JPS5889887A - 半導体光機能デバイス - 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】 本発明は、半導体発光ダイオードを備えて光入力と光田
力との間に種々の機能を呈する牛導体光機能デバイース
に関し、特に、小型化、集積回路化が容易であり、広い
波長範囲に亘って光電子工学上の基幹をなす光機能素子
を実現し得るようにしたものである０ 従来、光通信、光情報伝達、処理システム等に関する光
産業技術においては、光の高速制御を行なうために電気
光学効果や音響光学効果を利用した檜々の半導体デバイ
ス°が開発されているｏしか□−□□□ しながら、従来のこの糧の半導体光機能デバイスの多く
は、電“気光学効果素子や音響光学効果素子に印加した
電圧もしくは電流によ−り透過光を制御するようにした
ものであり、光入力−光出力の形態に１１低されて動作
する真の光デバイスではなかった〇 一方、近年世界的に活ｍＫ８発が進められていなわち、
いわゆるＢＯＤがあり、このＢＯＩＩけ、光スィッチや
光変調器等の光機能素子の出力光強度に比例した電圧も
しくけ電流を帰還してその光機能素子を制御するように
構成した新らしい高速かつ低消費電力の光入力−光出力
デバイスであり、光微分増幅器、光スィッチ、光りず夕
、光パルス整形器、光メモリ、光演算素子等としての応
用が考えられており、真正型としての誹層形媒質を含ん
だ７アブリベロー共振器、あるいは、混成型としての電
気的帰還制御を施した光変調器など、穫々の構成による
ものが開発されている。しかしながら、従来開発された
この種光双安定素子は、いずれも、その動作に不可欠の
光源を素子の動作糸に内蔵していない受動型の素子でＴ
ｏり、別途設けた光源装置と組合わせることが必須の要
件となるので、この検光機能素子、の実用上最大め要求
である小型化、簡易軽量化、集積回路化に対して大きい
障害となる、という重大な本質的欠点を有してｂたＯ 従来の光双安定菓子が有するか示−る欠点の本質的解決
策として、本発明者らは、さきに１半導体レーザ素子を
光源として内蔵するとともに、光電変換素子と組合わせ
て光双安定動作を行なわせる！うｇｌＪレ−ｆ機能デバ
イスｔ４Ｉ願昭ｊイー８０７２６号明細書により提案し
た０魁かして、半導体レーザは、近年、その進歩が目ざ
ましく、その性能が著しく向上しており、極めて小型に
構成し祷るとともＫ１１ｌｆｆ励起が容易であり、さら
に、他の電子デバイスや光デバイスとの集積化が可能で
あるなどの得質を備えているが、発光波長斌が限られて
任意の設定が困難であり、レーザ素子自体の構成が比・
較的複雑で製造゛容易とはいい難く、高価となるなどの
実用上の間層があった◎ 本発明の目的は、上述した従来の問題を解決してその欠
点を除去し、光機能素子に不可欠の光源を内蔵して光入
力−光出力間に種々の機能を呈し、広い波長間１１１Ｋ
ｊｌｌ真の光デバイスとして動作ことにある。

しかして、本発樹は、上述した目的の達成に最も適し九
光源として、上述のような問題を有する半導体レーザの
替わりに、半導体レーザに比すれば応答速ＦｒＬはやや
劣るも、種類が豊富であって使用し得る波長域が極めて
広く、構成が簡単であって製造が容易で低価格にて製造
し得るうえに、極めて小型であって注入電流によりその
動作を容易に制御することができ、しかも、半導体レー
ずに比して集積化中時命の点で優れている接合型なとの
発光ダイオードに注目し、その注入電流に対する非線形
の発光特性と千９出力光を受光する光検出素子の光電変
換特性との組合わせによル、従来盛んに開発されて床机
