JP3206616B2

JP3206616B2 - 光論理方法及び光論理素子

Info

Publication number: JP3206616B2
Application number: JP10475593A
Authority: JP
Inventors: 敏夫伊藤; 明姫野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH06313912A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力光信号によって出
力光の偏波面を切り替えることにより信号光の論理演算
を行う光論理方法及び光論理素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光半導体素子の一種である光論理素子
は、将来実現が期待される全光システムにおいて、光信
号の制御のために必要不可欠なものである。図６は従来
の光論理素子の一例を示す側面図である。この光論理素
子１は、基板２、クラッド層３、活性層４、クラッド層
５、電極６，７から構成される半導体レーザの上部電極
７を２つの電極７ａ，７ｂに分割したもので、電極７
ａ，７ｂそれぞれに注入する電流を調整することにより
図７に示すような光入出力特性を得ることができる。

【０００３】例えば、図７（ａ）の点Ａの位置に系を保
持し、この系にパルス状の入力光ｐ₁を入射すると出力
光ｐ₂は点Ｂとなり、この状態が保持される。すなわち
メモリ動作が可能である（図８（ａ）参照）。また、図
７（ｂ）の点Ａの位置に系を保持し、この系に２つの入
力光ｐ₃，ｐ₄を入射すると、出力光ｐ₂は図８（ｂ）の
ようになる。すなわちＡＮＤ動作が可能である。また、
図７（ｃ）の点Ａの位置に系を保持し、この系に２つの
入力光ｐ₅，ｐ₆を入射すると、出力光ｐ₂は図８（ｃ）
のようになる。すなわちＯＲ動作が可能である。以上の
ように、この光論理素子１は注入する電流を調整するこ
とでメモリ、ＡＮＤ、ＯＲという論理動作が可能であ
る。

【０００４】また、一般に半導体レーザの出力光ｐ
₂は，図９に示すように、この半導体素子に対して水平
方向のＴＥ波と垂直方向のＴＭ波の２つがある。この２
つの光はお互いに競合しあうので、ＴＥ波が出力される
とＴＭ波が抑制され、逆にＴＭ波が出力されるとＴＥ波
が抑制されるという特徴があり、この偏波間のモード競
合は光強度一定のままで行われるので、注入電流が光出
力に変換される必要がなく、したがって、デバイス内部
のキャリア寿命に動作速度が律速されることがない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光論理素子１には、出力光ｐ₂のオン／オフの動作速度
がデバイス内部のキャリア寿命に律速されてしまうこ
と、また、メモリのリセットを光信号で行うことができ
ず、電気パルスで行わなければならないこと、等の欠点
があり、また、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲというような
負論理の演算を行なうことが不可能であるという問題点
もある。また、従来の光論理素子１に用いられる半導体
レーザにおいては、端面における反射率や導波路でのゲ
インはＴＥ波の方がＴＭ波に比べて大きく、したがっ
て、ＴＭ波によるレーザ発振が起こりにくいという問題
点があった。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、動作速度がキャリア寿命に律速されないＴＥ
モードとＴＭモード間のモード競合を利用し、メモリの
リセットも光信号で行うことができ、かつ負論理を容易
に得ることができる光論理方法及び光論理素子を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な光論理方法及び光論理素子を採用
した。すなわち、請求項１記載の光論理方法は、ＴＥ偏
波とＴＭ偏波からなる入力光を用いて出力光の偏波面を
切り替えることにより光論理演算を行う光論理方法であ
って、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅し、次い
で、これらＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方を反射
し出力させるとともに、いずれか他方を透過させ、次い
で、該透過した光を増幅または減衰させ、該増幅または
減衰された光を反射し出力させることを特徴としてい
る。

【０００８】また、請求項２記載の光論理素子は、ＴＥ
偏波とＴＭ偏波からなる入力光を用いて出力光の偏波面
を切り替えることにより光論理演算を行う光論理素子で
あって、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅する第
１の領域と、これらＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一
方を反射し出力させるとともに、いずれか他方を透過さ
せる第２の領域と、該透過した光を増幅または減衰させ
る第３の領域と、該増幅または減衰された光を反射し出
力させる第４の領域とを備え、これら４つの領域を光の
導波路に沿って配列したことを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明の請求項１記載の光論理方法では、増幅
したＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方を反射し出力
させるとともに、いずれか他方を透過させ、次いで、該
透過した光を増幅または減衰させた後に反射し出力させ
ることにより、ＴＥ偏波とＴＭ偏波からなる入力光に対
する論理演算を行うように出力光の偏波面を切り替え、
ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲというような負論理の光論理
演算を行う。

