光バッファ装置
【課題】信号光としての光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出す。
【解決手段】光を保持可能な複数の光記憶素子２０と、光遅延素子３０とを備える光バッファ装置１０が提供される。複数の光記憶素子は、信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置されている。また、光遅延素子は、隣接する光記憶素子の間にそれぞれ設けられている。各光遅延素子は、信号光と制御光に異なる遅延を与える。この光バッファ装置の好適実施形態によれば、光記憶素子は、信号光及び制御光が伝播する光導波路と、この光導波路と近接して設けられた光共振器とを備え、制御光の入力の有無に応じて、光導波路及び光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる。
【解決手段】光を保持可能な複数の光記憶素子２０と、光遅延素子３０とを備える光バッファ装置１０が提供される。複数の光記憶素子は、信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置されている。また、光遅延素子は、隣接する光記憶素子の間にそれぞれ設けられている。各光遅延素子は、信号光と制御光に異なる遅延を与える。この光バッファ装置の好適実施形態によれば、光記憶素子は、信号光及び制御光が伝播する光導波路と、この光導波路と近接して設けられた光共振器とを備え、制御光の入力の有無に応じて、光導波路及び光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号光を保持可能な光バッファ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システム網を構成する各ノードは、信号光を所望のノードに対して送信を行うための回線切換を行うルータを備えている。
【０００３】
現在、光通信システム網で用いられる各ノードでは、受信した光信号を一度電気信号に変換して、回線切換に必要な処理を行っている。その後、各ノードは、電気信号を光信号に変換して、他のノードに送信する。
【０００４】
この回線切換の処理を、電気信号に変換することなく光信号の状態で行う、いわゆる光ルータの研究がこれまで行われてきている。光ルータに用いられる技術の中で、空間的に光の進行方向を切換える光スイッチは、比較的容易に実現可能である。これに対し、光信号を保持する光バッファとしては、単に光を遅延させる光ファイバ以外には良いものが知られていない。例えば、光双安定素子が光バッファ装置として使用可能であるが、光双安定素子は、光の持っている物理的情報の中で、強度以外を記憶することができない。
【０００５】
最近、光バッファ装置に適用可能な技術として、光の群速度を制御することにより、光を停止させる技術が注目を集めている。この光の群速度の制御には、フォトニック結晶と共振器を用いるもの（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）や、原子準位を利用した電磁誘導透明化（ＥＩＴ）材料を用いるもの（例えば、非特許文献２参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００６−２３４９６４号公報
【非特許文献１】M.F. Yanik et al., “Stopping Light in a Waveguide with an All-Optical Analog of Electromagnetically Induced Transparency”, Phys. Rev. Lett. Vol.93, (2004) 233903
【非特許文献２】“Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency”(M.Fleischhauer and M.D.Lukin, Phys.Rev.Lett. vol.84(2000) 5094）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の、光の群速度の制御による光を停止させる技術については、これまで原理的な研究が主である。従って、この技術を光通信に使用する具体的構成についての提案は、ほとんどされていない。
【０００７】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、複数の光記憶素子を備えて、信号光としての光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる光バッファ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の要旨によれば、光を保持可能な複数の光記憶素子と、光遅延素子とを備える光バッファ装置が提供される。複数の光記憶素子は、信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置されている。また、光遅延素子は、隣接する光記憶素子の間にそれぞれ設けられている。各光遅延素子は、信号光と制御光に異なる遅延を与える。
【０００９】
この光バッファ装置の好適実施形態によれば、光記憶素子は、信号光及び制御光が伝播する光導波路と、この光導波路と近接して設けられた光共振器とを備えて構成される。この場合、制御光の入力の有無に応じて、光導波路及び光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる。
【００１０】
また、この光バッファ装置の他の好適実施形態によれば、光記憶素子は、電磁誘導透明化材料を用いて構成される。この場合、制御光の入力の有無に応じて、電磁誘導透明化材料が透明又は不透明になる。
【００１１】
この発明の光バッファ装置の実施にあたり、好ましくは、光遅延素子を、フォトニック結晶を用いて構成するのが良い。また、光遅延素子は、第１波長フィルタと、第２波長フィルタと、第１波長フィルタと第２波長フィルタの間に、光路長が異なる第１光路及び第２光路とを備えて、信号光が第１光路を伝播し、及び、制御光が第２光路を伝播する構成にしても良い。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の光バッファ装置によれば、信号光と制御光が伝播する光路上に複数の光記憶素子を備えて構成されていて、これらの光記憶素子には、信号光及び制御光が、一方に対し他方が所定の遅延を受けて入力される。これらの光記憶素子を、光共振器又は電磁誘導透明化材料を用いて構成すると、制御光の入力の有無により、光記憶素子に光を保持するか否かの制御が可能になる。
【００１３】
この結果、信号光が有する光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる。このとき、光記憶素子をｎ個並列に設けていれば、ｎ個の光記憶素子はそれぞれ異なる光パルスを保持できるので、ｎビットの情報を保持できる。また、例えば、制御光が入力されているときに、光記憶素子が光パルスを保持し、制御光が入力されていないときは、光パルスを保持しない構成にすれば、制御光の持続時間に応じた任意の遅延量を与えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１５】
（光バッファ装置の構成）
図１を参照して、この発明の光バッファ装置について説明する。図１は、この発明の光バッファ装置の模式図である。
【００１６】
光バッファ装置１０には、信号光（図中、矢印Ｓ１０１で示す。）が入力される。光バッファ装置１０は、この信号光Ｓ１０１が伝播する光路１５上に並べて配置された、複数の光記憶素子２０を備えている。光記憶素子２０は、少なくとも、光バッファ装置１０でのバッファリングに要求されるビット数分だけ用意される。
