KR102622313B1 - 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터 - Google Patents

공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터 Download PDF

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Abstract

공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터는, 서로 일정 거리 이격되어 형성되는 복수의 제1 광원; 복수의 제1 광원에 각각 대응하여 형성되고, 대응하는 제1 광원에서 조사된 광선의 발산각(divergence angle)을 감소시키는 복수의 제1 렌즈; 복수의 제1 렌즈에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈를 통과한 광선의 세기를 조절하는 복수의 공간광변조기; 복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 빛의 세기에 따른 전류 값을 획득하는 복수의 광 검출기; 및 복수의 공간광변조기와 복수의 광 검출기 사이에 형성되어, 각 공간광변조기의 동일한 상대 위치에 있는 픽셀을 통과하는 서로 다른 제1 광원에서 조사된 광선을 하나의 광 검출기로 모으는 렌즈부;를 포함한다. 이에 따라, 광원에서 광 검출기에 이르는 빛의 경로가 중첩되어도 잡음을 일으키지 않고 계산 속도를 증가시킬 수 있다.

Description

공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터{OPTO-ELECTRONIC MODULE USING SPATIAL LIGHT MODULATOR AND OPTICAL COMPUTER INCLUDING THE SAME}
본 발명은 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복잡한 전자회로 대신 광원, 렌즈, 공간광변조기, 광 검출기 등을 조합하여 병렬로 작동하는 고속 광전자 모듈 및 광 컴퓨터의 구성에 관한 것이다.
최근 화상처리 등의 분야에서 2차원, 3차원의 정보를 대상으로 하는 고속의 연산처리 기술에 대한 수요가 급증하고 있다.
광 컴퓨터(Optical Computer)는 컴퓨터의 연산회로에 빛의 특성을 이용한, 광집적회로(optical IC)를 사용한 컴퓨터를 말하는 것으로, 전기통신 회선보다 많은 중복통신이 가능하다.
현재의 전자계산기는 전자회로로 구성되어 있다. 그 때문에 연산속도는 소자의 지연시간, 부유용량 등에 따라 제한되어 고속화에는 한계가 있다. 광 컴퓨터는 이러한 한계를 해결할 것으로 기대되고 있다.
도 1은 기존의 신경망(neural network)의 한 예를 보이고 있다. 입력 값 , 에 가중치 wji를 곱해서 바이어스(bias) bj를 합한 다음 시그모이드(sigmoid) 함수인 б를 적용한 값을 출력 값으로 계산하고, 이를 그 다음 층(layer)의 입력 값으로 사용하는 방식이다.
일반적으로, (l-1)번째 입력 층과 l번째 출력층을 연결하는 수식은 다음의 수학식 1과 같다. 여기서, Nl-1은 (l-1)번째 층의 인공 뉴런(Neuron) 또는 노드(Node) 개수를 나타낸다.
[수학식 1]
기존의 신경망을 계산하는 방식은 디지털 컴퓨터를 이용하여 수학식 1을 계산하는 방식이다. 예를 들어, N 개의 입력과 N 개의 출력이 있다고 가정하면 N N 번의 곱셈과 (N+1)N 번의 덧셈, 그리고 б 함수를 N 번 호출해야 하는 계산이 필요하다.
최근 들어, 병렬 프로세서들이 있어서 이를 빠르게 수행하기는 하지만 여전히 프로세서의 숫자가 N 개라고 하더라도 각 프로세서 별로 N 번의 곱셈과 N 번의 덧셈 계산 수행이 필요하다.
따라서, 전기적으로 아날로그 신경망을 구현하고 동시에 계산하는 경우, 도선이 겹쳐지기 때문에 생기는 전자파 잡음이 생기거나 회로 배선의 배치가 복잡해지는 문제들이 발생하게 된다.
