DE1220055B - Halbleiterdiode fuer optische Schaltung mit kohaerentem Licht und optische Schalteinrichtung dafuer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIs

Deutschem.: 21g-53/00-&i? Kr

Nummer: 1220 055

Aktenzeichen: R 40650 VIII c/21 g

Anmeldetag: 15. Mai 1965

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode für eine optische Schaltung mit kohärentem Licht sowie eine optische Schalteinrichtung dafür. Sie ist in digitalen Datenverarbeitungsanlagen verwendbar, wobei die Binärwerte 0 bis 1 durch die Abwesenheit bzw. An-Wesenheit kohärenten Lichts dargestellt werden.

Es ist bekannt, Halbleiterdioden als stimulierbare Medien für kohärente Strahlung zu verwenden (USA.-Patentschrift 3 059 117). Ferner ist bekannt, stimulierbare Medien für logische Verknüpfungen zu verwenden (USA.-Patentschrift 3 133 199).

Eine Halbleiterdiode für optische Schaltung mit kohärentem Licht ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich der Halbleiterdiode in einer ersten Richtung für eine Licht-Verstärkung und in einer zweiten, diese kreuzenden Richtung für die Erzeugung von stimuliertem kohärentem Licht ausgebildet ist, und zwar derart, daß ein in der ersten Richtung zugeführtes Lichteingangssignal ein in der zweiten Richtung stimuliertes Lichtausgangssignal unterdrückt.

Durch diese Erfindung wird also ein neuartiges logisches Gatter, und zwar ein Inverter oder Negator für Lichtsignale angegeben. Als Weiterbildungen der Erfindung wird die Inverterwirkung zur Durchführung der logischen Verknüpfungen »NICHT-ODER« und »NICHT-UND« zum Aufbau eines bistabilen Multivibrators und für einen Oszillator oder frei schwingenden optischen Sender verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer stimulierbaren Halbleiterdiode, die ein Lichtausgangssignal liefert, welches die logische Negation eines Lichtausgangssignals darstellt,

F i g. 2 eine schematische Darstellung des ebenen Übergangsbereiches zweier gekoppelter stimulierbarer Dioden entsprechend der in F i g. 1 dargestellten Diode,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in den F i g. 1 und 2 dargestellten optisch logischen Bauteils,

F i g. 4 eine schematsiche Darstellung der Übergangsbereiche einer Halbleiterdiode, die sich zur Durchführung der logischen Funktionen NICHT-ODER oder NICHT-UND eignet,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Übergangsbereiche von Halbleiterdioden, die einen bistabilen Multivibrator oder Flip-Flop bilden, und

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines frei schwingenden Lichtsignaloszillators oder optischen Senders.

Halbleiterdiode für optische Schaltung
mit kohärentem Licht und optische
Schalteinrichtung dafür

Anmelder:

Radio Corporation of America, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Walter Frank Kosonocky, Iselin, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 25. Mai 1964 (369 933) --

In F i g. 1 ist eine aus einem Einkristall entwickelte Halbleiterdiode 10 dargestellt, die eine obere Flächenelektrode 12, eine untere Flächenelektrode 14, eine Schicht 16 aus p-leitendem Halbleitermaterial, eine Schicht 18 aus η-leitendem Halbleitermaterial und einen ebenen Übergangsbereich 20 zwischen der p- und der η-leitenden Schicht enthält. Ein Teil einer Seite der Halbleiterdiode 10 ist mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche 22 versehen; auf der in F i g. 1 nicht zu sehenden gegenüberliegenden Seite der Diode 10 befindet sich eine entsprechende teilweise reflektierende Fläche 24. Wenn nur ein einziges Lichtausgangssignal erwünscht ist, kann die eine der Flächen 22 oder 24 vollständig reflektierend ausgebildet sein.

Die teilweise reflektierenden Flächen 22, 24 können durch Spalten oder Läppen gebildete optisch glatte Flächen sein. Eine solche optisch glatte Fläche reflektiert bei senkrechtem Lichteinfall etwa 30%. Dieser Reflexionsgrad reicht für' das Entstehen von stimulierten Schwingungen im Übergangsbereich zwischen den Flächen 22, 24 aus. Der Reflexionsfaktor der Flächen 22, 24 kann gewünschtenfalls in an sich bekannter Weise durch einen mehrschichtigen dielektrischen Überzug erhöht werden.

