光順序回路
【課題】 本発明は、小さな光強度で状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光順序回路を提供することを目的とする。
【解決手段】 複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成する。
【解決手段】 複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光順序回路に関し、光出力が現在の光入力だけでなく過去の光入力の履歴に依存する光順序回路に関する。
【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、構築したシステムにおける信号処理の全てを光を用いて行うことが必要とされる。光のみを用いて駆動する光記憶素子の実現も、そうした要求事項の一つである。
【０００３】
光順序回路は光記憶素子の実現の一つの目安であり、例えば光順序回路の一つである光フリップフロップ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順序回路としては、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。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、小さな光強度で状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光順序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】
請求項１に記載の発明は、複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、
各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、
各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成したことにより、小さな光強度で状態遷移が可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光順序回路において、
前記複数の共振器は、２つの共振モードを持つ第１、第２共振器であり、
第１共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第１波長の光の入力で発生する非線形効果によって第２波長の光のスイッチングを行い、
第２共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第２波長の光の入力で発生する非線形効果によって第１波長の光のスイッチングを行うことにより、フリップフロップとして動作することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の光順序回路において、
前記第２共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第１波長の光に共鳴し、
前記第２共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第２波長の光に共鳴することにより、第１、第２波長の光のスイッチングを行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力及び前記第２波長の光の出力を行う標準導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力及び前記第１波長の光の出力を行う標準導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことにより、サイズを小型化することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力を行う第１波長用導波路及び前記第２波長の光の出力を行う第２波長用導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力を行う第２波長用導波路及び前記第１波長の光の出力を行う第１波長用導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことにより、第１波長，第２波長の光を別々に入出力することができ、各共振器の共振モードのＱ値設定が容易となる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項４記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に標準導波路を介在させて結合したことにより、共振モード間の反発を抑制することができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に第１波長用導波路と第２波長用導波路を介在させて結合したことにより、共振モード間の反発を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小さな光強度で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】
【００１８】
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。
【００１９】
図２は、本発明の光順序回路の一形態としての光フリップフロップの原理構成図を示す。図２において、光フリップフロップは、共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれで構成される２つの共鳴トンネルフィルタ、及び入出力用導波路１１，１２により構成されており、共振器ＣＡ、ＣＢが持つそれぞれ波長の異なる２つの共振モードを利用する。
【００２０】
ここで、共鳴トンネルフィルタとは、共振器と入出力導波路が互いにフォトニックバンドギャップ材によって分離されたものであり、その共振器の持つ共振モードの波長と同じ波長を持つ光を入力すると、その光が共振器内で共鳴を起こすことにより、共振器内での光子密度を高めつつ光パワーの殆どを透過し、共鳴しない波長の光はそのパワーの殆どを反射する。
【００２１】
また、ここで共振器ＣＡ、ＣＢは非常に高いＱ値と非常に小さなモード体積を有するため、入力光の強度に依存し光非線形効果を起こしやすい構造となっている。ここで、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ１、ＭＢ２とする。また、入力光は２種類の波長の光を用い、それぞれ光Ｓ１，Ｓ２とする。
【００２２】
ここで、共振モードＭＢ１は光Ｓ１に対して共鳴波長となり、ＭＡ２はＳ２に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。一方、共振モードＭＡ１は光Ｓ１に対し、共振モードＭＢ２は光Ｓ２に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設計する。
【００２３】
なお、共振モードＭＢ１、ＭＡ２のＱ値をやや低めのＱ値に設定するのは、光Ｓ１，Ｓ２の透過率を上昇（反射の低減）させ、非線形効果を起こさせないために共振機内での光強度を低下させるためであり、後述のＱｈ値を低く設計することで実現する。
【００２４】
従って、共振器ＣＡは光Ｓ１の入力によりＳ２を遮断するスイッチとして機能し、共振器ＣＢは光Ｓ２の入力によりＳ１を遮断するスイッチとして機能する。また、光Ｓ１は共振器ＣＡに対する制御ラインであり、共振器ＣＢにおける信号ラインとして捉えられ、光Ｓ２はＣＢに対する制御ラインであり、共振器ＣＡにおける信号ラインとして捉えることができる。
【００２５】
次に、図３を用いて図２の光フリップフロップの動作を説明する。
（ａ）最初、一切の光Ｓ１、Ｓ２が入力されていない状態から始め、光Ｓ１を共振器ＣＢからＣＡの順に透過するように入力する。この時、Ｓ２は共振モードＭＡ２を介して共振器ＣＡをすり抜け共振器ＣＢに到達し、光非線形効果により共振モードＭＢ１、ＭＢ２それぞれを波長シフトさせつつ共振器ＣＢすり抜け、出力側導波路１１に到達する。
（ｂ）この状態の時、光Ｓ１を共振器ＣＢからＣＡの順に透過するように入力すると、モードＭＢ１が光Ｓ２によって既に波長シフトさせられているため、Ｓ１はモードＭＢ１に共鳴できず、共振器ＣＢにより透過をブロックされる。また、僅かに透過できた分も共振器ＣＡで光非線形効果を起こすには不十分であり、ここでもブロックされる。
（ｃ）ここで光Ｓ２を一瞬絶つ（負パルスの入力）。すると光Ｓ２により共振器ＣＢで起こっていた光非線形効果が消滅し、共振モードＭＢ１、ＭＢ２それぞれの共鳴波長は元の波長に復帰する。すると、それまで共振器ＣＢを透過できなかった光Ｓ１はモードＭＢ１を介して共振器ＣＢをすり抜けて共振器ＣＡに達し、共振モードＭＡ１、ＭＡ２を光非線形効果により波長シフトさせつつ共振器ＣＡを透過する。
（ｄ）この状態の時、再び光Ｓ２を入力しても、（ｂ）における光Ｓ１と同様に、光Ｓ２は共振器ＣＡ、ＣＢでブロックされるため透過できない。
【００２６】
上記の状態（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順に変化した場合、時間軸（ｔ）における、入力光Ｓ１，Ｓ２と、出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔの関係を図４に示す。図中、ハッチング部分において、入出力光が得られる。
【００２７】
図５に、上記の光フリップフロップの状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔがともにオフ、状態Ｂを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２の変化による状態遷移を矢印で示している。
【００２８】
このようにして、図２のフリップフロップでは、回路全体が過去の光入力の状態を記憶し、負論理によるフリップフロップ動作が可能となる。また、本発明において光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こす光信号の強度は、従来の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のに必要な光強度に比べると大幅に小さくなる。
【００２９】
次に、具体的な回路構成について説明する。
【００３０】
上記の光フリップフロップは、三角格子空孔２次元フォトニック結晶に構成する。三角格子空孔２次元フォトニック結晶における共鳴トンネルフィルタは、その共振器内においてその結晶配位方向のΓＭ軸方向にフィールド（腕）が伸びるため、これらと導波路を連結する形で結合可能である。
【００３１】
なお、三角格子空孔の結晶配位方向のΓＫ軸は隣接する２つ空孔の中心を結ぶ方向であり、三角格子の３辺がΓＫ軸に対応する。また、ΓＭ軸は、隣接する２つ空孔の中心を結ぶ直線（ΓＫ軸）に直交し、最短の空孔の中心に向かう方向である。
（第１実施形態、共振器間直接結合２ポートフリップフロップ）
図６は、共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。このフリップフロップは、２個の共振器ＣＡ、ＣＢと、全波長を通す標準導波路１３，１４からなる最もシンプルな形態である。ここでは、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれ１本ずつの標準導波路１３，１４がトンネリングにより結合されている。標準導波路１３はＳ１入力用導波路とＳ２ｏｕｔ出力用導波路を兼ね、標準導波路１４はＳ２入力用導波路とＳ１ｏｕｔ出力用導波路を兼ねる。
【００３２】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向（フィールドが伸びる方向）となるよう配置され、共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれの他端からΓＭ軸方向に標準導波路１３，１４の一端が配置され、標準導波路１３，１４はΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００３３】
光Ｓ１は外部から標準導波路１３に入力されて標準導波路１４から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路１４に入力されて標準導波路１３から出力される。
【００３４】
この実施形態は、Ｓ１ｏｕｔ、Ｓ２ｏｕｔ出力用導波路を用いずに、共振器ＣＡ、ＣＢから紙面とは垂直の上下方向に出力される上方放射光を用いる場合には、デバイスサイズが小さく構成が単純であるという特長がある。
【００３５】
図７は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコン（Ｓｉ）エアブリッジ型のフォトニック結晶２０は、シリコンのスラブ２２に三角格子状の空孔２４を設けたものである。
【００３６】
標準導波路２６，２８それぞれは、フォトニック結晶の空孔をＸ軸方向に除去して構成されている。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。
【００３７】
