JPS6132822A - 光論理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は光論理回路に関する。

近年、オプトエレクトロニクス技術の進展はめざましく
、光ＩＣの実現も開発課題の１つにあげられている。事
実、光ＩＣの基本となる論理回路、たとえば光論理用（
ＯＲ）回路や光排他的論理和回路が提案されている。し
かしながら、光論理積（ＡＮＤ）回路は最も基本的な論
理回路であるにもかかわらず、その構造の提案や実験報
告はいまのところ、皆無である。

発明の概要 この発明は、光ＩＣの実現のための最も基本的な論理回
路である光ＡＮＤ回路を含む光論理を演算する光論理回
路を提供するものである。

この発明による光論理回路は、電気光学効果をもつ基板
、基板に形成され、少なくとも１つの光信号が導入され
る少なくとも１つの第１の光導波路、基板に形成された
光信号導入用の第２の光導波路、基板に形成され、第２
の光導波路の一部と近接した部分を有する第３の光導波
路、第１の光導波路を伝播する光によって励起される光
起電力素子、および第２の光導波路と第３の光導波路と
の互いに近接した部分に設けられ、光起電力素子の発生
電圧が印加される電極からなることを特徴とする。

第２の光導波路と第３の光導波路との互いに近接した部
分は方向性結合器を構成しており、一定の条件のもとて
第２の光導波路を伝播する光が第３の光導波路に移行す
る。この方向性結合器に設けられた電極への電圧の印加
によって第２の光導波路から第３の光導波路への光−の
移行を制御することが可能である。第１の光導波路を伝
播する光によって励起された光起電力素子から発生する
電圧が上記方向性結合器の電極に印加されるので、第２
の光導波路に光信号が入力していれば、第１の光導波路
に導入される光信号の有無に応じて第２または第３の光
導波路のいずれか一方から何らかの論理演算結果を表わ
す光信号が出力される。たとえば、第１の光導波路およ
び第２の光導波路にともに光信号が入力している場合に
のみ得られる出力光信号は、第１および第２の光導波路
に導入された２つの光信号の光ＡＮＤ論理を表わしてい
ることになる。このようにして光ＡＮＤ論理演算の実行
を含む光論理回路が実現される。

この発明による光ＡＮＤ回路を含む光論理回路は一基板
上に作製することが可能であるから、光ＩＣ実現のため
の１つの機能素子となりうる。

実施例の説明 まず、光ＡＮＤ論理について説明しておく。

光ＡＮＤ論理は、電気信号のＡＮＤ論理（とくに正論理
）と同じである。第１図において、２つの入力光信号が
■ｉｎＡおよびＩ　ｉｎＢで表わされている。これらの
入力光信号が光ＡＮＤ論理演算された結果出力される出
力光信号が１ｏｕｔで示されている。光有が論理値の「
１」を表わし、光無が論理値の「０」を表わしている。

入力光信号■ｉｎＡとｌ　ｉｎ３が、「０」と「０」、
「１」とｒＯＪまたは「０」と「１」の場合に出力光信
号１　ｏｕｔは「０」となり、入力が「１」とｒＩＪの
場合にのみ出力は「１」となる。

第２図において、基板（１０）としてＺカットＬｔＮｌ
］Ｏａ結晶が用いられ、この基板（、ｉ　ｏ　）上に３
つの光導波路（１１）　　（１２）および（１３）が形
成されている。これらの光導波路の作成はたとえば、基
板（１０）表面全面にＴｉを蒸着またはスパッタし、こ
のＴｉ１ｌを利用してＴ１による導波路パターンをリフ
トオフ法により形成し、さらにこのＴｉを酸素雰囲気中
において９７０℃で５時間、基板（１０）内に熱拡散さ
せることにより行なわれる。

