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JP2019039941A - Optical computing unit - Google Patents

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JP2019039941A JP2017159096A JP2017159096A JP2019039941A JP 2019039941 A JP2019039941 A JP 2019039941A JP 2017159096 A JP2017159096 A JP 2017159096A JP 2017159096 A JP2017159096 A JP 2017159096A JP 2019039941 A JP2019039941 A JP 2019039941A
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謙悟 野崎
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亨 石原
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

To provide an optical calculation device capable of performing optical arithmetic at a higher speed.SOLUTION: The optical calculation device has S (S is a natural number) arithmetic elements 102 which are configured to output a single optical signal to an input signal and are connected to each other in series. Multiple operation units 101 are cascade-connected to each other in which a single optical signal is calculated and output using S input signals. A signal which is output from S operation units 101 in a front stage is input to a single operation unit 101 in a subsequent stage.SELECTED DRAWING: Figure 1

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 computing unit including 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。   The current electronic arithmetic circuit has been devised to reduce the chip size and element size to the limit in order to improve the processing speed of the arithmetic operation. This is because the resistance (R) and capacitance (C) in the circuit greatly limit the propagation of signals, and the only way to increase the calculation speed is to reduce the chip size and element size. For this reason, devices such as multi-core and many-core have been devised by packing elements in a small area logic block or core, but the wiring to connect them creates a new "delay", and there is a limit to speeding up operations I am seeing.

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, an optical wiring or an optical pass gate used in optical communication or the like can propagate an optical signal independent of C and R in the wiring path. In addition, with the progress of nanophotonics, the energy consumption of the optical gate has been dramatically improved, and the energy cost [J / bit] is about the same level between the CMOS gate and the optical pass gate. For this reason, various studies have been made to opticalize communication within and between chips.

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 electrical control port side of the optical gate is defined as a cascade connection, and a form in which the optical propagation paths of the switches are continuously connected is defined as a serial connection. For example, when a photoelectric fusion type circuit in which serial connection and cascade connection are mixed is assumed, the cascade connection part becomes a 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-controlled by an electric circuit, a circuit frequently used for OE conversion has a small merit of using light. For this reason, the boundary between light and electricity, that is, the location and number of cascade connections are important points 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 is taken as an example. In the case of a CMOS circuit, an S input element is formed by serially connected pass block gates, and this is cascade-connected in a tree structure to form an N input function. In this case, the delay time of the N input function is as follows.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 capacitance corresponding to the number of gates, there is a problem that it increases in proportion to the square of the number S of serial connection. If the operating voltage is increased to solve this problem, the power consumption also increases, so that the S of the CMOS circuit remains at most 2. Further, in order to use a small S, it is necessary to increase the number of cascade stages M, resulting in a problem of increasing the delay of the N input function.

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 is possible only by serial connection (Non-Patent Documents 1 and 2). This is because the optical signal propagation delay of the serial portion depends only on the gate length, that is, the delay has a characteristic proportional to S, and the above-described problem of the electrical signal propagation delay can be alleviated. It 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 decision graph”, Proceedings of the 2000 IEICE General Conference, 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。Satoshi Ishihara et al., “Proposal of Parallel Adder Circuit Based on Optical Passgate Logic and Operational Verification by Photoelectric Hybrid Circuit Simulator”, IEICE Technical Report, 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 proportional to S, it is possible to handle S larger than electricity. However, when handling too large S, it is necessary to take measures against signal degradation.

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-described problems, and an object of the present invention is to enable optical calculation at higher speed.

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 computing unit according to the present invention is configured by serially connecting S computing elements (S is a natural number) that outputs one optical signal with respect to an input signal, and one optical signal is generated by the S input signals. The arithmetic units are connected in cascade, and the 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 optical computing unit, the input signal is an electrical signal, and each of the plurality of computing units includes a conversion element that photoelectrically converts the optical signal output from the serially connected final stage computing 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 optical arithmetic unit, the input signal is an optical signal, and each of the plurality of arithmetic units outputs a value of 1 when an optical signal is output from the S arithmetic elements, and outputs light from the S arithmetic elements. A conversion element that outputs a value 0 is provided except when a signal is output.

