JP2721124B2 - 光プロセッサ - Google Patents
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- H01S5/1071—Ring-lasers
Description
とくに、光信号を増幅(amplification) 、コミュテーシ
ョン(commutation) 、スイッチングおよび光信号の計算
が可能である非線形光信号プロセッサに関する。
ッチングおよび光信号の計算のような機能が可能である
全光学素子(all-optical component) からなる装置に関
する需要が増加している。
えることによって、望ましくは、十分に高い速度および
単純な構成を有し、光信号が光処理の全段階に存在する
システムに基づく。かかる開発は、過去10年にわたっ
てなされてきた。
って、1983年11月Appl.Phys.Lett.第43巻9 号807-809
頁に掲載され、InSb( インジウム/ アンチモニー)
のような光学的に非線形である半導体物質上に形成され
たミラーを有する光学的非線形位相変調器を含む“High
Gain Signal Amplification in an InSb transphaser
at 77K”に開示されている。
用する装置により可能となり、その“光による光(light
by light)”の増幅効果は、強力なポンピングビーム(p
umping beam)とデータを載せた弱いビームをInSb半導体
結晶内へ注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) 増幅が得られ
る。かかる装置の長所は、小型化したデザイン、高い非
線形係数および高い利得係数を有することである。しか
し、短所は外部ポンピング源、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(FPI)と入力光信号間
の完全な周波数の一致の必要性である。かかる欠点のた
めに、その装置においては実験室模型で実現性が不透明
である。
れた“光トランジスタ”という名称の米国特許第5,001,
523 号に開示された光装置は、本発明の技術的特性に最
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の放射光の選択は勿
論、光信号のコミュテーションおよび増幅を可能にす
る。
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。
光信号によって調節可能であり、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に対して増加された
数の光ポートまたは接点を有し、高い入力信号感知水
準、高いパワー出力信号と、演算作用および貯蔵機能は
勿論、光信号の多段処理(multi-level processing)能力
を有する能動光信号プロセッサを提供することである。
ば、一対の第1導波管、一対の第1電極および一対の非
線形環形共振器(NCR;nonlinear circular resonator)か
らなる一対の方向性結合器を含み、各々の前記方向性結
合器は、各々の前記非線形環形共振器を有する各々の前
記第1導波管に光学的に結合されることによって形成さ
れ、各々の前記方向性結合器は各々の前記第1導波管お
よび各々の前記非線形環形共振器のあいだに光学的結合
領域に亘って印加される各々の第1電極によって調節さ
れ、各々の前記非線形環形共振器は一対の第1半導体レ
ーザおよび前記非線形環形共振器の状態の変化を行いう
る多数の第2電極を有し、各々の前記第1半導体レーザ
は、前記光結合領域の外部の領域内で各々の前記非線形
環形共振器に配置され、さらに、前記一対の非線形環形
共振器のあいだに位置し、位相変調器として動作可能で
ある能動光二股混合器を結合し、第2導波管、一対の第
2半導体レーザ、一対の第3電極および一対のミラーか
らなる光トランジスタを含み、各々の前記ミラーおよび
各々の第2半導体レーザは、前記第2導波管の端部の各
々に位置し、前記光トランジスタの変数を調節するため
の各々の前記第3電極は、前記第2導波管の垂直軸に平
行であり、前記光混合器は一対の前記第2半導体レーザ
のあいだに位置し、さらに、共通基準電極とを含む光プ
ロセッサを提供する。
線形環形共振器および各々の第1導波管を光学的に結合
することによって、各々の方向性結合器を形成し、非線
形環形共振器および第1導波管は物理的に共に結合する
か、各々から分離しうる。
ながらより詳しく説明すると、次の通りである。
形共振器(NCR:nonlinear circularresonator)の電気的
能動光学的二股結合(electrically active optical bif
urcation coupling)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、非線形環形共振器(NCR) との結合領域内
のレーザのあいだに、位相変調器(PM:phase modulator)
を有する“直接的(direct)”光トランジスタ(OT:optica
l transistor) を提供することによって、多数の新しい
機能および利点などを提供する電気的能動光学的二股(a
ctive optical bifurcation;BOA)形態の混合器を生成ま
たは発生させることである。なお、電気的能動光学的二
股は、Papuchon M. らによって1977年8 月Appl.Phys.Le
tt. 第31巻第4 号266-267 頁に掲載された“Electrical
ly Active Optical Bifurcation ”により詳しく開示さ
れている。
定性効果による光信号の多段処理の実行を可能にする。
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
れ得、出力放射は入力光トランジスタおよび電気的能動
光二股結合構造内で放射の伝播の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においても、増幅された信号の再
