JP2005539338A - 空間光メモリ - Google Patents

Abstract

１つ及び複数の反射面の間に光子を保存し、とくにデジタル・データ形式で情報を記憶するための装置が、該記憶装置を遅延線として使用して少なくとも１つの循環メモリを形成することによって提供される。各装置は、任意の波長の光を使用する１つ又は複数の光子源、及び１つ又は複数の反射面で構成される。注入された光子は、該装置の１つの表面から該装置の同じ又は別の表面への１つ又は複数の反射によって、各反射が各光子の移動距離を延長して遅延を導入することによって、出力への到達から遅延される。

Description

本発明は、広くは光学式データ記憶装置及び光学式データ記憶方法に関し、１つ、又は複数の高反射面の間での反射による光子の保存に関する。

光子の保存は、通常、よく知られているキャパシタによるメモリ・セルなどの電子の保存に類似している。そのような装置の製造上の困難性は、光子又は光子の流れを収容するという物理的な問題に起因する。今までのところ、光子を保存しようとする試みの大部分は、光学的双安定性の効果、又は長いファイバー環の利用のいずれかに基づいている。

電子の保存の類似物に固有の、速度の限界のいくらかを回避するために光学を利用できるという考えを動機とする初期の研究の多くにおいて、光学的双安定性を利用する装置は技術的に複雑かつ高価である。これらの装置は、電気工学変換即ち電子の保存に依存している。ファイバー環を使用する装置は、循環経路を「先入れ先出し方式」で流れる光子の連続流を収容すべく、用いられる連続した保存パイプの形態で存在している。これらのファイバー環は遅延線として使用され、通常は、ディクソン（Ａ．Ｄｉｃｋｓｏｎ）らの「プログラマブル光ファイバー環メモリ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｌｏｏｐ Ｍｅｍｏｒｙ）」（第１６回オーストラリア光将来技術会議（Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｕｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）会報、第２７４〜２７７頁、１９９１年）と称される。

将来のデータ記憶においては、現在の電子メモリ装置類似物の相応物、又は代替物として、光子記憶装置が望まれる。それらは、次世代の情報処理ハードウェアにおいて予想される高速なデータ保存要件を満足できなければならない。速度に加え、そのような装置は、さらに進化した処理用途において予想される大きな記憶容量（ビット密度）という要件を満足しなければならない。最後に、宇宙探査用として、アルファ放射の制限によるエラー低減の重要性、ならびに放射線に対して強い能力が望まれる。

本発明の目的は、情報保持の目的のために光子を光学的に保存するための装置を提供することにある。

この目的は、複数の光子を当該記憶装置の入口へと注入する１つ又は複数の光子源によって実現される。ひとたび装置内に入ると、注入された光子は、必要があれば、当該光子を或る１つの高反射面から他の高反射面へと複数回反射させる領域へと合焦される。装置内における完全な反射の回数は、装置の幾何形状に応じて変化するが、各反射によって、当該装置内に注入された各光子の移動の総距離が延長される。当該装置を出るにあたって、反射された各光子は、必要があれば逆合焦され、１つ又は複数の光子検出器によって選択的に検出される。

本発明の原理は、次世代の情報処理ハードウェアに期待される高速、高ビット密度、及び放射線に強い記憶装置といった要求を実現できる装置及びシステムの構築を可能にする。さらに、そのようにするにあたり、これらの原理が、光子源と光子検出器との間の適合性が維持されなければならない範囲を別にすれば、従来技術のように特定の周波数の光源、又は特定の種類の光子源及び光子検出器を必要としない。

ここで、本発明及び本発明の利点をより完全に理解するため、添付の図面と関連しつつ行う以下の説明を参照する。

本発明の原理及びそれらの利点は、図面の図１〜７に描かれた例示のための実施の形態を参照することによって最もよく理解される。これらの図において、同様の参照符号は同様の部分を指示している。

