JP2008046543A

JP2008046543A - 光フリップフロップ

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Publication number: JP2008046543A
Application number: JP2006224165A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakamura; 滋中村; Yoshimasa Sugimoto; 喜正杉本; Kiyoshi Asakawa; 潔浅川; Akira Watanabe; 晃渡邊
Original assignee: NEC Corp; Meijo University; University of Tsukuba NUC
Current assignee: NEC Corp; Meijo University; University of Tsukuba NUC
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2026-08-21
Also published as: JP4863272B2

Abstract

【課題】セット・パルス入力時やリセット・パルス入力時における状態変化の高速化と、状態保持時間の自由な設定を可能にすることと、状態保持用の動作条件の最適化を可能にすることを兼ね備える光フリップフロップを提供する。
【解決手段】非線形導波路１および２を両アームに配置した対称マッハ・ツェンダー型光スイッチ（ＳＭＺ）１０１では、セット光パルスＳが非線形導波路１に入力され非線形屈折率変化が励起されると、出力光Ｑは“０”状態から“１”状態へ変化する。出力光の一部Ａ１はＡＮＤ型光スイッチ１０２に入力されており、入力光Ａ１が“０”状態から“１”状態へ変化すると、出力光Ａ３も“０”状態から“１”状態へ変化する。出力光Ａ３はＳＭＺスイッチ１０１の非線形導波路１にフィードバック入力され、これにより出力光Ｑの“１”状態が保持される。リセット光パルスＲが非線形導波路２に入力され非線形屈折率変化が励起されると、出力光Ｑは“１”状態から“０”状態へ戻る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光論理回路の実現に必要な光フリップフロップに関する。

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で行うことが期待されている。

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。

図６に、フリップフロップの回路図および特性表を示す。図６のフリップフロップは、セット入力と称される第一の入力（Ｓ）が“０”、かつリセット入力と称される第二の入力（Ｒ）が“０”の状態から、第一の入力（Ｓ）が“１”になると、出力（Ｑ）が“１”になり、その後、入力Ｓが“０”になっても出力Ｑは“１”を保持し続ける。次に、第二の入力Ｒが“１”になると、出力Ｑが“０”になり、その後入力Ｒが“０”になっても出力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。

電気信号で動作する論理回路においては、“１”と“０”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。

これに対して、光信号で動作するフリップフロップは、従来、実用的な方式は実現されていない。セット入力やリセット入力の際の状態変化の高速性と、状態保持時間の自由な設定とを両立することが困難であったためである。

例えば、図７に示す光スイッチ１０１を用いた従来の光フリップフロップは、セット入力からリセット入力までの状態保持時間を限定した場合にのみ光フリップフロップとして動作する。光スイッチ１０１は、非線形導波路１および２がマッハ・ツェンダー光回路の両アームに配置され、第一の入力光（Ｓ）を入力するポート５、第二の入力光（Ｒ）を入力するポート６、第三の入力光（Ｂ）を入力するポート７、出力光（Ｑ）を出力するポート８が備えられており、対称マッハ・ツェンダー型（ＳＭＺ）光スイッチと称される構成となっている（例えば、非特許文献１参照。）。

光スイッチ１０１では、第一の入力光Ｓが非線形導波路１における非線形光学効果を励起し、第二の入力光Ｒが非線形導波路２における非線形光学効果を励起する。第三の入力光ＢとしてはＣＷ光またはクロック光パルスが用いられる。この入力光Ｂは、ポート７から入力され、分岐部３を経由して一旦分岐され、非線形導波路１あるいは２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波部４を経由して合波され干渉し、干渉の際の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｑとしてポート８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。

この光スイッチ１０１によるフリップフロップ動作を、図８に示した波形図を用いて説明する。光信号に対して動作する論理回路では、“１”と“０”を光強度により決定するのが一般的である。第一の入力光Ｓ（セット・パルス）は、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔１００ｐｓのパルス列、第二の入力光Ｒ（リセット・パルス）は、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔１００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は５０ｐｓに設定されている。また、入力光ＢはＣＷ光とする。

