JPH02234135A - 光論理素子 - Google Patents
光論理素子Info
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- JPH02234135A JPH02234135A JP1055343A JP5534389A JPH02234135A JP H02234135 A JPH02234135 A JP H02234135A JP 1055343 A JP1055343 A JP 1055343A JP 5534389 A JP5534389 A JP 5534389A JP H02234135 A JPH02234135 A JP H02234135A
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- Japan
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- light
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- pnpn
- laser diode
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Classifications
-
- 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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- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
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。
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〕
本発明は高光感度である光論理素子に関する。
情報の大容量・高速処理のため光を用いることが期待さ
れ、近年この目的のために集積化の可能な光機能素子の
研究開発が活発に行なわれている。中でも光双安定素子
は光信号処理用デバイスの基本的要素として注目され、
種々の型の素子が提案・検討されている。ここで、光入
出力のインバータとAND素子があれば、それらを組み
合わせることにより原理的にすべての光入出力論理デバ
イスを構成できる。AND素子は種々の型の素子が提案
されているが、インバータについての提案は少なく、そ
の1つに奥村らにより電子通信学会論文誌第J − 6
6 (5)巻、1983年 第393頁〜400頁に
記載されている素子がある。
れ、近年この目的のために集積化の可能な光機能素子の
研究開発が活発に行なわれている。中でも光双安定素子
は光信号処理用デバイスの基本的要素として注目され、
種々の型の素子が提案・検討されている。ここで、光入
出力のインバータとAND素子があれば、それらを組み
合わせることにより原理的にすべての光入出力論理デバ
イスを構成できる。AND素子は種々の型の素子が提案
されているが、インバータについての提案は少なく、そ
の1つに奥村らにより電子通信学会論文誌第J − 6
6 (5)巻、1983年 第393頁〜400頁に
記載されている素子がある。
第5図は従来の光入出力インバータ素子の構成を示して
いる。受光素子1と帰還用発光ダイオード(LED)2
が直列に接続され、受光素子を流れる電流の一部がこの
LED2に流れてその出力光が受光素子1への帰還光つ
として正帰還される構成になっている。
いる。受光素子1と帰還用発光ダイオード(LED)2
が直列に接続され、受光素子を流れる電流の一部がこの
LED2に流れてその出力光が受光素子1への帰還光つ
として正帰還される構成になっている。
このため、この系では光双安定性が生じる。帰還用LE
D.2と光出力用LED3は出力特性が逆になるように
並列に接続されている.抵抗5は出力に飽和特性を持た
せるための抵抗であり、抵抗6は2つの安定状態間で飛
躍を起こすしきい値を変えるための抵抗である.ダイオ
ード4は光出力がOFF状態にあるとき、その光出力を
小さくするために必要なダイオードである. 〔発明が解決しようとする課題〕 上述した従来のインバータ素子では受光素子1に入射さ
れた入力光8により生じた光電流の一部が帰還用LBD
2に流れ帰還光9として受光素子1に正帰還がかかり、
光のフィードバックによって光双安定性が生゛ずる.し
かし受光素子、LED、ダイオード、抵抗と回路構成部
品の種類、数量が多くモノリシック化に多数集積化する
ので複雑となる問題があった.また光の帰還を利用し、
た光双安定であるため集積化には光のアイソレーション
が非常に厳しかった.また入力光8を切ると出力光10
も消えてしまう。そのためインバータ出力時にはいつも
光入力が必要となり面状にインバータ素子をマトリック
