光フリップフロップ回路
【課題】 本発明は、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光フリップフロップ回路を提供することを目的とする。
【解決手段】 常にベース光を入力される第１の導波路と、第１、第２の共振モードを持ち第１の導波路から第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、第１の制御光が入力されずベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、第３、第４の共振モードを持ち第１の導波路から第３の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、第２の制御光が入力されずベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を有する。
【解決手段】 常にベース光を入力される第１の導波路と、第１、第２の共振モードを持ち第１の導波路から第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、第１の制御光が入力されずベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、第３、第４の共振モードを持ち第１の導波路から第３の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、第２の制御光が入力されずベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フリップフロップ回路に関し、光入力に応じて光出力が切り替わる光フリップフロップ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術において、その潜在能力を全て引き出すには、構築したシステムの全光化が必要とされる。光のみを用いて駆動する記憶素子の実現も、そうした要求事項の一つである。
【０００３】
光フリップフロップ回路は光記憶素子の実現の一つの目安であり、光フリップフロップ回路が実現すれば、電子回路におけるフリップフロップ同様、スタティックＲＡＭに相当する光素子や、より高度な機能を持つ光素子の実現が可能である。
【０００４】
これまでに報告されている光フリップフロップ回路としては、例えば非特許文献１に記載の光フリップフロップがある。この光フリップフロップは、図１に示すように、２個のエタロン共振器１，２と、光ファイバ３〜７によって構成される。エタロン共振器１，２は光双安定状態を持つ素子であり、前後にＧＲＩＮ（屈折率分布）レンズ８を有している。光ファイバ３，４からエタロン共振器１，２に供給される同一波長の入力光Ａｉｎ，Ｂｉｎの光強度が小さいとき、エタロン共振器１，２はともに光遮断状態であり、光ファイバ６，７から光出力はされない。
【０００５】
ここで、入力光Ａｉｎとして光強度が大きい光パルスが入来すると、エタロン共振器１は光導通状態となり、光ファイバ６から光出力Ａｏｕｔが出力される。また、エタロン共振器２は光遮断状態であるので入力光Ｂｉｎはエタロン共振器２で反射され、光ファイバ５を通してエタロン共振器１に供給されており、入力光Ａｉｎが小さくなっても入力光ＡｉｎとＢｉｎの和によってエタロン共振器１は光導通状態を維持する。
【０００６】
この後、入力光Ｂｉｎとして光強度が大きい光パルスが入来すると、エタロン共振器２は光導通状態となり、光ファイバ７から光出力Ｂｏｕｔが出力される。また、エタロン共振器２で入力光Ｂｉｎが反射されないために、エタロン共振器１に供給される入力光はＡｉｎだけとなってエタロン共振器１は光遮断状態に遷移し、光ファイバ６からの光出力が停止される。また、エタロン共振器１は光遮断状態であるので入力光Ａｉｎはエタロン共振器１で反射され、光ファイバ５を通してエタロン共振器２に供給され、入力光Ｂｉｎが小さくなっても入力光ＡｉｎとＢｉｎの和によってエタロン共振器２は光導通状態を維持する。
【非特許文献１】Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｔｓｕｄａ ａｎｄ Ｔａｋａｓｈｉ Ｋｕｒｏｋａｗａ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５５，１９９０，ｐｐ１７２４−１７２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に記載の光フリップフロップは、２つの問題を有している。第１の問題は、ＧＲＩＮレンズ付きの２つのエタロン共振器と光ファイバで構成されるためにサイズが大きく動作速度が遅いということである。
【０００８】
第２の問題は、光双安定を示すエタロン共振器を光遮断状態から光導通状態に遷移させるために大きな光強度の光パルスが必要となることである。また、２つの状態を異なる入力ポートから入力される同一波長の光によって制御するため、何らかの方法でこの２つの入力光を分離する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光フリップフロップ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光フリップフロップ回路は、常にベース光を入力される第１の導波路と、
第１、第２の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、前記第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第１の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、
第３、第４の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第３の共振モードの共振波長である前記ベース光を入力されると共に、前記第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第２の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を有することにより、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となる。
【００１１】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器に前記第１の制御光を入力する第２の導波路と、
前記第２の光共振器に前記第２の制御光を入力する第３の導波路と、
前記第１の光共振器から第１の出力光を出力する第４の導波路と、
前記第２の光共振器から前記第１の出力光を反転した第２の出力光を出力する第５の導波路を有することができる。
【００１２】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の制御光を排出する第６の導波路を有することができる。
【００１３】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器の第１の共振モードと前記第２の光共振器の第３の共振モードは空間対称性が異なることにより、第１、第２の光共振器が同時にオン状態になり、または、点滅する現象を防止できる。
【００１４】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器と、前記第１乃至第６の導波路は、フォトニック結晶上に形成されることにより、サイズを小型化できる。
【００１５】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器は、幅調整欠陥光共振器であり、
前記第１の導波路は、線欠陥導波路であり、
前記第２、第３の導波路は、部分幅寄せ線欠陥導波路であり、
前記第４、第５の導波路は、横奇モード導波路であることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
＜本発明の原理＞
図２は、本発明の光フリップフロップ回路の原理構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つように配置されている。
【００１９】
光共振器ＣＶＲは２つの共振モードＣＶＲＨ（共振波長λＲ：第２の共振モード），ＣＶＲＬ（共振波長λＢ：第１の共振モード）を持ち、光共振器ＣＶＳは２つの共振モードＣＶＳＨ（共振波長λＳ：第４の共振モード），ＣＶＳＬ（共振波長λＢ：第３の共振モード）を持つように設計する。
【００２０】
ここで、図３の波長スペクトルに示すように、共振モードＣＶＲＬとＣＶＳＬは共振波長が互いに同一、または、非常に近い波長となるように設計し、また、共振モードＣＶＲＨとＣＶＳＨは互いにモードが干渉しないように設計する。即ち、共振モードＣＶＲＨとＣＶＳＨは波長が異なるように設計する、もしくは、互いに空間対称性の異なるモードを使い、かつ、互いに結合しないように配置する。
【００２１】
