JP2006023505A - Arithmetic circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an arithmetic circuit with which arithmetic processing, such as summing and summing of products and so on is carried out, without being influenced by a diffraction limit of light by finding a photophysical phenomenon distinct among quantum dots arranged in nanometer region. <P>SOLUTION: An input side quantum dot group 20, consisting of a plurality of quantum dots 12 different in size so as to make signal light beams different in frequency corresponding to input signals be respectively supplied thereto and respective excitons be excited to respective energy levels, corresponding to the frequencies of the supplied signal beams, and an output side quantum dot 13, having resonance energy levels into which excitons are transformed from respective quantum dots 12 constructing the input side quantum dot group 20, corresponding to resonance with the respective energy levels and generating output light beams with wavelengths longer than those of the respective signal light beams as output signals, corresponding to the energy emitted from the resonance energy levels, are formed on a substrate 11. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットを用いた演算回路に関するものである。   The present invention relates to an arithmetic circuit using quantum dots, particularly applied to the fields of nanoscale optical communication networks and optical measurement.

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている(例えば、非特許文献1参照。)。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばHBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。   With the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size at which a quantum mechanical effect appears noticeably has been realized (for example, see Non-Patent Document 1). As semiconductor elements utilizing this quantum mechanical effect, for example, HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and quantum well lasers have been put into practical use. In addition, nanoscale quantum dots that take advantage of the particle properties of electrons by controlling single electrons using quantum mechanical effects have attracted attention.

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をON/OFF動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。   Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box with a potential that is so fine that it gives three-dimensional quantum confinement to excitons. Utilizing this exciton confinement system, the energy levels of carriers in the quantum dot become discrete, and the density of states sharpens in a delta function. Single-electron memories that use light absorption between the sharpened states of this quantum dot and single-electron transistors that turn on / off single electrons that enter and exit the quantum dot have already been studied. Nanoscale manipulation is being realized.

M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862M. Ohtsu, K. Kobayashi, T. Kawazoe, S. Sangu, T. Yatsui, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., To be published Vol8.No4 2002 July-Aug, P839-P862 M.J.O'Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A.Tzanakaki, IEEE Commn.Mag.39,128(2001)M.J.O'Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A. Tzanakaki, IEEE Commn. Mag. 39, 128 (2001)

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。   By the way, in order to meet future demands for large-capacity information processing, realization of nanoscale arithmetic circuits, delay circuits, etc. that can perform arithmetic processing, information processing, delay processing, etc. without being governed by the diffraction limit of light Is desired.

しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。例えば、主要データを電気領域に変換せずに処理することができる光パケットスイッチング(例えば、非特許文献2参照。)も提案されている。しかしながら、かかるスイッチング技術については、解決しなければならない様々な課題が存在する。例えばパケットのヘッダーとの照合演算に特定の導波路デバイスを多数実装しなければならず、必要な固体デバイスの規模が大きく集積性に難がある。   However, there is a problem that quantum fluctuations occur when an attempt is made to realize such a nanoscale circuit with an electronic device. There is a problem that miniaturization is limited. For example, optical packet switching (see, for example, Non-Patent Document 2) that can process main data without converting it to the electrical domain has also been proposed. However, there are various problems to be solved for such switching technology. For example, a large number of specific waveguide devices must be mounted for collation with the packet header, and the required solid-state device is large in scale and difficult to integrate.

また、入力信号(コンテント)がメモリシステムに入力され、これにマッチするメモリ内アドレスが返されるコンテントアドレッサブルメモリ(Content Addressable Memory(CAM))が特に近年において提案されており、Routing、Translation Look―Aside Bufffer(TLB)、Image Processing、Data Compression(LZW)等に応用されている。   In addition, in recent years, a content addressable memory (CAM) in which an input signal (content) is input to a memory system and an in-memory address that matches the input signal is returned has been proposed, and Routing, Translation Lookup is proposed. -Applied to Side Buffer (TLB), Image Processing, Data Compression (LZW), and the like.

かかるCAM機構の実現には、複数ビットのデータ全体についての評価機構が重要になるが、MOSトランジスタ等による既存の電子回路では、消費電力が大きくなり実現が困難になるという問題がある。またこれを実現するための光学的手段として、Position sensitive diode (PSD)により光電流加算する手法や、受光素子アレイを用いて電気領域へ変換した上でプロセッサ上で大域的演算する手法が提案されているが何れも集積性に難がある。   In order to realize such a CAM mechanism, an evaluation mechanism for the entire data of a plurality of bits is important. However, in an existing electronic circuit such as a MOS transistor, there is a problem that the power consumption becomes large and the realization is difficult. In addition, as an optical means for realizing this, a method of adding a photocurrent with a Position sensitive diode (PSD) and a method of performing a global operation on a processor after converting to an electric region using a light receiving element array are proposed. However, all have difficulty in integration.

また、かかるCAM機構における光学的なデータのマッチング機構として、光領域符号分割多重を用いる方式があるが、各符号に対して個別に導波路デバイスを準備する必要があり、これも集積性に難がある。   In addition, as an optical data matching mechanism in such a CAM mechanism, there is a system using optical domain code division multiplexing, but it is necessary to prepare a waveguide device for each code individually, which is also difficult to integrate. There is.

更に、量子デバイスでCAM機構を実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの回路自体が未だ案出されていないのが現状である。   Furthermore, when trying to realize a CAM mechanism with a quantum device, there is a problem that it is difficult to ensure long-term reliability in coherence. For this reason, a practical nanoscale circuit itself has not yet been devised.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく和演算や積和演算を始めとした演算処理等を行うことができる演算回路を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems. A unique photophysical phenomenon is found between quantum dots arranged in the nanometer region, and the sum is not controlled by the light diffraction limit. An object of the present invention is to provide an arithmetic circuit capable of performing arithmetic processing such as arithmetic and product-sum operations.

本発明者は、上述した課題を解決するために、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させた演算回路を発明した。   In order to solve the above-described problem, the present inventor supplies signal lights having different frequencies corresponding to the input signal, and excitons are excited to energy levels in accordance with the frequency of the supplied signal light. The input side quantum dot group consisting of a plurality of quantum dots of different sizes and excited from each quantum dot constituting the input side quantum dot group through the substrate according to the resonance with each energy level A quantum dot on the output side which has a resonance energy level into which a child is injected and generates output light having a longer wavelength than each signal light as an output signal according to the energy emitted from the resonance energy level. Invented the arithmetic circuit formed.

即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備える。   In other words, the arithmetic circuit according to the present invention is an arithmetic circuit that generates an output signal represented as the sum of a plurality of input signals, and is supplied with a dielectric substrate and signal lights having different frequencies corresponding to the input signal. An input-side quantum dot group in which a plurality of quantum dots having different sizes are formed on a substrate so that excitons are excited to energy levels according to the frequency of the supplied signal light, and There is a resonance energy level in which excitons are injected from each quantum dot constituting the input side quantum dot group through the substrate in accordance with resonance with the energy level, and the energy released from the resonance energy level Correspondingly, an output-side quantum dot that generates output light having a longer wavelength than each signal light is provided.

即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した第1の信号光並びに第2の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、第3の量子ドットを介して第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。   That is, the arithmetic circuit according to the present invention is an arithmetic circuit that generates an output signal expressed as a sum of products of a plurality of input signals, and includes a dielectric substrate, a first signal light corresponding to the input signal, and a second signal. A first quantum dot having a first energy level to which excitons are excited in response to the supplied first signal light, and the same level as the first energy level; A second quantum dot having a second energy level of which excitons are excited to the second energy level in response to the supplied second signal light, and first and second energies A third quantum dot having a third energy level lower than the level, so that the first quantum dot and the second quantum dot are symmetrical with each other via the third quantum dot. Multiple input-side quantum dot glues formed on the substrate And a resonance energy level in which excitons are injected from each input-side quantum dot group in response to resonance with the third energy level in the third quantum dot, and is emitted from the resonance energy level. An output-side quantum dot that generates output light as an output signal according to energy.

即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第1の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第2の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、第3の量子ドットを介して第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。   That is, the arithmetic circuit according to the present invention is an arithmetic circuit that generates an output signal expressed as a sum of products of a reference signal with respect to a digitized input signal, and includes a dielectric substrate and a first corresponding to each bit of the input signal. 1 signal light is supplied, and second signal light corresponding to each bit of the reference signal to be integrated with each bit is supplied and excited according to the supplied first signal light. A first quantum dot having a first energy level at which a child is excited and a second energy level at the same level as the first energy level, Accordingly, a second quantum dot in which excitons are excited at the second energy level, and a third quantum having a third energy level lower than the first and second energy levels. Consisting of dots, via a third quantum dot Resonance between a plurality of input-side quantum dot groups formed on the substrate such that the first quantum dot and the second quantum dot are symmetrical with each other, and the third energy level of the third quantum dot Output side quantum dots having resonance energy levels from which excitons are injected from each input side quantum dot group, and generating output light as an output signal according to the energy emitted from the resonance energy levels. With dots.

即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて類似度を識別する類似度識別手段を備え、各演算処理手段は、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第1の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第2の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、第3の量子ドットを介して第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。   That is, the arithmetic circuit according to the present invention includes an arithmetic circuit for obtaining a similarity of each digitized input signal to each reference signal, a plurality of arithmetic processing means to which the input signal and different reference signals are respectively supplied, Similarity identifying means for identifying similarity based on an output signal output from the arithmetic processing means is provided. Each arithmetic processing means includes a dielectric substrate and a first signal light corresponding to each bit of the input signal. The second signal light corresponding to each bit of the reference signal to be integrated with each bit is supplied, and excitons are excited in accordance with the supplied first signal light. The first quantum dot having the first energy level, the second energy level that is the same level as the first energy level, and the second quantum level according to the supplied second signal light. Energy level A second quantum dot in which excitons are excited and a third quantum dot having a third energy level lower than the first and second energy levels. A plurality of input-side quantum dot groups formed on the substrate so that the first quantum dot and the second quantum dot are symmetrical to each other through the third quantum dot; and a third energy level in the third quantum dot; Output side that has a resonance energy level in which excitons are injected from each input side quantum dot group according to the resonance of the output, and generates output light as an output signal according to the energy emitted from the resonance energy level Quantum dots.

