JPH03213833A - Method for predicting device characteristics of integrated optical logic devices - Google Patents
Method for predicting device characteristics of integrated optical logic devicesInfo
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- JPH03213833A JPH03213833A JP15624390A JP15624390A JPH03213833A JP H03213833 A JPH03213833 A JP H03213833A JP 15624390 A JP15624390 A JP 15624390A JP 15624390 A JP15624390 A JP 15624390A JP H03213833 A JPH03213833 A JP H03213833A
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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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、集積型光論理素子の素子特性予測方法に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for predicting device characteristics of integrated optical logic devices.
「従来の技術]
光情報処理や光コンピユーテイングの分野に必要な光入
力−光出力の論理素子として、ファブリ・ベロー共振器
を用いたものや、5EED、BILED等が知られてい
るが、これらはいずれも集積化が難しいという難点があ
る。"Prior Art" As optical input-optical output logic elements necessary in the fields of optical information processing and optical computing, devices using Fabry-Bello resonators, 5EEDs, BILEDs, etc. are known. All of these have the disadvantage that they are difficult to integrate.
近時、受光素子と発光素子とを組合せて、発光素子から
受光素子へ正の光帰還を持たせ、入力光強度と出力光強
度の間にヒステリシス特性を示し、光スィッチ、光双安
定、光微分利得等の論理動作を行う集積型光論理素子と
して光増幅機能素子が提案された(A、5asaki
et al、IEEE Trans、Electron
Devices、35 (1988)780)。Recently, a light-receiving element and a light-emitting element have been combined to provide positive optical feedback from the light-emitting element to the light-receiving element, exhibiting hysteresis characteristics between the input light intensity and the output light intensity, and producing optical switches, optical bistable, optical An optical amplification functional element was proposed as an integrated optical logic element that performs logical operations such as differential gain (A, 5asaki
et al, IEEE Trans, Electron
Devices, 35 (1988) 780).
第5図にその1例を断面図として示す。図中、符号51
はAuZn/Auの電極膜、符号52は(100)P−
InP基板、符号53はN−InPブロック層、符号5
4はP−InPクラッド層、符号55はN−InGaA
sPアクティブ層、符号56はN−InPクラッド層、
符号57はN−InGaAsP吸収層、符号58はN−
InPバッファ層、符号59はN−InPコレクター層
、符号60はP−InGaAsPベース層、符号61は
N−InPエミッター層、符号62はAuGeNi/A
u電極層を示している。このような光増幅機能素子は、
受光素子と発光素子のみを有する簡単な構造であるから
モノリシックな集積化が容易であり、アレイ化も可能で
ある。しかも、電圧や負荷抵抗を変えることにより、単
一の素子であるにも拘らず複数の機能に切り換えること
ができる。FIG. 5 shows one example as a sectional view. In the figure, code 51
is an AuZn/Au electrode film, and 52 is (100)P-
InP substrate, code 53 is N-InP block layer, code 5
4 is a P-InP cladding layer, and 55 is an N-InGaA cladding layer.
sP active layer, numeral 56 is an N-InP cladding layer,
Reference numeral 57 is an N-InGaAsP absorption layer, and reference numeral 58 is an N-InGaAsP absorption layer.
InP buffer layer, 59 is N-InP collector layer, 60 is P-InGaAsP base layer, 61 is N-InP emitter layer, 62 is AuGeNi/A
The u electrode layer is shown. Such an optical amplification functional element is
Since it has a simple structure including only a light receiving element and a light emitting element, monolithic integration is easy and array formation is also possible. Furthermore, by changing the voltage and load resistance, it is possible to switch to multiple functions even though it is a single element.
[発明が解決しようとする課題]
しかし、上記光増幅機能素子の素子特性の予測即ち素子
の各機能の特性の予測に関しては、これまで図式解決が
試みられているに過ぎず、特定のパラメーターの組に対
しては動作特性が求められるものの、素子パラメーター
が変わったときの素子特性は定性的にしか予測できず、
また所望の素子特性を実現するためのパラメーター値を
予測することができなかった。[Problems to be Solved by the Invention] However, with regard to predicting the device characteristics of the above-mentioned optical amplification functional device, that is, predicting the characteristics of each function of the device, so far only diagrammatic solutions have been attempted; Although the operating characteristics are required for the set, the device characteristics when the device parameters change can only be predicted qualitatively.
Furthermore, it was not possible to predict parameter values for achieving desired device characteristics.
このため光増幅機能素子の上記の如き優れた性質にも拘
らず、その設計が極めて面倒であった。For this reason, despite the above-mentioned excellent properties of the optical amplification function element, its design has been extremely troublesome.
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、
その目的とする所は、光増幅機能素子を用いる集積型光
論理素子の素子特性予測方法の提供にある。The present invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and
The purpose of this invention is to provide a method for predicting device characteristics of an integrated optical logic device using an optical amplification function device.
[課題を解決するための手段] 以下、本発明を説明する。[Means to solve the problem] The present invention will be explained below.
本発明は「発光素子と受光素子とを負荷抵抗とともに電
気的に直列に集積化して、発光素子から受光素子へ正の
光帰還を持たせた集積型光論理素子の素子特性を予測す
る方法」であって、以下の如く特徴づけられる。The present invention is "a method for predicting device characteristics of an integrated optical logic element in which a light emitting element and a light receiving element are electrically integrated in series together with a load resistor to provide positive optical feedback from the light emitting element to the light receiving element." It is characterized as follows.