放射(re-radiation)、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、ある装置から発生されうる一連の光信号処理機
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、増幅作用を行い;電気的能動
光学的二股結合およびNCR 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
号の再放射が行われる。また、本発明は雑音水準(noise
level) ほど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
ンジスタによって、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。
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NCR の元よりまた内部的特性と相
互連結された位相変調器、光トランジスタおよびNCR の
非線形性の特性のために可能である。
ジスタ、リング共振器また電気的能動光学的二股結合ス
イッチ領域を有するNCR の構成によって得られる。
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巻第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。
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に入り、光の強さがある臨界値を超
過するとき、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+n2Ipであり(
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) 、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。
的同調または(b) 位相変調器からNCR へ伝播される光放
射のある部分に結合される制御光信号によってNCR との
結合素子として用いられる。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。
線形ファブリー・ペロ干渉計(FPI)として作動する。そ
して、その光路は集積された放射の強さに依存する。位
相変調は大きい共振器の光学的長さを変化させ、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(lasin
g)またはレーザモードを得るようにする。
(即ち、位相変調器によること)は、基本的に符合機能
を実現する。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引き起こすこと
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=G1iとなり、帰還回路(feedb
ack circuit)を通過して、半導体レーザ増幅器(semicon
ductor laser amplifier;SLA) で増幅されれば、I
SLA=G01G1i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。
A.らによって1991年Journal of Applied Spectroscopy,
第55巻第3号485-490 頁に掲載された“Concept of O
ptical Transistor ”に開示されている。
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 は電気的能動光学的二
股結合でNCR 内への透過水準を表す。
を有するNCR 構成は、これらの素子の各々から発見され
ない新しい機能的特性を提供する。即ち、新しい特性は
電気的能動光学的二股結合(BOA) スイッチまたはNCR 内
で発見され得ない。開示された発明において、電気的能
動光学的二股結合素子は光トランジスタ(OT)とNCR とを
結合させる。
の影響は、屈折率が媒質内の光エネルギーの強さによ
り、その関数、即ち、n=n0+n2Ipであり、また
システム内で帰還があるばあい明確になる。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非線形
性環形共振器と同一の物質からなったこと) は勿論、そ
の各々の素子( 即ち、帰還が外部鏡によって提供される
非線形環形共振器) 全てが前記条件に符合される(Byst
rov,Yu.L. らによって1992年Elektrosvyazj 第1号22-2
5 頁に掲載された“Optical Transistor as a New Func
tional 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
の初期反応が遅延(stalling)によって生じ、結果的に、
時間的に早く(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、光学的双
安定性モードで作動するシステムの影響を受ける。一連
の予備増幅、増幅とパワー増幅は、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な方法である。本発
明において、光接続状態にあるNCR の各々が強力に結合
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、分離された導波管と関連された非正規的
または非周期的な揺動を平坦にし、逆に本システムに特
異で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。
サ100,200 の平面図が各々図1および図2に示されてい
る。これらの光プロセッサは、一対の第1導波管1,1 ’
と一対の第1電極6,6 ’および一対の非線形環形共振器
(NCR)2,2’から構成された一対の方向性結合器10,10 ’
を含み、各々の一対の方向性結合器( 例えば、10) は、
NCR2を有する第1導波管1 を光学的に結合して形成し、
各々の方向性結合器( 例えば、10) は第1導波管1 およ