まず、初期状態においては、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が合波部４で干渉する際の位相差はπとなっている。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１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１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が合波部４で干渉する際の位相差は０となり、出力光Ｑは“１”状態へ変化する。

非線形導波路１で生じた非線形光学効果の緩和時間は１００ｐｓ程度であり、非線形位相シフトは時間の経過とともに０に戻る。すなわち、緩和時間程度の間だけ出力光Ｑを“１”状態に保持することが可能である。

ここでは、セット・パルスが入力されてから５０ｐｓ後、リセット・パルスがポート６から入力される。すると、非線形導波路２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２を通過する際にも非線形位相シフトを受ける。この結果、入力光Ｂは非線形導波路１と２の両方において非線形位相シフトを受けるため、入力光Ｂが合波部４で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。

また、図９に示す他の光フリップフロップは、状態保持時間を長く設定し得るように光スイッチ１０１と方向性結合器１４とから構成されている。光スイッチ１０１は、非線形導波路１および２がマッハ・ツェンダー光回路の両アームに配置され、第一の入力光（Ｓ）を入力するポート５、第二の入力光（Ｒ）を入力するポート６、第三の入力光（Ｂ）を入力するポート７、出力光（Ｑ）を出力するポート８が備えられており、対称マッハ・ツェンダー型（ＳＭＺ）光スイッチと称される構成となっている。また、出力光は方向性結合器１４を経由することにより一部がポート５へ入力され、非線形導波路１にフィードバックされる（例えば、非特許文献２参照。）。

図９の光フリップフロップにおいて、第一の入力光Ｓ（セット・パルス）は、例えば、パルス幅２５ｐｓ、パルス繰返し間隔２０ｎｓのパルス列であり、非線形導波路１における非線形光学効果を励起する。第二の入力光Ｒ（リセット・パルス）は、例えば、パルス幅２５ｐｓ、パルス繰返し間隔２０ｎｓのパルス列であり、非線形導波路２における非線形光学効果を励起する。第三の入力光ＢとしてはＣＷ光が用いられる。

まず、初期状態においては、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が分岐部３で一旦分岐され合波部４で干渉する際の位相差はπとなっている。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１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１を通過する際に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が合波部４で干渉する際の位相差は０となり、出力光Ｑは“１”状態へ変化する。ここで、出力光の一部は非線形導波路１へフィードバック入力されるため、非線形光学効果を励起し続ける。したがって、出力光Ｑを“１”状態に保持し続ける。

セット・パルスが入力されてから１０ｎｓ後、リセット・パルスがポート６から入力される。非線形導波路２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２を通過する際にも非線形位相シフトを受ける。その結果、入力光Ｂは非線形導波路１と２の両方において非線形位相シフトを受けるため、入力光Ｂが合波部４で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。

Ｔａｊｉｍａ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Ｃｌａｖｅｒｏ他著「アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ」誌（ＩＥＥＥ Photonics Technology Letters）、第１７巻、第８４３頁〜第８４５頁、２００５年

図７に示す光スイッチ１０１を用いたフリップフロップ動作では、セット・パルス入力時の出力光の“０”状態から“１”状態への変化やリセット・パルス入力時の出力光の“１”状態から“０”状態への変化において極めて高速の動作が可能であるが、“１”状態の保持時間は非線形導波路で生じる非線形光学効果の緩和時間である１００ｐｓ程度より短い時間に限定されてしまう。

また、図９に示す光スイッチ２０１を用いたフリップフロップ動作では、出力光の一部をフィードバック入力することにより、状態保持時間を長くとることが可能となるが、非線形位相シフトを受けた光がそのまま同一の非線形導波路において非線形位相シフトを励起する光として用いられている。一般に、非線形位相シフトを受ける光の強度は低く設定され、非線形位相シフトを励起する光の強度は高く設定されるため、これらを同一の非線形導波路中で同一の光を用いて行おうとすると、強度や波長を最適に設定することは困難となる。

本発明の目的は、セット・パルス入力時やリセット・パルス入力時における高速の状態変化と、状態保持時間の長さの自由な設定を可能とし、さらに、状態保持用の動作条件の最適化を可能にする光フリップフロップを提供することにある。

