JP4095404B2 - 光接続装置、光電気混載装置、及びこれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板上の電気チップ間や電気回路基板相互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接続ポートを含む光接続装置、光電気混載装置、及びそれを用いた電子機器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。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８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08-293836号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の方法は、LSIチップ間の接続制御を波長制御素子を用いて行うため、発信素子及び波長制御素子に高度な安定性が要求され、必ずしも温度環境の良くないLSI近傍で実現することが難しい。
【０００６】
本発明の目的は、スラブ導波路内で光のリコンフィギャラブル配線が実現可能な光接続装置、光電気混載装置、及びそれを用いた電子機器を提供することにある。
【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接続装置は、以下の特徴を有する。
スラブ型光導波路を含む光接続装置であって、
該スラブ型光導波路上に格子状に並べられた独立に駆動できる複数の電極と、
前記スラブ型光導波路の上面、下面あるいは内部に設けられた複数の光接続ポートと、
前記光接続ポートと接続された複数のICチップと、
を備え、
前記複数の電極の駆動制御で、前記スラブ型光導波路内の屈折率分布を制御して、該スラブ型光導波路内の光の伝播状態を可変的に制御し、前記光接続ポートを介して前記複数のICチップ間で信号の送受信を再構成可能に行い、
少なくとも1つの前記光接続ポートの近傍で、前記電極のサイズが、他の部分の前記電極のサイズより小さくなっており、かつ、格子状に並べられた前記電極の格子間隔が、他の部分の前記電極の格子間隔より狭くなっている、
ことを特徴とする。
【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。
前記光接続ポートは、光を導波させる面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）、及び前記導波路内の所望の位置に該光素子に対応して設けられた光路変換手段（光素子とスラブ導波路との光結合を達成する為に光路を変換する素子）で構成されるものを含み得る。この様に、２次元平面内で自由に屈折率分布を制御できるスラブ光導波路において、自由な位置に光路変換手段を含む光接続ポートを備えることで、ICチップ間の光接続装置を構築できる。こうした光接続ポートでは、例えば、図２のように略半球または略円錐形状のような凸部を持つ金属ミラー（光反射体）などを埋め込み、その凸部上部に、面発光レーザや面型pinホトダイオードなどの面型素子をスラブ光導波路面に対して略垂直に光出射ないし光入射させるように実装すればよい。このとき、複数のアレイ化された光素子を、その中心部を光反射体凸部の頂部からずらして実装しておけば、各光素子はスラブ導波路のうち一部領域のみに対して光結合ができるので、素子毎に受け持つ領域を分けられる。なお、光接続ポートを導波路内部に埋め込んだ場合には、光出力ポートからの光入射方向を予め導波路に結合できる向きにしておくか或いは光出射方向を予め光入力ポートに結合できる向きにしておき、光路変換手段のないタイプも提供し得る。
【０００９】
前記独立駆動できる電極は、前記導波路の片面もしくは両面に複数に分割されて備えられ、電流または電圧、或いはその両方を印加できる様に形成され得る。この際、屈折率分布の可変的な制御については、電極をヒータとすることでそこへの電流注入量で光導波路の各部の温度を制御したり、２つの電極間に電界がかかるようにして光導波路の各部の印加電圧を制御したりすることで実現できる。
【００１０】
前記独立駆動できる電極をヒータとして作用させる場合、スラブ導波路を構成する光学ポリマー、例えばPMMAなどに40℃程度の温度差を生じさせれば、例えば図２(c)のようにスラブ導波路内に光導波路を構成できる。また、温度差による屈折率差により、例えば図３のようなレンズまたはプリズムとして作用させることもできる。電極ヒータの温度制御の仕方で、光偏向、集光、光導波方向などの伝播状態を１つのスラブ導波路内で自由に可変的に制御できるため、例えば図１のようにICチップを実装した場合に、チップ間の光接続をシステムに応じて再構成できる。
【００１１】
屈折率分布の可変的な制御の仕方として、電極からの電界を用いる場合には、例えば、アゾベンゼン色素をPMMAに結合させた有機ポリマーなどの電気光学係数が高いものをスラブ導波路に用いることで、ヒータ制御の場合と同様な作用を実現できる。この場合、図６のように光導波層の両面に電極を備える形にすれば、より屈折率分布の制御性が向上する。複数の電極は、均一サイズで碁盤目状に規則的に配置されたり、光素子近傍で、他の部分より小さいサイズで形成されて並べられたりし得るが、その配置パターン、サイズ、形状等は場合に応じて適当に設計すれば良い。
【００１２】
スラブ型光導波路は、PMMA、ポリカーボーネート、アートン（商品名）、ポリイミド、SU-8（商品名）、シロキサン、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。
【００１３】
この様に、本発明によれば、３次元空間を用いた自由接続に比べて、非常に小型にICなどの電子デバイスと一体化するように融合でき、従来の２次元伝送路を使って波長制御により接続状態を変える方法に比べて、部品点数の低減、制御性の向上などの点で優れた光接続装置を実現できる。
