JP5250033B2 - 可飽和吸収体を用いた光論理デバイス - Google Patents
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Description
設計の最適化
上記したことから分かるように、吸収の可飽和部分が完全になくなる時にVCSGのインピーダンスを整合させることにより(それゆえに、反射の電磁界を相殺することにより)、標準のSAのAND特性を逆転することができる。
前の数式は数式13のように書き換えられる。
VCSGを用いたNOR/NAND論理動作器の設計
ここまでは、VCSGの共振の1つに同調した入射電磁界を考えてきた。しかしながら、NORおよびNAND論理動作のためにVCSGを用いることが望まれる場合は、ポンプ‐プローブ構成が必要になる。実際には、2つの論理入力を表す2つのポンプ・ビームが、2つの入力ポンプ・ビット間の論理動作の結果を供給するように、VCSGの出力におけるプローブ信号の状態に影響を与える。原理的には、ポンプ信号およびプローブ信号は、非線形空洞共振器の2つの異なる共振に同調させることもできる。この場合には、動作の効率は、最大値にまで増大することになろう。実際には、プローブ信号だけがファブリ・ペロー共振に同調していて、一方、2つのポンプはプローブ波長から離調していて十分であり、またその方が望ましい。これは、局所的なプローブ信号の波長をVCSG共振の近くに維持させながら、外部の入力ポンプ信号に関して、デバイスの波長透明性を増すことになるであろう。
NAND動作
提案されたVCSGをもつNANDゲートの動作原理の概略的表示が図6aに示されているが、これは、全入力パワー(プローブとポンプ電磁界)の関数として共振状態にあるプローブ電磁界が感じる反射率を示している。ほぼ階段状の逆SA反射率特性をもつ理想ゲートを考えよう。遷移端近くのパワーPpbをもつ連続波のプローブ電磁界がまず初めにゲートに入力され、ポンプ・パルスがないので高い反射率R(Ppb)を感じる。
NOR動作
同じようにしてNOR動作を行わせることができる。この場合、プローブ電磁界は空洞共振器の共振に整合させ、適当なパワーの値をもち、1つの単一のポンプ・パルスがゲートを共振波長でオフ状態に切り替えるのに十分なエネルギーをもつときは、反射プローブ・パワーをフィルタに通すことによって2つのポンプ・パルス間のNORが実現できる。この場合の動作の概略と計算されたスペクトル反射率は、それぞれ図6bおよび図7bに示されている。スペクトル反射率を計算するために用いられたパラメータは、図7aの場合と同じであるが、ポンプ・パワーは、この場合、Ppmp=2×Psat、に設定されていることが異なる。
空洞共振器パラメータの効果
この節では、空洞共振器パラメータがデバイスの動作に与える効果について調べる。特に、低パワー時の可飽和吸収係数α0および非可飽和吸収係数αnsが非線形空洞共振器特性に与える影響について解析する。底面鏡の反射率は100%と仮定し、上面鏡の反射率は数式4の条件を満たす値に設定された。全ての結果は、吸収体の飽和パワーで規格化されている。
双安定解析
ここでは、該デバイスの双安定動作と、双安定を回避する条件とを調べる。双安定の解析は、吸収ではなくて屈折率変化だけが関わる非線形効果を扱った参考文献[8]と同様の手続きを用いて行うことができる。ここでは、非線形屈折率変化は(大きな吸収変化に比べて小さいものと仮定して)無視することとし、吸収飽和の効果だけを考慮することにする。解析は、非線形屈折率と吸収変化の両方を考慮した一般的な場合にも容易に拡張できる。双安定の挙動は、入力および反射の強度(それぞれ、IinおよびIref)を空洞共振器内部の電磁界強度Icの関数として書き下し、つぎに、変数Icを無視してIrefをIinに対してプロットすることによって見ることができる。
数式16および数式17を得る。
動的動作
VCSGの動的動作は、数式1にMQWにおける吸収の動的変化を記述する数式を代入することによって研究することができる。吸収を表す部分に単一の時定数モデルを用いることにより、空洞共振器内の吸収係数に対して数式18のように書くことができる。
NAND動作
