JPH0413120A - 光双安定フリップ・フロップ装置 - 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〕 本発明は、光信号による情報の処理に関し、特に、半導
体素子を備える光論理及び光信号スイッチング装置に関
する。

〔従来の技術〕

米国特許第４，３８２，６６０号は、「光トランジスタ
及びそれを使用した論理回路」として、制御信号の伝播
方向に垂直に設置した光学媒体を通過する光束を、光信
号で制御する手段を記載している。

この「光学」装置は、入力信号の強度を増加させること
ができる。かかる光スィッチの主用途は、論理回路、光
学的マルチバイブレータ、パルス発生器、スイッチング
装置である。

しかし、マルチバイブレータの創作には、２個あるいは
それ以上の基本的な光スィッチに結合された光学回路の
開発を必要とし、さらには、光学媒体として誘電体又は
半導体の薄膜を使用する場合には、それらの装置に共振
システムの性質が使用されないために、高レベルの制御
信号を必要とする。

米国特許第３，８１３，６０５号の「非線形光学装置」
は、本質的な技術内容が特許の装置とほぼ類似したもの
であり、ミラーの間に設置した媒体の吸収率の飽和段階
と、媒体の屈折率の関係を明らかにし得るようにしたも
のである。媒体の特性の制御は、共振特性を示すファブ
リ・ペロ干渉計に生じる輝度である光ポンプ放射によっ
て行われる。この装置の利点は、作動が高速であり、小
型で、ポンプ出力ビームと情報入力ビームとを分離しか
つ一致させるチャンネルを制御できることである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述従来装置には、以下のような問題がある。

第２の信号が欠如していること。

ポンプ出力ビームの変動による透過率の制御を要するこ
と。

装置の初期同調値の調節が不可能であること。

本発明は、これらの問題を解決し得る、光チャンネルを
フリップ・フロップ・モードで切換え、１つの独立した
チャンネルにおける光パルスの光制御を実現し、かつ、
作動速度を向上した光双安定フリップ・フロップ装置を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述目的を達成するために、本発明は、以下のとおりに
構成される。

半導体結晶素子（１）及びミラー（３）で構成したファ
ブリ・ペロ干渉計よりなる光双安定フリップ・フロップ
装置であって、 １個におけるｎ＋領領域他方のｐ＋領領域を透明電極と
した、２個のｐ＋−ν−ｎ　！−素子を、逆極性として
直列に２個の電源（ε１、ε２）に接続し、一方の素子
のｐ＋領領域７）と他方の素子のｎ＋領領域６）とを、
電気的に接続する中間点を、抵抗（Ｒ）を介して電源（
ε１．εりに接続したことを特徴とする光双安定フリッ
プ・フロップ装置。

〔作　用〕

半導体結晶素子によってファブリ・ペロ干渉計を構成し
、２個のｐｌ−ν−ｎ＋素子のｐ′″領域又はｎ＋領領
域制御光パルスが交互に入射すると、２個の素子を通過
する光のチャンネルが交互に開閉する、光フリップ・フ
ロップ装置で、「光−光」ヒステリシス特性により、印
加電圧が変化して電界強度が変化した場合に、ファブリ
・ペロ干渉計の共振同調性に及ぼす影響を、小さくする
ことができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の双安定フリップ・フロップ装置を示
し、ｐ＋−ν−ｎ＋構造で、ν領域がキャリヤをなくし
た領域（２）である２個の単結晶（１）と、２個のミラ
ー（３）とから構成される装置の中央部は、抵抗（Ｐ）
を介して電源（ε、）及び　（ε、）に接続しである。

単結晶（１）は、透明電極であるｎ＋領領域４）及びｐ
＋領領域５）と、同じく領域（６）及び（７）を備えて
いる。

装置の作動を説明するために、光双安定効果のいくつか
の重要な特徴を知っておく必要がある。

周知のように、光電結晶素子に供給する電圧は、電界効
果のもとて屈折率を変化させることにより、双安定特性
の形式を決定し、増幅特性を２価のヒステリシス特性に
変化させる。この考察において、２つの安定度を持つ「
光−光」ヒステリシス特性は、重要な意味がある。共振
器が同調不良であると、光双安定ヒステリシス特性に極
端な角度（φ°）が現われることでも、明らかである。

物理的には、この角度は、（ファブリ・ペロ干渉計の場
合には）ミラーの透過率に関連するフィードバックの程
度、及び干渉媒体の非線形屈折率（ｎ、）の値によって
決定される。

光双安定の場合、干渉計を共振させる同調調整は、屈折
率と、干渉計に記憶された光放射の効果（■。）による
干渉計の媒体とを変化させた、非線形効果の結果として
行われ、 ｎ　＝　ｎ　ｏ　＋ｎ　！　”　Ｉ　。

である。

ここで、ｎｏは、光放射なしでの、媒体の屈折率である
。

電気的非等方性材料（誘電体又は半導体）を電界内に設
置して、光波動の位相を遅延させることができる（ボッ
ケル効果）。この効果は、干渉計の同調調整に使用する
ことができる。一方、結晶内において、光放射エネルギ
ーが吸収（非線形吸収）される結果、干渉計の媒体に質
的な変化を生じ、その結果は、屈折率と干渉計の同調度
の変化となる。

