光論理ゲート
それぞれの光信号（Ａ、Ｂ）を受け入れる第１と第２の光入力（１１、１２）と、および必要な論理機能を適用した結果を表わしている光信号（ＰＯＵＴ）を出力するための光出力（１５）とを備えた光論理ゲート（１０）が提供される。論理ゲートは光信号を結合して、パワー（Ｐｉ）が光信号のパワー（ＰＡ、ＰＢ）の結合であるところの対応結合信号を生成するための光結合手段（１３）と、結合信号（Ｐｉ）を受けて、非線形光学手段の特性に依存している論理機能からの光出力信号（ＰＯＵＴ）を放出する非線形光学手段（１４）を備えることを特徴としている。その非線形光学手段の特性は出力信号のパワーが結合信号のパワーと選択された論理機能を通して相関するように選択されることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光論理ゲートに関し、特に、（論理機能について）再構成可能、かつ、再生可能な、オールオプティカル（全光）型の論理ゲートに関する。本願において、「全光」という用語は、対応する電気的な量に変換することなく、光領域で論理演算（論理動作）を実行することを意味する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の分野では、電気的な信号に戻すことなく、光信号のまま超高速論理演算を行うことがますます要望されている。
【０００３】
例えば、広帯域（ブロードバンド）・パケット交換ネットワークでは、リアルタイムでのパケットの同期、アドレス認識および内容解析などの高速ルーチング機能を実行するために、超高速全光信号処理が要求される。全光ディジタル論理ゲートを用いることは、そのような機能を実行するために不可欠であるように思われる。論理ゲートはそれ自身の縦続接続を可能とし、かつ、低いビット誤り率を達成するために、オン状態とオフ状態の間で高いコントラスト比を持たねばならない。またリアルタイムで全光処理を達成するために、応答時間が非常に早くなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
文献によれば、全光型論理ゲートが数例報告されている。それらは（ｉ）半導体デバイス、（ｉｉ）光ファイバ、（ｉｉｉ）導波路デバイスが有するの非線形効果を利用している。しかしながら、（ｉ）の場合、半導体の応答時間により最大信号ビットレートが制限されてしまう。（ｉｉ）の場合、市販のファイバで得られる特性は不十分であるため、特別高価なファイバが必要となるが、それは製造が困難であり、商用には不向きである。（ｉｉｉ）の場合、導波路デバイスに基づく論理ゲートはまだ開発の初期段階であり、技術的な観点からも動作の点からも商用できるまでには更なる研究が必要である。
【０００５】
本発明の一般的な目的は、実現が容易で経費が比較的安く、理想的には超高速動作が可能な全光型論理ゲートを入手可能とすることによって上記の欠点を補うことである。本発明の別の目的は、単純かつ経済的でさらに再構成可能な、すなわち提供する論理機能が容易に再構成できる、全光型論理ゲートを入手可能とすることである。その他の目的は、好適に再生可能なゲートを提供することであり、すなわち光ファイバ中を伝播する間に分散によって劣化するであろう論理レベルを再生できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば光論理ゲートは、それぞれ光信号を受け入れる第１および第２の光入力と、要求される論理機能を適用した結果を表わす光信号を出力するための光出力と、第１および第２の光入力にそれぞれ入力された光信号を結合することで、これらの光信号のパワーの和をパワーとして有した対応する結合信号を生成する光結合手段と、結合信号を受けて、光出力信号を放射する非線形光学手段とを備え、前記論理機能は、前記非線形光学手段の特性に依存しており、当該特性は、選択された論理機能によって出力信号のパワーが結合信号のパワーと相関をもつように選択された特性であることを特徴とする。
【０００７】
光結合手段が信号のパワーの総和を決定し、前記特性が、出力信号のパワーが入力信号のパワーの総和と相関をもつような特性であると、有利である。光結合手段は、偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を備えているのが好適であり、前記光信号らがその偏波が相互に直交する状態で結合されると、位相干渉による不安定性を除去するために有効である。
【０００８】
特に好適な実施例において、非線形光学手段は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）を備えている。ＮＯＬＭの特別の利点は、それが光ファイバをベースとしているので、応答時間が非常に早く、論理ゲートが非常に高いビットレート、例えば、１６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上での動作を実現できることである。ＮＯＬＭの第１の構成は、自己位相変調（ＳＰＭ）をベースとしたタイプであり、結合信号が分割されてファイバループの中を対向伝播するようになる。そのような構成でＡＮＤ（論理積）、ＯＲ（論理和）およびＸＯＲ（排他的論理和）の各論理ゲートの実現が可能である。別の構成としては、ＮＯＬＭは、相互位相変調（ＸＰＭ）をベースとしたタイプであり、結合信号が、光ポンプを構成し、入力信号としての光プローブ信号をさらに備えている。そのような構成ではＮＯＲ（否定論理和）およびＥＱＩＵＶＡＬＥＮＣＥ（ＥＱ：等価）の各論理ゲートが実現可能となる。後者の構成の場合、ゲートがＸＰＭ ＮＯＬＭの出力に接続される光ペデスタル抑制器をさらに備えることが有利である。光ペデスタル抑制器はＳＰＭ ＮＯＬＭを備えるのが便利である。
【０００９】
特に好適な実施形態としては、光論理ゲートは、非線形光ループミラーのファイバループの中に偏波制御器をさらに備えてもよい。偏波制御器は、ＮＯＬＭの特性を変えることで要求される論理機能を選択する手段である。そのような構成によって再構成可能な光論理ゲートが実現可能となる。
【００１０】
ＮＯＬＭのファイバループの中で発生する４波混合（ＦＷＭ）と、ウォークオフ劣化を避けるために、各光信号は同じ搬送波波長を持つのが有利である。
【００１１】
それぞれ調整可能な光減衰器を、光入力と光結合手段の間に設けることで、光信号のパワーレベルを望みのレベルに維持するのが好適である。
【００１２】
ＮＯＬＭの特性は、結合信号のピークパワーに依存する。そのため、光論理ゲートは、光増幅器、望むらくはエルビウム・ドープト・ファイバ・アンプ（ＥＤＦＡ）をさらに備え、ＮＯＬＭに入力される前に結合信号を増幅するのが有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明をよりよく理解するために本発明による論理ゲートを付属の図面を参照しながら以下に記述するが、これは例示だけを目的とするものである。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の原理による光論理ゲート１０のブロック概略図が示されている。論理ゲート１０は、２つの光入力１１と１２を備えていて、そこに論理演算が行われるべきディジタル光信号ＡとＢが印加される。２つの光信号ＡとＢは光結合（パワーの総和）手段１３によって加えられ、パワーＰＩＮ＝ＰＡ＋ＰＢを持つ光信号を発生する。ここでＰＡとＰＢは、入力信号ＡとＢのパワーである。総和手段１３から出力されるパワーＰＩＮは適当な非線形特性を有した非線形光デバイス１４に印加される。その光出力１５は論理ゲートの出力である。
【００１５】
