JPH07101270B2 - 光論理素子 - Google Patents
光論理素子Info
- Publication number
- JPH07101270B2 JPH07101270B2 JP24721188A JP24721188A JPH07101270B2 JP H07101270 B2 JPH07101270 B2 JP H07101270B2 JP 24721188 A JP24721188 A JP 24721188A JP 24721188 A JP24721188 A JP 24721188A JP H07101270 B2 JPH07101270 B2 JP H07101270B2
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- JP
- Japan
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- light
- optical
- wavelength
- waveguide
- optical path
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
- G02F1/3517—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam using an interferometer
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光情報処理に用いられる光論理素子に関す
る。
る。
（従来の技術とその課題） ディジナル光情報処理を行なうためには、光論理素子が
必要である。
必要である。
現在各種の光論理素子があるが、超高速光情報処理を実
現する高速光素子としては、光導波路で構成されたマッ
ハツェンダ系に基づくものが適している。（例えばアナ
リサ・ラッテスら、アイ・イー・イー・イー・ジャーナ
ル・オブ・カンタム・エレクトロニクス誌、QE-19巻、1
1号、1718-1723ページ、1983年）。この種の素子は、1p
s（ピコセカンド）以下の高速スイッチングが可能であ
る。従来の素子のうちで、制御光と被制御光とに同一の
波長を用いる素子は、制御光と被制御光とを光導波路内
で互いに直交する偏波状態で伝搬させること等により、
両方の光を区別している。しかしながら、このような方
法で制御光と被制御光とを区別しようとすると、素子構
造に多くの制御が生ずるし、また完全な区別は事実上不
可能であるから、素子の性能が制限されていた。この制
限を緩和するために、被制御光と波長の異なる制御光を
用いる素子が考えられる。この方式の素子においては、
被制御光と制御光の分離及び区別は、種々の波長選択素
子により容易にかつ高い効率で行なえるから、素子自体
の性能は極めてた高い。しかし、このように制御光（入
力光）と被制光（出力光）の波長が異なる素子を用いる
と、光論理回路を構成する際に同一の素子を従続接続す
る上で種々の問題がある。例えば、出力素子の出力波長
と次段の素子の入力波長が異なる場合、素子間に波長変
換素子が必要である。また、たとえ従続接続が可能であ
る場合にも、信号光の波長が素子を通過する毎に変化す
る。そこで、従来の光論理素子では、波長変換素子を要
するか否かにかかわらず、制御光と被制御光との波長が
異なることは、光論理回路を構成する上で著しい制約と
なっていた。
現する高速光素子としては、光導波路で構成されたマッ
ハツェンダ系に基づくものが適している。（例えばアナ
リサ・ラッテスら、アイ・イー・イー・イー・ジャーナ
ル・オブ・カンタム・エレクトロニクス誌、QE-19巻、1
1号、1718-1723ページ、1983年）。この種の素子は、1p
s（ピコセカンド）以下の高速スイッチングが可能であ
る。従来の素子のうちで、制御光と被制御光とに同一の
波長を用いる素子は、制御光と被制御光とを光導波路内
で互いに直交する偏波状態で伝搬させること等により、
両方の光を区別している。しかしながら、このような方
法で制御光と被制御光とを区別しようとすると、素子構
造に多くの制御が生ずるし、また完全な区別は事実上不
