JPS62501175A - 光論理装置 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 光論理装置 技術分野 本発明は光論理装置に関する。

発明の背景 多数の従来技術に従う論理回路が光論理機能および動作を実行するために光デバ イスを使用している。しかし、これら回路の多くは光領域と例えば電気領域の如 き他の領域の間で論理レベル信号を変換する操作を含んでいる。

この光変換過程は光信号の帯域を制限し、付加的な処理時間を要求し、更に一般 に付加的な回路を必要とする。

一般に、非線形光デバイスの出力信号は該デバイスに加えられる入力信号の非線 形利得関数であり、この場合入力まだは出力信号のいずれかは光領域の信号であ る。光学的に非線形な光デバイスの更に特定なケースにあっては、入力および出 力信号は共に光領域の信号である。その結果、光学的に非線形な光デバイスは光 信号を発生し、光論理ＮＯＲ，ＯＲ％ＮＡＮＤ等の光論理機能を実行することが 出来る。しかし、光変換過程を使用する光学的に非線形な光デバイスは尚前述の 問題点を有している。

並列処理技法を使用する場合、１つのアレイ中の各々の光論理素子の光出力を他 の７レイ中の各々の光論理素子の光入力に並列的に接続することがしばしば望ま れる。

その結果、例えば２つの７レイの間の光ファイバを使用する個々の物理的接続の 数は膨大なものとなる。即ち接続の総数は１つの７レイ中の素子の数と他のアレ イ中の素子の数の積に等しくなる。素子の物理的大きさに応じて素子の相互接続 のだめに必要な空間が２つのアレイの間の接続数を制限する大きな要因となって 来る。このことが光並列処理技法があまり受け入れられない理由の１つとなって いる。

光論理素子を相互接続する他の従来技術に従う方法は計算機によって生成された 伝送ホログラムを使用している。一般にホログラムは波頭を後刻再生するべく光 フリンジ・パターン中に符号化された対象物からの光の波頭を記憶する任意の物 質より成る。巧妙な視覚効果を生成するホログラムの良く知られた例は３次元対 象物からのコヒーレント光およびプレート上で干渉を生じる基準ビームに露光さ れた写真プレートである。写真プレートを現象シタ後、基準ビームを現象された 写真プレートに通すと対象物の３次元像が再生される。

システムの光論理素子を光学的に相互接続する計算機によって生成された伝送ホ ログラムを使用する光順序論理回路の１例がニー・ニー・ソーチャック等の「非 線形実時間光信号処理」と題する技術報告ｍ１ｌｏｏ（南カルフォルニア大学イ メージ・プロセシング・インスティチュート、カルフォルニア州ロスアンゼルス 、１９８３年）に述べられている。この光論理システムは液晶光バルブの７レイ を光学的に相互接続する計算機によって生成されたフーリエ伝送ホログラムの７ レイを含んでいる。

光バルブは光学的に非線形な光デバイスであって、光信号を再生し、光論理ＮＯ Ｒ機能を実行する。しかし、液晶光バルブの１つの欠点は光入力制御信号がデバ イスの１方の表面で受信され、光出力信号が通常デバイスの他方の側のもう一方 の表面から放出されることである。従って、伝送ホログラムおよび精確に位置さ れたレンズならびに鏡より成る複雑な装置は光バルブ・アレイの後部表面からの 光出力信号を３６０°回転して光バルブ・アレイの前部表面に向かわせる必要が ある。入力制御信号として少くとも１つの他の光バルブの前部表面上に反射され るまでに光出力信号は光バルブの後部表面から長い距離を伝播しなければならな いため、この伝送ホログラム相互接続装置を使用した光システムの動作速度は大 きな制約を受ける。この相互接続装置の他の問題点は伝送ホログラムと光バルブ をミラーおよびレンズと整列させるのに必要な機械的精度である。わずかな振動 によってシステム全体の整列状態が狂ってしまうことがある。

液晶光バルブの他の欠点はスイッチング速度が比較的遅いことである。

フーリエ伝送ホログラムの他の問題点は光信号がホログラムを通過するときに光 信号に可成りの電力損失が生じることである。フーリエ伝送ホログラムを通過す る各々の光信号は２つの像を形成するが、その内の１方のみが光バルブを相互接 続するのに使用され、かつ入射信号の高々１／２の光電力を有している。更に、 伝送ホログラムはコヒーレント光によってのみ動作し、その結果幾つかの入力信 号の間の建設的干渉゛と破壊的干渉により光論理素子の入力において光の干渉が 生じる。

発明の要旨 前述の問題点は本発明に従い解決された。ここで本発明の光論理装置は第１の制 御光ビームに応動して第１の出力光ビームを放出する第１の光学的に非線形な光 デバイスと；第２の制御光ビームに応動して第２の出力光ビームを放出する第２ の光学的に非線形な光デバイスと：前記第１の出力光ビームに応動して前記第２ の制御光ビームを前記第２の光学的に非線形な光デバイスに発生する反射ホログ ラムを含んでいる。各々のデバイスは制御光ビームに応動して出力光ビームを放 出する。１つのデバイスからの相互接続出力光ビームに応動して、反射ホログラ ムは他のデバイスに対する相互接続制御光ビームを発生する。反射ホログラムは また１つのデバイスからの相互接続出力光ビームに応動して２つまたはそれ以上 の光学的に非線形な光デバイスに対する個々の相互接続制御光ビームを発生する ように作ることが出来る。

有利なことに光論理機能を実行するよう動作する各々の光学的に非線形々光デバ イスを複数個光学的に相互接続して光論理回路を形成したり、光論理動作を実行 させることが出来る。

本発明の１つの実施例においては、反射ホログラムは特定のデバイスから指定さ れたデバイスに予め定められた量の相互接続光出力ビームを反射させることによ り指定された光学的に非線形な光デバイスに対する相互接続制御光ビームを発生 する。

本発明の他の実施例にあっては、２次元アレイに配置された複数個の反射ホログ ラムはやはり２次元アレイに配置された複数個の光学的に非線形な光デバイスを 光学的に相互接続して２×２の光クロスバ・スイッチを形成している。非線形フ ァブリ・ペロー干渉計の如き各々の光学的に非線形な光デバイスは光論理ＮＯＲ ゲートとして機能する。更に、光学的に非線形な干渉計は液晶光バルブよシずつ と速い速度でスイッチング出来る。本発明の１つの特徴に従い、各々の光学的に 非線形な光デバイスは２次元論理素子アレイのいずれかの表面上に入射する光ビ ームに応動して特定の反射ホログラムに対する相互接続出力光ビームを放出する 。

有利なことにミラーあるいはレンズを使用することなく、各々の反射ホログラム は相互接続出力光ビームを特定の論理素子から少くとも１つの他の論理素子に直 接反射してクロスバ−・スイッチを形成する。ミラーおよびレンズよ）成る複雑 な装置を必要としないので、光論理システムおよび光信号処理は実質的に簡単化 される。更に、光論理素子は比較的小さな空間内で光学的に相互接続される。交 差光ビームは互いに干渉しないので、この光論理装置は光学的並列処理技法を実 際に使用するのに適している。

本発明の他の特徴は反射ホログラムが任意の数の相互接続元ビームをフィードバ ックして順序光論理回路を形成するように作ることが出来る点にある。

本発明の他の利点は反射ホログラムがコヒーレント光または安価な低電力光源か らのインコヒーレント光で機能する点にある。これにより通常より高価なレーザ 光源からのコヒーレント光のみを使用する伝送ホログラム光論理システムと比べ て光論理システムの価格を大幅に減少させることである。

更に他の特徴に従い、本発明の装置は更に光論理素子アレイおよび他の光源と受 信器の間で制御光ビームの方向付けを行うレインボウ伝送ホログラムや平面ミラ ーの如き方向付は手段を含んでいることである。

本発明の更に他の特徴に従い、デバイス・アレイのいずれかの側で光信号を受信 する光学的に非線形な光デバイスを使用することによシ、組合せおよび順序光論 理回路は比較的小さな空間内で容易に光学的に相互接続されて、光ディジタル・ プロセッサの如きより大きく、より複雑な光論理回路を形成することが出来る。

本発明の更に他の特徴に従い、透明物質は反射ホログラムの形成期間中ならびに 光論理装置の使用期間中光陰図面の簡単な説明 本発明は付図を参照して以下の詳細な説明を読むことによりより良く理解されよ う。

