JPS61245590A - 光論理スイツチ - 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】 産業上の利用分野 ２　へ−／゛ 本発明は、光を用いて情報を処理する場合に、光信号を
、電気信号に変換すること無しに増幅もしくは論理処理
等を行うための光論理スイッチに関するものである。

従来の技術 光通信用の光源としては発光ダイオード（ＬＥＤ）を用
いる方法と、半導体レーザー（ＬＤ）を用いる方法が一
般的であるが、いずれも注入電流を変えることによる発
光強度を変調する方法が一般的である。この様な半導体
発光ダイオードあるいはレーザーにおいて光強度の変調
スピード、一般には論理信号として０Ｎ−ＯＦＦさせる
様な場合ではスイッチング速度は、発光ダイオードある
いはレーザーの活性層内での注入電子の緩和時間にその
理論的限界を有し、実用装置では外付けの複雑な電気回
路の特性によってスイッチング速度はさらに遅くなる。

この様な問題点は、半導体を用いたホトダイオード、Ｐ
ＩＮダイオード、アバランシェホトダイオードなどの受
光装置においても同様である。こ３ヘー・ のため電気回路の特性を向上させるために変調用トラン
ジスターとレーザー等、複数の半導体装置を同一基板に
一体化することなども試みられているが、基本的に電気
信号を光信号に、さらに光信号を電気信号に変換する形
式ではスイッチング速度の限界は電気回路の特性によっ
て決定されてしまう。それ故、光信号を電気信号に変換
すること無しに増幅、論理処理等が可能な光論理スイッ
チが望１れている。

最近、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）化合物半導体
を用いた光入力−光出力型のスイッチング素子が報告さ
れている。この素子はＩｎ５ｌ）の励起子による可飽和
吸収特性の光双安定性特性を利用したもので、ＩｎＳｂ
結晶板を通過する一次光の透過光強度をプローブ光によ
って変調する光−光スィッチを構成する。この様な構成
で光の増幅作用も報告されている。しかしＩｎＳｂの励
起子を利用するために結晶板を極低温（約数度Ｋ）に冷
却する必要がある。そのため実用上大きな問題となる。

さらにＩｎＳｂ結晶板を用いた光−光スイツチ装置では
、入力光と出力光のスイッチング特性で、同位相となる
ため、論理回路を構成するために必要なインバータ回路
に不適当といえる。したがって、結晶板の可飽和吸収特
性の光双安定性を利用した装置では光によって伝送され
てきた信号を増幅はできても、複雑な論理演算などを直
接行うには適していない。

発明が解決しようとする問題点 従来の光スィッチでは、光信号によって論理的な処理が
なされる様な、インバータ回路が構成できない。

問題点を解決するための手段 このような従来の問題点を解決するため、本発明による
光論理スイッチは複数のレーザーが、同一の活性領域を
共有し、それらのレーザーの発振状態が複数のレーザー
の間でスイッチすることを利用したもので、活性領域を
共有するレーザー活性領域の一部に負ゲイン領域を挿入
し、この負ゲイン領域のゲインを変化することによって
発振状態を複数のレーザー間でスイッチさせることがで
５　ページ きる。この構成は、特に半導体レーザーを利用した場合
には小型で同一基板上に多数を集積することが可能であ
る。また半導体単結晶基板の（１０ｏ）面に半導体スト
ライプ型レーザーで本発明の′構成を実現する場合には
それぞれの半導体レーザーは互いに基板平面上で直交す
る様に構成することができる。

作　　用 本発明は、上記構成により、光で光をスイッチングする
ことができ、また電気的な電圧、電流変化を伴わないた
めにそのスイッチング速度が非常に早い。さらに非常に
簡単な構成で一般論理回路が構成でき、光信号を一度も
電気信号に変えることなしに光信号のままで任意の論理
演算をすることが可能である。

実施例 本発明による光論理スイッチの基本構成とその作用を、
第１図に示された様な半導体ストライプ形レーザーを例
にとり説明する。同図では、２つのストライプ形レーザ
ーダイオードの活性層が同６ヘー／゛ 一平面で直交していて、ａ　、　ａ’はミラー面でレー
ザー（ミラー面ａ　、　ａ’間に形成されるレーザーを
示す）の共振器をなし、ｂ　、　ｂ’は他のミラー面で
レーザー２（ミラー面ｂ　、　ｂ’間に形成されるレー
ザーを示す）の共振器となっている。この互いに直交し
ている２つのレーザー１，２の活性層に電流ｉａ、　ｉ
　ａ’　、　ｉ　ｂ、　ｉ　Ｂ’　、　１　、を注入し
、２つのレーザーを同時に発振状態にする。