本質的には、非線形ブロックへの入力パワーＰＩＮが２つのディジタル信号ＡとＢのパワーの総和であるときには、非線形ブロックからの出力パワーＰＯＵＴはＡとＢの論理機能を提供することができる。
【００１６】
非線形ブロック１４の理想的な非線形特性は、実装しようとする論理ゲートに依存する。実際に、ＡとＢが共に高いレベルの場合（ケース１１）または低いレベルの場合（ケース００）、あるいは片方が高く、他方が低い場合（ケース１０と０１）、望みの論理機能に応じて、対応する入力パワーに対して出力パワーが高い（低い）状態でなければならない。もしもＡとＢが同じピークパワーを持つ場合、０１の場合と１０の場合は区別が出来なくなり、対応するポンプパワーは１１の場合の半分になることは注意すべきことである。
【００１７】
図２は、ＮＡＮＤ（否定論理積）、ＥＱ（ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ）、ＮＯＲ、ＸＯＲ（ＮＯＮ ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥまたはＮＥＱ）、ＯＲ、およびＡＮＤの論理機能を実現するための非線形ブロックの理想特性（ＰＯＵＴ対ＰＩＮ）を示す。図２において、横軸は、２つのディジタル光信号ＡとＢのパワーの総和ＰＩＮを表わし、（両方の信号ＡとＢともに低いレベルのときは）低いレベルＰＩＮ＝Ｐｌ、（ＡとＢのうちの片方が低いレベルで他方が高いレベルのときは）高いレベルＰＩＮ＝Ｐｈ、（ＡとＢの両方とも高いレベルのときは）高いレベルＰＩＮ＝２Ｐｈである。例えば、この図からわかるように、ＡＮＤゲート機能に対しては、入力信号のどちらかまたは両方が低い場合には（すなわち、ケース００に対応するＰＩＮ＝Ｐｌ、あるいはケース０１および１０に対応するＰＩＮ＝Ｐｈの場合）、出力パワーは低くなる。両方の入力が高い場合（ケース１１に対応するＰＩＮ＝２Ｐｈの場合）、出力パワーは高くなる。Ａ＝Ｂの場合を考えると、ＮＯＲゲートを用いれば、ＮＯＴ機能が実現されることは注意すべきである。
【００１８】
本発明の基礎をなす原理は、それぞれ対応する論理ゲートを実現する目的に対して、たった１つの非線形素子を用いることで図２に示したのと同様の特性を提供できるということである。実現される論理ゲートの特性（論理機能）は、非線形ブロック１４の特性に依存する。
【００１９】
好適な実施例では、良く知られた非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）が非線形ブロックとして用いられる。
【００２０】
良く知られているように、ＮＯＬＭは２つの異なる構成を用いて実現できる。第１の構成では、入力信号が分割され、それらがループの周りを対向伝播する。２つの対向伝播する入力信号のうちの１つは、ループのパワー不均衡を利用した（入力信号が光ポンプとして作用する）自己位相変調（ＳＰＭ）効果による非線形位相シフトを受ける。第２の構成によれば、入力信号はループを１方向に伝播し、ループの外部から発生した対向伝播するポンプ光によってポンプ（増幅）される。入力信号は、相互位相変調（ＸＰＭ）効果によって誘起される非線形位相シフトを受ける。
【００２１】
ＮＯＬＭが偏波保存型でない（非ＰＭ）光ファイバを用いて構築される場合、偏波制御器（ＰＣ）がループの中に設けられ、一定の位相シフトを付け加えることによって出力においてポンプパワーレベルの違いに応じた建設的または破壊的干渉を作り出すことによってＮＯＬＭの非線形特性を変えることができる。
【００２２】
どちらのＮＯＬＭ構成に対しても、位相シフトを誘起する信号を２つの異なるディジタル信号ＡとＢの総和と考えると、ＮＯＬＭの出力パワーはＡとＢの論理機能を表わすことができる。実際、偏波制御器の設定を簡単に変えるだけで、ＡとＢのいろいろな場合、すなわち両方とも高いレベルの場合（ケース１１）あるいは両方とも低いレベルの場合（ケース００）、あるいは１方が高く、他方が低い（ケース１０と０１）の場合に、対応するポンプパワーに対して出力パワーは高い（または低い）状態にすることができる。もしＡとＢが同一ピークパワーを持つ場合は、ケース０１と１０は区別不可能であり、対応するポンプパワーはケース１１のときの半分になることは注意すべきである。結果として偏波制御器を適当に制御することによって、図２に示した場合のそれぞれに対応した非線形特性を作り出すことができる。
【００２３】
図３を参照して、ループの中の偏波制御器（ＰＣ）を適当に制御することによって、ＡＮＤ、ＯＲおよびＸＯＲの論理機能を実現するための、図５に例示される自己位相変調（ＳＰＭ）に基づく非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の非線形特性（正規化出力パワーＰＯＵＴ対入力パワーＰＩＮの特性）の測定された描画が示されている。ＮＯＬＭは、長さ１ｋｍの非偏波保存の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を備え、ループの中には５ｄＢの集中定数的な損失を持っている。ＤＳＦは非線形係数として２ｋｍ−１ｗａｔｔ−１を持っている。図表は、０から３Ｗの範囲の入力信号パワーＰＩＮに対して示されている。各特性についてＮＯＬＭの出力パワーはその最大値で正規化されている。
【００２４】
ＮＯＬＭの入力信号（図３の横軸）は、２つのディジタル信号ＡとＢの総和であると考えられる。それぞれ低いレベルが０Ｗで高いレベルが１．５Ｗである場合、図３の特性は信号ＡとＢの論理機能ＡＮＤ、ＯＲ又はＸＯＲを表わす。例えば、ＡＮＤゲートにおいては、ＮＯＬＭ出力パワーがＰＩＮ＝０Ｗ（ケース００）とＰＩＮ＝１．５Ｗ（ケース０１と１０）に対しては低く、ＰＩＮ＝３Ｗ（ケース１１）に対しては高い。
【００２５】
同様に、図４には、ＮＯＲおよびＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥの論理機能を実現するための、図６に示されるＸＰＭに基づくＮＯＬＭの非線形特性が示されている。ＮＯＬＭは長さ１ｋｍの非偏波保存ＤＳＦを備え、出力パワーは正規化されている。非偏波保持ファイバを用いて実現すれば、反転機能を実現できる。この場合、ＮＯＬＭ入力信号は、ＣＷプローブ信号であり、ランプ信号がプローブ信号にＸＰＭを誘起するためにループ内に挿入されたポンプ信号として用いられる。前の場合と同じパワーレベルを考えると、図４は信号ＡとＢの間で論理機能ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥおよびＮＯＲを示している。
【００２６】
図３と４から色々な論理機能のそれぞれに対してオン・オフ・コントラスト比を測定することもできる。最良の場合（ＡＮＤ、ＸＯＲ、ＯＲ）、コントラスト比は２０ｄＢよりも良く、最悪の場合（ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ）、出力信号のペデスタルによって比は６．５ｄＢよりも高い。後者の場合、以下で説明するように、ＳＰＭベースのＮＯＬＭを追加することによって、コントラスト比をさらに改善することができる。
【００２７】
図５は、非線形素子１４がＳＰＭに基づくＮＯＬＭを備えた、本発明による再構成可能な論理ゲートを示す。論理ゲートは、再構成可能であり、偏波制御器１９の設定によってＡＮＤ（Ａ・Ｂ）、ＯＲ（Ａ＋Ｂ）およびＸＯＲ（Ａ ｘｏｒ Ｂ）の論理ゲートとして動作できる。
【００２８】
図６は、非線形素子１４がＸＰＭに基づくＮＯＬＭを備えた、本発明による再構成可能な論理ゲートを示す。論理ゲートは、再構成可能であり、偏波制御器１９の設定によってＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ（ＮＯＴ（Ａ ｘｏｒ Ｂ））およびＮＯＲ（ＮＯＴ（Ａ＋Ｂ））の論理ゲートとして動作できる。
