JP2015161838A - Optical resonator, and coupled optical resonator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make an optical resonator small-sized.SOLUTION: An optical resonator 1 includes a first input/output port 2, a second input/output port 3 and a resonator wall 4. The resonator wall 4 is formed in such a manner that a direction vertical to a lamination direction becomes a normal direction, and includes a plurality of reflection parts 41 for fully reflecting light inputted from the first input/output port 2 multiple times and outputting the fully reflected light from the second input/output port 3. A first optical resonator is characterized in that there is a portion where tracks cross each other, on a track of light inputted from the first input/output port 2 until outputted from the second input/output port 3. In a second optical resonator, Q is an integer equal to or greater than 5, P is an integer greater than 1 and smaller than Q/2, Q and P are primary to each other and Q pieces of points circumferentially disposed at equal intervals in a core layer are defined as apexes. The second optical resonator is characterized in that a track of light inputted from the first input/output port 2 until outputted from the second input/output port 3 becomes a track connecting the apexes which are separated for the unit of P apexes.

Description

本発明は、光カオス発生回路の光遅延器などとして利用され得る光共振器、結合光共振器に関する。   The present invention relates to an optical resonator and a coupled optical resonator that can be used as an optical delay device of an optical chaos generating circuit.

限られた空間の中で、低損失かつ長い光の行路長を実現する光共振器の技術は、例えば、高速物理乱数生成や秘匿通信などに用いられている高速乱雑信号を出力する戻り光カオス発生装置などの小型化に必要とされている。非特許文献1では、戻り光カオス発生装置において長い行路長を実現するための外部共振器を、モノリシックに集積化した半導体素子で実現することにより小型化している。   Optical resonator technology that realizes low loss and long optical path length in a limited space is, for example, return optical chaos that outputs high-speed random signals used for high-speed physical random number generation and secret communication. It is required for miniaturization of generators. In Non-Patent Document 1, an external resonator for realizing a long path length in a return light chaos generator is miniaturized by realizing it with a monolithically integrated semiconductor element.

Takahisa Harayama, Satoshi Sunada, Kazuyuki Yoshimura, Peter Davis, Ken Tsuzuki, Atsushi Uchida, “Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers”, Physical Review A, Vol.83, p.031803(R), 2011.Takahisa Harayama, Satoshi Sunada, Kazuyuki Yoshimura, Peter Davis, Ken Tsuzuki, Atsushi Uchida, “Fast nondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers”, Physical Review A, Vol.83, p.031803 (R), 2011.

非特許文献1の戻り光カオス発生装置は、比較的小型の戻り光カオス発生装置であるが、その長さはおよそ1cmであり、その9割程度を、光遅延を作るための外部共振器が占めている。つまり、戻り光カオス発生装置の小型化には、より省スペースな外部共振器を用いることが効果的である。   The return light chaos generator of Non-Patent Document 1 is a relatively small return light chaos generator, but its length is about 1 cm, and about 90% of the return light chaos generator is an external resonator for creating an optical delay. is occupying. That is, it is effective to use a space-saving external resonator for downsizing the return light chaos generator.

この発明は、光遅延を作るための光共振器を小型化することを目的とする。   An object of the present invention is to reduce the size of an optical resonator for producing an optical delay.

本発明の光共振器は、光が伝搬するコア層と、コア層に光を閉じ込めるためにコア層を挟む2つのクラッド層とが積層されている。そして、第1入出力ポート、第2入出力ポート、共振器壁を備える。第1入出力ポートと第2入出力ポートとは、積層方向と垂直な方向の光をコア層に入出力する2つの入出力ポートである。共振器壁は、積層方向と垂直な方向が法線方向となるように形成されており、第1入出力ポートから入力された光を、複数回全反射させて第2入出力ポートから出力するための複数の反射部を有する。そして、本発明の第1の光共振器では、第1入出力ポートから入力された光が第2入出力ポートから出力するまでの軌道には、軌道同士が交差する部分がある。本発明の第2の光共振器では、Qを5以上の整数、Pを1より大きくQ/2より小さい整数、QとPは互いに素、コア層に円周状に等間隔に配置したQ個の点を頂点とし、第1入出力ポートから入力された光が第2入出力ポートから出力するまでの軌道が、P個ずつ離れた頂点を結ぶ軌道となる。   In the optical resonator of the present invention, a core layer through which light propagates and two cladding layers sandwiching the core layer to confine light in the core layer are laminated. A first input / output port, a second input / output port, and a resonator wall are provided. The first input / output port and the second input / output port are two input / output ports for inputting / outputting light in a direction perpendicular to the stacking direction to / from the core layer. The resonator wall is formed such that the direction perpendicular to the stacking direction is the normal direction, and the light input from the first input / output port is totally reflected a plurality of times and output from the second input / output port. A plurality of reflecting portions. In the first optical resonator of the present invention, there are portions where the trajectories intersect in the trajectory until the light input from the first input / output port is output from the second input / output port. In the second optical resonator of the present invention, Q is an integer greater than or equal to 5, P is an integer greater than 1 and less than Q / 2, Q and P are relatively prime, and Q is arranged in the core layer at equal intervals circumferentially. A trajectory connecting light points input from the first input / output port to the light output from the second input / output port is a trajectory connecting apexes separated by P pieces.

