JPH0328912A - 光学的クロツク装置 - Google Patents

光学的クロツク装置

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JPH0328912A
JPH0328912A JP2118856A JP11885690A JPH0328912A JP H0328912 A JPH0328912 A JP H0328912A JP 2118856 A JP2118856 A JP 2118856A JP 11885690 A JP11885690 A JP 11885690A JP H0328912 A JPH0328912 A JP H0328912A
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pulse
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明はコンピュータのクロック・システム、より詳細
に言えば、所定の異なった遅延時間を有する光パルス列
を与えるために、非常に短い時間の光パルスの列を発生
し、この光パルス列を光学的遅延線を介して、並行して
伝送する光クロック・システムと、これらの光パルスを
検出して、適当な電気的信号に変換する能力を持つ受信
装置とに閲する．本発明は大規模集積（ＶＬＳ　Ｉ　）
技術、またはウエハ・スケール集積（ＷＳＩ）技術を使
用した高性能コンピュータ・システムへの適用を指向し
ている． Ｂ．従来の技術 クロック・タイミングはデイジタル・コンピュータ・シ
ステムには重要なファクタである．データ処理装置のサ
イクル・タイムは、より短くなり、クロック信号を一時
的に不確定にするクロック・スキューが、サイクル時間
の全体の時間に対して、より大きな部分を占めるように
なった．４マイクロ秒以下のサイクル・タイムを持つシ
ステムに対するクロック・スキューの問題は、大きな制
限因子となっている． デイジタル・コンピュータ・システム中の機能はマスタ
ー・クロックによって調整されているので、種々の信号
を正確に配分することと、信号の到着と同期することは
厳桔に制御されなければならない．現在の多くのコンピ
ュータ装置において、電気的なクロック信号はコンピュ
ータ・システム中の種々の回路モジュールに転送されて
いる。信号を電気的に配分する時に生じる不確定さは、
能動回路素子及び受動回路素子を通る伝播時間の変動と
、結合されたノイズ源の妨害とによって発生される。受
動素子とは電気的ケーブル、基板の転送ライン、コネク
タ、結合素子、そしてパイアなとである．能動回路素子
のスキューは、回路の温度変化、負荷電圧、電源電圧の
変動などに起因して、回路素子間の伝播時間の変化、閾
値の変動などにより発生される．スキューを発生する主
たる原因は、能動回路の間の電気的伝送路における伝送
時間及び波形歪の不確定性である． 電気的クロック信号発生器から、それに対応する受信装
置へクロック情報を転送する光学的手段を導入すること
によって、電気的なコンピュータ・システムにおけるク
ロック・スキューを減少させる幾つかの提案がある．こ
れらのアプローチの大部分は、現在の電気的クロック配
分システムと並行する光学的な伝送方法であると考える
ことが出来る．それらのアプローチは一般に、レーザー
を駆動する標準的な電気的な発信器（クロック発生器）
の使用に基づくものである．代表例において、このレー
ザーは半導体ダイオード・レーザーである。これらのア
プローチは、高出力で、且つ高速度の動作で速い応答を
するレーザー・ダイオードを必要とするので、その実用
化は、困難が伴い、必然的な限界がある． 光学的なクロック信号の配分の他のシステムは、光クロ
ック信号を光受信装置に直接の視界内伝送（　ｌｉｎｅ
−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　）を
使用するものである．このシステムにおいて、エネルギ
