JP2628956B2 - 光スイッチ - Google Patents
光スイッチInfo
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- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- light
- photodetector
- pockels
- junction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチに関するも
のであり、詳細には光検出器に電気的に相互接続された
ポッケルス・セルを使用し、光検出器に光が入射すると
ポッケルス・セルに逆バイアスが供給され、これにより
今度は、ポッケルス・セルに入射した光がポッケルス・
セルを透過するようにした光スイッチに関するものであ
る。
のであり、詳細には光検出器に電気的に相互接続された
ポッケルス・セルを使用し、光検出器に光が入射すると
ポッケルス・セルに逆バイアスが供給され、これにより
今度は、ポッケルス・セルに入射した光がポッケルス・
セルを透過するようにした光スイッチに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】情報処理システムにおいて、光通信の使
用が増大している。しかし、光通信の重大な欠点の１つ
は、光データを直接ゲートまたはスイッチする能力であ
る。さらに詳細には、光情報を各接合部、スイッチ、ま
たは論理点で、受信し、電気信号に変換し、操作し、光
信号に再変換する必要がある場合が多い。このため、広
い帯域幅、高速度など、光通信に固有の利点が大幅に減
少する。
用が増大している。しかし、光通信の重大な欠点の１つ
は、光データを直接ゲートまたはスイッチする能力であ
る。さらに詳細には、光情報を各接合部、スイッチ、ま
たは論理点で、受信し、電気信号に変換し、操作し、光
信号に再変換する必要がある場合が多い。このため、広
い帯域幅、高速度など、光通信に固有の利点が大幅に減
少する。
【０００３】論理スイッチングに関する初期の試みは、
米国特許第３０５０６３３号明細書に見られる。この参
考文献の重大な欠点は、実際のスイッチング点で、電気
信号から非電気信号への変換が必要なことである。米国
特許第３１４５３０２号明細書および米国特許第３１５
７７９２号明細書は、そのタスクを実行するために電気
エネルギーから光エネルギーへの変換を必要とする点
で、上記の特許と類似しており、その結果、同様の欠点
を有する。米国特許第３３４８０６４号明細書も、論理
演算が光領域ではなく電気領域で行われる点で、同様の
欠点を有する。
米国特許第３０５０６３３号明細書に見られる。この参
考文献の重大な欠点は、実際のスイッチング点で、電気
信号から非電気信号への変換が必要なことである。米国
特許第３１４５３０２号明細書および米国特許第３１５
７７９２号明細書は、そのタスクを実行するために電気
エネルギーから光エネルギーへの変換を必要とする点
で、上記の特許と類似しており、その結果、同様の欠点
を有する。米国特許第３３４８０６４号明細書も、論理
演算が光領域ではなく電気領域で行われる点で、同様の
欠点を有する。
【０００４】米国特許第３４７０４９１号明細書は、カ
ー・セルを使用することにより、光情報を光領域でスイ
ッチしようと試みている。しかし、カー・セルによるス
イッチングは、高速集積回路には適していず、しかもき
わめて精密な製造技術を必要とし、したがって現在の技
術には適していない。米国特許第３６１１２０７号明細
書には、ポッケルス効果を使用した半導体が開示されて
いる。しかし、この参考文献は、光のスイッチングでは
なく、光の変調のみを扱ったもので、スイッチングにつ
いては教示も示唆もしていない。
ー・セルを使用することにより、光情報を光領域でスイ
ッチしようと試みている。しかし、カー・セルによるス
イッチングは、高速集積回路には適していず、しかもき
わめて精密な製造技術を必要とし、したがって現在の技
術には適していない。米国特許第３６１１２０７号明細
書には、ポッケルス効果を使用した半導体が開示されて
いる。しかし、この参考文献は、光のスイッチングでは
なく、光の変調のみを扱ったもので、スイッチングにつ
いては教示も示唆もしていない。
【０００５】米国特許第３７８１０８１号明細書、米国
特許第３９９５３１１号明細書、および米国特許第４１
２８３００号明細書では、「電極」の使用に外部電界を
必要とする。したがって、これらの必要な電極は、極端
に大きく、製造費が高いため、ＶＬＳＩ製造技術には向
いていない。他の論理スイッチングの試みは、米国特許
第３８１８４５１号明細書に見られる。しかし、この方
法も、デバイスの両端で光エネルギーから電気エネルギ
ーへの変換を必要とする欠点がある。
特許第３９９５３１１号明細書、および米国特許第４１
２８３００号明細書では、「電極」の使用に外部電界を
必要とする。したがって、これらの必要な電極は、極端
に大きく、製造費が高いため、ＶＬＳＩ製造技術には向
いていない。他の論理スイッチングの試みは、米国特許
第３８１８４５１号明細書に見られる。しかし、この方
法も、デバイスの両端で光エネルギーから電気エネルギ
ーへの変換を必要とする欠点がある。
【０００６】米国特許第４０５３７６３号明細書では、
光パルスを効果的に再構成するためにポッケルス・セル
を使用している。しかし、まだ多くの外部デバイスおよ
び光スイッチング素子を必要とし、したがってＶＬＳＩ
製造には不適である。米国特許第４５０６１５１号明細
書は、光に応答するガリウムヒ素電界効果トランジスタ
を使用した複雑な方法を提供し、したがって単に光エネ
ルギー自体をスイッチするのではなく、光電インターフ
ェースを使用している。米国特許第４５５５７８５号明
細書では、同一構造中で光を受信し、発生させることに
より「光スイッチング」を行う集積回路デバイスを使用
している。しかし、このデバイスも、実際に受信した光
エネルギーを単に通過させるのではなく、光を「再変
換」している。同様に、米国特許第４６０６０３２号明
細書のデバイスも、中継器として機能し、したがって上
記の米国特許第４５５５７８５号明細書のデバイスと同
様の欠点を有する。
光パルスを効果的に再構成するためにポッケルス・セル
を使用している。しかし、まだ多くの外部デバイスおよ