【００１７】
光バッファ装置１０に入力された信号光Ｓ１０１は、光路１５上の複数の光記憶素子２０を経て、光バッファ装置１０から出力される。また、この光路１５上を制御光（図中、矢印Ｓ１０３で示す。）も伝播する。このとき、制御光Ｓ１０３は、光バッファ装置１０に、信号光Ｓ１０１の出力側から入力される。つまり、制御光Ｓ１０３は、信号光Ｓ１０１と同じ光路１５を信号光Ｓ１０１と逆方向に伝播する。制御光Ｓ１０３は、光路１５上の複数の光記憶素子２０を経て、光バッファ装置１０の信号光Ｓ１０１が入力される側から出力される。なお、信号光Ｓ１０１と制御光Ｓ１０３とは波長が異なっている。
【００１８】
光記憶素子２０として、特許文献１に記載されている従来技術と同様の光共振器を用いることができる。図２を参照して、光記憶素子について説明する。図２は、光共振器を用いた光記憶素子の模式図である。
【００１９】
光記憶素子２０は、例えば、光共振器２４と、この光共振器２４に隣接して設けられた光導波路２２とを備えて構成される。光導波路２２及び光共振器２４は、カー効果により屈折率が変化する非線形光学材料で形成することができる。この非線形光学材料としては、例えば、化合物半導体やカルコゲナイドガラスなどがある。
【００２０】
ここでは、光共振器２４は、信号光Ｓ１０１の波長に対して共鳴する、寸法及び屈折率に設計されているものとする。一方、制御光Ｓ１０３の波長に対しては、光共振器２４は共鳴しない。
【００２１】
光共振器２４に信号光Ｓ１０１のみが入力され、制御光Ｓ１０３が入力されていない状態では、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成されている。このため、信号光Ｓ１０１は、光記憶素子２０に到達すると、光共振器２４を励起しながら、光記憶素子２０を通過する。
【００２２】
この信号光Ｓ１０１が光共振器２４を励起している状態で、光記憶素子２０に制御光Ｓ１０３が入力されると、カー効果により光導波路２２の屈折率が変化する。この結果、光導波路２２と光共振器２４の間のカップリングが解除される。この場合、光共振器２４が励起された状態でカップリングが解除されるため、光記憶素子２０に信号光Ｓ１０１が保持されている状態になる。
【００２３】
その後、制御光Ｓ１０３が非入力の状態になると、再び、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。この結果、光記憶素子２０に保持されていた信号光Ｓ１０１が出力される。
【００２４】
このように構成すると、制御光Ｓ１０３が入力されている間は、光共振器２４に信号光Ｓ１０１が保持されている状態になるので、制御光Ｓ１０３の持続時間に応じた任意の遅延量を、光遅延素子２０に与えることが可能になる。
【００２５】
なお、制御光Ｓ１０３の入力の有無と、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングの生成及び解除との関係は、上述の例に限定されない。すなわち、制御光が入力されている間は、カップリングが生成され、制御光が入力されていない間は、カップリングが解除される形成にしてもよい。このように構成すると、制御光Ｓ１０３が入力されていない間は、光共振器に信号光が保持されている状態になる。
【００２６】
このように構成すると、光共振器２４に信号光Ｓ１０１と制御光Ｓ１０３が入力されている状態では、カー効果により光導波路２２の屈折率が変化して、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。このため、信号光Ｓ１０１は、光記憶素子に到達すると、光共振器を励起しながら、光記憶素子から出力される。
【００２７】
この状態で、光記憶素子２０への制御光Ｓ１０３の入力が停止すると、カー効果により光導波路２２の屈折率の変化が元の状態に戻る。この結果、光導波路２２と光共振器２４の間のカップリングが解除される。この場合、光共振器２４が励起された状態が保たれるため、光記憶素子２０に信号光が保持されている状態になる。
【００２８】
制御光Ｓ１０３の波長に対して光共振器２４は共鳴する寸法及び屈曲率に設計されていても良い。その後、再び制御光Ｓ１０３が入力されると、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。この結果、光記憶素子２０に保持されていた信号光が出力される。
【００２９】
また、光記憶素子２０を、電磁誘導透明化（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）材料を用いて構成しても良い。ＥＩＴ材料としては、Ｒｂガスやアレキサンドライト（金緑石）などが知られている。ＥＩＴ材料は、連続光である制御光が入力されていると、パルス光である信号光に対し透明になる。一方、制御光が入力されていない状態では、信号光に対し不透明になる。この不透明な状態では、ＥＩＴ材料の内部の信号光はそのまま保持され、ＥＩＴ材料の外部からの信号光は入力されない。
【００３０】
図３は、ＥＩＴ材料における群速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図３では、横軸に、波数ｋと伝播距離ｚの積を取って示し、縦軸に強度を取って示している。
【００３１】
このシミュレーションは、以下の式（１）及び式（２）を用いて行われる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
【００３４】
これらの式は、例えば非特許文献２に示されているように、原子準位と光の相互作用を示す式から、得ることができる。なお、非特許文献２も含めて通常は、前進方向での解析が行われている。
【００３５】
しかし、本実施形態では、信号光と制御光の進行方向が逆になっているので、前進及び反射の双方向の解析を行える式を用いている。式（１）及び式（２）で、ωは光の中心周波数、ｋは光波数、ｚは伝播距離、Ｎは原子密度、ｄｂａは準位ｂと準位ａの間の遷移双極子モーメント、ε０は真空中の誘電率、Ωは制御光の強度をそれぞれ示している。ここでは、光を停止させるため、θ＝π／２の条件を成立させるΩの値を用いている。
【００３６】
図３は、ＥＩＴ材料中に、制御光と信号光とが逆方向から入力した状態のシミュレーションの結果を示している。この結果から、入力された信号光が一定の場所（図３中、ｋｚ＝７５の付近）に保持されていることがわかる。ＥＩＴ材料中では、制御光の立ち上がり部分で信号光が停止される。
【００３７】
ＥＩＴ材料の制御光の立ち上がり部分が通り過ぎた部分では、信号光はＥＩＴ材料に進入できず、反射されることがシミュレーションから見出されている。従って、信号光の光パルスをＥＩＴ材料中に保持した後は、他の光パルスはそのＥＩＴ材料中に進入することはできない。
【００３８】
このＥＩＴ材料では、原子準位を用いて光の保持を行うので、光記憶素子２０としてＥＩＴ材料を用いると、光共振器を用いる場合よりも、光の保持時間を長くできる。
【００３９】
光バッファ装置１０は、隣接する光記憶素子２０の間に、それぞれ光遅延素子３０を備えている。光遅延素子３０は、信号光と制御光に互いに異なる遅延を与える。例えば、信号光に比べて、制御光の速度を遅くする。
【００４０】
光遅延素子３０として、例えば、フォトニック結晶導波路を用いることができる。フォトニック結晶導波路は、例えば、“Low-group velocity and low-dispersion slow light in photonic crystal waveguides”（S.Kubo et al.,Optics Letters vol.32 (2007) 2981）に示されているように、波長に応じて、群速度が変化し、この結果、波長に応じて異なる遅延を与えることができる。
【００４１】
