(57)【要約】入力層（１）は、入力信号の信号レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を出力信号として中間層（２）へ出力し、入力信号の信号レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を出力信号として中間層（２）へ出力する。中間層（２）は、入力層（１）からの出力信号の信号レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を出力信号として出力層（３）へ出力し、入力層（１）からの出力信号の信号レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を出力信号として出力層（３）へ出力する。
2009133592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受け、その受けた入力信号に基づいて第１の出力信号を出力する入力半導体層と、
前記入力半導体層に対向して設けられるとともに、前記入力半導体層からの前記第１の出力信号を受け、その受けた第１の出力信号に基づいて第２の出力信号を出力する中間半導体層と、
前記中間半導体層に対向して設けられるとともに、前記中間半導体層からの前記第２の出力信号を受け、その受けた第２の出力信号に基づいて最終出力信号を出力する出力半導体層とを備え、
前記入力半導体層は、前記入力信号の信号レベルが第１のレベルであるとき、第１の出射角度分布を有する光を前記第１の出力信号として前記中間半導体層へ出力し、前記入力信号の信号レベルが前記第１のレベルよりも低い第２のレベルであるとき、前記第１の出射角度分布よりも広い第２の出射角度分布を有する光を前記第１の出力信号として前記中間半導体層へ出力し、
前記中間半導体層は、前記第１の出力信号の信号レベルが第３のレベルであるとき、第３の出射角度分布を有する光を前記第２の出力信号として前記出力半導体層へ出力し、前記第１の出力信号の信号レベルが前記第３のレベルよりも低い第４のレベルであるとき、前記第３の出射角度分布よりも広い第４の出射角度分布を有する光を前記第２の出力信号として前記出力半導体層へ出力する、光ニューラルネットワーク。
【請求項２】
前記入力半導体層は、ｉ（ｉは正の整数）個の入力ユニットを含み、
前記中間半導体層は、ｊ（ｊは正の整数）個の中間ユニットを含み、
前記出力半導体層は、ｋ（ｋは正の整数）個の出力ユニットを含み、
前記ｉ個の入力ユニットの各々は、
第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板の一主面に設けられるとともに、前記入力信号の信号レベルを検出し、その検出した信号レベルを反映した出力電圧を出力する検出器と、
前記検出器が設けられた前記第１の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、前記検出器からの入力電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を前記中間半導体層へ向けて出射し、前記検出器からの入力電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を前記中間半導体層へ向けて出射する第１の半導体発光素子とを含み、
前記ｊ個の中間ユニットの各々は、
前記第１の半導体基板に対向して設けられた第２の半導体基板と、
前記第２の半導体基板の前記第１の半導体基板側の一主面に設けられるとともに、前記入力半導体層に含まれる入力ユニットから出射された光を受光し、その受光した光の強度を反映した電圧を出力する第１の光検出器と、
前記第１の光検出器が設けられた前記第２の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、前記第１の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を前記出力半導体層へ向けて出射し、前記第１の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を前記出力半導体層へ向けて出射する第２の半導体発光素子とを含み、
前記ｋ個の出力ユニットの各々は、
前記第２の半導体基板に対向して設けられた第３の半導体基板と、
前記第３の半導体基板の前記第２の半導体基板側の一主面に設けられるとともに、前記中間半導体層に含まれる中間ユニットから出射された光を受光し、その受光した光の強度を反映した電圧を出力する第２の光検出器と、
前記第２の光検出器から出力された電圧を前記最終出力信号を構成する要素信号に変換し、その変換した要素信号を出力する出力回路とを含む、請求の範囲第１項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項３】
前記ｉ個の入力ユニットの各々は、
前記検出器が設けられた前記第１の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、前記検出器から出力された入力電圧を電圧レベルに応じて第１の駆動電圧に変換し、その変換した第１の駆動電圧を前記第１の半導体発光素子へ出力する第１の駆動回路をさらに含み、
前記ｊ個の中間ユニットの各々は、
前記第１の光検出器が設けられた前記第２の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、前記第１の光検出器から出力された電圧を電圧レベルに応じて第２の駆動電圧に変換し、その変換した第２の駆動電圧を前記第２の半導体発光素子へ出力する第２の駆動回路をさらに含み、
前記第１の半導体発光素子は、前記第１の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を前記中間半導体層へ向けて出射し、
前記第２の半導体発光素子は、前記第２の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を前記出力半導体層へ向けて出射する、請求の範囲第２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項４】
前記ｉ個の入力ユニットの各々は、前記第１の半導体基板を厚み方向に貫通し、前記検出器を前記第１の駆動回路に接続する第１の金属配線をさらに含み、
前記ｊ個の中間ユニットの各々は、前記第２の半導体基板を厚み方向に貫通し、前記第１の光検出器を前記第２の駆動回路に接続する第２の金属配線をさらに含む、請求の範囲第３項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項５】
前記入力信号は、光信号からなり、
前記検出器は、前記光信号を受け、その受けた光信号を前記光信号の強度を反映した前記入力電圧に変換して前記第１の駆動回路へ出力する、請求の範囲第３項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項６】
前記第１の半導体発光素子は、張り合わせによって前記第１の半導体基板に固定されており、
前記第２の半導体発光素子は、張り合わせによって前記第２の半導体基板に固定されている、請求の範囲第２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項７】
前記第１の半導体発光素子は、前記第１の半導体基板の材料と異なる材料からなり、
前記第２の半導体発光素子は、前記第２の半導体基板の材料と異なる材料からなる、請求の範囲第６項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項８】
前記第１の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって前記第１の半導体基板上に形成されており、
前記第２の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって前記第２の半導体基板上に形成されている、請求の範囲第２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項９】
前記第１の半導体発光素子は、前記第１の半導体基板の材料と異なる材料からなり、
前記第２の半導体発光素子は、前記第２の半導体基板の材料と異なる材料からなる、請求の範囲第８項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項１０】
前記出力回路は、前記第２の光検出器から出力された電圧をディジタル値に変換し、その変換したディジタル値を前記要素信号として出力する、請求の範囲第２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項１１】
