JPH0360083B2 - - Google Patents

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JPH0360083B2
JPH0360083B2 JP57001070A JP107082A JPH0360083B2 JP H0360083 B2 JPH0360083 B2 JP H0360083B2 JP 57001070 A JP57001070 A JP 57001070A JP 107082 A JP107082 A JP 107082A JP H0360083 B2 JPH0360083 B2 JP H0360083B2
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JP
Japan
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waveguide
signal
chip
optical
bus
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Rudorufu Geraa Furitsutsu
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International Business Machines Corp
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Publication date
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Publication of JPS57179819A publication Critical patent/JPS57179819A/ja
Publication of JPH0360083B2 publication Critical patent/JPH0360083B2/ja
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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
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
    • G02F1/2955—Analog deflection from or in an optical waveguide structure] by controlled diffraction or phased-array beam steering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、各々少なくとも１つの入力ポート及
び１つの出力ポートを有する回路チツプを相互接
続するための、光導波手段を用いたバス構成、並
びに電子回路チツプと協動する光導波手段スイツ
チに関する。
背景技術 半導体集積回路は、部品密度及びチツプ当りの
機能の複雑さが大幅に増大して来た。そして超大
規模集積化（VLSI）に向う傾向が持続しており、
機能当りの価格はウエハの一括処理により低下し
ている。しかしながら複雑度の増加と共にチツプ
当りのピン・アウトも増加している。これは２つ
のレベルにおいて性能を低下させ価格を増加させ
る。
チツプ実装レベルにおいては、チツプは個々に
取り扱われる。ピン・アウトの増加と共に、チツ
プ・バンドにワイヤをボンデイングするための処
理価格及び実装価格が増加する。
モジユール・レベルにおいては、完全なシステ
ム例えばマイクロプロセツサ・システムの機能を
実行するために、いくつかのチツプがプリント回
路板上で相互接続されなければならない。チツプ
当りのピン・アウトの増加と共に、パツケージの
大きさ及び相互接続線の数も増加する。これはい
くつかの好ましくない影響を有する。
例えば回路板のレイアウトがより複雑になり、
従つて設計時間及び価格を増加させる。またピン
間の平均距離がより長くなり、信号伝播の遅延を
増加させる。さらに信号線の迷容量及び雑音のピ
ツク・アツプが悪化する。
従つて雑音及び迷電磁界による上述の電気的歪
みという欠点を持たず、且つ接点ボンデイングが
不要で、高い実装密度の可能な、大量生産に適し
た、回路板上の回路チツプの相互接続のための信
号転送構造が望まれる。
この目的には光伝送技術の利用が特に望まし
い。
IBM Technical Disclosure Bulletin、
Vol.22、No.8B、January1980、pp.3519〜3520の
Balliet等による“Module−to−module
communication via fibre−optic piping”には、
モジユールを相互接続するために回路カード中に
フアイバ光伝送路または導波路を用いる事が提案
されている。この文献は単一の接続しか示さず、
且つ複数のモジユールの相互接続のための高充填
密度及びマルチドロツプ（バス）接続をいかにし