フォトニック結晶導波路は、小型化に優れており、例えば光記憶素子をＥＩＴ材料で構成する場合など、各構成要素を光バッファ装置内で空間結合する構成に適している。
【００４２】
また、光遅延素子として、光路長が異なる第１光路及び第２光路を備えて、光路長の違いにより異なる遅延を与える構成にすることもできる。
【００４３】
図４を参照して、光遅延素子の構成例について説明する。図４は、光遅延素子の構成例を説明するための模式図である。
【００４４】
光遅延素子３０は、第１波長フィルタ３２と、第２波長フィルタ３８と、第１波長フィルタ３２及び第２波長フィルタ３８の間に、光路長が異なる第１光路３４及び第２光路３６とを備えて構成できる。第１波長フィルタ３２及び第２波長フィルタ３８により、例えば信号光が第１光路３４を伝播し、制御光が第２光路３６を伝播するように設定される。
【００４５】
この光遅延素子は、導波路型の素子であるので、光記憶素子２０を、図２を参照して説明したように光共振器を用いて構成する場合には、光記憶素子と光遅延素子とを同一の基板上に形成することもできる。
【００４６】
（光バッファ装置の動作）
図５〜７を参照して、光バッファ装置の動作について説明する。図５〜７は、光バッファ装置の動作について説明するための模式図である。
【００４７】
ここでは、光バッファ装置が４つの光記憶素子、すなわち、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを有する、４ビットのバッファとして動作する場合を例にとって説明する。なお、光記憶素子の個数は４に限定されるものではなく、光バッファ装置に要求されるビット数に応じて個数を定めれば良い。また、図５〜７では、光バッファ装置として、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを示し、光遅延素子など他の構成要素の図示を省略する。
【００４８】
信号光Ｓ１０１を光パルスとする。光パルスは、空間的にはある程度の幅を有している。例えば、パルス光の周期τを１［ｐｓ］とすると、各光パルスは、空気中で３００［μｍ］程度の幅がある。なお、素子中では、屈折率が高いため、パルス幅は狭くなる。ここでは、光バッファ装置を４ビットの光バッファとして構成した場合を例に取っている。信号光Ｓ１０１が有する各光パルスが、それぞれ１ビットの情報を示している。ここでは、４ビットの信号光が、第１〜４の光パルスＳ１０１ａ〜Ｓ１０１ｄを有するものとする。
【００４９】
また、制御光を連続光として説明する。ここでは、信号光Ｓ１０１は、通常の光速度で伝播し、制御光Ｓ１０３は、信号光Ｓ１０１よりも遅い速度で伝播するものとする。
【００５０】
先ず、光バッファ装置の全長が、光パルスの幅に比べて十分小さい場合を例にとって説明する。従って、この例では、光バッファ装置に１つの光パルスが入力されると、４つの記憶素子の全てに光パルスが入力されていて、それぞれ光共振器を励起している。
【００５１】
隣接する光記憶素子２０間の距離をＬｓとし、制御光の伝播速度をＶｃとする。この場合、１つの光記憶素子に入力された制御光が、隣の光記憶素子に入力されるまでの時間は、Ｌｓ／Ｖｃで与えられる。ここで、Ｖｃは、２つの光記憶素子の間を、光遅延素子（図５〜７では図示を省略する。）を経て伝播する際の平均速度である。
【００５２】
なお、１つの光記憶素子２０に入力された制御光Ｓ１０３が、隣の光記憶素子２０に入力されるまでの時間（Ｌｓ／Ｖｃ）を、信号光の光パルスＳ１０１−１〜４の周期（τ）に等しくする。
【００５３】
ここでは、光記憶素子は、信号光の出力側から入力側に向かって、順に、第１光記憶素子２０ａ、第２光記憶素子２０ｂ、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄと配置する。また、第１〜４光パルスＳ１０１ａ〜Ｓ１０１ｄは、この順に光バッファ装置に入力される（図５（Ａ））。
【００５４】
第１光パルスＳ１０１ａが光バッファ装置に到達すると、第１光パルスＳ１０１ａは、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを同時に励起する。この第１光パルスＳ１０１ａが各光記憶素子を励起している状態で、制御信号Ｓ１０３が第１光記憶素子２０ａに到達する。制御信号Ｓ１０３が第１光記憶素子２０ａに到達すると、第１記憶素子２０ａでは、光共振器と光導波路のカップリングが解除されて第１光パルスＳ１１１ａが第１記憶素子２０ａに保持される（図５（Ｂ））。
【００５５】
第１光パルスＳ１０１ａに続いて、第２光パルスＳ１０１ｂが光バッファ装置１０に入力される。第２光パルスＳ１０１ｂは、第２〜４光記憶素子２０ｂ〜２０ｄを励起する。このとき、第１記憶素子２０ａは、制御光Ｓ１０３の存在によりカップリングが解除されているため、第２光パルスＳ１０１ｂでは励起されない。
【００５６】
１つの光記憶素子に入力された制御光Ｓ１０３が、隣の光記憶素子に入力されるまでの時間が、信号光の光パルスの周期τに等しい（Ｌｓ／Ｖｃ＝τ）ので、第２光パルスＳ１０１ｂが第２〜４記憶素子２０ｂ〜２０ｄを励起している状態で、制御信号Ｓ１０３が第２光記憶素子２０ｂに到達する。制御信号Ｓ１０３が、第２記憶素子２０ｂに到達すると、第２記憶素子では、光共振器２４と光導波路２２のカップリングが解除されて第２光パルスＳ１０１ｂが第２記憶素子２０ｂに保持される（図６（Ａ））。
【００５７】
同様に、第３記憶素子２０ｃには、第３光パルスＳ１０１ｃが保持され、第４記憶素子２０ｄには、第４光パルスＳ１０１ｄが保持される。
【００５８】
この結果、第１〜４記憶素子２０ａ〜２０ｄにそれぞれ第１〜４光パルスＳ１１１ａ〜Ｓ１１１ｄが保持されることになる（図６（Ｂ））。
【００５９】
その後、制御光Ｓ１０３がなくなると、各光記憶素子２０ａ〜２０ｄでは、それぞれ光共振器と光導波路とのカップリングが生成され、保持されていた光パルスが順に出力される。
【００６０】
先ず、第１光記憶素子２０ａにおいて、制御光Ｓ１０３がなくなると、第１光記憶素子２０ａで、カップリングが生成され、第１光パルスＳ１１２ａが出力される（図７（Ａ））。
【００６１】
次に、時刻τ（＝Ｌｓ／Ｖｃ）が経過すると、第２光記憶素子２０ｂにおいて、制御光Ｓ１０３がなくなる。すると、第２光記憶素子２０ｂで、カップリングが生成され、第２光パルスＳ１１２ｂが出力される（図７（Ｂ））。
【００６２】
同様に、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄで制御光がなくなると、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄでカップリングが生成され、第３光パルス及び第４光パルスが出力される。
【００６３】
この各光記憶素子から出力された光パルスは、光バッファ装置１０に入力される前の信号光の光パルスと、同じ周期τであり、制御信号Ｓ１０３の持続時間だけ遅延して光バッファ装置から出力される。
【００６４】
次に、図８を参照して、光バッファ装置の全長が、光パルスの幅に比べて無視できない場合を例にとって説明する。図８は、光バッファ装置の動作について説明するための模式図である。
【００６５】
ここでは、光バッファ装置が備える光記憶素子２０の個数をＮ個として、信号光が有するＮ個の光パルスＳ１０１−１〜Ｎが入力されるものとする。
【００６６】
この例では、各光パルスは、Ｎ個の記憶素子を順次に伝播して、それぞれ光共振器を励起していく。ここでは、信号光の出力側から入力側に向かって、第１〜Ｎ光記憶素子２０−１〜Ｎが順次に並んでいるものとする。すなわち、光バッファ装置に入力された信号光は、第Ｎ光記憶素子２０−Ｎ、第Ｎ−１光記憶素子２０−（Ｎ−１）、…、第２光記憶素子２０−２及び第１光記憶素子２０−１をこの順に通過して、光バッファ装置から出力される。
【００６７】