ス状に配置して集積化したときには光源による消費パワ
ーが大きくなることや温度上昇の問題があった。
D.2と光出力用LED3は出力特性が逆になるように
並列に接続されている.抵抗5は出力に飽和特性を持た
せるための抵抗であり、抵抗6は2つの安定状態間で飛
躍を起こすしきい値を変えるための抵抗である.ダイオ
ード4は光出力がOFF状態にあるとき、その光出力を
小さくするために必要なダイオードである. 〔発明が解決しようとする課題〕 上述した従来のインバータ素子では受光素子1に入射さ
れた入力光8により生じた光電流の一部が帰還用LBD
2に流れ帰還光9として受光素子1に正帰還がかかり、
光のフィードバックによって光双安定性が生゛ずる.し
かし受光素子、LED、ダイオード、抵抗と回路構成部
品の種類、数量が多くモノリシック化に多数集積化する
ので複雑となる問題があった.また光の帰還を利用し、
た光双安定であるため集積化には光のアイソレーション
が非常に厳しかった.また入力光8を切ると出力光10
も消えてしまう。そのためインバータ出力時にはいつも
光入力が必要となり面状にインバータ素子をマトリック
ス状に配置して集積化したときには光源による消費パワ
ーが大きくなることや温度上昇の問題があった。
本発明の目的は従来技術の問題であった集積化に伴う部
品点数の多さや光アイソレーションの問題と消費パワー
の問題を解決するための光論理素子を提供することにあ
る. 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、レーザダイオードと、光入力によりスイッチ
ングを生ずる光スイッチング素子とを並列接続した構成
の光論理素子がある. 〔作用〕 本発明の光論理素子は光スイッチング素子とレーザダイ
オードだけで構成されるため集積化が容易となる.又、
光帰還を利用しないために光のアイソレーション問題も
考える必要がなくなる。
品点数の多さや光アイソレーションの問題と消費パワー
の問題を解決するための光論理素子を提供することにあ
る. 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、レーザダイオードと、光入力によりスイッチ
ングを生ずる光スイッチング素子とを並列接続した構成
の光論理素子がある. 〔作用〕 本発明の光論理素子は光スイッチング素子とレーザダイ
オードだけで構成されるため集積化が容易となる.又、
光帰還を利用しないために光のアイソレーション問題も
考える必要がなくなる。
また光スイッチング素子の特性であるON状態での保持
機構を利用することにより低い消費パワーでインバータ
動作の保持も実現できる。
機構を利用することにより低い消費パワーでインバータ
動作の保持も実現できる。
第3図及び第4図は光スイッチング素子としてpnpn
構造の光サイリスタ(以下pnpn素子と記す)を用い
たときの双安定性を説明するための図である.第3図は
回路構成図であり第4図は電流一電圧特性図を示す。
構造の光サイリスタ(以下pnpn素子と記す)を用い
たときの双安定性を説明するための図である.第3図は
回路構成図であり第4図は電流一電圧特性図を示す。
pnpn素子28のアノード24に抵抗21、電源20
がそれぞれ直列に接続されている(第3図)、電源20
からアノード24の側に正の電圧を加え光を入射しない
状態で電圧を上昇していくと第4図中に示す入射光なし
の電流一電圧特性26が得られる. 第4図においてSoの電圧のときスイッチングが生じる
.第3図に示す抵抗21と電源20によって決まる負荷
抵抗線22と電流一電圧特性26との交点が動作点とな
るが、電圧を上げていくとA点29からB点30に移る
。入力光8が入射するとpnpn素子28の電流一電圧
特性は第4図の入射光ありの電流一電圧特性27となり
スイッチング電圧VSはSとなる.そこで、第3図の電
源20の電圧をSとSoの間の電圧■,に設定し入力光
8をpnpn素子28に入射すると第4図のC点31か
ら負荷抵抗線23上のD点35に移り、電流が流れる,
pnpn素子は第3図の電源20を■b以下の電圧とす
るまではON状態を保持することができる。
がそれぞれ直列に接続されている(第3図)、電源20
からアノード24の側に正の電圧を加え光を入射しない
状態で電圧を上昇していくと第4図中に示す入射光なし
の電流一電圧特性26が得られる. 第4図においてSoの電圧のときスイッチングが生じる
.第3図に示す抵抗21と電源20によって決まる負荷
抵抗線22と電流一電圧特性26との交点が動作点とな
るが、電圧を上げていくとA点29からB点30に移る
。入力光8が入射するとpnpn素子28の電流一電圧
特性は第4図の入射光ありの電流一電圧特性27となり
スイッチング電圧VSはSとなる.そこで、第3図の電
源20の電圧をSとSoの間の電圧■,に設定し入力光
8をpnpn素子28に入射すると第4図のC点31か
