JPH0720510A - 全光素子 - Google Patents

全光素子

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JPH0720510A
JPH0720510A JP5164455A JP16445593A JPH0720510A JP H0720510 A JPH0720510 A JP H0720510A JP 5164455 A JP5164455 A JP 5164455A JP 16445593 A JP16445593 A JP 16445593A JP H0720510 A JPH0720510 A JP H0720510A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 実励起型非線形屈折率変化(バンド充填効果
による屈折率変化)を用いた、高効率全高素子の遅いス
イッチオフ時間を飛躍的に短縮する。 【構成】 マッハツェンダー型全光スイッチの両アーム
に同等の光学非線形性を持たせ、片アームを励起するこ
とによりスイッチオンを、他のアームを励起することに
よりスイッチオフを超高速で行う。 【効果】 低励起パワーで動作可能な、バンド充填効果
を用いた素子で、1ピコ秒という、超高速スイッチング
が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光で光を直接制御する全
光素子、特に光ファイバー通信や光情報処理等の分野で
光制御素子として用いられる超高速全光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバー通信や光情報処理システム
高速化には、光制御を行う素子の高速化が必要不可欠で
ある。従来の光制御素子においては、電気信号により光
制御を行う方法(電気−光制御)が取られてきたが、近
年、より高速の動作が期待される方法として、光により
光を直接制御する方法(光−光制御)が注目されてい
る。光−光制御方式を用いた場合の利点として、電気回
路のCR時定数により動作速度が制限されないこと、電
気パルスよりも超短パルスの発生が可能な光パルスが直
接利用可能なことが挙げられる。しかし、このような全
光素子を実現するためには、多くの課題が残されてい
る。特に全光素子の実現においては、幾つもの条件を同
時に満足する必要があることを忘れてはならない。これ
らは素子としての機能、低パワー特性、信号光の高透過
率、そして高い繰り返しスイッチング速度等である。機
能に関しては制御光により信号光のルートを切り替える
という機能、および従属接続が可能なことが望ましい。
これらを満足する素子形態として、マッハツェンダー型
もしくは方向性結合器型の導波路素子が考えられる。こ
のうち前者の動作に必要な光パワーが後者の約半分であ
るため、マッハツェンダー型導波路素子が最も優れてい
ると考えられる。
【0003】どのような形態であろうとも、全光素子の
動作は非線形屈折率変化に基づく。即ち非線形屈折率変
化の速度や効率が、素子の速度や動作エネルギーを決め
る。種々の非線形屈折率変化を伴う非線形光学現象があ
るが、これらを大別すると、まず共鳴増強型現象である
か否かに分けられよう。非共鳴型効果を利用すれば、現
状でもTHz以上の超高繰り返し動作の可能な素子は考
えられるが、問題は非常に高い光パワーが要求される事
である。そこで共鳴増強により光強度を低減する事が考
えられるが、共鳴増強型効果はコヒーレント効果か否か
に大別される。
【0004】超高速応答を達成するためには、応答時間
が電子系の縦緩和時間により制限されないコヒーレント
効果が望ましい。ここで言うコヒーレント効果とは、光
と物質が相互作用する間、電子系の波動関数の位相と光
の位相の間に厳密な相関が保たれるものを言う。このた
めには光のパルス幅が物質の位相緩和時間(室温バルク
GaAsで0.1−0.2ps程度)より短いことが条
件となる。パルス幅が位相緩和時間より広い場合はキャ
リアの実励起が生じ、実励起による遅い縦緩和により動
作速度が制限されると同時に、コヒーレント効果の発現
を妨げることになる。光パルス幅が位相緩和時間より短
い場合でも、実際には2光子吸収等で実励起が生ずるこ
とが指摘されている。実励起の蓄積は、パルス繰り返し
周波数が高いほど顕著になる。したがって100MHz
程度(キャリア寿命より遅い)のモードロックレーザの
発生するフェムト秒級極超短パルスで観測可能な超光速
現像も、繰り返し周波数を挙げていくと実励起の影響に
より観測されなくなると予想される。以上の理由によ
り、現状ではAC−Stark効果等の共鳴増強型コヒ
ーレント効果を利用して超高繰り返し動作が可能な全光
素子を実現することは不可能と考えられる。