光路１５に沿ってＸ軸をとり、信号光Ｓ１０１の伝播方向を正の方向とする。第１〜Ｎ光記憶素子２０が設けられるＸ軸上の位置を、それぞれＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）とする。なお、第Ｎ光記憶素子２０−Ｎの位置を、Ｘ軸の原点とする。すなわちＳ（Ｎ）＝０とする。
【００６８】
初期状態（時刻ｔ＝０）では、第１光パルスＳ１０１−１がＸ軸の原点にあり、第２〜Ｎ光パルスＳ１０１−２〜Ｎは、Ｘ軸の負の方向に向かってそれぞれＳｐの間隔で順次に並んでいるものとする。また、制御光Ｓ１０３の先頭はＳ（０）にあるものとする。
【００６９】
光バッファ装置の外部での信号光Ｓ１０１及び制御光Ｓ１０３の速度を、それぞれＶｓ０及びＶｃ０とする。また、光バッファ装置の内部での信号光Ｓ１０１及び制御光Ｓ１０３の速度をそれぞれＶｓ及びＶｃとする。
【００７０】
制御光Ｓ１０３が第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間ｔｃ（Ｊ）は、以下の式（３）で与えられる。
【００７１】
【数３】
【００７２】
一方、第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊが第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間ｔｓ（Ｊ）は、以下の式（４）で与えられる。
【００７３】
【数４】
【００７４】
第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊと制御光Ｓ１０３が同時に第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達すると、すなわち、ｔｃ（Ｊ）とｔｓ（Ｊ）が一致すると、第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊは第Ｊ記憶素子２０−Ｊに保持される。そこで、ｔｃ（Ｊ）＝ｔｓ（Ｊ）を用いて、式（３）と式（４）を変形すると、以下の式（５）が得られる。なお、ここで、Ｓ（Ｎ）＝０としている。
【００７５】
【数５】
【００７６】
この式（５）でＪ＝１とすると、以下の式（６）が得られる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
従って、式（５）及び式（６）から、以下の、式（７）が得られる。
【００７９】
【数７】
【００８０】
次に、式（７）について、Ｊ＝Ｎとすると、Ｓ（Ｎ）＝０なので、以下の式（８）が得られる。
【００８１】
【数８】
【００８２】
従って、式（７）及び式（８）から、第Ｊ記憶素子２０−ＪのＸ座標Ｓ（Ｊ）は、以下の式（９）で与えられる。
【００８３】
【数９】
【００８４】
式（９）から、各光記憶素子の配置は、光路１５に沿って、等間隔Ｌｓ（＝Ｓｐ／Ｖｓ０／（１／Ｖｓ＋１／Ｖｃ））で良いことがわかる。ここで、信号光の伝播時間をτｓ（＝Ｌｓ／Ｖｓ）、制御光の伝播時間をτｃ（＝Ｌｓ／Ｖｃ）とすると、式（９）は以下の式（１０）で表すことができる。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
制御光Ｓ１０３の速度Ｖｃが、信号光の速度Ｖｓよりも十分小さければ（Ｖｃ＜＜Ｖｓ）、式（９）から、Ｓ（Ｊ）＝（Ｎ−Ｊ）×τＶｃとなる。従って、素子全長は、制御光の速度が小さいほど、短くできる。
【００８７】
逆に、信号光Ｓ１０１の速度Ｖｓが、制御光Ｓ１０３の速度Ｖｃよりも十分小さい場合（Ｖｓ＜＜Ｖｃ）であっても、式（９）から、Ｓ（Ｊ）＝（Ｎ−Ｊ）×τＶｓとなるので、素子全長は、信号光Ｓ１０１の速度が小さいほど、短くできる。
【００８８】
第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間は、第Ｊ光パルスはｔ＝（Ｊ−１）τ＋（Ｎ−Ｊ）τｓであり、制御光Ｓ１０３はτ＝τｃ０＋（Ｊ−１）τｃである。ここで、τは素子外での光パルスの間隔、τｓは信号光に対する記憶素子間の伝播時間、τｃは制御光の伝播時間である。
【００８９】
この両式について、Ｊ＝１及びＪ＝Ｎの場合をそれぞれ計算すると、（Ｎ−Ｊ）τｓ＝τｃ０と、τ＝τｃ０＋τｃが得られる。信号光に対して、素子全長が無視できる場合は、τｓ＝０と近似できるので、この場合、τ＝ｔｃが近似的に成立する。
【００９０】
書き出し時には、τｃの間隔で信号光パルスが生成されるので、元のパルス間隔τを素子内で生成するときは、両者をできるだけ近づける必要がある。素子終端で再生信号が出力されるのは、時刻ｔが以下の式（１１）で与えられるときである。
【００９１】
【数１１】
【００９２】
従って、素子終端では元のパルス間隔τで光信号が再生できる。
【００９３】
上述したように、この発明の光バッファ装置によれば、信号光と制御光が伝播する光路上に複数の光記憶素子を備えて構成されていて、これらの光記憶素子には、信号光と制御光とが逆方向から入力される。これらの光記憶素子として、光共振器又は電磁誘導透明化材料を用いると、制御光の入力の有無により、光記憶素子に光を保持するか否かの制御が可能になる。
【００９４】
この結果、信号光としての光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる。このとき、光記憶素子をｎ個並列に設けていれば、ｎ個の光記憶素子はそれぞれ異なる光パルスを保持できるので、ｎビットの情報を保持できる。また、例えば、制御光が入力されているときに、光記憶素子が光パルスを保持し、制御光が入力されていないときは、光パルスを保持しない構成にすれば、制御光の持続時間に応じた任意の遅延量を与えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】この発明の光バッファ装置の模式図である。
【図２】光共振器を用いた光記憶素子の模式図である。
【図３】ＥＩＴ材料における群速度制御のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】光遅延素子の構成例を説明するための模式図である。
【図５】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（１）である。
【図６】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（２）である。
【図７】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（３）である。
【図８】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（４）である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 光バッファ装置
２０ 光記憶素子
２２ 光導波路
２４ 光共振器
３０ 光遅延素子
３２ 第１波長フィルタ
３４ 第１光路
３６ 第２光路
３８ 第２波長フィルタ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号光を保持可能な光バッファ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システム網を構成する各ノードは、信号光を所望のノードに対して送信を行うための回線切換を行うルータを備えている。
【０００３】
現在、光通信システム網で用いられる各ノードでは、受信した光信号を一度電気信号に変換して、回線切換に必要な処理を行っている。その後、各ノードは、電気信号を光信号に変換して、他のノードに送信する。
【０００４】
