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JPH0537357A - Integrated photoelectric logical arithmetic system - Google Patents

Integrated photoelectric logical arithmetic system

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Publication number
JPH0537357A
JPH0537357A JP19331391A JP19331391A JPH0537357A JP H0537357 A JPH0537357 A JP H0537357A JP 19331391 A JP19331391 A JP 19331391A JP 19331391 A JP19331391 A JP 19331391A JP H0537357 A JPH0537357 A JP H0537357A
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JP
Japan
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integrated
optical signal
logic operation
photoelectric
substrate
Prior art date
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Application number
JP19331391A
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Japanese (ja)
Other versions
JP3179523B2 (en
Inventor
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
Kazutoshi Nakajima
和利 中嶋
Toru Hirohata
徹 廣畑
Takashi Iida
孝 飯田
Sadahisa Warashina
禎久 藁科
Kenichi Sugimoto
賢一 杉本
Tomoko Suzuki
智子 鈴木
Hirobumi Suga
博文 菅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Publication of JPH0537357A publication Critical patent/JPH0537357A/en
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  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make the most of a high-speed property and simplicity of a photoelectric logical arithmetic gate consisting of a semiconductor photodetector, and compactness of the whole system by integrating it into a feedback loop of an optical signal, and also, to simplify an input/output system of the optical signal. CONSTITUTION:An integration photoelectric logical arithmetic substrate 1 provided with an arithmetic circuit part 11 using plural pieces of semiconductor light receiving elements, and integration optical signal output substrates 21, 22 in which plural semiconductor photodetector 211-21n, and 221-22n are integrated and placed, respectively are connected through electric wirings 31, 32. The integrated optical signal output substrate 21 is a substrate for outputting a result of operation to the outside, and the integrated optical signal output substrate 22 is a substrate for leading an optical signal into a feedback loop in order to store temporarily the result of operation, or in order to input it to the integrated photoelectric logical arithmetic substrate 1 again. By opposing these substrates, sticking and fixing them, while aligning the optical axes, and converting them to a module, a signal loop can simply be constituted.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光信号による論理演算
システムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal logical operation system.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から主に研究されてきた光コンピュ
ータ、及び光信号による論理演算システムは、図15に
示されるように、空間フィルタとして空間光変調素子1
5を用いたものであり、発光素子アレイ16、受光素子
アレイ17と組み合わせて構成され、光の持つ並列性を
活かした大規模な2次元マトリクス演算が、一度に行え
ることを特徴としている。またこれに用いられるメモリ
としては、LiNbO3 等の強誘電性結晶や、半導体p
npn構造の光スイッチ、さらに半導体レーザの非線形
性を利用したものがある。これらを組み合わせて真空管
型に構成された空間光変調管や、半導体技術を用いてモ
ジュール化された、光コンピュータ素子や光ニューロ素
子が研究開発されており、その詳細については下記に示
す1989年秋期、第50回応用物理学会学術講演会
シンポジウムダイジェスト、「光コンピューティング」
(JSA cat−no: AP891232)に述べ
られている。
2. Description of the Related Art An optical computer and a logical operation system based on optical signals, which have been mainly studied in the past, have a spatial light modulator 1 as a spatial filter, as shown in FIG.
5 is used in combination with the light emitting element array 16 and the light receiving element array 17, and is characterized in that a large-scale two-dimensional matrix operation utilizing the parallelism of light can be performed at one time. As a memory used for this, a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 or a semiconductor p
There is an optical switch having an npn structure and a switch utilizing the nonlinearity of a semiconductor laser. Research and development have been carried out on a spatial light modulation tube configured in a vacuum tube type by combining these, and an optical computer element and an optical neuro element modularized using semiconductor technology. The details are given below in the fall of 1989. , The 50th Academic Meeting of The Japan Society of Applied Physics
Symposium Digest, "Optical Computing"
(JSA cat-no: AP891232).

【0003】これに対し、本発明者等は以前に図16及
び図17に示される回路を構成し、光信号を用いた半加
算等の論理演算が、数個の半導体受光素子8、81 、8
2 を用いて行うことができることを示した。これによれ
ば、バイアス電源181 〜183 、補助抵抗およびコン
デンサ191 〜194 、負荷抵抗201 、202 と共に
光電半加算演算回路を組むことによってその演算速度や
構成の簡潔さにおける優位性を見出すことができる。図
18及び19は、上述の図16及び17に示した光電半
加算演算回路をそれぞれ、同一の半導体基板4に集積し
た集積回路例である。図16及び17と同一箇所には同
一番号を付して示した。なお、これらの光電半加算演算
回路とそれを用いた集積回路については、本発明者らに
よる下記の文献、 “IEEE J.Qantum electron., vol.26, pp.619-621, 199
0 ” や、特願平1−077332号公報、もしくは特願平2
−103410号公報に詳しく記載されている。さらに
図20に示されるように、上述の光電半加算演算回路を
光メモリ26と接続して一論理演算単位とし、これらを
お互いに光ファイバや光導波路を用いた光配線部分27
を介して光学的に結合することによって、高速の光電全
加算演算が行えることを提案した。この詳細について
は、特願平1−161913号公報に述べられている。
On the other hand, the present inventors have previously constructed the circuits shown in FIGS. 16 and 17, and perform a logical operation such as half addition using an optical signal on several semiconductor light receiving elements 8, 8 1. , 8
It was shown that 2 can be used. According to this, by combining the bias power sources 18 1 to 18 3 , the auxiliary resistors and capacitors 19 1 to 19 4 , and the load resistors 20 1 and 20 2 with the photoelectric half addition arithmetic circuit, the operation speed and the simplicity of the configuration are superior. You can find sex. 18 and 19 are examples of integrated circuits in which the photoelectric half-addition arithmetic circuits shown in FIGS. 16 and 17 are integrated on the same semiconductor substrate 4. The same parts as those in FIGS. 16 and 17 are designated by the same reference numerals. Note that these photoelectric half-addition arithmetic circuits and integrated circuits using the same are described in the following document by the present inventors, “IEEE J.Qantum electron., Vol.26, pp.619-621, 199”.
0 ”, Japanese Patent Application No. 1-077332, or Japanese Patent Application No. 2
It is described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 103410. Further, as shown in FIG. 20, the photoelectric half-addition operation circuit described above is connected to the optical memory 26 to form one logical operation unit, and these are connected to each other by an optical wiring portion 27 using an optical fiber or an optical waveguide.
It was proposed that high-speed photoelectric full addition operation can be performed by optically coupling via. The details of this are described in Japanese Patent Application No. 1-161913.

【0004】また、このような受光素子からなる光電排
他的論理和(XOR)演算ゲートアレイ28、及び光電
論理積(AND)演算ゲートアレイ29を、発光素子と
共に平面上に配置し、反射鏡やコーナーキューブ等によ
って、集積回路基板間における光信号の帰還を行い、信
号ループを構成することによって、複数ビット(4ビッ
ト)の並列演算方式の光電全加算演算システムが考案さ
れた(図21図示)。この詳細については、H.Kamiyama
らによる下記の文献、 “Japan J.Appl.Phys., pt.2, vol.29, pp.1248-1251,
1990” に示されている。また本発明者等は、信号ループ中に、
1クロック分のメモリループを組み込むことによって構
成される、直列演算方式の光電全加算演算システムを提
案している。このメモリループは、この光電演算システ
ムが、反射鏡を用いた光信号の帰還ループにより構成さ
れていることを利用して、信号を演算システム内で循環
させるための発光素子、受光素子の組を設けることによ
り、簡単に導入されたものである。図22はその具体例
を示したものであり、半導体受光素子からなる光電排他
的論理和(XOR)演算ゲートアレイ28、及び光電論
理積(AND)演算ゲートアレイ29を半導体発光素子
211 〜213 と共に平面上に配置し、コーナーキュー
ブ10を用いて光信号の帰還を行うように構成すること
によってメモリ機能を含んで実現される。
Further, a photoelectric exclusive OR (XOR) operation gate array 28 and a photoelectric AND (AND) operation gate array 29, which are composed of such light receiving elements, are arranged on a plane together with the light emitting elements, and a reflecting mirror or An optical signal is fed back between the integrated circuit boards by a corner cube or the like, and a signal loop is configured to devise a multi-bit (4-bit) parallel operation type photoelectric full addition operation system (see FIG. 21). .. For more information on this, see H. Kamiyama
Et al., “Japan J. Appl. Phys., Pt.2, vol.29, pp.1248-1251,”
1990 ". Also, the inventors have found that during the signal loop,
We have proposed a serial arithmetic photoelectric full addition arithmetic system that is configured by incorporating a memory loop for one clock. This memory loop utilizes the fact that this photoelectric operation system is composed of a feedback loop of an optical signal using a reflecting mirror, and a set of a light emitting element and a light receiving element for circulating a signal in the operation system is used. It was introduced easily by providing it. FIG. 22 shows a specific example of the semiconductor light emitting devices 21 1 to 21 in which a photoelectric exclusive OR (XOR) operation gate array 28 and a photoelectric AND (AND) operation gate array 29 each including a semiconductor light receiving element are provided. It is realized including the memory function by arranging it together with 3 on a plane and by using the corner cube 10 to perform feedback of an optical signal.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】まず、空間光変調素子
を用いた場合、この材料としては液晶や強誘電性結晶、
また半導体多重量子井戸(MQW)等が用いられる。こ
のうち、液晶は応答時間が数msecと非常に遅く、高
速演算には不向きである。強誘電性結晶は応答時間は1
00μs程度で、液晶よりは速いが充分ではない。ま
た、光の透過率が低く、コントラストが高くとれない。
このため、空間光変調管では、内部にマイクロチャネル
プレートを組み込んであるが、これによって構成される
光コンピュータは、システム全体が大きくなってしまう
欠点がある。さらに、現在のところ、安定な結晶を作製
することは非常に困難であり、工業化の目途はたってい
ない。MQWは最近の半導体結晶技術の向上により、注
目を集めている材料であり、応答速度は1ns以下と非
常に速いが、オンオフ比が悪く、低コントラストである
のが欠点である。また、高度な結晶成長技術を必要とす
るため、非常に高価なものとなってしまう。
First, when a spatial light modulator is used, this material is a liquid crystal or a ferroelectric crystal.
Also, a semiconductor multiple quantum well (MQW) or the like is used. Among them, the liquid crystal has a very slow response time of several msec and is not suitable for high-speed calculation. Ferroelectric crystal has a response time of 1
On the order of 00 μs, it is faster than the liquid crystal, but not sufficient. In addition, the light transmittance is low and the contrast cannot be high.
Therefore, in the spatial light modulator, the micro channel plate is incorporated inside, but the optical computer configured by this has a drawback that the entire system becomes large. Furthermore, at present, it is very difficult to produce stable crystals, and there is no prospect of industrialization. MQW is a material that has been attracting attention due to recent improvements in semiconductor crystal technology, and has a very fast response speed of 1 ns or less, but has a drawback that the on / off ratio is poor and the contrast is low. In addition, it requires a high-level crystal growth technique, which makes it very expensive.