この光共振器対に共通となる導波路ＷＧＢには、常に出力信号の元となる共通の光Ｂ（波長λＢ＋△λＢ）を入力する。光Ｂは光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳいずれに対しても、「オフ状態の光共振器をオンにすることはできないが、オン状態の光共振器をオンに保つことができる。しかし、半分の強度ではオン状態の光共振器もオンに保つことができない。」程度の強度の入力レベルを持つ。
【００２２】
ここで、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳそれぞれの光Ｂ以外の共振モードに対し、制御光パルスを設定する。光共振器ＣＶＲに対し制御光ＣＲ（波長λＲ＋△λＲ）を設定し、光共振器ＣＶＳに対し制御光ＣＳ（波長λＳ＋△λＳ）を設定する。制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれの光強度は、図４に示すように、制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれだけ、もしくは光Ｂと合波して、対応する光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの状態をオンにすることができるものとする。
【００２３】
光共振器ＣＶＲがオンの状態の時に光共振器ＣＶＳに制御光ＣＳを入力すると、光共振器ＣＶＳはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＲはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＲに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＳに入射される。この時点で制御光ＣＳのパルスが終了しても光共振器ＣＶＳはオン状態を保つ。
【００２４】
制御光ＣＲに対しても同様である。光共振器ＣＶＳがオンの状態の時に光共振器ＣＶＲに制御光ＣＲを入力すると、光共振器ＣＶＲはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＳはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＳに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＲに入射される。この時点で制御光ＣＲのパルスが終了しても光共振器ＣＶＲはオン状態を保つ。
【００２５】
これにより、この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）は最後に制御光パルスが入力された側の光共振器のみがオン状態となり、光Ｂを出力信号とした光ＳＲ（セット、リセット）型フリップフロップ動作が可能となり、る。
【００２６】
＜本発明の構成＞
図５は、本発明の光フリップフロップ回路の第１実施形態の構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つようにそれぞれの一端を近接させて配置されている。また、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲの他端は結合しないように離間されている。
【００２７】
光共振器ＣＶＲの他端と結合するように制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲと反転出力光ＱＢを出力する導波路ＷＧＱＢが配置されている。また、光共振器ＣＶＳの他端と結合するように制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳと出力光Ｑを出力する導波路ＷＧＱが配置されている。
【００２８】
制御光ＣＳ，ＣＲそれぞれは光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲで反射されて入力側の導波路ＷＧＳ，ＷＧＲに戻っても良く、導波路ＷＧＱとＷＧＱＢをドレイン（排出口）として動作しても良い。
【００２９】
図６は、本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つようにそれぞれの一端を近接させて配置されている。また、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲは近接して平行に配置されている。
【００３０】
光共振器ＣＶＲの他端と結合するように制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲと反転した出力光ＱＢを出力する導波路ＷＧＱＢが配置されている。また、光共振器ＣＶＳの他端と結合するように制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳと出力光Ｑを出力する導波路ＷＧＱが配置されている。
【００３１】
光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲは共振モードの空間対称性を異ならせて共振モードＣＶＲＬ，ＣＶＳＬのモード結合を抑制している。共振モードＣＶＳＬとＣＶＲＬが強く結合している場合には、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲが両方同時にオン状態になり、または、点滅する現象の発生のおそれがあるが、共振モードＣＶＲＬ，ＣＶＳＬのモード結合を抑制することで、上記現象の発生を抑えることができる。
【００３２】
制御光ＣＳ，ＣＲそれぞれは光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲで反射されて入力側の導波路ＷＧＳ，ＷＧＲに戻っても良く、導波路ＷＧＱとＷＧＱＢをドレインとして動作しても良い。
【００３３】
更に、図６の変形例として、図７に示すように、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの他端と結合するように、導波路ＷＧＤを配置し、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後に制御光ＣＳ，ＣＲを導波路ＷＧＤに排出する構成としても良い。
【００３４】
＜本発明の動作＞
図６の回路動作について説明する。光共振器ＣＶＲは２つの共振モードＣＶＲＨ（共振波長λＲ），ＣＶＲＬ（共振波長λＢ）を持ち、光共振器ＣＶＳは２つの共振モードＣＶＳＨ（共振波長λＳ），ＣＶＳＬ（共振波長λＢ）を持つように設計する。
【００３５】
ここで共振モードＣＶＲＬとＣＶＳＬは共振波長が互いに同じで、空間対称性が異なる（図中では位相関係が（＋ ＋）と（＋ −））なるようにする。この設計により光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳは互いに直接結合しない。
【００３６】
この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）に共通となる導波路ＷＧＢから、常に共通の光Ｂ（波長λＢ＋△λＢ）を入力する。光Ｂは光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳのいずれに対しても、「オフ状態の光共振器をオンにすることはできないが、オン状態の光共振器をオンに保つことができる。しかし、半分の強度ではオン状態の光共振器もオンに保つことができない。」程度の強度の入力レベルを持つ。
【００３７】
ここで、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳそれぞれの光Ｂ以外の共振モードに対し、制御光パルスを設定する。光共振器ＣＶＲに対し制御光ＣＲ（波長λＲ＋△λＲ）を設定し、ＣＶＳに対し制御光ＣＳ（波長λＳ＋△λＳ）を設定する制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれの光強度は、図４に示すように、制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれだけ、もしくは光Ｂと合波して、対応する光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの状態をオンにすることができるものとする。
【００３８】
光共振器ＣＶＲがオンの状態の時に光共振器ＣＶＳに制御光ＣＳを入力すると、光共振器ＣＶＳはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＲはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＲに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＳに入射される。この時点で制御光ＣＳのパルスが終了しても光共振器ＣＶＳはオン状態を保つ。
【００３９】
