JPH0827473B2

JPH0827473B2 - 光論理装置

Info

Publication number: JPH0827473B2
Application number: JP61501148A
Authority: JP
Inventors: スコツトヒントン，ハーヴアード
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1984-12-19
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: WO1986003849A1; US4764890A; EP0207154A1; KR940001911B1; JPS62501175A; CA1270674A; DE3582678D1; JPS61501579A; EP0207154B1; KR870700143A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は光論理装置に関する。

発明の背景多数の従来技術に従う論理回路が光論理機能および動
作を実行するために光デバイスを使用している。しか
し、これら回路の多くは光領域と例えば電気領域の如き
他の領域の間で論理レベル信号を変換する操作を含んで
いる。この光変換過程は光信号の帯域を制限し、付加的
な処理時間を要求し、更に一般に付加的な回路を必要と
する。一般に、非線形光デバイスの出力信号は該デバイ
スに加えられる入力信号の非線形利得関数であり、この
場合入力または出力信号のいずれかは光領域の信号であ
る。光学的に非線形な光デバイスの更に特定なケースに
あつては、入力および出力信号は共に光領域の信号であ
る。その結果、光学的に非線形な光デバイスは光信号を
発生し、光論理NOR、OR、NAND等の光論理機能を実行す
ることが出来る。しかし、光変換過程を使用する光学的
に非線形な光デバイスは尚前述の問題点を有している。

並列処理技法を使用する場合、１つのアレイ中の各々
の光論理素子の光出力を他のアレイ中の各々の光論理素
子の光入力に並列的に接続することがしばしば望まれ
る。その結果、例えば２つのアレイの間の光フアイバを
使用する個々の物理的接続の数は膨大なものとなる。即
ち接続の総数は１つのアレイ中の素子の数と他のアレイ
中の素子の数の積に等しくなる。素子の物理的大きさに
応じて素子の相互接続のために必要な空間が２つのアレ
イの間の接続数を制限する大きな要因となつて来る。こ
のことが光並列処理技法があまり受け入れられない理由
の１つとなつている。

光論理素子を相互接続する他の従来技術に従う方法は
計算機によつて生成された伝送ホログラムを使用してい
る。一般にホログラムは波頭を後刻再生するべく光フリ
ンジ・パターン中に符号化された対象物からの光の波頭
を記憶する任意の物質より成る。巧妙な視覚効果を生成
するホログラムの良く知られた例は３次元対象物からの
コヒーレント光およびプレート上で干渉を生じる基準ビ
ームに露光された写真プレートである。写真プレートを
現象した後、基準ビームを現象された写真プレートに通
すと対象物の３次元像が再生される。

システムの光論理素子を光学的に相互接続する計算機
によつて生成された伝送ホログラムを使用する光順序論
理回路の１例がエー・エー・ソーチヤツク等の「非線形
実時間光信号処理」と題する技術報告No.1100（南カル
フオルニア大学イメージ・プロセシング・インステイチ
ユート、カルフオルニア州ロスアンゼルス、1983年）に
述べられている。この光論理システムは液晶光バルブの
アレイを光学的に相互接続する計算機によつて生成され
たフーリエ伝送ホログラムのアレイを含んでいる。光バ
ルブは光学的に非線形な光デバイスであつて、光信号を
再生し、光論理NOR機能を実行する。しかし、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１方の
表面で受信され、光出力信号が通常デバイスの他方の側
のもう一方の表面から放出されることである。従つて、
伝送ホログラムおよび精確に位置されたレンズならびに
鏡より成る複雑な装置は光バルブ・アレイの後部表面か
らの光出力信号を360°回転して光バルブ・アレイの前
部表面に向かわせる必要がある。入力制御信号として少
くとも１つの他の光バルブの前部表面上に反射されるま
でに光出力信号は光バルブの後部表面から長い距離を伝
播しなければならないため、この伝送ホログラム相互接
続装置を使用した光システムの動作速度は大きな制約を
受ける。この相互接続装置の他の問題点は伝送ホログラ
ムと光バルブをミラーおよびレンズと整列させるのに必
要な機械的精度である。わずかな振動によつてシステム
全体の整列状態が狂つてしまうことがある。

液晶光バルブの他の欠点はスイツチング速度が比較的
遅いことである。

フーリエ伝送ホログラムの他の問題点は光信号がホロ
グラムを通過するときに光信号に可成りの電力損失が生
じることである。フーリエ伝送ホログラムを通過する各
々の光信号は２つの像を形成するが、その内の１方のみ
が光バルブを相互接続するのに使用され、かつ入射信号
の高々1/2の光電力を有している。更に、伝送ホログラ
ムはコヒーレント光によつてのみ動作し、その結果幾つ
かの入力信号の間の建設的干渉と破壊的干渉により光論
理素子の入力において光の干渉が生じる。

発明の要旨前述の問題点は本発明に従い解決された。ここで本発
明の光論理装置は第１の制御光ビームに応動して第１の
出力光ビームを放出する第１の光学的に非線形な光デバ
イスと；第２の制御光ビームに応動して第２の出力光ビ
ームを放出する第２の光学的に非線形な光デバイスと；
前記第１の出力光ビームに応動して前記第２の制御光ビ
ームを前記第２の光学的に非線形な光デバイスに発生す
る反射ホログラムを含んでいる。各々のデバイスは制御
光ビームに応動して出力光ビームを放出する。１つのデ
バイスからの相互接続出力光ビームに応動して、反射ホ
ログラムは他のデバイスに対する相互接続制御光ビーム
を発生する。反射ホログラムはまた１つのデバイスから
の相互接続出力光ビームに応動して２つまたはそれ以上
の光学的に非線形な光デバイスに対する個々の相互接続
制御光ビームを発生するように作ることが出来る。

有利なことに光論理機能を実行するよう動作する各々
の光学的に非線形な光デバイスを複数個光学的に相互接
続して光論理回路を形成したり、光論理動作を実行させ
ることが出来る。

本発明の１つの実施例においては、反射ホログラムは
特定のデバイスから指定されたデバイスに予め定められ
た量の相互接続光出力ビームを反射させることにより指
定された光学的に非線形な光デバイスに対する相互接続
制御光ビームを発生する。

本発明の他の実施例にあつては、２次元アレイに配置
された複数個の反射ホログラムはやはり２次元アレイに
配置された複数個の光学的に非線形な光デバイスを光学
的に相互接続して２×２の光クロスバ・スイツチを形成
している。非線形フアブリ・ペロー干渉計の如き各々の
光学的に非線形な光デバイスは光論理NORゲートとして
機能する。更に、光学的に非線形な干渉計は液晶光バル
ブよりずつと速い速度でスイツチング出来る。本発明の
１つの特徴に従い、各々の光学的に非線形な光デバイス
は２次元論理素子アレイのいずれかの表面上に入射する
光ビームに応動して特定の反射ホログラムに対する相互
接続出力光ビームを放出する。

有利なことにミラーあるいはレンズを使用することな
く、各々の反射ホログラムは相互接続出力光ビームを特
定の論理素子から少くとも１つの他の論理素子に直接反
射してクロスバー・スイツチを形成する。ミラーおよび
レンズより成る複雑な装置を必要としないので、光論理
システムおよび光信号処理は実質的に簡単化される。更
に、光論理素子は比較的小さに空間内で光学的に相互接
続される。交差光ビームは互いに干渉しないので、この
光論理装置は光学的並列処理技法を実際に使用するのに
適している。

本発明の他の特徴は反射ホログラムが任意の数の相互
接続光ビームをフイードバツクして順序光論理回路を形
成するように作ることが出来る点にある。

本発明の他の利点は反射ホログラムがコヒーレント光
または安価な低電力光源からのインコヒーレント光で機
能する点にある。これにより通常より高価なレーザ光源
からのコヒーレント光のみを使用する伝送ホログラム光
論理システムと比べて光論理システムの価格を大幅に減
少させることである。

更に他の特徴に従い、本発明の装置は更に光論理素子
アレイおよび他の光源と受信器の間で制御光ビームの方
向付けを行うレインボウ伝送ホログラムや平面ミラーの
如き方向付け手段を含んでいることである。

本発明の更に他の特徴に従い、デバイス・アレイのい
ずれかの側で光信号を受信する光学的に非線形な光デバ
イスを使用することにより、組合せおよび順序光論理回
路は比較的小さな空間内で容易に光学的に相互接続され
て、光デイジタル・プロセツサの如きより大きく、より
複雑な光論理回転を形成することが出来る。