びNCR2のあいだの光学的結合領域に位置する第1電極6
によって調節され、各々のNCR(例えば、2)は一対の第1
半導体レーザ5A,5B を有し、NCR の状態は、多数の第2
電極13を変化することによって行われ、第1半導体レー
ザ( 例えば、5A) 各々は、光結合地域の外部の領域内の
NCR2内に配置されており、さらに、一対のNCR2,2’のあ
いだに位置し、位相変調器として動作可能である能動光
二股光混合器8 を結合し、第2導波管9 、一対の第2半
導体レーザ5E,5F 、一対の第3電極11,11 ’および一対
のミラー12,12 ’から構成された光トランジスタ(OT)7
を含み、各々のミラー( 例えば、12) および各々の第2
半導体レーザ( 例えば、5E) は、第2導波管9 の端部E
の各々に位置し、OTの変数を調節するための各々の第3
電極( 例えば、11) は、第2導波管9 の垂直軸に平行で
あり、光混合器8 は、一対の第2半導体レーザ5Eのあい
だに位置し、さらに、共通基準電極( 図示せず) を含
む。
線形環形共振器および各々の第1導波管を光学的に結合
することによって、各々の方向性結合器を形成し、光プ
ロセッサ200 でのように、非線形環形共振器および第1
導波管は物理的に共に結合されるか、光プロセッサ100
でのように各々から分離されうる。
および図2によって記述される。入力−出力光接点(A),
(B),(C) および(D) が本質的に同一であるので、次の説
明は入力光信号が光導波管1 内の出力接点(A) へ入るこ
とによって記述する。
の光信号のスイッチングを調節する。電圧U6を適切に
調節して、差動増幅(differential amplification)特性
を有する増幅は、光導波管1 およびNCR2を含む光双安定
性セル(optical bistabilitycell)で具現される。
相変調器8 の初期状態で発生し、レーザ5E,5F へ伝達さ
れて、優れたモード(domant mode) になってレーザ発生
モードになり、これはNCR2内で急激な光強さの増加が生
じ、よって、前記物質がNCR2で非線形特性を起こるよう
に強要する。結果的に、NCR2の共振は入力光信号周波数
と一致して、位相変調器を初期化するのに十分である光
出力放射は、位相変調器8 へ入ることになる。一対のOT
レーザ5E、5Fからレーザビームが、一対のミラー12’,1
2 ”によって限定され、光トランジスタ7(EF) の共振ま
で再同調され、これは光トランジスタ7(EF) が光トラン
ジスタ7 に併合されて、このシステムで一対のNCR2,2’
に対して、光混合器として作用する位相変調器としての
全システムを調節するようにする。
ことによって、NCR2,2' に光出力の結合部分が生じ、方
向性結合器10,10'によって増幅された周波数は、出力接
点A,B,C およびD を通じて放出される。大部分の光出力
は、光トランジスタ7 を限定する一対のミラー12,12'を
通じて出力される。
待機モードで動作し、システムへ入る入力信号が光双安
定性影響を表すシステムを構成している物質の非線形特
性を用いた共振状態で一次的に再同調されなければなら
なく、光信号にの全ての段階に対して、式(1) に記述さ
れた強さに関する屈折率n の依存度は方向性結合器(AB-
NCR-2,CD-NCR-2'),NCR(NCR-2,NCR-2')、光混合器8 およ
び光トランジスタEF内で処理される。図1および図2で
示されたように、本発明の光プロセッサの各々が一対の
NCR2,2' のあいだに位置したBOA 形態の光混合器8 に対
して軸に対して対称となるので、出力光信号I の特性
は、入力信号i および次のアルゴリズムの使用を通じた
変数から得られる。
された環形共振器(OT-CR) を有する光トランジスタであ
る。
述する式から得られ、両帰還に対するシステムの応答
は、光振動モードの伝播常数および第2チャネルの光路
でG 係数値のあいだの差に対して依存する式を導入する
ことによって得られる。かかる概念に対してScrapperら
によって1981年IEEE Journal of QuantumElectronics,Q
E-17,N3,322に掲載された“Remotely Controlled Integ
rated Directional Coupler Switch ”に付加的に開示
される。
(band-pass) 導波管からNCR への出力の転換を記述した
関数(F1)は、次のように表されうる。
たはスイッチングで光双安定性の研究は、Andreev らに
よって1984年Tekhnicheski Sredstiva Svyazi,seria:Te
khn.Prov.Svyazi,Vypusk 6,S.115-121に掲載された“Op
tical BistableCommutating Device with Electronic F
eedback”にさらに詳しく開示されている。Andreev に
よれば、OBモードでBOA-混合器の変換関数は次の通りで
ある。
合器の適切なモードに対する次の式によって記述される
入力信号の分解係数によって限定される。
OTの変換関数に鑑みて決定可能である。これから、OP特
性は次の式を用いて記述される。
び線形OTの各々に対応する。
増幅モード( 図4、曲線2)、光プロセッサモードのよう
なモードは具現されて、図3および図4にその結果が示
され確認される。
加算を提供し、その結果を記憶し、限定された値を記憶
しそれに入力された光信号を加え、その結果を記憶し(
図5の点3,4 および5 など) 、他の光接点で入力された
光信号を加え、その結果を記憶しうる能力を有する。
数を変化することによって得られる。
サの分離された要素を以前に限定した関数は、入力i お
よび出力I のあいだの依存度を得るようにする。
とき、第1次および第2次で差動における差動増幅の光
メモリ、d=1.5(図6において、曲線1)である多重−安定
メモリ、d=1.5(図6において、曲線1)であるときの値お
よびメモリの次数を形成するOSの加算、多重−安定特性
に関するOSの加算( 図7) 、また値などとかかる値など
のメモリの次数を形成するOSの加算( 図8) のような動
作モードなどが、入力BOA 混合器を有するOPで可能であ
ることが見られる。
