JPH0829822A - 光電子集積化素子および光信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二次元入出力光素子に適した光電子集積化素
子において、構成する各素子の高効率化と装置全体の小
型化を図る。 【構成】 同一波長で入力される二次元光信号列を、光
周波数変換素子アレイ１１に入力することで互いに波長
の異なる光信号列に変換した上で、面型変調器アレイに
入射し強度変調を行なった後、面型光検出器アレイ１２
により電気信号に変換する。この信号を参照信号との間
でヘテロダイン検波したうえで、記憶もしくは空間変調
器駆動回路２３に帰還することで二次のニューラルネッ
トワーク処理が可能となる。本装置構成において、各ア
レイを構成する光周波数変換素子１８・面型光変調器１
９及び面型光検出器２０はその高効率動作実現の為、そ
の素子中に量子細線もしくは量子箱構造２１をもつ。 【効果】 装置を構成する各素子中に量子細線もしくは
量子箱構造を採用することで、各素子の高効率動作が実
現できると共に、集積化時の各素子間の熱的及び電気的
相互干渉を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、信号処理全般に係り、
特に情報を光信号によって入出力できるシステムに用い
られる光電子集積化素子に関係する。

【０００２】

【従来の技術】光信号処理装置は、２次元の光信号（画
像）を２次元の光素子を組み合わせることにより実現で
きることが知られており、様々な実現方法が検討されて
いる。まず、従来の面型受光素子（２次元光入力デバイ
ス）について説明する。小型化に関しては、シーシーデ
ィ（ＣＣＤ）カメラも小型化されているが、薄く作製す
ることが困難であった。また、高速化に関しては、高速
度カメラでもギガヘルツ（ＧＨｚ）のスピードで画像を
サンプリングすることはできなかった。一方、フォトダ
イオードアレイでは、小型化、高速化を実現できる方法
ではあるが、効率の低下やクロストークの問題が高密度
の集積化を困難にしてきた。高密度にできなければ、小
型化や高密度の集積化は実現できない。

【０００３】次に、面光源（２次元光出力デバイス）に
ついては、半導体レーザアレイが考えられる。しかし、
各素子の駆動電力に比例する熱により、隣接光源の情報
に依存した温度変動により生じる熱クロストークの問題
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の２次元光入出力
素子は、クロストークの問題が高密度の集積化を困難に
してきた。

【０００５】本発明の目的は、クロストークの小さな光
素子をアレイ化することにより、小型、高速、大容量の
情報処理を可能にする光デバイスを提供することによ
り、様々な光入出力システムを実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、量子構造や
マイクロキャビティ構造を持つ、フォトダイオードや半
導体レーザをアレイ化することにより達成できる。

【０００７】

【作用】量子構造としては量子細線および量子箱の構造
があり、光から電流および電流から光への変換効率を上
げることが可能になる。フォトダイオードの効率の向上
は、素子をより小さくしても十分な電気信号出力が得ら
れるようになり、高密度の集積化を実現できるようにな
る。また、半導体レーザにおいて効率が向上すること
は、同じ光信号振幅を得るために必要な消費電力の違い
（デジタル情報における符号の違い、もしくはアナログ
情報における信号振幅の違い）による消費電力差を小さ
くできる。消費電力は各半導体レーザの発熱量の変動を
抑えられるので、アレイにおける隣接素子への熱クロス
トークを小さく抑えることが可能になる。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）本発明の実施例を図１に示す。本実施例
は、インターフェース部１０と光周波数変換部１１及
び、面型光変調器アレイ１２と光検出器アレイ１３及び
それらを制御する制御装置２２，２３，２４，２６から
構成される。本装置は１０のインターフェース部中の面
発光レーザ１７から出力された光１４を、観察体１６に
反射させ、反射光１５を同じくインターフェース部１０
のマクロレンズアレイで二次元平面内に分布する信号列
に変換する。この時、観察体１６は例えば指紋で、透明
なガラス板等に指等を押しつけるような形で得られる。
変換された信号光列は１１の光周波数変換アレイの各素
子１８によって、一部の信号はその強度情報は保存した
まま各成分ごとに異なる光周波数の信号光に変換され
る。相互に異なる周波数の信号光列に変換された二次元
信号は面型変調器アレイ１２中の各変調器セル１９に入
力され、強度変調を受ける。そしてその後これら二次元
分布信号は１３の光検出器アレイでそれぞれ光電変換さ
れる。変換された電気信号は制御装置２４もしくは主制
御装置２６中のヘテロダイン検波回路により、周波数変
換された各信号との間で積の項を検波される。その結果
を集計し、主制御装置２６中の記憶部の情報と比較し空
間変調器駆動回路に帰還することによりいわゆる二次の
ニューラル処理が可能となる。

【０００９】この方法により、高速に移動する物体の比
較同定や、画像の空間的相関、移動、回転、サイズ、明
度や色等の情報の取得や処理が可能となる。

【００１０】１７の面発光レーザ、１８の光周波数変換
素子、１９の面型変調器、２０の光検出器はおのおの素
子構造の一部に電気光学材料として化合物半導体を材料
とする量子細線・量子箱を採用する事で、１７の面発光
レーザにおいては高効率・低閾値な動作が、１８の光周
波数変換素子においては高効率な動作状態がそれぞれ実
現でき、１９の面型変調器アレイや２０の光検出器にお
いても同様に高効率動作が実現できる。

【００１１】本装置において１１の光周波数変換素子、
１２の面型変調器及び１３の光検出器アレイは、それぞ
れ二次元平面上に配置された形のアレイ構造を有し、各
素子ごとを駆動制御するシリコン材料の半導体集積回路
と同一基板上に集積することで、装置の小型化が図れ
る。またこの集積化を考える場合においても、量子細線
・量子箱の高効率電気光学材料の採用により、低消費電
力な動作状態が実現できる為、集積した各素子間の熱的
及び電気的相互干渉を低減することが可能となる。

