JPH0810307B2

JPH0810307B2 - 光計算機

Info

Publication number: JPH0810307B2
Application number: JP62260841A
Authority: JP
Inventors: 滋河合
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1987-10-16
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH01102531A

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演算を行う装置に
関するものである。

（従来の技術とその問題点）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、電気回路を用いた逐次
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
ャの研究が進んでいる。一方、光は、空間的な拡がりを
持ち、その物理的性質は互いに干渉し合わないため、光
を用いた演算は並列性に優れている。光を変調する手段
として、振幅、位相、周波数、偏光などが考えられ、空
間的な光変調器の開発が行われている。

しかし、これまでの計算機では、システム的にまとま
ったものがなく、汎用性に乏しかった。

この発明の目的は、面型光機能素子を直列に接続し
て、光演算を並列高速に実行し、汎用性のある処理を実
現できる装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明の光計算機は、光演算装置と光スイッチ装置と
光メモリ装置からなる光計算機であって、前記光演算装
置は、入力信号によって発光する第１の光源と前記入力
信号を反転せしめた信号によって発光する第２の光源
と、前記第１の光源と前記第２の光源とを対にして複数
配置した第１アレイ状光源と、前記第１アレイ状光源と
同様の構造を持つ第２アレイ状光源と、前記第１アレイ
状光源の発光パターンと前記第２アレイ状光源の発光パ
ターンの光を隣接させる光合波手段と、前記第１アレイ
状光源の第１の光源及び第２の光源と前記第２アレイ状
光源の第１の光源及び第２の光源から出射した光の各々
の透過率を論理演算の種類に対応し独立に変化させ光強
度を変化せしめる空間光変調器と、前記空間光変調から
の透過光を受光し予め定めた光強度により２値化する光
検出手段を有し、前記光スイッチ装置は、前記２値化さ
れた信号により発光する複数の光源と、前記複数の光源
からの光を分岐せしめる光分岐手段を有し、前記光メモ
リ装置は、前記光スイッチ装置からの信号を保持または
光出力することを特徴とする。

（作用）第４図に、この光計算機の基本となる構成の概念図を
示す。この光計算機は光を用いて２次元面内並列に演算
を行う光演算装置51、面内のデータを空間的並列にスイ
ッチングする光スイッチ52、並列データを２値化して記
憶する光メモリ53を直列に接続したセルを複数配置した
ものである。光演算装置は隣接するセルのデータ間の演
算とデータを他のセルに分岐するスイッチの役割を持
つ。セルは独立にデータを処理できるため、セル内の２
次元並列演算をシステム内で並列に実行できる。

次に、光演算装置51、光スイッチ52、光メモリ53につ
いて個々に説明する。

光演算装置51の原理の一例を、第５図〜第８図を参照
して説明する。演算させる２次元２値入力データ101と
それらの入力データを反転させたデータを第５図に示す
ようなアレイ状に配置させて入力面102とする。第６図
に示すように２組の入力面103、104の一方を90°回転さ
せ、ハーフミラー105を用いて重ね合わせると出力面102
に２組の入力パターンの重なったパターンが得られる。
第７図にパターンの一例を示す。同図（ａ）に示すよう
に入力面103のデータ108を図中の左上、その反転データ
109を右上、入力面104のデータ110を左下、その反転デ
ータ111を右下とする。（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ）において、斜線部分は光の照射されていない部分
を示し（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ入力
データ（103,104）が（0,0），（0,1），（1,0），（1,
1）の場合に相当する。この時マスク106のパターンは第
８図（ａ）に示すように、４個のパターン112,113,114,
115から構成されおのおのの光の透過率を0,1/4,1/2,3/
4,1に変化させることができる。入力データ108,110およ
び109,111のいづれか一方の光が照射されていることか
らマスクパターン112,113,114,115透過後の光強度は、
第１表のレベル欄に示すようにもっとも強いものを100
％として、0,50,75,100％で表わされる。出力パターン
１組の透過光を集光し、光強度が、100または75％の場
合に10または50％の場合に０とすれば、マスクパターン
の透過率を変化させることによって、２組の入力面のデ
ータを入力とする論理演算を実行できる。

例えば、第８図（ｂ）に示すように、マスク112、114の
透過率を1/2、マスク113、115の透過率を０とすれば、
出力面にAND演算の結果が得られる。また、（ｃ）に示
すようにマスク112、114の透過率を1/4、マスク113、11
5の透過率を3/4とすれば、出力面にOR演算の結果が得ら
れる。このようにマスクの部分的な透過率を0,1/4,1/2,
3/4,1に設定することによって、第１表に示す14種類の
論理演算を実行できる。表中のパターン欄の数字は透過
率を表わす。入力する各２次元データに対して第８図に
示す４個のマスクパターンを組み合わせれば、並列に論
理演算を実行できる。例えば、入力面103に（0011）の
データを入力し、入力面104に（0101）のデータを入力
した場合の演算結果を第１表左欄に示す。

次に、光スイッチの原理の一例を、第９図、第10図を
参照して説明する。

第９図に示すように、２次元２値入力データに対応さ
せて入力面201の光源を発光させ、ホログラム204によっ
て、出力面203の所望の位置へ光が集光するように、パ
ターンマスク202の開口の位置を設定する。

