JP7632241B2 - Optical signal conversion device and optical signal calculation system - Google Patents
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Description
本発明は、光信号変換装置及び光信号計算システムに関する。 The present invention relates to an optical signal conversion device and an optical signal calculation system.
複数の光入力線から光信号を入力し、内部で結合した光信号を出力する光信号変換器がある。非特許文献１には、Ｍチャンネルの光入力線を第１段の光結合器で１チャンネルの光出力線に結合し、１チャンネルの光出力線を光分配器で３チャンネルの光出力線に分岐し、分岐後の２チャンネルの光出力線を第２段の光結合器で１チャンネルの光出力線に結合し、結合後の光出力強度をフォトダイオードで観測することで、入力される光信号の位相関係を推定する技術が開示されている。各光入力線に入力される光信号の位相が全て揃っている場合、フォトダイオードの出力は極大となることが知られている。これにより、予めフォトダイオードの出力の極大値を調べておくことで、現在の各入力信号の位相関係が完全に同相であるか否かを判断できる。そして、位相関係が完全に同相であるか否かに基づき、位相関係を補正（制御）するためのパラメータを推定することができる。 There is an optical signal converter that inputs optical signals from multiple optical input lines and outputs an internally combined optical signal. Non-Patent Document 1 discloses a technology in which M-channel optical input lines are combined with a 1-channel optical output line by a first-stage optical coupler, the 1-channel optical output line is branched into 3-channel optical output lines by an optical distributor, the 2-channel optical output lines after branching are combined with the 1-channel optical output line by a second-stage optical coupler, and the optical output intensity after combination is observed with a photodiode to estimate the phase relationship of the input optical signals. It is known that when the phases of the optical signals input to each optical input line are all aligned, the output of the photodiode becomes maximum. Thus, by checking the maximum value of the photodiode output in advance, it is possible to determine whether the phase relationship of each current input signal is completely in phase. Then, based on whether the phase relationship is completely in phase, a parameter for correcting (controlling) the phase relationship can be estimated.
しかし、非特許文献１で開示されている技術では、第１段の光結合器により、詳細な各光信号間の位相情報が消失する。光信号間の位相情報の消失により、各光信号の位相状態を個別的に詳細に知ることができない。従って、光信号間の位相情報の消失により、各光信号の位相状態を個別に正確に補正（制御）することが非常に困難となる。 However, in the technology disclosed in Non-Patent Document 1, detailed phase information between each optical signal is lost due to the first-stage optical coupler. Due to the loss of phase information between optical signals, it is not possible to know the phase state of each optical signal individually and in detail. Therefore, due to the loss of phase information between optical signals, it becomes very difficult to accurately correct (control) the phase state of each optical signal individually.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、光信号の位相状態の制御を可能にするべく、各光信号の位相状態を把握できるように光信号を変換する光信号変換装置及び光信号計算システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and aims to provide an optical signal conversion device and an optical signal calculation system that convert optical signals so that the phase state of each optical signal can be grasped, thereby enabling control of the phase state of the optical signals.
本発明の請求項１の光信号変換装置は、光信号を入力する二以上の光信号入力部と、前記二以上の光信号入力部から入力された前記光信号を合波する合波部と、前記合波部内で新たに生成された光信号を出力する一以上の光信号出力部と、を備え、前記二以上の光信号入力部から入力される前記光信号は、伝搬中の屈折率の違いにより異なる光信号として前記光信号出力部から出力される。 The optical signal conversion device of claim 1 of the present invention comprises two or more optical signal input units for inputting optical signals, a multiplexing unit for multiplexing the optical signals input from the two or more optical signal input units, and one or more optical signal output units for outputting an optical signal newly generated within the multiplexing unit, and the optical signals input from the two or more optical signal input units are output from the optical signal output unit as different optical signals due to differences in the refractive index during propagation.
本発明の請求項２の発明は、請求項１の光信号変換装置であって、前記合波部は、前記合波部とは屈折率の異なる一以上の構造体を備える。 The invention of claim 2 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 1, in which the multiplexing section has one or more structures having a refractive index different from that of the multiplexing section.
本発明の請求項３の発明は、請求項２の光信号変換装置であって、複数の前記構造体が前記合波部の内部にランダムに配置される。 The invention of claim 3 is the optical signal conversion device of claim 2, in which a plurality of the structures are randomly arranged inside the multiplexing section.
本発明の請求項４の発明は、請求項３の光信号変換装置であって、前記構造体は、二種類以上の形状もしくは大きさの材料、又は屈折率の異なる材料から成る。 The invention of claim 4 is the optical signal conversion device of claim 3, in which the structure is made of materials of two or more different shapes or sizes, or materials with different refractive indices.
本発明の請求項５の発明は、請求項１の光信号変換装置であって、前記二以上の光信号入力部のそれぞれの屈折率又は長さは、少なくとも複数である。 The invention of claim 5 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 1, in which the refractive index or length of each of the two or more optical signal input sections is at least plural.
本発明の請求項６の発明は、請求項５の光信号変換装置であって、前記二以上の光信号入力部のそれぞれの屈折率又は長さの少なくとも一方が不規則又は不均一である。 The invention of claim 6 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 5, in which at least one of the refractive index or length of each of the two or more optical signal input sections is irregular or non-uniform.
本発明の請求項７の発明は、請求項１～６のいずれかの光信号変換装置であって、前記合波部は、前記合波部の周囲よりも屈折率が高い。 The invention of claim 7 of the present invention is an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 6, in which the multiplexing section has a higher refractive index than the surrounding area of the multiplexing section.
本発明の請求項８の発明は、請求項１～７のいずれかの光信号変換装置であって、前記合波部は、前記光信号入力部が接続される面から前記光信号の強度が最も強くなる、又は他の点より相対的に強くなる点までの距離より、前記光信号入力部が接続される面から前記光信号出力部が接続される面までの距離の方が長くなるよう形成される。 The invention of claim 8 of the present invention is an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 7, in which the multiplexing section is formed so that the distance from the surface to which the optical signal input section is connected to the surface to which the optical signal output section is connected is longer than the distance from the surface to which the optical signal input section is connected to the point where the intensity of the optical signal is strongest or is relatively stronger than other points.
本発明の請求項９の発明は、請求項８の光信号変換装置であって、前記合波部の、前記光信号入力部が接続される面の形状が円弧状であり、前記光信号出力部が接続される面の形状が円弧状である。 The invention of claim 9 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 8, in which the surface of the multiplexing section to which the optical signal input section is connected is arc-shaped, and the surface to which the optical signal output section is connected is arc-shaped.
本発明の請求項１０の発明は、請求項１～９のいずれかの光信号変換装置であって、前記光信号出力部の数は二以上であり、前記光信号出力部の少なくとも一つが前記光信号入力部の少なくとも一つに接続される。 The invention of claim 10 of the present invention is an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 9, in which the number of the optical signal output units is two or more, and at least one of the optical signal output units is connected to at least one of the optical signal input units.
本発明の請求項１１の発明は、請求項１～１０のいずれかの光信号変換装置であって、前記光信号出力部が出力する光信号に基づいて、前記光信号入力部に入力される光信号の位相関係を推定する位相推定部をさらに備える。 The invention of claim 11 of the present invention is an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 10, further comprising a phase estimation unit that estimates the phase relationship of the optical signal input to the optical signal input unit based on the optical signal output from the optical signal output unit.
本発明の請求項１２の発明は、請求項１１の光信号変換装置であって、前記位相推定部による位相関係の推定結果に基づいて、前記光信号入力部に入力される光信号の位相を制御する位相制御部をさらに備える。 The invention of claim 12 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 11, further comprising a phase control unit that controls the phase of the optical signal input to the optical signal input unit based on the result of the phase relationship estimation by the phase estimation unit.
本発明の請求項１３の発明は、請求項１～１０のいずれかの光信号変換装置であって、前記光信号出力部が出力する光信号に基づいて、前記光信号入力部の前段に接続されたアンテナ素子から放射されるビームの形状を推定するビーム推定部をさらに備える。 The invention of claim 13 of the present invention is an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 10, further comprising a beam estimation unit that estimates the shape of a beam radiated from an antenna element connected in front of the optical signal input unit based on the optical signal output from the optical signal output unit.
本発明の請求項１４の発明は、請求項１３の光信号変換装置であって、前記ビーム推定部によるビームの形状の推定結果に基づいて、前記光信号入力部に接続された前記アンテナ素子に入力される光信号の位相を制御する位相制御部をさらに備える。 The invention of claim 14 of the present invention is the optical signal conversion device of claim 13, further comprising a phase control unit that controls the phase of the optical signal input to the antenna element connected to the optical signal input unit based on the beam shape estimation result by the beam estimation unit.
本発明の請求項１５の光信号計算システムは、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光信号変換装置と、前記光信号変換装置に入力される複数の光信号の位相をそれぞれ変更する複数の位相シフタと、入力信号に応じて前記位相シフタのそれぞれの位相のシフト量を決めるためのパラメータを決定する位相制御部と、前記光信号変換装置の出力を用いて、前記入力信号に関する所望の値を出力する信号処理部と、を備える。 The optical signal calculation system of claim 15 of the present invention comprises an optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 10, a plurality of phase shifters that change the phases of a plurality of optical signals input to the optical signal conversion device, a phase control unit that determines parameters for determining the amount of phase shift of each of the phase shifters according to the input signal, and a signal processing unit that uses the output of the optical signal conversion device to output a desired value related to the input signal.
本発明によれば、光信号の位相状態の制御を可能にするべく、各光信号の位相状態を把握できるように光信号を変換する光信号変換装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical signal conversion device that converts optical signals so that the phase state of each optical signal can be grasped, thereby enabling control of the phase state of the optical signals.