本発明の結合光共振器は、本発明の光共振器をM個備え、m番目の光共振器の第2入出力ポートと、(m+1)番目の光共振器の第1入出力ポートが結合され、1番目の光共振器の第1入出力ポートに入力された光は、M番目の光共振器の第2入出力ポートから出力される。ただし、Mは2以上の整数、mは1以上M−1以下の整数とする。   The coupled optical resonator of the present invention includes M optical resonators of the present invention, and the second input / output port of the mth optical resonator and the first input / output port of the (m + 1) th optical resonator are coupled. The light input to the first input / output port of the first optical resonator is output from the second input / output port of the Mth optical resonator. However, M is an integer of 2 or more, and m is an integer of 1 to M-1.

本発明の第1の光共振器によれば、光の軌道が交差するように共振器壁で光を全反射させるので、狭い範囲でも光損失を抑えて行路長を長くできる。したがって、光共振器を小型にできる。本発明の第2の光共振器によれば、光を反射させる位置とその順番の設計指針を示しているので、小型の光共振器を実現しやすい。また、本発明の結合光共振器は、本発明の光共振器を複数個結合したものなので、狭い範囲でも光損失を抑えつつ行路長をより長くできる。   According to the first optical resonator of the present invention, since the light is totally reflected by the resonator wall so that the trajectories of light intersect, the path length can be increased while suppressing optical loss even in a narrow range. Therefore, the optical resonator can be reduced in size. According to the second optical resonator of the present invention, since the light reflecting position and the design guideline for the order are shown, it is easy to realize a small optical resonator. Further, since the coupled optical resonator of the present invention is a combination of a plurality of the optical resonators of the present invention, the path length can be increased while suppressing optical loss even in a narrow range.

本発明の光共振器の外観を示す斜視図。The perspective view which shows the external appearance of the optical resonator of this invention. 光共振器のコア層をz軸と垂直な面で切った断面図。Sectional drawing which cut | disconnected the core layer of the optical resonator by the surface perpendicular | vertical to az axis. 図2の場合の光の軌道を示す図。The figure which shows the orbit of the light in the case of FIG. 9個の光共振器を結合した結合光共振器の例を示す図。The figure which shows the example of the coupling optical resonator which couple | bonded nine optical resonators. 25個の光共振器を結合した結合光共振器の例を示す図。The figure which shows the example of the coupling optical resonator which couple | bonded 25 optical resonators.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, the same number is attached | subjected to the structure part which has the same function, and duplication description is abbreviate | omitted.

図1は本発明の光共振器の外観を示す斜視図である。光共振器1は、光が伝搬するコア層8と、コア層8に光を閉じ込めるためにコア層8を挟む2つのクラッド層9とが積層されている。図1では積層方向をz軸の方向としている。図2は光共振器のコア層をz軸と垂直な面で切った断面図であり、図2(A)は積層方向からみた形状を示すための図、図2(B)は光の軌道を説明するための図である。図3は、図2の場合の光の軌道を示す図であり、図3(A)は入出力ポート2から入力された光が入出力ポート3から出力される例、図3(B)は入出力ポート3にミラーが配置された例を示している。   FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the optical resonator of the present invention. In the optical resonator 1, a core layer 8 in which light propagates and two clad layers 9 sandwiching the core layer 8 in order to confine light in the core layer 8 are laminated. In FIG. 1, the stacking direction is the z-axis direction. FIG. 2 is a cross-sectional view of the core layer of the optical resonator taken along a plane perpendicular to the z-axis. FIG. 2A is a diagram showing a shape viewed from the stacking direction, and FIG. It is a figure for demonstrating. FIG. 3 is a diagram showing the trajectory of light in the case of FIG. 2, FIG. 3A is an example in which light input from the input / output port 2 is output from the input / output port 3, and FIG. An example in which a mirror is arranged at the input / output port 3 is shown.

光共振器1は、入出力ポート2、入出力ポート3、共振器壁4を備える。入出力ポート2,3は、積層方向(z方向)と垂直な方向の光(xy平面に平行な光)をコア層8に入出力する2つの入出力ポートである。共振器壁4は、屈折率の異なる物質同士の境界であり、積層方向と垂直な方向(xy平面に平行な方向)が法線方向となるように形成されており、入出力ポート2から入力された光を、複数回全反射させて入出力ポート3から出力するための複数の反射部41を有する。以下では、共振器壁4の内側(光が通過する側)の屈折率をn、外側の屈折率をnとする。光共振器1は、例えばGaAs系またはSi系等の半導体でコア層8とクラッド層9の積層構造を形成すればよい。 The optical resonator 1 includes an input / output port 2, an input / output port 3, and a resonator wall 4. The input / output ports 2 and 3 are two input / output ports that input / output light in the direction perpendicular to the stacking direction (z direction) (light parallel to the xy plane) to the core layer 8. The resonator wall 4 is a boundary between materials having different refractive indexes, and is formed so that a direction perpendicular to the stacking direction (a direction parallel to the xy plane) is a normal direction. A plurality of reflecting portions 41 for totally reflecting the emitted light a plurality of times and outputting from the input / output port 3 are provided. In the following, the refractive index inside the resonator wall 4 (the side through which light passes) is n 1 , and the refractive index outside is n 2 . The optical resonator 1 may be formed of a laminated structure of the core layer 8 and the clad layer 9 with a semiconductor such as GaAs or Si.

Qは5以上の整数、Pは1より大きくQ/2より小さい整数、QとPは互いに素、コア層8に配置したQ個の点を頂点C,…,Cとする。共振器壁4は、積層方向(z方向)から見て、中心となる点Oからの距離が Q is an integer of 5 or more, P is an integer greater than 1 and less than Q / 2, Q and P are relatively prime, and Q points arranged in the core layer 8 are vertices C 1 ,..., C Q. The resonator wall 4 has a distance from the center point O when viewed from the stacking direction (z direction).