び光スイッチング素子を必要とし、したがってＶＬＳＩ
製造には不適である。米国特許第４５０６１５１号明細
書は、光に応答するガリウムヒ素電界効果トランジスタ
を使用した複雑な方法を提供し、したがって単に光エネ
ルギー自体をスイッチするのではなく、光電インターフ
ェースを使用している。米国特許第４５５５７８５号明
細書では、同一構造中で光を受信し、発生させることに
より「光スイッチング」を行う集積回路デバイスを使用
している。しかし、このデバイスも、実際に受信した光
エネルギーを単に通過させるのではなく、光を「再変
換」している。同様に、米国特許第４６０６０３２号明
細書のデバイスも、中継器として機能し、したがって上
記の米国特許第４５５５７８５号明細書のデバイスと同
様の欠点を有する。
【０００７】米国特許第４６７５５１８号明細書のデバ
イスも、光スイッチとして機能するが、受信した実際の
光エネルギーが、スイッチされる光エネルギーではな
く、電気的に再構成される点で、上記の米国特許第４５
５５７８５号明細書のデバイスと同様の欠点を有する。
米国特許第４６８９７９３号明細書では、直接分極スイ
ッチを使用しており、したがって、受信した光をゲート
またはスイッチするのではなく、光学的に経路変更する
もので、分極を変えるために光エネルギーを必要とす
る。米国特許第４７８２２２３号明細書は、ポッケルス
・セルの利点を利用するのではなく、フォトダイオード
を使用する光スイッチに関するものである。米国特許第
４８０２１７５号明細書には、注入電流の値に関して、
入力光の量に関する差動ゲイン特性を有することによ
り、光スイッチングを行うデバイスが開示されている。
したがって、受信した光は実際にスイッチされない。
イスも、光スイッチとして機能するが、受信した実際の
光エネルギーが、スイッチされる光エネルギーではな
く、電気的に再構成される点で、上記の米国特許第４５
５５７８５号明細書のデバイスと同様の欠点を有する。
米国特許第４６８９７９３号明細書では、直接分極スイ
ッチを使用しており、したがって、受信した光をゲート
またはスイッチするのではなく、光学的に経路変更する
もので、分極を変えるために光エネルギーを必要とす
る。米国特許第４７８２２２３号明細書は、ポッケルス
・セルの利点を利用するのではなく、フォトダイオード
を使用する光スイッチに関するものである。米国特許第
４８０２１７５号明細書には、注入電流の値に関して、
入力光の量に関する差動ゲイン特性を有することによ
り、光スイッチングを行うデバイスが開示されている。
したがって、受信した光は実際にスイッチされない。
【０００８】以上のように、上記の方法はすべて光を
「スイッチ」しようとしたものであるが、これらはすべ
て複雑であるか、あるいはスイッチされた光エネルギー
をいずれかの点で電気エネルギーに効果的に変換する必
要がある。
「スイッチ」しようとしたものであるが、これらはすべ
て複雑であるか、あるいはスイッチされた光エネルギー
をいずれかの点で電気エネルギーに効果的に変換する必
要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来は、ポッケルス素
子のバルクに対して該バルク外から電界を印加して、そ
の複屈折特性を切り替えていた。バルク外から電界を印
加するためにバルクの上側に電極を設けてこれに電圧発
生素子からの電圧を印加する。バルクの複屈折特性を正
確に切り替えるためには、電圧発生素子の起電力特性、
バルクと電極との間の絶縁層の厚さ等を設計値通りにし
なければならず、そして、このためには、製造工程中の
各種のパラメータを厳格に制御しなければならないとい
う問題点を生じる。そして、従来は、基板外に外部電源
を設けてここからの電圧を外部電源接続用の電極を介し
てポッケルス素子に印加することが必要であった。
子のバルクに対して該バルク外から電界を印加して、そ
の複屈折特性を切り替えていた。バルク外から電界を印
加するためにバルクの上側に電極を設けてこれに電圧発
生素子からの電圧を印加する。バルクの複屈折特性を正
確に切り替えるためには、電圧発生素子の起電力特性、
バルクと電極との間の絶縁層の厚さ等を設計値通りにし
なければならず、そして、このためには、製造工程中の
各種のパラメータを厳格に制御しなければならないとい
う問題点を生じる。そして、従来は、基板外に外部電源
を設けてここからの電圧を外部電源接続用の電極を介し
てポッケルス素子に印加することが必要であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上述の
問題点を解決し、そしてスイッチされた光を、光エネル
ギーから電気エネルギーに変換する必要のない光スイッ
チを製造することにある。本発明の他の目的は、容易に
集積して小規模および大規模集積回路デバイスにするこ
とのできるデバイスを作成することにある。本発明の他
の目的は、帯域幅が大きく、きわめて高速に光をスイッ
チ出来る能力を有する光スイッチを作成することにあ
る。本発明は、ポッケルス素子内にｐｎ接合を形成し、
このｐｎ接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過
させることにより、ポッケルス素子を内部的に制御する
構成により従来の問題点を解決する。そして、下記の回
路構成を採用した結果、基板内に形成された光検出素子
がトリガ光に応答して、ポッケルス素子に対する逆バイ
アス電圧を発生することができる。従って、従来のよう
に基板外に外部電源を設けてここからの電圧を外部電源
接続用の電極を介してポッケルス素子に印加する必要性
をなくする。本発明に従う基板内に集積された光スイッ
チは、ｐｎ接合を形成するｐ領域及びｎ領域を有し、上
記ｐｎ接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過さ
せるポッケルス素子と、上記ｎ領域に接続された一端及
び上記ｐ領域に接続された他端を有する抵抗素子と、上
記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ領域を
有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上記抵抗
素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素子と、