て達成し得るかは開示していない。さらに光源
（LED又はレーザ）をモジユール中に集積化する
必要があり、これは特に多くの相互接続即ち多く
の光源が必要な場合は不利である。
光フアイバ又は導波路の間で光を選択的に切換
えるための光スイツチは、例えば以下の文献から
公知である。即ち、(a)米国特許第3208342号明細
書；(b)E.G.Lean：“Optical switch and
modulator in parallel waveguides”、IBM
Technical Disclosure Bulletin、Vol.17、No.４、
Sept.1974、pp.1210〜1213；(c)R.V.Schmidt：
“Guided Wave optical devices using Ti−
diffused LiNbO3”、Proceed.Electrooptic
System Design Conference、New York1976、
pp.557〜560；(d)H.P.Hsu et al.：“Flipchip
approach to endfire coupling between single
optical fibre and channel waveguide”、
Electronics Letters、Vol.12、No.16、August5、
1976、pp.404〜405；(e)米国特許第4035058号明細
書；(f)O.Mikami et al.：“Directional coupler
type light modulator using LiNbO3
waveguides”、Technical DigestIOO′77、
pp.161〜164；(g) M.Papuchon：“Electrically
active optical bifurcation”、Technical Digest
IOOC′77、pp.165〜168；(h)B.Chen et al.：
“Thin film optical switch”、Technical Digest
IOOC′77、pp.173。
これら全ての文献は１つの光フアイバ又は導波
路から他のものへ光を制御可能に結合し得る方法
を述べている。しかしながらモジユール上の複数
の回路チツプ間でいかにして多数の密接した相互
接続が行なわれ得るかを提案している文献は存在
しない。
切換え制御を持たない光フアイバもしくは導波
路間の結合は、例えば米国特許第3994559号明細
書及びE.A.Ash：“Leaky wave couplers for
guided elastic wave and guided optical wave
devices”、IBM Technical Disclosure
Bulletin、Vol.15、No.１、June1972、pp.309〜
310から公知であるが、両者共、各々多数の入力
ポート及び出力ポートを有するチツプ又はモジユ
ール間に多くの密に実装された相互接続がいかに
して形成され得るかを示していない。
発明の開示 本発明の目的は、高密度実装を可能にし且つ大
規模生産に適した回路チツプ相互接続構成を提供
する事である。
本発明の他の目的は、電気的雑音信号及びスイ
ツチング遷移に応答しないが、電子回路チツプと
共に高密度に実装できるチツプ間信号伝送手段を
提供する事である。
本発明の他の目的は、回路チツプ中に光学的能
動装置即ち光発生装置を必要としない光学的チツ
プ相互接続システムを提供する事である。
本発明の他の目的は、回路チツプ上及びチツプ
を保持する基板上において、集積化された素子し
か必要でなく、チツプＩ／Ｏポートとバス・シス
テムとの間に個々に接続を行なう必要のない相互
接続システムを提供する事である。
本発明の他の目的は、電子回路チツプとの実装
及び協動に適した光導波路スイツチを提供する事
である。
上記目的に述べた望ましい特性に加えて、本発
明の構成は回路チツプをモジユールに実装する費
用を低減させる事ができる。また非常に短かい伝
播遅延により高速動作が可能である。これは相互
接続が直接的で、従つて短かく、そして信号が光
速で伝播するからである。
実施例の詳細な説明 第１図は本発明が実施されたシステムの斜視図
である。このシステムは、単一パツケージあるい
は単一モジユールのマイクロコンピユータであつ
て、システムがその中に封入されたカバー１３及
び基体１１から成る。マイクロコンピユータは、
共通基板２３上に搭載された数個の集積回路チツ
プ１５，１７，１９，２１から構成される。チツ
プは、プロセツサ、読取／書込記憶装置、読取専
用記憶装置及びＩ／Ｏ回路等の機能ユニツトであ
り得る。
チツプ間の相互接続は、光導波路用基板２３中
に一体化された並列光学バス２５の構成によつて
行なわれる。光学バスとチツプとの間の信号の伝
送は入力ポート２７及び出力ポート２９によつて
行なわれる。これらのポート及びバス構成の構造
は後の章でより詳細に説明される。
基板２３の延長部３１は、光学バスの所定の組
を照明し得る光を発生するための集積化された発