本発明による光フリップフロップは、両アームにそれぞれ第一及び第二の非線形導波路を配置したマッハ・ツェンダー型光回路と、前記第一の非線形導波路に第一の入力光を入力する手段と、前記第二の非線形導波路に第二の入力光を入力する手段と、前記マッハ・ツェンダー型光回路で一旦分岐され前記第一及び第二の非線形導波路を通過し再び合波干渉する第三の光を入力及び出力する手段と、前記出力光の強度に応じて第四の光を強度変調する手段と、強度変調が印加された前記第四の光を前記第一の非線形導波路にフィードバック入力する手段を有し、前記第一の入力光が前記第一の非線形導波路に入力されてから前記第四の光が前記第一の非線形導波路にフィードバック入力されるまでの時間が前記第一の非線形導波路における非線形光学効果の緩和時間より短く、前記第一の入力光が前記第一の非線形導波路に入力されてから前記第二の入力光が前記第二の非線形導波路に入力されるまで前記第三の光の出力強度が保持されることを特徴とする。

本発明による光フリップフロップでは、状態の変化に要する時間はほぼセット光パルスおよびリセット光パルスのパルス幅によって定まり、また、状態を保持する時間は出力の一部をフィードバック入力することにより任意の長さに設定することが可能となる。出力光は第一の非線形導波路で非線形位相シフトを受けた光から生成されるが、この出力光の一部は強度変調器を構成する別の非線形導波路を励起し、この別の非線形導波路を通過して強度変調を印加された光が、フィードバックされて第一の非線形導波路を励起する。すなわち、同一の光が同一の非線形導波路において、非線形位相シフトを励起する役割と非線形位相シフトを受ける役割の両方を担うことはない。これにより、動作条件の最適化が容易になる。

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。

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。図示の光フリップフロップは、対称マッハ・ツェンダー型光スイッチ（ＳＭＺ）１０１とＡＮＤ型光スイッチ１０２とを備える。

対称マッハ・ツェンダー型光スイッチ（ＳＭＺ）１０１では、非線形導波路１および２がマッハ・ツェンダー光回路の両アームに配置されており、第一の入力光（Ｓ）を入力するポート５、第二の入力光（Ｒ）を入力するポート６、第三の入力光（Ｂ）を入力するポート７、出力光（Ｑ）を出力するポート８が備えられている。

ＡＮＤ型光スイッチ１０２では、ポート８からの出力の一部を分岐部９経由で第一の入力光（Ａ１）として入力するポート１０、第二の入力光（Ａ２）を入力するポート１１、出力光（Ａ３）を出力するポート１２が備えられている。さらに、ＡＮＤスイッチ１０２からの出力光Ａ３を合波部１３経由でＳＭＺスイッチ１０１の非線形導波路１にフィードバックさせる構造を有している。

ＳＭＺスイッチ１０１では、第一の入力光Ｓが非線形導波路１における非線形光学効果を励起し、第二の入力光Ｒが非線形導波路２における非線形光学効果を励起する。

第三の入力光ＢとしてはＣＷ光またはクロック光パルスが用いられる。この入力光Ｂは、ポート７から入力され、分岐部３を経由して一旦分岐され、非線形導波路１あるいは２を通過して非線形位相シフトを与えられた後、合波部４を経由して合波され干渉し、干渉の際の位相差に応じた強度を持つ出力光Ｑとしてポート８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。

ＡＮＤスイッチ１０２では、入力光Ａ１がスイッチの状態を変化させる励起光として用いられる。また、入力光Ａ２としてはＣＷ光またはクロック光パルスが用いられる。入力光Ａ１が低強度状態の時には入力光Ａ２を透過させない状態となっており、入力光Ａ１が高強度状態となった時に入力光Ａ２を透過させる状態が励起される。すなわち、ポート１０からの入力光の状態が“１”、かつ、ポート１１からの入力光の状態が“１”となった場合に、ポート１２からの出力光の状態は“１”となるＡＮＤ動作を示す。

