JP2710563B2 - 光プロセッサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光プロセッサ(optical p
rocessor) に関し、とくに、光信号を増幅(amplificati
on) 、コミュテーション(commutation) 、スイッチング
または演算(computing) するための光装置および光論理
装置において、光エネルギーを処理する光プロセッサに
関する。本発明は算術／論理(arithmetic/logic units)
を含むコンピューター回路、光導波管通信およびデータ
伝送システムを伴う応用にとくに好適である。

【０００２】

【従来の技術】“トランスフェーザ(transphasor) ”と
呼ばれる、光プロセッサ装置は、基本的に非線形ファブ
リー・ペロ干渉計(Fabry-Perot Interfermeter:FPI) を
用いる。Tooley F.A.Pらによって1983年11月 Appl.Phy
s.Lett.第43券9 号807-809 頁に掲載された“High Gain
Signal Amplification in an InSb transphasor at 77
K”で記述されている通り、Tooleyらによって利用され
たファブリー・ペロ干渉計はＩｎＳｂ（インジウム/ ア
ンチモニー）半導体物質を鏡によって境界させた共振キ
ャビチを用いた光学的非線形位相変調器である。公知さ
れたＩｎＳｂ物質の光学的非線形性を用いて、“光によ
る光(light by light)”の増幅効果は、極めて強いポン
ピングビームとデータを載せた弱いビームをＩｎＳｂ半
導体結晶内へ導入することによって、得られる。結果的
に、他のビームによる一つのビームの変調および40dBま
でのデータを載せた光信号(Optical Signal:OS) の増幅
が得られる。かかるトランスフェーザの長所は、小型化
( 直径が200 μm であり、長さが600 μm)、高い非線形
性および高い増幅性であるが、短所は外部のポンピング
源、単一入力および単一チャネル、装置の構造的な特異
性に因る複雑な入／出力ビーム、またファブリー・ペロ
干渉計と入力光信号間の完全な周波数一致の必要性であ
る。かかる欠点のために、トランスフェーザにおいては
実験室条件でだけ用いるように制限される。

【０００３】Lomashevich S.らに1991年3 月19日許与さ
れた“光トランジスタ”という名称の米国特許第5,001,
523 号の明細書に開示された光装置は、本発明の技術的
な特性に最も近接し、本明細書に参考文献として引用さ
れる。米国特許第5,001,523号に開示された光トランジ
スタは、多数のチャネルによる異なる周波数放射光の選
択は勿論、光信号のコミュテーションおよび増幅を可能
にする。かかる光トランジスタの長所は、高い増幅係
数、光信号のコミュテーションまたはスイッチング能
力、小型化とリング共振器（RR）に起因する高いQ-係数
であるが、欠点は制限されたチャネル利用度(channel a
ccessibility) 、入力チャネルに対する低い感度水準、
また光信号処理に対する多段水準(multi-level) システ
ムの欠如( 即ち、貯蔵および論理の能力が不足) であ
る。米国特許第5,001,523 号に開示された光トランジス
タを用いたかかる類型のリング共振器の特徴は、Marcat
ili E.A.J.により1969年The Bell System Technical Jo
urnal,第48巻第7 号2103-2132 頁に掲載された論文“Bl
ends in Optical Dielectric Guides ”およびWoller
L.により1982年 Elecktronika,第26号3-4 頁に掲載され
た論文“Important Components of Optical Logical Ci
rcuits”に開示される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、前述する
観点から、本発明の目的の一つは、入力光信号によって
制御可能である、完全にアクセス可能であり、入力また
は出力光エネルギーのための増加された数の光学的ポー
トまたは接点(contacts)を有する光プロセッサおよび高
い入力信号の感知水準、高いパワーの出力信号と、演算
作用および貯蔵機能は勿論、光信号の多段処理(multi-l
evel processing)能力を有する装置を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的および他の目
的を達成するために、本発明は半導体レーザを結合導波
管に導入して、結合領域でこれら導波管とリング共振器
を結合することによって、結合領域に光モード混合器を
生成または発生させる。その結果、単一モード導波管と
リング共振器が結合地域上に制御電極を有する正モード
混合器を生成または規定する。

【０００６】本発明によって、望ましい実施例は一つの
非線形リング共振器および共通基板上に、少なくとも一
対のストリップ導波管を含み、前記ストリップ導波管各
々は、非線形共振器と光結合する領域を有し、向き合う
両端部に半導体レーザを備え、前記非線形リング共振器
内の前記光結合地域の外部地域に少なくとも第１および
第２半導体レーザが位置し、前記光結合地域および第１
および第２半導体レーザが光結合地域のあいだのリング
共振器上に制御電極が位置する。

