JP4689889B2 - 光デバイスおよび光コンピュータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプティクスに係り、特に、光エレメントを使用するコンピューティングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
データ伝送のレートを増大させたより大きな帯域幅を提供するネットワークシステムの開発にかなりの研究がなされてきた。現在、８０波長チャネルより大きな波長チャネルでかつ１０ギガビット／秒を超える伝送速度で動作する光ネットワークシステムが、商業的に利用可能である。しかし、研究室での実験では、最近、１００ギガビット／秒の伝送速度が実現された。更なる情報として、Mikkleson 等による"Unrepeatered Transmission over 150 km of Nonzero-Dispersion Fiber at 100 Gbit/s with Semiconductor Based Pulse Source, Demultiplexer and Clock Recovery," Electronic Letters, Vol. 35, No. 21 (October 1999)を参照のこと。
【０００３】
この伝送速度および帯域幅容量の増大と共に、ネットワーク上の負荷も増大してきた。ネットワーク上の負荷は、ネットワークアクセスを求めるユーザの数の増大による。負荷は、そのようなユーザアクセスのためのアプリケーションの数の増大にも関係する。これらのアプリケーションは、例えば、ｅビジネスアクティビティ、コーポレートウェブサイト、並びにイントラネットおよびインターネットアクセスを含む。
【０００４】
ネットワーク上での需要の増大は、データセキュリティに関する懸念も生じさせた。データセキュリティは、暗号書記法（cryptography)の使用を必要とする。暗号書記法は、傍受された情報の意味を盗聴者（eavesdroppers ）が理解することを防止する技術として定義され得る。更なる情報として、Schneier によるApplied Cryptography, Second Edition, Wiley & Sons 1996（以下"Schneier"という）およびKoopman, Jr.による米国特許第５，６９６，８２８号（以下 "Koopman"という）を参照のこと。メッセージの暗号的に安全な一方向伝送は、２つの主要なプロセスステップを含む。即ち、１）盗聴者からメッセージの意味を隠すためにセキュリティキーを使用してメッセージを暗号化するステップ、および２）意図されたユーザがそのメッセージを理解できるように、セキュリティキーを使用して暗号化されたメッセージを解読するステップである。
【０００５】
現在、暗号化および解読のステップは、メッセージおよび暗号化されたメッセージが電気的な形で実行される。これは、元のメッセージが、光信号のセットであり、電気的表現への変換が必要とされる場合に特に時間が係る。更なる情報については、Rutledgeによる米国特許第５，８６４，６２５号を参照のこと。本願において、光的または電気的データの形式でのメッセージは、この技術分野において知られているように、バイナリースキームを使用するデジタル信号である。HillおよびRichardsonによるIntroduction to Switching Theory and Logical Design, Third Edition, Wiley & Sons 1981（以下、"Hill"という）pp. 1-21 を参照のこと。
【０００６】
そのような状況において、光信号は、最初に電気的表現に変換され、そして、この技術分野において知られている様々な技法の何れかを使用して暗号化される。例えば、Koopman および Schneier を参照のこと。その後、暗号化された電気的表現は、暗号化された電気的表現を使用して光ビームを延長することにより光学フォーマットに変換して戻され、意図されたユーザに送信される。意図されたユーザは、受信した光学的にフォーマットされた信号を、電気的フォーマットに再変換して戻す。電気的形式において、受信された信号は、解読され、ユーザのネットワークによる更なる処理のために光信号に再び変換され得る。
【０００７】
データを暗号化しかつ解読する演算集約的なプロセスステップは、伝統的に、半導体によるブール（Boolean ）論理回路により実行される。ネットワーク上の需要が転送速度および帯域幅容量に伴って増大すると、半導体デバイスのスイッチングおよび処理限界が、最終的に、データセキュリティを提供する上でボトルネックとなる。遠くない将来において、現在のデバイスよりも比較的高速な半導体が、セキュリティの問題を含む多くの理由のために将来の光ネットワークを沈下させ得るということが考えられている。これは、半導体の処理パワーおよびスイッチング速度の歴史的な増大および光ネットワークにおける帯域幅容量の増大に基づく。
【０００８】
従って、ネットワーク伝送速度により適合可能なスイッチングおよび処理時間を提供する半導体に対する機能的な代替物に焦点を当てた調査の努力が始められた。緊急は、様々な演算機能を実行するためのエレクトロオプティクスおよび光デバイスを使用することについてなされた。更なる情報は、Avramopolous等による米国特許第５，２０８，７０５号を参照のこと。求められている演算的機能は、データを暗号化しかつ解読するために必要な結合的ブール論理動作を含む。ブール論理動作は、これに限定されないが、ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲ，排他的論理和（ＸＯＲ）、並びに排他的否定論理和（Ｘ−ＮＯＲ）機能を含む。Hillのｐｐ．２２−１３７を参照のこと。
【０００９】
論理動作を実行するための光デバイスは知られている。更なる情報について、Islam 米国特許第４，９３２，７３９号、およびHansenによる米国特許第５，３５３，１１４号、並びにRiseberg等による米国特許第３，９８４，７８５号、およびJensenによる米国特許第４，６３２，５１８号を参照のこと。しかし、論理動作を実行するための光デバイスの改良が依然として必要とされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そして、例えば、結合的ブール論理動作のような演算機能を実行するための光デバイスに対する必要性が存在する。また、データを暗号化しかつ解読するための光デバイスに対する必要性も存在する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
少なくとも１つの演算的機能を実行するための光デバイスが開示される。本発明の第１の実施形態において、典型的に第１および第２の光入力信号を受信する光論理デバイスが説明される。光出力信号は、光入力信号について実行されるブール動作に応じて、そのデバイスにより生成される。光論理デバイスは、ＡＮＤ，ＯＲおよびＸＯＲ並びにＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲおよびＸ−ＮＯＲ機能を含む様々なブール動作を実行することができる。光論理デバイスは、一対の導波路および干渉を生じさせるための位相遅れ要素を含めることにより、これらのおよび他の機能を実現する。
【００１２】
一実施形態において、光論理デバイスは、マッハゼンダー干渉計（ＭＺＩ）またはマイケルソン（Miclelson ）干渉計（ＭＩ）のような干渉計を含む。干渉計デバイスは、第１および第２の入力を受信しかつ１つの出力を生成するための３ポート構成からなる。干渉計は、それぞれ第１および第２の光入力信号を受信するための少なくとも第１および第２の導波路を有する。第１および第２の導波路は、光出力信号が生成される出力において結合する。各導波路は、それに一体化された半導体光増幅器（ＳＯＡ）のような少なくとも１つの増幅器を有する。好ましくは、増幅器は、単一基板上で各それぞれの導波路内にモノリシックに一体化され得る。各導波路内の増幅器は、出力において、導波路間に相対的位相差を生じるように構成される。選択された相対的位相差は、光論理デバイスのブール動作に対応する。
【００１３】
一例において、光論理デバイスは、ＸＯＲブール動作をサポートするために、１８０度（１８０°）の相対的位相差を有する。ＸＯＲブール動作の動作を表す真理値表が、図３（ｂ）に示されている。第１および第２の入力光信号の両方がバイナリーの１を示す場合、光論理デバイスは、バイナリー０を表す出力光信号を生じる。ここで、図１（ａ）に示されているように、相対位相は破壊的（destructive）干渉をイニシエートするので、バイナリー０出力が生成される。
【００１４】
両方の入力光信号がバイナリー１を表す場合、入力光信号のうちの一方は、他方の入力光信号に対して１８０°だけ位相シフトされている。そして、位相シフトされた入力光信号は、出力において他方の入力光信号と結合され、互いに破壊的に干渉する。そのようにすると、出力光信号は、バイナリー０を表すように生成される。両方の入力光信号がバイナリー０を表す場合、いずれの導波路にもそれを通る光がなく、バイナリー０を表す出力光信号となる。
【００１５】
しかし、一方のみの入力光信号がバイナリー１を表し、他方の入力光信号がバイナリー０を表す場合、出力光信号は、バイナリー１を表すように生成される。この状況において、バイナリー１を表す光パワーが一方の導波路を通って進み、他方の導波路は光パワーを受信しない。干渉計の出力において、バイナリー１を表す光パワーは、バイナリー０を表す光信号と結合され、バイナリー１に等しい出力光信号を得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、様々な演算機能を実現するための干渉原理を利用する。これらの演算機能は、ＡＮＤ，ＯＲ，ＸＯＲ，ＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲ，およびＸ−ＮＯＲのようなブール動作を含む。本発明は、位相遅れ要素と組み合わされた一対の導波路、または代替的に干渉計デバイスにより実現され得る。この構成により、建設的（constructive）および破壊的（destructive ）干渉の原理が、図１（ａ）および１（ｂ）に示されているように使用され得る。本発明の目的のために、干渉計デバイスは、ここにおける開示から当業者にとって様々な代替物が明らかとなるが、例えば、マッハゼンダー干渉計（ＭＺＩ）およびマイケルソン干渉計（ＭＩ）を含む。
【００１７】
図１（ａ）において、第１の３ポート干渉計デバイス１０が示されている。デバイス１０は、第１の（Ａ）入力光信号１６および第２の（Ｂ）入力光信号１８をそれぞれ受信するための第１の入力１２および第２の入力１４を有する。図示された例において、ＡおよびＢの両方は、バイナリー１に対応する。デバイス１０は、１８０度（１８０°）の相対位相差ΔΦだけ、一方の入力光信号を他方の入力光信号に対して位相シフトする。そのようにすることで、位相シフトされた入力光信号のピークは、他方の入力光信号の谷と一致する。両方の光入力信号が、デバイス１０により出力２２において結合されるとき、破壊的干渉が生じる。結果として、出力（Ｃ）光信号２０は、バイナリー０を示す。
【００１８】