単純化のため、本明細書に含まれる反射面は全て、特に断らない限り、本質的に入射する全光子の１００％を反射する高い反射率の反射面であると考えるものとする。

単純化のため、以下では、さらに、光のパルスが１ビットの情報を表現しているものと仮定する。必ずしもそうである必要はないが、多くの応用においてはこのアプローチが理にかなっている。

単純化のため、表面が、その点のそれぞれの近傍にある平面の一部に似ている空間における点の組を表わしており、表面が平面内の点の組のＥ^３への充分に規則的な写像のイメージである場合をさらに仮定する。それにより、かつ単純化のため、表面が、球やドーナツなどの閉じた接続された面上、又は表面パッチ上にある反射の点であると理解される。従って、本発明の目的のため、反射面は、光子が反射されるパッチであるものとみなされ、球又は円筒の内側などの接続された表面のパッチ部、あるいは他の任意の表面から分離した非接続の表面の一部であるとみなされる。

単純化のため、装置及び装置の平面に関係する全ての角度及び全ての空間座標は、Ｅ^３内のｘｙｚ座標系内のものとする。

図１は、基本的な装置構造１００を描いたブロック図である。装置は、少なくとも１つの光子源１０２、及び少なくとも１つの光子検出器１０３を有し、さらに必要があれば少なくとも１つの入力合焦コントローラ１０４を有し、さらに必要があれば少なくとも１つの出力合焦コントローラ１０５を有し、さらに少なくとも１つの停滞領域１０１を有している。本発明に該当する全ての幾何形状が１０３及び１０４の使用を必要とするわけではないことに注意する必要がある。

図２は、基本的な入力合焦コントローラ１０４を描いたブロック図である。１０４の目的は、新たに注入された光子の２０３への再進入、及び／又は注入プロセスとの干渉を防止することにある。このような機構がない場合、停滞領域１０１に進入する光子の反射角度が大きすぎ、適切な記憶機構を実現することができない。従って、１０４は、装置を収容するために用いられる基板２０１、鏡面２０２、停滞領域１０１に向かって曲率が減少していく曲面状の鏡面２０４、及び光子入口開口２０３からなる。適当な光子源１０２からの光子２０５が、装置の垂直面に対して角度φで２０３に注入される。φは光子源の調整変数である。

図２ａから、反射の法則が、境界で反射する波動又は粒子流の入射角度は、通常は界面（表面そのものではなく）の法線から測定され、同じ界面から測定した反射の角度に等しいと述べている。

反射の法則は、平坦な反射面及び曲面である反射面の両者にあてはまり、曲面においては、当該曲面の接線が、入射する波動源に対する平坦な境界とみなされる。

従って、図３から、入射する光子２０５の反射点における接線３０１及び法線３０２は、事実上角度αだけ回転され、αは反射点における２０４の曲率に関係する。検分により、反射後の２０４への新しい入射角度は、

であると見ることができ、ここでφは２０５の当初の角度であり、αは２０４の曲率による回転の有効角度であって、２０５の法線に対する２０４の法線から測定される。２０４上の点は、入射２０５についてα＜θであるように選択される。

従って、今や方程式（１）から、反射の角度は、
θ_ｒ＝φ−α （３）
となる。

従って、連続する入射のそれぞれの角度θと入射点における２０４の曲率Ｃの間には、

の関係が存在し、ここでＣ→０でθ→０であり、Ｃ→∞でθ→∞である。

従って、一般的に、２０４の曲率の減少を伴って光子は２０４の表面を横切って移動する。２０４の曲率が減少するにつれて次の反射における入射の相対角度が減少する。従って、これによって反射された光子が２０４上の新しい位置へと移動し、さらに曲率のより小さい静止角度にさらされて、次の反射の入射角がさらにまた減少する。この入射の相対角度における減少の連続は、停滞領域１０１への進入点において所望の入射角度に到達するまで続く。そのようにする中で、各反射について、相対ステップ寸法即ち同じ表面上における連続する２つの反射の間の距離は、入射角度の減少に比例して減少する。これは、まず合焦角度をαの段階的変化の全ての合計に関係付けることにより、極端な場合として表現できる。

