(57)【要約】【課題】演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なうことなく、光素子の数を削減する。使用する光の波長数を少なくする。【解決手段】波長多重ブロックＡWDMと、分波器ＡＷＧ１と、波長多重ブロックＢWDMとを設ける。真理値表に基づいて波長の組合せが個々に定められた波長多重光信号Ｐ１〜Ｐ８を波長多重ブロックＡWDMに入力する。波長多重ブロックＡWDMは、波長多重光信号Ｐ１〜Ｐ８のうちの１つを、制御入力（ｎ＝３）の組合せに対応して選択し、波長多重光信号ＰＸとして分波器ＡＷＧ１に送る。分波器ＡＷＧ１は、波長多重光信号ＰＸに含まれる複数の光信号をその光信号の波長に応じて振り分け、光信号ＰＸ1〜ＰＸ8として波長多重ブロックＢWDMに入力する。波長多重ブロックＢWDMは、入力された光信号ＰＸ1〜ＰＸ8のうちの１つを、制御入力（ｎ＝３）の組合せに対応して選択する。【選択図】  図７
2018007202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号がそれぞれ入力される複数の入力ポートと、制御入力の組合せに応じて前記複数の入力ポートのうちの１つに入力された波長多重光信号を選択する光スイッチ部と、この光スイッチ部によって選択された波長多重光信号を出力する出力ポートとを備えた第１の光論理回路と、
前記第１の光論理回路の出力ポートから出力された波長多重光信号が入力される入力ポートと、複数の出力ポートとを有し、前記第１の光論理回路の出力ポートから前記入力ポートに入力された波長多重光信号に含まれる複数の光信号をその光信号の波長に応じて前記複数の出力ポートのいずれかに振り分けて出力する第１の波長振分部と、
前記第１の波長振分部の前記複数の出力ポートから出力された複数の光信号がそれぞれ入力される複数の入力ポートと、前記制御入力の組合せに応じて前記複数の入力ポートのうちの１つに入力された光信号を選択する光スイッチ部と、この光スイッチ部によって選択された光信号を出力する出力ポートとを備えた第２の光論理回路と
を備えたことを特徴とする光演算器。
【請求項２】
請求項１に記載された光演算器において、
前記第１の波長振分部は、
前記複数の出力ポートのいずれかに複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を振り分けて出力する分波器である
ことを特徴とする光演算器。
【請求項３】
請求項２に記載された光演算器において、
前記第１の波長振分部は、
前記第１の光論理回路の出力ポートから前記第１の波長振分部の入力ポートに入力された波長多重光信号に含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて所定の波長間隔で周期的に定まる出力ポートから出力する、波長周回性を有する分波器である
ことを特徴とする光演算器。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載された光演算器において、
前記第２の光論理回路の出力ポートから出力された光信号が入力される入力ポートと、複数の出力ポートとを有し、前記第２の光論理回路の出力ポートから前記入力ポートに入力された光信号に含まれる複数の光信号をその光信号の波長に応じて前記複数の出力ポートのいずれかに振り分けて出力する第２の波長振分部と、
前記第２の波長振分部の前記複数の出力ポートから出力された複数の光信号がそれぞれ入力される複数の入力ポートと、前記制御入力の組合せに応じて前記複数の入力ポートのうちの１つに入力された光信号を選択する光スイッチ部と、この光スイッチ部によって選択された光信号を出力する出力ポートとを備えた第３の光論理回路と
をさらに備えることを特徴とする光演算器。
【請求項５】
請求項４に記載された光演算器において、
前記第２の波長振分部は、
前記複数の出力ポートのいずれかに複数の光信号が波長多重化された波長多重光信号を振り分けて出力する分波器である
ことを特徴とする光演算器。
【請求項６】
請求項５に記載された光演算器において、
前記第２の波長振分部は、
前記第２の光論理回路の出力ポートから前記第２の波長振分部の入力ポートに入力された光信号に含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて所定の波長間隔で周期的に定まる出力ポートから出力する、波長周回性を有する分波器である
ことを特徴とする光演算器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、論理演算を光回路、または光回路と電気回路との混合回路で行う光演算器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の電子演算回路は、処理速度を向上させるために、チップサイズや素子サイズを極限まで小さくする工夫がなされている。これは、回路内の抵抗（Ｒ）とキャパシタンス（Ｃ）などが信号の伝搬を大きく律速しているため、演算速度を上げるにはチップサイズや素子サイズを小さくするしかないためである。
【０００３】
このため、狭面積の論理ブロックやコアに素子を詰め込み、マルチコア・メニーコア化などの工夫がなされている。しかし、それらをつなぐための配線が新たな「遅延」を生み、演算の高速化に限界が見えつつある。
【０００４】
一方、光通信などで用いられる光配線や光パスゲートは、その配線経路内のＣやＲに無依存で光信号を伝播させることができる。また、ナノフォトニクスの進展により、光パスゲートの消費エネルギーは飛躍的に改善され、そのエネルギーコスト［J/bit］は、ＣＭＯＳゲートと光で同程度のレベルになりつつある。そのため、チップ内やチップ間の通信を光化する様々な研究がなされている。
【０００５】
