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JP6860166B2 - Optical calculator - Google Patents
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、光電融合型の演算回路から構成された光演算器に関する。 The present invention relates to an optical arithmetic unit composed of a photoelectric fusion type arithmetic circuit.

現在の電子演算回路は、演算の処理速度を向上させるため、チップサイズや素子サイズを極限まで小さくする工夫がなされている。これは、回路内の抵抗(R)とキャパシタンス(C)が、信号の伝搬を大きく律速しているため、演算速度を上げるには、チップサイズや素子サイズを小さくするしかないためである。このため、狭面積の論理ブロックやコアに素子を詰め込み、マルチコア・メニーコア化などの工夫がなされているが、これらをつなぐための配線が新たな「遅延」を生み、演算の高速化に限界が見えつつある。 Current electronic arithmetic circuits have been devised to reduce the chip size and element size to the utmost limit in order to improve the processing speed of arithmetic operations. This is because the resistance (R) and the capacitance (C) in the circuit greatly control the signal propagation, and therefore, the only way to increase the calculation speed is to reduce the chip size and the element size. For this reason, elements have been packed into narrow-area logic blocks and cores, and devised such as multi-core and many-core, but the wiring for connecting these creates a new "delay", and there is a limit to speeding up operations. I'm seeing it.

一方、光通信などで用いられる光配線や光パスゲートは、この配線経路内のCやRに無依存で光信号を伝播させることができる。また、ナノフォトニクスの進展により、光ゲートの消費エネルギーは飛躍的に改善され、このエネルギーコスト[J/bit]は、CMOSゲートと光パスゲートとで同程度のレベルになりつつある。このため、チップ内やチップ間の通信を光化する様々な研究がなされている。 On the other hand, optical wiring and optical path gates used in optical communication and the like can propagate optical signals independently of C and R in the wiring path. In addition, with the progress of nanophotonics, the energy consumption of optical gates has been dramatically improved, and this energy cost [J / bit] is becoming the same level for CMOS gates and optical path gates. For this reason, various studies have been conducted to make communication within and between chips optical.

ここで、光ゲートの電気制御ポート側から信号入力する接続形態をカスケード接続、スイッチの光伝搬経路が連続的に接続されている形態をシリアル接続と定義する。例えばシリアル接続とカスケード接続が混在した光電融合型の回路を想定した場合、カスケード接続の部分が光と電気の境界となる。この境界において、回路中を伝搬する光信号は一度電気に変換(OE変換)されることになる。この変換は、電気回路に律速されるため、OE変換の多用される回路は、光を使うことのメリットが小さい。このため、光と電気の境界、つまりカスケード接続の配置場所と数が、回路構成の重要なポイントとなる。 Here, a connection form in which a signal is input from the electric control port side of the optical gate is defined as a cascade connection, and a form in which the optical propagation path of the switch is continuously connected is defined as a serial connection. For example, in the case of a photoelectric fusion type circuit in which serial connection and cascade connection are mixed, the cascade connection portion is the boundary between light and electricity. At this boundary, the optical signal propagating in the circuit is once converted into electricity (OE conversion). Since this conversion is rate-determined by an electric circuit, a circuit in which OE conversion is frequently used has little merit of using light. Therefore, the boundary between light and electricity, that is, the location and number of cascade connections, is an important point in the circuit configuration.

ここでN入力のAND回路を例に取り上げる。CMOS回路の場合、シリアルに接続されたパスブロックゲートでS入力素子を構成し、これを 段のツリー状にカスケード接続することで、N入力関数を構成する。この場合、N入力関数の遅延時間は下記の式となる。 Here, an N-input AND circuit will be taken as an example. In the case of a CMOS circuit, an S input element is configured by a path block gate connected serially, and an N input function is constructed by cascading the S input elements in a tree-like manner. In this case, the delay time of the N input function is as follows.

Figure 0006860166
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この場合、シリアル接続部の電気信号伝播遅延は、ゲート数分の抵抗とキャパシタンスの影響を受けるため、シリアル接続の段数Sの2乗に比例して大きくなってしまう問題がある。これを解消するために動作電圧を上げると、消費電力も上がってしまうため、CMOS回路のSはせいぜい2にとどまっている。また小さなSを用いるには、カスケード段数Mを増加させる必要があり、結果的にN入力関数の遅延を増加させる問題がある。 In this case, since the electric signal propagation delay of the serial connection portion is affected by the resistance and the capacitance corresponding to the number of gates, there is a problem that it increases in proportion to the square of the number of stages S of the serial connection. If the operating voltage is increased to solve this problem, the power consumption also increases, so the S of the CMOS circuit is limited to 2 at most. Further, in order to use a small S, it is necessary to increase the number of cascade stages M, and as a result, there is a problem that the delay of the N input function is increased.

光回路の場合、シリアル接続のみで遅延の小さな演算が可能であることが知られている(非特許文献1,2)。これは、シリアル部分の光信号伝播遅延は、ゲートの長さにのみ依存する、つまり、遅延はSに比例する特徴を持ち、上述した電気信号伝播遅延の問題を緩和することが可能となるためである。 In the case of an optical circuit, it is known that an operation with a small delay can be performed only by serial connection (Non-Patent Documents 1 and 2). This is because the optical signal propagation delay of the serial part depends only on the length of the gate, that is, the delay has a characteristic that it is proportional to S, and it is possible to alleviate the problem of the electric signal propagation delay described above. Is.

J. Hardy et al., "Optics inspired logic architecture", Optics Express, vol. 15, no. 1, pp. 150-165, 2007.J. Hardy et al., "Optics inspired logic architecture", Optics Express, vol. 15, no. 1, pp. 150-165, 2007. 浅井哲也 他、「二分決定グラフにもとづくフォトニック結晶集積デバイス」、2000年電子情報通信学会総合大会講演論文集、 386−387頁、2000年。Tetsuya Asai et al., "Photonic Crystal Integrated Device Based on Binary Determining Graph", Proceedings of the 2000 IEICE General Conference, pp. 386-387, 2000. Q. Xu et al., "Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches", Optics Express, vol. 19, no. 6, pp. 5244-5259, 2011.Q. Xu et al., "Reconfigurable optical directed-logic circuits using microresonator-based optical switches", Optics Express, vol. 19, no. 6, pp. 5244-5259, 2011. 石原亨 他、「光パスゲート論理に基づく並列加算回路の提案と光電混載回路シミュレータによる動作検証」、信学技報、 vol. 116, no. 94, pp. 109−114頁、2016年。Toru Ishihara et al., "Proposal of parallel adder circuit based on optical passgate logic and operation verification by photoelectric mixed circuit simulator", Shingaku Giho, vol. 116, no. 94, pp. 109-114, 2016.

しかしながら、光強度ロスもSに比例するため、電気よりも大きなSを取り扱うことは可能であるが、あまりに大きなSを取り扱う場合は、信号劣化の対策が必要となる。 However, since the light intensity loss is also proportional to S, it is possible to handle S larger than electricity, but when handling too large S, it is necessary to take measures against signal deterioration.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高速に光演算ができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable faster optical calculation.