第１図は光学論理操作を実行する複数個の反射ホログラムおよび光学的に非線形 な光学デバイスを有する装置：第２図は外部からの光信号をデバイス・アレイと の間で行き来させるレインボウ伝送ホログラムおよび平面ミラーを有する装置： 第３図は光学的論理ＮＯＲゲートとして機能する自己電子・光学効果を有するデ バイス（ＳＦＰｉ：Ｄ）として知られる非線形な光学デバイス： 第４図はデバイスの双安定領域において光入力電力の関数として第３図の５ＥＥ Ｄの理論的出力電力を示す図；第５図は第３図の５ＥＥＤとして使用されるダイ オード構体の応答度Ｓ　（Ｖ）の実験値： 第６図は第３図のｓｇｇｎの全体としての理論的入出力電力特性を示す図； 第７図はＳ　ＥＥＤの入出力電力特性の実験値と双安定切換え特性を示す図； 第８図は光学的に非線形な光デバイスの７レイを光学的に相互結合するために写 真乳剤中に光学的フリンジ・パターンを形成する装置； 第９図は第８図の光学的フリンジ・パターンを形成スるためにコヒーレント光ビ ームを発生し、方向付ける装置； 第１０図はＮＯＲゲートのみより成る周知の２Ｘ２クロスバ・スイッチの論理回 路： 第１１図は４×４の７レイに配置された第１０図のクロスバ・スイッチのノード 線図； 第１２図は第１０図のクロスバ・スイッチに相応する２×２の元クロスバ・スイ ッチ； 第１３図は選択された光信号を平面波として示す第２図の相互接続装置の後面図 ： 第１４図は論理ＮＯＲゲートのみより成る周知のクロックで動作するＪＫフリッ プ・フロップの論理回路図：第１５図は３×３の７レイに配置された第１４図の クロックで動作するＪＫフリップ°フロップのノード線図：第１６図は第１４図 のクロックによって動作するＪＫフリップ・フロップを光学的に実現する光学的 に非線形な自己電子・光学効果を有するデバイスより成る光学的順序論理装置を 第１７，１８および１９図はファブリ・ペロー干渉計の動作を示す図： 第２０および２１図は非線形ファブリ・ペロー干渉計の動作を示す図である。

詳細な説明 第１図には２次元アレイ１２０に配置された複数個の光学的に非線形な光デバイ ス１２１〜１２９を光学的に５相互接続する装置が示されている。当業者にあっ ては周知の如く、光学的に非線形な光デバイスの光出力信号は光学的に非線形な 光デバイスて加えられた少くとも１つの光入力信号の非線形利得関数である。そ の結果、光学的に非線形な光デバイスは光信号を再生することが出来、光学的論 理機能を実行することが出来る。バイアス光ビーム１５０および１５１は周知の 仕方で光学的に非線形な光デバイス１２１およ・び１２３を光学的に夫々バイア スし、例えば光学的ＮＯＲゲートの如き光論理素子として機能させる。光学的相 互接続装置は反射ホログラム１００、更に詳細に述べると２次元アレイに配置さ れた複数個の反射サブホログラム１０１〜１０９より成る。

所定のデバイス（例えば１２１）の後部表面１３１から予め定められた方向で受 信された相互接続出力光ビーム１５２の如き相互接続光出力信号に応動して、相 応する位置にあるサブホログラム（例えば１０１）は１つまたはそれ以上の個々 の相互接続制御光ビーム（例えば１５４および１５５〕を予め定められた異なる 方向でデバイス・アレイ中の１つまたはそれ以上の他のデバイス（例えば１２３ および１２９）の後部表面に戻るように発生する。例えば、１２１．１２３およ び１２８の如き３つの光学的に非線形なデバイスを光学的に直列に相互接続する ためには、１２１および１２３の如き放射デバイスの位置は１０１および１０３ の如きその相応する位置にあるサブホログラムに対して固定した位置に保持され ている。そうでないならば、２つの光学的に相互接続された光学的に非線形なデ バイスは相応する位置にあるサブホログラムから定った方向に位置していること のみが必要とされる。光学的に非線形な光デバイス１２１〜１２９は２つの互い に反対方向に伝播する光信号のいずれか１万を受信する前部表面１３０および後 部表面１３１を有している。このようにして、サブホログラム１０１〜１０９の 如き複数個のホログラムはこれら２つの面を有する光学的に非線形な光デバイス を相互接続し、任意の組合せ論理回路または頴序論理回路が形成される。

先に示唆したように、アレイ１２０中の各々の光学的　４に非線形な光デバイス は前部および後部表面１３０および１３１の１方または両方で受信した光ビーム に応動してこれら２つの表面の内の１方から相互接続出力光ビームを放射する。

これら光信号、即ち光ビームの波長は紫外線から赤外線の領域にある。非線形フ ァブリ・ペロー干渉計および以下で述べる自己電子・光効果デバイス（ＳＦＪＥ Ｄ）は光学的に非線形な光デバイスとして使用するのに適している。更に、これ ら光学的に非線形な光デバイスの各々は光ＮＯＲゲートの如き光論理素子として 機能する。

アレイ１２０中の各々の光学的に非線形な光学デバイスは入射光の電力に依存し て２つの伝送状態の内のいずれかの状態をとる。入射光ビームの電力が予め定め られた閾値レベル以下の場合には、デバイスは第１の伝送状態にあり、入射光を 単に通過させる（詳細に述べると入射光ビームを受信し、出力光ビームを放射す る）。例えばフヒーレントまたはインコヒーレントな光源（図示せず）がバイア ス光ビーム１５０および１５１の如き光バイアス信号でアレイ１２０の前部表面 １３０を照射する。

バイアス・ビームは夫々の光学的に非線形な光デバイス１２１および１２３とし て光論理ＮＯＲゲートとして機能させる。バイアス・ビーム１５０の電力がＮＯ Ｒゲート１２１の閾値レベル以下であると、該ゲートはバイアス・ビーム１５０ を高論理レベル出力光ビーム１５２として反射サブホログラム１０１に通過させ る。同様に、Ｎ０１’（ゲート１２３はバイアス光ビーム１５１を高論理レベル 出力光ビーム１５３として反射サブホログラム１０３に通過させる。

伝送ホログラムとは対照的に、反射ホログラムは光信号を通過させず、反射する 。相互接続を行う出力ビーム１５２に応動して、反射サブホログラム１０１は相 互接続制御光ビーム１５４および１５５を発生して、夫々の光学的に非線形な光 デバイス１２３および１２９に加える。微視的には反射サブホログラム１０１は 出力ビーム１５２を分割および反射することにより相互接続制御ビーム１５４お よび１５５を発生する。その結果、反射サブホログラム１０１は光学的に非線形 な光デバイス１２１を光学的に非線形な元デバイス１２３および１２９に光学的 に接続する。反射サブホログラム１０１の前部表面１１０および光学的に非線形 な光学デバイス１２１の後部表面１３１は互いに平行に面するように配置されて いるので、サブホログラム１０１は前面表面１１０の法線１６９に関してＯｏな る入射角１７０を有する方向の相互接続出力ビーム１５２を受信する。サブホロ グラム１０１と光学的に非線形な光デバイス１２１の相対する表面が平行でなか ったり、あるいは直接面しあっていないと、相互接続出力光ビーム１５２の方向 も変化するし、入射角ももちろん増加する。

反射ホログラムは任意本数の相互接続制御光ビームを各々異なる方向に発生する ことが出来る。このようにして図示の如く、制御光ビーム１５４および１５５は 光学的に非線形なデバイス１２３および１２９に夫々向う異なる方向に伝播する 。この場合その方向は一般に相互接続出力ビーム１５２の方向とは逆の方向であ る。反射された相互接続制御ビーム１５４および１５５の全光学的電力はもちろ ん相互接続出力光ビーム１５２の電力より幾分率である。

同様て１反射サブホログラム１０３は光ＮＯＲゲート１２３から受信された相互 接続出力ビーム１５３を相互接続制御ビーム１５６として光学的に非線形な光デ バイス１２８に反射する。光学的に非線形な光デバイス１２８および１２９に入 射するバイアス・ビームが無くとも、低電力レベルの相互接続制御ビームは通常 光学的に非線形な光デバイスを通過する。

バイアス・ビーム１５１と高論理レベルの相互接続制御ビーム１５４が共にＮＯ Ｒゲート１２３に入射すると、入射光ビームの電力は光学的に非線形な光デバイ スの予め定められた閾値レベルを越し、デバイスを第２の伝送状態どする。乙の 第２の伝送状態【あっては、光学的に非線形な光デバイスは使用されているデバ イスの型に応じて入射光の殆んどを吸収するかまたは入射光を反射する。その結 果、ＮＯＲゲート１２３からの相互接続出力ビーム１５３および反射サブホログ ラム１０３からの反射された相互接続制御ビーム１５６は低論理レベルとなる。

更に、他の光論理回路（図示せず）の如き独立した光源からの高論理レベル制御 ビームの如きホログラム１００からの光制御信号以外の光制御信号をアレイ中の 任意のデバイスの状態を制御するのに使用することが出来る。例えば、光ファイ バ束な介して伝送された複数個の光制御信号を例えば周知のレインボウ伝送ホロ グラムによって特定のアレイ・デバイスに向かわせることも出来る。この点を説 明するために、第２図は独立光制御源からの制御ビーム１５７を光学的に非線形 なデバイス１２１に向かわせるレインボウ伝送ホログラム１３６を有する第１図 の光相互接続装置の他の例を示している。

周知のレインボウ伝送ホログラム１３６は例えばシリコン・ガラスまたはサファ イアの如き任意の適当な透明な物質１３２によってデバイス・アレイ１２０の表 面１３０に垂直な位置に保持されている。透明な物質はレインボウ・ホログラム とデバイス・アレイを固定された垂直位置に保持し、バイアス・ビーム１５０と 制御ビーム１５７を通過させて、デバイス１２１の光学的受信・放射領域１１４ に到達させる。適焉な方法でレインボウ・ホログラムに付着されたファイバ束１ ３３中の１本のファイバが独立光制御源からの制御ビームをレインボウ・ホログ ラムに導く。次にレインボウ・ホログラム１３６は制御ビームの方向を変える。

