JPH0277030A - 光論理回路 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信システムや先コンピュータなどに利用
して好適であり、特に、排他的論理和や論理積の演算あ
るいは加算を行う光論理回路に関する。

〔従来の技術） 排他的論理和を光学的に演算する方法としては、例えば
、ＩＥＥＥのジャー・ナル・オブ・ファンタム・エレク
トロニクスの第１９巻、ｒアン・ウルトラ・ファースト
・オール・オブティル・ゲート１（Ｊｏｕｒｎａｌ　　
ｏｆ　　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、
　　ＱＥ−１９，ｐｐ。

１７１９−１７２３（１９８３）、　　”Ａｎ　　ｕｌ
ｔｒａ　　ｆａｓｔ　　ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌｇａｔ
ｅ”）に報告されているような、分岐干渉型ＬｉＮｂＯ
３光変調器の光パルスの信号により生じる非線型屈折率
変化を利用した例や、アプライド・フィジックス・レタ
ーズの第４４巻、「ユーズ・オブ・ア・シングル・ノン
リニア・ファブリ・ペロ・エタロン・アズ・オプティカ
ル・ロジック・ゲートＪ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　４４．　ｐｐ。

１７２−１７４．（１９８４）、　　Ｕｓｅ　　ｏｆ　
　ａ　　ｓｉｎｇｌｅ　　ｎｏｎｌｉｎｅａｒＦａｂｌ
ｙ−Ｐｅｒｏｔ　　ｅｔａｌｏｎ　　ａｓ　　ｏｐｔｉ
ｃａｌ　　ｌｏｇｉｃｇａｔｅｓ”）に報告されている
ような、共振器内に非線型光学媒質を含むファブリ・ベ
ロ共振器の光パルス信号により生じる透過特性のシフト
を利用した非線型エタロンの例がある。

また、光能動素子を利用した例としては、第５図に示す
ような双安定半導体レーザと半導体光スィッチを組み合
わせた例（特願昭６１−１４０５４０号）がある。ここ
で、光入力５１と光入力５２は、双安定半導体レーザ５
３と半導体光スィッチ５４の両方に入力される。双安定
半導体レーザ５３は光入力５１と光入力５２との論理積
を出力し、その出力は半導体光スィッチ５４の制御入力
端子５５に入力される。この半導体光スィッチ５４は、
制御入力端子５５に光入力があるときは信号入力端子５
６に入力された光信号を出力端子５７に出力し、制御入
力端子５５に光入力がないときは信号入力端子５６に入
力された光信号を出力端子５８に出力する。これにより
、出力端子５７には光入力５１と光入力５２との論理積
が出力され、出力端子５８には光入力５１と光入力５２
との排他的論理和か出力される。図中、５９および６０
は光分岐器、６１および６２は光合波器である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし上述の分岐干渉型ＬｉＮｂＯ３光変調器を利用し
た例では、少なくとも数ワット以上の光入力が必要であ
り、そのためには光源を大型化せざるを得す、ひいては
大消費電力という欠点がある。

また、非線型エタロンでは、ファブリ・ベロ共振器の共
振特性を利用しているため、光源の絶対周波数の安定化
、単一縦モード化、および共振器特性の安定化が必要で
あるという欠点がある。

つぎに、双安定半導体レーザと半導体光スィッチを組み
合わせた従来例では、非常に複雑な光配線と、２種類の
半導体光素子が必要になり、光学系が非常に複雑になる
という欠点がある。

そこで、本発明の目的は、以上の点を解決し、非常に簡
単な構成で、広い波長範囲にわたり、かつ低い入射光強
度の入力光で、排他的論理和、論理積、および加算動作
が可能な光論理回路を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、第１の入
力端に入力された第１の光入力と、第２の入力端に入力
された第２の光入力とを合波する光合波器と、光合波器
の出力を入力され、その入力光により出力光の状態が３
つの安定状態間を遷移する光多安定素子と、光多安定素
子の出力を入力され、出力光が３つの安定状態のいずれ
の状態をとるかに応じて、光多安定素子の出力光を分離
し、第１．第２および第３の出力端に出力する状態分離
器とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記光多安定素子は、入力光強度に応じて、そ
の出力光状態が、光出力なしの状態、第１の波長である
状態、および第２の波長である状態、の間を遷移する光
多安定半導体レーザとすることができる。

あるいはまた、前記光多安定素子は、入力光強度に応じ
て、その出力光状態が、第１の波長である状態、第２の
波長である状態、および第３の波長である状態、の間を
遷移する光多安定半導体レーザとすることもできる。