【００１４】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、上記の光接続装置と、該装置に備えられた光接続ポートに接続されたICチップなどの電子デバイス、電気配線層が一体化されていることを特徴とする。この構成により、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等を実現できる。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。また、この様な光電気混載装置間の接続には、スラブ光導波層と外部の間で直接光の授受を行う光接続を用いることもできる。
【００１５】
上記光電気混載装置の光接続の仕方のパターンは、該装置内または装置外のメモリに記憶される様になっており、光接続の変更命令により該メモリからパターンを読み出して該装置の動作を高速でスイッチできる様になっていたり、設計資産として装置外部からダウンロードして書き換えできる様になっており、ダウンロードと同時に該装置の動作を高速にスイッチできる様になっていたりする。
【００１６】
【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（スラブ導波路）１が積層されて集積化されている。この図の形態では１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よう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。
【００１７】
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で接続されるよう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ザイズパッケージ(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。
【００１８】
この電気配線層上部にはスラブ型の樹脂光導波層１が集積されており、該光導波層上には本実施例の特徴となる格子状に並べられた電極６が多数備えられている。これらの各電極６には独立に駆動できる配線（不図示）が接続され、スラブ導波路１中を伝播する光の伝播状態を制御できる様になっている。この制御方法については後に述べる。導波層１上には、更にベアチップのSi-LSI4a〜4d及び５が搭載されており、チップの下に集積された光I/O素子（光入力及び／又は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７等で行われる。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。
【００１９】
次に図２を用いて、この光リコンフィギャラブル接続の可変的な制御、動作について説明する。図２(a)から(d)は、主な４つの光伝播状態モードを示す。図２の各部の左は平面図、右は光インターフェース部のA-A’断面図である。この平面図では、中央部に図１の符号５のチップに対応した光インターフェース部があり、４辺のエッジにも光インターフェース部があるが、使用部分しか示していない。ここでは、中央部にインターフェース部がある場合を説明するが、その位置は必ずしも中央でなくてもよく任意である。
【００２０】
図２(a)は中央のインターフェース部からスラブ導波路１０の全方向に信号伝送するモードである。中央部に2×2アレイの面発光レーザ２２が貼り付けられており、右の断面図に示すような光反射体１２に対してその頂点からずらして発光点１３を配置することにより光線１４の矢印のように光結合させて、１つの面発光レーザで略90度の放射角でスラブ導波路１０内を伝播するようにしている。光反射体１２は、例えば右の断面図のように半球状の金属ミラーを用いられる。ここで、面発光レーザ２２のアレイ数、伝播方向角度、反射体１２の形状などはこれに限るものではない。図２(a)の平面図で、１４は１つの面発光レーザの進行方向、１５は４つのレーザを全て駆動した場合の光導波層１０内での光の伝播の様子を示したものである。したがって、４つの面発光レーザ２２を同時に同一信号で駆動すれば、導波路１０内全域にブロードキャスト的に信号配信できる。受光素子は図示していないが、面発光レーザ２２の隙間を埋めるようにやはり2×2アレイとすれば、各方向から来た光を受信できる。
【００２１】
ここでは導波路１０の材料としてPMMAを用いたが、ポリイミドやポリカーボネート、ポリカーボネートZ、シロキサンなどの光学樹脂材料であればよい。図２において、２１は、光素子２２を実装したあとに平坦化するための或いは電気配線を形成するための樹脂などの絶縁層、２３はLSIチップ、３９は電気配線層である。このLSIチップ２３の入出力信号の一部またはすべてを多重化（マルチプレクシング）して光インターフェースに接続している。
【００２２】
本実施例において、面発光レーザ２２としては850nm帯の酸化型でしきい値が0.5mA、1mW出力時の動作電流1mA、電圧2.2Vの低消費電力型のものを用いた。もちろん、異なる波長帯、特に1.3μm帯のものを用いて更に低消費電力化を図っても良い。ここでは、1mW出力であれば、3cm角の光自由接続シート（光導波路）を用いて、100μmφの光検出器で−30dBmの受信感度があれば信号伝送できるように設計している。この光インターフェース部は、LSIチップ２３の表面に電気コンタクトが得られるように実装された形になっていてもよいし、逆に光導波層１０上に予め実装しておき、LSIチップ２３を光インターフェースと電極コンタクトを取れるようにフリップチップボンディングする形でも良い。
【００２３】
次に、図２(b)は４つの面発光レーザ２２のうち１つだけを駆動した場合を示すが、この場合は既に述べたように90度の伝送領域をカバーできる。白丸は駆動していない面発光レーザを示している。或る特定領域にのみ伝送が必要な場合にはこのモードを用いる。
【００２４】
