JP6915452B2 - Optical logic elements and optical logic circuits - Google Patents
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Description
本発明は、光論理素子に関し、特にオンチップでの利用を主目的とした線形光論理素子に関する。 The present invention relates to an optical logic device, and more particularly to a linear optical logic device whose main purpose is to be used on-chip.
光論理素子は、RC遅延のない、高速な光演算を実現する上で重要なデバイスの一つであり、多数の機関で古くから研究されている。その多くは、非線形光学効果を利用するものである(非特許文献1参照)。非線形光学効果を利用する光論理素子では、非線形光学効果は、出力ビット信号のバイナリコントラスト(“0”出力時の絶対強度と“1”出力時の絶対強度との比)を確保するために必須を果たすが、非線形光学効果の利用には次のような問題点がある。 Optical logic elements are one of the important devices for realizing high-speed optical calculation without RC delay, and have been studied by many institutions for a long time. Most of them utilize nonlinear optical effects (see Non-Patent Document 1). In an optical logic element that utilizes a nonlinear optical effect, the nonlinear optical effect is essential for ensuring the binary contrast of the output bit signal (the ratio of the absolute intensity at "0" output to the absolute intensity at "1" output). However, there are the following problems in using the nonlinear optical effect.
(1)信号の大きな入力強度(または強度密度)が必要とされること。
(2)挿入損失が大きいこと。
(3)性能が入力強度に依存して変化すること。
(4)構造が複雑で作製が容易でないこと。
(1) A large input intensity (or intensity density) of the signal is required.
(2) The insertion loss is large.
(3) Performance changes depending on the input strength.
(4) The structure is complicated and it is not easy to manufacture.
上記(1)の問題はデバイス構造である程度の補償することが可能であるものの、いずれの問題も根本的な解決を図ることは困難である。したがって、現状においてもカスケード性(縦続に接続して使用できる光論理素子の数)や消費電力の観点で、非線形光論理素子の応用が著しく制限されている。仮にカスケード性や消費電力の制約が満たされたとしても、10dBを超えるバイナリコントラストと低挿入損失を同時に得るのは困難である。 Although the problem (1) above can be compensated to some extent by the device structure, it is difficult to fundamentally solve any of the problems. Therefore, even in the present situation, the application of the nonlinear optical logic element is remarkably limited from the viewpoint of cascading property (the number of optical logic elements that can be connected and used in cascade) and power consumption. Even if the constraints of cascade and power consumption are satisfied, it is difficult to obtain binary contrast exceeding 10 dB and low insertion loss at the same time.
一方、上記の非線形光学効果を利用した光論理素子の問題を回避すべく、線形光学に基づく線形光論理素子も提案されている。線形光学の利点は、性能が入力強度に依存せず、低入力強度(極まれば光子数個レベル)でも動作可能なため、消費電力を圧倒的に小さくできることである。しかし、現状では、線形光論理素子には次のような問題があるために、実用化には至っていない。 On the other hand, in order to avoid the problem of the optical logic element utilizing the above-mentioned nonlinear optical effect, a linear optical logic element based on linear optics has also been proposed. The advantage of linear optics is that the performance does not depend on the input intensity and it can operate even at a low input intensity (at the level of several photons at the extreme), so the power consumption can be overwhelmingly reduced. However, at present, the linear optical logic element has the following problems and has not been put into practical use.
(5)バイナリコントラストが原理的に制限されること。
(6)一定の挿入損失が生じること。
(5) Binary contrast is limited in principle.
(6) A certain insertion loss occurs.
線形光論理素子の具体例としては、ビームスプリッタ、減衰器、波長板、偏光子等を組み合わせた自由空間光学系による全光論理素子がある。このような光論理素子では、直線偏波の位相±45°を(0、1)信号のビットとして扱うことで、すべての論理演算が可能であるとされているが、一つの論理演算に複数個の光学部品が必要となり、構造が煩雑でかつ全体として長尺となる。さらにハーフミラーが2段挿入されているため、挿入損失は6dB以上(1出力時の絶対強度は0.25以下)である。 Specific examples of the linear optical logic element include a total optical logic element using a free space optical system in which a beam splitter, an attenuator, a wave plate, a polarizer, and the like are combined. In such an optical logic element, it is said that all logical operations can be performed by treating the linearly polarized phase ± 45 ° as bits of the (0, 1) signal, but a plurality of logical operations can be performed in one logical operation. Individual optical components are required, the structure is complicated, and the overall length is long. Further, since the half mirrors are inserted in two stages, the insertion loss is 6 dB or more (absolute strength at one output is 0.25 or less).
また、オンチップ型の素子として、プラズモニック導波路による光論理素子が報告されており、その全長は数μm前後で、バイナリコントラストはAND動作で9dB程度となることが実験で実証されている(非特許文献2)。ただし、金属導波路の伝搬損失は非常に大きいため、挿入損失は少なくとも10dB程度はあると考えられ、一定の光出力強度による演算結果の判定を前提とする光回路の構成には適していない。 In addition, as an on-chip type element, an optical logic element using a plasmonic waveguide has been reported, and it has been experimentally demonstrated that the total length is about several μm and the binary contrast is about 9 dB in AND operation (). Non-Patent Document 2). However, since the propagation loss of the metal waveguide is very large, it is considered that the insertion loss is at least about 10 dB, and it is not suitable for the configuration of an optical circuit premised on the determination of the calculation result based on a constant optical output intensity.
以上のように、従来の光論理素子のうち、非線形光学効果を利用したものには、挿入損失が大きいことなど、上記(1)−(4)の課題がある。また、空間光学系を用いた線形光論理素子にも、上記(5)、(6)の他、装置の大型化や損失の増大などの課題があった。その結果、これまでに実用可能な光論理素子が提案されるには未だ至っていないのが現状である。 As described above, among the conventional optical logic elements, those using the nonlinear optical effect have the above-mentioned problems (1)-(4) such as a large insertion loss. In addition to the above (5) and (6), the linear optical logic element using the spatial optical system also has problems such as an increase in size of the device and an increase in loss. As a result, the current situation is that practical optical logic devices have not yet been proposed.
そこで、本発明は、小型でかつ低損失な光論理素子および光論理回路を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a small-sized and low-loss optical logic element and an optical logic circuit.
上記の目的を達成するために、本発明に係る光論理素子は、第1の誘電体材料からなる基板と、この基板の一の面上に形成され、前記第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる、信号光入力用の第1の光導波路および第2の光導波路と、前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、信号光出力用の第3の光導波路と、前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、バイアス光入力用の第4の光導波路とを備え、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路と前記第3の光導波路とは、それぞれの一端が互いに接続されたY分岐光導波路を構成し、前記第4の光導波路は、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との間に配置され、前記第4の光導波路の前記Y分岐光導波路に近い方の一端が平面視でテーパー状に形成されて、前記第1の光導波路および前記第2の光導波路と結合することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the optical logic element according to the present invention is formed on a substrate made of a first dielectric material and one surface of the substrate, and has higher refraction than the first dielectric material. From the first optical waveguide and the second optical waveguide for signal light input, which are made of a second dielectric material having a ratio, and the second optical waveguide formed on the one surface of the substrate. A third optical waveguide for signal light output and a fourth optical waveguide for bias light input, which is formed on the one surface of the substrate and is made of the second dielectric material. The first optical waveguide, the second optical waveguide, and the third optical waveguide form a Y-branched optical waveguide in which one ends are connected to each other, and the fourth optical waveguide is the first optical waveguide. The first optical waveguide is arranged between the optical waveguide and the second optical waveguide, and one end of the fourth optical waveguide closer to the Y-branch optical waveguide is formed in a tapered shape in a plan view. It is characterized by coupling with a waveguide and the second optical waveguide.
上記の光論理素子において、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とは、前記第3の光導波路の延長線に対して対称に配置され、前記第4の光導波路は、前記第3の光導波路の延長線上に配置されているように構成してもよい。 In the above optical logic element, the first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged symmetrically with respect to an extension line of the third optical waveguide, and the fourth optical waveguide is the first optical waveguide. It may be configured so that it is arranged on the extension line of the optical waveguide of 3.