図１（ｂ）において、ゼロ度（０°）の相対位相差ΔΦを有する第２の３ポート干渉計デバイス３０が示されている。デバイス３０は、第１（Ａ）の入力光信号３６および第２（Ｂ）の入力光信号３８をそれぞれ受信するための第１の入力３２および第２の入力３４を有する。図示した例において、ＡおよびＢは、両方ともバイナリー１に対応する。デバイス３０は、ゼロ度（０°）の相対位相差ΔΦだけ、一方の入力光信号を他方の入力光信号に対して位相シフトする。そのようにすることで、位相シフトされた入力光信号のピークが、他方の入力光信号のピークと整列される。そして、両方の光入力信号がデバイス３０により結合されるとき、建設的干渉が、バイナリー１の出力４２における出力（Ｃ）光信号４０を生じさせる。
【００１９】
異なるバイナリー値の入力光信号、ＡおよびＢについて、異なる出力光信号Ｃが生成され得る。これは、３ポート干渉計デバイスに対して意図されたブール動作に依存する。入力光信号ＡおよびＢと出力光信号Ｃとの間の因果関係は、以下の説明から明らかとなるであろう。
【００２０】
本発明の目的のために、バイナリー１として示された光信号は、例えば、信号１６の特性を表す。本発明の一実施形態において、光信号は、約１５５０ｎｍの波長により特徴づけられ、少なくとも１０ｄｂの電力分離（separation）により区別可能な１および０のバイナリー値を含む。バイナリー０およびバイナリー１に対するしきい値電力値は、本発明に結合される光検出器のような図示しない様々な追加的なコンポーネントに従って選択される。本発明の目的のために、バイナリー入力信号は、互いに同相で受信される。しかし、代替的なレンジおよびパラメータが、ここでの開示を見ることにより当業者にとって明らかとなるであろう。
【００２１】
図２（ａ）および２（ｂ）において、本発明の一実施形態によるブールＯＲ動作を実行するための光論理デバイス５０が示されている。光論理デバイス５０は、少なくとも第１および第２の入力光信号ＡおよびＢを受信するための少なくとも第１および第２の入力５４および５８を含む。デバイス５０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス５０は、入力５４および５８によりそれぞれ光信号ＡおよびＢを受信するための第１および第２の導波路６２および６８を有するＭＺＩから形成される。
【００２２】
デバイス５０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）６４および６６により実現される。各ＳＯＡは、飽和領域において動作するようにバイアスされている。本発明の目的のために、各ＳＯＡは、受信された光信号を増幅するが、位相変化を含む。当業者に知られているように、位相変化は、制御可能であり、ＳＯＡの長さについての増幅利得に対する導波路の屈折率の比から主に生じる。
【００２３】
更なる情報は、Leuthold等による"All-Optical Space Switches with Gain and Principally Ideal Extinction Ratios," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No. 4 (April 1998)（以下、"Leuthold I"という）、およびLeuthold 等による"All-Optical Mach-Zehnder Interferometer Wavelength Converters and Switches with Integrated Data and Control Signal Separation Scheme," Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 6 (June 1999)（以下、"Leuthold II"という）を参照のこと。
【００２４】
図示されているように、ＳＯＡ６４は導波路６２に対応し、ＳＯＡ６６は導波路６８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路を通って伝播する光電力に対して、位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、導波路６２を通って伝播する入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有し、導波路６８を通って伝播する入力光信号Ｂは、位相遅れΦ2 を有する。光信号ＡおよびＢは、出力接合部７０において結合され、そこでは、導波路６２および６８が隣り合う。ゼロ度（０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部７０において導波路６２と導波路６８との間で生じる。そして、両方の導波路からの光電力が出力接合部７０に表れるとき、同相であり、建設的干渉が起きる。光信号ＡおよびＢの結合は、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００２５】
デバイス５０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについてブールＯＲ論理動作を実行する。信号Ａ，ＢとＯＵＴとの間の関係は、図２（ｂ）に示された真理値表に示されている。機能的には、信号ＡおよびＢが両方ともバイナリー０であるとき、バイナリー０に等しいナル(null)信号が両方の導波路を通って伝播する。出力接合部７０において、両方のナル信号が結合され、バイナリー０に対応するナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００２６】
入力信号ＡまたはＢの１つのみが、ナル信号であり、他の入力信号はバイナリー１である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリーは１に等しい。ここで、バイナリー１入力光信号に関連づけられた光電力は、出力接合部７０において、他の入力光信号のナル信号と結合される。この出力信号ＯＵＴの結合結果は、バイナリー１になる。
【００２７】
入力光信号ＡおよびＢの両方がバイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、対応する位相遅れを伴って両方の導波路を通って伝播する。各導波路間の相対位相関係ΔΦがゼロ度（０°）であるので、入力光信号ＡおよびＢの両方は、出力接合部７０において同相である。したがって、両方の入力光信号に関連づけられた光電力が結合されるとき、建設的干渉は、バイナリー１に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。このシナリオは、図１（ｂ）およびその説明に示されている。
【００２８】
図３（ａ）および３（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＸＯＲブール動作を実行するための光論理デバイス８０が示されている。光論理デバイス８０は、少なくとも第１および第２の入力光信号ＡおよびＢを受信するための少なくとも第１および第２の入力８４および８８を含む。デバイス８０は、少なくとの１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス８０は、入力８４および８８を通してそれぞれ光信号ＡおよびＢを受信するための第１および第２の導波路９２および９８を有する。
【００２９】
デバイス８０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）９４および９６により実現される。この構成により、ＳＯＡ９４は、導波路９２に対応し、ＳＯＡ９６は、導波路９８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有する導波路９２を通して伝播し、入力光信号Ｂは、位相遅れΦ2を有する導波路９８を通して伝播する。
【００３０】
光信号ＡおよびＢは、導波路６２および６８が隣り合う出力接合部１００において結合される。この設計により、１８０度（１８０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１００において導波路９２と９８との間に生じる。そして、両方の導波路からの光電力が出力接合部１００に提供されるとき、位相がずれており、破壊的干渉が起こることになる。光信号ＡおよびＢの結合は、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００３１】
デバイス８０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについてブールＸＯＲ論理機能を実行する。信号Ａ，ＢとＯＵＴとの間の関係は、図３（ｂ）に示された真理値表に表されている。機能的には、信号ＡおよびＢが共にバイナリー０であるとき、バイナリー０に等しいナル信号が両方の導波路を通って伝播する。出力接合部１００において、両方のナル信号が結合され、バイナリー０に対応するナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００３２】
入力信号ＡまたはＢの一方のみがナル信号であり、他方の入力信号がバイナリー１である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリー１に等しい。ここで、バイナリー１の入力光信号に関連づけられた光電力は、出力接合部１００において、他方の入力光信号のナル信号と結合される。この結合は、バイナリー１に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００３３】
両方の入力光信号ＡおよびＢがバイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、対応する位相遅れを伴って両方の導波路を通して伝播する。各導波路間の相対位相関係ΔΦが１８０度（１８０°）であるので、両方の入力光信号ＡおよびＢは、出力接合部７０において互いに位相がずれている。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力が結合されるとき、破壊的干渉が、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。このシナリオは、図１（ａ）およびその説明に示されている。
【００３４】
図４（ａ）および４（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＡＮＤブール動作を実行するための光論理デバイス１１０が示されている。光論理デバイス１１０は、それぞれ少なくとも第１および第２の入力光信号を受信するための少なくとも第１および第２の入力１１４および１１８を含む。デバイス１１０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス１１０は、第１および第２の導波路１３２および１３８を有する。
【００３５】
デバイス１１０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）１３４および１３６により実現される。この構成により、ＳＯＡ１３４は導波路１３２に対応し、ＳＯＡ１３８は導波路１３８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、導波路１３２を通って伝播する光信号は位相遅れΦ1を有し、導波路１３８を通って伝播する光信号は位相遅れΦ2 を有する。光信号ＡおよびＢは、導波路１３２および１３８が隣り合う出力接合部１４０において結合される。
【００３６】
この設計により、ゼロ度（０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１４０において導波路１３２と１３８との間に生じる。光信号ＡおよびＢは、導波路１３２および１３８が隣り合う出力接合部１４０において結合され、出力信号ＯＵＴを形成する。デバイス１１０は、以下の説明から理解されるように、光信号のバイナリー値に依存して、出力接合部１４０において、破壊的または建設的な干渉を使用する。