集積型光論理素子のバイアス電圧をv1動作電流を工、
負荷抵抗をRLq受光素子の抵抗をRP D s集積型
光論理素子に対する入・出力光強度をそれぞれP3.、
、P。。い受光素子への入力光強度をPP0%発光素子
からの出力光強度をPLE%発光素子から受光素子への
正の光帰還率をβ、発光素子の電流−出力光強度特性を
PLE=L(I)、 (dL/dI≧0)、受光素子の
入力光強度−抵抗特性をRpn=H(Pro)−(dH
/dPpn≦O)とするとき、これらの間に以下の5方
程式を与える。Adjust the bias voltage of the integrated optical logic element to the v1 operating current,
The load resistance is RLq, the resistance of the light receiving element is RP, the input/output light intensity to the integrated optical logic element is P3. ,
,P. . The input light intensity to the light-receiving element is PP0%, the output light intensity from the light-emitting element is PLE%, the positive light feedback rate from the light-emitting element to the light-receiving element is β, and the current-output light intensity characteristic of the light-emitting element is PLE=L( I), (dL/dI≧0), the input light intensity-resistance characteristic of the photodetector is Rpn=H(Pro)-(dH
/dPpn≦O), the following five equations are given between these.
V=I(R,、”RPD) (1
)P、D=P、。+βPLE (2
)Po。、=(l−β)PLE (
3)PL、=L(I) (4
)Rpo=H(Pro) (s
)これら方程式(1)〜(5)においてL(I)、 H
(ppm)の関数形を与え、方程式(1)〜(5)を与
え、上記V。V=I(R,,”RPD) (1
)P, D=P,. +βPLE (2
) Po. , = (l-β)PLE (
3) PL,=L(I) (4
) Rpo=H(Pro) (s
) In these equations (1) to (5), L(I), H
(ppm), equations (1) to (5) are given, and the above V.
RL、βをパラメーターとするPl、、とp、u、の関
係Pi−”g(Pout;V、RL、β)を得る。そし
て、この関係に基づき素子特性を予測する。A relationship Pi-''g(Pout; V, RL, β) is obtained between Pl, , and p, u, with RL and β as parameters. Then, the device characteristics are predicted based on this relationship.
[作 用]
第1図は、本発明の対象となる集積型光論理素子の等価
回路を示している。図に於いて、符号1は発光素子、符
号2は受光素子、符号3は負荷抵抗、符号4は定電圧電
源を示している。図の如く、負荷抵抗3の抵抗値をRL
、電源4によるバイアス電圧をv1動作電流を工とする
。またP、。、P。。、はそれぞれ集積型光論理素子に
対する入・出力光強度を示し、ppo、 PLEはそれ
ぞれ受・発光素子に対する入・出力光強度を示している
。さらにβは発光素子1から受光素子2への正の光帰還
率を表している。[Function] FIG. 1 shows an equivalent circuit of an integrated optical logic element to which the present invention is applied. In the figure, numeral 1 indicates a light emitting element, numeral 2 a light receiving element, numeral 3 a load resistor, and numeral 4 a constant voltage power supply. As shown in the figure, the resistance value of load resistor 3 is RL
, the bias voltage from the power supply 4 is set to v1 operating current. Also P. ,P. . , respectively indicate the input/output light intensity to the integrated optical logic element, and ppo and PLE indicate the input/output light intensity to the receiving/emitting element, respectively. Further, β represents a positive light feedback rate from the light emitting element 1 to the light receiving element 2.
受光素子2に於ける入力光強度に対する抵抗特性をRP
Dとすると、上の方程式(1)は、この等価回路に於け
るキルヒホッフの法則の表現である。RP is the resistance characteristic of the light receiving element 2 against the input light intensity.
Assuming that D, the above equation (1) is an expression of Kirchhoff's law in this equivalent circuit.
方程式(2)は、受光素子2に入力光強度P、。と発光
素子1の光出力の一部が光帰還率β(0≦β≦1)で入
射していることを表している。Equation (2) represents the input light intensity P, to the light receiving element 2. This indicates that a part of the optical output of the light emitting element 1 is incident with an optical feedback rate β (0≦β≦1).
方程式(3)は、発光素子1からの全出力PLEから受
光素子2へ光帰還されるβPLEを差し引かれたものが
、集積型光論理素子からの光出力となることを表してい
る。Equation (3) indicates that the total output PLE from the light emitting element 1 minus βPLE which is optically fed back to the light receiving element 2 becomes the optical output from the integrated optical logic element.
方程式(4)は、発光素子1の全出力PLEが動作電流
■の関数であることを示している。このことは、発光素
子1が「電流を光へと変換する変換素子」と見做されて
いることを意味する。Equation (4) shows that the total output PLE of the light emitting device 1 is a function of the operating current . This means that the light emitting element 1 is regarded as a "conversion element that converts current into light."
方程式(5)は、受光素子2の抵抗Rr’Dが、入力光
強度PPDの関数であることを表している。このことは
受光素子2が「入力光強度に応じて変化する抵抗」と見
做されていることに他ならない。Equation (5) expresses that the resistance Rr'D of the light receiving element 2 is a function of the input light intensity PPD. This means that the light receiving element 2 is regarded as a "resistance that changes depending on the intensity of input light."