Figure 2015161838
Figure 2015161838

ただし、φは中心Oを始点としたx軸の正方向の半直線と、中心Oと共振器壁4の一
点とを結ぶ線分とのなす角、rはあらかじめ定めた長さ、εはあらかじめ定めたパ
ラメータ
のように示される形状で形成される。頂点C,…,Cは、曲率が最少となる点、つまり、
φ=(2m−1)π/Q (m=1、2、…、Q)
となる位置である。そして、(Q−2)個の頂点は共振器壁4上にあり、入出力ポート2から入力された光は、前記(Q−2)個の頂点以外の一方の頂点をとおり、入出力ポート3から出力される光は、前記(Q−2)個の頂点以外の他方の頂点をとおる。入出力ポート2から入力された光(ビーム)は進行するにつれ一般に拡がるが、共振器壁4における反射部41の曲率の調整によって、拡がったビームを集光し、入出力ポート3に達するまでに、拡がりによる損失が無いようにすることができる。具体的には、入出力ポート2と入出力ポート3を結ぶ軌道が安定になるようにすればよい。εは光の軌道を安定にするためのパラメータであって、この値を適切に選択することで軌道を安定にできる(参考文献1:原山卓久、中村勝弘著,「量子カオス−量子ビリアードを舞台にして」,培風館,2000年)。例えば、r=100μm、ε=0.005、d=20μmのようにすればよい。
Where φ is an angle formed by a half line in the positive direction of the x axis starting from the center O and a line segment connecting the center O and one point of the resonator wall 4, r 0 is a predetermined length, and ε Is formed in a shape shown like a predetermined parameter. The vertices C 1 ,..., C Q are points where the curvature is minimized, that is,
φ = (2m−1) π / Q (m = 1, 2,..., Q)
It is a position. The (Q-2) number of vertices are on the resonator wall 4, and the light input from the input / output port 2 passes through one vertex other than the (Q-2) number of vertices, and the input / output port. The light output from 3 passes through the other apex other than the (Q-2) apexes. The light (beam) input from the input / output port 2 generally spreads as it travels. However, by adjusting the curvature of the reflection portion 41 in the resonator wall 4, the expanded beam is condensed and reaches the input / output port 3. , There can be no loss due to spreading. Specifically, the track connecting the input / output port 2 and the input / output port 3 may be stabilized. ε is a parameter for stabilizing the orbit of light, and the orbit can be stabilized by appropriately selecting this value (Reference 1: Takuhisa Harayama and Katsuhiro Nakamura, “Quantum Chaos-Quantum Billiard Niwa, Bafukan, 2000). For example, r 0 = 100 μm, ε = 0.005, d = 20 μm.

図2の例は、Q=10,P=3の場合の形状である。そして、8個の頂点C,…,C,C,C10が共振器壁4上にあり、頂点Cは入出力ポート2から入力された光が通過する位置、頂点Cは入出力ポート3から出力される光が通過する位置にある。なお、光には広がりがあるので、反射部41は、頂点C,…,C,C,C10のいずれか1つを含むあらかじめ定めた範囲(入射ビームに対して十分な反射光パワーが得られる範囲)である。 The example of FIG. 2 is a shape when Q = 10 and P = 3. The eight vertices C 2 ,..., C 7 , C 9 , C 10 are on the resonator wall 4, the vertex C 1 is a position through which light input from the input / output port 2 passes, and the vertex C 8 is The light output from the input / output port 3 is in a position where it passes. Since the light has a spread, the reflector 41 has a predetermined range including any one of the vertices C 2 ,..., C 7 , C 9 , C 10 (the reflected light sufficient for the incident beam). Range in which power can be obtained).

光共振器1では、入出力ポート2から入力された光が入出力ポート3から出力するまでの軌道が、P個ずつ離れた頂点を結ぶ軌道となり、光が反射される頂点において、入射角が臨界角以上となるようにする。QとPは互いに素なので、頂点Cを通過した光は反射を繰り返し、以下のように頂点を辿る。 In the optical resonator 1, the trajectory until the light input from the input / output port 2 is output from the input / output port 3 is a trajectory connecting apexes separated by P pieces, and the incident angle is at the apex where the light is reflected. The critical angle should be exceeded. Since Q and P are relatively prime, the light passing through the vertex C 1 repeats reflection and follows the vertex as follows.

Figure 2015161838
Figure 2015161838

なお、図2の例では、Q=10,P=3なので、
→C→C→C10→C→C→C→C→C→C→C
のようになる。また、図2の例の場合は、頂点Cの位置に入出力ポート2があり、頂点Cの位置に入出力ポート3があるので、図3(A)に示すように、入出力ポート2から入力された光は、8回の反射を繰り返したのちに入出力ポート3から出力される。入出力ポートの選択は上記の例に限定する必要はなく、任意の2つの頂点を選択すればよい。ただし、共振器壁4での反射回数が多いほど、行路長を長くする効果は高まる。特に、Pが1より大きい整数なので、光の軌道が交差するように頂点を選択することができ、このときには狭い空間で行路長を長くする効果を得やすい。具体的には、反射する回数をRとしたときに、Q,P,Rの関係が
(R+1)P>Q
のときに、軌道は少なくとも1回は交差するので、行路長を長くする効果を得やすい。つまり、反射する回数Rが
R>Q/P−1
となるように入出力ポート2,3の頂点を選択すれば、行路長を長くする効果を得やすい。
In the example of FIG. 2, since Q = 10 and P = 3,
C 1 → C 4 → C 7 → C 10 → C 3 → C 6 → C 9 → C 2 → C 5 → C 8 → C 1
become that way. Further, in the example of FIG. 2, there are input and output ports 2 to the position of the apex C 1, since the input and output port 3 to the position of the vertex C 8, as shown in FIG. 3 (A), input and output ports The light input from 2 is output from the input / output port 3 after repeating reflection eight times. The input / output port selection need not be limited to the above example, and any two vertices may be selected. However, as the number of reflections on the resonator wall 4 increases, the effect of increasing the path length increases. In particular, since P is an integer greater than 1, the vertex can be selected so that the light trajectories intersect. At this time, it is easy to obtain the effect of increasing the path length in a narrow space. Specifically, when the number of reflections is R, the relationship between Q, P, and R is (R + 1) P> Q
In this case, since the tracks intersect at least once, it is easy to obtain the effect of increasing the path length. That is, the number of reflections R is R> Q / P−1.
If the vertices of the input / output ports 2 and 3 are selected so that