光ダイオード（LED）又はレーザ・ダイオード
３３の配列体を保持する。
チツプと外部環境との間の外部接続のために、
導電材料のパツド３５が基板２３に一体的に形成
される。チツプとランデイングとの間の接触は例
えば導電材料のボールによつて周知の方式でなさ
れる。従つてそれは図示していない。パツド３５
は、マイクロコンピユータ・パツケージあるいは
モジユールの基体１１上に搭載された外部コネク
タ・ピン３７に各々接続する事ができる。これら
のピンを経てデータＩ／Ｏ信号及び外部制御信号
が伝達される。またそれらは集積回路チツプ１５
〜２１に電力を供給するためにも役立つ。付加的
な導体パツド３９は同様に外部ピン３７に接続す
る事ができ、基板延長部３１のLED又はレーザ
３３の配列体に電力を供給するために設けられて
いる。
マイクロコンピユータ・システムを例として示
したが、本発明の無接点光学バス相互接続構成
は、複数の電気回路チツプがパツケージあるいは
モジユール中で組み合わされなければならないよ
うな任意の他のシステムのために例えば通信モデ
ム又は受信器において、機械制御装置において、
オーデイオ・システムにおいて用いる事ができ
る。
本発明の無接点チツプ相互接続システムの構造
及び動作の原理を、第２図を参照して説明する。
第２図は主に１つのチツプと１つのLED又はレ
ーザ配列体が含まれる第１図のモジユールの一部
分だけを示す。第２図は概略的なものであつて正
確な尺度で描かれてはいない。即ち本発明の説明
に取つて重要な部分は実際よりもチツプ寸法に対
して大きく示されている。
チツプを相互接続するための光学バス構成２５
は複数に平行なバス線から成るが、第２図にはそ
の一部しか示していない。光学バス線は光学的に
透明な基板２３の表面に埋め込まれている。それ
らはその周囲の物質よりも屈折率の高い領域によ
つて画定され、従つて集積光学で周知のように光
学的導波路を形成している。さらにそれらの導波
路はLiNbO3等の電気光学効果を示す物質から出
来ている。そのような導波路及びその製造法は例
えば本明細書の背景技術の章の文献に述べられて
いる。
複数の光学バスの各々は、２本の導波路即ち供
給導波路４１及び信号導波路４３から成る。一定
の間隔で２つの導波路は合体し接合部４５を形成
している。各供給導波路４１の両端には、その導
波路に光を供給するためにレーザ・ダイオード又
はLED３３が設けられる。（第２図には片側しか
示されていない。）供給される光は一定強度でも
又パルスでもよい。
論理０の状態では光は供給導波路だけに閉じ込
められ、接合部における光の伝達は存在しない。
論理１状態では接合部の１つが付勢され（詳細は
後述する）、光を供給導波路から信号導波路へ両
方向において切り換える。従つて信号導波路の全
長が光で満される。
一定間隔で信号導波路中に、光が導波路から漏
れ出す漏洩領域４７が存在する。従つて信号導波
路の状態を検出する事が可能になる。これらの漏
洩領域は基板中の信号導波路構造の光学的に滑ら
かな表面を所定のパターンにエツチング又は研摩
する事によつて形成し得る。
この光学バス構成を経由するチツプ間通信のた
めに、信号はバスとチツプとの間を伝達されなけ
ればならない。この信号伝達は次のようにして行
なわれる。各チツプはフオトダイオード（及び受
信回路）の形の複数の入力ポート２７並びに１対
の格子（及び駆動回路）の形の出力ポート２９を
有する。各チツプは、格子が導波路間の接合部と
一致し、フオイダイオードが信号導波路の漏洩領
域と一致するように、基板上に設置される。格子
（金属化された構造）及びフオトダイオードの両
者はチツプの集積化された部品である。
バス線と関係した入力／出力ポートの構造及び
動作の詳細は第３図〜第５図を参照して説明す
る。
第３図は１つの接合部４５及び１つの漏洩領域
４７を有する供給導波路４１(F)及び信号導波路４
３(S)の一部を示す。導波路は単一モード動作用
に設計され、約4μmの幅を有し約20μmの間隙で
隔てられている。約100μmの所定の距離にわたつ
て導波路の物質が間隙を埋めて接合部４５を形成
している。接合部の両端では、約50μmの長さに
わたつて供給導波路及び信号導波路の幅がそれら
が結合するまで徐々に増加している。しかし供給
導波路及び信号導波路の軸は光学バス線の全長に
わたつて本質的に直線をなす。１対の格子４９の
各格子４９Ａ，４９Ｂは、点Ａ及び点Ｂに交互に
接続された斜めの平行な金属線条のパターンであ
る。隣接した金属線条間の間隔は1μm程度であ
る。金属線条とバス線（導波路）との間の角度は
ブラツグ角に等しい。各格子の上半分と下半分と
は逆の傾斜角を有するので、全ての金属線条はほ
ぼ接合部４５の中心を向いている。
格子対４９の全体は約50×100μmの面積を覆つ
ている。これは通常の配線パツド１個と殆んど同
じ面積である。フオトダイオード５１は第３図で
破線で示しただけである。これも同様に約50×
100μmの面積を覆い、チツプ上の点Ｃ及びＤに接
続される。第３図では２つの座標軸方向において
異なつた目盛が使われている。
供給導波路と信号導波路との間の光の切換えに
