(57)【要約】【課題】光信号をそのまま演算処理することができ、電気信号変換に伴う遅延および通信ネットワークのボトルネックを解決することができるようにする。【解決手段】光演算装置１において、時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットＴ１，Ｔ２での光のオンオフで単位デジタル信号Ｄを生成する単位デジタル信号生成手段２と、単位デジタル信号Ｄを用いて光演算処理を行う光演算手段３と、を有することを特徴としている。【選択図】  図１
2004227201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットでの光のオンオフで単位デジタル信号を生成する単位デジタル信号生成手段と、
上記単位デジタル信号を用いて光演算処理を行う光演算手段と、
を有することを特徴とする光演算装置。
【請求項２】
上記単位デジタル信号において、ロジックレベル０とロジックレベル１とは、前段のタイムスロットと後段のタイムスロットにおける光オンオフが互いに逆の状態で表現されている、請求項１に記載の光演算装置。
【請求項３】
上記光演算手段は、単位デジタル信号に対する反転処理を、先ず当該単位デジタル信号を２系統に分岐し、一方の系統の単位デジタル信号を２スロット分遅延させ、他方の系統の単位デジタル信号はそのまま通過させ、その後２つの系統を合成し、その合成で得られた、４つのタイムスロット位置での光オンオフからなる信号系列の中央の２個を取り出すことで行う、請求項２に記載の光演算装置。
【請求項４】
上記光演算手段は、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を、その２つの単位デジタル信号を分岐させ適宜遅延させるとともに、２つの光信号入力の双方に光入力がある場合にのみ光出力が発生するタイプの光スイッチを基本要素として用いて行う、請求項２に記載の光演算装置。
【請求項５】
上記光演算手段は、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を、
先ず一方の単位デジタル信号を３方向に分岐させ、１つ目の単位デジタル信号はそのまま第１の光スイッチに入力し、２つ目の単位デジタル信号は１スロット分遅延させて第２の光スイッチに入力し、３つ目の単位デジタル信号は２スロット分遅延させて第３の光スイッチに入力し、
他方の単位デジタル信号を１スロット分遅延させた後３方向に分岐し、その３方向各々の単位デジタル信号を第１、第２、第３の光スイッチにそれぞれ入力し、
第１の光スイッチからの出力信号はさらに１スロット分遅延させ、その１スロット分遅延させた第１の光スイッチからの出力信号、第２の光スイッチからの出力信号および第３の光スイッチからの出力信号を合成することで行う、請求項４に記載の光演算装置。
【請求項６】
時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットでの光のオンオフで単位デジタル信号を表現する、ことを特徴とする光演算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光を用いて演算処理を行う光演算装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超高速光ネットワークや超大容量光メモリの技術の高度化に伴って、大量の光信号に対して、事実上デジタルコンピュテーションを行い、ネットワークやデータベースから有意な情報を抽出することが強く求められている。時系列の光信号に対して光電変換することなく、光のままでデジタルコンピュテーションを実行できれば、光電変換の物理限界を打破し、膨大な光信号から優位な情報を極めて効率よく抽出できると考えられる。
【０００３】
一方、超高ビットレートの光時分割多重（ＯＴＤＭ）信号系列に対して何らかのコンピュテーションを施す場合、ＤＥＭＵＸ回路を用いて複数の低ビットレートの系列に変換した上で、受光素子により電気信号に変換し集積回路によって処理を行うのが通常である。すなわち、伝送路の信号のビットレートより低速な複数の信号に分離し、電気信号に変換した上で、処理が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、光信号を受光素子により電気信号に変換していたのでは、電気信号への変換に伴う遅延が発生する。また、電気信号に変換した場合、高ビットレートの光信号系列に対してボトルネックなく処理を行えるだけの十分な計算能力を備える必要があるが、例えば多数の伝送路が集まるネットワークのノードにおいては、電子的な手段のみによって、十分な演算処理能力を備えるには困難が多く、通信ネットワークのボトルネックとして、ノードにおけるコンピュテーションの問題が指摘されている。
【０００５】