【0006】一方、半導体受光素子を組み合わせた光電
論理演算ゲートと発光素子からなる光電論理演算単位
を、光配線によって結合する方法は、高速性と構成の簡
潔さが特徴である。さらに、反射鏡等を用いて光信号の
帰還ループ中にこれを組み込むことにより、システム全
体がコンパクトになり、またメモリ機能も簡単に取り入
れられるので、これらの特徴をさらに活かすことができ
る。しかし、ここでは光信号の入力と出力、さらに帰還
機能を、1つの反射鏡もしくはコーナーキューブでまか
なっているため、これら行く先の異なる光信号の仕分け
が面倒であり、また外部制御により偏光状態が変化でき
る、電気光学素子等の偏光板を挿入するなどして、これ
らの光信号をクロック毎に制御する必要があった。例え
ば、図21に示されるような演算システムにおいては、
まず反射鏡であるハーフミラーは、入射光の偏光状態に
応じて透過率が異なる偏光ミラーとし、また上述のよう
な偏光板をミラーの前後に挿入して、外部から光信号が
入力、もしくは光信号を外部に出力する際には、偏光ミ
ラーを光が透過できるようにし、内部において光信号を
帰還させる際には、偏光ミラーを光が反射するようにす
るというように、非常に面倒な制御を必要とする。この
ため光学系やタイミングクロック系統が複雑になり、先
の特徴を活かしきれていなかった。
On the other hand, the method of connecting the optoelectronic logic operation unit composed of the semiconductor light receiving element and the optoelectronic logic operation unit composed of the light emitting element by the optical wiring is characterized by high speed and simple structure. Further, by incorporating this in a feedback loop of an optical signal using a reflecting mirror or the like, the whole system can be made compact and the memory function can be easily incorporated, so that these features can be further utilized. However, here, since the input and output of the optical signal and the feedback function are covered by one reflecting mirror or corner cube, it is troublesome to sort the optical signals of different destinations, and the polarization state is changed by the external control. It is necessary to control these optical signals for each clock by inserting a polarizing plate such as an electro-optical element. For example, in the arithmetic system shown in FIG. 21,
First, the half mirror, which is a reflecting mirror, is a polarizing mirror with different transmittance depending on the polarization state of the incident light, and the above-mentioned polarizing plates are inserted before and after the mirror so that an optical signal is input from the outside or an optical signal is input. When outputting a signal to the outside, it allows light to pass through the polarizing mirror, and when returning the optical signal internally, the polarizing mirror reflects the light, which is a very troublesome control. Need. For this reason, the optical system and the timing clock system have become complicated, and it has not been possible to make full use of the above characteristics.

【0007】本発明は、半導体受光素子からなる光電論
理演算ゲートの高速性と簡潔さ、およびこれを光信号の
帰還ループ中に組み込むことによる、システム全体のコ
ンパクトさを活かし、加えて光信号の入出力系統を簡素
化することによって、より実用的な光電論理演算システ
ムを提供するものである。
The present invention takes advantage of the high speed and simplicity of a photoelectric logic operation gate composed of a semiconductor light receiving element, and the compactness of the entire system by incorporating this in a feedback loop of an optical signal. A more practical photoelectric logic operation system is provided by simplifying the input / output system.

【0008】[0008]

【作用】本発明の集積化光電論理演算システムは、半導
体受光素子を入力光電変換ゲートとし、このゲートの複
数個を半導体基板上に配置し、これらゲート間の配線、
もしくは個々のゲートに与えられるバイアス電源の極性
や大きさによって、あらかじめ決められた論理演算を、
光信号の入力により行う光電論理演算回路が、複数組集
積された集積化光電論理演算基板と、複数個の半導体発
光素子を半導体基板上に集積して配置し、これらの演算
結果を光信号に変換して出力するための、1個以上の集
積化光信号出力基板と、これら集積化光電論理演算基板
と集積化光信号出力基板とを電気的に接続するための電
気配線により、論理演算によって得られた光出力信号の
一部を、再び光電論理演算基板内の光電論理演算回路に
入力するために設けられた集積化光信号出力基板を、そ
の中の発光素子が集積化光電論理演算基板のそれぞれに
対応する入力光電変換ゲートと、幾何光学的結合関係を
有するように配置することにより、光信号の帰還手段と
を備えていることを特徴とする。さらに、これを単位演
算ブロックとして複数個並列に配置し、また必要に応じ
て、それぞれの光出力信号の一部を縦続入力するよう
に、単位演算ブロック間を光学的に結合することによっ
て、複数ビットの光信号の同時入力により、論理演算を
同時に並列に行うようになされた並列型集積化光電論理
演算システムであることを特徴とする。
In the integrated photoelectric logic operation system of the present invention, the semiconductor light receiving element is used as an input photoelectric conversion gate, a plurality of these gates are arranged on the semiconductor substrate, and wiring between these gates is provided.
Or, depending on the polarity and size of the bias power supply given to each gate, a predetermined logical operation
An optoelectronic logic operation circuit, which receives an optical signal, arranges a plurality of integrated optoelectronic logic operation boards and a plurality of semiconductor light emitting elements on a semiconductor substrate, and outputs these operation results to an optical signal. One or more integrated optical signal output boards for converting and outputting, and electrical wiring for electrically connecting the integrated optoelectronic logic operation board and the integrated optical signal output board An integrated optical signal output board provided for inputting a part of the obtained optical output signal to the optoelectronic logic operation circuit in the optoelectronic logic operation board again, in which the light emitting element is integrated optoelectronic logic operation board And an input photoelectric conversion gate corresponding to each of the above, and a feedback unit of the optical signal by being arranged so as to have a geometrical optical coupling relation. Furthermore, by arranging a plurality of these as unit operation blocks in parallel, and by optically connecting the unit operation blocks so that a part of each optical output signal is cascaded, a plurality of unit operation blocks can be provided. The present invention is characterized in that it is a parallel type integrated optoelectronic logic operation system configured to perform logic operations simultaneously in parallel by simultaneous input of bit optical signals.

【0009】前述の単位演算ブロック内において、光信
号を帰還するために設けられた集積化光信号出力基板
を、集積化光電論理演算基板と対向配置するように構成
され、あるいは前述の単位演算ブロック内において、集
積化光信号出力基板の内の一部を、2組に分岐して出力
する手段を設け、一方は、演算結果を単位演算ブロック
の外部に出力するためだけのものとし、もう一方は、演
算結果を単位演算ブロック内で帰還するためだけのもの
であるといった構成をとることができる。
In the unit operation block described above, the integrated optical signal output board provided for feeding back an optical signal is arranged to face the integrated photoelectric logic operation board, or the unit operation block described above is provided. Inside, there is provided means for branching and outputting a part of the integrated optical signal output substrate into two sets, one is for outputting the operation result to the outside of the unit operation block, and the other is Can be configured only to feed back the operation result in the unit operation block.

【0010】さらに、前述の半導体受光素子が、半導体
基板上にショットキー接合を対向配置して構成した、実
質的に左右対称な電極構造を有するものであり、さらに
は半導体発光素子が、面発光レーザである集積化光電論
理演算システムであることが望ましい。
Further, the above-mentioned semiconductor light receiving element has a substantially symmetrical electrode structure constituted by arranging Schottky junctions facing each other on a semiconductor substrate, and further, the semiconductor light emitting element has a surface emitting device. It is preferably an integrated optoelectronic logic system that is a laser.

【0011】前述の集積化光電論理演算システムは、集
積化光電論理演算基板と、集積化光信号出力基板の一部
あるいは全部を、これらを電気的に接続する電気配線を
含めて、同一半導体基板上にモノリシックに集積した構
成において、半導体基板の一方の面に光信号が入力さ
れ、もう一方の面から光信号が出力されるものであり、
さらに、これに信号を集積回路基板間において帰還する
ための、別の集積化光信号出力基板を、お互いに対応す
る光結合関係を満足するように向かい合わせて重ね合わ
せ、固定した構成をとることが、伝搬遅廷時間の短縮、
クロストークの抑制、システムの小型化という点におい
て望ましい。
In the integrated optoelectronic logic operation system described above, the integrated optoelectronic logic operation board and a part or all of the integrated optoelectronic signal output board are included in the same semiconductor substrate, including electrical wiring for electrically connecting them. In the configuration monolithically integrated above, an optical signal is input to one surface of the semiconductor substrate and an optical signal is output from the other surface,
Further, another integrated optical signal output board for returning a signal between the integrated circuit boards is faced and overlapped so as to satisfy the optical coupling relationship corresponding to each other, and a fixed configuration is taken. However, shortening the propagation delay time,
It is desirable in terms of suppressing crosstalk and downsizing the system.

【0012】なお、半導体基板として半絶縁性GaAs
基板、半絶縁性InP基板、もしくはGaP基板を用い
ることが望ましい。
As the semiconductor substrate, semi-insulating GaAs is used.
It is desirable to use a substrate, a semi-insulating InP substrate, or a GaP substrate.

【0013】また、本発明の集積化光電論理演算システ
ムは、複数ビット構成の光入力信号を並列に受光し、論
理回路内でビット信号を並列的に配列処理する手段と、
複数ビット構成の出力のために、光出力信号を並列的に
配列処理する手段とを含むものであってもよい。
The integrated optoelectronic logic operation system of the present invention further comprises means for receiving in parallel optical input signals having a plurality of bits and arranging the bit signals in parallel in the logic circuit.
It may include means for arranging the optical output signals in parallel for output of a multi-bit configuration.

【0014】さらに、前述の集積化光電論理演算システ
ムの具体的実施例として、全加算演算システムを構成す
ることができる。これは、集積化光電論理演算基板内に
半加算演算を行うようになされた回路を設け、この演算
結果として出力され、集積化光信号出力基板で変換され
たCARRY光信号が、集積回路基板間の帰還による信
号循環機能によって一時記憶され、再び集積化光電論理
演算基板内の半加算演算回路部分に入力されるようにな
された構成によって、全加算演算を直列に行う方式、あ
るいは、集積化光電論理演算基板内に、半加算演算を行
うようになされた回路を設け、この演算結果として出力
され、集積化光信号出力基板で変換されたCARRY光
信号を、並列に配置され光学的に縦続結合された、1ビ
ット上位の単位演算ブロック内の光電半加算演算回路部
分に入力するようになされた構成によって、全体とし
て、全加算演算を並列に行う方式が共に実現可能であ
る。
Further, a full addition arithmetic system can be constructed as a concrete example of the above-mentioned integrated photoelectric logic arithmetic system. This is because a circuit configured to perform a half addition operation is provided in the integrated photoelectric logic operation board, and the CARRY optical signal output as the operation result and converted by the integrated optical signal output board is transferred between the integrated circuit boards. Is temporarily stored by the signal circulation function by the feedback of the above, and is inputted again to the half addition arithmetic circuit part in the integrated photoelectric logic arithmetic circuit board. A circuit designed to perform a half addition operation is provided in the logical operation board, and the CARRY optical signals output as the operation result and converted by the integrated optical signal output board are arranged in parallel and optically cascaded. As a whole, the method of performing the full addition operation in parallel can be achieved by the configuration configured to input to the photoelectric half addition operation circuit portion in the unit operation block of 1-bit higher order. It is possible to realize.

【0015】前述の並列光信号入力による演算結果のう
ちのCARRY電気信号を、光信号に変換することなく
1ビット上位の演算ゲートの電気信号入力として利用す
るようになされたものであってもよい。
The CARRY electric signal in the calculation result obtained by the parallel optical signal input may be used as an electric signal input to the arithmetic gate of 1-bit higher without being converted into an optical signal. ..

【0016】[0016]

【特にp.5,l.19〜p.6,l.3の解決手段】
本発明によれば、半導体受光素子と半導体発光素子を、
それぞれ集積した半導体基板を、信号ループを構成する
ために、お互いに光学的に結合されるように空間的に配
置することができる。とくに、光信号の入出力系統を空
間的に振り分けて、その経路を簡素化することができ
る。これにより、演算速度はなお一層速くなり、また演
算システム内での光信号の減衰が大幅に小さくなる。
[Especially p. 5, l. 19-p. 6, l. Solution of 3]
According to the present invention, the semiconductor light receiving element and the semiconductor light emitting element,
The respectively integrated semiconductor substrates can be spatially arranged to be optically coupled to each other to form a signal loop. In particular, the optical signal input / output system can be spatially distributed to simplify the path. This results in even faster computing speed and significantly less attenuation of the optical signal within the computing system.