１対の斜めの格子を用いる事は以下の利点を有す
る。即ち、接合部における格子対の２段階の回折
効果により、導波路は基本的に直線的で且つ非常
に近接した距離に存在できる。付勢されていない
接合部においては、供給導波路及び信号導波路中
の光はまつすぐに接合部を通過するので、接合部
での損失は減少する。
第３図の断面Ｊ−Ｊ及びＬ−Ｌが各々第４図及
び第５図に示されている。第４図で、基板２３は
その上面に光学バス線接合部４５を有し、その上
には下面に格子４９Ａを有するチツプ１５があ
る。チツプ１５中の導体は、チツプ実装技術にお
いて周知のボール状接点物質５３を介して基板の
パツド３５と接触する。チツプ及び基板は、入
力／出力ポートと光学バス線構造体との間の効率
的な協動と信号伝達を得るために、光学的に透明
な接着剤を用いて結合してもよい。チツプと基板
との距離即ち間隙は一定で且つできるだけ小さく
あるべきである。
第５図において、基板２３は供給導波路(F)４１
及び上面に漏洩領域４７を有する信号導波路(S)
４３を有する。その上の集積回路チツプ１５は、
その下面に集積化されたフオトダイオード５１を
有する。
ポート及び光学バス・システムの動作 出力ポート２９を付勢するために、例えば5V
の電圧が格子対４９に与えられ、その各々は基板
の浅い領域に周期的な電界を誘起する（第４図参
照）。従つて導波路及び接合部４５の電気光学特
性により、周期的な屈折率の変動が誘起され、こ
れは供給導波路（第３図のＰ１及びＰ１′）中を
伝播する光に影響を与える。以前に示したように
格子線条と導波路の軸との間の角度はブラツグ角
に一致するので、光は供給導波路Ｐ１及びＰ１′
から接合部を経由して各々信号導波路Ｐ２及びＰ
２′に効率的に偏向される。各回折格子の上半分
は供給導波路４１から接合部４５の中心へ光を偏
向させ、一方各回折格子の下半分は接合部の中心
から来る光を信号導波路４３へ偏向させる。
信号導波路の状態は漏洩領域４７（第５図参
照）上に配置されたフオトダイオード５１を用い
て感知される。従つて、１つの出力ポート２９が
付勢状態にある事は同じバス線上の全ての入力ポ
ート２７によつて感知する事ができる。これは通
常の双方向３状態バス線の動作に対応する。
バス線密度 光学バス線の小さな寸法（接合部を含めて約
50μm）により、約６mmの長さのチツプの領域の
下に約50本のバス線を形成できる。この数は、デ
ータ線、アドレス線及び制御線を含む完全なバス
構造を形成するために充分な大きさである。
駆動回路及び受信回路 チツプ上の出力ポート駆動回路及び入力ポート
受信回路の構成並びに各々の電気回路が第６図及
び第７図に示されている。
第６図にチツプ１５の１隅が描かれている。チ
ツプの１辺には50組の格子対の列が付着され、そ
の次に50個のフオトダイオードの列がチツプ上に
集積されている。各フオトダイオードから内側
に、駆動回路及び受信回路５５がチツプ上の同じ
行に集積化される。回路５５と格子対４９との間
には２本の接続線しか与えなくてもよい。また各
駆動回路及び受信回路５５は１ビツトの入力／出
力バツフアを有する。従つて50組の格子対49、50
個のフオトダイオード５１及び50個の回路５５が
チツプ１５上の３つの隣接した列の上に配置され
る。チツプの残りは破線５７で示すようにチツプ
の主要な集積論理回路に利用できる。
他の構成も当然に可能である。駆動回路及び受
信回路５５は例えば関連のある格子対４９とフオ
トダイオード５１の間に配置する事もできる。ま
た格子をチツプの１辺に配置し、フオトダイオー
ドをチツプの反対側の辺に配置する事もできる。
しかしながらこの後者の構成では入力ポート及び
出力ポートのための回路の分割はより難かしくな
るであろう。
各格子対４９は10pF程度の静電容量を持ち、
集積化されたバス駆動回路から直接付勢し得る。
フオトダイオードから受け取つた電気信号は論理
信号レベルに到る前に前置増幅を必要とする。し
かしながら必要な増幅度は、光フアイバ・リンク
に必要なものよりも遥かに低く、従つて単純な受
信回路しか必要としない。1mW（OdBn）の光信
号パワーが供給導波路を１方向に伝播すると考え
られる。100％の光切換効率と各漏洩領域におけ
る５％の光信号損失とを仮定すると、10番目の漏
洩領域で即ち切換接合部から10個のタツピング点
（チツプ）を通過した後で放射される信号は供給
導波路中の光の３％あるいは−15.23dBnである。
これと対照的に市販のフアイバ光学受信回路は
10Mビツト／ｓで誤りのない検出を行なうために
約−30dBnの光信号パワーしか必要としない。
第７図は１対の格子４９及び１個のフオトダイ
オード５１に関する１つの駆動及び受信の回路５
５のブロツク図である。格子対４９は点ＡとＢと
の間のキヤパシタとして図示されている。これは
チツプの論理回路から来る信号線６１上の制御信
号によつてエネーブルされる集積化駆動回路５９
の出力に接続される。フオトダイオード５１は集
積化前置増幅器６３の点Ｃ及びＤに接続される。
前記増幅器６３の出力信号は、チツプの論理回路
