JPH0670699B2 - 光学的相互接続装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は非線形の光デバイスを光学的に相互接続するた
めの装置に関する。

発明の背景 銅線が電気要素を電気的に相互接続するのに使用される
ように、光デバイスを光学的に相互接続するために光フ
ァイバを使用することができる。光学的な相互接続は光
デバイスの間に１対１の対応が存在するときは非常に簡
単である。ただし、放射デバイスからの光信号を複数の
受信デバイスに向ける必要があるときは、光学的な相互
接続装置はそれほど簡単ではない。

１つの先行技術による方法は１つの放射デバイスからの
光線を複数の受信デバイスの各々に分割及び方路するた
めに光ファイバ束を使用することを示唆する。デバイス
の数が小さな場合は、この方法は簡単に実現できる。た
だし、放射あるいは受信デバイスの数が増加すると、個
々の相互接続の数が非常に増加し、通常、空間上の問題
からこの方法は放棄される。

並列処理技術においては、通常、１つのアレイ内の個々
の光デバイスの光出力を別のアレイ内の個々の光デバイ
スの光入力に別個に並列に接続することが必要となる。
結果として、例えば、２つのアレイ間の個々の物理的接
続の数が膨大となる。つまり、全部で１つのアレイ内の
光デバイスの数にもう１つのアレイ内の光デバイスの数
を掛けた数の接続が必要となる。デバイスの物理的なサ
イズ、並びに相互接続の方法によっては、空間上の問題
が大きな制約となる。これが光並列処理技術の採用及び
用途が、現在、非常に限定されている理由の１つであ
る。

光デバイスを相互接続するためのもう１つの先行技術に
よる方法は、コンピュータ生成伝送ホログラムを使用す
る。一般にホログラムは光の縞のパターンに符号化され
た物体からの光の波面をその後その波面を再生するため
に記録するための任意の物質からなる。一例としての芸
術的視覚効果を生成するためのホログラムとして、三次
元の物体からの干渉性の光及びプレート内で干渉する基
準光線が露出された写真プレートを挙げることができ
る。写真プレートが現像された後、基準光線が再び現像
された写真プレートにパスされると、物体の三次元像が
再生される。

光順序論理システムの光デバイスを光学的に相互接続す
るためのコンピュータ生成伝送ホログラム装置の一例
が、A.A.ソーチャック（A.A.Sawchuk）らによる〔非線
形リアルタイム光信号処理（Nolinear Real−Time Opti
cal Signal Processing）〕と題する技術報告No.1100、
ユニバーシティ オブ サザン カリフォルニア（Univ
ersity of Southern California）、イメージ処理イン
スティチュート（Image Processing Institute）、カリ
フォルニア州、ロサンゼルス所在、1983年出版、におい
て説明されている。この光論理システムは類似の二次元
アレイに配置された複数の液晶光バルブを光学的に相互
接続するための二次元アレイに配置された複数のコンピ
ュータ生成フーリエ伝送ホログラムを含む。この光バル
ブは個々のデバイスからの光出力信号がデバイスに加え
られた光出力信号の非線形利得関数であるという点にお
いて光学的に非線形の光デバイスである。このため液晶
光バルブは光信号を再生し、光論理NOR機能を遂行する
ように動作される。ただし、この液晶光バルブの１つの
欠点は、光入力制御信号がデバイスの片面上に受信さ
れ、光出力信号が、通常、このデバイスの反対側のもう
１つの面から放射されることにある。従って、伝送ホロ
グラム、及び複雑な構成の正確に位置されたレンズ及び
鏡によって光バルブ アレイの背面からの光出力信号を
360°方向に変えて光バルブ アレイの正面に向けるこ
とが必要となる。この光バルブの背面からの光出力信号
は入力制御信号として少なくとも１つの他の光バルブの
正面に向って反射されるまでに長い距離を伝搬されなけ
ればならないため、この伝送ホログラム相互接続装置を
使用する光システムの動作速度は大きく制限される。こ
の相互接続装置のもう１つの問題は伝送ホログラム及び
光バルブを鏡及びレンズに対して物理的に厳密に整合す
ることが要求されることである。この場合、少しの振動
がシステム全体の整合を狂わせる場合がある。

フーリエ伝送ホログラムのもう１つの問題は光信号がホ
ログラムを通過するとき大きなパワー損失が発生するこ
とである。フーリエ伝送ホログラムをパスする個々の光
信号は２つの像を形成するが、このうち、入射信号の概
むね半分の光パワーを持つ１つのみが光バルブを相互接
続するのに使用される。さらに、伝送ホログラムは干渉
性の光線でのみ動作するが、この干渉性の光線は光論理
要素の入力の所で幾つかの入力信号間の合成的あるいは
破壊的干渉を起す危険がある。

発明の要約 これらの問題は本発明による装置によって解決される
が、この装置はホログラムに位置する第１の光デバイス
から第１の所定の方向に主審される第１の相互接続光線
に応答して第２の相互接続光線を第２の所定の方向にこ
のホログラムの片側に位置する第２の非線形の光デバイ
スに発するための反射ホログラムを含む。この反射ホロ
グラムはまた放射デバイスから所定の方向に受信される
相互接続光線に応答して２つあるいはそれ以上の受信デ
バイスに向けて異なる所定の方向に伝搬する別個の相互
接続光線を発するように製造することもできる。

本発明の１つの実施態様においては、この反射ホログラ
ムは光の縞パターン及びこの光の縞パターンを記録する
ための物質を含む。この縞パターンは相互接続光線の方
向と正反対の方向に伝搬しこの記録物質内で干渉する干
渉性の光線によって形成される。前に形成及び記録され
た縞パターンを相互接続光線を発するために直接に使用
することも、あるいはコピーを複製するためのマスタと
して使用することもできる。

本発明の一例としての実施態様においては、反射ホログ
ラムは放射デバイスからの相互接続出力光線の所定の量
を受信デバイスに反射することによって相互接続制御光
線を発する。

本発明のもう１つの実施態様においては、二次元アレイ
に配置された複数の反射ホログラムが同様に二次元アレ
イに配置された複数の光学的に非線形の光デバイスを相
互接続する。ここで、これら二次元アレイは実質的に平
行に配置される。

鏡あるいはレンズを使用することなく、個々の反射ホロ
グラムは指定の光学的に非線形の光デバイスから所定の
方向に受信される相互接続出力光線をアレイ内の少なく
とも１つの他のデバイスに直接に反射することができ
る。回折光線の形式での殆どのノイズあるいは干渉は反
射ホログラムを通過しシステムから除去される。複雑な
鏡及びレンズ構成を必要としないため、光信号処理シス
テムを大きく簡素化できる。さらに、比較的に小さな空
間内に多数の任意の光学的な相互接続を実現できる。従
って、本発明による光学的相互接続装置は光並列処理技
術の実用を大きく促進する。

本発明のもう１つの長所は反射ホログラムが干渉性の光
線及び安価な低パワー光源からの非干渉性の光線のいず
れでも機能することである。これは光システムのコスト
を通常高価なレーザー光源からの干渉性の光線のみが使
用できる先行技術による伝送ホログラム光システムと比
較して非常に削減する。さらに、伝送ホログラム光シス
テムは、通常、伝送ホログラムとともに使用される追加
の光線ダイレクタ要素と関連する損失を補償するため高
パワー レベルにて動作する光源を必要とする。

図面の簡単な説明 第１図は複数の光学的に非線形の光デバイスを光学的に
相互接続するための一例としての装置を示し； 第２図は外部光信号をそれぞれデバイス アレイにある
いはこれから方路するための虹伝送ホログラム及び平面
鏡を持つ第１図の一例としての装置を示し； 第３図は光論理NORゲートとして機能するように動作で
きる自己電気光学効果デバイス（SEED）として知られる
一例としての光学的に非線形の光ファイバの図を示し； 第４図は第３図のSEEDの理論上の出力パワーをデバイス
の双安定領域内の光入力パワーの関数としてグラフ的に
示し； 第５図は第３図のSEEDに使用できる一例としてのダイオ
ード構造の経験的な応答度Ｓ（Ｖ）をグラフ的に示し； 第６図は第３図のSEEDの全体の理論上の入力／出力パワ
ー特性をグラフ的に示し； 第７図はこの一例としてのSEEDの経験的な入力／出力パ
ワー特性及び双安定性スイッチング動作をグラフ的に示
し； 第８図はアレイの光学的に非線形の光デバイスを光学的
に相互接続するために写真乳剤内に光の縞のパターンを
形成するための一例としての装置を示し； 第９図は第８図の光の縞パターンを形成するように干渉
性の光線を生成及び方路するための一例としての装置を
示し； 第10図はNORゲートのみから構成される周知の２×２ク
ロスバー スイッチの一例としての論理図を示し； 第11図は４×４アレイに配列された第10図のクロスバー
スイッチのノード図を示し； 第12図は第10図のクロスバー スイッチに対応する一例
としての２×２光クロスバー スイッチを示し； 第13図は選択された光信号を平面波で示す第２図の一例
としての相互接続装置の背面絵図を示し； 第14図は論理NORゲートのみを含む周知のクロックドJK
フリップフリップの一例としての論理図を示し； 第15図は３×３アレイの配列された第14図のクロックド
JKフリップフリップのノード図を示し； 第16図は光バージョンの第14図のクロックドJKフリップ
フリップを実現するための光学的に非線形の自己電気光
学効果デバイスを含む一例としての光順序論理装置を示
し； 第17図、第18図及び第19図はファブリーペロ干渉計の動
作を図解し；そして 第20図及び第21図は非線形ファブリーペロ干渉計の動作
を図解する。