ここでｉａ、ｉａ’はレーザー１の活性層に注入される
電流密度で、ｉ　　ｉ’はレーザー２の活性層に、ｂ’
　　　ｂ ま、／（ｉ　　は２つのレーザー１，２の活性層の交る
領域Ｃにそれぞれ注入される電流密度である。したがっ
てレーザー１の発振に寄与している電流はｉ　　ｉ’ｉ
　　で、一方レーザー２の発振に寄与しａｔ　　　ａ’
　　　ｃ でいる電流はｌ　ｂ、　ｌ　ｂｚ、　ｉ　ｏである。し
かし活性層が交っている領域に注入される電流ｉ。によ
って注入される電子のそれぞれの方向に誘導放出に寄与
する割合はそれぞれの方向に発振している光強度に依存
する。今、それぞれの方向に発振している光強度がそれ
ぞれ等しいものと仮定すれば、電流７ベーン ｉｏによって注入される電子の半数はレーザー１のａ−
ａ’力方向誘導放出に寄与し、他の半数はレーザー２の
ｂ−ｂ’力方向誘導放出に寄与する。即ち活性層Ｃに注
入された電子は同時にそれぞれの方向の誘導放出に寄与
する。

次にレーザー１．レーザー２が同時に発振している場合
で、ｂ　−ｂ’の方向の光強度が弱まった場合は、電流
ｉ。のｂ−ｂ’力方向誘導放出寄与分も減少するため、
ａ−ａ’力方向誘導放出に寄与する割合が増加しｂ−ｂ
’力方向光強度はさらに弱くなり結果的にはｂ　−ｂ’
力方向発振は止まり、ａ　−ｄ方向の発振のみが続く。

この状態では活性層の交わった領域Ｃはｂ−ｂ’力方向
発振に対しては負ゲインの領域として働く。しかし、一
般に半導体のストライプ構造のレーザーダイオードが、
活性層内に負ゲイン領域を有していてもレーザー発振が
可能であることは報告されている実験結果などによって
周知の事ではある。そこでｂ−ｂ’力方向発振が起きる
様な状態を実現せしめることによって、活性層の交わっ
た領域Ｃでは、前記の場合と逆の過程が起こり、電流ｉ
。によって注入された電子はｂ−ｂ’力方向発振の誘導
放出に寄与する様に急激にスイッチする。

以上、本発明の光論理スイッチのスイッチング現象に関
して説明した。特に注目すべきことは、活性層の交った
領域に注入されるキャリアの数は、スイッチングの前後
において変らないという事で、これは本発明のスイッチ
ング現象が基本的に電気的なスイッチングではなく、光
のスイッチングであり、スイッチングに要する時間はレ
ーザーの誘導放出の立ち上り時間と同程度であり数ピコ
秒以下であることを意味する。

以上、本発明の基本構成を、半導体ストライプ型レーザ
ーダイオードを例に採って説明したが、これは半導体レ
ーザーに限るものではない。一般素 のガスレーザーあるいは色Ｖレーザーもしくはガラスレ
ーザーにおいても同様の構成で、同様のスイッチング現
象を起こさしめることが可能である。

しかし半導体レーザーにおけるキャリア注入は、もちろ
ん他のポンピング方法に置き換えられる。

９ベー／゛ また、本説明では、２つの異なる方向に発振するレーザ
ーが互いに直交している場合を例に上げたが、任意の角
度で交っている場合も同様の効果が期待できることは明
らかである。さらに異なる方向に発振するレーザーが２
つであることに限定されるものではない。複数の方向に
発振するレーザーが、同一の活性層を共有する様に交っ
ている場合も同様の効果が期待できる。

以下に本発明の一実施例における光論理スイッチとして
半導体ストライプ形レーザーダイオードを用いた場合を
説明する。第２図はスイッチングデバイスの構成図で基
本的には第１図のものと変らないが、ただミラー面ｂ−
ｂ’で構成された共振器内に、光吸収領域ｄが挿入され
ている。ここでＷａ、Ｗ５はそれぞれのレーザーのスト
ライプ幅で１　ａ　ｒ　ｌ　ｂ＋　ｌ　ｃはそれぞれの
活性層領域の注入電流密度である。いま徐々に注入電流
ｔａ、ｔ５．ｉｏを増加していく場合を考える。注入電
流がしきい値（ここでいうしきい値とは、一般のストラ
イプ形状において同じストライプ幅とキャピテイ長を有
１ｏ・＼−１ する場合のしきい値電流密度である）に満たない場合に
は、レーザー１．レーザー２とも発振が起きないがしき
い値を上まわることによって、レーザー１は発振する。

