JPH02186328A - 集積電子・光学的演算・論理装置およびその製造方法 - Google Patents

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ｊ 本発明は一般に光情報処理、特に並列光論理およびｅｉ
算動作を行なうための集積電子・光学的クロスバ−装置
に関する。

［従来技術］ 情報キャリアが光子である光学回路と、キャリアが電子
である電子回路との間には根本的な相違がある。前者の
場合はキャリアが相互作用せず、一方後者はそれを行な
う。これは、光学装置において電子ハードウェアと共に
存在しない相互接続の可能な構造、特にデジタル演算お
よび論理動作が完全に並列に１ステツプ処理で実行され
ることを可能にする相互接続された並列構造が存在する
ことを意味する。入力がオンにされた後、光子が装置を
通過するのに要する時間で出力が現れる。

もっと速い計算時間は可能ではない。

Ｆａｌｋ他による米国特許出願第０１９，７８１号明細
書には、余りの演算を使用することによって上記の１ス
テツプ処理を実行する光クロスバ−演算・論理装置が記
載されている。余りの演算は”キャリー°動作を持たな
い。すなわち表示中の各゛ビット°はその他のものから
独立している。余剰演算において、数を表わす各“ビッ
ト“は第１の番号がその位置に対応する数のモジューロ
のｌＯ進数値であり、基数と呼ばれる。

上記の米国特許出願明細書に記載されている光学クロス
バ−演算・論理装置は交差領域を限定するように配列さ
れた光の交差された光路を使用し、それぞれ真値表また
は論理表入力に対応する。各交差領域における光の強さ
は、２単位の光度が各交差部分にあるかどうかを決定し
、特定の論理状態を示すために検出される。

［発明の解決すべき課題］ 効率を最大にし、光学クロスバ−演算・論理装置の寸法
を減少するために、光学クロスバ−演算・論理装置の導
波体および電子検出器は単一の集結電子・光学チップに
形成されることが望ましい。

しかしながら、電子音光学チップを構成する際に、電子
供給源、検出器およびトランジスタの構成に望ましい材
料特性が質のよい導波体に必要な特性と正反対であると
いう問題が生じる。

したがって、本発明の目的は集積電子・光学装置および
その製造方法を提（ｊ（することである。

さらに、本発明の目的は並列の光学論理および演算動作
を実行する集積電子・光学装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的はスルーブツト遅延が等化され
る集縫電子・光学装置を提供することである。

〔課題解決のための手段］ これらおよびその他の目的は、光学基体および電気能動
基体を有する集結電子・光学装置を提供する本発明によ
って達成される。光導波体は光学基体の表面上に設けら
れ、−力検出器および供給源のような能動装置は電気能
動基体中に形成される。２つの基体は単一チップ装置を
形成するように合体される。

特に、本発明は所望のパターンで形成される複数の光学
導波体を有する光学基体を含み、光導波体は複数の交差
領域を形成するように互に交差し、複数の別々に付勢可
能な光源の数は導波体の数に対応し、付勢された光源は
実行されるべき所望の演算または論理動作の入力に対応
し、電気能動基体は複数の交差領域に対応する複数の電
子・光学検出器および出力端子を有し、各検出器は対応
した交差領域から光を受光するためにその近くに位置さ
れ、検出器はそれぞれ所望の演算または論理動作の演算
または論理出力を供給するために電気能動基体の出力端
子に接続されている集積電子・光学演算・論理装置を提
供する。

本発明のその他の目的および利点は以下の説明および図
面を参照することにより明らかになるであろう。

［実施Ｎ］ 第１図を参照すると、米国特許出願第Ｉ９，７８１号明
細書に記載されているような、４×４個のＡＬＵを使用
する光クロスバ−演算・論理装置（ＡＬＵ）の基本的概
念が示されている。チャンネル１からの入力１００およ
びチャンネル２がらの入力２００は、参照番号３００で
示された領域で交差するように光路１０１および２０１
において光をそれぞれ伝送する。入力１００および２０
０は直接的または間接的に光路１０１および２０１のそ
れぞれに結合された光源を含んでもよい。したがって、
交差領域３００における光度のレベルは２単位光に等し
い。

