JPH0625836B2 - プログラマブル光学論理装置 - Google Patents

プログラマブル光学論理装置

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JPH0625836B2
JPH0625836B2 JP2138674A JP13867490A JPH0625836B2 JP H0625836 B2 JPH0625836 B2 JP H0625836B2 JP 2138674 A JP2138674 A JP 2138674A JP 13867490 A JP13867490 A JP 13867490A JP H0625836 B2 JPH0625836 B2 JP H0625836B2
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logic
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power
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices
    • G02F3/02Optical bistable devices
    • G02F3/028Optical bistable devices based on self electro-optic effect devices [SEED]
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/14Logic 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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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光波デバイスおよび、特に、自己電気光学デ
バイスを含む光半導体デバイスに関する。
[従来の技術] コンピュータ、通信、スイッチおよび相互接続は、光学
および光学デバイスの利用可能性および必要性をともに
示してきた技術分野である。これらの技術分野で、必要
とされているデバイス(装置、素子)の種類の1つは、
光学論理デバイスである。光学論理デバイスに対して
は、デバイスに入射するデータあるいは情報が運ばれる
信号は、組合せ(ブール)および/またはメモリ(ラッ
チ)機能に対し、入射信号が実行するようになしかたで
デバイスの状態を制御する。非線形ファブリ=ペロー・
エタロンは、光学論理機能を可能にする完全光学デバイ
スとして提案されている。(S.D.スミス(S.D.Smit
h)、「アプライド・オプティクス(Applied Optice)」、
第25巻、第10号、1150〜64ページ(1986
年)およびH.S.ヒントン(H.S.Hinton)、「IEEE
・ジャーナル・オン・セレクティド・エリアズ・イン・
コミュニケーションズ(IEEE Journal on Selected Area
s in Communications)」、第6巻、第7号、1209〜
26ページ(1988年)参照。)高速動作で非線形フ
ァブリ=ペロー・エタロンを使用する際の障害の1つ
は、1つの波長がエタロンの非線形材料の吸収ピークに
対応するように、入射するクロックのような制御信号と
データ信号の波長とを分離しなければならないことであ
る。このような制限は、非線形ファブリ=ペロー・エタ
ロンで透過状態と反射状態の間で切替えおよび同調を行
うために必要である。この動作方法の結果として、入力
波長は出力波長と異なり、このためこうしたデバイスを
次々とカスケード接続する可能性が排除される。要求さ
れる波長の差が重大な制限を課している一方、他の制限
が生じることも避けられない。それは、温度変化によっ
て、空洞の共鳴ピークの位置の変化を受けるからであ
る。さらに、エタロンは入力光信号に反応することもし
ないこともある。そのうえ、入力信号の強度の変化が、
偶発的にファブリ=ペロー・エタロンの状態を変化させ
ることもあるし、何も引き起こさないこともある。
自己電気光学効果デバイスもまた、S−Rフリップフロ
ップとして実現して順次記憶素子としての動作に適する
ということが示されている。米国特許第4754132
号および4751378号参照。これらの双安定記憶素
子は、現在の入力とともに過去の入力にも影響される。
これらの記憶素子の論理的相互接続によって、光リング
カウンタのようなシフトレジスタ回路を実現することが
できる。(「プロシーディングズ・オブ・ザ・コンファ
レンス・オン・レーザーズ・アンド・エレクトロオプテ
ィクス(Proceedings of the Conference on Lasers and
Electrooptics)」、論文TUE4(1988年)参
照。)しかし、コンピュータ、通信、およびスイッチへ
の応用においては、このような光記憶デバイスの利用
