(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に光の入射部を有するとともに、隔壁と底部で区画化された空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、隔壁の上寄り部分は特定波長の光のみを選択的に透過させるフォトニック結晶からなるとともに内部に光導波路と光共振器が形成され、底部には上方から入射した光を反射して隔壁の下寄り部分を介して隣接した光学セルに導くためのミラーが設けられて光学セルが構成され、この光学セルが複数互いに隣接して設けられる光学セル構造体と、
選択された光学セルに光を照射する光源と、
光源からの光は透過し光学セルの光応答性物質からの光は反射するフィルターと、
フィルターで反射した、光学セルの光応答性物質からの光を検知する光検知器を備え、
光源からの励起光により、特定の光学セルに隣接する複数の選択された光学セル内の光応答性物質を発光させ、
発光した光から隔壁の光導波路と光共振器を備えたフォトニック結晶により選択した特定波長の光と、ミラーにより反射した励起光を特定の光学セルの光応答性物質に照射し、その光応答性物質を発光させ、
その発光した光をフィルターで反射させて、光検知器で検知して動作信号を光源に送り、
検知した光が発せられた光学セルの光応答性物質に光源より光を照射し、
この一連の光及び電気信号による伝達及び処理を繰り返すことで、高速の並列演算を行うことを特徴とする光並列演算装置。
【請求項２】
光応答性物質がレーザー色素であることを特徴とする請求項１に記載の光並列演算装置。
【請求項３】
各光学セルの形状が平面視正方形状であり、底部の形状が四角錐状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光並列演算装置。
【請求項４】
各光学セルの形状が平面視正三角形状であり、底部の形状が三角錐状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光並列演算装置。
【請求項５】
各光学セルの形状が平面視正六角形状であり、底部の形状が六角錐状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光並列演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアナログ演算の並列化によりアナログ演算の高速化を行うための光並列演算装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報処理装置の高速化の要求に伴い、演算処理の並列化が要求されている。このため、デジタル演算処理回路が複数組み込まれた並列演算装置が提供されているが、アナログ情報に関しては個々の信号を毎回デジタル信号に変換した後に並列デジタル演算を行わなければならない。そのために、演算処理の高速化には複数のアナログ信号をアナログのまま一度に演算できる演算装置が必要になってくる。
【０００３】
従来のアナログ演算素子において、単一の回路のものはオペアンプのような従来の半導体素子を用い、複数の回路では、まずアナログ信号をデジタル信号に変換して、その後、複数のデジタル信号を演算処理していた。そのため、複数のアナログ信号のアナログ演算を並列に行うには、入力回路数と同数のアナログ−デジタル変換回路が必要となってしまう。しかも、回路数が多くなればなるほど複数のアナログ−デジタル変換回路同士の同期を取ることが難しくなるといった問題も生じてしまう。
【０００４】
一方、光を用いて演算を行う素子が提案されている。図１０に従来の光演算装置の要部構成を模式的に断面図で示す。この光演算素子は、二次元配列した複数の光学セル５１を備え、それぞれの光学セル５１は隔壁５２と底部５３よりなる区画に光の情報を受けたときに応答する光応答性物質５４を収容している。各光学セル５１には演算光照射装置５５により所定波長の光５６が照射し、光５６が照射された光学セル５１内の光応答性物質５４は光応答性を示し、その状態を検出することにより、演算が行われるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような従来の光演算素子は、演算の並列化を行う場合、それぞれ独立した光学セル５１によって行われており、並列演算中は隣接した光学セル５１同士の間での情報の遣り取りは行われていない。もし、隣り合った光学セル５１同士の演算が必要な場合には、並列演算を一旦止めて、光学セル５１同士の演算を行い、その後、並列演算を再開するといった作業を行っていた。
【０００６】
従って、光学セル５１間の情報の遣り取りが多くなればなるほど、複数の光学セル５１による並列演算の演算速度が低下してしまうといった問題を生じていた。並列演算には、並列演算を行う前処理にデータの並び替え等の処理が必要なため、場合によっては単独の光学セル５１による演算の方が早くなるといった問題も生じてしまう。
