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公開番号2025088333
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-11
出願番号2023202977
出願日2023-11-30
発明の名称光演算装置
出願人学校法人立命館
代理人個人,個人
主分類G02F 3/00 20060101AFI20250604BHJP(光学)
要約【課題】多ビットの入力光信号の排他的論理和を演算する。
【解決手段】分岐器11-1～11-4は、入力光信号を分割して第1及び第2の中間光信号を生成する。中間導波路31-1～31-4は、第1の中間光信号を伝送してスターカプラ13-1に入力する。移相器12-1,12-2は、中間導波路31-1,31-2を介して伝送される中間光信号の位相を変化させる。出力導波路33-1,33-2は、スターカプラ13-1の出力光信号を伝送する。中間導波路32-1～32-4は、第2の中間光信号を伝送してスターカプラ13-2に入力する。移相器12-3,12-4は、中間導波路32-1,32-4を介して伝送される中間光信号の位相を変化させる。出力導波路34-1,34-2は、スターカプラ13-2の出力光信号を伝送する。出力回路20は、出力光信号の論理積を演算することで、入力光信号の排他的論理和を演算する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
Ｎ個（Ｎは２のべき乗かつ４以上の整数）の入力ポート及びＮ個の出力ポートをそれぞれ有する第１及び第２のスターカプラと、
Ｎ個の入力光信号をそれぞれ伝送するＮ個の入力導波路と、
前記Ｎ個の入力光信号のそれぞれを第１及び第２の中間光信号に分割することにより、Ｎ個の第１の中間光信号と、Ｎ個の第２の中間光信号とを生成するＮ個の分岐器と、
前記Ｎ個の第１の中間光信号をそれぞれ伝送して前記第１のスターカプラのＮ個の入力ポートにそれぞれ入力するＮ個の第１の中間導波路と、
前記第１の中間導波路のうちのＮ／２個にそれぞれ挿入され、前記Ｎ／２個の第１の中間導波路を介して伝送される第１の中間光信号の位相を１８０度変化させるＮ／２個の第１の移相器と、
前記第１のスターカプラの２つの出力ポートから出力される２つの第１の出力光信号をそれぞれ伝送する２つの第１の出力導波路と、
前記Ｎ個の第２の中間光信号をそれぞれ伝送して前記第２のスターカプラのＮ個の入力ポートにそれぞれ入力するＮ個の第２の中間導波路と、
前記第２の中間導波路のうちのＮ／２個にそれぞれ挿入され、前記Ｎ／２個の第２の中間導波路を介して伝送される第２の中間光信号の位相を１８０度変化させるＮ／２個の第２の移相器と、
前記第２のスターカプラの２つの出力ポートから出力される２つの第２の出力光信号をそれぞれ伝送する２つの第２の出力導波路と、
前記２つの第１の出力光信号及び前記２つの第２の出力光信号の論理積を演算することにより、前記Ｎ個の入力光信号の排他的論理和を演算して出力する出力回路とを備え、
前記第１及び第２の移相器は、前記分岐器のうちのＮ／２個によって分割された第１及び第２の中間光信号が互いに異なる移相量を有するように、前記第１及び第２の中間導波路に挿入される、
光演算装置。
続きを表示（約 3,000 文字）【請求項２】
前記第１及び第２のスターカプラのそれぞれは、
第１の点を中心としかつ所定半径を有する円弧上に沿って形成された入射面と、
前記入射面上における第２の点を中心としかつ前記所定半径を有する円弧に沿って形成された出射面とを有し、
前記Ｎ個の入力ポートのうちの第１～第Ｎの入力ポートは、前記入射面において順に配置され、
前記Ｎ個の出力ポートのうちの第１～第Ｎの出力ポートは、前記出射面において、前記第１～第Ｎの入力ポートにそれぞれ対応して、かつ、前記第１及び第２の点の中点に関して前記第１～第Ｎの入力ポートに対して対称な位置に順に配置され、
前記Ｎ個の入力ポート及び前記Ｎ個の出力ポートの位置は、前記第１又は第２のスターカプラにおいて前記所定半径に等しい距離にわたって光信号が伝搬するときの移相量を基準として、第ｋの入力ポートから第ｎの出力ポート（１≦ｋ≦Ｎ，１≦ｎ≦Ｎ）まで光信号が伝搬するときの相対移相量φ（ｋ，ｎ）が、
φ（ｋ，ｎ）＝（２π／Ｎ）（ｋ－（Ｎ＋１）／２）（ｎ－（Ｎ＋１）／２）
を満たすように設定され、
前記Ｎ個の入力ポートのうちの第ｋの入力ポート（１≦ｋ≦Ｎ）に入力される前記第１及び第２の中間光信号は、位相オフセットα（ｋ）＝（π／Ｎ）（Ｎ－１）（ｋ－１）を有する、
請求項１記載の光演算装置。
【請求項３】
前記Ｎ／２個の第１の移相器は、前記第１のスターカプラの第１～第Ｎの入力ポートのうち奇数番号を有する入力ポートの半数と、偶数番号を有する入力ポートの半数とに接続された、前記Ｎ／２個の第１の中間導波路にそれぞれ挿入され、
前記Ｎ／２個の第２の移相器は、前記第２のスターカプラの第１～第Ｎの入力ポートのうち奇数番号を有する入力ポートの半数と、偶数番号を有する入力ポートの半数とに接続された、前記Ｎ／２個の第２の中間導波路にそれぞれ挿入される、
請求項２記載の光演算装置。
【請求項４】
Ｎ＝４である場合、
前記第１及び第２の移相器は、
