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Dokumentenidentifikation DE69016309T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0415617
Titel Differentielle optisch logische Anordnung.
Anmelder AT & T Corp., New York, N.Y., US
Erfinder Lentine, Anthony L., St. Charles, Illinois 60175, US;
Miller, David A.B., Fairhaven, New Jersey 07704, US
Vertreter Blumbach, Kramer & Partner, 65193 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69016309
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 17.08.1990
EP-Aktenzeichen 903090785
EP-Offenlegungsdatum 06.03.1991
EP date of grant 25.01.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse G02F 3/02
IPC-Nebenklasse H03K 19/14   

Beschreibung[de]

Es sind viele Typen logischer Bauteile für optische Rechner und photonische Vermittlungen vorgeschlagen worden. Alle diese Bauteile müssen eine für eine Kaskadierung von Bauteilen ausreichende Verstärkung und wenigstens eine minimale Funktionalität zur Durchführung allgemeiner Bool'scher Logikfunktionen durch eine optische Verbindung der Bauteile besitzen. (Es ist immer möglich, Bool'sche Logikfunktionen unter Verwendung beispielsweise einer kaskadierten Anordnung von NOR- Gattern zu verwirklichen.) Im Hinblick auf die praktische Verwirklichung ist es natürlich zu bevorzugen, daß die Bauteile physikalisch ausreichend funktionell sind, um sie einfach benutzen zu können. Beispielsweise ist ein Bauteil mit drei Anschlüssen klar gegenüber einem Bauteil mit zwei Anschlüssen zu bevorzugen, da die von den Bauteilen mit drei Anschlüssen bereitgestellte Trennung zwischen dem Eingang und Ausgang das Problem einer kritischen Vorspannung bei Bauteilen mit zwei Anschlüssen beseitigt. Es ist außerdem wünschenswert, Bauteile zu schaffen, die eine gewisse Wahl logischer Funktionalität ermöglicht. Obwohl es möglich ist, einen beliebigen optischen Rechner nur aus NOR-Gattern mit zwei Eingängen zu konstruieren, kann aber eine bessere Architektur benutzt werden, wenn kompliziertere Gatter zur Verfügung stehen. Schließlich ist es wichtig, daß die Bauteile mit hohen Geschwindigkeiten bei niedrigen Leistungsanforderungen arbeiten. Bauteile mit eigenelektro-optischem Effekt (SEED) entsprechend der Offenbarung im US-Patent 4 546 244 von D. A. B. Miller, erteilt am 8. Oktober 1985, genügen allen diesen Anforderungen. SEEDs beruhen auf Änderungen der optischen Absorption, die durch Änderungen eines elektrischen Feldes induziert werden, das rechtwinklig zu den dünnen Halbleiterschichten in einem Mehrquantenmulden-Material angelegt wird. In typischer Weise sind die Quantenmulden in der Intrinsic-Zone einer in Sperrichtung vorgespannten p-i-n-Diode enthalten. Bei einer Kombination mit einer geeigneten Last besitzt das sich ergebende Bauteil eine opto-elektronische Rückkopplung und eine Bistabilität. Seit der ersten Demonstration eines einfachen, mit einem Widerstand vorgespannten SEED haben sich viele nachfolgende Anstrengungen auf eine Verbesserung der Funktionalität dieser Bauteile gerichtet. Eine größere Funktionalität wird in SEEDs dadurch erreicht, daß mehr als ein Lichtstrahl auf mehrere p-i-n-Dioden auffällt. Beispielsweise wird durch Ersetzen der Widerstandslast durch eine Photodiode, die durch einen sichtbaren Strahl (l = 633 nm) beleuchtet wird, ein dioden-vorgespannter SEED (D-SEED) geschaffen, der über viele Leistungsdekaden dadurch betriebsfähig ist, daß das Eingangslichtsignal der Photodiode eingestellt wird. Der auf die Photodiode auffallende Strahl kann beispielsweise das Ausgangslichtsignal der Quantenmulden-Diode steuern. Ein solches Bauteil dient als Speicher, der seinen Zustand bis zu 30 Sek. beibehält, wenn sowohl der sichtbare als auch der infrarote Strahl abgeschaltet wird. Als zweites Beispiel besteht der symmetrische SEED (S-SEED), der im US-Patent 4 754 132 von H. S. Hinton et al., erteilt am 28. Juni 1988, offenbart ist, aus zwei Quantenmulden-p-i-n-Dioden, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Er besitzt einen zeitabhängigen Gewinn, ermöglicht eine Signal-Zeitsteuerungsregenerierung, ist unempfindlich gegenüber Schwankungen der optischen Leistungsversorgung und stellt eine wirksame Eingangs-/Ausgangstrennung zur Verfügung. Da die Signaleingänge und -ausgänge unterschiedlicher Art sind, müssen spezielle logische Leistungspegel nicht definiert werden und der spezielle logische Leistungspegel nicht definiert werden und der Betrieb des Bauteils ist über einen Leistungsbereich möglich, der mehrere Dekaden umfaßt. Demgemäß genügt der S-SEED der wichtigsten Grundforderung, daß er nämlich leicht zu verwenden ist. Außerdem besitzt er eine flexible logische Funktionalität, da er entweder als optischer Einstell-/Rückstell-/Zwischenspeicher oder als differentielles Logikgatter betrieben werden kann, das NOR-, ODER-, NAND- und UND-Funktionen ausführen kann, wie von A. L. Lentine et al., in einem Aufsatz "Photonic Ring Counter and Differential Logic Gate using the Symmetric Self-Electroptic Effect Device", Conference on Lasers and Electro-Optics (Optial Society of America), April 1988, beschrieben wird. Eine weitere Funktionalität läßt sich erreichen, indem man das S-SEED-Konzept auf mehr als zwei in Reihe geschaltete Dioden ausdehnt, wie bei den Mehrzustandsbauteilen mit eigenelektro-optischem Effekt, offenbart im US-Patent 4 800 262 von A. L. Lentine, erteilt am 24. Januar 1985. M-SEED's können als optisch betätigte S-SEED's, Schwellenwert, Bildbauteile oder Auswahlbauteile mit mehreren Eingängen arbeiten.