Die stimulierten Schwingungen sollen auf den zwischen den Flächen 22, 24 befindlichen Teil des Übergangsbereiches beschränkt sein. Der nicht von

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den Flächen 22, 24 eingenommene Teil der Seiten Möglichkeit besteht darin, die Fläche 31 optisch rauh

der Halbleiterdiode_soll also nicht reflektieren. Um zu machen, z. B. durch Sägen oder Ätzen, so daß das

dies zu gewährleisten, können die Seiten der Diode in der angegebenen Richtung einfallende Licht 32

mit Ausnahme der Flächen 22, 24 optisch rauh ge- gestreut und nicht zum Lichteinlaß 30 reflektiert

macht werden, beispielsweise durch Ätzen oder 5 wird.

Schleifen, so daß das Licht gestreut und nicht reflek- Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die tiert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schmalseite 31 mit einer leichten, optisch glatten AnSeiten mit Ausnahme der Flächen 22, 24 anzu- schrägung zu versehen, so daß das reflektierte Licht schrägen, so daß das Licht nicht mit einer Richtung nicht durch den durch den Übergangsbereich 20 gein den Ubergangsbereich 20 reflektiert wird, bei der ₁₀ bildeten optischen Wellenleiter zurück zum Lichtinfolge Rückkopplung Schwingungen entstehen einlaß 30 gelangen kann. Daß durch abgeschrägte können. Reflexionsflächen eine optische Rückkopplung in

Die Flächenelektroden 12, 14 der Diode 10 sind einem optischen Verstärker verhindert werden kann,

mit einer Gleichspannungsquelle 28 verbunden. Die ist bekannt (siehe z. B. die Veröffentlichung »Ampli-

Gleichspannungsquelle 28 kann eine konstante Span- 15 fication in a Fiber Laser«, vorgelegt am 26. März

nung hefern, die so bemessen ist, daß durch die 1963 auf der Tagung der Optical Society of America

Diode 10 ein Strom fließt, der ausreicht, stimulierte in Jacksonville, Florida; vgl. »Journal of the Optical

Schwingungen 26 in der dargestellten Richtung Society of America«, Bd. 53, Nr. 3. März 1963, Ses-

zwischen den teilweise oder vollständig reflektieren- sion TA, S. 12). Wenn der Winkel der Anschrägung

den Flächen 22, 24 entstehen zu lassen. Die span- 20 im Bereich zwischen etwa 2 und 18° bezüglich der

nungskonstante Quelle 28 kann eine Strombegren- Normalen zur Ebene des Übergangsbereiches 20 liegt,

zungsanordnung enthalten, durch die bei einem wird praktisch das ganze in der angegebenen Rich-

etwaigen Kurzschluß im System eine Beschädigung tung einfallende Licht 32 von der Schmalseite 31

der Spannungsquelle verhindert wird. Als Quelle 28 nach außen übertragen, und es wird praktisch kein

kann man aber auch eine aufwendigere stromkon- 25 Licht zum Lichteinlaß 30 reflektiert. Lichtstrahlen,

stante Quelle verwenden, die den erforderlichen die eine glatte, durch Luft begrenzte Fläche unter

Strom für die Diode 10 liefert. einem Winkel treffen, der größer als etwa 18° be-

Das monokristalline Halbleitermaterial, aus dem züglich der Normalen ist, werden in den Kristall redie Bereiche 16, 18, 20 der Diode bestehen, kann flektiert. Das durchgelassene Licht A' kann als Lichtbeispielsweise Galliumarsenid sein. Die parallelen 30 eingangssignal für einen zweiten Übergangsbereich reflektierenden Flächen 22, 24 liegen in einem ge- 20' verwendet werden.

nau festgelegten Abstand an gegenüberliegenden Es war bereits erwähnt worden, daß man ReSeiten der Diode 10, so daß kohärente Lichtschwin- flexionen von der Fläche der Schmalseite 31 auch gungen mit einer dem Halbleitermaterial eigenen dadurch verhindern kann, daß man diese Fläche, Frequenz in dem optischen Resonator 8 entstehen 35 z. B. durch Ätzen, aufrauht, so daß das die Fläche können, der durch den ebenen Übergangsbereich 20 31 erreichende Licht gestreut wird. Die Flächen 30, und die reflektierenden Seitenflächen 22, 24 gebildet 31 sollen auf alle Fälle einen so kleinen Rewird. Die Eigenschaften von Galliumarsenid und flexionskoefnzienten haben, daß im Übergangsbereich anderen stimulierbaren Dioden sind bekannt (vgl. zwischen den Flächen 30, 31 keine Schwingungen beispielsweise »Applied Physics Letters«, Bd. 1, 40 auftreten können.