【００１０】また、請求項２記載の光論理素子では、第
１の領域により前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅
し、第２の領域によりＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか
一方を反射し出力させるとともに、いずれか他方を透過
させる。また、第３の領域により該透過した光を増幅ま
たは減衰させ、第４の領域により該増幅または減衰され
た光を反射し出力させる。これにより、ＴＥ偏波とＴＭ
偏波からなる入力光に対する論理演算を行うように出力
光の偏波面を切り替え、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲとい
うような負論理の光論理演算を具現化する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の各実施例について説明する。（実施例１）図１は本発明の実施例１の光論理素子１０
を示す構成図である。この光論理素子１０は、ＴＥ偏波
とＴＭ偏波からなる入力光ｐ₁₁を用いて出力光ｐ₁₂の偏
波面を切り替えることにより光論理演算を行う素子であ
り、入力光ｐ₁₁を構成するＴＥ波４１及びＴＭ波４２の
双方を増幅するＴＥ／ＴＭゲイン調整領域（第１の領
域）１１と、入力光ｐ₁₁の２つの偏波面ＴＥ・ＴＭ波に
対してＴＥ４１波を反射し出力させるとともに、ＴＭ波
４２を透過させるＴＥ波長調整領域（第２の領域）１２
と、該透過したＴＭ波４２を増幅させるＴＭゲイン調整
領域（第３の領域）１３と、該増幅されたＴＭ波４２を
反射し出力させるＴＭ波長調整領域（第４の領域）１４
とを備えたもので、これら４つの領域１１〜１４は光の
導波路に沿って一列に配列されている。そして、これら
４つの領域１１〜１４各々の上部には、それぞれ電極２
１〜２４が設けられている。

【００１２】ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域１１におけるゲ
インは、ＴＥ波４１の方がＴＭ波４２よりも大きいが、
ＴＥ波４１をＴＭゲイン調整領域１３において増幅する
ことによりこれを補償することができる。このとき、電
極２１，２２各々から注入される電流の大きさをそれぞ
れ変えることにより、増幅の度合いを調節することがで
きる。

【００１３】ＴＥ波長調整領域１２としては、例えば、
ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）と呼ばれる回
折格子３１が好適に用いられる。ＴＥ波４１とＴＭ波４
２はゲインや端面における反射率によって波長が異なる
ため、回折格子３１の格子定数を反射すべきＴＥ波４１
の波長に合うように設計することによりＴＥ波４１とＴ
Ｍ波４２を明確に分離することができる。図２はＴＥ波
とＴＭ波各々の光透過率と波長の関係の一例を示したも
ので、適当な回折格子を選択することによりＴＥ波とＴ
Ｍ波を明確に分離できることがわかる。

【００１４】また、ＴＭ波長調整領域１４においても、
上述したＴＥ波長調整領域１２と同様に回折格子３２が
好適に用いられ、該回折格子３２の格子定数を反射すべ
きＴＭ波４２の波長に合うように設計することによりＴ
Ｍ波４２を良好に反射させることができる。

【００１５】また、ＴＥ波長調整領域１２におけるＴＥ
波４１の反射波長は、電極２２から注入される電流、ま
たは印加される電圧によって調整することができる。同
様に、ＴＭ波長調整領域１４におけるＴＭ波４２の反射
波長は、電極２４から注入される電流、または印加され
る電圧によって調整することができる。なお、ＴＥ波４
１及びＴＭ波４２各々の波長を固定して用いる場合に
は、電極２２，２４を省略することができる。

【００１６】次に、この光論理素子１０を用いて光論理
演算を行う方法（光論理方法）について説明する。例え
ば、図３（ａ）の点Ａの位置に光論理素子１０を保持
し、この光論理素子１０にパルス状のＴＥ入力光ｐ₁₃を
入射すると、該ＴＥ入力光ｐ₁₃はＴＥ／ＴＭゲイン調整
領域１１及びＴＥ波長調整領域１２において増幅され、
ＴＥ出力光は点Ｂとなり、この状態が保持される。すな
わちメモリ動作が可能である。ここでは、ＴＥ波４１は
ＴＭ波４２の入力光により減衰し、一方、ＴＭ波４２は
ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域１１〜ＴＭ波長調整領域１４
において増幅されるため、リセットにはＴＭ波を用いれ
ばよい（図４（ａ）参照）。