図１８を用いてパスゲートを組み合わせた演算回路における演算プロセスについて説明する。２ｘ１（２分岐）のパスゲート１０１をツリー状に接続すると、ｎ桁の制御入力に対する真理値表（Look up table （ＬＵＴ）：図１９参照）を再現する演算回路１００を構成することができる。この演算回路１００は、ｎ桁の制御入力に対する全ての組み合わせに対し、「０」か「１」の信号を出力するもので、ｎ桁の制御入力に対する全ての１ビット出力演算を実行する。
【０００６】
この演算回路１００において、パスゲート１０１としてＣＭＯＳゲートなどのパスゲート１０１Ａを用いた演算回路１００Ａでは、図２０に示されるように、ｎ個のゲートのＣ，Ｒが連なるため、経路の応答速度がｎ^2で劣化する。そのため、このような演算回路１００Ａ（電気回路）では、制御入力の桁ｎをｎ＜４〜６としてしか用いられない。
【０００７】
図２１に、パスゲート１０１として光パスゲート１０１Ｂを用い、ツリー構造の葉に相当する信号入力ポートに光源１０２を配置した例を示す。この演算回路１００（１００Ｂ）では、光パスゲート１０１Ｂを駆動することによって、ツリー構造の幹に相当する出力ポートから、２n個の制御入力の組み合わせに対応する１つの光信号（１つの出力結果）を得ることができる。
【０００８】
なお、この演算回路１００Ｂにおいて、光パスゲート１０１Ｂは光を遮断または透過する２つの光パス（光スイッチ）ＳＷ１，ＳＷ２を備えており、複数の光源１０２と複数の光パスゲート１０１Ｂとの間および複数の光パスゲート１０１Ｂ間は光回路１０３によって接続される。
【０００９】
この演算回路１００Ｂでは、光源１０２の配置により、真理値表（ＬＵＴ）の内容を変更できることから、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を有する。また、光の伝播は電気的なＣＲに依存しないため、これにより、ＣＲに律速されない論理演算が可能となり、電気回路のレイテンシボトルネックが解消される。なお、この演算回路１００Ｂにおいて、制御入力を電気信号とすれば、光回路と電気回路との混合回路で論理演算が行われるものとなり、制御入力を光信号とすれば、光回路のみで論理演算が行われるものとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A. Tetsuya, “Photonic-Crystal Logic Devices Based on the Binary Decision Diagram,”信学会，エレクトロニクス(1),386(2000)
【非特許文献２】S. Lin, “Demonstration of optical computing logics based on binary decision diagram,”OPTICS EXPRESS 20, 1378 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図２１に示されたような構成では、制御入力数の増大に伴って光スイッチ（光素子）の数が指数関数的に増大し、膨大な数の光素子を必要とする。このため、ＢＤＤ（Binary Decision Diagram）と呼ばれる手法により光素子の数を削減し回路を簡略化する方法が提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。しかし、この方法では、特定用途の演算のみが取り扱えることになり、演算の種類の設定を自由に変更できる特徴が損なわれてしまう。また、電気回路では不可能な光の多重性を利用した演算を示すものではない。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、光の多重性を利用することで、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なうことなく、光素子の数を削減することができ、かつ使用する光の波長数を少なくすることができる光演算器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために本発明は、互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号（Ｐ１〜Ｐ８）がそれぞれ入力される複数の入力ポート（ＰinA1〜ＰinA8）と、制御入力の組合せに応じて複数の入力ポート（ＰinA1〜ＰinA8）のうちの１つに入力された波長多重光信号を選択する光スイッチ部（ＳＷＡ）と、この光スイッチ部（ＳＷＡ）によって選択された波長多重光信号（ＰＸ）を出力する出力ポート（ＰoutA）とを備えた第１の光論理回路（ＡWDM）と、第１の光論理回路（ＡWDM）の出力ポート（ＰoutA）から出力された波長多重光信号（ＰＸ）が入力される入力ポート（ＰinX）と、複数の出力ポート（ＰoutX1〜ＰoutX8）とを有し、第１の光論理回路（ＡWDM）の出力ポート（ＰoutA）から入力ポート（ＰinX）に入力された波長多重光信号（ＰＸ）に含まれる複数の光信号をその光信号の波長に応じて複数の出力ポート（ＰoutX1〜ＰoutX8）のいずれかに振り分けて出力する第１の波長振分部（ＡＷＧ１）と、第１の波長振分部（ＡＷＧ１）の複数の出力ポート（ＰoutX1〜ＰoutX8）から出力された複数の光信号（ＰＸ1〜ＰＸ8）がそれぞれ入力される複数の入力ポート（ＰinB1〜ＰinB8）と、制御入力の組合せに応じて複数の入力ポート（ＰinB1〜ＰinB8）のうちの１つに入力された光信号を選択する光スイッチ部（ＳＷＢ）と、この光スイッチ部（ＳＷＢ）によって選択された光信号（ＰＹ）を出力する出力ポート（ＰoutB）とを備えた第２の光論理回路（ＢWDM）とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明では、互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号（Ｐ１〜Ｐ８）が第１の光論理回路（ＡWDM）の複数の入力ポート（ＰinA1〜ＰinA8）にそれぞれ入力される。