JPH07109466B2 - 光導波路を用いた情報処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は接続用の光学導波路を備
えた情報処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路における微細化技術はこ
の１０年間に情報処理装置のスピードと容量を劇的に増
大させた。しかしこの進歩もモノリシック回路の内部接
続の問題のためテンポが遅くなりつつある。たとえばト
ランジスタのような能動部品の小型化はその表面の半分
以上を金属の接続線路によって占められる状況をもたら
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なく光
導波路の利用が必要である。

【０００３】この技術に関する公知文献としては、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）、光導波路同士または
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、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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの技術
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線路を単純化することはま
だ実現していない。

【０００５】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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、２次元状に広
がり分配手段となる平面的光導波路を形成する部分と、
前記平面的光導波路上に２次元的に配置され前記光導波
路へ光信号を流す複数の光源及び前記光導波路から光信
号を抜き出す複数の光検出器と、分配手段中の光信号を
処理するために光信号の入出力部を備えた複数のサブシ
ステムと、これらサブシステムの入力部に結合する光検
出器と、同じくこれらサブシステムの出力部に結合する
光源とを備えたことを特徴とする情報処理装置であり、
平面の主表面部をもつ支持手段と、この表面上に分配手
段となる光学導波路を構成する手段と、前記分配手段上
に２次元的に配置されこの分配手段を経由して互いに光
学的結合に適応している複数の画像素子を備えた情報処
理装置である。

【０００７】

【実施例】本発明の実施例を図面によって説明する。図
１（ａ）と図１（ｂ）は本発明の情報処理装置が形成さ
れる多層ウエハー１０の詳細を示す。このウエハー１０
は円形で直径が数インチであり、図１（ｂ）のように多
層構造になっている。またこのウエハーはウエハーを力
学的に支え適切な材料からできた厚い基板層１２を備え
ている。基板層１２の上には内部接続されるさまざまな
サブシステムを備えた層１４が形成されている。サブシ
ステムは個々のチップ１５である。個々のチップは層１
４中に２次元的に配置され、とくに図２（ａ）のように
全面に効率的に配置される。さまざまなチップのパワー
と接地のバスは基板１２上の金属導体パターン（図示せ
ず）により与えられる。これらの導体は信号電流でなく
パワー電流を送るので、非常に単純なパターンである。
層１４の上にはさまざまなサブシステムとの間の光学的
通信に用いられる光源１６Ａと光検出器１６Ｂを備えた
層１６が形成される。これらの素子については後に説明
する。

【０００８】層１６上には平面的な光導波路となる層１
８が形成される。この層１８はサブシステム間の通信の
ため光源と光検出器により共用される伝達媒体となる。
この層１８は光が平面の内部を伝わるようにデザインさ
れる。この光導波路は面の垂直方面に１以上の光学モー
ド（円筒上導波路のシングルとマルチモードに相当す
る。）を保持するようデザインされる。光波は地表に沿
って電波が伝わるように平面内を伝ぱんする。光学信号
は平面的導波路中を全方向的にどの点でも結合し光検出
器のような受信素子のすべてに伝ぱんする。

【０００９】導波路層１８はパターン化されず、シリカ
または伝ぱんロスを小さくするために適当なワイドバン
ドギャップの半導体が層１６上に形成される。定在波を
避けるため、ウエハーのエッジは無反射加工され、入射
光は吸収される。光源から導波路に入った光のカップリ
ングは導波路中のパーターベイションを用いて十分にな
される。平面光源波路は最初に支持基板上に形成され、
光源と光検出器を含む層と、サブシステムを含む層が順
番に光導波路上に配置される。サブシステムと光源と光
検出器に電力を供給する導体はサブシステム層の上の層
に形成される。

【００１０】図２（ａ）はウエハー１０内のサブシステ
ム１５の典型的な配列パターンである。サブシステムは
メモリーチップやマルチプロセッサーチップや他の回路
のようなものである。サブシステムは互いに電気的には
適切に分離されたシリコンウエハーの個別の部分として
統合される。

【００１１】図２（ｂ）はサブシステムチップ１５とそ
の光源、光検出器の拡大図である。光源１６（たとえば
ＬＥＤ）はサブシステムの中心部の点光源であり、光検
出器は光源をとりかこむ円形をしている。

