JPH0318834A - プログラマブル光学論理装置 - 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、光波デバイスおよび、特に、自己電気光学デ
バイスを含む光半導体デバイスに関する。

［従来の技術］ コンピュータ、通信、スイッチおよび相互接続は、光学
および光学デバイスの利用可能性および必要性をともに
示してきた技術分野である。これらの技術分野で、必要
とされているデバイス（装置、素子）の種類の１つは、
光学論理デバイスである。光学論理デバイスに対しては
、デバイスに入射するデータあるいは情報が運ばれる信
号は、組合せ（ブール）および／またはメモリ（ラッチ
）機能に対し、入射信号が実行するようなしかたでデバ
イスの状態を制御する。非線形ファプリーペロー・エタ
ロンは、光学論理機能を可能にする完全光学デバイスと
して提案されている。（Ｓ、　Ｄ。

スミス（Ｓ、　Ｄ、　Ｓｍ１ｔｈ）　、ｒアプライド・
オブティクス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｌｃｓ）Ｊ　、
第２５巻、第１０号、１１５０〜６４ページ（１９８６
年）およびＨｌＳ、ヒントン（Ｈ，Ｓ、　Ｈｌｎｔｏｎ
）、ｒｌＥＥＥ−ジャーナル会オン・セレクティド・エ
リアズ・イン・コミュニケーションズ（ＩＥＥＥ　Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｎ　５ｅｌｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａｓ　ｉ
ｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）Ｊ　、第６巻、第
７号、１２０９〜２６ページ（１９８８年）参照。）高
速動作で非線形ファプリーペロー・エタロンを使用する
際の障害の１つは、１つの波長がエタロンの非線形材料
の吸収ピークに対応するように、入射するクロックのよ
うな制御信号とデータ信号の波長とを分離しなければな
らないことである。このような制限は、非線形ファプリ
ーペロー・エタロンで透過状態と反射状態の間で切替え
および同調を行うために必要である。この動作方法の結
果として、入力波長は出力波長と異なり、このためこう
したデバイスを次々とカスケード接続する可能性が排除
される。要求される波長の差が重大な制限を課している
一方、他の制限が生じることも避けられない。それは、
温度変化によって、空洞の共鳴ピークの位置の変化を受
けるからである。

さらに、エタロンは入力光信号に反応することもしない
こともある。そのうえ、入力信号の強度の変化が、偶発
的にファプリーペロー・エタロンの状態を変化させるこ
ともあるし、何も引き起こさないこともある。

自己電気光学効果デバイスもまた、Ｓ−Ｒフリップフロ
ップとして実現される順次記憶素子としての動作に適す
るということが示されている。米国特許第４７５４１３
２号および４７５１３７８号参照。これらの双安定記憶
素子は、現在の入力とともに過去の入力にも影響される
。これらの記憶素子の論理的相互接続によって、光リン
グカウンタのようなシフトレジスタ回路を実現すること
ができる。（「プロシーディングズ・オヴ・ザ争コンフ
ァレンス・オン串し−ザーズφアンドφエレクトロオブ
ティクス（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｒ　ｔｈｅ　Ｃ
ｏｎｒｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｏｐｔｌｃｓ）　Ｊ　、論文ＴＵＥ４　（
１９８８年）参照。）しかし、コンピュータ、通信、お
よびスイッチへの応用においては、このような光記憶デ
バイスの利用は、ＡＮＤ。

ＯＲ，排他的ＯＲその他のゲートのような組合せ光論理
素子の存在なしには制限されたものとなる。

最近、対称自己電気光学デバイスが、ＮＯＲ関数を作成
するための組合せ論理ゲートに利用された。（「プロシ
ーディングズ・オヴ・ザ・コンファレンス・オン・レー
ザーズ・アンド・エレクトロオブテイクス（Ｐｒｏｃｅ
ｅｄｌｎｇｓ　ｏｒ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏ
ｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｌｃ
ｓ）　Ｊ　、論文ＴＵＥ４　（１９８８年）参照。）こ
の論文では、ＯＲ。

ＮＡＮＤおよびＡＮＤ関数が実現されたと述べている。

記述されているデバイスの適切な動作には、各光学デー
タ信号およびその論理的補数が論理ゲートに供給される
必要がある。結果として、各光学データ信号に対し、補
数のデータ信号を得るために、ビーム分割器や光学イン
バータのような付加的なハードウェアが、ただちに補数
のデータ信号が利用可能でない場合にり必要となる。上
で引用した参考文献にはＡＮＤおよびＯＲ論理ゲートが
記述されてはいるが、そのツ考文献では排他的ＯＲゲー
トの実現法はどこにも提示されていないことに注意すべ
きである。光エンコーダやスクランブラやそれらの逆を
実現するためには、フィードバック経路および光シフト
レジスタの他の相互接続点における排他的ＯＲゲートな
しには不可能であるので、排他的ＯＲゲートは重要であ
る。