詳細な説明 第１図は二次元アレイ120に配置された複数の光学的に
非線形の光デバイス121から129を光学的に相互接続する
ための一例としての装置を示す。当技術において周知の
ごとく、光学的に非線形の光デバイスの光出力信号はこ
の光学的に非線形の光デバイスに加えられた少なくとも
１つの光入力信号の非線形利得関数である。結果とし
て、光学的に非線形の光デバイスは光信号を再生し光論
理機能を遂行することができる。バイアス光線150及び1
51は光論理要素、例えば、光NORゲートとして機能する
ように周知の方法にて対応する光学的に非線形の光デバ
イス121及び123を光学的にバイアスする。この光相互接
続装置は反射ホログラム100、より詳細には同じように
二次元アレイに配置された複数の反射サブホログラム10
1から109を含む。相互接続光出力信号、例えば、所定の
デバイス、例えば、121の背面131から所定の方向に受信
される相互接続出力光線に応答して、対応して配置され
るサブホログラム、例えば、101はデバイス アレイ内
の１つあるいは複数のデバイス、例えば、123及び129の
背面に向かって戻どるようにそれぞれ異なる所定の方向
に１つあるいは複数の別個の相互接続制御光線、例えば
154及び155を発する。例えば、３個の光学的に非線形の
光デバイス、例えば、121、123、及び128を光学的に直
列に相互接続するために個々の放射デバイス、例えば、
121及び123の位置がそれぞれ対応する位置のサブホログ
ラム、例えば、101及び103に対して固定された位置関係
に保持される。換言すれば、２個の光学的に相互接続さ
れた光学的に非線形の光デバイスは対応する位置のサブ
ホログラムから一定の方向に位置されることのみが要求
される。光学的に非線形の光デバイス121から129は２つ
の概むね反対の方向のいずれかの方向に伝搬する光信号
を受信するための正面130及び背面131を持つ。つまり、
複数のホログラム、例えば、サブホログラム101から109
を任意の組合せあるいは順序光論理回路を形成するよう
これら２つの面を持つ光学的に非線形の光デバイスを相
互接続するように製造することができる。

前述のごとく、アレイ120内の個々の光学的に非線形の
光デバイスは正面130及び背面131の片方あるいは両方の
上に受信される光線に応答してこの２つの面の片方から
相互接続出力光線を放射する。これら光信号の波長は紫
外線から赤外線までの範囲に至たる。幾つかの光学的に
非線形のデバイス、例えば、後に説明される非線形ファ
ブリーペロ干渉計及び自己電気光学効果デバイス（以降
SEEDと呼ばれる）を光学的に非線形の光デバイスとして
使用することができる。これに加えて、個々のこれらの
光学的に非線形の光学デバイスは光論理要素、例えば、
光NORゲートとして機能するように動作することかでき
る。

アレイ120内の個々の光学的に非線形の光デバイスは入
射光のパワー次第で２つの伝送状態のいずれか１つをと
る。入射光のパワーが所定のいき値レベル以下のとき
は、デバイスは第１の伝送状態をとり、単にこれをパス
する。より詳細には、その入射光線を受信し、出力光線
を放射する。例えば、干渉性の光及び非干渉性の光のい
ずれかの光源（図示なし）がアレイ120の正面130を光バ
イアス信号、例えば、バイアス光線150及び151にて照射
する。このバイアス光線によって、対応する光学的に非
線形の光学デバイス121及び123が光論理NORゲートとし
て機能する。バイアス光線150のパワーがNORゲート121
のいき値レベル以下であるときは、このゲートはバイア
ス光線150を反射サブホログラム101への高論理レベルの
出力光線152としてパスする。同様に、NORゲート123は
バイアス光線151を高論理レベルの出力光線として反射
サブホログラム103にパスする。

伝送ホログラムとは対照的に、反射ホログラムは光信号
をパスせず反射する。相互接続出力光線152に応答し
て、反射サブホログラム101は相互接続制御光線154及び
155を対応する光学的に非線形の光デバイス123及び129
に向けて放射する。巨視的にみた場合、反射サブホログ
ラム101は出力光線152を分割し反射することによって相
互接続制御光線154及び155を放射する。結果として、反
射サブホログラム101は光学的に非線形の光デバイス121
を非線形の光デバイス123及び129に光学的に接続する。
反射サブホログラム101の正面110及び光学的に非線形の
光デバイスの背面131は互いに直接に体面するように概
むね平行に配置されるため、サブホログラム101は相互
接続出力光線を正面110の法線169に対して０度の入射角
170を持つ方向から受信する。サブホログラム101の２つ
の対面する面及び光学的に非線形の光デバイス121が平
行でないかあるいは互いに直接に対面しない場合は、勿
論、相互接続出力光線152の方向は変化し入射角度が増
加する。

反射ホログラムは任意の数の相互接続制御光線を放射す
ることができ、また個々の光線を異なる方向に放射する
ことができる。つまり、図解されるごとく、制御光線15
4及び155は対応する光学的に非線形の光デバイス123及
び129に対して異なる方向に伝搬し、相互接続出力光線1
52と概むね反対の方向に伝搬する。反射された相互接続
制御光線154及び155の総光パワーは、勿論、相互接続出
力光線152のパワーより幾分か小さくなる。

同様に、反射サブホログラム103は光NORゲート123から
受信される相互接続出力光線153を相互接続制御光線156
として光学的に非線形の光デバイス128に反射する。光
学的に非線形の光デバイス128及び129上にバイアス光線
が入射しない場合は、低パワー レベルの相互接続制御
光線は、通常、真っすぐにこの光学的に非線形の光デバ
イスを通過する。

デバイス光線151及び高論理レベルの相互接続制御光線1
54が両方ともNORゲート123上に入射すると、入射光線の
パワーがこの光学的に非線形の光デバイスの所定のいき
値レベルを越え、デバイスは第２の伝送状態をとる。こ
の第２の状態においては、この光学的に非線形の光デバ
イスは使用されるタイプのデバイス次第で入射光の大部
分を吸収するかあるいは反射する。結果として、NORゲ
ート123からの相互接続出力光線153及び反射サブホログ
ラム103からの反射相互接続制御光線156は低論理レベル
をとる。

これに加えて、ホログラム100からの光制御信号以外の
光制御信号、例えば、独立した光源、例えば、もう１つ
の光論理回路（図示なし）からの高論理レベル制御光線
をこのアレイ内の任意のデバイスの状態を制御するのに
使用することかできる。例えば、光ファイバ束を介して
伝送される複数の光制御信号を、例えば、周知の虹伝送
ホログラムによって個別に特定のアレイ デバイスに向
けることができる。この点をさらに説明するために、第
２図は独立した制御光源からの制御光線157を光学的に
非線形のデバイス121に向けるための虹伝送ホログラム1
36を持つ第１図の一例としての光相互接続装置のもう１
つの図を示す。

周知の虹伝送ホログラム136が適当な透明の材質132、例
えば、シリコン ガラスあるいはサファイアによってデ
バイス アレイ120の面130に垂直の位置に保持される。
この透明の材質はこの虹ホログラム及びデバイス アレ
イを固定された垂直位置に保持し、バイアス光線150及
び制御光線157を簡単にパスし、これら光線はデバイス1
21の光受信及び放射領域114に達する。束133内の１つの
ファイバが適当な方法で虹ホログラムに取り付けられ、
これによって制御光線が独立した制御光源からこの虹ホ
ログラムに向けられる。次に、虹ホログラム136がこの
制御光線の方向を変える。より詳細には、この制御光線
をこれを通じてデバイス121に向ける。一例として、高
論理レベル制御光線157及び光バイアス光線150の両方が
このアレイの正面に入射すると、デバイス121はこの入
射光を吸収し、相互接続出力光線152は関連する相互接
続制御光線154及び155とともに低論理レベルをとる。こ
の場合も使用される光デバイスのタイプ次第で光が存在
しないあるいは光論理レベルの光信号と比較して光信号
が大きく減衰されていると光信号は低論理レベルをと
る。