第１の光論理回路（ＡWDM）の光スイッチ部（ＳＷＡ）は、制御入力の組合せに応じて、複数の入力ポート（ＰinA1〜ＰinA8）のうちの１つに入力された波長多重光信号を選択する。この選択された波長多重光信号（ＰＸ）は、第１の光論理回路（ＡWDM）の出力ポート（ＰoutA）から出力され、第１の波長振分部（ＡＷＧ１）の入力ポート（ＰinX）に入力される。第１の波長振分部（ＡＷＧ１）は、入力ポート（ＰinX）に入力された波長多重光信号（ＰＸ）に含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて複数の出力ポート（ＰoutX1〜ＰoutX8）のいずれかに振り分けて出力する。この第１の波長振分部（ＡＷＧ１）の複数の出力ポート（ＰoutX1〜ＰoutX8）から出力された複数の光信号（ＰＸ1〜ＰＸ8）は、第２の光論理回路（ＢWDM）の複数の入力ポート（ＰinB1〜ＰinB8）にそれぞれ入力される。第２の光論理回路（ＢWDM）の光スイッチ部（ＳＷＢ）は、制御入力の組合せに応じて、複数の入力ポート（ＰinB1〜ＰinB8）のうちの１つに入力された光信号を選択する。この選択された光信号（ＰＹ）は第２の光論理回路（ＢWDM）の出力ポート（ＰoutB）から出力される。
【００１５】
本発明では、第１の光論理回路（ＡWDM）からの波長多重光信号（ＰＸ）に含まれる複数の光信号が、第１の波長振分部（ＡＷＧ１）によってその光信号の波長に応じて振り分けられる。ここで、振り分けられる光信号に含まれる波長が１つであるとすると、第２の光論理回路（ＢWDM）では制御入力の組合せに応じて１つの波長の光信号が選択され、この選択された１つの波長の光信号が出力されることになる。
【００１６】
また、振り分けられる光信号に含まれる波長が複数であるとすると、第２の光論理回路（ＢWDM）では、制御入力の組合せに応じて複数の波長を含む光信号（波長多重光信号）が選択され、この選択された光信号（波長多重光信号）が出力されることになる。この場合、最終的に出力される光信号の波長が１つとなるように、同様の波長振分部や光論理回路を設けるようにすれば良い。
【００１７】
例えば、第２の光論理回路（ＢWDM）の出力ポート（ＰoutB）から出力された光信号（ＰＹ）が入力される入力ポート（ＰinY）と、複数の出力ポート（ＰoutY1〜ＰoutY4）とを有し、第２の光論理回路（ＢWDM）の出力ポート（ＰoutB）から入力ポート（ＰinY）に入力された光信号（ＰＹ）に含まれる複数の光信号をその光信号の波長に応じて複数の出力ポート（ＰoutY1〜ＰoutY4）のいずれかに振り分けて出力する第２の波長振分部（ＡＷＧ２）と、第２の波長振分部（ＡＷＧ２）の複数の出力ポート（ＰoutY1〜ＰoutY4）から出力された複数の光信号（ＰＹ1〜ＰＹ4）がそれぞれ入力される複数の入力ポート（ＰinC1〜ＰinC4）と、制御入力の組合せに応じて複数の入力ポートＰinC1〜ＰinC4）のうちの１つに入力された光信号を選択する光スイッチ部（ＳＷＣ）と、この光スイッチ部（ＳＷＣ）によって選択された光信号（ＰＺ）を出力する出力ポート（ＰoutC）とを備えた第３の光論理回路（ＣWDM）とを設けるようにする。
【００１８】
このようにして、本発明では、光の多重性を利用することで、複数の演算を光多重し、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なうことなく、制御入力の増大に伴って指数関数的に増大する光スイッチ（光素子）の数を削減することができるようになる。また、本発明では、互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号を第１の光論理回路の複数の入力ポートにそれぞれ入力するようにしているので、複数の波長多重光信号間で同じ波長の光信号を用いるようにして、使用する光の波長数を少なくすることができるようになる。
【００１９】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことにより、本発明によれば、光の多重性を利用することで、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なうことなく、光素子の数を削減することができ、かつ使用する光の波長数も少なくすることができるようになる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ツリー回路を制御入力数ｎのブロック単位に分割した構成を示す図である。
【図２】図２は、このツリー回路における前段ブロックの出力と次段ブロックの信号入力の関係を示す図である。
【図３】図３は、ブロックＡ1〜ＡNの機能を１つにまとめた波長多重ブロック（Ａ1〜ＡNの波長多重ブロック）ＡWDMを示す図である。
【図４】図４は、ブロックＡ1〜ＡNを波長多重ブロックＡWDMとした場合の後段のＢブロックとの関係を示す図である。
【図５】図５は、ブロックＢ1〜ＢN/qの機能を１つにまとめた波長多重ブロック（Ｂ1〜ＢN/qの波長多重ブロック）ＢWDMを示す図である。
【図６】図６は、ツリー回路およびこのツリー回路を圧縮した波長多重回路を示す図である。
【図７】図７は、ブロックをＡ，Ｂの２段とした場合のツリー回路および波長多重回路（実施の形態１）を示す図である。
【図８】図８は、ブロックをＡ，Ｂ，Ｃの３段とした場合のツリー回路を示す図である。
【図９】図９は、ブロックをＡ，Ｂ，Ｃの３段とした場合の波長多重回路（実施の形態２）を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２をより詳細に説明する図である。
【図１１】図１１は、波長多重ブロックＢWDMと波長多重ブロックＣWDMの機能をまとめて波長多重ブロックＡWDMから出力された光信号を各波長ごとに分けて出力するようにした例（実施の形態３）を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４の波長多重回路を説明する図である。
