(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-20
(45)【発行日】2023-11-29
(54)【発明の名称】光通信素子及び光ニューラルネットワーク
(51)【国際特許分類】
G02F 3/00 20060101AFI20231121BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20231121BHJP
H04B 10/80 20130101ALI20231121BHJP
【ＦＩ】
G02F3/00
G06E3/00
H04B10/80
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020021221
(22)【出願日】2020-02-12
(65)【公開番号】P2021128199
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2022-10-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】秋山 知之
(72)【発明者】
【氏名】田中 信介
(72)【発明者】
【氏名】中舍 安宏
(72)【発明者】
【氏名】星田 剛司
【審査官】大西 孝宣
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１９－５２３９３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１８３７１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１３８７８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１２１８８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２００３９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１０１８８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平１１－５０２６３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２２２７２９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００ － １／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１ － ７／００
Ｇ０２Ｂ ６／１２ － ６／１４
Ｇ０６Ｅ １／００ － ３／００
Ｈ０４Ｂ １０／００ － １０／９０
Ｈ０４Ｊ １４／００ － １４／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光信号を入力する所定数の入力ポートを備えた入力ポート群と、前記光信号を出力する前記所定数の出力ポートを備えた出力ポート群と、
前記入力ポート群と前記出力ポート群との間に接続され、前記入力ポート毎に備えた移相器付きの第１の導波路を備えた第１の導波路群と、
前記入力ポート群と前記出力ポート群との間に接続され、前記出力ポート毎に備えた移相器付きの第２の導波路を備えた第２の導波路群と、
前記入力ポート群内の前記入力ポートと前記第１の導波路群内の前記第１の導波路との間、前記第１の導波路群内の前記第１の導波路と前記第２の導波路群内の前記第２の導波路との間及び、前記第２の導波路群内の前記第２の導波路と前記出力ポート群内の前記出力ポートとの間に接続される、第３の導波路を備える複数のスラブと、
前記スラブは、
前記第３の導波路の入口に光進行方向に対して垂直なラテラル方向に等間隔で配置され、前記第３の導波路に前記光信号を入力する前記所定数の第１のポートと、
前記第３の導波路の出口に前記ラテラル方向に等間隔かつ、前記第１のポートに対向するように配置され、前記第３の導波路から前記光信号を出力する前記所定数の第２のポートと
を有し、
前記第３の導波路は、
各モードの伝搬定数が異なるマルチモード導波路であって、前記第１のポートから入力した単一モード導波路の光信号が相互に干渉することで、前記光信号の進行に応じて前記ラテラル方向にある各進行位置の光強度が変化して、前記ラテラル方向にある全部の進行位置に光強度が分布できる寸法に構成し、
前記第３の導波路は、
前記所定数をＮとした場合に、複数の第１のポートの内、１番目の第１のポートから光信号を入力した前記光進行方向の第１のタイミングの前記１番目のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布し、
前記光進行方向の第２のタイミングの前記１番目及びＮ番目のポートに対応する進行位置に１／２の光強度が分布し、
前記光進行方向の第３のタイミングの前記Ｎ番目のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布し、
