JP5445943B2 - 光接続装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＬＳＩ間の信号伝送装置や装置のバックプレーン（Backplane）のように、多数の信号の接続を行う光接続装置に関する。
高度情報化社会において、サーバなどの情報処理装置や、ルータなどのネットワーク機器の性能を向上することが求められている。この要求に応じるためには、ＬＳＩの微細化により集積度を高めることが有益とされ、今後も着実に集積度の向上を図ることが望まれている。
ところが、集積度を向上させても、ＬＳＩパッケージの信号入出力を行う信号ピンの密度が上がらないために、性能向上が妨げられる、所謂「ピン・ボトルネック」と称される問題が生じている。
上記のピン・ボトルネックを解決するために、ＬＳＩ内部で複数の信号を多重化（パラレル−シリアル変換）することにより、ピン１本当たりの信号伝送速度を向上させる取り組みが進んでいる。この多重化技術により、１０Ｇｂｐｓ程度の高速化が実現されつつあるが、伝送の高速化に伴い種々の問題が発生する。例えば、回路基板の配線における、表皮効果に起因する伝送損失の増大である。この場合、伝送特性が劣化することから、たとえ数１０ｃｍの伝送であっても、伝送特性を改善するための波形補正回路のような付加的な回路が必要となる。その結果、回路の複雑化や消費電力の増大などを招くという問題が生じる。
上記問題の対策として、ＬＳＩの出力を光に変換して伝送する、光接続技術の開発が進んでいる。１０Ｇｂｐｓ程度の高速な信号を光で接続するニーズは、大規模装置の筐体間が中心であったが、今後は、装置内のカード間やバックプレーンに及び、更には、基板上のＬＳＩ間の配線に用いられると考えられる。
また、ＬＳＩ間の光接続を実現する技術として、ＬＳＩと光電変換デバイスを集積した光電子集積構造や電気回路基板に光導波路を形成するという技術が盛んに検討されている。この技術は、特に、小型でアレイ化が可能な面発光レーザの実用化に伴い、世界的に研究開発が進められている。
光導波路、光電気変換素子及びＬＳＩを集積し、これらの間で情報を伝送する光電子集積構造として、例えば、後述の非特許文献１に記載のものがある。同文献に記載の構成を図３に示す。
図３に示す光電子集積構造は、インターポーザ（Interposer）106に、ＬＳＩ105と、光電気変換デバイスと、光デバイスを駆動するドライバＩＣとが集積された構造である。この構造において、図の左側の送信部は、ＬＳＩ105の出力信号を面発光レーザアレイ（VCSEL array）103で光信号に変換し、その光信号を、プリント基板（PCB）101に形成されたポリマー導波路（Polymer wave guide）102を通して伝送する。同図の右側の受信部は、送信部からの光信号を、受光素子であるフォトダイオードアレイ（PD array）104により電気信号に変換し、それをＬＳＩ105へ入力する。
また、後述の特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び、特許文献４に、図１と同様な光電子集積構造による情報伝送に関する技術が開示されている。
特開２０００−１１４５８１号公報 特開２００４−２７４１５５号公報 特開平５−３３３３９６号公報 特開平５−０６７７７０号公報 特開２００３−３０９５２０号公報 Ishii et al.、"SMT-Compatible optical-I/O Chip Packaging for Chip-Level Optical Interconnects"、Electronic Components and Technology Conference 2001、p. 870
信号線の数量は、一般に、バックプレーンで数１００、ＬＳＩ間では数１００から１０００を超える膨大な数となる。このような多数の光配線を行う場合に、従来の光通信で使われてきた方式、すなわち、半導体レーザからの光を変調して出力し、それを受光器で受信するという方式を採用すると、次のような問題が生じる。
多数の光配線を実現するには、半導体レーザ及び駆動回路をＬＳＩの近傍に高密度に実装する必要がある。しかしながら、半導体レーザは環境温度に敏感である。よって、半導体レーザを、発熱が大きなＬＳＩの近くに配置すると、発光強度の低下といった動作特性の劣化や、信頼性の低下を招く。
また、光変調器を使う方式、例えばマッハツェンダ型の光干渉計を用いた光強度変調方式であっても、熱の影響により、干渉計の動作条件にずれが生じる。その結果、変調特性が不安定になる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＳＩによる発熱の影響を受け難い光接続装置を提供することにある。
本発明に係る光接続装置は、複数の伝送チャンネルに対応した複数の波長の光信号を出力する光源と、集積回路が搭載され且つ相互間が単一系統の光線路により接続された光送信部および光受信部と、前記光線路に挿入され且つ位相変調信号を強度変調信号に変換する信号変換部とを備え、前記光送信部は、前記光源からの光信号を伝送チャンネル別に分離する分波器と、前記集積回路からの信号により動作タイミングが同期される複数の光変調器により前記分波器からの光信号を位相変調して位相変調信号を生成する光変調部と、前記光変調部からの位相変調信号を合波し該合波した位相変調信号を前記光線路を介して前記信号変換部へ出力する合波器とを有し、前記光受信部は、前記信号変換部からの強度変調信号を伝送チャンネル別に分離する分波器と、前記分波器からの強度変調信号を電気信号に変換する受光部とを有し、前記信号変換部は前記光送信部からの前記合波された位相変調信号を、全伝送チャンネル分について一括して強調信号に変換する。