本発明の更に他の特徴に従い、透明物質は反射ホログ
ラムの形成期間中ならびに光論理装置の使用期間中光論
理素子の反射ホログラムに対する位置を保持する。

図面の簡単な説明本発明は付図を参照して以下の詳細な説明を読むこと
によりより良く理解されよう。

第１図は光学論理操作を実行する複数個の反射ホログ
ラムおよび光学的に非線形な光学デバイスを有する装
置；第２図は外部からの光信号をデバイス・アレイとの間
で行き来させるレインボウ伝送ホログラムおよび平面ミ
ラーを有する装置；第３図は光学的論理NORゲートとして機能する自己電
子・光学効果を有するデバイス（SEED）として知られる
非線形な光学デバイス；第４図はデバイスの双安定領域において光入力電力の
関数として第３図のSEEDの理論的出力電力を示す図；第５図は第３図のSEEDとして使用されるダイオード構
体の応答度Ｓ（Ｖ）の実験値；第６図は第３図のSEEDの全体としての理論的入出力電
力特性を示す図；第７図はSEEFの入出力電力特性の実験値と双安定切換
え特性を示す図；第８図は光学的に非線形な光デバイスのアレイを光学
的に相互結合するために写真乳剤中に光学的フリンジ・
パターンを形成する装置；第９図は第８図の光学的フリンジ・パターンを形成す
るためにコヒーレント光ビームを発生し、方向付ける装
置；第10図はNORゲートのみより成る周知の２×２クロス
バ・スイツチの論理回路；第11図は４×４のアレイに配置された第10図のクロス
バ・スイツチのノード線図；第12図は第10図のクロスバ・スイツチに相応する２×
２の光クロスバ・スイツチ；第13図は選択された光信号を平面波として示す第２図
の相互接続装置の後面図；第14図は論理NORゲートのみより成る周知のクロツク
で動作するJKフリツプ・フロツプの論理回路図；第15図は３×３のアレイの配置された第14図のクロツ
クで動作するJKフリツプ・フロツプのノード線図；第16図は第14図のクロツクによつて動作するJKフリツ
プ・フロツプを光学的に実現する光学的に非線形な自己
電子・光学効果を有するデバイスより成る光学的順序論
理装置；第17、18および19図はフアブリ・ペロー干渉計の動作を
示す図；第20および21図は非線形フアブリ・ペロー干渉計の動作
を示す図である。

詳細な説明第１図には２次元アレイ120に配置された複数個の光
学的に非線形な光デバイス121〜129を光学的に相互接続
する装置が示されている。当業者にあつては周知の如
く、光学的に非線形な光デバイスの光出力信号は光学的
に非線形な光デバイスに加えられた少くとも１つの光入
力信号の非線形利得関数である。その結果、光学的に非
線形な光デバイスは光信号を再生することが出来、光学
的論理機能を実行することが出来る。バイアス光ビーム
150および151は周知の仕方で光学的に非線形な光デバイ
ス121および123を光学的に夫々バイアスし、例えば光学
的NORゲートの如き光論理素子として機能させる。光学
的相互接続装置は反射ホログラム100、更に詳細の述べ
ると２次元アレイに配置された複数個の反射サブホログ
ラム101〜109より成る。所定のデバイス（例えば121）
の後部表面131から予め定められた方向で受信された相
互接続出力光ビーム152の如き相互接続出力光信号に応
動して、相互する位置にあるサブホログラム（例えば10
1）は１つまたはそれ以上の個々の相互接続制御光ビー
ム（例えば154および155）を予め定められた異なる方向
でデバイス・アレイ中の１つまたはそれ以上の他のデバ
イス（例えば123および129）の後部表面に戻るように発
生する。例えば、121、123および128の如き３つの光学
的に非線形なデバイスを光学的に直列に相互接続するた
めには、121および123の如き放射デバイスの位置は101
および103の如きその相応する位置にあるサブホログラ
ムに対して固定した位置に保持されている。そうでない
ならば、２つの光学的に相互接続された光学的に非線形
なデバイスは相応する位置にあるサブホログラムから定
つた方向に位置していることのみが必要とされる。光学
的に非線形な光デバイス121〜129は２つの互いに反対方
向に伝播する光信号のいずれか１方を受信する前部表面
130および後部表面131を有している。このようにして、
サブホログラム101〜109の如き複数個のホログラムはこ
れら２つの面を有する光学的に非線形な光デバイスを相
互接続し、任意の組合せ論理回路または順序論理回路が
形成される。

先に示唆したように、アレイ120中の各々の光学的に
非線形な光デバイスは前部および後部表面130および131
の１方または両方で受信した光ビームに応動してこれら
２つの表面の内の１方から相互接続出力光ビームを放射
する。これら光信号、即ち光ビームの波長は紫外線から
赤外線の領域にある。非線形フアブリ・ペロー干渉計お
よび以下で述べる自己電子・光効果デバイス（SEED）は
光学的に非線形な光デバイスとして使用するのに適して
いる。更に、これら光学的に非線形な光デバイスの各々
は光NORゲートの如き光論理素子として機能する。

アレイ120中の各々の光学的に非線形な光学デバイス
は入射光の電力に依存して２つの伝送状態の内のいずれ
かの状態をとる。入射光ビームの電力が予め定められた
閾値レベル以下の場合には、デバイスは第１の伝送状態
にあり、入射光を単に通過させる（詳細に述べると入射
光ビームを受信し、出力光ビームを放出する）。例えば
コヒーレントまたはインコヒーレントな光源（図示せ
ず）がバイアス光ビーム150および151の如き光バイアス
信号でアレイ120の前部表面130を照射する。バイアス・
ビームは夫々の光学的に非線形な光デバイス121および1
23として光論理NORゲートとして機能させる。バイアス
・ビーム150の電力がNORゲート121の閾値レベル以下で
あると、該ゲートはバイアス・ビーム150を高論理レベ
ル出力光ビーム152として反射サブホログラム101に通過
させる。同様に、NORゲート123はバイアス光ビーム151
を高論理レベル出力光ビーム153として反射サブホログ
ラム103に通過させる。

伝送ホログラムとは対照的に、反射ホログラムは光信
号を通過させず、反射する。相互接続を行う出力ビーム
152に応動して、反射サブホログラム101は相互接続制御
光ビーム154および155を発生して、夫々の光学的に非線
形な光デバイス123および129に加える。徴視的には反射
サブホログラム101は出力ビーム152を分割および反射す
ることにより相互接続制御ビーム154および155を発生す
る。その結果、反射サブホログラム101は光学的に非線
形な光デバイス121を光学的に非線形な光デバイス123お
よび129に光学的に接続する。反射サブホログラム101の
前部表面110および光学的に非線形な光学デバイス121の
後部表面131は互いに平行に面するように配置されてい
るので、サブホログラム101は前面表面110の法線169に
関して０°なる入射角170を有する方向の相互接続出力
ビーム152を受信する。サブホログラム101と光学的に非
線形な光デバイス121の相対する表面が平行でなかつた
り、あるいは直接面しあつていないと、相互接続出力光
ビーム152の方向も変化するし、入射角ももちろん増加
する。

反射ホログラムは任意本数の相互接続制御光ビームを
各々異なる方向に発生することが出来る。このようにし
て図示の如く、制御光ビーム154および155は光学的に非
線形なデバイス123および129に夫々向う異なる方向に伝
播する。この場合その方向は一般に相互接続出力ビーム
152の方向とは逆の方向である。反射された相互接続制
御ビーム154および155の全光学的電力はもちろん相互接
続出力光ビーム152の電力より幾分小である。

同様に、反射サブホログラム103は光NORゲート123か
ら受信された相互接続出力ビーム153を相互接続制御ビ
ーム156として光学的に非線形な光デバイス128に反射す
る。光学的に非線形な光デバイス128および129に入射す
るバイアス・ビームが無くとも、低電力レベルの相互接
続制御ビームは通常光学的に非線形な光デバイスを通過
する。

バイアス・ビーム151と高論理レベルの相互制御制御
ビーム154が共にNORゲート123に入射すると、入射光ビ
ームの電力は光学的に非線形な光デバイスの予め定めら
れた閾値レベルを越し、デバイスを第２の伝送状態とす
る。この第２の伝送状態にあつては、光学的に非線形な
光デバイスは使用されているデバイスの型に応じて入射
光の殆んどを吸収するかまたは入射光を反射する。その
結果、NORゲート123からの相互接続出力ビーム153およ
び反射サブホログラム103からの反射された相互接続制
御ビーム156は低論理レベルとなる。

更に、他の光論理回路（図示せず）の如き独立した光
源からの高論理レベル制御ビームの如きホログラム100
からの光制御信号以外の光制御信号をアレイ中の任意の
デバイスの状態を制御するのに使用することが出来る。
例えば、光フアイバ束を介して伝送された複数個の光制
御信号を例えば周知のレインボウ伝送ホログラムによつ
て特定のアレイ・デバイスに向かわせることも出来る。
この点を説明するために、第２図は独立光制御源からの
制御ビーム157を光学的に非線形なデバイス121に向かわ
せるレインボウ伝送ホログラム136を有する第１図の光
相互接続装置の他の例を示している。

周知のレインボウ伝送ホログラム136は例えばシリコ
ン・ガラスまたはサフアイアの如き任意の適当な透明な
物質132によつてデバイス・アレイ120の表面130に垂直
な位置に保持されている。透明な物質はレインボウ・ホ
ログラムとデバイス・アレイを固定された垂直位置に保
持し、バイアス・ビーム150と制御ビーム157を通過させ
て、デバイス121の光学的受信・放射領域114に到達させ
る。適当な方法でレインボウ・ホログラムに付着された
フアイバ束133中の１本のフアイバが独立光制御源から
の制御ビームをレインボウ・ホログラムに導く。次にレ
インボウ・ホログラム136は制御ビームの方向を変え
る。即ち更に詳細に述べると制御ビームをデバイス121
に通過させる。例えば、高論理レベルの制御ビーム157
および光バイアス・ビーム150がアレイの前部表面130に
入射しているとき、デバイス121は入射光を吸収し、相
互接続出力ビーム152は関連する相互接続制御ビーム154
および155と共に低論理レベルとなる。再び使用されて
いる光デバイスの型に依存して、低論理レベルの光信号
は、光の存在しない状態かまたは高論理レベルの光信号
と比べて大幅に減衰された光信号の状態のいずれかをと
る。