は、AND、OR、排他的ORその他のゲートのような
組合せ光論理素子の存在なしには制限されたものとな
る。
最近、対称自己電気光学デバイスが、NOR関数を作成
するための組合せ論理ゲートに利用された。(「プロシ
ーディングズ・オヴ・ザ・コンファレンス・オン・レー
ザーズ・アンド・エレクトロオプティクス(Proceedings
of the Conference on Lasers and Electrooptic
s)」、論文TUE4(1988年)参照。)この論文で
は、OR、NANDおよびAND関数が実現されたと述
べている。記述されているデバイスの適切な動作には、
各光学データ信号およびその論理的補数が論理ゲートに
供給される必要がある。結果として、各光学データ信号
に対し、補数のデータ信号を得るために、ビーム分割器
や光学インバータのような付加的なハードウェアが、た
だちに補数のデータ信号が利用可能でない場合には必要
となる。上で引用した参考文献にはANDおよびOR論
理ゲートが記述されてはいるが、その参考文献では排他
的ORゲートの実現法はどこにも掲示されていないこと
に注意すべきである。光エンコーダやスクランブラやそ
れらの逆を実現するためには、フィードバック経路およ
び光シフトレジスタの他の相互接続点における排他的O
Rゲートなしには不可能であるので、排他的ORゲート
は重要である。
[発明の概要] 対称自己電気光学効果デバイス(S−SEED)と、所
定のモードで論理演算を開始するために光学的にS−S
EEDをプログラムするための論理制御素子とを結合す
ることによって、プログラマブル光学論理デバイスにお
いて組合せ(ブール)論理関数を実現している。要求さ
れる組合せ論理演算が光学論理デバイスによって光学デ
ータ信号に対して実行されるように、所定のしきい値光
信号がS−SEEDの1つの入力に加えられ、一方、第
1および第2の光学データ信号は同時にS−SEEDの
もう1つの入力に加えられる。このように、プログラマ
ブル光学論理デバイスは、しきい値論理演算を実行する
といわれている。光学論理デバイスにプログラムされる
論理演算には、AND、ORおよびNOT関数が含まれ
る。単一の光信号が各光学論理デバイスからの出力とし
て与えられる。
本発明の1つの実施例では、第1しきい値光学信号がA
ND論理演算を実行するため利用され、第2しきい値光
信号がOR論理演算を実行するために使用されている。
排他的OR演算は、ANDおよびOR論理演算の両方を
並行して同一のデータに対し別々のS−SEEDデバイ
スで実行した後、S−SEEDのS−Rフリップフロッ
プを使用して各論理ゲートからの出力光信号を処理(例
えば、AND出力をR入力へ、および、OR出力をS入
力に)して排他的ORの出力を生成することによって実
現される。
本発明の原理に従って、S−SEEDに基づいたプログ
ラマブル光学論理デバイスはすべての光信号が同一の波
長であることを可能にする。従って、プログラマブル光
学論理デバイスはただちにカスケード接続にすることが
できる。
本発明のもう1つの目的によれば、プログラマブル光学
論理デバイスは、標準的な通常の製造技術を使用して、
他の光学論理デバイスを含む他のデバイスとともに、1
00×100のオーダーの大規模のアレイに集積するこ
とが可能である。
本発明のさらにもう1つの目的によれば、非線形ファブ
リ=ペロー・エタロンデバイスがほんの数オングストロ
ームという非常に狭い範囲でしか動作可能でないのに対
し、プログラマブル光学論理デバイスは数ナノメートル
にわたる広範囲の波長で動作することができる。
[実施例] 自己電気光学効果デバイス(SEED)、対称自己電気
光学効果デバイス(S−SEED)、およびこれらに適
用できる製造技術は、米国特許Re.32893;45
46244;4751378;および4754132に
十分に開示されており、また、以下の技術参考文献があ
る:D.A.B.ミラー(D.A.B.Miller)他、Appl.Phy
s.Lett.、第45(1)巻、13〜15ページ(198
4年)およびA.L.レンティーン(A.L.Lentine)
他、Appl.Phys.Lett.、第52(17)巻、1419〜
21ページ(1988年)。上に引用した参考文献およ
びそれらの教示は特にここに参考のために取り入れられ
たものである。
S−SEEDは、少なくとも2つの光学入力と2つの光
学出力を持つ4ポートデバイスである。S−SEEDデ
バイスは、第1図に示されているように、多重量子井戸
p−i−nダイオード101を、リード線104を介し
て多重量子井戸p−i−nダイオード102と直列に電
気的に相互接続することによって形成される。ダイオー
ド101,102には逆バイアス電圧Vがかけられてい
る。ダイオード101,102がこのように接続される
場合、出力線112上に信号Qとして示されている単一
の光学出力は、後続のデバイスによって使用可能であ
る。ダイオード102からの出力光信号は、たとえば1
