JP2007123574A - 光クロック分配装置 - Google Patents

Abstract

【課題】LSIの微細化や高速化に伴い、従来の（電気配線）電気信号によるクロックでは配線遅延によるクロックスキューが問題になるが、それを回避するための光クロック信号を分配する光学系が複雑になっており、実装コストがかかる。
【解決手段】コア及びクラッドから構成される光ファイバ形状の導波路を一定の間隔で束ね、板状に成形したファイバオプティックプレートからなる光分配機能素子と、受光素子を搭載したLSIチップとを積層させ、開口角よりも大きい角度（θi＞θa）で前記光分配機能素子へ入射する外部光源を配置することで、FOPの拡散モード伝搬を用いた光分配素子とLSIとを積層する構成により、LSIのチップ構造等は変更せず、クロックスキューの低減を図るための光クロックの分配装置が単純な実装方法により達成するという効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、LSIチップのクロック信号を供給する光クロック分配装置であり、チップ単体もしくはマルチチップモジュール等におけるクロック配線遅延等によるクロックスキューを低減するための光クロックを分配する装置に係わる。

半導体LSIのトランジスタの微細化による動作速度と集積規模の向上によって、マイクロプロセッサの動作周波数は3GHzを越えて来ている。さらに、安価で大容量のLSIメモリの供給に伴いコンピュータの性能が飛躍的に向上し、パソコンレベルでも動画のような大容量情報を扱えるようになってきたが、LSIの高速化の進展とともに、ボード間、チップ間、チップ内をつなぐ配線で動作速度が制限されるようになってきた。

金属配線の微細化が進展（最小線幅が小さくなる）すると、現在最も有利と言われている銅の金属配線とlow-κ（低誘電率）材料の組み合わせを利用しても、ゲート遅延も含めた遅延量は、最小線幅が100nm程度になるあたりで増加に転じ、速度限界が見え始めると言われている。また、金属配線では、配線長とクロック周波数の増大によってチップの発熱が問題になり、従来の冷却方法では対応できないという問題もある。従って銅配線やlow-κ材料を用いても微細化が進むことで、配線遅延と発熱の問題から処理速度は早晩限界を迎えることが予測される。

電気配線の高速化限界を破る手法として、光を信号の担い手として用いる光配線の導入がある。光が電荷を持たず、配線容量を充電しないため、配線の抵抗と容量で決まる時定数による伝搬遅延がないことである。さらに、充放電に伴う電力消費がないことも期待される。

以下、従来の光配線の方法について説明する。

図５は従来の光を用いたクロック信号の供給方法である。図５において、２はプリント基板、４はクロック信号供給部、１０Ａ、１０Ｂは半導体チップ、２２は光ファイバ、２２ａは入射端、２２ｂは出射端、３０はＬＥＤ、ＳＣＬはクロック信号である。

クロック信号供給部４からのクロック信号に基づきＬＥＤ（発光素子）３０を点滅させることによって、クロック信号（電気信号）を光信号に変換する。また、その光信号を光フアイバ２２によって各半導体チップ１０Ａに伝送する。一方、半導体チップ１０Ａに内蔵された受光素子によって光フアイバ２２からの光を受光し、ＬＥＤ３０からの光信号を電気信号に変換し、その信号をクロック信号としてその半導体チップ１０Ａの内部回路に供給する。アルミ配線のインピ−ダンスによるクロックスキユ−が解消され、クロック信号をほぼ等しい信号伝達時間をもって各半導体チップに供給することができる。

また、図６は従来の別なクロック信号の供給装置であり、フリップチップ実装方式に適した光配線技術を提供するものである。 １は半導体チップ、２は配線基板、３は配線層、４は電極体、５は光導波路配線、６は光導波路配線５の主面、７は貫通孔である。