【図１３】図１３は、図１２から考えられるＡＷＧに求められる特性を例示する図である。
【図１４】図１４は、波長多重ブロックＡWDMへの制御入力数と波長多重ブロックＢWDMへの制御入力数ｎｂとを異なるものとした場合について説明する図である。
【図１５】図１５は、回折格子とレンズを組み合わせて波長の組み替えを行う分波器を構成した例を示す図である。
【図１６】図１６は、リング共振器を用いた例を示す図である。
【図１７】図１７は、複数波長に対応させる例を示す図である。
【図１８】図１８は、パスゲートを用いた演算回路を例示する図である。
【図１９】図１９は、ｎ桁の制御入力に対する真理値表を例示する図である。
【図２０】図２０は、パスゲートとしてＣＭＯＳゲートなどを用いた場合の経路の応答速度の劣化を説明する図である。
【図２１】図２１は、パスゲートとして光パスゲートを用いた演算回路を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の概要について説明する。
【００２３】
〔発明の概要〕
図１に、ツリー回路を制御入力数ｎのブロック単位に分割した構成を示す。同図において、Ａ1〜ＡNは初段のブロック、Ｂ1〜ＢN/qは２段目のブロックであり、最終段のブロックＭ1までツリー状に接続されている。
【００２４】
なお、図１において、ｍはこのツリー回路の段数、ｎは１ブロックに割り当てられた制御入力数、Ｌは制御入力数（Ｌ＝ｎ×ｍ）、ｑは各ブロックの入力ポート数、Ｎは初段のブロック数である。
【００２５】
このツリー回路において、前段ブロックの出力と次段ブロックの信号入力の関係は、ブロックＡとブロックＢを例にとると図２に示す通りであり、ブロックＢj（Ｂi+1）への信号入力は、Ａiq+1〜Ａiq+q（ｑ＝２n）の出力を用いることになる。
【００２６】
各ブロックＡ〜Ｍのそれぞれにおいて、制御入力は全て同じであり、制御入力を同じくするブロックは、その内部に構成される信号伝搬経路が同じになる。例えば、ブロックＡ1〜ＡNの全てのブロックは、同じ経路構成となっており、異なる点は、信号入力への光源配置のみのとなる。
【００２７】
各ブロックＡ1〜ＡNでの光源の配置は演算の種類を決めている。そのため、ブロックＡ1〜ＡNへの信号入力の光源波長をそれぞれλ（１）〜λ（Ｎ）で割り振ると、ブロックＡ1〜ＡNの機能を波長で重ね合わせることが可能となり、１つのブロックＡWDM（図３参照）で同じ制御入力に対しＮ通りの演算を同時に実行することが可能となる。またブロックＡ1〜ＡNへの信号入力のための光源配置により、演算の種類を変更することができる。以下、このブロックＡ1〜ＡNの機能を１つにまとめたブロックＡWDMを波長多重ブロック（Ａ1〜ＡNの波長多重ブロック）と呼ぶ。
【００２８】
波長多重ブロックＡWDMから出力される信号は、１ポートからの波長多重信号となるため、ブロックＢjへの入力は図４に示される波長と入力ポートとの位置関係に従い、波長多重ブロックＡWDMからの信号を波長で振り分けることになる。
【００２９】
また、ブロックＢ1〜ＢN/qの全てのブロックも制御入力は全て同じであり、制御入力を同じくするブロックは、その内部に構成される信号伝搬経路が同じになる。つまり、ブロックＢ1〜ＢN/qの全てのブロックは、同じ経路構成となっており、異なる点は、信号入力への光源配置のみのとなる。このため、図５に示すように、ＢブロックもブロックＢ1〜ＢN/qの機能を波長で重ね合わせることが可能となり、１つの波長多重ブロック（Ｂ1〜ＢN/qの波長多重ブロック）ＢWDMで複数の異なる演算を実行することが可能となる。
【００３０】
このことから、図１に示したツリー回路（図６（ａ））は、図６（ｂ）に示されるような波長多重回路に圧縮することが可能となる。また、このことは、ＡWDMに圧縮されたＮ通りの演算結果をＢWDM以降の圧縮された経路で選び出すことが可能であることを示している。また、ブロックＡへの信号入力のための光源配置により、演算の種類を変更することができることを示している。
【００３１】
なお、ツリー回路（図６（ａ））では、ｍがツリー回路の段数を示し、Ｎが初段の段数を示していたが、波長多重回路（図６（ｂ））では、ｍがブロック総数を示し、Ｎが波長多重数を示すものとなる。
【００３２】
この波長多重回路は、電気回路とは全く異なる手法で、回路の小型化と並列演算を提供し、光の伝搬だけで演算が完了することから電子回路では困難な超低レイテンシ演算を提供し、動作周波数が頭打ち状態になりつつある電子回路の問題を解決することを可能とする。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３３】
〔実施の形態１〕
図７は、ブロックをＡ，Ｂの２段（ｍ＝２）とし、制御入力数が６（Ｌ＝６）である場合に、各ブロックＡ，Ｂへの制御入力を３つずつに分割した例（ｎ＝３）である。
【００３４】
図７（ａ）は圧縮する前のツリー回路を示し、図７（ｂ）は圧縮した後の波長多重回路を示す。図７（ｂ）に示した波長多重回路１が実施の形態１に係る光演算器に相当する。
【００３５】
なお、従来の光パスゲート論理に基づくと、２の６乗で６４個の入力ポートから光信号を入力する必要がある。この時、６４種類の波長の光信号を用いることで、スイッチ数を削減して消費電力を低減することができるが、非常に多くの波長を用いなければならないという課題がある。これに対して、本実施の形態の波長多重回路１では波長を８個に抑えることができる。
【００３６】
