(57)【要約】【課題】単一磁束量子回路が出力する微弱な磁束量子信号に基づいて、アレイ化された光変調器や光発光素子を動作させて、該磁束量子信号を光信号に変換することにより、各光変調器や各光発光素子の一素子当たりの光変調度や光出力は小さくとも、所望の光変調度や光出力を実現する磁束量子信号の光変換装置及び磁束量子信号の光変換方法を提供する。【解決手段】ＳＦＱ回路２１が、情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して、該複製された各々の磁束量子信号を、電気・光変換アレイ２２に分配し、電気・光変換アレイ２２が、光ファイバ２３−２を通じて室温環境から入力された光信号を上記分配された各々の磁束量子信号に応じて変調して、該変調された光信号を光ファイバ２３−３を通じて室温環境に出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一磁束量子回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する装置であって、
情報処理を実行し、該情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して出力する単一磁束量子回路と、
前記出力された各々の磁束量子信号を電気・光変換手段に分配する信号分配手段と、
各々が前記分配された各々の磁束量子信号を光信号に変換する複数の電気・光変換手段が設けられた電気・光変換アレイとを備える
ことを特徴とする磁束量子信号の光変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁束量子信号の光変換装置において、
前記電気・光変換アレイが備える複数の電気・光変換手段が、該電気・光変換アレイに第１の光伝送路を通じて入力された光信号を前記各々の磁束量子信号に応じて変調して第２の光伝送路を通じて出力する変調電極アレイである
ことを特徴とする磁束量子信号の光変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の磁束量子信号の光変換装置において、
前記電気・光変換アレイが備える複数の電気・光変換手段が、前記各々の磁束量子信号に基づいてレーザ光を発光する発光レーザアレイであり、
該発光された各々のレーザ光を集光して光伝送路を通じて出力する集光手段を備える
ことを特徴とする磁束量子信号の光変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の磁束量子信号の光変換装置が、更に、
光伝送路を通じて入力された光信号を電気信号に変換する光・電気変換手段を備え、
前記単一磁束量子回路が、前記変換された電気信号に基づいて前記情報処理を実行する
ことを特徴とする磁束量子信号の光変換装置。
【請求項５】
単一磁束量子回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する磁束量子信号の光変換装置における磁束量子信号の光変換装置方法であって、
前記磁束量子信号の光変換装置が備える単一磁束量子回路が、情報処理を実行し、該情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して出力し、
前記磁束量子信号の光変換装置が備える信号分配手段が、前記出力された各々の磁束量子信号を該磁束量子信号の光変換装置が備える電気・光変換手段に分配し、
前記磁束量子信号の光変換装置が備える電気・光変換アレイに設けられた複数の電気・光変換手段が、前記分配された各々の磁束量子信号を光信号に変換する
ことを特徴とする磁束量子信号の光変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一磁束量子回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する磁束量子信号の光変換装置及び磁束量子信号の光変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代を支える高速かつ低消費電力動作を実現する電子回路として，磁束量子を情報担体とする単一磁束量子（Single Flux Quantum ，以下「ＳＦＱ」）回路が期待されている。一般に、ＳＦＱ回路は、１００ＧＨｚを超える周波数の内部クロックで動作し、消費電力が極めて小さい。また、ＳＦＱ回路は、超伝導状態を利用した電子回路の一種であるため、ＳＦＱ回路が動作するには、冷凍機の中に置かれることが必要である。