前記出力回路は、前記第２の光検出器が設けられた前記第３の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、前記第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を前記要素信号として出射し、前記第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を前記要素信号として出射する第３の半導体発光素子を含む、請求の範囲第２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項１２】
前記出力回路は、前記第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に低い第３の駆動電圧を生成し、前記第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に高い第３の駆動電圧を生成し、その生成した第３の駆動電圧を前記第３の半導体発光素子へ出力する駆動回路をさらに含み、
前記第３の半導体発光素子は、前記第３の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を前記要素信号として出力する、請求の範囲第１１項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項１３】
前記第３の半導体発光素子は、張り合わせによって前記第３の半導体基板に固定されている、請求の範囲第１２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【請求項１４】
前記第３の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって前記第３の半導体基板上に形成されている、請求の範囲第１２項に記載の光ニューラルネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ニューラルネットワークに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光等の電磁波によって入出力を行うニューラルネットワークが知られている（特開平７−１２９５３３号公報）。このニューラルネットワークは、入力層と、中間層と、出力層とを備える。入力層、中間層および出力層の各層は、複数のニューロンを含む。そして、各ニューロンは、受光部と、発光部とからなる。【０００３】
入力信号は、複数の波長帯を用いて入力層に入力される。そして、入力層の各ニューロンにおいて、受光部は、入力された入力信号の周波数を識別する。受光部は、周波数と結合重みとの対応表を保持しており、識別した周波数に対応する結合重みを対応表を参照して抽出する。【０００４】
そうすると、受光部は、その抽出した結合重みを入力信号に乗算して発光部へ出力する。受光部は、各波長帯ごとに、上記の動作を行う。【０００５】
そして、発光部は、受光部から入力された複数の信号の総和を求め、その求めた総和を自己の持つ波長帯で出力する。【０００６】
このように、従来のニューラルネットワークにおいては、各層において用いられる結合重みは、予め決定された対応表を参照して決定される。
【発明の開示】
【０００７】
しかし、従来のニューラルネットワークにおいては、結合重みは、入力信号の周波数が決定されれば、固定的に決定されるため、結合重みを柔軟に変えることが困難であるという問題がある。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、結合重みを柔軟に変更可能な光ニューラルネットワークを提供することである。
【０００９】
この発明によれば、光ニューラルネットワークは、入力半導体層と、中間半導体層と、出力半導体層とを備える。入力半導体層は、入力信号を受け、その受けた入力信号に基づいて第１の出力信号を出力する。中間半導体層は、入力半導体層に対向して設けられるとともに、入力半導体層からの第１の出力信号を受け、その受けた第１の出力信号に基づいて第２の出力信号を出力する。出力半導体層は、中間半導体層に対向して設けられるとともに、中間半導体層からの第２の出力信号を受け、その受けた第２の出力信号に基づいて最終出力信号を出力する。そして、入力半導体層は、入力半導体層は、入力信号の信号レベルが第１のレベルであるとき、第１の出射角度分布を有する光を第１の出力信号として中間半導体層へ出力し、入力信号の信号レベルが第１のレベルよりも低い第２のレベルであるとき、第１の出射角度分布よりも広い第２の出射角度分布を有する光を第１の出力信号として中間半導体層へ出力する。また、中間半導体層は、第１の出力信号の信号レベルが第３のレベルであるとき、第３の出射角度分布を有する光を第２の出力信号として出力半導体層へ出力し、第１の出力信号の信号レベルが第３のレベルよりも低い第４のレベルであるとき、第３の出射角度分布よりも広い第４の出射角度分布を有する光を第２の出力信号として出力半導体層へ出力する。
【００１０】
入力半導体層は、ｉ（ｉは正の整数）個の入力ユニットを含んでもよい。中間半導体層は、ｊ（ｊは正の整数）個の中間ユニットを含む。出力半導体層は、ｋ（ｋは正の整数）個の出力ユニットを含む。ｉ個の入力ユニットの各々は、第１の半導体基板と、検出器と、第１の半導体発光素子とを含む。検出器は、第１の半導体基板の一主面に設けられるとともに、入力信号の信号レベルを検出し、その検出した信号レベルを反映した出力電圧を出力する。第１の半導体発光素子は、検出器が設けられた第１の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、検出器からの入力電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を中間半導体層へ向けて出射し、検出器からの入力電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を中間半導体層へ向けて出射する。ｊ個の中間ユニットの各々は、第２の半導体基板と、第１の光検出器と、第２の半導体発光素子とを含む。第２の半導体基板は、第１の半導体基板に対向して設けられる。第１の光検出器は、第２の半導体基板の第１の半導体基板側の一主面に設けられるとともに、入力半導体層に含まれる入力ユニットから出射された光を受光し、その受光した光の強度を反映した電圧を出力する。第２の半導体発光素子は、第１の光検出器が設けられた第２の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、第１の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を出力半導体層へ向けて出射し、第１の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を出力半導体層へ向けて出射する。ｋ個の出力ユニットの各々は、第３の半導体基板と、第２の光検出器と、出力回路とを含む。第３の半導体基板は、第２の半導体基板に対向して設けられる。第２の光検出器は、第３の半導体基板の第２の半導体基板側の一主面に設けられるとともに、中間半導体層に含まれる中間ユニットから出射された光を受光し、その受光した光の強度を反映した電圧を出力する。出力回路は、第２の光検出器から出力された電圧を最終出力信号を構成する要素信号に変換し、その変換した要素信号を出力する。
【００１１】
ｉ個の入力ユニットの各々は、第１の駆動回路をさらに含んでもよい。第１の駆動回路は、検出器が設けられた第１の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、検出器から出力された入力電圧を電圧レベルに応じて第１の駆動電圧に変換し、その変換した第１の駆動電圧を第１の半導体発光素子へ出力する。ｊ個の中間ユニットの各々は、第２の駆動回路をさらに含む。第２の駆動回路は、第１の光検出器が設けられた第２の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、第１の光検出器から出力された電圧を電圧レベルに応じて第２の駆動電圧に変換し、その変換した第２の駆動電圧を第２の半導体発光素子へ出力する。そして、第１の半導体発光素子は、第１の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を中間半導体層へ向けて出射する。また、第２の半導体発光素子は、第２の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を出力半導体層へ向けて出射する。
【００１２】
ｉ個の入力ユニットの各々は、第１の金属配線をさらに含んでもよい。第１の金属配線は、第１の半導体基板を厚み方向に貫通し、検出器を第１の駆動回路に接続する。ｊ個の中間ユニットの各々は、第２の金属配線をさらに含む。第２の金属配線は、第２の半導体基板を厚み方向に貫通し、第１の光検出器を第２の駆動回路に接続する。
【００１３】