【0005】これに対してキャリア実励起による共鳴型
インコヒーレント効果の場合は1ワット以下の低パワー
動作が可能と考えられるため、極めて現実的である。し
かしながら、そのスイッチオフ時間(非線形屈折率の緩
和時間)はキャリアの縦緩和時間(バンド間再結合時
間)により制限される。バンド間再結合時間はGaAs
の場合数ナノ秒であるため、光の高速性を生かすことが
出来ない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで何らかの方法
で、バンド充填効果のような、共鳴型インコヒーレント
効果の緩和時間を短縮することが望ましい。バンド充填
効果の緩和時間の高速化にはいくつかの方法が考えられ
る。例えばプロトン照射等により再結合中心を導入する
ことであるが、場合によっては非線形性の低下が考えら
れる。表面準位による緩和時間の高速化はエタロンのよ
うな単純形態では有効であるが、導波路素子との整合性
に疑問が残る上、高速化にも限界がある。何れにしても
従来のこれらの方法では、光の高速性を発揮するピコ秒
オーダーの動作は不可能であり、同時に非線形性の低下
などの問題が伴った。
【0007】本発明の目的は、以上のような非線形材料
の物性上の問題を緩和する光回路、すなわち、そのスイ
ッチオフ時間が非線形効果の縦緩和時間に依存してない
マッハツェンダー型全光素子を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の制御光で非制御
光を制御するマッハツェンダー型全光スイッチは、マッ
ハツェンダー系を構成する両アームの各々の少なくとも
一部が3次の光学非線形性を示す材料により構成され、
かつ該マッハツェンダー系の両アームの各々の光学非線
形性発現部に制御光を導入する手段を有することを特徴
とする。
【0009】また本発明の制御光で非制御光を制御する
マッハツェンダー型全光スイッチは、マッハツェンダー
系を構成する両アームの各々の少なくとも一部が吸収飽
和特性とそれに伴う非線形性屈折率示す材料により構成
され、かつ該マッハツェンダー系の両アームの各々の光
学非線形性発現部に制御光を導入する手段を有すること
を特徴とする。
【0010】また本発明の制御光で非制御光を制御する
マッハツェンダー型全光素子は、構成要素であるマッハ
ツェンダー系の両アームが3次光学非線形性を示す材料
からなり、かつ該マッハツェンダー系の両アームの各々
の光学非線形性発現部に制御光を導入する手段を有する
が、さらに前記の両アームの光学非線形性の特性がほぼ
等しいことを特徴とする。
【0011】また本発明の制御光で非制御光を制御する
マッハツェンダー型全光素子は、構成要素であるマッハ
ツェンダー系の両アームが3次の光学非線形性を示す材
料により構成されるが、さらに単一の制御光をほぼ2分
し、これらを前記2ヵ所の光学非線形性発現部に有限の
時間差をもって導入する手段を有する事を特徴とする。
【0012】また本発明の制御光で非制御光を制御する
マッハツェンダー型全光スイッチは、マッハツェンダー
系を構成する両アームの複数部が有限の3次の光学非線
形性を示す材料により構成され、かつ該マッハツェンダ
ー系の両アームの複数の光学非線形性発現部のそれぞれ
に独立して制御光を導入する手段を有することを特徴と
する。
【0013】
【実施例】本発明を説明する前に従来技術について説明
する。
【0014】図8に従来のマッハツェンダー型全光素子
を示す。マッハツェンダー型全光スイッチは同図に示す
ように、3dBカプラー、波長選択カプラー、非線形性
材料からなる導波路、そしてそれらを接続する通常の光
導波路からなる。入出力ポート、3dB及び波長選択カ
プラー、そしてそれらを接続する導波路は光ファイバー
により構成され、非線型導波路はGaAsコア/AlG
aAsクラッドの半導体導波路である。(全てのコンポ
ーネントを半導体で構成してもよい)。入力ポートAよ
り信号光は系に入り、3dBカプラー1により2分さ
れ、アームA及びBへと導かれる。両アームを伝搬した
信号光は3dBカプラー2内で干渉し、合波される。3
dBカプラー内で干渉・合波された信号光の行き先は、
両アームを伝搬してきた光の3dBカプラーの干渉部に
於ける相対位相により決まる。すなわち、両アームの光
学長(屈折率を考慮した光の伝搬距離)が全く等しいと
きには、合波後の信号光は出力ポートA及びBへ再び2
分される。しかしアームAの光学長がBよりも1/4波
長短いときは、合波された信号光は全てポートAへ導か
れる。逆にアームAの光学長がBよりも1/4波長、長
いときは、合波された信号光は全てポートBへ導かれ
る。従って、アームAもしくはBの光学長を変化させれ
ば、入力ポートAに入射した信号光の行き先(出力ポー
トAもしくはB)を選ぶことが可能である。光学長は実