一方、近年の光技術の進展は目覚ましく、光の３端子素子、すなわち、２つの光入力信号に依存して、光出力を制御可能なデバイスが実現されるにいたった。このことは、任意の論理演算を光領域で行える可能性を示唆している。光信号を光領域において処理することができれば、上記の電気信号変換に伴う遅延やボトルネックを解消することが可能となる。
【０００６】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、光信号をそのまま演算処理することができ、電気信号変換に伴う遅延および通信ネットワークのボトルネックを解決することができる光演算装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光演算装置であって、時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットでの光のオンオフで単位デジタル信号を生成する単位デジタル信号生成手段と、上記単位デジタル信号を用いて光演算処理を行う光演算手段と、を有することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記単位デジタル信号において、ロジックレベル０とロジックレベル１とは、前段のタイムスロットと後段のタイムスロットにおける光オンオフが互いに逆の状態で表現されている、ことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記光演算手段は、単位デジタル信号に対する反転処理を、先ず当該単位デジタル信号を２系統に分岐し、一方の系統の単位デジタル信号を２スロット分遅延させ、他方の系統の単位デジタル信号はそのまま通過させ、その後２つの系統を合成し、その合成で得られた、４つのタイムスロット位置での光オンオフからなる信号系列の中央の２個を取り出すことで行う、ことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項２に記載の発明の構成に加えて、上記光演算手段は、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を、その２つの単位デジタル信号を分岐させ適宜遅延させるとともに、２つの光信号入力の双方に光入力がある場合にのみ光出力が発生するタイプの光スイッチを基本要素として用いて行う、ことを特徴としている。
【００１１】
さらに、請求項５に記載の発明は、上記した請求項４に記載の発明の構成に加えて、上記光演算手段は、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を、先ず一方の単位デジタル信号を３方向に分岐させ、１つ目の単位デジタル信号はそのまま第１の光スイッチに入力し、２つ目の単位デジタル信号は１スロット分遅延させて第２の光スイッチに入力し、３つ目の単位デジタル信号は２スロット分遅延させて第３の光スイッチに入力し、他方の単位デジタル信号を１スロット分遅延させた後３方向に分岐し、その３方向各々の単位デジタル信号を第１、第２、第３の光スイッチにそれぞれ入力し、第１の光スイッチからの出力信号はさらに１スロット分遅延させ、その１スロット分遅延させた第１の光スイッチからの出力信号、第２の光スイッチからの出力信号および第３の光スイッチからの出力信号を合成することで行う、ことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、光演算装置であって、時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットでの光のオンオフで単位デジタル信号を表現する、ことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１はこの発明の光演算装置の構成を示すブロック図である。図において、光演算装置１は、光を用いて演算処理を行う装置であり、時間軸方向に順に並べた２つのタイムスロットＴ１，Ｔ２での光のオンオフで単位デジタル信号Ｄを生成する単位デジタル信号生成手段２と、その単位デジタル信号Ｄを用いて光演算処理を行う光演算手段３とを有している。なお、ここで「ひとつのタイムスロット」とは、ひとつの光の場をおくことができる時間であり、光の場とは、具体的には、一定のエネルギーを有する光パルスや近接場光、等と対応づけられる。
【００１５】
この発明では、ロジックレベル「０」「１」を時系列的に符号化した時間軸方向のデュアルレール論理（以下、「時間領域デュアルレール論理」という）を提案しており、デジタル信号の２つの状態（ロジックレベル「０」「１」）を表現するのに、時系列方向の所定の２つのタイムスロットＴ１，Ｔ２を用いる。デジタル信号の二つの状態「０」「１」は、２つのタイムスロットＴ１，Ｔ２での光の存在の有無（オンオフ）により表現され、ひとつのビットを２つのタイムスロットＴ１，Ｔ２で表現し、ロジックレベル「０」は、時間軸方向に「０」「１」と連続する光の場、ロジックレベル１は、時間軸方向に「１」「０」と連続する光の場であると定める。
【００１６】