図２(c)では、１つの面発光レーザ２２で90度放射角の光出射をした上で、スラブ導波路１０の適当な領域の電極１１に電流を流して（駆動電極を符号２６で示す）スラブ導波路１０の適当領域の屈折率を変化させて導波路１６を形成している。このことで、特定のポイント（アクティブなポート）２７だけと光接続するものである。電極１１としては、Ti/Ptの薄膜（例えば厚さ10nm/100nm）としてこの薄膜を50μm角の領域内（図２で四角の電極１１として示す領域内）に蛇行するような細線パターンにすれば、数10Ωの抵抗体にしてヒータとして作用させることができる。ヒータの電極１１としては、CrやAuまたは合金、化合物などでもよい。
【００２５】
PMMAのスラブ導波路１０の場合、ヒータで温度を変化させたときの屈折率変化はδn/δT〜−1×10−４(K−１)なので、導波路１６の周囲の温度を40度上昇させれば、屈折率は1.492から1.488に減少し、比屈折率差が約0.3%の光導波路１６が形成できる。ヒーティングする領域は図２(c)に示したクロスハッチングの領域３６であり、光導波層全体ではなくグレーで塗られた必要な電極２６で制御を行えばよい。光導波路１６を伝送させることにより損失が減少するのでポイント２７における受信感度が向上するため、高速光接続が可能になる。この場合、ヒータによる屈折率制御により形成された光導波路１６に結合できなかった光成分は散乱される。そこで、送信部近傍において更にヒータ温度を上昇させて屈折率差を大きくすることにより、光導波路としての受光角ないしNAを向上させて散乱成分を減少させてもよい。または、送信部近傍だけはヒータ（電極１１）の分割を細かくして（例えば20μm角）、図３のように電極１１を駆動して（駆動電極をグレーで示す）レンズ形状に等温度線３０を形成することで符号３１の光線のように集光効果を持たせてもよい。符号３４は駆動している面発光レーザである。これにより、90度放射角方向に広がる光を、屈折率制御で形成された導波路１６へ入射させるための結合効率を向上させられる。この様な制御は、受信部においても同様に行える。
【００２６】
図２(d)は、中央のインターフェース部は動作させずに、光導波路エッジ部に実装したチップ間の光接続の動作をさせる場合を示す。上記と同様にヒータ（電極１１）を駆動して図示の如き導波路１７を形成すれば、所望のアクティブなポイント（ポート）２８と２９の光接続を行える。
【００２７】
また、図示はしていないが、局所的（例えば、上から見て三角形のパターンで）に導波路１６の温度を上昇させることで大きな屈折率差を与えてプリズムを形成し、ビーム偏向や分岐をさせることも可能である。この様な動作を組み合わせて、図１のLSI4a〜4d及び５間で高速光接続を行うことができ、しかも、その接続の態様をプログラミングで再構成（リコンフィギャラブル）できる。
【００２８】
この様な動作をさせることで、FPGAのような、その場で配線を組み換えて複数のシステムとして動作可能なチップであって高速動作可能なものを提供できる。配線再構成の組み換えは、熱時定数で決まるmsecオーダーで行うことができ、ソフトウエア無線のように１チップでシームレスにシステムを切り換える動作を実現できる。また、符号５をCPU、符号4ａ〜4dをメモリとした配線組み換え可能な新しいアーキテクチャを構築することもできる。配線組み換えのIP（Intellectual Property）をチップ内の不揮発メモリをもとに組み込んでおき、必要に応じてIPを書き換えたりすることもできる。或いは、インターネットなどを通じてダウンロードして、必要に応じて組み換えの仕方を変えても良い。
【００２９】
（実施例２）
本発明による第２の実施例は、電極付きの光導波層を電気回路を構成する基板内に挿入し、光素子や光反射体も同時に内部に埋め込んだ構造の光電気混載装置である。送信部の近傍の断面構造を図４に示す。スラブ光導波路４１の送信部には、実施例１と同様の２×２アレイの面発光レーザ４４と光反射体４６が備えられている。面発光レーザ４４は電気回路基板４２内部に形成された配線４９で電気的に他のチップや電源と接続され、発光部４５から光を出射する。ここで用いる面発光レーザとしては、機能層転写法（Functional Layer Transfer: FLT）と呼ばれる、加工した厚さ6μm程度のエピタキシャル層だけを集積する技術によって作製された薄膜型面発光レーザが好適に用いられる。通常の面発光レーザでは半導体基板の厚さが100μm程度あるために、図４のような３次元スタック化するような構造には不適だからである。また、受光素子も同様の方法で薄膜化できる。
【００３０】
一方、LSIのベアチップ４３は電気回路基板４２上にハンダボール５０を用いてフリップチップ実装されている。LSIチップ４３と内蔵された光素子との接続も、図４のように電気回路基板４２に形成されたビア配線４９を通して行われる。ヒータ電極４７は光素子４４とは反対側の光導波層面に形成してあり、この電極４７を独立駆動するための電流供給は、基板４０内のビルドアップ配線４８で行える様になっている。
【００３１】
この様な構造にすることで、LSIチップ４３とヒータ４７を遠ざけられて、互いの熱干渉を避けることができる。また、光素子４４との熱干渉も避けることができるため、光反射体４６の近傍まで熱制御をできるようになり、光集光性を高めるような光導波層４１の屈折率制御が可能になる。
【００３２】
この様な構成を持つ光電気混載装置の斜視図を図５に示す。図４と同一部分には同じ番号をつけている。この様に全体が１つの機能を持つ基板において、プログラミングが可能な光リコンフィギャラブル配線を内蔵して高機能なデジタル機器を動作させることに好適な装置を提供できる。なお、光導波層４１には、他の基板との光インターフェースのために光ファイバなどの光導波体５５を備えても良い。もちろん、図示していないが電気接続用の端子をつけても良い。
【００３３】
なお、図５の形態は基板という表現を用いているが、従来のプリント基板のようなものではなく、１つの基板内に高密度に機能素子を集積化して、１つのシステムとして機能させられるものであって、３次元集積化させて１つのチップとして機能する所謂システムオンチップ(SoC)として構成することもできる。
【００３４】
（実施例３）