それに比較すると、交差領域８０１および３０２で検出
される光度のレベルはたった１単位の光であり、交差領
域３０３で検出される光度のレベルはゼロである。

第２図および第３図において、実現され得る可能な真値
表のいくつかの例が示されている。第２ａ図および第２
ｂ図は、それぞれアンドおよび排他的オアの表である標
準的ブーリアン（Ｂｏｏｌｅａｎ　）代数に関連した２
レベルの種類の論理表の例を示す。第２Ｃ図は多数値論
理表の例、特に基数３の余りの加算表を示す。キャリー
動作の欠如は明らかであり、余りの加算の並列処理を可
能にする。第３ａ図は基数５の乗算表を示し、第３ｂ図
はここで参照されている文献（ＲｅｓＩｄｕｅＡｒｌＬ
ｈｍｅＬＩｃ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　ＡｐｐＨｃａ口ｏｎｓ
　ｔｏ　Ｃｏ５ｐｕｔｅｒＴｅｅｈｒ＋ｏｌｏｇｙ、　
？グローヒル社、ニューヨー１゜１９７７年）において
５ｚａｂｏおよびＴａｎａｋａにより論じられたように
、減少された（ゼロが除去されることにより）表が置換
を経てどのように非対角線的にされることができるかを
示す。これらの表は、全ての可能なマルチレベ゛ルの論
理表が同様の方法で構成され得ることが明らかであると
きにだけ示される例である。

光クロスバ−技術を使用してこれらの表の全てを評価す
る装置は、本発明にしたがって集積電子・光学チップの
形態で構成されることができる。

前述されたように、本発明による電子・光学チップは、
光導波体用ものと能動装置用の少なくとも２個の別々の
基体を含む。光導波体は光が導波体から結合されて電子
基体中の能動検出器に供給される所望の交差領域に光信
号を伝送する。

交差領域における光結合を実行するために種々の方法が
使用されてもよい。例えば、第４ａ図および第４ｂ図に
示されているように導波体から検出器への光を散乱する
ために交差領域で散乱パッチが使用されることができる
。第４ａ図に示された第１のタイプの散乱パッチは化学
的エツチングによって光導波体の表面を粗くすることに
よって生成される。粗い表面は光をほとんど等方的に散
乱し、散乱パッチの上方に位置された検出器は散乱され
た光の約半分を収集する。さらに化学的エツチング処理
の詳細は、Ｒ，１，ＭａｃＤｏｎａｌｄ他による文献（
Ｉｌｙｂｒｌｄ　０ｐｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｌｃ　Ｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄＣｌｒｃｕｉｔ　、応用光学、Ｖｏｌ
、２Ｂ、　Ｎｏ、５．８４２乃至８４４　ｒｆ　（１９
１１７年）　）　ｌ：記Ａｌｎテイル。

第４ｂ図に示されているように、インデクス格子のよう
な成形された表面もまた導波体からの光を結合するため
に散乱パッチとして使用されることができる。インデク
ス格子の製造は化学的エツチング技術を使用するよりも
いくぶん難しいが、光は好ましい方向に導波体を外れて
より高い収集効率をもたらす。第４Ｃ図において、検出
器が導波体に非常に近接して位置される別の結合技術が
示されている。エバネセント（ｅＶａｎｔ３ｓｅｎｔ　
）結合により、ある光はそれが吸収される検出器の中に
漏入することができる。この結合技術は発生する（１ミ
クロン以下で）結合に対してもっと近い公差を必要とし
、したがって化学的エツチング技術よりもさらに製造が
困難である。光結合を実行するその他の可能な技術は当
業者に容易に明らかになるであろう。光学基体へのおよ
びそれからの光の結合に関しては、Ｔ、ＴａｍＩｒによ
る文献（Ｔｏｐｉｃｓ　Ｉｎ　ＡｐｐＨｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ、　ＩｎｔｅｇｒａｒａｄＯｐｔｉｃｓ、　Ｖｏ
ｌ、７．　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、　Ｎ、Ｙ
、　（１９７５年））にさらに詳細に示されている。

第５ａ図乃至第５Ｃ図を参照すると、本発明によるモジ
ューロ３の加算を実行することができる集積電子・光学
チップが示されており、光学基体ｌＯおよび電気能動基
体１２を有する。交差する垂直導波体１４および水平導
波体１Ｂの組が光学基体ＩＯの表面上に形成される。単
一モードまたはマルチモードのいずれかの導波体が可能
である。３個の垂直導波体Ｉ４は１組の入力（０，１，
２と付されている）に対応し、３個の水平導波体１Ｂは
第２組の人力（０，１，２と付されている）に対応する
。