<行路長の評価>
Pだけ離れた頂点同士の距離sは
<Evaluation of the road head>
The distance s between vertices separated by P is

Figure 2015161838
Figure 2015161838

である。(Q−2)回反射するときは、入出力ポート2の頂点から入出力ポート3の頂点までの行路長Lは、 It is. (Q-2) When the reflection is performed, the path length L from the vertex of the input / output port 2 to the vertex of the input / output port 3 is

Figure 2015161838
Figure 2015161838

となる。したがって、Qの値を大きくし、P/Qの値がその最大値1/2に近くなるようPの値を選ぶことで、rが同じでも長い行路長を確保しやすくなる。ただし、行路の存在を物理的に保証するためには、隣り合う頂点同士の距離Δs≒(2πr)/Qが、光共振器1内の光の波長λ=λ/n(λは真空中での波長、nは共振器1内部の屈折率)よりも十分に大きくなければならないので、Qには上限があり、 It becomes. Therefore, by increasing the value of Q, by selecting the values of P such that the value of P / Q is close to its maximum value 1/2, r 0 tends to ensure a longer path length is also the same. However, in order to physically guarantee the existence of the path, the distance between adjacent vertices Δs≈ (2πr 0 ) / Q is determined by the wavelength λ = λ 0 / n 10 of the light in the optical resonator 1. Is a wavelength in vacuum and n 1 is sufficiently larger than the refractive index inside resonator 1), so there is an upper limit for Q,

Figure 2015161838
Figure 2015161838

を満たさなければならない。例えば、r=100(μm)のGaAs系半導体共振器(屈折率n=3.3、発振波長λ=0.86μm)の場合、
(2πr)/λ≒2.4×10
である。
Must be met. For example, when r 0 = 100 (μm) GaAs semiconductor resonator (refractive index n 1 = 3.3, oscillation wavelength λ 0 = 0.86 μm),
(2πr 0 ) /λ≈2.4×10 3
It is.

一方、本発明にとってのQの理論上の最小値は5であり、その場合のPは2である。P=2のときは星形のように反射することになる。ただし、この場合、共振器壁4への入射角は鋭角になり、後述する全反射の条件も満たさなければならないので、光共振器1を屈折率の高い物質で形成する必要がある。これらのことを考慮すると、光共振器1内部の屈折率n=3.3の場合、Q=10とすることは妥当である。 On the other hand, the theoretical minimum value of Q for the present invention is 5, and P in that case is 2. When P = 2, it is reflected like a star. However, in this case, since the incident angle to the resonator wall 4 is an acute angle and the conditions for total reflection described later must be satisfied, it is necessary to form the optical resonator 1 with a material having a high refractive index. Considering these, it is appropriate to set Q = 10 when the refractive index n 1 = 3.3 inside the optical resonator 1.

なお、上記では光共振器を形成する物質としてGaAs系半導体を用いた場合について説明したが、光の吸収が小さく、外側屈折率nより大きな屈折率を有する物質であれば、光共振器を形成する物質は他のものでも構わない。例えば、Si、Ge、AlAs、SiC、InP、InAs、GaP、GaN、AlN、GaAs、ZnSe、もしくはZnOの半導体、またはこれらの半導体のうちいずれか複数の混晶半導体を含む材料を用いて、コア層8とクラッド層9の積層構造を形成してもよい。 In the above has been described using a GaAs-based semiconductor as a material for forming an optical resonator, small absorption of light, as long as it is a substance having a higher refractive index than the outer refractive index n 2, the optical resonator Other substances may be formed. For example, using a material containing a semiconductor of Si, Ge, AlAs, SiC, InP, InAs, GaP, GaN, AlN, GaAs, ZnSe, or ZnO, or a mixed crystal semiconductor of any of these semiconductors, A laminated structure of the layer 8 and the clad layer 9 may be formed.

<全反射の条件>
全反射させるためには、臨界角θは、
<Total reflection conditions>
For total reflection, the critical angle θ c is

Figure 2015161838
Figure 2015161838

となる(ただし、nが共振器壁4の内側の屈折率、nが外側の屈折率である)。一方、光が反射される頂点での光の入射角θは、 (Where n 1 is the refractive index inside the resonator wall 4 and n 2 is the refractive index outside). On the other hand, the incident angle θ of light at the vertex where the light is reflected is

Figure 2015161838
Figure 2015161838

なので、θ>θとなるようにQとPを選択すればよい。つまり、QとPは、 So, it may be selected Q and P such that θ> θ c. In other words, Q and P are