前記光進行方向の第４のタイミングの前記１番目及び前記Ｎ番目のポートに対応する進行位置に１／２の光強度が分布し、
前記光信号が前記１番目の第１のポートに対応する前記１番目の第２のポートから出力する第５のタイミングの前記１番目の第１のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布する構成を想定した場合に、
前記第１のポートから前記第２のポートまでの間の距離の内、前記第１のタイミングから前記ラテラル方向にある全部の進行位置に光強度が分布するタイミングまでの最短の前記光進行方向の距離を第３の導波路の前記光進行方向の寸法に設定して成ることを特徴とする光通信素子。
【請求項2】
前記第３の導波路の前記光進行方向の寸法は、Ｌ３×（ｐ／Ｗ）
（但し、Ｌ３：前記１番目のポートから前記第２のタイミングでの前記１番目のポートに対応する進行位置までの距離、ｐ：隣接する第１のポート同士の間隔、Ｗ：第３の導波路のラテラル方向の長さ）で得られる寸法であることを特徴とする請求項１に記載の光通信素子。
【請求項3】
前記第３の導波路は、前記ラテラル方向に配置された前記所定数Ｎの第１のポートの内、１番目の第１のポートの同心軸から直近の前記ラテラル方向にある第３の導波路の内壁までの距離が隣接する前記第１のポート同士の間隔と同じ寸法、かつ、Ｎ番目の第１のポートの同心軸から直近の前記ラテラル方向にある前記第３の導波路の内壁までの距離が隣接する前記第１のポート同士の間隔と同じ寸法を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信素子。
【請求項4】
前記光進行方向の前記第３の導波路の寸法は、２ｎＨ（Ｎ+１）ｐ２/λ
（但し、ｎＨ:高屈折率領域屈折率、λ:使用する光の波長、Ｎ:ポート数、ｐ：隣接する第１のポート同士の配置間隔)で得られる寸法であることを特徴とする請求項１～３の何れか一つに記載の光通信素子。
【請求項5】
所定数の光信号を入力すると共に、前記所定数の光信号をユニタリ変換して出力する第１のユニタリ変換素子と、前記第１のユニタリ変換素子から出力されたユニタリ変換後の前記所定数の光信号の光強度を変更する、前記所定数の光アンプと、
前記光アンプ毎に光強度が変更された前記ユニタリ変換後の光信号を入力すると共に、前記所定数の光信号をユニタリ変換して出力する第２のユニタリ変換素子とを有し、
前記第１のユニタリ変換素子又は前記第２のユニタリ変換素子は、
光信号を入力する所定数の入力ポートを備えた入力ポート群と、
前記光信号を出力する前記所定数の出力ポートを備えた出力ポート群と、
前記入力ポート群と前記出力ポート群との間に接続され、前記入力ポート毎に備えた移相器付きの第１の導波路を備えた第１の導波路群と、
前記入力ポート群と前記出力ポート群との間に接続され、前記出力ポート毎に備えた移相器付きの第２の導波路を備えた第２の導波路群と、
前記入力ポート群内の前記入力ポートと前記第１の導波路群内の前記第１の導波路との間、前記第１の導波路群内の前記第１の導波路と前記第２の導波路群内の前記第２の導波路との間及び、前記第２の導波路群内の前記第２の導波路と前記出力ポート群内の前記出力ポートとの間に接続される、第３の導波路を備える複数のスラブと、
前記スラブは、
前記第３の導波路の入口に光進行方向に対して垂直なラテラル方向に等間隔で配置され、前記第３の導波路に前記光信号を入力する前記所定数の第１のポートと、
前記第３の導波路の出口に前記ラテラル方向に等間隔かつ、前記第１のポートに対向するように配置され、前記第３の導波路から前記光信号を出力する前記所定数の第２のポートと
を有し、
前記第３の導波路は、
伝搬定数が異なるマルチモード導波路であって、前記第１のポートから入力した単一モード導波路の光信号が相互に干渉することで、前記光信号の進行に応じて前記ラテラル方向にある各進行位置の光強度が変化して、前記ラテラル方向にある全部の進行位置に光強度が分布できる寸法に構成し、
前記第３の導波路は、
前記所定数をＮとした場合に、複数の第１のポートの内、１番目の第１のポートから光信号を入力した前記光進行方向の第１のタイミングの前記１番目のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布し、
前記光進行方向の第２のタイミングの前記１番目及びＮ番目のポートに対応する進行位置に１／２の光強度が分布し、
前記光進行方向の第３のタイミングの前記Ｎ番目のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布し、
前記光進行方向の第４のタイミングの前記１番目及び前記Ｎ番目のポートに対応する進行位置に１／２の光強度が分布し、
前記光信号が前記１番目の第１のポートに対応する前記１番目の第２のポートから出力する第５のタイミングの前記１番目の第１のポートに対応する進行位置のみに光強度が分布する構成を想定した場合に、
