JPS6237767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 従来、光情報伝達、処理システムにおいて、光
の高速制御を行なうために、電気光学効果を利用
した種々のデバイスが研究されている。しかし、
従来のそれらのデバイスの多くは、電圧による光
の制御を行なうものであり、光入力−光出力で構
成される真の光デバイスではない。近年、研究が
活発に進められ、本発明とも関連の深い技術に、
光双安定素子（optical bistable device）があ
る。これは光変調器にその出力光強度に比例した
電圧を帰還するという構成をもつた光入力−光出
力デバイスであり、光波の入出力にヒステリシス
特性を示すことから、光スイツチ、光メモリ、光
演算素子等への応用が考えられている。

これまで前述の機能についての検討がなされて
いるが、いずれも単一素子の機能に注目している
ものであり、２素子以上の複数の双安定素子によ
る多機能動作については全く検討されていない現
状である。

本発明の光マルチバイブレータは、電子回路の
マルチバイブレータと動作的に類似のものを、光
入出力で実現するもので、光パルス回路の構成
上、不可欠な極めて重要なものである。

本発明の目的は、光入力−光出力による各種の
光マルチバイブレータを二つ以上の光双安定素子
の組合せにより実現することにある。

電子回路におけるマルチバイブレータは、計数
回路や論理回路等に数多く用いられており、デジ
タル回路やパルス回路の根幹をなす基本回路であ
る。

光回路においても、光情報処理が演算において
光フリツプフロツプ回路は不可欠な光回路（素
子）であり、特に光集積化された状態でその利用
価値は極めて大である。また光双安定素子の機能
を十分に活用するうえでも、その重要性は大であ
る。以下、図面により本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の光マルチバイブレータの基本
的構成を示す図であつて、S₁，S₂は印加電圧Ｖに
より、透過率T₁（Ｖ），T₂（Ｖ）がそれぞれ変化
するような光変調器であり、またこの各透過率の
設定値はバイアス電圧Ｖ_B1，Ｖ_B2それぞれによつ
て設定される。BS₁，BS₂は大部分の光を透過
し、一部分の光を反射するビームスプリツタ、
D₁，D₂は光検出器および必要に応じて増幅器や
移相器まで含めた光−電圧変換系を示しV₁，V₂
はその出力電圧である。本構成において、D₁か
らS₁およびD₂からS₂への帰還ループを有し、こ
れらを自己帰還ループと呼び、またD₁からS₂お
よびD₂からS₂への帰還ループを有し、これらを
交叉帰還ループと呼ぶ。α_１，β_２，α_２，β_２
は各々のループへの帰還率である。Ｐ_i1，Ｐ_i2は
入力光強度、Ｐ_p1，Ｖ_p2は出力光強度を示してお
り、通常のマルチバイブレータの動作では、Ｐ_i
１，Ｐ_i2は一定光入力で動作させる。光変調器の
透過率特性は、光双安定素子としての動作の場合
と同様に、印加電圧に対して極値を有するか、ま
たは周期特性をもたせることが必要であるが、通
常の光変調素子では多くの場合に、前述のこれら
の特性を有している。

また第１図において、光変調器は電気系におい
ては容量と見なされ、光検出器は理想電流源と抵
抗により表現されることから、第１図のフイード
バツク系の当価回路は第２図のように示すことが
できる。第２図から回路方程式は、 であり、電流I₁，I₂は光出力に比例し、 である。ここで、η₁′，η₂′は光−電流変換定数
である。

次に透過特性は、 で示され、ここでＶ_B1，Ｖ_B2は光変調器に加える
バイアス電圧である。

以上の式を整理し、τ_１＝（C₁₁＋C₂₁）R₁，τ
_２＝（C₁₂＋C₂₂）R₂，η_１＝R₁η₁′，η_２＝R₂η
₂′とおく（τ_１，τ_２は帰還ループの時定数）こ
とにより、第１図の光マルチバイブレータの基本
構成図の動作を示す下記の(4)式が与えられる。

いずれの光マルチバイブレータの動作（光−電
圧変換系の出力電圧V₁，V₂の時間による変化）
も、光変調器の透過特性（透過率T₁（Ｖ），T₂
（Ｖ）の特性）および入力光強度Ｐ_i1，Ｐ_i2が決定
すれば、光変調器のバイアス電圧Ｖ_B1，Ｖ_B2、帰
還率α_１，β_１，α_２，β_２をパラメータとし
て、前記(4)式の解析から知ることができる。

