JPH0277039A - 三状態光デバイス - 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】 失亙ユ１ 本発明は非線形光デバイス、より具体的には高利得又は
帰還を用いて、多安定光状態又は他の非線形光応答を生
じるデバイスに係る。

亙又■旦ユ上 双安定光デバイスについては、エイチ・ニス・ヒントン
（ｔｌ、　Ｓ、　１ｌｉｎｔｏｎ）、エイ・エル・レン
チン（八、　Ｌ、　Ｌｅｎｔｉｎｅ）及びデイ−・エイ
・ビー・ミラー　（Ｄ、　Ａ、　Ｉｆ、　Ｍｆ目ｅｒ）
の米国特許第４，７５４゜１３２号に述べられており、
それは真性領域中に量子井戸を有する一対のｐ−１−ｎ
フォトダイオードを含む。このデバイスは双安定メモリ
要素として動作し、相補的及び対称的光出力を有し、そ
れによフて周知のセット及びリセット状態を有する光Ｓ
−Ｒラッチとして機能する。このデバイスはデバイスの
状態が低パワーレベルビームを有するセット又はリセッ
トになれるが、デバイスの状態が高パワーレへルビーム
で順次決められる時間とともに順次変化する利得を示す
。このデバイスのもう一つの特徴は、スイッチング点が
２つの人力光ビームの比で決り、そのため２つの入力ビ
ームが同じ源から導かれた時、デバイスか光パワー源の
変動に敏感になることである。相補的な出力ビームによ
りいわゆる”デュアル・レイル”１倫理用途に使用する
ことか８功になる。

しかし、三状態光デバイスを打することが望ましい場合
に、用途が生しる。

１に班ユ１刀　　・ 例えば真性領域中に量子井戸を有する第１及び第２のｐ
−１−ｎフォトダイオードを打し、バイポーラスイッチ
及び電源と直列に接続された三状態光デバイスのような
対称光デバイスに改善することにより、先の問題は解決
され、技術的進歩か達成される。−状態において、二つ
の出力光ビームは第１の出力ビームが論理値”　１　”
を表わす強度をもち、第２のビームの強度か論理値”　
ｏ　”を表わすように、相補的である。第２の状態にお
いても、二つの出力ビームは相補的であるが、それらは
第１の状態とは反対の論理値を表わす。たとえば、第１
の出力ビームは論理値“０”を表わし、第２の出力ビー
ムは論理値“１”を表わす。

第３の状態において、第２の出力ビームは論理値“１′
°を表わす。第３の状態において、出力ビームはともに
論理値°°０”を表わす。

バイポーラスイッチがトランジスタである一実施例にお
いて、トランジスタのベース中の制御電流の、直列接続
された量子井戸ｐ−１−ｎフォトタイオードのそれぞれ
に対して入射する光ビームの光出力に対する比が、閾値
より大きい時、トランジスタは短絡回路のように動作す
る。しかし、フォトダイオードのそれぞれに入射する光
ビームのパワーに対するベース制御電流の比が第２の閾
値より小さい時、トランジスタは開放回路のように動作
する。この場合、電源電圧のすべてが、トランジスタの
コレクタ及びエミッタ間にかかる。

その結果、量子井戸ｐ−１−ｎフォトダイオードのそれ
ぞれにかかる電圧はゼロで、両方の光出力ビームのレベ
ルは、論理値°°０”を表わす。重要な利点は、三状態
光デバイスが所望の三値を示すだけでなく、電気的に制
御可能であり、光学的にも制御可能であるということで
ある。その結果、三状態デバイスは電気的な制御ととも
に、光学的な制御も用いられる光システムで、きわめて
有用である。

あるいは、電界効果トランジスタはバイボラトランジス
タのベースに対する電流の刺激の代りに、ゲートに対す
る電圧の刺激により、効果的にターンオン及び矛フでき
、へ′イポーラトランジスタの代りに用いると有利であ
る。

第３の実施例において、ｐ−１−ｎフォトダイオードの
ような光学的に制御可能なスイッチ要素は、量子井戸フ
ォトダイオード上への；Ｉ制御光ビームに加えて、三状
態光デバイスを光学的に制御するバイポーラスイッチと
置きかえると有利である。