〔発明の概要］ 対称自己電気光学効果デバイス（Ｓ−ＳＥＥＤ）と、所
定のモードで論理演算を開始するために光学的にＳ−３
ＥＥＤをプログラムするための論理制御素子とを結合す
ることによって、プログラマブル光学論理デバイスにお
いて組合せ（ブール）論理関数を実現している。要求さ
れる組合せ論理演算が光学論理デバイスによって光学デ
ータ信号に対して実行されるように、所定のしきい値光
信号がＳ−８ＥＥＤの１つの入力に加えられ、一方、第
１および第２の光学データ信号は同時にＳ−８ＥＥＤの
もう１つの入力に加えられる。このように、プログラマ
ブル光学論理デバイスは、しきい値論理演算を実行する
といわれている。光学論理デバイスにプログラムされる
論理演算には、ＡＮＤ、ＯＲおよびＮＯＴ関数が含まれ
る。単一の光信号が各光学論理デバイスからの出力とし
て与えられる。

本発明の１つの実施例では、第１しきい値光信号がＡＮ
Ｄ論理演算を実行するために利用され、第２しきい値光
信号がＯＲ論理演算を実行するために使用されている。

排他的ＯＲ演算は、ＡＮＤおよびＯＲ論理演算の両方を
並行して同一のデータに対し別々のＳ−３ＥＥＤデバイ
スで実行した後、Ｓ−５ＥＥＤのＳ−Ｒフリップフロッ
プを使用して各論理ゲートからの出力光信号を処理（例
えば、ＡＮＤ出力をＲ入力へ、および、ＯＲ出力をＳ入
力に）して排他的ＯＲの出力を生成することによって実
現される。

本発明の原理に従って、Ｓ−５ＥＥＤに基づいたプログ
ラマブル光学論理デバイスはすべての光信号が同一の波
長であることを可能にする。従って、プログラマブル光
学論理デバイスはただちにカスケード接続にすることが
できる。

本発明のもう１つの目的によれば、プログラマブル光学
論理デバイスは、標準的な通常の製造技術を使用して、
他の光学論理デバイスを含む他のデバイスとともに、１
００ｘｌＯＯのオーダーの大規模のアレイに集積するこ
とが可能である。

本発明のさらにもう１つの目的によれば、非線形ファプ
リーペロー・エタロンデバイスがほんの数オングストロ
ームという非常に狭い範囲でしか動作可能でないのに対
し、プログラマブル光学論理デバイスは数ナノメートル
にわたる広範囲の波長で動作することができる。

［実施例］ 自己電気光学効果デバイス（ＳＥＥＤ）、対称自己電気
光学効果デバイス（Ｓ−ＳＥＥＤ）、およびこれらに適
用できる製造技術は、米国特許Ｒｅ、３２８９３；４５
４６２４４；４７５１３７８；および４７５４１３２に
十分に開示されており、また、以下の技術参考文献があ
る：Ｄ、Ａ。

Ｂ、ミラー（Ｄ、＾、　Ｂ、　Ｍｉｌｌｅｒ）他、Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、　、第４５（１）巻、１３〜１５ページ（１
９８４年）およびＡ、Ｌ、　　レンテイーン（Ａ、　Ｌ
、　Ｌｅｎｔｌｎｅ）他、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌ
ｅｔｔ、　、第５２（１７）巻、１４１９〜２１ページ
（１９８８年）。上に引用した参考文献およびそれらの
教示は特にここに参考のために取り入れられたものであ
る。

Ｓ−５ＥＥＤは、少なくとも２つの光学入力と２つの光
学出力を持つ４ボートデバイスである。

Ｓ−８ＥＥＤデバイスは、第１図に示されているように
、多重量子井戸ｐ−Ｌ−ｎダイオード１０１を、リード
線１０４を介して多重量子井戸ｐｉ−ｎミーｎダイオー
ドと直列に電気的に相互接続することによって形成され
る。ダイオード１０１．１０２には逆バイアス電圧Ｖが
かけられている。ダイオード１０１，１０２がこのよう
に接続される場合、出力線１１２上に信号Ｑとして示さ
れている単一の光学出力は、後続のデバイスによって使
用可能である。ダイオード１０２からの出力光信号は、
たとえ１つのダイオードがオンでそのとき他のダイオー
ドがオフである場合でも、続いて使用することは望まし
くない。それは、以下で示されるように、入力信号レベ
ルおよび、従って、このダイオードからの出力信号レベ
ルはよく制御されていないからである。

Ｓ−３ＥＥＤの動作中は、ダイオードのうちの１つが吸
収状態にあり、そのとき他のダイオードは透過状態にあ
るということがわかっている。Ｓ−５ＥＥＤの状態変化
は、入力信号の絶対強度の関数としてではなく、入力信
号のパワーの比の関数として生起することが知られてい
る。状態変化は、Ｑが０から１あるいは１から０に変化
するようなレベルの変化する出力から観測される。

特に、ダイオード１０１および１０２からなるＳ−５Ｅ
ＥＤは、ダイオード１０２に入射する光信号強度をダイ
オード１０１に入射する光信号強度で割った値がしきい
値Ｔを超えるときに、第１の状態から第２の状態へと切
り替わる。一方、Ｓ−８ＥＥＤは、ダイオード１０１に
入射する光信号強度をダイオード１０２に入射する光信
号強度で割った値がしきい値Ｔを超えるときに、第２の
状態から第１の状態へと切り替わる。