即ち更に詳細に述べると制御ビームをデバイス１２１に通過させる。例えば、高 論理レベルの制御ビーム１５７および光バイアス・ビーム１５０がアレイの前部 表面１３０に入射しているとき、デバイス１２１は入射光を吸収し、相互接続出 力ビーム１５２は関連する相互接続制御ビーム１５４および１５５と共に低論理 レベルとなる。部び使用さね・ている光デバイスの型に依存して、低論理レベル の光信号は、光の存在しない状態かまたは高論理レベルの光信号と比べて大幅に 減衰された光信号の状態のいずれかをとる。

デバイス・アレイから独立光受信器への制御光ビームハハイアス・ビームがデバ イスに入射していないとき制御ビームを反射サブホログラムからアレイ中の光学 的に非線形なデバイスを通して単に通過させることにより放射される。図示の如 く、光学的に非線形な光デバイス１２９は反射サブホログラム１０１からの相互 接続制御ビーム１５５を他の光論理回路の如き独立の光受信器に通過させろ。同 様に、光学的に非線形な光デバイス１２８は反射サブホログラム１０３からの相 互接続制御ビーム１５６を独立受信器に通過させる。更に、アレイからの光ビー ムは第２図に示すよって平面ミラー１３４および他の光ファイバ束１３５を使用 することによって独立光受信器に向けられる。透明物質は光学的非線形な光デバ イス１２８および１２９に関してミラーの位置を固定保持し、それによってミラ ーは光ビーム１５５および１５６の各々をファイバ束中の特定のファイバ中に向 うよう反射する。ファイバ束は再び透明物質に適当な方法で付着されている。

第１および２図にあっては光ビーム１５０〜１５７の各々を描くためにただ１本 の線のみが使用されていた。

しかし、各々の光信号は平面波、更に詳細に述べるとデバイスに関して波が伝播 する方向に依存して極めてわずかに発散または収束する球面波を成している。第 １３図には第１図の相互接続装置の後面図が示されているが、これは光ビーム１ ５０〜１５２．１５４および１５５の各々を平面波として図示している。反射サ ブホログラム１０１け光学的に非線形なデバイス１２１．１２３および１２９を 光学的に相互接続することを想起されたい。

図示の実施例において、各々の光学的に非線形なデバイスの光を受信および放射 する領域は矩形状に形成されている。第１３図に示す如く、円筒状のバイアス・ ビーム１５０が受信されると、デバイス１２１の前部表面１３０が照射される。

もちろん、光学的に非線形な光デバイス１２１の矩形の受信および放射領域１１ ４のみが円筒状バイアス・ビーム１５０に応動する。光学的に非線形な光デバイ ス１２１の後部表面１３１の矩形の受信および放射領域１１５から放射される相 互接続出力ビーム１５２は反射サブホログラム１０１の前部表面１１０の予め定 められた領域を照射する矩形状平面波（これは周知の仕方でわずかに発散する） を成している。相互接続出力ビーム１５２に応動して、サブホログラム１０１は 光学的に非線形なデバイス１２３および１２９上で夫々わずかに収束する矩形状 相互接続制御ビーム１５４および１５５を発生する。相互接続制御ビーム１５４ および１５５は形成サブホログラム１０１において光学的に非線形な元デバイス １２３および１２９から以前に発散したコヒーレント光とは並の仕方で収束する 。（この発散は相互接続出力光ビーム１５２の発散と類似している。）反射サブ ホログラム１０１は前部表面１１０の同じ領域から相互接続制御ビーム１５４お よび１５５を反射する。

反射ホログラムは複数の子め定められた方向の内の１つまたはそれ以上に光信号 を反射するように作り得るので、反射ホログラム１００はアレイのデバイスを所 望の組合せで光学的に相互接続することが出来る。更に、任意の組合せ論理回路 または順序論理回路あるいはその組合せを形成するのに論理ＮＯＲゲートのみが 必要であるので、反射ホログラムで光論理ＮＯＲゲートのアレイを光学的に相互 接続してすべての元情報信号な利用する任意の所望の組合せまたけ順序光論理回 路を形成することが出来る。この光学的相互接続装置は直列データ処理を容易に するだけでなく、更に多数の並列接続された光論理素子が同時にアクセスされる 並列処理をも容易にする。

第３図には自己電子・光学効果デノ〈イス（５ＥＥＤ　）として知られるマルチ ・クオンタム・ウェル（ＭＱＷ＝Ｍｕｌｔｉ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　）　 より戊るデ１＜イス１２１〜１２９として使用し得る光学的に非線形な光デ／＜ イスカ１示されている。５ＥＥＤは変調器および光検出器として機能し、光論理 ＮＯＲゲートの如き論理素子としても機能させ得る。ＳｇｇＤは非線形ファブリ ・ペロー干渉計（これもまた光学的に非線形な光デバイス１２１〜１２９として 使用できる）の如き双安定デバイスと比べてほんのわずかのスイッチング・エネ ルギーしか必要としない。実験的にＳ　ｇＦＪＤの光スイッチング・エネルギー は約４フエムトジユール／ミクロン２であることが分っており、電気エネルギー を含む全スイッチング・エネルギーは約２０フエムトジユール／ミクロン２であ ることが分っている。２８，０００ミクロン２の大きな光感応性領域を有するＳ 　ＥＥＤは約１．０〜１，５ナノジユールのスイッチング・エネルギーを有する ことが知られている。

もちろんより小さな光感応性領域を有する５ＥＥＤはより低いスイッチング・エ ネルギーとより速い動作特性を有している。自己電子・光学効果デバイスについ ててはディー、ニー・ビー・ミラー等の「新らしいハイブリッド式の光学的に双 安定なスイッチ：クオンタム・ウェル自己電子・光学効果デバイス」、アプライ ド・フィジックス・レクーズ、第４４巻、第１号、１９８４年７月１・日に述べ られている。しかし、第３〜７図と関連したＳＦ、ＥＤの動作をより良く読者に 理解してもらうためにここでは簡単にＳｇＥＤについて述べることにする。

第３図に示すように、５ＥＥＤは逆バイアスされた正−真性一負（ｐ−４−ｎ） ダイオード構体２０２の真性（ｉｌ領域中に層状のマルチ・カオンタム・ウェル （ＭＱＷ）２０１を含んでいる。マルチ・クオンタム・ウニ／Ｌ構体は複数の薄 く、広いバンドギャップ層でインクリーブされた複数の薄く、狭いバンドギャッ プ層を有している。

狭いバンドギャップ層はキャリア・エネルギー・レベル）でクオンタム（量子） 効果が明白で重要である程十分薄い。０．８〜０．９ミクロンの波長を有する光 子源の場合、層はＡＩＣｒａ　Ａ　ｓ　／　Ｃｒａ　Ａ　ｓの如き周知の混成物 より成る。しかし、例えばＩｎＧａＡｓｐおよびＩｎＧａＡｓ　／　＃Ｉｓの如 き他の３−５属の混成物も１．３〜１．５ミクロンの波長を有する光源に対して 使用することが出来る。このマルチ・クオンタム・ウェル・ダイオード構体はテ ィー・エッチ・ウッド等のｒＰ−Ｉ−Ｎダイオード構体のＧａＡａ　／　Ｇａ＃ Ａｓクオン月１日、頁１６に詳細に述べられている。電界が構体の局に垂直に加 えられると、励起共振のピークを含む吸収バンド・エツジはより低い光子エネル ギーの方向にシフトされろ。わずかミクロン単位の物質中において５０係の光吸 収の変化が容易に得られる。これらの光学的吸収率の変化は室温で動作し、既存 のレーザ・ダイオード電力、波長および物質とコンパティビリティのある光変調 器を作るのに使用することが出来る。吸収はキャリアのクオンタム・ウェル中へ の閉じ込めによりバルク物質中で見られるシフトによって大幅に強化される。７ ４／ＧａＡｓマルチ・クオンタム・ウェルはまた極めて強力な室温における励起 共振を示し、該共振はバンド・エツジにおける吸収効果を強化する。更に、この 構体でｐ−１−ｎドーピング法を使用すると、高電圧または大電流の、Ｗ動を行 うことなく比較的大きな電界を活性層に印加することが出来る。ｐおよびｎ層は 入射光を吸収しないようにバンドギャップを有していなければならない。この電 界を並バイアスされたダイオード構体に加えると、この構体ばまた効率の良い光 検出器となる。

５ＥＥＤによって提供される光学的吸収の原理は：まず第１に入力光ビームの強 度を増すとデバイスの光吸収係数が増加することであり；第２にはデバイスによ る光エネルギーの吸収が増すとまた光吸収係数も増加することである。これら２ つの原理の結果として、５ＥＦｊＤは２つの光学的伝送状態の間を非線形的に切 換える。これは以下のデバイスの動作に関する記述からより良く理解されよう。

定バイアス電圧源２０３および正のフィードバック抵抗２０４がｐ−４−１ダイ オ一ド構体２０２に直列に接続されて、光学的に非線形な自己電子−光学効果デ ／＜イスを形成している。Ｓ　ＥＥＤスイッチを閉じるためにはダイオードの両 端の電圧がＯの場合入射波長は励起共振位置の近傍に選ばれる。低電力レベルの 元ビーム２５０がマルチ・クオンタム・ウェル・ダイオード構体に入射している と、定電圧源２０３のほとんどすべての電圧がダイオード構体の両端に加えられ る。何故ならば回路にはほんのわずかしか光電流は流れないからである。

元入力電力を増すと光電流が増え、それによって抵抗２０４の両端の電圧降下が 増大し、ダイオードにかかる電圧力１減少する。この減少した電圧により励起共 振が後退すると光吸収が増加し、その結果光電流は更に増加し、再生的フィード バックおよびスイッチングが生じる。