この場合もデバイス アレイからの独立した光受信機へ
の制御光線の照射は、単にデバイスにバイアス光線が入
射してないときアレイ内の光学的に非線形のデバイスを
通じて反射サブホログラムからの制御光線をパスするこ
とによって行なわれる。図示されるごとく、光学的に非
線形の光デバイス129は反射ホログラム101からの相互接
続制御光線155を独立した光受信機、例えば、もう１つ
の光論理回路にパスする。同様に、光学的に非線形の光
デバイス128は反射サブホログラム103からの相互接続制
御光線156をこの独立した受信機にパスする。これに加
えて、アレイからの光線は第２図に示されるように平面
鏡134及びもう１つの光ファイバ束135を使用して独立し
た光受信機に向けることもできる。透明材質は鏡を光学
的に非線形の光デバイス128及び129に対して鏡が個々の
光線155及び156をこの束の特定のファイバに向ける、よ
り詳細には反射するように保持する。この場合もこの束
は透明な材質に適当な方法によって取り付けられる。

第１図及び第２図には個々の光線150から157を示すため
に１つの線のみが使用されている。しかし、個々の光信
号は概むね平面波、より詳細には、デバイスに対して波
がどの方向に伝わるかによってごく少しだけ発散あるい
は収束する球面波を持つ。第13図は第１図の相互接続装
置の背面図であるが、ここには個々の光線150−152、15
4及び155が平面波として示される。前述したごとく、反
射サブホログラム101は光学的に非線形のデバイス121、
123及び129を光学的に相互接続する。

この一例としての実施態様においては、個々の光学的に
非線形のデバイスの受信及び放射領域は長方形に形成さ
れる。第13図に示されるように、円筒形のバイアス光線
150が受信されると、デバイス121の正面130が照射され
る。勿論、光学的に非線形の光デバイス121の長方形の
受信及び放射領域114がこの円筒形のバイアス光線150に
応答するのみである。光学的に非線形の光デバイス121
の背面131の長方形の受信及び放射領域115から放射され
る相互接続出力光線152は概むね長方形の平面波を持つ
が、これは周知のように少し発散し反射サブホログラム
101の正面110の所定の領域を照射する。相互接続出力光
線152に応答して、サブホログラム101は長方形の相互接
続制御光線154及び155を放射するが、これは少し収束し
てそれぞれ光学的に非線形のデバイス123及び129に向か
う。相互接続制御光線154及び155は前に光学的に非線形
の光デバイス123及び129から発散された干渉性の光とは
反対に収束する。この発散は相互接続出力光線の発散に
類似する。反射サブホログラム101は正面110の同じ領域
からの相互接続制御光線154及び155を反射する。

反射ホログラムは光信号を任意の１つあるいは複数の所
定の方向に反射するように製造できるため、反射ホログ
ラム100はアレイ内のデバイスを任意の所望の組合せに
相互接続することができる。さらに、任意の組合せある
いは順序論理回路あるいはこの組合せを形成するには論
理NORゲートのみが必要であるため、反射ホログラムを
全ての光情報信号を使用する任意の所望の組合せあるい
は順序光論理回路を形成するようアレイの光論理NORゲ
ートを光学的に相互接続するに製造することができる。
この光相互接続装置は直列データ処理ばかりでなく、こ
れに加えて、同時に多数の並列に接続された光論理要素
にアクセスできる並列処理も可能とする。

第３図にはデバイス121から129として使用できる一例と
しての光学的に非線形の光デバイスの図が示されるが、
これは自己電気光学効果デバイス（DEED）として知られ
る多重量子井戸（MOW）構造を持つ。DEEDは変調器及び
光検出器として機能し、論理要素、例えば、光論理NOR
ゲートとして機能するように動作することができる。SE
EDは光学的に非線形の光デバイス121から129として使用
できる他の双安定デバイス、例えば、非線形ファブリー
ペロ干渉計と比較して非常に小さなスイッチング エネ
ルギーを必要とする。経験的に、SEEDの光スイッチング
エネルギーは約４フェムトジュール／平方ミクロンで
あり、電気エネルギーを含む総スイッチング エネルギ
ーは約20フェムトジュールであることが知られている。
約28,000平方ミクロンの大きな感光面積を持つSEEDは約
1.0から1.5ナノジュールのスイッチング エネルギーを
持つことが知られている。これより感光面積が小さなSE
EDは、勿論、これより小さなスイッチング エネルギー
を必要とし、速い動作速度を持つ。自己電気光学効果デ
バイス（SEED）は、アプライド フィジクス レターズ
（Applied Physics Letter）、Vol.44、No.1、1984年７
月１日号に発表のD.A.B.ミラー（D.A.B.Miller）らによ
る論文〔新ハイブリッド光双安定スイッチ：量子井戸自
己電気光学効果デバイス（A Novel Hybrid Optically B
istable Switch:The Quantum Well Self Electro−Opti
c Effect Device）において説明されている。ただし、
ここでもSEEDの動作についての理解を深めるために第３
図から第７図との関連においてSEEDについて概説する。

第３図に示されるごとく、SEED逆バイアス正−真性−負
（ｐ−ｉ−ｎ）ダイオード構造202の真性（ｉ）領域内
の層状多重量子井戸（MQW）201を含む。多重量子井戸構
造は複数の薄い狭バンドギャップ層と複数の薄い広バン
ドギャップ層とを交互に持つ。この狭バンドギャップ層
は、キャリヤ エネルギーレベルにおいて量子効果が明
らかで、しかも、非常に大きくなるように十分に薄くさ
れる。0.8から0.9ミクロンの波長を持つフォトン ソー
スとともに、この層は周知の化合物、例えば、AlGaAs/G
aAsから構成される。ただし、1.3から1.5ミクロンの波
長を持つフォトン ソースとともに、他のIII属及びＶ
属の化合物、例えば、InGaAsP 及びInGaAs/Allsを使用
することもできる。この多重量子井戸ダイオード構造に
ついては、アプライド フィジクス レターズ（Applie
d Physics Letter）、Vol.44、NO.1、1984年１月１日
号、ページ16に発表のT.H.ウッド（T.H.Wood）らによる
論文（Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード構造内のGaAs/GaAlAs量子
井戸による高速光変調〔High−Speed Optical Modulati
on with GaAs/GaAlAs Quantum Wells in a P−Ｉ−N Di
ode Structure）において詳細に説明されている。電界
がこの構造の層に垂直、つまり、層の小さな寸法に平行
に加えられると、任意の励起共振ピークを含む吸収バン
ド エッジが低いフォトン エネルギーにシフトする。
材質がたったミクロンの大きさであるため、50パーセン
トの光吸収の変化が簡単に達成できる。これらの光吸収
の変化は室温にて動作し、現存のレーザ ダイオードの
パワー、波長及び材質とともに使用できる光変調器を作
成するのに応用できる。量子井戸内のキャリヤ拘束のた
めにバルク材質内に見られるシフトと比較して吸収が大
きく向上される。AlGaAs多重量子井戸はまた非常に強い
室温励起共振を示すが、これはバンドエッジの所での吸
収を促進する。さらに、この構造内にｐ−ｉ−ｎドーピ
ングを行なうと、高い電圧あるいは電流を使用すること
なく活動層にかなり大きな電界を加えることが可能とな
る。ｐ及びｎ層はこれら層が入射光を吸収しないような
バンドギャップを持つことが必要である。この電界を逆
バイアスされたダイオード構造に加えると、この構造も
効率的な光検出器として機能する。

SEEDによって示される光吸収は以下のような特性を持
つ。つまり、第１に入力光線の強度を増加するとデバイ
スの光吸収率が増加し；第２にデバイスによる光エネル
ギーの吸収を増加するとこれも光吸収率を増加する。こ
の２つの特性の結果として、SEEDは光伝送の２つの状態
の間で非線形的にスイッチする。これはデバイス動作の
以下の説明から理解できる。

低バイアス電圧源203及び正の帰還抵抗体204がｐ−ｉ−
ｎダイオード構造に直列に接続されることによって光学
的に非線形の自己電気光学効果デバイスが形成される。
SEEDスイッチを作成するために、ダイオード間に電圧が
掛ってないときの励起共振位置の付近に入力波長が選択
される。低パワー レベルの光線250が多重量子井戸ダ
イオード構造上に当ると、回路内には存在しても非常に
わずかな光電流が存在するのみであるため定バイアス電
圧の殆んど全てがダイオード構造の間に加えられる。

光入力パワーを増加すると光電流が増加し、これによっ
て抵抗体204の間の電圧が降下し、ダイオード間の電圧
が下がる。電圧が下ると励起共振が元に戻るため光吸収
が増加し、これにより光電流がさらに増加し、結果とし
て再生フィードバックを起し、スイッチングが起こる。