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Below, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the same reference symbols are used in each drawing to identify identical or equivalent components and parts. Also, the dimensional ratios in the drawings have been exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図１は、本実施形態に係る光信号変換装置の概略構成を示す図である。なお本発明において、屈折率は材料の実際の屈折率と、光から見える実効屈折率の両方の意味を含む。実効屈折率は、他にもＥｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ、有効屈折率、Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ、又は等価屈折率とも呼ばれ得る。 Figure 1 is a diagram showing the schematic configuration of an optical signal conversion device according to this embodiment. In this invention, the refractive index includes both the actual refractive index of a material and the effective refractive index seen from light. The effective refractive index can also be called the Effective Index, effective refractive index, or equivalent refractive index.
図１に示すように、本実施形態に係る光信号変換装置１００は、複数の光信号入力線１１０と、光信号入力線１１０から入力される光信号を合波する合波部１２０と、合波部１２０で合波された光信号を出力する複数の光信号出力線１３０と、を含む。光信号変換装置１００は、光信号入力線１１０から入力される光信号を、伝搬中の屈折率の違いにより、異なる光信号として光信号出力線１３０から出力する装置である。 As shown in FIG. 1, the optical signal conversion device 100 according to this embodiment includes a plurality of optical signal input lines 110, a multiplexing section 120 that multiplexes the optical signals input from the optical signal input lines 110, and a plurality of optical signal output lines 130 that output the optical signals multiplexed by the multiplexing section 120. The optical signal conversion device 100 is a device that outputs the optical signals input from the optical signal input lines 110 from the optical signal output lines 130 as different optical signals due to differences in the refractive index during propagation.
光信号入力線１１０は、本発明の光信号入力部の一例である。光信号入力線１１０は、それぞれ光信号を合波部１２０に出力する。光信号入力線１１０は、光領域の電磁波を伝搬できる物理線で、屈折率が周辺よりも高い材質から成る。光信号入力線１１０は、例えば光導波路で構成される。光導波路の材料には、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯｘ、ＬｉＮｂＯ３等が用いられる。光信号入力線１１０は、例えば空気又は真空等の自由空間で構成される。光信号入力線１１０は、例えば光ファイバで構成される。光ファイバは、ガラス又はプラスチックで形成されうる。光信号入力線１１０によって合波部１２０に入力される複数の光信号は、位相が揃っていてもよく、異なっていてもよい。図１では、光信号入力線１１０によって合波部１２０に入力される複数の光信号の位相が全て異なっている様子が示されている。 The optical signal input line 110 is an example of the optical signal input section of the present invention. The optical signal input lines 110 each output an optical signal to the multiplexing section 120. The optical signal input line 110 is a physical line capable of propagating electromagnetic waves in the optical domain, and is made of a material having a higher refractive index than the surroundings. The optical signal input line 110 is, for example, made of an optical waveguide. Materials for the optical waveguide include Si, SiN, SiOx, LiNbO3, and the like. The optical signal input line 110 is, for example, made of free space such as air or vacuum. The optical signal input line 110 is, for example, made of an optical fiber. The optical fiber can be made of glass or plastic. The multiple optical signals input to the multiplexing section 120 by the optical signal input line 110 may be in phase or may be different. FIG. 1 shows a state in which the multiple optical signals input to the multiplexing section 120 by the optical signal input line 110 all have different phases.
合波部１２０は、複数の光信号入力線１１０から入力される光信号を合波する。合波された光信号は、後述の光信号出力線１３０から出力される。合波部１２０は、内部に１以上の構造体１２１を備える。構造体１２１は、合波後の光の伝搬に対して作用するものであり、例えば、合波後の光の伝搬を妨げる、伝搬方向を変える、又は伝搬速度を変えることで合波後の光の伝搬に対して作用する。構造体１２１が合波部１２０の内部に複数備えられる場合、構造体１２１は規則性をもって配置されるのではなく、ランダムに配置される。 The multiplexing unit 120 multiplexes optical signals input from multiple optical signal input lines 110. The multiplexed optical signal is output from an optical signal output line 130, which will be described later. The multiplexing unit 120 has one or more structures 121 inside. The structures 121 act on the propagation of the multiplexed light, for example, by impeding the propagation of the multiplexed light, changing the propagation direction, or changing the propagation speed. When multiple structures 121 are provided inside the multiplexing unit 120, the structures 121 are arranged randomly rather than arranged with any regularity.
合波部１２０は、光信号入力線１１０から光信号を入力でき、光が自由伝搬出来る材料及び形状から成る。合波部１２０の材料には、例えば、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯｘ、ＬｉＮｂＯ３等が用いられうる。 The multiplexing section 120 is made of a material and has a shape that allows an optical signal to be input from the optical signal input line 110 and allows light to propagate freely. Examples of materials that can be used for the multiplexing section 120 include Si, SiN, SiOx, and LiNbO3 .
構造体１２１は、光を散乱若しくは伝搬方向を変化させることが可能な材料と形状、又は光の伝搬速度を変化させることが可能な材料と形状から成る。構造体１２１は、合波部１２０とは異なる材料で形成し、正円、楕円、三角、四角などの形状を有していてもよい。また、構造体１２１は、２つの異種材料を、波長よりも短い周期で交互に配置した領域であってもよい。また、構造体１２１は、合波部１２０と同一の材料であって、ドーピング濃度が異なる領域であってもよい。構造体１２１により、光信号入力線１１０から入力される光信号を、伝搬中の屈折率の違いにより異なる光信号として光信号出力線１３０から出力することができる。 The structure 121 is made of a material and shape capable of scattering light or changing the propagation direction, or a material and shape capable of changing the propagation speed of light. The structure 121 may be formed of a material different from that of the multiplexing section 120 and may have a shape such as a perfect circle, ellipse, triangle, or square. The structure 121 may also be a region in which two different materials are alternately arranged at a period shorter than the wavelength. The structure 121 may also be a region made of the same material as the multiplexing section 120 but with a different doping concentration. The structure 121 allows the optical signal input from the optical signal input line 110 to be output from the optical signal output line 130 as a different optical signal due to the difference in the refractive index during propagation.
光信号出力線１３０は、本発明の光信号出力部の一例である。光信号出力線１３０は、光領域の電磁波を伝搬できる物理線で、屈折率が周辺よりも高い材質から成る。光信号出力線１３０は、例えば光導波路で構成される。光導波路の材料には、例えば、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯｘ、ＬｉＮｂＯ３等が用いられる。光信号出力線１３０は、また例えば空気又は真空等の自由空間で構成される。光信号出力線１３０は、例えば光ファイバで構成される。光ファイバは、ガラス又はプラスチックで形成されうる。光信号出力線１３０が出力する光信号は、合波部１２０の内部で構造体１２１により伝搬中の屈折率が異なることで光信号が複雑に干渉して、特異な強弱を有する光信号として光信号出力線１３０から現れる。 The optical signal output line 130 is an example of the optical signal output unit of the present invention. The optical signal output line 130 is a physical line capable of propagating electromagnetic waves in the optical region, and is made of a material having a higher refractive index than the surroundings. The optical signal output line 130 is, for example, made of an optical waveguide. Examples of materials for the optical waveguide include Si, SiN, SiOx, and LiNbO3 . The optical signal output line 130 is also made of free space such as air or vacuum. The optical signal output line 130 is, for example, made of an optical fiber. The optical fiber can be made of glass or plastic. The optical signal output by the optical signal output line 130 appears from the optical signal output line 130 as an optical signal having a unique strength and weakness due to the complex interference of the optical signal caused by the difference in refractive index during propagation due to the structure 121 inside the multiplexing section 120.
光信号変換装置１００の具体例を説明する。光信号入力線１１０、合波部１２０及び光信号出力線１３０がいずれも同一材料、例えばＳｉで形成されている場合、構造体１２１は、合波部１２０と異なる材料、例えばＳｉＮ又はＳｉＯｘで形成されうる。また、構造体１２１は、合波部１２０と同一の材料（上述の例であればＳｉ）で形成されているが、合波部１２０の他の領域とはドーピング濃度が異なる領域でありうる。このように、構造体１２１が合波部１２０と異なる材料で形成されていたり、合波部１２０の他の領域とはドーピング濃度が異なる領域であったりすることで、合波部１２０に入力される光信号が伝搬中の屈折率の違いにより異なる光信号として合波部１２０から出力される。 A specific example of the optical signal conversion device 100 will be described. When the optical signal input line 110, the multiplexing section 120, and the optical signal output line 130 are all made of the same material, for example, Si, the structure 121 can be made of a material different from that of the multiplexing section 120, for example, SiN or SiOx. The structure 121 is made of the same material as the multiplexing section 120 (Si in the above example), but may be a region with a different doping concentration from other regions of the multiplexing section 120. In this way, the structure 121 is made of a material different from that of the multiplexing section 120, or is a region with a different doping concentration from other regions of the multiplexing section 120, so that the optical signal input to the multiplexing section 120 is output from the multiplexing section 120 as a different optical signal due to the difference in the refractive index during propagation.
