JP6799835B2 - マルチ光結合チャネルモジュールおよび関連する計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、いくつかの実施形態において光計算デバイスに関し、限定的ではないが特に、人工ニューラルネットワークの光ハードウェア実装に関する。

近年、非従来型の計算、すなわち半導体ベースではない計算を開発および実装する試みの増加が見られる。これらの試みは、ムーアの法則の崩壊により従来型コンピュータ、すなわち半導体ベースのコンピュータの計算能力の増加率が低迷していることが部分的な動機となっている。これらの試みのいくつかは、光計算に向けられる。すなわち、半導体ベースの計算のように電子電流ではなく、一般にはレーザである光の操作に基づく計算である。

本発明の態様は、いくつかの実施形態において、光計算デバイスに関する。限定的ではないが特に、本発明の態様はいくつかの実施形態において、人工ニューラルネットワーク（ＡＮＮ）の光ハードウェア実装に関する。

光計算は、従来の計算と比較して数々の利点を提供する。電子電流は光の速度よりも緩慢に移動するため、光計算システムは従来の計算システムよりも著しく高速になり得る。また光計算システムは、従来の電子システムと比較して著しく高い熱効率も有し得る。しかし、最先端の光計算システムは概して、相当する半導体ベースのシステムよりも大型である。

ハイブリッド光電子計算は、いくつかの計算部品を光学的に、またいくつかの電子的に実装し、情報を一般に光学的に伝達することによって、光計算および従来の計算の利点を組み合わせようという試みである。しかし、最先端のハイブリッド光電子計算システムにおいて、消費エネルギ全体の約３０％が光信号と電子電流との相互変換に使用されるので、そのようなハイブリッドシステムは完全光計算システムと比べて不経済である。

上述した最先端技術の計算システム、特に光計算システムに固有の上記欠点の観点から、本明細書で提示される本発明の実施形態は、入力光信号のセットを出力光信号のセットに制御可能にマッピングするための集積マルチチャネル光モジュールを含む。モジュールまたはユニットまたはシステムは、モジュールが個々に製造された部品から組み立てられるのではなく、全体として製造された場合に「集積」と称される。出力信号のセットへの入力信号のセットのマッピングは、モジュールが、入力信号のセットの入力に応答して出力信号のセットを生成し、各出力信号のパワーが入力信号のパワーの非自明な関数であることを意味する。「非自明」とは、出力信号が少なくとも２つの入力信号に実質的に依存すること、すなわち、少なくとも２つの入力信号の各々のパワーの変動が、出力信号のパワーを個々に変化させることを意味する。

光モジュールは、光の指向性伝搬を可能にするように構成された少なくとも２つの光チャネルを備え、光チャネルの少なくとも１つは、制御可能な増幅率によって伝搬する光の増幅を可能にするように構成された増幅チャネルである。光モジュールは、少なくとも２つの光チャネルと個々に関連し、光チャネルへの入力光信号の伝送を可能にするように構成された少なくとも２つの入力ポートを更に備える。光モジュールは、少なくとも２つの光チャネルの１つと光学的に関連し、１つの光チャネルからの出力光信号の射出を可能にするように構成された少なくとも１つの出力ポートを更に備える。光モジュールは、増幅チャネルと機能的に関連し、増幅率を決定するために増幅チャネルへ制御信号を入力することを可能にするように構成された少なくとも１つの制御ポートを更に備える。光チャネルは、出力ポートから射出される出力光信号のパワーが、少なくとも２つの入力ポートを通って伝送される少なくとも２つの入力光信号のパワーの関数であるように光結合される。

いくつかの実施形態によると、本発明の光モジュールは、何十万もの光結合された光チャネルを備えてよい。そのような多数の光チャネルは、たとえば本明細書において以下で詳述および説明されるようなニューラルネットワーク戦略を用いて、複雑かつ厄介な計算およびタスクの実行を可能にし得る。いくつかの実施形態によると、光モジュールは、わずか約１センチメートルの長さを有するマルチコアファイバを備え、ファイバに沿った光の移動時間は１００ピコ秒（１０^−１０秒）ほどである。したがって、たとえば画像認識などニューラルネットワークに適した全タスクは、以下で更に説明するように、ファイバに沿った光の移動時間に匹敵する短い時間で完了され得る。また、たとえば何万または何十万ものコアを包含するマルチコアファイバ、または何十万もの光結合チャネルを備えるフォトニック結晶などの光モジュールを利用することによって、非常に複雑で厄介な計算は、実質的にチャネルを通る光の移動時間に匹敵する時間スケールで達成され得る。したがって、たとえば長さ１メートルまたは長さ１０メートルなど、メートルスケールの一般的長さのマルチコアファイバを用いる場合でも、現代の技術によって提供される速度と比べて大きな計算高速化がもたらされ得る。

このように本発明の集積光モジュールは、自由空間光通信を用いる既存の光計算システムと比べて、小型で手軽なパッケージ、または印刷回路基板またはチップ上の単一部品としてパッケージすることが容易であるという重要な利点を提供する。その結果、そのような集積モジュールは、非常に複雑な計算を実行することができる小型システムへの道を開く。集積モジュールは更に、いくつかのモジュールが共にパッケージされて更に複雑なシステムを構築し得ることにより、モジュール性を向上させる。また集積モジュールの小さな寸法は、自由空間光通信に一般的に関連する光の損失を最小限にすることにより、熱放散およびエネルギ損失がほとんどない比較的低パワーの電力源を用いることを可能にする。最後に、本発明の集積光モジュールは、以下で説明および詳述するように、現在利用可能な材料および現在利用可能な製造技術を用いて製造され得るので、現在利用可能な技術およびたとえば光源および光検出器などの周辺デバイスに対応しており、本発明のモジュールの産業的利用を非常に魅力的なものにする。

本発明のいくつかの実施形態は、添付図面を参照して本明細書で説明される。この説明は、図面とともに、いくつかの実施形態がどのように実施され得るかを当業者に理解させるものである。図面は、例示的説明を目的としており、本発明の基本的理解のために必要である以上に、詳しく実施形態の構造的詳細を示すことは意図されていない。明確性のために、図内に示されるいくつかの物体は一定の比率に拡大縮小されていない。

本発明の態様に係る、伝送チャネルおよび増幅チャネルを備える集積光モジュールの実施形態である。 本発明の２コア光ファイバ実施形態を模式的に示す。 図２Ａの２コア光ファイバの断面図を模式的に示す。 本発明のマルチコア光ファイバ実施形態を模式的に示す。 好適な動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバを模式的に示す。 図３Ａのマルチコアファイバのコアのｘ‐ｙ平面における空間配置の詳細図を模式的に示す。 Ａ−Ｇ。ｚ軸に沿った図３Ａのマルチコアファイバの７つの断面における、入力から出力へのコアシーケンスに沿ったエバネッセント波結合による光信号の伝達を模式的に示す。 本発明のマルチコア光ファイバを備えるチップ上のシステムを模式的に示す。 本発明のマルチコア光ファイバに多数の入力光信号を入力するために構成されたシステムを模式的に示す。 学習動作モードの実施形態における、本発明のマルチチャネル光モジュールを備える学習システムの実施形態を模式的に示す。 実装動作モードの実施形態における、図８Ａの学習システムを模式的に示す。 それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおける断面に沿った特定の動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバのコア内の光強度λ_１＝１，５５０ｎｍの光を模式的に示す。 それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおける断面に沿った特定の動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバのコア内の光強度λ_１＝１，５５０ｎｍの光を模式的に示す。 それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおける断面に沿った特定の動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバのコア内の光強度λ_２＝９８０ｎｍの光を模式的に示す。 それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおける断面に沿った特定の動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバのコア内の光強度λ_２＝９８０ｎｍの光を模式的に示す。 パワーレベルが濃度スケールによって表されたパワースケールを示す。 図９Ａおよび図９Ｂの動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバの４つの断面における各コア内の波長λ_１＝１，５５０ｎｍの光信号のパワーを示す。 図９Ｃおよび図９Ｄの動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバの４つの断面における各コア内の波長λ_２＝９８０ｎｍの光信号のパワーを示す。 分類を実証する動作モードにおける図３Ａのマルチコア光ファイバ内のコアの空間配置を模式的に示す。 ３つの８ビットストリングの分類を実証する図１０Ａの動作モードのシミュレーション結果を示す。 図１０Ｂの分類を実証した増幅信号の特異性をそれぞれ実証する２つの制御シミュレーションの結果を示す。 図１０Ｂの分類を実証した増幅信号の特異性をそれぞれ実証する２つの制御シミュレーションの結果を示す。 それぞれ図１０Ｂ〜図１０Ｄにおいて用いられた増幅信号の３つのセットに関して、図３Ａのマルチコア光ファイバの６つの出力における出力光信号パワーの比較を示す。 ４つの０および４つの１を備えた考えられる全ての８ビットストリングが符号化され、図１０Ａにおいて用いられた増幅信号のセットとともに図３Ａのマルチコア光ファイバへ伝送されたシミュレーションの結果を示す。 ４１ｄＢ／ｍの増幅を伴う増幅コアを備えた図３Ａのマルチコア光ファイバを用いる分類を実証するシミュレーションの結果を示す。 比較のために図１０Ｂの（ｚ＝９ｍｍでの）シミュレーション結果を再現する。 本発明のフォトニック結晶ファイバ実施形態の横断面を模式的に示す。 本発明のフォトニック結晶スラブ実施形態を模式的に示す。 本発明の３Ｄフォトニック結晶実施形態を模式的に示す。

本明細書における教示の原理、使用、および実装は、添付の説明および図面を参照することによってより良く理解され得る。本明細書に提示する説明および図面を閲読すると、当業者は、過度の努力または実験を行わずとも本明細書における教示を実装することができる。

以下、２つ以上のマグニチュードは、最も大きいマグニチュードが最も小さいマグニチュードの２倍を上回らない場合、「匹敵する」と言われ、最も小さいマグニチュードが最も大きいマグニチュードの１０分の１を下回らない場合、「同規模」であると言われる。

本明細書で用いられる場合、「要素のセット」は、１または複数の要素のグループまたは集合として定義される。「要素のシーケンス」は、要素の順序付きセットとして定義される。

出力信号のセットへの入力信号のセットのマッピングは、各出力信号のパワーが、入力信号のパワーの非自明な関数であることを意味する。「非自明」とは、出力信号が少なくとも２つの入力信号に実質的に依存する、すなわち、少なくとも２つの入力信号の各々のパワーの変動が出力信号のパワーを個々に変化させるという意味である。以下、出力信号が入力信号に依存する、または入力信号の関数であると言われる場合、簡潔性のために、そのような依存関係は非自明であることが仮定される。

モジュールが、個々に製造された部品から組み立てられるのではなく全体として製造された場合、モジュールまたはユニットまたはシステムは「集積」と言われる。

本明細書で用いられる場合、「チャネル」は、光の指向性伝搬を可能にする空間的に閉じ込められた媒体として定義され、媒体の境界が光の伝搬方向を決定する。
集積光モジュールの実施形態

図１は、本発明の態様に係る、光モジュール１００の実施形態を示す。光モジュール１００は、伝送チャネル１１０および増幅チャネル１２０を備える。各チャネルについて、光伝搬の局所方向が局所ｚ軸によって表され、垂直面が垂直ｘ‐ｙ平面によって表される。図１に示す典型的な実施形態において、一般化ｚ軸１０２は、光モジュールにわたる全てのチャネルに共通である。光モジュール１００において、光は概してｚ軸に沿って左から右へチャネル１１０および１２０内を伝搬するが、本発明のいくつかの実施形態において、光は、チャネルの１または複数において、また全てのチャネルにおいて、ｚ軸に平行な両方向に伝搬してよい。光モジュール１００は集積モジュールであり、マルチコア光ファイバによって、またはたとえば本明細書において以下で詳述されるようなフォトニック結晶ファイバによって、いくつかの実施形態に従って実現され得る。したがって、光モジュール１００は、以下で更に説明および詳述されるように、たとえばチップなど１片の基板上に組み立てられ得る。

伝送チャネル１００は、光強度（パワー）の修正を実質的に伴わず、チャネルに沿って通過する光の伝搬を可能にするように構成される。チャネルに沿った不可避の光強度低下をもたらす寄生損失は最小化されることが好ましい。増幅チャネル１２０は、チャネルに沿って通過する光の伝搬を可能にし、光強度の制御された増幅を可能にするように構成される。本明細書における「増幅」は、１より大きい増幅率を伴う厳密な増幅と、０〜１の増幅率を伴う減衰とを包含する幅広い意味で用いられる。各増幅チャネル１２０は、増幅チャネルにおける所望の増幅率を決定するための制御信号を受信するために構成された制御ポート１２２と関連することによってチャネルにおける増幅を制御する。

伝送チャネル１１０および増幅チャネル１２０のうち少なくとも２つのチャネルは、好適には個々に、入力ポート１３０と光学的に関連する。入力ポート１３０は、関連するチャネル（伝送チャネルまたは増幅チャネル）への光信号の伝送を可能にするように構成されることによって、そのような光信号を光モジュール１００に入力する。たとえば、光ファイバの露出端部がファイバへの入力ポートとして機能してよい。光モジュール１００への伝送に適した光信号が以下で更に詳述される。