【００２９】
両構成とも、光入力信号ＡとＢはそれぞれの可変減衰光減衰器（Ａｔｔ．）１６Ａ、１６Ｂに印加されて、そのパワーレベルが適当なレベルになるように減衰されるのが有利である。その後、これらの光入力信号は、光結合手段１３によって光学的に結合される。光結合手段１３は偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を備えることが有利である。可変光減衰器は、各信号のパワーレベルを対応する論理状態に対して同一になることを確保するために設けられた手段であるが、入力信号のパワーが保証されている場合には、設ける必要はない。ＰＢＣからの結合信号出力は非線形デバイス１４への入力信号を構成する。信号ＡとＢのそれぞれはＮＯＬＭのＤＳＦ２０内での４波混合（ＦＷＭ）とウォークオフ劣化を避けるために、同じ搬送波波長（λｓ）を持つ。信号ＡとＢは位相干渉による不安定性を低減するために、偏波が直交するように結合される。
【００３０】
図５を参照すると、非線形ブロック１４がＳＰＭに基づくＮＯＬＭを備える、本発明による光論理ゲートが示されている。当業者にはＮＯＬＭは良く知られており、従って、その実現法も容易に導くことができるので、ＮＯＬＭに関しては簡単な記述だけを行う。図５のＮＯＬＭは、入力光増幅器（良く知られたＥＤＦＡ増幅器が有利である。）１７と、入力信号の各半分がそれぞれファイバループ２０の周りを対向伝播するように入力信号を分岐したり結合したりする５０：５０の光結合器（カプラ）／分岐器（スプリッタ）１８を備えている。５０：５０結合器１８は、溶融ファイバ結合器と、１ｋｍ長の分散シフトファイバＤＳＦ（非線形係数は２ｋｍ−１ｗａｔｔ−１）を有するファイバループとを備えている。図中、入力信号のうち反時計方向に伝播する信号部分はポンプ光／プローブ光を構成し、信号の他の部分と自己位相変調過程を通じて相互作用する。結合器／分岐器１８の最後のポートは、時計回りに伝播し、ファイバループを１周してＳＰＭを受けた後の信号を取り出すために用いられる。この信号は非線形ブロックの出力信号１５を構成する。ファイバループの中には偏波制御器ＰＣ１９と７ｄＢ減衰器２１が備わっている。偏波制御器１９はゲートの論理機能、すなわちＡＮＤ（Ａ・Ｂ）、ＯＲ（Ａ＋Ｂ）およびＸＯＲ（Ａ ｘｏｒ Ｂ）を設定するために用いられる。減衰器２１は結合信号の半分づつとなる各分岐信号間のパワー不均衡を確保する。これらは、すなわち反時計回りに伝播するポンプ光／プローブ光と時計回りに伝播する入力信号のことである。
【００３１】
図６には、非線形ブロック１４がＸＰＭに基づくＮＯＬＭを備える、本発明に係る光論理ゲートが示されている。光論理ゲートは、その論理機能が偏波制御器に依存して決定されるので、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ（ＮＯＴ（Ａ ｘｏｒ Ｂ））およびＮＯＲ（ＮＯＴ（Ａ＋Ｂ））の論理機能として、再構成可能である。図５の実施例と同じ部品には同じ参照番号が用いられている。この実施例の中で、光ポンプを構成する入力信号は光結合器２２によってファイバループに結合し、時計回りの方向に伝播する。結合器２２は溶融ファイバ結合器からなるのが有利である。波長λｐの連続波（ＣＷ）光プローブ信号は５０：５０結合器／分岐器２３によってファイバループに結合される。ここでも結合器／分岐器は溶融ファイバ結合器による構成されるのが有利であり、ＣＷプローブ信号を分岐して得られた半分の信号のそれぞれは時計方向および反時計方向に伝播する。結合器２３の最後のポートに接続されたバンド・パス・フィルタＢＰＦ２４は、再生された波長λｐの出力信号を選択するために用いられる。ＢＰＦ２４は波長λｐの光を通過させ、他の波長、特に入力信号に対応する波長λｓの光を遮断するように選択された通過帯域特性を有している。一般に、プローブ信号と（信号ＡとＢの総和によって生成した）ポンプ信号とは位相シフトが最大になるように整合される必要がある。この場合、２つの直交するポンプ成分を用いることによるＸＰＭ効率の減少は、ループの途中に設けられた偏波制御器１９を適当に調整することによって補償することができる。各構成で用いられる偏波制御器１９は、良く知られている多重ファイバループ構成を基礎として構築されいる。
【００３２】
図３と４に示されている非線形特性を完全に利用するためには、全ピークポンプパワーとして３３ｄＢｍが必要であることがわかる。信号ＡとＢに対してＮＲＺ（ノンリターンツーゼロ）の擬似ランダム・ビット・パターンを考えると、これは平均パワーが３０ｄＢｍに相当する。この場合、全（ＡとＢ）平均ポンプパワーの最大値を２７ｄＢｍとすることで高いピークパワーを実現できるよう、ゼロに対して１の数を少なくした特別なビット系列を用いることができる。より長い区間を持つＤＳＦを用いると、必要なピークパワーを減らすことができる。別の方法として、非線形係数が１０００ｋｍ−１ｗａｔｔ−１の程度の大きさを持つ高度非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を用いることができ、必要なファイバの長さを削減してよりコンパクトなゲートを作ることができる。例えば、ＨＮＬＦを用いると、必要なファイバループはたった数メートル（１−２ｍ）となり、これはＤＳＦを用いた場合の１ｋｍと対比すると非常に短くできることがわかる。
【００３３】
図７と８は、本発明による光ゲートに対して測定された応答を示す。応答波形は正規化された振幅対時間であり、入力信号ＡとＢ（上段）と対応するゲートの色々な論理演算に対する正規化出力（下段）を示す。図７はＮＲＺ入力信号に対する応答であり、図８は超短ＲＺ（リターン・ツー・ゼロ）信号に対するものである。各応答は５０ＧＨｚのディジタルオシロスコープを用いて測定された。
【００３４】
図７と８には４つの可能な入力の組み合わせ（ＡＢ＝００、０１、１１、および１０）の全てが示されている。入力信号の両変調フォーマットを用いることで、対向伝播する信号によって生じるＮＯＬＭ内の望ましくない効果を補償することについて、非偏波保持ファイバループの有効性を評価できる。実際に、このような効果はＡとＢがＮＲＺ信号である場合または高いビットレートパルス列である場合に顕著なものとなる。さらに、テストに用いられた１５ｐｓＲＺ信号は、本発明の光ゲートが超高速応用分野に適していることを確認するものである。図７と８の曲線は全ての論理ゲートの正しい挙動を確認するものであり、オン・オフ・コントラスト比について測定された値は、図３と４に示した結果を確認するものである。ＡＮＤ、ＸＯＲ、およびＯＲの場合、１７ｄＢの入力オン・オフ・コントラスト比に関して３ｄＢの改善が確認された。この改善は、ＳＰＭベースのＮＯＬＭがペデスタル抑制器として動作できることによるものである。
【００３５】
さらに、信号ＡとＢの両方とも入力Ｑ−値が５であったが、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥゲートを除く全ての論理ゲートについて、出力Ｑ−値の１ないし２の範囲で増加が確認された（なお、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥゲートをについて出力Ｑ−値が１だけ減少した）。ペデスタル出力信号によるＱ‐値の減少は、ペデスタル光抑制器ステージ２５（図６のＰＳによって一般的に示されている。）を非線形デバイスの出力側に挿入することで回避できる。抑制器は別のＳＰＭベースのＮＯＬＭによって実現するのが有利である。
【００３６】