際の距離x屈折率であるため、従来例ではアームBに非
線形材料を挿入し、これを光学的に励起することにより
同アーム中の非線形導波路の屈折率、従って同アームの
光学長を変化させる。
【0015】すなわち制御光により非線形導波路の屈折
率を変化させることにより、信号光の出力ポートを切り
替えることが出来、従って光で光を直接制御できる(全
光素子動作)。ここで吸収端が870nm程度である非
線形材料(GaAs)は信号光の波長(900nm)で
は透明なため、信号光の吸収損失はほとんど無い。同様
の理由で、信号光による非線形導波路の屈折率変化は無
視できる程度である。これは前記のごとく信号光の波長
が材料に共鳴しない、すなわち非共鳴励起であるため、
この波長では非常に強い励起を行わない限り大きな屈折
率変化は起きないためである。(無視でき得る程度の小
さな屈折率は起きる)。
【0016】これに対して、波長選択カプラーにより非
線形導波路へと導かれる制御光の波長(865nm)は
非線形導波路のコアの吸収端より短波長であり、従って
制御光は非線形材料に吸収される(インコヒーレント共
鳴励起)。前述のごとく、共鳴励起では低パワー励起で
大きな屈折率変化が起きる。特にこの従来例の様に、共
鳴吸収型の非線形屈折率変化の場合の非線形性は大き
く、動作エネルギーの小さい全光素子が可能である。こ
の様に共鳴吸収型非線形性を用いれば低エネルギー動作
の可能な素子が実現可能であるが、励起された光キャリ
アの縦緩和時間(キャリア寿命)により、動作速度が制
限されるという問題がある。この状況を図8及び図9を
用いて説明する。
【0017】図9は図8の全光素子の各部に於ける変化
を、横軸を時間として模式的に表したものである。入力
ポートAへの信号光(波長900nm)は、簡単のため
図9に示したような一定強度のものとする。また制御光
による非線形屈折率変化がないときの両アームの長さ
は、信号光が全て出力ポートBより出射する様に設定さ
れている。波長865nmの制御光はパルス幅10ps
(ピコ秒)で繰返し周波数は1GHz(ギガヘルツ)で
ある。制御光が波長選択カプラーにより非線形導波路に
導かれ、吸収されると、非線形導波路を構成する非線形
材料内には図9に示すようにキャリアが励起される。
【0018】図9に示したように、キャリア数は制御光
パルスが吸収されるに従い急速に増大し、その後自然再
結合過程により減少する。非線形材料の屈折率は、粗い
近似を用いると、内部に励起されたキャリア数とほぼ比
例関係にある。ここで制御光パルスのエネルギーは、ア
ームBの光学長を半波長変化させる数のキャリアを生成
する程度であれば、出力ポートA及びBからの光出力は
図9に示したように変化する。すなわち制御光によりキ
ャリアが急激に励起されると、それに伴い非線形導波路
の屈折率が変化し、アームBの光学長が変化するため
に、信号光出力は出力ポートBからAへと急激にスイッ
チされる。しかし励起されたキャリアの寿命が数百ps
であるため、屈折率の回復がこれにより制限される。そ
の結果、短パルスの励起光を用いたにもかかわらず、ス
イッチング波形は図9に見られるように長い尾を引いた
ものになる。
【0019】(実施例)本発明は、上記の遅いスイッチ
オフ時間の問題を解決するものである。その構成を図1
に示す。本発明の全光素子は、ほぼ図8の従来例と同じ
あるが、従来例との唯一の相違は、制御光入射ポートを
マッハツェンダー系の両アームに持ち、完全に上下対称
の構成になっている点にある。図1の各部の時間的変化
を図2に示す。信号光は以前と同じ様に一定強度で変化
しない。制御光Bの動作は図8と図9に於ける従来例の
制御光と同じで、アームBの非線形導波路Bを光励起’
(キャリア生成)することにより、同非線形導波路の屈
折率を変化させる。ここで、もし制御光Aが無いとする
と、その動作は図9の場合と全く同じ様に、出力は光吸
収に伴い急激に変化し、その後のキャリア再結合により
緩やかに元に戻る。 ところが本実施例においては、図
2に示したように、制御光Bによる励起後50ps後に
制御光AがアームAを励起する。制御光Aのパルスエネ
ルギーは、制御光Aが非線形導波路Aを励起する瞬間
に、非線形導波路B内に残存する数のキャリアを励起す
る程度であり、したがって、制御光Bよりも弱い。この
ため制御光Aが非線形導波路Aを励起した瞬時に両アー
ムの実効長が同じになる。したがって、その出力光は図
2に示したように、制御光B励起時に急激に立ち上がり
(スイッチオン)、制御光A励起の瞬間に急激に元に戻
る(スイッチオフ)。この結果、本素子のスイッチング
スピードは、非線形材料の緩和時間に依存しない事にな
る。
【0020】以上の事は、次のような簡単な計算によっ
ても確かめられることが出来る。この計算のモデルは以
下のようなものである。