は広範囲に広がって配分され、非常に大きなオブチカル
・パワーを必要とするので、伝送することの出来るクロ
ック信号の数が制限される（伝送されるクロック信号は
、通常たった１つである）．Ｃ．発明が解決しようとす
る課題 従って、本発明の目的は、非常に短いサイクル・タイム
の実行を可能とし、クロック・スキューを減少し、非常
に高い性能のコンピュータ・システムを与えることにあ
る． 本発明の他の目的は、クロック信号の発生、遅延タイミ
ング及び光学的クロック信号から電気的クロック信号へ
の変換の新規な方法を使用して、高性能のコンピュータ
・システム用の光学的クロック装置を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、従来の光配分システムの困難を克
服する光学的クロック信号の配分に関する新規な装置を
提供することはある。
Ｄ．課題を解決するための手段 本発明に従って、光学的クロック信号はコンピュータ・
システム中の活動装置に直接に転送され、これにより、
受動的な伝送素子を通って電気的クロック信号の伝送か
ら発生されるスキューの問題を回避することが出来る。
本発明の光学的クロック装置は幾つかのクロック駆動装
置を省略することが出来、その結果、動作回路のスキュ
ーと同時に、クロック・スキューも減少することが出来
る．導波管による光伝送を使用することによって、結合
されるノイズの影響は大幅に減少される。良好な実施例
において、必要なクロック信号の数をＮとした場合、タ
イミング用の光パルス発生装置は、Ｎ分の１光ビーム分
割器によって、Ｎ本の光学的遅延線に等しく分割された
非常に短い光パルスを発生する。各遅延線は異なった長
さを持っており、その結果、夫々の遅延線は、光パルス
に対して異なった伝播時闇を持つことになる．クロック
の分配点の数をＭとして、Ｎ本の遅延線の各々からの光
は、Ｍ分の１の光ビーム分割器によって、Ｍ本の遅延線
に再度分割される。ＭＸＮ本の遅延線はＮ本の遅延線の
束を形成するためにグループ化され、次に、これらＭ個
の遅延線の束は、遅延された光信号が対応する電気的ク
ロック信号に変換される各モジュールに結合される． 実験的な装置において、遅延線は、前以て光ファイバの
束にグループ化されている光ファイバを使用して実施さ
れた．基板から基板へ光パルスを結合することの出来る
光ファイバ技術を使用することによって、実験的な装置
を容易に作ることが出来た．ＶＬＳ１回路及びＷ３１回
路において、遅延線は、従来の技術を使用して、シリコ
ン・ウエハ面上のガラス、またはボリマに形或された導
波管として実施することが好ましい．また、当業者であ
れば、本発明を適用する装置２応じて、他の光学的な遅
延ｉＬ！ｉＩｔｌ−利用することが出来るのは自明であ
る。
Ｅ．実施例 第１図を参照すると、タイミング用の光パルス発生装置
１０、光ファイバの配分兼タイミング装置１２及び光電
子式（オブト・エレクトロニツク）パルス変換装置１４
とを含む光学的クロック装置の模式図が示されている．
光パルスは、Ｎ分の１光ビーム分割器１６によって、Ｎ
個の独立した光ファイバ１８に同等に分割される．ここ
で、数値Ｎは、必要とするクロック信号の数である．各
光ファイバは、光パルスに対して異なった伝送時間を生
じる異なった長さを持っている．Ｎ本の光ファイバの各
々からの光パルスは、Ｍ分の１光ビーム分割器２０によ
って、Ｍ本の光ファイバに再度分割される。ここで、数
値Ｍは、クロックに配分する光ビームの配分点の数であ
る。従って、Ｎ個の光ビーム分割器が必要とされる．Ｎ
本の光ファイバからなる束をＭ個形或するためには、Ｎ
×Ｍ本の光ファイバが必要である。次に、これらのＭ個
の光ファイバの束は、１対の光ファイバからの遅延され
た光パルス信号が、対応する電気クロック信号に変換さ
れる各モジュール２２に結合される．クロック情報はモ
ジュール上のタイミング・チップに直接に配分され、且
つ不充分な伝送特性を持つ種々の受動素子を通過しない