本発明による第３の実施例は、図６に示すように光導波路の屈折率制御用の電極６６、６７を、光導波層６１の両面に備えることを特徴とするものである。その他の構成は今までの実施例とほぼ同じである。この様に両面に備えることで、より細かい分布で屈折率制御ができるようになる。上下の電極６６、６７で互いに位置をずらせば、屈折率分布制御がより精密に行える。尚、図６において、６０は電気配線層、６１は光導波層、６２はＩＣチップ、６３は面発光レーザ、６４は発光点、６５は光反射体である。
【００３５】
いままでの実施例では、熱による光導波層の屈折率制御について述べてきたが、２つの電極間に電界を印加させて、屈折率を制御する方法も用いられる。この様な電気光学効果（EO効果）を発生させるためには非線形材料が必要であり、一般にはLiNbO3のような光学結晶が用いられる。しかし、本発明のような用途ではコストや設計自由度の関係から、非線形色素などを結合させた透明有機高分子が光導波層に好適に用いられる。第３の実施例では、例えば、アゾベンゼン色素を側鎖に結合させたPMMAを光導波層６１に用いて、EO効果を使った屈折率制御が可能となる。この実施例では、光導波層６１の上下面に電極６６、６７を備えるので偏波依存性の少ない導波制御を行うことができる。すなわち、光導波層６１に対して、符号６８のような垂直電界、水平電界を組み合わせて制御することで偏波依存性を低減することができる。ここで用いる材料としては、他に、スチルベン系色素を結合させたPMMA、アミノスルフォン酸系色素を結合させた架橋性ポリウレタンなどが電気光学係数γの大きいものとして利用できる。
【００３６】
この様なEO効果を用いた場合には、熱効果を用いた場合に比べて、熱の発生は少なく、μsecオーダーの高速制御ができるという利点がある。もちろん、領域によって、電界と熱の両方を併用して光伝播状態の制御を行っても良い。
【００３７】
以上に述べてきた各実施例によれば、面実装でIC等の電子デバイス、スラブ導波路、電気配線層を全てワンパッケージ化して高密度実装できる。
【００３８】
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、図７のようなモバイル端末７０の組み込みシステムに上記構成を適用したものである。このモバイル端末７０には、表示部７１、ボタン操作部７２、ダイヤル操作部７３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７４を含む無線部が備えられる。その内部には、メインボード７５及び本発明による光リンコンフィギャラブル配線を内蔵したチップまたはパッケージ７６が備えられ、組み込みシステムを構成している。
【００３９】
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。
【００４０】
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図５で示すような光導波体５５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。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電子機器等において、伝送信号の切り換えを可能にする再構成可能な光接続装置を実現できる。
【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チップの斜視図である。
【図２】本発明による光電気混載チップの動作例を説明する図である。
【図３】本発明による光導波層の屈折率制御の例を説明する図である。
【図４】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の断面図である。
【図５】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の斜視図である。
【図６】本発明による第３の実施例の光電気混載チップの断面図である。
【図７】本発明による第4の実施例のモバイル機器を説明する図である。
【図８】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、１０、４１、６１…光導波層（スラブ導波路）
２、３９、４０、４２、６０…電気配線層
３…電極
４a〜4d、５、２３、４３、６２…ICチップ
６、１１、４７、６６、６７…制御電極
７、９、４８、４９…ビア配線
８…電気配線
１２、４６、６５…光反射体
１３、４５、６４…発光点
１４、３１…光線
１５…光伝播領域
１６、１７…光導波路
２１…絶縁層
２２、３４、４４、６３…面発光レーザ
２６…駆動電極
２７、２８、２９…アクティブなポート
３０…等温度線
３６…制御領域
３７…光伝送
５０…ハンダボール
５５…光導波体
６８…電界
７０…モバイル機器
７１…表示部
７２、７３…操作部
７４…アンテナ
７５…メインボード
７６…光電気混載チップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気回路基板上の電気チップ間や電気回路基板相互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接続ポートを含む光接続装置、光電気混載装置、及びそれを用いた電子機器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。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８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08-293836号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の方法は、LSIチップ間の接続制御を波長制御素子を用いて行うため、発信素子及び波長制御素子に高度な安定性が要求され、必ずしも温度環境の良くないLSI近傍で実現することが難しい。
【０００６】
本発明の目的は、スラブ導波路内で光のリコンフィギャラブル配線が実現可能な光接続装置、光電気混載装置、及びそれを用いた電子機器を提供することにある。
【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接続装置は、以下の特徴を有する。