【0017】本発明では、このためにまず光信号の入出
力系統を振り分け、光信号の経路を簡素化する。具体的
には、外部に出力される光信号と、ループ内を循環する
光信号の出力部分を空間的に分離し、外部への出力信号
はループ内を通過しないようにすればよい。
To this end, in the present invention, the input / output system of the optical signal is first distributed to simplify the optical signal path. Specifically, the optical signal output to the outside and the output portion of the optical signal circulating in the loop may be spatially separated so that the output signal to the outside does not pass through the loop.

【0018】[0018]

【実施例】図1は、本発明における集積化光電論理演算
システムの一実施例を示したものである。ここで、複数
個の半導体受光素子を半導体基板上に集積して配置した
集積化光電論理演算基板1には、演算回路部分11が設
けられ、それぞれに含まれる半導体受光素子、およびこ
れらの素子間の配線と、素子に与えられるバイアスの極
性に応じて、予め決められた論理演算を行うようになさ
れてある。集積化光信号出力基板21 及び22 には、複
数個の半導体発光素子211 〜21n 及び221 〜22
n が集積して配置されている。このうち集積化光信号出
力基板21 は、演算結果を外部に出力するための基板で
あり、集積化光信号出力基板22 は、演算結果を一時記
憶、あるいは再び集積化光電論理演算基板1に入力する
ために、光信号を帰還ループ内に導入するための基板で
ある。これらには、必要に応じて、半導体発光素子21
1 〜21n 及び221 〜22n に入力される電気信号を
増幅するための、電子増幅回路が付加、集積される。こ
の信号ループは、集積化光信号出力基板22 と集積化光
電論理演算基板1とが、幾何光学的な結合関係にあるよ
うに配置することによって実現される。簡単には図1に
示すように、集積化光信号出力基板22 を集積化光電論
理演算基板1と向かい合わせて配置することにより構成
でき、これにより、集積化光信号出力基板22 からの光
信号を集積化光電論理演算基板1に再入力することがで
きる。このためには、集積化光信号出力基板22 上の半
導体発光素子221 〜22n と、これから出力される光
信号が入力される相手の、集積化光電論理演算基板1上
の受光素子とが、お互いに向き合って、同じ位置に組み
込まれ集積されていることが必要である。特に、これら
2枚の集積回路基板を向かい合わせて、光軸を合わせな
がら接着、固定して、この部分をモジュール化すること
により、信号ループが簡単に構成できる。この場合、レ
ンズ等の光学部品を用いる必要がないため、システム全
体がコンパクトに構成できる。集積化光電論理演算基板
1から出力される電気信号は、それぞれ、電気配線
1 、32 を介して集積化光信号出力基板21 、22
入力される。システム全体をこのように構成することに
より、外部に出力される光信号はループ内を通過しない
ですみ、光信号の経路が簡素化されるのでクロック毎の
複雑な制御が不要になる。また、四則演算等の複雑な演
算にしばしば必要となる、シフトレジスタ等の信号遅延
回路は、この信号ループを利用することによって、本光
電論理演算システムに簡単に組み込むことができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment of an integrated photoelectric logic operation system according to the present invention. Here, an operational circuit portion 11 is provided in an integrated photoelectric logic operation substrate 1 in which a plurality of semiconductor light receiving elements are integrated and arranged on a semiconductor substrate, and the semiconductor light receiving elements included in each of them are provided, and between these elements. A predetermined logical operation is performed according to the wiring and the polarity of the bias applied to the element. The integrated optical signal output board 2 1 and 2 2, a plurality of semiconductor light emitting elements 21 1 through 21 n and 22 1 to 22
n are collected and arranged. Of these, the integrated optical signal output substrate 2 1 is a substrate for outputting the operation result to the outside, and the integrated optical signal output substrate 2 2 temporarily stores the operation result or again the integrated photoelectric logic operation substrate 1 It is a substrate for introducing an optical signal into a feedback loop for input to. These may include the semiconductor light emitting device 21 as necessary.
Electronic amplification circuits for amplifying the electric signals input to 1 to 21 n and 22 1 to 22 n are added and integrated. This signal loop is realized by arranging the integrated optical signal output board 2 2 and the integrated optoelectronic logic operation board 1 so as to have a geometrical optical coupling relationship. In a simple manner, as shown in FIG. 1, the integrated optical signal output substrate 2 2 can be constructed by arranging the integrated optical signal output substrate 2 2 so as to face the integrated photoelectric logic operation substrate 1. Optical signals can be re-input to the integrated optoelectronic logic board 1. For this purpose, a semiconductor light emitting element 22 1 through 22 n on the integrated optical signal output board 2 2, the partner optical signal is input will now output a light receiving element on the integrated photoelectric logic operation board 1 However, they must face each other and be integrated and integrated in the same position. In particular, a signal loop can be easily constructed by facing these two integrated circuit boards, adhering and fixing them while aligning the optical axes, and modularizing this part. In this case, since it is not necessary to use optical components such as a lens, the entire system can be made compact. The electric signals output from the integrated optoelectronic logic operation board 1 are input to the integrated optical signal output boards 2 1 and 2 2 via the electric wirings 3 1 and 3 2 , respectively. By configuring the entire system in this way, the optical signal output to the outside does not have to pass through the loop, and the path of the optical signal is simplified, so that complicated control for each clock is unnecessary. Also, a signal delay circuit such as a shift register, which is often required for complicated operations such as four arithmetic operations, can be easily incorporated in the present photoelectric logic operation system by utilizing this signal loop.

【0019】さらに、このように光信号を用いて論理演
算が行われるように構成されるならば、複数個の信号を
光多重方式によって合成し、同時に、複数個の論理演算
を行わせることも可能である。レーナ構造のものが望ま
しい。この構造は、一般にMSM(金属−半導体−金
属)構造とよばれ、この構造の受光素子、MSM−PD
は、高速特性に優れた素子として本発明者らによって研
究がなされている。詳細は、下記の文献 “IEEE Trans. Electoron Devices, vol.37, pp.31-35,
1990 ” に示されているが、図2に、その代表的な素子構造を示
す。ここでは、半導体基板(活性層を含む)4上にショ
ットキー電極51 、52 がお互いに向かい合って構成さ
れており、さらに受光部以外の部分には絶縁体薄膜6が
形成されている。受光部分は有効受光面積をかせぐた
め、くし型電極構造であるのが望ましい。この受光素子
を用いることの利点として、複数個を同一半導体基板内
に集積することが容易であること、対称な電極構造が論
理演算に最適であること、接合型なので、暗電流が小さ
いこと、さらに、高速応答特性に優れていることの4点
が挙げられる。
Further, when the logical operation is performed by using the optical signal as described above, a plurality of signals can be combined by the optical multiplexing method and a plurality of logical operations can be simultaneously performed. It is possible. Lena structure is preferable. This structure is generally called an MSM (metal-semiconductor-metal) structure, and the light receiving element of this structure, MSM-PD.
Has been studied by the present inventors as an element having excellent high speed characteristics. For details, refer to the following document “IEEE Trans. Electoron Devices, vol.37, pp.31-35,
2 shows a typical device structure thereof. Here, Schottky electrodes 5 1 and 5 2 are formed on a semiconductor substrate (including an active layer) 4 so as to face each other. In addition, the insulator thin film 6 is formed on the portion other than the light receiving portion.The light receiving portion preferably has a comb-shaped electrode structure in order to make an effective light receiving area. As a result, it is easy to integrate a plurality of devices in the same semiconductor substrate, the symmetrical electrode structure is optimal for logical operation, and the junction type has a small dark current, and furthermore, it has excellent high-speed response characteristics. There are four points of being.

【0020】発光素子としては、LEDや半導体レーザ
が挙げられるが、高速性、高コヒーレント性(集光性)
の点から、半導体レーザが適している。このうち、近年
において注目を集めるようになった面発光レーザは、光
ビームを半導体基板に対して垂直に出射するため、平面
上に配列して集積することができ、ここで用いられる発
光素子として最適である。この詳細については、K.I
gaらによる下記の文献、 “J.Vac.Sci.Technol.A, vol.7, pp.842-846, 1989” に記載されている。図3にその代表的な素子構造を示
す。半導体基板41 の活性領域42 の上部には多層膜反
射鏡71 が設けられ、さらにその基板の一方の面にはオ
ーミック電極51 が形成されている。その基板のもう一
方の面には絶縁体薄膜6を介してオーミック電極52
形成され、さらに反射鏡72 で覆われている。
Examples of the light emitting element include an LED and a semiconductor laser, which have high speed and high coherence (light condensing property).
From this point of view, a semiconductor laser is suitable. Of these, surface emitting lasers, which have recently attracted attention, emit light beams perpendicularly to the semiconductor substrate, and therefore can be arrayed and integrated on a plane. Optimal. For more information on this, see K. I
The following reference by Ga et al., “J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 7, pp. 842-846, 1989” is described. FIG. 3 shows a typical element structure thereof. A multilayer film reflection mirror 7 1 is provided on the active region 4 2 of the semiconductor substrate 4 1 , and an ohmic electrode 5 1 is further formed on one surface of the substrate. Its the other surface of the substrate ohmic electrode 5 2 through the insulating thin film 6 is formed, it is covered further by the reflecting mirror 7 2.

【0021】図4は、MSM−PDを用いた集積化光電
論理演算基板1の概念図である。半導体基板4上にはM
SM−PDを用いた受光素子81 〜8n が配置され、受
光部以外の部分には絶縁体薄膜6が形成されている。受
光素子81 〜8n 間は、導電体薄膜電極9によって配線
されている。図5は、面発光レーザを用いた集積化光信
号出力基板21 ,22 の概念図であり、半導体基板4上
に面発光レーザを用いた発光素子211 〜21n が形成
され、それ以外の部分は絶縁体薄膜6で覆われている。
発光素子211 〜21n 間は、導電体薄膜電極9によっ
て配線されている。ここに示したように、本発明におい
ては、集積化光電論理演算基板1及び集積化光信号出力
基板21 ,22 は、それぞれ半導体基板4上に集積され
ているため、高密度、高効率の演算システムを構成する
ことができる。またこの集積化により、各素子の位置が
明確に定まるため、本発明において、不可欠な、空間的
な光結合のための光軸合わせが容易になる。
FIG. 4 is a conceptual diagram of the integrated optoelectronic logic operation board 1 using the MSM-PD. M on the semiconductor substrate 4
The light receiving elements 8 1 to 8 n using the SM-PD are arranged, and the insulating thin film 6 is formed on the portion other than the light receiving portion. The light receiving elements 8 1 to 8 n are wired by a conductor thin film electrode 9. FIG. 5 is a conceptual diagram of the integrated optical signal output substrates 2 1 and 2 2 using the surface emitting laser, in which light emitting elements 21 1 to 21 n using the surface emitting laser are formed on the semiconductor substrate 4. The other parts are covered with the insulator thin film 6.
The light emitting elements 21 1 to 21 n are wired by the conductor thin film electrode 9. As shown here, in the present invention, since the integrated photoelectric logic operation substrate 1 and the integrated optical signal output substrates 2 1 and 2 2 are integrated on the semiconductor substrate 4, respectively, high density and high efficiency are achieved. Can be configured. In addition, since the position of each element is clearly determined by this integration, the optical axis alignment for spatial optical coupling, which is indispensable in the present invention, is facilitated.