【０００７】
また、本発明者らは、最近、複数のアナログ情報を二次元に展開することで、画像情報として一度に演算を行う並列アナログ演算装置（図１１）を提案した（特願２００６−２５７８７７）。この並列アナログ演算装置は、入力、出力、演算を画像処理の形で処理しており、多量のアナログ情報の演算が並列にかつ迅速に実行できるようになる。
【０００８】
しかし、この技術においては、入力時には複数回路のアナログデータを画像情報に展開し、出力時には画像情報からアナログデータへ変換しているため、入出力時のデータ処理に時間がかかり、この点にさらに改善の余地があり、さらなる並列演算の高速化が期待されている。
【非特許文献１】松重和美、田中一義、“分子ナノテクノロジー”、化学同人、p.152-153 (2002)
【非特許文献２】G. T. Kovacs, N. I. Maluf and K. E. Peterson, “Bulk Micromachining of Silicon”, Proceedings of the IEEE, vol.86, No.8, 1536 (1998)
【非特許文献３】F. Bos, Appl. Optics, Vol.20, No.20, 3553 (1981)
【非特許文献４】フォトニック結晶におけるレーザー発振Ｉ，II、大高一雄、植田毅、迫田和彰、第５４回日本物理学会要旨集
【非特許文献５】山口陽子、数理科学、408、サイエンス社、p.23 (1997)
【非特許文献６】John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, Joshua N. Winn, 訳者：藤井  壽崇、井上  光輝、“フォトニック結晶”、コロナ社、 p.68-69
【非特許文献７】吉野  勝美、武田  寛之、“フォトニック結晶の基礎と応用”コロナ社、p.64
【非特許文献８】Yoshihiko Akahane et al. “High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photo crystal”, Nature, 425, 944-947 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、入出力時にかかる時間をできるだけ短縮し、より高速なアナログ並列演算を行うことができる光並列演算装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、第１には、上部に光の入射部を有するとともに、隔壁と底部で区画化された空間に、光の情報を受けたときに応答する光応答性物質を収容し、隔壁の上寄り部分は特定波長の光のみを選択的に透過させるフォトニック結晶からなるとともに内部に光導波路と光共振器が形成され、底部には上方から入射した光を反射して隔壁の下寄り部分を介して隣接した光学セルに導くためのミラーが設けられて光学セルが構成され、この光学セルが複数互いに隣接して設けられる光学セル構造体と、選択された光学セルに光を照射する光源と、光源からの光は透過し光学セルの光応答性物質からの光は反射するフィルターと、フィルターで反射した、光学セルの光応答性物質からの光を検知する光検知器を備え、光源からの励起光により、特定の光学セルに隣接する複数の選択された光学セル内の光応答性物質を発光させ、発光した光から隔壁のフォトニック結晶内部の光共振器により選択した特定波長の光と、ミラーにより反射した励起光を特定の光学セルの光応答性物質に照射し、その光応答性物質を発光させ、その発光した光をフィルターで反射させて、光検知器で検知して動作信号を光源に送り、検知した光が発せられた光学セルの光応答性物質に光源より光を照射し、この一連の光及び電気信号による伝達及び処理を繰り返すことで、高速の並列演算を行うことを特徴とする光並列演算装置を提供する。
【００１１】
第２には、上記第１の発明において、光応答性物質がレーザー色素であることを特徴とする光並列演算装置を提供する。
【００１２】
第３には、上記第１又は第２の発明において、各光学セルの形状が平面視正方形状であり、底部の形状が四角錐状であることを特徴とする光並列演算装置を提供する。
【００１３】
第４には、上記第１又は第２の発明において、各光学セルの形状が平面視正三角形状であり、底部の形状が三角錐状であることを特徴とする光並列演算装置を提供する。
【００１４】
