JPH0642527B2

JPH0642527B2 - 光導波路を用いた情報処理装置

Info

Publication number: JPH0642527B2
Application number: JP2269816A
Authority: JP
Inventors: リチャード・エイ・リンケ
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-10-10
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: US5191219A; JPH03129759A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光導波路を利用した情報処理装置に関する。

（従来の技術）半導体集積回路の微細化は、この10年間情報処理装置の
容量とスピードを劇的に向上させてきた。しかしこの進
歩はモノリシック回路同士の接続という問題のためスロ
ーダウンしている。たとえばトランジスタのような能動
部品の小型化は表面の半分以上を金属の接続線路によっ
て占められるという状況をもたらした。また、トランジ
スタの入力容量が十分小さくなってきたので、前記線路
の容量が回路の応答を遅らせる主要なリアクタンスとな
っている。これらを解決するための方法として、光学的
接続の利用が検討されている。これらの光学的接続のた
めには従来の電線ではなく光導波路の利用が必要であ
る。

この技術に関する公知分文献としては、光導波路のバス
によって接続された集積回路に関する発明（米国特許第
4422088号）、光導波路同士又は光導波路と光学媒体と
の接続に関する発明（米国特許第4789214号、第4708423
号）などがあり、また英国特許第2113912A号では光源層
と光検知層とが積層された集積回路が開示されている。

しかし、これらは後に示す本発明の構成とは全く異なる
ものである。

（発明が解決しようとする課題）しかし、この技術は電気的接続に比べて原理的に優れて
いるが、多数の能動素子を備えた回路に必要な複雑な線
路を単純化することはまだ実現していない。

本発明は複雑な光線路パターンを必要としない光信号の
接続構造を提供するものである。

（課題を解決するための手段）情報処理装置の高速大容量化のために、光信号を用いた
インターコネクションを提供する。通常のICで集積度が
増すに連れて配線パターンが複雑となるインターコネク
ションに、プレーナ形光導波路を使うことにより、簡略
化できその容量も低減できる。

本発明の特徴はサブシステムの入力と出力間に非選択的
に広がるプレーナ型光導波路にある。この光導波路はい
ろんなサブシステム間に結び付ける、情報信号のための
分配手段または共通のバスとして機能する。時間分割、
周波数分割のいずれの動作でも、選ばれたサブシステム
は情報をできるならディジタル光通信のパケット形で、
出力端子から分配手段のプレーナ光ガイドに伝送する。
この信号はサブシステムの入力端子で適当なモードで順
に取り出され、処理された後再び分配手段に戻され伝送
され、他のシステムで処理されていく。

広められた情報は伝送システムから適切な受信システム
に選択的に伝えられる。その方法は光パルスのパケット
の中にアドレスを入れるか、いろんなサブシステムの伝
送または受信モードの同期を電気で制御する適当なクロ
ックパルスを用いた制御システムによるか、あるいはパ
ルスを受け取るよう選別されたサブシステムを選択的に
励起する伝送光パルスの波長による。

この種の装置では信号を他のサブシステムに送るため
に、各サブシステムは共通の導波路に光信号を送る適当
な光源を備えている。また他のサブシステムからの導波
路の信号を受け取る各サブシステムは、共通の導波路か
ら処理するためにそこにアドレスされた光信号を取り出
す適当な受信機を備えている。

装置の一例として、処理されるオリジナルの情報は、分
配手段を持つ最初または入力のサブシステムへは電気信
号で入り、分配手段を持つ最後または出力のサブシステ
ムから電気信号で取り出される。

あるいは別の例として、オリジナルの情報は分配手段を
持つ複数のサブシステムの入力として働く１個かそれ以
上のフォトダイオードから光信号として入る。装置から
の出力は分配手段を利用する選ばれたサブシステムによ
り発光ダイオードの光信号として、あるいは電気信号と
して取り出される。