第３図のSEEDの論理的光出力パワーと入力光線、例え
ば、250のパワーとの関係が第４図にグラフ的に示され
る。以下の説明においては、光線強度でなく光線パワー
の単位が使用されることに注意する。光線パワーはワッ
トの単位にて表わされ、光線強度はワット／平方メート
ルの単位にて表わされる。光線パワーは光線の軸に垂直
な断面を通じての強度の積分である。以下の説明におい
ては、SEEDは光線パワー、より具体的には、吸収された
光線パワーに応答するためパワーの単位の方が便利であ
る。第４図には、入力光線のパワーが横軸に沿ってプロ
ットされている。縦軸に沿っては、出力光線のパワー、
例えば、第３図の251が出力パワーとしてプロットされ
ている。値Ａの入力パワーでは、値TAの出力パワーが与
えられる。入力パワーが値Ｂに増加されると、出力パワ
ーが値TB1に増加される。しかし、SEEDの吸収率は入力
パワーが増加すると増加し、入力パワーＡから入力パワ
ーＢまでの伝送曲線320は一定の傾きの線、例えば、直
線321以下となる。入力パワーが値Ｂから値Ｃにさらに
増加すると、吸収率がさらに増加し、DEEDは不安定とな
り、TC1の値からTC2の値にスイッチする。入力パワーが
さらにＤの値に増加すると、出力パワーはTDの値とな
る。

入力光線のパワーを入力パワー レベルＣから減少する
と、出力パワーは曲線320に沿い入力パワーＢに達し、
ここで、SEEDスイッチの吸収率は小さい方の値にスイッ
チし、出力パワーはTB2から値TB1に増加する。SEEDは光
入力パワーが増加すると高伝送状態から低伝送状態にス
イッチし、光入力パワーが減少すると高伝送状態に戻ど
るため光学的に双安定性を示すといわれる。ただし、光
双安定性はスイッチングの他の順序も示す。

第５図にはダイオード202として使用できる一例として
のｐ−ｉ−ｎダイオード構造の経験的な応答度Ｓ（Ｖ）
が曲線330として示される。応答度Ｓ（Ｖ）は１単位の
入射光線パワー当たりに生成される光電流であり、入射
光線パワーのワット当たりのアンペア（A/W）の単位に
て表わされる。曲線330はこの一例としてのダイオード
構造の逆バイアスの関数としての測定（外部）応答度Ｓ
（Ｖ）を示すが、この測定はレーザー光源を1.456eV（8
51.7nm）のフォトン エネルギーに調節して行なわれ
た。このフォトン エネルギーは概むね使用されたMQW
構造にバイアスが掛ってない状態での重ホール共振エネ
ルギーに等しい。逆バイアスが上げられると、応答度は
最初は光電流の収集が進むため増加し、その後、励起吸
収ピークが低エネルギーに移るために減少する。曲線33
0の間の8Vと16Vの間の“バンプ”は同様に測定波長を通
じて移動する軽ホール励起共振に起因する。

この一例としてのダイオード構造の入力／出力パワー特
性は、第３図に示されるように正の帰還抵抗体及び正の
電源に接続された場合、２つの連立方程式を解くことに
よって計算できる。第１の方程式は第５図の曲線330に
よって示されるMQWダイオード構造の測定応答度Ｓ
（Ｖ）に関するが、これは以下のように表わすことがで
きる。

Ｓ＝Ｓ（Ｖ） （１） 第２の方程式はＶ＝V_o−RSPである。ここで、Ｐは光入
力パワー、Ｒは帰還抵抗体の抵抗、V_oは定バイアス電源
の電圧、そしてＶはダイオード間の電圧を表わす。この
式は以下のように表わすこともできる。

方程式２はグラフ的に簡単に解くことができるが、これ
は第５図の点線の直線Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを与える。つま
り、Ｐの増加に対して減少する負の傾きを持つ。双安定
性は直線と曲線330が複数の交点を持つことに起因す
る。直線Ａ及びＢは曲線330と一度のみ交差する。直線
Ｂ及びＣは曲線330との曲線終始点331及び332を持つ。
曲線終始点331及び332は不安定なスイッチング ポイン
トを表わす。直線ＢとＣの間の全ての直線は曲線330と
３つの交点を持ち、真ん中の交点は不安定な動作を表わ
す。

応答度Ｓ及びダイオード間の電圧Ｖは、Ｖを選択し、式
１からＳを演えきし、式２からＰを演えきすることによ
ってＰの関数として計算することができる。２ボルト以
上の逆バイアスでは、光吸収はこの応答度とよく一致す
る。しかしより厳密な計算を行なうときは、ダイオード
電圧Ｖ及び光入力パワーＰの個々の値に対する出力パワ
ーPout （PT）は測定伝送Ｔ（Ｖ）から演えきするこ
とができる。つまり、第６図にグラフ的に示されるよう
なこの一例としてのSEEDの理論上の入力／出力パワー特
性を得ることができる。

一例としてのSEEDの経験的な入力／出力パワー特性410
が第７図に示される。このデバイスの光出力パワーは曲
線410に沿って入力パワーが所定の入力いき値レベル401
に達するまで増加する。このレベルにおいて、正のフィ
ードバックによってデバイスが不安定となり、光出力パ
ワーは出力レベル402から低出力レベル403に急激にスイ
ッチする。この低出力パワーレベルにおいては、このダ
イオード構造は入力光線の約半分を吸収する。さらに入
力光線のパワーを入力レベル401以上に増加すると、出
力パワーのレベルは前の割合より低い割合で再び増加す
る。入射光線のパワーを入力レベル401以下に減少する
と、デバイスの出力パワーもこれに伴って減少する。こ
うして、第２の所定の入力パワー レベル404の所でデ
バイスは再び不安定となり、光出力パワーは曲線410上
の高出力パワー レベルにスイッチする。

このように双安定光出力状態を持つことから、自己電気
光学効果デバイス（SEED）を光論理NORゲートとして機
能するように光学的にバイアスできることは簡単に理解
できる。第７図に示されるように、定光バイアス信号、
例えば、所定の入力いき値レベル405以下の入射入力パ
ワー レベル405を持つ光線はSEEDを入力／出力パワー
特性曲線410の膝406以下のポイントにバイアスする。デ
バイス上にこのバイアス光線が入射すると、ダイオード
構造の光吸収が低くなり、結果としてバイアス光線の殆
んどがこれを通してパスされる。追加の光、例えば、制
御光線がデバイスに入射すると、結合された入射光パワ
ーが入力いき値レベル401より大きくなり、デバイスの
光出力パワーは低出力レベル、例えば、403にスイッチ
する。複数の光制御信号の任意の１つとしてバイアス信
号との組合せによってデバイスの光出力パワーを低伝送
レベルにスイッチできるため、SEEDは光論理NORゲート
として機能することができる。全ての光制御信号が消さ
れると、光バイアス信号のみがデバイスに入射し、光出
力信号は曲線上の高出力パワー レベルに戻どる。

この一例としてのデバイスは２つの安定伝送状態の間で
ヒステリシスのような動作を示すが、このヒステリシス
のような効果は、オプティクス レターズ（Optics Let
ters）、Vol.9、NO.5、1984年５月号、ページ162に掲載
のD.A.B.ミラー（D.A.B.Miller）らの論文〔吸収の増加
に起因する光双安定性（Optical Bistability Due to I
ncreasing Absorption）〕において示唆及び説明される
フォトン エネルギーを持つ光源を使用することによっ
て最小限にすることができる。このヒステリシスのよう
な動作はさらに定バイアス電圧V_oの関数であり、V_oを第
５図に示される応答曲線330がデバイスの動作範囲を通
じて１回のみ交差するように選択することによって最小
限にすることができる。これに加えて、80％を越える光
吸収が簡単に達成できると期待できる。

光学的に非線形のデバイス121から129として他の双安定
の光学的に非線形の光デバイス、例えば、非線形ファブ
リーペロ干渉計を使用することもできる。非線形のファ
ブリーペロ干渉計は入射光を吸収するのでなく反射す
る。SEEDに匹敵するスイッチング速度を持つが、非線形
ファブリーペロ干渉計はより高いスイッチング パワー
を必要とし、全てのパワーは光信号によって供給され
る。SEEDと同様に、非線形ファブリーペロ干渉計も光論
理要素、例えば、光NORゲートとして機能するように光
学的にバイアスすることができる。さらに、非線形ファ
ブリーペロ干渉計はアレイの２つの面上のどちらかに入
射光制御信号を受信し、この２つの面のどちらかから光
出力信号を放射する。ただし、前述したごとく、スイッ
チング パワー及び非線形干渉計のエネルギーはSEEDの
エネルギーと比較してかなり高い。これに加えて、非線
形干渉計は干渉性の光にのみ応答する。非線形ファブリ
ーペロ干渉計に関しては、IEEE ジャーナル オブ ク
ゥォンタム エレクトロニクス（IEEE Journal of Quau
tum Electronics）、Vol.QE−17、NO.3、1981年３月号
に掲載のD.A.B.ミラー（D.A.B.Miller）による論文〔線
形吸収を持つ屈折ファブリーペロ双安定性：動作の理論
とキビィテーの最適化（Refractive Fabry−Perot Bist
ability with Linear Absorption:Theory of Operation
and Cavity Optimization）〕において詳細に説明され
ている。光論理要素に使用するための非線形ファブリー
ペロ干渉計に関するもう１つの記述が、アプライド フ
ィジクス レターズ（Applied Physics Letters）、Vo
l.44、NO.2、1984年１月15日号、ページ172に掲載のJ.
L.ジュエル（Jewell）らの論文〔単一非線形ファブリー
ペロエタロンの光論理ゲートとしての使用（Use of a S
ingle Nonlinear Fabry−Perot Etalon as Optical Log
ic Gates）〕において行なわれている。

