JP3578737B6 - 全光フリップフロップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全光で動作するフリップフロップに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
光通信網の進展に伴い、全光での信号処理が指向されている。これが実現すれば、より高速でかつ低電力での光通信が可能になると考えられる。全光信号処理を可能とするための基本デバイスとして、全光で動作するフリップフロップが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の事情を背景としてなされたもので、全光で動作する、セット−リセットのフリップフロップを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の全光フリップフロップは、半導体レーザを有している。前記半導体レーザは、導波路を備えている。前記導波路は、マルチモード干渉部と、入力ポートと、出力ポートとを備えている。前記入力ポートおよび出力ポートは、前記マルチモード干渉部に接続されている。前記入力ポートは複数とされており、かつ、一方の入力ポートからセット光を、他方の入力ポートからリセット光を前記マルチモード干渉部に入力できる構成となっている。前記マルチモード干渉部は、その内部において、マルチモードの光を選択的に交差して透過させ、かつ、前記入力ポートの一方または他方から入力されたセット光およびリセット光に基づく発振により、前記マルチモードの光のいずれかを出力光として選択的に前記出力ポートに出力させる構成となっている。さらに、前記入力ポートまたは出力ポートには、可飽和吸収領域が備えられている。
【０００５】
【０００６】
請求項２記載の全光フリップフロップは、請求項１に記載のものにおいて、前記出力ポートは複数であるものとなっている。
【０００７】
請求項３記載の全光フリップフロップは、請求項１または２に記載のものにおいて、前記入力ポートまたは出力ポートはシングルモードの光を透過させる構成となっているものである。
【０００８】
【０００９】
請求項４記載の全光フリップフロップは、請求項１〜３のいずれか１項記載のものにおいて、前記入力ポートおよび出力ポートの端面は反射面とされているものである。
【００１０】
請求項５記載の全光フリップフロップは、請求項１〜４のいずれか１項記載のものにおいて、前記入力ポートが前記出力ポートを兼ねている構成となっている。
【００１１】
請求項６記載の全光フリップフロップは、請求項５記載のものにおいて、前記マルチモード干渉部には、入力光を反射させるミラー部が備えられている構成となっているものである。
【００１２】
請求項７記載の全光フリップフロップは、請求項５または６記載のものにおいて、前記出力ポートを兼ねた入力ポートには、入出力光の経路の切り替えを行うサーキュレータが取り付けられている構成となっている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態に係る全光フリップフロップについて、添付の図面を参照しながら以下に説明する。このフリップフロップは、基本的には、半導体レーザ１により構成されている。レーザ１には、図示しない電源が接続されている。
【００１４】
レーザ１は、基板１０と、活性層２０と、導波路３０とを備えている（図１参照）。基板１０および活性層２０は、従来の半導体レーザと同様である。
【００１５】
導波路３０は、マルチモード干渉部３１と、入力ポート３２と、出力ポート３３とを備えている。入力ポート３２および出力ポート３３は、マルチモード干渉部３１に接続されている（図１および図２参照）。
【００１６】
入力ポート３２は、セット用ポート３２１とリセット用ポート３２２とを有している。これにより、入力ポート３２は、セット用ポート（一方のポート）３２１からセット光を、リセット用ポート（他方のポート）からリセット光をマルチモード干渉部３１に入力できる構成となっている。セット用ポート３２１とリセット用ポート３２２とには、可飽和吸収領域３４が備えられている（図２参照）。可飽和吸収領域３４は、その部分のみに、半導体レーザとしての動作電源を供給しないことにより、容易に構成することができる。可飽和吸収領域３４においては、良く知られているように、入力光のパワーがしきい値を超えると、吸収飽和が生じるようになっている。また、セット用ポート３２１とリセット用ポート３２２とには、入力光（セット光およびリセット光）を対応するポートに入力するための導波路（図示せず）がそれぞれ接続されている。