可能であるから、素子の性能が制限されていた。この制
限を緩和するために、被制御光と波長の異なる制御光を
用いる素子が考えられる。この方式の素子においては、
被制御光と制御光の分離及び区別は、種々の波長選択素
子により容易にかつ高い効率で行なえるから、素子自体
の性能は極めてた高い。しかし、このように制御光（入
力光）と被制光（出力光）の波長が異なる素子を用いる
と、光論理回路を構成する際に同一の素子を従続接続す
る上で種々の問題がある。例えば、出力素子の出力波長
と次段の素子の入力波長が異なる場合、素子間に波長変
換素子が必要である。また、たとえ従続接続が可能であ
る場合にも、信号光の波長が素子を通過する毎に変化す
る。そこで、従来の光論理素子では、波長変換素子を要
するか否かにかかわらず、制御光と被制御光との波長が
異なることは、光論理回路を構成する上で著しい制約と
なっていた。
そこで、本発明の目的は、上述のような従来の光論理素
子の欠点を除去し、高性能でかつ従続接続の容易な光論
理素子を提供することにある。
子の欠点を除去し、高性能でかつ従続接続の容易な光論
理素子を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
２つのマッハツェンダ干渉系を備えてなり、これら両干
渉系は光路の一部を共用しており、その共用光路が光学
非線形性を有し、一方の前記干渉系の分岐部で分岐され
た光を前記共用光路へ合波する手段と、該共用光路の光
の一部を分波する手段とが波長依存性を有し、該分波手
段で分波された先は前記一方の干渉系の合波部へ導くこ
とを特徴とする光論理素子である。
２つのマッハツェンダ干渉系を備えてなり、これら両干
渉系は光路の一部を共用しており、その共用光路が光学
非線形性を有し、一方の前記干渉系の分岐部で分岐され
た光を前記共用光路へ合波する手段と、該共用光路の光
の一部を分波する手段とが波長依存性を有し、該分波手
段で分波された先は前記一方の干渉系の合波部へ導くこ
とを特徴とする光論理素子である。
（作用） 本発明の光論理素子は、相互位相変調という非線形光学
現象を利用するが、ここで相互位相変調に関して簡単に
説明する。相互位相変調については、レーザハンドブッ
ク（朝倉書店、稲葉文男ら編集、昭和48年、401ペー
ジ）に詳しい記述がある。
現象を利用するが、ここで相互位相変調に関して簡単に
説明する。相互位相変調については、レーザハンドブッ
ク（朝倉書店、稲葉文男ら編集、昭和48年、401ペー
ジ）に詳しい記述がある。
簡単のために、非線形屈析率がｎ2の材料でできている
単一モードの導波を考える。この導波路に周波数がω1
とω2の２本の光線を伝搬させると、両方の光の強度が
十分に弱い場合は、それぞれの光の伝搬は独立の現象と
考えられる。つまり、ω1の光の伝搬はω2の光の存在は
影響は受けない。しかし、もしω1の光の強度が強くな
ると、その光が前記の非線形屈析率を介して、光導波路
の実効光屈析率ｎeffを のように変化させる。ここでｎ0は、ω1の光が存在しな
い場合における光導波路の屈析率（線形屈析率）であり
Ｉ（ω1）は周波数ω1の光の強度である。このように、
ω1の光で屈析率が変化した光導波路に同時に波長ω2の
光を伝搬させると、波長ω2の光の導波路出射端におけ
る位相は、Ｉ（ω1）＝０のときと比べて だけ変化する。ここでＩ（ω1）の単位は（W/m2）、Ｌ
はω1とω2の光の相互作用長（ここでは導波路長）、λ
1はω1の光の波長、ｃは真空中での光速、そして(3)
は非線形光学媒質（ここでは光導波路）の三次の非線形
感受率（単位はesu）で、前記のｎ2とは の関係にある。ここでReは(3)の実数部を表わすが、
本発明のように非線形光学媒質を透明な波長領域で使用
する場合（非共鳴領域）、(3)は実質的に実数と考え
てよい。
単一モードの導波を考える。この導波路に周波数がω1
とω2の２本の光線を伝搬させると、両方の光の強度が
十分に弱い場合は、それぞれの光の伝搬は独立の現象と
考えられる。つまり、ω1の光の伝搬はω2の光の存在は
影響は受けない。しかし、もしω1の光の強度が強くな
ると、その光が前記の非線形屈析率を介して、光導波路