この波長多重回路１において、波長多重ブロックＡWDMは、８個の入力ポートＰinA1〜ＰinA8と、複数の光スイッチからなる光スイッチ部ＳＷＡと、１つの出力ポートＰoutAとを備えている。波長多重ブロックＢWDMは、８個の入力ポートＰinB1〜ＰinB8と、複数の光スイッチからなる光スイッチ部ＳＷＢと、１つの出力ポートＰoutBとを備えている。波長多重ブロックＡWDMと波長多重ブロックＢWDMとの間にはアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ（arrayed-waveguide grating））などの分波器ＡＷＧ１が設けられている。分波器ＡＷＧ１は、１つの入力ポートＰinXと、８個の出力ポートＰoutX1〜ＰoutX8とを備えている。
【００３７】
この波長多重回路１では、真理値表（図示せず）に基づき、波長多重ブロックＡWDMの入力ポートＰinA1〜ＰinA8に対して配置されている光源のＯｎ／Ｏｆｆが決定される。この例では、入力ポートＰinA1〜ＰinA8毎に波長λ（１）〜λ（８）の光源が配置されており、この波長λ（１）〜λ（８）の光源のＯｎ／Ｏｆｆが真理値表に基づいて決定される。
【００３８】
すなわち、図７（ａ）に示したツリー回路で言うと、ブロックＡ1〜Ａ8に波長λ（１）〜λ（８）の光信号がそれぞれ割り振られる。このようにすることで、波長多重ブロックＡWDMにおいて、異なる波長が割り振られる合計８個のＡブロックを波長多重することによりまとめることが可能となる。
【００３９】
入力ポートＰinA1〜ＰinA8毎に配置されている波長λ（１）〜λ（８）の光源のＯｎ／Ｏｆｆを決定すると、波長の組合せが個々に定められた８個の波長多重光信号（互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号）Ｐ１〜Ｐ８が、波長多重ブロックＡWDMの入力ポートＰinA1〜ＰinA8に各個に入力される。
【００４０】
波長多重ブロックＡWDMの光スイッチ部ＳＷＡは、入力ポートＰinA1〜ＰinA8に入力された波長多重光信号Ｐ１〜Ｐ８のうちの１つを、制御入力（ｎ＝３）の組合せに対応して選択する（一行を選び出す）。この選択された波長多重光信号をＰＸとする。光スイッチ部ＳＷＡによって選択された波長多重光信号ＰＸは波長多重ブロックＡWDMの出力ポートＰoutAより出力される。
【００４１】
波長多重ブロックＡWDMの出力ポートＰoutAより出力された波長多重光信号ＰＸは分波器ＡＷＧ１の入力ポートＰinXに送られる。分波器ＡＷＧ１は、入力ポートＰinXに入力された波長多重光信号ＰＸに含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx8に振り分けて出力する。
【００４２】
この例において、分波器ＡＷＧ１で振り分けられる光信号ＰＸ1〜ＰＸ8は、その光信号に含まれる波長が１つとされる。すなわち、分波器ＡＷＧ１は、波長多重光信号ＰＸが波長λ（１）〜λ（８）の光信号で構成されていた場合、波長λ（１）〜λ（８）の光信号を出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx8にそれぞれ振り分ける（縦列方向に波長順に並べる）。
【００４３】
この場合、分波器ＡＷＧ１は、波長多重ブロックＡWDMからの波長多重光信号を構成する光信号の波長間隔に合わせて、波長λ（１）〜λ（８）の光信号が出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx8からそれぞれ出力されるように設計すれば良い。
【００４４】
分波器ＡＷＧ１の出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx8から出力される波長λ（１）〜λ（８）の光信号は、波長多重ブロックＢWDMの入力ポートＰinB1〜ＰinB8に各個に入力される。
【００４５】
波長多重ブロックＢWDMの光スイッチ部ＳＷＢは、入力ポートＰinB1〜ＰinB8に入力された波長λ（１）〜λ（８）の光信号のうちの１つを、制御入力（ｎ＝３）の組合せに対応して選択する（１つの波長の光信号を選び出す）。この選択された光信号（ＰＹ）は出力ポートＰoutBより出力される。
【００４６】
この方法により、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なわずに、光スイッチ（光素子）の数を削減することができ、かつ使用する光の波長数を８個（Ｎ＝８）に抑えることができる。
【００４７】
〔実施の形態２〕
図８に、ブロックをＡ，Ｂ，Ｃの３段（ｍ＝３）とし、制御入力数が６（Ｌ＝６）である場合に、各ブロックＡ，Ｂ，Ｃへの制御入力を２つずつに分割した例（ｎ＝２）として、図７（ａ）に対応する圧縮する前のツリー回路を示す。
【００４８】
この場合、Ａでは各ブロックに波長が割り当てられており、各ブロックは割り当てられた同一波長の入力信号の中からひとつを選出する回路である。またＢＣではプロックの入力ポートの全てが異なる波長に割り当てられており、各ブロックは異なる波長の入力信号の中からひとつを選出する回路である。またブロックＡからの出力がブロックＢのどのポートに接続され、ブロックＢからの出力がブロックＣのどのポートに接続されるかは波長によって決められている。さらに図８におけるブロックＢ以降の信号経路は、ひとつの波長の信号に対しひとつの経路が割り当てられているため、ＢWDM，ＣWDMによりブロックの波長多重化を行っても、波長分離により一意にＢブロックからの出力とＣブロックの入力を確定することが可能で、この特徴はブロックの種類が増えても変わらない。またこの特徴には一定の法則が現れるため、図９ではその法則に則り、多重化された信号を各ブロックの入力ポートに割り振り可能であることを示す。図９は図７（ｂ）に対応する圧縮した後の波長多重回路である。この図９に示した波長多重回路２が実施の形態２に係る光演算器に相当する。
【００４９】
