JPH0480728A - 光演算装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光を用いて並列かつ高速に情報の演算をおこな
う光演算装置に関する。

〔従来の技術〕

大規模な情報を処理するために、高速に演算を実行する
計算機の研究が進んでいるが、電子計算機を用いた逐次
処理ではすでにその限界に近づいている。そこで７レイ
プロセツサなど、複数の演算を同時に実行する並列処理
アーキテクチャの研究が行われている。

一方、光の持つ空間的並列性、空間接続における非干渉
性を利用して、光で並列に演算を行う方法が各種提案さ
れている。例えば雑誌ジャーナル・オブ・オプティカル
・ソサエティ・オブ・アメリカ（Ｊ、Ｏｐｔ、Ｓｏｃ、
Ａｍ、）、第７３巻、１９８３年、第８００頁記載の論
文ｒｏｐｔｉｃａｌ　　ｌｏｇｉｃ　ａｒｒａｙｐｒｏ
ｃｅｓｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｓｈａｄｏｗｇｒａｍＪに
は２つの入力画像の画素間論理演算を点光源の点灯パタ
ーンによって制御する方法を基本とした並列演算方法が
述べられている。

従来の光演算装置は、光を用いて、画像のように２次元
空間に配列したデータ（画素値）の、２つの画像が対応
する位置の間で、並列に論理演算を行う方法である。ま
ず２枚の入力画像からその画素値（１または０）の組合
せに応じて符号化を行って、光透過率分布とし、この符
号化画像を入力面に配置する。そして複数個の点光源（
ＬＥＤ）でこの符号化画像を照明し、出力面上に投影す
る。この投影像を比カマスフを通して観測することで出
力画像を得る。

このとき、点光源の点灯パターンによって、出力画像と
して２つの入力画像が対応する画素間で任意の論理演算
を得ることが出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のヰ光演算装置は、外部から点灯源の点灯
パターンを高速で制御する必要があり、その制御に要す
る時間で処理時間が決ってしまう。

さらに入力画像を光透過率分布として与えるので、透過
型の空間光変調器が必要であり、その書換えにも時間を
粟する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光演算装置は、ｐｎｐｎ接合を有し、内部に第
１の禁制帯幅を持った発光層を有し、前記発光層は禁制
帯幅が前記第１の禁制帯幅よりも広い半導体層で両側が
挟まれた構造を持つ、互いにスイッチング電圧が略等し
い２個のｐｎｐｎ素子を並列に接続し、共通の抵抗を直
列に接続して構成した差動光スイッチを２次元子面上に
アレイ状に配列して構成した差動光スイツチアレイを複
数枚配置し、前記各差動光スイツチアレイからの８射光
を次の差動光スイツチプレイ上に導く光接続手段を有し
、前記各差動光スイツチアレイにはパルスの電源電圧を
印加し、前記接続された差動光スイツチアレイ間では前
記パルス電源電圧の位相をずらすことを特徴とする。

口作用〕 本発明の光演算装置に用いるｐｎｐｎ素子は、第７図お
よび第８図に示すように、ｐｎｐｎ素子５０の７ノード
５１に抵抗５３を介して電源５４が接続されている。電
源５４からアノード５１の側に正の電圧を加え光を入射
しない状態で電源５４の電圧を上昇していくと第８図に
示す入射光なしの電流・電圧特性５７が得られ、電圧Ｓ
０のときスイッチングが生じる。第７図に示す抵抗５３
と電源５４によって決まる負荷抵抗線５９と電流・電圧
特性５７との交点が動作点となるが電圧を上げていくと
Ａ点６０から３点６１に移る。このときｐｎｐｎ素子５
０から発光が生じ第７図に示す出力光５６が外部に放射
される。大者光５５が入射するとｐｎｐｎ素子５０の電
流・電圧特性は第８図の入射光ありの電流・電圧特性５
８となりスイッチング電圧Ｓとなる。そこで、第７図の
電源５４の電圧をＳと８０の間の、電圧Ｖ１に設定し入
射光５５をｐｎｐｎ素子５０に入射すると第８図の０点
６２から不可抵抗線６４上の９点６３に移り、発光が生
じる。そして、第７図に示す出力光５６が外部に放射さ
れる。ｐｎｐｎ素子５ｏは第７図の電源５４をＶ、以下
の電圧とするまで発光状態を保持することが出来る。そ
のため入射光５５がなくなっても出力光５６は放射され
続ける。