最後に、光ファイバにおけるＳＰＭやＸＰＭのようなカー効果による高速応答時間を利用することで、１６０ＧＨｚ以上で動作を必要とする応用分野においても、本発明により実現される全光型論理ゲートが適しているといえよう。
【００３７】
以上説明したように、本発明の所定の目的は、単純で効率のよい全光型論理ゲートを入手可能とすることによって達成された。本発明の原理によって、光ドメインで全ての論理機能（ＮＯＴ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ、ＮＯＲ、ＮＡＮＤ）を得ることが可能となった。もし非線形ブロックを自己位相変調（ＳＰＭ）または相互位相変調（ＸＰＭ）を利用するＮＯＬＭによって実現する場合、再構成可能かつ再生可能な超高速論理ゲートが得られる。そのような論理ゲートの有効性はＮＲＺ信号でもＲＺ信号でも実証された。
【００３８】
本発明の技術範囲を逸脱することなく色々な変形が可能であることは理解できるであろう。例えば、ＮＯＬＭを非線形ブロックとして用いることは、超高速応答時間を実現する上で特に好適である。光論理ゲートが、１６０ＧＨｚ以上の動作を可能としているが、他の非線形光デバイスを採用してもよい。例えば、干渉計の形をした半導体増幅器のような半導体光デバイスを採用してもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による論理ゲートのブロック概略図である。
【図２】本発明において用いられる、論理機能ＮＡＮＤ、ＥＱ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、ＯＲおよびＡＮＤを実現する非線形ブロックの理想特性を示す図である。
【図３】、
【図４】それぞれ自己位相変調（ＳＰＭ）と相互位相変調（ＸＰＭ）に基づく非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の（正規化された出力パワーＰＯＵＴ対入力パワーＰＩＮ）の非線形特性を表わす図である。
【図５】ＳＰＭに基づく本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、およびＸＯＲゲートの構成を示す図である。
【図６】ＸＰＭに基づく本発明によるＮＯＲ、およびＥＱゲートの構成を示す図である。
【図７】本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱ、ＮＯＲ論理ゲートへの２つのノン・リターン・ツー・ゼロ（ＮＲＺ）信号入力と対応する出力波形との関係を示す図である。
【図８】本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱ、ＮＯＲ論理ゲートへの２つのリターン・ツー・ゼロ（ＲＺ）信号入力と対応する出力波形との関係を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光論理ゲートに関し、特に、（論理機能について）再構成可能、かつ、再生可能な、オールオプティカル（全光）型の論理ゲートに関する。本願において、「全光」という用語は、対応する電気的な量に変換することなく、光領域で論理演算（論理動作）を実行することを意味する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の分野では、電気的な信号に戻すことなく、光信号のまま超高速論理演算を行うことがますます要望されている。
【０００３】
例えば、広帯域（ブロードバンド）・パケット交換ネットワークでは、リアルタイムでのパケットの同期、アドレス認識および内容解析などの高速ルーチング機能を実行するために、超高速全光信号処理が要求される。全光ディジタル論理ゲートを用いることは、そのような機能を実行するために不可欠であるように思われる。論理ゲートはそれ自身の縦続接続を可能とし、かつ、低いビット誤り率を達成するために、オン状態とオフ状態の間で高いコントラスト比を持たねばならない。またリアルタイムで全光処理を達成するために、応答時間が非常に早くなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
文献によれば、全光型論理ゲートが数例報告されている。それらは（ｉ）半導体デバイス、（ｉｉ）光ファイバ、（ｉｉｉ）導波路デバイスが有するの非線形効果を利用している。しかしながら、（ｉ）の場合、半導体の応答時間により最大信号ビットレートが制限されてしまう。（ｉｉ）の場合、市販のファイバで得られる特性は不十分であるため、特別高価なファイバが必要となるが、それは製造が困難であり、商用には不向きである。（ｉｉｉ）の場合、導波路デバイスに基づく論理ゲートはまだ開発の初期段階であり、技術的な観点からも動作の点からも商用できるまでには更なる研究が必要である。
【０００５】
本発明の一般的な目的は、実現が容易で経費が比較的安く、理想的には超高速動作が可能な全光型論理ゲートを入手可能とすることによって上記の欠点を補うことである。本発明の別の目的は、単純かつ経済的でさらに再構成可能な、すなわち提供する論理機能が容易に再構成できる、全光型論理ゲートを入手可能とすることである。その他の目的は、好適に再生可能なゲートを提供することであり、すなわち光ファイバ中を伝播する間に分散によって劣化するであろう論理レベルを再生できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば光論理ゲートは、それぞれ光信号を受け入れる第１および第２の光入力と、要求される論理機能を適用した結果を表わす光信号を出力するための光出力と、第１および第２の光入力にそれぞれ入力された光信号を結合することで、これらの光信号のパワーの和をパワーとして有した対応する結合信号を生成する光結合手段と、結合信号を受けて、光出力信号を放射する非線形光学手段とを備え、前記論理機能は、前記非線形光学手段の特性に依存しており、当該特性は、選択された論理機能によって出力信号のパワーが結合信号のパワーと相関をもつように選択された特性であることを特徴とする。
【０００７】
光結合手段が信号のパワーの総和を決定し、前記特性が、出力信号のパワーが入力信号のパワーの総和と相関をもつような特性であると、有利である。光結合手段は、偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を備えているのが好適であり、前記光信号らがその偏波が相互に直交する状態で結合されると、位相干渉による不安定性を除去するために有効である。
【０００８】
特に好適な実施例において、非線形光学手段は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）を備えている。ＮＯＬＭの特別の利点は、それが光ファイバをベースとしているので、応答時間が非常に早く、論理ゲートが非常に高いビットレート、例えば、１６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上での動作を実現できることである。ＮＯＬＭの第１の構成は、自己位相変調（ＳＰＭ）をベースとしたタイプであり、結合信号が分割されてファイバループの中を対向伝播するようになる。そのような構成でＡＮＤ（論理積）、ＯＲ（論理和）およびＸＯＲ（排他的論理和）の各論理ゲートの実現が可能である。別の構成としては、ＮＯＬＭは、相互位相変調（ＸＰＭ）をベースとしたタイプであり、結合信号が、光ポンプを構成し、入力信号としての光プローブ信号をさらに備えている。そのような構成ではＮＯＲ（否定論理和）およびＥＱＩＵＶＡＬＥＮＣＥ（ＥＱ：等価）の各論理ゲートが実現可能となる。後者の構成の場合、ゲートがＸＰＭ ＮＯＬＭの出力に接続される光ペデスタル抑制器をさらに備えることが有利である。光ペデスタル抑制器はＳＰＭ ＮＯＬＭを備えるのが便利である。