方程式(4)、 (5)に於ける関数L(I)、 H(
Pro)を与えると、方程式(1)〜(5)をP、。と
P。。、に対する連立方程式として解く事ができ、P、
nとP o u Lの間の関係を、V、 R,、βをパ
ラメーターとしてP、。・g(P。。t:V+RL+β
)(6)と表すことができる。The functions L(I) and H( in equations (4) and (5)
Pro), equations (1) to (5) become P,. and P. . It can be solved as a simultaneous equation for , P,
The relationship between n and P o u L is expressed as V, R,, P, with β as a parameter.・g(P..t:V+RL+β
)(6).
パラメーターV、RL、 βを与えればp、、、とP
o u Lの間の関係が定まる。Given the parameters V, RL, and β, p, , and P
The relationship between o u L is determined.
P j nとP。、、の間の関係は、大別して第2図(
I)乃至(IV)に示す如きものとなる。同図(I)の
素子特性は微分利得機能であり、同図(II)の機能は
リミッタ−機能、(III)の機能は光双安定機能、(
IV)の機能は光スイツチ機能である。パラメーターV
IRLIβの選択により、集積型光論理素子の機能とし
てこれらの機能の何れか1つを選択できる。P j n and P. The relationship between , , and can be roughly divided into Figure 2 (
The result will be as shown in I) to (IV). The element characteristic in (I) in the same figure is a differential gain function, the function in (II) in the figure is a limiter function, the function (III) is an optical bistable function, (
Function IV) is a light switch function. Parameter V
By selecting IRLIβ, one of these functions can be selected as the function of the integrated optical logic element.
方程式(6)が与えられた段階で、上記機能のうちの所
望の機能を選択するには以下の手順で進めば良い。At the stage where equation (6) is given, a desired function from among the above functions can be selected by proceeding with the following procedure.
即ち、微分利得機能に対しては、関数gに対して条件
g’(Pp。、)〉0 且つ g(Pp。、)>o
(7)を加重する。That is, for the differential gain function, for a function g, the conditions g'(Pp.,)>0 and g(Pp.,)>o
(7) is weighted.
光双安定機能に対しては、開数gに対して条件g’ (
P、。、)〈O且つ g(P、、、、)>0且つ g(
P7.。) >O(8)
を加重する。For the optical bistable function, the condition g' (
P. , )〈O and g(P,,,,)>0 and g(
P7. . ) > O(8).
光スイツチ機能に対しては、関数gに対して条件
g’ (P、。、)〈0 且つ g(P、、、)>0
且つ g(P、 、 、 )<0
(9)を加重する。For the light switch function, the condition g' (P, .,)〈0 and g(P, , ,)>0 for the function g.
and g(P, , , )<0
(9) is weighted.
また、リミッタ−機能に対しては、関数gに対して条件
(g(P、、、+。)〈0且つg(P−1,)<O且つ
g’ (p、。、)<0)または(g’(Pp。、)
〉0 且つ g(P、、t)〈O) (10)を加重す
る。Furthermore, for the limiter function, the condition (g(P,,,+.)<0 and g(P-1,)<O and g'(p,.,)<0) for the function g. or (g'(Pp.,)
〉0 and g(P,,t)〈O) (10).
上の各式に於いて、「g′」は関数gの変数P。5゜に
よる微分を意味し、「PP。、」は、関数gを変数P。In each of the above equations, "g'" is the variable P of the function g. "PP.," means the differentiation by 5°, and "PP.," refers to the function g as the variable P.
。、で2同機分したものが0を与えるP。、tの値、即
ち関数gの変曲点のP。。、座標である。. , the result of dividing 2 same planes gives 0. , t, i.e., P at the inflection point of the function g. . , are the coordinates.
また、rpm、g、 ’Pm1nJは、それぞれ関数g
の極大値、極小値を与える変数P。U、の値である。Also, rpm, g, 'Pm1nJ are the functions g
Variable P that gives the local maximum value and local minimum value. is the value of U.
これら条件(7)〜(10)を用いると、各機能間の区
別がつかなくなる境界条件と4重点の条件として以下の
式(11)〜(15)が得られる。When these conditions (7) to (10) are used, the following equations (11) to (15) are obtained as boundary conditions and quadruple point conditions in which each function cannot be distinguished.
光双安定−光スイツチ間
: g(P、、;。)−〇 且つ g’ (P、。、)
〈0(11)光スィッチ−リミッタ−間
: g(P、、、、)=O且つ g’ (Pp。i)<
0 (12)リミッターー微分利得間
:g(Pp。、)−〇 且つ g’ (Pp。、)>0
(13)微分利得−光双安定間
: g’ (P、。、)=O且つ g(Pp。、)>O
(14)4重点
: g(PP。t)=g’(Pp。、)=O(15)上
記境界条件(11)〜(14)は、各機能の境界上に於
けるパラメーターの拘束条件を与える。従ってこれら拘
束条件を独立なパラメーターに就いてプロットすると、
これらパラメーターに関する機能の分布状態の図、即ち
機能図を得ることができる。Between optical bistable and optical switch: g (P, .) - 〇 and g' (P, .,)
<0(11) Between optical switch and limiter: g(P,,,,)=O and g'(Pp.i)<
0 (12) Between limiter and differential gain: g (Pp.,) - 〇 and g' (Pp.,) > 0
(13) Differential gain-optical bistable: g' (P, .,)=O and g(Pp.,)>O
(14) 4 points: g(PP.t)=g'(Pp.,)=O(15) The above boundary conditions (11) to (14) express the constraint conditions of the parameters on the boundaries of each function. give. Therefore, when these constraints are plotted for independent parameters, we get
A diagram of the distribution state of functions regarding these parameters, that is, a functional diagram can be obtained.