入力信号は、光信号からなり、検出器は、光信号を受け、その受けた光信号を光信号の強度を反映した入力電圧に変換して第１の駆動回路へ出力してもよい。
【００１４】
第１の半導体発光素子は、張り合わせによって第１の半導体基板に固定されており、第２の半導体発光素子は、張り合わせによって第２の半導体基板に固定されていてもよい。
【００１５】
第１の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって第１の半導体基板上に形成されており、第２の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって第２の半導体基板上に形成されていてもよい。
【００１６】
第１の半導体発光素子は、第１の半導体基板の材料と異なる材料からなり、第２の半導体発光素子は、第２の半導体基板の材料と異なる材料からなっていてもよい。
【００１７】
出力回路は、第２の光検出器から出力された電圧をディジタル値に変換し、その変換したディジタル値を要素信号として出力してもよい。
【００１８】
出力回路は、第３の半導体発光素子を含んでもよい。第３の半導体発光素子は、第２の光検出器が設けられた第３の半導体基板の一主面と反対側の面に設けられ、第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に狭い出射角度分布を有する光を要素信号として出射し、第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に広い出射角度分布を有する光を要素信号として出射する。
【００１９】
出力回路は、駆動回路をさらに含んでもよい。駆動回路は、第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に高いとき、相対的に低い第３の駆動電圧を生成し、第２の光検出器から出力された電圧の電圧レベルが相対的に低いとき、相対的に高い第３の駆動電圧を生成し、その生成した第３の駆動電圧を第３の半導体発光素子へ出力する。第３の半導体発光素子は、第３の駆動電圧の電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を要素信号として出力する。
【００２０】
第３の半導体発光素子は、張り合わせによって第３の半導体基板に固定されていてもよい。
【００２１】
第３の半導体発光素子は、ヘテロエピタキシャル成長によって第３の半導体基板上に形成されていてもよい。
【００２２】
この発明による光ニューラルネットワークにおいては、入力半導体層は、入力信号の信号レベルによって決定される出射角度分布を有する光を用いて入力信号を中間半導体層へ伝達し、中間半導体層は、入力半導体層から出力された第１の出力信号の信号レベルによって決定される出射角度分布を有する光を用いて第２の出力信号を出力半導体層へ伝達する。すなわち、入力半導体層は、入力信号の信号レベルによって決定される出射角度分布を結合重みとして用いて中間半導体層と結合し、中間半導体層は、第１の出力信号の信号レベルによって決定される出射角度分布を結合重みとして用いて出力半導体層と結合する。その結果、入力半導体層は、入力信号の信号レベルによって結合重みを変えて中間半導体層と結合し、中間半導体層は、第１の出力信号の信号レベルによって結合重みを変えて出力半導体層と結合する。
【００２３】
したがって、この発明によれば、結合重みを信号レベルに応じて柔軟に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態による光ニューラルネットワークの構成図である。
【図２】図１に示す中間層側から見た入力層の平面図である。
【図３】図２に示す入力層の裏面の平面図である。
【図４】図２に示す入力ユニットの構成図である。
【図５】図２に示す線Ｖ−Ｖ間における入力層の断面図である。
【図６】図５に示す半導体発光素子の断面図である。
【図７】図６に示す半導体発光素子の出射光の概念図である。
【図８】図６に示す半導体発光素子の他の出射光の概念図である。
【図９】電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとの関係図である。
【図１０】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第１の工程図である。
【図１１】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第２の工程図である。
【図１２】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第３の工程図である。
【図１３】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第４の工程図である。
【図１４】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第５の工程図である。
【図１５】図１に示す光ニューラルネットワークの製造方法を示す第６の工程図である。
【図１６】入力層から中間層への信号の伝達を説明するための第１の図である。
【図１７】入力層から中間層への信号の伝達を説明するための第２の図である。
【図１８】入力層から中間層への信号の伝達を説明するための第３の図である。
【図１９】入力層から出力層までの信号の伝達を説明するための第１の図である。
【図２０】入力層から出力層までの信号の伝達を説明するための第２の図である。
【図２１】入力信号を説明するための図である。
【図２２】図２１に示す入力信号の入力層から出力層への伝達を説明するための図である。
【図２３】この発明の実施の形態による他の光ニューラルネットワークの構成図である。
【図２４】図２３に示す入力層を構成する入力ユニットの構成図である。
【図２５】図２３に示す入力層の断面図である。
【図２６】図２３に示す出力層に含まれる出力ユニットの構成図である。
【図２７】図２３に示す出力層の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。【００２６】
図１は、この発明の実施の形態による光ニューラルネットワークの構成図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による光ニューラルネットワーク１０は、入力層１と、中間層２と、出力層３とを備える。【００２７】
入力層１、中間層２および出力層３の各々は、半導体層からなる。中間層２は、入力層１に対向して配置され、出力層３は、中間層２に対向して配置される。【００２８】
入力層１は、光信号からなる入力信号を受け、その受けた入力信号の信号レベルに応じた出射角度分布を有する光を出力信号として中間層２へ出力する。【００２９】
中間層２は、入力層１から出力された出力信号を受け、その受けた出力信号の信号レベルに応じた出射角度分布を有する光を出力信号として出力層３へ出力する。【００３０】
出力層３は、中間層２から出力された出力信号を受け、その受けた出力信号の信号レベルに応じた出射角度分布を有する光を最終出力信号として外部へ出力する。【００３１】
そして、光ニューラルネットワーク１０は、たとえば、歪んだ“Ａ”という文字の画像データＧ１を入力信号として受け、その受けた画像データを処理して、歪みのないくっきりとした“Ａ”という文字の画像データＧ２を出力する。【００３２】
図２は、図１に示す中間層２側から見た入力層１の平面図である。図２を参照して、入力層１は、たとえば、１００個の入力ユニット１１からなる。そして、１００個の入力ユニット１１は、１０×１０の碁盤目状に配列される。【００３３】
図３は、図２に示す入力層１の裏面の平面図である。図３を参照して、各入力ユニット１１は、光検出部１１１を含む。したがって、入力層１の裏面においては、１００個の光検出部１１１が碁盤目状に配列される。【００３４】
なお、図１に示す出力層３側から見た中間層２の平面図は、図２に示す入力層１の平面図と同じであり、中間層２は、１０×１０の碁盤目状に配列された１００個の中間ユニット２１を含む。また、図１に示す出力側から見た出力層３の平面図は、図２に示す入力層１の平面図と同じであり、出力層３は、１０×１０の碁盤目状に配列された１００個の出力ユニット３１を含む。【００３５】
さらに、図１に示す入力層１側から見た中間層２の平面図は、図３に示す入力層１の平面図と同じであり、中間層２は、１０×１０の碁盤目状に配列された１００個の光検出部を含む。さらに、図１に示す中間層２側から見た出力層３の平面図は、図３に示す入力層１の平面図と同じであり、出力層３は、１０×１０の碁盤目状に配列された１００個の光検出部を含む。【００３６】
図４は、図２に示す入力ユニット１１の構成図である。図４を参照して、入力ユニット１１は、光検出部１１１と、駆動回路１１２と、半導体発光素子１１３とを含む。【００３７】
