JP3817510B2 - 光電気混載装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板やパッケージ内の電気チップ間などにおいて信号を光学的に接続するための光導波路及び光入出力ポートを含む光導波装置と電気回路を含む光電気混載装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化社会を支えるパーソナルコンピュータ、セルラー電話やPDAに代表されるモバイル機器、デジタルAV（オーディオビジュアル）機器などの高性能化には、多数の高集積化されたLSIチップが用いられており、これらを高密度で高速に動作させる実装技術が求められている。そのためには、従来の電気接続だけを使った実装技術では、伝送遅延やクロストークの問題の解決、電磁放射ノイズ(Electromagnetic Interference: EMI)の低減などにおいて限界に来ており、光接続を併用した方式が検討されてきている。
【０００３】
光接続をチップ間に適用する例は幾つか提案されているが、例えば、平坦基板上に形成した有機高分子からなるスラブ導波路を伝送媒体に用いる方式は、ライン状の光導波路を作り込む方式に比べて、LSIチップやそれを実装するボードやパッケージとのマッチングが良く作製も容易で、チップ間で自由接続できるなどの利点があると考えられる（例えば、特許文献１参照）。その構成例を図1１に示す。高分子封止材２０９で封止された光導波層を備えた基板２０１’の絶縁層２０８には発信素子２０４、２０６及び受信素子２０５が備えられており、LSIボード２０２を実装することで、LSI間の信号伝送をスラブ光導波路２０１”を用いて実現している（信号光２０３）。発信素子２０４、２０６及び受信素子２０５と導波路２０１”との光結合にはホログラム２０７を用いており、更に波長制御する素子で素子間の結合状態を制御する様になっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平8-293836号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共通の導波路を伝送されてきた信号光が常に所定の受信素子への信号とは限らない。
【０００６】
そこで、本発明は、光導波路を伝播してくる光信号の内、所望の信号を選択的に受信できる構成を備えた光導波装置を含む光電気混載装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、
光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
該複数のチップ同士は、電気配線で接続されており、
信号を送信するチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により、該光導波路に送信し、
信号を受信するチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、ことを特徴とする。
或いは、
光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
複数のチップ間が電気配線で接続されており、
該複数のチップのうちの第１のチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により該光導波路に送信し、
該複数のチップのうちの第２のチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、ことを特徴とする。
上記光電気混載装置により、光入力ポート（光受信部）は、選択的に必要な信号のみを受信できることになる。さらに、光入力ポートが前記光導波路に複数接続されている場合には、タイミング制御信号（上記電気信号）を用いることで、光入出力ポート間の光接続の仕方を結果的に再構成可能な光電気混載装置の提供が可能となる。この構成は、光のリコンフィギャラブル配線を、光導波路を介する光接続の構造は実質的に変えないで、光信号より遅い速度で送信し得る電気信号の制御で確立しているので、電気接続の欠点を抑制しつつ光接続の長所を生かした精密な制御を必要としない構成として比較的低コストで実現できる。
【０００８】
上記基本構成に基づいて、以下の如き態様が可能である。
前記光入出力ポートは、前記光導波路における光導波方向とは略垂直方向に光を入射或いは出射するための光素子（発光或いは受光素子）、及び該光導波路内の所望の位置に光素子に対応して設けられた光路変換手段で構成されるものを含み得る。この場合、前記光路変換手段は凸形状を持った光反射体であって、光素子は、その中心部と反射体凸部の頂点の位置を一致させて光導波路に実装されている面型素子であり、各光素子は光導波路内の全領域に対して発信、受信する態様としたり、前記光路変換手段は凸形状を持った光反射体であって、光素子は、その中心部と反射体凸部の頂点の位置をずらして光導波路に実装されている面型素子であり、各光素子は光導波路内の一部領域のみに対して発信、受信する態様としたりすることができる。
【０００９】
前記光素子は半導体結晶から構成される面型素子であって、該半導体結晶のうち受光または発光に必要な薄膜層のみを前記光導波路に転写して半導体基板を除去した構成を有し得る。また、スラブ型光導波路などの光導波路は、ポリカーボーネート、ポリイミド、BCB、SU-8（商品名）、シロキサン、ポリシラン、及びこれらの主鎖または側鎖に機能基を結合させた有機材料ポリマーまたはオリゴマーなどで形成し得る。
【００１０】
前記光導波路は代表的にはスラブ型光導波路である。また、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成され、前記タイミング制御信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行う様に構成され得る。こうした構成では、スラブ導波路と電気回路と該電気回路を動作させるための電気チップが一体化された光電気混載装置において、チップ間の信号接続は光パケット信号のブロードキャストとパケット交換を制御する電気信号により行われ得る。配線切り換えは、光信号より遅いクロック周波数で配信される電気信号で行われ得るが、タイミング制御を行うことにより実効的に高速な配線切り換えが可能である。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、電気回路、該電気回路を動作させるための電気チップ、上記の光導波装置を含み、電気チップ間の信号接続が、前記光信号を用いた光接続、及び該光信号の授受を制御するための前記タイミング制御信号を少なくとも用いた電気接続の双方によって行われる様に構成されたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、光信号の時分割のパケット交換を電気チップ間で別途配線した電気接続を用いたタイミング制御により行う本発明の代表例の特徴を説明する。50mm角前後の比較的小さいエリアにおいてはチップ同志の電気配線は容易で、パケット交換のための電気制御信号は高速光信号を束ねたパケット毎に送ればよいので電気チップ内部のクロック周波数を分周した遅い信号でよいため、電気回路基板内の光接続では有効となる。また、本方法ではパケット信号の取捨選択を別途送られた電気信号により制御するので、パケットに送信先アドレスデータを挿入しなくてもよい。従って、パケット内の信号リソースを最大限に使えて実効的な転送スピードが向上できると共に、光配線先を指定しないことから必ずしもライン状の光導波路を必要とせず低コストなスラブ型光導波路でブロードキャスト的に発信できる。
【００１３】
ブロードキャスト的に光伝播できることは、１対多や多対多の信号授受を高速に切り換えられることに繋がる。さらに、複数のシステム間で高速にスイッチングでき、小型、低コスト化するには本発明により実装した光電気混載型の基板或いはチップパッケージが効果を発揮する。特にモバイル機器には最適である。この様に、従来の光通信で行われているパケット交換を小さいエリアで行うために、制御信号を電気で送信できるというメリットを最大限に活かしたチップ間パケット交換方式となり得る。
【００１４】