前記第１のポートから前記第２のポートまでの間の距離の内、前記第１のタイミングから前記ラテラル方向にある全部の進行位置に光強度が分布するタイミングまでの最短の前記光進行方向の距離を第３の導波路の前記光進行方向の寸法に設定して成ることを特徴とする光ニューラルネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光通信素子及び光ニューラルネットワークに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、デジタル電子集積回路が主流のニューラルネットワーク(ＮＮ:Neural Network)プロセッサの機能を受動光回路等で実現する光ＮＮが知られている。光ＮＮでは、例えば、光が進行する進行時間で推論が完了することになるため、推論が完了するまでの高スループット及び低レイテンシ化が実現できる。また、光ＮＮでは、例えば、受動光回路内を光信号が進行する際の消費電力が不要になる。そこで、光ＮＮを実現する上で使用するユニタリ変換素子等の光通信素子では、回路上に集積できるポート数の上限を増やしながら、素子全体の小型化を図ることが求められている。
【0003】
図７は、従来の光ＮＮ２００の一例を示す説明図である。図７に示す光ＮＮ２００は、入力ポート群２０１と、出力ポート群２０２と、複数のＭＺ（マッハツェンダ）干渉器２０３を相互に接続したユニタリ変換素子２０４とを有する。入力ポート群２０１は、光信号を入力するＮ個の入力ポート２０１Ａを備えている。出力ポート群２０２は、光信号を出力するＮ個の出力ポート２０２Ａを備えている。ユニタリ変換素子２０４は、入力ポート群２０１と出力ポート群２０２との間に複数のＭＺ干渉器２０３を相互に接続することで構成する。ＭＺ干渉器２０３は、２個の２×２の固定カプラ２１１と、固定カプラ２１１同士を接続する一対の導波路２１２と、一対の導波路２１２の内、一方の導波路２１２Ａを通過する光信号の位相量を調整する、一方の導波路２１２毎に備えた移相器２１３とを有する。
【0004】
ＭＺ干渉器２０３は、一方の導波路２１２を通過する光信号の位相量を調整することで、一方の導波路２１２Ａを通過する光信号と他方の導波路２１２Ｂを通過する光信号との間で位相差が生じる。そして、ＭＺ干渉器２０３は、その位相差に応じて出力光の光強度を調整する。その結果、各ＭＺ干渉器２０３の出力光の光強度を調整することで、出力光の光強度の変化に応じて任意の比率で出力光を分配できる。つまり、相互に接続した複数のＭＺ干渉器２０３を用いて、光ＮＮ２００の任意ベクトル行列演算が実現可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１８－２００３９１号公報
【文献】特開２０１９－１０１８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
図７に示すユニタリ変換素子２０４の光進行方向の横幅の寸法Ｌｍは、例えば２（Ｎ－１）×（Ｌｃ１＋Ｌｐ１）で表現できる。Ｎは、入力ポート２０１Ａのポート数、Ｌｃ１は、２×２の固定カプラ２１１の光進行方向の横幅の寸法、Ｌｐ１は、移相器２１３付きの導波路２１２の光進行方向の横幅の寸法である。ユニタリ変換素子２０４の横幅の寸法Ｌｍは、例えば、Ｌｃ１＝１００μｍ、Ｌｐ１＝５００μｍとした場合、Ｌｍ＝（Ｎ－１）×１．２ｍｍとなり、寸法が大きくなるため、集積可能なポート数Ｎの上限を少なくせざるを得ない。更に、ユニタリ変換素子２０４内の移相器２１３の配置数は、例えば、（Ｎ－１）×Ｎで算出できるため、任意の変換を実現するための制御対象の移相器２１３が多くなる。その結果、制御対象の移相器２１３を制御する際の処理負担が大きくなる。
【0007】
つまり、従来のユニタリ変換素子２０４では、入力ポート数が増えるに連れて横幅の寸法Ｌｍが大きくなるため、集積回路の実装面積が大きくなる。更に、従来のユニタリ変換素子２０４では、入力ポート数が増えるに連れて制御対象となる移相器２１３の配置数が増えるため、制御対象の移相器２１３を制御する際の処理負担が大きくなる。
【0008】
一つの側面では、素子全体の小型化を図る光通信素子及び光ニューラルネットワークを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一つの態様の光通信素子は、入力ポート群と、出力ポート群と、第１の導波路群と、第２の導波路群と、複数のスラブとを有する。入力ポート群は、光信号を入力する所定数の入力ポートを備えている。出力ポート群は、光信号を出力する所定数の出力ポートを備えている。第１の導波路群は、入力ポート群と出力ポート群との間に接続され、入力ポート毎に備えた移相器付きの第１の導波路を備えている。第２の導波路群は、入力ポート群と出力ポート群との間に接続され、出力ポート毎に備えた移相器付きの第２の導波路を備えている。各スラブは、入力ポート群内の入力ポートと第１の導波路群内の第１の導波路との間、第１の導波路群内の第１の導波路と第２の導波路群内の第２の導波路との間及び、第２の導波路群内の第２の導波路と出力ポート群内の出力ポートとの間に接続される第３の導波路を備えている。各スラブは、所定数の第１のポートと、所定数の第２のポートとを有する。第１のポートは、第３の導波路の入口に光進行方向に対して垂直なラテラル方向に等間隔で配置され、第３の導波路に光信号を入力する。第２のポートは、第３の導波路の出口にラテラル方向に等間隔かつ、第１のポートに対向するように配置され、第３の導波路から光信号を出力する。第３の導波路は、伝搬定数が異なるマルチモード導波路であって、第１のポートから入力した単一モード導波路の光信号が相互に干渉することで、光信号の進行に応じてラテラル方向にある各進行位置の光強度が変化して、ラテラル方向にある全部の進行位置に光強度が分布できる寸法に構成した。
