JPH04328726A - 光ニューラルネットデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像認識、文字認識等
に応用されるニューラルネットのハードウェアを構成す
る光ニューラルネットデバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ニューラルネットのハードウェア
としては、ＬＳＩあるいは光技術を用いているが、この
うち、光技術は、光の空間並列性を利用して大規模な数
のニューラルネットを実現する可能性がある。この一例
として、発光部と空間変調部と受光部を積層した光ニュ
ーロチップが報告されている（例えば、信学技報（ＣＰ
ＳＹ）Ｖｏｌ．８８　Ｎｏ．１０７（１９８８年）ＰＰ
．５３〜６０、特開平２−２２６１２７号等）。ここで
、図６は光ニューロチップの従来例を示しており、１１
がライン状の発光ダイオードアレイからなる発光層（発
光部）、１２がＭＱＷ構造のＥｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏ
ｒｐｔｉｏｎ　効果を利用した空間変調層（空間変調部
）、１３がライン状のフォトダイオードアレイからなる
受光層（受光部）である。また、１４は発光層１１と空
間変調層１２との間及び空間変調層１２と受光層１３と
の間に設けた電気絶縁層であり、１５は基板である。次
に、上記光ニューロチップの動作について説明する。発
光部１１の発光ダイオードアレイに信号を入力すると、
発光ダイオードアレイは信号に比例した強度で発光する
。空間変調部１２ではニューラルネットにおける結合強
度を２次元マトリックスで表現した値に比例した強度変
調を行う。発光部１１の発光ダイオードアレイで発光し
た光は空間変調部１２で変調された後、受光部１３に入
射する。発光部１１と受光部１３は短冊状の１次元アレ
イとなっており、互いは図のように直交するように配置
されている。その結果、受光部１３から得られる信号は
発光（ベクトル）と変調（マトリックス）のベクトルマ
トリックス演算となっている。そして、受光部１３で電
気信号に変換された後、電気的にしきい値処理されニュ
ーラルネットの演算が完了する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光ニ
ューロチップは高速でかつ集積度の高い（ニューロン数
の多い）ことが特徴であるが、発光部１１や空間変調部
１２から発する熱や、発光部と空間変調部と受光部の電
気配線のために積層するのが困難になってくる。また、
ニューラルネットのうちでも、階層型のようにカスケー
ドにネットワークが接続していく場合は、チップのよう
にデバイスを積層するのが難しくなってくる。尚、バル
ク素子で光ニューラルネットを構成することも可能だが
、小型化が困難で位置合わせも難しく、しかも、埃など
にも弱いという欠点がある。本発明は上記事情に鑑みて
なされたものであって、各構成素子をある厚みをもった
透明基板上に配置し、光をその透明基板内を進ませるこ
とにより、前述の問題を解消した光ニューラルネットデ
バイスを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、請求項１記載の発明は、１次元もしくは２次元配列さ
れた発光部と、該発光部から発光した光をコリメートす
るレンズ部と、コリメート光を２次元変調する空間変調
部と、この変調した光を受光し発光と空間変調の間でベ
クトルマトリックス演算結果を得る１次元もしくは２次
元の受光部とを備えた光ニューラルネットデバイスにお
いて、１つの透明基板の面上に上記発光部とレンズ部と
空間変調部と受光部とを１組もしくは複数組配置してな
ることを特徴とする。また、請求項２記載の発明は、請
求項１記載の光ニューラルネットデバイスにおいて、発
光部が１つの光源とこの光源からの光を変調する空間変
調部とからなることを特徴とする。また、請求項３記載
の発明は、請求項１記載の光ニューラルネットデバイス
において、受光部にしきい値処理を光学的に行うデバイ
スを用いて処理結果を光情報として取り出すことを特徴
とする。また、請求項４記載の発明は、光ニューラルネ
ットデバイスをカスケードに接続してなる光ニューラル
ネットデバイスにおいて、請求項３記載の第１の光ニュ
ーラルネットデバイスの出力光の部分に、透明基板の両
面に空間変調部と受光部を配置した第２の光ニューラル
ネットデバイスを重ね合わせ、第１の光ニューラルネッ
トデバイスの出力光信号を第２の光ニューラルネットデ
バイスに入射することを特徴とする。

