DE4017401C2 - Programmierbare Anordnung zur Durchführung einer Booleschen Logikoperation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung einer Booleschen Logikoperation nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.

Rechnen, Nachrichtenübertragung, Vermitteln und Ver­ bindungsherstellung sind technische Gebiete, bei denen sich sowohl die Verwendbarkeit als auch der Bedarf nach optischen Bauteilen gezeigt haben. Auf diesen technischen Gebieten besteht eine Klasse von Bauteilen, nach denen Bedarf besteht, aus optischen Logikbauteilen. Bei optischen Logikbauteilen steuern daten- oder informationstragende Signale, die auf das Bauteil auffallen, dessen Zustand so, daß kombinatorische (Bool'sche) oder Speicher (Festhalte-)Funktionen oder Kombinationen solcher Funktionen mit den auffallenden Signalen aus­ geführt werden können.

Nichtlineare Fabry-Perot-Etalons sind als rein optische Bauteile vorgeschlagen worden, die optische Logikfunktionen ausführen können. Dazu sei verwiesen auf S.D. Smith, Applied Optics, Bd. 25, Nr. 10, S. 1550 bis 1564 (1986) und H.S. Hinton, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Bd. 6, Nr. 7, S. 1207 bis 1226 (1988). Ein Nachteil bei der Verwendung nichtlinearer Fabry-Perot-Etalons bei Operationen hoher Geschwindigkeit besteht darin, daß auffallende Steuer­ signale, beispielsweise Takt- und Datensignale, so hinsichtlich ihrer Wellenlänge getrennt werden müssen, daß die Wellen­ länge einer Absorptionsspitze des nichtlinearen Materials im Etalon entspricht. Eine solche Einschränkung ist notwendig, damit das nichtlineare Fabry-Perot-Etalon zwischen Durchlaß- und Reflexionszuständen umgeschaltet oder abgestimmt werden kann. Als Ergebnis dieser Betriebsweise ist die Eingangs­ wellenlänge verschieden von der Ausgangswellenlänge, so daß die Möglichkeit ausgeschlossen ist, solche Bauteile hinter­ einander zu schalten. Während die erforderlichen Wellenlänge­ unterschiede schwerwiegende Einschränkungen mit sich bringen, läßt sich nicht vermeiden, daß weitere Einschränkungen dadurch entstehen, daß Temperaturschwankungen bewirken, daß das Etalon Änderungen in Bezug auf die Lage der Resonanzspitzen für den Hohlraumresonator zeigt. Daraus folgt, daß das Etalon auf optische Eingangssignale anspricht oder nicht. Darüber hinaus können Intensitätsänderungen der einfallenden Signale bewirken, daß das nichtlineare Fabry-Perot-Etalon seinen Zustand wahllos oder auch überhaupt nicht ändert.

Es wurde außerdem gezeigt, daß Bauteile mit selbst­ elektrooptischem Effekt für einen Betrieb als sequentielle Speicherelemente geeignet sind, die als S-R-Flip-Flops reali­ siert sind. Dazu sei hingewiesen auf die US-Patente 4 754 132 und 4 751 378. Diese bistabilen Speicherelemente werden durch vergangene sowie augenblickliche Eingangssignale beeinflußt. Logische Verbindungen dieser Speicherelemente ermöglichen die Realisierung von Schieberegisterschaltungen, beispielsweise eines fotonischen Ringzählers. Dazu sei hingewiesen auf Proceedings of the Conference on Lasers and Electrooptics, paper TUE4 (1988). Die Brauchbarkeit solcher fotonischer Speicher­ bauteile ist jedoch auf Rechner-, Nachrichtenübertragungs- und Vermittlungsanwendungen beschränkt, ohne daß kombinatorische Logikbauteile, beispielsweise UND, ODER, Exklusiv-ODER- Gatter und ähnliches zur Verfügung stehen.