【００３７】
第１および第２の入力１１４および１１８は、電力ディバイダ１３０により導波路１３２および１３８と結合される。電力ディバイダ１３０は、各入力信号１１４および１１８の一部を、各導波路１３２および１３８に割当てる。電力ディバイダ１３０は、Ｙジャンクションデバイス１４２およびブランチ１２０，１２４および１２８を含む。Ｙジャンクションデバイスは、同業者に知られている。
【００３８】
更なる情報については、Leuthold等による"Multimode Interference Couples for the Conversion and Combining of zero and First Order Modes," Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, No. 7 (July 1998)（以下、"Leuthold III"という）を参照のこと。Ｙジャンクションデバイス１４２は、単一の入力ポートおよび少なくとも２つの出力ポートを有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを含む。ＭＭＩカプラは、光電力の基本モードを一次モードに変換するための導波路カプラである。
【００３９】
ＭＭＩカプラは、ＭＭＩカプラのジオメトリ（geometry）によって、１つまたは２つ以上の出力導波路と一次モードを結合する。動作的には、ＭＭＩカプラの入力アームは、出力導波路が互いに接触し、一次モードの形式で２つの光ビームを送信するためのより広い導波路を形成するように配置されている。ここで、Ｙジャンクション１４２のＭＭＩは、光電力の基本モードおよび一次モードの両方をガイドするように構成されている。これは、光電力の所望の部分を捉えるようにＹジャンクション１４２の出力を広げかつ配置することにより実現される。Leuthold IIIを参照のこと。
【００４０】
一実施形態において、光ディバイダ１３０は、光電力を３分の１で割当てる。したがって、入力光信号Ａのみがバイナリー１に対応する場合、電力ディバイダ１３０は、入力光信号Ａに関連する光電力の２／３を、導波路１３２を通して伝播させ、１／３を導波路１３８を通して伝播させる。同様に、入力光信号Ｂのみがバイナリー１に対応する場合、光電力の２／３を、例えば導波路１３８を通して伝播させ、１／３を導波路１３２を通して伝播させる。
【００４１】
この光電力の分配を実現するために、Ｙジャンクション１４２は、ＭＭＩカプラの入力から出力まで測定された長さまで測定された長さを有する。一実施形態において、Ｙジャンクション１４２は、所望のカップリング割合に対応する約０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲にある両端間長さを有する。また、両方の入力光信号ＡおよびＢがバイナリー１に対応する場合、同じ量の光電力が、電力ディバイダ１３０により導波路１３２および１３８に分配されることが、当業者にとって明らかであろう。
【００４２】
デバイス１１０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについて、ブールＡＮＤ論理機能を実行する。信号Ａ，ＢおよびＯＵＴ間の関係は、図４（ｂ）に示された真理値表に表されている。機能的には、信号ＡおよびＢが両方ともバイナリー０であるとき、ナル信号が、導波路１３２および１３８を通して入力１１４および１１８から伝播する。出力接合部１４０において、導波路１３２および１３８からのナル信号の両方が結合され、バイナリー０に設定されたナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００４３】
入力信号ＡまたはＢの一方のみがナル信号であり、他の入力信号ＢまたはＡがバイナリー１である場合、出力信号ＯＵＴは、バイナリー０に設定される。バイナリー１の入力信号からの光電力は、以上に説明したように、電力ディバイダ１３０により分割される。導波路１３２および１３８についての光電力の分配は、１８０度（１８０°）の更なる相対位相シフトを含む。この更なる相対位相シフトは、バイナリー１の入力信号に関連する光電力の１／３を受信する導波路のそれぞれのＳＯＡにより生じる。
【００４４】
Leuthold I および Leuthold II を参照のこと。一実施形態において、各ＳＯＡは、約１ｍＷの光電力の受信に応答して、更なる相対位相シフト（１８０°）をトリガするように構成される。この光電力は、バイナリー１の入力信号からの光電力の１／３の分配に対応する。バイナリー１に設定された一方の入力信号からの光電力の導波路１３２と１３８との間の分配が、出力接合部１４０における破壊的干渉を引き起こす。得られる破壊的干渉は、電力差が導波路１３２および１３８を通って伝播すると、バイナリー０に対応する剰余電力を形成することになる。結果として、出力接合部１４０において生じる出力信号ＯＵＴは、バイナリー０に等しい。
【００４５】
入力光信号ＡおよびＢの両方が、バイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、導波路１３２および１３８を通して等しく伝播する。導波路間の相対位相シフトΔΦが、ゼロ度（０°）であると、入力光信号ＡおよびＢの両方が、出力接合部１４０において、互いに同相である。また、導波路１３２および１３８は、両方を通って伝播する光電力が等しくなるようにバランスされる。そして、更なる相対位相シフトが誘導されない。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力は、干渉の原理を使用して結合され、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００４６】
図５（ａ）および５（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＮＯＴブール動作を実行するための光論理デバイス、即ちインバータ１５０が示されている。光論理デバイス１５０は、少なくとも第１の入力光信号Ａを受信するための少なくとも第１の入力１５４を含む。デバイス１５０は、第２の入力１５８において制御光信号ＣＬＯＣＫを受信する。制御信号ＣＬＯＣＫは、バイナリー１に対応する光ビットのストリームである。また、光ビットのストリームは、上述したように、本発明を使用する光論理デバイスの最大演算ビットレートに設定されている。
【００４７】
光論理デバイス１５０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス１５０は、第１および第２の導波路１６２および１６８を有する。第１および第２の導波路１６２および１６８は、それぞれ、光信号ＡおよびＣＬＯＣＫを、入力１５４および１５８を通して受信する。デバイス１５０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）１６４および１６６により実現される。この構成により、ＳＯＡ１６４は、導波路１６２に対応し、ＳＯＡ１６６は、導波路１６８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して、位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。
【００４８】
そして、入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有する導波路１６２中を伝播し、制御光信号ＣＬＯＣＫは、位相遅れΦ2 を有する導波路１６８中を伝播する。光信号ＡおよびＣＬＯＣＫは、導波路１６２および１６８が隣り合う出力接合部１７０において結合される。この設計により、１８０度（１８０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１７０において、導波路１６２と１６８との間に生じる。両方の導波路からの光電力が出力接合部１７０に提供される場合、位相がずれて、破壊的干渉が起きることになる。制御信号ＣＬＯＣＫの存在における入力光信号Ａの組合わせは、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００４９】
デバイス１５０は、バイナリー入力信号ＡについてブールＮＯＴ論理機能を実行する。入力信号Ａと出力信号ＯＵＴとの間の関係は、図５（ｂ）に示された真理値表に表されている。入力信号Ａがバイナリー０である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリー１に等しい。ここで、バイナリー０に等しいナル信号が導波路１６２を通して伝播し、制御信号クロックからのバイナリー１のストリームが、導波路１６８を通して伝播する。出力接合部１７０において、制御信号クロックのバイナリー１とのバイナリー０ナル信号の組合せは、バイナリー１に等しい出力光信号ＯＵＴになる。
【００５０】
入力光信号Ａがバイナリー１である場合、信号ＡおよびＣＬＯＣＫからの光電力は、導波路１６２および１６８を通って伝播する。各導波路間の相対位相遅れΔΦが１８０度（１８０°）であるので、信号ＡおよびＣＬＯＣＫは、出力接合部１７０において互いに位相がずれている。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力が結合されるとき、破壊的干渉は、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００５１】
光論理デバイス１５０は、上述した他の実施形態に鑑みて、様々な追加的なブール動作の設計を可能にする。そして、ブールＮＯＲ動作が、図２のＯＲ論理ゲート５０をＮＯＴ論理デバイス１５０と組み合わせることにより実現され得ることが当業者にとって明らかであろう。同様に、ＮＯＴ論理デバイス１５０を図３のＸＯＲ論理デバイス８０と共に使用して、Ｘ−ＮＯＲ論理デバイスを可能にする。図４のＡＮＤ論理デバイス１１０をデバイス１５０のＮＯＴ論理動作と組み合わせることで、ＮＡＮＤ論理機能を得る。
【００５２】
図６（ａ）および６（ｂ）において、本発明の別の実施形態によるブールＯＲ動作を実行するための光論理デバイス１７５が示されている。デバイス１７５は、図２（ａ）の光論理デバイスと対照的に、ブールＯＲ論理機能を実行するためのマイケルソン干渉計構成による。動作的には、デバイス１７５は、光論理デバイス５０と同様に機能する。他の構成および代替的な干渉計スキームは、ここにおける開示から当業者に明らかとなるであろう。
【００５３】
図７（ａ）および７（ｂ）において、本発明の別の実施形態による光２ビットバイナリー加算器２００が示されている。２ビットバイナリー加算器は、一般に知られている。Hill, pp. 175-182 を参照のこと。バイナリー加算器２００は、ブールＸＯＲ動作を実行するための光デバイス２１０およびブールＡＮＤ動作を実行するための光デバイス２２０を含む。バイナリー加算器２００は、ビルディングブロックとしてここに示したブール論理デバイスを使用する。
【００５４】
本発明の一実施形態において、光デバイス２１０は、図３のＸＯＲゲート８０により実現され、光デバイス２２０は、図４のＡＮＤゲート１１０により実現される。加算器２００は、バイナリー信号ＡおよびＢについてバイナリー加算を実行し、出力信号ＳＵＭおよびＣＡＲＲＹを生じる。２ビットバイナリー加算器２００の機能に対応する真理値表が、図７（ｂ）に示されている。
