JPS6142620A - 光ＥｘＯＲ回路 - 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】 発明の背景 この発明は光ＥｘＯＲ（排他的論理和）回路に関する。

近年、オプトエレクトロニクス技術の進展はめざましく
、光ＩＣの実現も開発課題の１つにあげられている。事
実、光ＩＣの基本となる論理回路、たとえば光ＯＲ回路
や光ＥｘＯＲ回路が提案されている。しかしながら、１
基板上に集積化された光論理回路はいまのところ提案さ
れていない。

発明の概要 この発明は、光ＩＣの実現のために１Ｍ板上に作成可能
な光ＥｘＯＲ回路を提供するものである。

この発明による光ＥｘＯＲ回路は、２つの入力光信号が
入力される第１の光導波路、第１の先導波路を伝播する
光によって励起される光起電力素子、等しい位相定数を
有しかつ一端で互いに交差する１対の対称側光導波路と
異なる位相定数を有しかつ一端で互いに交差する１対の
非対称側光導波路とがそれぞれの交差部で結合されてな
る光ビーム・スプリッタ、および対称側先導波路部分に
設けられ、光起電力素子の出力電圧が印加される電極を
備え、いずれか一方の入力光信号（よって励起された光
起電力素子の発生電圧が電極に印加されたときにおける
１対の対称側光導波路を伝播する光の位相差と、両方の
入力信号によって励起された光起電力素子の発生電圧が
電極に印加されたときにおけるまたは電圧が印加されな
いときにおける１対の対称側光導波路部分を伝播する光
の位相差とがｎπ（ｎは奇数）だけ異なるように設定さ
れていることを特徴とする。上記光ビーム・スプリッタ
は、特開昭５８−２０２４０６号公報（特願昭５７−８
６１７８）に導波形光ビーム・スプリッタとして開示さ
れている。

上記光ビーム・スプリッタにおいて、１対の対称側光導
波路を伝播する光が逆相の場合に、非対称側光導波路の
一方に出力光信号が得られたとすると、同相の場合には
この先導波路には出力光信号が得られない。第１の光導
波路のいずれか一方に光信号が伝播してるときに１対の
対称側光導波路を伝播する光が逆相になるように、第１
の光導波路の両方に光信号が伝播しているときおよび両
方に光信号が伝播していないときに同相になるように設
定しておけば、先導を論理値「１」、光熱を論理値「０
」に対応させた光ＥｘＯＲ論理が演算されることになる
。

この発明は、後に詳述するように光ＥＸＮＯＲ論理演算
を実行する回路を実現することも可能である。

なお、光ビーム・スプリッタの１対の対称側光導波路を
伝播する光信号の位相差は必ずしも厳密にπである必要
はない。というのは、光ビーム・スプリッタの出力光の
光ｍをレベル弁別して論理値「１」または「０」を定め
ることも可能であるからである。

この発明による光ＥｘＯＲ回路は一基板上に作成するこ
とが可能であるから、光ＩＣ実現のための１つの機能素
子となりうる。

実施例の説明 まず、光ＥｘＯＲ論理について説明しておく。

光ＥｘＯＲ論理は、電気信号のＥｘＯＲ論理と同じであ
る。第１図において、２．つの入力光信号が１ｉｎＡお
よびｌ１ｎ１３で表わされている。これらの入力光信号
が光ＥｘＯＲ論理演算された結果出力される出力光信号
がｌ０ｔＪｔで示されている。先導が論理値の「１」を
表わし、光熱が論理値の「０」を表わしている。入力光
信号ｆｉｎＡとｌ１ｎＢが、「０」と「０」または「１
」と「１」の場合に、出力光信号ｔｏｕｔは「０」とな
リ、入力が「１」と「０」または「０」と「１」の場合
に出力は「１」となる。光ＥＸＮＯＲ論理は光ＥｘＯＲ
論理を反転したもので、入力光信号が「０」と「０」ま
たは「１」と「１」の場合に出力光信号が「１」となり
、入力が「１」と「０」また−はｒＯＪと「１」の場合
に出力は「０」となる。