２５０の如き入力光ビームの電力が変動するときの第３図のＳ　ＥＥＤの理論的 光出力電力が第４図に示されている。以下の議論においては強度ではなくビーム 電力の単位が使用されていることに注意されたい。ビーム電力はワットを単位と して表わされ、ビーム強度はワット／靜を単位として表わされる。ビーム電力は 強度を元ビームの軸に垂直な断面にわたって積分した値である。電力の単位は以 下の議論においては更に有用である。何故ならばＳｇｇＤはビーム電力に、更に 詳細に述べると吸収されたビーム電力に応動するからである。第４図において、 入力光ビームの電力は水平軸に沿ってプロットされている。垂直軸に沿って第３ 図の２５１の如き出力光ビームの電力が出力電力としてプロットされている。値 Ａなる入力電力のところにはＴＡなる値の出力電力が与えられている。入力電力 がＢなる値に増加されると、出力電力ＨＴＢＩなる値に増加する。しかし、５Ｅ ＥＤの′吸収係数は入力電力の増加に伴って増加し、従って入力電力Ａから入力 電力Ｂへの伝送曲線３２０は直線３２１の如き一定の傾きの直線の下側に来る。

入力電力を値Ｂから値Ｃに更に増加させると、吸収係数は更に増加し、それによ って５ＥＥＤ不安定となシ、ＴＣＩなる値からＴ　Ｃ，２なる値に切換わる。入 力電力なりなる値に更に増加させるとＴＤなる出力電力値となる。

入力光ビームの電力を入力電力レベルＣから減少させると出力電力は曲線３２０ に沿って入力電力Ｂに至り、その点で５ＥＥＤの吸収係数はより小さな値に切換 わシ、出力電力はＴＢ２からＴＢＩに増加する。５ＥＥＤは光学的双安定性を呈 すると言われる。何故ならば５ＥＥＤは光入力電力が増すと高い伝送状態から低 い伝送状態に切換わシ、光入力電力が減少すると高い伝送状態に戻って来るから である。しかし、他のスイッチング系列に対する光学的双安定性も存在し得る。

ダイオード２０２として使用し得るｐ−１−ｎダイオード構体の応答度５（Ｖｌ の実験値が第５図の曲線３３０に示されている。応答度ＳＭは入射光の単位電力 当り発生される光電流であり、入射光の電力であるワット（Ａ／Ｗ）当りのアン ペアを単位として表現される。曲線３３０はダイオード構体の測定された応答度 Ｓ　（Ｖ）を逆バイアスの関数として示すものであり、この測定は１．４５６ｅ Ｖ（８５１，７ｎｍ）の光子エネルギーに同調したレーザ光源を用いて実行され る。この光子エネルギーは使用されているＭＱＷ構体の場合、Ｏバイアスの条件 の下ではほぼヘビー・ホール共振エネルギーである。逆バイアスが増加されると 、光電流の収集が完全になるに従って応答度はまず増加し、次いで励起吸収のピ ークがより低いエネルギーに移動すると減少する。曲線３３０の８ｖから１６Ｖ の間の１バンプ“は測定波長を通過して同様に移動するライト・ホール励起によ るものである。

第３図に示すように正のフィードバック抵抗と正の電圧源に直列に接続されたダ イオード構体の入出力電力特性は２つの連立方程式を解くことによって計算され る。

第１の式は第５図の曲線３３０によって示すＭＱＷダイオード構体の測定された 応答度５（Ｖ）を含んでいる。ここで Ｓ　＝　Ｓ　（Ｖ）　（１１ 第２の式はＶ＝ｖＯ−Ｒ８Ｐである。ここでＰは光入力電力であシ、Ｒはフィー ドバック抵抗の抵抗値であり、Ｖｏは一定バイアス電圧源の電圧であり、■は　 ダイオードの両端の電圧である。この式はまた次のように書くことが出来る。

グラフ的解法は単純明快であり、式２はＰを増したとき負の傾きが減少する破線 Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを与える。

双安定性は直線と曲線３３０が複数回文わることに起因する。直線ＡおよびＤは 曲線３３０とただ１回だけ交わる。直線ＢおよびＣは曲線３３０と接する点３３ １および３３２を有している。接点３３１および３３２は不安定な切換え点を表 わす。直線ＢとＣの間のすべての直線は曲線３３０と３つの交点を有し、中間の 交点が不安定な動作点を表わしている。

応答度Ｓおよびダイオードの両端の電圧Ｖばまた式１および２からＰの関数とし て計算することが出来る。２ボルトに等しいかまたはそれ以上の逆バイアスの場 合、光の吸収はほぼ応答度に追従する。しかし、更に精確な計算を行うため、ダ イオード電圧Ｖおよび光入力電力Ｐの各々の値に対する出力電力Ｐｏｕｔ　（” ：　ＰＴ　）は測定されれ伝送量Ｔ（Ｖｌから引き出すことが出来る。従って第 ６図に示すようなＳＥＦ、Ｄの全体としての理論的入出力電力特性が導出される 。

５ＥＥＤの実験的入出力電力特性４１０が第７図に示されている。デバイスの光 出力電力は、入力電力が予め定められた入力閾値レベル４０１に達するまで曲線 ４１０に沿って増加する。このレベルにおいて、正のフィードバックによりデバ イスは不安定となり、光出力電力は急速に出力レベル４０２からより低い出力レ ベル４０３に切換わる。このより低い出力電力レベルにおいて、ダイオード構体 は入射光の約１／′２を吸収する。入力レベル４０１を越して入射光電力を更に 増加させると出力電力レベルは再び増加するが、以前の速度よりゆつくシした速 度で増加する。入射光電力を入力レベル４０１以下に減じるとそれに応じてデバ イ１．スの出力電力も減少する。第２の予め定められた入力電力レベル４０４に おいて、デバイスは再び不安定となシ、光出力電力は曲線４１０上のより高い出 力電力レベルに切換わる。

この双安定光出力特性により、自己電子・光学効果デバイス（ＳＥＥＤ）を光学 的にバイアスして光論理ＮＯＲゲートとして機能させ得ることは容易に分る。第 ７図に示すように。予め定められた入力閾値レベル４０４以下の入射入力電力レ ベル４０５を有する光ビームの如き一定の光バイアス信号は５ＦＪＦ、Ｄを入出 力電力特性曲線４１０上のニー・ポイント４０６以下の点に光学的にバイアスす る。バイアス・ビームがデバイスに入射していると、ダイオード構体の光吸収は 低く、バイアス・ビームのほとんどはその結果通過する。制御光ビームの如き付 加的な光がデバイスに入射すると、組合わされた入射光電力は入力閾値レベル４ ０１より犬であ勺、デバイスの光出力電力は４０３の如きよシ低い出力レベ・　 ルに切換わる。多数の光制御信号の内の任意の１つとバイアス信号の組合わせで デバイスの光出力電力はより低い伝送レベル尤切換わるから、５ＥＦＪＤは光論 理ＮＯＲゲートとして機能する。すべての光制御信号が無くなると、光バイアス 信号のみがデバイスに入射し、光出力信号は曲線上のより高い出力電力レベルに 戻る。

このサンプル・デバイスは２つの安定な伝送状態の間をヒステリシスを有して遷 移するが、このヒステリシス効果はディー・ニー・ビー・ミラー等の「増加した 吸収による光学的双安定性」、オプティックス・レターズ、第９巻、第５号、１ ９８４年５月、頁１６２で述べられている光子エネルギーを有する光源の使用に よシ最小化することが出来る。ヒステリシス動作はまた一定のバイアス供給電圧 Ｖｏの関数であシ、第５図に示すようにデバイスの動作領域にわたってただ１回 だけ応答度曲線３３０と交差するようＶ、を選択することによシ最小化できる。

更に８０チを越す光吸収を容易に得ることが期待できる。

非線形ファブリ・ペロー干渉計の如き他の双安定な光学的に非線形な光学デバイ スはまた光学的に非線形なデバイス１２１〜１２９として使用することが出来る 。非線形なファブリ・ペロー干渉計は入射波を吸収せずに反射する。スイッチン グ速度を５ＥＥＤと同程度にするためには非線形ファブリ・ペロー干渉計はよシ 大きなスイッチング電力を必要とする。（この場合光信号がすべての電力を供給 する。）ＳＥＥＤと同じように、非線形ファブリ・ペロー干渉計に光学的にバイ アスを加えて光ＮＯＲゲートの如き光学論理素子として機能させることが出来る 。更に、非線形ファブリ・ペロー干渉計は２つの主要アレイ表面のいずれかで入 射光制御信号を受信し、同じ２つの表面の一方から光出力信号を放射する。しか し先に述べたように、非線形干渉計のスイッチング電力およびエネルギーはＳ　 ＥＥＤのそれよシずっと大である。

・更に、非線形干渉計はコヒーレント光にのみ応動する。

非線形ファブリ・ペロー干渉計の詳細な説明はディー・ニー・ビー・ミラーの「 線形吸収を有する屈折によるフ年３月に述べられている。光論理素子として使用 される非線形ファブリ・ペロー干渉計の他の説明がジェー・エル・ジエウェルの 「単一の非線形ファブリ・ペロー・エタロン干渉計の光学的論理ゲートとしての 使用」、アブ゛」ヱ」２二Δ’；　’、：／　Ｑ　Ｘ−上ｌ二１、第４４巻、第 ２号、１９８４年１月１５日、頁１７２に述べられている。

