JPH04318987A - 光論理素子 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信用の光交換スイ
ッチ等に応用可能な光論理素子に関し、さらに光ニュー
ロシステム、光コンピュータ等の光論理演算に用いる光
論理素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光交換スイッチとして、（ａ）Ｌ
ｉＮｂＯ３　等の表面に形成した２次元平面導波路を用
いるものと、（ｂ）光信号を一旦電気シグナルに変換し
た後、付随する電気回路部によってこれを処理するもの
とが存在する。

【０００３】光論理素子そのものとして、（ｃ）非線形
光学材料の直交する２面の各々にベクトル成分となる並
列光信号を入射させ、これら並列光信号の交点に発生す
る２次高調波を光ＡＮＤシグナルのマトリックスとして
取り出すものが存在する。また、光演算等に用いる光ニ
ューロチップとして、（ｄ）帯状発光ダイオードアレイ
と帯状受光ダイオードアレイとの間にシナプス荷重に比
例した透過率のマスクを挟んだもの（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．１６，　Ａｕｇ
ｕｓｔ　１５，１９８９　）が存在し。光演算等に用い
る光メモリとして、（ｅ）並列に接続されたｐｎｐｎ構
造を用いたもの（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖ
ｏｌ．１５，　Ｎｏ．１３，　Ｊｕｌｙ　１，１９９０
）が存在する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（ａ）
の光交換スイッチでは、ＬｉＮｂＯ３　等の導波路の吸
収が無視できないものとなり、伝達特性が良くないとい
った問題があった。また、（ｂ）の光交換スイッチでは
、受光素子、ＩＣ、発光素子等を集積するので構造が複
雑化するといった問題があった。

【０００５】また、（ｃ）の光論理素子では、非線形光
学材料を用いているため、得られる光ＡＮＤシグナルが
微弱であるといった問題や２次元処理しかできないとい
った問題があった。更に、（ｄ）及び（ｅ）の素子では
、それ自体が純粋の光論理素子となっておらず、付随し
て設けなければならない電気回路部への負担が多くなる
といった問題があった。

【０００６】そこで、本発明は、簡易な構造で、効率が
高く、３次元的処理を可能にする光論理素子を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明に係る光論理素子は、（ａ）半絶縁性の半導体基板
上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、第１の
半導体層上に形成されるとともに光を吸収する第２導電
型の第２の半導体層と、第２の半導体層上に設けられた
一対のショットキー型電極と、第１の半導体層に設けら
れたバイアス電極とを有する光導電型の横型受光素子と
、（ｂ）少なくとも２以上の信号光を第２の半導体層に
導く光ガイド手段とを備えることとしている。

【０００８】なお、上記の光ガイド手段は、半導体基板
中に設けた光導波路から構成したものであってもよいし
、半導体基板外に設けた光導波路から構成したものであ
ってもよい。さらに、上記の光ガイド手段を、光学部品
から構成してもよいし、ファイバ結合器から構成しても
よい。

【０００９】

【作用】本発明に係る光論理素子は上記のような光導電
型の横型受光素子を備える。この横型受光素子は、これ
に入射する信号光の強度が所定値を超えた場合、空間電
界効果に起因し、信号光強度の増大にともなってその感
度（即ち応答（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ））が減少す
る。したがって、例えば光ガイド手段をへて横型受光素
子に入射する２以上の信号光につきこれらの各強度の最
大値が所定値を超えないように予め設定しておき、これ
らの各強度の最大値の和が所定値を超えるように予め設
定しておけば、横型受光素子に入射する信号光に対し排
他的論理和（ＥＸＯＲ）の演算機能を有する光論理素子
を提供することができる。

【００１０】さらに、この横型受光素子においては、半
絶縁性の半導体基板と光吸収のための第２の半導体層と
の間に形成された第１の半導体層にバイアス電極が設け
られている。このバイアス電極に正又は負のいずれかの
電圧を印加することで、第２の半導体層内で光生成され
たキャリアのうち易動度の小さいキャリアをその内部に
閉じ込めることができ、これによって受光素子の感度が
増加する。逆に、このバイアス電極に逆の電圧を印加す
ることで、上記易動度の小さいキャリアをバイアス電極
外に取り出すことができ、受光素子の感度が減少する。 このような横型受光素子の特徴を利用するならば、空間
電界効果の発生する信号光強度を調節することができ、
横型受光素子に入射する信号光に対するＥＸＯＲ等の演
算機能を必要に応じて解除等することもできる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しつつ光論理素子の概念的
構成について説明する。