KR 10-0624852 B1 KR 10-2079833 B1 JP 6746074 B2
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 연결이 복잡해지거나 잡음이 생기지 않는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈을 포함하는 광 컴퓨터를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈은, 서로 일정 거리 이격되어 형성되는 복수의 제1 광원; 복수의 제1 광원에 각각 대응하여 형성되고, 대응하는 제1 광원에서 조사된 광선의 발산각(divergence angle)을 감소시키는 복수의 제1 렌즈; 복수의 제1 렌즈에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈를 통과한 광선의 세기를 조절하는 복수의 공간광변조기; 복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 빛의 세기에 따른 전류 값을 획득하는 복수의 광 검출기; 및 복수의 공간광변조기와 복수의 광 검출기 사이에 형성되어, 각 공간광변조기의 동일한 상대 위치에 있는 픽셀을 통과하는 서로 다른 제1 광원에서 조사된 광선을 하나의 광 검출기로 모으는 렌즈부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 렌즈부는, 복수의 공간광변조기에 각각 대응하여 형성되어 광선을 한점에 모으는 복수의 제2 렌즈; 및 복수의 제2 렌즈를 통과한 모든 광선을 통과시키는 제3 렌즈;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 제1 광원 및 각 제1 광원과 대응하는 제1 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 공간광변조기 및 각 공간광변조기와 대응하는 제2 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제2 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성되고, 각 광 검출기는 오차 40% 이내에서 제3 렌즈의 초점 거리만큼 제3 렌즈로부터 이격되어 형성될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈은, 서로 일정 거리 이격되어 형성되는 복수의 제1 광원; 복수의 제1 광원에 각각 대응하여 형성되고, 대응하는 제1 광원에서 조사된 광선의 발산각(divergence angle)을 감소시키는 복수의 제1 렌즈; 복수의 제1 렌즈에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈를 통과한 광선의 세기를 조절하는 복수의 공간광변조기; 복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 빛의 세기에 따른 전류 값을 획득하는 복수의 광 검출기; 및 복수의 공간광변조기와 복수의 광 검출기 사이에서 각 공간광변조기에 대응하여 형성되어, 서로 다른 위치의 픽셀을 통과한 광선을 서로 다른 방향으로 보내며, 각 제1 광원과 각 제1 광원에 대응하는 공간광변조기를 통과한 모든 광선을 통과시키고, 복수의 제1 광원에서 조사되고 상대적인 위치가 다른 픽셀을 통과한 일부 광선을 하나의 검출기에 모으는 복수의 제2 렌즈;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 제1 광원 및 각 제1 광원과 대응하는 제1 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 제2 렌즈는, 오차 20% 이내에서 각 제4 렌즈와 대응하는 공간광변조기의 픽셀의 상을 광 검출기 표면에 맺는 위치에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 제2 렌즈는, 회전 비대칭 굴절 렌즈, 굴절 렌즈와 프리즘을 복합한 렌즈 및 회절 광소자 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 광 검출기의 신호를 기초로 함수 연산을 수행하여 출력하는 복수의 전자 프로세싱 유닛;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 전자 프로세싱 유닛은, 출력 신호를 연결된 제2 광원의 입력전류로 전환하여 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 각 전자 프로세싱 유닛은, 바이어스 값을 저장, 광 검출기에서 입력되는 전류를 증폭, 함수 연산, 연산 결과를 제2 광원의 입력으로 보낼 때 결과에 비례하는 전류 값으로 변환, 메모리, 데이터 통신 기능 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 광 검출기, 복수의 전자 프로세싱 유닛 및 제2 광원은 하나의 기판에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 광전자 모듈은 연속된 캐스케이드(cascade) 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 광 검출기는, 복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 렌즈부를 통과하는 일부의 광선에 대한 전류 값을 획득하는 복수의 제1 광 검출기; 및 복수의 제1 광 검출기와 동일한 기판에 형성되고, 렌즈부를 통과하는 나머지의 광선 중 일부 광선에 대한 전류 값을 획득하는 복수의 제2 광 검출기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 광 검출기와 제2 광 검출기와 연결되어 제1 광 검출기와 제2 광 검출기의 출력 값을 함수 연산하여 출력하는 복수의 전자 프로세싱 유닛;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전자 프로세싱 유닛은, 제1 광 검출기와 제2 광 검출기의 출력 값을 뺄셈 연산하여 출력할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 광 컴퓨터는, 상기 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈을 포함할 수 있다.
이와 같은 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈 및 이를 포함하는 광 컴퓨터에 따르면, 순수 전자회로 대신 광 연결을 사용한 아날로그/디지털 광 컴퓨터 구조를 구현함으로써 입력과 출력 단자의 개수가 늘어나도 전자회로와 같이 연결이 복잡해지거나 잡음이 생기지 않는다. 이에 따라, 대략 N N 번의 곱셈과 덧셈을 한 번에 수행함으로써 중요 부분 계산이 병렬로 작동하므로, 초소형 및 초고속의 연산이 가능하다.