【０００７】

【実施例】本発明はレーザを含む導波管とリング共振器
の電気的な能動光学的二股結合および光トランジスタを
機能的に統合または集積することによって統合された光
システムを提供する。結合地域内へ半導体レーザを導入
することによって、即ち、リング共振器との結合領域内
のレーザのあいだに位相変調器(phase modulator;ＰＭ)
を備える“直接的”光トランジスタを提供することに
よって、多数の新規な機能および利点などを提供する電
気的な能動光学的二股(active optical bifurcation;Ｂ
ＯＡ) 形態の混合器を生成または発生させることである
( 電極的な能動光学的二股は、Papuchon M. らにより19
77年8 月 Appl.Phys.Lett. 第31券第４号第266-267 頁
に掲載された“Electrically Active Optical Bifurcat
ion ”により詳細に開示されている) 。

【０００８】本発明はＢＯＡ／リングトランジスタ構造
の特徴である多重安定性効果に起因する光信号の多段処
理を可能にする。光信号は、いかなる光接点またはポー
トを通じても入力されうる。出力放射は、入力光トラン
ジスタおよび電気的な能動光二股の結合構造内で放射の
電波方向または経路によって決定されるいかなる出力チ
ャネルでも放出されうる。本発明は、単一集積または統
合された光装置を用いることによって、増幅、貯蔵、入
力光トランジスタにより規定されるいかなる周波数で
も、増幅された信号の再放射、スイッチングおよびコミ
ュテーションを含む光信号処理を可能にする。この機能
的な能力などは、かかる装置から発生されうる一連の光
信号処理の機能などによって規定され、それらの関数で
ある。第１（入力）光トランジスタは増幅に作用し、電
気的な能動光学的二股結合およびリング光トランジスタ
によって発生する多段メモリは貯蔵を行い、結合導波管
内へ導入された二つのビームによって発生されるＣ３−
レーザの調節周波数を有する第２出力光トランジスタに
よっていかなる周波数でも光信号の再放射(re-radiatio
n)が行われる。また、本発明は雑音水準(noise level)
程度の大きさの低パワーを有する低パワー光信号の処理
を可能にし、一連の“予備増幅”、即ち、光トランジス
タのために、前記処理が可能である。低い強さの光信号
は再同調(re-tuning) 光信号選択およびチャネルスイッ
チングを含む装置の多様な機能を制御するのに用いられ
る。かかる制御特性は、処理の初期段階における光信号
の増幅および機能的セル、即ち、位相変調器、光トラン
ジスタおよびリング光トランジスタの固有のまたは内部
的な特性と相互連結された位相変調器、光トランジスタ
およびリング光トランジスタの非線形性特性のため可能
である。

【０００９】かかる長所および機能的な特性は、光トラ
ンジスタ、リング共振器および電気的な能動光学的二股
（ＢＯＡ）の結合スイッチ領域を有するリング共振器の
構成によって得られる。

【００１０】光トランジスタは、基本的に適切な装置特
性および電極に印加された制御信号の選択によって、光
信号の増幅または記憶および光信号のコミュテーション
／通信を可能にする。光トランジスタの機能と特性は、
Lomashevich S.A.らによって、1991年Journal of Appli
ed Spectroscopy 第55券第3 号485-490 頁に掲載された
“Concept of Optical Transistor ”およびMorozov,E.
P.らによって“Optical of Transistor”と名称された
USSR発明者証番号第1225386 号にさらに詳しく開示され
ている。

【００１１】本発明において、光トランジスタ（ＯＴ）
はレーザなどのあいだに位置する位相変調器である導波
管および二つのレーザによって規定されて、光双安定性
モードで第１次一連の非線形増幅作用を行う。光信号が
光トランジスタの位相変調器へ入れ、光の強さがある臨
界値を超過するとき（例えば、レーザ放射の増加、共振
への位相変調器の調整または電界の強さの変化による屈
折率の変化のため）、物質の非線形特性のために、光ト
ランジスタの反反射(anti-reflection) または飽和が行
われて共振まで同調される。依存度ｎ＝ｎｏ＋ｎ2 Ｉｐ
（ここで、ｎｏは無光度屈折率、ｎ2 は非線形係数であ
り、Ｉｐは共振器内における強さ）であり、Ｉｐの臨界
値になるまでの加数の影響が重要となり、システムは自
動的に共振状態に向かって同調されはじめ、前記過程は
急にまたは雪崩(avalanche-like)方式が発生して、たい
へん急な特性が実現され、よって、光信号処理の初期ま
たは初めの段階で要求される増幅係数が提供される。

【００１２】光トランジスタは、(a) 位相変調器の電気
的同調、または(b) 位相変調器からリング共振器へ電波
される光放射のある部分に結合される制御光信号によっ
てリング共振器との結合素子も用いられる。例えば、他
の光回路における並列処理のために、増幅された光信号
は光トランジスタの出力鏡から放出されうる。

【００１３】位相変調器は集積された放射の強さに依存
する非線形ファブリー・ペロ干渉計（ＦＰＩ）光路であ
る内部に併合された共振器として作動する。位相変調器
は大きい共振器の光学的な長さを変化させ、またその臨
界電流の変化を起こすＱ−係数を変化させる。かかる再
同調は装置が発生臨界値を通過してレージング(lasing)
またはレーザモードを得るようにする。

