JPS63114189A - 半導体レ−ザ論理回路 - 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】 産業上の利用分野 本発明は半導体レーザと、それを利用した光論理回路に
関する。

従来の技術 光を信号として用いる論理回路（以下、光論理回路と記
す）は、光の伝搬速度が電気信号より速いこと、光フア
イバ通信網と直結できること等の特長を持つと考えられ
ている。特に、半導体基板上に集積された場合、回路全
体の寸法が小さくなる。信頼性が向上する等の長所があ
るので、半導体レーザや、半導体受光素子を用いた光論
理回路が活発に研究されている。

例えば、偏光双安定レーザと光電スイッチを用いた光入
力・光出力のフリップフロップ（例えば、Ｉ　ＥＥＥ・
ジャーナルφオプ争カンタム・エレクトロニクス、第Ｑ
Ｅ−２１巻、２９８頁）、タンデム型双安定レーザの光
出力を、外部からの先入カニより低レベルから高レベル
ヘスインチする光スィッチ（例えば、第３２回応用物理
学関係連合講演会講演予稿集１４０頁、　３１　ａ−Ｚ
Ｂ−７〜８）。

ジャーナル・オブφカンタム・エレクトロニクス。

第Ｑｌニー１９号、１６２１頁）等がある。

しかし、これらは、信号ラインに電流が関与しているた
め、動作速度は電気的な時定数）てよって決定されてし
まう。これを回避して、期待される高速動作を得るため
には、電流または電圧は素子にバイテスを与えるだけで
、信号は全て光で処理されるような構成にする必要があ
る。このために、光入力、光出力特性にヒステリシスを
持つ、いわめる光双安定素子が必要である。特に、入射
光を多少なりとも増幅する方が回路構成上好ましいので
、能動素子である半導体レーザを用いた光双安定素子の
開発が重要となる。以下にこれを用いた光論理回路の一
例を示す。

第７図は、従来の光論理回路の一例の構成を示す（例え
ば、ジャーナル・オプ・アプライド・フィジックス、第
６６巻、６６４頁）。これは、フリーブト・カップルド
・キャビティ・レーザを利用したものである。２つの半
導体レーザＥ１１　Ｅ２の共振器長Ｌ１．Ｌ２　　は２
６０ミクロン、間隙ｄは５ミクロン以下で、Ｅｌ、Ｅ２
の活性層は互いに対向している。Ｅ１１Ｅ２の基本的な
構造は埋込み三日月型レーザと同じである。Ｅｌは、第
８図のＩ、、＝Ｏミリアンペアの曲線の通シ、しきい値
１５ミリアンペアの通常のレーザ特性を示している。

Ｅ２も同様の特性を持つ。さて、Ｅ２へ流す電流１２を
２１ミリアンペアに固定し、Ｅｌへ流す電流Ｅ１を変化
させたとき、Ｅ４．Ｅ２の光出力Ｐ１゜Ｐ２はそれぞれ
第８図、第９図のように変化する。

このとき、■、が２３ミリアンペア以上３２ミリアンペ
ア以下Ｑ領域でＰｌ、Ｐ２と工、の間にヒステリシスが
観測される。この現象はＥｌとＥ２のレーザ光が互いに
他方に注入されて、利得の飽和が生じたことに起因する
と考えられる。そのため、ヒステリシスは注入電流１１
が、しきい値電流に比べ約２倍という高光出力の領域で
生じている。

また、両者が光学的に強く結合しているため、工２が一
定であるにもかかわらず、Ｐ２にもヒステリシスが生じ
ているのが特徴である。ＰｌとＰ２の関係は第１３図に
示す通り光双安定性を持つ。

第１０図は、従来の光論理回路用素子の他の一例の構成
を示す（例えば、アプライド・フィジックス・レターズ
、第４１巻、７０２頁）。これは、通常のスラブ型半導
体レーザのＰ側電極を幅１０ミクロン、長さ２Ｑミクロ
ン、ピッチ３０ミクロンというウィンドウ型電極に加工
したものである。

