JPH09213083A - 光メモリ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積化を可能とする光メモリ素子を提供する
こと。 【解決手段】 光の入射により電流を発生させる光検出
素子２と、その光検出素子２と直列に接続され光検出素
子２からの電流供給を受けて発光すると共にその光を光
検出素子２側へ帰還する発光素子３とを備えて構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光メモリ素子に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光メモリ素子の公知先行技術は多種多様
である。そのような光メモリ素子として、例えば、レー
ザダイオードの非線形性を利用してヒステリシスを発生
されるものやトランジスタと組み合わせて非線形性を利
用するものなどが知られている。その光メモリ素子の中
で実用的に重要なものとしては、光電子集積回路として
集積でき光演算に使用し得るものである。すなわち、Ｌ
ＳＩにおけるＲＡＭなどの半導体メモリの存在は必要不
可欠であり、近年、メモリ容量の増大化と処理速度の高
速化が要求され微細加工技術が不断に求められている。
そのような要求を満たすべき光メモリ素子の開発が切望
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光メモリ素子にあっては、半導体メモリに匹敵するよう
なものが存在していない。すなわち、従来の光メモリ素
子は、１ビット当りの消費電力が大きく、またその占有
面積が大きいために、半導体メモリのような集積回路と
して集積化できるには至っていない。例えば、半導体メ
モリ素子の平均消費電力が０.１μＷ程度であるのに対
し、半導体レーザ素子は１０ｍＷ程度の消費電力を必要
としているのが現状である。

【０００４】そこで本発明は、このような問題点を解消
するためになされたもので、集積化を可能とした光メモ
リ素子を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、光の入射
により電流を発生させる光検出素子と、その光検出素子
と直列に接続され光検出素子からの電流供給を受けて発
光すると共にその光を光検出素子側へ帰還する発光素子
とを備え、発光素子からみてその内部抵抗より大きな外
部抵抗を等価的に有するようになされ、また、光検出素
子からみてその内部抵抗より充分大きな外部抵抗を有す
るようになされたことを特徴とする複合型光メモリ素子
である。

【０００６】このような発明によれば、光検出素子に外
部からの入射光（セット光）が照射されることにより、
その光検出素子から発光素子に電流が供給される。その
電流供給を受けて発光素子が発光して、その光は出力光
となる共に、その一部は光検出素子側へ帰還されて光検
出素子に入射される。このため、光検出素子は発光素子
からの光を受けてその発光素子に電流を供給し続ける。
従って、セット光の照射が停止しても発光素子の発光状
態は維持され、光検出素子及び発光素子以外の能動素子
を用いることなく記憶素子として機能することとなる。

【０００７】また本発明は、前述の光メモリ素子におい
て、光検出素子の内部抵抗より大きな抵抗値を等価的に
有し光検出素子と直列に接続される第一外部抵抗と、発
光素子の内部抵抗より大きな抵抗値を有し、発光素子と
直列に接続される第二外部抵抗とを備えたことを特徴と
する。このような発明によれば、第一外部抵抗により光
検出素子を流れる電流が制限され、第二外部抵抗により
発光素子を流れる電流が制限される。このため、発光素
子及び光検出素子により微小な光パワーで動作する発光
受光系が構成されることとなる。

【０００８】また本発明は、前述の発光素子と並列にそ
の発光素子の消光用の光検出素子が設けられていること
を特徴とする。このような発明によれば、その消光用の
光検出素子にリセット光を照射することにより、発光し
ている発光素子を消光させることが可能となる。

【０００９】更に本発明は、前述の光メモリ素子におい
て、光検出素子が並列に複数設けられ、また、発光素子
が直列に複数設けられていることを特徴とする。このよ
うな発明によれば、光検出素子から供給される光出力電
流が大きくなると共に、その同一の電流に対して発光素
子から発せられる光強度が大きくなる。このため、受光
発光系における内部光帰還の量子効率が向上し、発光素
子の発光状態を確実に維持することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき、本発明
に係る光メモリ素子の実施形態の種々の例について説明
する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して
説明を省略する。

【００１１】（実施形態１）図１は光メモリ素子１の概
略図である。図１において、光メモリ素子１は、直列に
接続した光検出素子２と発光素子３を備えており、光検
出素子２を通じて発光素子３に電流が流れる構造となっ
ている。光検出素子２は、受光より電流を発生する素子
であって、所定の電圧が印加された状態において光が照
射されることにより電流を生ずるようになっている。一
方、発光素子３は、電流が流れることにより発光する素
子である。これらの光検出素子２及び発光素子３はその
発光素子２から発せられる光が光検出素子２へ帰還され
て入射されるように配設されている。すなわち、発光素
子３の発光により、その光が所定の帰還手段を介して光
検出素子３へ入射されて、光検出素子２が電流を発生す
るようになっている。光の帰還手段としては、光ファイ
バ、鏡体などを用いることができるが、光集積回路内で
光検出素子２及び発光素子３を隣接させて配し発光素子
３の光が光検出素子２へ直接入射されるようにするのが
望ましい。また、チップ内導光路を帰還手段として、そ
のチップ内導光路を通じて光を導くなどして集積回路化
を図ってもよい。なお、光検出素子２と発光素子３は、
光検出素子２から流れ出る電流が発光素子３へ流れ込む
ような構造となっていれば、図１の如く連続して接続さ
れていなくてもよい。