標準導波路２６の一端からΓＭ軸方向（フィールドが伸びる方向）に６周期のポテンシャルバリア（６周期のフォトニック結晶周期）を配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより標準導波路２６と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に６周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に６周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路２８の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと標準導波路２８間が結合されている。なお、共振器と共振器の間あるいは共振器と導波路の間のポテンシャルバリアの周期数は、要求する結合率により増減できる。
【００３８】
光Ｓ１は外部から標準導波路２６のポートＰ１に入力されて標準導波路２８のポートＰ２から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路２８のポートＰ２に入力されて標準導波路２６のポートＰ１から出力される。
（第２実施形態、共振器間直接結合４ポートフリップフロップ）
図８は、共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれにＳ１用導波路３０，３１とＳ２用導波路３２，３３がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路３０，３１として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路３２，３３として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。これらＳ１用導波路３０，３１、Ｓ２用導波路３２，３３の設計方法については後述する。
【００３９】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向となるよう配置され、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路３１，Ｓ２用導波路３２の一端が配置され、共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路３０，Ｓ２用導波路３３の一端が配置され、導波路３０〜３３それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００４０】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路３０に入力されて上部のＳ１用導波路３１から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中上部のＳ２用導波路３２に入力されて下部のＳ２用導波路３３から出力される。
【００４１】
２次元集積時は出力光Ｓ１ｏｕｔ、Ｓ２ｏｕｔを他のデバイスに入力して機能回路を構成するので、この実施形態が望ましい。また、光Ｓ１，Ｓ２それぞれで導波路と共振器間の結合率を個別に調整できるため、共振器ＣＡ、ＣＢのＱ値設定が容易となる。
【００４２】
図９は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶４０は、シリコンのスラブ４２に三角格子状の空孔４４を設けたものである。
【００４３】
Ｓ１用導波路４５，Ｓ２用導波路４６それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。Ｓ１用導波路４５，Ｓ２用導波路４６それぞれの一端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路４５，４６と共振器ＣＢ間が結合されている。
【００４４】
共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路４７，Ｓ２用導波路４８の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと導波路４７，４８間が結合されている。Ｓ１用導波路４７，Ｓ２用導波路４８それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。
【００４５】
光Ｓ１は外部からＳ１用導波路４５のポートＰ１に入力されてＳ１用導波路４７のポートＰ３から外部に出力され、光Ｓ２は外部からＳ２用導波路４８のポートＰ４に入力されて２用導波路４６のポートＰ２から出力される。
【００４６】
図８、図９の実施形態では、光Ｓ１、Ｓ２を互いに逆向きに入出力させているが、光Ｓ１、Ｓ２を同じ向きに入出力したい場合には、図１０に示す構成とする。また、図１１に示す構成とすることも可能である。
【００４７】
図１０は、共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図を示す。同図中、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれにＳ１用導波路５０，５１とＳ２用導波路５２，５３がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路５０，５１として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路５２，５３として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。
【００４８】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向となるよう配置され、共振器ＣＡの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＢとは異なるΓＭ軸方向）にＳ２用導波路５２の一端が配置され、共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向にＳ１用導波路５０の一端が配置されている。また、共振器ＣＢの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＡとは異なるΓＭ軸方向）にＳ２用導波路５３の一端が配置され、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向にＳ１用導波路５１の一端が配置されている。導波路５０〜５３それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００４９】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路５０に入力されて上部のＳ１用導波路５１から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中下部のＳ２用導波路５２に入力されて上部のＳ２用導波路５３から出力される。
【００５０】
ところで、導波路はΓＫ軸方向に延在していれば良く、Ｘ軸方向に延在する必要はなく、また、互いに平行に配置する必要はない。このような例について説明する。
【００５１】
図１１は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶６０は、シリコンのスラブ６２に三角格子状の空孔６４を設けたものである。
【００５２】
Ｓ１用導波路６５，Ｓ２用導波路６６それぞれは、Ｘ軸に対し６０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。また、Ｓ１用導波路６７，Ｓ２用導波路６８それぞれは、Ｘ軸に対し１２０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。
【００５３】
Ｓ２用導波路６８の一端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路６８と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向（共振器ＣＡとは異なるΓＭ軸方向）に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路６５の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと導波路６５間が結合されている。
【００５４】
また、共振器ＣＡの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＢとは異なるΓＭ軸方向）に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ２用導波路６６の一端が設けられ、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路６７の一端が設けられている。
【００５５】
光Ｓ１は外部からＳ１用導波路６５のポートＰ１に入力されてＳ１用導波路６７のポートＰ３から外部に出力され、光Ｓ２は外部からＳ２用導波路６８のポートＰ２に入力されてＳ２用導波路６６のポートＰ４から出力される。
（第３実施形態、共振器間導波路結合２ポートフリップフロップ）
ところで、共振器ＣＡ、ＣＢ間のＸＹ平面方向の漏れ成分であるＱｈを低下させて共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれのＱ値を抑制するためには、共振器間結合を強くする必要があるが、共振器間を直接結合する場合、共振モードＭＡ１とＭＢ１、共振モードＭＡ２とＭＢ２が互いに干渉し、共振モード同士の反発が起こりやすくなり、共振器の設計が困難になる。そこで、共振器間の距離を離し、導波路により共振器ＣＡ、ＣＢ間を結合することで、この共振モード間の反発を抑制することができる。
【００５６】
なお、Ｑ値はＸＹ平面に対し垂直方向の損失に起因するＱｖと、ＸＹ平面の水平方向の結合率に起因するＱｈに分解され、１／Ｑ＝１／Ｑｖ＋１／Ｑｈで表わされる。また、このときの共振器の透過率Ｔは、Ｔ＝（Ｑｖ／Ｑｈ）２で表わされる。Ｑｖ値は共振器固有の値であり、Ｑｈ値は共振器と導波路の位置関係及び共鳴波長で決定される。
【００５７】
図１２は、共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、２つの共振器ＣＡ、ＣＢは標準導波路７１の両端にトンネリングにより結合されている。また、共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれ１本ずつの標準導波路７２，７３がトンネリングにより結合されている。標準導波路７２はＳ１入力用導波路とＳ２ｏｕｔ出力用導波路を兼ね、標準導波路７３はＳ２入力用導波路とＳ１ｏｕｔ出力用導波路を兼ねる。
【００５８】
共振器ＣＡの両端からΓＭ軸方向に標準導波路７１，７３の一端が配置され、共振器ＣＢの両端からΓＭ軸方向に標準導波路７１，７２の一端が配置され、標準導波路７１，７２，７３はΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。光Ｓ１は外部から標準導波路７２に入力されて標準導波路７３から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路７３に入力されて標準導波路７２から出力される。
【００５９】
図１３は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶８０は、シリコンのスラブ８２に三角格子状の空孔８４を設けたものである。
【００６０】
標準導波路８５，８６，８７それぞれは、フォトニック結晶の空孔をＸ軸方向に除去して構成されている。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。共振器間を結合する標準導波路８５の長さは２０結晶周期としているが、デバイスサイズとモード間反発の程度により増減できる。しかし、短すぎるとモード間反発が強くなると同時に導波路自体が共振器特性を強く帯び始めるため、１０結晶周期より短い領域では用いない方がよい。
【００６１】
標準導波路８５の両端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡ，ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより標準導波路８５と共振器ＣＡ，ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路８６の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと標準導波路８６間が結合されている。また、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路８７の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと標準導波路２８間が結合されている。
（第４実施形態、共振器間導波路結合４ポートフリップフロップ）
図１４は、共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、２つの共振器ＣＡ、ＣＢはＳ１用導波路９１，Ｓ２用標準導波路９２それぞれの両端にトンネリングにより結合されている。また、共振器ＣＢにＳ１用標波路９３，Ｓ２用導波路９４がトンネリングにより結合され、共振器ＣＡにＳ１用導波路９５，Ｓ２用導波路９６がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路９１，９３，９５として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路９２，９４，９６として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。