デバイス・アレイから独立光受信器への制御光ビーム
はバイアス・ビームがデバイスに入射していないとき制
御ビームを反射サブホログラムからアレイ中の光学的に
非線形なデバイスを通して単に通過させることにより放
射される。図示の如く、光学的に非線形な光デバイス12
9は反射サブホログラム101からの相互接続制御ビーム15
5を他の光論理回路の如き独立の光受信器に通過させ
る。同様に、光学的に非線形な光デバイス128は反射サ
ブホログラム103からの相互接続制御ビーム156を独立受
信器に通過させる。更に、アレイからの光ビームは第２
図に示すように平面ミラー134および他の光フアイバ束1
35を使用することによつて独立光受信器に向けられる。
透明物質は光学的非線形な光デバイス128および129に関
してミラーの位置を固定保持し、それによつてミラーは
光ビーム155および156の各々をフアイバ束中の特定のフ
アイバ中に向うよう反射する。フアイバ束は再び透明物
質に適当な方法で付着されている。

第１および２図にあつては光ビーム150〜157の各々を
描くためにただ１本の線のみが使用されていた。しか
し、各々の光信号は平面波、更に詳細に述べるとデバイ
スに関して波が伝播する方向に依存して極めてわずかに
発散または収束する球面波を成している。第13図には第
１図の相互接続装置の後面図が示されているが、これは
光ビーム150〜152、154および155の各々を平面波として
図示している。反射サブホログラム101は光学的に非線
形なデバイス121、123および129を光学的に相互接続す
ることを想起されたい。

図示の実施例において、各々の光学的に非線形なデバ
イスの光を受信および放射する領域は矩形状に形成され
ている。第13図の示す如く、円筒状のバイアス・ビーム
150が受信されると、デバイス121の前部表面130が照射
される。もちろん、光学的に非線形な光デバイス121の
矩形の受信および放射領域114のみが円筒状バイアス・
ビーム150に応動する。光学的に非線形な光デバイス121
の後部表面131の矩形の受信および放射領域115から放射
される相互接続出力ビーム152は反射サブホログラム101
の前部表面110の予め定められた領域を照射する矩形状
平面波（これは周知の仕方でわずかに発散する）を成し
ている。相互接続出力ビーム152に応動して、サブホロ
グラム101は光学的に非線形なデバイス123および129上
で夫々わずかに収束する矩形状相互接続制御ビーム154
および155を発生する。相互接続制御ビーム154および15
5は形成サブホログラム101において光学的に非線形な光
デバイス123および129から以前に発散したコヒーレント
光とは並の仕方で収束する。（この発散は相互接続出力
光ビーム152の発散と類似している。）反射サブホログ
ラム101は前部表面110の同じ領域から相互接続制御ビー
ム154および155を反射する。

反射ホログラムは複数の予め定られた方向の内の１つ
またはそれ以上に光信号を反射するように作り得るの
で、反射ホログラム100はアレイのデバイスを所望の組
合せで光学的に相互接続することが出来る。更に、任意
の組合せ論理回路または順序論理回路あるいはその組合
せを形成するのに論理NORゲートのみが必要であるの
で、反射ホログラムで光論理NORゲートのアレイを光学
的に相互接続してすべての光情報信号を利用する任意の
所望の組合せまたは順序光論理回路を形成することが出
来る。この光学的相互接続装置は直列データ処理を容易
にするだけでなく、更に多数の並列接続された光論理素
子が同時にアクセスされる並列処理をも容易にする。

第３図には自己電子・光学効果デバイス（SEED）とし
て知られるマルチ・クオンタム・ウエル（MQW＝Multi q
uantum well）より成るデバイス121〜129として使用し
得る光学的に非線形な光デバイスが示されている。SEED
は変調器および光検出器として機能し、光論理NORゲー
トの如き論理素子としても機能させ得る。SEEDは非線形
フアブリ・ペロー干渉計（これもまた光学的に非線形な
光デバイス121〜129として使用できる）の如き双安定デ
バイスと比べてほんのわずかのスイツチング・エネルギ
ーしか必要としない。実験的にSEEDの光スイツチング・
エネルギーは約４フエムトジユール／ミクロン²である
ことが分つており、電気エネルギーを含む全スイツチン
グ・エネルギーは約20フエムトジユール／ミクロン²で
あることが分つている。28,000ミクロン²の大きな光感
応性領域を有するSEEDは約1.0〜1.5ナノジユールのスイ
ツチング・エネルギーを有することが知られている。も
ちろんより小さな光感応性領域を有するSEEDはより低い
スイツチング・エネルギーとより速い動作特性を有して
いる。自己電子・光学効果デバイスについててはデイー
・エー・ビー・ミラー等の「新らしいハイブリツド式の
光学的に双安定なスイツチ：クオンタム・ウエル自己電
子・光学効果デバイス」、アプライド・フイジツクス・
レターズ、第44巻、第１号、1984年７月１日に述べられ
ている。しかし、第３〜７図と関連したSEEDの動作をよ
り良く読者に理解してもらうためにここでは簡単にSEED
について述べることにする。

第３図に示すように、SEEDは逆バイアスされた正−真
性−負（ｐ−ｉ−ｎ）ダイオード構体202の真性（ｉ）
領域中に層状のマルチ・カオンタム・ウエル（MQW）201
を含んでいる。マルチ・クオンタム・ウエル構体は複数
の薄く、広いバンドギヤツプ層でインタリーブされた複
数の薄く、狭いバンドギヤツプ層を有している。狭いバ
ンドギヤツプ層はキヤリア・エネルギー・レベルでクオ
ンタム（量子）効果が明白で重要である程十分薄い。0.
8〜0.9ミクロンの波長を有する光子源の場合、層はAlGa
As/GaAsの如き周知の混成物より成る。しかし、例えばI
nGaAsPおよびInGaAs/AlIsの如き他の３−５属の混成物
も1.3〜1.5ミクロンの波長を有する光源に対して使用す
ることが出来る。このマルチ・クオンタム・ウエル・ダ
イオード構体はテイー・エツチ・ウツド等の「Ｐ−Ｉ−
Ｎダイオード構体のGaAs/GaAlAsクオンタム・ウエルに
よる高速度光変調」、アプライド・フイジツクス・レタ
ーズ、第44巻、第１号、1984年１月１日、頁16に詳細に
述べられている。電界が構体の層に垂直に加えられる
と、励起共振のピークを含む吸収バンド・エツジはより
低い光子エネルギーの方向にシフトされる。わずかミク
ロン単位の物質中において50％の光吸収の変化が容易に
得られる。これらの光学的吸収率の変化は室温で動作
し、既存のレーザ・ダイオード電力、波長および物質と
コンパテイビリテイのある光変調器を作るのに使用する
ことが出来る。吸収はキヤリアのクオンタム・ウエル中
への閉じ込めによりバルク物質中で見られるシフトによ
つて大幅に強化される。AlGaAsマルチ・クオンタム・ウ
エルはまた極めて強力な室温における励起共振を示し、
該共振はバンド・エツジにおける吸収効果を強化する。
更に、この構体でｐ−ｉ−ｎドーピング法を使用する
と、高電圧または大電流の駆動を行うことなく比較的大
きな電界を活性層に印加することが出来る。ｐおよびｎ
層は入射光を吸収しないようにバンドギヤツプを有して
いなければならない。この電界を並バイアスされたダイ
オード構体に加えると、この構体はまた効率の良い光検
出器となる。

SEEDによつて提供される光学的吸収の原理は：まず第
１に入力光ビームの強度を増すとデバイスの光吸収係数
が増加することであり：第２にはデバイスによる光エネ
ルギーの吸収が増すとまた光吸収係数も増加することで
ある。これら２つの原理の結果として、SEEDは２つの光
学的伝送状態の間を非線形的に切換える。これは以下の
デバイスの動作に関する記述からより良く理解されよ
う。

定バイアス電圧源203および正のフイードバツク抵抗2
04がｐ−ｉ−ｎダイオード構体202に直列に接続され
て、光学的に非線形な自己電子−光学効果デバイスを形
成している。SEEDスイツチを閉じるためにはダイオード
の両端の電圧が０の場合入射波長は励起共振位置の近傍
に選ばれる。低電力レベルの光ビーム250がマルチ・ク
オンタム・ウエル・ダイオード構体に入射していると、
定電圧源203のほとんどすべての電圧がダイオード構体
の両端に加えられる。何故ならば回路にはほんのわずか
しか光電流は流れないからである。