上記の光論理素子において、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相が前記Y分岐光導波路において同位相となるように前記信号光の位相を変化させる第1の移相器と、前記第4の光導波路に入力されるバイアス光の位相が前記Y分岐光導波路において前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相と逆位相となるように前記バイアス光の位相を変化させる第2の移相器と、をさらに設けてもよい。 In the above optical logic element, the phase of the signal light is changed so that the phases of the signal lights input to the first optical waveguide and the second optical waveguide are in phase with each other in the Y-branched optical waveguide. The phase of the bias light input to the first phase shifter and the fourth optical waveguide is a signal input to the first optical waveguide and the second optical waveguide in the Y-branched optical waveguide, respectively. A second phase shifter that changes the phase of the biased light so as to be in phase opposite to the phase of the light may be further provided.
本発明に係る光論理素子は、第1の誘電体材料からなる基板と、この基板の一の面上に形成され、前記第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる、信号光入力用の第1の光導波路および第2の光導波路と、前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、信号光出力用の第3の光導波路と、前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、バイアス光入力用の第4の光導波路とを備え、前記第3の光導波路の一端は、前記第4の光導波路の一端と接続され、前記第4の光導波路は、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との間に配置され、前記第1の光導波路および前記第2の光導波路は、それぞれ前記第4の光導波路と結合する結合部を有することを特徴とする。
The optical logic element according to the present invention is a substrate made of a first dielectric material and a second dielectric material formed on one surface of the substrate and having a higher refractive index than the first dielectric material. A first optical waveguide and a second optical waveguide for signal light input, and a third optical waveguide for signal light output, which is formed on the one surface of the substrate and is made of the second dielectric material. The optical waveguide is provided with a fourth optical waveguide formed on the one surface of the substrate and made of the second dielectric material for bias light input , and one end of the third optical waveguide is provided. , The fourth optical waveguide is arranged between the first optical waveguide and the second optical waveguide, and is connected to one end of the fourth optical waveguide, the first optical waveguide and the first optical waveguide. Each of the
上記の光論理素子において、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相が前記結合部において同位相となるように前記信号光の位相を変化させる第1の移相器と、前記第4の光導波路に入力されるバイアス光の位相が前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相と逆位相で前記第1の光導波路と前記第2の光導波路と結合するように前記バイアス光の位相を変化させる第2の移相器と、をさらに備えていてもよい。
In the above optical logic element, the phase of the signal light is changed so that the phases of the signal lights input to the first optical waveguide and the second optical waveguide are in phase with each other at the coupling portion. The phase of the bias light input to the
また、本発明の光論理回路は、前記光論理素子を備え、前記光論理素子は、前記信号光として、異なる振幅に0,1の値を割り当てた振幅ビットの光を入力とすると共に前記バイアス光を入力とし、前記第3の光導波路の出力光を演算結果とすることを特徴とするものである。
また、本発明の光論理回路の1構成例は、信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の対応するビットに応じて強度変調して前記信号光を生成する強度変調器をさらに備えることを特徴とするものである。
Further, the optical logic circuit of the present invention includes the optical logic element, and the optical logic element receives light of an amplitude bit in which a value of 0 or 1 is assigned to different amplitudes as the signal light and the bias. It is characterized in that light is used as an input and the output light of the third optical waveguide is used as a calculation result.
Further, one configuration example of the optical logic circuit of the present invention further includes an intensity modulator that generates the signal light by intensity-modulating the continuous light for signal light generation according to the corresponding bit of the input digital electric signal. It is characterized by.
また、本発明の光論理回路は、前記光論理素子を備え、前記光論理素子は、前記信号光として、異なる位相に0,1の値を割り当てた位相ビットの光を入力とすると共に前記バイアス光を入力とし、前記第3の光導波路の出力光を演算結果とすることを特徴とするものである。 Further, the optical logic circuit of the present invention includes the optical logic element, and the optical logic element receives light of phase bits in which values of 0 and 1 are assigned to different phases as the signal light and the bias. It is characterized in that light is used as an input and the output light of the third optical waveguide is used as a calculation result .
また、本発明の光論理回路の1構成例は、信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の対応するビットに応じて位相変調して前記信号光を生成する第3の移相器をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光論理回路の1構成例は、前記バイアス光の強度を調整可能な光源をさらに備えることを特徴とするものである。
Further, one configuration example of the optical logic circuit of the present invention is a third phase shifter that generates the signal light by phase-modulating continuous light for generating signal light according to the corresponding bits of the input digital electric signal. It is characterized by further preparation.
Further, one configuration example of the optical logic circuit of the present invention is characterized by further including a light source whose intensity of the bias light can be adjusted.
本発明においては、第1の光導波路および第2の光導波路にそれぞれ入力された2つの信号光と第4の光導波路に入力されたバイアス光とが互いに干渉して第3の光導波路から出力される。このとき、2つの信号光とバイアス光との位相と強度を適宜調整することによって光演算を実現することできる。また、基板の同一面上に第1乃至第4の光導波路を形成するので、素子の小型化が可能となる。したがって、本発明によれば、従来の素子と比較して、小型かつ低損失な光論理素子および光論理回路を実現することが可能となる。 In the present invention, the two signal lights input to the first optical waveguide and the second optical waveguide and the bias light input to the fourth optical waveguide interfere with each other and output from the third optical waveguide. Will be done. At this time, the optical calculation can be realized by appropriately adjusting the phases and intensities of the two signal lights and the bias light. Further, since the first to fourth optical waveguides are formed on the same surface of the substrate, the element can be miniaturized. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an optical logic element and an optical logic circuit that are smaller and have lower loss than conventional elements.
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施例]
本発明の第1の実施例に係る光論理素子1は、図1Aに示すように、第1の誘電体材料からなる基板10と、この基板10の一の面10a上に形成され、第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる第1の光導波路11、第2の光導波路12、第3の光導波路13、第4の光導波路14とを備える。
[First Example]
As shown in FIG. 1A, the
ここで、基板10を構成する第1の誘電体としては、例えば、石英等のシリカ(SiO2)が挙げられる。
また、第1乃至第4の光導波路11、12、13、14を構成する第2の誘電体は、例えば、シリコン(Si)である。シリカの屈折率は、光の波長1550nmで1.444であるのに対し、シリコン(Si)の屈折率は、3.476である。したがって、第1乃至第4の光導波路11、12、13、14をシリコンから構成した場合、基板および空気がクラッドとして作用して、第1乃至第4の光導波路11、12、13、14内に光が閉じ込められる。
また、第1乃至第4の光導波路11、12、13、14を基板10の一の面10a上に形成することによって、光論理素子1は平面光導波路上に構成されている。
Here, examples of the first dielectric constituting the
The second dielectric constituting the first to fourth
Further, the
図1A乃至図1Cに示すように、本実施例に係る光論理素子1において、第1の光導波路11と第2の光導波路12と第3の光導波路13とは、それぞれの一端が互いに接続されて、Y分岐光導波路を構成している。第1の光導波路11および第2の光導波路12は、それぞれ信号光入力用の光導波路であり、1組の信号光入力ポートとして作用する。また、第3の光導波路13は、信号光出力用の光導波路であり、光出力ポートとして作用する。
