(57)【要約】フォトニック相互接続システム(300)は、光信号を用いてデバイス間でデータを通信することにより、高いキャパシタンスの電気相互接続を避ける。そのシステムは、論理アドレスを周波数帯域にマッピングすることにより、超並列情報出力を与えることができ、結果として、選択された周波数帯域の変調により、論理アドレスに対応する特定の場所のための情報を符号化することができる。フォトニック相互接続システムのための波長特有の方向性結合器(600)、変調器(660)及び検出器(650)は、フォトニックバンドギャップ結晶内の欠陥において効率的に製作され得る。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回路ユニット（310）であって、前記第１の回路ユニット（310）から出力される第１の光信号を変調することができる第１の変調器（314）を含む、第１の回路ユニットと、
前記光信号の変調を検出して、第１の情報ストリームを抽出することができる第１の検出器（318'）を含む第２の回路ユニットとを含む、システム。
【請求項２】
前記第１の回路ユニット（310）が、フォトニックバンドギャップ結晶（500）をさらに含み、前記第１の変調器（314）が前記フォトニックバンドギャップ結晶（500）内にある欠陥（440）と、前記欠陥（440）に隣接する電極とを含み、前記欠陥（440）が前記第１の光信号の波長のための共振器としての役割を果たし、前記電極に印加される電圧とともに変化する光学特性を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の回路ユニットが、フォトニックバンドギャップ結晶（500）を含み、前記第１の検出器（318'）が、前記フォトニックバンドギャップ結晶（500）内の欠陥（430）にフォトダイオードを含み、前記欠陥が前記第１の光信号の波長のための共振器としての役割を果たす、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の回路（310）ユニットが第１のチップ上に集積され、前記第２の回路ユニット（310'）が第２のチップ上に集積される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１のチップの外部にあり、前記第１の回路ユニット（310）に前記第１の光信号を提供する第１の光源（312）をさらに含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の回路ユニット（330）が、
別個にアクセスすることができる複数の場所と、
前記場所にそれぞれ関連付けられる複数の光復号器と、
前記場所の各々への光路とを含み、
前記第１の回路ユニット（310）が、
前記第１の回路ユニット（330）内の前記場所のうちの選択された場所を特定する論理アドレスを生成する回路と、
前記光信号の複数の成分をそれぞれ活性化することができるコンバータ（220）とを含み、前記成分がそれぞれ前記場所に対応し、前記第２のデバイスからの前記論理アドレスに応答して、前記コンバータ（220）は、前記論理アドレスが特定する前記場所に対応する前記周波数成分のうちの１つを活性化する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
点欠陥（630）を含むフォトニックバンドギャップ結晶であって、前記点欠陥内の材料（625）が、その材料（625）内の電界に依存する屈折率を有する、フォトニックバンドギャップ結晶と、
互いから分離され、且つ点欠陥（630）の同じ面にある第１の電極（670）及び第２の電極（675）とを含む、変調器。
【請求項８】
分子電子回路（910）と、
フォトニックバンドギャップ結晶（920）と、
前記フォトニックバンドギャップ結晶（920）内の第１の欠陥（930）にあり、入力光信号を前記分子電子回路（910）の入力信号に変換する、検出器と、
前記フォトニックバンドギャップ結晶（920）内の第２の欠陥（940）にあり、前記分子電子回路（910）に結合され、出力光信号を変調する、変調器とを含む、デバイス。
【請求項９】
光信号のための導波路と、
前記導波路内の光信号から複数の周波数成分をそれぞれ抽出するように配置された複数のドロップフィルタと、
複数のモザイクであって、モザイクのそれぞれが、１つ又は複数のタイルと、前記ドロップフィルタのうちの対応する１つのドロップフィルタに結合されるインターフェースとを含み、前記インターフェースは、前記対応するドロップフィルタが前記導波路から抽出する前記周波数成分に基づいて情報信号を導く、複数のモザイクとを含む、デバイス。
【請求項１０】
前記タイルがそれぞれ、量子情報を具現化するためのデバイスを含む、請求項９に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
集積回路技術の最近の成果によって、論理回路及びメモリ回路をナノスケール又は分子スケールまで小型化できる見込みが高くなってきている。ナノスケール集積回路の１つのアーキテクチャは、これ以上縮小できない小さいシリコン、即ち「分子電子タイル」の「モザイク（寄せ集めたもの）」、即ち電子工学的に相互接続された集合体を提供する。個々のタイルは極めてコンパクトであるが、ナノスケール回路は、現在のマイクロスケールシリコン回路と同じ多くの制約を受ける。特に、回路ユニット間（例えば、チップ間、又は内部回路ユニット間）の電子工学的な相互接続の数が、集積度が高くなるのに応じて（即ち、機構サイズが小さくなるのに応じて）増加する。例えば、レントの法則（Rent's Rule）によれば、論理回路へのピン又は外部接続の数Ｎｐは、式（１）に示されるように、その論理回路内のゲートの数Ｎｇのγ乗に概ね比例する。式（１）において、比例定数κ及び指数γは論理回路のアーキテクチャ及び具現化形態による。例えば、大部分のマイクロプロセッサアーキテクチャの場合、式（１）中の比例定数κは通常１〜２であり、指数γは０．５〜０．６である。
【０００２】
【数１】
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【０００３】
図１は、ＣＰＵ１１０をランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１３０に接続するための典型的なアーキテクチャ１００を示す。アーキテクチャ１００では、ＣＰＵ１１０は論理アドレスを使用／生成し、その論理アドレスは最終的には、ＲＡＭ１３０内の特定のデータ位置を特定する物理的なメモリアドレスに変換されなければならない。マルチプレクサ１２０が、ＣＰＵ１１０からの論理アドレスを、アクセスされているＲＡＭ１３０のバイトの物理的な場所を特定する物理アドレスにマッピングするように設計されなければならない。最終的には、ＲＡＭ１３０内、及びＲＡＭ１３０とマルチプレクサ１２０との間の電線が、ＣＰＵ１１０を、ＲＡＭ１２０の全てのバイトに接続しなければならない。原理的には、サブマルチプレクサの複数のステージを設計することができるが（それぞれがその上にある１つのマルチプレクサ及びその下にある多くのマルチプレクサと通信する）、任意のそのようなアーキテクチャに組み込まれなければならないバッファリング及びスイッチングが回路を複雑にし、抵抗及び容量性遅延の増加によって、アーキテクチャ１００の性能が制限される。
【０００４】