【発明の効果】
【0010】
１つの側面によれば、光通信素子の小型化を図る。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面に基づいて、本願の開示する光通信素子等の実施例を詳細に説明する。尚、各実施例により、開示技術が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。
【実施例】
【0013】
図１は、本実施例の光通信素子１の一例を示す断面略斜視図、図２は、光通信素子１の一例を示す説明図である。図１に示す光通信素子１は、入力ポート群２と、出力ポート群３と、２個の導波路群４と、３個のスラブ５とを有する。入力ポート群２は、光信号を入力する所定数Ｎ個の入力ポート２Ａを備えている。出力ポート群３は、光信号を出力する所定数Ｎ個の出力ポート３Ａを備えている。
【0014】
２個の導波路群４は、例えば、第１の導波路群４Ａ及び第２の導波路群４Ｂである。第１の導波路群４Ａは、入力ポート群２と出力ポート群３との間に接続され、入力ポート２Ａ毎に備えた、所定数Ｎ個の第１の導波路４１Ａを備えている。更に、第２の導波路群４Ｂは、入力ポート群２と出力ポート群３との間に接続され、出力ポート３Ａ毎に備えた、所定数Ｎ個の第２の導波路４１Ｂを有する。第１の導波路４１Ａ及び第２の導波路４１Ｂは、移相器４２付きの光導波路である。移相器４２は、位相量を調整することで出力光の光強度が変化する。その結果、出力光の光強度の変化に応じて任意の比率で出力光を分配できる。尚、光通信素子１で使用する移相器４２の配置数は、例えば、２Ｎ個である。
【0015】
第１の導波路４１Ａ及び第２の導波路４１Ｂは、光路となるコアと、コアを取り囲むクラッドとを有し、コアの屈折率とクラッドの屈折率とが異なるため、コアとクラッドとの間の境界面で全反射を起こして光信号が光進行方向Ｘ１に進行する。コアは、例えば、高屈折率材料で構成し、クラッドは、例えば、低屈折率材料で構成する。尚、図１及び図２に示す第１の導波路４１Ａ及び第２の導波路４１は、コアの部分を図示しているが、クラッドの部分は図示を省略するものとする。
【0016】
スラブ５は、平板状のコアと、平板状のクラッドとを有し、断面形状が光進行方向Ｘ１に延びる平板状のコアを平板状のグラッドで取り囲むことで構成する。平板状のコアは、例えば、高屈折率材料、平板状のクラッドは、例えば、低屈折率材料で構成するため、平板状のコアと平板状のクラッドとの間の境界面で全反射を起こして光が進行する。尚、図１及び図２に示すスラブ５は、平板状のコアの部分を図示しているが、平板状のクラッドの部分の図示は省略するものとする。
【0017】
スラブ５は、第３の導波路５１と、所定数Ｎの第１のポート５２と、所定数Ｎ個の第２のポート５３とを有する。所定数Ｎ個の第１のポート５２は、第３の導波路５１の入口に光進行方向Ｘ１に対して垂直なラテラル方向Ｘ２に等間隔ｐで配置されている。第１のポート５２は、第３の導波路５１に光信号を入力するポートである。所定数Ｎ個の第２のポート５３は、第３の導波路５１の出口にラテラル方向Ｘ２に等間隔ｐかつ、第１のポート５２に対向するように配置されている。第２のポート５３は、第３の導波路５１から光信号を出力するポートである。第３の導波路５１は、伝搬定数が異なるマルチモード導波路であって、第１のポート５２から入力した単一モード導波路の光信号が相互に干渉することで、光信号の進行に応じてラテラル方向Ｘ２にある各進行位置の光強度が変化する。更に、第３の導波路５１は、光信号の進行に応じてラテラル方向Ｘ２にある全部の進行位置に光強度が分布できる寸法に構成した。
【0018】
第３の導波路５１は、ラテラル方向Ｘ２に配置された第１のポート５２の内、１番目の第１のポート５２の同心軸から直近のラテラル方向Ｘ２にある第３の導波路５１の内壁５１Ａまでの距離が隣接する第１のポート５２同士の間隔ｐと同じ寸法を有する。第３の導波路５１は、Ｎ番目の第１のポート５２の同心軸から直近のラテラル方向Ｘ２にある第３の導波路５１の内壁５１Ｂまでの距離が隣接する第１のポート５２同士の間隔ｐと同じ寸法を有する。
【0019】