Kürzlich sind symmetrische selbst-elektrooptische Bauteile in einem kombinatorischen Logikgatter zur Erzeugung einer NOR-Funktion verwendet worden. Dazu sei hingewiesen auf Proceedings of the Conference on Lasers and Electrooptics, paper TUE4 (1988). In diesem Aufsatz, dessen Inhalt zum gattungs­ bildenden Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 führte, ist angegeben, daß ODER- NAND- und UND-Funktionen gezeigt worden sind. Für eine richtige Arbeitsweise der beschriebenen Bauteile ist es erforderlich, daß jedes optische Datensignal und sein logisches Komplement an das Logikgatter geliefert werden. Als Ergebnis sind zu­ sätzliche Bauteile, beispielsweise ein Strahlteiler und ein optischer Inverter für jedes optische Datensignal erforder­ lich, um ein komplementäres Datensignal zu gewinnen, falls dies nicht auf einfache Weise zur Verfügung steht. Darüber hinaus werden Takt(Clock-)Impulse verwendet, um den Schaltvorgang einzuleiten, was zum Ausschluß eines asynchronen Betriebs der dort gezeigten Bauteile führt. Obwohl logische UND- und ODER-Gatter in der angegebenen Literatur­ stelle gezeigt und beschrieben sind, darf darauf hingewiesen werden, daß dort an keiner Stelle die Realisierung eines Logikgatters, das asymmetrische Ausgangssignale erzeugt, oder die Realisierung eines Exklusiv-ODER-Gatters angegeben wird. Exklusiv-ODER-Gatter sind wichtig, weil es nicht möglich ist, fotonische Codierer oder Verwürfler oder deren Umkehrungen ohne Exklusiv-ODER- Gatter im Rückkopplungsweg und an anderen Verbindungspunkten eines fotonischen Schieberegisters zu realisieren.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Logikgatter zu schaffen, deren Abhängigkeit von der Wellenlänge für ihr Funktionieren unkritisch ist, die mit ungetakteten optischen Signalen betrieben werden können und geringen Aufwand an Bauteilen zu ihrer Realisierung erfordern.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 7 angegeben. So werden kombinatorische (Bool'sche) Logikfunktionen in einem programmierbaren optischen Logik­ bauteil verwirklicht, indem ein symmetrisches Bauteil mit selbst-elektrooptischem Effekt (S-SEED) mit einem logischen Steuerelement kombiniert wird, um das S-SEED-Bauteil zu veranlassen, logische Operationen in einer vorbestimmten Be­ triebsweise einzuleiten. Ein optisches Signal mit einem vorbe­ stimmten Schwellenwert wird an einen Eingang des S-SEED-Bau­ teils angelegt, während erste und zweite optische Datensignale gemeinsam einem weiteren Eingang des S-SEED-Bauteils zu­ geführt werden, damit die gewünschte kombinatorische Logikope­ ration mit den optischen Datensignalen durch das optische Logikbauteil durchgeführt werden können. Logikoperationen, die in dem optischen Logikbauteil programmiert werden können, umfassen UND-, ODER- und NICHT-Funktionen. Als Ausgangssignal jedes optischen Logikbauteils wird ein einziges optisches Signal geliefert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein erstes optisches Schwellenwertsignal zur Durchführung einer logischen UND-Operation benutzt, während ein zweites optisches Schwellenwertsignal zur Durchführung einer logischen ODER- Operation Verwendung findet. Eine Exklusiv-ODER-Operation wird durch parallele Ausführung von logischen UND- und ODER- Operationen mit den gleichen Datensignalen und getrennten S-SEED-Bauteilen und anschließende Verwendung eines S-SEED- S-R-flip-flops verwirklicht, das die optischen Ausgangssignale von jedem Logikgatter verarbeitet (beispielsweise UND-Ausgangs­ signal an den R-Eingang und ODER-Ausgangssignal an den S-Ein­ gang), um ein Exklusiv-ODER-Ausgangssignal zu erzeugen.

Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung gilt das programmierbare optische Logikbauteil auf der Grundlage von S-SEED-Bauteilen, die Möglichkeit, daß alle optischen Signale die gleiche Wellenlänge haben. Demgemäß läßt sich das pro­ grammierbare optische Logikbauteil leicht in Reihe schalten.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das programmierbare optische Logikbauteil zusammen mit anderen Bauteilen einschließlich anderen optischen Logikbauteilen zu großen Anordnungen in der Größenordnung von 100 × 100 unter Ver­ wendung von Standard-Herstellungsverfahren integriert werden.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das programmierbare optische Logikbauteil in einem weiten Wellenlängenbereich betrieben werden, der mehrere Nanometer umfaßt, während die nichtlinearen Fabry-Perot-Bauteile nur über einen extrem schmalen Bereich von nur einigen Angström- Einheiten betreibbar sind.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines programmier­ baren optischen Logikbauteils entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 und 3 logische Wahrheitstabellen für die ver­ schiedenen Betriebsarten des Bauteils nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Beispiel für ein optisches Exklusiv- ODER-Gatter entsprechend der Erfindung;

Fig. 5 eine logische Wahrheitstabelle für den Betrieb des Gatters nach Fig. 4.

Das Bauteil mit selbst-elektrooptischem Effekt (SEED), das symmetrische Bauteil mit selbst-elektrooptischem Effekt (S-SEED) und die für beide Bauteile anwendbaren Herstellungs­ verfahren sind ausführlich in den US-Patenten Re. 32 893, 4 546 244, 4 751 378 und 4 754 132 sowie in den Aufsätzen: D.A.B. Miller et al., Appl. Phys. Letters, 45(1), S. 13 bis 15 (1984) und A.L. Lentine et al., Appl. Phys. Letters, 52(17), S. 1419 bis 1421 (1988) beschrieben. Die vorstehenden Dokumente und ihre Lehren werden ausdrücklich in die vorliegenden Unterlagen einbezogen.