また、第９図に示す差動光スイッチにおける、ｐｎｐｎ
素子Ａ素子及７０ｐｎｐｎ素子Ｂ７１は上記に述べたよ
うな構造を有するｐｎｐｎ素子であり、各々のアノード
５１．カソード５２同士が直接接続され抵抗５３を介し
て電源５４が接続されている。

ｐｎｐｎ素子Ａ素子及７０ｎｐｎ素子Ｂ７１は第１０図
に示すように、略等しい電流・電圧特性を有し、ｐｎｐ
ｎ素子Ａ素子子光入射の無い７２のときはスイッチング
電圧＝８１．ホールティンダ電圧＝ｖｈである。そしで
ある波長と強度の光を入射する（７３．７４）ことによ
りｐｎｐｎ素子Ａ素子子スイッチング電圧はそれぞれＳ
Ａ２＋ＳＢ２　（ＳＡ２．　ＳＲ２＜８１）となる。こ
のときｐｎｐｎ素子Ａ素子子れぞれの入射光強度が大き
いほど小さな電圧値になる。つまりｐｎｐｎ素子Ａ素子
子射光強度がＢへのそれよりも大きいとき、ＳＡ２＜Ｓ
Ｒ＜Ｓ、となり、反対にｐｎｐｎ素子Ａ素子子射光強度
がＢへのそれよりも大きいとき、ＳＢ２＜ＳＡ２＜３１
となる。

ここで第９図の電源５４から第１１図（ａ）に示す電圧
パルスを印加する。このときＶ、はｖ、〉Ｓｌなる電圧
とする。また第９図のｐｎｐｎ素子Ａ７０．Ｂ７１に第
１１図（ｂ）、　（ｃ）に示す光入力を入射する。第１
１図において第９図の電源５４から印加される電圧は時
間ｔ１で■、（くＯ）からＶ、まで増加する。そのとき
ＯＦＦ状態のｐｎｐｎ素子Ａ素子子もに高抵抗を示すた
め印加電圧はほとんど全てｐｎｐｎ素子Ａ素子子加わる
。電圧がＳＡ２またはＳＢ□の内、どちらか低い方の電
圧を越えたときに、そのｐｎｐｎ素子がＯＮ状態となる
。

例えば、第１１図の時間ｔ１に示すようにｐｎｐｎ素子
Ａ素子子射光強度がｐｎｐｎ素子Ｂへの入射光強度より
も大きいとする。そのときスイ、。

チングミ圧はＳ　Ａ２　＜　Ｓ　Ｂ２であるのて、ｐｎ
ｐｎ素子Ａ素子子ＯＮ状態になり、それに伴い、ｐｎｐ
ｎ素子Ａ素子子を開始し、第１１図（ｄ）に示すように
光を放射する。電源電圧は■６まで増加するがｐｎｐｎ
素子Ａ素子子電圧はほとんど■、程度に固定されるので
ｐｎｐｎ素子ＢはＯＮ状態となることができない。時間
ｔ２まで電源電圧は■、てありｐｎｐｎ素子Ａ素子子状
態のままで、光を放射し続ける。時間ｔ２で電源電圧は
Ｖ、からＶ、まで下がる。■、が負の電圧となることに
よりｐｎｐｎ素子Ａ素子子もにリセットされＯＦＦ状態
にもどる。また、第１１図の時間ｔ３に示すようにｐｎ
ｐｎ素子Ｂへの入射光強度がｐｎｐｎ素子Ａ素子子光強
度よりも大きいときも同様に、第１１図（ｅ）に示すよ
うにｐｎｐｎ素子ＢのみがＯＮ状態となり発光する。