３個のスラブ５は、例えば、第１のスラブ５Ａ、第２のスラブ５Ｂ及び第３のスラブ５Ｃである。第１のスラブ５Ａは、入力ポート群２内の入力ポート２Ａと第１の導波路群４Ａ内の第１の導波路４１Ａとの間に接続される第３の導波路５１を備えている。第２のスラブ５Ｂは、第１の導波路群４Ａ内の第１の導波路４１Ａと第２の導波路群４Ｂ内の第２の導波路４１Ｂとの間に接続される第３の導波路５１を備えている。第３のスラブ５Ｃも、第２の導波路群４Ｂ内の第２の導波路４１Ｂと出力ポート群３内の出力ポート３Ａとの間に接続される第３の導波路５１を備えている。
【0020】
第３の導波路５１の縦幅の寸法Ｗは、光進行方向Ｘ１に対して垂直なラテラル方向Ｘ２の縦幅であって、複数の導波路モードをサポートできる長さの寸法である。また、光通信素子１の寸法Ｌは、光進行方向Ｘ１の光通信素子１の横幅である。光通信素子１の寸法Ｌは、例えば、３Ｌｓ＋２Ｌｐで表現できる。Ｌｓは、各スラブ５の第３の導波路５１の横幅の寸法である。Ｌｐは、第１の導波路群４Ａ又は第２の導波路群４Ｂの光進行方向Ｘ１の横幅の寸法である。
【0021】
第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、例えば、２ｎＨ（Ｎ＋１）ｐ２／λで表現できる。尚、ｎＨは、平板状コアの高屈折率領域の屈折率、λは平板状のコアを通過する光信号の波長、Ｎはポート数、ｐは隣接する第１のポート５２同士の配置間隔である。従って、光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、６ｎＨ（Ｎ＋１）ｐ２／λ＋２Ｌｐで表現できる。例えば、ｎＨ＝３、λ＝１５５０ｎｍ、ｐ＝２μｍとした場合、光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、（Ｎ＋１）×４６μｍ＋１ｍｍとなる。
【0022】
図３は、第３の導波路５１内の光進行方向Ｘ１のタイミング毎のラテラル方向Ｘ２にある進行位置毎の光強度の分布の一例を示す説明図である。第３の導波路５１では、例えば、第１のポート５２から入力した単一モード導波路の光信号が相互干渉する。第３の導波路５１は、光信号の相互干渉で、光信号の進行に応じてラテラル方向Ｘ２の導波モードを励振し、伝搬定数の異なる複数の導波モードの干渉効果により、光信号の進行に応じて、ラテラル方向Ｘ２にある進行位置毎の光強度が様々に変化する。
【0023】
例えば、第１のポート５２の所定数Ｎ個を１０、ポート１から光信号を入力した場合、光進行方向Ｘ１のタイミング“１”からタイミング“４５”までのラテラル方向Ｘ２のポート１～１０の進行位置毎の光強度の分布を想定する。ポート１から光信号を入力した光進行方向Ｘ１のタイミング“１”での光強度分布では、ポート１の進行位置の光強度が１．００、ポート２～１０の進行位置の光強度が０．００の分布となる。
【0024】
光進行方向Ｘ１のタイミング“２”での光強度分布では、ポート１及び１０の進行位置の光強度が０．０１、ポート２及び９の進行位置の光強度が０．０５、ポート３及び８の進行位置の光強度が０．１０の分布となる。更に、光強度分布では、ポート４及び７の進行位置の光強度が０．１５、ポート５及び６の進行位置の光強度が０．１８の分布となる。すなわち、タイミング“２”の光強度分布では、ラテラル方向Ｘ２にあるポート１～１０の全進行位置に光強度が分布する。
【0025】
そして、光進行方向Ｘ１のタイミング“１２”の光強度分布では、ポート１及び１０の進行位置の光強度が０．５０、ポート２～９の進行位置の光強度が０．００となる。すなわち、タイミング“１２”の光強度分布では、ポート１の進行位置と、ポート１の対称点であるポート１０の進行位置との夫々で全体の１／２の光強度が分布する。
【0026】
更に、光進行方向Ｘ１のタイミング“２２”の光強度分布では、ポート１～１０の全進行位置に光強度が分布する。更に、光進行方向Ｘ１のタイミング“２３”の光強度分布では、ポート１～９の進行位置の光強度が０．００、ポート１０の進行位置の光強度が１．００の分布となる。すなわち、タイミング“２２”の光強度分布では、ポート１に入射した光信号がポート１の対称点であるポート１０に結像する分布となる。更に、光進行方向Ｘ１のタイミング“２４”の光強度分布では、ポート１～１０の全進行位置に光強度が分布する。
【0027】
更に、光進行方向Ｘ１のタイミング“３４”の光強度分布では、ポート１の進行位置と、ポート１の対称点であるポート１０の進行位置との夫々で全体の１／２の光強度が分布する。光進行方向Ｘ１のタイミング“４４”の光強度分布では、ポート１～１０の全進行位置に光強度が分布する。そして、光進行方向Ｘ１のタイミング“４５”の光強度分布では、ポート１の進行位置の光強度が１．００、ポート２～１０の進行位置の光強度が０．００となる。
【0028】
タイミング“１”からタイミング“４５”までの間でラテラル方向Ｘ２にあるポート１～ポート１０の全進行位置に光強度が分布する任意のタイミングは、図３に示すように、“２”、“２２”、“２４”及び“５４”のタイミングで発生することになる。その結果、ラテラル方向Ｘ２にある全進行位置に光強度が分布することで、光通信素子１で実行する、例えば、ユニタリ変換の自由度を最大化することが可能になる。