도 1은 기존의 신경망 개념도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
도 3은 도 2의 광전자 모듈과 신경망 연관성을 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 2의 광전자 모듈을 캐스케이드 연결한 예시를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
도 6은 도 5의 광전자 모듈을 캐스케이드 연결한 예시를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
본 발명에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈(10, 이하 광전자 모듈)은 복잡한 전자회로 대신 광원, 렌즈, 공간광변조기, 광 검출기 등을 조합하여 병렬로 작동한다. 본 발명에 따른 광전자 모듈(10)은 광 컴퓨터에 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 광전자 모듈(10)은 복수의 제1 광원(101a, 101b), 복수의 제1 렌즈(102a, 102b), 복수의 공간광변조기(103a, 103b), 복수의 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d) 및 렌즈부(104a, 104b, 105)를 포함한다.
복수의 제1 광원(101a, 101b)은 제1 기판(100)에 일정 간격으로 이격되어 형성될 수 있으나, 이와 다르게 다른 기판에 각각 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 광전자 모듈(10)은 복수의 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d) 및 복수의 제2 광원(122a, 122b, 122c, 122d)을 더 포함할 수 있다.
복수의 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d), 복수의 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d) 및 복수의 제2 광원(122a, 122b, 122c, 122d)은 제2 기판(130)에 형성될 수 있으나, 이와 다르게 다른 기판에 별도로 형성되거나 하나 이상의 소자가 동일 기판에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(100) 및 제2 기판(130)은 반도체 기판 또는 PCB(Printed Circuit Board)일 수 있다.
도 2에서는 제1 광원(101a, 101b), 제1 렌즈(102a, 102b), 공간광변조기(103a, 103b) 등은 2개로 표현하고, 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d), 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d) 및 제2 광원(122a, 122b, 122c, 122d)은 4개로 표현하였지만, 이들은 일례에 불과하며, 각 소자의 개수는 필요에 따라 변경하여 설계 가능하다.
예를 들어, 본 발명에서 광원은 LED(light emitting diode)나 반도체 레이저, 특히 수직 표면광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)를 사용 할 수 있다. 광원에 흘려주는 전류의 세기를 통해 빛의 세기를 조절하여 입력 값을 개별적으로 조절할 수 있다.
복수의 제1 광원(101a, 101b)에서 나온 빛은 각각 대응하는 복수의 제1 렌즈(102a, 102b)를 통과한 후, 대응하는 공간광변조기(103a, 103b)를 통과한다. 제1 렌즈(102a, 102b)는 대응하는 제1 광원(101a, 101b)에서 조사된 광선이 발산각(divergence angle)을 감소시키는 역할을 하며, 바람직하게는 평행광으로 변조하는 역할을 한다.
도 2에서는 각 제1 광원(101a, 101b)에서 나오는 빛 중에서 대표적인 광선 4개씩을 보이고 있으며, 4개의 광선은 각각 공간광변조기(103a, 103b)에 있는 개별적 픽셀을 통과하게 된다.
공간광변조기(103a, 103b)는 복수의 제1 렌즈(102a, 102b)에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈(102a, 102b)를 통과한 광선의 세기를 조절한다.
예를 들어, 공간광변조기(103a, 103b)로 각각 액정 디스플레이 패널(LCD: liquid crystal display)을 사용할 수 있다. LCD 패널은 들어오는 빛의 세기를 전압에 따라 다른 투과율로 조절하여 통과시키는 역할을 하므로 각 광선의 세기를 미리 정해진 값으로 조절이 가능하다.
따라서, 같은 광원에서 출발한 빛이라도 LCD 패널에서 각 픽셀의 투과율에 따라 픽셀을 통과하는 빛의 세기는 달라진다. 예를 들어, 광원의 조도가 1.0 W/m2 일 경우, LCD 픽셀의 투과율이 0.10이면 출력광의 조도는 0.10 W/m2 이고, 투과율이 0.05 이면 출력광의 조도는 0.05 W/m2 가 된다.
LCD 패널의 투과율은 전압에 따라 보통 256 단계 이상으로 조절할 수 있으므로 이러한 방식으로 신경망에서 가중치와 입력 값의 곱인 wjiai (l-1)를 구현할 수 있다. 여기서, 입력 값은 광원의 세기이고 공간광변조기의 투과율은 가중치에 해당한다. 또한, 공간광변조기 픽셀의 개수는 출력 노드의 개수와 같게 조절할 수 있다.
공간광변조기(103a, 103b)를 통과한 광선들은 렌즈부(104a, 104b, 105)로 입력된다. 렌즈부(104a, 104b, 105)는 복수의 공간광변조기(103a, 103b)와 복수의 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d) 사이에 형성된다.