第17図から第19図は線形ファブリーペロ干渉計1301の動
作を図解する。基本的に、この干渉計は前壁1303及び後
壁1304を持つ1302から構成される。例えば、第17図に示
される一般的なケースにおいては、前壁1303の所の入射
光線1350の90％が反射出力光線1351として反射される。
入射光線の残りの10％は順光線1352として屈折される。
この空胴に入いる屈折された順光線（10％）が再び分割
され、90％が逆光線1353（９％）として反射され、そし
て10％が出力光線1354（１％）として屈折される。第18
図においては、空胴の長さが順光線と逆光線が破壊的に
干渉し、波1355を与えるようにされる。この場合は伝送
される出力光線のパワーは入射光線のパワーの１％以下
となる。第19図においては、空胴の長さが順光線と逆光
線が合成的に干渉し、合成波1356を生成するようにされ
る。この場合は伝送される出力光線のパワーは約100％
であり、前壁1303からはパワーは殆んど反射されない。

第20図には非線形ファブリーペロ干渉計1401の動作が図
解される。ここでは、干渉計の空胴1402は非線形材質14
05によって満される。この非線形材質の屈折率及び結果
としてのこの空胴内のこの材質内の光経路長は入射光線
のパワーの関数として変化する。この特性を使用して、
この非線形干渉計の光経路長が入射光線のパワーがいき
値レベル以下のときは光パワーが殆んど伝送されないよ
うに選択される。入射光線のパワーがいき値レベルを越
えると、屈折率及び非線形材質1405の光経路長が入射光
線のパワーを概むね100％伝送するように変化する。第1
7図から第19図に示される線形干渉計と同様に非線形干
渉計から２つの出力光線、つまり反射された出力光線14
52及び伝送された出力光線1453が与えられる。

第21図には非線形干渉計1401の光出力パワーを光入力パ
ワーの関数としてグラフ的に示す一例としての入力／出
力光パワー曲線1410が示される。この入力／出力曲線は
非線形干渉計が光論理NOR機能を遂行するためにいかに
動作されるかを説明するのに使用される。第20図に戻ど
り、入力パワー レベル 1460を持つバイアス光線1450
はこの非線形干渉計を第21図に示される入力／出力曲線
上に反射された出力光線1452を高論理出力パワー レベ
ル1461から低論理出力パワー レベル1462に急激に変化
させるポイントまでバイアスする。入力パワー レベル
1460をレベル1463まで上げるための追加のパワーは高論
理入力パワー レベルの制御光線1451によって提供され
る。高論理入力パワー レベルの制御光線1451及びバイ
アス光線1450が干渉計上に入射すると、反射される出力
光線1450は低論理出力パワー レベルをとる。バイアス
光線1450及び低論理入力パワー レベルの制御光線がデ
バイスに入射するときは、反射出力光線は高論理出力パ
ワー レベル 1461となる。こうして、非線形干渉計14
01は光論理NORゲートとして機能する。これに加えて、
伝送される出力光線1453を使用して、この非線形干渉計
を光論理ORゲートとして機能させることもできる。

もう１つの光学的に非線形のデバイスとして、正面上の
制御信号のみを受信し、背面から光出力信号を放射する
液晶光バルブがある。このようなデバイスも本発明を実
現するのに使用することができる。ただし、光出力信号
を反射ホログラムに向け、その後、このバルブの正面に
向けるための適当な装置を位置することが必要となる。

本発明は反射ホログラムは非線形光デバイス、より具体
的には、光論理NORゲートとして機能するように動作さ
れる光学的に非線形の光デバイスを光学的に相互接続す
る。複数の反射ホログラムを使用して任意の所望の光論
理回路を光学的に形成するようにこれら光論理ゲートを
相互接続することができる。

反射ホログラムの詳細な説明が、ハンドフック オブ
オプティカル ホログラフィー（Handbook of Optical
Holography）、アカデミック プレス社（Academic Pre
ss）、1979年出版、H.J.コールフィールド（H.J.Caulfi
eld）編集、及びオプティカル ホログラフィー（Optic
al HOlography）、アカデミック プレス社（Academic
Press）、1971年出版、コリアー（Collier）ら編集にお
いてみられる。これに加えて、反射ホログラムの製造に
関するT.H.ジョーン（Jeong）らの一例の論文が、ディ
スプレイ技術ホログラフィーに関する国際シンポジュウ
ムの会議録（Proceeding of the International Sympos
ium on Display Art Holography）、ホログラフィー研
究会（Holography Workshops）、レーク フォレスト
カレッジ（Lake Forest College）、レーク フォレス
ト、イリノイ州、1982年出版に発見される。反射ホログ
ラムの製造は当分野において周知であるが、次に、本発
明の反射ホログラム、例えば、非線形光デバイスを光学
的に相互接続するための反射ホログラム101の製造方法
について説明する。

第８図には感光性物質、例えば、写真乳剤内に非線形光
デバイス121をデバイス123及び129に光学的に接続する
ために光の縞のパターンを形成及び記録するために一例
としての装置が示される。露出されない写真乳剤500及
び複数の光学的に非線形の光デバイス121から129が周知
の方法によって光学的に透明な材質505に接着される。
例えば、この光学的に透明の材質としてはシリコン ガ
ラス、好ましくは、高い熱伝導率を持つ材質、例えば、
サファイアが使用される。この光学的に透明の材質は、
写真乳剤の露出及びこの乳剤内に縞のパターンが永久的
に記録された後の後処理の際の両方の期間を通じて二次
元アレイに配列されたデバイスと写真乳剤500を一定の
相対的に平行の位置関係に保持する。この透明材質の屈
折率はフレネル反射が減少されるように選択される。た
だし、前述のごとく、好ましくは、サファイア材質が使
用されるが、これはこれを通過する光信号によって生成
される熱を均一に分散するためである。

この記録装置内にはさらにそれぞれ露出されない写真乳
剤の背面111及びデバイスアレイの正面130に一時的に付
着された空間光変調マスク501及び502、例えば、周知の
電気的に動作される磁気光アレイが含まれる。第８図に
示されるように、干渉性の光線551とマスク501をパス
し、干渉性の光線552及び553とともにマスク502をパス
し、それぞれ、写真乳剤500の外側面111及びデバイス12
3及び129の外側面130を照射する。

第９図は単一の干渉性光線からの干渉性の光線551から5
53の派生を示す。干渉性の光源520、例えば、市販レー
ザーからの干渉性の光線570が市販の可変光線スプリッ
タ521によって２つの干渉性の光線551及び571に分割さ
れる。１つあるいは複数の光線ダイレクト、例えば、鏡
522及び523が干渉性の基準光線551をこれが反射ホログ
ラム101に指定された乳剤500の所定の領域を照射するよ
うに向けるように位置される。干渉性の光線571はもう
１つの光線スプリッタ524によって２つの等しいパワー
干渉性のオブジェクト光線552及び553に分割される。こ
の一例としての実施態様においては、このオブジェクト
光線552及び553は基準光線551の半分の光線パワーを持
ち、１つあるいは複数の光線ダイレクタ、例えば、光線
スプリッタ524及び525によって対応するデバイス123及
び129の正面を照射するように向けられる。しかし、こ
の干渉性オブジェクト光線552及び553のパワーは異な
り、それぞれ相互接続制御光線153及び154のパワーを比
例して変化させる。

第８図に示されるように、基準光線551は空間光変調マ
スク501によって露出された写真乳剤の背面111の部分を
通過してデバイス121の受信及び放射面115を照射するよ
うに向けられる。同様に、オブジェクト光線552及び553
は空間光変調マスク502によって露出された対応するデ
バイス123及び129の正面を通過して写真乳剤内の基準光
線551と干渉するように向けられる。干渉性の基準光線5
51と個々の干渉性のオブジェクト光線552及び553が干渉
性の光源から写真乳剤に向って伝わる距離の差は光線の
コヒレント長より非常に短いことが要求される。