本発明は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させる。   The present invention finds a unique photophysical phenomenon between quantum dots arranged in the nanometer region, and supplies signal lights of different frequencies corresponding to the input signal, respectively, and according to the frequency of the supplied signal light. An input-side quantum dot group consisting of a plurality of quantum dots that are different in size from each other so that excitons are excited to energy levels, and an input-side quantum dot group is configured according to resonance with each energy level. Each quantum dot has a resonance energy level in which excitons are injected through the substrate, and generates output light having a longer wavelength than each signal light as an output signal according to the energy emitted from the resonance energy level. The quantum dots on the output side are formed on the substrate.

これにより、本発明では、光の回折限界に支配されることなく演算処理を行うことができるナノスケールの回路を提供することが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。   As a result, in the present invention, it becomes possible to provide a nanoscale circuit that can perform arithmetic processing without being controlled by the diffraction limit of light, and can meet the demand for future large-capacity information processing. It becomes.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

先ず、本発明を適用した量子ドットによる演算回路1について説明をする。演算回路1は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路であって、例えば図1に示すように、例えばNaCl、KCl又はCaF等の導電性材料により構成される基板11と、基板11の表面上において形成されている1つの出力側の第2の量子ドット13と、当該第2の量子ドット13の周囲において離散的に形成されている複数の第1の量子ドット12からなる量子ドットグループ20とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ20が2つの第1の量子ドット12a,12bにより構成される場合を例に挙げて説明をする。 First, the arithmetic circuit 1 using quantum dots to which the present invention is applied will be described. The arithmetic circuit 1 is an arithmetic circuit that generates an output signal expressed as the sum of a plurality of input signals. For example, as shown in FIG. 1, the arithmetic circuit 1 is made of a conductive material such as NaCl, KCl, or CaF 2. Substrate 11, one output-side second quantum dot 13 formed on the surface of substrate 11, and a plurality of first quanta discretely formed around second quantum dot 13 And a quantum dot group 20 composed of dots 12. In the following description, the case where the quantum dot group 20 is configured by two first quantum dots 12a and 12b will be described as an example.

量子ドットグループ20を構成する各量子ドット12a,12b、並びに第2の量子ドット13は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子(励起子)を制御する。この量子ドット12,13間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。   Each of the quantum dots 12a and 12b and the second quantum dot 13 constituting the quantum dot group 20 is based on a discrete energy level formed by confining excitons three-dimensionally. Control). Between the quantum dots 12 and 13, the energy level of the carriers in the quantum dots becomes discrete due to the exciton confinement system, and the state density can be sharpened in a delta function.

この量子ドットグループ20を構成する各量子ドット12a,12bには、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで第1の量子ドット12aに供給される近接場光を信号光Aとし、第1の量子ドット12bに供給される近接場光を信号光Bとする。これら信号光A, 信号光Bは、基板11に形成されたプラズモン導波路31、32を介してそれぞれ各量子ドット12a,12bに供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット12a,12bに近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。   Signal light as near-field light is independently supplied to the quantum dots 12a and 12b constituting the quantum dot group 20. Here, the near-field light supplied to the first quantum dots 12 a is signal light A, and the near-field light supplied to the first quantum dots 12 b is signal light B. The signal light A and the signal light B are supplied to the quantum dots 12a and 12b through the plasmon waveguides 31 and 32 formed on the substrate 11, respectively. However, the present invention is not limited to this case. The quantum dots 12a and 12b may be supplied via a near-field optical probe (not shown) adjacent to the quantum dots 12a and 12b.

第2の量子ドット13は、第1の量子ドット12a、或いは第1の量子ドット12bから注入される励起子に応じて出力光を生成する。第2の量子ドット13の周囲には、生成した出力光を伝搬させて外部出力するためのプラズモン導波路33が設けられている。   The second quantum dot 13 generates output light according to excitons injected from the first quantum dot 12a or the first quantum dot 12b. A plasmon waveguide 33 for propagating the generated output light and outputting it to the outside is provided around the second quantum dot 13.

即ち、この演算回路1では、第1の量子ドット12a,12bに対して、信号光A,信号光Bがそれぞれ独立に供給される。第2の量子ドット13は、量子ドットグループ20を構成する量子ドット12a,12bへ供給された信号光A,Bに応じて、出力光を生成する。   That is, in the arithmetic circuit 1, the signal light A and the signal light B are independently supplied to the first quantum dots 12a and 12b. The second quantum dot 13 generates output light in accordance with the signal lights A and B supplied to the quantum dots 12a and 12b constituting the quantum dot group 20.

ちなみに、各量子ドット12,13は、CuCl、GaN又はZnO等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット12,13を構成する材料系がCuClである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット12,13を構成する材料系がGaNやZnOである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。   Incidentally, each quantum dot 12 and 13 consists of material systems, such as CuCl, GaN, or ZnO. Incidentally, when the material system constituting each quantum dot 12, 13 is CuCl, these are configured as a cube, and when the material system constituting each quantum dot 12, 13 is GaN or ZnO, these are: Configured as a sphere or disk.

これら各量子ドット12,13は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板11上に形成させることができる。各量子ドット12,13を構成する材料系として上記CuClを用いる場合において、先ずCuClの粉末と、NaClの粉末を混合して約800℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数mm/hの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約200℃程度の温度で数分から数10分間熱処理をすると、CuClの量子ドット12,13を包含したNaCl結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット12,13のサイズを自在に制御することもでき、これらを100nm以下の領域に並べて形成させることも可能となる。   Each of these quantum dots 12 and 13 can be formed on the substrate 11 by using the following Bridgman method. In the case of using the above-mentioned CuCl as a material system constituting each quantum dot 12, 13, CuCu powder and NaCl powder are first mixed and melted at a temperature of about 800 ° C. Next, the molten mixed powder is suspended in a furnace having a temperature gradient in the vertical direction, and moved up and down in the furnace at a speed of several mm / h, thereby creating a temperature gradient inside the mixed powder gradually. To crystallize. When heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for several minutes to several tens of minutes, a NaCl crystal including CuCl quantum dots 12 and 13 can be produced. Incidentally, in this Bridgman method, the size of the generated quantum dots 12 and 13 can be freely controlled by changing the heat treatment temperature and heat treatment time, and these can be formed side by side in a region of 100 nm or less. Become.

なお、これら各量子ドット12,13は、更に分子エピタキシー(MBE)成長法に基づいて基板11上に作製してもよいし、また近接場光CVDを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。   Each of these quantum dots 12 and 13 may be further formed on the substrate 11 based on a molecular epitaxy (MBE) growth method, and the formation position of the quantum dots with high precision using near-field light CVD. You may control.

各量子ドット12,13における量子閉じ込め準位E(nx,ny,nz)は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式(1)により定義される。
E(nx,ny,nz)=h2/8π2m(π/L)2(nx 2+ny 2+nz 2)・・・・・(1)
この式(1)に基づき、各量子ドット12,13のE(nx,ny,nz)を計算する。ここで量子ドット12aと、量子ドット12bと、量子ドット13との辺長比が、およそ1:√2:2であるとき、図2に示すように、第1の量子ドット12aにおける量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、第2の量子ドット13における量子準位が(2,2,2)であるときのE(222)とが等しくなる。また第1の量子ドット12bにおける量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、第2の量子ドット13における量子準位が(2,1,1)であるときのE(211)とが等しくなる。即ち、第1の量子ドット12aの量子準位(1,1,1)、第1の量子ドット12bの量子準位(1,1,1)は、第2の量子ドット13における各量子準位(2,2,2), (2,1,1)と、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第1の量子ドット12aにおける量子準位(1,1,1)に対応する波長λ1の信号光A、第1の量子ドット12bにおける量子準位(1,1,1)に対応する波長λ2の信号光Bをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。
The quantum confinement level E ( nx , ny , nz ) in each quantum dot 12,13 is expressed by the following formula (1) when the mass of the particle is m and the side length of the quantum dot is L. Defined by
E (n x , n y , n z ) = h 2 / 8π 2 m (π / L) 2 (n x 2 + ny 2 + n z 2 ) (1)
Based on this equation (1), E ( nx , ny , nz ) of each quantum dot 12,13 is calculated. Here, when the side length ratio of the quantum dot 12a, the quantum dot 12b, and the quantum dot 13 is about 1: √2: 2, as shown in FIG. 2, the quantum level in the first quantum dot 12a Is equal to (1,1,1) and E (222) when the quantum level in the second quantum dot 13 is (2,2,2). When the quantum level in the first quantum dot 12b is (1,1,1) and the quantum level in the second quantum dot 13 is (2,1,1). E (211) becomes equal. That is, the quantum level (1, 1, 1) of the first quantum dot 12a and the quantum level (1, 1, 1) of the first quantum dot 12b are the quantum levels in the second quantum dot 13, respectively. (2,2,2), (2,1,1) and the excitation energy levels of excitons resonate with each other. Actually, in order to cause resonance between them, the signal light A having the wavelength λ1 corresponding to the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 12a, the quantum level in the first quantum dot 12b, By supplying the signal light B having the wavelength λ2 corresponding to (1, 1, 1), excitons can be excited to the quantum level.

仮に波長λ1の信号光Aを供給することにより、第1の量子ドット12aにおける量子準位(1,1,1)へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位(1,1,1)と第2の量子ドット13における量子準位(2,2,2)との間で共鳴が生じる。その結果、第1の量子ドット12aにおける量子準位(1,1,1)に存在する励起子が、第2の量子ドット13の量子準位(2,2,2)へ移動し、さらに第2の量子ドット13の量子準位(1,1,1)へ移動する。この結果、見かけ上第1の量子ドット12aから第2の量子ドット13へ励起子が移動することになる。そして、この第2の量子ドット13の量子準位(1,1,1)へ移動した励起子は、そこから発光する。この第2の量子ドット13の下位の量子準位(1,1,1)からの発光は、出力信号としての出力光として取り出されることになるが、その波長λ3は、信号光の波長λ1、λ2と比較していきおい長くなる。これは、第2の量子ドット13のサイズが、各量子ドット12a,12bと比較して大きいからである。従って、この波長λ3の出力光のみを選択的に検出することで、他の波長成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。   If the exciton is excited to the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 12a by supplying the signal light A having the wavelength λ1, the quantum level (1,1,1, Resonance occurs between 1) and the quantum level (2, 2, 2) in the second quantum dot 13. As a result, excitons existing at the quantum level (1, 1, 1) in the first quantum dot 12a move to the quantum level (2, 2, 2) of the second quantum dot 13, and further It moves to the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 13. As a result, the excitons apparently move from the first quantum dot 12 a to the second quantum dot 13. The excitons that have moved to the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 13 emit light therefrom. Light emitted from the lower quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 13 is extracted as output light as an output signal, and its wavelength λ3 is the wavelength λ1 of the signal light, Compared with λ2, it becomes longer. This is because the size of the second quantum dot 13 is larger than that of each of the quantum dots 12a and 12b. Accordingly, by selectively detecting only the output light having the wavelength λ3, the light intensity of the output light can be accurately measured without mixing other wavelength components.

