应透明材料来构成这些光存储元件时，能够根据有无输入控制光，来进行是否在光存储元件中保持光的控制。

其结果，能够按照每个光脉冲，将作为信号光的光脉冲写入光存储元件或从光存储元件读出。此时，如果并列设置n个光存储元件，则n个光存储元件能够分别保持不同的光脉冲，所以，能够保持n比特的信息。并且，例如，如果构成为输入控制光时光存储元件保持光脉冲、没有输入控制光时不保持光脉冲，则能够赋予与控制光的持续时间对应的任意的延迟量。

Claims (5)

1.一种光缓存装置，其特征在于，该光缓存装置具有：

能够保持光的多个光存储元件，其配置为排列于在彼此相反的方向上传播信号光和控制光的光路上；以及

光延迟元件，其分别设置在邻接的所述光存储元件之间，对所述信号光和所述控制光赋予不同的延迟。

2.根据权利要求1所述的光缓存装置，其特征在于，

所述光存储元件具有：

光波导，其传播所述信号光和所述控制光；以及

光学谐振器，其接近该光波导设置，

所述光存储元件根据有无输入所述控制光，来生成或解除所述光波导和所述光学谐振器之间的耦合。

3.根据权利要求1所述的光缓存装置，其特征在于，

所述光存储元件使用电磁感应透明材料构成，

电磁感应透明材料根据有无输入所述控制光而成为透明或不透明。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光缓存装置，其特征在于，

使用光子晶体来构成所述光延迟元件。

5.根据权利要求1～3中的任一项所述的光缓存装置，其特征在于，

所述光延迟元件具有：第1波长滤波器、第2波长滤波器、以及光路长度在所述第1波长滤波器和所述第2波长滤波器之间不同的第1光路和第2光路，

所述信号光在所述第1光路中传播，并且，所述控制光在所述第2光路中传播。

Images