ので、タイミング・スキューは最小限にされる６光ファ
イバの特有の高い伝播バンド幅と低い散乱とによって、
歪み及び減衰を殆ど発生することなく、非常に短い期間
の光パルスを伝送することが出来る。これは電気的伝送
線よりも秀れた特徴である。更に、これらの非常に短い
光パルスを使用する能力は、伝送ラインに依存する不確
定性や、闇値の変動による回路のスイッチング・パラメ
ータをより小さくすることによってタイミング・スキュ
ーを減少することが出来る． 非常に短いタイミング用の光パルスは、モード・ロック
・レーザーを使用することによって発生することが出来
る．このタイプのレーザーは、隣接し、同時に発振する
キャビテイ・モードの位相がロックされ、これにより周
期的で非常に短い光パルスを発生するものである．積極
的にモード・ロックした連続光波（　ｃｏｎｔｉｎｕｏ
ｕｓ　ｗａｖｅ−Ｃ　Ｗ　）レーザーは周期的な短い光
パルスの列を発生する通常の方法である．パルス期間は
レーザ媒体の利得バンド幅によって決められる．ガス・
レーザーの共通した値は、それらの利得バンド幅がドッ
プラー効果で拡げられるので、１５０ピコ秒（ｐｓ）の
範囲以内である．ネオジウムでドーブされたイットリウ
ム／アルミニウム／ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ
ーなどの固体レーザーは約１００ｐｓのパルス期間を持
っている．半導体ダイオード・レーザーは１ピコ秒、ま
たはそれ以下のモード・ロック・パルスを発生すること
が出来る．また、能動的なモード・ロックのレーザーは
、ダイ（　ｄｙｅ　）レーザーの動作で示されたような
、非常に短い光パルスを発生することが出来る．可飽和
の吸収装置によって、モード・ロックのダイ・レーザー
は数ピコ秒、またはそれ以下の短い期間の光パルスを発
生することが出来る。パルス列の期間、つまり連続する
光パルス間の間隔は、レーザー中で運動する光パルスの
時間によって決定される。従って、光パルス期間は、キ
ャビテイの有効長さを設定することによって正確に制御
することが出来る．モード・ロック・レーザー・システ
ムの他の重要な利点は、光パルスの立ち上がり時間及び
降下時間が非常に短く、高いピーク・パワーを持ち、し
かも、相対的に低い平均電力で光パルスを発生する能力
があることである．１例として挙げると、アコースト（
　ａｃｏｕｓｔｏ　）オブチカル・モード・ロック・ア
ルゴン・イオン・レーザーは、約１００ミリワットの平
均電力で、１０ワットのピークの光パルス・パワーを持
たせることが出来る．高いピークのパワーは、高性能コ
ンピュータ・システムにおいて必要な多数のクロック配
分を与えるのに絶対に必要である．高いピークのパワー
は光受信装置を簡単にすることが出来、それはまた、タ
イミング用光パルス列に与える回路ジッダを最小にする
． 非常に短い期間のパルス列を発生するために通常使用さ
れている他の方法は、利得がレーザー中に電流を周期的
に注入することによって変調される利得スイチツング半
導体ダイオード・レーザーによるものである．この方法
によって、数ピコ秒、またはそれ以下の光パルス期間を
得ることが出来る． 当業者には明らかであるように、光パルスのパワーを増
加させるために、レーザー光源の次段に光増幅器がいら
れる． レーザー・パルスは、Ｎ本の光ファイバ中に等しいエネ
ルギで分割され、且つ結合する光ビーム分割器兼結合器
１６に差し向けられる．このような光ビーム分割器は種
々の技術で作ることが出来る．これらの技術には、光フ
ァイバのビーム分割器、光学的導波管及び大きな光学素
子で構或された通常のビーム分割器がある． 光ファイバのビーム分割器は、熔融され、テーパーを付
された光ファイバや、蝕刻された光ファイバや、または
他の関連する光ファイバ技術に基づいて作ることが出来
る．熔融され、テーパーを付された光ファイバのビーム
分割器の例は第５図に示されている．このビーム分割器