第２図において、基板（１０）として２カツトし１Ｎｂ
Ｏａ結晶が用いられ、この基板（１０）上に２つの入力
用光導波路（１１）（１２）、および光ビーム・スプリ
ッタ（５０）が形成されている。これらの光導波路の作
製はたとえば、基板（１０）表面全面にＴ１を蒸着また
はスパッタし、このＴｉ１ｌ！を利用してＴｉによる導
波路パターンをリフトオフ法により形成し、さらにこの
Ｔｉを酸素雰囲気中において９７０℃で５時間、基板（
１０）内に熱拡散させることにより行なわれる。

光導波路（１１’）（１２）は光ＥｘＯＲ論理が演算さ
れるべき入力光信号１ｉｎＡ　、　　ｌ１ｎＢをそれぞ
れ導入するためのものである。これらの光導波路（ｉｔ
）（１２）上には光起電力素子（２１）（２２）がそれ
ぞれ作製されている。光起電力素子（２１）（２２）と
してはたとえばＣｄＴｅがよい。光導波路（１１）上に
ＣｄＴｅを単に蒸着するだけでも、光導波路（１１）内
の光の界分布は光起電力素子（２１）にも及ぶので、光
起電力素子（２１）からは起電力が発生する。発生する
電圧が低い場合には、光導波路（１１）よりも屈折率の
大きな材料による中Ｂ、層、たとえばＴｉ０ｚ膜を光起
電力素子（２１）と光導波路（１１）との間に介在させ
るようにするとよシ）。

ＴｆＯ２膜はたとえばスパッタにより形成される。さら
に、光起電力素子（２１）が光導波路（１１）を３０゛
程度の角度で上下方向に斜めに横切るように形成するこ
ともできる。また、光導波路（１１）上面の光起電力素
子（２１）と接する箇所にグレーティングを設けるよう
にしてもよい。以上の諸点は、光起電力素子（２２）に
ついても同様である。

光ビーム・スプリッタ（５０）は２対の対称側および非
対称側光導波路を含んでいる。対称側光導波路（５３）
（５４）は等しい位相定数を有しくすなわち光導波路（
５３）（５４）の巾が等しい）かつ一端で互いに交差し
ている。非対称側光導波路（５１）（５２）は異なる位
相定数を有しくすなわち光導波路（５１）と（５２）の
巾が異なる）一端で互いに交差している。これらの対称
側光導波路（５３）（５４）と非対称側先導波路（５１
）（５２）とはそれらの交差部で互いに結合されている
。対称側光導波路（５３）（５４）の終端面は基板（１
０）の端面上にあり、ここに反射Ｊｌｉ　（５５）が設
けられている。非対称側の一方の光導波路（５１）に基
準光ｆｉｎ　Ｒが常時入力される。光ＥｘＯＲ演算結果
を表わす出力光信号１ｏｕｔは他方の先導波路（５２）
から得られる。対称側光導波路（５３）（５４）上には
１対の電極（３１）（３２）が形成されている。これら
の電極（３１）（３２）は配線パターン（４１Ｈ４２）
によって光起電力素子（２１）（２２）の一方の端子に
接続され、光起電力素子（２１）と（２２）の他方の端
子は配線パターン（４３）によって相互に接続されてい
る。したがって、素子（２１）と（２２）の起電力の和
電圧が電極（３１）（３２）間に印加される。電極（３
１）（３２）および配線パターン（４１）（４２）（４
３）はＡ／を所定のパターンにリフトオフすることによ
り作成される。反射膜（５５）もまたＡ／により作成さ
れる。ＬｉＮｂ０ａは電気光学効果をもつ結晶であるか
ら、この結晶に電界を印加するとその屈折率が変化する
。２カツト　ＬｉＮＩ）Ｏｓの場合には、光起電力素子
（２１）（２２）によって発生した電圧が電極（３１）
（３２）間に印加されると、光導波路（５３）　（５４
）の一方で屈折率が増加し他方で減少し、これらの光導
波路（５３）と（５４）をそれぞれ伝播する光に位相差
が一生じる。

