JPH065495B2 - 光学分離結合装置、光学クロスオーバー・ネットワーク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スイッチングに係り、特に通信又は演算に用
いられる光スイッチングに関する。

（従来技術の説明） 光デジタル・スイッチングと演算により、平列アーキテ
クチャを大きく行なう可能性があり、興味がある。

このことは特に、100×100以上の論理デバイスがイメー
ジング構成を介して接続されうる自由空間システムにお
いては、特に当てはまる。この自由空間伝播は、クロッ
ク・スキューまたは漏話どの問題を生じることがない非
常な高時間ハンド幅でこのような計算器内で通信を行な
うことを可能とする。

しかしながら、平列接続のための光イメージング構成の
用途は、全体のイメージ・アレイ（このイメージ・アレ
イは多くの光線を有している）を単一のビームとして取
り扱うため、通常の内部接続のパターンを有するネット
ワークに対し種々の可能なトポロジーを制限している。
一方、通常の接続パターンを有するネットワークが計算
器分野において用いられることがより困難な場合でさ
え、例えば同時に設けられうる非常に多数接続するよう
な光システムの高空間バンド幅により、内部接続体系の
全体的な複雑さを減らす可能性がある。このような理由
のため、完全なシャッフルまたはバンヤンのような通常
の内部接続ネットワークにおいて興味が出て来ている。
これらのネットワークは、整合ネットワークと呼称され
ている。この整合ネットワークは、高速アルゴリズム実
行のためのデジタル処理に用いられており、光システム
におけるこのネットワークの使用に関する多くの刊行物
が出されている。例えば、エー・ファング(A.Huang)の
“光デジタルコンピュータ設計における構成に関する配
慮”(Proc.IEEE72,NO.7.(1984)780-786)及びエイチ・エ
ス・ストーン(H.S.Stone)の「完全シャッフルを有する
平列処理」(IEEE Transactions Comp.C-20,NO.2(1971)1
53-161)などである。

この完全なシャッフルまたはバニヤンなどの整合ネット
ワークの規則性は、デジタル汎用計算器を設計する際の
自由度を実際制限するように思える。特別の内部接続パ
ターンを有する回路を、通常の接続性を有するネットワ
ークから取り出すことは時に困難な場合がある。しか
し、これらのネットワークがゲート・カウント及び処理
能力に関して汎用計算器に対して効率よく使われている
ことが既に知られている。例えば、マードッカら(Murdo
cca et al.)の“プログラム可能なロジックアレイの光
学設計”(Applied Optics May 1988)を参照のこと。

計算レベルに関しては、この完全なシャッフル及びバニ
ヤンは同一構造である。しかしシステム的観点から言え
ば、異なる（しかし同一構造の）整合ネットワークを実
行すれば、異なる問題が生じる。これらの問題は、一般
に整合ネットワークは空間的に変化する、すなわち内部
接続パターンはネットワークノードの入力位置又は画点
に基づいているという事実により主に生ずる。この条件
は、光学システムには旨く適合せず、そのため光学構成
でこれらのネットワークを実行するよう試みられたが、
結果として光強度及び解像度の損失となっている。

通常の接続性を示しかつほぼ光強度のロスなく実行され
る空間変化するネットワークにクロスオーバー・ネット
ワークがある。ＶＬＳＩ用に設計されたこのような１つ
のネットワークが、ワイズ(Wise)の“バニヤン／ＦＥＴ
ネットワークのコンパクト構成”(VLSI Systems and Co
mputaions,Computer Science Press(1981)pp.186-195)
に示されている。彼の提案は、信号間のパス長の違いを
減少させるために等しい長さのワイヤを有する必要性に
より動機づけされている。第１図は、ワイズのクロスオ
ーバー・ネットワークを図式的に表わしたものである。
機能要素(10)はこのネットワークを説明する際重要では
ない。それらの機能は、そのネットワークが用いられる
特定のアプリケーションにより変わり得る。反射要素(2
0)は信号の流れを転送し、クロスオーバー接続のいくつ
かに影響する。