【００５５】
上述した光論理デバイスは、結合されて、シーケンス回路、フリップフロップ、デコーダ、パルティチェッカー、シフトレジスタ、リニアフィードバックシフトレジスタ、リニアコングルエンタル（congruential）ジェネレータ、カウンタ、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、擬似ランダム数ジェネレータ、ステートマシーン、および算術論理ユニットなどのような演算デバイスを形成する。これらの演算デバイスについての更なる情報については、Buchsbaum による Encyclopedia of Integrated Circuits, Prentice-Hall 1981 を参照のこと。また、Hill および Koopman を参照のこと。
【００５６】
図８（ａ）および８（ｂ）において、本発明の別の実施形態による光算術デバイス２５０が示されている。算術デバイス２５０は、ＸＯＲ動作を実行するための光デバイス２６０および２８０、ＡＮＤ動作を実行するための光デバイス２７０および２９０、およびＯＲ動作を実行するための光デバイス３００を含む。算術デバイス２５０は、ビルディングブロックとしてここに示されたブール論理デバイスの組合せにより実現される。一実施形態おいて、光デバイス２６０および２８０は、図３のデバイス８０から実現され、光デバイス２７０および２９０は、図４の光デバイス１１０から実現され、光デバイス３００は、図２の光デバイス５０から実現される。
【００５７】
図８（ａ）において、構成されているように、算術デバイス２５０は、フル３ビット加算器として機能するように設計されている。フル３ビット加算器は、演算処理における基本的要素であり、一般に知られている。Hill, pp. 175-182 を参照のこと。算術デバイス２５０は、バイナリー信号Ａ，ＢおよびＣについてバイナリー加算を実行し、出力信号ＳＵＭおよびＣＡＲＲＹを生じる。３ビットバイナリー加算器２５０の機能の対応する真理値表が、図８（ｂ）に示されている。算術デバイス２５０は、減算、乗算、除算を含む他の数学的処理、並びに何れかのビット数における三角法オペレーションを実行するように構成することができる。
【００５８】
図９において、本発明の別の実施形態によるデータを暗号化するための光デバイス３５０が示されている。暗号化デバイス３５０は、光キージェネレータ３６０および光暗号化器３７０により実現される。キージェネレータ３６０は、上述したデータの一方向送信を暗号的に保証することにおいて使用される数字ジェネレータである。Schneier および Koopman を参照のこと。ジェネレータ３６０は、例えば、リニアフィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ）のような当業者に知られた様々な構成を使用して実現され得る。一実施形態において、光キージェネレータ３６０は、光キーを生成するためのビルディングブロックとしての多数の光論理デバイスを含む。
【００５９】
ジェネレータ３６０を形成する光論理デバイスは、上述した本発明の実施形態から実現され得る。ジェネレータ３６０は、当業者に知られているように、トリガまたはクロック信号ＣＬＯＣＫ、および初期数（initial number）を受信することに応答して、出力ＫＥＹを生じる。Schneier および Koopman を参照のこと。光暗号化器３７０は、キージェネレータ３６０の光キー信号およびデータ信号ＤＡＴＡのストリームを受信する。これに応答して、暗号化器３７０は、ＥＮＣＲＹＰＴＥＤ ＤＡＴＡ出力を生成する。更なる実施形態において、光暗号化器３７０は、キージェネレータ３６０から光信号ＫＥＹ’も受信する。光信号ＫＥＹ’は、光信号ＫＥＹの位相が遅れたバージョンである。光信号ＫＥＹと光信号ＫＥＹ’との間の相対位相遅れは、データ信号ＤＡＴＡの光ストリームからのデータのビット幅に対応する。
【００６０】
データ信号ＤＡＴＡの光ストリームおよび光信号ＫＥＹからのビットを受信することで、暗号化器３７０は、ビットフリッピング（bit flipping）に類似する暗号化動作を実行する。ここで、光信号ＫＥＹ’は、暗号化器３７０をリセットするためのリセットメカニズムとして働く。信号ＫＥＹの光電力は、各導波路間の相対位相関係ΔΦに対する１８０度（１８０°）の更なる位相シフトをイニシエートするように設定される。そして、光信号ＫＥＹからのバイナリー１ビットが受信される場合、追加的な位相遅れが、出力接合部においてゼロ度（０°）の実効位相遅れを生じる。
【００６１】
上記のシナリオにおいて、暗号化器３７０の両方の導波路間に等しく分割されたデータ信号ＤＡＴＡの光ストリームは、出力接合部において建設的に加算される。しかし、光信号ＫＥＹ’は、１８０度（１８０°）の追加的な位相シフトをイニシエートするように設定される。そして、光信号ＫＥＹ’の受信により、破壊的干渉が、出力接合部において生じ、データ信号ＤＡＴＡの光ストロームを生じる。
【００６２】
図１０において、本発明の別の実施形態による３ポート干渉計ブール論理デバイス４００が示されている。デバイス４００は、干渉計の入力ポートから出力ポートまで約５ｍｍの長さである。デバイス４００は、第１および第２の導波路４１２および４１６を使用する。導波路４１２および４１６は、それぞれ第１のＳＯＡの出力４２４または４３２から第２のＳＯＡの入力４２８または４３６まで約０．４ｍｍの長さである。導波路４１２および４１６の各々は、それぞれ入力４０４および４０８において入力光信号を受信する。
【００６３】
導波路４１２および４１６は、リン化インジウム（ＩｎＰ）の単一基板４４０上に形成される。ＳＯＡの各々は、それらの各導波路内にモノリシックに一体化される。ＳＯＡは、インジウムおよびリン（ＩｎＰ）のｎドープクラッド層とｐドープクラッド層との間にサンドイッチされたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yから形成され、ここで、ｘ＝０．４、ｙ＝０．８５である。ｐのドーピングレベルは、約２×１０17であり、ｎドーピングレベルは、約２×１０18であった。ＳＯＡの活性領域を定義するために、メサが形成された。
【００６４】
一実施形態において、本発明のデバイスが、光データ信号を分割しかつ結合するための２つのスプリッタ−ＭＭＩカプラ、制御信号を導入するための２つのカプラ−ＭＭＩカプラ、およびスイッチングのための必要な非線形性を提供するためのＳＯＡにより形成される。ＳＯＡは、オン−オフ状態の制御を容易にするために、ＭＺＩアーム上に設けられ得る。ＳＯＡは、ＩｎＰ基板上に、２ステップ有機金属気相エピタキシー法により成長させられる。最初に、１．５５ｕｍ−ＩｎＧａＡｓＰ活性ＳＯＡ層が、約０．２２μｍの厚さ成長させられる。続いて、５００−１５００μｍ長さのＳＯＡエリアの外側領域がエッチされ、パッシブ導波路層が成長させられる。最初に、０．６μｍ厚さ１．２８μｍ−ＩｎＧａＡｓＰ層、そしてその後１．６μｍ厚さＩｎＰクラッド層である。
【００６５】
そして、導波路が、ＳＯＡおよび導波路ヘテロ構造にエッチングすることにより形成される。２×２−ＭＭＩ構造が、好都合に、導波路の形成の間にエッチされ、縦２００μｍ横１１．３μｍとなる。そして、高濃度にドープされたＩｎＧａＡｓ層が、導波路セクションの上面に設けられ、金パッドとの接触を提供する。デバイスの得られるチップサイズは、約６×１．０ｍｍである。導波路ファセットは、反射防止膜がコートされ、熱放散を可能にしかつクリービング（cleaving）を容易にするために薄くされる。
【００６６】
導波路４１２および４１６は、各々一対のＳＯＡ４２４／４２８および４３２／４３６を含む。各ＳＯＡは、約６００μｍないし１２００μｍの範囲の長さを有した。また、各ＳＯＡは、約３００ｍＷの消費電力であり、約１５５０ｎｍの波長で動作する光信号に対して、室温で約２５ｄＢの利得を有した。
【００６７】
ＭＭＩから形成されたＹジャンクションカプラ４３８により、導波路４１２および４１６は、出力接合部４２０において隣り合う。ＭＭＩは、導波路４１２および４１６からの所望の割合の光電力を捉えるように、端部から端部まで測定された約０．５ｍｍの長さである。結果として、出力信号４４４は、出力接合部４２０を通して伝播された。
【００６８】
上述したように、デバイス４００は、出力信号４４４を形成することに、接合部４２０における建設的または破壊的な干渉を使用する。生じた干渉は、ＳＯＡにより生じた相対位相差に依存する。相対位相差の選択は、実行されるべきブール論理動作を部分的に決定する。
【００６９】
上記の構成により、スイッチング速度は、約１０ピコ秒であると観測された。しかし、この結果は、光電力の到着の後に続く、各ＳＯＡ中のキャリア密度の変化により制限される。しかし、キャリア密度の変化は、一般に、光電力の波長に直接的に比例する。この例において、キャリア密度の変化は、光信号の動作可能な波長範囲が狭い場合最小である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結合的ブール論理動作のような演算機能を実行するための光デバイスを提供することができる。
【００７１】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用される建設的および破壊的干渉計を示す。
【図２】本発明の一実施形態を示す上面図。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す上面図。
【図４】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図５】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図６】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図７】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図８】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図９】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図１０】本発明において使用される３ポート干渉計の一例を示す図。
【符号の説明】
１０ 第１の３ポート干渉計デバイス
１２，３２ 第１の入力
１４，３４ 第２の入力
１６，１８，３６，３８ 入力信号
２２，４２ 出力
３０ 第２の３ポート干渉計デバイス
４０ 光信号
５０ 光論理デバイス
５４ 第１の入力
５８ 第２の入力
６２ 第１の導波路
６４，６６ 半導体光増幅器
６８ 第２の導波路
７０ 出力接合部
８０ 光論理デバイス
８４ 第１の入力
８８ 第２の入力
９２ 第１の導波路
９４，９６ ＳＯＡ
９８ 第２の導波路
１００ 出力接合部
１１０ 光論理デバイス
１１４ 第１の入力
１１８ 第２の入力
１３０ 電力ディバイダ
１３２ 第１の導波路
１３４，１３６ ＳＯＡ
１３８ 第２の導波路
１４０ 出力接合部
１５０ 光論理デバイス
１５４ 第１の入力
１５８ 第２の入力
１６２ 第１の導波路
１６４，１６６ ＳＯＡ
１６８ 第２の導波路
１７０ 出力接合部
１７５ 光論理デバイス
２００ バイナリー加算器
２１０，２２０ 光デバイス
２５０ 算術デバイス
２６０，２７０，２８０，２９０，３００ 光デバイス
３５０ 光デバイス
３６０ キージェネレータ
３７０ 暗号化器
４００ ブール論理デバイス
４０４，４０８ 入力
４１２，４１６ 導波路
４２０ 出力接合部
４２４，４３２ 第１のＳＯＡ