すなわち、時間軸前段側に位置するタイムスロットＴ１での光オンオフ、時間軸後段側に位置するタイムスロットＴ２での光オンオフの組合せで、ひとつのビットの情報「０」「１」を表し、この情報をここでは単位デジタル信号Ｄと称する。そして、時間軸前段側に位置するタイムスロットＴ１で光オフ「０」、時間軸後段側に位置するタイムスロットＴ２で光オン「１」であれば、単位デジタル信号生成手段２からは、時間軸方向に「０」「１」と連続する光の場（単位デジタル信号Ｄ（０，１））が出力され、本発明では、この時間軸方向に「０」「１」と連続する光の場を、ロジックレベル「０」とする。また、時間軸前段側に位置するタイムスロットＴ１で光オン、時間軸後段側に位置するタイムスロットＴ２で光オフであれば、単位デジタル信号生成手段２からは、時間軸方向に「１」「０」と連続する光の場（単位デジタル信号Ｄ（１，０））が出力され、本発明では、この時間軸方向に「１」「０」と連続する光の場を、ロジックレベル「１」」とする。
【００１７】
なお、逆に定義し、時間軸方向に「１」「０」と連続する光の場をロジックレベル「０」、時間軸方向に「０」「１」と連続する光の場をロジックレベル「１」としてもよい。
【００１８】
上記の光演算手段３は、この単位デジタル信号Ｄに対する反転処理（ＮＯＴ演算処理）を行い、また２つの単位デジタル信号Ｄに対するＡＮＤ演算処理を行う。ＮＯＴ及びＡＮＤ演算は、任意の組み合わせ論理演算を構成するための完備系のひとつであり、任意の組み合わせ論理演算を実現するために必須の要素的計算である。
【００１９】
次に、光演算手段３が行う反転処理（ＮＯＴ演算処理）について、図２、図３、図４を用いて説明する。
【００２０】
時間領域デュアルレール論理におけるＮＯＴ演算とは、図２に示すように、時間軸方向に連続する光の場の「０」「１」を入れ替えることに相当し、このことはすなわち２つのタイムスロットＴ１、Ｔ２内の光を入れ替えることを意味する。
【００２１】
図３は時間領域デュアルレール論理におけるＮＯＴ演算処理の実装手法の説明図である。この図において、Ｉ１はタイムスロットＴ１での光の存在有無（「０」または「１」）を、Ｉ２はタイムスロットＴ２での光の存在有無（「０」または「１」）をそれぞれ表し、（Ｉ１，Ｉ２）で単位デジタル信号Ｄのロジックレベルを表現する。
【００２２】
そして、光演算手段３は、入力されてきた単位デジタル信号Ｄ（Ｉ１，Ｉ２）を２系統に分岐し、一方の系統の単位デジタル信号Ｄ（Ｉ１，Ｉ２）を２スロット分（２Δｔ）遅延させ、他方の系統の単位デジタル信号Ｄ（Ｉ１，Ｉ２）はそのまま通過させ、その後２つの系統を合成し、その合成で得られた、４つのタイムスロット位置での光オンオフからなる信号系列（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ１，Ｉ２）の中央の２個を取り出す。中央の２個は（Ｉ２，Ｉ１）である。このように単位デジタル信号Ｄに対して遅延を導入することで、時間軸方向に連続する光の場の「０」「１」を入れ替えて（Ｉ２，Ｉ１）を得ることができ、ロジックレベルの反転処理が可能となる。
【００２３】
図４は遅延の実施手法の例を示す図である。単位デジタル信号Ｄに対する遅延は、例えば図４（ａ）に示すように、反射鏡Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を用いて、入力光（単位デジタル信号Ｄ）の伝搬距離を変更することで行うことができるし、また、図４（ｂ）に示すように、入力光（単位デジタル信号Ｄ）を屈折率が相対的に大きな高屈折率媒質Ｃを通過させることで行うことができる。その他に、フォトニック結晶による方法なども存在する。
【００２４】
次に、光演算手段３が行うＡＮＤ演算処理について図５、図６を用いて説明する。光演算手段３は、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を、その２つの単位デジタル信号を分岐させ、また適宜遅延させるとともに、２つの光信号入力の双方に光入力がある場合にのみ光出力が発生するタイプの光スイッチを用いることによって実行される。
【００２５】
図５は時間領域デュアルレール論理におけるＡＮＤ演算処理の実装手法の説明図、図６は光スイッチによる演算処理の説明図である。ここでは、２系統の単位デジタル信号Ｄ１（Ａ１，Ａ２），Ｄ２（Ｂ１，Ｂ２）に対するＡＮＤ演算について説明する。Ａ１，Ｂ１はタイムスロットＴ１での光の存在有無（「０」または「１」）を、Ａ２，Ｂ２はタイムスロットＴ２での光の存在有無（「０」または「１」）をそれぞれ表している。したがって、（Ａ１，Ａ２）、（Ｂ１，Ｂ２）はそれぞれ単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２のロジックレベルを表している。
【００２６】
また、このＡＮＤ演算処理では、上記したように、２つの光信号入力の双方に光入力がある場合に、光出力が発生するタイプの光スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を、基本要素として用いる。