この発明は含まれるサブシステムの適当な選び方によ
り、非常に多くの種類の信号処理装置に応用できる。

一つの見方では、発明の情報処理装置は共通の支持台ま
たは基板の上に作られ、分配手段または共通のバスとし
て光導波路を用い、種々のサブシステムを結合するため
に複数の発光素子と受光素子を利用する。ミニチュアの
ローカルエリアネットワーク（LAN）と見ることができ
る。その発光、受光素子はLANの異なるボートに結び付
けられたステイションと見なせる。

（実施例）本発明の実施例を図面によって説明する。第１図は本発
明の情報処理装置100の上面図である。これはウエハー1
0（直径数インチ）からなり、その断面図（第２図）に
示されるとおり多層構造になっている。

ウエハー10は基板部分12と、14,16,18,20の薄層からな
っている。基板12は機械的支持体となるように適当な材
料と厚さになっており、基板はGaAs単結晶でそのうえに
層14,16,18,20がエピタキシャル成長される。基板は他
にはシリコン、サファイア、ゲルマニウム、インジウム
リンでもよい。層12は10mm厚のGaAsで、入射した光パル
スを光学媒質の中に閉じ込めるよう設計されている。光
パルスはあらゆる方向に層14の長さを伝搬する。必要な
ら層の中に過度に個々の光パルスが残らないように層14
のエッジを無反射にできる。この光導波路層を十分厚く
できれば独立の基板は不要である。

層14の上に層16が積層されている。16は層14の中を動く
光シグナルを導入したり抽出する色々な発光素子と検出
器を備える。第３図に16の詳細を示す。光源16Aと検出
器16Bは16に散在する。各光源16Aは導波路14に光を照射
し、光が14の中の放射状に散乱されるように配置され、
光検出器16Bは入射した光を確実に検出するために導波
路14と効率よく結合するように配置されている。通常光
源16Aは点光源として働く。ある場合には導波路層14で
の伝送する方向制御できるように光を導入することが望
まれる。

典型的には、光源は、GaAs又はAlGaAs又はAlGaInP発光
ダイオード（LED）やレーザーダイオード（LD）で光検
出器はGaAs又はInGaAsフォトダイオード（PD）である。
しかし他の形態でもよい。例えば基板をインジウムリン
（InP）とした場合には発光素子にはInGaAsPLEDやLDを
光検出器にはInGaAsPDやAPDを用いることができる。一
般に各発光素子の発光波長は大きな損失無しに導波され
る値に選ばれ、光検出器はそのサブシステムに結合する
発光素子の波長に感度があるように選択される。周波数
あるいは波長多重システムでは異なる波長の発光素子が
用いられ、光検出器は特定の光源のエネルギーを選択し
て取り出す。インターコネクションで結び付いた各サブ
システムが少なくとも各１個を含むようにLEDと光検出
器は配置されるが、分配手段に信号を入れるだけのサブ
システムはフォトデイテクタは必要なく、信号を取り出
すだけのものはLEDは必要ない。

発光素子16Aと光検出器16Bは低ドープのGaAsエピ層に局
所的にイオン注入して作られる。

層18は16の上に形成され、所望の情報処理をするように
結び付けられるいろいろなサブシステム18Aを含む。そ
れぞれのサブシステムは特定の機能の集積回路（IC）を
含む。例えばマイクロプロセッサ、メモリーアレイ、DR
AM,ROM,EPROM,SRAMのどれか。サブシステムは光源16Aに
入力を与える１つ以上の信号出力端子19Aを備え、光検
出器16Bの出力端子から供給される１つ以上の入力端子1
9Bを備えている。

現在の技術ではサブシステム18Aは個々のチップであ
り、典型例はよく知られたシリコンであり、適当な受動
材料の層に取り入れられる。または18は高抵抗のGaAsエ
ピタキシャル層でその中にいろいろなサブシステム18A
が作られる。18の上の20は電極20Aを含む、20Aは駆動電
源と18Aの適切な同期を制御するために必要なクロック
パルスを供給するために使われる。電極20Aは層20の中
に形成された金属面である。層20はサブシステムを構成
する回路の表面と金属面の絶縁を保つために誘電体層で
あればよい。