Figure 2015161838
Figure 2015161838

を満たすように選択すればよい。このようにQ,Pを選択すれば、低損失を維持しながら、狭い領域で長い行路長を確保できる。なお、図2の例の場合、光が反射される頂点C,…,C,C,C10においては、光の入射角θは36度である。光共振器1をGaAs系半導体で形成し、共振器壁4の外側が空気の場合には、n=3.3、n=1となるので、全反射となるための臨界角θは約17.6度である。したがって、入射角が臨界角よりも大きいので、共振器壁4での反射は全反射となり、透過による損失を抑えることができる。 It may be selected so as to satisfy. If Q and P are selected in this way, a long path length can be secured in a narrow area while maintaining a low loss. In the case of the example in FIG. 2, the light incident angle θ is 36 degrees at the vertices C 2 ,..., C 7 , C 9 , C 10 where the light is reflected. When the optical resonator 1 is formed of a GaAs-based semiconductor and the outside of the resonator wall 4 is air, n 1 = 3.3 and n 2 = 1, so that the critical angle θ c for total reflection is obtained. Is about 17.6 degrees. Therefore, since the incident angle is larger than the critical angle, the reflection at the resonator wall 4 becomes total reflection, and loss due to transmission can be suppressed.

<ミラーを配置した場合>
図3(B)は、入出力ポート3にミラーが配置された例を示している。ミラーは、例えば、入出力ポートの端面に金属等を蒸着することで形成できる。このように入出力ポート3にミラー7を配置し、ミラー7で反射された光が、入出力ポート3から入力され、入出力ポート2から出力されるようにしてもよい。この場合は、行路長が2倍になり、入出力ポート2から入力され、ミラー7で反射されて入出力ポート2から出力される光の行路長2Lは、
<When a mirror is placed>
FIG. 3B shows an example in which a mirror is arranged at the input / output port 3. The mirror can be formed, for example, by depositing metal or the like on the end face of the input / output port. As described above, the mirror 7 may be disposed in the input / output port 3, and the light reflected by the mirror 7 may be input from the input / output port 3 and output from the input / output port 2. In this case, the path length is doubled, and the path length 2L of the light input from the input / output port 2, reflected by the mirror 7 and output from the input / output port 2 is

Figure 2015161838
Figure 2015161838

となる。例えば、r=100μm,Q=10,P=3,n=3.3の場合は、
2L≒29.2×r≒2.92(mm)
が得られる。
It becomes. For example, when r 0 = 100 μm, Q = 10, P = 3, n 1 = 3.3,
2L≈29.2 × r 0 ≈2.92 (mm)
Is obtained.

<上位概念の抽出>
上述の説明では、式(1)の形状を示した。そして、この形状であれば、共振器壁4の内側の空間で光の軌道が交差するように全反射を繰り返させるので、共振器壁4の内側の空間を効率的に用いて行路長を長くできる(第1の効果)。また、光を反射させる位置とその順番の設計指針を示しているので、小型の光共振器を実現しやすい(第2の効果)。ただし、上記の効果が得られる範囲でこの形状を少し変形することは可能である。そこで、効果ごとに、効果が得られるポイントを示し、上位概念を抽出する。
<Extraction of superordinate concepts>
In the above description, the shape of the formula (1) is shown. And if it is this shape, since total reflection is repeated so that the track | orbit of light cross | intersects in the space inside the resonator wall 4, a path length is lengthened using the space inside the resonator wall 4 efficiently. Yes (first effect). In addition, since the position where light is reflected and the design guideline for the order are shown, it is easy to realize a small optical resonator (second effect). However, it is possible to slightly deform this shape within a range in which the above effect can be obtained. Therefore, for each effect, a point where the effect is obtained is shown, and a superordinate concept is extracted.

第1の効果を得るためだけを考えれば、共振器壁4は、式(1)のように示される形状に限る必要はない。例えば、光の反射に必要な部分(反射部41)以外は、上記の形状でなくてもよいし、共振器壁4が無くても本発明の効果は得られる。言い換えると、共振器壁4が、「入出力ポート2(第1入出力ポート)から入力された光を、複数回全反射させて入出力ポート3(第2入出力ポート)から出力するための複数の反射部41を有し、入出力ポート2から入力された光が入出力ポート3から出力するまでの軌道には、軌道同士が交差する部分がある」という特徴を満たせば第1の効果を得られる。   Considering only to obtain the first effect, the resonator wall 4 does not have to be limited to the shape represented by the equation (1). For example, the portion other than the portion necessary for light reflection (reflecting portion 41) may not have the shape described above, and the effect of the present invention can be obtained without the resonator wall 4. In other words, the resonator wall 4 is “for the light input from the input / output port 2 (first input / output port) to be totally reflected a plurality of times and output from the input / output port 3 (second input / output port)”. The first effect is obtained by satisfying the feature that the trajectory having a plurality of reflecting portions 41 and the light input from the input / output port 2 is output from the input / output port 3 has a portion where the trajectories cross each other. Can be obtained.

第2の効果は、「Qを5以上の整数、Pを1より大きくQ/2より小さい整数、QとPは互いに素、コア層に円周状に等間隔に配置したQ個の点を頂点とし、第1入出力ポートから入力された光が第2入出力ポートから出力するまでの軌道が、P個ずつ離れた頂点を結ぶ軌道となるように2個以上(Q−2)個以下の反射部41を配置する」という設計指針に従えば得やすい。   The second effect is that “Q is an integer of 5 or more, P is an integer greater than 1 and less than Q / 2, Q and P are relatively prime, and Q points arranged circumferentially at equal intervals in the core layer 2 or more (Q-2) or less so that the trajectory connecting the vertices separated by P is the trajectory from the first input / output port until the light input from the first input / output port is output from the second input / output port. It is easy to obtain by following the design guideline “disposing the reflective portion 41”.