この機能図では4重点のまわりに上記(11)〜(14
)の境界条件により分離される4つの機能領域が広がる
ことになる。上記機能図に各パラメーターの定義域を重
ねると、各機能を実現するためのパラメーターの範囲が
決定される。特に4重点の周りには4機能が接している
ので、パラメーターの定義域内に4重点が存在するなら
、パラメーターを一部変更することで上記4機能を全て
実現することが可能である。In this functional diagram, the above (11) to (14) are placed around the four points.
) will expand into four functional areas separated by the boundary conditions. By overlapping the definition range of each parameter on the above functional diagram, the range of parameters for realizing each function is determined. In particular, since the four functions are in contact around the four points, if the four points exist within the definition range of the parameters, it is possible to realize all of the above four functions by partially changing the parameters.
逆に特定の機能に着目した場合は、機能図におけるその
機能の領域が、その機能を実現するためにパラメーター
が満たすべき条件を定めることになる。Conversely, when focusing on a specific function, the area of that function in the functional diagram defines the conditions that the parameters must satisfy in order to realize that function.
[実施例] 以下、具体的な実施例に即して説明する。[Example] Hereinafter, description will be given based on specific examples.
実施例1
発光素子として発光ダイオード、受光素子としてフォト
トランジスターを組合せて集積型光論理素子を構成する
場合。Example 1 A case where an integrated optical logic element is constructed by combining a light emitting diode as a light emitting element and a phototransistor as a light receiving element.
発光ダイオードに於いては、動作電流■と出力光強度P
LHの間に線形な関係が成立つ動作領域で、方程式
%式%(4)
における関数L(I)を、比例係数をAとしてL(I)
=A・I (4−1)と与え
ることができる。In a light emitting diode, the operating current ■ and the output light intensity P
In the operating region where a linear relationship holds between LH and LH, the function L(I) in the equation (4) is expressed as L(I) with the proportional coefficient A.
=A·I (4-1) can be given.
一方、受光素子としてのフォトトランジスターに就いて
は、エミッター接地の電流利得hFEとコレクター電流
工との間に、周知の如く
11FEcc■’−”’
なる関係がある。ここにnはエミッター・ベース間pn
接合の理想因子である。On the other hand, for a phototransistor as a light-receiving element, there is a well-known relationship between the emitter-grounded current gain hFE and the collector current gain, as 11FEcc■'-''', where n is the emitter-base distance. pn
It is an ideal factor for bonding.
フォトトランジスターの光利得Go p L、抵抗RP
D、動作電流工、上記hFEの間には
Go p を共hFE
G、、t=(■/e)/(ppo/h・ν)CX:r/
pr’。Optical gain Go p L of phototransistor, resistance RP
D, operating current, Gop between the above hFEs, t=(■/e)/(ppo/h・ν)CX:r/
pr'.
Rpo=VpO/I Q:1/I
なる関係が成立つ。ここにeは電子の電荷、hはブラン
ク定数、νは入射光の波長を表す。The following relationship holds true: Rpo=VpO/I Q:1/I. Here, e represents the charge of the electron, h represents the blank constant, and ν represents the wavelength of the incident light.
上記関係からRPDとPPDの間には R11r)工PiB が成立つ。From the above relationship, between RPD and PPD R11r) Engineering PiB holds true.
ppoが0となる極限でも実際のRp n ′!J<(
1)となることはないのでPl、。−〇に於ける抵抗値
をR8とする。Even in the limit where ppo is 0, the actual Rp n ′! J<(
1), so Pl. - Let the resistance value at 〇 be R8.
またppo→ωでもRI’DはOとならないので、この
場合の抵抗値をR■とすると、フォトトランジスターの
入力光強度PPDと抵抗RPDとの間に、十分な精度を
もって、関係
RPD=Rω+Ro/(1+(ppo/pc)”)が成
立つ。従って、方程式
%式%(5)
における関数H(PPD)として
H(PPD)−R■+Ro/(1+(PPD/Pc)’
) (5−1)を与えることができる。ここ
でP。はRPDがRp o −R。Also, since RI'D does not become O even when ppo→ω, if the resistance value in this case is R■, the relationship RPD=Rω+Ro/ (1+(ppo/pc)") holds. Therefore, as the function H(PPD) in the equation %formula%(5), H(PPD)-R■+Ro/(1+(PPD/Pc)'
) (5-1) can be given. Here P. The RPD is Rp o -R.
およびR8oCP;8となる境界の入力光強度の値であ
る。and R8oCP; is the value of the input light intensity at the boundary of 8.
このようにして上記方程式(1)〜(5)が具体的に定
まるので、PloとP。。、との関係を与える関数gを
求めると、関数gは十分に高い精度でP、。・g(P。In this way, the above equations (1) to (5) are concretely determined, so Plo and P. . , we find the function g that gives the relationship between P, with sufficiently high precision.・g(P.
