JPH0413311A - 光周波数多重論理回路網とその構成法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本明細書においては、光信号の多重化に関する用語とし
て「光周波数多重」を用いるが、これは光通信の分野に
おける「光周波数分割多重」に対応する用語として用い
ることにする。また、光通信の分野では、周波数領域の
多重化に対して一般に「光波長分割多重」なる用語を用
いることも多いが、これは原理的には「光周波数分割多
重」と等価である。したがって、本発明は「光波長分割
多重方式に基づく論理回路網とその構成法」をも包含す
るものである。

［産業上の利用分野コ 本発明は、ディジタル情報処理システムの高密度化、高
並列化および高速化を目的とした新しい原理に基づく論
理回路網とその構成法に関する。

［従来の技術］ 従来のディジタルシステムにおいては、半導体集積回路
に代表されるように、基板上に２次元的に形成された微
細な電子回路によって高密度、高並列かつ高速な論理演
算システムが実現されてきた。さらに、近年、上記のよ
うな半導体集積回路の性能を越える光集積回路に関する
技術の開発が盛んに行われている。

［発明が解決しようとする課題］ 半導体集積回路によるディジタルシステムは、大規模な
ハードウェアを集積化してコンパクトに実現することを
目的として飛躍的な進歩を遂げているが、他方でその集
積化技術の物理限界に関する議論も始まっており、より
一層の高密度・高並列・高速情報処理を達成する新しい
方策を見いだすことが重要な課題となっている。上記の
ような背景のもとに、近年、半導体集積回路の性能をは
るかに越える光集積回路に関する技術の開発が進んでい
るが、いずれも単一周波数（単一波長）の光信号を用い
るものであり、情報の高密度化が困難な状況にある。こ
れに対して、もし複数の周波数の光信号を回路内部にお
いて多重化することが可能となれば、飛躍的な高密度化
、高並列化および高速化が達成できるものと考えられる
。

本発明は以上のような観点から、光信号の周波数多重性
（波長多重性）に着目した新しい原理に基づく高密度、
高並列かつ高速な光論理回路網の構成法を与えるもので
ある。

［課題を解決するための手段］ ［１コ光周波数の多値符号化と基本素子まず、論理回路
網における論理値の集合をＬ＝（Ｏｌｌ、・・・、ｒ−
１）とする、これらのｒｌｔ類の論理値と周波数ｆｓ、
　ｆ＋　、・・・、Ｌ−１の光信号を以下のように１対
１に対応させる。

論理値Ｏ論理値１　　　　　論理値ｒ−１１１、引　　
　　１．１１ 周波数ｆ９　　周波数ｆ１　　　　　　周波数ｆ、−１
すなわち論理値１（ｅＬ）の有無を信号線（先導波路）
上における周波数ｆ−の光信号の有無によって表現する
。このようにすると複数種類の論理値が１本の信号線上
に多重化可能であり、従来提案されている光論理演算シ
ステムと比較して飛躍的な情報の高密度化が可能である
。

次に、多重化された光信号によって表現された論理値の
集合を直接的にスイッチングする２種類の基本素子を定
義する。まず、第１は論理値の集合から特定の集合のみ
を選択的に除去する集合差ゲートである。

［定義１］　集合差ゲート５Ｄ（Ｘ；Ａ）は、入力Ｘを
Ｌノ部分集合、ＡをＬの部分集合としたとき、以下のよ
うに記述される。

５Ｄ（Ｘ；Ａ）＝　　Ｘ　　−Ａ ■ ただし、Ｘ−＾はＸおよびＡの差集合を表す０口集合差
ゲートの記号を第１図に示す、集合差ゲートは、物理的
には論理値の集合Ａに対応する周波数の光のみを選択的
に除去する光フィルタとして（あるいはＡに対応する周
波数以外の周波数を有する光を選択的に透過させる光フ
ィルタとして）実現される。第２図に光フィルタとして
構成された集合差ゲート５Ｄ（Ｘ；（１，３））の周波
数特性を模式的に示す。同様にして、任意の集合差ゲー
トが構成できる。

第２の基本ゲートは、制御入力にしたがって特定の集合
を出力する集合発生ゲートである。

［定義２コ　集合発生ゲート５Ｇ（Ａ：ｘ）は、制御入
力ＸをＬの部分集合、ＡをＬの部分集合としたとき、以
下のように記述される。

ただし、φは空集合を表す１口 集合発生ゲートの記号を第３図に示す、第４図は集合発
生ゲートの構成を５Ｇ（（０，２，３）；Ｘ）の場合を
例にとって示したものであり、同様にして任意の集合発
生ゲートが構成される。制御人力Ｘに入った光信号は光
検出器５で電気信号に変換され、増幅器６を経て光発生
器７，８．９を点滅させる。このとき、光検出器に光が
あたった時に光発生器が光を出力せず、光検出器に光が
あたらないときに光発生器７、８．９が光を出力するよ
うな増幅器を用いる。すなわち、ｘ＝φのときのみ複数
の周波数の光信号が出力され、これらは光合波器１０に
より合波され、集合の定数とする。このとき、集合論的
リテラルを次Ａに対応する多重化光信号が出力される。