【００６２】
共振器ＣＢの一端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９１，Ｓ２用導波路９２の一端が配置され、共振器ＣＡの一端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９１，Ｓ２用導波路９２の他端が配置されている。共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９３，Ｓ２用導波路９４の一端が配置され、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９５，Ｓ２用導波路９６の一端が配置され、導波路９１〜９６それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００６３】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路９３に入力されて上部のＳ１用導波路９５から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中上部のＳ２用導波路９６に入力されて下部のＳ２用導波路９４から出力される。
【００６４】
この構成では、各共振モードのＱ値を全てＱｈの制御のみによって個別に設計が可能となるので設計が容易になる。共振器間を結合する導波路の長さに関する制限は共振器間導波路結合２ポートＦＦの場合と同様である。
【００６５】
図１５は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶１００は、シリコンのスラブ１０２に三角格子状の空孔１０４を設けたものである。
【００６６】
Ｓ１用導波路１０５，Ｓ２用導波路１０６それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。Ｓ１用導波路１０５，Ｓ２用導波路１０６それぞれの一端からΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路１０５，１０６と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置してＹ軸上の異なる位置にＳ１用導波路１０７，Ｓ２用導波路１０８それぞれの一端が配置され、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと導波路１０７，１０８間が結合されている。共振器ＣＢとＳ１用導波路１０５，１０７、Ｓ２用導波路１０６，１０８それぞれの間のポテンシャルバリア周期を選択することにより、共振モードＭＢ１，ＭＢ２を決定できる。
【００６７】
Ｓ１用導波路１０７，Ｓ２用導波路１０８それぞれは、Ｘ軸方向に延在しており、それぞれの一端からΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路１０７，１０８と共振器ＣＡ間が結合されている。共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置してＹ軸上の異なる位置にＳ１用導波路１０９，Ｓ２用導波路１１０それぞれの一端が配置され、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと導波路１０７，１０８間が結合されている。共振器ＣＡとＳ１用導波路１０７，１０９，Ｓ２用導波路１０８，１１０それぞれの間のポテンシャルバリア周期を選択することにより、共振モードＭＡ１，ＭＡ２を決定できる。
【００６８】
なお、図１４では、Ｓ１用導波路９１，９３，９５のＹ軸上の位置が同一となり、Ｓ２用導波路９２，９４，９６それぞれのＹ軸上の位置が同一となるように配置しているが、図１６に示すように、Ｓ１用導波路９１とＳ１用導波路９３，９５のＹ軸上の位置が異なり、Ｓ２用導波路９２とＳ１用導波路９４，９６のＹ軸上の位置が異なるよう、Ｓ１用導波路９１とＳ２用導波路９２とを共振器ＣＡ，ＣＢを介して交差させる構成としても良い。
【００６９】
次に、Ｓ１用導波路とＳ２用導波路に付いて説明する。
【００７０】
本発明の光順序回路は、構成によってＳ１用導波路、Ｓ２用導波路を必要とする。これらの導波路は、それぞれＳ１用導波路は光Ｓ２を導波できず、Ｓ２用導波路は光Ｓ１を導波できないように導波帯域を制限している。このような導波路には様々なものが考え得るが、ここでは仮に位相シフト孔導波路と幅狭型導波路を用いる。位相シフト孔導波路と幅狭型導波路の解析には３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用い、共通の設定として、三角格子空孔２次元フォトニック結晶のスラブ厚２００ｎｍ、格子定数ａ＝３９０ｎｍ、スラブ屈折率（シリコン：Ｓｉを仮定）を３．４６、標準空孔径＝０．５５ａとする。
【００７１】
図１７（Ｂ）に、位相シフト孔導波路の基本構成を示す。位相シフト孔導波路は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する線欠陥導波路の中央線上に、ΓＫ軸方向に結晶周期と半周期ずれた位置に空孔（中央孔：ハッチングで示す）を設けた導波路である。
【００７２】
特性パラメータとして中央孔の直径Ｄを用いると、図１７（Ａ）に示すように透過帯域が変化する。結晶周期ａで規格化し、中央孔の直径Ｄが０．５ａ程度より大きい位置で長波長側に有効な透過帯域が生じる。このとき、中央孔径に応じて、Ｄ＝０．５ａ程度では波長帯域１４００ｎｍ〜１４４０ｎｍとなり、Ｄ＝０．６５ａ程度では波長帯域１２８０ｎｍ〜１４１０ｎｍとなる透過禁止帯域が発生する。この透過禁止帯域が光Ｓ２に重なるように設計することによりＳ１専用導波路として利用できる。
【００７３】
図１８（Ｂ）に、幅狭型導波路の基本構成を示す。幅狭型導波路は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する線欠陥導波路の最内の空孔列（左下がりハッチングで示す）及び２番目に内側の空孔列（左上がりハッチングで示す）の位置を幅寄せることにより透過帯域を制御する。２番目に内側の列の空孔は、元の位置の空孔と重ねるように形成する。
【００７４】
その幅寄せ量を特性パラメータとして用いると、図１８（Ａ）に示すように短波長帯のみが透過する導波路となることがわかる。その幅寄せ量に従ってその透過波長の上限を１４７０ｎｍ〜１３６０ｎｍの範囲で調整できる。従って、透過上限波長が光Ｓ１の波長より短波長となるよう設計することにより、Ｓ２専用導波路として利用できる。
【００７５】
図１９に、Ｓ１用導波路に光Ｓ２が漏れず、Ｓ２用導波路に光Ｓ１が漏れないようクロストークが最小になるよう設計した場合の波長スペクトルデータを示す。ここで、Ｓ１用導波路の特性を破線で示し、Ｓ２用導波路の特性を一点差線で示す。
【００７６】
ここで、共振器に図２０に示す基本構成の４点欠陥共振器を用いる。４点欠陥共振器は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する４点欠陥に隣接する最内孔（ハッチングで示す）をΓＫ軸方向に４点欠陥から離すように０．１５ａだけ幅寄せ、更に、最内孔の径を０．３としている。この場合の共振器の特性は図１９に実線で示すように、モード１（波長１４６３．７７ｎｍ、Ｑ値は６００００以上），モード２（波長１４３１．７５ｎｍ、Ｑ値は１６０００），モード３（波長１３５９．８８ｎｍ、Ｑ値は２５００）の共振モードが存在する。
【００７７】
従って、モード１を光Ｓ１、モード２を光Ｓ２として用いる。この場合、位相シフト孔導波路の中央孔径を０．５ａとするとＳ１用導波路として適当な特性を持ち、幅狭型導波路の幅寄せ量を０．０８ａとしてＳ２用導波路として適当な特性を持つ。
（具体的設計に基づく解析例）
以上を基に動作実証の初期的解析を行った。
【００７８】
図１５に示す共振器間導波路結合４ポートフリップフロップを解析するにあたり、実際に各導波路が各入力光を分離できるかを解析した。解析結果を図２１に示す。
【００７９】
図２１（Ｄ）に解析したモデルの構成例を示す。解析には３次元ＦＤＴＤを用い、フォトニック結晶はシリコンエアブリッジ型の三角格子空孔フォトニック結晶とした。格子定数ａ＝３９０ｎｍ、スラブ等価屈折率ｎ＝３．４６、スラブ厚２００ｎｍとし、基本的な空孔の直径Ｄは２１４．５ｎｍ（＝０．５５ａ）とした。共振器は４点欠陥のものを用い、共振器の長手方向に隣接する２つの最内孔を外側に向かって５０ｎｍだけずらすとともに、その直径Ｄｉを１１７ｎｍ（＝０．３０ａ）に減少させてＱ値を稼いでいる。
【００８０】
入出力用導波路は、短波側のＳ２用導波路として両脇の空孔をそれぞれ１５．６ｎｍ（＝０．０４ａ）だけ内側にずらした幅狭型導波路を用い、長波側のＳ１用導波路として中央孔径１９５ｎｍ（＝０．５０ａ）の位相シフト孔導波路を用いた。
【００８１】
図２１（Ｄ）における、Ｓ１用導波路１０５内の位置Ｐ１、Ｓ２用導波路１０６内の位置Ｐ２、共振器ＣＢ内の位置Ｐ５それぞれにおける波長スペクトルデータを図２１（Ａ）に実線、破線、一点鎖線それぞれで示す。図２１（Ａ）から、共振器ＣＢ内で光を励振すると、位置Ｐ１には光Ｓ１、位置Ｐ２には光Ｓ２に相当する波長が透過し、それぞれもう一方の波長に対するクロストークは２０ｄＢ以上確保されていることが分かる。
【００８２】
図２１（Ｂ）は光波長Ｓ２成分の空間的な磁界パワー分布を示し、図２１（Ｃ）は光波長Ｓ１成分の空間的な磁界パワー分布を示している。なお、図２１（Ｂ），（Ｃ）における磁界パワーの大きさの指標は後述の図２２に示すものと同一である。ここでは、期待通りに光Ｓ２はＳ２用導波路１０６，１０８に出力し、光Ｓ１はＳ１用導波路１０５，１０７に出力している。例えば図２１（Ｂ）で光Ｓ２がＳ１用導波路１０５，１０７に僅かに漏れだして見えるクロストークはＳ１用導波路１０５，１０７の導波路長不足によるもので、導波路長をより長くすることでより低減できる。
【００８３】
更に、図１５に示す回路の解析結果を図２２乃至図２５に示す。この解析には２次元ＦＤＴＤを用い、フォトニック結晶はシリコンエアブリッジ型の三角格子空孔フォトニック結晶とした。格子定数ａ＝４００ｎｍ、スラブ等価屈折率ｎ＝２．７８、基本的な空孔の直径Ｄは２２０ｎｍ（＝０．５５ａ）とした。共振器ＣＡ、ＣＢは、４点欠陥のものを用い、共振器の長手方向に隣接する２つの孔を外側に向かって４８ｎｍ（＝０．１２ａ）だけずらすとともに、その直径Ｄｉを２００ｎｍ（＝０．５０ａ）に減少させている。入出力用導波路は、短波側のＳ２用導波路として両脇の空孔をそれぞれ３２ｎｍ（＝０．０８ａ）だけ内側にずらした幅狭型導波路を用い、長波側のＳ１用導波路として中央孔径２６０ｎｍ（＝０．６５ａ）の位相シフト孔導波路を用いた。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］を示している。
【００８４】
図２２は、光Ｓ２がＳ２用導波路１１０のポートＰ４から入力されている様子を示し、共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっているため、光Ｓ２はＳ２用導波路１０６のポートＰ２から出力される。これは図３の（ａ）に示す状態に相当する。
【００８５】
図２３は、図２２の状態における光Ｓ１の透過状況を示している。共鳴波長の相対位置をずらすため、共振器ＣＡ内の等価屈折率を＋０．０１だけ変化させ、共振器ＣＢ内の等価屈折率を−０．０１だけ変化させている。光Ｓ１はＳ１用導波路１０５のポートＰ１から入力されているが、このとき共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっているため、光Ｓ１は殆ど透過しない。これは図３の（ｂ）に示す状態に相当する。
【００８６】
図２４は、図２３の状態から、光Ｓ２の入力を停止した時の光Ｓ１の透過状況を示している。共振器ＣＢが光Ｓ１に対してＯＮになるため、共振器ＣＢにおける光Ｓ１の透過強度が増加し、共振器ＣＡを光非線形効果によりＯＮにする。これにより光Ｓ１はＳ１用導波路１０９のポートＰ３から出力される。これは図３の（ｃ）に示す状態に相当する。
【００８７】
図２５は、図２４の状態から、再び光Ｓ２を入力した時の光Ｓ２の透過状況を示している。共鳴波長の相対位置をずらすため、共振器ＣＡ内の等価屈折率を−０．０１だけ変化させ、共振器ＣＢ内の等価屈折率を＋０．０１だけ変化させている。光Ｓ１に対しＯＮとなった共振器ＣＡは光Ｓ２に対しＯＦＦとなり、また共振器ＣＢもＯＦＦとなるため、光Ｓ２は殆ど透過できなくなる。これは図３の（ｄ）に示す状態に相当する。
【００８８】
これらの解析結果は、図１５の回路構成によるデバイスの光フリップフロップ動作が原理的に可能である事を示している。
（第５実施形態、Ｎ個の共振器を用いた光順序回路）
使用する共振器数が２より大きい場合の光順序回路の構成例を示す。
【００８９】
図２６は、３共振器構成光順序回路の構成図を示す。この光順序回路は、共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣと、これらを結合するＳ２，Ｓ３用導波路１２０、Ｓ１用導波路１２１、Ｓ２用導波路１２２，Ｓ１，Ｓ３用導波路１２３、Ｓ２用導波路１２４、Ｓ１用導波路１２５、Ｓ２用導波路１２６、Ｓ３用導波路１２７からなる。
【００９０】
入力光はＳ１、Ｓ２、Ｓ３が用いられる。光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値は図２７に示すように設定されている。即ち、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ２、ＭＢ３とし、共振器ＣＣが持つ共振モードをＭＣ１、ＭＣ２とする。共振モードＭＣ１は光Ｓ１に対し、ＭＡ２はＳ２に対し、ＭＢ３はＳ３に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。
