Optical logic device using cross coupling of two semiconductor lasers with GaAs/AlGaAs double heterostructures is proposed. In the proposed device, the two laser cavities are placed crossed at right angles and the carrier density profile in the crossed area is shared. The internal photon density of one laser cavity interacts with that of the other through the shared carrier density profile. The interaction mechanism is optical quenching. Nonlinear quenching characteristics are introduced by separation of the electrode of the control laser. As laser mirrors, rooftop reflectors are employed which makes possible integration of laser diodes, overcoming the limit of the cleaved mirror of crystal facet for discrete devices. By employing the rooftop reflectors, input light and output light can be separated and give complimentary outputs. Rooftop reflectors have characteristics of total internal reflection and improves the energy efficiency of the laser via minimization of mirror loss.
Semiclassical approach is used to model the proposed optical logic device. Operation characteristics are calculated from the Maxwell-Bloch equations at the control laser. It is found that the interaction factor decreases where the shared carrier density is exhausted by the large photon density of the control laser and that there is hardly any more interaction for large photon density of the control laser. The initial interaction factor is determined by the width of the intersection region. Bistable characteristics are obtained for large values of the initial interaction factor.
The proposed optical logic circuit is fabricated. Fabrication process of the rooftop reflector is improved through simultaneous etching of the window of contact stripe and the window of rooftop reflector etching, which leads to lowering of threshold current density. The fabricated device performs nonlinear quenching operation as well as linear quenching operation and the efficiency of logic operation through nonlinear quenching is obtained as 13 times larger than that of linear quenching. Even though the unoptimized structure and fabrication process do not allow cw operation, it was demonstrated through pulses operation, that the device is useful as optical memory or optical logic device such as exclusive OR element.
GaAs/AlGaAs 이중이형구조를 갖는 두개의 반도체 레이저를 교차결합시킨 모노리딕 광 논리소자를 제안하였다. 제안된 소자에서 두 레이저 공진기는 서로 직각 교차하도록 배열되어 교차영역에서 전자농도 분포를 공유한다. 두 레이저 공진기 내부의 레이저 광선 에너지는 공유된 전자 농도 분포를 통하여 상호작용한다. 상호작용의 기구는 광？칭 (Optical quenching)이며 조절 레이저의 전극을 분리함으로써 비선형 ？칭 (Nonlinear quenching) 특성을 갖도록 하였다. 레이저 반사경으로서는 지붕형 반사경을 채용하여 기존의 결정면 벽개에 의한 평면 반사경이 갖는 개별소자로서의 한계를 극복하여 집적이 가능하도록 하였으며 광선의 입력과 출력을 분리시켰다. 지붕형 반사경은 완전반사경으로서 손실을 최소화하여 에너지 효율을 높여준다.
준고전적인 방법인 맥스웰-블로흐 방정식을 조절 레이저에 적용하여, 제안된 광논리 소자의 동작특성을 계산하였다. 조절 레이저가 공유 전자농도를 소진하는 영역에서 상호작용의 크기가 감소함을 알아냈고 조절 레이저 에너지가 매우 클때는 상호작용이 거의 없음을 알아냈다. 초기 상호작용계수는 교차영역의 폭에 의하여 결정되며 초기상호작용계수를 크게 하였을 때는 쌍안정 특성을 보임을 알아냈다.
제안된 광논리소자를 제작하였고 제작과정 중에서 지붕형 반사경 제작공정을 개선하여 문턱전류를 낮추어 에너지 효율을 증대시켰다. 제작된 소자는 기존의 선형 ？칭 (Linear quenching) 동작뿐만 아니라 새로운 비선형 ？칭 (Nonlinear quenching) 동작을 보이며 비선형 ？칭을 이용한 논리 연산의 효율은 선형 ？칭에 의한 경우보다 13배 크다. 제작된 소자는 설계 및 제조공정이 최적화되지 않은 구조로서 연속동작이 불가였으나 펄스동작으로도 광기억소자 혹은 배타적 합산기 (Exclusive OR) 등의 광 논리소자로서 유용함을 보였다.