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、(A)式により決定される。 In the optical computing unit, the number M of cascade-connected stages and the number S of computing elements are calculated from the number N of input signals, the computing time τ gate in the computing element, and the processing time τ OEO in the converting element by the equation (A). It is determined.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 optical computing unit, the computing elements in the first stage are configured by a Mach-Zehnder interferometer, and the computing elements in the computing elements in the second and subsequent stages are converted into one input signal that is an electrical signal. Alternatively, 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。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that optical calculation can be performed at 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 the configuration of the optical computing unit according to Embodiment 1 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 the configuration of the arithmetic unit 101 of the optical arithmetic unit 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 an operation delay of an arithmetic unit (arithmetic 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 computing 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 the configuration of the optical computing unit in 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 the configuration of the optical computing unit in the 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 block diagram showing the configuration of a 2-input 2-output XOR / XNOR arithmetic element and an XNOR-AND / XOR-OR arithmetic unit by a combination thereof in the present invention.

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

[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, an optical computing unit according to Embodiment 1 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 (S is a natural number) arithmetic elements 102 that output one optical signal with respect to an input signal. The computing unit 101 computes and outputs one optical signal based on S input signals. In addition, signals output from the S calculation units 101 in the previous stage are input to one calculation unit 101 in the subsequent stage. In addition, in FIG. 1, the case where S = 2 is illustrated. Further, FIG. 1 illustrates a case where the cascade connection stage number M is three.

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 Embodiment 1, the input signal is an electrical signal, and the arithmetic unit 101 includes a conversion element 103 that photoelectrically converts the optical signal output from the final-stage arithmetic element 102 connected in series. For example, as illustrated in FIG. 2, the calculation unit 101 may be configured by a light source 111, a 1 × 1 optical pass gate 102 a, and a conversion element 103. The two 1 × 1 optical pass gates 102a are serially connected. In this configuration, the electrical control input to the preceding 1 × 1 optical pass gate 102a is x i, and the electrical control input to the subsequent 1 × 1 optical pass gate 102a is y i . If the signal is set to be transmitted only when the electrical control input is 1, a combination of electrical signals in which both the preceding 1 × 1 optical pass gate 102a and the succeeding 1 × 1 optical pass gate 102a are transmitted, that is, x Only when i y j = 1, the AND operation outputs light.

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 computation is speeded up by the cascade connection of the optical serial connection circuits. In the first embodiment, the conversion element 103 is used 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 represented by the following equation.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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, the number of all serial stages is uniform, and the propagation time of light propagating through the arithmetic element 102 is uniform at τ gate in all the 1 × 1 optical pass gates 102a (the arithmetic element 102). The OE conversion time in all conversion elements 103 is assumed to be uniform with τ OEO , and the operation delay characteristic is handled. The calculation delay under this condition is expressed by the following equation (3).

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 in the cascade connection portion, τ OEO = 0, and when the number of serial stages is large, the response becomes slow, so the value of S is up to about 2. On the other hand, the optical computing unit according to the first embodiment needs to pass the output of the serially connected computing element 102 through the conversion element 103 and can handle S larger than 2. In these points, the configurations of the electric circuit and the optical computing unit in the first embodiment are greatly different.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 by a certain number of inputs N, and the M + 1-stage cascade delay is smaller than the M-stage cascade in the case of more 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。 In other words, if N = N 0 satisfying F (N 0 , M) = F (N 0 , M + 1) is defined as the break-even point, the number of cascade stages is M + 1 for the number of inputs exceeding this and M for the number of inputs not exceeding this. By adopting, the delay can be kept small. Further, when N = N 0 , by adopting the number of cascade stages of M + 1 stages, a smaller S can be adopted and the problem of optical serial circuit loss 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, attention is paid to delay characteristics when N is fixed to a specific value and S, M = log S (N) is used as a parameter. In the optical computing unit in the first embodiment, M and S need to be handled as natural numbers, but here, the range is expanded to a real number range, and the computation delay is expressed by equation (4).