第10図は、２×２の入力データに対する第９図の入力
面201、パターンマスク202、出力面203の構造を示した
ものである。（ａ）は入力面201の光源の位置、（ｂ）
はパターンマスク202の構造、（ｃ）は出力面203の光検
出器の位置を示す。入力面201の光源11,12,21,22は、等
間隔の格子の交点に２×２の配列で並ぶように２次元的
に配置されている。パターンマスク202は、入力面201の
光源の数（この場合、４個）の２乗倍である16個の分解
点（パターン）aa,ab,ba,bb,ac,ad,bc,bd,ca,cb,da,db,
cc,cd,dc,ddを有している。出力面203は、入力面201の
光源の個数と同数の分解点（検出器）AA,AB,BA,BBを有
している。

この時、11,12,21,22から出射した光が、それぞれAA,
AB,BA,BBに集光するように、ホログラム204を製作す
る。ホログラムに入射した光は４つに分離し、それぞれ
パターンaa,ab,ba,bbに入射する。従って、パターンマ
スクの透過率を変化させれば、２×２の入力データを並
列、独立に２×２の出力先へスイッチングできる。第２
表に、入力と出力の関係を決めるパターンマスクの開口
位置を示す。

以上、入力データが２×２の場合について述べたが、
例えば４×４の場合には、入力面201は４×４個の光源
を、パターンマスク202は16×16個のパターンを、出力
面203は４×４個の光検出器を有し、ホログラム204によ
って、入力面の光源と出力面の光検出器がそれぞれ１対
16に対応している。一般に、入力データがｎ×ｎの場合
には、パターンの数は少なくともｎ²×ｎ²、出力面の光
検出器の数はｎ×ｎであれば、本発明の光スイッチを実
現できる。

これらに面発光双安定半導体レーザなどの光メモリを
直列に接続し、演算、スイッチングしたデータを一時ラ
ッチすることができる構成になっている。さらに、ラッ
チしたデータは、再び光演算装置に帰還され、所望の演
算を繰り返すことができる。所望の結果が得られた時点
で、演算結果が出力される。光演算装置の演算の種類お
よび光スイッチのスイッチング先のアドレスは高速に変
化させることができ繰り返し演算することによって、デ
ータフローマシンや画像処理装置を実現できる。

（実施例）第１図は本発明の光計算機の一実施例を示す斜視図で
ある。アレイ状光源７より出射した光はコリメーティン
グレンズアレイ８によってコリメートされた後、光スイ
ッチ５によって処理され、光メモリ６にラッチされてい
るデータと並列に演算するため光演算装置９に入射す
る。光演算装置と光スイッチについての詳細は後述す
る。演算結果は光スイッチ10によってスイッチングさ
れ、光メモリ11にラッチされる。ラッチされたデータの
一部は隣接するセルのデータと光演算装置１によって演
算され、光スイッチ２、光メモリ３で処理される。ま
た、ラッチされたデータの一部は、隣接するセルに送ら
れて処理される。

第２図は光源部および光演算部の実施例を示す斜視図
である。例えばLEDなどの高速変調可能な光源から構成
されるアレイ状光源11、12を点滅させる入力データは、
それぞれの光源に電圧を印加する回路より構成される駆
動装置18、19によって制御される。アレイ状光源11、12
から出射した光束はレンズアレイ13、14によってコリメ
ートされる。これら複数のコリメート光は、ハーフミラ
ー15によって合波され、例えば、液晶TVなどの空間光変
調器16を透過する。制御装置20によって空間光変調器の
開口を論理演算の種類によって定められた位置に置くこ
とにより、所望の演算を実行できる。空間光変調器を透
過した光は、例えば２次元CCDなどのディテクタアレイ1
7によって受光され、A/Dコンバータ21によりデジタル化
して２値化する。

第３図は、光スイッチの一実施例を示す斜視図であ
る。本実施例では、入力面、パターンマスク、出力面の
構成が、第10図に示したものに相当している。したがっ
て、対応する要素には第10図と同一の符号を用いる。

この光スイッチは、等間隔の格子の交点に配置された
２×２個の例えば半導体レーザーである高速変調可能な
発散光源から構成されるアレイ状光源31と、それそれの
発散光源に電圧を印加する回路より構成され、発散光源
を点滅させる入力データを制御する駆動装置34と、アレ
イ状光源１から出射した光を４個のディテクタに分岐す
るアレイ状ホログラムと、ホログラムで分岐された発散
光を透過する４×４個の分解点を有する例えば液晶TVな
どの空間光変調器32と、出射光が所望の出力先へ分岐す
るように、空間光変調器32の開口の位置を制御する制御
装置35と、空間光変調器32を透過した光を集光する例え
ば４×４個の次元CCDなどのディテクタアレイ33と、デ
ィテクタアレイ33の出力を２値化して出力するしきい素
子ここでは例えばA/Dコンバータ36とから構成されてい
る。