該光検出素子にトリガ光を選択的に入射する手段とを有
し、上記光検出素子は上記トリガ光を受けとり、上記ポ
ッケルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるよう
に逆バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生
させる電流を該抵抗素子に供給することを特徴とする。
問題点を解決し、そしてスイッチされた光を、光エネル
ギーから電気エネルギーに変換する必要のない光スイッ
チを製造することにある。本発明の他の目的は、容易に
集積して小規模および大規模集積回路デバイスにするこ
とのできるデバイスを作成することにある。本発明の他
の目的は、帯域幅が大きく、きわめて高速に光をスイッ
チ出来る能力を有する光スイッチを作成することにあ
る。本発明は、ポッケルス素子内にｐｎ接合を形成し、
このｐｎ接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過
させることにより、ポッケルス素子を内部的に制御する
構成により従来の問題点を解決する。そして、下記の回
路構成を採用した結果、基板内に形成された光検出素子
がトリガ光に応答して、ポッケルス素子に対する逆バイ
アス電圧を発生することができる。従って、従来のよう
に基板外に外部電源を設けてここからの電圧を外部電源
接続用の電極を介してポッケルス素子に印加する必要性
をなくする。本発明に従う基板内に集積された光スイッ
チは、ｐｎ接合を形成するｐ領域及びｎ領域を有し、上
記ｐｎ接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過さ
せるポッケルス素子と、上記ｎ領域に接続された一端及
び上記ｐ領域に接続された他端を有する抵抗素子と、上
記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ領域を
有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上記抵抗
素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素子と、
該光検出素子にトリガ光を選択的に入射する手段とを有
し、上記光検出素子は上記トリガ光を受けとり、上記ポ
ッケルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるよう
に逆バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生
させる電流を該抵抗素子に供給することを特徴とする。
【００１１】本発明に従う基板内に集積されアンド・ゲ
ートとして働く光スイッチは、ｐｎ接合を形成するｐ領
域及びｎ領域を有し、上記ｐｎ接合が逆バイアスされる
と入力光を出力に通過させるポッケルス素子と、上記ｎ
領域に接続された一端及び上記ｐ領域に接続された他端
を有する抵抗素子と、ｐ領域及びｎ領域をそれぞれ有す
る第１光検出素子及び第２光検出素子であって、上記第
１光検出素子のｐ領域及び上記第２光検出素子のｐ領域
は上記ポッケルス素子のｎ領域及び上記抵抗素子の一端
に接続され、そして上記第１光検出素子のｎ領域及び上
記第２光検出素子のｎ領域は上記ポッケルス素子のｐ領
域及び上記抵抗素子の他端に接続されている上記第１光
検出素子及び上記第２光検出素子と、上記第１光検出素
子及び上記第２光検出素子にそれぞれ第１トリガ光及び
第２トリガ光を選択的に入射する手段とを有し、上記第
１光検出素子及び上記第２光検出素子は、上記第１トリ
ガ光及び上記第２トリガ光をそれぞれ受けとり、上記ポ
ッケルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるよう
に逆バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生
させるに必要な電流値の半分の値の電流をそれぞれ上記
抵抗に供給することを特徴とする。
ートとして働く光スイッチは、ｐｎ接合を形成するｐ領
域及びｎ領域を有し、上記ｐｎ接合が逆バイアスされる
と入力光を出力に通過させるポッケルス素子と、上記ｎ
領域に接続された一端及び上記ｐ領域に接続された他端
を有する抵抗素子と、ｐ領域及びｎ領域をそれぞれ有す
る第１光検出素子及び第２光検出素子であって、上記第
１光検出素子のｐ領域及び上記第２光検出素子のｐ領域
は上記ポッケルス素子のｎ領域及び上記抵抗素子の一端
に接続され、そして上記第１光検出素子のｎ領域及び上
記第２光検出素子のｎ領域は上記ポッケルス素子のｐ領
域及び上記抵抗素子の他端に接続されている上記第１光
検出素子及び上記第２光検出素子と、上記第１光検出素
子及び上記第２光検出素子にそれぞれ第１トリガ光及び
第２トリガ光を選択的に入射する手段とを有し、上記第
１光検出素子及び上記第２光検出素子は、上記第１トリ
ガ光及び上記第２トリガ光をそれぞれ受けとり、上記ポ
ッケルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるよう
に逆バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生
させるに必要な電流値の半分の値の電流をそれぞれ上記
抵抗に供給することを特徴とする。
【００１２】本発明に従う基板内に集積されオア・ゲー
トとして働く光スイッチは、ｐｎ接合を形成するｐ領域
及びｎ領域を有し、逆バイアスされると入力光を出力に
通過させるポッケルス素子と、上記ｎ領域に接続された
一端及び上記ｐ領域に接続された他端を有する抵抗素子
と、上記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ
領域を有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上
記抵抗素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素
子と、該光検出素子に第１のトリガ光若しくは第２のト
リガ光を選択的に入射する第１導波管及び第２導波管と
を有し、上記光検出素子は、上記第１導波管及び第２導
波管の一方からのトリガ光を受けとり、上記ポッケルス
素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるように逆バイ
アスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生させる電
流を上記抵抗素子に供給することを特徴とする。
トとして働く光スイッチは、ｐｎ接合を形成するｐ領域
及びｎ領域を有し、逆バイアスされると入力光を出力に
通過させるポッケルス素子と、上記ｎ領域に接続された
一端及び上記ｐ領域に接続された他端を有する抵抗素子
と、上記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ
領域を有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上
記抵抗素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素
子と、該光検出素子に第１のトリガ光若しくは第２のト
リガ光を選択的に入射する第１導波管及び第２導波管と
を有し、上記光検出素子は、上記第１導波管及び第２導
波管の一方からのトリガ光を受けとり、上記ポッケルス
素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるように逆バイ
アスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生させる電
流を上記抵抗素子に供給することを特徴とする。
【００１３】
【実施例】ポッケルス・セルの理論は学術的に論じられ
ており、たとえば、アムノン・ヤリフ（Amnon Yariv）
著、”Quantum Electronics” 第３版、ウィレイ（Wile
y）社刊、１４章、ｐ．２９８以下に示されている。ポ
ッケルス・セルは、複屈折現象を利用したデバイスであ
る。複屈折物質とは、２つの異なる屈折率を有する物質
である。ポッケルス・セルでは、これら２つの屈折率は
互いに直交している。複屈折の効果は、光が材料中を伝
播する際に光の電界ベクトルの極性を変えることであ
る。複屈折材料の厚みによって屈折率が決まる。すなわ
ち、複屈折材料の厚みがλ／２であれば、電界ベクトル
は９０度回転する。ポッケルス・セルでは、複屈折は両
端間に電位差が印加されたときにのみ生じる。この電界
は、要するにポッケルス・セル中の双極子モーメントを
整列させる。したがって、ポッケルス・セルの両端間に
電位差がない場合は、材料は複屈折性がなく、光はこれ
を透過しない。
ており、たとえば、アムノン・ヤリフ（Amnon Yariv）
著、”Quantum Electronics” 第３版、ウィレイ（Wile
y）社刊、１４章、ｐ．２９８以下に示されている。ポ
ッケルス・セルは、複屈折現象を利用したデバイスであ
る。複屈折物質とは、２つの異なる屈折率を有する物質
である。ポッケルス・セルでは、これら２つの屈折率は
互いに直交している。複屈折の効果は、光が材料中を伝
播する際に光の電界ベクトルの極性を変えることであ
る。複屈折材料の厚みによって屈折率が決まる。すなわ
ち、複屈折材料の厚みがλ／２であれば、電界ベクトル
は９０度回転する。ポッケルス・セルでは、複屈折は両
端間に電位差が印加されたときにのみ生じる。この電界
は、要するにポッケルス・セル中の双極子モーメントを
整列させる。したがって、ポッケルス・セルの両端間に
電位差がない場合は、材料は複屈折性がなく、光はこれ
を透過しない。
【００１４】上述のように、バルク外から電界を印加す
るためにバルクの上側に電極を設けてこれに電圧発生素
子からの電圧を印加する。バルクの複屈折特性を正確に
切り替えるためには、電圧発生素子の起電力特性、バル
クと電極との間の絶縁層の厚さ等を設計値通りにしなけ
ればならず、そして、このためには、製造工程中の各種
のパラメータを厳格に制御しなければならないという問
題点を生じる。
るためにバルクの上側に電極を設けてこれに電圧発生素
子からの電圧を印加する。バルクの複屈折特性を正確に
切り替えるためには、電圧発生素子の起電力特性、バル
クと電極との間の絶縁層の厚さ等を設計値通りにしなけ
ればならず、そして、このためには、製造工程中の各種
のパラメータを厳格に制御しなければならないという問
題点を生じる。
【００１５】これに対して、本願発明は、ポッケルス素
子内にｐｎ接合を形成し、このｐｎ接合を上述のように
逆バイアスすることにより、入力光の出力への通過を制
御することにより、ポッケルス素子を内部的に制御する
のであり、これにより、従来のようなバルク外からの制
御に比べて、より確実な制御を実現するという顕著な作
用効果を奏する。更に、従来のように基板外に外部電源
を設けてここからの電圧を外部電源接続用の電極を介し
てポッケルス素子に印加する必要性をなくするという顕
著な作用効果を奏する。
子内にｐｎ接合を形成し、このｐｎ接合を上述のように
逆バイアスすることにより、入力光の出力への通過を制
御することにより、ポッケルス素子を内部的に制御する
のであり、これにより、従来のようなバルク外からの制
御に比べて、より確実な制御を実現するという顕著な作
用効果を奏する。更に、従来のように基板外に外部電源
を設けてここからの電圧を外部電源接続用の電極を介し
てポッケルス素子に印加する必要性をなくするという顕
著な作用効果を奏する。
【００１６】図１は本発明の基本的光スイッチの概略図
で、この光スイッチを１０で示す。スイッチ１０は、以
下光検出器１４と称する光電子センサと並列なポッケル
ス・セル１２から構成される。ポッケルス・セル１２お
よび光検出器１４と並列に抵抗１６が設けられ、以下に
詳細に説明するように、適切なスイッチング・レベルが
得られたときだけ光がスイッチされるようにするために
使用される。ポッケルス・セル１２および光検出器１４
は、２つのＰＮ接合構造（ＰＩＮ構造も使用可能）で形
成され、本発明の好ましい実施例では、以下に詳細に説
明するようにガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を使用して製造
される。動作中は、トリガ光２２を光検出器１４に当て
ると、バイアス電圧と称する電圧が発生する。この結
果、もちろん抵抗１６中を電子が流れ、その両端間に電
圧を発生させる。光検出器１４は、この電子が流れてい
る間に、ポッケルス・セル１２の両端間に逆バイアス状
態が生成するように構成されている。ポッケルス・セル