【００２７】
先ず一方の単位デジタル信号Ｄ１（Ａ１，Ａ２）を３方向に分岐させ、１つ目の単位デジタル信号Ｄ１（Ａ１，Ａ２）はそのまま光スイッチＳ１に入力し、２つ目の単位デジタル信号Ｄ１（Ａ１，Ａ２）は１スロット分（Δｔ）遅延させて光スイッチＳ２に入力し、３つ目の単位デジタル信号Ｄ１（Ａ１，Ａ２）は２スロット分（２Δｔ）遅延させて光スイッチＳ３に入力する。
【００２８】
また、他方の単位デジタル信号Ｄ２（Ｂ１，Ｂ２）を１スロット分（Δｔ）遅延させた後３方向に分岐し、その３方向各々の単位デジタル信号Ｄ２を光スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ入力する。
【００２９】
光スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３では、入力されてきた単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２の双方に光入力がある場合にのみ、光出力を発生させる。その結果、図６に示すように、光スイッチＳ１ではＡ２・Ｂ１を出力し、光スイッチＳ２ではＡ１・Ｂ１とＡ２・Ｂ２を出力し、光スイッチＳ３ではＡ１・Ｂ２を出力する。ここで、Ａ２・Ｂ１とＡ１・Ｂ１とは、時間軸で前方に位置し、これに対しＡ２・Ｂ２とＡ１・Ｂ２とは時間軸でΔｔだけ後方に位置している。
【００３０】
その後、光スイッチＳ１の出力信号を１スロット分（Δｔ）遅延させ、その１スロット分遅延させた光スイッチＳ１からの出力信号、光スイッチＳ２からの出力信号および光スイッチＳ３からの出力信号を合成する。その結果、ロジックレベルが（Ａ１・Ｂ１，Ａ２・Ｂ１＋Ａ２・Ｂ２＋Ａ１・Ｂ２）で表される単位デジタル信号Ｄが出力される。
【００３１】
ここで、入力された単位デジタル信号Ｄ１のロジックレベルが「０」（Ａ１＝０，Ａ２＝１に相当）、「１」（Ａ１＝１，Ａ２＝０に相当）、また入力された単位デジタル信号Ｄ２のロジックレベルが「０」（Ｂ１＝０，Ｂ２＝１に相当）、「１」（Ｂ１＝１，Ｂ２＝０に相当）のすべての場合に、上記のＡＮＤ演算処理結果である（Ａ１・Ｂ１，Ａ２・Ｂ１＋Ａ２・Ｂ２＋Ａ１・Ｂ２）を適用させてみると、単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２のロジックレベルが共に「１」の場合のみ（Ａ１・Ｂ１，Ａ２・Ｂ１＋Ａ２・Ｂ２＋Ａ１・Ｂ２）は（１，０）、すなわちロジックレベル「１」となり、それ以外の場合は（０，１）、すなわちロジックレベル「０」となり、確実にＡＮＤ演算処理が行われていることが分かる。
【００３２】
このように、この発明では、光信号を電気領域に変換することなく組み合わせ論理演算を実現できるようにし、光信号をそのまま演算処理するようにしたので、電気信号変換に伴う遅延および通信ネットワークのボトルネックを解決することができる。また、大量の光信号に対する処理が必要な、光通信ネットワークのノード技術や大量のデータを処理する必要のあるデータベース用途等の機能と性能を格段に高めることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、光信号を電気領域に変換することなく組み合わせ論理演算を実現できるようにし、光信号をそのまま演算処理するようにしたので、電気信号変換に伴う遅延および通信ネットワークのボトルネックを解決することができる。また、大量の光信号に対する処理が必要な、光通信ネットワークのノード技術や大量のデータを処理する必要のあるデータベース用途等の機能と性能を格段に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の光演算装置の構成を示すブロック図である。
【図２】時間領域デュアルレール論理を用いたＮＯＴ演算の説明図である。
【図３】時間領域デュアルレール論理におけるＮＯＴ演算処理の実装手法の説明図である。
【図４】遅延の実施手法の例を示す図である。
【図５】時間領域デュアルレール論理におけるＡＮＤ演算処理の実装手法の説明図である。
【図６】光スイッチによる演算処理の説明図である。
【符号の説明】
１      光演算装置
２      単位デジタル信号生成手段
３      光演算手段
Ｔ１，Ｔ２    タイムスロット
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４    反射鏡
Ｃ      高屈折率媒質
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４    光スイッチ
【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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