【００１２】通常光源は点光源として隣接する光導波路
へ光を導入し、この光はすべての受信素子に伝ぱんす
る。ある場合には平面導波路中で伝ぱん方向をコントロ
ールするために光をカップルされることが望ましい。た
とえばウエハーエッジ部に沿って配列された光源からの
光の伝ぱんを入射光が吸収のため弱くなってしまうウエ
ハーエッジ部方向に制限することが望ましいかもしれな
い。現在では光源や光検出器は個別部品として作られ、
層内に個々の素子として配置されている。将来はサブシ
ステムや光源や光検出器がシリコンやＧａＡｓ単結層中
に作り込まれると考えられる。さらに各層は他の層上に
エピタキシャル成長されると考えられる。

【００１３】伝達パワーを決定する主な要因は幾何学的
形状、伝ぱんロス、導波路と光検出器とのカップリング
力である。光点源からの２次元的な伝ぱんにおいて、受
信信号の強さは光源からの距離Ｌにおいて光検出器に対
する角度Θに比例する。受信信号の強さは１／Ｌに従っ
て低下する。光検出器の径ｄ、ウエハーの直径Ｄとした
とき、最小角はΘ_{m i n} 〜ｄ／Ｄである。４インチのウ
エハー上において点源から最大距離において１ｍｍの直
径の光検出器では２５ｄＢの伝ぱんロスが生じる。とら
えられる光の量と信号の強さは光の方向に線状に配列さ
れた光検出器に依存する。一方、光検出器の容量はその
面積に依存する。光検出器の幾何学的配置はリング状や
「Ｘ」状などの最小面積であることが適当である。同様
に光検出器は他の光検出器をさえぎるのを防ぐため導波
路と弱くカップルしていなければならない。よくデザイ
ンされた導波路では、伝ぱんロスは光源から光検出器ま
での経路に沿って配置された他の光検出器による信号の
吸収により支配される。たとえば光源と光検出器が最大
限に離れているときたとえばウエハーの径の反対のサイ
ドに配置され、その間にｎ個の素子があるとき、信号は
ウエハーを横切には（ｎ−１）個（およそＤ／ｄ個）の
光検出器を通過する。もし光検出器を通過する光がＣ
（ただしＣ＜１）だけ吸収されるように導波路と検出器
との間のカップリングを調整すると、ｎ番目の光検出器
に到達する伝ぱん光は（１−Ｃ）ⁿ となる。ｎ番目の素
子へのカップリングも同様にＣなので検出信号はＣ（１
−Ｃ）ⁿ に比例する。最後の光検出器における信号を最
大にするカップリングの強さはＣ＝１／ｎとなる。

【００１４】そこで検出器は Ｐ_det ＝Ｐ_trans （Θ／２π）（１／ｎ）（１−１／ｎ）ⁿ となる。ｎが大きいと、最後の項（１−１／ｎ）ⁿ は１
／ｅとなり、最小の検出パワーは Ｐ _det ＝Ｐ _trans （ｄ／Ｄ）２／（２πｅ） となる。ここで考えた幾何学的配置を考慮するとこれは Ｐ_det ＝（Ｐ_trans ／８ｅ）（１／Ｎ） である。トランスミッターに近い光検出器は強い信号を
受ける。最大の受信信号は Ｐ_det ＝（Ｐ_trans ／２π）（１／Ｎ）^1/2 で与えられ、ダイナミックレンジ（最大と最小の信号強
度比）は受信部においてＲ＝（４ｅ／π）Ｎ^1/2 とな
る。

【００１５】具体的には前述のウエハーは画像素子のア
レイとして動作するように調整され得る。この場合処理
されるべき情報はウエハー表面に投影される光学的パタ
ーンまたはイメージとして用意され、これが所定のサブ
システムに結合している光検出器を刺激し、それらのサ
ブシステムに入力信号を与える。所定のサブシステムで
の処理の後処理された信号はそのサブシステムに結合し
たＬＥＤを介して共有の導波路に導入され、その後、光
検出器を通って他のサブシステムに伝ぱんされる。さら
に処理が終了した後、出力情報信号はウエハー外へ電気
信号またはＬＥＤアレイによる光学パタンとして伝達さ
れる。処理された結果とり出された情報のイメージは次
の段階への入力情報イメージとして利用される。