第１の光導波路（１１）は、基板（１０）の一端から基
板（１０）の中央付近まで形成されており、光導波路（
１１）の終端部上には光起電力素子（１５）が作製され
ている。光起電力素子（１５）としてはたとえばＣｄ　
Ｔｅがよい。光導波路（１１）上にＣｄＴｅを単に蒸着
するだけでも、光導波路（１１）内の光の界分布は光起
電力素子（１５）にも及ぶので、光起電力素子（１５）
からは起電力が発生する。発生する電圧が低い場合には
、光導波路（１１）よりも屈折率の大きな材料による中
間層、たとえばＴｉＯ２膜を光起電力素子（１５）と光
導波路（１１）との間に介在させるようにするとよい。

ＴｌＯ２膜はたとえばスパッタにより形成される。さら
に、光起電力素子（１５）が光導波路（１１）を３０’
程度の角度で上下方向に斜めに横切るように形成するこ
ともできる。また、光導波路（１１）上面の光起電力素
子（１５）と接する箇所にグレーティングを設けるよう
にしてもよい。光起電力素子（１５）は光導波路（１１
）の終端部に形成されているから、光導波路終端での光
の反射、散乱等によって光起電力素子（１５）に感知さ
れる光量は増大し、光起電力素子（１５）からより高い
電圧が得られるであろう。

第２図において、第２の光導波路（１２）は基板（１０
）の一端から他端まで形成されている。

第３の光導波路（１３）はその一端部が、第２の光導波
路（１２）の一部に近接しかつ他の部分においては第２
の光導波路（１２）から離れている。

第２の光導波路（１２）と第３の光導波路（１３）との
互いに近接した部分は方向性結合器を構成している。こ
の方向性結合器を構成する光導波路部分上には１対の電
極（１４）が設けられている。この電極（１４）には配
線パターン（１６）によって光起電力素子（１５）の両
端子が接続され°、素子（１５）の起電力が電極（１４
）に印加されるようになっている。電極（１４）および
配線パターン（１６）はＡ／を所定のパターンにリフト
オフすることにより作製される。

方向性結合器は近接した２本の平行光導波路間で光のパ
ワーのやりとりを生じさせるものである。第４図に方向
性結合器における光パワーの移行の様子が示されている
。印加電圧０の曲線において、相互作用長りの場合に一
方の光導波路（１２）の光の１００％のパワーが他方の
光導波路（１３）に移行する。

１−ｉＮｂｏ３は電気光学効果をもつ結晶であるから、
この結晶に電界を印加するとその屈折率が変化する。第
３図は電極（１４）間に電圧■が印加された様子を示し
ている。２カツト１ｉＮｂＯａでは電極（１４）の直下
においてＺ方向に電界Ｅが発生し、光導波路（１２＞　
　（１３）の屈折率が変化するので（＋Δｎ１−Δｎ）
、光導波路（１２）　　（１３）を伝播する光の位相速
度（位相定数）が変化する。したがって、これらの光導
波路（１２）　　（１３）の部分により構成される方向
性結合器の位相整合の度合が変化し、光導波路間を移行
する光パワーが変化する。第４図において、印加電圧Ｖ
の曲線で示されているように、光導波路（１２）から光
導波路（１３）に移行した光パワーは再び光導波路（１
２）に戻るようになる。上述の相互作用長りにおいて、
光導波路（１２）から光導波路（１３）に移行した光が
すべて光導波路（１２）に戻ってしまうような印加電圧
Ｖが存在する。この実施例では、光導波路（１２）と（
１３）の相互に近接した部分の長さおよび光起電力素子
（１５）の発生電圧が上述の相互作用長しおよび印加電
圧■に等しいものとする。

基板（１０，）としてＹカットＬｉＮｂ０ａを用いた場
合には、電極（１４）への電圧印加によつて方向性結合
器の結合係数を変化させ、同じように２つの光導波路間
における光パワーの移行を制御することができる。

さて、第２図に戻ってこの光ＡＮＤ回路の動作を統一的
に説明する。光導波路（１１）および光導波路（１２）
にそれぞれ入力される光を、入力光信号（ｉｎＡおよび
［ｉｎ３とする。また、光導波路（１２）から得られる
出力光信号をＩｏｕｔとする。