第３図は、光導波路（５１）に一定強度の光ｌ１ｎＲを
導入した場合に、光導波路（５２）から出力される光ｌ
０１ｊｔの強度と電極（３１）（３２）間に印加される
電圧との関係を示している。

非対称側の一方の先導波路（５１）に入力された光ｆｉ
ｎ　Ｒは、結合部から対称側に進むときに光導波路（５
３）と（５４）に等分され、それぞれの光導波路を通過
して反射膜（５５）で反射して再び結合部に戻る。光導
波路（５３）　（５４）を往復する過程で両光導波路（
５３）（５４）内の光は電極（３１）（３２）間に印加
される電圧によって変調され、位相変化が生じる。そし
て、両光導波路（５３）（５４）の光の位相差に応じて
、光導波路（５１）もしくは（５２）のいずれか一方に
進むか、または両方に適当な割合で分岐すφ。電極（３
ｉ）（３２）間に電圧が印加されていない場合には光導
波路（５３）（５４）を伝播する光は同相であるから、
これらのほとんどは光導波路（５１）に戻り、先導波路
（５２）から出射される光強度はほとんど０である。両
光導波路（５３）（５４）の光がＴ度逆相になったとき
に、光導波路（５１）に入射した光は、そのほとんどが
先導波路（５２）から出射する。両光導波路（５３）　
（５４）の位相が丁度πだけずれたときの電極（３１）
（３２３間への印加電圧を半波長電圧■πという。

この実施例では、光導波路（１１）（１２）を伝播する
光信号によって光起電力素子（２１）（２２）に誘起さ
れる電圧がそれぞれ■πになるように調整されているも
のとする。両光導波路（１１）（１２）にともに光が存
在する場合には光起電力素子（２１）（２２）からそれ
ぞれ■πの電圧が発生するから、電極（３１）（３２）
問には２■πの電圧が印加される。

第２図に示される光ＥｘＯＲ回路の動作を以下に統一的
に説明する。

入力光信号Ｉｉｎ　Ａ、　Ｉｉｎ　３がともに光熱、す
なわち論理値「０」の場合には、電極（３１）（３２）
間には電圧は印加されないので、光導波路（５３）（５
４）を伝播する光は同相となり、上述のように入力光Ｉ
ｉｎ　Ｒはそのほとんどが光導波路（５１）に戻り、出
力信号ｌ０１Ｊｔは光熱、すなわら論理値「０」となる
。

入力光信号Ｉｔｎ　Ａ、　ｒｔｎ　Ｂのいずれか一方が
光熱、他方が先導の場合には（すなわち（ＩｉｎＡ、ｆ
ｉｎ　Ｂ）　−（１，０）・または（０，１））、光起
電力素子（２１）（２２）のいずれか一方から■πの電
圧が発生し、これが電極（３１）（３２）間に印加され
る。したがって、光導波路（５３）（５４）を伝播する
光の位相差はπとなり（逆相）、先導波路（５２）から
出力光１ｏｕｔが得られる。すなわち論理値「１」とな
る。

入力光信号Ｉｉｎ　Ａ、　Ｉｉｎ　Ｂがとも、に「１」
の場合には、両方の光起電力素子（２１）（２２）から
起電力が発生し、２■πの電圧が電極（３１）（３２）
間に印加される。したがって、電圧が印加されていない
場合と同じように、光導波路（５３）（５４）の光は同
相となり、出力光ｌ０ｕｔは「０」となる。

このようにして、光ＥｘＯＲ論理演算が達成される。

なお、光導波路（５２）から基準光ｆｉｎ　Ｒを入力し
、光導波路（５１）から出力信号ｘｏｕｔを得るように
してもよい。

上記実施例では光導波路（５３）と（５４）の長さは等
しいことを前提としているが、これらの先導波路（５３
）と（５４）６−長さを異ならせ、これらの先導波路（
５３）（５４）を伝播する光の位相差−が丁度ｎπ（ｎ
は奇数）（電圧を印加しない場合）になるように設定す
ると、ＥｘＮＯＲ論理が演算されることが容易に理解で
きよう。