또한, 렌즈부(104a, 104b, 105)는 각 공간광변조기(103a, 103b)의 동일한 상대 위치에 있는 픽셀을 통과하는 서로 다른 제1 광원(101a, 101b)에서 조사된 광선을 하나의 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)로 모으는 역할을 수행한다.
본 발명의 실시예에서, 렌즈부(104a, 104b, 105)는 복수의 공간광변조기(103a, 103b)에 각각 대응하여 형성되어 광선을 한점에 모으는 복수의 제2 렌즈(104a, 104b) 및 복수의 제2 렌즈(104a, 104b)를 통과한 모든 광선을 통과시키는 제3 렌즈(105)를 포함한다. 만약, 제2 렌즈(104a, 104b)를 입사하는 광선이 평행광이라면 초점에 모이게 된다.
각 공간광변조기(103a, 103b)를 통과한 광선은 대응하는 각 제2 렌즈(104a, 104b)를 통과해서 초점에 모였다가 다시 퍼지게 되는데, 이때 다시 제3 렌즈(105)를 통과하게 된다.
제2 렌즈(104a, 104b)를 통과할 때 광선이 제2 렌즈(104a, 104b)의 광축에서 떨어진 광선의 높이에 따라 광선의 각도가 달라지는데 제2 렌즈(104a)의 광축에서 가장 높은 위치를 통과하는 광선(110a)과 제2 렌즈(104b)의 광축에서 가장 높은 위치를 통과하는 광선(110b)은 수평 축에 대해 동일한 각도를 가지게 된다.
두 광선(110a, 110b)은 평행광을 형성하면서 제3 렌즈(105)에 들어가므로, 제3 렌즈(105)의 초점 평면 상에서 동일한 점에 모이게 된다. 도 2에서는 두 광선이 하나의 광 검출기(120d)에 모이게 된다.
마찬가지로, 상대적으로 동일 위치의 광선인 제2 렌즈(104a)를 통과하는 광선(111a)과 2 렌즈(104b)를 통과하는 광선(111b)은 제3 렌즈(105)를 통과한 후 하나의 광 검출기(120c)에 모이게 된다.
또한, 제2 렌즈(104a)를 통과하는 광선(112a)과 2 렌즈(104b)를 통과하는 광선(112b)은 제3 렌즈(105)를 통과한 후 하나의 광 검출기(120b)에 모이고, 제2 렌즈(104a)를 통과하는 광선(113a)과 2 렌즈(104b)를 통과하는 광선(113b)은 제3 렌즈(105)를 통과한 후 하나의 광 검출기(120a)에 모이게 된다.
광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)는 보통 포토다이오드(photo-diode)와 같은 광 반도체 소자로 구성할 수 있다. 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)에 흐르는 전류는 결국 각 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)에 도착한 빛의 세기의 합인 , 에 비례하는 값을 가지게 된다.
도 3에 광 컴퓨터 입출력과 신경망을 비교한 도면을 보이고 있다. 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)은 각각 대응하는 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)에서 얻어진 전류 값 또는 그 증폭된 값과 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)에 각각 저장된 바이어스 값(b3, b2, b1, b0)를 더한 뒤, 그 값을 입력으로 해서 시그모이드 함수 б를 계산한 뒤, 신경망 출력 값을 얻어낸다.
일 실시예에서, 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)의 각 출력값은 연결된 제2 광원(122a, 122b, 122c, 122d)으로 각각 전달될 수 있다. 따라서, 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)의 출력 값은 각각 , , , 과 비례하게 조정될 수 있다.
각 전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)은 시그모이드 함수 이외에도 RELU 함수와 같은 다른 활성화 함수도 사용할 수 있다.
전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)은 함수 연산 이외에도 결과 값이나 외부 입력 값을 저장하여 연산에 사용할 수 있다. 이러한 메모리 기능은 다음 순차(sequence)에서의 계산 값과 저장된 값을 비교하거나 저장된 값을 이용한 함수 계산에 사용함으로써 다양한 계산을 수행할 수 있게 한다.
전자 프로세싱 유닛은 통신 기능이 있어 연결된 통신 선을 통해 주변의 전자 프로세싱 유닛이나 외부 프로세서와 데이터를 교환할 수 있다.
