(57)【要約】【課題】超高速の光信号を、電気信号にいったん変換することなく、光領域で演算処理することができ、電気信号変換に伴う遅延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表現された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を有し、その光演算手段は、制御光パルスＣの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える光スイッチ２を備え、反転処理対象の単位デジタル信号は信号光パルスで、ＡＮＤ演算処理対象の２つの単位デジタル信号は、信号光パルスと制御光パルスとでそれぞれ構成され、信号光パルスと、制御光パルスＣとを光スイッチ２に入射させることにより、単位デジタル信号に対する光演算処理を行う、ことを特徴としている。【選択図】  図３
2005003846.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表現された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を有し、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おり、
上記光演算手段は、
制御光パルスの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える光スイッチを備え、
上記単位デジタル信号は信号光パルスで構成され、入力されたその信号光パルスを適宜分岐、遅延、合成するとともに、その結果得られる信号光パルスと、制御光パルスとを上記光スイッチに入射させることにより、単位デジタル信号に対する反転処理を行う、
ことを特徴とする光演算装置。
【請求項２】
上記光演算手段は、
入力された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タイム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つの略矩形状の信号光パルスを、略矩形状の光スイッチにその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射させ、一方、略矩形状の制御光パルスを光スイッチの一端側から他端側に向けて光スイッチに交差させつつ通過させ、信号光パルスと制御光パルスとが光スイッチ上で重なるその位置から当該信号光パルスの信号光を所定の光路に沿って出射するとともに、そのときの光スイッチ一端側と他端側での位置から出射する信号光を遮断することで、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個を取り出し、単位デジタル信号に対する反転処理を行う、
請求項１に光演算装置。
【請求項３】
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表現された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を有し、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おり、
上記光演算手段は、
制御光パルスの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える光スイッチを備え、
２つの単位デジタル信号の、一方は信号光パルスで、他方は制御光パルスでそれぞれ構成され、この２つの単位デジタル信号を光スイッチに入射することにより、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を行う、
ことを特徴とする光演算装置。
【請求項４】
上記光演算手段は、
一方の単位デジタル信号を構成する２つの略矩形状の信号光パルスを、略矩形状の光スイッチにその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射させるとともに、他方の単位デジタル信号を構成する２つの略矩形状の制御光パルスを光スイッチの一端側から他端側に向けて光スイッチに交差させつつ通過させ、信号光パルスと制御光パルスとが光スイッチ上で重なるその位置から当該信号光パルスの信号光を所定の光路に沿って出射し、そのときの光スイッチ一端側での位置から出射する信号光を１タイムスロット分だけ遅延させることで、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を行う、
請求項３に記載の光演算装置。
【請求項５】
上記光スイッチは、光照射により吸収係数が変化し、且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えている、請求項１から４の何れか１項に記載の光演算装置。
【請求項６】
上記光スイッチは、上記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成する、請求項５に記載の光演算装置。
【請求項７】
上記光スイッチは、上記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成する、請求項５に記載の光演算装置。
【請求項８】
上記機能性薄膜が色素分子膜である、請求項５から７の何れか１項に記載の光演算装置。