Nr. 3, 1. November 1962, S. 62; »Physical Review Die an den Flächenelektroden 12, 14 der Diode 10

Letters«, Bd. 9, Nr. 9, 1. November 1962, S. 366 bis liegende elektrische Vorspannung hat zur Folge, daß

368; IBM Journal, Januar 1963, S. 62 bis 65, »Jour- der ganze Übergangsbereich 20 Lichtenergie einer

nal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 11, November durch das Halbleitermaterial bestimmten Frequenz

1963, S. 3204 bis 3208; und »International Science 45 abstrahlt oder verstärken kann. Wenn also dem

and Technology« Februar 1964, S. 80 bis 88). Lichteinlaß 30 ein Lichteingangssignal A der ge-

Die stimulierbare Halbleiterdiode 10 und der in gebenen Frequenz zugeführt wird, tritt eine Verstärihr enthaltene Ubergangsbereich 20 weisen eine kung der Intensität dieses Signals ein, während es in Lichteingangsfläche 30 für das Lichteingangssignal Richtung 32 durch den Übergangsbereich läuft. Das auf, die quer zu den reflektierenden Flächen 22, 24 50 in der Richtung 32 verlaufende verstärkte Lichteinangeordnet ist. Der Lichteinlaß 30 soll Licht mög- gangssignal wird nicht im Übergangsbereich hinlichst gut durchlassen und wird daher optisch glatt und herreflektiert, und in der Richtung 32 können ausgebildet, z. B. durch Spalten oder Läppen, und daher keine rückgekoppelten stimulierten Schwinmit einer Entspiegelungsschicht versehen. Die Ent- gungen auftreten. In der Richtung 32 tritt auch kein Spiegelungsschicht kann ein eine Viertelwellenlänge 55 Licht nennenswerter Amplitude auf, wenn dem dicker Überzug aus Siliciummonoxyd oder Calcium- Lichteinlaß 30 kein Lichteingangssignal zugeführt wolframat sein. Durch diese Maßnahmen wird ge- wird. Die Verstärkung von Licht in Galliümarsenidwährleistet, daß ein Lichteingangssignal A praktisch dioden ist bekannt (vgl. beispielsweise »Applied ungeschwächt in den Übergangsbereich 20 des Halb- Physics Letters«, Bd. 4, Nr. 3, 1964, S. 57 und 58). leiterkristalls eintreten kann. 60 Zwischen den stark reflektierenden Flächen 22, 24

Die gegenüberliegende Schmalseite 31 (F i g. 2) sollen dagegen in der Richtung 26 stimulierte

soll ebenfalls nicht ^reflektieren, so daß in der Nor- Schwingungen auftreten. Die stimulierten Schwin-

malrichtung verlaufende Lichtstrahlen 32 nicht zum gungen 26 werden ausschließlich durch die von der

Lichteinlaß. 30 zurückgelangen können. Dies kann Vorspannungsquelle 28 gelieferte elektrische Ener-

auf verschiedene Weise erreicht werden. Die Fläche 65 gie aufgebaut und aufrechterhalten. Die Richtung 26

31 kann optisch glatt ausgebildet und mit einer re- der Schwingunegn und die Richtung 32, in der

flexionsvermindernden Viertelwellenlängen-Schicht die Verstärkung des Eingangssignals auftritt, sind

der erwähnten Art versehen werden. Eine andere senkrecht aufeinanderstellend dargestellt. Diese Rieh-