제2 광원(122a, 122b, 122c, 122d)은 신경망의 a0 (l)에 해당하며 다음 층의 입력 값으로 쓰인다. 제1 광원(101a, 101b)에서 출발한 다른 방향의 광선들도 마찬가지로 제2 기판(130)에 위치한 다른 광 검출기들에 모이고 전자 프로세싱 유닛을 통해 다음 층의 입력 값으로 연결된다.
전자 프로세싱 유닛(121a, 121b, 121c, 121d)은 반도체 기판에 형성된 전자 집적 회로로서 아날로그 회로나 디지털 회로를 통해 구현할 수 있다.
본 실시예에서 사용된 렌즈들은 굴절 렌즈나 회절 광소자를 사용하여 구현할 수 있다.
제1 광원(101a, 101b)과 이에 각각 대응하는 제1 렌즈(102a, 102b)는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈(102a, 102b)의 초점 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 공간광변조기(103a, 103b)와 이에 각각 대응하는 제2 렌즈(104a, 104b)는, 오차 20% 이내에서 제2 렌즈(104a, 104b)의 초점 거리만큼 이격되어 형성되고, 각 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)는 오차 40% 이내에서 제3 렌즈(105)의 초점 거리만큼 제3 렌즈(105)로부터 이격되어 형성될 수 있다.
특히, 공간광변조기(103a, 103b)는 제2 렌즈(104a, 104b)에서 제2 렌즈(104a, 104b)의 초점 거리만큼 떨어져 있고, 렌즈(105)가 광 검출기(120)와 제3 렌즈(105)의 초점 거리만큼 떨어져 있게 되면, 공간광변조기(103a, 103b)의 상이 광 검출기에 생기므로 교차 잡음(cross-talk)을 줄일 수 있다.
그러나, 공간광변조기(103a, 103b)와 제2 렌즈(104a, 104b) 사이의 거리는 정확히 초점 거리가 아니라 약간 벗어나더라도, 제3 렌즈(105)와 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d) 사이의 거리를 조절해서 공간광변조기(103a, 103b) 픽셀의 상이 광 검출기(120a, 120b, 120c, 120d)에 맺히게 할 수 있으므로 어느 정도 공차(tolerance)를 가질 수 있다.
마찬가지로, 제1 광원(101a, 101b)과 이에 각각 대응하는 제1 렌즈(102a, 102b) 사이의 거리도 초점 거리에서 약간 벗어나도 다른 렌즈나 소자 사이의 거리를 조정하여 성능을 유지할 수 있다.
예를 들어, 다수의 광원에 해당하는 다수의 제1 렌즈(102a, 102b)들은 하나의 기판에 형성할 수 있으며, 다수의 공간광변조기(103a, 103b)도 하나의 기판에 형성할 수 있으며, 다수의 제2 렌즈(104a, 104b)들도 하나의 기판에 형성할 수 있다. 이러한 구조는 전체 시스템의 부피나 광 정렬(optical alignment)을 용이하게 할 수 있다.
도 4는 도 2에서 구현한 광전자 모듈을 연속하여(cascade) 적용한 예 이다.
도 4를 참조하면, 제1 광 계산층(201)은 반복되어 제2 광 계산층(202)에 나타나며 임의의 개수 신경망 층을 구현할 수 있다. 앞 선 층에서 출력 값은 뒤에 나오는 층의 입력과 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
본 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈(30)은, 도 2의 광전자 모듈(10)과 광 검출기의 구성을 제외하고 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 2의 광전자 모듈(10)과 동일한 구성요소에 대한 반복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 광전자 모듈(30)은 복수의 제1 광 검출기(321a, 321b) 및 복수의 제2 광 검출기(323a, 323b)를 포함한다. 또한, 복수의 전자 프로세싱 유닛(322a, 322b)과 이에 각 대응하는 제2 광원(324a, 324b)을 더 포함할 수 있다.
제1 광 검출기(321a)와 제2 광 검출기(323a)의 출력 값은 전자 프로세싱 유닛(322a)에 연결되고, 제2 광 검출기(321b)와 제2 광 검출기(323b)의 출력 값은 전자 프로세싱 유닛(322b)에 연결될 수 있다.
본 실시예의 구조는 두 개의 광 검출기의 값을 사용하여 다양한 연산을 수행할 수 있는 장점을 제공한다. 가장 쉬운 예는 뺄셈이다. 예를 들어, 를 계산하는 경우를 가정한다.
빛을 사용하여 뺄셈을 하는 것은 상쇄 간섭과 같은 원리를 사용하여 가능하지만 경로차를 조절해야 하는 등 광 컴퓨팅 회로의 복잡도가 증가하게 된다. 빛의 세기만을 검출하는 광 검출기에 두 광선이 들어올 경우, 뺄셈은 쉽지 않다.