以下、本明細書において第1の光導波路11および第2の光導波路12を「信号光入力ポート」といい、第3の光導波路13を「光出力ポート」ということがある。
本実施例において、信号光入力ポートとなる第1の光導波路11と第2の光導波路12とは、光出力ポートとなる第3の光導波路13の延長線に対して対称に配置されている。
As shown in FIGS. 1A to 1C, in the
Hereinafter, in the present specification, the first
In this embodiment, the first
一方、第4の光導波路14は、バイアス光入力用の光導波路であり、バイアス光入力ポートとして作用する。以下、本明細書において、第4の光導波路14を「バイアス光入力ポート」ということがある。
バイアス光入力ポートとなる第4の光導波路14は、第1の光導波路11と第2の光導波路12との間に配置されている。より具体的には、第4の光導波路14は、第3の光導波路13の延長線上に配置されている。
On the other hand, the fourth
The fourth
第4の光導波路14のY分岐光導波路に近い方の一端は、平面視でテーパー状に形成されている。このテーパー状に形成された第4の光導波路14の一端を「テーパー部14a」とよぶ。このテーパー部14aは、Y分岐光導波路の第1の光導波路11と第2の光導波路12とに空隙を隔てて近接して配置されている。その結果、第1の光導波路11および第2の光導波路12と第4の光導波路14とが互いに光学的に結合する。
One end of the fourth
このような光論理素子においては、信号光入力ポートである第1の光導波路11と第2の光導波路12をそれぞれ伝播してきた入力信号光A,Bが、第4の光導波路14を伝播してきたバイアス光と干渉して、光出力ポートとなる第3の光導波路13から出力光が出力される。
In such an optical logic element, the input signal lights A and B that have propagated through the first
<光論理素子の構造パラメータ>
本実施例に係る光論理素子の構造は、例えば、図1Bに示すように、各導波路の幅(導波路幅)W、導波路の高さhH、バイアス光入力用の第4の光導波路14のテーパー部14aの長さ(テーパ長さ)Ltaper、Y分岐光導波路とテーパー部とのギャップ幅(テーパ導波路間ギャップ幅)g、第1の光導波路11と第2の光導波路12とがなす角(Y分岐角度)αによって表すこととする。
<Structural parameters of optical logic elements>
Structure of an optical logic element according to the present embodiment, for example, as shown in Figure 1B, the width (waveguide width) of each waveguide W, the waveguide height h H, the fourth optical for bias light input Length of tapered
上記の各構造パラメータの範囲として、W=0.1〜2.0μm、hH=0.1〜2.0μm、Ltaper=0.1〜20μm、g=0〜1.0μm、α=5〜60°を想定している。構造パラメータの値は、光導波路を構成する材料に応じて適宜選択すればよい。例えば、第4の光導波路14のテーパー部14aとY分岐光導波路を構成する第1の光導波路11および第2の光導波路12とが互いに接触(オーバラップ)するようなパラメータの組み合わせもあり得る。
As the range of each of the above structural parameters, W = 0.1 to 2.0 μm, h H = 0.1 to 2.0 μm, L taper = 0.1 to 20 μm, g = 0 to 1.0 μm, α = 5 It is assumed to be ~ 60 °. The value of the structural parameter may be appropriately selected according to the material constituting the optical waveguide. For example, there may be a combination of parameters such that the tapered
<光論理素子の製造方法>
上述した光論理素子は、次のような工程によって製造することができる。すなわち、シリカ等からなる基板を用意し、その位置の面上にシリコン(Si)の層を成長させる。シリコン層の成長にはCVD等の方法を用いればよい。
次に、フォトリソグラフィ技術により、シリコン層の表面に塗布した感光材を、例えば図1Bに示すような所定のパターンにパターンニングした後、シリコン層をエッチングすれば、図1Aに示すような光導波路を得ることができる。
<Manufacturing method of optical logic element>
The above-mentioned optical logic element can be manufactured by the following steps. That is, a substrate made of silica or the like is prepared, and a layer of silicon (Si) is grown on the surface at that position. A method such as CVD may be used for the growth of the silicon layer.
Next, the photosensitive material coated on the surface of the silicon layer is patterned into a predetermined pattern as shown in FIG. 1B by a photolithography technique, and then the silicon layer is etched to obtain an optical waveguide as shown in FIG. 1A. Can be obtained.
<入力光とバイアス光の位相関係とその調整法および基準>
上述したデバイスを光論理素子として論理演算に用いる際には、1組の入力信号光A,Bの位相は互いに同相とする。すなわち、2つの光入力ポートに入力される1組の入力信号光A,Bは、光出力ポートからの出力光を強めるように互いに位相が調整されている。
また、バイアス光の位相は、信号光に対して逆相とする。すなわち、バイアス光は、各信号光入力ポートに入力された入力信号光A,Bに対して、光出力ポートからの出力光を弱めるように互いに位相が調整されている。バイアス光については、さらに、バイアス光の光パワーが一定であり、かつ、入力信号光A,Bの光パワーより大きいことが望ましい。このとき、バイアス光の光パワーは、信号光の光パワーの2倍以上の強度を有することが望ましい。
<Phase relationship between input light and bias light and its adjustment method and reference>
When the above-mentioned device is used as an optical logic element for a logical operation, the phases of a set of input signal lights A and B are in phase with each other. That is, the phases of the set of input signal lights A and B input to the two optical input ports are adjusted so as to enhance the output light from the optical output ports.
Further, the phase of the bias light is opposite to that of the signal light. That is, the phases of the bias light are adjusted with respect to the input signal lights A and B input to each signal light input port so as to weaken the output light from the light output port. Regarding the bias light, it is further desirable that the optical power of the bias light is constant and larger than the optical power of the input signal lights A and B. At this time, it is desirable that the optical power of the bias light has at least twice the intensity of the optical power of the signal light.
第1の光導波路11と第2の光導波路12の光学的な長さが等しければ、2つの信号光入力ポートに入力される入力信号光A,Bは、光出力ポートから出力される出力光Cが強め合うように互いに位相が調整されており、バイアス光は入力信号光A,Bに対して光出力ポートからの出力光Cが弱めあうように互いに位相が調整されている。
第1の光導波路11の長さと第2の光導波路12の長さとが互いに等しければ、1組の信号光は、第1の光導波路11と第2の光導波路12との連結点、すなわちY分岐光導波路の分岐点で同相となる。
If the optical lengths of the first
If the length of the first
入力信号光Aと入力信号光Bとを互いに同相にするには、例えば、図1Cに示すように、オフチップ又はオンチップの移相器15により、1組の入力信号光A,Bがそれぞれ信号光入力ポートに入力される状態で出力光Cを最大となるように、入力信号光Aと入力信号光Bの相対位相を調整すればよい。
また、バイアス光と信号光を逆相にするには、バイアス光と入力信号光Aを入力した状態で、移相器16により、出力光Cが最小となるように、バイアス光の位相を調整すればよい。
To make the input signal light A and the input signal light B in phase with each other, for example, as shown in FIG. 1C, a pair of input signal lights A and B are provided by an off-chip or on-
Further, in order to reverse the phase of the bias light and the signal light, the
<性能指標とバイアス光の効果>
光AND素子の性能指標は、入力(A,B)=(1,1)時の出力に対する入力(A,B)=(0,0)、(0,1)、(1,0)時の各出力のバイナリコントラストの中の最小値BCminと、入力(A,B)=(1,1)時の絶対的な光出力強度、すなわち挿入損失Lossである(出力が1であれば挿入損失Loss=0dB、1より大であれば、Loss<0dB、すなわちゲインであると定義する。)。
<Performance index and effect of bias light>
The performance index of the optical AND element is when the input (A, B) = (0,0), (0,1), (1,0) with respect to the output when the input (A, B) = (1,1). The minimum value BC min in the binary contrast of each output and the absolute optical output intensity at input (A, B) = (1,1), that is, the insertion loss Loss (insertion loss if the output is 1). If Loss = 0 dB and is greater than 1, it is defined as Loss <0 dB, that is, gain).
バイアス光がない場合にはバイナリコントラストの最小値BCmin=6dBであるのに対し、バイアス光がある場合ではBCmin=9.54dBにまで改善できる。ここでBCmin=9.54dBは、次の条件を満たすことで達成することができる:
(1)Y分岐のような信号光の信号光入力ポート(すなわち、第1の光導波路11および第2の光導波路12)が光出力ポート(第3の光導波路13)の方向に対して左右対称に導入されていること;
(2)バイアス光入力ポートがあること;
(3)バイアス光強度Pbiasの調整が可能であること。
When there is no bias light, the minimum value of binary contrast is BC min = 6 dB, whereas when there is bias light, it can be improved to BC min = 9.54 dB. Here, BC min = 9.54 dB can be achieved by satisfying the following conditions:
(1) The signal light input port (that is, the first
(2) There is a bias optical input port;
(3) Bias light intensity P bias can be adjusted.
光AND素子の評価では、バイナリコントラストの中の最小値BCmin=9.54dBとした場合の(1,1)入力の出力から挿入損失Lossを評価する。
より良いAND動作のためには、図1B等に示すように、第1の光導波路11および第2の光導波路12(信号光入力ポート)は、第3の光導波路13(光出力ポート)に対して対称なY分岐となることが望ましい。このとき、2つの信号光入力ポートそれぞれから入力された入力信号光A、Bの光出力ポートへの透過率TA,TBは互いに等しい。一方、バイアス光ポートに入力されたバイアス光の透過率Tbiasは、間隙のため、TAおよびTBと比較して低くなる。
In the evaluation of the optical AND element, the insertion loss Loss is evaluated from the output of the (1,1) input when the minimum value BC min = 9.54 dB in the binary contrast is set.
