JP3805286B2 - 半導体光増幅器を用いた全光半加算器の具現方法及び装置 - Google Patents
半導体光増幅器を用いた全光半加算器の具現方法及び装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の素子を用いた全光半加算器の具現方法及び装置に関するものであって、具体的には、半導体光増幅器ベースの素子を用いたＸＯＲ論理素子とＡＮＤ論理素子で全光半加算器（Half Adder）を具現する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、演算システムに対する高速化と大容量化の要求が増加しているが、大部分の演算システムはシリコンベースの半導体に流れる電気信号に基づいて処理を行うため、その速度と情報処理容量の向上には大きな障壁がある。これに反して、インジウム（InP）ベースの光素子を用いた演算システムは、その速度と情報処理容量などの面において、従来のシリコンベースの半導体を用いた演算システムよりはるかに優れた効果を発揮しえる。一般的な演算システムはＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＮＸＯＲなどの単一論理素子を組み合わせて集積することにより構成されているが、光を用いた演算システムも例外ではない。
【０００３】
演算を遂行する演算素子の基本的な例として半加算器があげられる。この半加算器はＸＯＲ論理とＡＮＤ論理で構成される素子である。最近、超高速非線型干渉計（Ultrafast Nonlinear Interferometer：ＵＮＩ）を用いたＸＯＲ（C. Bintjas, M. Kalyvas, G. Theophilopoulos, T. Stathopoulos, H. Avramopoulos, L. Occhi, L. Schares, G. Guekos, S. Hansman and R. Dall'Ara, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, No. 7, Pg. 834-836, 2000）、テラヘルツ光非対称ディマルチプレクサ（Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer： TOAD）を用いたＸＯＲ (Pousite, Blow, Kelly, Manning, Opt. Commun., 156, pp. 22-26, 1998)、 サグナックゲート(Sagnac Gate)を用いたＸＯＲ（T. Houbavlis, Zoiros, A, Hatziefremidis, H Avramopoulous, L. Occhi, G. Guekos, S, Hansmann, H. Burkhard and R. Dall'Ara, Electronis Letters, Vol. 35, No. 19, pp. 1650-1652, 1999）、更に干渉波長コンバーター（Interferometric Wavelength Converter：IWC）を用いたＸＯＲ（T. Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt and M. Renaud, Electronics Letters, Vol. 36, No. 22, pp. 1863-1864, 2000 ）などの多くの研究がＸＯＲ論理素子の開発に集中している。又、ＡＮＤ論理素子としては、電界吸収型光変調器（Electroabsorption Modulator:EAM）を用いたＡＮＤ（E. Awad, P. Cho and J. Goldhar, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 13, No. 5. 2001）、非線型光ループミラー（Nonlinear Optical Loop Mirror：NOLM）を用いたＡＮＤ（B. Olsson, P. Andrekson, Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, Technical Digest, pp. 375-376, 1998）、更に４波長ミキシング（Four-wave mixing）を用いたＡＮＤ（D. Nesset. M. C. Tatham and D. cotter, Electronics Letters, Vol. 31, No. 11, pp. 896-897, 1995）などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した超高速非線型干渉計、テラヘルツ光非対称ディマルチプレクサ、サグナックゲートを用いた素子は高い動作速度を有するという長所があるものの、その中心になる構成要素が光ファイバであるため複雑であり、他の素子との集積が難しく、高集積化が要求される光演算システムに適用するにはむいていない。又、４波長ミキシングを用いた素子の具現方法は、信号の偏光を調節することが難しいという問題がある。