前記第１のスターカプラの第１の入力ポートに入力される第１の中間光信号が、前記第２のスターカプラの第１の入力ポートに入力される第２の中間光信号の移相量とは異なる移相量を有し、かつ、前記第１のスターカプラの第３の入力ポートに入力される第１の中間光信号が、前記第２のスターカプラの第３の入力ポートに入力される第２の中間光信号の移相量とは異なる移相量を有するように、又は、
前記第１のスターカプラの第２の入力ポートに入力される第１の中間光信号が、前記第２のスターカプラの第２の入力ポートに入力される第２の中間光信号の移相量とは異なる移相量を有し、かつ、前記第１のスターカプラの第４の入力ポートに入力される第１の中間光信号が、前記第２のスターカプラの第４の入力ポートに入力される第２の中間光信号の移相量とは異なる移相量を有するように、
前記第１及び第２の中間導波路に挿入される、
請求項３記載の光演算装置。
【請求項５】
Ｎ≧８である場合、
前記第１及び第２の移相器は、
前記第１のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量πを有し、前記第２のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量πを有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの他の１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量πを有し、前記第２のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量０を有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちのさらに他の１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量０を有し、前記第２のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量πを有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの残りの１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量０を有し、前記第２のスターカプラの奇数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量０を有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量πを有し、前記第２のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量πを有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの他の１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量πを有し、前記第２のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量０を有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちのさらに他の１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量０を有し、前記第２のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量πを有するように、かつ、
前記第１のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの残りの１／４個に入力される第１の中間光信号が移相量０を有し、前記第２のスターカプラの偶数番号を有する入力ポートのうちの対応する１／４に入力される第２の中間光信号が移相量０を有するように、
前記第１及び第２の中間導波路に挿入される、
請求項３記載の光演算装置。
【請求項６】
前記第１の出力導波路は、前記第１のスターカプラの第１の出力ポート及び第（Ｎ／２＋１）の出力ポートから出力される前記第１の出力光信号を伝送し、
前記第２の出力導波路は、前記第２のスターカプラの第１の出力ポート及び第（Ｎ／２＋１）の出力ポートから出力される前記第２の出力光信号を伝送する、
請求項２～５のうちの１つに記載の光演算装置。
【請求項７】
前記出力回路は、
前記２つの第１の出力光信号及び前記２つの第２の出力光信号を４つの電気信号にそれぞれ変換する４つの変換器と、
前記４つの電気信号の論理積を演算する論理積回路とを備える、
請求項１記載の光演算装置。
【請求項８】
４つの入力ポート及び４つの出力ポートを有するスターカプラと、
４つの入力光信号をそれぞれ伝送する４つの入力導波路と、
前記入力導波路のうちの２つにそれぞれ挿入され、前記２つの入力導波路を介して伝送される入力光信号の位相を１８０度変化させる２つの移相器と、
前記スターカプラの２つの出力ポートから出力される２つの出力光信号をそれぞれ伝送する２つの出力導波路と、
前記２つの出力光信号の論理積を演算することにより、前記４つの入力光信号の排他的論理和を演算して出力する出力回路とを備える、
光演算装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、光演算装置に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