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tungen sollen, allgemein gesprochen, sich schneiden sprünglichen Betrag der Energie der Lichtschwin-

oder quer zueinander verlaufen, jedenfalls nicht gungen überschreitet, stellt sich im Medium ein sta-

parallel sein. Der Bereich des Überganges zwischen tischer Zustand ein, bei dem die optische Verstärkung

den Flächen 22, 24, in dem die stimulierten Schwin- kleiner ist als die optischen Verluste. Unter diesen

gungen auftreten, kann gewünschtenfalls mit einer 5 Verhältnissen werden dann die in der Richtung 26

elektrischen Vorspannung versorgt werden, die einen verlaufenden Schwingungen so lange unterdrückt,

anderen Wert hat als die am übrigen Verstärkerteil als ein Lichteingangssignal A zugeführt wird. Das

des Übergangsbereiches liegende Vorspannung. Hier- verstärkte Lichteingangssignal 32 muß im Senderteil 8

für kann die Flächenelektrode 12 zweiteilig ausge- eine optische Leistungsdichte haben, die größer ist

bildet und mit verschiedenen Vorspannungen gespeist io als die dort durch die stimulierten Schwingungen ver-

werden. ursachte. Aus diesem Grunde muß ein Lichtausgangs-

Im Betrieb des in Fig. 1 und 2 dargestellten signal eines Senderteiles 8, z.B. das Lichtausgangslogischen Inverter- oder Negatorbauteils tritt nor- signal Ά, verstärkt werden, bevor es einem anderen malerweise im Übergangsbereich eine stimulierte Senderteil als Eingangssignal zugeführt wird. Das in Schwingung 26 auf, die Ausgangssignale Ά erzeugt. 15 den F i g. 1 und 2 dargestellte integrale logische Bau-Die Ausgangssignale bestehen aus kohärentem Licht, teil bewirkt von sich aus die erforderliche Verstärdas durch die teilweise reflektierenden Flächen 22, kung, so daß eine große Anzahl solcher logischer 24 austritt. Bauteile in einer Anlage verwendet werden kann, wo-

Wenn durch den Lichteinlaß 30 ein kohärentes bei das Ausgangssignal eines Bauteils das Eingangs-Lichteingangssignal A eingestrahlt wird, tritt eine 2° signal für ein oder mehrere andere Bauteile bildet. Verstärkung dieses Eingangssignals in der Richtung F i g. 2 zeigt noch eine zweite stimulierbare HaIb-32 ein. Das Lichteingangssignal A kann kohärentes leiterdiode mit einem Übergangsbereich 20', in den Licht derselben Frequenz wie das normalerweise vor- ein verstärktes Lichtsignal A' vom Übergangsbereich handene Lichtausgangssignal Ά sein und vom Aus- 20 der ersten Diode eingestrahlt wird. Die beiden gang Ά eines anderen logischen Bauteils stammen. 25 gleichartigen stimulierbaren Dioden, die in F i g. 2 Die Amplitude des Lichteingangssignals A erreicht dargestellt sind, zeigen, wie ein einziges Lichteindurch die Verstärkung im Übergangsbereich einen gangssignal A dazu verwendet werden kann, die Wert, der für eine Sättigung des stimulierbaren Über- Liclitausgangssignale Z und Z', mehrerer logischer gangsbereiches 20 im durch die Reflexionsflächen 22 Bauteile zu unterbrechen oder abzuschalten. Wenn und 24 begrenzten Teilbereich 8 ausreicht. Wenn das 30 das verstärkte Lichtausgangssignal A' vom Uberstimulierbare Medium gesättigt ist, werden die stimu- gangsbereich 20 nicht benötigt wird, kann es durch lierten Schwingungen unterdrückt, so daß keine Brechung oder Reflexion in eine Richtung abgelenkt Lichtausgangssignale ~Ä mehr emittiert werden. Die werden, in der es nicht stört, oder es kann von stimulierten Schwingungen und die Lichtausgangs- einem entsprechenden, als Abschluß dienenden Lichtsignale bleiben so lange unterdrückt, wie dem Über- 35 absorber absorbiert werden.