条る実際の実験例では、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ａ　Ｉ　
Ｇ　ａ　ＡＳ半導体材料システムに基づいたＳ−５ＥＥ
Ｄデバイスのしきい値は約１．１であることが知られて
いる。この例から、ダイオード１０１からの光学出力パ
ワーが、同じダイオードに入射する光学パワーの１９％
におよそ等しいときに、Ｓ−３ＥＥＤは第１の状態（Ｑ
−０）にあると決定されている。また、この例では、ダ
イオード１０１からの光学出力パワーが、同じダイオー
ドに入射する光学パワーの３２％におよそ等しいときに
、Ｓ−３ＥＥＤは第２の状態（Ｑ−１）にあると決定さ
れている。

動作中は、光学入力信号ビーム１０５および１０９が、
ダイオード１０１および１０２からなるＳ−５ＥＥＤに
入射している。光信号ビームは、特定のダイオードに入
射するように、以下のようにまとめられている：論理制
御装置１０３からの光学しきい値参照信号ＲＥＦを表現
する光信号ビーム１０５はダイオード１０１に入射し、
データ信号ＡおよびＢのパワー和であるデータ信号Ｃを
表現する光信号ビーム１０９はダイオード１０２に入射
する。光信号ビーム１０５および１０９は、Ｓ−８ＥＥ
Ｄの出力状態を変化させることができる。これらの光信
号ビームの振幅は、出力レベルが不明瞭になる双安定領
域にＳ−３ＥＥＤが入らないことを保証するように、論
理的０と論理的１との間で十分なコントラストを持つよ
うに選択される。例えば２：１のコントラストが上記の
基準を満たすということがわか・）ている。

データ信号ＡとＢの和を以下のようにして得ることが可
能である。入力データ信号ビーム１０６（信号Ａ）が、
図示されているように、ビーム結合器１０７に向けられ
る。入力データ信号ビーム１０８（信号Ｂ）が鏡１１３
によってビーム結合器１０７のもう１つの入力ボートに
向けられる。

ビーム結合器１０７は、信号ＡとＢのパワーレベルの和
にほぼ等しいパワーレベルを持つデータ信号Ｃとして出
力ビーム１０９を生成する。

クロック１１０は、クロック信号に対応する出力光信号
を持つように破線で示されているが、これは、クロック
１１０は光学素子であり、本発明の実行には必要でない
ということを示している。

光信号ビーム１１１は、一般的に、Ｓ−５ＥＥＤの各ダ
イオードに供給される。クロック信号に対応する光信号
ビーム１１１は、それぞれＣＬＫとして示されているが
、これらはほぼ等しい強度を持ち、最初は、データおよ
び参照しきい値の信号ビーム強度と比較して低いという
ことがわかっている。出力信号ビームＱのレベルがクロ
ック信号ビームのレベルと関係づけられるように論理ゲ
ートの状態を読み出すために、クロック信号ビーム１１
１がＳ−５ＥＥＤに印加されることがある。

クロック信号ビームのＳ−３ＥＥＤへの印加は、二重レ
ール出力、すなわち、Ｑ出力がダイオード１０１から放
射され、Ｑ−出力がダイオード１０２から放射されるよ
うな相補的な出力を得る方法を与える。

クロック信号ビームに関しては、データ信号および参照
しきい値信号が休止中の期間にクロック信号ビームを印
加することが望ましいことがわかっている。Ｓ−８ＥＥ
Ｄの出力状態はダイオードに入射する信号パワーの比に
よって決定されるので、データおよび参照しきい値信号
と同時にクロック信号が存在することは、入力ビームの
コントラスト比を低下させる傾向があり、Ｓ−３ＥＥＤ
の状態切替えの失敗を引き起こす可能性がある。

クロック信号は、一般的に、相補的な出力信号ビームＱ
およびＱ　（図示せず）を介してＳ−８ＥＥＤの状態を
読み出すために印加されることがわかっているが、Ｓ−
８ＥＥＤの状態が干渉および変更なしに読み出されるた
めに、光信号ビーム１１１は、十分な強度とともに、そ
の強度間には相対的に小さい差を維持することが望まれ
る。多くのＳ−８ＥＥＤに対し、データ信号Ａに対する
データ信号Ｂのパワーの比が１．１を超えるが、または
、０．９よりも小さい場合にＳ−８ＥＥＤの切替えが起
こると決定されている。ここでは、光学ヒステリシスル
ープが、参照しきい値およびデータの信号の強度がほぼ
等しい点のあたりに中心を持つということがわかってい
る。

第１図のプログラマブル光学論理デバイスは、論理制御
装置１０３、直列接続ダイオード１０１および１０２、
および、必要ならば、光学データ信号ビーム１０６（Ａ
）および１０８（Ｂ）が両方ともＳ−３ＥＥＤの同一の
ダイオードに入射するように結合させるビーム結合素子
（素子１１３および１０７）からなる。光信号ビーム１
０６および１０８は、それに対して組合せ論理演算が実
行されるデータ信号である。例えば、第２、第３および
第５図を参照。図示されているように、光信号ビーム１
０９（Ｃ）は、個々のデータ信号ＡおよびＢの組合せを
含む。組合せ論理（ブール）演算を実行する場合、プロ
グラマブル光学論理デバイスはその演算を個々のデータ
信号ＡおよびＢに対して実行する。すなわち、プログラ
マブル光学論理デバイスは、ＡＮＤ関数をｆ　（Ａ、　
　Ｂ）　−Ａ−Ｂのように、ＯＲ関数をｆ　（Ａ、Ｂ）
−Ａ＋Ｂのように実行する。

