WO2023233669A1 - 光演算装置、及び光演算方法 - Google Patents

光演算装置、及び光演算方法 Download PDF

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optical
phase
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light
input light
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Inventor
順子 高橋
浩司 千田
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices

Definitions

  • the present invention relates to a method of implementing a memory using an optical circuit used in optical communication and optical computing infrastructure, and an arithmetic technique using the same.
  • Optical operation elements for performing operations using optical circuits include ⁇ gates and Mach-Zehnder interference type optical switches (MZI optical switches).
  • MZI optical switches are used for arithmetic operations that refer to tables (cipher nonlinear arithmetic operations (S-box arithmetic operations)) by selecting and outputting an arbitrary optical signal from a plurality of optical signals.
  • S-box arithmetic operations cipher nonlinear arithmetic operations
  • This kind of operation is similar to memory implementation because it is possible to select a specific value from a certain memory value.
  • Non-Patent Document 1 a path of an MZI optical switch is selected from a 256-way optical input group made up of a table based on an input value of an electrical signal, and finally one value (1 bit) is selected.
  • a method is shown in which one bit of the table is calculated by selecting .
  • the S-box which is a nonlinear operation unit of the Advanced Encryption Standard (AES) cryptographic operation, can be operated.
  • AES Advanced Encryption Standard
  • Cryptographic circuit technology composed of optical logic gates, Junko Takahashi, Koji Senda, Kimihiro Yamakoshi, Shota Kita, Akihiko Shinie, NTT Technology Journal 2021.11, pp.59-63.
  • the light may travel straight (through) or cross (cross), and the phase of the input light and output light may vary depending on the position of the MZI phase shifter. It may change. Furthermore, when performing calculations using multiple MZI optical switches, the phase of the output result may change depending on the input value (control electrical signal) of the MZI optical switch due to the influence of phase changes caused by the multiple MZI optical switches. There is.
  • Non-Patent Document 1 In the conventional technology such as Non-Patent Document 1, it is not considered that the phase of light changes after passing through the MZI optical switch, and the phase of the output light changes depending on the input value (control electric signal). Therefore, when a bit is expressed by the magnitude of the amplitude of an optical signal or the phase difference between two signals, and when the output result selected from memory is used as the input for the next calculation, the phase of the output light is converted to the input light by photoelectric conversion processing. There was a problem that it was necessary to align the input light and the output light (the phase difference between the input light and the output light should be 0).
  • Non-Patent Document 1 when calculating MixColumns, which is a linear operation of AES, the bit is determined based on the magnitude of the light amplitude (or the light intensity (proportional to the square of the amplitude)) (the bit is).
  • the bit is assumed that there is no phase difference between the input lights for calculation, there is a problem that if the phase changes depending on the input value, the calculation result will also change. Ta.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a technique for eliminating the phase difference between input light and output light in an optical arithmetic device.
  • a plurality of stages having one or more Mach-Zehnder interferometric optical switches are provided; Provided by an optical calculation device that inputs input light whose phase has been changed by a predetermined phase amount according to the position of the input light in the input stage where the light is input, and propagates the input light according to a control electric signal. be done.
  • a technology for eliminating the phase difference between input light and output light in an optical processing device is provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of an optical calculation system.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an MZI optical switch.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a phase shift in an MZI optical switch.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an MZI optical switch.
  • 2 is a diagram showing a configuration example of a light output device 200.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a control device 300.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration including a plurality of optical processing devices 100.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration including a plurality of optical processing devices 100.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical processing device 100 in Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the amount of change in the phase of input light in advance in Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an optical processing device 100 in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing the amount of change in the phase of input light in advance in Example 2.
  • the optical processing device calculates in advance the amount of change in the phase of the output result (phase difference) according to the path through which the light passes, depending on the input value (control electrical signal) to the MZI optical switch.
  • the optical processing device calculates and setting the phase of the input light by taking into account the amount of change in the phase difference, it is possible to set the phase difference between the input and output light to 0 for any input value of the MZI optical switch. be.
  • the technology according to the present embodiment is applicable to general-purpose memory operations that can extract and read arbitrary values by, for example, referencing a table.
  • FIG. 1 shows an example of the overall configuration of an optical calculation system in this embodiment. As shown in FIG. 1, this optical calculation system includes an optical calculation device 100, a light output device 200, and a control device 300.
  • the optical calculation device 100 and the optical output device 200 are connected by a waveguide or an optical fiber.
  • the control device 300 and the optical arithmetic device 100 are connected by a wire or a network that can transmit electrical signals. Further, the control device 300 and the optical output device 200 may be connected via a network or the like.