入力光信号１　ｉｎＡおよび■ｉｎＢがともに論理値「
０」　（光熱）の場合には、当然、出力光信号１ｏｕｔ
も「０」である。

入力光信号１　ｉｎＡが論理値「１」であっても、入力
光信号１　ｉｎ３が「０」であれば、出力光信号１０Ｌ
Ｉｔは「０」である。

入力光信号１　ｉｎ、６．がｒＯＪ　、Ｉ　ｉｎ３が「
１」の場合には、光起電力素子（１５）から起電′力は
発生しないので、電極（１４）には電圧は印加されない
。したがって、光導波路（１２）を伝播する光は方向性
結合器から光導波路（１３）にその１００％が移行して
しまい、出力光信号Ｉｏｕｔは「０」である。

入力光信号ｌ１ｎＡとｌ　ｉｎ３がともに「１」の場合
には、光導波路（１１）を伝播する光によって光起電力
素子（１５）に電圧が発生し、これが電極（１４）に印
加される。したがって、光導波路（１２）を伝播する光
は方向性結合器において一旦光導波路（１３）に移行す
るが再び光導波路（１２）に戻ってくるので出力光信号
Ｊｏｕｔは「１」となる。

上述の説明においては方向性、結合器における光パワー
の移行量を理想的に１００％としているが、もちろん１
００％である必要はない。なぜなら、光導波路（１２）
から出力される光信号Ｉｏｕｔのパワーをレベル弁別し
て論理値「１」、ｒＯＪを判別すればよいからである。

方向性結合器の相互作用長し、光起電力素子（１５）の
発生電圧を調整することにより、第３の光導波路（１３
）から光ＡＮＤ論理信号を得るようにすることも可能で
ある。

この発明は、２つの入力光信号のＡＮＤ論理演算のみな
らず、３つ以上の入力光信号のＡＮＤ論理演算にも適用
可能である。たとえば、入力光信号が３つある場合には
、そのうちの１つを第２図の入力光信号■１ｎ１３に対
応させ、光導波路（１２）に入力させる。他の２つの入
力光信号が入力する２つの光導波路を設け、これらの光
導波路にそれぞれ光起電力素子を設け、これらの光起電
力素子の起電力の和を電極←ｉ）に印加するようにする
。そして、この和電圧が上述の電圧■に等しくなるよう
に設定すればよい。

この発明によると光ＯＲ回路もまた実現できる。この場
合には、光導波路（１２）に常時、基準光信号を入力さ
せておく。そしてＯＲ論理をとるべき２つの入力光信号
が入力される２つの光導波路を設け、これらの光導波路
にそれぞれ光起電力素子を設け、これらの光起電力素子
の起電力を並列的に電極（１４）に印加するようにする
。同様にして光Ｎ０７回路の実現も可能である。

基板（１０）は電界の印加によってその屈折率が変化す
る電気光学効果をもつものであればいかなるものでもよ
い。したがって、各光導波路（１１）　　（１２）　　
（１３）もＴｉの熱拡散以外の基板の種類に応じた種々
の技術、材料により作製できる。光起電力素子（１５）
もまた、プラズマＣｖＤ法により作製されるａ−８ｉな
ど種々のもので実現できるし、電極（１４）や配線パタ
ーン（１６）もＴｉ等の材料で実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ＡＮＤ論理演算を示す波形図、第２図はこの
発明の実施例を示す斜視図、第３図は方向性結合器部分
の断面図であって電圧が印加された様子を示す図、第４
図は方向性結合器における相互作用長と出力光強度との
関係を示すグラフである。 （１０）・・・基板、（１１）（１２）（１３）・・・
光導波路、（１４）・・・１ｉｆｆｌ、　　（１５）　
、、、光起電力素子。 以上 特許出願人　　立石電機株式会社 ０００フ 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電気光学効果をもつ基板、 基板に形成され、少なくとも１つの光信号が導入される
   少なくとも１つの第１の光導波路、基板に形成された光
   信号導入用の第２の光導波路、 基板に形成され、第２の光導波路の一部と近接した部分
   を有する第３の光導波路、 第１の光導波路を伝播する光によって励起される光起電
   力素子、および 第２の光導波路と第３の光導波路との互いに近接した部
   分に設けられ、光起電力素子の発生電圧が印加される電
   極、 からなる光論理回路。