Ein S-SEED-Bauteil ist ein Bauteil mit vier Anschlüssen, das wenigstens zwei optische Eingänge und zwei optische Ausgänge besitzt. Das S-SEED-Bauteil wird durch elektrische Reihenschaltung einer pin-Diode 101 mit Mehrfach-Quantenmulden und einer pin-Diode 102 mit Mehrfach-Quantenmulden über die Leitung 104 entsprechend der Darstellung in Fig. 1 gebildet. An die Dioden ist eine Vorspannung V in Sperrichtung angelegt. Wenn die Dioden auf diese Weise geschaltet sind, steht ein einzelnes optisches Ausgangssignal, das als Signal Q auf der Ausgangsleitung 112 gezeigt ist, zur Verwendung durch nach­ folgende Bauteile zur Verfügung. Ein optisches Ausgangssignal der Diode 102 für eine weitere Verwendung ist nicht erwünscht, obwohl eine der Dioden eingeschaltet ist, wenn die andere aus­ geschaltet ist, da, wie weiter unten gezeigt werden soll, die Eingangssignalpegel und demgemäß die Ausgangssignalpegel dieser Diode nicht gut gesteuert sind.

Während des S-SEED-Betriebs ergibt sich, daß eine der Dioden in einem absorbierenden Zustand ist, wenn die andere sich in einem Durchlaßzustand befindet. Es ist bekannt, daß Zustandsänderungen für S-SEED-Bauteile als Funktion des Ver­ hältnisses der Eingangssignalleistungen auftreten und nicht als Funktion der absoluten Intensität des Eingangssignals. Eine Zustandsänderung läßt sich als Änderung der Ausgangspegel beobachten, beispielsweise wenn sich Q von 0 auf 1 oder umgekehrt ändert.

Im einzelnen wird das S-SEED-Bauteil mit den Dioden 101 und 102 veranlaßt, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umzuschalten, wenn die Leistung des optischen Signals, das auf die Diode 102 auffällt, geteilt durch die Leistung des auf die Diode 101 einfallenden Signals den Schwellenwert T übersteigt. Andererseits schaltet das S-SEED- Bauteil von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand, wenn die Leistung des auf die Diode 101 auffallenden optischen Signals geteilt durch die Leistung des auf die Diode 102 auf­ fallenden optischen Signals den Schwellenwert T übersteigt.

Bei einem Beispiel aus der experimentellen Praxis wurde gefunden, daß der Schwellenwert für S-SEED-Bauteile auf der Grundlage von GaAs/ALGaAs-Halbleitermaterial etwa 1,1 beträgt. Anhand dieses Beispiels wurde bestimmt, daß sich das S-SEED-Bauteil im ersten Zustand (Q=0) befindet, wenn die optische Ausgangsleistung der Diode 101 etwa = 19% der optischen Leistung beträgt, die auf die Diode auffällt. Es wurde außerdem anhand dieses Beispiels festgestellt, daß sich das S-SEED-Bauteil im zweiten Zustand (Q = 1) befindet, wenn die optische Ausgangsleistung der Diode 101 etwa = 32% der optischen Leistung ist, die auf die Diode auffällt.

Im Betrieb fallen optische Eingangssignalstrahlen 105 und 109 auf das S-SEED-Bauteil mit den Dioden 101 und 102 auf. Die optischen Signalstrahlen sind so zusammengefaßt, daß sie auf bestimmte Dioden wie folgt auftreffen: Der optische Signalstrahl 105, der ein optisches Schwellenwert-Bezugssignal REF von der Logiksteuerung 103 darstellt, fällt auf die Diode 101 auf, und der optische Signalstrahl 109, der ein Datensignal C darstellt, das die Leistungssumme der Datensignale A und B ist, fällt auf die Diode 102 auf. Die optischen Signalstrahlen 105 und 109 können eine Änderung des Ausgangszustandes des S-SEED-Bauteils bewirken. Die Amplitude dieser optischen Signalstrahlen ist so gewählt, daß sie einen ausreichenden Kontrast zwischen einem Logikpegel 0 und einem Logikpegel 1 besitzen, um sicherzustellen, daß das S-SEED-Bauteil nicht in einen bistabilen Bereich gezwungen wird, in welchem der Aus­ gangspegel zweideutig ist. Als Beispiel wurde gefunden, daß ein Kontrast von 2 : 1 der obigen Bedingung genügt.