光変調器に加えるバイアス電圧Ｖ_B1，Ｖ_B2およ
び帰還率α_１，β_１，α_２，β_２と帰還の時定数
を調整することにより、光変調器間の位相関係を
制御でき、系の平衡点の数を２ないし１にするこ
とが可能であることが前記(4)式の解析結果より導
かれる。

この平衡点を安定または不安定性にすることに
より、双安定光マルチバイブレータのほかに、単
安定光マルチバイブレータや非安定光マルチバイ
ブレータを構成することができる。

このことを各ケースについて具体的に説明する
ため、第４図に、光変調器Ｓの印加電圧Ｖと透過
率Ｔ（Ｖ））の関係を示す。ここでこの曲線はＶ_L
の付近で上側の極値を有し、Ｖ_H付近で下側の極
値を有するものとする。

まず基本となる双安定光マルチバイブレータの
動作を説明する。光変調器の透過率T₁（Ｖ），T₂
（Ｖ）の特性は電圧に対する位相を含めて等価と
なるような同一特性の２素子を考える。また、双
安定光マルチバイブレータでは自己帰還ループは
存在せず、すなわちα_１＝α_２＝０である。

最初、T₁（Ｖ）が低いと仮定する。この場合
にはBS₁で反射される光強度が低く、D₁の出力V₁
も低い。この低いV₁がS₂に印加されると、第４
図から分かるようにV₁はＶ_Lの近くにあるからT₂
（Ｖ）が高くなり、従つてSB₂で反射される光強
度も高く、D₂の出力V₂も高い。この高いV₂がS₁
に印加されると、第４図から分かるようにV₂は
Ｖ_Hの近くにあるからT₁（Ｖ）が低くなる。すな
わち、最初に仮定した条件が成立し、この状態は
安定である。このことはT₁（Ｖ）が最初に高い
と仮定しても対偶の形で同様に成立する。

次に、T₁（Ｖ）ないしT₂（Ｖ）が中間の透過
率を持つと仮定し、S₁に何らかの原因（例えばノ
イズ）でT₁（Ｖ）を下げようとする変動が起こ
るとすると、上述と同様にV₁が低い方に向い、
T₂（Ｖ）が高い方に向い、従つてV₂が高い方に
向い、T₁（Ｖ）がますます低くなり、T₁（Ｖ）
が低、T₂（Ｖ）が高の安定点に収斂する。

結局この系には２つの安定な平衡点と１つの不
安定な平衡点の存在することが分る。

一方の光変調器（素子）が“１”（高透過）、他
方の光変調器（素子）が“０”（低透過）の状態
にあるとき、本発明の光マルチバイブレータの基
本的構成を示す系は、安定状態にあることから、
“１”側の検出器の出力を“０”に、または
“０”側の検出器の出力を“１”に光トリガする
ことにより、前記の系の状態を反転させて“０”
を“１”の状態に、“１”を“０”の状態に移す
ことが可能となり、双安定光マルチバイブレータ
（光フリツプフロツプ）動作を行うことができ
る。

次に非安定光マルチバイブレータについて説明
する。この場合には、交叉帰還ループと自己帰還
ループが速在し、S₁，S₂それぞれに下記の動作が
行われるようにバイアス電圧が印加されている。
電気光学効果を利用した光変調器に、その出力光
強度に比例した電圧を帰還することにより、入力
光に対して出力光が第３図に示すようなヒステリ
シス特性（光双安定特性）をもつことが知られて
いる。

そこでα_１≠０、α_２≠０、β_１≠０、β_２≠
０とし、αループの時定数τ〓はβループの時定
数τ〓に比べて十分小さいものとする。さらに二
つの光変調器（素子）はヒステリシス特性をも
ち、入力光強度Ｄ_i1，Ｐ_i2として第３図に示すＰ_i
をとる。このときそれぞれの光変調器（素子）は
“１”か“０”の二つの状態をとり得る。

次にβルーブ効果について考える。(4)式より分
かるように、前記の帰還による電圧は、時定数τ
〓がτ〓に比べて十分大きいので、それぞれの光
変調器（素子）へのバイアス電圧を変化させるこ
とと等価である。

バイアス電圧により第３図の特性は変化し、動
作点を“１”の状態または“０”の状態に移すこ
とが可能である。そこで二つの光変調器（素子）
が“０”に対応するバイアス電圧を加えたとき
“０”になり、“１”に対応するバイアス電圧を加
えたとき“１”になるものとする。