第１図のネットワークを光学的に実行するために、同一
の角度で全てのポートから信号が現われ、さらに異なる
値のシフトが、反射要素20の長さの変化に対応して、要
素10の列の間の異なる分離を用いることによりなされて
いる。ワイズのネットワークは、導波路を光学的に実行
するために用いることもできる。ここで第１図の図面上
の線は導波路を表わしている。自由空間の光学的実行に
対しては、このネットワークはうまくゆかない。自由空
間を動く光学波は、方向と空間の両方において制限する
ことは簡単にはできないからである。

（発明の概要） クロスオーバー・ネットワークを簡便かつ効果的に光学
的に実現することは、複数の類似した光学クロスオーバ
ー段を用いることにより得られる。このクロスオーバー
・ネットワークは出力面で結合される２つの光路を含ん
でいる。１つの光路は直接結合され、他の光路はクロス
オーバー結合となっている。各段はビーム分割要素を有
して、イメージ・アレイを含むビームを受入れ、さらに
２つの異なる光路で対向した２本のビームをそれから作
っている。この１つの光路にに沿って、イメージ・アレ
イの選ばれた部分を反転する手段が及びビーム結合器を
介してその反転したイメージを送る手段が設けられてい
る。また第２の光路に沿って、イメージを反転すること
なしにビーム結合器に光を加える手段が設けられてい
る。

さらに具体的に言うと、クロスオーバー・ネットワーク
はビーム分割器キューブを有し、このビーム分割キュー
ブはそのキューブの第１面でイメージ・ビームを受取る
ように構成されている。ビームは分割され、その結果２
本のビームはビーム分割器の第２及び第３の面から出力
する。第２面から出力するビームは第２面に垂直に配置
されたミラーに反射されて、ビーム分割器に戻り、分割
されたキューブ状のビーム分割器の第１面及び第４面か
ら分割され出力される。第３の面から出力されるビーム
は、Ｎ個の角部を有する分光ミラーに反射し（ここでＮ
は２のベキ乗例えば１、２、４…である）、ビーム分割
器に戻り、そして分割され、さらにキューブ状のビーム
分割器の第１面及び第４面から外に出力される。ビーム
分割器の第４面の出力部に形成された結合イメージは、
クロスオーバー段の出力部を有している。

（実施例の説明） 第２図には、本発明によるクロスオーバー・ネットワー
クの接続構成が示されている。第１図のネットワークと
第２図のものは機能的に同一である。第３図は、第２図
のネットワークの各段のための光学構成を示すブロック
図である。ここでビーム分割器100が設けられ、このビ
ーム分割器100にイメージ・ビーム101が印加される。こ
のビーム分割器（スプリッタ）100からは２本のビーム
が引出され、このうちの１つのビームはイメージ・クロ
スオーバー要素110に入力され、他のビームは結合要素1
20に当てられる。クロスオーバー要素110の出力もまた
結合要素120に入力され、この要素120の出力はイメージ
利用要素130に入力される。第４図は、本発明によるネ
ットワークの第１のクロスオーバー段を実行する光学構
成を示している。この段の中心部には、ビーム結合器と
しても用いられるビーム分割キューブ32、ミラー35及び
クロスオーバーを行なうことができる分光ミラー37が設
けられている。詳細に説明すると、入力イメージ・アレ
イが面30上で利用可能であり、さらに入力アレイから発
散した光は、レンズ31を通り、ビーム分割器32に入る。
レンズ31は入力面から焦点距離だけ離れて配置され、こ
れによりレンズ31がイメージ光を平行とする第４図で入
力面上の点41から光線42及び入力面上の点43からの光線
44で示される。要素32は、入力イメージ・アレイを２つ
に分割し、その一方はレンズ32に入り、他方はレンズ34
に入る。レンズ33から焦点距離だけ離れた位置でビーム
が平面ミラー35上で収束し、さらにミラー35で反射レン
ズ33及びビーム分割要素32上に再び入力される。この再
入力ビームは再度分割され、一方はレンズ36の方向に進
み、他方はレンズ31の方向に進む。

