JPS6068330A - 光論理回路素子 - Google Patents
光論理回路素子Info
- Publication number
- JPS6068330A JPS6068330A JP17649183A JP17649183A JPS6068330A JP S6068330 A JPS6068330 A JP S6068330A JP 17649183 A JP17649183 A JP 17649183A JP 17649183 A JP17649183 A JP 17649183A JP S6068330 A JPS6068330 A JP S6068330A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical waveguide
- refractive index
- light
- input
- guide
- Prior art date
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- Granted
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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
- G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
本発明は、超小型に構成することができ、光パルス信号
により制御でき、しかも超高速処理かできる光論理回路
素子に関するものである。
により制御でき、しかも超高速処理かできる光論理回路
素子に関するものである。
［従来技術］
従来、論理演算および信号処理用素子としては、シリコ
ン（Ｓｉ）−ＬＳＩが用いられていたが。
ン（Ｓｉ）−ＬＳＩが用いられていたが。
実現される演算速度がほぼ物理的限界に近づいてきたた
め、さらに高速の演算処理をめざして、ガリウムヒ素（
ＧａＡｓ） −ＬＳＩやジョセフソン接合を用いるＬＳ
Ｉが検討されている。
め、さらに高速の演算処理をめざして、ガリウムヒ素（
ＧａＡｓ） −ＬＳＩやジョセフソン接合を用いるＬＳ
Ｉが検討されている。
しかしながら、ＧａＡｓ−ＬＳＩでは演算速度の限界が
５ｐＳ程度であること、ジョセフソン接合ＬＳＩではそ
の動作原理ｌ−，極低温が必要なことなどの問題がある
。
５ｐＳ程度であること、ジョセフソン接合ＬＳＩではそ
の動作原理ｌ−，極低温が必要なことなどの問題がある
。
［目的］
本発明の目的は１以上のような欠点を除去し、論理演算
の主要部分を全て光により行い、しかも室温で超高速動
作が可能な光論理回路素子を提供することにある。
の主要部分を全て光により行い、しかも室温で超高速動
作が可能な光論理回路素子を提供することにある。
［発明の構成］
本発明は、入力用光導波路と、出力用光導波路と、光強
度に依存する非線形屈折率を持つ２木の単一モード光導
波路とを有し、２木の単一モード光導波路の各々に同一
パワーの光が入射されるように、２木のｉｉＭ−モード
光導波路の各一端を、入力用光導波路の一端に接続し、
２木の単一モード先導波路の各他端を出力月光導波路の
一端に接続し、下記関係 文、・ Ｎ、生立２０ Ｎま ただし、 文８ ニ一方の単一モード光導波路の長さ文。：他方の
単一モード光導波路の長さＮ１ニ一方の単一モード光導
波路の屈折率Ｎ２：他方の弔−モード光導波路の屈折率
を満たすように構成する。
度に依存する非線形屈折率を持つ２木の単一モード光導
波路とを有し、２木の単一モード光導波路の各々に同一
パワーの光が入射されるように、２木のｉｉＭ−モード
光導波路の各一端を、入力用光導波路の一端に接続し、
２木の単一モード先導波路の各他端を出力月光導波路の
一端に接続し、下記関係 文、・ Ｎ、生立２０ Ｎま ただし、 文８ ニ一方の単一モード光導波路の長さ文。：他方の
単一モード光導波路の長さＮ１ニ一方の単一モード光導
波路の屈折率Ｎ２：他方の弔−モード光導波路の屈折率
を満たすように構成する。
［実施例］
以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第１図は本発明にかかる光論理回路素子の一実施例を示
す構成図であって、ここに、ｌは申−モードの入力用光
導波路、２は単一 モードの出力用光導波路、３は単一
モードの光導波路からなる長さ文１の一方のアーム、４
は単一モードの光導波路からなる長さｆＬ２の他方のア
ームである。２本のアーム３および４には、同一の非線
形屈折率を持たせる。両アーム３および４の 各一端を
、入力用光導波路１と共に、Ｙ形の分岐部分５が形成さ
れるように入力用光導波路ｌに接続し、各他端したがっ
て、入力用光導波路ｌからの光のパワーを、分岐部分５