【0022】さらに、同一半導体基板に、光電論理演算
回路部分と光信号出力部分とを共に集積し、一方の面に
光信号が入力され、もう一方の面から光信号が出力され
るように構成することも可能である。図6は、この集積
回路の概念図を示したものであり、半導体基板4上にM
SM−PDを用いた受光素子81 〜8n 、面発光レーザ
を用いた発光素子211 〜21n が配置され、それ以外
の部分には絶縁体薄膜6が形成されている。発光素子2
1 〜21n 間は、導電体薄膜電極9によって配線され
ている。これにより、これら2つの部分を接続する電気
配線部分での遅延時間が短くなると共に、電気波形の伝
播歪を最小限に抑えることができる。この構成では、こ
の基板に、光信号の帰還のための集積化光信号出力基板
1 を向かい合わせて合計2枚の基板のみによって、演
算システム全体が構成できる。また前述のように、これ
に光信号の帰還のための集積化光信号出力基板21 を重
ね合わせて、接着、固定することにより、演算システム
がわずか1個のモジュールだけにまとまった、一層コン
パクトな形になる。この具体例を図7に示す。なお、図
6と同一箇所については同一番号を付して示す。
Furthermore, a photoelectric logic operation circuit portion and an optical signal output portion are integrated together on the same semiconductor substrate, and an optical signal is input to one surface and an optical signal is output from the other surface. It is also possible to do so. FIG. 6 is a conceptual diagram of this integrated circuit, in which M on the semiconductor substrate 4 is shown.
The light receiving elements 8 1 to 8 n using the SM-PD and the light emitting elements 21 1 to 21 n using the surface emitting laser are arranged, and the insulator thin film 6 is formed on the other portions. Light emitting element 2
Between 1 1 to 21 n are wired by the conductor thin film electrode 9. As a result, the delay time in the electric wiring portion connecting these two portions can be shortened and the propagation distortion of the electric waveform can be minimized. In this configuration, an integrated optical signal output substrate 2 1 for returning an optical signal is faced to this substrate, and the entire arithmetic system can be configured by only a total of two substrates. Further, as described above, the integrated optical signal output substrate 2 1 for returning optical signals is superposed on this, and is adhered and fixed, so that the arithmetic system is integrated into only one module, which is more compact. It becomes a shape. This specific example is shown in FIG. The same parts as those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals.

【0023】これら、集積回路に用いられる半導体基板
4としては、光電素子、特に半導体レーザを形成するた
め、III −V化合物半導体のGaAs、もしくはInP
基板が一般的である。特に、素子間分離が容易で、しか
も高速特性に優れた高抵抗、低容量の半絶縁性基板が適
している。このうち、半絶縁性GaAs基板は、波長
0.8μm程度の短波長用に、半絶縁性InP基板は、
波長1.3μm、1.55μm程度の長波長用に用いら
れる。また最近では、GaP基板を用いるケースも見ら
れる。
As the semiconductor substrate 4 used for these integrated circuits, a GaAs III-V compound semiconductor or InP is used to form a photoelectric element, especially a semiconductor laser.
Substrates are common. In particular, a high-resistance, low-capacity semi-insulating substrate that is easy to separate between elements and has excellent high-speed characteristics is suitable. Among them, the semi-insulating GaAs substrate is for short wavelength of about 0.8 μm, and the semi-insulating InP substrate is
It is used for long wavelengths with wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm. Further, recently, there are cases in which a GaP substrate is used.

【0024】次に、図1におけるシステム構成図、特に
光信号の帰還方法を変形した実施例を示す。図8は、集
積化光信号出力基板22 を集積化光電論理演算基板1と
垂直な平面内に配置し、反射鏡72 を用いて光結合部分
を構成したものである。図9は、集積化光信号出力基板
2 を集積化光電論理演算基板1と同一平面内に配置
し、コーナーキューブ10を用いて、光結合部分を構成
したものである。この構成では、集積化光電論理演算基
板1の光電論理演算部分と2つの集積化光信号出力基板
1 及び22の光信号の出力部分を、全て同一半導体基
板上に集積することが可能である。実際に集積した場
合、伝播される電気信号は全て半導体基板内で処理され
るため、伝播遅延時間、波形歪とも最小になり、本シス
テムの構成上最も高速性に優れたものとなる。ここに示
したような、反射鏡72 やコーナーキューブ10等を用
いて光結合部分を構成する方式では、これらにビームス
プリッタ等の半透明な材質のものを用いることにより、
光信号の一部を外部に取り出してモニターしたり、別の
機能を付け加えたりすることが可能である。この他には
各基板を光ファイバで配線する方法もある。ただしこれ
らの方法においては、光信号の帰還のための光学的結合
手段として、レンズや光ファイバ等の光学部品を必要と
するため、システム全体が必ずしもコンパクトにはなら
ない。
Next, a system configuration diagram in FIG. 1, particularly an embodiment in which the optical signal feedback method is modified will be shown. In FIG. 8, the integrated optical signal output substrate 2 2 is arranged in a plane perpendicular to the integrated optoelectronic logic operation substrate 1, and an optical coupling portion is configured by using a reflecting mirror 7 2 . 9, placing the integrated optical signal output board 2 2 for integration photoelectric logical operation substrate 1 and the same plane, with the corner cube 10, which is constituted of the optical coupling portion. In this configuration, the optoelectronic logic operation part of the integrated optoelectronic logic operation board 1 and the optical signal output parts of the two integrated optical signal output boards 2 1 and 2 2 can all be integrated on the same semiconductor substrate. is there. When actually integrated, the propagated electric signals are all processed in the semiconductor substrate, so that the propagation delay time and the waveform distortion are minimized, and the system has the highest speed. As shown herein, in the method of forming the optical coupling portion with the reflector 7 2 and corner cube 10 and the like, by using these to that of the semi-transparent material such as a beam splitter,
It is possible to take out a part of the optical signal to the outside and monitor it, or add another function. Besides this, there is also a method of wiring each substrate with an optical fiber. However, these methods require an optical component such as a lens or an optical fiber as an optical coupling means for returning an optical signal, so that the entire system is not necessarily compact.

【0025】次に、具体的な論理演算として、全加算演
算を例にとる。全加算演算はコンピュータにおける演算
のなかで最も基本的なものであり、光コンピュータを実
現する場合において、最も重要な演算である。半導体発
光素子と受光素子を、コーナーキューブ等を用いて、空
間的に光結合することによって、全加算演算を行わせる
ことについては、既に提案がなされているが、本発明に
よれば、これをより簡単な構成および方式で実現するこ
とができる。
Next, as a specific logical operation, a full addition operation will be taken as an example. The full addition operation is the most basic operation in a computer, and is the most important operation in realizing an optical computer. Although a semiconductor light emitting element and a light receiving element are spatially optically coupled by using a corner cube or the like, a proposal has already been made to perform a full addition operation, but according to the present invention, this is It can be realized with a simpler configuration and method.

【0026】図10は、図1において示した集積化光電
論理演算システムとして、全加算演算を直列方式で行う
場合について、その実施例を示したものである。ここ
で、集積化光電論理演算基板1では、光信号の入力によ
り半加算演算を行い、その結果を電気信号として出力す
る。ここには、実際に演算を行うための2組の回路11
及び12と、これらにそれぞれ2個ずつ含まれる光電変
換ゲート111 及び112 、121 及び122 、及び信
号ループを構成して、演算結果を一時記憶するための光
電変換ゲート13が組み込まれている。演算回路例とし
ては、既に述べたように従来技術として図16、図17
に示されており、また、その集積回路例としては、それ
ぞれ対応する集積回路図が、従来技術として図18、図
19に示されている。これらの回路において、光電変換
ゲートとして用いられる半導体受光素子には、前述のよ
うにMSM−PDが適している。さらに、この基板に
は、演算結果を光信号に変換して外部に出力するための
半導体発光素子24も共に集積されており、図6に示さ
れた構成の、実施具体例に相当する。
FIG. 10 shows an embodiment of the integrated photoelectric logic operation system shown in FIG. 1 in the case where the full addition operation is performed in series. Here, the integrated photoelectric logic operation substrate 1 performs half addition operation by inputting an optical signal, and outputs the result as an electric signal. Here, there are two sets of circuits 11 for actually performing calculations.
And 12, and photoelectric conversion gates 11 1 and 11 2 , 12 1 and 12 2 each including two of them , and a photoelectric conversion gate 13 for forming a signal loop and temporarily storing an operation result. ing. As an example of the arithmetic circuit, as described above, FIG.
, And corresponding integrated circuit diagrams are shown as prior art in FIGS. 18 and 19, respectively. In these circuits, the MSM-PD is suitable for the semiconductor light receiving element used as the photoelectric conversion gate, as described above. Further, a semiconductor light emitting element 24 for converting the calculation result into an optical signal and outputting the signal to the outside is also integrated on this substrate, which corresponds to a specific example of the configuration shown in FIG.

【0027】集積化光信号出力基板2では、集積化光電
論理演算基板1から電気信号が入力され、これを光信号
に変換して出力し、再び集積化光電論理演算基板1に入
力する。この集積化光信号出力基板2は、集積化光電論
理演算基板1と向かい合わせて配置されることによっ
て、信号ループを構成している。ここには、集積化光電
論理演算基板1に組み込まれた、演算回路部分の光電変
換ゲート121 、122 に入力するための光信号を出力
する、半導体発光素子21、22、および演算結果を一
時記憶するために、光電変換ゲート13に入力するため
の光信号を出力する、半導体発光素子23が組み込まれ
ている。また、これらの半導体発光素子には、必要に応
じて、入力前の電気信号を増幅するための、電子増幅回
路が付加、集積される。ここで用いられる半導体発光素
子としては、前述のように面発光レーザが適している。
The integrated optical signal output board 2 receives an electric signal from the integrated optoelectronic logic operation board 1, converts the electric signal into an optical signal and outputs the optical signal, and inputs the electric signal to the integrated optoelectronic logic operation board 1 again. The integrated optical signal output board 2 constitutes a signal loop by being arranged so as to face the integrated photoelectric logic operation board 1. Here, the semiconductor light emitting elements 21 and 22 for outputting optical signals to be inputted to the photoelectric conversion gates 12 1 and 12 2 of the arithmetic circuit portion incorporated in the integrated photoelectric logic operation substrate 1 and the operation result are shown. A semiconductor light emitting device 23 that outputs an optical signal to be input to the photoelectric conversion gate 13 for temporary storage is incorporated. In addition, an electronic amplifier circuit for amplifying an electric signal before input is added to and integrated with each of these semiconductor light emitting elements as needed. As the semiconductor light emitting device used here, the surface emitting laser is suitable as described above.

【0028】集積化光電論理演算基板1から出力される
電気信号は、電気配線31 を介して集積化光信号出力基
板2に入力される。また、演算結果電気信号は、集積化
光電論理演算基板1内において、電気配線32 を介して
半導体発光素子25に入力される。
The electrical signal output from the integrated optoelectronic logic operation substrate 1 is input to the integrated optical signal output substrate 2 via the electrical wiring 3 1 . Moreover, the operation result electrical signal, the integrated photoelectric logic operation substrate 1, it is input to the semiconductor light emitting element 25 via the electrical wiring 3 2.