このような方式を実現する具体例としては、図１のようなチップサイズパッケージがある。この例では、多層電気配線層２の上にスラブ型導波路１が集積化され、複数のベアチップのLSI１〜５の間は光接続と電気接続の両方が行える様になっている。光信号はLSI下部に接続した光素子で授受が行われるが、どの素子にも同一信号を受信できる様に伝播させて、図４に示した様に、別途送られている電気制御信号の立ち下がりのタイミングでのみ信号を取得する様に制御している。したがって、例えば、パケットが128bitから構成されていれば、光信号のクロック周波数に対して１／１２８に分周した遅いクロック周波数で電気信号を送ればよいことになる。
【００１５】
送信源としては順次時間的に切り換えていくことや、光強度多重、多層の光導波層での空間多重を併用してシステムを構成することができる。パケット交換の制御シーケンスは、予めプログラミングしておいたものを回路内または装置外のメモリーに蓄積しておいて順次読み出したり、外部からダウンロードして追加、書き換えできる様にして、ダウンロードと同時に該装置の動作を高速にスイッチしたりすることもできる。
【００１６】
また、上記の電気チップ、光導波装置、及び電気配線層を一体化した光電気混載装置により、高密度実装されて高速にシステムを切り換えられるシステムLSIを構成することもできる。このシステムLSIは、１チップで多機能を発現するシステムオンチップ（SoC）として機能させたり、パッケージ化して電気回路基板に実装するシステムインパッケージ（SiP）として機能させたりできる。もちろん、１つのドータボードとして利用するような光電気混載基板としても利用できる。この様に、本発明による光電気混載装置は、サイズ、実装方法、適用方法、動作システムなどにより、チップレベルから基板レベルまでを包含したものである。
【００１７】
この光電気混載チップをマルチメディア機器に用いれば、複数無線方式に対応でき、しかも高速に方式間の切り換えができたり、映像、音声情報を高速に処理したりすることができる。
【００１８】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置の駆動方法は、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成し、前記タイミング制御信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行ない、パケット信号取捨選択のための電気信号は、発信側の電気チップからパケット列の繰り返し周期で決まるクロック周波数で送信し、受信側の電気チップにおいて選択するパケット列より早いタイミングで該取捨選択のための電気信号パルスを受信し、該パルスの立下りのタイミングでパケット信号の取り込みを開始することを特徴とする。
【００１９】
また、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成し、前記受信タイミングを制御する電気信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行ない、パケット交換の制御パターンは、該装置内または装置外のメモリに記憶し、該メモリから順次パターンを読み出して該装置の動作を制御することを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成する本発明の電子機器は、上記の光電気混載装置を組み込むことで電気チップ間の高速光接続を自由に再構成でき、１つの機器で複数の組み込みシステム間を高速にスイッチできる様に構成されたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく図面を用いて具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例である光電気混載装置の斜視図を図１に示す。本実施例では、多層電気配線層を構成する基板２及び光自由接続を可能にする光導波層１（スラブ導波路）が積層されて集積されている。この図の形態では単層の光導波層１が最上面に集積されているが、後の実施例でも述べる様に電気配線層内部に多層の光導波層が集積されている形などでも良い。
【００２２】
多層電気配線層を構成する基板２の材料は、プリント基板を構成するようなFR4でもよいし、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂のような有機材料、Al2O3やAlNなどの無機セラミック材料、ガラス、或いはこれらを混合したハイブリッド材料でもよい。各電気配線層の電気配線８間がビアホール９で接続される様に電気配線層はビルドアップされ、外部とのインターフェースとしての電極３が備えられ、チップ全体で１つの機能を有する所謂システムインパッケージ（SiP）を構成することができる。すなわち、チップの形状としてはチップサイズパッケージ(CSP)となっており、その大きさは10mm角〜50mm角程度である。この多層電気配線層の内部には、抵抗、コンデンサ、コイルなどの受動チップ、或いは能動チップとしてICを組み込んでもよい。
【００２３】
この電気配線層上部には厚さ100μmのスラブ型の樹脂光導波層１が集積されているが、厚さについてはこれに限るものではない。ここでは導波層１の材料としてポリカーボネートZを用いたが、ポリイミド、シロキサン、SU-8、BCB、ポリシランなどガラス転移温度が比較的高い光学樹脂材料が好適に用いられる。この導波層１上には、ベアチップのSi-LSI１〜５（4a〜4e）が搭載されており、チップの下に集積された光I/O素子（光入出力ポートを構成する）、具体的には半導体レーザ及びpinホトダイオードによって、チップ間の光接続ができる様になっている。このベアチップは、LSI作製時に同時に電気接続を行うための電極を作り込んだ所謂ウエハレベルチップサイズパッケージ（WLCSP）が好適に用いられる。チップ間のインタコネクションについては、リコンフィギャラブルな配線部分は光接続で行われるが、電気接続部分は光導波層１に形成したビア配線等を介して基板２の電気配線８で行われたり、光導波層１上に形成した電気配線５で行われたりする。チップ外部との接続もこの光導波層１からの光空間伝送３７で行える。光導波層１のサイズは基板２と同サイズにしているが、この形に限るものではなく、必要な領域にのみ光導波層が備えられている形でも良い。
【００２４】
チップ実装の例を図２に示す。これは１つのチップ周辺の断面図を示しており、光導波層１の上には、電極２４と２５の間でハンダバンプ２６を用いてベアチップLSI２０が実装されている。その他のバンプ２６は、発光素子２７駆動用の電極１０、受光素子２８駆動用の電極１１、及び光導波層１表面に形成した電気配線５とベアチップLSI２０の電極とを接続している。電極２４は、光導波層１を貫通するビア配線２３を介して基板２上の電気配線２１に接続され、さらに基板２内のビア配線９や内部配線８を用いて電気回路が形成されている。光導波層１表面の配線５は、例えば、LSIチップ間の制御信号用に用いるが、チップ間の制御信号は基板２の表面の電気配線２１や内部配線８などで接続されていても良い。
【００２５】
本実施例において、光接続はスラブ光導波路１を用いてブロードキャスト的に行う。発光素子２７からの光信号は、半球状の反射体１２を用いて光導波層１に結合させて発信し、他のチップから光導波層１を介して伝播してきた光信号は、同様に、反射体１３を用いて受光素子２８に結合させて受信する。これら光素子の中心と反射体の頂点の位置が光導波層１垂直方向に沿って一致していれば、光素子はスラブ光導波路１全体に対して光結合でき、対照的に、偏心させれば一定の放射角をもった領域のみと光結合できる。LSIチップの位置や光強度の必要性に応じて最適な伝播形態を選択すればよい。これについては後に説明する。
【００２６】
本実施例では、光素子はGaAs系で面型の半導体レーザ、pinホトダイオードであるが、GaAs基板を除去して光導波層１上に7μm厚の薄膜集積化したもの（機能層転写：Functional Layer Transfer(FLT)）を用いているので、通常のはんだバンプ（30μmΦ〜100μmΦ）を用いてLSI実装すれば十分な高さクリアランスが得られる。GaAs基板を除去しない場合には、光素子を保護するためにLSIチップ２０と光導波層１間にスペーサ（不図示）を挿入しても良い。また、この光素子はLSIチップ上にハイブリッド集積したもの、或いは光導波層１内に埋め込んだものでもよい。光導波層１内に埋め込んだ形の場合には、光素子による凸部は低くできるのでスペーサは不要になる。
【００２７】