【００１４】光トランジスタの概念によれば、一連の第
１増幅（即ち、位相変調器によること）は、基本的に符
合機能を施す。即ち、入力信号と共振周波数が正確に一
致しなくてもシステム全体のかかる応答を有することを
可能にする。入力信号ｉの影響下で位相変調器で増幅さ
れた信号は、ＩＰＭ＝Ｇ1 ｉとなり、帰還回路(feedbac
k circuit)を通過して、半導体レーザ増幅器(semicondu
ctor laser amplifier; ＳＬＡ) で増幅されれば、ＩＳ
ＬＡ＝Ｇ01Ｇ1 ｉになり、光トランジスタ共振器の屈折
率が変化して、最後的に光トランジスタは次の関数で与
えられる。

【００１５】

【数１】 透過特性、 Ｇ01; 光トランジスタの内部増幅利得係数 Ｇ1 ; Ｇ1 ＝３／（３−θ1 ² ）である位相変調器の利
得係数 θ01 ;光トランジスタの離調位相角 θ1 ;位相変調器の離調位相角 光トランジスタ概念の付加的な開示は、Lomashevich S.
A.らによって1991年Journal of Applied Spectroscopy,
第55券第3 号485-490 頁に掲載された“Concept of O
ptical Transistor ”に開示されている。

【００１６】半導体レーザ増幅器にも用いられる能動レ
ーザ素子および方向性結合器(directional coupler) で
ある符合素子を有するリング共振器も光トランジスタを
表し（参考文献米国特許第5,001,523 号を引用して前記
に開示されたように）、前記参考文献には、索引“１”
が索引“２”であることを除いては、入力信号ｉと出力
信号Ｉとのあいだの関係は、式（１）と同一に表現され
る。本発明において、利得係数Ｇは電気的な能動光学的
二股結合でリング共振器内への透過水準を表す。

【００１７】リング共振器と電気的な能動二股結合（Ｂ
ＯＡ）スイッチの構成は、これらの素子の各々から見つ
けられない新しい機能的な特性を提供する。即ち、新し
い特性は電気的な能動二股結合（ＢＯＡ）スイッチまた
はリング共振器内で発見され得ない。開示された発明に
おいて、電気的な能動二股結合素子は光トランジスタ
（ＯＴ）とリング光トランジスタ（ｒＯＴ）とを結合さ
せる。

【００１８】結合領域内で二つの単一または単一モード
光導波管を一つの両モード導波管に結合または統合する
電気的な能動光学的双安定性（ＢＯＡ）形態のコミュテ
ータまたはスイッチで光双安定性の研究は、Andreev V.
M.らによって1984年Tekhnicheski Sredstva Svyazi,ser
ia:Tekhn.Prov.Svyazi,Vypusk 6,115-121 頁に掲載され
た“Optical Bistable Commutating Device with Elect
ronic Feedback”にさらに詳しく開示されている。

【００１９】媒介変数などの計算は、入力信号を混合器
の固有モード(natural mode)に分解することに基づく。
混合器の出力信号は、異なる電波常数を有する混合器の
モード等のあいだの干渉の結果である。結果的に、これ
はＬである混合器の出力Ｉ1（Ｌ），Ｉ2 （Ｌ）強さお
よび入力Ｉ1 （０）強さのあいだの関係および、帰還回
路における増幅係数G02 に対する電波常数の変化の依存
度△β= △β0 ＋△Ｇ02Ｉ2 （Ｌ）をもたらす。即ち、
リング共振器において、

【数２】 ここで、変数ｄは最大許容可能である減結合(decouplin
g) 水準を表し、分解要因などによって規定される。

【００２０】考慮中であるばあいにおいては、前記式
（２）のうちの第二番目の式が重要であるＩ1 （０）＝
ｉおよびＬ＝１と仮定して第二の式を変換することによ
って、リング共振器内で電気的な能動光学的二股（ＢＯ
Ａ）からリング共振器内への推定された利得要因Ｇ2 は
次のようである。

【００２１】

【数３】 前記光トランジスタ式（１）および式（３）の利得要因
の組み合わせにより、次の式を得る。

【００２２】

【数４】 開示された装置を単一または集積アセンブリと見なし
て、光信号の入力強さ（ｉ）および出力強さ（Ｉ）の間
の依存度は、次の式（５）により得られる。

【００２３】

【数５】 ここで、

【数６】 また、

【数７】 式（５）によって示された図面から明白であるように、
前記表現された式（１）〜（５）は、前記開示された光
プロセッサの機能的な能力を漏れなく定義する。

【００２４】本発明の他の目的などと本発明の応用の追
加範囲は、類似部分装置などが類似参照文字によって表
示された添付図面に関して記述される次の詳細な説明か
ら明白になる。