Die Summe der Datensignale A und B läßt sich wie folgt gewinnen. Der Eingangsdatensignalstrahl 106 (Signal A) wird entsprechend der Darstellung auf einen Eingang eines Strahlkombinierers 107 gegeben und der Eingangsdatensignal­ strahl 108 (Signal B) über einen Spiegel 113 an einen weiteren Eingang des Strahlkombinierers 107 übertragen. Dieser erzeugt einen Ausgangsstrahl 109 als Datensignal C, dessen Leistung im wesentlichen gleich der Summe der Leistungen der Signale A und B ist.

Ein Taktgeber 110 ist zusammen mit seinem optischen Ausgangssignal, das Taktsignalen entspricht, gestrichelt darge­ stellt, um anzudeuten, daß der Taktgeber 110 ein optionelles Bauteil und damit bei der praktischen Durchführung der Erfin­ dung nicht erforderlich ist. Optische Signalstrahlen 111 werden an jede Diode in einem S-SEED-Bauteil gegeben. Die optischen Signalstrahlen 111 sollen Taktsignalen entsprechen. Sie sind daher mit CLK bezeichnet und haben im wesentlichen gleiche Intensität, die zu Anfang im Vergleich zur Strahlintensität des Daten- und Bezugsschwellenwertsignals klein ist. Die Takt­ signalstrahlen 111 können an das S-SEED-Bauteil gegeben werden, um den Zustand des Logikgatters auszulesen, derart, daß der Pegel des Ausgangssignalstrahls Q zum Pegel des Taktsignalstrahls in Beziehung steht. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß die Zufuhr von Taktsignalstrahlen an das S-SEED- Bauteil eine Möglichkeit darstellt, symmetrische Ausgangssignale zu erhalten, also komplementäre Ausgangssignale, von denen das Ausgangssignal Q von der Diode 101 und das Ausgangssignal von der Diode 102 ausgeht.

Bezüglich der Taktsignalstrahlen sei erläutert, daß diese vorzugsweise in Zeitintervallen zugeführt werden, zu denen die Datensignale und das Bezugsschwellenwertsignal inaktiv sind. Da der Ausgangszustand des S-SEED-Bauteils durch das Verhältnis der auf die Dioden einfallenden Signalleistungen bestimmt wird, kann das Vorhandensein eines Taktsignals gleich­ zeitig mit dem Datensignal und dem Bezugsschwellenwertsignal zu einer Verschlechterung des Kontrastverhältnisses der Ein­ gangsstrahlen und möglicherweise dazu führen, daß das S-SEED- Bauteil seine Zustände nicht ändert. Während zwar die Taktsignale generell zugeführt werden, um den Zustand des S-SEED- Bauteils über komplementäre Ausgangssignalstrahlen Q und (nicht gezeigt) auszulesen, ist es wünschenswert, eine ver­ hältnismäßig kleine Differenz zwischen den Intensitäten der optischen Signalstrahlen 111 sowie eine ausreichende Intensität aufrechtzuerhalten, um den Zustand des S-SEED-Bauteils ohne Störung oder Änderung auszulesen. Für die meisten S-SEED- Bauteile wurde festgestellt, daß ein Verhältnis der Leistungen für das Datensignal A und B, das 1,1 übersteigt oder unterhalb 0,9 liegt, ein Umschalten des S-SEED-Bauteils bewirkt, wobei davon ausgegangen wird, daß die optische Hysteresisschleife um einen Punkt zentriert ist, in welchem die Leistung des Be­ zugsschwellensignals und des Datensignals im wesentlichen gleich sind.

Das programmierbare optische Logikbauteil gemäß Fig. 1 weist eine Logiksteuerung 103, in Reihe geschaltete Dioden 101, 102 und, falls erforderlich, Strahlkombinierbauteile (113, 107) auf, die optische Datensignalstrahlen 106 (A) und 108 (B) so kombinieren, daß sie auf die gleiche Diode des S-SEED-Bauteils auffallen. Die optischen Signalstrahlen 106, 108 stellen die Datensignale dar, mit denen kombinatorische Logikfunktionen ausgeführt werden sollen. Dazu sei beispiels­ weise auf Fig. 2, 3 und 5 hingewiesen. Wie gezeigt, enthält der optische Signalstrahl 109 (C) die Kombination individueller Datensignale A und B. Bei Durchführung einer kombinatorischen Logikfunktion (Bool′sche Funktion) führt das programmier­ bare optische Logikbauteil diese Funktion mit den individuellen Datensignalen A und B aus. Das heißt, das programmierbare optische Logikbauteil führt eine UND-Funktion als f(A,B) = A·B und eine ODER-Funktion als f(A,B) = A+B aus.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 weist das Aus­ führungsbeispiel der Erfindung eine Kombination von Dioden im S-SEED-Bauteil auf, wobei die Dioden in Reihe geschaltete pin-Dioden mit Mehrfach-Quantenmulden sind, beispielsweise AeGaAs/GaAs-Halbleiterdioden. Es sei darauf hingewiesen, daß ein alternatives Ausführungsbeispiel des Diodenpaares ebenfalls betrachtet wird. Beispielsweise kann entweder die Diode 101 oder die Diode 102 durch eine normal pin-Diode ersetzt werden, die keine eigenleitende Quantenmuldenzone verwendet. Die ver­ bleibende Diode muß jedoch dann eine Quantenmulden-pin-Diode sein, so daß die sich ergebende Anordnung ein Bauteil mit selbst-elektrooptischem Effekt ist, das eine pin-Diode als Last aufweist. Bei einer solchen Anordnung wird das aktive Ausgangssignal und natürlich das einzige Ausgangssignal am Ausgang der Quantenmulden-pin-Diode abgeleitet.