制御光ＣＲに対しても同様である。光共振器ＣＶＳがオンの状態の時に光共振器ＣＶＲに制御光ＣＲを入力すると、光共振器ＣＶＲはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＳはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＳに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＲに入射される。この時点で制御光ＣＲのパルスが終了しても光共振器ＣＶＲはオン状態を保つ。
【００４０】
これにより、この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）は最後に制御光パルスが入力された側の光共振器のみがオン状態となり、光Ｂを出力信号とした光ＳＲ（セット、リセット）型フリップフロップ動作が可能となる。
【００４１】
＜光共振器対の実施形態＞
図８（Ａ）は、光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）の一実施形態の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶１１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ１２に、三角格子状の低屈折率媒質である空気孔１３を設けたものである。なお、空気孔１３は空気に限らず、スラブ１２の材料より低屈折率のガラスやポリマー等の材料で埋めても良く、以下、単に「空気孔」という。
【００４２】
光共振器（ＣＶＲ）１５，光共振器（ＣＶＳ）１６それぞれは、Ｙ軸方向に連続する７個の空気孔１３を除去した線欠陥を基本とし、Ｙ軸方向の両端に接する空気孔１４ａ，１４ｂを線欠陥から離すように０．１５ａずらし、直径を０．３ａとしている。なお、ａは格子定数である。更に、光共振器（ＣＶＲ）１５，光共振器（ＣＶＳ）１６の共振モードの波長をずらすため、線欠陥のＸ軸方向両側に隣接する空気孔列の各空気孔位置をＸ軸方向に（線欠陥中心に近づける向きを−とし、線欠陥中心から遠ざける向きを＋とする）にシフトする。つまり、光共振器１５，１６は幅調整７点欠陥光共振器である。
【００４３】
図９に、シフト量を変化させたときの共振モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３それぞれの共振波長の計算結果を実線Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３で示す。ここで、共振モードＭ１（例えば縦奇モード）と共振モードＭ３（例えば縦奇モード）は空間対称性が同じであり、共振モードＭ１，Ｍ３（例えば縦奇モード）と共振モードＭ２（例えば縦偶モード）は空間対称性が異なっている。
【００４４】
図９の計算結果を基にして、光共振器（ＣＶＳ）１６はシフト量−０．０２ａとして共振モードＭ１，Ｍ３の共振波長を利用し、光共振器（ＣＶＲ）１５はシフト量＋０．０１８ａとして共振モードＭ２，Ｍ３の共振波長を利用する。
【００４５】
図８（Ｂ）は光共振器（ＣＶＳ）１６内で励振した場合の磁界パワー分布を示し、図８（Ｃ）は光共振器（ＣＶＲ）１５内で励振した場合の磁界パワー分布を示す。なお、磁界パワー分布の単位は、磁界パワーの振幅の相対値［Ａ２／ｍ２］である。
【００４６】
図８（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ同じ波長（≒１６２０ｎｍ）で異なる空間対称性となる。つまり、図８（Ｂ）は縦奇モード、図８（Ｃ）は縦偶モードであり、一方の光共振器ＣＶＳ（またはＣＶＲ）で励起した場合に、他方の光共振器ＣＶＲ（またはＣＶＳ）は励起されていないことが判る。
【００４７】
＜フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路＞
図１０は、フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の一実施形態の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶２１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ２２に、三角格子状の低屈折率媒質である空気孔２３を設けたものである。
【００４８】
光共振器（ＣＶＲ）２５，光共振器（ＣＶＳ）２６それぞれは、図８（Ａ）に示す構成であり、Ｙ軸方向に連続する７個の空気孔２３を除去した線欠陥を基本とし、Ｙ軸方向の両端に接する空気孔２４ａ，２４ｂを線欠陥から離す向きに０．１５ａずらし、直径を０．３ａとし、更に、線欠陥のＸ軸方向両側に隣接する空気孔列の各空気孔位置をＸ軸方向にシフトしている。光共振器（ＣＶＳ）２６はシフト量−０．０２ａとし、光共振器（ＣＶＲ）２５はシフト量＋０．０１８ａとしている。
【００４９】
線欠陥導波路２７は光共振器２５，２６にベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢである。線欠陥導波路２７は、Ｙ軸方向に延在して光共振器２５，２６の一端に対し共通の結合端を持つように一端を近接させて配置されている。線欠陥導波路は、フォトニック結晶の配列方向のΓＫ軸と重なるＹ軸方向に延在する一列もしくは複数列の空気孔を除去して構成されている。
【００５０】
部分幅寄せ線欠陥導波路２８は制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲであり、Ｙ軸方向に延在して光共振器２５の他端と結合するように一端を近接させて配置されている。部分幅寄せ線欠陥導波路２９は制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳであり、Ｙ軸方向に延在して光共振器２６の他端と結合するように一端を近接させて配置されている。部分幅寄せ線欠陥導波路は、Ｙ軸方向に延在する線欠陥導波路の最内の空気孔列及び２番目に内側の空気孔列の位置を線欠陥の中央側に幅寄せすることにより透過帯域を制御している。
【００５１】
横奇モード導波路３０，３１は、出力光ＱＢ，Ｑそれぞれを出力する導波路ＷＧＱＢ，ＷＧＱであり、フォトニック結晶２１の結晶配位方向のΓＫ軸と重なるＹ軸±６０度方向に延在し、横奇モード導波路３０，３１それぞれの一端は光共振器２５，２６の一端と結合するように近接させて配置されている。また、横奇モード導波路３０，３１それぞれの他端には出力光ＱＢ，Ｑそれぞれを出力するためのＹ軸方向に延在する線欠陥導波路３２，３３の一端が結合するように近接させて配置されている。
【００５２】
図１１に、横奇モード導波路の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶４１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ４２に三角格子状の低屈折率媒質である空気孔４３を設けたものである。導波路４４は、図面中央の結晶配位方向のΓＫ軸と重なるＹ軸方向に延在する破線で示す一列の空気孔４５を除去した線欠陥を基本とし、この線欠陥の最も内側に配位された複数の空気孔を、線欠陥の中心（Ｙ軸）を軸として対称位置にある空気孔と互いに連結させて（言い換えると、線欠陥を挟んで対向する空気孔同士を互いに連結させて）複数の連結空気孔４６を構成し、１列の連結空気孔４６にて横奇モード導波路４４を構成している。
【００５３】
横奇モード導波路４４はＸ軸方向の幅が広いため、典型的にバンドギャップ内に存在する導波モードで最も低周波数側に存在するモード（以下、基本モード）として、波長分散が逆分散となる横奇モードを持つ。なお、導波路の断面において、場の分布が横方向に奇関数的に分布しているのが横奇モードである。
【００５４】
横奇モード導波路４４の横奇モードの空間分布は、導波路中心を中心とした片側半分が従来の線欠陥導波路の基本モードの空間分布に非常に近いため、別の線欠陥導波路との接合が容易である。また、接続する線欠陥導波路は横奇モード導波路４４と直線上或いは平行線上にある必要が無く、特定の別の方向へ変更しても効率の劣化がない。
【００５５】
図１０に示す光フリップフロップ回路各部の設計値を図１２に示す。図１２において、半導体のスラブ２２の等価屈折率は２．７８とした。光共振器２５，２６は、線欠陥のＹ軸方向の両端に接する空気孔２４ａ，２４ｂは直径０．３ａとし、線欠陥から離すように０．１５ａずらしている。
【００５６】
線欠陥導波路２７の一端に隣接する空気孔２４ｃは直径０．４５ａとした。部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９それぞれで、線欠陥導波路の最内の空気孔列及び２番目に内側の空気孔列の位置を線欠陥の中央側に幅寄せする幅寄せ量Ｓは０．０６ａとした。
【００５７】
また、部分幅寄せ線欠陥導波路２８の端部に隣接する空気孔２４ｄの直径は０．４０ａとし、部分幅寄せ線欠陥導波路２９の端部に隣接する空気孔２４ｅの直径は０．２０ａとした。横奇モード導波路３０の一端に接する空気孔２４ｆの直径は０．６０ａとし、横奇モード導波路３１の一端に接する空気孔２４ｇの直径は０．５５ａとした。
【００５８】