Im Aufsatz von P. Wheatley et al. "Hard Limiting Opto-electronic Logic Devices", Photonic Switching: Proceedings of the First Topical Meeting, März 1987, sind zwei otpo-elektronische Bauteile beschrieben, die für eine optische Logik geeignet sind. Beide Bauteile besitzten eine Phototransistor in Reihe mit einem Elektro-Absorptionsmodulator zwischen eine konstanten Versorgungsspannung und Masse. Ein Strahl konstanter optischer Leistung, die Pumpleistung fällt auf den Modulator auf, wird teilweise von diesem absorbiert, um einen Photostrom zu erzeugen nd wird teilweise durchgelassen, um das optische Ausgangssignal des Bauteils zu liefern. Demgemäß ist das Bauteil ein optisches Bauteil mit drei Anschlüssen, da die Ausgangsleistung aus einer konstanten optischen Versorgung abgeleitet wird, die nicht den gleichen Weg wie das Eingangssignal nimmt. Das erste, in dem Wheatley-Aufsatz beschriebene Bauteil ist ein invertierendes Bauteil, bei dem die Wellenlänge des Pumpstrahls so gewählt ist, daß der Modulator-Photostrom mit der angelegten Vorspannung in Sperrichtung ansteigt. Bei dem zweiten, nicht invertierenden Bauteil nimmt die Modulatorabsorption mit der angelegten Vorspannung in Sperrichtung ab. Wie beschrieben, werden Logikgatter mit mehreren Eingängen unter Verwendung mehrerer Phototransistoren hergestellt. Unter Verwendung der Wellenlänge des ersten, invertierenden Bauteils kann ein NOR-Gatter hergestellt werden, wenn zwei Phototransistoren parallel geschaltet sind und ein NAND-Gatter, wenn sie in Reihe geschaltet sind. Das zweite nicht invertierende Bauteil kann als ODEP- oder UND-Gatter hergestellt werden, wobei die Transistoren parallel bzw. in Reihe geschaltet sind. Abweichend jedoch von den bekannten differentiellen S-SEED-Logikanordnungen entsprechend der obigen Erläuterung verwirklichen die offenbarten Wheatley-Bauteile eine einseitige Logik. In vielen Anwendungsfällen ist jedoch eine differentielle Logik zu bevorzugen. Ein Problem mit den erläuterten differentiellen S- SEED-Logikanordnungen besteht darin, daß eine optische Kaskadierung erforderlich ist, um kompliziertere Logikfunktionen zu verwirklichen, beispielsweise E = AB + CD, und wegen der entsprechenden erhöhten optischen Verzögerungen und Verluste aufgrund der Kaskadierung.