分光ミラー37は、レンズ34に面しており、その角部がレ
ンズ34から焦点距離だけ離れた位置に設けられている。
分光ミラーは入力アレイをレンズ34に向けて反射し、そ
の過程でミラーにより囲まれたイメージ部分を反転す
る。この反転は、角部により形成された軸中心に行われ
る。この反転された反射したイメージは、レンズ34を通
り、ビーム分割器34に入り、２本のビームに分割され
る。一方のビームはそのままレンズ36に進み、他方のビ
ームは偏光してレンズ31に進む。レンズ36についた２本
のビームは出力面38の位置で結合される。なお、この出
力面38はレンズ36から焦点距離だけ離れた所に位置して
いる。このようにして、ビーム分割器32はロスは多いが
結合器としても働く。勿論出力面38は下記に述べるある
利用要素に接続されてもよく、もしくは他の段への入力
部を有するものでも良い。

分光ミラー37によりなされる反転は第５図及び第６図に
より理解できる。第５図において、平行な入力ビームは
光線45、46により示される。これらのビームは、これら
のビーム間のビームと同様に、レンズ34を通り点Ｐ上で
収束する。もし分光ミラー37がなくＰ点で平面ミラーが
あれば、光線45、46は、光線47、48のようにレンズ34に
戻る。しかし光線は分光ミラー37により２度偏光するた
め点Ｐには至らず、光線49、50のようにレンズ34に戻
る。この分光ミラー37により、イメージ・ポイントＰか
ら見掛けのイメージ・ポイントＰ′にシフトされる。同
様に、光線49、50に沿って入ってきたビームは、反射さ
れ偏光され、その結果戻りのビームは、点Ｐ′からでは
なく点Ｐから発散する。このようにして分光ミラー37
は、その角部の線に沿ってイメージを分割し、水平方向
に転換させる。この効果により、分光ミラーにより囲ま
れる全イメージがその角部に対応する軸に沿って反転す
ることになる。この効果は第６図に示された数字４のイ
メージ上に示されている。第４図に示されたクロスオー
バー段においては、ビーム分割器を通った２番目の光路
で光の半分のみがレンズ31に戻るため、光のロスが生じ
る。しかし２つの分岐路で1/4波板と組合わせて偏光ビ
ーム分割器を用いれば、光のロスは生じない。第７図は
このシステムを示している。特に第７図に示されたクロ
スオーバー・ネットワークは、入力面30上で円偏光され
た光及びビームのＸ方向偏光部を通過しながらビームを
Ｙ偏光部へ偏光するビーム分割器52を用いている。レン
ズ34につながる光路にはビームのＹ方向偏光部か、レン
ズ33につながる光路にはＸ方向偏光部が含まれている。
レンズ33、34の方向へつながるビーム分割器の２つの出
力側に1/4波板54が設けられ、この板54がＸ及びＹ方向
偏光を円偏光に変換する。ミラー35、37から戻ってくる
ビームについても、1/4波板54によりビームの偏光を変
換する。その結果、以前Ｘ方向偏光であったものがＹ方
向偏光となる。その逆もまた同様である。ビーム分割器
52はミラー35からのＹ方向偏光光を偏光させ、さらに分
光ミラー37からのＸ方向偏光光を通過させ、ほぼ光のロ
スがない状態で、出力面で望ましいイメージの結合を行
なう。

応用分野の中には、出力面での光の偏光が重要でないも
のもある。また直接的で、クロスオーバーな出力イメー
ジのために同一の偏光が必要なものもある。もし入力イ
メージが画素間に黒色領域を有する複数の区分画素を有
するものであれば、互いにオフセットされた出力面上に
形成される２つのイメージのための配置を行なうことが
可能である。実際大部分の応用分野において、このよう
な物理的オフセットが望まれる。このオフセットによ
り、本発明では出力面に空間変化させる1/2波板を設
け、同一方向（例えばＹ方向偏光）に偏光した両方のイ
メージを作っている。これは第７図に等化要素55として
示されている。必要であれば、空間変化要素の後続の1/
4波板により、出力面にて入力時と同様な偏光状態のイ
メージがもたらされる。この1/4波板は第７図には示さ
れていない。