本発明に係る光演算器は、入力信号に対して1つの光信号を出力するS個(Sは2以上の自然数)の演算素子がシリアルに接続されて構成され、S個の入力信号により1つの光信号を演算出力する複数の演算部を備え、複数の演算部は、カスケード接続され、前段のS個の演算部から出力された信号が、後段の1つの演算部に入力される。 The optical arithmetic unit according to the present invention is configured by serially connecting S arithmetic elements (S is a natural number of 2 or more ) that output one optical signal with respect to the input signal, and 1 by the S input signals. A plurality of arithmetic units for calculating and outputting one optical signal are provided, and the plurality of arithmetic units are cascade-connected, and signals output from the S arithmetic units in the previous stage are input to one arithmetic unit in the subsequent stage.

上記光演算器において、入力信号は、電気信号であり、複数の演算部の各々は、シリアル接続されている最終段の演算素子から出力された光信号を光電変換する変換素子を備える。 In the above optical arithmetic unit, the input signal is an electric signal, and each of the plurality of arithmetic units includes a conversion element that photoelectrically converts an optical signal output from a serially connected final stage arithmetic element.

上記光演算器において、入力信号は、光信号であり、複数の演算部の各々は、S個の演算素子から光信号が出力された場合に値1を出力し、S個の演算素子から光信号が出力された場合以外に値0を出力する変換素子を備える。 In the above optical arithmetic unit, the input signal is an optical signal, and each of the plurality of arithmetic units outputs a value 1 when an optical signal is output from the S arithmetic elements, and light is emitted from the S arithmetic elements. A conversion element that outputs a value 0 except when a signal is output is provided.

上記光演算器において、カスケード接続の段数Mおよび演算素子の個数Sは、入力信号の数Nと、演算素子における演算時間τgateと、変換素子における処理時間τOEOとから、S個の演算素子による演算遅延時間を示す(A)式が最小値となるSにより、NのM乗根をSとして、決定される。 In the optical computing element, the number S of stages M and computing devices of the cascade connection from the number N of the input signal, and operation time tau Gate in the calculation device, and the processing time tau OEO in the conversion element, S number of processing elements The calculation delay time according to (A) is determined by S having the minimum value, with the M root of N as S.

Figure 0006860166
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上記光演算器において、1段目の複数の演算部は、演算素子がマッハツェンダー干渉計から構成され、2段目以降の複数の演算部における演算素子は、電気信号である1つの入力信号に対して1つの光信号を出力するようにしてもよい。 In the above optical arithmetic unit, the arithmetic elements of the plurality of arithmetic units in the first stage are composed of Mach-Zehnder interferometers, and the arithmetic elements in the plurality of arithmetic units in the second and subsequent stages are one input signal which is an electric signal. On the other hand, one optical signal may be output.

以上説明したことにより、本発明によれば、より高速に光演算ができるという優れた効果が得られる。 From the above description, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that optical calculation can be performed at a higher speed.

図1は、本発明の実施の形態1における光演算器の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an optical arithmetic unit according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態1における光演算器の演算部101の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a calculation unit 101 of an optical calculator according to the first embodiment of the present invention. 図3は、AND演算を実施する演算器(演算回路)の演算遅延を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a calculation delay of a calculation unit (calculation circuit) that performs an AND operation. 図4は、本発明の実施の形態1における光演算器の一部構成を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing a partial configuration of the optical arithmetic unit according to the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態2における光演算器の演算部101の構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the arithmetic unit 101 of the optical arithmetic unit according to the second embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態3における光演算器の構成を示す構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of an optical arithmetic unit according to the third embodiment of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態4における光演算器の構成を示す構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram showing a configuration of an optical arithmetic unit according to a fourth embodiment of the present invention. 図8は、本発明における2入力2出力のXOR、XNOR演算素子と、その組み合わせによるXNOR−AND,XOR−OR演算部の構成を示す構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of a 2-input 2-output XOR and XNOR calculation element in the present invention and an XNOR-AND and XOR-OR calculation unit by the combination thereof.

以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1における光演算器について、図1を参照して説明する。この光演算器は、カスケード接続された複数の演算部101を備える。演算部101は、入力信号に対して1つの光信号を出力するS個(Sは2以上の自然数)の演算素子102がシリアルに接続されて構成されている。演算部101は、S個の入力信号により1つの光信号を演算出力する。また、前段のS個の演算部101から出力された信号が、後段の1つの演算部101に入力される。なお、図1では、S=2の場合を例示している。また、図1では、カスケード接続の段数Mが3の場合を例示している。
[Embodiment 1]
First, the optical arithmetic unit according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This optical arithmetic unit includes a plurality of arithmetic units 101 connected in cascade. The arithmetic unit 101 is configured by serially connecting S arithmetic elements 102 (S is a natural number of 2 or more ) that outputs one optical signal with respect to the input signal. The calculation unit 101 calculates and outputs one optical signal from the S input signals. Further, the signals output from the S arithmetic units 101 in the previous stage are input to one arithmetic unit 101 in the subsequent stage. Note that FIG. 1 illustrates the case of S = 2. Further, FIG. 1 illustrates a case where the number of stages M of the cascade connection is 3.

ここで、実施の形態1では、入力信号は、電気信号であり、演算部101は、シリアル接続されている最終段の演算素子102から出力された光信号を光電変換する変換素子103を備える。例えば、図2に示すように、演算部101は、光源111と、1×1光パスゲート102aと、変換素子103とから構成すればよい。2つの1×1光パスゲート102aは、シリアル接続されている。この構成において、前段の1×1光パスゲート102aへの電気制御入力をxiとし、後段の1×1光パスゲート102aへの電気制御入力をyiとする。電気制御入力が1の時のみ信号を透過させるように設定すれば、前段の1×1光パスゲート102aおよび後段の1×1光パスゲート102aの両者が透過状態になる電気信号の組み合わせ、つまり、xij=1の場合のみ光が出力されるAND演算となる。 Here, in the first embodiment, the input signal is an electric signal, and the arithmetic unit 101 includes a conversion element 103 that photoelectrically converts an optical signal output from the serially connected final-stage arithmetic element 102. For example, as shown in FIG. 2, the calculation unit 101 may be composed of a light source 111, a 1 × 1 optical pass gate 102a, and a conversion element 103. The two 1 × 1 optical pass gates 102a are serially connected. In this configuration, the electric control input to the 1 × 1 optical pass gate 102a in the first stage is x i, and the electric control input to the 1 × 1 optical pass gate 102a in the second stage is y i . If the signal is set to be transmitted only when the electric control input is 1, the combination of electric signals in which both the front 1 × 1 optical pass gate 102a and the rear 1 × 1 optical pass gate 102a are transmitted, that is, x It is an AND operation in which light is output only when i y j = 1.

本発明では、上述したように、光シリアル接続回路のカスケード接続により、光演算を、より高速化する。実施の形態1では、1×1光パスゲート102aによるシリアル接続回路からの光出力を、1×1光パスゲート102aの電気制御側に入力するため、変換素子103を用いている。この構成における演算遅延時間は、下記の式となる。 In the present invention, as described above, the optical calculation is further speeded up by the cascade connection of the optical serial connection circuit. In the first embodiment, the conversion element 103 is used in order to input the optical output from the serial connection circuit by the 1 × 1 optical pass gate 102a to the electric control side of the 1 × 1 optical pass gate 102a. The calculation delay time in this configuration is as follows.