【００２５】図１において、本発明による光プロセッサ
ＯＰを概略的に示す。示されたように、光プロセッサは
光路内に第１レーザ(3-1) および第２レーザ(3-2) を有
する非線形リング共振器１を含む。前記レーザ(3-1) お
よび(3-2) の各々は、一対の鏡８で境界されている。一
対の導波管２はリング共振器１の両側に位置する。導波
管(2-AB)は、リング共振器１の左側に位置し、他の導波
管(2-CD)は、リング共振器１の右側に位置して、即ち、
導波管(2-AB)の向かい側に位置する。レーザ３Ａおよび
３Ｂは導波管(2-AB)の終端部(terminal ends) に各々位
置し、同じ方式でレーザ３Ｃおよび３Ｄは、導波管(2-C
D)の終端部に各々位置する。前記導波管(2-AB)および(2
-CD)は、電気的な能動光学的二股４を通じて、各々の端
部のあいだの中間位置でリング共振器１と光学的に結合
されている。電気的な能動光学的二股結合は、前述した
Papuchon M. らによって開示されている。二つの導波管
２各々のレーザ３および各々の鏡９により境界される位
相変調器５は、光トランジスタを形成する。図１０と係
わって、さらに詳細に記述される電気的な接点は、レー
ザ３，結合地域４，また結合地域４とレーザ(3-1) およ
び(3-2) のあいだに介在するリング共振器１の選択され
た部分上の上部表面に形成される。図１において、リン
グ共振器１の曲線断面と関連された前記電極などは参照
符号６で表示される。入力光信号ｉは、望ましく位相変
調器５のＥおよびＦ地域またはある光ポートまたは二つ
の導波管端部の接点、即ち、導波管(2-AB)のポート(A)
ないし(B) または導波管(2-CD)のポート(C) ないし(D)
へ入力されるか入ることが望ましい。光放射はＩａ，Ｉ
ｂ，Ｉｃ，Ｉｄの値で表現されているように、出力端
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから抽出される。光トランジスタのレー
ザ３は、鏡７によって、リング共振器１のレーザ(3-1)
および(3-2) は、鏡８によって、各々の位相変調器５
は、鏡９によって、境界されるか制限される。

【００２６】図２〜９は、前記式（５）の媒介変数の多
様な値に対する図１の構造の特徴を示し、ここで“ｉ”
は入力強さであり、“Ｉ”は出力強さであり、Ｉ0 はポ
ンピング強さである。

【００２７】図２は、水平軸上の原点の右側に示された
ポンピング強さＩ0 と共に、垂直軸上の出力強さＩおよ
び水平軸上の入力強さｉを示す。図２は、位相変調器の
初期離調変数θ1 による差動増幅器特性の動的領域およ
び臨界値(threshold) Ｉ0 の変化を示す。図２は、θ1
＝1.732 ，θ1 ＝1.7315，θ1 ＝1.731 、またθ1 ＝1.
7305のθ1 値に対応する四つの曲線を示す。

【００２８】図３は、メモリに貯蔵された値が“５”で
あるばあいの計算過程を示す。図３において、Ｇ01＝
１，Ｇ02＝100 ，θ02＝５である。

【００２９】図４は、１１ユニットの合を求めるための
Ｇ01＝１，Ｇ02＝１００（図３のばあいのように）はそ
のままで、θ02＝１０で開示された光装置の多重安定性
特性を用いて計算を行うためのプロセッサの能力を示
す。値“５”が蓄積された図３と比較するとき、加算領
域または体積は、図４で拡張されており、これは媒介変
数θ02が５から１０に増加したことに機能的に連結また
は関連される。

【００３０】図５は、２０までの合算過程およびその数
を貯蔵する過程を示す。図４に示されたことよりさらに
大きい数の合算を取るための能力は、図４におけるＧ02
係数値１００が２５０まで増加したことと機能的に連結
または連関される。光プロセッサがこれらの数をメモリ
に保有する能力は明白である。

【００３１】図２および図６〜９は、初期部分特性に関
するもので、特性およびそれらの特性配列構成に対する
多様な変数の影響を示す。図６は、θ01＝0.5 ，1.5 ，
2.5である光トランジスタの初期離調θ01の影響を示
す。図７は、Ｇ01＝１０であり、Ｇ02＝１００であるば
あい、θ02＝0.5 ，1.1 ，1.5 ，1.7 である初期離調θ
02の影響を示す。図８は、ｄ＝1.1 ，1.2 ，1.5 ，2.5
に増加する関数として、光学的な双安定性特性の変化を
示す（Ｇ01とＧ02は同一の値、即ち、Ｇ01＝Ｇ02＝１０
０である）。図９においては、可変変数△β0 が△β0
＝７，８，９，であるばあいのモード電波の位相差に対
する曲線の依存度が示される。