１２の両端間にこのような逆バイアスが形成されると、
入力光１８はポッケルス・セル１２を透過することがで
き、スイッチされた光２０として出てくる。このように
して、入力光１８は、トリガ光２２が光検出器１４に入
射したときだけ、ポッケルス・セル１２を透過すること
ができる。トリガ光２２が取り除かれると直ちに、ポッ
ケルス・セル１２の両端間の逆バイアス状態はなくな
り、スイッチ入力光１８は透過できなくなる。したがっ
て、非常に簡単な光スイッチング状態が形成される。本
発明は、ポッケルス・セルの光電効果の精巧さを、フォ
トセルまたはフォトダイオードとともに利用したもので
ある。
で、この光スイッチを１０で示す。スイッチ１０は、以
下光検出器１４と称する光電子センサと並列なポッケル
ス・セル１２から構成される。ポッケルス・セル１２お
よび光検出器１４と並列に抵抗１６が設けられ、以下に
詳細に説明するように、適切なスイッチング・レベルが
得られたときだけ光がスイッチされるようにするために
使用される。ポッケルス・セル１２および光検出器１４
は、２つのＰＮ接合構造（ＰＩＮ構造も使用可能）で形
成され、本発明の好ましい実施例では、以下に詳細に説
明するようにガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を使用して製造
される。動作中は、トリガ光２２を光検出器１４に当て
ると、バイアス電圧と称する電圧が発生する。この結
果、もちろん抵抗１６中を電子が流れ、その両端間に電
圧を発生させる。光検出器１４は、この電子が流れてい
る間に、ポッケルス・セル１２の両端間に逆バイアス状
態が生成するように構成されている。ポッケルス・セル
１２の両端間にこのような逆バイアスが形成されると、
入力光１８はポッケルス・セル１２を透過することがで
き、スイッチされた光２０として出てくる。このように
して、入力光１８は、トリガ光２２が光検出器１４に入
射したときだけ、ポッケルス・セル１２を透過すること
ができる。トリガ光２２が取り除かれると直ちに、ポッ
ケルス・セル１２の両端間の逆バイアス状態はなくな
り、スイッチ入力光１８は透過できなくなる。したがっ
て、非常に簡単な光スイッチング状態が形成される。本
発明は、ポッケルス・セルの光電効果の精巧さを、フォ
トセルまたはフォトダイオードとともに利用したもので
ある。
【００１７】したがって、信号として機能する光検出器
１４の目的は、ポッケルス・セル１２に電界を供給する
ことである。なお、状況によっては、本発明の趣旨およ
び範囲から逸脱することなく、ポッケルス・セル１２に
電界を供給するために光検出器１４の代わりに付随する
回路（図示されていない）を使用することもできる。さ
らに、トリガ光２２は、スイッチされた光２０から分離
されているので、２個の光源１８、２２は完全に独立し
ている。したがって、この両者の間のゲイン装置は完全
に独立し、この点では完全に随意である。このため、様
々な分野、たとえばクランプ／クローバー回路やアバラ
ンシェ型デバイスに利用できる。
１４の目的は、ポッケルス・セル１２に電界を供給する
ことである。なお、状況によっては、本発明の趣旨およ
び範囲から逸脱することなく、ポッケルス・セル１２に
電界を供給するために光検出器１４の代わりに付随する
回路（図示されていない）を使用することもできる。さ
らに、トリガ光２２は、スイッチされた光２０から分離
されているので、２個の光源１８、２２は完全に独立し
ている。したがって、この両者の間のゲイン装置は完全
に独立し、この点では完全に随意である。このため、様
々な分野、たとえばクランプ／クローバー回路やアバラ
ンシェ型デバイスに利用できる。
【００１８】本発明の好ましい実施例では、ポッケルス
・セル１２は、ヘテロ接合材料、好ましくはガリウムヒ
素（ＧａＡｓ）、ガリウム・リン（ＧａＰ）、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（Ｌｉ
ＴａＯ3）で形成する。さらに、光検出器１４は、上述
のように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することな
く、付随する回路でもよく、またフォトダイオード、フ
ォトディテクタ、フォトコンダクタ、フォトトランジス
タ、または同様のデバイスでもよい。図１に示すデバイ
スを通って流れる電流を記述する式は下記のとおりであ
る。
・セル１２は、ヘテロ接合材料、好ましくはガリウムヒ
素（ＧａＡｓ）、ガリウム・リン（ＧａＰ）、ニオブ酸
リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（Ｌｉ
ＴａＯ3）で形成する。さらに、光検出器１４は、上述
のように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することな
く、付随する回路でもよく、またフォトダイオード、フ
ォトディテクタ、フォトコンダクタ、フォトトランジス
タ、または同様のデバイスでもよい。図１に示すデバイ
スを通って流れる電流を記述する式は下記のとおりであ
る。
【００１９】
【数１】
【００２０】
【数２】
【００２１】上式で、 ＩR＝抵抗１６を通る電流 ＩS＝光検出器１４の飽和電流 ｑ＝電子の電荷 Ｖ＝電圧 ｋ＝ボルツマン定数 Ｔ＝絶対温度 ＩL＝光検出器１４が発生する電流 η＝発生する電子空孔対の効率（量子効率という） Ｐｏｐ＝入射光力 ｈ＝プランク定数 ν＝入射光線の周波数 次に、図２を参照して、光スイッチをインバータ２４と
して使用する参考例について説明する。図から分かるよ
うに、インバータ２４の動作は、電源２６を除けば図１
のスイッチ１０の動作と同じである。電源２６の目的
は、ポッケルス・セルの逆バイアスを保持し、したがっ
て「オン」の状態を保持することである。したがって、
ポッケルス・セルの両端間に電位があるため、光は通常
ポッケルス・セルを透過する。しかし、入力光１８が光
検出器１４に当たると、ポッケルス・セル１２に逆バイ
アスがかからなくなり、その結果光はポッケルス・セル
１２を透過しなくなる。逆バイアスは、他の様々な方
法、たとえば、光検出器１４と極性が反対の第２の光検
出器を使用するなどの方法でかけてもよい。このように
して、インバータのゲーティングを実現することができ
る。
して使用する参考例について説明する。図から分かるよ