は小さな断面部分を形或するため２引き延ばされた２本
の光ファイバ５１及び５２で構成されている。小さな断
面部分は共に熔着されているので、例えば光ファイバ５
１に伝播する光パルス５３は、夫々光ファイバ５１及び
５２中の２つの光パルス５４及び５５に等し〈分割され
る．上述のものの代案として、熔融され、テーパを付さ
れたビーム分割器は、光ビームの一部を分岐させるよう
設計することによって、同じ光を分割することが出来る
．導波管ビーム分割器はイオン交換ガラス、ボリマまた
は半導体を用いた種々の技術によって実行することが出
来る．導波管ビーム分割器は、分岐式ビーム分割器、結
合器及び内部全反射装置などの技術でパターン化するこ
とが出来る．第６Ａ図、第６Ｂ図及び第６Ｃ図に、導波
管ビーム分割器の例が示されている。導波管型のアプロ
ーチは装置が小型で、且つ他の光電子素子と集積するこ
とが容易であるという利点がある。従って、ＶＬＳ　１
回路、またはＷＳＩ回路において、ガラスや、ボリマ材
料の導波管が半導体チップ、または半導体ウエハの表面
上に直接に形或することが出来る．大きな光学素子は、
第７図に示したように、プリズム、ミラー及びレンズか
らビーム分割器を構或するために用いることが出来る。
この例において、入力の光ファイバ７１は、ビーム分割
器７３に差し向けられコリメートされたビームを形或す
るために、グラジエント・インデックス（　ｇｒａｄｉ
ｅｎｔ−ｉｎｄｅｘ−Ｇ　Ｒ　Ｉ　Ｎ　）レンズ７２に
結合される．ビーム分割器７３は、第２のＧＲＩＮレン
ズ７４に光の一部を通過し、且つ第３のＧＲＩＮレンズ
７５に残りの光を反射する．第２のＧＲＩＮレンズ７４
は第１の出力の光ファイバ７６に光を結合し、他方、第
３のＧＲＩＮレンズ７５は第２の出力の光ファイバ７７
に光パルスを結合する．第１図を参照すると、各光ファ
イバは異なった一定の長さを持っている。従って、光パ
ルスは幾つかの光ファイバを介して異なった伝送時間を
持っている．伝播時間の相異による光パルス間の相対的
な時間遅延は、光ファイバの長さの差に比例する．最大
の遅延時間はクロック・パルス列の期間よりも小さいこ
とが望ましいが、これは必須の要件ではない．約２０セ
ンチメートルの光ファイバは１ナノ秒の遅延を与える．
必要な遅延時間（４ナノ秒以下）は短い光ファイバで発
生することが出来、そして、コンピュータ・システム内
の間隔は相対的に短いので、マルチ・モードの光ファイ
バを使用するのが便利である．マルチ・モードの光ファ
イバを使用する利益は、多数の開札とコア・サイズのた
めに、光源及び検出器に容易に結合することが出来るこ
とである。一般に、光ファイバの間の遅延時間の精度は
、長い光ファイバが製造される時の精度によって決めら
れる．若し、一時的に、より大きな精度を必要とするな
らば、光ファイバの長さは所定の性能に応じて選ぶこと
が出来る．この処理は才ブチカル・タイム・ドメイン・
リフレクトメトリー技術（ｏｐｔｉｃａｌｔｉｍｅ　ｄ
ｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ　ｔｅｃｈｎ
ｉｑｕｅ　）を使用することによって強化することが出
来る．必要に応じて、光ファイバの遅延は、第２図に示
したような可変式の光学的遅延線を使用することによっ
て微調整を行うことが出来る．これはコリメートされた
光路を機械的に調節することによって行うことが出来る
．例えば、光ファイバの光学的遅延線は、光ファイバ２
５の出力をコリメートするＧＲＩＮレンズ２４によって
終端させることが出来る．このコリメートされたレーザ
ー・ビーム２６は、ガス状の媒体、または液状の媒体を
通って伝播して、他のＧＲＩＮレンズ２７によって収束
され、出力用の光ファイバ２８に結合される，ＧＲＩＮ
レンズの対２４、２７の闇の間隔を変化させることによ
って、遅延時間の調節を行う．媒体として空気が使用さ
れた場合、分解能は約３．３ｐｓ／ｍｓである．一般に
、遅延機構の調節は初期設定のブロシージャで行われる