【0029】次に、本例の作用を、図11に示したフロ
ーチャートを用いて説明する。加算される2組の入力デ
ータをX、Yとすると、これらは、下位のビット(桁)
から上位のビットに向かって、それぞれX(x0
1 ,・・・,xn )、 Y(y0 ,y1 ,・・・,y
n )の各n個の2進データからなっている。いま、k番
目のビットxk 、yk の光信号が、集積化光電論理演算
基板1に組み込まれた演算回路部分11の、光電変換ゲ
ート111 及び112 に入力されると、ここで半加算演
算処理され、SUM、CARRYに対応する演算結果s
k 、ck が、それぞれ電気信号として出力される。同時
に、演算回路部分12の、光電変換ゲート121 及び1
2 には、1ビット前の(k−1)番目の演算結果であ
るSUM信号sk-1 および2ビット前の(k−2)番目
の桁上げ信号であるCARRY”光信号c”k-2 が入力
され、ここで半加算演算処理され、SUM、CARRY
に対応する演算結果s’k-1 、c’k-1 が、それぞれ電
気信号として出力される。さらに、光電変換ゲート13
には、集積化光信号出力基板2内の半導体発光素子23
から、1ビット前の(k−1)番目の演算結果として、
信号ループにより一時記憶されていたCARRY光信号
k-1 が入力され、同様に電気信号として出力される。
これらの電気信号は、電気配線31 を通じて集積化光信
号出力基板2へ入力されるが、このうちsk は半導体発
光素子21に、ck は半導体発光素子23に、またc
k-1 とc’k-1 は、電気配線3-1内で合成され(ワイヤ
ードOR)、c”k-1として22に入力される。
Next, the operation of this example will be described with reference to the flowchart shown in FIG. If the two sets of input data to be added are X and Y, these are the lower bits (digits).
From the upper bits to X (x 0 ,
x 1 , ..., X n ), Y (y 0 , y 1 , ..., Y
n ) of n binary data. Now, when the optical signal of the k-th bit x k , y k is inputted to the photoelectric conversion gates 11 1 and 11 2 of the arithmetic circuit portion 11 incorporated in the integrated photoelectric logic arithmetic substrate 1, here, Addition processing is performed, and the calculation result s corresponding to SUM and CARRY
k and c k are output as electric signals, respectively. At the same time, the photoelectric conversion gates 12 1 and 1 of the arithmetic circuit portion 12 are
2 2 includes the SUM signal s k-1 which is the (k-1) th operation result one bit before and the CARRY "optical signal c" k which is the (k-2) th carry signal two bits before. -2 is input and half addition arithmetic processing is performed here, SUM, CARRY
It is the operation result s 'k-1, c' k-1 corresponding to, are respectively output as an electric signal. Further, the photoelectric conversion gate 13
Is a semiconductor light emitting element 23 in the integrated optical signal output substrate 2.
From the (k-1) th operation result one bit before,
The CARRY optical signal c k-1 temporarily stored by the signal loop is input and similarly output as an electrical signal.
These electrical signals is inputted to the integrated optical signal output substrate 2 through the electrical wiring 3 1, of which s k is the semiconductor light emitting element 21, c k is the semiconductor light emitting element 23, also c
k-1 and c'k-1 are combined in the electrical wiring 3 -1 (wired OR) and input to 22 as c " k-1 .

【0030】これらは、ここで光信号変換されて、再び
集積化光電論理演算基板1に入力されるが、あらかじめ
決められているように、半導体発光素子21から出力さ
れる光信号sk は、演算回路部分12の光電変換ゲート
121 に、半導体発光素子22から出力される光信号c
k-1 は、122 に、また半導体発光素子23から出力さ
れる光信号ckは、光電変換ゲート13に入力され、信
号ループによって一時記憶される。これと同時に次のビ
ットxk+1 、yk+1 の光信号が、光電変換ゲート1
1 、112 に入力される。
These are converted into optical signals here and input again to the integrated optoelectronic logic operation substrate 1. However, as predetermined, the optical signal s k output from the semiconductor light emitting device 21 is The optical signal c output from the semiconductor light emitting element 22 is supplied to the photoelectric conversion gate 12 1 of the arithmetic circuit portion 12.
k-1 is the 12 2, optical signal c k output from the semiconductor light emitting element 23 also is input to the photoelectric conversion gate 13, is temporarily stored by the signal loop. At the same time, the optical signals of the next bits x k + 1 and y k + 1 are transferred to the photoelectric conversion gate 1
It is input to 1 1 and 11 2 .

【0031】ここで、集積化光電論理演算基板1に組み
込まれた2組の演算回路部分11と12で、同時に半加
算演算が行われ、このうち、演算回路部分12からは、
それぞれSUM、CARRYに対応する演算結果
s’k 、c’k が、電気信号として出力される。同時
に、光電変換ゲート13からは一時記憶されているCA
RRY信号ck が、同様に電気信号として出力される。
Here, the half-addition operation is simultaneously performed in the two sets of operation circuit portions 11 and 12 incorporated in the integrated optoelectronic logic operation substrate 1, of which, from the operation circuit portion 12,
Each SUM, operation results s 'k, c' corresponding to the CARRY k is output as an electrical signal. At the same time, the CA temporarily stored from the photoelectric conversion gate 13
The RRY signal c k is also output as an electric signal.

【0032】これらの電気信号のうち、s’k は、電気
配線32を通じて、集積化光電論理演算基板1に共に集
積された、半導体発光素子24に入力される。また、c
k とc’k は、電気配線31 内で合成され、c”k とし
て集積化光信号出力基板2内の半導体発光素子22に入
力される。また演算回路部分11に入力された(k+
1)番目の光信号xk+1 、yk+1 は、前述のk番目の光
信号と同様の処理がなされる。
[0032] Among these electric signals, s' k, through electrical wiring 3 2, both integrated into integrated photoelectric logic operation substrate 1, is input to the semiconductor light emitting element 24. Also, c
k and c ′ k are combined in the electric wiring 3 1 and input as c ″ k to the semiconductor light emitting element 22 in the integrated optical signal output substrate 2. Further, (k + k) is input to the arithmetic circuit portion 11.
The 1) th optical signals x k + 1 and y k + 1 are processed in the same manner as the above-mentioned kth optical signal.

【0033】半導体発光素子24に入力された電気信号
s’k は、ここで光信号に変換されて、k番目のビット
の全加算演算結果として外部に出力される。このように
して2組の2進データが下位のビットから順に光信号と
して入力され、全加算演算がn回繰り返されることによ
り、その演算結果として下位のビットから順に、光信号
として外部に出力される。
The electrical signal s' k, which is input to the semiconductor light emitting element 24, where it is converted into an optical signal is output to the outside as the full addition operation result of k-th bit. In this way, two sets of binary data are input as optical signals in order from the lower bits, and the full addition operation is repeated n times, so that the operation results are output to the outside as optical signals in order from the lower bits. It

【0034】ここに述べた直列型全加算演算方式では、
その中心となる半加算演算回路として、高速特性に優れ
たものを用いており、その演算速度は実質的にこれに用
いてある半導体受光素子の応答速度に等しいので、その
受光素子として高速応答のMSM−PDを用いることに
より1回の半加算演算時間は0.1ns程度となる。1
ビットの直列型全加算演算は、2回の半加算演算時間
と、これに電気信号の伝播遅延時間、半導体発光素子の
応答時間、光信号の伝播遅延時間が付け加わるだけであ
り、発光素子に面発光レーザ等の半導体レーザを用い、
また全体をモジュール化して信号伝播時間を最小限に抑
えることにより、1ビット分の全加算演算時間が0.3
〜0.5ns程度と非常に高速の演算システムが実現で
きる。
In the serial type full addition operation method described here,
As the half-addition arithmetic circuit, which is the center of the circuit, we use a circuit with excellent high-speed characteristics. Since its operation speed is substantially equal to the response speed of the semiconductor light-receiving element used for this, the light-receiving element has By using the MSM-PD, one half addition operation time is about 0.1 ns. 1
The serial serial full addition operation of bits only adds two half addition operation times and the propagation delay time of the electric signal, the response time of the semiconductor light emitting element, and the propagation delay time of the optical signal to the light emitting element. Using a semiconductor laser such as a surface emitting laser,
In addition, by modularizing the whole and minimizing the signal propagation time, the total addition operation time for 1 bit is 0.3
A very high-speed arithmetic system of about 0.5 ns can be realized.

【0035】次に、並列型の集積化光電論理演算システ
ムについて述べる。図12は、図1に示したような、集
積化光電論理演算システムを一単位とし、これを並列に
配置して構成することにより、複数の入力データ、もし
くは入力データの全ビットや複数のビットを同時に演算
処理できるようになされたものである。2次元画像演算
処理等、非常に膨大な数のデータを短時間で演算処理す
る必要がある場合や、入力データの形が空間的な広がり
をもつ場合には、このような並列演算方式が有効であ
る。ここで、・・・,(k−1),k,(k+1),・
・・は、その1つずつが、図1に示されるような集積化
光電論理演算システムの一単位である。各単位演算ブロ
ックは、それぞれが独立に作用する場合もあり、また隣
の演算システムどうしが、お互いにデータを光信号の形
でやり取りしながら、全体としてまとまった作用をする
場合もある。この場合、各単位演算ブロックが、図のよ
うにお互いに幾何学的に重なり合うように配置されるこ
とによって、レンズや光ファイバ等の光学部品を用いず
に、光学的に結合することも可能である。
Next, a parallel integrated photoelectric logic operation system will be described. FIG. 12 shows a configuration in which the integrated optoelectronic logic operation system as shown in FIG. 1 is used as one unit and is arranged in parallel. It is designed to be able to perform arithmetic processing simultaneously. Such a parallel operation method is effective when a very large amount of data needs to be processed in a short time, such as two-dimensional image processing, or when the shape of input data has a spatial spread. Is. Here, ..., (k-1), k, (k + 1), ...
Each of ... Is a unit of an integrated optoelectronic logic operation system as shown in FIG. Each unit operation block may act independently, or adjacent operation systems may collectively act while exchanging data with each other in the form of an optical signal. In this case, by arranging the respective unit operation blocks so as to geometrically overlap each other as shown in the figure, it is possible to optically couple them without using optical components such as lenses and optical fibers. is there.

【0036】並列型集積化光電論理演算システムの具体
例として、全加算演算を並列方式で行う場合について述
べる。図13は、図10に示したような、全加算演算を
行う集積化光電論理演算システムを一単位とし、これを
空間的に並列に展開して集積した、リップルキャリー方
式の並列型全加算演算システムである。
As a concrete example of the parallel integrated photoelectric logic operation system, a case where the full addition operation is performed in a parallel system will be described. FIG. 13 shows a ripple carry type parallel full addition operation in which the integrated photoelectric logic operation system for performing the full addition operation as shown in FIG. System.

【0037】集積化光電論理演算基板1には、光信号の
入力によって半加算演算を行い、その結果を電気信号と
して出力するために、1ビットにつき2組の半加算演算
回路11、12と、これらにそれぞれ2個ずつ含まれる
光電変換ゲート111 、112 、121 、122 、及び
信号ループを構成して演算結果を一時記憶するための光
電変換ゲート13が組み込まれ、これらがビット数分だ
け並列に集積化されている。この半加算演算回路は、図
10において用いられているものと同じものである。光
電変換ゲートとして用いられる半導体受光素子には、前
述のようにMSM−PDが適してている。さらに、この
基板には、演算結果を光信号に変換して外部に出力する
ための半導体発光素子24も、1ビットにつき1個ずつ
共に集積されており、図6に示された構成の、実施具体
例に相当する。
In the integrated photoelectric logic operation substrate 1, two sets of half addition operation circuits 11 and 12 per bit are provided to perform half addition operation by inputting an optical signal and output the result as an electric signal. The photoelectric conversion gates 11 1 , 11 2 , 12 1 , 12 2 each including two of them and the photoelectric conversion gate 13 for forming a signal loop and temporarily storing the operation result are incorporated therein, and these are the number of bits. It is integrated in parallel by the amount. This half addition arithmetic circuit is the same as that used in FIG. As described above, the MSM-PD is suitable for the semiconductor light receiving element used as the photoelectric conversion gate. Further, one semiconductor light-emitting element 24 for converting the operation result into an optical signal and outputting the same to the outside is also integrated on this substrate, one for each bit, and the configuration shown in FIG. It corresponds to a specific example.

