DE2310053A1 - Feld aus lichtemittierenden und lichtempfangenden elementen in logischer anordnung - Google Patents
Feld aus lichtemittierenden und lichtempfangenden elementen in logischer anordnungInfo
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Description
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH
München 7i. 2?. Februar T)7
Motorola Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois
V.St.A.
Feld aus lichtemittierenden und lichtempfangenden Elementen
in logischer Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Feld aus lichtemittierenden und lichtempfangenden Elementen in logischer Anordnung, das eingangsseitig
von elektrischen Signalen beaufschlagbar ist und ausgangsseitig elektrische Signale abgibt.
Für die Handhabung von Daten in Form elektronischer Signale sind extrem hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erforderlich.
Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit müssen große Anforderungen überwunden werden, um damit verbundene technische
Probleme zu meistern. Bei logischen Feldern, die eine Lichtübertragung zur Handhabung von Daten anstelle von elektrischen
Leitern benutzen, sind z.B. für digitale Computer besonders vorteilhaft. Bei der Verwendung von Festkörperelementen
in derartigen digitalen Computern werden diese immer häufiger in Form integrierter Schaltkreise anstelle von ver-
Fs/mt 309839/08 51 drahteten
drahteten diskreten Schaltelementen verwendet. Bei Kombinationen, die reine integrierte Schaltkreise nicht ermöglichen,
ist die Verwendung hybrider Schaltkreise üblich. Dabei sind derartige Komponenten häufig in Module zusammengefaßt, die
in Form gedruckter Schaltungskarten aufgebaut sein können und mit den integrierten Schaltkreisen bzw. den Hybridschaltkreisen
oder diskreten Komponenten verbunden sind. Dabei stellt die gedruckte Schaltung die Leitungsverbindungen
zwischen den einzelnen Schaltkreiskomponenten her, so daß weitere Schaltungsverbindungen nur noch zwischen einzelnen
Module notwendig sind. Bei extrem hohen Betriebsfrequenzen entstehen Schwierigkeiten auf Grund von Abstrahlung von
Geräuscheinflüssen und unsicheren Erdungsverhältnissen. Um solche Schwierigkeiten zu überwinden, sind im herkömmlichen
Schaltungsaufbau eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, die z.B. zur Verwendung verseilter Leitungen.koaxial ausgebildeter
Leitungen und Metallabschirmungen führen. Damit lassen sich jedoch die Schwierigkeiten sehr rascher Signalübertragung
nicht ganz ausschalten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Signalübertragung
innerhalb von Feldern mit einer Vielzahl von Elementen, insbesondere logischen Feldanordnungen, zu
schaffen, wobei Einschwlngvorgänge,Rauschübertragungen und
ungleiche Erdungsverhältnisse weitgehendst ausschaltbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Vielzahl von lichtemittierenden Elementen vorhanden ist, die auf die elektrischen Signale ansprechen, wobei jedes
lichtemittierende Element in Abhängigkeit von einem der Eingangssignale ein Licht einer Wellenlänge aus einer Viel-
- 2 - zahl
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zahl von vorgeschriebenen Wellenlängen erzeugt, und daß eine Vielzahl von lichtempfangenden Elementen vorhanden ist, von
denen jedes auf eine Wellenlänge aus einer Vielzahl von vorgeschriebenen Wellenlängen in Abhängigkeit von einem der
Eingangssignale auf das Licht der zugeordneten Wellenlänge
anspricht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.
Bei einer vorteilhaften Verwirklichung der Erfindung in einer logischen Feldanordnung findet eine Vielzahl von lichtemittierenden
Elementen, z.B. in Form lichtemittierender Dioden, und eine Vielzahl lichtempfangender Elemente, z.B. in Form
von Detektordioden oder Fototransistoren Verwendung. Das an die jeweilige lichtemittierende Diode angelegte Eingangssignal
kann selektiv diese Diode aktivieren und ein elektrisches Signal an den Ausgang der Logikschaltung übertragen.