。、)
Pc[((Ro/(Rt+Rω))+11((P。。、
/((1−β)Pl”))−1)/(1−(P。。、/
((1−β沖Tじ)))]−””+(β/(1−β))
・P。5、 (6−1)と近似できる。. ,) Pc[((Ro/(Rt+Rω))+11((P...,
/((1-β)Pl"))-1)/(1-(P..,/
((1-βOkiTji))]-””+(β/(1-β))
・P. 5. It can be approximated as (6-1).
式(6−1)でP腎’−A−V/(Rt、+R■)であ
る。In the formula (6-1), P'-A-V/(Rt, +R■).
機能間の境界条件を方程式(11)〜(14)に従って
書き下すと次のようになる。The boundary conditions between functions are written down according to equations (11) to (14) as follows.
光双安定−光スイツチ間
:β”=2n(1+R♂)””−(R:(n−1)−3
)”’/[(Ro(n+1)+S)”・(Rろ(n−1
)+2n−3)] (11−1)光スィッチ−リミッ
タ−間
=βm 、2n(1+R: ) l + 1 / +1
、 (R3(n−1)+S) l / n /[(R
o(n+1)−3)””(Ro(n−1)+2n−3)
] (12−1)リミッターー微分利得間
: β−=2n(nl )I / n 、 (1+R乙
) l + I / n /[(n+1)”’(Ro(
n−1)+2n)] (13−
1)微分利得−光双安定間
:β” = (4/ R11,)n (n−1) −1
+ I / n (1+ R,11) I + l /
n ・(1+n)−1−17n
(14−1)となる。ここで、
R3=Ro/(Rt、+RC13)、 β“・β・P
7’B”/Pc。Between optical bistable and optical switch: β”=2n(1+R♂)””-(R:(n-1)-3
)”'/[(Ro(n+1)+S)”・(Rro(n-1
)+2n-3)] (11-1) Optical switch-limiter=βm, 2n(1+R: )l+1/+1
, (R3(n-1)+S) l/n/[(R
o(n+1)-3)""(Ro(n-1)+2n-3)
] (12-1) Between limiter and differential gain: β-=2n(nl)I/n, (1+R)l+I/n/[(n+1)''(Ro(
n-1)+2n)] (13-
1) Differential gain - optical bistable: β" = (4/ R11,)n (n-1) -1
+ I / n (1+ R, 11) I + l /
n ・(1+n)-1-17n
(14-1). Here, R3=Ro/(Rt, +RC13), β"・β・P
7'B''/Pc.
S= o 、)−n−R,”n+R,”n2)
である。Pl”=A−V/(RL+Rco)である。S= o,)-n-R,"n+R,"n2)
It is. Pl''=AV/(RL+Rco).
この例では独立なパラメーターはβ’、RO’、nであ
る。また4重点の条件は
β”・((n+1)/(n−1))””且ツR♂=4n
/(n−1)2、、、、、、、、、、、 (15−1)
である。In this example, the independent parameters are β', RO', and n. Also, the conditions for the four points are β"・((n+1)/(n-1))"" and R♂=4n
/(n-1)2, , , , , , , (15-1)
It is.
パラメーターβ1と門を直交座標軸にとって境界(11
−1)〜(14−1)および4重点(15−1)に従い
機能図を描くと第3図のようになる。The boundary (11
If a functional diagram is drawn according to -1) to (14-1) and four points (15-1), it will be as shown in Fig. 3.
この機能図に基づいて各素子特性を実現するためのパラ
メーターβ“、R3の領域を求めることができる。また
β”、 Ro”、 nをV、β、RLに就いて解けば
、これらパラメーターV、β+RLに就いての各素子特
性との関連を知ることができる。Based on this functional diagram, it is possible to find the region of parameters β", R3 to realize each element characteristic. Also, by solving β", Ro", n for V, β, RL, these parameters V , β+RL and the relationship with each element characteristic can be known.
実施例2 発光素子として発光ダイオードを考える。Example 2 Consider a light emitting diode as a light emitting element.
受光素子としては関数H(Ppn)が
H(PpoCRoexp(−γPpl))+RO)−R
pn (5−2)で与えられる仮想的な受光素子を
考える。但し入力光強度ppoの増加とともに抵抗が単
調に減少することは通常の受光素子と同じである。As a light receiving element, the function H(Ppn) is H(PpoCRoexp(-γPpl))+RO)-R
Consider a virtual light receiving element given by pn (5-2). However, the resistance monotonically decreases as the input light intensity ppo increases, which is the same as in a normal light receiving element.
これら受光素子と発光素子を組合せた集積型光論理素子
の各素子特性を考察する。The characteristics of each element of an integrated optical logic device that combines these light-receiving elements and light-emitting elements will be considered.
関数L(I)としては実施例1に於ける関数形(4−1
)を用いることができる。The function L(I) is the function form (4-1) in Example 1.
) can be used.
Ro、 Rωは実施例1に於けると同じく、PPDが0
および+ωのときのRPDを表す。これらにっきR8>
>Rωとする。またγは入力光PPDに対する抵抗の減
衰率を表す。As in Example 1, Ro and Rω have a PPD of 0.
and represents the RPD when +ω. These Nikki R8>
>Rω. Further, γ represents the attenuation rate of the resistance with respect to the input light PPD.
この場合、R8,、とP o u tの関係は、P、、
=(1/γ) 10g[(RO/(RL+R■))・(
1/((P賢”/P。。、)・(l−β)−1))]−
(]βバl−β)P。、。In this case, the relationship between R8,, and P out is P,,
=(1/γ) 10g[(RO/(RL+R■))・(
1/((Pken”/P..,)・(l−β)−1))]−
(]βbal−β)P. ,.