つのダイオードがオンでそのとき他のダイオードがオフ
である場合でも、続いて使用することは望ましくない。
それは、以下で示されるように、入力信号レベルおよ
び、従って、このダイオードからの出力信号レベルはよ
く制御されていないからである。
S−SEEDの動作中は、ダイオードのうちの1つが吸
収状態にあり、そのとき他のダイオードは透過状態にあ
るということがわかっている。S−SEEDの状態変化
は、入力信号の絶対強度の関数としてではなく、入力信
号のパワーの比の関数として生起することが知られてい
る。状態変化は、Qが0から1あるいは1から0に変化
するようなレベルの変化する出力から観測される。
特に、ダイオード101および102からなるS−SE
EDは、ダイオード102に入射する光信号強度をダイ
オード101に入射する光信号強度で割った値がしきい
値Tを超えるときに、第1の状態から第2の状態へと切
り替わる。一方、S−SEEDは、ダイオード101に
入射する光信号強度をダイオード102に入射する光信
号強度で割った値がしきい値Tを超えるときに、第2の
状態から第1の状態へと切り替わる。
ある実際の実験例では、GaAs/AlGaAs半導体
材料システムに基づいたS−SEEDデバイスのしきい
値は約1.1であることが知られている。この例から、
ダイオード101からの光学出力パワーが、同じダイオ
ードに入射する光学パワーの19%におよそ等しいとき
に、S−SEEDは第1の状態(Q=0)にあると決定
されている。また、この例では、ダイオード101から
の光学出力パワーが、同じダイオードに入射する光学パ
ワーの32%におよそ等しいときに、S−SEEDは第
2の状態(Q=1)にあると決定されている。
動作中は、光学入力信号ビーム105および109が、
ダイオード101および102からなるS−SEEDに
入射している。光信号ビームは、特定のダイオードに入
射するように、以下のようにまとめられている:論理制
御装置103からの光学しきい値参照信号REFを表現
する光信号ビーム105はダイオード101に入射し、
データ信号AおよびBのパワー和であるデータ信号Cを
表現する光信号ビーム109はダイオード102に入射
する。光信号ビーム105および109は、S−SEE
Dの出力状態を変化させることができる。これらの光信
号ビームの振幅は、出力レベルが不明瞭になる双安定領
域にS−SEEDが入らないことを保証するように、論
理的0と論理的1との間で十分なコントラストを持つよ
うに選択される。例えば2:1のコントラストが上記の
基準を満たすということがわかっている。
データ信号AとBの和を以下のようにして得ることが可
能である。入力データ信号ビーム106(信号A)が、
図示されているように、ビーム結合器107に向けられ
る。入力データ信号ビーム108(信号B)が鏡113
によってビーム結合器107のもう1つの入力ポートに
向けられる。ビーム結合器107は、信号AとBのパワ
ーレベルの和にほぼ等しいパワーレベルを持つデータ信
号Cとして出力ビーム109を生成する。
クロック110は、クロック信号に対応する出力光信号
を持つように破線で示されているが、これは、クロック
110は光学素子であり、本発明の実行には必要でない
ということを示している。光信号ビーム111は、一般
的に、S−SEEDの各ダイオードに供給される。クロ
ック信号に対応する光信号ビーム111は、それぞれC
LKとして示されているが、これらはほぼ等しい強度を
持ち、最初は、データおよび参照しきい値の信号ビーム
強度と比較して低いということがわかっている。出力信
号ビームQのレベルがクロック信号ビームのレベルと関
係づけられるように論理ゲートの状態を読み出すため
に、クロック信号ビーム111がS−SEEDに印加さ
れることがある。クロック信号ビームのS−SEEDへ
の印加は、二重レール出力、すなわち、Q出力がダイオ
ード101から放射され、Q出力がダイオード102
から放射されるような相補的な出力を得る方法を与え
る。
クロック信号ビームに関しては、データ信号および参照
しきい値信号が休止中の期間にクロック信号ビームを印
加することが望ましいことがわかっている。S−SEE
Dの出力状態はダイオードに入射する信号パワーの比に
よって決定されるので、データおよび参照しきい値信号
と同時にクロック信号が存在することは、入力ビームの
コントラスト比を低下させる傾向があり、S−SEED
の状態切替えの失敗を引き起こす可能性がある。
クロック信号は、一般的に、相補的な出力信号ビームQ
およびQ(図示せず)を介してS−SEEDの状態を
読み出すために印加されることがわかっているが、S−
SEEDの状態が干渉および変更なしに読み出されるた
めに、光信号ビーム11は、十分な強度とともに、その
強度間には相対的に小さい差を維持することが望まれ
る。多くのS−SEEDに対し、データ信号Aに対する
データ信号Bのパワーの比が1.1を超えるか、また
は、0.9よりも小さい場合にS−SEEDの切替えが