【０００５】
これに比して、単一半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier: SOA）を用いた方式の光論理素子は安定性が高く、システムの規模が小さくなり、且つ他の光素子との結合が容易であると同時に、偏光と波長に対して無依存性があるという（Fjelde, Wolson, Kloch, Janz, Coquelin, Guillemot, Gaborit, Poingt, Dagens, and Renaud, Electronics Letters, Vol. 36, No. 9, 2000）長所を持ち合わせている。
【０００６】
本発明は斯かる問題点を解決するために案出されたものであり、半導体光増幅器のインバーター特性を用いて具現化された全光ＸＯＲ論理素子と、ＸＰＭ波長変換を用いて具現化された全光ＡＮＤ論理素子とを用いて、安定性が高く、システムの規模が小さく、他の光素子との結合が容易で、偏光と波長に依存しない半導体光増幅器をベースとした全光半加算器の具現方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明は、Ａ信号を照射信号とするとともにＢ信号をポンプ信号として第１半導体光増幅器に入力し、同時に、Ａ信号をポンプ信号とするとともにＢ信号を照射信号として第２半導体光増幅器に入力し、第１と第２半導体光増幅器からのそれぞれの出力を加算することによって前記Ａ信号とＢ信号のＸＯＲ出力とし、そのＸＯＲ出力を半加算器のＳＵＭ（和）信号とし、同時に、ＸＰＭ波長可変器の出力信号の大小が、入力される照射信号の大小と同時に入力されるポンプ信号の大小に応じて定まる特性を利用して、前記Ａ信号を照射信号またはポンプ信号のいずれか一方としてＸＰＭ波長可変器に入力し、前記Ｂ信号を照射信号またはポンプ信号の他方としてＸＰＭ波長可変器に入力して、前記Ａ信号と前記Ｂ信号のＡＮＤ出力を前記半加算器のＣＡＲＲＹ（桁上げ）信号とする半導体光増幅器を用いた全光半加算器を実現する。
【０００８】
また、本発明は、一定の間隔のパルス信号を作る光ファイバリングレーザ及びパルス生成器と、前記パルス信号を入射させて分割する第１のカプラと、前記第１のカプラにより分割された一方のパルス信号を遅延させる第１の光遅延器と、前記第１の光遅延器により遅延されたパルス信号と、前記第１のカプラにより分割された他方のパルス信号とを結合して第１の２進数パターンを有するＡ信号を作る第２のカプラと、前記Ａ信号を遅延させて、第２の２進数パターンを有するＢ信号を作る第２の光遅延器と、前記Ａ信号を照射信号として、前記Ｂ信号をポンプ信号としてそれぞれ入射させることにより、Ａ信号・反転Ｂ信号の論理信号を出力する第1半導体光増幅器と、前記Ａ信号をポンプ信号として、前記Ｂ信号を照射信号としてそれぞれ入射させることにより、反転Ａ信号・Ｂ信号の論理信号を出力する第2半導体光増幅器と、前記Ａ信号と前記Ｂ信号を同時に入射させて、前記第１の２進数パターンと前記第２の２進数パターンの論理積を論理信号として出力するＸＰＭ波長変換器とを備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は半加算器の基本概念図である。図１に示す半加算器は、表１の真理値表のＳＵＭ信号と、表２の真理値表のＣＡＲＲＹ信号とを具現する素子であって、このＳＵＭ信号とＣＡＲＲＹ信号はＸＯＲ論理素子とＡＮＤ論理素子をそれぞれ具現することによって得ることが出来る。
【００１０】
【表１】
【００１１】
【表２】
【００１２】
最初にＳＵＭ信号を出力するＸＯＲ論理素子の具現化について説明する。半導体光増幅器（ＳＯＡ）に強い光強度を有するポンプ信号を入射させると、半導体光増幅器内ではキャリアの枯渇現象が発生する。次に、照射信号を同時に入射させると、半導体光増幅器の内部においてポンプ信号によってキャリアが枯渇されて、利得飽和が起るため、出力される照射信号の光の強さが順次減るようになる。その結果、出力される信号は入射される信号と相反する値を有するようになる。
【００１３】
このような半導体光増幅器のインバーター特性は、Ａ信号とＢ信号が入射する時、表３と表４に示す値を有することになる。即ち、一方の半導体光増幅器にＡ信号を照射信号として、Ｂ信号をポンプ信号として入射させると、表３の真理値表に示すようにＡ・反転Ｂの論理出力信号を得ることが出来る。同様に、他方の半導体光増幅器にＡ信号をポンプ信号として、Ｂ信号を照射信号として入射させると、表４の真理値表に示すように反転Ａ・Ｂの論理出力信号を得ることが出来る。