即ち、基板11上において辺長比が互いに異なる各量子ドット12,13を形成させることにより、(1)式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット12から体積の大きい量子ドット13へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積(サイズ)を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。   That is, by forming the quantum dots 12 and 13 having different side length ratios on the substrate 11, the quantum levels based on the formula (1) can be made substantially equal, and resonance is caused between them. Thus, excitons can be injected from the quantum dot 12 having a small volume into the quantum dot 13 having a large volume. In other words, excitons can be transmitted between the quantum dots by making the volumes (sizes) different from one another.

このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい第1の量子ドット12a,12bに応じた信号光A,Bを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい第2の量子ドット13へ伝送する。第2の量子ドット13では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成し、これを出力信号として外部へ送信する。   For this reason, by using the transmission principle of the exciton, the signal light A and B corresponding to the first quantum dots 12a and 12b having a small volume are supplied to excite the excitons in the respective quantum levels. This is transmitted to the second quantum dot 13 having a large volume. The second quantum dot 13 generates output light by emitting the transmitted excitons to a lower level, and transmits this to the outside as an output signal.

ちなみに、この第2の量子ドット13からの出力光の光強度は、第2の量子ドット13における下位準位への励起子の放出量に支配され、かかる励起子の放出量は量子ドット12a,12bから伝送される励起子の量に依存する。即ち、全ての第1の量子ドット12a,12bに信号光A,Bがそれぞれ供給された場合には、その分励起される励起子の量は多くなり、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量も多くなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は大きくなる。これに対して、全ての第1の量子ドット12a,12bに信号光A,Bがそれぞれ供給されなかった場合には、その分励起される励起子の量は少なくなり、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量も少なくなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、信号光A,Bの各量子ドット12a,12bに対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。   Incidentally, the light intensity of the output light from the second quantum dot 13 is governed by the exciton emission amount to the lower level in the second quantum dot 13, and the exciton emission amount is the quantum dot 12 a, Depends on the amount of excitons transmitted from 12b. That is, when the signal lights A and B are respectively supplied to all the first quantum dots 12 a and 12 b, the amount of excitons excited by that amount is increased and transmitted to the second quantum dots 13. As the amount of excitons increases, the light intensity of the output light based on these emissions increases. On the other hand, when the signal lights A and B are not supplied to all the first quantum dots 12a and 12b, the amount of excitons to be excited correspondingly decreases, and the second quantum dots 13 As the amount of excitons transmitted to the light source decreases, the light intensity of the output light based on these emissions decreases. This means that the light intensity of the output light can be changed by controlling the supply state of the signal lights A and B to the quantum dots 12a and 12b.

かかる出力光の供給状態に対する出力光の光強度の関係については、図3に示すポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果より説明することもできる。図3(a)では、仮に第1の量子ドット12aの量子準位(1,1,1)と、第2の量子ドット13の量子準位(2,2,2)の双方において励起子が存在していたときに(2励起子系)、第2の量子ドット13における量子準位(1,1,1)へ励起子が移動した状態のポピュレーションを実線で示してあり、また、かかる第2の量子ドット13における量子準位(1,1,1)へ励起子が遷移することなく、上方準位としての量子準位(2,2,2)に留まっている状態のポピュレーションを破線で示してある。   The relationship of the light intensity of the output light with respect to the supply state of the output light can also be explained from the simulation result of the time variation of the population shown in FIG. In FIG. 3 (a), excitons are present at both the quantum level (1, 1, 1) of the first quantum dot 12a and the quantum level (2, 2, 2) of the second quantum dot 13. The population in the state where the exciton has moved to the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 13 when it exists (in the biexciton system) is indicated by a solid line. The population in the state in which the exciton does not transit to the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 13 and remains in the quantum level (2,2,2) as the upper level. It is indicated by a broken line.

この破線で示されるポピュレーションが振動している理由としては、仮に第2の量子ドット13における上方準位としての量子準位(2,2,2)が励起子により占有されているときには、パウリの排他律により第1の量子ドット12aからの励起子の流入が制限されることになる。かかる場合には、この量子準位(2,2,2)が空くことになるまで、第1の量子ドット12aと第2の量子ドット13との間で励起子が行き来する、いわゆる章動(nutation)が繰り返されることになり、これがポピュレーションの振動という形で現われることになる。ちなみに、この章動が生じた場合においても、最終的には第2の量子ドット13における下方準位としての量子準位(1,1,1)へ励起子は移動することになる。   The reason why the population indicated by the broken line is oscillating is that if the quantum level (2, 2, 2) as the upper level in the second quantum dot 13 is occupied by excitons, the Pauli In other words, the exciton flow from the first quantum dots 12a is restricted by the exclusion rule. In such a case, excitons travel back and forth between the first quantum dot 12a and the second quantum dot 13 until the quantum level (2, 2, 2) is vacant (so-called chapter movement ( nutation) will be repeated, and this will appear in the form of population vibration. Incidentally, even when this nutation occurs, the exciton finally moves to the quantum level (1, 1, 1) as the lower level in the second quantum dot 13.

また、図3(b)では、上述した2励起子系に加え、初期状態において第2の量子ドット13のみに励起子が存在しているいわゆる1励起子系のそれぞれについて、第2の量子ドット13における下方準位としての量子準位(1,1,1)の時間変化を示している。物理的には、第2の量子ドット13における量子準位(1,1,1)への励起子の遷移に付随して生成される出力光を時間積分した結果が出力信号となる。これは、図3(b)に示すポピュレーションの時間積分に相当する。実際にこのポピュレーションを0〜5nsオーダで積分すると、2励起子系と1励起子系の出力信号の比は、約1.86:1となることが分かる。これは、第2の量子ドット13との第1の量子ドット12との間で行き来する励起子の数が増えるにつれて、出力光の光強度は大きくなることを示している。   In addition, in FIG. 3B, in addition to the above-described biexciton system, the second quantum dot for each so-called single exciton system in which excitons exist only in the second quantum dot 13 in the initial state. 13 shows the time change of the quantum level (1, 1, 1) as the lower level in FIG. Physically, the output signal is the result of time integration of the output light generated accompanying the exciton transition to the quantum level (1, 1, 1) in the second quantum dot 13. This corresponds to the time integration of the population shown in FIG. When this population is actually integrated on the order of 0 to 5 ns, it can be seen that the ratio of the output signals of the biexciton system and the monoexciton system is about 1.86: 1. This indicates that the light intensity of the output light increases as the number of excitons traveling between the second quantum dot 13 and the first quantum dot 12 increases.

図4,5は、かかる第2の量子ドット13からの出力光の光強度変化についての実験結果を示している。図4(a)に示すように、サイズ比が約1:3:4である3つの第1の量子ドット12c,12d,12eを第2の量子ドット13の周囲に離散的に形成させた場合に、これら第1の量子ドット12cにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ(=325nm)の信号光Cのみを照射すると、励起された励起子は、第2の量子ドット13へ移動し、そこから波長λ(=384nm)の出力光が出射される。この出力光の光強度は、図4(b)に示すように、波長λ(=384nm)に対応したフォトンエネルギーW1におけるピーク強度として表される。   4 and 5 show the experimental results of the light intensity change of the output light from the second quantum dot 13. As shown in FIG. 4A, when three first quantum dots 12c, 12d, and 12e having a size ratio of about 1: 3: 4 are discretely formed around the second quantum dot 13. When only the signal light C having a wavelength λ (= 325 nm) that can excite the excitons in the first quantum dots 12c is irradiated, the excited excitons move to the second quantum dots 13, where Output light of wavelength λ (= 384 nm). The light intensity of the output light is expressed as the peak intensity at the photon energy W1 corresponding to the wavelength λ (= 384 nm) as shown in FIG.

同様に第1の量子ドット12dにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ(=376nm)の信号光Dのみを照射すると、これに応じた第2の量子ドット13からの出力光の光強度は、図4(b)に示すように、波長λ(=384nm)に対応したフォトンエネルギーW1におけるピーク強度として表される。同様に第1の量子ドット12eにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ(=381.3nm)の信号光Eのみを照射すると、これに応じた第2の量子ドット13からの出力光の光強度は、図4(b)に示すように、波長λ(=384nm)に対応したフォトンエネルギーW1におけるピーク強度として表される。   Similarly, when only the signal light D having the wavelength λ (= 376 nm) that can excite the excitons in the first quantum dots 12d is irradiated, the light intensity of the output light from the second quantum dots 13 corresponding thereto is As shown in FIG. 4B, it is expressed as the peak intensity at the photon energy W1 corresponding to the wavelength λ (= 384 nm). Similarly, when only the signal light E having a wavelength λ (= 381.3 nm) that can excite excitons in the first quantum dots 12e is irradiated, the light intensity of the output light from the second quantum dots 13 corresponding thereto Is represented as the peak intensity at photon energy W1 corresponding to the wavelength λ (= 384 nm), as shown in FIG.

この図4(b)の実験結果から分かるように、信号光C,D,Eのうち何れか1つを照射した場合には、出力光の光強度はほぼ同等になる。即ち、供給された信号光の数が1つである場合には、かかる信号光の波長の如何を問わず一定レベルの光強度からなる出力光を出射することができることを意味している。   As can be seen from the experimental results in FIG. 4B, when any one of the signal lights C, D, and E is irradiated, the light intensity of the output light is almost equal. In other words, when the number of supplied signal lights is one, it means that output light having a certain level of light intensity can be emitted regardless of the wavelength of the signal light.

これに対して、第1の量子ドット12に対して、信号光Cのみに加えて信号光Eの2つを同時に供給した場合には、それぞれ第1の量子ドット12c,12eにおいて励起された励起子は第2の量子ドット13へ移動し、そこから波長λ(=384nm)の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図5に示すように、供給される信号光の数が1つである場合と比較して約2倍となる。   On the other hand, when two signal lights E are simultaneously supplied to the first quantum dots 12 in addition to the signal light C, the excitations excited in the first quantum dots 12c and 12e, respectively. The child moves to the second quantum dot 13 from which output light having a wavelength λ (= 384 nm) is emitted. The light intensity of this output light is supplied as shown in FIG. Compared with the case where the number of signal lights is one, it is about twice.