半導体チップ１と配線基板２はシリコンまたは化合物半導体である。半導体チップ１の配線基板２側の面には回路および光素子部（面発光レーザ、ホトダイオードなど）が形成されている。配線層３は金属（Ｃｕ、Ａｌなど）と絶縁体（ポリイミド、ガラスなど）である。電極体４は金属バンプ（Ｐｂ―Ｓｎ半田、Ａｕなど）である。光導波路配線５は誘電体（ポリイミド、ガラスなど）から成り、光素子部と結合するためのミラーまたはグレーティングなどが形成されており、半導体チップ１と配線基板２がフリップフロップ接続された半導体装置において、電極体４の間のスペースに光導波路配線５を備えることで、配線基板の電気配線と光導波路配線の配置が互いに制約を受けず、光クロック信号供給に利用できるものである。

また、図７はマルチチップモジュールと呼ばれる、クロック信号をマルチチップ間で光信号を用いて伝送する手段を提供する従来例である。

１１はマルチチップモジュール、１３、１４、１８はチップ、１００、１０１、１０２は受光素子、１９は発光素子、１２は外部端子、１５、１６、１７は機能ブロックである。

マルチチップモジュール１１内に機能ブロック１５および受光素子１００と機能ブロック１６および受光素子１０１とを有する半導体チップ１３と、機能ブロック１７および受光素子１０２とを有する半導体チップ１４と、発光素子１９を有する半導体チップ１８とを備え、発光素子１９にはマルチチップモジュール１１の外部端子１２から配線１０３を介してクロックの電気信号が与えられ、発光素子１９によって光信号に変換される。その光信号を受光素子１００〜１０２が受信し、電気信号に変換されて機能ブロック１５〜１７に供給されるように構成される。マルチチップモジュールにおいて、クロック信号をマルチチップ間で光信号を用いて伝送する手段を用いることにより、マルチチップモジュール全体としての性能の向上と、クロックスキューの低減をするものである。

また、図８は入射した光を内部で均一に拡散および全反射させ、ファイバプレート外に均一な強度の光を出射させるファイバプレートを用いた光学装置の断面を示す従来例である。

図８において、１はＨｅ―Ｎｅレーザから成る光源、２は光源１より入射した光を、内部で拡散しかつ内部に閉じこめ、さらに空間光変調器４で変調した光を、一方の端面から他の端面に伝搬するファイバプレートである。また、３は、ファイバプレート２の内部に閉じこめた光を外部に出射する出射機構部である。

光源１より射出された光は、光ビームとして光ファイバーの開口角３３度よりも大きい角度で、ファイバプレート２に入射される。ファイバプレート２に入射された光は、ファイバプレート２の有する拡散作用と少なくとも上下面における全反射により、ファイバプレート２の内部に拡散されつつかつ閉じ込められる。このように拡散され閉じ込められた光の一部は、出射機構部３の部分で全反射条件から外れて、空間光変調器４側に向けて偏向され、ファイバープレート２の出射機構部３側の面より、ファイバプレート２の外部へと導かれ射出される。

このように出射された光は、空間光変調器４により振幅変調される。そして、このように変調された光は、開口角よりも小さい角度でファイバプレート２に、再び入射されるため、ファイバプレート２の他面へと伝搬され、出力光となる。
特開平４−３２００７３号公報 特開平６−１３２５１６号公報 特開平７−１３１０６３号公報 特開平６−５９１６３号公報

しかしながら、上記に示したような光クロック信号の供給方法では、光クロック信号を分配する光学系が複雑になり、安定性や信頼性の高い光学系を有する光クロック分配装置を形成することが困難であり、小型一体化された光クロック分配装置を構成への障害になるという問題がある。また、光クロックを半導体チップへ分配する場合、クロックスキューを低減するためには、光クロックを異なる位置に対して同時に分配をしなくてはならないという問題がある。

従って、以上の課題から、機械的に安定し、信頼性が高く、小型一体化構成を有する光クロック分配装置は従来見られなかった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、簡易な構成による光学系を有し、安定性や信頼性の高い光クロック信号の分配装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、コア及びクラッドから構成される光ファイバ形状の導波路を一定の間隔で束ね、板状に成形したファイバオプティックプレートからなる光分配機能素子と、受光素子を搭載したLSIチップとを積層させ、少なくとも開口角よりも大きい角度（θi＞θa）で前記光分配機能素子へ入射する外部光源を備えた光クロック信号分配装置からなる構成を主として有する。