次に、第一実施形態の光フリップフロップの動作を、図２に示した波形図を用いて説明する。第一の入力光Ｓ（セット・パルス）は、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、第二の入力光Ｒ（リセット・パルス）は、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。また、ＳＭＺスイッチ１０１への入力光ＢはＣＷ光、ＡＮＤスイッチ１０２への入力光Ａ２もＣＷ光が用いられている。

まず、初期状態においては、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が合波部４で干渉する際の位相差はπとなっている。このとき、ＡＮＤスイッチ１０２において、入力光Ａ１が“０”状態であるので、出力光Ａ３も“０”状態である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１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１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が合波部４で干渉する際の位相差は０となり、出力光Ｑは“１”状態へ変化する。このとき、ＡＮＤスイッチ１０２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。したがって、非線形導波路１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。フィードバック開始までに要する時間、すなわち、ポート５にセット・パルスが入力されてからＡＮＤスイッチ出力光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。

次に、セット・パルスが入力されてから２００ｐｓ後、リセット・パルスがポート６から入力されると、非線形導波路２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２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が合波部４で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、ＡＮＤスイッチ１０２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。

第一実施形態の光フリップフロップは、入力光Ｂまたは入力光Ａ２にクロック光パルスを用いて動作させることもできる。入力光Ａ２にクロック光パルスを用いた場合の動作を、図３に示した波形図を用いて説明する。セット・パルスＳは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、リセット・パルスＲは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。ＳＭＺスイッチ１０１への入力光ＢはＣＷ光である。ＡＮＤスイッチ１０２への入力光Ａ２は、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔２５ｐｓのクロック・パルスである。

まず、初期状態においては、出力光Ｑは低強度状態、すなわち、“０”状態となっている。このとき、ＡＮＤスイッチ１０２において、入力光Ａ１が“０”状態であるので、出力光Ａ３も“０”状態である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１において非線形光学効果が励起され、これにより、出力光Ｑは“１”状態へ変化する。このとき、ＡＮＤスイッチ１０２において、入力光Ａ１が“１”状態へ変化し、これによりクロック・パルスが透過するようになる。透過したクロック・パルスＡ３は、非線形導波路１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。

次に、セット・パルスが入力されてから２００ｐｓ後、リセット・パルスがポート６から入力されると、非線形導波路２において非線形光学効果が励起される。これにより、非線形導波路１と２の両方とも非線形光学効果が励起されるため、出力光Ｑは“０”状態へ戻る。このとき、ＡＮＤスイッチ１０２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。

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４に示す。ここでは、第一のＳＭＺスイッチに加え、ＡＮＤスイッチの機能を第二のＳＭＺスイッチ１０３を用いて実現することによって、光フリップフロップを構成している。

まず、第二のＳＭＺスイッチ１０３におけるＡＮＤ動作について説明する。ＳＭＺスイッチ１０３では、非線形導波路２１および２２がマッハ・ツェンダー光回路の両アームに配置されている。第一のＳＭＺスイッチ１０１からの出力光の一部Ａ１がポート１０を通過し分岐部２７で分岐された後、時間差及び強度差をつけられ、一方はポート２５へ入力され非線形導波路２１に導かれ、他方はポート２６へ入力され非線形導波路２２に導かれる。ポート１０からの入力光Ａ１が低強度状態の場合には、ポート１１からの入力光Ａ２はマッハ・ツェンダー光回路を通過して合波部２４で干渉する際に弱めあい、ポート１２からは出力されない。ポート１０からの入力光Ａ１が高強度状態の場合には、ポート１１からの入力光Ａ２はマッハ・ツェンダー光回路を通過して合波部２４で干渉する際に強めあい、出力光Ａ３としてポート１２より出力される。すなわち、ポート１０からの入力光の状態が“１”、かつ、ポート１１からの入力光の状態が“１”となった場合に、ポート１２からの出力光の状態は“１”となるＡＮＤ動作を示す。入力光Ａ２の強度変化に対する出力光Ａ３の強度変化は、非線形導波路２１および２２の励起に時間差および強度差が設定されていることによって、非線形光学効果の緩和時間の影響を受けにくくなり高速動作が可能になる。