次に図３〜図５を用いて、この再構成可能な光接続の制御、動作について説明する。図３は図1の光電気混載装置３０を上から見た平面図である。例えば、LSIチップ１（33a）から光導波路に光信号３１を全方位に発信し、その他のLSIチップ２〜５（33ｂ〜33e）では所望のタイミングで信号を受信する。光信号３１は128bit列を1単位とした固定長のパケットになっており、パケット毎に、必要なLSIチップに対して受信命令を電気配線３２を用いて個別に電気信号で送ることで受信制御している。このとき、例えば、LSIチップの内部クロックが200MHz、内部バスが１６ビットパラレルであったとすると、シリアル化して3.2Gbpsの光信号として１２８／１６＝８ビット分のパラレル信号を１パケットとして発信することになる。これらの数値はシステム仕様によって変えられる。こうして、光信号は3.2Gbpsで送受信されるが、パケットの繰り返し周期は３２００MHｚ／１２８＝２５MHｚとなるので、受信タイミング制御用の電気信号は非常に遅いものでよい。図３の動作例では、LSIチップ１（33a）から発信されたパケット列は順にFACEB…となり、LSIチップ２(33b)は、制御信号によりパケットAとEだけを受信する様に命令されている。
【００２８】
この様子を分かりやすく説明する図が図４である。１パケットのビット数は簡単のため２０ビット分にして描いている。図４(a)はLSI１からの光信号を示し、光信号の各パケットは、シリアル化されたデジタル高速信号でASK変調された光パルス列からなる。これは上で述べた様にブロードキャストされている。一方、図４(b)はLSI１からLSI２に向けた受信タイミング制御用電気信号を示し、LSI２にパケットAとEを受信させるために、予め電気パルスをLSI２に送信して立下りのタイミングで受信開始させる様にすれば、図４(c)に示す様に所望の信号がLSI２において受信できる。
【００２９】
このとき、既に述べた様に、電気制御信号は光信号列に比べて非常に遅いクロックレートで良い。また、通常のパケット交換では先頭などに発信元、受信先情報などを信号列に加えることが普通である。しかし、本実施例のチップ間伝送においては、非常に距離が近いので、高速光信号と電気制御信号のタイミングを合わせ込むことが容易である。そこで、パケットにアドレス情報などを特に載せなくてもパケット交換が可能になり、パケット内に最大限に情報を載せられるというメリットが生じる。タイミングの合わせ込みは、ＬＳＩに組み込まれたパラシリ変換回路などの光送受信部分の遅れ時間や伝播遅延のトータルの光信号の遅れ時間を、電気配線の長さや位相調整回路などによって電気制御信号の遅れに一致させる様にすればよい。もちろん、パケットの先頭に開始信号を載せたり、ＬＳＩチップにバッファ素子を設けてタイミング調整してもよい。
【００３０】
このようなチップ間接続を全て電気で行った場合と比較してみる。パラレル接続する場合には１６本の電気配線を全てのチップ間に張り巡らせることになるが、200MHzという比較的高速な信号を伝播させるにはストリップ線路としての設計が必要になって、電磁放射やクロストークの観点から配線密度、パターンに制約が生じる。そのために、ボード面積が大きくなってしまう。シリアル化して電気信号を伝送した場合、ボード面積の問題はなくなるが、１GHz程度の信号になると、基板における電気信号の減衰、遅延、放射ノイズの問題から、ボード材料やシールド対策による高コスト化、駆動電力のハイパワー化が問題になる。そこで、本発明による光接続が、高速でコンパクトな実装という観点における解決策と成り得る。また、パケット交換方式にすることにより実質的な転送レートは遅くなるが、配線リソースを有効活用し高価な光学部品を必要としないことで、低コスト化には有利となる。なお、ここで示したパケット長やクロック速度は一例であり、必要なシステムに応じて最適設計されるものである。また、パケット長を可変にすることも可能である。
【００３１】
図３ではLSIチップ１から他のチップに伝送する例を示したが、発信源や受信先は変えていくことができる。例えば、図５(a)では、LSIチップ３が発信源になってブロードキャストし、図５(b)ではLSIチップ５が発信源になっている。ここで、光の発信方向は図５で示す様に90度の放射角であるのが望ましいので、前述した様に、発光素子の中心と光導波層内にある光反射体の頂点とを離調して伝播方向を制限している。これによって、光の拡散による損失が減少するので、対角にあるLSIチップまで伝送距離を伸ばせる。360度方向に拡散する場合の単位面積あたりの光パワーは、光導波層の伝播損失が十分小さい場合、伝播距離Rとして1／2πRに比例して減衰することになるが、90度方向に制限すれば2／πRに比例することになるからである。本実施例では、光導波層が１つであるために、或る一定時間では１つのLSIチップが占有して発信源になって、その他のチップが受信するということになり、順次発信源を変えていくことになる。
【００３２】
以上の様に、本実施例では、小型で高速動作できる配線再構成可能なチップ混載型システムLSIを実現できる。
【００３３】
（実施例２）
本発明による第２の実施例は、２チップ以上で同時に発信することを達成するものである。図６の様にLSIチップ２と５から同時に異なる信号を発信した場合に、受信チップとなるLSIチップ１、３及び４では光信号を分離して受信しなければならない。そこで、図6で示した様に、２つの光信号の光強度を異ならせ、受信回路で信号処理をすることでこれを実現する。光強度は、レーザを変調する電流値を変えれば容易に制御できる。
【００３４】
例えば、チップ５の光強度をPo、チップ２の光強度を2Poとすれば、チップ１での受信信号は等距離で減衰量が同じであるとすると、次のような組み合わせが考えられる。
a)（チップ２、チップ５）＝（0、0）⇒ 受信パワー；0
b)（チップ２、チップ５）＝（1、0）⇒ 受信パワー；2αPo
c)（チップ２、チップ５）＝（0、1）⇒ 受信パワー；αPo
d)（チップ２、チップ５）＝（1、1）⇒ 受信パワー；3αPo
ただし、αはパワー減衰の割合である。この様に、受信パワーから２つのLSIチップからの信号の値が分かるのでこれらを分離して受信することができる。チップの位置によっては減衰の割合が異なるので、予め減衰量、出射光パワー、遅延量などをデータベース化して信号処理をプログラミングしておけば、図6以外の様々なケースに対応できる。
【００３５】
この様に複数の発信源で同時に信号伝送可能な制御を行えば、実質的な信号転送レートを向上させることができる。
【００３６】
（実施例３）
本発明による第３の実施例は、図７の様に光導波層７０を多層にして電気配線層７１、７２の間に組み込んだものである。これは、第１の実施例とは異なってパッケージではなく、１つの機能を発現するマルチチップモジュール(MCM)を構成し、サイズは概ね50mm角〜100mm角である。外部とのインターフェースは図示していないが、コネクタや電気ケーブル或いは光ケーブルで接続される。それぞれ内部配線７３、７４を含む電気配線層７１及び７２、光導波層７０全てをビルドアップ化して、表面にはLSI１〜５（75a〜75e）、受動素子７６などをコンパクトに実装している。
【００３７】
光導波層７０を多層にすることで、第１の実施例で述べたような複数のLSIチップやメモリチップなどの相互光接続を、第２の実施例のような光強度を変える方式を使わずに、同時に行うことができる。本実施例の様に、基板サイズが比較的大きくなった場合には、光の強度で多重化することが難しくなってくる。従って、若干のコスト上昇を伴ったとしても、大型サイズのモジュールでは多層化して空間多重した方が、動作スピードの向上や高機能化の面で優れる。本実施例では、チップ間の制御用の電気接続は電気配線層７１の内部配線７３で行われている。
【００３８】
次に多重化の仕方について説明する。本実施例の様に伝播距離が長くなってきた場合には、360度方向に拡散させると減衰が大きく、それを解決すべく光強度を強くするために電流を増加させると消費電力の問題が生じる。そこで、第１の実施例で既に述べた様に、拡散角度を制限することを本実施例でも行っている。具体的には、LSI１からの発信はLSI２及びLSI３向けとLSI４及びLSI５向けの２つに分けて120度の放射角で行っている（図7(ｂ)）。これらは空間的に分離できるので、同一シート（第１層）内で発光素子７７を２つ使って分けている。一方、対角にあるLSI２のチップなどは、LSI１からの発信用の光導波層とは異なる導波層（第２層）において、90度の放射角でLSI１、LSI３、LSI４向けに発信する光源７７と、LSI５に10度の狭い放射角で発信する光源７７の２つを備える（図7(ｃ)）。他のLSI３〜５もこれと同様である。従って、光導波層は５層になり、各層においては、１つのチップからの信号を発信する２つの発光素子７７と、発信源以外のそれぞれのチップに対応する１つずつの計４つの受光素子７８とが集積されている。こうして、各LSIチップから繋がる受光素子７８は、そのチップから繋がる発光素子の無い層全てに備えていることになる。