これまで述べた三つの実施例のそれぞれは、これらデバ
イスの大きなアレーｆを形成するために、モノリシック
集積構造に製作できる。

１鼠ｌヱｌ 第１図に描かれているのは、三状態光デバイス（４００
）の例で、双安定光デバイス（４１０）及びバイポーラ
スイッチｎ−ｐ−ｎ１−ランジスタ（４０６）を含み、
それらは電源Ｃ４０５）に直列に接続されている。双安
定光デバイス（４１０）は直列に接続されたｐ−１−ｎ
フォトタイオード（４０１）及び（４０２）から成り、
それぞれ複数の量子井戸領域（４０３）及び（４０４）
を含む。光電流（１７４）は、ｐ−１−ｎフォトダイオ
ード（４０１）に入射した第１の組合された光パワーを
有する光信号（１５３）及び（４５２）と、ρ−１−ｎ
フォトダイオード（４０２）に入射した第２の組合され
た光パワーを有する光１３号（１５３）及び（４５３）
により生じた電流である。第１及び第２の組合された光
パワーのそれぞれに対するベース電流（１７３）の比が
、第１のあらかじめ決められた量より大きい時、バイポ
ーラトランジスタ（４０６）は周知の°゛飽和状態にあ
り、そのコレクターエミッタ間に低電圧（＄０．２Ｖ）
を示す。この“飽和“状態において、トランジスタは短
絡回路として動作し、光デバイス（４１０）はエイチ・
ニス・ヒントン（Ｉｌ、　Ｓ、　１ｌｉｎｔｏ口）、エ
イ・エル・レンチン（八、　Ｌ、　ＬｅｎＬｉｏｎ）及
びデイ−・エイ・ビー・ミラー（Ｄ、八、　Ｂ、　Ｍｉ
目ｅｒ）の米国特許第４，７５４゜１３２号に述べられ
ているように動作する。簡単にいうと、トランジスタ（
４０６）が飽和している時、双安定光デバイス（４１０
）は三状態光デバイス（４００）と同様、光学的に双安
定なＳ−Ｒラッチとして動作する。フォトタイオード（
４０２）に印加された時、制御ビーム（４５３）はデバ
イスの状態を周知の“リセット°°状態にリセットする
。刻時バイアスビーム（１５３）がフォトダイオード（
４０１）及び（４０２）に同時に印加された時、デバイ
スはフォトダイオード（４０１）及び（４０２）から一
対の相補的でかつ対称的な出力ビーム（４５０）及び（
４５１）を放出し、それぞれデバイスの相補状態Ｑ及び
実状態Ｑを表わす。

第１及び第２の組合された光パワーのそれぞれに対する
ベース電流（１７３）の比が、第２のあらかじめ決めら
れた量より小さい時、ｎ−ｐ−ｎトランジスタは開放回
路として働き、Ｆ・ランシスタのコレクターエミッタ電
圧は電源電圧（４０５）にほぼ等しい。この場合、ρ−
１−ｎフォトダイオード（４，０１）及び（４０２）の
そわぞわ従って↑１１−子井戸領域（４０３）及び（４
０４）のそれぞれにかかる電圧は、はぼゼロに等しく、
各量子井戸領域の光吸収は最大になる。その結果、出力
光ビーム（４５０）及び（４５１）はもはや相補的では
ない。その代り、出力光ビームのそれぞれは論理値“０
”を表わす光パワーレベルを有する。従って、光デバイ
ス（４００）は三状態デバイスと言える。対応する極性
をもつｐ−ｎ−ｐトランジスタを、ｎ−ｐ−ｎトランジ
スタ（４０６）の代りに用いてもよい。

第２図に描かれるように、周知の電界効果トランジスタ
（４０７）及び電源（４１２）がそれぞれ、第１図のｎ
−ｐ−ｎトランジスタ（４０６）及び電流源（４１１）
に置きかえられる。ＦＥＴ（４０７）のゲート−ソース
′工圧が十分負の時、デバイスは開放回路として動作し
、それぞれが論理値”０”を表わ１低パワーレヘルを有
する一対の出力光ビームを放出する。ＦＥＴ（４０７）
のゲート−ソース７に圧が閾値電圧より十分−ににある
時、ＦＥＴ（４０７）は短絡回路として動作し、相補的
な低論理値及び高論理値“０″及び“１パを表わす相補
的な出力光ビームを放出する。