アーキテクチャ１００に関連する問題は、構成要素１１０及び１３０がマイクロメートルからナノメートルの寸法に縮小すると悪化する。特に、ゲート数が増加すると、レントの法則、即ち式１によって示されるように、必要とされる相互接続の数が増加し、それらの相互接続が相対的に大きな面積を必要とする。外部との相互接続のサイズは一般に、他のデバイス又はプリント回路に電気接続するために必要とされる最小サイズよりも小さくすることはできないので、外部との相互接続のサイズの制約によって、分子電子デバイスの小型化の利点を最大限に発揮することができない。さらに、相互接続するために接近して隔置された線（ライン）を有する多重化電子回路の固有キャパシタンスが、ＣＰＵ１１０又はＲＡＭ１３０内の分子電子回路タイルのキャパシタンスよりもはるかに大きくなる可能性があり、相互接続のインピーダンスが信号速度に対する制限要因になる。従って、小さな回路面積内にある複数の回路ユニットを高速に相互接続できるようにする効率的なアーキテクチャが望まれている。
【０００５】
概要
本発明の一実施形態によれば、相互接続システムが、出力光信号を変調することができる変調器を含む第１のチップと、その光信号の変調を検出し、情報ストリームを抽出することができる検出器を含む第２のチップとを含む。
【０００６】
本発明の別の実施形態によれば、システムが、別個にアクセス可能である複数の場所を含む第１のデバイスと、それらの場所のうちの１つを特定する論理アドレスを生成する第２のデバイスと、光信号の別個の成分を活性化することができるコンバータと、コンバータから各場所までの光路とを含む。光信号の成分はそれぞれ第２のデバイス内の場所に対応し、第２のデバイスからの論理アドレスに応答して、コンバータは、論理アドレスが特定する場所に対応する周波数成分を活性化する。その場所に関連付けられる光復号器が光信号を復号することができる。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、集積回路からの入力／出力のためのインターフェースが、フォトニックバンドギャップ結晶と、フォトニックバンドギャップ結晶内の導波路と、フォトニックバンドギャップ結晶内にある欠陥と、その欠陥に隣接する電気素子とを含む。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、チップ間で情報を伝達するための方法が、第１のチップにおいて光信号を変調すること、第１のチップから第２のチップに光信号を送信すること、及び第２のチップにおいて光信号の変調を復号することを含む。
【０００９】
異なる図面において同じ参照符号を用いて、類似又は同じ構成要素が示される。
【００１０】
詳細な説明
本発明の一態様によれば、マイクロスケール又はナノスケールデバイスに適した相互接続アーキテクチャが、目的とする場所のための情報を、その目的とする場所に対応する周波数チャネルに組み入れる。１つ又は複数のそのような周波数チャネルを含む光信号が、導波路上で、複数の回路ユニットに対して送信される。それらの回路ユニットは個々の周波数チャネルに対応し、結果として、各回路ユニットは、その回路ユニットのための送信された情報で動作する。外部光源が最初の光信号を生成し、目的とする回路ユニットに対応する周波数チャネルを変調することによって、任意の回路ユニットが、目的とする回路ユニットに情報を送信する。このアーキテクチャを用いる場合、アドレス信号及びデータ信号のための相互接続線の数は、単一の光信号線又は導波路まで削減されることができ、光信号線が、相対的に高いキャパシタンスの電気信号線にとって代わる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、光相互接続システムのための変調器、検出器、及び波長特有の方向性結合器（例えば、アドフィルタ及びドロップフィルタ）を、フォトニックバンドギャップ結晶内の点欠陥において効率的に形成することができる。特に、アドフィルタ、ドロップフィルタ、フォトダイオード、及び変調器を、特定の波長のための共振器としての役割を果たす点欠陥において形成することができる。この結果、個々の共振器の波長特性に対応する特定の周波数チャネルを、フォトダイオードが測定し、変調器が変調する。
【００１２】
図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による相互接続アーキテクチャ２００を示す。相互接続アーキテクチャ２００では、ＣＰＵ１１０が、コンバータ２２０を介して、アドレス指定可能な回路ユニット２３０にアクセスする。特定の回路ユニット２３０にアクセスするために、ＣＰＵ１１０は、信号バス２１０を介して、コンバータ２２０に論理アドレス信号を送信する。ＣＰＵ１１０は、アクセス（例えば、読出し又は書込み）のために選択されたアドレス位置を特定するために、マルチビット論理アドレス信号を生成する従来の、又はナノスケール設計の電気回路とすることができる。各回路ユニット２３０は、メモリ、センサ又はロジックアレイ、或いはＣＰＵ１１０がアクセスすることができるアドレス指定可能な場所を有する任意の他のデバイスとすることができる。
【００１３】
コンバータ２２０は光源２５０から光信号を受信し、その光源は一般に、コンバータ２２０を含むチップの外部に存在することができる。コンバータ２２０は光信号から、論理アドレス信号の値に対応する周波数チャネルを選択し、次いで、選択された周波数チャネルを変調する。選択された周波数チャネルを変調することによって、書込み動作のためのデータのような情報、アクセスタイプ（例えば、読出し又は書込み）、或いは目的とする回路ユニット２３０のための論理アドレスを符号化することができる。例示的な実施形態では、変調は、バイナリ値０及び１を表すレベル間で周波数チャネルの強度を切り換え、シリアルデータストリームを生成する。シリアルデータストリームのための任意の望ましいプロトコルを用いることができ、例示的な実施形態では、コンバータ２２０は、シリアルデータストリームを得るためにマンチェスタ符号化又は差動マンチェスタ符号化を用いる。コンバータ２２０は、回路ユニット２３０に接続される１つ又は複数の導波路２２２及び２２４上で、変調された周波数チャネルを含む光信号を送信する。
【００１４】
各回路ユニット２３０は複数のタイル（例えば、メモリタイル）を含むことができ、各タイルは、それ自体のローカル周波数復号システム２４０を有する。本発明の例示的な実施形態では、各回路ユニット２３０は１つの分子モザイクを含むが、アーキテクチャ２００は、ロジック、メモリ又はセンサから成るマイクロスケール又はナノスケールのアレイに拡張され得る。本発明の一実施形態では、各周波数復号システム２４０は、複数の回路ユニット２３０内の全ての他の周波数復号システム２４０の周波数「フィンガープリント」から区別される１つの周波数「フィンガープリント（顕著な特徴、パターン）」を用いる。次いで、コンバータ２２０は、アクセスされる１つ又は複数の場所を含む回路ユニット２３０の物理的な場所には関係なく、全ての回路ユニット２３０に並列に光信号を送信することができ、変調された周波数チャネルに一致する周波数フィンガープリントを用いる周波数復号器２４０だけが、対応する回路ユニット２３０において用いるためのシリアルデータを復号する。
【００１５】
代替の実施形態では、周波数復号器２４０の周波数フィンガープリントは、同じ導波路２２２又は２２４に結合される他の周波数復号器２４０のためのフィンガープリントとは異なるが、異なる導波路２２２及び２２４に結合される周波数復号器２４０は同じ周波数フィンガープリントを用いることができる。異なる導波路２２２及び２２４に結合される周波数復号器２４０が同じ周波数フィンガープリントを有する場合、コンバータ２２０は、論理アドレス信号によって特定される回路ユニット２３０に対応する導波路２２２又は２２４においてのみ光信号を送信することができるが、この技術では、回路ユニット２３０の物理的な場所の何らかの情報を有するように、コンバータ２２０を設計することが要求される。