一般に、垂直および水平導波体の個数はそれぞれＮ（Ｉ
！Ｉであり、Ｎは実行されるべき余りの数の計算または
多数値論理に対して重要な基数、である。

上記の技術の１つによって形成された散乱パッチ１８は
垂直および水平導波体中４および１Ｂの交差部分に位置
される。複数の導波体１４および１０は、電気能動基体
１２に設けられた光源２０の間隔に対応するように間隔
を付けられている。光源２０は垂直および水平導波体１
４および１６に入力光信号を供給し、受信されたデータ
入力に基づいて駆動回路２１によって選択的に付勢され
る。検出器２２のアレイはまた電気能動基体１２に設け
られ、散乱パッチＩ８に対応するように整列される。各
検出器２２は増幅器２ＩＩ（第６図参照）、および対応
する垂直および水平導波体からの光が検出器２２の中に
散乱されたときだけトリガーされるしきい回路２４に接
続されている。各しきい回路２４からの出力信号は対応
する出力端子２５に供給される。

光学基体１０は、例えばＵＶキユアリングエポキシによ
って電気能動基体■２の頂部に付着されるので、散乱パ
ッチ１Ｂは検出器２２の近くに整列される。

したがって、第５ａ図の光学基体１０は裏返して第５ｂ
図に示された電気能動基体１２上に位置される。

散乱パッチを使用することが好ましいが、本発明はまた
検出器が導波体１４および１６の交差領域の近くに位置
されるエバネセント結合により実現されてもよい。

第６図において、光学基体へのおよびそれからの結合に
関してさらに詳細に示されている。光源２０は電気能動
基体１２のリッジ２Ｂ上に設けられたエツジ放射光源で
あるため、光源２０は導波体中に効果的に結合する正し
い高さにある。リッジ２６はペース基体を堆積するか、
或はリッジを形成するようにベース基体をエツチングす
ることによって形成されてもよいことが容易に理解され
るであろう。

散乱パッチ１８のからの散乱光は、ＦＥＴ増幅器２８に
直接的に接続されるＰＩＮ型検比検出器２２って検出さ
れる。？ｆ５５　ｂ図のモジューロ３の加算におけるし
きい回路２４（ｆｆｉ６図には示されていない）は、付
勢されている光源２０の１つに対応した或はいずれにも
対応しない検出器２２によって受信された光度の第１の
レベルと、２個の付勢された光源２０に対応した光度の
第２のレベルとを識別するように機能する。

図面に示されたこれら特定のものの他に別の構造的配置
が本発明にしたがって提供されるこ己ができる。例えば
、分離した遠隔光源を設け（基体１２の部分ではない）
、光フアイバ導波体により導波体に遠隔光源を結合する
ことによって、垂直および水平導波体中に光源２０から
の光を結合する別の手段が設けられてもよい。しきい回
路２４および駆動回路２１はまた電気能動基体１２中に
集結されるか、または遠隔装置として設けられてもよい
。さらに第５ｂ図に示された接続パターンはモジューロ
３の加算に対するものであるが、上記からモジューロ３
の加算とは別の演算および論理装置が集結電子・光学チ
ップとして形成されてもよいことが容易に明らかになる
であろう。単一の電気能動基体１２の代りに多数の′ｔ
ｓ気能動四体が使用されてもよい。例えば、２個の線形
光源アレイおよび分離した検出器アレイが別々の基体に
形成され、集積装置を形成するために光学基体１ｏと結
合されてもよい。第５ｂ図および第５ｃ図における破線
Ｘはこれらの分離した基体およびそれらの結合点を示す
。

本発明による演算・論理装置の第２の実施例（モジュー
ロ３）が第７図に示されている。この実施例において、
２組の光導波体３０および３２は光学基体３４の表面上
に設けられている。光は第５ｂ図および第６図を参照し
て上述したの同じ方法で導波体３０および３２中に結合
されることができる。

導波体３０はエツジ法線（Ｎ）から角度θで位置され、
導波体３２はエツジ法線（Ｎ）から角度−θで位置され
ている。光導波体３０および３２の交差部分が電気導体
の間に存在するように、共通平面に配置された電気導体
３Ｂの組は法線（Ｎ）に平行に電気能動基体（示されて
いない）上に位置される。

電圧（Ｖ）は８対の導体３Ｇの一方の端部間に供給され
る。

第８図には、交差領域がさらに詳細に示されている。散
乱パッチ３Ｂは交差点の直ぐ下流の各光導波体上に形成
される。２個の検出器３８は、導波体３０および３２上
に設けられた散乱パッチ、３６と直接的に隣接するよう
に能動基体上に配置される。レオンバーガーによる文献
（ＡｐｐＨｃａｔｆｏｒ＋ｓ　ｏｒ　ＩｎＰＰｈｏｔｏ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　５ｗ１ｔｃｈｅｓ、　５ＰＩＥ
　Ｖｏｆ、２７２旧ｇｈＳｐｅｅｄ　Ｐｈｏｔｏｄｅｔ
ｅｃｔｏｒｓ　（１９８１年））に記載され、この明細
書で参照されているＩｎＰ光導電スイッチが検出器３８
として使用されてもよい。光が両方の検出器に同時に現
れたときにのみ直列の抵抗が単に低くなるように、検出
器３８は直列接続されている。低い抵抗が発生したとき
、電気導体に沿ってパルスを両方向に伝播する電気導体
が短絡される。ｆ方に伝播するパルスは所望の出力信号
を構成する。上方に伝播するパルスは、装置の次の動作
が実行されることができる前に基体の端部に到達しなけ
ればならない。モジュール３１を有する典型的な装置お
よび交差点間の５０ミクロンの間隔に対して、約５ピコ
秒の待機時間が生じる。