図１では、３本の光信号出力線１３０が図示されている。光信号出力線１３０が出力する光信号をそれぞれフォトダイオード２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃで受光すると、光信号入力線１１０から入力される光信号の位相関係に応じた強弱関係を観測できる。図１には、３つの位相関係α、β、γのそれぞれの場合における強弱関係が例示されている。予め入力される光信号の位相関係が分かっている状態で光信号変換装置１００に光信号を入力し、光信号変換装置１００から出力される光信号の強弱関係を測定することで、光信号の位相関係と強弱関係との関係を得ることができる。この光信号の位相関係と強弱関係との関係を予め得ておくことで、位相関係が不明の光信号が光信号変換装置１００に入力された場合に、光信号変換装置１００から出力される光信号の強弱関係を測定することで、光信号変換装置１００に入力される光信号の位相関係を推測することが可能になる。 In FIG. 1, three optical signal output lines 130 are shown. When the optical signals output by the optical signal output lines 130 are received by the photodiodes 200A, 200B, and 200C, respectively, the strength relationship according to the phase relationship of the optical signal input from the optical signal input line 110 can be observed. FIG. 1 illustrates the strength relationship in each of the three phase relationships α, β, and γ. By inputting an optical signal to the optical signal conversion device 100 in a state in which the phase relationship of the input optical signal is known in advance and measuring the strength relationship of the optical signal output from the optical signal conversion device 100, the relationship between the phase relationship and the strength relationship of the optical signal can be obtained. By obtaining the relationship between the phase relationship and the strength relationship of this optical signal in advance, when an optical signal with an unknown phase relationship is input to the optical signal conversion device 100, it becomes possible to estimate the phase relationship of the optical signal input to the optical signal conversion device 100 by measuring the strength relationship of the optical signal output from the optical signal conversion device 100.
図２は、光信号変換装置１００による光信号の合成結果のシミュレーション例を示す図である。図２の（ａ）は合波部１２０に構造体１２１が無い状態での合成結果のシミュレーション例である。図２の（ｂ）は合波部１２０に構造体１２１が１つ存在する状態での合成結果のシミュレーション例である。図２の（ｃ）は合波部１２０に構造体１２１が２つ存在する状態での合成結果のシミュレーション例である。 Figure 2 shows an example of a simulation of the result of combining optical signals by the optical signal conversion device 100. (a) of Figure 2 is an example of a simulation of the result of combining when there is no structure 121 in the multiplexing section 120. (b) of Figure 2 is an example of a simulation of the result of combining when there is one structure 121 in the multiplexing section 120. (c) of Figure 2 is an example of a simulation of the result of combining when there are two structures 121 in the multiplexing section 120.
合波部１２０の内部に構造体１２１が無い状態では、図２の（ａ）に示したように、入力される光信号は一様に合波されて出力される。一方、合波部１２０の内部に構造体１２１が有る状態では、図２の（ｂ）及び（ｃ）に示したように、入力される光信号は一様には合波されず、伝搬が妨げられたり、伝搬方向が変化したり、又は伝搬速度が変化したりする等、合波された波に対して作用する。このように合波される波の進行に対して作用することで、光信号出力線１３０が出力する光信号は、特異な強弱を有する信号として現れることになる。 When there is no structure 121 inside the multiplexing unit 120, the input optical signals are uniformly multiplexed and output, as shown in FIG. 2(a). On the other hand, when there is a structure 121 inside the multiplexing unit 120, the input optical signals are not uniformly multiplexed, as shown in FIG. 2(b) and (c), and the structure 121 acts on the multiplexed waves, such as impeding propagation, changing the propagation direction, or changing the propagation speed. By acting on the progression of the multiplexed waves in this way, the optical signal output by the optical signal output line 130 appears as a signal with unique strengths and weaknesses.
図３は、構造体１２１の形状の例を示す図である。構造体１２１の形状は、正円、楕円、矩形、三角形など、合波された光の伝搬を妨げる、もしくは伝搬方向を変える作用を実現できるものであれば、特定の形状に限定されるものではない。また、構造体１２１の大きさは、合波部１２０の内部である程度の数が配置できる大きさであり、また合波部１２０の内部で合波された光信号が光信号出力線１３０から出力できる大きさであれば、特定の大きさに限定されるものではない。 Figure 3 is a diagram showing an example of the shape of the structure 121. The shape of the structure 121 is not limited to a specific shape, such as a perfect circle, ellipse, rectangle, or triangle, as long as it can achieve the effect of preventing the propagation of the combined light or changing the propagation direction. In addition, the size of the structure 121 is not limited to a specific size, as long as a certain number of structures can be placed inside the multiplexing unit 120 and the optical signal combined inside the multiplexing unit 120 can be output from the optical signal output line 130.
図３の（ａ）は、構造体１２１の形状が全て同一の大きさの正円の場合である。図３の（ｂ）は、構造体１２１の形状が全て正円であるがその大きさが異なっている場合である。図３の（ｃ）は、構造体１２１の形状が正円及び楕円からなる例である。図３の（ｄ）は、構造体１２１の形状及び大きさがいずれも異なっている場合の例である。図３に示したように、構造体１２１は様々な形状及び大きさで形成されてもよい。 (a) of FIG. 3 shows an example where all the structures 121 are circles of the same size. (b) of FIG. 3 shows an example where all the structures 121 are circles of different sizes. (c) of FIG. 3 shows an example where the structures 121 are circles and ellipses. (d) of FIG. 3 shows an example where both the structures 121 are different in shape and size. As shown in FIG. 3, the structures 121 may be formed in various shapes and sizes.
合波部１２０の形状も、光信号入力線１１０から入力される光信号を合波する機能を有していれば、特定の形状に限定されるものでは無い。合波部１２０の形状は、光信号入力線１１０が接続される面（入力面）の形状と光信号出力線１３０が接続される面（出力面）の形状とが対称であってもよいし、入力面と出力面とが非対称であってもよい。また、入力面及び出力面では無い面についても対称であってもよいし、非対称であってもよい。 The shape of the multiplexing section 120 is not limited to a specific shape as long as it has the function of multiplexing the optical signals input from the optical signal input lines 110. The shape of the multiplexing section 120 may be symmetrical in terms of the shape of the surface (input surface) to which the optical signal input lines 110 are connected and the shape of the surface (output surface) to which the optical signal output lines 130 are connected, or the input surface and the output surface may be asymmetrical. Furthermore, surfaces other than the input surface and the output surface may also be symmetrical or asymmetrical.
図４は、合波部１２０の形状の例を示す図である。図４の（ａ）は、合波部１２０の入力面の形状と出力面との形状が対称となっている例である。図４の（ｂ）は、合波部１２０の形状は図４の（ａ）とは異なっているが、入力面の形状と出力面との形状が対称である例である。図４の（ｃ）は、合波部１２０の形状が楕円状となっている例である。図４の（ｄ）は、合波部１２０の入力面の形状と出力面との形状が対称となっており、他の面の形状が非対称となっている例である。図４の（ｅ）は、合波部１２０の形状が円状となっている例である。図４の（ｆ）は、合波部１２０の形状は図４の（ａ）及び（ｂ）とは異なっているが、入力面の形状と出力面との形状が対称である例である。図４の（ｇ）は、合波部１２０の入力面の形状と出力面との形状が非対称となっている例である。図４の（ｈ）は、合波部１２０の形状は図４の（ｄ）とは異なっているが、入力面の形状と出力面との形状が対称となっており、他の面の形状が非対称となっている例である。図４に示したように、合波部１２０は様々な形状で形成されてもよい。 4 is a diagram showing an example of the shape of the multiplexing unit 120. FIG. 4(a) is an example in which the shape of the input surface and the shape of the output surface of the multiplexing unit 120 are symmetrical. FIG. 4(b) is an example in which the shape of the multiplexing unit 120 is different from that of FIG. 4(a), but the shape of the input surface and the shape of the output surface are symmetrical. FIG. 4(c) is an example in which the shape of the multiplexing unit 120 is elliptical. FIG. 4(d) is an example in which the shape of the input surface and the shape of the output surface of the multiplexing unit 120 are symmetrical, and the shapes of the other surfaces are asymmetrical. FIG. 4(e) is an example in which the shape of the multiplexing unit 120 is circular. FIG. 4(f) is an example in which the shape of the multiplexing unit 120 is different from that of FIG. 4(a) and (b), but the shape of the input surface and the shape of the output surface are symmetrical. FIG. 4(g) is an example in which the shape of the input surface and the shape of the output surface of the multiplexing unit 120 are asymmetrical. FIG. 4H shows an example in which the shape of the multiplexing section 120 is different from that of FIG. 4D, but the shape of the input surface and the shape of the output surface are symmetrical, and the shapes of the other surfaces are asymmetrical. As shown in FIG. 4, the multiplexing section 120 may be formed in various shapes.
光信号変換装置１００は、光信号出力線１３０から出力させた光信号を合波部１２０に再度入力させてもよい。光信号変換装置１００は、光信号出力線１３０から出力させた光信号を合波部１２０に再度入力させることにより、現入力だけではなく、１時刻前の出力を反映させた光信号変換処理を行うことができる。一つの光信号出力線１３０を一つの光信号入力線１１０に接続してもよいし、一つの光信号出力線１３０を二つに分配し、それぞれ異なる位置の入力線としてもよい。 The optical signal conversion device 100 may input the optical signal output from the optical signal output line 130 back to the multiplexing unit 120. By inputting the optical signal output from the optical signal output line 130 back to the multiplexing unit 120, the optical signal conversion device 100 can perform optical signal conversion processing that reflects not only the current input but also the output from one time before. One optical signal output line 130 may be connected to one optical signal input line 110, or one optical signal output line 130 may be split into two, with each line serving as an input line in a different position.
光信号変換装置１００は、合波部１２０から出力される光信号を再帰的に合波部１２０に入力する構成であってもよい。 The optical signal conversion device 100 may be configured to recursively input the optical signal output from the multiplexing unit 120 back to the multiplexing unit 120.