式で定める。

［２コ光周波数多重論理回路網の構成 法に、多重化された光信号のスイッチングを定式化する
ために、集合論理システムを代数的に定義し、これによ
って記述される論理関数を上記の基本素子によって構成
する方法について説明する。

まず、集合論理関数を次のような集合間の写像として定
義する。

［定義３］ｎ変数集合論理関数Ｆ（Ｘ＋、・・・、ＸＩ
＋）は次式で与えられる写像である。

Ｆ　　：　　（２’）’→２（ ■ ここで２ＬはＬのべき集合を表す。

口 集合論理関数は、多入力多出力（ｒＸ　ｎ入力ｒ出力）
２値論理関数と同等の写像機能を有している。

ここで、次のような１変数演算子を定義する。

［定義４］　　Ｘを２Ｌ上の変数とし、ＡおよびＢを２
Ｌ上口 集合論におけるＵ（合併演算子）、ｎ（共通部分演算子
）、集合論的リテラルの３つの演算子は２Ｌ上の定数と
ともに完全系をなし、Ｆ（Ｘ＋、・・・、Ｘ、）は−般
に以下のように展開できる。

する０本式における　Ｘ　なる形の集合論的リテラルを
直接的に実現することは困難であるため、以下では関数
の入出力集合が常にその補集合の情報ラルを　Ｘ　の形
に変換する。

まず、論理値集合Ｌ＝（０，１，・・・、ｒ−１）に加
えて、冗長論理値集合をＬ“・（Ｏ’、１’、・・・、
　（ｒ−１）’　）と定め、これらをまとめた論理値全
体の集合を　ＬＬ’　（＝ＬυＬ′）で表す、さらに、
２Ｌ上３つの演算子ｖ、凸および集合論的リテラルと基
本素子の定義を２ＬＬ’上に拡張しておくものとする。

ただし、便宜上、補集合演算のみは２Ｌ上でＸ＝Ｌ−Ｘ
と定める。このとき、集合論理間数Ｆ（Ｘ＋、・・・、
ｘｏ）から、その冗長入出力集合論理関数Ｆ（Ｘ＋、・
・・２％０）を次のように定義する。

ただし、写像ｒを ｆ：Ｌ→Ｌ　　； ｆ（０）＝　　Ｏ。

ｆ（１）＝　　１’ ｆ（ｒ−１）＝（ｒ−１）’ ■ と定める。

Ｆ（）ｈ、・・・、ｘｏ）は一般に以下のように展開さ
れる。

二こで、ＱＢ、Ｃ＋ｋ（２ＬＬ（ｊ＝１．・−、ｍ’、
　ｋ＝１．−、ｎ）とする、ただし、実現しようとする
集合論理関数が既にその入出力集合に冗長性を含んでお
シバ　ただちに上式の形に展開できる場合はＦ（Ｘ＋　
、・・・、ｘｏ）からＦ（ｘｌ、・・・、あ）への変換
は不要である。

集合論理間数ＦＯｈ　、・・・、ｘｏ）は集合差ゲート
および集合発生ゲートを用いて次のように実現できる。

Ｆ（別、・・・、ｘｎ） 二こで、Ｕ演算は物理的には、複数種類の周波数の光信
号を合波することに対応している。したがって、集合論
理関数は第５図の回路網によって実現できる０図中にお
いて、１３．１５は２種類の基本ゲートを、実線１１は
光導波路を、１２は光分岐器を、さらに１４．１６は光
合波器を示している。このように任意の集合論理関数は
基本ゲートの２段回路網として規則的かつ並列的な構造
で実現できる。

さらに、本回路網における集合発生ゲート１５内部の光
検出器、増幅器および周波数ｆｅ、・・・、ｆｒ−１の
光発生器を一箇所にまとめて２１，２２．２３のように
配置することによって、第６図に示す回路によって、等
測的に集合論理関数が実現できる。