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 2019039941
The delays of the electric circuit and the optical circuit are expressed by equations (6) and (7), respectively. Here, in the electric circuit, τ OEO = 0 is set because no OE conversion element is required in the cascade connection portion, and τ gate = τ CMOS is set so as to distinguish it from the optical computing unit in the embodiment.
Figure 2019039941

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。   Now, the maximum value of the right side of equation (8) is expressed by the following equation, and under the condition that it is smaller than 1, the delay of the optical computing unit in the first embodiment is smaller than that of the electric circuit.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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 By passing the signal through a photoelectric conversion element (conversion element 103) whose response speed is smaller than e (p-1) times the switching time of CMOS and cascading M 0 = log S0 (N) stages, an electric circuit is obtained. It is possible to configure an optical circuit with a smaller delay.

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 M of cascade-connected stages and the number S of the arithmetic elements 102 are calculated from the number N of input signals, the arithmetic time τ gate in the arithmetic element 102, and the processing time τ OEO in the conversion element 103 by the equation (4). Can be determined.

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 about the same as that of an electric circuit, but the propagation delay of the arithmetic element 102 must be smaller than the response speed of the CMOS. Regarding this, in consideration of the fact that the propagation speed of light is about 100 μm / ps in a semiconductor, this condition is achieved by realizing an optical pass gate (arithmetic element 102) having an element length of 1000 μm or less with 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。 Now, S 0 and M 0 described above are real values, but in an actual circuit, these must be treated as natural numbers. For this reason, 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 cascade stage number 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 equation (3) that the lowest value appears in the operation delay between two natural numbers sandwiching the real value M 0 . The number S of serial connection stages is obtained by substituting M candidates to be adopted into the equation (3). By substituting two S and M candidates into equation (3) and adopting S and M with smaller F (N, M), the minimum computation delay can be obtained.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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。 When the values of F (N, M) are the same, a value obtained by rounding up the decimal point of M 0 may be adopted as M for the reason described above. The setting method of M is the same as the method when considering the breakeven point N 0 .

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。 As for the characteristic that the break-even point N 0 exists and the delay takes the minimum value at S 0 , the serial connection portion in which the operation delay increases in proportion to S and the cascade connection portion in which the delay decreases with the increase of S are mixed. Because of this, 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 expression (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 is larger than the maximum value S max (natural number) allowed, the value of M is increased until S ≦ S max is satisfied. Thereby, the minimum delay can 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 unit 101 is connected by a multi-stage serial connection circuit that is impossible in an electric circuit by the arithmetic element 102 (for example, an optical pass gate) having a propagation delay smaller than the switching time of the CMOS. An optical circuit having a smaller delay than the electric circuit is configured by photoelectrically converting the optical signal output from the serial connection circuit of the arithmetic element 102 by the conversion element 103 and connecting (input) to the arithmetic element 102 in the subsequent stage. 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 arithmetic delays between the CMOS circuit and the optical arithmetic unit according to the first embodiment in the above-described multi-input AND operation. The delay of the optical circuit is calculated using the equation (3) with τ gate = 0.2 ps and τ OEO = 25 ps, and is shown by a curve of M = 1 to 3. In this case, S 0 = 44.7, and the characteristic curve expressed by the equation (4) is a straight line that is in contact with the curve expressed by the equation (3) at N = S 0 M. Further, the delay of the CMOS circuit is calculated using the equation (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 an operation with a much lower delay than that of a CMOS circuit only by adopting cascade connection of at most one or two stages. For example, when N = 1000, M 0 = 1.82 from the expressions (3) and (5), and F (1000,1) S = 1000 > F (1000,2) S = 32 from the expression (3). Therefore, M = 2 and S = 32 are adopted. In this case, as shown in FIG. 4, the circuit is a square circuit composed of 32 × 32 1 × 1 optical pass gates 102a, and 1 × 1 optical pass gates 102a (calculations) serially connected after light is input. All times passing through the element 102) are equal. However, since 32 2 = 1024> 1000, there is a useless gate.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