【００１２】図１は、光論理素子の構成例を示したもの
である。横型受光素子１２の入力電極１２ａには横型受
光素子１２を駆動するための電圧が印加され、出力電極
１２ｂには負荷抵抗１４が接続される。横型受光素子１
２の出力電極１２ｂから取出された電流は、負荷抵抗１
４によって電圧の検出信号に変換され、キャパシタ１６
をへて光論理素子外に取り出される。横型受光素子１２
のバイアス電極１２ｃには、適当な電源からのバイアス
電圧が供給される。このバイアス電圧の調節によって、
横型受光素子１２の感度を調節することができる。横型
受光素子１２の光吸収層には、ファイバ等からなる光ガ
イド１８からの第１及び第２の信号光が供給される。第
１及び第２の信号光は、それぞれ第１及ぶ第２の入力ポ
ート１８ａ、１８ｂに入射し、カプラ部分１８ｃで結合
された後に出力ポート１８ｄから出射する。

【００１３】図１の光論理素子の動作の説明の前にこの
光論理素子に用いる横型受光素子について簡単に説明す
る。図２は横型受光素子の概略構成図である。図示のよ
うに、半絶縁性ＩｎＰ等からなる基板１２ｄ上にｐ型Ｉ
ｎＰ等からなる第１層１２ｅを結晶成長し、さらにその
上に光吸収層としてｎ型ＩｎＧａＡｓ等からなる第２層
１２ｆを格子整合させて結晶成長し、さらにＡｌＩｎＡ
ｓ等からなるバッファ層１２ｇを格子整合させて結晶成
長する。この後、このバッファ層１２ｇ上に、入力電極
１２ａおよび出力電極１２ｂとなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等
のショットキー電極を形成する。また、第１層１２ｅの
一端に、バイアス電極１２ｃとなるｐ型オーミック電極
を形成する。

【００１４】図３は、図２の横型受光素子の感度特性を
示した図である。横軸は横型受光素子１２に入射する光
の強度で、縦軸は横型受光素子の示す感度である。各測
定点は電極１２ａ、１２ｂに印加される各種駆動電圧を
パラメータとする。プラス印（＋）は駆動電圧が１２Ｖ
の場合を示し、丸印（○）は駆動電圧が５Ｖの場合を示
し、三角印（△）は駆動電圧が４Ｖの場合を示し、四角
印（□）は駆動電圧が３Ｖの場合を示し、ペケ印（×）
は駆動電圧が２Ｖの場合を示す。図示のように、駆動電
圧が４Ｖ以下の場合、感度が入射光の強度に合わせて低
下することが分かる。これは、空間電荷効果と呼ばれて
いるものである。つまり、受光素子に入射する光の強度
が強いと感度が低下し、シグナルレベルが弱くなる。こ
の現象を利用することで、横型受光素子を用いた光論理
素子を構成することができる。

【００１５】図４は、図１の光論理素子の動作を説明し
たものである。図４（ａ）は、横型受光素子のバイアス
電極１２ｃをオープンにした状態で、かつ、空間電荷効
果が発生し得る駆動電圧の状態で、適当な強度の光パル
ス（点線）が第１の入力ポート１８ａに入射した場合の
光論理素子の動作を示したものである。この場合、光パ
ルスにより横型受光素子の第２層内に光生成されたキャ
リアによって、両電極１２ａ、１２ｂ間の抵抗値が減少
し、十分大きなパルス応答出力（実線）を得ることがで
きる。図４（ｂ）は、横型受光素子を図４（ａ）と同様
の状態に保ったままで適当な強度の光パルスとＤＣ光（
参照光）とを第１及び第２の入力ポート１８ａ、１８ｂ
に入射させた場合を示したものである。この場合、光パ
ルス及びＤＣ光の強度の和が所定値を超えて空間電荷効
果が生ずるため、実質的な光パルス応答出力が得られな
い。図４（ｃ）は、図４（ｂ）の状態の横型受光素子の
バイアス電極１２ｃを接地し、図４（ｂ）と同様の光パ
ルス及びＤＣ光を入力ポート１８ａ、１８ｂに入射させ
た場合を示したものである。この場合、ＤＣ光によって
受光層１２ｆ内に光生成されたキャリアのうち、ホール
がバイアス電極１２ｃに部分的に集められる。このため
、光パルスに応じて僅かながらパルス応答出力が得られ
る。図４（ｄ）は、図４（ｂ）の状態の横型受光素子の
バイアス電極１２ｃに負のバイアス電圧を印加し、図４
（ｂ）と同様の光パルス及びＤＣ光を入力ポート１８ａ
、１８ｂに入射させた場合を示したものである。この場
合、受光層１２ｆ内に光生成されたホールのほとんどが
バイアス電極１２ｃに集められる。このため、光パルス
に応じて十分大きなパルス応答出力が得られる。