Bei bekannten logischen Speicherbauteilen (S-R-Flip-Flops) auf der Grundlage von S-SEED-Bauteilen war es erforderlich, daß ein Datensignal an eine Diode und das andere Daten­ signal an die andere Diode angelegt wird. Bei neueren, bekannten und programmierbaren optischen Logikgattern auf der Grundlage von S-SEED-Bauteilen war es erforderlich, daß beide Datensignale kombiniert werden und auf die gleiche Diode des S-SEED-Bauteils auffallen, während das Komplement beider Daten­ signale kombiniert wurde und auf die andere Diode auffällt. Im Gegensatz zu diesen Lösungsversuchen führt das vorliegende programmierbare optische Logikgatter die spezielle Bool'sche Funktion (UND, ODER) mit einem Bezugsschwellenwert-Signalstrahl aus, der auf eine Diode des S-SEED-Bauteils auffällt, während die kombinierten Datensignalstrahlen auf die andere Diode auffallen.

Wie oben angegeben, veranlaßt die Logiksteuerung 103 die Ausführung einer bestimmten Bool'schen Funktion, so daß die Gesamtkombination aus dem S-SEED-Bauteil und der Logik­ steuerung 103 als programmierbares optisches Logikbauteil ent­ sprechend den Regeln der gewünschten Bool'schen Funktion arbeitet. Die Logiksteuerung 103 erzeugt einen Strahl 105 mit im wesentlichen konstanter optischer Leistung, der mit REF bezeichnet ist. Im Ergebnis wirkt dieser optische Strahl als Bezugsschwellenwert, gegen den die kombinierte Leistung der Datensignale A und B (P_C = P_A + P_B) proportional gemessen wird. Das heißt, wenn < T ≈ 1,1 (wobei P_REF die Leistung des Signals REF ist), dann geht die Diode 101 in einen im wesentlichen durchlässigen Zustand über und erzeugt ein Ausgangssignal Q, dessen Leistung etwa 32% der Leistungs des Eingangssignals (REF) beträgt, wodurch Q auf logisch "1" gesetzt wird. Wenn < T ≈ 1,1 ist, dann geht die Diode 101 in einem im wesent­ lichen absorbierenden Zustand und erzeugt das Ausgangssignal Q mit einer Leistung von etwa 19% der Leistung des Eingangs­ signals (REF), wodurch Q auf logisch "0" gesetzt wird.

Um die programmierbare Arbeitsweise dieses Bauteils zu verstehen, sei auf Fig. 2 und 3 verwiesen. Eine Beschreibung für nicht invertierende Logikfunktionen UND und ODER folgt anschließend.

Fig. 2 zeigt eine Wahrheitstabelle mit optischen Signalleistungspegeln für einen ODER-Gatterbetrieb des pro­ grammierbaren optischen Logikbauteils nach Fig. 1 mit Bezug auf zugeführte optische Datensignale A und B. Der Leistungs­ pegel für das Bezugsschwellenwertsignal wird auf etwa (2P₀(P₀ + P₁))^1/2 gesetzt und mit TH1 bezeichnet, wobei P₀ die optische Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "0" und P₁ die optische Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "1" ist. Da die Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "1" größer als die Leistung eines Eingangs­ signals mit dem Logikpegel "0" ist, dürfte klar sein, daß der vorgegebene Leistungspegel für das Signal REF ausreicht, um ein Umschalten des Signals Q auf den Logikzustand "1" zu ver­ anlassen, wenn die Datensignale A und B logisch entgegenge­ setzte Pegel haben oder beide auf dem Logikpegel "1" sind. Außerdem reicht der vorgegebene Leistungspegel für das Signal REF aus, um ein Umschalten des Signals Q auf den Logikpegel "0" zu veranlassen, wenn beide Datensignale A und B auf dem Logikpegel "0" sind. Demgemäß arbeitet das programmierbare optische Logikbauteil gemäß Fig. 1 bei Verwendung von Signalen mit Pegeln entsprechend der Wahrheitstabelle gemäß Fig. 2 als logisches ODER-Gatter.