同様に、第1の量子ドット12に対して、信号光Cのみに加えて信号光D,Eの3つを同時に供給した場合には、それぞれ第1の量子ドット12c,12d,12eにおいて励起された励起子は第2の量子ドット13へ移動し、そこから波長λ(=384nm)の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図5に示すように、供給される信号光の数が1つである場合と比較して約3倍となる。   Similarly, when three signal lights D and E in addition to the signal light C are simultaneously supplied to the first quantum dots 12, they are excited in the first quantum dots 12c, 12d, and 12e, respectively. The excitons move to the second quantum dot 13 and output light having a wavelength λ (= 384 nm) is emitted therefrom, and the light intensity of this output light is supplied as shown in FIG. Compared with the case where the number of signal lights is one, the number of signal lights is about three times.

かかる場合において、近接場プローブを走査することにより、第1の量子ドット12から第2の量子ドット13への集光の様子を空間域で評価すると、図6に示すような強度プロファイルが得られる。即ち、近接場によって波長より微細のエリアに光信号が集められている様子が分かる。   In such a case, when the state of light collection from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13 is evaluated in the spatial region by scanning the near-field probe, an intensity profile as shown in FIG. 6 is obtained. . That is, it can be seen that optical signals are collected in an area finer than the wavelength by the near field.

これらの実験結果から分かるように、供給された信号光の数に応じて出力光の光強度はほぼ線形に増加していくことになる。これは、出力光の光強度は、供給される信号光の数を加算した和として表されることを示唆しており、これを出力信号として取り出すことができれば、演算回路1を信号光の数を和算するいわゆる和算回路として動作させることも可能となる。   As can be seen from these experimental results, the light intensity of the output light increases almost linearly according to the number of supplied signal lights. This suggests that the light intensity of the output light is expressed as a sum obtained by adding the number of signal lights to be supplied, and if this can be taken out as an output signal, the arithmetic circuit 1 is connected to the number of signal lights. It is also possible to operate as a so-called summing circuit for summing.

また、演算回路1に供給される信号光をデジタル信号の各ビットを表すものとした場合に、各信号光が供給されている状態をHレベルとし、各信号光が供給されていない状態いない状態をLレベルとした場合に、供給されている信号光の数に応じて出力光の光強度が増加することから、これを識別することによりHレベルの信号光の数をカウントすることができる。   When the signal light supplied to the arithmetic circuit 1 represents each bit of the digital signal, the state in which each signal light is supplied is set to H level, and the state in which each signal light is not supplied is not present Is set to the L level, the light intensity of the output light increases according to the number of the supplied signal lights. By identifying this, the number of the H level signal lights can be counted.

かかる場合において、図1に示すように信号光A,Bの各第1の量子ドット12a,12bに対する供給をカウントすべきデジタル信号と連動させることにより、これに応じた光強度からなる出力信号としての出力光を生成する。例えば、2進数で表わされる2ビットのデジタル信号(a,a)につき、A0=a+a(a〜aは、1か0の何れかの値を取る)を求める場合には、aの値を信号光Aで規定し、aの値を信号光Bで規定する。 In such a case, as shown in FIG. 1, the supply of the signal lights A and B to the first quantum dots 12a and 12b is linked with a digital signal to be counted, thereby producing an output signal having a light intensity corresponding to this. Produces the output light. For example, when a 2-bit digital signal (a 0 , a 1 ) expressed in binary is obtained, A0 = a 1 + a 0 (where a 1 to a 0 take one of values 1 or 0). Defines the value of a 0 with signal light A and the value of a 1 with signal light B.

ここでaの値が1である場合には、波長λ1の信号光Aを供給する(Hレベルとする)。これに対して、aの値が0である場合には、かかる波長λ1の信号光Aの供給を停止する(Lレベルとする)。信号光Aが供給された第1の量子ドット12内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第2の量子ドット13の量子準位(2,2,2)へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光として出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Aが供給されなかった第1の量子ドット11内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されることはないため、励起子が第2の量子ドット13の量子準位(2,2,2)へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。 Here, when the value of a 0 is 1, the signal light A of wavelength λ1 is supplied (set to H level). On the other hand, when the value of a 0 is 0, the supply of the signal light A having the wavelength λ1 is stopped (set to L level). In the first quantum dot 12 to which the signal light A is supplied, excitons are excited to the quantum level (1, 1, 1), and the exciton becomes the quantum level of the second quantum dot 13 ( Since the light is emitted by moving to (2, 2, 2) and further transitioning to the lower level, it contributes to the light intensity of the output signal as output light. On the other hand, in the first quantum dot 11 to which the signal light A is not supplied, the exciton is not excited to the quantum level (1, 1, 1). It does not move to the quantum level (2, 2, 2) of the quantum dot 13, and this does not contribute to the light intensity of the output signal as output light.

同様に、aの値が1である場合には、波長λ2の信号光Bを供給する。これに対して、aの値が0である場合には、かかる波長λ2の信号光Bの供給を停止する。周波数λ2の信号光Bが供給された第1の量子ドット12内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第2の量子ドット13の量子準位(2,1,1)へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としての出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Bが供給されなかった第1の量子ドット12内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されることはないため、励起子が第2の量子ドット13の量子準位(2,1,1)へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。 Similarly, when the value of a 1 is 1, the signal light B having the wavelength λ2 is supplied. On the other hand, when the value of a 1 is 0, the supply of the signal light B having the wavelength λ2 is stopped. In the first quantum dot 12 to which the signal light B having the frequency λ2 is supplied, excitons are excited to the quantum level (1, 1, 1). Since the light is emitted by moving to the level (2,1,1) and further transitioning to the lower level, it contributes to the light intensity of the output signal as the output light. On the other hand, in the first quantum dot 12 to which the signal light B is not supplied, the exciton is not excited to the quantum level (1, 1, 1). It does not move to the quantum level (2, 1, 1) of the quantum dot 13, and this does not contribute to the light intensity of the output signal as output light.

例えばa=0,a=0で表されるデジタル信号(2進法表記として00)につきA0を求める場合には、何れの第1の量子ドット12に対して信号光が供給されることがなくなり、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度L0は、最小になる。 For example, when A0 is obtained for a digital signal (00 in binary notation) represented by a 1 = 0 and a 0 = 0, signal light is supplied to any first quantum dot 12. The amount of excitons transmitted to the second quantum dot 13 is minimized, and the light intensity L0 of the output light based on these emissions is minimized.

これに対して、a=0,a=1で表されるデジタル信号(2進法表記として10)につきA0を求める場合には、第1の量子ドット12aのみに信号光Aが供給されることになり、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量が増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度L1も増加することになる。 On the other hand, when A0 is obtained for a digital signal (10 in binary notation) represented by a 1 = 0 and a 0 = 1, the signal light A is supplied only to the first quantum dot 12a. Thus, since the amount of excitons transmitted to the second quantum dot 13 increases, the light intensity L1 of the output light based on these emissions also increases.

また、a=1,a=1で表されるデジタル信号(2進法表記として11)につきA0を求める場合には、第1の量子ドット12aに信号光Aが供給され、また第1の量子ドット12bに信号光Bが供給されることになり、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量は、a=0,a=1で表されるデジタル信号の場合と比較して増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度L2もL1の2倍近くになる。 When A0 is obtained for a digital signal (11 in binary notation) represented by a 1 = 1, a 0 = 1, the signal light A is supplied to the first quantum dot 12a, and the first The signal light B is supplied to the second quantum dot 12b, and the amount of excitons transmitted to the second quantum dot 13 is the case of a digital signal represented by a 1 = 0 and a 0 = 1. Since it increases in comparison, the light intensity L2 of the output light based on these emissions is also nearly twice as large as L1.

即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、デジタル信号の各ビットにおけるHレベルの数を和算した結果を得ることができる。   That is, by investigating in advance the relationship between the number of signals supplied to the light intensity of these output lights, the number of H levels in each bit of the digital signal can be summed only by identifying the light intensity of the output light. The calculated result can be obtained.

このように、本発明を適用した演算回路1では、和算すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる波長の信号光が供給され、当該供給された信号光に応じてそれぞれ励起子が励起される複数の第1の量子ドット12と、これらの量子準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する第2の量子ドット13を基板上に形成させている。   As described above, in the arithmetic circuit 1 to which the present invention is applied, signal light having different wavelengths corresponding to each bit of the digital signal to be summed is supplied, and excitons are excited in accordance with the supplied signal light. The plurality of first quantum dots 12 and the second quantum dots 13 having resonance energy levels in which excitons are injected from these quantum levels are formed on the substrate.

このため、和算すべきデジタル信号のビットに対応した信号光の供給状態を制御することにより、第1の量子ドット12から第2の量子ドット13へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出される出力信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、供給される信号数をカウントした、換言すればデジタル信号のビット1の合計を表した和算回路を実現することができる。仮に入力可能なデジタル信号のビット数がN存在する場合には、この演算回路1により以下の(2)式により表されるA0を求めることも可能となる。   Therefore, by controlling the supply state of the signal light corresponding to the bits of the digital signal to be summed, the total energy flowing from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13 can be controlled, Since the light intensity of the output light as the output signal to be emitted is controlled by this, the number of signals to be supplied is counted, in other words, a summing circuit representing the sum of bit 1 of the digital signal is realized. Can do. If there are N bits of a digital signal that can be input, the arithmetic circuit 1 can also obtain A0 expressed by the following equation (2).

Figure 2006023505
Figure 2006023505

特に本発明を適用した演算回路1では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で和算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。   In particular, in the arithmetic circuit 1 to which the present invention is applied, it is possible to perform summation between nanometer-sized quantum dots without being controlled by the diffraction limit of light. Can also be realized.

なお、本発明は、上述の如き複数の入力信号の和を求める和算回路としての演算回路1に限定されるものではなく、例えば、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路2に適用してもよい。   Note that the present invention is not limited to the arithmetic circuit 1 as a summing circuit for obtaining the sum of a plurality of input signals as described above. For example, an output signal expressed as a product sum of a plurality of input signals is generated. You may apply to the arithmetic circuit 2 to do.

この演算回路2において、上述した演算回路1と同一の構成、要素については、同一の番号を付すことによりここでの説明を省略する。   In the arithmetic circuit 2, the same components and elements as those of the arithmetic circuit 1 described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted here.