第４図に示すように、反射１！　（５５）を設けずに、
先導波路（５３）と（５４）に７字形光導波路（５６）
を接続してこの７字形光導波路（５６）に基準光ｆｉｎ
　Ｒを入力させ、光導波路（５３）（５４）に同相の光
を導入するようにしてもよい。この場合には、光導波路
（５３）（５４）を光は往復しないので、電極（３１）
（３２）の長さを２倍にするかまたは光起電力素子（２
１）（２２）の光歪電圧を２倍にする。

さらに第５図に示すように、入力光信号１ｉｎＡとＩｉ
ｎ　Ｂが同相の光の場合には、Ｙ字形先導波路（５７）
でこれらの光を重ね合わせ、７字形光導波路（５６）に
導くようにしてもよい。１つの光起電力素子（２３）を
両Ｙ字形光導波路（５６）と（５７）の接続箇所に設け
てもよい。素子（２３）の発生電圧はもちろん電極（３
１）（３２）間に印加される。

第６図に示すように、１つの起電力素子（２３）を両光
導波路（１１）（１２）にまたがって設けることも可能
である。

第７図は他の実施例を示している。ここでは基板（１０
）としてＹカット　ＬｉＮｂＯ３が用いられている。対
称側の光導波路（５３）　（５４）のそれぞれの両側に
、１対の電極（３１）（３２３が形成されている。

光起電力素子（２１）（２２）の起電力はそれぞれ電極
（３１）（３２）に印加される。光起電力素子（２１）
（２２）から発生する電圧はそれぞれ■πである。この
電圧■πが電極（３１）間に印加されたときに、光導波
路（５３）の光は先導波路（５３）を往復する間にπだ
け位相がずれる。光導波路（５４）についても同じであ
る。

したがって、電極（３１）（３２）のいずれにも電圧が
印加されない場合および両方に電圧が印加された場合に
は、光導波路（５３）と（５４）を伝播する光は同相と
なり、いずれか一方の電極にのみ電圧が印加された場合
にのみ逆相となる。これにより、光ＥｘＯＲ論理が演算
される。

基板（１０）は電界の印加によってその屈折率が変化す
る電気光学効果をもつものであればいかなるものでもよ
い。したがって、各光導波路もＴｉの熱拡散以外の基板
の種類に応じた種々の技術、材料により作成できる。光
起電力素子もまた、プラズマＣＶＤ法により作成される
ａ−３ｉなど種々のもので実現できるし、電極や配線パ
ターンもＴｉ等の材料で実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ＥｘＯＲ論理演算を示す波形図、第２図はこ
の発明の実施例を示す斜視図゛、第３図は、印加電圧と
出力光強度との、ｌＩＩ係を示すグラフ、第４図から第
６図は変形例を示す平面図、第７図は他の実施例を示す
斜視図である。 （１０）・・・基板、（１１）（１２）・・・入力用先
導波路、（２１）（２２）（２３）・・・光起電力素子
、（３１）（３２）−・・電極、（４１）（４２）（４
３）・・・配線パターン、（５０）・・・光ビーム・ス
プリッタ、（ｓｌ）（５２）・・・非対称側光導波路、
（５３）（５４）・・・対称側先導波路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２つの入力光信号が入力される第１の光導波路、 第１の光導波路を伝播する光によって励起される光起電
   力素子、 等しい位相定数を有しかつ一端で互いに交差する１対の
   対称側光導波路と異なる位相定数を有しかつ一端で互い
   に交差する１対の非対称側光導波路とがそれぞれの交差
   部で結合されてなる光ビーム・スプリッタ、および 対称側光導波路部分に設けられ、光起電力素子の出力電
   圧が印加される電極を備え、 いずれか一方の入力光信号によって励起された光起電力
   素子の発生電圧が電極に印加されたときにおける１対の
   対称側光導波路を伝播する光の位相差と、両方の入力信
   号によって励起された光起電力素子の発生電圧が電極に
   印加されたときにおけるまたは電圧が印加されないとき
   における１対の対称側光導波路を伝播する光の位相差と
   がｎπ（ｎは奇数）だけ異なるように設定されている、
   光ＥｘＯＲ回路。