gangsbereich 20 ein Lichteingangssignal A zugeführt F i g. 4 zeigt ein mit kohärentem Licht arbeitendes

wird. Wenn das Lichteingangssignal A endet, treten logisches Gatter, das zur Realisierung der logischen

die Schwingungen 26 und damit die Lichtausgangs- Funktionen NICHT-ODER oder NICHT-UND ver-

signale ~Ä sofort wieder auf. wendet werden kann. Welche Funktion das Gatter

F i g. 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängig- 40 tatsächlich ausführt, wird durch die Bemessung der keit des optischen Verstärkungsfaktors 36 und des Amplituden der Lichteingangssignale A und B und optischen Verglustfaktors 38, die längs der Ordinate die Verstärkungsgrade des Lichts 44, 46 in den beiaufgetragen sind, von der längs der Abszisse aufge- den Übergangsbereichen 48 bzw. 50 bezüglich der tragenen optischen Leistungsdichte P im Übergangs- Leistungsdichte der stimulierten Schwingung 56 bebereich. Wenn die opitsche Leistungsdichte P unter- 45 stimmt. An zwei voneinander abgewandten parallelen halb des Wertes P₁ liegt, tritt im Übergangsbereich Schmalseiten der Ubergangsbereiche 48 und 50 sind eine Lichtverstärkung auf, da der Verstärkungsfaktor reflektierende Teiloberflächen 52 bzw. 54 vorgesehen, größer ist als die Verluste durch austretendes Licht. die den Bereich des optischen Senders 8 und 8" beWenn die optische Leistungsdichte andererseits den grenzen. Die stimulierte Schwingung 56 tritt also Wert P₁ übersteigt, sind die Verluste größer als die 50 zwischen den reflektierenden Flachen 52, 54 in einem Verstärkung, und es treten weder eine Verstärkung optischen Resonatorteil 8, 8¹¹ auf, der beiden Übernoch Schwingungen auf. Der Arbeitspunkt 40 ent- gangsbereichen gemeinsam ist.

spricht einem statischen Gleichgewichtszustand im Wenn das in F i g. 4 dargestellte logische Bauteil optischen Senderteil 8 des Übergangsbereiches, bei zur Realisierung der NICHT-ODER-Funktion bedem Schwingungen und Lichtausgangssignale auf- 55 trieben wird^ liefert es normalerweise ein Lichtaustreten, gangssignal Α+Έ, wenn kein Lichteingangssignal

Wenn durch den Lichteinlaß 30 ein Lichteingangs- vorhanden ist. Bei Zuführung der Lichteingangssignal A einfällt, erhöht das zum Übergangsbereich signale A und/oder B tritt jedoch im Oszillatorbereich 20 des optischen Senders 8 gelangende Licht darin eine optische Leistungsdichte auf, die ausreicht, um die optische Leistungsdichte. Die optische Leistungs- 60 die Schwingungen 56 und damit das Lichtausgangsdichte ist die Summe der Lichtenergie in allen mög- signal zu unterdrücken. Ein NICHT-ODER-Gatter, liehen Richtungen. Das verstärkte Licht 32 verringert wie es in Fig. 4 dargestellt ist, stellt bekanntlich eine die Amplitude der Schwingungen 26 um einen sol- logische Grundbaueinheit dar, mittels derer Anchen Betrag, daß der Gleichgewichtsarbeitspunkt 40 Ordnungen zur Realisierung aller logischen Funkerhalten bleibt. Wenn das verstärkte Eingangslicht 32 65 tionen aufgebaut werden können, die in der jedoch im Senderteil 8 die ganze Lichtenergie, die ur- Booleschen Algebra vorkommen,
sprünglich im Medium infolge der Schwingungen Bei Verwendung der in F i g. 4 dargestellten Anvorhanden war, verdrängt und schließlich den ur- Ordnung als NICHT-UND-Gatter stellen die beim

Fehlen von Lichtausgangssignalen abgestrahlten Lichtausgangssignale die GrößeA-B dar. Wenn nur eines der Lichteingangssignale A oder B zugeführt wird, stellt sich dann im Senderteil 8, 8ⁿ keine zur Unterdrückung der Ausgangssignale ausreichende Leistungsdichte ein. Erst wenn beide Eingangssignale A und B anliegen, nimmt die Leistungsdichte im Senderteil 8, 8ⁿ einen Wert an, bei dem die Schwingungen und damit die Lichtausgangssignale unterdrückt werden.

F i g. 5 zeigt zwei ähnliche Anordnungen mit Ubergangsbereichen 62 bzw. 64, die so aufgebaut und angeordnet sind, daß sie einen bistabilen Multivibrator oder Flip-Flop bilden. Die Anordnung weist einen

so daß im Senderteil 8^IV des Übergangsbereiches 64 sofort stimulierte Schwingungen auftreten. Als Folge dieser Schwingungen tritt ein Lichtausgangssignal 68 auf, das anzeigt, daß sich das Flip-Flop nun im »gesetzten« Zustand befindet. Gleichzeitig gelangt das Lichtausgangssignal 78 vom Senderteil 8^IV verstärkt zum Senderteil 8^m des Ubergangsbereiches 62, so daß die Schwingungen im Senderteil 8^ΠΙ auch dann unterdrückt bleiben, wenn das Setz-Lichteingangssignal 66 endet.