【００１６】図３はこのような装置３０を示す。これは
支持部材３１とその上に構成される。すでに説明した平
面状導波路３２を備えている。この導波路３２の上に層
３２があり、この層３２は光源３３Ａと光検出器３３Ｂ
を含んでいる。またこれらの光源と光検出器は層３４中
の半導体チップ３４Ａにより形成されるサブシステムと
結合している。原情報の光学イメージは一群の入力光検
出器３５Ｂを刺激し、これらからの電気出力は他のサブ
システム３４Ａへ入力される。さらにこれらの電気出力
は層３３中の光源３３Ａへの入力として用いられる。こ
の光源は、共用伝達媒体である導波路３２へ光学パルス
を供給する。さらにこれらの光学パルスはサブシステム
３４Ａにおいて利用されるため所定の光検出器３３Ｂに
より捕捉される。処理後、サブシステムは所定の光源３
５Ａ（表面にある）を刺激するのに用いられる。これに
よって表面に処理後の画像素子パターンが形成される。
具体的は最上表面は処理されるべき入力光学パターンを
受信すると共に、処理後の光学パターンを表示、提供す
るのにも用いられる。

【００１７】図４に他の実施例である。入力光学パター
ンと出力光学パターンは互いに反対側の面にある。この
場合中間層４０は支持基板として用いられ、また共用導
波媒体として利用される。層４０の一方の表面に隣接し
て層４２が形成され、この層には前述の光源４２Ａと光
検出器４２Ｂが含まれている。層４２の上に層４４が形
成される。この層４４には前述のとおりに動作するサブ
システム４４Ａが配置されている。この層４４の上に層
４６が形成され、層４６には光検出器４６Ａが結合して
いる。これらは入力光学情報パターンを検知し、対応す
る電気信号をサブシステム４４Ａに入力として供給す
る。

【００１８】層４０の反対側の面には層４８が形成さ
れ、この層４８には光検出器４８が含まれている。これ
らは処理された光学パターンを抜き出すために使用さ
れ、また隣接層５０中に結合されているサブシステム５
０Ａに電気信号を供給するためにも利用され得る。これ
らのサブシステムはさらに電気信号を処理し、増幅され
て光源５２Ａ（出力光学パターンを与える表面層５２に
結合している）を刺激することになる。層５０と５２は
主として誘電体層である。

【００１９】さらに他の構成も可能である。さらなる処
理が必要な場合は、層５０はサブシステム５０Ａ間の光
学的カップリングを与えるために（層４２のように）光
源と共に提供され得る。また、サブシステムの機能の選
択により広い応用が可能である。同様に光導波路は応用
に応じて空間分割された個別の部分に分割される。個々
の部分はいずれも共用の媒体として働き、結合されたサ
ブシステムを含んでいる。

【００２０】他の例では共通支持部の上にいくつかの光
導波路層を積層して空間分割多重通信をなし得る。個々
のサブシステムの光源は１以上の所定の層に光学信号情
報を導入するために用いられ、所定の層に結合した特定
のサブシステムの光検知器と通信が行なわれる。また周
波数分割多重通信も可能であることは明らかである。す
なわち、別のサブシステムの光源が異なる波長の光を共
用導波媒体に導入し、特定波長領域を受信するように調
整された特定のサブシステムと通信する。

【００２１】さらに、多数の積層光導波路層を用いる空
間分割多重通信と多数の異なる波長で動作する光源と光
検知器を用いる周波数分割多重通信とを結合させること
もできる。周波数分割多重通信は異なる波長の光を出す
個々の光源を持つことによっても、また与えられた光源
し波長を異なる波長間でスイッチングすることによって
も行ない得る。このような装置には光源として波長コン
トロールを行ない易いのでインジェクションダイオード
レーザを用いるのがよい。インジェクションダイオード
レーザは初めに記載した構成にも利用される。レーザが
光源として利用される場合にはレーザの周波数または位
相変調として伝ぱんする情報を導入しやすい。これは選
択的に希望するサブシステムに信号を伝達するアプロー
チを与えるものである。異なる変調バンドは適当なバン
ドを受信し得るように調整された異なるサブバンドに伝
達するのに供され得る。