【００１２】このような光メモリ素子１によれば、光検
出素子２へセット光４が一度照射されると、その照射が
途絶えても発光素子３の発光状態が維持されることとな
る。すなわち、図１のように、光検出素子２と発光素子
３の両端に電圧を印加した状態において、光検出素子２
へセット光４が照射されると、その光検出素子２内を流
れる電流が増加する。この電流の増加分が光検出素子２
から発光素子３へ流れ、その電流供給により発光素子３
が発光する。その際、発光素子３から発せられる光は、
光メモリ素子１の出力光５となると共に、その一部が帰
還光６となって光検出素子２へ帰還され入射される。光
検出素子２は、その帰還光６を受けることにより、発光
素子３へ電流を供給し続ける。従って、光検出素子２へ
のセット光４の照射が停止しても、光検出素子２からの
連続的な電流供給により、発光素子３の発光状態が維持
されることとなる。なお、その状態から発光素子３を消
光させる場合は、光検出素子２と発光素子の間の電位を
一時的に降下させる消光手段を設けておけばよい。この
ように、セット光４の入力により、発光素子３の消光状
態及び発光状態が任意に制御できる。従って、光の入力
により、発光素子３の消光・発光を通じて１ビットのデ
ータとして記憶することができ、そのデータを光により
出力することが可能となる。このように、光メモリ素子
１は、光フリップフロップ回路というべきものであり、
ＬＳＩにおけるＲＡＭ又はフラッシュメモリなどに相当
するものである。これらの原理は当然公知である。

【００１３】ところで、このような光メモリ素子１にお
いて、光検出素子２へのセット光４の照射により発光素
子３が連続的に発光し続けるためには、発光素子３から
光検出素子２への光帰還におけるループ利得が１以上で
なければならない。その点については、公知の技術を応
用することができる。たとえば、光検出器をナダレ型増
倍素子としたり、増倍器を組込むこともできる。また、
本発明の場合、光伝導型検出による増倍を利用すること
も特に効果的である。

【００１４】また、光メモリ素子１にあっては、発光素
子３から光検出素子２への光帰還において光入力−光出
力の間に定常的負性抵抗を発生させ、光検出素子２及び
発光素子３に適当なバイアス設定を行うことにより、ル
ープ利得を１以上とすることができる。このような光入
力−光出力間の光帰還において、定常的負性抵抗を利用
してループ利得を１以上としたものとしては、文献「Ａ
ｎｎｕａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，ＡＴＲＣ Ｕｎｉｖ．ｏｆ
Ｃａｎｂｅｒｒａ，１９９４年，ｐ９，Ｐ．Ｊ Ｅｄ
ｗａｒｄｓ他」に示されるものが知られている。但し、
この文献に示されるものは、弛張発振器に関するもので
あって光メモリ素子に関するものではない。

【００１５】次に、光メモリ素子１の具体的な構成例に
ついて説明する。図２に示されるように、例えば、光メ
モリ素子１は、光検出素子２及び抵抗Ｒ２を直列に接続
したものと抵抗Ｒ１及び発光素子３を直列に接続したも
のとを並列に配線し、光検出素子２及び抵抗Ｒ２の間と
抵抗Ｒ１及び発光素子３との間に抵抗Ｒ３を接続して構
成される。これは格子型ブリッジ構成であって、オン時
とオフ時に非平衡の差電流が発生するようになってい
る。

【００１６】発光素子３は、電流が流れることにより光
を出力するものであって、微弱な電流により発光するも
のが用いられ、例えば、発光ダイオードが採用される。
もちろん、微弱な電流により発光するものであれば、レ
ーザダイオードなどその他のものであってもよい。この
発光素子３は、光メモリ素子１における出力手段である
と共に、その出力光の一部を光検出素子３への帰還して
照射する機能を有する。また、発光素子３には抵抗Ｒ１
が直列に接続されており、この抵抗Ｒ１により発光素子
３に流れ込む電流が制限されている。この抵抗Ｒ１は、
少なくとも発光素子３からみてその発光素子３の内部抵
抗より大きい抵抗値を有するものとされ、好ましくは発
光素子３の内部抵抗より十分に大きな抵抗値を有するも
のが用いられる。抵抗Ｒ１のような高抵抗を発光素子３
の電流供給経路に接続することにより、発光素子３へ微
小な定電流が供給されて、サブポアソン状態で発光素子
３が発光することとなる。すなわち、発光素子３の内部
抵抗に対し直列の抵抗Ｒ１が十分に大きいと、回路内に
おいて抵抗Ｒ１の抵抗値によって決定される定電流が流
れることとなり、その定電流の供給により発光素子３か
ら揺らぎなどの雑音の少ない光が発せられることとな
る。このような雑音抑圧方式を具えた発光素子は公知で
ある。しかし、これと光検出素子とを組み合わせた例は
ない。

