JPH01248143A

JPH01248143A - 光論理回路

Info

Publication number: JPH01248143A
Application number: JP7725988A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takamura; 高村　孝士
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-03-30
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1989-10-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、光論理演算等に用いられる光論理回路に関す
る。

［従来の技術］従来、光論理回路で否定論理（ＮＯＴ）特性を持つもの
は、オープラスイー（Ｏｐｌｕｇ　Ｅ）　１９８８年２
月号に記されているように光シェタルク効果を用いて透
過率の波長特性を可変とし、ＮＯＴを作る方法が知られ
ていた。

【発明が解決しようとする課題１しかしながら、光シュタルク効果による透過率の波長特
性のシフト量はせいぜいｌｎｍであるため、光源波長は
±０．１ｎｍが必要とされるが、この精度は、通常の半
導体レーザでは困難であり、分布帰還型半導体レーザ（
ＤＦＢレーザ）等を温度制御をかけて用いるような半導
体レーザとして得られる最高級の安定度をもつものでも
十分な性能を得ることができなかった。

そこで本発明は従来のこのような問題点を解決するため
、駆動の容易な否定論理を作れる光論理回路を得ること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］上記問題点を解決するため、本発明の光論理回路は、量
子井戸構造を持つ半導体レーザと、前記半導体レーザを
量子準位の基底状態で発振させる手段と、高次の量子準
位にキャリアを励起するエネルギーを前記半導体レーザ
の活性層に注入する手段と、前記半導体レーザの出力光
を光の波長により選別した後、光強度を検出する手段と
を有することを特徴とする。

〔作　用］第４図を用いて本発明の詳細な説明する。

第４図はＧａＡｓ活性層４０２を厚さ１０ｎｍとした単
一量子井戸レーザのバンド図である。

今、ｎ−Ａｌ　　Ｏ，３Ｇａ　Ｏ，７Ａｓ　　４０１ク
ラツド層とＰ−ＡＩ　　Ｏ，３Ｇａ　　Ｏ，７Ａｓ４０
３クラツド層からキャリアを注入していくとＧａＡｓ活
性層４０２では量子準位ｎ＝１にキャリアの蓄積が起り
、ｎ＝１に対応したエネルギーを持つレーザ光が出射さ
れる。

この状態で光注入などの手段によりｎ＝２の量子準位に
キャリアを励起するとｎ＝２の量子準位に対応したエネ
ルギーをもつレーザ光も出射される。

そして、−度ｎ＝２の量子準位に対応したレーザ発振が
生じると、半導体レーザのモード競合の性質により、ｎ
＝１の準位での発振は抑圧される。

ここで、回折格子等によりｎ＝１の準位に対応した出力
のみを分離し検出すると、光入力が入った時に光出力が
消滅するという否定論理が得られる。

［実　施　例］以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

（実施例−１）本発明の第１の実施例として、単一量子井戸構造を持つ
半導体レーザと回折格子を用いた光論理回路について述
べる。

第１図において、単一量子井戸（ＳＱＷ）レーザ１０３
は基底準位では８４０ｎｍ、次の準位では８１０ｎｍで
発振するように作られている。

ここでは活性層膜厚１０ｎｍのＧａＡｓ、クラッド層に
はＡＩ　　０．３　　Ｇａ　Ｏ４７Ａｓを用いた埋め込
み型の半導体レーザを用いた。

また、変調用半導体レーザ１０１は８１０ｎｍで発振す
るように活性層にＡ　１　０．０７　Ｇａ　Ｏ，９３Ａ
ｓの組成を持つ半導体レーザを用いた。

また、集光レンズ１０２はＳＱＷレーザ１０３と変調用
半導体レーザ１０１とを効率よく光結合させるためのも
のであり、集光レンズ１０４は回折格子１０５とＳＱＷ
レーザ１０３とを光結合させるためのものである。

そして回折格子１０５で回折された光はフォトダイオー
ド１０６により検出される。この回折格子１０５は８４
０ｎｍの光が入射したとき、フォトダイオード１０６に
光が入射するように調整してお（。

次に、動作について説明を行なう。

変調用レーザ１０１を停止しておき、ＳＱＷレーザ１０
３のみを動作させると、基底準位にょるレーザ発振が生
じ、フォトダイオード１０６により光出力が検出される
。

次に、変調用レーザ１０１を発振させると、ＳＱＷレー
ザ１０３は基底準位の８４０ｎｍから次の準位の８１０
ｎｍの発振が生じ、モード競合により８４０ｎｍの発振
出力は消え、回折格子１゜５を通してのフォトダイオー
ド１０６への出力は消える。