光検出部１１１は、入力信号としての光信号を受け、その受けた光信号のうち、しきい値以上の光信号を検出する。そして、光検出部１１１は、その検出した光信号を光信号の強度に応じた電圧レベルを有する電圧Ｖｄに変換し、その変換した電圧Ｖｄを駆動回路１１２へ出力する。【００３８】
駆動回路１１２は、光検出部１１１から電圧Ｖｄを受け、その受けた電圧Ｖｄの電圧レベルに応じた駆動電圧Ｖｄｒを後述する方法によって決定し、その決定した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力する。【００３９】
半導体発光素子１１３は、駆動回路１１２から駆動電圧Ｖｄｒを受け、その受けた駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を発振し、その発振した光を出射する。【００４０】
中間層２の中間ユニット２１および出力層３の出力ユニット３１は、図４に示す入力ユニット１１と同じ構成からなる。【００４１】
この場合、中間ユニット２１の光検出器２１１は、入力層１から出射された光を受け、その受けた光のうち、しきい値以上の光を検出するとともに、その検出した光を電圧Ｖｄに変換して駆動回路２１２へ出力する。そして、中間ユニット２１の駆動回路２１２は、光検出器２１１から受けた電圧Ｖｄの電圧レベルに応じた駆動電圧Ｖｄｒを後述する方法によって決定し、その決定した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子２１３へ出力する。中間ユニット２１の半導体発光素子２１３は、駆動回路２１２から受けた駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を発振し、その発振した光を出射する。【００４２】
また、出力ユニット３１の光検出器３１１は、中間層２から出射された光を受け、その受けた光のうち、しきい値以上の光を検出するとともに、その検出した光を電圧Ｖｄに変換して駆動回路３１２へ出力する。そして、出力ユニット３１の駆動回路３１２は、光検出器３１１から受けた電圧Ｖｄの電圧レベルに応じた駆動電圧Ｖｄｒを後述する方法によって決定し、その決定した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子３１３へ出力する。出力ユニット３１の半導体発光素子３１３は、駆動回路３１２から受けた駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を発振し、その発振した光を出射する。【００４３】
図５は、図２に示す線Ｖ−Ｖ間における入力層１の断面図である。図５を参照して、入力層１は、半導体層１２，１４と、絶縁膜１３とを含む。半導体層１２，１４の各々は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）からなり、絶縁膜１３は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。そして、半導体層１２，１４の各々は、２０μｍの厚みを有し、絶縁膜１３は、１〜２μｍの厚みを有する。【００４４】
絶縁膜１３は、半導体層１２の一主面に形成される。半導体層１４は、張り合わせによって絶縁膜１３に接着される。したがって、半導体層１２，１４および絶縁膜１３は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板からなる。【００４５】
入力層１の各入力ユニット１１は、貫通配線１１４をさらに含む。そして、入力層１の各入力ユニット１１において、光検出器１１１は、半導体層１４の一主面（絶縁膜１３側と反対側の面）に形成され、駆動回路１１２および半導体発光素子１１３は、半導体層１２の一主面（絶縁膜１３側と反対側の面）に形成される。貫通配線１１４は、半導体層１２、絶縁膜１３および半導体層１４を貫通し、光検出器１１１を駆動回路１１２に接続する。【００４６】
なお、図５においては、半導体発光素子１１３は、駆動回路１１２上に配置されるように図示されているが、実際には、駆動回路１１２上ではない半導体層１２の一主面に形成されている。【００４７】
また、中間層２および出力層３の断面構造は、図５に示す入力層１の断面構造と同じ断面構造からなる。【００４８】
図６は、図５に示す半導体発光素子１１３の断面図である。図６を参照して、半導体発光素子１１３は、ｎ型分布反射膜１１０と、活性層１２０と、ｐ型分布反射膜１３０と、窓電極１４０と、緩衝層１５０とを含む。【００４９】
活性層１２０は、ｎ型分布反射膜１１０上にｎ型分布反射膜１１０に接して形成される。ｐ型分布反射膜１３０は、活性層１２０上に活性層１２０に接して形成される。窓電極１４０は、ｐ型分布反射膜１３０上にｐ型分布反射膜１３０に接して形成される。緩衝層１５０は、高品質なｎ型分布反射膜１１０を形成するための下地となるｎ＋型ガリウム砒素（ｎ＋型ＧａＡｓ）層である。【００５０】
ｎ型分布反射膜１１０は、ｎ型アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）層１１０１と、ｎ型アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）層１１０２とを交互に１０周期積層した構造からなる。そして、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１０１の膜厚は、５８．０ｎｍであり、ｎ型ＡｌＡｓ層１１０２の膜厚は、６７．１ｎｍである。【００５１】
活性層１２０は、障壁層１２０１，１２０３と、井戸層１２０２とからなる。障壁層１２０１は、ｉ型ＡｌＡｓからなり、６７．１ｎｍの膜厚を有する。井戸層１２０２は、ｉ型ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、１０ｎｍの膜厚を有する。障壁層１２０３は、ｉ型ＡｌＡｓからなり、６７．１ｎｍの膜厚を有する。【００５２】
このように、活性層１２０は、単一量子井戸構造からなる。そして、半導体発光素子１１３の発振波長をλとした場合、活性層１２０は、λ／２の厚みを有する。【００５３】
ｐ型分布反射膜１３０は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１３０１と、ｐ型ＡｌＡｓ層１３０２とを交互に１０周期積層した構造からなる。そして、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１３０１の膜厚は、５８．０ｎｍであり、ｐ型ＡｌＡｓ層１３０２の膜厚は、６７．１ｎｍである。【００５４】
窓電極１４０は、Ａｕ／Ｃｒの２層構造からなり、光が透過するように、約１０ｎｍの薄い膜厚を有する。緩衝層１５０は、ｎ＋型ＧａＡｓからなり、約２μｍの膜厚を有する。【００５５】
なお、中間層２に含まれる半導体発光素子２１３および出力層３に含まれる半導体発光素子３１３は、図６に示す半導体発光素子１１３と同じ構成からなる。【００５６】
図７は、図６に示す半導体発光素子１１３の出射光の概念図である。図８は、図６に示す半導体発光素子１１３の他の出射光の概念図である。【００５７】
半導体発光素子１１３は、駆動電圧Ｖｄｒが０．７Ｖである場合、出射光Ｌｇｔ１を出射し、駆動電圧Ｖｄｒが１．４７Ｖである場合、出射光Ｌｇｔ２を出射する。出射光Ｌｇｔ１は、約１０°の出射角度分布を有し、出射光Ｌｇｔ２は、約３０°の出射角度分布を有すると同時に±１５度の方向にピークを持つ。【００５８】
半導体発光素子１１３は、上述したように、活性層１２０をｎ型分布反射膜１１０とｐ型分布反射膜１３０とによって挟み込んだ構造からなるため、エミッタ１４０−ゲート１５０間に印加された駆動電圧Ｖｄｒは、活性層１２０の量子井戸層に印加される。そして、活性層１２０の井戸層１２０２は、１０ｎｍと薄いため、１０５Ｖ／ｃｍ以上の電界強度が井戸層１２０２に印加される。【００５９】
その結果、井戸層１２０２の実効的な屈折率が電界強度に応じて変化し、発振するときの光の伝搬方向が電界強度に応じて変化するために、駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルの違いによって出射角度分布が異なる出射光Ｌｇｔ１，Ｌｇｔ２が出射される。【００６０】
図９は、電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとの関係図である。図９において、縦軸は、駆動電圧Ｖｄｒを表し、横軸は、電圧Ｖｄを表す。そして、曲線ｋ１は、電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとの関係を示す。【００６１】
図９を参照して、駆動電圧Ｖｄｒは、電圧Ｖｄに対して非線形に変化する。より具体的には、駆動電圧Ｖｄｒは、電圧Ｖｄが相対的に低くなると、相対的に高くなり、電圧Ｖｄが相対的に高くなると、相対的に低くなる。【００６２】