For better AND operation, as shown in FIG. 1B and the like, the first
<光論理素子としての動作例(その1:AND動作)>
光通信波長用に最適化した線形光論理素子の3次元有限要素法による電磁界シミュレーション結果の一例を図2に示す。
まず、計算モデルを図2の(a1)および(a2)に示す。光導波路としては、クラッドが空気のSiO2基板上のSi細線を想定しており、各構造パラメータは、導波路幅W=0.48μm、導波路高さhH=0.22μm、テーパー長Ltaper=0.95μm、テーパ導波路間ギャップ幅g=50nm、Y分岐角度α=15°である。2つの信号光入力ポートに入力される光信号強度は互いに等しく(PA=PB=1)、動作波長λ=1.54μmとした。
<Example of operation as an optical logic element (Part 1: AND operation)>
FIG. 2 shows an example of the electromagnetic field simulation result by the three-dimensional finite element method of the linear optical logic element optimized for the optical communication wavelength.
First, the calculation model is shown in FIGS. 2 (a1) and 2 (a2). The optical waveguide is assumed to be a Si thin wire on a SiO 2 substrate with an air clad, and each structural parameter has a waveguide width W = 0.48 μm, a waveguide height h H = 0.22 μm, and a taper length L. The taper = 0.95 μm, the gap width between tapered waveguides g = 50 nm, and the Y branch angle α = 15 °. Optical signal intensity inputted to the two signal light input port are equal to each other (P A = P B = 1 ), and the operating wavelength lambda = 1.54 .mu.m.
各入力光に対するSi細線の中央に水平な断面の光強度分布を図2(b)〜図2(e)にそれぞれ示す。図2の(b)は入力(A,B)=(0,0)のとき、(c)は入力(A,B)=(0,1)のとき、(d)は入力(A,B)=(1,0)のとき、(e)は入力(A,B)=(1,1)のときのシミュレーション結果を表している。図2の(b)乃至(d)は出力光の光信号強度はPC=0.117であるのに対し、図2の(e)はPC=1.054となり、線形光学ベースであるにもかかわらず、AND動作を明瞭に近似できることがわかる。 The light intensity distribution of the cross section horizontal to the center of the Si thin line for each input light is shown in FIGS. 2 (b) to 2 (e), respectively. In FIG. 2, (b) is when the input (A, B) = (0,0), (c) is when the input (A, B) = (0,1), and (d) is the input (A, B). ) = (1,0), (e) represents the simulation result when the input (A, B) = (1,1). Shown in FIG. 2 (b) to (d) are relative to the optical signal intensity of the output light is P C = 0.117, shown in FIG. 2 (e) is P C = 1.054, and the in the linear optical base Nevertheless, it can be seen that the AND operation can be clearly approximated.
ここで、バイアス光強度Pbias=7.05(〜TA/4Tbias)と設定することで、バイナリコントラストの最小値BCmin〜9.54dB、挿入損失Loss〜−0.23dB(マイナスの損失なので利得に相当)が得られる。 Here, by setting the bias light intensity P bias = 7.05 (~T A / 4T bias), the minimum value BC min ~9.54dB binary contrast, insertion loss Loss~-0.23dB (minus losses Therefore, it corresponds to the gain).
広帯域動作の可否を検証するために、図2の(a1)および(a2)に示す計算モデルと同一の素子に対して、波長λ=1.4〜1.7μmにおける各性能の波長依存性を計算した。その結果を図3に示す。 In order to verify the possibility of wideband operation, the wavelength dependence of each performance at a wavelength of λ = 1.4 to 1.7 μm was determined for the same element as the calculation model shown in FIGS. 2 (a1) and (a2). Calculated. The result is shown in FIG.
まず、各波長での性能の根拠となる入力信号光A(B)の光出力ポートへの透過率TA(TB)およびバイアス光の透過率Tbiasの波長依存性を図3(a)に示す。バイナリコントラストの最小値BCmin=9.54dBを維持しつつロスレスなAND素子を実現するには、透過率TA(TB)≧4/9(=0.444…)が必要であるが、本計算で想定した波長範囲のほぼ全域でこの条件を満たす上に、特性がフラットであることがわかる。 First, the transmittance of the optical output port T A (T B) and FIG wavelength dependency of the bias light transmittance T bias 3 of the input signal light A as a basis for performance at each wavelength (B) (a) Shown in. To achieve lossless AND element while maintaining the minimum value BC min = 9.54dB binary contrast, the transmittance T A (T B) ≧ 4 /9 (= 0.444 ...) but is required, It can be seen that this condition is satisfied in almost the entire wavelength range assumed in this calculation and the characteristics are flat.
透過率TA(TB)とTbiasの波長依存性に応じてバイアス光強度Pbiasを図3(b)に示すように調整することを許容すると、図3(c)で示すとおり、バイナリコントラストの最小値BCmin=9.54dBがどの動作波長でも維持できる。挿入損失Lossの波長依存性は図3(d)のようになり、波長λ=1.5〜1.6μmでは損失がなく、むしろ0.2dB以上の利得が得られる。全波長域で十分な動作を可能にするためには、図3(b)より、バイアス光強度Pbiasが入力信号光強度PA(PB)の約2倍の強度があればよいことがわかる。 When allowed to adjust the bias light intensity P bias according to the wavelength dependence of the transmittance T A (T B) and T bias as shown in FIG. 3 (b), as shown in FIG. 3 (c), the binary The minimum contrast value BC min = 9.54 dB can be maintained at any operating wavelength. The wavelength dependence of the insertion loss Loss is as shown in FIG. 3 (d), and there is no loss at a wavelength of λ = 1.5 to 1.6 μm, but rather a gain of 0.2 dB or more can be obtained. In order to enable efficient operation in the entire wavelength range, from FIG. 3 (b), the can bias light intensity P bias is sufficient if about twice the intensity of the input signal light intensity P A (P B) Understand.
<光論理素子としての動作例(その2:XNOR動作)>
光論理素子の構造はそのままで、バイアス光の強度を変えることで、異なる論理動作を行わせることができる。図2の(a1)および(a2)に示す計算モデルと同一の素子構造で、バイアス光強度Pbiasを4倍および9倍とした場合の電磁界シミュレーション結果をそれぞれ図4および図5にそれぞれ示す。
<Example of operation as an optical logic element (Part 2: XNOR operation)>
By changing the intensity of the bias light while keeping the structure of the optical logic element as it is, different logic operations can be performed. The electromagnetic field simulation results when the bias light intensity P bias is 4 times and 9 times, respectively, with the same element structure as the calculation model shown in FIGS. 2 (a1) and 2 (a2) are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. ..
図4の(a)は入力(A,B)=(0,0)のとき、(b)は入力(A,B)=(0,1)のとき、(c)は入力(A,B)=(1,0)のとき、(d)は入力(A,B)=(1,1)のときのシミュレーション結果を表している。これによれば、XNORの動作が実現されていることがわかる。 In FIG. 4, (a) is when the input (A, B) = (0,0), (b) is when the input (A, B) = (0,1), and (c) is the input (A, B). ) = (1,0), (d) represents the simulation result when the input (A, B) = (1,1). According to this, it can be seen that the operation of XNOR is realized.
また、図5も、(a)は入力(A,B)=(0,0)のとき、(b)は入力(A,B)=(0,1)のとき、(c)は入力(A,B)=(1,0)のとき、(d)は入力(A,B)=(1,1)のときのシミュレーション結果を表しており、これによれば、NORの動作が実現されていることがわかる。XNOR動作させた場合のバイナリコントラストの中の最小値BCminおよび挿入損失Lossは、BCmin>17dBおよびLoss=3.46dB、NOR動作させた場合は、BCmin>9.5dB、Loss〜0dBである。 Further, also in FIG. 5, (a) is when the input (A, B) = (0,0), (b) is when the input (A, B) = (0,1), and (c) is the input (c). When A, B) = (1,0), (d) represents the simulation result when the input (A, B) = (1,1), and according to this, the NOR operation is realized. You can see that. The minimum value BC min and insertion loss Loss in the binary contrast when XNOR is operated are BC min > 17 dB and Loss = 3.46 dB, and when NOR is operated, BC min > 9.5 dB and Loss to 0 dB. be.