【００１７】また、図３（ｂ）の点Ａの位置に光論理素
子１０を保持し、この光論理素子１０に２つのＴＥ入力
光ｐ₁₄，ｐ₁₅を入射すると、ＴＥ出力光は図４（ｂ）の
ようになる。すなわちＡＮＤ動作が可能である。この
時、ＴＭ出力光はＮＡＮＤとなる。また、図３（ｃ）の
位置に光論理素子１０を保持し、この光論理素子１０に
２つのＴＥ入力光ｐ₁₆，ｐ₁₇を入射すると、ＴＥ出力光
は図４（ｃ）のようになる。すなわちＯＲ動作が可能で
ある。この時、ＴＭ出力光はＮＯＲ動作となる。但し、
ＴＥ入力光が単一入力の時にはＮＯＴ動作となる。

【００１８】以上説明したように、実施例１の光論理方
法によれば、増幅したＴＥ波４１を反射し出力させると
ともにＴＭ波４２を透過させ、次いで、該ＴＭ波４２を
増幅させた後に反射し出力させることにより、ＴＥ波４
１とＴＭ波４２からなる入力光に対する論理演算を行う
ように出力光の偏波面を切り替え、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、
ＮＯＲというような負論理の光論理演算を行うことがで
きる。

【００１９】また、実施例１の光論理素子１０によれ
ば、ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域１１と、ＴＥ波長調整領
域１２と、ＴＭゲイン調整領域１３と、ＴＭ波長調整領
域１４とを備え、これら４つの領域１１〜１４を光の導
波路に沿って一列に配列したので、ＴＥ波４１とＴＭ波
４２からなる入力光に対する論理演算を行うように出力
光の偏波面を切り替えることができ、ＮＯＴ、ＮＡＮ
Ｄ、ＮＯＲというような負論理の光論理演算を具現化す
ることができる。

【００２０】なお、前記光論理素子１０は、ＴＥ波長調
整領域１２のＴＥ波４１及びＴＭ波長調整領域１４のＴ
Ｍ波４２の各々の波長を図２に示すような波長特性に調
整することにより、波長変換素子として利用することが
できる。例えば、図４の（ｂ）及び（ｃ）から明らかな
ように、上記の光論理素子１０は１つまたは複数のＴＥ
光入力から、ＴＭ光出力を得ることができる。また、Ｔ
Ｅ波４１とＴＭ波４２は異なる波長に調整されているの
で、これにより光入出力間において波長を変換すること
ができる。

【００２１】（実施例２）図５は本発明の実施例２の光
論理素子５０を示す構成図である。この光論理素子５０
は、入力光ｐ₁₁を用いて出力光ｐ₁₂の偏波面を切り替え
光論理演算を行う素子であり、入力光ｐ₁₁を構成するＴ
Ｅ波４１及びＴＭ波４２の双方を増幅するＴＥ／ＴＭゲ
イン調整領域（第１の領域）５１と、入力光ｐ₁₁の２つ
の偏波面ＴＥ・ＴＭ波に対してＴＭ４２波を反射し出力
させるとともに、ＴＥ波４１を透過させるＴＭ波長調整
領域（第２の領域）５２と、該透過したＴＥ波４１を減
衰させるＴＥゲイン調整領域（第３の領域）５３と、該
減衰されたＴＥ波４１を反射し出力させるＴＥ波長調整
領域（第４の領域）５４とを備えたもので、これら４つ
の領域５１〜５４は光の導波路に沿って一列に配列され
ている。そして、これら４つの領域５１〜５４各々の上
部には、それぞれ電極２１〜２４が設けられている。

【００２２】ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域５１におけるゲ
インは、ＴＥ波４１の方がＴＭ波４２よりも大きいが、
ＴＥ波４１をＴＥゲイン調整領域５３において減衰する
ことによりこれを補償することができる。このとき、電
極２１から注入される電流の大きさを変えることにより
ＴＥ波４１及びＴＭ波４２のゲインを、また、電極２３
から注入される電流または印加される電圧の大きさを変
えることによりＴＥ波４１の減衰の度合を調節すること
ができる。