この素子を２１２．１ケルビンに冷却して、電流を流す
と活性層１００４から出力される光強度は第１１図の如
くなる。電流値が１５３ミリアンペアの付近にヒステリ
シスが観測される。これは、Ｐ側電極をウィンドウ型（
でしたため、非電流注入領域が活性層中に生じ、これが
可飽和吸収体として機能することに起因する。このよう
に自らが双安定性を持つこの素子は、外部から光を注入
することによっても双安定動作を起こすことができる。

すなわち、素子に流す電流を１５２．６ミリアンペアに
固定し、埋込ヘテロ型半導体レーザを用いて光を注入す
ると、第１２図のように光双安定動作をする。

発明が解決しようとする問題点 ところが、第７図に示す従来例の場合、第１３図のよう
な光双安定性は得られるものの、ＰｌとＰ２は互いに影
響を及ぼし合っており、Ｐ□でＰ２を制御するような構
成をとりにぐい。また、半導体レーザの飽和を利用して
いるため、電流を高注入する必要があり、消費電力の低
減が難しい。

一方、第１ｏ図に示す従来例の場合、活性層内に可飽和
吸収体を作る必要があるため、しきい値電流の上昇や、
低温下で動作させる必要がある、等の問題が生じていた
。

問題点を解決するための手段 上記の問題を解決するため、本発明は通常の半導体レー
ザに光を外部から注入する時の光軸を、非光注入時に最
もしきい値利得が小さい横モードより、他の横モードの
見かけのしきい値利得が小さくなるように設定した時、
これら２つの横モードの光出力の和が、注入される電流
に対してヒステリシスを持ち、さらにこのヒステリシス
の生じる電流領域が光注入量が増加すると大電流側ヘシ
フトするという特性が表われるので、これを用いて注入
電流は一定に保たれるにもかかわらず、光入力の変化の
みで光出力のヒステリシスが生じるという、いわゆる光
双安定特性を半導体レーザに持たせ、これを構成要素と
した光論理回路を構成するものである。

作　　用 本発明は上記した構成により、電流の高注入時の利得飽
和や、活性層内の可飽和吸収体を用いない光双安定特性
を半導体レーザに持たせることができ、動作電流が従来
に比べ低減でき、低消費電力化を実現できる。

実施例 第１図は本発明の半導体レーザ論理回路の一実施例の構
成を示す。半導体レーザ１０１，１０２は凸レンズ１０
３　、１０４を用いて、互いのレーザ光が他方の活性層
近傍に入射するように配置しである。尚、１０２の活性
層端面に対し、１０１からのレーザ光は約３度傾いて入
射する。電流源１．２より電流を注入する。室温（２２
℃）において、半導体レーザ１０１，１０２の発根中心
波長は１．３ミクロン、しきい値電流はそれぞれ１６ミ
リアンペア、１３ミリアンペアである。しきい値電流以
上４０ミリアンペア以下の電流範囲で、注入電流と光出
力の関係は線形である。尚、活性層の断面積は０．２ミ
クロン×２ミクロン、共振器長は２５０ミクロンである
。半導体レーザ１０１に電流量Ｌｒ３１＝３３ミリアン
ペアを注入し、レーザ光を半導体レーザ１０２に注入し
たとき、第２図に示すように半導体レーザ１０２の先出
カＬＬＤ２対注入電流工ＬＤ２特性中にヒステリシスが
見られた。ところが半導体レーザ１０１の光出力にはほ
とんど変動が見られなかった。これはこの光出力が１０
２の光出力に比べ約１桁大きいため、１０２の影響を受
けにくいためと思われる。尚、このような非光注入時の
しきい値電流値近傍で生じる非線形性は、１０１と１０
２の間に光アイソレータを入れ、１０１から１０２に向
けてしか光が通過しないようにした時にも観測された。

このヒステリシスの生じる範囲はＩＬＤＨの値、すなわ
ち半導体レーザ１０１からの光の注入量によって変わる
。

それを示したのが第３図である。尚、図中の矢印はヒス
テリシスの向きを示す。このようなヒステリシスが生じ
るのは、第６図に示すように、ヒステリシス中の高光出
力側（第６図＆）と低光出力側（第６図ｂ）とで、半導
体レーザ１０２の横モードが違うからである。この場合
、前者が１次モード、後者が基本モードである。

