JP2018136489A - Linear optical logic element - Google Patents
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Abstract
【課題】短尺性と高バイナリコントラストと低損失とを両立させる。【解決手段】線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の強度ビットＡの光に対して、強度が１で固定で、位相が強度ビットＡと同相または逆相の位相ビットＢの光を入力とするハーフミラー１０−１と、ハーフミラー１０−１を透過した位相ビットＢの光を入力とするハーフミラー１０−２と、強度ビットＡの光とハーフミラー１０−２を透過した位相ビットＢの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、強度ビットＡの光を受光した面から出力光Ｃを出射するハーフミラー１１とを備える。【選択図】 図１[Problem] A linear optical logic element that achieves short length, high binary contrast, and low loss. [Solution] A linear optical logic element includes a half mirror 10-1 that receives as input light from an intensity bit A with an intensity of 0 or 1 and a fixed phase, and light from a phase bit B with a fixed intensity of 1 and a phase that is in-phase or opposite to that of the intensity bit A, a half mirror 10-2 that receives as input light from the phase bit B that has passed through the half mirror 10-1, and a half mirror 11 that receives the light from the intensity bit A and the light from the phase bit B that has passed through the half mirror 10-2 on different surfaces, and emits output light C from the surface that received the light from the intensity bit A. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、線形光学に基づく光論理素子に関するものである。 The present invention relates to an optical logic element based on linear optics.
光論理素子は、様々な研究機関で古くから研究されている重要な課題の一つであるが、その多くの場合で非線形光学効果が利用されている（非特許文献１参照）。非線形性は、出力ビット信号のバイナリコントラスト（０および１出力時の絶対強度の比）を大きくするために必須である。ただし、非線形光学効果の利用には一般的に次のような問題点がある。 The optical logic element is one of the important problems that have been studied for a long time in various research institutions, and in many cases, the nonlinear optical effect is used (see Non-Patent Document 1). Non-linearity is essential for increasing the binary contrast of the output bit signal (ratio of absolute intensity at 0 and 1 output). However, the use of the nonlinear optical effect generally has the following problems.
（I）信号の大きな入力強度（または強度密度）が必要になる。すなわち、信号の入力強度に依存して意図しない性能の変化が起こる。
（II）挿入損失が大きい。
（III）能動素子のために構造が複雑になる。
(I) A large input intensity (or intensity density) of the signal is required. That is, an unintended performance change occurs depending on the input intensity of the signal.
(II) Large insertion loss.
(III) The structure is complicated due to the active element.
（I）の問題はデバイス構造で改善可能であるが、（I）〜（III）のいずれも根本的な解決が難しい。したがって，カスケード性と消費電力の観点で応用が大きく制限されている。また、１０ｄＢを超えるバイナリコントラストを得るのはそれほど容易ではない。 The problem (I) can be improved by the device structure, but any of (I) to (III) is difficult to fundamentally solve. Therefore, the application is greatly limited in terms of cascadeability and power consumption. Also, it is not so easy to obtain a binary contrast exceeding 10 dB.
一方、線形光学に基づく干渉を利用した光論理素子も数多く提案されている。線形光学の利点は、応答が入力強度に比例すること、すなわち信号の入力強度が微小でも動作できることで、消費電力が小さくできることである。線形光学に基づく干渉を利用した光論理素子には、現状で以下のような問題点があり、複数の素子をカスケード接続するような状況に対してほとんど配慮されていない。 On the other hand, many optical logic elements using interference based on linear optics have been proposed. The advantage of linear optics is that the response is proportional to the input intensity, that is, the power consumption can be reduced by operating even if the input intensity of the signal is very small. Optical logic elements using interference based on linear optics currently have the following problems, and little consideration is given to situations where a plurality of elements are cascade-connected.
（IV）バイナリコントラストが原理的に制限される。
（V）損失が必ずしも小さくない。例えば出力強度として１を得るべき場合でも、出力強度が０．２５以下となる（この場合の損失を６ｄＢ以上であると定義する）。
(IV) Binary contrast is limited in principle.
(V) Loss is not necessarily small. For example, even when 1 is to be obtained as the output intensity, the output intensity is 0.25 or less (a loss in this case is defined as 6 dB or more).
線形光学において論理素子的な動作をするものの代表格として、ビームスプリッタが挙げられる。ビームスプリッタは、自由空間光学系で特定波長帯の光を任意の比率に分岐する金属薄膜や誘電多層膜から成る素子である。ビームスプリッタの中でも、特に光の分岐比が１：１となるものを半透過鏡またはハーフミラーと呼ぶ。ハーフミラーの表裏面から、互いに９０度、さらにハーフミラーに対してそれぞれ４５度を成すように同相の光ビーム対を入力する場合、ハーフミラーにおいて反射光の位相は透過光の逆相になる。 A beam splitter is a typical example of a logical element operation in linear optics. A beam splitter is an element composed of a metal thin film or a dielectric multilayer film that branches light of a specific wavelength band at an arbitrary ratio in a free space optical system. Among the beam splitters, those having a light branching ratio of 1: 1 are called semi-transmission mirrors or half mirrors. When in-phase light beam pairs are input from the front and back surfaces of the half mirror so as to form 90 degrees with each other and 45 degrees with respect to the half mirror, the phase of the reflected light in the half mirror is opposite to that of the transmitted light.
したがって、ハーフミラーに２つの光ビームが入力された場合は弱め合い干渉によって消光し、単一入力の場合は入力強度の半分が出力される。すなわち、バイナリコントラストが無限で、３ｄＢの挿入損失をもったＸＯＲ（排他的論理和）素子と同等な光論理素子が実現できる。ハーフミラーの特長は、実際に光演算に必要な素子長が極めて短尺で構造が単純なことである。 Therefore, when two light beams are input to the half mirror, they are extinguished by destructive interference, and in the case of a single input, half of the input intensity is output. That is, an optical logic element equivalent to an XOR (exclusive OR) element having an infinite binary contrast and an insertion loss of 3 dB can be realized. The feature of the half mirror is that the element length actually required for optical calculation is extremely short and the structure is simple.
ただし、光ＸＯＲ演算だけではユニバーサルな光演算ができないことと、他の光論理素子についてはバイナリコントラストが６ｄＢ程度しか取れないことから、線形な干渉だけでは光演算ができないとされている。実際の光演算応用では、損失を抑えながらいかにバイナリコントラストを大きくするかが肝要であり、線形光学ベースの光論理素子でもバイナリコントラストが確保できれば、ある程度の光演算またはそのための補助的な操作が可能になると考えられる。 However, it is said that the optical operation cannot be performed only by linear interference because the universal optical operation cannot be performed only by the optical XOR operation and the binary contrast of only about 6 dB can be obtained for the other optical logic elements. In actual optical calculation applications, it is important to increase the binary contrast while suppressing loss. If binary contrast can be secured even with an optical logic element based on linear optics, a certain amount of optical calculation or an auxiliary operation for that is possible. It is thought that it becomes.
ハーフミラーにおける線形光学の制限を打ち破るべく、数多くの線形光学論理素子が研究されている。例えば自由空間においてビームスプリッタと減衰器と波長板と偏光子等を組み合わせることで、直線偏波の位相±４５°を（０，１）信号のビットとして扱う全光論理素子がある。この光論理素子によれば、ユニバーサルな論理演算が可能であるとされているが、一つの論理演算に要する光学部品が多く、全体として長尺となる。さらにハーフミラーが２段挿入されているため、挿入損失は原理的に６ｄＢ以上となる。 Many linear optical logic elements have been studied to overcome the limitations of linear optics in half mirrors. For example, there is an all-optical logic device that handles a phase of ± 45 ° of linear polarization as a bit of a (0, 1) signal by combining a beam splitter, an attenuator, a wave plate, a polarizer, and the like in free space. According to this optical logic element, it is said that a universal logical operation is possible, but there are many optical components required for one logical operation, and the overall length becomes long. Furthermore, since two half mirrors are inserted, the insertion loss is in principle 6 dB or more.
オンチップのプラズモニック導波路による干渉を利用した光論理素子も報告されている。この光論理素子の全長は数μｍ前後で、ＡＮＤ（論理積）素子のバイナリコントラストとして９ｄＢ程度が実験的に実証されている。ただし、金属導波路の伝搬損失が大きいため、挿入損失は少なくとも１０ｄＢ程度あると考えられ、複数の素子のカスケード接続に適していない。 An optical logic device using interference by an on-chip plasmonic waveguide has also been reported. The total length of this optical logic element is around several μm, and about 9 dB has been experimentally verified as the binary contrast of an AND (logical product) element. However, since the propagation loss of the metal waveguide is large, the insertion loss is considered to be at least about 10 dB, which is not suitable for cascade connection of a plurality of elements.
一方で、誘電体または金属によるアンテナパターンを適切に設計・配列したメタ表面と呼ばれる薄膜光学素子の研究が盛んである。この素子によれば、ビーム偏向、集光、偏光変換、ホログラム生成といった任意機能を、特定の偏波に対して多重かつ広帯域で実現できる。ここでは、光ビームを特定方向に偏向するメタ表面ビーム偏向器にのみ着目する。 On the other hand, research on a thin film optical element called a meta surface in which an antenna pattern made of a dielectric or metal is appropriately designed and arranged has been actively conducted. According to this element, arbitrary functions such as beam deflection, condensing, polarization conversion, and hologram generation can be realized in a multiplexed and broadband manner for a specific polarization. Here, attention is focused only on the meta surface beam deflector that deflects the light beam in a specific direction.
メタ表面の材料に金や銀などの金属を用いた場合、メタ表面ビーム偏向器の総厚は１００ｎｍ前後にまで薄くできることがフレネルゾーンプレートとは異なる最大の特長である。さらに、コヒーレントな外部光を制御光としてメタ表面に入射させ、別の方位から入射された信号光とメタ表面上で干渉させることにより、信号光の進行経路を切り替えることができる。 When a metal such as gold or silver is used as the material for the meta surface, the greatest feature different from the Fresnel zone plate is that the total thickness of the meta surface beam deflector can be reduced to about 100 nm. Further, the traveling path of the signal light can be switched by causing the coherent external light to be incident on the meta surface as control light and causing interference on the meta surface with the signal light incident from another direction.
メタ表面ビーム偏向器のビームスプリッタとの根本的な差異は、特定の経路に光を曲げることと、それにより光入出力ポート数が４から６に増大することである。したがって、ビームスプリッタにおける光論理演算の制約を緩和するために、メタ表面ビーム偏向器は非常に有用である。 The fundamental difference between the meta-surface beam deflector and the beam splitter is that the light is bent in a specific path, thereby increasing the number of light input / output ports from four to six. Therefore, the meta-surface beam deflector is very useful to alleviate the constraints of optical logic operations in the beam splitter.
光学伝搬距離が短尺な全光スイッチならびに論理素子が実現できれば、ＲＣ（抵抗と容量）遅延に律速される電気回路の演算性能よりも高速な光演算回路を構成できる。したがって、いかに短尺なものを実現できるかが応用上非常に重要である。一方、バイナリコントラストが大きく損失が小さいほど、カスケード接続できる素子数が増大するため、より複雑な光演算が可能になる。 If an all-optical switch and a logic element having a short optical propagation distance can be realized, an optical arithmetic circuit faster than the arithmetic performance of an electric circuit limited by RC (resistance and capacitance) delay can be configured. Therefore, how short can be realized is very important in application. On the other hand, as the binary contrast is large and the loss is small, the number of elements that can be cascade-connected increases, so that more complicated optical calculation is possible.