スラブ型光導波路を含む光接続装置であって、
該スラブ型光導波路上に格子状に並べられた独立に駆動できる複数の電極と、
前記スラブ型光導波路の上面、下面あるいは内部に設けられた複数の光接続ポートと、
前記光接続ポートと接続された複数のICチップと、
を備え、
前記複数の電極の駆動制御で、前記スラブ型光導波路内の屈折率分布を制御して、該スラブ型光導波路内の光の伝播状態を可変的に制御し、前記光接続ポートを介して前記複数のICチップ間で信号の送受信を再構成可能に行い、
少なくとも1つの前記光接続ポートの近傍で、前記電極のサイズが、他の部分の前記電極のサイズより小さくなっており、かつ、格子状に並べられた前記電極の格子間隔が、他の部分の前記電極の格子間隔より狭くなっている、
ことを特徴とする。
【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。
前記光接続ポートは、光を導波させる面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）、及び前記導波路内の所望の位置に該光素子に対応して設けられた光路変換手段（光素子とスラブ導波路との光結合を達成する為に光路を変換する素子）で構成されるものを含み得る。この様に、２次元平面内で自由に屈折率分布を制御できるスラブ光導波路において、自由な位置に光路変換手段を含む光接続ポートを備えることで、ICチップ間の光接続装置を構築できる。こうした光接続ポートでは、例えば、図２のように略半球または略円錐形状のような凸部を持つ金属ミラー（光反射体）などを埋め込み、その凸部上部に、面発光レーザや面型pinホトダイオードなどの面型素子をスラブ光導波路面に対して略垂直に光出射ないし光入射させるように実装すればよい。このとき、複数のアレイ化された光素子を、その中心部を光反射体凸部の頂部からずらして実装しておけば、各光素子はスラブ導波路のうち一部領域のみに対して光結合ができるので、素子毎に受け持つ領域を分けられる。なお、光接続ポートを導波路内部に埋め込んだ場合には、光出力ポートからの光入射方向を予め導波路に結合できる向きにしておくか或いは光出射方向を予め光入力ポートに結合できる向きにしておき、光路変換手段のないタイプも提供し得る。
【０００９】
前記独立駆動できる電極は、前記導波路の片面もしくは両面に複数に分割されて備えられ、電流または電圧、或いはその両方を印加できる様に形成され得る。この際、屈折率分布の可変的な制御については、電極をヒータとすることでそこへの電流注入量で光導波路の各部の温度を制御したり、２つの電極間に電界がかかるようにして光導波路の各部の印加電圧を制御したりすることで実現できる。
【００１０】
前記独立駆動できる電極をヒータとして作用させる場合、スラブ導波路を構成する光学ポリマー、例えばPMMAなどに40℃程度の温度差を生じさせれば、例えば図２(c)のようにスラブ導波路内に光導波路を構成できる。また、温度差による屈折率差により、例えば図３のようなレンズまたはプリズムとして作用させることもできる。電極ヒータの温度制御の仕方で、光偏向、集光、光導波方向などの伝播状態を１つのスラブ導波路内で自由に可変的に制御できるため、例えば図１のようにICチップを実装した場合に、チップ間の光接続をシステムに応じて再構成できる。
【００１１】
屈折率分布の可変的な制御の仕方として、電極からの電界を用いる場合には、例えば、アゾベンゼン色素をPMMAに結合させた有機ポリマーなどの電気光学係数が高いものをスラブ導波路に用いることで、ヒータ制御の場合と同様な作用を実現できる。この場合、図６のように光導波層の両面に電極を備える形にすれば、より屈折率分布の制御性が向上する。複数の電極は、均一サイズで碁盤目状に規則的に配置されたり、光素子近傍で、他の部分より小さいサイズで形成されて並べられたりし得るが、その配置パターン、サイズ、形状等は場合に応じて適当に設計すれば良い。
【００１２】
スラブ型光導波路は、PMMA、ポリカーボーネート、アートン（商品名）、ポリイミド、SU-8（商品名）、シロキサン、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。
【００１３】
この様に、本発明によれば、３次元空間を用いた自由接続に比べて、非常に小型にICなどの電子デバイスと一体化するように融合でき、従来の２次元伝送路を使って波長制御により接続状態を変える方法に比べて、部品点数の低減、制御性の向上などの点で優れた光接続装置を実現できる。
【００１４】
また、上記目的を達成する本発明の光電気混載装置は、上記の光接続装置と、該装置に備えられた光接続ポートに接続されたICチップなどの電子デバイス、電気配線層が一体化されていることを特徴とする。この構成により、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等を実現できる。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。また、この様な光電気混載装置間の接続には、スラブ光導波層と外部の間で直接光の授受を行う光接続を用いることもできる。
【００１５】
上記光電気混載装置の光接続の仕方のパターンは、該装置内または装置外のメモリに記憶される様になっており、光接続の変更命令により該メモリからパターンを読み出して該装置の動作を高速でスイッチできる様になっていたり、設計資産として装置外部からダウンロードして書き換えできる様になっており、ダウンロードと同時に該装置の動作を高速にスイッチできる様になっていたりする。
【００１６】
【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（スラブ導波路）１が積層されて集積化されている。この図の形態では１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よう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。
【００１７】