第５には、上記第１又は第２の発明において、各光学セルの形状が平面視正六角形状であり、底部の形状が六角錐状であることを特徴とする光並列演算装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、隣接する複数の光学セル内の光応答性物質からの光により対象となる光学セル内の光応答性物質の発光、光検知器と光源の作動を、光と電気信号を組み合わせて用いることで、入出力時にかかる時間を大幅に低減し、装置内のみで演算を行うことが可能となり、より高連に並列演算を行うための光並列演算装置を実現でき、係るアナログ光並列演算装置の性能向上に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の光並列演算装置の構成を模式的に示す断面図、図２は、前記光並列演算装置の原理説明図である。ここでは３つの光学セルを設けたものが示されているが、これは単なる例示のためであり、実際には所要数の光学セルを二次元的に配列させたものとすることができる。
【００１８】
光学セル１１は、マイクロマシーン技術等により加工された隔壁１２と底部１３で区画化された空間を有し、その空間に光の情報を受けたときに応答する光応答性物質１４が収容されている。隔壁１２は上寄りの部分が特定波長の光を選択的に透過させる光導波路１２ａ１と光共振器１２ａ２を内部に備えたフォトニック結晶１２ａで作られおり、下寄りの部分はミラー１５で反射された励起光を透過させる光透過部１２ｂとなっている。また、底部１３は断面が三角形状となっており、その２辺に相当する部分に図示のようにミラー１５が形成されている。このミラー１５は隣接する光学セル１１と光源１６からの励起光を反射させ、隔壁１２の光透過部１２ｂを介して隣接する光学セル１１に励起光を導くために設けられている。光学セル１１の上側は開口するように記載されているが、装置化にあたっては光応答性物質１４を密閉した構造とする。この密閉化は、光透過性材料でふたをする方法で行ってもよく、カプセル化してもよい。透明部材で封止するようにしてもよい。光学セル１１内の光応答性物質１４は上側から光の照射が行えるようになっている。なお、ここで上側とは、図面に示してある方向を指し、実際の使用にあたっては任意の方向を向いていてよい。
【００１９】
光学セル１１の材料としては、石英、シリコン、窒化シリコン、透明アルミナ、ガラス等の材料で光透過性を有するものを用いることができる。隔壁１２の上寄りの部分は光導波路１２ａ１と光共振器１２ａ２を内部に備えたフォトニック結晶１２ａで構成されるが、例えば光学セル１１の基礎材料である石英、シリコン等の材料を用いてフォトニック結晶１２ａにしたものを用いてもよいし、二酸化シリコン等の材料を用いてもよい。光応答性物質１４には光源１６からの励起光による光の情報を受けたときに基底状態から励起状態に励起した後発光しながら基底状態に失活する材料を用いることができる。このような材料としては、例えばBenzoic Acid, 2-[6-(ethyl amino)-3-(ethylimino)-2,7-dimethyl-3H-xanthen-9-yl]-ethyl ester, monohydrochloride (以下、Rhodamine6Gと略す。)、3-(2'-Benzothiazolyl)-7-diethylaminocoumarin（以下、Coumarin6と略す。）のようなレーザー色素が好ましく使用できる。これらの色素はメタノール、エタノール、ジメチルスルホキシド等の溶媒に溶解させて使用する。この光応答性物質１４は光の照射により分子の電子状態が変化して、光応答性を示すものである。また、ミラー１５の材料としては、例えば金、アルミニウムなどの金属膜や、誘電膜等を用いることができる。以上が光学セル構造体の説明である。
【００２０】
ここで、隔壁１２を構成するフォトニック結晶内に設けられる光導波路１２a１と光共振器１２a２について述べる。フォトニック結晶の例として、例えば誘電率が１３と大きいＧａＡｓに周期的に穴を開けた構造において、この構造の穴の中では誘電率が１（空気）となり、図５（John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, Joshua N. Winn, 訳者：藤井  壽崇、井上  光輝、“フォトニック結晶”、コロナ社、 p.68-69）に示すように誘電率の異なる物質を周期的に並べた構造を挙げることができる。このような構造をフォトニック結晶といい、構造内では、光が透過できない光のバンドギャップと呼ばれる領域が発生する。しかも、この光のバンドギャップの値、すなわち透過できない光の波長はフォトニック結晶の穴の間隔に対応している。この構造のままであると、ただの光の反射壁にしかならないが、周期構造内の一部の構造を変えることで、光導波路（図６：吉野  勝美、武田  寛之、“フォトニック結晶の基礎と応用”コロナ社、p.64）や光共振器（図７：Yoshihiko Akahane et al. “High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photo crystal”, Nature, 425, 944-947 (2003)）を形成することができる。光導波路は、図６に示すように光の通り道に対応した部分の穴を開けずにおくと、その部分が光の導波路になる。また、図７のように両端にフォトニック結晶の構造の一部を残しておくと、その周期性のない部分で光の共振が起こる。光の共振波長（共振周波数）は図７のグラフのように周期性のない部分の大きさ及び構造に反映している。
