JP4271239B2

JP4271239B2 - レーザ誘導光配線装置

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Publication number: JP4271239B2
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Inventors: 英人古山
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Description

本発明は、ＬＳＩチップ等の配線を光で行うオンチップ光配線技術に係り、特に光配線をレーザ共振器によるデジタル的な動作で実現したレーザ誘導光配線装置に関する。

バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。ところが、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、これがＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。

このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている（例えば、特許文献１参照）。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため、数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。

しかしながら、特許文献１のような従来技術は、莫大な数の配線を必要とするＬＳＩに適用するには再現性や信頼性が桁違いに低いという問題があった。例えば、ＬＳＩ配線の最上層（グローバル配線）だけに光を適用する場合を想定しても、１つのＬＳＩチップで数１００本以上の配線を搭載することも珍しくない。これは即ち、ＬＳＩが動作するだけでも数１００本以上の光配線を１本の不良も無く動作させることが必要であり、ＬＳＩの製造歩留まりまで考えると数万本〜数十万本の光配線を製作して、配線不良を皆無にするだけの再現性と信頼性が必要ということを意味する。従って、ＬＳＩ用の光配線は個々の配線距離は短いものの再現性や信頼性が極めて高い必要があり、そのために構成が極めてシンプルであることと、高密度集積のため極限的小型化が達成可能なことが必要となる。

従来の光配線は、基本的に発光素子、光導波路、受光素子が必須の要素となっており、これらの要素は動作原理、材料、構造、加工技術などが異なり、実現のために種々の材料と加工技術を複雑に組み合わせていく必要があった。また、発光素子技術、光導波路技術、受光素子技術の他、これらを効率良く光接続する光結合技術、光伝送レベル設計などの周辺技術まで多岐に渡る技術を集大成していく必要があり、その実現が極めて困難であった。

このように従来の光配線では、構成要素が複雑化しやすく、用いる材料も多岐に渡ってしまうため、特性の安定性や再現性に問題を生じ易く、また配線の小型化が難しいなど、ＬＳＩ配線への適用に不適格な要素が非常に多いという問題があった。
特開平６−１３２５１６号公報

本発明の目的は、ＬＳＩチップ上の配線に適用することができ、特性再現性や信頼性の高いオンチップのレーザ誘導光配線装置を提供することにある。

本発明の一態様に係わるレーザ誘導光配線装置は、基板上にループ状光導波路からなるリング光共振器を設け、前記ループ状光導波路の途中の少なくとも１つの光利得部と１つの光スイッチを互いに離間して設け、前記光利得部を励起して前記リング光共振器と前記光利得部からなるレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光スイッチを動作させて前記リング光共振器の光経路損失を切り替えることにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を前記基板の前記光スイッチ以外の場所で検出して出力信号を得ることを特徴とする。

また、本発明の別の一態様に係わるレーザ誘導光配線装置は、基板上にループ状光導波路からなるリング光共振器を設け、前記ループ状光導波路の途中に少なくとも２つの光利得部を互いに離間して設け、前記各光利得部を励起して前記リング光共振器と前記光利得部からなるレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記各光利得部の少なくとも１つを利得変化させて前記リング光共振器の光経路利得を切り替えることにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、該レーザ発振状態の変化を前記各光利得部のうちの前記利得変化させたもの以外で検出して出力信号を得ることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＳＩチップ上の配線に適用することができ、特性再現性や信頼性の高いオンチップのレーザ誘導光配線装置を実現することができる。