Dabei erzeugt die lichtemittierende Diode ein Licht einer gegebenen Wellenlänge aus einer Vielzahl von Wellenlängen,
auf welches das zugeordnete lichtempfangende Element abgestimmt
ist und nur beim Empfang des emittierten Lichtes dieser Wellenlänge anspricht. So können beispielsweise drei
lichtemittierende Dioden verwendet werden, die aus unterschiedlichem Material hergestellt sind, so daß jede Diode
ein Licht einer anderen Wellenlänge emittiert, iünt sprechend
können drei Detektordioden Verwendung finden, von denen jede jeweils nur auf das emittierte Licht einer bestimmten Wellenlänge
anspricht. Durch eine geeignete logische Verknüpfung der Detektordioden kann man erreichen, daß am Ausgang
der logischen Feldanordnung ein Signal einer bestimmten logischen Verknüpfung entsteht. Es ist offensichtlich, daß
- 5 - eine
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eine große. Vielzahl von logischen Verknüpfungen mit Hilfe dieser Elemente möglich sind. Als lichtemittierendes Element
kann auch ein Laser Verwendung finden, dem als lichtempfangendes Element Fotodioden oder Fototransistoren sehr
vorteilhaft zugeordnet sein können. Da ein Laser ein kohärentes Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge in Abhängigkeit
von dem verwendeten Material abgibt, ist es •öhr vorteilhaft,Laser als lichtemittierende Elemente zu
benutzen, da das abgegebene Licht genau definiert ist.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination kennzeichnenden Ansprüchen und der
Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine integrierte Hybridschaltung mit einer lichtemittierenden Diode und einer
als Detektor wirksamen Fotodiode;
Fig. 2 eine schematische Anordnung zweier lichtemittierenden Dioden und zweier Detektordioden;
Fig. 3 eine schematische Anordnung zweier Detektordioden
in ODER-Schaltung;
Fig. 4 eine schematische Anordnung zweier Detektordioden
in UND-Schaltung;
Fig. 5 eine schematische Anordnung eines Fototransistors
als Umkehrstufe.
- 4 - In
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In Fig. 1 ist eine Hybridschaltung integrierter Halbleiterelemente
dargestellt, die eine lichtemittierende Diode 11 und eine Detektordiode 12 umfaßt, welche auf einer ebenen Oberfläche
einer gemeinsamen Montagebasis 13 angeordnet und gegeneinander sowie gegenüber der Montagebasis durch Isolatoren
32 und 37 elektrisch isoliert sind. Die beiden Elemente sind jedoch untereinander optisch gekoppelt. Die lichtemittierende
Diode 11 umfaßt einen P-leitenden Bereich 14- und
einen N-leitenden Bereich 15, durch welche der lichtemittierende
PN-Übergang 16 definiert wird, der sich bis zur Oberfläche des Halbleiterelementes erstreckt. An den N- bzw.
P-leitenden Bereichen sind geeignete elektrische Kontaktanschlüsse 17 und 18 vorgesehen, um die lichtemittierende
Diode zur Lichtabstrahlung anregen zu können. Die Eingangssignale können an einen Anschlußstift 27 angelegt werden,
welcher gegen die Montagebasis durch einen Isolator 28 isoliert ist und über eine Leitungsverbindung 26 mit dem
Kontaktanschluß 17 in Verbindung steht.
Die Detektordiode 12 besteht aus einem P-leitenden Bereich 19 und einem N-leitenden Bereich 20, welche einen lichtempfindlichen
PN-Übergang 21 bestimmen, der zur Oberfläche der Montagebasis 13 hin sich erstreckt. Geeignete elektrische
Kontaktanschlüsse 22 und 23 sind mit dem P-leitenden Bereich 19 und dem N-leitenden Bereich 20 in entsprechender
Weise verbunden, um ein Signal nach außen oder an einen anderen nicht dargestellten Detektor übertragen zu können,
der ebenfalls innerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist. Der Kontaktanschluß 22 ist über eine Leitungsverbindung
29 mit einem Anschlußstift 30 verbunden, der gegenüber der Montagebasis 13 durch einen Isolator 31 elektrisch
isoliert ist.
- 5 - Um
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Um die Lichtübertragung von der lichtemittierenden Diode
zur Detektordiode 12 zu "begünstigen, wird ein geeignetes transparentes und isolierendes Material 24, z.B. Glas zwischen
den Elementen vorgesehen, das mit einer lichtreflektierenden Schicht 25 überzogen ist. Damit bewirkt ein an
die lichtemittierende Diode 11 angelegtes elektrisches Signal eine Lichtemission und Übertragung dieses Lichtes zu
der Detektordiode 12, die gemäß Fig. 2 in einer logischen Verbindung mit einer Detektordiode 42 stehen kann. Diese
Art der Lichtübertragung hat einen wesentlichen Vorteil, da derjenige Teil der Schaltung,von dem das zu übertragende
Signal ausgeht, elektrisch völlig von demjenigen Teil entkoppelt ist, welcher das Signal empfängt. Damit werden Einschwingspannungen
und/oder Störsignale in Form von Rauschen eliminiert und von der Ausgangsschaltung ferngehalten.
