JP2523244B2 - 光通信論理素子部品 - Google Patents
光通信論理素子部品Info
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/14—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Description
関する。
(以下集約的に、組立体)間の光通信についてはよく知
られている。例えば、米国特許第4,533,833号を
参照されたい。従来、第1組立体、例えば回路板、から
の電気出力は、発光ダイオード(LED)又はレーザの
光出力を変調するのに用いられる。変調された出力は、
第2組立体上の適切な手段、例えばピン接合光検出器、
によって検出され、検出器の電気出力は、上記第2組立
体の入力となる。
とを相互接続して、或る構成では論理AND(論理積)
関数を、別の構成では論理OR(論理和)関数を得るこ
とが、応用物理ジャーナル(Journal of Applied Physi
cs)(第51巻第4号、1919〜1921ページ)に
前に提案されている。
な損失区分を有するレーザが、バーソルド(K.Berthol
d)他の1989年9月9日出願米国特許出願第407,
608号 に開示されている。このレーザは、電気入力
と光出力とを有する論理素子として用いることができ
る。このレーザからは、例えば論理OR関数が得られ
る。
7/601,477号(1990年10月19日出願)
及びリューリの論文(応用物理通信(applied Physics
Letter)第58巻第16号、1727ページ)に、電気
入力と光出力とを有する論理素子に用い得る実空間遷移
発光デバイスが開示されている。このデバイスからは、
新しくかつ有用な関数が得られる。例えば、制御端末へ
の入力信号次第で、このデバイスから論理OR又は論理
NAND(否定論理積)が得られる。電気入力と光出力
とを有する論理素子を、以下、E/O(電気光学)論理
素子と呼ぶこととする。
々の用途、例えば光通信、又はデータ処理での使用が期
待される。概して、論理素子を利用する部品又はシステ
ムは、一つ以上の論理素子の入力が別の論理素子の出力
に応答するように構成された多数の論理素子を有し、こ
れら論理素子うちで、その一つ以上がE/O論理素子で
ある。
論理素子(別のE/O論理素子を含む)との間の通信を
容易にする機構を有することが望ましい。又これらの機
構は、簡単且つ廉価で、顕著な時間遅れのないことが望
ましい。本発明は、他の論理素子と光学的に相互接続さ
れたE/O論理素子からなるこのような光通信論理素子
部品を提供することを目的としている。
も2つの入力チャンネルと1つの出力チャンネルとを有
する回路素子を意味する。したがって、インバータ(そ
の出力は入力の論理逆数)及びバッファ(その出力は入
力に局部的に等しい)は、ここで定義する論理素子では
ない。論理素子は、入力信号を受け入れ、この入力信号
に対して、予め定められた変換を行い、結果として得ら
れる出力信号を出力チャンネルに供給する。
は、AND、OR、NAND、NOR(否定論理和)、
排他的NOR、及び排他的OR素子である。3つ以上の
入力チャンネルを有する論理素子は、2つを除く全ての
入力端末が固定電圧とされている場合には、上記論理関
数のうちの少なくとも1つを有する。
理素子が能動デバイスを1個しか持たない場合、すなわ
ち論理素子の能動部分が2つ以上の能動デバイスに分け
られない場合の論理素子を意味する。したがって、2つ
以上のトランジスタ、ダイオード、レーザ、等からなる
論理素子は、シングルデバイス論理素子ではない。
答して電磁波を放射するデバイスを意味する。この場
合、電磁波の波長は、必ずしも電磁波スペクトルの可視
光線領域の波長とは限らない。
なくとも2つの論理素子であってそれらのうちの少なく
とも1つの論理素子がE/O論理素子(好ましくはシン
グルデバイスE/O論理素子)であるような論理素子か
らなり更に他方の論理素子の入力チャンネル手段のうち
の少なくとも1つへの入力信号が、上記E/O論理素子
の出力信号の関数であるようにさせる手段を有する光通
信論理素子部品である。