この回線切換の処理を、電気信号に変換することなく光信号の状態で行う、いわゆる光ルータの研究がこれまで行われてきている。光ルータに用いられる技術の中で、空間的に光の進行方向を切換える光スイッチは、比較的容易に実現可能である。これに対し、光信号を保持する光バッファとしては、単に光を遅延させる光ファイバ以外には良いものが知られていない。例えば、光双安定素子が光バッファ装置として使用可能であるが、光双安定素子は、光の持っている物理的情報の中で、強度以外を記憶することができない。
【０００５】
最近、光バッファ装置に適用可能な技術として、光の群速度を制御することにより、光を停止させる技術が注目を集めている。この光の群速度の制御には、フォトニック結晶と共振器を用いるもの（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）や、原子準位を利用した電磁誘導透明化（ＥＩＴ）材料を用いるもの（例えば、非特許文献２参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００６−２３４９６４号公報
【非特許文献１】M.F. Yanik et al., “Stopping Light in a Waveguide with an All-Optical Analog of Electromagnetically Induced Transparency”, Phys. Rev. Lett. Vol.93, (2004) 233903
【非特許文献２】“Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency”(M.Fleischhauer and M.D.Lukin, Phys.Rev.Lett. vol.84(2000) 5094）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の、光の群速度の制御による光を停止させる技術については、これまで原理的な研究が主である。従って、この技術を光通信に使用する具体的構成についての提案は、ほとんどされていない。
【０００７】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、複数の光記憶素子を備えて、信号光としての光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる光バッファ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の要旨によれば、光を保持可能な複数の光記憶素子と、光遅延素子とを備える光バッファ装置が提供される。複数の光記憶素子は、信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置されている。また、光遅延素子は、隣接する光記憶素子の間にそれぞれ設けられている。各光遅延素子は、信号光と制御光に異なる遅延を与える。
【０００９】
この光バッファ装置の好適実施形態によれば、光記憶素子は、信号光及び制御光が伝播する光導波路と、この光導波路と近接して設けられた光共振器とを備えて構成される。この場合、制御光の入力の有無に応じて、光導波路及び光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる。
【００１０】
また、この光バッファ装置の他の好適実施形態によれば、光記憶素子は、電磁誘導透明化材料を用いて構成される。この場合、制御光の入力の有無に応じて、電磁誘導透明化材料が透明又は不透明になる。
【００１１】
この発明の光バッファ装置の実施にあたり、好ましくは、光遅延素子を、フォトニック結晶を用いて構成するのが良い。また、光遅延素子は、第１波長フィルタと、第２波長フィルタと、第１波長フィルタと第２波長フィルタの間に、光路長が異なる第１光路及び第２光路とを備えて、信号光が第１光路を伝播し、及び、制御光が第２光路を伝播する構成にしても良い。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の光バッファ装置によれば、信号光と制御光が伝播する光路上に複数の光記憶素子を備えて構成されていて、これらの光記憶素子には、信号光及び制御光が、一方に対し他方が所定の遅延を受けて入力される。これらの光記憶素子を、光共振器又は電磁誘導透明化材料を用いて構成すると、制御光の入力の有無により、光記憶素子に光を保持するか否かの制御が可能になる。
【００１３】
この結果、信号光が有する光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる。このとき、光記憶素子をｎ個並列に設けていれば、ｎ個の光記憶素子はそれぞれ異なる光パルスを保持できるので、ｎビットの情報を保持できる。また、例えば、制御光が入力されているときに、光記憶素子が光パルスを保持し、制御光が入力されていないときは、光パルスを保持しない構成にすれば、制御光の持続時間に応じた任意の遅延量を与えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１５】
（光バッファ装置の構成）
図１を参照して、この発明の光バッファ装置について説明する。図１は、この発明の光バッファ装置の模式図である。
【００１６】
光バッファ装置１０には、信号光（図中、矢印Ｓ１０１で示す。）が入力される。光バッファ装置１０は、この信号光Ｓ１０１が伝播する光路１５上に並べて配置された、複数の光記憶素子２０を備えている。光記憶素子２０は、少なくとも、光バッファ装置１０でのバッファリングに要求されるビット数分だけ用意される。
【００１７】
光バッファ装置１０に入力された信号光Ｓ１０１は、光路１５上の複数の光記憶素子２０を経て、光バッファ装置１０から出力される。また、この光路１５上を制御光（図中、矢印Ｓ１０３で示す。）も伝播する。このとき、制御光Ｓ１０３は、光バッファ装置１０に、信号光Ｓ１０１の出力側から入力される。つまり、制御光Ｓ１０３は、信号光Ｓ１０１と同じ光路１５を信号光Ｓ１０１と逆方向に伝播する。制御光Ｓ１０３は、光路１５上の複数の光記憶素子２０を経て、光バッファ装置１０の信号光Ｓ１０１が入力される側から出力される。なお、信号光Ｓ１０１と制御光Ｓ１０３とは波長が異なっている。
【００１８】
光記憶素子２０として、特許文献１に記載されている従来技術と同様の光共振器を用いることができる。図２を参照して、光記憶素子について説明する。図２は、光共振器を用いた光記憶素子の模式図である。
【００１９】
光記憶素子２０は、例えば、光共振器２４と、この光共振器２４に隣接して設けられた光導波路２２とを備えて構成される。光導波路２２及び光共振器２４は、カー効果により屈折率が変化する非線形光学材料で形成することができる。この非線形光学材料としては、例えば、化合物半導体やカルコゲナイドガラスなどがある。
【００２０】
ここでは、光共振器２４は、信号光Ｓ１０１の波長に対して共鳴する、寸法及び屈折率に設計されているものとする。一方、制御光Ｓ１０３の波長に対しては、光共振器２４は共鳴しない。
【００２１】
光共振器２４に信号光Ｓ１０１のみが入力され、制御光Ｓ１０３が入力されていない状態では、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成されている。このため、信号光Ｓ１０１は、光記憶素子２０に到達すると、光共振器２４を励起しながら、光記憶素子２０を通過する。
【００２２】
この信号光Ｓ１０１が光共振器２４を励起している状態で、光記憶素子２０に制御光Ｓ１０３が入力されると、カー効果により光導波路２２の屈折率が変化する。この結果、光導波路２２と光共振器２４の間のカップリングが解除される。この場合、光共振器２４が励起された状態でカップリングが解除されるため、光記憶素子２０に信号光Ｓ１０１が保持されている状態になる。
【００２３】
その後、制御光Ｓ１０３が非入力の状態になると、再び、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。この結果、光記憶素子２０に保持されていた信号光Ｓ１０１が出力される。