【００３９】
このような構成にすることで、複数のLSIチップ間の高速接続を同時に行うことができ、超高速な並列処理が可能となる。なお、多層の光導波層７０の層数や、発光素子７７、受光素子７８の配置の仕方、拡散方向や領域の分け方は一例を示したものであり、上記で説明したものに限定されない。
【００４０】
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、LSIチップ間の信号転送を予めプログラミングしておいて中央集中管理でシステムを動かすものである。今までの実施例では、リアルタイム処理として各LSIチップで分散並列演算を行う形態であったが、第４の実施例では、例えば、図１のLSIチップ１内のメモリ内に記憶されたシーケンスに従って、このチップが各チップに受信タイミング制御信号を電気で送信する方式を採る。
【００４１】
そのフローチャートの例を図８に示す。スタート信号と共に、LSIチップの内部クロック（第１の実施例では200MHz）を分周した制御クロック（第１の実施例では25MHz）をプログラムカウンタでカウントして、LSIチップ１から送出される制御信号で光パケット信号の交換を行う。図８のフローチャートでは、１つの動作を１５クロック分、すなわち0.6μsecで終了することを意味している。実際の組み込み機器で動作させる場合には、このような動作間を遷移するようなシーケンスが組まれる。図９はその状態遷移図の例を示したものである。何らかのスイッチSWによりプログラミングされた動作間で遷移させながら機器を動作させる。場合によっては、或る固有の動作プログラミングを外部よりダウンロードして、新たな機能を付け加えたり、バージョンアップしたりすることができる。
【００４２】
このような動作をさせる機器の一例として、高機能なモバイル端末８０を図１０に示した。このモバイル端末８０には、表示部８１、ボタン操作部８２、ダイヤル操作部８３などのマンマシンインターフェース、及び外部との信号のやりとりを行うためのアンテナ８４を含む無線部が備えられる。その内部には、メインボード８５及び本発明による光再構成配線を内蔵したチップまたはパッケージ８６が備えられ、組み込みシステムを構成している。
【００４３】
近年、無線の方式として、WCDMAやCDMA2000x方式の公衆携帯電話網、PHS、無線LAN（IEEE802.11a、bなど）、ワイヤレスIEEE1394、ウルトラワイドバンド(UWB)、Bluetoothなど数多くの方式があり、これらの方式間のスムーズな切り換えや、ワンチップで処理できる無線部などが嘱望されている。本発明による光電気混載チップでは所謂ソフトウエア無線を実現でき、高速で複数の無線方式をダイナミックに切り換えることができる。従って、小型で高速処理が可能なデジタル電子機器を提供できる。
【００４４】
本発明による光電気混載チップでは、ソフトウエア無線以外にも、映像や音声を伴うようなマルチメディア処理、例えば圧縮、伸張などにも色々な方式に対して高速に対応できる。また、本発明による光電気混載チップを単体で機能させて小型、高機能な無線タグとして用いたり、多数のチップを用いて更にチップ間を光導波体で結合することで、ロボットのような大規模な組み込みシステムを構築することもできる。これら以外にも、組み込み処理が必要な電子機器全般に適用して高性能化することが可能となる。例えば、高速マルチメディア処理のできる複写機、プリンタなどのOA機器や撮像装置、高速変換が可能な計測器などを本発明による光電気混載装置を用いて構築できる。
【００４５】
この様に、以上に説明した各実施例によれば、次世代マルチメディア電子機器等において、小型で高速に配線切り換えができる光再構成配線を可能にする光導波装置を搭載したチップ、パッケージ、基板を実現できる。こうして、必要最小限のチップと配線で複数のアーキテクチャを構成し、かつ異なるアーキテクチャの変更を容易に行うことができ、高速なマルチメディア処理等が可能な高密度実装された電子機器等を比較的低コストで提供することができる。また、その場で必要な組み込みシステムを選択して最適な処理を行うことができ、しかもそのシステム間の切り換えを簡単な制御で高速に行うこともできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明した様に、本発明によれば、光導波路を伝播してくる光信号の内、所望の信号を選択的に受信できる構成を備えた光導波装置等の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の斜視図である。
【図２】本発明による第１の実施例の光電気混載装置のチップ実装を説明する断面図である。
【図３】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の光信号の転送の仕方の例を説明する図である。
【図４】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の信号の受信タイミングを説明する図である。
【図５】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の光信号の伝播の方法の例を説明する図である。
【図６】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の光信号多重の方法の例を説明する図である。
【図７】本発明による第３の実施例の光電気混載装置及びその光信号の伝播の方法の例を説明する図である。
【図８】本発明による第４の実施例の光パケット信号の交換のフローチャートの例を説明する図である。
【図９】本発明による第４の実施例の状態遷移の例を示す状態遷移図である。
【図１０】本発明による第４の実施例のモバイル端末を示す図である。
【図１１】スラブ光導波路を用いた光接続装置の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１、７０…光導波層（スラブ導波路）
２、７１、７２…電気配線層
３、２４、２５…電極
４a〜4e、２０、33a〜33e、75a〜75e…LSIチップ
５、８、１０、１１、２１、３２、７３、７４…電気配線
９、２３…ビア配線
１２、１３…光反射体
２６…はんだバンプ
２７、７７…発光素子
２８、７８…受光素子
３０…光電気混載装置
３１…光信号
３７…光空間伝送
８０…モバイル機器
８１…表示部
８２、８３…操作部
８４…アンテナ
８５…メインボード
８６…光電気混載チップ
２０１’…基板
２０１”…スラブ光導波路
２０２…LSIボード
２０３…信号光
２０４…入出力端子
２０５…受信素子
２０６…発信素子
２０７…ホログラム
２０８…絶縁層
２０９…高分子封止材
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板やパッケージ内の電気チップ間などにおいて信号を光学的に接続するための光導波路及び光入出力ポートを含む光導波装置と電気回路を含む光電気混載装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化社会を支えるパーソナルコンピュータ、セルラー電話やPDAに代表されるモバイル機器、デジタルAV（オーディオビジュアル）機器などの高性能化には、多数の高集積化されたLSIチップが用いられており、これらを高密度で高速に動作させる実装技術が求められている。そのためには、従来の電気接続だけを使った実装技術では、伝送遅延やクロストークの問題の解決、電磁放射ノイズ(Electromagnetic Interference: EMI)の低減などにおいて限界に来ており、光接続を併用した方式が検討されてきている。
【０００３】