Im Hinblick auf die vorstehenden Erläuterungen besteht ein Bedarf nach einer differentiellen optischen Logikanordnung, die komplizierte Logikfunktionen ohne Kaskadierung verwirklichen kann.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine optische Logikanordnung gemäß Anspruch 1 geschaffen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine erste elektrische Schaltung, die eine Vielzahl von so verbundenen Photodetektoren aufweist, daß die erste Schaltung jeder gegebenen Logikfunktion entspricht, in Reihe mit einer zweiten Schaltung angeordnet, die eine Vielzahl von Photodetektoren umfaßt, welche in vorteilhafter Weise so verbunden sind, daß sie ein Stromleitungskomplement der Stromleitung der ersten Schaltung darstellen. Die Vorrichtung führt optische Logikfunktionen ohne optische Kaskadierung aus, da die erste und die zweite Schaltung die Erzeugung eines optischen Ausgangsstrahls auf der Grundlage des Wertes, den die gegebene Logikfunktion annimmt, unter Ansprechen auf eine Vielzahl von optischen Signalstrahlen steuert, die auf die Photodetektoren der ersten Schaltung auftreffen, und eine Vielzahl von komplementären Strahlen, die auf die Photodektoren der zweiten Schaltung auftreffen. Als Beispiel wird ein komplementärer optischer Ausgang erhalten und eine zeitsequentielle Operation ausgeführt, wenn zwei in Reihe geschaltete Quantenmulden-p-i-n- Dioden, die einen S-SEED bilden, zur Erzeugung optischer Ausgangsstrahlen unter Ansprechen auf die durch die erste Schaltung erzeugte Spannung benutzt werden.

Zur Erläuterung entsprechen alle UND- und NAND-Operationen der Logikfunktion Reihenschaltungen innerhalb der ersten Schaltung und Parallelschaltungen innerhalb der zweiten Schaltung, und alle ODER- und NOR-Operationen entsprechen Parallelschaltungen innerhalb der ersten Schaltung und Reihenschaltungen innerhalb der zweiten Schaltung. Ein Ausgangsbauteil wird durch die erste und die zweite Schaltung so gesteuert, daß es einen optischen Ausgangsstrahl mit einem ersten Logikwert erzeugt, wenn die Logikfunktion der Vielzahl von optischen Signalstrahlen einen ersten Wert hat, und einen zweiten Logikwert erzeugt, wenn die Logikfunktion einen zweiten Wert hat. Die Leistung der optischen Signalstrahlen und der komplementären Strahlen kann beispielsweise unter Verwendung optischer Dämpfungsglieder gesteuert werden, derart, daß ein zu Anfang durch die zweite Schaltung erzeugter Photostrom größer ist, als ein anfänglich durch die erste Schaltung erzeugter Photostrom, wenn die Logikfunktion den ersten Wert hat, und ein anfänglicher, durch die zweite Schaltung erzeugter Photostrom kleiner ist, als ein durch die erste Schaltung erzeugter, anfänglicher Photostrom, wenn die Logikfunktion den zweiten Wert hat.