って合波され、関数の出力信号となる。

［実施例コ ［作用］ 上記のように構成された光周波数多重論理回路網（第５
図）の入力変数％＋、・・・９％０に、特定の論理値集
合に対応する周波数多重化光信号を入力すると、これら
の信号は光分岐器１２によって分岐され、集合差ゲート
１３に入力される。集合差ゲートは光フィルタであり、
特定の周波数の光信号のみを選択的に透過させる。これ
らの光信号は光合波器１４によって合波され弐〇におけ
る項 ＵＳＤ（％に；Ｃｊｋ） ｋ＝１ に対応する信号となり、集合発生ゲート１５の光検出器
に入力される。この結果、光信号が入力されていない集
合発生ゲートのみが、特定の多重化光信号を出力し、こ
れらは最終的に光合波器１６によ上記の組合せ表で与え
られる集合論理関数は以下のように展開できる。

Ｆ（ＸＩ、％２） この関数は入出力集合に冗長性を含んでいるため、直接
基本ゲートによって以下のような回路網として実現でき
る。

Ｆ（ＸＩ、％２） □　　５Ｇ（（Ｏ）：　　５Ｄ（ＸＩ：（０，１，３）
）ｕＳＤ（％２；（１，２，３）））ｕ　　５Ｇ（（１
）’　　５ＤＯｆ＋：（０，１，２））ＩＪｓＤ（Ｘ２
；（０，２，３）））ｕ　５Ｇ（（２）；　５Ｄ（ｘ＋
；（１，２，３）））ｕ　５Ｇ（（２）；　５Ｄ（）ｈ
：（０，１，３）））ｕ　５Ｇ（（３）；　５ＤＯｆ＋
：（０，２，３）））ｕ　５Ｇ（（３）；　５Ｄ（Ｘ２
；（０，１，２）））［発明の効果］ 本発明は、以上記載したように構成されているので、以
下のような特長を有する。

■　光信号の多重化によって情報の高密度化が可能であ
る。特に、信号線上の情報量が増大するため、ディジタ
ルシステムにおいて深刻な問題となっている内部配線の
複雑さの問題に対する本質的な解決が得られる。

■　任意の論理関数が常に並列かつ規則的な回路構成で
実現できる。

■　光を情報担体として用いており、さらに回路構成が
高並列的であるためきわめて高速な論理演算が可能であ
る。

このように、本発明の光周波数多重論理回路網は、従来
の論理回路網と比較して、高密度性、高並列性、高速性
に優れており、将来の高性能ディジタルシステムの基本
構成要素として、きわめて有用であると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は集合差ゲートの記号を示している。第２図は光
フィルタとして構成された集合差ゲートの周波数特性を
ＳＤ　（Ｘ　：　（１、３））の場合を例にとって示し
たものである。第３図は集合発生ゲートの記号を示して
いる。第４図は集合発生ゲートの構成を５Ｇ（（０，２
，３）；Ｘ）の場合を例にとって示したものである。第
５図は、集合差ゲートと集合発生ゲートに基づいて構−
成された光周波数多重論理回路網を示している。第６図
は、第５図における集合発生ゲートの光検出器、光増幅
器および光発生器を−箇所にまとめて配置することによ
って、等測的に実現された光周波数多重論理回路網を示
している。 ３・・・・・・制御入力。 １・・・・・・入力、　　　２・・・・・・出力。 ４・・・・・・出力、　　５・・・・・・光検出器。 ７・・・・・・周波数ｆｌＩの光発生器。 ８・・・・・・周波数ｆ２の光発生器。 ９・・・・・・周波数ｆ３の光発生器。 １０・・・・・・光合波器、１１・・・・・・光導波路
。 １２・・・・・・光分岐器、１３・・・・・・集合差ゲ
ート。 １４・・・・・・光合波器、１５・・・・・・集合発生
ゲート。 １６・・・・・・光合波器、１７・・・・・・光導波路
。 １８・・・・・・光分岐器、１９・・・・・・集合差ゲ
ート。 ２０・・・・・・光合波器、２１・・・・・・光検出器
アレー２２・・・・・・増幅器アレー、２３・・・・・
・光発生器アレー２４・・・・・・光合波器 ６・・・・・・増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光周波数多重論理演算のための基本素子である集合
   差ゲートおよび集合発生ゲート。２、特許請求の範囲第
   １項記載の基本素子（集合差ゲート（１３）および集合
   発生ゲート（１５））、光導波路（１１）、光分岐器（
   １２）および光合波器（１４、１６）によって構成され
   た光周波数多重論理回路網 ３、特許請求の範囲第１項記載の基本素子（集合差ゲー
   ト（１９））、光導波路（１７）、光分岐器（１８）、
   光合波器（２０、２４）、光検出器アレー（２１）、増
   幅器アレー（２２）および光発生器アレー（２３）によ
   って構成された光周波数多重論理回路網