JPS6366984A - 半導体レ−ザ論理回路 - Google Patents

半導体レ−ザ論理回路

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JPS6366984A
JPS6366984A JP61210928A JP21092886A JPS6366984A JP S6366984 A JPS6366984 A JP S6366984A JP 61210928 A JP61210928 A JP 61210928A JP 21092886 A JP21092886 A JP 21092886A JP S6366984 A JPS6366984 A JP S6366984A
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JP
Japan
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semiconductor laser
light
logic circuit
optical
laser
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JP61210928A
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English (en)
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Yoshihiro Mori
義弘 森
Atsushi Shibata
淳 柴田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices
    • G02F3/02Optical bistable devices
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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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・オブ・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、外部からの光入力により低レベルから高レベル
ヘスイッチする光スィッチ(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 )、クリ−ブト・カップルドeキャ
ビティ拳レーザを用いた電気入力、光入力の論理ゲート
(例えば、I EEE・ジャーナルeオプ・カンタム・
エレクトロニクス、第QE−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によって決足されてしま
う。これ全回避して、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アスを与えるだけで、
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、いわゆ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、
能動菓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・オブ・アプライド・フィジックス、第
66巻、664頁)。これは、クリ−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E1.E2の共振器長L1.L2は250ミ
クロン、間隙dは6ミクロン以下で、El、E2の活性
層は互いに対向している。El、E2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り、しきい値15
ミリアンペアの通常のレーザ特性全示している。
E2も同様の特性金持つ。さて、E2へ流す電流工2を
21ミリアンペアに固定し、Elへ流す電流工、を変化
させたとき、El、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、11が23ミリアンペア以上32ミリアンペ
ア以下の領域でpl、p2と11  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。
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20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に
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シ、PlでP2を制御するような構
成をとシにくい。また、半導体レーザの利得の飽和を利
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10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
問題点を解決するだめの手段 上記の問題を解決するために、本発明は第1の偏光状態
で発振する半導体レーザを定電流で駆動し、外部から第
2の偏光状態の入射光を前記半導体レーザに注入したと
き、第2の偏光状態の利得が第1の偏光状態の利得と同
程度になり利得の競合が生じることにより、入射光量の
変化に対して出力光が第1偏光状態と第2偏光状態とで
切りかわり、この切りかわりの遷移領域で第1と第2の
偏光状態が双安定動作をするという、いわめる偏光状態
の光双安定特性を半導体レーザに持たせ、これを構成要
素とする光論理回路を構成するものである。
作  用 本発明は上記の構成により、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ず、第1と第2の偏
光状態の利得の競合を用いて、半導体レーザに光双安定
特性を持たせることが出来るので、駆動のだめの定電流
の値がしきい値電流値の約1.06倍程度で、且つしき
い値電流値は通常の半導体レーザと同様であるため、消
費電流が従来に比べ低減でき、また2つの偏光状態間の
スイッチングを利用するので従来よりもスイッチング速
度が向上するものである。
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
成図を示す。半導体レーザ101は、1.3ミクロンを
中心波長とするレーザ光を出射するインジウム・ガリウ
ム・ヒ素・リンの活性層を持つ、埋込型の半導体レーザ
である。電流源102からは14.4mAの定電流を半
導体レーザ1o1に注入する。この電流値は半導体レー
ザ101の24°Cにおけるしきい値電流値の1.05
倍に相当している。光源103は半導体レーザ101と
同様の特性を持つ半導体レーザと、それからの出射光を
平行光線に変換するレンズより成る。光アイソレータ1
04は光源103からの光を通過させるが、半導体レー
ザ101からの光は通過させない。アイソレーション比
