特許 6795425 線形光論理素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6795425

(24)【登録日】2020年11月16日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】線形光論理素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 3/00 20060101AFI20201119BHJP

   G02F 1/21 20060101ALI20201119BHJP

【ＦＩ】

   G02F3/00 501

   G02F1/21

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-31983(P2017-31983)

(22)【出願日】2017年2月23日

(65)【公開番号】特開2018-136489(P2018-136489A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2019年3月5日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、新たな光機能や光物性の発現・利活用を基軸とする次世代フォトニクスの基盤技術、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】北 翔太

(72)【発明者】

【氏名】納富 雅也

(72)【発明者】

【氏名】新家 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】野崎 謙悟

(72)【発明者】

【氏名】高田 健太

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／２０３３６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１６１８２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１７４６００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−３１４９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１７０４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１０９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１２５８６９９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２９８３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 新家昭彦、他，光パスゲート論理に基づく光演算回路（ＩＩ），第７７回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)，日本，２０１６年 ３月 ３日，p. 03-238，ＵＲＬ，https://confit.atlas.jp/guide/event-img/jsap2016a/14p-P14-11/public/pdf?type=in

【文献】 XIU, X.M., et al.，"One-photon controlled two-photon not gate contributed by weak cross-Kerr nonlinearities"，OPTICS COMMUNICATIONS，２０１７年 ２月２３日，Vol. 393，pp. 173-177

【文献】 佐中 薫，”光を使った量子位相ゲート―非線形符号シフトの実現―”，日本物理学会誌，２００４年，Vol. 59, No. 10，pp. 698-702

【文献】 BRANDT, H.E.，"Qubit cdevices and the issue of quantum decoherence"，PROGRESS IN QUANTUM ELECTRONICS，１９９８年，Vol. 22, No. 5-6，pp. 257-370

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１−７／００

Ｇ０６Ｅ １／００−３／００

Ｂ８２Ｙ ５／００−９９／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第１のハーフミラーと、
自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、前記第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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第２のハーフミラーと、
自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、前記強度ビットの光と、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【請求項2】

第１の面に対して４５度の方向から入射する、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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線形光論理素子。

【請求項3】

自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第１のハーフミラーと、
自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第２の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、
自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第１の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【請求項4】

自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第１の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、
自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記位相ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【請求項5】

第１の面に対して４５度の方向から入射する、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【請求項6】

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、表側から垂直に入射する、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、前記アンテナが形成された面と反対側から垂直に入射する、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。

【請求項7】

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、表側から垂直に入射する、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、前記アンテナが形成された面と反対側の面の垂直方向に対して前記アンテナの設計によって決まる角度だけ傾いた方向から入射する、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、前記反対側の面で受光し、前記反対側から垂直に入射する、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。

【請求項8】

請求項６または７記載の線形光論理素子において、
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線形光論理素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

（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。

【0004】

（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。

【0005】

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。

【0006】

（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）。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】P.Singh et al.、“All-Optical Logic Gates：Designs、Classification、and Comparison”、Advances in Optical Technologies、Volume 2014、Article ID 275083、2014

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

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。

【課題を解決するための手段】

【0019】

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、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第１のハーフミラーと、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、前記第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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第２のハーフミラーと、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、前記強度ビットの光と、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、第１の面に対して４５度の方向から入射する、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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し、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面から出力光を出射する第１のハーフミラーと、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第２の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第１の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【0020】

また、本発明線形光論理素子は、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記第１の強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、自素子の第１の面に対して４５度の方向から入射する、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、自素子の前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記位相ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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、第１の面に対して４５度の方向から入射する、強度が０または１で位相が固定の強度ビットの光と、前記第１の面と反対側の第２の面に対して４５度の方向かつ前記強度ビットの光に対して９０度の方向から入射する、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。

【0021】

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、表側から垂直に入射する、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、前記アンテナが形成された面と反対側から垂直に入射する、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、表側から垂直に入射する、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、前記アンテナが形成された面と反対側の面の垂直方向に対して前記アンテナの設計によって決まる角度だけ傾いた方向から入射する、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、前記反対側の面で受光し、前記反対側から垂直に入射する、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。