【００１４】
【表３】
【００１５】
【表４】
【００１６】
従って、表３によるＡ・反転Ｂの論理出力信号と、表4による反転Ａ・Ｂの論理出力信号を合わせると、表1のＳＵＭのようにＡとＢが排他的論理和演算されるＸＯＲ論理素子を具現することが出来る。
【００１７】
図２は本発明に係る半加算器を具現化するブロック図であり、全光ＸＯＲ論理素子を具現化する装置も含まれている。この図において、最初に、光ファイバリングレーザ（Fiber Ring Laser）１０とパルス発生器（Pulse Generator）１４を用いて、４００ｐｓ（ピコ秒）の間隔を有する光パルス信号を作る。
【００１８】
次に、この光パルス信号を５０：５０カプラ１２ａに入射させて５０％と５０％とに分割した後、分割された一方を光遅延器（Optical Delay）２０ａを通過させて約１００ｐｓ遅延させ、他方を光減衰器（Attenuator）１６と偏光制御器（Polarization Controller）１８ａを通過させる。この後、カプラ１２ｃで分割された二つの信号を再度合わせて、例えば“１１００”の２進数パターンを有するＡ信号を作る。このＡ信号を、再度、偏光制御器１８ｂと光遅延器２０ｂを通過させることにより約１００ｐｓ遅延させて、更に光端方向器２２ｃを通過させ、“０１１０”の２進数パターンを有するＢ信号を作る。
【００１９】
第１半導体光増幅器ＳＯＡ１には、エルビウム添加光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ１と光端方向器２２ｂを通ってＡ信号が照射信号として、また、光端方向器２２ｃを通ってＢ信号がポンプ信号として入射される。第２半導体光増幅器ＳＯＡ２には、光端方向器２２ａを通ってＡ信号がポンプ信号として、また、エルビウム添加光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ２と光端方向器２２ｄを通ってＢ信号が照射信号として入射される。即ち、第１半導体光増幅器ＳＯＡ１ではＡ信号が照射信号で、Ｂ信号がポンプ信号の役割をし、第２半導体光増幅器ＳＯＡ２ではＡ信号がポンプ信号で、Ｂ信号が照射信号の役割をする。
【００２０】
図３は、第１半導体光増幅器ＳＯＡ１にＡ信号とＢ信号を入射して得られたＡ・反転Ｂの論理積を示す出力図であり、図４は、第２半導体光増幅器ＳＯＡ２にＡ信号とＢ信号を入射して得られた反転Ａ・Ｂの論理積を示す出力図である。図５は、この二つの出力を、５０：５０カプラ１２ｂを用いて加算した出力信号を信号検出器（Signal Analyzer）２４に接続されたオシロスコープで確認した出力図である。検出された信号はＡ・反転Ｂ＋反転Ａ・Ｂ、即ち、表１に示された全光ＸＯＲ論理素子の論理表と同一であることがわかる。
【００２１】
即ち、図５は第１半導体光増幅器ＳＯＡ１と第２半導体光増幅器ＳＯＡ２のそれぞれの出力信号の論理和であるＸＯＲ論理素子の動作特性を示しており、“１１００”の２進数パターンを有するＡ信号と、“０１１０”の２進数パターンを有するＢ信号が二つの半導体光増幅器（ＳＯＡ１、ＳＯＡ２）へ入射されて合わされると、“１０１０”パターンを有する出力信号が確認されることがわかる。この出力信号を見ると、Ａ信号が論理値“０”であると同時にＢ信号が論理値“１”である時、或いは、Ａ信号が論理値“１”であると同時にＢ信号が論理値“０”である時、出力信号は論理値“１”となる。同様に、二つの信号の論理値が全て同じ時、即ち、Ａ信号とＢ信号の論理値が全て“０”の場合、或いは、Ａ信号とＢ信号の論理値が全て“１”である場合、出力信号が論理値“０”となる。この結果は表１と一致するので、ＸＯＲ論理素子のＳＵＭ信号の具現が実験的に立証されたことがわかる。
【００２２】
次に、ＣＡＲＲＹ信号の具現に必要なＡＮＤ論理素子の具現方法を説明する。本発明では全光ＡＮＤ論理素子を実現するために、全光干渉波長コンバーター（All−optical interferometric wavelength converter）を用いる。ポンプ信号を変化させながら、高いパワーを有する照射信号と共にＸＰＭ波長可変器２８に入射させると、その出力信号のパワーが増大する。増大する前の出力信号のパワーを論理値“０”とし、増大した出力信号のパワーを論理値“１”とする。同様に、ポンプ信号を変化させながら、低いパワーを有する照射信号と共にＸＰＭ波長可変器２８に入射させると、その出力信号は無視できるほど小さくなるので、論理値“０”であるといえる。
【００２３】
この現象を図６に示す。従って、図６に図示されたように高いパワーを有するポンプ信号と照射信号をそれぞれ論理値“１”と見る時、高いパワーの出力が出力端子で検出されるので、ＡＮＤ論理素子の構成が可能になる。