【０００９】
特に好適な実施形態としては、光論理ゲートは、非線形光ループミラーのファイバループの中に偏波制御器をさらに備えてもよい。偏波制御器は、ＮＯＬＭの特性を変えることで要求される論理機能を選択する手段である。そのような構成によって再構成可能な光論理ゲートが実現可能となる。
【００１０】
ＮＯＬＭのファイバループの中で発生する４波混合（ＦＷＭ）と、ウォークオフ劣化を避けるために、各光信号は同じ搬送波波長を持つのが有利である。
【００１１】
それぞれ調整可能な光減衰器を、光入力と光結合手段の間に設けることで、光信号のパワーレベルを望みのレベルに維持するのが好適である。
【００１２】
ＮＯＬＭの特性は、結合信号のピークパワーに依存する。そのため、光論理ゲートは、光増幅器、望むらくはエルビウム・ドープト・ファイバ・アンプ（ＥＤＦＡ）をさらに備え、ＮＯＬＭに入力される前に結合信号を増幅するのが有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明をよりよく理解するために本発明による論理ゲートを付属の図面を参照しながら以下に記述するが、これは例示だけを目的とするものである。
【００１４】
図１を参照すると、本発明の原理による光論理ゲート１０のブロック概略図が示されている。論理ゲート１０は、２つの光入力１１と１２を備えていて、そこに論理演算が行われるべきディジタル光信号ＡとＢが印加される。２つの光信号ＡとＢは光結合（パワーの総和）手段１３によって加えられ、パワーＰＩＮ＝ＰＡ＋ＰＢを持つ光信号を発生する。ここでＰＡとＰＢは、入力信号ＡとＢのパワーである。総和手段１３から出力されるパワーＰＩＮは適当な非線形特性を有した非線形光デバイス１４に印加される。その光出力１５は論理ゲートの出力である。
【００１５】
本質的には、非線形ブロックへの入力パワーＰＩＮが２つのディジタル信号ＡとＢのパワーの総和であるときには、非線形ブロックからの出力パワーＰＯＵＴはＡとＢの論理機能を提供することができる。
【００１６】
非線形ブロック１４の理想的な非線形特性は、実装しようとする論理ゲートに依存する。実際に、ＡとＢが共に高いレベルの場合（ケース１１）または低いレベルの場合（ケース００）、あるいは片方が高く、他方が低い場合（ケース１０と０１）、望みの論理機能に応じて、対応する入力パワーに対して出力パワーが高い（低い）状態でなければならない。もしもＡとＢが同じピークパワーを持つ場合、０１の場合と１０の場合は区別が出来なくなり、対応するポンプパワーは１１の場合の半分になることは注意すべきことである。
【００１７】
図２は、ＮＡＮＤ（否定論理積）、ＥＱ（ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ）、ＮＯＲ、ＸＯＲ（ＮＯＮ ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥまたはＮＥＱ）、ＯＲ、およびＡＮＤの論理機能を実現するための非線形ブロックの理想特性（ＰＯＵＴ対ＰＩＮ）を示す。図２において、横軸は、２つのディジタル光信号ＡとＢのパワーの総和ＰＩＮを表わし、（両方の信号ＡとＢともに低いレベルのときは）低いレベルＰＩＮ＝Ｐｌ、（ＡとＢのうちの片方が低いレベルで他方が高いレベルのときは）高いレベルＰＩＮ＝Ｐｈ、（ＡとＢの両方とも高いレベルのときは）高いレベルＰＩＮ＝２Ｐｈである。例えば、この図からわかるように、ＡＮＤゲート機能に対しては、入力信号のどちらかまたは両方が低い場合には（すなわち、ケース００に対応するＰＩＮ＝Ｐｌ、あるいはケース０１および１０に対応するＰＩＮ＝Ｐｈの場合）、出力パワーは低くなる。両方の入力が高い場合（ケース１１に対応するＰＩＮ＝２Ｐｈの場合）、出力パワーは高くなる。Ａ＝Ｂの場合を考えると、ＮＯＲゲートを用いれば、ＮＯＴ機能が実現されることは注意すべきである。
【００１８】
本発明の基礎をなす原理は、それぞれ対応する論理ゲートを実現する目的に対して、たった１つの非線形素子を用いることで図２に示したのと同様の特性を提供できるということである。実現される論理ゲートの特性（論理機能）は、非線形ブロック１４の特性に依存する。
【００１９】
好適な実施例では、良く知られた非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）が非線形ブロックとして用いられる。
【００２０】
良く知られているように、ＮＯＬＭは２つの異なる構成を用いて実現できる。第１の構成では、入力信号が分割され、それらがループの周りを対向伝播する。２つの対向伝播する入力信号のうちの１つは、ループのパワー不均衡を利用した（入力信号が光ポンプとして作用する）自己位相変調（ＳＰＭ）効果による非線形位相シフトを受ける。第２の構成によれば、入力信号はループを１方向に伝播し、ループの外部から発生した対向伝播するポンプ光によってポンプ（増幅）される。入力信号は、相互位相変調（ＸＰＭ）効果によって誘起される非線形位相シフトを受ける。
【００２１】
ＮＯＬＭが偏波保存型でない（非ＰＭ）光ファイバを用いて構築される場合、偏波制御器（ＰＣ）がループの中に設けられ、一定の位相シフトを付け加えることによって出力においてポンプパワーレベルの違いに応じた建設的または破壊的干渉を作り出すことによってＮＯＬＭの非線形特性を変えることができる。
【００２２】
どちらのＮＯＬＭ構成に対しても、位相シフトを誘起する信号を２つの異なるディジタル信号ＡとＢの総和と考えると、ＮＯＬＭの出力パワーはＡとＢの論理機能を表わすことができる。実際、偏波制御器の設定を簡単に変えるだけで、ＡとＢのいろいろな場合、すなわち両方とも高いレベルの場合（ケース１１）あるいは両方とも低いレベルの場合（ケース００）、あるいは１方が高く、他方が低い（ケース１０と０１）の場合に、対応するポンプパワーに対して出力パワーは高い（または低い）状態にすることができる。もしＡとＢが同一ピークパワーを持つ場合は、ケース０１と１０は区別不可能であり、対応するポンプパワーはケース１１のときの半分になることは注意すべきである。結果として偏波制御器を適当に制御することによって、図２に示した場合のそれぞれに対応した非線形特性を作り出すことができる。
【００２３】
図３を参照して、ループの中の偏波制御器（ＰＣ）を適当に制御することによって、ＡＮＤ、ＯＲおよびＸＯＲの論理機能を実現するための、図５に例示される自己位相変調（ＳＰＭ）に基づく非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の非線形特性（正規化出力パワーＰＯＵＴ対入力パワーＰＩＮの特性）の測定された描画が示されている。ＮＯＬＭは、長さ１ｋｍの非偏波保存の分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を備え、ループの中には５ｄＢの集中定数的な損失を持っている。ＤＳＦは非線形係数として２ｋｍ−１ｗａｔｔ−１を持っている。図表は、０から３Ｗの範囲の入力信号パワーＰＩＮに対して示されている。各特性についてＮＯＬＭの出力パワーはその最大値で正規化されている。
【００２４】
ＮＯＬＭの入力信号（図３の横軸）は、２つのディジタル信号ＡとＢの総和であると考えられる。それぞれ低いレベルが０Ｗで高いレベルが１．５Ｗである場合、図３の特性は信号ＡとＢの論理機能ＡＮＤ、ＯＲ又はＸＯＲを表わす。例えば、ＡＮＤゲートにおいては、ＮＯＬＭ出力パワーがＰＩＮ＝０Ｗ（ケース００）とＰＩＮ＝１．５Ｗ（ケース０１と１０）に対しては低く、ＰＩＮ＝３Ｗ（ケース１１）に対しては高い。
【００２５】