第１７〜１９図は線形ファブリ・ペロー干渉計１３０１の動作を示すものである 。基本的には干渉計は前壁１３０３および後壁１３ｏ４を有する空洞１３ｏ２よ シ成る。例えば第１７図に示す一般的な場合、前壁１３ｏ３への入射光ビーム１ ３５ｏの９０％は反射出力ビーム１３５１として反射される。入射ビームの残り の１０％は順方向ビーム１３５２として屈折される。空洞に入って来る屈折され た順方向ビーム（１０％）は再び分割され、９０％は逆方向ビーム１３５３（９ ％）として反射され、１０チは再び透過出力ビーム１３５４（１％）として屈折 される。第１８図において、空洞の長さは、順方向ビームと逆方向ビームが破壊 的に干渉し、その結果として波１３５５を生じさせるような長さを有している。

この場合の透過出力ビームの電力は入射光の１４以下である。第１９図において 、空洞の長さは、順方向ビームと逆方向ビームは建設的に干渉し、その結果とし て波１３５６を生じさせるような長さを有している。ここで、透過出力ビームの 電力は入射光ビームの電力のほぼ１００チであり、前壁１３ｏ３からは電力はほ とんど反射されない。

第２０図には、非線形ファブリ・ペロー干渉計１４０１が示されている。ここで 干渉計の空洞１４ｏ２は非線形物質１４ｏ５で満されている。この非線形物質の 屈折率およびその結果として空洞中の物質の光学的信号路長は入射光電力の関数 として変化する。この性質を利用すると、非線形干渉計の光学的信号路長は、入 射光の電力が閾値レベル以下のときに光電力がほとんど透過されないように選択 される。入射光電力が閾値レベルを越すときには、屈折率および非線形物質１４ ｏ５の光学的信号路長は入射光電力のほぼ１００％を透過するよう変化する。

第１７〜１９図に示す線形干渉計と同様、非線形干渉計からも興味深い２つの出 方ビームが出る。１つは反射された出力ビーム１４５２であ）、他方は透過され だ出力ビーム１４５３である。

第２１図ておいて、入出力光電力曲線１４１ｏは非線形干渉計１４０丁の光出力 電力を光入方電力の関数として示す。この入出力曲線は非線形干渉計が光学的論 理ＮＯＲ機能を如何にして実行するかを説明するのに使用される。第２０図の考 察に再び戻ると、入力電力レベル１４６ａを有する光バイアス・ビーム１４５ａ は非線形干渉計をして、反射出力ビーム１４５２が高論理出力電力レベル１４６ フから低論理出力電力レベル１４６２に急速に変化する第２１図の入出力曲線上 の点にバイアスする。入力電力レベル１４６ｏをレベル１４６３に上昇させる付 加的電力は高論理レベル制御光ビーム１４５１によって提供される。高論理入力 電力レベル制御ビーム１４５１およびバイアス・ビーム１４５ｏが干渉計に入射 すると、反射出力ビーム１４５ｏは低論理出力電力レベル１４６２となる。バイ アス・ビーム１４５ｏおよび低論理人力電力レベル制御ビームがデバイス知人対 していると、反射出力ビームは高論理出力電力レベル１４６１にある。このよう にして、非線形干渉計１４０１は光学的論理ＮＯＲゲートとして動作する。更に 、透過出力ビーム１４５３は非線形干渉計が光学的論理ＯＲ，機能を実行するの に使用出来る。

更に他の光学的に非線形なデバイスとして前部表面で光制御信号を受信し、後部 表面から光出力Ｃ号を放射する液晶光バルブがある。このデバイスで本発明を実 現することも可能である。しかし、光出力信号を反射ホログラムに向かわせ、次 いでバルブの前部表面に向かわせるような適当な装置を設ける必要がある。

本発明の反射ホログラムは非線形光デバイス、特に光論理ＮＯＲゲートとして機 能する光学的に非線形な光デバイスを光学的に相互接続する。複数個の反射ホロ グラムがこれら光論理ゲートを光学的に相互接続して任意の所望の光論理回路を 形成する。

反射ホログラムの詳細な議論はエッチ・ジエー・コールフィールド編の「光ボロ グラフィ・ハンドブック」、アカデミツク・プレス、１９７９年およびコリー７ 等の年で行なわれている。更にティー°エッチ・ジェオングク・フオレスト・カ レジ・ホログラフィ・ワークショップ、イリノイ州レイク・フォレ１９８２年中 に見出される。反射ホログラフィの作成法に関しては当業者にあっては周知であ る。しかし、非線形光デバイスを光学的に相互接続する反射ホログラム１（Ｍの 如き本発明の反射ホログラムの作り方に関しては以下で述べる。

第８図には非線形光デバイス１２１をデバイス１２３および１２９に光学的に接 続するべく写真乳剤の如き感光性の物質中に光フリンジ・パターンを形成し、記 憶させる装置が示されている。露呈されていない写真乳剤５００および複数個の 光学的に非線形な光デバイス１２１〜１２９が周知の仕方で光学的に透明な物質 ５０５の平行表面５０３および５０４に付着されている。

例えば、光学的に透明な物質はシリコン・ガラスまたはサファイアの如き熱伝導 度の大きな物質であって良い。

光学的に透明な物質は写真乳剤の露光期間中およびフリンジ・パターンが乳剤中 に完全に記憶される処理期間中、２次元アレイ中に位置する非線形デバイスおよ び写真乳剤５００を一定の平行位置関係に保持する。透明物質の屈折率はフレネ ル反射を減少させるように選択される。

しかし、先に述べたように、通過する光信号によって発生される光をより均等に 分布させる理由からサファイアが望ましい。

記録装置中にはまた露呈されていない写真乳剤の後部表面１１１およびデバイス ・アレイの前部表面１３０に夫々一時的に付着されている例えば周知の電気的に 動作する磁気・光学アレイの如き空間光変調器マスク５０１および５０２が含ま れている。第８図に示すように、コヒーレント光ビーム５５１はマスク５０１を 通過し、コヒーレント光ビーム５５２および５５３はマスク５０２を通過して夫 々写真乳剤５００の外側表面１１１およびデバイス１２３ならびに１２９の外側 表面１３０を照射する。

第９図は単一のコヒーレント・ビームからのコヒーレント光ビーム５５１〜５５ ３の導出を示している。市販のレーザの如きコヒーレント光源５２０からのコヒ ーレント光ビーム５７０は市販の可変ビーム・スプリッタ５２１によって２つの コヒーレント光ビーム５５１および５７１に分割される。ミラー５２２および５ ２３の如き１つまたはそれ以上の光ビームの方向決定装置がコヒーレント基準ビ ーム５５１の方向を決定して反射サブホログラム１０１に指定された乳剤５００ の予め定められた領域を照射するよう配置されている。コヒーレント・ビーム５ ７１は他のビーム・スプリッタ５２４によって２つの等電力のコヒーレント・オ ブジェクト光ビーム５５２および５５３に分割される。この図示の実施例におい て、オブジェクト・ビーム５５２および５５３は基準ビーム５５１の光電力の１ ／２を有しておシ、ビーム・スプリッタ５２４およびミラー５２５の如き１つま たはそれ以上の光ビームの方向決定装置によって夫々のデバイス１２３および１ ２９の前部表面１３０を照射するべく方向付けられる。しかし、コヒーレント・ オブジェクト・ビーム５５２および５５３の電力は相互接続を行う制御光ビーム １５３および１５４の電力を夫々比例的に変化させるため異っていてもよい。

第８図に示す如く、基準光ビーム５５１はデバイス１２１の受信および放射を行 う表面１１５を照射するべく空間光変調器マスク５０１によって露光されている 写真乳剤の後部表面１１１の一部分を通過する。同様に、オブジェクト・ビーム ５５２および５５３は写真乳剤中の基準ビーム５５１と干渉するよう空間光変調 器マスク５０２によって露光されている夫々のデバイス１２３および１２９の前 部表面１３０を通過する。コヒーレント光源から写真乳剤へのコヒーレント基準 光ビーム５５１とコヒーレント・オブジェクト光ビーム５５２および５５３の各 々の間の走行距離の差はビームのコヒーレント長よりずっと小でなければならな い。

反射サブホログラム１０１のための光フリンジ・パターンを乳剤中に形成するた め、マスク５０１は周知の仕方で電気的に作動され、コヒーレント基準光ビーム ５５１のための開口部を形成し、乳剤の後部表面１１１に加える。更に、マスク ５０２はまた電気的に作動され、コヒーレント・オブジェクト光ビーム５５２お よび５５３のだめの開口部を形成し、非線形デバイス１２３および１２９を夫々 通過させる。オブジェクト・ビーム５５２および５５３は夫々デバイス１２３お よび１２９を通過し、前部表面１３０を通して写真乳剤に加えられる。基準ビー ム５５１およびオブジェクト・ビーム５５２ならびに５５３はほぼ平面波を成し ている。先に指摘した如く、ビーム５５２および５５３の平面波はデバイスの後 部表面１３１から乳剤５００の前部表面１１０にわずかに発散する。オブジェク ト・ビーム５５２および５５３は乳剤中において基準ビーム５５１と干渉し、３ 次元光干渉パターン、更に詳細に述べると写真乳剤中に記憶される周知のプラグ ・フィルタ光フランジ・パターンを形成する。同様に、特定のサブホログラムに 指定された写真乳剤の各々の領域は露光され、相応する位置にあるデバイスと関 連する乳剤中に３次元光フランジ・パターンが形成される。写真乳剤の各々の指 定された領域が個別に露光された後、空間光変調器マスク５０１および５０２は 除去される。次に露光された写真乳剤は周知の仕方で処理され、元フリンジ・パ ターンが永久的に記憶される。図示の如く、元に記憶されていた光フリンジ・パ ターンはデバイス１２１〜１２９を光学的に相互接続するのに直接使用される。