ここで、φ_ｉは２０３における初期入射光子角度であり、ｎは入射光子が１０１に到達して進入するまでの反射の回数であり、α_ｎは各反射点において２０４の変化する曲率の直接的結果として入射光子に加えられる有効回転角度である。±は、合焦制御入力（−）及び合焦制御出力（＋）に依存する。

さらに、１０４に沿って光子を移動させる反復プロセスは、

と表現でき、ここでθ_ｆｎは、ｎ回目の反復後の２０４からの反射の角度である。ここでも、±は光子の移動に対する曲率の方向に依存し、合焦制御入力は（−）であり、合焦制御出力は（＋）である。

すでに述べたとおり、同じ原理及び方程式を、合焦制御コントローラを使用する図２の装置に進入する光子にも適用でき、あるいは光子が図６の合焦出力コントローラを使用する装置を出る逆の場合にも適用できる。

１０４の合焦の調節は、２０５について最初の入射角度φを変化させ、２０４における最初の反射点の位置を変化させることによって行うことができ、あるいは２０４の曲率を変化させることによって行うことができる。上記の例において使用した２０４の曲線は、楕円に基づいている。

図２ｂは、２０５を合焦するために２つの曲面鏡を使用する１０４の一変形例を示している。これは、１０４の調整の度合いを大きくしている。今や、反射の各点において２０４の曲率によって引き起こされる回転の角度が、図２のように１つおきの反射ではなく、毎回の反射において生じる。

図２ｃは、注入された光子を合焦するための手段として部分鏡を使用する１０４のさらなる変形例を示している。この場合には、部分鏡によって光子が光子入口開口２０３を通過して装置内に進入できるが、２０４ｃから反射された光子が再度２０３に進入することはできない。このような構成が、図６に示すような出力合焦制御を依然必要としていることを示唆している。

図５において、停滞領域１０１は、注入された光子の大部分が保存される場所である。この構造そのものは、基板２０１上に収容された対向する２つの反射面からなり、入力された光子を先ず１つの面で反射し、次いで対向する表面で反射することによって光子を保存する。このプロセスは、光子自身が、１０１への進入において入力合焦コントローラによって設定された入射／反射の角度によって支配されるステップ幅で、効果的に１０１から出てしまうまで繰り返される。

１０１の表面は、必ずしも平行である必要はなく、入射角度が一定である必要もない。しかしながら、各反射において１つの表面からもう１つまで移動する光子が、装置内で当該装置の各リフレッシュにおいて、同じｘｙｚ空間座標に２回触れることが決してあってはならない。

従って、この装置によって保存できる光子の量は、３つの原理的要因によって定められる。即ち、停滞領域長さ６０１、停滞領域幅５０２、及び１０１への進入時の光子源２０５の入射の合焦角度である。これらの値のうち、後者は方程式（５）から計算される。

通常、装置内に保存される実際の光子の数を数えることは実現不可能である。しかしながら、２０５の振動の頻度を考えると、２０５の各パルスで１ビットの情報が記憶されるという仮定ならびに停滞領域高さＰ_ｈ及び幅Ｐ_ｗにて、データ記憶容量を計算することができる。即ち、記憶されるデータの量は以下のとおり計算できる。
図５ａを使用し、１０１内の光子が各反射ステップの半分において縦に横断する距離ｓは、

ｓ＝ｔａｎθ_ｆＰ_ｈ （６ａ）
である。
１つの表面からもう１つの表面までの移動距離は、単純なピタゴラスの定理から、

である。
従って、停滞領域内における光子の移動距離は、１０１の長さを連続する各反射の間のステップ寸法距離（２ｓ）によって除算し、１つの表面からもう１つの表面までの移動距離の２倍（２回の完全な反射）を乗算したものである。即ち、総距離は、

