JP2560507B2 - 接続装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光を用いて、並列高速に情報を伝送する
ために必要な接続装置に関する。

［従来技術とその課題］ 大規模な情報を処理するために、高速に演算を実行す
る計算機の研究が進んでいるが、電気回路を用いた遂次
処理による方法では、すでに性能限界に近づいている。
そこで、スーパーコンピュータやアレイプロセッサな
ど、複数の演算を同時に実行する並列処理アーキテクチ
ャなどの研究が進んでいる。一方、光は、空間的な広が
りを持ち、その物理的な性質は互いに干渉し合わないか
ら、光を用いた演算は並列性に優れている。このような
並列演算には、並列に配列されたデータ間の光接続が重
要である。並列配列データを相互に光で接続する光接続
法として、従来、ホログラムやプリズムを用いて光を偏
向させる方法が一般的であった。

しかし、この光接続に用いる光偏向素子は、設計や製
作が難しく、また、他の光機能素子と組合せる場合の光
学系が複雑であった。このような欠点を解決するため
に、最近になって、レンズの結像を用いた光接続法が提
案された。この方法の詳細は、例えば、雑誌「オプティ
カルコンピューティング'88ダイジェスト（Optical Com
puting '88 Digest）」に掲載された論文「パーフェク
トシャッフルの光学系（Geometries for Optical Imple
mentations of the Perfect Schuffle）」に述べられて
いる。この方法は、レンズのみを用いて光の接続を行っ
ているが、汎用性に乏しく、特別な接続に限られてい
た。また、システム的な検討も不十分で、内面に配列さ
れたデータを任意の位置へ分岐させる方法が、不明確で
あった。このように、従来の接続法を光で実現するため
には、光学系が複雑になるか、あるいは、面内に配列さ
れたデータを任意の位置へ分岐させることが容易でなか
った。

この発明の目的は、面内に配列されたデータを任意の
位置へ、セルフルーティングに分岐させるために必要な
接続装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明の第１の接続装置は、複数の光源がマトリク
ス状に配列されているアレイ光源と、複数の受光素子が
前記アレイ光源と同じ構造で配列されてい受光素子アレ
イと、前記アレイ光源の像を前記受光素子アレイに結像
させる複数個のレンズが配列されているレンズアレイと
を有し、前記アレイ光源がＮ×Ｎ個（Ｎは２以上の整
数）配列され、かつ、前記レンズがｐ×ｐ個（ｐは２以
上の整数）配列されている場合、前記アレイ光源におけ
る前記光源の発光点を連らねた平面を入力面とし、前記
受光素子アレイにおける前記受光素子の受光面を連らね
た平面を出力面とし、前記レンズアレイにおける前記レ
ンズの中心点を連らねた平面をレンズ面とするとき、前
記レンズ面は、Ｎ＝pqとｑを定義すれは、入力面までの
距離と出力面までの距離の比が1:qである位置にあり、
かつ、前記レンズアレイにおける前記レンズの配列ピッ
チが、前記アレイ光源における前記光源の配列ピッチを
ａとして、（pq＋１）a/（ｑ＋１）であることを特徴と
する接続装置。

この発明の第２の接続装置は、複数の光源がマトリク
ス状に配列されているアレイ光源と、複数の前記受光素
子が前記アレイ光源と同じ構造で配列されている受光素
子アレイと、前記アレイ光源の像を受光アレイに結像さ
せる複数個のレンズが配列されているレンズアレイとを
有し、前記アレイ光源がＮ×Ｎ個配列され、かつ、前記
レンズが（N/2）×（N/2）個配列されている場合、前記
アレイ光源における前記光源の発光点を連らねた平面を
入力面とし、前記受光素子アレイにおける前記受光素子
の受光面を連らねた平面を出力面とし、前記レンズアレ
イにおける前記レンズの中心点を連らねた平面をレンズ
面とするとき、前記レンズ面は入力面までの距離と出力
面までの距離の比が、1:N/2である位置にあり、前記ア
レイ光源のピッチをａとして、前記レンズアレイにおい
て最も中心にある前記レンズの配列ピッチが（Ｎ＋６）
a/（Ｎ＋２）であり、かつ、前記レンズアレイにおける
その他のレンズの配列ピッチが2aであることを特徴とす
る。