【００１７】
出力ポート３３は、非反転出力ポート３３１と反転出力ポート３３２とを有している。非反転出力ポート３３１は、非反転出力（セット出力Ｑに対応）を得るためのものである。反転出力ポート３３２は、反転出力（リセット出力Ｑバーに対応）を得るためのものである。非反転出力ポート３３１と反転出力ポート３３２とには、出力光を得るための導波路（図示せず）が接続されている。
【００１８】
入力ポート３２および出力ポート３３は、シングルモードの光を透過（通過）させる構成となっている。また、入力ポート３２および出力ポート３３の端面は、レーザの内部にレーザ光を反射させるための反射面とされている。反射面におけるレーザ光の反射率は設計事項であるが、例えば３０％である。
【００１９】
マルチモード干渉部３１は、その内部においてマルチモードの光を透過させるようになっている。また、マルチモード干渉部３１は、入力ポートから入力されたセット光およびリセット光に基づく発振により、出力光を、選択的に出力ポートに出力させる構成となっている。より詳しく説明すると、マルチモード干渉部３１では、その内部を交差して通過する二つのモードで選択的に発振する。一方は、セット光入力ポート３２１から非反転出力ポート３３１に到る経路で発振するモードである。他方は、リセット光入力ポート３２２から反転出力ポート３３２に到る経路で発振するモードである。このようなマルチモード干渉を用いた、コヒーレント光の経路選択は、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラなどの技術において知られているので、これ以上の詳細の説明は省略する。また、前記以外の導波路３０の構成は、従来のものと同様である。
【００２０】
つぎに、本実施形態に係るフリップフロップの動作を、図３を参照しながら説明する。初期状態として、非反転出力Ｑおよび反転出力Ｑバーはゼロであるとする。
【００２１】
（セット動作）
まず、時間ｔ１において、セット光を、セット用ポート３２１から入力する。すると次の動作を生じる。
１）セット光入力により、活性層２０でのレーザ発振を生じる。
２）発生したレーザ光は、通常のレーザと同様にして、導波路３０を透過する。
３）マルチモード干渉部３１では、予め規定されたモードのみが成立する。すなわち、セット用ポート３２１と非反転出力ポート３３１との間のみで光が往復することになる。セット光によるこのようなモードを以下セットモードという。この状態では、レーザの利得は、このセットモードのみによって消費されるので、他のモードが発生することは原則としてない。
４）セット用ポート３２１に設けられた可飽和吸収領域３４は、入力光のパワーにより吸収飽和を生じ、透明化する。したがって、可飽和吸収領域３４は、セット用ポート３２１を通過する光の発振を実質的に妨げない。
【００２２】
このようにして、本実施形態では、非反転出力ポート３３１から、非反転出力Ｑを得ることができる。
【００２３】
ついで、時間ｔ２において、セット光をオフにする。しかしながら、前記の発振状態はそのまま続く。したがって、セット状態を維持することができる。
【００２４】
（リセット動作）
ついで、時間ｔ３において、リセット光を、リセット用ポート３２２から入力する。すると、つぎの動作を生じる。
１）リセット光入力により、活性層２０でのレーザ発振を生じる。
２）発生したレーザ光は、通常のレーザと同様にして、導波路３０を往復する。
３）マルチモード干渉部３１では、リセット光で生じた発振のために、セットモードでの発振における利得が減少する。つまり、リセット光としては、セットモードでの発振利得を十分低減させるだけのパワーを有することが望ましい。リセット光による発振利得が大きくなると、その発振モード（以下リセットモードという）のみが成立することになる。すなわち、リセット用ポート３２２と反転出力ポート３３２との間で光が往復する。言い換えると、この状態では、レーザの発振利得は、リセットモードにより消費されるので、セットモードでの発振利得は実質的に存在しなくなる。
４）リセット用ポート３２２に設けられた可飽和吸収領域３４は、リセット光のパワーにより吸収飽和を生じ、透明化する。したがって、可飽和吸収領域３４は、リセットモードにおける光の発振を妨げない。
