JPH0413689B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、二電極半導体レーザと、光検出器
とを結合した光論理素子に関するものである。 〔従来の技術〕 第７図は従来の二電極型半導体レーザの一例を
示す模式図で、１は二電極型半導体レーザ（以
下、特に必要なところ以外は単に半導体レーザと
いう）、２は電極、Poは前記半導体レーザ１の光
出力、Il、Irは前記電極２に注入する電流であ
る。 従来の半導体レーザ１は上記のように構成され
ており、一方の電流Irを適当な値に固定して他方
の電流Ilを変化させると、しきい値電流以上にお
ける利得特性に非線型性を作り出し得ることが本
発明者等の研究により判明した。これを第８図ａ
の半導体レーザ１の注入電流に対する光出力の特
性図に示す。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところで、最近の半導体デバイスの製造技術の
発展は著しく、集積度は年々向上し、高密度かつ
大規模になつてきている。ところが、単純に各素
子をさらに小さくして集積度を上げても、あまり
メリツトが得られないレベルに達しつつある。 その理由は第１に、集積度の向上につれて、論
理素子や記憶素子が搭載されているチツプ内部の
配線が著しく複雑化することである。 第２に、サイズが小さくなるにつれて、配線間
の漏話の問題が深刻になることである。 第３に、信号の伝播遅延の問題である。すなわ
ち、チツプ内の素子と配線を、さらに小さくして
いつた場合、素子そのものの応答は縮小率に比例
して速くなるが、素子間の伝達遅延時間は速くな
らず一定である。これらすべての問題点を解決す
る有力な候補として光の重要性が広く認識されて
おり、コンピユータの素子を光素子に置き換えて
いこうとする試みが多く行われている。 一方、最小単位の論理素子が二値のものでな
く、多値（三値以上）であれば、必要な計算処理
能力に対するチツプ内の素子数は少なくてすむ。
当然、配線数も少なくてすむため、上記の問題点
は著しく緩和される。これらのことから多値の光
論理素子の実現が待ち望まれるところであるが、
研究報告例は非常に少なく、特に、将来の集積化
に適した半導体素子による文献は皆無といつてよ
い。 この発明は、上記の問題点を解決するためにな
されたもので、この光出力の一部を光検出器で受
けてレーザに帰還をかけることにより、三重安定
性を始めとする種々の機能を持つた光論理素子を
得ることを目的とする。 一方、第８図ｂの特性図に示すように、しきい
値電流以上での利得が線型である通常の半導体レ
ーザと光検出器との組み合わせにより双安定素子
を作れることは知られており（光双安定半導体レ
ーザ、小川洋他、応用物理1983年10月号、59頁参
照）、したがつて、この発明では、このうちの半
導体レーザを特殊な特性のものに置き換えること
に相当するが、これにより、はるかに機能が高度
で、自由度の高い素子を得ることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明にかかる光論理素子は、横モードの変
化によりしきい値以上の電流値において、注入電
流に対して光出力が非線型性を有する二電極型半
導体レーザと、この二電極型半導体レーザの光出
力の一部を受光して正帰還をかける光検出器とか
らなるものである。 〔作用〕 二電極型半導体レーザの光出力の一部を光検出
器に受光して二電極型半導体レーザに正帰還をか
け、かつ光帰還率や電流増幅器の増幅率または光
検出器の特性を変化させることで光論理素子に多
安定性、微分利得特性および三重安定性が得られ
る。 〔実施例〕 第１図はこの発明の一実施例を示す構成図で、
第７図と同一符号は同一部分を示し、３は光検出