ら負荷抵抗線23上のD点35に移り、電流が流れる,
pnpn素子は第3図の電源20を■b以下の電圧とす
るまではON状態を保持することができる。
以上から分かるようにこの様なpnpn素子では入力光
に伴なってスイッチングを生じ、保持機能も有する特性
が得られる。ON状態は、電圧を保持電圧v l+まで
下げてもpnpn素子内に記憶されている.従ってこの
様にしておけばON状態を光入射を行わず低消費パワー
で保持することが可能となる. インバータ構成、及びその効果については以下実施例で
詳述する。
に伴なってスイッチングを生じ、保持機能も有する特性
が得られる。ON状態は、電圧を保持電圧v l+まで
下げてもpnpn素子内に記憶されている.従ってこの
様にしておけばON状態を光入射を行わず低消費パワー
で保持することが可能となる. インバータ構成、及びその効果については以下実施例で
詳述する。
第1図は本発明の実施例を示す図である。pnpn素子
11は上記に述べた構造を有するpnpn素子であり、
レーザダイオード12のp型電極32とpnpn素子1
1のアノード24が、またレーザダイオード12のn型
電極33とpnpn素子11のカソード25が直接接続
され、抵抗RL15(本実施例ではR2=50Ωとした
)と電源とがさらに直列に接続されている。
11は上記に述べた構造を有するpnpn素子であり、
レーザダイオード12のp型電極32とpnpn素子1
1のアノード24が、またレーザダイオード12のn型
電極33とpnpn素子11のカソード25が直接接続
され、抵抗RL15(本実施例ではR2=50Ωとした
)と電源とがさらに直列に接続されている。
なお、pnpn素子としてはAIGaAs/GaAs系
pnpn素子を用いレーザダイオードとしては発振波長
0.78μmのものを用いたがこの材料系に限られなも
のではない。pnpn素子は光入射のないときにはスイ
ッチング電圧Vs=5V、保持電圧■,=1。5V,ま
たON状態においてvh以上の電圧では5Ωの微分抵抗
を有する。レーザダイオードはビイルトイン電圧Vb=
1.5V、発振しきい電流1. th= 2 0 m
A , V1,以上の電圧では3Ωの微分抵抗を有する
。電源16がら電気パルスを印加する(印加電圧V=3
V)。pnpn素子はスイッチング電圧Vs=5Vのた
めにOFF状態のままであり、レーザダイオードには約
28mAの電流が流れるためにレーザ発振を生『じ出力
光10を発生する。この状態でpnpn素子にスイッチ
ングに充分な入力光8を入射ずる。本実施例に用いたp
npn素子11は1pJの光スイッチングエネルギーを
必要とするために2pJの光量(0.2 mWの光をI
ons)入射した。それにより、p n p n素子1
1はON状態となり電流が流れ出す。そのためレーザダ
イオード12は約17mALか電流が流れなくなり、発
振しきい値電流より小さな電流のなめレーザ発振が止ま
る.以上から入力光8が入射されなければ出力光1oが
放射され、逆に入射光8が入射されると出力光10は放
射されない.これは光のインバータが実現されているこ
とを示している.また電源電圧により負のリセット信号
が印加されるまでは情報を保持し続けるために、入力光
は短時間入射されるだけで良く、光源によるパワー消費
が少なくて済む.以上の例ではpnpn素子とレーザダ
イオードに直列抵抗が接続されておらず、各々を直接接
続した場合の例である.第2図に示す様にpnpn素子
11に直列に抵抗Rl13、レーザダイオード12に直
列にR214を接続したときにも同様な効果がある.一
般には (R2+RpL)(R+.+Rv)(V−Vb)+(R
2+RpL)RL(Vb−Vb)(R2+RpL)(R
+4Rv)+(R++Rv)RL+(R2+RpL)R
t< I th(R2+RpL) ・・・(4
)なる条件を満足する必要がある。上式において■は電
源電圧、Vbはレーザダイオードのビルトイン電圧、R
.Lは負荷抵抗、R2はレーザダイオードに直列に接続
されている抵抗、RFLはレーザダイオードのビルトイ
ン電圧以上での微分抵抗、1thはレーザダイオードの
発振しきい電流、Vhはpnpn素子の保持電圧、■s
はpnpn素子のスイッチング電圧、Rlはpnpn素
子に直列に接続されている抵抗、RVはpnpn素子の
ON状態における保持電圧以上での微分抵抗である。第
1図に示した実施例では、Vb=Vh=1.5■、V=
3V,RL =50Ω、RFL=3Ω、R v = 5
Ω、Vs=5V、I th= 2 0 m A, R1
”’R2=OΩであり、これを式に代入すると、(1)
式は0.028 > 0.02、(2)式は1.5
<1.5♂く5、<3)式は1.5 <1.511、
(4)式は0。6 (0.06となり上記ク1)〜(
4)式を全て満足している。ここで、式(+.)〜(4
)を満足するpnpn素子、レーザダイオード、抵抗で
あれば本発明の効果が得られるために他の規定はしない