【請求項９】
上記色素分子膜がスクエアリリウム色素のＪ―会合体で構成されている、請求項８に記載の光演算装置。
【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、光ネットワークの超高速化やデータベースの超大容量化に伴って、大量の情報から如何に効率的に、有意な情報を抽出するかが大きな技術課題となっており、光学的な情報処理への期待も大きい。光を用いた情報処理技術は、高速性、並列性等の光の物理的属性を背景として、１９８０年代に一時期大きな盛り上がりを見せた。具体的には、情報を空間的に符号化し、複数の符号間の幾何学的な相互作用を論理演算に対応させた、空間的並列性を用いた論理演算や、光双安定素子を用いた論理演算等が研究された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の古典的研究は光コンピューティングとも形容されることがあり、それらは、光の並列性や各種の光デバイスを用い、論理演算の構成方式を示した点で評価できるが、しかし、例えば空間並列の情報が理想的に準備された状況など、理想的前提を必要とする議論に終始しており、既に今日では現実のものとなっている、シリアルのテラビット級の高速大容量ネットワークとのインターフェースなどは全く考察されていない。また、光双安定素子の情報処理応用では、例えば連続する２個の光双安定素子の接続点では、双安定素子の定義により前後の素子の状態に依存して変化するため、入力から出力に向けての信号の流れなど、論理演算に応用するには原理的に困難が多い。
【０００４】
一方、近年の光技術の進展は目覚ましく、光―光スイッチ、すなわち、スイッチのオンオフを光によって制御可能なデバイスが実現されるに至った。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。特に、面型光スイッチは、多数の光スイッチを超高速光ネットワークの信号に対応して集積できる可能性があるため、光領域での論理演算の実装手法として有望である。
【０００５】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、超高速の光信号を、電気信号にいったん変換することなく、光領域で演算処理することができ、電気信号変換に伴う遅延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。
【０００６】
【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、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表現された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を有し、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おり、上記光演算手段は、制御光パルスの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える光スイッチを備え、上記単位デジタル信号は信号光パルスで構成され、入力されたその信号光パルスを適宜分岐、遅延、合成するとともに、その結果得られる信号光パルスと、制御光パルスとを上記光スイッチに入射させることにより、単位デジタル信号に対する反転処理を行う、ことを特徴としている。
【０００７】
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、上記光演算手段は、入力された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タイム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つの略矩形状の信号光パルスを、略矩形状の光スイッチにその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射させ、一方、略矩形状の制御光パルスを光スイッチの一端側から他端側に向けて光スイッチに交差させつつ通過させ、信号光パルスと制御光パルスとが光スイッチ上で重なるその位置から当該信号光パルスの信号光を所定の光路に沿って出射するとともに、そのときの光スイッチ一端側と他端側での位置から出射する信号光を遮断することで、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個を取り出し、単位デジタル信号に対する反転処理を行う、ことを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、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表現された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を有し、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おり、上記光演算手段は、制御光パルスの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える光スイッチを備え、２つの単位デジタル信号の、一方は信号光パルスで、他方は制御光パルスでそれぞれ構成され、入力されたその２つの単位デジタル信号を適宜分岐、遅延させた後、上記光スイッチに入射することにより、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を行う、ことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項３に記載の発明の構成に加えて、上記光演算手段は、一方の単位デジタル信号を構成する２つの略矩形状の信号光パルスを、略矩形状の光スイッチにその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射させるとともに、他方の単位デジタル信号を構成する２つの略矩形状の制御光パルスを光スイッチの一端側から他端側に向けて光スイッチに交差させつつ通過させ、信号光パルスと制御光パルスとが光スイッチ上で重なるその位置から当該信号光パルスの信号光を所定の光路に沿って出射し、そのときの光スイッチ一端側での位置から出射する信号光を１タイムスロット分だけ遅延させることで、２つの単位デジタル信号に対するＡＮＤ演算処理を行う、ことを特徴としている。
【００１０】
さらに、請求項５に記載の発明は、上記した請求項１から４の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記光スイッチは、光照射により吸収係数が変化し、且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えている、ことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、上記した請求項５に記載の発明の構成に加えて、上記光スイッチは、上記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成する、ことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、上記した請求項５に記載の発明の構成に加えて、上記光スイッチは、上記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成する、ことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、上記した請求項５から７の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記機能性薄膜が色素分子膜である、ことを特徴としている。
【００１４】
さらに、請求項９に記載の発明は、上記した請求項８に記載の発明の構成に加えて、上記色素分子膜がスクエアリリウム色素のＪ―会合体で構成されている、ことを特徴としている。
【００１５】
【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。
【００１６】
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１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、この光演算装置１には、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表現された単位デジタル信号Ｄが入力され、光演算装置１はその単位デジタル信号Ｄを用いて光演算処理を行う。なお、ここで「ひとつのタイムスロット」とは、一定のエネルギーを有する光パルスが存在可能な時間を示す。
【００１７】
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）を用いており、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」と連続する光パルス、ロジックレベル１は、時間軸方向に「１」「０」と連続する光パルスであると定める。
【００１８】
なお、逆に定義し、時間軸方向に「１」「０」と連続する光パルスをロジックレベル「０」、時間軸方向に「０」「１」と連続する光パルスをロジックレベル「１」としてもよい。
【００１９】
ここでは、時間軸方向に連続した二つの光パルスを、単位デジタル信号Ｄと呼び、時間軸前段のタイムスロットの光パルスの有無をＩ１、時間軸後段のタイムスロットでの光パルスの有無をＩ２として、Ｄ（Ｉ１、Ｉ２）と書くこととする。
【００２０】
光演算装置１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演算及び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演算である。
【００２１】
次に、光演算装置１が行う反転処理（ＮＯＴ演算処理）について、図２〜図８を用いて説明する。
【００２２】
時間領域デュアルレール論理におけるＮＯＴ演算とは、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。
【００２３】
図２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。
【００２４】
そして、光演算装置１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パルスの「０」「１」を入れ替えて（Ｉ２，Ｉ１）を得ることができ、従って、ロジックレベルの反転処理が可能となる。
【００２５】