において、 １／２ずつ分離し、分離された光のパワー
を結合部分８において完全に結合することができる。
す構成図であって、ここに、ｌは申−モードの入力用光
導波路、２は単一 モードの出力用光導波路、３は単一
モードの光導波路からなる長さ文１の一方のアーム、４
は単一モードの光導波路からなる長さｆＬ２の他方のア
ームである。２本のアーム３および４には、同一の非線
形屈折率を持たせる。両アーム３および４の 各一端を
、入力用光導波路１と共に、Ｙ形の分岐部分５が形成さ
れるように入力用光導波路ｌに接続し、各他端したがっ
て、入力用光導波路ｌからの光のパワーを、分岐部分５
において、 １／２ずつ分離し、分離された光のパワー
を結合部分８において完全に結合することができる。
−上述した全ての先導波路は、コアおよびコアを被覆す
るクラッドを有する単一モード導波路であり、伝搬する
光の強度によってその屈折率が変化する材料により構成
する。もちろん、光導波路の構成部分であるコアまたは
クラッドの少なくとも一方が、非線形屈折率をもてばよ
い。７は一方のアーム４中に電界を印加するための電極
である。
るクラッドを有する単一モード導波路であり、伝搬する
光の強度によってその屈折率が変化する材料により構成
する。もちろん、光導波路の構成部分であるコアまたは
クラッドの少なくとも一方が、非線形屈折率をもてばよ
い。７は一方のアーム４中に電界を印加するための電極
である。
以」−のような構成において、入力用光導波路１から入
射された光の強度を ■６とすると、入力用光導波路ｌ
からの光が分岐部分５において、１／２ずつに分離され
て、２木のアーム３および４の各々に導かれ、両アーム
３および４内を伝搬して、結合部分６において、完全に
結合される場合には、出力用光導波路２から出射される
光の強度■、は、 となる。ここで、 Ｎ２は先導波路内における光の強度
Ｉ８に対応した屈折率変化である。なお、先導波路の屈
折率ｎは、 ｎ＝ｎ、＋ｎ、＊Ｉ、。
射された光の強度を ■６とすると、入力用光導波路ｌ
からの光が分岐部分５において、１／２ずつに分離され
て、２木のアーム３および４の各々に導かれ、両アーム
３および４内を伝搬して、結合部分６において、完全に
結合される場合には、出力用光導波路２から出射される
光の強度■、は、 となる。ここで、 Ｎ２は先導波路内における光の強度
Ｉ８に対応した屈折率変化である。なお、先導波路の屈
折率ｎは、 ｎ＝ｎ、＋ｎ、＊Ｉ、。
により表される。ｎｏは光の入射強度に依存しないｈ屈
折率である。６文は、１文、−１，ｌ、すなわち、２つ
のアーム３および４の長さの差、ａ＝ ２π／ε。ｃｎ
入。は定数であり、ε。は真空の誘電率、Ｃは真空中の
光速、入、は光の真空中での波長である。δは伝搬光が
屈折率の非線形性を生じない程度に弱い条件のもとての
、２つのアーム３および４内を伝搬してきた光のＹ形の
結合部分４における位相差である。
折率である。６文は、１文、−１，ｌ、すなわち、２つ
のアーム３および４の長さの差、ａ＝ ２π／ε。ｃｎ
入。は定数であり、ε。は真空の誘電率、Ｃは真空中の
光速、入、は光の真空中での波長である。δは伝搬光が
屈折率の非線形性を生じない程度に弱い条件のもとての
、２つのアーム３および４内を伝搬してきた光のＹ形の
結合部分４における位相差である。
２木のアーム３および４の長さ、あるいは電極７に印加
する電圧の値を適当に選ぶことによって、２木のアーム
３および４内を伝搬してきた光の結合部分６における位
相差δを例えば１８０度とすることができる。このとき
の先入−出力特性を第２図に示す。第２図中、直線はＩ
工＝ Ｉ、の状態を示している。第２図に示すように、
位相差δ＝１８０度の条件下で、 ■２はＩ□の変化に
対応して周期的に変化する。また、この曲線と直線との
差に対応するパワーの光は、結合部分６から非導波モー
ドとして散乱される。なお、上述のように、本実施例に
おいては、同一の非線形屈折率ｎ２ を持ち、長さの異
なる２木のアーム３および４を備えた構成にした。しか
し、このような２木のアーム３および４の代りに、長さ
か同じでＮ２の異なる２本のアーム、および６文とＮ２
の両名が異なる２本のアームを用いても一ヒ述したのと
同様の効果が得られる。すなわち、 １、 − Ｎ、 ＃１． ＠Ｎま ただし、 文、ニ一方の中−モード光導波路の長さ文、：他方の単
一モード光導波路の長さＮ１ニ一方の単−モード光導波
路の屈折率Ｎ２：他方の弔−モード光導波路の屈折率を
満たすようにすればよい。
する電圧の値を適当に選ぶことによって、２木のアーム
３および４内を伝搬してきた光の結合部分６における位
相差δを例えば１８０度とすることができる。このとき
の先入−出力特性を第２図に示す。第２図中、直線はＩ
工＝ Ｉ、の状態を示している。第２図に示すように、
位相差δ＝１８０度の条件下で、 ■２はＩ□の変化に