  • the optical output device 200 inputs an optical signal to the optical processing device 100.
  • the control device 300 inputs an electrical signal for control to the optical calculation device 100.
  • the control device 300 can be realized by a general computer including a CPU and a memory.
  • the optical processing device 100 includes multiple stages of MZI optical switches.
  • the connection configuration of the MZI optical switch will be explained in Examples.
  • FIG. 2 shows a configuration example of one MZI optical switch.
  • the MZI optical switch has two optical couplers and one phase shifter.
  • the phase shifter is provided on one of the two paths (arms) connecting the two optical couplers.
  • the phase shifter is provided in the lower path of the two paths.
  • the MZI optical switch it is possible to switch the path of input light by turning on/off a voltage (control electric signal) applied to the path in which the phase shifter is embedded. At this time, the control electrical signal is set to "1" when the voltage is on, and the control electrical signal is set to "0" when the voltage is off.
  • FIG. 5 shows a configuration example of the light output device 200.
  • the optical output device 200 includes a phase amount setting section 210, a light source 220, and a phase adjustment section 230 (eg, a phase modulator).
  • the number of light sources 220 may be equal to the number of lights input to the optical processing device 100, or the light from one light source 210 may be divided by the number of lights input to the optical processing device 100.
  • phase adjustment sections 230 equal to the number of input lights to the optical processing device 100 may be provided, or one phase adjustment section 230 may be provided for a plurality of input lights, and one phase adjustment section 230 may be provided for a plurality of input lights. It is also possible to adjust the phase of the light.
  • the phase amount setting section 210 holds the phase amount to be changed with respect to the input light for each input position to the optical calculation device 100, and notifies the phase adjustment section 230 of the phase amount.
  • the phase adjustment section 230 changes the phase amount of the input light for each input light based on the phase amount, and outputs the optical signal after the phase amount change to the optical calculation device 100.
  • the phase amount setting section 210 in the light output device 200 may be provided in the control device 300.
  • the control device 300 includes a phase amount setting section 210 and an optical arithmetic unit control section 310.
  • the optical processing device control section 310 outputs a control electrical signal to the optical processing device 100.
  • the phase amount setting unit 210 notifies the optical output device 200 of the phase amount to be changed for each input light.
  • a device having "the optical calculation device 100 and the optical output device 200" may be called an optical calculation device.
  • a device having "the optical calculation device 100 and the phase amount setting section 210" may be called an optical calculation device.
  • a device including "the optical calculation device 100 and the phase adjustment section 230" may be called an optical calculation device.
  • the phase amount setting section 210 in the light output device 200/control device 300 can be realized, for example, by causing a computer having a CPU and memory to execute a program.
  • the program may be stored in a non-transitory storage medium such as a portable memory.
  • the optical computing system may be configured to include a plurality of optical computing devices 100 in parallel. Further, as shown in FIG. 8, the optical computing system may be configured such that a plurality of stages each including a plurality of optical computing devices 100 in parallel are connected in series.
  • Table conversion means that output values corresponding to input values are set in the form of a table, and that output values corresponding to the input values are obtained from the table.
  • the n-bit table conversion means when any one of 2 n input values is specified, to obtain an output value for the specified input value.
  • Example 1 In the first embodiment, the MZI optical switch described with reference to FIG. 2 in which the phase shifter is located on the lower side of the arm is used. Furthermore, in the first embodiment, the upper arm of the output path of each MZI optical switch included in the optical processing device 100 is connected to the input path of the next MZI optical switch.
  • FIG. 9 shows the configuration of the optical processing device 100 in Example 1. As shown in FIG. 9, by connecting MZI optical switches in four stages, a 4-bit table conversion operation is executed.
  • the optical path is selected by the table conversion input value (control electrical signal) ⁇ (x 3 , x 2 , x 1 , x 0 ) ⁇ , and only one of the 24 input lights is selected. It is selected and output (here, x 0 is the least significant bit).
  • an A stage, a B stage, a C stage, and a D stage are provided corresponding to each of the 4 bits serving as an input value for table conversion.
  • the A stage corresponds to x 0
  • the B stage corresponds to x 1
  • the C stage to x 2
  • the D stage to x 3 .
  • the A stage is equipped with eight MZI optical switches, and input light is input to each of the two input paths of each MZI optical switch.
  • the upper arm on the output side of each MZI optical switch in stage A is connected to the arm on the input side (input path) in stage B.
  • the upper arm of the output side of the MZI optical switch of stage A is connected in order from the top to the upper arm of the input side of stage B, the lower arm, and so on. The same applies to the connection between the B stage and the C stage, and the connection between the C stage and the D stage.