図4に9個の光共振器を結合した結合光共振器の例を、図5に25個の光共振器を結合した結合光共振器の例を示す。本実施例では、光共振器1を基本構造(「セル」と呼ぶ)として複数連結させる。結合光共振器10,20は、隣接するセルの入出力ポートと入出力ポートとを、軌道が接続するように結合する。言い換えると、Mは2以上の整数、mは1以上M−1以下の整数とし、m番目の光共振器の第2入出力ポートと、(m+1)番目の光共振器の第1入出力ポートを結合する。したがって、1番目の光共振器の入出力ポート12,22(第1入出力ポート)に入力された光は、M番目の光共振器の入出力ポート13,23(第2入出力ポート)から出力される。また、入出力ポート13,23にミラーを配置し、ミラーで反射された光を、M番目の光共振器の入出力ポート13,23から入力し、1番目の光共振器の入出力ポート12,22から出力してもよい。   FIG. 4 shows an example of a coupled optical resonator in which nine optical resonators are coupled, and FIG. 5 shows an example of a coupled optical resonator in which 25 optical resonators are coupled. In this embodiment, a plurality of optical resonators 1 are connected as a basic structure (referred to as “cell”). The coupled optical resonators 10 and 20 couple the input / output ports and the input / output ports of adjacent cells so that the tracks are connected. In other words, M is an integer of 2 or more, m is an integer of 1 to M-1, and the second input / output port of the mth optical resonator and the first input / output port of the (m + 1) th optical resonator. Join. Accordingly, light input to the input / output ports 12 and 22 (first input / output port) of the first optical resonator is input from the input / output ports 13 and 23 (second input / output port) of the Mth optical resonator. Is output. Further, a mirror is disposed at the input / output ports 13 and 23, and the light reflected by the mirror is input from the input / output ports 13 and 23 of the Mth optical resonator, and the input / output port 12 of the first optical resonator. , 22 may be output.

本実施例の結合光共振器を構成するすべてのセルの行路長を合計した量τは下記の式(5)で与えられる。なお、入出力ポート13,23にミラーを配置した場合は、行路
長は2τである。
An amount τ obtained by summing the path lengths of all the cells constituting the coupled optical resonator of the present embodiment is given by the following equation (5). When mirrors are arranged at the input / output ports 13 and 23, the path length is 2τ.

Figure 2015161838
Figure 2015161838

ここで、Nは縦方向及び横方向当たりのセルの個数であり、係数α、βは式(6),(7)で定義される。 Here, N is the number of cells per vertical and horizontal direction, and coefficients α and β are defined by equations (6) and (7).

Figure 2015161838
Figure 2015161838

図4は9個の光共振器1を結合し、図5は25個の光共振器1を結合した例だが、これらの数に限定する必要はなく、確保しなければならない行路長に従って結合する光共振器1の数は適宜決めればよい。この方式によれば、各セル自体が長距離かつ全反射行路を実現し、さらに、それらを二次元的に敷き詰めることによって、二次元領域を効率的に用いて長距離の全反射行路を実現できる。したがって、狭い範囲でも行路長を長くできる。   FIG. 4 is an example in which nine optical resonators 1 are coupled, and FIG. 5 is an example in which 25 optical resonators 1 are coupled. However, it is not necessary to limit to these numbers, and coupling is performed according to the path length that must be secured. The number of optical resonators 1 may be determined as appropriate. According to this method, each cell itself realizes a long-distance total reflection path, and further, by laying them two-dimensionally, a two-dimensional region can be efficiently used to realize a long-distance total reflection path. . Therefore, the path length can be increased even in a narrow range.

本実施例は、実施例1の光共振器もしくは実施例2の結合光共振器を外部共振器として用いた戻り光カオス発生装置である。戻り光カオス発生装置の基本構成は、レーザ共振器と、出力光を一部戻すための外部共振器の2つからなる。長い行路長が必要とされる外部共振器を、実施例1の光共振器もしくは実施例2の結合光共振器で実現する。   The present embodiment is a return optical chaos generator using the optical resonator of the first embodiment or the coupled optical resonator of the second embodiment as an external resonator. The basic configuration of the return light chaos generating device is composed of a laser resonator and an external resonator for returning a part of the output light. An external resonator that requires a long path length is realized by the optical resonator of the first embodiment or the coupled optical resonator of the second embodiment.

戻り光カオス発生装置によって安定した高速乱雑変動を生成するためには、十分な長さの外部共振器が必要であることが実験的にも理論的にも示されている。例えば、正確な行路長は示されていないものの、行路長がおよそ1cm程度あれば安定した高速乱雑変動を生成できることが実験的に確認されている(非特許文献1参照)。   It has been experimentally and theoretically shown that a sufficiently long external resonator is required in order to generate stable high-speed random fluctuations by the return light chaos generator. For example, although the exact path length is not shown, it has been experimentally confirmed that stable high-speed random fluctuations can be generated if the path length is about 1 cm (see Non-Patent Document 1).

図4において単一セルに対応する共振器の半径パラメータをr=100μmとすると、結合光共振器全体の縦横の長さは600μmとなり、入出力ポート12から入出力ポート13までの行路長τは、1.07cmとなる。入出力ポート13で反射させる場合には戻り光の行路はこの倍になる。したがって、1mm角以下の領域を用いて安定した高速乱雑変動を生成するために十分な長さの行路長を形成することが可能である。 If the radius parameter of the resonator corresponding to a single cell in FIG. 4 is r 0 = 100 μm, the overall length of the coupled optical resonator is 600 μm, and the path length τ from the input / output port 12 to the input / output port 13 is Is 1.07 cm. When the light is reflected at the input / output port 13, the return light path is doubled. Therefore, it is possible to form a path length that is long enough to generate stable high-speed random fluctuations using an area of 1 mm square or less.