光接続をチップ間に適用する例は幾つか提案されているが、例えば、平坦基板上に形成した有機高分子からなるスラブ導波路を伝送媒体に用いる方式は、ライン状の光導波路を作り込む方式に比べて、LSIチップやそれを実装するボードやパッケージとのマッチングが良く作製も容易で、チップ間で自由接続できるなどの利点があると考えられる（例えば、特許文献１参照）。その構成例を図1１に示す。高分子封止材２０９で封止された光導波層を備えた基板２０１’の絶縁層２０８には発信素子２０４、２０６及び受信素子２０５が備えられており、LSIボード２０２を実装することで、LSI間の信号伝送をスラブ光導波路２０１”を用いて実現している（信号光２０３）。発信素子２０４、２０６及び受信素子２０５と導波路２０１”との光結合にはホログラム２０７を用いており、更に波長制御する素子で素子間の結合状態を制御する様になっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平8-293836号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共通の導波路を伝送されてきた信号光が常に所定の受信素子への信号とは限らない。
【０００６】
そこで、本発明は、光導波路を伝播してくる光信号の内、所望の信号を選択的に受信できる構成を備えた光導波装置を含む光電気混載装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、
光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
該複数のチップ同士は、電気配線で接続されており、
信号を送信するチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により、該光導波路に送信し、
信号を受信するチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、ことを特徴とする。
或いは、
光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
複数のチップ間が電気配線で接続されており、
該複数のチップのうちの第１のチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により該光導波路に送信し、
該複数のチップのうちの第２のチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、ことを特徴とする。
上記光電気混載装置により、光入力ポート（光受信部）は、選択的に必要な信号のみを受信できることになる。さらに、光入力ポートが前記光導波路に複数接続されている場合には、タイミング制御信号（上記電気信号）を用いることで、光入出力ポート間の光接続の仕方を結果的に再構成可能な光電気混載装置の提供が可能となる。この構成は、光のリコンフィギャラブル配線を、光導波路を介する光接続の構造は実質的に変えないで、光信号より遅い速度で送信し得る電気信号の制御で確立しているので、電気接続の欠点を抑制しつつ光接続の長所を生かした精密な制御を必要としない構成として比較的低コストで実現できる。
【０００８】
上記基本構成に基づいて、以下の如き態様が可能である。
前記光入出力ポートは、前記光導波路における光導波方向とは略垂直方向に光を入射或いは出射するための光素子（発光或いは受光素子）、及び該光導波路内の所望の位置に光素子に対応して設けられた光路変換手段で構成されるものを含み得る。この場合、前記光路変換手段は凸形状を持った光反射体であって、光素子は、その中心部と反射体凸部の頂点の位置を一致させて光導波路に実装されている面型素子であり、各光素子は光導波路内の全領域に対して発信、受信する態様としたり、前記光路変換手段は凸形状を持った光反射体であって、光素子は、その中心部と反射体凸部の頂点の位置をずらして光導波路に実装されている面型素子であり、各光素子は光導波路内の一部領域のみに対して発信、受信する態様としたりすることができる。
【０００９】
前記光素子は半導体結晶から構成される面型素子であって、該半導体結晶のうち受光または発光に必要な薄膜層のみを前記光導波路に転写して半導体基板を除去した構成を有し得る。また、スラブ型光導波路などの光導波路は、ポリカーボーネート、ポリイミド、BCB、SU-8（商品名）、シロキサン、ポリシラン、及びこれらの主鎖または側鎖に機能基を結合させた有機材料ポリマーまたはオリゴマーなどで形成し得る。
【００１０】
前記光導波路は代表的にはスラブ型光導波路である。また、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成され、前記タイミング制御信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行う様に構成され得る。こうした構成では、スラブ導波路と電気回路と該電気回路を動作させるための電気チップが一体化された光電気混載装置において、チップ間の信号接続は光パケット信号のブロードキャストとパケット交換を制御する電気信号により行われ得る。配線切り換えは、光信号より遅いクロック周波数で配信される電気信号で行われ得るが、タイミング制御を行うことにより実効的に高速な配線切り換えが可能である。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、電気回路、該電気回路を動作させるための電気チップ、上記の光導波装置を含み、電気チップ間の信号接続が、前記光信号を用いた光接続、及び該光信号の授受を制御するための前記タイミング制御信号を少なくとも用いた電気接続の双方によって行われる様に構成されたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、光信号の時分割のパケット交換を電気チップ間で別途配線した電気接続を用いたタイミング制御により行う本発明の代表例の特徴を説明する。50mm角前後の比較的小さいエリアにおいてはチップ同志の電気配線は容易で、パケット交換のための電気制御信号は高速光信号を束ねたパケット毎に送ればよいので電気チップ内部のクロック周波数を分周した遅い信号でよいため、電気回路基板内の光接続では有効となる。また、本方法ではパケット信号の取捨選択を別途送られた電気信号により制御するので、パケットに送信先アドレスデータを挿入しなくてもよい。従って、パケット内の信号リソースを最大限に使えて実効的な転送スピードが向上できると共に、光配線先を指定しないことから必ずしもライン状の光導波路を必要とせず低コストなスラブ型光導波路でブロードキャスト的に発信できる。
【００１３】
ブロードキャスト的に光伝播できることは、１対多や多対多の信号授受を高速に切り換えられることに繋がる。さらに、複数のシステム間で高速にスイッチングでき、小型、低コスト化するには本発明により実装した光電気混載型の基板或いはチップパッケージが効果を発揮する。特にモバイル機器には最適である。この様に、従来の光通信で行われているパケット交換を小さいエリアで行うために、制御信号を電気で送信できるというメリットを最大限に活かしたチップ間パケット交換方式となり得る。
【００１４】
このような方式を実現する具体例としては、図１のようなチップサイズパッケージがある。この例では、多層電気配線層２の上にスラブ型導波路１が集積化され、複数のベアチップのLSI１〜５の間は光接続と電気接続の両方が行える様になっている。光信号はLSI下部に接続した光素子で授受が行われるが、どの素子にも同一信号を受信できる様に伝播させて、図４に示した様に、別途送られている電気制御信号の立ち下がりのタイミングでのみ信号を取得する様に制御している。したがって、例えば、パケットが128bitから構成されていれば、光信号のクロック周波数に対して１／１２８に分周した遅いクロック周波数で電気信号を送ればよいことになる。
【００１５】
送信源としては順次時間的に切り換えていくことや、光強度多重、多層の光導波層での空間多重を併用してシステムを構成することができる。パケット交換の制御シーケンスは、予めプログラミングしておいたものを回路内または装置外のメモリーに蓄積しておいて順次読み出したり、外部からダウンロードして追加、書き換えできる様にして、ダウンロードと同時に該装置の動作を高速にスイッチしたりすることもできる。
【００１６】