【0038】集積化光信号出力基板2は、集積化光電論
理演算基板1から電気信号が入力され、これを光信号に
変換して、再び集積化光電論理演算基板1に入力するた
めのものであり、集積化光電論理演算基板1と向かい合
わせて配置されることによって、信号ループを構成して
いる。ここには、集積化光電論理演算基板1に組み込ま
れた、演算回路部分12の光電変換ゲート122 に入力
するための光信号を出力する、半導体発光素子21、及
び1ビット上位の演算回路部分12の光電変換ゲート1
1 に入力するための光信号を出力する、半導体発光素
子22、さらに演算結果を一時記憶するために、光電変
換ゲート13に入力するための光信号を出力する、半導
体発光素子23が組み込まれている。また、これら半導
体発光素子には、必要に応じて入力前の電気信号を増幅
するための電子増幅回路が付加、集積される。ここで用
いられる半導体受光素子としては、前述のように面発光
レーザが適している。
The integrated optical signal output board 2 is for receiving an electric signal from the integrated optoelectronic logic operation board 1, converting it into an optical signal, and inputting it to the integrated optoelectronic logic operation board 1 again. The signal loop is formed by being arranged so as to face the integrated photoelectric logic operation substrate 1. Here was incorporated into an integrated opto-electric logic operation substrate 1, and outputs an optical signal to be input to the photoelectric conversion gate 12 second arithmetic circuit portion 12, the arithmetic circuit portion of the semiconductor light emitting element 21 and a bit higher, 12 photoelectric conversion gates 1
A semiconductor light emitting element 22 that outputs an optical signal for input to 2 1 and a semiconductor light emitting element 23 that outputs an optical signal for input to the photoelectric conversion gate 13 for temporarily storing the operation result are incorporated. ing. In addition, an electronic amplifier circuit for amplifying an electric signal before input is added to and integrated with these semiconductor light emitting elements as needed. As the semiconductor light receiving element used here, the surface emitting laser is suitable as described above.

【0039】集積化光電論理演算基板1から出力される
電気信号は、電気配線31 を介して集積化光信号出力基
板2に入力される。また、集積化光電論理演算基板1内
においては、電気配線32 を介して演算結果電気信号が
半導体発光素子24に入力される。このように、ここに
示した並列型の全加算演算システムは、図10において
示した直列型の全加算演算システムを、単に空間的に展
開したものであり、その作用は全く同一である。このた
め、演算速度は直列型のものに等しいが、画像データ
等、光入力信号が空間的に展開されている場合には、こ
の方式が有効となる。
The electrical signal output from the integrated optoelectronic logic operation substrate 1 is input to the integrated optical signal output substrate 2 via the electrical wiring 3 1 . In the integrated photoelectric logic operation substrate 1, the operation result an electrical signal is input to the semiconductor light emitting element 24 via the electrical wiring 3 2. As described above, the parallel type full addition operation system shown here is merely a spatial expansion of the serial type full addition operation system shown in FIG. 10, and the operation is exactly the same. Therefore, the operation speed is equal to that of the serial type, but this method is effective when the optical input signal is spatially expanded such as image data.

【0040】次に本例の作用を、図14に示したフロー
チャートを用いて説明する。先ほどと同様に、加算演算
される2組の入力データをX(・・・,xk-1 ,xk
k+1 ,・・・)、Y(・・・,yk-1 ,yk
k+1 ,・・・)とする。これら各2進データは、各ビ
ット毎、すなわち、・・・、(xk-1 ,yk-1 )、(x
k ,yk )、(xk+1 ,yk+1 )、・・・のように空間
的に分配され、集積化光電論理演算基板1に組み込まれ
た、それぞれのビットに対応する単位演算ブロック内
の、演算回路部分11の光電変換ゲート111 、112
に、最下位ビットから順に入力される。いま、k番目の
ビットの光入力信号xk 、yk が、集積化光電論理演算
基板1に組み込まれた演算回路部分11の光電変換ゲー
ト111 及び112 に入力されると、ここで半加算演算
処理され、SUM、CARRYに対応する演算結果
k 、ck が、それぞれ電気信号として出力される。こ
れらの電気信号は、電気配線31 を通じて、集積化光信
号出力基板2内の、同じ単位演算ブロック内の半導体発
光素子へ入力されるが、このうちskは半導体発光素子
21に、ck は半導体発光素子23に入力される。
Next, the operation of this example will be described with reference to the flow chart shown in FIG. Similarly to the above, the two sets of input data to be added are X (..., x k-1 , x k ,
x k + 1 , ...), Y (..., y k-1 , y k ,
y k + 1 , ...). Each of these binary data is bit by bit, that is, (x k-1 , y k-1 ), (x
k , y k ), (x k + 1 , y k + 1 ), ... Spatially distributed and incorporated into the integrated optoelectronic logic operation substrate 1 and are unit operations corresponding to the respective bits. The photoelectric conversion gates 11 1 and 11 2 of the arithmetic circuit portion 11 in the block
Are input in order from the least significant bit. Now, when the optical input signals x k and y k of the k-th bit are inputted to the photoelectric conversion gates 11 1 and 11 2 of the arithmetic circuit portion 11 incorporated in the integrated photoelectric logic arithmetic substrate 1, here, are added processing, SUM, operation result s k corresponding to CARRY, c k are respectively output as an electric signal. These electrical signals through electrical wiring 3 1, the integrated optical signal output substrate 2, but is input to the semiconductor light-emitting device of the same unit operation block, of which s k is the semiconductor light emitting element 21, c k Is input to the semiconductor light emitting device 23.

【0041】これらは、ここで光信号に変換されて、再
び集積化光電論理演算基板1に入力されるが、ここでは
あらかじめ決められているように、半導体発光素子21
から出力される光信号sk は、同じ単位演算ブロック内
の、もう一方の演算回路部分12の光電変換ゲート12
2 に、また半導体発光素子23から出力される光信号c
k は、光電変換ゲート13に入力され、信号ループによ
って一時記憶される。またこれと同時に、集積化光信号
出力基板2内に並べて集積された、1ビット下位の単位
演算ブロック内の半導体発光素子22からは、CARR
Y”光信号c”k-1 が、演算回路部分12の光電変換ゲ
ート121 に入力される。さらにこれらと同時に、(k
+1)番目の光入力信号xk+1 、yk+1 が、1ビット上
位の単位演算ブロックの演算回路部分11の光電変換ゲ
ート111 、112 に、それぞれ入力される。
These are converted into optical signals here and input to the integrated photoelectric logic operation substrate 1 again, but here, as determined in advance, the semiconductor light emitting element 21 is used.
The optical signal s k output from the photoelectric conversion gate 12 of the other arithmetic circuit portion 12 in the same unit arithmetic block
2 and the optical signal c output from the semiconductor light emitting device 23
k is input to the photoelectric conversion gate 13 and temporarily stored by the signal loop. At the same time, the CARR from the semiconductor light emitting element 22 in the unit operation block of 1-bit lower order, which is integrated and arranged in the integrated optical signal output substrate 2, is CARR.
The Y ″ optical signal c ″ k−1 is input to the photoelectric conversion gate 12 1 of the arithmetic circuit section 12. At the same time with these, (k
The +1) th optical input signals x k + 1 and y k + 1 are input to the photoelectric conversion gates 11 1 and 11 2 of the arithmetic circuit portion 11 of the unit arithmetic block of 1-bit higher order, respectively.

【0042】ここで、集積化光電論理演算基板1におい
て、k番目の単位演算ブロック内の演算回路部分12、
及び(k+1)番目の単位演算ブロック内の演算回路部
分11で、それぞれ同時に半加算演算が行われ、その演
算結果として、前者からは、SUM’信号s’k 、及び
CARRY’信号c’k が、後者からは、SUM信号s
k+1 及びCARRY信号ck+1 が、それぞれ電気信号と
して出力される。また一時記憶のために、光電変換ゲー
ト13に入力されたCARRY信号ck は、ここで電気
信号に変換され、出力される。
Here, in the integrated photoelectric logic operation substrate 1, the operation circuit portion 12 in the k-th unit operation block,
Half-addition operations are simultaneously performed in the operation circuit portion 11 in the and (k + 1) th unit operation blocks, respectively, and as the operation results, the SUM ′ signal s ′ k and the CARRY ′ signal c ′ k are obtained from the former. , SUM signal s from the latter
The k + 1 and CARRY signals c k + 1 are output as electric signals. The CARRY signal c k input to the photoelectric conversion gate 13 for temporary storage is converted into an electric signal here and output.

【0043】これら電気信号のうち、s’k は、電気配
線32 を通じて、集積化光電論理演算基板1に共に組み
込まれた、同じ単位演算ブロック内の半導体発光素子2
4に入力し、光信号に変換されて、kビット目の加算演
算結果として、外部に出力される。同時にc’k は、c
k と共に電気配線31 内で合成され、c”k として集積
化光信号出力基板2内の半導体発光素子23に入力さ
れ、ここで光信号に変換されて、集積化光電論理演算基
板1に組み込まれた、1ビット上位の単位演算ブロック
内の、演算回路部分12の光電変換ゲート121 に入力
される。このようにして、2組の2進データが、1ビッ
ト毎に光信号として入力され、下位ビットから順に全加
算演算が行われることにより、その演算結果として、光
信号として外部に出力される。
[0043] Among these electric signals, s' k, through electrical wiring 3 2, integrated photoelectric incorporated both logic operations substrate 1, the semiconductor light-emitting element 2 of the same unit operation block
4, is converted into an optical signal, and is output to the outside as the addition operation result of the k-th bit. At the same time, c'k is c
It is combined with the electric wiring 3 1 together with k and inputted to the semiconductor light emitting element 23 in the integrated optical signal output substrate 2 as c ″ k , converted into an optical signal here, and incorporated into the integrated photoelectric logic operation substrate 1. In the unit operation block of 1-bit higher order, it is input to the photoelectric conversion gate 12 1 of the operation circuit portion 12. In this way, two sets of binary data are input as an optical signal bit by bit. , The full addition operation is performed in order from the lower bit, and the operation result is output to the outside as an optical signal.

【0044】ここに述べた並列型全加算演算方式におい
ても、その中心となる半加算演算回路として、高速特性
に優れたものを用いており、その演算速度は実質的にこ
れに用いてある半導体受光素子の応答速度に等しいの
で、その受光素子として高速応答のMSM−PDを用い
ることにより、1回の半加算演算時間は0.1ns程度
となる。並列型全加算演算は、ビット数分の半加算演算
時間と、これに電気信号の伝播遅延時間、半導体発光素
子の応答時間、光信号の伝播遅延時間が付け加わるだけ
であり、発光素子に面発光レーザ等の半導体レーザを用
い、また全体をモジュール化して信号伝播時間を最小限
に抑えることにより、1ビット分の全加算演算時間が、
0.3〜0.5ns程度と、非常に高速の演算システム
が実現できる。
Also in the parallel type full addition operation method described here, a half addition operation circuit, which is the center of the parallel full addition operation method, has excellent high-speed characteristics, and its operation speed is substantially the same as that of the semiconductor used. Since the response speed of the light receiving element is equal to that of the light receiving element, the half-addition operation time for one time becomes about 0.1 ns by using a high-speed response MSM-PD. The parallel type full addition operation only adds the half addition operation time for the number of bits and the propagation delay time of the electric signal, the response time of the semiconductor light emitting element, and the propagation delay time of the optical signal to the light emitting element. By using a semiconductor laser such as a light emitting laser and by modularizing the whole to minimize the signal propagation time, the total addition operation time for 1 bit is
A very high-speed arithmetic system of about 0.3 to 0.5 ns can be realized.