【００１６】図４のような動作を利用するならば、ＤＣ
光（参照光）によって信号光の光パルスをスイッチする
ことができる。また、２つの信号光が入力ポート１８ａ
、１８ｂに光パルスとして同時に入射した場合にパルス
応答出力が得られなくなるので、ＥＸＯＲに対応する光
論理素子を得ることができる。

【００１７】さらに、横型受光素子の駆動電圧をある程
度以上（例えば、４Ｖ以上）に高くすると横型受光素子
の感度が入射光の強度に合わせて変化しなくなる。この
ような状態で２つの光パルスが相前後して入力ポート１
８ａ、１８ｂに入射した場合、光パルスのいずれが入射
してもパルス応答出力が得られるので、論理和（ＯＲ）
に対応する光論理素子を得ることができる。

【００１８】さらに、横型受光素子のバイアス電極１２
ｃに印加すべき電圧を正負様々に調節することで、光論
理素子の動作状態を様々に調節することもできる。例え
ば、参照光による信号光のスイッチング機能を解除する
ことができる。

【００１９】図５は本発明に係る光論理素子の具体的な
第１実施例を示したものである。半導体基板２０上には
、各種化合物半導体層からなる横型受光素子１２が形成
され、入力電極１２ａ、出力電極１２ｂ、バイアス電極
１２ｃが取り出される。横型受光素子１２の図面左側に
は、適当な化合物半導体を成長して形成した導波路２２
が形成される。導波路２２の第１の入力ポート２２ａに
信号光の光パルスを入射させ、第２の入力ポート２２ｂ
に参照光の光パルスを入射させるならば、図１の光論理
素子の動作原理で説明したのと同様の原理によって、光
交換スイッチを実現できる。この様な光交換スイッチを
集積すれば、３次元的な処理を可能にする光交換スイッ
チを得ることもできる。この場合、例えば導波路２２の
かわりに２本の光ファイバを結合したファイバ導波路２
４を用いてもよい。さらに、第１の入力ポート２２ａを
そのまま利用し、第２の入力ポート２２ｂのかわりにフ
ァイバ導波路２４を用いてもよい。

【００２０】図６は本発明に係る光論理素子の第２実施
例を示したものである。半導体基板３０上には、図５と
同様の横型受光素子１２が形成されるとともに、第１及
び第２の発光素子（例えば、ＬＤ、ＬＥＤ等）３２ａ、
３２ｂが形成される。横型受光素子１２及び発光素子３
２ａ、３２ｂの上方には樹脂、ガラス等からなる透明な
層または板３４が設けられ、その上面には金属等を蒸着
したミラー３６が形成される。このミラー３６は、発光
素子３２ａ、３２ｂからの信号光等を横型受光素子１２
に導く。このような光論理素子において、第１の発光素
子３２ａから信号光の光パルスを発生させ、第２の発光
素子３２ｂから参照光の光パルスを発生させるならば、
図１の光論理素子の動作原理で説明したのと同様の原理
によって、光ロジックを実現できる。この様な光ロジッ
クをアレイ化してもよい。さらに、これを３次元的に集
積化すれば、３次元的な処理を可能にする光ロジック回
路を得ることもできる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の光論理素子にあっ
ては、光ガイド手段をへて横型受光素子に入射する２以
上の信号光を適当に設定しておけば、横型受光素子に入
射する信号光に対し各種機能を有する光論理素子を提供
することができる。このため、簡易な構造で、効率が高
く、３次元的処理を可能にする光論理素子を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光論理素子を構成を示した図である。

【図２】図１の横型受光素子の構成を示した図である。

【図３】図１の横型受光素子の感度特性を説明した図で
ある。

【図４】図１の光論理素子の動作を説明したものである
。

【図５】光論理素子の第１実施例の構成を示した斜視図
である。

【図６】光論理素子の第２実施例の構成を示した斜視図
である。

【符号の説明】

１２…横型受光素子 １８…光ガイド手段 １２ａ、１２ｂ…一対のショットキー電極１２ｃ…バイ
アス電極 １２ｄ…半導体基板 １２ｅ…第１の半導体層 １２ｆ…第２の半導体層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半絶縁性の半導体基板上に形成された
   第１導電型の第１の半導体層と、該第１の半導体層上に
   形成されるとともに光を吸収する第２導電型の第２の半
   導体層と、該第２の半導体層上に設けられた一対のショ
   ットキー型電極と、該第１の半導体層に設けられたバイ
   アス電極とを有する光導電型の横型受光素子と、少なく
   とも２以上の信号光を前記第２の半導体層に導く光ガイ
   ド手段と、を備える光論理素子。
2. 【請求項２】　　前記半絶縁性の半導体基板には、前記
   光ガイド手段を構成する光導波路が設けられていること
   を特徴とする請求項１記載の光論理素子。