【0029】
第３の導波路５１内の複数の第１のポート５２の内、１番目の第１のポート５２の入力光が、１番目の第２のポート５３に結像するまでの距離、すなわち、タイミング“１”からタイミング“４５”までの距離をＬ１とする。更に、１番目の第１のポート５２の入力光が、１番目の第１のポート５２と対称点となる１０番目の第１のポート５２に結像するまでの距離、すなわちタイミング“１”からタイミング“２３”までの距離をＬ２とする。この場合、Ｌ２は、Ｌ１／２に近似する。更に、１番目の第１のポート５２の入力光が、１番目の第１のポート５２と対称点となる１０番目の第１のポート５２との光強度が半分となるまでの距離、すなわち、タイミング“１”からタイミング“１２”までの距離をＬ３とする。この場合、Ｌ３は、Ｌ２／２に近似する。第３の導波路５１の縦幅Ｗ／ポート間隔ｐは入力ポート数Ｎに近似している。
【0030】
第３の導波路５１は、光進行方向Ｘ１のタイミング“１”からタイミング“４５”までの間で、タイミング“２”、“２２”、“２４”及び“５４”のラテラル方向Ｘ２にある全進行位置に光強度が分布することになる。そこで、全進行位置に光強度が分布するラテラル方向Ｘ２にある任意のタイミングの中で、タイミング“１”から最短距離のタイミングは、Ｌ３（ｐ／Ｗ）付近のタイミング、例えば、タイミング“２”である。そこで、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、タイミング“１”からタイミング“２”までの距離を確保すればよいことになる。
【0031】
従って、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、タイミング“１”からタイミング“２”までの距離で済む。つまり、第１のスラブ５Ａの第３の導波路５１、第２のスラブ５Ｂの第３の導波路５１及び第３のスラブ５Ｃの第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、夫々、タイミング“１”からタイミング“２”までの距離である。
【0032】
従って、光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、Ｌ＝３Ｌｓ＋２Ｌｐ＝６ｎＨ（Ｎ＋1）ｐ2／λ+２Ｌｐとなる。この際、ｎＨ＝３、λ＝１５５０ｎｍ、ｐ＝２μｍの場合、Ｌ＝（Ｎ＋１）×４６μｍ＋１ｍｍとなる。つまり、光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、従来に比較して大幅に短くできるため、光通信素子１の小型化に貢献できる。
【0033】
更に、移相器４２の配置数は、ポート数Ｎ毎に、第１の導波路４１Ａの１個の移相器４２と、第２の導波路４１Ｂの１個の移相器４２となるため、２Ｎ個となる。つまり、光通信素子１の移相器４２の配置数を大幅に削減することで、光通信素子１の小型化は勿論のこと、移相器４２の制御処理に要する負荷を軽減できる。
【0034】
図４は、入力ポート数Ｎ毎の光通信素子１の横幅の寸法Ｌの本実施例と従来技術との比較結果の一例を示す説明図である。従来技術の光通信素子の横幅の寸法は、（Ｎ－１）×１．２ｍｍで算出できる。これに対して、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法は、（Ｎ＋１）×４６μｍ＋１ｍｍで算出できる。
【0035】
例えば、入力ポート数Ｎが１０個の場合、従来技術の光通信素子の横幅の寸法は１１ｍｍであるのに対し、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、１．５ｍｍである。従って、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、従来技術の光通信素子の横幅の寸法に比較して大幅に短縮化できる。また、入力ポート数Ｎが２０個の場合でも、従来技術の光通信素子の横幅の寸法は、２３ｍｍであるのに対し、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、２．０ｍｍである。また、例えば、入力ポート数Ｎが５０個の場合、従来技術の光通信素子の横幅の寸法は５９ｍｍであるのに対し、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法Ｌは３．３ｍｍである。また、入力ポート数Ｎが１００個の場合、従来技術の光通信素子の横幅の寸法は１２０ｍｍであるのに対し、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法は５．６ｍｍである。つまり、本実施例の光通信素子１の横幅の寸法Ｌは、従来技術の光通信素子の横幅の寸法に比較して、大幅に短縮化できる。
【0036】
図５は、入力ポート数Ｎ毎の光通信素子１の移相器４２の配置数における本実施例と従来技術との比較結果の一例を示す説明図である。従来技術の光通信素子内の移相器の配置数は、（Ｎ－１）×Ｎで算出できる。これに対して、本実施例の光通信素子１内の移相器４２の配置数は、２Ｎで算出できる。