さらに前記状態分離器は、波長フィルタとしてもよい。

（作用〕 前記光多安定素子は、入力光がないときには、その出力
光は第１の安定状態をとり、前記状態分離器の第１の出
力端から出力される。第１および第２の入力光のうち、
いずれか一方のみが入力されたときには、その出力光は
第２の安定状態をとり、前記状態分離器の第２の出力端
から出力される。第１および第２の入力光が同時に入力
されたときには、その出力光は第３の安定状態をとり、
前記状態分離器の第３の出力端から出力される。

従って、第２の出力端には、第１および第２の入力光の
排他的論理和が得られ、第３の出力端には第１および第
２の入力光の論理積が現れ、これにより半加算器が構成
できることになる。

前記光多安定素子は、入力光強度に応じて、その出力光
状態が、光出力なしの状態、第１の波長の光である状態
、第２の波長の光である状態、の間を遷移する光多安定
半導体レーザであり、かつ前記状態分離器が波長フィル
タである場合には、その波長フィルタの出力端は第２お
よび第３の出力端のみの計２つだけでよい。

〔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図は本発明の一実施例を示す構成図である。ここで
、光合波器１３の第１の入力端に入力された光入力１１
と、同じく第２の入力端に入力された光入力１２とは、
この光合波器１３により合波され、光多安定半導体レー
ザ１４に入射される。この光多安定半導体レーザ１４の
光出力は波長フィルタ１５に入射され、光出力の波長に
応じて分岐され、出力端１６および１７から、それぞれ
、光出力１８および１９として出力される。

第２図に光多安定半導体レーザ１４の１例を示す。この
光多安定半導体レーザ１４は、共振器方向に電極を複数
個に分割し、共振器内部のキャリヤ密度を互いに独立し
て制御できるようにした、均一な回折格子２８を持つ電
極分割分布帰還型半導体レーザ２１により構成される。

第２図の例では、２分割した電極２２および２３をもつ
構成を示しである。電極２２から電流が供給される領域
２４を低注入電流状態の可飽和吸収領域とすると、電極
２３に流す電流に対して、この素子の光出力２７は、後
述するように、多段安定特性を示すようになる。なお、
２９は活性層である。

この様子を第３図に示す。第１の光出力の急激な増加３
１は、電極２２から電流が供給される領域２４の吸収特
性が、電極２３から電流が供給される領域２５で発生す
る光により飽和することによる急激なレーザ発振に起因
するものである。また、第２の光出力の急激な増加３２
は、電極２３に流す電流の変化にともない、共振器の利
得分布および屈折率分布が変化したことにより、均一な
回折格子を持つ分布帰還型半導体レーザ２１の優勢な２
つの縦モード間の利得が逆転することにより生じる、発
振縦モートのスイッチングに起因する。従って、第３図
に示した領域３３では第１の発振縦モードで発振し、領
域３４では第２の発振縦モードで発振している。

このような半導体レーザにおける吸収飽和に基づく双安
定特性については、エレクトロニクス・レターズの第１
７巻、ｒバイステーブル・オペレーション・オブ・セミ
コンダクタ・レーザーズ・パイ・オプティカル・インジ
ェクション１（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、１７．ｐｐ、７４１−７４２（１９８１）”Ｂ１５
ｔａｂｌｅ　０ｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｍ１ｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ　ｂｙ　０ｐｔｉｃａｌ　
Ｉｎｊｅｃｔｔｏｎ”）に詳細に述べられている。また
、均一な回折格子を持つ分布帰還型半導体レーザの優勢
な２つの縦モード間の注入電流制御によるスイッチング
については、アプライド・フィジックス・レターズの第
５１＠、ｒエレクトロ・オプティカル・ロジック・オペ
レーションズ・クイズ・ツー・エレクトロート・デイス
トリビューティラド・フィードバック・インジェクショ
ン・レーザーズＪ　（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ　５１．ｐｐ、１７７７−１７７９（１
９８７）、”Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｐｔｉｃａｌ　　Ｉｏ
３ｉｃ　　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　　ｗｉｔｈ　　ｔｗ
ｏ　　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｆ
ｅｅｄ−ｂａｃｋ　１ｎｊｃ′ｃｔｉｏｎ　１ａｓｅｒ
ｓ”）　に詳述されている。