Figure 0006860166
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ここで計算を簡単にするため、全てのシリアル段数が均一であり、全ての1×1光パスゲート102a(演算素子102)において、演算素子102中を伝搬する光の伝播時間はτgateで均一とし、全ての変換素子103におけるOE変換時間もτOEOで均一と仮定したときの、演算遅延特性をとり扱うこととする。この条件における演算遅延は、下記の(3)式で表される。 Here, in order to simplify the calculation, all the serial stages are uniform, and in all the 1 × 1 optical path gates 102a (calculation element 102), the propagation time of the light propagating in the arithmetic element 102 is uniform at τ gate. , It is assumed that the OE conversion time in all the conversion elements 103 is also uniform in τ OEO , and the calculation delay characteristic is dealt with. The calculation delay under this condition is expressed by the following equation (3).

Figure 0006860166
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電気回路においては、カスケード接続部に変換素子103を必要としないため、τOEO=0であり、シリアル段数が大きいと応答が遅くなるため、Sの値は2程度までである。一方,実施の形態1における光演算器は、シリアル接続されている演算素子102の出力を変換素子103に通す必要があり、また、2よりも大きなSを取り扱うことができる。これらの点において、電気回路と実施の形態1における光演算器の構成は大きく異なる。 In the electric circuit, since the conversion element 103 is not required for the cascade connection portion, τ OEO = 0, and the response becomes slow when the number of serial stages is large, so the value of S is up to about 2. On the other hand, the optical arithmetic unit according to the first embodiment needs to pass the output of the arithmetic element 102 serially connected to the conversion element 103, and can handle S larger than 2. In these respects, the configurations of the electric circuit and the optical arithmetic unit in the first embodiment are significantly different.

Figure 0006860166
Figure 0006860166

図3に示すように、M段のカスケードとM+1段のカスケードの遅延量がある入力数Nで逆転し、それ以上の入力数において、M段のカスケードよりも、M+1段のカスケードの遅延が小さくなる。 As shown in FIG. 3, the delay amount of the M-stage cascade and the M + 1-stage cascade is reversed at a certain input number N, and the delay of the M + 1-stage cascade is smaller than that of the M-stage cascade at a larger number of inputs. Become.

つまり、F(N0,M)=F(N0,M+1)を満足するN=N0を損益分岐点とすると、これを超える入力数においてM+1段、越えない入力数においてM段のカスケード段数を採用することにより、遅延を小さく抑えることが可能となる。またN=N0においては、M+1段のカスケード段数を採用することでより小さなSを採用し、光シリアル回路のロスの問題を解消することができる。 That is, if N = N 0 satisfying F (N 0 , M) = F (N 0 , M + 1) is set as the break-even point, the number of cascade stages of M + 1 for the number of inputs exceeding this and the number of cascade stages of M for the number of inputs not exceeding this. By adopting, it is possible to keep the delay small. Further, when N = N 0 , a smaller S can be adopted by adopting the number of cascade stages of M + 1 stages, and the problem of loss of the optical serial circuit can be solved.

次に、Nをある特定の値に固定し、S,M=logS(N)をパラメータとしたときの遅延特性に着目する。実施の形態1における光演算器では、M,Sを自然数として取り扱う必要があるが、ここでは実数範囲に拡張し、演算遅延を(4)式で表記することとする。 Next, we focus on the delay characteristics when N is fixed to a specific value and S, M = log S (N) is used as a parameter. In the optical arithmetic unit according to the first embodiment, it is necessary to treat M and S as natural numbers, but here, it is extended to the real number range and the arithmetic delay is expressed by the equation (4).

Figure 0006860166
Figure 0006860166

また、電気回路、光回路の遅延は、それぞれ(6),(7)式で表される。ここで、電気回路においては、カスケード接続部にOE変換素子が不要のためτOEO=0とし、実施の形態における光演算器と区別するためτgate=τCMOSとした。

Figure 0006860166
The delays of the electric circuit and the optical circuit are represented by the equations (6) and (7), respectively. Here, in the electric circuit, τ OEO = 0 is set because an OE conversion element is not required for the cascade connection portion, and τ gate = τ CMOS is set to distinguish it from the optical arithmetic unit in the embodiment.
Figure 0006860166

さて、(8)式右辺の最大値は下記の式で表され、それが1より小さい条件において、実施の形態1における光演算器の遅延が電気回路よりも小さくなる。 By the way, the maximum value of the right side of the equation (8) is expressed by the following equation, and under the condition that it is smaller than 1, the delay of the optical arithmetic unit in the first embodiment becomes smaller than that of the electric circuit.

Figure 0006860166
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つまり、CMOSのスイッチング時間のe1-p倍よりも小さな伝播遅延を有する光パスゲート(演算素子102)を用い、S0=ep段のシリアル接続を構成し、シリアル接続回路から出力される光信号を、応答速度がCMOSのスイッチング時間のe(p−1)倍よりも小さな光電変換素子(変換素子103)を通し、M0=logS0(N)段のカスケード接続することにより、電気回路よりも遅延の小さな光回路を構成することができる。 That is, using the light pass gate having a smaller propagation delay than e 1-p times the CMOS switching time (arithmetic element 102), constitute a serial connection of S 0 = e p stage, the light output from the serial connection circuit An electric circuit is obtained by cascading a signal through a photoelectric conversion element (conversion element 103) whose response speed is smaller than e (p-1) times the CMOS switching time and cascading M 0 = log S0 (N) stages. An optical circuit with a smaller delay can be constructed.

言い換えると、カスケード接続の段数Mおよび演算素子102の個数Sは、入力信号の数Nと、演算素子102における演算時間τgateと、変換素子103における処理時間τOEOとから、(4)式により決定することができる。 In other words, the number of stages M of the cascade connection and the number S of the arithmetic elements 102 are calculated by the equation (4) from the number N of the input signals, the arithmetic time τ gate in the arithmetic element 102, and the processing time τ OEO in the conversion element 103. Can be decided.

ここで、変換素子103の応答速度は、電気回路程度のもので充分であるが、演算素子102の伝播遅延は、CMOSの応答速度より小さくなければならない。これについては、光の伝搬速度は半導体中で100μm/ps程度であることを勘案し、素子長が1000μm以下の光パスゲート(演算素子102)をナノフォトニクスで実現することにより、この条件を達成する。 Here, the response speed of the conversion element 103 is sufficient to be about that of an electric circuit, but the propagation delay of the arithmetic element 102 must be smaller than the response speed of CMOS. Regarding this, considering that the propagation speed of light is about 100 μm / ps in a semiconductor, this condition is achieved by realizing an optical path gate (calculation element 102) having an element length of 1000 μm or less by nanophotonics. ..

さて、上述のS0,M0は実数値であるが、実際の回路においてはこれらを自然数としてとり扱う必要がある。このためこれらの値として下記の自然数S、Mを採用するものとする。 By the way, the above-mentioned S 0 and M 0 are real values, but in an actual circuit, it is necessary to treat them as natural numbers. Therefore, the following natural numbers S and M are adopted as these values.

まずカスケード段数Mは、実数値M0=logS0(N)の小数点以下を切り上げた値か切り捨てた値を採用する候補とする。実数値M0を挟む2つの自然数の間で演算遅延に最低値が現れることは(3)式より明らかである。シリアル接続段数Sは採用するMの候補を(3)式に代入することで得る。2つのSとMの候補を(3)式に代入し、F(N,M)がより小さいSとMを採用することにより、最小の演算遅延を得ることができる。 First, the number of cascade stages M is a candidate for adopting a value obtained by rounding up or rounding down the decimal point of the real value M 0 = log S0 (N). It is clear from Eq. (3) that the lowest value appears in the calculation delay between two natural numbers sandwiching the real value M 0. The number of serial connection stages S is obtained by substituting the candidate M to be adopted into the equation (3). The minimum calculation delay can be obtained by substituting the two candidates of S and M into the equation (3) and adopting S and M having a smaller F (N, M).