光入力電力を増すと光電流が増え、それによつて抵抗
204の両端の電圧降下が増大し、ダイオードにかかる電
圧が減少する。この減少した電圧により励起共振が後退
すると光吸収が増大し、その結果光電流は更に増加し、
再生的フイードバツクおよびスイツチングが生じる。

250の如き入力光ビームの電力が変動するときの第３
図のSEEDの理論的光出力電力が第４図に示されている。
以下の議論においては強度ではなくビーム電力の単位が
使用されていることに注意されたい。ビーム電力はワツ
トを単位として表わされ、ビーム強度はワツト／m²を単
位として表わされる。ビーム電力は強度を光ビームの軸
に垂直な断面にわたつて積分した値である。電力の単位
は以下の議論においては更に有用である。何故ならばSE
EDはビーム電力に、更に詳細に述べると吸収されたビー
ム電力に応動するからである。第４図において、入力光
ビームの電力は水平軸に沿つてプロツトされている。垂
直軸に沿つて第３図の251の如き出力光ビームの電力が
出力電力としてプロツトされている。値Ａなる入力電力
のところにはTAなる値の出力電力が与えられている。入
力電力がＢなる値に増加されると、出力電力はTB1なる
値に増加する。しかし、SEEDの吸収係数は入力電力の増
加に伴つて増加し、従つて入力電力Ａから入力電力Ｂへ
の伝送曲線320は直線321の如き一定の傾きの直線の下側
に来る。入力電力を値Ｂから値Ｃに更に増加させると、
吸収係数は更に増加し、それによつてSEED不安定とな
り、TC1なる値からTC2なる値に切換わる。入力電力をＤ
なる値に更に増加させるとTDなる出力電力値となる。

入力光ビームの電力を入力電力レベルＣから減少させ
ると出力電力は曲線320に沿つて入力電力Ｂに至り、そ
の点でSEEDの吸収係数はより小さな値に切換わり、出力
電力はTB2からTB1に増加する。SEEDは光学的双安定性を
呈すると言われる。何故ならびSEEDは光入力電力が増す
と高い伝送状態から低い伝送状態に切換わり、光入力電
力が減少すると高い伝送状態に戻つて来るからである。
しかし、他のスイツチング系列に対する光学的双安定性
も存在し得る。

ダイオード202として使用し得るｐ−ｉ−ｎダイオー
ド構体の応答度Ｓ（Ｖ）の実験値が第５図の曲線330に
示されている。応答度Ｓ（Ｖ）は入射光の単位電力当り
発生される光電流であり、入射光の電力であるワツト
（A/W）当りのアンペアを単位として表現される。曲線3
30はダイオード構体の測定された応答度Ｓ（Ｖ）を逆バ
イアスの関数として示すものであり、この測定は1.456e
V（851.7nm）の光子エネルギーに同調したレーザ光源を
用いて実行される。この光子エネルギーは使用されてい
るMQW構体の場合、０バイアスの条件の下ではほぼヘビ
ー・ホール共振エネルギーである。逆バイアスが増加さ
れると、光電流の収集が完全になるに従つて応答度はま
ず増加し、次いで励起吸収のピークがより低いエネルギ
ーに移動すると減少する。曲線330の8Vから16Vの間の
“バンプ”は測定波長を通過して同様に移動するライト
・ホール励起によるものである。

第３図に示すように正のフイードバツク抵抗と正の電
圧源に直列に接続されたダイオード構体の入出力電力特
性は２つの連立方程式を解くことによつて計算される。
第１の式は第５図の曲線330によつて示すMQWダイオード
構体の測定された応答度Ｓ（Ｖ）を含んでいる。ここでＳ＝Ｓ（Ｖ）（１）第２の式はＶ＝V₀−RSPである。ここでＰは光入力電力
であり、Ｒはフイードバツク抵抗の抵抗値であり、V₀は
一定バイアス電圧源の電圧であり、Ｖはダイオードの両
端の電圧である。この式はまた次のように書くことが出
来る。

グラフ的解法は単純明快であり、式２はＰを増したとき
負の傾きが減少する破線Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを与える。
双安定性は直線と曲線330が複数回交わることに起因す
る。直線ＡおよびＤは曲線330とただ１回だけ交わる。
直線ＢおよびＣは曲線330と接する点331および332を有
している。接点331および332は不安定な切換え点を表わ
す。直線ＢとＣの間のすべての直線は曲線330と３つの
交点を有し、中間の交点が不安定な動作点を表わしてい
る応答度Ｓおよびダイオードの両端の電圧Ｖはまた式１
および２からＰの関数として計算することが出来る。２
ボルトに等しいかまたはそれ以上の逆バイアスの場合、
光の吸収はほぼ応答度に追従する。しかし、更に精確な
計算を行うため、ダイオード電圧Ｖおよび光入力電力Ｐ
の各々の値に対する出力電圧Pout（PT）は測定されれ
伝送量Ｔ（Ｖ）から引き出すことが出来る。従つて第６
図に示すようなSEEDの全体としての理論的入出力電力特
性が導出される。

SEEDの実験的入出力電力特性410が第７図に示されて
いる。デバイスの光出力電力は、入力電力が予め定めら
れた入力閾値レベル401に達するまで曲線410に沿つて増
加する。このレベルにおいて、正のフイードバツクによ
りデバイスは不安定となり、光出力電力は急速に出力レ
ベル402からより低い出力レベル403に切換わる。このよ
り低い出力電力レベルにおいて、ダイオード構体は入射
光の約1/2を吸収する。入力レベル401を越して入射光電
力を更に増加させると出力電力レベルは再び増加する
が、以前の速度よりゆつくりした速度で増加する。入射
光電力を入力レベル401以下に減じるとそれに応じてデ
バイスの出力電力も減少する。第２の予め定められた入
力電力レベル404において、デバイスは再び不安定とな
り、光出力電力は曲線410上のより高い出力電力レベル
に切換わる。

この双安定光出力特性により、自己電力・光学効果デ
バイス（SEED）を光学的にバイアスして光論理NORゲー
トとして機能させ得ることは容易に分る。第７図に示す
ように。予め定められた入力閾値レベル404以下の入射
入力電力レベル405を有する光ビームの如き一定の光バ
イアス信号はSEEDを入出力電力特性曲線410上のニー・
ポイント406以下の点に光学的にバイアスする。バイア
ス・ビームがデバイスに入射していると、ダイオード構
体の光吸収は低く、バイアス・ビームのほとんどはその
結果通過する。制御光ビームの如き付加的な光がデバイ
スに入射すると、組合わされた入射光電力は入力閾値レ
ベル401より大であり、デバイスの光出力電力は403の如
きより低い出力レベルに切換わる。多数の光制御信号の
内の任意の１つとバイアス信号の組合わせでデバイスの
光出力電力はより低い伝送レベルに切換わるから、SEED
は光論理NORゲートとして機能する。すべての光制御信
号が無くなると、光デバイス信号のみがデバイスに入射
し、光出力信号は曲線状のより高い出力電力レベルに戻
る。

このサンプル・デバイスは２つの安定な伝送状態の間
をヒステリシスを有して遷移するが、このヒステリシス
効果はデイー・エー・ビー・ミラー等の「増加した吸収
による光学的双安定性」、オプテイツクス・レターズ、
第９巻、第５号、1984年５月、頁162で述べられている
光子エネルギーを有する光源の使用により最小化するこ
とが出来る。ヒステリシス動作はまた一定のバイアス供
給電圧V₀の関数であり、第５図に示すようにデバイスの
動作領域にわたつてただ１回だけ応答度曲線330と交差
するようV₀を選択することにより最小化できる。更に80
％を越す光吸収を容易に得ることが期待できる。

非線形フアブリ・ペロー干渉計の如き他の双安定な光
学的に非線形な光学デバイスはまた光学的に非線形なデ
バイス121〜129として使用することが出来る。非線形な
フアブリ・ペロー干渉計は入射波を吸収せずに反射す
る。スイツチング速度をSEEDと同程度にするためには非
線形フエブリ・ペロー干渉計はより大きなスイツチング
電力を必要とする。（この場合光信号がすべての電力を
供給する。）SEEDと同じように、非線形フエブリ・ペロ
ー干渉計に光学的にバイアスを加えて光NORゲートの如
き光学論理素子として機能させることが出来る。更に、
非線形フアブリ・ペロー干渉計は２つの主要アレイ表面
のいずれかで入射光制御信号を受信し、同じ２つの表面
の一方から光出力信号を放射する。しかし先に述べたよ
うに、非線形干渉計のスイツチング電力およびエネルギ
ーはSEEDのそれよりずつと大である。更に、非線形干渉
計はコヒーレント光にのみ応動する。非線形フアブリ・
ペロー干渉計の詳細な説明はデイー・エー・ビー・ミラ
ーの「線形吸収を有する屈折によるフアブリ・ペロー双
安定性：動作理論と空洞の最適化、アイ・イー・イー・
イー・ジヤーナル・オブ・クオンタム・エレクトロニク
ス、第QE−17巻、第３号、1981年３月に述べられてい
る。光論理素子として使用される非線形フアブリ・ペロ
ー干渉計の他の説明がジエー・エル・ジエウエルの「単
一の非線形フアブリ・ペロー・エタロン干渉計の光学的
論理ゲートとしての使用」、アプライド・フイジツクス
・レターズ、第44巻、第２号、1984年１月15日、頁172
に述べられている。