情報通信の容量及びコンピュータシステムの処理量が大幅に増大し、機能に対する要求も高度化し続けている。このような状況で、シリコン集積回路を基盤とした従来のコンピューティング技術は、半導体の微細化の限界に伴い、処理速度及び消費電力の面で限界が見え始めている。
【０００３】
フォトニックコンピューティングは、干渉性、広帯域性、多重性、量子性など、光の優れた特性から、従来のコンピューティング技術の代替となる新たなコンピューティング技術の有力な候補である。
【０００４】
例えば、特許文献１は、スラブ型スターカプラを備えた光直交周波数分割多重信号分離回路を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第５４００００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のフォトニックコンピューティング技術によれば、光演算回路は２ビットずつ演算する。より多数のビットを処理するためには光演算回路の多段接続が必要であるが、接続されるデバイスの個数が増大するにつれて、サイズ、遅延時間、及び消費電力が増大する。このため、サイズ、遅延時間、及び消費電力の過度な増大をもたらすことなく多ビットを処理することが求める。
【０００７】
本開示の目的は、サイズ、遅延時間、及び消費電力の過度な増大をもたらすことなく、多ビットの入力光信号の排他的論理和を演算することができる光演算装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の第１の態様に係る光演算装置は、
Ｎ個（Ｎは２のべき乗かつ４以上の整数）の入力ポート及びＮ個の出力ポートをそれぞれ有する第１及び第２のスターカプラと、
Ｎ個の入力光信号をそれぞれ伝送するＮ個の入力導波路と、
前記Ｎ個の入力光信号のそれぞれを第１及び第２の中間光信号に分割することにより、Ｎ個の第１の中間光信号と、Ｎ個の第２の中間光信号とを生成するＮ個の分岐器と、
前記Ｎ個の第１の中間光信号をそれぞれ伝送して前記第１のスターカプラのＮ個の入力ポートにそれぞれ入力するＮ個の第１の中間導波路と、
前記第１の中間導波路のうちのＮ／２個にそれぞれ挿入され、前記Ｎ／２個の第１の中間導波路を介して伝送される第１の中間光信号の位相を１８０度変化させるＮ／２個の第１の移相器と、
前記第１のスターカプラの２つの出力ポートから出力される２つの第１の出力光信号をそれぞれ伝送する２つの第１の出力導波路と、
前記Ｎ個の第２の中間光信号をそれぞれ伝送して前記第２のスターカプラのＮ個の入力ポートにそれぞれ入力するＮ個の第２の中間導波路と、
前記第２の中間導波路のうちのＮ／２個にそれぞれ挿入され、前記Ｎ／２個の第２の中間導波路を介して伝送される第２の中間光信号の位相を１８０度変化させるＮ／２個の第２の移相器と、
前記第２のスターカプラの２つの出力ポートから出力される２つの第２の出力光信号をそれぞれ伝送する２つの第２の出力導波路と、
前記２つの第１の出力光信号及び前記２つの第２の出力光信号の論理積を演算することにより、前記Ｎ個の入力光信号の排他的論理和を演算して出力する出力回路とを備え、
前記第１及び第２の移相器は、前記分岐器のうちのＮ／２個によって分割された第１及び第２の中間光信号が互いに異なる移相量を有するように、前記第１及び第２の中間導波路に挿入される。
【０００９】
本開示の第２の態様に係る光演算装置によれば、第１の態様に係る光演算装置において、
前記第１及び第２のスターカプラのそれぞれは、
第１の点を中心としかつ所定半径を有する円弧上に沿って形成された入射面と、
前記入射面上における第２の点を中心としかつ前記所定半径を有する円弧に沿って形成された出射面とを有し、
前記Ｎ個の入力ポートのうちの第１～第Ｎの入力ポートは、前記入射面において順に配置され、
前記Ｎ個の出力ポートのうちの第１～第Ｎの出力ポートは、前記出射面において、前記第１～第Ｎの入力ポートにそれぞれ対応して、かつ、前記第１及び第２の点の中点に関して前記第１～第Ｎの入力ポートに対して対称な位置に順に配置され、
前記Ｎ個の入力ポート及び前記Ｎ個の出力ポートの位置は、前記第１又は第２のスターカプラにおいて前記所定半径に等しい距離にわたって光信号が伝搬するときの移相量を基準として、第ｋの入力ポートから第ｎの出力ポート（１≦ｋ≦Ｎ，１≦ｎ≦Ｎ）まで光信号が伝搬するときの相対移相量φ（ｋ，ｎ）が、
φ（ｋ，ｎ）＝（２π／Ｎ）（ｋ－（Ｎ＋１）／２）（ｎ－（Ｎ＋１）／２）
を満たすように設定され、
前記Ｎ個の入力ポートのうちの第ｋの入力ポート（１≦ｋ≦Ｎ）に入力される前記第１及び第２の中間光信号は、位相オフセットα（ｋ）＝（π／Ｎ）（Ｎ－１）（ｋ－１）を有する。
【００１０】
本開示の第３の態様に係る光演算装置によれば、第２の態様に係る光演算装置において、
前記Ｎ／２個の第１の移相器は、前記第１のスターカプラの第１～第Ｎの入力ポートのうち奇数番号を有する入力ポートの半数と、偶数番号を有する入力ポートの半数とに接続された、前記Ｎ／２個の第１の中間導波路にそれぞれ挿入され、
前記Ｎ／２個の第２の移相器は、前記第２のスターカプラの第１～第Ｎの入力ポートのうち奇数番号を有する入力ポートの半数と、偶数番号を有する入力ポートの半数とに接続された、前記Ｎ／２個の第２の中間導波路にそれぞれ挿入される。
（【００１１】以降は省略されています）

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