である。
代入により、これはθ_ｆについて、

を与え、ｓについて

を与える。
データ頻度ｆを考えると、データ記憶量は、所与の時間ｔにシステムに注入されるデータの頻度即ち速度の関数として計算できる。

図６は、出力合焦コントローラ１０５を示す。それは入力合焦コントローラ１０４に用いられたものと本質的に逆のプロセスである。停滞領域１０１から離れるにつれて増加する曲率を有する曲面とされた反射面２０４が、１０１を通って伝播してきた光子の入射／反射の角度をゆっくりと増加させる。光子が１０１を出たとき、それらの反射角度は、光子出口開口に適切に配置された光子検出器１０３が内部に保存された光子を受け取るまで、２０４の曲率とともに次第に増加する。

装置内における記憶の継続時間が１０１の寸法によって制限されているため、データの有効な記憶を促進するため、遅延線の原理を使用して保存した光子を再循環させる必要があるかもしれない。装置への光子の新たな注入のそれぞれが、装置をリフレッシュさせる。

この装置が使用する実際の反射面は、さまざまな方法で異なっていてよい。図７には、使用できる３つの原理的な面が示されている。図７ａは平坦な面であり、図７ｂは凹面であり、図７ｃは凸面である。

本発明は、１つ又は複数の反射面の間の光子の保存を利用している。従って、反射面がただ１つの場合又は複数の反射面を横切る場合の両者に適するいくつかの曲面及び構成の形式が考えられる。全ての幾何形状において入力合焦コントローラ１０４、又は出力合焦コントローラ１０５が必要なわけではない。以下に、変形例を説明する。

図８ａ−ｘｙ平面において連続する１つの表面、及びｚ平面における図７の反射面のうちの１つ。図８ａの図は、リング形状を示しているが、ｘ、ｙにおける任意の連続面で充分である。

図８ｂ−ｘｙ平面において２つの連続する表面。この幾何形状は、反射平面に１つの内側反射面及び１つの外側反射面を有する構成を示している。図８ｂの図は、ドーナツ形状を示しているが、ｘ、ｙにおける任意の外側連続面及びｘ、ｙにおける任意の内側連続面で充分である。内側表面及び外側表面の両者は、ｚ平面においては図７に示したような表面のうちの１つを使用できる。

図８ａ及び８ｂに示した幾何形状において、光子が同じ平面において１つの表面からもう１つの表面へと移動する必要はなく、ｚ平面における表面の高さによって課される限界まで、光子が異なる表面の間でｘｙ平面を出てｚ平面へと移動できる点に注意すべきである。

図８ｃ‐ｘｙｚにおける１つの中空表面。この幾何形状は、実際において、球、円錐、円筒又はドーナツなど、内壁に反射面を備える中空構造である。このような幾何形状により、光子を１つの平面を超えて反射でき、記憶装置内での移動の幾何的距離が延長される。図８ｃに示した例では、断面においてただ１つの反射しか示されていない。この例において、他の反射は全て、断面の異なる位置で生じている。

複数の光子源及び検出器：一般に、所与の設計のあらゆる幾何形状において、光子源及び光子検出器の数には、それらの配置に必要な実際の物理的空間を除き制限はない。

大きさ及び寸法：一般に、この装置の寸法及び幾何形状には、現状の製造技術の物理的制約を除き制限はない。

当該記憶装置のブロック図を示している。 当該記憶装置の入力及び合焦制御ユニットを示している。 表面上における入射角度と反射角度の関係を示している。 設計の一変形例を示しており、合焦制御ユニットを構成するために２つの曲面が使用されている。 合焦制御ユニットに部分鏡を使用する設計の一変形例を示している。 曲面における光子の最初の反射の詳細を示している。 平面における光子の第２の反射の詳細を示している。 停滞領域に進入する光子を示している。この図においては、単純化のため、光子の流れの全ては示されていない。代わりに、停滞領域の始点及び終点における光子が示されている。 停滞領域内での光子の伝播を示している。 当該装置の出口、光子検出器、及び出力合焦制御ユニットを示している。 当該装置に用いることができる３つの異なる種類の反射面を示している。 当該装置の種々の表面構成を示している。 当該装置の種々の表面構成を示している。 当該装置の種々の表面構成を示している。

Claims (14)