しかしながら、従来の技術では素子長がｃｍからｍｍオーダの光スイッチまたは光論理素子しか実用化されていないため、光演算などへの応用が限定されている。
非線形光学を利用した場合、相互作用長の分だけ素子長が増大するため、短尺な光論理素子の実現が難しい。また、信号の大きな入力強度が必要であるため、消費電力が大きいという課題があった。さらに、光論理素子の性能そのものが信号の入力強度で変化する場合が有り得る。加えて、非線形光学を利用した場合、素子の構成が複雑となるため、複数の素子のカスケード接続は現実的ではない。
非線形光学における課題解決のために、線形光学素子による光論理素子が提案されているが、短尺性と高バイナリコントラストと低損失の全てを両立できるものは提案されていない。
However, in the prior art, only an optical switch or an optical logic element having an element length on the order of cm to mm has been put into practical use, and therefore, application to optical calculation or the like is limited.
When nonlinear optics is used, the element length increases by the interaction length, so it is difficult to realize a short optical logic element. In addition, since a large input intensity of the signal is necessary, there is a problem that power consumption is large. Further, the performance of the optical logic element itself may change depending on the input intensity of the signal. In addition, when nonlinear optics is used, the configuration of the elements is complicated, and therefore cascade connection of a plurality of elements is not realistic.
In order to solve the problems in nonlinear optics, an optical logic element using a linear optical element has been proposed. However, an optical logic element that can achieve all of shortness, high binary contrast, and low loss has not been proposed.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、短尺性と高バイナリコントラストと低損失とを両立させることができる線形光論理素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a linear optical logic device that can achieve both shortness, high binary contrast, and low loss.
本発明の線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光に対して、強度が１で固定で、位相が前記強度ビットと同相または逆相の位相ビットの光を入力とする第１のハーフミラーと、この第１のハーフミラーを透過した前記位相ビットの光を入力とする第２のハーフミラーと、前記強度ビットの光と前記第２のハーフミラーを透過した前記位相ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記強度ビットの光を受光した面から出力光を出射する第３のハーフミラーとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、強度が１で固定で、位相が前記強度ビットと同相または逆相の位相ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記強度ビットの光を受光した面から出力光を出射するビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタは、前記強度ビットの光から前記出力光への反射率が、前記位相ビットの光から前記出力光への透過率よりも大きいことを特徴とするものである。
また、本発明線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光を入力とする第１のハーフミラーと、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光と、強度が１で位相が前記第１、第２の強度ビットの光と逆相の固定光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記固定光を受光した面から、位相が前記第１の強度ビットと同相または逆相の位相ビットの光を出射する第２のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーを透過した前記第１の強度ビットの光と前記第２のハーフミラーを出射した前記位相ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記第１の強度ビットの光を受光した面から出力光を出射する第３のハーフミラーとを備えることを特徴とするものである。
The linear optical logic device according to the present invention is capable of receiving light of a phase bit whose intensity is fixed at 1 and whose phase is the same or opposite to that of the intensity bit. A first half mirror as an input, a second half mirror that receives the light of the phase bit that has passed through the first half mirror, and a light of the intensity bit that has passed through the second half mirror. And a third half mirror that receives the phase bit light on different surfaces and emits output light from the surface receiving the intensity bit light.
Further, the linear optical logic device of the present invention includes an intensity bit light having an intensity of 0 or 1 and a fixed phase, and an intensity bit light having a fixed intensity of 1 and a phase bit having the same or opposite phase as the intensity bit. Are received by different surfaces, and output beams are emitted from the surfaces receiving the intensity bit light, and the beam splitter has a reflectivity from the intensity bit light to the output light. The transmittance from the light of the phase bit to the output light is larger.
The linear optical logic element of the present invention includes a first half mirror that receives light of a first intensity bit whose intensity is 0 or 1 and whose phase is fixed, and the first half mirror whose intensity is 0 or 1 and whose phase is the first. The second intensity bit light having the same phase as the intensity bit light and the first and second intensity bit lights having the intensity of 1 and the phase opposite to each other are received on different surfaces. The second half mirror that emits light having a phase bit that is in phase with or out of phase with the first intensity bit from the surface that has received the fixed light, and the first half mirror that has passed through the first half mirror. The intensity bit light and the phase bit light emitted from the second half mirror are received by different surfaces, and output light is emitted from the surface receiving the first intensity bit light. And a third half mirror.
また、本発明線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光と、強度が１で位相が前記第１の強度ビットの光と逆相の固定光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記固定光を受光した面から、位相が前記第１の強度ビットと同相または逆相の位相ビットの光を出射する第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーを出射した前記位相ビットの光と、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記第２の強度ビットの光を受光した面から出力光を出射するビームスプリッタとを備え、前記ビームスプリッタは、前記第２の強度ビットの光から前記出力光への反射率が、前記位相ビットの光から前記出力光への透過率よりも小さいことを特徴とするものである。
また、本発明線形光論理素子は、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、強度が１で位相が前記強度ビットの光と同相の固定光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記固定光を受光した面から出力光を出射するビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタは、前記ビームスプリッタは、前記固定光から前記出力光への反射率が、前記強度ビットの光から前記出力光への透過率よりも大きいことを特徴とするものである。
The linear optical logic device of the present invention includes a first intensity bit light having an intensity of 0 or 1 and a fixed phase, and a fixed light having an intensity of 1 and a phase opposite to the light of the first intensity bit. The first half mirror that emits light having a phase bit that is in phase with or out of phase with the first intensity bit from the surface that has received the fixed light. The light of the phase bit emitted from one half mirror and the light of the second intensity bit having an intensity of 0 or 1 and the phase of the first intensity bit are received on different surfaces. A beam splitter that emits output light from a surface that has received the light of the second intensity bit, and the beam splitter has a reflectance from the light of the second intensity bit to the output light, Less than the transmittance from the light of the phase bit to the output light Those characterized that no.
Further, the linear optical logic device of the present invention is configured so that the intensity bit light whose intensity is 0 or 1 and the phase is fixed, and the intensity light of 1 and the phase of the intensity bit light and the fixed light having the same phase are on different sides. A beam splitter that receives and emits output light from a surface that has received the fixed light, and the beam splitter has a reflectivity from the fixed light to the output light, the light having the intensity bit. From the above, it is larger than the transmittance to the output light.
また、本発明線形光論理素子は、誘電体の表面に金属膜からなる平面視多角形の複数のアンテナが周期的に形成されたメタ表面ビーム偏向器を備え、前記メタ表面ビーム偏向器は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面で受光し、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面と反対側の面で受光して、前記アンテナが形成された面から出力光を出射することを特徴とするものである。
また、本発明線形光論理素子は、誘電体の表面に金属膜からなる平面視多角形の複数のアンテナが周期的に形成されたメタ表面ビーム偏向器を備え、前記メタ表面ビーム偏向器は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面で受光し、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面と反対側の面で受光し、強度が１で位相が前記第１、第２の強度ビットの光と逆相の固定光を前記反対側の面で受光して、前記アンテナが形成された面から出力光を出射することを特徴とするものである。
The linear optical logic element of the present invention includes a meta surface beam deflector in which a plurality of planar polygonal antennas made of a metal film are periodically formed on a dielectric surface, and the meta surface beam deflector includes: The first intensity bit light having an intensity of 0 or 1 and a fixed phase is received by the surface on which the antenna is formed, and the intensity is 0 or 1 and the phase is in phase with the light of the first intensity bit. Light of 2 intensity bits is received by a surface opposite to the surface on which the antenna is formed, and output light is emitted from the surface on which the antenna is formed.
The linear optical logic element of the present invention includes a meta surface beam deflector in which a plurality of planar polygonal antennas made of a metal film are periodically formed on a dielectric surface, and the meta surface beam deflector includes: The first intensity bit light having an intensity of 0 or 1 and a fixed phase is received by the surface on which the antenna is formed, and the intensity is 0 or 1 and the phase is in phase with the light of the first intensity bit. The light having the intensity bit of 2 is received by the surface opposite to the surface on which the antenna is formed, and the fixed light having the intensity of 1 and the phase opposite to the light of the first and second intensity bits is the opposite. Light is received on the side surface, and output light is emitted from the surface on which the antenna is formed.
また、本発明線形光論理素子の１構成例において、前記メタ表面ビーム偏向器は、誘電体からなる基板と、この基板の上に形成された金属膜からなる反射鏡と、この反射鏡の上に形成された誘電体膜からなるスペーサ層と、このスペーサ層の上に形成された前記アンテナとから構成され、前記アンテナは、平面形状が台形または三角形であり、前記台形または三角形の面内方向の長さが１００ｎｍ以上２μｍ以下、前記台形または三角形の底辺の幅が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、前記台形の上辺の幅が１００ｎｍ以下、前記アンテナの面内方向のピッチが１００ｎｍ以上５μｍ以下、前記アンテナの厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、前記スペーサ層の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、前記反射鏡の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とするものである。 In one configuration example of the linear optical logic element of the present invention, the meta surface beam deflector includes a substrate made of a dielectric, a reflecting mirror made of a metal film formed on the substrate, and an upper surface of the reflecting mirror. The antenna layer is formed on the spacer layer, and the antenna has a trapezoidal or triangular plane shape, and the trapezoidal or triangular in-plane direction. The trapezoidal or triangular base has a base width of 100 nm or more and 400 nm or less, a trapezoidal top side width of 100 nm or less, a pitch in the in-plane direction of the antenna of 100 nm or more and 5 μm or less, The thickness is 10 nm to 100 nm, the thickness of the spacer layer is 10 nm to 200 nm, and the thickness of the reflecting mirror is 100 nm or less. It is characterized by.
本発明では、素子長が１００ｎｍ前後である。したがって、従来技術の光スイッチと比較して少なくとも数１０００分の１以上短尺であるため、ごく低遅延な光演算への応用に適している。また、本発明では、複数の素子のカスケード性や集積性を飛躍的に向上させることができる。また、本発明は、線形光学で動作するので、大きな入力強度を必要とせず、性能が入力強度無依存であるため、大幅な省電力化が期待できる。また、本発明では、強度ビット・強度ビット入力型の線形光論理素子の場合、挿入損失はビームスプリッタを用いた場合で１．２ｄＢ程度、メタ表面ビーム偏向器を用いた場合で１．５０ｄＢ程度なので、従来よりも低損失である。さらに、本発明では、バイナリコントラストは最大で９．５４ｄＢ程度が得られる。これにより、信号判別のために必要な後段での非線形効果の利用を最小限に抑えることができる。 In the present invention, the element length is around 100 nm. Therefore, since it is at least 1/1000 or more shorter than the optical switch of the prior art, it is suitable for application to an optical operation with a very low delay. Further, according to the present invention, the cascadability and integration of a plurality of elements can be dramatically improved. In addition, since the present invention operates with linear optics, a large input intensity is not required, and the performance is independent of the input intensity, so that significant power saving can be expected. In the present invention, in the case of an intensity bit / intensity bit input type linear optical logic element, the insertion loss is about 1.2 dB when a beam splitter is used, and about 1.50 dB when a meta surface beam deflector is used. Therefore, the loss is lower than before. Further, in the present invention, the maximum binary contrast is about 9.54 dB. As a result, it is possible to minimize the use of non-linear effects at the subsequent stage necessary for signal discrimination.