起こると決定されている。ここでは、光学ヒステリシス
ループが、参照しきい値およびデータの信号の強度がほ
ぼ等しい点のあたりに中心を持つということがわかって
いる。
第1図のプログラマブル光学論理デバイスは、論理制御
装置103、直列接続ダイオード101および102、
および、必要ならば、光学データ信号ビーム106
(A)および108(B)が両方ともS−SEEDの同
一のダイオードに入射するように結合させるビーム結合
素子(素子113および107)からなる。光信号ビー
ム106および108は、それに対して組合せ論理演算
が実行されるデータ信号である。例えば、第2、第3お
よび第5図を参照。図示されているように、光信号ビー
ム109(C)は、個々のデータ信号AおよびBの組合
せを含む。組合せ論理(ブール)演算を実行する場合、
プログラマブル光学論理デバイスはその演算を個々のデ
ータ信号AおよびBに対して実行する。すなわち、プロ
グラマブル光学論理デバイスは、AND関数をf(A,
B)=A・Bのように、OR関数をf(A,B)=A+
Bのように実行する。
第1図に示されているように、本発明の実施例はS−S
EEDにおけるダイオードの組合せの例を含む。ここで
は、ダイオードは、AlGaAs/GaAs半導体ダイ
オードのような多重量子井戸p−i−nダイオードが直
列接続されている。ここでは、これとは異なるダイオー
ド対の実施例も考えられているということにも注意すべ
きである。例えば、ダイオード101またはダイオード
102のいずれかは、量子井戸の真性領域を使用してい
ない標準的なp−i−nダイオードで置き換えることが
できる。このよう場合、このダイオードの組合せが、p
−i−nダイオードを負荷として持つ自己電気光学効果
デバイスになるように、残りのダイオードは量子井戸p
−i−nダイオードであることが要求される。このよう
な組合せでは、活動出力および、実際には、唯一の出力
は、量子井戸p−i−nダイオードの出力から引き出さ
れる。
従来技術では、S−SEEDに基づいたメモリ論理素子
(S−Rフリップフロップ)は、あるデータ信号が一方
のダイオードに印加されると他のデータ信号はもう一方
のダイオードに印加される必要があった。最近の従来技
術では、S−SEEDに基づいたプログラマブル光学組
合せ論理ゲートは、両方のデータ信号が結合されてS−
SEEDの同一のダイオードに入射され、両方のデータ
信号の補数が結合されてもう一方のダイオードに入射さ
れる必要があった。これらの方法とは対照的に、本発明
のプログラマブル光学組合せ論理ゲートは、S−SEE
Dの一方のダイオードに入射する参照しきい値信号ビー
ムで特定のブール関数(AND、OR)をプログラム
し、結合したデータ信号ビームをもう一方のダイオード
に入射する。
上で述べたように、S−SEEDおよび論理制御装置1
03の組合せ全体が、要求されるブール関数規制に従う
プログラマブル光学論理デバイスとして動作するよう
に、論理制御装置103は特定のブール関数が実行され
るようにプログラムをする。論理制御装置103はRE
Fで示されているほぼ一定の光学パワービーム105を
生成する。実際、この光ビームは参照しきい値として動
作し、これに対してデータ信号AおよびBを結合したパ
ワー(p=p+p)が比例して測定される。すな
わち、pREFを信号REFのパワーとして、p/pREF
>T≒1.1の場合、ダイオード101は実質的透過状
態に変化し、出力信号Qを生成する。この信号のパワー
は入力信号(REF)パワーの約32%であり、それに
よってQを論理的に“1”に設定する。pREF/p
T≒1.1の場合、ダイオード101は実質的吸収状態
に変化し、入力信号(REF)パワーの約19%のパワ
ーレベルの出力信号Qを生成し、それによってQを論理
的“0”に設定する。
このデバイスのプログラム可能な動作を理解するために
は、第2および第3図に注意を向けるべきである。非否
定論理関数ANDおよびORに対する動作の説明を以下
で行う。
第2図は、与えられた光学データ信号AおよびBに関し
て、第1図のプログラマブル光学論理デバイスのORゲ
ードの動作に対する光信号パワーレベルを含む真理値表
であ。参照しきい値信号に対するパワーレベルは、 (2p(p+p))1/2に設定されており、TH
1で示されている。ただし、pは論理的“0”レベル
での入力信号の光学パワーであり、pは論理的“1”
レベルでの入力信号の光学パワーである。論理的“1”
レベルの入力信号のパワーは論理的“0”レベルでの入
力信号のパワーよりも大きいので、信号REFに対する
所定のパワーレベルは、データ信号AおよびBが論理的
に逆のレベルにあるか、または、両方とも論理的“1”
レベルにある場合に信号Qを論理的“1”状態に切り替
えるのに十分であることは明らかである。また、信号R
EFに対する所定のパワーレベルは、データ信号Aおよ
びBが両方とも論理的“0”レベルにある場合、信号Q
を論理的“0”レベルに保ち、あるいは、そのレベルに