に実用されている電子工学上の機能デバイスが呈する各
種の機能と同等の種種の機能を光入出力間に呈する光機
能素子として本発明半導体光機能デバイスを実現したも
のであるＯ 述したｌ／−ｆ機能デバイ、ｘ、　ｆ　ＢＩＬＤ（Ｂｉ
ｓｔａｂｌｅ　ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）　　と略称ｆる
のに対しテＢＩＩ、ＫＤ（ＢｉｓｔａｂｅＬｌｇｈｔ　
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）と略称し、発光ダイオ
ードと光検出素子とを電気的に直列に接続するとともに
、発光ダイオードの出力光と外部からの入力光とをとも
に光検出素子に入射させることにより、例えば、一定や
範囲の入力強０度に対して出力光にλつの安定状１Ｉ１
１に生じさせる光双安定機能を光入力−光出力間にて呈
するようにしたものであり、ともに半導体よシなる発光
ダイオードと光電変換素子とを光学的および電気的に循
環接続し、少なくとも前記発光ダイオードの出力光の入
射に応じて発生上た前記光電変換素子の電気出力信号に
より前記発光ダイオードを制御して前記出力光を変化さ
せることにより所望の機能を備えるように構敗し念こと
Ｙｒ特徴とす葛ものである０しかして、上述のような光
双安定機能動量する半導メ光機能デバイスは、通常の電
子回路によるディジタル回路やパルス回路の構成に対し
てその根幹をなす入出力電圧乃至電流量に生ずる双安定
性を利用した電子機能デバイスに相当するもの工あり、
光電子工学上の最も基幹的かつ斬新な光デバイスとみな
すことができＪまた、かかる構成によれく、例えば、発
光ダイオード、光検出素子およびそれらの素子を接続す
る電子回路系をいずれも集積回路化するととＫより、全
構成要素を一体化した極めて小型の真の光機能素子を実
現することができる。

以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明牛導体光機能デバイスの基本的構成の例を
第１図に示す０図示の構成において、ＬＥＤおよびＰＤ
はそれぞれ発光ダイオードおよび光検出素子であり、Ｐ
Ｏは発光ダイオードＬＥＤからの出力光、Ｐｌは外部か
ら光検出素子ＰＤＫ入射する入力光であるｏしたがって
、図示の構成によれに、発光ダイオードＬＥＤの出力光
Ｐｏが、光検出素子ＰＤによシ光電変換されたう見で、
必要に応じて介挿する増幅素子ムＭＰヲ介し、発光ダイ
オードＬＥＤに正帰還されることになる。なお、Ｖｍは
かかる構成の各素子に印加する動作電圧でＴｏ夛、Ｒ１
、Ｒ２は双方の素子ＩＪＤ　、　ＰＤのパイテス電圧中
帰遺率を調整するための抵抗回路網を表わしたものであ
る０また、光検出素子ＰＤ　Ｋ　Ｆｉ、動作上の必要に
応じて、広帯域増幅素子ｔも含むものとする。さらＫ、
上述し九九部から光検出素子ＰＤに入射させる入力光は
、−レーザ発振器からのコヒーレント光とすることも−
でき、マエ、その他の通常の光源からのインコヒーレン
ト党とすることもできるｏ　　　　″ 例えば発光ダイオードＩＪＤと光検出素子ＰＤとの上述
のような光学的シよび電気的の循環接続によって構成し
九本発明半導体光機能デバイスにより、例えば前述した
ような光双安定動作が得られる動作原理としては、発光
ダイオードＬＩＤの発光特性と光検出素子Ｐ−Ｄの飽和
特性とがデバイスの光入出力−電流特性に非−形性管与
えるがために、°′これらの素子ＬＥＤおよびＰＤの協
力的°関係に基づいて光入力−光出力間にヒステリシス
特性が生ずるものと考えられる０また、上述した光学的