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で接続されるよう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ザイズパッケージ(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。
【００１８】
この電気配線層上部にはスラブ型の樹脂光導波層１が集積されており、該光導波層上には本実施例の特徴となる格子状に並べられた電極６が多数備えられている。これらの各電極６には独立に駆動できる配線（不図示）が接続され、スラブ導波路１中を伝播する光の伝播状態を制御できる様になっている。この制御方法については後に述べる。導波層１上には、更にベアチップのSi-LSI4a〜4d及び５が搭載されており、チップの下に集積された光I/O素子（光入力及び／又は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７等で行われる。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。
【００１９】
次に図２を用いて、この光リコンフィギャラブル接続の可変的な制御、動作について説明する。図２(a)から(d)は、主な４つの光伝播状態モードを示す。図２の各部の左は平面図、右は光インターフェース部のA-A’断面図である。この平面図では、中央部に図１の符号５のチップに対応した光インターフェース部があり、４辺のエッジにも光インターフェース部があるが、使用部分しか示していない。ここでは、中央部にインターフェース部がある場合を説明するが、その位置は必ずしも中央でなくてもよく任意である。
【００２０】
図２(a)は中央のインターフェース部からスラブ導波路１０の全方向に信号伝送するモードである。中央部に2×2アレイの面発光レーザ２２が貼り付けられており、右の断面図に示すような光反射体１２に対してその頂点からずらして発光点１３を配置することにより光線１４の矢印のように光結合させて、１つの面発光レーザで略90度の放射角でスラブ導波路１０内を伝播するようにしている。光反射体１２は、例えば右の断面図のように半球状の金属ミラーを用いられる。ここで、面発光レーザ２２のアレイ数、伝播方向角度、反射体１２の形状などはこれに限るものではない。図２(a)の平面図で、１４は１つの面発光レーザの進行方向、１５は４つのレーザを全て駆動した場合の光導波層１０内での光の伝播の様子を示したものである。したがって、４つの面発光レーザ２２を同時に同一信号で駆動すれば、導波路１０内全域にブロードキャスト的に信号配信できる。受光素子は図示していないが、面発光レーザ２２の隙間を埋めるようにやはり2×2アレイとすれば、各方向から来た光を受信できる。
【００２１】
ここでは導波路１０の材料としてPMMAを用いたが、ポリイミドやポリカーボネート、ポリカーボネートZ、シロキサンなどの光学樹脂材料であればよい。図２において、２１は、光素子２２を実装したあとに平坦化するための或いは電気配線を形成するための樹脂などの絶縁層、２３はLSIチップ、３９は電気配線層である。このLSIチップ２３の入出力信号の一部またはすべてを多重化（マルチプレクシング）して光インターフェースに接続している。
【００２２】
本実施例において、面発光レーザ２２としては850nm帯の酸化型でしきい値が0.5mA、1mW出力時の動作電流1mA、電圧2.2Vの低消費電力型のものを用いた。もちろん、異なる波長帯、特に1.3μm帯のものを用いて更に低消費電力化を図っても良い。ここでは、1mW出力であれば、3cm角の光自由接続シート（光導波路）を用いて、100μmφの光検出器で−30dBmの受信感度があれば信号伝送できるように設計している。この光インターフェース部は、LSIチップ２３の表面に電気コンタクトが得られるように実装された形になっていてもよいし、逆に光導波層１０上に予め実装しておき、LSIチップ２３を光インターフェースと電極コンタクトを取れるようにフリップチップボンディングする形でも良い。
【００２３】
次に、図２(b)は４つの面発光レーザ２２のうち１つだけを駆動した場合を示すが、この場合は既に述べたように90度の伝送領域をカバーできる。白丸は駆動していない面発光レーザを示している。或る特定領域にのみ伝送が必要な場合にはこのモードを用いる。
【００２４】
図２(c)では、１つの面発光レーザ２２で90度放射角の光出射をした上で、スラブ導波路１０の適当な領域の電極１１に電流を流して（駆動電極を符号２６で示す）スラブ導波路１０の適当領域の屈折率を変化させて導波路１６を形成している。このことで、特定のポイント（アクティブなポート）２７だけと光接続するものである。電極１１としては、Ti/Ptの薄膜（例えば厚さ10nm/100nm）としてこの薄膜を50μm角の領域内（図２で四角の電極１１として示す領域内）に蛇行するような細線パターンにすれば、数10Ωの抵抗体にしてヒータとして作用させることができる。ヒータの電極１１としては、CrやAuまたは合金、化合物などでもよい。
【００２５】
PMMAのスラブ導波路１０の場合、ヒータで温度を変化させたときの屈折率変化はδn/δT〜−1×10−４(K−１)なので、導波路１６の周囲の温度を40度上昇させれば、屈折率は1.492から1.488に減少し、比屈折率差が約0.3%の光導波路１６が形成できる。ヒーティングする領域は図２(c)に示したクロスハッチングの領域３６であり、光導波層全体ではなくグレーで塗られた必要な電極２６で制御を行えばよい。光導波路１６を伝送させることにより損失が減少するのでポイント２７における受信感度が向上するため、高速光接続が可能になる。この場合、ヒータによる屈折率制御により形成された光導波路１６に結合できなかった光成分は散乱される。そこで、送信部近傍において更にヒータ温度を上昇させて屈折率差を大きくすることにより、光導波路としての受光角ないしNAを向上させて散乱成分を減少させてもよい。または、送信部近傍だけはヒータ（電極１１）の分割を細かくして（例えば20μm角）、図３のように電極１１を駆動して（駆動電極をグレーで示す）レンズ形状に等温度線３０を形成することで符号３１の光線のように集光効果を持たせてもよい。符号３４は駆動している面発光レーザである。これにより、90度放射角方向に広がる光を、屈折率制御で形成された導波路１６へ入射させるための結合効率を向上させられる。この様な制御は、受信部においても同様に行える。