このような現象が起きるのは、半導体レーザ１０１から
のレーザ光が約３度傾いて入力することにより、半導体
レーザ１０２の横１次モードの利得が、横基本モードの
利得より上がるため、見かけ上、前者のしきい値利得が
下がり、後者より低いしきい値電流で発振することに基
くと考えられる。一方、このようにして、横１次モード
で発振していても、注入電流量を上げていくと、半導体
レーザ１０２の本来量も発撮しやすいモードである横基
本モードの利得がしきい値利得に達し、活性層中のキャ
リアがこのモードのために消費され出すので、発振モー
ドは横１次モードから横基本モードに移ると考えられる
。このモードには入力されるレーザ光の利得への貢献は
少ないので、しきい値電流や光出力は非光注入時と比べ
てあまシ変化しない。ヒステリシスは、これら２つの横
モードのモード競合によって生じるが、ｎクラッド層の
不純物としてテルルを添加した場合、これが可飽和吸収
体として作用し、ヒステリシスを起こしやすくすると考
えられる。

さて、第３図のような特性を用いると、光入力対光出力
特性のヒステリシス、いわゆる光双安定が得られる。

以下にその原理を説明する。第３図においてＩ　Ｌ　Ｄ
　２　＝１２　、７ミリアンペアに固定し１．Ｉ、Ｄ１
＝　３３ミリアンペアの時のＬＬＤ２　　’ＬＤ２　　
特性に注目する。最初、図中１のポイントにＬＬＤ２を
調整しておく。次に”ＬＤｌを４０ミリアンペアにする
と、ＬＬＤ２は２のポイントに移る。これは高光出力の
状態すなわち第６図ａの状態になる。次に”ＬＤｌを３
３ミリアンペアに戻してもＬＬＤ２は３０ポイントまで
しか下がらない。よって１から２への移動が、”ＬＤｌ
の変化すなわち光入力の変化のみで成されたわけである
。次に、！ＬＤ１を３０ミリアンペアに下げると、ＬＬ
Ｄ２は４０ポイントまで下がる。これは低光出力の状態
すなわち第６図すの状態である。なお、第６図は半導体
レーザの顕微鏡（Ｘ２０００）による実際の遠視野像を
模式的に示した。そして、！ＬＤ１を３３ミリアンペア
に戻してもＬＬＤｌは６（１と同じ）のポイントまでし
か上がらない。よって３から１への移動も同様に工　　
の変化すなわち光入力の変化のみで成さＤ１ れた。

これを光出力対光入力特性で示したのが第４図である。

図中の１〜５は各々第３図の１〜５に対応している。な
お図中の光のパワーの値は、一部反射ミラーを通して測
定した値を記入しているので、実際の光強度は横軸で約
２桁、縦軸で約２倍程度大きい。変化点ａ、ｂは、第３
図のヒステリシスループの位置が光入力によって変化し
、ループの立上りラインまたは立下りラインが一点鎖線
（バイアス点を示す）を横切る時の光入力と光出力の値
を示している。この特性を用いると、光入力、光出力の
いわゆる光フリップフロップが構成できる。第６図はそ
の動作状態を示す。動軸は時間、縦軸は光パワーを示し
ている。立上り立下りの時間が１＋１秒、＠３３ナノの
光パルスを入力すると、光入力は交互に高出力レベルと
低出力レベルに変化する。立上がシ、立下がり時間は、
受光系の特性も含めて、約１ナノ秒であった。なお、光
入力パルスは、！ＬＤ１に電流パルスを重畳して発生し
たが、外部から光パルスを半導体レーザ１０１に注入し
て発生させることも可能である。

ところで、第６図の特性を時間軸を引き伸ばして観測す
ると、光入力の立上り、立下りに比べ、光出力の立上り
、立下りは３ナノ秒おくれでいることがわかる。このと
き、２つの半導体レーザの距離は９０αであったので、
このおくれ時間は第１図中の半導体レーザ１０１から出
た光が半導体レーザ１０２に到達するのに要する時間で
あるといえる。よって、この距離を狭くして１００ミク
ロンにした時の遅延時間は０．３ピコ秒に短縮できる。

また、光パルスが入力したと同時に光出力の強度が変化
し、その後温度的な変化をしていないので、この光双安
定性は２つの半導体レーザが相互干渉したことによるも
のではなく、半導体レーザ１０２に特定の光が入射した
時に生じる単独の現象であると考えられる。