In Fig. 2 ist eine lichtemittierende Diode 1 dargestellt,
die in Durchlaßrichtung von der an der Anschlußklemme 18 wirksamen Spannung vorgespannt ist und über die Anschlußklemme
17 mit dem Eingangssignal beaufschlagt wird. Die
Detektordiode, die auf das von der lichtemittierenden Diode 11 ausgehende Licht anspricht, ist unabhängig von der lichtemittierenden
Diode 41 und spricht auf das von dieser Diode ausgehende Licht nicht an. Diese Detektordiode 12 ist über
die an die Anschlußklemme 23 angelegte Spannung in Sperrrichtung
vorgespannt. Wenn der PN-Übergang der Detektordiode 12 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, ergibt sich
dadurch nur ein relativ unbedeutender Anstieg an Strom. Wenn jedoch der PN-Übergang dieser Detektordiode 12 in Sperrrichtung
vorgespannt ist, ergibt sich eine beträchtliche Stromänderung. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform besteht
die lichtemittierende Diode 1 aus Galliumarsenid
- 6 - und
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und die Detektordiode 12 aus Silizium. Damit liegt die Wellenlänge
des von der lichtemittierenden Diode 11 abgestrahlten Lichtes näherungsweise bei 9000 ίί.
Die lichtemittierende Diode 41 strahlt Licht aus, wenn sie
am Eingang, d.h. an der Anschlußklemme 43, erregt wird. Die Detektordiode 42, die in Sperrichtung vorgespannt ist,
spricht auf dieses von der lichtemittierenden Diode 41 abgestrahlte Licht an. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform
besteht die lichtemittierende Diode 41 aus Gallium-Indiumarsenid
und die Detektordiode 42 aus Germanium. Das Germanium spricht auf ein von der lichtemittierenden Diode 41
abgestrahltes Licht mit der Wellenlänge von näherungsweise 15 000 & an. Um sicherzustellen, daß die Detektordiode 42
nicht auf das von der lichtemittierenden Diode 11 abgegebene Licht anspricht, ist ein optisches nicht dargestelltes
Filter über der Detektordiode 42 angeordnet. Derartige optische Filter sind in der Lage, Licht mit einer Wellenlänge
von etwa 9000 A auszufiltern.
In Fig. 3 sind die Detektordioden 12 und 42 über Leitungsverbindungen 50 und 51 miteinander verbunden und liegen
über einen Widerstand 49 an einem negativen, an der Anschlußklemme
47 wirksamen Potential. Die Vorspannung in Sperrichtung erfolgt über die Leitungsverbindungen 52 und
53, die zu einer Klemme 48 geführt sind, an welcher ein negatives Potential wirksam ist. Das Ausgangssignal wird
an einer Anschlußklemme 55 abgegriffen, welche am Verbindungspunkt
der Leitungsverbindung 50 mit der Leitungsverbindung
51 angeschlossen ist. Auf Grund dieser Schaltungsweise sind die Detektordioden 12 und 42 als logische ODER-Schaltung
wirksam.
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- 7 - In
-946
In Fig. 4 ist eine elektrische Verbindung der beiden Fotodetektoren
12 und 42 dargestellt, die als logische UND-Schaltung wirksam ist.Die Detektordiode 42 ist über eine
Leitungsverbindung 63 an das an einer Anschlußklemme 48
wirksame positive Potential angeschlossen. Die beiden Detektordioden sind miteinander über die Leitungsverbindung
62 in Serie geschaltet und liegen ferner über die Leitungsverbindung 61 und einen Widerstand 60 an einer Klemme 47,
an der ein negatives Potential wirksam ist. Das Ausgangssignal wird über eine Anschlußklemme 55 abgegriffen, die
mit der Leitungsverbindung 61 in Verbindung steht.
In Fig. 5 ist ein Fototransistor 70 dargestellt, dessen
Kollektor 71 sich über einen Widerstand 64 an einem an
die Anschlußklemme 48 angelegten positiven Potential liegt. Der Emitter 72 ist mit der Klemme 47 verbunden, an welcher
das negative Potential wirkt. Das Ausgangssignal wird an
der Klemme 55 abgegriffen, die mit dem Kollektor des Transistors in Verbindung steht. Der Fototransistor wirke in
diesem Schaltungsaufbau als Umkehrstufe. Ein parallel zum Transistor geschalteter Fotodetektor könnte ebenfalls verwendet
werden um die Funktion einer Umkehrstufe zu bewirken.