【００９１】
一方、共振モードＭＡ１は光Ｓ１に対し、ＭＢ２，ＭＣ２はＳ２に対し、ＭＡ３はＳ３に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設定する。これは図２の構成における図３に相当する。
【００９２】
ここで、光Ｓ２は共振器ＣＢ、ＣＣで非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ１、Ｓ２は共に共振器ＣＡで非線形効果によるスイッチング動作を行う。従って、光Ｓ２が入力されている時は光Ｓ１，Ｓ３は遮断され、逆に光Ｓ１、Ｓ３のいずれかが入力されている時は光Ｓ２が遮断され、順序回路としての動作を行う。
【００９３】
図２８に、上記の光順序回路の状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔが全てオフ、状態Ｂを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオン、状態Ｄを出力光Ｓ３ｏｕｔのみオン、状態Ｅを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔがともにオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の変化による状態遷移を矢印で示している。
【００９４】
共振器の数が増えると各共振モードの設定方法の自由度が増すため、図２６と類似の構成で異なった機能を実現できる。
【００９５】
図２９は、他の３共振器構成光順序回路の構成図を示す。この光順序回路は、共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣと、これらを結合するＳ１，Ｓ２用導波路１３０、Ｓ２，Ｓ３用導波路１３１、Ｓ１，Ｓ３用導波路１３２，Ｓ３用導波路１３３、Ｓ１用導波路１３４、Ｓ１用導波路１３５、Ｓ２用導波路１３６、Ｓ２用導波路１３７、Ｓ３用導波路１３８からなる。
【００９６】
入力光はＳ１、Ｓ２、Ｓ３が用いられる。光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値は図３０に示すように設定されている。即ち、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ３とし、共振器ＣＣが持つ共振モードをＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３とする。共振モードＭＣ１は光Ｓ１に対し、ＭＡ２はＳ２に対し、ＭＢ３はＳ３に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。
【００９７】
一方、共振モードＭＡ１，ＭＢ１は光Ｓ１に対し、ＭＢ２，ＭＣ２はＳ２に対し、ＭＡ３，ＭＣ３はＳ３に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設定する。
【００９８】
ここで、光Ｓ１は共振器ＣＡ、ＣＢに対して非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ２は共振器ＣＢ、ＣＣに対して非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ３はＣＡ、ＣＣに対して非線形効果によるスイッチング動作を行う。このため、光Ｓ１を一瞬ＯＦＦにすると光Ｓ２、Ｓ３の経路が開く。ここで、共振器ＣＡよりも共振器ＣＢのほうが光Ｓ１の光源側に近いため時間的に早く状態が戻り、そのため、光Ｓ３がＳ２より先にＯＮとなり、光Ｓ１に代わって共振器ＣＣをスイッチングする。このため、光Ｓ２のＯＮが阻止される。同様に光Ｓ３をＯＦＦにすると、光Ｓ２がオンになり、光Ｓ２をＯＦＦにすると、光Ｓ１がＯＮになる。
【００９９】
図３１に、上記の光順序回路の状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔが全てオフ、状態Ｂを出力光Ｓ３ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｄを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の変化による状態遷移を矢印で示している。
【０１００】
このようにして本発明の光順序回路は、その構成をＮ個（Ｎ≧２）の共振器への拡張が可能である。
【０１０１】
以上のように、本発明の構造は、２次元フォトニック結晶をベースとする２次元光回路内で信号光、制御光を伝搬させるため、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、極めて微少な、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。
【０１０２】
なお、共振器ＣＡが請求項記載の第１共振器に対応し、共振器ＣＢが第２共振器に対応し、光Ｓ１が第１波長に対応し、光Ｓ２が第２波長に対応し、ＭＡ１が第１共振器の第１共振モードに対応し、ＭＡ２が第１共振器の第２共振モードに対応し、ＭＢ１が第２共振器の第１共振モードに対応し、ＭＢ２が第２共振器の第２共振モードに対応し、Ｓ１用導波路が第１波長用導波路に対応し、Ｓ２用導波路が第２波長用導波路に対応する。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【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】本発明の光順序回路の一形態としての光フリップフロップの原理構成図である。
【図３】図２の光フリップフロップの動作を説明するための図である。
【図４】時間軸における入力光と出力光の関係を示す図である。
【図５】光フリップフロップの状態遷移図である。
【図６】共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図７】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図８】共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図９】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１０】共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１１】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１２】共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図１３】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図１４】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１５】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１６】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１７】位相シフト孔導波路の基本構成及び透過帯域特性を示す図である。
【図１８】幅狭型導波路の基本構成及び透過帯域特性を示す図である。
【図１９】Ｓ１用導波路とＳ２用導波路と共振器の波長スペクトルデータを示す図である。
【図２０】４点欠陥共振器の基本構成図である。
【図２１】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの解析結果を示す図である。
【図２２】図１５に示す回路で光Ｓ２に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２３】図１５に示す回路で光Ｓ１に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２４】図１５に示す回路で光Ｓ１に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２５】図１５に示す回路で光Ｓ２に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２６】３共振器構成光順序回路の構成図である。
【図２７】図２６の光順序回路における光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値を示す図である。
【図２８】図２６の光順序回路における状態遷移図である。
【図２９】他の３共振器構成光順序回路の構成図である。
【図３０】図２９の光順序回路における光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値を示す図である。
【図３１】図２９の光順序回路における状態遷移図である。
【符号の説明】
【０１０４】
ＣＡ、ＣＢ 共振器
１１，１２ 入出力用導波路
１３，１４，２６，２８，７１〜７３，８５〜８７ 標準導波路
２０，４０，６０，８０，１００ フォトニック結晶
２２，４２，６２，８２，１０２ スラブ
２４，４４，６４，８４，１０４ 空孔
３０，３１，４５，５０，５１，６５，６７，９１，９３，９５，１０５，１０７，１０９ Ｓ１用導波路
３２，３３，４６，５２，５３，６６，６８，９２，９４，９６，１０６，１０８，１１０ Ｓ２用導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光順序回路に関し、光出力が現在の光入力だけでなく過去の光入力の履歴に依存する光順序回路に関する。
【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、構築したシステムにおける信号処理の全てを光を用いて行うことが必要とされる。光のみを用いて駆動する光記憶素子の実現も、そうした要求事項の一つである。
【０００３】
光順序回路は光記憶素子の実現の一つの目安であり、例えば光順序回路の一つである光フリップフロップ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順序回路としては、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。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、小さな光強度で状態遷移が可能となり、サイズを小型化できる光順序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】
請求項１に記載の発明は、複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、
各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、
各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成したことにより、小さな光強度で状態遷移が可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光順序回路において、
前記複数の共振器は、２つの共振モードを持つ第１、第２共振器であり、
第１共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第１波長の光の入力で発生する非線形効果によって第２波長の光のスイッチングを行い、
第２共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第２波長の光の入力で発生する非線形効果によって第１波長の光のスイッチングを行うことにより、フリップフロップとして動作することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の光順序回路において、
前記第２共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第１波長の光に共鳴し、
前記第２共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第２波長の光に共鳴することにより、第１、第２波長の光のスイッチングを行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力及び前記第２波長の光の出力を行う標準導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力及び前記第１波長の光の出力を行う標準導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことにより、サイズを小型化することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力を行う第１波長用導波路及び前記第２波長の光の出力を行う第２波長用導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力を行う第２波長用導波路及び前記第１波長の光の出力を行う第１波長用導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことにより、第１波長，第２波長の光を別々に入出力することができ、各共振器の共振モードのＱ値設定が容易となる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項４記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に標準導波路を介在させて結合したことにより、共振モード間の反発を抑制することができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５乃至７のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に第１波長用導波路と第２波長用導波路を介在させて結合したことにより、共振モード間の反発を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小さな光強度で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】