【００２３】ＴＭ波長調整領域５２としては、例えば、
ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）と呼ばれる回
折格子６１が好適に用いられる。ＴＥ波４１とＴＭ波４
２はゲインや端面における反射率によって波長が異なる
ため、回折格子６１の格子定数を反射すべきＴＭ波４２
の波長に合うように設計することにより、上述した実施
例１の図２と同様に、ＴＥ波４１とＴＭ波４２を明確に
分離することができる。

【００２４】また、ＴＥ波長調整領域５４においても、
上述したＴＭ波長調整領域５２と同様に回折格子６２が
好適に用いられ、該回折格子６２の格子定数を反射すべ
きＴＥ波４１の波長に合うように設計することにより該
ＴＥ波４１を良好に反射させることができる。

【００２５】また、ＴＭ波長調整領域５２におけるＴＭ
波４２の反射波長は、電極２２から注入される電流、ま
たは印加される電圧によって調整することができる。同
様に、ＴＥ波長調整領域５４におけるＴＥ波４１の反射
波長は、電極２４から注入される電流、または印加され
る電圧によって調整することができる。なお、ＴＥ波４
１及びＴＭ波４２各々の波長を固定して用いる場合に
は、電極２２，２４を省略することができる。

【００２６】次に、この光論理素子５０を用いて光論理
演算を行う方法（光論理方法）について説明する。例え
ば、図３（ａ）の点Ａの位置に光論理素子５０を保持
し、この光論理素子５０にパルス状のＴＥ入力光ｐ₁₃を
入射すると、該ＴＥ入力光ｐ₁₃はＴＥ／ＴＭゲイン調整
領域５１及びＴＭ波長調整領域５２において増幅され、
ＴＥ出力光は点Ｂとなり、この状態が保持される。すな
わちメモリ動作が可能である。ここでは、ＴＥ波４１は
ＴＭ波４２の入力光により減衰し、一方、ＴＭ波４２は
ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域５１及びＴＭ波長調整領域５
２において増幅されるため、リセットにはＴＭ波を用い
ればよい（図４（ａ）参照）。

【００２７】また、図３（ｂ）の点Ａの位置に光論理素
子５０を保持し、この光論理素子５０に２つのＴＥ入力
光ｐ₁₄，ｐ₁₅を入射すると、ＴＥ出力光は図４（ｂ）の
ようになる。すなわちＡＮＤ動作が可能である。この
時、ＴＭ出力光はＮＡＮＤとなる。また、図３（ｃ）の
位置に光論理素子５０を保持し、この光論理素子５０に
２つのＴＥ入力光ｐ₁₆，ｐ₁₇を入射すると、ＴＥ出力光
は図４（ｃ）のようになる。すなわちＯＲ動作が可能で
ある。この時、ＴＭ出力光はＮＯＲ動作となる。但し、
ＴＥ入力光が単一入力の時にはＮＯＴ動作となる。

【００２８】以上説明したように、実施例２の光論理方
法によれば、増幅したＴＭ波４２を反射し出力させると
ともにＴＥ波４１を透過させ、次いで、該ＴＥ波４１を
減衰させた後に反射し出力させることにより、ＴＥ波４
１とＴＭ波４２からなる入力光に対する論理演算を行う
ように出力光の偏波面を切り替え、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、
ＮＯＲというような負論理の光論理演算を行うことがで
きる。

【００２９】また、実施例２の光論理素子５０によれ
ば、ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域５１と、ＴＭ波長調整領
域５２と、ＴＥゲイン調整領域５３と、ＴＥ波長調整領
域５４とを備え、これら４つの領域５１〜５４を光の導
波路に沿って一列に配列したので、ＴＥ波４１とＴＭ波
４２からなる入力光に対する論理演算を行うように出力
光の偏波面を切り替えることができ、ＮＯＴ、ＮＡＮ
Ｄ、ＮＯＲというような負論理の光論理演算を具現化す
ることができる。

【００３０】なお、前記光論理素子５０は、ＴＭ波長調
整領域５２のＴＭ波４２及びＴＥ波長調整領域５４のＴ
Ｅ波４１の各々の波長を図２に示すような波長特性に調
整することにより、波長変換素子として利用することが
できる。例えば、図４の（ｂ）及び（ｃ）から明らかな
ように、上記の光論理素子５０は１つまたは複数のＴＥ
光入力から、ＴＭ光出力を得ることができる。また、Ｔ
Ｅ波４１とＴＭ波４２は異なる波長に調整されているの
で、これにより光入出力間において波長を変換すること
ができる。