第１図に示されているように、本発明の実施例はＳ−５
ＥＥＤにおけるダイオードの組合せの例を含む。ここで
は、ダイオードは、ＡｌＧａＡｓ／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半
導体ダイオードのような多重量子井戸ｐ−１−ｎダイオ
ードが直列接続されている。

ここでは、これとは異なるダイオード対の実施例も考え
られているということにも注意すべきである。例えば、
ダイオード１０１またはダイオード１０２のいずれかは
、量子井戸の真性領域を使用していない標準的なｐ−１
−ｎダイオードで置き換えることができる。このような
場合、このダイオードの組合せが、ｐ−１−ｎダイオー
ドを負荷として持つ自己電気光学効果デバイスになるよ
うに、残りのダイオードは量子井戸ｐ−１−ｎダイオー
ドであることが要求される。このような組合せでは、活
動出力および、実際には、唯一の出力は、量子井戸ｐ−
１−ｎダイオードの出力から引き出される。

従来技術では、Ｓ−５ＥＥＤに基づいたメモリ論理素子
（Ｓ−Ｒフリップフロップ）は、あるデータ信号が一方
のダイオードに印加されると他のデータ信号はもう一方
のダイオードに印加される必要があった。最近の従来技
術では、Ｓ−５ＥＥＤに基づいたプログラマブル光学組
合せ論理ゲートは、両方のデータ信号が結合されてＳ−
５ＥＥＤの同一のダイオードに入射され、両方のデータ
信号の補数が結合されてもう一方のダイオードに入射さ
れる必要があった。これらの方法とは対照的に、本発明
のプログラマブル光学組合せ論理ゲートは、Ｓ−３ＥＥ
Ｄの一方のダイオードに入射する参照しきい値信号ビー
ムで特定のブール関数（ＡＮＤ、ＯＲ）をプログラムし
、結合したデータ信号ビームをもう一方のダイオードに
入射する。

上で述べたように、Ｓ−３ＥＥＤおよび論理制御装置１
０３の組合せ全体が、要求されるブール関数規則に従う
プログラマブル光学論理デバイスとして動作するように
、論理制御装置１０３は特定のブール関数が実行される
ようにプログラムをする。論理制御装置１０３はＲＥＦ
で示されているほぼ一定の光学パワービーム１０５を生
成する。

実際、この光ビームは参照しきい値として動作し、これ
に対してデータ信号ＡおよびＢを結合したパワー（ｐｃ
＝　ＰＡ　＋　ｐＢ　）が比例してｎ１定される。

すなわち、ｐＲＥＰを信号ＲＥＦのパワーとして、ｐＣ
／　ｐＲＥＰ　＞Ｔ’＝　１．　１の場合、ダイオード
１０１は実質的透過状態に変化し、出力信号Ｑを生成す
る。この信号のパワーは入力信号（ＲＥＦ）パワーの約
３２％であり、それによってＱを論理的“１”に設定す
る。ＰＲＥＰ　／　ＰＣ＞Ｔ”、　１．　１の場合、ダ
イオード１０１は実質的吸収状態に変化し、入力信号（
ＲＥＦ）パワーの約１９％のパワーレベルの出力信号Ｑ
を生成し、それによってＱを論理的“０”に設定する。

このデバイスのプログラム可能な動作を理解するために
は、第２および第３図に注意を向けるべきである。非否
定論理関数ＡＮＤおよびＯＲに対する動作の説明を以下
で行う。

第２図は、与えられた光学データ信号ＡおよびＢに関し
て、第１図のプログラマブル光学論理デバイスのＯＲゲ
ートの動作に対する光信号パワーレベルを含む真理値表
である。参照しきい値信号に対するパワーレベルは、 （，２ｐｏ　（ｐ□　＋ｐｔ　））”’に設定されてお
り、ＴＨＩで示されている。ただし、ｐｏは論理的“０
”レベルでの入力信号の光学パワーであり、ｐｌは論理
的“１”レベルでの入力信号の光学パワーである。論理
的“１″レベルでの入力信号のパワーは論理的′０°レ
ベルでの入力信号のパワーよりも大きいので、信号ＲＥ
Ｆに対する所定のパワーレベルは、データ信号Ａおよび
Ｂが論理的に逆のレベルにあるか、または、両方とも論
理的“１“レベルにある場合に信号Ｑを論理的“１゜状
態に切り替えるのに十分であることは明らかである。ま
た、信号ＲＥＦに対する所定のパワーレベルは、データ
信号ＡおよびＢが両方とも論理的“００レベルにある場
合に、信号Ｑを論理的“０“レベルに保ち、あるいは、
そのレベルに切り替えるのに十分である。従って、第１
図のプログラマブル光学論理デバイスは、第２図に示さ
れている真理値表に従ったレベルの信号を使用して動作
する場合は、論理的ＯＲゲートとして動作可能である。