Fig. 3 zeigt eine Wahrheitstabelle mit optischen Signalleistungspegeln für einen UND-Gatterbetrieb des pro­ grammierbaren optischen Logikbauteils aus Fig. 1 mit Bezug auf zugeführte optische Datensignale A und B. Der Leistungs­ pegel für das Bezugsschwellenwertsignal wird auf etwa (2P₁(P₀ + P₁))^1/2 gesetzt und mit TH2 bezeichnet, wobei P₀ die optische Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "0" und P₁ die optische Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "1" ist. Da die Leistung eines Eingangssignals mit dem Logikpegel "1" größer als die Leistung eines Eingangs­ signals mit dem Logikpegel "0" ist, (das heißt, P₁ < P₀), dürfte klar sein, daß der vorgeschriebene Leistungspegel für das Signal REF ausreicht, um ein Umschalten des Signals Q auf den Logikzustand "1" zu veranlassen, wenn beide Datensignale A und B den Logikpegel "1" haben. Außerdem reicht die vorge­ schriebene Leistung des Signals REF aus, ein Umschalten des Signals Q auf den Logikpegel "0" zu veranlassen, wenn die Daten­ signale A und B entgegengesetzte Logikpegel oder beide den Logikpegel "0" haben. Wenn demgemäß das programmierbare optische Logikbauteil gemäß Fig. 1 unter Verwendung von Signal­ pegeln entsprechend der Wahrheitstabelle gemäß Fig. 3 betrieben wird, arbeitet es als logisches UND-Gatter.

Für den Fachmann dürfte klar sein, daß die Strich- Markierungen an den Logikpegeln für das Ausgangssignal Q in Fig. 3 bedeuten, daß ein Unterschied gegenüber den Pegeln in Fig. 2 vorhanden ist. Das beruht darauf, daß das an die Diode 101 gelieferte Bezugsschwellenwertsignal REF einen unter­ schiedlichen Pegel für den Betrieb als UND-Gatter gegenüber einem Betrieb als ODER-Gatter hat. Als Ergebnis wird das Ausgangssignal Q der Diode 101 entsprechend auf einen etwas höheren Pegel geändert, wenn ein Betrieb als UND-Gatter er­ wünscht ist.

Man beachte, daß die optischen Leistungspegel in den Wahrheitstabellen gemäß Fig. 2 und 3 für das kombinierte Datensignal C sich ergeben, indem man die optischen Leistungs­ pegel für die jeweiligen Logikzustände der einzelnen Daten­ signale A und B summiert. Zur Festlegung geeigneter Pegel für die Logikzustände der Eingangsdatensignale wird vorge­ schlagen, daß die Eingangsleistungspegel für logisch "0" und "1" im wesentlichen gleich "0" und "1" Ausgangsleistungs­ pegeln eines vorhergehenden Bauteils normalisiert auf beliebige Leistungseinheiten (p.u.) gesetzt werden. Das heißt, es wird angenommen, daß eine logische "1" einen normalisierten optischen Leistungspegel von 32 p.u. und eine logische "0" eine normalisierte optische Leistung von 19 p.u. hat. Unter Verwendung der normalisierten Leistungseinheiten kann man den Unterschied der Logikpegel des Ausgangssignals Q für einen Betrieb als UND-Gatter und ODER-Gatter wie folgt verstehen:

Es wird darauf hingewiesen, daß die obige Erläuterung anhand von normalisierten Leistungseinheiten lediglich als Beispiel gedacht ist und zum besseren Verständnis der Erfindung, nicht aber als Einschränkung dienen soll.

Ein Exklusiv-ODER-Gatter und seine Wahrheitstabelle sind in Fig. 4 bzw. 5 gezeigt. Das optische Exklusiv-ODER- Gatter enthält ein optisches UND-Gatter 401 entsprechend der obigen Erläuterung anhand von Fig. 1 und 3, ein optisches ODER- Gatter 402 entsprechend der Erläuterung in Verbindung mit Fig. 1 und 2 sowie ein übliches S-R-Flip-Flop mit in Reihe ge­ schalteten Dioden 410 und 411. Dateneingangssignal A (Strahl 405 und 407) und B (Strahl 406 und 408) werden an das Exklusiv- ODER-Gatter geliefert. Zwischendatensignale R (Strahl 403) und S (Strahl 404) sind Ausgangssignale der Eingangsstufen- Logikgatter. Das Ausgangssignal Q stellt das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters dar. Außerdem ist in Fig. 4 ein komplementäres Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters ge­ zeigt, das einen symmetrischen Betrieb (Erzeugung komplementärer Ausgangssignale) des optischen Exklusiv-ODER-Gatters ermöglicht.