、出力光ビームのパワーレベルの状態を示す真理値表が
、表Ａに示されている。

表　　Ａ 第３図に描かれるように、量ｒ井戸領域（４０９）を有
する第３のｐ−１−ｎフォトダイオード（４０８）が、
第１図に示されるｎ−ｐ−ｎバイポーラトランジスタ（
４０６）に置き代っている。このフォトダイオードはｐ
−１−ｎフォトダイオード（４０１）及び（４０２）と
同一でもよく、あるいはそれは量子井戸領域（４０９）
を含まなくてもよい。動作中人力制御光ビーム（１７５
）が、第１のｐ−１−ｎフォトダイオード（４０１）に
入射する光入力ビーム（１５３）及び（４５２）及び第
２のｐ−１−ｎフォトダイオード（４０２）に入射する
先人カビーム（１５３）及び（４５３）の組合されたパ
ワーレベルより木質的に大きい時、ｐ−１−ｎフォトダ
イオード（４０７）は約ゼロボルトの電圧降下を示し、
デバイスは短絡回路として動作する。その結果、三状態
デバイス（４００）は先に述べたように、光Ｓ−Ｒラッ
チとして動作する。あるいは、人力制御ビーム（１７５
）のパワーレベルが、第１のｐ−１−ｎフォトダイオー
ド（４０１）に入射する先人力信号（１５３）及び（４
５２）及び第２のｐ−１−ｎフォトダイオード（４０２
）に入射する光信号（１５３）（４５３）の組合された
パワーレベルより本質的に小さい時、ｐ−１−ｎフォト
ダイオード（４０８）にかかる電圧は、電源（４０５）
の電圧にほぼ等しく、フォトダイオード（４０１）及び
（４０２）上の電圧は、はぼゼロボルトになる。出力光
ビーム（４５０）及び（４，５１）はともに開放回路と
して動作するｎ−ｐ−ｎトランジスタ（４０６）につい
て述べたように、低１潰埋値“０”を表わすパワーレベ
ルとなる。

集積回路デバイスは、エイチ・ニス・ヒント’：／　（
Ｉｌ、　Ｓ、　Ｈｉｎｔｏｎ）　、エイ・エル・レンチ
ン（＾。

１、、　Ｌｅｎｌ、１ｎｅ）及びデイ−・エイ・ビー・
ミラー（Ｄ、　Ａ、　Ｂ、　Ｍｉｌｌｅｒ）の米国特許
筒４，７５４，１３２号の第８図及び第９図に描かねた
構造を用いて作られ、その明細古の第７図に描かれた２
つのメサの代りに３つのメサがある。第３図の三状態光
デバイスのモノリシックに集積されたものが、第６図に
描かれている。

第４図に描かれるように、第１図に描かれたデバイスの
モノリシックに集積化されたものは各真性領域中に、量
子井戸を有する２つのｐ−１−ｎフォトダイオード（６
０２）と（６０３）とともに、ｎ−ρ−ｎへテロ接合バ
イポーラトランジスタ（６０４）を含む。−射的な構造
は米国特許第４．５４６，２４４号の続編である米国特
許第７８５．５４６号の続編である“非線形及び双安定
光デバイス”と題するデイ−・エイ・ビー・ミラー（Ｄ
、＾、　Ｂ、　Ｍｉｌｌｅｒ）が１９８７年１月１４日
に申請し、１９８７年１２月２９０に承認された米国特
許第４，７１６，４４９−＋に述べられている。材料は
分子線エピタキシーにより成長でき、標準的な技術を用
いて加工できる。基板（６旧）はρ−１−ｎフォトダイ
オード（６０２）及び（６０３）の下がエッチされ、光
が通過するようにする。光入力ビーム（６０５）及び（
６０６）がデバイスの最上部に入射し、各光出力ビーム
（６０７）及び（６０８）が、デバイスの底部から放出
される。トランジスタ（６０４）のベースに標準的な周
知の技術を用いて、制御リード（６０９）か同着される
。電力供給端子（６１０）及び（６１１）を経て、電力
源への接続が作られる。

第５図に描かれるように、第２図に描かれたデバイスの
千ノリシックに集積化されたものは、真性領域中に組子
井戸を有する２つのｐ−１−ｎフォトダイオード・（７
０２）及び（７０３）を有するＧａＡｓ金属−半導体電
界効果トランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ　（７０４）を集積
化したものである。人力光ビーム（７０６）及び（７０
７）がデバイスの最ト部に入射し、各出力ビーム（７０
Ｂ）及び（７０９）がデバイスの底部から放出される。

基板及びＮ−ＧａＡｓ層はこれらの層が原因となる放出
ビームの減衰を除去するため、ｐ−１−ｎフォトダイオ
ード（７０２）及び（７０３）の底部の一部の下から除
去しなければならない。ＭＥＳＦＥＴ　（７０４）は標
準的な周知のプロセスを用いて作られる。電力源接続は
導電体（７１０）及び（７１１）により示され、制御リ
ードは（７０５）により示されている。