  • the phase of the output light changes depending on the path through which the input light passes. For example, when the phase of the input light is ⁇ , the phase of the output light does not change (remains ⁇ ) with respect to the top input light (FIG. 9 (first)).
  • the phase of the output light is changed to ⁇ regardless of which input light is output. Leave it alone. Note that it is assumed here that the phase of each input light beam before change is ⁇ .
  • the phase of the output light shifts by ( ⁇ /2) ⁇ (4-HW(X)), so the phase of the input light is shifted by 2 ⁇ -(( ⁇ /2) ⁇ (4-HW(X))) Shift and set.
  • n-bit table conversion that is, when outputting one input light from 2n input lights, the phase of the output input light is 2 ⁇ -(( ⁇ /2) ⁇ (n-HW( All you have to do is shift it by X))).
  • an MZI optical switch may be used to allocate bits "1" and "0" from one light source, but in that case, it is necessary to consider the phase shift of the bit allocation due to the MZI optical switch. .
  • the phase setting section 210 holds information in the table shown in FIG.
  • the amount of phase to be changed is notified.
  • the phase adjustment unit 230 outputs the input light whose phase has been changed by the notified phase amount to the corresponding input position in the optical calculation device 100.
  • Example 1 the phase shifter is located on the lower path in the MZI optical switch, and the upper path on the output side of each MZI optical switch is connected to the next stage, but this is just an example.
  • the input light number and phase amount in Figure 10 will be upside down.
  • the amount of phase to be changed is 0, when the number is 2, the amount of phase to be changed is ⁇ /2, and when the number is 3, the amount of phase to be changed is ⁇ /2.
  • the amount of phase to be changed is ⁇ , and when the number of input light is 15, the amount of phase to be changed is 3 ⁇ /2.
  • Example 2 Next, Example 2 will be explained. Below, differences from Example 1 will be mainly explained.
  • the MZI optical switch shown in FIG. 4 in which the phase shifter is located on the upper side of the arm is used.
  • FIG. 11 shows the configuration of the optical processing device 100 in Example 2.
  • the lower arm on the output side of the MZI optical switch is connected to the upper arm on the input side of the MZI optical switch in the next stage.
  • the upper arm on the output side of the MZI optical switch below it is connected to the lower arm on the input side of the MZI optical switch in the next stage.
  • Such a connection configuration is repeated for the two MZI optical switches in each stage in order from the top.
  • FIG. 12 shows the amount of change in the phase of input light in advance according to the Hamming weight in the configuration shown in FIG.
  • the above implementation method can be applied to S-box operation, which is a nonlinear operation in cryptography.
  • S-box operation which is a nonlinear operation in cryptography.
  • the phase of the optical signal after the S-box calculation does not change, so that subsequent calculations can be performed correctly.
  • the technology according to the present embodiment can eliminate the phase difference between input and output light, it is possible to correctly perform calculations after selecting an arbitrary value from memory or after S-box calculation in cryptographic calculations. is possible. Furthermore, since photoelectric conversion processing is not required after calculation, calculation delay and power consumption can be reduced.
  • the present specification discloses at least the following optical calculation device and optical calculation method.
  • (Additional note 1) a plurality of stages having one or more Mach-Zehnder interferometric optical switches; An optical calculation device that inputs input light whose phase has been changed by a predetermined phase amount according to the position of the input light in an input stage that inputs the light, and propagates the input light according to a control electric signal.
  • (Additional note 2) The optical processing device according to Supplementary Note 1, wherein the phase is changed in advance so that a phase difference between the input light and the output light from the optical processing device becomes 0.
  • the optical arithmetic device has a plurality of stages corresponding to a plurality of bits constituting the control electric signal, According to Supplementary Note 1 or 2, the plurality of stages are connected such that one input light among the plurality of input lights in the input stage is selected and output as output light according to the control electric signal.
  • the optical computing device described. The optical arithmetic device according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, further comprising a phase adjustment section that changes the phase of input light by a predetermined phase amount.
  • An optical calculation method performed by an optical calculation device comprising a plurality of stages each having one or more Mach-Zehnder interferometric optical switches, the method comprising: An optical calculation method that inputs input light whose phase has been changed by a predetermined phase amount according to the position of the input light in an input stage where the light is input, and propagates the input light according to a control electric signal.