【００１８】
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。
【００１９】
図２は、本発明の光順序回路の一形態としての光フリップフロップの原理構成図を示す。図２において、光フリップフロップは、共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれで構成される２つの共鳴トンネルフィルタ、及び入出力用導波路１１，１２により構成されており、共振器ＣＡ、ＣＢが持つそれぞれ波長の異なる２つの共振モードを利用する。
【００２０】
ここで、共鳴トンネルフィルタとは、共振器と入出力導波路が互いにフォトニックバンドギャップ材によって分離されたものであり、その共振器の持つ共振モードの波長と同じ波長を持つ光を入力すると、その光が共振器内で共鳴を起こすことにより、共振器内での光子密度を高めつつ光パワーの殆どを透過し、共鳴しない波長の光はそのパワーの殆どを反射する。
【００２１】
また、ここで共振器ＣＡ、ＣＢは非常に高いＱ値と非常に小さなモード体積を有するため、入力光の強度に依存し光非線形効果を起こしやすい構造となっている。ここで、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ１、ＭＢ２とする。また、入力光は２種類の波長の光を用い、それぞれ光Ｓ１，Ｓ２とする。
【００２２】
ここで、共振モードＭＢ１は光Ｓ１に対して共鳴波長となり、ＭＡ２はＳ２に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。一方、共振モードＭＡ１は光Ｓ１に対し、共振モードＭＢ２は光Ｓ２に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設計する。
【００２３】
なお、共振モードＭＢ１、ＭＡ２のＱ値をやや低めのＱ値に設定するのは、光Ｓ１，Ｓ２の透過率を上昇（反射の低減）させ、非線形効果を起こさせないために共振機内での光強度を低下させるためであり、後述のＱｈ値を低く設計することで実現する。
【００２４】
従って、共振器ＣＡは光Ｓ１の入力によりＳ２を遮断するスイッチとして機能し、共振器ＣＢは光Ｓ２の入力によりＳ１を遮断するスイッチとして機能する。また、光Ｓ１は共振器ＣＡに対する制御ラインであり、共振器ＣＢにおける信号ラインとして捉えられ、光Ｓ２はＣＢに対する制御ラインであり、共振器ＣＡにおける信号ラインとして捉えることができる。
【００２５】
次に、図３を用いて図２の光フリップフロップの動作を説明する。
（ａ）最初、一切の光Ｓ１、Ｓ２が入力されていない状態から始め、光Ｓ１を共振器ＣＢからＣＡの順に透過するように入力する。この時、Ｓ２は共振モードＭＡ２を介して共振器ＣＡをすり抜け共振器ＣＢに到達し、光非線形効果により共振モードＭＢ１、ＭＢ２それぞれを波長シフトさせつつ共振器ＣＢすり抜け、出力側導波路１１に到達する。
（ｂ）この状態の時、光Ｓ１を共振器ＣＢからＣＡの順に透過するように入力すると、モードＭＢ１が光Ｓ２によって既に波長シフトさせられているため、Ｓ１はモードＭＢ１に共鳴できず、共振器ＣＢにより透過をブロックされる。また、僅かに透過できた分も共振器ＣＡで光非線形効果を起こすには不十分であり、ここでもブロックされる。
（ｃ）ここで光Ｓ２を一瞬絶つ（負パルスの入力）。すると光Ｓ２により共振器ＣＢで起こっていた光非線形効果が消滅し、共振モードＭＢ１、ＭＢ２それぞれの共鳴波長は元の波長に復帰する。すると、それまで共振器ＣＢを透過できなかった光Ｓ１はモードＭＢ１を介して共振器ＣＢをすり抜けて共振器ＣＡに達し、共振モードＭＡ１、ＭＡ２を光非線形効果により波長シフトさせつつ共振器ＣＡを透過する。
（ｄ）この状態の時、再び光Ｓ２を入力しても、（ｂ）における光Ｓ１と同様に、光Ｓ２は共振器ＣＡ、ＣＢでブロックされるため透過できない。
【００２６】
上記の状態（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順に変化した場合、時間軸（ｔ）における、入力光Ｓ１，Ｓ２と、出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔの関係を図４に示す。図中、ハッチング部分において、入出力光が得られる。
【００２７】
図５に、上記の光フリップフロップの状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔがともにオフ、状態Ｂを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２の変化による状態遷移を矢印で示している。
【００２８】
このようにして、図２のフリップフロップでは、回路全体が過去の光入力の状態を記憶し、負論理によるフリップフロップ動作が可能となる。また、本発明において光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こす光信号の強度は、従来の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のに必要な光強度に比べると大幅に小さくなる。
【００２９】
次に、具体的な回路構成について説明する。
【００３０】
上記の光フリップフロップは、三角格子空孔２次元フォトニック結晶に構成する。三角格子空孔２次元フォトニック結晶における共鳴トンネルフィルタは、その共振器内においてその結晶配位方向のΓＭ軸方向にフィールド（腕）が伸びるため、これらと導波路を連結する形で結合可能である。
【００３１】
なお、三角格子空孔の結晶配位方向のΓＫ軸は隣接する２つ空孔の中心を結ぶ方向であり、三角格子の３辺がΓＫ軸に対応する。また、ΓＭ軸は、隣接する２つ空孔の中心を結ぶ直線（ΓＫ軸）に直交し、最短の空孔の中心に向かう方向である。
（第１実施形態、共振器間直接結合２ポートフリップフロップ）
図６は、共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。このフリップフロップは、２個の共振器ＣＡ、ＣＢと、全波長を通す標準導波路１３，１４からなる最もシンプルな形態である。ここでは、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれ１本ずつの標準導波路１３，１４がトンネリングにより結合されている。標準導波路１３はＳ１入力用導波路とＳ２ｏｕｔ出力用導波路を兼ね、標準導波路１４はＳ２入力用導波路とＳ１ｏｕｔ出力用導波路を兼ねる。
【００３２】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向（フィールドが伸びる方向）となるよう配置され、共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれの他端からΓＭ軸方向に標準導波路１３，１４の一端が配置され、標準導波路１３，１４はΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００３３】
光Ｓ１は外部から標準導波路１３に入力されて標準導波路１４から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路１４に入力されて標準導波路１３から出力される。
【００３４】
この実施形態は、Ｓ１ｏｕｔ、Ｓ２ｏｕｔ出力用導波路を用いずに、共振器ＣＡ、ＣＢから紙面とは垂直の上下方向に出力される上方放射光を用いる場合には、デバイスサイズが小さく構成が単純であるという特長がある。
【００３５】
図７は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコン（Ｓｉ）エアブリッジ型のフォトニック結晶２０は、シリコンのスラブ２２に三角格子状の空孔２４を設けたものである。
【００３６】
標準導波路２６，２８それぞれは、フォトニック結晶の空孔をＸ軸方向に除去して構成されている。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。
【００３７】
標準導波路２６の一端からΓＭ軸方向（フィールドが伸びる方向）に６周期のポテンシャルバリア（６周期のフォトニック結晶周期）を配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより標準導波路２６と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に６周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に６周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路２８の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと標準導波路２８間が結合されている。なお、共振器と共振器の間あるいは共振器と導波路の間のポテンシャルバリアの周期数は、要求する結合率により増減できる。
【００３８】
光Ｓ１は外部から標準導波路２６のポートＰ１に入力されて標準導波路２８のポートＰ２から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路２８のポートＰ２に入力されて標準導波路２６のポートＰ１から出力される。
（第２実施形態、共振器間直接結合４ポートフリップフロップ）
図８は、共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれにＳ１用導波路３０，３１とＳ２用導波路３２，３３がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路３０，３１として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路３２，３３として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。これらＳ１用導波路３０，３１、Ｓ２用導波路３２，３３の設計方法については後述する。
【００３９】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向となるよう配置され、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路３１，Ｓ２用導波路３２の一端が配置され、共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路３０，Ｓ２用導波路３３の一端が配置され、導波路３０〜３３それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００４０】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路３０に入力されて上部のＳ１用導波路３１から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中上部のＳ２用導波路３２に入力されて下部のＳ２用導波路３３から出力される。
【００４１】
２次元集積時は出力光Ｓ１ｏｕｔ、Ｓ２ｏｕｔを他のデバイスに入力して機能回路を構成するので、この実施形態が望ましい。また、光Ｓ１，Ｓ２それぞれで導波路と共振器間の結合率を個別に調整できるため、共振器ＣＡ、ＣＢのＱ値設定が容易となる。
【００４２】
図９は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶４０は、シリコンのスラブ４２に三角格子状の空孔４４を設けたものである。
【００４３】
Ｓ１用導波路４５，Ｓ２用導波路４６それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。Ｓ１用導波路４５，Ｓ２用導波路４６それぞれの一端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路４５，４６と共振器ＣＢ間が結合されている。
【００４４】
共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路４７，Ｓ２用導波路４８の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと導波路４７，４８間が結合されている。Ｓ１用導波路４７，Ｓ２用導波路４８それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。
【００４５】
光Ｓ１は外部からＳ１用導波路４５のポートＰ１に入力されてＳ１用導波路４７のポートＰ３から外部に出力され、光Ｓ２は外部からＳ２用導波路４８のポートＰ４に入力されて２用導波路４６のポートＰ２から出力される。
【００４６】