【００２４】
このように構成すると、制御光Ｓ１０３が入力されている間は、光共振器２４に信号光Ｓ１０１が保持されている状態になるので、制御光Ｓ１０３の持続時間に応じた任意の遅延量を、光遅延素子２０に与えることが可能になる。
【００２５】
なお、制御光Ｓ１０３の入力の有無と、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングの生成及び解除との関係は、上述の例に限定されない。すなわち、制御光が入力されている間は、カップリングが生成され、制御光が入力されていない間は、カップリングが解除される形成にしてもよい。このように構成すると、制御光Ｓ１０３が入力されていない間は、光共振器に信号光が保持されている状態になる。
【００２６】
このように構成すると、光共振器２４に信号光Ｓ１０１と制御光Ｓ１０３が入力されている状態では、カー効果により光導波路２２の屈折率が変化して、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。このため、信号光Ｓ１０１は、光記憶素子に到達すると、光共振器を励起しながら、光記憶素子から出力される。
【００２７】
この状態で、光記憶素子２０への制御光Ｓ１０３の入力が停止すると、カー効果により光導波路２２の屈折率の変化が元の状態に戻る。この結果、光導波路２２と光共振器２４の間のカップリングが解除される。この場合、光共振器２４が励起された状態が保たれるため、光記憶素子２０に信号光が保持されている状態になる。
【００２８】
制御光Ｓ１０３の波長に対して光共振器２４は共鳴する寸法及び屈曲率に設計されていても良い。その後、再び制御光Ｓ１０３が入力されると、光導波路２２と光共振器２４との間のカップリングが生成される。この結果、光記憶素子２０に保持されていた信号光が出力される。
【００２９】
また、光記憶素子２０を、電磁誘導透明化（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）材料を用いて構成しても良い。ＥＩＴ材料としては、Ｒｂガスやアレキサンドライト（金緑石）などが知られている。ＥＩＴ材料は、連続光である制御光が入力されていると、パルス光である信号光に対し透明になる。一方、制御光が入力されていない状態では、信号光に対し不透明になる。この不透明な状態では、ＥＩＴ材料の内部の信号光はそのまま保持され、ＥＩＴ材料の外部からの信号光は入力されない。
【００３０】
図３は、ＥＩＴ材料における群速度制御のシミュレーション結果を示す図である。図３では、横軸に、波数ｋと伝播距離ｚの積を取って示し、縦軸に強度を取って示している。
【００３１】
このシミュレーションは、以下の式（１）及び式（２）を用いて行われる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
【００３４】
これらの式は、例えば非特許文献２に示されているように、原子準位と光の相互作用を示す式から、得ることができる。なお、非特許文献２も含めて通常は、前進方向での解析が行われている。
【００３５】
しかし、本実施形態では、信号光と制御光の進行方向が逆になっているので、前進及び反射の双方向の解析を行える式を用いている。式（１）及び式（２）で、ωは光の中心周波数、ｋは光波数、ｚは伝播距離、Ｎは原子密度、ｄｂａは準位ｂと準位ａの間の遷移双極子モーメント、ε０は真空中の誘電率、Ωは制御光の強度をそれぞれ示している。ここでは、光を停止させるため、θ＝π／２の条件を成立させるΩの値を用いている。
【００３６】
図３は、ＥＩＴ材料中に、制御光と信号光とが逆方向から入力した状態のシミュレーションの結果を示している。この結果から、入力された信号光が一定の場所（図３中、ｋｚ＝７５の付近）に保持されていることがわかる。ＥＩＴ材料中では、制御光の立ち上がり部分で信号光が停止される。
【００３７】
ＥＩＴ材料の制御光の立ち上がり部分が通り過ぎた部分では、信号光はＥＩＴ材料に進入できず、反射されることがシミュレーションから見出されている。従って、信号光の光パルスをＥＩＴ材料中に保持した後は、他の光パルスはそのＥＩＴ材料中に進入することはできない。
【００３８】
このＥＩＴ材料では、原子準位を用いて光の保持を行うので、光記憶素子２０としてＥＩＴ材料を用いると、光共振器を用いる場合よりも、光の保持時間を長くできる。
【００３９】
光バッファ装置１０は、隣接する光記憶素子２０の間に、それぞれ光遅延素子３０を備えている。光遅延素子３０は、信号光と制御光に互いに異なる遅延を与える。例えば、信号光に比べて、制御光の速度を遅くする。
【００４０】
光遅延素子３０として、例えば、フォトニック結晶導波路を用いることができる。フォトニック結晶導波路は、例えば、“Low-group velocity and low-dispersion slow light in photonic crystal waveguides”（S.Kubo et al.,Optics Letters vol.32 (2007) 2981）に示されているように、波長に応じて、群速度が変化し、この結果、波長に応じて異なる遅延を与えることができる。
【００４１】
フォトニック結晶導波路は、小型化に優れており、例えば光記憶素子をＥＩＴ材料で構成する場合など、各構成要素を光バッファ装置内で空間結合する構成に適している。
【００４２】
また、光遅延素子として、光路長が異なる第１光路及び第２光路を備えて、光路長の違いにより異なる遅延を与える構成にすることもできる。
【００４３】
図４を参照して、光遅延素子の構成例について説明する。図４は、光遅延素子の構成例を説明するための模式図である。
【００４４】
光遅延素子３０は、第１波長フィルタ３２と、第２波長フィルタ３８と、第１波長フィルタ３２及び第２波長フィルタ３８の間に、光路長が異なる第１光路３４及び第２光路３６とを備えて構成できる。第１波長フィルタ３２及び第２波長フィルタ３８により、例えば信号光が第１光路３４を伝播し、制御光が第２光路３６を伝播するように設定される。
【００４５】
この光遅延素子は、導波路型の素子であるので、光記憶素子２０を、図２を参照して説明したように光共振器を用いて構成する場合には、光記憶素子と光遅延素子とを同一の基板上に形成することもできる。
【００４６】
（光バッファ装置の動作）
図５〜７を参照して、光バッファ装置の動作について説明する。図５〜７は、光バッファ装置の動作について説明するための模式図である。
【００４７】
ここでは、光バッファ装置が４つの光記憶素子、すなわち、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを有する、４ビットのバッファとして動作する場合を例にとって説明する。なお、光記憶素子の個数は４に限定されるものではなく、光バッファ装置に要求されるビット数に応じて個数を定めれば良い。また、図５〜７では、光バッファ装置として、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを示し、光遅延素子など他の構成要素の図示を省略する。
【００４８】
信号光Ｓ１０１を光パルスとする。光パルスは、空間的にはある程度の幅を有している。例えば、パルス光の周期τを１［ｐｓ］とすると、各光パルスは、空気中で３００［μｍ］程度の幅がある。なお、素子中では、屈折率が高いため、パルス幅は狭くなる。ここでは、光バッファ装置を４ビットの光バッファとして構成した場合を例に取っている。信号光Ｓ１０１が有する各光パルスが、それぞれ１ビットの情報を示している。ここでは、４ビットの信号光が、第１〜４の光パルスＳ１０１ａ〜Ｓ１０１ｄを有するものとする。
【００４９】
また、制御光を連続光として説明する。ここでは、信号光Ｓ１０１は、通常の光速度で伝播し、制御光Ｓ１０３は、信号光Ｓ１０１よりも遅い速度で伝播するものとする。