器、４は電流増幅器、Piは前記光検出器３への光
入力、fPoは前記光出力Poの一部で、ｆは前記半
導体レーザ１の光出力Poのうち光検出器３は入
射する割合を示す光帰還率である。 Ipは前記光検出器３から半導体レーザ１への帰
還電流、Ibはバイアス電流である。 まず、光入力および光出力素子として使用する
場合について説明する。 半導体レーザ１からの光出力Poの一部fPoを光
検出器３で受け、電流増幅器４を通して電流Ilに
帰還する。電流Irとバイアス電流Ibは固定し、光
検出器３への光入力Piを変化させる。半導体レー
ザ１の特性を第２図ａのように単純化して Po＝０(0Ib ₁) ＝ａ(Ip+Ib-I₁)(I₁ Ib ₂) ＝Ｍ(I₂ Ib ₃) ＝ｂ(Ip+Ib-I₃)＋Ｍ(I₃ Ib) ……(1) とする。ここで、ａおよびｂはそれぞれの領域で
の微分量子効率、I₁，I₂，I₃は前記半導体レーザ
１の注入電流Ilに対する光出力Poの特性線上の折
曲点に対応する電流である。 一方、光検出器３の特性も第２図ｂのように単
純化して、帰還電流Ipを Ip＝Ak(Pi+fPo)(Pi+fpo ＝Ak Ps（Ps＜Pi＋fPo） ……(2) とする。ここで、ｋは前記光検出器３の光入力Pi
に対する帰還電流Ipの交換係数、Ａは前記増幅器
４の電流増幅率、Psは前記光検出器３の出力電
流が飽和する入力光パワーである。 第(1)式および第(2)式から帰還電流Ipを消去すれ
ば光入力Piと光出力Poとの関係がわかるが、さ
らに、わかり易くするため、図式解法により説明
する。 第３図は光帰還率ｆが比較的高く、三重安定点
が存在する場合の例を示している。 この図において、O₁，O₂，O₃，O₄は半導体レ
ーザ１の注入電流Ipに対する光出力Poの特性線
上の折曲点、l₁，l₂，l₃，l₄はそれぞれ折曲点O₁，
O₂，O₃，O₄を通る光検出器の特性線、P₁，P₂，
P₃，P₄はそれぞれ特性線l₁，l₂，l₃，l₄の光検出器
３の特性を与える入力光パワー、Ｌ、Ｍ、Ｈは出
力光−入力特性が平たんになる領域の出力光パワ
ーのレベル（以下単にレベルという）である。 半導体レーザ１の特性線と光検出器３の特性線
の交点のうち安定な点が動作点となり得る。第３
図で光入力Piを０からP₂→P₄→P₁→P₃と連続的
に増加させた場合、光検出器３の特性線は図中右
の方へ移動してゆく。ただし、飽和電流値AkPs
は変わらない。最初は発光していないので光出力
Po＝Ｌであり、光入力PiがPiを越える時に光出
力PoはレベルＬからＭへ飛び、さらに光入力Pi
がP₃を越える時に光出力PoはレベルＭからレベ
ルＨへ飛ぶ。次に光入力Piを連続的に減少させて
いくと、光入力PiがP₄より小さくなつた瞬間に
光出力PoはレベルＨからレベルＭへ飛び、光入
力PiがP₂より小さくなつた時に光出力Poはレベ
ルＭからレベルＬへ飛ぶ。またレベルＭにある時
に、PiをP₄とP₁の間の値にした場合は、レベル
はＭに止まつている。この様子は第４図ａに示さ
れている。これは三値の記憶素子として使える。
逆の典型的な例として、光帰還率ｆが十分低い場
合には特性線の傾きが変わり、入力光パワーP₁
＜P₂＜P₃＜P₄となり、第４図ｂに示すように履
歴現象は生せず、微分利得特性となる。同図では
分り易くするためにP₁とP₂の間、P₃とP₄の間の
線を斜めに描いてあるが、これはほとんど垂直に
すことが可能である。P₁とP₂をほぼ等しく、P₃
とP₄をほぼ等しくすればよい。これは三値のア
ナログ−デジタル変換素子、論理演算素子として
使える。半導体レーザ１の微分量子効果ａ，ｂお
よび光帰還率ｆの値に応じて入力光パワーP₁〜
P₄の大小関係は（P₂＜P₃の関係を除いて）変わ
り、第４図ａ〜ｌに示したように、全部で12通り
の場合が存在する。第４図ａは三重安定性、ｂは