しかしレーザー２は光吸収体ｄを活性層内部に含んでい
るためと、さらにレーザー１の発振に伴い活性層の交わ
った領域ｅが負ゲイン領域として働いているために発振
は起きない。この状態では、注入電流ｉｂを他の領域以
上に増加せしめても負ゲイン領域Ｃおよびｄのために発
振を起こすにいたらない。しかしこの様な状態の時に光
吸収体ｄに光を照射するなどして光吸収体を等何曲に取
り除くことによってレーザーｂｂ／はただちに発振し、
このレーザー２の発振は領域Ｃに注入された電子のｂ　
−ｂ’力方向の誘導放出の寄与が大きくなるため、領域
Ｃはレーザー１に対して負ゲイン領域となるためにレー
ザー１の発振は停止する。また逆に光吸収体ｄに照射し
ていた光を取り除くことによって、領域ｄは再び光吸収
体として働きレーザー２は発振を停止するが、それと同
時にレーザー１が発振を始める。

１１ヘー／ この様に光吸収体に光を照射することによってレーザー
の発振状態のスイッチングを示したが、さらにくわしく
検討するために光吸収体を活性層内に含むレーザーの注
入電流−光出力特性を用いて説明する。第３図はストラ
イプ型半導体レーザーの電流−出力特性である。同図に
おいて、横軸は注入電流であり、縦軸は光出力である。

曲線３は活性層内部に光吸収領域を含まない場合の特性
でＩｔｈはしきい値電流である。活性層内部に光吸収領
域を含むことにより、電流−出力特性は、研究報告にも
ある様に微分ゲインが極大を有する様な特性を示し、曲
線４もしくは曲線５に示される様な特性を示す。曲線６
は曲線４よりも多くの光吸収体を含む場合の特性である
。いま第２図に示された構成で、しかもレーザー１が発
振状態にある場合には、先に述べた様に活性層の交わる
領域Ｃが、レーザー２においては光吸収領域ｄに加えて
負ゲイン領域となるために、第３図における特性曲線３
の特性はレーザー１に、特性曲線６の特性はレーザー２
の特性に相当する。−力特性曲線４は、活性層の交わっ
た領域Ｃのみが負ゲイン領域として働いている場合の特
性で、例えば、レーザー１が発振状態にあって、レーザ
ー２の活性層内の光吸収領域ｄに光を照射することによ
って、領域ｄを等価的に消滅せしめた場合のレーザー２
の特性、もしくはレーザー２が発振状態にある場合、領
域Ｃがレーザー１に対して負ゲイン領域として働いてい
る場合のレーザー１の特性である。

もちろん、レーザー１が領域Ｃを負ゲイン領域として含
む場合と、レーザー２が領域Ｃを負ゲイン領域として含
む場合の特性が一致する必要はまったく無いが、ここで
は煩雑をさけるために一致するものと仮定している。

第３図に示される様に注入電流ｉａ、ｉｂを決定し、ま
た仮にｉａ≦ｉｏ≦ｉｂ　とする事によりレーザー１は
特性曲線３上の点Ａで動作する。一方レーザー２は光吸
収体ｄを含み、かつ領域Ｃが負ゲインであるために特性
曲線６上の点Ｃにあるが、光吸収体ｄに光を照射するな
どして、その吸収体を取りのぞけば、レーザー２の特性
は曲線４に移１３ベー／゛ り動作点は曲線４上の点りに移るため発振するが、この
時レーザー１は負ゲイン領域Ｃを含むため曲線３から曲
線４に特性が移り、曲線４上のＢ点に動作点が移るため
に発振は停止する。光吸収体ｄに照射していた光を取り
除いた場合には、再びレーザー１は発振状態となり、レ
ーザー２の発振は止まる。

上記に示された様に、相異なる２つのレーザーが、活性
領域を共有する様に交っている場合、しかも一方のレー
ザーが、光吸収体を活性層に含む場合、光吸収体に照射
する光によって、一方のレーザーの発振状態を他方のレ
ーザーの発振状態にスイッチする。前記の説明では、等
価的に光吸収体を消滅させるために光を用いたが、電流
の注入。

あるいはその他のポンピング手段で等価的に光吸収体を
消滅せしめることが可能であり、したがってスイッチン
グも可能である。

さらに第３図に示された注入電流−出力特性は簡略化さ
れたもので、レーザー１．レーザー２のストライプ幅ｗ
ａ、ｗｂ、　　あるいはキャピテイ長１４′・−７ Ｌａ、Ｌ、を変えることで所望の特性が得られる。