も第1及び第2論理素子からなる部品(光通信論理素子
部品)である。これらの論理素子は、電気入力信号を受
信するための入力チャンネル手段とこの入力信号に応答
する出力信号を出力するための出力チャンネル手段とか
らなる多数のチャンネル手段を各々が備えている。これ
らの論理素子のうちの少なくとも第1論理素子は、E/
O論理素子である。
論理素子の入力チャンネル手段に供給するための手段
と、第2論理素子の出力信号に応答する手段と、この第
2論理素子の入力チャンネル手段のうちの少なくとも1
つへの(電気)入力信号が、第1論理素子の(光)出力
信号の関数であるようにさせる手段と、からなる。
のうちの後者の手段は、切換手段であってこの切換手段
の電気的状態が第1論理素子の光出力信号に応答するよ
うな切換手段からなる。すなわち、この切換手段は、第
2論理素子の電気入力のうちの少なくとも1つの電気入
力を決定するものである。又、この切換手段は、第1論
理素子の光出力信号の少なくとも一部がこの切換手段に
入射できるような位置に配置される。
光入力のインバータ又はバッファ関数であるような1つ
以上の素子を表している。このような素子は周知で、例
示すれば、光導体、フォトトランジスタ、又は1つ以上
のトランジスタを集積した少なくとも1つの光検出器か
らなる複合素子である。
論理素子は、シングルデバイス論理素子、例えば、実空
間遷移発光半導体デバイス、好ましくは実空間遷移垂直
空洞面発光レーザである。このような実空間遷移発光半
導体デバイスは、2又は3個の(原理的には3個以上
の)入力チャンネルを有する。例えば、本発明による部
品は、少なくとも2つの基板手段からなり、第1論理素
子が、これらの基板手段のうちの一方の上に位置し、第
2論理素子が、これらの基板手段のうちの他方の上に位
置するように構成される。
素子が、同一基板の互いに反対側において基板上に装着
され、又は基板内に形成されて、光通信が基板を通して
行われるように構成される。すなわち、基板は、第1論
理素子の出力電磁波放射に対してほぼ透明とするか、又
は適切な位置に開口部(アパーチャ)を設ける。
面を参照して説明する。図1は、本発明の装置実施例に
おける関連部分を概略的に示す。符号10及び11はそ
れぞれ第1及び第2論理素子を示す。符号12〜16は
これら2つの論理素子に電気入力を供給する入力手段、
符号17は切換手段、符号18は第2論理素子の出力に
応答する利用手段である。符号12〜15の入力手段
は、例えば通常の論理素子であり、符号16は、定電圧
電源である。
気的状態は、第1論理素子10の出力チャンネルの状態
の関数であり、したがって、入力手段12及び13に属
する入力チャンネルの電気的状態の関数である。第1論
理素子10が2つ以上の入力手段を備えてもよいこと、
又第2論理素子11が通常の論理素子であり且つ、又
は、2つしか入力手段を持たないように構成できること
は明かである。
垂直空洞面発光レーザ(以下、面発光レーザ)を概略的
に示す。この面発光レーザは、実空間遷移デバイスで、
上記の米国特許出願第07/601,477 号に詳細に
述べられている。InP基板20上にはエッチング停止
層21(例えば、p形InGaAs)が設けられ、その
上には下から順に、p形InPコレクタ22、p形In
GaAs活性領域23、不純物不添加InP障壁24、
及びn形InGaAsエミッタ25が設けられている。
の閉込めは、例えばイオン打込みによって不純物添加さ
れたp+領域26によって行われる。p形基板が用いら
れる場合には、コレクタ接点(図示しない)は、ウエー
ハの裏側に配置される。こうすることによって、上記面
発光レーザデバイスの配列に一般のコレクタを用いるこ
とが可能となる。
板を用いる必要がある場合には、p形InPコレクタ2
2の層を、基板上にエピタキシャル成長させ、面発光レ
ーザの側に接する厚い(1μを超える厚さの)高電導性
p形InP層とする。
8及び29は誘電性ミラーである。誘電性ミラー28、
29は、それぞれλ/4光学的厚さを有するSi層及び
SiO2 層の対からなる多数対から構成されている。こ
れらのミラーは、周知で、非常に高い反射率(>99