上記したように、ゲートがその初期状態へ回復するのを可能にするためには、空洞共振器内におけるヒステリシスの条件は回避すべきである。これは、高エネルギー時のフィネス値を制限することによって、αnsの値を十分に大きな値に選ぶか、または、バイアス用プローブ・パワーがヒステリシスの境界領域の外に在るように設定することによって達成できる。もちろん、2つの解決法を組み合わせてもよい。しかしながら、これら2つの解決法とも出力信号の質を暗示する。実際、αnsの値を大きくすることは、図10に示すように共振波長においてオン/オフ遷移をスムーズにする。共振から外れたポンプ電磁界によって誘起されたプローブ電磁界の反射率変化を考慮すると、曲線はよりスムーズになる(例えば、図8cの下図実線を見よ。)。この劣化は、入力ポンプの動的範囲の3dB以内で強い反射率変化が必要になるNANDゲートの動作の妨げになりかねない。可能な解決法は、この場合、ポンプ電磁界も空洞共振器の共振の近傍に同調させることであろう。この場合、αnsが大きすぎない限り、遷移の急峻さは保持され、NAND動作はなお可能である。この状況の例は図10(a)に示されている。この図では、ポンプが第2の空洞共振器の共振から遠くに(破線)、または近くに(実線)ある2つの場合に対して、ポンプ電磁界によって誘起されるプローブ電磁界の反射率が示されている。αns×d=5−3およびα0×d=0.25である。この場合、プローブ・バイアス用パワーはPpb=Psatとし、(図10bに示す)反射率対プロ―ブ・パワーの特性における遷移端に近すぎることのないような値に選ばれている。数式14と数式1で与えられたモデルを用いて得られた動的挙動も図11に示されている。比較のために、双安定動作の場合の動的挙動も図12に示されている。この場合、プローブ・パワーが2×Psatに増大されていて、この場合、ポンプ・パルスが切られた後も出力プローブ・パワーは低い値で残ることが図12の最下のグラフから見てとれる。ポンプ電磁界が空洞共振器の共振の近くにあるという条件は、波長変換の段階をデバイスの入力側に挿入しなければ、外部のポンプ波長に関して動作の透明性を制限することになるであろうから、望ましくはない。
NOR動作
NOR動作の実現は直接的である。この場合は、ポンプ電磁界によって誘起された非線形プローブ反射率特性の急峻性に関する制約は少ない。実際、この場合、それぞれのポンプ・パルスがゲートをオフ状態に切り替えるのに十分なパワーを持っている限り、比較的スムーズな特性でさえも容認できる。しかしながら、低パワー動作が常に望まれ、VCSGを用いて効率のよい、低パワーのNORゲートを実現するために前の小節にて展開した考察を取り入れることが有利である。例として、図15は、図13の破線の場合に関係し、低反射率領域内に及ぶようなポンプ・パワーを持つVCSGのNOR動作を示す。
結論
上に示したように、非線形吸収特性を持つMQW部分を含む非対象ファブリ・ペロー共振器を備えた非線形VCSGは、NANDおよびNORの論理操作器の実現を可能にする、ことが有利な点である。該デバイスは、VCSGの共振波長に同調したプローブ電磁界に対して逆可飽和吸収特性が達成可能とする空洞共振器の特定の設計に依存している。これは、空洞共振器内の損失の非可飽和部分に対応してゲートのインピーダンスを整合させることにより可能となる。屈折率の非線形変化は、MQWにおける大きな吸収変化に比べて小さいと仮定して、ここでは考慮していない。しかしながら、キャリア密度が誘起する屈折率変化も考慮する場合へ解析を拡張するのは容易である。実際の応用では、MQWにおけるキャリア密度の変化は、定常状態で空洞共振器の共振のシフトをもたらすが、これは、入力プローブ電磁界を適当に同調させることで考慮に入れることができる。空洞共振器の色々なパラメータの条件下でのデバイス特性が調べられ、オン状態からオフ状態への最も急峻な遷移は、期待通り、空洞共振器内の非可飽和損失が最低値の時に達成されることが分かった。しかしながら、この条件では、双安定も起こり、デバイスの正しい動作を妨げられることになる。双安定を解決する条件を研究する発見的方法も行われた。しかしながら、双安定を回避し良好なオン/オフ消光比を保持するためのいくつかの簡単な設計規則が提案され、動的モデルによって数値的に実証された。光ネットワーク応用における全光信号処理のための該デバイスの利点は、小型であり、受動的動作であり、偏波無依存であり、低パワー動作が可能なことに関係している。