加えて、ＦＥＴは選択ドープヘテロ構造電界効果トラン
ジスタ（ＳＤＨＴ）あるいは高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）でよく、あるいはデバイス全体をインジウ
ムリン及びガリウムインジウムヒ素リンのような異なる
材料を用いて構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は双安定光デバイス及びバイポーラスイッチを含
む三状態デバイスの例を示す図；第２図は第１図の三状
態光デバイスの第２の実施例を示す図； 第３図は第１図の三状態光デバイスの第３の実施例を示
す図； 第４図は第１図の光デバイスをモノリシックに集積化し
たものを示す図； 第５図は第２図の三状態光デバイスをモノリシックに集
積化したものを示す図； 第６図は第３図の三状態光デバイスをモノリシックに集
積化したものを示す図である。 （主要部分の符号の説明） ｐ−ｉ−ｎフォトダイオード・・・４０１．４０２．６
０２．６０３．７０２．７０３ 量子井戸領域・・・４０３，４０４ 双安定光デバイス・・・４１０ 基板・・・６０１ ｎ−ｐ−ｎヘテロ結合バイポーラトランジスタ・・・導
電体・・・７１０，７１１ ＦＴ（３，１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各第１及び第２の量子井戸領域を含み、第１及び第
   ２の光ビームに応答し、前記第１及び第２の光ビームは
   それぞれ第１及び第２の光パワーを有する第１及び第２
   の手段、前記第１及び第２の量子井戸領域のそれぞれの
   光吸収を電気的に制御するため、電流に応答する第３の
   手段が含まれ、前記第１の量子井戸領域の光吸収は第１
   及び第２のあらかじめ決められたレベルの一つと仮定さ
   れ、第２の量子井戸領域の光吸収は、前記第１の光パワ
   ーに対する前記電流の第１の比及び前記第２の光パワー
   に対する前記電流の第２の比の少くとも１つが、第１の
   あらかじめ決められた量を越えた時、前記第１及び第２
   のあらかじめ決められたレベルの他方と仮定され、前記
   第１及び第２の量子井戸領域の両方の光吸収 は、前記第１及び第２の比の両方が第２のあらかじめ決
   められた量より小さい時、前記第１及び第２のあらかじ
   め決められたレベルより大きいと仮定される光デバイス
   。 ２、請求項１に記載のデバイスにおいて、前記デバイス
   は前記第１及び第２の比の両方がそれぞれ前記第１のあ
   らかじめ決められた量より大きく、前記第２の光パワー
   に対する前記第１の比が、第３のあらかじめ決められた
   量より大きい時、前記第１及び第２の量子井戸領域の光
   吸収が、それぞれ前記第１及び第２のあらかじめ決めら
   れたレベルにある第１の相補状態であることが仮定され
   、前記デバイスは前記第１及び第２の比の両方が前記第
   １のあらかじめ決められた量より大きく、前記第２の光
   パワーに対する前記第１の前記比 が、第４のあらかじめ決められた量より小さい時、前記
   第２及び第１の量子井戸領域の光吸収が、前記第２及び
   第１のあらかじめ決められたレベルにある第２の相補状
   態であることが仮定される光デバイス。 ３、請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第３の手
   段はｐ−ｎ−ｐバイポーラトランジスタを含む光デバイ
   ス。 ４、請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第３の手
   段はｎ−ｐ−ｎバイポーラトランジスタを含む光デバイ
   ス。 ５、請求項４に記載のデバイスにおいて、前記第１及び
   第２の手段はそれぞれ第１及び第２の真性領域を有する
   第１及び第２のｐ−ｉ−ｎフォトダイオードを含み、前
   記第１及び第２の量子井戸領域はそれぞれ前記第１及び
   第２の真性領域中に含まれる光デバイス。 ６、請求項５に記載のデバイスにおいて、前記ｎ−ｐ−
   ｎバイポーラトランジスタはベー ス、エミッタ及びコレクタ領域を有し、前記ベース領域
   中にＧａＡｓ、前記エミッタ領域中にＡｌＧａＡｓ及び
   前記コレクタ領域中にＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを有す
   るヘテロ 接合バイポーラトランジスタを含む光デバイス。 ７、第１及び第２の各量子井戸領域を含み、それぞれ第