따라서, 본 실시예에서는 (+) 항에 해당하는 빛은 제2 광 검출기(323a, 323b)에 모으고, (-) 항에 해당하는 빛은 제1 광 검출기(321a, 321b)에 모아 이 두 결과를 뺄셈하여 계산한다.
도 3에 있는 표현을 사용하여 , , , 를 대입하여 계산하면, 두 검출기(323b, 321b)의 출력은 각각 , 이며, 전자 프로세싱 유닛(322b)에서 뺄셈을 한 결과는 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
전자 프로세싱 유닛(322b)은 뺄셈과 함께 바이어스와 시그모이드 함수까지 함께 계산한다면 를 얻어 낼 수 있다.
수학식 1과 같이 임의의 개수 항이 있을 경우에도, (+) 항에 해당하는 광선들은 가중치를 원래 모델 값으로 세팅하고, (-) 항에 해당하는 광선들은 가중치를 0으로 세팅하게 되면, (+) 항에 해당하는 광선들만 광 검출기(323b)에 모아서 합산할 수 있다.
마찬가지로, (-) 항에 해당하는 광선들은 모아서 광 검출기(321b)로 보내어 합산할 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로 음수의 가중치를 포함하는 일반적 신경망 관련 연산을 수행할 수 있다.
각 전자 프로세싱 유닛(322a, 322b)은 주변의 광 검출기 두 개뿐 아니라 인접해 있는 다수의 광 검출기의 출력을 입력으로 사용할 수 있으며 뺄셈 이외의 다양한 함수를 전자회로를 통해 구현할 수 있다.
실제로 뺄셈이나 시그모이드 함수 연산은 아날로그 또는 디지털 전자회로를 사용해 구현이 가능하다. 본 실시예에서는 다수 광 검출기와 전자 프로세싱 유닛 사이의 연결이 설명 되어 있지만 다수의 전자 프로세싱 유닛 사이의 연결도 동일한 효과를 구현할 수 있다.
각 전자 프로세싱 유닛(322a, 322b)은 이 밖에도 바이어스 값을 저장할 수 있으며, 광 검출기에서 입력되는 전류를 증폭하거나, 연산 결과를 제2 광원의 입력으로 보낼 때 결과에 비례하는 전류 값으로 변환하는 역할도 수행할 수 있다.
도 6은 도 5에서 구현한 광전자 모듈을 연속하여(cascade) 연결한 모습으로 임의 개수의 신경망 층(401, 402)을 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈의 개념도이다.
본 실시예에 따른 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈(50)은, 도 2의 광전자 모듈(10) 및 도 5의 광전자 모듈(30) 구조에서 공간광변조기 다음 단에 두 단계의 렌즈를 사용한 것에 반해 한 단계의 렌즈(504a, 504b, 504c)를 사용한다. 본 실시예에서는 한 단계의 렌즈(504a, 504b, 504c)를 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)로 칭한다.
제4 렌즈(504a, 504b, 504c)는 대응하는 각 공간광변조기(503a, 503b, 503c)의 픽셀을 통과한 광선 다발을 각기 다른 방향으로 보내고, 제2 기판(520)에서 광 검출기(521a, 521b, 521c) 표면에 작은 스폿(spot)을 형성하게 한다.
또한, 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)는 복수의 제1 광원(501a, 501b, 501c)에서 조사되고 상대적인 위치가 다른 픽셀을 통과한 일부 광선을 하나의 검출기에 모으는 역할을 한다.
이 때, 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)는 대응하는 공간광변조기(503a, 503b, 503c)에 있는 픽셀의 상을 광 검출기(521a, 521b, 521c) 표면에 맺는 위치에 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 각 제1 광원(501a, 501b, 501c) 및 이와 각각 대응하는 제1 렌즈(502a, 502b, 502c)는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈(502a, 502b, 502c)의 초점 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.
이에 따라, 각 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)는, 오차 20% 이내에서 각 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)와 대응하는 공간광변조기(503a, 503b, 503c)의 픽셀의 상을 광 검출기(521a, 521b, 521c) 표면에 맺히게 할 수 있다.
예를 들어, 제4 렌즈(504a, 504b, 504c)는 프리즘과 구면 렌즈를 결합한 렌즈 또는 회절 광소자(Diffractive optical element)를 사용해 구현할 수 있다.