【００１７】一方、光検出素子２は、光の照射により電
流を発生させ、前述の発光素子３へ電流を供給するもの
であって、例えば、逆バイアスしたＰＮ接合ダイオード
が用いられる。逆バイアスＰＮ接合ダイオードは、光を
照射していないときの暗電流を低減することができる
が、内部抵抗が高いため低雑音化スクイズ光子分布を実
現するのに適当でない場合がある。すなわち、光を照射
された際に発生する電流において揺らぎ等の雑音を生じ
てしまうおそれがある。このため、光検出素子２とし
て、光導電型素子を用いてもよい。この光導電型素子に
あっては、オーミック接触の電極を用いるため逆バイア
スで用いる必要はなく、その内部抵抗が小さくなり、使
用目的に適合している。この光導電型素子は、内部抵抗
が小さいため高インピーダンスの外部抵抗（抵抗Ｒ２又
は抵抗Ｒ３）を直列に接続することにより、電流の揺ら
ぎ雑音を抑制でき有利である。また、光導電型素子は、
その内部で光電増倍特性を有するため出力信号が大きく
光電変換の量子効率がみかけ上１に近くなり、前述の電
流の揺らぎ雑音の減少し、低雑音化の向上が図れる。な
お、光検出素子２は、光の照射により電流を発光素子３
へ電流を供給できるものであれば、その他公知のもので
あってもよい。

【００１８】また、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３には少なくと
も光検出素子２の内部抵抗より大きい抵抗値を有するも
のを用いる。更に、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は、発光素
子３と光検出素子２による光帰還においてループ利得が
１より大きくなるように適宜定数の設定を行えばよい。
なお、その光帰還のループ利得を大きくするために、図
３に示すように複数の光検出素子２を並列に配設する場
合もある。また、図４に示すように複数の発光素子３を
直列に配設する場合もある。これらのように複数の光検
出素子２及び発光素子３を用いることにより、光検出素
子２から供給される電流が大きくなると共に、発光素子
３から発せられる光強度が大きくなる。このため、光検
出素子２及び発光素子３による受光発光系における光帰
還の量子効率が向上し、発光素子の発光状態を確実に維
持することができる。従って、電子式増幅器を使用しな
くても光検出素子２、発光素子３間で増幅できる。この
場合は、電子式のように雑音が増幅されることもない。

【００１９】上記したように、発光素子と抵抗とを組合
わせた例は公知であるが、光検出素子と抵抗とを組み合
わせて光検出の用途に用いた例は全くない。もちろん、
発光素子、光検出素子、消光用素子などの組合せに対し
て抵抗を組み合わせる例は全くない。

【００２０】このような光メモリ素子１によれば、発光
素子３及び光検出素子２で微小な光パワーで動作する発
光受光系を構成することにより、光メモリ素子１の消費
電力及び占有面積が小さくでき、光メモリ素子１が集積
化メモリ素子として実現化が可能となる。

【００２１】（実施形態２）次に光メモリ素子１のその
他の実施形態について説明する。図５は図２に示すもの
を変形したものである。例えば、光メモリ素子１は、発
光用の光検出素子２及び消光用の光検出素子７を直列に
接続したものと抵抗Ｒ１及び発光素子３を直列に接続し
たものとを並列に配線し、光検出素子２及び７間と抵抗
Ｒ１及び発光素子３の間に抵抗Ｒ３を接続して構成され
る。このような光メモリ素子１によれば、光検出素子２
へのセット光４の照射により発光素子３が発光している
状態において、消光用の光検出素子７へリセット光８が
照射されることにより、発光素子３が消光することとな
る。すなわち、消光用の光検出素子７へリセット光８が
照射されると、光検出素子７を通じて電流が流れ、その
光検出素子７と並列に接続されている発光素子３へ供給
される電流が一時的に減少する。このため、発光素子３
から光検出素子２への帰還光６が消光して、光検出素子
２からの電流供給が停止する。従って、発光素子３は発
光状態から消光状態となり、出力光５がオンからオフと
なる。このように、消光用の光検出素子７を設けた光メ
モリ素子１によれば、セット光４又はリセット光８の照
射により、出力光５のオンオフを任意に制御することが
可能となる。