図８、図９の実施形態では、光Ｓ１、Ｓ２を互いに逆向きに入出力させているが、光Ｓ１、Ｓ２を同じ向きに入出力したい場合には、図１０に示す構成とする。また、図１１に示す構成とすることも可能である。
【００４７】
図１０は、共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図を示す。同図中、トンネリングにより直接結合した２つの共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれにＳ１用導波路５０，５１とＳ２用導波路５２，５３がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路５０，５１として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路５２，５３として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。
【００４８】
共振器ＣＡ、ＣＢはそれぞれの一端が互いにΓＭ軸方向となるよう配置され、共振器ＣＡの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＢとは異なるΓＭ軸方向）にＳ２用導波路５２の一端が配置され、共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向にＳ１用導波路５０の一端が配置されている。また、共振器ＣＢの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＡとは異なるΓＭ軸方向）にＳ２用導波路５３の一端が配置され、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向にＳ１用導波路５１の一端が配置されている。導波路５０〜５３それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００４９】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路５０に入力されて上部のＳ１用導波路５１から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中下部のＳ２用導波路５２に入力されて上部のＳ２用導波路５３から出力される。
【００５０】
ところで、導波路はΓＫ軸方向に延在していれば良く、Ｘ軸方向に延在する必要はなく、また、互いに平行に配置する必要はない。このような例について説明する。
【００５１】
図１１は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶６０は、シリコンのスラブ６２に三角格子状の空孔６４を設けたものである。
【００５２】
Ｓ１用導波路６５，Ｓ２用導波路６６それぞれは、Ｘ軸に対し６０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。また、Ｓ１用導波路６７，Ｓ２用導波路６８それぞれは、Ｘ軸に対し１２０度傾いたΓＫ軸方向に延在している。
【００５３】
Ｓ２用導波路６８の一端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路６８と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡ，ＣＢ間が直接結合されている。また、共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向（共振器ＣＡとは異なるΓＭ軸方向）に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路６５の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと導波路６５間が結合されている。
【００５４】
また、共振器ＣＡの一端からΓＭ軸方向（共振器ＣＢとは異なるΓＭ軸方向）に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ２用導波路６６の一端が設けられ、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置してＳ１用導波路６７の一端が設けられている。
【００５５】
光Ｓ１は外部からＳ１用導波路６５のポートＰ１に入力されてＳ１用導波路６７のポートＰ３から外部に出力され、光Ｓ２は外部からＳ２用導波路６８のポートＰ２に入力されてＳ２用導波路６６のポートＰ４から出力される。
（第３実施形態、共振器間導波路結合２ポートフリップフロップ）
ところで、共振器ＣＡ、ＣＢ間のＸＹ平面方向の漏れ成分であるＱｈを低下させて共振器ＣＡ、ＣＢそれぞれのＱ値を抑制するためには、共振器間結合を強くする必要があるが、共振器間を直接結合する場合、共振モードＭＡ１とＭＢ１、共振モードＭＡ２とＭＢ２が互いに干渉し、共振モード同士の反発が起こりやすくなり、共振器の設計が困難になる。そこで、共振器間の距離を離し、導波路により共振器ＣＡ、ＣＢ間を結合することで、この共振モード間の反発を抑制することができる。
【００５６】
なお、Ｑ値はＸＹ平面に対し垂直方向の損失に起因するＱｖと、ＸＹ平面の水平方向の結合率に起因するＱｈに分解され、１／Ｑ＝１／Ｑｖ＋１／Ｑｈで表わされる。また、このときの共振器の透過率Ｔは、Ｔ＝（Ｑｖ／Ｑｈ）２で表わされる。Ｑｖ値は共振器固有の値であり、Ｑｈ値は共振器と導波路の位置関係及び共鳴波長で決定される。
【００５７】
図１２は、共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、２つの共振器ＣＡ、ＣＢは標準導波路７１の両端にトンネリングにより結合されている。また、共振器ＣＡ、ＣＢにそれぞれ１本ずつの標準導波路７２，７３がトンネリングにより結合されている。標準導波路７２はＳ１入力用導波路とＳ２ｏｕｔ出力用導波路を兼ね、標準導波路７３はＳ２入力用導波路とＳ１ｏｕｔ出力用導波路を兼ねる。
【００５８】
共振器ＣＡの両端からΓＭ軸方向に標準導波路７１，７３の一端が配置され、共振器ＣＢの両端からΓＭ軸方向に標準導波路７１，７２の一端が配置され、標準導波路７１，７２，７３はΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。光Ｓ１は外部から標準導波路７２に入力されて標準導波路７３から外部に出力され、光Ｓ２は外部から標準導波路７３に入力されて標準導波路７２から出力される。
【００５９】
図１３は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶８０は、シリコンのスラブ８２に三角格子状の空孔８４を設けたものである。
【００６０】
標準導波路８５，８６，８７それぞれは、フォトニック結晶の空孔をＸ軸方向に除去して構成されている。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。共振器間を結合する標準導波路８５の長さは２０結晶周期としているが、デバイスサイズとモード間反発の程度により増減できる。しかし、短すぎるとモード間反発が強くなると同時に導波路自体が共振器特性を強く帯び始めるため、１０結晶周期より短い領域では用いない方がよい。
【００６１】
標準導波路８５の両端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡ，ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより標準導波路８５と共振器ＣＡ，ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路８６の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと標準導波路８６間が結合されている。また、共振器ＣＡの他端からΓＭ軸方向に数周期のポテンシャルバリアを配置して標準導波路８７の一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと標準導波路２８間が結合されている。
（第４実施形態、共振器間導波路結合４ポートフリップフロップ）
図１４は、共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、２つの共振器ＣＡ、ＣＢはＳ１用導波路９１，Ｓ２用標準導波路９２それぞれの両端にトンネリングにより結合されている。また、共振器ＣＢにＳ１用標波路９３，Ｓ２用導波路９４がトンネリングにより結合され、共振器ＣＡにＳ１用導波路９５，Ｓ２用導波路９６がトンネリングにより結合されている。ここでは、Ｓ１用導波路９１，９３，９５として光Ｓ１を通し、光Ｓ２を通さないものを用い、Ｓ２用導波路９２，９４，９６として光Ｓ２を通し、光Ｓ１を通さないものを用いる。
【００６２】
共振器ＣＢの一端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９１，Ｓ２用導波路９２の一端が配置され、共振器ＣＡの一端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９１，Ｓ２用導波路９２の他端が配置されている。共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９３，Ｓ２用導波路９４の一端が配置され、共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向にＳ１用導波路９５，Ｓ２用導波路９６の一端が配置され、導波路９１〜９６それぞれはΓＫ軸と重なるＸ軸方向に延在されている。
【００６３】
光Ｓ１は外部から図中下部のＳ１用導波路９３に入力されて上部のＳ１用導波路９５から外部に出力され、光Ｓ２は外部から図中上部のＳ２用導波路９６に入力されて下部のＳ２用導波路９４から出力される。
【００６４】
この構成では、各共振モードのＱ値を全てＱｈの制御のみによって個別に設計が可能となるので設計が容易になる。共振器間を結合する導波路の長さに関する制限は共振器間導波路結合２ポートＦＦの場合と同様である。
【００６５】
図１５は、三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図を示す。同図中、シリコンエアブリッジ型のフォトニック結晶１００は、シリコンのスラブ１０２に三角格子状の空孔１０４を設けたものである。
【００６６】
Ｓ１用導波路１０５，Ｓ２用導波路１０６それぞれは、Ｙ軸上の異なる位置でＸ軸方向に延在している。なお、Ｘ軸はΓＫ軸に重なる。Ｓ１用導波路１０５，Ｓ２用導波路１０６それぞれの一端からΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＢの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路１０５，１０６と共振器ＣＢ間が結合されている。共振器ＣＢの他端から２つのΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置してＹ軸上の異なる位置にＳ１用導波路１０７，Ｓ２用導波路１０８それぞれの一端が配置され、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＢと導波路１０７，１０８間が結合されている。共振器ＣＢとＳ１用導波路１０５，１０７、Ｓ２用導波路１０６，１０８それぞれの間のポテンシャルバリア周期を選択することにより、共振モードＭＢ１，ＭＢ２を決定できる。
【００６７】
Ｓ１用導波路１０７，Ｓ２用導波路１０８それぞれは、Ｘ軸方向に延在しており、それぞれの一端からΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置して共振器ＣＡの一端が設けられ、このポテンシャルバリアにより導波路１０７，１０８と共振器ＣＡ間が結合されている。共振器ＣＡの他端から２つのΓＭ軸方向に所定周期のポテンシャルバリアを配置してＹ軸上の異なる位置にＳ１用導波路１０９，Ｓ２用導波路１１０それぞれの一端が配置され、このポテンシャルバリアにより共振器ＣＡと導波路１０７，１０８間が結合されている。共振器ＣＡとＳ１用導波路１０７，１０９，Ｓ２用導波路１０８，１１０それぞれの間のポテンシャルバリア周期を選択することにより、共振モードＭＡ１，ＭＡ２を決定できる。
【００６８】
なお、図１４では、Ｓ１用導波路９１，９３，９５のＹ軸上の位置が同一となり、Ｓ２用導波路９２，９４，９６それぞれのＹ軸上の位置が同一となるように配置しているが、図１６に示すように、Ｓ１用導波路９１とＳ１用導波路９３，９５のＹ軸上の位置が異なり、Ｓ２用導波路９２とＳ１用導波路９４，９６のＹ軸上の位置が異なるよう、Ｓ１用導波路９１とＳ２用導波路９２とを共振器ＣＡ，ＣＢを介して交差させる構成としても良い。
【００６９】
次に、Ｓ１用導波路とＳ２用導波路に付いて説明する。
【００７０】
本発明の光順序回路は、構成によってＳ１用導波路、Ｓ２用導波路を必要とする。これらの導波路は、それぞれＳ１用導波路は光Ｓ２を導波できず、Ｓ２用導波路は光Ｓ１を導波できないように導波帯域を制限している。このような導波路には様々なものが考え得るが、ここでは仮に位相シフト孔導波路と幅狭型導波路を用いる。位相シフト孔導波路と幅狭型導波路の解析には３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用い、共通の設定として、三角格子空孔２次元フォトニック結晶のスラブ厚２００ｎｍ、格子定数ａ＝３９０ｎｍ、スラブ屈折率（シリコン：Ｓｉを仮定）を３．４６、標準空孔径＝０．５５ａとする。
【００７１】