このように、入射光強度の大きい方のｐｎｐｎ素子のみ
が発光する差動光スイッチが実現できる。

また電源電圧により負のリセット信号が印加されるまで
は情報を保持し続けるために、入力光は電源電圧パルス
が立ち上がる間の短時間たけ入射されればよい。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す図である。

第１の実施例は、２次元平面上にｐｎｐｎ素子からなる
差動光スイッチを多数個配列した２組の差動光スイツチ
アレイＡｌ、Ｂ２と、差動光スイツチアレイＡＩ、Ｂ２
からの放射光をそれぞれ他方の差動光スイツチアレイ上
の任意の位置に接続する２組の光接続素子Ａ３．Ｂ４と
、ＬＥＤアレイやＬＤアレイまたは空間光変調器からな
る信号入力部５と、光検出器アレイからなる信号出力部
６とを有して構成される。

次に動作について説明すると、信号入力部５から入射し
た光はレンズ１１およびハーフミラ−９を透過し差動光
スイツチプレイＡｌ上に照射される。差動光スイツチア
レイＡｌから放射した光は光接続素子Ａ３により決めら
れた方向へ偏向され、ハーフミーチー１０．ミラー８に
より反対され差動光スイッチアレイＢ４上に照射される
。また光接続素子Ａ３から放射した光の一部はハーフミ
ラ−１０を透過し信号出力部６上に照射される。

差動光スイツチアレイＢ２から放射した光は光接続素子
Ｂ４により決められた方向へ偏向され、ミラー７、ハー
フミラ−９により反射され差動光スイツチアレイＡ１上
に照射される。このように２組の差動光スイツチアレイ
と２組の光接続素子でのフィードバック構成となってい
る。

第２図は差動光スイツチプレイの回路構成を示す図であ
り、１個の抵抗１３と２個のｐｎｐｎ素子１４からなる
差動光スイッチ１７を２次元面上に多数個配列し、各差
動光スイッチの正電極１５とグラウンド１６を接続して
並列に構成し、共通の電源１２で駆動する。この構成で
は、各差動光スイッチの内のどちらのｐｎｐｎ素子がＯ
Ｎ状態になるかはその差動光スイッチへの入射光によっ
てそれぞれ独立に決定され、スイッチングのタイミング
を電源１２で制御する。

第３図（ａ）、　（ｂ）は第１図における２組の差動光
スイツチアレイＡ、Ｂに印加する電源電圧を示す図であ
り、各差動光スイッチに印加する電圧は各差動光スイツ
チ内のｐｎｐｎ素子のスイッチンク電圧よりも大きな電
圧Ｖ、と負の期間の方が電圧Ｖ、の期間よりも長く、差
動光スイツチアレイＡへの印加電圧と差動光スイツチア
レイＢへの印加電圧の位相が１８０°異なるように設定
する。

差動光スイツチアレイＢ２から放射され光接続素子４を
透過した光と信号入力部５からの入射光は差動光スイツ
チアレイＡ１上に照射され、差動光スイツチアレイＡ１
からの放射光は光接続素子５により差動光スイツチ７レ
イＢ２上に照射される。したがって差動光スイッチＡ、
Ｂへの入射光の空間的な平均値は第３図（ｃ）、　（ｄ
）に示すようになり、差動光スイッチのどちらがＯＮ状
態であるかということを情報として、差動光スイッチＡ
、Ｂの間で互いに伝え合うことが出来る。このとき差動
光スイッチに論理ゲートの機能をもたせ、光接続素子４
，５の接続パターンによって接続をきめることで、任意
の演算処理を行うことが出来る。