%)を持たせることが可能である。図2の波形の矢印
は、光出力チャンネルを示す。
ラーのいずれか一方、又は両方さえも通過可能なことは
明かである。後者の場合、デバイスの光学的ファンアウ
ト(出力端末に接続可能な次段の論理素子個数)を2と
し、出力信号が、2つの異なる互いに独立した切換及
び、又は、応答手段に対して、同時に又は予め定められ
た伝搬遅れ時間を置いて入射するように構成できる。
部分を概略的に示す。図3中、符号30及び31はそれ
ぞれ、第1及び第2基板手段である。第1基板手段30
上には、入力手段34、切換手段33、及びE/O論理
素子32が装着されている。これらの素子間の相互接続
は一般に、第1基板手段30上に形成された厚膜、又は
薄膜導体によって行われる。但し、説明を明確にするた
めに、図3及び図4中では、接続線を略図によって示し
てある。
けてある。このアパーチャ39を経て、図示しない外部
手段からの光信号が入力手段33に到達する。入力手段
32の電気的状態は、この外部手段に応答し、その結
果、入力手段32の出力もこの外部手段に応答する。入
力手段32の光出力は、入力手段37とE/O論理素子
35とに電気的に接続されている切換手段36に入射す
る。E/O論理素子35の出力は、第2基板31のアパ
ーチャ39’を通過して利用手段38に入射する。もし
希望するなら、関連する波長の電磁波に対してほぼ透明
な材料を用いてアパーチャ、例えば39、の裏込めを行
うことも可能である。
部分を概略的に示す。図4中、符号40はE/O論理素
子42及び45の出力電磁波に対してほぼ透明な基板手
段である。ここにおいて「ほぼ透明」とは、入射した光
信号のうちのある有効量(例えば、1%を超える量)が
基板手段を通して伝達されること意味する。例えば、基
板手段40は、Si等の半導体ウエーハである。
段からの電気信号に応答する通常の論理素子)がE/O
論理素子42に接続されている。切換手段43がE/O
論理素子42から出力電磁波を受ける。符号44は、入
力手段、例えば定電圧電源である。利用手段46は、E
/O論理素子45から放射された電磁波を受ける。
子に対して入力チャンネルを1つだけしか示してないこ
とを理解されたい。又、図4の基板内通信と図3の基板
間通信との組合せが可能なこと、及び基本的構成に対す
る種々の変更が可能であることは、当業者には明かであ
る。
大規模集積回路(VLSI)チップに類似の、基板上に
集積したモノリシック構造とすることが好ましい。この
ような組立体は、適切な半導体(例えば、InP)基板
の両面上でのエピタキシャル成長過程と、これに続くリ
ソグラフィ処理、メタライゼーション、等の過程によっ
て生産できる。ウエーハの互いに反対の側にある相補構
造の位置合わせは、赤外線顕微鏡の助けを借りることに
よって確実なものとすることができる。
場合のような緊張層式エピタキシャル成長を含み、ウエ
ーハの両面について同時に行わせる方法、又は片面づつ
順次行わせる方法がある。前者の場合には例えば、MO
CVD(有機金属気相成長)法が用いられ、後者の場合
には例えば、MBE(分子線エピタキシャル成長)法が
用いられる。
をn個(n>2)積み重ねることによって拡張させるこ
とができる。例えば発明者は、本発明に基づく装置とし
て、N個のレベル(N≧n)からなるこのような積み上
げ構造の各レベルごとに多数の論理セルが含まれるよう
に構成された、例えば100以上の並行した処理路(パ
ス)を有する大量並行データ処理装置を考えている。
の入力信号について予め定められた論理変換を実行する
1つ以上の論理素子からなる処理ユニットを意味する。
積み重ね構造の或るレベルにあるセル間での論理相互作
用は一般にはないが、このような相互作用の可能性を除
外するものではない。
これに対応するE/O論理素子から光入力を受けると、
1つ以上の論理演算を行い、これによってそのセル内の
E/O論理素子の出力が決まり、このE/O論理素子の
光出力が、そのセルに隣接する高い側のレベル上でこれ
に対応するセルの光入力となる。このようにして、各レ
ベルにおいて、前の層から受けた多数の情報ストリーム
の並行した処理が行われる。
スの寸法がますます小さくなるにつれ、又その結果とし