【００１６】
特定の周波数チャネルによって起動される回路ユニット２３０は、指示されたアクセス（例えば、読出し又は書込み動作）を実行する。書込み動作の場合、起動された回路ユニット２３０は、周波数チャネルから抽出されたデータを書き込む。読出し動作の場合、コンバータ２２０に戻される周波数チャネルを変調することによって、読み出されたデータを返送することができる。
【００１７】
光信号の周波数を用いて回路ユニットを特定する相互接続アーキテクチャは、メモリと通信するＣＰＵの例には限定されない。図２Ｂは、本発明の実施形態における相互接続アーキテクチャを示し、この場合、回路ユニット２３０は同じタイプ又は異なるタイプから成ることができ、光導波路２２２及び２２４、並びに中央シグナリングシステム２２５を介して互いに通信する。通信するために、各回路ユニット２３０は周波数復号ユニット２４０及び変調器２６０を有する。１つの回路ユニット２３０のための周波数復号ユニット２４０及び変調器２６０は、その回路ユニット２３０を一意に特定する周波数フィンガープリントを用いる。１つの回路ユニット２３０内の復号ユニット２４０及び変調器２６０のための周波数フィンガープリントは同じにすることができるが、同じである必要はない。例えば、１つの回路ユニット２３０のための変調器２６０は、その回路ユニット２３０のための周波数復号器２４０が復号するのと同じ周波数を有する光信号を送信することができる。中央シグナリングシステム２２５は、送信側の回路ユニット２３０において変調された周波数信号を受信し、その信号内に符号化された情報を、目的とする回路ユニット２３０のフィンガープリントを有する周波数信号において再送するように動作する。
【００１８】
図２Ｃはさらに別のアーキテクチャを示しており、この場合、回路ユニット２３０は導波路２２６を介して直接的に送信される周波数信号を用いて、互いに通信する。図２Ｃの相互接続アーキテクチャの場合、外部光源２５０が導波路２２６上で光信号を駆動し、各回路ユニット２３０は変調器２６５を有し、変調器２６５は、他の回路ユニット２３０の周波数復号器２４０の周波数フィンガープリントに対応する任意の周波数を変調することができる。
【００１９】
導波路２２２、２２４及び２２６は一般に、図２Ｃのアーキテクチャの場合のように直接的に、又は図２Ｂのアーキテクチャの場合のように中央シグナリングシステム２２５を介して、回路ユニット２３０間の双方向光接続を提供することができる。これらの光相互接続は、導波路の材料内の光の群速度において動作し、高性能を与える。また、この手法は、アドレス信号及びデータ信号のために単一の光信号線を有効に利用することにより、レントの法則によって示唆される相互接続の増設を排除するか、又は低減する。回路ユニット２３０は、各周波数フィンガープリントと、通信導波路上のいずれかの場所に存在することができる特定の回路ユニット２３０とを関連付けるので、回路ユニット２３０は、他の回路ユニット２３０の物理的な場所に関する任意の特定の情報を用いことなく動作することができる。全ての回路ユニット２３０が全データストリームに対するアクセスを有する限り、各回路ユニット２３０は関連する情報を抽出して、処理することができる。
【００２０】
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃの通信アーキテクチャは、１つの集積回路で、又は集積回路チップ間で使用され得る。図３Ａは、光ファイバ又は他の光路３２０を用いて、デバイス３１０と３１０’との間でチップ間通信するためのナノフォトニック相互接続システム３００の概念的なアーキテクチャを示す。デバイス３１０及び３１０’は一般に、異なる機能を実施するが、フォトニック通信に適した変調器３１４及び３１４’、並びに光検出器３１８及び３１８’を含む、光Ｉ／Ｏインターフェースを有する。例示された実施形態では、デバイス３１０及び３１０’は、シリコンダイ上に製造されることが好ましい半導体集積回路である。レーザ及び他の光信号源は一般に、シリコン上に製造することが難しいので、オフチップ光源３１２及び３１２’がそれぞれ光パワーを与え、デバイス３１０及び３１０’は個々の出力信号においてその光パワーを使用する。各光源３１２又は３１３’は、例えば、ＧａＡｓレーザダイオードとすることができる。
【００２１】
光信号を送信するためのアライメントは、光源３１２、変調器３１４及び検出器３５０のような通信用の光学構成要素を、単一の基板（例えば、プラスチック基板）上のアセンブリ内に実装することにより達成され得る。別の光アセンブリ３５０は、光源３１２’、変調器３１４’及び検出器３１８を含む。デバイス３１０及び３１０’の双方は、光アセンブリ３５０上にあるピンに一致する位置合わせガイドを含むように製造され得る。従って、光信号を通信するために位置合わせされた光アセンブリ３５０を製造した後に、光アセンブリ３５０はデバイス３１０及び３１０’に実装されて、電気接続される。
【００２２】
デバイス３１０の光源３１２は、デバイス３１０’内の検出器３１８’が復号する１つ又は複数の周波数を含むビームを与えるようにモード同期されたレーザであることが好ましい。同様に、デバイス３１０’の光源３１２’は、デバイス３１０内の検出器３１８が復号する１つ又は複数の周波数を含むビームを与えるモード同期レーザであることが好ましい。各オンチップ変調器３１４又は３１４’が、対応する光源３１２又は３１２’からの光ストリームの１つ又は複数の周波数成分上へ情報を埋め込み、光信号を送信する。１つ又は複数の導波路３２０が、光信号を、受信側チップ３１０’又は３１０内の検出器３１８’又は３１８に導く。受信側チップは、用いられる周波数チャネル毎に別個の光検出器を用いて、この情報を復号する。
【００２３】
図３Ｂは、マスターチップ３１０と一連のチップ３３０との間でチップ間通信するためのナノフォトニック相互接続システムの別の概念的なアーキテクチャを示す。図３Ｂのシステムの例示的な実施形態では、チップ３１０が、チップ３３０内のメモリ又はロジックアレイへのアクセスを必要とする処理又は他の機能を実施する。このアーキテクチャでは、光源３１２は、チップ３３０内の異なる場所に対応する一連の異なる周波数を含むビームを与えることが好ましい。変調器３１４が光源３１２からのビームを受光し、チップ３３０内でアクセスされる１つの場所に対応する１つの周波数成分を変調する。その変調によって、アクセスされている場所のための情報をシリアルに符号化することができる。
【００２４】
光学素子３１６（例えば、３ｄＢ結合器のネットワーク等）が、チップ３１０から出る出力光信号を導波路３２２に分割し、各導波路３２２は、符号化されたデータを含む光信号を、チップ３３０上のアレイ内にある全てのナノ回路タイルに並列に与える。図３Ｂの実施形態では、導波路３２４はチップ３３０を直列に接続し、チップ３３０の中を通って光信号を順次に中継する。チップ３３０内の各タイルは光信号をサンプリングし、その内容を明確にし、その特定のタイルを対象としたあらゆる命令又はデータを抽出し、次いで、ローカル電子回路を通じて、要求された動作（例えば、そのタイルにおいてデータの読出し又は書込み）を実行する。
【００２５】