ある時刻に一方の光変調器（素子）が“１”に
あり、他方の光変調器（素子）が“０”になつた
とする。βループを通してそれぞれの光変調器に
帰還電圧を加えることにより、τ〓程度の時間で
この状態は反転する。このようにして、外部から
の光入力なしに反転を繰り返し、非安定光マルチ
バイブレータとして動作する。

次に単安定マルチバイブレータについて説明す
る。単安定マルチバイブレータは前記の双安定マ
ルチバイブレータを非安定マルチバイブレータと
中間の安定状態を持つものと考えられる。

単安定マルチバイブレータでは交叉帰還ループ
のほかに自己帰還ループも存在し、下記の動作が
行われるよう、S₁，S₂それぞれに異なつたバイア
ス電圧が印加されている。

説明の都合上、光変換器（素子）S₁が“１”、
光変換器（素子）S₂が“０”で安定状態にあるも
のとするが、その逆であつても同様に説明でき
る。この場合、S₁，BS₁，D₁，α_１，β_１で構成
される部分（第１図の上側部分）は前に非安定マ
ルチバイブレータで説明したような光双安定等性
（ヒステリシス特性）を備え、かつτ〓₁＜τ〓₁
とする。またS₂，BS₂，D₂，α_２，β_２で構成さ
れる部分（第１図の下側部分）は双安定マルチバ
イブレータ動作に近い状態をとる（双安定マルチ
バイブレータの場合にはα_２は０であつたが、こ
の場合にはα_２が存在するものの、α_２はβ_２に
比べてかなり小さいか、または０であつてもよ
い）。

初期状態で光変調器S₁は“１”であるが、例え
ばD₁の入力に一時的にトリガ入力を加えること
等によりその出力を一時的に“０”にするものと
すると、第３図のヒステリシス特性の“１”から
“０”に安定点が変化し、一時的なトリガ入力を
取り除いてもD₁の出力は“０”状態のままにな
る。τ〓₁＜τ〓₁であるからβ_１によつてα_１の
帰還よりもゆつくりとT₂（Ｖ）の動作バイアス
を減少し、T₂（Ｖ）（すなわち第１図の下側部
分）が高透過状態にスイツチする。

そこで光変調器（素子）S₂の出力は“０”から
“１”に変化し、従つてD₂の出力V₂はβ_２を介し
て光変調器（素子）S₁のバイアス電圧を高め、
T₁（Ｖ）を低透過状態から高透過状態にもど
す。

光変調器（素子）S₁の出力が“１”にもどり、
β_１を介してT₂（Ｖ）を低透過状態、従つて光
変調器（素子）S₂の出力が“０”の安定状態にも
どる。

このように一巡の動作は主として時定数（τ〓
_１＋τ〓₂）で支配され、τ〓₁＋τ〓₂程度の光パ
ルス１個を出力する単安定マルチバイブレータを
実現できる。

なお、トリガ入力をD₁の入力に加えることで
説明したが、“０”状態の光検出器D₂の入力にト
リガ入力を与えることも可能である。

複数の光学素子を配列して安定に動作させるに
は、光集積化の手法が最適である。光マルチバイ
ブレータは、光集積化を行うことにより、動作電
力を大幅に減少させることが可能（状態の反転に
必要なエネルギーはピコジユール程度まで下げる
ことが可能）であり、サイズの小型化、安定化と
ともに、高速動作のためにも重要である。

光マルチバイブレータは、光による論理機能装
置や、光PCM等の光パルス技術において、その
基本となる光回路素子となるものである。

電子回路におけるフリツプフロツプをはじめと
するマルチバイブレータは、パルス回路技術の根
幹をなすものである。光パルス回路においても光
マルチバイブレータは不可欠な回路要素であり、
光パルスの制御や整形、計数等の機能が得られ
る。本発明は一部に電子回路を用いるが、入出力
は光により構成されるので、光集積化による微小
電力動作と高速動作が実現でき、光回路技術への
波及効果が極めて大きい。

以上述べたように、本発明の光マルチバイブレ
ータは、電気光学効果を用いた２個以上の光変調
器のそれぞれの光出力に対応した電圧を、互いに
他の前記光変調器に帰還することにより、光双安
定（光フリツプフロツプ）、光単安定、光非安定
の３種の光マルチバイブレータ動作をさせる回路
であつて、次に列挙する応用が考えられる。