［発明の原理］
本発明では、（ａ）強度ビットと位相ビット入力を組み合わせた特殊な場合と、（ｂ）２つの強度ビット入力を用いた一般的な場合の２とおりの動作を取り扱う。（ａ）は、運用状況が（ｂ）よりも限定されるが、１以上の透過強度が得られるため、より多数のカスケード接続に有用である。なお、本書における全ての出力値０，１は電界振幅値ではなく、光強度を意味している。ただし、位相ビットについては、０は同相を意味し、πは逆相を意味している。
[Principle of the Invention]
The present invention deals with two operations: (a) a special case where intensity bits and phase bit inputs are combined, and (b) a general case where two intensity bit inputs are used. Although (a) is more limited in operation status than (b), it is useful for a larger number of cascade connections because a transmission intensity of 1 or more can be obtained. It should be noted that all output values 0 and 1 in this document mean not the electric field amplitude value but the light intensity. However, for the phase bit, 0 means in-phase, and π means opposite phase.
［ハーフミラーを用いた強度・位相ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子］
強度ビットと位相ビットの入力による動作について、自由空間光学系において３つのハーフミラー１０−１，１０−２，１１を用いた線形光学ＡＮＤ素子の構成を図１（Ａ）に示し、この線形光学ＡＮＤ素子の入出力表を図１（Ｂ）に示す。
[Strength / phase bit input type linear optical AND element using half mirror]
FIG. 1A shows a configuration of a linear optical AND element using three half mirrors 10-1, 10-2, and 11 in a free space optical system for an operation by inputting an intensity bit and a phase bit. An input / output table of the AND element is shown in FIG.
ここで、Ａ，Ｂはそれぞれ強度ビット、位相ビットである。強度ビットＡは、入力強度が０または１で入力位相が固定の光信号である。位相ビットＢは、強度が１で固定で、位相が強度ビットＡと同相（０）または逆相（π）の光信号である。
位相ビットＢは、２段のハーフミラー１０−１，１０−２を通過することで強度が０．２５となる。そして、ハーフミラー１１は、強度ビットＡと位相ビットＢに部分干渉を起こさせる。その結果、ハーフミラー１１の強度ビットＡを受光した面から、図１（Ｂ）の入出力表に示す出力光Ｃが得られる。
Here, A and B are an intensity bit and a phase bit, respectively. The intensity bit A is an optical signal whose input intensity is 0 or 1 and whose input phase is fixed. The phase bit B is an optical signal whose intensity is fixed at 1 and whose phase is in phase (0) or opposite phase (π) to the intensity bit A.
The phase bit B has an intensity of 0.25 by passing through the two-stage half mirrors 10-1 and 10-2. The half mirror 11 causes partial interference between the intensity bit A and the phase bit B. As a result, output light C shown in the input / output table of FIG. 1B is obtained from the surface of the half mirror 11 that receives the intensity bit A.
これにより、（Ａ，Ｂ）＝（１，０）の場合のみＣ＝１．１２５で、それ以外のＡ，Ｂの組み合わせではＣ＝０．１２５となる（バイナリコントラストは９．５４ｄＢ）。
したがって、図１（Ａ）に示した素子はＡＮＤ素子的に動作する。以降でも１よりも大きな値が出力される例をいくつか取り上げるが、後段に損失要因を挿入するだけでバイナリコントラストを保ったまま１にできる。１よりも大きな出力は、可飽和吸収などの非線形光学効果を導入してバイナリコントラストを改善する際に重要である。図１（Ａ）の構成の要点は強度ビットＡと位相ビットＢの光の強度比を４：１として部分干渉させることである。これにより、９．５４ｄＢのバイナリコントラストが実現できる。
Thus, C = 1.125 only when (A, B) = (1, 0), and C = 0.125 for the other combinations of A and B (binary contrast is 9.54 dB).
Therefore, the element shown in FIG. 1A operates like an AND element. In the following, some examples in which a value greater than 1 is output will be taken, but it can be made 1 while maintaining the binary contrast simply by inserting a loss factor in the subsequent stage. Outputs greater than 1 are important in improving binary contrast by introducing nonlinear optical effects such as saturable absorption. The main point of the configuration of FIG. 1A is to cause partial interference by setting the light intensity ratio of the intensity bit A and the phase bit B to 4: 1. Thereby, a binary contrast of 9.54 dB can be realized.
［ビームスプリッタを用いた強度ビット・位相ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子］
ビームスプリッタ１２を用いた線形光学ＡＮＤ素子の構成を図２（Ａ）に示し、この線形光学ＡＮＤ素子の入出力表を図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）に示す素子は、図１（Ａ）に示した素子よりも簡易かつ低損失な構成例である。ビームスプリッタ１２の強度ビットＡ側から出力光Ｃへの反射率は８０％、位相ビットＢ側から出力光Ｃへの透過率は２０％である（反射率と透過率の比が４：１）。
[Intensity bit / phase bit input type linear optical AND element using beam splitter]
FIG. 2A shows a configuration of a linear optical AND element using the beam splitter 12, and FIG. 2B shows an input / output table of the linear optical AND element. The element illustrated in FIG. 2A is a simpler and lower loss configuration example than the element illustrated in FIG. The reflectance from the intensity bit A side to the output light C of the beam splitter 12 is 80%, and the transmittance from the phase bit B side to the output light C is 20% (ratio of reflectance to transmittance is 4: 1). .
このような透過率と反射率の設定により、図１（Ａ）に示した素子と同じ状況を、より低損失に再現できる。ビームスプリッタ１２で強度ビットＡと位相ビットＢの部分干渉を起こさせることにより、ビームスプリッタ１２の強度ビットＡを受光した面から、図２（Ｂ）の入出力表に示す出力光Ｃが得られる。図１（Ｂ）の場合と同様に、（Ａ，Ｂ）＝（１，０）の場合のみＣ＝１．８で、それ以外のＡ，Ｂの組み合わせではＣ＝０．２となる（バイナリコントラストは９．５４ｄＢ）。図２（Ａ）に示した素子によれば、図１（Ａ）に示した素子の場合よりも全体の出力が１．６倍大きく、非線形光学効果によるバイナリコントラストの改善に有利である。 By setting such transmittance and reflectance, the same situation as the element shown in FIG. 1A can be reproduced with lower loss. By causing partial interference between the intensity bit A and the phase bit B by the beam splitter 12, output light C shown in the input / output table of FIG. 2B is obtained from the surface of the beam splitter 12 that receives the intensity bit A. . As in the case of FIG. 1B, C = 1.8 only when (A, B) = (1, 0), and C = 0.2 for other combinations of A and B (binary). Contrast is 9.54 dB). According to the element shown in FIG. 2A, the overall output is 1.6 times larger than in the case of the element shown in FIG. 1A, which is advantageous in improving binary contrast due to the nonlinear optical effect.
［ハーフミラーを用いた強度・位相変換器］
ハーフミラーを用いた強度・位相変換器１３の構成を図３（Ａ）に示し、この強度・位相変換器の入出力表を図３（Ｂ）に示す。この例では、強度０または１の強度ビットＡと強度０．２５の固定光Ｄとをそれぞれハーフミラー１３０の異なる側に入力する。強度ビットＡと固定光Ｄの相対位相差はπである。
[Intensity / phase converter using half mirror]
FIG. 3A shows the configuration of the intensity / phase converter 13 using a half mirror, and FIG. 3B shows an input / output table of the intensity / phase converter. In this example, an intensity bit A having an intensity of 0 or 1 and a fixed light D having an intensity of 0.25 are input to different sides of the half mirror 130, respectively. The relative phase difference between the intensity bit A and the fixed light D is π.
図３（Ａ）に示す構成によれば、強度ビットＡが０か１かで出力Ｃの位相がπ異なるが、出力強度は０．１２５で一定という状況を作ることができる。すなわち、図３（Ａ）に示す構成は、強度ビット（０，１）を出力Ｃで位相ビット（０，π）に変換する装置として機能する。 According to the configuration shown in FIG. 3A, it is possible to create a situation in which the phase of the output C is different by π depending on whether the intensity bit A is 0 or 1, but the output intensity is constant at 0.125. That is, the configuration shown in FIG. 3A functions as a device that converts the intensity bit (0, 1) into the phase bit (0, π) at the output C.
［強度・位相変換器を用いた強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子」
図３（Ａ）の強度・位相変換器と図１（Ａ）の強度・位相ビット入力型のＡＮＤ素子のアイディアを融合させた強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成を図４（Ａ）に示し、この線形光学ＡＮＤ素子の入出力表を図４（Ｂ）に示す。
[Strength / strength bit input type linear optical AND element using strength / phase converter]
FIG. 4 shows the configuration of an intensity / intensity bit input type linear optical AND element obtained by fusing the idea of the intensity / phase bit input type AND element in FIG. 1 (A) with the intensity / phase bit input type element in FIG. FIG. 4B shows an input / output table of this linear optical AND element.
強度・位相変換器１３によって強度ビットＢは、強度０．１２５の位相ビット０またはπに変換される。強度・位相変換器１３に入力される強度ビットＢと、強度１の固定光Ｄの相対位相差はπである。また、強度ビットＡ，Ｂの相対位相差は０である。 The intensity / phase converter 13 converts the intensity bit B into a phase bit 0 or π having an intensity of 0.125. The relative phase difference between the intensity bit B input to the intensity / phase converter 13 and the fixed light D having intensity 1 is π. The relative phase difference between the intensity bits A and B is zero.
強度ビットＡは、１段のハーフミラー１４−１を通ることで強度が０．５となる。そして、ハーフミラー１４−２は、ハーフミラー１４−１から出力された強度ビットＡと強度・位相変換器１３から出力された位相ビットに部分干渉を起こさせることにより、強度ビットＡを受光した面から出力光Ｃが得られる。その結果、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）の場合のみＣ＝０．５６２５で、それ以外のＡ，Ｂの組み合わせではＣ＝０．０６２５となる（バイナリコントラストは９．５４ｄＢ）。 The intensity bit A has an intensity of 0.5 by passing through the one-stage half mirror 14-1. The half mirror 14-2 receives the intensity bit A by causing partial interference between the intensity bit A output from the half mirror 14-1 and the phase bit output from the intensity / phase converter 13. To obtain output light C. As a result, C = 0.5625 only when (A, B) = (1, 1), and C = 0.0625 for other combinations of A and B (binary contrast is 9.54 dB).
図４（Ａ）に示す構成では、挿入損失が２．５０ｄＢであり、素子のカスケード接続のためには光増幅器等による損失補償を必要とする。 In the configuration shown in FIG. 4A, the insertion loss is 2.50 dB, and loss compensation by an optical amplifier or the like is required for cascade connection of elements.