また、上記の電気チップ、光導波装置、及び電気配線層を一体化した光電気混載装置により、高密度実装されて高速にシステムを切り換えられるシステムLSIを構成することもできる。このシステムLSIは、１チップで多機能を発現するシステムオンチップ（SoC）として機能させたり、パッケージ化して電気回路基板に実装するシステムインパッケージ（SiP）として機能させたりできる。もちろん、１つのドータボードとして利用するような光電気混載基板としても利用できる。この様に、本発明による光電気混載装置は、サイズ、実装方法、適用方法、動作システムなどにより、チップレベルから基板レベルまでを包含したものである。
【００１７】
この光電気混載チップをマルチメディア機器に用いれば、複数無線方式に対応でき、しかも高速に方式間の切り換えができたり、映像、音声情報を高速に処理したりすることができる。
【００１８】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置の駆動方法は、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成し、前記タイミング制御信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行ない、パケット信号取捨選択のための電気信号は、発信側の電気チップからパケット列の繰り返し周期で決まるクロック周波数で送信し、受信側の電気チップにおいて選択するパケット列より早いタイミングで該取捨選択のための電気信号パルスを受信し、該パルスの立下りのタイミングでパケット信号の取り込みを開始することを特徴とする。
【００１９】
また、前記光出力ポート側から発信される光信号は、有限のパルス列からなるパケット信号列で構成し、前記受信タイミングを制御する電気信号は、該パケット信号の取捨を選択する命令信号として前記光入力ポート側に個別に送られて、時分割パケット交換を行って前記光入出力ポート間の光接続の切り換えを行ない、パケット交換の制御パターンは、該装置内または装置外のメモリに記憶し、該メモリから順次パターンを読み出して該装置の動作を制御することを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成する本発明の電子機器は、上記の光電気混載装置を組み込むことで電気チップ間の高速光接続を自由に再構成でき、１つの機器で複数の組み込みシステム間を高速にスイッチできる様に構成されたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく図面を用いて具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例である光電気混載装置の斜視図を図１に示す。本実施例では、多層電気配線層を構成する基板２及び光自由接続を可能にする光導波層１（スラブ導波路）が積層されて集積されている。この図の形態では単層の光導波層１が最上面に集積されているが、後の実施例でも述べる様に電気配線層内部に多層の光導波層が集積されている形などでも良い。
【００２２】
多層電気配線層を構成する基板２の材料は、プリント基板を構成するようなFR4でもよいし、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂のような有機材料、Al2O3やAlNなどの無機セラミック材料、ガラス、或いはこれらを混合したハイブリッド材料でもよい。各電気配線層の電気配線８間がビアホール９で接続される様に電気配線層はビルドアップされ、外部とのインターフェースとしての電極３が備えられ、チップ全体で１つの機能を有する所謂システムインパッケージ（SiP）を構成することができる。すなわち、チップの形状としてはチップサイズパッケージ(CSP)となっており、その大きさは10mm角〜50mm角程度である。この多層電気配線層の内部には、抵抗、コンデンサ、コイルなどの受動チップ、或いは能動チップとしてICを組み込んでもよい。
【００２３】
この電気配線層上部には厚さ100μmのスラブ型の樹脂光導波層１が集積されているが、厚さについてはこれに限るものではない。ここでは導波層１の材料としてポリカーボネートZを用いたが、ポリイミド、シロキサン、SU-8、BCB、ポリシランなどガラス転移温度が比較的高い光学樹脂材料が好適に用いられる。この導波層１上には、ベアチップのSi-LSI１〜５（4a〜4e）が搭載されており、チップの下に集積された光I/O素子（光入出力ポートを構成する）、具体的には半導体レーザ及びpinホトダイオードによって、チップ間の光接続ができる様になっている。このベアチップは、LSI作製時に同時に電気接続を行うための電極を作り込んだ所謂ウエハレベルチップサイズパッケージ（WLCSP）が好適に用いられる。チップ間のインタコネクションについては、リコンフィギャラブルな配線部分は光接続で行われるが、電気接続部分は光導波層１に形成したビア配線等を介して基板２の電気配線８で行われたり、光導波層１上に形成した電気配線５で行われたりする。チップ外部との接続もこの光導波層１からの光空間伝送３７で行える。光導波層１のサイズは基板２と同サイズにしているが、この形に限るものではなく、必要な領域にのみ光導波層が備えられている形でも良い。
【００２４】
チップ実装の例を図２に示す。これは１つのチップ周辺の断面図を示しており、光導波層１の上には、電極２４と２５の間でハンダバンプ２６を用いてベアチップLSI２０が実装されている。その他のバンプ２６は、発光素子２７駆動用の電極１０、受光素子２８駆動用の電極１１、及び光導波層１表面に形成した電気配線５とベアチップLSI２０の電極とを接続している。電極２４は、光導波層１を貫通するビア配線２３を介して基板２上の電気配線２１に接続され、さらに基板２内のビア配線９や内部配線８を用いて電気回路が形成されている。光導波層１表面の配線５は、例えば、LSIチップ間の制御信号用に用いるが、チップ間の制御信号は基板２の表面の電気配線２１や内部配線８などで接続されていても良い。
【００２５】
本実施例において、光接続はスラブ光導波路１を用いてブロードキャスト的に行う。発光素子２７からの光信号は、半球状の反射体１２を用いて光導波層１に結合させて発信し、他のチップから光導波層１を介して伝播してきた光信号は、同様に、反射体１３を用いて受光素子２８に結合させて受信する。これら光素子の中心と反射体の頂点の位置が光導波層１垂直方向に沿って一致していれば、光素子はスラブ光導波路１全体に対して光結合でき、対照的に、偏心させれば一定の放射角をもった領域のみと光結合できる。LSIチップの位置や光強度の必要性に応じて最適な伝播形態を選択すればよい。これについては後に説明する。
【００２６】
本実施例では、光素子はGaAs系で面型の半導体レーザ、pinホトダイオードであるが、GaAs基板を除去して光導波層１上に7μm厚の薄膜集積化したもの（機能層転写：Functional Layer Transfer(FLT)）を用いているので、通常のはんだバンプ（30μmΦ〜100μmΦ）を用いてLSI実装すれば十分な高さクリアランスが得られる。GaAs基板を除去しない場合には、光素子を保護するためにLSIチップ２０と光導波層１間にスペーサ（不図示）を挿入しても良い。また、この光素子はLSIチップ上にハイブリッド集積したもの、或いは光導波層１内に埋め込んだものでもよい。光導波層１内に埋め込んだ形の場合には、光素子による凸部は低くできるのでスペーサは不要になる。
【００２７】
次に図３〜図５を用いて、この再構成可能な光接続の制御、動作について説明する。図３は図1の光電気混載装置３０を上から見た平面図である。例えば、LSIチップ１（33a）から光導波路に光信号３１を全方位に発信し、その他のLSIチップ２〜５（33ｂ〜33e）では所望のタイミングで信号を受信する。光信号３１は128bit列を1単位とした固定長のパケットになっており、パケット毎に、必要なLSIチップに対して受信命令を電気配線３２を用いて個別に電気信号で送ることで受信制御している。このとき、例えば、LSIチップの内部クロックが200MHz、内部バスが１６ビットパラレルであったとすると、シリアル化して3.2Gbpsの光信号として１２８／１６＝８ビット分のパラレル信号を１パケットとして発信することになる。これらの数値はシステム仕様によって変えられる。こうして、光信号は3.2Gbpsで送受信されるが、パケットの繰り返し周期は３２００MHｚ／１２８＝２５MHｚとなるので、受信タイミング制御用の電気信号は非常に遅いものでよい。図３の動作例では、LSIチップ１（33a）から発信されたパケット列は順にFACEB…となり、LSIチップ２(33b)は、制御信号によりパケットAとEだけを受信する様に命令されている。