駆動回路１１２は、曲線ｋ１によって示される電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとの関係を保持しており、光検出器１１１から電圧Ｖｄを受けると、曲線ｋ１を参照して、電圧Ｖｄに対応する駆動電圧Ｖｄｒを検出し、その検出した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力する。【００６３】
したがって、駆動回路１１２は、相対的に低い電圧Ｖｄを光検出器１１１から受けると、相対的に高い駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力し、相対的に高い電圧Ｖｄを光検出器１１１から受けると、相対的に低い駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力する。【００６４】
その結果、光検出器１１１から出力される電圧Ｖｄが相対的に低い場合、半導体発光素子１１３は、出射角度分布が相対的に大きい出射光を出射し、光検出器１１１から出力される電圧Ｖｄが相対的に高い場合、半導体発光素子１１３は、出射角度分布が相対的に小さい出射光を出射する。【００６５】
図１０から図１５は、それぞれ、図１に示す光ニューラルネットワーク１０の製造方法を示す第１から第６の工程図である。なお、図１０から図１５に示す工程図は、図１に示す光ニューラルネットワーク１０の入力層１の製造方法を示す工程図である。【００６６】
図１０を参照して、入力層１の製造が開始されると、半導体層１２，１４および絶縁膜１３からなるＳＯＩ基板２０が準備され（工程（ａ）参照）、入力層１の１００個の入力ユニット１１における駆動回路１１２をフォトリソグラフィ技術を用いてＳＯＩ基板２０の半導体層１２の表面に形成する（工程（ｂ）参照）。【００６７】
その後、ＳＯＩ基板２０の半導体層１４の表面にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングし、レジストパターン３０を半導体層１４の表面に形成する（工程（ｃ）参照）。【００６８】
そして、レジストパターン３０をマスクとして反応性イオンエッチングによって半導体層１４、絶縁膜１３および半導体層１２の一部を駆動回路１１２まで到達するまでエッチングし、貫通穴３１を形成する（工程（ｄ）参照）。【００６９】
その後、Ａｌ膜３２をスパッタリングによって貫通穴３１および半導体層１４の表面に形成する（工程（ｅ）参照）。そして、半導体層１４の表面に形成されたＡｌ膜をエッチングし、貫通配線１１４を形成する（工程（ｆ）参照）。【００７０】
引き続いて、ｎ型Ｓｉ層およびｐ型Ｓｉ層を半導体層１４の表面に順次積層し、フォトリソグラフィ技術を用いて、貫通配線１１４に接続されたｎ型Ｓｉ／ｐ型Ｓｉが残るように半導体層１４の表面に形成されたｎ型Ｓｉ層／ｐ型Ｓｉ層をエッチングする。これによって、入力層１の各入力ユニット１１に含まれる光検出器１１１が半導体層１４の表面に形成される（工程（ｇ）参照）。【００７１】
その後、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いてｎ型ＧａＡｓ基板４０の表面にｎ＋型ＡｌＡｓ層４１を堆積する（工程（ｈ）参照）。この場合、蒸発源としてＡｌ，Ａｓおよびｎ型のドーパントであるＳｉのソースとしてＳｉ金属が用いられる。【００７２】
工程（ｈ）の後、ＭＢＥ法を用いて、ｎ＋型ＧａＡｓからなる緩衝層１５０をｎ＋型ＡｌＡｓ層４１上に堆積し、その後、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１０１とｎ型ＡｌＡｓ層１１０２とを交互に１０周期積層する。これによって、緩衝層１５０およびｎ型分布反射膜１１０がｎ＋型ＡｌＡｓ層４１上に順次形成される（工程（ｉ）参照）。【００７３】
この場合、ガリウム（Ｇａ）のソースとしてＧａ金属が用いられる。【００７４】
引き続いて、ＭＢＥ法を用いて、ｉ型ＡｌＡｓ、ｉ型ＧａＡｓ、およびｉ型ＡｌＡｓを順次積層し、活性層１２０をｎ型分布反射膜１１０上に形成する（工程（ｊ）参照）。【００７５】
その後、ＭＢＥ法を用いて、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１３０１とｐ型ＡｌＡｓ層１３０２とを交互に１０周期積層し、ｐ型分布反射膜１３０を活性層１２０上に形成する（工程（ｋ）参照）。【００７６】
引き続き、レジストをｐ型分布反射膜１３０の表面に塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングし、レジストパターン５０をｐ型分布反射膜１３０の表面に形成する。そして、真空蒸着法によってＣｒおよびＡｕ１４１，１４２を薄く順次蒸着する（工程（ｌ）参照）。この場合、Ｃｒは、Ａｕと下地との密着性を向上させるために用いられる。膜厚は、Ｃｒが３ｎｍであり、Ａｕが１０ｎｍ程度である。【００７７】
その後、レジスト剥離液によって、レジストパターン５０を除去する。これによって、レジストパターン５０上のＣｒ／Ａｕ１４１は、リンフトオフによって除去され、窓電極１４０の一部１４２が形成される（工程（ｍ）参照）。【００７８】
引き続いて、同様のプロセスによってレジストパターン６０を形成し、レジストパターン６０をマスクとして真空蒸着法によってＡｕを蒸着する（工程（ｎ）参照）。そして、レジスト剥離液によってレジストパターン６０を除去する。その結果、レジストパターン６０上のＡｕ１４３は、リフトオフによって除去される。これによって、窓電極１４０が形成される（工程（ｐ）参照）。【００７９】
その後、レジストを全面に塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングし、レジストパターン７０を形成する。そして、レジストパターン７０をマスクとして反応性イオンエッチングによってｐ型分布反射膜１３０、活性層１２０、ｎ型分布反射膜１１０、緩衝層１５０、ｎ＋ＡｌＡｓ層４１およびｎ型ＧａＡｓ基板４０の一部をエッチングし、レジストパターン７０を除去する（工程（ｑ）参照）。【００８０】
その後、窓電極１４０上にトルエンに溶かしたエレクトロンワックス４２を塗布し、ガラス基板４３に貼り付ける（工程（ｒ）参照）。次に、フッ酸溶液によってｎ＋ＡｌＡｓ層４１のみをエッチングによって除去し、ガラス基板４３に発光素子１１３を貼り付けたものをＧａＡｓ基板４０から分離する（工程（ｓ）参照）。【００８１】
引き続いて、ガラス基板４３に貼り付けた発光素子１１３を、図１５に示すように貫通電極１１４を形成したシリコン基板に位置合わせした後に貼り付ける。これによって、入力層１が完成する（工程（ｔ）参照）。ガラス基板４３は、光学的に透明なので、通常のフォトリソグラフィにおけるガラスマスクと同様の手法で位置合わせができる。貼り合わせには、Ｐｄ等の金属とＧａＡｓとの低温におけるファンデルワールス力による接合が可能であることが知られている。【００８２】
上述したように、この発明においては、半導体発光素子１１３は、張り合わせによってＳｉからなる半導体層１２に接着される。そして、半導体発光素子１１３が張り合わせによって半導体層１２に接着されたものであるか否かは、半導体発光素子１１３を構成する各結晶相にひずみが発生しているか否かによって判別可能である。【００８３】
すなわち、上述したようにＧａＡｓ基板上に半導体発光素子１１３を形成した後に、半導体発光素子１１３をＳｉからなる半導体層１２に張り合わせたので、半導体発光素子１１３を構成する各結晶相にひずみが発生しない。一方、Ｓｉからなる半導体層１２上にＧａＡｓ等の結晶層を結晶成長して半導体発光素子を作成した場合には、結晶相にひずみが発生する。【００８４】
したがって、半導体発光素子１１３を構成する各結晶相にひずみが発生しているか否かによって、半導体発光素子１１３が張り合わせによって半導体層１２に接着されたものであるか否かを判別できる。【００８５】
そして、半導体発光素子１１３を張り合わせによって半導体層１２に接着するので、半導体発光素子１１３を半導体層１２の材料と異なる材料によって作製できる。【００８６】
また、半導体発光素子１１３を半導体層１２の材料と異なる材料によって作製する結果、活性層１２０をＧａＡｓの単一井戸構造によって構成することができ、活性層１２０に印加される電界強度によって出射角度分布を有する光を出射する半導体発光素子１１３を作製できる。【００８７】
なお、中間層２および出力層３も、上述した工程（ａ）〜工程（ｔ）を用いて製造される。【００８８】
図１６は、入力層１から中間層２への信号の伝達を説明するための第１の図である。また、図１７は、入力層１から中間層２への信号の伝達を説明するための第２の図である。【００８９】
図１６を参照して、入力ユニット１１の光検出器１１１は、光強度が相対的に強い光信号からなる入力信号を受けると、相対的に高い電圧Ｖｄを出力する。そして、入力ユニット１１の駆動回路１１２は、相対的に高い電圧Ｖｄを受けると、曲線ｋ１を参照して、相対的に低い駆動電圧Ｖｄｒを検出し、その検出した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力する。その結果、入力ユニット１１の半導体発光素子１１３は、出射角度分布が相対的に狭い出射光Ｌｇｔ１を出射する。【００９０】