伝送チャネル１１０および増幅チャネル１２０の両者のうち少なくとも１つのチャネルは、１または複数の出力ポート１４０と光学的に関連する。出力ポート１４０は、関連するチャネルからの光信号の伝送を可能にするように構成されることによって、そのような光信号を光モジュール１００から出力する。たとえば、光ファイバの露出端部がファイバへの出力ポートとして機能してよい。出力ポート１４０を通って光モジュール１００から伝送される光信号は、以下で更に詳述されるように、光検出器によって光学的に処理および／または検出され得る。

伝送チャネル１１０の少なくとも１つおよび増幅チャネル１２０の少なくとも１つは、互いに光結合される。チャネル間の光結合は、図１において、光結合されたチャネル間の点線１５０によって表される。図１において、光は概して左から右へ伝搬するので、光結合１５０によって結合された２つのチャネル間で、光は、関連する点線の左手側にあるチャネルから点線の右手側にあるチャネルへ伝送されることを理解すべきである。
動作中の集積光モジュール

光モジュール１００におけるチャネル間の光結合は、光結合チャネルのシーケンス１６０を形成する。各シーケンス１６０は、チャネルにおける光伝搬の方向および１つのチャネルから次のチャネルへの（光結合を介した）光伝達の方向に従って順序付けられた、光結合チャネルの個別のシリーズを備える。したがって、各シーケンス１６０における第１のチャネルは、入力ポート１３０の１つと関連し、各シーケンスにおける最後のチャネルは、出力ポート１４０の１つと関連する。たとえば、図１において、３つのシーケンス１６０ａ、１６０ｂ、および１６０ｃが明示される。シーケンス１６０ａは、光が伝搬する順番に、チャネル１６０ａ１、１６０ａ２、および１６０ａ３を備える。同様に、シーケンス１６０ｂは、チャネル１６０ｂ１、１６０ｂ２、および１６０ｂ３を備え、シーケンス１６０ｃは、チャネル１６０ｃ１、１６０ｃ２、および１６０ｃ３を備える。

ただし、個々のチャネルが複数のシーケンスに共通であってよいことに留意すべきである。たとえば、シーケンス１６０ａにおける第１のチャネル１６０ａ１は、シーケンス１６０ｂにおける第１のチャネル１６０ｂ１である。同様に、シーケンス１６０ｂにおける最後のチャネル１６０ｂ３は、シーケンス１６０ｃにおける最後のチャネル１６０ｃ３でもある。従って、いくつかの実施形態によると、（入力ポート１３０の１つを通って光モジュール１００内へ伝達された）入力光信号は、１または複数の出力ポート１４０を通る出力光信号に作用し得ることを理解すべきである。たとえば、チャネル１６０ａ１へ伝送された入力光信号は、チャネル１６０ａ３および１６０ｂ３を通る出力光信号に作用し得る。同様に、（出力ポート１４０の１つを通って光モジュール１００から伝送された）出力光信号は、１または複数の入力ポート１３０を通る入力光信号によって作用され得る。たとえば、チャネル１６０ｂ３から伝送された出力光信号は、チャネル１６０ｂ１を通る入力光信号およびチャネル１６０ｃ１を通る入力光信号によって作用され得る。

動作中、１または複数の各外部光源（不図示）からの入力光信号のセットが、入力ポート１３０を介して、関連する伝送チャネル１１０および増幅チャネル１２０内へ伝送され、上記チャネルの各々は、それぞれの入力光信号を受信する。その結果、光信号は、光モジュール１００に沿ったチャネルのシーケンスを通って伝搬してよい。光モジュール１００のシーケンス１６０を通って同時に伝搬する光信号の強度（パワー）は、（２つ以上のシーケンスに属する）１つのチャネルが２つ以上の各光結合チャネルから光を受け取る場合、部分的に結合され得る。同様に、１つのチャネル内で伝搬する光信号のパワーは、上記チャネルに光結合された（２つ以上のシーケンスに属する）２つ以上のチャネルへ光信号が伝送されると、分割され得る。

このように光モジュール１００は、出力光信号への入力光信号のマッピングを確立することを可能にし得る。そのようなマッピングは、光モジュールにおけるシーケンス１６０の所定の配置によって、すなわち、チャネル間の光結合を通る光モジュールに沿った光信号のパワーの結合および分割によって部分的に定義され、そのような光結合は、光モジュールの構造（たとえば、チャネル配置の幾何学的形状、伝送チャネルおよび増幅チャネルの光学的性質）によって予め決定される。マッピングは、光モジュール内の各増幅チャネルの増幅を制御することによって更に定義され、変化してよい。すなわち、各出力信号Ｏ_ｉは、入力信号Ｉ_ｊの関数

として表され得る。式中、１≦ｉ≦Ｎ_０であり、Ｎ_０は光モジュール１００における出力の数であり、１≦ｊ≦Ｎ_Ｉであり、Ｎ_Ｉは光モジュール１００における入力の数である。更に具体的には、いくつかの実施形態によると、各出力Ｏ_ｉは、入力の加重和、

として表され得る。式中、

は一定であり、光モジュールにおけるチャネル間の光結合によって予め決定され、

は、増幅チャネル１２０における制御可能に選択された増幅率を修正することによって修正され得る。光モジュール１００は、入力と出力との非自明な関数を確立するように構成され動作可能であること、すなわち、少なくとも１つの出力が少なくとも２つの入力に非自明に（実質的に）依存することを重視する。
２コア光ファイバの実施形態

マルチコア光ファイバは、単一ファイバを介したデータ転送率を増加するための改善された通信手段として提案されてきた。そのようなマルチコア光ファイバにおいて、各コアは、データ転送のための独立したチャネルとして用いられ、これは、同一ファイバ内の他のコアから光学的に隔離されることが理想的である。１つのコアからの信号が第２の近隣コアへ漏洩することによって第２のコアにノイズが発生し、絶対的な光学的隔離が常に実現されるわけではないので、コア間の非常に低い信号漏洩（低クロストーク）が常に望まれる。実際、マルチコア光ファイバにおけるコア間のクロストークを最小限にするための様々な技術が提案されてきた。これらは、高いΔ（Δは、コア材料とクラッドとの屈折率の差）を有するファイバ、高いコアピッチ（ピッチは、近隣コア間の距離）を有するファイバ、およびホールアシストまたはトレンチアシストコアプロファイルの利用を含む。したがって、既存のマルチコア光ファイバにおいて、コア間のクロストークは概して非常に低く、１つのコア内の信号が近隣コアにおける光信号雑音比（ＯＳＮＲ）に特定の寄与以上に寄与しないことを確実にするように、一般的に所定の閾値未満（典型的な値は、１００ｋｍ長さのファイバの場合３０ｄＢ未満）であるように指定される。既存のマルチコアファイバにおいて、（２つの隣接コア間の）結合長さはファイバの全長を大幅に上回るので、最大でも、１つのコアにおける信号パワーのほんの一部しか近隣コアへ伝達しないことが確実であるということになる。

既存の（一般的に光通信に用いられる）マルチコアファイバと対照的に、本発明を具体化するマルチコア光ファイバは、コアの少なくともいくつかの間の明確かつ有効な非消失性光結合を実証することが必要とされる。光結合が「明確」であるということは、光結合が、閾値を下回ることのみが指定されるのではなく、所定の範囲（すなわち範囲の下限と上限との間）内であることが指定されることを意味する。光結合が「有効」であるということは、範囲の下限が、マルチコアファイバが用いられるシステムのＳＮＲの逆関数よりも上であることを意味する。すなわち、光結合は、そのような光結合によって第１のコアから第２のコアへ伝達される光信号が、第２のコアにおいて、システムの雑音レベルを少なくとも上回り、好適には大幅に上回る強度（パワー）を有するようなものである。したがって、本発明のマルチコア光ファイバにおいて、（互いに「光結合された」と決定された）コア間の光結合は、光結合によって伝達された光信号が雑音を上回る、好適には大幅に上回ることを可能にするために十分なほど強いが、既存のマルチコア光ファイバにおいて、光結合によって伝達された光信号は、雑音を下回り、好適には大幅に下回らなければならない。本発明のいくつかの好適な実施形態において、「光結合」されたコア間の光結合は、結合長さをファイバの全長に匹敵させるのに十分なほど強い。これは、結合長さが最大でもファイバの長さの２倍よりも小さいことを意味する。いくつかの実施形態において、結合長さは、ファイバの全長と等しいか、それより小さくなり得る。いくつかの実施形態、特に多数の光結合コアを備える実施形態において、結合長さは、ファイバの全長の何分の１かであってもよい。

マルチコア光ファイバにおけるコア間の光結合は一般にエバネッセント波結合によって実現される。本明細書においてエバネッセント波結合は、光が第１の媒体から第２の媒体へ、第１の媒体と第２の媒体とを分離し第１の媒体および第２の媒体の屈折率よりも低い屈折率を有する第３の媒体を通って指数関数的に減衰する波として伝達する現象を意味するものとして用いられる。２つの光伝搬媒体、たとえば光ファイバにおける２つのコア間のエバネッセント波漏洩は、エバネッセント波結合による１つの媒体から他の媒体への光の伝達を意味する。

コア間のエバネッセント波結合は、たとえばコア間の距離および径などのコア幾何学パラメータ、ならびにコアにおける光伝搬モードに強く依存する。本発明を実装するために必要なコア間の実質的なエバネッセント波結合に関して、本発明のマルチコアファイバにおける光結合コアは、コア間の光結合が望まれない従来のマルチコアファイバにおける距離よりも一般に小さい距離で配置され得る。たとえば、当該技術において一般的に用いられる材料から製造されたファイバにおいて、たとえば約８ｕｍの径を有するコア間の実質的なエバネッセント波結合は、コア中心間の距離が約２０ｕｍ未満である場合、好適にはコア中心間の距離が約１５ｕｍ未満である場合、更に好適には距離が約１０ｕｍ未満である場合に実現され得る。対照的に、光結合が望まれず寄生的現象として存在するファイバにおいて、コア間の距離は、たとえば２０ｕｍよりも大きく、好適には３０ｕｍよりも大きい。

本明細書で説明される本発明の他の実施形態が図２Ａおよび図２Ｂに図示される。図２Ａは、円筒形２コア光ファイバ２００を示す。２コア光ファイバ２００は、第１のファイバ端部２０８と第２のファイバ端部２１０との間に伸長するファイバ体２０４を備える。ファイバ体２０４は、第１の円筒形コア２２０および第２の円筒形コア２２２を収容する。円筒形コア２２０および２２２の各々は、第１のファイバ端部２０８から第２のファイバ端部２１０へ長手方向に伸長する。ファイバクラッド２４０は、円筒形コア２２０および２２２を覆っている。円筒形コア２２０および２２２は、たとえば光ファイバ製造技術において知られるようなガラス、シリコン、シリカまたはプラスティックで作られてよい。クラッド２４０は、第１の円筒形コア２２０および第２の円筒形コア２２２の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で作られる。第２の円筒形コア２２２は、これを通って移動する光信号を増幅するように構成される。いくつかの実施形態によると、第２の円筒形コア２２２は、増幅を可能にするためにドープされ得る。たとえば円筒形コア２２０および２２２はシリカ製であってよく、第２の円筒形コア２２２はエルビウムイオンでドープされてよい。第１のファイバ端部２０８および第２のファイバ端部２１０は、（入力ポートを通って）ここへ伝送される光を受け取り、ここから（出力ポートを通って）光を射出するように構成される。

図２Ｂは、第１の円筒形コア２２０および第２の円筒形コア２２２が伸長する平面における２コア光ファイバ２００の断面図を図示する。第１の円筒形コア２２０は、第１のファイバ端部２０８に第１の入力ポート２５０を、第２のファイバ端部２１０に第１の出力ポート２５６を備える。同様に、第２の円筒形コア２２２は、第１のファイバ端部２０８に第２の入力ポート２５２を、第２のファイバ端部２１０に第２の出力ポート２５８を備える。また第２の円筒形コア２２２は、第１のファイバ端部２０８に制御ポート２６２も備える。

光ファイバ２００は、エバネッセント波結合による円筒形コア２２０と２２２との間の光結合をもたらすように構成される。すなわち、円筒形コア２２０および２２２のいずれかを通って伝搬する光は、エバネッセント波結合を介して他方のコアに伝達してよい。２つの平行な（ｚ＝０からｚ＝Ｌへ伸長する、ここでＬはファイバ体２０４の長さである）円筒形コアに関して、コア長さｓ≦Ｌにわたる結合効率は、η（ｚ＝ｓ）＝Ｐ_２（ｚ＝ｓ）／Ｐ_１（ｚ＝０）として定義され、式中、Ｐ_１（ｚ＝０）は、ｚ＝０において第１のコア内へ伝送される光のパワーであり、Ｐ_２（ｚ＝ｓ）は、第２のコア内へ伝送される光がない、すなわちＰ_２（ｚ＝０）＝０であるという条件下でのｚ＝ｓにおける第２のコア内の光のパワーである。第２のコア内の光が増幅されない場合、第２のコアを通って伝搬する光全てが伝達光である。いくつかの条件下で、結合効率は増加し、その後、高いｚ値において一部の光が第２のコアから第１のコアへ戻り伝達するため、ｚの関数として減少し得る。結合長さｌは、結合効率が最大値に到達する時の最小ｚ座標として定義される。