図５は、光信号変換装置１００の構成例を示す図である。図５の（ａ）は、１本の光信号出力線１３０が合波部１２０の入力面に接続されている例である。図５の（ｂ）は、１本の光信号出力線１３０が２本に分岐して、合波部１２０の入力面に接続されている例である。図５の（ｃ）は、後段の合波部１２０に接続されている光信号出力線１３０が、前段の合波部の入力面に接続されている例である。 Figure 5 is a diagram showing an example of the configuration of the optical signal conversion device 100. (a) of Figure 5 is an example in which one optical signal output line 130 is connected to the input surface of the multiplexing unit 120. (b) of Figure 5 is an example in which one optical signal output line 130 is branched into two and connected to the input surface of the multiplexing unit 120. (c) of Figure 5 is an example in which the optical signal output line 130 connected to the subsequent multiplexing unit 120 is connected to the input surface of the previous multiplexing unit.
光信号変換装置１００は、図５のように、合波部１２０から出力される光信号を再帰的に合波部１２０に入力する構成であることで、現入力信号だけではなく、１時刻前の出力信号を反映させた光信号変換処理を行うことができる。 As shown in FIG. 5, the optical signal conversion device 100 is configured to recursively input the optical signal output from the multiplexing unit 120 back to the multiplexing unit 120, so that it can perform optical signal conversion processing that reflects not only the current input signal but also the output signal from one time before.
光信号変換装置１００を用いることで、入力される複数の光信号の位相関係を推測し、入力される光信号の位相の制御に利用できる。 By using the optical signal conversion device 100, the phase relationship of multiple input optical signals can be estimated and used to control the phase of the input optical signals.
図６は、本実施形態に係る光信号変換装置１００を備えた光ビーム制御システムの構成例を示す図である。 Figure 6 is a diagram showing an example of the configuration of an optical beam control system equipped with an optical signal conversion device 100 according to this embodiment.
レーザーダイオード１０から出力される光信号が分配され、位相シフタ２０に入力される。位相シフタは、位相制御器、位相変調器、Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、フェーズシフタ、Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ等とも呼ばれ得る。位相シフタ２０は、レーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を所定量変更する。図６の例では、レーザーダイオード１０から出力される光信号は６本に分配される。位相シフタ２０のそれぞれから出力される光信号の位相はφ１～φ６であり、アンテナ素子３０に入力される。アンテナ素子３０は、入力される光信号の位相関係に基づいて、アンテナ素子３０から放射されて形成されるビームの方向（方位、角度）と形状とを変更することができる。すなわち、アンテナ素子３０は光スキャナとして機能する。これは、光フェーズドアレイ又はオプティカルフェーズドアレイ（ＯＰＡ）式の光スキャナと呼ばれるものである。 The optical signal output from the laser diode 10 is distributed and input to the phase shifter 20. The phase shifter may also be called a phase controller, a phase modulator, a phase shifter, or the like. The phase shifter 20 changes the phase of the optical signal output from the laser diode 10 by a predetermined amount. In the example of FIG. 6, the optical signal output from the laser diode 10 is distributed to six. The phases of the optical signals output from each of the phase shifters 20 are φ 1 to φ 6 , and are input to the antenna element 30. The antenna element 30 can change the direction (azimuth, angle) and shape of the beam radiated and formed from the antenna element 30 based on the phase relationship of the input optical signals. That is, the antenna element 30 functions as an optical scanner. This is called an optical phased array or optical phased array (OPA) type optical scanner.
アンテナ素子３０から出力される光信号の一部が光信号変換装置１００に入力されると、光信号変換装置１００は、入力された光信号とは異なる状態の光信号を出力する。光信号変換装置１００から出力される光信号は、フォトダイオード２００で受光されることで強度が検出される。各光信号の強度の情報は、ＴＩＡ（Ｔｒａｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；トランスインピーダンス増幅器）４０、及びＡ／Ｄコンバータ５０を経てデジタル情報に変換される。そして、Ａ／Ｄコンバータ５０から出力される光信号の強度の情報は、ＤＮＮ（Ｄｅｅｐ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ；深層ニューラルネットワーク）６０に入力される。ＤＮＮ６０は、本発明の位相推定部の一例であり、入力された光信号の強度の情報から、光信号変換装置１００に入力された光信号の位相を推定し、出力する。図６の例では、ＤＮＮ６０は、３つの光信号の強度の情報の入力に基づいて、６本の光信号のそれぞれの位相φ’１～φ’６を予測する。 When a part of the optical signal output from the antenna element 30 is input to the optical signal conversion device 100, the optical signal conversion device 100 outputs an optical signal in a state different from the input optical signal. The optical signal output from the optical signal conversion device 100 is received by a photodiode 200, and the intensity is detected. The intensity information of each optical signal is converted into digital information via a TIA (Transimpedance Amplifier) 40 and an A/D converter 50. Then, the intensity information of the optical signal output from the A/D converter 50 is input to a DNN (Deep Neural Network) 60. The DNN 60 is an example of a phase estimation unit of the present invention, and estimates the phase of the optical signal input to the optical signal conversion device 100 from the intensity information of the input optical signal, and outputs it. In the example of FIG. 6, the DNN 60 predicts the phases φ' 1 to φ' 6 of each of the six optical signals based on input of intensity information of the three optical signals.
ＤＮＮ６０が予測した位相φ’ｎ（ｎ＝１～６）は位相シフタ制御器７０に入力される。位相シフタ制御器７０は、本発明の位相制御部の一例であり、ＤＮＮ６０が予測した位相φ’ｎに基づいて、レーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を補正するための補正パラメータを生成することで、光信号変換装置１００に入力される光信号の位相を制御する。具体的には、位相シフタ制御器７０は、ＤＮＮ６０が予測した位相φ’ｎを予め用意したテーブル又は変換式に当てはめて、アンテナ素子３０から出力される光信号のビームの形状を推定する。そして、位相シフタ制御器７０は、推定したビームの形状から、所望のビームの形状となるような補正パラメータを生成する。位相シフタ制御器７０は、生成した補正パラメータを位相シフタ２０に出力する。位相シフタ２０は、位相シフタ制御器７０が生成した補正パラメータに基づいてレーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を補正する。 The phase φ'n (n = 1 to 6) predicted by the DNN 60 is input to the phase shifter controller 70. The phase shifter controller 70 is an example of a phase control unit of the present invention, and generates a correction parameter for correcting the phase of the optical signal output from the laser diode 10 based on the phase φ'n predicted by the DNN 60, thereby controlling the phase of the optical signal input to the optical signal conversion device 100. Specifically, the phase shifter controller 70 estimates the beam shape of the optical signal output from the antenna element 30 by applying the phase φ'n predicted by the DNN 60 to a table or conversion formula prepared in advance. Then, the phase shifter controller 70 generates a correction parameter from the estimated beam shape to obtain a desired beam shape. The phase shifter controller 70 outputs the generated correction parameter to the phase shifter 20. The phase shifter 20 corrects the phase of the optical signal output from the laser diode 10 based on the correction parameter generated by the phase shifter controller 70.
位相シフタ２０に対してユーザが所望の位相φｎを設定したつもりであっても、実際は回路の様々な変動要因により、正確な位相φｎが位相シフタ２０に設定されない場合がある。正確な位相φｎが位相シフタ２０に設定されないと、ユーザの想定と異なる方位に光が出射されたり、ビーム形状が崩れたりする。そのときに、各アンテナ素子に入力された光信号の位相関係を知ることができれば、位相シフタ制御器７０で補正パラメータを生成することにより、光信号の位相を補正できる。 Even if the user intends to set a desired phase φ n for the phase shifter 20, in reality, due to various fluctuation factors of the circuit, the accurate phase φ n may not be set in the phase shifter 20. If the accurate phase φ n is not set in the phase shifter 20, light may be emitted in a direction different from that expected by the user, or the beam shape may be distorted. In such a case, if the phase relationship of the optical signals input to each antenna element can be known, the phase of the optical signal can be corrected by generating a correction parameter in the phase shifter controller 70.
図６に示した光ビーム制御システムは、光信号変換装置１００の出力を用いて、光信号変換装置１００へ入力された光信号の位相を予測することができる。これにより、アンテナ素子３０から放射されるビームをカメラで観測する必要が無いので、アンテナ素子３０から放射されるビームをカメラで観測する場合と比べて容易に光信号の位相の補正が可能となる。 The optical beam control system shown in FIG. 6 can predict the phase of the optical signal input to the optical signal conversion device 100 using the output of the optical signal conversion device 100. This eliminates the need to observe the beam radiated from the antenna element 30 with a camera, making it easier to correct the phase of the optical signal compared to observing the beam radiated from the antenna element 30 with a camera.
光信号変換装置の別の構成例を説明する。図７は、光信号変換装置の概略構成を示す図である。 Another example of the configuration of an optical signal conversion device is described below. Figure 7 shows the schematic configuration of an optical signal conversion device.
図７に示した光信号変換装置１５０は、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅと、合波部１７０と、光信号出力線１８０Ａ～１８０Ｃと、を含んで構成される。図７に示した光信号変換装置１５０は、図１に示した光信号変換装置１００と同様に、入力される光信号から、特異な強弱を有する信号として出力する装置である。 The optical signal conversion device 150 shown in FIG. 7 is configured to include optical signal input lines 160A-160E, a multiplexing section 170, and optical signal output lines 180A-180C. The optical signal conversion device 150 shown in FIG. 7 is a device that outputs a signal having a unique strength from the input optical signal, similar to the optical signal conversion device 100 shown in FIG. 1.