【0037】
例えば、入力ポート数Ｎが１０個の場合、従来技術の光通信素子の移相器の配置数は９０個であるのに対し、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は、２０個である。従って、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は、従来技術の光通信素子の移相器の配置数に比較して大幅に削減できる。入力ポート数が２０個の場合、従来技術の光通信素子の移相器の配置数は３８０個であるのに対し、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は４０個である。また、例えば、入力ポート数Ｎが５０個の場合、従来技術の光通信素子の移相器の配置数は２４５０個であるのに対し、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は１００個である。入力ポート数が１００個の場合、従来技術の光通信素子の移相器の配置数は９９００個であるのに対し、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は２００個である。つまり、本実施例の光通信素子１の移相器４２の配置数は、従来技術の光通信素子内の移相器の配置数に比較して大幅に軽減できる。移相器４２の配置数が少なくなるに連れて移相器４２の制御の処理負荷が小さくなる。
【0038】
本実施例の光通信素子１は、入力ポート群２と出力ポート３群との間に接続され、入力ポート２Ａ毎に備えた移相器４２付きの第１の導波路４１Ａを備える第１の導波路群４Ａを有する。更に、光通信素子１は、入力ポート群２と出力ポート群３との間に接続され、出力ポート３Ａ毎に備えた移相器４２付きの第２の導波路４１Ｂを備える第２の導波路群４Ｂを有する。更に、光通信素子１は、入力ポート群２内の入力ポート２Ａと第１の導波路群４Ａ内の第１の導波路４１Ａとの間に接続される、第３の導波路５１を備えるスラブ５を有する。更に、光通信素子１は、第１の導波路群４Ａ内の第１の導波路４１Ａと第２の導波路群４Ｂ内の第２の導波路４１Ｂとの間に接続される、第３の導波路５１を備えるスラブ５を有する。更に、光通信素子１は、第２の導波路群４Ｂ内の第２の導波路４１Ｂと出力ポート群３内の出力ポート３Ａとの間に接続される、第３の導波路５１を備えるスラブ５を有する。その結果、導波路４１Ａ，４１Ｂ毎に２個の移相器４２を配置したので、光通信素子１に実装する移相器４２の個数が少なくなるため、移相器４２の制御が容易になる。
【0039】
光通信素子１のスラブ５は、第３の導波路５１の入口に光進行方向Ｘ１に対して垂直なラテラル方向Ｘ２で等間隔に配置され、第３の導波路５１に光信号を入力する所定数Ｎ個の第１のポート５２を有する。更に、スラブ５は、第３の導波路５１の出口にラテラル方向Ｘ２で等間隔かつ、第１のポート５２に対向するように配置され、第３の導波路５１から光信号を出力する所定数Ｎ個の第２のポート５３を有する。更に、第３の導波路５１は、伝搬定数が異なるマルチモード導波路であって、第１のポート５２から入力した単一モード導波路の光信号が相互に干渉することで、光信号の進行に応じてラテラル方向Ｘ２にある各進行位置の光強度が変化する。更に、第３の導波路５１は、ラテラル方向Ｘ２にある全部の進行位置に光強度が分布できる寸法に構成した。その結果、スラブ５の第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓを短縮化できるので、入力ポート数Ｎが増えたとしても、光通信素子１の横幅の寸法Ｌｓを短くできる。従って、従来技術に比較して、光通信素子１を小型化できる。
【0040】
第３の導波路５１は、タイミング“１”からラテラル方向Ｘ２にある全部の進行位置に光強度が分布する任意のタイミング“２”、“２２”、“２４”、“４４”までの最短の光進行方向Ｘ１の距離を第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓにして構成する。その結果、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓを短縮化したので、光通信素子１を小型化できる。
【0041】
第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、Ｌ３×（ｐ／Ｗ）で得られる寸法にした。その結果、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓを短縮化したので、光通信素子１を小型化できる。
【0042】