Abstract

光演算装置において、１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備え、光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる。

Description

光演算装置、及び光演算方法
　本発明は、光通信および光コンピューティング基盤等で利用する光回路を用いたメモリの実装方法、それを用いた演算技術に関連するものである。
　近年、ナノフォトニクス技術の発展によって小型の光回路を実装することが可能になり、光回路の実装や演算手法の技術が進展している。光回路による演算を行うための光演算素子として、Ψゲートやマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチ（ＭＺＩ光スイッチ）がある。
　従来の光演算回路においてＭＺＩ光スイッチは、複数の光信号から任意の光信号を選択し出力することにより、テーブルを参照する演算（暗号の非線形演算（Ｓ－ｂｏｘ演算））に用いられている（非特許文献１）。このような演算はあるメモリ値から特定の値を選出するといったことが可能であるため、メモリの実装と同様な演算である。
　非特許文献１に開示された技術では、テーブルから構成される２５６通りの光の入力群から、電気信号による入力値によってＭＺＩ光スイッチの経路が選択され、最終的に１つの値（１ビット）を選択することにより、テーブルの１ビットを算出する方法が示されている。この方法により、暗号演算Advanced Encryption Standard(AES)の非線形演算部であるＳ－ｂｏｘが演算可能である。
光論理ゲートで構成する暗号回路技術，高橋順子，千田浩司，山越公洋，北翔太，新家昭彦, NTT技術ジャーナル2021.11, pp.59-63.
　ＭＺＩ光スイッチを利用する際、光スイッチの性質により、光が直進（スルー）あるいは交差（クロス）して進むことや、ＭＺＩの位相シフタの位置に依存して、入力光と出力光の位相が変わる場合がある。更に、ＭＺＩ光スイッチを多段にして演算する場合、複数のＭＺＩ光スイッチによる位相の変化の影響で、ＭＺＩ光スイッチの入力値（制御用電気信号）に依存して、出力結果の位相が変わることがある。
　非特許文献１等の従来技術では、ＭＺＩ光スイッチを通過した後の光の位相が変わることが考慮されておらず、出力の光の位相が入力値（制御用電気信号）によって変わる。そのため、光信号の振幅の大きさや２つの信号の位相差によりビットを表現する場合で、メモリから選択した出力結果を次の演算の入力とする場合、光電変換処理により出力光の位相を入力光とそろえる（入力光と出力光の位相差を０とする）必要があるといった課題があった。
　例えば、非特許文献１では、ＡＥＳの線形演算であるMixColumnsを計算する際に光の振幅の大きさ（または光の強度（振幅の大きさの二乗に比例））によるビットの判定（ビットが「１」か「０」を判定）を行っているが、演算の入力光の位相差がないことを前提としているため、入力値に応じて位相が変わると演算結果も変わってしまうという課題があった。
　本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、光演算装置において、入力光と出力光との間の位相差をなくすための技術を提供することを目的とする。
　開示の技術によれば、１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備え、
　光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる
　光演算装置が提供される。
　開示の技術によれば、光演算装置において、入力光と出力光との間の位相差をなくすための技術が提供される。
光演算システムの全体構成例を示す図である。 ＭＺＩ光スイッチの例を示す図である。 ＭＺＩ光スイッチにおける位相のずれを説明するための図である。 ＭＺＩ光スイッチの例を示す図である。 光出力装置２００の構成例を示す図である。 制御装置３００の構成例を示す図である。 光演算装置１００を複数個有する構成を示す図である。 光演算装置１００を複数個有する構成を示す図である。 実施例１における光演算装置１００の構成を示す図である。 実施例１における入力光の位相の事前の変化量を示す図である。 実施例２における光演算装置１００の構成を示す図である。 実施例２における入力光の位相の事前の変化量を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
　（実施の形態の概要）
　本実施の形態では、光演算装置において、ＭＺＩ光スイッチへの入力値（制御用電気信号）に依存して、あらかじめ光が通過する経路に応じた出力結果の位相の変化量（位相差）を計算し、入力光の位相をその位相差の変化量を加味して設定しておくことにより、任意のＭＺＩ光スイッチの入力値に対して入出力光の位相差を０とすることが可能である。
　このことにより、ＭＺＩ光スイッチの出力結果の位相を光電変換等により変更する必要がなくなり、光電変換による遅延や消費電力を減らすことが可能である。本実施の形態に係る技術は、例えば、テーブル参照等により、任意の値を抽出し、値を読み出すことができる汎用的なメモリ演算に適用可能である。