この発明の第３の接続装置は、複数の光源がマトリク
ス状に配列されているアレイ光源と、複数の受光素子が
前記アレイ光源と同じ構造で配列されている受光素子ア
レイと、前記アレイ光源の像を前記受光素子アレイに結
像させる複数個のレンズが配列されているレンズアレイ
とを有し、前記アレイ光源がＮ×Ｎ個配列され、かつ、
前記レンズが（N/2）×（N/2）個配列されている場合、
前記アレイ光源における前記光源の発光点を連らねた平
面を入力面とし、前記受光素子アレイにおける前記受光
素子の受光面を連らねた平面を出力面とし、前記レンズ
アレイにおける前記レンズの中心点を連らねた平面をレ
ンズ面とするとき、前記レンズ面は入力面までの距離と
出力面までの距離の比が1:N/2である位置にあり、前記
アレイ光源のピッチをａとして、前記レンズアレイにお
いて最も中心にある前記レンズの配列ピッチが、（3N−
２）a/（Ｎ＋２）で、かつ、前記レンズアレイにおける
その他のレンズの配列ピッチが２（Ｎ−２）a/（Ｎ＋
２）であることを特徴とする。

［原理］ この発明の原理を、第４図から第９図を用いて説明す
る。第４図は、複数の光源が所定のピッチでマトリクス
状に配列されてなるアレイ光源１と、アレイ光源１の光
源と同じピッチで受光素子が配列されてなる受光素子ア
レイ３と、レンズアレイ102とでなる本発明の接続装置
を横から見た図である。本願発明では、アレイ光源にお
ける光源の発光点を連らねてなる面を入力面とし、受光
素子アレイ３における受光素子の受光面を連らねてなる
面を出力面とする。それら入力面と出力面から等距離の
位置に、これら入出力面における素子の配列ピッチの２
倍のピッチでレンズが配列されているレンズ面52を配置
する。レンズ面52はレンズアレイ102におけるレンズの
中心点を連らねた面である。入力面51の各光源から出射
した光は、レンズによって、各受光素子上に集光され
る。入力面51、レンズ面52、出力面53の間隔およびレン
ズのピッチを変えることによって、集光の位置を変える
ことができる。

例えば、入力面51からレンズ面52までの距離とレンズ
面52から出力面53までの距離の比を、1:4にして、レン
ズのピッチを、入力面51の光源のピッチの18倍にする
と、第５図に示すような光配線が実現できる。第５図の
光軸の部分だけを取り出すと、第６図に示す配線が得ら
れる。これは、第７図に示す、２・４シャッフル配線を
３次元に展開し、４組のペアの出力先を逆にしたもので
ある。これらの配線のシステで用いる場合には、図上の
四角形が１つのスイッチに相当する。従って、各スイッ
チの出力先が２・４シャッフルの出力先と逆になるよう
に予め決めておけば、この発明の装置に２・４シャッフ
ルと同等の機能を持たせることができる。シャッフル配
線の詳細は、例えば、雑誌「アイトリプルイー トラン
ザクション オブ コンピュータ（IEEE Transactin of
Computer）」1971年、Ｃ−20巻、153〜161頁に記載の
論文「パーフェクトシャッフルを用いた並列処理（Para
llel Processing with Perfect Shuffle）」に述べられ
ている。このように、レンズ面から出力面までの距離
を、レンズ面から入力面までの距離のｑ倍にし、レンズ
のピッチを光源のピッチの（pq＋１）／（ｑ＋１）倍に
し、レンズ焦点距離を、入力面から出力面までの距離の
q/（ｑ＋１）倍にすれば、任意のｐ・ｑシャッフル配線
が実現できる。

同様にして、レンズ面から出力面までの距離を、レン
ズから入力面までの距離のN/2倍にし、最も中心にある
レンズのピッチを光源のピッチの（Ｎ＋６）／（Ｎ＋
２）倍にし、他のレンズのピッチを光源のピッチの２倍
に変えれば、第８図のような配線が実現される。これ
は、第９図に示すような、バンヤンネットワークの各層
を構成しているパラレル配線と等価である。パンヤンネ
ットワークの詳細は、例えば、雑誌「プロシーディング
ファースト アンニュアル シンポジウム オブ コン
ピュータ アーキテクチャ（Proceeding 1st Annual Sy
mposium of Computer Architecture）」1975年、21〜28
頁に記載の論文「並列処理システムを接続するためのバ
ンヤンネットワーク（Banyan Networks for Partitioni
ng multiprocessor systems）」に述べられている。

また、レンズから出力面までの距離を、レンズから入
力面までの距離のN/2倍にし、最も中心にあるレンズの
ピッチを光源のピッチの（3N−２）／（Ｎ＋２）倍に
し、他のレンズのピッチを光源のピッチの２（Ｎ−２）
／（Ｎ＋２）倍に変えれば、第10図のような配線が実現
される。これは、第11図に示すような、クロスオーバネ
ットワークの各層を構成しているクロス配線と等価であ
る。

クロスオーバネットワークの詳細は、例えば、コンピ
ュータ・サイエンス社（Computer Science Press）1981
年発行の著者「バンヤン/FFTネットワークコンパクトな
レイアウト（Compact Layouts of Banyan/FFT Network
s）」に述べられている。