４つの連続するタイムスロットをＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とすると、反転処理の結果は、中央の２タイムスロットＴ２およびＴ３に表れる。この二つのタイムスロットの信号のみを抽出するには、光スイッチ２を用いて、Ｔ２およびＴ３のタイミングでのみ、信号を通過させればよい。
【００２６】
図３は光スイッチを用いて中央の２タイムスロットだけを取り出し反転処理を行うためのシステム構成の一例を示す図である。このシステム構成例では、４つのタイムスロットＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４からなる信号を、光スイッチ２の信号光とし、１つの制御パルスＣを、光スイッチ２に対して適当に傾けて照射する。
【００２７】
信号光パルス（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）および制御光パルスＣは、略矩形状で表現できる波面状のエネルギーであり、光スイッチ２も略矩形状に形成されている。信号光パルス（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）は、例えばそのパルス間隔（スロット間隔）が４００ｆｓ、パルス幅が１００ｆｓであり、光スイッチ２にその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射する。一方、制御光パルスＣは、光スイッチ２に対して適当に傾いて入射し、光スイッチ２の一端２１から他端２２に向けて光スイッチ２に交差しながら光スイッチ２を通過する。
【００２８】
光スイッチ２は面型光スイッチであり、制御光パルスＣの照射時に、照射部分にのみ、オン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスをそのオン状態の領域で透過または反射させてその信号光パルスの信号光の光路を空間的に切り替える機能を有している。すなわち、制御光パルスＣの制御光が光スイッチ２に到達して重なり交差すると、制御光パルスＣは光スイッチ２に作用してその交差部分がオン状態となり、その時点で信号光パルスが光スイッチ２に到達し重なっていると、その信号光パルスの信号光は光スイッチ２のオン状態の領域から、所定の光路に沿って、図面で右側方向に出射する。ここで、信号光パルスの信号光は、オン情報またはオフ情報を表している。
【００２９】
この光スイッチ２には、光照射により吸収係数が変化し、且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えた光スイッチを用いることができる。この光スイッチでは、非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成してもよく、また非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成してもよい。さらに、機能性薄膜としては、色素分子膜が好ましく、スクエアリリウム色素のＪ―会合体で構成された色素分子膜が特に好ましい。スクエアリリウム色素の色素分子膜は、そのＪ−会合体を用いることで効率良くスイッチング動作を行うことができる。
【００３０】
図４、図５、図６および図７は図３に示したシステム構成例を用いて行う反転処理の説明図である。先ず図４に示すように、タイムスロットＴ１の信号光パルスが光スイッチ２に到着したとき、制御光パルスＣは、光スイッチ２の一端２１側の位置で交わるとする。このとき、タイムスロットＴ１の信号光パルスの信号光は、制御光パルスＣと光スイッチ２との交点（交差部分）ａからのみ、図面で右方向に向けて光スイッチ２を通過することができる。このタイムスロットＴ１の信号光は、図２で先頭のタイムスロットＴ１の光に相当し、出力信号から削除する必要があるため、図４に示すように、この交点ａからの透過光は遮光器３により遮断する。
【００３１】
次に、図５に示すように、タイムスロットＴ２の信号光パルスが光スイッチ２に到着したとき、制御光パルスＣは、光スイッチ２とは交点（交差部分）ｂで交わる。このとき、タイムスロットＴ２の信号光パルスの信号光は、制御光パルスＣと光スイッチ２との交点ｂからのみ、図面で右方向に向けて光スイッチ２を通過し、出力される。この交点ｂから出力されたタイムスロットＴ２の信号光は、図２で中央のタイムスロットＴ２の光に相当し、信号として有意であることから、出力側に遮光器は設置しない。
【００３２】
続いて、図６に示すように、タイムスロットＴ３の信号光パルスが光スイッチ２に到着したとき、制御光パルスＣは、光スイッチ２とは交点（交差部分）ｃで交わる。このとき、タイムスロットＴ２の信号光パルスの信号光は、制御光パルスＣと光スイッチ２との交点ｃからのみ、図面で右方向に向けて光スイッチ２を通過し、出力される。この交点ｃから出力されたタイムスロットＴ３の信号光は、図２で中央のタイムスロットＴ３の光に相当し、信号として有意であることから、出力側に遮光器は設置しない。
【００３３】
さらに、図７に示すように、タイムスロットＴ４の信号光パルスが光スイッチ２に到着したとき、制御光パルスＣは、光スイッチ２の他端２２側の位置で交わる。このとき、タイムスロットＴ４の信号光パルスの信号光は、制御光パルスＣと光スイッチ２との交点（交差部分）ｄからのみ、図面で右方向に向けて光スイッチ２を通過することができる。このタイムスロットＴ４の信号光は、図２で最後尾のタイムスロットＴ４の光に相当し、出力信号から削除する必要があるため、図７に示すように、この交点ｄからの透過光は遮光器３により遮断する。