光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅは、本発明の光信号入力部の一例である。光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅは、それぞれ光信号を合波部１７０に出力する。合波部１７０は、複数の光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅから入力される光信号を合波する。光信号出力線１８０Ａ～１８０Ｃは、本発明の光信号出力部の一例であり、合波部１７０で合波された光信号を出力する。図７で示した光信号変換装置１５０は、５本の光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅ及び３本の光信号出力線１８０Ａ～１８０Ｃを備えているが、光信号入力線及び光信号出力線の数は係る例に限定されるものでは無い。 The optical signal input lines 160A-160E are an example of an optical signal input section of the present invention. The optical signal input lines 160A-160E each output an optical signal to the multiplexing section 170. The multiplexing section 170 multiplexes the optical signals input from the multiplexing sections 160A-160E. The optical signal output lines 180A-180C are an example of an optical signal output section of the present invention, and output the optical signal multiplexed by the multiplexing section 170. The optical signal conversion device 150 shown in FIG. 7 has five optical signal input lines 160A-160E and three optical signal output lines 180A-180C, but the number of optical signal input lines and optical signal output lines is not limited to this example.
光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの屈折率は、複数の屈折率の中のいずれかの屈折率である。ただし、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの屈折率が全て同じになることはない。例えば、光信号入力線１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｄは屈折率Ａであり、光信号入力線１６０Ｃ、１６０Ｅは屈折率Ａとは異なる屈折率Ｂである。 The refractive index of the optical signal input lines 160A to 160E is one of a number of refractive indices. However, the refractive indices of the optical signal input lines 160A to 160E are not all the same. For example, the optical signal input lines 160A, 160B, and 160D have a refractive index A, and the optical signal input lines 160C and 160E have a refractive index B that is different from the refractive index A.
また、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの長さは、複数の長さの中のいずれかである。ただし、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの長さが全て同じになることはない。例えば、光信号入力線１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｄは長さＡであり、光信号入力線１６０Ｃ、１６０Ｅは長さＢである。 The optical signal input lines 160A-160E have one of several lengths. However, the optical signal input lines 160A-160E do not all have the same length. For example, the optical signal input lines 160A, 160B, and 160D have length A, and the optical signal input lines 160C and 160E have length B.
光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの屈折率又は長さの少なくとも一方、又は両方が、不規則、又は不均一であることで、光信号変換装置１５０は、入力される光信号の屈折率の違いにより、入力される光信号から特異な強弱を有する信号に変換して出力することができる。なお、屈折率又は長さが不規則とは、上述のように光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの屈折率又は長さが複数の屈折率又は長さのいずれかであることであり、屈折率又は長さが不均一とは、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの屈折率又は長さが全て異なっていることである。 By making at least one or both of the refractive index or length of the optical signal input lines 160A-160E irregular or non-uniform, the optical signal conversion device 150 can convert the input optical signal into a signal having a unique strength and weakness due to differences in the refractive index of the input optical signal, and output the converted signal. Note that, as described above, an irregular refractive index or length means that the refractive index or length of the optical signal input lines 160A-160E is one of a number of refractive indexes or lengths, and a non-uniform refractive index or length means that the refractive indexes or lengths of the optical signal input lines 160A-160E are all different.
入力される光信号から、特異な強弱を有する信号として出力できるものであれば、光信号入力線は屈折率又は長さを異ならせるものに限定されない。光信号入力線の他の例を説明する。 As long as the input optical signal can be output as a signal with a unique strength, the optical signal input line is not limited to one that has a different refractive index or length. Other examples of optical signal input lines are described below.
図８は、光信号変換装置の概略構成を示す図である。 Figure 8 shows the schematic configuration of an optical signal conversion device.
図８の（ａ）は、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの太さが異なっている場合の例である。光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの太さを異ならせることで、図８の（ａ）に示した光信号変換装置１５０は、特異な強弱を有する信号として出力できる。 Figure 8 (a) shows an example in which the optical signal input lines 160A to 160E have different thicknesses. By making the optical signal input lines 160A to 160E different thicknesses, the optical signal conversion device 150 shown in Figure 8 (a) can output a signal with unique strengths and weaknesses.
図８の（ｂ）は、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの材料又は不純物濃度が異なっている場合の例である。光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの材料又は不純物濃度を異ならせることで、図８の（ｂ）に示した光信号変換装置１５０は、特異な強弱を有する信号として出力できる。 Figure 8 (b) shows an example in which the materials or impurity concentrations of the optical signal input lines 160A to 160E are different. By varying the materials or impurity concentrations of the optical signal input lines 160A to 160E, the optical signal conversion device 150 shown in Figure 8 (b) can output a signal with unique strengths and weaknesses.
図８の（ｃ）は、光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの一部または全部をサブミクロン構造に変えた場合の例である。光信号入力線１６０Ａでは、符号１６１Ａに示した範囲がサブミクロン構造となっている。同様に、光信号入力線１６０Ｂでは符号１６１Ｂに示した範囲が、光信号入力線１６０Ｃでは符号１６１Ｃに示した範囲が、光信号入力線１６０Ｄでは符号１６１Ｄに示した範囲が、光信号入力線１６０Ｅでは符号１６１Ｅに示した範囲が、それぞれサブミクロン構造となっている。光の波長よりも短い周期で２つ以上の構造を繰り返し配置することで、その構造を伝搬する光には、見かけ上の屈折率が２つの材料の屈折率の間となる。光信号入力線１６０Ａ～１６０Ｅの一部または全部をサブミクロン構造に変えることで、図８の（ｃ）に示した光信号変換装置１５０は、特異な強弱を有する信号として出力できる。 Figure 8 (c) shows an example in which some or all of the optical signal input lines 160A to 160E are changed to a submicron structure. In the optical signal input line 160A, the range indicated by reference symbol 161A is a submicron structure. Similarly, in the optical signal input line 160B, the range indicated by reference symbol 161B, in the optical signal input line 160C, the range indicated by reference symbol 161C, in the optical signal input line 160D, the range indicated by reference symbol 161D, and in the optical signal input line 160E, the range indicated by reference symbol 161E are each submicron structures. By repeatedly arranging two or more structures at a period shorter than the wavelength of light, the apparent refractive index of the light propagating through the structure is between the refractive indexes of the two materials. By changing some or all of the optical signal input lines 160A to 160E to a submicron structure, the optical signal conversion device 150 shown in Figure 8 (c) can output a signal with unique strength and weakness.
図８の（ｄ）は、光信号入力線の一部または全体をフォトニック結晶構造に変えた場合の例である。光信号入力線１６０Ｆはフォトニック結晶構造を有する。フォトニック結晶のように規則的に穴が配置された構造の中では、光が反射し、伝搬しない。フォトニック結晶構造が壁となり、光は結晶構造の間にある媒質を導波路として伝搬する。結晶構造の配列又は導波路幅により屈折率が変わる。光信号入力線の一部または全体をフォトニック結晶構造に変えることで、図８の（ｄ）に示した光信号変換装置１５０は、特異な強弱を有する信号として出力できる。 Figure 8 (d) shows an example where part or all of the optical signal input line is changed to a photonic crystal structure. The optical signal input line 160F has a photonic crystal structure. In a structure with regularly arranged holes such as a photonic crystal, light is reflected and does not propagate. The photonic crystal structure acts as a wall, and the light propagates through the medium between the crystal structures as a waveguide. The refractive index changes depending on the arrangement of the crystal structures or the width of the waveguide. By changing part or all of the optical signal input line to a photonic crystal structure, the optical signal conversion device 150 shown in Figure 8 (d) can output a signal with unique strengths and weaknesses.
図５に示したような再帰的接続を行うことで、本実施形態に係る光信号変換装置は、リザバーコンピューティングのリザバー層に適用することができる。 By making a recursive connection as shown in Figure 5, the optical signal conversion device of this embodiment can be applied to the reservoir layer of reservoir computing.
図９は、リザバーコンピューティングの概要を説明する図である。深層学習分野で用いられるＤＮＮ（ディープニューラルネットワーク）は、入力層と、多層化された中間層と、出力層とから成る。ＤＮＮは、ある入力に対して、所望の結果が得られるように各層の人工ニューロンの重み係数を更新していくものである。 Figure 9 is a diagram that explains the overview of reservoir computing. A DNN (deep neural network) used in the field of deep learning consists of an input layer, a multi-layered intermediate layer, and an output layer. A DNN updates the weight coefficients of the artificial neurons in each layer so that the desired result is obtained for a certain input.
これに対し、リザバーコンピューティングでは、中間層に相当する部分がリザバー層となる。リザバー層は、人工ニューロン（本実施形態においては、光信号変換装置１００、１５０）が再帰的にランダム接続されており、リザバー層の重み係数は固定である。 In contrast, in reservoir computing, the part that corresponds to the intermediate layer is the reservoir layer. In the reservoir layer, artificial neurons (in this embodiment, the optical signal conversion devices 100 and 150) are recursively connected randomly, and the weight coefficients of the reservoir layer are fixed.
入力層として、入力信号に基づいて発光するレーザ光源を用いると、リザバー層は、再帰的にランダムに接続された複数の光信号変換装置からなり、光信号変換装置が出力する光信号はフォトダイオードで受光される。レーザ光源までが電気信号の領域であり、レーザ光源からフォトダイオードまでが光信号の領域となる。フォトダイオードから出力される電気信号を、ＦＰＧＡ等で構成された回路によって重み係数を付けて加算し、目標値との差分を取ることで、重み係数の更新がなされる。図９の例では、３つのフォトダイオードからの出力にそれぞれ重み係数ｗ１、ｗ２、ｗ３を乗じている。 When a laser light source that emits light based on an input signal is used as the input layer, the reservoir layer is made up of multiple optical signal conversion devices connected recursively and randomly, and the optical signal output by the optical signal conversion device is received by a photodiode. The area up to the laser light source is the electrical signal area, and the area from the laser light source to the photodiode is the optical signal area. The electrical signals output from the photodiodes are added with weighting coefficients by a circuit configured with an FPGA or the like, and the weighting coefficients are updated by taking the difference from the target value. In the example of Figure 9, the outputs from the three photodiodes are multiplied by weighting coefficients w1, w2, and w3, respectively.