従来知られている多段接続型ネットワークの多くは、
これらのシャッフル配線、パラレル配線、クロス配線か
ら構成されているので、これらを組合せた多数の多段接
続型ネットワークを３次元的に展開できる。

［実施例］ 以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明す
る。

第１図は、この発明の第１の演算装置を、８×８の接
続の場合に適用した一例を示す斜視図である。この演算
装置は、例えば半導体レーザ等の光源が、８×８個マト
リクス状に配列されたアレイ光源１と、例えば屈折率分
布型マイクロレンズアレイ等が、４×４個マトリクス状
に配列されているレンズアレイ２と、例えばシリコンフ
ォダイオード等の受光素子が、アレイ光源１と同様に配
列された受光素子アレイ３と、アレイ光源１を駆動する
ための電圧を各光源に印加する回路でなる光源駆動装置
４から構成される。この実施例において、入力面はアレ
イ光源１における各光源の発光点を連らねた平面にあ
り、出力面は受光素子アレイ３における各受光素子の受
光面を連らねた平面にある。光源駆動装置４によって電
圧を印加されて発光したアレイ光源１から出射した光
は、レンズアレイ２によって収束され受光素子アレイ３
の各素子に集光する。

この時、アレイ光源１における光源の配列ピッチをａ
とすると、レンズアレイ２におけるレンズは1.8aのピッ
チで配列されており、入力面から出力面までの距離をｂ
とすると、レンズの焦点距離は、0.8bである。このレン
ズは、入力面からb/5、出力面から4b/5の位置にある。
このような構成によって、光源から出射した光は、３次
元的な２・４シャッフルの規則に従って、受光素子上に
集光される。以上、２・４シャッフルの例について述べ
たが、本実施例と同様に構成することにより、容易に任
意のシャッフルに拡張できる。

第２図は、この発明の第２の演算装置を、８×８の接
続の場合に適用した一例を示す斜視図である。この演算
装置は、例えば半導体レーザ等の光源が、８×８個マト
リクス状に配列されたアレイ光源１と、例えば屈折率分
布型マイクロレンズアレイ等が、４×４個マトリクス状
に配列されているレンズアレイ12と、例えばシリコンフ
ォトダイオード等の受光素子が、アレイ光源１と同様に
配列された受光素子アレイ３と、アレイ光源１を駆動す
るために電圧を各光源に印加する回路でなる光源駆動装
置４から構成される。光源駆動装置４によって電圧を印
加されて発光したアレイ光源１から出射した光は、レン
ズアレイ12によって収束された受光素子アレイ３の各素
子に集光する。この時、アレイ光源１における光源の配
列ピッチをａとすると、レンズアレイ12における中心の
レンズは1.4aのピッチで配列されており、他のレンズは
2aのピッチで配列されている。入力面から出力面までの
距離をｂとすると、レンズの焦点距離は、0.8bで、レン
ズは、入力面からb/5、出力面から4b/5の位置にある。
このような構成によって、光源から出射した光は、第８
図に示すような配線規則に従って、受光素子上に集光さ
れる。以上、８入力８出力の例について述べたが、本実
施例と同様に構成することによって、本発明は容易に任
意の配線に拡張して実施できる。

第３図は、この発明の第３の演算装置を、８×８の接
続の場合に適用した一例を示す斜視図である。この演算
装置は、例えば半導体レーザ等の光源が、８×８個マト
リクス状に配列されたアレイ光源１と、例えば、屈折率
分布型マイクロレンズアレイ等が、４×４個マトリクス
状に配列されているレンズアレイ22と、例えばシリコン
フォトダイオード等の受光素子が、アレイ光源１と同様
に配列された受光素子アレイ３と、アレイ光源１を駆動
するために電圧を各光源に印加する回路でなる光源駆動
装置４から構成される。光源駆動装置４によって電圧を
印加されて発光したアレイ光源１から出射した光は、レ
ンズアレイ22によって収束され受光素子アレイ３の各素
子に集光する。この時、アレイ光源１における光源の配
列ピッチをａとすると、レンズアレイ22における中心の
レンズは2.2aのピッチで配列されており、他のレンズは
1.2aのピッチで配列されている。入力面から出力面まで
の距離をｂとすると、レンズの焦点距離は、0.8bで、レ
ンズは、入力面からb/5、出力面から4b/5の位置にあ
る。このような構成によって、光源から出射した光は、
第10図に示すような配線規則に従って、受光素子上に集
光される。以上、８入８出力の例について述べたが、本
実施例と同様に構成することによって、本発明は容易に
任意の配線に拡張できる。