第２の円筒形コア２２２は、第２の波長λ_２を有する光（たとえばポンプ光信号）をコア内に伝送することによって、これを通って伝搬する第１の波長λ_１を有する光の制御された増幅を可能にするように構成される。λ_２光は、第１のファイバ端部２０８または第２のファイバ端部２１０のいずれかにおける円筒形コア２２２の露出端部の１つであるように選択され得る制御ポート２６２を通ってコア内に伝送され得る。

いくつかの実施形態によると、第２の円筒形コア２２２は、そのような制御された増幅を可能にするようにドープされ得る。ドープコアにおいて、ドーパントイオンは、λ_２光子の吸収後に励起され、励起イオンの緩和は、誘発発光として知られるプロセスを介してλ_１光子によって促進される。緩和プロセスにおいて、励起イオンは、促進用λ_１光子と同じ位相で追加のλ_１光子を射出することによって、コア内に既に存在するλ_１光のパワーを増加させる。円筒形コア２２２内に伝送されるλ_２光のパワーを制御することによって、λ_１光の増幅レベルが制御され得る。コア間の光結合は固定かつ一定であり、２コアファイバの構造および上述したような他の固定パラメータによって決定されるものであることに留意する。第２の円筒形コア２２２における光の増幅は、たとえば上述したように第２の円筒形コア２２２内に伝送されるλ_２光のパワーを変化させることによって変更され得ることにさらに留意する。
動作中の２コア光ファイバ

本明細書においてこのセクションで用いられる場合、光結合は、コア間のエバネッセント波結合を指す。

２コア光ファイバ２００の典型的な動作モードにおいて、第１の波長λ_１の光信号を備えパワーｘ_１を有する第１の入力光信号は、第１のファイバ端部２０８において第１の入力ポート２５０を介して第１の円筒形コア２２０へ伝送される。第１の波長λ_１の光信号を備えパワーｘ_２を有する第２の入力信号は、第１のファイバ端部２０８において第２の入力ポート２５２を介して第２の円筒形コア２２２へ実質的に同時に伝送される。同時に、第２の波長λ_２およびパワーｘ_ｐのポンプ光信号が、たとえば第１のファイバ端部２０８において制御ポート２６２を介して第２の円筒形コア２２２へ伝送される。ポンプ光信号は、第２の円筒形コア２２２を通って伝搬するλ_１光のパワーを増幅する。出力光信号は、第２のファイバ端部２１０において第２の出力ポート２５８を介して第２の円筒形コア２２２から射出され、出力光信号のパワーｙは、たとえば第２の出力ポート２５８において第２のコア２２２と光学的に関連する光センサ（不図示）によって測定され得る。第２の円筒形コア２２２から射出されたλ_２光が出力光信号に寄与することはなく、たとえば、光センサに到達する前に濾過されてよく、またはセンサがλ_１光専用であってよい。当業者は、追加または代替として他の出力光信号が第１の出力ポート２５６から得られ得ることを理解すべきである。第１の円筒形コア２２０から第２の円筒形コア２２２へのλ_１光伝達率は、パワーｘ_１、ｘ_２、およびｘ_ｐ、第２のコア２２２におけるλ_１光の増幅率、コアおよびコア間のクラッドの屈折率、コア間の距離などに依存する。増幅率は、λ_１光の誘発発光に起因する、コアの長さに沿った単位距離ごとのλ_１光のパワーの増加である。光損失メカニズムとともに、パワーｘ_１およびｘ_２、およびλ_１光伝達率は、（たとえば第２の円筒形コア２２２からの）出力光信号のパワーｙを決定する。したがって、光ファイバ２００は、出力光信号の２つの入力光信号への非自明な依存関係を確立するように構成され動作可能であると結論付けられる。上記の動作モードは、たとえばＡＮＤ論理ゲートまたはＯＲ論理ゲートを実装し、たとえばポンプ光（第２の波長λ_２光）のパワーを制御することによって増幅率を制御し、それによって入力光信号のセットの出力信号へのマッピングを決定し、変化させることによって、ゲートのそのような機能を選択するために用いられ得る。以下に記述する例のために、また実証を容易にするために、コア２２０および２２２は同じ半径を有し、ファイバ体２０４内で対照的に配置され、同じ屈折率を有するものと仮定する。また、コアを通る光伝搬中のあらゆる損失は無視できるものと仮定する（１つのコアから別のコアへのエバネッセント波漏洩は損失として見なされず、光の伝達であり、２つのコアにおける合計パワーを一定に保つものである）。また、ファイバ体２０４の長さＬは、（他の光、特にλ_２光がなく）λ_１光のみが円筒形コア２２０および２２２のいずれかに伝送された場合、結果として生じる、第１の出力ポート２５６を通って第１の円筒形コア２２０から射出されたλ_１光の第１のパワーＰ_１（ｚ＝Ｌ）と、第２の出力ポート２５８を通って第２の円筒形コア２２２から射出されたλ_１光の第２のパワーＰ_２（ｚ＝Ｌ）とが実質的に等しく、すなわち、２コア光ファイバの長さにわたる結合効率が実質的に２分の１に等しくなるようなものであると仮定する。したがって、第２のコア２２２において増幅率１（すなわち正味の増幅がないこと）を選択すると、出力信号パワーの入力信号パワーの各々への依存度が等しいことにも留意する。

論理ゲートを実装するために、第１の入力ビットは、第１の入力ポート２５０を通って第１の円筒形コア２２０へ伝送される第１のλ_１光信号で符号化され、第２の入力ビットは、第２の入力ポート２５２を通って第２の円筒形コア２２２へ伝送される第２のλ_１光信号で符号化される。０および１は、たとえば光入力の第１の（実質的にゼロの）パワーおよび光入力の第２の（実質的にゼロでない）パワーｕによってそれぞれ符号化される。出力ビットは、出力ポート２５８を通って第２の円筒形コア２２２から射出されるλ_１光のパワーから復号される。閾値パワーＴ＞１／２ｕよりも小さい、または実質的に等しいパワーを有する射出λ_１光は、０として復号される。Ｔよりも大きいパワーを有する射出光は、１として復号される。理論的には、Ｔは１／２ｕであるように選択され得る。実際は、Ｔ−１／２ｕ＞Δであるのに足るほどＴは１／２ｕよりも大きくされてよく、Δは、（ａ）コア内のエネルギ損失、（ｂ）ファイバ長さに沿った第１のコアから第２のコアへの光伝達率の理論上の０．５値との相違、および（ｃ）円筒形コア２２２から射出されたλ_１光のパワーを測定するために用いられる光センサの解像度を含むいくつかの因子によって決定される。またＴは、ｕ−Ｔ＞Δであるのに足るほど小さくされることにより、１／２ｕとｕとを十分区別できるようにする。

ＡＮＤゲートを実装するためには、制御ポート２６２を通って第２の円筒形コア２２２へ伝送されるλ_２光はない。入力ビットの各々が０に等しい（すなわち、いずれのコア内にも光が伝送されない）場合、第２の円筒形コア２２２から射出される光はないので、出力ビットは０に等しい。第１の入力ビットが０に等しく第２の入力ビットが１に等しい場合、第１の円筒形コア２２０へ伝送される光はなく、パワーｕのλ_１光が第２の円筒形コア２２２へ伝送される。Ｌにわたる結合効率は実質的に２分の１であるため（かつコアが実質的に無損失であるため）、第２の円筒形コア２２２から射出される光のパワーは実質的に１／２ｕに等しく、出力は０に等しい。同様に、第１の入力ビットが１に等しく第２の入力ビットが０に等しい場合、出力ビットは０に等しい。最後に、両方の入力ビットが１に等しい場合、パワーｕのλ_１光が両方のコアへ伝送され、コアが実質的に無損失であるため、かつ上述したファイバ体２０４の対称性によって、コアの各々、特に円筒形コア２２２は実質的にｕに等しいパワーを有するλ_１光を射出するので、出力ビットは１に等しい。

ＯＲゲートを実装するためには、第２のビットの符号化と同時に、第２の円筒形コア２２２へλ_２光が伝送される。両方の入力ビットが０に等しい場合、出力ビットは０に等しい。第１の入力ビットが０に等しく第２の入力ビットが１に等しい場合、コア内へ伝送されたλ_２光は、第２の円筒形コア２２２へ伝送されたλ_１光を増幅し、その結果、パワーｖ＞１／２ｕを有するλ_１光が第２の円筒形コア２２２から第２の出力２５８を通って射出される。第１の入力ビットが１に等しく第２の入力ビットが０に等しい場合、コア内へ伝送されたλ_２光は、第１の円筒形コア２２０から第２の円筒形コア２２２へ伝送されたλ_１光を増幅し、その結果、パワーｖ´＞１／２ｕを有するλ_１光が第２の円筒形コア２２２から第２の出力２５８を通って射出される。両方の入力ビットが１に等しい場合、コア内へ伝送されたλ_２光は、第２の円筒形コア２２２へ伝送されたλ_１光を増幅し、その結果、パワーｖ´´＞ｕを有するλ_１光が第２の円筒形コア２２２から第２の出力２５８を通って射出される。伝送されたλ_２光のパワーを増加させることによって、ｖおよびｖ´のパワーは、ｖ−Ｔ＞Δかつｖ´−Ｔ＞Δ（ｖ´´＞ｕ＞Ｔ＋Δであるため、ｖ´´−Ｔ＞Δ）であるように増加されてよく、その結果、入力の少なくとも１つが１に等しい全ての入力ペアにおいて１に等しい出力ビットがもたらされる。

２コアファイバ２００の機能をＯＲゲートとＡＮＤゲートとの間で切り換えることによって、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が実現され得る。本明細書で説明されるようなマルチコアファイバに同様の切換え技術を利用することによって、数十または数百または更に多くの数のゲートを含むＦＰＧＡが実現され得る。
マルチコア光ファイバの実施形態

本発明の他の実施形態が図３Ａおよび図３Ｂに模式的に示される。図３Ａは、マルチコア光ファイバ（ＭＣＦ）４００を模式的に図示する。ＭＣＦ４００は、ＭＣＦ体４０４、第１のＭＣＦ端部４０８、および第２のＭＣＦ端部４１０を備える。ＭＣＦ体４０４は円筒形であり、ｚ軸と一致する長手方向軸４１４が円筒の対称軸を描く。第１のＭＣＦ端部４０８はｘｙ平面上にあり、第２のＭＣＦ端部４１０は第１のＭＣＦ端部４０８と平行である。ＭＣＦ体４０４は、（白い点で示された）伝送コア４２０および（黒い点で示された）増幅コアを収容する。伝送コア４２０の各々および増幅コア４３０の各々は円筒形であり、第１のＭＣＦ端部４０８から第２のＭＣＦ端部４１０へ長手方向軸４１４と平行に伸長する。クラッド４４０は、伝送コア４２０および増幅コア４３０を覆っているＭＣＦ体４０４の内容積に充満する。コアおよびクラッドを含むマルチコア光ファイバ４００は、当該技術において知られる、２コア光ファイバ２００に関して上述したような材料で作られてよい。たとえば、伝送コア４２０および増幅コア４３０は、ガラスまたはプラスティックまたはシリカで作られてよい。増幅コア４３０は、上述したように、光増幅を可能にするためにドープされ得る。たとえば、増幅コア４３０はシリカ製であり、エルビウムイオンでドープされてよい。クラッド４４０は、伝送コア４２０および増幅コア４３０、たとえばシリカなどの屈折率よりも低い屈折率を有する材料で作られる。

図には例示されないがいくつかの実施形態において、長手方向軸４１４に垂直なＭＣＦ４００の横断面は、たとえば三角形、四角形、または六角形や八角形や長円形（たとえば楕円形）の輪郭など、非円形の輪郭を有してよい。いくつかの実施形態において、コア４２０および４３０は、長手方向軸４１４に対して非対称および／または非同心の配置に配置される。いくつかの実施形態において、増幅コア４３０におけるドーパントの分散は、ｚ軸に沿って均一であってよい。他の実施形態において、ドーパントの分散は、増幅コアの長さに沿って非均一であってよい。いくつかの実施形態において、クラッド４４０は、保護ジャケットまたはコーティングによって封入され得る。いくつかの実施形態において、中空管の周期構造は、約１０ｕｍ〜約４ｕｍの範囲内の径を有する（周期的または非周期的な）気泡を隔離することによって中断され得る。そのような気泡は、全てのコアを取り巻くか、コアの特定の一部を取り巻くか、または（取り巻くようにではなく）コアの機能構造の一部としてのＰＣＦの円周において、クラッド内に含まれ得る。いくつかの実施形態において、たとえばグレーティングなど他の変調構造がコアのいくつかまたは全てに追加されてもよい。

図３Ｂは、好適な動作モードにおけるＭＣＦ４００を模式的に図示する。入力ポート４５０は、λ_１波長の光信号をＭＣＦ４００へ入力するために、好適には第１の端部４０８において、最外側のコア全てに関連する。出口ポート４６０は、ＭＣＦ４００からの（λ_１波長の）光信号を出力するために、好適には第２の端部４１０において、最内側のコア全てに関連する。図３Ｂの典型的な実施形態において、入力ポートは全て増幅コアに関連し、出力ポートは全て伝送コアに関連するが、この入力および出力ポートのコア種類への特定の割当ては典型的かつ非限定的であることを理解すべきである。入力ポートおよび出力ポートの伝送コアおよび増幅コアへの他の割当ておよび割当ての組み合わせが考えられ、用いられてよい。