一般的に物理デバイスは、回路上に固定されると係数も同時に固定されるため、係数更新が必要なＤＮＮに適用することは難しい。しかし、リザバー層は重みの更新を行う必要がないため、係数が固定化された物理デバイスでも実現できる。 Generally, when physical devices are fixed on a circuit, the coefficients are also fixed at the same time, making it difficult to apply them to DNNs, which require coefficient updates. However, since the reservoir layer does not require weight updates, it can be realized even with physical devices whose coefficients are fixed.
本実施形態に係る光信号変換装置でリザバー層を構成することで、処理速度は光速であり、消費電力もほとんどない層となる。また、学習による重み更新は出力層のみであるため、本実施形態に係る光信号変換装置でリザバー層を構成することで、ＤＮＮと比較して学習の収束が速いという効果を奏する。 By configuring the reservoir layer with the optical signal conversion device according to this embodiment, the processing speed is the speed of light, and the layer consumes almost no power. In addition, since weight updates through learning are only performed on the output layer, configuring the reservoir layer with the optical signal conversion device according to this embodiment has the effect of faster learning convergence compared to DNN.
本実施形態に係る光信号変換装置１００は、合波部１２０を構成する物質より低屈折率の物質で合波部１２０の周囲を覆ってもよい。光信号変換装置１００は、合波部１２０を構成する物質より低屈折率の物質で合波部１２０の周囲を覆うことで、光を合波部１２０の内部に閉じ込め、合波部１２０の外部への光の漏洩を防ぐことが出来る。光信号変換装置１００は、合波部１２０の外部への光の漏洩を防ぐことで、合波部１２０による損失を抑えることができる。 The optical signal conversion device 100 according to this embodiment may cover the periphery of the multiplexing section 120 with a material having a lower refractive index than the material constituting the multiplexing section 120. By covering the periphery of the multiplexing section 120 with a material having a lower refractive index than the material constituting the multiplexing section 120, the optical signal conversion device 100 can confine light inside the multiplexing section 120 and prevent light from leaking outside the multiplexing section 120. By preventing light from leaking outside the multiplexing section 120, the optical signal conversion device 100 can reduce loss due to the multiplexing section 120.
図１０は、本実施形態に係る光信号変換装置１００の例を示す図である。図１０に示した例では、合波部１２０を構成する物質より低屈折率の物質１２２で合波部１２０の周囲が覆われている。物質１２２で覆う範囲は、合波部１２０の全体が覆われていれば良い。合波部１２０の材料としてＳｉが用いられている場合、物質１２２は、ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ２が用いられてもよい。また、合波部１２０の材料としてＳｉ３Ｎ４が用いられている場合、物質１２２は、ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ２が用いられてもよい。また、合波部１２０の材料としてＳｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＬｉＮｂＯ３が用いられている場合、物質１２２は空気が用いられてもよい。 FIG. 10 is a diagram showing an example of an optical signal conversion device 100 according to the present embodiment. In the example shown in FIG. 10, the periphery of the multiplexing section 120 is covered with a material 122 having a lower refractive index than the material constituting the multiplexing section 120. The area covered with the material 122 may be the entire multiplexing section 120. When Si is used as the material of the multiplexing section 120, the material 122 may be SiO x , for example, SiO 2. When Si 3 N 4 is used as the material of the multiplexing section 120, the material 122 may be SiO x , for example, SiO 2. When Si, Si 3 N 4 , or LiNbO 3 is used as the material of the multiplexing section 120, the material 122 may be air.
本実施形態に係る光信号変換装置１００の合波部１２０は様々な形状を取り得ることは上述した通りであるが、合波部１２０が取り得る形状についてさらに説明する。 As mentioned above, the multiplexing section 120 of the optical signal conversion device 100 according to this embodiment can have various shapes. The possible shapes of the multiplexing section 120 will be further explained.
図１１は、合波部１２０の形状の例を示す図である。合波部１２０に光が入力される際に、合波部１２０の内部で光が最も強くなる点、又は周囲より相対的に強くなる点を強強度点とする。強強度点は、設計時にシミュレーションを実行することで求めることができる。シミュレーション手法としては、例えばＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ、時間領域差分法）がある。図１１に示したように、合波部１２０は、合波部１２０の光信号の入力部から強強度点までの距離と、合波部１２０の光信号の入力部から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較した場合、後者の方が長くなるような形状であってもよい。 Figure 11 is a diagram showing an example of the shape of the multiplexing section 120. When light is input to the multiplexing section 120, the point inside the multiplexing section 120 where the light is strongest or the point where the light is relatively stronger than the surroundings is defined as the strong intensity point. The strong intensity point can be obtained by performing a simulation during design. An example of a simulation method is the FDTD method (Finite-Difference Time-Domain, time domain difference method). As shown in Figure 11, the multiplexing section 120 may be shaped such that the distance from the optical signal input section of the multiplexing section 120 to the strong intensity point is longer than the distance from the optical signal input section of the multiplexing section 120 to the optical signal output section of the multiplexing section 120.
なお、強強度点を調べる際の入力信号は、全て同じ信号であってもよい。また、各入力信号の位相を適当に変化させながら強強度点の発生位置を調べ、合波部１２０の光信号の入力部から、入力部の側壁から最も遠い位置に発生した強強度点までの距離と、合波部１２０の光信号の入力部から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較した場合、後者の方が長くなるような形状としてもよい。 The input signals used to check for high intensity points may all be the same signal. Alternatively, the phase of each input signal may be appropriately changed while checking the location of the high intensity point, and the shape may be such that when the distance from the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120 to the high intensity point that occurs at the farthest position from the side wall of the input part is compared with the distance from the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120 to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120, the latter is longer.
図１２は、合波部１２０の形状の別の例を示す図である。合波部１２０の光信号の入力部の側壁の形状は円弧状であってもよい。当該円弧の円は正円であってもよく、楕円又はクロソイド曲線のような外側に凸である曲線であってもよい。また、合波部１２０の光信号の出力部の側壁の形状は円弧状であってもよい。当該円弧の円は正円であってもよく、楕円又はクロソイド曲線のような外側に凸である曲線であってもよい。合波部１２０の光信号の入力部の側壁の形状と、出力部の側壁の形状とは、同じ形状であってもよく、異なる形状であってもよい。そして、図１２に示したように、合波部１２０は、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離と、合波部１２０の光信号の入力部から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較した場合、後者の方が長くなるような形状であってもよい。 12 is a diagram showing another example of the shape of the multiplexing unit 120. The shape of the side wall of the optical signal input part of the multiplexing unit 120 may be an arc shape. The circle of the arc may be a perfect circle, or may be an outwardly convex curve such as an ellipse or a clothoid curve. The shape of the side wall of the optical signal output part of the multiplexing unit 120 may be an arc shape. The circle of the arc may be a perfect circle, or may be an outwardly convex curve such as an ellipse or a clothoid curve. The shape of the side wall of the optical signal input part of the multiplexing unit 120 and the shape of the side wall of the output part may be the same shape or different shapes. As shown in FIG. 12, the multiplexing unit 120 may be shaped such that the distance from the optical signal input part of the multiplexing unit 120 to the center of the arc circle is longer than the distance from the optical signal input part of the multiplexing unit 120 to the optical signal output part of the multiplexing unit 120.
ここで、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離と、中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較して後者の方が短い場合について示す。図１３は、合波部１２０の形状の別の例を示す図である。図１３の（ａ）は、合波部１２０の光信号の入力部の円弧の円の中心に、合波部１２０の出力部の円弧が重なっている場合の例である。円弧の円の中心は、入力部から入力された光が最も集まりやすい点である。この場合、出力部から出力される光に偏りがでる可能性がある。従って、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離と、中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較して後者が０であるか、後者の方が極めて短いような形状は好ましくない。 Here, the case where the distance from the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120 to the center of the arc circle is shorter than the distance from the center to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120 is shown. FIG. 13 is a diagram showing another example of the shape of the multiplexing unit 120. FIG. 13(a) shows an example where the arc of the output part of the multiplexing unit 120 overlaps with the center of the arc of the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120. The center of the arc circle is the point where the light input from the input part is most likely to gather. In this case, there is a possibility that the light output from the output part will be biased. Therefore, a shape in which the distance from the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120 to the center of the arc circle is 0 or is extremely short compared to the distance from the center to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120 is not preferable.
図１３の（ｂ）は、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離と、中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較して、後者の方が長い場合の例である。図１３の（ｂ）に示したように、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離より、中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離を長くすることで、合波部１２０の内部で光が適度に分散されて、偏りの少ない出力結果が得られる。 Figure 13(b) shows an example in which the distance from the optical signal input section of the multiplexing section 120 to the center of the arc circle is longer than the distance from the center to the optical signal output section of the multiplexing section 120. As shown in Figure 13(b), by making the distance from the center to the optical signal output section of the multiplexing section 120 longer than the distance from the optical signal input section of the multiplexing section 120 to the center of the arc circle, the light is appropriately dispersed inside the multiplexing section 120, resulting in an output result with less bias.
しかし、円弧の円の中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離をとにかく長くすればよいというものでは無い。円弧の円の中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離が長くなり過ぎてしまうと、光信号が広がり過ぎてしまい、効率よく出力されない可能性がある。 However, simply making the distance from the center of the arc to the optical signal output section of the multiplexing section 120 longer is not enough. If the distance from the center of the arc to the optical signal output section of the multiplexing section 120 becomes too long, the optical signal will spread out too much and may not be output efficiently.