Bei dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 2 mit den lichtemittierenden Dioden 11 und 41 kann ein elektrisches Signal über
die Klemme 17 eingespeist werden. Ebenso kann an die Klemme 43 ein elektrisches bzw. elektronisches Signal angelegt
werden. Durch die Wirkung dieses an die Klemme 17 angelegten Signals sendet die lichtemittierende Diode 11 ein Licht
mit einer Wellenlänge von etwa 9000 Ä aus. Wenn gleichzeitig an der Klemme 43 ein entsprechendes elektrisches Signal
- 8 - wirksam
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wirksam ist, sendet auch die lichtemittierende Diode 41 ein Licht aus, das eine Wellenlänge von etwa 15 000 £ hat.
Die Wirkungsweise der lichtemittierenden Dioden sowie der Detektordioden ist Gegenstand einer US-Patentanmeldung
186 883 der Anmelderin.
In F,g. 3 sind keine lichtemittierenden Dioden dargestellt,
jedoch ist das von derartigen Dioden empfangene Licht mit den Buchstaben A und B angedeutet, die auch eine Kennung
für die jeweilige Wellenlänge darstellen sollen. Das Licht mit der Wellenlänge A bewirkt, daß die Datektordiode 42
anspricht und einen Strom über den Widerstand 49 fließen
läßt, so daß an der Klemme 55 ein positiveres Potential
wirksam ist. Wenn auf die Detektordiode 42 ein Licht mit einer Wellenlänge B einwirkt, fließt ebenfalls über den
Widerstand 49 ein Strom, der ein Anheben des Potentials an
der ausgangsseitigen Anscnlußklemme 55 bewirkt. Wenn beide
Detektordioden 12 und 42 ansprechen, wirkt sich das in derselben
Sichtung aus, d.h. das Potential an der Anschlußklemme 55 wird noch positiver. Die Zuordnung einer binären
1 zu der positiven Spannung und die Zuordnung einer binären ü zu einer weniger positiven Spannung läßt die
Schaltung gemäß Fig. 3 als ODER-Schaltung wirken. Wenn die D^tektordiode 12 auf Licht mit der Wallenlänge A anspricht
oder wenn die Detektordiode 42 auf Licht mit der Wellenlänge B anspricht bzw. wenn beide Detektordioden
zur gleichen Zeit ansprechen, ergibt sich am Ausgang das gleiche Ergebnis, das auf Grund der Booleschen Gesetzmässigkeit
die Form A + B annehmen kann.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 4 repräsentiert das positive
Potential die binäre 1 und das weniger positive Potential
- 9 - die
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die binäre O. Wenn die Fotodiode 12 auf ein Licht der Wellenlänge
A anspricht, ergibt sich keine Erhöhung des Stromes durch den Widerstand 60, es sei denn, daß auch die
Detektordiode 42 gleichzeitig auf ein Licht der Wellenlänge B anspricht. Das heißt, sowohl die Detektordiode 12
als auch die Detektordiode 42 müssen gleichzeitig ansprechen, damit an der Anschlußklemme 55 ein positiveres Potential
entsteht. Das an dieser Ausgangsklemme wirksame positive Potential entspricht dann in der Booleschen Form
dem Ausdruck AxB.
In Fig. 5 ist eine einfache Umkehrstufe unter Verwendung
eines Fototransistors dargestellt. Wenn dieser Fototransistor 70 auf eine Strahlung mit der Wellenlänge A anspricht,
fließt ein Strom über den Widerstand 64 und bewirkt an der Anschlußklemme 55 ein negativeres Potential.
Damit ergibt sich nach der Booleschen Ausdrucksweise an der Anschlußklemme 55 cLer Wert Ά".
Eine NOR-Schaltung kann in einfacher Weise dadurch geschaffen
werden, daß das Ausgangssignal der Schaltung gemäß Fig.
3 an eine Umkehrstufe gemäß Fig. 5 angelegt wird, was der
Verneinung einer logischen ODER-Funktion entspricht.