また、前記の構成に加え、前記ファイバオプティックプレートから出射する光を変調し、所望の位置にある受光素子のみへ光クロックを供給可能なマスクパターンを有する構成である。

本発明は上記構成によって、開口角よりも大きい角度（θi＞θa）でファイバオプティックプレートからなる光分配機能素子へ入射された光が、光ファイバのコア、クラッド界面における反射、透過を繰り返し、円錐形に拡散しながら伝搬する。

そして、入射された光がファイバオプティックプレート中の同じ光路長を通過して反対の面から出射することにより、光クロックを異なる位置に同時に分配できる特性を担保する。

FOPの拡散モード伝搬を用いた光分配素子とLSIとを積層する構成により、LSIのチップ構造等は変更せず、クロックスキューの低減を図るための光クロックの分配装置が単純な実装方法により達成できる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態における光クロック分配装置の模式図であり、１１は光源、１２は光ファイバ、１３は入射光、１４は入射角、１５はファイバオプティックプレート、１６は出射光、１７はディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ、１８は入射機構部、１９は出射機構部である。

光源１１から出射された光クロック信号は光ファイバ１２を通り入射光１３として、ファイバオプティックプレート１５へ入射される。このファイバオプティックプレート１５は、光ファイバを一定の間隔で束ね、上下方向に並列に配列され、板状に成形されている。ファイバオプティックプレート１５のコア、クラッドの屈折率はそれぞれ、１．６０と１．５７である。ファイバオプティックプレート１５を構成する光ファイバの開口角はそれぞれ３３度であり、ファイバオプティックプレート１５の上端面、下端面の全反射の臨界角は４０度である。

入射機構部１８はファイバオプティックプレート１５の中へ入射光を導入する。

出射機構部１９はファイバオプティックプレート１５の中を伝搬してきた光を下端面から外部へ出射するものである。

光源１１、ファイバオプティックプレート１５、ディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ１８とは積層によるハイブリッド構成としている。

入射角＞開口角の条件で光クロックを入射する。ファイバオプティックプレート１５内での多重反射に伴う拡散モードとなるから、ファイバオプティックプレート１５表面の入射位置に応じて同心円状に光クロックの分配をほぼ均等な光強度で実現できる。

光クロックの同時分配を説明するためのモデルとして、図２にファイバオプティックプレート１５中の拡散モードによる光の伝搬を示す。ファイバオプティックプレートを構成する１本の光ファイバに着目し、その光ファイバ側面から光が入射している。光ファイバ屈折率の異なるコアとクラッドから形成されているので、その界面はファイバ光軸を取り囲む一種の円柱ミラーとなる。光ファイバ光軸をｚ軸として、それに直交するようにｘ軸、ｙ軸を設定する。この界面で反射される界面反射光は、ファイバ光軸を中心軸として、中心軸となす角度がφiの円錐の側面に沿って伝搬する。

ファイバオプティックプレート１５中の光の広がり方は、出射光のニアフィールドパターンに関係しており、３次元空間の伝搬を簡略化し、２次元平面内での光ファイバコア・クラッド界面の透過、反射を繰り返し伝搬するモデルを考える。図３に２次元平面の透過−反射モデルを示す。透過強度と反射強度は反射率の大きさによって変化するが、入射面から出射面までの光路はどの経路でも同じとなるため、入射光は同時に出射面に到達する。

このように、入射光１３はファイバオプティックプレート１５を通過する中で、場所的に異なる位置から複数の出射光１６として同時に光クロックを下端面から出すことができる。

ファイバオプティックプレートの拡散モード伝搬を用いた光分配機能素子とLSIとを積層する構成により、LSIのチップ構造等は変更せず、クロックスキューの低減を図るための光クロックの分配装置が単純な実装方法により達成できる。

なお、上記実施例では、光ファイバ１２はファイバオプティックプレート１５と離れて位置づけているが、ファイバオプティックプレート１５と接着することでもよい。また、出射機構部１８はファイバオプティックプレート１５に接着した構成となっているが、ファイバオプティックプレート１５自体に微細加工を施して一体整形としてもよい。