図１４は、合波部１２０の形状の別の例を示す図である。図１４の（ａ）は、合波部１２０の光信号の入力部から円弧の円の中心までの距離と、中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離とを比較して、後者の方が長い場合の例である。図１４の（ａ）に示したように、円弧の円の中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離が長くなり過ぎてしまうと、合波部１２０の出力部に光信号が到達する前に、光信号の一部が出力部付近の側壁で反射して内部に戻ったり、合波部１２０の外に漏れてしまったりする可能性がある。また、図１４の（ｂ）に示したように、円弧の円の中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離をさらに長くしてしまうと、合波部１２０の出力部に光信号が到達する前に、光信号の一部が出力部付近の側壁で反射して内部に戻ったり、合波部１２０の外に漏れてしまったりする可能性がさらに高まってしまう。従って、円弧の円の中心から合波部１２０の光信号の出力部までの距離は、光信号が側壁で反射して内部に戻ったり、合波部１２０の外に漏れてしまったりしない程度の距離とすることが望ましい。 14 is a diagram showing another example of the shape of the multiplexing unit 120. FIG. 14(a) shows an example in which the distance from the input part of the optical signal of the multiplexing unit 120 to the center of the arc circle is longer than the distance from the center to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120. As shown in FIG. 14(a), if the distance from the center of the arc circle to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120 becomes too long, a part of the optical signal may be reflected by the side wall near the output part and return to the inside or leak out of the multiplexing unit 120 before the optical signal reaches the output part of the multiplexing unit 120. Also, as shown in FIG. 14(b), if the distance from the center of the arc circle to the output part of the optical signal of the multiplexing unit 120 is further extended, the possibility that a part of the optical signal may be reflected by the side wall near the output part and return to the inside or leak out of the multiplexing unit 120 before the optical signal reaches the output part of the multiplexing unit 120 increases further. Therefore, it is desirable that the distance from the center of the arc circle to the output of the optical signal of the multiplexing unit 120 be a distance that prevents the optical signal from being reflected by the side wall and returning to the inside, or leaking out of the multiplexing unit 120.
合波部１２０の形状のさらに別の例を示す。図１５は、合波部１２０の形状の例を示す図である。合波部１２０は、図１５の（ａ）に示したように、合波部１２０の入力部及び出力部を除いた側面の形状が内向きに凸（外向きに凹）となるような形状となっていてもよい。合波部１２０の入力部及び出力部を除いた側面の形状が内向きに凸となっていることで、合波部１２０の入力部から入射した光信号が上下の側壁により鈍角で反射できる可能性を高めることができる。これにより、合波部１２０の内部で光信号の全反射が生じやすくなり、光信号を合波部１２０の内部に閉じ込めやすくなる。また、合波部１２０は、図１５の（ｂ）に示したように、合波部１２０の入力部及び出力部を除いた側面の形状が内向きに凸とした上で、出力部に向かって合波部１２０の幅が広がっていくような形状となっていてもよい。 Another example of the shape of the multiplexing section 120 is shown. FIG. 15 is a diagram showing an example of the shape of the multiplexing section 120. As shown in FIG. 15(a), the multiplexing section 120 may have a shape in which the shape of the side surface of the multiplexing section 120 excluding the input and output sections is inwardly convex (outwardly concave). By making the shape of the side surface of the multiplexing section 120 excluding the input and output sections convex inward, it is possible to increase the possibility that the optical signal incident from the input section of the multiplexing section 120 can be reflected at an obtuse angle by the upper and lower side walls. This makes it easier for the optical signal to be totally reflected inside the multiplexing section 120, making it easier to confine the optical signal inside the multiplexing section 120. In addition, as shown in FIG. 15(b), the multiplexing section 120 may have a shape in which the shape of the side surface of the multiplexing section 120 excluding the input and output sections is inwardly convex, and the width of the multiplexing section 120 widens toward the output section.
上述の光信号変換装置１００を備えた光ビーム制御システムでは、ＤＮＮによって位相を予測し、予測した位相に基づいてレーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を補正するための補正パラメータを生成していた。しかし補正パラメータの生成手法は係る例に限定されるものでは無い。 In the optical beam control system equipped with the optical signal conversion device 100 described above, the phase is predicted by DNN, and a correction parameter is generated for correcting the phase of the optical signal output from the laser diode 10 based on the predicted phase. However, the method of generating the correction parameter is not limited to this example.
図１６は、本実施形態に係る光信号変換装置１００を備えた光ビーム制御システムの構成例を示す図である。図１６に示した光ビーム制御システムは、図６に示した光ビーム制御システムと同様に、位相シフタ２０によってレーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を補正する。図１６に示した光ビーム制御システムは、図６に示した光ビーム制御システムと異なり、ＤＮＮ６５が出力した推定ビームフォーム（ＦＦＰ’）に基づいて、位相シフタ制御器７５によりレーザーダイオード１０から出力される光信号の位相を補正するための補正パラメータを生成する。 Fig. 16 is a diagram showing an example of the configuration of an optical beam control system including an optical signal conversion device 100 according to this embodiment. The optical beam control system shown in Fig. 16 corrects the phase of the optical signal output from the laser diode 10 by a phase shifter 20, similar to the optical beam control system shown in Fig. 6. Unlike the optical beam control system shown in Fig. 6, the optical beam control system shown in Fig. 16 generates correction parameters for correcting the phase of the optical signal output from the laser diode 10 by a phase shifter controller 75, based on the estimated beam form (FFP') output by the DNN 65.
ＤＮＮ６５は、本発明のビーム推定部の一例であり、入力された光信号の強度の情報から、アンテナ素子３０から放出された光信号のビームの形状（ビームフォーム）を推定して出力するよう予め学習されたニューラルネットワークである。ＤＮＮ６５には、光信号の強度の情報に加えて、温度センサ４５で計測された温度の情報が入力されてもよい。温度センサ４５で計測される温度は、光ビーム制御システムが搭載されるチップの温度、位相シフタ２０の温度、光信号変換装置１００の温度、アンテナ素子３０の温度の少なくとも１つ、または複数であってもよい。光信号変換装置１００は、温度の影響を受けて特性が変化し得るので、ＤＮＮ６５に温度の情報が入力されることで、温度に応じたビームフォームの推定が可能となる。 The DNN 65 is an example of a beam estimation unit of the present invention, and is a neural network that has been trained in advance to estimate and output the shape of the beam (beam form) of the optical signal emitted from the antenna element 30 from the intensity information of the input optical signal. In addition to the intensity information of the optical signal, temperature information measured by the temperature sensor 45 may be input to the DNN 65. The temperature measured by the temperature sensor 45 may be at least one or more of the temperature of the chip on which the optical beam control system is mounted, the temperature of the phase shifter 20, the temperature of the optical signal conversion device 100, and the temperature of the antenna element 30. The characteristics of the optical signal conversion device 100 may change due to the influence of temperature, so inputting temperature information to the DNN 65 makes it possible to estimate the beam form according to the temperature.
ＤＮＮ６５には、光信号の強度の情報、温度センサ４５で計測された温度の情報に加えて、レーザーダイオード１０の発光波長の情報が入力されてもよい。レーザーダイオード１０の発光波長が一定である場合は、ＤＮＮ６５には、レーザーダイオード１０の発光波長の情報として発光波長の設定値が入力され、レーザーダイオード１０の発光波長が一定でない場合は、ＤＮＮ６５には、レーザーダイオード１０の光の波長を波長測定器などで測定した実測値が入力される。 In addition to information on the intensity of the optical signal and information on the temperature measured by the temperature sensor 45, information on the emission wavelength of the laser diode 10 may be input to the DNN 65. If the emission wavelength of the laser diode 10 is constant, the set value of the emission wavelength is input to the DNN 65 as information on the emission wavelength of the laser diode 10, and if the emission wavelength of the laser diode 10 is not constant, the actual value of the wavelength of the light of the laser diode 10 measured with a wavelength measuring device or the like is input to the DNN 65.
図１６に示した光ビーム制御システムは、アンテナ素子３０から放射される光信号のビームの形状を知るための専用の撮像装置が無くとも、光信号変換装置１００から出力される光信号から、アンテナ素子３０から放射される光信号のビームの形状を推測することができる。 The optical beam control system shown in FIG. 16 can estimate the shape of the beam of the optical signal radiated from the antenna element 30 from the optical signal output from the optical signal conversion device 100, even without a dedicated imaging device for knowing the shape of the beam of the optical signal radiated from the antenna element 30.
光信号変換装置１００の別の適用例を示す。図１７は、本実施形態に係る光信号変換装置１００を備えた光信号計算システムの構成例を示す図である。図１７に示す光信号計算システムは、音波等の時間波形信号が入力されると、その時間波形信号の周波数を計算するシステムである。一般に、時間波形信号の周波数を計算するためにはフーリエ変換処理のような計算コストが高い処理が必要となる。図１７に示した光信号計算システムは、そのような計算コストが高い処理を要することなく、時間波形信号の周波数を出力することを可能としたシステムである。 Another application example of the optical signal conversion device 100 is shown. FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of an optical signal calculation system including the optical signal conversion device 100 according to this embodiment. The optical signal calculation system shown in FIG. 17 is a system that calculates the frequency of a time waveform signal, such as a sound wave, when the time waveform signal is input. Generally, a computationally expensive process such as a Fourier transform process is required to calculate the frequency of a time waveform signal. The optical signal calculation system shown in FIG. 17 is a system that makes it possible to output the frequency of a time waveform signal without requiring such computationally expensive processing.