チップ３３０内のアクセスされるタイルは、チップ３１０と通信するために選択されたビームの１つ又は複数の周波数を変調することができる。チップ３３０において変調されたビーム成分は、チップ３３０の残りの部分を通過して、導波路３２６に入り、チップ３１０内の検出器３１８に至る。検出器３１８は、到来する周波数信号を復調して、チップ３１０用のあらゆるデータ又は情報を抽出する。
【００２６】
図３Ｂに示された技術を通して利用可能な高い並列処理の度合いは、１００Ｇｂ／ｓ以上のデータ速度においてアクセスされるチップ３３０内の多量の（１ＧＢよりも大きな）ＲＡＭ、又は同様の速度において動作することができるロジックに効率的に適用され得る。光源３１２が光子を生成するのに費やす電力は、高性能を得るために支払われる対価である。
【００２７】
図４Ａは、例えば、分子メモリ、ロジック又はセンサのモザイクとのインターフェースを有するフォトニック相互接続構成要素を含む、本発明の実施形態による集積回路４００を概略的に示す。特に、集積回路４００は、１組の分子電子モザイク４１０と、分子電子モザイク４１０と通信するための導波路４２０とを含む。各分子電子モザイク４１０は、分子電子タイル４１２のアレイと、インターフェース４１４とを含む。このインターフェース４１４は、選択された分子電子タイル４１２と、そのモザイク４１０に関連する光検出器４３０及び変調器４４０を含むフォトニックインターフェースとの間で電気信号を伝送する。
【００２８】
導波路４２０は、分子電子タイル４１２のためのデータを符号化することができる光信号を受け取る。ＩＣ４００の好ましい実施形態は、波長分割多重（ＷＤＭ）を利用するが、代わりに、他のデータ多重化技術を用いることもできる（R.Ramaswami及びK.N.Sivarajan著「Optical Networks: A Practical Perspective」 2/e、 2002年、Academic Pressを参照されたい）。ＷＤＭは、別個に符号化され得る「仮想ファイバ」又は周波数チャネルに光信号を分割する。ＩＣ４００では、本明細書においてドロップフィルタ４２２及びアドフィルタ４２４と呼ばれる、波長特有の方向性結合器４２２及び４２４が、導波路４２０内の光信号に対して１つの周波数チャネルを抽出又は追加することができる。
【００２９】
動作中、ＩＣ４００用の光源（図示せず）は、多数の狭帯域コヒーレントチャネルを含む光信号を与える１つ又は複数のモード同期レーザを含むことが好ましい。各モザイク４１０は異なるチャネルに対応し、そのチャネルの波長の光を、隣接するチャネル間の周波数分離よりも小さな帯域幅にわたって変調することによって、各モザイク４１０の情報が特定の周波数チャネル上に符号化される。光信号は複数の周波数チャネルを含み、その周波数チャネルのうちの１つ又は複数を変調してデータを表すことができ、その光信号は導波路４２０に入力される。
【００３０】
ＩＣ４００内の各分子電子モザイク４１０は、導波路４２０からモザイク４１０に対応する周波数チャネルを抽出するドロップフィルタ４２２を有する。各ドロップフィルタはその周波数チャネルの波長のパワーの大部分（１００％に近い）をローカル導波路４２６上に分流することが好ましい。その後、その分子電子モザイク４１０の光検出器４３０が、変調された周波数チャネルを測定して、シリアルバイナリデータストリームを表す電気信号を生成し、インターフェース４１４がそのシリアルデータを、モザイク４１０において用いるためのパラレルデータに変換することができる。代案として、分子電子モザイク４１０の変調器４４０は、抽出された周波数チャネルを変調して、分子電子モザイク４１０からの情報を符号化し、その後、変調された周波数チャネルを、その分子電子モザイク４１０のアドフィルタ４２４を介して導波路４２０に戻すように注入することができる。
【００３１】
インターフェース４１４は、データストリーム及び別個のクロックストリームの両方を用いて、その入力を符号化することができる。例えば、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）データストリーム及び別個のＮＲＺクロックを用いることができ、各ＮＲＺデータビットの中央において立ち上がりエッジが生じる。代案として、マンチェスタ符号化を用いて、クロック及び同期データを１つのシリアルデータストリームに合成することができる。マンチェスタデータストリームは一般に、ＮＲＺクロックストリームと排他的ＮＯＲ演算されたＮＲＺデータストリームである。これらの符号化方法及び他の符号化方法はよく知られており、シリアルデータを送信するために使用されることが多い。４１４の一例の具現化形態は、デジタル位相同期ループ（ＤＰＬＬ）を使用する。ＤＰＬＬ回路は、光検出器４２０からのデジタル入力サンプルを受信するシリアルシフトレジスタ、そのシフトレジスタを進める安定したローカルクロック、及び受信した信号と一致させるようにサンプリングクロックの位相を徐々に調整することにより、受信したデータと同相のサンプリングクロックを生成する位相調整回路から成ることができる。マンチェスタ符号化においてＤＰＬＬを用いて、受信したデータからクロック信号が分離（再生）される。
【００３２】
ＩＣ４００の潜在的な懸念は、アドフィルタ４２２及びドロップフィルタ４２４における後方散乱である。図４Ｂは、図４ＡのＩＣ４００に類似した集積回路４５０を示すが、入力導波路４２０から分離した出力導波路４２８を含む。ＩＣ４００と同様に、ドロップフィルタ４２２は、導波路４２０から個々の分子電子モザイク４１０の周波数チャネルを抽出し、その周波数チャネルをローカル導波路４２６に導く。その後、光検出器４３０が周波数チャネルの強度を測定することができるか、又は変調器４４０が、抽出された周波数チャネルを変調して、送信される情報を表すことができる。アドフィルタ４２４が、変調された周波数チャネルを出力導波路４２８上に注入し、後方散乱が起こる可能性を小さくするという点で、ＩＣ４５０はＩＣ４００とは異なる。
【００３３】
単一の導波路４２０を含むＩＣ４００の構造、又は独立した入力導波路及び出力導波路を含むＩＣ４５０の構造を繰り返して、多数の導波路、及び任意の望ましい数のモザイク４１０を含むデバイスを形成することができる。独立した導波路は、結果として生じる集積回路の内部又は外部で、互いに接続され得る（必ずしも接続される必要はない）。
【００３４】
本発明の一態様によれば、図４Ａに示されるようなドロップフィルタ４２２、アドフィルタ４２４、光検出器４３０及び変調器４４０は、図５に示されるように、周囲のフォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＣ）５００内に構成され得る。図５の特定の実施形態では、ＰＢＣ５００は、周囲の材料の屈折率と異なる屈折率を有する材料（例えば、空気）を含む穴５１０を含む。穴５１０のサイズ及びパターン、並びに穴５１０の中又は周囲の材料は、導波路４２０に沿って伝搬する光信号内の波長を有する光子の伝搬を防ぐように選択され得る。より一般的には、ＰＢＣ５００内の欠陥（例えば、穴５１０のパターンの変化）によって光信号が導波路４２０に対して結合又は分離できるようになる場所を除いて、ＰＢＣ５００は、屈折率の周期的な空間的変化に依存して、光の伝搬を導波路４２０に限定する。
【００３５】