Um eine NAND-Schaltung zu schaffen, wird das Ausgangssignal einer UND-Schaltung, d.h. das Signal am Anschluß 55
einer Schaltung gemäß Fig. 4 einer Umkehrstufe zugeführt. Damit erhält man die Verneinung einer logischen UND-Funktion,
was einer NAND-Schaltung entspricht.
Auf Grund der vorstehenden Darlegungen kann mit Hilfe der Erfindung ein logisches Fold für die Übertragung von In-
- 10 - formationen 309839/0851
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formationen mit Hilfe von Lichtstrahlen innterhalb einer
integrierten Schaltung geschaffen werden, wobei sowohl bei der Verwendung der Erfindung für integrierte Schaltungen
als auch bei der Verwendung diskreter Elemente eine außerordentlich gute Isolation zwischen den einzelnen Schaltelementen
gewährleistet ist. Die einzelnen Schaltelemente können in jeder beliebigen logischen Kombination zusammengeschaltet
werden, wie dies entsprechend einem gewünschten logischen Funktionsablauf erforderlich ist.
3098397 äÖ51 Pate
Claims (12)
- PatentansprücheFeld aus lichtemittierenden und lichtempfangenden Elementen in logischer Anordnung, das eingangsseitig von elektrischen Signalen beaufschlagbar ist und ausgangsseitig elektrische Signale abgibt, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen vorhanden ist, die auf die elektrischen Signale ansprechen, wobei jedes lichtemittierende Element in Abhängigkeit von einem der Eingangssignale ein Licht einer Wellenlänge aus einer Vielzahl von vorgeschriebenen Wellenlängen erzeugt, und daß eine Vielzahl von lichtempfangenden Elementen vorhanden ist, von Ienen jedes auf eine Wellenlänge aus einer Vielzahl von vorgeschriebenen Wellenlängen in Abhängigkeit von einem ■ der Eingangssignale auf das Licht der zugeordneten Wellenlänge anspricht.
- 2. Logische Feldanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfangenden Elemente derart miteinander verbunden sind, daß sie in Abhängigkeit von den eingangsseitig angelegten elektrischen Signalen und dem von den lichtemittierenden Elementen empfangenen Licht elektrische Ausgangssignale einer bestimmten Art liefern.309 8 39/0851
- 3. Logische Feldanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente Jeweils aus Lasern bestehen.
- U-. Logische Feldanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente und die lichtempfangenden Elemente aus Halbleitern bestehen.
- 5. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld in Hybridform aus monolithisch
integrierten Feldelementen aufgebaut ist. - 6. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente und die
lichtempfangenden Elemente aus Halbleiterdioden aufgebaut sind. - 7. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente aus Dioden und die lichtempfangenden Elemente aus Fototransistoren bestehen.
- 8. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei lichtemittierende Elemente vorhanden sind, wovon das eine ein Licht einer ersten Wellenlänge und das andere ein Licht einer zweiten
Wellenlänge aussendet,und daß zumindest zwei licht-309839/0851empfangende Elemente vorhanden sind, wovon das eine auf das Licht der ersten Wellenlänge, und das andere auf das Licht der zweiten Wellenlänge anspricht. - 9. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei einer entsprechenden Anzahl von lichtemittierenden Elementen zugeordnete lichtempfangende Elemente derart hintereinander geschaltet sind, daß eine logische Verknüpfung in Form einer UND-Schaltung entsteht.
- 10. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 "bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei einer entsprechenden Anzahl von lichtemittierenden Elementen zugeordnete lichtempfangende Elemente derart parallel geschaltet sind, daß eine logische Verknüpfung in Form einer ODER-Schaltung entsteht.
- 11. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennze ichnet, daß die lichtemittierende Diode zur Abgabe eines Lichtes der ersten Wellenlänge aus Gallium -Arsenid besteht und das emittierte Licht eine Wellenlänge von etwa 9000 Angström aufweist, daß das lichtempfangende Element aus einer Halbleiter-Detektordiode aus Silizium besteht, die das Licht der ersten Wellenlänge empfängt.
- 12. Logische Feldanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis "iO, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element für die Emission der309 8 39/0851M055P-946zweiten Wellenlänge aus GalIium-Indiumarsenid besteht und ein Licht einer Wellenlänge von etwa 15 OOO Angström erzeugt,und daß die Halbleiter-Detektordiode als lichtempfangendes Element aus Germanium hergestellt ist und das Licht der zweiten Wellenlänge empfängt.309339/0851Le e rs eite
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