しかし元々記憶されていたフリンジ・パターンはまたコピーを複製するマスクと して使用される。

恒久的に記憶されたフリンジ・パターンは所望の論理動作を実行するために予め 定められた仕方でデバイス１２１〜１２９を光学的に相互接続する複数個の反射 ホログラムを形成している。第１図て示すように、相互接続出力光ビーム１５２ は反射サブホログラム１０．１の前部表面１１０を照射するが、これはフリンジ ・パターンを形成するのに使用されるコヒーレント光ビーム５５１の共役光ビニ ムを成している。兵役光ビームは互いに丁度逆方向に伝播する。相互接続出力ビ ーム１５２に応動して、反射サブホログラムの光フリンジ・パターンはデバイス １２３に対する相互接続制御ビーム１５４およびデバイス１２９に対する相互接 続制御ビーム１５５を発生する。こ七ら相互接続制御ビームは夫々コヒーレント ・オブジェクト光ビーム５５２および５５３の共役光ビームである。実際、サブ ホログラム１０１の元フリンジ・パターンは光ビーム・スプリッタおよびミラー の組として機能し、相互接続出力光ビーム１５２を夫々のデバイス１２３および １２９に対する相互接続制御光ビーム１５４および１５５として分割し、反射す る。従って、本発明の反射ホログラムは、複数個の光学的に非線形な光デバイス を相互接続して任意の組合せまだは順序論理回路を実現するソーチャックの論文 （前出）で議論されている１空間変動“または１空間不変”装置のいずれでも使 用し得ることは明らかである。

第１０図には入力端子ＩＮｏとＩＮ、　、夫々の出力端子０ＵＴｏおよびＯＵＴ ＋ならびに制御端子Ｃを有する２×２のクロスバ・スイッチ６００の論理図が示 されている。

この周知の２×２の組合せ論理クロスバ・スイッチは図示の如く相互接続された ＮＯＲゲート６０１〜６１２より成る。説明の便宜上、論理ＮＯＲゲートはまた Ａ−Ｌと名付けらｔｌ、４Ｘ４のアレイ３行に配置されているが２×２クロスバ ・スイッチを形成するぺ〈相互接続されている。

第１１図にＶｉＡ−Ｐと名付けられたノードの４×４のアレイ３行上のＮＯＲゲ ート６０１〜６１２の相互接続を示すノード線図である。このノード線図はまた 相応する２×２の光クロスバ・スイッチを適当に配置し、相互接続することによ り光学的に非線形な光デバイスの４×４７レイを形成する仕方を示している。ノ ードＡ−Ｌけ論理ゲート６０１〜６１２を夫々表わす。ノードＡ−Ｌはまた４× ４の光学的に非線形な光デバイス・アレイの３行を表わし、ノードＭ−Ｐは元デ バイス・アレイの第４の行を表わしている。線はクロスバ・スイッチを形成する の疋必要なＮＯＲゲート６０１〜６１２の相互接続を表わすだけでなく、相応す る２×２の光クロスバ・スイッチを形成するのに必要な反射サブホログラムの各 々からの必要な相互接続光ビームを表わしている。巨視的には１空間変化“相互 接続装置中の反射サブホログラムの各々は相応する位置にある光学的に非線形な デバイスからの単一の相互接続出力光ビームを分割お、よび反射し、：′Ｃ必要 な数だけの制御ビームを形成する。

先に述べた如く、２×２の光クロスバ・スイッチは４×４の２次元アレイに配置 された１６個の光学的に非線形な光デバイスと、該デバイスを第１１図のノード 線図に示すように相互接続するやはり４Ｘ４の２次元アレイは配置された複数個 の反射サブホログラムより成る。光スィッチは反射出力ビームを素子ＪおよびＬ の後部表面から前部表面に通過させるために図示のスイッチ６００より２つ多く のデバイスＣノードＮおよびＰ）を必要とする。

第１２図には双安定自己電子・光学効果デバイス（Ｓ　ＥＥＤ　３８０１〜８１ ６の４×４のアレイ８００と第１１図のノード線図に示すように光学的にＳ　ｇ ＥＤアレイを相互接続する反射サブホログラム８２１〜８３６の４×４のアレイ ８２０より成る２×２の光クロスバ・スイッチ８５０が示されている。デバイス ８０１〜８１６は夫々ノードＡ−Ｐに相応し、第１２図でも同じ名称力付されて いる。コヒーレントまたはインコヒーレント光源（図示せず］がバイアス光ビー ム８５１〜８６２と共に５ＥＥＤ８０１〜８１２の前部表面８１７を照射する。

これらの光バイアス・ビームは５ＥＥＤ８０１〜８１２を光論理ＮＯＲゲートと して機能させる。

双安定デバイス８１３〜８１６は光源から遮蔽されており、その入射電力に依存 して光信号を吸収または通過させる。

第１０〜１２図を参照すると、２×２のクロスＩく・スイッチの出力端子ＯＵ　 Ｔ　ｏおよびＯＵＴ、上の出力信号は制御端子Ｃ上の制御信号の論理レベルおよ び相応する入力端子ＩＮ。およびＩＮ、上の入力信号の論理レベルに依存する。

この図示の実施例では、高論理レベル信号が制御端子Ｃに加えられるときスイッ チはＮ閉じた状態〃にある。その結果、入力端子ＩＮ。上の論理レベルは出力端 子ＯＵＴ、に切換えられ、入力端子ＩＮ、上の論理レベＪＬは出力端子０ＵＴｏ に切換えられる。低論理レベルが制御端子ＣＫ加えらねると、スイッチは９バー 状態〃となり、入力端子ＩＮｏおよびＩＮ、の各りの上の論理レベルは夫々相応 する出力端子０ＵＴｏおよびＯＵＴ、に切換えられる。

このことはもちろん相応するクロスバ・スイッチ６０口および８５０において論 理レベル信号の組を入力および制御端子に加え、スイッチのＮＯＲゲートから出 力端子へ論理レベルをトレースすることにより検証される。

第１２図に示すように、先入力源端子ＩＮ。からの低論理レベル制御光ビーム８ ４ＱＬは光ＮＯＲゲート８０１に加えられ、夫々の入力および制御源端子ＩＮ。

およびＣからの高論理レベル制御ビーム８６３Ｈおよび８６４　Ｈｕ夫ｋ（７） 光ＮＯＲ／７’−ト８０２および８０３に加えられる。従って光クロスバ・スイ ッチ８５０は０閉じた状態”となる。その結果、光ＮＯＲゲート８１０は高論理 レベルの相互接続出力光ビーム８７３Ｈを光出力受信器端子０ＵＴｏに放射し、 光ＮＯＲゲート８１２は低論理レベルの相互接続出力光ビーム８４１Ｌを光出力 受信器端子ＯＵＴ、に放射する。Ｓ　ＥＥＤアレイ８ｏｏの前部表面８１７から 高論理レベルの相互接続出力光ビーム８７３Ｈを通過させるために、反射サブホ ログラム８３０は高論理レベル相互接続出力ビーム８７３Ｈを５ＥＥＤ８１４に 反射する。バイアス・ビームばＳＥｇＤ８１３〜８１６のいずれにも入射しない から、高論理レベル相互接続出力ビーム８７３ＨｄｓＥｆ２Ｄ８１４を通して出 力受信器娼子０ＵＴｏに通過する。同様にＥＥＥ０８１６は低論理レベルの相互 接続出力光ビーム８４１Ｌを反射サブホログラム８３２かも光出力受信器端子Ｏ ＵＴ、に通過させる。

第１０および１１図に示された相応する２×２のクロスバ・スイッチ６００およ び８５０の論理動作を検証するために、入力論理レベル制御信号の前述の組合せ が２つのクロスバ・スイッチの相応する入力に加えられる。

光クロスバ・スイッチ８５０に関しては、バイアス光ビーム８５１は低論理レベ ルの入力制御ビーム８４０Ｌと共に光ＮＯＲゲート８０１に入射するので、バイ アス・ゲームは該ゲートを通過し、高論理レベル相互接続出力ビーム８６５Ｈと して反射サブホログラム８２１に放射される。反射サブホログラム８２１は夫々 の光ＮＯＲゲート８０５および８０８に対する高論理レベルの相互接続制御ビー ム８６６Ｈおよび８６７Ｈとして出力ビーム８６５Ｈを分割し、反射する。

第１２図中の多数の交差する線によって生じる混乱を最小化するため、反射サブ ホログラム８２１〜８３２の各々の上のドツトの７レイはＥＥＥ０８０１〜８１ ６の相対的な中心位置を表わす。サブホログラム上の光論理素子の相対的中心位 置に位置する影を施した矩形は出力ビームがどの論理素子に反射されているかを 示している。

例えばサブホログラム８２１は２つの影を施した矩形を有しているが、１つは論 理素子８０５の相対的中心位置にある。このようにして論理素子８０１からの相 互接続出力光ビームは素子８ｏ５および８０８に分割されて反射される。