【0045】ここに述べた、並列型の全加算光電論理演
算システムは、先に述べたいわゆる直列型のシステムに
比べて、半導体基板の大きさがビット数だけ大きくな
り、その分システム全体が大きくなってしまうものの、
2次元画像処理等の空間的な広がりを持つ光入力データ
処理を必要とする場合には、この並列演算方式が適して
いる。また、このシステムでは、ここに用いられている
光電半加算論理演算回路が、その演算結果であるSUM
とCARRYの電気信号を、全く同時に出力できること
が特徴であるため、このシステムをキャリーセーブ方式
の並列型全加算光電論理演算システムとして用いること
は、非常に有効である。この演算方式は、乗算回路にお
いて多く用いられるが、一般に電子回路、すなわちトラ
ンジスタのみで構成した場合、SUMとCARRYの出
力は同時に発生しないため、複雑なタイミング回路を組
み込む必要があった。ここでは、前述のようにこの必要
が無いため、非常に簡単に乗算回路を構成することがで
き、またこの分、演算速度を高めることができる。また
一般に、四則演算等の複雑な演算を行う場合にしばしば
必要となる、シフトレジスタ等の信号遅延回路は、各単
位演算ブロック内の信号ループを利用して本光電論理演
算システムに簡単に導入することができる。
In the parallel type full-addition photoelectric logic operation system described here, the size of the semiconductor substrate is increased by the number of bits as compared with the so-called serial type system described above, and the entire system is increased accordingly. Although it will be,
This parallel operation method is suitable when optical input data processing having a spatial spread such as two-dimensional image processing is required. Further, in this system, the photoelectric half-addition logic operation circuit used here is the SUM that is the operation result.
Since it is possible to output the electric signals of and CARRY at exactly the same time, it is very effective to use this system as a carry-save parallel full-addition photoelectric logic operation system. This operation method is often used in a multiplication circuit, but in the case where it is generally composed of an electronic circuit, that is, only a transistor, the outputs of SUM and CARRY do not occur at the same time, so it is necessary to incorporate a complicated timing circuit. Since this is not necessary here as described above, the multiplication circuit can be configured very easily, and the calculation speed can be increased accordingly. In general, a signal delay circuit such as a shift register, which is often required when performing complex operations such as four arithmetic operations, is easily introduced into the photoelectric logic operation system by using a signal loop in each unit operation block. be able to.

【0046】さらに、このような並列型の全加算回路に
おいては、各ビットの桁上げ(CARRY)信号は隣接
された上位ビットの入力ゲートに転送されるため、演算
の結果、電気信号として出力される桁上げ信号は、その
まま隣接上位ビットに電気的に接続されて入力され、必
ずしも光信号に変換される必要はない。すなわち、本特
許で取り扱う光出力信号の利点とは、ある単位演算ブロ
ックから、次段の別の光電論理演算基板内の単位演算ブ
ロックへ転送する場合に、光信号の方が多くの点におい
て優れているということであって、同一論理演算基板の
内部における信号転送、すなわち、内部桁上げ信号等は
光信号に変換しなくても差し支えない。本特許において
は、光信号入出力の概念は、次段光電論理演算基板への
光配線を兼ねることも目的としているので、この場合の
ように、桁上げ信号を光信号に変換しないで転送する場
合も、SUM電気信号が光信号に変換され、次段に光信
号として入力されるならば、本発明に含まれるものであ
る。
Further, in such a parallel type full adder circuit, since the carry (CARRY) signal of each bit is transferred to the input gate of the adjacent upper bit, it is output as an electric signal as a result of the operation. The carry signal to be input is directly connected to the adjacent higher-order bits and input, and does not necessarily have to be converted into an optical signal. That is, the advantage of the optical output signal dealt with in this patent is that the optical signal is superior in many points when it is transferred from a certain unit operation block to a unit operation block in another photoelectric logic operation board in the next stage. However, the signal transfer inside the same logical operation board, that is, the internal carry signal does not have to be converted into an optical signal. In this patent, the concept of the optical signal input / output is also intended to serve as the optical wiring to the next-stage photoelectric logic operation board. Therefore, as in this case, the carry signal is transferred without being converted into the optical signal. Also in the case, if the SUM electric signal is converted into an optical signal and is input to the next stage as an optical signal, it is included in the present invention.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明により、半導体受光素子と半導体
発光素子を、それぞれ集積した半導体基板を、信号ルー
プを構成するために、お互いに光学的に結合されるよう
に空間的に配置することにより、光信号を用いた全加算
演算等の複雑な論理演算が、簡単な構成で実現できる。
特に、本発明では光信号の入出力系統を空間的に振り分
け、その経路を簡素化したことにより、複雑な光学系、
及びそのクロック毎の複雑な制御が不要になったことが
大きな特徴である。これにより、演算速度はなお一層速
くなり、また演算システム内での光信号の減衰が大幅に
小さくなることが期待される。このため、演算システム
を空間的に配列することによる、大規模な並列演算シス
テムが実質的に可能になり、特に画像演算処理等におい
て、その効果を最大限に発揮するであろうことが期待さ
れる。
According to the present invention, the semiconductor substrate on which the semiconductor light receiving element and the semiconductor light emitting element are integrated is spatially arranged so as to be optically coupled to each other to form a signal loop. , Complex logical operations such as full addition operations using optical signals can be realized with a simple configuration.
In particular, in the present invention, the input / output system of the optical signal is spatially distributed, and the path is simplified, so that a complicated optical system,
Another feature is that complicated control for each clock is no longer necessary. As a result, it is expected that the operation speed will be further increased and that the attenuation of the optical signal in the operation system will be significantly reduced. For this reason, it is expected that a large-scale parallel arithmetic system can be substantially realized by spatially arranging the arithmetic systems, and its effect will be maximized especially in image arithmetic processing. It

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明における集積化光電論理演算システムの
基本的な構成を示したものである。
FIG. 1 shows a basic configuration of an integrated photoelectric logic operation system according to the present invention.

【図2】本発明において集積化光電論理演算基板に用い
られる半導体受光素子として最適な、MSM−PDの代
表的な素子構造を示したものである。
FIG. 2 shows a typical element structure of MSM-PD, which is optimum as a semiconductor light receiving element used for an integrated optoelectronic logic operation substrate in the present invention.

【図3】本発明において集積化光信号出力基板に用いら
れる半導体発光素子として最適な、面発光レーザの代表
的な素子構造を示したものである。
FIG. 3 is a view showing a typical device structure of a surface emitting laser, which is most suitable as a semiconductor light emitting device used for an integrated optical signal output substrate in the present invention.

【図4】本発明における集積化光電論理演算システムに
おいて、集積化光電論理演算基板を、MSM−PDを半
導体基板上に集積して構成する場合の、集積回路の概念
図を示したものである。
FIG. 4 is a conceptual diagram of an integrated circuit in the case where the integrated optoelectronic logic operation board of the present invention is configured by integrating the MSM-PD on a semiconductor substrate. ..

【図5】本発明における集積化光電論理演算システムに
おいて、集積化光信号出力基板を、面発光レーザを半導
体基板上に集積して構成する場合の、集積回路の概念図
を示したものである。
FIG. 5 is a conceptual diagram of an integrated circuit in a case where an integrated optical signal output substrate is configured by integrating a surface emitting laser on a semiconductor substrate in the integrated photoelectric logic operation system according to the present invention. ..

【図6】本発明における集積化光電論理演算システムに
おいて、半導体基板にMSM−PDと面発光レーザとを
用いて、光電論理演算基板と光信号出力基板とを共に集
積する場合の、集積回路の概念図を示したものである。
FIG. 6 shows an integrated circuit in an integrated optoelectronic operation system according to the present invention, in which an optoelectronic logic operation board and an optical signal output board are integrated together by using an MSM-PD and a surface emitting laser on a semiconductor substrate. It is a conceptual diagram.

【図7】本発明における集積化光電論理演算システムに
おいて、半導体基板に、MSM−PDと面発光レーザと
を用いて、光電論理演算基板と光信号出力基板とを共に
集積し、これに信号の帰還のための、別の集積化光信号
出力基板を、お互いに対応する光結合関係を満足するよ
うに向かい合わせて重ね合わせ、接着して固定する場合
の概念図を示したものである。
FIG. 7 shows an integrated optoelectronic logic operation system according to the present invention, in which an optoelectronic logic operation board and an optical signal output board are integrated on a semiconductor substrate by using an MSM-PD and a surface emitting laser, and FIG. 7 is a conceptual diagram showing another integrated optical signal output substrate for feedback, which is face-to-face overlapped and adhered and fixed so as to satisfy the optical coupling relationship corresponding to each other.

【図8】本発明における集積化光電論理演算システムの
構成例を示したものである。
FIG. 8 shows a configuration example of an integrated photoelectric logic operation system according to the present invention.

【図9】本発明における集積化光電論理演算システムの
構成例を示したものである。
FIG. 9 shows a configuration example of an integrated photoelectric logic operation system according to the present invention.

【図10】本発明における集積化光電論理演算システム
として、全加算演算を行う場合の実施例を示したもので
ある。
FIG. 10 shows an embodiment in the case of performing a full addition operation as an integrated photoelectric logic operation system according to the present invention.

【図11】図10に示した全加算演算システムのフロー
チャートを示したものである。
11 shows a flowchart of the full addition arithmetic system shown in FIG.

【図12】本発明における集積化光電論理演算システム
として、図1に示したような演算システムを一単位と
し、これを空間的に複数個配列し、集積することによっ
て構成された、並列型の集積化光電論理演算システムの
基本的な構成を示したものである。
FIG. 12 is a parallel-type integrated optoelectronic logic operation system according to the present invention, which is configured by integrating the operation system as shown in FIG. 1 into one unit, and spatially arranging and integrating the operation systems. 1 shows a basic configuration of an integrated photoelectric logic operation system.

【図13】本発明における並列型の集積化光電論理演算
システムとして、全加算演算を行う場合の実施例を示し
たものである。
FIG. 13 shows an embodiment in the case of performing a full addition operation as a parallel type integrated photoelectric logic operation system in the present invention.

【図14】図13に示した全加算演算システムのフロー
チャートを示したものである。
14 shows a flowchart of the full addition arithmetic system shown in FIG.

【図15】空間光変調素子を発光素子アレイ、および受
光素子アレイと組み合わせて構成される、光演算システ
ムである。
FIG. 15 is an optical operation system configured by combining a spatial light modulator with a light emitting element array and a light receiving element array.

【図16】半導体受光素子を用いて構成された光電半加
算演算回路である。
FIG. 16 is a photoelectric half addition arithmetic circuit configured using a semiconductor light receiving element.

【図17】同じく半導体受光素子を用いて構成された、
光電半加算演算回路である。
FIG. 17 is also formed by using a semiconductor light receiving element,
It is a photoelectric half addition arithmetic circuit.

【図18】図16に示した光電半加算演算回路を、半導
体基板上に集積した場合の集積回路例である。
FIG. 18 is an example of an integrated circuit when the photoelectric half-addition arithmetic circuit shown in FIG. 16 is integrated on a semiconductor substrate.

【図19】図17に示した光電半加算演算回路を、半導
体基板上に集積した場合の集積回路例である。
FIG. 19 is an example of an integrated circuit when the photoelectric half-addition arithmetic circuit shown in FIG. 17 is integrated on a semiconductor substrate.

【図20】図16や図17に示した光電半加算演算回路
と、ラッチメモリとを用いて構成される光電全加算演算
システムのブロック図である。
FIG. 20 is a block diagram of a photoelectric full addition arithmetic system configured using the photoelectric half addition arithmetic circuit shown in FIGS. 16 and 17 and a latch memory.