増幅コアにおける増幅を制御するために、λ_２波長かつ制御されたパワー（強度）の制御光信号が、制御ポート（不図示）を通って増幅コア内へ個々に伝送される。理想的には、λ_２光に関するコア間の光結合はゼロであり、すなわち、λ_２光は、ＭＣＦ４００に沿って伝搬中に１つのコアから別のコアへ伝達しなくてよい。また、理想的には、コアに沿ったλ_２光のパワー損失は無視できるものである。したがって、理想的なＭＣＦにおいて、λ_２光の伝搬方向は、増幅コアにおける増幅に作用することがないので、ＭＣＦ４００への制御信号の伝送は、ＭＣＦ４００の第１の端部４０８および第２の端部４１０のいずれかによって作用され得る。上述した理想から外れた、ＭＣＦ４００におけるλ_２光伝搬の現実的な例が以下で詳述される。

図４は、ｘ‐ｙ平面におけるＭＣＦ４００内のコアの空間配置の詳細図を模式的に示す。ＭＣＦ４００における光結合は、エバネッセント波結合によって実現されるので、コア間の距離に強く依存する。直線５１０が隣接した（近隣）コアを図式的に連結することにより、光結合コアのペアを示す。ただし、図４における光結合コアのいくつかのみが直線５１０によって図式的に連結されるが、図４における隣接コア全てが光結合されていることを理解すべきである。光結合コア（たとえば、直線５１０によって連結されたコア）の各シリーズは、光信号が伝達し得るシーケンスを形成する。特に重要なシーケンスは、最外側コアにおける「入力」を最内側コアにおける「出力」に結合するシーケンスである（「入力」および「出力」は、それぞれ入力ポートおよび出力ポートに関連するコアに関する）。

「入力」から「出力」への上記シーケンスに続き、ＭＣＦ４００内のコア全てが層５２０ａ〜５２０ｈにグループ分けされ得る（図４では、ＭＣＦ断面のセクタにわたって部分的にしか表されない）。層５２０ａは、（入力ポート４５０に関連する）最外側コア全てから構成される。更なる各層におけるコアは、外側の層におけるコアに最も近い内側コア全てから構成される。したがって、層５２０ｂは、層５２０ａにおけるコアの内側かつ最隣接のコア全てから構成され、層５２０ｃは、層５２０ｂにおけるコアの内側かつ最隣接のコア全てから構成され、以下同様である。よって、層５２０ｈは、出力ポート４６０に関連する、ＭＣＦ４００の最内側のコア全てから構成される。

ＭＣＦ４００において、特定の入力４５０を特定の出力４６０に接続する多数の（コアの）シーケンスが存在する。シーケンスの長さは、シーケンスから１引いた数を備えるコアの数によって測定される（すなわち、コアの近隣ペアのシーケンスの長さは１である）。したがって、ＭＣＦ４００における入力と出力との間の最短シーケンスは、各層５２０ａ〜５２０ｈから１つずつのコアで構成されるので、長さ７を有する。

ＭＣＦ４００のコアは更にサブネット５３０（明確にはサブネット５３０ａ〜５３０ｆ）に分割され、各サブネットは三角形の点線に囲まれる。層５２０ａ〜５２０ｆにおけるコアは全てサブネットに含まれるが、内側層５２０ｇ〜５２０ｈにおけるコアはサブネットに含まれない。

ＭＣＦ４００におけるコアグループは、３つのモチーフ類型に更に分類され、モチーフは、コアグループの幾何学的配置または空間構成として定義される。第１のモチーフ５４０は、１つの中心コアおよび３つの周囲コアの４つのコアを備える。周囲コアは、正三角形の頂点に位置し、中心コアは、三角形の中心に位置する。サブネットの各々におけるコアは全て、第１のモチーフに従って配置された３つのコアグループにグループ分けされ得る。第２のモチーフ５５０は、１２０°の頂角を有する二等辺三角形の頂点に位置する３つのコアを備える。第３のモチーフ５６０は、直線に沿って配置された３つのコアを備える。層５２０ｇおよび５２０ｈにおけるコアは全て、第２および第３のモチーフに配置される。

上述したように、（光信号が伝送される）第１のコアと、（第１のコアから光信号が伝達する）第２の近隣コアとの間の結合効率は、コアの長さに沿って変化してよい。いくつかの実施形態において、光効率は、（結合長さを示す）特定の点ｚにおいて最大値を有してよく、それを越えると、第２のコア内へ伝達する光よりも多くの光が第２のコア外へ伝達される。ＭＣＦ４００は、入力ポート４５０へ伝送されたλ_１光が出力ポート４６０へ間接伝達することを可能にするように構成される。光の間接伝達とは、光信号が、シーケンス内のコアのペア間の光結合を通してコアシーケンスを通って伝達されることを意味する。隣接コアの単一のペアにおける光信号の有効な伝達は結合長さに沿って生じるので、本発明のマルチコア光ファイバの全長は、シーケンスに沿った一連の結合長さの関数であると結論付けられる。好適には、ファイバの全長は、シーケンス（のいずれか）における第１のペアの結合長さよりも大きく、入力から出力への最短コアシーケンスの総和である結合長さの合計よりも小さい。ＭＣＦ４００における入力から出力への最短コアシーケンスは、（層５２０ａ〜５２０ｈの数よりも１小さい）７ペアの近隣コアを含み、シーケンスに沿った近隣コアは互いに等しく離間する。したがってＭＣＦ４００の長さは、およそ（ＭＣＦ４００における近隣コアを特徴付ける）結合長さ掛ける７よりも小さい。

図５Ａ〜図５Ｇは、入力から出力へのコアシーケンスに沿った光信号の伝達を、ｚ軸に沿ったＭＣＦ４００の７つの断面において模式的に示す。したがって、図５Ａは、ＭＣＦの第１の端部４０８から（結合長さに等しい）約Ｌの距離におけるＭＣＦ４００の断面図を模式的に示す。よって図５Ａは、層５２０ａ内の最外側コアから、層５２０ｂ内の近隣コアまでの（矢印で示される）光の伝達を示す（図内に層は明示されない）。同様に、図５Ｂは、層５２０ａのコアを起点とする光を搬送する層５２０ｂ内のコアにおいて結合効率が最大になるところである、ＭＣＦの第１の端部４０８からの距離におけるＭＣＦ４００の断面図を模式的に示す。層５２０ｂ内のコアからの光もまた、層５２０ａ内のコアへ戻り結合することを理解すべきである。ただし、ＭＣＦ４００の限られた全長により、入力から出力への最短コアシーケンスから逸れた光信号（すなわち、最短シーケンスとは異なる、最短シーケンスよりも長いシーケンスに沿ってコアからコアへ伝達する光信号）は、最終的に出力信号に寄与しないことがある。その結果、ＭＣＦ４００は、（たとえば、出力ポート４６０ａ〜４６０ｆのいずれかにおける）出力光信号の入力光信号への非自明の依存関係を確立するように構成され動作可能であると結論付けられる。また、増幅コア４３０の全てにおいて増幅率１を選択することによって、出力信号の各々は、（それぞれの出力を含む８つの異なる最短シーケンスに関連する）少なくとも８つの入力信号に等しく依存することに留意する。

増幅コア４３０は、増幅コア４３０のいずれか１つにおいて伝搬する第２の波長λ２を有する光が、ドーパントイオンに吸収され、これらの電子の励起を発生し、これらの緩和がλ１光子によって促進されるように構成される。緩和プロセスにおいて、ドーパントイオンは、促進用λ１光子と同じ位相を有する追加のλ１光子を射出することによって、既に存在する波長λ１の光のパワーを増加させる。

ＭＣＦ４００は更に、２つの隣接コア間の波長λ_２の光信号によって誘発された光結合が、λ１光によって誘発された光結合よりも弱いように構成される。第１の増幅コアから第２の増幅コアへのλ２光の伝達は、第１の増幅コアにおける増幅の低下、および場合によっては第２の増幅コアにおけるλ１光の不所望の増幅を招くことがあるので、一般に望ましくない。

たとえば上述したようなドープコアによって光ファイバにおける増幅をもたらすための既存の技術は、マルチコアファイバの全長が最小であることを課し得る。すなわち、本発明のマルチコアファイバの全長は、いくつかの実施形態において、現代の技術によって利用可能な単位長さごとの増幅によって規定され得る。したがって、そのような実施形態において、（λ１光に関する）結合長さは、上で詳述および説明したように、結合長さとファイバの全長との間で必要な比率を保つために、ファイバ全長と相関付けされなければならない。そのような結合長さの確立は、結合長さに影響を及ぼすマルチコアファイバのパラメータを適切に設定、たとえば近隣コア間の距離を設定することによって実現され得る。ただし、本発明のマルチコアファイバの効率的な光の伸びは、ＭＣＦ４００の第２の端部４１０におけるミラー（またはコアごとに個別の多数のミラー）によって、ファイバ内へ光信号を反射することによって実現されてもよいことに留意する。

いくつかの実施形態によると、増幅コア４３０における光の増幅は、量子ドットレーザの使用を伴ってよい。

図６は、本発明の（本発明の一般性を損なうことなく、本明細書においてＭＣＦ４００と称される）マルチコア光ファイバを組み込むシステムオンチップ６００を模式的に示す。システムオンチップ６００は、チップ体６００、ＭＣＦ４００、第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ６２０、第２のＬＥＤアレイ６２２、入力カプラ６３０、光検出器アレイ６４０、入力コネクタ６５０、出力コネクタ６６０、および電力コネクタ６７０を備える。入力コネクタ６５０、出力コネクタ６６０、および電力コネクタ６７０は全て、チップ体６１０の内側からチップ体６１０の外側へ伸長する。入力コネクタ６５０は、第１および第２のＬＥＤアレイ６２０および６２２へ入力信号を送信するように構成される。出力コネクタ６６０は、光検出器アレイ６４０からの出力信号を受信するように構成される。電力コネクタ６７０は、外部電源（不図示）と接続し、システム６００、特にＬＥＤアレイ６２０および６２２および光検出器アレイ６４０を操作する電力を供給するように構成される。第１のＬＥＤアレイ６２０内の各ＬＥＤは、λ１光を射出するように構成される。第２のＬＥＤアレイ内の各ＬＥＤは、λ２光を射出するように構成される。システムオンチップ６００は、ＬＥＤアレイ６２０および６２２内の各ＬＥＤによって射出された光が入力カプラ６３０へ導かれるように構成される。入力カプラ６３０は、各ＬＥＤを、ＭＣＦ端部４０８における単一の入力ポートに光結合する。ただし、いくつかの実施形態において、特定の入力ポートが（入力信号を受信するための）λ１ＬＥＤおよび（制御信号を受信するための）λ２ＬＥＤの両方に結合され得ることに留意する。光検出器アレイ６４０は、第２のＭＣＦ端部４１０においてＭＣＦ４００の各出力ポートによって射出された光が、光検出器アレイ６４０内の対応する光検出器によって検出されるように構成される。当業者は、本発明の実施形態が、本明細書の教示に従って、たとえば平行に配置された複数のＭＣＦ、および代替または追加として単一ＭＣＦまたは複数のＭＣＦに関連する複数のＬＥＤアレイ６２０および６２２、入力カプラ６３０、および検出器アレイ６４０の各々を含む、単一チップに集積されたシステム６００の様々な組み合わせを含んでよいことを理解すべきである。

図７は、本発明のマルチコア光ファイバへ多数の入力光信号を入力するために構成されたシステム６８０を模式的に示す。システム６８０は、マルチコア光ファイバ内の多数の所望のコアにおける光が個々に引き起こされるように光の波面をビーム形成するために、空間光変調器（ＳＬＭ）６８２を利用する。いくつかの実施形態によると、システム６８０は、入力コネクタ６８６を介して電子的に命令される、デジタルマイクロミラーアレイデバイス（ＤＭＤ）６８４を備える。ＤＭＤ６８４は、入来する均一光ビーム６９２を空間的および時間的に変調することによって、マルチコアファイバ内に入力される多数の入力光信号を同時に生成するように構成される。撮像セットアップ６９０は、ＤＭＤ６８４からの単一のマイクロミラーの画像が、ファイバの各入力ポートに個々に投射されるように、光ファイバの入力ポートにおけるＤＭＤ活性領域の画像に焦点を当てる。動作中、ＤＭＤ６８４は、多数の個々の光入力信号を備える所望の入力を、ファイバの多数の入力ポートに投射するために、到来する均一光ビーム６９２を空間的および時間的に変調してよい。代替または追加として、マルチコアファイバ端部に投射される膨大な数の個々の入力光信号を生成するために他の技術が利用されてもよい。いくつかの実施形態によると、ＳＬＭ６８２は、たとえば必要とされる均一なエネルギを有する入力信号の２次元（２Ｄ）アレイを生成するために位相のみの光学マスク（たとえば、Ｄｕａｄｉ ａｎｄ Ｚａｌｅｖｓｋｙ ｉｎ Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．９、２０１０年９月、２０２７頁）を利用してよい。
人工ニューラルネットワークとしてのマルチチャネル光モジュール