参考文献
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[4]S. ミクロウリス(Mikroulis)、H. シモス(Simos)、E.ロディティ(Roditi)、A. チプーラス(Chipouras)、およびD. シヴリディス(Syvridis);“受動性InGaAsP/InP微小リング共振器をベースにした全光AND論理ゲートの40Gb/sNRZおよびRZ動作(40−Gb/s NRZ and RZ Operation of an All−Optical AND Logic Gate Based on a Passive InGaAsP/InP Microring Resonator)”,ジャーナル オブ ライトウェーブ テクノロジ(J. Ligthw. Technol)、24巻、3号、3月、2006年。
[5]T.A. イブラヒム(Ibrahim)、R. グローバー(Grover)、L.C. クオ(Kuo)、S. カナカラジュ(Kanakaraju)、L.C. カルホウン(Calhoun)、およびP.T. ホ(Ho);"半導体微小共振器を用いた全光AND/NAND論理ゲート(All−Optical AND/NAND Logic Gates Using Semiconductor Microresonators)“、フォトニック テクノロジ レター(Photon. TechnoL Lett.)、15巻、10号、10月、2003年。
[6]H. コバヤシ(Kobayashi)、R. タカハシ(Takahashi)、Y. マツオカ(Matsuoka)、およびH. イワムラ(Iwamura)、“低温成長InGaAs/InAlAs多重量子井戸を用いた1Tbit/s分波(1 Tbit/s demultiplexing using low temperature grown InGaAs/InAlAs multiple quantum wells”,エレクトロニクス レター(Electron. Lett.)、34巻、ページ908−909、4月、1998年。
[7]L. ブロヴェリ(Brovelli)、U. ケラー(Keller)、およびT. チウ(Chiu);“モード・ロック固体レーザのための反共振ファブリ・ペロー可飽和半導体吸収体の設計と動作(Design and operation of antiresonant Fabry−Perot saturable semiconductor absorbers for mode−locked solid−state lasers)”,ジャーナル オブ オプティカル ソサエティ オブ アメリカ(J. Opt. Soc. Am.)、B12巻、 ページ311、(1995年)。
[8]E. ガーマイヤ(Garmire)、“損失が飽和するファブリ・ペローにおける光双安定の基準(Criteria for optical bistability in a lossy saturating Fabry−Perot)”,ジャーナル オブ カンタム エレクトロニクス(J. Quant. Electron.)、25巻、3号、3月、1989年。
[9]P.W. スミス(Smith)、Y. シルバーガー(Silberger)、およびD.A.B.ミラー(Miller)、“可飽和励起子非線形性を用いた半導体ダイオード・レーザのモード同期(Mode locking of semiconductor diode lasers using saturable excitonic nonlinearities)”,ジャーナル オブ オプティカル ソサエティ オブ アメリカ(J. Opt. Soc. Am.)、2巻、7号、ページ1228−1236,7月、1985年。