図１３に、光共振器２５，２６それぞれと、線欠陥導波路２７，部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９，横奇モード導波路３０，３１それぞれとの間の結合の強さ（Ｑｈ）と波長を示す。図１３において、上段の数字が波長、下段の数字が対応する波長における結合の強さ（Ｑｈ）の見積である。
【００５９】
すなわち、光共振器（ＣＶＲ）２５と線欠陥導波路２７間の波長（λＢ）１６１９．３３０ｎｍのＱｈは４０００であり、波長（λＲ）１５７７．０６ｎｍのＱｈは３０００である。光共振器２５と部分幅寄せ線欠陥導波路２８間の波長（λＲ）１５７６．８７９ｎｍのＱｈは２５００〜４０００である。光共振器２５と横奇モード導波路３０間の波長（λＢ）１６１９．３５３ｎｍのＱｈは２５００〜４０００である。
【００６０】
また、光共振器（ＣＶＳ）２６と線欠陥導波路２７間の波長（λＢ）１６２０．５３７ｎｍのＱｈは２００００であり、波長（λＳ）１５６３．２９６ｎｍのＱｈは１７００である。光共振器２６と部分幅寄せ線欠陥導波路２９間の波長（λＳ）１５６３．５９５ｎｍのＱｈは３２００である。光共振器２６と横奇モード導波路３１間の波長（λＢ）１６２０．５３７ｎｍのＱｈは５０００である。
【００６１】
＜フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の動作＞
図１４に示すタイミング（１）〜（５）で線欠陥導波路２７と部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９に光Ｂと制御光ＣＳ，ＣＲを入力し、横奇モード導波路３０，３１から出力光ＱＢ，Ｑを出力する動作のシミュレーションを行った。なお、図１５に光Ｂ（一点鎖線）と制御光ＣＳ（実線）と制御光ＣＲ（破線）の磁界パワーの時間変化を示す。
【００６２】
ここでは、非線形定数に光カー効果を仮定し、非線形パラメータはχ３／ε０＝０．００１であり、電束Ｄに対しＤ＝（ε０εｒ＋χ３｜Ｅ｜２）Ｅで作用する。ここで、χ３は３次の非線型定数、ε０は真空誘電率、εｒは比誘電率、Ｅは電界である。
【００６３】
この回路構成例では、波長λＢに対する光共振器（ＣＶＳ）２６のＱｈバランスが最適化されていないため少々動作が不安定であり、これを補うため光Ｂにはクロック信号に相当する変調を上乗せしている。また、光Ｂの波長は１６２３．９ｎｍ、制御光ＣＳの波長は１５６５．９３４ｎｍ、制御光ＣＲの波長は１５８０．５３２ｎｍとした。
【００６４】
図１６及び図１７に２次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーション結果を示す。図１６では、出力光ＱＢを実線で示し、出力光Ｑを破線で示す。
【００６５】
図１７（Ａ）は初期状態の時刻Ｔａにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｂ）は初期状態から制御光ＣＳが入力された時刻Ｔｂにおける磁界パワー分布を表している。図１７（Ｃ）は出力光Ｑ＝１となった状態の時刻Ｔｃにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｄ）は制御光ＣＲが入力された時刻Ｔｄにおける磁界パワー分布を表している。
【００６６】
また、図１７（Ｅ）は出力光Ｑ＝０となった状態の時刻Ｔｅにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｆ）は制御光ＣＳが入力された時刻Ｔｆにおける磁界パワー分布を表し、更に、図１７（Ｇ）は出力光Ｑ＝１となった状態の時刻Ｔｇにおける磁界パワー分布を表している。なお、図１７における磁界パワーの大きさの指標は図８に示すものと同一である。上記の図１６及び図１７から光ＳＲ型フリップフロップの動作がなされていることがわかる。
【００６７】
このように、２次元フォトニック結晶をベースとする２次元光回路内で波長の異なる光Ｂ、制御光ＣＳ，ＣＲを伝搬させるため、サイズを小型化でき、かつ、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、また、波長が多重化された光回路を実現することができ、素子のモノリシック集積、カスケード接続等が可能であり、極めて微少で大規模な、光回路、光ロジック、光メモリを構成することが可能となる。
【００６８】
なお、導波路ＷＧＢが請求項記載の第１の導波路に相当し、光共振器ＣＶＲが第１の光共振器に相当し、ＣＶＳが第２の光共振器に相当し、導波路ＷＧＲが第２の導波路に相当し、導波路ＷＧＳが第３の導波路に相当し、導波路ＷＧＱＢが第４の導波路に相当し、導波路ＷＧＱが第５の導波路に相当し、導波路ＷＧＤが第６の導波路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の光フリップフロップの一例の構成図である。
【図２】本発明の光フリップフロップ回路の原理構成図である。
【図３】光共振器の波長スペクトルを示す図である。
【図４】制御光の光強度と光共振器の状態の関係を示す図である。
【図５】本発明の光フリップフロップ回路の第１実施形態の構成図である。
【図６】本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の構成図である。
【図７】本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の変形例の構成図である。
【図８】光共振器対の構成図及び磁界パワー分布を示す図である。
【図９】光共振器におけるシフト量と共振波長の関係を示す図である。
【図１０】フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の一実施形態の構成図である。
【図１１】横奇モード導波路の構成図である。
【図１２】光フリップフロップ回路各部の設計値を示す図である。
【図１３】各光共振器と各導波路間の結合の強さと波長の値を示す図である。
【図１４】光フリップフロップ回路の光入力と光出力のタイミングを示す図である。
【図１５】光Ｂと制御光ＣＳ，ＣＲの磁界パワーの時間変化を示す図である。
【図１６】出力光のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】図１６の各時刻における磁界パワー分布を表す図である。
【符号の説明】
【００７０】
ＣＶＳ セット回路用の光共振器
ＣＶＲ リセット回路用の光共振器
ＷＧＢ 光Ｂを入力する導波路
ＷＧＲ 制御光ＣＲを入力する導波路
ＷＧＱＢ 出力光ＱＢを出力する導波路
ＷＧＱ 出力光Ｑを出力する導波路
ＷＧＤ 制御光ＣＳ，ＣＲを導波路
２１ 三角格子空気孔２次元フォトニック結晶
２２ スラブ
２３ 空気孔
２５，２６ 光共振器
２７，３２，３３ 線欠陥導波路
２８，２９ 部分幅寄せ線欠陥導波路
３０，３１ 横奇モード導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フリップフロップ回路に関し、光入力に応じて光出力が切り替わる光フリップフロップ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信技術において、その潜在能力を全て引き出すには、構築したシステムの全光化が必要とされる。光のみを用いて駆動する記憶素子の実現も、そうした要求事項の一つである。
【０００３】
光フリップフロップ回路は光記憶素子の実現の一つの目安であり、光フリップフロップ回路が実現すれば、電子回路におけるフリップフロップ同様、スタティックＲＡＭに相当する光素子や、より高度な機能を持つ光素子の実現が可能である。
【０００４】
これまでに報告されている光フリップフロップ回路としては、例えば非特許文献１に記載の光フリップフロップがある。この光フリップフロップは、図１に示すように、２個のエタロン共振器１，２と、光ファイバ３〜７によって構成される。エタロン共振器１，２は光双安定状態を持つ素子であり、前後にＧＲＩＮ（屈折率分布）レンズ８を有している。光ファイバ３，４からエタロン共振器１，２に供給される同一波長の入力光Ａｉｎ，Ｂｉｎの光強度が小さいとき、エタロン共振器１，２はともに光遮断状態であり、光ファイバ６，７から光出力はされない。
【０００５】
ここで、入力光Ａｉｎとして光強度が大きい光パルスが入来すると、エタロン共振器１は光導通状態となり、光ファイバ６から光出力Ａｏｕｔが出力される。また、エタロン共振器２は光遮断状態であるので入力光Ｂｉｎはエタロン共振器２で反射され、光ファイバ５を通してエタロン共振器１に供給されており、入力光Ａｉｎが小さくなっても入力光ＡｉｎとＢｉｎの和によってエタロン共振器１は光導通状態を維持する。
【０００６】
この後、入力光Ｂｉｎとして光強度が大きい光パルスが入来すると、エタロン共振器２は光導通状態となり、光ファイバ７から光出力Ｂｏｕｔが出力される。また、エタロン共振器２で入力光Ｂｉｎが反射されないために、エタロン共振器１に供給される入力光はＡｉｎだけとなってエタロン共振器１は光遮断状態に遷移し、光ファイバ６からの光出力が停止される。また、エタロン共振器１は光遮断状態であるので入力光Ａｉｎはエタロン共振器１で反射され、光ファイバ５を通してエタロン共振器２に供給され、入力光Ｂｉｎが小さくなっても入力光ＡｉｎとＢｉｎの和によってエタロン共振器２は光導通状態を維持する。