図８Ａおよび図８Ｂに模式的に示すいくつかの実施形態によると、本発明のマルチチャネル光モジュール（ＭＣＯＭ）８１０を備える学習システム８００は、人工ニューラルネットワーク（ＡＮＮ）を実装するために用いられ得る。ＭＣＯＭ８１０は、本明細書において上述および説明したように、多数の光結合された伝送チャネルおよび増幅チャネル（この図には明示しない）を備える。学習を実装するために、学習システム８００は、データのセットをカテゴリまたはクラスに分類するように教育または訓練される。たとえば、システムは、女性の画像であるか男性の画像であるかに従ってパスポート写真画像のセットを分類することを課され得る。

ＭＣＯＭ８１０は、カテゴリ分けに必要なデータ要素を表す入力信号を受信するように構成されたデータ入力８１２と、特定のデータ要素の入力に応答して、学習した規則に従ったデータ要素の分類またはカテゴリ分けを示す出力信号を送信するように構成されたデータ出力８１４とを備える。入力８１２および出力８１４は、本明細書の上記教示に係るＭＣＯＭ８１０内の複数の光チャネルに関連する。ＭＣＯＭ８１０は、制御信号を受信するように構成された制御入力８１６を更に備え、制御信号は、ＭＣＯＭ８１０の増幅チャネルの増幅を制御するために適している。

システム８００は、制御入力８１６と機能的に関連し、ＭＣＯＭ８１０の増幅チャネルの増幅を制御するために適した制御信号を生成するために構成された制御信号ドライバ８２０を更に備える。制御信号ドライバ８２０と機能的に関連するメモリモジュール８３０は、選択された増幅値のセットを記録し制御信号ドライバ８２０へ送達するように構成され、それに従って制御信号ドライバ８２０は必要な制御信号を生成する。プロセッサ８４０は、所望の学習規則を有するシステム８００を実装するために学習アルゴリズムを実行するように構成される。プロセッサ８４０は、ＭＣＯＭ８１０からの出力信号を受信するためにＭＣＯＭ８１０の出力８１４と機能的に関連し、選択された増幅値のセットを提供するためにメモリ８３０と機能的に関連する。

使用に関して、分類される必要があるデータセット内の各データ要素は、ビットストリングによって表され得る。ビットストリングのセットは、ＭＣＯＭ８１０へ入力された入力光信号のパワーの実質的に異なるセットで符号化され得る。非限定的な例として、教師あり学習バージョンにおいて、訓練セットが選択され得る。訓練セットは、訓練セット内の各データ要素がカテゴリ分けされるようなデータのサブセット、たとえば、画像内の人の性別が「男性」または「女性」として事前にカテゴリ分けされるパスポート写真画像のサブセットである。訓練セット内の各データ要素は、入力パワーのセットで符号化される。また、各カテゴリは、出力パワーの異なる出力セットで符号化される。その後、たとえば学習セットを必要な出力セットに正しくマッピングするための「学習」のプロセスにおいて、制御信号（たとえばポンプ光パワー）のセットが見出され得る。すなわち、増幅値の単一セットが見出されることにより、訓練セット中の各データ要素は、システムに入力されると、入力の正しいカテゴリを示す出力を生成する。たとえば、画像写真に関する訓練セット内の各入力について、出力は、画像写真の事前カテゴリ分けと一致する「男性」または「女性」のいずれかを示す。

必要な増幅値は、増幅値の第１のセットがプロセッサ８４０によってたとえばランダムに選択され、ＭＣＯＭ８１０へ提供されるという（非限定的な）典型的プロセスにおいて見出され得る。その後、１回に１つ、各符号化データが入力８１２へ送信され、選択された増幅値と関連する制御信号のセットが同時に制御入力８１６へ伝送されるというステップのセットが実行される。その結果として出力８１４から射出される出力信号は、プロセッサ８４０によって測定および記録される。符号化データの全てが送信され、その結果生じる出力信号が記録されると、増幅値の新たなセットを生成するように学習アルゴリズムがプロセッサ８４０によって実装される。たとえば、誤差マグニチュード、すなわち、結果として生じる出力パワーのセットが出力パワーの正しいセットから平均的にどの程度「遠いか」を数値化するコスト関数が計算され得る。誤差マグニチュードが所望の閾値を上回る場合、アルゴリズムは、出力信号および電流増幅信号から、次のステップで用いられる増幅信号の新たなセットを計算するために用いられ得る。このステップのセットは、誤差マグニチュードが十分小さく、所望のレベルの分類が実現されるまで繰り返される。

訓練セット全体の正しい分類が可能であるような増幅値の所望の単一セットが見出されると、システム８００の学習段階は完了し、図８Ｂに模式的に示すシステム８００ａによって分類が実行され得る。システム８００ａは、（学習アルゴリズムを実装する範囲で）不必要なプロセッサ８４０を有さないという点でシステム８００と異なる。メモリ８３０は、学習段階中に見出された増幅値の単一セットを提供し、このセットは、入力データセット全体を分類するために用いられる。いくつかの実施形態によると、分類を決定する選択された増幅値を精密化するために、学習例は、通常使用中にも間欠的に適用され得る（よって、図８Ａのシステム８００は、第１の学習段階の完了後にも用いられ得る）。

いくつかの非限定的な実施形態によると、ＭＣＯＭ８１０は、本明細書の教示に係る、多数の光結合された伝送コアおよび増幅コアを備えるマルチコア光ファイバによって実現され得る。いくつかの実施形態において、本発明のマルチコア光ファイバは、現在の最先端ファイバ技術に応じた何十万ものコアを含んでよい。そのような多数のコアは、複雑で厄介な計算およびタスクの実行を可能にし得る。
動作中のマルチコア光ファイバのシミュレーション

学習を実証するために、本発明のマルチコア光ファイバにおける光伝搬の光学シミュレーションが行われた。シミュレートされたマルチコア光ファイバは、ＭＣＦ４００と同様に、すなわち上記の図３〜図５において模式的に表したように、ｘ‐ｙ断面にコア配列を有する。したがって、シミュレートされたマルチコア光ファイバは、本明細書において、以下、ＭＣＦ４００と称されるが、これは本発明の一般性を限定しようとするものではない。シミュレーションのために、ＭＣＦ４００を特徴付けるいくつかの物理パラメータに特定値が割り当てられた。ＭＣＦ体４０４の長さは約９ｍｍに等しく設定された。全ての隣接（近隣）コア間のピッチは９μｍに設定された。コア径は８μｍである。伝送コア４２０および増幅コア４３０には１．５２の屈折率が割り当てられ、クラッド４４０には１．４８の屈折率が割り当てられた。これらの値に関して、約０．３５の開口率および約２０．２７°の臨界角が得られる。増幅コアには、８５０ｄＢ／ｍの増幅率が割り当てられた。すなわち、１ｍｍごとに約１．２１６の倍率で増幅する。入力光信号の波長λ_１は、１．５５０ｎｍに等しくされ、ポンプ光信号の波長λ_２は、９８０ｎｍに等しくされた。入力およびポンプ光信号の両方に、ｘおよびｙ座標におけるガウス強度プロフィルが割り当てられた。割り当てられた特定値を用いて、マルチコア光ファイバにおける光伝搬に関する結合波動方程式は、自己書込み型ＭＡＴＬＡＢコードとともにＲＳｏｆｔシミュレーションソフトウェア（シノプシス、米国カリフォルニア州）を用いて数的に解かれた。

図９Ａ〜図９Ｄは、ＭＣＦ４００における、波長λ_１＝１，５５０ｎｍを有する光と、波長λ_２＝９８０ｎｍを有する光との光伝達率の比較を示す。ここに示す例において、λ_１光およびλ_２光は、ＭＣＦ４００の外側層（図３Ｂにおける層５２０ａ）内のコアに（個別に）入力される。図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおけるＭＣＦ４００の断面に沿ったコア内の（λ_１＝１，５５０ｎｍ光の）光強度を模式的に示す。図９Ｅは、パワーレベルが濃度スケールで表されるパワースケールを示す。光信号のパワー値は、任意単位（ａ．ｕ．）、すなわち最大入力パワーが１に正規化されるリニアスケールで表示される。図は、λ_１光が外側コアから内側コアへ光結合コアを介して伝達する際の、各コアにおける段階的な光強度の増加および減少を定性的に示す。ＭＣＦ４００の長さは、近隣コアの結合長さおよび入力から出力へのコアシーケンス内のコアの総数に密接に関連するので、ＭＣＦ４００の長さは、ファイバ内の最短コアシーケンスを介して出力光信号が伝達されるように調整されることに留意する。また、一部の光は内側コアから外側コアへ「戻り」結合するが、上述したように、ＭＣＦ４００の有限長さにより、そのような光信号が内側コアにおける出力に有効に影響することはないということにも留意する。

図９Ｃおよび図９Ｄは、ＭＣＦ４００の同様の断面に沿った、すなわち、それぞれｚ，ｙ，ｘ＝１４．５μｍおよびｚ，ｙ，ｘ＝１８μｍにおけるλ_２＝９８０ｎｍ光の伝達を模式的に示す。図は、λ_２光の結合長さがλ_１光の結合長さを大きく上回り、ファイバの全長よりも長いことを示す。ＭＣＦ４００において伝送コアのみが増幅コアと隣り合うので、増幅の選択性が維持される、すなわち、ファイバの長さの範囲内で１つの増幅コアから別の増幅コアへ伝達し得るλ_２光はないと結論付けられる。

図９Ｆおよび図９Ｇは、それぞれｚ軸に沿ったＭＣＦ４００の４つの断面、すなわちｚ＝０ｍｍ（すなわち、第１のＭＣＦ端部４０８にて、最上部に示す）、ｚ＝３ｍｍ、ｚ＝６ｍｍ、およびｚ＝９ｍｍ（すなわち第２のＭＣＦ端部４１０にて）におけるコアの各々における波長λ_１およびλ_２の光信号のパワーを示す。図９Ｆにおいて、ｚ＝０ｍｍにおいて、波長λ_１＝１，５５０かつ等しいパワーの入力光信号が第１の（最外側の）コア層内のコア全てに伝送されるが、他のコアのいずれにも光は伝送されない。ｚ＝３ｍｍにおいて、１，５５０ｎｍ光信号の大半は第１のコア層から第２および第３のコア層へ伝達され、ｚ＝３ｍｍにおける第３の層内の各コアでのパワーは、ｚ＝３ｍｍにおける第２の層内の各コアでのパワーの約７５％である。ｚ＝６ｍｍにおいて、１，５５０ｎｍ光信号の大半は、第５のコア層へ伝達される。ｚ＝９ｍｍにおいて、１，５５０ｎｍ光信号の大半は、最後の第８のコア層、すなわち出力へ伝達される。

図９Ｇにおいて、ｚ＝０ｍｍにおいて、波長λ_２＝９８０ｎｍかつ等しいパワーの入力光信号が第１層内の全てのコアへ伝送されるが、他のコアのいずれにも光は伝送されない。ｚ＝３ｍｍにおいて、９８０ｎｍ光の大半は、依然として主に第１層のコアに集中している。同様に、ｚ＝６ｍｍにおいて、９８０ｎｍ光の大半は依然として主に第１層のコアに集中しているが、注目すべき量が第２のコア層へ伝達している。ｚ＝６ｍｍにおける第２層の各コアでのパワーは、ｚ＝６ｍｍにおける第１層の各コアでのパワーの約６７％である（第１層の２つの各コアから第２層の各コアへ光が伝達する、すなわち、第２層と比べて第１層には２倍の数のコアが存在することに留意する）。ｚ＝９ｍｍにおいて、９８０ｎｍ光の大半が第１のコア層から伝達され、第２層のコアにおいて最大になり、ｚ＝９ｍｍにおける第１層の各コアでのパワーは、ｚ＝９ｍｍにおける第２層の各コアでのパワーの約６７％である。第３層の各コアにおけるパワーは、第２層の各コアにおけるパワーよりも少なく、約２５％に等しい。第４層およびそれ以降の各コアにおけるパワーは、第２層の各コアにおけるパワーよりも少なく、約１０％に等しい。したがって、この比較は、１，５５０ｎｍの光信号が、９８０ｎｍの光信号の光伝達率の７倍高い光伝達率を有することを示す。

図１０Ａ〜図１０Ｆは、ＭＣＦ４００の分類能力を実証するシミュレーションの結果を示す。シミュレーションにおいて、ＭＣＦ４００は、４つの「０」および４つの「１」を備える８ビットストリングの考えられる全てのセットの中から、ターゲットである００１１１１００を区別する（すなわち選び出す）ことを課せられた。各ビットは、ＭＣＦ４００の対応する入力へ伝送された１，５５０ｎｍ波長の入力光信号として符号化された。０は、ゼロパワーの入力光信号（すなわち伝送される信号がないこと）として符号化され、１は、所定の非ゼロパワーの入力光信号として符号化された。図１０Ａは、ＭＣＦ４００内のコアの空間配置を模式的に示す。上記の分類タスクに関して、サブネット５３０ａ〜５３０ｆはカップルごとにグループ分けされ、カップル７１０はサブセット５３０ａおよび５３０ｂを備え、カップル７１２はサブネット５３０ｃおよび５３０ｄを備え、カップル７１４はサブネット５３０ｅおよび５３０ｆを備える。各カップルは８入力ビットを備え、単一カップルに８ビットストリングを入力することが可能であることに留意する。各カップルは更に１つの出力に対応する、すなわち、カップル７１０は出力４６０ｂに対応し、カップル７１２は出力４６０ｅに対応し、カップル７１４は出力４６０ｆに対応する。