【0021】・励起パルスはsech2 型 ・非線形導波路のコア内に励起される光キャリア数N
は、簡単なレート方程式で記述可能 dN/dt=G−N/τ,G:carrier gen
eration rate,τ:carrier li
fetime ・理想的なマッハツェンダー型全光スイッチ Io u t =1/2sin(Δφ−π/2)+1/2 Δφ=nonlinear phase−shift ・非線形屈折率変化はキャリア数に比例する ・線形吸収および非線形吸収変化は無視できる そして以下のような動作条件とする。
【0022】 励起パルス幅 1ps(F
WHM) 非線形屈折率変化の緩和速度 1ns スイッチング速度=パルスの時間差 10ps 制御光Aのパルスエネルギー=0.99×制御光Bパル
スエネルギー 計算結果を図3に示す(図3の値は適当に規格化されて
いる)。制御光Aは素子をスイッチオフさせるものであ
るが、ここではそれを強調するために負のパルスとして
描かれている。図3における有効キャリア数とは、半導
体導波路B中のキャリア数から半導体導波路Aのそれを
引いたものであり、スイッチング波形と同じ様に、スイ
ッチ後にはゼロになるのが望ましい。すなわち、第二の
パルスで第一のパルスによる遅い緩和を完全にキャンセ
ルできる事が分かる。ここでの非線形屈折率変化の緩和
速度は1nsとしたため、両パルスのエネルギー差は無
視できる程度である。しかし何らかの方法で緩和速度を
速くした場合は、パルスエネルギーの関係を適当にする
ことが良好なスイッチング特性を得るためには必要とな
る。
【0023】また本スッイチは、その動作原理上、スイ
ッチオンのみならずスイッチオフも超高速の光吸収によ
るため、スイッチング波形は励起パルスに完全に追随し
ているのみならず、スイッチング速度より短いパルスを
用いれば、図3に見られるような矩形のスイッチング
(デジタルスイッチング)が可能である。このようにス
イッチ速度が非線形屈折率変化の緩和に依存せず、光路
差により決まるため、このような極超短パルスが発生可
能なら、それに見あうスイッチング速度が得られる。
【0024】以上の例では、励起光入力ポートが複数あ
ったが、実際問題としては、単一のポートより入力され
た励起光を内部で分割する方が望ましい。この様な例を
図4に示す。ここでは単一の励起光入力ポートより入射
された励起光を、3dBカプラー3でほぼ2等分し、そ
の後アームA及びBへ波長選択カプラーで導いている。
この場合のスイッチング速度は、励起パルスが十分に短
パルスであれば、3dBカプラー3から各々の非線形導
波路への光路長差により決定される。図4より明らかな
ように、非線形導波路Bが先に励起されるが、この場合
以下の注意も必要である。すなわち、3dBカプラーは
正確には3dBカプラーではなく、非線形導波路Aを励
起する瞬間に、非線形導波路B内に残存する数のキャリ
アを、励起する程度のパルスエネルギーがアームAへ配
分されるように設定する。
【0025】以上説明したごとく、本発明の全光素子
は、両アームの非線形導波路を時間差をもって励起する
ことにより、非線形性の緩和時間に依存しない超高速ス
イッチングを達成する。しかし本発明は、スイッチング
スピードの超高速化は実現するものの、スイッチング周
波数の改善には、さほど貢献しないように考えられる
が、これに関して次に考慮する。図5の全光素子は、不
完全ながら動作周波数の問題の一部を解決した例であ
る。これは図4の素子とほぼ同じあるが、励起光導入部
を2セット有することが特徴である。ここで制御光入力
ポート1及び2の動作は、異なる非線形導波路に依存す
るため、全く独立である。したがって励起光ポート1及
び2を位相は異なるが同一周波数の励起光パルス例で駆
動することにより、2倍の動作周波数が達成される。本
実施例では励起光入力ポートは2セットであるが、これ
を10セット装備することにより、10倍の動作周波数
が達成可能である。さらに、これと、ほぼ同様の効果
は、非線形導波路の飽和特性を適当に設定することによ
っても得られる。この状況を図6及び7に示す。
【0026】図6は、非線形導波路を構成する半導体
(本実施例においてはGaAsもしくはGaAs/Al
GaAsの量子井戸)の、励起子共鳴波長の制御光によ
り励起れた光キャリアの濃度と、同制御光波長に於ける
光透過率の、かなり一般的な関係を示す。半導体内キャ
リア濃度の増加に伴い光吸収率は非線形的に増大し、6
×101 7 /cc程度で、ほぼゼロになる。これは励起
光強度の増大に伴い吸収率が低下する現像で、吸収飽和
という。従って、この様な半導体導波路を構成し、それ
を端面から光励起する場合に於けるキャリア濃度の導波
路方向分布は、上記吸収飽和特性の影響を強く受ける。
【0027】この様子を図7に示す。図7は、半導体導