Das sich nun im »gesetzten« Zustand befindende Flip-Flop kann durch ein impulsförmiges Rückstell-Lichteingangssignal 70 in den »rückgestellten« Zustand geschaltet werden. Das Flip-Flop verbleibt belibi l i d Zd i

_o g pp

Setzlichteingang 66 auf, dem ein Setzlichtausgang 68 *5 liebig lange in dem Zustand, in den es durch den entspricht, sowie einen Rückstellichteingang 70, dem zuletzt eingetroffenen Setz- oder Rückstell-Lichtimein Rückstellichtausgang 72 entspricht. Das Licht- puls geschaltet wurde.

Signaleingangsende des Übergangsbereiches 62 ist mit .-^¹S-O ²^¹S* einen frei schwingenden optischen einer Abschrägung 74 versehen, die eine reflektie- Lichtsignalsender. Eine Rückkopplung mittels Licht rende Fläche bildet, so daß das Setz-Lichteingangs- 20 bei optischen Sendern ist an sich bekannt (deutsche signal 66 in den am anderen Ende des Übergangs- Auslegeschrift 1165 749). Dieser optische Sender bereiches befindlichen Oszillatorteil 76 reflektiert wird. enthält einen Lichtinverter 20, wie an Hand der In den Senderteil8^m des Übergangsbereiches 62 wird Fig-1 und 2 erläutert wurde. Außerdem enthält der außerdem durch eine entsprechende reflektierende optische Sender eine Verzögerungsleitung 90, die die Fläche 75 ein Lichtsignal 78 vom Übergangsbereich 25 Lichtausgangssignale verzögert auf den Lichteinlaß 64 reflektiert. Die Flächen 74, 75 bilden mit der Ein- ³O rückkoppelt. Die optische Verzögerungsleitung 90 fallsrichrung des Lichtes einen Winkel von etwa 45°, ^karui durch einen optischen Lichtleiter in Form einer bei dem eine Totalreflexion auftritt, da er größer ist Faser, eines Stabes oder eines Faserbündels oder als der etwa 18° betragende Grenzwinkel. Die den durch eine optische Dünnschichtwellenleitung gebil-Übergangsbereich 62 enthaltende Halbleiterdiode ist 30 det werden. Das Ausgangslicht kann auch durch entso aufgebaut, daß die Schwingungen im Senderteil 8™ sprechend angeordnete Spiegel oder Prismen zum immer dann unterdrückt werden, wenn ein Setzein- Lichteinlaß 30 zurückgeführt werden. Die Länge der gang 66 oder ein Eingangssignal 78 vom Übergangs- optischen Verzögerungsleitung 90 wird entsprechend bereich 64 zugeführt werden. ^der gewünschten Schwingungsfrequenz gewählt. Bei

Der Übergangsbereich 64, der genau wie der Über- 35 einer Länge der Verzögerungsleitung 90 von ungegangsbereich 62 aufgebaut sein kann, enthält einen ^fäm" ^{20 cm und} einem Material, dessen Brechungs-Senderteil 8¹^ und wird mit einem vom Übergangs- ^{mdex n =} l·⁵ beträgt, ergeben sich Laufzeiten von bereich 62 stammenden Lichteingangssignal 80 ge- ^etwa * Nanosekunde, was einer einzigen Schwinspeist, wenn ein solches Signal vorhanden ist. Die S¹¹¹¹S bei ^emer Frequenz von 1 GHz entspricht, wäh-Übergangsbereiche 62, 64 arbeiten jeweils als 40 ^rend sich bei einer Länge von etwa 2 cm Laufzeiten NICHT-ODER-Gatter in der an Hand von Fig. 4 ^{von emer} zehntel Nanosekunde (entsprechend einer beschriebenen Weise. Die F i g. 4 und 5 zeigen dabei einzigen Schwingung bei einer Frequenz von 10 GHz) verschiedene Möglichkeiten, wie einem Senderteil 8 ergeben.

zwei Lichteingangssignale zugeführt werden können. ^Im Betneb des in Fig. 6 dargestellten optischen

Außerdem unterscheiden sich die Anordnungen 45 Senders treten normalerweise im Übergangsbereich darin, daß die Übergangsbereiche 48, 50 in Fig. 4 ²⁰ stimulierte Schwingungen26 auf. Das austretende

körperlich getrennt sind, während in F i g. 5 die Funktion dieser beiden getrennten Übergangsbereiche jeweils durch einen einzigen Übergangsbereich oder 64 erfüllt wird.