도 7의 경우 광 검출기(521a, 521b, 521c)의 경우 세 개의 제1 광원(501a, 501b, 501c)에서 나온 빛이 공간광변조기(503a, 503b, 503c)에서 각각 가중치와 곱해진 다음 광 검출기(521a, 521b, 521c)에서 더해지는 구조를 가지고 있다.
이러한 방식으로 얻어진 광 전류는 전자 프로세싱 유닛(522a, 522b, 522c)에서 바이어스와 시그모이드 함수를 계산하고, 주변에 있는 전자 프로세싱 유닛(522a, 522b, 522c)과 연결되어 다양한 연산을 수행한 후 출력 값을 다음 층 광원(523a, 523b, 523c)으로 보낸다.
본 발명은 순수 전자회로 대신 광 연결을 사용한 광 컴퓨터 구조를 구현함으로써 입력과 출력 단자의 개수가 각각 N과 M으로 늘어나도 전기회로와 같이 연결선의 물리적 구조가 복잡해지거나 잡음이 생기지 않고 대략 N M 번의 곱셈과 덧셈을 한 번에 수행함으로써 계산 속도를 빠르게 하는 광 컴퓨터 구조 및 기술을 제공한다.
공간광변조기의 픽셀 값이 이미 정해진 경우, 광원에서 광 검출기에 이르는 광 경로들이 겹쳐짐에도 불구하고 서로 다른 경로의 광자들을 방해하지 않기 때문에 병렬 계산이 가능하고 빛의 속도로 광 검출기에 도착하기 때문에 계산 시간은 매우 짧아지게 된다.
또한, 계산에 있어서 시간 지연은 전자 프로세싱 유닛에서 일어나지만 모든 출력에서 병렬로 진행되므로 디지털 전자회로의 1 명령사이클(instruction cycle)에 해당한다고 볼 수 있다. L 개의 다층 신경망을 구성할 경우에, 모든 층에서 계산이 동시에 수행되므로 실제 계산 속도는 N M L 배 증가하게 된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 광원에서 광 검출기에 이르는 빛의 경로가 중첩되어도 잡음을 일으키지 않기 때문에 입력과 출력 단자의 개수가 늘어나도 전기회로와 같이 물리적 연결이 복잡해지지 않고, 디지털 전자회로와 다르게 중요 부분 계산이 병렬로 작동하므로 계산 속도를 매우 빠르게 하는 광전자 모듈을 제공한다. 따라서, 광 컴퓨터에 적용되어 초소형, 초고속의 연산이 가능하며, 종래의 소자로는 어려웠던 패턴인식, 문장의 의미파악 분야에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
10, 30, 50: 광전자 모듈
100, 300, 500: 제1 기판
101a, 101b, 301a, 301b, 501a, 501b, 501c: 제1 광원
110a, 111a, 112a, 113a, 110b, 111b, 112b, 113b: 광선
310a, 311a, 312a, 313a, 310b, 311b, 312b, 313b: 광선
510a, 511a, 512a, 510b, 511b, 512b, 510c, 511c, 512c: 광선
102a, 102b, 302a, 302b, 502a, 502b, 502c: 제1 렌즈
103a, 103b, 303a, 303b, 503a, 503b, 503c: 공간광변조기
104a, 104b, 304a, 304b: 제2 렌즈
105, 305: 제3 렌즈
504a, 504b, 504c: 제4 렌즈
130, 320, 520: 제2 기판
120a, 120b, 120c, 120d, 521a, 521b, 521c: 광 검출기
321a, 321b: 제1 광 검출기
323a, 323b: 제2 광 검출기
121a, 121b, 121c, 121d, 322a, 322b: 전자 프로세싱 유닛
522a, 522b, 522c: 전자 프로세싱 유닛
122a, 122b, 122c, 122d, 324a, 324b, 523a, 523b, 523c: 제2 광원
201, 401: 제1 광 계산층
202, 402: 제2 광 계산층

Claims (17)

  1. 서로 일정 거리 이격되어 형성되는 복수의 제1 광원;
    복수의 제1 광원에 각각 대응하여 형성되고, 대응하는 제1 광원에서 조사된 광선의 발산각(divergence angle)을 감소시키는 복수의 제1 렌즈;
    복수의 제1 렌즈에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈를 통과한 광선의 세기를 조절하는 복수의 공간광변조기;
    복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 빛의 세기에 따른 전류 값을 획득하는 복수의 광 검출기; 및
    복수의 공간광변조기와 복수의 광 검출기 사이에 형성되어, 각 공간광변조기의 동일한 상대 위치에 있는 픽셀을 통과하는 서로 다른 제1 광원에서 조사된 광선을 하나의 광 검출기로 모으는 렌즈부;를 포함하고,
    렌즈부는,
    복수의 공간광변조기에 각각 대응하여 형성되어 광선을 한점에 모으는 복수의 제2 렌즈; 및
    복수의 제2 렌즈를 통과한 모든 광선을 통과시키는 제3 렌즈;를 포함하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    각 제1 광원 및 각 제1 광원과 대응하는 제1 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    각 공간광변조기 및 각 공간광변조기와 대응하는 제2 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제2 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성되고,