演算回路2は、例えば図7に示すように、例えばNaCl、KCl又はCaF等の導電性材料により構成される基板11と、基板11の表面上において形成されている1つの出力側の第2の量子ドット13と、当該第2の量子ドット13の周囲において離散的に形成されている複数の第1の量子ドット12からなる量子ドットグループ20とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ20が2つの第1の量子ドット12a,12bにより構成される場合を例に挙げて説明をする。 For example, as shown in FIG. 7, the arithmetic circuit 2 includes a substrate 11 made of a conductive material such as NaCl, KCl, or CaF 2 and a second output-side second formed on the surface of the substrate 11. Quantum dots 13 and a quantum dot group 20 composed of a plurality of first quantum dots 12 formed discretely around the second quantum dots 13. In the following description, the case where the quantum dot group 20 is configured by two first quantum dots 12a and 12b will be described as an example.

第1の量子ドット12aの近傍には、第3の量子ドット16a、第4の量子ドット17aの2つが形成されており、また第1の量子ドット12bの近傍には、第3の量子ドット16b、第4の量子ドット17bの2つが形成されている。これら第3の量子ドット16、第4の量子ドット17を以下演算部10と総称する。   Two third quantum dots 16a and a fourth quantum dot 17a are formed in the vicinity of the first quantum dot 12a, and a third quantum dot 16b is formed in the vicinity of the first quantum dot 12b. Two of the fourth quantum dots 17b are formed. Hereinafter, the third quantum dot 16 and the fourth quantum dot 17 are collectively referred to as a calculation unit 10.

演算部10を構成する各量子ドット16,17は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子(励起子)を制御する。この量子ドット16,17間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。   Each quantum dot 16 and 17 which comprises the calculating part 10 controls a single electron (exciton) based on the discrete energy level formed by confining an exciton three-dimensionally. Between the quantum dots 16 and 17, the exciton confinement system makes the energy levels of the carriers in the quantum dots discrete, and the state density can be sharpened in a delta function.

この演算部10を構成する各量子ドット16,17には、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第3の量子ドット16aに供給される近接場光を信号光SA1とし、第4の量子ドット17aに供給される近接場光を信号光SA2とする。第3の量子ドット16bに供給される近接場光を信号光SB1とし、第4の量子ドット17bに供給される近接場光を信号光SB2とする。これら信号光SA1, 信号光SA2は、基板11に形成されたプラズモン導波路41、42を介してそれぞれ各量子ドット16a,17aに供給され、信号光SB1, 信号光SB2は、基板11に形成されたプラズモン導波路43、44を介してそれぞれ各量子ドット16b,17bに供給されることになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット16,17に近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。   Signal light as near-field light is independently supplied to each of the quantum dots 16 and 17 constituting the arithmetic unit 10. Here, the near-field light supplied to the third quantum dot 16a is referred to as signal light SA1, and the near-field light supplied to the fourth quantum dot 17a is referred to as signal light SA2. The near-field light supplied to the third quantum dot 16b is signal light SB1, and the near-field light supplied to the fourth quantum dot 17b is signal light SB2. The signal light SA1 and the signal light SA2 are respectively supplied to the quantum dots 16a and 17a via the plasmon waveguides 41 and 42 formed on the substrate 11, and the signal light SB1 and the signal light SB2 are formed on the substrate 11. The quantum dots 16b and 17b are supplied to the quantum dots 16b and 17b via the plasmon waveguides 43 and 44, respectively. However, the present invention is not limited to this case. It may be supplied via a field light probe.

即ち、この演算回路2では、第3の量子ドット16a,16b及び/又は第4の量子ドット17a,17bに対して、信号光SA1, 信号光SB1,信号光SA2,信号光SB2がそれぞれ独立に供給される。第1の量子ドット12a,12bは、演算部10を構成する量子ドット16,17へ供給された信号光SA1,信号光SB1,信号光SA2,信号光SB2に応じて、励起子を第2の量子ドット13へ移動させる。   That is, in the arithmetic circuit 2, the signal light SA1, the signal light SB1, the signal light SA2, and the signal light SB2 are independently supplied to the third quantum dots 16a and 16b and / or the fourth quantum dots 17a and 17b. Supplied. The first quantum dots 12a and 12b use the second excitons according to the signal light SA1, the signal light SB1, the signal light SA2, and the signal light SB2 supplied to the quantum dots 16 and 17 constituting the arithmetic unit 10, respectively. Move to quantum dot 13.

ここで、第1の量子ドット12aとその近傍に形成された第3の量子ドット16a、第4の量子ドット17aに着目した場合に、信号光SA1,SA2が供給されている状態をHレベルとし、信号光SA1,SA2が供給されていない状態をLレベルとすれば、演算回路2は、信号光SA1,SA2に応じて励起子の移動をON/OFFすることにより、Hレベルの信号値、Lレベルの信号値を論理演算するための回路として機能することになる。   Here, when attention is paid to the first quantum dot 12a and the third quantum dot 16a and the fourth quantum dot 17a formed in the vicinity thereof, the state in which the signal lights SA1 and SA2 are supplied is set to the H level. If the state in which the signal lights SA1 and SA2 are not supplied is set to the L level, the arithmetic circuit 2 turns the exciton movement on and off in accordance with the signal lights SA1 and SA2, thereby causing an H level signal value, It functions as a circuit for performing a logical operation on the L-level signal value.

ちなみに、量子ドット16,17は、CuCl、GaN又はZnO等の材料系からなり、作製方法についても、ブリッジマン法や分子エピタキシー(MBE)成長法等に基づくことになる。   Incidentally, the quantum dots 16 and 17 are made of a material system such as CuCl, GaN, or ZnO, and the manufacturing method is also based on the Bridgman method, the molecular epitaxy (MBE) growth method, or the like.

第3の量子ドット16並びに第4の量子ドット17は、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係になるように、基板11上に形成される。このとき、第3の量子ドット16並びに第4の量子ドット17は、第1の量子ドット12を介して対称となるように基板11上に形成される。このとき、図8に示すように、第1の量子ドット12を頂点として第3の量子ドット16と第4の量子ドット17との間で二等辺三角形が形成されるようにしてもよい。   The third quantum dots 16 and the fourth quantum dots 17 are formed on the substrate 11 so as to have a positional relationship such that they are coupled to each other coherently by near-field light. At this time, the third quantum dots 16 and the fourth quantum dots 17 are formed on the substrate 11 so as to be symmetrical via the first quantum dots 12. At this time, an isosceles triangle may be formed between the third quantum dot 16 and the fourth quantum dot 17 with the first quantum dot 12 as a vertex, as shown in FIG.

次に、本発明を適用した演算回路2の動作につき説明をする。この演算回路2は、基板上11に形成された量子ドット12,13,16,17間に生じる特有の光物理現象に基づいて、積和演算素子として動作する。かかる場合においては、第1の量子ドット12と量子ドット16,17との間ではAND演算素子として機能し、第1の量子ドット12と、第2の量子ドット13との間では和算演算素子として機能することになる。   Next, the operation of the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied will be described. The arithmetic circuit 2 operates as a product-sum arithmetic element based on a specific photophysical phenomenon that occurs between the quantum dots 12, 13, 16, and 17 formed on the substrate 11. In such a case, an AND operation element functions between the first quantum dot 12 and the quantum dots 16, 17, and a sum operation element between the first quantum dot 12 and the second quantum dot 13. Will function as.

図9は、各量子ドット12,16,17を構成する材料系がCuClである場合のエネルギ図を示している。上述の式(1)に基づき、各量子ドット12,16,17のE(nx,ny,nz)を計算する。このとき、第3の量子ドット16と第4の量子ドット17の辺長比を、およそ1:1としたとき、第3の量子ドット16における量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、第4の量子ドット17における量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)とが等しくなる。すなわち、第3の量子ドット16の量子準位(1,1,1)と、第4の量子ドット17の量子準位(1,1,1)は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第1の量子ドット16における量子準位(1,1,1)に対応する波長をもつ光を、信号光SAとして供給し、或いは、第4の量子ドット17における量子準位(1,1,1)に対応する波長をもつ光を、信号光SA2として供給する必要がある。 FIG. 9 shows an energy diagram in the case where the material system constituting each quantum dot 12, 16, 17 is CuCl. Based on the above equation (1), E (n x , n y , n z ) of each quantum dot 12, 16, 17 is calculated. At this time, when the side length ratio between the third quantum dot 16 and the fourth quantum dot 17 is about 1: 1, the quantum level in the third quantum dot 16 is (1, 1, 1). E (111) at the time is equal to E (111) when the quantum level in the fourth quantum dot 17 is (1,1,1). That is, the excitation level of the exciton resonates between the quantum level (1, 1, 1) of the third quantum dot 16 and the quantum level (1, 1, 1) of the fourth quantum dot 17. There is a relationship. In fact, in order to cause resonance between them, light having a wavelength corresponding to the quantum level (1, 1, 1) in the first quantum dot 16 is supplied as the signal light SA, or the fourth It is necessary to supply light having a wavelength corresponding to the quantum level (1, 1, 1) in the quantum dot 17 as the signal light SA2.

かかる共鳴が生じる場合に、第3の量子ドット16に存在する量子準位(1,1,1)に存在する励起子が、第4の量子ドット17における量子準位(1,1,1)へ移動し、また第4の量子ドット17の量子準位(1,1,1)に存在する励起子が、第3の量子ドット16における量子準位(1,1,1)へ移動するが、量子ドット16,17間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上1つの励起モードが形成される。   When such resonance occurs, excitons existing in the quantum level (1, 1, 1) present in the third quantum dot 16 are converted into the quantum level (1, 1, 1) in the fourth quantum dot 17. The exciton existing at the quantum level (1, 1, 1) of the fourth quantum dot 17 moves to the quantum level (1, 1, 1) of the third quantum dot 16. The excitons are coherently coupled between the quantum dots 16 and 17, and an apparently single excitation mode is formed.

即ち、この演算回路2は、辺長比がそれぞれ1:1であるほぼ同一の形状、サイズからなる各量子ドット16,17を基板11上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、互いの量子準位(1,1,1)間において1つの励起モードを形成させることができる。   In other words, the arithmetic circuit 2 is provided with quantum dots 16 and 17 having substantially the same shape and size, each having a side length ratio of 1: 1, on the substrate 11 so that the state density functions become substantially equal. By creating a resonance effect between them, one excitation mode can be formed between the quantum levels (1, 1, 1) of each other.