が、同調の状態に応じて自動的に行うことが出来る． 次に、各遅延出力はＭ分の１光ビーム分割器兼結合器２
０に印加される．光ファイバは、Ｍ個のモジュールを形
或するために再グループ化され、各グループの光ファイ
バの束は、個々のタイミング信号を有するＮ本の光ファ
イバを持っている．次に、光ファイバの各束は、１つ、
またはそれ以上のコンビー夕の論理チップを含むパッケ
ージ素子であるコンピュータのモジュール２２上に光電
子式の光パルス・コンパータ（光受信器）１４に直接に
結合される．このようにして、光ファイバの各束は良好
に限定された光ファイバ伝送の性質によって、最少限の
タイミング・スキューで、コンピュータのタイミング用
チップに直接に光学的なタイミング信号を伝送する． 光パルス信号の配分及びタイミングは、ミラープリズム
及びレンズのような大きな光学素子を使用することによ
って達或することも出来る．光ファイバの使用は、コン
パクトで（単位長さ当り、空気よりも高い遅延によって
）、機械的に安定で、柔軟性があり（光路が視界範囲の
動作に限定されないから）、クロス・トークを最少限に
して（光ファイバの導波管内に閉じ込められているから
）信頼性が高いと言う利点を与える． 上述の装置の代案として、光学的クロック装置３６は、
個々の光ファイバの遅延４ｇ！３４が結合されている単
一のＬ分の１光ビーム分割器３２（ここで、Ｌ＝Ｎ×Ｍ
とする）によって構或することが出来る．この構或にお
いて、固有の伝送媒体の個々の光ファイバが遅延素子で
ある．このシステムは上述の構或と機能的に等価である
けれども、単一のビーム分割器を使用していることが唯
１の相異である． 受信装置において、短い期間の光パルスが電気的信号に
変換される。オブチカル・パワーが相対的に高いレベル
にあるので、光受信器は１つ、または２つの利得段を持
つ非常に単純な装置でよい．才ブチカル・パワーが充分
に大きいので、利得段のない検出器で論理レベル信号を
出力する．検出技術に使用される適当な素子は、ＰＩＮ
フォト・ダイオード、アパランシ・フォト・ダイオード
、ショットキ・バリア・ダイオード及び光導電装置を含
む． 次に、種々のタイミング・パルスが、第４図に示したト
グル回路、即ち正確にセット／リセットする双安定回路
（フリツブ・フロツブ回路）に印加される．記号Ａを付
した光受信装置４４に到着した光パルスの前縁は双安定
トグル回路４８をセットして、論理「１」出力を与える
．記号Ｂで示された光受信装置４６に到着した遅延パル
スの前縁は、トグル回路４８をリセットして、その出力
を論理ｒＯＪ状態に転じ、これにより、光の速いトリガ
・パルスを、所定のパルス期間と、デューティ・サイク
ルと、位相タイミングとを持つ電気信号の列に変換する
．このシステムは光電子式トグル、または単にオブトグ
ル（ＯＰＴＯＯＬＥ　）と称される．オブトグルは２つ
の非常に短い光パルスの到着によってトリガされるので
、変換された電気的クロック信号は低スキューの前縁及
び後縁を持っている．コンピュータ・システムにおいて
使用されるクロック信号は、通常、前縁及び後緑の両方
を使用するので、上述のことは、本発明の光学的クロッ
ク・システムの１つの利点である．オン・チップのパル
ス整形回路を使用したクロック信号を発生するために、
１つの光パルスを使用ことも可能である．１つの光パル
スを使用することの利点は、実施例のようにＮ×Ｍに分
割するのではなく、より小さく光パルスを分割して、レ
ーザーに要求されるパワーを小さくすることにある．付
言すると、半導体の集積回路の現在の処理技術は、スキ
ューを最少限に止めるほど充分に微細化されていない． Ｆ．発明の効果 本発明の光学的クロック装置は、簡単な構造で、且つ非
常に短いパルス期間と、小さなクロック・スキューとを
持つ電気的クロック信号を与える．
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を適用した光学的クロック装置を示した