は30dB以上である(例えば、応用磁気研究会資料M
S13a−7゜昭和60年)。半導体レーザ101と光
源103は共に横電界モード(以下TEモードと記す)
で発振をするが、光源103からの光は、光アイソレー
タ104を通過する際に、偏波面が約46゜回転するの
で、その内の半導体レーザ101にとっての横磁界成分
(以下TM酸成分記す)のみが偏光子105を用いて取
り出され、レンズ108を用いて集光され、半導体レー
ザ101の活性層に注入される。一方、半導体レーザか
らの出力光はレンズ109により平行光線に変換された
あと、偏光子106により特定の偏波面を持つ成分だけ
が選択的に受光器107に受光される。受光器107は
平行光線を集光するためのレンズと、アバランシェ・ホ
ト・ダイオード(以下APDと記す)と、集光された光
をAPDまで導く光ファイバとより成る。
上記のような光学系において、光源103からの出射光
の強度を変化させると第2図aのように、半導体レーザ
101の入射光量と出力量のτM酸成分強度の間にヒス
テリシスが得られる。この図は、偏光子106によりT
M酸成分みが受光器107に到達するようにしたときの
ものである。
横電界成分(以下TE酸成分記す)のみを受光器107
で受光したときのヒステリシスは、第2図すのようにな
る。aにおいて、ヒステリシスが右上りになっているの
は、光源103からの入射光のうち、半導体レーザ10
1を通過してきた光が受光されているからである。これ
らの2つの図かられかるように、この双安定は、TEモ
ードと耐モードの間のヒステリシスであり、発振してい
るモードが、発振していないモードの発振を抑制してい
ることにより生じる双安定であることがわかる。このよ
うなTEモードとTMモードのスイッチングは、従来例
のようにキャリアの寿命の制限を受けないと思われるの
で、スイッチング速度が向上すると考えられる。実際、
第3図に示すように立上り(第3図a)、立下り(第3
図b)は共にI nllec未満である。第4図は立上
りに要する時間(ターン・オン時間)の光入力パルス強
度依存性を示すグラフである。パルス強度が0.84m
Wのときのターン・オン時間は340 psecであっ
た。また、第6図は立下りに要する時間(ターン・オフ
時間)の光入力パルス強度依存性を示すグラフである。
同様にパルス強度が0.84 mWのときのターン・オ
フ時間は430psecであった。ただし、第4図と第
6図の特性を測定するとき、光入力パルスは強度1.0
mWの定常光に重畳した。
正のパルスを重畳したときに光出力は立上り1.負のパ
ルスを重畳したときに光出力は立下がる。このような特
性を用いると、第6図に示したように、光入力に対して
光入力がRSフリップ・フロップ特性を示す。
なお、本実施例では、単体の半導体レーザに対して光論
理回路全構成したが、ドライプロセス等を用いたエツチ
ングミラー等を半導体レーザに形成し、同一基板上に他
の部品を形成する構成?採用し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可能な光
論理回路が構成される。本構成は、電流の高注入時の半
導体レーザ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
飽和吸収体はないので、しきい値電流は高くならずに済
む。また、信号ラインに電流が関与せず、さらにTEモ
ードとTMモードの間のスイッチングを利用するため、
動作速度が向上すると考えられる。
【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図は同党論理回路の光入力と光出
力の関係を示す特性図、第3図は同光論理回路の光出力
のオシロスコープによるスイッチングの特性図、第4図
は同光論理回路の光出力のターン・オン時間と光入力パ
ルス強度の関係を示す特性図、第6図は同党論理回路の
光出力のターン・オフ時間と光入力パルス強度の関係を
示す特性図、第6図はオシロスコープによる同光論理回
路のRSフリップフロップ動作を示す特性図、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図、第9図、第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ある。 1o1・・・・・・半導体レーザ、1o2・・・・・・
電流源、103・・・・・・光源、104・・・・・・
光アイソレータ、10S 、 106・・・・・・偏光
子、107・・・・・・受光器、108 、109・・
・・・・レンズ。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名lθ
l・−・半導体レーデ 第2図 光入力 光八カ :a  ’:a  図 −一〜〜・−・−・・・−一・・−・−一〜−V一時間
」?訂eで、2片亀)・−・−・−一−==−〜−−−
−−−・・−・−・・−峙閲/’1tt3ed’N翫)
礒 0 ;ちj E/、EZ−一一半41俸レーヅ Pt、Fz−−〜光出力 11、I2−一−ラ1ニ入薬l−ラカ(4間擁 第4図 光入力パルスの力し鎚(惰り 第5図 ユ 光へカパルス9ガシ買つぐ色ダfgL(nnW)第8図 う主人質−弐 It(仇ハジ 第9図 toot −−−A u −Z7?、 tilool−
−−n−1%Cra、ハsF’tAフ′°ロツ7ノ41
006−−− 工/rLF基板 1oo7−−−ハu−Cre−Ni’LKtoea−Z
7L狐汐1 第10図 第11図 匂乞 の帆 (肋ハ) 信12図 光入力(イf−免、H灸ン 第13図 光出力 Fl

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1の偏光状態で発振する半導体レーザに、第2
    の偏光状態を持つ入射光を注入することにより生じる、
    前記入射光に対する前記半導体レーザの出力光の双安定
    を用いることを特徴とする半導体レーザ論理回路。
  2. (2)第1の偏光状態の電界成分が、第2の偏光状態の
    電界成分と直交す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)第1の偏光状態の磁界成分が、第2の偏光状態の
    磁界成分と直交することを特徴とする特許請求の範囲第
    1項あるいは第2項記載の半導体レーザ論理回路。
  4. (4)入射光が、半導体レーザの活性層の端面から注入
    される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)双安定における2つの安定状態における半導体レ
    ーザからの出力光が、それぞれ第1と第2の偏光状態よ
    り成ることを特徴とする特許請求の範囲第1〜第4項の
    いずれかに記載の半導体レーザ論理回路。
  6. (6)半導体レーザの導波機構が、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5項のいずれ
    かに記載の半導体レーザ論理回路。
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