[10]R. タカハシ(Takahashi)、Y. カワムラ(Kawamura)、T. カガワ(Kagawa)、およびH. イワムラ(Iwamura);"低温成長InGaAs/InAlAs量子井戸における超高速1.55μm光応答(Ultrafast 1.55μm photoresponses in low−temperature−grown InGaAs/InAlAs quantum wells)"、アプライド フィジックス レターズ(Appl. Phys. Lett.)、65巻、14号、ページ1790−1792,10月、1994年。
Claims (8)
- 光論理デバイスであって、
前記光論理デバイスの外部から入射光が入射するとともに、前記光論理デバイスの内部から出射光が出射する第1の鏡と、
前記第1の鏡に対面して配置された第2の鏡と、
前記第1の鏡と前記第2の鏡との間に配置された可飽和吸収体であって、前記入射光のエネルギーに依存して変化する非線形飽和係数を有した可飽和吸収体と
を備え、
前記可飽和吸収体の効果と前記第1の鏡の反射率の組み合わせによって、
前記第1の鏡から入射したすべての入射光の和の強度が特定の値より大きければ、前記出射光の強度が閾値未満となり、
前記第1の鏡から入射したすべての入射光の和の強度が前記特定の値未満であれば、前記出射光の強度が前記閾値を超える
ように前記第1の鏡の反射率が設定されることを特徴とする光論理デバイス。 - 前記第1の鏡の反射率Rtは、次式により表現され、
Rt=Rb・exp(−2αns・d)
ここで、Rbは前記第2の鏡の反射率であり、
dは前記第1の鏡と前記第2の鏡との間の距離であり、
αnsは前記非線形飽和係数における非可飽和部分を示す値である
ことを特徴とする請求項1に記載の光論理デバイス。 - 前記第2の鏡の反射率はほぼ100%に等しいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光論理デバイス。
- 前記第1の鏡の入力部として、前記入射光として第1の光2値信号を入力する第1の論理信号入力部と、
前記第1の鏡の入力部として、前記入射光として第2の光2値信号を入力する第2の論理信号入力部と
をさらに備え、
前記第1の鏡の反射率は、前記第1の光2値信号と前記第2の光2値信号とについて前記光論理デバイスがNANDゲートまたはNORゲートとして機能するように設定されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光論理デバイス。 - 前記光論理デバイスは、前記入射光として、前記第1の光2値信号と前記第2の光2値信号とを含む少なくとも2つの2値の入力信号に対してバイアスとなる入力バイアス用制御信号を入力するように構成されており、さらに、前記入力バイアス用制御信号の強度に基づいてNAND機能またはNOR機能が実現されることを特徴とする請求項4に記載の光論理デバイス。
- 非対称ファブリ・ペロー共振器構造を形成していることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光論理デバイス。
- 光論理デバイスを動作させる方法であって、
前記光論理デバイスは、
前記光論理デバイスの外部から入射光が入射するとともに、前記光論理デバイスの内部から出射光が出射する第1の鏡と、
前記第1の鏡に対面する第2の鏡と、
前記第1の鏡と前記第2の鏡との間に配置された可飽和吸収体であって、前記入射光のエネルギーに依存して変化する非線形飽和係数を有した可飽和吸収体と
を備え、
前記方法は、
前記可飽和吸収体の効果と前記第1の鏡の反射率の組み合わせによって、
前記第1の鏡から入射したすべての入射光の和の強度が特定の値より大きければ、前記出射光の強度が閾値未満となり、
前記第1の鏡から入射したすべての入射光の和の強度が前記特定の値未満であれば、前記出射光の強度が前記閾値を超える
ように前記第1の鏡の反射率を設定する工程を有することを特徴とする方法。 - 前記入射光として、少なくとも2つの2値の入力信号と、該入力信号に対してバイアスとなる入力バイアス用制御信号とを入力する工程と、
前記光論理デバイスがNAND機能またはNOR機能を実現するように、前記入力バイアス用制御信号を制御する工程と
をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の方法。
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