この波長多重回路２において、波長多重ブロックＡWDMは、４個の入力ポートＰinA1〜ＰinA4と、複数の光スイッチからなる光スイッチ部ＳＷＡと、１つの出力ポートＰoutAとを備えている。波長多重ブロックＢWDMは、４個の入力ポートＰinB1〜ＰinB4と、複数の光スイッチからなる光スイッチ部ＳＷＢと、１つの出力ポートＰoutBとを備えている。波長多重ブロックＣWDMは、４個の入力ポートＰinc1〜Ｐinc4と、複数の光スイッチからなる光スイッチ部ＳＷＣと、１つの出力ポートＰoutcとを備えている。波長多重ブロックＡWDMと波長多重ブロックＢWDMとの間には分波器ＡＷＧ１が設けられ、波長多重ブロックＢWDMと波長多重ブロックＣWDMとの間には分波器ＡＷＧ２が設けられている。分波器ＡＷＧ１は、１つの入力ポートＰinXと、４個の出力ポートＰoutX1〜ＰoutX4とを備えている。分波器ＡＷＧ２は、１つの入力ポートＰinYと、４個の出力ポートＰoutY1〜ＰoutY4とを備えている。
【００５０】
この波長多重回路２では、真理値表（図示せず）に基づき、波長多重ブロックＡWDMの入力ポートＰinA1〜ＰinA4に対して配置されている光源のＯｎ／Ｏｆｆが決定される。この例では、入力ポートＰinA1〜ＰinA4毎に波長λ（１）〜λ（１６）の光源が配置されており、この波長λ（１）〜λ（１６）の光源のＯｎ／Ｏｆｆが真理値表に基づいて決定される。
【００５１】
すなわち、図８に示したツリー回路で言うと、ブロックＡ1〜Ａ16に波長λ（１）〜λ（１６）の光信号がそれぞれ割り振られる。このようにすることで、波長多重ブロックＡWDMにおいて、異なる波長が割り振られる合計１６個のＡブロックを波長多重することによりまとめることが可能となる。
【００５２】
入力ポートＰinA1〜ＰinA4毎に配置されている波長λ（１）〜λ（１６）の光源のＯｎ／Ｏｆｆを決定すると、波長の組合せが個々に定められた４個の波長多重光信号（互いに異なる波長を有する複数の光信号が多重化された波長多重光信号）Ｐ１〜Ｐ４が、波長多重ブロックＡWDMの入力ポートＰinA1〜ＰinA4に各個に入力される。
【００５３】
波長多重ブロックＡWDMの光スイッチ部ＳＷＡは、入力ポートＰinA1〜ＰinA4に入力された波長多重光信号Ｐ１〜Ｐ４のうちの１つを、制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択する（一行を選び出す）。この選択された波長多重光信号をＰＸとする。光スイッチ部ＳＷＡによって選択された波長多重光信号ＰＸは波長多重ブロックＡWDMの出力ポートＰoutAより出力される。
【００５４】
波長多重ブロックＡWDMの出力ポートＰoutAより出力された波長多重光信号ＰＸは分波器ＡＷＧ１の入力ポートＰinXに送られる。分波器ＡＷＧ１は、入力ポートＰinXに入力された波長多重光信号ＰＸに含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx4に振り分けて出力する。
【００５５】
この例において、分波器ＡＷＧ１で振り分けられる光信号ＰＸ1〜ＰＸ4は、その光信号に含まれる波長が４つとされる。すなわち、分波器ＡＷＧ１は、波長多重光信号ＰＸが波長λ（１）〜λ（１６）の光信号で構成されていた場合、波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）〜波長λ（４），λ（８），λ（１２），λ（１６）の光信号を光信号ＰＸ1〜ＰＸ4として出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx4にそれぞれ振り分ける（縦列方向に波長順に並べる）。
【００５６】
分波器ＡＷＧ１は、波長周回性を有しており、一定の波長周期で同一ポートから光を出力する。この機能を用いて、波長多重ブロックＡWDMから入力された波長多重光信号ＰＸに含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて所定の波長間隔で周期的に定まる出力ポートから出力することにより、特定の出力ポートにある波長間隔を持った光信号（波長多重光信号）を出力することができる。この例では、波長多重ブロックＡWDMから１６個の波長の光信号が入力されるため、４波長周期で同一ポートに戻ってくるように設計すれば良い。
【００５７】
分波器ＡＷＧ１の出力ポートＰoutx1〜Ｐoutx4から出力される波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）〜波長λ（４），λ（８），λ（１２），λ（１６）の光信号（波長多重光信号）ＰＸ1〜ＰＸ4は、波長多重ブロックＢWDMの入力ポートＰinB1〜ＰinB4に各個に入力される。
【００５８】
波長多重ブロックＢWDMの光スイッチ部ＳＷＢは、入力ポートＰinB1〜ＰinB4に入力されたλ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）〜波長λ（４），λ（８），λ（１２），λ（１６）の光信号ＰＸ1〜ＰＸ4のうちの１つを、制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択する（１つの波長多重光信号を選び出す）。この選択された光信号をＰＹとする。光スイッチ部ＳＷＢによって選択された光信号ＰＹは波長多重ブロックＢWDMの出力ポートＰoutBより出力される。
【００５９】
波長多重ブロックＢWDMの出力ポートＰoutBより出力された光信号ＰＹは分波器ＡＷＧ２の入力ポートＰinYに送られる。分波器ＡＷＧ２は、分波器ＡＷＧ１と同じく、波長周回性を有しており、入力ポートＰinYに入力された光信号ＰＹに含まれる複数の光信号を、その光信号の波長に応じて出力ポートＰoutY1〜ＰoutxY4に振り分けて出力する。
【００６０】
この例において、分波器ＡＷＧ２で振り分けられる光信号ＰＹ1〜ＰＹ4は、その光信号に含まれる波長が１つとされる。すなわち、分波器ＡＷＧ２は、光信号ＰＹが波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）の光信号で構成されていた場合、波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）の光信号を光信号ＰＹ1，ＰＹ2，ＰＹ3，ＰＹ4として出力ポートＰoutY1，ＰoutY2，ＰoutY3，ＰoutY4にそれぞれ振り分ける（縦列方向に波長順に並べる）。