(1) 光集積化による素子の実現 同一基板上に複数の光変調器を集積化し、小
型化、高効率化を図る。

(2) 単安定光マルチバイブレータによる光パルス
の整形。

(3) 非安定光マルチバイブレータによる光パルス
列発生。

(4) 双安定光マルチバイブレータによる光パルス
計数および論理記憶。

すなわち、具体的には、光計算機用記憶素子、
計数素子、光フアイバ中の伝送においてくずれた
光パルスの整形等の応用が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光マルチバイブレータの基本
的構成を示す図、第２図は第１図の光マルチバイ
ブレータの基本的構成図の帰還系の等価回路図、
第３図は電気光学効果を利用した光変調器の出力
光強度に比例した電圧を帰還したときの入力光強
度と出力光強度の関係を示す図、第４図は光変調
器の印加電圧と透過率の関係の一例を示す図であ
る。 Ｐ_i1，Ｐ_i2……入力光強度、Ｐ_p1，Ｐ_p2……出力
光強度、S₁，S₂……光変調器、T₁（Ｖ），T₂
（Ｖ）……光変調器の透過率、BS₁，BS₂……ビー
ムスプリツタ、D₁，D₂……光−電圧変換系、
V₁，V₂……光変調器の出力電圧、α_１，β_１，
α_２，β_２……帰還率、Ｖ_B1，Ｖ_B2……光変調器
に加えるバイアス電圧、Ｖ_L，Ｖ_H……光変調器の
透過率の極値をとる印加電圧。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 印加電圧によつて透過率の変化する一対の光
   変調器と、大部分の光を透過しかつ一部の光を反
   射する一対のビームスプリツタと、光検出器をも
   つ一対の光−電圧変換系と、この光−電圧変換系
   より前記の一対の光変調器それぞれに帰還信号を
   与える一対の自己帰還ループおよび交叉帰環ルー
   プの少なくともいずれかよりなり、前記の一対の
   光変調器に与えられた光入力の出力光を前記のビ
   ームスプリツタで反射し、前記の光−電圧変換系
   で光電変換して得られた電圧を前記の各帰還ルー
   プを介して前記の各光変調器に帰還するものであ
   つて、前記の各光変調器に加えるバイアス電圧お
   よび前記の各光変調器への帰還率と時定数の設定
   により、双安定または単安定または非安定動作を
   させることを特徴とする光マルチバイブレータ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の光マルチバイブ
   レータにおいて、前記の一対の光変調器のそれぞ
   れの透過率は電圧に対する位相を含めて等価とな
   るような同一特性の２素子とし、かつ交叉帰還ル
   ープのみを有し、前記の一方の素子が“１”、他
   方の素子が“０”の状態にあるとき、前記の一方
   の素子側の検出器の出力を“０”に、または前記
   の他方の素子側の検出器の出力を“１”に光トリ
   ガすることにより、前記の光マルチバイブレータ
   の動作状態を反転させて、“０”を“１”に
   “１”を“０”に移すことを特徴とする双安定光
   マルチバイブレータ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の光マルチバイブ
   レータにおいて、一方の前記の光変調器は“１”
   に対応するバイアス電圧が加えられたとき、光−
   電圧変換系の光検出器の出力が“０”となり、
   “０”に対応するバイアス電圧が加えられたと
   き、光−電圧変換系の光検出器の出力が“１”と
   なり、他方の光変調器は“０”、“１”のどちらの
   場合のバイアス電圧を加えても“０”となるよう
   にし、前記の一方の光変調器が“１”、前記の他
   方の光変調器が“０”の状態において、他方の光
   変調器を過渡的光入力で、“１”の状態にするこ
   とにより、光パルスを１個出力することを特徴と
   する単安定光マルチバイブレータ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の光マルチバイブ
   レータにおいて、前記の光変調器への帰還率がす
   べて零でなく、一方の自己帰還ループの時定数が
   他方の光変調器への帰還ループの時定数に比べて
   十分小さく、前記の一対の光変調器がヒステリシ
   ス特性をもち、かつ“０”に対応するバイアス電
   圧を加えたとき“０”になり、“１”に対応する
   バイアス電圧を加えたとき“１”になるように
   し、ある時刻に一方の光変調器が“１”にあり、
   他方の光変調器が“０”にあつて、交叉帰還ルー
   プを通して前記のそれぞれの光変調器に帰還電圧
   を加えることにより、前記の双方の光変調器の状
   態が反転することを特徴とする非安定光マルチバ
   イブレータ。