上記の式(5)において係数α自体が大きな数であり、また、セルの個数Nに比例するため、この方式によるシステムの縦横の長さをDと置くと、Dに比例する形で行路長を稼ぐことができる。 In the above equation (5), the coefficient α itself is a large number, and is proportional to the number N 2 of cells. Therefore, when the vertical and horizontal lengths of the system according to this method are set to D, the coefficient α is proportional to D 2. You can earn a path head.

この発明によれば、実施例1に示したとおり、低損失かつ長距離行路を有する半導体微小共振器を実現できる。また、実施例2に示したとおり、微小共振器を複数結合する方式を用いれば、装置の長さDに対して、行路長はDに比例して大きくなるため、二次元領域を効率的に使って行路長を稼ぐことが可能である。 According to the present invention, as shown in the first embodiment, a semiconductor microresonator having a low loss and a long distance path can be realized. Further, as shown in Example 2, using the method of combining a plurality of micro-resonators, for the length D of the device, the path length increases in proportion to D 2, effectively a two dimensional area It can be used to earn a path length.

この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

戻り光カオス発生装置により得られるレーザ出力の高速乱雑変動は、例えば、高速物理乱数生成や秘匿通信などに応用することができる。したがって、本発明の光共振器を外部共振器として用いた戻り光カオス発生装置によれば、高速物理乱数生成や秘匿通信装置を小型化することができる。また、本発明の光共振器は、戻り光カオス発生装置の他にも、長い行路長が必要とされる光ジャイロや光遅延器、光メモリなどに応用可能である。   The high-speed random fluctuation of the laser output obtained by the return light chaos generating device can be applied to, for example, high-speed physical random number generation and secret communication. Therefore, according to the return light chaos generator using the optical resonator of the present invention as an external resonator, high-speed physical random number generation and a secret communication device can be reduced in size. Further, the optical resonator of the present invention can be applied to an optical gyro, an optical delay device, an optical memory, and the like that require a long path length in addition to a return optical chaos generator.

1 光共振器
2,3,12,13,22,23 入出力ポート
4 共振器壁
7 ミラー
8 コア層
9 クラッド層
10,20 結合光共振器
41 反射部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical resonator 2, 3, 12, 13, 22, 23 Input / output port 4 Resonator wall 7 Mirror 8 Core layer 9 Clad layer 10, 20 Coupled optical resonator 41 Reflection part

Claims (8)