波路を上記のような条件で光励起した場合における、光
キャリアの分布を模式的に示したものである。横長の長
方形は半導体導波路を示し、説明の簡便のために同導波
路を、A、B、Cの3セクションに分けて考える。tは
時間を表し、その時の状態が各々の時間に対応して描か
れている。図7の最上段に示されているように、t=0
では導波路は、また光励起されていない。t=1で導波
路は左より光励起され、Aセクションが吸収飽和を起こ
す。図7では、吸収飽和を起こした部分は斜線により示
される。t=2に、次の励起パルスが左より導波路を励
起するが、図7の第2列に示されるように、Aセクショ
ンは既に吸収飽和を起こしているため、パルスはそこを
透過し、Bセクションで吸収され、同セクションをブリ
ーチする(吸収飽和を発生する)。
【0028】t=3で次の励起パルスが来るが、A及び
Bセクションは既に吸収飽和を起こしているため、Cセ
クションに吸収され、同セクションをブリーチする。こ
こで、半導体内の光キャリアの寿命をtと同じ時間単位
で2.5とする。図7内の時間t’は、各々のセクショ
ンが光励起を受けてからの局部時間を表わす。t=3で
は3セクションともブリーチを起こしているが、Aセク
ションは吸収後既にt’=2の時間が経過している。こ
のためt=4で次のパルスが来る前に、Aセクションの
吸収飽和は回復する。この状況を図7の右側に示してあ
る。t=4で励起パルスが再び来るが、Aセクションの
吸収飽和は回復しているため、Aクションが励起パルス
を吸収し、再びブリーチされる。この時間に於て、Bセ
クションは励起後t’=2の時間が経過しているため、
図に示したように次励起パルス到着以前に吸収飽和は回
復する。このためt=5では、Bセクションが励起パル
スを吸収し、吸収飽和を起こす。
【0029】次にt’=2となったCセクションが吸収
飽和を回復するが、t=6にて再びブリーチされる。こ
の様に非線形導波路の吸収飽和特性を適当に設定するこ
とにより、導波路上の空間的に異なる場所が交互に吸収
飽和を起こすため、励起パルスの繰返し周波数が非線形
導波路の緩和時間(キャリア寿命)の逆数より速い場合
でも、これに応答可能である。これは等価的に非線形発
現部を複数備え、これを交互に励起するものであり、原
理的には図5の素子に近いが、各ポートの励起光入力ポ
ートが単数のため、動作的には完全な素子といえる。
【0030】以上、スイッチング速度が非線形材料の緩
和時間に制限されない全光素子の関して、例を上げて説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。本実施例ではGaAsの光キャリアの実励起に
伴う非線形屈折率変化を用いたが、InP、InGaA
sPなど、他の半導体や、有機材料など、全ての材料に
適用可能である。また本実施例では、説明の簡単さのた
めに、非線形導波路以外をファーバーなどで作られたコ
ンポーネントで構成したが、これは半導体で全てを構成
することが可能である。また、実施例に於けるマッハツ
ェンダー回路は一対の3dBカプラーにより構成されて
いるが、これはY分岐型の分波・合波光回路でもよい。
さらに、波長選択カプラーも機能的に満足できるもので
あえば、その形態は問題ではない。
【0031】
【発明の効果】本発明により、スイッチング速度が非線
形材料の緩和時間により制限されづ、低パワー・超高速
スイッチングが可能な全光素子可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全光素子の基本形の模式図である。
【図2】図1の本発明の全光素子の各部の動作時間変化
の説明図である。
【図3】本発明の全光素子の動作のシミュレーションの
結果を示す。
【図4】本発明の全光素子の、一変形を示す図。
【図5】本発明の全光素子の、他の形態を示す図。
【図6】本発明の全光素子の超高繰り返し動作に望まし
い非線形材料の飽和特性を示す図。
【図7】図6の非線形材料からなる非線形導波路の動作
を概念的に示す図である。
【図8】従来のマッハツェンダー型全光素子の模式図で
ある。
【図9】図8の従来のマッハツェンダー型全光素子の各
部の動作や時間変化の説明図である。
【符号の説明】
1 アームA 2 アームB

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御光で非制御光を制御するマッハツェ
    ンダー型全光スイッチにおいて、マッハツェンダー系を
    構成する両アームの各々の少なくとも一部が3次の光学
    非線形性を示す材料により構成され、かつ該マッハツェ
    ンダー系の両アームの各々の光学非線形性発現部に制御
    光を導入する手段を有することを特徴とする全光素子。