Figure 0006860166
Figure 0006860166

またF(N,M)の値が同じになる場合は、先に述べた理由により、M0の小数点以下を切り上げた値をMとして採用すればよい。このMの設定方法は損益分岐点N0を考慮したときの方法と同じである。 If the values of F (N, M) are the same, the value obtained by rounding up the decimal point of M 0 may be adopted as M for the reason described above. The method of setting M is the same as the method when the break-even point N 0 is taken into consideration.

さて、損益分岐点N0の存在や遅延がS0で極小値をとる特性は、演算遅延がSに比例して増加するシリアル接続部と、Sの増加とともに減少するカスケード接続部が混在することに起因するため、S,τgate,τOEOが回路内で均一ではないケースにおいても同様の傾向が現れる。 By the way, the existence of the break-even point N 0 and the characteristic that the delay takes the minimum value at S 0 are that the serial connection part whose calculation delay increases in proportion to S and the cascade connection part which decreases as S increases coexist. Therefore , the same tendency appears even in the case where S, τ gate , and τ OEO are not uniform in the circuit.

このようなケースにおいては、(2)式が最小となる自然数SをS(N,M)とし、自然数Mの値を1から徐々に増やしたときに、F(N,M)<F(N,M+1)となるときのMとS(N,M)を採用する。ただし、Sの値が許容される最大値Smax(自然数)よりも大きくなる場合は、S≦SmaxとなるまでMの値を増やすものとする。これにより、最小の遅延を得ることができる。 In such a case, when the natural number S that minimizes the equation (2) is S (N, M) and the value of the natural number M is gradually increased from 1, F (N, M) <F (N). , M + 1), and M and S (N, M) are adopted. However, if the value of S becomes larger than the maximum allowable value S max (natural number), the value of M shall be increased until S ≦ S max. This allows the minimum delay to be obtained.

以上のように、実施の形態1によれば、CMOSのスイッチング時間よりも小さな伝播遅延を有する演算素子102(例えば光パスゲート)により、電気回路では不可能な多段のシリアル接続回路により演算部101を構成し、演算素子102のシリアル接続回路から出力される光信号を変換素子103で光電変換し、後段の演算素子102に接続(入力)することにより、電気回路よりも遅延の小さな光回路を構成することができる。 As described above, according to the first embodiment, the arithmetic element 102 (for example, an optical pass gate) having a propagation delay smaller than the switching time of CMOS causes the arithmetic unit 101 to be formed by a multi-stage serial connection circuit which is impossible in an electric circuit. The optical signal output from the serial connection circuit of the arithmetic element 102 is photoelectrically converted by the conversion element 103 and connected (input) to the arithmetic element 102 in the subsequent stage to form an optical circuit having a smaller delay than the electric circuit. can do.

図3には、上述の多入力AND演算における、CMOS回路と実施の形態1における光演算器との演算遅延の比較が示されている。光回路の遅延は、τgate=0.2ps,τOEO=25psとして(3)式を用いて計算され、M=1〜3の曲線で示される。また、この場合、S0=44.7であり(4)式で表される特性曲線は、(3)式で表される曲線と、N=S0 Mにおいて接する直線となる。またCMOS回路の遅延は、τgate=10ps,τOEO=0ps,S=2として(4)式を用いて計算されている。 FIG. 3 shows a comparison of calculation delays between the CMOS circuit and the optical calculator according to the first embodiment in the above-mentioned multi-input AND operation. The delay of the optical circuit is calculated using Eq. (3) with τ gate = 0.2 ps and τ OEO = 25 ps, and is shown by a curve of M = 1-3. Further, in this case, S 0 = 44.7, and the characteristic curve represented by the equation (4) is a straight line tangent to the curve represented by the equation (3) at N = S 0 M. The delay of the CMOS circuit is calculated using Eq. (4) with τ gate = 10 ps, τ OEO = 0 ps, and S = 2.

この結果は、高々1〜2回段のカスケード接続を採用するだけで、CMOS回路よりも大幅に低遅延な演算を実現できることを示している。例えばN=1000の場合、(3)式と(5)式よりM0=1.82となり(3)式よりF(1000,1)S=1000>F(1000,2)S=32となることから、M=2とS=32を採用する。この場合、図4に示すように、32段×32段の1×1光パスゲート102aによる正方形状の回路になっており、光が入力されてからシリアル接続された1×1光パスゲート102a(演算素子102)を通過する時間は全て等しくなる。ただし、322=1024>1000となるため、無駄なゲートが存在する。 This result shows that it is possible to realize a calculation with a significantly lower delay than a CMOS circuit only by adopting a cascade connection of at most one or two stages. For example, when N = 1000, M 0 = 1.82 from equations (3) and (5), and F (1000, 1) S = 1000 > F ( 1000, 2) S = 32 from equation (3). Therefore, M = 2 and S = 32 are adopted. In this case, as shown in FIG. 4, it is a square circuit with 32 steps × 32 steps of 1 × 1 optical pass gate 102a, and the 1 × 1 optical pass gate 102a serially connected after the light is input (calculation). The time to pass through the element 102) is all equal. However, since the 32 2 = 1024> 1000, unnecessary gate exists.

Figure 0006860166
Figure 0006860166

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2における光演算器について、図5を参照して説明する。なお、実施の形態2においても、図1を用いて説明したように、カスケード接続された複数の演算部101を備える。演算部101は、図5に示すように、入力される光信号に対して1つの光信号を出力するS個(Sは自然数)の演算素子102bがシリアルに接続されて構成されている。
[Embodiment 2]
Next, the optical arithmetic unit according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Also in the second embodiment, as described with reference to FIG. 1, a plurality of arithmetic units 101 connected in cascade are provided. As shown in FIG. 5, the arithmetic unit 101 is configured by serially connecting S arithmetic elements 102b (S is a natural number) that output one optical signal with respect to the input optical signal.

実施の形態2において、例えば、シリアル接続される最初の演算素子102bは、変換素子103bにつながる導波路に光信号λ1を光学的に結合する。シリアル接続される次の演算素子102bは、最初の演算素子102bから出力された光に、光号λ2を合波する。演算素子102bは、例えば、リング共振器から構成された合波器である。 In the second embodiment, for example, the first arithmetic element 102b serially connected optically couples the optical signal λ 1 to the waveguide connected to the conversion element 103b. The next arithmetic element 102b serially connected combines the light number λ 2 with the light output from the first arithmetic element 102b. The arithmetic element 102b is, for example, a combiner composed of a ring resonator.

また、実施の形態2において、演算部101は、S個の演算素子102bから光信号が出力された場合に値1の光信号を出力し、S個の演算素子102bから光信号が出力された場合以外に値0の光信号を出力する変換素子103bを備える。この構成では、多入力OR演算回路となる。 Further, in the second embodiment, the arithmetic unit 101 outputs an optical signal having a value of 1 when an optical signal is output from the S arithmetic elements 102b, and outputs an optical signal from the S arithmetic elements 102b. A conversion element 103b that outputs an optical signal having a value of 0 is provided except for the case. In this configuration, it becomes a multi-input OR arithmetic circuit.