穴５１０を用いて形成されるＰＢＣは一般に、概ね数百ナノメートル以下の直径及び離隔距離を有する穴を備える。ドライエッチング、ナノインプリントリソグラフィ又は他の処理法を用いて、適切な材料の中に穴５１０を形成することができる。一般に、穴５１０のサイズ及び相対的な間隔によって、光のどの波長がＰＢＣ５００内の伝搬を阻止されるかが制御される（J.D.Joannopoulos、 R.D.Meade及びJ.N.Winn著「 Photonic Crystals: Molding the Flow of Light」 1995年、Princeton University Press、並びにK.Sakoda著「Optical Properties of Photonic Crystals」2001年、Springerを参照されたい）。穴５１０の格子内に欠陥を導入して、特定の光成分を生成することができる。特に、点欠陥は共振器を形成することができ、線欠陥は導波路を形成することができる。ＰＢＣ導波路に沿って伝搬する光場の横モード直径はλ／３ｎ程度に小さくすることができ、ＰＢＣ共振器のモード体積は２（λ／３ｎ）３程度に小さくすることができる。ここで、λは光の波長であり、ｎは導波路の屈折率である。
【００３６】
ＰＢＣ５００では、ドロップフィルタ４２２又はアドフィルタ４２４は、導波路４２０を取り囲むエバネッセント場内にある点欠陥（例えば、穴５１０の不在）によって実現される。その欠陥は、特定の波長λ０又は相当周波数ν０のための共振器として動作するように選択されたサイズ及び導波路４２０からの離隔距離を有する。ＰＢＣ５００の製造工程中に、穴５１０の中の材料の屈折率、或いは穴５１０の格子の間隔及び／又はサイズを調整して、ＰＢＣ５００内の共振器４２２及び４２４の共振周波数ν０を、導波路４２０上で送信される任意の周波数に同調させることができる。
【００３７】
強い結合を与えるために、ドロップフィルタ４２２又はアドフィルタ４２４は、高いＱ値（例えば、１０００以上）を有することが好ましい。共振器のＱ値は、K.Srinivasan及びO.Painter著「Fourier space design of high-Q factor cavities in standard and compressed hexagonal lattice photonic crystals」Optics Express 11, 579 (2003年)において記載されるような有限差分時間領域法を用いてモデル化され得る。１０５よりも大きなＱ値を有するＰＢＣ共振器の予測は発表されている。
【００３８】
Ｑ値及び共振周波数ν０を有する共振器の共振伝送帯域幅はπν０／Ｑであり、１μｍの波長を有する光の場合には約５００ＴＨｚ／Ｑである。図５に示されるのと類似した構成を仮定すると、この共振器に対する共振パワー伝送部分は１−１／Ｑであり、共振器の非共振挿入損失は１／Ｑである。ここで、非共振光は導波路４２０に沿って自由に伝搬することができる。一般に、或る周波数チャネルのための周波数ν０及び変調帯域幅Ｂは、共振伝送帯域幅πν０／Ｑが変調帯域幅Ｂよりも広くなるようにすることが好ましい。この場合に、ドロップフィルタ４２２を通って再配向されて送信されることになる、波長λ０の周波数チャネル内の光の部分１−１／Ｑは、導波路４２０に沿って伝搬し続けることになる、他の波長λ１、λ２、．．．の光のその部分と同じである。従って、設計上の選択として、ナノフォトニック相互接続（即ち、ドロップ／アドフィルタ対）の数はＱ／２未満に制限されることができ、結果として、導波路４２０からの、１−（１−１／Ｑ）Ｑである全非共振信号損失はｅ−１、即ち６３％未満になるであろう。この選択は、導波路４２０上の最後のドロップ／アドフィルタ対４２２／４２４が、その対の対応する波長において導波路４２０に最初に入射する光の少なくとも３７％を抽出できることを保証する。設計目標が異なる場合、他の選択が可能である。
【００３９】
ローカル導波路４２６は、ドロップフィルタ４２２への強い結合を与えるように配置された線欠陥であり、ドロップフィルタ４２２に結合されるパワーのかなりの部分（１−１／Ｑ）がローカル導波路４２６を通って伝搬するようになる。光検出器４３０及び変調器４４０はローカル導波路４２６からの光子を捕捉するようなサイズを有して配置される。また、変調器４４０も、アドフィルタ４２４への強い共振結合を生み出すように配置され、アドフィルタ４２４が変調器４４０からの光信号を導波路４２０に戻すように送る。
【００４０】
図５のＰＢＣシステムは、図４ＡのＩＣ４００内のモザイク４１０毎に繰り返すことができる。ＰＢＣの繰返し毎に、点欠陥（例えば、ドロップフィルタ４２２及びアドフィルタ４２４）の共振周波数を、他の繰返しの場合の点欠陥の共振周波数とは異なるようにして、各モザイク４１０が異なる周波数フィンガープリントを有するようにする。そのような相違は、穴サイズ及び／又は間隔、或いは化学組成のようなＰＢＣ５００の特性をＩＣ４００にわたって徐々に変更することによって達成され得る。
【００４１】
アドフィルタ４２２、ドロップフィルタ４２４、光検出器４３０、及び変調器４４０は、種々の技術を用いて、材料を適切に選択することによってＰＢＣ５００内に構成され得る。図６Ａは、材料６２０内の穴６１０によって形成される２次元フォトニックバンドギャップ結晶（ＰＢＣ）内のアドフィルタ又はドロップフィルタ６００を示す。穴６１０のパターンは、欠陥エリア６３０内を除いて、光信号において用いられる波長を有する光の伝搬を概ね阻止する。ドロップフィルタ４２２及びアドフィルタ４２４に関して上述したように、サイズ、位置、並びにエリア６３０の中及び周囲の材料は、選択された波長λ０のための高いＱ値の共振器を形成することができる。
【００４２】
図６Ｂは、光検出器に適した構造６５０を示す。共振器エリア６３０（図６Ｂでは電極６４０の下に隠れている）から光検出器６５０を形成するために、材料６２０は半導体材料（例えば、Ｓｉ又はＩｎＧａＡｓを用いて形成されたｐｉｎ構造）を含む。より具体的には、例示された実施形態では、材料６２０は、基板６２２上にある第１の半導体層６２４と、第１の半導体層６２４上にある絶縁層６２６と、絶縁層６２６上にある第２の半導体層６２８とを含む。２つの半導体層６２４及び６２８は異なるドーピング（例えば、異なるドーパント濃度又はドーパントタイプ）を有し、その構造がフォトダイオードとして動作できるようにする。これらの層の厚み及びドーパント濃度は概して、フォトダイオードを構成するために従来から用いられるのと同じにすることができる。フォトダイオードを完成させるために、電極６４０及び６４５がそれぞれ、点欠陥６３０内の層６２４及び６２８と接触し、点欠陥エリア６３０内の光の強度に依存する電流を収集する。電極６４０及び６４５は、図４Ａのインターフェース４１４のような回路ユニットに電気接続され得る。
【００４３】
また、構造６５０は変調器にも適しており、この場合、電極６４０及び６４５上の電気信号（例えば、印加される電圧）の変化により、点欠陥６３０内の屈折率が変化する。この結果、印加される電圧を変更することにより、点欠陥によって形成された共振器内の周波数信号の位相が変化する。この電気的に制御可能な位相変化は、点欠陥６３０を通過する光信号の周波数変調又は振幅変調に使用され得る。
【００４４】
図６Ｃは、変調器４４０のような変調器のための構造６６０を示す。構造６６０は、半導体材料（例えば、ｐｉｎ構造）又はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のような材料６２５を含む点欠陥共振器と、いずれも点欠陥の下にあるが、互いに分離されている電極６５０及び６５５とを用いる。電極６５０と６５５との間に印加される電圧は電界Ｅを生成し、その電界Ｅは点欠陥内の屈折率を変更し、それにより、共振する光信号の位相変化が生じる。このように、電極６５０と６５５との間に印加される電圧の変化は、光信号の振幅変調、又は周波数変調に使用され得る。