Im Betrieb liefert das in Fig. 5 dargestellte Flip-Flop entweder ein Rückstell-Lichtausgangssignal oder ein Setz-Lichtausgangssignal 68. Es sei angenommen, daß sich das Flip-Flop anfänglich im

Lichtausgangssignal 92 wird durch die optische Leitung 90 zum Lichteinlaß 30 zurückgeführt. Das durch den Lichteinlaß 30 eintretende Licht wird im Über-50 gangsbereich 20 so weit verstärkt, daß- die Schwingungen 26 gedämpft oder unterdrückt werden. Die Schwingungen 26 im Senderbereich 8 können sich dann infolge der Intensitätsverringerung oder Unter-

drückung des Lichtausgangssignals 92 wieder auf-

»rückgestellten« Zustand befinde, wobei es ein Rück- 55 bauen. Die Anordnung schwingt also mit einer Fre-

stell-Lichtausgangssignal 72 liefert, das von den sti- quenz, die durch die optische Länge der optischen

mulierten Schwingungen im Senderteil 8^m des Über- Verzögerungsleitung 90 bestimmt wird. Die Anord-

gangsbereiches 62 stammt. Unter diesen Bedingungen ^nunS liefert bei 94 ein Nutzsignal, dessen Amplitude

liefert der Senderteil 8^m ein Lichtausgangssignal 80 entsprechend der Amplitude der stimulierten

an den Übergangsbereich 64, wo es verstärkt wird und 60 Schwingungen 26 im Übergangsbereich 20 schwankt.

die Schwingungen im Senderteil δ¹⁷ des Übergangsbereiches 64 unterdrückt.

Wenn dem Übergangsbereich 62 nun ein Setz-Lichteingangssignal 66 zugeführt wird, tritt eine Ver-

Die dargestellten und beschriebenen logischen Bauteile können als Baueinheiten für eine Datenverarbeitungsanlage verwendet werden, bei der die Information 0 und 1 durch die Abwesenheit bzw. An-

stärkung dieses Lichteingangssignals ein, und die 65 Wesenheit kohärenten Lichts in den verschiedenen

Schwingungen im Senderteil 8^ΠΙ und damit das Rück- Lichtsignalwegen dargestellt wird. Das Lichtaus-

stell-Lichtausgangssignal 72 werden unterdrückt. Das gangssignal von irgendeinem der logischen Bauteile

Lichtausgangssignal 80 verschwindet dabei ebenfalls, kann als Lichteingangssignal für ein oder mehrere

andere logische Bauteile verwendet werden. Die Lichtsignale können von einem logischen Bauteil zu einem anderen unter Ausnutzung der engen Bündelung des von den Übergangsbereichen der logischen Bauteile erzeugten kohärenten Lichts übertragen werden. Alle logischen Bauteile können gleich bemessen und auf einer gemeinsamen Unterlage aufgebaut werden, so daß die Lichtsignale in einer einzigen Ebene verbleiben. Die Lichtsignale können sich in dieser Ebene ohne gegenseitige Beeinflussung kreuzen. Eine Datenverarbeitungs- oder Rechenanlage, die unter Verwendung der beschriebenen logischen stimulierbaren Halbleiterdioden aufgebaut ist, zeichnet sich durch eine extrem hohe Arbeitsgeschwindigkeit aus, da die Dioden außergewöhnlich rasch schalten und die Signalübertragung durch die hohe Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts besonders hoch ist, was auf das Fehlen von Trägheitseffekten zurückzuführen ist.