４２８，４３６ 第２のＳＯＡ
４４０ 単一基板
４４４ 出力信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプティクスに係り、特に、光エレメントを使用するコンピューティングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
データ伝送のレートを増大させたより大きな帯域幅を提供するネットワークシステムの開発にかなりの研究がなされてきた。現在、８０波長チャネルより大きな波長チャネルでかつ１０ギガビット／秒を超える伝送速度で動作する光ネットワークシステムが、商業的に利用可能である。しかし、研究室での実験では、最近、１００ギガビット／秒の伝送速度が実現された。更なる情報として、Mikkleson 等による"Unrepeatered Transmission over 150 km of Nonzero-Dispersion Fiber at 100 Gbit/s with Semiconductor Based Pulse Source, Demultiplexer and Clock Recovery," Electronic Letters, Vol. 35, No. 21 (October 1999)を参照のこと。
【０００３】
この伝送速度および帯域幅容量の増大と共に、ネットワーク上の負荷も増大してきた。ネットワーク上の負荷は、ネットワークアクセスを求めるユーザの数の増大による。負荷は、そのようなユーザアクセスのためのアプリケーションの数の増大にも関係する。これらのアプリケーションは、例えば、ｅビジネスアクティビティ、コーポレートウェブサイト、並びにイントラネットおよびインターネットアクセスを含む。
【０００４】
ネットワーク上での需要の増大は、データセキュリティに関する懸念も生じさせた。データセキュリティは、暗号書記法（cryptography)の使用を必要とする。暗号書記法は、傍受された情報の意味を盗聴者（eavesdroppers ）が理解することを防止する技術として定義され得る。更なる情報として、Schneier によるApplied Cryptography, Second Edition, Wiley & Sons 1996（以下"Schneier"という）およびKoopman, Jr.による米国特許第５，６９６，８２８号（以下 "Koopman"という）を参照のこと。メッセージの暗号的に安全な一方向伝送は、２つの主要なプロセスステップを含む。即ち、１）盗聴者からメッセージの意味を隠すためにセキュリティキーを使用してメッセージを暗号化するステップ、および２）意図されたユーザがそのメッセージを理解できるように、セキュリティキーを使用して暗号化されたメッセージを解読するステップである。
【０００５】
現在、暗号化および解読のステップは、メッセージおよび暗号化されたメッセージが電気的な形で実行される。これは、元のメッセージが、光信号のセットであり、電気的表現への変換が必要とされる場合に特に時間が係る。更なる情報については、Rutledgeによる米国特許第５，８６４，６２５号を参照のこと。本願において、光的または電気的データの形式でのメッセージは、この技術分野において知られているように、バイナリースキームを使用するデジタル信号である。HillおよびRichardsonによるIntroduction to Switching Theory and Logical Design, Third Edition, Wiley & Sons 1981（以下、"Hill"という）pp. 1-21 を参照のこと。
【０００６】
そのような状況において、光信号は、最初に電気的表現に変換され、そして、この技術分野において知られている様々な技法の何れかを使用して暗号化される。例えば、Koopman および Schneier を参照のこと。その後、暗号化された電気的表現は、暗号化された電気的表現を使用して光ビームを延長することにより光学フォーマットに変換して戻され、意図されたユーザに送信される。意図されたユーザは、受信した光学的にフォーマットされた信号を、電気的フォーマットに再変換して戻す。電気的形式において、受信された信号は、解読され、ユーザのネットワークによる更なる処理のために光信号に再び変換され得る。
【０００７】
データを暗号化しかつ解読する演算集約的なプロセスステップは、伝統的に、半導体によるブール（Boolean ）論理回路により実行される。ネットワーク上の需要が転送速度および帯域幅容量に伴って増大すると、半導体デバイスのスイッチングおよび処理限界が、最終的に、データセキュリティを提供する上でボトルネックとなる。遠くない将来において、現在のデバイスよりも比較的高速な半導体が、セキュリティの問題を含む多くの理由のために将来の光ネットワークを沈下させ得るということが考えられている。これは、半導体の処理パワーおよびスイッチング速度の歴史的な増大および光ネットワークにおける帯域幅容量の増大に基づく。
【０００８】
従って、ネットワーク伝送速度により適合可能なスイッチングおよび処理時間を提供する半導体に対する機能的な代替物に焦点を当てた調査の努力が始められた。緊急は、様々な演算機能を実行するためのエレクトロオプティクスおよび光デバイスを使用することについてなされた。更なる情報は、Avramopolous等による米国特許第５，２０８，７０５号を参照のこと。求められている演算的機能は、データを暗号化しかつ解読するために必要な結合的ブール論理動作を含む。ブール論理動作は、これに限定されないが、ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲ，排他的論理和（ＸＯＲ）、並びに排他的否定論理和（Ｘ−ＮＯＲ）機能を含む。Hillのｐｐ．２２−１３７を参照のこと。
【０００９】
論理動作を実行するための光デバイスは知られている。更なる情報について、Islam 米国特許第４，９３２，７３９号、およびHansenによる米国特許第５，３５３，１１４号、並びにRiseberg等による米国特許第３，９８４，７８５号、およびJensenによる米国特許第４，６３２，５１８号を参照のこと。しかし、論理動作を実行するための光デバイスの改良が依然として必要とされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そして、例えば、結合的ブール論理動作のような演算機能を実行するための光デバイスに対する必要性が存在する。また、データを暗号化しかつ解読するための光デバイスに対する必要性も存在する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
少なくとも１つの演算的機能を実行するための光デバイスが開示される。本発明の第１の実施形態において、典型的に第１および第２の光入力信号を受信する光論理デバイスが説明される。光出力信号は、光入力信号について実行されるブール動作に応じて、そのデバイスにより生成される。光論理デバイスは、ＡＮＤ，ＯＲおよびＸＯＲ並びにＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲおよびＸ−ＮＯＲ機能を含む様々なブール動作を実行することができる。光論理デバイスは、一対の導波路および干渉を生じさせるための位相遅れ要素を含めることにより、これらのおよび他の機能を実現する。
【００１２】
一実施形態において、光論理デバイスは、マッハゼンダー干渉計（ＭＺＩ）またはマイケルソン（Miclelson ）干渉計（ＭＩ）のような干渉計を含む。干渉計デバイスは、第１および第２の入力を受信しかつ１つの出力を生成するための３ポート構成からなる。干渉計は、それぞれ第１および第２の光入力信号を受信するための少なくとも第１および第２の導波路を有する。第１および第２の導波路は、光出力信号が生成される出力において結合する。各導波路は、それに一体化された半導体光増幅器（ＳＯＡ）のような少なくとも１つの増幅器を有する。好ましくは、増幅器は、単一基板上で各それぞれの導波路内にモノリシックに一体化され得る。各導波路内の増幅器は、出力において、導波路間に相対的位相差を生じるように構成される。選択された相対的位相差は、光論理デバイスのブール動作に対応する。
【００１３】
一例において、光論理デバイスは、ＸＯＲブール動作をサポートするために、１８０度（１８０°）の相対的位相差を有する。ＸＯＲブール動作の動作を表す真理値表が、図３（ｂ）に示されている。第１および第２の入力光信号の両方がバイナリーの１を示す場合、光論理デバイスは、バイナリー０を表す出力光信号を生じる。ここで、図１（ａ）に示されているように、相対位相は破壊的（destructive）干渉をイニシエートするので、バイナリー０出力が生成される。
【００１４】
両方の入力光信号がバイナリー１を表す場合、入力光信号のうちの一方は、他方の入力光信号に対して１８０°だけ位相シフトされている。そして、位相シフトされた入力光信号は、出力において他方の入力光信号と結合され、互いに破壊的に干渉する。そのようにすると、出力光信号は、バイナリー０を表すように生成される。両方の入力光信号がバイナリー０を表す場合、いずれの導波路にもそれを通る光がなく、バイナリー０を表す出力光信号となる。
【００１５】
しかし、一方のみの入力光信号がバイナリー１を表し、他方の入力光信号がバイナリー０を表す場合、出力光信号は、バイナリー１を表すように生成される。この状況において、バイナリー１を表す光パワーが一方の導波路を通って進み、他方の導波路は光パワーを受信しない。干渉計の出力において、バイナリー１を表す光パワーは、バイナリー０を表す光信号と結合され、バイナリー１に等しい出力光信号を得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、様々な演算機能を実現するための干渉原理を利用する。これらの演算機能は、ＡＮＤ，ＯＲ，ＸＯＲ，ＮＯＴ，ＮＡＮＤ，ＮＯＲ，およびＸ−ＮＯＲのようなブール動作を含む。本発明は、位相遅れ要素と組み合わされた一対の導波路、または代替的に干渉計デバイスにより実現され得る。この構成により、建設的（constructive）および破壊的（destructive ）干渉の原理が、図１（ａ）および１（ｂ）に示されているように使用され得る。本発明の目的のために、干渉計デバイスは、ここにおける開示から当業者にとって様々な代替物が明らかとなるが、例えば、マッハゼンダー干渉計（ＭＺＩ）およびマイケルソン干渉計（ＭＩ）を含む。
【００１７】
図１（ａ）において、第１の３ポート干渉計デバイス１０が示されている。デバイス１０は、第１の（Ａ）入力光信号１６および第２の（Ｂ）入力光信号１８をそれぞれ受信するための第１の入力１２および第２の入力１４を有する。図示された例において、ＡおよびＢの両方は、バイナリー１に対応する。デバイス１０は、１８０度（１８０°）の相対位相差ΔΦだけ、一方の入力光信号を他方の入力光信号に対して位相シフトする。そのようにすることで、位相シフトされた入力光信号のピークは、他方の入力光信号の谷と一致する。両方の光入力信号が、デバイス１０により出力２２において結合されるとき、破壊的干渉が生じる。結果として、出力（Ｃ）光信号２０は、バイナリー０を示す。
【００１８】
図１（ｂ）において、ゼロ度（０°）の相対位相差ΔΦを有する第２の３ポート干渉計デバイス３０が示されている。デバイス３０は、第１（Ａ）の入力光信号３６および第２（Ｂ）の入力光信号３８をそれぞれ受信するための第１の入力３２および第２の入力３４を有する。図示した例において、ＡおよびＢは、両方ともバイナリー１に対応する。デバイス３０は、ゼロ度（０°）の相対位相差ΔΦだけ、一方の入力光信号を他方の入力光信号に対して位相シフトする。そのようにすることで、位相シフトされた入力光信号のピークが、他方の入力光信号のピークと整列される。そして、両方の光入力信号がデバイス３０により結合されるとき、建設的干渉が、バイナリー１の出力４２における出力（Ｃ）光信号４０を生じさせる。