【００６１】
分波器ＡＷＧ２の出力ポートＰoutY1，ＰoutY2，ＰoutY3，ＰoutY4から出力される波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）の光信号ＰＹ1，ＰＹ2，ＰＹ3，ＰＹ4は、波長多重ブロックＣWDMの入力ポートＰinC1，ＰinC2，ＰinC3，ＰinC4に各個に入力される。
【００６２】
波長多重ブロックＣWDMの光スイッチ部ＳＷＣは、入力ポートＰinC1，ＰinC2，ＰinC3，ＰinC4に入力された波長λ（１），λ（５），λ（９），λ（１３）の光信号ＰＹ1，ＰＹ2，ＰＹ3，ＰＹ4のうちの１つを、制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択する（１つの波長の光信号を選び出す）。この選択された光信号（ＰＺ）は出力ポートＰoutCより出力される。
【００６３】
この方法により、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なわずに、光スイッチ（光素子）の数を削減することができ、かつ使用する光の波長数を１６個（Ｎ＝１６）に抑えることができる。
【００６４】
実施の形態１と実施の形態２をまとめてそれぞれのブロックの役割を考える。図１０は実施の形態２をより詳細に説明する図である。波長多重ブロックＡWDMでは、１つの入力ポートに入力される波長多重光信号の波長セットは各入力ポート間で一致している。例えば、入力ポート１に波長λ（１）〜λ（１６）の波長の光信号が入力される場合、ポート２以降も波長λ（１）〜λ（１６）の光信号が入力される。ただし、真理値表に従って、各波長の光信号がＯｎかＯｆｆかという観点では入力ポート毎に異なる。したがって、波長多重ブロックＡWDMの役割は波長λ（１）〜λ（１６）に束ねられた波長多重光信号のうちどれか一つを選択する役割がある。
【００６５】
次に、波長多重ブロックＢWDMに注目すると、波長多重ブロックＡWDMから来た波長多重光信号はＡＷＧによって４波長ごとに束ねられて入力される。この時、入力される波長はすべてのポートで異なる。波長多重ブロックＢWDMで行っていることは、各入力から来た光信号のうちどれか１つの波長を選択するという役割がある。実際は、４波長ごとに束ねられているため、波長多重ブロックＢWDMからは４波長に束ねられた光信号が出力される。
【００６６】
最後に波長多重ブロックＣWDMに注目すると、異なる波長の光信号が入力されて１つの波長を選択するという役割は波長多重ブロックＢWDMと同等である。このように、波長多重ブロックＢWDM以降は同じ役割を担っている。
【００６７】
〔実施の形態３〕
図１０を用いて説明したように、波長多重ブロックＢWDM以降は同じ機能の繰り返しとなるため、図１１に示すような構成としても良い。この波長多重回路３では、波長多重ブロックＢWDMと波長多重ブロックＣWDMの機能をまとめて、波長多重ブロックＡWDMから出力された波長多重光信号を各波長ごとに分けて出力するようにしている。このようにしても、演算の種類の設定を自由に変更できるという特徴を損なわずに、光スイッチ（光素子）の数を削減することが可能である。
【００６８】
〔実施の形態４〕
図１２は、ブロックをＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４段（ｍ＝４）とし、制御入力数が８（Ｌ＝８）である場合に、各ブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄへの制御入力を２つずつに分割した例（ｎ＝２）である。実施の形態３に対して、波長多重ブロックＤWDMが追加されているが、最終的に波長多重ブロックＤWDMから制御入力に応じて選択された１つの波長の光信号が出力される。
【００６９】
すなわち、この例では、波長多重ブロックＡWDMに入力された波長多重光信号Ｐ１〜Ｐ４のうち波長多重光信号Ｐ１が制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択され、この選択された波長多重光信号Ｐ１が波長多重光信号ＰＸとして分波器ＡＷＧ１に送られ、分波器ＡＷＧ１において波長多重光信号ＰＸに含まれる複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＸ1〜ＰＸ4として振り分けられ、波長多重ブロックＢWDMに入力されている。
【００７０】
この例において、波長多重光信号ＰＸ（Ｐ１）は、波長ラベル「１」〜「６４」の光信号を含んでおり、この複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＸ1〜ＰＸ4として振り分けられ、波長多重ブロックＢWDMに入力される。この場合、分波器ＡＷＧ１は、周回性を利用して１波長単位で４波長ごとに同一ポートに戻る。
【００７１】
そして、波長多重ブロックＢWDMに入力された光信号（波長多重光信号）ＰＸ1〜ＰＸ4のうち波長多重光信号ＰＸ2が制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択され、この選択された波長多重光信号ＰＸ2が波長多重光信号ＰＹとして分波器ＡＷＧ２に送られ、分波器ＡＷＧ２において波長多重光信号ＰＹに含まれる複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＹ1〜ＰＹ4として振り分けられ、波長多重ブロックＣWDMに入力されている。
【００７２】