対応して周期的に変化する。また、この曲線と直線との
差に対応するパワーの光は、結合部分６から非導波モー
ドとして散乱される。なお、上述のように、本実施例に
おいては、同一の非線形屈折率ｎ２ を持ち、長さの異
なる２木のアーム３および４を備えた構成にした。しか
し、このような２木のアーム３および４の代りに、長さ
か同じでＮ２の異なる２本のアーム、および６文とＮ２
の両名が異なる２本のアームを用いても一ヒ述したのと
同様の効果が得られる。すなわち、 １、 − Ｎ、 ＃１． ＠Ｎま ただし、 文、ニ一方の中−モード光導波路の長さ文、：他方の単
一モード光導波路の長さＮ１ニ一方の単−モード光導波
路の屈折率Ｎ２：他方の弔−モード光導波路の屈折率を
満たすようにすればよい。
したがって１本発明−実施例の光論理回路素子は反射光
を生ぜず、第３図に示すように、アイソレータを中間に
入れることなく、本発明一実施例の光論理回路素子８を
多段に縦続接続することが力きる。
を生ぜず、第３図に示すように、アイソレータを中間に
入れることなく、本発明一実施例の光論理回路素子８を
多段に縦続接続することが力きる。
第４図に、本発明一実施例の光論理回路素子８を、１段
、２段および３段に縦続接続した場合の１、− Ｉ、、
、特性を、光論理回路素子８の縦続接続個数Ｎをパラメ
ータとして示す。
、２段および３段に縦続接続した場合の１、− Ｉ、、
、特性を、光論理回路素子８の縦続接続個数Ｎをパラメ
ータとして示す。
なお、電極７は位相差δを調整するためのものであって
、本発明素子の動作自体には関係しない。
、本発明素子の動作自体には関係しない。
第５図は、光論理回路素子８を、３段に縦続接続した論
理回路素子８の構成図であり、この論理回路素子８に適
当な光バイアス ！、をかけることによて、２つの入力
光パルス信号Ｉｐに関して、アンド（ＡＮＤ） 、オア
（ＯＲ）、ナンド（ＮＡＮＤ）およびノア（Ｎ ＯＲ）
の各論理回路を構成することができる。
理回路素子８の構成図であり、この論理回路素子８に適
当な光バイアス ！、をかけることによて、２つの入力
光パルス信号Ｉｐに関して、アンド（ＡＮＤ） 、オア
（ＯＲ）、ナンド（ＮＡＮＤ）およびノア（Ｎ ＯＲ）
の各論理回路を構成することができる。
第６図に、論理回路素子８の入射光の強度Ｉ。
と出射光の強度１．との関係を示すＩ、−１０特性と、
アンド、オア、ナンドおよびノアの各回路における光バ
イアスＩ、および入力光パルス信号■、の強度との関係
の一例を示す。第６図において、（ａ）がアンド、（ｂ
）がオア、（Ｃ）がナンドおよび（ｄ）がノアの各回路
の場合を示す。なお、入力光パルス信号■２に関するア
ンド、オア、ナンドおよびノアの各回路の真理値表は次
の第１表の通りである。
アンド、オア、ナンドおよびノアの各回路における光バ
イアスＩ、および入力光パルス信号■、の強度との関係
の一例を示す。第６図において、（ａ）がアンド、（ｂ
）がオア、（Ｃ）がナンドおよび（ｄ）がノアの各回路
の場合を示す。なお、入力光パルス信号■２に関するア
ンド、オア、ナンドおよびノアの各回路の真理値表は次
の第１表の通りである。
第７図に示すように、第５図に示した論理回路素子によ
って構成したナンド回路９を２つ用いてＲ９７９７７７
０７７回路を構成することができる。
って構成したナンド回路９を２つ用いてＲ９７９７７７
０７７回路を構成することができる。
第７図に示すように、このＲ９７９７７７０７７回路は
、２つのナンド（ＮＡＮＤ）回路９の出力を、Ｉにいに
相手の一方の入力に帰還する。このフリップフロップ回
路の真理値表を第２表に２１べす。
、２つのナンド（ＮＡＮＤ）回路９の出力を、Ｉにいに
相手の一方の入力に帰還する。このフリップフロップ回
路の真理値表を第２表に２１べす。
この表かられかるように、ＲおよびＳが論理゛θ゛にあ
るかぎり、このフリップフロップ回路の状態は安定に保
たれる。もし、Ｓが″＾゛ｈレベル゛°になれは、フリ
ップフロップ回路の出力Ｏは論理”ｉ’になり、一方、
Ｒが゛′高レしル°′になれば同出力は論理“０′とな
る。なお、ＳおよびＲの両方が同時にｌ゛になると、フ
リップフロップ回路の出力は不確定となる。
るかぎり、このフリップフロップ回路の状態は安定に保
たれる。もし、Ｓが″＾゛ｈレベル゛°になれは、フリ
ップフロップ回路の出力Ｏは論理”ｉ’になり、一方、
Ｒが゛′高レしル°′になれば同出力は論理“０′とな
る。なお、ＳおよびＲの両方が同時にｌ゛になると、フ
リップフロップ回路の出力は不確定となる。
以北に述べた動作原理に基つく本発明光論理回路素子を
構成する材料としては、光非線形屈折率１２をもついか
なる物質をも用いることができる。−例として、非線形
屈折率をもつ代表的な′４７−導体月料についての、吸
収線に非共１１Ｒなｎｏおよびｎ２の値を第３表に示す
。