【０００３】
図８は、ＳＦＱ回路に関する従来技術の構成例を示す図である。ＳＦＱ回路１０は、極低温の冷凍機１の中に置かれる。室温環境と冷凍機１との間の信号入出力は、以下のようにして行われる。まず、金属同軸ケーブル１１−１を通じて、室温環境からＳＦＱ回路１０に電気信号が入力される。ＳＦＱ回路１０は、入力された電気信号に基づいて情報処理を実行し、該情報処理結果を示す磁束量子信号（電気信号）を金属同軸ケーブル１１−２を通じて増幅器１２に対して出力する。増幅器１２が、上記情報処理結果を示す電気信号を増幅し、該増幅された電気信号を金属同軸ケーブル１１−３を通じて室温環境に対して出力する。
【０００４】
なお、ＳＦＱ回路に関する具体的な技術として、例えば、下記の特許文献１に、読み出し部分回路を磁束を保持する超伝導ループの外側に接続する構成により回路レイアウトと集積化を容易とする超伝導単一磁束量子回路について記載されている。
【特許文献１】特開２００１−２４４８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８を参照して前述した従来技術のように、増幅器１２を用いて電気信号（電圧パルス信号）を増幅したのでは、消費電力の増加が問題となる。また、金属同軸ケーブルを用いて室温環境と冷凍機１との間で電気信号の入出力を行うのでは、室温環境から冷凍機１内への熱流入が大きく、冷凍機１から入出力する電気信号の伝送速度が１０Ｇｂｐｓ程度に制限される。室温環境から冷凍機１内への熱流入を小さくするためには、室温環境と冷凍機１との間での入出力インタフェースを光ファイバ等の光伝送路とする必要がある。一方、ＳＦＱ回路１０は、入力された電気信号に基づいて情報処理を行い、磁束量子信号（電気信号）を出力することから、室温環境と冷凍機１との間での入出力インタフェースを光伝送路とするには、光信号と磁束量子信号とを相互に変換する技術が不可欠である。
【０００６】
ここで、ＳＦＱ回路１０が出力する磁束量子信号は、例えば時間幅が数ｐｓｅｃ、振幅が数１００μＶの微弱な電圧パルス信号であるが、一般に、このような微弱な電圧パルス信号に基づいて光変調器や発光素子を動作させて該電圧パルス信号を光信号に変換し、所望の光変調度や光出力を実現することは困難である。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、単一磁束量子回路が出力する微弱な磁束量子信号に基づいて、アレイ化された光変調器や光発光素子を動作させて、該磁束量子信号を光信号に変換することにより、各光変調器や各光発光素子の一素子当たりの光変調度や光出力は小さくとも、所望の光変調度や光出力を実現する磁束量子信号の光変換装置及び磁束量子信号の光変換方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、光変調器としての変調電極がアレイ化された変調電極アレイや光発光素子（発光レーザ）がアレイ化されたレーザアレイをＳＦＱ回路の出力に設けることにより、微弱な電圧パルス信号に基づく一素子当たりの光変調度や光出力は小さいが、アレイ化により所望の光変調度や所望の光出力を実現する。好ましくは、変調電極として共振型光変調器を用い、発光レーザとして面発光レーザ等を用いる。
【０００９】
本発明の磁束量子信号の光変換装置は、単一磁束量子回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する装置であって、情報処理を実行し、該情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して出力する単一磁束量子回路と、前記出力された各々の磁束量子信号を電気・光変換手段に分配する信号分配手段と、各々が前記分配された各々の磁束量子信号を光信号に変換する複数の電気・光変換手段が設けられた電気・光変換アレイとを備える。
【００１０】
好ましくは、本発明の磁束量子信号の光変換装置において、前記電気・光変換アレイが備える複数の電気・光変換手段が、該電気・光変換アレイに第１の光伝送路を通じて入力された光信号を前記各々の磁束量子信号に応じて変調して第２の光伝送路を通じて出力する変調電極アレイである。
【００１１】
好ましくは、本発明の磁束量子信号の光変換装置において、前記電気・光変換アレイが備える複数の電気・光変換手段が、前記各々の磁束量子信号に基づいてレーザ光を発光する発光レーザアレイであり、該発光された各々のレーザ光を集光して光伝送路を通じて出力する集光手段を備える。
【００１２】