【非特許文献１】Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｔｓｕｄａ ａｎｄ Ｔａｋａｓｈｉ Ｋｕｒｏｋａｗａ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５５，１９９０，ｐｐ１７２４−１７２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に記載の光フリップフロップは、２つの問題を有している。第１の問題は、ＧＲＩＮレンズ付きの２つのエタロン共振器と光ファイバで構成されるためにサイズが大きく動作速度が遅いということである。
【０００８】
第２の問題は、光双安定を示すエタロン共振器を光遮断状態から光導通状態に遷移させるために大きな光強度の光パルスが必要となることである。また、２つの状態を異なる入力ポートから入力される同一波長の光によって制御するため、何らかの方法でこの２つの入力光を分離する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光フリップフロップ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光フリップフロップ回路は、常にベース光を入力される第１の導波路と、
第１、第２の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、前記第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第１の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、
第３、第４の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第３の共振モードの共振波長である前記ベース光を入力されると共に、前記第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第２の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を有することにより、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となる。
【００１１】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器に前記第１の制御光を入力する第２の導波路と、
前記第２の光共振器に前記第２の制御光を入力する第３の導波路と、
前記第１の光共振器から第１の出力光を出力する第４の導波路と、
前記第２の光共振器から前記第１の出力光を反転した第２の出力光を出力する第５の導波路を有することができる。
【００１２】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の制御光を排出する第６の導波路を有することができる。
【００１３】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器の第１の共振モードと前記第２の光共振器の第３の共振モードは空間対称性が異なることにより、第１、第２の光共振器が同時にオン状態になり、または、点滅する現象を防止できる。
【００１４】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器と、前記第１乃至第６の導波路は、フォトニック結晶上に形成されることにより、サイズを小型化できる。
【００１５】
また、前記光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器は、幅調整欠陥光共振器であり、
前記第１の導波路は、線欠陥導波路であり、
前記第２、第３の導波路は、部分幅寄せ線欠陥導波路であり、
前記第４、第５の導波路は、横奇モード導波路であることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
＜本発明の原理＞
図２は、本発明の光フリップフロップ回路の原理構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つように配置されている。
【００１９】
光共振器ＣＶＲは２つの共振モードＣＶＲＨ（共振波長λＲ：第２の共振モード），ＣＶＲＬ（共振波長λＢ：第１の共振モード）を持ち、光共振器ＣＶＳは２つの共振モードＣＶＳＨ（共振波長λＳ：第４の共振モード），ＣＶＳＬ（共振波長λＢ：第３の共振モード）を持つように設計する。
【００２０】
ここで、図３の波長スペクトルに示すように、共振モードＣＶＲＬとＣＶＳＬは共振波長が互いに同一、または、非常に近い波長となるように設計し、また、共振モードＣＶＲＨとＣＶＳＨは互いにモードが干渉しないように設計する。即ち、共振モードＣＶＲＨとＣＶＳＨは波長が異なるように設計する、もしくは、互いに空間対称性の異なるモードを使い、かつ、互いに結合しないように配置する。
【００２１】
この光共振器対に共通となる導波路ＷＧＢには、常に出力信号の元となる共通の光Ｂ（波長λＢ＋△λＢ）を入力する。光Ｂは光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳいずれに対しても、「オフ状態の光共振器をオンにすることはできないが、オン状態の光共振器をオンに保つことができる。しかし、半分の強度ではオン状態の光共振器もオンに保つことができない。」程度の強度の入力レベルを持つ。
【００２２】
ここで、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳそれぞれの光Ｂ以外の共振モードに対し、制御光パルスを設定する。光共振器ＣＶＲに対し制御光ＣＲ（波長λＲ＋△λＲ）を設定し、光共振器ＣＶＳに対し制御光ＣＳ（波長λＳ＋△λＳ）を設定する。制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれの光強度は、図４に示すように、制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれだけ、もしくは光Ｂと合波して、対応する光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの状態をオンにすることができるものとする。
【００２３】
光共振器ＣＶＲがオンの状態の時に光共振器ＣＶＳに制御光ＣＳを入力すると、光共振器ＣＶＳはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＲはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＲに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＳに入射される。この時点で制御光ＣＳのパルスが終了しても光共振器ＣＶＳはオン状態を保つ。
【００２４】
制御光ＣＲに対しても同様である。光共振器ＣＶＳがオンの状態の時に光共振器ＣＶＲに制御光ＣＲを入力すると、光共振器ＣＶＲはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＳはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＳに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＲに入射される。この時点で制御光ＣＲのパルスが終了しても光共振器ＣＶＲはオン状態を保つ。
【００２５】
これにより、この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）は最後に制御光パルスが入力された側の光共振器のみがオン状態となり、光Ｂを出力信号とした光ＳＲ（セット、リセット）型フリップフロップ動作が可能となり、る。
【００２６】
＜本発明の構成＞
図５は、本発明の光フリップフロップ回路の第１実施形態の構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つようにそれぞれの一端を近接させて配置されている。また、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲの他端は結合しないように離間されている。
【００２７】
光共振器ＣＶＲの他端と結合するように制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲと反転出力光ＱＢを出力する導波路ＷＧＱＢが配置されている。また、光共振器ＣＶＳの他端と結合するように制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳと出力光Ｑを出力する導波路ＷＧＱが配置されている。
【００２８】