第17〜19図は線形フアブリ・ペロー干渉計1301の動作
を示すものである。基本的には干渉計は前壁1303および
後壁1304を有する洞窟1302より成る。例えば第17図に示
す一般的な場合、前壁1303への入射光ビーム1350の90％
は反射出力ビーム1351として反射される。入射ビームの
残りの10％は順方向ビーム1352として屈折される。空洞
に入つて来る屈折された順方向ビーム（10％）は再び分
割され、90％は逆方向ビーム1353（９％）として反射さ
れ、10％は再び透過出力ビーム1354（１％）として屈折
される。第18図において、空洞の長さは、順方向ビーム
と逆方向ビームが破壊的に干渉し、その結果として波13
55を生じさせるような長さを有している。この場合の透
過出力ビームの電力は入射光の１％以下である。第19図
において、空洞の長さは、順方向ビームと逆方向ビーム
は建設的に干渉し、その結果として波1356を生じさせる
ような長さを有している。ここで、透過出力ビームの電
力は入射光ビームの電力のほぼ100％であり、前壁1303
からは電力はほとんど反射されない。

第20図には、非線形フエブリ・ペロー干渉計1401が示
されている。ここで干渉計の空洞1402は非線形物質1405
で満されている。この非線形物質の屈折率およびその結
果として空洞中の物質の光学的信号路長は入射光電力の
関数として変化する。この性質を利用すると、非線形干
渉計の光学的信号路長は、入射光の電力が閾値レベル以
下のときに光電力がほとんど透過されないように選択さ
れる。入射光電力が閾値レベルを越すときには、屈折率
および非線形物質1405の光学的信号路長は入射光電力の
ほぼ100％を透過するよう変化する。第17〜19図に示す
線形干渉計と同様、非線形干渉計からも興味深い２つの
出力ビームが出る。１つは反射された出力ビーム1452で
あり、他方は透過された出力ビーム1453である。

第21図において、入出力光電力曲線1410は非線形干渉
計1401の光出力電力を光入力電力の関数として示す。こ
の入出力曲線は非線形干渉計が光学的論理NOR機能を如
何にして実行するかを説明するのに使用される。第20図
の考察に再び戻ると、入力電力レベル1460を有する光バ
イアス・ビーム1450は非線形干渉計をして、反射出力ビ
ーム1452が高論理出力電力レベル1461から低論理出力電
力レベル1462に急速に変化する第21図の入出力曲線上の
点にバイアスする。入力電力レベル1460をレベル1463に
上昇させる付加的電力は高論理レベル制御高ビーム1451
によつて提供される。高論理入力電力レベル制御ビーム
1451およびバイアス・ビーム1450が干渉計に入射する
と、反射出力ビーム1450は低論理出力電力レベル1462と
なる。バイアス・ビーム1450および低論理入力電力レベ
ル制御ビームがデバイスに入射していると、反射出力ビ
ームは高論理出力電力レベル1461にある。このようにし
て、非線形干渉計1401は光学的論理NORゲートとして動
作する。更に、透過出力ビーム1453は非線形干渉計が光
学的論理OR機能を実行するのに使用出来る。

更に他の光学的に非線形なデバイスとして前部表面で
光制御信号を受信し、後部表面から光出力信号を放射す
る液晶光バルブがある。このデバイスで本発明を実現す
ることも可能である。しかし、光出力信号を反射ホログ
ラムに向かわせ、次いでバルブの前部表面に向かわせる
ような適当な装置を設ける必要がある。

本発明の反射ホログラムは非線形光デバイス、特に光
論理NORゲートとして機能する光学的に非線形な光デバ
イスを光学的に相互接続する。複数個の反射ホログラム
がこれら光論理ゲートを光学的に相互接続して任意の所
望の光論理回路を形成する。

反射ホログラムの詳細な議論はエツチ・ジエー・コー
ルフイールド編の「光ホログラフイ・ハンドブツク」、
アカデミツク・プレス、1979年およびコリーア等「光ホ
ログラフイ」、アカデミツク・プレス、1971年で行なわ
れている。更にテイー・エツチ・ジエオング編の反射ホ
ログラム作成に関する一連の論文がプロシーテイングス
・オブ・ザ・インタナシヨナル・シンポジウム・オン・
デイスプレイ・アート・ホログラフイ、レイク・フオレ
スト・カレジ・ホログラフイ・ワークシヨツプ、イリノ
イ州レイク・フオレ1982年中に見出される。反射ホログ
ラフイの作成法に関しては当業者にあつては周知であ
る。しかし、非線形光デバイスを光学的に相互接続する
反射ホログラム101の如き本発明の反射ホログラムの作
り方に関しては以下で述べる。

第８図には非線形光デバイス121をデバイス123および
129に光学的に接続するべく写真乳剤の如く感光性の物
質中に光フリンジ・パターンを形成し、記憶させる装置
が示されている。露呈されていない写真乳剤500および
複数個の光学的に非線形な光デバイス121〜129が周知の
仕方で光学的に透明な物質505の平行表面503および504
に付着されている。例えば、光学的に透明な物質はシリ
コン・ガラスまたはサフアイアの如き熱伝導度の大きな
物質であつて良い。光学的に透明な物質は写真乳剤の露
光期間中およびフリンジ・パターンが乳剤中に完全に記
憶される処理期間中、２次元アレイ中に位置する非線形
デバイスおよび写真乳剤500を一定の平行位置関係に保
持する。透明物質の屈折率はフレネル反射を減少させる
ように選択される。しかし、先に述べたように、通過す
る光信号によつて発生される光をより均等に分布させる
理由からサフアイアが望ましい。

記録装置中にはまた露呈されていない写真乳剤の後部
表面111およびデバイス・アレイの前部表面130に夫々一
時的に付着されている例えば周知の電気的に動作する磁
気・光学アレイの如き空間光変調器マスク501および502
が含まれている。第８図に示すように、コヒーレント光
ビーム551はマスク501を通過し、コヒーレント光ビーム
552および553はマスク502を通過して夫々写真乳剤509の
外側表面111およびデバイス123ならびに129の外側表面1
30を照射する。

第９図は単一のコヒーレント・ビームからのコレーレ
ント光ビーム551〜553の導出を示している。市販のレー
ザの如きコヒーレント光源520からのコヒーレント光ビ
ーム570は市販の可変ビーム・スプリツタ521によつて２
つのコヒーレント光ビーム551および571に分割される。
ミラー522および523の如き１つまたはそれ以上の光ビー
ムの方向決定装置がコヒーレント基準ビーム551の方向
を決定して反射サブホログラム101に指定された乳剤500
の予め定められた領域を照射するよう配置されている。
コヒーレント・ビーム571は他のビーム・スプリツタ524
によつて２つの等電力のコヒーレント・オブジエクト光
ビーム552および553に分割される。この図示の実施例に
おいて、オブジエクト・ビーム552および553は基準ビー
ム551の光電力の1/2を有しており、ビーム・スプリツタ
524およびミラー525の如き１つまたはそれ以上の光ビー
ムの方向決定装置によつて夫々のデバイス123および129
の前部表面130を照射するべく方向付けられる。しか
し、コヒーレント・オブジエクト・ビーム552および553
の電力は相互接続を行う制御光ビーム153および154の電
力を夫々比例的に変化させるため異つていてもよい。

第８図に示す如く、基準光ビーム551はデバイス121の
受信および放射を行う表面115を照射するべく空間光変
調器マスク501によつて露光されている写真乳剤の後部
表面111の一部分を通過する。同様に、オブジエクト・
ビーム552および553は写真乳剤中の基準ビーム551と干
渉するよう空間光変調器マスク502によつて露光されて
いる夫々のデバイス123および129の前部表面130を通過
する。コヒーレント光源から写真乳剤へのコヒーレント
基準光ビーム551とコヒーレント・オブジエクト光ビー
ム552および553の各々の間の走行距離の差はビームのコ
ヒーレント長よりずつと小でなければならない。

反射サブホログラム101のための光フリンジ・パター
ンを乳剤中に形成するため、マスク501は周知の仕方で
電気的に作動され、コヒーレント基準光ビーム551のた
めの開口部を形成し、乳剤の後部表面111に加える。更
に、マスク502はまた電気的に作動され、コヒーレント
・オブジエクト光ビーム552および553のための開口部を
形成し、非線形デバイス123および129を夫々通過させ
る。オブジエクト・ビーム552および553は夫々デバイス
123および129を通過し、前部表面130を通して写真乳剤
に加えられる。基準ビーム551およびオブジエクト・ビ
ーム552ならびに553はほぼ平面波を成している。先に指
摘した如く、ビーム552および553の平面波はデバイスの
後部表面131から乳剤500の前部表面110にわずかに発散
する。オブジエクト・ビーム552および553は乳剤中にお
いて基準ビーム551と干渉し、３次元光干渉パターン、
更に詳細に述べると写真乳剤中に記憶される周知のブラ
グ・フイルタ光フランジ・パターンを形成する。同様
に、特定のサブホログラムに指定された写真乳剤の各々
の領域は露光され、相応する位置にあるデバイスと関連
する乳剤中に３次元光フランジ・パターンが形成され
る。写真乳剤の各々の指定された領域が個別に露光され
た後、空間光変調器マスク501および502は除去される。
次に露光された写真乳剤は周知の仕方で処理され、光フ
リンジ・パターンが永久的に記憶される。図示の如く、
元に記憶されていた光フリンジ・パターンはデバイス12
1〜129を光学的に相互接続するのに直接使用される。し
かし元々記憶されていたフリンジ・パターンはまたコピ
ーを複製するマスタとして使用される。