【０００５】

【作用】請求項１記載の光ニューラルネットデバイスで
は、１つの透明基板の面上に発光部、レンズ部、空間変
調部、受光部の各構成デバイスが配置されているため、
発光部からの光は透明基板内を進みレンズ部でコリメー
トされ、コリメート光は透明基板内を進み空間変調部に
入射し、空間変調部で変調された後、透明基板内を進み
、受光部で受光される。このように、請求項１記載の光
ニューラルネットデバイスにおいては、透明基板内を光
が進むため、埃等の影響を受けることがない。また、各
構成デバイスの１つの面は空中に接しているので発光部
や空間変調部から発する熱を空中に放熱することができ
、また、各構成デバイスからの電気配線も自由にレイア
ウトできる。

【０００６】請求項２記載の光ニューラルネットデバイ
スでは、発光部が１つの光源とこの光源からの光を変調
する空間変調部とからなり、入力ベクトルを空間変調部
で表現するため、光源を１つにすることができる。また
、請求項３記載の光ニューラルネットデバイスでは、し
きい値処理を光で行うため、結果を光信号として得るこ
とができる。また、請求項４記載の光ニューラルネット
デバイスでは、請求項３記載の光ニューラルネットデバ
イスをカスケードに接続することにより、ニューラルネ
ットのうちでも階層型のニューラルネットを容易に実現
することができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は請求項１記載の発明の一実施例を示
す光ニューラルネットデバイスの概略的斜視構成図であ
る。図１において、２１は透明基板あるが、この透明基
板は導波路とは違い、ある屈折率が一定の媒質で通常の
光の伝搬の現象を利用できる厚みや大きさを持ったもの
であり、例えば、ガラスや水晶などである。また２２は
半導体レーザーのような１次元または２次元ベクトル発
光部、２３と２５は平板レンズ、２４は液晶のような２
次元マトリックス空間変調部、２６は１次元または２次
元ベクトル受光部であり、これら各構成素子は上記透明
基板２１の両面に配置されている。ここで、発光部２２
から発光した光は、図の矢印で示したように基板内を斜
めに進んでいく。従って、発光部２２は基板２１の面に
対して斜めに光を入射する必要がある。このため、図１
の構成では、発光部の出射面にグレーティング２７を設
け、グレーティング２７による回折光が２３の平板レン
ズに向かうようにしてある。尚、このグレーティング２
７は、例えば、レジスト薄膜に電子線描画して作成する
。また、平板レンズ２３，２５は、例えば、レジスト膜
に電子線描画でフレネルゾーンプレートを作成し反射膜
を蒸着したものを使う。また、空間変調部２４では、入
力と出力が同じ方向である反射するタイプのものを用い
る。液晶の場合では、基板２１に接していない側の面に
Ａｌを使った反射膜を設ければよい。また、各素子のア
レイのピッチは全て同じで、位置関係は正確にアレイご
とに合わせている。

【０００８】次に図１に示す構成の光ニューラルネット
デバイスの動作について説明する。図１において、発光
部２２は、入力信号に対して比例した強度で発光する。 そして、発光した光は、グレーティング２７に入射し回
折される。この時、非回折光は直進するが、回折光は２
３の平板レンズの向きに回折される。ここで光はコリメ
ートされ且つ反射されて空間変調部２４に向かって進む
。そして空間変調部２４で反射された光は強度変調され
る。さらに、空間変調部２４からの反射光は２５の平板
レンズで集光され、受光部２６に入射し、光電変換され
て光強度に比例した電気信号が出力される。最後にこの
電気信号を基板外に設けた信号処理回路（図示せず）で
しきい値処理してニューラルネットの出力とする。

【０００９】次に、図２は発光部の入射方法を変えた別
な実施例であり、上記グレーティング２７の代わりにプ
リズム２８を用いた例である。この場合、発光部２２が
接しているプリズム２８の面が基板２１に対して傾いて
いるため、発光部２２からの光を容易に斜め入射させる
ことができる。さて、以上の実施例では基板上に各構成
素子を１組設けた例を示したが、以上の構成の組を一つ
の基板上に数多く作ることもできる。また、平板レンズ
は、焦点距離の短いものが使用可能なら、発光部や受光
部と一体化することも可能であり、その時は光ニューラ
ルネットデバイスを小さくすることができる。