【００４５】
光検出器４３０及び変調器４４０の上記の構造を解析して、集積ＰＢＣのための設計を改善することができる。例えば、Ａ平方ミクロンの面積を有するシリコン光検出器の固有キャパシタンスは約０．１ＡｆＦであり、一方、図６Ｂに示される光検出器の横方向寸法は通常約１００〜１５０ｎｍである。従って、光検出器４３０を形成するドープされた領域の固有キャパシタンスは約２ａＦである。このキャパシタンスは、ジョンソン雑音に起因する電流変動が問題にならないほど十分に小さい。従って、光源の統計値が、光検出器からの出力に対応するシリアルデジタル信号において生じるビット誤り率（ＢＥＲ）を支配するべきである。光子数のポアッソン分布を仮定すると、１０−１３未満のＢＥＲを達成するのに、ビット当たり３０光子で十分であろう。検出器の小さいサイズはさらに、検出器の活性領域によって吸収される光の部分が極めて小さくなることを意味する。ドープされた領域を１０〜１００のＱ値を有する共振空洞に組み込むことにより、低減された吸収を補償することができる。M.K.Emsley、O.Dosunmu、及びM.Selim Unlu著「High-Speed Resonant-Cavity-Enhanced Silicon Photodetectors on Reflecting Silicon-On-Insulator Substrates」IEEE Photonics Technology Letters 14, 519 (2002年)は、そのような共振空胴の向上方法によって、広帯域シリコン光検出器の効率を劇的に高めることができることを示す。空胴の光入力損失を検出器の内部吸収損失にインピーダンス整合させるためにＱ値を適切に選択することにより、５０％までの検出効率の増加を達成することができるはずである。
【００４６】
共振空胴が向上した（ＲＣＥ）変調器の設計にも同様の考えを当てはめることができる。変調器に対応する共振器が約１，０００よりも高いＱ値を有する場合には、電気光学技術を用いて、５０％程度の高い変調度を得ることができる。他の物理的な効果（例えば、自由キャリアプラズマの屈折率の変化）を用いることもできるが、電気光学変調４４０は、約３００ｎｍのギャップにわたってかけられる約３０ｍＶの電位差を用いて、１ｋＶ／ｃｍの電界を生成することができ、それは広範な線形電気光学材料において０．００１程度の大きな屈折率変化を引き起こすのに十分である。
【００４７】
図５に示される相互接続アセンブリの面積（それに、図４ＡのモザイクＩ／Ｏのためのローカルインターフェース４１４の面積を加えたもの）は、達成され得る集積度を制限する。図５のＰＢＣ構成要素は、光信号において用いられる特定の組の波長が与えられると、概ねサイズを減じることはできない。しかしながら、インターフェース４１４は、従来の構成から成ることができ、インターフェース４１４内の従来のトランジスタ、バッファ及び他の論理素子の分子電子等価物を用いてサイズを低減することができる。結果として生じる分子電気インターフェースは、光検出器４３０からのバイナリビットストリームを分子タイル４１２において用いられるパラレルビットストリームに変換すること、及び分子タイル４１２からのパラレルビットストリームを変調器４４０に適したシリアルビットストリームに変換することを含む、従来の具現化形態と同じ機能を果たす。２００２年８月３０日に出願され、Gregory S. Snider、Philip J. Kuekes及びR. Stanley Williamsによる「Configurable Molecular Switch Array」と題する共同所有の米国特許出願第１０／２３３，２３２号はさらに、インターフェース４１４において使用され得る分子ロジックを説明する。
【００４８】
上述した超並列シグナリングアーキテクチャは概して、ナノメートルスケールにスケーリングされ得る。例えば、それぞれ全部でＮ＝Ｑ／２のドロップ／アドフィルタ対を有する、Ｋ個の同じ導波路を有するシステムの場合、全ての導波路上にある、共振器のｎ番目のドロップ／アドフィルタ対によってサポートされるｎ番目のモザイクは、同じ共振周波数νｎを使用することができる。従って、他の（Ｋ−１）個の導波路の信号から、導波路ｋ上のｎ番目のモザイクを対象とした信号を区別するために、Ｋ個のモザイクのための信号を、周波数νｎを有する単一のチャネル上へ符号化することができる。それ故に、この相互接続システムによってサポートされるメモリ及び／又はロジックのモザイクの全数はＮ・Ｋである。明らかなように、チャネルｎ上のモザイクｋを対象とした信号がチャネルｎ上で符号化される他のＫ−１個のモザイクから区別され得るように、各導波路上のモザイクｋは、固有の符号化（又は「フィンガープリント」）を割り当てられなければならない。
【００４９】
所与のモザイクが最大データＩ／Ｏ速度Ｂをサポートすることができ、各チャネルに適用され得る変調帯域幅が少なくともＫ・Ｂである（そして、ドロップ／アドフィルタ共振器の伝送窓がπν０／Ｑ＞ＫＢを満たす）場合には、そのシステムの全スループットはＮ・Ｋ・Ｂである。この手法によれば、任意のモザイクの物理的な場所を予め知ることなく、全てのモザイクに並列にアクセスすることが可能になる。さらに多重化することは、単にモザイクを追加することによって達成される。
【００５０】
実際のナノフォトニック相互接続アセンブリにおける予期しない損失を補償するために、ＢＥＲの「オーバーヘッド」を１０×にし、約１μｍの波長において１Ｔｂ／ｓの最大スループットで動作させる場合、必要とされる（全ての光検出器にわたって積算される）最小電力は６０ｍＷである。ＲＣＥ検出効率が５０％であり、導波路が１０２４個であり（１０段のバイナリスプリッタシステムによって供給され、全挿入損失がｌｏｇ２（１０２４）×０．１ｄＢ、即ち１ｄＢである）、それぞれが６３％の非共振挿入損失を有する場合、システム全体で、４２０ｍＷの入力光電力しか必要としない。この電力であっても、相互位相変調は、そのシステムにおいて用いられることになるｃｍスケールの距離にわたって無視できるほど十分に弱い。
【００５１】
上述した本発明の実施形態は分子電子回路の多数のモザイクを含む回路のためのＩ／Ｏを提供するが、他の離れた電子回路構成要素に単一のモザイクを接続する金属相互接続のキャパシタンスも、モザイクの動作速度を著しく遅くする可能性がある。図７は、ＰＢＣ技術を用いて、単一の分子電子モザイクを含むデバイスのためのシグナリング性能を改善するナノフォトニック相互接続システム７００を示す。システム７００は、ＷＤＭ方式において２つだけの周波数チャネルを有する光信号を用いる。波長λ１に対応する入力周波数チャネルが入力信号（例えば、分子電子メモリのための書込みデータを表す）用であり、波長λ２に対応する出力周波数チャネルが出力信号（例えば、分子電子メモリからの読出しデータを表す）用である。
【００５２】
システム７００は、波長λ１を有する周波数チャネルのための、入力導波路としての役割を果たす線欠陥７２０と、ドロップフィルタとしての役割を果たす隣接する点欠陥７２２とを有するＰＢＣを含む。点欠陥７２２は、約１，０００よりも大きなＱ値を有する、強く結合された共振器を形成することが好ましい。従って、点欠陥７２２は、入力導波路７２０からの波長λ１に対応する周波数チャネルを除去することができる。入力信号のための光検出器が、点欠陥７２２に隣接する点欠陥７３０に製作される。点欠陥７３０は、約１０〜１００のＱ値を有する波長λ１のための共振器を形成することが好ましい。電気リード（図示せず）が、光検出器を、モザイクのための電子回路インターフェース（図示せず）に接続する。