このようにバイアス光強度Pbiasを定数倍することで、1つの光論理素子の論理演算機能をAND(図2)、XNOR(図4)やNOR(図5)に変更することができる。 By multiplying the bias light intensity P bias by a constant in this way, the logical operation function of one optical logic element can be changed to AND (FIG. 2), XNOR (FIG. 4), and NOR (FIG. 5).
以上のように、本実施例に係る光論理素子は、非線形光学における問題を避けるために、線形光学素子を利用して、バイナリコントラストBC9.54dBを異なる動作波長においても定常的に実現することができる。すなわち、バイアス光強度の調整により、バイナリコントラストの最小値BCmin=9.54dBを光通信波長帯よりも広い波長帯域で実現することができる。光通信波長帯全域で上記のBCminを維持しつつ、ロスレス動作が可能である。 As described above, in order to avoid problems in nonlinear optics, the optical logic element according to the present embodiment can constantly realize binary contrast BC9.54 dB even at different operating wavelengths by utilizing a linear optical element. can. That is, by adjusting the bias light intensity, the minimum value BC min = 9.54 dB of the binary contrast can be realized in a wavelength band wider than the optical communication wavelength band. Lossless operation is possible while maintaining the above BC min over the entire optical communication wavelength band.
また、線形光学にのみ基づいて動作するので、大きな入力強度を必要とせず、性能が入力強度無依存であるため、究極的には光子レベルでも大幅な省電力化が期待できる。
さらには、光論理演算による信号強度の減少、すなわち挿入損失を最低限に抑制し、場合によっては、バイナリコントラストBCを維持した状態で0.2〜0.3dB程度の利得を持ち、1以上の出力強度が出る。すなわち、入力された信号光を増幅することができるので、信号判別のために必要な後段での非線形光学による補償処理を最小限に抑えることができる。また、増幅を伴う線形光論理演算と僅かな非線形光学効果の組み合わせで、さらなる高性能化が期待できる。
In addition, since it operates based only on linear optics, it does not require a large input intensity and its performance is independent of the input intensity, so that it can be expected to save a large amount of power even at the photon level.
Furthermore, the decrease in signal strength due to optical logic operation, that is, the insertion loss is suppressed to the minimum, and in some cases, the gain is about 0.2 to 0.3 dB while maintaining the binary contrast BC, and is 1 or more. Output strength comes out. That is, since the input signal light can be amplified, the compensation processing by the non-linear optics in the subsequent stage, which is necessary for signal discrimination, can be minimized. In addition, further improvement in performance can be expected by combining linear optical logical operations with amplification and slight nonlinear optical effects.
また、同一素子において、光学的な調整、具体的には、バイアス光の強度を調整することにより、論理演算機能を変更することができる。これにより光回路作製後でも回路に予め導入してある調整機構で回路構成を柔軟かつ高速に変更できる。 Further, in the same element, the logical operation function can be changed by adjusting the optical adjustment, specifically, the intensity of the bias light. As a result, the circuit configuration can be changed flexibly and at high speed by the adjustment mechanism introduced in advance in the circuit even after the optical circuit is manufactured.
また、本実施例に係る光論理素子1によれば、実際に光干渉が起こる領域の素子長は2μm前後となるため、光信号のパス時間は0.02ps程度と極めて短くなる。これは、従来の光スイッチと比較して少なくとも100分の1以上短尺であるため、光パス素子回路全体のパス時間を大幅に短縮し、ごく低遅延な光演算の実現に貢献することができる。
Further, according to the
また、図3に示したように、広帯域動作が可能となるので、単一素子による波長分割多重演算が可能となる。また、誘電体材料のみで構成できるので、付加損失の抑制と作製の容易化を図ることができる。また、素子をオンチップ化し、さらに短尺化することができる。これらは低演算遅延な光演算応用に重要である。 Further, as shown in FIG. 3, since wideband operation is possible, wavelength division multiplexing calculation by a single element is possible. Further, since it can be composed of only a dielectric material, it is possible to suppress additional loss and facilitate production. In addition, the element can be turned on-chip and further shortened. These are important for optical arithmetic applications with low arithmetic delay.
さらに、誘電体材料のみで構成されており、作製が簡易で光通信波長帯であれば移相器や強度変調器が一括集積可能なSiCMOSファウンダリが利用可能である。 Further, a SiCMOS foundry, which is composed of only a dielectric material and is easy to manufacture and can be integrated with a phase shifter and an intensity modulator in a batch in the optical communication wavelength band, can be used.
また、オンチップ集積が可能であり、複数の素子間を十分に短い光導波路で接続できる。これにより上記の低演算遅延を維持したまま様々な機能性を創出しうる。 In addition, on-chip integration is possible, and a plurality of elements can be connected by a sufficiently short optical waveguide. As a result, various functionality can be created while maintaining the above-mentioned low calculation delay.
[第2の実施例]
次に本発明の第2の実施例について、図6Aおよび図6Bを参照して説明する。
なお、本実施例において第1の実施例と共通する構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
[Second Example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
In this embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
第2の実施例に係る光論理素子2は、図6Aに示すように、シリカ(SiO2)等の第1の誘電体材料からなる基板10と、この基板10の一の面10a上に形成され、シリコン(Si)等、第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる第1の光導波路21、第2の光導波路22、第3の光導波路23、第4の光導波路24とを備える。ここで第1の光導波路21および第2の光導波路22は、信号光入力ポートとして作用し、第3の光導波路23は光出力ポートとして作用し、第4の光導波路24はバイアス光入力ポートとして作用する。
As shown in FIG. 6A, the
図6Aおよび図6Bに示すように、本実施例に係る光論理素子2においては、信号光入力ポートとして作用する第1の光導波路21と第2の光導波路22との間に、バイアス光入力ポートとして作用する第4の光導波路24が配置されている。また、本実施例においては、第1の光導波路21と第2の光導波路22とは、平面視で第4の光導波路24に対して互いに対称となるように配置されている。
また、第4の光導波路24と光出力ポートとして作用する第3の光導波路23とは、その一端において互いに接続されている。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in the
Further, the fourth
信号光入力ポートである第1の光導波路21および第2の光導波路22は、それぞれバイアス光入力ポートである第4の光導波路24と結合する結合部21a、22aを有する。すなわち、結合部21a、22aは、それぞれ第4の光導波路23と間隔gDCを隔てて平行に配置された、第1の光導波路21と第2の光導波路22の先端部近傍の長さLDC分の部分である。このように第1の光導波路21と第2の光導波路22とがそれぞれ結合部21a、22aを備えることによって、第1の光導波路21および第2の光導波路22と第4の光導波路24とは、互いに結合可能な程度に離間して、方向性結合器を形成している。
The first optical waveguide 21 and the second
本実施例に係る光論理素子2においては、信号光入力ポートに入力され光出力ポートから出力される入力信号光A(B)の透過率をTA(TB)、バイアス光の透過率をTbiasとすると、Tbias=2TA−1という関係になる。
第1の実施例と同様に、バイアス光強度Pbias〜TA/4Tbiasとすることで、バイナリコントラストの最小値BCmin=9.54dBとなる。
なお、結合部21a、22aの長さLDCは、3dB結合長の90%程度とすることが望ましい。
In the
Like the first embodiment, by setting the bias light intensity P bias ~T A / 4T bias, a minimum value BC min = 9.54dB binary contrast.
The length L DC of the
[第3の実施例]
次に本発明の第3の実施例について、図7Aおよび図7Bを参照して説明する。
なお、本実施例においても、第1の実施例と共通する構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
[Third Example]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.