ファブリ・ペロ干渉計の共振特性に基づく本実施例の装
置では、線形の光電ボッケル効果及び実質的に非線形の
放射の相互作用の、２つの効果が使用される。

自由電子のプラズマによる屈折率の変化の効果は、この
効果が屈折率を減少させるので、光チャンネルが切換え
られたときに、干渉計を調整するために使用される。

第２図の各符号は、以下の意味である。

Δｎ、’（Ｅ）：初期電圧分布の効果による屈折率の変
化、（第２図（ａ）） Δｎ、”（Ｅ）：（制御パルス１個分の）装置の被照射
部の電界の変位による、電界強 度増加の結果としての、屈折率の 増分 Δｎ　、（Ｉ。）：干渉計の媒体の放射の非線形相互作
用の結果としての、屈折率の変 化（第２図（ｂ）　、　（ｃ）　） ｎ、（１゜）　二制御パルスによる自由電子の光電入射
の結果としての、屈折率の変 化で、（Ｎ）は、自由電子の密度で ある（第２図（ｂ）、（ｃ）） この装置の作動は、以下のとおりである。

最初の段階で、電位（ε、）及び（ε、）が逆極性で装
置に印加され、かつ、第１チヤンネル（Ｉ）に制御され
た放射光（Ｉｌ’）が、第２チヤンネル（ＩＩ）に同じ
く（工、”）が入射する。最初の段階における電界の強
度は、第２図（ａ）に示されている。

１つの制御光パルス（ｉ）が第２チヤンネル（ＩＩ）に
入射すると（第２図（ｂ））、制御光（ｉ）は、第２チ
ヤンネルのν領域とｐ＋領領域に自由電子を発生させる
。この結果、第２チヤンネルにおける電界の値が減少し
て、装置の電圧が再配分され、かつ、屈折率が次式の値
に応じて変化し、ｎ、＝ｉｌ、十Δｎ１°（Ｅ）＋Δｎ
ｌ”（Ｅ）；ｎｏ−Δｎ＋＋（Ｎ） 第２の干渉計の同調値（同調値φ４へ移行）と、第１の
干渉計の同調値（同調値φ２へ移行）とを大きくする結
果となる。

この段階において、入力放射光（Ｉ、）の強度は、しき
い値（Ｉ゛）を超える値から始まる（第４図）。

ファブリ・ベロ干渉計の媒体を照射した結果、同調値が
φ１に移行し、さらにφ。を超えると、光双安定効果に
よって、第１チヤンネルが開く。第１チヤンネルが開く
と、共振に正確に同調する屈折率と、干渉計の透過率の
急激な増加に対応する次式 ％式％（） の値まで、屈折率が増加する。ここで、第４図示の光双
安定特性は、光入射強度に関連する「上側」の段階ｒａ
Ｊに到達する。

一定値の制御光が入射する場合、装置に２つの段階が現
われる。

１つは、光制御パルス（ｉ）が第２チヤンネル（ｎ）の
ｎ＋領領域入射する場合で、第１チヤンネルが開き、第
２チヤンネルが閉じる。この段階は、第１チヤンネル（
Ｉ）のｐ＋領領域制御パルスが入射するまで保持される
（第２図（ｂ））。

他の１つは、光制御パルス（ｉ）が第１チヤンネル（Ｉ
）のｐ１領域に入射する場合で、第２チヤンネルが開き
、第１チヤンネルが閉じる。この段階は、第２チヤンネ
ル（ＩＩ）のｎ“領域に制御パルスが入射するまで保持
される。

光フリップ・フロップのチャンネルが閉じると、（電界
と、対応する屈折率が減少する）光電効果、及び（自由
電子の濃度による屈折率の減少に）従属する入射光の屈
折率が、同時に明示される結果となり、一方、チャンネ
ルが開くと、非線形効果の結果を生じて、（電界が増加
する）光電効果及び屈折率の増加を生じる。

「暗い」結晶において、電界強度が急激に増加すると、
チャンネルが開いて光透過段階を保持し、逆に、制御パ
ルスの終了後は、電界強度が初期値に復帰する。第４図
示の双安定ヒステリシス特性における「上部」段階は、
初期「下部段階」への下降なしで屈折率の偏差を許容す
るので、（第２図（ａ）の初期値に電界強度が減少する
にもかかわらず）透過率を保持することが可能であり、
第２図（ａ）の電気的強度の分布の初期値からの僅かな
変化（１Δｎ１°−Δｎ、”１）により、（設定した同
調値により）干渉計（Ｉ）内の光強度の共振値及び吸収
係数Ａ。、。２．で定まる吸収率を、僅かに減少させる
のみですむ。

しかし、周知のように、干渉計の共振状態は、ＩｏとＡ
　ｍ　ｂ　＠。７．との積によって定まる。積値Ｉ０・
Ａ、５．。７．が一定値である間は、第４図の双安定特
性の「上部」のｒａＪ段階が保持される。云い換えれば
、共振状態における屈折率の変化は、大きい光放射効果
をもたらせ、電界強度が減少しても、干渉計は共振状態
から逸脱せず、測定値の低下が小さいということである
。