【００２８】
この様子を分かりやすく説明する図が図４である。１パケットのビット数は簡単のため２０ビット分にして描いている。図４(a)はLSI１からの光信号を示し、光信号の各パケットは、シリアル化されたデジタル高速信号でASK変調された光パルス列からなる。これは上で述べた様にブロードキャストされている。一方、図４(b)はLSI１からLSI２に向けた受信タイミング制御用電気信号を示し、LSI２にパケットAとEを受信させるために、予め電気パルスをLSI２に送信して立下りのタイミングで受信開始させる様にすれば、図４(c)に示す様に所望の信号がLSI２において受信できる。
【００２９】
このとき、既に述べた様に、電気制御信号は光信号列に比べて非常に遅いクロックレートで良い。また、通常のパケット交換では先頭などに発信元、受信先情報などを信号列に加えることが普通である。しかし、本実施例のチップ間伝送においては、非常に距離が近いので、高速光信号と電気制御信号のタイミングを合わせ込むことが容易である。そこで、パケットにアドレス情報などを特に載せなくてもパケット交換が可能になり、パケット内に最大限に情報を載せられるというメリットが生じる。タイミングの合わせ込みは、ＬＳＩに組み込まれたパラシリ変換回路などの光送受信部分の遅れ時間や伝播遅延のトータルの光信号の遅れ時間を、電気配線の長さや位相調整回路などによって電気制御信号の遅れに一致させる様にすればよい。もちろん、パケットの先頭に開始信号を載せたり、ＬＳＩチップにバッファ素子を設けてタイミング調整してもよい。
【００３０】
このようなチップ間接続を全て電気で行った場合と比較してみる。パラレル接続する場合には１６本の電気配線を全てのチップ間に張り巡らせることになるが、200MHzという比較的高速な信号を伝播させるにはストリップ線路としての設計が必要になって、電磁放射やクロストークの観点から配線密度、パターンに制約が生じる。そのために、ボード面積が大きくなってしまう。シリアル化して電気信号を伝送した場合、ボード面積の問題はなくなるが、１GHz程度の信号になると、基板における電気信号の減衰、遅延、放射ノイズの問題から、ボード材料やシールド対策による高コスト化、駆動電力のハイパワー化が問題になる。そこで、本発明による光接続が、高速でコンパクトな実装という観点における解決策と成り得る。また、パケット交換方式にすることにより実質的な転送レートは遅くなるが、配線リソースを有効活用し高価な光学部品を必要としないことで、低コスト化には有利となる。なお、ここで示したパケット長やクロック速度は一例であり、必要なシステムに応じて最適設計されるものである。また、パケット長を可変にすることも可能である。
【００３１】
図３ではLSIチップ１から他のチップに伝送する例を示したが、発信源や受信先は変えていくことができる。例えば、図５(a)では、LSIチップ３が発信源になってブロードキャストし、図５(b)ではLSIチップ５が発信源になっている。ここで、光の発信方向は図５で示す様に90度の放射角であるのが望ましいので、前述した様に、発光素子の中心と光導波層内にある光反射体の頂点とを離調して伝播方向を制限している。これによって、光の拡散による損失が減少するので、対角にあるLSIチップまで伝送距離を伸ばせる。360度方向に拡散する場合の単位面積あたりの光パワーは、光導波層の伝播損失が十分小さい場合、伝播距離Rとして1／2πRに比例して減衰することになるが、90度方向に制限すれば2／πRに比例することになるからである。本実施例では、光導波層が１つであるために、或る一定時間では１つのLSIチップが占有して発信源になって、その他のチップが受信するということになり、順次発信源を変えていくことになる。
【００３２】
以上の様に、本実施例では、小型で高速動作できる配線再構成可能なチップ混載型システムLSIを実現できる。
【００３３】
（実施例２）
本発明による第２の実施例は、２チップ以上で同時に発信することを達成するものである。図６の様にLSIチップ２と５から同時に異なる信号を発信した場合に、受信チップとなるLSIチップ１、３及び４では光信号を分離して受信しなければならない。そこで、図6で示した様に、２つの光信号の光強度を異ならせ、受信回路で信号処理をすることでこれを実現する。光強度は、レーザを変調する電流値を変えれば容易に制御できる。
【００３４】
例えば、チップ５の光強度をPo、チップ２の光強度を2Poとすれば、チップ１での受信信号は等距離で減衰量が同じであるとすると、次のような組み合わせが考えられる。
a)（チップ２、チップ５）＝（0、0）⇒ 受信パワー；0
b)（チップ２、チップ５）＝（1、0）⇒ 受信パワー；2αPo
c)（チップ２、チップ５）＝（0、1）⇒ 受信パワー；αPo
d)（チップ２、チップ５）＝（1、1）⇒ 受信パワー；3αPo
ただし、αはパワー減衰の割合である。この様に、受信パワーから２つのLSIチップからの信号の値が分かるのでこれらを分離して受信することができる。チップの位置によっては減衰の割合が異なるので、予め減衰量、出射光パワー、遅延量などをデータベース化して信号処理をプログラミングしておけば、図6以外の様々なケースに対応できる。
【００３５】
この様に複数の発信源で同時に信号伝送可能な制御を行えば、実質的な信号転送レートを向上させることができる。
【００３６】
（実施例３）
本発明による第３の実施例は、図７の様に光導波層７０を多層にして電気配線層７１、７２の間に組み込んだものである。これは、第１の実施例とは異なってパッケージではなく、１つの機能を発現するマルチチップモジュール(MCM)を構成し、サイズは概ね50mm角〜100mm角である。外部とのインターフェースは図示していないが、コネクタや電気ケーブル或いは光ケーブルで接続される。それぞれ内部配線７３、７４を含む電気配線層７１及び７２、光導波層７０全てをビルドアップ化して、表面にはLSI１〜５（75a〜75e）、受動素子７６などをコンパクトに実装している。
【００３７】
光導波層７０を多層にすることで、第１の実施例で述べたような複数のLSIチップやメモリチップなどの相互光接続を、第２の実施例のような光強度を変える方式を使わずに、同時に行うことができる。本実施例の様に、基板サイズが比較的大きくなった場合には、光の強度で多重化することが難しくなってくる。従って、若干のコスト上昇を伴ったとしても、大型サイズのモジュールでは多層化して空間多重した方が、動作スピードの向上や高機能化の面で優れる。本実施例では、チップ間の制御用の電気接続は電気配線層７１の内部配線７３で行われている。
【００３８】
次に多重化の仕方について説明する。本実施例の様に伝播距離が長くなってきた場合には、360度方向に拡散させると減衰が大きく、それを解決すべく光強度を強くするために電流を増加させると消費電力の問題が生じる。そこで、第１の実施例で既に述べた様に、拡散角度を制限することを本実施例でも行っている。具体的には、LSI１からの発信はLSI２及びLSI３向けとLSI４及びLSI５向けの２つに分けて120度の放射角で行っている（図7(ｂ)）。これらは空間的に分離できるので、同一シート（第１層）内で発光素子７７を２つ使って分けている。一方、対角にあるLSI２のチップなどは、LSI１からの発信用の光導波層とは異なる導波層（第２層）において、90度の放射角でLSI１、LSI３、LSI４向けに発信する光源７７と、LSI５に10度の狭い放射角で発信する光源７７の２つを備える（図7(ｃ)）。他のLSI３〜５もこれと同様である。従って、光導波層は５層になり、各層においては、１つのチップからの信号を発信する２つの発光素子７７と、発信源以外のそれぞれのチップに対応する１つずつの計４つの受光素子７８とが集積されている。こうして、各LSIチップから繋がる受光素子７８は、そのチップから繋がる発光素子の無い層全てに備えていることになる。
【００３９】
このような構成にすることで、複数のLSIチップ間の高速接続を同時に行うことができ、超高速な並列処理が可能となる。なお、多層の光導波層７０の層数や、発光素子７７、受光素子７８の配置の仕方、拡散方向や領域の分け方は一例を示したものであり、上記で説明したものに限定されない。
【００４０】
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、LSIチップ間の信号転送を予めプログラミングしておいて中央集中管理でシステムを動かすものである。今までの実施例では、リアルタイム処理として各LSIチップで分散並列演算を行う形態であったが、第４の実施例では、例えば、図１のLSIチップ１内のメモリ内に記憶されたシーケンスに従って、このチップが各チップに受信タイミング制御信号を電気で送信する方式を採る。