構成する材料としては、光非線形屈折率１２をもついか
なる物質をも用いることができる。−例として、非線形
屈折率をもつ代表的な′４７−導体月料についての、吸
収線に非共１１Ｒなｎｏおよびｎ２の値を第３表に示す
。
第３表
なお、吠収線に非共鳴なｎ２の■６に対する応答時間は
、ｐＳオーダ以下であるごとか知られている。
、ｐＳオーダ以下であるごとか知られている。
ＧａＡｓを構成材料として用い、光が十分に閉じ込めら
れるような光導波路幅０．０８ ｐ、 ｍを持ち、かつ
Δｕ−ＩＱＯ７ｐｍを持つ光論理回路素子を試作したと
ころ、２．３Ｗの入力パワーによってこの光論理回路素
子をスイッチングすることができた。すなわち、第２図
における１周期分の変化が得られた。一つの素子長しく
第１図参照）が２００ ｇｍの光論理回路素子を３段縦
続接続したものを用いて時間応答を測定したところ、実
効的スイッチング速度はｌゲート当り６．４ｐＳであっ
た。この実験条件よりもさらに大きな光入力９例えば２
３Ｗを用いればサブピコ秒オーダのスイッチングが可能
となること勿論である。第３表に示した半導体以外の半
導体や強誘電体等も光導波路の構成材料として用いるこ
とができる。さらにまた、ブロスｆ：Ｂ］ｏｓｓ）氏ら
の文献（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ紙４１巻１０２３頁（１９８２年））に示されてい
るように、ＧａＡｓ／ Ａ文ＧａＡｓの超格子はＧａＡ
ｓよりもさらに大きなｎ２を持ち、より高速にスイッチ
ングが可能な材料として用いることができる。
れるような光導波路幅０．０８ ｐ、 ｍを持ち、かつ
Δｕ−ＩＱＯ７ｐｍを持つ光論理回路素子を試作したと
ころ、２．３Ｗの入力パワーによってこの光論理回路素
子をスイッチングすることができた。すなわち、第２図
における１周期分の変化が得られた。一つの素子長しく
第１図参照）が２００ ｇｍの光論理回路素子を３段縦
続接続したものを用いて時間応答を測定したところ、実
効的スイッチング速度はｌゲート当り６．４ｐＳであっ
た。この実験条件よりもさらに大きな光入力９例えば２
３Ｗを用いればサブピコ秒オーダのスイッチングが可能
となること勿論である。第３表に示した半導体以外の半
導体や強誘電体等も光導波路の構成材料として用いるこ
とができる。さらにまた、ブロスｆ：Ｂ］ｏｓｓ）氏ら
の文献（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ紙４１巻１０２３頁（１９８２年））に示されてい
るように、ＧａＡｓ／ Ａ文ＧａＡｓの超格子はＧａＡ
ｓよりもさらに大きなｎ２を持ち、より高速にスイッチ
ングが可能な材料として用いることができる。
［効果］
以」−説明したように、本発明によれば、室温で動作し
、しかもまた、その動作曲度が非常に関連であるから信
−ン処理、論理演算等の基本−も子として広く用いるこ
とができる光論理回路素子を提供することができる。
、しかもまた、その動作曲度が非常に関連であるから信
−ン処理、論理演算等の基本−も子として広く用いるこ
とができる光論理回路素子を提供することができる。
第１図は本発明にかかる光論理回路素子の一実施例を示
す構成図、 第２図は同回路素子における先入−出力特性の一例を示
す図、 第３図は同回路素子を多段に縦続接続した構成例を示す
線図、 第４図は同多段構成例の先入−出力特性の一例を示す図
、 第５図は光論理回路素子を３段に縦続接続した論理回路
素子の構成を示す図、 第６図は同論理回路素子を用いて構成したアンド（ＡＮ
Ｄ） 、オア（ＯＲ） 、ナンドＣＮＡＮＤ）およびノ
ア（ＮＯＲ）の各回路の動作に必要な光／＜イアスと光
パルス信号との関係を説明する説明図、 第７図は光論理回路素子によって構成したナンド（ＮＡ
ＮＤ）回路２個により構成したフリップフロップ回路の
一例を示す線図である。 １・・・入力用中−モード光導波路、 ２・・・出力用単−千−ド光導波路、 ３．４・・・弔−モード光導波路（アーム）、５・・・
Ｙ形の分岐部分、 ６・・・Ｙ形の結合部分、 ７・・・電極。 特許出願人 日本電信電話公社 し ８
す構成図、 第２図は同回路素子における先入−出力特性の一例を示
す図、 第３図は同回路素子を多段に縦続接続した構成例を示す
線図、 第４図は同多段構成例の先入−出力特性の一例を示す図
、 第５図は光論理回路素子を３段に縦続接続した論理回路
素子の構成を示す図、 第６図は同論理回路素子を用いて構成したアンド（ＡＮ
Ｄ） 、オア（ＯＲ） 、ナンドＣＮＡＮＤ）およびノ
ア（ＮＯＲ）の各回路の動作に必要な光／＜イアスと光
パルス信号との関係を説明する説明図、 第７図は光論理回路素子によって構成したナンド（ＮＡ
ＮＤ）回路２個により構成したフリップフロップ回路の