【００１２】その結果例えば人及びその他動物の眼球と
同程度の光信号処理装置とすることも可能である。

【００１３】上記のように本実施例による光集積回路及
び光信号処理装置は、発光素子、変調素子及び受光素子
の各電気光学材料の一部に、量子細線もしくは量子箱構
造を用いることで、飛躍的に高効率な各素子の動作状態
が実現でき、集積化の際にも熱的及び電気的な素子間の
相互干渉を低減することができる。

【００１４】また、化合物半導体を材料とする光素子と
それらを駆動・制御するシリコン材料半導体集積回路を
同一のシリコン基板上に集積化することで、装置の小型
化が実現できる。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、従来の画像処理装置と
比較して飛躍的に小型で高速・高効率な二次元画像処理
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次元画像信号を光周波数多重信号に変換する
ことで、二次のニューラル処理を実現した、画像処理装
置。

【符号の説明】

１０…同一基板上に面発光レーザとマイクロレンズを集
積した光インタフェース、１１…光周波数変換器アレ
イ、１２…空間変調器アレイ、１３…光検出器アレイ、
１４…観察体への照射光、１５…観察体からの反射光、
１６…観察体、１７…面発光レーザ、１８…光周波数変
換素子、１９…面型光変調器、２０…光検出器、２１…
量子箱構造、２２…光周波数変換器アレイ制御・駆動
部、２３…面型光変調器アレイ制御・駆動部、２４…光
検出器アレイ制御・駆動部、２５…信号線路、２６…主
制御装置。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２次元アレイの構造をした、発光素子、光
   変調素子、周波数変換素子もしくは受光素子のいずれか
   を少なくとも一つ含む光信号処理装置であって、前記２
   次元光素子アレイが、量子箱、量子細線、もしくはマイ
   クロキャビティ構造をしていることを特徴とする光信号
   処理装置。
2. 【請求項２】２次元の光情報入力インターフェース部
   と、２次元光周波数変換光素子アレイと、２次元空間強
   度変調器とマイクロレンズアレイと２次元受光素子アレ
   イとが順に層状に配置され、光ヘテロダイン検波回路と
   ２次元情報を持つ記憶部と空間変調器駆動回路から構成
   される光信号処理装置であって、前記光情報入力インタ
   ーフェース部から入力された光は、前記２次元光周波数
   変換光素子アレイの各素子において１部が光周波数変換
   され、残りは光周波数変換されずに透過し、前記空間変
   調器において、各光信号は強度変調され、マイクロレン
   ズアレイによって２次元受光素子アレイに集められて電
   気信号に変換され、電気信号は、ヘテロダイン検波回路
   によって、周波数変換された光信号と周波数変換されな
   かった光信号の積の項を検波され、その結果を集計し、
   記憶部の情報と比較し、空間変調器駆動回路に帰還する
   ことにより、２次のニューラルネットワーク計算をし、
   指紋情報の記録および比較同定を可能にすることを特徴
   とする光信号処理装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の光信号処理装置を用
   いて高速に移動する物体の比較同定をする検査を可能に
   することを特徴とする光信号処理装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２記載の光信号処理装置を用
   いて空間的相関、移動、回転、サイズ、明度、もしくは
   色変化等の情報を得ることが可能であることを特徴とす
   る光信号処理装置。
5. 【請求項５】請求項１又は２記載の光信号処理装置を用
   いて空間的相関、移動、回転、サイズ、明度、もしくは
   色変化等の情報を得ることが可能であり、人およびその
   他の動物の眼球と同程度のサイズであることを特徴とす
   る光信号処理装置。
6. 【請求項６】指を触れる透明基盤と、複数の光源が２次
   元に配列された面光源と、２次元光周波数変換光素子ア
   レイと、２次元空間強度変調器と集光レンズと受光素子
   とが順に層状に配置され、指紋の情報を持つ記憶部と光
   ヘテロダイン検波回路と空間変調器駆動回路から構成さ
   れる光信号処理装置であって、前記面光源は、前記透明
   基盤の下面にあって、上面に触れている指を照明し、透
   明基盤および面光源を透過した光は、前記２次元光周波
   数変換光素子アレイの各素子において１部が光周波数変
   換され、残りは光周波数変換されずに透過し、前記空間
   変調器において、各光信号は強度変調され、集光レンズ
   によって受光素子に集められて電気信号に変換され、電
   気信号は、ヘテロダイン検波回路によって、周波数変換
   された光信号と周波数変換されなかった光信号の積の項
   を検波され、その結果を集計し、記憶部の情報と比較
   し、空間変調器駆動回路に帰還することにより、２次の
   ニューラルネットワーク計算をし、指紋情報の記録およ
   び比較同定を可能にすることを特徴とする光信号処理装
   置。
7. 【請求項７】請求項２乃至６のいずれかに記載の光信号
   処理装置において、前記光信号処理装置を構成している
   ２次元アレイの構造をした、発光素子、光変調素子、周
   波数変換素子もしくは受光素子のいずれかが量子箱、量
   子細線、もしくはマイクロキャビティ構造をしているこ
   とにより、小型かつ低クロストークの２次元信号処理が
   可能であることを特徴とする光信号処理装置。
8. 【請求項８】請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号
   処理装置において、２次元アレイの構造をした受光素子
   がＧＨｚを超える広帯域であり、量子箱もしくは量子細
   線していることにより、小型かつ低クロストークの２次
   元信号を高速で処理が可能であることを特徴とする光信
   号処理装置。