本発明によれば、集積回路の近傍に高密度な光配線を可能としつつ、信号変換部を、集積回路が搭載される光送信部及び光受信部から距離をおいて配置することができる。これにより、集積回路の発熱による信号変換部への影響が緩和され、安定した光接続が可能となる。
本発明の実施形態の光接続装置の構成図である。 実施形態の光接続装置とＬＳＩとの接続形態を説明するための部分断面図である。 非特許文献１に記載の光電子集積構造を説明するための説明図である。
符号の説明
100：光接続装置、10：光送信部、11,21：分波器、12：合波器、13：光変調器、13A：光変調部、14：光導波路群、15,23：電極パッド、16：ＬＳＩ、17：電気配線、18：ハンダバンプ、19,29：基板、20：光受信部、22：受光器、22A：受光部、30：光配線部、40：信号変換部、50：波長多重光源、51：光導入路
＜構成＞
図１に、本発明の実施形態の光接続装置100の構成を示す。光接続装置100は、複数の伝送チャンネルのそれぞれに対応した波長の光を出力する波長多重光源50と、基板19に形成された光送信部10と、基板29に形成された光受信部20と、光送信部10及び光受信部20間に１系統の光線路を与える光配線部30に挿入された信号変換部40とを備える。光配線部30は、光ファイバあるいは光導波路により構成することができる。
基板19及び基板29には、単一周波数の信号を出力するＬＳＩ（図示略）がそれぞれ搭載される。ＬＳＩは、電極パッド15及び電極パッド23を介してそれぞれの基板（19、29）に電気的に接続される。
光送信部10は、図１に示すように、分波器11、合波器12、光変調部13Aおよび光導波路群14を備える。光導波路群14は、基板19に形成された複数の光導波路から成り、各光導波路は相互に異なる伝送チャンネルに対応する。
分波器11は、波長多重光源50から光ファイバもしくは光導波路である光導入路51により入力される光を、各伝送チャンネルに対応する異なる波長の光に分け、それらを光導波路群14の各光導波路に分配する。
光変調部13Aは、光導波路群14の各光導波路に接続され且つアレイ状に配置された複数の光変調器13からなる。各光変調器13は、印加される電圧に応じて屈折率が変化する位相変調器である。その変調方式としては、ある動作タイミングでの伝送情報と、その直前の動作タイミングでの伝送情報との差分を位相差として出力する差動位相差変調方式を用いる。この差動位相差変調方式は、光通信で一般に知られている方式であり、例えば特許文献５に関連技術が開示されている。
合波器12は、光変調部13Aにより変調された各チャンネルの位相変調信号を１本に束ねる、すなわち複数の光信号を波長多重化する。そして、多重化した信号を光配線部30を通して信号変換部40へ出力する。
信号変換部40は、光送信部10からの位相変調信号を強度変調信号に変換する。この信号変換部40としては、例えば、マッハツェンダ干渉計の両アーム間に情報１ビット分の時間差を設けた、いわゆる１ビットシフト干渉計を用いることができる。信号変換部40から出力された強度変調信号は、光配線部30により光受信部20へ供給される。
光受信部20は、図１に示すように、分波器21と、アレイ状に配置された複数の受光器（PD：フォトディテクタ）22からなる受光部22Aとを備える。分波器21は、光配線部30により供給される信号変換部40からの強度変調信号を各受光器22へ分配する。受光部22Aは、各受光器22により、入力された強度変調信号を電気信号に変換する。
図２に、光送信部10の光変調部13AとＬＳＩとの接続形態を説明するための部分断面図を示す。基板19には、前述したように、光導波路群14及び光変調器13が形成されている。ＬＳＩ16は、この基板19上に電極パッド15を介してマウントされる。電極パッド15は、基板19に形成された電気配線17を介して、基板19の裏面のハンダバンプ18に短絡される。
光変調器13は、電極パッド15を介してＬＳＩ16の信号出力部（図示略）と電気的に接続され、ＬＳＩ16の出力信号により駆動される。また、光変調器13は、光導波路群14の光導波路を通して入力された特定の波長の光を変調する。光変調器13により変調された光信号は、光導波路を通して合波器12（図１）へ出力される。
上記構成による光接続装置100で使用する波長の数量は、ＬＳＩの信号チャンネル数や光源の方式、あるいは、合波器12及び分波器11の性能などに応じて決定する。合波器12及び分波器11としては、本実施形態のように、一般的に知られているアレイ導波路格子を用いることで、数１０個の波長の合波及び分波が可能である。
波長多重光源50としては、例えば、光接続装置100で取り扱う波長の数と同数の半導体レーザを用いる。あるいは、スーパーコンティニウム光、周波数コム、多モード発信レーザなど、多波長を一括して発生させる装置を波長多重光源50として用いてもよい。後者の場合、数１０個から数１００個の波長の光を供給することが可能である。
波長多重光源50の温度管理を行うことにより波長安定性が保障される場合、波長数は３０程度を取り扱うことができる。また、波長管理が困難な場合は、取り扱い可能な波長数は８程度であり、この場合は波長間隔を大きくする構成が現実的である。なお、ＬＳＩの信号数が数１００から１０００本のように多い場合には、本実施形態の構成を複数用意し、それらを１つの光接続装置として用いてもよい。