【００３２】図１０は、接点などと対応される電極を示
す。ここで、電流により制御される電極（電流制御電
極）は、シンボル“Ｊ”と、電圧により制御される電極
（電圧制御電極）は、シンボル“Ｕ”と表示されてい
る。示された通り、電流制御電極(J3-1)および(J3-2)
は、リング共振器１のレーザ(3-1) および(3-2) 上に位
置して、電圧制御電極(U4-1)および(U4-2)は、リング共
振器１と第１導波管(2-AB)および第２導波管(2-CD ）の
あいだの結合地域上に位置する。電圧制御電極(U6-1)，
(U6-2)，(U6-3)また(U6-4)は、電極(U4-1)および(U4-2)
の下部の結合地域４と、二つのレーザ(3-1) と(3-2) と
のあいだに介在するリング共振器１の該当部分上に位置
する。電流制御電極は各々の導波管(2-AB ）および(2-C
D)の終端部に位置して、導波管(2-AB)に対して(J-A) お
よび(J-B) と表示され、導波管(2-CD)に対しては、(J-
C) および(J-D) と表示される。最後に、位相変調器５
を制御するための電極などは、各々の導波管上の二つの
導波管の終端部に位置した電極および結合地域を制御す
る電極(U4-1)および(U4-2)のあいだに装着されている。
図１０において、位相変調器の制御電極などは、U5-A，
U5-B，U5-CまたU5-Dと示される。図１０において、Ｊ1
は光トランジスタレーザポンピング電流を表し、Ｊ2は
リング光トランジスタレーザポンピング電流を表す。電
圧Ｕ1 は電気的な能動光学的二股（ＢＯＡ）結合の制御
および図１０の電極Ｕ4 の下位置した導波管の屈折率(r
efractory indices)の制御に影響を与える。電圧Ｕ2 は
位相変調器の離調を制御し、電圧Ｕ3 はリング共振器の
離調を制御する。

【００３３】光学的な双安定性(optical bistability;O
B)の影響は、屈折率が媒質内の光エネルギーの強さによ
って変わり、その関数、即ち、ｎ＝ｎ0 ＋ｎ2 Ｉp であ
り、そのシステム内に帰還があるばあい明白になる。開
示された装置において、全体としてのシステム（分散的
なまたは吸収的であり、非線形性また帰還形態で作動す
るリング共振器と同一の物質からなること）は勿論、そ
れらの素子（即ち、帰還が外郭鏡やリング共振器各々の
よって提供される線形光トランジスタA-B,C-Dまたリン
グ光トランジスタ）全てが前記条件に符合される。ま
た、Bystrov,Yu.L. らによって1992年Elektrosvyazj 第
１号22-25 頁に掲載された“Optical Transistor as a
New Functional Element of VOSP Technique”を参照。
入力光トランジスタから発生される入力放射に対するシ
ステムの初期反応遅延によって生じ、結果的に時間的に
速く（10-13 秒程度）また非常に急激な特性を有して発
生することは、前記開示された装置の作動に重要であ
る。さらに、出力信号の形成は光学的な双安定性モード
で作動するシステムにより影響を受ける。一連の予備増
幅、増幅またパワー増幅はシステムにおける出力信号を
連続的に形成せしめる単純化された方法である。導波管
(2-AB ）および(2-CD ）と光接続状態にあるリング共振
器１とが極めて強く結合されているとき、リング共振器
は自体内へ光エネルギーをポンプして、分離された導波
管により生じる非正規的なまたは非周期的な揺動を平坦
にし、逆に、光プロセッサの特性および出力データの形
態を変化させうる媒介変数などによって規定される効果
を増大させる。

【００３４】光信号の入力強さｉ、また出力強さＩを機
能的に相互関連または連結させる式（５）からＧ1 ＝３
／（３−θ1 ² ），Ｇ01，Ｇ02，θ01，θ02，ｄ、また
△β0 の七つの媒介変数は、基本的に光プロセッサの特
性を変化させるかまたはそれらの特性に影響を与えうる
ことがわかる。

【００３５】媒介変数Ｇ1 は位相変調器の利得係数であ
り、これは内部光トランジスタ共振器の初期離調変数θ
1 による関数であり、位相変調器に印加された電圧によ
って変化される。媒介変数Ｇ1 は反応臨界値と特性の動
的領域に影響を与える（図２）。前述すれば、θ1 が増
加することにつれて、即ち、θ1 が３の平方根の制限さ
れた値に収束するとき、ポンピング強さＩ0 は減少す
る。

【００３６】変数Ｇ01は光トランジスタの内部または固
有増幅係数である。開示された装置において、媒介変数
Ｇ01の影響は“純粋”光トランジスタのばあいほど強く
ない。Ｇ01の変化が大きいばあいだけ光双安定性の臨界
値Ｉ0 の減少および特性の変換が生じる。位相変調器の
制御のために、レーザのポンピング電流Ｊ1 や電圧Ｕ2
を用いて、Ｇ01を変化させることによって、光トランジ
スタの微細な調整、即ち、光信号処理段階の第１次カス
ケード(cascade) ができる。