【００５３】
波長λ２に対応する周波数チャネルは、導波路７２０に入力されるときには変調されておらず、波長λ２は、周波数チャネルがわずかなパワー損失で点欠陥７２２を通過する波長λ１から十分に区別される。抽出及び光検出後の波長λ１の挿入損失は、波長λ１が出力光信号において必要とされないので、許容することができる。従って、変調器は、フォトニックインターフェースを通過する光信号の経路内において直接的に点欠陥７４０に製作され得る。変調器のための点欠陥７４０は線欠陥７２０の端部に隣接し、線欠陥７２０は入力導波路を形成する。電気リード（図示せず）が、モザイクの電子回路インターフェースを、変調器の電極（図示せず）に接続する。基本電圧（例えば、０ボルト）が変調器の電極に印加される場合、点欠陥７４０は、波長λ２のための高いＱ、好ましくは約１，０００よりも大きなＱ値を有する共振器として動作する。高いＱの場合、波長λ２に対応する周波数チャネルは、入力導波路から点欠陥７４０内に、そして点欠陥７４０から出力導波路を形成する線欠陥７５０内に強く結合する。ＲＣＥ変調器を形成する点欠陥７４０のＱ値は、上述したように、印加される電圧が変化するのにつれて急速に変化し、それにより出力周波数チャネルを必要に応じて変調して、出力情報を表すことが可能になる。
【００５４】
図８は、図４Ａのデバイス４００のフォトニックインターフェースに類似したフォトニックインターフェースを用いるデバイス８００を示すが、デバイス４００のＰＢＣの等価物の代わりに、分子ドロップ／アドフィルタ対、変調器及び検出器が用いられる。デバイス８００では、検出器８３０及び変調器８４０は、概ね分子サイズであり、導波路８２０内に直接的に組み込まれる。検出器８３０は、挿入損失を最小限に抑える非破壊検出器であることが好ましい。
【００５５】
本発明の別の実施形態は、センサのような小さな（例えば、数立方マイクロメートル（ミクロン）の）自律的分子デバイスと通信するために適用され得る。図９は、３次元フォトニックバンドギャップ結晶９２０の１つの側面上に製作される多構成要素の集積分子電子回路９１０を含むデバイスの一例９００を示す。分子電子回路９１０は任意の機能を実行することができ、１つの特定の実施形態では、分子電子回路９１０は特定の化学物質のためのセンサである。３次元フォトニックバンドギャップ結晶９２０は、図６Ｂの構造６５０によって示されるようなＲＣＥフォトダイオード及びＲＣＥ変調器を形成する２つの埋め込まれた点欠陥９３０及び９４０を含み、それらのフォトダイオード及び変調器はデバイス９００のためのＩ／Ｏインターフェースを提供する。また、フォトダイオードを用いて、分子電子回路９１０を動作させるための電力を抽出することもできる。
【００５６】
全体として、デバイス９００は数マイクロメートル（ミクロン）未満である最大寸法を有することができ、それは空中を自由に浮遊できるほど十分に小さい。デバイス９００の動作時に、強力な遠隔２波長レーザ（図示せず）をデバイス９００に導くことができ、点欠陥９３０に対応するＰＢＣ光検出器による共振及び検出のために、１つの波長上に制御信号を符号化（又は変調）することができる。変調器はレーザビームからの第２の周波数を用いて、出力信号を符号化する。ＰＢＣの設計は、変調された出力を逆反射して、レーザ源の方へ戻すことが理想的であるが、入力ビームの方向とは異なる、どの出力方向であっても、デバイス９００からの出力信号を受信できるようにするのに十分であろう。
【００５７】
図９に示された本発明の実施形態の場合、分子電子回路９１０とＰＢＣ入力／出力共振器９３０及び９４０との間のインターフェースは、全サイズを最小限に抑えるために、本質的に分子であることが好ましい。例えば、デバイス９００において適用される場合に、図４Ａのインターフェース４１４のようなインターフェースにおいて用いられるＤＰＬＬ回路は、分子エレクトロニクスを用いて実現され得る。インターフェース、例えばシリアル／パラレルコンバータ及びＤＰＬＬのための分子構成要素は、２００２年１０月１日にJames R. Heath他に対して発行された「Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices」と題する米国特許第６，４５９，０９５号、２００１年１１月６日にPhilip J.Kuekes他に対して発行された「Molecular Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications」と題する米国特許第６，３１４，０１９号、Philip J.Kuekes他の名義で、１９９９年３月２９日に出願された「Molecular Wire Crossbar Logic (MWCL)」と題する米国特許出願第０９／２８０，０４５号、２０００年１０月３日にPhilip J.Kuekes他に対して発行された「Molecular Wire Crossbar Memory」と題する米国特許第６，１２８，２１４号；及び２００１年７月３日にPhilip J.Kuekes他に対して発行された「Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network」と題する米国特許第６，２５６，７６７号において開示されており、それらは全て本出願と同じ譲受人に譲渡される。
【００５８】
本発明の上述した実施形態では、フォトニックシグナリングシステムは古典的な回路機能を実施する分子電子回路のために用いられるが、本発明のさらに別の態様によれば、代わりに、量子状態（例えば、量子ビット、キューディット（qudit）又はキューニットを表す）を操作する量子システムにおいて使用され得る。分子電子タイル４１２が量子状態を操作し、インターフェース４１４が、分子電子タイル４１２の全て又はいくつかにおいて量子状態を同時に操作するために、アレイ内の分子電子タイル４１２の全てに古典信号を並列に分配する場合に、１つのそのような応用形態は、図４Ａに示されるのと同じ構造を有する。図４Ａのアーキテクチャの別の応用形態では、導波路４２０上のフォトニック信号は量子情報を表し、インターフェース４１４は、選択された光子信号を分子電子タイル４１２に経路指定するか、又は光子信号を分子電子タイル４１２に適した形態に変換する。
【００５９】
図４Ａのアーキテクチャは、量子情報処理において用いるためのいくつかの利点を有する。特に、集積回路４００は小さく（例えば、サブミクロンの機構サイズを有する）、低温（例えば、ほぼ絶対零度）まで比較的容易に冷却される。さらに、ＩＣ４００では、シグナリングのためにワイヤを接続する必要はない。これはジョンソン雑音を回避し、熱の大きな注入源を排除する。従って、ＩＣ４００は低い温度に維持されることができ、それにより、そうでなければ量子処理を妨げることになるデコヒーレンスを低減する。また、ＩＣは市販製品のために製造可能な形態である。
【００６０】
１つの特定の応用形態は、電子スピンに基づく半導体量子コンピュータの光パルス制御である（Pazy他著、Europhys Lett. 62、2003年、175-181を参照されたい）。この具現化形態では、各量子ビットは、量子ドット内の単一の電子のスピンによって表される。単一量子ビット論理演算、及び２量子ビット論理演算は、特定の量子ドットに古典的な光制御パルスを印加することによって実施される。この具現化形態は、レーザによって与えられる非常に正確な制御（及び共鳴蛍光測定の利用可能性）、並びに半導体内の電子の長いスピンコヒーレンス時間を含む、量子光学とスピントロニクスとの最も良いところを組み合わせる。電子スピンに基づく半導体量子コンピュータに図４Ａのアーキテクチャを適用することにより、レーザ制御パルス（即ち、古典信号）を送ることができ、そのパルスをドロップフィルタ４２２が抽出して、対象とする量子ドット４１２に印加して、それにより、対象とする量子ドット４１２が、その量子ビット上で、又はその量子ビットと、隣接する量子ドット４１２内の量子ビットとの間で論理演算を実行する。別の応用形態は、特定の量子ビットに駆動用レーザパルスを送り、量子ビットを読み出すための共鳴蛍光測定を実行するであろう。