うに、インバータ２４の動作は、電源２６を除けば図１
のスイッチ１０の動作と同じである。電源２６の目的
は、ポッケルス・セルの逆バイアスを保持し、したがっ
て「オン」の状態を保持することである。したがって、
ポッケルス・セルの両端間に電位があるため、光は通常
ポッケルス・セルを透過する。しかし、入力光１８が光
検出器１４に当たると、ポッケルス・セル１２に逆バイ
アスがかからなくなり、その結果光はポッケルス・セル
１２を透過しなくなる。逆バイアスは、他の様々な方
法、たとえば、光検出器１４と極性が反対の第２の光検
出器を使用するなどの方法でかけてもよい。このように
して、インバータのゲーティングを実現することができ
る。
【００２２】次に、図３を参照して、本発明の光スイッ
チをＡＮＤゲート２８として使用する場合について説明
する。図から容易に分かるように、ゲート２８は、２個
の光検出器１４を使用することを除けば、図１の光スイ
ッチ１０と同じである。光検出器はそれぞれ、ポッケル
ス・セル１２を適正に逆バイアスするために、抵抗１６
の両端間に十分な電圧降下を与えるのに必要な電流の半
分だけを供給するように作成されている。したがって、
入射光１８がスイッチ光２０としてポッケルスセルから
出るようにポッケルス・セル１２を正しく完全にバイア
スするには、論理入力光”Ａ”３０と、論理入力光”
Ｂ”３２の両方が存在しなければならない（”ＡＮＤ”
構成）。別法として、１方の光（たとえば”Ａ”）だけ
が光検出器１４に入射したとき、抵抗１６両端間の電圧
降下が、したがってバイアス状態がポッケルス・セル１
２をバイアスするには不十分となるように、抵抗１６の
値を調節することもできる。その後は、光”Ａ”が存在
し、光”Ｂ”が導入される限り、抵抗１６を通る電流が
十分に増大し、これにより抵抗１６両端間の電圧降下に
よって、ポッケルス・セル１２の両端間に適正なバイア
ス電圧が発生し、光がポッケルス・セル１２を透過でき
るようになる。他の変更態様は、単に単一の検出器１４
を使用するもので、すべての論理ＡＮＤ入力からの全光
エネルギーがすべて検出器１４に衝突して初めて、必要
な電流ＩLが発生するように作成されている。
チをＡＮＤゲート２８として使用する場合について説明
する。図から容易に分かるように、ゲート２８は、２個
の光検出器１４を使用することを除けば、図１の光スイ
ッチ１０と同じである。光検出器はそれぞれ、ポッケル
ス・セル１２を適正に逆バイアスするために、抵抗１６
の両端間に十分な電圧降下を与えるのに必要な電流の半
分だけを供給するように作成されている。したがって、
入射光１８がスイッチ光２０としてポッケルスセルから
出るようにポッケルス・セル１２を正しく完全にバイア
スするには、論理入力光”Ａ”３０と、論理入力光”
Ｂ”３２の両方が存在しなければならない（”ＡＮＤ”
構成）。別法として、１方の光（たとえば”Ａ”）だけ
が光検出器１４に入射したとき、抵抗１６両端間の電圧
降下が、したがってバイアス状態がポッケルス・セル１
２をバイアスするには不十分となるように、抵抗１６の
値を調節することもできる。その後は、光”Ａ”が存在
し、光”Ｂ”が導入される限り、抵抗１６を通る電流が
十分に増大し、これにより抵抗１６両端間の電圧降下に
よって、ポッケルス・セル１２の両端間に適正なバイア
ス電圧が発生し、光がポッケルス・セル１２を透過でき
るようになる。他の変更態様は、単に単一の検出器１４
を使用するもので、すべての論理ＡＮＤ入力からの全光
エネルギーがすべて検出器１４に衝突して初めて、必要
な電流ＩLが発生するように作成されている。
【００２３】次に、図４を参照して、本発明の光スイッ
チをＯＲゲート３４として使用する場合について説明す
る。図から分かるように、この場合も、ＯＲゲート３４
の動作は、「ファンイン」導波管３６を追加したことを
除けば、図１の光スイッチ１０と同じである。この導波
管３６は、論理入力光”Ａ”３０と論理入力光”Ｂ”３
２が通過して、光検出器１４に入射できるようにする。
このようにして、入力光”Ａ ＯＲ Ｂ”３０、３２
が、図１に関して説明したのとほぼ同様にして、ポッケ
ルス・セル１２中での光の透過を許したり、抑制したり
する。
チをＯＲゲート３４として使用する場合について説明す
る。図から分かるように、この場合も、ＯＲゲート３４
の動作は、「ファンイン」導波管３６を追加したことを
除けば、図１の光スイッチ１０と同じである。この導波
管３６は、論理入力光”Ａ”３０と論理入力光”Ｂ”３
２が通過して、光検出器１４に入射できるようにする。
このようにして、入力光”Ａ ＯＲ Ｂ”３０、３２
が、図１に関して説明したのとほぼ同様にして、ポッケ
ルス・セル１２中での光の透過を許したり、抑制したり
する。
【００２４】次に、図５に、図示のように基板内に集積
されている図１のスイッチ１０全体の水平方向の幾何形
状の平面図を示す。図３及び図４の回路も同様にして基
板内に集積される。本発明の好ましい実施例ではＧａＡ
ｓを使用する。図６、図７、図８は、それぞれ図５の水
平方向の幾何形状の６−６、７−７、８−８に沿って切
断した断面図を示す。これらの図で、スイッチ１０の各
部分の方向は、たとえばディープ・トレンチ（ＤＴ）、
導波管（ＷＧ）のように示してある。本発明の好ましい
実施例では、導波管の材料は二酸化シリコンＳｉＯ2で
あることが好ましい。これらの図には、ドーパント材料
Ｎ+、Ｐ+、およびＰも示してある。ただし、本発明の趣
旨および範囲から逸脱することなく、他の種類の絶縁体
も使用できる。さらに、これらのデバイスは、本発明の
趣旨および範囲から逸脱することなく、不純物を含まな
い絶縁性材料（Ｉ）を使用せずに製造することもでき
る。
されている図１のスイッチ１０全体の水平方向の幾何形
状の平面図を示す。図３及び図４の回路も同様にして基
板内に集積される。本発明の好ましい実施例ではＧａＡ
ｓを使用する。図６、図７、図８は、それぞれ図５の水
平方向の幾何形状の６−６、７−７、８−８に沿って切
断した断面図を示す。これらの図で、スイッチ１０の各
部分の方向は、たとえばディープ・トレンチ（ＤＴ）、
導波管（ＷＧ）のように示してある。本発明の好ましい
実施例では、導波管の材料は二酸化シリコンＳｉＯ2で
あることが好ましい。これらの図には、ドーパント材料
Ｎ+、Ｐ+、およびＰも示してある。ただし、本発明の趣
旨および範囲から逸脱することなく、他の種類の絶縁体