【0022】

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。

【発明の効果】

【0023】

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。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】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素子の構成例および入出力表を示す図である。

【図2】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素子の構成例および入出力表を示す図である。

【図3】ハーフミラーを用いた強度・位相変換器の構成例および入出力表を示す図である。

【図4】強度・位相変換器とハーフミラーを用いた強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成例および入出力表を示す図である。

【図5】強度・位相変換器とビームスプリッタを用いた強度・強度ビット入力型の線形光学ＡＮＤ素子の構成例および入出力表を示す図である。

【図6】ビームスプリッタを用いた線形光学ＮＯＴ素子の構成例および入出力表を示す図である。

【図7】非対称メタ表面線形光論理素子の構成例を示す斜視図および断面図である。

【図8】埋め込み型非対称メタ表面線形光論理素子の構成例を示す斜視図および断面図である。

【図9】非対称メタ表面線形光論理素子の構造パラメータを説明する平面図および断面図である。

【図10】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・位相ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の構成を示す断面図である。

【図11】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・位相ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の各入力に対する紙面垂直方向の電界分布の定常応答を計算したシミュレーション結果を示す図である。

【図12】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・位相ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の入出力表を示す図である。

【図13】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・強度ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の構成を示す断面図である。

【図14】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・強度ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の各入力に対する紙面垂直方向の電界分布の定常応答を計算したシミュレーション結果を示す図である。

【図15】非対称メタ表面線形光論理素子を強度・強度ビット入力型のＡＮＤ素子として動作させる場合の入出力表を示す図である。

【図16】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る。

【図17】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る。

【図18】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る。

【図19】本発明の第３の実施例に係る線形光論理素子をオンチップ化した場合の斜視図である。

【図20】本発明の第３の実施例における入力光の強度・位相関係の変更による機能の切り替えを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

［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。

【0026】

［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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

［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）。

【0030】

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。

【0031】

［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。

【0032】

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。

【0033】

［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。

【0034】

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。

【0035】

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）。

【0036】

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。

【0037】

［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。

【0038】

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。

【0039】

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）。

【0040】

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。

【0041】

［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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

［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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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Ｗ_L、他辺の幅Ｗ_S、台形アンテナ２００のｘ方向のピッチＰ_x、ｙ方向のピッチＰ_yを定める。

【0052】

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。

【0053】

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Ｗ_Lを１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲で調整し、他辺の幅Ｗ_S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Ｐ_x，Ｐ_y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、Ｗ_S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。

【0054】

［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Ｐ_x＝１．２μｍ、ｙ方向のピッチＰ_y＝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Ｗ_S＝３０ｎｍ、台形アンテナ２００の他辺の幅Ｗ_L＝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。

【0055】

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。

【0056】

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Ｔ_CAは０．４４、位相ビットＢから出力光Ｃへの透過率Ｔ_CB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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

［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Ｐ_x＝１．２μｍ、ｙ方向のピッチＰ_y＝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Ｗ_S＝３０ｎｍ、台形アンテナ２００の他辺の幅Ｗ_L＝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。

【0060】

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。

【0061】

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Ｔ_CAおよび強度ビットＢから出力光Ｃへの透過率Ｔ_CBはＴ_CA＝Ｔ_CB＝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Ｔ_biasは０．０９５である。固定光Ｄの入力強度Ｐ_biasは、Ｔ_CA：Ｔ_CB：Ｐ_biasＴ_bias＝４：４：１となるように調整している（Ｔ_bias＝０．６５８）。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

［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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

［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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

［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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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Ｔ_CAおよび強度ビットＢから出力光Ｃへの透過率Ｔ_CBはＴ_CA＝Ｔ_CBである。

【0081】

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Ｔ_bias、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Ｐ_biasとしたとき、Ｔ_CA：Ｔ_CB：Ｐ_biasＴ_bias＝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）。

【0082】

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、Ｔ_CA（Ｔ_CB）：Ｐ_biasＴ_bias＝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。

【0083】

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Ｔ_CAおよびＴ_CBがどれくらい大きくできるかによって制限される。

【0084】

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。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本発明は、光論理素子に適用することができる。

【符号の説明】

【0086】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】