。本発明の素子はインバータ以外にもpnpn素子のし
きい特性を用いることにより、入力光を複数個入射させ
ることでNAND’?NORを実現できる。例えば、p
npn素子への複数の入力光の各々の光強度をpnpn
素子のしき値以上とし、各入力光の光強度の総和がしき
い値以上となるようにすればNANDとなる9またpn
pn素子の受光領域とレーザダイオードの発光波長を変
えることで任意の波長の光での光演算,光情報メモリが
実現できる。
pnpn素子を用いレーザダイオードとしては発振波長
0.78μmのものを用いたがこの材料系に限られなも
のではない。pnpn素子は光入射のないときにはスイ
ッチング電圧Vs=5V、保持電圧■,=1。5V,ま
たON状態においてvh以上の電圧では5Ωの微分抵抗
を有する。レーザダイオードはビイルトイン電圧Vb=
1.5V、発振しきい電流1. th= 2 0 m
A , V1,以上の電圧では3Ωの微分抵抗を有する
。電源16がら電気パルスを印加する(印加電圧V=3
V)。pnpn素子はスイッチング電圧Vs=5Vのた
めにOFF状態のままであり、レーザダイオードには約
28mAの電流が流れるためにレーザ発振を生『じ出力
光10を発生する。この状態でpnpn素子にスイッチ
ングに充分な入力光8を入射ずる。本実施例に用いたp
npn素子11は1pJの光スイッチングエネルギーを
必要とするために2pJの光量(0.2 mWの光をI
ons)入射した。それにより、p n p n素子1
1はON状態となり電流が流れ出す。そのためレーザダ
イオード12は約17mALか電流が流れなくなり、発
振しきい値電流より小さな電流のなめレーザ発振が止ま
る.以上から入力光8が入射されなければ出力光1oが
放射され、逆に入射光8が入射されると出力光10は放
射されない.これは光のインバータが実現されているこ
とを示している.また電源電圧により負のリセット信号
が印加されるまでは情報を保持し続けるために、入力光
は短時間入射されるだけで良く、光源によるパワー消費
が少なくて済む.以上の例ではpnpn素子とレーザダ
イオードに直列抵抗が接続されておらず、各々を直接接
続した場合の例である.第2図に示す様にpnpn素子
11に直列に抵抗Rl13、レーザダイオード12に直
列にR214を接続したときにも同様な効果がある.一
般には (R2+RpL)(R+.+Rv)(V−Vb)+(R
2+RpL)RL(Vb−Vb)(R2+RpL)(R
+4Rv)+(R++Rv)RL+(R2+RpL)R
t< I th(R2+RpL) ・・・(4
)なる条件を満足する必要がある。上式において■は電
源電圧、Vbはレーザダイオードのビルトイン電圧、R
.Lは負荷抵抗、R2はレーザダイオードに直列に接続
されている抵抗、RFLはレーザダイオードのビルトイ
ン電圧以上での微分抵抗、1thはレーザダイオードの
発振しきい電流、Vhはpnpn素子の保持電圧、■s
はpnpn素子のスイッチング電圧、Rlはpnpn素
子に直列に接続されている抵抗、RVはpnpn素子の
ON状態における保持電圧以上での微分抵抗である。第
1図に示した実施例では、Vb=Vh=1.5■、V=
3V,RL =50Ω、RFL=3Ω、R v = 5
Ω、Vs=5V、I th= 2 0 m A, R1
”’R2=OΩであり、これを式に代入すると、(1)
式は0.028 > 0.02、(2)式は1.5
<1.5♂く5、<3)式は1.5 <1.511、
(4)式は0。6 (0.06となり上記ク1)〜(
4)式を全て満足している。ここで、式(+.)〜(4
)を満足するpnpn素子、レーザダイオード、抵抗で
あれば本発明の効果が得られるために他の規定はしない
。本発明の素子はインバータ以外にもpnpn素子のし
きい特性を用いることにより、入力光を複数個入射させ
ることでNAND’?NORを実現できる。例えば、p
npn素子への複数の入力光の各々の光強度をpnpn
素子のしき値以上とし、各入力光の光強度の総和がしき
い値以上となるようにすればNANDとなる9またpn
pn素子の受光領域とレーザダイオードの発光波長を変
えることで任意の波長の光での光演算,光情報メモリが
実現できる。
なお、本発明に用いる光スイッチング素子、レーザダイ
オードは特殊なものでなく、従来がらあるものを用いれ
ばよいので具体的な構造等の説明は省略した. 〔発明の効果〕 本実施例では構成部品間の光の帰還を用いていないため
に光のアイソレーションが従来方法に比べ厳密でなくて
も良く、更に動作設計が電圧と抵抗のみで行え、部品数
が少ないため集積化に有利である.またpnpn素子の
保持機能を用いるためなめ光源の光を入射し続けなくも
状態を保持でき光源の消費パワーが少なくてもよい利点
もある. 26・・・入射光のないときのpnpn素子の電流一電
圧特性、27・・・入射光のあるときのpnpn素子の
電圧一電流特性、32・・・p電極、33・・・n電極
.