制御光ＣＳ，ＣＲそれぞれは光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲで反射されて入力側の導波路ＷＧＳ，ＷＧＲに戻っても良く、導波路ＷＧＱとＷＧＱＢをドレイン（排出口）として動作しても良い。
【００２９】
図６は、本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の構成図を示す。同図中、セット回路用の光共振器ＣＶＳと、リセット回路用の光共振器ＣＶＲは、ベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢに対し、共通の結合端を持つようにそれぞれの一端を近接させて配置されている。また、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲは近接して平行に配置されている。
【００３０】
光共振器ＣＶＲの他端と結合するように制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲと反転した出力光ＱＢを出力する導波路ＷＧＱＢが配置されている。また、光共振器ＣＶＳの他端と結合するように制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳと出力光Ｑを出力する導波路ＷＧＱが配置されている。
【００３１】
光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲは共振モードの空間対称性を異ならせて共振モードＣＶＲＬ，ＣＶＳＬのモード結合を抑制している。共振モードＣＶＳＬとＣＶＲＬが強く結合している場合には、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲが両方同時にオン状態になり、または、点滅する現象の発生のおそれがあるが、共振モードＣＶＲＬ，ＣＶＳＬのモード結合を抑制することで、上記現象の発生を抑えることができる。
【００３２】
制御光ＣＳ，ＣＲそれぞれは光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲで反射されて入力側の導波路ＷＧＳ，ＷＧＲに戻っても良く、導波路ＷＧＱとＷＧＱＢをドレインとして動作しても良い。
【００３３】
更に、図６の変形例として、図７に示すように、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの他端と結合するように、導波路ＷＧＤを配置し、光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲをオンにした後に制御光ＣＳ，ＣＲを導波路ＷＧＤに排出する構成としても良い。
【００３４】
＜本発明の動作＞
図６の回路動作について説明する。光共振器ＣＶＲは２つの共振モードＣＶＲＨ（共振波長λＲ），ＣＶＲＬ（共振波長λＢ）を持ち、光共振器ＣＶＳは２つの共振モードＣＶＳＨ（共振波長λＳ），ＣＶＳＬ（共振波長λＢ）を持つように設計する。
【００３５】
ここで共振モードＣＶＲＬとＣＶＳＬは共振波長が互いに同じで、空間対称性が異なる（図中では位相関係が（＋ ＋）と（＋ −））なるようにする。この設計により光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳは互いに直接結合しない。
【００３６】
この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）に共通となる導波路ＷＧＢから、常に共通の光Ｂ（波長λＢ＋△λＢ）を入力する。光Ｂは光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳのいずれに対しても、「オフ状態の光共振器をオンにすることはできないが、オン状態の光共振器をオンに保つことができる。しかし、半分の強度ではオン状態の光共振器もオンに保つことができない。」程度の強度の入力レベルを持つ。
【００３７】
ここで、光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳそれぞれの光Ｂ以外の共振モードに対し、制御光パルスを設定する。光共振器ＣＶＲに対し制御光ＣＲ（波長λＲ＋△λＲ）を設定し、ＣＶＳに対し制御光ＣＳ（波長λＳ＋△λＳ）を設定する制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれの光強度は、図４に示すように、制御光ＣＲ，ＣＳそれぞれだけ、もしくは光Ｂと合波して、対応する光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳの状態をオンにすることができるものとする。
【００３８】
光共振器ＣＶＲがオンの状態の時に光共振器ＣＶＳに制御光ＣＳを入力すると、光共振器ＣＶＳはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＲ，ＣＶＳに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＲはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＲに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＳに入射される。この時点で制御光ＣＳのパルスが終了しても光共振器ＣＶＳはオン状態を保つ。
【００３９】
制御光ＣＲに対しても同様である。光共振器ＣＶＳがオンの状態の時に光共振器ＣＶＲに制御光ＣＲを入力すると、光共振器ＣＶＲはオン状態となり、光Ｂは光共振器ＣＶＳ、ＣＶＲに分配される。これにより、各光共振器ＣＶＳ，ＣＶＲに供給される光Ｂの強度は半分になるため、光共振器ＣＶＳはオフ状態になる。従って、光Ｂは光共振器ＣＶＳに供給されなくなり、光Ｂは全て光共振器ＣＶＲに入射される。この時点で制御光ＣＲのパルスが終了しても光共振器ＣＶＲはオン状態を保つ。
【００４０】
これにより、この光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）は最後に制御光パルスが入力された側の光共振器のみがオン状態となり、光Ｂを出力信号とした光ＳＲ（セット、リセット）型フリップフロップ動作が可能となる。
【００４１】
＜光共振器対の実施形態＞
図８（Ａ）は、光共振器対（ＣＶＲ，ＣＶＳ）の一実施形態の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶１１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ１２に、三角格子状の低屈折率媒質である空気孔１３を設けたものである。なお、空気孔１３は空気に限らず、スラブ１２の材料より低屈折率のガラスやポリマー等の材料で埋めても良く、以下、単に「空気孔」という。
【００４２】
光共振器（ＣＶＲ）１５，光共振器（ＣＶＳ）１６それぞれは、Ｙ軸方向に連続する７個の空気孔１３を除去した線欠陥を基本とし、Ｙ軸方向の両端に接する空気孔１４ａ，１４ｂを線欠陥から離すように０．１５ａずらし、直径を０．３ａとしている。なお、ａは格子定数である。更に、光共振器（ＣＶＲ）１５，光共振器（ＣＶＳ）１６の共振モードの波長をずらすため、線欠陥のＸ軸方向両側に隣接する空気孔列の各空気孔位置をＸ軸方向に（線欠陥中心に近づける向きを−とし、線欠陥中心から遠ざける向きを＋とする）にシフトする。つまり、光共振器１５，１６は幅調整７点欠陥光共振器である。
【００４３】
図９に、シフト量を変化させたときの共振モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３それぞれの共振波長の計算結果を実線Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３で示す。ここで、共振モードＭ１（例えば縦奇モード）と共振モードＭ３（例えば縦奇モード）は空間対称性が同じであり、共振モードＭ１，Ｍ３（例えば縦奇モード）と共振モードＭ２（例えば縦偶モード）は空間対称性が異なっている。
【００４４】
図９の計算結果を基にして、光共振器（ＣＶＳ）１６はシフト量−０．０２ａとして共振モードＭ１，Ｍ３の共振波長を利用し、光共振器（ＣＶＲ）１５はシフト量＋０．０１８ａとして共振モードＭ２，Ｍ３の共振波長を利用する。
【００４５】
図８（Ｂ）は光共振器（ＣＶＳ）１６内で励振した場合の磁界パワー分布を示し、図８（Ｃ）は光共振器（ＣＶＲ）１５内で励振した場合の磁界パワー分布を示す。なお、磁界パワー分布の単位は、磁界パワーの振幅の相対値［Ａ２／ｍ２］である。
【００４６】
図８（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ同じ波長（≒１６２０ｎｍ）で異なる空間対称性となる。つまり、図８（Ｂ）は縦奇モード、図８（Ｃ）は縦偶モードであり、一方の光共振器ＣＶＳ（またはＣＶＲ）で励起した場合に、他方の光共振器ＣＶＲ（またはＣＶＳ）は励起されていないことが判る。
【００４７】
＜フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路＞