【００１９】
異なるバイナリー値の入力光信号、ＡおよびＢについて、異なる出力光信号Ｃが生成され得る。これは、３ポート干渉計デバイスに対して意図されたブール動作に依存する。入力光信号ＡおよびＢと出力光信号Ｃとの間の因果関係は、以下の説明から明らかとなるであろう。
【００２０】
本発明の目的のために、バイナリー１として示された光信号は、例えば、信号１６の特性を表す。本発明の一実施形態において、光信号は、約１５５０ｎｍの波長により特徴づけられ、少なくとも１０ｄｂの電力分離（separation）により区別可能な１および０のバイナリー値を含む。バイナリー０およびバイナリー１に対するしきい値電力値は、本発明に結合される光検出器のような図示しない様々な追加的なコンポーネントに従って選択される。本発明の目的のために、バイナリー入力信号は、互いに同相で受信される。しかし、代替的なレンジおよびパラメータが、ここでの開示を見ることにより当業者にとって明らかとなるであろう。
【００２１】
図２（ａ）および２（ｂ）において、本発明の一実施形態によるブールＯＲ動作を実行するための光論理デバイス５０が示されている。光論理デバイス５０は、少なくとも第１および第２の入力光信号ＡおよびＢを受信するための少なくとも第１および第２の入力５４および５８を含む。デバイス５０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス５０は、入力５４および５８によりそれぞれ光信号ＡおよびＢを受信するための第１および第２の導波路６２および６８を有するＭＺＩから形成される。
【００２２】
デバイス５０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）６４および６６により実現される。各ＳＯＡは、飽和領域において動作するようにバイアスされている。本発明の目的のために、各ＳＯＡは、受信された光信号を増幅するが、位相変化を含む。当業者に知られているように、位相変化は、制御可能であり、ＳＯＡの長さについての増幅利得に対する導波路の屈折率の比から主に生じる。
【００２３】
更なる情報は、Leuthold等による"All-Optical Space Switches with Gain and Principally Ideal Extinction Ratios," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No. 4 (April 1998)（以下、"Leuthold I"という）、およびLeuthold 等による"All-Optical Mach-Zehnder Interferometer Wavelength Converters and Switches with Integrated Data and Control Signal Separation Scheme," Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 6 (June 1999)（以下、"Leuthold II"という）を参照のこと。
【００２４】
図示されているように、ＳＯＡ６４は導波路６２に対応し、ＳＯＡ６６は導波路６８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路を通って伝播する光電力に対して、位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、導波路６２を通って伝播する入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有し、導波路６８を通って伝播する入力光信号Ｂは、位相遅れΦ2 を有する。光信号ＡおよびＢは、出力接合部７０において結合され、そこでは、導波路６２および６８が隣り合う。ゼロ度（０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部７０において導波路６２と導波路６８との間で生じる。そして、両方の導波路からの光電力が出力接合部７０に表れるとき、同相であり、建設的干渉が起きる。光信号ＡおよびＢの結合は、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００２５】
デバイス５０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについてブールＯＲ論理動作を実行する。信号Ａ，ＢとＯＵＴとの間の関係は、図２（ｂ）に示された真理値表に示されている。機能的には、信号ＡおよびＢが両方ともバイナリー０であるとき、バイナリー０に等しいナル(null)信号が両方の導波路を通って伝播する。出力接合部７０において、両方のナル信号が結合され、バイナリー０に対応するナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００２６】
入力信号ＡまたはＢの１つのみが、ナル信号であり、他の入力信号はバイナリー１である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリーは１に等しい。ここで、バイナリー１入力光信号に関連づけられた光電力は、出力接合部７０において、他の入力光信号のナル信号と結合される。この出力信号ＯＵＴの結合結果は、バイナリー１になる。
【００２７】
入力光信号ＡおよびＢの両方がバイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、対応する位相遅れを伴って両方の導波路を通って伝播する。各導波路間の相対位相関係ΔΦがゼロ度（０°）であるので、入力光信号ＡおよびＢの両方は、出力接合部７０において同相である。したがって、両方の入力光信号に関連づけられた光電力が結合されるとき、建設的干渉は、バイナリー１に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。このシナリオは、図１（ｂ）およびその説明に示されている。
【００２８】
図３（ａ）および３（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＸＯＲブール動作を実行するための光論理デバイス８０が示されている。光論理デバイス８０は、少なくとも第１および第２の入力光信号ＡおよびＢを受信するための少なくとも第１および第２の入力８４および８８を含む。デバイス８０は、少なくとの１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス８０は、入力８４および８８を通してそれぞれ光信号ＡおよびＢを受信するための第１および第２の導波路９２および９８を有する。
【００２９】
デバイス８０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）９４および９６により実現される。この構成により、ＳＯＡ９４は、導波路９２に対応し、ＳＯＡ９６は、導波路９８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有する導波路９２を通して伝播し、入力光信号Ｂは、位相遅れΦ2を有する導波路９８を通して伝播する。
【００３０】
光信号ＡおよびＢは、導波路６２および６８が隣り合う出力接合部１００において結合される。この設計により、１８０度（１８０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１００において導波路９２と９８との間に生じる。そして、両方の導波路からの光電力が出力接合部１００に提供されるとき、位相がずれており、破壊的干渉が起こることになる。光信号ＡおよびＢの結合は、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００３１】
デバイス８０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについてブールＸＯＲ論理機能を実行する。信号Ａ，ＢとＯＵＴとの間の関係は、図３（ｂ）に示された真理値表に表されている。機能的には、信号ＡおよびＢが共にバイナリー０であるとき、バイナリー０に等しいナル信号が両方の導波路を通って伝播する。出力接合部１００において、両方のナル信号が結合され、バイナリー０に対応するナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００３２】
入力信号ＡまたはＢの一方のみがナル信号であり、他方の入力信号がバイナリー１である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリー１に等しい。ここで、バイナリー１の入力光信号に関連づけられた光電力は、出力接合部１００において、他方の入力光信号のナル信号と結合される。この結合は、バイナリー１に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００３３】
両方の入力光信号ＡおよびＢがバイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、対応する位相遅れを伴って両方の導波路を通して伝播する。各導波路間の相対位相関係ΔΦが１８０度（１８０°）であるので、両方の入力光信号ＡおよびＢは、出力接合部７０において互いに位相がずれている。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力が結合されるとき、破壊的干渉が、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。このシナリオは、図１（ａ）およびその説明に示されている。
【００３４】
図４（ａ）および４（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＡＮＤブール動作を実行するための光論理デバイス１１０が示されている。光論理デバイス１１０は、それぞれ少なくとも第１および第２の入力光信号を受信するための少なくとも第１および第２の入力１１４および１１８を含む。デバイス１１０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス１１０は、第１および第２の導波路１３２および１３８を有する。
【００３５】
デバイス１１０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）１３４および１３６により実現される。この構成により、ＳＯＡ１３４は導波路１３２に対応し、ＳＯＡ１３８は導波路１３８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。そして、導波路１３２を通って伝播する光信号は位相遅れΦ1を有し、導波路１３８を通って伝播する光信号は位相遅れΦ2 を有する。光信号ＡおよびＢは、導波路１３２および１３８が隣り合う出力接合部１４０において結合される。
【００３６】
この設計により、ゼロ度（０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１４０において導波路１３２と１３８との間に生じる。光信号ＡおよびＢは、導波路１３２および１３８が隣り合う出力接合部１４０において結合され、出力信号ＯＵＴを形成する。デバイス１１０は、以下の説明から理解されるように、光信号のバイナリー値に依存して、出力接合部１４０において、破壊的または建設的な干渉を使用する。