の実効光屈析率ｎeffを のように変化させる。ここでｎ0は、ω1の光が存在しな
い場合における光導波路の屈析率（線形屈析率）であり
Ｉ（ω1）は周波数ω1の光の強度である。このように、
ω1の光で屈析率が変化した光導波路に同時に波長ω2の
光を伝搬させると、波長ω2の光の導波路出射端におけ
る位相は、Ｉ（ω1）＝０のときと比べて だけ変化する。ここでＩ（ω1）の単位は（W/m2）、Ｌ
はω1とω2の光の相互作用長（ここでは導波路長）、λ
1はω1の光の波長、ｃは真空中での光速、そして(3)
は非線形光学媒質（ここでは光導波路）の三次の非線形
感受率（単位はesu）で、前記のｎ2とは の関係にある。ここでReは(3)の実数部を表わすが、
本発明のように非線形光学媒質を透明な波長領域で使用
する場合（非共鳴領域）、(3)は実質的に実数と考え
てよい。
（実施例） 次に図面を参照して、本発明の光論理素子についてさら
に詳しく説明する。
に詳しく説明する。
第１図は本発明の一実施例の構成を示す斜視図である。
この実施例は以下の様な手順で製作される。まず、ｎ型
GaAsの基板１上に、厚さ３μｍのGa0.4Al0.6Asバッファ
層２と厚さ２μｍのGa0.7Al0.3Asのクラッド層３とを順
にエピキキシャル成長させる。さらにその上に厚さが約
30ÅのGaAs層と厚さが約70ÅのGa0.7Al0.3Asを交互に20
0回成長させることにより、厚さが２μｍのGaAlAs/GaAs
超格子層４を形成する。この超格子層４の成長には分子
線エピタルシャル法を用いる。次に通常のフォトリソグ
ラフィー技術を用いて、表面の超格子層上に第１図に示
されるパターンを形成するように、超格子層４を約１μ
ｍエッチングする。ここで、導波路部分（11〜13等）
は、波長1.2〜1.4μｍで単一横モード伝搬になるように
幅を約4.0μｍとした。また方向性線合部9,10では、そ
の結合長を調節することにより、波長12.7μｍでは結合
系数が１、波長1.33μｍでは結合系数がほぼ０になるよ
うにする。また、超格子層４においては、Snドープによ
りキャリア密度を約1018/cc程度にし、その非吸収波長
領域でTM伝搬における非線形定数(3)を１×109esu程
度に増大してある。
この実施例は以下の様な手順で製作される。まず、ｎ型
GaAsの基板１上に、厚さ３μｍのGa0.4Al0.6Asバッファ
層２と厚さ２μｍのGa0.7Al0.3Asのクラッド層３とを順
にエピキキシャル成長させる。さらにその上に厚さが約
30ÅのGaAs層と厚さが約70ÅのGa0.7Al0.3Asを交互に20
0回成長させることにより、厚さが２μｍのGaAlAs/GaAs
超格子層４を形成する。この超格子層４の成長には分子
線エピタルシャル法を用いる。次に通常のフォトリソグ
ラフィー技術を用いて、表面の超格子層上に第１図に示
されるパターンを形成するように、超格子層４を約１μ
ｍエッチングする。ここで、導波路部分（11〜13等）
は、波長1.2〜1.4μｍで単一横モード伝搬になるように
幅を約4.0μｍとした。また方向性線合部9,10では、そ
の結合長を調節することにより、波長12.7μｍでは結合
系数が１、波長1.33μｍでは結合系数がほぼ０になるよ
うにする。また、超格子層４においては、Snドープによ
りキャリア密度を約1018/cc程度にし、その非吸収波長
領域でTM伝搬における非線形定数(3)を１×109esu程
度に増大してある。
波長1.27μｍの入力光５は、分岐部14で２つに分岐さ
れ、導波部11としてとを伝搬した後に合波部で合波され
る。ここで導波路11と12の長さは半波長だけ異らしてあ
る。このような光路長差があるから、合波部16で合波さ
れるときの位相がπずれる。したがって、入力光５は合
波部16で放射モードに変換され、出力光７は得られな
い。波長1.33μｍの入入出６についても同様で、導波路
13の光路長と、方向性結合部９及び10を含む導波路12の
実効的な光路長とは半波長だけ異ならしてある。この光
路長差があることにより、入力光６が存在しても、入力
光６だけが存在して入力光５がないときは出力８は得ら
れない。ところが、波長1.27μｍの入力光５と、波長1.