安定性( 曲線1), ヒステリシスの面積の変化を有する多
重−安定性( 図9において、曲線2および3) の特性が
表された二股表面I=f(i,θ0)( 図9) によって示され
る。かかる特徴から変数の影響は明確になることが見ら
れる。
特性を具現する他の変数は、d1,d2,△β01, △β02G0,G
03, θ0 およびθ03である。
共振方向へ全光学システムの再同調および全光学システ
ムは勿論、分離されたセル(cell)で光学的双安定性の初
期状態を起こす。かかる結果は、レーザをレーザ発生モ
ードにし、このシステムで放射光の強さを急激に増加さ
せ、OTミラーによってこの放射光を閉じ込めておき、出
力チャネルを通じて光出力を増幅し分配する。さらに、
光システムが光信号によって与えられた値の加算過程を
行うことが可能にする適切な変数値によって多重安定性
は具現される。既に増幅された入力パルスの記憶化、加
算、この結果の記憶化および次の段階への変換は計算モ
ードで得られる。
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 so
lutions )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(epitaxy) 、気相エピ
タキシー、MOCVD(Metal-Oxide Chemical Vapor Deposit
ion)およびモスヒドレート(moshydrate)分子−ビームエ
ピタキシー(molecular-beam epitaxy)を含む。
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−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)
内にもうけられる。
構造が提案される。レーザは二重ヘテロ構造(heterostr
ucture) を有し、最も簡単な形態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構造の成長と共に行われる。
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(pads)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まれたマス
クド(immersed masked) ヘテロ構造内に狭い能動結合層
を形成する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ホログラフィックリソグラ
フィープロセス(holographic lithographyprocess) を
用いて制作される。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。
e) による論理動作および計算能力および多段モードに
おける貯蔵を特徴とする。依存関係i=f(I)によって決定
され、望ましくは装置の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の制
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と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(acc
essibility) 、四つの光出力また増幅と共に光信号のコ
ミュテーティングやスイッチングを行いうる能力は同じ
方式により得られる。
節および利用が可能であり、入出力光エネルギーに対し
て、多数の光ポートまたは接点を有し、演算作用および
貯蔵機能および多端処理能力を有する能動光信号プロセ
ッサを提供することができる。
面図である。
図である。
ある。
した図面である。
の変化を示す図面である。
ための光プロセッサの能力を示す図面である。
面である。
Claims (5)
- 【請求項1】 光信号の増幅、コミュテーションおよび
スイッチングまたは光信号の計算が可能である信号処理
システムに用いられる光プロセッサであって、 一対の第1導波管、一対の第1電極および一対の非線形
環形共振器(NCR;nonlinear circular resonator)からな
る一対の方向性結合器を含み、 各々の前記方向性結合器は、各々の前記非線形環形共振
器を有する各々の前記第1導波管に光学的に結合される
ことによって形成され、 各々の前記方向性結合器は各々の前記第1導波管および
各々の前記非線形環形共振器のあいだに光学的結合領域
に亘って印加される各々の第1電極によって調節され、 各々の前記非線形環形共振器は一対の第1半導体レーザ
および前記非線形環形共振器の状態の変化を行いうる多
数の第2電極を有し、 各々の前記第1半導体レーザは、前記光結合領域の外部
の領域内で各々の前記非線形環形共振器に配置され、さ
らに、 前記一対の非線形環形共振器のあいだに位置し、位相変
調器として動作可能である能動光二股混合器を結合し、
第2導波管、一対の第2半導体レーザ、一対の第3電極
および一対のミラーからなる光トランジスタを含み、 各々の前記ミラーおよび各々の第2半導体レーザは、前
記第2導波管の端部の各々に位置し、 前記光トランジスタの変数を調節するための各々の前記
第3電極は、前記第2導波管の垂直軸に平行であり、 前記光混合器は一対の前記第2半導体レーザのあいだに
位置し、さらに、 共通基準電極とを含むことを特徴とする光プロセッサ。 - 【請求項2】 各々の方向性結合器は、各々の前記非線
形環形共振器の水平軸上に形成されることを特徴とする
請求項1記載の光プロセッサ。 - 【請求項3】 各々の非線形環形共振器および第1導波
管は、各々物理的に分離されて方向性結合器を形成する
ことを特徴とする請求項2記載の光プロセッサ。 - 【請求項4】 各々の非線形環形共振器および第1導波
管は、物理的に共に結合されて方向性結合器を形成する
ことを特徴とする請求項2記載の光プロセッサ。 - 【請求項5】 各々の第1電極は、各々の前記非線形環
形共振器内で一対の前記第1半導体レーザの中間に位置
されることを特徴とする請求項2記載の光プロセッサ。
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