光変調部13Aの各光変調器13の材料には、セラミックスなど、比較的温度変化の影響を受け難い材料を適宜選定する。これにより、環境温度が変化しても、変調特性が大きく変動することを回避する。
具体的には、光変調器13には、電気光学効果を有するニオブ酸リチウムやＰＬＺＴのようなＥＯ結晶、あるいは、ＥＯポリマー材料などが利用可能である。光変調器13には、そのほか、半導体のキャリア濃度を利用した屈折率変調を用いることも出来る。光変調器13の材料を適切に選定することで、半導体レーザに起因する温度上昇による動作特性の劣化や信頼性の低下を回避することができる。
＜動作＞
図１及び図２を参照して、光接続装置100の動作について説明する。光接続装置100は、光導波路群14に集積されたアレイ状の光変調部13Aにより、ＬＳＩ16の信号ピンと同程度の密度で差動位相差変調を行う。
光変調部13Aは、ＬＳＩ16からの単一周波数の信号により駆動されることから、各光変調器13の動作タイミングは同期される。この光変調部13Aの差動位相差変調により、各チャンネルについて、動作タイミングの前後の関係にある信号間の差分が求められ、その差分が両信号の位相差として得られる。
光接続装置100は、波長多重化により、各伝送チャンネルに対応した異なる波長の光信号を光導波路群14により伝送する。また、前述の光変調部13Aを経た各チャンネルの位相差信号を合波器12により１つに束ね、それを１本の光線路（30）へ出力する。出力された位相差信号は、光配線部30に挿入された信号変換部40の１ビットシフト干渉計により、強度変調信号に変換される。
このように、光送信部10が、全チャンネルの光信号を同一のタイミングで位相差変調して出力することから、全チャンネルの位相差信号を、単一の干渉計（40）により一括して強度変調信号に変換することができる。
信号変換部40から出力された強度変調信号は、光受信部20の分波器21により、各チャンネルに対応した波長の光信号に分離される。分離された光信号は、受光部22Aの対応する受光器22へそれぞれ入力される。そして、各受光器22が、入力された光信号を電気信号に変換して出力する。
以上説明したように、光接続装置100は、光送信部10により全ての伝送チャンネルの光信号を同一のタイミングで変調して出力する。そして、単一の干渉計（40）が全チャンネル分の信号を一括して強度変調信号に変換する。
したがって、本実施形態によれば、ＬＳＩの近傍に高密度な光配線を可能としつつ、信号変換部40を、ＬＳＩが搭載される光送信部10及び光受信部20から距離をおいて配置することができる。その結果、干渉計（40）に対するＬＳＩの発熱の影響を低減することができる。
本発明は、例えば、コンピュータ及びネットワーク機器のような装置の内部のバックプレーン、あるいは、ボード内の信号伝送に適用することができる。

Claims (6)

  1. 複数の伝送チャンネルに対応した複数の波長の光信号を出力する光源と、集積回路が搭載され且つ相互間が単一系統の光線路により接続された光送信部および光受信部と、前記光線路に挿入され且つ位相変調信号を強度変調信号に変換する信号変換部とを備え、
    前記光送信部は、前記光源からの光信号を伝送チャンネル別に分離する分波器と、前記集積回路からの信号により動作タイミングが同期される複数の光変調器により前記分波器からの光信号を位相変調して位相変調信号を生成する光変調部と、前記光変調部からの位相変調信号を合波し該合波した位相変調信号を前記光線路を介して前記信号変換部へ出力する合波器とを有し、
    前記光受信部は、前記信号変換部からの強度変調信号を伝送チャンネル別に分離する分波器と、前記分波器からの強度変調信号を電気信号に変換する受光部とを有し、
    前記信号変換部は前記光送信部からの前記合波された位相変調信号を、全伝送チャンネル分について一括して強調信号に変換することを特徴とする光接続装置。
  2. 前記光送信部の前記光変調部の各光変調器は、連続する２つの動作タイミングにおける光信号の差分を位相変調信号として出力し、
    前記信号変換部は、一対の光経路間に信号１ビット分の時間差が設けられた光干渉計により前記光送信部からの位相変調信号を強度変調信号に変換することを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
  3. 前記光変調部の複数の光変調器は、基板に形成された光導波路群に接続され且つアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光接続装置。
  4. 前記光源は、伝送チャンネル数と同数の半導体レーザ装置からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光接続装置。
  5. 前記光源は、前記複数の伝送チャンネルに対応する波長の光信号を一括的に出力するレーザ装置からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光接続装置。
  6. 前記光線路が、光ファイバ、又は、基板に形成された光導波路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光接続装置。
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