図9は、第1の量子ドット12aとその近傍に形成された第3の量子ドット16a、第4の量子ドット17aに着目した場合に、第3の量子ドット16aに信号光SA1が供給され、また第4の量子ドット17aに信号光SA2が供給された結果、基底準位から2hのエネルギー差を有する励起エネルギー準位Pへ2つの励起子が励起された状態(2励起子状態)を示している。かかる状態を初期状態としたとき、何れか一の励起子が第1の量子ドット12aへ注入された結果、第3の量子ドット16a,第4の量子ドット17a間において1つの励起子が存在し、また第1の量子ドット12aに1つの励起子が存在する場合を終状態という。 In FIG. 9, when focusing on the first quantum dot 12a and the third quantum dot 16a and the fourth quantum dot 17a formed in the vicinity thereof, the signal light SA1 is supplied to the third quantum dot 16a. In addition, as a result of the signal light SA2 being supplied to the fourth quantum dot 17a, two excitons are excited from the ground level to the excitation energy level P 2 having an energy difference of 2h 1 (double exciton state). Is shown. When this state is the initial state, one exciton is injected into the first quantum dot 12a. As a result, one exciton exists between the third quantum dot 16a and the fourth quantum dot 17a. The case where one exciton exists in the first quantum dot 12a is called a final state.

この終状態において、演算部10を構成する第3の量子ドット16a,第4の量子ドット17a間で1つの励起子のみが励起された状態となるため、近接場光結合の強さUに応じてエネルギーが分離する。この分離されたエネルギーの高準位側をエネルギー準位Sとし、低準位側をエネルギー準位Aとし、さらに第1の量子ドット12aにつき基底準位からhのエネルギー差がある場合に、エネルギー準位Sと基底準位とのエネルギー差は、h+h+Uとなる。 In this final state, only one exciton is excited between the third quantum dot 16a and the fourth quantum dot 17a constituting the arithmetic unit 10, and therefore, according to the near-field optical coupling strength U. Energy is separated. When the separated energy has the energy level S 2 as the high level side, the energy level A 2 as the low level side, and the first quantum dot 12 a has an energy difference of h 2 from the ground level. In addition, the energy difference between the energy level S 2 and the ground level is h 1 + h 2 + U.

ここで初期状態における励起エネルギー準位Pが、終状態におけるエネルギー準位Sと等しくなる場合に共鳴が生じるため、共鳴の条件は、h+h+U=2hで表される。ここで、かかる共鳴の条件式を整理すると、Δh=h−h=−Uとなり、第1の量子ドット12aにおける量子準位(エネルギー準位S)をhより近接場光結合の強さU分だけ低く調整することにより、上記共鳴効果を得ることが可能となる。 Here, since resonance occurs when the excitation energy level P 2 in the initial state becomes equal to the energy level S 2 in the final state, the resonance condition is represented by h 1 + h 2 + U = 2h 1 . Here, when the resonance conditional expression is arranged, Δh = h 2 −h 1 = −U, and the quantum level (energy level S 2 ) in the first quantum dot 12a is more in the near-field optical coupling than h 1 . The resonance effect can be obtained by adjusting the intensity U to be lower.

第1の量子ドット12aにおける量子準位Sに注入された励起子は、下位のエネルギー準位へ放出される。ちなみに、かかる下位のエネルギー準位を上述した第2の量子ドット13における一の量子準位と共鳴する関係にあれば、この放出された励起子を信号光Aとして第2の量子ドット13へと移動させることが可能になる。 Excitons that are injected into the quantum level S 2 in the first quantum dot 12a is released to a lower energy level. By the way, if the lower energy level is in resonance with the one quantum level in the second quantum dot 13 described above, the emitted exciton is used as the signal light A to the second quantum dot 13. It can be moved.

なお、エネルギー準位Aと、励起エネルギー準位Pとは、上述したメカニズムにより互いに禁制となるため共鳴することはない。 The energy level A 2 and the excitation energy level P 2 are forbidden by the mechanism described above and thus do not resonate.

即ち、本発明を適用した演算回路1は、第3の量子ドット16又は第4の量子ドット17の双方に信号光が供給された場合、換言すれば量子ドット16,17にそれぞれHレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴効果により励起子が放出され、これが第2の量子ドット13へと移動する。これは、第1の量子ドット12に対してHレベルの入力信号が供給されたことに相当する。   That is, in the arithmetic circuit 1 to which the present invention is applied, when signal light is supplied to both the third quantum dot 16 or the fourth quantum dot 17, in other words, the H level signal is supplied to the quantum dots 16 and 17, respectively. Is supplied, excitons are released by the resonance effect described above, and move to the second quantum dots 13. This corresponds to an H level input signal being supplied to the first quantum dot 12.

これに対して、第3の量子ドット16又は第4の量子ドット17の何れに対しても信号光が供給されなかった場合、また第3の量子ドット16又は第4の量子ドット17の何れか一方のみに信号光が供給された場合には、上述した共鳴も起こらず、励起子の放出も起こらないことから、これが第2の量子ドット13へと移動することもなくなる。これは、第4の量子ドット17に対してLレベルの入力信号が供給されたことに相当する。   On the other hand, when no signal light is supplied to either the third quantum dot 16 or the fourth quantum dot 17, or any of the third quantum dot 16 or the fourth quantum dot 17 When signal light is supplied to only one side, the above-described resonance does not occur, and exciton emission does not occur, so that it does not move to the second quantum dot 13. This corresponds to an L level input signal being supplied to the fourth quantum dot 17.

このため、本発明を適用した演算回路2における演算部10並びに第1の量子ドット12は、第3の量子ドット16並びに第4の量子ドット17に対して、それぞれ(H,H)の信号が供給された場合には、Hレベルの信号を出力し、(H,L)、(L,H)、(L,L)の信号が供給された場合には、Lレベルの信号を出力する、いわゆるAND演算素子として作用することになる。   For this reason, the arithmetic unit 10 and the first quantum dot 12 in the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied receive (H, H) signals from the third quantum dot 16 and the fourth quantum dot 17, respectively. When supplied, an H level signal is output, and when an (H, L), (L, H), (L, L) signal is supplied, an L level signal is output. It acts as a so-called AND operation element.

なお本発明を適用した演算回路2は、あくまで第1の量子ドット12を介して第3の量子ドット16並びに第4の量子ドット17が互いに対称となるように形成されている、いわゆる対称な系であることが前提となる。このような対称な系において、1励起子状態である場合のポピュレーションを計算すると、図10(a)に示すように、各量子ドット16,17に対して第1の量子ドット12が正に階調された場合(Δh=+U)に、演算部10から第1の量子ドット12へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。ちなみに、かかる場合におけるポピュレーションは、確率0.5まで上昇することになる。   Note that the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied is a so-called symmetric system in which the third quantum dot 16 and the fourth quantum dot 17 are symmetrical to each other via the first quantum dot 12. It is assumed that. When the population in the case of one exciton state is calculated in such a symmetrical system, the first quantum dot 12 is positive with respect to each quantum dot 16 and 17 as shown in FIG. It can be seen that, when gradation is performed (Δh = + U), resonant energy transfer from the calculation unit 10 to the first quantum dots 12 occurs. Incidentally, the population in such a case will rise to a probability of 0.5.

また、2励起子状態である場合のポピュレーションは、図10(b)に示すように、各量子ドット16,17に対して第1の量子ドット12が負に階調された場合(Δh=−U)に、演算部10から第1の量子ドット12へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。かかる場合におけるポピュレーションは、確率1.0付近まで上昇することになる。   Further, as shown in FIG. 10B, the population in the biexciton state is obtained when the first quantum dot 12 is negatively gradation with respect to the quantum dots 16 and 17 (Δh = It can be seen that resonance energy transfer from the arithmetic unit 10 to the first quantum dot 12 occurs in -U). The population in such a case will rise to a probability of around 1.0.

なお、上述した実施の形態では、第1の量子ドット12における量子準位(励起エネルギー準位S)をhより近接場光結合の強さU分だけ低く調整する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、励起エネルギー準位をhよりも低準位であれば、上述とほぼ同様の効果を得ることが可能となる。 In the above-described embodiment, the description will be made by taking as an example a case where the quantum level (excitation energy level S 2 ) in the first quantum dot 12 is adjusted to be lower than h 1 by the intensity U of near-field light coupling. However, the present invention is not limited to this. If the excitation energy level is lower than h 1, it is possible to obtain substantially the same effect as described above.

また、このAND演算素子として作用する演算部10を構成する2つの量子ドット16、17並びに1つの第1の量子ドット12を単位として、これを第2の量子ドット13の周囲に離散的に形成することにより、AND演算素子から出力されたHレベルの信号光の数をカウントした出力信号としての出力光を生成することができる。   In addition, the two quantum dots 16 and 17 and one first quantum dot 12 constituting the arithmetic unit 10 acting as the AND arithmetic element are used as a unit and are discretely formed around the second quantum dot 13. By doing so, it is possible to generate output light as an output signal obtained by counting the number of H level signal lights output from the AND operation element.

例えば、信号光SA1,SA2の信号レベルが(L,L)であり、信号光SB1,SB2の信号レベルが(H,L)である場合には、第2の量子ドット13へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度L0は、最小になる。   For example, when the signal levels of the signal lights SA1 and SA2 are (L, L) and the signal levels of the signal lights SB1 and SB2 are (H, L), excitation transmitted to the second quantum dot 13 The amount of children is also the smallest, and the light intensity L0 of the output light based on these emissions is minimized.

これに対して、信号光SA1,SA2の信号レベルが(H,H)であり、信号光SB1,SB2の信号レベルが(H,L)である場合には、第2の量子ドット13へ伝送される励起子は、第1の量子ドット12aのみからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度L1も増加することになる。   On the other hand, when the signal levels of the signal lights SA1 and SA2 are (H, H) and the signal levels of the signal lights SB1 and SB2 are (H, L), they are transmitted to the second quantum dot 13. The excitons that are generated consist only of the first quantum dots 12a, and the light intensity L1 of the output light based on these emissions also increases.

これに対して、信号光SA1,SA2の信号レベルが(H,H)であり、信号光SB1,SB2の信号レベルが(H,H)である場合には、第2の量子ドット13へ伝送される励起子は、第1の量子ドット12a並びに第1の量子ドット12bからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度L2もL1の2倍近くになる。   On the other hand, when the signal levels of the signal lights SA1 and SA2 are (H, H) and the signal levels of the signal lights SB1 and SB2 are (H, H), they are transmitted to the second quantum dot 13. The excitons to be generated are the first quantum dots 12a and the first quantum dots 12b, and the light intensity L2 of the output light based on these emissions is nearly twice as large as L1.

即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、信号光の論理和の数を和算した結果を得ることができる。特に、本発明を適用した演算回路2においては、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で積和演算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。   That is, the result of summing up the number of logical sums of signal light only by identifying the light intensity of output light by investigating the relationship of the number of signals supplied to the light intensity of these output lights in advance. Can be obtained. In particular, in the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied, a product-sum operation can be performed between nanometer-sized quantum dots without being governed by the diffraction limit of light. Can also be realized in nano dimensions.