【００２４】
図２でＸＯＲ論理素子を説明した時と同一の２進数パターンを有するＡ信号とＢ信号を、ＡＮＤ信号を具現するために、ＸＰＭ波長変換器２８へ同時に入射させると、図７に示すような入力信号に対する出力信号の変化が記録される。この図において、“１１００”パターンを有するＡ信号と、“０１１０”パターンを有するＢ信号が同時に入射される時、出力信号は“０１００”のパターンが出ているので、ＡＮＤ論理素子が実現されたことがわかる。即ち、二つの信号が同時に論理値“１”である時だけ、出力信号が倫理値“１”になり、その他の場合は、全て論理値“０”になる。この結果は表２と一致するため、ＡＮＤ論理素子のＣＡＲＲＹ信号の具現が実験的に立証されたことになる。
【００２５】
図８に、ＸＯＲ論理素子のＳＵＭ信号とＡＮＤ論理素子のＣＡＲＲＹ信号が同時に実現された時の特性を示す。この結果は半加算器を実現する表１と表２の結果と同一である。また、前述した論理の検証と実験の結果、１０Ｇｂ/ｓで動作する半加算器を開発することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係るＸＯＲ論理素子は二つの単一半導体光増幅器のインバーター特性を用いて具現しているためクロック信号やＣＷ信号への依存性がない。従って、二つの半導体光増幅器に入力されるＡ信号とＢ信号の速度のみ一致すればクロック信号やＣＷ信号がなくても素子の具現が可能である。更に、本発明のＸＯＲ論理素子はＡ・反転Ｂ信号と反転Ａ・Ｂ信号を先に求めてから、その後で合わせるため、Ａ・反転Ｂ信号と反転Ａ・Ｂ信号の分離が可能であり、他の多様な論理の具現が可能である。
【００２７】
又、本発明によると、半導体光増幅器のインバーター特性を用いて全光ＸＯＲ論理素子を具現し、ＸＰＭ波長信号を用いて全光ＸＯＲ論理素子を具現するため、演算の中心となる基本素子として安定性が高く、システムの規模を小さくでき、且つ他の光素子との結合が容易であると同時に、偏光と波長に対して依存しないという優れた効果を有する光コンピューターの実現に必須の素子である全光半加算器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 半加算器の基本概念図である。
【図２】 本発明に係る半加算器を具現化するブロック図である。
【図３】 本発明に係るXOR論理素子のＡ・反転Ｂの論理信号出力画面である。
【図４】 本発明に係るXOR論理素子の反転Ａ・Ｂの論理信号出力画面である。
【図５】 本発明に係る全光ＸＯＲ論理素子の論理信号出力画面である。
【図６】 全光干渉波長コンバーターを用いた本発明に係るＡＮＤ論理素子の基本概念図である。
【図７】 本発明に係るＡＮＤ論理素子の論理信号出力画面である。
【図８】 本発明に係る半加算器の論理信号出力画面である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバリングレーザ
１４ パルス発生器
１２ａ、１２ｂ カプラ
１６ 光減衰器
１８ａ、１８ｂ 偏光制御器
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 光遅延器
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 光端方向器
２４ 信号検出器
２８ ＸＰＭ波長変換器
ＥＤＦＡ１、ＥＤＦＡ２ エルビウム添加光ファイバ増幅器
ＳＯＡ１、ＳＯＡ２ 半導体光増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の素子を用いた全光半加算器の具現方法及び装置に関するものであって、具体的には、半導体光増幅器ベースの素子を用いたＸＯＲ論理素子とＡＮＤ論理素子で全光半加算器（Half Adder）を具現する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、演算システムに対する高速化と大容量化の要求が増加しているが、大部分の演算システムはシリコンベースの半導体に流れる電気信号に基づいて処理を行うため、その速度と情報処理容量の向上には大きな障壁がある。これに反して、インジウム（InP）ベースの光素子を用いた演算システムは、その速度と情報処理容量などの面において、従来のシリコンベースの半導体を用いた演算システムよりはるかに優れた効果を発揮しえる。一般的な演算システムはＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＮＸＯＲなどの単一論理素子を組み合わせて集積することにより構成されているが、光を用いた演算システムも例外ではない。
【０００３】