恒久的に記憶されたフリンジ・パターンは所望の論理
動作を実行するために予め定められた仕方でデバイス12
1〜129を光学的に相互接続する複数個の反射ホログラム
を形成している。第１図に示すように、相互接続出力光
ビーム152は反射サブホログラム101の前部表面110を照
射するが、これはフリンジ・パターンを形成するのに使
用されるコヒーレント光ビーム551の共役光ビームを成
している。共役光ビームは互いに丁度逆方向に伝播す
る。相互接続出力ビーム152に応動して、反射サブホロ
グラムの光フリンジ・パターンはデバイス123に対する
相互接続制御ビーム154およびデバイス129に対する相互
接続制御ビーム155を発生する。これら相互接続制御ビ
ームは夫々コヒーレント・オブジエクト光ビーム552お
よび553の共役光ビームである。実際、サブホログラム1
01の光フリンジ・パターンは光ビーム・スプリツタおよ
びミラーの組として機能し、相互接続出力光ビーム152
を夫々のデバイス123および129に対する相互接続制御光
ビーム154および155として分割し、反射する。従つて、
本発明の反射ホログラムは、複数個の光学的に非線形な
光デバイスを相互接続して任意の組合せまたは順序論理
回路を実現するソーチヤツクの論文（前出）で議論され
ている“空間変動”または“空間不変”装置のいずれで
も使用し得ることは明らかである。

第10図には入力端子IN₀とIN₁、夫々の出力端子OUT₀お
よびOUT₁ならびに制御端子Ｃを有する２×２のクロスバ
・スイツチ600の論理図が示されている。この周知の２
×２の組合せ論理クロスバ・スイツチは図示の如く相互
接続されたN0Rゲート601〜612より成る。説明の便宜
上、論理N0RゲートはまたＡ〜Ｌと名付けられ、４×４
のアレイ３行に配置されているが２×２クロスバ・スイ
ツチを形成するべく相互接続されている。

第11図にはＡ〜Ｐと名付けられたノードの４×４のア
レイ３行上のNORゲート601〜612の相互接続を示すノー
ド線図である。このノード線図はまた相応する２×２の
光クロスバ・スイツチを適当に配置し、相互接続するこ
とにより光学的に非線形な光デバイスの４×４アレイを
形成する仕方を示している。ノードＡ〜Ｌは論理ゲート
601〜612を夫々表わす。ノードＡ〜Ｌはまた４×４の光
学的に非線形な光デバイス・アレイの３行を表わし、ノ
ードＭ〜Ｐは光デバイス・アレイの第４の行を表わして
いる。線はクロスバ・スイツチを形成するのに必要なNO
Rゲート601〜612の相互接続を表わすだけでなく、相応
する２×２の光クロスバ・スイツチを形成するのに必要
な反射サブホログラムの各々からの必要な相互接続光ビ
ームを表わしている。巨視的には“空間変化”相互接続
装置中の反射サブホログラムの各々は相応する位置にあ
る光学的に非線形なデバイスからの単一の相互接続出力
光ビームを分割および反射して必要な数だけの制御ビー
ムを形成する。

先に述べた如く、２×２の光クロスバ・スイツチは４
×４の２次元アレイに配置された16個の光学的に非線形
な光デバイスと、該デバイスを第11図のノード線図に示
すように相互接続するやはり４×４の２次元アレイは配
置された複数個の反射サブホログラムより成る。光スイ
ツチは反射出力ビームを素子ＪおよびＬの後部表面から
前部表面に通過させるために図示のスイツチ600より２
つ多くのデバイス（ノードＮおよびＰ）を必要とする。

第12図には双安定自己電子・光学効果デバイス（SEE
D）801〜816の４×４のアレイ800と第11図のノード線図
に示すように光学的にSEEDアレイを相互接続する反射サ
ブホログラム821〜836の４×４のアレイ820より成る２
×２の光クロスバ・スイツチ850が示されている。デバ
イス801〜816は夫々ノードＡ〜Ｐに相応し、第12図でも
同じ名称が付されている。コヒーレントまたはインコヒ
ーレント光源（図示せず）がバイアス光ビーム815〜862
と共にSEED801〜812の前部表面817を照射する。これら
の光バイアス・ビームはSEED801〜812を光論理NORゲー
トとして機能させる。双安定デバイス813〜816は光源か
ら遮蔽されており、その入射電力に依存して光信号を吸
収または通過させる。

第10〜12図を参照すると、２×２のクロスバ・スイツ
チの出力端子OUT₀および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および相応する入力端子IN₀
およびIN₁上の入力信号の論理レベルに依存する。この
図示の実施例では、高論理レベル信号が制御端子Ｃに加
えられるときスイツチは“閉じた状態”にある。その結
果、入力端子IN₀上の論理レベルは出力端子OUT₁に切換
えられ、入力端子IN₁上の論理レベルは出力端子OUT₀に
切換えられる。低論理レベルが制御端子Ｃに加えられる
と、スイツチは“バー状態”となり、入力端子IN₀およ
びIN₁の各々の上の論理レベルは夫々相応する出力端子O
UT₀およびOUT₁に切換えられる。このことはもちろん相
応するクロスバ・スイツチ600および850において論理レ
ベル信号の組を入力および制御端子に加え、スイツチの
NORゲートから出力端子へ論理レベルをトレースするこ
とにより検証される。

第12図に示すように、光入力源端子IN₀からの低論理
レベル制御光ビーム840Lは光NORゲート801に加えられ、
夫々の入力および制御源端子IN₁およびＣからの高論理
レベル制御ビーム863Hおよび864Hは夫々の光NORゲート8
02および803に加えられる。従つて光クロスバ・スイツ
チ850は“閉じた状態”となる。その結果、光NORゲート
810は高論理レベルの相互接続出力光ビーム873Hを光出
力受信器端子OUT₀に放射し、光NORゲート812は低論理レ
ベルの相互接続出力光ビーム841Lを光出力受信器端子OU
T₁に放射する。SEEDアレイ800の前部表面817から高論理
レベルの相互接続出力光ビーム873Hを通過させるため
に、反射サブホログラム830は高論理レベル相互接続出
力ビーム873HをSEED814に反射する。バイアス・ビーム
はSEED813〜816のいずれにも入射しないから、高論理レ
ベル相互接続出力ビーム873HはSEED814を通して出力受
信器端子OUT₀に通過する。同様にSEED816は低論理レベ
ルの相互接続出力光ビーム841Lを反射サブホログラム83
2から光出力受信器端子OUT₁に通過させる。

第10および11図に示された相応する２×２のクロスバ
・スイツチ600および850の論理動作を検証するために、
入力論理レベル制御信号の前述の組合せが２つのクロス
バ・スイツチの相応する入力に加えられる。光クロスバ
・スイツチ850に関しては、バイアス光ビーム851は低論
理レベルの入力制御ビーム840Lと共に光NORゲート801に
入射するので、バイアス・ゲームは該ゲートを通過し、
高論理レベル相互接続出力ビーム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821は夫
々の光NORゲート805および808に対する高論理レベルの
相互接続制御ビーム866Hおよび867Hとして出力ビーム86
5Hを分割し、反射する。

第12図中の多数の交差する線によつて生じる混乱を最
小化するため、反射サブホログラム821〜832の各々の上
のドツトのアレイはSEED801〜816の相対的な中心位置を
表わす。サブホログラム上の光論理素子の相対的中心位
置に位置する影を施した矩形は出力ビームがどの論理素
子に反射されているかを示している。例えばサブホログ
ラム821は２つの影を施した矩形を有しているが、１つ
は論理素子805の相対的中心位置にある。このようにし
て論理素子801からの相互接続出力光ビームは素子805お
よび808に分割されて反射される。

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ゲートに入射するとき、光NORゲートは先に述
べた如く殆んどの入射光を吸収し、低論理レベルの光出
力信号は相応する反射サブホログラムに放射される。こ
のことは高論理レベルの入力制御ビーム863Hおよび864H
が入射しているとき夫々低論理レベルの相互接続出力ビ
ーム843Lおよび844Lを放射する光NORゲート802および80
3に関しても成り立つ。反射サブホログラム822は夫々の
光NORゲート806および807に対する低論理レベルの相互
接続制御ビーム845Lおよび846Lとして相互接続出力光ビ
ーム843Lを分割し反射する。同様に反射サブホログラム
823は夫々のNORゲート804、806および808に対する低論
理レベルの相互接続制御ビーム847L、848Lおよび849Lと
して相互接続出力ビーム844Lを分割し、反射する。