  2. 【請求項2】 制御光で非制御光を制御するマッハツェ
    ンダー型全光スイッチにおいて、マッハツェンダー系を
    構成する両アームの各々の少なくとも一部が吸収飽和特
    性とそれに伴う非線形屈折率変化を示す材料により構成
    され、かつ該マッハツェンダー系の両アームの各々の光
    学非線形性発現部に制御光を導入する手段を有すること
    を特徴とする全光素子。
  3. 【請求項3】構成素子であるマッハツェンダー系の両ア
    ームが3次の光学非線形性を示す材料からなり、かつ該
    マッハツェンダー系の両アームの各々の光学非線形性発
    現部に制御光を導入する手段を有する請求項1のマッハ
    ツェンダー型全光素子において、前記両アームの光学非
    線形性の特性がほぼ等しいことを特徴とする請求項1記
    載の全光素子。
  4. 【請求項4】 構成要素であるマッハツェンダー系の両
    アームが3次の光学非線形性を示す材料により構成され
    る請求項1のマッハツェンダー型全光素子において、単
    一の制御光をほぼ2分し、これらを前記2ヵ所の光学非
    線形性発現部に有限の時間差をもって導入する手段を有
    する事を特徴とする請求項1記載の全光素子。
  5. 【請求項5】 制御光で非制御光を制御するマッハツェ
    ンダー型全光スイッチにおいて、マッハツェンダー系を
    構成する両アームの複数部が3次の光学非線形性を示す
    材料により構成され、かつ該マッハツェンダー系の両ア
    ームの複数の光学非線形性発現部のそれぞれに独立して
    制御光を導入する手段を有することを特徴とする全光素
    子。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5710845A (en) * 1994-12-22 1998-01-20 Nec Corporation All-optical switch
US6049642A (en) * 1996-10-09 2000-04-11 Nec Corporation Nonlinear optical switch
US6323992B1 (en) 1998-06-29 2001-11-27 Nec Corporation Wavelength converter and wavelength conversion method
US6337762B1 (en) 1998-07-14 2002-01-08 Nec Corporation All-optical switch and wavelength converter
JP2008046543A (ja) * 2006-08-21 2008-02-28 Nec Corp 光フリップフロップ
JP2009510921A (ja) * 2005-09-28 2009-03-12 ルーセント テクノロジーズ インコーポレーテッド 全光式方法およびシステム
WO2009047856A1 (ja) * 2007-10-11 2009-04-16 Fujitsu Limited 光パルス生成装置および光信号処理装置
US8086112B2 (en) 2006-08-25 2011-12-27 National Institute Of Information And Communications Technology Optical signal processing circuit
JP2016224093A (ja) * 2015-05-27 2016-12-28 日本電信電話株式会社 光導波路型位相変調器および光回路
CN106468843A (zh) * 2015-08-18 2017-03-01 邱富春 特定的二进制光信号实现基本逻辑门光路

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996024080A2 (de) * 1995-02-01 1996-08-08 Leuthold Juerg Kompakte optisch-optische schalter und wellenlängen-konverter mittels multimode-interferenz moden-konvertern
US6388753B1 (en) 1996-03-14 2002-05-14 Massachusetts Institute Of Technology All-optical bit phase sensing and clock recovery apparatus and methods
US5999283A (en) * 1997-05-19 1999-12-07 Roberts; Kim Byron Optical logic devices and methods