1. 光子記憶装置であって、
   光子を反射させ、各反射によって該光子記憶装置内の各光子について移動距離の延長、即ち時間遅延を生じさせるための１つ又は複数の反射面、
   データを表現している電気信号を受信し、該データを光子として該光子記憶装置へと注入するための１つ又は複数の光子源、及び
   該光子記憶装置内を移動する前記光子を選択的に検出するための１つ又は複数の光子検出器、
   を有しており、
   必要に応じ、該光子記憶装置の幾何形状において、曲面形式である１つ又は複数の合焦制御ユニットが、入射の相対角度を増加又は減少させて該光子記憶装置内の光子の反射の相対角度を増加又は減少させる種類の曲率を有する１つ又は複数の反射曲面を有し、
   必要に応じ、該光子記憶装置の幾何形状において、部分鏡面形式である１つ又は複数の合焦制御ユニットが１つ又は複数の部分反射鏡面を有している、
   光子記憶装置。
2. 請求項１に記載の光子記憶装置内の反射面が、中空球の内面など単一かつ連続的であってよく、あるいは同じ幾何平面又は異なる幾何平面において互いに対向する別個の不連続な曲面に分かれて構成されていてもよく、そのような反射面又は反射面の集合が該装置の主記憶領域と呼ばれる光子記憶装置。
3. 請求項２に記載の主記憶領域が、対向する２つ以上の反射性表面境界を有しており、一表面境界の（ｘｙｚ）座標空間に衝突した光子が、反射において捕捉することが注目されることなく進行して前記対向する表面の別の（ｘｙｚ）座標空間に接触する光子記憶装置。
4. 請求項３に記載の表面が、光子の喪失及び減衰を抑えつつ光子を反射させるために高度に反射的である光子記憶装置。
5. 光子が請求項３に記載の主記憶領域に進入すると、該光子は請求項３に記載の該主記憶領域を出るときまで繰り返し反射され、該記憶領域内の同じ又は他の表面かは注目されることなく、該記憶領域入口から該記憶領域出口まで移動する光子が単一の経路を構成する光子記憶装置。
6. 請求項３に記載の主記憶領域内を移動する光子が、単一の経路内で該装置の同じ（ｘｙｚ）座標空間に衝突することがない光子記憶装置。
7. 請求項１に記載の光子記憶装置で使用される或る不連続な幾何形状のため、光子源１０２の後ろ、かつ請求項３に記載の光子記憶装置の主記憶領域への光子の進入の前で、該装置の入力において合焦入力コントローラが使用される光子記憶装置。
8. 請求項７に記載の合焦入力コントローラが、
   請求項２に記載の装置の主記憶領域に進入する際の前記光子の入射／反射角度の大きさを小さくすることができる一定又は変化する曲率を有する反射面、
   又は、
   請求項２に記載の装置の主記憶領域への進入においてプリセットされた所望の入射／反射角度を許容することができる光子入口開口に隣接する部分反射鏡
   のいずれかである光子記憶装置。
9. 請求項７に記載の表面が、特に指定しない限りにおいて、光子の喪失及び減衰を抑えつつ光子を反射させるため高度に反射的である光子記憶装置。
10. 請求項１に記載の光子記憶装置で使用される或る不連続な幾何形状のため、該装置の出力において、請求項３に記載の主記憶領域の後、かつ請求項１に記載の光子検出装置の前で合焦出力コントローラが使用される光子記憶装置。
11. 請求項１０に記載の合焦出力コントローラが、請求項２に記載の装置の主記憶領域を離れる際の前記光子の入射角度、従って反射角度の大きさを大きくすることができる、一定又は変化する曲率を有する反射面である光子記憶装置。
12. 請求項１０に記載の表面が、特に指定しない限りにおいて、光子の喪失及び減衰を抑えつつ光子を反射させるため高度に反射的である光子記憶装置。
13. 前記光子源が、レーザ又は発光ダイオードからなる請求項１に記載の光子記憶装置。
14. 前記光子検出器が、フォトトランジスタ、フォトダイオード、フォトレジスタ、又は感光体からなる請求項１に記載の光子記憶装置。

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