本発明の実施形態においては、発光素子（光送信）、光導波路（光伝送）、受光素子（光受信）というような一方通行的光伝達動作を基本にするのではなく、発光素子、光導波路、発光素子の組合せを空間的に分散配置し、これらを１つのレーザ発振器として連動させて系のレーザ動作そのものを信号として共有させる。これにより、系がレーザ発振しているか否かの２状態を信号として利用することでデジタル的な配線動作を達成し、動作余裕の高い光配線を実現できる。即ち、空間的に離れた発光素子を１つの系として連動させ、系の応答より遅い動作であれば一部の変動が一斉に系全体に伝わることを利用し、空間的に離れた位置への信号伝達を実現する。このとき、送信側の発光素子はレーザ発振器としての系の光利得（又は損失）を制御する光スイッチとして機能させ、もう一方の発光素子は系の光量変動に応じた励起キャリアの変動等を外部伝達する受信器として機能させるものである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行っていく。ここでは幾つかの具体的材料を示して説明を行っていくが、これはレーザ発振可能な材料であれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、ここでは１本〜数本の光配線を抽出した形で示していくが、これは勿論、多数の光配線を集積すること、ＬＳＩチップ上に集積することを意図しており、集積する光配線数は任意である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す断面構成図であり、本発明の光配線に必要な要素を抜き出した形で示してある。また、図１の実施形態の斜視図を、図２に示す。ここでは、具体的な構成材料の例としてＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いて説明していくが、これは前述のように他の材料でも構わず、例えばＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＳｉＧｅ／Ｓｉ等の材料を用いても構わない。

図１及び図２において、１１はｎ型ＩｎＰ基板、１２はＧａＩｎＡｓＰ活性層（レーザ媒質、例えば発光波長１．３μｍ）、１３はＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア（例えばバンドギャップ波長１．２μｍ）、１４（１４ａ，１４ｂ）はｐ型ＩｎＰクラッド、１５は半絶縁型ＩｎＰクラッド（例えばＦｅドープＩｎＰ）、１６（１６ａ，１６ｂ）はｐ側電極（例えばＡｕＺｎなど）、１７はｎ側電極（例えばＡｕＧｅなど）である。

ＩｎＰ基板１１上に、ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア１３がループ状に形成され、この光導波路コア１３からリング光共振器が構成されるようになっている。光導波路コア１３上及び基板１１上に半絶縁性ＩｎＰクラッド層１５が形成されている。光導波路コア１３の一部（２箇所）はＧａＩｎＡｓＰ活性層１２となり、半絶縁性ＩｎＰクラッド層１５の一部（活性層１２上）はｐ型ＩｎＰ層１４となっている。そして、ＩｎＰ層１４上にｐ側電極１６が形成され、基板１１の下面にｎ側電極１７が形成されている。即ち、ループ状の光導波路コア１３の一部に、レーザ発振器を構成する第１の光利得部１８ａと第２の光利得部１８ｂが形成されている。

ここで、活性層１２は、例えば厚さ０．１２μｍ、幅１μｍ、長さ５０μｍとし、光導波路コア１３は、例えば厚さ０．１２μｍ、幅１μｍとする。活性層１２、光導波路コア１３には、量子井戸構造を用いても構わない。光導波路コア１３の長さは、レーザ発振器の最大動作周波数を決定するパラメータとなるため、ある長さ以上では光配線装置としての動作速度が制限される。これについては後述する。また、光導波路コア１３の曲り部は、光導波損失の許容可能な範囲で設定するものとし、具体的な値は光導波路の屈折率差や導波損失、レーザ発振器の利得設計等により決定すればよい。

図１に示すように、活性層１２は光導波路コア１３に直接接続されており、図２に示すように、ｐ型クラッド１４及び光導波路コア１３に囲われた２つの活性層１２（図示せず）は、リング状に配された光導波路コア１３により光学的に結合されている。活性層１２、光導波路コア１３は、順番に結晶成長とパターニングを行って形成しても良いし、多重量子井戸構造等の選択成長による組成制御技術を用いて一括結晶成長を行ってパターニングする方法で形成しても良い。

なお、活性層１２の上下左右のいずれか近傍に回折格子を形成し、ＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザ構造としてレーザ発振閾値を低減させる構成としても構わない。また、光利得部（１７，１１，１２，１４，１６が積層されている領域）近傍の光導波路コア１３、或いは光導波路コア１３の途中に回折格子を設け、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ構造としてレーザ発振閾値を低減させる構成としても構わない。ＤＦＢレーザ構造やＤＢＲレーザ構造とする場合、原理的に１つの活性層１２が単独でも発振可能となるが、２つの活性層１２の連携動作を行うため、単独の発振しきい値はやや高めに設定しておく。