【００５０】
先ず、光バッファ装置の全長が、光パルスの幅に比べて十分小さい場合を例にとって説明する。従って、この例では、光バッファ装置に１つの光パルスが入力されると、４つの記憶素子の全てに光パルスが入力されていて、それぞれ光共振器を励起している。
【００５１】
隣接する光記憶素子２０間の距離をＬｓとし、制御光の伝播速度をＶｃとする。この場合、１つの光記憶素子に入力された制御光が、隣の光記憶素子に入力されるまでの時間は、Ｌｓ／Ｖｃで与えられる。ここで、Ｖｃは、２つの光記憶素子の間を、光遅延素子（図５〜７では図示を省略する。）を経て伝播する際の平均速度である。
【００５２】
なお、１つの光記憶素子２０に入力された制御光Ｓ１０３が、隣の光記憶素子２０に入力されるまでの時間（Ｌｓ／Ｖｃ）を、信号光の光パルスＳ１０１−１〜４の周期（τ）に等しくする。
【００５３】
ここでは、光記憶素子は、信号光の出力側から入力側に向かって、順に、第１光記憶素子２０ａ、第２光記憶素子２０ｂ、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄと配置する。また、第１〜４光パルスＳ１０１ａ〜Ｓ１０１ｄは、この順に光バッファ装置に入力される（図５（Ａ））。
【００５４】
第１光パルスＳ１０１ａが光バッファ装置に到達すると、第１光パルスＳ１０１ａは、第１〜４光記憶素子２０ａ〜２０ｄを同時に励起する。この第１光パルスＳ１０１ａが各光記憶素子を励起している状態で、制御信号Ｓ１０３が第１光記憶素子２０ａに到達する。制御信号Ｓ１０３が第１光記憶素子２０ａに到達すると、第１記憶素子２０ａでは、光共振器と光導波路のカップリングが解除されて第１光パルスＳ１１１ａが第１記憶素子２０ａに保持される（図５（Ｂ））。
【００５５】
第１光パルスＳ１０１ａに続いて、第２光パルスＳ１０１ｂが光バッファ装置１０に入力される。第２光パルスＳ１０１ｂは、第２〜４光記憶素子２０ｂ〜２０ｄを励起する。このとき、第１記憶素子２０ａは、制御光Ｓ１０３の存在によりカップリングが解除されているため、第２光パルスＳ１０１ｂでは励起されない。
【００５６】
１つの光記憶素子に入力された制御光Ｓ１０３が、隣の光記憶素子に入力されるまでの時間が、信号光の光パルスの周期τに等しい（Ｌｓ／Ｖｃ＝τ）ので、第２光パルスＳ１０１ｂが第２〜４記憶素子２０ｂ〜２０ｄを励起している状態で、制御信号Ｓ１０３が第２光記憶素子２０ｂに到達する。制御信号Ｓ１０３が、第２記憶素子２０ｂに到達すると、第２記憶素子では、光共振器２４と光導波路２２のカップリングが解除されて第２光パルスＳ１０１ｂが第２記憶素子２０ｂに保持される（図６（Ａ））。
【００５７】
同様に、第３記憶素子２０ｃには、第３光パルスＳ１０１ｃが保持され、第４記憶素子２０ｄには、第４光パルスＳ１０１ｄが保持される。
【００５８】
この結果、第１〜４記憶素子２０ａ〜２０ｄにそれぞれ第１〜４光パルスＳ１１１ａ〜Ｓ１１１ｄが保持されることになる（図６（Ｂ））。
【００５９】
その後、制御光Ｓ１０３がなくなると、各光記憶素子２０ａ〜２０ｄでは、それぞれ光共振器と光導波路とのカップリングが生成され、保持されていた光パルスが順に出力される。
【００６０】
先ず、第１光記憶素子２０ａにおいて、制御光Ｓ１０３がなくなると、第１光記憶素子２０ａで、カップリングが生成され、第１光パルスＳ１１２ａが出力される（図７（Ａ））。
【００６１】
次に、時刻τ（＝Ｌｓ／Ｖｃ）が経過すると、第２光記憶素子２０ｂにおいて、制御光Ｓ１０３がなくなる。すると、第２光記憶素子２０ｂで、カップリングが生成され、第２光パルスＳ１１２ｂが出力される（図７（Ｂ））。
【００６２】
同様に、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄで制御光がなくなると、第３光記憶素子２０ｃ及び第４光記憶素子２０ｄでカップリングが生成され、第３光パルス及び第４光パルスが出力される。
【００６３】
この各光記憶素子から出力された光パルスは、光バッファ装置１０に入力される前の信号光の光パルスと、同じ周期τであり、制御信号Ｓ１０３の持続時間だけ遅延して光バッファ装置から出力される。
【００６４】
次に、図８を参照して、光バッファ装置の全長が、光パルスの幅に比べて無視できない場合を例にとって説明する。図８は、光バッファ装置の動作について説明するための模式図である。
【００６５】
ここでは、光バッファ装置が備える光記憶素子２０の個数をＮ個として、信号光が有するＮ個の光パルスＳ１０１−１〜Ｎが入力されるものとする。
【００６６】
この例では、各光パルスは、Ｎ個の記憶素子を順次に伝播して、それぞれ光共振器を励起していく。ここでは、信号光の出力側から入力側に向かって、第１〜Ｎ光記憶素子２０−１〜Ｎが順次に並んでいるものとする。すなわち、光バッファ装置に入力された信号光は、第Ｎ光記憶素子２０−Ｎ、第Ｎ−１光記憶素子２０−（Ｎ−１）、…、第２光記憶素子２０−２及び第１光記憶素子２０−１をこの順に通過して、光バッファ装置から出力される。
【００６７】
光路１５に沿ってＸ軸をとり、信号光Ｓ１０１の伝播方向を正の方向とする。第１〜Ｎ光記憶素子２０が設けられるＸ軸上の位置を、それぞれＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）とする。なお、第Ｎ光記憶素子２０−Ｎの位置を、Ｘ軸の原点とする。すなわちＳ（Ｎ）＝０とする。
【００６８】
初期状態（時刻ｔ＝０）では、第１光パルスＳ１０１−１がＸ軸の原点にあり、第２〜Ｎ光パルスＳ１０１−２〜Ｎは、Ｘ軸の負の方向に向かってそれぞれＳｐの間隔で順次に並んでいるものとする。また、制御光Ｓ１０３の先頭はＳ（０）にあるものとする。
【００６９】
光バッファ装置の外部での信号光Ｓ１０１及び制御光Ｓ１０３の速度を、それぞれＶｓ０及びＶｃ０とする。また、光バッファ装置の内部での信号光Ｓ１０１及び制御光Ｓ１０３の速度をそれぞれＶｓ及びＶｃとする。
【００７０】
制御光Ｓ１０３が第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間ｔｃ（Ｊ）は、以下の式（３）で与えられる。
【００７１】
【数３】
【００７２】
一方、第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊが第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間ｔｓ（Ｊ）は、以下の式（４）で与えられる。
【００７３】
【数４】
【００７４】
第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊと制御光Ｓ１０３が同時に第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達すると、すなわち、ｔｃ（Ｊ）とｔｓ（Ｊ）が一致すると、第Ｊ光パルスＳ１０１−Ｊは第Ｊ記憶素子２０−Ｊに保持される。そこで、ｔｃ（Ｊ）＝ｔｓ（Ｊ）を用いて、式（３）と式（４）を変形すると、以下の式（５）が得られる。なお、ここで、Ｓ（Ｎ）＝０としている。
【００７５】
【数５】
【００７６】
この式（５）でＪ＝１とすると、以下の式（６）が得られる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
従って、式（５）及び式（６）から、以下の、式（７）が得られる。
【００７９】
【数７】
【００８０】
次に、式（７）について、Ｊ＝Ｎとすると、Ｓ（Ｎ）＝０なので、以下の式（８）が得られる。
【００８１】
【数８】
【００８２】
従って、式（７）及び式（８）から、第Ｊ記憶素子２０−ＪのＸ座標Ｓ（Ｊ）は、以下の式（９）で与えられる。
【００８３】
【数９】
【００８４】