    각 광 검출기는 오차 40% 이내에서 제3 렌즈의 초점 거리만큼 제3 렌즈로부터 이격되어 형성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  5. 서로 일정 거리 이격되어 형성되는 복수의 제1 광원;
    복수의 제1 광원에 각각 대응하여 형성되고, 대응하는 제1 광원에서 조사된 광선의 발산각(divergence angle)을 감소시키는 복수의 제1 렌즈;
    복수의 제1 렌즈에 각각 대응하여 형성되고, 미리 설정된 가중치를 갖는 각각의 픽셀들을 통해 대응하는 제1 렌즈를 통과한 광선의 세기를 조절하는 복수의 공간광변조기;
    복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 빛의 세기에 따른 전류 값을 획득하는 복수의 광 검출기; 및
    복수의 공간광변조기와 복수의 광 검출기 사이에서 각 공간광변조기에 대응하여 형성되어, 서로 다른 위치의 픽셀을 통과한 광선을 서로 다른 방향으로 보내며, 각 제1 광원과 각 제1 광원에 대응하는 공간광변조기를 통과한 모든 광선을 통과시키고, 복수의 제1 광원에서 조사되고 상대적인 위치가 다른 픽셀을 통과한 일부 광선을 하나의 검출기에 모으는 복수의 제2 렌즈;를 포함하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    각 제1 광원 및 각 제1 광원과 대응하는 제1 렌즈는, 오차 20% 이내에서 제1 렌즈의 초점 거리만큼 이격되어 형성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    각 제2 렌즈는, 오차 20% 이내에서 각 제2 렌즈와 대응하는 공간광변조기의 픽셀의 상을 광 검출기 표면에 맺는 위치에 형성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    복수의 제2 렌즈는, 회전 비대칭 굴절 렌즈, 굴절 렌즈와 프리즘을 복합한 렌즈 및 회절 광소자 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  9. 제1항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각 광 검출기의 신호를 기초로 함수 연산을 수행하여 출력하는 복수의 전자 프로세싱 유닛;을 더 포함하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 각 전자 프로세싱 유닛은,
    출력 신호를 연결된 제2 광원의 입력전류로 전환하여 전달하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 각 전자 프로세싱 유닛은,
    바이어스 값을 저장, 광 검출기에서 입력되는 전류를 증폭, 함수 연산, 연산 결과를 제2 광원의 입력으로 보낼 때 결과에 비례하는 전류 값으로 변환, 메모리, 데이터 통신 기능 중 적어도 하나를 수행하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    복수의 광 검출기, 복수의 전자 프로세싱 유닛 및 제2 광원은 하나의 기판에 형성되는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  13. 제1항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    광전자 모듈이 연속된 캐스케이드(cascade) 구조를 형성하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  14. 제1항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 복수의 광 검출기는,
    복수의 공간광변조기로부터 이격되어 형성되며, 렌즈부를 통과하는 일부의 광선에 대한 전류 값을 획득하는 복수의 제1 광 검출기; 및
    복수의 제1 광 검출기와 동일한 기판에 형성되고, 렌즈부를 통과하는 나머지의 광선 중 일부 광선에 대한 전류 값을 획득하는 복수의 제2 광 검출기;를 포함하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    제1 광 검출기와 제2 광 검출기와 연결되어 제1 광 검출기와 제2 광 검출기의 출력 값을 함수 연산하여 출력하는 복수의 전자 프로세싱 유닛;을 더 포함하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  16. 제15항에 있어서, 전자 프로세싱 유닛은,
    제1 광 검출기와 제2 광 검출기의 출력 값을 뺄셈 연산하여 출력하는, 공간광변조기를 이용한 광전자 모듈.
  17. 제1항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 광전자 모듈을 포함하는, 광 컴퓨터.
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