第５図に示された実施例に対する第６図の実施例の利点
は、処理遅延が等しくされることができることである。

ＣＯ８θが光伝播速度に対する電子のそれの比に等しい
場合、出力は同時に、光源がオンにされることには無関
係に到達する。

本発明は特定の実施例に関連して説明されているが、そ
れに制限されるものではなく、当業者には多数の変更お
よび修正が容品に明らかになるであろう。したがって、
本発明は特許請求の範囲の各請求項の範囲内において特
に説明された以外の方法により実現されてもよいことが
理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光クロスバ−演算・論理装置の基本概念を示す
。 第２ａ図乃至第２ｃ図は、第１図に示された光クロスバ
−演算・論理装置により達成されることができる可能な
真値表の例を示す。 第３ａ図および第３ｂ図は、それぞれ基数５の余りの乗
算表およびその置換を示す。 第４ａ図乃至第４ｃ図は、導波体交差領域と検出器の間
の光結合を行う種々の技術を示す。 第５ａ図乃至第５ｃ図は、本発明による集積電子・光学
装置の第１の実施例を示し、特に第５ａ図は導波体を形
成された光学基体の平面図であり、第５ｂ図は複数の光
源および検出器を形成された２Ｉ気能動基体の上面図を
示し、第５ｃ図は電気能動基体に結合された光学基体の
第５ａ図および第５ｂ図のラインａ−ａにおける断面図
である。 第６図は、第５ｃ図に示された装置の光源、導波体およ
び検出器の間における光結合を示す。 第７図は本発明による集積電子・光学装置の第２の実施
例を示す。 第８図は、第７図に示された集積電子・光学装置の交差
領域を詳細に示す。 １０、３４・・・光学基体、１２・・・電気能動基体、
１４・・・垂直導波体、ｌト・・水平導波体、１．８．
３８・・・散乱パッチ、２０・・・光源、２２．３８・
・・検出器、２８・・・増幅器、２１・・・駆動回路、
２４・・・しきい回路、２６・・・リッジ、３６・・・
電気導体。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ。 ！ ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ｂ ＦＩＧ。 Ｃ ＦＩＧ、６ 手 続 有ｎ 正 書（方式） ％式％ 、事件の表示 特願平１−１８２３６６号 、補正をする者 名称 ザ・ボーイング・カンパニ 平成１年１０月３１日