も使用できる。さらに、これらのデバイスは、本発明の
趣旨および範囲から逸脱することなく、不純物を含まな
い絶縁性材料（Ｉ）を使用せずに製造することもでき
る。
【００２５】本発明の趣旨および範囲から逸脱すること
なく、本発明の様々な変更態様を実施することができ
る。たとえば、本発明の趣旨および範囲から逸脱するこ
となく、他の種類のデバイス製造の幾何形状を使用して
もよい。さらに、排他的ＯＲ、ＮＯＲなどいくつかの種
類の論理ゲートも、本発明の趣旨および範囲から逸脱す
ることなく、実施できる。また、導波管を変更または省
略することもできる。
なく、本発明の様々な変更態様を実施することができ
る。たとえば、本発明の趣旨および範囲から逸脱するこ
となく、他の種類のデバイス製造の幾何形状を使用して
もよい。さらに、排他的ＯＲ、ＮＯＲなどいくつかの種
類の論理ゲートも、本発明の趣旨および範囲から逸脱す
ることなく、実施できる。また、導波管を変更または省
略することもできる。
【００２６】
【発明の効果】本願発明は、ポッケルス素子内にｐｎ接
合を形成し、このｐｎ接合を上述のように逆バイアスし
て、入力光の出力への通過を制御することにより、ポッ
ケルス素子を内部的に制御するのであり、これにより、
従来のようなバルク外からの制御に比べて、より確実な
制御を実現するという顕著な作用効果を奏するものであ
る。又、本発明によれば、光エネルギーを電気エネルギ
ーに変換することなくスイッチできる光スイッチを実現
することができる。
合を形成し、このｐｎ接合を上述のように逆バイアスし
て、入力光の出力への通過を制御することにより、ポッ
ケルス素子を内部的に制御するのであり、これにより、
従来のようなバルク外からの制御に比べて、より確実な
制御を実現するという顕著な作用効果を奏するものであ
る。又、本発明によれば、光エネルギーを電気エネルギ
ーに変換することなくスイッチできる光スイッチを実現
することができる。
【図１】本発明の基本的光スイッチの概略図である。
【図２】インバータ・モードで動作する本発明の光スイ
ッチの概略図である。
ッチの概略図である。
【図３】ＡＮＤ回路として機能する本発明の光スイッチ
の概略図である。
の概略図である。
【図４】ＯＲ回路として動作する本発明の光スイッチの
概略図である。
概略図である。
【図５】本発明の光スイッチの水平方向の幾何形状を示
す図である。
す図である。
【図６】図５の平面図を切断した断面図である。
【図７】図５の平面図を切断した断面図である。
【図８】図５の平面図を切断した断面図である。
Claims (3)
- 【請求項１】基板内に集積された光スイッチにおいて、 ｐｎ接合を形成するｐ領域及びｎ領域を有し、上記ｐｎ
接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過させるポ
ッケルス素子と、 上記ｎ領域に接続された一端及び上記ｐ領域に接続され
た他端を有する抵抗素子と、 上記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ領域
を有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上記抵
抗素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素子
と、 該光検出素子にトリガ光を選択的に入射する手段とを有
し、 上記光検出素子は上記トリガ光を受けとり、上記ポッケ
ルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させるように逆
バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生させ
る電流を該抵抗素子に供給することを特徴とする上記光
スイッチ。 - 【請求項２】基板内に集積されアンド・ゲートとして働
く光スイッチにおいて、 ｐｎ接合を形成するｐ領域及びｎ領域を有し、上記ｐｎ
接合が逆バイアスされると入力光を出力に通過させるポ
ッケルス素子と、 上記ｎ領域に接続された一端及び上記ｐ領域に接続され
た他端を有する抵抗素子と、 ｐ領域及びｎ領域をそれぞれ有する第１光検出素子及び
第２光検出素子であって、上記第１光検出素子のｐ領域
及び上記第２光検出素子のｐ領域は上記ポッケルス素子
のｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続され、そして上
記第１光検出素子のｎ領域及び上記第２光検出素子のｎ
領域は上記ポッケルス素子のｐ領域及び上記抵抗素子の
他端に接続されている上記第１光検出素子及び上記第２
光検出素子と、 上記第１光検出素子及び上記第２光検出素子にそれぞれ
第１トリガ光及び第２トリガ光を選択的に入射する手段
とを有し、 上記第１光検出素子及び上記第２光検出素子は、上記第
１トリガ光及び上記第２トリガ光をそれぞれ受けとり、
上記ポッケルス素子のｐｎ接合を上記入力光を通過させ
るように逆バイアスする電圧降下を上記抵抗素子の両端
に発生させるに必要な電流値の半分の値の電流をそれぞ
れ上記抵抗に供給することを特徴とする上記光スイッ
チ。 - 【請求項３】基板内に集積されオア・ゲートとして働く
光スイッチにおいて、 ｐｎ接合を形成するｐ領域及びｎ領域を有し、逆バイア
スされると入力光を出力に通過させるポッケルス素子
と、 上記ｎ領域に接続された一端及び上記ｐ領域に接続され
た他端を有する抵抗素子と、 上記ｎ領域及び上記抵抗素子の一端に接続されたｐ領域
を有し、そして上記ポッケルス素子のｐ領域及び上記抵
抗素子の他端に接続されたｎ領域を有する光検出素子
と、 該光検出素子に第１のトリガ光若しくは第２のトリガ光
を選択的に入射する第１導波管及び第２導波管とを有
し、 上記光検出素子は、上記第１導波管及び第２導波管の一
方からのトリガ光を受けとり、上記ポッケルス素子のｐ
ｎ接合を上記入力光を通過させるように逆バイアスする
電圧降下を上記抵抗素子の両端に発生させる電流を上記
抵抗素子に供給することを特徴とする上記光スイッチ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US662689 | 1991-03-01 | ||