図１７（Ｂ）に、位相シフト孔導波路の基本構成を示す。位相シフト孔導波路は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する線欠陥導波路の中央線上に、ΓＫ軸方向に結晶周期と半周期ずれた位置に空孔（中央孔：ハッチングで示す）を設けた導波路である。
【００７２】
特性パラメータとして中央孔の直径Ｄを用いると、図１７（Ａ）に示すように透過帯域が変化する。結晶周期ａで規格化し、中央孔の直径Ｄが０．５ａ程度より大きい位置で長波長側に有効な透過帯域が生じる。このとき、中央孔径に応じて、Ｄ＝０．５ａ程度では波長帯域１４００ｎｍ〜１４４０ｎｍとなり、Ｄ＝０．６５ａ程度では波長帯域１２８０ｎｍ〜１４１０ｎｍとなる透過禁止帯域が発生する。この透過禁止帯域が光Ｓ２に重なるように設計することによりＳ１専用導波路として利用できる。
【００７３】
図１８（Ｂ）に、幅狭型導波路の基本構成を示す。幅狭型導波路は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する線欠陥導波路の最内の空孔列（左下がりハッチングで示す）及び２番目に内側の空孔列（左上がりハッチングで示す）の位置を幅寄せることにより透過帯域を制御する。２番目に内側の列の空孔は、元の位置の空孔と重ねるように形成する。
【００７４】
その幅寄せ量を特性パラメータとして用いると、図１８（Ａ）に示すように短波長帯のみが透過する導波路となることがわかる。その幅寄せ量に従ってその透過波長の上限を１４７０ｎｍ〜１３６０ｎｍの範囲で調整できる。従って、透過上限波長が光Ｓ１の波長より短波長となるよう設計することにより、Ｓ２専用導波路として利用できる。
【００７５】
図１９に、Ｓ１用導波路に光Ｓ２が漏れず、Ｓ２用導波路に光Ｓ１が漏れないようクロストークが最小になるよう設計した場合の波長スペクトルデータを示す。ここで、Ｓ１用導波路の特性を破線で示し、Ｓ２用導波路の特性を一点差線で示す。
【００７６】
ここで、共振器に図２０に示す基本構成の４点欠陥共振器を用いる。４点欠陥共振器は、図中中央のΓＫ軸方向に延在する４点欠陥に隣接する最内孔（ハッチングで示す）をΓＫ軸方向に４点欠陥から離すように０．１５ａだけ幅寄せ、更に、最内孔の径を０．３としている。この場合の共振器の特性は図１９に実線で示すように、モード１（波長１４６３．７７ｎｍ、Ｑ値は６００００以上），モード２（波長１４３１．７５ｎｍ、Ｑ値は１６０００），モード３（波長１３５９．８８ｎｍ、Ｑ値は２５００）の共振モードが存在する。
【００７７】
従って、モード１を光Ｓ１、モード２を光Ｓ２として用いる。この場合、位相シフト孔導波路の中央孔径を０．５ａとするとＳ１用導波路として適当な特性を持ち、幅狭型導波路の幅寄せ量を０．０８ａとしてＳ２用導波路として適当な特性を持つ。
（具体的設計に基づく解析例）
以上を基に動作実証の初期的解析を行った。
【００７８】
図１５に示す共振器間導波路結合４ポートフリップフロップを解析するにあたり、実際に各導波路が各入力光を分離できるかを解析した。解析結果を図２１に示す。
【００７９】
図２１（Ｄ）に解析したモデルの構成例を示す。解析には３次元ＦＤＴＤを用い、フォトニック結晶はシリコンエアブリッジ型の三角格子空孔フォトニック結晶とした。格子定数ａ＝３９０ｎｍ、スラブ等価屈折率ｎ＝３．４６、スラブ厚２００ｎｍとし、基本的な空孔の直径Ｄは２１４．５ｎｍ（＝０．５５ａ）とした。共振器は４点欠陥のものを用い、共振器の長手方向に隣接する２つの最内孔を外側に向かって５０ｎｍだけずらすとともに、その直径Ｄｉを１１７ｎｍ（＝０．３０ａ）に減少させてＱ値を稼いでいる。
【００８０】
入出力用導波路は、短波側のＳ２用導波路として両脇の空孔をそれぞれ１５．６ｎｍ（＝０．０４ａ）だけ内側にずらした幅狭型導波路を用い、長波側のＳ１用導波路として中央孔径１９５ｎｍ（＝０．５０ａ）の位相シフト孔導波路を用いた。
【００８１】
図２１（Ｄ）における、Ｓ１用導波路１０５内の位置Ｐ１、Ｓ２用導波路１０６内の位置Ｐ２、共振器ＣＢ内の位置Ｐ５それぞれにおける波長スペクトルデータを図２１（Ａ）に実線、破線、一点鎖線それぞれで示す。図２１（Ａ）から、共振器ＣＢ内で光を励振すると、位置Ｐ１には光Ｓ１、位置Ｐ２には光Ｓ２に相当する波長が透過し、それぞれもう一方の波長に対するクロストークは２０ｄＢ以上確保されていることが分かる。
【００８２】
図２１（Ｂ）は光波長Ｓ２成分の空間的な磁界パワー分布を示し、図２１（Ｃ）は光波長Ｓ１成分の空間的な磁界パワー分布を示している。なお、図２１（Ｂ），（Ｃ）における磁界パワーの大きさの指標は後述の図２２に示すものと同一である。ここでは、期待通りに光Ｓ２はＳ２用導波路１０６，１０８に出力し、光Ｓ１はＳ１用導波路１０５，１０７に出力している。例えば図２１（Ｂ）で光Ｓ２がＳ１用導波路１０５，１０７に僅かに漏れだして見えるクロストークはＳ１用導波路１０５，１０７の導波路長不足によるもので、導波路長をより長くすることでより低減できる。
【００８３】
更に、図１５に示す回路の解析結果を図２２乃至図２５に示す。この解析には２次元ＦＤＴＤを用い、フォトニック結晶はシリコンエアブリッジ型の三角格子空孔フォトニック結晶とした。格子定数ａ＝４００ｎｍ、スラブ等価屈折率ｎ＝２．７８、基本的な空孔の直径Ｄは２２０ｎｍ（＝０．５５ａ）とした。共振器ＣＡ、ＣＢは、４点欠陥のものを用い、共振器の長手方向に隣接する２つの孔を外側に向かって４８ｎｍ（＝０．１２ａ）だけずらすとともに、その直径Ｄｉを２００ｎｍ（＝０．５０ａ）に減少させている。入出力用導波路は、短波側のＳ２用導波路として両脇の空孔をそれぞれ３２ｎｍ（＝０．０８ａ）だけ内側にずらした幅狭型導波路を用い、長波側のＳ１用導波路として中央孔径２６０ｎｍ（＝０．６５ａ）の位相シフト孔導波路を用いた。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］を示している。
【００８４】
図２２は、光Ｓ２がＳ２用導波路１１０のポートＰ４から入力されている様子を示し、共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっているため、光Ｓ２はＳ２用導波路１０６のポートＰ２から出力される。これは図３の（ａ）に示す状態に相当する。
【００８５】
図２３は、図２２の状態における光Ｓ１の透過状況を示している。共鳴波長の相対位置をずらすため、共振器ＣＡ内の等価屈折率を＋０．０１だけ変化させ、共振器ＣＢ内の等価屈折率を−０．０１だけ変化させている。光Ｓ１はＳ１用導波路１０５のポートＰ１から入力されているが、このとき共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっているため、光Ｓ１は殆ど透過しない。これは図３の（ｂ）に示す状態に相当する。
【００８６】
図２４は、図２３の状態から、光Ｓ２の入力を停止した時の光Ｓ１の透過状況を示している。共振器ＣＢが光Ｓ１に対してＯＮになるため、共振器ＣＢにおける光Ｓ１の透過強度が増加し、共振器ＣＡを光非線形効果によりＯＮにする。これにより光Ｓ１はＳ１用導波路１０９のポートＰ３から出力される。これは図３の（ｃ）に示す状態に相当する。
【００８７】
図２５は、図２４の状態から、再び光Ｓ２を入力した時の光Ｓ２の透過状況を示している。共鳴波長の相対位置をずらすため、共振器ＣＡ内の等価屈折率を−０．０１だけ変化させ、共振器ＣＢ内の等価屈折率を＋０．０１だけ変化させている。光Ｓ１に対しＯＮとなった共振器ＣＡは光Ｓ２に対しＯＦＦとなり、また共振器ＣＢもＯＦＦとなるため、光Ｓ２は殆ど透過できなくなる。これは図３の（ｄ）に示す状態に相当する。
【００８８】
これらの解析結果は、図１５の回路構成によるデバイスの光フリップフロップ動作が原理的に可能である事を示している。
（第５実施形態、Ｎ個の共振器を用いた光順序回路）
使用する共振器数が２より大きい場合の光順序回路の構成例を示す。
【００８９】
図２６は、３共振器構成光順序回路の構成図を示す。この光順序回路は、共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣと、これらを結合するＳ２，Ｓ３用導波路１２０、Ｓ１用導波路１２１、Ｓ２用導波路１２２，Ｓ１，Ｓ３用導波路１２３、Ｓ２用導波路１２４、Ｓ１用導波路１２５、Ｓ２用導波路１２６、Ｓ３用導波路１２７からなる。
【００９０】
入力光はＳ１、Ｓ２、Ｓ３が用いられる。光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値は図２７に示すように設定されている。即ち、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ２、ＭＢ３とし、共振器ＣＣが持つ共振モードをＭＣ１、ＭＣ２とする。共振モードＭＣ１は光Ｓ１に対し、ＭＡ２はＳ２に対し、ＭＢ３はＳ３に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。
【００９１】
一方、共振モードＭＡ１は光Ｓ１に対し、ＭＢ２，ＭＣ２はＳ２に対し、ＭＡ３はＳ３に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設定する。これは図２の構成における図３に相当する。
【００９２】
ここで、光Ｓ２は共振器ＣＢ、ＣＣで非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ１、Ｓ２は共に共振器ＣＡで非線形効果によるスイッチング動作を行う。従って、光Ｓ２が入力されている時は光Ｓ１，Ｓ３は遮断され、逆に光Ｓ１、Ｓ３のいずれかが入力されている時は光Ｓ２が遮断され、順序回路としての動作を行う。
【００９３】
図２８に、上記の光順序回路の状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔが全てオフ、状態Ｂを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオン、状態Ｄを出力光Ｓ３ｏｕｔのみオン、状態Ｅを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔがともにオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の変化による状態遷移を矢印で示している。
【００９４】
共振器の数が増えると各共振モードの設定方法の自由度が増すため、図２６と類似の構成で異なった機能を実現できる。
【００９５】
図２９は、他の３共振器構成光順序回路の構成図を示す。この光順序回路は、共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣと、これらを結合するＳ１，Ｓ２用導波路１３０、Ｓ２，Ｓ３用導波路１３１、Ｓ１，Ｓ３用導波路１３２，Ｓ３用導波路１３３、Ｓ１用導波路１３４、Ｓ１用導波路１３５、Ｓ２用導波路１３６、Ｓ２用導波路１３７、Ｓ３用導波路１３８からなる。
【００９６】
入力光はＳ１、Ｓ２、Ｓ３が用いられる。光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値は図３０に示すように設定されている。即ち、共振器ＣＡの持つ共振モードをＭＡ１、ＭＡ２、ＭＡ３とし、共振器ＣＢが持つ共振モードをＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ３とし、共振器ＣＣが持つ共振モードをＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３とする。共振モードＭＣ１は光Ｓ１に対し、ＭＡ２はＳ２に対し、ＭＢ３はＳ３に対して共鳴波長となるように設計し、また、やや低めのＱ値に設定する。
【００９７】
一方、共振モードＭＡ１，ＭＢ１は光Ｓ１に対し、ＭＢ２，ＭＣ２はＳ２に対し、ＭＡ３，ＭＣ３はＳ３に対してそれぞれ共鳴波長が僅かに異なるように設計し、充分な強度の光信号が入った場合にのみ光非線形効果による共鳴波長シフトによって共鳴トンネルを起こすように設計し、また、Ｑ値は高く設定する。
【００９８】
ここで、光Ｓ１は共振器ＣＡ、ＣＢに対して非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ２は共振器ＣＢ、ＣＣに対して非線形効果によるスイッチング動作を行い、光Ｓ３はＣＡ、ＣＣに対して非線形効果によるスイッチング動作を行う。このため、光Ｓ１を一瞬ＯＦＦにすると光Ｓ２、Ｓ３の経路が開く。ここで、共振器ＣＡよりも共振器ＣＢのほうが光Ｓ１の光源側に近いため時間的に早く状態が戻り、そのため、光Ｓ３がＳ２より先にＯＮとなり、光Ｓ１に代わって共振器ＣＣをスイッチングする。このため、光Ｓ２のＯＮが阻止される。同様に光Ｓ３をＯＦＦにすると、光Ｓ２がオンになり、光Ｓ２をＯＦＦにすると、光Ｓ１がＯＮになる。
【００９９】
図３１に、上記の光順序回路の状態遷移図を示す。ここでは、状態Ａを出力光Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔが全てオフ、状態Ｂを出力光Ｓ３ｏｕｔのみオン、状態Ｃを出力光Ｓ２ｏｕｔのみオン、状態Ｄを出力光Ｓ１ｏｕｔのみオンと定義し、入力光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の変化による状態遷移を矢印で示している。
【０１００】
このようにして本発明の光順序回路は、その構成をＮ個（Ｎ≧２）の共振器への拡張が可能である。
【０１０１】
以上のように、本発明の構造は、２次元フォトニック結晶をベースとする２次元光回路内で信号光、制御光を伝搬させるため、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、極めて微少な、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。