第３図は、与えられた光学データ信号ＡおよびＢに関し
て、第１図のプログラマブル光学論理デバイスのＡＮＤ
ゲートの動作に対する光信号パワーレベルを含む真理値
表である。参照しきい値信号に対するパワーレベルは、 約（２ｐｌ　　（ｐｏ　＋ｐｌ　）　）　１１２に設定
されておリ、ＴＨ２で示されている。ただし、ｐｏは論
理的“０“レベルでの入力信号の光学パワーであり、ｐ
ｌは論理的“１°レベルでの入力信号の光学パワーであ
る。論理的“１″レベルでの入力信号のパワーは論理的
“０°レベルでの入力信号のパワーよりも大きい（すな
わち、ｐ１＞ｐ０）ので、信号ＲＥＦに対する所定のパ
ワーレベルは、データ信号ＡおよびＢが両方とも論理的
“１°レベルにある場合に信号Ｑを論理的“１゛状態に
切り替えるのに十分であることは明らかである。また、
信号ＲＥＦに対する所定のパワーレベルは、データ信号
ＡおよびＢが論理的に逆のレベルにあるが、または、両
方とも論理的“０“レベルにある場合に、信号Ｑを論理
的°０ルベルに切り替えるのに十分である。従って、第
１図のプログラマブル光学論理デバイスは、第３図に示
されている真理値表に従ったレベルの信号を使用して動
作する場合は、論理的ＡＮＤゲートとして動作可能であ
る。

当業者には明らかなように、第３図のＱ出力に対する論
理的レベルに現れているダッシュ記号は、第２図に示さ
れたレベルとは差があるということを示している。この
ことが起こるのは、ダイオード１０１に供給される参照
しきい値信号ＲＥＦがＡＮＤゲートの動作とＯＲゲート
の動作では異なるレベルを持っているからである。結果
として、ダイオード１０１からの出力信号Ｑは、ＡＮＤ
ゲートの動作が要求される場合には対応してわずかに高
いレベルに変化する。

結合したデータ信号Ｃに対して第２および第３図の真理
値表に示された光学パワーレベルは、個々のデータ信号
ＡおよびＢの適当な論理状態に対する光学パワーレベル
の和をとることによって求められていることに注意すべ
きである。入力データ信号の論理状態に対する適当なレ
ベルを決定するために、論理的“０″および“１”の入
力パワーレベルが、ランダムパワー単位（ｐ、　　ｕ、
　）で規格化された先行するデバイスからの論理的“０
″および“１”の出力パワーレベルにほぼ等しく設定さ
れることが提案されている。すなわち、論理的“１°は
、規格化された光学パワーレベルで３２ｐ、ｕ、を持っ
と仮定され、論理的“０“は、規格化された光学パワー
レベルで１９ｐ、　　ｕ、ヲ持つと仮定される。規格化
されたパワー単位を使用して、ＡＮＤゲートおよびＯＲ
ゲートの動作に対する出力信号（Ｑ）の論理的レベルの
差が次のようにわかる。

“０１　　　　　　“１１ ＡＮＤ　　　　　１０．８６　　　１８．２８ＯＲ８，
３６１４，０９ 規格化されたパワー単位に関する以上の説明は、本発明
を理解するために、例を用いて明確化のためになされた
ものであり、本発明の制限を目的とするものでないこと
を理解すべきである。

排他的ＯＲゲートおよびその演算真理値表がそれぞれ第
４および第５図に示されている。図示されているように
、光学排他的ＯＲゲートは、第１および第３図に関して
上で説明したような光学ＡＮＤゲート４０１、第１およ
び第２図に関して説明した光学ＯＲゲート４ｏ２および
直列に接続されたダイオード４１０および４１１からな
る標準的なＳ−Ｒフリップフロップを含む。データ入力
信号Ａ（ビーム４０５および４０７）ならびにＢ（ビー
ム４０６および４０８）が排他的ＯＲゲートに供給され
る。即値データ信号Ｒ（ビーム４０３）およびＳ（ビー
ム４０４）が、論理ゲートの初期段階から出力される。

出力信号Ｑが排他的ＯＲ出力を表現する。また、第４図
に示されているのは排他的ＯＲゲートからの補数出力信
号Ｑ−であり、これによって光学排他的ＯＲゲートから
の二重レール動作（相補的な出力信号の生成）が可能に
なる。