【００２２】なお、図５のような光メモリ素子１におい
て、光検出素子２及び７は、個別の素子でなく一体の素
子としたものであってもよい。すなわち、光検出素子２
及び７としては発光素子３への接続端子を有する三端子
のものを用いてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。

【００２４】すなわち、外部からの光の入力により光検
出素子を通じて発光素子の消光状態及び発光状態を制御
することが可能である。このため、光検出素子及び発光
素子以外のトランジスタ等の能動素子を用いることな
く、光の入力により作動し光を出力する記憶素子として
機能することとなる。従って、従来の電子式メモリのよ
うに配線間の静電容量などに起因する時定数の支障がな
いから、動作速度の高速化が図れる。また、入出力を光
で行う以外は、演算論理が従来の電子式メモリと同様で
あるので、コンピュータの一部を構成している従来の電
子式メモリと置き換えて使用することができる。

【００２５】また、光検出素子及び発光素子とそれぞれ
直列に所定の抵抗値を有する外部抵抗が接続されること
により、微小な光パワーで作動する発光受光系が構成さ
れることとなる。このため、作動時の消費電力が低減で
き、光検出素子及び発光素子の微小化が図れる。従っ
て、光メモリとして集積化が可能となる。また、そのよ
うな外部抵抗を接続することにより、発光受光系におけ
る帰還される光の雑音が低減できるから、作動確実性が
向上できる。

【００２６】また、光検出素子が並列に複数設けられ、
また、発光素子が直列に複数設けられることにより、光
検出素子と発光素子の受光発光系における光帰還の量子
効率が向上するから、発光素子の発光状態を確実に維持
することが可能となる。

【００２７】更に、発光素子と並列に消光用の光検出素
子が設けられることにより、外部からの光の入力によ
り、発光素子の発光状態及び消光状態を任意に変えるこ
とが可能となる。従って、光のみの入力により記憶状態
を維持するメモリ素子となる。

【００２８】以上説明したような光メモリ素子は、外部
抵抗制限のもとに動作することからわかるように、微小
光パワーの状態で動作するのに適している。このこと
は、メモリ当りの消費電力を従来より格段に引き下げ集
積化を可能とするものである。また、微小光パワーで動
作するためには、雑音耐性が良好でなければならない。
前述のように大きい外部抵抗のもとで動作する素子は、
流通電流に含まれる雑音が少なくなるので、発光素子か
らの発光は、ポアソン分布よりもさらに雑音が減少する
ことが知られている。これは、極めて微小な光を操作す
るのに大切な条件であり、本発明の特長をなすものであ
る。

【００２９】さらに、光検出素子の雑音においても同様
のことがいえる。前述の光メモリ素子１のように発光受
光を組み合わせて低雑音化する場合には重要な条件のひ
とつとなり、これも本発明の特長をなすものである。

【００３０】以上説明したように、従来、光を使った論
理操作の場合に必要な光メモリ装置は実用に耐えるもの
でなかったが、本発明によってはじめて微小電力、低雑
音化が図られたのであり、その産業上の効果は大きいも
のがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】光メモリ素子の概要図である。

【図２】実施形態１に係る光メモリ素子の説明図であ
る。

【図３】光検出素子の説明図である。

【図４】発光素子の説明図である。

【図５】実施形態２に係る光メモリ素子の説明図であ
る。

【符号の説明】

１…光メモリ素子、２…光検出素子、３…発光素子、４
…セット光 ５…出力光、６…帰還光、７…光検出素子（消光用）、
８…リセット光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の入射により電流を発生させる光検出
   素子と、その光検出素子と直列に接続され光検出素子か
   らの電流供給を受けて発光すると共にその光を光検出素
   子側へ帰還する発光素子とを備え、 前記発光素子からみて、その内部抵抗より大きな外部抵
   抗を有するようになされ、 前記光検出素子からみて、その内部抵抗より大きな外部
   抵抗を有するようになされたこと、を特徴とする光メモ
   リ素子。
2. 【請求項２】 前記光検出素子の内部抵抗より大きな抵
   抗値を等価的に有し、光検出素子と直列に接続される第
   一外部抵抗と、 前記発光素子の内部抵抗より大きな抵抗値を有し、発光
   素子と直列に接続される第二外部抵抗と、を備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載の光メモリ素子。
3. 【請求項３】 前記光検出素子が並列に複数設けられ、
   前記発光素子が直列に複数設けられていることを特徴と
   する請求項１または２に記載の光メモリ素子。
4. 【請求項４】 前記発光素子と並列にその発光素子の消
   光用の光検出素子が設けられていることを特徴とする請
   求項１から３までのいずれかに記載の光メモリ素子。