[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, an optical computing unit according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. Note that the second embodiment also includes a plurality of arithmetic units 101 connected in cascade as described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the calculation unit 101 is configured by serially connecting S (S is a natural number) calculation elements 102 b that output one optical signal with respect to an 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 to be serially connected optically couples the optical signal λ 1 to the waveguide connected to the conversion element 103b. The next arithmetic element 102b connected in series multiplexes the light signal λ 2 with the light output from the first arithmetic element 102b. The arithmetic element 102b is, for example, a multiplexer configured from 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。   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 an optical signal is output from the S arithmetic elements 102b. A conversion element 103b that outputs an optical signal having a value of 0 is provided. In this configuration, a multi-input OR operation circuit is obtained.

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 multiplexing in each arithmetic element 102b is α and the number of inputs is N and M = 1, that is, S = N, (only one input is multiplexed) / ( The intensity ratio of the case where all inputs are not combined is {α + (1−α) × (N−1)} / {(1−α) × N}. This value is the contrast ratio when the difference between “0” and “1” of the OR operation 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 ratio when α = 0.9 is 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 the maximum value of the number of serial connection stages at 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 computing unit are the same as those in the first embodiment. Consider the OR operation.

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, S 0 = 44.7 and M 0 = 1.2 from the equations (3) and (5), and F = (100,1) S = 100 <F (100,2) 1 However, since S = 100 and S max = 10 is exceeded, M = 2 and S = 10 are adopted. As a result, a minimum delay can be realized while ensuring suppression of a decrease in contrast.

[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, an optical computing unit according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, a plurality of arithmetic units 101a in the k = 1 stage cascaded in multiple stages are configured by an arithmetic element 102c and a conversion element 103c that are configured by a 1-input 1-output Mach-Zehnder interferometer. . An input signal X and an input signal Y are input to the electric control units provided in the two arms of the Mach-Zehnder interferometer. Note that the arithmetic unit 101 after the k = 2nd stage includes the arithmetic element 102 and the conversion element 103 that are the same as those in the first embodiment. In the third embodiment, the composite function XNOR-AND is calculated.

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 electrical signals output from the conversion element 103c are the input signals x ( N 1 binary signals of x 1 to x N ) and input signals y (y 1 to y 1 ) of the N arithmetic elements 102c connected in series. y N N-digit binary signal) is the result of ANDing each digit, and is 1 when all digits match, and 0 otherwise. In other words, the composite function XNOR-AND can be calculated even in the first stage only (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, in the case of k = 1 stage only (M = 1), the match output for each digit is output as 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. AND M (A 1 ,..., A N ) is executed by serially connecting the arithmetic elements 102c that execute the above-described arithmetic operations. Since AND M is generally larger in structure than the AND of 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, here, it is considered to adopt a cascade connection in the AND operation part. That is, in Equation (2), k = 1 stage is configured by AND M having a large τ gate , and k ≧ 2 stages is configured by AND by the calculation unit 101 in Embodiment 1 having a small τ gate . In this case, Equation (3) is rewritten as Equation (12). Here, S 1 and τ gate1 are k = the number of serial connection stages of the first stage and the propagation delay of one arithmetic element 102c, and S 2 and τ gate2 are the number of serial connection stages after the second stage of k = 2 and the propagation of one arithmetic element 102. Delay, L is the total number of inputs to the k = 2 stage, and M is the number of cascade stages after the k = 2 stage. However, the equation (12) holds only if M is a natural number, in the case of M = 0 is set to F (N, M) = βS1τ gate2.

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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, when N = 10000, α = 125, and β = 100, M = 3, S 1 = 1, and S 2 = 22 are adopted as follows.

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, when N = 100, α = 125, and β = 100, M = 1, S 1 = 1, and S 2 = 100 are adopted as follows.

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, an optical computing unit according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, a plurality of arithmetic units 101a in the k = 1 stage cascaded in multiple stages are configured from arithmetic elements 102d in which Mach-Zehnder interferometers with two inputs and two outputs are serially connected in two stages. In this configuration, an electric control input to the preceding Mach-Zehnder interferometer of the arithmetic element 102d is X i, and an electric control input to the latter-stage Mach-Zehnder interferometer is Y i . Note that the arithmetic unit 101 after the k = 2nd stage includes the arithmetic element 102b and the conversion element 103b similar to those of the second embodiment described above. In the fourth embodiment, the composite function XOR-OR is calculated.