ＡＮＤ動作を行う第二のＳＭＺスイッチ１０３と、第一のＳＭＺスイッチ１０１とを基に光フリップフロップ動作が実現される。セット・パルスＳは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、リセット・パルスＲは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。また、ＳＭＺスイッチ１０１への入力光ＢはＣＷ光、ＳＭＺスイッチ１０３への入力光Ａ２もＣＷ光が用いられている。

まず、初期状態においては、出力光Ｑは低強度状態、すなわち、“０”状態となっている。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１が“０”状態であるので、出力光Ａ３も“０”状態である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１において非線形光学効果が励起され、出力光Ｑは“１”状態へ変化する。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３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。したがって、非線形導波路１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。フィードバック開始までに要する時間は１０ｐｓとなっている。

次に、セット・パルスが入力されてから２００ｐｓ後、リセット・パルスがポート６から入力されると、非線形導波路２において非線形光学効果が励起される。これにより、出力光Ｑは“０”状態へ戻り、ＳＭＺスイッチ１０３においても入力光Ａ１が“０”状態となることで出力光Ａ３も“０”状態に戻る。

なお、図４に示したように第一のＳＭＺスイッチ１０１と第二のＳＭＺスイッチ１０３を基に光フリップフロップ動作を実現する場合、第二のＳＭＺスイッチにおいて入力光Ａ１に対して論理反転した出力光Ａ３を得るように設定することによって、論理反転した光フリップフロップ出力を得ることができる。

その場合、第二のＳＭＺスイッチ１０３では、非線形導波路２１および２２がマッハ・ツェンダー光回路の両アームに配置されている。第一のＳＭＺスイッチ１０１からの出力光の一部Ａ１がポート１０を通過し分岐部２７で分岐された後、時間差及び強度差をつけられ、一方はポート２５へ入力され非線形導波路２１に導かれ、他方はポート２６へ入力され非線形導波路２２に導かれる。ポート１０からの入力光Ａ１が低強度状態の場合には、ポート１１からの入力光Ａ２はマッハ・ツェンダー光回路を通過して合波部２４で干渉する際に強めあい、出力光Ａ３としてポート１２より出力される。逆にポート１０からの入力光Ａ１が高強度状態の場合には、ポート１１からの入力光Ａ２はマッハ・ツェンダー光回路を通過して合波部２４で干渉する際に弱めあい、ポート１２から出力されない。

論理反転した光フリップフロップ出力を得る場合の動作について、図５に示した波形図を用いて説明する。セット・パルスＳは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、リセット・パルスＲは、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。また、ＳＭＺスイッチ１０１への入力光ＢはＣＷ光、ＳＭＺスイッチ１０３への入力光Ａ２もＣＷ光が用いられている。

まず、初期状態においては、出力光Ｑは高強度状態、すなわち、“１”状態となっている。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１は“１”状態、出力光Ａ３は“０”状態である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１において非線形光学効果が励起され、出力光Ｑは“０”状態へ変化する。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１が“０”状態へ変化し、出力光Ａ３は“１”状態へ変化する。したがって、非線形導波路１に対する励起光としてフィードバックされ、出力光Ｑを“０”状態に保ち続ける。フィードバック開始までに要する時間は１０ｐｓとなっている。

次に、セット・パルスが入力されてから２００ｐｓ後、リセット・パルスがポート６から入力されると、非線形導波路２において非線形光学効果が励起される。これにより、出力光Ｑは“１”状態へ戻り、ＳＭＺスイッチ１０３においても入力光Ａ１が“１”状態となることで出力光Ａ３も“０”状態に戻る。

第一実施形態や第二実施形態におけるＳＭＺスイッチにおいて、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。第二実施形態において、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。セット・パルスＳは、波長１５４５ｎｍ、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、リセット・パルスＲは、波長１５４５ｎｍ、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。ＳＭＺスイッチ１０１への入力光Ｂは波長１５５５ｎｍのＣＷ光である。ＳＭＺスイッチ１０３への入力光Ａ２は、波長１５４５ｎｍのＣＷ光である。