第４図からは省略されているが、当業者には明らかなよ
うに、Ｓ−Ｒフリップフロップの各ダイオードに供給す
る光学クロック信号を生成するためのクロック源が、第
４図の装置へのオプションの組み込みとして企図されて
いる。このようなオプションの装置では、クロック信号
が印加されている期間中は即値データ信号を抑止する必
要がある場合がある。このようなりロック信号の使用法
は、Ａ、レンティーン（Ａ、　Ｌｅｎｔｌｎｅ）他、「
ボストデッドライン・ベーバーズ、プロシーディングズ
・オヴψコンファレンス・オンφレーザーズφアンド・
エレクトロオブティクス（Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｌｎｅ　
Ｐａｐｅｒｓ、　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｒ　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄ　ＥＩ
ｅｃｔｒｏｏｐｔｌｃｓ）Ｊ論文ＴｈＴ１２　（１９８
７年）および「プロシーディングズφオヴ・コンファレ
ンスｅオン・レーザーズ・アンド争エレクトロオブテイ
クス（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｏｐｔｌｃｓ）　Ｊ論文ＴＵＥ３　（１９８８年）によ
る記事と、前記の特許第４７５４１３２号に開示されて
いる。クロック信号が存在しない場合、組合せ論理ゲー
トは、特定のクロック間隔の間だけではなくほぼ全時間
にわたって妥当な出力レベルを示すことができる。

データ信号Ａに対応する光学入力ビーム４０５および４
０７は、データ信号Ａをビーム分割器（図示されていな
い）に通過させ、分割された２つのほとんど同一の光ビ
ームが適当な論理ゲートに入射するように、形成される
。同様の方法が、データ信号Ｂに対応し、適当な論理ゲ
ートに入射する光学入力ビーム４０６および４０８を生
成するために使用される。

ＡＮＤゲート４０１は、第１および第３図ならびにそれ
に関連した説明に従って実現される光学ＡＮＤゲートで
ある。ＡＮＤゲート４０１は、データ信号ＡおよびＢに
作用して、Ａ−Ｂに等しい即値データ信号Ｒに対応する
光ビーム４０３を生成する。

ＯＲゲート４０２は、第１および第２図ならびにそれに
関連した説明に従って実現される光学ＡＮＤゲートであ
る。ＯＲゲート４０２は、データ信号ＡおよびＢに作用
して、Ａ＋Ｂに等しい即値データ信号Ｓに対応する光ビ
ーム４０４を生成する。

即値データ信号Ｒはダイオード４１０に入射し、即値デ
ータ信号Ｓはダイオード４１１に入射する。

ダイオード４１０および４１１はリード線４１４によっ
て直列に接続され、逆バイアス電圧■がかかっている。

従って、ダイオード４１０および４１１はＳ−３ＥＥＤ
−３−Ｒフリップフロップを形成している。Ｓ−Ｒフリ
ップフロップは、信号ＱおよびＱ　にそれぞれ対応する
出力信号ビーム４１５および４１６を生成する。動作中
は、出力信号Ｑはデータ信号ＡおよびＢに対して実行さ
れる排他的ＯＲ関数を表す。すなわち、Ｑ−ＡｅＢであ
る。出力信号Ｑ　は出力信号Ｑの補数を表す。

ＡＮＤゲート４０１およびＯＲゲート４０２で使用され
た参照しきい値の所定の値によって、Ｓ−Ｒフリップフ
ロップがある論理状態から他の論理状態に切り替わるの
に十分なレベルで、即値データ信号ＲおよびＳを生成す
ることができる。第５図に示されている論理的“１”お
よび“０″状態に関連して使用されているダッシュ記号
は、上で説明したのと同じ意味を持っている。

第６図は、インバータあるいは論理的ＮＯＴゲートを示
している。このゲートは、光ビーム６０５として参照し
きい値信号を生成するしきい値制御装置６０３を含む。

このビーム６０５は、直列接続されたダイオード６０１
．６０２からなるＳ−Ｒフリップフロップのセット（Ｓ
）入力に入射する。これらのダイオード６０１．６０２
はリード線６０４によって直列に接続され、逆バイアス
電圧Ｖがかかっている。データ信号Ａの補数、すなわち
、信号Ａ　は、光ビーム６０７としてダイオード６０１
によって出力される。しきい値制御装置６０３からの参
照しきい値信号のパワーレベルは（ｐ　　ｐ　　）１／
２に選択される。

ｆ ある実際の実験例では、しきい値参照信号ビームＲＥＦ
は、標準的な、６３３ｎｍの音響光学変調ＨｅＮｅレー
ザによって、約６μＷから約１゜ＯμＷまでのピークパ
ワーレベルを使用して生成された。ＯＲゲートに対する
参照しきい値信号は約６．６μＷであり、ＡＮＤゲート
に対する参照しきい値信号は約８，６μＷである。明ら
かに、ダイオードによってよく吸収されるいかなる波長
でも使用することができる。上に引用した特殊例では、
Ｓ−３ＥＥＤは、Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ量子井戸真性領域（公称８５０ｎｍ）を持つ量
子井戸ｐ−１−ｎダイオードからなる。論理ゲートに入
射するデータ信号レベルの例は、相捕的な入カビーム、
すなわち、論理的“１°および論理的′０″に対しそれ
ぞれ約４．８μＷおよび２．８５μＷと推定されている
。

以上の説明から、当業者には明らかなように、ここに記
述されたプログラマブル光学論理デバイスは、専用の論
理ゲートとして動作するか、または、実行される論理関
数が期間ごとに変化するようなプログラム可能モードで
動作するかのいずれかである。

プログラマブル光学論理デバイスは、同一光源から光信
号を引き出すことにより、光信号の強度変化を十分にま
ぬがれるように実現することができる。これは、Ｓ−８
ＥＥＤが入力光信号の絶対強度ではなく入力パワーの比
に従って切替えを行うためである。