ストリングのカテゴリ（すなわち、ストリングがターゲットストリングであるか否か）は、単一出力の出力光パワーで符号化された。閾値パワーよりも高い出力光パワーは、パターンをターゲットストリングとして分類し、閾値パワーよりも低い出力パワーは、ストリングをターゲットストリングではないものとして分類した。

シミュレーションにおいて、ターゲットストリングはカップル７１０に入力され、制御ストリングの符号化１１００１００１および１００１１００１は、それぞれカップル７１２および７１４へ伝送された。図１０Ａは、ターゲットストリングと２つの制御ストリングとを区別するために選択された増幅パターンを模式的に示す。図１０Ａは、ＭＣＦ４００における（実質的に伝送コアとして機能する）増幅されていないコア７２０および増幅されたコア７３０の空間配置を模式的に示す。すなわち、増幅されるコアは、（９８０ｎｍの）ポンプ光信号によって実際にポンプされる増幅コアから構成される。

図１０Ｂは、ターゲットストリングの符号化がカップル７１０の入力へ伝送され、制御信号１１００１００１および１００１１００１の符号化がそれぞれカップル７１２および７１４へ伝送されたシミュレーションの結果を示す。出力４６０ｂのパワー出力は、出力４６０ｄおよび出力４６０ｆの出力パワーよりも明らかに高いことに留意する。選択された増幅パターンの成功は、ターゲットストリングを制御ストリングから区別することであると結論付けられた。

図１０Ｃおよび図１０Ｄは、図１０Ｂのシミュレーションと同じパターンが符号化および伝送されるが、増幅パターンが図１０Ａに示すパターンとは異なる、第１の制御シミュレーションおよび第２の制御シミュレーションの結果を示す。図１０Ｃのシミュレーションにおいて、（図４に表示した）増幅コアは全て実際に増幅のために用いられたが、図１０Ｄのシミュレーションにおいて、増幅のために用いられた増幅コアはなかった。第１の制御シミュレーション（図１０Ｃ）において、出力信号は全て等しい高パワーを有する。第２の制御シミュレーション（図１０Ｄ）において、出力信号は全て等しい低パワーを有する。したがって、図１０Ｃおよび図１０Ｄのシミュレーションにおいて試験された増幅パターンは、ターゲットストリングを制御ストリングから区別することができないと結論付けられる。

図１０Ｅは、各ポンプ光パワープロフィル、すなわち図１０Ｂの最適プロフィル、図１０Ｃの等しく高いパワープロフィル、および図１０Ｄの等しく低いパワープロフィルに関する出力光信号パワーの比較を示す。ｘ軸上に記されたＯＵＴＰＵＴ番号（１、２、３、・・・６）は、それぞれ出力ポート４６０ａ、４６０ｂ、４６０ｃ、・・・４６０ｆを指す。この制御シミュレーションは、増幅パワープロフィルの特異性、すなわち全てのプロフィルを同じタスクのためには使用できないことを実証する。

図１０Ｆは、増幅パターンが図１０Ａに示すような「最適」パターンに選択された、４つの０および４つの１を備えた考えられる全ての８ビットストリングが符号化され、ＭＣＦ４００へ伝送されたシミュレーションの結果を示す。横軸は、符号化ストリングとターゲットストリングとの相関係数を表す。縦軸は、（出力４６０ｂの）出力光信号を表す。出力光信号は、符号化ストリングがターゲットストリングに近づくほど（より高い相関関数を有するほど）大きくなるように示され、それによってＭＣＦ４００の分類能力が実証される。

図１１Ａは、ほぼ現実的な増幅レベルを用いる分類を実証するシミュレーションの結果を示す。シミュレーションにおいて、上述したシミュレーションにおける上記増幅レベルと比べて約２０倍弱い４１ｄＢ／ｍの増幅レベルが増幅コアに割り当てられた。弱い増幅レベルを補償するためにＭＣＦ体４０４に、長さ１１０ｍｍが割り当てられ、全ての隣接コア間のピッチは１４μｍに設定された。コア径は８μｍである。出力信号は、ここでは図１１Ｂとして比較のために再現された図１０ｂにおける出力信号と比べて全体的に弱かったが、第１のコア４６０ｂから射出された出力信号は、他の全ての出力信号よりも著しく高いパワーを有し、これは、３ビットストリング全てが正しくカテゴリ分けされたことを意味する。

数的シミュレーションは更に、典型的な光ファイバ製造欠陥および実装関連の不完全性の下でのＭＣＦ４００の分類機能の堅牢性（安定性）を示す。具体的には、シミュレーションは、ｘ‐ｙ平面内のランダム角における（すなわち、長手方向軸４１４に垂直な）応力と同様の歪み、ＭＣＦ４００の長さに対する変化、コアおよびクラッドの屈折率の（局所的ではない）グローバル変化、およびコア内へ伝送された入力光信号のビーム角の傾きにおける堅牢性を試験するために行われた。上述した歪みは、たとえばＭＣＦ４００の牽引中、ファイバの長さに沿って圧力が不均一にかかることによって生じることがあり、その結果、たとえばコア間の距離がｘ‐ｙ平面にわたり不均一になる。また、コアのペア間の距離は、ｚ座標の関数として（すなわちＭＣＦ４００の長さに沿って）変化し得る。

たとえば増幅コア４３０のオーバドーピングまたはアンダドーピングなどの製造欠陥は、ポンプ光信号の強度を修正することによって補償され得る可能性があるので、シミュレートされなかった。

堅牢性シミュレーションにおいて、図１０Ａ〜図１０Ｆの数的シミュレーションと同じターゲットパターン（すなわち００１１１１００）を選び出すことがＭＣＦ４００に課された。堅牢性シミュレーションは、図１０Ｂの入力光信号およびポンプ光信号を用いて行われた。このシミュレーションは、ＭＣＦ４００の長さ、およびコアおよびクラッドの屈折率が最大５％変更された場合でも、１メートルごとに最大５％の歪みの変動の下で安定性を実証した（一方、最先端の製造技術は、１メートルごとに約１〜２％の変動を許容する）。すなわち、出力コア４６０ａ、４６５０ｃ、および４６０ｆからの出力信号のパワー比率は、パワーが比較的弱い場合でも、（図１０Ｂに示す）理想的なケースと同様の比率を保った。また、堅牢性シミュレーションは、入力光信号が、（図１０Ａ〜図１０Ｆの数的シミュレーションでのように長手方向軸４１４に平行に進入するのではなく）長手方向軸４１４に対して最大８°の角度でコアに進入した場合でも、安定性を実証した。
フォトニック結晶ファイバの実施形態

ＰＣＦは、ファイバの構造特性が屈折率の差とは無関係に光の閉じ込めに寄与し得る微細構造光ファイバのサブクラスを形成する。ＰＣＦは、ファイバの長さに沿って伸長する軸に垂直なファイバの横断面に周期構造を呈する。ＰＣＦの全クラスが中空管の周期配列、気泡を備える。周期配列は、２次元フォトニックバンドギャップを生じさせ、クラッドが光を伝搬させない周波数および軸伝搬定数成分の２次元仮想空間に広がる。全てのＰＣＦにおいて、光を閉じ込めるコアは、気泡の除去（によって生じるソリッドコア）または気泡よりも大きい半径を有するホールの挿入（によって生じる中空コア）のいずれかによって周期性が途切れた場所にある。

本明細書で説明される本発明の他の実施形態は、図１２において模式的に示すようなホールアシストフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を備える。図１２は、ＰＣＦ１３００の横断面を示す。ＰＣＦ１３００は、六角形状の横断面および図の平面に平行な２つの端部（不図示）を有する本体１３０４を備える。六角形体１３０４は、本体１３０４の一方の端部から他方の端部へ伸長するＰＣＦ伝送コア１３１０およびＰＣＦ増幅コア１３２０と、コアを覆うクラッド１３４０とを備える。ＰＣＦクラッド１３４０は、中空管１３４４の周期配列を備え、各管は、六角形体１３０４の一方の端部から他方の端部へ伸長する。

ＰＣＦ伝送コア１３１０およびＰＣＦ増幅コア１３２０は、ＭＣＦ４００における伝送コア４２０および増幅コア４３０と実質的に同じ幾何学形状で配置される。ＰＣＦ伝送コア１３１０およびＰＣＦ増幅コア１３２０は、第１の波長μ_１を有する光が伝搬することが可能であるように構成される。ＰＣＦ増幅コア１３２０は、伝送される第２の波長μ_２を有する光によって励起されるドーパントの誘発発光によって、内部を伝搬するμ_１光を増幅するようにドープされ構成される。ＰＣＦクラッド１３４０は、クラッド１３４０に入射するμ_１光およびμ_２光がエバネッセント波としてのみ貫通することができるように構成される。ＰＣＦ伝送コア１３１０およびＰＣＦ増幅コア１３２０は更に、隣接コア間のμ_１光の伝達が、隣接コア間のμ_２光に関する光伝達率よりも高い光伝達率で可能であるように構成される。

典型的な動作モードにおいて、ＰＣＦ１３００は、上述したようなＭＣＦ４００と実質的に同じように動作し、ＰＣＦ伝送コア１３１０、ＰＣＦ増幅コア１３２０、およびＰＣＦクラッド１３４０は、それぞれ伝送コア４２０、増幅コア４３０、およびクラッド４４０に類似して機能する。したがって、ＰＣＦ１３００は、（たとえば図１２の最内側コア層における出力のいずれかにおける）出力光信号の（たとえば図１２の最外側コア層における）入力光信号への非自明な依存関係を確立するように構成され動作可能であると結論付けられる。

いくつかの実施形態において、図には例示しないが、ＰＣＦ１３００の横断面は、たとえば三角形、四角形、または円形であってもよい。いくつかの実施形態において、ＰＣＦ伝送および増幅コア１３１０および１３２０は、非対称および／または非同心に配置される。いくつかの実施形態において、ＰＣＦ伝送コア１３１０およびＰＣＦ増幅コア１３２０は、たとえばプラスティック製であってよい。いくつかの実施形態において、ＰＣＦ増幅コア１３２０は、たとえばゲルマニウムイオンでドープされ得る。いくつかの実施形態において、ＰＣＦ増幅コア１３２０におけるドーパントの分散は均一であってよい。また他の実施形態において、ドーパントの分散は、増幅コアの長さに沿った位置に依存してもよい。いくつかの実施形態において、ＰＣＦクラッド１３４０は、保護ジャケットまたはコーティングによって封入され得る。いくつかの実施形態によると、ＰＣＦ増幅コア１３２０における光の増幅は、量子ドットレーザの使用を伴ってよい。
フォトニック結晶スラブの実施形態

本明細書で説明される本発明の他の実施形態は、図１３に模式的に示すフォトニック結晶スラブ１５００を備える。フォトニック結晶スラブ１５００は、形を持つ（たとえば長方形の）本体１５０４を備える。本体１５０４は、第１面１５０８および第１面に対向する第２面（不図示）を備える。第１面１５０８は、ｘｚ平面にある。長方形体１５０４は、中空管１５１８の周期配列１５１６として構成される。中空管の各々は、ｙ軸に平行な管の円筒対称軸に沿って第１面１５０８から第２面へ伸長するホールを形成する。フォトニック結晶スラブ１５００は、周期配列１５１６を通る一般に直線状の細長く狭いトンネルとして構成されることによって、本体１５０４の周期構造における線状欠陥を形成し、選択的な波長または波長範囲の効率的な光伝搬を可能にするように構成された光チャネル１５２０を備える。光チャネル１５２０は、周期配列１５１６を通る中空トンネルとして、またはフォトニック結晶技術において知られているような光透過性材料で充填されたトンネルとして形成され得る。

フォトニック結晶スラブ１５００における光チャネル１５２０の少なくともいくつかは互いに接続され、相互接続された光結合光チャネルのネット１５３０を形成する。光チャネル１５２０は光ジャンクション１５３２に合流することによって光結合し、ジャンクション１５３２は、ジャンクションに合流する少なくとも２つの光学チャネルからの光信号のパワーを結合し、１または複数の外向き光チャネルにおける結合光信号にするように構成される。いくつかの実施形態によると、ジャンクション１６８０へ入来する光信号のパワーの結合は、一次結合であってよい。いくつかの実施形態によると、一次結合は、パワーの直和であってよい。光チャネル１５２０は、長方形体１５０４の入力面１５３４から対向出力面１５３６へネット１５３０が連続的に伸長するように相互接続される。ネット１５３０は、ネット１５３０の光チャネル１５２０への光信号の伝送を可能にするように構成された入力ポート１５４０（または「入力」）を入力面１５３４に備える。同様に、ネット１５３０は、ネット１５３０の出力チャネル１５２０からの光信号の射出を可能にするように構成された出力ポート１５５０（または「出力」）を出力面１５３６に備える。入力面１５３４および出力面１５３６における光チャネル１５２０の各露出端部は、それぞれ入力ポートおよび出力ポートとして機能してよい。ただし、フォトニック結晶１５００において、スラブエッジにおける光チャネル１５２０の任意の露出端部が入力または出力として（またはその両方として）任意に用いられてよく、たとえば光信号は出力ポート１５５０を通ってネット１５３０に入力され、入力ポート１５４０を通って出力されてもよいことに留意する。それでもなお、ネット１５３０を通る光信号の伝搬は多数の光経路を確立し、各光経路は、単一の起点および単一の終点、および光が伝搬し得る相互接続光チャネルによって画定されると結論付けられる。そのような光経路は一般に、光チャネルによって相互接続されたジャンクション１５３２のシーケンスを備える。したがって、ネット１５３０におけるシーケンスの長さは、光経路に沿ったジャンクション１５３２の数によって定義される。ネット１５３０における入力と出力との間の最短シーケンスの長さは３であることに留意する。