演算を遂行する演算素子の基本的な例として半加算器があげられる。この半加算器はＸＯＲ論理とＡＮＤ論理で構成される素子である。最近、超高速非線型干渉計（Ultrafast Nonlinear Interferometer：ＵＮＩ）を用いたＸＯＲ（C. Bintjas, M. Kalyvas, G. Theophilopoulos, T. Stathopoulos, H. Avramopoulos, L. Occhi, L. Schares, G. Guekos, S. Hansman and R. Dall'Ara, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, No. 7, Pg. 834-836, 2000）、テラヘルツ光非対称ディマルチプレクサ（Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer： TOAD）を用いたＸＯＲ (Pousite, Blow, Kelly, Manning, Opt. Commun., 156, pp. 22-26, 1998)、 サグナックゲート(Sagnac Gate)を用いたＸＯＲ（T. Houbavlis, Zoiros, A, Hatziefremidis, H Avramopoulous, L. Occhi, G. Guekos, S, Hansmann, H. Burkhard and R. Dall'Ara, Electronis Letters, Vol. 35, No. 19, pp. 1650-1652, 1999）、更に干渉波長コンバーター（Interferometric Wavelength Converter：IWC）を用いたＸＯＲ（T. Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt and M. Renaud, Electronics Letters, Vol. 36, No. 22, pp. 1863-1864, 2000 ）などの多くの研究がＸＯＲ論理素子の開発に集中している。又、ＡＮＤ論理素子としては、電界吸収型光変調器（Electroabsorption Modulator:EAM）を用いたＡＮＤ（E. Awad, P. Cho and J. Goldhar, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 13, No. 5. 2001）、非線型光ループミラー（Nonlinear Optical Loop Mirror：NOLM）を用いたＡＮＤ（B. Olsson, P. Andrekson, Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, Technical Digest, pp. 375-376, 1998）、更に４波長ミキシング（Four-wave mixing）を用いたＡＮＤ（D. Nesset. M. C. Tatham and D. cotter, Electronics Letters, Vol. 31, No. 11, pp. 896-897, 1995）などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した超高速非線型干渉計、テラヘルツ光非対称ディマルチプレクサ、サグナックゲートを用いた素子は高い動作速度を有するという長所があるものの、その中心になる構成要素が光ファイバであるため複雑であり、他の素子との集積が難しく、高集積化が要求される光演算システムに適用するにはむいていない。又、４波長ミキシングを用いた素子の具現方法は、信号の偏光を調節することが難しいという問題がある。
【０００５】
これに比して、単一半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier: SOA）を用いた方式の光論理素子は安定性が高く、システムの規模が小さくなり、且つ他の光素子との結合が容易であると同時に、偏光と波長に対して無依存性があるという（Fjelde, Wolson, Kloch, Janz, Coquelin, Guillemot, Gaborit, Poingt, Dagens, and Renaud, Electronics Letters, Vol. 36, No. 9, 2000）長所を持ち合わせている。
【０００６】