【００２２】

【発明の効果】本発明は単純な構造の内部接続を維持し
ながら、高集積かつ複雑な機能が可能であり、高速大容
量の情報処理が可能となる。

【００２３】本発明はウェハー内のサブシステム間の入
出力信号を光信号で接続するための光導波路を有する情
報処理装置である。通常のＩＣでは高集積化すると配線
部の面積の割合が大きくなり集積化が難しくなるが、本
発明では簡単な構造の光導波路が情報分配手段であるた
め容易に高集積化でき、しかも光信号の特徴を活かして
高速大容量の処理ができる。更に高集積化する際多層に
する場合でも、通常のＩＣ回路では縦方向をつなぐスル
ーホールの配線が必要となり高集積化の妨げになるが、
本発明では光導波路の層を入れるだけでよいので、この
点においても優れている。またサブシステムは用途に応
じて必要な機能を持つデバイス、回路等を採用でき、例
えばメモリーチップ、マルチプロセッサチップや互いに
電気的に適切に切り離されたシリコンＩＣの個別部分か
らなるものである。従って本発明は、メモリに応用すれ
ば高集積かつ高速処理可能なメモリとなるし、サブシス
テムに論理回路を用いれば高速の情報処理ができる。ま
た空間分割多重通信や波長多重通信に応用すれば、広帯
域でのサブシステム間の光通信や光情報処理ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平面的光導波路により内部接続したサブシステ
ムのアレイが結合している多層ウエハーの断面図と拡大
図である。

【図２】ウエハー上のサブシステムの配列と光源および
光検知器の例を示す図である。

【図３】ウエハーの断面の例を示す図である。

【図４】ウエハーの断面の例を示す図である。

【符号の説明】

１０ ウエハー １５ サブシステム １６Ａ 光源 １６Ｂ 光検出器

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元状に広がり分配手段となる平面的
   光導波路を形成する部分と、前記平面的光導波路上に２
   次元的に配置され前記光導波路へ光信号を流す複数の光
   源及び前記光導波路から光信号を抜き出す複数の光検出
   器と、分配手段中の光信号を処理するために光信号の入
   出力部を備えた複数のサブシステムと、これらサブシス
   テムの入力部に結合する光検出器と、同じくこれらサブ
   システムの出力部に結合する光源とを備えたことを特徴
   とする情報処理装置。
2. 【請求項２】 複数のサブシステムは分配手段を経由し
   て光学的に結合している複数の半導体集積回路を含むも
   のである請求項１記載の情報処理装置。
3. 【請求項３】 光源と光検出器は並んで配置され平面的
   光導波路と結合し、光検出器はすべてどの光源から導波
   路に導入された光であってもその平面的光導波路から捕
   捉することができる請求項１記載の情報処理装置。
4. 【請求項４】 サブシステムは集積回路チップと平面的
   光導波路への光検出器のカップリングであり、平面的光
   導波路へ照射される光は光検出器に捕捉され、その量は
   前記集積回路チップの動作に十分な量である請求項３記
   載の情報処理装置。
5. 【請求項５】 光源のうちのいくつかは対応する光検出
   器と選択的に通信を行なうために異なる波長で動作する
   ものである請求項１に記載の情報処理装置。
6. 【請求項６】 平面的光導波路を含む層と、光源と光検
   出器を含む層と、複数のサブシステムを含む層とが隣接
   して積層された構成を備えている請求項１に記載の情報
   処理装置。
7. 【請求項７】 光源は光学パルスを照射し、この光学パ
   ルスはこれを向けようとするどのサブシステムのアドレ
   スをも含んでおり、またどのサブシステムも前記光学パ
   ルスを受けるのに適応している請求項１に記載の情報処
   理装置。
8. 【請求項８】 サブシステムによる処理のため光学信号
   情報の入力パターンを受けるために複数のサブシステム
   に結合する光検出器の入力アレイと、サブシステムによ
   る処理の後出力信号情報の光学パターンを出すための複
   数のサブシステムと結合する光源の出力アレイを備えた
   請求項１に記載の情報処理装置。
9. 【請求項９】 平面の主表面部をもつ支持手段と、この
   表面上に分配手段となる光学導波路を構成する手段と、
   前記分配手段上に２次元的に配置されこの分配手段を経
   由して互いに光学的結合に適応している複数の画像素子
   を備えた情報処理装置。
10. 【請求項１０】 処理される情報信号は複数の画像素子
    のうちの入力画像素子へ電気信号の形態で供給され、処
    理された情報信号は前記複数の画像素子のうちの出力画
    像素子から電気信号の形態で取り出され、処理の間は情
    報信号は分配手段を経由して光学信号の形態で複数の画
    像素子間を転送される請求項９に記載の情報処理装置。
11. 【請求項１１】 支持手段上に別々に積層された複数の
    平面的光導波手段を備え、複数の光源手段と複数の光検
    出手段は前記複数の平面的光導波手段のうちの一つを経
    由して互いに通信する第一のグループと別の平面的光導
    波手段を経由して互いに通信する第二のグループを備え
    ている請求項１に記載の情報処理装置。