また、変調用レーザ１０１を停止するとＳＱＷレーザ１
０３は基底準位の発振に戻り、フォトダイオード１０６
へ光出力が検出される。

つまり、純光学的に否定論理が出力することができるわ
けである。

また、回折団子１０５の調整を変更すれば、正論理を出
力することもできる。

また、もう１つフォトダイオードを使い、８１０ｎｍの
回折光と８４０ｎｍの回折光を同時に受けると、否定論
理と正論理を同時に出力することもできる。

（実施例−２）本発明の第２の実施例として、高次量子準位にキャリア
を励起する手段として電流注入を用いた光論理回路につ
いて第２図を用いて説明する。

第２図において、ＳＱＷレーザ２０１は集光しンズ２０
２を通し回折格子２０３で回折され、フォトダイオード
２０４により集光される。

なお、ＳＱＷレーザの特性は実施例−１で述べたものと
同一のものであり、基底準位で８４００ｍ、次の準位で
は８１０ｎｍで発振するものである。

また、回折格子２０３はＳＱＷレーザ２０１が８４０ｎ
ｍで発振した時にフォトダイオード２０４に入射するよ
うに調整しである。

まず、ＳＱＷレーザ２０１に電流注入し、基底準位で発
振させるとフォトダイオード２０４には光出力が検出さ
れる。

次に、ＳＱＷレーザ２０１に注入している電流値をさら
に増加すると、ＳＱＷレーザ２０１の基底準位の利得が
飽和し、８１０ｎｍの発振が生じ、モード選択により８
４０ｎｍの発振は停止する。

そのため、回折格子２０３により回折されて導かれるフ
ォトダイオード２０４への光出力はなくなる。

つまり電気信号で高人力のとき、光出力で低出力が実現
され、否定論理が得られる。

この場合、通常のトランジスタ・トランジスタ・ロジッ
ク（ＴＴＬ）などと大きく異なる点は、キャリアの蓄積
や走行時間によるスイッチング速度の制限がなく、通常
のＴＴＬ等で限界とされる５００ｐｓに対して１０倍以
上高速である５０ｐｓ以下でのスイッチングが行なえる
ことである。

これは、スイッチングが完全に量子力学的な遷移確率に
よってのみ生じるからであり、通常の半導体レーザの注
入電流による光強度変調が注入キャリアの緩和時間によ
り１０００ｐｓ　（ＩｎＳ）＜らいで制限されてしまう
のに対し、非常に扁速な電流−光変調が行なわれている
。

（実施例−３）本発明の第３の実施例として、多入力型の光論理回路に
ついて第３図を用いて説明する。

第３図において、ＳＱＷレーザ３０１．３０２．３０３
は駆動電流変調により８１０ｎｍまたは８４０ｎｍのい
ずれかの波長で発振している。

この波長変化は実施例−２で述べたものと同じ機構によ
る。

また、ＳＱＷレーザ３１０は他の励起がない時は８４０
ｎｍで発振している。

また、集光レンズ３０４．３０５．３０６．３０７．３
０８はレーザ光の広がりを制御するためのものである。

そしてビームスプリッタ３０９．３１１はレーザ光を加
算するためのものである。

また、フィルター３１２はフォトダイオード３１３に入
射されるレーザ光のうち、波長８１０ｎｍの光を遮断す
るためのものである。

次に、この論理について説明する。８４０ｎｍでの発振
と８１０ｎｍでの発振をそれぞれ論理の“ｌ”と“０”
に対応させる。

そしてＳＱレーザ３０１の論理レベルを“Ａ”としＳＱ
Ｗレーザ３０２．３０３の論理レベルをそれぞれ“Ｂ”
、”Ｃ”とする。

するとビームスブリック３０９の光出力はＡとＢの和と
なる。

よってＳＱＷレーザ３１０の光出力はＡとＢが共に“１
”　（発振波長８４０　ｎｍ）のとき“１“を出力する
。

つまりＡｎＢがここで得られる。

そしてビームスプリッタ３１１の光出力はＳＱＷレーザ
３１０と３０３の光出力の和となる。

そして、フィルタ３１２を通した後のフォトダイオード
３１３での光出力はＡｎＢまたはＣが“１”　（発振波
長８４０ｎｍ）のとき“１”を出力する。

つまりＡｎＢＵＣが出力として得られ、複雑な論理演算
を純光学的に行なうことができることとなる。

なお、実施例−１，２，３ではＡＩ　Ｇｓ　Ａｓ系ＳＱ
Ｗレーザを用いた場合について説明したが、これはもち
ろんＩｎ　Ａｓ　Ｐ　　系など他のＩＩＩ　−Ｖ族化合
物半導体混晶を用いた量子井戸構造を用いてもよい。