ネット１５３０は一般に、適当な波長を有する光がネットを通って伝搬することを可能にし、屈折率の差によって、光が周期配列１５１６内に、または第１面１５１８より上および第２面より下へ漏れ出すことが防がれるように構成される。したがって、ネット１５３０は、相互接続された光チャネル１５２０のシーケンスを通って入力１５４０と出力１５５０とを間接的に結合するように構成される。このように、多数の入力１５４０を通ってフォトニック結晶１５００へ入力された光信号は、ネット１５３０を通って伝搬する。いくつかの実施形態によると、ｚ軸の概略方向に沿った、すなわち入力面１５３４から出力面１５３６へ向かう概略方向に沿った光伝搬が好ましい。相互接続する光チャネル１５２０を通って伝搬する光信号は互いに結合し、その結果、結合された信号のパワーの結合されたパワーを有する光信号が生じる。一般に、結果として生じる信号のパワーは、結合された信号のパワーの総和である。いくつかの実施形態において、結果として生じるパワーは、結合された信号の一次結合である、すなわち、結果として生じるパワーは、各々がそれぞれの定数で乗算された結合パワーの総和に等しい。フォトニック結晶１５００は、入力１５４０における入力光信号への、出力１５５０における出力光信号の非自明な依存関係を確立するように構成され動作可能であると結論付けられた。また、少なくともいくつかの増幅チャネルにおいて適当な増幅率を選択することによって、出力信号の各々は、少なくとも２つの入力信号に等しく依存し得ることに留意する。少なくとも１つ、好適には複数の光チャネル１５２０は、それを通って伝搬する光信号を制御可能に増幅するように構成された増幅チャネル１５７０である。いくつかの実施形態によると、増幅チャネル１５７０は、たとえばエルビウムイオンまたはゲルマニウムイオンなどの興奮性イオンでドープされたドープセグメント１５７２を備える。したがって、フォトニック結晶スラブ１５００は、第１の波長ｖ_１の光がネット１５３０を通って伝搬し、ドープセグメント１５７２のいずれかに投射された第２の波長ｖ_２の光が、伝搬するｖ_１光の制御された誘発発光を発生させることによって、それぞれの光チャネルを通って伝搬するｖ_１光を制御可能に増幅し得るように構成される。使用の際、ｖ_２光は、たとえばそれぞれの光源１５８０によって、ドープセグメント１５７２に個々に投射されてよく、各光源は、それぞれのドープセグメント１５７２に局所的な光スポット１５８４を生成する光ビーム１５８２を発生する。個々の光スポット１５８４のパワーを選択的に制御することによって、増幅チャネル１５７０に沿った、選択的制御されたｖ_１光の増幅がもたらされ得る。

フォトニック結晶１５００のいくつかの動作モードにおいて、入力光信号は、入力１５４０の各々へ選択的に伝送され、出力光信号のセットが出力１５５０から射出される。入力光信号および出力光信号は波長ｖ１である。入力１５４０のいずれか１つへ伝送された入力光信号のパワーは、個々に制御可能である。集束（結合）する光チャネル１５２０を通って伝搬するｖ_１光信号は、上述したように互いに結合する。（ドープセグメント１５７２を備える）増幅チャネル１５７０を通って伝搬するｖ_１光は、ドープセグメントに投射されたｖ_２光のパワーを制御可能に変化させることによって制御可能に増幅される。このように、フォトニック結晶スラブ１５００は、入力光信号のセットを出力光信号のセットに制御可能にマッピングすることを可能にする。

いくつかの実施形態において、光チャネル１５２０に量子井戸が埋め込まれる。いくつかの実施形態によると、増幅チャネル１５７０における光の増幅は、量子ドットレーザの使用を伴ってよい。

フォトニック結晶スラブ１５００は、光チャネル１５２０を伴うシナプスが識別され、集束または合流点を有するニューロンが識別されるＡＮＮを実装してよい。光チャネル１５２０を伴うシナプスの後者の識別は、増幅することがない光チャネルについても行われてよく、その場合、対応するシナプスは増幅しなくてよい。
３Ｄフォトニック結晶の実施形態

３Ｄフォトニック結晶における３次元秩序欠陥（たとえば線状欠陥）を生成するための新たな技術が昨今実証されている。たとえば、リンネ氏他（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎ．２、５２〜５６（２００８））は、シリコン基板上に３Ｄ秩序平面状シリカオパールを組み立てること、感光性モノマーに覆われたオパールを通る集束レーザビームを走査することによってサブマイクロメートルスケールの解像度で明確に定義されたポリマ欠陥を生成すること、低温化学蒸着プロセスを用いてシリカ粒子間の隙間をアモルファスシリコンで充填すること、およびシリカ球テンプレートおよびマイクロパターン化ポリマ欠陥をそれぞれ湿式エッチングおよび焼成によって除去し、組込み型空心欠陥を有するシリコン反転オパールを生じることを備える４ステップの方法を提唱する。そのような方法は、たとえば量子ドット、非線形材料、または液晶などの光学活性材料を３Ｄフォトニック結晶に組み込むことを可能にし、オンデマンドの光操作、たとえば光増幅を提供する。

図１４は、本発明の態様に係る３Ｄフォトニック結晶１６００の実施形態を模式的に示す。３Ｄフォトニック結晶１６００は、３Ｄフォトニック結晶技術において知られているような３次元周期誘電体構造を備える本体１６０４を備える。３Ｄフォトニック結晶１６００は、伝送チャネル１６１０および増幅チャネル１６２０を更に備える。伝送チャネル１６１０は、トンネル、すなわち、光伝搬を可能にするように構成された、本体１６０４を通る線状欠陥を備える。線状欠陥は中空であってよく、または固体透明材料で充填されてよい。増幅チャネル１６２０は、チャネルを通る光伝搬を可能にするように構成され、更にそのような伝搬光を制御可能に増幅することが可能であるように構成される。いくつかの実施形態によると、増幅チャネル１６２０は、伝送チャネル１６１０において用いられるのに適した実質的に透明な固体材料で充填された、本体１６０４を通る線状欠陥を備え、この場合、材料は更に、上述したような誘発発光によってλ_１光を増幅するためにλ_２光によって励起されるのに適したたとえばエルビウムまたはゲルマニウムイオンなどのイオンでドープされる。伝送チャネルおよび増幅チャネルのいくつかは、本体１６０４の表面に露出端部を有することによって（λ_１光と表される）入力光信号のチャネル内への伝送およびチャネルからの（これもまたλ_１光である）出力光信号の射出を可能にする入力ポート１６４０および出力ポート１６５０と光学的に関連する。いくつかの実施形態によると、増幅チャネル１６２０は更に、関連する増幅チャネルにおける増幅率を決定するように構成された制御信号の増幅チャネル内への伝送を可能にするように構成された制御ポート１６６０と関連する。いくつかの実施形態によると、制御信号は、本体１６０４の表面における露出端部を通って増幅チャネル内へ伝送されたλ_２光を備えてよく、λ_２光のパワー（強度）が増幅チャネルにおける増幅率を決定する。

光チャネル（すなわち伝送チャネル１６１０および増幅チャネル１６２０）の少なくともいくつかは、本体１６０４内の光ジャンクション１６８０における集束および合流によって光結合する。光ジャンクション１６８０は、ジャンクション内に合流する少なくとも２つの光チャネルの光パワーを結合し、１または複数の外向き光チャネルにおける結合光信号にするように構成される。いくつかの実施形態によると、ジャンクション１６８０への入来光信号のパワーの結合は、一次結合であってよい。いくつかの実施形態によると、一次結合は、パワーの直和であってよい。したがって、相互接続された光チャネルは入力ポート１６４０と出力ポート１６５０とを間接的に結合する、相互接続チャネルのネット１６９０を形成する。

３Ｄフォトニック結晶１６００のいくつかの動作モードにおいて、入力光信号は、入力１６４０の各々へ選択的に伝送され、出力光信号のセットが出力１６５０から射出される。入力光信号および出力光信号は波長ｖ_１である。入力１６４０のいずれか１つへ伝送される入力光信号のパワーは、個々に制御可能である。集束（結合）伝送チャネル１６１０および増幅チャネル１６２０を通って伝搬するｖ_１光信号は、上述したようにジャンクション１６８０において互いに結合する。増幅チャネル１６２０を通って伝搬するｖ_１光は、たとえば増幅チャネルへ個々に伝送されるｖ_２光のパワーを制御可能に変化させることによって、制御可能に増幅され得る。３Ｄフォトニック結晶１６００は、入力１６４０における入力光信号への、出力１６５０における出力光信号の非自明の依存関係を確立するように構成され動作可能であると結論付けられる。また、少なくともいくつかの増幅チャネルにおいて適当な増幅率を選択することによって、出力信号はいくつかの入力信号に等しく依存し得ることに留意する。このように、３Ｄフォトニック結晶１６００は、入力光信号のセットを出力光信号のセットに制御可能にマッピングすることが可能である。

したがって、いくつかの実施形態の態様によると、入力光信号のセットを出力光信号のセットに制御可能にマッピングするための集積マルチチャネル光モジュール（たとえば図１における１００、図２Ａ〜図２Ｂにおける２００、図３Ａ、図６、および図７における４００、図８Ａ〜図８Ｂにおける８１０、図１２における１３００、図１３における１５００、図１４における１６００）が提供される。光モジュールは、以下を備える。
・光の指向性伝搬を可能にするように構成された少なくとも２つの光チャネル（たとえば図１における１１０、１２０、図２Ａ〜図２Ｂにおける２２０、２２２、図３Ａ〜図５Ｇにおける４２０、４３０、図１０Ａにおける７２０、７３０、図１２における１３１０、１３２０、図１３における１５２０、図１４における１６１０、１６２０）であって、光チャネルの少なくとも１つが、制御可能な増幅率によって伝搬する光の増幅を可能にするように構成された増幅チャネル（たとえば１２０、２２２、４３０、７３０、１３２０、１５７０、１６２０）であるもの。
・少なくとも２つの光チャネルと個々に関連し、光チャネル内への入力光信号の伝送を可能にするように構成された少なくとも２つの入力ポート（たとえば１３０、図２Ｂにおける２５０、２５２、図３Ｂ〜図５Ｇおよび図１０Ａにおける４５０、１５４０、１６４０）。
・光チャネルの１つと光学的に関連し、１つの光チャネルからの出力光信号の射出を可能にするように構成された少なくとも１つの出力ポート（たとえば１４０、図２Ｂにおける２５６、２５８、図３Ｂ〜図５Ｇおよび図１０Ａにおける４６０、１５５０、１６５０）。
・増幅チャネルと機能的に関連し、増幅率を決定するために増幅チャネルへの制御信号の入力を可能にするように構成された少なくとも１つの制御ポート（たとえば１２２、図２Ｂにおける２６２、１６６０）。
光チャネルは、出力ポートから射出される出力光信号のパワーが、少なくとも２つの入力ポートを通って伝送される少なくとも２つの入力光信号のパワーの関数であるように光結合される。

いくつかの実施形態において、光モジュールは、少なくとも２つの光チャネルとそれぞれ光学的に関連する少なくとも２つの出力ポート（たとえばチャネル１６０ａ３および１６０ｂ３とそれぞれ関連する出力ポート１４０、２５６、２５８、図４における４６０ａ〜４６０ｆおよび図１０Ａにおける４６０ｂ、４６０ｄ、および４６０ｆ）を備える。

いくつかの実施形態において、光モジュールは、少なくとも２つの光チャネルのうちのＭ個と光学的に関連するＭ個の出力ポート（たとえば２５６および２５８、図４に示す６つの出力ポート４６０ａ〜４６０ｆ）と、少なくとも２つの光チャネルのうちのＮ個と光学的に関連するＮ個の入力ポート（たとえば２５０および２５２、図４に示す２４の入力ポート４５０）とを備え、２≦Ｍ＜Ｎである。

いくつかの実施形態において、光モジュールは、光の指向性伝搬を可能にするように構成された少なくとも２つのコア（たとえば２２０、２２２、４２０、４３０、７２０、７３０、１３１０、１３２０）を備えるマルチコア光モジュール（たとえば２００、４００、１３００）である。コアの少なくとも１つは、λ_１光と同時に伝搬する第２の波長λ_２の光であるλ_２光のパワーによって決定される制御可能な増幅率によって、伝搬する第１の波長λ_１の光であるλ_１光を増幅するように構成された増幅コア（たとえば２２２、４３０、７３０、１３２０）である。入力ポート、出力ポート、および制御ポートは、（たとえば図２Ａ〜図２Ｂにおけるファイバ端部２０８および２１０、図３ＡにおけるＭＣＦ端部４０８および４１０に）少なくとも２つのコアの露出端部を備え、少なくとも２つのコアは、エバネッセント波結合によって光結合される。