さらにまた、活性層内に挿入された光吸収体の形状を変
えることによっても所望の特性を得ることができる。

なお活性層内に挿入された負ゲイン領域あるいは光吸収
領域は、活性層内にイオンなどを打ち込み、新たな欠陥
準位を導入することにより形成することができる。電流
の注入を部分的に止めることによって負ゲイン領域もし
くは光吸収領域を形成することもできる。本発明におけ
る実施例で、第２図に示される光吸収領域ｄは、半導体
レーザー２のストライプ構造に沿って形成された電流注
入用のオーミック金属電極の一部を取り除いたものであ
る。

さらに本発明による光論理スイッチにおいて注目すべき
特徴は、光で光をスイッチングする純粋な光スイツチン
グ装置である他に、第４図に示される様に、光信号増巾
作用と、インバータ特性を有することにある。第４図ａ
は本発明の一実施例による光論理スイッチの簡略図であ
るが、同図に１６ベー７ おいてレーザー１の活性層内に挿入された光吸収領域ｄ
に照射する光を入力光６とし、レーザー１のミラー面ａ
から出る光を出力光７とすれば、入力光６と出力光７の
関係が第４図すに示される。

同図において、横軸は時間、縦軸はそれぞれ光強度であ
る。同図において、光信号の人出関係がインバータ特性
を有することは先に述べた実施例の説明によって明らか
であるが、このインバータ特性は一般に任意の論理回路
の構成には不可欠な特性である。同図において、光信号
の増幅作用は、レーザー１の出力光７０強度は直接には
レーザ〜１に注入されるｉａによって決定されるが、こ
の時、レーザーの負ゲイン領域に入力される入力光６の
強度が、出力光７より少なくなる様に、レーザー２の特
性を決めることができる事から容易に実現されるが、こ
の増幅作用は、レーザー１の出力光７が、他の同様の光
スイツチング装置の入力、光となるためには即ち、多数
の光スイツチング装置を結合する場合には不可欠な特性
である。したがって、これらの特徴は、同様の光スイツ
チング装置によって、光信号による任意の論理回路を構
成するために非常に適したものといえる。

第５図は本発明による他の実施例である。第５図（ａ）
は半導体ストライプ形レーザー１の活性層に同様の半導
体レーザー２ａ、レーザー２ｂおよびレーザー２Ｃがそ
れぞれ活性層の一部の領域ｃ１゜Ｃ２、ｃ　ａ　、　　
を共有して交わり、しかもレーザー２ａ、レーザー２ｂ
、レーザー２ｃは、それぞれの活性層中に光吸収領域ｄ
１．ｄ２．ｄ３をそれぞれ含んでいる。レーザー１は、
ＣＩ　、　Ｃ２、（！　３の少なくとも１つが負ゲイン
領域として働いた時その発振を停止する様に注入電流が
調整されている。この時、ｄｌ、ｄ２．ｄ３の光吸収領
域のうち少なくとも１つの光吸収領域を入力光Ａ、Ｂ、
またはＣによって等制約に消滅せしめると、レーザー２
ａ。

レーザー２ｂ、レーザー２ｃのうち少なくとも１つは発
振しレーザー１の活性層内に負ゲイン領域を生じせしめ
るので、レーザー１の発振は停止する。したがって、そ
れぞれの入力光Ａ、Ｂ、Ｃ。

に対して、レーザー１の出力Ｄは、論理式Ｄ　＝　Ａ　
＋　Ｂ　＋　Ｃと表され、この働きは、第５図（ｂ）に
示されるＮＯＨの論理回路である。この例では３人力の
ＮＯＲ回路の構成を示したが、入力の数は３人力に限ら
れない事はもちろんである。

１第６図にさらに本発明による他の実施例を示す。

第６図（ａ）は半導体ストライプ形レーザー１に同様の
レーザー２が活性領域Ｃを共有して交わっている。しか
もレーザー２は相異なる光吸収領域ｄ１゜ｄ２．ｄ３を
その活性領域内に有している。光吸収領域ｄ１．ｄ２．
ｄ３に照射する入力光をＡ、Ｂ、Ｃとすると、Ａ、Ｂ、
Ｃが共に領域ｄ１．ｄ２．ｄ３を照らしている時のみ、
レーザー２は発振し、レーザー１は発振を停止する。そ
のため、レーザー１の出力光りは、第６図（ｂ）に示さ
れる様にＤ＝ＡｘＢｘＣで表され、論理回路で言われる
ＮＡＮＤ回路として働く。