33μｍの入力光６とが同時に入射されると、波長1.27μ
ｍの出力光７及び波長1.33μｍの出力出８が以下の理由
により得られる。
れ、導波部11としてとを伝搬した後に合波部で合波され
る。ここで導波路11と12の長さは半波長だけ異らしてあ
る。このような光路長差があるから、合波部16で合波さ
れるときの位相がπずれる。したがって、入力光５は合
波部16で放射モードに変換され、出力光７は得られな
い。波長1.33μｍの入入出６についても同様で、導波路
13の光路長と、方向性結合部９及び10を含む導波路12の
実効的な光路長とは半波長だけ異ならしてある。この光
路長差があることにより、入力光６が存在しても、入力
光６だけが存在して入力光５がないときは出力８は得ら
れない。ところが、波長1.27μｍの入力光５と、波長1.
33μｍの入力光６とが同時に入射されると、波長1.27μ
ｍの出力光７及び波長1.33μｍの出力出８が以下の理由
により得られる。
第１図で明らかなように、波長の異なる入力光５と６と
は、方向性結合部９で合波された後、方向性結合部10で
分波されるまで導波路12を同時に伝搬する。すると作用
の項で既に説明したように、波長の異なる光の間に相互
位相変調効果が働く。つまり1.27μｍの光は、1.33μｍ
の光の存在の影響をうけ位相変調をうけるが、これは1.
27μｍの光にとり、導波路12の実効光路長が変化した事
に他ならない。同様に1.33μｍの光も1.27μｍの光の存
在により位相変調を受ける。ここで、前述の如く、導波
路12の非線形屈折率は、波長1.3μｍ付近の広い範囲に
わたり１×10-9esuで、かつこの波長における導波路12
の実効断面積は15μｍ2程度、長さは20mmである。そこ
で、この条件において（２）式を適用すると、入射光５
及び６の光パワーが約10mWのとき、前記の位相変調量は
πとなる。導波路12においてπだけの位相変調を受ける
と、導波路11と12との実効光路長は同じになり、導波路
12と13との実効光路長も同じにする。すると、合波部16
及び17では入力光の位相が同相になるから、波長1.27μ
ｍの出力光７及び波長1.33μｍの出力光８が得られる。
は、方向性結合部９で合波された後、方向性結合部10で
分波されるまで導波路12を同時に伝搬する。すると作用
の項で既に説明したように、波長の異なる光の間に相互
位相変調効果が働く。つまり1.27μｍの光は、1.33μｍ
の光の存在の影響をうけ位相変調をうけるが、これは1.
27μｍの光にとり、導波路12の実効光路長が変化した事
に他ならない。同様に1.33μｍの光も1.27μｍの光の存
在により位相変調を受ける。ここで、前述の如く、導波
路12の非線形屈折率は、波長1.3μｍ付近の広い範囲に
わたり１×10-9esuで、かつこの波長における導波路12
の実効断面積は15μｍ2程度、長さは20mmである。そこ
で、この条件において（２）式を適用すると、入射光５
及び６の光パワーが約10mWのとき、前記の位相変調量は
πとなる。導波路12においてπだけの位相変調を受ける
と、導波路11と12との実効光路長は同じになり、導波路
12と13との実効光路長も同じにする。すると、合波部16
及び17では入力光の位相が同相になるから、波長1.27μ
ｍの出力光７及び波長1.33μｍの出力光８が得られる。
以上に述べた如く、入力光５又は入力光６だけがあると
きには出力光は得られない。もちろん入力光５及び６の
双方がともに存在しない場合にも出力光は得られない。
入力光５と６とを同時に入射したときだけに出力光が得
られるので、本光論理素子は純光学的AND光素子として
動作する。また本実施例では、出力光として、入力光と
同じ波長の1.33μｍ及び1.27μｍの双方をとり出すこと
が可能である。
きには出力光は得られない。もちろん入力光５及び６の
双方がともに存在しない場合にも出力光は得られない。
入力光５と６とを同時に入射したときだけに出力光が得
られるので、本光論理素子は純光学的AND光素子として
動作する。また本実施例では、出力光として、入力光と
同じ波長の1.33μｍ及び1.27μｍの双方をとり出すこと
が可能である。
以上、本発明の光論理素子に関し実施例を挙げて説明し
たが、本発明は本実施例に限定されない。例えば、本実
施例では、半導体超格子材料を非線形光学材料として用
いたが、これはバルクの半導体材料、有機非線形材料、
ガラス等の誘電体材料、また半導体微粒子をドープした
誘電体材料等でもよい。また、本実施例ではＹ分岐で光
分岐及び合波を実現しているが、これには反応性イオン
エッチング法等を用いて、急峻な縦穴を基板上の形成す
ることによりハーフミラー構造や、また導波路の非対象
分岐を用いてもよい。この場合、２波長の出力のそれぞ
れに対して、その否定信号も得られるから、NAND機能が
実現できる。さらに、本実施例では、マッハツェンダの
アーム長を物理的な長さで調節したが、これは電界をか
ける等の手段により調節してもよい。
たが、本発明は本実施例に限定されない。例えば、本実
施例では、半導体超格子材料を非線形光学材料として用
いたが、これはバルクの半導体材料、有機非線形材料、
ガラス等の誘電体材料、また半導体微粒子をドープした
誘電体材料等でもよい。また、本実施例ではＹ分岐で光