・g(P。、、) (6−2
)となる。ここでp=x ”A ’ V/ (RL”R
Co)である。・g(P.,,) (6-2
). Here p=x "A 'V/ (RL"R
Co).
機能間の境界条件を方程式(11)〜(14)に従って
書き下すと次のようになる。The boundary conditions between functions are written down according to equations (11) to (14) as follows.
光双安定−光スイツチ間
: 10gRo”2β”(1+T)−1og(1+T
)+log(1−T) (11−2)光スィッチ−リ
ミッタ−間
: logR,”=2β”(1−T)+log(1+T
)−1og(1−T) (12−2)リミッターー微分
利得間
: logR,”=2β”
(13−2)微分利得7光双安定間
:β”=1 (14−
1)となる。ここで、
R3・Ro/(Rt+R■)、β′=4β・γ、pn+
Bxこの例では独立なパラメーターはβ′とR工の2つ
である。また4重点の条件は
β”=1 且つ R:=e2(15−1)である。Between optical bistable and optical switch: 10gRo"2β"(1+T)-1og(1+T
)+log(1-T) (11-2) Between optical switch and limiter: logR,"=2β"(1-T)+log(1+T
)-1og(1-T) (12-2) Between limiter and differential gain: logR,"=2β"
(13-2) Differential gain between 7 optical bistables: β”=1 (14-
1). Here, R3・Ro/(Rt+R■), β′=4β・γ, pn+
Bx In this example, there are two independent parameters, β' and R. Further, the conditions for the quadruple point are β''=1 and R:=e2(15-1).
パラメーターβ“とR♂を直交座標軸にとって境界(1
1−1)〜(14−1)および4重点(15−1)に従
い機能図を描くと第4図のようになる。The boundary (1
If a functional diagram is drawn according to 1-1) to (14-1) and 4 points (15-1), it will become as shown in FIG.
この機能図に基づいて各素子特性を実現するためのパラ
メーターβ1.R♂の領域を求めることができる。また
β″、R♂、をV、β、RLに就いて解けば、これらパ
ラメーターV、β+RLに就いての各素子特性との関連
を知ることができる。Parameter β1 for realizing each element characteristic based on this functional diagram. The area of R♂ can be found. Furthermore, by solving β'', R♂ for V, β, and RL, it is possible to know the relationship between these parameters V and β+RL and the characteristics of each element.
発光素子として利用できるのは実施例1.2で取り上げ
た電流と出力光強度が線形な関係を持つ発光ダイオード
に限らず、電流と出力光強度の関係が非線形なレーザー
ダイオードも利用できる。また受光素子もフォトトラン
ジスターに限らずフォトコンダクタ−やフォトダイオー
ドが利用可能であるし、あるいはこれらとFETの組み
合わせを一つの受光素子として考えて本発明の素子特性
予測方法を適用することが可能である。What can be used as a light emitting element is not only the light emitting diode that has a linear relationship between current and output light intensity as discussed in Example 1.2, but also a laser diode that has a nonlinear relationship between current and output light intensity. In addition, the light receiving element is not limited to a phototransistor, but a photoconductor or a photodiode can be used, or a combination of these and a FET can be considered as one light receiving element and the device characteristic prediction method of the present invention can be applied. be.
集積型光論理素子に実際に機能設定を行うためには上記
各パラメーターの値を知る必要がある。In order to actually set the functions of the integrated optical logic device, it is necessary to know the values of each of the above parameters.
これらパラメーターの内V、Rtは動作時に決定できる
が、β* RO+ Rco、 A、 n、 PCoγは
素子作製後に具体的な素子ごとに個別的に決まるもので
あり、何らかの方法により決定する必要がある。以下に
は、これらパラメーターを決定し、素子の機能設定を行
う方法の具体的1例を説明する。Among these parameters, V and Rt can be determined during operation, but β* RO + Rco, A, n, and PCoγ are determined individually for each specific device after device fabrication, and must be determined by some method. . A specific example of a method for determining these parameters and setting the functions of the element will be described below.
この方法は、集積型光論理素子の電流−出力光強度特性
と電流−電圧−人力光強度特性がらβ、R8,R■等の
パラメーターを決定し、その結果に基づき機能設定を行
う方法である。In this method, parameters such as β, R8, and R■ are determined based on the current-output light intensity characteristics and current-voltage-human power light intensity characteristics of the integrated optical logic element, and the function settings are performed based on the results. .
この方法の手順を大まかに示すのが第6図(III)の
フロー図であり、素子特性を測定する工程と、その結果
に基づきフィッティングにより各パラメーターを決定す
る工程と、機能図に基づき素子機能を設定する工程とか
らなっている。The flow diagram in Figure 6 (III) roughly shows the steps of this method, which includes the step of measuring the device characteristics, the step of determining each parameter by fitting based on the results, and the step of determining the device function based on the functional diagram. It consists of the process of setting.
まず素子特性の測定に就き説明すると、集積型光論理素
子の電流−出力光強度特性は第6図(I)に示すように
して行う。First, to explain the measurement of device characteristics, the current-output light intensity characteristics of the integrated optical logic device are measured as shown in FIG. 6(I).