一例を示す線図である。 １・・・入力用中−モード光導波路、 ２・・・出力用単−千−ド光導波路、 ３．４・・・弔−モード光導波路（アーム）、５・・・
Ｙ形の分岐部分、 ６・・・Ｙ形の結合部分、 ７・・・電極。 特許出願人 日本電信電話公社 し ８
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ｌ）入力用光導波路と、 出力用光導波路と、 光強度に依存する非線形屈折率を持つ２木の中−モード
先導波路とを有し、 該２木の中−モード光導波路の各々に同一パワーの光が
入射されるように、前記２木の単一モード光導波路の各
一端を、前記入力用光導波路の一端に接続し、前記２木
の単一モード光導波路の各他端を、前記出力用光導波路
の一端に接続し、下記関係 文、−Ｎ、＃文。−Ｎま ただし、 文１ ：−力の単一モード光導波路の長さ文。：他方の
単一モード光導波路の長さＮ１：−力の単一モード光導
波路の屈折率Ｎ２：他方の単一モード光導波路の屈折率
を満たすようにしたことを特徴とする光論理回路素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光論理回路素子におい
て、 前記２本の単−モード光導波路の少なくとも一方は、そ
の屈折率を制御するための電界印加用電極を有すること
を特徴とする光論理回路素子。 （リ 下 余 白 ）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17649183A JPS6068330A (ja) | 1983-09-26 | 1983-09-26 | 光論理回路素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17649183A JPS6068330A (ja) | 1983-09-26 | 1983-09-26 | 光論理回路素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6068330A true JPS6068330A (ja) | 1985-04-18 |
| JPS6151306B2 JPS6151306B2 (ja) | 1986-11-08 |
Family
ID=16014593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17649183A Granted JPS6068330A (ja) | 1983-09-26 | 1983-09-26 | 光論理回路素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6068330A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5416338A (en) * | 1992-02-29 | 1995-05-16 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor device with quantum well resonance states |
| US5999284A (en) * | 1997-06-05 | 1999-12-07 | Northern Telecom Limited | Optical detection and logic devices with latching function |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0191711U (ja) * | 1987-12-09 | 1989-06-15 |
-
1983
- 1983-09-26 JP JP17649183A patent/JPS6068330A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5416338A (en) * | 1992-02-29 | 1995-05-16 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor device with quantum well resonance states |
| US5999284A (en) * | 1997-06-05 | 1999-12-07 | Northern Telecom Limited | Optical detection and logic devices with latching function |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6151306B2 (ja) | 1986-11-08 |
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