まず、初期状態においては、出力光Ｑは“０”状態となっている。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１が“０”状態であるので、出力光Ａ３も“０”状態である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１において非線形光学効果が励起され、これにより、波長１５５５ｎｍの出力光Ｑは“１”状態へ変化する。ＳＯＡでは、光入力によりキャリア密度が減少することによって非線形屈折率変化が生じる。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１が“１”状態へ変化するため、波長１５４５ｎｍの出力光Ａ３も“１”状態へ変化する。この出力光Ａ３は、非線形導波路１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。

また、第一実施形態や第二実施形態におけるＳＭＺスイッチにおいて、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。第二実施形態において、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。セット・パルスＳは、波長１２８０ｎｍ、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列、リセット・パルスＲは、波長１２８０ｎｍ、パルス幅５ｐｓ、パルス繰返し間隔４００ｐｓのパルス列であり、セット・パルスとリセット・パルスの間隔は２００ｐｓに設定されている。ＳＭＺスイッチ１０１への入力光Ｂは波長１３００ｎｍのＣＷ光である。ＳＭＺスイッチ１０３への入力光Ａ２は、波長１２８０ｎｍのＣＷ光である。

初期状態において、セット・パルスがポート５から入力されると、非線形導波路１において非線形光学効果が励起され、これにより、波長１３００ｎｍの出力光Ｑは“１”状態へ変化する。ＳＭＺスイッチ１０１を構成するＱＤ導波路１および２では、吸収ピーク波長は１２８０ｎｍであり、波長１２８０ｎｍの光が吸収されることによりキャリア密度が増加し、波長１３００ｎｍの光に対する非線形位相シフトが生じる。このとき、ＳＭＺスイッチ１０３において、入力光Ａ１が“１”状態へ変化するため、出力光Ａ３も“１”状態へ変化する。ＳＭＺスイッチ１０３を構成するＱＤ導波路２１および２２では、吸収ピーク波長は１３００ｎｍであり、波長１３００ｎｍの光が吸収されることによりキャリア密度が増加し、波長１２８０ｎｍの光に対する非線形位相シフトが生じる。この出力光Ａ３は、非線形導波路１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。

第一実施形態や第二実施形態において、光フリップフロップ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て光路長を短縮し、フィードバックに要する時間を短縮することができる。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。

ＧａＡｓ基板に犠牲層としてのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ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。

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。

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〜５ｍｍ^２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。

次に、このような２ＤＰＣの基本構造を用いて図４に示した２個のＳＭＺスイッチ１０１および１０３からなる光フリッププロップの構造を説明する。この場合、非線形導波路１，２，２１および２２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セット・リセットパルス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によるＳＭＺスイッチでは、図４を参照して説明したＳＭＺスイッチと同様の光フリップフロップ動作の原理が当てはまる。すなわち、第二のＳＭＺスイッチ１０３では、２ＤＰＣおよびＱＤからなる非線形導波路２１および２２がＳＭＺ光回路の両アームに配置されており、前述同様のＡＮＤ動作を行う。つまり、第一のＳＭＺスイッチ１０１からの出力光の一部Ａ１はポート１０を通過し分岐部２７で分岐された後、時間差及び強度差をつけられ、一方はポート２５へ入力され非線形導波路２１に導かれ、他方はポート２６へ入力され非線形導波路２２に導かれる。この後、両光は合波部２４で干渉して、出力ポート１２から出力光Ａ３として取り出され、セット・パルスＳと合波されて第一のＳＭＺスイッチ１０１の入力ポート５にフィードバックされる。

ここで、２ＤＰＣで構成された両ＳＭＺスイッチは、前述のように数１００μｍ以下の超小型化が可能である。一例として全長が５０μｍの素子を考える。このとき、出力光の一部Ａ１が入力ポート５にフィードバックされるまでに要する時間は、フィードバックループの全光路長を１００μｍとすると、高々１ｐｓである。このことは、セット・パルスとリセット・パルスの間隔が数ｐｓまで短縮可能であり、光フリップフロップの繰返し速度が、数１００Ｇｂ／ｓまで高速動作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するため、本発明のようにこれを２段用いた素子構成では極めて小さなフィードバック遅延時間が求められる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。