および電気的の循環接続による帰還制御系のパラメータ
の組合わせに基づいて種々の動作点を設定すれば、上述
したヒステリシス特性の他に烏、例えば光りは夕特性や
光微分利得特性などの各種の動作モードを実現すること
ができ、かかる各種の動作モードによって、前述したよ
うに、従来の電子回路によると同等の種々の機能を保持
することができる〇さらに１発光ダイオードＬＥＤおよ
び光検出素子ＰＤの大きさは、いずれも、長さが数、百
イクＵン、幅が数イクロン乃至数十イクロン程度であっ
て極めて小型であるので、モノリシック型あるいはハイ
ブリッド型の光集積回路化するに極めて好運で６９、こ
れらの素子り恥、ＰＤに電子回路素子をも含めた循環接
続系全体を同一基板上にユニットとして形成することも
可能であ〕、かかるユニットのアレイ化や複数ユニット
の種々の形態の組合わせ接続等によシ、先入カー光出力
間にさらに各種各様の新たな機能を保持盲せることも可
能であるので、光電子工学上の最も基本的乃至基幹的な
光回路素子を実現することができる０゛ しかして、第７図示の構成における発光グイオ−ドＩＪ
Ｄの出力光強度が励起電流のほぼ２乗に比例し、光検出
素子ＰＤの光電流が飽和特性を有するものと丁ｎば、光
入出力（Ｐｉ　−Ｐｏ　）　％性はヒステリシスや微分
利得を呈するものであることは聾単な考察によって容易
に理解することができ。

実際に第７図示の構成による。牛導体光機能アノ（イス
の光入出力特性ＩＸ−Ｙレコーダを用いて測定した結果
の一例【第１図に夢すＯなお、その測定に際しては、光
検出素子ＰＤとしてフォトトランジスタを用い、また、
帰還量を調節することにより、図示のヒステリシス特性
のほか、微分利得特性も得られたｏｆた、同時に測定し
た発光ダイオードＬＥＤのｔ流−光特性の例を第３図に
示し、光検出素子ＰＤとしたフォトトランジスタの光−
電ｆｆ特性の例を°第ｙ図に示すＯしかして、上述の―
ｊ定においては、光検−素子ＦＤとしてフォトトランジ
スタを用いたがために、アノ（イスとしての応答時間が
数百マイクロ秒程度となつ念が、応答の速い光検出素子
、例えばアノ（ランシエ、・フォトダイオードなどを用
いれば、応答の格段の高速度化つぎに、本発明半導体光
機能デバイスＢＩＩＪＤの最も基本的構成を第１図に示
し、°その基本的構成における各素子の特性およびデバ
イストシての特性會第ｄ図外）〜（劇に順次に示す“０
第！図示の基本的構成においては、発光ダイオードＬｌ
の出力光Ｐｏと外部からの入力光Ｐｉとを光検出素子Ｐ
Ｄに入射させるとと、もに、光検出素子ＰＤの出力電流
Ｉｐを励起電流として発光ダイオードＬＥＤ　Ｋ注入し
である０かかる構成において、発光ダイオードＬ［）の
電流−光（Ｉｐ　−ｐｏ　）特性Ｆｉ第≦図（ａＪに示
すようＫな９・、発光ダイオードＬＥＤの出力光強度Ｐ
ｏは励起電ａ　ｒｐの２乗に比例し、その比例常数をａ
とすると、 ＰＯ就ａＩｐ” となシ、一方、光検出素子、ＰＤの光−電ｆｉ（ＰＯＩ
ｐ　）特性は第４図Φ）に示すようになり、素子ＰＤの
種類および動作条件によって定まる閾値レベルＰｇ以下
の総合入力光の強ｆｌｉ囲においては、光検出素子ＰＤ
の出力電流強度１ｐが総合の入力光強度（Ｐｉ　−１−
Ｐｏ　）に比例し、その比例常数１ｋｋとすると、つぎ
のように表わされるＯ ｒｐ　＝　ｋ（Ｐｉ　＋Ｐｏ）　　（Ｐｉ　十Ｐｏ　＜
　Ｐｓ）を念、上述の閾値レベルＰｇを超える総合入力
光の強度範囲においては、光検出素子ＰＤの出力電流強
度Ｉｐが一定の飽和電流値ｋＰｓとなり、つぎのように
表わされるＯ Ｉｐ　＝　ｋＰｓ　　　（Ｐｓ　＜　Ｐｉ　＋　Ｐｏ）