多くの応用分野において、各段の出力面も何らかの操作
が行われる。これは単なるスイッチングでも良いし実際
の演算でも良い。実際、この両方の機能はＳＥＥＤデバ
イスを用いることにより達成される。このＳＥＥＤデバ
イスは、デー・エー・ビー・ミラー(D.A.B.Miller)の19
85年10月８日付で発行された米国特許第4,546,244号に
記載されている。ＳＥＥＤは、光デバイスであり、２つ
の光信号に応答し、さらにこれらの信号に基づいてい
る。このＳＥＥＤデバイスは、“光源”ビームを吸収す
るし反射もする。実現され得るロジック機能はＯＲまた
はＮＯＲであり、このＯＲまたはＮＯＲにより、信号サ
ービスのうちの１本が存在するとき、もしくは両方とも
が存在しないとき光源ビームが反射される。この反射さ
れた光源ビームは、戻ってきた光源ビームと同一の偏光
を有している。

ＳＥＥＤデバイスに光源ビームを供給し、さらに反射さ
れた光源ビームを観察することは、ＳＥＥＤデバイスを
使用しているので、本明細書で述べる。第８図に示され
るように、１つのアプローチとして、平行レンズ58を、
空間変化1/2波板55の後に配置し、さらに得られたビー
ムを偏光ビーム分割器59にあて、さらにこのビーム分割
器59が、レンズ56を介してＳＥＥＤデバイスがその上に
位置している面60と相互作用をする。もし等化要素55か
らビーム分割器59に入ってくるビームの偏光がＹ方向で
あれば、ビームは偏光される。この為、ＳＥＥＤデバイ
スは、レンズ58に垂直に置かれている。光源ビームが、
ＳＥＥＤデバイス面と反対のビーム分割器59の他側から
Ｘ方向に偏光されてあてることもできる。Ｘ方向に偏光
し反射した光源ビームは、クロスオーバー段の情報を含
んでいるが、光源ビームが戻る方向に進む。ＳＥＥＤア
レイからの変調信号ビームである反射された光源ビーム
と印加光源ビームとを区別するために、追加のビーム分
割器(61)が第８図において設けられている。この分割器
61と共に、ビーム分割器59に面した1/4波板62及びレー
ザ源に面した1/4波板63が設けられている。このように
して、線偏光された光源（例えばレーザ）はレンズ64で
平行となり、1/4波板63において円偏光した光に変換さ
れ、ビーム分割器61及び1/4波板62を通過し、そして最
終的には、ビーム分割器59に入る前に、Ｘ方向偏光とな
る。戻ってくるＸ方向偏光ビームも同様に1/4波板62に
より円偏光に変換され、さらにビーム分割器61内で分割
される。この装置によれば、加えられた光源ビームと反
射された光源ビームとは分離される。しかしながら、こ
の装置においては、いったん光源ビームがビーム分割器
61を通り、さらに反射した光源ビームが再びビーム分割
器61を通ったときには、光のロスは２倍となる。

ここで光源光源は単一ビームではなく、（適当な位置で
ＳＥＥＤデバイスと合致する）正確な位置決めをした光
線のスポット及びほぼ等しい光強度の集合体である。

本発明によれば、要素70内に光源ビームが発生する第９
図に示された構成により、より良いものが実現される。
スポットのアレイを有する光源ビームは、小さなレンズ
のアレイまたはフーリエ・レンズが続くダンマン(Damma
m)の２相こう配を通過する平行化されたレーザー・ビー
ムを用いることにより得られる。このようなシステム
は、例えば、1977年９月１日付のドイツ公開公報08-176
に示されている。