入力端子IN₀からの低論理レベル入力信号640Lが単一
の入力NORゲート601に加えられるときのクロスバ・スイ
ツチの入力制御信号の組合せが第10図に示されている。
単一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および667Hを夫々のNORゲート605
および608の入力を制御する。入力端子IN₁から単一入力
NORゲート602へ高論理レベルの入力制御信号663Hを加え
ると、該ゲートは高論理レベル信号を反転し、低論理レ
ベル制御信号645Lおよび646Lを夫々のNORゲート606およ
び607に送出する。同様に、高論理レベル制御信号664H
を制御端子Ｃから単一入力NORゲート603に加えると、該
ゲートは夫々のNORゲート604、606および608に低論理レ
ベルの制御信号647L、648Lおよび649Lを送出する。

単一の入力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および670Hを夫々のNO
Rゲート605および607の入力に送出する。この様子が第1
2図に同様に示されており、この場合には低論理レベル
の相互接続制御ビーム847Lは光NORゲート804の後部表面
818に入射している。その結果、該ゲートはバイアス・
ビーム854を通過させ、高論理レベルの相互接続出力ビ
ーム868Hを反射サブホログラム824に放射させる。反射
サブホログラム824は夫々の光NORゲート805および807に
対する相互接続制御ビーム869Hおよび870Hとして相互接
続出力ビーム868Hを分割し、反射する。

再び、NORゲートの任意の入力に高論理レベル信号を
加えると、その出力信号は低論理レベルとなる。このこ
とは第10図のNORゲート605、607および608ならびに第12
図の相応する光NORゲート805、807および808に対しても
言える。しかし、NORゲートのすべての入力に低論理レ
ベル信号を加えると、ゲートの出力信号は高論理レベル
となる。第10図に示されているように、NORゲート606お
よび611の入力すべてに低論理レベル信号（Ｌ）が加わ
ると各出力信号は高論理レベル（Ｈ）となる。このとき
NORゲート609の入力に高論理レベル信号が加わると、出
力信号は低論理レベル（Ｌ）となる。この様子が第12図
に示されている。即ち光NORゲート806および811は夫々
のバイアス・ビーム856および861を夫々相応する高論理
レベル相互制御出力ビーム871Hおよび875Hとして通過さ
せる。反射サブホログラム826は出力ビーム871Hを光NOR
ゲート809に対する高論理レベルの相互接続制御ビーム8
76Hとして反射する。一方、反射サブホログラム831は相
互接続出力ビーム875Hを光NORゲート812に対する高論理
レベル相互接続制御ビーム872Hとして反射する。

高論理レベルの相互接続制御ビーム872Hが入射する
と、光NORゲート812は入射光の殆んどを吸収し、低論理
レベルの相互接続出力ビーム841Lを反射サブホログラム
832に放射する。反射サブホログラムは相互接続出力ビ
ーム841LをバイアスされていないSEED816を通して光出
力受信器端子OUT₁に反射する。この様子が第10図に示さ
れており、高論理レベル信号が単一入力NORゲート612に
加えられており、クロスバ・スイツチの端子OUT₁上の該
ゲート612の出力信号は低論理レベルとなる。低論理レ
ベル信号を単一の入力NORゲート610に加えるとクロスバ
・スイツチの出力端子OUT₀上には高論理レベル出力信号
（Ｈ）が現れる。この様子が第12図に示されており、光
NORゲート810は先に述べた如くバイアス・ビーム860を
高論理レベル相互接続出力ビーム873Hとして通過させ
る。次に反射サブホログラム830はこの出力ビームをバ
イアスされていないSEED814を通して光出力受信器端子O
UT₀に反射する。

“クロス状態”にあるクロスバ・スイツチの動作を簡
単に要約すると、高論理レベル信号が制御端子Ｃに加え
られるとき、入力端子IN₀およびIN₁の各々の上の信号の
論理レベルは夫々反対側の出力端子OUT₁およびOUT₂に切
換えられる。同様に“バー状態”にあるクロスバ・スイ
ツチ600および850の動作も容易に検証できる。即ち、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およびIN₁上の各信号の論理レベルは相応する出力端
子OUT₀およびOUT₁に夫々切換えられる。

反射ホログラムは光学的に非線形な光デバイスを相互
接続して光クロスバ・スイツチの如き組合せ論理回路を
形成することが出来るが、それ以外にも反射サブホログ
ラムのアレイもまた光学的に非線形なデバイスのアレイ
を相互接続して任意の順序論理回路を形成することが出
来る。組合せ論理回路とは対照的に、順序論理回路は典
型例では少なくとも１つのフイードバツク路を有してお
り、該フイードバツク路は例えばデイジタル・プロセツ
サで実行される種々のタイミングおよびメモリ機能を提
供している。例えば周知のクロツクによつて動作するJK
フリツプ・フロツプ論理回路1000の論理図が第14図に示
されている。これは組合せ光論理回路と順序光論理回路
とを組合せたものであるので、このクロツクによつて動
作するJKフリツプ・フロツプ論理回路はまた極めて基本
的なデイジタル・プロセツサであると考えられることが
出来る。このフリツプ・フロツプ回路は図示の如く相互
接続された1001〜1006の如き論理NORゲートのみより成
る。図示の２×２の組合せ論理スイツチ600と対照的
に、クロツクによつて動作するJKフリツプ・フロツプ回
路1000は４つの別個のフイードバツク路を含んでいる。
詳細に述べると、NORゲート1006の出力はNORゲート1007
の１つの入力にフイードバツクされ、同様のNORゲート1
007の出力はNORゲート1006の１つの入力にフイードバツ
クされる。第３のフイードバツク路はNORゲート1007の
出力信号をNORゲート1004の入力にフードバツクしてお
り、最後のフイードバツク路はNORゲート1006の出力をN
ORゲート1005の入力に接続している。

組合せ論理回路600に対して使用されているのと類似
の仕方で、クロツクによつて動作するJKフリツプ・フロ
ツプ回路1000は第15図に示すように相応する入力、出力
および相互接続を有するノード線図に容易に帰着させる
ことが出来る。NOR論理ゲート1001〜1007はノードＡ〜
Ｇに夫々相応し、夫々Ａ〜Ｇと名付けられている。第15
図のノード線図から、反射サブホログラムのアレイによ
り光論理NORゲートの相応するアレイを光学的に相互接
続してクロツクによつて動作するJKフリツプ・フロツプ
回路1000を実現することが出来る第16図にはクロツクによつて動作する光JKフリツプ・
フロツプ論理回路1000を実現する夫々Ａ〜Ｉと名付けら
れたSEED1201〜1209の如き光学的に非線形な光デバイス
のアレイ1200が示されている。更に、この光論理装置は
また光デイジタル・プロセツサと考えることが出来る。
インコヒーレントまたはコヒーレント光源（図示せず）
が夫々バイアス・ビーム1251〜1257によつてデバイス12
01〜1207の前部表面1210を照射している。デバイス1208
および1209は前部表面1210から出力光ビームを放射する
が、光源からは例えば平面ミラーによつてシールドされ
ている。バイアス・ビーム1251〜1257は夫々のSEED1201
〜1207を光論理NORゲートとして機能させる。

反射ホログラム1220はゲート・アレイ1200からの相互
接続出力光ビームを分割し、かつ反射して論理回路1000
に類似したクロツクによつて動作するJKフリツプ・フロ
ツプ光論理回路を形成する。反射ホログラムは複数個の
反射サブホログラム1221〜1229より成り、各サブホログ
ラムは論理ゲート・アレイ1200の相応する位置にあるSE
EDとユニークな関連を有している。光学的に透明な物質
1240は反射ホログラム1220の前部表面1230と光NORゲー
ト・アレイ1200の後部表面1211を一定の平行位置関係に
保持し、それによつて各々の反射サブホログラムの前部
表面が光NORゲートの相応する位置にある後部表面と直
接面するようにする。

先に述べた如く、各々の反射サブホログラムは少くと
も２つの一般に反対方向のコヒーレント光ビームに露呈
されており、それによつて周知の仕方で写真乳剤中に恒
久的に記憶される光フリンジ・パターンが形成される。
処理後、恒久的に記憶されたフリンジ・パターンは反射
サブホログラム1221〜1229となる。

説明の便宜上、各反射サブホログラムは９個のドツト
のアレイを有しているものとする。ここで９個のドツト
のアレイは光信号が受信あるいは放射される各々の光NO
Rゲートの相対的中心位置を示している。ここで再び、
影を施した矩形は出力ビームがそこに向つて反射される
アレイ1200中の光NORゲートの相対位置を表わす。

各々の反射サブホログラムの光フリンジ・パターンに
よつて形成された予め定められた光の相互接続を検証す
るためには特定のゲートに対する各々の反射サブホログ
ラムの影を施した矩形と第15図の相応するノードから出
て行く線を比較しさえすればよい。３×３のSEED1201〜
1209のアレイは夫々第15図のノードＡ〜Ｈの３×３のア
レイに相応する。反射サブホログラム1221の影を施した
矩形は光NORゲート1201（ノードＡ）からの相互接続出
力ビームが光NORゲート1204に対する相互接続制御ビー
ムとして反射されることを示している。このことは第15
図のノード線図にも示されている。光学的相互接続は反
射サブホログラム1222〜1227に対しても同様に検証する
ことが出来る。