からの信号線６７上の制御信号によつてエネーブ
ルされる比較器６５において大地電位と比較され
る。比較器６５の出力及び駆動回路５９の入力は
共に集積化された１ビツト・バツフアに接続され
る。これはさらに信号線７１によつて各チツプの
論理回路に接続される。従つてｎ本のデータ線７
１、ｎ本の入力エネーブル線６７及びｎ本の出力
エネーブル線６１によつてチツプの論理回路はｎ
個の入力ポートの任意の１つを選択的に感知で
き、ｎ個の出力ポートの任意の１つを選択的に付
勢できる。
代替的及び付加的特徴 上述の実施例に示した単一のバス・システムの
代りに、同一基板上に異なつた構成のいくつかの
バス・システムを組み合せて用いてもよい。その
ような別々のバス・システムは互いに分離されて
いても、又選択的に付勢（切換）できる光学的分
岐によつて相互接続されてもよい。
他の可能性は、２つの座標方向に格子状に配列
され同じレベルにあつて直角に交差する導波路か
ら構成された光学バス・システムを提供する事で
ある。交点において、１つの座標方向（例えば水
平方向）に伝播する光は他の座標方向（例えば垂
直方向）に伝播する光と干渉しない。従つて光学
的データ信号の伝達は、交差点において光学バス
線の物理的接続があるにもかかわらず、両座標方
向において独立である。そのようなバス構成は、
行列形式に配列されたプロセツサ・チツプにおい
てデータのアレイ・プロセツシングを行なう事を
可能にする。処理中にデータは２次元的に伝播す
る。１つの座標方向から他の座標方向への伝達は
チツプ内で行なわれる。
２次元格子パターンに構成された光学バス線間
の相互接続は、水平導波路と垂直導波路との間の
選択的に付勢可能な光学スイツチあるいは分岐に
よつても同様に実行できる。
他の代替例は、永続的に光を放射する配列体の
代りに個々に付勢可能なレーザ又はLED３３を
設けたものである。これは、バス構成全体の中の
個々の光学バス線を選択的に禁止もしくはエネー
ブルする事を可能にする。従つて各供給導波路は
それ自体論理入力信号を伝え、それに随伴する信
号導波路は供給導波路の論理入力信号と回路チツ
プの出力ポートの論理状態との両者に依存する論
理出力信号を伝える。
さらに別の可能性は、各供給導波路に２以上の
信号導波路を設ける事である。例えば供給導波路
の各々の側に１つづつ信号導波路を設け、各信号
導波路と供給導波路との間に別個の接合部を設け
てもよい。又第２の信号導波路を直接第１の信号
導波路の側に置きそれを別個の接合部によつて接
続してもよい。この場合当然の事ながら各々の付
加的な入力ポート及び出力ポートがチツプ上に必
要である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に従う光学バス線によつて相互
接続された複数の回路チツプを搭載したモジユー
ル・ボードの斜視図、第２図は、チツプとバス線
とを相互接続するための入力／出力ポートを含
む、１つのチツプと光学バス線の関連部分の図、
第３図は入力ポート及び出力ポートのより詳細な
図、第４図は第３図の出力ポートのＪ−Ｊに沿つ
た断面図、第５図は第３図の入力ポートのＬ−Ｌ
に沿つた断面図、第６図はチツプ上のＩ／Ｏポー
トに関する回路構成の図、第７図は１組のＩ／Ｏ
ポートに関する回路のブロツク図である。 １５〜２１……回路チツプ、２３……基板、２
５……光導波路バス構造、２７……入力ポート、
２９……出力ポート、３３……発光素子、４１…
…供給導波路、４３……信号導波路、４５……接
合部、４７……漏洩領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 入力ポート及び出力ポートを有する複数の回
    路チツプを相互接続するためのバス・システムで
    あつて、 光源が接続されている供給導波路と、該供給導
    波路に隣接して平行に配置された信号導波路と、
    該供給導波路と該信号導波路とを複数個所で結合
    する複数の結合接合部と、を含む光導波路バス構
    造体が形成されている光導波路用基板を有し、 前記光導波路用基板上には前記複数の回路チツ
    プが前記光導波路用バス構造の長手方向に沿つて
    配列され、 前記回路チツプの前記出力ポートは前記結合接
    合部に近接した位置に対向して配置され、且つ、
    前記出力ポートには前記結合接合部において電気
    光学的効果により前記供給導波路から前記信号導
    波路へ光を偏向させる電界を発生するための電極
    が形成され、 前記信号導波路には当該信号導波路内を伝播す
    る光の一部を漏洩する漏洩領域が形成され、前記
    回路チツプの前記入力ポートには該漏洩領域から
    漏洩する光を検出する光検出器が形成されてい
    る、 バス・システム。
JP57001070A 1981-04-28 1982-01-08 Bus system Granted JPS57179819A (en)

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