【０１０２】
なお、共振器ＣＡが請求項記載の第１共振器に対応し、共振器ＣＢが第２共振器に対応し、光Ｓ１が第１波長に対応し、光Ｓ２が第２波長に対応し、ＭＡ１が第１共振器の第１共振モードに対応し、ＭＡ２が第１共振器の第２共振モードに対応し、ＭＢ１が第２共振器の第１共振モードに対応し、ＭＢ２が第２共振器の第２共振モードに対応し、Ｓ１用導波路が第１波長用導波路に対応し、Ｓ２用導波路が第２波長用導波路に対応する。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【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】本発明の光順序回路の一形態としての光フリップフロップの原理構成図である。
【図３】図２の光フリップフロップの動作を説明するための図である。
【図４】時間軸における入力光と出力光の関係を示す図である。
【図５】光フリップフロップの状態遷移図である。
【図６】共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図７】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図８】共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図９】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１０】共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１１】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間直接結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１２】共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図１３】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合２ポートフリップフロップの構成図である。
【図１４】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１５】三角格子空孔２次元フォトニック結晶上に構成した共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの構成図である。
【図１６】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの他の構成図である。
【図１７】位相シフト孔導波路の基本構成及び透過帯域特性を示す図である。
【図１８】幅狭型導波路の基本構成及び透過帯域特性を示す図である。
【図１９】Ｓ１用導波路とＳ２用導波路と共振器の波長スペクトルデータを示す図である。
【図２０】４点欠陥共振器の基本構成図である。
【図２１】共振器間導波路結合４ポートフリップフロップの解析結果を示す図である。
【図２２】図１５に示す回路で光Ｓ２に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２３】図１５に示す回路で光Ｓ１に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２４】図１５に示す回路で光Ｓ１に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＮとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２５】図１５に示す回路で光Ｓ２に対し共振器ＣＡ、ＣＢともにＯＦＦとなっている場合の解析結果を示す図である。
【図２６】３共振器構成光順序回路の構成図である。
【図２７】図２６の光順序回路における光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値を示す図である。
【図２８】図２６の光順序回路における状態遷移図である。
【図２９】他の３共振器構成光順序回路の構成図である。
【図３０】図２９の光順序回路における光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対する共振器ＣＡ、ＣＢ、ＣＣそれぞれの共振モードとそのＱ値を示す図である。
【図３１】図２９の光順序回路における状態遷移図である。
【符号の説明】
【０１０４】
ＣＡ、ＣＢ 共振器
１１，１２ 入出力用導波路
１３，１４，２６，２８，７１〜７３，８５〜８７ 標準導波路
２０，４０，６０，８０，１００ フォトニック結晶
２２，４２，６２，８２，１０２ スラブ
２４，４４，６４，８４，１０４ 空孔
３０，３１，４５，５０，５１，６５，６７，９１，９３，９５，１０５，１０７，１０９ Ｓ１用導波路
３２，３３，４６，５２，５３，６６，６８，９２，９４，９６，１０６，１０８，１１０ Ｓ２用導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、
各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、
各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成したことを特徴とする光順序回路。
【請求項２】
請求項１記載の光順序回路において、
前記複数の共振器は、２つの共振モードを持つ第１、第２共振器であり、
第１共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第１波長の光の入力で発生する非線形効果によって第２波長の光のスイッチングを行い、
第２共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第２波長の光の入力で発生する非線形効果によって第１波長の光のスイッチングを行うことを特徴とする光順序回路。
【請求項３】
請求項２記載の光順序回路において、
前記第２共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第１波長の光に共鳴し、
前記第２共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第２波長の光に共鳴することを特徴とする光順序回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力及び前記第２波長の光の出力を行う標準導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力及び前記第１波長の光の出力を行う標準導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項５】
請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力を行う第１波長用導波路及び前記第２波長の光の出力を行う第２波長用導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力を行う第２波長用導波路及び前記第１波長の光の出力を行う第１波長用導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項６】
請求項５記載の光順序回路において、
前記第１波長の光の入出力方向と前記第２波長の光の入出力方向が逆向きであることを特徴とする光順序回路。
【請求項７】
請求項５記載の光順序回路において、
前記第１波長の光の入出力方向と前記第２波長の光の入出力方向が同じ向きであることを特徴とする光順序回路。
【請求項８】
請求項４記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に標準導波路を介在させて結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項９】
請求項５乃至７のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に第１波長用導波路と第２波長用導波路を介在させて結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項１０】
請求項４または８記載の光順序回路において、
前記標準導波路は、前記フォトニック結晶の空孔を結晶配位方向に除去して構成したことを特徴とする光順序回路。
【請求項１１】
請求項５乃至７または９のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１波長用導波路は、位相シフト孔導波路であり、
前記第２波長用導波路は、幅狭型導波路であることを特徴とする光順序回路。
【請求項１】
複数の共振モードを持つ複数の共振器と、前記複数の共振器に結合された導波路からなり、
各共振器は、入力される複数波長の光のうちの一または複数の光の入力で発生する非線形効果によって入力される他の光のスイッチングを行い、
各共振器で前記一または複数の光の波長と前記他の光の波長とを異ならしめて構成したことを特徴とする光順序回路。
【請求項２】
請求項１記載の光順序回路において、
前記複数の共振器は、２つの共振モードを持つ第１、第２共振器であり、
第１共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第１波長の光の入力で発生する非線形効果によって第２波長の光のスイッチングを行い、
第２共振器は、入力される第１、第２波長の光のうちの第２波長の光の入力で発生する非線形効果によって第１波長の光のスイッチングを行うことを特徴とする光順序回路。
【請求項３】
請求項２記載の光順序回路において、
前記第２共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長となり、
前記第１共振器の第１共振モードは前記第１波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第１波長の光に共鳴し、
前記第２共振器の第２共振モードは前記第２波長の光に対し共鳴波長が異なり、十分な強度の光信号が入ったとき発生する非線形効果によって前記第２波長の光に共鳴することを特徴とする光順序回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力及び前記第２波長の光の出力を行う標準導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力及び前記第１波長の光の出力を行う標準導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項５】
請求項２または３記載の光順序回路において、
第１、第２共振器及び導波路は、フォトニック結晶上に形成され、
前記第１共振器と第２共振器の間はトンネリングにより直接結合し、
前記第１波長の光の入力を行う第１波長用導波路及び前記第２波長の光の出力を行う第２波長用導波路と前記第２共振器の間をトンネリングにより結合し、
前記第２波長の光の入力を行う第２波長用導波路及び前記第１波長の光の出力を行う第１波長用導波路と前記第１共振器の間をトンネリングにより結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項６】
請求項５記載の光順序回路において、
前記第１波長の光の入出力方向と前記第２波長の光の入出力方向が逆向きであることを特徴とする光順序回路。
【請求項７】
請求項５記載の光順序回路において、
前記第１波長の光の入出力方向と前記第２波長の光の入出力方向が同じ向きであることを特徴とする光順序回路。
【請求項８】
請求項４記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に標準導波路を介在させて結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項９】
請求項５乃至７のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１共振器と第２共振器の間に第１波長用導波路と第２波長用導波路を介在させて結合したことを特徴とする光順序回路。
【請求項１０】
請求項４または８記載の光順序回路において、
前記標準導波路は、前記フォトニック結晶の空孔を結晶配位方向に除去して構成したことを特徴とする光順序回路。
【請求項１１】
請求項５乃至７または９のいずれか記載の光順序回路において、
前記第１波長用導波路は、位相シフト孔導波路であり、
前記第２波長用導波路は、幅狭型導波路であることを特徴とする光順序回路。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００６−５８７０７（Ｐ２００６−５８７０７Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４１６２１（Ｐ２００４−２４１６２１）
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【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３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【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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