しかして、第３図（ｂ）　Ｋ示しへ光検出素子ＰＤの光
−電５ｙ：、　（Ｐｏ　−ｘｐ　）　４Ｉ性を、同図（
ａ）　Ｋ示した発光ダイオードＬＩＥＤの電流−光（−
Ｉｐ　−Ｐｏ　）特性と則−座標系になるようＫ、横軸
に励起電流Ｉ−ｐをとり、縦軸に出力光Ｐｏ　ｆとって
書き直すと同図（０１に示すようになり、外部からの入
力光Ｐｉ　ｆ増大させると、総合人、力光強度と出力電
流との比例関係を示す部分の特性−１が図示の矢印の方
向に平行移動するＯこのように同一座標系にて表わした
同図ｅ）の発光ダイオードＩ、ＥＤの電流−光（Ｉｐ−
Ｐｏ　）特性と同図（Ｃ１の光検出素子ＰＤの光−電流
（Ｐｏ　−Ｉｐ　）特性とを同一座標面上に表わすと同
図−）Ｋ示すようＫなり、発光ダイオードＩＪＤの電流
−光特性曲線と、入力光Ｐｉｔ−Ｐｔ〜Ｐ４と順次に増
大させたときの光検出素子ＰＤの各光−電流特性面１と
の各交点Ａ％Ｂ１ＧおよびＤが第１図示の構成による本
発明光機能アノ（イスの順次の動作点を与えることにな
る０すなわち、外部からの入力光Ｐ１をＰ１→Ｐ２→Ｐ
３と順次に増大させると、デバイスの動作点がＡ→Ｂ−
＋Ｃと順次に移動し、外部からの入力光Ｐ１ｔ−さらに
増大させると、デバイスの動作点は、双方の特性曲線の
接点Ｃから点’ＤＫジャンプし、入力光Ｐｉを増大させ
ても、デバイスの動作点は点ＤＫ留オつたｉま、移動し
ない♂また、かかる動作状態において、逆に、外部から
の入力光Ｐ１を低減させていくと、発光ダイオードＬＥ
Ｄの電流−光特性曲線と動作点ＤＫて光潰出素子ＦＤの
光−電流特性曲線が交わる入力光Ｐｉ＝Ｐ２に違したと
きに、デＩ（イスの動作点は点りから点ＢＫジャンプし
、さらに、点Ａを通って座標原点Ｑに戻る０第ｄＷＪ町
に示したかかる動作点移動の態様を、制御入力として変
化させる外部からの入力光Ｐｉ　ｆ横軸にと９、その入
力光Ｐ１の変化に基づく動作点の移動によって変、化す
るデバイス出力としての出力光Ｐｏ　（縦軸にとってデ
バイスの光入出力特性の形に書き直すと、同図（・）に
示すようにな９、入力光ＰｉがＰｓＫ違したときに、デ
バイスの動作点は点Ｃから点りにジャンプし、デバイス
出力は飽和出力光Ｐａに一定となり、かかる動作状態に
て入力光Ｐｉ　Ｙｒ低減させてＰ！に達すると、デバイ
スの動作点はＤＪから低出力光状態にある点Ｂにジャン
プし、図示のようなヒステリシス特性が得られることに
なる〇 一方、第４図（（１）Ｋ示したデ／＜イスの電流−光特
性における励起電流Ｉｐ　−ｋ（Ｐｌ　＋　Ｐｏ　）の
比例常数にの値を図示の場合に比して小さく設定するき
、デバイスの電流−光特性は同図１ｆ）　Ｋ示すようｋ
なり、かかる動作の態様を上述したように書き直すと、
同図（・）に示し光デ／（イスの光入出力ヒステリシス
特性は同図（ｇｌ　Ｋ示すように便化してヒステリシス
特性が消失し、入力光強度Ｐｉが値Ｐ２から増大して値
Ｐｓに近づいたときに特性に対する接線の傾斜ｄＰＯ，
／（ＩＰｉの値が／を超えるようになって、′図示のよ
うな微分利得特性が得られる０なか、励起電ＷＬＩｐ冨
ｋ（Ｐｉ　＋　Ｐｏ）の比例定数ｋを上述のように小さ
くする替わルに、出力光Ｐｏｗａｌｐの比例定数ａを小
さくすることによっても、上述したと同様に微分利得特
性が得られ、したがって、第５図示の構成による光機能
デバイスの光入出力特性が、第５図（’５）に示したよ
うなヒステリシス特性を呈するか、あるいは、同図（ｇ
）に示したようシ黴分利得特性を呈するかは、−上述し
た１例定数ａとｋとの積ａｋによって決定されることＫ
なる。

なお、上述したような本発明光機能デバイスの光入出力