第９図において、光源ビームが要素70で生成され、その
光線スポットが要素35′上に収束するように配置されて
いる。この要素35′は第４図におけるミラー35と同一の
機能を有している。但し例えば、入力イメージの画素が
要素上に現れる位置のように必要な所のみ反射するよう
に配置されている点が第４図のものと異なっている。要
素35′は他の位置で透明であり、要素70はこの透明領域
でその光線スポットが収束するように配置されている。
要素70の光は、勿論適切な偏光モード即ちミラー35′か
ら反射した光と同一の偏光（円偏光）となっていなけれ
ばならない。さらにこの構成は、ミラー35′から反射さ
れた入力アレイはスポットの集合体を有しその間の情報
を持たないと推定される。

第９図の装置において、２つのイメージ・ビーム及び光
源ビームを含むレンズ58の平行出力がビーム分割器59に
あてられる。加えられた光信号の全てはＹ方向に偏光さ
れているので、1/4波板65及びレンズ56を介してＳＥＥ
Ｄ板60上に偏光される。板65により、反射された光源ビ
ーム信号がビーム分割器59に再び入る際Ｘ方向に偏光偏
光される。この偏光により、光信号は、偏光せずに1/4
波板66を通過し、さらにこの1/4波板により光信号はそ
れらが入力面で持っていたと同一の偏光に戻る。光はレ
ンズ57を介して出力面上に収束される。

このネットワークのより高い段における実行は、第４図
に示されたものと同一の構成により達成される。しかし
ここでは、分光ミラーの角部の数がネットワークの各段
ごとに異なっており、その点が第４図のものと異なる。
各後続の段は、分光ミラー内に多くの角部を有してお
り、この角部の数は、その前段の数の２倍である。その
ような異なる段及びその段を内部接続する装置が第10図
に示されている。この第10図は、３段のクロスオーバー
・ネットワークの一実施例を示している。

次に第10図に示された実施例の顕著な特徴を説明する。
第１に各段は同数の要素を有し、その対応要素は、分光
ミラーを除き互いに同一である。第２に、各段の間にプ
ロセス要素71が設けられている。各要素は71は、他の要
素71と機能的に同一である。ネットワーク内で行われる
スイッチングと演算はこの要素71内で行われる。第３
に、入力面及び出力面のレンズ31、36は、要素71内に包
含される。ここでの説明のそのままの応用は、いくつか
のケースに適用され、連続した２つのレンズが使用され
ている。これはイメージを単に反転する効果があるのみ
である。多くの応用分野においては、この説明通りする
必要はない。重要なのは、画素の相対位置だからであ
る。第４に、第10図に示された入力及び出力のイメージ
面の位置であれば、追加の段のカスケードが容易とな
る。