切り替えるのに十分である。従って、第1図のプログラ
マブル光学論理デバイスは、第2図に示されている真理
値表に従ったレベルの信号を使用して動作する場合は、
論理的ORゲートとして動作可能である。
第3図は、与えられた光学データ信号AおよびBに関し
ては、第1図のプログラマブル光学論理デバイスのAN
Dゲートの動作に対する光信号パワーレベルを含む真理
値表である、参照しきい値信号に対するパワーレベル
は、 約(2p1(p0+p1))1/2に設定されており、T
H2で示されている。ただし、pは論理的“0”レベ
ルでの入力信号の光学パワーであり、pは理論的
“1”レベルでの入力信号の光学パワーである。論理的
“1”レベルでの入力信号のパワーは理論的“0”レベ
ルでの入力信号のパワーよりも大きい(すなわち、p
>p)ので、信号REFに対する所定のパワーレベル
は、データ信号AおよびBが両方とも論理的“1”レベ
ルにある場合に信号Qを論理的“1”状態に切り替える
のに十分であることは明らかである。また、信号REF
に対する所定のパワーレベルは、データ信号AおよびB
が論理的に逆のレベルにあるか、または、両方とも論理
的“0”レベルにある場合に、信号Qを論理的“0”レ
ベルに切り替えるのに十分である。従って、第1図のプ
ログラマブル光学論理デバイスは、第3図に示されてい
る真理値表に従ったレベルの信号を使用して動作する場
合は、論理的ANDゲートとして動作可能である。
当業者には明らかなように、第3図のQ出力に対する論
理的レベルに現れているダッシュ記号は、第2図に示さ
れたレベルとは差があるということを示している。この
ことが起こるのは、ダイオード101に供給される参照
しきい値信号REFがANDゲートの動作とORゲート
の動作では異なるレベルを持っているからである。結果
として、ダイオード101からの出力信号Qは、AND
ゲートの動作が要求される場合には対応してわずかに高
いレベルに変化する。
結合したデータ信号Cに対して第2および第3図の真理
値表に示された光学パワーレベルは、個々のデータ信号
AおよびBの適当な論理状態に対する光学パワーレベル
の和をとることによって求められることに注意すべきで
ある。入力データ信号の論理状態に対する適当なレベル
を決定するために、論理的“0”および“1”の入力パ
ワーレベルが、ランダムパワー単位(p.u.)で規格
化された先行するデバイスからの論理的“0”および
“1”の出力パワーレベルにほぼ等しく設定されること
が提案されている。すなわち、論理的“1”は、規格化
された光学パワーレベルで32p.u.を持つと仮定さ
れ、論理的“0”は、規格化された光学パワーレベルで
19p.u.を持つと仮定される。規格化されたパワー
単位を使用して、ANDゲートおよびORゲートの動作
に対する出力信号(Q)の論理的レベルの差が次のよう
にわかる。
規格化されたパワー単位に関寸る以上の説明は、本発明
を理解するために、例を用いて明確化のためになされた
ものであり、本発明の制限を目的とするものでないこと
を理解すべきである。
排他的ORゲートおよびその演算真理値表がそれぞれ第
4および第5図に示されている。図示されているよう
に、光学排他的ORゲートは、第1および第3図に関し
て上で説明したような光学ANDゲート401、第1お
よび第2図に関して説明した光学ORゲート402およ
び直列に接続されたダイオード410および411から
なる標準的なS−Rフリップフロップを含む。データ入
力信号A(ビーム405および407)ならびにB(ビ
ーム406および408)が排他的ORゲートに供給さ
れる。即値データ信号R(ビーム403)およびS(ビ
ーム404)が、論理ゲートの初期段階から出力され
る。出力信号Qが排他的OR出力を表現する。また、第
4図に示されているのは排他的ORゲートからの補数出
力信号Qであり、これによって光学排他的ORゲート
からの二重レール動作(相補的な出力信号の生成)が可
能になる。
第4図から省略されているが、当業者には明らかなよう
に、S−Rフリップフロップの各ダイオードに供給する
光学クロック信号を生成するためのクロック源が、第4
図の装置へのオプションの組み込みとして企図されてい
る。このようなオプションの装置では、クロック信号が
印加されている期間中は即値データ信号を抑止する必要
がある場合がある。このようなクロック信号の使用法
は、A.レンティーン(A.Lentine)他、「ポストデッド
ライン・ペーパーズ、プロシーディングズ・オヴ・コン
ファレンス・オン・レーザーズ・アンド・エレクトロオ
プティクス(Postdeadline Papers,Proceedings of Conf
erence on Lasers and Electrooptics)」論文ThT1
2(1987年)および「プロシーディングズ・オヴ・
コンファレンス・オン・レーザーズ・アンド・エレクト
ロオプティクス(Proceedings of Conference on Lasers