【００４１】
そのフローチャートの例を図８に示す。スタート信号と共に、LSIチップの内部クロック（第１の実施例では200MHz）を分周した制御クロック（第１の実施例では25MHz）をプログラムカウンタでカウントして、LSIチップ１から送出される制御信号で光パケット信号の交換を行う。図８のフローチャートでは、１つの動作を１５クロック分、すなわち0.6μsecで終了することを意味している。実際の組み込み機器で動作させる場合には、このような動作間を遷移するようなシーケンスが組まれる。図９はその状態遷移図の例を示したものである。何らかのスイッチSWによりプログラミングされた動作間で遷移させながら機器を動作させる。場合によっては、或る固有の動作プログラミングを外部よりダウンロードして、新たな機能を付け加えたり、バージョンアップしたりすることができる。
【００４２】
このような動作をさせる機器の一例として、高機能なモバイル端末８０を図１０に示した。このモバイル端末８０には、表示部８１、ボタン操作部８２、ダイヤル操作部８３などのマンマシンインターフェース、及び外部との信号のやりとりを行うためのアンテナ８４を含む無線部が備えられる。その内部には、メインボード８５及び本発明による光再構成配線を内蔵したチップまたはパッケージ８６が備えられ、組み込みシステムを構成している。
【００４３】
近年、無線の方式として、WCDMAやCDMA2000x方式の公衆携帯電話網、PHS、無線LAN（IEEE802.11a、bなど）、ワイヤレスIEEE1394、ウルトラワイドバンド(UWB)、Bluetoothなど数多くの方式があり、これらの方式間のスムーズな切り換えや、ワンチップで処理できる無線部などが嘱望されている。本発明による光電気混載チップでは所謂ソフトウエア無線を実現でき、高速で複数の無線方式をダイナミックに切り換えることができる。従って、小型で高速処理が可能なデジタル電子機器を提供できる。
【００４４】
本発明による光電気混載チップでは、ソフトウエア無線以外にも、映像や音声を伴うようなマルチメディア処理、例えば圧縮、伸張などにも色々な方式に対して高速に対応できる。また、本発明による光電気混載チップを単体で機能させて小型、高機能な無線タグとして用いたり、多数のチップを用いて更にチップ間を光導波体で結合することで、ロボットのような大規模な組み込みシステムを構築することもできる。これら以外にも、組み込み処理が必要な電子機器全般に適用して高性能化することが可能となる。例えば、高速マルチメディア処理のできる複写機、プリンタなどのOA機器や撮像装置、高速変換が可能な計測器などを本発明による光電気混載装置を用いて構築できる。
【００４５】
この様に、以上に説明した各実施例によれば、次世代マルチメディア電子機器等において、小型で高速に配線切り換えができる光再構成配線を可能にする光導波装置を搭載したチップ、パッケージ、基板を実現できる。こうして、必要最小限のチップと配線で複数のアーキテクチャを構成し、かつ異なるアーキテクチャの変更を容易に行うことができ、高速なマルチメディア処理等が可能な高密度実装された電子機器等を比較的低コストで提供することができる。また、その場で必要な組み込みシステムを選択して最適な処理を行うことができ、しかもそのシステム間の切り換えを簡単な制御で高速に行うこともできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明した様に、本発明によれば、光導波路を伝播してくる光信号の内、所望の信号を選択的に受信できる構成を備えた光導波装置等の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の斜視図である。
【図２】本発明による第１の実施例の光電気混載装置のチップ実装を説明する断面図である。
【図３】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の光信号の転送の仕方の例を説明する図である。
【図４】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の信号の受信タイミングを説明する図である。
【図５】本発明による第１の実施例の光電気混載装置の光信号の伝播の方法の例を説明する図である。
【図６】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の光信号多重の方法の例を説明する図である。
【図７】本発明による第３の実施例の光電気混載装置及びその光信号の伝播の方法の例を説明する図である。
【図８】本発明による第４の実施例の光パケット信号の交換のフローチャートの例を説明する図である。
【図９】本発明による第４の実施例の状態遷移の例を示す状態遷移図である。
【図１０】本発明による第４の実施例のモバイル端末を示す図である。
【図１１】スラブ光導波路を用いた光接続装置の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１、７０…光導波層（スラブ導波路）
２、７１、７２…電気配線層
３、２４、２５…電極
４a〜4e、２０、33a〜33e、75a〜75e…LSIチップ
５、８、１０、１１、２１、３２、７３、７４…電気配線
９、２３…ビア配線
１２、１３…光反射体
２６…はんだバンプ
２７、７７…発光素子
２８、７８…受光素子
３０…光電気混載装置
３１…光信号
３７…光空間伝送
８０…モバイル機器
８１…表示部
８２、８３…操作部
８４…アンテナ
８５…メインボード
８６…光電気混載チップ
２０１’…基板
２０１”…スラブ光導波路
２０２…LSIボード
２０３…信号光
２０４…入出力端子
２０５…受信素子
２０６…発信素子
２０７…ホログラム
２０８…絶縁層
２０９…高分子封止材
Claims (7)
- 光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
該複数のチップ同士は、電気配線で接続されており、
信号を送信するチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により、該光導波路に送信し、
信号を受信するチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、
ことを特徴とする光電気混載装置。 - 該信号を送信するチップと異なるチップから該電気信号を、該信号を受信するチップに送ることを特徴とする請求項１記載の光電気混載装置。
- 該信号を送信するチップから該信号を受信するチップへ、該電気信号を送ることを特徴とする請求項１記載の光電気混載装置。
- 該信号を送信するチップと該信号を受信するチップがＬＳＩチップであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光電気混載装置。
- 該光導波路がスラブ光導波路であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光電気混載装置。
- 該光導波路内に、該発光素子からの光信号を該光導波路に結合させるための、または該光導波路を伝播してくる光信号を該受光素子に結合させるための複数の光反射体を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光電気混載装置。
- 光信号を伝播させるための光導波路と、
該光導波路に該光信号を送信する発光素子と、
該光導波路を伝播してくる該光信号を受信する受光素子と、を備え、
該発光素子と該受光素子とを介して、複数のチップ間で信号の送受信を行う光電気混載装置であって、
複数のチップ間が電気配線で接続されており、
該複数のチップのうちの第１のチップは、有限のパルス列からなるパケット信号が連なったパケット信号列を該光信号として、該発光素子により該光導波路に送信し、
該複数のチップのうちの第２のチップは、該光導波路を伝播してくる該パケット信号を、該光信号のクロック周波数を分周した周波数で該電気配線を通して送信されてくる電気信号に基づいて、該受光素子を介して選択的に受信する、
ことを特徴とする光電気混載装置。
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