   １及び第２の光ビームに応答する第１及び第２の手段及
   び前記第１及び第２の量子井戸領域のそれぞれの光吸収
   を電気的に制御するため、電圧に応答する第３の手段が
   含まれ、前記第１の量子井戸領域の光吸収は、第１及び
   第２のあらかじめ決められたレベルの１つにあると仮定
   され、第２の量子井戸領域の光吸収は、前記電圧が第１
   のあらかじめ決められた量を越えた時、前記第１及び第
   ２のあらかじめ決められたレベルの他方にあると仮定さ
   れ、前記第１及び第２の量子井戸領域の両方の光吸収は
   、前記電圧が第２のあらかじめ決められた量より小さい
   時、前記第１及び第２のあらかじめ決められたレベルの
   大きい方にあると仮定される光デバイス。 ８、請求項７に記載のデバイスにおいて、前記手段は電
   界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むデバイス。 ９、請求項８に記載のデバイスにおいて、前記第１及び
   第２の手段は、それぞれ第１及び第２の真性領域を有す
   る第１及び第２のｐ−ｉ−ｎフォトダイオードを含み、
   前記第１及び第２の量子井戸領域は前記第１及び第２の
   真性領域中に含まれる光デバイス。 １０、それぞれ第１及び第２の量子井戸領域を含み、そ
   れぞれ強度をもつ第１及び第２の光ビームに応答する第
   １及び第２の手段、前記第１及び第２の量子井戸領域の
   各々の光吸収を電気的に制御するための強度をもつ第３
   の光ビームに応答する第３の手段を含み、前記第１の光
   ビームに対する第３の光ビームの強度の第１の比及び前
   記第２の光ビームに対する前記第３の光ビームの強度の
   第２の比の少くとも１つが、第１のあらかじめ決められ
   た量を越えた時、前記第１の量子井戸領域の光吸収は第
   １及び第２のあらかじめ決められたレベルの１つにある
   と仮定され、前記第１及び第２の量子井戸領域の他方の
   光吸収は、前記第１及び第２のあらかじめ決められたべ
   ルの他方にあると仮定され、前記第１及び第２の比の両
   方が第２のあらかじめ決められた量より小さい時、前記
   第１及び第２の量子井戸領域の両方の光吸収は、前記第
   １及び第２のあらかじめ決められたレベルの最大のもの
   と仮定される光デバイス。 １１、請求項１０に記載のデバイスにおいて、第１、第
   ２及び第３の手段はそれぞれ真性領域を有するｐ−ｉ−
   ｎフォトダイオードを含 み、前記第１及び第２の手段はそれぞれ真性領域中に前
   記第１及び第２の量子井戸領域を有する光デバイス。 １２、請求項１１に記載のデバイスにおいて、前記第３
   の手段は真性領域と前記真性領域中に量子井戸領域を有
   するｐ−ｉ−ｎフォトダイオードを含む光デバイス。 １３、請求項１０に記載のデバイスにおいて、前記第１
   及び第２の比の両方が前記第１のあらかじめ決められた
   量より大きく、前記第２の光ビームに対する前記第１の
   強度の比が第３のあらかじめ決められた量より大きい時
   、前記第１及び第２の量子井戸領域の光吸収はそれぞれ
   前記第１及び第２のあらかじめ決められたレベルにある
   と仮定される第１の相補状態に前記デバイスはあると仮
   定され、前記第１及び第２の比の両方が前記第１のあら
   かじめ決められた量より大きく、前記第２の光ビームに
   対する前記第１の強度の前記比が、第４のあらかじめ決
   められた量より小さい時、前記第１及び第２の量子井戸
   領域の光吸収 は、それぞれ前記第２及び第１のあらかじめ決められた
   レベルにあると仮定される第２の相補状態に前記デバイ
   スはあると仮定される光デバイス。 １４、光電流を制御するため第１及び第２の状態をもつ
   スイッチ手段、および 前記第２の制御光ビームに対する前記第１ の比があらかじめ決められた閾値を越え、前記スイッチ
   手段が前記第１の状態にある時、相補的なパワーレベル
   を有する第１及び第２の出力光ビームを放出し、前記ス
   イッチ手段が前記第２の状態にある時、ともにあらかじ
   め決められたパワーレベルを有する前記第１及び第２の
   出力光ビームを放出するよう前記光電流と第１及び第２
   の制御光ビームに応答する双安定デバイスを含む光デバ
   イス。 １５、請求項１４に記載のデバイスにおいて、前記スイ
   ッチ手段は電気的に制御可能なスイッチを含む光デバイ
   ス。 １６、請求項１５に記載のデバイスにおいて、前記スイ
   ッチ手段はフォトダイオードを含む光デバイス。