また、多重量子井戸構造のものを用いても同様の効果を
有する。

また、受光素子にフォトダイオードを用いなくとも、例
えば次の光論理回路に接続してもよく、光信号を検出す
るものであればよい。

また、集光レンズ等の光学系は必ずとも用いる必要はな
く、光導波路などの他の完結合方であっても十分な機能
を果す。

また、通常不要であるが、光安定度を要求するときには
光アイソレータや光減衰器を用いてもよい。

また、回折格子やフィルタを用いずに、光信号に対する
出力が波長依存性をもつようなセンサ、例えば本発明の
光論理回路に直接入射してもよいことはもちろんである
。

［発明の効果］本発明の光論理回路は以下に示すような効果を有する。

（１）否定論理を含めて、全論理を純光学的に行なうこ
とができる。

そのため、従来の電子回路では実現困難であつた並列演
算を行なうことができ、画像処理や３次元空間認識など
の高等な情報処理回路が得られる。

また、光信号処理は電気信号処理に比べ、浮遊容量や配
線間のインダクタンスの影響を受けることがなく、また
外部の静電誘導の影響も受けないため、誤動作が生じに
くくなる。

また、光電子集積回路（ＯＥ　Ｉ　Ｃ）と違い、電子配
線を用いて論理回路を形成する必要はなく、設計自由度
が極めて向上する。

（ＩＩ）論理振幅が数１０ｎｍと大きくとることができ
る。

そのため、従来光論理回路では必要不可欠であった光ア
イソレータや恒温槽の必要がなく、従来の電子部品同様
の取り扱いをすることができるようになった。

また、回折格子などの高分解能を有する波長選別器を用
いずとも、通常のフィルタなどで十分な性能が得られ、
機械的安定度（光学系位置ずれ）が飛躍的に増大した。

（ＩＩＩ）！予力学的遷移確率のみで応答速度が制限さ
れているため、５０ｐｓの超高速演算が行なえる。

そのため、従来ジョセフソン素子を用いても成し得なか
った超高速演算が行な＾る。

また、電気配線を用いないため、配線による遅れが生じ
ず、さらに高速化が望める。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる実施例−１を説明するための光
論理回路図である。第２図は本発明にかかる実施例−２を説明するための光
論理回路図である。第３図は本発明にかかる実施例−３を説明するための光
論理回路図である。第４図は本発明の詳細な説明するためのバンド図である
。ｌｏｌ・・・変調用半導体レーザ１０３・・・単一量子井戸（ＳＱＷ）レーザ１０２、１
０４・・・集光レンズ１０５・・・回折格子１０６・・・フォトダイオード２０１　・　・・ＳＱＷレーザ２０２・・・集光レンズ２０３・・・回折格子２０４・・・フォトダイオード３０１．３０２．３０３．３１０・　・・ＳＱＷレーザ３０４．３０５．３０６．３０７．３０８・・・集光レ
ンズ３０９．３１１・・・ビームスプリッタ３１２・・・フィルタ３１３・・・フォトダイオード４０１　・・・ｎ　−ＡｌＯ，３ＧａＯ，７Ａｓクラッ
ド層４０２・・−Ｇａｋｓ活性層４０３　・・・Ｐ　−ＡｌＧ、３　ＧａＯ，７Ａｓクラ
ッド層／ρ６ ÷２１

Claims

【特許請求の範囲】

量子井戸構造を持つ半導体レーザと、前記半導体レーザ
を量子準位の基底状態で発振させる手段と、高次の量子
準位にキャリアを励起するエネルギーを前記半導体レー
ザの活性層に注入する手段と、前記半導体レーザの出力
光を光の波長により選別した後、光強度を検出する手段
とを有することを特徴とする光論理回路。