同様に、図４には、ＮＯＲおよびＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥの論理機能を実現するための、図６に示されるＸＰＭに基づくＮＯＬＭの非線形特性が示されている。ＮＯＬＭは長さ１ｋｍの非偏波保存ＤＳＦを備え、出力パワーは正規化されている。非偏波保持ファイバを用いて実現すれば、反転機能を実現できる。この場合、ＮＯＬＭ入力信号は、ＣＷプローブ信号であり、ランプ信号がプローブ信号にＸＰＭを誘起するためにループ内に挿入されたポンプ信号として用いられる。前の場合と同じパワーレベルを考えると、図４は信号ＡとＢの間で論理機能ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥおよびＮＯＲを示している。
【００２６】
図３と４から色々な論理機能のそれぞれに対してオン・オフ・コントラスト比を測定することもできる。最良の場合（ＡＮＤ、ＸＯＲ、ＯＲ）、コントラスト比は２０ｄＢよりも良く、最悪の場合（ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ）、出力信号のペデスタルによって比は６．５ｄＢよりも高い。後者の場合、以下で説明するように、ＳＰＭベースのＮＯＬＭを追加することによって、コントラスト比をさらに改善することができる。
【００２７】
図５は、非線形素子１４がＳＰＭに基づくＮＯＬＭを備えた、本発明による再構成可能な論理ゲートを示す。論理ゲートは、再構成可能であり、偏波制御器１９の設定によってＡＮＤ（Ａ・Ｂ）、ＯＲ（Ａ＋Ｂ）およびＸＯＲ（Ａ ｘｏｒ Ｂ）の論理ゲートとして動作できる。
【００２８】
図６は、非線形素子１４がＸＰＭに基づくＮＯＬＭを備えた、本発明による再構成可能な論理ゲートを示す。論理ゲートは、再構成可能であり、偏波制御器１９の設定によってＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ（ＮＯＴ（Ａ ｘｏｒ Ｂ））およびＮＯＲ（ＮＯＴ（Ａ＋Ｂ））の論理ゲートとして動作できる。
【００２９】
両構成とも、光入力信号ＡとＢはそれぞれの可変減衰光減衰器（Ａｔｔ．）１６Ａ、１６Ｂに印加されて、そのパワーレベルが適当なレベルになるように減衰されるのが有利である。その後、これらの光入力信号は、光結合手段１３によって光学的に結合される。光結合手段１３は偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を備えることが有利である。可変光減衰器は、各信号のパワーレベルを対応する論理状態に対して同一になることを確保するために設けられた手段であるが、入力信号のパワーが保証されている場合には、設ける必要はない。ＰＢＣからの結合信号出力は非線形デバイス１４への入力信号を構成する。信号ＡとＢのそれぞれはＮＯＬＭのＤＳＦ２０内での４波混合（ＦＷＭ）とウォークオフ劣化を避けるために、同じ搬送波波長（λｓ）を持つ。信号ＡとＢは位相干渉による不安定性を低減するために、偏波が直交するように結合される。
【００３０】
図５を参照すると、非線形ブロック１４がＳＰＭに基づくＮＯＬＭを備える、本発明による光論理ゲートが示されている。当業者にはＮＯＬＭは良く知られており、従って、その実現法も容易に導くことができるので、ＮＯＬＭに関しては簡単な記述だけを行う。図５のＮＯＬＭは、入力光増幅器（良く知られたＥＤＦＡ増幅器が有利である。）１７と、入力信号の各半分がそれぞれファイバループ２０の周りを対向伝播するように入力信号を分岐したり結合したりする５０：５０の光結合器（カプラ）／分岐器（スプリッタ）１８を備えている。５０：５０結合器１８は、溶融ファイバ結合器と、１ｋｍ長の分散シフトファイバＤＳＦ（非線形係数は２ｋｍ−１ｗａｔｔ−１）を有するファイバループとを備えている。図中、入力信号のうち反時計方向に伝播する信号部分はポンプ光／プローブ光を構成し、信号の他の部分と自己位相変調過程を通じて相互作用する。結合器／分岐器１８の最後のポートは、時計回りに伝播し、ファイバループを１周してＳＰＭを受けた後の信号を取り出すために用いられる。この信号は非線形ブロックの出力信号１５を構成する。ファイバループの中には偏波制御器ＰＣ１９と７ｄＢ減衰器２１が備わっている。偏波制御器１９はゲートの論理機能、すなわちＡＮＤ（Ａ・Ｂ）、ＯＲ（Ａ＋Ｂ）およびＸＯＲ（Ａ ｘｏｒ Ｂ）を設定するために用いられる。減衰器２１は結合信号の半分づつとなる各分岐信号間のパワー不均衡を確保する。これらは、すなわち反時計回りに伝播するポンプ光／プローブ光と時計回りに伝播する入力信号のことである。
【００３１】
図６には、非線形ブロック１４がＸＰＭに基づくＮＯＬＭを備える、本発明に係る光論理ゲートが示されている。光論理ゲートは、その論理機能が偏波制御器に依存して決定されるので、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ（ＮＯＴ（Ａ ｘｏｒ Ｂ））およびＮＯＲ（ＮＯＴ（Ａ＋Ｂ））の論理機能として、再構成可能である。図５の実施例と同じ部品には同じ参照番号が用いられている。この実施例の中で、光ポンプを構成する入力信号は光結合器２２によってファイバループに結合し、時計回りの方向に伝播する。結合器２２は溶融ファイバ結合器からなるのが有利である。波長λｐの連続波（ＣＷ）光プローブ信号は５０：５０結合器／分岐器２３によってファイバループに結合される。ここでも結合器／分岐器は溶融ファイバ結合器による構成されるのが有利であり、ＣＷプローブ信号を分岐して得られた半分の信号のそれぞれは時計方向および反時計方向に伝播する。結合器２３の最後のポートに接続されたバンド・パス・フィルタＢＰＦ２４は、再生された波長λｐの出力信号を選択するために用いられる。ＢＰＦ２４は波長λｐの光を通過させ、他の波長、特に入力信号に対応する波長λｓの光を遮断するように選択された通過帯域特性を有している。一般に、プローブ信号と（信号ＡとＢの総和によって生成した）ポンプ信号とは位相シフトが最大になるように整合される必要がある。この場合、２つの直交するポンプ成分を用いることによるＸＰＭ効率の減少は、ループの途中に設けられた偏波制御器１９を適当に調整することによって補償することができる。各構成で用いられる偏波制御器１９は、良く知られている多重ファイバループ構成を基礎として構築されいる。
【００３２】
図３と４に示されている非線形特性を完全に利用するためには、全ピークポンプパワーとして３３ｄＢｍが必要であることがわかる。信号ＡとＢに対してＮＲＺ（ノンリターンツーゼロ）の擬似ランダム・ビット・パターンを考えると、これは平均パワーが３０ｄＢｍに相当する。この場合、全（ＡとＢ）平均ポンプパワーの最大値を２７ｄＢｍとすることで高いピークパワーを実現できるよう、ゼロに対して１の数を少なくした特別なビット系列を用いることができる。より長い区間を持つＤＳＦを用いると、必要なピークパワーを減らすことができる。別の方法として、非線形係数が１０００ｋｍ−１ｗａｔｔ−１の程度の大きさを持つ高度非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を用いることができ、必要なファイバの長さを削減してよりコンパクトなゲートを作ることができる。例えば、ＨＮＬＦを用いると、必要なファイバループはたった数メートル（１−２ｍ）となり、これはＤＳＦを用いた場合の１ｋｍと対比すると非常に短くできることがわかる。
【００３３】
図７と８は、本発明による光ゲートに対して測定された応答を示す。応答波形は正規化された振幅対時間であり、入力信号ＡとＢ（上段）と対応するゲートの色々な論理演算に対する正規化出力（下段）を示す。図７はＮＲＺ入力信号に対する応答であり、図８は超短ＲＺ（リターン・ツー・ゼロ）信号に対するものである。各応答は５０ＧＨｚのディジタルオシロスコープを用いて測定された。