【００２１】
フォトニック結晶を図８に模式的に示す。
【００２２】
図９は本発明の実施例に係る光並列演算素子の隔壁を構成するフォトニック結晶を模式的に示す平面図と光学セルの構成を模式的に示す断面図である。
【００２３】
本発明では、選択された光学セル１１の光応答性物質１４に光照射するための光源１６を設ける。この光源１６としては、例えばＧａＮの半導体レーザーアレイ等を用いることができる。また、光源１６と光学セル構造体との間、及び、光源１６と光検知器１８との間には、光源１６からの励起光は透過させるが、光学セル１１の光応答性物質１４からの光は反射させるフィルター１７を設ける。このフィルター１７としては、公知のバンドパスフィルターを用いることができる。光検知器１８で検知した結果に基づいて光源１６に動作信号が伝送される。
【００２４】
演算動作について図１及び図２を参照しながら述べると、まず図２に示すように、ある波長の励起光を光源１６から光学セルＡ、Ｃ（１１）に入れた光応答性物質１４に同時照射する。この時、光学セルＡ、Ｃ（１１）に入射した光の一部はミラー１５を反射し、隔壁１２の光透過部１２ｂを介して隣接する特定光学セルＢ（１１）に照射される。同時に、これらの励起光は、光学セルＡ、Ｃ（１１）内の光応答性物質１４を一旦励起させる。これにより、光学セルＡ、Ｃ（１１）内の光応答性物質１４は発光しながら失活する。発光したこれらの光から特定波長の光を隔壁１２の光導波路１２ａ１と光共振器１２ａ２を内部に備えたフォトニック結晶１２ａにより選択して特定光学セルＢ（１１）に照射する。この特定波長の光と前記励起光を同時に受けた光学セルＢ（１１）内の光応答性物質１４は、特定波長の光による誘導放出でレーザー発振を起こし、その光はフィルター１７で反射され、光検知器１８により検知される。この光を検知した光検知器１８は動作信号を光源１６に送り、光源１６は光学セルＢ（１１）内の光応答性物質１４に対し励起光を照射する。なお、１つの光学セル１１のみからの特定波長からの光と励起光では、誘導放出を起こすだけの光量とならないように設定し、この場合、レーザー発振は行わせない。これらの一連の動作を繰り返すことにより高速に光並列演算を行うことができる。この光並列演算は、光の強度に応じた演算結果となるため、アナログ演算を実現できる。
【００２５】
従って、これらの動作は、外部の計算機を必要としないため、高速なアナログ並列演算が可能になる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００２７】
図３は本発明の実施例に係る光並列演算装置の構成を模式的に示す図、図４は前記光並列演算装置の原理説明図である。図３の光並列演算装置は９つの光学セル２１を有しているが、これは単なる例示のためであり、実際には所要数の光学セルを二次元配列させたものとすることができる。
【００２８】
光学セル２１はベースがシリコンよりなり、半導体微細加工により加工した隔壁２２と底部２３で区画化された空間を有し、その空間に光の情報を受けたときに応答するRhodamine6G（２４）のメタノール溶液を収容させた。隔壁２２は二酸化シリコンで構成し、上寄りの部分が波長５５６ｎｍの光を選択的に透過させるために２７８ｎｍの間隔で穴を開け、光導波路２２ａ１の部分は穴を開けずにおき、そして光導波路２２ａ１の両側に穴を開け光共振器２２ａ２を設けることで、光導波路２２ａ１と光共振器２２ａ２を内部に備えたフォトニック結晶２２ａとした。下寄りの部分は金薄膜を蒸着させたミラー２５で反射された励起光を透過させる光透過部２２ｂとした。また、底部２３は断面が三角形状とし、その２辺に相当する部分に図示のように前記金薄膜よりなるミラー２５を形成した。このミラー２５は隣接する光学セル２１と光源２６からの励起光を反射させ、隔壁２２の光透過部２２ｂを介して隣接する光学セル２１に励起光を導くようにした。光源２６としては、波長３０８ｎｍの励起光を出射するGａＮの半導体レーザーアレイを用い、フィルター２７としては、光源２６からの光は透過し、波長５００ｎｍ以下の光を反射するバンドバスフィルターを用いた。光検知器２８としては、フォトダイオードアレイを用い、特定の光学セル２１のRhodamine6G（２４）からの光を受けて、光源２６に動作信号を送るようにした。
【００２９】