【００２６】
図２(d)は、中央のインターフェース部は動作させずに、光導波路エッジ部に実装したチップ間の光接続の動作をさせる場合を示す。上記と同様にヒータ（電極１１）を駆動して図示の如き導波路１７を形成すれば、所望のアクティブなポイント（ポート）２８と２９の光接続を行える。
【００２７】
また、図示はしていないが、局所的（例えば、上から見て三角形のパターンで）に導波路１６の温度を上昇させることで大きな屈折率差を与えてプリズムを形成し、ビーム偏向や分岐をさせることも可能である。この様な動作を組み合わせて、図１のLSI4a〜4d及び５間で高速光接続を行うことができ、しかも、その接続の態様をプログラミングで再構成（リコンフィギャラブル）できる。
【００２８】
この様な動作をさせることで、FPGAのような、その場で配線を組み換えて複数のシステムとして動作可能なチップであって高速動作可能なものを提供できる。配線再構成の組み換えは、熱時定数で決まるmsecオーダーで行うことができ、ソフトウエア無線のように１チップでシームレスにシステムを切り換える動作を実現できる。また、符号５をCPU、符号4ａ〜4dをメモリとした配線組み換え可能な新しいアーキテクチャを構築することもできる。配線組み換えのIP（Intellectual Property）をチップ内の不揮発メモリをもとに組み込んでおき、必要に応じてIPを書き換えたりすることもできる。或いは、インターネットなどを通じてダウンロードして、必要に応じて組み換えの仕方を変えても良い。
【００２９】
（実施例２）
本発明による第２の実施例は、電極付きの光導波層を電気回路を構成する基板内に挿入し、光素子や光反射体も同時に内部に埋め込んだ構造の光電気混載装置である。送信部の近傍の断面構造を図４に示す。スラブ光導波路４１の送信部には、実施例１と同様の２×２アレイの面発光レーザ４４と光反射体４６が備えられている。面発光レーザ４４は電気回路基板４２内部に形成された配線４９で電気的に他のチップや電源と接続され、発光部４５から光を出射する。ここで用いる面発光レーザとしては、機能層転写法（Functional Layer Transfer: FLT）と呼ばれる、加工した厚さ6μm程度のエピタキシャル層だけを集積する技術によって作製された薄膜型面発光レーザが好適に用いられる。通常の面発光レーザでは半導体基板の厚さが100μm程度あるために、図４のような３次元スタック化するような構造には不適だからである。また、受光素子も同様の方法で薄膜化できる。
【００３０】
一方、LSIのベアチップ４３は電気回路基板４２上にハンダボール５０を用いてフリップチップ実装されている。LSIチップ４３と内蔵された光素子との接続も、図４のように電気回路基板４２に形成されたビア配線４９を通して行われる。ヒータ電極４７は光素子４４とは反対側の光導波層面に形成してあり、この電極４７を独立駆動するための電流供給は、基板４０内のビルドアップ配線４８で行える様になっている。
【００３１】
この様な構造にすることで、LSIチップ４３とヒータ４７を遠ざけられて、互いの熱干渉を避けることができる。また、光素子４４との熱干渉も避けることができるため、光反射体４６の近傍まで熱制御をできるようになり、光集光性を高めるような光導波層４１の屈折率制御が可能になる。
【００３２】
この様な構成を持つ光電気混載装置の斜視図を図５に示す。図４と同一部分には同じ番号をつけている。この様に全体が１つの機能を持つ基板において、プログラミングが可能な光リコンフィギャラブル配線を内蔵して高機能なデジタル機器を動作させることに好適な装置を提供できる。なお、光導波層４１には、他の基板との光インターフェースのために光ファイバなどの光導波体５５を備えても良い。もちろん、図示していないが電気接続用の端子をつけても良い。
【００３３】
なお、図５の形態は基板という表現を用いているが、従来のプリント基板のようなものではなく、１つの基板内に高密度に機能素子を集積化して、１つのシステムとして機能させられるものであって、３次元集積化させて１つのチップとして機能する所謂システムオンチップ(SoC)として構成することもできる。
【００３４】
（実施例３）
本発明による第３の実施例は、図６に示すように光導波路の屈折率制御用の電極６６、６７を、光導波層６１の両面に備えることを特徴とするものである。その他の構成は今までの実施例とほぼ同じである。この様に両面に備えることで、より細かい分布で屈折率制御ができるようになる。上下の電極６６、６７で互いに位置をずらせば、屈折率分布制御がより精密に行える。尚、図６において、６０は電気配線層、６１は光導波層、６２はＩＣチップ、６３は面発光レーザ、６４は発光点、６５は光反射体である。
【００３５】
いままでの実施例では、熱による光導波層の屈折率制御について述べてきたが、２つの電極間に電界を印加させて、屈折率を制御する方法も用いられる。この様な電気光学効果（EO効果）を発生させるためには非線形材料が必要であり、一般にはLiNbO3のような光学結晶が用いられる。しかし、本発明のような用途ではコストや設計自由度の関係から、非線形色素などを結合させた透明有機高分子が光導波層に好適に用いられる。第３の実施例では、例えば、アゾベンゼン色素を側鎖に結合させたPMMAを光導波層６１に用いて、EO効果を使った屈折率制御が可能となる。この実施例では、光導波層６１の上下面に電極６６、６７を備えるので偏波依存性の少ない導波制御を行うことができる。すなわち、光導波層６１に対して、符号６８のような垂直電界、水平電界を組み合わせて制御することで偏波依存性を低減することができる。ここで用いる材料としては、他に、スチルベン系色素を結合させたPMMA、アミノスルフォン酸系色素を結合させた架橋性ポリウレタンなどが電気光学係数γの大きいものとして利用できる。
【００３６】