上に述べたように、プログラマブル光学論理デバイスは
、標準的な通常の製造技術を使用して、他の光学論理デ
バイスを含む他のデバイスとともに、１００ｘ１００の
オーダーの大規模のアレイに集積することが可能である
。（Ｍ、Ｅ、ブライズ（Ｍ、　Ｅ、　Ｐｒ１ｓｅ）他、
ＥＯ８Ａ・トビカル・ミーティング・オン・フォトニッ
ク・スイッチング（Ｏ８Ａ　Ｔｏｐｉｃａｌ　ＭｅｅＬ
Ｉｎｇ　ｏｎ　Ｐｈｏｔｏｎｌｃ　ＳｖｌＬｃｈｌｎｇ
）　Ｊ（ツルトレイクシティー）論文ＦＤＰ５　（１９
８９年）参照。）現在知られているアレイ生成技術は、
光学パワートラッキングが、強度変化に対する影響を受
けないようにすることを可能にする。

上で説明した利点に加えて、プログラマブル光学論理デ
バイスから導かれる他の利点は、オプションのクロック
信号を使用することによってもバイアスに限界のないこ
とを可能とする時間順序利得、高利得（低入力パワ一対
高出力パワー）、おおきいファンアウトを取ることがで
きるということである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従ってプログラマブル光学論理
デバイスの実施例を示す図、 第２図および第３図は第１図に示されたデバイスの演算
の異なるモードに関する論理真理値表、第４図は本発明
の原理に従って光学排他的ＯＲゲートの例を示す図、 第５図は第４図に図示されたゲートの演算に関する論理
真理値表、 第６図は本発明の原理に従ってインバータの実施例を示
す図である。 出　願　人：アメリカン　テレフォン　アンドＦＩＧ、
　７ Ｆｌに、４ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ ｂｌ、ｌｊ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１および第２の光学データ信号に対してブール
   論理演算を実行するプログラマブル光学論理装置におい
   て、 第１および第２の光ダイオードを有し、これらのダイオ
   ードは直列に接続されて所定のしきい値を持つ自己電気
   光学効果デバイスを形成し、少なくとも前記第１の光ダ
   イオードは半導体量子井戸領域を含み、前記第１の光ダ
   イオードは第１および第２のレベルを持つ光学出力信号
   を生成し；前記第１の光ダイオードに入射し実行される
   ブール論理演算を制御する光学参照しきい値信号を生成
   する手段を有し； 前記第２の光ダイオードに入射する前記第１および第２
   の光学データ信号を含み；および全光学データ信号パワ
   ーに対する光学参照しきい値信号パワーの比が所定のし
   きい値を超過したときに前記第１レベルの前記光学出力
   信号を生成し、かつ、光学参照しきい値信号パワーに対
   する全光学データ信号パワーの比が所定のしきい値を超
   過したときに前記第２レベルの前記光学出力信号を生成
   することを特徴とするプログラマブル光学論理装置。
2. （２）前記第１および第２の光学データ信号を結合され
   たデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信号は前
   記第２の光ダイオードに入射する手段をさらに含むこと
   を特徴とする請求項１記載の装置。
3. （３）前記第１および第２の光学データ信号の論理的Ｏ
   Ｒ演算を実行する前記装置であって、各光学データ信号
   は、第１の論理状態を表す第１のパワーレベルｐ＿０お
   よび第２の論理状態を表す第２のパワーレベルＰ＿１を
   持ち、前記光学参照しきい値信号パワーが２ｐ＿０より
   大きくｐ＿０＋ｐ＿１よりも小さい（ただし、ｐ＿１＞
   ｐ＿０）ことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. （４）前記第１および第２の光学データ信号を結合され
   たデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信号は前
   記第２の光ダイオードに入射する手段をさらに含む請求
   項３記載の装置。
5. （５）光学参照しきい値信号パワーが（２ｐ＿０（ｐ＿
   ０＋ｐ＿１））＾１＾／＾２にほぼ等しいことを特徴と
   する請求項４記載の装置。
6. （６）前記第１および第２の光学データ信号の論理的Ａ
   ＮＤ演算を実行する前記装置であって、各光学データ信
   号は、第１の論理状態を表す第１のパワーレベルｐ＿０
   および第２の論理状態を表す第２のパワーレベルｐ＿１
   を持ち、前記光学参照しきい値信号パワーがｐ＿０＋ｐ
   ＿１より大きく２ｐ＿１よりも小さい（ただし、ｐ＿１
   ＞ｐ＿０）ことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. （７）前記第１および第２の光学データ信号を結合され
   たデータ信号に結合し、前記結合されたデータ信号は前
   記第２の光ダイオードに入射する手段を更に含むことを
   特徴とする請求項６記載の装置。
8. （８）光学参照しきい値信号パワーが（２ｐ＿１（ｐ＿
   ０＋ｐ＿１））＾１＾／＾２にほぼ等しいことを特徴と
   する請求項７記載の装置。