模式図、第２図は本発明に従った調節可能な光学的遅延
線を示す模式図、第３図は光ビーム分割器の後に光ファ
イバ遅延線の他の構造を示した光学的クロック装置を示
す模式図、第４図は光学的クロック・パルスが電気的ク
ロック・パルスに変換されていることを示すブロック図
、第５図は本発明を実施する際は使用される光ファイバ
のビーム分割器の例を示す図、第６Ａ図、第６Ｂ図及び
第６Ｃ図は本発明を実施する際に使用される光ファイバ
のビーム分割器の他の例を示す図、第７図は本発明を実
施する際に使用される大きな光学素子のビーム分割器を
示す図である．１０・・・・タイミング用光パルス発生
装置、１２、３６・・・・光フイアパ配分兼タイミング
装置、１４・・・・光電子式光パルス変換装置、１６、
３２・・・・Ｎ分の１光ビーム分割器、１８・・・・光
学的遅延線、２０、３４・・・・Ｍ分の１光ビーム分割
器、２２・・・・モジュール、２４、２７、７２、７４
、７５・・・・レンズ、２５、２８、５１、５２・・・
・光ファイバ、４４、４６・・・・光受信装置、４８・
・・・光電子式トグル回路、７３・・・・光ビーム分割
器．ＦＩＧ．６Ａ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）所定の反復速度と期間を持つ光パルスを発生する
    タイミング用光パルス発生手段と、 異なつた過渡時間を持つ光パルスを伝搬するために、上
    記光パルス発生手段に結合された複数個の光学的時間遅
    延手段を含む受動的な光学的時間遅延線ネットワークと
    、 電気的クロック信号を発生するために、遅延された光パ
    ルスのタイミング信号を組合わせる１対の光学的時間遅
    延手段に結合された複数個の光学的・電子的トグル手段
    と、 からなる光学的クロック装置。
  2. （２）非常に短い光パルス期間を有するタイミング用光
    パルス発生装置と、 上記光パルス発生装置から光パルスを受取り、且つＮ個
    の出力に上記光パルスを等しく分割するＮ分の１光ビー
    ム分割器兼結合器と、 異なつた光パルス伝播時間の遅延を持ち、且つ上記Ｎ分
    の１光ビーム分割器兼結合器のＮ個の出力を介して光パ
    ルス発生装置に接続されているＮ本の光学的遅延線の複
    数個の束と、 上記Ｎ本の光学的遅延線の１つに接続され、且つＭ個の
    出力に等しくパルスを分割するＮ個のＭ分の１光ビーム
    分割器兼結合器と、 上記Ｍ分の１光ビーム分割器の出力に結合されたＮ×Ｍ
    本の光学的遅延線と、 クロック・パルスを必要とするモジュールに直接に接続
    される光受信手段であつて、所定のパルス期間、デュー
    ティ・サイクル及び最小限のスキューの位相タイミング
    を持つ電気的クロック・パルスに上記光パルスを変換す
    るために、上記Ｍ×Ｎ本の光学的遅延線に接続された複
    数個の光受信手段と、 とからなる光学的クロック装置。
  3. （３）非常に短い光パルス期間を有するタイミング用光
    パルス発生装置と、 上記光パルス発生装置から光パルスを受取り、且つＬ個
    の出力に上記光パルスを等しく分割するＬ分の１光ビー
    ム分割器兼結合器と、 夫々が異なつた光パルス伝播時間の遅延を持ち、且つ上
    記Ｌ分の１光ビーム分割器兼結合器のＮ個の出力を介し
    て上記光パルス発生装置に接続されている複数個のＬ本
    の光学的遅延線と、 クロック・パルスを必要とするモジュールに直接に接続
    される光受信手段であつて、所定のパルス期間、デュー
    ティ・サイクル及び最小限のスキューの位相タイミング
    を有する電気的クロック・パルスに上記光パルスを変換
    するために、上記Ｌ本の遅延線に接続された複数個の光
    受信手段と、とからなる光学的クロック装置。
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