なお、本実施例は、レンズを用いて２つの単独の半導体
レーザを光学的に結合したが、同一基板上に集積された
複数のレーザを用いてもなんら支障はない。

発明の効果 本発明によれば、光入力のみで光出力の制御ができる光
論理回路が構成される。また信号ラインに電流が関与し
なりので、従来に比べ動作速度が向上する。

また、電流の高注入時の利得飽和を用いたものではない
ので、消費電力が従来に比べ小さくて済む。

さらに、活性層内に可飽和吸収体は無いので、しきい値
電流は高くならず、且つ動作速度が、従来より速くなる
可能性を持つ。これらの特徴は、今回発見された光注入
時の横モード間の双安定特と、そのヒステリシスループ
の位置が光注入景によって動くことによって得られる光
双安定とによって初めて実現されたものでより、従来の
光論理回路と動作原理は異なっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光論理回路の構成を
示すブロック図、第２図、第３図は光注入時の半導体レ
ーザ１０２の光出力対注入電流特性図、第４図は注入電
流を一定にしたときの光双安定特性図、第６図はヒステ
リシスループの上側ａ、下側すでの半導体レーザ１０２
の近視野像の模式図、第６図はフリップフロップのオシ
ロスコープによる動作特性図、第７図は第１の従来例に
おける光論理回路の構成を示すブロック図、第８゜９．
１３図は第１の従来例の動作特性図、第１０図は第２の
従来例における光論理回路の構造図、第１１図は第２の
従来例の光出力対制御電流特性図、第１２図は第２の従
来例の光双安定特性図で１０／、　１０２−　”ｆ＠４
木し−リ゛１０３１０４−凸しシ天 第１図 第２図 二人電；Ｘ／ＬＤｚ（ｎ９ 第３図 尤）ＵＬじ喚Ｗ） 第６図 Ｖ面の、′）こζ内容に変更なし） 第６図 一一一一÷痔閘 第９図 Ｉｔ（ｍＡ） 九人７７　Ｐ＋　（ｍＷ） −４： ヨ　　　　　　　　　　　　昶 ／θ０７−−−　Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｔ・電葛／αδ−シ菰
玖眉 ／Ｕ 第１１図 電未、（ｍ△） 第１２図 第１３図 尤巴力Ｐ１ 手続補正書は式） １事件の表示 昭和６１年特許願第１７００２１　　号２発明の名称 半導体レーザ論理回路 ３補正をする者 事件との関係　　　　　　特　　　許　　　出　　　頒
　　人住　所　　大阪府門真市大字門真１００６３地名
　称　（５８２）松下電器産業株式会比代表者　　　　
　　　谷　　　井　　　昭　　　　雉４代理人　〒５７
１ 住　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地松下電器
産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザに外部からの入射光を注入する時、
   光軸を非光注入時に最もしきい値利得が小さいモードよ
   り他のモードの見かけのしきい値利得が小さくなるよう
   に設定した時に生じる、前記入射光と前記半導体レーザ
   の出力光の間の光双安定を用いることを特徴とする半導
   体レーザ論理回路。
2. （２）モードが横モードであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の半導体レーザ論理回路。
3. （３）非光注入時に最もしきい値利得が小さいモードが
   基本モード、他のモードが１次モードであることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の半導体レーザ論理回
   路。
4. （４）光双安定が、非光注入時に最もしきい値利得が小
   さいモードと他のモードの光出力の和が半導体レーザに
   注入される電流に対してヒステリシスを持ち、さらに前
   記ヒステリシスの生じる電流領域が入射光の量の増加に
   ともない大電流側へシフトすることに基くことを特徴と
   する特許請求の範囲第１〜第３項のいずれかに記載の半
   導体レーザ論理回路。
5. （５）ヒステリシスの生じる電流領域が、非光注入時の
   しきい値電流の近傍であることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の半導体レーザ論理回路。
6. （６）半導体レーザが屈折率導波型であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１〜第６項のいずれかに記載の半
   導体レーザ論理回路。
7. （７）入射光の光源がレーザ装置であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１〜第６項のいずれかに記載の半導
   体レーザ論理回路。