and Electrooptics)」論文TUE3(1988年)に
よる記事と、前記の特許第4754132号に開示され
ている。クロック信号が存在しない場合、組合せ論理ゲ
ートは、特定のクロック間隔の間だけではなくほぼ全時
間にわたって妥当な出力レベルを示すことができる。
データ信号Aに対応する光学入力ビーム405および4
07は、データ信号Aをビーム分割器(図示されていな
い)に通過させ、分割された2つのほとんど同一の光ビ
ームが適当な論理ゲートに入射するように、形成され
る。同様の方法が、データ信号Bに対応し、適当な論理
ゲートに入射する光学入力ビーム406および408を
生成するために使用される。
ANDゲート401は、第1および第3図ならびにそれ
に関連した説明に従って実現される光学ANDゲートで
ある。ANDゲート401は、データ信号AおよびBに
作用して、A・Bに等しい即値データ信号Rに対応する
光学ビーム403を生成する。
ORゲート402は、第1および第2図ならびにそれに
関連した説明に従って実現される光学ANDゲートであ
る。ORゲート402は、データ信号AおよびBに作用
して、A+Bに等しい即値データ信号Sに対応する光ビ
ーム404を生成する。
即値データ信号Rはダイオード410に入射し、即値デ
ータ信号Sはダイオード411に入射する。ダイオード
410および411はリード線414によって直列に接
続され、逆バイアス電圧Vがかかっている。従って、ダ
イオード410および411はS−SEED・S−Rフ
リップフロップを形成している。S−Rフリップフロッ
プは、信号QおよびQにそれぞれ対応する出力信号ビ
ーム415および416を生成する。動作中は、出力信
号Qはデータ信号AおよびBに対して実行される排他的
OR関数を表す。すなわち、Q=ABである。出力信
号Qは出力信号Qの補数を表す。ANDゲート401
およびORゲート402で使用された参照しきい値の所
定の値によって、S−Rフリップフロップがある論理状
態から他の論理状態に切ら替わるのに十分なレベルで、
即値データ信号RおよびSを生成することができる。第
5図に示されている論理的“1”および“0”状態に関
連して使用されているダッシュ記号は、上で説明したの
と同じ意味を持っている。
第6図は、インバータあるいは論理的NOTゲートを示
している。このゲートは、光ビーム605として参照し
きい値信号を生成するしきい値制御装置603を含む。
このビーム605は、直列接続されたダイオード60
1、602からなるS−Rフリップフロップのセット
(S)入力に入射する。これらのダイオード601、6
02はリード線604によって直列に接続され、逆バイ
アス電圧Vがかかっている。データ信号Aの補数、すな
わち、信号Aは、光ビーム607としてダイオード6
01によって出力される。しきい値制御装置603から
の参照しきい値信号のパワーレベルは(p1/2
に選択される。
ある実際の実験例では、しきい値参照信号ビームREF
は、標準的な、633nmの音響光学変調HeNeレー
ザによって、約6μWから約100μWまでのピークパ
ワーレベルを使用して生成された。ORゲートに対する
参照しきい値信号は約6.6μWであり、ANDゲート
に対する参照しきい値信号は約8.6μWである。明ら
かに、ダイオードによってよく吸収されるいかなる波長
でも使用することができる。上に引用した特殊例では、
S−SEEDは、AlGaAs/GaAs量子井戸真性
領域(公称850nm)を持つ量子井戸p−i−nダイ
オードからなる。論理ゲートに入射するデータ信号レベ
ルの例は、相補的な入力ビーム、すなわち、論理的
“1”および論理的“0”に対しそれぞれ約4.8μW
および2.85μWと推定されている。
以上の説明から、当業者には明らかなように、ここに記
述されたプログラマブル光学論理デバイスは、専用の論
理ゲートとして動作するか、または、実行される論理関
数が期間ごとに変化するようなプログラム可能モードで
動作するかのいずれかである。
プログラマブル光学論理デバイスは、同一光源から光信
号を引き出すことにより、光信号の強度変化を十分にま
ぬがれるように実現することができる。これは、S−S
EEDが入力信号の絶対強度ではなく入力パワーの比に
従って切替えを行うためである。
上に述べたように、プログラマブル光学論理デバイス
は、標準的な通常の製造技術を使用して、他の光学論理
デバイスを含む他のデバイスとともに、100×100
のオーダーの大規模のアレイに集積することが可能であ
る。(M.E.プライズ(M.E.Prise)他、「OSA・ト
ピカル・ミーティング・オン・フォトニック・スイッチ
ング(OSA Topical Meeting on Photonic Switching)」
(ソルトレイクシティー)論文PDP5(1989年)
参照)。現在知られているアレイ生成技術は、光学パワ
ートラッキングが、強度変化に対する影響を受けないよ
うにすることを可能にする。
上で説明した利点に加えて、プログラマブル光学論理デ