【００３７】
第１および第２の入力１１４および１１８は、電力ディバイダ１３０により導波路１３２および１３８と結合される。電力ディバイダ１３０は、各入力信号１１４および１１８の一部を、各導波路１３２および１３８に割当てる。電力ディバイダ１３０は、Ｙジャンクションデバイス１４２およびブランチ１２０，１２４および１２８を含む。Ｙジャンクションデバイスは、同業者に知られている。
【００３８】
更なる情報については、Leuthold等による"Multimode Interference Couples for the Conversion and Combining of zero and First Order Modes," Journal of Lightwave Technology, Vol. 16, No. 7 (July 1998)（以下、"Leuthold III"という）を参照のこと。Ｙジャンクションデバイス１４２は、単一の入力ポートおよび少なくとも２つの出力ポートを有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを含む。ＭＭＩカプラは、光電力の基本モードを一次モードに変換するための導波路カプラである。
【００３９】
ＭＭＩカプラは、ＭＭＩカプラのジオメトリ（geometry）によって、１つまたは２つ以上の出力導波路と一次モードを結合する。動作的には、ＭＭＩカプラの入力アームは、出力導波路が互いに接触し、一次モードの形式で２つの光ビームを送信するためのより広い導波路を形成するように配置されている。ここで、Ｙジャンクション１４２のＭＭＩは、光電力の基本モードおよび一次モードの両方をガイドするように構成されている。これは、光電力の所望の部分を捉えるようにＹジャンクション１４２の出力を広げかつ配置することにより実現される。Leuthold IIIを参照のこと。
【００４０】
一実施形態において、光ディバイダ１３０は、光電力を３分の１で割当てる。したがって、入力光信号Ａのみがバイナリー１に対応する場合、電力ディバイダ１３０は、入力光信号Ａに関連する光電力の２／３を、導波路１３２を通して伝播させ、１／３を導波路１３８を通して伝播させる。同様に、入力光信号Ｂのみがバイナリー１に対応する場合、光電力の２／３を、例えば導波路１３８を通して伝播させ、１／３を導波路１３２を通して伝播させる。
【００４１】
この光電力の分配を実現するために、Ｙジャンクション１４２は、ＭＭＩカプラの入力から出力まで測定された長さまで測定された長さを有する。一実施形態において、Ｙジャンクション１４２は、所望のカップリング割合に対応する約０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲にある両端間長さを有する。また、両方の入力光信号ＡおよびＢがバイナリー１に対応する場合、同じ量の光電力が、電力ディバイダ１３０により導波路１３２および１３８に分配されることが、当業者にとって明らかであろう。
【００４２】
デバイス１１０は、バイナリー入力信号ＡおよびＢについて、ブールＡＮＤ論理機能を実行する。信号Ａ，ＢおよびＯＵＴ間の関係は、図４（ｂ）に示された真理値表に表されている。機能的には、信号ＡおよびＢが両方ともバイナリー０であるとき、ナル信号が、導波路１３２および１３８を通して入力１１４および１１８から伝播する。出力接合部１４０において、導波路１３２および１３８からのナル信号の両方が結合され、バイナリー０に設定されたナル出力光信号ＯＵＴを生成する。
【００４３】
入力信号ＡまたはＢの一方のみがナル信号であり、他の入力信号ＢまたはＡがバイナリー１である場合、出力信号ＯＵＴは、バイナリー０に設定される。バイナリー１の入力信号からの光電力は、以上に説明したように、電力ディバイダ１３０により分割される。導波路１３２および１３８についての光電力の分配は、１８０度（１８０°）の更なる相対位相シフトを含む。この更なる相対位相シフトは、バイナリー１の入力信号に関連する光電力の１／３を受信する導波路のそれぞれのＳＯＡにより生じる。
【００４４】
Leuthold I および Leuthold II を参照のこと。一実施形態において、各ＳＯＡは、約１ｍＷの光電力の受信に応答して、更なる相対位相シフト（１８０°）をトリガするように構成される。この光電力は、バイナリー１の入力信号からの光電力の１／３の分配に対応する。バイナリー１に設定された一方の入力信号からの光電力の導波路１３２と１３８との間の分配が、出力接合部１４０における破壊的干渉を引き起こす。得られる破壊的干渉は、電力差が導波路１３２および１３８を通って伝播すると、バイナリー０に対応する剰余電力を形成することになる。結果として、出力接合部１４０において生じる出力信号ＯＵＴは、バイナリー０に等しい。
【００４５】
入力光信号ＡおよびＢの両方が、バイナリー１である場合、各入力信号からの光電力は、導波路１３２および１３８を通して等しく伝播する。導波路間の相対位相シフトΔΦが、ゼロ度（０°）であると、入力光信号ＡおよびＢの両方が、出力接合部１４０において、互いに同相である。また、導波路１３２および１３８は、両方を通って伝播する光電力が等しくなるようにバランスされる。そして、更なる相対位相シフトが誘導されない。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力は、干渉の原理を使用して結合され、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００４６】
図５（ａ）および５（ｂ）において、本発明の一実施形態によるＮＯＴブール動作を実行するための光論理デバイス、即ちインバータ１５０が示されている。光論理デバイス１５０は、少なくとも第１の入力光信号Ａを受信するための少なくとも第１の入力１５４を含む。デバイス１５０は、第２の入力１５８において制御光信号ＣＬＯＣＫを受信する。制御信号ＣＬＯＣＫは、バイナリー１に対応する光ビットのストリームである。また、光ビットのストリームは、上述したように、本発明を使用する光論理デバイスの最大演算ビットレートに設定されている。
【００４７】
光論理デバイス１５０は、少なくとも１つの導波路を含む。一実施形態において、デバイス１５０は、第１および第２の導波路１６２および１６８を有する。第１および第２の導波路１６２および１６８は、それぞれ、光信号ＡおよびＣＬＯＣＫを、入力１５４および１５８を通して受信する。デバイス１５０は、増幅器も含む。一実施形態において、増幅器は、第１および第２の半導体光増幅器（ＳＯＡ）１６４および１６６により実現される。この構成により、ＳＯＡ１６４は、導波路１６２に対応し、ＳＯＡ１６６は、導波路１６８に対応する。各ＳＯＡは、その対応する導波路に対して、位相遅れΦ1およびΦ2を生じる。
【００４８】
そして、入力光信号Ａは、位相遅れΦ1 を有する導波路１６２中を伝播し、制御光信号ＣＬＯＣＫは、位相遅れΦ2 を有する導波路１６８中を伝播する。光信号ＡおよびＣＬＯＣＫは、導波路１６２および１６８が隣り合う出力接合部１７０において結合される。この設計により、１８０度（１８０°）の相対位相遅れΔΦが、出力接合部１７０において、導波路１６２と１６８との間に生じる。両方の導波路からの光電力が出力接合部１７０に提供される場合、位相がずれて、破壊的干渉が起きることになる。制御信号ＣＬＯＣＫの存在における入力光信号Ａの組合わせは、出力信号ＯＵＴを生じる。
【００４９】
デバイス１５０は、バイナリー入力信号ＡについてブールＮＯＴ論理機能を実行する。入力信号Ａと出力信号ＯＵＴとの間の関係は、図５（ｂ）に示された真理値表に表されている。入力信号Ａがバイナリー０である場合、出力光信号ＯＵＴは、バイナリー１に等しい。ここで、バイナリー０に等しいナル信号が導波路１６２を通して伝播し、制御信号クロックからのバイナリー１のストリームが、導波路１６８を通して伝播する。出力接合部１７０において、制御信号クロックのバイナリー１とのバイナリー０ナル信号の組合せは、バイナリー１に等しい出力光信号ＯＵＴになる。
【００５０】
入力光信号Ａがバイナリー１である場合、信号ＡおよびＣＬＯＣＫからの光電力は、導波路１６２および１６８を通って伝播する。各導波路間の相対位相遅れΔΦが１８０度（１８０°）であるので、信号ＡおよびＣＬＯＣＫは、出力接合部１７０において互いに位相がずれている。したがって、両方の入力光信号に関連する光電力が結合されるとき、破壊的干渉は、バイナリー０に等しい出力信号ＯＵＴを生じる。
【００５１】
光論理デバイス１５０は、上述した他の実施形態に鑑みて、様々な追加的なブール動作の設計を可能にする。そして、ブールＮＯＲ動作が、図２のＯＲ論理ゲート５０をＮＯＴ論理デバイス１５０と組み合わせることにより実現され得ることが当業者にとって明らかであろう。同様に、ＮＯＴ論理デバイス１５０を図３のＸＯＲ論理デバイス８０と共に使用して、Ｘ−ＮＯＲ論理デバイスを可能にする。図４のＡＮＤ論理デバイス１１０をデバイス１５０のＮＯＴ論理動作と組み合わせることで、ＮＡＮＤ論理機能を得る。
【００５２】
図６（ａ）および６（ｂ）において、本発明の別の実施形態によるブールＯＲ動作を実行するための光論理デバイス１７５が示されている。デバイス１７５は、図２（ａ）の光論理デバイスと対照的に、ブールＯＲ論理機能を実行するためのマイケルソン干渉計構成による。動作的には、デバイス１７５は、光論理デバイス５０と同様に機能する。他の構成および代替的な干渉計スキームは、ここにおける開示から当業者に明らかとなるであろう。
【００５３】
図７（ａ）および７（ｂ）において、本発明の別の実施形態による光２ビットバイナリー加算器２００が示されている。２ビットバイナリー加算器は、一般に知られている。Hill, pp. 175-182 を参照のこと。バイナリー加算器２００は、ブールＸＯＲ動作を実行するための光デバイス２１０およびブールＡＮＤ動作を実行するための光デバイス２２０を含む。バイナリー加算器２００は、ビルディングブロックとしてここに示したブール論理デバイスを使用する。
【００５４】
本発明の一実施形態において、光デバイス２１０は、図３のＸＯＲゲート８０により実現され、光デバイス２２０は、図４のＡＮＤゲート１１０により実現される。加算器２００は、バイナリー信号ＡおよびＢについてバイナリー加算を実行し、出力信号ＳＵＭおよびＣＡＲＲＹを生じる。２ビットバイナリー加算器２００の機能に対応する真理値表が、図７（ｂ）に示されている。
【００５５】
上述した光論理デバイスは、結合されて、シーケンス回路、フリップフロップ、デコーダ、パルティチェッカー、シフトレジスタ、リニアフィードバックシフトレジスタ、リニアコングルエンタル（congruential）ジェネレータ、カウンタ、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、擬似ランダム数ジェネレータ、ステートマシーン、および算術論理ユニットなどのような演算デバイスを形成する。これらの演算デバイスについての更なる情報については、Buchsbaum による Encyclopedia of Integrated Circuits, Prentice-Hall 1981 を参照のこと。また、Hill および Koopman を参照のこと。
【００５６】