反射サブホログラム1221〜1227の光学的相互接続の検
証を行えば、第16図のクロツクによつて動作する光学的
JKフリツプ・フロツプ回路と第14図に示すクロツクによ
つて動作するJKフリツプ・フロツプ回路1000の論理回路
との機能的比較は容易に実行可能である。この機能的比
較は２つの回路が同等の機能を実行することを検証する
ことである。

簡単に述べると、クロツクによつて動作するJKフリツ
プ・フロツプはＪおよびＫ端子に同時に信号が加えられ
る場合を除き、周知のセツト・リセツト（SR）フリツプ
・フロツプと機能的に同一である。更に、JKフリツプ・
フロツプの将来の出力信号はその現在の状態の関数であ
る。この例では、JKフリツプ・フロツプはＪおよびＫ端
子に信号が同時に加えられるとクロツク信号の立上りエ
ツジでトグル・スイツチ、即ち状態を反転するよう設計
されている。JKフリツプ・フロツプのセツトおよびリセ
ツト入力は回路のクロツク入力より優先する。しかし、
この回路の動作をより良く理解するために、セツトおよ
びリセツト入力の論理レベルは不活性状態に留まるもの
とする。

従つて、ＪおよびCLK入力端子に高論理レベル信号
（Ｈ）を加え、入力端子Ｋに低論理レベル信号（Ｌ）を
加えると、出力端子ＱおよびＱ上の出力信号は夫々高論
理レベルおよび低論理レベルとなる。この様子は第16図
に示されており、高論理レベル制御ビーム1261Hおよび1
262Hが夫々の光NORゲート1201および1202に加えられて
おり、低論理レベル光ビーム1276Lが光NORゲート1203に
加えられている。その結果、光NORゲート1207は高論理
レベル相互接続出力ビーム1265Hを放射し、反射サブホ
ログラム1227は該ビームを高論理レベル相互接続フイー
ドバツク制御ビーム1266Hおよび1267Hならびに高論理レ
ベル相互接続出力ビーム1268Hとして分割し、反射す
る。バイアスされていないSEED1208は高論理レベル出力
ビーム1268HをＱ出力端子の通過させる。

第14図に示す如く、相互接続されたNORゲート1006お
よび1007の状態はどのような信号がNORゲート1004およ
び1005にフイードバツクされるかを決定する。最初NOR
ゲート1006からの出力信号は高論理レベル（Ｈ）にあ
り、NORゲート1005および1007にフイードバツクされる
ものと仮定する。更にNORゲート1007からの出力信号は
低論理レベル（Ｌ）にあり、該出力信号はNORゲート100
4および1006にフイードバツ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）に
あるので、NORゲート1005の出力信号はNORゲート1006か
らゲート1005の入力にフイードバツクされる出力信号と
は無関係に低論理レベル（Ｌ）である。しかし、NORゲ
ート1004の２つの入力制御信号は低論理レベル（Ｌ）で
あるから、NORゲート1007からフイードバツクされる出
力信号はNORゲート1004からの出力信号の論理レベルを
決定する。まず第１に、NORゲート1006および1007のセ
ツトおよびリセツト入力端子の論理レベルは該ゲートと
して予め定められた出力レベルとするので、これら入力
端子は不活性状態、この場合には低論理レベルであると
仮定される。次に、ゲート1004の出力信号は高論理レベ
ルとなり、NORゲート1006の入力に加えられる。これに
よりNORゲート1006および1007の状態は変化し、NORゲー
ト1006からの高論理レベル信号はNORゲート1005にフイ
ードバツクされる。これにより最終的に、NORゲート100
6および1007の出力信号は夫々低論理レベルおよび高論
理レベルとなる。

この状態はまた第16図において容易に検証される。即
ち、第16図の光学的に相互接続されたクロツクによつて
動作するJKフリツプ・フロツプは第14図に示すクロツク
によつて動作するJKフリツプ・フロツプ回路1000と等価
な機能を果すことが分る。

前述の光学的組合せおよび順序論理回路は単に本発明
の原理を示すものであり、更に複雑な光学的デイジタル
・プロセツサを含む任意の他の光学的論理回路を本発明
の精神と範囲を逸脱することなく当業者において考案し
得ることを理解されたい。詳細に述べると、反射サブホ
ログラムのアレイおよび光学的に非線形なデバイスを用
いてメモリ機能および並列処理を実行することが出来
る。更に、論理ゲートの各々のアレイの光学的入出力信
号をまた相互接続あるいはカスケード接続して任意の大
きさの所望の論理回路を形成することが出来る。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−217359（ＪＰ，Ａ) 「ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ」Ｖｏｌ．23 Ｎｏ．19 1984−10 Ｐ．3455− 3464「Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｏｐｔｉｃａｌｌａｇｉｃｉｎｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ」Ｂ．Ｋ．Ｊｅｕｋｉｎｓ他

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに向き合った第１の表面（130）およ
び第２の表面（131）を有し、所定のしきい値レベル以
下の入射光に対し第１の光伝送状態そして該所定のしき
い値レベルより大きい入射光に対し第２の光伝送状態を
とる光学的に非線形な光デバイスであって該第１の表面
が該所定のしきい値レベル以下のバイアス光ビームによ
り照射されるものである複数個の光デバイスと、該複数
個の光デバイスのいくつかのものを相互接続するために
用いられるホログラムとを含む光論理装置において、該複数個の光デバイス（121ないし129）は、第１の平面
に位置づけられ、該ホログラム（100）は該第１の平面
に対してほぼ幾何学的に平行な第２の平面に位置づけら
れ、該光デバイスの各々は固定的に位置づけられた該第
１の表面（130）の第１の光・放射および受信エリヤ（1
14）および該第１の光・放射および受信エリヤの裏面に
該当する該第２の表面（131）の第２の光・放射および
受信エリヤ（115）を有し、該光デバイス（121ないし12
9）の第１のもの（121）は第１の光・放射および受信エ
リヤ（114）にて受信された該バイアス光ビームと協動
したとき該所定のしきい値レベルを超える大きさのパワ
ーを提供する第１の制御光ビーム（157）に応動して第
１の光・放射および受信エリヤ（114）に照射された該
バイアス光ビームを第１の出力光ビーム（152）として
通過させるためのものであり、該ホログラムは該第１の
出力光ビーム（152）に応動してそれを該光デバイスの
第２のもの（123）に対して該バイアス光ビームと協動
したとき該所定のしきい値レベルを超える大きさのパワ
ーを提供する第２の制御ビーム（154）として反射して
もどすための反射ホログラム（101）であり、該第２の光デバイス（123）は第２の光・放射および受
信エリヤにて受信された該第２の制御光ビーム（154）
に応動してその第１の光・放射および受信エリヤに照射
されたバイアス光ビームを第２の出力光ビームとして通
過させるためのものであることを特徴とする光論理装
置。
【請求項２】請求の範囲第１項に記載の装置において、該反射ホログラム（101）は、さらに該第１のデバイス
（121）からの該第１の出力光ビーム（152）に応動して
第３のデバイス（129）に該バイアス光ビームと協動し
たとき該所定のしきい値レベルを超える大きさのパワー
を提供する第３の制御光ビーム（155）を反射してもど
すためのものであり、そして該第３のデバイス（129）
は第２の光・放射および受信エリアに受信された該第３
の制御光ビーム（155）に応動してその第１の光・放射
および受信エリアに照射されたバイアス光ビームを第３
の出力光ビームとして通過させるためのものであること
を特徴とする光論理装置。
【請求項３】請求の範囲第１項または第２項に記載の装
置において、該デバイスの各々は、非線形干渉計から成るものである
ことを特徴とする光論理装置。
【請求項４】請求の範囲第１項、第２項または第３項に
記載の装置において、該装置は、さらに該複数個の光デバイス（121ないし12
9）を該反射ホログラム（500）に位置的に相対して保持
するための互いに向き合った第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（８図、505）を含み、該反射ホログラム（500）は該
スペーサ材料（505）の該第１の表面（504）に固定的に
位置づけられ、該複数個のデバイス（121ないし129）は
該スペーサ材料の該第２の表面上に固定的に位置づけら
れたものであることを特徴とする光論理装置。
【請求項５】請求の範囲第１項、第２項、第３項または
第４項に記載の装置において、該反射ホログラムは、該デバイス（121ないし129）の該
第２の表面（131）に面するほぼ平坦な表面を有する感
光材料の反射サブホログラム（１図、101ないし109）の
配列からなり該サブホログラム（101ないし109）の各々
は該感光材料に形成され、かつ該第２の光・放射および
受信エリア（115）の個々のものに対向する光縞パター
ンを有するものであり、該光縞パターンの各々は光縞パ
ターンに対向する該デバイスの１つのもの（121）から
の出力光ビーム（152）に応動して付勢され該１つのデ
バイス（121）との光学的相互接続のため該デバイスの
他のものの各々（123、129）に対して個々の制御光ビー
ム（153、155）を反射させるためのものであることを特
徴とする光論理装置。