特性は発光ダイオードＬＩＤの非１形的な電流−光特性
と光検出素子ＰＤの光−電流飽和４９−性との組合わせ
によるものであること上述のとお９であり、発光ダイオ
ードＬＩＤの電流−光特性および光検出素子ＦＤの光−
電流特性の実測角【第７図Ｉｌｌおよびゃ）にそれぞれ
示し、これらの特性の組合わせによる光双安定発光ダイ
オードＢＩＬＩＤの光入出力ヒステリシス特性の測定例
を第１図に示す０なお、光検出素子ＰＤとして雑光検出
出力電流を大きくする九めにトランジスタｔ／個ダーリ
ントン接続にして付加したシリコン・フォトダイオード
を用い、また、デバイスの光入出力ヒステリシス特性を
得るための制御入力光源としては、九〇 上述し九測定例に用いた光双安定発光ダイオードの応答
速度は、光検出素子として用いたフォトトランジスタの
応答速ｆＫよってほぼ決定されており、数百マイク９秒
となったが、応答速度が十分速い光検出素子を用いれば
、アノ（イスとしての応答速度はそれぞれの構成素子の
直接変調限界によって決まるので、十数ナノ秒１１にの
高速応答も可能と期待し得ること前述したとおりである
Ｏまた、本発明半導体光機能デ／（イス、すなわち、上
述し九九双安定発光ダイオードは、本来、光集積化を目
標として新たに案出したデバイスであり。

各種の優れた機能を発揮するものと期待し得るＯかかる
光集積化を施して製作した本発明中導体光機能デバイス
の構造例を第２図に示すＯ図示の構成を有する本発明デ
バイスの最も簡単な製作方法としては、半導体基板Ｓｓ
上の全面に通常の接金型発光ダイオードを被着形成した
うえで、蝕刻によって出力光射出方向と直角の方向に溝
を切り、かかる凹欠部を介して対向する接合ダイオード
の一方を発光ダイオードＬＥＤとして動作させるととも
に、他方を光検出用フォトダイオードＰＤとして動作さ
せ、その発光ダイ−オードＬＥＤからの出力光と外部か
らの入力光とを同時に光検出用フォトダイオードＰＤに
入射させるとともに１発光ダイオードＬＥＤの他あ憫か
らの出力光をデ・（イスの出力光として取９出すように
するＯ つぎに、前述したように種々の機能を期待し得る本発明
牛導体光機能アノ（イスの光入出力特性を利用して得ら
れる種々の機能−子の代表例を列挙する０ （１）光記憶菓子、光スイツチ素子　、第ｄ図ｔａ）あ
るいは第１図に示したような光入出力ヒステリシス特性
全利用することＫよって、光記憶素子や光スイッチ菓子
として動作させることができる・すなわち、第１Ｏｉｌ
ｌに示すように、本発明デバイスの入力光Ｐ１が図示の
ｌｐ／のときには、出力光ＰＯＫは二つの安定な状廖が
存在するので、入力光Ｐ１の値Ｐ／に正の光／（ルスを
付加すれば、出力Ｐｏが高レベルｌ１１の安定状態とな
シ、また、入力光Ｐ１の値Ｐ／　Ｋ負の光Ｉ（ルスを付
加すれば、出力光Ｐｏが低レベル１０１の安定状態とな
　。

るので、入力光強度Ｐｉの変化に応じて出−力先ｐ。

のかかる安定状態’／’、　’０９間の変化をディジタ
ルメモ、す、あるいは論理スイッチとして利用すること
ができる０ （２）　　光微分増幅素子 第６図（ｇ）に示したような光入出力利得特性を呈する
場合には光微分増幅素子として本発明アノ（イスを応用
することができるＯすなわち、第１／図に示すように、
平均レベルＰ′の入力光Ｐ１を微小振幅にて振幅変調す
ることにより−、その微小振幅を増幅した形態の出力光
ＰＯが得られ、平均レベルＰ′を約ダθμＷとしたとき
ｙｏａＨ度の微分増幅度が得られたが、各構成素子の動
作条件を調整することＫより、この微分増幅度は所望の
適値に設定することができる。