［強度・位相変換器を用いた強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子」
強度・位相変換器を用いたＡＮＤ素子の別の例として、図４（Ａ）のハーフミラー１４−１，１４−２を、反射率と透過率の比が１：２のビームスプリッタ１５に置換した場合の強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成を図５（Ａ）に示し、この線形光学ＡＮＤ素子の入出力表を図５（Ｂ）に示す。
[Strength / strength bit input type linear optical AND element using strength / phase converter]
As another example of an AND element using an intensity / phase converter, the half mirrors 14-1 and 14-2 in FIG. 4A are replaced with a beam splitter 15 having a ratio of reflectance to transmittance of 1: 2. FIG. 5A shows the configuration of an intensity / intensity bit input type linear optical AND element in this case, and FIG. 5B shows an input / output table of this linear optical AND element.
強度・位相変換器１３によって強度ビットＢは、強度０．１２５の位相ビット０またはπに変換される。上記のとおり、強度・位相変換器１３に入力される強度ビットＢと、強度１の固定光Ｄの相対位相差はπである。また、強度ビットＡ，Ｂの相対位相差は０である。 The intensity / phase converter 13 converts the intensity bit B into a phase bit 0 or π having an intensity of 0.125. As described above, the relative phase difference between the intensity bit B input to the intensity / phase converter 13 and the fixed light D having intensity 1 is π. The relative phase difference between the intensity bits A and B is zero.
反射率と透過率の比が１：２のビームスプリッタ１５は、強度ビットＡを反射し、強度・位相変換器１３から出力された位相ビットを透過させ、強度ビットＡと位相ビットに部分干渉を起こさせる。ビームスプリッタ１５の強度ビットＡを受光した面から出力光Ｃが得られる。その結果、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）の場合のみＣ＝０．７５で、それ以外のＡ，Ｂの組み合わせではＣ＝０．０８３となる（バイナリコントラストは９．５４ｄＢ）。 The beam splitter 15 having a reflectance to transmittance ratio of 1: 2 reflects the intensity bit A, transmits the phase bit output from the intensity / phase converter 13, and causes partial interference between the intensity bit A and the phase bit. Wake me up. Output light C is obtained from the surface of the beam splitter 15 that receives the intensity bit A. As a result, C = 0.75 only when (A, B) = (1, 1), and C = 0.083 for other combinations of A and B (binary contrast is 9.54 dB).
図５（Ａ）に示す構成では、挿入損失が１．２５ｄＢであり、素子のカスケード接続のために光増幅器等による損失補償が必要ではあるが、従来技術と比較して極めて低損失であるため、非線形光学効果の利用を大幅に省略できる。 In the configuration shown in FIG. 5A, the insertion loss is 1.25 dB, and loss compensation by an optical amplifier or the like is necessary for cascade connection of elements, but the loss is extremely low as compared with the prior art. The use of the nonlinear optical effect can be largely omitted.
［ビームスプリッタを用いた線形光学ＮＯＴ素子］
ビームスプリッタを用いた線形光学ＮＯＴ素子の構成を図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示し、これら線形光学ＮＯＴ素子の入出力表を図６（Ｃ）、図６（Ｄ）に示す。ビームスプリッタの一方の入力を強度ビットＡ、他方の入力を固定光ＤとすることでＮＯＴ素子を構成できる。強度ビットＡと固定光Ｄの相対位相差は０である。
[Linear optical NOT element using beam splitter]
The configuration of linear optical NOT elements using a beam splitter is shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B), and the input / output tables of these linear optical NOT elements are shown in FIGS. 6 (C) and 6 (D). A NOT element can be constructed by setting one input of the beam splitter to intensity bit A and the other input to fixed light D. The relative phase difference between the intensity bit A and the fixed light D is zero.
図６（Ａ）は、反射率と透過率の比が４：１のビームスプリッタ１６に、強度ビットＡと強度４の固定光Ｄとを入力する場合を示している。ビームスプリッタ１６の固定光Ｄを受光した面から出力光Ｃが得られる。これにより、Ａ＝０で出力Ｃ＝０．８、Ａ＝１で出力Ｃ＝０のＮＯＴ動作を実現できる（図６（Ｃ））。図６（Ａ）に示す素子の場合、信号光に対する損失が０．９７ｄＢで、バイナリコントラストが無限大のＮＯＴ素子を構成できる。 FIG. 6A shows a case where the intensity bit A and the fixed light D having intensity 4 are input to the beam splitter 16 having a ratio of reflectance to transmittance of 4: 1. The output light C is obtained from the surface of the beam splitter 16 that receives the fixed light D. Thus, a NOT operation with an output C = 0.8 when A = 0 and an output C = 0 when A = 1 can be realized (FIG. 6C). In the case of the element shown in FIG. 6A, a NOT element having a loss with respect to signal light of 0.97 dB and an infinite binary contrast can be formed.
図６（Ｂ）は、反射率と透過率の比が９：１のビームスプリッタ１６に、強度ビットＡと強度９の固定光Ｄとを入力する場合を示している。上記と同様に、ビームスプリッタ１６の固定光Ｄを受光した面から出力光Ｃが得られる。これにより、Ａ＝０で出力Ｃ＝０．９、Ａ＝１で出力Ｃ＝０のＮＯＴ動作を実現できる（図６（Ｄ））。図６（Ｂ）に示す素子の場合、信号光に対する損失は０．４６ｄＢで、バイナリコントラストが無限大のＮＯＴ素子を構成できる。
ただし、図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例では、光損失を補償するために、より大きな固定光強度が必要となるため、損失と消費電力はトレードオフである。
FIG. 6B shows a case where the intensity bit A and the fixed light D having the intensity 9 are input to the beam splitter 16 having a reflectivity / transmittance ratio of 9: 1. Similarly to the above, the output light C is obtained from the surface of the beam splitter 16 that receives the fixed light D. Accordingly, a NOT operation can be realized in which A = 0, the output C = 0.9, and A = 1, the output C = 0 (FIG. 6D). In the case of the element shown in FIG. 6B, a loss with respect to signal light is 0.46 dB, and a NOT element having an infinite binary contrast can be configured.
However, in the examples of FIGS. 6A and 6B, a larger fixed light intensity is required to compensate for the optical loss, so the loss and the power consumption are a trade-off.
以上により、線形光学ベースであっても、ユニバーサルな演算に必要なＡＮＤ素子とＮＯＴ素子を、バイナリコントラスト９．５ｄＢ以上かつ損失１．２ｄＢ程度で実現できることが分かる。 From the above, it can be seen that even with a linear optical base, an AND element and a NOT element necessary for universal calculation can be realized with a binary contrast of 9.5 dB or more and a loss of about 1.2 dB.
［非対称メタ表面線形光論理素子］
光論理素子として利用するメタ表面ビーム偏向器の構造の概要を図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）、図８（Ｂ）で説明する。図７（Ａ）は非対称メタ表面線形光論理素子２０（メタ表面ビーム偏向器）の斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）の素子２０の断面図である。図８（Ａ）は埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子２１の斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の素子２１の断面図である。
[Asymmetric metasurface linear optical logic device]
An outline of the structure of the meta surface beam deflector used as an optical logic element will be described with reference to FIGS. 7A, 7B, 8A, and 8B. 7A is a perspective view of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 (metasurface beam deflector), and FIG. 7B is a cross-sectional view of the element 20 of FIG. 8A is a perspective view of the embedded asymmetric metasurface linear optical logic element 21, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the element 21 of FIG. 8A.
図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図８（Ａ）、図８（Ｂ）で図示するいずれの構造もシンプルな台形型アンテナによるビーム偏向メタ表面をもつ。図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示す非対称メタ表面線形光論理素子２０は、誘電体基板２０−４と、誘電体基板２０−４の上に形成された部分反射鏡２０−３と、部分反射鏡２０−３の上に形成されたスペーサ層２０−２と、スペーサ層２０−２の上に形成されたメタ表面部２０−１とから構成される。 Each of the structures shown in FIGS. 7A, 7B, 8A, and 8B has a beam deflection meta surface by a simple trapezoidal antenna. An asymmetric metasurface linear optical logic device 20 shown in FIGS. 7A and 7B includes a dielectric substrate 20-4 and a partial reflection mirror 20-3 formed on the dielectric substrate 20-4. The spacer layer 20-2 is formed on the partial reflecting mirror 20-3, and the meta surface portion 20-1 is formed on the spacer layer 20-2.
メタ表面部２０−１および部分反射鏡２０−３の材質は金または銀である。スペーサ層２０−２および誘電体基板２０−４を構成する透明な誘電体材料としては、主に石英・シリカがあるが、屈折率の異なるフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、窒化シリコン、酸化チタン、酸化バナジウム等の利用も考えられる。メタ表面部２０−１の上部は空気である。誘電体基板２０−４の下部は平坦である必要がある。 The material of the meta surface portion 20-1 and the partial reflecting mirror 20-3 is gold or silver. As the transparent dielectric material constituting the spacer layer 20-2 and the dielectric substrate 20-4, there are mainly quartz and silica, but magnesium fluoride, calcium fluoride, silicon nitride, titanium oxide having different refractive indexes, Use of vanadium oxide or the like is also conceivable. The upper part of the meta surface part 20-1 is air. The lower part of the dielectric substrate 20-4 needs to be flat.
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子２１は、誘電体基板２１−５と、誘電体基板２１−５の上に形成された部分反射鏡２１−４と、部分反射鏡２１−４の上に形成されたスペーサ層２１−３と、スペーサ層２１−３の上に形成されたメタ表面部２１−２と、メタ表面部２１−２を覆う誘電体２１−１とから構成される。 The embedded asymmetric metasurface linear optical logic element 21 shown in FIGS. 8A and 8B includes a dielectric substrate 21-5 and a partially reflecting mirror 21- formed on the dielectric substrate 21-5. 4, a spacer layer 21-3 formed on the partial reflecting mirror 21-4, a meta surface portion 21-2 formed on the spacer layer 21-3, and a dielectric covering the meta surface portion 21-2 It is comprised from the body 21-1.
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す素子は、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示した素子のメタ表面部を誘電体２１−１で覆ったものである。上記と同様に、スペーサ層２１−３、誘電体基板２１−５および誘電体２１−１を構成する透明な誘電体材料としては、石英・シリカがあるが、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、窒化シリコン、酸化チタン、酸化バナジウム等の利用も考えられる。誘電体２１−１の上部および誘電体基板２１−５の下部は平坦である必要がある。 The elements shown in FIGS. 8A and 8B are obtained by covering the meta surface portion of the element shown in FIGS. 7A and 7B with a dielectric 21-1. In the same manner as described above, the transparent dielectric material constituting the spacer layer 21-3, the dielectric substrate 21-5, and the dielectric 21-1 includes quartz and silica. However, magnesium fluoride, calcium fluoride, and nitride Use of silicon, titanium oxide, vanadium oxide, etc. is also conceivable. The upper part of the dielectric 21-1 and the lower part of the dielectric substrate 21-5 need to be flat.