そうすると、中間層２の１つの中間ユニット２１に含まれる光検出器２１１（２１１Ｅ）のみが入力ユニット１１からの出射光Ｌｇｔ１を検出し、他の光検出器２１１（２１１Ａ）〜２１１（２１１Ｄ），２１１（２１１Ｆ）〜２１１（２１１Ｉ）は、出射光Ｌｇｔ１を検出しない。【００９１】
出射光Ｌｇｔ１は、出射角度分布が相対的に狭いため、光検出器２１１（２１１Ｅ）は、単位面積当たりの光強度が相対的に強い光を検出する。【００９２】
図１７を参照して、入力ユニット１１の光検出器１１１は、光強度が相対的に弱い光信号からなる入力信号を受けると、相対的に低い電圧Ｖｄを出力する。そして、入力ユニット１１の駆動回路１１２は、相対的に低い電圧Ｖｄを受けると、曲線ｋ１を参照して、相対的に高い駆動電圧Ｖｄｒを検出し、その検出した駆動電圧Ｖｄｒを半導体発光素子１１３へ出力する。その結果、入力ユニット１１の半導体発光素子１１３は、出射角度分布が相対的に広い出射光Ｌｇｔ２を出射する。【００９３】
そうすると、中間層２の３個の中間ユニット２１に含まれる光検出器２１１（２１１Ｂ），２１１（２１１Ｅ），２１１（２１１Ｈ）が入力ユニット１１からの出射光Ｌｇｔ２を検出し、他の光検出器２１１（２１１Ａ），２１１（２１１Ｃ），２１１（２１１Ｄ），２１１（２１１Ｆ），２１１（２１１Ｇ），２１１（２１１Ｉ）は、出射光Ｌｇｔ２を検出しない。【００９４】
出射光Ｌｇｔ２は、出射角度分布が相対的に広いため、光検出器２１１（２１１Ｂ），２１１（２１１Ｅ），２１１（２１１Ｈ）は、単位面積当たりの光強度が相対的に弱い光を検出する。【００９５】
このように、出射角度分布が相対的に狭い場合、中間層２の１つの中間ユニット２１だけが入力ユニット１１からの出射光Ｌｇｔ１を受光する。つまり、中間層２の１つの中間ユニット２１だけが入力ユニット１１からの信号を受信する。したがって、出射角度分布が相対的に狭い場合、１個の入力ユニット１１と１個の中間ユニット２１との結びつきが相対的に強くなり、１個の入力ユニット１１と１個の中間ユニット２１との結合重みが相対的に大きくなる。【００９６】
一方、出射角度分布が相対的に広い場合、中間層２の３個の中間ユニット２１が入力ユニット１１からの出射光Ｌｇｔ２を受光する。つまり、中間層２の３個の中間ユニット２１が入力ユニット１１からの信号を受信する。したがって、出射角度分布が相対的に広い場合、１個の入力ユニット１１と１個の中間ユニット２１との結びつきが相対的に弱くなり、１個の入力ユニット１１と１個の中間ユニット２１との結合重みが相対的に小さくなる。【００９７】
その結果、出射角度分布が各入力ユニット１１と各中間ユニット２１との結合重みを表すことになる。そして、出射角度分布は、上述したように、光検出器１１１が出力する電圧Ｖｄの電圧レベルに応じて変化するので、出射角度分布を有する光を用いて入力ユニット１１と中間ユニット２１とを結合することによって、各入力ユニット１１と各中間ユニット２１との結合重みを光検出器１１１が出力する電圧Ｖｄによって柔軟に変更できる。【００９８】
また、中間層２の中間ユニット２１と出力層３の出力ユニット３１との間は、中間ユニット２１に含まれる光検出器２１１が出力する電圧Ｖｄの電圧レベルに応じて変化する出射角度分布を有する光によって結合されるので、各中間ユニット２１と各出力ユニット３１との結合重みを光検出器２１１が出力する電圧Ｖｄによって柔軟に変更できる。【００９９】
図１８は、入力層１から中間層２への信号の伝達を説明するための第３の図である。図１８を参照して、入力層１の入力ユニット１１（１１−１）が光Ｌｇｔ１を出射し、入力ユニット１１（１１−２）が光Ｌｇｔ２を出射すると、中間層２の１つの中間ユニット２１に含まれる光検出器２１１（２１１Ｂ）は、入力ユニット１１（１１−１）からの出射光Ｌｇｔ１と、入力ユニット１１（１１−２）からの出射光Ｌｇｔ２とを受光する。【０１００】
また、中間層２の１つの中間ユニット２１に含まれる光検出器２１１（２１１Ｅ），２１１（２１１Ｈ）は、入力ユニット１１（１１−２）からの出射光Ｌｇｔ２を受光する。【０１０１】
その結果、光検出器２１１（２１１Ｂ）を含む中間ユニット２１は、入力層１の２つの入力ユニット１１（１１−１），１１（１１−２）と結合し、光検出器２１１（２１１Ｅ）を含む中間ユニット２１および光検出器２１１（２１１Ｈ）を含む中間ユニット２１は、入力層１の１つの入力ユニット１１（１１−２）と結合する。【０１０２】
より具体的には、光検出器２１１（２１１Ｂ）を含む中間ユニット２１は、結合重みｗ１によって入力ユニット１１（１１−１）と結合し、結合重みｗ２（＜ｗ１）によって入力ユニット１１（１１−２）と結合する。また、光検出器２１１（２１１Ｅ）を含む中間ユニット２１は、結合重みｗ３（ｗ２＜ｗ３＜ｗ１）によって入力ユニット１１（１１−２）と結合し、光検出器２１１（２１１Ｈ）を含む中間ユニット２１は、結合重みｗ４（ｗ２＜ｗ４＜ｗ３）によって入力ユニット１１（１１−２）と結合する。【０１０３】
そして、入力ユニット１１から出射される光の出射角度分布が広くなればなるほど、中間層２のより多くの中間ユニット２１が入力ユニット１１からの光を受光する。【０１０４】
したがって、出射角度分布を結合重みとして用いた光によって入力層１から中間層２へ信号を伝達することにより、中間層２の各中間ユニット２１は、入力層１の１個以上の入力ユニット１１と各結合重みによって結合する。また、出射角度分布を結合重みとして用いた光によって中間層２から出力層３へ信号を伝達することにより、出力層３の各出力ユニット３１は、中間層２の１個以上の中間ユニット２１と各結合重みによって結合する。【０１０５】
図１９は、入力層１から出力層３までの信号の伝達を説明するための第１の図である。また、図２０は、入力層１から出力層３までの信号の伝達を説明するための第２の図である。【０１０６】
図１９を参照して、入力層１の入力ユニット１１は、相対的に強い光信号からなる入力信号を受けると、その受けた入力信号に基づいて、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を中間層２へ出射する。【０１０７】
そして、中間層２の中間ユニット２１（２１−５）は、入力ユニット１１からの光Ｌｇｔ１を受光し、その受光した光Ｌｇｔ１に基づいて、上述した方法によって、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を出力層３へ出射する。【０１０８】
そうすると、出力層３の出力ユニット３１（３１−５）は、中間ユニット２１（２１−５）からの光Ｌｇｔ１を受光する。【０１０９】
その結果、入力ユニット１１が相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を中間層２へ出射すると、中間ユニット２１（２１−５）は、入力ユニット１１からの光Ｌｇｔ１に基づいて、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を出力層３へ出射し、出力層３の出力ユニット３１（３１−５）は、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を受光する。【０１１０】
したがって、入力ユニット１１の光検出器１１１が相対的に強い光信号を検出すると、入力信号は、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１によって入力層１から出力層３へ伝達される。つまり、入力ユニット１１が相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１を出射すれば、相対的に狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ１によって入力信号が入力層１から中間層２および出力層３へ順次伝達される。そして、中間ユニット２１（２１−５）が複数の入力ユニット１１から光を受光する場合、徐々に狭くなる出射角度分布を有する光によって入力信号が入力層１から中間層２および出力層３へ順次伝達される。【０１１１】
図２０を参照して、入力層１の入力ユニット１１は、相対的に弱い光信号からなる入力信号を受けると、その受けた入力信号に基づいて、相対的に広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ２を中間層２へ出射する。【０１１２】
そして、中間層２の中間ユニット２１（２１−５）は、入力ユニット１１からの光Ｌｇｔ２を受光し、その受光した光Ｌｇｔ２に基づいて、上述した方法によって、光Ｌｇｔ２よりも広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ３を出力層３へ出射する。【０１１３】