この素子を光多安定素子として動作させるには、第２図
における電極２３に供給する電流を第１のヒステリシス
３１が生じるような電流値よりもわずかに小さな値３５
に設定する。このような状態で電極分割分布帰還型半導
体レーザ２１の電極２２側の端面から活性層２９に光入
力２６を入射する。光信号２６の光強度があるしきい値
を越えると、領域２４の吸収特性が、光入力２６により
飽和し、第１の発振モードでレーザ発振が急激に立ち上
がる。さらに光強度が増すと、今度は共振器の利得分布
および屈折率分布が変化し、発振モードが第２の発振モ
ードにスイッチングする。このようにして、光入力２６
対光出力２７の特性には、発振波長の異なる多段の安定
特性が現われる。

この特性の一例を第４図（ａ）に示す。ここで、光入力
２６の強度が第１のしきい値Ｐ１をとると、第１の発振
縦モードで急激なレーザ発振が始まり、第２のしきい値
Ｐ２において、第１の発振縦モードから第２の発振縦モ
ードへ発振モードがスイッチングし、それにともない光
出力の急激な増加が起こる。

第１の発振縦モードと第２の発振縦モードは発振波長が
異なるので、波長フィルタ１５により両者を分離するこ
とができ、以下では、分離された第１の発振域モート、
および第２の発振縦モードの光出力を、それぞれ第１図
における波長フィルタ１５の第１の光出力端１６、およ
び１７の光出力として説明する。

このような波長領域で分離された光出力の特性を、第４
図（ａ）と同一の横軸をとって、第４図（ｂ）および第
４図（ｃ）　　に示す。いま、第４図（ｄ）に示すよう
に、第１図における第１の光入力！１および第２の光入
力１２の光強度Ｐを、 ２Ｐ＞　Ｐ２＞　Ｐ　＞　Ｐ　＋ を満たすように設定する。光入力１１および１２のいず
れか一方のみが半導体レーザ２１に入力したときは、第
１の発振縦モードで発振するため、光出力１８がパイレ
ベルの状態になり、両方が同時に入力したときには、両
者の光強度の和はＰ２を越えるので、第２の発振縦モー
ドで発振し、光出力１９がハイレベルの状態になる。こ
のようにして、第１図における波長フィルタ１５の第１
の光出力１８には、光入力１１と光入力１２の排他的論
理和が出力され、光出力１９には光入力１１と光入力１
２との論理積が出力される。

また、光出力１８を加算出力、光出力１９を桁上げ出力
とすることにより、この光論理回路は先手加算器として
動作する。ここでは、動作原理として、吸収飽和を用い
ているため、少なくとも１０ｎｍ以上の広い波長範囲の
光入力に対して動作可能である。また、必要とされる入
射光強度も、ミリワット以下と非常に小さい。

本例における波長フィルタ１５としては、回折格子、干
渉膜フィルタ、あるいは種々の原理の干渉計を用いるこ
とができる。また、光多安定半導体レーザ２１には、フ
ァブリ・ベロ型の半導体レーザの３つの発振縦モード間
のモードホッピング現象を利用してもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したところから明らかなように、本発明によれ
ば、光子安定素子と状態分離器とを用いた構成としたの
で、非常に簡単な光学系で、排他的論理和、論理積、お
よび半加算を行うことができる。さらにまた、光子安定
素子として、均一な回折格子を持つ電極分割分布帰還型
半導体レーザを用い、状態分離器として、波長フィルタ
を用いれば、少なくとも１０ｎｍ以上の広い波長範囲で
あり、かつミリワット以下の低い入射強度の光入力で十
分に動作可能であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は均一
な回折格子を持つ電極分割分布帰還型半導体レーザの一
例を示す斜視図、第３図は均一な回折格子を持つ電極分
割分布帰還型半導体レーザの注入電流対出力光強度の特
性の一例を示す特性図、 第４図は均一な回折格子を持つ電極分割分布帰還型半導
体レーザの入力光強度対出力光強度の特性の説明図、 第５図は従来例を示す構成図である。 １１、１２・・・光入力、 １３・・・光合波器、 １４・・・多安定半導体レーザ、 １５・・・波長フィルタ、 １６．１７・・・出力端、 １８．１９−・・光出力。 第１図 尤λ力　２６ 電極分劉食布帰り型午斗体レーザを利倚り閃第２図 庄λ１１−シも七トづ＝水上び尤ｄ１更度（＝青ｉ性図
第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１の入力端に入力された第１の光入力と、第２の
   入力端に入力された第２の光入力とを合波する光合波器
   と、 該光合波器の出力を入力され、その入力光により出力光
   の状態が３つの安定状態間を遷移する光多安定素子と、 該光多安定素子の出力を入力され、前記出力光が前記３
   つの安定状態のいずれの状態をとるかに応じて、前記光
   多安定素子の出力光を分離し、第１、第２および第３の
   出力端に出力する状態分離器と を備えたことを特徴とする光論理回路。