動作上、ウエハー10はミニLANに似ている。光導波路14
は全てのサブシステム18Aが結びついた共有の伝送手段
として働く。どのサブシステムも適当なアドレスをもつ
光シグナルを送って他のサブシステムと直接通信でき
る。20中の電極による電気信号としてサブシステムに供
給される。クロックパルスまたは光パルスの波長によっ
て２つのサブシステム間の通信が制御できる。

別の実施例てして、画素のアレイとして動作するように
変形されうる。情報はイメージまたは光のパターンであ
り、ウエハー上に射影され選択された光検出器を励起し
サブシステムに入力信号を与える。所定のサブシステム
で処理された信号はLEDで共有の導波路に送られ、更に
他のサブシステムにフォトディテクタによって伝送され
る。そして処理が完了したら出力情報は電気信号または
LEDアレイにより光のパターンとしてウエハー外に送ら
れる。その出力情報イメージは次の処理のため同様の形
で、続くステージの入力となる。

第４図はその具体例である。ここでは図を単純にするた
めに19A,19B,20Aは省略してある。層28は１セットの出
力用発光素子28Aと１セットの入力用光検出器28Bを備え
る。

最初の光学イメージ情報は入力光検出器28Bのセットに
検知され、28Bの電気出力はいろいろなサブシステム18A
に入力する。次にこれら18Aの電気出力は16層中の光源
への入力となる。これらの光源は共有の導波路となる14
層に光パルスを、供給する。またこれらの光パルスはサ
ブシステム18Aにつながるいくつかの光検出器によって
も検知される。これらの処理後、サブシステム18Aはそ
の表面において所定の光源28Aを光らせ、これによって
処理後の画素パターンを表面に形成できる。ここではウ
エハの上面は入力の光パターンの受取り、プロセス後の
出力の送りの両方に使われる。

第５図は別の実施例で光パターンの入力と出力が向かい
合う表面で行われる。中間層40は支持体であると共に、
共有する導波路材（分配手段）として働く。層42は層40
の片面に隣接する。42は前述の役割をする発光源42Aと
光検出器42Bを含む。42の上の層44は前述の機能のサブ
システム44Aからなる。その上の層46は、入力の光情報
パターンを検出し、サブシステム44Aへの入力電気信号
を与える光検出器46Aを含む。

層40の別の片面には光検出器48Aを有する層48が形成さ
れている。48Aは処理された光パターンを取り出し、隣
接層50のサブシステムへ電気信号を送る。このサブシス
テムは電気信号を増幅するなど、更に処理し、層52の光
源52Aを励起し、出力の光パターンを与る。層50,52はパ
ッシブな誘電材料である。

多くの変形例が可能である。例えば層50はサブシステム
50A間の光結合をする光源を備える。またサブシステム
の機能を適当に選択することでたくさんの応用が考えら
れる。更に光導波路は分離することもできる。各導波路
は複数のサブシステムを有する、複数のグループの１つ
のための、空間的に分離した分配手段として機能する。

ある例では、共通の支持体の上に複数の光導波路を積層
して空間分離多重を行うことができる。個々のサブシス
テムの発光ダイオードは選択された層に光信号を送り、
その層に結合した特定のサブシステムのフォトダイオー
ドと通信する。このようにしてサブシステム間のコミュ
ニケーションが制御される。また異なるサブシステムの
LEDの共通の導波路に異なる波長の光を送り、その中の
特定の波長を受け取る特定のサブシステムのフォトダイ
オードと通信することによって周波数分割多重ができ
る。

更に複数の異なる波長で動作するLEDとPDを用いる周波
数多重に、複数の積層された光導波路を用いて、空間分
離多重を組み合わせることも可能である。また周波数多
重は異なる波長のLEDを用いても、あるいは異なる波長
間をLEDの波長をスイッチすることも達成できる。その
場合発光素子（光源）に半導体レーザを用いると波長制
御が良いという利点がある。

LDを用いるとレーザ光の周波数または位相変調で情報を
伝送するのが可能となる。これにより所定のサブシステ
ムに情報を選択的に伝送する別の方法が可能となる。異
なる変調帯域を使って適当なバンドを受信するよう同調
された異なるサブシステムに伝送できる。