分岐及び合波を実現しているが、これには反応性イオン
エッチング法等を用いて、急峻な縦穴を基板上の形成す
ることによりハーフミラー構造や、また導波路の非対象
分岐を用いてもよい。この場合、２波長の出力のそれぞ
れに対して、その否定信号も得られるから、NAND機能が
実現できる。さらに、本実施例では、マッハツェンダの
アーム長を物理的な長さで調節したが、これは電界をか
ける等の手段により調節してもよい。
（発明の効果） 以上のように、本発明の光論理素子では、制御光と被制
御光とで波長が異なるから、信号の分離が容易で高性能
な光論理素子でありながら、出力として双方の波長が得
られる。そこで、本発明の光論理素子は容易に縦続に接
続できる。
御光とで波長が異なるから、信号の分離が容易で高性能
な光論理素子でありながら、出力として双方の波長が得
られる。そこで、本発明の光論理素子は容易に縦続に接
続できる。
第１図は、本発明の光論理素子の一実施例を示す斜視図
である。 １……GaAs基板、２……GaAlAsバッファ層、３……GaAl
Asクラッド層、４……GaAlAs/GaAs超格子層、5,6……光
入力、7,8……光出力、9,10……方向性結合部、14,15…
…分岐部、16,17……合波部。
である。 １……GaAs基板、２……GaAlAsバッファ層、３……GaAl
Asクラッド層、４……GaAlAs/GaAs超格子層、5,6……光
入力、7,8……光出力、9,10……方向性結合部、14,15…
…分岐部、16,17……合波部。
Claims (1)
- 【請求項１】２つのマッハツェンダ干渉系を備えてな
り、これら両干渉系は光路の一部を共用しており、その
共用光路が光学非線形性を有し、一方の前記干渉系の分
岐部で分岐された光を前記共用光路へ合波する手段と、
該共用光路の光の一部を分波する手段とが波長依存性を
有し、該分波手段で分波された先は前記一方の干渉系の
合波部へ導くことを特徴とする光論理素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24721188A JPH07101270B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光論理素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24721188A JPH07101270B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光論理素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0293626A JPH0293626A (ja) | 1990-04-04 |
| JPH07101270B2 true JPH07101270B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=17160100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24721188A Expired - Lifetime JPH07101270B2 (ja) | 1988-09-30 | 1988-09-30 | 光論理素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07101270B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100440765B1 (ko) * | 2002-10-23 | 2004-07-21 | 전자부품연구원 | 다중모드간섭을 이용한 도파로형 전광 논리 소자 |
| US7239768B2 (en) * | 2004-06-02 | 2007-07-03 | Alphion Corporation | Photonic integrated circuit |
| JP2006128188A (ja) * | 2004-10-26 | 2006-05-18 | Nikon Corp | 基板搬送装置、基板搬送方法および露光装置 |
| JP4892669B2 (ja) * | 2006-07-25 | 2012-03-07 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 光論理回路 |
| JP4982652B2 (ja) * | 2007-03-30 | 2012-07-25 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 光論理回路 |
| JP5104235B2 (ja) * | 2007-11-09 | 2012-12-19 | 凸版印刷株式会社 | ペリクル付きフォトマスクのリペア方法及び装置 |
-
1988
- 1988-09-30 JP JP24721188A patent/JPH07101270B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0293626A (ja) | 1990-04-04 |
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