光論理素子２０，２１の上部と下部のそれぞれの表面に無反射コーティングを施すことで、フレネル反射の影響を除去できる。また、上部と下部のそれぞれの表面を同じ材料で覆うか、異なる材料で覆うかによっても、デバイス特性を調整できる。また、複数の光論理素子２０，２１を面垂直方向に配列してカスケード接続する場合、素子間の中間層を空気以外の材料で埋めることにより、光学距離が固定化できる。 By applying anti-reflection coating on the upper and lower surfaces of the optical logic elements 20 and 21, the influence of Fresnel reflection can be eliminated. The device characteristics can also be adjusted depending on whether the upper and lower surfaces are covered with the same material or different materials. Further, when the plurality of optical logic elements 20 and 21 are arranged in the direction perpendicular to the plane and cascaded, the optical distance can be fixed by filling the intermediate layer between the elements with a material other than air.
光論理素子２０，２１の具体的な各構造パラメータを図９（Ａ）、図９（Ｂ）を用いて説明する。メタ表面部２０−１，２１−２には、図９（Ａ）の平面図で示すように多数の台形アンテナ２００が周期的に形成されている。メタ表面部２０−１，２１−２の面内方向の構造パラメータとして、台形アンテナ２００の長さＬ、台形アンテナ２００の平行な２辺のうち一辺の幅ＷL、他辺の幅ＷS、台形アンテナ２００のｘ方向のピッチＰx、ｙ方向のピッチＰyを定める。 Specific structural parameters of the optical logic elements 20 and 21 will be described with reference to FIGS. 9A and 9B. A large number of trapezoidal antennas 200 are periodically formed on the meta surface portions 20-1 and 21-2 as shown in the plan view of FIG. As structural parameters in the in-plane direction of the meta surface portions 20-1 and 21-2, the length L of the trapezoidal antenna 200, the width W L on one side of the two parallel sides of the trapezoidal antenna 200, the width W S on the other side, A pitch P x in the x direction and a pitch P y in the y direction of the trapezoidal antenna 200 are determined.
また、光論理素子２０，２１の断面方向の構造パラメータとして、図９（Ｂ）に示すように、メタ表面部２０−１，２１−２の厚さｄ1、スペーサ層２０−２，２１−３の厚さｄ2、部分反射鏡２０−３，２１−４の厚さｄ3を定める。 As structural parameters in the cross-sectional direction of the optical logic elements 20 and 21, as shown in FIG. 9B, the thickness d 1 of the meta surface portions 20-1 and 21-2, the spacer layers 20-2 and 21- 3 having a thickness of d 2, determine the thickness d 3 of the partial reflection mirror 20-3,21-4.
可視領域から近赤外領域において論理素子的な動作を実現するために、台形アンテナ２００の長さＬを１００ｎｍ以上２μｍ以下の範囲で調整し、台形アンテナ２００の一辺の幅ＷLを１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲で調整し、他辺の幅ＷSを０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で調整する。また、台形アンテナ２００のピッチＰx，Ｐyを１００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲で調整する。さらに、厚さｄ1を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で、厚さｄ2を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲で、厚さｄ3を１００ｎｍ以下の範囲でそれぞれ調整する。なお、ＷSを０ｎｍから１００ｎｍの範囲とすることから明らかなように、アンテナ２００の平面形状は台形でなく、三角形であってもよい。 In order to realize a logical element operation from the visible region to the near-infrared region, the length L of the trapezoidal antenna 200 is adjusted in the range of 100 nm to 2 μm, and the width W L of one side of the trapezoidal antenna 200 is 100 nm to 400 nm. Adjustment is made in the following range, and the width W S of the other side is adjusted in the range of 0 nm to 100 nm. Further, the pitches P x and P y of the trapezoidal antenna 200 are adjusted in the range of 100 nm to 5 μm. Further, the thickness d 1 is adjusted in the range of 10 nm to 100 nm, the thickness d 2 is adjusted in the range of 10 nm to 200 nm, and the thickness d 3 is adjusted in the range of 100 nm or less. As is apparent from setting W S in the range of 0 nm to 100 nm, the planar shape of the antenna 200 may be a triangle instead of a trapezoid.
［非対称メタ表面線形光論理素子の強度ビット・位相ビット動作］
次に、非対称メタ表面線形光論理素子２０を強度ビット・位相ビット入力のＡＮＤ素子として動作させる場合の具体的な構成とシミュレーション結果を説明する。ここでは、各構造パラメータの１例として、台形アンテナ２００のｘ方向のピッチＰx＝１．２μｍ、ｙ方向のピッチＰy＝０．２μｍ、台形アンテナ２００の長さＬ＝０．８μｍ、台形アンテナ２００の一辺の幅ＷS＝３０ｎｍ、台形アンテナ２００の他辺の幅ＷL＝１６０ｎｍ、メタ表面部２０−１の厚さｄ1＝３０ｎｍ、スペーサ層２０−２の厚さｄ2＝６８ｎｍ、部分反射鏡２０−３の厚さｄ3＝２４ｎｍとする。
[Intensity bit / phase bit operation of asymmetric metasurface linear optical logic device]
Next, a specific configuration and simulation results when the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as an AND element with intensity bit and phase bit input will be described. Here, as an example of the structural parameters, the pitch P x = 1.2 [mu] m in the x direction of the trapezoid antenna 200, y-direction pitch P y = 0.2 [mu] m, trapezoidal antenna 200 length L = 0.8 [mu] m, trapezoidal The width W S = 30 nm on one side of the antenna 200, the width W L = 160 nm on the other side of the trapezoidal antenna 200, the thickness d 1 = 30 nm of the meta surface portion 20-1, and the thickness d 2 = 68 nm of the spacer layer 20-2. The thickness d 3 of the partial reflection mirror 20-3 is set to 24 nm.
図１０に示すように、台形アンテナ２００の長手方向（ｘ方向）に垂直な偏光をもつ光を、非対称メタ表面線形光論理素子２０に対して垂直に表と裏からそれぞれ強度ビットＡ、位相ビットＢとして入力する。台形アンテナ２００の設計により、図１０に示す３２°方向に出力光Ｃを得る。 As shown in FIG. 10, light having a polarization perpendicular to the longitudinal direction (x direction) of the trapezoidal antenna 200 is applied to the asymmetric metasurface linear optical logic device 20 perpendicularly from the front and back, respectively, with an intensity bit A and a phase bit. Enter as B. With the design of the trapezoidal antenna 200, the output light C is obtained in the 32 ° direction shown in FIG.
上記の構造パラメータの設定値の場合、強度ビットＡから出力光Ｃへの透過率ＴCAは０．４４、位相ビットＢから出力光Ｃへの透過率ＴCBは０．１１となり、強度ビットＡの反射率と位相ビットＢの透過率の比は４：１となる。つまり、図２（Ａ）に示した４：１ビームスプリッタと同様の状況を再現することができる。 In the case of the set values of the above structural parameters, the transmittance T CA from the intensity bit A to the output light C is 0.44, the transmittance T CB from the phase bit B to the output light C is 0.11, and the intensity bit A And the ratio of the transmittance of the phase bit B is 4: 1. That is, the same situation as the 4: 1 beam splitter shown in FIG. 2A can be reproduced.
シミュレーションによって得られた電界分布を図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）に示す。図１１（Ａ）は（Ａ，Ｂ）＝（０，π）または（０，０）の場合を示し、図１１（Ｂ）は（Ａ，Ｂ）＝（１，π）の場合を示し、図１１（Ｃ）は（Ａ，Ｂ）＝（１，０）の場合を示している。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）によれば、（Ａ，Ｂ）＝（１，０）の際に出力Ｃに光が強く出力され、その他のＡ，Ｂの組み合わせでは出力Ｃがほとんど出力されていないことが分かる。 The electric field distribution obtained by the simulation is shown in FIGS. 11 (A), 11 (B), and 11 (C). 11A shows the case of (A, B) = (0, π) or (0, 0), FIG. 11B shows the case of (A, B) = (1, π), FIG. 11C shows a case where (A, B) = (1, 0). According to FIGS. 11 (A), 11 (B), and 11 (C), when (A, B) = (1, 0), light is strongly output to the output C, and the other A and B It can be seen that the output C is hardly output in the combination.
図１０の場合の入出力表を図１２に示す。図２（Ａ）の場合と同様に、バイナリコントラスト〜９．５ｄＢで、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）入力時の透過率が１を超えるものが、非対称メタ表面線形光論理素子２０でも実現できることが分かる。図２（Ａ）の場合は低損失かつ構成が単純であるが、透過率の比は波長によって大きく変動するため、動作波長帯域が狭い（例えば１０ｎｍ未満）。一方、メタ表面を用いた場合は，４：１の透過率の比が広い波長帯域で維持される（例えば可視光領域で２００ｎｍ以上）。また偏向角は波長に応じて変化するため、入力波長ごとに出射ポートを分離することができる。すなわち波長分割多重信号を１つのデバイスで一括処理できる利点がある。 An input / output table in the case of FIG. 10 is shown in FIG. As in the case of FIG. 2A, the binary contrast is 9.5 dB and the transmittance at the time of (A, B) = (1, 1) input exceeds 1, the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 But it can be realized. In the case of FIG. 2A, the loss is low and the configuration is simple. However, since the transmittance ratio varies greatly depending on the wavelength, the operating wavelength band is narrow (for example, less than 10 nm). On the other hand, when the meta surface is used, the transmittance ratio of 4: 1 is maintained in a wide wavelength band (for example, 200 nm or more in the visible light region). Further, since the deflection angle changes according to the wavelength, the emission port can be separated for each input wavelength. That is, there is an advantage that wavelength division multiplexed signals can be collectively processed by one device.
［非対称メタ表面線形光論理素子の強度ビット・強度ビット動作］
次に、非対称メタ表面線形光論理素子２０を強度ビット・強度ビット入力のＡＮＤ素子として動作させる場合の具体的な構成とシミュレーション結果を説明する。ここでは、各構造パラメータの１例として、台形アンテナ２００のｘ方向のピッチＰx＝１．２μｍ、ｙ方向のピッチＰy＝０．２μｍ、台形アンテナ２００の長さＬ＝０．８μｍ、台形アンテナ２００の一辺の幅ＷS＝３０ｎｍ、台形アンテナ２００の他辺の幅ＷL＝１６０ｎｍ、メタ表面部２０−１の厚さｄ1＝３０ｎｍ、スペーサ層２０−２の厚さｄ2＝７０ｎｍ、部分反射鏡２０−３の厚さｄ3＝１８ｎｍとする。
[Strength bit / strength bit operation of asymmetric metasurface linear optical logic element]
Next, a specific configuration and simulation results when the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as an AND element for intensity bit / intensity bit input will be described. Here, as an example of the structural parameters, the pitch P x = 1.2 [mu] m in the x direction of the trapezoid antenna 200, y-direction pitch P y = 0.2 [mu] m, trapezoidal antenna 200 length L = 0.8 [mu] m, trapezoidal The width W S = 30 nm on one side of the antenna 200, the width W L = 160 nm on the other side of the trapezoidal antenna 200, the thickness d 1 = 30 nm of the meta surface portion 20-1, and the thickness d 2 = 70 nm of the spacer layer 20-2. The thickness d 3 of the partial reflection mirror 20-3 is 18 nm.