（３）　　光パルス波形整形菓子 第５図（ｇ）　Ｋ示したのと同様の光入出力微分利得力
先Ｐ１の強度が図示のレペ＾Ｐ′を超え念ときＫは、出
力［ＰＯの一強産がほぼ２定レベルとなり・反対に、入
力光Ｐ１の強ｆが図示のレベルＰ′に達しないときには
、出力光Ｐｏの強度がほぼ零となるようＫすれば、図示
のレベルＰ′を超える波高値の入力光パルスにノイズが
重畳するな、２してパルス波形が不整になっていても、
出力光パルスのパルス波形においては、そのノイズ成分
等の不整な波形が抑制されるので、光パルスの波形整形
が可能となる。なお、かかる波形整形は光パルス波高の
増幅と同時に行なうこともでき、光通信における集積化
高速光リピータとしての応用を期待し得る。

（４）元パルス波高比較素子（光コンパレータつ！！Ｊ
ｌｋ’！β）におけると同様の光入出力微分利得特性の
利用により入力光パルスのパルス波高比較素子すなわち
光ボンパレータとして本発明デバイスを動作させること
もできる０すなわち、第１Ｊ図に示すように、種々異な
るパルス波高ｍを有する入力光パルス群が順次に印加さ
れると、図示のレベルＰ′を超えたパルス波高値を有す
る入力光パルスに対しそのみ、一定のパルス波高を有す
る出力光パルスがそれぞれに対応して形成され、例えば
、入力パルス波高の闇値レベルとする基準パルス波高値
ｐ／　を約≦ＯμＷζし九と１に１そ１）＠値しベルを
超えたパルス波高の入力光パルスに対して、゛約１００
μＷのパルス波高値′を有する出力光パルスが得られた
・ （５）光再生発振素子 ハイブリッド型忙構成した本発明光双安定発光ダイオー
ドにおける電気的帰還回路にその安定状態を持続させな
いようにするフィルタ、例えば、高域通過フィルタある
いはｉ域通過フィルタを介挿して各構成素子の動作条件
を適切に調整すると。

二つの安定状態の相互間を往復する形態の再生発振を生
成させることができる。すなわち、第７４を図に示すよ
うに、本発明光双安定発光ダイオードを構成する発光ダ
イオードＬＩＣＤと光検出菓子ＰＤとの間の電気的帰還
回路に高域通過フィルタＨＰＦを介挿すると、上述のよ
う・な再生発振を行なわせることができ、かかる再生発
振は、光機能デバイスが双安定性を有し、しかも、バイ
アス点におけるループ微分利得が７を超えたと１１に再
生発振が生じ、その発振周波数は主として高域通過フィ
ルタＨＰＦの迩“断周波数にふって決ｔ９、再生発振出
力光パルスにおけるパルス波形の立上９および立下ｐの
傾針、すなわち速さは、光双安定デバイスとしての応答
速度に対応して決まる。

ｔた、外部からの入力光Ｐ１のオン・オフによってかか
る再生発振の起動−停止管制御するようにした場合にお
ける本発明光双安定発光ダイオードの構成例を第１！図
に示す・　図示の構成においては、第７４を図に示した
光再生発振素子の構故における発光夛°ｉオードＬＫＤ
Ｋ、他の光検出素子ＰＤＺを並列に接続して、その光検
出素子ＰＤ／に制御用入力光Ｐｉ　Ｙｔ入射させること
Ｋより、上述したような再生発振の起動・停止を制御す
ることができる。なお、図示の構成においては、そのま
まで入力光Ｐ１と出力光ＰＯとの関にヒステリシス特性
が認められ、光双安定機能デバイスが構成さ九ているこ
とは容易Ｋｌ！甥し得る０ 以上の説明から明らかなように１発光ダイオードと光検
出素子との光学的および電気的な循ＩＩ接続による組合
わせを基本的構成とする本発明半導体光機能デバイスは
、光出力に生ずる二つの安定状態を入力光強度によって
制御するものてあプ、冒頭に述べた従来の光双安定素子
とは異な〕、デバイスに内蔵する光源素子自体かがかる