【図21】半導体受光素子からなる光電排他的論理和
(XOR)演算ゲートアレイ、および光電論理積(AN
D)演算ゲートアレイを、平面上に配置し、もう一方の
平面上には半導体レーザアレイを配置し、これらをハー
フミラーを用いて光結合し、光信号の帰還を行うように
構成することによって実現される、光電全加算演算シス
テムを示したものである。
FIG. 21 is a photoelectric exclusive OR (XOR) operation gate array including a semiconductor light receiving element, and a photoelectric AND (AN).
D) By arranging the operation gate array on a plane, arranging the semiconductor laser array on the other plane, and optically coupling them by using a half mirror, the optical signal is returned. It is a figure which shows the photoelectric full addition arithmetic system implement | achieved.

【図22】半導体受光素子からなる光電排他的論理和
(XOR)演算ゲート、および光電論理積(AND)演
算ゲートを、半導体発光素子と共に平面上に配置し、コ
ーナーキューブを用いて光信号の帰還を行うように構成
することによってメモリ機能を含んで実現される、光電
全加算演算システムを示したものである。
FIG. 22 is a diagram illustrating a photoelectric exclusive OR (XOR) operation gate and a photoelectric AND (AND) operation gate each including a semiconductor light receiving element arranged on a plane together with a semiconductor light emitting element, and using a corner cube to return an optical signal. 2 is a diagram showing a photoelectric full addition arithmetic system that is realized by including a memory function by being configured to perform.

【符号の簡単な説明】[Simple explanation of symbols]

1…集積化光電論理演算基板 11、12…演算回路部分 111 〜11n 、121 〜122 、13、14…光電変
換ゲート 2、21 、22 …集積化光信号出力基板 21、211 〜21n 、22、221 〜22n 、23、
24、25…半導体発光素子 31 、32 …電気配線 4、41 …半導体基板 42 …活性領域 51 、52 …ショットキー電極 6…絶縁体薄膜 71 …多層膜反射鏡 72 …反射鏡 8、81 〜8n …半導体受光素子 9…導電体薄膜電極 10…コーナーキューブ
1 ... integrated photoelectric logic operation board 11, 12 ... operation circuit portion 11 1 ~11 n, 12 1 ~12 2, 13,14 ... photoelectric conversion gate 2,2 1, 2 2 ... integrated optical signal output board 21, 21 1 to 21 n , 22, 22 1 to 22 n , 23,
24,25 ... semiconductor light-emitting element 3 1, 3 2 ... electric wiring 4,4 1 ... semiconductor substrate 4 2 ... active regions 5 1, 5 2 ... Schottky electrode 6 ... insulating film 7 1 ... multilayer mirror 7 2 … Reflector 8, 8 1 to 8 n … Semiconductor light receiving element 9… Conductor thin film electrode 10… Corner cube

フロントページの続き (72)発明者 飯田 孝 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 藁科 禎久 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 杉本 賢一 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 鈴木 智子 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 菅 博文 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内Front page continuation (72) Inventor Takashi Iida 1 1126 Ichinomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture 1126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Sadahisa Warashi 1 1126 1 Nonomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Kenichi Sugimoto, 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd., 1126 Nomachi, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture (72) Inventor Tomoko Suzuki 1 1126, Ichinocho, Hamamatsu, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Invention Hirofumi Suga 1 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. 1 1126 Nomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体受光素子を入力光電変換ゲートと
し、このゲートの複数個を半導体基板上に配置し、これ
らゲート間の配線、もしくは個々のゲートに与えられる
バイアス電源の極性や大きさによって、あらかじめ決め
られた論理演算を、光信号の入力により行う光電論理演
算回路が、複数組集積された集積化光電論理演算基板
と、 複数個の半導体発光素子を半導体基板上に集積して配置
し、これらの演算結果を光信号に変換して出力するため
の、1個以上の集積化光信号出力基板と、 これら集積化光電論理演算基板と集積化光信号出力基板
とを電気的に接続するための電気配線により、 論理演算によって得られた光出力信号の一部を、再び集
積化光電論理演算基板内の光電論理演算回路に入力する
ために設けられた集積化光信号出力基板を、その中の発
光素子が集積化光電論理演算基板のそれぞれ対応する入
力光電変換ゲートと、幾何光学的結合関係を有するよう
に配置することにより、光信号の帰還手段とを備えた集
積化光電論理演算システム、 および、これを単位演算ブロックとして複数個並列に配
置し、また必要に応じて、それぞれの光出力信号の一部
を縦続入力するように、単位演算ブロック間を光学的に
結合することによって、複数ビットの光信号の同時入力
により、論理演算を同時に並列に行うようになされた、
並列型集積化光電論理演算システム。
1. A semiconductor light receiving element is used as an input photoelectric conversion gate, and a plurality of these gates are arranged on a semiconductor substrate. Depending on the wiring between these gates or the polarity and size of a bias power supply applied to each gate, A photoelectric logic operation circuit for performing a predetermined logic operation by inputting an optical signal, an integrated optoelectronic logic operation board in which a plurality of sets are integrated, and a plurality of semiconductor light emitting elements are integrated and arranged on the semiconductor substrate, One or more integrated optical signal output boards for converting these operation results into optical signals and outputting the signals, and electrically connecting these integrated optoelectronic logic operation boards and the integrated optical signal output boards. The integrated optical signal output base provided for inputting a part of the optical output signal obtained by the logical operation to the photoelectric logic operation circuit in the integrated photoelectric logic operation board again by the electric wiring of The board is arranged so that the light-emitting elements therein have a geometrical optical coupling relationship with the corresponding input photoelectric conversion gates of the integrated optoelectronic logic operation board, thereby providing an integrated circuit having optical signal feedback means. The optoelectronic logic operation system and multiple unit operation blocks are arranged in parallel, and the unit operation blocks are optically coupled to each other so that a part of each optical output signal is input in cascade. By doing so, by simultaneously inputting optical signals of a plurality of bits, logical operations are simultaneously performed in parallel.
Parallel integrated photoelectric logic operation system.
【請求項2】 単位演算ブロック内において、光信号を
帰還するために設けられた集積化光信号出力基板を、集
積化光電論理演算基板と対向配置するように構成された
請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
2. The integrated circuit according to claim 1, wherein an integrated optical signal output board provided for returning an optical signal in the unit operation block is arranged to face the integrated optoelectronic logic operation board. Optoelectronic logic operation system.
【請求項3】 単位演算ブロック内において、集積化光
信号出力基板の内の一部を、2組に分岐して出力する手
段を設け、一方は、演算結果を単位演算ブロックの外部
に出力するためだけのものとし、もう一方は、演算結果
を単位演算ブロック内で帰還するためだけのものとした
請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
3. A unit operation block is provided with means for branching and outputting a part of the integrated optical signal output substrate into two sets, one of which outputs the operation result to the outside of the unit operation block. The integrated optoelectronic logic operation system according to claim 1, wherein the integrated optoelectronic logic operation system is used only for the purpose of returning the operation result to the unit operation block.
【請求項4】 半導体受光素子が、半導体基板上にショ
ットキー接合を対向配置して構成した、実質的に左右対
称な電極構造を有する請求項1記載の集積化光電論理演
算システム。
4. The integrated optoelectronic logic operation system according to claim 1, wherein the semiconductor light receiving element has a substantially bilaterally symmetric electrode structure formed by arranging Schottky junctions facing each other on a semiconductor substrate.
【請求項5】 半導体発光素子が、面発光レーザである
請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
5. The integrated photoelectric logic operation system according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is a surface emitting laser.
【請求項6】 集積化光電論理演算基板と、集積化光信
号出力基板の一部あるいは全部を、これらを電気的に接
続する電気配線を含めて、同一半導体基板上にモノリシ
ックに集積した構成において、半導体基板の一方の面に
光信号が入力され、もう一方の面から光信号が出力され
る請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
6. A structure in which a part or all of an integrated optoelectronic logic operation board and an integrated optical signal output board are monolithically integrated on the same semiconductor substrate, including electrical wiring for electrically connecting them. 2. The integrated photoelectric logic operation system according to claim 1, wherein an optical signal is input to one surface of the semiconductor substrate and an optical signal is output from the other surface.
【請求項7】 集積化光電論理演算基板と、集積化光信
号出力基板を、これらを電気的に接続する電気配線を含
めて、同一半導体基板上にモノリシックに集積し、これ
に信号を集積回路基板間において帰還するための、別の
集積化光信号出力基板を、お互いに対応する光結合関係
を満足するように向かい合わせて重ね合わせ、固定した
請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
7. An integrated optoelectronic logic operation board and an integrated optical signal output board are integrated monolithically on the same semiconductor substrate, including electric wirings for electrically connecting them, and signals are integrated therein. 2. The integrated optoelectronic logic operation system according to claim 1, wherein another integrated optical signal output substrate for returning between the substrates is superposed and fixed so as to face each other so as to satisfy the optical coupling relation corresponding to each other.
【請求項8】 半導体基板として半絶縁性GaAs基
板、半絶縁性InP基板、もしくはGaP基板が用いら
れた請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
8. The integrated photoelectric logic operation system according to claim 1, wherein a semi-insulating GaAs substrate, a semi-insulating InP substrate, or a GaP substrate is used as the semiconductor substrate.
【請求項9】 複数ビット構成の光入力信号を並列に受
光し、論理回路内でビット信号を並列的に配列処理する
手段と、複数ビット構成の出力のために、光出力信号を
並列的に配列処理する手段とを含む請求項1記載の集積
化光電論理演算システム。
9. A means for receiving an optical input signal of a plurality of bits in parallel and arranging the bit signals in parallel in a logic circuit, and an optical output signal in parallel for outputting a plurality of bits. 2. The integrated optoelectronic logic operation system according to claim 1, including means for array processing.
【請求項10】 集積化光電論理演算基板内に、半加算
演算を行うようになされた回路を設け、この演算結果と
して出力され、集積化光信号出力基板で変換されたCA
RRY光信号が、集積回路基板間の帰還による信号循環
機能によって一時記憶され、再び集積化光電論理演算基
板内の半加算演算回路部分に入力されるようになされた
構成によって、全加算演算を直列に行う請求項1記載の
集積化光電論理演算システム。
10. A CA configured to perform half addition operation in an integrated optoelectronic logic operation board, output as the operation result, and converted by an integrated optical signal output board.
The RRY optical signal is temporarily stored by the signal circulation function by the feedback between the integrated circuit boards and is inputted again to the half addition operation circuit section in the integrated photoelectric logic operation board. The integrated photoelectric logic operation system according to claim 1, wherein
【請求項11】 集積化光電論理演算基板内に、半加算
演算を行うようになされた回路を設け、この演算結果と
して出力され、集積化光信号出力基板で変換されたCA
RRY光信号を、並列に配置され光学的に縦続結合され
た、1ビット上位の単位演算ブロック内の光電半加算演
算回路部分に入力するようになされた構成によって、全
体として、全加算演算を並列に行う請求項1記載の集積
化光電論理演算システム。
11. A circuit configured to perform a half addition operation in an integrated photoelectric logic operation board, which is output as a result of this operation and converted by an integrated optical signal output board.
The RRY optical signal is arranged in parallel and optically cascade-coupled, and is input to the photoelectric half-addition operation circuit portion in the unit operation block of 1-bit higher order. The integrated photoelectric logic operation system according to claim 1, wherein
【請求項12】 並列光信号入力による演算結果のうち
のCARRY電気信号を、光信号に変換することなく1
ビット上位の演算ゲートの電気信号入力として利用する
請求項1記載の集積化光電論理演算システム。
12. A CARRY electric signal of a calculation result by parallel optical signal input is converted into an optical signal without conversion into an optical signal.
2. The integrated optoelectronic logic operation system according to claim 1, wherein the integrated optoelectronic logic operation system is used as an electric signal input of an operation gate having a higher bit.
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