図１３に示すように、台形アンテナ２００の長手方向（ｘ方向）に垂直な偏光をもつ光を、非対称メタ表面線形光論理素子２０に対して垂直に表側から強度ビットＡとして入力する。一方、台形アンテナ２００の長手方向に垂直な偏光をもつ光を、非対称メタ表面線形光論理素子２０に対して３２°傾けて裏側から強度ビットＢとして入力する。２つの強度ビットＡ，Ｂの相対位相差は０である。さらに、非対称メタ表面線形光論理素子２０に対して垂直に裏側から固定光Ｄを入力する。この固定光Ｄと強度ビットＡ，Ｂの相対位相差はπである。なお、図１３に示す角度は、アンテナ２００の設計（寸法およびピッチ）によって決まる。 As shown in FIG. 13, light having a polarization perpendicular to the longitudinal direction (x direction) of the trapezoidal antenna 200 is input as an intensity bit A perpendicularly to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 from the front side. On the other hand, light having a polarization perpendicular to the longitudinal direction of the trapezoidal antenna 200 is input as an intensity bit B from the back side with an inclination of 32 ° with respect to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20. The relative phase difference between the two intensity bits A and B is zero. Further, the fixed light D is inputted to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 perpendicularly from the back side. The relative phase difference between the fixed light D and the intensity bits A and B is π. Note that the angle shown in FIG. 13 is determined by the design (size and pitch) of the antenna 200.
上記の構造パラメータの設定値の場合、強度ビットＡから出力光Ｃへの透過率ＴCAおよび強度ビットＢから出力光Ｃへの透過率ＴCBはＴCA＝ＴCB＝０．２５であるため、強度ビットＡの反射率と強度ビットＢの透過率の比は１：１となる。固定光Ｄから出力光Ｃへの透過率Ｔbiasは０．０９５である。固定光Ｄの入力強度Ｐbiasは、ＴCA：ＴCB：ＰbiasＴbias＝４：４：１となるように調整している（Ｔbias＝０．６５８）。 In the case of the set values of the above structural parameters, the transmittance T CA from the intensity bit A to the output light C and the transmittance T CB from the intensity bit B to the output light C are T CA = T CB = 0.25. The ratio of the reflectance of the intensity bit A and the transmittance of the intensity bit B is 1: 1. The transmittance T bias from the fixed light D to the output light C is 0.095. The input intensity P bias of the fixed light D is adjusted so that T CA : T CB : P bias T bias = 4: 4: 1 (T bias = 0.658).
以上の条件においてシミュレーションによって得られた電界分布を図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）に示す。図１４（Ａ）は（Ａ，Ｂ）＝（０，０）の場合を示し、図１４（Ｂ）は（Ａ，Ｂ）＝（０，１）の場合を示し、図１４（Ｃ）は（Ａ，Ｂ）＝（１，０）の場合を示し、図１４（Ｄ）は（Ａ，Ｂ）＝（１，１）の場合を示している。 Electric field distributions obtained by simulation under the above conditions are shown in FIGS. 14A, 14B, 14C, and 14D. 14A shows the case of (A, B) = (0, 0), FIG. 14B shows the case of (A, B) = (0, 1), and FIG. The case of (A, B) = (1, 0) is shown, and FIG. 14D shows the case of (A, B) = (1, 1).
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）によれば、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）の際に出力Ｃに光が強く出力され、その他のＡ，Ｂの組み合わせでは出力Ｃがほとんど出力されていないことが分かる。 According to FIG. 14 (A), FIG. 14 (B), FIG. 14 (C), and FIG. 14 (D), when (A, B) = (1, 1), light is strongly output to the output C. It can be seen that the output C is hardly output in other combinations of A and B.
図１３の場合の入出力表を図１５に示す。なお、図１５では、メタ表面部２０−１（台形アンテナ２００）および部分反射鏡２０−３の材質として金を用いた場合（ｗ／Ａｕ）と、メタ表面部２０−１および部分反射鏡２０−３の材質として銀を用いた場合（ｗ／Ａｇ）の両方を記載している。 An input / output table in the case of FIG. 13 is shown in FIG. In FIG. 15, when the gold is used as the material of the meta surface portion 20-1 (trapezoidal antenna 200) and the partial reflector 20-3 (w / Au), the meta surface portion 20-1 and the partial reflector 20 are used. Both cases where silver is used as the material of -3 (w / Ag) are described.
固定光Ｄの導入によって、バイナリコントラスト〜９．５ｄＢで、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）入力時の透過率が０．５４となる。さらに、メタ表面部２０−１および部分反射鏡２０−３の材質として銀を用いた場合では、さらに金属吸収損失が減少し、（Ａ，Ｂ）＝（１，１）入力時の透過率が０．７０となる。したがって、図４（Ａ）または図５（Ａ）と同等な動作をする強度・強度ビット入力のＡＮＤ素子が、非対称メタ表面線形光論理素子２０でも実現できることが分かる。 By introducing the fixed light D, the transmittance at the time of (A, B) = (1, 1) input is 0.54 at a binary contrast of 9.5 dB. Further, when silver is used as the material of the meta surface portion 20-1 and the partial reflecting mirror 20-3, the metal absorption loss is further reduced, and the transmittance at the time of (A, B) = (1, 1) input is reduced. 0.70. Therefore, it can be seen that the AND element with the intensity / intensity bit input that operates in the same manner as in FIG. 4A or 5A can be realized by the asymmetric metasurface linear optical logic element 20.
図４（Ａ）または図５（Ａ）の場合は複数のハーフミラーまたはビームスプリッタが必要になるが、非対称メタ表面線形光論理素子２０は１つだけであれば良く、エレメント間の相対的な位置関係や時間的な揺らぎが排除される。さらに、非対称メタ表面線形光論理素子２０によれば、素子が１００ｎｍオーダと極めて薄いため、低遅延な光演算への応用が期待できる。 In the case of FIG. 4 (A) or FIG. 5 (A), a plurality of half mirrors or beam splitters are required. Positional relationships and temporal fluctuations are eliminated. Further, according to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20, since the element is extremely thin on the order of 100 nm, it can be expected to be applied to low delay optical computation.
なお、図１０、図１３では、非対称メタ表面線形光論理素子２０を例に挙げて説明しているが、埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子２１を用いた場合も同様の動作が実現可能である。 In FIGS. 10 and 13, the asymmetric metasurface linear optical logic device 20 is described as an example, but the same operation can be realized when the embedded asymmetric metasurface linear optical logic device 21 is used. is there.
［第１の実施例］
以下、本発明の線形光論理素子の具体的な構成について図面を参照して説明する。図１６は本発明の第１の実施例に係る線形光論理素子の構成例を示す図であり、強度ビット・位相ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成例を示す図である。なお、本実施例および以下の実施例で説明する構成は、いずれも各素子で光損失がなく、光の強度・位相の擾乱が一切ないと想定した場合の最低限の構成である。
[First embodiment]
Hereinafter, a specific configuration of the linear optical logic element of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of the linear optical logic element according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram showing a configuration example of an intensity bit / phase bit input type linear optical AND element. Note that the configurations described in this embodiment and the following embodiments are the minimum configurations when it is assumed that there is no optical loss in each element and that there is no disturbance in light intensity and phase.
本実施例の線形光論理素子は、レーザ光源３０と、レーザ光源３０からの光を１：１の分岐比で分岐させるハーフミラー３１と、ハーフミラー３１によって分岐された一方の光を反射させる全反射ミラー３２と、全反射ミラー３２からの光を変調信号に応じて強度変調して、強度ビットＡの光として出力する強度変調器３３と、ハーフミラー３１によって分岐された他方の光を変調信号に応じて位相変調して、位相ビットＢの光として出力する移相器３４と、位相ビットＢを反射させる全反射ミラー３５と、反射（強度ビットＡ）透過（位相ビットＢ）の比が４：１のビームスプリッタ１２とから構成される。 The linear optical logic element of the present embodiment includes a laser light source 30, a half mirror 31 that branches the light from the laser light source 30 at a branching ratio of 1: 1, and a total light that reflects one light branched by the half mirror 31. The intensity of the reflection mirror 32, the intensity of the light from the total reflection mirror 32 is modulated according to the modulation signal, and output as intensity bit A light, and the other light branched by the half mirror 31 is modulated signal. The phase shifter 34 that performs phase modulation in response to the light and outputs the light as the phase bit B, the total reflection mirror 35 that reflects the phase bit B, and the reflection (intensity bit A) transmission (phase bit B) ratio is 4. 1 beam splitter 12.
レーザ光源３０からの光をハーフミラー３１で１：１に分岐させ、一方の光を強度変調器３３に通すことで強度が０または１の強度ビットＡを生成し、他方の光を移相器３４に通すことで位相が０またはπの位相ビットＢを生成する。強度ビットＡと位相ビットＢを、図２（Ａ）で説明したビームスプリッタ１２に入力する。ビームスプリッタ１２は、強度ビットＡを反射し、位相ビットＢを透過させて、強度ビットＡと位相ビットＢの部分干渉を起こさせる。そして、光検出器３６は、ビームスプリッタ１２の出力光Ｃを電気信号に変換する。 The light from the laser light source 30 is branched by a half mirror 31 to 1: 1, and one light is passed through an intensity modulator 33 to generate an intensity bit A having an intensity of 0 or 1, and the other light is a phase shifter. 34, a phase bit B having a phase of 0 or π is generated. The intensity bit A and the phase bit B are input to the beam splitter 12 described with reference to FIG. The beam splitter 12 reflects the intensity bit A and transmits the phase bit B to cause partial interference between the intensity bit A and the phase bit B. Then, the photodetector 36 converts the output light C of the beam splitter 12 into an electric signal.
［第２の実施例］
図１７は本発明の第２の実施例に係る線形光論理素子の構成例を示す図であり、強度ビット・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成例を示す図である。本実施例の線形光論理素子は、レーザ光源４０と、レーザ光源４０からの光を１：１．２５の分岐比で分岐させるビームスプリッタ４１と、ビームスプリッタ４１を透過した光を１：０．２５の分岐比で分岐させるビームスプリッタ４２と、ビームスプリッタ４１からの反射光を反射させる全反射ミラー４３と、全反射ミラー４３からの光を変調信号に応じて強度変調して、強度ビットＡの光として出力する強度変調器４４と、強度ビットＡの光を位相調整のための変調信号に応じて位相変調する移相器４５と、ビームスプリッタ４２からの反射光を反射させる全反射ミラー４６と、全反射ミラー４６からの光を変調信号に応じて強度変調して、強度ビットＢの光として出力する強度変調器４７と、強度ビットＢの光を位相調整のための変調信号に応じて位相変調する移相器４８と、ビームスプリッタ４２を透過した固定光Ｄを反射させる全反射ミラー４９と、反射（強度ビットＢ）と透過（固定光Ｄ）の比が１：１のハーフミラー５０と、反射（強度ビットＡ）と透過（位相ビットＢ）の比が１：２のビームスプリッタ１５とから構成される。
[Second Embodiment]
FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a linear optical logic element according to the second embodiment of the present invention, and is a diagram showing a configuration example of an intensity bit / intensity bit input type linear optical AND element. The linear optical logic device of this embodiment includes a laser light source 40, a beam splitter 41 that branches the light from the laser light source 40 at a branching ratio of 1: 1.25, and light that has passed through the beam splitter 41 is 1: 0. A beam splitter 42 for branching at a branching ratio of 25, a total reflection mirror 43 for reflecting the reflected light from the beam splitter 41, and intensity-modulating the light from the total reflection mirror 43 in accordance with the modulation signal. An intensity modulator 44 that outputs light, a phase shifter 45 that modulates the intensity bit A light in accordance with a modulation signal for phase adjustment, and a total reflection mirror 46 that reflects the reflected light from the beam splitter 42. Intensity modulation of the light from the total reflection mirror 46 in accordance with the modulation signal and output as intensity bit B light, and modulation for phase adjustment of the intensity bit B light The phase shifter 48 that performs phase modulation according to the signal, the total reflection mirror 49 that reflects the fixed light D transmitted through the beam splitter 42, and the ratio of reflection (intensity bit B) to transmission (fixed light D) is 1: 1. And a beam splitter 15 having a ratio of reflection (intensity bit A) to transmission (phase bit B) of 1: 2.