即ち、集積型光論理素子10に抵抗12を介して定電流
源14から電流を流し、電流値を変化させて素子10の
出力光強度を測定する。出力光強度は素子10から出力
された光を集光レンズ16で受光素子18に集光させて
測定する。That is, a current is applied from a constant current source 14 to the integrated optical logic element 10 via a resistor 12, and the output light intensity of the element 10 is measured by changing the current value. The output light intensity is measured by condensing the light output from the element 10 onto the light receiving element 18 using the condenser lens 16.
このようにして集積型光論理素子10の電流−出力光強
度特性が測定される。In this manner, the current-output light intensity characteristics of the integrated optical logic device 10 are measured.
集積型光論理素子の電流−電圧−人力光強度特性は第6
図(II)に示すようにして行う。The current-voltage-human power light intensity characteristics of integrated optical logic elements are as follows.
This is carried out as shown in Figure (II).
集積型光論理素子lOに抵抗11、定電圧電源17、電
流計13、電圧計15を図のごとく接続し、レーザーダ
イオード等の発光素子20からの光を集光レンズ19で
集光して集積型光論理素子10に照射して入力させる。A resistor 11, a constant voltage power supply 17, an ammeter 13, and a voltmeter 15 are connected to the integrated optical logic element lO as shown in the figure, and the light from a light emitting element 20 such as a laser diode is focused by a condensing lens 19 and integrated. The light is irradiated onto the optical logic element 10 for input.
入力光強度を変化させ、それに伴う電流計13、電圧計
15の数値の変化を測定すれば電流−電圧−人力光強度
特性を測定できる。By changing the input light intensity and measuring the accompanying changes in the values of the ammeter 13 and voltmeter 15, the current-voltage-manual light intensity characteristic can be measured.
次に、フィッティングによる各パラメーターの決定を説
明する。この決定工程は第6図(IV)に示すような手
順で行われる。Next, the determination of each parameter by fitting will be explained. This determination step is performed in the procedure shown in FIG. 6 (IV).
上記のように測定された電流−出力光強度特性によりパ
ラメーターAが定まる(前述の式(4−I)参照)。Parameter A is determined by the current-output light intensity characteristic measured as described above (see equation (4-I) above).
また電流−電圧−人力光強度特性と実験により求められ
た特性から非線形最適化を行うことで素子に固有のパラ
メーター;β、 Ro、 RωHn+Pc、γを決定で
きる。即ち、電流−電圧−人力光強度特性における入力
光強度に対する電圧のピーク値、即ち電流を変化させて
電圧が最大となったときの電圧値を測定し、この曲線と
モデルから予測される曲線とを適合させる方法である。In addition, by performing nonlinear optimization from the current-voltage-manual light intensity characteristics and the characteristics determined by experiment, parameters specific to the element; β, Ro, RωHn+Pc, and γ can be determined. That is, the peak value of the voltage with respect to the input light intensity in the current-voltage-human power light intensity characteristic, that is, the voltage value when the voltage reaches the maximum by changing the current, is measured, and this curve is compared with the curve predicted from the model. This is a method of adapting the
入力光が十分に強く、集積型光論理素子がオンになって
いるときの電流−電圧の関係からRωを定めることがで
きる。また入力光強度が0の場合からパラメーターを一
つ消去することができる。入力光強度がOでない場合か
ら、残りのパラメーターがフィッティングにより求めら
れる。Rω can be determined from the current-voltage relationship when the input light is sufficiently strong and the integrated optical logic element is turned on. Furthermore, one parameter can be deleted from the case where the input light intensity is 0. If the input light intensity is not O, the remaining parameters are determined by fitting.
このようにパラメーターを少しずつ決定すると、全ての
パラメーターを一度に決定するよりも楽にパラメーター
決定を行うことができる。If the parameters are determined little by little in this way, the parameters can be determined more easily than if all the parameters are determined at once.
このようにして素子固有のパラメーターが決定されたら
、第6図(V)に示すような手順で機能設定を行う。Once the device-specific parameters have been determined in this manner, the function settings are performed in accordance with the procedure shown in FIG. 6(V).
即ち、上記の如く決定された素子固有のパラメーターに
対しVと院とを変化させて、機能図(第3゜4図参照)
上にプロットするとプロット点の軌跡が描かれる。この
軌跡が所望の機能を表す領域内にあるときの■とRtと
は、この所望の機能を実現するために設定するべきバイ
アス電圧および負荷抵抗を与えることになる。That is, by changing V and V with respect to the element-specific parameters determined as above, the functional diagram (see Fig. 3-4) is prepared.
If you plot above, the locus of the plot points will be drawn. When this locus is within the region representing the desired function, ■ and Rt give the bias voltage and load resistance that should be set in order to realize the desired function.
[発明の効果]
以上、本発明によれば、集積型光論理素子の素子特性予
測方法を提供できる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a method for predicting device characteristics of an integrated optical logic device can be provided.
この方法によれば、集積型光論理素子を設計するにあた
って、所望の素子特性を得るためのパラメーターの範囲
やパラメーター間の条件等を定量的に予測できるので、
集積型光論理素子の設計が極めて容易になる。また発光
素子、受光素子として種々の具体的素子に対して適用が
可能である。According to this method, when designing an integrated optical logic device, it is possible to quantitatively predict the range of parameters and conditions between parameters to obtain desired device characteristics.