（発明の効果）本発明の情報処理装置は、集積度が増しても単純な構造
のインターコネクションを維持できるので高速大容量化
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のウエハ平面図、第２図は同
断面図、第３図はウエハ断面を示す拡大図、第4,5図は
本発明の他の実施例のウエハ平面図である。図中の符号は、10…ウエハ、100…情報処理装置、12…
基板、14…光導波層、16…エピタキシャル層、16A…光
源、16B…光検出器、18…様々なサブシステムを形成す
る層、18A…様々なサブシステム、19A…出力端子、19B
…入力端子、20A…電極、28A…出力光源、28B…入力用
光検出器、40…中間層、42A,52A…光源、42B,46A,48A…
光検出器、44A,50A…サブシステム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、その基板表面上に設けられ分配手
段として機能する少なくとも１つのプレーナ光導波路
と、前記分配手段から信号光を抽出し、または前記分配
手段に導くために前記分配手段と隣接した層にそれぞれ
設けられた複数の光源および光検出器と、その光源と光
検出器とに接続し分配手段中の光情報を処理するための
複数のサブシステムとを備えたことを特徴とする光導波
路を用いた情報処理装置。
【請求項２】請求項１記載の情報処理装置において、光
源は発光ダイオードであり、光検出器はフォトダイオー
ドであることを特徴とする光導波路を用いた情報処理装
置。
【請求項３】請求項１記載の情報処理装置において、サ
ブシステムは、前記光源や光検出器を含む層に隣接した
層に設けられたICチップであることを特徴とする光導波
路を用いた情報処理装置。
【請求項４】請求項１記載の情報処理装置において、サ
ブシステムは入力端子と出力端子を有するICチップであ
り、入力端子は光検出器の出力と接続され、出力端子は
光源と接続されていることを特徴とする光導波路を用い
た情報処理装置。
【請求項５】請求項１記載の情報処理装置において、サ
ブシステムはマイクロプロセッサやメモリアレイを含
み、これらマイクロプロセッサやメモリアレイは前記分
配手段によって光学的に互いに接続されていることを特
徴とする光導波路を用いた情報処理装置。
【請求項６】請求項１記載の情報処理装置において、サ
ブシステムは共通の電源と制御装置に電気的に接続され
ていることを特徴とする光導波路を用いた情報処理装
置。
【請求項７】請求項１記載の情報処理装置において、前
記光源と光検出器のおのおのに共有の単一のプレーナ光
導波路を有することを特徴とする光導波路を用いた情報
処理装置。
【請求項８】請求項７記載の情報処理装置において、異
なる波長を受信する複数の光検出手段を選択して通信す
るために、異なる波長を出射する複数の光源を備えたこ
とを特徴とする光導波路を用いた情報処理装置。
【請求項９】請求項１記載の情報処理装置において、基
板上に複数のプレーナ導波路が積層されており、複数の
光源と複数の光検出器は、複数の導波路のうちの１つに
よって他の光源や光検出器と通信する第一の組と、複数
の導波路のうちの他の１つによって他の光源や光検出器
と通信する第二の組とを少なくとも含むことを特徴とす
る光導波路を用いた情報処理装置。
【請求項１０】請求項９記載の情報処理装置において、
光源の第一の組と第二の組は異なる波長を出射すること
を特徴とする光導波路を用いた情報処理装置。
【請求項１１】分配手段として機能する光導波路を平面
上に形成する基板と、前記分配手段上に間隔をあけて配
置された複数の画素であって、前記分配手段によって他
の画素と互いに光学的に結合される画素を備えたことを
特徴とする光導波路を用いた情報処理装置。
【請求項１２】請求項11記載の情報処理装置において、
処理される情報信号は初めに電気信号で複数画素の入力
画素に与えられ、処理された情報信号は複数の画素の出
力画素から電気信号で抽出され、処理中、情報信号は光
信号として分配手段によって複数の画素間を転送される
ことを特徴とする光導波路を用いた情報処理装置。