【００３４】
以上のようにして、４つの連続するタイムスロットＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の中央の２スロットＴ２、Ｔ３の信号のみを得ることができ、反転処理が完了する。
【００３５】
次に、光演算装置１が行うＡＮＤ演算処理について図８〜図１３を用いて説明する。
【００３６】
図８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である。
【００３７】
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。
【００３８】
まず、ＡＮＤ演算とは、図８（ａ）に示されている真理値表が実現されることである。すなわち、Ｄ１、Ｄ２がいずれもロジックレベル１であるときに、出力のロジックレベルが１であり、それ以外のとき、ロジックレベル０を出力することである。
【００３９】
上記の図８（ａ）の入出力関係を時間領域デュアルレール論理に置き換えると、図８（ｂ）に示されている真理値表を得る。出力の単位デジタル信号をＤ３（Ｃ１，Ｃ２）で表現すれば、この真理値表から、
Ｃ１＝Ａ１・Ｂ１                                （式１）
Ｃ２＝Ａ１・Ｂ２＋Ａ２・Ｂ１＋Ａ２・Ｂ２        （式２）
を得る。
【００４０】
ここで、（式１）、（式２）中に表れる、ＡＩ・ＢＪ（Ｉ＝１，２、Ｊ＝１，２）の内積演算は、光スイッチへの信号光入力がＡＩであり、制御光入力がＢＪであったときの出力光と対応づけることができる。
【００４１】
また、Ｉ、Ｊの値の相違は、タイムスロット間の時間を調節した上で、光スイッチに入力した場合に相当する。例えば、Ａ１・Ｂ２は、Ａ１とＢ２が同一タイミングで光スイッチに到着するように調節した上で、光スイッチに入力することにより、得ることができる。
【００４２】
上記考察により、（式１）及び（式２）に示されるＡＮＤ演算処理は、例えば図９に示すような、光スイッチおよび遅延素子を用いたシステム構成で実行することができる。
【００４３】
図９はＡＮＤ演算処理を光スイッチを用いて行う場合のシステム構成例を示す図である。このシステム構成例では、２つの単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２のうち、Ｄ１は信号光パルスで、またＤ２は制御光パルスでそれぞれ構成され、その２つの単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２を光スイッチ２に入射することにより、２つの単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２に対するＡＮＤ演算処理を行う。すなわち、一方の単位デジタル信号Ｄ１を構成する２つの略矩形状の信号光パルスＡ１，Ａ２を、略矩形状の光スイッチ２にその長辺同士を向き合わせた状態で順次入射させるとともに、他方の単位デジタル信号Ｄ２を構成する２つの略矩形状の制御光パルスＢ１，Ｂ２を光スイッチの一端２１側から他端２２側に向けて光スイッチ２１に交差させつつ通過させ、信号光パルスＡ１，Ａ２と制御光パルスＢ１，Ｂ２とが光スイッチ２上で重なるその位置から当該信号光パルスＡ１，Ａ２の信号光を所定の光路に沿って、ここでは図面の右側に向かって出射する。例えば、制御光パルスＢ１の制御光が存在し、かつ信号光パルスＡ１の信号光が存在すれば、その信号光パルスＡ１の信号光が出射するようになる。制御光パルスＢ１の制御光、あるいは信号光パルスＡ１の信号光の何れかが存在しなければ出射しない。
【００４４】
また、光スイッチ２の一端２１側での位置から出射する信号光を遅延素子４を用いて１タイムスロット分だけ遅延させる。
【００４５】
このようにして得られた出射光の構成は、２つの単位デジタル信号Ｄ１，Ｄ２に対するＡＮＤ演算処理の結果を表している。このＡＮＤ演算処理を、より具体的に図１０〜図１３を用いて説明する。
【００４６】
図１０、図１１、および図１２は図９に示したシステム構成例を用いて行うＡＮＤ演算処理の説明図である。先ず図１０に示すように、単位デジタル信号Ｄ１の先頭のタイムスロットである信号光パルスＡ１が光スイッチ２に到着したとき（これを第１のタイミングと呼ぶ）、信号光パルスＡ１は、単位デジタル信号Ｄ２の先頭のタイムスロットである制御光パルスＢ１と、光スイッチ２上の点Ｓ２で交わり、また、単位デジタル信号Ｄ２の後方のタイムスロットである制御光パルスＢ２と、光スイッチ２上の点Ｓ１で交わる。これにより、光スイッチ２では、交点（交差部分）Ｓ１から信号光パルスＡ１と制御光パルスＢ２の内積Ａ１・Ｂ２が出力され、交点（交差部分）Ｓ２から信号光パルスＡ１と制御光パルスＢ１の内積であるＡ１・Ｂ１が出力される。
【００４７】
上記の「第１のタイミング」から１タイムスロットだけ時間経過後に、単位デジタル信号Ｄ１の後方のタイムスロットである信号光パルスＡ２が光スイッチ２に到着し（これを第２のタイミングと呼ぶ）、このとき、図１１に示されるように、信号光パルスＡ２と制御光パルスＢ１は光スイッチ２上の点Ｓ３で交わり、また、信号光パルスＡ２と制御光パルスＢ２は光スイッチ２上の点Ｓ２で交わる。これにより、光スイッチ２では、交点（交差部分）Ｓ３から信号光パルスＡ２と制御光パルスＢ１の内積であるＡ２・Ｂ１が出力され、交点（交差部分）Ｓ２から信号光パルスＡ２と制御光パルスＢ２の内積であるＡ２・Ｂ２が出力される。