光が伝搬するコア層と、
前記コア層に光を閉じ込めるために前記コア層を挟む2つのクラッド層と、
が積層され、
積層方向と垂直な方向の光を前記コア層に入出力する2つの入出力ポートである第1入出力ポートと第2入出力ポートと、
積層方向と垂直な方向が法線方向となるように形成された共振器壁を備え、
前記共振器壁は、前記第1入出力ポートから入力された光を、複数回全反射させて前記第2入出力ポートから出力するための複数の反射部を有し、
前記第1入出力ポートから入力された光が前記第2入出力ポートから出力するまでの軌道には、軌道同士が交差する部分がある
ことを特徴とする光共振器。
A core layer through which light propagates;
Two cladding layers sandwiching the core layer to confine light in the core layer;
Are stacked,
A first input / output port and a second input / output port which are two input / output ports for inputting / outputting light in a direction perpendicular to the stacking direction to / from the core layer;
A resonator wall formed so that the direction perpendicular to the stacking direction is the normal direction,
The resonator wall has a plurality of reflecting portions for totally reflecting the light input from the first input / output port a plurality of times and outputting the light from the second input / output port,
An optical resonator characterized in that there is a portion where the trajectories intersect in the trajectory until the light input from the first input / output port is output from the second input / output port.
光が伝搬するコア層と、
前記コア層に光を閉じ込めるために前記コア層を挟む2つのクラッド層と、
が積層され、
積層方向と垂直な方向の光を前記コア層に入出力する2つの入出力ポートである第1入出力ポートと第2入出力ポートと、
積層方向と垂直な方向が法線方向となるように形成された共振器壁を備えた光共振器であって、
Qは5以上の整数、Pは1より大きくQ/2より小さい整数、QとPは互いに素、前記コア層に円状に等間隔に配置したQ個の点を頂点とし、
前記共振器壁は、前記頂点のいずれか1つを含むあらかじめ定めた範囲で光を全反射させる反射部を2個以上(Q−2)個以下有し、
前記反射部は、前記頂点のいずれか1つを通過するように前記第1入出力ポートから入力された光を、複数回全反射させて、前記頂点のいずれか1つを通過させて前記第2入出力ポートから出力するものであり、
前記第1入出力ポートから入力された光が前記第2入出力ポートから出力するまでの軌道が、P個ずつ離れた前記頂点を結ぶ軌道となる
ことを特徴とする光共振器。
A core layer through which light propagates;
Two cladding layers sandwiching the core layer to confine light in the core layer;
Are stacked,
A first input / output port and a second input / output port which are two input / output ports for inputting / outputting light in a direction perpendicular to the stacking direction to / from the core layer;
An optical resonator including a resonator wall formed so that a direction perpendicular to the stacking direction is a normal direction,
Q is an integer greater than or equal to 5, P is an integer greater than 1 and less than Q / 2, Q and P are relatively prime, and Q points arranged at equal intervals in a circle in the core layer are apexes,
The resonator wall has two or more (Q-2) reflecting portions that totally reflect light within a predetermined range including any one of the vertices,
The reflection unit totally reflects the light input from the first input / output port so as to pass through any one of the vertices a plurality of times, and passes through any one of the vertices. 2 Output from the input / output port,
An optical resonator in which a trajectory until light input from the first input / output port is output from the second input / output port is a trajectory connecting the apexes separated by P pieces.
光が伝搬するコア層と、
前記コア層に光を閉じ込めるために前記コア層を挟む2つのクラッド層と、
が積層され、
積層方向と垂直な方向の光を前記コア層に入出力する2つの入出力ポートである第1入出力ポートと第2入出力ポートと、
積層方向と垂直な方向が法線方向となるように形成された共振器壁を備えた光共振器であって、
Qは5以上の整数、Pは1より大きくQ/2より小さい整数、QとPは互いに素、前記コア層に配置したQ個の点を頂点とし、
前記共振器壁は、積層方向から見て、中心となる1点からの距離が
Figure 2015161838
ただし、φは前記中心を始点とするあらかじめ定めた半直線と、前記中心と前記共振
器壁の一点とを結ぶ線分とのなす角、rはあらかじめ定めた長さ、εはあらかじめ
定めたパラメータ
のように示される形状で形成されており、
前記頂点は、
φ=(2m−1)π/Q (m=1、2、…、Q)
となる位置であり、
(Q−2)個の頂点は前記共振器壁上にあり、
前記第1入出力ポートから入力された光は、前記(Q−2)個の頂点以外の一方の頂点をとおり、
前記第2入出力ポートから出力される光は、前記(Q−2)個の頂点以外の他方の頂点をとおり、
前記第1入出力ポートから入力された光が前記第2入出力ポートから出力するまでの軌道が、P個ずつ離れた前記頂点を結ぶ軌道となり、
光が反射される頂点において、入射角は臨界角以上である
ことを特徴とする光共振器。
A core layer through which light propagates;
Two cladding layers sandwiching the core layer to confine light in the core layer;
Are stacked,
A first input / output port and a second input / output port which are two input / output ports for inputting / outputting light in a direction perpendicular to the stacking direction to / from the core layer;
An optical resonator including a resonator wall formed so that a direction perpendicular to the stacking direction is a normal direction,
Q is an integer of 5 or more, P is an integer greater than 1 and less than Q / 2, Q and P are relatively prime, and Q points arranged in the core layer are vertices,
The resonator wall has a distance from a central point when viewed from the stacking direction.
Figure 2015161838
Where φ is an angle formed by a predetermined half line starting from the center and a line segment connecting the center and one point of the resonator wall, r 0 is a predetermined length, and ε is predetermined. It is formed in the shape shown as a parameter,
The vertex is
φ = (2m−1) π / Q (m = 1, 2,..., Q)
The position
(Q-2) vertices are on the resonator wall,
The light input from the first input / output port passes through one apex other than the (Q-2) apexes,
The light output from the second input / output port passes through the other vertex other than the (Q-2) vertexes,
The trajectory until the light input from the first input / output port is output from the second input / output port is a trajectory connecting the apexes separated by P pieces,
An optical resonator, wherein an incident angle is not less than a critical angle at an apex where light is reflected.
請求項2または3記載の光共振器であって、
第1入出力ポートから入力された光が第2入出力ポートから出力されるまでに反射する回数が
Q/P−1
より多い
ことを特徴とする光共振器。
The optical resonator according to claim 2 or 3, wherein
The number of times the light input from the first input / output port is reflected before being output from the second input / output port is Q / P-1.
Optical resonator characterized by more.
請求項2から4のいずれかに記載の光共振器であって、
前記共振器壁の内側の屈折率をn、外側の屈折率をnとし、
QとPは、
Figure 2015161838
を満たす
ことを特徴とする光共振器。
An optical resonator according to any one of claims 2 to 4,
The inside refractive index of the resonator wall is n 1 , the outside refractive index is n 2 ,
Q and P are
Figure 2015161838
An optical resonator characterized by satisfying
請求項1から5のいずれかに記載の光共振器であって、
前記第2入出力ポートにミラーが配置され、
前記ミラーで反射された光は、前記第2入出力ポートから入力され、前記第1入出力ポートから出力される
ことを特徴とする光共振器。
An optical resonator according to any one of claims 1 to 5,
A mirror is disposed at the second input / output port;
The light reflected by the mirror is input from the second input / output port and output from the first input / output port.
請求項1から5のいずれかの光共振器をM個備えた結合光共振器であって、
Mは2以上の整数、mは1以上M−1以下の整数とし、
m番目の光共振器の第2入出力ポートと、(m+1)番目の光共振器の第1入出力ポートが結合され、
1番目の光共振器の第1入出力ポートに入力された光は、M番目の光共振器の第2入出力ポートから出力される
ことを特徴とする結合光共振器。
A coupled optical resonator comprising M optical resonators according to any one of claims 1 to 5,
M is an integer of 2 or more, m is an integer of 1 to M-1,
The second input / output port of the mth optical resonator and the first input / output port of the (m + 1) th optical resonator are coupled,
The light input to the first input / output port of the first optical resonator is output from the second input / output port of the Mth optical resonator.
請求項7記載の結合光共振器であって、
M番目の光共振器の第2入出力ポートにミラーが配置され、
前記ミラーで反射された光は、M番目の光共振器の第2入出力ポートから入力され、1番目の光共振器の第1入出力ポートから出力される
ことを特徴とする結合光共振器。
The coupled optical resonator according to claim 7, wherein
A mirror is disposed at the second input / output port of the Mth optical resonator;
The light reflected by the mirror is input from the second input / output port of the Mth optical resonator and output from the first input / output port of the first optical resonator. .
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