Bei dem hier offenbarten Ausführungsbeispiel sind die Photodetektoren der ersten und der zweiten Schaltung als Quantenmulden-p-i-n-Dioden verwirklicht. Obwohl für eine optische Modulation nicht erforderlich, führen die Quantenmulden zu einer verbesserten Umschaltgüte der Dioden. Die erste und die zweite Schaltung steuern die Erzeugung eines optischen Ausgangsstrahl und eines komplementären Strahls durch ein Paar von in Reihe geschalteten Quantenmulden-p-i-n-Dioden, die einen S-SEED bilden. Die optischen Signalstrahlen werden als erstes zugeführt, um den Zustand der Vorrichtung einzustellen, und dann werden optische Taktstrahlen an die p-i-n-Dioden des S-SEED angelegt, um den Zustand der Vorrichtung zeitsequentiell zu lesen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein allgemeines Schaltbild für differentielle optische Logikanordnungen zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 2-7 Schaltbilder für spezielle Ausführungsbeispiele der Anordnungen gemäß Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein allgemeines Schaltbild für differentielle optische Logikanordnungen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Die differentiellen Logikanordnungen vermeiden kritische Vorspannungen, besitzten eine zeitsequentielle Verstärkung, eine gute Eingang-/Ausgangstrennung und eine Signalzeitwiedergewinnung. Außerdem benötigen die Anordnungen kein Bezugssignal. Obwohl in vielen Fällen die gleichen Quantenmulden-p-i-n-Dioden für die Detektor- und Modulationsprozesse benutzt werden, besitzen zur Vereinfachung die hier beschriebenen Schaltungen getrennte Dioden, auf die die Eingangssignale auftreffen, und getrennte Dioden, auf die Ausgangsstrahlen erzeugenden Taktstrahlen auftreffen. Außerdem benötigen die Dioden, die keine Ausgangsstrahlen erzeugen, keine Quantenmulden, obwohl eine verbesserte Schaltgüte erzielt wird, wenn sie ebenfalls Quantenmulden aufweisen. Die verbesserte Schaltgüte ergibt sich aus der erhöhten Absorption der Quantenmuldendiode bei verringerter Spannung. Diese Änderung der Absorption erhöht die Differenz der Photoströme zwischen den Dioden weiter, so daß sie schneller schalten. Jeder logische Eingang verwendet zwei komplementäre Strahlen zur Darstellung des Logikzustandes. Wenn die Leistung des nicht komplementierten Strahls größer ist als die des komplementierten Strahls, wird dieser Eingang als logische 1 definiert. Eine logische Ziffer 0 stellt den umgekehrten Fall dar. Zwei Sätze von p-i-n-Dioden nehmen die auftreffenden Eingangssignale auf, wobei die Schaltung 110 die Dioden 111, 112, 113 mit unkomplementierten Eingangssignalen und die Schaltung 110' Dioden 111', 112', 113' mit komplementierten Eingangssignalen umfassen. Die Dioden in der Schaltung 110' sind elektrisch in einer Weise verbunden, die als Stromleitungskomplement hinsichtlich der Verbindungen der Dioden in der Schaltung 110 bekannt ist. Wenn beispielsweise die Schaltung 110 aus in Reihe geschalteten Dioden besteht, dann besteht die Schaltung 110' aus parallel geschalteten Dioden. Die Spannung am Verbindungsknoten zwischen der Schaltung 110 und der Schaltung 110' wird mit dem Mittelknoten eines Ausgangs-S-SEED verbunden, der zwei in Reihe geschaltete Quantenmulden-p-i-n- Dioden 130 und 140 enthält. Die Knotenspannung bestimmt den Zustand der Vorrichtung. Für nicht invertierende Funktionen (nämlich UND- und ODER-Funktionen), ist der Ausgang der unkomplementierte Ausgang und der Ausgang ist der komplementierte Ausgang. Für invertierende Funktionen (nämlich NAND- und NOR-Funktionen) sind die Ausgänge umgekehrt, d.h. der mit C bezeichnete Ausgang wird der komplementierte Ausgang und der Ausgang wird der nicht-komplementierte Ausgang. In beiden Fällen ist der Ausgangszustand als logisch Eins definiert, wenn die Leistung des unkomplementierten Ausgangsstrahls größer ist als die des komplementierten Ausgangsstrahls.