In this embodiment as well, the components common to those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
第3の実施例に係る光論理素子3は、図7Aに示すように、シリカ(SiO2)等の第1の誘電体材料からなる基板10と、この基板10の一の面10a上に形成され、シリコン(Si)等、第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる第1の光導波路31、第2の光導波路32、第3の光導波路33、第4の光導波路34とを備える。ここで、第1の光導波路31および第2の光導波路32は、1組の信号光入力ポートとして作用し、第3の光導波路33は光出力ポートとして作用する。また、第4の光導波路34は、バイアス光入力ポートとして作用する。
As shown in FIG. 7A, the optical logic element 3 according to the third embodiment is formed on a
本実施例に係る光論理素子3において、信号光入力ポートとして作用する第1の光導波路31および第2の光導波路32と、光出力ポートとして作用する第3の光導波路33とは、第1の実施例に係る光論理素子1と同様に、それぞれの一端が互いに接続されて、Y分岐光導波路を構成している。第1の光導波路31と第2の光導波路32とがなす角(Y分岐角度)をβによって表すこととする。
In the optical logic element 3 according to the present embodiment, the first
図7Aおよび図7Bに示すように、本実施例に係る光論理素子3において、バイアス光入力ポートである第4の光導波路34は、Y分岐光導波路を構成する第3の光導波路33と結合する結合部34aを有する。すなわち、結合部34aは、第3の光導波路33と間隔gDCを隔てて平行に配置された、第4の光導波路34の先端部近傍の長さLDC分の部分である。このように第4の光導波路34が結合部34aを備えることによって、第3の光導波路33と第4の光導波路34とは、互いに結合可能な程度に離間して、方向性結合器を形成している。
As shown in FIGS. 7A and 7B, in the optical logic element 3 according to the present embodiment, the fourth
本実施例では、Y分岐で信号光を干渉させた後に方向性結合器でバイアス光と干渉させる。つまり3波の干渉を2回に分けている。方向性結合器のバイアス光側から光出力ポートへの透過率をTDCとすると、Y分岐側からの透過率は(1−TDC)となる。入力信号光A(B)のY分岐の透過率をTA(TB)とすると、バイアス光強度PbiasはPbias〜TATDC/4(1−TDC)とすることで、バイナリコントラストの最小値BCmin=9.54dBとなる。 In this embodiment, the signal light is interfered with by the Y branch and then interfered with the bias light by the directional coupler. That is, the interference of three waves is divided into two times. Assuming that the transmittance from the bias optical side of the directional coupler to the optical output port is T DC , the transmittance from the Y branch side is (1-T DC ). When the transmittance of the Y branches of the input signal light A (B) and T A (T B), bias light intensity P bias is that the P bias ~T A T DC / 4 (1-T DC), binary The minimum contrast value BC min = 9.54 dB.
本実施例に係る光論理素子3は、第1の実施例に係る光論理素子1の構成と比較した場合、やや長尺な構成になるものの、1組の入力信号光A,Bが合流して互いに干渉する信号光合流部と、バイアス光入力ポートと結合してバイアス光と干渉する合流部とが分離されているため、TA(TB)とTDCの制御性に優れており、透過率の最適化を簡単に行うことが出来る。
Although the optical logic element 3 according to the present embodiment has a slightly longer configuration than the configuration of the
[第4の実施例]
第1〜第3の実施例では、異なる振幅に“0”,“1”の値を割り当てた振幅ビットの光を入力信号光A,Bとしたが、本実施例では、異なる位相に“0”,“1”の値を割り当てた位相ビットの光を信号光A,Bとする。第1〜第3の実施例で説明した光論理素子1〜3を用いて位相ビットの論理演算を行う概念を図8に示す。図8では、光論理素子1を用いる場合について記載しているが、光論理素子1の代わりに光論理素子2,3を用いてもよい。
[Fourth Example]
In the first to third embodiments, the light of the amplitude bits to which the values of "0" and "1" are assigned to different amplitudes are used as the input signal lights A and B, but in this embodiment, "0" is used in different phases. Let the light of the phase bits to which the values of "and" 1 "are assigned be the signal lights A and B. FIG. 8 shows a concept of performing a logical operation of a phase bit using the
信号光A,Bは、バイアス光に対して同相(0)または逆相(π)の位相を有する。本実施例のように位相ビットの論理演算を行う場合、信号光A,Bとバイアス光は全て同一強度である。また、バイアス光の位相は固定である。 The signal lights A and B have in-phase (0) or anti-phase (π) phases with respect to the bias light. When performing the logical operation of the phase bit as in this embodiment, the signal lights A and B and the bias light all have the same intensity. Moreover, the phase of the bias light is fixed.
光論理素子1の光導波路11(信号光入力ポート)に入力される信号光Aと光導波路14(バイアス光入力ポート)に入力されるバイアス光と光導波路12(信号光入力ポート)に入力される信号光Bの、光導波路13(光出力ポート)への透過率の比率(合流比)が1:1:1で、信号光A,Bとバイアス光のそれぞれの透過率が1/3に近いほど、挿入利得が4.8dBに漸近する。ここで、挿入利得の定義について説明すると、信号光A,Bの相対強度1に対して、(A,B)=(0,0)入力時の出力光がa倍(a>1)される場合に、挿入利得を10log10(a)としている。
The signal light A input to the optical waveguide 11 (signal light input port) of the
ただし、光論理素子1の合流比は1:1:1に限定する必要はなく、1:γ:1(0<γ)でも動作可能である。この場合、バイアス光の強度を信号光A,Bの強度の1/γ倍と設定することでバイナリコントラストBC>9.5dBを維持できる。γがゼロに漸近すると、挿入利得は6.5dBに漸近するが、必要なバイアス光強度は増大する。挿入利得を増大させるのであれば、γをなるべく小さくすればよい。光論理素子1の合流比は、光論理素子1の形状によって設定することができる。
However, the merging ratio of the
2つの信号光A,Bとバイアス光の光出力ポートへの透過率が全て1/3で、信号光A,Bとバイアス光の相対強度が1のときの入出力関係を表1に示す。 Table 1 shows the input / output relationship when the transmittances of the two signal lights A and B and the bias light to the optical output port are all 1/3 and the relative intensity of the signal lights A and B and the bias light is 1.
上記で説明したとおり、信号光A,Bはバイアス光の位相を基準とした位相ビットの光であり、バイアス光に対して同相(0)または逆相(π)の位相を有する。同相(0)はデジタル信号のビット“1”に対応し(振幅ビットの場合には強度1)、逆相(π)はデジタル信号のビット“0”に対応する(振幅ビットの場合には強度0)。位相ビットの論理演算の結果得られる出力光Cは振幅ビットである。信号光A,Bのうち少なくとも一方がバイアス光に対して逆相(π)の場合には信号光A,Bおよびバイアス光の強度に対して1/3の強度の出力光Cが得られ、信号光A,Bがバイアス光に対して同相(0)の場合には3倍の強度の出力光Cが得られる。本実施例によれば、バイナリコントラストBC>9.5dBかつ挿入利得〜4.8dBのAND動作が実現可能である。
As described above, the signal lights A and B are phase bit lights based on the phase of the bias light, and have a phase of the same phase (0) or the opposite phase (π) with respect to the bias light. The in-phase (0) corresponds to the digital signal bit “1” (
次に、本実施例の位相ビットの論理演算に必要な具体的な構成を図9に示す。図9に示す光論理回路は、光論理素子1と、信号光生成用の連続光とバイアス光とを出力する光源4と、信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の各ビットに応じて位相変調して信号光を生成する電気光学移相器5−1,5−2とから構成される。この光論理回路は、誘電体材料からなる基板上に集積化される。
Next, FIG. 9 shows a specific configuration required for the logical operation of the phase bits of this embodiment. The optical logic circuit shown in FIG. 9 receives an
光源4は、相対強度1の連続光を電気光学移相器5−1,5−2に入力し、この電気光学移相器5−1,5−2に入力する信号光生成用の連続光と同一強度で同一波長の連続光をバイアス光として光論理素子1の光導波路14(バイアス光入力ポート)に入力する。信号光生成用の連続光とバイアス光とは、同相でもよいし、逆相でもよい。
The
電気光学移相器5−1,5−2は、入力デジタル電気信号の対応するビットが“0”の場合は、入力される光の位相をバイアス光と逆相(π)にして出力し、対応するビットが“1”の場合は、入力される光の位相をバイアス光と同相(0)にして出力する。こうして、入力デジタル電気信号の対応するビットに応じた位相を有する信号光A,Bを生成し、光論理素子1の光導波路11,12(信号光入力ポート)に入力することができる。
When the corresponding bit of the input digital electric signal is "0", the electro-optical phase shifter 5-1 and 5-2 outputs the input light with the phase opposite to the bias light (π). When the corresponding bit is "1", the phase of the input light is set to the same phase (0) as the bias light and output. In this way, signal lights A and B having a phase corresponding to the corresponding bit of the input digital electric signal can be generated and input to the
なお、図9では、光論理素子1の合流比を1:1:1に設定し、信号光A,Bとバイアス光の強度を同一とする場合について記載しているが、上記のとおり合流比を1:γ:1(0<γ)に設定し、信号光A,Bの強度に対してバイアス光の強度を1/γにしてもよい。
Note that FIG. 9 describes a case where the merging ratio of the
バイアス光と信号光A,Bとを正確に同相または逆相にするためには、電気光学移相器5−1,5−2に入力される2ビットのデジタル電気信号が全て“1”のときに出力光Cが最大となるように、あるいは2ビットのデジタル電気信号の少なくとも一方が“0”のときに出力光Cが最小となるように、電気光学移相器5−1,5−2を調整すればよい。
また、光入力強度が所定の比率となるよう調整するために,強度変調器を光論理素子1の任意のポートに設けるようにしてもよい。
In order to make the bias light and the signal lights A and B accurately in phase or out of phase, all the 2-bit digital electric signals input to the electro-optic phase shifters 5-1 and 5-2 are "1". Electro-optic phase shifters 5-1 and 5-so that sometimes the output light C is maximized, or the output light C is minimized when at least one of the 2-bit digital electrical signals is "0". 2 may be adjusted.