ちなみに、本発明を適用した演算回路2では、図11に示すように、Nビットの情報として表される入力信号a〜aに対して、予め用意したN個のエレメントとしての参照信号b〜bが同じか否かを判別するいわゆるマッチング演算を行うこともできる。かかる場合には、以下の(3)式に示すように、入力信号に対して参照信号をビット毎に掛け算し、求めた積の総和Y0を求める。 Incidentally, in the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied, as shown in FIG. 11, with respect to input signals a 1 to a N represented as N-bit information, reference signals b as N elements prepared in advance. 1 ~b N can also perform so-called matching operation to determine whether the same. In such a case, as shown in the following equation (3), the input signal is multiplied by the reference signal for each bit to obtain the total sum Y0 of the obtained products.

Figure 2006023505
Figure 2006023505

この求めた積の総和Y0が、参照信号として示されるエレメントに対してどのくらい類似しているかを識別することによりマッチング演算が実現されることになる。   A matching operation is realized by identifying how similar the calculated product sum Y0 is to the element indicated as the reference signal.

以下のマッチング演算例の説明においては、2つの内部変数を定義する。信号レベルがHである場合の論理1は(10)とし、また信号レベルがLである場合の論理0は(01)で表現するものとする。このとき、4ビットの入力信号(1010)は、上記の情報表現により図12に示すようにa=(10011001)と表現されることになる。他方、参照信号を(1010)とした場合には、同様の情報表現によりb=(10011001)となる。   In the following description of the matching calculation example, two internal variables are defined. The logic 1 when the signal level is H is expressed as (10), and the logic 0 when the signal level is L is expressed as (01). At this time, the 4-bit input signal (1010) is expressed as a = (10011001) as shown in FIG. On the other hand, when the reference signal is (1010), b = (10011001) by the same information expression.

ここで各ビットにつき積演算を行うと、結果は図12に示すようにa・b=(10011001)となる。この得られた8ビットにつき、和演算を行うと4になる。これは入力信号のビット数と等しいため、入力信号と参照信号がマッチしていることを判定することができる。   Here, when a product operation is performed for each bit, the result is a · b = (10011001) as shown in FIG. For the obtained 8 bits, 4 is obtained when the sum operation is performed. Since this is equal to the number of bits of the input signal, it can be determined that the input signal matches the reference signal.

同様に、4ビットの入力信号が(1110)であるときには、上記の情報表現により図13に示すようにa=(10101001)と表現されることになる。この入力信号に対して参照信号bを掛け算すると、図13に示すように、a・b=(10001001)となる。この得られた8ビットにつき、和演算を行うと3になる。これは入力信号のビット数と異なるため、入力信号と参照信号がマッチしていないことを判定することができる。   Similarly, when the 4-bit input signal is (1110), the above information expression represents a = (10101001) as shown in FIG. When this input signal is multiplied by the reference signal b, a · b = (10001001) is obtained as shown in FIG. For the 8 bits obtained, 3 is obtained when the sum operation is performed. Since this differs from the number of bits of the input signal, it can be determined that the input signal and the reference signal do not match.

さらにこの参照信号は、いわゆる任意ビット(Dont’Care)を含むテーブルデータとして表し、これと入力信号をマッチングさせるようにしてもよい。例えば図14に示すように、任意ビットを(11)で表現する場合に、この任意ビットとの積演算は、論理1に対しても、論理0に対しても1となる。   Further, this reference signal may be expressed as table data including a so-called arbitrary bit (Don'Care), and this may be matched with the input signal. For example, as shown in FIG. 14, when an arbitrary bit is expressed by (11), the product operation with this arbitrary bit is 1 for both logic 1 and logic 0.

例えば図14に示すように、任意ビット*を含むテーブルデータ(1*10)は、上記の情報表現においてb=(10111001)で表されるが、これに対して4ビットの入力信号(1110)(上記の情報表現によりa=(10101001)と表現される)を掛け算するとa・b=(10101001)となる。この得られた8ビットにつき和演算を行うと4になる。   For example, as shown in FIG. 14, table data (1 * 10) including an arbitrary bit * is represented by b = (10111001) in the above information expression, but in contrast to this, a 4-bit input signal (1110) Multiplying (represented as a = (10101001) by the above information representation) yields a · b = (10101001). When the sum operation is performed for the obtained 8 bits, 4 is obtained.

同様に4ビットの入力信号(1010)(上記の情報表現によりa=(10011001)と表現される)を掛け算するとa・b=(10011001)となる。この得られた8ビットにつき和演算を行うと4になる。   Similarly, when a 4-bit input signal (1010) (expressed as a = (10011001) by the above information expression) is multiplied, a · b = (10011001) is obtained. When the sum operation is performed for the obtained 8 bits, 4 is obtained.

即ち、4ビットの入力信号が(1110)であっても、(1010)であっても積和演算の結果は4となる。   That is, the result of the product-sum operation is 4 regardless of whether the 4-bit input signal is (1110) or (1010).

このような任意ビットを設けることは、Longest Prefix Match判定が求められるインターネットのルーティングにおいて重要な役割を果たすことになる。   Providing such an arbitrary bit plays an important role in Internet routing in which Longest Prefix Match determination is required.

本発明を適用した演算回路2により上述のマッチング演算を行う場合には、4ビットの入力信号を供給することができるように、AND演算素子として作用する第3の量子ドット16、第4の量子ドット17並びに第1の量子ドット12を1単位として、これを基板11上において4単位分形成させる。そして、4ビットの入力信号の論理1、論理0に応じて、信号レベルをH又はLに切り替え、これを演算部10の第3の量子ドット16へ供給する。また予め設定された4ビットの参照信号につき、論理1、論理0又は任意ビットに応じて信号レベルを切り替え、これを演算部の第4の量子ドット17へ供給する。その結果、第2の量子ドット13からの出力信号としての出力光の光強度から、式(3)に基づいて演算された論理積の総和を得ることが可能となる。   When the above-described matching operation is performed by the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied, the third quantum dot 16 and the fourth quantum that function as AND operation elements so that a 4-bit input signal can be supplied. The dots 17 and the first quantum dots 12 are taken as one unit, and four units are formed on the substrate 11. Then, the signal level is switched to H or L according to the logic 1 and logic 0 of the 4-bit input signal, and this is supplied to the third quantum dot 16 of the arithmetic unit 10. Further, the signal level is switched according to logic 1, logic 0, or an arbitrary bit for a preset 4-bit reference signal, and this is supplied to the fourth quantum dot 17 of the arithmetic unit. As a result, it is possible to obtain the sum of logical products calculated based on Expression (3) from the light intensity of the output light as the output signal from the second quantum dot 13.

ちなみに、本発明を適用した演算回路2では、Nビットの情報として表される入力信号aは2ビットで表現する場合には、例えば図15に示すように、第iビットは(ai,0、ai,1)と表現されることになり、これに対応させる参照信号も第iビットは(bi,0、bi,1)と表現されることになる。このときのAND演算素子においては、ai,0・bi,0とai,1・bi,1が演算され、最終的には、以下の式(4)に示すような積和演算結果Z0が出力信号として得られることになる。 Incidentally, in the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied, when the input signal a represented as N-bit information is expressed by 2 bits, for example, as shown in FIG. 15, the i-th bit is (a i, 0 , A i, 1 ), and the i-th bit of the reference signal corresponding thereto is also expressed as (b i, 0 , b i, 1 ). In the AND operation element at this time, a i, 0 · b i, 0 and a i, 1 · b i, 1 are calculated, and finally the product-sum operation as shown in the following equation (4) The result Z0 is obtained as an output signal.

Figure 2006023505
Figure 2006023505

かかる場合にはNビットの入力信号に対して、予め用意したN個のエレメントとしての参照信号b〜bを供給するため、全部で2N個の信号を演算部10へ供給することになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば図16に示すように、デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部10へ供給するようにしてもよい。 In such a case, since reference signals b 1 to b N as N elements prepared in advance are supplied to an N-bit input signal, a total of 2N signals are supplied to the arithmetic unit 10. However, the present invention is not limited to this case. For example, as shown in FIG. 16, the digitized input signal is divided into a plurality of parts, and the divided input signals are supplied to the arithmetic unit 10 at time intervals. You may do it.

かかる場合において、先ず入力信号のビットをa1,0〜aN,0と、a1,1〜aN,1の2つに分割する。この分割した入力信号のうち、a1,0〜aN,0を時刻t=0において演算部10へ供給するとともに、これに対する参照信号b1,0〜bN,0を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式(5)に基づいて求められる。 In such a case, first, the bit of the input signal is divided into two, a 1,0 to a N, 0 and a 1,1 to a N, 1 . Among the divided input signals, a 1,0 to a N, 0 are supplied to the arithmetic unit 10 at time t = 0, and the reference signals b 1,0 to b N, 0 corresponding thereto are simultaneously supplied. As a result, for the output signal, the product of each bit and the sum thereof are obtained based on the equation (5).

次に時刻t=Δtにおいて、この分割した入力信号のうちa1,1〜aN,1を演算部10へ供給するとともに、これに対する参照信号b1,1〜bN,1を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式(6)に基づいて求められる。 Next, at time t = Δt, among the divided input signals, a 1,1 to a N, 1 are supplied to the arithmetic unit 10 and the reference signals b 1,1 to b N, 1 are simultaneously supplied. . As a result, as for the output signal, the product of each bit and the sum thereof are obtained based on Equation (6).

最後にこれら出力信号を足すことにより、入力信号の全ビットに対する参照信号の積和演算結果を得ることができる。この積和演算結果は、上述の(4)式により定義することができる。   Finally, by adding these output signals, the product-sum operation result of the reference signal for all bits of the input signal can be obtained. This product-sum operation result can be defined by the above-described equation (4).

このように分割したNビットの入力信号につき時間間隔をおいて演算部10へ供給することにより、実質的にはN個の信号を入力するだけでその積和演算を行うことも可能となる。   By supplying the divided N-bit input signals to the arithmetic unit 10 at time intervals, it is possible to perform the product-sum operation by simply inputting N signals.

なお、本発明を適用した演算回路2は、例えば図17に示すような、いわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用することも可能である。   The arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied can also be applied to a so-called contendable memory as shown in FIG.