第３の導波路５１は、ラテラル方向Ｘ２に配置された第１のポート５２の内、１番目の第１のポート５２の同心軸から直近のラテラル方向Ｘ２にある第３の導波路５１の内壁５１Ｂまでの距離が隣接する第１のポート５２同士の間隔ｐと同じ寸法を有する。更に、第３の導波路５１は、Ｎ番目の第１のポート５２の同心軸から直近のラテラル方向Ｘ２にある第３の導波路５１の内壁５１Ｂまでの距離が隣接する第１のポート５２同士の間隔ｐと同じ寸法を有する。その結果、第３の導波路５１は、光信号の進行に応じてラテラル方向Ｘ２にある各進行位置の光強度が変化し、ラテラル方向Ｘ２にある全部の進行位置に光強度が分布できる。
【0043】
第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓは、２ｎＨ（Ｎ+１）ｐ２/λ（但し、ｎＨ:高屈折率領域屈折率、λ:使用する光の波長、Ｎ:ポート数、ｐ：隣接する第１のポート５２同士の配置間隔)で得られる寸法にした。その結果、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓを短縮化したので、入力ポート数Ｎが増えたとしても、光通信素子１全体の横幅の寸法Ｌを短くできる。光通信素子１を小型化できる。
【0044】
本実施例の光通信素子１をユニタリ変換素子として光ニューラルネットワークに採用しても良く、その実施の形態につき、以下に説明する。図６は、本実施例の光通信素子１のユニタリ変換素子を採用した光ニューラルネットワーク１００の一例を示す説明図である。光ニューラルネットワーク１００の任意のニューロン演算では、ユニタリ行列×対角行列×ユニタリ行列の行列演算で表現できる。一般的な実数行列ＭをＭ＝ＵＳＶ＊に分解できる。Ｕはｍ×ｍユニタリ行列、Ｓは対角上に負でない実数を有するｍ×ｎ対角行列、Ｖ＊は、ｎ×ｎユニタリ行列Ｖの複素共役である。図６に示す光ニューラルネットワーク１００は、行列Ｖを用いて行列演算を実施する第１のユニタリ変換素子１Ａ（１）と、行列Ｓを用いて行列乗算を実施する複数の光アンプ６と、行列Ｕを用いて行列演算を実施する第２のユニタリ変換素子１Ｂ（１）とを有する。第１のユニタリ変換素子１Ａは、所定数Ｎの光信号を入力すると共に、所定数Ｎの光信号をｍ×ｍユニタリ行列に変換する。第１のユニタリ変換素子１Ａは、ユニタリ変換後の所定数Ｎの光信号を出力する。
【0045】
光アンプ６は、所定数Ｎの光信号毎に備えた光アンプである。光アンプ６は、第１のユニタリ変換素子１Ａから出力されたユニタリ変換後の所定数Ｎの光信号の光強度を減衰する。第２のユニタリ変換素子１Ｂは、光アンプ６毎に減衰された光信号を入力すると共に、減衰後の光信号をユニタリ変換する。第２のユニタリ変換素子１Ｂは、ユニタリ変換後の光信号を出力する。
【0046】
図６に示す光ニューラルネットワーク１００では、第１のユニタリ変換素子１Ａと第２のユニタリ変換素子１Ｂとの間に光アンプ６を挿入する構成としたので、任意の行列演算、すなわちニューロン演算が実現できる。
【0047】
尚、本実施例では、第３の導波路５１の横幅の寸法Ｌｓをタイミング“１”からタイミング“２”までの距離を例示したが、タイミング“２”に限定されるものではなく、ラテラル方向Ｘ２にある全進行位置に光強度が分布するタイミングであれば良く。図３に示すように、例えば、タイミング“２２”、“２４”及び“５４”でも良く、適宜変更可能である。
【0048】
また、図示した各部の各構成要素は、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各部の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。
【0049】
更に、各装置で行われる各種処理機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）等のマイクロ・コンピュータ）上で、その全部又は任意の一部を実行するようにしても良い。また、各種処理機能は、ＣＰＵ（又はＭＰＵ、ＭＣＵ等のマイクロ・コンピュータ）で解析実行するプログラム上、又はワイヤードロジックによるハードウェア上で、その全部又は任意の一部を実行するようにしても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【0050】
１ 光通信素子
１Ａ 第１のユニタリ変換素子
１Ｂ 第２のユニタリ変換素子
２ 入力ポート群
２Ａ 入力ポート
３ 出力ポート群
３Ａ 出力ポート
４Ａ 第１の導波路群
５ スラブ
５Ａ 第１のスラブ
５Ｂ 第２のスラブ
５Ｃ 第３のスラブ
４１Ａ 第１の導波路
４Ｂ 第２の導波路群
４１Ｂ 第２の導波路
４２ 移相器
５１ 第３の導波路
５１Ａ 内壁
５１Ｂ 内壁
５２ 第１のポート
５３ 第２のポート
１Ａ 第１のユニタリ変換素子
１Ｂ 第２のユニタリ変換素子
２ 入力ポート群
２Ａ 入力ポート
３ 出力ポート群
３Ａ 出力ポート
４Ａ 第１の導波路群
５ スラブ
５Ａ 第１のスラブ
５Ｂ 第２のスラブ
５Ｃ 第３のスラブ
４１Ａ 第１の導波路
４Ｂ 第２の導波路群
４１Ｂ 第２の導波路
４２ 移相器
５１ 第３の導波路
５１Ａ 内壁
５１Ｂ 内壁
５２ 第１のポート
５３ 第２のポート
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】