光バイアス信号に加えて高論理レベルの光制御信号が光論理ＮＯＲゲートに入射 するとき、光ＮＯＲゲートは先に述べた如く殆んどの入射光を吸収し、低論理レ ベルの光出力信号は相応する反射サブホログラムに放射される。このことは高論 理レベルの入力制御ビーム８６３Ｈおよび８６４Ｈが入射しているとき夫々低論 理レベルの相互接続出力ビーム８４３Ｌおよび８４４Ｌを放射する光ＮＯＲゲー ト８０２および８０３に関しても成り立つ。

反射サブホログラム８２２は夫々の光ＮＯＲゲート８０６および８０γに対する 低論理レベルの相互接続制御ビーム８４５Ｌおよび８４６Ｌとして相互接続出力 光ビーム８４３Ｌを分割し反射する。同様に反射サブホログラム８２３は夫々の ＮＯＲゲート８０４．８０６および８０８に対する低論理レベルの相互接続制御 ビーム８４７Ｌ、８４８Ｌおよび８４９Ｌとして相互接続出力ビーム８４４Ｌを 分割し、反射する。

入力端子ＩＮ、かうの低論理レベル久方信号６４０Ｌが単一の入力ＮＯＲゲート ６０１に加えられるときのクロスバ・スイッチの入力制御信号の組合せが第Ｎｏ 図に示されている。単−人力ゲートは低レベル論理大刀信号を反転し、高論理レ ベル制御信号６６６　Ｈおよび６６７Ｈを夫々のＮＯＲゲート６０５および６０ ８の入力を制御する。入力端子ＩＮ、から単一人力ＮＯＲゲート６０２へ高論理 レベルの入力制御信号６６３Ｈを加えると、該ゲートは高論理レベル信号を反転 し、低論理レベル制御信号６４５Ｌおよび６４６Ｌを夫々のＮＯＲゲート６０６ および６０７に送出する。同様に、高論理レベル制御信号６６４Ｈを制御端子Ｃ から単一人力ＮＯＲゲート６０３に加えると、該ゲートは夫々のＮＯＲゲート６ ０４．６０６および６０８に低論理レベルの制御信号６４７Ｌ、６４８Ｌおよび ６４９Ｌを送出する。

単一の入力ＮＯＲゲート６０４は低論理レベル信号６４７Ｌを反転し、高論理レ ベル制御信号６６９Ｈおよび６７０Ｈを夫々のＮＯＲゲート６０５および６０７ の入力に送出する。この様子が第１２図に同様に示されており、この場合には低 論理レベルの相互接続制御ビーム８４７Ｌは光ＮＯＲゲート８０４の後部表面８ １８に入射している。その結果、該ゲートはバイアス・ビーム８５４を通過させ 、高論理レベルの相互接続出力ビーム８６８Ｈを反射サブホログラム８２４に放 射させる。反射サブホログラム８２４は夫々の光ＮＯＲゲート８０５および８０ ７に対する相互接続制御ビーム８６９Ｈおよび８７０Ｈとして相互接続出力ビー ム８６８Ｈを分割し、反射する。

再び、ＮＯＲゲ・−トの任意の入力に高論理レベル信号を加えると、その出力信 号は低論理レベルとなる。このことは第１０図のＮＯＲゲート６０５．６０７お よび６０８ならびに第１２図の相応する光ＮＯＲゲート８０５．８０７および８ ０８に対しても言える。しかし、ＮＯＲゲートのすべての入力に低論理レベル信 号を加えると、ゲートの出力信号は高論理レベルとなる。第１０図に示されてい るように、ＮＯＲゲート６０６および６１１の入力すべてに低論理レベル信号（ Ｌｌが加わると各出力信号は高論理レベル（Ｈ）となる。このときＮＯＲゲート ６０９の入力に高論理レベル信号が加わると、出力信号は低論理レベル（υとな る。この様子が第１２図に示されている。即ち光ＮＯＲゲート８０６および８１ １は夫々のバイアス・ビーム８５６および８６１を夫々相応する高論理レベル相 互接続出力ビーム８７１Ｈおよび８７５Ｈとして通過させる。反射サブホログラ ム８２６は出力ビーム８７１Ｈを光ＮＯＲゲート８０９に対する高論理レベルの 相互接続制御ビーム８７６Ｈとして反射する。一方、反射サブホログラム８３１ は相互接続出力ビーム８７５Ｈを光ＮＯＲゲート８１２に対する高論理レベル相 互接続制御ビーム８７２　Ｈとして反射する。

高論理レベルの相互接続制御ビーム８７２Ｈが入射すると、光ＮＯＲゲート８１ ２は入射光の殆んどを吸収し、低論理レベルの相互接続出力ビーム８４１Ｌを反 射サブホログラム８３２に放射する。反射サブホログラムは相互接続出力ビーム ８４１　Ｉ、をバイアスされていない５ＥＥＤ８１６を通して光出力受信器端子 ＯＵＴ、に反射する。この様子が第１０図に示されておシ、高論理レベル信号が 単一人力ＮＯＲゲート６１２に加えられており、クロスバ・スイッチの端子ＯＵ Ｔ、上の該ゲート６１２の出力信号は低論理レベルとなる。低論理レベル信号を 単一の入力ＮＯＲゲート６１０に加えるとクロスバ・スイッチの出力端子０ＵＴ ｏ上には高論理レベル出力信号（■が現ハる。この様子が第１２図に示されてお り、光ＮＯＲゲート８１０は先て述べた如くバイアス・ビーム８６０を高論理レ ベル相互接続出力ビーム８７３Ｈとして通過させる。次に反射サブホログラム８ ３０はこの出力ビームをバイアスされていない３ＥＥＤ８１４を通して光出力受 信器端子０ＵＴｏに反射する。

１クロス状態“にあるクロスバ・スイッチの動作を簡単に要約すると、高論理レ ベル信号が制御端子Ｃに加えられるとき、入力端子ＩＮｏおよびＩＮ、の各りの 上の信号の論理レベルは夫々反対側の出力端子ＯＵＴ、および０ＵＴ２に切換え られる。同様に、′バー状態“にあるクロスバ・スイッチ６００および８５０の 動作も容易に検証できる。即ち、低論理レベル信号が制御端子Ｃに加えられると 、入力端子ＩＮｏおよびＩＮ、上の各信号の論理レベルは相応する出力端子０Ｕ ＴｏおよびＯＵＴ、に夫々切換えられる。

反射ホログラムは光学的に非線形な光デバイスを相互接続して光クロスバ・スイ ッチの如き組合せ論理回路を形成することが出来るが、それ以外にも反射サブホ ログラムのアレイもまた光学的に非線形なデバイスのアレイを相互接続して任意 の順序論理回路を形成することが出来る。組合せ論理回路とは対照的に、順序論 理回路は典型例では少くとも１つのフィードバック路を有しており、該フィード バック路は例えばディジタル・プロセッサで実行される種々のタイミングおよび メモリ機能を提供している。例えば周知のクロックによって動作するＪＫフリッ プ・フロップ論理回路１０００の論理図が第１４図に示されている。これは組合 せ光論理回路と頭片光論理回路を組合せたものであるので、このクロックによっ て動作するＪＫフリップ・フロップ論理回路はまた極めて基本的なディジタル・ プロセッサであると考えることが出来る。このフリップ・フロップ回路は図示の 如く相互接続された１００１〜１００６の如き論理ＮＯＲゲートのみより成る。

図示の２×２の組合せ論理スイッチ　−６００と対照的に、クロックによって動 作するＪＫフリップ・フロップ回路１０００は４つの別個のフィードバック路を 含んでいる。詳細に述べると、ＮＯＲゲート１００６の出力はＮＯＲゲート１０ ０７の１つの入力にフィードバックされ、同様にＮＯＲゲート１００７の出力Ｈ ＮＯＲゲート１００６の１つの入力にフィードバックされる。第３のフィードバ ック路けＮＯＲゲート１００７の出力信号をＮＯＲゲート１００４の入力にフィ ードバックしており、最後のフィードバック路はＮＯＲゲート１００６の出力を ＮＯＲゲート１００５の入力に接続している。

組合せ論理回路６００に対して使用されているのと類似の仕方で、クロックによ って動作するＪＫフリップ・フロップ回路１０００は第１５図に示すように相応 する入力、出力および相互接続を有するノード線図に容易に帰着させることが出 来る。ＮＯＲ論理ゲート１００１〜１００７はノードＡ−Ｇに夫々相応し、夫々 Ａ−Ｇと名付けられている。第１５図のノード線図から１反射サブホログラムの ７レイにより光論理ＮＯＲゲートの相応するアレイを光学的に相互接続してクロ ックによって動作するＪＫフリップ・フロップ回路１０００を実現することが出 来る。

第１６図にはクロックによって動作する光ＪＫフリップ・フロップ論理回路１０ ００を実現する夫々Ａ−Ｉと名付けられた５ＥＥＤ１２０１〜１２０９の如き光 学的に非線形な元デバイスのアレイ１２００が示されている。

更に、この光論理装置はまた光ディジタル・プロセッサと考えることが出来る。

インコヒーレントまたはコヒーレント光源Ｃ図示せず）が夫々バイアス・ビーム １２５１〜１２５Ｔによってデバイス１２０１〜１２０７の前部表面１２１０を 照射している。デバイス１２０８および１２０９は前部表面１２１０から出力光 ビームを放射するが、光源からは例えば平面ミラーによってシールドされている 。バイアス・ビーム１２５１〜１２５７は夫々の５ＥＥＤ１２０１〜１２０７を 光論理ＮＯＲゲートとして機能させる。