本発明は斯かる問題点を解決するために案出されたものであり、半導体光増幅器のインバーター特性を用いて具現化された全光ＸＯＲ論理素子と、ＸＰＭ波長変換を用いて具現化された全光ＡＮＤ論理素子とを用いて、安定性が高く、システムの規模が小さく、他の光素子との結合が容易で、偏光と波長に依存しない半導体光増幅器をベースとした全光半加算器の具現方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明は、Ａ信号を照射信号とするとともにＢ信号をポンプ信号として第１半導体光増幅器に入力し、同時に、Ａ信号をポンプ信号とするとともにＢ信号を照射信号として第２半導体光増幅器に入力し、第１と第２半導体光増幅器からのそれぞれの出力を加算することによって前記Ａ信号とＢ信号のＸＯＲ出力とし、そのＸＯＲ出力を半加算器のＳＵＭ（和）信号とし、同時に、ＸＰＭ波長可変器の出力信号の大小が、入力される照射信号の大小と同時に入力されるポンプ信号の大小に応じて定まる特性を利用して、前記Ａ信号を照射信号またはポンプ信号のいずれか一方としてＸＰＭ波長可変器に入力し、前記Ｂ信号を照射信号またはポンプ信号の他方としてＸＰＭ波長可変器に入力して、前記Ａ信号と前記Ｂ信号のＡＮＤ出力を前記半加算器のＣＡＲＲＹ（桁上げ）信号とする半導体光増幅器を用いた全光半加算器を実現する。
【０００８】
また、本発明は、一定の間隔のパルス信号を作る光ファイバリングレーザ及びパルス生成器と、前記パルス信号を入射させて分割する第１のカプラと、前記第１のカプラにより分割された一方のパルス信号を遅延させる第１の光遅延器と、前記第１の光遅延器により遅延されたパルス信号と、前記第１のカプラにより分割された他方のパルス信号とを結合して第１の２進数パターンを有するＡ信号を作る第２のカプラと、前記Ａ信号を遅延させて、第２の２進数パターンを有するＢ信号を作る第２の光遅延器と、前記Ａ信号を照射信号として、前記Ｂ信号をポンプ信号としてそれぞれ入射させることにより、Ａ信号・反転Ｂ信号の論理信号を出力する第1半導体光増幅器と、前記Ａ信号をポンプ信号として、前記Ｂ信号を照射信号としてそれぞれ入射させることにより、反転Ａ信号・Ｂ信号の論理信号を出力する第2半導体光増幅器と、前記Ａ信号と前記Ｂ信号を同時に入射させて、前記第１の２進数パターンと前記第２の２進数パターンの論理積を論理信号として出力するＸＰＭ波長変換器とを備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は半加算器の基本概念図である。図１に示す半加算器は、表１の真理値表のＳＵＭ信号と、表２の真理値表のＣＡＲＲＹ信号とを具現する素子であって、このＳＵＭ信号とＣＡＲＲＹ信号はＸＯＲ論理素子とＡＮＤ論理素子をそれぞれ具現することによって得ることが出来る。
【００１０】
【表１】
【表２】
最初にＳＵＭ信号を出力するＸＯＲ論理素子の具現化について説明する。半導体光増幅器（ＳＯＡ）に強い光強度を有するポンプ信号を入射させると、半導体光増幅器内ではキャリアの枯渇現象が発生する。次に、照射信号を同時に入射させると、半導体光増幅器の内部においてポンプ信号によってキャリアが枯渇されて、利得飽和が起るため、出力される照射信号の光の強さが順次減るようになる。その結果、出力される信号は入射される信号と相反する値を有するようになる。
【００１３】
このような半導体光増幅器のインバーター特性は、Ａ信号とＢ信号が入射する時、表３と表４に示す値を有することになる。即ち、一方の半導体光増幅器にＡ信号を照射信号として、Ｂ信号をポンプ信号として入射させると、表３の真理値表に示すようにＡ・反転Ｂの論理出力信号を得ることが出来る。同様に、他方の半導体光増幅器にＡ信号をポンプ信号として、Ｂ信号を照射信号として入射させると、表４の真理値表に示すように反転Ａ・Ｂの論理出力信号を得ることが出来る。
【００１４】
【表３】
【表４】
従って、表３によるＡ・反転Ｂの論理出力信号と、表4による反転Ａ・Ｂの論理出力信号を合わせると、表1のＳＵＭのようにＡとＢが排他的論理和演算されるＸＯＲ論理素子を具現することが出来る。
【００１７】
図２は本発明に係る半加算器を具現化するブロック図であり、全光ＸＯＲ論理素子を具現化する装置も含まれている。この図において、最初に、光ファイバリングレーザ（Fiber Ring Laser）１０とパルス発生器（Pulse Generator）１４を用いて、４００ｐｓ（ピコ秒）の間隔を有する光パルス信号を作る。
【００１８】
次に、この光パルス信号を５０：５０カプラ１２ａに入射させて５０％と５０％とに分割した後、分割された一方を光遅延器（Optical Delay）２０ａを通過させて約１００ｐｓ遅延させ、他方を光減衰器（Attenuator）１６と偏光制御器（Polarization Controller）１８ａを通過させる。この後、カプラ１２ｃで分割された二つの信号を再度合わせて、例えば“１１００”の２進数パターンを有するＡ信号を作る。このＡ信号を、再度、偏光制御器１８ｂと光遅延器２０ｂを通過させることにより約１００ｐｓ遅延させて、更に光端方向器２２ｃを通過させ、“０１１０”の２進数パターンを有するＢ信号を作る。
【００１９】