双安定状態制御１％性を具備するように新たに構成し九
４０であるから、所要の機能を果す動作のために他の発
光ダイオードや半導体レーザ等の光源装置を全く必要と
せず、したがって、デバイス全体の小型化、簡易軽量化
、低消費電力化、さらには、経済化を大幅に促進するこ
とができる。また、基本的構成が極めて単純であるが故
に、光学的および電気的帰還系の種々の組合わせによっ
て、光マルチバイブレータをはじめとする全く新たな光
機能デバイスを種−多様に実現することができ、しかも
光集積回路化によ）高密度、高速度などの優れ喪性能を
期待することがで暑るＯ すなわち、本発明半導体光機能アノ（イスの光入力−光
出力間に生ずる光双安定動作によりヒステリシス特性が
優られるとともに、微分利得特性、リイタ特性等も動作
条件の設定によって容易に実現させることができ、かか
る緒特性を利用して、光スィッチ、光記憶、光論理、微
分増幅、光）くルス波形整形、光出力弁別、光クリッパ
、光リイタ。

光パルス発生など様々の新しい光機能を実現することが
できる０特に１発光ダイオードと光検出素子、並びに、
これらの素子間を接続する電子回路系をすべて、モノリ
シックもしくはノ１イブリッド型に集積化してデバイス
全体を高密度に一体化して構成することが容易であるＯ さらに、本発明牛導体光機能アノ（イスを可変波長の音
替光学的Ｐ波器などとともに集積化することにより、高
速でコンパクトな光機能デ／（イスとして分光計測の分
野への応用を期侍すやこともできる０ 上述のようにして本発明半導体光機能アノ（イスを適用
し得る各種の機能乃至機能素子の主なものを列挙すると
つぎのとおりである。

＋１１デイジタル記憶素子、計数素子などの光計算機用
素子 （１）光パルス波形整形 ＋ａｌｌ光パルス増幅（先玉極管動作）（ＩＶＪ光パル
ス弁別器 ？Ｖ）光リイタ （ｖｌ）ディジタル光通信朋党中継器 （ｖｌＯ光パルス発生 なお、本発明半導体光機能デバイスは、従来から集積化
が進めらｔている発光ダイオードと光検出素子とを組合
わせて構成したものであるから、従来の集積型光双安定
素子に比して集積化が極めて容易であや、従来のこの種
のデバイス、゛例えば、ＬｉＮｂ０．などの導波管製光
変調素子を用いた光双安定素子が数龍乃至十数鵡の寸法
を必要としたのに比して、例えば数百μ肩程度の寸法と
なり、十分に小型化することができるＯまた、制御用入
力光に対して要求される条件は、光検出素子のみによっ
て決定されるので、低入力光レベルにて応い波長域に亘
って使用することかで１、しかも、コヒーレント光とす
る必要もなく、さらに、動作上必須の光源を内蔵してい
るが故に、その実用性は極めて多大であり、程々の動作
モードを電気的に制御し得る利点も備えており、近ｉ将
来における光通信中情報処理など多種多様のシステムに
おけゐ基本的デバイスとしての活用を大いに期待するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明半導体光機能デ気イスの基本的構成の例
を示す回路図、第一図は同じくその光入出力双安定特性
の例を示す特性−ｉＩ図、第３図は同じくその発光ダイ
オードの電流−光特性の例を示す特性曲紐図、＠　”図
は同じくその光検出素子の光−電流特性の例を示す特性
曲線図、第！図＃′ｉ同じくその基本的構成の他の例を
示す回路図、第４図（町乃至（ｇ）は同じくその各種の
特性を順次に示す特性曲線図、菖７１１％）および（ｂ
）は同じく発光ダイオードおよび光検出素子の特性の測
定例をそれぞれ示す特性曲線図、第１図は同じくその光