　（システム構成例）
　図１に、本実施の形態における光演算システムの全体構成例を示す。図１に示すように、本光演算システムは、光演算装置１００、光出力装置２００、制御装置３００を備える。
　光演算装置１００と光出力装置２００との間は、導波路あるいは光ファイバにより接続される。制御装置３００と光演算装置１００との間は電気信号を伝送可能な有線あるいはネットワークで接続されている。また、制御装置３００と光出力装置２００との間をネットワーク等により接続してもよい。
　光出力装置２００は、光演算装置１００に対して光信号を入力する。制御装置３００は、光演算装置１００に対して制御用の電気信号を入力する。制御装置３００は、一般的な、ＣＰＵとメモリを備えるコンピュータで実現することが可能である。
　＜ＭＺＩ光スイッチについて＞
　光演算装置１００は、複数段のＭＺＩ光スイッチを備える。ＭＺＩ光スイッチの接続構成については実施例において説明する。図２に、１つのＭＺＩ光スイッチの構成例を示す。
　図２に示すように、ＭＺＩ光スイッチは、２つの光カプラと１つの位相シフタを有する。位相シフタは、２つの光カプラを接続する２つの経路（アーム）のうちの１つの経路に備えられる。図２の例では、位相シフタは、２つの経路のうちの下側の経路に備えられている。
　ＭＺＩ光スイッチにおいて、位相シフタが埋め込まれた経路へ加える電圧（制御用電気信号）のオン／オフで入力光の経路を切り替えることが可能である。この時、電圧オンを制御用電気信号が「１」、電圧オフを制御用電気信号が「０」とする。
　図３に示すように、例えば、上側の経路に光信号が入力される場合において、制御用電気信号＝１のときには、光信号は直進した経路（上側）から出力される。制御用電気信号＝０のときには、光信号は交差（クロス）した経路（下側）から出力される。
　入力光を下側の経路から入力する場合でも同様に、制御用電気信号＝１のときには、光信号は直進した経路から出力され、制御用電気信号＝０のときには、光信号は交差（クロス）した経路から出力される。
　また、図４に示すように、位相シフタが上側の経路に備えられる場合でも、上記と同様に、制御用電気信号＝１のときには、光信号は直進した経路から出力され、制御用電気信号＝０のときには、光信号は交差（クロス）した経路から出力される。
　入力された光が交差（クロス）する場合、位相シフタの位置や多段のＭＺＩ光スイッチの接続方法によらずに、出力光の位相が入力光の位相に対してπ／２ずれることが知られている（参考文献：「Christi K. Madsen, Jian H. Zhao, Optical Filter Design and Analysis: A Signal Processing Approach, Wiley, ISBN: 978-0-471-18373-0 June 1999 432 Pages.」）。図３の下側の例では、入力光の位相φがφ＋π／２になって出力されている（ここでは、光がπ／２だけ遅れるとする）。また、入力光の位相がφで、これが直進する場合、位相差は生じない。つまり、出力光の位相はφのままとなる。
　＜光出力装置２００について＞
　図５に、光出力装置２００の構成例を示す。図５に示すように、光出力装置２００は、位相量設定部２１０、光源２２０、位相調整部２３０（例：位相変調器）を有する。
　光源２２０は、光演算装置１００への入力光の数だけ備えてもよいし、１つの光源２１０からの光を光演算装置１００への入力光の数だけ分割してもよい。
　また、光演算装置１００への入力光の数だけ位相調整部２３０を備えてもよいし、複数の入力光に対して１つの位相調整部２３０を備え、１つの位相調整部２３０が複数の入力光に対する位相調整を行うこととしてもよい。
　位相量設定部２１０は、光演算装置１００への入力位置毎に、入力光に対して変化させる位相量を保持し、当該位相量を位相調整部２３０へ通知する。位相調整部２３０は、当該位相量に基づいて、入力光毎に、入力光の位相量を変化させ、位相量変化後の光信号を光演算装置１００へ出力する。
　なお、光出力装置２００における位相量設定部２１０を、制御装置３００に備えても良い。その場合の制御装置３００の構成例を図６に示す。図６に示すように、制御装置３００は、位相量設定部２１０と光演算装置制御部３１０を備える。光演算装置制御部３１０は、光演算装置１００に対して制御用電気信号を出力する。位相量設定部２１０は、入力光毎に変更すべき位相量を光出力装置２００に通知する。
　また、「光演算装置１００と光出力装置２００」を有する装置を光演算装置と呼んでもよい。「光演算装置１００と位相量設定部２１０」を有する装置を光演算装置と呼んでもよい。「光演算装置１００と位相調整部２３０」を有する装置を光演算装置と呼んでもよい。
　光出力装置２００／制御装置３００における位相量設定部２１０は、例えば、ＣＰＵとメモリを有するコンピュータに、プログラムを実行させることにより実現可能である。当該プログラムは、可搬メモリ等の非一時的記憶媒体に記憶してもよい。
　＜光演算装置１００の多段構成＞
　図７に示すように、光演算システムを、光演算装置１００を並列に複数個備えるように構成してもよい。また、図８に示すように、光演算システムを、光演算装置１００を並列に複数個備えた段を、複数個、直列に接続するように構成してもよい。