時間波形信号がセンサ７６で検知され、位相シフタ制御器７７において、その時間波形信号を位相シフタ２０の数だけサンプリングする。サンプリング結果は各サンプリング点の強度に応じた制御パラメータ（例えば電圧Ｖφｍ）として位相シフタ制御器７７から位相シフタ２０に出力される。つまり、位相シフタ制御器７７によって、時間波形信号の強度の情報は位相の情報に変更される。 The time waveform signal is detected by a sensor 76, and the phase shifter controller 77 samples the time waveform signal by the number of phase shifters 20. The sampling result is output from the phase shifter controller 77 to the phase shifter 20 as a control parameter (e.g., voltage V φm ) corresponding to the intensity of each sampling point. In other words, the phase shifter controller 77 changes the intensity information of the time waveform signal into phase information.
図１７の例では、レーザーダイオード１０から出力される光信号はＭ本に分配される。位相シフタ２０のそれぞれから出力される光信号の位相は、制御パラメータによってφ１～φＭに設定されたとする。位相シフタ２０のそれぞれから出力される光信号は光信号変換装置１００に入力される。光信号変換装置１００の内部では、光信号が複雑に干渉する。そして光信号変換装置１００の出力線から光信号が出力される。光信号変換装置１００から出力される光信号は、フォトダイオード２００で受光されることで強度が検出される。各光信号の強度の情報は、ＴＩＡ４０、及びＡ／Ｄコンバータ５０を経てデジタル情報に変換される。そして、Ａ／Ｄコンバータ５０から出力される光信号の強度の情報は、信号処理器６７に入力される。信号処理器６７は、光信号変換装置１００の出力と、時間波形信号の周波数との関係を事前に学習した事前学習型信号処理器を用いるのが好適である。事前学習型信号処理器は、単一の人工ニューロン（単純パーセプトロン）を用いる簡単なものであってもよく、ＤＮＮを用いた高度なものであってもよい。また信号処理器としては、ニューラルネットワークに関連する技術に限らず、広義の機械学習技術、例えば線形回帰、決定木、サポートベクタマシンなどの技術が用いられてもよい。 In the example of FIG. 17, the optical signal output from the laser diode 10 is distributed to M lines. The phases of the optical signals output from each of the phase shifters 20 are set to φ 1 to φ M by the control parameters. The optical signals output from each of the phase shifters 20 are input to the optical signal conversion device 100. Inside the optical signal conversion device 100, the optical signals interfere in a complex manner. Then, the optical signals are output from the output lines of the optical signal conversion device 100. The optical signals output from the optical signal conversion device 100 are received by the photodiode 200, and the intensity is detected. The intensity information of each optical signal is converted into digital information via the TIA 40 and the A/D converter 50. Then, the intensity information of the optical signal output from the A/D converter 50 is input to the signal processor 67. It is preferable to use a pre-learning type signal processor for the signal processor 67, which has previously learned the relationship between the output of the optical signal conversion device 100 and the frequency of the time waveform signal. The pre-training type signal processor may be a simple one using a single artificial neuron (simple perceptron) or may be an advanced one using DNN. Furthermore, the signal processor is not limited to a technology related to a neural network, and may use a broad machine learning technology, such as linear regression, decision tree, or support vector machine.
光信号変換装置１００は、時間波形信号の周波数を出力するシステムだけでなく、パルス状の信号を物体に向けて照射し、信号の照射開始から、信号が物体で跳ね返って戻ってくるまでの往復時間から、物体の距離を算出するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法にも適用可能である。図１８は、パルス状の信号を出力した場合の、往復時間と受信信号の振幅との関係例を示す図である。ＴＯＦ法は、振幅を検出した往復時間の情報から、物体までの距離を検出する手法である。光信号変換装置１００を用いることで、反射パルスがどこにいるかを探索する処理を省略することが可能となる。 The optical signal conversion device 100 can be applied not only to a system that outputs the frequency of a time waveform signal, but also to a TOF (Time Of Flight) method in which a pulsed signal is irradiated toward an object and the distance to the object is calculated from the round-trip time from the start of the signal irradiation until the signal bounces off the object and returns. FIG. 18 is a diagram showing an example of the relationship between the round-trip time and the amplitude of the received signal when a pulsed signal is output. The TOF method is a technique for detecting the distance to an object from information on the round-trip time in which the amplitude is detected. By using the optical signal conversion device 100, it is possible to omit the process of searching for the location of the reflected pulse.
また、光信号変換装置１００は、時間と共に変化する時間信号に限らず、１次元のベクトル信号を入力とし、当該信号に基づいた判定処理を行うシステム全般に適用可能である。例えば光信号変換装置１００は、画像のある１又は複数のラインの信号を入力とし、そのラインに所定の物体が存在しているかどうかを判定する画像処理システムにも適用可能である。図１９は、ある画像の１ラインを抽出し、そのラインにおける画像の位置と強度（明るさ）との関係から、そのラインにおける物体の有無を判定する様子を示す図である。画像の位置と強度（明るさ）との関係をサンプリングし、サンプリング結果から生成された制御パラメータを位相シフタ２０に与えることで、サンプリング結果に応じた光信号を光信号変換装置１００から出力することができる。そして、図１７に示した光信号計算システムと同様に、光信号の強度の情報を入力として、物体の有無を出力するように事前に学習された信号処理器を用いることで、画像の１ラインの信号から当該ラインの物体の有無を出力することができる。また、上記のように２次元の信号から一部を切り出して１次元信号を生成する方法に限らず、２次元以上の多次元信号が入力に用いられてもよい。また、２次元以上の多次元信号そのものの形状を１次元信号に変換したものが、入力信号となってもよい。 The optical signal conversion device 100 is not limited to a time signal that changes over time, but is applicable to a system in general that receives a one-dimensional vector signal as an input and performs a determination process based on the signal. For example, the optical signal conversion device 100 is also applicable to an image processing system that receives a signal of one or more lines of an image as an input and determines whether a specific object exists on the line. FIG. 19 is a diagram showing a state in which one line of an image is extracted and the presence or absence of an object on the line is determined based on the relationship between the image position and intensity (brightness) on the line. By sampling the relationship between the image position and intensity (brightness) and providing the control parameters generated from the sampling results to the phase shifter 20, an optical signal corresponding to the sampling results can be output from the optical signal conversion device 100. Then, similar to the optical signal calculation system shown in FIG. 17, by using a signal processor that is trained in advance to receive information on the intensity of an optical signal and output the presence or absence of an object, the presence or absence of an object on the line can be output from the signal of one line of an image. In addition, the present invention is not limited to the method of generating a one-dimensional signal by cutting out a part of a two-dimensional signal as described above, but may also use a multidimensional signal of two or more dimensions for input. Additionally, the input signal may be a one-dimensional signal that is obtained by converting the shape of a multidimensional signal (2 or more dimensions) itself into a one-dimensional signal.
以上説明したように本実施形態によれば、複数の光信号入力線により入力される光信号から、伝搬中の屈折率の違いにより、特異な強弱を有する光信号を出力する光信号変換装置が提供される。本実施形態に係る光信号変換装置が出力する光信号の強度の情報から、入力される光信号の位相関係を推測することが可能となる。 As described above, according to this embodiment, an optical signal conversion device is provided that outputs an optical signal having a unique strength due to differences in the refractive index during propagation from optical signals input via multiple optical signal input lines. It is possible to infer the phase relationship of the input optical signals from information on the strength of the optical signals output by the optical signal conversion device according to this embodiment.
１００ 光信号変換装置
１１０ 光信号入力線
１２０ 合波部
１２１ 構造体
１３０ 光信号出力線
１５０ 光信号変換装置
１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，１６０Ｄ，１６０Ｅ 光信号入力線
１７０ 合波部
１８０Ａ，１８０Ｂ，１８０Ｃ 光信号出力線
100 Optical signal conversion device 110 Optical signal input line 120 Multiplexing section 121 Structure 130 Optical signal output line 150 Optical signal conversion device 160A, 160B, 160C, 160D, 160E Optical signal input line 170 Multiplexing section 180A, 180B, 180C Optical signal output line
Claims (13)
前記二以上の光信号入力部から入力された前記光信号を合波する合波部と、
前記合波部内で新たに生成された光信号を出力する二以上の光信号出力部と、
前記光信号出力部が出力する光信号に基づいて、前記光信号入力部に入力される光信号の位相関係を推定する位相推定部と、
を備え、
前記二以上の光信号入力部から入力される前記光信号は、伝搬中の屈折率の違いにより異なる光信号として前記光信号出力部から出力され、
前記光信号出力部の少なくとも一つが前記光信号入力部の少なくとも一つに接続される、光信号変換装置。 Two or more optical signal input units for inputting optical signals;
a multiplexing unit that multiplexes the optical signals input from the two or more optical signal input units;
two or more optical signal output units for outputting optical signals newly generated in the multiplexing unit;
a phase estimator that estimates a phase relationship of an optical signal input to the optical signal input unit based on an optical signal output from the optical signal output unit;
Equipped with
the optical signals inputted from the two or more optical signal input units are outputted from the optical signal output unit as different optical signals due to a difference in refractive index during propagation ,
At least one of the optical signal output ports is connected to at least one of the optical signal input ports .
前記光信号変換装置に入力される複数の光信号の位相をそれぞれ変更する複数の位相シフタと、
入力信号に応じて前記位相シフタのそれぞれの位相のシフト量を決めるためのパラメータを決定する位相制御部と、
前記光信号変換装置の出力を用いて、前記入力信号に関する所望の値を出力する信号処理部と、
を備える光信号計算システム。 An optical signal conversion device according to any one of claims 1 to 9 ;
a plurality of phase shifters for changing the phases of a plurality of optical signals input to the optical signal conversion device;
a phase control unit that determines a parameter for determining the amount of phase shift of each of the phase shifters in response to an input signal;
a signal processing unit that uses an output of the optical signal conversion device to output a desired value related to the input signal;
An optical signal computation system comprising:
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