この様なEO効果を用いた場合には、熱効果を用いた場合に比べて、熱の発生は少なく、μsecオーダーの高速制御ができるという利点がある。もちろん、領域によって、電界と熱の両方を併用して光伝播状態の制御を行っても良い。
【００３７】
以上に述べてきた各実施例によれば、面実装でIC等の電子デバイス、スラブ導波路、電気配線層を全てワンパッケージ化して高密度実装できる。
【００３８】
（実施例４）
本発明による第４の実施例は、図７のようなモバイル端末７０の組み込みシステムに上記構成を適用したものである。このモバイル端末７０には、表示部７１、ボタン操作部７２、ダイヤル操作部７３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７４を含む無線部が備えられる。その内部には、メインボード７５及び本発明による光リンコンフィギャラブル配線を内蔵したチップまたはパッケージ７６が備えられ、組み込みシステムを構成している。
【００３９】
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。
【００４０】
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図５で示すような光導波体５５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。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、電子機器等において、伝送信号の切り換えを可能にする再構成可能な光接続装置を実現できる。
【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チップの斜視図である。
【図２】本発明による光電気混載チップの動作例を説明する図である。
【図３】本発明による光導波層の屈折率制御の例を説明する図である。
【図４】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の断面図である。
【図５】本発明による第２の実施例の光電気混載装置の斜視図である。
【図６】本発明による第３の実施例の光電気混載チップの断面図である。
【図７】本発明による第4の実施例のモバイル機器を説明する図である。
【図８】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、１０、４１、６１…光導波層（スラブ導波路）
２、３９、４０、４２、６０…電気配線層
３…電極
４a〜4d、５、２３、４３、６２…ICチップ
６、１１、４７、６６、６７…制御電極
７、９、４８、４９…ビア配線
８…電気配線
１２、４６、６５…光反射体
１３、４５、６４…発光点
１４、３１…光線
１５…光伝播領域
１６、１７…光導波路
２１…絶縁層
２２、３４、４４、６３…面発光レーザ
２６…駆動電極
２７、２８、２９…アクティブなポート
３０…等温度線
３６…制御領域
３７…光伝送
５０…ハンダボール
５５…光導波体
６８…電界
７０…モバイル機器
７１…表示部
７２、７３…操作部
７４…アンテナ
７５…メインボード
７６…光電気混載チップ
Claims (8)
- スラブ型光導波路を含む光接続装置であって、
該スラブ型光導波路上に格子状に並べられた独立に駆動できる複数の電極と、
前記スラブ型光導波路の上面、下面あるいは内部に設けられた複数の光接続ポートと、
前記光接続ポートと接続された複数のICチップと、
を備え、
前記複数の電極の駆動制御で、前記スラブ型光導波路内の屈折率分布を制御して、該スラブ型光導波路内の光の伝播状態を可変的に制御し、前記光接続ポートを介して前記複数のICチップ間で信号の送受信を再構成可能に行い、
少なくとも1つの前記光接続ポートの近傍で、前記電極のサイズが、他の部分の前記電極のサイズより小さくなっており、かつ、格子状に並べられた前記電極の格子間隔が、他の部分の前記電極の格子間隔より狭くなっている、
ことを特徴とする光接続装置。 - 前記光接続ポートは、光を導波させる面とは垂直方向に光を発光或いは受光するための光素子、及び前記スラブ型光導波路内に該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むことを特徴とする請求項1記載の光接続装置。
- 前記光路変換手段は凸部を持った光反射体であって、前記光素子は該反射体凸部の頂点の周囲に中心部をずらして複数並べた面型素子であり、各光素子は前記スラブ型光導波路内の一部領域のみに対して発信或いは受信することを特徴とする請求項2記載の光接続装置。
- 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スラブ型光導波路に転写して該光素子の半導体基板を除去した構成になっていることを特徴とする請求項2または3記載の光接続装置。
- 前記独立駆動できる電極は、前記スラブ型光導波路の片面もしくは両面に複数に分割されて備えられており、電流または電圧、或いはその両方を印加できることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の光接続装置。
- 前記独立駆動できる電極は、前記スラブ型光導波路面上に複数備えられたヒータになっており、該電極により温度制御することで該スラブ型光導波路内の屈折率分布を制御することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の光接続装置。
- 前記独立駆動できる電極は、局所的に電界印加を行うことができるように前記スラブ型光導波路面上に複数備えられていて、該電極により電界制御することで該スラブ型光導波路内の屈折率分布を制御することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の光接続装置。
- 請求項1乃至7の何れかに記載の光接続装置と、該光接続装置に備えられた光接続ポートに接続された電子デバイス、電気配線層が一体化されて構成されていることを特徴とする光電気混載装置。
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