【００３４】
図７と８には４つの可能な入力の組み合わせ（ＡＢ＝００、０１、１１、および１０）の全てが示されている。入力信号の両変調フォーマットを用いることで、対向伝播する信号によって生じるＮＯＬＭ内の望ましくない効果を補償することについて、非偏波保持ファイバループの有効性を評価できる。実際に、このような効果はＡとＢがＮＲＺ信号である場合または高いビットレートパルス列である場合に顕著なものとなる。さらに、テストに用いられた１５ｐｓＲＺ信号は、本発明の光ゲートが超高速応用分野に適していることを確認するものである。図７と８の曲線は全ての論理ゲートの正しい挙動を確認するものであり、オン・オフ・コントラスト比について測定された値は、図３と４に示した結果を確認するものである。ＡＮＤ、ＸＯＲ、およびＯＲの場合、１７ｄＢの入力オン・オフ・コントラスト比に関して３ｄＢの改善が確認された。この改善は、ＳＰＭベースのＮＯＬＭがペデスタル抑制器として動作できることによるものである。
【００３５】
さらに、信号ＡとＢの両方とも入力Ｑ−値が５であったが、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥゲートを除く全ての論理ゲートについて、出力Ｑ−値の１ないし２の範囲で増加が確認された（なお、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥゲートをについて出力Ｑ−値が１だけ減少した）。ペデスタル出力信号によるＱ‐値の減少は、ペデスタル光抑制器ステージ２５（図６のＰＳによって一般的に示されている。）を非線形デバイスの出力側に挿入することで回避できる。抑制器は別のＳＰＭベースのＮＯＬＭによって実現するのが有利である。
【００３６】
最後に、光ファイバにおけるＳＰＭやＸＰＭのようなカー効果による高速応答時間を利用することで、１６０ＧＨｚ以上で動作を必要とする応用分野においても、本発明により実現される全光型論理ゲートが適しているといえよう。
【００３７】
以上説明したように、本発明の所定の目的は、単純で効率のよい全光型論理ゲートを入手可能とすることによって達成された。本発明の原理によって、光ドメインで全ての論理機能（ＮＯＴ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ、ＮＯＲ、ＮＡＮＤ）を得ることが可能となった。もし非線形ブロックを自己位相変調（ＳＰＭ）または相互位相変調（ＸＰＭ）を利用するＮＯＬＭによって実現する場合、再構成可能かつ再生可能な超高速論理ゲートが得られる。そのような論理ゲートの有効性はＮＲＺ信号でもＲＺ信号でも実証された。
【００３８】
本発明の技術範囲を逸脱することなく色々な変形が可能であることは理解できるであろう。例えば、ＮＯＬＭを非線形ブロックとして用いることは、超高速応答時間を実現する上で特に好適である。光論理ゲートが、１６０ＧＨｚ以上の動作を可能としているが、他の非線形光デバイスを採用してもよい。例えば、干渉計の形をした半導体増幅器のような半導体光デバイスを採用してもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による論理ゲートのブロック概略図である。
【図２】本発明において用いられる、論理機能ＮＡＮＤ、ＥＱ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、ＯＲおよびＡＮＤを実現する非線形ブロックの理想特性を示す図である。
【図３】、
【図４】それぞれ自己位相変調（ＳＰＭ）と相互位相変調（ＸＰＭ）に基づく非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の（正規化された出力パワーＰＯＵＴ対入力パワーＰＩＮ）の非線形特性を表わす図である。
【図５】ＳＰＭに基づく本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、およびＸＯＲゲートの構成を示す図である。
【図６】ＸＰＭに基づく本発明によるＮＯＲ、およびＥＱゲートの構成を示す図である。
【図７】本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱ、ＮＯＲ論理ゲートへの２つのノン・リターン・ツー・ゼロ（ＮＲＺ）信号入力と対応する出力波形との関係を示す図である。
【図８】本発明によるＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱ、ＮＯＲ論理ゲートへの２つのリターン・ツー・ゼロ（ＲＺ）信号入力と対応する出力波形との関係を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号（Ａ）を受け入れる第１光入力と、光信号（Ｂ）を受け入れる第２光入力と、要求される論理機能を適用した結果を表わす光信号を出力するための光出力とを備えた光論理ゲート（１０）であって、
前記第１および第２の光入力にそれぞれ入力された光信号（Ａ，Ｂ）を結合することで、これらの光信号のパワー（ＰＡ，ＰＢ）の和となるパワー（Ｐｉ）を有した結合信号を生成する光結合手段（１３）と、
前記結合信号（Ｐｉ）を受けて、対応する光出力信号（Ｐｏｕｔ）を放射する非線形光学手段（１４）と
を備え、
前記論理機能は、前記非線形光学手段の特性に依存して決定され、該特性は、前記論理機能によって前記光出力信号のパワーが前記結合信号のパワーと相関をもつことになるように選択された特性であることを特徴とする光論理ゲート。
【請求項２】
前記光結合手段（１３）は、前記光信号（Ａ，Ｂ）の総和を演算する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光論理ゲート。
【請求項３】
前記光結合手段（１３）は、偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光論理ゲート。
【請求項４】
前記非線形光学手段は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項５】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）は、前記結合信号から分岐された２つの光信号が光ファイバループ内を対向伝播するように前記結合信号を分岐する、自己位相変調（ＳＰＭ）をベースとしたタイプであることを特徴とする請求項４に記載の光論理ゲート。
【請求項６】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）は、前記結合信号からポンプ光を生成し、かつ、入力信号として光プローブ信号（ＣＷ）を有する、相互位相変調（ＸＰＭ）をベースとしたタイプであることを特徴とする請求項４に記載の光論理ゲート。
【請求項７】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の出力部に接続された光ペデスタル抑圧器（２５）をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の光論理ゲート。
【請求項８】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）が備えるファイバループの途中に偏波制御器（１９）をさらに含み、前記偏波制御器（１９）によって前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の特性を変更することで、実現すべき論理機能を選択することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項９】