図１０は、フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の一実施形態の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶２１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ２２に、三角格子状の低屈折率媒質である空気孔２３を設けたものである。
【００４８】
光共振器（ＣＶＲ）２５，光共振器（ＣＶＳ）２６それぞれは、図８（Ａ）に示す構成であり、Ｙ軸方向に連続する７個の空気孔２３を除去した線欠陥を基本とし、Ｙ軸方向の両端に接する空気孔２４ａ，２４ｂを線欠陥から離す向きに０．１５ａずらし、直径を０．３ａとし、更に、線欠陥のＸ軸方向両側に隣接する空気孔列の各空気孔位置をＸ軸方向にシフトしている。光共振器（ＣＶＳ）２６はシフト量−０．０２ａとし、光共振器（ＣＶＲ）２５はシフト量＋０．０１８ａとしている。
【００４９】
線欠陥導波路２７は光共振器２５，２６にベースとなる光Ｂを入力する導波路ＷＧＢである。線欠陥導波路２７は、Ｙ軸方向に延在して光共振器２５，２６の一端に対し共通の結合端を持つように一端を近接させて配置されている。線欠陥導波路は、フォトニック結晶の配列方向のΓＫ軸と重なるＹ軸方向に延在する一列もしくは複数列の空気孔を除去して構成されている。
【００５０】
部分幅寄せ線欠陥導波路２８は制御光ＣＲを入力する導波路ＷＧＲであり、Ｙ軸方向に延在して光共振器２５の他端と結合するように一端を近接させて配置されている。部分幅寄せ線欠陥導波路２９は制御光ＣＳを入力する導波路ＷＧＳであり、Ｙ軸方向に延在して光共振器２６の他端と結合するように一端を近接させて配置されている。部分幅寄せ線欠陥導波路は、Ｙ軸方向に延在する線欠陥導波路の最内の空気孔列及び２番目に内側の空気孔列の位置を線欠陥の中央側に幅寄せすることにより透過帯域を制御している。
【００５１】
横奇モード導波路３０，３１は、出力光ＱＢ，Ｑそれぞれを出力する導波路ＷＧＱＢ，ＷＧＱであり、フォトニック結晶２１の結晶配位方向のΓＫ軸と重なるＹ軸±６０度方向に延在し、横奇モード導波路３０，３１それぞれの一端は光共振器２５，２６の一端と結合するように近接させて配置されている。また、横奇モード導波路３０，３１それぞれの他端には出力光ＱＢ，Ｑそれぞれを出力するためのＹ軸方向に延在する線欠陥導波路３２，３３の一端が結合するように近接させて配置されている。
【００５２】
図１１に、横奇モード導波路の構成図を示す。同図中、三角格子空気孔２次元フォトニック結晶４１は、高屈折率媒質である半導体のスラブ４２に三角格子状の低屈折率媒質である空気孔４３を設けたものである。導波路４４は、図面中央の結晶配位方向のΓＫ軸と重なるＹ軸方向に延在する破線で示す一列の空気孔４５を除去した線欠陥を基本とし、この線欠陥の最も内側に配位された複数の空気孔を、線欠陥の中心（Ｙ軸）を軸として対称位置にある空気孔と互いに連結させて（言い換えると、線欠陥を挟んで対向する空気孔同士を互いに連結させて）複数の連結空気孔４６を構成し、１列の連結空気孔４６にて横奇モード導波路４４を構成している。
【００５３】
横奇モード導波路４４はＸ軸方向の幅が広いため、典型的にバンドギャップ内に存在する導波モードで最も低周波数側に存在するモード（以下、基本モード）として、波長分散が逆分散となる横奇モードを持つ。なお、導波路の断面において、場の分布が横方向に奇関数的に分布しているのが横奇モードである。
【００５４】
横奇モード導波路４４の横奇モードの空間分布は、導波路中心を中心とした片側半分が従来の線欠陥導波路の基本モードの空間分布に非常に近いため、別の線欠陥導波路との接合が容易である。また、接続する線欠陥導波路は横奇モード導波路４４と直線上或いは平行線上にある必要が無く、特定の別の方向へ変更しても効率の劣化がない。
【００５５】
図１０に示す光フリップフロップ回路各部の設計値を図１２に示す。図１２において、半導体のスラブ２２の等価屈折率は２．７８とした。光共振器２５，２６は、線欠陥のＹ軸方向の両端に接する空気孔２４ａ，２４ｂは直径０．３ａとし、線欠陥から離すように０．１５ａずらしている。
【００５６】
線欠陥導波路２７の一端に隣接する空気孔２４ｃは直径０．４５ａとした。部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９それぞれで、線欠陥導波路の最内の空気孔列及び２番目に内側の空気孔列の位置を線欠陥の中央側に幅寄せする幅寄せ量Ｓは０．０６ａとした。
【００５７】
また、部分幅寄せ線欠陥導波路２８の端部に隣接する空気孔２４ｄの直径は０．４０ａとし、部分幅寄せ線欠陥導波路２９の端部に隣接する空気孔２４ｅの直径は０．２０ａとした。横奇モード導波路３０の一端に接する空気孔２４ｆの直径は０．６０ａとし、横奇モード導波路３１の一端に接する空気孔２４ｇの直径は０．５５ａとした。
【００５８】
図１３に、光共振器２５，２６それぞれと、線欠陥導波路２７，部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９，横奇モード導波路３０，３１それぞれとの間の結合の強さ（Ｑｈ）と波長を示す。図１３において、上段の数字が波長、下段の数字が対応する波長における結合の強さ（Ｑｈ）の見積である。
【００５９】
すなわち、光共振器（ＣＶＲ）２５と線欠陥導波路２７間の波長（λＢ）１６１９．３３０ｎｍのＱｈは４０００であり、波長（λＲ）１５７７．０６ｎｍのＱｈは３０００である。光共振器２５と部分幅寄せ線欠陥導波路２８間の波長（λＲ）１５７６．８７９ｎｍのＱｈは２５００〜４０００である。光共振器２５と横奇モード導波路３０間の波長（λＢ）１６１９．３５３ｎｍのＱｈは２５００〜４０００である。
【００６０】
また、光共振器（ＣＶＳ）２６と線欠陥導波路２７間の波長（λＢ）１６２０．５３７ｎｍのＱｈは２００００であり、波長（λＳ）１５６３．２９６ｎｍのＱｈは１７００である。光共振器２６と部分幅寄せ線欠陥導波路２９間の波長（λＳ）１５６３．５９５ｎｍのＱｈは３２００である。光共振器２６と横奇モード導波路３１間の波長（λＢ）１６２０．５３７ｎｍのＱｈは５０００である。
【００６１】
＜フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の動作＞
図１４に示すタイミング（１）〜（５）で線欠陥導波路２７と部分幅寄せ線欠陥導波路２８，２９に光Ｂと制御光ＣＳ，ＣＲを入力し、横奇モード導波路３０，３１から出力光ＱＢ，Ｑを出力する動作のシミュレーションを行った。なお、図１５に光Ｂ（一点鎖線）と制御光ＣＳ（実線）と制御光ＣＲ（破線）の磁界パワーの時間変化を示す。
【００６２】
ここでは、非線形定数に光カー効果を仮定し、非線形パラメータはχ３／ε０＝０．００１であり、電束Ｄに対しＤ＝（ε０εｒ＋χ３｜Ｅ｜２）Ｅで作用する。ここで、χ３は３次の非線型定数、ε０は真空誘電率、εｒは比誘電率、Ｅは電界である。
【００６３】
この回路構成例では、波長λＢに対する光共振器（ＣＶＳ）２６のＱｈバランスが最適化されていないため少々動作が不安定であり、これを補うため光Ｂにはクロック信号に相当する変調を上乗せしている。また、光Ｂの波長は１６２３．９ｎｍ、制御光ＣＳの波長は１５６５．９３４ｎｍ、制御光ＣＲの波長は１５８０．５３２ｎｍとした。
【００６４】
図１６及び図１７に２次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレーション結果を示す。図１６では、出力光ＱＢを実線で示し、出力光Ｑを破線で示す。
【００６５】
図１７（Ａ）は初期状態の時刻Ｔａにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｂ）は初期状態から制御光ＣＳが入力された時刻Ｔｂにおける磁界パワー分布を表している。図１７（Ｃ）は出力光Ｑ＝１となった状態の時刻Ｔｃにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｄ）は制御光ＣＲが入力された時刻Ｔｄにおける磁界パワー分布を表している。
【００６６】
また、図１７（Ｅ）は出力光Ｑ＝０となった状態の時刻Ｔｅにおける磁界パワー分布を表し、図１７（Ｆ）は制御光ＣＳが入力された時刻Ｔｆにおける磁界パワー分布を表し、更に、図１７（Ｇ）は出力光Ｑ＝１となった状態の時刻Ｔｇにおける磁界パワー分布を表している。なお、図１７における磁界パワーの大きさの指標は図８に示すものと同一である。上記の図１６及び図１７から光ＳＲ型フリップフロップの動作がなされていることがわかる。
【００６７】
このように、２次元フォトニック結晶をベースとする２次元光回路内で波長の異なる光Ｂ、制御光ＣＳ，ＣＲを伝搬させるため、サイズを小型化でき、かつ、小さな光強度で高速の状態遷移が可能となり、また、波長が多重化された光回路を実現することができ、素子のモノリシック集積、カスケード接続等が可能であり、極めて微少で大規模な、光回路、光ロジック、光メモリを構成することが可能となる。
【００６８】