【００６１】
この具現化形態では、異なる古典情報チャネルのために異なる波長を用いる必要があることから複雑な状態が生じる。使用される光の周波数は一般に、関連する遷移に対応しなければならない。例えば、各量子ビットの共振光周波数は、ローカルドロップ／アドフィルタ対の周波数と同じ値に同調させることができる。これは、各量子ビット（量子ドット）を封入する共振器の物理的な寸法を変更することによって果たすことができる。代案として、ナノスケールの非線形周波数変換過程（電磁誘導透過など）をインターフェース４１４において用いて、到来する周波数を、システム内の全ての量子ドット４１２内の周波数に変換することができる。しかしながら、別の手法は、完全に、各量子ドット４１２に対してローカルな光源（電気的に駆動される量子ドットレーザ等）を製作することであろう。この場合、そのアーキテクチャは、古典論理ゲートの集合体のための各ローカル変調器４４０が量子ゲート毎に１つのローカル駆動用レーザで置き換えられることを除いて、上述した古典システムと概ね同じである。これは、同じドロップ／アドフィルタ対を有する多数のゲートを駆動するという利点を与え、非常に高いスケーリングの度合いを提供する。
【００６２】
また、量子ビットのアレイに古典制御信号を印加するためのこの技術を用いて、いわゆる量子セルラーオートマタ量子コンピューティングを実施することもできる（S.Lioyd著、「Science 261」、 1569 (1993年)、及びS.Benjamin著、「 Phys. Rev. Lett. 88」、 017104 (2002年)を参照されたい）。量子ビットのアレイ（最も簡単な形は量子ビットの２つの形の線形アレイＡＢＡＢＡＢであるが、さらに多くの量子ビットの種から成る、より高次元のアレイを用いることもできる）を外部の古典信号で全体的にアドレス指定して、汎用の量子情報処理を行うことができる。
【００６３】
また、上述した古典メモリを読み出すために用いられる出力／読出し機構を用いて、量子メモリを読み出すこともできる（それは、投影量子測定を実行することを意味する）。この技術は、そのような量子プロセッサの出力レジスタを最終的な古典出力に変えるために、量子コンピュータの最終的な出力読出し段として使用され得る。
【００６４】
また、量子アレイ内の選択された量子ビット上での投影量子測定の性能を用いて、量子計算の量子回路モデルを実現することもでき（R.Raussendorf及びH.J.Briegel著、 「Phys. Rev. Lett. 80」、 5188 (2001年)を参照されたい）、それにより、量子ビットアレイの初期のクラスタ状態が準備され、計算の残りは、そのアレイのサブセットに適用される投影量子測定のシーケンスによって行われる。
【００６５】
フォトニック結晶構造の周りの量子情報の量子コヒーレント伝送は、量子コンピュータをスケーリングする際に非常に有用であろう。この手法を用いる際、フォトニック量子情報を交換することによって、任意の量子状態が量子デバイス内の任意の他の量子状態と相互作用することができる（ただし、量子ビットの場合、その情報は、偏光（polarization：分極）又は単一モードの光子の存否において符号化され得る）。最近になって、この種の通信における誤り閾値は、著しく低下している。「Phys. Rev. Lett. 90」、 067901 (2003年)を参照されたい。約５量子ビットの小さなモザイク内で量子ビットの非常に正確な制御が利用できるものとすると、量子ビット間の通信は、かなり雑音を含んでいてもよい（例えば、２／３までの誤り率が「許容できる」）。このように、そのシステムは、ＰＢＣマルチプレクサにおいて、小さな固有の共振ずれの損失に耐えることができる。
【００６６】
ひとたび古典的に制御される量子コンピュータのためのアーキテクチャが選択されたなら、全く同じ物理的な装置を用いて、古典コンピュータ、又はハイブリッドの古典／量子コンピュータを実現することができる。量子ビットが、各論理演算の終了時に、２つの直交状態のうちの１つ、例えば｜０＞又は｜１＞のいずれかの状態にある場合には、１つの古典ビットは１つの量子ビットによって表され得る。例えば、ローカルレーザを用いて量子ビットを操作するとき、量子資源を用いて、古典情報を格納することができる。
【００６７】
特定の実施形態を参照しながら本発明が説明されてきたが、その説明は本発明の応用形態の一例にすぎず、限定するものと見なされるべきではない。開示された実施形態の特徴の種々の改変及び組み合わせも、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ＣＰＵ及びメモリのような回路ユニットを相互接続するための従来のアーキテクチャのブロック図である。
【図２Ａ】本発明の代替の実施形態によるフォトニック相互接続アーキテクチャのブロック図である。
【図２Ｂ】本発明の代替の実施形態によるフォトニック相互接続アーキテクチャのブロック図である。
【図２Ｃ】本発明の代替の実施形態によるフォトニック相互接続アーキテクチャのブロック図である。
【図３Ａ】本発明の代替の実施形態によるチップ間通信のためのフォトニック相互接続システムを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の代替の実施形態によるチップ間通信のためのフォトニック相互接続システムを示す図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による光Ｉ／Ｏシステムと、それと組み合わせたＩ／Ｏ導波路を含む集積回路のブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による光Ｉ／Ｏシステムと、それと組み合わせた別個の入力及び出力導波路とを含む集積回路のブロック図である。
【図５】図４Ａの集積回路において用いるのに適した光Ｉ／Ｏシステムの構成要素を含むフォトニックバンドギャップ結晶を示す図である。
【図６Ａ】フォトニックバンドギャップ結晶内にアドフィルタ又はドロップフィルタを形成するのに適した構造を示す図である。
【図６Ｂ】フォトニックバンドギャップ結晶内に検出器を形成するのに適した構造を示す図である。
【図６Ｃ】フォトニックバンドギャップ結晶内に変調器を形成するのに適した構造を示す図である。
【図７】単一のモザイクを含む、本発明の一実施形態に適した光Ｉ／Ｏシステムの構成要素を含むフォトニックバンドギャップ結晶を示す図である。
【図８】導波路内に分子構成要素を用いる、本発明の別の実施形態による光Ｉ／Ｏシステムを含む集積回路のブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態によるフォトニックインターフェースを有する分子電子回路を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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