反射ホログラム１２２０はゲート・アレイ１２００か、　らの相互接続出力光ビ ームを分割し、かつ反射して論理回路１０００に類似したクロックによって動作 するＪ　Ｋフリップ・フロップ光論理回路を形成する。反射ホログラムは複数個 の反射サブホログラム１２２１〜１２２９より成り、各サブホログラムは論理ゲ ート・アレイ１２００の相応する位置にある５ＥＥＤとユニークな関連を有して いる。光学的に透明な物質１２４０は反射ホログラム１２２０の前部表面１２３ ０と光ＮＯＲゲート・アレイ１２００の後部表面１２１１を一定の平行位置関係 に保持し、それによって各々の反射サブホログラムの前部表面が光ＮＯＲゲート の相応する位置にある後部表面と直接面するようにする。

先に述べた如く、各々の反射サブホログラムは少くとも２つの一般に反対方向の コヒーレント元ビームに露呈されており、それによって周知の仕方で写真乳剤中 に恒久的に記憶される光フリンジ・パターンが形成される。

処理後、恒久的に記憶されたフリンジ・パターンは反射サブホログラム１２２１ 〜１２２９となる。

説明の便宜上、各反射サブホログラムは９個のドツトの７レイを有しているもの とする。ここで９個のドツトの７レイは光信号が受信あるいは放射される各々の 光ＮＯＲゲートの相対的中心位置を示している。ここで再び、影を施した矩形は 出力ビームがそこに向って反射さ−れるアレイ１２００中の尤Ｎ　ＯＲゲートの 相対位置な表わす。

各々の反射サブホログラムの光フリンジ・パターンによって形成された予め定め られた光の相互接続を検証するためにＶｉ特定のゲートに対する各々の反射サブ ホログラムの影を施した矩形と第１５図の相応するノードから出て行く線を比較 しさえすればよい。３×３の５ＥＥＤ１２０１〜１２０９の７レイは夫々第１５ 図のノードＡ〜Ｈの３×３のアレイに相応する。反射サブホログラム１２２１の 影を施した矩形は光ＮＯＲゲート１２０１ＣノードＡ）からの相互接続出力ビー ムが光ＮＯＲゲート１２０４に対する相互接続制御ビームとして反射されること を示している。このことは第１５図のノード線図にも示されている。光学的相互 接続は反射サブホログラム１２２２〜１２２７に対しても同様に検証することが 出来る。

反射サブホログラム１２２１〜１２２７の光学的相互接続の検証を行えば、第１ ６図のクロックによって動作する光学的ＪＫフリップ・フロップ回路と第１４図 に示すクロック知よって動作するＪＫフリップ・フロップ回路１０００の論理回 路との機能的比較は容易に実行可能である。この機能的比較は２つの回路が同等 の機能を実行することを検証することである。

簡単に述べると、クロックによって動作するＪＫフリップ・フロップはＪおよび に端子に同時に信号が加えられる場合を除き、周知のセット・リセット（ＳＲ） フリップ・フロップと機能的に同一である。更に、ＪＫフリップ・フロップの将 来の出力信号はその現在の状態の関数でちる。この例では、ＪＫフリップ・プロ ップはＪおよびに端子に信号が同時に加えられるとクロック信号の立上りエツジ でトグル・スイッチ、即ち状態を反転するよう設計されている。ＪＫフリップ・ フロップのセットおよびリセット入力は回路のクロック入力より優先する。

しかし、この回路の動作をより良く理解するために、セットおよびリセット入力 の論理レベルは不活性状態に留捷るものとする。

従って、ＪおよびＣＬＫ入力端子に高論理レベル信号（Ｉ（ｌを加え、入力端子 Ｋに低論理レベル信号（９を加えると、出力端子ＱおよびＱ上の出力信号は夫々 高論理レベルおよび低論理レベルとなる。この様子は第１６図に示されており、 高論理レベル制御ビーム１２６１Ｈおよび１２６２Ｈが夫々の光ＮＯＲゲート１ ２０１および１２０２に加えられており、低論理レベル光ビーム１２７６Ｌが光 ＮＯＲゲート１２０３に加えられている。

その結果、光ＮＯＲゲート１２０７は高論理レベル相互接続出力ビーム１２６５ Ｉ（を放射し、反射サブホログラム１２２７は該ビームを高論理レベル相互接続 フィードバック制御ビーム１２６６Ｈおよび１２６７Ｉ（ならびに高論理レベル 相互接続出力ビーム１２６８　Ｈとして分割し、反射する。バイアスされていな い５ＥＥＤ１２０８け高論理レベル出力ビーム１２６８ＨをＱ出力端子に通過さ せる。

第１４図に示す如く、相互接続されたＮＯＲゲート１００６および１００７の状 態はどのような信号がＮＯＲゲート１００４および１００５にフィードバックさ れるかを決定する。最初ＮＯＲゲート１００６からの出力信号は高論理レベル（ 扛にあり、ＮＯＲゲート１００５および１００７にフィードバックされるものと 仮定する。

更ＫＮＯＲゲート１ｕ０７からの出力信号は低論理レベル（υにあり、該出力信 号けＮＯＲゲート１００４および１００６にフィードバックされるものと仮定す る。論理ゲート１００３からの出力信号は高論理レベル０（１）にあるので、Ｎ ＯＲゲート１００５の出力信号ばＮＯＲゲート１００６からゲート１００５の入 力にフィードバックされる出力信号とは無関係に低論理レベル（しである。しか し、ＮＯＲゲート１００４の２つの入力制御信号は低論理レベル（匂であるから 、ＮＯＲゲート１００７からフィードバックされる出力信号はＮＯＲゲート１０ ０４からの出力信号の論理レベルを決定する。まず第１に、ＮＯＲゲート１００ ６および１００７のセットおよびリセット入力端子の論理レベルは該ゲートとし て予め定められた出力レベルとするので、これら入力端子は不活性状態、この場 合には低論理レベルであると仮定される。

次知、ゲート１００４の出力信号は高論理レベルとなり、ＮＯＲゲート１００６ の入力に加えられる。これによりＮＯＲゲート１００６および１００γの状態は 変化し、ＮＯＲゲート１００６からの高論理レベル信号はＮ０ｒｋゲート１００ ５にフィードバックされる。これ（（より最終的に、ＮＯＲゲート１０［］６お よび１００７の出力信号は夫々低論理レベルおよび高論理レベルとなる。

この状態はまた第１６図において容易に検証さ才する。

即ち、第１６図の光学的に相互接続されたクロックによって動作するＪ　Ｋフリ ップ・フロップは第１４図て示すクロックによって動作するＪＫフリップ°フロ ップ回路１０００と等価な機能を果すことが分る。

前述の光学的組合せおよび順序論理回路は単に本発明の原理を示すものであシ、 更に複雑な光学的ディジタル・プロセッサを含む任意の他の光学的論理回路を本 発明の精神と範囲を逸脱することなく当業者において考案し得ることを理解され たい。詳細に述べると、反射サブホログラムのアレイおよび光学的に非線形なデ バイスを用いてメモリ機能および並列処理を実行することが出来る。

更に、論理ゲートの各々のアレイの光学的入出力信号をまた相互接続あるいはカ スケード接続して任意の大きさの所望の論理回路を形成することが出来る。

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．光論理装置であつて、該装置は： 第１の制御光ビームに応動して第１の出力光ビームを放出する第１の光学的に非 線形な光デバイスと；第２の制御光ビームに応動して第２の出力光ビームを放出 する第２の光学的に非線形な光デバイスと；前記第１の出力光ビームに応動して 、前記第２の光学的に非線形な光デバイスに対する前記第２の制御光ビームを発 生する反射ホログラムを含むことを特徴とする光論理装置。
2. ２．請求の範囲第１項記載の装置において該装置は更に： 第３の制御光ビームに応動して第３の出力光ビームを放出する第３の光学的に非 線形な光デバイスを含み：第１の出力光ビームに応動する反射ホログラムは第３ の光学的に非線形な光デバイスに対する第３の制御光ビームを発生することを特 徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項記載の装置において：光学的に非線形な光デバイスの各々 は光論理機能を実行するよう動作することを特徴とする装置。
4. ４．請求の範囲第１項記載の装置において：デバイスの各々は非線形干渉計を含 むことを特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第１項記載の装置において該装置は更に： 第１の制御光ビームを第１の光論理素子に向ける第１の方向付け手段を含むこと を特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第５項記載の装置において該装置は更に： 第１および第２の論理素子の反射ホログラムに対する位置および前記第２の出力 光ビームの光受信器に対する位置を保持する透明な手段を含むことを特徴とする 装置。
7. ７．請求の範囲第５項記載の装置において該装置は更に： 第２の出力光ビームを光受信器に向ける方向付け手段を含むことを特徴とする装 置。
8. ８．請求の範囲第５項記載の装置において第１および第２の光論理素子の各々は 非線形干渉計を含むことを特徴とする装置。
9. ９．請求の範囲第５項記載の装置において反射ホログラムは： 前記第１の出力光ビームの第１の予め定められた量を第２の制御光ビームとして 反射する手段を含むことを特徴とする装置。
10. １０．請求の範囲第２項記載の装置において第１、第２および第３の光論理素子 はその上で制御光ビームを受信し、そこからその出力光ビームを放出する表面を 有することを特徴とする装置。