Further, in order to adjust the optical input intensity to a predetermined ratio, an intensity modulator may be provided at an arbitrary port of the
本実施例によれば、以下のような効果を得ることができる。
(I)信号光A,Bの生成は電気光学移相器5−1,5−2のみで実現することができ、光論理回路の構成を単純化することができる。
振幅ビットの光を入力信号光A,Bとする光論理回路を構成する場合には、図10に示すように、マッハツェンダー干渉系による強度変調器6−1,6−2を光論理素子1の信号光入力ポートに設ける必要がある。強度変調器6−1,6−2は、信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の対応するビットに応じて強度変調して信号光A,Bを生成する。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(I) The generation of the signal lights A and B can be realized only by the electro-optical phase shifters 5-1 and 5-2, and the configuration of the optical logic circuit can be simplified.
When constructing an optical logic circuit in which the light of the amplitude bit is used as the input signal light A and B, as shown in FIG. 10, the intensity modulators 6-1 and 6-2 by the Mach Zender interference system are used as the
(II)(A,B)=(0,0)入力時(振幅ビットのAND演算の場合の(A,B)=(1,1)入力時に相当)における相対出力強度は3であり,挿入利得を〜4.8dBにすることができる。振幅ビットのAND演算の場合、挿入利得は〜0.5dBが限界である。 (II) The relative output intensity at the time of (A, B) = (0,0) input (corresponding to (A, B) = (1,1) input in the case of AND operation of amplitude bit) is 3, and it is inserted. The gain can be ~ 4.8 dB. In the case of the AND operation of the amplitude bit, the insertion gain is limited to ~ 0.5 dB.
(III)第1〜第3の実施例と同様にバイナリコントラストBC=9.54dBを実現することができる。 (III) Binary contrast BC = 9.54 dB can be realized as in the first to third embodiments.
なお、図8〜図10では、第1の実施例の光論理素子1を用いる場合について記載しているが、上記のとおり光論理素子1の代わりに光論理素子2,3を用いてもよい。
Although FIGS. 8 to 10 describe the case where the
[第5の実施例]
次に、本発明の第5の実施例について説明する。本実施例では、第1〜第3の実施例と異なる光論理素子を用いて位相ビットの論理演算を行う概念を図11に示す。本実施例は、図8、図9に示した光論理素子1(あるいは光論理素子2,3)を、2入力1出力の2つの光論理素子7,8を縦続接続した構成に置き換えたものである。
[Fifth Example]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, FIG. 11 shows a concept of performing a logical operation of a phase bit using an optical logic element different from that of the first to third embodiments. In this embodiment, the optical logic elements 1 (or
光論理素子7は、光導波路70(信号光入力ポート)に入力された信号光Aと光導波路71(信号光入力ポート)に入力された信号光Bとを合流して光導波路72(光出力ポート)に出力する。信号光A,Bの光出力ポートへの透過率の比率(合流比)は1:1である。
The
光論理素子8は、光論理素子7から出力され光導波路80(信号光入力ポート)に入力された光と光導波路81(バイアス光入力ポート)に入力されたバイアス光とを合流して光導波路82(光出力ポート)に出力する。光論理素子7からの入力光とバイアス光の光出力ポートへの透過率の比率(合流比)は1:1である。
The
光論理素子7,8の各々としては、第1の実施例で説明した基板10と光導波路11〜13とからなる構造のY分岐光導波路を用いることができる。
第4の実施例で説明したとおり、信号光A,Bは、バイアス光に対して同相(0)または逆相(π)の位相を有する位相ビットの光である。信号光A,Bとバイアス光との強度比は2:1である。
As each of the
As described in the fourth embodiment, the signal lights A and B are phase bit lights having a phase of the same phase (0) or the opposite phase (π) with respect to the bias light. The intensity ratio of the signal lights A and B to the bias light is 2: 1.
光論理素子7における2つの信号光A,Bの光出力ポートへの透過率が1/2、光論理素子8における光論理素子7からの入力光とバイアス光の光出力ポートへの透過率が同じく1/2で、信号光A,Bとバイアス光との強度比が2:1のときの入出力関係を表2に示す。
The transmission of the two signal lights A and B in the
上記で説明したとおり、信号光A,Bはバイアス光の位相を基準とした位相ビットの光であり、バイアス光に対して同相(0)または逆相(π)の位相を有する。同相(0)はデジタル信号のビット“1”に対応し(振幅ビットの場合には強度1)、逆相(π)はデジタル信号のビット“0”に対応する(振幅ビットの場合には強度0)。位相ビットの論理演算の結果得られる出力光Cは振幅ビットである。信号光A,Bのうち少なくとも一方がバイアス光に対して逆相(π)の場合には信号光A,Bの強度に対して1/4の強度の出力光Cが得られ、信号光A,Bがバイアス光に対して同相(0)の場合には9/4の強度の出力光Cが得られる。本実施例によれば、バイナリコントラストBC>9.5dBかつ挿入利得〜3.5dBのAND動作が実現可能である。
As described above, the signal lights A and B are phase bit lights based on the phase of the bias light, and have a phase of the same phase (0) or the opposite phase (π) with respect to the bias light. The in-phase (0) corresponds to the digital signal bit “1” (
次に、本実施例の位相ビットの論理演算に必要な具体的な構成を図12に示す。図12に示す光論理回路は、光論理素子7,8と、信号光生成用の連続光とバイアス光とを出力する光源4aと、信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の各ビットに応じて位相変調して信号光を生成する電気光学移相器9−1,9−2とから構成される。この光論理回路は、誘電体材料からなる基板上に集積化される。
Next, FIG. 12 shows a specific configuration required for the logical operation of the phase bits of this embodiment. In the optical logic circuit shown in FIG. 12,
光源4aは、相対強度1の連続光を電気光学移相器9−1,9−2に入力し、この電気光学移相器9−1,9−2に入力する信号光生成用の連続光と同一波長で強度が1/2の連続光をバイアス光として光論理素子8の光導波路81(バイアス光入力ポート)に入力する。信号光生成用の連続光とバイアス光とは、同相でもよいし、逆相でもよい。
The
電気光学移相器9−1,9−2の動作は、第4の実施例の電気光学移相器5−1,5−2と同じである。こうして、入力デジタル電気信号の対応するビットに応じた位相を有する信号光A,Bを生成し、光論理素子7の光導波路70,71(信号光入力ポート)に入力することができる。
The operation of the electro-optical phase shifters 9-1 and 9-2 is the same as that of the electro-optical phase shifters 5-1 and 5-2 of the fourth embodiment. In this way, signal lights A and B having a phase corresponding to the corresponding bit of the input digital electric signal can be generated and input to the
バイアス光と信号光A,Bとを正確に同相または逆相にするためには、電気光学移相器9−1,9−2に入力される2ビットのデジタル電気信号が全て“1”のときに出力光Cが最大となるように、あるいは2ビットのデジタル電気信号の少なくとも一方が“0”のときに出力光Cが最小となるように、電気光学移相器9−1,9−2を調整すればよい。
また、光入力強度が所定の比率となるよう調整するために,強度変調器を光論理素子7,8の任意のポートに設けるようにしてもよい。
In order to make the bias light and the signal lights A and B accurately in phase or out of phase, the 2-bit digital electrical signals input to the electro-optic phase shifters 9-1 and 9-2 are all "1". Electro-optic phase shifters 9-1, 9- so that sometimes the output light C is maximized, or the output light C is minimized when at least one of the 2-bit digital electrical signals is "0". 2 may be adjusted.