実施の形態2において、各演算素子102bにおける合波のパワー結合効率をαとし、入力数N,M=1つまりS=Nとした場合、(ただ一つの入力のみが合波するケース)/(全ての入力が合波しないケース)の強度比は{α+(1−α)×(N−1)}/{(1−α)×N}となる。この値は、ORの演算出力の”0”と”1”の差が一番小さくなるときのコントラスト比である。 In the second embodiment, when the power coupling efficiency of the combined wave in each arithmetic element 102b is α and the number of inputs N, M = 1, that is, S = N (case where only one input is combined) / ( The intensity ratio of (case where all inputs do not combine) is {α + (1-α) × (N-1)} / {(1-α) × N}. This value is the contrast ratio when the difference between "0" and "1" in the OR calculation output is the smallest.

α=0.9の場合のコントラスト比は、N=100,10の場合においてそれぞれ、0.33dB,2.6dBとなり、Nが大きいほどコントラストは劣化する。 The contrast ratios when α = 0.9 are 0.33 dB and 2.6 dB when N = 100 and 10, respectively, and the larger N is, the more the contrast deteriorates.

ここで、Smax=10を、変換素子103bの光受信側でコントラストが検知できるシリアル接続段数の最大値とし、光演算器の回路特性を実施の形態1と同じとしたときの、N=100のOR演算を考える。 Here, S max = 10 is set to the maximum value of the number of serial connection stages in which contrast can be detected on the optical receiving side of the conversion element 103b, and N = 100 when the circuit characteristics of the optical arithmetic unit are the same as those in the first embodiment. Consider the OR operation of.

この場合、(3)式と(5)式よりS0=44.7,M0=1.2となり、F(100,1)S=100<F(100,2)S=10よりM=1となる。ただしS=100となりSmax=10を越えてしまうため、M=2、S=10を採用することとなる。これにより、コントラスト低下の抑制を担保しながら、最低限の遅延を実現することができる。 In this case, from equations (3) and (5), S 0 = 44.7, M 0 = 1.2, and from F (100, 1) S = 100 <F ( 100, 2) S = 10 , M = It becomes 1. However, since S = 100 and S max = 10 is exceeded, M = 2 and S = 10 are adopted. As a result, the minimum delay can be realized while ensuring the suppression of the contrast decrease.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3における光演算器について、図6を参照して説明する。実施の形態3では、多段にカスケード接続されたk=1段目の複数の演算部101aを、1入力1出力のマッハツェンダー干渉計から構成された演算素子102cと変換素子103cから構成している。マッハツェンダー干渉計の2つのアームに設けられた各々電気制御部に、入力信号X、入力信号Yが入力される。なお、k=2段目以降の演算部101は、前述した実施の形態1と同様の演算素子102と変換素子103から構成している。実施の形態3では、合成関数XNOR−ANDの演算を行う。
[Embodiment 3]
Next, the optical arithmetic unit according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, a plurality of arithmetic units 101a of k = 1st stage connected in multiple stages are composed of an arithmetic element 102c composed of a Mach-Zehnder interferometer of 1 input and 1 output and a conversion element 103c. .. The input signal X and the input signal Y are input to the electric control units provided on the two arms of the Mach-Zehnder interferometer. The calculation unit 101 of the second and subsequent stages of k = is composed of the same calculation element 102 and conversion element 103 as in the first embodiment described above. In the third embodiment, the operation of the composite function XNOR-AND is performed.

ここで、変換素子103cは、実施の形態1の変換素子103と同じである。変換素子103cから出力される電気信号は、シリアル接続されているN個の演算素子102cの、各々の入力信号x(x1〜xNのN桁のバイナリ信号)と入力信号y(y1〜yNのN桁のバイナリ信号)において、それぞれの桁でANDをとった結果となり、全ての桁で合致をしたときに1、そうではないときに0となる。つまり、1段目だけ(M=1)でも合成関数XNOR−ANDの演算を行うことができる。 Here, the conversion element 103c is the same as the conversion element 103 of the first embodiment. The electric signals output from the conversion element 103c are the input signals x ( N-digit binary signals of x 1 to x N ) and the input signals y (y 1 to) of the N arithmetic elements 102c serially connected. In the N-digit binary signal of y N ), it is the result of ANDing in each digit, and it becomes 1 when all digits match, and 0 when it does not match. That is, the operation of the composite function XNOR-AND can be performed only in the first stage (M = 1).

ただし、k=1段目だけ(M=1)では、各桁の合致の判定出力を、ANDM(A1,・・・、AN),Aj=XNOR(Xj,Yj)、として表現したものとなっており、Aj=XNOR(Xj,Yj)は、マッハツェンダー干渉計型の強度変調器である演算素子102cの2入力端子に電子信号(Xj,Yj)を入力することで実行し、ANDM(A1,・・・,AN)は、上記演算を実行する演算素子102cをシリアルに接続することで実行する。ANDMは、一般的に、実施の形態1における演算素子102aによるANDよりも構造が大きいため、AND演算における遅延が大きくなってしまう。 However, k = 1 stage only (M = 1) In the decision output of the matching of each digit, AND M (A 1, ··· , A N), A j = XNOR (X j, Y j), A j = XNOR (X j , Y j ) is an electronic signal (X j , Y j ) at the two input terminals of the arithmetic element 102c, which is a Mach-Zehnder interferometer type intensity modulator. Is executed by inputting, and AND M (A 1 , ..., AN ) is executed by serially connecting the arithmetic element 102c that executes the above arithmetic. Since the AND M generally has a larger structure than the AND by the arithmetic element 102a in the first embodiment, the delay in the AND operation becomes large.

この問題を解決するため、ここでは、AND演算の部分にカスケード接続を採用することを考える。つまり、(2)式において、k=1段目をτgateの大きなANDMで構成し、k≧2段目をτgateの小さな実施の形態1における演算部101によるANDで構成する。この場合、(3)式は(12)式に書き換えられる。ここでS1、τgate1はk=1段目のシリアル接続段数と1つの演算素子102c伝播遅延、S2、τgate2はk=2段目以降のシリアル接続段数と1つの演算素子102の伝播遅延、Lはk=2段目への総入力数、Mはk=2段目以降のカスケード段数である。ただし、(12)式ではMが自然数の場合に限り成り立ち、M=0の場合にはF(N,M)=βS1τgate2とする。 In order to solve this problem, we consider adopting a cascade connection for the AND operation part. That is, in the equation (2), the first stage of k = is composed of AND M having a large τ gate , and the second stage of k ≧ is composed of the AND by the arithmetic unit 101 in the first embodiment having a small τ gate. In this case, equation (3) is rewritten to equation (12). Here, S 1 , τ gate 1 is k = the number of serial connection stages of the first stage and one arithmetic element 102c propagation delay, and S 2 , τ gate 2 is k = the number of serial connection stages of the second and subsequent stages and propagation of one arithmetic element 102. Delay, L is k = total number of inputs to the second stage, and M is k = number of cascade stages after the second stage. However, in equation (12), it holds only when M is a natural number, and when M = 0, F (N, M) = βS1τ gate2 .