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 k = 1 stage of this configuration, an element corresponding to the conversion element 103c in Embodiment 3 is not required, and an optical signal output from the calculation unit 101a is obtained from N serially connected calculation elements 102d. For each input signal x ( N 1- digit binary signal of x 1 to x N ) and input signal y ( N 1- digit binary signal of y 1 to y N ), the XOR operation result in each digit is represented by all the digits. As a result of ORing, the result is 0 when all digits are matched, and 1 otherwise. In other words, the composite function XOR-OR can be calculated even when only k = 1 stage (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 k = 1 stage (M = 1) is expressed as OR M (A 1 ,..., A N ), A j = XOR (X j , Y j ). An electronic signal (X j , Y j ) is input to the two input terminals of an arithmetic element 102d in which two Mach-Zehnder interferometers are serially connected, and a signal from a cross-side port is output from the light source connected to 102d. Thus, A j = XOR (X j , Y j ) is executed, and OR M (A 1 ,..., A is established by connecting the output signal from the preceding stage 102d to an input port different from the port connected to the light source. N ). Since this OR M is realized by using a Mach-Zehnder interferometer, in general, the OR M has a larger structure than the OR by the arithmetic element 102b in the second embodiment, and the delay in the OR operation becomes 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, it is considered here that a cascade connection is adopted in the OR operation part. That is, in Equation (2), k = 1 stage is configured with OR M having a large τ gate , and k ≧ 2 stages is configured with OR by the arithmetic unit 101 in Embodiment 2 having a small τ gate . In this case, Equation (3) is rewritten as Equation (14). Here, S 1 and τ gate1 are k = 1 number of serial connection stages and one arithmetic element 102d propagation delay, and S 2 and τ gate2 are k = 2 and subsequent serial connection stages and propagation of one arithmetic element 102. Delay, L is the total number of inputs to the k = 2 stage, and M is the number of cascade stages after the k = 2 stage. However, the equation (14) holds only when M is a natural number, and when M = 0, F (N, M) = βS 1 τ gate 2 .

Figure 2019039941
Figure 2019039941

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。   Other configurations are the same as those of the third embodiment described above, and a 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 XOR-OR of the fourth embodiment. In some cases, the multi-input OR in the second embodiment can implement a circuit faster than the multi-input AND in the first embodiment. For example, in Embodiment 2, the arithmetic element 102b connected in serial is connected to the conversion element 103b, but the same effect as in Embodiment 2 can be obtained by connecting the arithmetic element 102b connected in parallel to the conversion element 103b. .

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 output from the plurality of conversion elements 102b is collectively connected to the conversion element 103b, the configuration of the calculation unit 101 is large. However, since the calculation of the operator 102b is processed in parallel, it is serially connected. There is a possibility that the delay becomes smaller than that. In other words, the calculation using the XOR-OR according to the fourth embodiment instead of the XNOR-AND according to the third embodiment may be performed at high speed. Note that multi-bit pattern matching can be implemented using either XNOR-AND or XOR-OR, so that a circuit configuration that meets the needs can be selected.

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。 Now, the calculation unit at the k = 1 stage in this embodiment is obtained by serially connecting (a) of FIG. 8 to the configuration of (c) of FIG. Here in FIG. 8 (a) shows the configuration of the arithmetic elements of the two inputs and two outputs, an electrical control signal X i, to Y i, the output port is switched when the X i and Y i does not match the time matching Any arithmetic element may be used. In the configuration of FIG. 8C, the 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 do not match (XOR) is the input port of the next stage arithmetic element. The light source may be connected to the input port opposite to the port used for this connection [Description 1]. As a result, the XOR-OR operation can be realized only with k = 1 stage (M = 1). Further, it is obvious that the XOR-OR operation with a smaller delay can be obtained by employing the configuration of the fourth embodiment after the k = 2 stage.