　以下、図１のシステム構成における光演算装置１００の構成及び動作の具体例として、実施例１と実施例２を説明する。実施例１と実施例２はいずれも、４ビットの入力に対して、２４（＝１６）個のビットから１つのビットを選択する、４ビットのテーブル変換の実施例を示している。
　テーブル変換とは、入力値に対応する出力値がテーブルの形で設定されていて、入力値に対応する出力値をテーブルから取得することである。ｎビットのテーブル変換とは、２ｎ通りの入力値のうちのいずれかの入力値を指定したときに、指定した入力値に対する出力値を取得することである。
　（実施例１）
　実施例１では、図２を参照して説明した、位相シフタがアームの下側にあるＭＺＩ光スイッチを用いる。また、実施例１では、光演算装置１００が備える各ＭＺＩ光スイッチの出力経路の上側のアームを次のＭＺＩ光スイッチの入力経路に接続する。
　図９に、実施例１における光演算装置１００の構成を示す。図９に示すように、ＭＺＩ光スイッチを４段接続させることにより、４ビットのテーブル変換の演算を実行する。
　すなわち、光の経路がテーブル変換の入力値（制御用電気信号）｛（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）｝によって選択され、２４通りの入力光のうち、１つの光だけが選択されて出力される（ここでは、ｘ０を最下位ビットとする）。
　図９に示すように、テーブル変換の入力値となる４ビットの各ビットに対応するＡ段、Ｂ段、Ｃ段、Ｄ段が備えられる。Ａ段は、ｘ０に対応し、Ｂ段は、ｘ１に対応し、Ｃ段は、ｘ２に対応し、Ｄ段は、ｘ３に対応する。
　Ａ段には８個のＭＺＩ光スイッチが備えられ、各ＭＺＩ光スイッチの２つの入力経路のそれぞれに入力光が入力される。１６個の入力光は、１６ビットの情報に対応し、例えば、入力光ありが、ビット値＝１を意味し、入力光なしが、ビット値＝０を意味する。
　Ａ段の各ＭＺＩ光スイッチにおける出力側の上側のアームが、Ｂ段の入力側のアーム（入力経路）に接続される。図９に示すとおり、Ａ段のＭＺＩ光スイッチにおける出力側の上側のアームは、上から順番に、Ｂ段の入力側の上側アーム、下側のアーム、，，，のように接続される。Ｂ段とＣ段の接続、Ｃ段とＤ段の接続も同様である。
　この時、２４通りの入力光に、対応するテーブルの値を設定しておくことにより、テーブルに沿った値を選択することが可能である。例えば、（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）＝（１，１，１，１）の時、図９の一番上の入力光「１」に相当する光が出力光となる。つまり、２４通りの値（制御用電気信号）のそれぞれに対応するビット値を入力光として設定しておくことで、２４通りの値（制御用電気信号）のうちの指定された値に対応するビット値を、出力光（の有無）として得ることができる。
　前述したとおり、ＭＺＩ光スイッチにおいて、光が直進する場合は、位相が変わらず、クロスする場合は位相がπ／２だけ変わる。すなわち、入力光が通過する経路によって、出力光の位相が変わる。例えば、入力光の位相がφの時、一番上の入力光（図９（１番目））に対して出力光の位相は変わらない（φのまま）である。
　一方、（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）＝（１，１，１，０）の時は上から２番目の入力光（図９（２番目））が出力されるが、その出力光の位相はφ＋π／２となる。これは、Ａ段のＭＺＩ光スイッチのみにおいて、光がクロスを通過するためである。
　そこで、本実施の形態に係る技術では、予め入力光の位相を、光演算装置１００への入力位置によってφから変更することにより、どの入力光が出力される場合でも、出力光の位相をφのままにすることを実現している。なお、ここでは、変更前の各入力光の位相はいずれもφであるとしている。
　具体的には、４ビットテーブル変換の場合は、出力光の位相が（π／２）×（４－ＨＷ（Ｘ））だけずれるため、入力光の位相を２π－（（π／２）×（４－ＨＷ（Ｘ）））ずらして設定する。ここで、ＨＷはハミング重みを示し、Ｘ＝（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）を示す。なお、ハミング重みとは、ビット列中の１の個数である。例えば、Ｘ＝（１，１，１，１）のとき、ＨＷ（Ｘ）＝４であり、（π／２）×（４－ＨＷ（Ｘ））＝０なので、入力光の位相はφ＋２π（=φ）とする。ｎビットのテーブル変換を行う場合、つまり、２ｎ通りの入力光から、１つの入力光を出力する場合、その出力する入力光の位相を２π－（（π／２）×（ｎ－ＨＷ（Ｘ）））だけずらしておけば良い。
　図１０に、４ビットのテーブル変換を行う場合における、ハミング重みに応じた入力光の位相の事前の変化量を示す。例えば、（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）＝（０，０，０，１）の時は、図１０の入力光の番号が１５の場合に対応する。この時、２π－（（π／２）×（４－ＨＷ（Ｘ）））＝２π－（３π／２）＝π／２となるので、入力光の位相をφ＋（π／２）とする。すなわち、入力光の位相をφのままで入力とした場合、入出力光の位相差はφ＋（３π／２）となるため、入力光の位相をφ＋（π／２）とすれば、出力光の位相は、「φ＋（３π／２）＋（π／２）＝φ＋２π＝φ」のとおり、φとなる。