9. （９）光学データ信号に対して論理演算を実行するプロ
   グラマブル光学論理装置において、第１および第２の光
   ダイオードを有し、これらのダイオードは直列に接続さ
   れて所定のしきい値を持つ自己電気光学効果デバイスを
   形成し、少なくとも前記第１の光ダイオードは半導体量
   子井戸領域を含み、前記第１の光ダイオードは第１およ
   び第２のレベルを持つ光学出力信号を生成し；第２光ダ
   イオードに入射し、実行される論理演算が前記光学デー
   タ信号の論理的反転であるよう制御する光学参照しきい
   値信号を生成する手段を有し、 前記第１の光ダイオードに、前記光学データ信号を入射
   し、 全光学データ信号パワーに対する光学参照しきい値信号
   パワーの比が所定のしきい値を超過したときに前記第１
   のレベルの前記光学出力信号を生成し、かつ、光学参照
   しきい値信号パワーに対する全光学データ信号パワーの
   比が所定のしきい値を超過したときに前記第２のレベル
   の前記光学出力信号を生成することを特徴とするプログ
   ラマブル光学論理装置。
10. （１０）前記光学データ信号が第１の論理状態を表す第
    １のパワーレベルｐ＿０および第２の論理状態を表す第
    ２のパワーレベルＰ１を持ち、前記光学参照しきい値信
    号パワーがｐ＿０より大きく、ｐ＿１よりも小さいこと
    を特徴とする請求項９記載の装置。
11. （１１）光学参照しきい値信号パワーが、 （ｐ＿０ｐ＿１）＾１＾／＾２にほぼ等しいことを特徴
    とする請求項１０記載の装置。
12. （１２）第１および第２の論理ゲートならびに論理メモ
    リ素子を有し、第１および第２の光学データ信号に対し
    てブール論理演算を実行するプログラマブル光学論理装
    置において、 第１および第２の論理ゲートは、それぞれ第１および第
    ２の光ダイオードからなり、これらのダイオードは直列
    に接続されて所定のしきい値を持つ自己電気光学効果デ
    バイスを形成し、少なくとも前記第１の光ダイオードは
    半導体量子井戸領域を含み、前記第１の光ダイオードは
    第１および第２のレベルを持つ光学出力信号を生成し； 前記第１および第２の光学データ信号は前記第２の光ダ
    イオードに入射し； 光学参照しきい値信号を生成する手段を有し、前記光学
    参照しきい値信号の１つが前記第１の光ダイオードに入
    射して各論理ゲートによって実行されるブール論理演算
    を制御し；各論理ゲートは全光学データ信号パワーに対
    する光学参照しきい値信号パワーの比が所定のしきい値
    を超過したときに前記第１のレベルの前記光学出力信号
    を生成し、光学参照しきい値信号パワーに対する全光学
    データ信号パワーの比が所定のしきい値を超えたときに
    前記第２のレベルの前記光学出力信号を生成し； 前記第１の論理ゲートは前記第１および第２の光学デー
    タ信号に対する論理的ＡＮＤ演算を実行し、そのとき各
    光学データ信号は、第１の論理状態を表す第１のパワー
    レベルｐ＿０および第２の論理状態を表す第２のパワー
    レベルｐ＿１を持ち、前記第１の論理ゲートに供給され
    る前記光学参照しきい値信号パワーはｐ＿０＋ｐ＿１よ
    りも大きく、２ｐ＿１よりも小さく（ただし、ｐ＿１＞
    ｐ＿０）、前記第２の論理ゲートは前記第１および第２
    の光学データ信号に対し論理的ＯＲ演算を実行し、その
    とき前記第２の論理ゲートに供給される前記光学参照し
    きい値信号パワーは２ｐ＿０よりも大きく、Ｐ＿０＋ｐ
    ＿１よりも小さく； 前記論理メモリ素子は、第３および第４の光ダイオード
    からなり、これらのダイオードは直列に接続されて所定
    のしきい値を持つ自己電気光学効果デバイスをなし、少
    なくとも前記第３の光ダイオードは半導体量子井戸領域
    を含み、前記第３の光ダイオードは第１および第２のレ
    ベルを持つ光学出力信号を生成し、前記第１の論理ゲー
    トからの前記光学出力信号は前記第３の光ダイオードに
    供給され、前記第２の論理ゲートからの前記出力信号は
    前記第４の光ダイオードに供給され；前記論理メモリ素
    子からの前記光学出力信号を、前記第１および第２の光
    学データ信号に対する排他的ＯＲ関数として生成するな
    ることを特徴とするプログラマブル光学論理装置。
13. （１３）前記第１および第２の光学データ信号を結合さ
    れたデータ信号へと結合し、そのとき、結合されたデー
    タ信号は、前記第１および第２の論理ゲートのそれぞれ
    の前記第２の光ダイオードに入射する手段をさらに含む
    ことを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. （１４）前記第１の論理ゲートへの前記光学参照しきい
    値信号パワーが、 ほぼ（２ｐ＿１（ｐ＿０＋ｐ＿１））＾１＾／＾２に等
    しく、前記第２の論理ゲートへの前記光学参照しきい値
    信号パワーが、ほぼ（２ｐ＿０（ｐ＿０＋ｐ＿１））＾
    １＾／＾２に等しいことを特徴とする請求項１３記載の
    装置。