図８（ａ）および８（ｂ）において、本発明の別の実施形態による光算術デバイス２５０が示されている。算術デバイス２５０は、ＸＯＲ動作を実行するための光デバイス２６０および２８０、ＡＮＤ動作を実行するための光デバイス２７０および２９０、およびＯＲ動作を実行するための光デバイス３００を含む。算術デバイス２５０は、ビルディングブロックとしてここに示されたブール論理デバイスの組合せにより実現される。一実施形態おいて、光デバイス２６０および２８０は、図３のデバイス８０から実現され、光デバイス２７０および２９０は、図４の光デバイス１１０から実現され、光デバイス３００は、図２の光デバイス５０から実現される。
【００５７】
図８（ａ）において、構成されているように、算術デバイス２５０は、フル３ビット加算器として機能するように設計されている。フル３ビット加算器は、演算処理における基本的要素であり、一般に知られている。Hill, pp. 175-182 を参照のこと。算術デバイス２５０は、バイナリー信号Ａ，ＢおよびＣについてバイナリー加算を実行し、出力信号ＳＵＭおよびＣＡＲＲＹを生じる。３ビットバイナリー加算器２５０の機能の対応する真理値表が、図８（ｂ）に示されている。算術デバイス２５０は、減算、乗算、除算を含む他の数学的処理、並びに何れかのビット数における三角法オペレーションを実行するように構成することができる。
【００５８】
図９において、本発明の別の実施形態によるデータを暗号化するための光デバイス３５０が示されている。暗号化デバイス３５０は、光キージェネレータ３６０および光暗号化器３７０により実現される。キージェネレータ３６０は、上述したデータの一方向送信を暗号的に保証することにおいて使用される数字ジェネレータである。Schneier および Koopman を参照のこと。ジェネレータ３６０は、例えば、リニアフィードバックシフトレジスタ（ＬＦＳＲ）のような当業者に知られた様々な構成を使用して実現され得る。一実施形態において、光キージェネレータ３６０は、光キーを生成するためのビルディングブロックとしての多数の光論理デバイスを含む。
【００５９】
ジェネレータ３６０を形成する光論理デバイスは、上述した本発明の実施形態から実現され得る。ジェネレータ３６０は、当業者に知られているように、トリガまたはクロック信号ＣＬＯＣＫ、および初期数（initial number）を受信することに応答して、出力ＫＥＹを生じる。Schneier および Koopman を参照のこと。光暗号化器３７０は、キージェネレータ３６０の光キー信号およびデータ信号ＤＡＴＡのストリームを受信する。これに応答して、暗号化器３７０は、ＥＮＣＲＹＰＴＥＤ ＤＡＴＡ出力を生成する。更なる実施形態において、光暗号化器３７０は、キージェネレータ３６０から光信号ＫＥＹ’も受信する。光信号ＫＥＹ’は、光信号ＫＥＹの位相が遅れたバージョンである。光信号ＫＥＹと光信号ＫＥＹ’との間の相対位相遅れは、データ信号ＤＡＴＡの光ストリームからのデータのビット幅に対応する。
【００６０】
データ信号ＤＡＴＡの光ストリームおよび光信号ＫＥＹからのビットを受信することで、暗号化器３７０は、ビットフリッピング（bit flipping）に類似する暗号化動作を実行する。ここで、光信号ＫＥＹ’は、暗号化器３７０をリセットするためのリセットメカニズムとして働く。信号ＫＥＹの光電力は、各導波路間の相対位相関係ΔΦに対する１８０度（１８０°）の更なる位相シフトをイニシエートするように設定される。そして、光信号ＫＥＹからのバイナリー１ビットが受信される場合、追加的な位相遅れが、出力接合部においてゼロ度（０°）の実効位相遅れを生じる。
【００６１】
上記のシナリオにおいて、暗号化器３７０の両方の導波路間に等しく分割されたデータ信号ＤＡＴＡの光ストリームは、出力接合部において建設的に加算される。しかし、光信号ＫＥＹ’は、１８０度（１８０°）の追加的な位相シフトをイニシエートするように設定される。そして、光信号ＫＥＹ’の受信により、破壊的干渉が、出力接合部において生じ、データ信号ＤＡＴＡの光ストロームを生じる。
【００６２】
図１０において、本発明の別の実施形態による３ポート干渉計ブール論理デバイス４００が示されている。デバイス４００は、干渉計の入力ポートから出力ポートまで約５ｍｍの長さである。デバイス４００は、第１および第２の導波路４１２および４１６を使用する。導波路４１２および４１６は、それぞれ第１のＳＯＡの出力４２４または４３２から第２のＳＯＡの入力４２８または４３６まで約０．４ｍｍの長さである。導波路４１２および４１６の各々は、それぞれ入力４０４および４０８において入力光信号を受信する。
【００６３】
導波路４１２および４１６は、リン化インジウム（ＩｎＰ）の単一基板４４０上に形成される。ＳＯＡの各々は、それらの各導波路内にモノリシックに一体化される。ＳＯＡは、インジウムおよびリン（ＩｎＰ）のｎドープクラッド層とｐドープクラッド層との間にサンドイッチされたＩｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-yから形成され、ここで、ｘ＝０．４、ｙ＝０．８５である。ｐのドーピングレベルは、約２×１０17であり、ｎドーピングレベルは、約２×１０18であった。ＳＯＡの活性領域を定義するために、メサが形成された。
【００６４】
一実施形態において、本発明のデバイスが、光データ信号を分割しかつ結合するための２つのスプリッタ−ＭＭＩカプラ、制御信号を導入するための２つのカプラ−ＭＭＩカプラ、およびスイッチングのための必要な非線形性を提供するためのＳＯＡにより形成される。ＳＯＡは、オン−オフ状態の制御を容易にするために、ＭＺＩアーム上に設けられ得る。ＳＯＡは、ＩｎＰ基板上に、２ステップ有機金属気相エピタキシー法により成長させられる。最初に、１．５５ｕｍ−ＩｎＧａＡｓＰ活性ＳＯＡ層が、約０．２２μｍの厚さ成長させられる。続いて、５００−１５００μｍ長さのＳＯＡエリアの外側領域がエッチされ、パッシブ導波路層が成長させられる。最初に、０．６μｍ厚さ１．２８μｍ−ＩｎＧａＡｓＰ層、そしてその後１．６μｍ厚さＩｎＰクラッド層である。
【００６５】
そして、導波路が、ＳＯＡおよび導波路ヘテロ構造にエッチングすることにより形成される。２×２−ＭＭＩ構造が、好都合に、導波路の形成の間にエッチされ、縦２００μｍ横１１．３μｍとなる。そして、高濃度にドープされたＩｎＧａＡｓ層が、導波路セクションの上面に設けられ、金パッドとの接触を提供する。デバイスの得られるチップサイズは、約６×１．０ｍｍである。導波路ファセットは、反射防止膜がコートされ、熱放散を可能にしかつクリービング（cleaving）を容易にするために薄くされる。
【００６６】
導波路４１２および４１６は、各々一対のＳＯＡ４２４／４２８および４３２／４３６を含む。各ＳＯＡは、約６００μｍないし１２００μｍの範囲の長さを有した。また、各ＳＯＡは、約３００ｍＷの消費電力であり、約１５５０ｎｍの波長で動作する光信号に対して、室温で約２５ｄＢの利得を有した。
【００６７】
ＭＭＩから形成されたＹジャンクションカプラ４３８により、導波路４１２および４１６は、出力接合部４２０において隣り合う。ＭＭＩは、導波路４１２および４１６からの所望の割合の光電力を捉えるように、端部から端部まで測定された約０．５ｍｍの長さである。結果として、出力信号４４４は、出力接合部４２０を通して伝播された。
【００６８】
上述したように、デバイス４００は、出力信号４４４を形成することに、接合部４２０における建設的または破壊的な干渉を使用する。生じた干渉は、ＳＯＡにより生じた相対位相差に依存する。相対位相差の選択は、実行されるべきブール論理動作を部分的に決定する。
【００６９】
上記の構成により、スイッチング速度は、約１０ピコ秒であると観測された。しかし、この結果は、光電力の到着の後に続く、各ＳＯＡ中のキャリア密度の変化により制限される。しかし、キャリア密度の変化は、一般に、光電力の波長に直接的に比例する。この例において、キャリア密度の変化は、光信号の動作可能な波長範囲が狭い場合最小である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結合的ブール論理動作のような演算機能を実行するための光デバイスを提供することができる。
【００７１】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は本発明の一実施例の態様関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用される建設的および破壊的干渉計を示す。
【図２】本発明の一実施形態を示す上面図。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す上面図。
【図４】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図５】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図６】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図７】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図８】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図９】本発明の別の実施形態を示す上面図。
【図１０】本発明において使用される３ポート干渉計の一例を示す図。
【符号の説明】
１０ 第１の３ポート干渉計デバイス
１２，３２ 第１の入力
１４，３４ 第２の入力
１６，１８，３６，３８ 入力信号
２２，４２ 出力
３０ 第２の３ポート干渉計デバイス
４０ 光信号
５０ 光論理デバイス
５４ 第１の入力
５８ 第２の入力
６２ 第１の導波路
６４，６６ 半導体光増幅器
６８ 第２の導波路
７０ 出力接合部
８０ 光論理デバイス
８４ 第１の入力
８８ 第２の入力
９２ 第１の導波路
９４，９６ ＳＯＡ
９８ 第２の導波路
１００ 出力接合部
１１０ 光論理デバイス
１１４ 第１の入力
１１８ 第２の入力
１３０ 電力ディバイダ
１３２ 第１の導波路
１３４，１３６ ＳＯＡ
１３８ 第２の導波路
１４０ 出力接合部
１５０ 光論理デバイス
１５４ 第１の入力
１５８ 第２の入力
１６２ 第１の導波路
１６４，１６６ ＳＯＡ
１６８ 第２の導波路
１７０ 出力接合部
１７５ 光論理デバイス
２００ バイナリー加算器
２１０，２２０ 光デバイス
２５０ 算術デバイス
２６０，２７０，２８０，２９０，３００ 光デバイス
３５０ 光デバイス
３６０ キージェネレータ
３７０ 暗号化器
４００ ブール論理デバイス
４０４，４０８ 入力
４１２，４１６ 導波路
４２０ 出力接合部
４２４，４３２ 第１のＳＯＡ
４２８，４３６ 第２のＳＯＡ
４４０ 単一基板
４４４ 出力信号
Claims (1)
- データおよび光キー信号の受信に応答してデータを暗号化する光デバイスであって、
第１および第２の導波路を有する少なくとも１つの干渉計を含み、前記第１の導波路は前記データと光キー信号とを受信し、そして前記第２の導波路は前記データと位相が遅れた光キー信号とを受信するものであり、前記光デバイスはさらに、
前記第１と第２の導波路との間に１８０°の初期相対位相遅れを誘導し、前記光キー信号からのバイナリー１の受信に応答して前記導波路間に１８０°の第１の追加相対位相遅れを生じさせ、そして前記位相が遅れた光キー信号からのバイナリー１の受信に応答して前記導波路間に１８０°の第２の追加相対位相遅れを生じさせる、少なくとも１つのキージェネレータと、
前記第１と第２の導波路を隣り合わせにして、暗号化されたデータが生成される出力ノードを作るＹジャンクションデバイスとを含むことを特徴とする光デバイス。
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