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）ａ）複数の交差領域を形成するように互いに交差
   し、所望のパターンで形成された複数の光導波体を有す
   る光学基体と、 ｂ）実行されるべき所望の演算または論理動作の入力に
   対応し、前記導波体の数に対応した個数の複数の別々に
   付勢可能な光源と、 ｃ）前記対応した導波体に前記複数の光源からの光を結
   合する手段と、 ｄ）前記複数の交差領域に対応した複数の電子・光学検
   出器および複数の出力端子を有する電気能動基体とを具
   備し、各検出器は前記対応した交差領域から光を受光す
   るためにその近くに位置され、前記検出器はそれぞれ前
   記所望の演算または論理動作の演算または論理出力を供
   給するために回路中で前記電気能動基体の前記出力端子
   に接続されている集積電子・光学的演算・論理装置。
2. （２）前記複数の導波体は交差領域のアレイを形成する
   ように垂直および水平に配列されている請求項１記載の
   集積電子・光学装置。
3. （３）前記電気能動基体はリッジを有し、そこに前記複
   数の光源が位置されている請求項１記載の集積電子・光
   学装置。
4. （４）前記光源はエッジ放射装置である請求項３記載の
   集積電子・光学装置。
5. （５）前記複数の検出器はそれぞれＦＥＴ増幅器に結合
   されたＰＩＮダイオードを含む請求項１記載の集積電子
   ・光学装置。
6. （６）前記複数の交差領域が電気導体対の第１と第２の
   電気導体の間に位置されるように、前記電気能動基体上
   に形成された前記第１および第２の電気導体の対を含み
   、前記複数の検出器はそれぞれ前記電気導体対の前記第
   １および第２の電気導体の間に直列接続されている１対
   の光検出器を含む請求項１記載の集積電子・光学装置。
7. （７）前記複数の導波体は第１および第２のグループ中
   に配列され、前記第１のグループは前記電子・光学装置
   の垂直軸から角度θで配列され、前記第２のグループは
   前記垂直軸から角度−θで配列され、θの余弦値は前記
   複数の導波体中の光伝播速度に対する前記電気導体対中
   の電子伝播速度の比に等しい請求項６記載の集積電子・
   光学装置。
8. （８）前記光学基体の表面上の前記交差領域に位置され
   た散乱パッチを含む請求項１または６記載の集積電子・
   光学装置。
9. （９）ａ）所定のモジュラスであるＮに対応する数の第
   １および第２の複数の光源と、 ｂ）前記所定のモジュラスである第１の数のモジューロ
   の余りに対応した前記第１の複数の光源の第１のものを
   付勢する手段と、 ｃ）前記所定のモジュラスである第２の数のモジューロ
   の余りに対応した前記第２の複数の光源の第２のものを
   付勢する手段と、 ｄ）電気能動基体に結合され、交差領域において互いに
   交差するように前記光源の前記第１および第２の付勢さ
   れたものからの光を導く手段を含む光学基体と、 ｅ）前記交差領域での光度を検出し、電気能動基体中に
   形成されている光検出器を具備している電気能動基体と
   、 ｆ）１）第１の状態は光度の第１のレベルが前記光源の
   前記第１および第２の付勢されたものの一方だけから検
   出手段に伝送された光またはいずれも伝送されなかった
   結果として検出されたものであり、 ２）第２の状態は光度の第２のレベルが前記光源の前記
   第１および第２の付勢された両方から検出手段に伝送さ
   れた光の結果から検出されたものであり、前記第１と第
   ２の状態が演算動作の出力状態を示す、前記交差領域に
   おいて識別するため前記電気能動基体に形成された識別
   手段とを含む余りの演算で演算動作を実行する装置。
10. （１０）前記電気能動基体は前記光源が位置されている
    リッジを含み、前記光源はエッジ放射装置を含む請求項
    ９記載の装置。
11. （１１）光を導く前記手段は前記光学基体上に形成され
    た光導波体を含む請求項９記載の装置。
12. （１２）前記検出手段は前記導波体の交差点に対応する
    前記導波体中に形成された散乱パッチを含む請求項１１
    記載の装置。
13. （１３）前記識別手段は電子しきい回路を含む請求項９
    記載の装置。
14. （１４）前記交差領域が電気導体対の第１および第２の
    電気導体の間に位置されるように、前記電気能動基体上
    に形成された第１および第２の電気導体の対を含み、前
    記光検出器はそれぞれ前記電気導体対の前記第１および
    第２の電気導体の間に直列に接続されている１対の検出
    素子を含む請求項１１記載の装置。
15. （１５）前記導波体は第１および第２のグループ中に配
    列され、前記第１のグループは前記装置の垂直軸から角
    度θで配列され、前記第２のグループは前記垂直軸から
    角度−θで配列され、θの余弦値は前記導波体中の光伝
    播速度に対する前記電気導体対中の電子伝播速度の比に
    等しい請求項１４記載の装置。
16. （１６）前記光学基体の表面上の前記交差領域に位置さ
    れた散乱パッチを含む請求項１４記載の装置。
17. （１７）ａ）複数の交差領域を形成するように互いに交
    差する複数の光導波体を光学基体上に所望のパターンで
    形成し、 ｂ）電気能動基体上に（１）実行されるべき所望の演算
    または論理動作の入力に対応し、前記導波体の数に対応
    した個数の複数の別々に付勢可能な光源と、（２）前記
    複数の交差領域に対応した複数の電子・光学検出器と、
    （３）複数の出力端子とを形成し、前記検出器はそれぞ
    れ前記所望の演算または論理動作の演算または論理出力
    を供給するために前記電気能動基体の前記出力端子に接
    続されており、 ｃ）前記検出器が前記対応した交差領域から光を受光す
    るためにその近くに位置されるように前記電気能動基体
    に前記光学基体を接着するステップを含む集積電子・光
    学的演算・論理装置を製造する方法。
18. （１８）前記光学基体はＵＶキュアリングエポキシによ
    り前記電気能動基体に接着されている請求項１７記載の
    方法。
19. （１９）ステップ（ｂ）は前記電気能動基体中にリッジ
    を形成するステップを含み、前記光源は前記リッジに形
    成される請求項１８記載の方法。