Fig. 4 zeigt zwar keine Taktquelle zur Erzeugung optischer Taktsignale für jede Diode des S-R-flip-flops, für den Fachmann ist jedoch klar, daß eine solche Taktquelle als Option für die Anordnung nach Fig. 4 verwendet werden kann. Bei einer solchen Anordnung kann es erforderlich sein, die Zwischendatensignale während der Zeitabschnitte zu sperren, wenn die Taktsignale angelegt werden. Die Verwendung solcher Taktsignale ist in Aufsätzen von A. Lentine et al., Postdeadline Paers, Proceedings of Conference on Lasers and Electrooptics, paper ThT12 (1987) und Proceedings of Conference on Lasers and Electrooptics, paper TUE4 (1988) sowie in dem oben angegebenen US-Patent 4 754 132 angegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Abwesenheit von Taktsignalen die Möglichkeit gibt, daß die kombinatorischen Logikgatter gültige Ausgangspegel zu im wesentlichen allen Zeitpunkten statt mit nur eines bestimmten Taktintervalls zeigen.

Die optischen Eingangsstrahlen 405 und 407 entsprechend dem Datensignal A können erzeugt werden, indem das Daten­ signal A durch einen Strahlteiler (nicht gezeigt) geführt wird, so daß die beiden im wesentlichen identischen Strahlen auf das jeweilige Logikgatter auftreffen. Eine entsprechende Maßnahme kann zur Erzeugung der optischen Eingangsstrahlen 406 und 408 entsprechend dem Datensignal B verwendet werden, die auf die jeweiligen Logikgatter auftreffen.

Das UND-Gatter 401 ist ein optisches UND-Gatter, das entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 und 3 sowie der diesbezüglichen Erläuterung realisiert worden ist. Das UND-Gatter 401 verarbeitet die Datensignale A und B zur Er­ zeugung eines optischen Strahls 403, der dem Zwischendaten­ signal R gleich A·B entspricht.

Das ODER-Gatter 402 ist ein optisches ODER-Gatter, das entsprechend Fig. 1 und 2 und der diesbezüglichen Be­ schreibung realisiert worden ist. Es verarbeitet die Daten­ signale A und B zur Erzeugung des Strahls 404, der dem Zwischen­ datensignal S gleich A+B entspricht.

Das Zwischendatensignal R fällt auf die Diode 410 und das Zwischendatensignal S auf die Diode 411 auf. Die beiden Dioden sind über die Leitung 414 in Reihe geschaltet und einer Vorspannung V in Sperrichtung ausgesetzt. Demgemäß bilden die Dioden 410 und 411 ein S-SEED-SR-Flip-Flop. Dieses Flip- Flop erzeugt Ausgangssignalstrahlen 415 und 416, die den Signalen Q bzw. entsprechen. Das Ausgangssignal Q stellt die Exklusiv-ODER-Funktion für die Datensignale A und B dar, das heißt, Q=A+B. Das Ausgangssignal stellt das Komplement des Ausgangssignals Q dar. Man beachte, daß die vorgegebenen Werte für die im UND-Gatter 401 und im ODER-Gatter 402 ver­ wendeten Bezugsschwellenwerte die Erzeugung von Zwischendaten­ signalen RS mit Pegeln ermöglicht, die für das Umschalten des S-R-Flip-Flops von einem Logikzustand in den anderen ausreichen. Die gestrichenen Symbole in Verbindung mit den Logikzu­ ständen "1" und "0" gemäß Fig. 5 haben die oben beschriebene Bedeutung.

Aus der obigen Erläuterung dürfte für den Fachmann klar sein, daß das hier beschriebene programmierbare optische Logikbauteil entweder als spezielles Logikgatter oder pro­ grammierbar betrieben werden kann, wobei die durchgeführte Logikfunktion sich von Zeit zu Zeit ändern kann.

Das programmierbare optische Logikbauteil kann so realisiert werden, daß es im wesentlichen unempfindlich gegen Intensitätsschwankungen der optischen Signale ist, und zwar dadurch, daß die optischen Signale aus der gleichen Quelle ab­ geleitet werden. Die Unempfindlichkeit ergibt sich dann daraus, daß das S-SEED-Bauteil ein Umschalten abhängig vom Verhältnis der Eingangsleistungen und nicht der absoluten Intensität der optischen Eingangssignale durchführt.