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, when the calculation unit at the k = 1 stage in the present embodiment is changed to a configuration in which FIG. 8A is serially connected to the configuration of FIG. 8D, XNOR-AND calculation is possible. Here, in FIG. 8D, the 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 at k = 1 stage (M = 1). In addition, it is obvious that an XNOR-AND operation with a smaller delay can be obtained by adopting the configuration of the third embodiment after k = 2.

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 electric control signals X i , Y i are applied 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, the two-input two-output Mach The zender interferometer outputs an optical signal from the bar side / cross side output port with respect to the input port to which the light source is connected when the electrical control input is present or absent. 8A outputs XOR (X i , Y i ) from the output port on the cross side of the light source, and outputs XNOR (X i , Y i ) from the opposite bar port.

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 in FIG. 8A is that the electric control signals X i and Y i are respectively applied to both arms of one 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer 102e shown in FIG. 8B. This can also be realized by giving In other words, the phase difference is π when an electrical control signal is applied to one arm, and the phase difference is zero when an electrical signal is applied to both arms or not applied to both arms. To do. At this time, the positional relationship between XNOR and XOR at the output port is opposite to that of FIG. 8A, but in accordance with [Description 1] and [Description 2] described above, the XOR-OR output port is set as follows for the XOR-OR operation. It is only necessary to connect the output port of XNOR to the next stage for XNOR-AND operation. The length (element length) of the element shown in FIG. 8B is half of the element length shown in FIG. 8A. Therefore, the configuration shown in FIG. By substituting for the configuration shown in (1), a smaller calculation delay can be obtained.

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 by a 2-input 2-output directional coupler. That is, the coupling state of the two-input / two-output directional coupler is controlled by an 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, and the optical signal. The state in which the optical signal is output from the output port on the bar side is switched with respect to the port to which is input. Because the directional coupler can be smaller in size than the Mach-Zehnder interferometer, this alternative can provide 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。   Furthermore, the 2-input 2-output Mach-Zehnder interferometer used in FIG. 8A can be replaced by a 2-input 2-output XOR or XNOR arithmetic element (non-patent document 3) using a ring resonator or the like. . In other words, in a 2-input 2-output computing 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-resonance state in which the optical signal is output from the output port on the bar side are switched with respect to the port to which the optical signal is input. Since the ring resonator can be smaller in size than the Mach-Zehnder interferometer, this alternative provides a smaller computational delay.

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 an input signal are serially connected to calculate and output one optical signal based on the S input signals. Since the calculation units are connected in cascade, optical calculation 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 embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

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 arithmetic units that are configured by serially connecting S arithmetic elements (S is a natural number) that outputs one optical signal with respect to an input signal, and that outputs one optical signal based on the S input signals. With
The plurality of arithmetic units are cascade-connected,
An optical computing unit, wherein the signal output from the S computing units at the preceding stage is inputted to one computing unit at the succeeding 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。
The optical computing unit according to claim 1,
The input signal is an electrical signal;
Each of the plurality of calculation units includes a conversion element that photoelectrically converts an optical signal output from the final-stage calculation element that is serially connected.
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。
The optical computing unit according to claim 1,
The input signal is an optical signal;
Each of the plurality of arithmetic units outputs a value of 1 when an optical signal is output from the S arithmetic elements, and outputs a value of 0 except when an optical signal is output from the S arithmetic elements. An optical computing unit comprising: a conversion element that performs the operation.
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、(A)式により決定されることを特徴とする光演算器。
Figure 2019039941
The optical computing unit according to claim 2 or 3,
The number M of cascaded stages and the number S of arithmetic elements are determined by the equation (A) from the number N of the input signals, the arithmetic time τ gate in the arithmetic elements, and the processing time τ OEO in the conversion element. An optical computing unit.
Figure 2019039941
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。
The optical computing unit according to claim 1,
In the plurality of calculation units in the first stage, the calculation element includes a Mach-Zehnder interferometer,
The arithmetic unit in the plurality of arithmetic units in the second and subsequent stages outputs one optical signal for one input signal that is an electric sign.
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