バイスから導かれる他の利点は、オプションのクロック
信号を使用することによってもバイアスに限界のないこ
とを可能とする時間順序利得、高利得(低入力パワー対
高出力パワー)、おおきいファンアウトを取ることがで
きるということである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理に従ってプログラマブル光学論理
デバイスの実施例を示す図、 第2図および第3図は第1図に示されたデバイスの演算
の異なるモードに関する論理真理値表、 第4図は本発明の原理に従って光学排他的ORゲートの
例を示す図、 第5図は第4図に図示されたゲートの演算に関する論理
真理値表、 第6図は本発明の原理に従ってインバータの実施例を示
す図である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1および第2の光学データ信号に対して
    ブール論理演算を実行するプログラマブル光学論理装置
    において、 第1および第2の光ダイオードを有し、これらのダイオ
    ードは直列に接続されて所定のしきい値を持つ自己電気
    光学効果デバイスを形成し、少なくとも前記第1の光ダ
    イオードは半導体量子井戸領域を含み、前記第1の光ダ
    イオードは第1および第2のレベルを持つ光学出力信号
    を生成し; 前記第1の光ダイオードに入射し実行されるブール論理
    演算を制御する光学参照しきい値信号を生成する手段を
    有し; 前記第2の光ダイオードに入射する前記第1および第2
    の光学データ信号を含み;および 全光学データ信号パワーに対する光学参照しきい値信号
    パワーの比が所定のしきい値を超過したときに前記第1
    レベルの前記光学出力信号を生成し、かつ、光学参照し
    きい値信号パワーに対する全光学データ信号パワーの比
    が所定のしきい値を超過したときに前記第2レベルの前
    記光学出力信号を生成することを特徴とするプログラマ
    ブル光学論理装置。
  2. 【請求項2】前記第1および第2の光学データ信号を結
    合されたデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信
    号は前記第2の光ダイオードに入射する手段をさらに含
    むことを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】前記第1および第2の光学データ信号の論
    理的OR演算を実行する前記装置であって、各光学デー
    タ信号は、第1の論理状態を表す第1のパワーレベルp
    および第2の論理状態を表す第2のパワーレベルp
    を持ち、前記光学参照しきい値信号パワーが2pより
    大きくp+pよりも小さい(ただし、p>p
    ことを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】前記第1および第2の光学データ信号を結
    合されたデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信
    号は前記第2の光ダイオードに入射する手段をさらに含
    む請求項3記載の装置。
  5. 【請求項5】光学参照しきい値信号パワーが(2p
    (p+p))1/2にほぼ等しいことを特徴とする
    請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】前記第1および第2の光学データ信号の論
    理的AND演算を実行する前記装置であって、各光学デ
    ータ信号は、第1の論理状態を表す第1のパワーレベル
    および第2の論理状態を表す第2のパワーレベルp
    1を持ち、前記光学参照しきい値信号パワーがp+p
    より大きく2pよりも小さい(ただし、p
    )ことを特徴とする請求項1記載の装置。
  7. 【請求項7】前記第1および第2の光学データ信号を結
    合されたデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信
    号は前記第2の光ダイオードに入射する手段を更に含む
    ことを特徴とする請求項6記載の装置。
  8. 【請求項8】光学参照しきい値信号パワーが(2p1
    (p+p))12にほぼ等しいことを特徴とする請求
    項7記載の装置。
  9. 【請求項9】光学データ信号に対して論理演算を実行す
    るプログラマブル光学論理装置において、 第1および第2の光ダイオードを有し、これらのダイオ
    ードは直列に接続されて所定のしきい値を持つ自己電気
    光学効果デバイスを形成し、少なくとも前記第1の光ダ
    イオードは半導体量子井戸領域を含み、前記第1の光ダ
    イオードは第1および第2のレベルを持つ光学出力信号
    を生成し; 第2光ダイオードに入射し、実行される論理演算が前記