Figure 0006860166
Figure 0006860166

例えば、N=10000,α=125,β=100の場合は、下記よりM=3,S1=1,S2=22、を採用する。 For example, in the case of N = 10000, α = 125, β = 100, M = 3, S 1 = 1, S 2 = 22 is adopted from the following.

M=0のとき,F(10000,0)=(106)τgate2
M=1のとき,S1=101,S2=103,F(10000,1)=(2125)τgate2
M=2のとき,S1=100,S2=102,F(10000,2)=(550)τgate2
M=3のとき,S1=100,S2=22,F(10000,3)=(541)τgate2
M=4のとき,S1=100,S2=101,F(10000,4)=(640)τgate2
When M = 0, F (10000,0) = (10 6) τ gate2,
When M = 1, S 1 = 10 1, S 2 = 10 3, F (10000,1) = (2125) τ gate2,
When M = 2, S 1 = 10 0, S 2 = 10 2, F (10000,2) = (550) τ gate2,
When M = 3, S 1 = 10 0, S 2 = 22, F (10000,3) = (541) τ gate2,
When M = 4, S 1 = 10 0, S 2 = 10 1, F (10000,4) = (640) τ gate2,

例えば、N=100,α=125,β=100の場合は、下記よりM=1,S1=1,S2=100、を採用する。 For example, in the case of N = 100, α = 125, β = 100, M = 1, S 1 = 1, S 2 = 100 is adopted from the following.

M=0のとき,F(10000,0)=(104)τgate2
M=1のとき,S1=100,S2=102,F(10000,1)=(325)τgate2
M=2のとき,S1=100,S2=101,F(10000,2)=(370)τgate2
When M = 0, F (10000,0) = (10 4) τ gate2,
When M = 1, S 1 = 10 0, S 2 = 10 2, F (10000,1) = (325) τ gate2,
When M = 2, S 1 = 10 0, S 2 = 10 1, F (10000,2) = (370) τ gate2.

[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4における光演算器について、図7を参照して説明する。実施の形態4では、多段にカスケード接続されたk=1段目の複数の演算部101aを、2入力2出力のマッハツェンダー干渉計を2段にシリアル接続した演算素子102dから構成している。この構成において、演算素子102dの前段のマッハツェンダー干渉計への電気制御入力をXiとし、後段のマッハツェンダー干渉計への電気制御入力をYiとする。なお、k=2段目以降の演算部101は、前述した実施の形態2と同様の演算素子102bと変換素子103bから構成している。実施の形態4では、合成関数XOR−ORの演算を行う。
[Embodiment 4]
Next, the optical arithmetic unit according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. In the fourth embodiment, a plurality of arithmetic units 101a of k = 1st stage, which are cascade-connected in multiple stages, are composed of arithmetic elements 102d in which a 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer is serially connected in two stages. In this configuration, the electrical control input to the Mach-Zehnder interferometer in the front stage of the arithmetic element 102d is X i, and the electrical control input to the Mach-Zehnder interferometer in the rear stage is Y i . The calculation unit 101 of the second and subsequent stages of k = is composed of the same calculation element 102b and conversion element 103b as in the second embodiment described above. In the fourth embodiment, the operation of the composite function XOR-OR is performed.

本構成のk=1段目において、実施の形態3における変換素子103cに対応する素子は不要であり、演算部101aからの光信号出力は、シリアル接続されているN個の演算素子102dの、各々の入力信号x(x1〜xNのN桁のバイナリ信号)と入力信号y(y1〜yNのN桁のバイナリ信号)において、それぞれの桁におけるXORの演算結果を、全ての桁でORをとった結果となり、全ての桁で合致をしたときに0、そうではないときに1となる。つまり、k=1段目だけ(M=1)でも合成関数XOR−ORの演算を行うことができる。 In the first stage of k = 1 of this configuration, the element corresponding to the conversion element 103c in the third embodiment is unnecessary, and the optical signal output from the arithmetic unit 101a is generated by the serially connected N arithmetic elements 102d. For each input signal x (N-digit binary signal of x 1 to x N ) and input signal y (N-digit binary signal of y 1 to y N ), the calculation result of XOR in each digit is calculated in all digits. As a result of taking OR in, it becomes 0 when all digits match, and 1 when it does not. That is, the operation of the composite function XOR-OR can be performed only in the first stage of k = (M = 1).

ただしk=1段目だけ(M=1)の出力は、ORM(A1,・・・、AN),Aj=XOR(Xj,Yj)、として表現したものとなっており、2つのマッハツェンダー干渉計をシリアル接続した演算素子102dの2入力端子に電子信号(Xj,Yj)を入力し、102dに接続する光源とはクロス側のポートからの信号を出力とすることでAj=XOR(Xj,Yj)を実行し、前段の102dからの出力信号を光源のつながるポートとは異なる入力ポートに接続することでORM(A1,・・・,AN)を実行する。このORMは、マッハツェンダー干渉計をもちいることで実現されているため、一般的に、実施の形態2における演算素子102bによるORよりも構造が大きく、OR演算における遅延が大きくなってしまう。 However, the output of only the first stage of k = (M = 1) is expressed as OR M (A 1 , ..., AN ), A j = XOR (X j , Y j ). An electronic signal (X j , Y j ) is input to the 2 input terminals of the arithmetic element 102d in which two Mach-Zehnder interferometers are serially connected, and the signal from the port on the cross side with the light source connected to 102d is output. By executing A j = XOR (X j , Y j ) and connecting the output signal from 102d in the previous stage to an input port different from the port to which the light source is connected, OR M (A 1 , ..., A) Execute N ). Since this OR M is realized by using a Mach-Zehnder interferometer, the structure is generally larger than that of the OR by the arithmetic element 102b in the second embodiment, and the delay in the OR arithmetic is large.

この問題を解決するため、ここではOR演算の部分にカスケード接続を採用することを考える。つまり、(2)式において、k=1段目をτgateの大きなORMで構成し、k≧2段目をτgateの小さな実施の形態2における演算部101によるORで構成する。この場合、(3)式は(14)式に書き換えられる。ここでS1、τgate1はk=1段目のシリアル接続段数と1つの演算素子102d伝播遅延、S2、τgate2はk=2段目以降のシリアル接続段数と1つの演算素子102の伝播遅延、Lはk=2段目への総入力数、Mはk=2段目以降のカスケード段数である。ただし、(14)式ではMが自然数の場合に限り成り立ち、M=0の場合にはF(N,M)=βS1τgate2とする。 In order to solve this problem, we consider adopting a cascade connection for the OR operation part. That is, in the equation (2), the first stage of k = is composed of the OR M having a large τ gate , and the second stage of k ≧ is composed of the OR by the arithmetic unit 101 in the second embodiment having a small τ gate. In this case, equation (3) is rewritten to equation (14). Here, S 1 , τ gate 1 is k = the number of serial connection stages of the first stage and one arithmetic element 102d propagation delay, and S 2 , τ gate 2 is k = the number of serial connection stages of the second and subsequent stages and propagation of one arithmetic element 102. Delay, L is k = total number of inputs to the second stage, and M is k = number of cascade stages after the second stage. However, in equation (14), it holds only when M is a natural number, and when M = 0, F (N, M) = βS 1 τ gate 2 .

Figure 0006860166
Figure 0006860166

なお、他の構成は、前述した実施の形態3と同様であり、説明は省略する。 The other configurations are the same as those in the third embodiment described above, and the description thereof will be omitted.