【００３１】また、上記各実施例では、入力をＴＥ波、
出力をＴＥ／ＴＭ波としたが、逆に入力をＴＭ波とし、
出力をＴＭ／ＴＥ波とすることも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
記載の光論理方法によれば、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波
の双方を増幅し、次いで、これらＴＥ偏波及びＴＭ偏波
のいずれか一方を反射し出力させるとともに、いずれか
他方を透過させ、次いで、該透過した光を増幅または減
衰させ、該増幅または減衰された光を反射し出力させる
ので、ＴＥ偏波とＴＭ偏波からなる入力光に対する論理
演算を行うように出力光の偏波面を切り替え、ＮＯＴ、
ＮＡＮＤ、ＮＯＲというような負論理の光論理演算を行
うことができる。

【００３３】また、請求項２記載の光論理素子によれ
ば、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅する第１の
領域と、これらＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方を
反射し出力させるとともに、いずれか他方を透過させる
第２の領域と、該透過した光を増幅または減衰させる第
３の領域と、該増幅または減衰された光を反射し出力さ
せる第４の領域とを備え、これら４つの領域を光の導波
路に沿って配列したので、ＴＥ偏波とＴＭ偏波からなる
入力光に対する論理演算を行うように出力光の偏波面を
切り替えることができ、ＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲとい
うような負論理の光論理演算を具現化することができ
る。

【００３４】以上により、動作速度がキャリア寿命に律
速されない偏波間のモード競合を利用し、メモリのリセ
ットも光信号で行うことができ、かつ負論理を容易に得
ることができる光論理方法及び光論理素子を実現するこ
とができる。また、ＴＥ波とＴＭ波の波長を調整するこ
とで、光入出力間で波長を変換することが可能な光論理
方法及び光論理素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光論理素子を示す構成図で
ある。

【図２】本発明の実施例１の光論理素子のＴＥ波とＴＭ
波各々の光透過率と波長の関係を示す説明図である。

【図３】本発明の実施例１の光論理素子の特性を示す説
明図である。

【図４】本発明の実施例１の光論理素子の特性を示す説
明図である。

【図５】本発明の実施例２の光論理素子を示す構成図で
ある。

【図６】従来の光論理素子を示す構成図である。

【図７】従来の光論理素子の特性を示す説明図である。

【図８】従来の光論理素子の特性を示す説明図である。

【図９】従来の半導体レーザを示す構成図である。

【符号の説明】

１０光論理素子１１ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域（第１の領域）１２ＴＥ波長調整領域（第２の領域）１３ＴＭゲイン調整領域（第３の領域）１４ＴＭ波長調整領域（第４の領域）２１〜２４電極３１回折格子３２回折格子４１ＴＥ波４２ＴＭ波５０光論理素子５１ＴＥ／ＴＭゲイン調整領域（第１の領域）５２ＴＭ波長調整領域（第２の領域）５３ＴＥゲイン調整領域（第３の領域）５４ＴＥ波長調整領域（第４の領域）６１回折格子６２回折格子ｐ₁₁ 入力光ｐ₁₂ 出力光ｐ₁₃ ＴＥ入力光ｐ₁₄ ＴＥ入力光ｐ₁₅ ＴＥ入力光ｐ₁₆ ＴＥ入力光ｐ₁₇ ＴＥ入力光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 3/00 H01S 3/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＴＥ偏波とＴＭ偏波からなる入力光を用
いて出力光の偏波面を切り替えることにより光論理演算
を行う光論理方法であって、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅し、次いで、こ
れらＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方を反射し出力
させるとともに、いずれか他方を透過させ、次いで、該
透過した光を増幅または減衰させ、該増幅または減衰さ
れた光を反射し出力させることを特徴とする光論理方
法。
【請求項２】ＴＥ偏波とＴＭ偏波からなる入力光を用
いて出力光の偏波面を切り替えることにより光論理演算
を行う光論理素子であって、前記ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を増幅する第１の領域
と、これらＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方を反射
し出力させるとともに、いずれか他方を透過させる第２
の領域と、該透過した光を増幅または減衰させる第３の
領域と、該増幅または減衰された光を反射し出力させる
第４の領域とを備え、これら４つの領域を光の導波路に
沿って配列したことを特徴とする光論理素子。