【００４８】
ここで、交点Ｓ１の出力側には、１タイムスロット分だけの遅延素子４が配置されている。これを考慮すると、交点Ｓ１か出力されたＡ１・Ｂ２は、１タイムスロット分だけの遅延が加えられる。これにより、第１のタイミングでの出力信号であるＡ１・Ｂ２は、遅延素子４を通過することにより、第２のタイミングでの出力信号である、Ａ２・Ｂ１、Ａ２・Ｂ２と、タイミングが揃うこととなる。
【００４９】
以上を整理すると、図１２に示されているように、出力信号の先頭のタイムスロットにＡ１・Ｂ１が存在するとすれば、次のタイムスロットにおいて、Ａ２・Ｂ１、Ａ２・Ｂ２、Ａ１・Ｂ２が出力される。すなわち、（式１）及び（式２）が満たされることとなり、ＡＮＤ演算が実行されたことになる。
【００５０】
図１３は、光スイッチにスクエアリリウムＪ会合体薄膜を用いた場合のＡＮＤ演算処理の原理確認実験の結果を示す図である。光源として繰り返し周期１ｋＨｚのチタンサファイア再生増幅器を使用し、ビームを２つに分け、一方を制御光パルス（中心波長８００ｎｍ）、他方を光パラメトリック増幅器で波長変換して信号光パルス（中心波長７６０ｎｍ）とした。パルス幅は１００ｆｓである。ここで、信号光パルスを単位デジタル信号Ｄ１へ、制御光パルスを単位デジタル信号Ｄ２へ、それぞれ対応させた。単位デジタル信号Ｄ１、Ｄ２の符号化、すなわち、連続する二つのタイムスロットＴ１、Ｔ２のいずれかへの光パルスの割り当ては、光路長を調整することで行った。また、タイムスロットを４００ｆｓと設定した。図１３（ｂ）の画像は、スクエアリリウムＪ会合体薄膜の出力光の空間的分布を、ＣＣＤカメラを用いて測定したものである。交点Ｓ１、交点Ｓ２、交点Ｓ３に相当する空間位置に、対応する結果が観測されている。すなわち、Ａ２・Ｂ１が交点Ｓ３に、Ａ１・Ａ２及びＡ２・Ｂ２が交点Ｓ２に、Ａ１・Ｂ２が交点Ｓ１に観測されている。
【００５１】
Ａ１・Ｂ１とＡ２・Ｂ２は、同一の空間位置である交点Ｓ２より出力されているが、時間的には結果の発生タイミングは、Ａ１・Ｂ１がＡ２・Ｂ２より１タイムスロット分だけ速い。実際、第２高調波発生を用いた時間プロファイルの測定により、図１３（ａ）に示されているように、Ａ１・Ｂ１とＡ２・Ｂ２の発生タイミングは異なり、Ａ１・Ｂ１が１タイムスロット分（４００ｆｓ）だけ先行している。また、Ａ１・Ｂ２、Ａ２・Ｂ１はＡ２・Ｂ２と同じタイミングで発生する必要があるが、同図から分かるように、時間プロファイルの測定により、これが確認された。実際には、Ａ１とＢ２の交点である交差点Ｓ１の後方にのみ、１タイムスロット分の遅延を挿入する必要があるが、図１３（ａ）に示される時間プロファイルの測定では、遅延素子が実際に利用される、Ｄ１（１，０）、Ｄ２（０，１）の組み合わせ時のみに、光スイッチ２の全体に渡り遅延素子を設置することにより、評価を行った。タイムスロットが４００ｆｓであることから、ビットレートで２．５Ｔｂｐｓ相当の光信号に対応することができる。
【００５２】
【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。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】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２】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３】光スイッチを用いて中央の２タイムスロットだけを取り出し反転処理を行うためのシステム構成の一例を示す図である。
【図４】図３に示したシステム構成例を用いて行う反転処理の説明図である。
【図５】図３に示したシステム構成例を用いて行う反転処理の説明図である。
【図６】図３に示したシステム構成例を用いて行う反転処理の説明図である。
【図７】図３に示したシステム構成例を用いて行う反転処理の説明図である。
【図８】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９】ＡＮＤ演算処理を光スイッチを用いて行う場合のシステム構成例を示す図である。
【図１０】図９に示したシステム構成例を用いて行うＡＮＤ演算処理の説明図である。
【図１１】図９に示したシステム構成例を用いて行うＡＮＤ演算処理の説明図である。
【図１２】図９に示したシステム構成例を用いて行うＡＮＤ演算処理の説明図である。
【図１３】光スイッチにスクエアリリウムＪ会合体薄膜を用いた場合のＡＮＤ演算処理実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
１      光演算装置
２      光スイッチ
３      遮光器
４      遅延素子
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４    タイムスロット
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４    光スイッチと制御光パルスとの交点
【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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