Im Betrieb werden zuerst die Signalstrahlen an die jeweiligen Dioden angelegt. Die Spannung am Knoten zwischen den beiden Sätzen von "Signal"-Dioden ist eine Funktion der von den Dioden erzeugten Ströme. Die Spannung über der Schaltung 110' in Fig. 1 ist im wesentlichen Null, wenn der Ldgikfunktion nicht genügt wird, und der Ausgang ist logisch Null (Ausgang größer als C). Dies tritt dann auf, wenn der von der Schaltung 110 erzeugte Photostrom zu Anfang kleiner ist als der von der Schaltung 110' erzeugte Strom. Umgekehrt ist die Spannung über der Schaltung 110' im wesentlichen gleich der Versorgungsspannung Vo , wenn der Logikfunktion genügt wird, und der Ausgang ist eine logische Eins (Ausgang C größer als ). Dies tritt dann auf, wenn der von der Schaltung 110 erzeugte Photostrom zu Anfang größer ist als der von der Schaltung 110' erzeugte Strom. Diese beiden Fälle sind befriedigend, vorausgesetzt, daß die Eingangsstrahlen ausreichende Kontrastverhältnisse besitzen. Es können optische Dämpfungsglieder in den Weg bestimmter Eingangsstrahlen eingefügt werden, um die Vorrichtung optimal für niedrige Kontrastverhältnisse zu betreiben. Wenn Quantenmulden-p-i-n- Dioden als Detektordioden verwendet werden, gibt es einen Bereich von Eingangsleistungen, für die eine Bistabilität vorhanden ist. Dadurch wird eine untere Grenze für das Kontrastverhältnis der Eingangssignale bestimmt. Wenn jedoch die Versorgungsspannung V&sub0; während der Zuführung der Eingangssignale von Null aus erhöht wird, wodurch alle bistabilen Eigenschaften wirksam beseitigt werden, arbeitet die Vorrichtung mit jedem Eingangskontrast größer als Eins. Der Knoten zwischen den beiden Gruppen von Eingangsdioden ist elektrisch mit dem Knoten zwischen den beiden Dioden 130 und 140 des Ausgangs-S-SEED verbunden. Wenn daher die Spannung an diesem Punkt festgestellt worden ist (d.h. nach der Umschaltzeit der Schaltung), werden die Signal strahlen entfernt und anschließend die Taktstrahlen höherer Leistung angelegt, wodurch sich eine zeitsequentielle Verstärkung ergibt.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 verwirklicht ein differentielles UND- Gatter. Die beiden komplementären Eingangssignale werden durch Lichtstrahlen A und sowie Lichtstrahlen B und dargestellt. Ein Paar von Taktstrahlen, die auf das Ausgangs-S-SEED mit den Dioden 230 und 240 auftreffen, erzeugen Ausgangsstrahlen C und . Die beiden unkomplementierten Signale A und B fallen auf zwei in Reihe geschaltete Dioden 211 und 212 auf, und die komplementierten Signale und fallen auf zwei parallel geschaltete Dioden 211' und 212' auf. Wenn einer oder beide Strahlen A, B auf L sind, muß einer oder müssen beide Strahlen und auf H sein, da die Eingangssignale komplementär sind. Daher ist der von den in Reihe geschalteten Dioden 211 und 212 erzeugte Strom zu Anfang kleiner als der durch die parallel geschalteten Dioden 211' und 212' erzeugte Strom (für jeden Kontrast). Demgemäß ist die Spannung am Mittelknoten des Ausgangs-S-SEED im wesentlichen gleich der Versorgungsspannung Vo. Wenn demgemäß die Taktstrahlen angelegt werden, ist der Ausgang logisch Null, da der Ausgangsstrahl C auf L und der Ausgangsstrahl auf H sind. Wenn die Eingangsstrahlen A und B beide auf H sind, sind die Eingangsstrahlen und beide auf L, da sie komplementär zu den Eingangsstrahlen A und B sind. Nimmt man an, daß die Summe der optischen Leistungen der beiden Strahlen auf L kleiner ist als die eines Strahls H, so ist der von den in Reihe geschalteten Dioden 211 und 212 erzeugte Strom zu Anfang größer als der von den parallel geschalteten Dioden 211' und 212' erzeugte Strom. In diesem Falle ist die Spannung am Mittelknoten des Ausgangs-S-SEED im wesentlichen gleich Null. Wenn die Taktstrahlen angelegt werden, ist der Ausgang C auf H und der Ausgang auf L, so daß der Ausgangszustand eine logische Eins ist. Demgemäß führt die Logikanordnung eine UND- Funktion aus. Wenn umgekehrt der Ausgangszustand als logische Eins dann definiert wird, wenn die Leistung des Ausgangsstrahls größer als die des Strahls C ist, dann führt die Anordnung eine NAND-Funktion aus.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 verwirklicht ein differentielles ODER/NOR-Gatter. Die Anordnung mit den Dioden 311, 312, 311', 312', 330 und 340 ist identisch mit der UND-/NAND-Anordnung gemäß Fig. 2, wobei die Eingänge und Ausgänge umgekehrt sind. Wenn eine logische Eins dadurch definiert wird, daß die Leistung des Ausgangsstrahls C größer ist als die des Ausgangsstrahls , dann führt die Anordnung eine ODER-Funktion aus. Wenn entsprechend der Ausgang eine logische Eins dann ist, wenn die Leistung des Ausgangsstrahl größer ist als die des Ausgangsstrahls C dann führt die Anordnung eine NOR-Funktion aus.