US5999284A (en) * 1997-06-05 1999-12-07 Northern Telecom Limited Optical detection and logic devices with latching function
US5956437A (en) * 1997-12-24 1999-09-21 Northern Telecom Limited Electrically controllable optical attenuator
US6448913B1 (en) 1999-07-08 2002-09-10 The Trustees Of Princeton University TOAD- based optical data format converter
AU2001239060A1 (en) * 2000-03-10 2001-09-17 Charles C. Romaniuk Dynamic phase logic gate
US6535662B2 (en) 2001-03-09 2003-03-18 The Trustees Of Princeton University Toad having enhanced extinction ratio of the switching window
EP1274192A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-08 Alcatel OTDM device
US6819845B2 (en) 2001-08-02 2004-11-16 Ultradots, Inc. Optical devices with engineered nonlinear nanocomposite materials
US6794265B2 (en) * 2001-08-02 2004-09-21 Ultradots, Inc. Methods of forming quantum dots of Group IV semiconductor materials
US6710366B1 (en) 2001-08-02 2004-03-23 Ultradots, Inc. Nanocomposite materials with engineered properties
US20030066998A1 (en) * 2001-08-02 2003-04-10 Lee Howard Wing Hoon Quantum dots of Group IV semiconductor materials
US7005669B1 (en) 2001-08-02 2006-02-28 Ultradots, Inc. Quantum dots, nanocomposite materials with quantum dots, devices with quantum dots, and related fabrication methods
WO2003093954A2 (en) 2002-05-03 2003-11-13 Pixearth, Corporation A system to navigate within images spatially referenced to a computed space
US20070189662A1 (en) * 2003-08-21 2007-08-16 Shigeru Nakamura All-optical switch
JP4158655B2 (ja) * 2003-09-04 2008-10-01 Kddi株式会社 波長変換装置及び方法
KR100583436B1 (ko) * 2003-11-14 2006-05-26 한국과학기술연구원 거대 3차 비선형 광학 재료를 이용한 도파로형 광소자 및그 작동 방법
US8294078B2 (en) * 2005-06-24 2012-10-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optically-triggered multi-stage power system and devices
US8183512B2 (en) 2005-06-24 2012-05-22 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optically-triggered power system and devices
US7792403B1 (en) 2005-09-08 2010-09-07 Infinera Corporation Adiabatic polarization converter