て、同一チップ上のデバイスの数が増大し続けるにつ
れ、1つのチップに、必要数の入力及び出力チャンネル
を設けるという問題は一層厳しくなりつつある。周知の
ように、従来、入力及び出力接点はチップの周辺部周り
に配置されている。
に無駄に使っているだけでなく、比較的長い導体を頻繁
に用いることから望ましくない伝搬遅れが生じる傾向が
ある。最後に、設計者にとって、数の増え続ける入力及
び出力接点をチップ周辺部周りに配置すること、又、数
の増え続ける導線をチップ内部から周辺部に張り巡らす
ことがますます困難になりつつある。
833号に例示されているような従来技術によるやり方
では一般に、少なくとも原理的にはチップ上のどこにで
も配置できる、発光ダイオード、レーザ、及び光検出器
を用いていた。これらのデバイスはもちろん論理演算を
行わず、組立体の実行する論理関数演算とは無関係の遅
れが生じる。
理素子の出力がチップ表面上のどの点でも得られるだけ
でなく、E/O論理素子が論理演算を行うので遅れが減
少し、このため、上に述べた従来技術による場合の欠点
が軽減されるか又は全く除去される。これらは、本発明
の重要な特長であり、その結果として、チップ間の通信
が改善される。
nPウエーハ上に、2つの入力チャンネルを有するE/
O論理素子(図2に示す形式の面発光レーザ)を形成し
た。電気的バイアスをデバイスに供給できるような接点
を設けた。デバイスの光出力は、波長1.55μm で、
排他的OR真理値表に対応する。
磁波に応答するピンダイオードを装着し、逆バイアス3
Vを加え、p側と接地との間に負荷抵抗を設けた。抵抗
は、ダイオードの逆抵抗値よりもはるかに小さく、且つ
発光ダイオードの抵抗値よりも小さくなるように、そし
てダイオードのp側端子電圧が発光状態と暗黒状態との
間で2V変動するように選んだ。同じく回路板上には、
通常のAND論理素子を装着し、入力端子の1つをダイ
オードのp側端子に接続し、他の入力端子を3Vの直流
電源に接続した。回路板を、E/O論理素子の出力電磁
波がピンダイオードに入射するように配置した。E/O
論理素子の両方の入力が高いか低いか(1か0か)の場
合、AND論理素子の変動入力は約3Vで、出力は高か
った(論理値1)。E/O論理素子の入力の一方が高く
他方が低い場合は、AND論理素子の変動入力は約1V
で、出力は低かった(論理値0)。
ので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の
変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的
範囲に包含される。
通信素子部品の構成素子に論理素子及びE/O論理素子
を用い、第1論理素子の光出力の入射を受けこれに応答
する出力を発生する切換手段を設けたので、E/O論理
素子の出力をチップ表面上のどの位置においても利用で
き又、E/O論理素子が論理演算を行うので情報ストリ
ームの時間遅れを減少させることができる。その結果と
して、チップ間の通信が改善されるので、論理演算を行
わない発光ダイオード、レーザ、光検出器、等を用いる
ために時間遅れの生じる従来技術に対比して有利であ
る。
す概略図である。
面発光レーザを示す概略図である。
略図である。
略図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 a)電気入力信号を受信するための入力
チャンネル手段とこの入力信号に応答する出力信号を出
力するための出力チャンネル手段とからなる多数のチャ
ンネル手段を各々が備えた少なくとも第1及び第2論理
素子と、 b)電気入力信号を前記第1論理素子の前記入力チャン
ネル手段に供給するための手段と、 c)前記第2論理素子の前記出力信号に応答する手段
と、 d)前記第2論理素子の前記入力チャンネル手段のうち
の少なくとも1つの入力チャンネル手段への前記入力信
号が、前記第1論理素子の前記出力信号の関数であるよ
うにさせる手段と、 からなる光通信論理素子部品であって、 e)少なくとも前記第1論理素子の前記出力信号が光信
号であり、 f)前記d)項の手段が、切換手段であってこの切換手