なお、第１の実施例は２枚の透過型（光の入射面と放射
面が反対側）の差動光スイツチアレイを用いた場合であ
る。

第４図は本発明の第２の実施例の構成を示す図であり、
これは４枚の反射型（光の入射面と放射面が同一側）の
差動光スイツチアレイを用いた例であり、差動光スイツ
チアレイＡ２０．Ｂ２１゜Ｃ２２，Ｄ２３．光接続素子
Ａ２４．Ｂ２．５．Ｃ２６、Ｄ２７、ビームスプリッタ
−Ａ２８．Ｂ２９゜Ｃ３０，Ｄ３１．ＬＥＤアレイまた
はＬＤアレイまたは空間光変調器からなる信号入力部３
２と光検出器プレイから成る信号出力部３３とを有して
構成される。

次に動作について説明する。信号入力部３２から入射し
た光はビームスプリッタＤ３１を透過し、光接続素子Ｄ
２７により決められた方向に偏向され、ビームスプリッ
タＡ２８を透過し、差動光スイツチプレイＡ２０上に照
射される。差動光スイツチプレイＡ２０から放射された
光はビームスプリッタＡ２８により光路を９０°曲げら
れ、光接続素子Ａ２４により決められた方向に偏向され
、ビームスプリッタＢ２９を透過し、差動光スイツチア
レイＢ２１上に照射される。差動光スイツチアレイＢ２
１から放射された光はビームスプリッタＢにより光路を
９０°曲げられ、光接続素子Ｂ２５により決められた方
向に偏向され、ビームスプリッタＣ３０を透過し、差動
光スイツチアレイＣ２２上に照射される。差動光スイツ
チアレイＣ２２から放射された光はビームスプリッタＣ
により光路を９０’曲げられ、光接続素子Ｃ２６により
決められた方向に偏向され、ビームスプリッタＤ３１を
透過し、差動光スイッチアレイＤ２３上に照射される。

差動光スイツチアレイＤ２３から放射された光はビーム
スプリッタＤにより光路な９０°曲げられ、光接続素子
Ｄ２７により決められた方向に偏向され、ビームスプリ
ッタＡ２８を透過し、差動光スイツチアレイＡ２０上に
照射される。このようにして４段のフィードバックルー
プが構成される。また差動光スイツチアレイＤ２３から
入射した光の一部はビームスプリッタＡ２８により光路
を９０度曲げられ信号出力部３３上に照射される。

このときの各差動光スイッチに印加する電源電圧は第５
図（ａ）〜（ｄ）に示すようにそれぞれ位相を９０°づ
つずらしてやる。第５図（ｅ）〜（ｉ）に信号入力部３
３からの入力光パルスおよび各差動光スイツチアレイか
らの光出力の空間平均強度を示し、信号入力部から入射
され光接続素子りを透過した入射光の強度分布に応じて
、時刻ｔｏで差動光スイツチアレイＡに電圧■、が印加
され、差動光スイツチ内のｐｎｐｎ素子がＯＮ状態にな
り発光する。差動光スイツチアレイＡから入射され光接
続素子Ａを透過した光は強度分布に応じて、時刻ｔｌで
差動光スイッチアレイＢ内のｐｎｐｎ素子がＯＮ状態に
なり発光する。同様に時刻ｔ２゜ｔ３で光信号は差動光
スイッチＣ，Ｄ上に伝えられる。また、リセット電圧ｖ
ｈが時刻ｔｚ　（ｔ＋＜ｔ４＜ｔ３）に印加され差動光
スイツチアレイＡをリセットする。時刻ｔ８に再び差動
光スイツチアレイＡに電圧Ｖ、が印加され差動光スイツ
チアレイＤおよび信号入力部からの入射光に応じて、差
動光スイツチ７レイＡをＯＮ状態にする。このようにし
て１回のフィードバックが形成される。

なお、第１図および第４図に示した実施例では、２組お
よび４組の差動光スイツチアレイを用いた場合について
説明したが、それ以外の数の差動光スイツチアレイを用
いた場合も同様に、各差動光スイツチアレイに印加する
電圧の位相をそれぞれずらしてやればよい。またフィー
ドバックを持たないシステムの場合も同様である。