この例において、波長多重光信号ＰＹ（ＰＸ2）は、波長ラベル「２」，「６」，「１０」，「１４」，「１８」，「２２」，「２６」，「３０」，「３４」，「３８」，「４２」，「４６」，「５０」，「５４」，「５８」，「６２」の光信号を含んでおり、この複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＹ1〜ＰＹ4として振り分けられ、波長多重ブロックＣWDMに入力される。この場合、分波器ＡＷＧ２は、周回性を利用して４波長単位で１６波長ごとに同一ポートに戻る。
【００７３】
そして、波長多重ブロックＣWDMに入力された光信号ＰＹ1〜ＰＹ4（波長多重光信号）のうちＰＹ4が制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択され、この選択された波長多重光信号ＰＹ4が波長多重光信号ＰＺとして分波器ＡＷＧ３に送られ、分波器ＡＷＧ３において波長多重光信号ＰＺに含まれる複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＺ1〜ＰＺ4として波長多重ブロックＤWDMに入力されている。
【００７４】
この例において、波長多重光信号ＰＺ（ＰＹ4）は、波長ラベル「１４」，「３０」，「４６」，「６２」の光信号を含んでおり、この複数の光信号がその光信号の波長に応じてＰＺ1〜ＰＺ4として振り分けられ、波長多重ブロックＤWDMに入力される。この場合、分波器ＡＷＧ３は、周回性を利用して１６波長単位で６４波長ごとに同一ポートに戻る。これにより、波長多重ブロックＤWDMに入力される波長多重光信号ＰＺ1は波長ラベル「１４」の光信号のみを含み、波長多重光信号ＰＺ2は波長ラベル「３０」の光信号のみを含み、波長多重光信号ＰＺ3は波長ラベル「４６」の光信号のみを含み、波長多重光信号ＰＺ4は波長ラベル「６２」の光信号のみを含むものとなる。
【００７５】
そして、波長多重ブロックＤWDMに入力された光信号ＰＺ1〜ＰＺ4のうちＰＺ3が制御入力（ｎ＝２）の組合せに対応して選択され、すなわち波長ラベル「４６」の光信号のみを含む光信号ＰＺ3が選択され、この選択された光信号ＰＺ3が最終的に選択された光信号ＰＯとして出力されている。
【００７６】
〔ＡＷＧなどの分波器に求められる特性〕
実施の形態１，２，４からＡＷＧなどの分波器に求められる特性は次のように一般化できる。ｉ番目とｉ＋１番目のブロックを接続するｉ段目のＡＷＧの特性は、ｑ^(i-1)波長単位（１周期での波長数）でｑ^I波長ごと（周回数波長数）に同一ポートに戻るように設計する（図１３参照）。
【００７７】
〔実施の形態５〕
これまでの例は、各波長多重ブロックへの制御入力数は均等条件で説明したが、必ずしも均等でなくとも良い。図１４を例にすると、波長多重ブロックＡWDMへの制御入力数ｎａ＝３、波長多重ブロックＢWDMへの制御入力数ｎｂ＝２とした場合、ｑａ＝２^na＝８，ｑｂ＝２^nb＝４のようにすることができる。ただし、Ｌ＝ｎａ＋ｎｂ、としておかないと、無駄が発生する。
【００７８】
〔実施の形態６〕
上述した実施の形態では、各波長多重ブロック間で波長の組み替えを行う分波器をＡＷＧを例として説明したが、空間に光を出して回折格子とレンズを組み合わせて行っても良い（図１５参照）。図１５において、１０はコリメータレンズ、１１は回折格子、１２はレンズ、１３は固定ミラー等の配線替えを行う手段である。
【００７９】
回折格子とレンズを組み合わせる場合、通常の回折格子では波長周回性の周期が長くなるので、ＶＩＰＡ(Virtually Imaged Phased Array)などを用いると周回性を設計しやすくなるので良い。また、合波は最初の回折格子に戻しても良いし、個別に用意しても良い。
【００８０】
また、導波路で実現する別の例としてリング共振器を用いても良い。図１６に示すように、特定の波長に合わせた共振器を複数個容易することにより実現できる。複数波長に対応させる場合は図１７のようにすれば良い。
【００８１】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１〜３…波長多重回路、ＡWDM〜ＤWDM…波長多重ブロック、ＰinA1〜ＰinA8、ＰinB1〜ＰinB8、ＰinC1〜ＰinC4…入力ポート、ＰoutA，ＰoutB，ＰoutC…出力ポート、ＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＣ…光スイッチ部、ＡＷＧ１〜ＡＷＧ３…分波器、ＰinX，ＰinY…入力ポート、Ｐoutx1〜Ｐoutx8，ＰoutY1〜ＰoutY4…出力ポート、１０１（１０１Ｂ）…光パスゲート、ＳＷ１，ＳＷ２…光スイッチ（光素子）、１０２…光源、１０３…光回路、ＬＵＴ…真理値表。
【図１】
2018007202.tif 000003
【図２】
2018007202.tif 000004
【図３】
2018007202.tif 000005
【図４】
2018007202.tif 000006
【図５】
2018007202.tif 000007
【図６】
2018007202.tif 000008
【図７】
2018007202.tif 000009
【図８】
2018007202.tif 000010
【図９】
2018007202.tif 000011
【図１０】
2018007202.tif 000012
【図１１】
2018007202.tif 000013
【図１２】
2018007202.tif 000014
【図１３】
2018007202.tif 000015
【図１４】
2018007202.tif 000016
【図１５】
2018007202.tif 000017
【図１６】
2018007202.tif 000018
【図１７】
2018007202.tif 000019
【図１８】
2018007202.tif 000020
【図１９】
2018007202.tif 000021
【図２０】
2018007202.tif 000022
【図２１】
2018007202.tif 000023