Further, in order to adjust the optical input intensity to a predetermined ratio, an intensity modulator may be provided at an arbitrary port of the
光論理素子7,8は損失が小さく、かつ作製が容易な構造が既に世に広く知られている。したがって、歩留まりや較正の容易さを重視する場合には、第4の実施例の代わりに本実施例が採用される可能性が高い。
It is already widely known in the world that the
1〜3,7,8…光論理素子、4,4a…光源、5−1,5−2,9−1,9−2…電気光学移相器、6−1,6−2…強度変調器、10…基板、11〜14,21〜24,31〜34,70〜72,80〜82…光導波路、15,16…移相器、21a,22a,34a…結合部。 1-3,7,8 ... Optical logic element, 4,4a ... Light source, 5-1,5-2,9-1,9-2 ... Electro-optical phase shifter, 6-1, 6-2 ... Intensity modulation Vessel, 10 ... Substrate, 11-14, 21-24, 31-34, 70-72, 80-82 ... Optical waveguide, 15, 16 ... Phase shifter, 21a, 22a, 34a ... Coupling part.
Claims (10)
この基板の一の面上に形成され、前記第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる、信号光入力用の第1の光導波路および第2の光導波路と、
前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、信号光出力用の第3の光導波路と、
前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、バイアス光入力用の第4の光導波路と
を備え、
前記第1の光導波路と前記第2の光導波路と前記第3の光導波路とは、それぞれの一端が互いに接続されたY分岐光導波路を構成し、
前記第4の光導波路は、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との間に配置され、前記第4の光導波路の前記Y分岐光導波路に近い方の一端が平面視でテーパー状に形成されて、前記第1の光導波路および前記第2の光導波路と結合する
ことを特徴とする光論理素子。 A substrate made of a first dielectric material and
A first optical waveguide and a second optical waveguide for signal light input, which are formed on one surface of the substrate and are made of a second dielectric material having a higher refractive index than the first dielectric material. ,
A third optical waveguide for signal light output, formed on the one surface of the substrate and made of the second dielectric material.
A fourth optical waveguide for biased light input, formed on the one surface of the substrate and made of the second dielectric material, is provided.
The first optical waveguide, the second optical waveguide, and the third optical waveguide form a Y-branched optical waveguide in which one ends are connected to each other.
The fourth optical waveguide is arranged between the first optical waveguide and the second optical waveguide, and one end of the fourth optical waveguide closer to the Y-branch optical waveguide is tapered in a plan view. An optical logic element that is formed in a shape and is coupled to the first optical waveguide and the second optical waveguide.
前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とは、前記第3の光導波路の延長線に対して対称に配置され、
前記第4の光導波路は、前記第3の光導波路の延長線上に配置されている
ことを特徴とする光論理素子。 In the optical logic device according to claim 1,
The first optical waveguide and the second optical waveguide are arranged symmetrically with respect to the extension line of the third optical waveguide.
The fourth optical waveguide is an optical logic element characterized in that it is arranged on an extension of the third optical waveguide.
前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相が前記Y分岐光導波路において同位相となるように前記信号光の位相を変化させる第1の移相器と、
前記第4の光導波路に入力されるバイアス光の位相が前記Y分岐光導波路において前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相と逆位相となるように前記バイアス光の位相を変化させる第2の移相器と、
をさらに備えることを特徴とする光論理素子。 In the optical logic device according to claim 1 or 2.
A first phase shifter that changes the phase of the signal light so that the phases of the signal lights input to the first optical waveguide and the second optical waveguide are the same in the Y-branched optical waveguide. When,
The phase of the bias light input to the fourth optical waveguide is opposite to the phase of the signal light input to the first optical waveguide and the second optical waveguide in the Y-branch optical waveguide. A second phase shifter that changes the phase of the biased light,
An optical logic element characterized by further comprising.
この基板の一の面上に形成され、前記第1の誘電体材料より高い屈折率を有する第2の誘電体材料からなる、信号光入力用の第1の光導波路および第2の光導波路と、
前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、信号光出力用の第3の光導波路と、
前記基板の前記一の面上に形成され、前記第2の誘電体材料からなる、バイアス光入力用の第4の光導波路と
を備え、
前記第3の光導波路の一端は、前記第4の光導波路の一端と接続され、
前記第4の光導波路は、前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との間に配置され、
前記第1の光導波路および前記第2の光導波路は、それぞれ前記第4の光導波路と結合する結合部を有する
ことを特徴とする光論理素子。 A substrate made of a first dielectric material and
A first optical waveguide and a second optical waveguide for signal light input, which are formed on one surface of the substrate and are made of a second dielectric material having a higher refractive index than the first dielectric material. ,
A third optical waveguide for signal light output, formed on the one surface of the substrate and made of the second dielectric material.
A fourth optical waveguide for biased light input, formed on the one surface of the substrate and made of the second dielectric material, is provided.
One end of the third optical waveguide is connected to one end of the fourth optical waveguide.
The fourth optical waveguide is arranged between the first optical waveguide and the second optical waveguide.
An optical logic element, wherein the first optical waveguide and the second optical waveguide each have a coupling portion that is coupled to the fourth optical waveguide.
前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相が前記結合部において同位相となるように前記信号光の位相を変化させる第1の移相器と、
前記第4の光導波路に入力されるバイアス光の位相が前記第1の光導波路と前記第2の光導波路とにそれぞれ入力された信号光の位相と逆位相で前記第1の光導波路と前記第2の光導波路と結合するように前記バイアス光の位相を変化させる第2の移相器と、
をさらに備えることを特徴とする光論理素子。 In the optical logic device according to claim 4,
A first phase shifter that changes the phase of the signal light so that the phases of the signal lights input to the first optical waveguide and the second optical waveguide are in phase with each other at the coupling portion.
The phase of the bias light input to the fourth optical waveguide is opposite to the phase of the signal light input to the first optical waveguide and the second optical waveguide, respectively, and the first optical waveguide and the said A second phase shifter that changes the phase of the biased light so as to couple with the second optical waveguide,
An optical logic element characterized by further comprising.
前記光論理素子は、前記信号光として、異なる振幅に0,1の値を割り当てた振幅ビットの光を入力とすると共に前記バイアス光を入力とし、
前記第3の光導波路の出力光を演算結果とすることを特徴とする光論理回路。 The optical logic element according to any one of claims 1 to 5 is provided.
The optical logic element receives as the signal light the light of the amplitude bit in which the values of 0 and 1 are assigned to different amplitudes and the bias light as the input.
An optical logic circuit characterized in that the output light of the third optical waveguide is used as a calculation result.
信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の対応するビットに応じて強度変調して前記信号光を生成する強度変調器をさらに備えることを特徴とする光論理回路。 In the optical logic circuit according to claim 6,
An optical logic circuit further comprising an intensity modulator for generating the signal light by intensity-modulating continuous light for signal light generation according to a corresponding bit of an input digital electric signal.
前記光論理素子は、前記信号光として、異なる位相に0,1の値を割り当てた位相ビットの光を入力とすると共に前記バイアス光を入力とし、
前記第3の光導波路の出力光を演算結果とすることを特徴とする光論理回路。 The optical logic element according to any one of claims 1 to 5 is provided.
The optical logic element receives, as the signal light, light of phase bits in which values of 0 and 1 are assigned to different phases, and receives the bias light as input.
An optical logic circuit characterized in that the output light of the third optical waveguide is used as a calculation result.
信号光生成用の連続光を入力デジタル電気信号の対応するビットに応じて位相変調して前記信号光を生成する第3の移相器をさらに備えることを特徴とする光論理回路。 In the optical logic circuit according to claim 8,
An optical logic circuit further comprising a third phase shifter that phase-modulates continuous light for generating signal light according to the corresponding bits of an input digital electric signal to generate the signal light.
前記バイアス光の強度を調整可能な光源をさらに備えることを特徴とする光論理回路。 In the optical logic circuit according to any one of claims 6 to 9.
An optical logic circuit further comprising a light source capable of adjusting the intensity of the bias light.
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