好ましくは、本発明の磁束量子信号の光変換装置が、更に、光伝送路を通じて入力された光信号を電気信号に変換する光・電気変換手段を備え、前記単一磁束量子回路が、前記変換された電気信号に基づいて前記情報処理を実行する。
【００１３】
本発明の磁束量子信号の光変換装置方法は、単一磁束量子回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する磁束量子信号の光変換装置における磁束量子信号の光変換装置方法であって、前記磁束量子信号の光変換装置が備える単一磁束量子回路が、情報処理を実行し、該情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して出力し、前記磁束量子信号の光変換装置が備える信号分配手段が、前記出力された各々の磁束量子信号を該磁束量子信号の光変換装置が備える電気・光変換手段に分配し、前記磁束量子信号の光変換装置が備える電気・光変換アレイに設けられた複数の電気・光変換手段が、前記分配された各々の磁束量子信号を光信号に変換する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、変調電極アレイや発光レーザアレイをＳＦＱ回路の出力側に設け、変調電極アレイを構成する各変調電極又は発光レーザアレイを構成する各発光レーザにＳＦＱ回路の出力を分配し、各変調電極又は各発光レーザを動作させる。従って、本発明によれば、ＳＦＱ回路が出力する微弱な電圧パルス信号である磁束量子信号に基づいて、アレイ化された変調電極又は発光レーザを動作させて、該磁束量子信号を光信号に変換することにより、各変調電極又は各発光レーザの一素子当たりの光変調度や光出力は小さくとも、所望の光変調度や光出力を実現することができる。
【００１５】
ＳＦＱ回路は、高速かつ低消費電力動作を実現する新しい電子回路であり、スーパーコンピュータや光通信ノードにおけるハイエンドルータのバッファ処理などの分野において、現在のＣＭＯＳ回路に置き換わる電子回路として期待されている。本発明は、このようなＳＦＱ回路の出力インタフェースとして組み込まれ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁束量子信号の光変換装置の構成の一例を示す図である。図１に示す磁束量子信号の光変換装置は、ＳＦＱ回路が出力する磁束量子信号を光信号に変換する装置である。該磁束量子信号の光変換装置は、光・電気変換器２０、ＳＦＱ回路２１、電気・光変換アレイ２２、光ファイバ２３−１〜２３−３、電気の信号線路２４−１〜２４−５を備える。
【００１７】
光・電気変換器２０は、室温環境と光・電気変換器２０との間のインタフェースである光ファイバ２３−１を通じて、室温環境から入力された光信号を受信し、該受信した光信号を電気信号に変換して出力する。光・電気変換器２０は、例えばフォトダイオード等からなる。
【００１８】
ＳＦＱ回路２１は、極低温の冷凍機１の中に置かれる。ＳＦＱ回路２１は、光・電気変換器２０とＳＦＱ回路２１との間のインタフェースである電気の信号線路２４−１を通じて、光・電気変換器２０が出力した電気信号を受信し、該受信した電気信号に基づいて、情報処理を実行する。また、ＳＦＱ回路２１は、該情報処理結果を示す磁束量子信号（電気信号）を複数複製して、該複製された各々の磁束量子信号を、ＳＦＱ回路２１と電気・光変換アレイ２２との間のインタフェースである電気の信号線路２４−２、２４−３、２４−４、２４−５を通じて電気・光変換アレイ２２に分配（出力）する。
【００１９】
なお、上記電気の信号線路２４−１〜２４−５は、例えば、マイクロストリップライン（Micro Strip Line）、コプレナー線路（Co-Planer Waveguide ）等の、（半導体）基板上の信号線路や、金属同軸ケーブル等である。本発明の一実施形態によれば、各電気の信号線路として、例えばニオブ等の超伝導の材料を用いるようにしてもよい。
【００２０】
電気・光変換アレイ２２は、上記分配された各々の磁束量子信号を光信号に変換する。具体的には、電気・光変換アレイ２２は、光ファイバ２３−２を通じて室温環境から入力された光信号を上記分配された各々の磁束量子信号に応じて（基づいて）変調して、該変調された光信号を光ファイバ２３−３を通じて室温環境に出力する。
【００２１】
図２は、図１中の電気・光変換アレイの構成の一例を示す図である。電気・光変換アレイ２２は、電気光学結晶１００と複数の変調電極１０１〜１０４とを備える。電気光学結晶は、電圧が印加されることによって屈折率が変わる結晶である。電気光学結晶１００の屈折率が変わることにより、該電気光学結晶１００を透過する光の位相が変更される（光信号が変調される）。