【００１０】次に、図３は請求項２記載の発明の一実施
例を示す光ニューラルネットデバイスの概略的斜視構成
図であり、このデバイスでは、発光部が１つの光源とこ
の光源からの光を変調する空間変調部とからなることを
特徴としている。尚、図中、前述したものと同様のもの
は同番号で示している。また、図中符号４１は一様な強
度分布を持つコリメート光、４２は入力光の透過光強度
を変調するベクトル空間変調部であり、この空間変調部
は、例えば液晶などで構成される。図３において、コリ
メート光４１は空間変調部４２に入射し、空間変調部４
２では、あらかじめ入力ベクトルに比例した量で強度変
調するようになっており、入射した光は強度変調されて
基板方向に出射される。その後は前述した通り、光は基
板２１内を進み、空間変調部２４で変調、反射され、受
光部２６に入射して光電変換される。但し、入射光はあ
らかじめコリメートされているため、平板レンズは使用
していない。尚、コリメートしていない光を入射光とし
て使用するときは、図１、図２で示した実施例のように
平板レンズを使用すればよい。

【００１１】次に、請求項３記載の発明について説明す
る。図４は請求項３記載の発明の一実施例を示す光ニュ
ーラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。尚、
図中前述したものは同じ番号で示している。また、５１
は入力信号に対してしきい値処理を行いその結果を光信
号として出力するデバイスの１次元アレイである。この
デバイスの例としては光双安定素子（微分特性を使う）
が代表的である。以下、図４に示す構成の光ニューラル
ネットデバイスの動作について説明する。図４において
、発光部２２は、入力信号に対して比例した強度で発光
する。そして、発光した光は、グレーティング２７に入
射し回折される。この時、非回折光は直進するが、回折
光は２３の平板レンズの向きに回折される。ここで光は
コリメートされ且つ反射されて空間変調部２４に向かっ
て進む。そして空間変調部２４で反射された光は強度変
調される。さらに、空間変調部２４からの反射光は２５
の平板レンズで集光され、５１のしきい値デバイスに入
射する。すると、ここで入射した光の強度に応じて非線
形な変化をする。つまり、ある光強度を境にして急に出
力光強度が大きくなる。こうしてニューラルネットの演
算が光の強度信号として得られる。このように、請求項
３記載の光ニューラルネットデバイスは、受光部５１に
しきい値処理を光学的に行うデバイスを用いて処理結果
を光情報として取り出すことを特徴としている。

【００１２】次に、請求項４記載の発明について説明す
る。図５は請求項４記載の発明の一実施例を示す光ニュ
ーラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。尚、
図中前述したものは同じ番号で示している。また、６１
は請求項３記載の光ニューラルネットデバイス、６２は
請求項３記載の光ニューラルネットデバイスにおいて発
光部を除去したもの、６３は請求項１のデバイスにおい
て発光部を除去したものである。また、６１と６２の光
ニューラルネットデバイスは、６１の受光部５１の位置
と６２の発光部の位置を基準にして接しており、６２と
６３の光ニューラルネットデバイスは、６２の受光部の
位置と６３の発光部の位置を基準にして接している。従
って、６１の光ニューラルネットデバイスの発光部２２
で発光した光は、６１，６２，６３の各デバイス中を伝
搬していく。