反射サブホログラム101に対する乳剤内に光の縞のパタ
ーンを形成するために、マスク501が周知の方法によっ
て干渉性の基準光線551が乳剤の背面111に入いるように
するための開口部が形成されるように電気的に操作され
る。これに加えて、マスク502も干渉性のオブジェクト
光線552及び553がそれぞれ光学的に非線形のデバイス12
3及び129を通過するための開口部が形成されるように電
気的に操作される。オブジェクト光線552及び553は対応
するデバイス123及び129を通過し、正面130から写真乳
剤内に入いる。基準光線551並びにオブジェクト光線552
及び553は概むね平面波である。前述のごとく、光線552
及び553の平面波はデバイスの背面131から乳剤500の正
面に向って少し発散する。オブジェクト光線552及び553
は乳剤内で基準光線551と干渉し、三次元の光干渉パタ
ーン、より詳細には、写真乳剤内に記録される周知のブ
ラッグ フィルタ光縞パターンを形成する。同様に、特
定のサブホログラムに対して指定された写真乳剤の個々
の領域が露出され対応する位置に置かれたデバイスと関
連する乳剤内に三次元の光の縞パターンが生成される。
写真乳剤の個々の指定の領域が個別に露出された後、空
間光変調マスク501及び502が除去される。次に露出され
た写真乳剤がこの光の縞パターンを永久的に記録するた
めに周知の方法によって処理される。示されるごとく、
こうして記録された元の光の縞パターンが直接にデバイ
ス121から129を光学的に相互接続するために使用され
る。さらに、元の記録された縞パターンをコピーを複製
するためのマスタとして使用することもできる。

この永久的に記録された縞パターンはデバイス121から1
29を所定の方法にて光学的に相互接続することによって
所望の論理動作を遂行するための複数の反射ホログラム
を形成する。第１図に示されるごとく、相互接続出力線
152は反射サブホログラム101の正面110を照射し、縞パ
ターンを形成するための干渉性の基準光線551の共役光
線である。この共役光線は互いに反対の方向に伝搬す
る。相互接続出力光線152に応答して反射サブホログラ
ム101の光の縞パターンは相互接続制御光線154をデバイ
ス123に放射し、相互接続制御光線155をデバイス129に
放射する。これら相互接続制御光線はそれぞれ干渉性の
オブジェクト光線552及び553の共役光線である。結果と
して、サブホログラム101の光の縞パターンはセットの
光線スプリッタ及び鏡として機能し、相互接続出力光線
152を相互接続制御光線154及び155として対応するデバ
イス123及び129に分割及び反射する。これより、本発明
の反射ホログラムは複数の光学的に非線形の光デバイス
を任意の組合せあるいは順序論理回路を相互接続するた
めの前述のソーチャック（Sawchuck）らによる論文に議
論されている“スペース バリアント”あるいは“スロ
ット インバリアント”装置として使用できることがわ
かる。

第10図には入力端子IN0及びIN1、対応する出力端子OUT0
及びOUT1、及び制御端子Ｃを持つ一例としての２×２ク
ロスバー スイッチ600の論理図が示される。この周知
の２×２組合せ論理クロスバー スイッチは図示される
ように接続されたNORゲート601から612を含む。一例と
して、論理NORゲートにはＡからＬの記号が与えられて
おり、これらは４×４アレイの２行として構成され、２
×２クロスバー スイッチを形成するように相互接続さ
れる。

第11図にはNORゲート601から612のＡからＰの記号を持
つノードの４×４アレイの３行を相互接続を示すノード
図が示される。このノード図はまた対応する光２×２ク
ロスバースイッチがいかに構成された光学的に非線形の
光デバイスの４×４アレイ上でいかに相互接続されるか
を示す。ノードＡからＬはそれぞれ論理ゲート601から6
12を表わす。ノードＡからＬはまた４×４の光学的に非
線形の光デバイス アレイの３行を表わし、またノード
ＭからＰは光デバイス アレイの４行を表わす。線は単
にクロスバー スイッチを形成するためのNORゲート601
から612の必要な相互接続を表わすばかりでなく、対応
する２×２光クロスバー スイッチを形成するのに必要
な個々の反射ホログラムからの必要な相互接続光線を示
す。巨視的には、スペース バリアント相互接続構成内
の個々の反射サブホログラムは対応する位置に置かれた
光学的に非線形のデバイスから単一相互接続出力光線を
必要な数だけの制御光線に分割及び反射する。

前述したごとく、２×２光クロスバー スイッチは４×
４の二次元アレイに配置された16個の光学的に非線形の
光デバイス、及びデバイスを第11図のノード図に示され
るように相互接続するためのこれも４×４の二次元アレ
イの複数の反射サブホログラムを含む。この光スイッチ
は一例としてのスイッチ600に加えて要素Ｊ及びＬの背
面からの反射出力光線を正面からでるようにパスするた
めの追加の２つのデバイス（ノードＮ及びＰ）を必要と
する。

第12図には双安定自己電気光学効果デバイス（SEED）80
1から816の４×４のアレイ800及びこのSEEDアレイを第1
1図のノード図に示されるように光学的に相互接続する
ための反射サブホログラム821から836の４×４のアレイ
820を含む一例としての２×２光クロスバー スイッチ8
50が示される。デバイス801から816はそれぞれノードＡ
からＰに対応し、第12図にそのように記号が与えられて
いる。干渉性あるいは非干渉性の光源（図示なし）がSE
ED801から812の正面をそれぞれバイアス光線851から862
とともに照射する。これらバイアス光線によってSEED80
1から812は光論理NORゲートとして機能する。双安定デ
バイス813から816は光源から遮断され、この上に当る入
射パワー次第で光信号を吸収あるはパスする。

第10図から第12図において、２×２クロスバー スイッ
チの出力端子OUT0及びOUT1上の出力信号は制御端子Ｃ上
の制御信号の論理レベル及び対応する入力端子IN0及びI
N1上の入力信号の論理レベルに依存する。この一例とし
ての実施態様においては、このスイッチは高論理レベル
信号が制御端子Ｃに加えられたとき“クロスド状態”と
なる。結果として、入力端子IN0上の論理レベルが出力
端子OUT1にスイッチされ、入力端子IN1上の論理レベル
が出力端子OUT0にスイッチされる。低論理レベルが制御
端子Ｃに加えられると、スイッチは“バー状態”とな
り、個々の入力端子IN0及びIN1上の論理レベルはそれぞ
れ対応する出力端子OUT0及びOUT1にスイッチされる。こ
れは勿論、セットの論理レベル信号を入力及び制御端子
に加え、この論理レベルをスイッチのNORゲートから出
力端子を通じて追跡することによって対応するクロスバ
ー スイッチ600及び850によって検証できる。

第12図は示されるように、入力光源端子IN0から低論理
レベルの制御光線840は光NORゲート801に加えられ、対
応する入力及び制御光源端子IN1及びＣからの高論理レ
ベル制御光線863H及び864Hは対応する光NORゲート802及
び803に加えられる。従って、光クロスバー スイッチ8
50は“クロスド状態”となる。結果として、光NORゲー
ト810は高論理レベルの相互接続出力光線873Hを光出力
受信端子OUT0に放射し、そして光NORゲート812は低論理
レベル相互接続出力光線841Lを光出力受信端子OUT1に放
射する。SEEDアレイ800の正面からの高論理レベル相互
接続出力光線873Hをパスするために、反射サブホログラ
ム830は高論理レベル相互接続出力光線873HをSEED814に
反射する。バイアス光線がSEED813から816の１つに当た
らないため、高論理レベル相互接続出力光線873HはSEED
14を出力受信端子OUT0に向って通過する。同様に、SEED
816F反射サブホログラム832からの低論理レベル相互接
続出力光線841を光出力受信端子OUT1にパスする。

それぞれ第10図及び第12図に示される対応する２×２ク
ロスバー スイッチ600及び800の論理動作を検証するた
めに、前述の入力論理レベル制御信号の組合せがこの２
つクロスバー スイッチの対応する入力に加えられる。
光クロスバー スイッチ850に関しては、バイアス光線8
51が低論理レベル入力制御光線840Lとともに光NORゲー
ト801上に入射するため、このバイアス光線はゲートを
パスし、高論理レベル相互接続出力光線865Hとして反射
サブホログラム821に放射される。反射サブホログラム8
21は出力光線865Hを分割し高論理レベル相互接続制御光
線866H及び867Hとして対応する光NORゲート805及び808
に反射する。