【００２２】
各々の変調電極は、各々の変調電極に対応する（接続された）電気の信号線路を通じてＳＦＱ回路２１から分配された各々の磁束量子信号に応じて、光ファイバ２３−２を通じて入力された光信号を変調する。各変調電極としては、例えば、アレイ化が容易な共振電極構造をもつ変調電極を用いる。本発明の一実施形態によれば、各変調電極として、例えばニオブ等の超伝導の材料を用いるようにしてもよい。
【００２３】
変調電極１０１は、電気の信号線路２４−２を通じて分配された磁束量子信号に応じて、光ファイバ２３−２を通じて入力された光信号を変調し、変調電極１０２に対して入力する。変調電極１０２は、電気の信号線路２４−３を通じて分配された磁束量子信号に応じて、変調電極１０１から入力された光信号を変調し、変調電極１０３に対して入力する。変調電極１０３は、電気の信号線路２４−４を通じて分配された磁束量子信号に応じて、変調電極１０２から入力された光信号を変調し、変調電極１０４に対して入力する。変調電極１０４は、電気の信号線路２４−５を通じて分配された磁束量子信号に応じて、変調電極１０３から入力された光信号を変調し、該変調された光信号を光ファイバ２３−３を通じて出力する。
【００２４】
各変調電極は、分配された磁束量子信号を用いて、電気光学結晶１００に対して電圧を印加して該電気光学結晶１００の屈折率を変更する。該電気光学結晶の屈折率が変更されることによって、該電気光学結晶１００を透過する光信号の位相が変更される。すなわち、変調電極１０１〜１０４は、該電気・光変換アレイ２２に第１の光伝送路（光ファイバ２３−２）を通じて入力された光信号を上記各々の磁束量子信号に応じて変調して第２の光伝送路（光ファイバ２３−３）を通じて出力する変調電極アレイを構成する。
【００２５】
なお、図２中では、４個の変調電極が変調電極アレイを構成するが、本発明において、変調電極アレイを構成する変調電極の数は４個に限定されず、変調電極アレイが、例えば任意のＮ個の変調電極によって構成されるようにしてもよい。
【００２６】
なお、本発明の第１の実施の形態においては、例えば、設計により、ＳＦＱ回路２１が磁束量子信号を各電気の信号線路に対して出力するタイミングや、各電気の信号線路の長さを調整等して、各変調電極が光信号を変調するタイミングを同期させ、光ファイバ２３−２を通じて入力された光信号に対して所望の変調が加わるようにする。
【００２７】
図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁束量子信号の光変換処理フローを示す図である。ＳＦＱ回路２１が、情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して、該複製された各々の磁束量子信号を、電気・光変換アレイ２２に分配する（ステップＳ１）。
【００２８】
電気・光変換アレイ２２が、光ファイバ２３−２を通じて室温環境から入力された光信号を上記分配された各々の磁束量子信号に応じて変調して、該変調された光信号を光ファイバ２３−３を通じて室温環境に出力する（ステップＳ２）。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る磁束量子信号の光変換装置の構成の一例を示す図である。該磁束量子信号の光変換装置は、光・電気変換器２０、ＳＦＱ回路２１、電気・光変換アレイ３１、光ファイバ２３−１、２３−４、電気の信号線路２４−１〜２４−５を備える。
【００３０】
図４に示す磁束量子信号の光変換装置が備える構成要素のうち、図１に示す磁束量子信号の光変換装置が備える構成要素と同一符号が付された構成要素は、図１に示す磁束量子信号の光変換装置が備える構成要素と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００３１】
図４に示す磁束量子信号の光変換装置が備える電気・光変換アレイ３１は、発光レーザアレイ２００とレンズ３００とを備える。該発光レーザアレイ２００を構成する各々の発光レーザ（図４では図示を省略）が、ＳＦＱ回路２１から分配された各々の磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。発光レーザとしては、例えば、２次元アレイ化が容易な面発光レーザなどを用いる。レンズ３００は、上記発光されたレーザ光を集光して、光ファイバ２３−４を通じて室温環境に対して出力する。すなわち、レンズ３００は、発光された各々のレーザ光を集光して光伝送路（光ファイバ２３−４）を通じて出力する集光手段である。