式（９）から、各光記憶素子の配置は、光路１５に沿って、等間隔Ｌｓ（＝Ｓｐ／Ｖｓ０／（１／Ｖｓ＋１／Ｖｃ））で良いことがわかる。ここで、信号光の伝播時間をτｓ（＝Ｌｓ／Ｖｓ）、制御光の伝播時間をτｃ（＝Ｌｓ／Ｖｃ）とすると、式（９）は以下の式（１０）で表すことができる。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
制御光Ｓ１０３の速度Ｖｃが、信号光の速度Ｖｓよりも十分小さければ（Ｖｃ＜＜Ｖｓ）、式（９）から、Ｓ（Ｊ）＝（Ｎ−Ｊ）×τＶｃとなる。従って、素子全長は、制御光の速度が小さいほど、短くできる。
【００８７】
逆に、信号光Ｓ１０１の速度Ｖｓが、制御光Ｓ１０３の速度Ｖｃよりも十分小さい場合（Ｖｓ＜＜Ｖｃ）であっても、式（９）から、Ｓ（Ｊ）＝（Ｎ−Ｊ）×τＶｓとなるので、素子全長は、信号光Ｓ１０１の速度が小さいほど、短くできる。
【００８８】
第Ｊ記憶素子２０−Ｊに到達する時間は、第Ｊ光パルスはｔ＝（Ｊ−１）τ＋（Ｎ−Ｊ）τｓであり、制御光Ｓ１０３はτ＝τｃ０＋（Ｊ−１）τｃである。ここで、τは素子外での光パルスの間隔、τｓは信号光に対する記憶素子間の伝播時間、τｃは制御光の伝播時間である。
【００８９】
この両式について、Ｊ＝１及びＪ＝Ｎの場合をそれぞれ計算すると、（Ｎ−Ｊ）τｓ＝τｃ０と、τ＝τｃ０＋τｃが得られる。信号光に対して、素子全長が無視できる場合は、τｓ＝０と近似できるので、この場合、τ＝ｔｃが近似的に成立する。
【００９０】
書き出し時には、τｃの間隔で信号光パルスが生成されるので、元のパルス間隔τを素子内で生成するときは、両者をできるだけ近づける必要がある。素子終端で再生信号が出力されるのは、時刻ｔが以下の式（１１）で与えられるときである。
【００９１】
【数１１】
【００９２】
従って、素子終端では元のパルス間隔τで光信号が再生できる。
【００９３】
上述したように、この発明の光バッファ装置によれば、信号光と制御光が伝播する光路上に複数の光記憶素子を備えて構成されていて、これらの光記憶素子には、信号光と制御光とが逆方向から入力される。これらの光記憶素子として、光共振器又は電磁誘導透明化材料を用いると、制御光の入力の有無により、光記憶素子に光を保持するか否かの制御が可能になる。
【００９４】
この結果、信号光としての光パルスを、光パルスごとに光記憶素子に書き込み又は読み出すことができる。このとき、光記憶素子をｎ個並列に設けていれば、ｎ個の光記憶素子はそれぞれ異なる光パルスを保持できるので、ｎビットの情報を保持できる。また、例えば、制御光が入力されているときに、光記憶素子が光パルスを保持し、制御光が入力されていないときは、光パルスを保持しない構成にすれば、制御光の持続時間に応じた任意の遅延量を与えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】この発明の光バッファ装置の模式図である。
【図２】光共振器を用いた光記憶素子の模式図である。
【図３】ＥＩＴ材料における群速度制御のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】光遅延素子の構成例を説明するための模式図である。
【図５】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（１）である。
【図６】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（２）である。
【図７】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（３）である。
【図８】光バッファ装置の動作について説明するための模式図（４）である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 光バッファ装置
２０ 光記憶素子
２２ 光導波路
２４ 光共振器
３０ 光遅延素子
３２ 第１波長フィルタ
３４ 第１光路
３６ 第２光路
３８ 第２波長フィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置された、光を保持可能な複数の光記憶素子と、
隣接する前記光記憶素子の間にそれぞれ設けられ、前記信号光と前記制御光に異なる遅延を与える光遅延素子と
を備えることを特徴とする光バッファ装置。
【請求項２】
前記光記憶素子は、
前記信号光及び前記制御光が伝播する光導波路と、
該光導波路と近接して設けられた光共振器と
を備え、
前記制御光の入力の有無に応じて、前記光導波路及び前記光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる
ことを特徴とする請求項１に記載の光バッファ装置。
【請求項３】
前記光記憶素子は、電磁誘導透明化材料を用いて構成され、
前記制御光の入力の有無に応じて、電磁誘導透明化材料が透明又は不透明になる
ことを特徴とする請求項１に記載の光バッファ装置。
【請求項４】
前記光遅延素子を、フォトニック結晶を用いて構成する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光バッファ装置。
【請求項５】
前記光遅延素子は、
第１波長フィルタと、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタと前記第２波長フィルタの間に、光路長が異なる第１光路及び第２光路とを備え、
前記信号光が前記第１光路を伝播し、及び、前記制御光が前記第２光路を伝播する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光バッファ装置。
【請求項１】
信号光及び制御光が互いに逆方向に伝播する光路上に並べて配置された、光を保持可能な複数の光記憶素子と、
隣接する前記光記憶素子の間にそれぞれ設けられ、前記信号光と前記制御光に異なる遅延を与える光遅延素子と
を備えることを特徴とする光バッファ装置。
【請求項２】
前記光記憶素子は、
前記信号光及び前記制御光が伝播する光導波路と、
該光導波路と近接して設けられた光共振器と
を備え、
前記制御光の入力の有無に応じて、前記光導波路及び前記光共振器の間のカップリングの生成又は解除がなされる
ことを特徴とする請求項１に記載の光バッファ装置。
【請求項３】
前記光記憶素子は、電磁誘導透明化材料を用いて構成され、
前記制御光の入力の有無に応じて、電磁誘導透明化材料が透明又は不透明になる
ことを特徴とする請求項１に記載の光バッファ装置。
【請求項４】
前記光遅延素子を、フォトニック結晶を用いて構成する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光バッファ装置。
【請求項５】
前記光遅延素子は、
第１波長フィルタと、第２波長フィルタと、前記第１波長フィルタと前記第２波長フィルタの間に、光路長が異なる第１光路及び第２光路とを備え、
前記信号光が前記第１光路を伝播し、及び、前記制御光が前記第２光路を伝播する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光バッファ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１９８８９７（Ｐ２００９−１９８８９７Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４１７０８（Ｐ２００８−４１７０８）
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２２日（２００８．２．２２）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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