第12図内に多数の交差する線が存在することによって生
じる混乱を最小限にするために、個々の反射サブホログ
ラム821から832上のアレイの点はSEED801から816の相対
中心位置を示す。１つのサブホログラム上の光論理要素
の相対中心位置上に置かれた陰を持つボックスは単に出
力光線がどの論理要素に反射されるかを示す。例えば、
サブホログラム821は、１つが論理要素805の相対中心位
置上に反射し、もう１つが要素808上に反射する２個の
陰を持つボックスを持つ。つまり、論理要素801からの
相互接続出力光線は要素805及び808に分割及び反射され
る。

光バイアス信号に加えて高論理レベルの光制御信号が光
論理NORゲートに入射されると、光NORゲートは前述した
ごとく入射光線の殆んどを吸収し、低論理レベル光出力
信号が対応する反射サブホログラムに放射される。この
例としては、対応する高論理レベル入力制御光線863H及
び864Hがこの上に入射したとき対応する低論理レベル相
互接続出力光線843L及び844Lを放射するNORゲート802及
び803をあげることができる。反射サブホログラム822は
相互接続出力光線843Lを低論理レベル相互接続制御光線
845L及び846Lとして対応する光NORゲート806及び807に
分割及び反射する。同様に、反射サブホログラム823は
相互接続出力光線844Lを低論理レベル相互接続制御光線
847L、848L、及び849Lとして対応するNORゲート804、80
6、及び808に分割及び反射する。

クロスバー スイッチ入力制御信号のこの組合せが第10
図にも示されるが、ここでは、入力端子IN0から低論理
レベル入力信号640Lが単一の入力NORゲート601に加えら
れる。この入力ゲートは低レベル論理入力信号を反転
し、高論理レベル制御信号666H及び667Hを対応するNOR
ゲート605及び608の入力信号に送る。入力端子IN1から
の高論理レベル入力制御信号663Hを単一の入力NORゲー
ト602に加えると、このゲートはこの高論理レベル信号
を反転し、低論理レベル制御信号645L及び646Lを対応す
るNORゲート606及び607に送る。同様に、制御端子Ｃか
らの高論理レベル制御信号664Hを単一入力NORゲート603
に加えると、ゲートは低論理レベル制御信号647L、648
L、及び649Lを対応するNORゲート604、606及び608に送
る。

単一入力NORゲート604は低論理レベル信号647Lを反転
し、高論理レベル制御信号669H及び670Hを対応するNOR
ゲート605及び607の入力に送る。第12図には低論理レベ
ル相互接続制御光線847Lが光NORゲート804の背面818上
に入射する場合が示される。結果として、ゲートはバイ
アス光線854をパスし、高論理レベル相互接続出力光線8
68Hを反射サブホログラム824に放射する。反射サブホロ
グラム824は相互接続出力光線868Hを相互接続制御光線8
69H及び870Hに分割し対応する光NORゲート805及び807に
送る。

この場合もNORゲートの任意の入力に高論理レベルが加
えられると、そこからの出力信号は低論理レベルをと
る。この状況が第10図のNORゲート605、607及び608並び
に第12図の対応する光NORゲート805、807、及び808に示
される。ただし、NORゲートの全ての入力に低論理レベ
ル信号が加えられると、ゲート出力信号は高論理レベル
をとる。第10図に示されるごとく、NORゲート606及び61
1の全ての入力に低論理レベル信号（Ｌ）が加えられる
と、個々のゲートからの出力は高論理レベル（Ｈ）をと
る。NORゲート609の入力上に高論理レベル信号が存在す
ると、出力信号は低論理レベル（Ｌ）をとる。これが第
12図に対応するバイアス光線856及び861をそれぞれ対応
する高論理レベル相互接続出力光線871H及び875Hとして
パスする光NORゲート806及び811によって示される。反
射サブホログラム826は出力光線871Hを高論理レベル相
互接続制御光線876Hとして光NORゲート809に反射する。
一方、反射サブホログラム831は相互接続出力光線875H
を高論理レベル相互接続制御光線872Hに光NORゲート812
として反射する。

高論理レベル相互接続制御光線872Hが反射すると、光NO
Rゲート812は入射光の殆んどを吸収し、低論理レベル相
互接続出力光線841Lを反射サブホログラム832に放射す
る。この反射サブホログラム相互接続出力光線841Lをバ
イアスされていないSEED816を通じて光出力受信機端子O
UT1に反射する。これは第10図に単一入力NORゲート612
に高論理レベル信号を加えることによって示されるが、
ここで、ゲート612のクロスバー スイッチの端子OUT1
上の出力信号は低論理レベルをとる。単一入力NORゲー
ト610に低論理レベル信号が加えられると、高論理レベ
ル出力信号（Ｈ）がクロスバー スイッチの出力端子OU
T0上に現われる。これは第12図においてバイアス光線86
0を高論理レベル相互接続出力光線873Hとして前述のよ
うにパスする光NORゲート810によって示される。する
と、反射サブホログラム830はこの出力光線をバイアス
されてないSEED814を通じて光出力受信機端子OUT0に向
けて反射する。

“クロスド状態”のクロスバー スイッチの動作を簡単
に要約すると、制御端子Ｃに高論理レベル信号か加えら
れると、個々の入力端子IN0及びIN1上の信号の論理レベ
ルはそれぞれ反対の出力端子OUT1及びOUT0にスイッチさ
れる。同様に、クロスバー スイッチ600及び850の動作
もスイッチが“バー状態”のとき簡単に検証できる。つ
まり、低論理レベル信号が制御端子Ｃに加えられると、
入力端子IN0及びIN1上の個々の信号の論理レベルはそれ
ぞれ対応する出力端子OUT0及びOUT1にスイッチされる。

反射ホログラムは光学的に非線形の光デバイスを組合せ
論理回路、例えば、光クロスバー スイッチを形成する
ように光学的に相互接続するばかりか、アレイの反射サ
ブホログラムを使用して、任意の順序論理回路が形成さ
れるようにアレイの光学的に非線形のデバイスを相互接
続することもできる。組合せ論理回路と異なって、順序
論理回路は典型的には、例えば、デジタル、プロセッサ
内で遂行される各種のタイミング及びメモリ機能を提供
するための少なくとも１つの帰還経路を持つ。一例とし
て、第14図に周知のクロックドJKフリップフロップ論理
回路1000の論理図が示される。組合せ及び順序光論理回
路の組合せであるクロックドJKフリップフロップ論理回
路は非常に基本的なデジタル プロセッサであるとみる
こともできる。フリップフロップ回路は示されるように
相互接続された論理NORゲート、例えば、1001から1006
のみを含む。一例としての２×２組合せ論理スイッチ60
0と異なり、クロックドJKフリップフロップ回路1000は
４個の別個の帰還経路を持つ。より詳細には、NORゲー
ト1006の出力がNORゲート1007の１つの入力に帰還さ
れ、同様に、NORゲート1007の出力がNORゲート1006の１
つの入力に帰還される。第３の帰還経路はNORゲート100
7の出力信号のNORゲート1004の入力へのフィードバック
を含み、そして最後の帰還経路はNORゲート1006の出力
のNORゲート1005の入力への接続を含む。

組合せ論理回路600に使用されるのと類似の方法で、ク
ロックドJKフリップフロップ回路1000は第15図に示され
る対応する入力、出力、及び相互接続を持つノード図に
要約することができる。NOR論理ゲート1001から1007と
それぞれノードＡからＧに対応し、そのように記号が与
えられている。第15図のノード図に示されるように、ア
レイの反射サブホログラムはクロックドJKフリップフロ
ップ回路1000を実現するために対応するアレイの光論理
NORゲートを光学的に相互接続するようにできる。

第16図には光バージョンのクロックドJKフリップフロッ
プ論理回路1000を実現するためのアレイ1200の光学的に
非線形の光デバイス、例えば、SEED1201から1209にそれ
ぞれＡからＩの記号が与えられている。これに加えて、
この光論理構成は光デジタル プロセッサと考えること
もできる。非干渉性あるいは干渉性の光源（図示なし）
がデバイス1201から1207の正面1210をそれぞれバイアス
光線1251から1257とともに照射する。デバイス1208及び
1209は正面1210から出力光線を放射し、光源から、例え
ば、平面鏡によって遮断される。バイアス光線1251から
1257によって対応するSEED1201から1207は光論理NORゲ
ートとして機能する。

反射ホログラム1220はゲート アレイ1200からの相互接
続出力光線を分割及び反射し、光NORゲートを相互接続
し、論理回路1000に類似するクロックドJKフリップフロ
ップ光論理回路を形成する。反射ホログラムはそれぞれ
が論理ゲート アレイ1200の対応する位置に置かれたSE
EDと関連する複数の反射サブホログラム1221から1229を
含む。光に透明な材質1240が反射ホログラム1220の正面
1230と光 NORゲート アレイ1200の背面1211を光NORゲ
ートの対応する位置の背面と直接に対面する個々の反射
サブホログラムの正面と一定の平行位置に保持する。