第１半導体光増幅器ＳＯＡ１には、エルビウム添加光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ１と光端方向器２２ｂを通ってＡ信号が照射信号として、また、光端方向器２２ｃを通ってＢ信号がポンプ信号として入射される。第２半導体光増幅器ＳＯＡ２には、光端方向器２２ａを通ってＡ信号がポンプ信号として、また、エルビウム添加光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ２と光端方向器２２ｄを通ってＢ信号が照射信号として入射される。即ち、第１半導体光増幅器ＳＯＡ１ではＡ信号が照射信号で、Ｂ信号がポンプ信号の役割をし、第２半導体光増幅器ＳＯＡ２ではＡ信号がポンプ信号で、Ｂ信号が照射信号の役割をする。
【００２０】
図３は、第１半導体光増幅器ＳＯＡ１にＡ信号とＢ信号を入射して得られたＡ・反転Ｂの論理積を示す出力図であり、図４は、第２半導体光増幅器ＳＯＡ２にＡ信号とＢ信号を入射して得られた反転Ａ・Ｂの論理積を示す出力図である。図５は、この二つの出力を、５０：５０カプラ１２ｂを用いて加算した出力信号を信号検出器（Signal Analyzer）２４に接続されたオシロスコープで確認した出力図である。検出された信号はＡ・反転Ｂ＋反転Ａ・Ｂ、即ち、表１に示された全光ＸＯＲ論理素子の論理表と同一であることがわかる。
【００２１】
即ち、図５は第１半導体光増幅器ＳＯＡ１と第２半導体光増幅器ＳＯＡ２のそれぞれの出力信号の論理和であるＸＯＲ論理素子の動作特性を示しており、“１１００”の２進数パターンを有するＡ信号と、“０１１０”の２進数パターンを有するＢ信号が二つの半導体光増幅器（ＳＯＡ１、ＳＯＡ２）へ入射されて合わされると、“１０１０”パターンを有する出力信号が確認されることがわかる。この出力信号を見ると、Ａ信号が論理値“０”であると同時にＢ信号が論理値“１”である時、或いは、Ａ信号が論理値“１”であると同時にＢ信号が論理値“０”である時、出力信号は論理値“１”となる。同様に、二つの信号の論理値が全て同じ時、即ち、Ａ信号とＢ信号の論理値が全て“０”の場合、或いは、Ａ信号とＢ信号の論理値が全て“１”である場合、出力信号が論理値“０”となる。この結果は表１と一致するので、ＸＯＲ論理素子のＳＵＭ信号の具現が実験的に立証されたことがわかる。
【００２２】
次に、ＣＡＲＲＹ信号の具現に必要なＡＮＤ論理素子の具現方法を説明する。本発明では全光ＡＮＤ論理素子を実現するために、全光干渉波長コンバーター（All−optical interferometric wavelength converter）を用いる。ポンプ信号を変化させながら、高いパワーを有する照射信号と共にＸＰＭ波長可変器２８に入射させると、その出力信号のパワーが増大する。増大する前の出力信号のパワーを論理値“０”とし、増大した出力信号のパワーを論理値“１”とする。同様に、ポンプ信号を変化させながら、低いパワーを有する照射信号と共にＸＰＭ波長可変器２８に入射させると、その出力信号は無視できるほど小さくなるので、論理値“０”であるといえる。
【００２３】
この現象を図６に示す。従って、図６に図示されたように高いパワーを有するポンプ信号と照射信号をそれぞれ論理値“１”と見る時、高いパワーの出力が出力端子で検出されるので、ＡＮＤ論理素子の構成が可能になる。
【００２４】
図２でＸＯＲ論理素子を説明した時と同一の２進数パターンを有するＡ信号とＢ信号を、ＡＮＤ信号を具現するために、ＸＰＭ波長変換器２８へ同時に入射させると、図７に示すような入力信号に対する出力信号の変化が記録される。この図において、“１１００”パターンを有するＡ信号と、“０１１０”パターンを有するＢ信号が同時に入射される時、出力信号は“０１００”のパターンが出ているので、ＡＮＤ論理素子が実現されたことがわかる。即ち、二つの信号が同時に論理値“１”である時だけ、出力信号が倫理値“１”になり、その他の場合は、全て論理値“０”になる。この結果は表２と一致するため、ＡＮＤ論理素子のＣＡＲＲＹ信号の具現が実験的に立証されたことになる。
【００２５】
図８に、ＸＯＲ論理素子のＳＵＭ信号とＡＮＤ論理素子のＣＡＲＲＹ信号が同時に実現された時の特性を示す。この結果は半加算器を実現する表１と表２の結果と同一である。また、前述した論理の検証と実験の結果、１０Ｇｂ/ｓで動作する半加算器を開発することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係るＸＯＲ論理素子は二つの単一半導体光増幅器のインバーター特性を用いて具現しているためクロック信号やＣＷ信号への依存性がない。従って、二つの半導体光増幅器に入力されるＡ信号とＢ信号の速度のみ一致すればクロック信号やＣＷ信号がなくても素子の具現が可能である。更に、本発明のＸＯＲ論理素子はＡ・反転Ｂ信号と反転Ａ・Ｂ信号を先に求めてから、その後で合わせるため、Ａ・反転Ｂ信号と反転Ａ・Ｂ信号の分離が可能であり、他の多様な論理の具現が可能である。