図３と、図４の原理説明図を用いて、この光並列演算装置の動作について説明する。図４に示すように、半導体レーザーアレイ２６から波長３０８ｎｍの励起光を光学セルＡ、Ｃ（２１）に同時に照射した。このとき、光学セルＡ、Ｃ（２１）に照射した励起光の一部はミラー２５により光透過部２２ｂを介して隣接する光学セルＢ（２１）に導かれた。同時に、これらの残りの励起光は光学セルＡ、Ｃ（２１）内のRhodamine6G（２４）を一旦励起させた。これにより、Rhodamine6G（２４）は発光しながら失活した。発光したこれらの光から５５６ｎｍの光を隔壁２２の光導波路２２ａ１と光共振器２２ａ２を内部に備えたフォトニック結晶２２aにより選択して光学セルＢ（２１）に導いた。この５５６ｎｍの光と波長３０８ｎｍの励起光を同時に受けた光学セルＢ（２１）内のRhodamine6G（２４）は、波長５５６ｎｍの光による誘導放出でレーザー発振を起こし、その放出光はバンドバスフィルター２７で反射され、フォトダイオードアレイ２８により検知された。この光を受けたフォトダイオードアレイ２８は半導体レーザーアレイ２６に動作信号を送り、半導体レーザーアレイ２６は光を発した光学セルＢ（２１）に励起光を照射した。これらの一連の動作を繰り返すことでアナログ並列演算を行った。なお、１つの光学セル２１のみからの特定波長からの光と励起光では、誘導放出を起こすだけの光量とならないように設定し、レーザー発振は行わせないようにした。これらの一連の動作を繰り返すことにより高速に光並列演算を行うことができた。従って、これらの動作は、外部の計算機を必要としないため、高速なアナログ並列演算が可能になる。
【００３０】
以上、本発明を実施形態及び実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。
【００３１】
例えば、上記では、各光学セルの形状が平面視正方形状であり、底部の形状が四角錐状である場合を例に述べたが、各光学セルは、その形状が平面視正三角形状であり、底部の形状が三角錐状であるものとして、これらを細密に配置してもよく、また、その形状を平面視正六角形状とし、底部の形状が六角錐状として、これらを蜂の巣状に配置してもよい。これらは、各光学セルの形成にマイクロマシーン技術を使用した場合、リソグラフィーのマスクのパターンを変えるだけで作製することができる。
【００３２】
また、本発明では、各光学セルの底部の形状は上部が平らとなっていてもよい。
【００３３】
本発明は、隣接する光学セルへの情報の加算が可能であることから、拡散現象の計算や、画像処理等のための演算等への利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の光並列演算装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の光並列演算装置の原理説明図である。
【図３】本発明の実施例に係る光並列演算素子の構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施例に係る光並列演算素子の原理説明図である。
【図５】フォトニック結晶の説明図である。
【図６】フォトニック結晶に形成された光導波路の説明図である。
【図７】フォトニック結晶に形成された光共振器の説明図である。
【図８】フォトニック結晶の模式図である。
【図９】本発明の実施例に係る光並列演算素子の隔壁を構成するフォトニック結晶を模式的に示す平面図と光学セルの構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】従来の光演算素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明者らが先に提案した並列アナログ演算装置を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１、２１    光学セル
１２、２２    隔壁
１２ａ、２２ａ    フォトニック結晶
１２ａ１、２２ａ１    光導波路
１２ａ２、２２ａ２    光共振器
１２ｂ、２２ｂ    光透過部
１３、２３    底部
１４、２４    光応答性物質（Rohdamine6G)
１５、２５    ミラー
１６、２６    光源
１７、２７    フィルター
２８、２９    光検知器
【図２】
0004904220.tif 000002
【図４】
0004904220.tif 000003
【図１】
0004904220.tif 000004
【図３】
0004904220.tif 000005
【図５】
0004904220.tif 000006
【図６】
0004904220.tif 000007
【図７】
0004904220.tif 000008
【図８】
0004904220.tif 000009
【図９】
0004904220.tif 000010
【図１０】
0004904220.tif 000011
【図１１】
0004904220.tif 000012