段の電気的状態が、この切換手段に入射する光信号に応
答し、この切換手段が、前記第1論理素子の前記光出力
信号の少なくとも一部がこの切換手段に入射できるよう
な位置にあるように配置された切換手段からなる、こと
を特徴とする光通信論理素子部品。 - 【請求項2】 少なくとも前記第1論理素子が、シング
ルデバイスの論理素子であることを特徴とする請求項1
の部品。 - 【請求項3】 前記シングルデバイスの論理素子が、実
空間遷移発光半導体デバイスからなることを特徴とする
請求項2の部品。 - 【請求項4】 前記実空間遷移発光半導体デバイスが、
3つの入力端末手段からなることを特徴とする請求項3
の部品。 - 【請求項5】 前記切換手段が、光導体、フォトダイオ
ード、又はフォトトランジスタからなることを特徴とす
る請求項1の部品。 - 【請求項6】 前記部品が、少なくとも2つの基板手段
からなり、前記第1論理素子が、これらの基板手段のう
ちの一方の上に位置し、前記第2論理素子が、これらの
基板手段のうちの他方の上に位置する、ことを特徴とす
る請求項1の部品。 - 【請求項7】 少なくとも前記第1論理素子が実空間遷
移垂直空洞面発光レーザであることを特徴とする請求項
6の部品。 - 【請求項8】 前記部品が、2つの主表面を有する1つ
の基板手段からなり、前記第1論理素子が、これらの主
表面のうちの一方の上に位置し、前記第2論理素子と前
記切換手段とが、これらの主表面のうちの他方の上に位
置することを特徴とする請求項1の部品。 - 【請求項9】 前記部品が、2つのほぼ平行な主表面を
有する1つの半導体母材からなり、前記第1論理素子及
び前記第2論理素子がそれぞれこれらの主表面のうちの
一方及び他方からこの半導体母材内へ延伸していること
を特徴とする請求項1の部品。 - 【請求項10】 前記半導体母材が、光信号に対してほ
ぼ透明であることを特徴とする請求項9の部品。 - 【請求項11】 前記部品が、周辺部及び中心部を各々
が備えた第1及び第2マルチデバイス組立体からなり、
これらの第1及び第2マルチデバイス組立体がそれぞ
れ、第1及び第2論理素子からなり、これらの第1及び
第2論理素子の各々が、これらのマルチデバイス組立体
それぞれの前記周辺部よりも前記中心部により近くに位
置することを特徴とする請求項2の部品。 - 【請求項12】 半導体母材の重ね合わせ体を形成する
ように配置されたn(n>2)個の半導体母材を有する
大量並行信号処理手段からなる光通信論理素子部品であ
って、 a)前記母材が各々、入力レベル及び出力レベルを含み
N(N≧n)個の処理レベルに配置された多数の論理セ
ルからなり、 更に、前記論理セルが、 或るレベルにある論理セルが前記或るレベルよりも前記
入力レベルに近いレベルにある論理セルから光入力信号
を受け得るように構成され、そして、又は、 前記或るレベルよりも前記出力レベルに近いレベルにあ
る論理セルに入力信号を与え得るように構成され、 b)前記複数の論理セルが各々、電気入力信号を受信す
るための入力チャンネルとこの入力信号に応答する出力
信号を出力するための出力チャンネルとからなる多数の
チャンネルを各々有する1つ以上の論理素子からなり、 c)前記部品が更に、前記入力レベルにある前記論理セ
ルのうちの少なくともいくつかに対して入力を与えるた
めの手段と、前記出力レベルにある前記論理素子のうち
の少なくともいくつかからの出力に応答する手段とから
なり、 d)前記少なくともいくつかの論理素子からの出力が、
光信号であり、 e)前記論理素子のうちの少なくともいくつかは、切換
手段であってこの切換手段の電気的状態がこの切換手段
に入射する光信号に応答するような切換手段を備え、第
2の論理素子に備えられた前記切換手段に入射する光信
号は、前記第2論理素子よりも前記入力レベルに近いレ
ベルにある論理セルに属する第1論理素子の出力信号で
あり、前記第2論理素子の前記入力チャンネルのうちの
少なくとも1つへの前記入力信号が、前記第1論理素子
の前記出力信号の関数である、ことを特徴とする光通信
論理素子部品。
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