また、ファイバオプティックプレートはシリカベースの光ファイバの束として構成・製造されているが、コアとクラッドを構成する誘電体の組み合わせを選べば、CMOSプロセスで使用している誘電体材料の組み合わせで実現できる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図２は本発明の第２の実施形態における光クロック分配装置の模式図であり、２１は光源、２２は光ファイバ、２３は入射光、２５はファイバオプティックプレート、２６は出射光、２７はディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ、２８は入射機構部、２９は出射機構部。３０はマスクパターンである。

光源２１から出射された光クロック信号は光ファイバ２２を通り入射光２３として、ファイバオプティックプレート２５へ入射される。

出射機構部１８はファイバオプティックプレート１５の中を伝搬してきた光を下端面から外部へ出射するものである。ファイバオプティックプレート２５、ディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ２７との中間に、マスクパターン３０が挿入された積層ハイブリッド構成となっている。

基本的な光クロックの伝搬は実施例１と同様であるが、挿入したマスクパターン３０を用いて、ファイバオプティックプレート１５の下端面からの出射光２６をディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ２７の特定の受光器位置のみに分配する機能を有するものである。

ファイバオプティックプレートの拡散モード伝搬を用いた光分配機能素子とLSIとの間にマスクパターンを挿入積層する構成により、LSIのチップ構造等は変更せず、クロックスキューの低減を図りつつ、ＬＳＩチップ状の異なった位置への光クロックの分配装置が単純な実装方法により達成できる。

本発明にかかる光クロック分配装置は、コア及びクラッドから構成される光ファイバ形状の導波路を一定の間隔で束ね、板状に成形したファイバオプティックプレートからなる光分配機能素子と、受光素子を搭載したLSIチップとを積層させ、少なくとも開口角よりも大きい角度（θi＞θa）で前記光分配機能素子へ入射する外部光源を備えた構成により、LSIのチップ構造等は変更せず、クロックスキューの低減を図るための光クロックの分配装置が単純な構成で達成でき、光クロックを異なる位置に対して同時に分配機構を有するため、光クロック分配装置として有用である。

本発明の第１の実施形態における光クロック分配装置の模式図 本発明の第１の実施形態における、ファイバオプティックプレート中の拡散モードによる光の伝搬の様子を示す模式図 本発明の第１の実施形態における、ファイバオプティックプレート中の伝搬を示す２次元平面の透過−反射モデルの模式図 本発明の第２の実施形態における光クロック分配装置の模式図 従来の光クロック分配装置を示す模式図（従来例１） 従来の光クロック分配装置を示す模式図（従来例２） 従来の光クロック分配装置を示す模式図（従来例３） 従来のファイバプレートを用いた光学装置を示す模式図（従来例４）

符号の説明

１１ 光源
１２ 光ファイバ
１３ 入射光
１４ 入射角
１５ ファイバオプティックプレート
１６ 出射光
１７ ディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ
１８ 入射機構部
１９ 出射機構部
２１ 光源
２２ 光ファイバ
２３ 入射光
２５ ファイバオプティックプレート
２６ 出射光
２７ ディテクタ搭載型シリコンＬＳＩ
２８ 入射機構部
２９ 出射機構部
３０ マスクパターン

Claims (5)

1. コア及びクラッドから構成される光ファイバ形状の導波路を一定の間隔で束ね、板状に成形したファイバオプティックプレートからなる光分配機能素子と、受光素子を搭載したLSIチップとを積層させ、開口角よりも大きい角度（θi＞θa）で前記光分配機能素子へ入射する外部光源とで構成される光クロック分配装置。
2. 前記光分配機能素子と前記LSIチップとの間に、出射光を変調し、所望の位置にある受光素子のみへ出射光を供給するマスクパターンを有する請求項１記載の光クロック分配装置。
3. 入射した光を前記光分配機能素子から外部に出射するための出射機構部を搭載した請求項１記載の光クロック分配装置。
4. 入射する光を前記光分配機能素子の内部へ導入するための入射機構部を搭載した請求項１記載の光クロック分配装置。
5. 光が前記光分配機能素子へ入射する入射部を前記光分配機能素子の中央に形成した請求項１記載の光クロック分配装置。
   
   

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