実施の形態3のXNOR−ANDの出力の0と1を反転させた結果は、実施の形態4のXOR−ORの出力結果と同じである。また、実施の形態1における多入力ANDよりも、実施の形態2における多入力ORの方が高速な回路を実装できる場合がある。例えば、実施の形態2ではシリアルに接続した演算素子102bを変換素子103bに接続したが、パラレルに接続した演算素子102bを変換素子103bに接続して実施の形態2と同じ効果を得ることができる。 The result of inverting 0 and 1 of the output of XNOR-AND of the third embodiment is the same as the output result of the XOR-OR of the fourth embodiment. Further, there are cases where a circuit having a higher speed can be mounted by the multi-input OR in the second embodiment than by the multi-input AND in the first embodiment. For example, in the second embodiment, the serially connected arithmetic element 102b is connected to the conversion element 103b, but the parallel connected arithmetic element 102b can be connected to the conversion element 103b to obtain the same effect as that of the second embodiment. ..

この場合、複数の変換素子102bからの出力を一括して変換素子103bに接続するため演算部101の構成は大きくなるが、演算子102bの演算は並列に処理されるため、シリアルに接続したものよりも遅延が小さくなる可能性がある。つまり、実施の形態3のXNOR−ANDではなく、実施の形態4のXOR−ORを用いた演算が高速になる場合がある。なお、多ビットのパターンマッチングはXNOR−ANDを用いてもXOR−ORを用いても実装が可能あるためニーズに合った回路構成を選択することができる。 In this case, since the outputs from the plurality of conversion elements 102b are collectively connected to the conversion element 103b, the configuration of the calculation unit 101 becomes large, but since the operations of the operator 102b are processed in parallel, they are connected serially. The delay may be smaller than. That is, the calculation using the XOR-OR of the fourth embodiment instead of the XNOR-AND of the third embodiment may be faster. Since multi-bit pattern matching can be implemented by using XNOR-AND or XOR-OR, it is possible to select a circuit configuration that meets the needs.

さて、本実施の形態におけるk=1段目の演算部は、図8の(a)を図8の(c)の構成にシリアルに接続したものである。ここで図8の(a)は2入力2出力の演算素子の構成を示し、電気制御信号Xi,Yiに対し、XiとYiが合致するときと合致しないときに出力ポートが切り替わる演算素子であればよい。そして図8の(c)の構成は、初段の演算素子の入力ポートの一方に光源を接続し、XiとYiが合致しない(XOR)ときの出力ポートを次段の演算素子の入力ポートに接続し、この接続に使用されたポートとは反対側の入力ポートに光源を接続すればよい[説明1]。これにより、k=1段目のみ(M=1)でXOR−ORの演算を実現することができる。またk=2段目以降を実施例4の構成とすることにより、より遅延の小さなXOR−OR演算が得られることは明白である。 By the way, in the calculation unit of the first stage of k = in the present embodiment, (a) of FIG. 8 is serially connected to the configuration of (c) of FIG. Here, (a) of FIG. 8 shows the configuration of a two-input, two-output arithmetic element, and the output port is switched when X i and Y i match and when they do not match the electric control signals X i and Y i. Any arithmetic element may be used. In the configuration of FIG. 8C, a light source is connected to one of the input ports of the arithmetic element in the first stage, and the output port when X i and Y i do not match (XOR) is the input port of the arithmetic element in the next stage. And connect the light source to the input port on the opposite side of the port used for this connection [Explanation 1]. As a result, the XOR-OR operation can be realized only in the first stage of k = (M = 1). Further, it is clear that the XOR-OR operation with a smaller delay can be obtained by configuring the second and subsequent stages of k = in the fourth embodiment.

また、本実施例のk=1段目の演算部を、図8(a)を図8(d)の構成にシリアル接続した構成に変更すると、XNOR−ANDの演算が可能となる。ここで図8(d)は、初段の演算素子の入力ポートの一方に光源を接続し、XiとYiが合致する(XNOR)ときの出力ポートを次段の演算素子の入力ポートに接続すればよい[説明2]。これにより、k=1段目のみ(M=1)でXNOR−ANDの演算を実現することができる。またk=2段目以降を実施例3の構成とすることにより、より遅延の小さなXNOR−AND演算が得られることは明白である。 Further, if the calculation unit in the first stage of k = in this embodiment is changed to a configuration in which FIG. 8A is serially connected to the configuration shown in FIG. 8D, the XNOR-AND calculation becomes possible. Here, in FIG. 8D, a light source is connected to one of the input ports of the first-stage arithmetic element, and the output port when X i and Y i match (XNOR) is connected to the input port of the next-stage arithmetic element. [Explanation 2]. As a result, the XNOR-AND operation can be realized only in the first stage of k = (M = 1). Further, it is clear that the XNOR-AND operation with a smaller delay can be obtained by configuring the second and subsequent stages of k = in the third embodiment.

ここで、図8(a)は、2つの2入力2出力のマッハ・ツェンダー干渉計の組み合わせにより構成されており、それぞれのマッハ・ツェンダー干渉計の片方のアームに電気制御信号Xi,Yiを与える。電気制御信号を与えられた側のアームは、そこを伝播する光の位相をπシフトさせる設定となっており、2本のアームの一方を電気制御する本構成の場合、2入力2出力のマッハ・ツェンダー干渉計は、電気制御入力が有る/無いときに、光源を接続した入力ポートに対しバー側/クロス側の出力ポートから光信号を出力する。これにより、図8(a)の演算素子は、光源とはクロス側の出力ポートからXOR(Xi,Yi)出力し、その反対のバーポートからXNOR(Xi,Yi)出力する。 Here, FIG. 8A is composed of a combination of two 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometers, and the electric control signals X i and Y i are attached to one arm of each Mach-Zehnder interferometer. give. The arm on the side to which the electric control signal is given is set to shift the phase of the light propagating there by π, and in the case of this configuration in which one of the two arms is electrically controlled, Mach with 2 inputs and 2 outputs. -The Zehnder interferometer outputs an optical signal from the bar side / cross side output port to the input port to which the light source is connected when there is / does not have an electric control input. As a result, the arithmetic element of FIG. 8A outputs XOR (X i , Y i ) from the output port on the cross side of the light source, and outputs X NOR (X i , Y i ) from the bar port opposite to the light source.

そのため、図8(a)の演算素子の機能は、図8(b)に示される1つの2入力2出力のマッハ・ツェンダー干渉計102eの両方のアームのそれぞれに電気制御信号Xi,Yiを与えることでも実現可能である。つまり、一方のアームに電気制御信号が与えられたときに位相差がπ、両方のアームに電気信号が与えられたまたは両方のアームに与えられなかったときに位相差がゼロとなることを利用する。このとき出力ポートにおけるXNORとXORの位置関係は図8の(a)と逆になるが、前述した[説明1],[説明2]に従い、XOR−OR演算のときはXORの出力ポートを次段に接続し、XNOR−AND演算のときはXNORの出力ポートを次段に接続すればよい。図8の(b)に示す素子の長さ(素子長)は、図8の(a)に示す素子長の半分であるため、図8の(a)に示す構成を図8の(b)に示す構成に代替することにより、より小さな演算遅延を得ることができる。 Therefore, the function of the arithmetic element shown in FIG. 8 (a) is that the electric control signals X i and Y i are attached to both arms of the one 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer 102e shown in FIG. 8 (b). It can also be realized by giving. That is, the phase difference becomes π when an electric control signal is given to one arm, and the phase difference becomes zero when an electric signal is given to both arms or not given to both arms. To do. At this time, the positional relationship between XNOR and XOR in the output port is opposite to that in FIG. 8 (a), but according to the above-mentioned [Explanation 1] and [Explanation 2], the XOR output port is set to the next during the XOR-OR operation. It may be connected to the stage, and the output port of XNOR may be connected to the next stage at the time of XNOR-AND operation. Since the element length (element length) shown in FIG. 8 (b) is half the element length shown in FIG. 8 (a), the configuration shown in FIG. 8 (a) is shown in FIG. 8 (b). A smaller calculation delay can be obtained by substituting with the configuration shown in.