Ein Logikgatter mit N Eingängen läßt sich auf ähnliche Weise verwirklichen. Anstelle von zwei in Reihe geschalteten Dioden fallen N (unkomplementierte) Eingangssignale auf N in Reihe geschaltete Dioden auf, und N komplementierte Signale fallen auf N parallel geschaltete Dioden auf. Als Beispiel hat ein UND- Gatter mit N Eingängen als gewünschtes Ausgangssignal eine logische Eins, wenn alle Eingänge auflogisch Eins sind, und eine logische Null, wenn wenigstens ein Eingang logisch Null ist. Diese beiden Bedingungen werden erfüllt, wenn PLOGIC 1 > NPLOGIC 0 und PLOGIC 0 < PLogic 1 + (N-1) PLOGIC 0. Die erste Bedingung wird nur für Eingangskontrastverhältnisse größer als N:1 erfüllt und die zweite Bedingung ist immer erfüllt. Ein in den Weg der auf die parallel geschalteten Dioden auffallenden Eingangsstrahlen eingefügtes Dämpfungsglied, das 1/N der einfallenden Leistung durchläßt, gibt die Möglichkeit, daß die vorliegende Anordnung für jedes Kontrastverhältnis verwendet werden kann (unter der Annahme, daß die bistabilen Eigenschaften beseitigt sind).

Ein wichtiger Vorteil der differentiellen optischen Logikanordnungen des in Fig. 1 gezeigten Typs trifft die Verwirklichung willkürlicher Funktionen mit solchen Andordnungen. Für die unkomplementierten Signale wird die ODER- (Fig. 4) und die UND- (Fig. 5) Funktion von zwei Unterfunktionen dadurch erreicht, daß die entsprechenden Schaltungen von p-i-n- Dioden elektrisch parallel bzw. in Reihe gelegt werden. Die Schaltungen von Dioden mit komplementierten, einfallenden Signalen sind dagegen in Reihe bzw. für ODER- und UND-Funktionen parallel geschaltet. Die Dioden mit den unkomplementierten Eingängen sind in Reihe mit den Dioden mit komplementierten Eingängen geschaltet. Der Mittelknoten zwischen diesen beiden Dioden-Gruppen ist mit dem Mittelknoten des Ausgangs-S-SEED verbunden, und die Spannung an diesem Knoten bestimmt die relativen Ausgangssignale des S-SEED.

Als Beispiel soll eine Funktion betrachtet werden, die gegeben ist durch E = AB + CD. Die differentielle Logikanordnung gemäß Fig. 6 führt diese Funktion aus. Die Schaltung 610' besteht aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Dioden 611' und 612' mit auffallenden Eingangsstrahlen A und B. Die Schaltung 610 besteht aus zwei elektrisch parallel geschalteten Dioden 611 und 612 mit einfallenden Eingangsstrahlen und . Die Schaltungen 610' und 610 verwirklichen eine UND-Funktion für A und B. In ähnlicher Weise besteht die Schaltung 620' aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Dioden 621' und 622' mit einfallenden Eingangsstrahlen C und D, und die Schaltung 620 besteht aus zwei elektrisch parallel geschalteten Dioden 621 und 622 mit einfallenden Eingangsstrahlen und . Die Schaltungen 620' und 620 verwirklichen eine UND-Funktion von C und D. Zur Verwirklichung der ODER-Funktion für AB und CD sind die Schaltungen 610' und 620' parallel und die Schaltungen 610 und 620 in Reihe geschaltet.

Eine generelle Logikanordnung wird wie folgt hergestellt. Gemäß Fig. 1 besteht die Schaltung 110 aus p parallel geschalteten Gruppen von sp in Reihe geschalteten Dioden. Die Schaltung 110' besteht aus p in Reihe geschalteten Gruppen von sp parallel geschalteten Dioden. Bei dieser Anordnung sind keine Dämpfungsglieder erforderlich, um einen Betrieb der Logikfunktion bei jedem Kontrastverhältnis größer als Eins sicherzustellen, unter der Annahme, daß keine Bistabilität vorhanden ist, und zwar während der Zuführung der Eingangssignale und vorausgesetzt, daß sp = p ist.