前述のごとく、個々の反射サブホログラムが少なくとも
２個の概むね反対の干渉性の光線に露出され、光の縞パ
ターンが形成され、これが周知の方法によって写真乳剤
内に永久的に記録される。処理の後、この永久的に記録
された縞のパターンが反射サブホログラム1221から1229
となる。

説明上、個々の反射サブホログラムはアレイの９個の点
を持つが、これは光信号が放射あるいは受信される個々
の光NORゲートの相対中心位置を示す。ここでも、陰を
持つボックスは単にアレイ1200内のそれに出力光線が反
射される光NORゲートの相対位置を示す。

個々の反射サブホログラムの光の縞のパターンによって
確立された所定の光相互接続の検証は、単に、特定のゲ
ートに対する個々の反射サブホログラムの陰を持つボッ
クスを第15図内の対応するノードからの出光線と比較す
ることによってできる。３×３アレイのSEED1201から12
09はそれぞれ第15図内の３×３アレイのノードＡからＨ
に対応する。反射サブホログラム1221の陰を持つボック
スは光NORゲート1201（ノードＡ）からの任意の相互接
続出力が相互接続制御光線として光NORゲート1204に反
射されることを示す。これは第15図のノード図にも同様
に示される。光相互接続は同様に反射サブホログラム12
22から1227に対しても検証できる。

反射サブホログラム1221から1227の光相互接続の検証を
終えると、第16図の光クロックドJKフリップフロップ回
路と第14図に示されるクロックドJKフリップフロップ回
路1000の論理図との機能上の比較が行なわれる。これは
この２つの回路が同じように機能することを検証する目
的を持つ。

要約すると、クロックドJKフリップフロップはＪ及びＫ
端子上の信号が互いにオンにされたときを除いて、周知
のセット−リセット（SR）フリップフロップと機能的に
一致する。これに加えて、JKフリップフロップの将来の
出力信号はその現在の状態の関数となる。この例におい
ては、JKフリップフロップはＪ及びＫ端子上の信号が同
時にオンにされると、クロック信号の立上がりエッジと
ともにトグルあるいは状態を変化させる。JKフリップフ
ロップ上のSET及びRESET入力は回路へのクロック入力を
無効にするために提供される。ただし、ここでは、この
回路の動作を理解する目的上、SET及びRESET入力上の論
理レベルはそのままにとどまるものと仮定する。

従って、高論理レベル信号（Ｈ）を入力端子Ｊ及びCLK
に加え、低論理レベル信号（Ｌ）を入力端子Ｋに加える
と、出力端子Ｑ及び上の出力信号はそれぞれ高論理レ
ベル及び低論理レベルをとる。これは同様に、第16図
に、高論理レベル制御光線1261H及び1262Hを対応する光
NORゲート1201及び1202に加え、低論理レベル光線1276L
を光NORゲート1203に加えることによって示される。結
果として、光NORゲート1207は高論理レベル相互接続出
力光線1265Hを放射するが、反射ホログラム1227はこれ
を高論理レベル相互接続フィードバック制御光線1266H
及び1267H及び高論理レベル相互接続出力光線1268Hとし
て分割及び反射する。バイアスされていないSEED1208は
高論理レベル出力光線1268HをＱ端子にパスする。

第14図に示されるように、相互接続されたNORゲート100
6及び1007の状態がどの信号がNORゲート1004及び1005に
フィードバックされるかを決定する。最初、NORゲート1
006からの出力信号が高論理レベル（Ｈ）であり、NORゲ
ート1005及び1007にフィードバックされるものと仮定す
る。さらに、NORゲート1007からの出力信号が低論理レ
ベル（Ｈ）であり、NORゲート1004及び1006にフィード
バックされるものと仮定する。論理ゲート1003からの出
力信号は高論理レベル（Ｈ）であるため、NORゲート100
5の出力信号はNORゲート1006からゲート1005の入力に帰
還される出力信号と無関係に低論理レベル（Ｌ）とな
る。しかし、NORゲート1004への２つの入力制御信号が
低論理レベル（Ｌ）であるため、NORゲート1007からの
フィードバックされる出力信号がNORゲート1004からの
出力信号の論理レベルを決定する。第１に、NORゲート1
006及び1007へのSET及びRESET入力端子上の論理レベル
によってこれらゲートが所定の出力レベルをとるため、
これら入力端子は、オフ、この場合は低論理レベルをと
る。次に、ゲート1004の出力信号は高論理レベルをと
り、NORゲート1006の入力に加えられる。これによってN
ORゲート1006及び1007の状態が変化し、NORゲート1005
にNORゲート1006からの高論理レベル信号がフィードバ
ックされる。最終的な結果として、NORゲート1006及び1
007の出力信号がそれぞれ低論理レベル及び高論理レベ
ルをとる。

この状態は第16図においても簡単に検証できる。つま
り、第16図の光学的に相互接続されたクロックドJKフリ
ップフロップは第14図に示されるクロックドJKフリップ
フロップ回路1000と同じように機能することがわかる。

上に説明の光組合せ及び順序論理回路は単に本発明の原
理を説明するためのものであり、当業者にとっては、よ
り複雑な光デジタル プロセッサを含む任意の例えば他
の光論理回路を本発明の精神及び範囲から逸脱すること
なく設計できることは明白である。より詳細には、アレ
イの反射サブホログラム及び光学的に非線形の光デバイ
スを使用して、メモリ機能及び並列処理を遂行すること
もできる。さらに、個々のアレイの論理ゲートの光入力
及び光出力信号を相互接続あるいは縦接続することによ
って所望の任意のサイズの論理回路を形成することもで
きる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホログラムの手段により複数の非線形光デ
   バイスを光学的に接続するための相互接続装置であっ
   て、 該ホログラム（500）はそこに記録された光の縞パター
   ンを有しており、そして該相互接続装置は、さらに固定
   された相対位置に該ホログラム（500）および該光デバ
   イス（120）を支持するための互いに向き合う第１の表
   面（504）および第２の表面（503）を有する光学的に透
   明なスペーサ材料（505）を含み、該ホログラム（500）
   は該第１の表面（504）上に固定的に位置づけられてお
   り、該第２の表面（503）はその上に該光デバイスを固
   定的に位置づけるための複数の位置を有しており、 該ホログラフィック光縞パターンは感光材料（500）内
   に形成されたものであり、該縞パターンは、 第１のコーヒレント光線（551）を該感光材料（500）お
   よび該透明スペーサ材料（505）を通して該位置の第１
   のものに方向づけ、そして該第１の位置と光学的相互接
   続するために指定された該位置のそれらの各々からの個
   々のコーヒレント光線（552,553）を該透明スペーサ材
   料（505）を通して方向づけて該感光材料（500）内にお
   いて該第１のコーヒレント光線と干渉させ、これにより
   相互接続している光線が該第１の位置から該縞パターン
   にひきつづいて方向づけられるときに、該相互接続して
   いる光線が該縞パターンにより該第１の位置との光学干
   渉のために指定された該他の位置の各々に反射されるよ
   うにして形成されたものであることを特徴とする光学的
   相互接続装置。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載の装置において、 該第１のコーヒレント光線（551）および該個々のコー
   ヒレント光線（552,553）の各々が該感光材料（500）内
   において付随的に干渉するよう方向づけられたものであ
   ることを特徴とする光学的相互接続装置。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項又は第２項に記載の装置
   において、 該ホログラム（500）が、そこに形成された第２の光縞
   パターンを有しており、該縞パターンは、 第２のコーヒレント光線を該感光材料（500）および該
   光学的透明スペーサ材料を通して該位置の第２のものに
   方向づけられ、そして該第２の位置との光学的相互接続
   のために指定された該位置のそれぞれの各々からの個々
   のコーヒレント光線（552,553）を方向づけて該感光材
   料（500）内で該第２のコーヒレント光線と干渉させ、
   これにより第２の相互接続光線が該第２の位置から該第
   ２の縞パターンに方向づけられるときに、該第２の相互
   接続光線が該第２の縞パターンにより該第２の位置との
   光学的接続のために指定された該他の位置の各々に反射
   されるようにして形成されていることを特徴とする光学
   的相互接続装置。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項に記載の装置において、 該第２のコーヒレント光線および該第２の位置との相互
   接続のために指定された他の位置の各々からの該個々の
   コーヒレント光線が該感光材料（500）内において付随
   的に干渉するよう方向づけられたものであることを特徴
   とする光学的相互接続装置。
5. 【請求項５】請求の範囲第４項に記載の装置において、 該透明スペーサ材料（505）が、該感光材料（500）の屈
   折率にほぼ等しい屈折率を有する熱的な伝導材料である
   ことを特徴とする光学的接続装置。
6. 【請求項６】請求の範囲第５項に記載の装置において、 該熱的伝導材料（505）が、サファイヤ材料から成るこ
   とを特徴とする光学的相互接続装置。