【００３７】媒介変数Ｇ02は電気的な能動光学的二股結
合（ＢＯＡ）と、リング共振器によって構成される光双
安定性セル帰還回路およびリング光トランジスタの内部
または固有増幅係数である。図３〜５で示されたよう
に、媒介変数Ｇ02はｉ＝ｆ（Ｉ）に対する双安定性アー
ムを有し、リング共振器内のレーザポンピング電流およ
び共振状態にリング共振器を同調するためのリング共振
器電極に対する電圧(U3)と共に増加する。Ｇ02が増加す
るにつれて、全システムの応答度は増加する。

【００３８】媒介変数θ01は光トランジスタ初期離調値
である。出力媒介変数などに対して影響を与える特性
は、θ1 と同一であり（図６）、これは前記媒介変数が
共に光トランジスタの同調を変化させるためである。制
限された値がないので（図６）θ01の影響度は、θ1 の
影響度より少なく、これがさらに広い領域で変わり、装
置の特性および出力媒介変数などを緩やかに変化させう
る理由である。導波管内のレーザ（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，
３Ｄ）に対する電流Ｊ1 ないし位相変調器の制御電極上
の電圧(U2)を変化することによってθ01が調整される。

【００３９】変数θ02はリング光トランジスタおよび全
体システムの初期離調値であり、共振状態を定義し、光
プロセッサ共振の鋭さを示す係数である。θ02は広い領
域に亘って変わり、多重安定性に影響を与える。ｄ−係
数と共に、θ02は装置特性の形態と、ヒステリシスルー
プ(hysteresis loop) 面積、また光ポンピングＩ0 の水
準を制御する。θ02は装置の制作のとき規定され、リン
グ共振器の電極上の電圧(U3)およびリング光トランジス
タのレーザ内の導入水準、即ち、電流Ｊ2 を有する電圧
(U3)によって制御および変化される。

【００４０】変数ｄは、電気的な能動光学的二股結合
（ＢＯＡ）構造の近接チャネルにおけるゲーティング(g
ating)水準を定義する係数であり、これはスイッチング
またはコミュテーション装置の最も重要な変数である。
ｄ＝（ｃ1 ⁴ ＋ｃ2 ⁴ ）／（ｃ1 ² ｃ2 ² ）であり、こ
こでｃ1 とｃ2 は波形プロファイルを混合器モードに分
解することに対する係数である。前記係数などに対する
付加的な内容は、Andreev V.M.らによって1984年Tekhni
cheski Sredstva Svyazi,seria:Tekhn.Prov.Svyazi,Vyp
usk 6,115-121 頁に掲載された“Optical Bistable Com
mutating Devicewith Electronic Feedback”にさらに
詳しく開示されている。開示された装置において、ｄ−
係数は装置の作動、即ち、特性の形態とヒステリシスの
幅と面積を全体的に決定する（図８）。

【００４１】値“1 ”が制限された値であり、ｄが１に
近ければ近いほど、システムは他の変数などのいかなる
値にも関係なく、広いヒステリシスを有する光双安定性
を表す。即ち、ｄが１に接近するとき（ｄ→１）、但
し、ヒステリシスループは変換されうるが、差動利得曲
線に変換され得ない。ｄ−係数はＢＯＡ電極上に印加さ
れた電圧によって制御され、大きいｄ値（ｄ＞５）は差
動利得の正常特性(steady characteristic) を表す。し
たがって、ヒステリシス周期（メモリ）または差動利得
曲線が施されるｄ−係数値の領域がある。同調が全体シ
ステムにあまり影響を与えないということが重要であ
る。これは屈折率の変化は、ただＢＯＡ領域内でだけ生
じ、他の媒介変数などが固定されたばあい、ｄ値は全装
置に影響を与えるためである。即ち、ｄ−係数は他の媒
介変数に弱く結合されている。

【００４２】変数△β0 は導波管と混合器内のモード電
波常数の差であり、基本的に、この値の増加によってポ
ンピング水準値が減少（感度を増加）して、特性の形態
は変化されない。△β0 は導波管と電気的な能動光学的
二股結合（ＢＯＡ）の電極上の電圧、即ち、Ｕ1 とＵ2
値によって制御される（図９，図１０）。

【００４３】零でないｄおよび△β0 に対して、システ
ム内における光双安定性具現は、装置の寸法とモード位
相の正確な一致も、完全なチャネル分離も可能でない実
際システムでこれらの特性を実現することが可能である
ことを立証するという事実に注目しなければならない。
前述した媒介変数などに対する電圧ないし電流のあいだ
の関係は、表（Ｉ）に要約されており、ここで左列は媒
介変数を、右列は電圧変数U 、また中の列は電流変数Ｊ
を表す。