５）一方、セットモードでの発振利得は低下するので、セットモードでの光のパワーは小さくなる。すると、セット用ポート３２１に設けられた可飽和吸収領域３４は、セットモードでの光を吸収する。これにより、セットモードでの光の発振を速やかに終わらせることができる。このようにして、セットモードからリセットモードへの切り替えを速やかに行うことができる。
【００２５】
以上の動作により、反転出力ポート３３２から、反転出力Ｑバー（Ｑの否定）を得ることができる。
【００２６】
ついで、時間ｔ４において、リセット光をオフにする。しかしながら、前記のリセットモードでの発振はそのまま続く。したがって、リセット状態を維持することができる。再びセット状態に戻す動作は、前記と同様なので説明を省略する。
【００２７】
このように、本実施形態によれば、簡単な構造により、全光でのフリップフロップ動作を実現することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、入出力ポート３２および３３として、シングルモードの光を透過させるものとしたので、出力光をシングルモードとすることができる。
【００２９】
【実施例】
つぎに、本実施形態に係る全光フリップフロップの実施例を説明する。この実施例に用いるフリップフロップの製造方法の一例を、図４を用いて説明する。はじめに、ｎ−ＩｎＰ基板の表面にｎ−ＩｎＰを２００ｎｍ厚で形成する。その上にＱ層（後述）を１２０ｎｍ厚で形成する。その上にＭＱＷ層を１００ｎｍ厚で形成する。その上にＱ層を１２０ｎｍ厚で形成する。その上にＰ−ＩｎＰ層を１０００ｎｍ厚で形成する。その上に、Ｐ−ＩｎＧａＡｓ層を２００ｎｍ厚で形成する。ここで、Ｑ層は、組成：ＩｎＧａＡｓＰ、バンドギャップλｇ＝１．２５μｍの構成である。ＭＱＷ層は、井戸層組成：ＩｎＧａＡｓＰ、井戸層厚さ：１０ｎｍ、障壁層組成：前記Ｑ層と同じ、障壁層厚さ：１０ｎｍの量子井戸を５セット積層した構成とした。ＭＱＷ層としてのバンドギャップλｇ＝１．５５μｍとした。
【００３０】
このように積層した後、図４中一点鎖線で示す形状となるようにエッチングを行う。これにより、所望形状の導波路３０を形成することができる。すなわち、マルチモード干渉部３１、入力ポート３２、出力ポート３３を形成することができる。
【００３１】
さらに、この実施例での導波路の寸法を、図２を参照して説明する。
マルチモード干渉部３１の幅Ｌ１：１２μｍ
マルチモード干渉部３１の長さＬ２：５７０μｍ
入出力ポートの幅Ｌ３：２μｍ
マルチモード干渉部３１の端部から入出力ポート中心までの長さＬ４：４μｍ
【００３２】
この実施例の条件を用いて数値計算およびシミュレーションを行った。その結果、図３に示されるようなフリップフロップ動作の存在が確認された。シミュレーションによって得られた二つのモードの状態を図５に示す。同図（ａ）はセットモード、同図（ｂ）はリセットモードでの発振状態を示している。セット光およびリセット光の入力によって、これらのモード間での状態遷移を発生させることが確認された。さらに、これらのモードで安定して発振することが確認された。なお、図５においては、光子密度の高い部分が、おおよそ、高い輝度で示されている。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態に係る全光フリップフロップを図６に基づいて説明する。この実施形態では、マルチモード干渉部３１の中間部に、入力光を反射するミラー部４０が設けられている。また、入出力ポートは兼用とされている。つまり、セット用ポート３２１は、反転出力ポート３３２を兼ねている。また、リセット用ポート３２２は、非反転出力ポート３３１を兼ねている。要するに、第１実施形態における導波路３０の構成が、ミラー部４０で実質的に折り畳まれたものとなっている。このようにすれば、機能としては、第１実施形態のものと等価である。しかも、装置の大きさを減少させることができる。ただし、入出力ポートには、入出力光を選別して、所定の方向に通過させるためのサーキュレータ５０が取り付けられている。サーキュレータ５０自体は公知である。他の構成は、第１実施形態と同様なので、これ以上の説明を省略する。
【００３４】
なお、前記各実施形態においては、入出力ポート３２および３３を、シングルモードの導波路構造としたが、マルチモードとすることも理論上は可能である。
【００３５】
また、前記実施形態では、出力ポートを二つ設けているが、反転出力および非反転出力のうちの一方のみを使う場合には、一つとしてもよい。