そうすると、出力層３の出力ユニット３１（３１−５）は、中間ユニット２１（２１−５）からの光Ｌｇｔ３を受光する。【０１１４】
その結果、入力ユニット１１が相対的に広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ２を中間層２へ出射すると、中間ユニット２１（２１−５）は、入力ユニット１１からの光Ｌｇｔ２に基づいて、光Ｌｇｔ２よりも広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ３を出力層３へ出射し、出力層３の出力ユニット３１（３１−５）は、光Ｌｇｔ２よりも広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ３を受光する。【０１１５】
したがって、入力ユニット１１の光検出器１１１が相対的に弱い光信号を検出すると、入力信号は、出射角度分布が徐々に広くなる光Ｌｇｔ２，Ｌｇｔ３によって入力層１から出力層３へ伝達される。つまり、入力ユニット１１が相対的に広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ２を出射すれば、出射角度分布が徐々に広くなる光Ｌｇｔ２，Ｌｇｔ３によって入力信号が入力層１から中間層２および出力層３へ順次伝達される。【０１１６】
図２１は、入力信号を説明するための図である。また、図２２は、図２１に示す入力信号の入力層１から出力層３への伝達を説明するための図である。【０１１７】
図２１を参照して、図１に示す“Ａ”という文字を示す文字部分の入力信号は、最も強い光信号ＬＩｍａｘからなり、“Ａ”の文字以外の部分の入力信号は、最も弱い光信号ＬＩｍｉｎからなり、“Ａ”の文字部分と文字以外の部分との境界に近い部分の入力信号は、中間の強度を有する光信号ＬＩｍｉｄからなる。【０１１８】
そうすると、光信号ＬＩｍａｘを受けた入力ユニット１１（１１−１）は、最も狭い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＮＲ１を出射し、光信号ＬＩｍｉｄを受けた入力ユニット１１（１１−２）は、中間の出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＭＤ１を出射し、光信号ＬＩｍｉｎを受けた入力ユニット１１（１１−３）は、最も広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＢＲ１を出射する。【０１１９】
光Ｌｇｔ＿ＮＲ１は、最も少ない個数（１個）の中間ユニット２１（２１−６）によって受光され、光Ｌｇｔ＿ＭＤ１は、相対的に多くの中間ユニット２１（２１−２），２１（２１−５），２１（２１−８）によって受光され、光Ｌｇｔ＿ＢＲ１は、最も多くの中間ユニット２１（２１−１），２１（２１−２），２１（２１−４），２１（２１−５），２１（２１−７）によって受光される。【０１２０】
したがって、光Ｌｇｔ＿ＮＲ１を受光した中間ユニット２１（２１−６）は、光Ｌｇｔ＿ＮＲ１の出射角度分布以下の出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＮＲ２を出射する。また、光Ｌｇｔ＿ＭＤ１を受光した中間ユニット２１（２１−２），２１（２１−５），２１（２１−８）は、光Ｌｇｔ＿ＭＤ１の出射角度分布よりも広い出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＭＤ２を出射する。さらに、光Ｌｇｔ＿ＢＲ１を受光した中間ユニット２１（２１−１），２１（２１−２），２１（２１−４），２１（２１−５），２１（２１−７）は、受光強度がしきい値よりも小さいため、光を出射しない。【０１２１】
そうすると、出力層３の出力ユニット３１（３１−６）は、光Ｌｇｔ＿ＮＲ２を受光し、出力ユニット３１（３１−２），３１（３１−４），３１（３１−５），３１（３１−８）は、光Ｌｇｔ＿ＭＤ２を受光する。【０１２２】
そして、出力ユニット３１（３１−６）は、光Ｌｇｔ＿ＮＲ２の出射角度分布以下の出射角度分布を有する光Ｌｇｔ＿ＮＲ３を出射する。また、出力ユニット３１（３１−２），３１（３１−４），３１（３１−５），３１（３１−８）は、受光強度がしきい値よりも小さいため、光を出射しない。【０１２３】
その結果、光信号ＬＩｍａｘからなる入力信号は、光Ｌｇｔ＿ＮＲ３として出力層３から出力され、光信号ＬＩｍｉｄ，ＬＩｍｉｎからなる入力信号は、光として出力層３から出力されない。【０１２４】
したがって、“Ａ”の文字部分は、明るく出力され、“Ａ”の文字以外の部分および“Ａ”の文字部分と文字以外の部分との境界部分は、暗く出力される。その結果、図１に示すように、くっきりとした“Ａ”の文字が出力される。【０１２５】
なお、“Ａ”の文字部分の入力信号を光信号ＬＩｍｉｎによって表し、“Ａ”の文字以外の部分の入力信号を光信号ＬＩｍａｘによって表し、“Ａ”の文字部分と文字以外の部分との境界部分の入力信号を光信号ＬＩｍｉｄによって表した場合も、上述した機構によって、くっきりとした“Ａ”の文字を出力できる。【０１２６】
上述したように、この発明による光ニューラルネットワーク１０は、光の出射角度分布を結合重みとして用いて入力信号を入力層１から中間層２および出力層３へ順次伝達するので、ぼやけた入力画像をくっきりとした画像として出力できる。【０１２７】
そして、中間層の個数を増加すれば、受光強度がしきい値よりも小さい光は、次の層（中間層または出力層）へ伝達されないので、さらに、くっきりとした画像を出力できる。【０１２８】
図２３は、この発明の実施の形態による他の光ニューラルネットワークの構成図である。この発明の実施の形態による光ニューラルネットワークは、図２３に示す光ニューラルネットワーク１０Ａであってもよい。【０１２９】
図２３を参照して、光ニューラルネットワーク１０Ａは、図１に示す光ニューラルネットワーク１０の入力層１を入力層１Ａに代え、出力層３を出力層３Ａに代えたものであり、その他は、光ニューラルネットワーク１０と同じである。【０１３０】
入力層１Ａは、アナログ値からなる入力信号を受け、その受けた入力信号を光として中間層２へ出力する。出力層３Ａは、中間層２から光を受け、その受けた光の光強度に応じてディジタル値からなる出力信号を出力する。【０１３１】
中間層２側から見た入力層１Ａの平面構造は、図２に示す入力層１の平面構造と同じであり、入力層１Ａの裏面の平面構造は、図３に示す入力層１の平面構造と同じである。また、出力側から見た出力層３Ａの平面構造は、図２に示す入力層１の平面構造と同じであり、中間層２側から見た出力層３Ａの平面構造は、図３に示す入力層１の平面構造と同じである。【０１３２】
図２４は、図２３に示す入力層１Ａを構成する入力ユニット１１Ａの構成図である。図２４を参照して、入力ユニット１１Ａは、図４に示す入力ユニット１１の光検出器１１１を入力部１１１Ａに代えたものであり、その他は、入力ユニット１１と同じである。【０１３３】
入力部１１１Ａは、アナログ値からなる入力信号を受け、その受けたアナログ値を電圧Ｖｄに変換して駆動回路１１２へ出力する。より具体的には、入力部１１１Ａは、“Ａ”の文字部分の入力信号を受けると、その受けた入力信号を電圧Ｖｄ１（電圧Ｖｄの一種）に変換して駆動回路１１２へ出力し、“Ａ”の文字部分と文字以外の部分との境界部分の入力信号を受けると、その受けた入力信号を電圧Ｖｄ２（＜Ｖｄ１）に変換して駆動回路１１２へ出力し、“Ａ”の文字以外の部分の入力信号を受けると、その受けた入力信号を電圧Ｖｄ３（＜Ｖｄ２）に変換して駆動回路１１２へ出力する。【０１３４】
図２５は、図２３に示す入力層１Ａの断面図である。図２５を参照して、各入力ユニット１１Ａの入力部１１１Ａは、半導体層１４の表面に配置され、貫通配線１１４によって駆動回路１１２に接続される。【０１３５】
入力層１Ａは、図１０から図１５に示す工程（ａ）〜工程（ｔ）に従って製造される。そして、図１０に示す工程（ｇ）において、光検出器１１１に代えて入力部１１１Ａが半導体層１４の表面に形成される。【０１３６】
図２６は、図２３に示す出力層３Ａに含まれる出力ユニット３１Ａの構成図である。図２６を参照して、出力ユニット３１Ａは、光検出器１１１と、出力部１１５とを含む。出力部１１５は、光検出器１１１から電圧Ｖｄを受け、その受けた電圧Ｖｄをディジタル値からなる出力信号に変換して出力する。より具体的には、出力部１１５は、電圧Ｖｄを光検出器１１１から受けると、その受けた電圧Ｖｄがしきい値以上であれば、電圧Ｖｄを“１”に変換して出力し、電圧Ｖｄがしきい値よりも小さければ、電圧Ｖｄを“０”に変換して出力する。【０１３７】
図２７は、図２３に示す出力層３Ａの断面図である。図２７を参照して、各出力ユニット３１Ａの出力部１１５は、半導体層１２の一主面に形成され、貫通配線１１４によって光検出器１１１に接続される。【０１３８】
出力層３Ａは、図１０に示す工程（ａ）〜工程（ｇ）に従って製造される。そして、図１０に示す工程（ｂ）において、駆動回路１１２に代えて出力部１１５が半導体層１２の一主面に形成される。【０１３９】