| US07/662,689 US5130528A (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Opto-photo-electric switch |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0588122A JPH0588122A (ja) | 1993-04-09 |
| JP2628956B2 true JP2628956B2 (ja) | 1997-07-09 |
Family
ID=24658774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4321092A Expired - Lifetime JP2628956B2 (ja) | 1991-03-01 | 1992-02-28 | 光スイッチ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5130528A (ja) |
| EP (1) | EP0501904A3 (ja) |
| JP (1) | JP2628956B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996039221A1 (en) * | 1995-06-06 | 1996-12-12 | Vincent Chow | Multi-phasic microphotodiode retinal implant and adaptive imaging retinal stimulation system |
| US5895415A (en) * | 1995-06-06 | 1999-04-20 | Optobionics Corporation | Multi-phasic microphotodiode retinal implant and adaptive imaging retinal stimulation system |
| US5837995A (en) | 1996-11-25 | 1998-11-17 | Alan Y. Chow | Wavelength-controllable voltage-phase photodiode optoelectronic switch ("opsistor") |
| CA2274666A1 (en) * | 1997-11-26 | 1999-06-03 | Alan Y. Chow | Optoelectric voltage-phase switch using photodiodes |
| US6389317B1 (en) | 2000-03-31 | 2002-05-14 | Optobionics Corporation | Multi-phasic microphotodetector retinal implant with variable voltage and current capability |
| US20040039401A1 (en) * | 2000-03-31 | 2004-02-26 | Chow Alan Y. | Implant instrument |
| US6427087B1 (en) * | 2000-05-04 | 2002-07-30 | Optobionics Corporation | Artificial retina device with stimulating and ground return electrodes disposed on opposite sides of the neuroretina and method of attachment |
| US6574022B2 (en) | 2001-03-19 | 2003-06-03 | Alan Y. Chow | Integral differential optical signal receiver |
| US6759945B2 (en) * | 2001-03-29 | 2004-07-06 | Vtec Technologies, Inc. | Variable transmittance birefringent device |
| US7037943B2 (en) | 2001-04-10 | 2006-05-02 | Optobionics Corporation | Retinal treatment method |
| US20050033202A1 (en) * | 2001-06-29 | 2005-02-10 | Chow Alan Y. | Mechanically activated objects for treatment of degenerative retinal disease |
| US20050004625A1 (en) * | 2001-06-29 | 2005-01-06 | Chow Alan Y. | Treatment of degenerative retinal disease via electrical stimulation of surface structures |
| US7031776B2 (en) | 2001-06-29 | 2006-04-18 | Optobionics | Methods for improving damaged retinal cell function |
| US7264982B2 (en) * | 2004-11-01 | 2007-09-04 | International Business Machines Corporation | Trench photodetector |
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| US10326038B2 (en) | 2017-11-02 | 2019-06-18 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Three-dimensional co-axial linear photonic switch |
Family Cites Families (39)
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|---|---|---|---|---|
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