次に、この光分岐装置の動作を、光源11からの光が空
間光変調器32のパターンbbを通り検出器BBへ分岐される
場合について説明する。駆動装置４によりアレイ状光源
１の光源11を点灯させる。光源11から出射した光は、ア
レイ状ホログラムのホログラムIIに入射する。この時、
入射光は４つに分離され、パターンaa、ab、ba、bbに入
射する。制御装置35によって、出射光がディテクタアレ
イ33の所望の出力先BBへ分岐するように、パターンaa、
ab、baの振幅透過率を０、bbの透過率を１にする。パタ
ーンbbを透過した光は、ディテクタアレイ３の光検出器
BBによって受光され、しきい素子36により２値化され
る。

光メモリは、例えば面発光双安定レーザーをアレイ状
に配置したもので、外部入力光の有無によって、一定時
間データを保持できる。

第11図は、この光計算機を用いて、第12図に示す半加
算器を光学的に実現した一例である。光演算装置401に
よって、入力Ａの反転信号Ａが作られる。この信号は光
演算装置403に入力され、一方、光演算装置401の他方の
出力Ａは光演算装置402に入力され、信号Ｂとの間で演
算を行う、入力Ｂは光メモリ405によって信号Ａとの間
の同期をとった後に光演算装置402に入力される。ここ
で信号Ｂの反転信号Ｂをおよび信号Ａと信号ＢのNOR信
号Ａ∪Ｂが作られ信号Ｂの反転信号は光演算装置403に
入力され、信号Ａ∪Ｂは光メモリ406によって同期をと
った後に光演算装置404に入力される。光演算装置403に
よって信号Ａと信号ＢのNOR信号Ａ∩Ｂが作られ、一方
は出力Ｃ（キャリ）となり、他方は光演算装置404に入
力され、信号Ａ∪Ｂとの間のAND演算を行って出力Ｓ
（和）となる。これらの出力ＣおよびＳは、ディテクタ
などの光観測部により、電気信号に変換される。もしく
は、光信号のまま次の演算装置の入力となる。光演算装
置401は第12図のインバータ502、光演算装置402はNORゲ
ート501およびインバータ503、光演算装置403は、NORゲ
ート504、光演算装置404はANDゲート505に相当する。

以上のように、電気的に構成できる回路は、この光計
算機によって容易に作ることができ、さらに、電気的に
難しい超並列演算を簡単に実現できる。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明の光計算機を用いれば、
汎用性のある計算機を構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光計算機の実施例を示す斜視図、
第２図は光演算装置の実施例を示す斜視図、第３図は光
スイッチの実施例を示す斜視図、第４図は光計算機の原
理を示す概念図、第５図は、光演算装置の入力データと
入力面の関係を示す図、第６図は光演算法の原理を示す
図、第７図は（ａ）〜（ｅ）は光演算装置の出力パター
ンを示す図、第８図は（ａ）〜（ｃ）はマスクパターン
を示す図、第９図は光スイッチ、第10図（ａ）〜（ｃ）
は、入力面、パターンマスク、出力面を示す図である。第11図は半加算器を実現する光回路を示す図、第12図は
半加算器の回路図である。図において 1,9,51……光演算装置、2,5,10,52……光スイッチ 3,6,11……光メモリ、４……ハーフミラー７……アレイ状光源８……コリメーティングレンズアレイ 11,12……アレイ状光源、13,14……レンズアレイ 15……ハーフミラー、16……空間光変調器 17……ディテクタアレイ、18,19……駆動装置 20……制御装置、21……A/Dコンバータ 31……アレイ状光源、32……空間光変調器 33……ディテクタアレイ、34……駆動装置 35……制御装置、36……しきい素子 37……アレイ状ホログラム 53……光メモリ、101,201……入力データ 102,203……入力面、103,104……入力面 105……ハーフミラー、106……マスク 107,303……出力面、202,302……パターンマスク 401,402,403,404……光演算装置 405,406……光メモリ、501,504……NORゲート 502,503……インバータ、505……ANDゲート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光演算装置と光スイッチ装置と光メモリ装
置からなる光計算機であって、前記光演算装置は、入力
信号によって発光する第１の光源と前記入力信号を反転
せしめた信号によって発光する第２の光源と、前記第１
の光源と前記第２の光源とを対にして複数配置した第１
アレイ状光源と、前記第１アレイ状光源と同様の構造を
持つ第２アレイ状光源と、前記第１アレイ状光源の発光
パターンと前記第２アレイ状光源の発光パターンの光を
隣接させる光合波手段と、前記第１アレイ状光源の第１
の光源及び第２の光源と前記第２アレイ状光源の第１の
光源及び第２の光源から出射した光の各々の透過率を論
理演算の種類に対応し独立に変化させ光強度を変化せし
める空間光変調器と、前記空間光変調からの透過光を受
光し予め定めた光強度により２値化する光検出手段を有
し、前記光スイッチ装置は、前記２値化された信号によ
り発光する複数の光源と、前記複数の光源からの光を分
岐せしめる光分岐手段を有し、前記光メモリ装置は、前
記光スイッチ装置からの信号を保持または光出力するこ
とを特徴とする光計算機。