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Claims (11)

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiode für optische Schaltung mit kohärentem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsbereich der Halb- as leiterdiode in einer ersten Richtung für eine Lichtverstärkung und in einer zweiten, diese kreuzenden Richtung für die Erzeugung von stimuliertem kohärentem Licht ausgebildet ist, und zwar derart, daß ein in der ersten Richtung zügeführtes Lichteingangssignal (A, B) ein in der zweiten Richtung stimuliertes Lichtausgangssignal ζΚ, Ή) unterdrückt.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 mit elektrischen Flächenelektroden, die mit einer Vor-Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich mindestens zu einem Teil mit einem Paar einander gegenüberliegender paralleler reflektierender Flächen (22, 24) ausgestattet ist, die senkrecht zur zweiten Richtung angeordnet sind, und daß mindestens eine der reflektierenden Flächen teildurchlässig ist und das Lichtausgangssignal durchläßt.

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Richtung (Z) senkrecht auf der ersten Richtung (A) steht.

4. Optischer Schalter mit einer Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Übergangsbereich der Halbleiterdiode mehrere, insbesondere parallele Lichteingangssignale zur Unterdrückung des stimulierten, in der zweiten Richtung ausgelösten Lichtausgangssignals eingeführt werden.

5. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3 zur Durchführung der logischen NICHT-UND-Verknüpfung mit kohärenten Lichtsignalen, gekennzeichnet durch eine unabhängige Eingabe mehrerer Lichteingangssignale (A, B) in der ersten Richtung durch den ebenen Übergangsbereich, wobei die Lichteingangssignale, wenn sie alle vorhanden sind, nach Verstärkung im Übergangsbereich eine optische Leistungsdichte ergeben, bei der die Auslösung stimulierter Strahlung (A-B) in der zweiten Richtung unterdrückt wird.

6. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3 zur Durchführung der logischen NICHTODER-Verknüpfung mit kohärenten Lichtsignalen, gekennzeichnet durch eine unabhängige Eingabe mehrerer Lichteingangssignale in der ersten Richtung durch den ebenen Übergangsbereich, von denen jedes einzelne nach Verstärkung im Übergangsbereich eine Leistungsdichte ergibt, die ausreicht, um die Auslösung stimulierter Strahlung in der zweiten Richtung zu unterdrücken.

7. Optische Schalteinrichtung mit zwei Halbleiterdioden nach Anspruch 2 oder 3, die als Inverter einen bistabilen Multivibrator für kohärentes Licht bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer Lichtaustrittsseite des Sendeteils (52', 54') der einen Halbleiterdiode ein Lichteinlaß der anderen Halbleiterdiode zugeordnet ist, derart, daß dem Lichteinlaß des einen Inverters sein Setz-Lichteingangssignal und dem Lichteinlaß des anderen Inverters ein Rückstell-Lichteingangssignal zuführbar ist.

8. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der Lichtsignalinverter (82) ein Setz-Lichtausgangssignal (68) und der andere enstprechende Inverter (76) ein Rückstell-Lichtausgangssignal (72) liefert und daß am Lichteinlaß des das Rückstell-Ausgangssignal liefernden Inverters (76) das Setz-Eingangssignal (66) und am Lichteinlaß des das Setz-Ausgangssignal liefernden Inverters (82) das Rückstell-Eingangssignal (70) zuführbar sind.

9. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Verzögerungsleitung vorgesehen ist, die das eine der Lichtausgangssignale (92) des optischen Sendeteils zurück zum Lichtsignaleinlaß (30) für den Verstärkerteil leitet.

10. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Kopplung ein frei schwingender optischer Sender gebildet wird.

11. Optische Schalteinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites kohärentes Lichtausgangssignal abgenommen wird, dessen Amplitude sich mit einer durch die Länge der optischen Verzögerungsanordnung (90) bestimmten Frequenz ändert.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1165 749;

USA.-Patentschriften Nr. 3 059 117, 3 133 199;

Applied Physics Letters, Bd. 1, Nr. 3,1. November 1962, S. 62 bis 64; Bd. 4, Nr. 3, 1. Februar 1964, S. 57 bis 58.

Physical Review Letters, Bd. 9, Nr. 9,1. November 1962, S. 366 bis 368;

IBM Journal, Bd. 7, Nr. 4, Januar 1963, S. 62 bis 65;

Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 11, November 1963, S. 3204 bis 3208;

International Science and Technology, Februar 1964, S. 80 bis 88;

Optical Society of America, Bd. 53, Nr. 3, 26. März 1963, S. 12.

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