　入力光の位相量をあらかじめ変える方法は、１６個の光源を用いて１つずつ位相を変化させても良いし、１つの光源から１６分割された光の位相を位相変調器により変更させても良い。また、ＭＺＩ光スイッチを利用して、１つの光源からのビット「１」、「０」の割り当てを行っても良いが、その場合はビット割り当てのＭＺＩ光スイッチによる位相シフトを考慮する必要がある。
　例えば、図５に示した光出力装置２００を使用する場合、位相設定部２１０が、図１０に示す表の情報を保持しておき、その表に従って、入力光毎に、位相調整部２３０に対して変化させる位相量を通知する。位相調整部２３０は、通知された位相量だけ位相を変化させた入力光を、光演算装置１００における該当の入力位置へ出力する。
　実施例１では、位相シフタがＭＺＩ光スイッチにおける下側の経路にあり、各ＭＺＩ光スイッチの出力側における上側の経路を次段に接続したが、これは一例である。
　位相シフタがＭＺＩ光スイッチにおける下側の経路にあり、各ＭＺＩ光スイッチの出力側における下側の経路を次段に接続する場合には、図１０の入力光の番号と位相量が上下逆になる。例えば、入力光の番号が１の時、変化させる位相量は０となり、番号が２の時、変化させる位相量がπ／２となり、番号が３の時、変化させる位相量がπ／２となる。また、入力光の番号が１４の時に変化させる位相量がπになり、入力光の番号が１５の時に、変化させる位相量が３π／２となる。
　（実施例２）
　次に、実施例２を説明する。以下では、実施例１と異なる点を主に説明する。実施例２では、図４に示した、位相シフタがアームの上側にあるＭＺＩ光スイッチを用いる。
　図１１に、実施例２における光演算装置１００の構成を示す。図１１に示すように、実施例２では、光演算装置１００における各段において、ＭＺＩ光スイッチの出力側の下側のアームを次の段のＭＺＩ光スイッチの入力側の上側のアームに接続し、その下のＭＺＩ光スイッチの出力側の上側のアームを次の段のＭＺＩ光スイッチの入力側の下側のアームに接続する。このような接続構成を各段の２つのＭＺＩ光スイッチについて、上から順に繰り返す。
　図１１に示す構成における、ハミング重みに応じた入力光の位相の事前の変化量を図１２に示す。図１２に示すように、実施例２では、制御用電気信号のハミング重みが奇数の場合、入力光の位相をφ＋（３π／２）ずらしておけば良い。例えば、（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）＝（１，１，１，１）の時（１１番目の入力光に対応）、入出力光の位相差は、０となるため、入力光の位相ずれは不要である。
　一方、（ｘ３，ｘ２，ｘ１，ｘ０）＝（１，１，１，０）の時（１２番目の入力光に対応）は、入出力光の位相差がπ／２となるため、入力光をφ＋（３π／２）だけずらしておく。入力光の位相量をあらかじめ変える方法については、実施例１と同じである。
　（実施例のまとめ、効果）
　以上より、位相シフタの位置や、複数のＭＺＩ光スイッチの接続の方法に関わらず、入力光の位相を変化させておくことにより、入出力光の位相差を０とする（入出力光の位相を同相とする）ことが可能である。各実施例では、４ビットのテーブル変換の場合を示したが、ｎビットのテーブル変換の場合でも同様の手法で演算可能である。
　また、上記実装方法は、暗号方式の非線形演算であるＳ－ｂｏｘ演算へ適用することが可能である。例えば、本実施の形態に係る技術により、暗号方式ＡＥＳの非線形演算である８ビットＳ－ｂｏｘや、暗号方式PRESENTの４ビットＳ－ｂｏｘの演算が可能である。このことにより、Ｓ－ｂｏｘ演算後の光信号の位相が変化しないため、後続の演算を正しく行うことが可能である。
　すなわち、本実施の形態に係る技術により、入出力光の位相差をなくすことができるため、メモリから任意の値を選択した後や、暗号演算のS-box演算の後の演算を正しく行うことが可能である。また、演算後に光電変換処理が不要になるため、演算遅延や消費電力を少なくすることが可能である。
　（付記）
　本明細書には、少なくとも下記各項の光演算装置、及び光演算方法が開示されている。
（付記項１）
　１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備え、
　光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる
　光演算装置。
（付記項２）
　前記入力光と、前記光演算装置からの出力光との位相差が０になるように、前記位相が予め変えられる
　付記項１に記載の光演算装置。
（付記項３）
　前記光演算装置は、前記制御用電気信号を構成する複数ビットに対応する複数の段を有し、
　前記制御用電気信号に従って、前記入力段における複数の入力光のうちの１つの入力光が選択されて、出力光として出力されるように、前記複数の段が接続される
　付記項１又は２に記載の光演算装置。
（付記項４）
　入力光の位相を予め定めた位相量だけ変える位相調整部を更に備える付記項１ないし３のうちいずれか１項に記載の光演算装置。