上記の実施例において、ビーム分割器と結合器は同一の
要素を用いたが、本発明においては、これらは異なる要
素であってもよい。またイメージ反転手段は、分光ミラ
ー以外のもの例えば１次元または２次元のレンズを配置
してもよい。また第２図を再配置した第11図において
も、第12図に示されたクロスオーバー段は用いられう
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来（ワイズ）のクロスオーバー・ネットワ
ークの実行を示す図； 第２図は、本発明により実現された３段クロスオーバー
・ネットワーク接続を示す図； 第３図は、第２図のネットワークのクロスオーバー段を
示すブロック図； 第４図は、本発明による光学クロスオーバー段の１つの
実行を示す図； 第５図は、第４図の光学設定の分光ミラー37のクロスオ
ーバ動作を示す詳細図； 第６図は、数字“４”上のミラー37の効果を示す図； 第７図は、偏光ビーム分割器を用いた光学クロスオーバ
ー・ネットワークの実行を示す図； 第８図は、光源ビームと第７図のクロスオーバー段によ
り引出された情報を利用する手段と光源ビームを供給す
る一実施例を示す図； 第９図は、光源ビームと第７図のクロスオーバー・ネッ
トワークから引出された情報を利用する手段と光源ビー
ムを供給する他の実施例を示す図； 第10図は、第２図の全ての４段ネットワークのための光
学構成を示す図； 第11図は、第２図のクロスオーバー・ネットワークの再
調整版を示す図； 第12図は、第11図のネットワークのためのクロスオーバ
ー段を実現するための光学構成を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−215932（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−255836（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つの入力イメージから、特定の空間的関
   係を有する２個の出力イメージを作る光学分離結合装置
   おいて； 前記入力イメージに応答して、第１ビーム及び第２ビー
   ムを生成するビーム分割器と、 上記第２ビームに含まれるイメージを分割し、クロスオ
   ーバー・イメージを含む第３のビームを生成する為に、
   イメージの空間的関係を反転する手段と、 第１ビームと第２ビームを結合する手段と、 を有することを特徴とする光学分離結合装置。
2. 【請求項２】印加入力イメージから、特定の空間的関係
   を有する２個の出力イメージを作る光学分離結合装置お
   いて； 前記入力イメージに応答して、入力イメージの第１表示
   と入力イージの第２表示とを作るビーム分割器と、 ビーム分割器の特定の部分から反射したイメージを出力
   すると共に、前記２個の出力イメージを作るためにビー
   ム分割器の後に入力イメージの前記１表示を反射する手
   段と、 入力イメージの前記第２表示に対応して、入力イメージ
   の第３表示を作り、この第３表示をビーム分割器へ戻
   し、この第３表示をビーム分割器の前記特定部分から出
   力し、さらに前記の２個の出力イメージの２番目を作る
   ために、イメージ部分を反転させる手段と を設けたことを特徴とする光学分離結合装置。
3. 【請求項３】前記分割手段が、第２ビームに含まれるイ
   メージを２のべき乗の数の区画に分けることを特徴とす
   る請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】前記の結合手段は、ミラーと第２ビーム分
   割器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 【請求項５】前記の結合手段は、ミラーと前記ビーム分
   割器を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】前記分割手段は、分光ミラーを含むことを
   特徴とする請求項１記載の装置。
7. 【請求項７】前記反射手段は、前記反射イメージを有す
   る光源ビームを含む手段を含むことを特徴とする請求項
   ２記載の装置。
8. 【請求項８】前記反射手段は、空間変化(space-varian
   t)ミラーを含むことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】前記ビーム分割器は偏光ビーム分割器であ
   り、波板が前記ビーム分割器と前記反射手段との間に置
   かれ、さらに波板が前記ビーム分割器と前記反転手段と
   の間に置かれていることを特徴とする請求項２に記載の
   装置。
10. 【請求項１０】レンズが、前記入力ビームと前記ビーム
    分割器の間、前記反射手段と関連波板との間、前記反転
    手段と関連波板との間、ビーム分割器の前記特定部分の
    出力部に置かれたことを特徴とする請求項９に記載の装
    置。
11. 【請求項１１】複数のクスオーバー段を有するクロスオ
    ーバー・ネットワークにおいて； この各段が、 入力部及び出力部と、 第１のビームと第２のビームを作る前記入力部に接続さ
    れたビーム分割器と、 クロスオーバー・イメージを含む第３ビームを作るため
    に、第２のビームに含まれるイメージをＮ個の区画に分
    割し、この隣接する区画のイメージの空間関係を反転す
    る手段と、 第１のビームと第３のビームを結合しこの結合されたイ
    メージを前記出力部に加える手段と、 を有することを特徴とするクロスオーバー・ネットワー
    ク。
12. 【請求項１２】第１段でＮが２であり、各後続のクロス
    オーバー段で２倍づつになることを特徴とする請求項11
    に記載のネットワーク。
13. 【請求項１３】クロスオーバー段の出力部と後続のクロ
    スオーバー段の入力部との間に、利用要素を更に有する
    ことを特徴とする請求項11に記載のネットワーク。
14. 【請求項１４】前記利用要素が、利用要素入力光学信号
    のロジック関係に対応する利用要素出力光学信号を作る
    活性要素を含むことを特徴とする請求項13に記載のネッ
    トワーク。