２個所の微分利得性、ｆとｉは特殊な三重安定
性、ｈは双安定性、ｇは２個所の双安定性、その
他ｃ，ｄ，ｅ，ｉ，ｋ，ｌは双安定性と微分利得
性の両方を持つている。 この発明の光論理素子をモノリシツクに集積化
するには、具体的には、例えば第５図のように半
導体レーザ１と光検出器３を、同じ基板上の隣接
する場所に取り付ければよい（前述の小川氏の文
献参考）。この場合電流の帰還は素子内部で行わ
れる。 上記の説明では、光帰還率（第(2)式のｆ）を変
えることにより第４図の12通りの特性の１つを選
ぶこととしてきたが、この方式の場合には第５図
のような集積回路を作つた後での特性の変更は難
しい。そこで、電流増幅率（第(2)式のＡ）を変え
ることにすれば第４図ａ〜ｌの12通りの特性が得
られ、しかも光検出器３から半導体レーザ１への
帰還電流Ipが外部を通るようにしておくと、集積
回路作成後に外部から特性を選べるようにするこ
とも可能である。ただし、電流増幅率Ａを変える
場合には、第４図における出力光PoのレベルＨ
の値が変わることになる。 またこの発明の素子は電流入力−光出力素子と
して使用することもできる。この用途には、第１
図の光入力Piは固定（０でもよい）してバイアス
電流Ibを変化させる。この場合にも、第４図ａ〜
ｌの12通りにほぼ対応する特性が得られるが、光
出力Poの一番上のレベルＨの値がバイアス電流
Ibに対して変化することのみが異なる点である。
一例として、第４図ａに対応する特性を第６図に
示す。 〔発明の効果〕 以上説明したように、この発明にかかる光論理
素子は、しきい値以上の電流値において注入電流
に対して横モードの変化により光出力が非線型性
を呈する、共振器軸と平行に配置された二本の互
いに平行な電極をもつ二電極型半導体レーザと、
この二電極型半導体レーザの光出力の一部を受光
して光電変換し、二電極型半導体レーザに正帰還
をかける光検出器とで構成したので、従来、例が
なかつた半導体材料による三重安定光論理素子を
始めとする種々の論理素子が得られる。この発明
の素子の機能は、細かく見れば12通りを有し、し
かも、これらのうちどの機能を持たせるかは、帰
還量の調整のみでよく、非常に簡単であり、また
パラメータとして固定しておく電流の値を変える
ことによつても機能の変更は可能である。このよ
うに、この発明により、集積化が可能な半導体材
料で、機能が高く、かつ柔軟性に富んだ光論理素
子を得ることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第
２図ａは半導体レーザの単純化した特性曲線を示
す図、第２図ｂは光検出器の単純化した特性曲線
を示す図、第３図は第１図の光論理素子の動作説
明図、第４図ａ〜ｌは第１図の光論理素子の光入
力に対する光出力特性を示す図、第５図はこの発
明の光論理素子をモノリシツクに集積化した場合
を示す構成図、第６図はこの発明の光論理素子の
電流入力に対する光出力の特性を示す図、第７図
は従来の半導体レーザの一例を示す模式図、第８
図ａは従来の半導体レーザの注入電流に対する光
出力特性を示す図、第８図ｂは通常の半導体レー
ザの注入電流に対する光出力特性を示す図であ
る。 図中、１は半導体レーザ、２は電極、３は光検
出器、４は電流増幅器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 共振器軸と平行に配置された二本の互いに平
   行な電極をもち、しきい値以上の注入電流に対し
   て横モードの変化により光出力が非線型性を呈す
   る二電極型半導体レーザと、この二電極型半導体
   レーザの光出力の一部を受光して光電変換し、前
   記二電極型半導体レーザに正帰還をかける光検出
   器とからなることを特徴とする光論理素子。