JPH0554090B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、光論理回路に関する。 光通信、光情報処理の実用化をはかる上で光集
積回路技術は不可欠なものである。この技術のな
かにあつて、導波形光回路技術はとりわけ重要な
基本技術となつている。種々の光回路を導波形で
構成する試みが盛んにおこなわれているが、そう
したもののひとつに光論理回路がある。 この発明は、光を直接に論理演算し、したがつ
て高速処理の可能な光論理回路を提供することを
目的とする。 この発明による光論理回路は、等しい位相定数
を有する２つの単一モード光導波路が一端で互い
に交差することにより構成される対称側光導波路
対と、互いに異なる位相定数を有する２つの単一
モード光導波路が一端で互いに交差することによ
り構成される非対称側光導波路対とが、基板上に
形成されかつそれぞれの交差部で互いに結合され
ることによりＸ字形の光導波路（非対称Ｘ分岐光
導波路）を構成しており、対称側または非対称側
のいずれか一方の光導波路対が光入力側、他方が
光出力側として用いられ、光入力側の光導波路対
を構成する１対の光導波路に、あらかじめ定めら
れた位相関係を有する入射光が導入されるととも
に、この入射光の位相を論理値入力信号に応じて
制御する位相シフタが基板上に設けられ、光出力
側の光導波路対から論理値出力を表わす出力光が
得られることを特徴とする。 光入力側の光導波路対に位相シフタが設けられ
ており、この位相シフタによる入射光の位相のシ
フト状態に応じてある一定の論理にしたがつて、
光出力側光導波路対のいずれか一方の光導波路ま
たは両方の光導波路から出力光が得られる。光に
より直接に論理演算を行なつているから、非常に
高速の光論理演算を実現することができる。 またこの発明においては、非対称Ｘ分岐光導波
路を利用しているので消光比がよく、入射光と出
射光との位相関係が高精度のものとなる。 まず、この発明において用いられる２つの光導
波路対の動作原理について説明する。第１図にお
いて、１対の単一モード光導波路１と２がその一
端において微小角度θ１で交差している。これら
の光導波路１と２とは等しい巾Ｗ１，Ｗ２を有し
ており、したがつて位相定数が等しく設定されて
いる。もう１対の単一モード光導波路３と４とが
あり、これらの光導波路３と４もまた一端にて微
小角度θ２で交差している。光導波路３と４の巾
Ｗ３とＷ４とは異なり、光導波路４の巾Ｗ４は光
導波路３の巾Ｗ３よりも狭くなつている。したが
つて、光導波路３と４の位相定数は異なり、光導
波路３の方が大きい。光導波路１，２の巾Ｗ１，
Ｗ２と光導波路３の巾Ｗ３とは、第１図では等し
く設定されているが、必ずしも等しくなくてもよ
い。また、交差角はθ1＞θ2に設定されているが、
θ1≦θ2であつてもよい。このような光導波路１，
２と光導波路３，４とは、これらの光導波路がほ
ぼ直線状になるように、それぞれの交差部で結合
されている。この結合部を符号５で示す。説明の
便宜のために、光導波路１，２から光導波路３，
４に向う方向をＺ軸、紙面に垂直方向をＸ軸とし
て、XYZ座標軸をとる。また、光導波路１，２
を対称側、光導波路３，４を非対称側と呼ぶ。 簡単のために、Ｘ方向には変化のない２次元構
造を考える。また、２つの交差角θ１，θ２はい
ずれも十分に小さく、光波はほぼＺ方向に進行
し、Ｚ方向の微小変化に対して光導波路１と２の
間隔、および光導波路３と４の間隔の変化は無視
できるものとする。すなわち、結合部５を除い
て、微小区間を考えれば、２本の平行な光導波路
があり、Ｙ方向に一様な５層構造が形成されてい
る、とみなすことができるものとする。このよう
な場合には、ローカル・ノーマル・モード
（Local Normal Mode）による解析法が適用で
きる。 よく知られているように、２つの単一モード光
導波路からなる５層光導波路の固有モードには、
偶モードと奇モードの２種類がある。第２図ａ，
ｂには、この５層光導波路構造における偶モード
と奇モードの伝搬状態がそれぞれ示されている。
第２図ｃには、この５層光導波路構造の偶、奇両
モードの位相定数の変化の様子が示されている。
光導波路１，２からなる対称側において、結合部
５から十分に遠く、光導波路１と２の間隔が広い
位置では、光導波路１と２の間の結合が無視でき
るため２つの固有モードは縮退し、両モードの位
相定数は等しい。結合部５に近づくにつれて縮退
がとけて両モードの位相定数の差が大きくなる。
結合部５では、２つの光導波路が１つになり、３
層光導波路構造となるため、偶モードは３層光導
波路の基本モード（位相定数の大きい方）に、奇
モードは１次モード（位相定数の小さい方）にそ
れぞれ移行する。結合部５を過ぎて、光導波路３
と４からなる非対称側にはいると、光導波路３と
４の間隔が再び拡大するため両モードの位相定数
の差は減少するが、光導波路３と４の位相定数が