以上、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。

本発明の光フリップフロップの第一実施形態の構成図である。本発明の光フリップフロップの第一実施形態の動作を示す波形図である。本発明の光フリップフロップの第一実施形態の動作を示す波形図である。本発明の光フリップフロップの第二実施形態の構成図である。本発明の光フリップフロップの第二実施形態の動作を示す波形図である。フリップフロップの動作を説明する回路図および特性表である。従来技術による光フリップフロップの構成図である。従来技術による光フリップフロップの動作を示す波形図である。従来技術による他の光フリップフロップの構成図である。

符号の説明

１非線形導波路
２非線形導波路
３光分岐部
４光合波部
５セット光入力ポート
６リセット光入力ポート
７光入力ポート
８光出力ポート
９光分岐部
１０光入力ポート
１１光入力ポート
１２光出力ポート
１３光合波部
１４方向性結合器
２１非線形導波路
２２非線形導波路
２３光分岐部
２４光合波部
２５光入力ポート
２６光入力ポート
２７光分岐部
１０１ＳＭＺスイッチ
１０２ＡＮＤスイッチ
１０３ＳＭＺスイッチ

Claims

両アームにそれぞれ第一及び第二の非線形導波路を配置したマッハ・ツェンダー型光回路と、前記第一の非線形導波路に第一の入力光を入力する手段と、前記第二の非線形導波路に第二の入力光を入力する手段と、前記マッハ・ツェンダー型光回路で一旦分岐され前記第一及び第二の非線形導波路を通過し再び合波干渉する第三の光を入力及び出力する手段と、前記出力光の強度に応じて第四の光を強度変調する手段と、強度変調が印加された前記第四の光を前記第一の非線形導波路にフィードバック入力する手段を有し、前記第一の入力光が前記第一の非線形導波路に入力されてから前記第四の光が前記第一の非線形導波路にフィードバック入力されるまでの時間が前記第一の非線形導波路における非線形光学効果の緩和時間より短く、前記第一の入力光が前記第一の非線形導波路に入力されてから前記第二の入力光が前記第二の非線形導波路に入力されるまで前記第三の光の出力強度が保持されることを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、前記マッハ・ツェンダー型光回路を通じて入力される第三の光の強度に応じて第四の光を強度変調する手段が、第三の光の強度が低い場合には第四の光を低強度で出力し、第三の光の強度が高い場合には第四の光を高強度で出力することを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、前記マッハ・ツェンダー型光回路を通じて入力される第三の光の強度に応じて第四の光を強度変調する手段が、第三の光の強度が低い場合には第四の光を高強度で出力し、第三の光の強度が高い場合には第四の光を低強度で出力することを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、前記第三の光および第四の光が連続光またはクロック光パルス列であり、前記クロック光パルス列の繰返し間隔が前記第一の非線形導波路の非線形光学効果の緩和時間より短いことを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、前記第三の光と第四の光で異なる波長を用いることを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１に記載の光フリップフロップにおいて、前記マッハ・ツェンダー型光回路を通じて入力される第三の光の強度に応じて第四の光を強度変調する手段が、両アームに各々非線形導波路を配置した第二のマッハ・ツェンダー型光回路と、前記各々の非線形導波路に第三の光を入力する手段と、前記第二の非線形導波路に第二の入力光を入力する手段と、前記第二のマッハ・ツェンダー型光回路で一旦分岐され前記第一及び第二の非線形導波路を通過し再び合波干渉する前記第四の光を入力及び出力する手段で構成されることを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１または請求項６に記載の光フリップフロップにおいて、非線形導波路として半導体光アンプを用いたことを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１または請求項６に記載の光フリップフロップにおいて、非線形導波路として活性層に量子ドットを用いた導波路を用いたことを特徴とする光フリップフロップ。
請求項１または請求項６に記載の光フリップフロップにおいて、光回路を構成する光導波路にフォトニック結晶導波路を用いたことを特徴とする光フリップフロップ。