入出力ヒステリシス特性の測定例を示す特性−線図。 第を図は同じくその集積化した構造例を示す斜視図、第
７０図は同じくその光記憶素子としての応用例を示す線
図、第１／　＠は同じくその光微分増幅菓子としての応
用例を示す１図、第７Ｊ図社同じくその光パルス波形整
形素子としての応用例を示す線図、第１Ｊ図は同じくそ
の光パルス波高比較素子としての応用例を示す１図、第
１弘図は同じくその光再生発振素子としての応用例を示
す回路図、第１！図は同じくその光再生発振素子として
の他の応用例を示す線図である０ ＬＥＤ・・・発光ダイオード、ＰＤ・・・光検出素子、
ＡＭＰ・・・増幅菓子、ＳＳ・・・半導体基板、ＢＩＬ
ＩＥＤ・−双安定発光ダイオード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１・
・・抵抗、Ｐ。 ・・・出力光、Ｐｌ・・・入力光、Ｐｓ、Ｐ’・・・閾
値レベル。 Ｉｐ、Ｉｂ・・・出力電流（励起電ｆｉ）、亀、ｋ　−
・比例定数＠ 特許出願人　東　北　大　学　長 第１図 Ｂ 第２図 入力光Ｐｉ 励起電５１１Ｌ（雷Ａ）　　　　　　入力光（相大Ｎ龜
）第５図 Ｉｐ 第６図 （ａ） Ｉｐ （ｂ）（Ｃ） 第６図 ＜ｄ＞　　　　　＜ｅ＊ Ｉｐ　　　　　　　　　　　　　Ｐ 第７図 ＜ａ）＜ｂ） 第８図 第９−図 第１０図 第１１図 第１２図 ＩＬＥＤ 第１８図 第１４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ともに半導体よりなる発光ダイオードと光電変換
   素子とを光学的および電気的に循環接続し、少なくとも
   前記発光ダイオードの出力光の入射に応じて発生し喪前
   記光電質換素子の電気出力信号により前記発光ダイオー
   ドを制御して前記出力光を変化させることＫより所望の
   機能を備えるように構成したことｔ−特徴とする半導体
   光機能デバイスＱ ２、　前記発光ダイオードおよび前記光電変換素子の動
   作パラメータを前記所望の機能に応じてそｎぞれ設定°
   したこと１−＊黴とする特許請求の範囲第１項記載の半
   導体光機能デノくイス。 ３、前記発光ダイオードの出力光とともに入射させた外
   部光により前記光電変換素子を介して前記発光ダイオー
   ドを制御するようにしたことＹｒＩｆ！！黴とする特許
   請求の＠ｈ＃Ｉｔ項または第２項記載め半導体光機能デ
   ノ（イス。 ４、前記光電変換素子の電気出力信号により増幅素子を
   介して前記発光ダイオードを制御するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第３項
   記載の半導体光機能デバイス。 ５、光双安定動作によるヒステリシス特性、微分利得特
   性および＋７　ｉ夕特性のうちいずれかの特性を呈する
   ように構成したことを特徴とする特許請求の範曲前記各
   項のいずれかに記載の半導体光機能デバイス０ ６、前記ヒステリシス特性、前記微分利得特性および前
   記Ｖｉり特性のうちいずれかの特性に基づいて光記憶、
   光スィッチ、光微分増幅。 光パルス波形整形、光パルス波高比較および光再生発振
   のうちいずれかの機能を備えたことを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の　・半導体光機能デバイス。　− ７、同−半導体基板上に、凹欠部を介し、前記発光ダイ
   オードと前記充電変換素子とｔ互いに対向させて被Ｎ艙
   成したこと１−特徴とする！　ＩＦＦ　ｉ青水の範−前
   記各項のいずれかに記載の半導体光機能デバイス０