Als nächstes sei eine weitere willkürliche Funktion betrachtet, die gegeben ist durch E = (AB + C) D. Die Anordnung zur Verwirklichung dieser Funktion mit differentieller Logik ist in Fig. 7 gezeigt. Das Kontrastverhältnis der Eingangssignale muß größer als 3:1 sein, damit die Anordnung zufriedenstellend arbeitet, da eine logische Eins für den Eingang D mehr Strom erzeugen muß, als die Summe der Ströme, die durch eine logische Null am Eingang , und D erzeugt wird. Für einen Betrieb mit jedem Kontrastverhäjtnis größer als Eins müssen die Signale und um 75 % und die Signale A, B, C, und um 50 % abgeschwächt werden. Das Signal D bleibt unabgeschwächt.


Anspruch[de]

1. Optische Logikvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten elektrischen Schaltung (110, 110'), die zur Anschaltung an eine Spannungsquelle (V0) in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Schaltung (110) auf eine Vielzahl optischer Signalstrahlen und die zweite Schaltung (110') auf eine weitere Vielzahl von Strahlen anspricht, die je einen Intensitätspegel komplementär zum Intensitätspegel einer der optischen Signal strahlen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung eine Vielzahl von Photodetektoren (111-113) aufweist, auf die je wenigstens einer der optischen Signal strahlen auffällt und die so verbunden sind, daß die erste Schaltung einer Logikfunktion der Vielzahl optischer Signalstrahlen entspricht, und daß die zweite Schaltung eine Vielzahl von Photodetektoren (111'-113') aufweist, auf die je wenigstens einer der komplementären Strahlen auffällt, und die so verbunden sind, daß sie ein Stromleitungskomplement für die Verbindungen der ersten Schaltung darstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede UND- und NAND-Operation der Logikfunktion Reihenschaltungen in der ersten Schaltung und Parallelschaltungen in der zweiten Schaltung entsprechen und jede ODER- und NOR-Operation der Logikfunktion Parallelschaltungen in der ersten Schaltung und Reihenschaltungen in der zweiten Schaltung entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder Photodetektor der ersten und der zweiten Schaltung eine p-i-n-Diode umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der jeder Photodetektor der ersten und der zweiten Schaltung eine Halbleiter-Quantenmuldenzone umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (130), die an die Spannungsquelle anschaltbar und elektrisch durch die erste und die zweite Schaltung gesteuert wird und einen optischen Ausgangsstrahl (C) mit einem ersten Logikwert erzeugt, wenn die Logikfunktion der ersten Vielzahl von optischen Signalstrahlen einen ersten Wert hat, und mit einem zweiten Logikwert, wenn die Logikfunktion der Vielzahl von optischen Signalstrahlen einen zweiten Wert hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines optischen Ausgangsstrahls eine optische Modulatoreinrichtung (130) aufweist, die unter Ansprechen auf einen optischen Taktstrahl den optischen Ausgangsstrahl erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die optische Modulatoreinrichtung eine Halbleiter- Quantenmuldenzone aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die optische Modulatoreinrichtung eine p-i-n-Diode aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 mit einer Einrichtung (140), die an die Spannungsquelle anschaltbar und elektrisch durch die erste und die zweite Schaltung gesteuert wird und einen Strahl ( ) erzeugt, der komplementär zu dem optischen Ausgangsstrahl ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Strahls, der komplementär zu dem optischen Ausgangsstrahl ist, eine Halbleiter-Quantenmuldenzone aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Strahls, der komplementär zu dem optischen Ausgangsstrahl ist, eine p-i-n-Diode aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leistung der optischen Signalstrahlen und der komplementären Strahlen so gewählt ist, daß ein von der zweiten Schaltung erzeugter, anfänglicher Photostrom größer als ein von der ersten Schaltung erzeugt er, anfänglicher Photostrom ist, wenn die Logikfunktion der optischen Signalstrahlen den ersten Wert hat, und ein von Dder zweiten Schaltung erzeugt er, anfänglicher Photostrom kleiner als ein von der ersten Schaltung erzeugter, anfänglicher Photostrom ist, wenn die Logikfunktion der optischen Signalstrahlen den zweiten Wert hat.







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