また、図8(a)で用いた2入力2出力のマッハ・ツェンダー干渉計は、2入力2出力の方向性結合器でも代替可能である。つまり、2入力2出力の方向性結合器の結合状態を電気制御信号で制御し、光信号が入力されたポートに対しクロス側の出力ポートから光信号が出力される完全結合状態と、光信号が入力されたポートに対しバー側の出力ポートから光信号が出力される状態を切り替える。方向性結合器は、マッハ・ツェンダー干渉計よりもサイズを小さくできるため、この代替により、より小さな演算遅延を得ることができる。 Further, the 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer used in FIG. 8A can be replaced with a 2-input 2-output directional coupler. That is, the coupling state of the directional coupler with 2 inputs and 2 outputs is controlled by the electric control signal, and the optical signal is output from the output port on the cross side with respect to the port to which the optical signal is input. Switches the state in which an optical signal is output from the output port on the bar side to the port where is input. Since the directional coupler can be smaller in size than the Mach-Zehnder interferometer, this alternative can result in a smaller computational delay.

更に、図8(a)で用いた2入力2出力のマッハ・ツェンダー干渉計は、リング共振器などを用いた2入力2出力のXOR、XNOR演算素子(非特許文献3)でも代替可能である。つまり、2本の導波路の間をリング共振器を介して結合させた2入力2出力の演算素子において、共振器の共鳴状態を電気制御信号で制御し、光信号が入力されたポートに対しクロス側の出力ポートから光信号が出力される共鳴状態と、光信号が入力されたポートに対しバー側の出力ポートから光信号が出力される非共鳴状態を切り替える。リング共振器は、マッハ・ツェンダー干渉計よりもサイズを小さくできるため、この代替により、より小さな演算遅延を得ることができる。 Further, the 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer used in FIG. 8A can be replaced with a 2-input 2-output XOR and XNOR arithmetic element (Non-Patent Document 3) using a ring resonator or the like. .. That is, in a 2-input 2-output arithmetic element in which two waveguides are coupled via a ring resonator, the resonance state of the resonator is controlled by an electric control signal, and the optical signal is input to the port. The resonance state in which the optical signal is output from the output port on the cross side and the non-resonant state in which the optical signal is output from the output port on the bar side with respect to the port to which the optical signal is input are switched. Since ring resonators can be smaller in size than Mach-Zehnder interferometers, this alternative allows for smaller computational delays.

以上に説明したように、入力信号に対して1つの光信号を出力するS個(Sは自然数)の演算素子をシリアルに接続してS個の入力信号により1つの光信号を演算出力する複数の演算部をカスケード接続したので、より高速に光演算ができるようになる。 As described above, a plurality of S (S is a natural number) arithmetic elements that output one optical signal with respect to the input signal are serially connected, and one optical signal is arithmetically output by the S input signals. Since the arithmetic units of are connected in cascade, optical arithmetic can be performed at higher speed.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.

101…演算部、102…演算素子、103…変換素子。 101 ... arithmetic unit, 102 ... arithmetic element, 103 ... conversion element.

Claims (5)

入力信号に対して1つの光信号を出力するS個(Sは2以上の自然数)の演算素子がシリアルに接続されて構成され、S個の前記入力信号により1つの光信号を演算出力する複数の演算部を備え、
前記複数の演算部は、カスケード接続され、
前段のS個の演算部から出力された信号が、後段の1つの演算部に入力される
ことを特徴とする光演算器。
A plurality of S (S is a natural number of 2 or more ) arithmetic elements that output one optical signal with respect to the input signal are serially connected to each other, and one optical signal is arithmetically output by the S input signals. Equipped with a calculation unit of
The plurality of arithmetic units are cascade-connected and
An optical arithmetic unit characterized in that signals output from S arithmetic units in the previous stage are input to one arithmetic unit in the latter stage.
請求項1記載の光演算器において、
前記入力信号は、電気信号であり、
前記複数の演算部の各々は、シリアル接続されている最終段の前記演算素子から出力された光信号を光電変換する変換素子を備える
ことを特徴とする光演算器。
In the optical arithmetic unit according to claim 1,
The input signal is an electric signal and
An optical arithmetic unit characterized in that each of the plurality of arithmetic units includes a conversion element that photoelectrically converts an optical signal output from the arithmetic element in the final stage connected serially.
請求項1記載の光演算器において、
前記入力信号は、光信号であり、
前記複数の演算部の各々は、S個の前記演算素子から光信号が出力された場合に値1を出力し、S個の前記演算素子から光信号が出力された場合以外に値0を出力する変換素子を備える
ことを特徴とする光演算器。
In the optical arithmetic unit according to claim 1,
The input signal is an optical signal and
Each of the plurality of arithmetic units outputs a value 1 when an optical signal is output from the S arithmetic elements, and outputs a value 0 except when an optical signal is output from the S arithmetic elements. An optical arithmetic unit characterized by being provided with a conversion element.
請求項2または3記載の光演算器において、
前記カスケード接続の段数Mおよび前記演算素子の個数Sは、前記入力信号の数Nと、前記演算素子における演算時間τgateと、前記変換素子における処理時間τOEOとから、S個の前記演算素子による演算遅延時間を示す(A)式が最小値となるときの実数値SとMを求め、求めた実数値SとMを自然数化し、自然数化した値を再度F(S)に代入してより小さな演算遅延時間を示すときのSとMとして決定されることを特徴とする光演算器。
Figure 0006860166
In the optical arithmetic unit according to claim 2 or 3,
The number S of stages M and the operation elements of the cascade connection, the number N of the input signal, and operation time tau Gate in the calculation device, and a processing time tau OEO in the conversion element, S number of the processing elements Find the real values S and M when the formula (A) showing the calculation delay time is the minimum value, convert the obtained real values S and M into natural numbers, and substitute the naturalized values into F (S) again. An optical calculator characterized in that it is determined as S and M when indicating a smaller calculation delay time.
Figure 0006860166
請求項1記載の光演算器において、
1段目の前記複数の演算部は、前記演算素子がマッハツェンダー干渉計から構成され、
2段目以降の前記複数の演算部における前記演算素子は、電気号である1つの前記入力信号に対して1つの光信号を出力する
ことを特徴とする光演算器。
In the optical arithmetic unit according to claim 1,
In the plurality of arithmetic units in the first stage, the arithmetic element is composed of a Mach-Zehnder interferometer.
The arithmetic device in the plurality of operation portions of the second and subsequent stages, optical arithmetic unit and outputting one optical signal to one of said input signal is an electrical signal.
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