また、本実施例で用いた光接続素子２はホログラムやマ
イクロレンズアレイ、光ファイバー等で構成できる。例
えばホログラムを使う場合で、差動光スイツチアレイが
ｎＸｎの差動光スイッチから構成されているときは、光
接続素子の各差動光スイッチごとに２個、すなわち全部
で２ＸｎＸｎ個の微小ホログラムを集積して作成できる
。差動光スイッチのあるｐｎｐｎ素子から放射した光は
、対応する微小ホログラムに入射しあらかじめ決められ
た方向に分岐・偏向され次の段の差動光スイツチアレイ
の決められた位置に入射する。

微小ホログラムを２次元光接続素子として用いた場合の
例を第６図に示す。第６図のように差動光スイツチアレ
イ４０上のｐｎｐｎ素子４１それぞれに対して１枚の微
小ホログラムが対応する。

各ｐｎｐｎ素子４１から放射さｈた光は、微小ホログラ
ムアレイ４２内でそれぞれ対応する微小ホログラム４３
に入射１分岐、偏向し、次の段の差動光スイツチアレイ
４４内のあらがじめ設定されたｐ　ｎ’　ｐ　ｎ素子４
５上に照射され、各差動光スイッチに２ヶ以上の光入力
を重ねあわせて入力することで入力信号間の演算を行う
ことが出来る。

従って、各差動光スイッチを論理ゲートとし、この論理
ゲート間の接続を光接続素子によって決めることで任意
の演算処理を行うことが出来る。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、互いにスイッチング
電圧が略等しい２個のｐｎｐｎ素子を並列に接続し、共
通の抵抗を直列に接続して構成した差動光スイッチを２
次元平面上にアレイ状に配列して構成した差動光スイツ
チアレイを複数個配置し、各差動光スイツチアレイから
の放射光を次の差動光スイツチアレイ上に導く光接続手
段を有し、各差動光スイツチアレイにパルス電源の位相
をずらして供給することにより、並列光演算を高速に行
うことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第４図は本発明の第１および第２の実施例
の構成を示す図、第２図は差動光スイツチアレイの回路
構成を示す図、第３図は第１の実施例における差動光ス
イツチアレイへの印加電圧と出力光強度を示す図、第５
図は第２の実施例における差動光スイツチアレイへの印
加電圧と出力光強度を示す図、第６図は光接続素子とし
てホログラムを用いた場合の構成を示す図、第７図はｐ
ｎｐｎ素子の回路構成図、第８図および第１０図はｐｎ
ｐｎ素子の電流・電圧特性図、第９図はｐｎｐｎ素子に
よる差動光スイッチの回路構成図、第１１図は差動光ス
イッチへの印加電圧と各ｐｎｐｎ素子の出力光強度を示
す図である。 １．２，２０，２１，２２，２３，４０．４１−・−・
・差動光スイツチアレイ、３，４，２４，２５゜２６．
２７・・・・・・光接続素子、５，３２・・団・信号入
力部、６，３３・・・・・・信号出力部、７，８・・印
・ミラー、９．１０・・・・・・ハーフミラ−１１・・
印・レンズ、１７・・・・・・差動光スイッチ、１５・
・・・・・正電極、１６・・・・・・グラウンド、１２
．５４・・・・・・［ｆｆｉ、１３．５３・・・・・・
抵抗、１４，４１，４５，５０゜７０．７１・・・・・
・ｐｎｐｎ素子、２ｇ、２９゜３０．３１・・・・・・
ビームスプリッタ。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 ｔ。 ｔｌ ｔ） し１ ＬＬ い し

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 並列に接続された２個のｐｎｐｎ素子に共通の抵抗を介
   してパルス電源が供給され信号光により前記ｐｎｐｎ素
   子の一方が発光する差動光スイッチと、複数の前記差動
   スイッチを２次元の平面に配列した差動スイッチアレイ
   と、複数の前記差動スイッチアレイ間で放射光と入射光
   とを相互に導く光接続手段と、前記パルス電源の位相を
   ずらして前記スイッチアレイに供給する手段とを有する
   ことを特徴とする光演算装置。