【００３６】
さらに、前記各実施形態では、入力ポートに可飽和吸収領域を設けたが、出力ポートにこれを設けても良い。その場合も動作原理は前記と同じである。
【００３７】
また、前記各実施形態では、入力ポートを構成するセット用ポート３２１とリセット用ポート３２２とを隣接させているが、これに限らない。例えば、図２に示される反転出力ポート３３２の位置（つまりセット用ポート３２１とは反対側の位置）としてもよい。要するに、原理的に、一方のモードにおける利得を奪って他方のモードでの発振を成立させる入力光を入力できる位置であればよい。出力ポートの位置は、要するに、あるモードでの出力光を取り出せる位置であればよい。
【００３８】
なお、前記各実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、前記に限らない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、全光で動作し、かつ安定して発振する、セット−リセットのフリップフロップを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における全光フリップフロップの概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】導波路部分を示す平面図である。
【図３】全光フリップフロップにおける動作を説明するためのタイムチャートであって、横軸は時間、縦軸は、セット光Ｓ、リセット光Ｒ、非反転出力Ｑ、反転出力Ｑバーのパワーを示している。
【図４】実施例における全光フリップフロップの製造方法の一例を説明するための説明図である。
【図５】実施例の結果を説明するための説明図であり、図（ａ）はセットモード、図（ｂ）はリセットモードでの発振状態を示している。
【図６】本発明の第２実施形態における全光フリップフロップの概略的な構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ
１０ 基板
２０ 活性層
３０ 導波路
３１ マルチモード干渉部
３２ 入力ポート
３２１ セット用ポート
３２２ リセット用ポート
３３ 出力ポート
３３１ 非反転出力ポート
３３２ 反転出力ポート
３４ 可飽和吸収領域
４０ ミラー部
５０ サーキュレータ

Claims (7)

1. 半導体レーザを有し、前記半導体レーザは、導波路を備え、前記導波路は、マルチモード干渉部と、入力ポートと、出力ポートとを備え、前記入力ポートおよび出力ポートは、前記マルチモード干渉部に接続されており、前記入力ポートは複数とされており、かつ、一方の入力ポートからセット光を、他方の入力ポートからリセット光を前記マルチモード干渉部に入力できる構成となっており、前記マルチモード干渉部は、その内部において、マルチモードの光を選択的に交差して透過させ、かつ、前記入力ポートの一方または他方から入力されたセット光およびリセット光に基づく発振により、前記マルチモードの光のいずれかを出力光として選択的に前記出力ポートに出力させる構成となっており、前記入力ポートまたは出力ポートには、可飽和吸収領域が備えられていることを特徴とする全光フリップフロップ。
2. 前記出力ポートは複数であることを特徴とする請求項１に記載の全光フリップフロップ。
3. 前記入力ポートまたは出力ポートはシングルモードの光を透過させる構成となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の全光フリップフロップ。
4. 前記入力ポートおよび出力ポートの端面は反射面とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の全光フリップフロップ。
5. 前記入力ポートが前記出力ポートを兼ねていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の全光フリップフロップ。
6. 前記マルチモード干渉部には、入力光を反射させるミラー部が備えられていることを特徴とする請求項５記載の全光フリップフロップ。
7. 前記出力ポートを兼ねた入力ポートには、入出力光の経路の切り替えを行うサーキュレータが取り付けられていることを特徴とする請求項５または６記載の全光フリップフロップ。

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