【００１３】以下、図５に示す光ニューラルネットデバ
イスの動作について説明する。６１のデバイスの発光部
２２から入力信号に対して比例した強度で発光した光は
、グレーティング２７に入射し回折される。回折光は基
板内を進み、２３の反射型レンズでコリメートされ、２
４の空間変調部に向かって進む。ここで、光は強度変調
されて反射していく。すると、反射光は２５の反射型レ
ンズで集光され、５１のしきい値処理デバイスに入射し
、しきい値処理を受け、６２の光ニューラルネットデバ
イスに入射される。そして、６２の光ニューラルネット
デバイスに入射された光はその基板内を進み２３の反射
型レンズで反射されてコリメート光となり、２４の空間
変調部に入射する。光はここで変調され、再び反射し、
２５の反射型レンズで集光光となり、５１のしきい値処
理デバイスでしきい値処理を受けて６３の光ニューラル
ネットデバイスに入射される。そして、６３の光ニュー
ラルネットデバイスに入射された光はその基板内を進み
２３の反射型レンズで反射されてコリメート光となり、
２４の空間変調部に入射する。そして、光は空間変調部
でさらに変調され、反射し、２５の反射型レンズで集光
光となり、２６の受光部に入射する。ここで光の強度信
号は電気信号に変換され、電気的にしきい値処理されて
ニューラルネットの演算が完了する。尚、最終結果に光
信号を得たいのであれば、最終段のデバイス６３に受光
素子ではなくしきい値処理デバイスを用いればよい。そ
のときは、６３は、６２と同じデバイスを用いればよい
。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の光
ニューラルネットデバイスでは、１つの透明基板の面上
に発光部、レンズ部、空間変調部、受光部の各構成デバ
イスが配置されており、発光部からの光は透明基板内を
進み、レンズ部でコリメートされ、コリメート光は透明
基板内を進み空間変調部に入射し、空間変調部で変調さ
れた後、透明基板内を進み、受光部で受光されというよ
うに、透明基板内を光が進むため、埃等の影響を受ける
ことが全くなく、常に再現性のよい結果が得られる。ま
た、各構成デバイスの１つの面は空中に接しているので
、発光部や空間変調部から発する熱を空中に放熱するこ
とができ、また、各構成デバイスからの電気配線も自由
にレイアウトすることができる。また、請求項２記載の
光ニューラルネットデバイスでは、発光部が１つの光源
とこの光源からの光を変調する空間変調部とからなり、
入力ベクトルを空間変調部で表現するため、光源を１つ
にすることができる。このため、アレイ光源を使用した
ときに起きる特性のバラツキを考慮する必要がない。ま
た、請求項３記載の光ニューラルネットデバイスでは、
しきい値処理を光で行うため、結果を光信号として得る
ことができる。その結果、カスケード性を出すことがで
きる。また、請求項４記載の光ニューラルネットデバイ
スでは、請求項３記載の光ニューラルネットデバイスを
カスケードに接続することにより、ニューラルネットの
うちでも階層型のニューラルネットを容易に実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示す光ニュー
ラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。

【図２】請求項１記載の発明の別の実施例を示す光ニュ
ーラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。

【図３】請求項２記載の発明の一実施例を示す光ニュー
ラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。

【図４】請求項３記載の発明の一実施例を示す光ニュー
ラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。

【図５】請求項４記載の発明の一実施例を示す光ニュー
ラルネットデバイスの概略的斜視構成図である。

【図６】従来技術による光ニューラルネットデバイスの
一例を示す概略的斜視構成図である。

【符号の説明】

２１　　　　　　　　透明基板 ２２　　　　　　　　発光部 ２３，２５　　レンズ部 ２４　　　　　　　　空間変調部 ２６　　　　　　　　受光部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１次元もしくは２次元配列された発光部と
   、該発光部から発光した光をコリメートするレンズ部と
   、コリメート光を２次元変調する空間変調部と、この変
   調した光を受光し発光と空間変調の間でベクトルマトリ
   ックス演算結果を得る１次元もしくは２次元の受光部と
   を備えた光ニューラルネットデバイスにおいて、１つの
   透明基板の面上に上記発光部とレンズ部と空間変調部と
   受光部とを１組もしくは複数組配置してなることを特徴
   とする光ニューラルネットデバイス。
2. 【請求項２】請求項１記載の光ニューラルネットデバイ
   スにおいて、発光部が１つの光源とこの光源からの光を
   変調する空間変調部とからなることを特徴とする光ニュ
   ーラルネットデバイス。
3. 【請求項３】請求項１記載の光ニューラルネットデバイ
   スにおいて、受光部にしきい値処理を光学的に行うデバ
   イスを用いて処理結果を光情報として取り出すことを特
   徴とする光ニューラルネットデバイス。
4. 【請求項４】光ニューラルネットデバイスをカスケード
   に接続してなる光ニューラルネットデバイスにおいて、
   請求項３記載の第１の光ニューラルネットデバイスの出
   力光の部分に、透明基板の両面に空間変調部と受光部を
   配置した第２の光ニューラルネットデバイスを重ね合わ
   せ、第１の光ニューラルネットデバイスの出力光信号を
   第２の光ニューラルネットデバイスに入射することを特
   徴とする光ニューラルネットデバイス。