なお、導波路ＷＧＢが請求項記載の第１の導波路に相当し、光共振器ＣＶＲが第１の光共振器に相当し、ＣＶＳが第２の光共振器に相当し、導波路ＷＧＲが第２の導波路に相当し、導波路ＷＧＳが第３の導波路に相当し、導波路ＷＧＱＢが第４の導波路に相当し、導波路ＷＧＱが第５の導波路に相当し、導波路ＷＧＤが第６の導波路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の光フリップフロップの一例の構成図である。
【図２】本発明の光フリップフロップ回路の原理構成図である。
【図３】光共振器の波長スペクトルを示す図である。
【図４】制御光の光強度と光共振器の状態の関係を示す図である。
【図５】本発明の光フリップフロップ回路の第１実施形態の構成図である。
【図６】本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の構成図である。
【図７】本発明の光フリップフロップ回路の第２実施形態の変形例の構成図である。
【図８】光共振器対の構成図及び磁界パワー分布を示す図である。
【図９】光共振器におけるシフト量と共振波長の関係を示す図である。
【図１０】フォトニック結晶に構成した光フリップフロップ回路の一実施形態の構成図である。
【図１１】横奇モード導波路の構成図である。
【図１２】光フリップフロップ回路各部の設計値を示す図である。
【図１３】各光共振器と各導波路間の結合の強さと波長の値を示す図である。
【図１４】光フリップフロップ回路の光入力と光出力のタイミングを示す図である。
【図１５】光Ｂと制御光ＣＳ，ＣＲの磁界パワーの時間変化を示す図である。
【図１６】出力光のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】図１６の各時刻における磁界パワー分布を表す図である。
【符号の説明】
【００７０】
ＣＶＳ セット回路用の光共振器
ＣＶＲ リセット回路用の光共振器
ＷＧＢ 光Ｂを入力する導波路
ＷＧＲ 制御光ＣＲを入力する導波路
ＷＧＱＢ 出力光ＱＢを出力する導波路
ＷＧＱ 出力光Ｑを出力する導波路
ＷＧＤ 制御光ＣＳ，ＣＲを導波路
２１ 三角格子空気孔２次元フォトニック結晶
２２ スラブ
２３ 空気孔
２５，２６ 光共振器
２７，３２，３３ 線欠陥導波路
２８，２９ 部分幅寄せ線欠陥導波路
３０，３１ 横奇モード導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常にベース光を入力される第１の導波路と、
第１、第２の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、前記第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第１の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、
第３、第４の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第３の共振モードの共振波長である前記ベース光を入力されると共に、前記第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第２の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項２】
請求項１記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器に前記第１の制御光を入力する第２の導波路と、
前記第２の光共振器に前記第２の制御光を入力する第３の導波路と、
前記第１の光共振器から第１の出力光を出力する第４の導波路と、
前記第２の光共振器から前記第１の出力光を反転した第２の出力光を出力する第５の導波路を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項３】
請求項２記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の制御光を排出する第６の導波路を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器の第１の共振モードと前記第２の光共振器の第３の共振モードは空間対称性が異なることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項５】
請求項３または４記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器と、前記第１乃至第６の導波路は、フォトニック結晶上に形成されることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項６】
請求項５記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器は、幅調整欠陥光共振器であり、
前記第１の導波路は、線欠陥導波路であり、
前記第２、第３の導波路は、部分幅寄せ線欠陥導波路であり、
前記第４、第５の導波路は、横奇モード導波路であることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項１】
常にベース光を入力される第１の導波路と、
第１、第２の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第１の共振モードの共振波長であるベース光を入力されると共に、前記第２の共振モードの共振波長である第１の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第１の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第１の光共振器と、
第３、第４の共振モードを持ち前記第１の導波路から前記第３の共振モードの共振波長である前記ベース光を入力されると共に、前記第４の共振モードの共振波長である第２の制御光を入力されるとオン状態となり、前記第２の制御光が入力されず前記ベース光の光強度が低下するとオフ状態となる第２の光共振器を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項２】
請求項１記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器に前記第１の制御光を入力する第２の導波路と、
前記第２の光共振器に前記第２の制御光を入力する第３の導波路と、
前記第１の光共振器から第１の出力光を出力する第４の導波路と、
前記第２の光共振器から前記第１の出力光を反転した第２の出力光を出力する第５の導波路を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項３】
請求項２記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の制御光を排出する第６の導波路を
有することを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１の光共振器の第１の共振モードと前記第２の光共振器の第３の共振モードは空間対称性が異なることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項５】
請求項３または４記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器と、前記第１乃至第６の導波路は、フォトニック結晶上に形成されることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【請求項６】
請求項５記載の光フリップフロップ回路において、
前記第１、第２の光共振器は、幅調整欠陥光共振器であり、
前記第１の導波路は、線欠陥導波路であり、
前記第２、第３の導波路は、部分幅寄せ線欠陥導波路であり、
前記第４、第５の導波路は、横奇モード導波路であることを特徴とする光フリップフロップ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−３４９９５１（Ｐ２００６−３４９９５１Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７５５３６（Ｐ２００５−１７５５３６）
【出願日】平成１７年６月１５日（２００５．６．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月２９日 社団法人応用物理学会発行の「２００５年（平成１７年）春季 第５２回 応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１５日（２００５．６．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月２９日 社団法人応用物理学会発行の「２００５年（平成１７年）春季 第５２回 応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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