オードは特殊なものでなく、従来がらあるものを用いれ
ばよいので具体的な構造等の説明は省略した. 〔発明の効果〕 本実施例では構成部品間の光の帰還を用いていないため
に光のアイソレーションが従来方法に比べ厳密でなくて
も良く、更に動作設計が電圧と抵抗のみで行え、部品数
が少ないため集積化に有利である.またpnpn素子の
保持機能を用いるためなめ光源の光を入射し続けなくも
状態を保持でき光源の消費パワーが少なくてもよい利点
もある. 26・・・入射光のないときのpnpn素子の電流一電
圧特性、27・・・入射光のあるときのpnpn素子の
電圧一電流特性、32・・・p電極、33・・・n電極
.
第1図は本発明の実施例の光論理素子の構成図、第2図
は本発明の光論理素子を一般的に説明するために用いた
構成図、第3図はpnpn素子の動作を説明するための
図、第4図は第3図に示したpnpn素子の電圧一電流
特性図、第5図は従来技術による光インバータ素子の構
成図である。
は本発明の光論理素子を一般的に説明するために用いた
構成図、第3図はpnpn素子の動作を説明するための
図、第4図は第3図に示したpnpn素子の電圧一電流
特性図、第5図は従来技術による光インバータ素子の構
成図である。
Claims (1)
- レーザダイオードと、光入力によりスイッチングを生
ずる光スイッチング素子とを並列に接続したことを特徴
とする光論理素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1055343A JPH02234135A (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | 光論理素子 |
US07/489,990 US5059788A (en) | 1989-03-07 | 1990-03-07 | Optical logic device with PNPN detection and laser diode output |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1055343A JPH02234135A (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | 光論理素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02234135A true JPH02234135A (ja) | 1990-09-17 |
Family
ID=12995864
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1055343A Pending JPH02234135A (ja) | 1989-03-07 | 1989-03-07 | 光論理素子 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5059788A (ja) |
JP (1) | JPH02234135A (ja) |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE69130493T2 (de) * | 1990-04-27 | 1999-07-22 | Nec Corp., Tokio/Tokyo | Steuerverfahren und Steueranordnung für eine Halbleiter-PNPN-Vorrichtung |
JPH06508963A (ja) * | 1992-05-05 | 1994-10-06 | アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー | 面発光レーザを組み込んだ能動光論理デバイス |
US5557114A (en) * | 1995-01-12 | 1996-09-17 | International Business Machines Corporation | Optical fet |
JPH09213083A (ja) * | 1996-02-02 | 1997-08-15 | Hamamatsu Photonics Kk | 光メモリ素子 |
US5798520A (en) * | 1996-07-31 | 1998-08-25 | Imec Vzw | Cell for optical-to-electrical signal conversion and amplification, and operation method thereof |
US6462865B1 (en) * | 2001-06-29 | 2002-10-08 | Super Light Wave Corp. | All-optical logic with wired-OR multi-mode-interference combiners and semiconductor-optical-amplifier inverters |
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