異なるので偶、奇モードの位相定数はそれぞれ異
なる値に漸近する。この例では、光導波路３の幅
が光導波路４の幅より広くなつているから、位相
定数は光導波路３のほうで大きい。したがつて、
偶モードの光波パワーは光導波路３に、奇モード
の光波パワーは光導波路４にそれぞれ集中する。 上述の説明は、光が対称側から非対称側に伝搬
する場合のものであるが、非対称側から対称側に
光が進む場合には、上述の説明を逆にたどればよ
い。 第３図は、上述の光導波路に対称側から種々の
光波を入力したときに得られる光波出力を示して
いる。第３図ａは、対称側の２つの光導波路１，
２に同相の光波が入力した場合である。対称側で
は偶モードが励振されて伝搬し、結合部５では基
本モードに、非対称側では再び偶モードにそれぞ
れ変化する。非対称側における偶モードの光波パ
ワーは光導波路３に集中しているため、出力光波
は光導波路３から得られる。この図において、対
称側に実線で示す位相で入射した光波は、光導波
路３を実線で示す位相で伝搬する。また波線で示
す位相で入射した光波は、破線で示す位相で光導
波路３から出射する。実線の光波と破線の光波と
は互いに逆相である。 第３図ｂは、互いに逆相の光波（たとえば実線
で示す光波同志、または鎖線で示す光波同志）を
対称側の２つの光導波路１，２に入力した場合で
ある。対称側では奇モードが励振されて伝搬し、
結合部５では１次モードに、非対称側では再び奇
モードにそれぞれ変化する。非対称側における奇
モードの光波パワーは光導波路４に集中している
ため、出力光波は光導波路４から得られる。実線
で示す入力光波による出力光波は実線で、鎖線で
示す入力光波による出力光波は鎖線でそれぞれ示
されている。 なお、光波を非対称側から入力することもで
き、この場合には上述した逆の過程をたどる。 さて論理回路の一例としてEx−NOR
（exclusive（排他的）NOR）回路を考える。２入
力Ex−NOR回路の記号は第４図に示されている
通りであり、２つの入力ＡおよびＢに対する出力
Ｘの真理値表が次表に示されている。入力Ａ，Ｂ
のいずれか一方のみが「１」の場合に出力Ｘは
「０」となる。

【表】 上述の２対の光導波路において、光導波路１，
２に位相が同じまたは180゜ずれた（逆相）光信号
を入力した場合の光導波路３からの出力について
考察する。光導波路１，２への入力光信号の論理
「０」「１」はその位相によつて表わされるものと
する。すなわち、第３図ａにおいて、入力光信号
が実線で示す位相をもつ場合にこれを「１」、破
線で示す位相をもつ場合にこれを「０」とする。
入力側光導波路１，２を第４図に示す入力Ａ，Ｂ
に対応させる。光導波路３から得られる光信号の
論理「０」「１」は、光パワーの有無によつて表
わされるものとする。すなわち、第３図ａに示す
ように光導波路３から出力される光波がある場合
にはこれを「１」、第３図ｂに示すように光導波
路３から出力される光波がない場合にはこれを
「０」とする。光導波路３の出力をＸ１で表わす。
このように各光信号の論理を定めると、出力Ｘ１
は、入力Ａ，ＢのEx−NORとなることが理解さ
れよう。すなわち、第３図ａに示すように、入力
Ａ，Ｂがともに「０」または「１」の場合には出
力Ｘ１は「１」であり、第３図ｂに示すように入
力Ａ，Ｂのいずれか一方が「１」の場合には出力
Ｘ１は「０」となる。 このような光導波路において、光導波路４から
は出力Ｘ１の相補出力が得られる。光導波路４の
出力をＸ２で表わすと、出力Ｘ２は入力Ａ，Ｂの
Ex−NORとなる。入力Ａ，Ｂと出力Ｘ１および
Ｘ２との関係が上述の真理値表に示されている。 このように、光波の位相および光波の有無によ
り論理「０」「１」を表すことによつて、所定の
光論理演算が達成される。 第５図は実施例を示している。LiNbO₃結晶基
板１０の一面上に、Tiを熱拡散することにより、
第１図に示すような光導波路１と２の対、光導波
路３と４の対およびこれらの交差部の結合部５が
形成されている。これらの光導波路１〜４の結合
部５と反対側端部には、平行な光導波路１１，１
２，１３，１４がそれぞれ連続している。また光
導波路２１〜２３からなるＹ字形光分岐路が形成
されている。光導波路２１，２２はそれぞれ光導
波路１１，１２に連続している。さらに、光導波
路１１，１２の両側には、これらの光導波路を挾
むように電極３１，３２がそれぞれ設けられてい
る。これらの電極３１，３２によつて位相シフタ
が構成される。各電極３１，３２には、制御回路
３５のスイツチ３３，３４をそれぞれ介して適当
な電圧が印加される。電極３１，３２に電圧が印
加されると、光導波路１１，１２を伝搬する光の
位相がそれぞれ180゜ずれる。光導波路２３側が入
力側であり、この光導波路２３には発光器４１た
とえば半導体レーザからの光が入射する。論理出
力は光導波路１３または１４から得られ、これら
の出力光は光検出器４３，４４によつてそれぞれ