しかし、制御パルスが、結晶の他方の半分に電圧を印加
すると、屈折率が減少して、チャンネルが閉じる。

上述装置の作動を安定させるには、各値を次の不等式の
関係とすればよい。

Δｎ５（Ｎ）ｌ＞ｌΔｎ１（Ｉ　Ｏ）　ｌ　＞　ｌΔｎ
ｔ’（Ｅ）また、Δｎ１”（Ｅ）の値は、Δｎｔ’（Ｅ
）とほぼ同じとすればよい。

以下に、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）素子を使用した場合
の、各値の数値例を示す。

Δｎ　５（Ｎ）＝　５　Ｘ　１０−” 入射光レベル：　１０　”ｃｍ−” （入射光レベルが１０　”　〜１０１７ｃｍ−”である
と、装置が作動しない） Δｎ５（Ｉｏ）舛４ＸＩＱ−” 入力型カニ１０Ｗ／ｃｍ’ ｎ２＝４ Δｎ、’（Ｅ）＝３Ｘ１０−’ 電界強度：１０’Ｖ／ｃｍ 電気係数：　７＝１．６Ｘ１０”ｃｍ／Ｖｎｏ＝３．３
４ ガリウム砒素の高抵抗半導体材料の面に、インジウム、
スカンジウム、カドミウム、テルル等を埋没させたもの
は、並列管形式のファブリ・ペロ干渉計の２列の並列面
としての装置を製造するために使用される。並列管の２
つの他の面にｐ＋−ν−ｎ“構造を形成するには、ドー
ピング材料の拡散を使用する。

装置の中央部に接続される電源（ε、）及び（εりの電
圧は、１００Ｖ以下とし、抵抗（Ｒ）の抵抗値は、５０
〜１０オームである。

なお、制御光パルスを出力する手段は、記憶セルを使用
して、一定電圧のパルスを発生させ、パルスのｒＬＪレ
ベルで光チャンネルを閉じ、「Ｈ」レベルで開くように
すればよい。

本発明は、通信及び情報伝送システムの光ガイド、光集
積回路、コンピュータ用回路等の分野に適用されるもの
である。

〔発明の効果〕

（ａ）制御光信号によって、２個の光チャンネルを交互
に開閉する光双安定フリップ・フロップ装置で、非線形
ファブリ・ペロ干渉計の「光−光」特性のヒステリシス
関係により、干渉計の共振状態を保持し、安定した作動
をさせることができる。

（ｂ）印加電圧が変化したとき、光制御放射の効果によ
り自由電子が発生して、素子内の電界強度を変化させ、
干渉計を共振状態に同調させる。

（ｃ）作動が迅速である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光双安定フリップ・フロップ装置を
示す構成図、 第２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は、第１図示装
置の各段階における電界値（Ｅ）の再配分状態を示すグ
ラフ、第３図は、ファブリ・ペロ干渉計の共振特性を示
すグラフ、 第４図は、「光−光」特性のヒステリシス関係を示すグ
ラフである。 （１）半導体結晶素子　　（２）ν領域（３）ミラー （４）第１素子のれ＋領域 （５）第２素子のｐ＋領領 域６）第２素子のれ＋領域 （７）第１素子のｐ＋領領 域ε１）第１電源（ε２）第２電源 （１，’）第１チヤンネル制御光 （Ｌ”）第２チヤンネル制御光 （ｉ）制御光パルス　　　（ｋ）共振器の透過率（φ）
共振器の同調度 （ｎ）干渉媒体の屈折率の変化度 （ｎｏ）干渉媒体の屈折率 （ｎ、）干渉媒体の非線形屈折率の値 （Δｎ、’（Ｅ））初期の電圧分布における屈折率（Δ
ｎ８”（Ｅ））屈折率の増分 （Δｎ　ａ（Ｉ　ｏ））干渉媒体の放射の非線形相互作
用による屈折率の変化 （ｎ）自由電子の密度 （Δｎａ（Ｎ））光入射による靴設立の変化（Ｒ）抵抗 ｒａＪ光双安定フリップ・フロップの「上部」段階ｒｂ
Ｊ光双安定フリップ・フロップの「下部」段階Ｆ／６Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体結晶素子（１）及びミラー（３）で構成したファ
   ブリ・ペロ干渉計よりなる光双安定フリップ・フロップ
   装置であつて、 １個におけるｎ＾＋領域と他方のｐ＾＋領域とを透明電
   極とした、２個のｐ＾＋−ν−ｎ＾＋素子を、逆極性と
   して直列に２個の電源（ε＿１、ε＿２）に接続し、一
   方の素子のｐ＾＋領域（７）と他方の素子のｎ＾＋領域
   （６）とを、電気的に接続する中間点を、抵抗（Ｒ）を
   介して電源（ε＿１、ε＿２）に接続したことを特徴と
   する光双安定フリップ・フロップ装置。