Wie oben angegeben, kann das programmierbare optische Logikbauteil zusammen mit anderen Bauteilen einschließlich anderer optischer Bauteile in großen Anordnungen in der Größen­ ordnung von 100×100 unter Verwendung üblicher Herstellungs­ verfahren integriert werden. (Dazu wird verwiesen auf M.E. Prise et al., OSA Topical Meeting on Photonic Switchung (Salt Lake City), paper PDP5 (1989).) Die bekannte Technologie zur Erzeugung solcher Anordnungen ermöglicht eine Nachführung der optischen Leistung zur Verbesserung der Unempfindlichkeit gegen Intensitätsänderungen.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen bestehen weitere Vorteile des programmierbaren optischen Logikbauteils in einer potentiellen zeitsequentiellen Verstärkung ohne kritische Vorspannung unter Verwendung der optischen Taktsignale, einer hohen Verstärkung (niedrige Eingangsleistung gegen hohe Ausgangsleistung) und einer großen Ausgangs­ verzweigung.

Claims (10)

1. Anordnung zur Durchführung einer Booleschen Logikoperation mit einem ersten und zweiten optischen Datensignal

• - mit einer ersten und einer zweiten in Reihe geschalteten Fotodiode (101, 102), wobei die erste und zweite Fotodiode (101, 102) eine Einrichtung mit selbstelektrooptischem Effekt (SEED) bilden und
• - wenigstens die erste Fotodiode (101) eine Halbleiterzone (i) mit einer Quantenmulde aufweist und ein optisches Ausgangssignal (112) mit einem ersten und einem zweiten Pegel erzeugt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Einrichtung (102) zur Erzeugung eines optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) vorgesehen ist, das auf den Eingang der ersten Fotodiode (101) zur Programmierung der von der Anordnung durchgeführten Booleschen Logikoperation auftrifft,
• - daß das aus dem ersten (A, 106) und dem zweiten (B, 108) optischen Datensignal gebildete Summensignal (C, 109) dem Eingang der zweiten Fotodiode (102) zugeführt wird,
• - daß für die Programmierung einer UND-Funktion das Verhältnis der Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) zur Leistung des Summensignals (C, 109) einen vorbestimmten Schwellenwert (T) übersteigt, und
• - daß für die Programmierung einer ODER-Funktion das Verhältnis der Leistung des Summensignals (C) zu der Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) den vorbestimmten Schwellenwert (T) übersteigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, zur Durchführung einer logischen ODER-Operation mit dem ersten (A, 106) und dem zweiten (B, 108) optischen Datensignal, wobei jedes optische Datensignal (A, 106, B, 108) einen ersten Leistungspegel P₀, der einen ersten Logikzustand darstellt, und einen zweiten Leistungspegel P₁ besitzt, der einen zweiten Logikzustand darstellt, und wobei die Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) größer als 2P₀ und kleiner als P₀+P₁ ist, wobei P₁<P₀.

3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) im wesentlichen gleich (2P₀(P₀+P₁))^1/2 ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, zur Durchführung einer logischen UND-Operation mit dem ersten (A, 106) und dem zweiten (B, 108) optischen Datensignal, wobei jedes optische Datensignal (A, 106, B, 108) einen ersten Leistungspegel P₀, der einen ersten Logikzustand darstellt, und einen zweiten Leistungspegel P₁ besitzt, der einen zweiten Logikzustand darstellt, und die Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) größer als P₀ + P₁ und kleiner als 2P₁ ist, wobei P₁ < P₀.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der die Leistung des optischen Bezugsschwellenwertsignals (105) im wesentlichen gleich (2P₁(P₀+P₁))^1/2 ist.

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit ferner einer Einrichtung (107, 113) zum Kombinieren des ersten (A, 106) und zweiten (B, 108) optischen Datensignals zu einem kombinierten Signal (C, 109), das auf die zweite Fotodiode (102) auffällt.

7. Anordnung zur Durchführung einer Booleschen Logikoperation mit einem ersten und zweiten optischen Datensignal

• - mit einer dritten und vierten in Reihe geschalteten Fotodiode (410, 411), wobei die dritte und vierte Fotodiode (410, 411) eine Einrichtung mit selbstelektrooptischem Effekt (SEED) bilden und
• - wenigstens die dritte Fotodiode (410) eine Halbleiterzone (i) mit einer Quantenmulde aufweist und ein optisches Ausgangssignal (415) mit einem ersten und einem zweiten Pegel erzeugt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Durchführung einer Exklusiv-ODER-Funktion
• - das Ausgangssignal (R, 403) einer als UND-Funktion programmierten Anordnung nach Anspruch 1 der dritten Fotodiode (410) zugeführt ist, und
• - daß das Ausgangssignal (S, 404) einer als ODER-Funktion programmierten Anordnung nach Anspruch 1 der vierten Fotodiode (411) zugeführt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, mit ferner einer Einrichtung (113, 107) zum Kombinieren des ersten (A, 405, 407) und zweiten (B, 406, 408) optischen Datensignals zu einem kombinierten Signal.