第７図は本発明による実施例で、第５図に示された、３
入力光−光インバータースイッチを半導体基板１１上に
構成した斜視図である。第７図において、半導体ストラ
イプ形レーザー１２は、他１８ヘー。

の異なる３つの半導体ストライプレーザー１３゜１４．
１５とそれぞれの活性領域を共有する様に交わっている
。光導波路１６は、半導体レーザー１３〜１５の活性領
域内に形成された負ゲイン領域に入力光を導く様に形成
されている。光導波路１６は、出力光を他のスイッチに
光を導くために形成されている。電極１８〜２２は、レ
ーザーを駆動するためのもので、それぞれの電極が個々
に分割されているのはそれぞれの半導体ストライプレー
ザーの動作状態を微調するためのもので、動作状態は最
適化される。

発明の効果 以上のように、本発明によれば光で光をスイッチングす
ることができ、しかも、そのスイッチング速度は、電気
的な電圧、電流変化を伴わないために非常に早く、さら
に、非常に簡単な構成で一般の論理回路、即ちゲート、
ＮＯＲ、ＮＡＮＤ回路等が構成できる。このため、従来
より車重れていた光信号を一度も電気信号に変えること
なしに光、信号のま壕で任意の論理演算をすることが可
能と１９’＼−７ なる。また同時に、本発明による光論理スイッチは、特
に半導体レーザーで構成されている場合、同一の半導体
基板上に集積する場合に適したものである。なぜなら、
各々のゲー）　、　ＮＡＮＤ、ＮＯＲ向路を構成するス
イッチング装置において半導体ダブルへテロ接合の基板
に縦方向の構造をまったく同一にすることができるため
、半導体基板上に多数集積することが容易であるからで
ある。

以上の事から本発明の光論理スイッチが従来より望オれ
ていた光集積回路の基本になるスイッチ装置として最も
適したスイッチング素子であることが判る。

最近、半導体ダブルへテロ接合形レーザーに比べて特に
活性領域の幅が１０ｏ八程度もしくはそれ以下である量
子井戸形レーザーが開発された。

この量子井戸形レーザーはしきい値が低い、しきい値の
温度変化が少ない、などの特徴を有していることが知ら
れている。もちろん本発明は量子井戸形レーザーによっ
て同様に構成できるものであることはいう捷でもないが
、この量子井戸形レーザーで本発明を構成する場合には
、光集積回路にとってさらに適している。即ち、高速、
低消費電力、温度変化に安定な光集積回路が可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光論理スイッチの基本構成図、第２図
は本発明の一実施例における光論理スイッチの基本構成
図、第３図は本実施例に用いられたレーザーの注入電流
−光出力特性を示す図、第４図は本実施例スイッチが純
粋に光−光スィッチであり、光信号を増幅すること、さ
らにイシバータ特性を有する事を説明するための図で゛
、第４図（ａ）は本実施例スイッチに対する入力光と出
力光を示し、第４図（ｂ）は入力光と出力光の時間変化
を示している。第５図は本発明の他の実施例における光
論理スイッチとしての３人力のＮＯＲ回路の構成図で、
第６図（ａ）はその概略平面図、第６図（ｂ）はその論
理記号を示す図、第６図は本発明のさらに他の実施例と
しての３人力のＮＡＮＤ回路の構成図で、第６図（ａ）
はその概略平面図、第６図（ｂ）はその論理記号を示す
図、第７図は本発明のさらに他の実施例と２１ヘーノ しての基板上に形成された光−光インノく一タースイッ
チ回路を示す斜視図である。 １　、２　、２ａ　、　２ｂ　、　２ｃ・＝・・レーザ
ー、ａ。 ａ’、ｂ、ｂ’・・・・・・共振ミラー面、Ｃ・・・・
・２つのレーザーの活性領域の交わる領域、ｄ・・・・
・・光吸収体、（３、Ａ、Ｂ　、Ｃ・・・・・入力光、
７．Ｄ・・・・・・出力光。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名逮 纏 大か　　　　　８ ＋＜Ｒゼ　　　　　引や架 、２

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なる共振器を有する複数のレーザーが少なくと
   も１ケ所で互いの活性領域を共有し、レーザーの発振状
   態が、前記複数のレーザーの間でスイッチすることを特
   徴とする光論理スイッチ。
2. （２）複数のレーザーの内少なくとも１つのレーザーが
   、それ自身の活性領域内に少なくとも１つの光増幅度が
   負である領域を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光論理スイッチ。
3. （３）複数のレーザーが半導体レーザーである事を特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の光論理ス
   イッチ。
4. （４）複数のレーザーが互いに直交していることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の
   光論理スイッチ。