例えば、入力情報Aがシステム内に入力された場合に、当該入力情報Aがメモリ内に格納されているデータB〜Bのうち何れに最も類似するかを識別する。そして最も類似するデータB〜Bのアドレスを返すことにより、これを入力情報Aに対するマッチングアドレスとすることが可能となる。 For example, when the input information A is input into the system, it is identified which of the data B 1 to B M the input information A is most similar to. Then, by returning the addresses of the most similar data B 1 to B M , this can be used as a matching address for the input information A.

また、本発明を適用した演算回路2は、さらに図18に示すようなマッチング機構3に応用することも可能となる。   Further, the arithmetic circuit 2 to which the present invention is applied can be further applied to a matching mechanism 3 as shown in FIG.

このマッチング機構3においては、上述の信号レベルHを示す“p”と、信号レベルLを示す“0”で表される光符号分割多重化された信号D1の符号列が入力された場合には、これをマッチング時に参照する参照信号Jの数に応じて複製する。仮に参照信号の数がN個存在する場合には、この信号D1につきN個複製する。   In this matching mechanism 3, when a code string of the optical code division multiplexed signal D1 represented by “p” indicating the signal level H and “0” indicating the signal level L is input. This is replicated according to the number of reference signals J to be referred to at the time of matching. If there are N reference signals, N copies are made for this signal D1.

次に、上述の演算回路2により、複製した信号D1と、各参照信号J〜Jとの間で積和演算を行う。かかる場合には、信号D1を構成する各符号とこれに対応する参照信号の符号とを量子ドット16,17に供給することによりマッチング処理を行う。ちなみに、1の参照信号Jと、信号D1との間の積和演算に対して、1の演算回路2が必要となるため、参照信号の数がN個存在する場合には、演算回路2もN個必要となる。 このマッチング機構3においては、得られた積和演算結果より、信号D1と最も類似度の高い参照信号Jを識別することができ、これを図示しない表示面を介して出力することで処理を終了する。 Next, the arithmetic circuit 2 described above, and duplicated signals D1, performs product-sum operation between the respective reference signals J 1 through J N. In such a case, the matching process is performed by supplying each code constituting the signal D1 and the code of the reference signal corresponding thereto to the quantum dots 16 and 17. Incidentally, since one arithmetic circuit 2 is required for the product-sum operation between one reference signal J and the signal D1, when there are N reference signals, the arithmetic circuit 2 is also used. N are required. In the matching mechanism 3, the reference signal J having the highest similarity to the signal D1 can be identified from the obtained product-sum operation result, and the processing is ended by outputting the reference signal J through a display surface (not shown). To do.

本発明を適用した量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the arithmetic circuit by the quantum dot to which this invention is applied. 本発明を適用した量子ドットによる演算回路における量子ドットのエネルギー準位につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the energy level of the quantum dot in the arithmetic circuit by the quantum dot to which this invention is applied. ポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果につき示す図である。It is a figure shown about the simulation result of the time change of population. 第2の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result about the light intensity change of the output light from a 2nd quantum dot. 第2の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す他の図である。It is another figure which shows the experimental result about the light intensity change of the output light from a 2nd quantum dot. 第1の量子ドットから第2の量子ドットへの集光の様子を空間域で評価した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having evaluated the mode of condensing from the 1st quantum dot to the 2nd quantum dot in the space region. 積和演算処理を行うことが可能な量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the arithmetic circuit by the quantum dot which can perform a product-sum operation process. 演算回路において、基板上に形成された量子ドットの位置関係につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the positional relationship of the quantum dot formed on the board | substrate in an arithmetic circuit. 対称な系におけるダイナミクスを示す図である。It is a figure which shows the dynamics in a symmetrical system. 各励起子状態におけるポピュレーションの経時的な変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the population in each exciton state. Nビットの情報として表される入力信号a〜aに対してマッチング演算を行う例を示す図である。It is a diagram illustrating an example of performing a matching operation on the input signal a 1 ~a N expressed as information of N bits. aを(10011001)とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a matching calculation in case a is set to (10011001). aを(10101001)とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a matching calculation in case a is set to (10101001). 任意ビットを設ける場合におけるマッチング演算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a matching calculation in the case of providing an arbitrary bit. Nビットの情報として表される入力信号aは2ビットで表現する場合につき説明するための図である。The input signal a represented as N-bit information is a diagram for explaining the case where it is expressed by 2 bits. デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部へ供給する例につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the example which divides | segments the digitized input signal into several and supplies the divided | segmented input signal to a calculating part at a time interval mutually. 本発明を適用した演算回路をいわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用する例につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the example which applies the arithmetic circuit to which this invention is applied to what is called a contendable dressable memory. 本発明を適用した演算回路をマッチング機構に応用する例につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the example which applies the arithmetic circuit to which this invention is applied to a matching mechanism.

符号の説明Explanation of symbols

1,2 演算回路、3 マッチング機構、11 基板、12 第1の量子ドット、13 第2の量子ドット、16 第3の量子ドット、17 第4の量子ドット、20 量子ドットグループ
1, 2 arithmetic circuit, 3 matching mechanism, 11 substrate, 12 1st quantum dot, 13 2nd quantum dot, 16 3rd quantum dot, 17 4th quantum dot, 20 quantum dot group

Claims (8)

複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各信号光より長波長の出力光を上記出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
In an arithmetic circuit that generates an output signal represented as the sum of a plurality of input signals,
A dielectric substrate;
A plurality of quantum beams of different sizes corresponding to the input signal are supplied so that excitons are excited to energy levels according to the frequency of the supplied signal light. An input-side quantum dot group in which dots are formed on the substrate;
According to resonance with each energy level, each quantum dot constituting the input-side quantum dot group has a resonance energy level in which excitons are injected through the substrate, and is emitted from the resonance energy level. And an output-side quantum dot that generates, as the output signal, output light having a wavelength longer than that of each of the signal lights in accordance with the received energy.
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項1記載の演算回路。
The arithmetic circuit according to claim 1, wherein the output-side quantum dots are formed in a larger volume than the quantum dots constituting the input-side quantum dot group.
複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した第1の信号光並びに第2の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、上記第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、上記第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、上記第3の量子ドットを介して上記第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
In an arithmetic circuit that generates an output signal expressed as a sum of products of a plurality of input signals,
A dielectric substrate;
The first signal light and the second signal light corresponding to the input signal are respectively supplied, and a first energy level having a first energy level in which excitons are excited in accordance with the supplied first signal light. And a second energy level that is the same level as the first energy level, and excitons are excited at the second energy level in response to the supplied second signal light. And a third quantum dot having a third energy level lower than the first and second energy levels, through the third quantum dot. A plurality of input-side quantum dot groups formed on the substrate such that the first quantum dots and the second quantum dots are symmetrical to each other;
In accordance with the resonance with the third energy level in the third quantum dot, the input quantum dot group has a resonance energy level from which excitons are injected, and is emitted from the resonance energy level. An arithmetic circuit comprising: an output-side quantum dot that generates output light as the output signal according to energy.
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第3の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項3記載の演算回路。
The arithmetic circuit according to claim 3, wherein the output-side quantum dots are formed in a larger volume than a third quantum dot that constitutes the input-side quantum dot group.
デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第1の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第2の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、上記第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、上記第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、上記第3の量子ドットを介して上記第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
In an arithmetic circuit that generates an output signal represented as a product sum of a reference signal with respect to a digitized input signal,
A dielectric substrate;
The first signal light corresponding to each bit of the input signal is supplied, and the second signal light corresponding to each bit of the reference signal to be integrated with each bit is supplied and supplied. A first quantum dot having a first energy level in which excitons are excited in response to the first signal light, and a second energy level having the same level as the first energy level. A second quantum dot in which excitons are excited to the second energy level according to the supplied second signal light, and a level lower than the first and second energy levels. A third quantum dot having a third energy level is formed on the substrate so that the first quantum dot and the second quantum dot are symmetrical to each other through the third quantum dot. With multiple input quantum dot groups ,
In accordance with the resonance with the third energy level in the third quantum dot, the input quantum dot group has a resonance energy level from which excitons are injected, and is emitted from the resonance energy level. An arithmetic circuit comprising: an output-side quantum dot that generates output light as the output signal according to energy.
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第3の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項5記載の演算回路。
The arithmetic circuit according to claim 5, wherein the output-side quantum dots are formed with a larger volume than a third quantum dot that constitutes the input-side quantum dot group.
上記デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて上記入力側量子ドットグループに供給する分割手段と、
上記出力側量子ドットから上記時間間隔をおいて出力される出力信号を加算する加算手段とをさらに備えること
を特徴とする請求項5記載の演算回路。
Dividing means for dividing the digitized input signal into a plurality of parts and supplying the divided input signals to the input-side quantum dot group at time intervals from each other;
6. The arithmetic circuit according to claim 5, further comprising adding means for adding output signals output from the output side quantum dots at the time interval.
デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、
上記入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、
上記各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて上記類似度を識別する類似度識別手段を備え、
上記各演算処理手段は、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第1の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第2の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第1の信号光に応じて励起子が励起される第1のエネルギー準位を有する第1の量子ドットと、上記第1のエネルギー準位と同準位の第2のエネルギー準位を有し、供給される第2の信号光に応じて当該第2のエネルギー準位に励起子が励起される第2の量子ドットと、上記第1,第2のエネルギー準位よりも低準位の第3のエネルギー準位を有する第3の量子ドットからなり、上記第3の量子ドットを介して上記第1の量子ドット並びに第2の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第3の量子ドットにおける第3のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
In an arithmetic circuit for calculating the similarity of each digitized input signal to each reference signal,
A plurality of arithmetic processing means to which the above input signal and different reference signals are respectively supplied;
A similarity identifying means for identifying the similarity based on an output signal output from each arithmetic processing means;
Each arithmetic processing means is
A dielectric substrate;
The first signal light corresponding to each bit of the input signal is supplied, and the second signal light corresponding to each bit of the reference signal to be integrated with each bit is supplied and supplied. A first quantum dot having a first energy level in which excitons are excited in response to the first signal light, and a second energy level having the same level as the first energy level. A second quantum dot in which excitons are excited to the second energy level according to the supplied second signal light, and a level lower than the first and second energy levels. A third quantum dot having a third energy level is formed on the substrate so that the first quantum dot and the second quantum dot are symmetrical to each other through the third quantum dot. With multiple input quantum dot groups ,
In accordance with the resonance with the third energy level in the third quantum dot, the input quantum dot group has a resonance energy level from which excitons are injected, and is emitted from the resonance energy level. An arithmetic circuit comprising: an output-side quantum dot that generates output light as the output signal according to energy.
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