前記光信号（Ａ，Ｂ）は、ともに同一の搬送波波長（λｓ）を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１０】
前記光信号（Ａ，Ｂ）は、前記光結合手段（１３）によって、相互に偏波が直交した状態で結合されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１１】
前記第１及び第２の光入力（１１，１２）と、前記光結合手段（１３）との間に、調整可能な光減衰器（１６Ａ、１６Ｂ）をさらに設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１２】
前記結合信号（Ｐｉ）を増幅する光増幅器（１７）をさらに備え、増幅された前記結合信号（Ｐｉ）が前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）に供給されることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１３】
前記論理機能は、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ、ＮＯＲ、ＮＡＮＤから選択されたものであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１】
光信号（Ａ）を受け入れる第１光入力と、光信号（Ｂ）を受け入れる第２光入力と、要求される論理機能を適用した結果を表わす光信号を出力するための光出力とを備えた光論理ゲート（１０）であって、
前記第１および第２の光入力にそれぞれ入力された光信号（Ａ，Ｂ）を結合することで、これらの光信号のパワー（ＰＡ，ＰＢ）の和となるパワー（Ｐｉ）を有した結合信号を生成する光結合手段（１３）と、
前記結合信号（Ｐｉ）を受けて、対応する光出力信号（Ｐｏｕｔ）を放射する非線形光学手段（１４）と
を備え、
前記論理機能は、前記非線形光学手段の特性に依存して決定され、該特性は、前記論理機能によって前記光出力信号のパワーが前記結合信号のパワーと相関をもつことになるように選択された特性であることを特徴とする光論理ゲート。
【請求項２】
前記光結合手段（１３）は、前記光信号（Ａ，Ｂ）の総和を演算する手段であることを特徴とする請求項１に記載の光論理ゲート。
【請求項３】
前記光結合手段（１３）は、偏波ビーム結合器（ＰＢＣ）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光論理ゲート。
【請求項４】
前記非線形光学手段は、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項５】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）は、前記結合信号から分岐された２つの光信号が光ファイバループ内を対向伝播するように前記結合信号を分岐する、自己位相変調（ＳＰＭ）をベースとしたタイプであることを特徴とする請求項４に記載の光論理ゲート。
【請求項６】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）は、前記結合信号からポンプ光を生成し、かつ、入力信号として光プローブ信号（ＣＷ）を有する、相互位相変調（ＸＰＭ）をベースとしたタイプであることを特徴とする請求項４に記載の光論理ゲート。
【請求項７】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の出力部に接続された光ペデスタル抑圧器（２５）をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の光論理ゲート。
【請求項８】
前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）が備えるファイバループの途中に偏波制御器（１９）をさらに含み、前記偏波制御器（１９）によって前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）の特性を変更することで、実現すべき論理機能を選択することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項９】
前記光信号（Ａ，Ｂ）は、ともに同一の搬送波波長（λｓ）を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１０】
前記光信号（Ａ，Ｂ）は、前記光結合手段（１３）によって、相互に偏波が直交した状態で結合されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１１】
前記第１及び第２の光入力（１１，１２）と、前記光結合手段（１３）との間に、調整可能な光減衰器（１６Ａ、１６Ｂ）をさらに設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１２】
前記結合信号（Ｐｉ）を増幅する光増幅器（１７）をさらに備え、増幅された前記結合信号（Ｐｉ）が前記非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）に供給されることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【請求項１３】
前記論理機能は、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ、ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＣＥ、ＮＯＲ、ＮＡＮＤから選択されたものであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光論理ゲート。
【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】
【公表番号】特表２００８−５０３７８１（Ｐ２００８−５０３７８１Ａ）
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１７２６９（Ｐ２００７−５１７２６９）
【出願日】平成１７年５月２７日（２００５．５．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００５／０５２４３７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０００５０８
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０７００２７５６）エリクソン エービー (26)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２７日（２００５．５．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００５／０５２４３７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０００５０８
【国際公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【出願人】（５０７００２７５６）エリクソン エービー (26)
【Ｆターム（参考）】
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