（付記項５）
　１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備える光演算装置が実行する光演算方法であって、
　光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる
　光演算方法。
　以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１００　光演算装置
２００　光出力装置
２１０　位相量設定部
２２０　光源
２３０　位相調整部
３００　制御装置
３１０　光演算装置制御部

Claims (5)

  1. 　１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備え、
    　光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる
    　光演算装置。
  2. 　前記入力光と、前記光演算装置からの出力光との位相差が０になるように、前記位相が予め変えられる
    　請求項１に記載の光演算装置。
  3. 　前記光演算装置は、前記制御用電気信号を構成する複数ビットに対応する複数の段を有し、
    　前記制御用電気信号に従って、前記入力段における複数の入力光のうちの１つの入力光が選択されて、出力光として出力されるように、前記複数の段が接続される
    　請求項１に記載の光演算装置。
  4. 　入力光の位相を予め定めた位相量だけ変える位相調整部を更に備える請求項１に記載の光演算装置。
  5. 　１つ又は複数のマッハ・ツェンダー干渉型光スイッチを有する段を複数個備える光演算装置が実行する光演算方法であって、
    　光を入力する入力段における入力光の位置に応じて、位相を予め定めた位相量だけ変えておいた入力光を入力し、制御用電気信号に従って、当該入力光を伝搬させる
    　光演算方法。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6151428A (en) * 1996-11-07 2000-11-21 California Institute Of Technology All-optical wavelength coded logic gates
JP2005181682A (ja) * 2003-12-19 2005-07-07 Nec Corp 全光スイッチおよび方法
JP2007279599A (ja) * 2006-04-11 2007-10-25 Japan Science & Technology Agency 光論理演算方法および光論理演算装置
WO2014203361A1 (ja) * 2013-06-19 2014-12-24 富士通株式会社 光論理回路
JP2018036455A (ja) * 2016-08-31 2018-03-08 日本電信電話株式会社 光論理回路
JP2019152848A (ja) * 2018-03-02 2019-09-12 日本電信電話株式会社 光演算器
JP2020106747A (ja) * 2018-12-28 2020-07-09 ウニヴェルシダッド ポリテクニカ デ バレンシア フォトニックチップ、フィールドプログラマブルフォトニックアレイおよびプログラマブル回路

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6151428A (en) * 1996-11-07 2000-11-21 California Institute Of Technology All-optical wavelength coded logic gates
JP2005181682A (ja) * 2003-12-19 2005-07-07 Nec Corp 全光スイッチおよび方法
JP2007279599A (ja) * 2006-04-11 2007-10-25 Japan Science & Technology Agency 光論理演算方法および光論理演算装置
WO2014203361A1 (ja) * 2013-06-19 2014-12-24 富士通株式会社 光論理回路
JP2018036455A (ja) * 2016-08-31 2018-03-08 日本電信電話株式会社 光論理回路
JP2019152848A (ja) * 2018-03-02 2019-09-12 日本電信電話株式会社 光演算器
JP2020106747A (ja) * 2018-12-28 2020-07-09 ウニヴェルシダッド ポリテクニカ デ バレンシア フォトニックチップ、フィールドプログラマブルフォトニックアレイおよびプログラマブル回路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高橋 順子 et al., 光論理ゲートで構成する暗号回路技術, NTT技術ジャーナル, 01 November 2021, vol. 33, pp. 59-63 *

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