いくつかの実施形態において、増幅コア（たとえば２２２、４３０、７３０、１３２０）はλ_２光によって励起し、緩和すると自発的にλ_１光を放射するイオンでドープされる。

いくつかの実施形態において、マルチコア光モジュールは、マルチコア光ファイバ（たとえば２００、４００）である。

いくつかの実施形態において、マルチコア光モジュールは、マルチコアフォトニック結晶（たとえば１３００）である。

いくつかの実施形態において、λ_２光は約９８０ｎｍの波長を有し、λ_１光は約１５５０ｎｍの波長を有する。

いくつかの実施形態において、光モジュールはフォトニック結晶（たとえば図１３における１５００、図１４における１６００）である。フォトニック結晶は、面（たとえば１５０８、１５３４、１５３６）に囲まれた本体（たとえば１５０４、１６０４）、誘電材料の周期構造（たとえば１５１６）、およびトンネルとして形成された、周期構造内の線状欠陥によって画定される光チャネル（たとえば１５２０、１６１０、１６２０）を備える。光チャネルは、チャネルを通って伝搬する光信号を制御可能に増幅するように構成された増幅チャネル（たとえば１５７０、１６２０）を備え、光チャネルはジャンクション（たとえば１５３２、１６８０）に合流することによって光結合し、面の間に連続的に伸長するネット（たとえば１５３０、１６９０）を形成する。ネットは、ネットの少なくとも２つの光チャネルへの入力光信号の伝送を可能にするように構成された少なくとも２つの入力ポート（たとえば１５４０、１６４０）を面に備え、ネットの光チャネルから出力光信号を射出することを可能にする面上の少なくとも１つの出力ポート（たとえば１５５０、１６５０）を面に備える。

いくつかの実施形態（たとえば１５００）において、本体はスラブであり、誘電材料の周期構造は、スラブの２面の間に伸長する中空管（たとえば１５１８）のアレイを備えることによって２次元において周期的である。

いくつかの実施形態（たとえば１６００）において、誘電材料の周期構造は３次元において周期的であり、フォトニック結晶は３Ｄフォトニック結晶である。

いくつかの実施形態の態様によると、光計算デバイス（たとえば図６における６００）が提供される。光計算デバイスは以下を備える。
・光モジュール（たとえば１００、２００、４００、８１０、１３００、１５００、１６００）。
・入力ポートと（たとえば入力カプラ６３０を介して）選択的に光学的に関連する制御可能な光源（たとえば６２０）のアレイ。
・出力ポートと選択的に光学的に関連する光検出器（たとえば６４０）。
・制御ポートと（たとえば入力カプラ６３０を介して）機能的に関連する制御信号インタフェース（たとえば６２２）。
・光源、光検出器、および制御信号インタフェースと機能的に関連するコントローラ。

光計算デバイスは、（たとえば第１のＬＥＤアレイ６２０を介して）入力信号および（たとえば第２のＬＥＤアレイ６２２を介して）制御信号を光モジュールに入力し、そこから出力信号を得ることによって計算を生じるように構成される。出力信号は、制御信号によって決定される、入力信号の関数である。

いくつかの実施形態において、光源は、それぞれ入力ポートと個々に光学的に関連する多数の制御された光ビームを発生するための空間光変調器（ＳＬＭ）（たとえば図７における６８２）を備える。

いくつかの実施形態において、ＳＬＭは、デジタルマイクロミラーアレイデバイス（ＤＭＤ）（たとえば図７における６８４）である。

いくつかの実施形態の態様によると、光計算デバイス（たとえば図６における６００）と、メモリ（たとえば８３０）およびコントローラ（たとえば８２０）と機能的に関連し学習アルゴリズムを実装するように構成されたプロセッサ（たとえば８４０）とを備える人工ニューラルネットワーク（たとえば図８Ａにおける８００）が提供される。

いくつかの実施形態の態様によると、計算を実行する方法が提供される。方法は以下を備える。
・コアに沿った指向性光伝搬を可能にするように構成された複数のコア（たとえば図２Ａ〜図２Ｂにおける２２０、２２２、図３Ａ〜図５Ｇにおける４２０、４３０、図１０Ａにおける７２０、７３０、図１２における１３１０、１３２０）を備える、長さＬのマルチコア光ファイバ（たとえば図２Ａ〜図２Ｂにおける２００、図３Ａ〜図３Ｂ、図６、および図７における４００、図１２における１３００）を提供すること。光ファイバは、少なくとも第１の波長λ１を有する光信号に関して、長さＬの２倍よりも短い結合長さを有する近隣コア間のエバネッセント波結合を可能にするように構成され、１または複数のコアは増幅コア（たとえば２２２、４３０、７３０、１３２０）であり、伝搬する第２の波長λ２を有する制御光信号のパワーに従ってλ１光を増幅するように構成される。
・選択された個々のパワーおよび第１の波長λ１を有する入力光信号を、マルチコア光ファイバの複数のコアへ伝送すること。
・マルチコア光ファイバのコアの１または複数から射出された出力光信号を取得することであって、出力光信号のパワーは入力光信号のパワーの関数であること。
・選択された個々のパワーおよび第２の波長λ２を有する制御光信号を、マルチコア光ファイバの増幅コアの１または複数へ伝送することによって、関数を定義すること。

理解されるように、明確性のために別々の実施形態の文脈で説明された本発明の特定の特徴は、単一の実施形態に組み合わせて提供されてもよい。反対に、簡潔性のために単一の実施形態の文脈で説明された本発明の様々な特徴は、別々に、または任意の適当な部分的組み合わせで、または本発明の他の任意の説明された実施形態において提供されてもよい。実施形態の文脈において説明された特徴は、そのように明記されない限り、その実施形態に不可欠な特徴と見なされるものではない。

いくつかの実施形態に係る方法のステップは特定の順序で説明され得るが、本発明の方法は、異なる順序で実行される説明されたステップの一部または全てを備えてもよい。本発明の方法は、説明されたステップの全て、または説明されたステップのいくつかのみを備えてよい。開示された方法における特定のステップは、そのように明記されない限り、その方法に不可欠なステップと見なされるものではない。

本発明は特定の実施形態に関連して説明されたが、当業者には明らかである多数の変更例、修正例、および変形例が存在し得ることは明白である。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲に収まる全てのそのような変更例、修正例、および変形例を包括するものである。本発明は、その適用において、本明細書に記載した構成要素および／または方法のセットの構成および配置の詳細に必ずしも限定されるものではないことを理解すべきである。他の実施形態が実施されてよく、実施形態は様々な方法で実行されてよい。

本明細書で用いられる表現および用語は、説明を目的としており、限定的なものと見なされてはならない。本出願における任意の参照文献の引用または特定は、そのような引用文献が本発明の先行技術として利用可能であることを認めるものとして解釈されてはならない。本明細書において、見出しは、本明細書の理解を容易にするために用いられ、必ずしも限定的なものと解釈されてはならない。

Claims (17)

1. 入力光信号のセットを出力光信号のセットに制御可能にマッピングするための集積マルチチャネル光モジュールであって、
   少なくとも２つの光チャネルであって、前記光チャネル内の光の指向性伝搬を可能にするように構成され、前記光チャネルの少なくとも１つが、制御可能な増幅率によって前記光チャネル内を伝搬する光の増幅を可能にするように構成された増幅チャネルである光チャネルと、
   前記少なくとも２つの光チャネルと個々に関連し、前記光チャネルへの入力光信号の伝送を可能にするように構成された少なくとも２つの入力ポートと、
   前記光チャネルの１つと光学的に関連し、前記１つの光チャネルからの出力光信号の射出を可能にするように構成された少なくとも１つの出力ポートと、
   前記増幅チャネルと機能的に関連し、前記増幅率を決定するために前記増幅チャネルへ制御信号を入力することを可能にするように構成された少なくとも１つの制御ポートと
   を備え、
   前記光チャネルは、前記出力ポートから射出される出力光信号のパワーが、前記少なくとも２つの入力ポートを通って伝送される前記少なくとも２つの入力光信号のパワーの関数であるように光結合される、光モジュール。
2. 前記少なくとも２つの光チャネルとそれぞれ光学的に関連する少なくとも２つの出力ポートを備える、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記少なくとも２つの光チャネルのうちのＭ個と光学的に関連するＭ個の出力ポートと、前記少なくとも２つの光チャネルのうちのＮ個と光学的に関連するＮ個の入力ポートとを備え、２≦Ｍ＜Ｎである、請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記光モジュールは、光の指向性伝搬を可能にするように構成された少なくとも２つのコアを備えるマルチコア光モジュールであって、前記コアの少なくとも１つは、前記コアを通って伝搬する第１の波長λ１の光であるλ１光を、λ１光と同時に前記コアを通って伝搬する第２の波長λ２の光であるλ２光のパワーによって決定される制御可能な増幅率によって増幅するように構成された増幅コアであり、前記入力ポート、出力ポート、および制御ポートは前記少なくとも２つのコアの露出端部を備え、前記少なくとも２つのコアはエバネッセント波結合によって光結合される、請求項１に記載の光モジュール。
5. 前記増幅コアは、λ２光によって励起し、緩和すると自発的に前記λ１光を射出するイオンでドープされる、請求項４に記載の光モジュール。
6. 前記マルチコア光モジュールはマルチコア光ファイバである、請求項４に記載の光モジュール。
7. 前記マルチコア光モジュールはマルチコアフォトニック結晶である、請求項４に記載の光モジュール。
8. 前記λ２光は約９８０ｎｍの波長を有し、前記λ１光は約１５５０ｎｍの波長を有する、請求項４に記載の光モジュール。
9. 前記光モジュールは、面に囲まれ誘電材料の周期構造を備える本体と、前記本体を通るトンネルとして形成された、前記周期構造内の線状欠陥によって画定される光チャネルとを備えるフォトニック結晶であり、前記光チャネルは、増幅チャネルであって前記増幅チャネルを通って伝搬する光信号を制御可能に増幅するように構成された増幅チャネルを備え、前記光チャネルはジャンクションにおいて合流することによって光結合し、前記面の間に連続的に伸長するネットを形成し、前記ネットは、前記ネットの少なくとも２つの光チャネルへの入力光信号の伝送を可能にするように構成された少なくとも２つの入力ポートを前記面に備え、かつ前記ネットの前記光チャネルからの出力光信号を射出することを可能にする少なくとも１つの出力ポートを前記面に備える、請求項１に記載の光モジュール。
10. 前記本体はスラブであり、前記誘電材料の周期構造は、前記スラブの２面間に伸長する中空管のアレイを備えることによって２次元において周期的である、請求項９に記載の光モジュール。
11. 前記誘電材料の周期構造は３次元において周期的であり、前記フォトニック結晶は３Ｄフォトニック結晶である、請求項９に記載の光モジュール。
12. 請求項１に記載の光モジュールと、前記入力ポートと選択的に光学的に関連する制御可能な光源のアレイと、前記出力ポートと選択的に光学的に関連する光検出器と、前記制御ポートと機能的に関連する制御信号インタフェースと、前記光源、光検出器、および制御信号インタフェースと機能的に関連するコントローラとを備え、入力信号および制御信号を前記光モジュールに入力し、前記入力信号の関数である出力信号を取得することによって計算を生じ、前記関数は前記制御信号によって決定されるように構成された、光計算デバイス。
13. 請求項１２に記載の光計算デバイスと、メモリおよび前記コントローラと機能的に関連し、学習アルゴリズムを実装するように構成されたプロセッサとを備える人工ニューラルネットワーク。
14. 前記光源は、前記入力ポートとそれぞれ個々に光学的に関連する多数の制御された光ビームを発生するための空間光変調器（ＳＬＭ）を備える、請求項１２に記載の光計算デバイス。
15. 前記ＳＬＭはデジタルマイクロミラーアレイデバイス（ＤＭＤ）である、請求項１４に記載の光計算デバイス。
16. 請求項１に記載の光モジュールを備えるフィールドプログラマブルゲートアレイ。
17. 計算を実行する方法であって、
    コアに沿った指向性光伝搬を可能にするように構成された複数のコアを備える長さＬのマルチコア光ファイバを提供することであって、前記光ファイバは、少なくとも第１の波長λ１を有する光信号に関して、長さＬの２倍よりも短い結合長さでの近隣コア間のエバネッセント波結合を可能にするように構成され、前記コアの１または複数は、前記コアを通って伝搬する第２の波長λ２を有する制御光信号のパワーに従ってλ１光を増幅するように構成された増幅コアである、提供することと、
    選択された個々のパワーおよび前記第１の波長λ１を有する入力光信号を、前記マルチコア光ファイバの複数のコアへ伝送することと、
    前記マルチコア光ファイバの前記コアの１または複数から射出される出力光信号を取得することであって、前記出力光信号の前記パワーは、前記入力光信号の前記パワーの関数であることと、
    選択された個々のパワーおよび前記第２の波長λ２を有する制御光信号を、前記マルチコア光ファイバの前記増幅コアの１または複数へ伝送することによって、前記関数を定義することと
    を備える方法。
    

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