受光され、電気信号に変換されたのち処理回路４
５に入力する。 光導波路２３に入射した光はＹ字形光分岐路に
よつて等しい光パワーでかつ同位相で２つに分け
られ、光導波路２１，２２をそれぞれ経て光導波
路１１，１２に進む。スイツチ３３，３４がオフ
の場合（このとき、２つの入力Ａ，Ｂをともに
「１」とする）には、光導波路１１，１２を伝搬
する光は互いに同相であるから、光導波路１３の
みから出力光が得られる（出力Ｘ１は「１」、出
力Ｘ２は「０」となる）。両方のスイツチ３３，
３４がともにオンの場合（入力Ａ，Ｂはともに
「０」）には、光導波路１１，１２を進む光はとも
にその位相が180゜ずれるから、この場合にも互い
に同相であり、光導波路１３のみから出力光が得
られる。 スイツチ３３，３４のいずれか一方がオン（入
力Ａ，Ｂのいずれか一方が「０」）の場合には、
光導波路１１，１２を伝搬する光のうちいずれか
一方の位相が反転されるから、これらの光導波路
１１，１２を伝搬する光は互いに逆相であり、光
導波路１４のみから出力光が得られる（出力Ｘ１
は「０」、Ｘ２は「１」）。このようにして、光検
出器４３，４４には、Ex−NOR、Ex−OR論理
出力が得られ、非常に高速の光論理回路が実現さ
れる。 基板としてはLiNbO₃以外にも他の多くの光学
材料を使用することができるのは言うまでもな
い。たとえば、ガラスを基板として用い、銀イオ
ンを拡散することにより光導波路を形成すること
ができる。 光波を非対称側から入力させた場合においても
同じように光論理演算が実現できることについて
簡単に触れておく。 第６図ａおよびｂは、第３図ａおよびｂに実線
で示す位相をもつ光を抽出して示すものである。 第６図ｃは、光波が光導波路２にのみ入力した
場合である。この場合には、対称側で偶モードと
奇モードとが等しいパワーで励振されたと考えら
れるから、第６図ａとｂの重ね合わせとなり（第
６図ａ，ｂにおいて光導波路１の光波は互いに逆
相であるから相殺される）、光導波路３と４に等
しいパワーでかつ同相の光波が出力される。第６
図ｄは、光波を光導波路１にのみ入力させた場合
を示し、この場合には第６図ａと、第６図ｂの光
波の位相を反転させたもの（第３図ｂに鎖線で示
す光波）との重ね合わせとなり、光導波路３と４
に等しいパワーでかつ逆相の光波が出力される。 光波を非対称側から入力した場合には上記とは
逆の過程をたどるのは上述した通りである。すな
わち、光導波路３に光波が入力した場合には、対
称側の両光導波路１と２とから同相の光波が出力
される。（第６図ａに破線の矢印で示す）。光導波
路４に光波を入力させた場合には光導波路１と２
から互いに逆相の光波が出力される（第６図ｂに
破線の矢印で示す）。さらに、非対称側の光導波
路３と４に同相の光波を導入した場合には対称側
の一方の光導波路２のみから光波が出力され、光
導波路３と４に逆相の光波を導入した場合には対
称側の他方の光導波路１にのみ出力光波が得られ
る（第６図ｃ，ｄにそれぞれ破線の矢印で示す）。
以上のことから、光波を非対称側から入力した場
合にも同じようにEx−NORまたはEx−OR論理
演算が実現できることが分る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、２つの光導波路対の動作原理を示す
構成図、第２図ａ，ｂは、この光導波路対におけ
る固有モードの伝搬の様子を示す図、第２図ｃは
位相定数の変化を示すグラフ、第３図は、この光
導波路対への光波の入力と出力との種々の関係を
示す図、第４図はEx−NOR回路図、第５図は、
この発明の実施例を示す斜視図、第６図ａ，ｂ，
ｃ，ｄは光導波路対における光波の入力と出力と
の関係を、対称側および非対称側にそれぞれ光波
を導入したすべての場合についてまとめて示すも
のである。 １，２，３，４……光導波路、５……結合部、
１０……基板、３１，３２……電極、θ１，θ２
……交差角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 等しい位相定数を有する２つの単一モード光
   導波路が一端で互いに交差することにより構成さ
   れる対称側光導波路対と、互いに異なる位相定数
   を有する２つの単一モード光導波路が一端で互い
   に交差することにより構成される非対称側光導波
   路対とが、基板上に形成されかつそれぞれの交差
   部で互いに結合されることによりＸ字形の光導波
   路を構成しており、 対称側または非対称側のいずれか一方の光導波
   路対が光入力側、他方が光出力側として用いら
   れ、光入力側の光導波路対を構成する１対の光導
   波路に、あらかじめ定められた位相関係を有する
   入射光が導入されるとともに、この入射光の位相
   を論理値入力信号に応じて制御する位相シフタが
   基板上に設けられ、光出力側の光導波路対から論
   理値出力を表わす出力光が得られる、光論理回
   路。