ビームスプリッタ４２と全反射ミラー４６と強度変調器４７と移相器４８と全反射ミラー４９とハーフミラー５０とは、図５（Ａ）に示した強度・位相変換器１３に相当する。
ビームスプリッタ４１は、レーザ光源４０からの光を反射と透過の比１：１．２５で分岐させる。ビームスプリッタ４２は、ビームスプリッタ４１を透過した光を反射と透過の比１：０．２５で分岐させる。ビームスプリッタ４１の反射光を強度変調器４４と移相器４５に通すことで強度が０または１の強度ビットＡを生成する。また、ビームスプリッタ４２の反射光を強度変調器４７と移相器４８に通すことで強度が０または１の強度ビットＢを生成する。
The beam splitter 42, the total reflection mirror 46, the intensity modulator 47, the phase shifter 48, the total reflection mirror 49, and the half mirror 50 correspond to the intensity / phase converter 13 shown in FIG.
The beam splitter 41 branches the light from the laser light source 40 at a reflection / transmission ratio of 1: 1.25. The beam splitter 42 branches the light transmitted through the beam splitter 41 at a reflection / transmission ratio of 1: 0.25. By passing the reflected light of the beam splitter 41 through the intensity modulator 44 and the phase shifter 45, an intensity bit A having an intensity of 0 or 1 is generated. Further, the reflected light of the beam splitter 42 is passed through the intensity modulator 47 and the phase shifter 48 to generate an intensity bit B having an intensity of 0 or 1.
ハーフミラー５０は、移相器４８から出力された強度ビットＢを反射し、ビームスプリッタ４２を透過した強度０．２５の固定光Ｄを透過させて、強度ビットＢと固定光Ｄの部分干渉を起こさせ、強度ビットＢを、強度が０．１２５で位相が０またはπの位相ビットＢに変換する。なお、移相器４５，４８は、強度ビットＡ，Ｂと固定光Ｄとの相対位相差をπにするために設けられている。強度ビットＡ，Ｂの相対位相差は０である。 The half mirror 50 reflects the intensity bit B output from the phase shifter 48 and transmits the fixed light D having an intensity of 0.25 that has been transmitted through the beam splitter 42 to cause partial interference between the intensity bit B and the fixed light D. Then, the intensity bit B is converted into a phase bit B having an intensity of 0.125 and a phase of 0 or π. The phase shifters 45 and 48 are provided to set the relative phase difference between the intensity bits A and B and the fixed light D to π. The relative phase difference between the intensity bits A and B is zero.
ビームスプリッタ１５は、移相器４５から出力された強度ビットＡを反射し、位相ビットＢを透過させて、強度ビットＡと位相ビットＢの部分干渉を起こさせる。そして、光検出器５１は、ビームスプリッタ１５の出力光Ｃを電気信号に変換する。 The beam splitter 15 reflects the intensity bit A output from the phase shifter 45, transmits the phase bit B, and causes partial interference between the intensity bit A and the phase bit B. The photodetector 51 converts the output light C from the beam splitter 15 into an electrical signal.
［第３の実施例］
図１８は本発明の第３の実施例に係る線形光論理素子の構成例を示す図であり、非対称メタ表面線形光論理素子（メタ表面ビーム偏向器）を用いた強度ビット・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成例を示す図である。本実施例の線形光論理素子は、レーザ光源６０と、レーザ光源６０からの光を２：０．６６の分岐比で分岐させるビームスプリッタ６１と、ビームスプリッタ６１からの反射光を１：１の分岐比で分岐させるハーフミラー６２と、ハーフミラー６２を透過した光を反射させる全反射ミラー６３と、全反射ミラー６３からの光を変調信号に応じて強度変調して、強度ビットＡの光として出力する強度変調器６４と、強度ビットＡの光を位相調整のための変調信号に応じて位相変調する移相器６５と、強度ビットＡの光を反射させる全反射ミラー６６と、ハーフミラー６２からの反射光を変調信号に応じて強度変調して、強度ビットＢの光として出力する強度変調器６７と、強度ビットＢの光を位相調整のための変調信号に応じて位相変調する移相器６８と、強度ビットＢの光を反射させる全反射ミラー６９と、ビームスプリッタ６１を透過した固定光Ｄを反射させる全反射ミラー７０と、非対称メタ表面線形光論理素子２０とから構成される。
[Third embodiment]
FIG. 18 is a diagram showing a configuration example of a linear optical logic element according to the third embodiment of the present invention, and is an intensity bit / intensity bit input type using an asymmetric metasurface linear optical logic element (metasurface beam deflector). It is a figure which shows the structural example of this linear optical AND element. The linear optical logic device of this embodiment includes a laser light source 60, a beam splitter 61 that branches light from the laser light source 60 at a branching ratio of 2: 0.66, and reflected light from the beam splitter 61 of 1: 1. A half mirror 62 that branches at a branching ratio, a total reflection mirror 63 that reflects light that has passed through the half mirror 62, and intensity modulation of the light from the total reflection mirror 63 according to the modulation signal. An intensity modulator 64 to output, a phase shifter 65 for phase-modulating the light of the intensity bit A according to a modulation signal for phase adjustment, a total reflection mirror 66 for reflecting the light of the intensity bit A, and a half mirror 62 The intensity modulator 67 that modulates the intensity of the reflected light from the intensity signal according to the modulation signal and outputs the intensity bit B as light, and the phase modulation of the intensity bit B light according to the modulation signal for phase adjustment. A vessel 68, a total reflection mirror 69 for reflecting light intensity bit B, a total reflection mirror 70 for reflecting the fixing light D transmitted through the beam splitter 61, composed of an asymmetric Metasurface linear optical logic element 20.
ビームスプリッタ６１は、レーザ光源６０からの光を反射と透過の比２：０．６６で分岐させる。ハーフミラー６２は、ビームスプリッタ６１からの反射光を１：１の分岐比で分岐させる。ハーフミラー６２の透過光を強度変調器６４と移相器６５に通すことで強度が０または１の強度ビットＡを生成する。 The beam splitter 61 branches the light from the laser light source 60 at a reflection / transmission ratio of 2: 0.66. The half mirror 62 branches the reflected light from the beam splitter 61 with a branching ratio of 1: 1. By passing the transmitted light of the half mirror 62 through the intensity modulator 64 and the phase shifter 65, an intensity bit A having an intensity of 0 or 1 is generated.
また、ハーフミラー６２の反射光を強度変調器６７と移相器６８に通すことで強度が０または１の強度ビットＢを生成する。なお、移相器６５，６８は、強度ビットＡ，Ｂと、ビームスプリッタ６１を透過した強度０．６６の固定光Ｄとの相対位相差をπにするために設けられている。強度ビットＡ，Ｂの相対位相差は０である。 Further, the reflected light of the half mirror 62 is passed through the intensity modulator 67 and the phase shifter 68 to generate an intensity bit B having an intensity of 0 or 1. The phase shifters 65 and 68 are provided to set the relative phase difference between the intensity bits A and B and the fixed light D having an intensity of 0.66 transmitted through the beam splitter 61 to π. The relative phase difference between the intensity bits A and B is zero.
強度ビットＡは、全反射ミラー６６を介して非対称メタ表面線形光論理素子２０の表側（メタ表面部２０−１側）から垂直に入射する。強度ビットＢは、非対称メタ表面線形光論理素子２０の裏側（誘電体基板２０−４側）の垂直方向に対して例えば３２°傾いた方向から入射する。固定光Ｄは、非対称メタ表面線形光論理素子２０の裏側から垂直に入射する。こうして、図１３で説明したように、非対称メタ表面線形光論理素子２０の表側から出射する出力光Ｃを得ることができる。そして、光検出器７１は、非対称メタ表面線形光論理素子２０の出力光Ｃを電気信号に変換する。 The intensity bit A is incident perpendicularly from the front side (meta surface portion 20-1 side) of the asymmetric meta surface linear optical logic element 20 via the total reflection mirror 66. The intensity bit B is incident from a direction inclined by, for example, 32 ° with respect to the vertical direction of the back side (dielectric substrate 20-4 side) of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20. The fixed light D enters perpendicularly from the back side of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20. Thus, as described with reference to FIG. 13, the output light C emitted from the front side of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 can be obtained. The photodetector 71 converts the output light C of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 into an electrical signal.
本実施例の線形光論理素子をオンチップ化した場合に考えられる構成例を図１９に示す。少数（例えば１から８つ程度）の台形アンテナ２００で動作するようにオンチップ化した非対称メタ表面線形光論理素子２０と、Ｓｉ細線またはポリマー導波路などの光導波路２２の交差を組み合わせることで、さらに微小かつ低遅延で、カスケード接続と集積化とに適した線形光論理素子を実現することができる。 FIG. 19 shows a configuration example conceivable when the linear optical logic device of this embodiment is made on-chip. By combining the intersection of an asymmetric metasurface linear optical logic element 20 on-chip so as to operate with a small number (for example, about 1 to 8) of trapezoidal antennas 200 and an optical waveguide 22 such as a Si fine wire or a polymer waveguide, Furthermore, a linear optical logic element suitable for cascade connection and integration can be realized with a small and low delay.
また、本実施例においては、非対称メタ表面線形光論理素子２０の直前に設置された固定移相器の移相量や固定光の強度の調整で光論理素子の機能の選択・変更がある程度可能である。機能切り替えをする際の強度ビットＡ，Ｂと固定光Ｄの透過強度関係、位相関係をベクトルで直感的に表したものを図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）、図２０（Ｃ）、図２０（Ｄ）に示す。ここで利用を想定している非対称メタ表面線形光論理素子２０の強度ビットＡから出力光Ｃへの透過率ＴCAおよび強度ビットＢから出力光Ｃへの透過率ＴCBはＴCA＝ＴCBである。 In this embodiment, the function of the optical logic element can be selected or changed to some extent by adjusting the amount of phase shift of the fixed phase shifter installed immediately before the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 or the intensity of the fixed light. It is. 20 (A), 20 (B), 20 (C), and 20 (C), 20 (C), 20 (C), and 20 (C) are intuitive representations of the transmission intensity relationship and phase relationship between intensity bits A and B and fixed light D when switching functions. As shown in FIG. The transmittance T CA from the intensity bit A to the output light C and the transmittance T CB from the intensity bit B to the output light C of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 assumed to be used here are T CA = T CB It is.