US7565041B2 (en) * 2007-10-26 2009-07-21 Infinera Corporation Symmetric optical circuit with integrated polarization rotator
US8340486B1 (en) * 2009-06-09 2012-12-25 University Of Washington Effective χ2 on the basis of electric biasing of χ3 materials
US8559769B2 (en) * 2011-01-27 2013-10-15 Alcatel Lucent All-optical phase shifter in silicon
US11614672B2 (en) * 2020-10-06 2023-03-28 The Boeing Company Optical waveguide structure with triple partially overlapping loops

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01201627A (ja) * 1988-02-08 1989-08-14 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 導波路型光スイツチ
JP2762490B2 (ja) * 1988-11-07 1998-06-04 日本電気株式会社 光素子
US5347608A (en) * 1992-06-30 1994-09-13 Ibiden Co., Ltd. Optical waveguide and optical waveguide device

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5710845A (en) * 1994-12-22 1998-01-20 Nec Corporation All-optical switch
US6049642A (en) * 1996-10-09 2000-04-11 Nec Corporation Nonlinear optical switch
US6323992B1 (en) 1998-06-29 2001-11-27 Nec Corporation Wavelength converter and wavelength conversion method
US6337762B1 (en) 1998-07-14 2002-01-08 Nec Corporation All-optical switch and wavelength converter
JP2009510921A (ja) * 2005-09-28 2009-03-12 ルーセント テクノロジーズ インコーポレーテッド 全光式方法およびシステム
JP4837041B2 (ja) * 2005-09-28 2011-12-14 アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド 全光式方法およびシステム
JP2008046543A (ja) * 2006-08-21 2008-02-28 Nec Corp 光フリップフロップ
US8086112B2 (en) 2006-08-25 2011-12-27 National Institute Of Information And Communications Technology Optical signal processing circuit
WO2009047856A1 (ja) * 2007-10-11 2009-04-16 Fujitsu Limited 光パルス生成装置および光信号処理装置
US8385741B2 (en) 2007-10-11 2013-02-26 Fujitsu Limited Optical pulse generating device and optical signal processing device
JP5343855B2 (ja) * 2007-10-11 2013-11-13 富士通株式会社 光パルス生成装置
JP2016224093A (ja) * 2015-05-27 2016-12-28 日本電信電話株式会社 光導波路型位相変調器および光回路
CN106468843A (zh) * 2015-08-18 2017-03-01 邱富春 特定的二进制光信号实现基本逻辑门光路

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DE69420628T2 (de) 2000-04-06

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