    光学データ信号の論理的反転であるよう制御する光学参
    照しきい値信号を生成する手段を有し、 前記第1の光ダイオードに、前記光学データ信号を入射
    し、 全光学データ信号パワーに対する光学参照しきい値信号
    パワーの比が所定のしきい値を超過したときに前記第1
    のレベルの前記光学出力信号を生成し、かつ、光学参照
    しきい値信号パワーに対する全光学データ信号パワーの
    比が所定のしきい値を超過したときに前記第2のレベル
    の前記光学出力信号を生成することを特徴とするプログ
    ラマブル光学論理装置。
  10. 【請求項10】前記光学データ信号が第1の論理状態を
    表す第1のパワーレベルpおよび第2の論理状態を表
    す第2のパワーレベルpを持ち、前記光学参照しきい
    値信号パワーがpより大きく、pよりも小さいこと
    を特徴とする請求項9記載の装置。
  11. 【請求項11】光学参照しきい値信号パワーが、 (p1/2にほぼ等しいことを特徴とする請求項
    10記載の装置。
  12. 【請求項12】第1および第2の論理ゲートならびに論
    理メモリ素子を有し、第1および第2の光学データ信号
    に対してブール論理演算を実行するプログラマブル光学
    論理装置において、 第1および第2の論理ゲートは、それぞれ第1および第
    2の光ダイオードからなり、これらのダイオードは直列
    に接続されて所定のしきい値を持つ自己電気光学効果デ
    バイスを形成し、少なくとも前記第1の光ダイオードは
    半導体量子井戸領域を含み、前記第1の光ダイオードは
    第1および第2のレベルを持つ光学出力信号を生成し; 前記第1および第2の光学データ信号は前記第2の光ダ
    イオードに入射し; 光学参照しきい値信号を生成する手段を有し、前記光学
    参照しきい値信号の1つが前記第1の光ダイオードに入
    射して各論理ゲートによって実行されるブール論理演算
    を制御し; 各論理ゲートは全光学データ信号パワーに対する光学参
    照しきい値信号パワーの比が所定のしきい値を超過した
    ときに前記第1のレベルの前記光学出力信号を生成し、
    光学参照しきい値信号パワーに対する全光学データ信号
    パワーの比が所定のしきい値を超えたときに前記第2の
    レベルの前記光学出力信号を生成し; 前記第1の論理ゲートは前記第1および第2の光学デー
    タ信号に対する論理的AND演算を実行し、そのとき各
    光学データ信号は、第1の論理状態を表す第1のパワー
    レベルpおよび第2の論理状態を表す第2のパワーレ
    ベルpを持ち、前記第1の論理ゲートに供給される前
    記光学参照しきい値信号パワーはp+pよりも大き
    く、2pよりも小さく(ただし、p>p)、前記
    第2の論理ゲートは前記第1および第2の光学データ信
    号に対し論理的OR演算を実行し、そのとき前記第2の
    論理ゲートに供給される前記光学参照しきい値信号パワ
    ーは2pよりも大きく、p+pよりも小さく; 前記論理メモリ素子は、第3および第4の光ダイオード
    からなり、これらのダイオードは直列に接続されて所定
    のしきい値を持つ自己電気光学効果デバイスをなし、少
    なくとも前記第3の光ダイオードは半導体量子井戸領域
    を含み、前記第3の光ダイオードは第1および第2のレ
    ベルを持つ光学出力信号を生成し、前記第1の論理ゲー
    トからの前記光学出力信号は前記第3の光ダイオードに
    供給され、前記第2の論理ゲートからの前記出力信号は
    前記第4の光ダイオードに供給され; 前記論理メモリ素子からの前記光学出力信号を、前記第
    1および第2の光学データ信号に対する排他的OR関数
    として生成するなることを特徴とするプログラマブル光
    学論理装置。
  13. 【請求項13】前記第1および第2の光学データ信号を
    結合されたデータ信号へと結合し、そのとき、結合され
    たデータ信号は、前記第1および第2の論理ゲートのそ
    れぞれの前記第2の光ダイオードに入射する手段をさら
    に含むことを特徴とする請求項12記載の装置。
  14. 【請求項14】前記第1の論理ゲートへの前記光学参照
    しきい値信号パワーが、 ほぼ(2p1(p+p))1/2に等しく、前記第2
    の論理ゲートへの前記光学参照しきい値信号パワーが、
    ほぼ(2p(p+p))1/2に等しいことを特徴
    とする請求項13記載の装置。
JP2138674A 1989-05-31 1990-05-30 プログラマブル光学論理装置 Expired - Lifetime JPH0625836B2 (ja)

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