Design of integrated optical logic devices becomes extremely easy. Further, it can be applied to various specific elements as light emitting elements and light receiving elements.
そして構成素子単位の特性と光帰還率のみで集積型光論
理素子の機能を知ることができるので集積素子の設計に
極めて適している。Since the function of an integrated optical logic device can be known only from the characteristics and optical feedback rate of each constituent element, it is extremely suitable for designing integrated devices.
実際に本発明を実施するに当たっては上述した手順をプ
ログラミング化し、L(I)、 H(PPD)を入力す
ると、自動的に機能図が描かれてパラメーターと素子特
性との関連が演算されるようにするのが良い。When actually implementing the present invention, the above-mentioned procedure is programmed so that when L (I) and H (PPD) are input, a functional diagram is automatically drawn and the relationship between parameters and element characteristics is calculated. It is better to
第1図は集積型光論理素子の等価回路を示す図、第2図
は集積型光論理回路の4つの素子機能を説明する図、第
3図および第4図は実施例を説明するための図、第5図
は集積型光論理素子の構造の1例を示す図、第6図は具
体的な機能設定方法の1例を説明するための図である。
1100発光素子、200.受光素子、300.負荷抵
抗、4゜6.定電圧電源FIG. 1 is a diagram showing an equivalent circuit of an integrated optical logic device, FIG. 2 is a diagram explaining four element functions of an integrated optical logic circuit, and FIGS. 3 and 4 are diagrams for explaining an embodiment. FIG. 5 is a diagram showing an example of the structure of an integrated optical logic element, and FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a specific function setting method. 1100 light emitting element, 200. Light receiving element, 300. Load resistance, 4°6. constant voltage power supply
Claims (1)
に集積化して、発光素子から受光素子へ正の光帰還を持
たせた集積型光論理素子の素子特性を予測する方法であ
って、 バイアス電圧をV、動作電流をI、負荷抵抗をR_L、
受光素子の抵抗をR_P_D、集積型光論理素子に対す
る入・出力光強度をそれぞれP_i_n、P_o_u_
t、受光素子への入力光強度をP_P_D、発光素子か
らの出力光強度をP_L_E、発光素子から受光素子へ
の正の光帰還率をβ、発光素子の電流−出力光強度特性
をP_L_E=L(I)、(dL/dI≧0)、受光素
子の入力光強度−抵抗特性をR_P_D=H(P_P_
D)、(dH/dP_P_D≦0)とするとき、V=I
(R_L+R_P_D)(1) P_P_D=P_i_n+βP_L_E(2)P_o_
u_t=(1−β)P_L_E(3)P_L_E=L(
I)(4) R_P_D=H(P_P_D)(5) なる方程式(1)〜(5)においてL(I)、H(P_
P_D)の関数形を与え、上記方程式(1)〜(5)を
解いて、上記V、R_L、βをパラメーターとするP_
i_nとP_o_u_tの関係P_i_n=g(P_o
_u_t;V、R_L、β)を得、この関係に基づき、
素子特性を予測することを特徴とする、集積型光論理素
子の素子特性予測方法。[Claims] Predicting device characteristics of an integrated optical logic device in which a light emitting element and a light receiving element are electrically integrated in series together with a load resistor to provide positive optical feedback from the light emitting element to the light receiving element. A method in which the bias voltage is V, the operating current is I, the load resistance is R_L,
The resistance of the light receiving element is R_P_D, and the input and output light intensities to the integrated optical logic element are P_i_n and P_o_u_, respectively.
t, the input light intensity to the light receiving element is P_P_D, the output light intensity from the light emitting element is P_L_E, the positive light feedback rate from the light emitting element to the light receiving element is β, the current-output light intensity characteristic of the light emitting element is P_L_E=L (I), (dL/dI≧0), R_P_D=H(P_P_
D), when (dH/dP_P_D≦0), V=I
(R_L+R_P_D) (1) P_P_D=P_i_n+βP_L_E (2) P_o_
u_t=(1-β)P_L_E(3)P_L_E=L(
I) (4) R_P_D=H(P_P_D) (5) In equations (1) to (5), L(I), H(P_
P_D), solve equations (1) to (5) above, and calculate P_D with the above V, R_L, and β as parameters.
Relationship between i_n and P_o_u_t P_i_n=g(P_o
___u_t; V, R_L, β), and based on this relationship,
A method for predicting device characteristics of an integrated optical logic device, characterized by predicting device characteristics.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15624390A JPH03213833A (en) | 1989-11-16 | 1990-06-14 | Method for predicting device characteristics of integrated optical logic devices |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29826889 | 1989-11-16 | ||
| JP1-298268 | 1989-11-16 | ||
| JP15624390A JPH03213833A (en) | 1989-11-16 | 1990-06-14 | Method for predicting device characteristics of integrated optical logic devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03213833A true JPH03213833A (en) | 1991-09-19 |
Family
ID=26484051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15624390A Pending JPH03213833A (en) | 1989-11-16 | 1990-06-14 | Method for predicting device characteristics of integrated optical logic devices |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03213833A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5260586A (en) * | 1991-11-18 | 1993-11-09 | Ricoh Company, Ltd. | Optical exclusive-or element |
-
1990
- 1990-06-14 JP JP15624390A patent/JPH03213833A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5260586A (en) * | 1991-11-18 | 1993-11-09 | Ricoh Company, Ltd. | Optical exclusive-or element |
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