【００４４】

【表１】 表（Ｉ） 制御媒介変数 電流（J ） 電圧（U ） Ｇ1 Ｕ1 Ｇ01 Ｊ1 Ｇ02 Ｊ2 θ01 Ｊ1 Ｕ1 ，Ｕ2 θ02 Ｊ2 Ｕ3 ｄ Ｕ1 △β0 Ｕ1 前記開示された装置を作動するために、実際に、全シス
テムの共振器であるリング共振器内における光放射の強
さがリング共振器物質で、非線形効果の強さの臨界値を
超過しないように、電流値Ｊ1 およびＪ2 （図１，図１
０）がレーザに対して選択される。初期に共振器は、共
振状態から離調された状態にあり、これは出力強さの
“最も低い”状態になる。光の強さが臨界値を超過する
とき（即ち、レーザ放射の増加、または共振状態への位
相変調器の調整、また位相変調器の領域とリング共振器
内で電界の強さの変化による屈折率の変化によって）、
物質の非線形特性にため、位相変調器とリング共振器の
反反射または飽和状態になる。即ち、共振状態へ同調さ
れる。依存度がｎ＝ｎ0 ＋ｎ2 Ｉp であれば、Ｉp の臨
界値が得られると、加数の影響が重要になり、システム
は自動的に共振状態で同調され初め、この過程はリング
共振器内で高いＱ−係数、鏡などによって提供される光
トランジスタおよび振動モードと帰還回路における高い
Ｇ−係数のあいだの強い結合に起因するＢＯＡ−スイッ
チ内での帰還によって急激に雪崩(avalanche-like)方式
で進まれる。放射は共振方向へ光路ｎＬ（Ｌはリング共
振器の円周の長さまたは鏡（A-B ）と（C-D ）あいだの
距離）が変化し、内部フィールドＩｐが増加して、これ
によって屈折率の変化を起こし、光路ｎＬを増加させ、
また前記システムは速く共振状態へ移動する。かかるプ
ロセスのうち、Ｉｐの増加は光導入によるレーザ内の光
フィールドの増加、キャリヤ密度の減少、誘導放射のモ
ードでレーザを反転させるレーザ領域における屈折率の
増加を誘発し、これは前記システムで光パワーのさらに
大きい増大を誘発する。

【００４５】初期状態において、ファブリー・ペロ干渉
計およびリング共振器は離調され、レーザの集積された
パワーは、非線形効果を生じさせるための臨界値を超過
するのには十分でないが、結合モードの光双安定性カス
ケードで光トランジスタよおび結合領域（図１）で増幅
される外部からの光信号の値は、リング共振器および全
体としてのシステムの特性変化の前述した過程を招くに
十分で、その結果、システムは“最高(highest) の”光
強さ状態に変異する。導波管ーリング共振器アレーが光
学的に双安定性であり、リング共振器を通じて帰還する
ため、入力信号のエネルギーポンピングであるシステム
反応（入力撹乱）の初期段階から出力信号の形成が遅延
(stalling)および急激な変化特性によってセルフーマッ
チング(self-matching) 周期で決定される。信号の双安
定性遅延によってリング共振器および前述された結果を
招く他のセルで光の強さの急激な増加を誘発し、かかる
強さの増加はセル導波管ー共振器によってポンピングの
強さの増加として認識される。即ち、かかる過程は、加
速的に“最高の”状態に反転される。屈折率（ＢＯＡ領
域における“ｎ”値が係数とモードの結合程度を決定す
る）変化によるセル導波管ー共振器の光結合の増大のた
めに、この影響は自活(self-sustaining) になり、内部
共振器(in-resonator)の強さが増加する方向へ加速また
は増加される。

【００４６】前記開示された装置は、動作の特性を適切
に制御することによって貯蔵装置または光“ツライオド
(triod) ”で用いられる。高感度領域で特性の初期部分
は考えられたばあい（図２、図６〜９）に有用であり、
電極を通じた電気的調整、即ち、表（Ｉ）に示されたよ
うに、光トランジスタとリング共振器の電界を変化させ
るかレーザの電流値を調整によって再同調(retuning)が
行われる。

【００４７】光パワーの急激な増加は、４０ｄＢまでの
高い値の増幅係数を説明する。作動の遅延メカニズムを
有する装置において、特性の実際的な急さ(steepness)
は、基本的なプロセス、即ち、物質の緩和(relaxation)
（10-12 から10-13 秒までの時間の大きさを有する）、
エネルギーの分散、共振器内における光フィールドの揺
動および実際共振器の不安定性などによって制限され
る。

【００４８】“プロセッサ”モードの具現は、相応する
媒介変数などの値を有する図３ー５の曲線の多重ー安定
性領域で作動することによって得られる。

【００４９】したがって、ＥまたはＦ光ポートや接点へ
入る入力光信号ｉは光トランジスタ内の鏡９で制限され
た位相変調器の反反射および飽和を起こして、位相変調
器を共振状態で同調させ、その結果、光トランジスタの
共振状態への同調、光トランジスタレーザ放射の増加、
光トランジスタと電気的な能動光学的二股（ＢＯＡ）領
域内で光フィールドの増加、結果的に、リング共振器媒
体内で非線形効果を初期化するリング共振器両方向（時
計方向と反時計方向）へのエネルギーのポンピング、リ
ング共振器の共振状態への再同調、リング光トランジス
タレーザのレーザ生成モードへのスイッチング、Ｇ02へ
発生される乗法の予備ー増幅値のＧ02倍への光信号の増
幅、そのあと、リング共振器内部における光フィールド
のより大きい増加が生じ、前記撹乱は帰還回路を経てＢ
ＯＡと光トランジスタへ帰り、かかる一連の過程などが
繰り返して行われる。