【００３２】
図５は、図４中の電気・光変換アレイの構成の一例を示す図である。電気・光変換アレイ３１は、複数の発光レーザ２０１〜２０４とレンズ３００とを備える。なお、図５中の２０５は各々の発光レーザが実装される半導体基板である。発光レーザ２０１〜発光レーザ２０４が、図４を参照して前述した発光レーザアレイ２００を構成する。
【００３３】
なお、図５中では、４個の発光レーザが発光レーザアレイを構成するが、本発明において、発光レーザアレイを構成する発光レーザの数は４個に限定されず、発光レーザアレイが、例えば任意のＮ個の発光レーザによって構成されるようにしてもよい。
【００３４】
各々の発光レーザは、ＳＦＱ回路２１から分配された各々の磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。例えば、発光レーザ２０１は、電気の信号線路２４−２を通じて分配された磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。発光レーザ２０２は、電気の信号線路２４−３を通じて分配された磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。発光レーザ２０３は、電気の信号線路２４−４を通じて分配された磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。発光レーザ２０４は、電気の信号線路２４−５を通じて分配された磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する。
【００３５】
レンズ３００は、例えば、図６に示すように、各々の発光レーザが発光したレーザ光を集光して、該集光されたレーザ光を光ファイバ２３−４を通じて出力する。図６中の斜線部分が、各レーザ光と集光されたレーザ光を表している。
【００３６】
図７は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁束量子信号の光変換処理フローを示す図である。ＳＦＱ回路２１が、情報処理結果を示す磁束量子信号を複数複製して、該複製された各々の磁束量子信号を、電気・光変換アレイ３１に分配する（ステップＳ１１）。
【００３７】
電気・光変換アレイ３１が備える各々の発光レーザが、ＳＦＱ回路２１から分配された各々の磁束量子信号に基づいて、レーザ光を発光する（ステップＳ１２）。そして、レンズ３００が各々の発光レーザが発光したレーザ光を集光し、該集光されたレーザ光を光ファイバ２３−４を通じて出力する（ステップＳ１３）。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る磁束量子信号の光変換装置の構成の一例を示す図である。
【図２】電気・光変換アレイの構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかる磁束量子信号の光変換処理フローを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る磁束量子信号の光変換装置の構成の一例を示す図である。
【図５】電気・光変換アレイの構成の一例を示す図である。
【図６】レンズによるレーザ光の集光を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる磁束量子信号の光変換処理フローを示す図である。
【図８】ＳＦＱ回路に関する従来技術の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  冷凍機
１０、２１  ＳＦＱ回路
１１−１、１１−２、１１−３  金属同軸ケーブル
１２  増幅器
２０  光・電気変換器
２２、３１  電気・光変換アレイ
２３−１、２３−２、２３−３  光ファイバ
２４−１、２４−２、２４−３、２４−４、２４−５  電気の信号線路
１００  電気光学結晶
１０１、１０２、１０３、１０４  変調電極
２００  発光レーザアレイ
２０１、２０２、２０３、２０４  発光レーザ
２０５  半導体基板
３００  レンズ
【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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