［発明の効果］ 以上に詳しく説明したように、この発明の接続装置を
用いれば、面内に配列されたデータを任意の位置へ、セ
ルフルーティングに分岐させるネットワークを構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明による第１の接続装置の一実施例を示
す斜視図、第２図は本願発明による第２の接続装置の一
実施例を示す斜視図、第３図は本願発明による第３の接
続装置の一実施例を示す斜視図、第４図は本願発明の接
続装置の原理を説明するための図、第５図は本願発明に
よる第１の接続装置の光路を示す図、第６図は本願発明
による第１の接続装置を用いて実現できる配線を示す
図、第７図は２・４シャッフルの配線を示す図、第８図
は本願発明による第２の接続装置を用いて実現できる配
線を示す図、第９図はパラレルの配線を示す図、第10図
は本願発明による第３の接続装置を用いて実現できる配
線を示す図、第11図はクロスの配線を示す図である。 １……アレイ光源、2,12,22,102……レンズアレイ、３
……受光素子アレイ、４……光源駆動装置、51……入力
面、52……レンズ面、53……出力面。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の光源がマトリクス状に配列されてい
   るアレイ光源と、複数の受光素子が前記アレイ光源と同
   じ構造で配列されている受光素子アレイと、前記アレイ
   光源の像を前記受光素子アレイに結像させる複数個のレ
   ンズが配列されているレンズアレイとを有し、前記アレ
   イ光源がＮ×Ｎ個（Ｎは２以上の整数）が配列され、か
   つ、前記レンズがｐ×ｐ個（ｐは２以上の整数）配列さ
   れている場合、前記アレイ光源における前記光源の発光
   点を連らねた平面を入力面とし、前記受光素子アレイに
   おける前記受光素子の受光面を連らねた平面を出力面と
   し、前記レンズアレイにおける前記レンズの中心点を連
   らねた平面をレンズ面とするとき、前記レンズ面は、Ｎ
   ＝pqとｑを定義すれは、入力面までの距離と出力面まで
   の距離の比が1:qである位置にあり、かつ、前記レンズ
   アレイにおける前記レンズの配列ピッチが、前記アレイ
   光源における前記光源の配列ピッチをａとして、（pq＋
   １）a/（ｑ＋１）であることを特徴とする接続装置。
2. 【請求項２】複数の光源がマトリクス状に配列されてい
   るアレイ光源と、複数の受光素子が前記アレイ光源と同
   じ構造で配列されている受光素子アレイと、前記アレイ
   光源の像を前記受光素子アレイに結像させる複数個のレ
   ンズ配列がされているレンズアレイとを有し、前記アレ
   イ光源がＮ×Ｎ個配列され、かつ、前記レンズが（N/
   2）×（N/2）個配列されている場合、前記アレイ光源に
   おける前記光源の発光点を連らねた平面を入力面とし、
   前記受光素子アレイにおける前記受光素子の受光面を連
   れねた平面を出力面とし、前記レンズアレイにおける前
   記レンズの中心点を連らねた平面をレンズ面とすると
   き、前記レンズ面は入力面までの距離と出力面までの距
   離の比が1:N/2である位置にあり、前記アレイ光源のピ
   ッチをａとして、前記レンズアレイにおいて最も中心に
   ある前記レンズの配列ピッチが（Ｎ×６）a/（Ｎ＋２）
   であり、かつ、前記レンズアレイにおけるその他のレン
   ズの配列ピッチが2aであることを特徴とする接続装置。
3. 【請求項３】複数の光源がマトリクス状に配列されてい
   るアレイ光源と、複数の受光素子が前記アレイ光源と同
   じ構造で配列されている受光素子アレイと、前記アレイ
   光源の像を前記受光素子アレイに結像させる複数個のレ
   ンズが配列されているレンズアレイとを有し、前記アレ
   イ光源がＮ×Ｎ個配列され、かつ、前記レンズが（N/
   2）×（N/2）個配列されている場合、前記アレイ光源に
   おける前記光源の発光点を連らねた平面を入力面とし、
   前記受光素子アレイにおける前記受光素子の受光面を連
   らねた平面を出力面とし、前記レンズアレイにおける前
   記レンズの中心点を連らねた平面をレンズ面とすると
   き、前記レンズ面は入力面までの距離と出力面までの距
   離の比が、1:N/2である位置にあり、前記アレイ光源の
   ピッチをａとして、前記レンズアレイにおいて最も中心
   にある前記レンズの配列ピッチが、（3N−２）a/（Ｎ＋
   ２）で、かつ、前記レンズアレイにおけるその他のレン
   ズの配列ピッチが２（Ｎ−２）a/（Ｎ＋２）であること
   を特徴とする接続装置。