光ニューラルネットワーク１０Ａにおいては、入力層１Ａの各入力ユニット１１Ａの入力部１１１Ａは、アナログ値からなる入力信号を受け、その受けたアナログ値の大きさに応じてアナログ値を電圧Ｖｄに変換して駆動回路１１２へ出力し、駆動回路１１２は、上述した方法によって、電圧Ｖｄを駆動電圧Ｖｄｒに変換して半導体発光素子１１３へ出力し、半導体発光素子１１３は、駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を中間層２へ出射する。【０１４０】
そして、中間層２の各中間ユニット２１の光検出器１１１は、入力層１Ａからの光を受光し、その受光した光の光強度に応じて光を電圧Ｖｄに変換して駆動回路１１２へ出力し、駆動回路１１２は、上述した方法によって、電圧Ｖｄを駆動電圧Ｖｄｒに変換して半導体発光素子１１３へ出力し、半導体発光素子１１３は、駆動電圧Ｖｄｒの電圧レベルに応じた出射角度分布を有する光を出力層３Ａへ出力する。【０１４１】
そうすると、出力層３Ａの各出力ユニット３１Ａの光検出器１１１は、中間層２からの光を受光し、その受光した光の光強度に応じて光を電圧Ｖｄに変換して出力部１１５へ出力し、出力部１１５は、電圧Ｖｄをディジタル値に変換し、その変換したディジタル値からなる出力信号を出力する。【０１４２】
その結果、光ニューラルネットワーク１０Ａは、光ニューラルネットワーク１０と同じ機構によって、図１に示すぼやけた“Ａ”の文字からなる入力信号をくっきりとした“Ａ”の文字からなる出力信号に変えて出力する。【０１４３】
なお、光ニューラルネットワーク１０Ａは、複数の中間層２を備えていてもよい。【０１４４】
光ニューラルネットワーク１０，１０Ａにおいては、入力ユニット１１（または１１Ａ）、中間ユニット２１および出力ユニット３１（または３１Ａ）の各々は、神経系におけるシナプスに相当する。そして、各入力ユニット１１（または１１Ａ）は、結合重みを出射角度分布によって表した光を用いて１個または複数の中間ユニット２１と結合し、各中間ユニット２１は、結合重みを出射角度分布によって表した光を用いて１個または複数の出力ユニット３１（または３１Ａ）と結合する。【０１４５】
したがって、光ニューラルネットワーク１０，１０Ａにおいては、入力ユニット１１（または１１Ａ）と中間ユニット２１とを接続する配線、および中間ユニット２１と出力ユニット３１（または３１Ａ）とを接続する配線を必要とせず、出射角度分布を有する光によって、任意の入力ユニット１１（または１１Ａ）と任意の中間ユニット２１とを接続でき、任意の中間ユニット２１と任意の出力ユニット３１（または３１Ａ）とを接続できる。【０１４６】
上述したように、光ニューラルネットワーク１０の入力層１、中間層２および出力層３は、半導体層１２，１４からなり、光ニューラルネットワーク１０Ａの入力層１Ａ、中間層２および出力層３Ａは、半導体層１２，１４からなる。【０１４７】
したがって、この発明によれば、半導体プロセスを用いて光ニューラルネットワーク１０，１０Ａを作製できる。【０１４８】
また、光ニューラルネット１０，１０Ａにおいては、入力層１（１Ａ）と中間層２との間、および中間層２と出力層３（３Ａ）は、光によって結合される。【０１４９】
したがって、この発明によれば、入力層１（１Ａ）の複数の入力ユニット１１（１１Ａ）と中間層２の複数の中間ユニット２１とを複雑な配線を用いずに結合でき、中間層２の複数の中間ユニット２１と出力層３（３Ａ）の複数の出力ユニット３１（３１Ａ）とを複雑な配線を用いずに結合できる。【０１５０】
その結果、入力層１（１Ａ）の複数の入力ユニット１１（１１Ａ）と中間層２の複数の中間ユニット２１との結合ミス、および中間層２の複数の中間ユニット２１と出力層３（３Ａ）の複数の出力ユニット３１（３１Ａ）との結合ミスが生じず、信頼性の高い光ニューラルネットワーク１０，１０Ａを作製できる。【０１５１】
さらに、光ニューラルネットワーク１０，１０Ａにおいては、結合重みとしての出射角度分布は、電圧Ｖｄの電圧レベルによって決定されるので、結合重みを設定し直さなくても、各種の入力信号を処理できる。【０１５２】
さらに、上述したように、光ニューラルネットワーク１０は、光信号からなる入力信号を光検出器１１１によって検出し、その検出した入力信号の入力層１から中間層２への伝達および中間層２から出力層３への伝達を出射角度分布を有する光によって行ない、光信号からなる出力信号を出力する。【０１５３】
また、光ニューラルネットワーク１０Ａは、アナログ値からなる入力信号を入力部１１１Ａによって受け、その受けた入力信号の入力層１から中間層２への伝達および中間層２から出力層３への伝達を出射角度分布を有する光によって行ない、ディジタル値からなる出力信号を出力する。【０１５４】
したがって、この発明による光ニューラルネットワークは、一般的には、結合重みを出射角度分布によって表した光により、入力層と中間層との間、および中間層と出力層との間を結合するものであればよい。【０１５５】
上記においては、入力信号は、“Ａ”の文字を示す画像データからなると説明したが、この実施の形態においては、これに限らず、入力信号は、画像データ以外のデータからなっていてもよい。【０１５６】
また、上記においては、入力層１，１Ａは、１００個の入力ユニット１１，１１Ａを含み、中間層２は、１００個の中間ユニット２１を含み、出力層３，３Ａは、１００個の出力ユニット３１，３１Ａを含むと説明したが、この実施の形態においては、これに限らず、一般的には、入力層１，１Ａは、ｉ（ｉは正の整数）個の入力ユニット１，１Ａを含んでいればよく、中間層２は、ｊ（ｊは正の整数）個の中間ユニット２１を含んでいればよく、出力層３，３Ａは、ｋ（ｋは正の整数）個の出力ユニット３，３Ａを含んでいればよい。【０１５７】
さらに、上記においては、電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとは、非線形の関係を有すると説明したが、この実施の形態においては、これに限らず、電圧Ｖｄと駆動電圧Ｖｄｒとは、線形の関係を有していてもよい。【０１５８】
さらに、上記においては、半導体発光素子１１３は、半導体層１２に張り合わされると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体発光素子１１３は、半導体層１２上にエピタキシャル成長されてもよい。【０１５９】
この実施の形態においては、入力層１，１Ａの各々は、「入力半導体層」を構成し、中間層２は、「中間半導体層」を構成し、出力層３，３Ａの各々は、「出力半導体層」を構成する。【０１６０】
また、この実施の形態においては、入力層１，１Ａを構成する半導体層１２，１４および絶縁膜１３は、「第１の半導体基板」を構成する。【０１６１】
さらに、この実施の形態においては、中間層２を構成する半導体層１２，１４および絶縁膜１３は、「第２の半導体基板」を構成する。【０１６２】
さらに、この実施の形態においては、出力層３を構成する半導体層１２，１４および絶縁膜１３は、「第３の半導体基板」を構成する。【０１６３】
さらに、この実施の形態においては、入力ユニット１１に含まれる光検出器１１１および入力ユニット１１Ａに含まれる入力部１１１Ａは、「検出器」を構成する。【０１６４】
さらに、この実施の形態においては、中間ユニット２１に含まれる光検出器１１１は、「第１の光検出器」を構成し、出力ユニット３１，３１Ａに含まれる光検出器１１１は、「第２の光検出器」を構成する。【０１６５】
さらに、この実施の形態においては、出力ユニット３１に含まれる半導体発光素子１１３および出力ユニット３１Ａに含まれる出力部１１５は、「出力回路」を構成する。【０１６６】
さらに、この実施の形態においては、入力ユニット１１に含まれる駆動回路１１２は、「第１の駆動回路」を構成し、入力ユニット１１に含まれる半導体発光素子１１３は、「第１の半導体発光素子」を構成する。【０１６７】
さらに、この実施の形態においては、中間ユニット２１に含まれる駆動回路１１２は、「第２の駆動回路」を構成し、中間ユニット２１に含まれる半導体発光素子１１３は、「第２の半導体発光素子」を構成する。【０１６８】
さらに、この実施の形態においては、入力ユニット１１に含まれる貫通配線１１４は、「第１の金属配線」を構成し、中間ユニット２１に含まれる貫通配線１１４は、「第２の金属配線」を構成する。【０１６９】
さらに、この実施の形態においては、出力ユニット３１に含まれる半導体発光素子１１３は、「第３の半導体発光素子」を構成する。【０１７０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１７１】
この発明は、結合重みを柔軟に変更可能な光ニューラルネットワークに適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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