図２０（Ａ）は非対称メタ表面線形光論理素子２０をＡＮＤ素子として動作させる場合を示している。この場合、固定光Ｄから出力光Ｃへの透過率をＴbias、固定光Ｄの非対称メタ表面線形光論理素子２０への入力強度をＰbiasとしたとき、ＴCA：ＴCB：ＰbiasＴbias＝４：４：１となるように調整し、強度ビットＡ，Ｂと固定光Ｄとを逆相とする（図１３と同一な強度・位相関係）。 FIG. 20A shows a case where the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as an AND element. In this case, when the transmittance from the fixed light D to the output light C is T bias and the input intensity of the fixed light D to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is P bias , T CA : T CB : P bias T The adjustment is made so that bias = 4: 4: 1, and the intensity bits A and B and the fixed light D are in opposite phases (the same intensity / phase relationship as in FIG. 13).
図２０（Ｂ）は非対称メタ表面線形光論理素子２０をＮＯＴ素子として動作させる場合を示している。この場合、非対称メタ表面線形光論理素子２０に入力する信号光を強度ビットＡ，Ｂのうちどちらか一方とし、ＴCA（ＴCB）：ＰbiasＴbias＝１：１となるように調整して、信号光と固定光Ｄとを逆相とする。 FIG. 20B shows a case where the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as a NOT element. In this case, the signal light input to the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is set to one of the intensity bits A and B and adjusted so that T CA (T CB ): P bias T bias = 1: 1. Thus, the signal light and the fixed light D are in opposite phases.
図２０（Ｃ）は非対称メタ表面線形光論理素子２０をＸＯＲ素子として動作させる場合を示している。この場合、強度ビットＡ，Ｂを逆相とする。
図２０（Ｄ）は非対称メタ表面線形光論理素子２０をＯＲ素子として動作させる場合を示している。この場合、強度ビットＡとＢの位相を２π／３ずらす。損失はいずれもＴCAおよびＴCBがどれくらい大きくできるかによって制限される。
FIG. 20C shows a case where the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as an XOR element. In this case, the intensity bits A and B are in reverse phase.
FIG. 20D shows a case where the asymmetric metasurface linear optical logic element 20 is operated as an OR element. In this case, the phases of the intensity bits A and B are shifted by 2π / 3. Both losses are limited by how large T CA and T CB can be.
なお、上記で説明したとおり、非対称メタ表面線形光論理素子２０の代わりに、埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子２１を用いることも可能である。 As described above, the embedded asymmetric metasurface linear optical logic element 21 can be used instead of the asymmetric metasurface linear optical logic element 20.
本発明は、光論理素子に適用することができる。 The present invention can be applied to an optical logic element.
１０，１１，１４，３１，５０，６２…ハーフミラー、１２，１５〜１７，４１，４２，６１…ビームスプリッタ、１３…強度・位相変換器、２０…非対称メタ表面線形光論理素子、２１…埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子、２０−１，２１−２…メタ表面部、２０−２，２１−３…スペーサ層、２０−３，２１−４…部分反射鏡、２０−４，２１−５…誘電体基板、２１−１…誘電体、２２…光導波路、３０，４０，６０…レーザ光源、３２，３５，４３，４６，４９，６３，６６，６９，７０…全反射ミラー、３３，４４，４７，６４，６７…強度変調器、３４，４５，４８，６５，６８…移相器、２００…台形アンテナ。 10, 11, 14, 31, 50, 62 ... half mirror, 12, 15-17, 41, 42, 61 ... beam splitter, 13 ... intensity / phase converter, 20 ... asymmetric metasurface linear optical logic element, 21 ... Embedded asymmetric metasurface linear optical logic element, 20-1, 21-2 ... metasurface portion, 20-2, 21-3 ... spacer layer, 20-3, 21-4 ... partial reflector, 20-4, 21 -5 ... Dielectric substrate, 21-1 ... Dielectric, 22 ... Optical waveguide, 30, 40, 60 ... Laser light source, 32, 35, 43, 46, 49, 63, 66, 69, 70 ... Total reflection mirror, 33, 44, 47, 64, 67 ... intensity modulator, 34, 45, 48, 65, 68 ... phase shifter, 200 ... trapezoidal antenna.
Claims (8)
この第１のハーフミラーを透過した前記位相ビットの光を入力とする第２のハーフミラーと、
前記強度ビットの光と前記第２のハーフミラーを透過した前記位相ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記強度ビットの光を受光した面から出力光を出射する第３のハーフミラーとを備えることを特徴とする線形光論理素子。 A first half mirror that receives light of an intensity bit that is 0 or 1 and whose phase is fixed and whose intensity is fixed at 1 and whose phase is the same or opposite to that of the intensity bit; ,
A second half mirror that receives the light of the phase bit that has passed through the first half mirror;
The intensity bit light and the phase bit light transmitted through the second half mirror are received by different surfaces, respectively, and output light is emitted from the surface receiving the intensity bit light. A linear optical logic device comprising a half mirror.
前記ビームスプリッタは、前記強度ビットの光から前記出力光への反射率が、前記位相ビットの光から前記出力光への透過率よりも大きいことを特徴とする線形光論理素子。 Intensity 0 or 1 intensity bit light and intensity fixed at 1 and phase bit light in phase or in-phase with the intensity bit are received on different surfaces, respectively. A beam splitter that emits output light from a surface that receives light of the intensity bit;
The beam splitter has a reflectivity from the intensity bit light to the output light that is greater than the transmittance from the phase bit light to the output light.
強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光と、強度が１で位相が前記第１、第２の強度ビットの光と逆相の固定光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記固定光を受光した面から、位相が前記第１の強度ビットと同相または逆相の位相ビットの光を出射する第２のハーフミラーと、
前記第１のハーフミラーを透過した前記第１の強度ビットの光と前記第２のハーフミラーを出射した前記位相ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記第１の強度ビットの光を受光した面から出力光を出射する第３のハーフミラーとを備えることを特徴とする線形光論理素子。 A first half mirror that receives light of a first intensity bit whose intensity is 0 or 1 and whose phase is fixed;
The intensity of light is 0 or 1, and the phase of the second intensity bit is in phase with the light of the first intensity bit, and the intensity is 1 and the phase is fixed in the opposite phase to the light of the first and second intensity bits. A second half mirror that receives light on different surfaces and emits light having a phase bit in phase with or out of phase with the first intensity bit from the surface receiving the fixed light;
The light of the first intensity bit transmitted through the first half mirror and the light of the phase bit emitted from the second half mirror are received on different surfaces, respectively, and the first intensity bit is received. And a third half mirror that emits output light from the surface that has received the light.
前記第１のハーフミラーを出射した前記位相ビットの光と、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光とをそれぞれ異なる側の面で受光して、前記第２の強度ビットの光を受光した面から出力光を出射するビームスプリッタとを備え、
前記ビームスプリッタは、前記第２の強度ビットの光から前記出力光への反射率が、前記位相ビットの光から前記出力光への透過率よりも小さいことを特徴とする線形光論理素子。 The light of the first intensity bit whose intensity is 0 or 1 and the phase is fixed, and the light of the first intensity bit whose intensity is 1 and the phase is opposite to the fixed light having the opposite phase are received on different surfaces. A first half mirror that emits light having a phase bit that is in phase with or out of phase with the first intensity bit from a surface that receives the fixed light;
The light of the phase bit emitted from the first half mirror and the light of the second intensity bit that has the intensity of 0 or 1 and the phase of the first intensity bit are on different sides. A beam splitter that receives and emits output light from the surface receiving the light of the second intensity bit;
The linear optical logic device, wherein the beam splitter has a reflectance from the light of the second intensity bit to the output light smaller than a transmittance from the light of the phase bit to the output light.
前記ビームスプリッタは、前記固定光から前記出力光への反射率が、前記強度ビットの光から前記出力光への透過率よりも大きいことを特徴とする線形光論理素子。 Intensity bit light having an intensity of 0 or 1 and a fixed phase, and light having an intensity of 1 and a phase having the same phase as that of the intensity bit are received on different surfaces, and the fixed light is received. It has a beam splitter that emits output light from the surface,
The linear optical logic device, wherein the beam splitter has a reflectance from the fixed light to the output light higher than a transmittance from the light of the intensity bit to the output light.
前記メタ表面ビーム偏向器は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面で受光し、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面と反対側の面で受光して、前記アンテナが形成された面から出力光を出射することを特徴とする線形光論理素子。 A meta-surface beam deflector in which a plurality of planar polygonal antennas made of a metal film are periodically formed on the surface of a dielectric;
The meta surface beam deflector receives light of a first intensity bit whose intensity is 0 or 1 and whose phase is fixed on the surface on which the antenna is formed, and whose intensity is 0 or 1 and whose phase is the first. Receiving the light of the second intensity bit in phase with the light of the intensity bit on the surface opposite to the surface on which the antenna is formed, and emitting the output light from the surface on which the antenna is formed, Linear optical logic element.
前記メタ表面ビーム偏向器は、強度が０または１で位相が固定の第１の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面で受光し、強度が０または１で位相が前記第１の強度ビットの光と同相の第２の強度ビットの光を、前記アンテナが形成された面と反対側の面で受光し、強度が１で位相が前記第１、第２の強度ビットの光と逆相の固定光を前記反対側の面で受光して、前記アンテナが形成された面から出力光を出射することを特徴とする線形光論理素子。 A meta-surface beam deflector in which a plurality of planar polygonal antennas made of a metal film are periodically formed on the surface of a dielectric;
The meta surface beam deflector receives light of a first intensity bit whose intensity is 0 or 1 and whose phase is fixed on the surface on which the antenna is formed, and whose intensity is 0 or 1 and whose phase is the first. The second intensity bit light having the same phase as the intensity bit light is received on the surface opposite to the surface on which the antenna is formed, and the intensity is 1 and the phase is the first and second intensity bit lights. A linear optical logic element that receives fixed light in reverse phase on the opposite surface and emits output light from the surface on which the antenna is formed.
前記メタ表面ビーム偏向器は、
誘電体からなる基板と、
この基板の上に形成された金属膜からなる反射鏡と、
この反射鏡の上に形成された誘電体膜からなるスペーサ層と、
このスペーサ層の上に形成された前記アンテナとから構成され、
前記アンテナは、平面形状が台形または三角形であり、
前記台形または三角形の面内方向の長さが１００ｎｍ以上２μｍ以下、前記台形または三角形の底辺の幅が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、前記台形の上辺の幅が１００ｎｍ以下、前記アンテナの面内方向のピッチが１００ｎｍ以上５μｍ以下、前記アンテナの厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、前記スペーサ層の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、前記反射鏡の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする線形光論理素子。 The linear optical logic device according to claim 6 or 7,
The meta surface beam deflector is
A dielectric substrate;
A reflecting mirror made of a metal film formed on the substrate;
A spacer layer made of a dielectric film formed on the reflecting mirror;
The antenna is formed on the spacer layer, and
The antenna has a trapezoidal or triangular plane shape,
The length of the trapezoid or triangle in the in-plane direction is 100 nm to 2 μm, the width of the base of the trapezoid or triangle is 100 nm to 400 nm, the width of the top side of the trapezoid is 100 nm or less, and the pitch in the in-plane direction of the antenna is A linear optical logic element, wherein the antenna has a thickness of 10 nm to 100 nm, the spacer layer has a thickness of 10 nm to 200 nm, and the reflector has a thickness of 100 nm or less.
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