【００２７】
又、本発明によると、半導体光増幅器のインバーター特性を用いて全光ＸＯＲ論理素子を具現し、ＸＰＭ波長信号を用いて全光ＸＯＲ論理素子を具現するため、演算の中心となる基本素子として安定性が高く、システムの規模を小さくでき、且つ他の光素子との結合が容易であると同時に、偏光と波長に対して依存しないという優れた効果を有する光コンピューターの実現に必須の素子である全光半加算器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 半加算器の基本概念図である。
【図２】 本発明に係る半加算器を具現化するブロック図である。
【図３】 本発明に係るXOR論理素子のＡ・反転Ｂの論理信号出力画面である。
【図４】 本発明に係るXOR論理素子の反転Ａ・Ｂの論理信号出力画面である。
【図５】 本発明に係る全光ＸＯＲ論理素子の論理信号出力画面である。
【図６】 全光干渉波長コンバーターを用いた本発明に係るＡＮＤ論理素子の基本概念図である。
【図７】 本発明に係るＡＮＤ論理素子の論理信号出力画面である。
【図８】 本発明に係る半加算器の論理信号出力画面である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバリングレーザ
１４ パルス発生器
１２ａ、１２ｂ カプラ
１６ 光減衰器
１８ａ、１８ｂ 偏光制御器
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 光遅延器
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 光端方向器
２４ 信号検出器
２８ ＸＰＭ波長変換器
ＥＤＦＡ１、ＥＤＦＡ２ エルビウム添加光ファイバ増幅器
ＳＯＡ１、ＳＯＡ２ 半導体光増幅器
Claims (4)
- Ａ信号を照射信号とするとともにＢ信号をポンプ信号として第１半導体光増幅器に入力し、同時に、Ａ信号をポンプ信号とするとともにＢ信号を照射信号として第２半導体光増幅器に入力し、第１と第２半導体光増幅器からのそれぞれの出力を加算することによって前記Ａ信号とＢ信号のＸＯＲ出力とし、そのＸＯＲ出力を半加算器のＳＵＭ（和）信号とし、
同時に、ＸＰＭ波長可変器の出力信号の大小が、入力される照射信号の大小と同時に入力されるポンプ信号の大小に応じて定まる特性を利用して、前記Ａ信号を照射信号またはポンプ信号のいずれか一方としてＸＰＭ波長可変器に入力し、前記Ｂ信号を照射信号またはポンプ信号の他方としてＸＰＭ波長可変器に入力して、前記Ａ信号と前記Ｂ信号のＡＮＤ出力を前記半加算器のＣＡＲＲＹ（桁上げ）信号とすることを特徴とする半導体光増幅器を用いた全光半加算器の具現方法。 - 前記第１と第２半導体光増幅器にポンプ信号の光強度を強くして入射させることにより、キャリアを枯渇させて利得飽和を発生させることによって照射信号の光信号強度を減少させてインバーター特性を有する信号を出力させることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器を用いた全光半加算器の具現方法。
- 一定の間隔のパルス信号を作る光ファイバリングレーザ及びパルス生成器と、
前記パルス信号を入射させて分割する第１のカプラと、
前記第１のカプラにより分割された一方のパルス信号を遅延させる第１の光遅延器と、
前記第１の光遅延器により遅延されたパルス信号と、前記第１のカプラにより分割された他方のパルス信号とを結合して第１の２進数パターンを有するＡ信号を作る第２のカプラと、
前記Ａ信号を遅延させて、第２の２進数パターンを有するＢ信号を作る第２の光遅延器と、
前記Ａ信号を照射信号として、前記Ｂ信号をポンプ信号としてそれぞれ入射させることにより、Ａ信号・反転Ｂ信号の論理信号を出力する第１半導体光増幅器と、
前記Ａ信号をポンプ信号として、前記Ｂ信号を照射信号としてそれぞれ入射させることにより、反転Ａ信号・Ｂ信号の論理信号を出力する第２半導体光増幅器と、
前記Ａ信号と前記Ｂ信号を同時に入射させて、前記第１の２進数パターンと前記第２の２進数パターンの論理積を論理信号として出力するＸＰＭ波長変換器とを備えることを特徴とする半導体光増幅器を用いた全光半加算器の装置。 - 前記光ファイバリングレーザ及び前記パルス生成器によって作られる前記一定の間隔のパルス信号は、略４００ｐｓ（ピコ秒）の間隔を有し、前記第１の光遅延器によって略１００ｐｓ遅延されることを特徴とする請求項３記載の半導体光増幅器を用いた全光半加算器の装置。
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