【００５０】その結果、出力ポートＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのう
ち、いずれのポートにおいても、増幅された信号Ｉが放
射される。

【００５１】計算モードにおいて（図３ー５）、入力パ
ルスの貯蔵は光トランジスタの予備増幅によって発生し
て、システムの次の光強さの状態や等級まで到達すると
きまで持続される。

【００５２】前記装置を制作するのに用いられる典型的
な物質は、３成分システム（例えば、GaAlAs）、４成分
システム（例えば、InGaAsP ）および固体溶液（solid
solutions ）を含み、その成分は光反射の重ねられた波
長領域によって決定される。前記光プロセッサを製造す
るための方法は、液相エピタキシー、気相エピタキシ
ー、MOCVD(Metal-Oxide Chemical Vapor Deposition)お
よびモスヒドレート(moshydrate)および分子ビームエピ
タキシー（molecular-beam epitaxy）を含む。

【００５３】ハイブリッド(hybrid)形態の光プロセッサ
能動セルの設計および構造は、前述した技法を用いて制
作されて、インジウムーベース(In-based)半田づけを用
いて、リング共振器と導波管の食刻窓(etched-window)
内に取付られる。

【００５４】集積光(integrated-optical)形態で、次の
構造が提案される。レーザは二重ヘテロ構造(heterostr
ucture) を有し、最も簡単な仕組みで能動層がリング共
振器と導波管上に分布されるように生成される。能動層
の垂直方向への形成はヘテロ接合の成長と共に施され
る。平面方向(planar-wise) への能動層はプロセッサ素
子の形態を取る接点パッド(pad) の大きさによって制限
される。他の方法として、素子大きさの制限は沈清され
たマスクド(immersed masked) ヘテロ構造内に狭い能動
結合層を施すことによって行われる。集積光形態におい
て、鏡などは化学食刻を伴うリソグラフィープロセッサ
を用いて分配帰還(distributed feedback,DFB)形態また
は分配ブラッグ鏡(distributed Bragg mirrors;DBM) の
ような形態として制作される。前記考えられたデザイン
は、量子大きさ(quantum-sized) 構造を用いることによ
って行われる。

【００５５】開示された装置は、光インパルス(impuls
e) による論理動作および計算可能性および多段モード
における貯蔵を特徴とする。従属関係であるｉ＝f
（Ｉ）によって決定され、望ましく装置電極を通じた電
気的な制御による媒介変数などを用いた光プロセッサの
多様な機能を制御能力などの主要な長所を有する。入力
光信号が光トランジスタの位相変調器に導入される方法
は、光信号周波数と光トランジスタの同調周波数の正確
な一致を避けうるようにする。高い増幅係数（40ｄＢ以
上）、高い応答度また非正規揺動の抑圧が行われる。完
全な利用度(accessibility）、四つの光出力また増幅と
共に光信号のコミュテーチングやスイッチングを行いう
る可能性は同じ方式により得られる。

【００５６】

【発明の効果】前述したように、本発明はＢＯＡ／リン
グトランジスタ構造の特徴である多重安定性効果に起因
する光信号の多段処理を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光プロセッサの概略的な平面図で
ある。

【図２】差動増幅特性の臨界値Ｉ0 と動的領域(dynamic
range) の変化を説明する図面である。

【図３】示された増幅変数の値によってメモリに貯蔵さ
れた値“５”に対する計算過程を示した図面である。

【図４】本発明の多重安定(multistable) 特性を用いて
計算を行う光プロセッサの能力を示す図面である。

【図５】合計２０までの累積または合算過程および前記
結果の貯蔵過程を示した図面である。

【図６】光トランジスタの初期離調(detuning)の影響を
示した図面である。

【図７】θ02の初期離調の影響を示した図面である。

【図８】増加するｄ係数の関数であって、光学的な双安
定性特性における変化を示した図面である。

【図９】モード電波の位相差に対するカーブの依存度を
示した図面である。

【図１０】図１の装置の光接触などとその電極を示した
図面である。

【符号の説明】

１ 非線形共振器 ２ーＡＢ, ２−ＣＤ 導波管 ３−１，３−２，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ レーザ ４ 結合領域 ５ 位相変調器 ６ 制御電極 ８、９ 鏡

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光エネルギーを処理する光プロセッサに
   おいて、共通基板上の非線形リング共振器および各々が
   前記非線形リング共振器との光結合領域を備え、向き合
   う端部に半導体レーザを備える少なくとも一対のストリ
   ップ(strip)導波管と、 前記光結合領域の外領域の前記非線形リング共振器に位
   置する少なくとも第１および第２半導体レーザと、 前記光結合領域と前記第１および第２半導体レーザと前
   記光結合領域のあいだの前記リング共振器上に位置する
   制御電極とを含むことを特徴とする光プロセッサ。