以上のような構成としたレーザ誘導光配線装置の動作原理を、以下に説明する。

図３は、図１と図２に示したレーザ誘導光配線装置を模式的なブロックと結線で示した構成ブロック図である。図３において、１３は光導波路コア（光線路）、１８（１８ａ，１８ｂ）は光利得部（図１、図２において１７，１１，１２，１４，１６が積層されている領域）であり、実構成上の形状を示すのではなく、それぞれ機能的な構成ブロックを示したものである。ここでは、簡単のため光利得部１８がＤＦＢ或いはＤＢＲ構造をとらない、即ち単純なリング光結合構成について説明していく。なお、光利得部１８がＤＦＢやＤＢＲ構成をとる場合でも回折格子との光位相整合条件などを付加することで同様に動作可能であり、ここではその説明を省略する。

図３に示すように、光結合された光利得部１８ａ，１８ｂを両方励起（電流注入）すると、内部の光強度分布はほぼ一様となり、光周回利得を１、即ちレーザ発振させることが可能になる。それぞれの要素の特性パラメータとして、活性層１２の長さをＬａ（１８ａ側）、Ｌｂ（１８ｂ側）、活性層１２の誘導放出利得（光利得）をｇａ（１８ａ側）、ｇｂ（１８ｂ側）、活性層１２の吸収損失係数をαａ（１８ａ側）、αｂ（１８ｂ側）、光導波路コア１３の全長をＬｔ、光導波路コア１３の吸収損失係数をαｔ、活性層１２と光導波路コア１３との結合係数をＣａ（１８ａと１３の間）、Ｃｂ（１８ｂと１３の間）とすると、全体のレーザ発振条件は系を一周した光が元の光強度を維持できる条件から、
２ｌｎ｛１／（ＣａＣｂ）｝
＝（ｇａＬａ＋ｇｂＬｂ−αａＬａ−αｂＬｂ−αｔＬｔ）…（１）
となる。

ここで、ｇａ，ｇｂは活性層１２に注入するキャリア（電流）の関数であり、それ以外のパラメータは構造が決まれば確定する固定パラメータである。従って、レーザ発振条件はｇａ，ｇｂによる光学利得が系の光損失を超えることであり、次の関係が成り立てば良い。即ち、
ｇａ（ＩＦａ）Ｌａ＋ｇｂ（ＩＦｂ）Ｌｂ
＝αａＬａ＋αｂＬｂ＋αｔＬｔ−２ｌｎ（ＣａＣｂ） …（２）
が成立すればよい。ここで、ＩＦａ，ＩＦｂは、それぞれ光利得部１８ａ，１８ｂの励起電流を表している。

図４に、前述した図３の構成でＣａ＝Ｃｂ〜１００％とし、ＩＦａ＝ＩＦｂ＝ＩＦ／２、即ち１８ａ，１８ｂとも同じ電流とした場合のレーザ発振特性の例を示す。図４の横軸は素子電圧（ＶＦ）及び光結合プローブ（結合効率２０％）による光モニタ出力（Ｐｏ）、縦軸は１８ａ，１８ｂへの注入電流の合計値（ＩＦ＝ＩＦａ＋ＩＦｂ）である。ＰｏとＶＦのグラフがそれぞれ２つあるのは、図３の系がレーザ発振した場合とレーザ発振しない場合のものである。レーザ発振しない場合の特性は、光導波路１３の途中をエッチング（光結合しないように非垂直エッチング）して光利得部１８ａ，１８ｂの光学的結合を分断した場合のものであり、光利得部１８ａ，１８ｂの元々の電気的な特性は変わっていない。

図４中で、Ｐｏが急激に増加するポイントがレーザ発振しきい値であり、その電流をＩｔｈ、電圧をＶｔｈで記述する。図４は、ＩＦａ＝ＩＦｂの対称励起した場合の特性であり、ＩＦａ≠ＩＦｂとした場合には利得ｇ（ＩＦ）の非線形性により、しきい電流値及びしきい電圧値が図４のＩｔｈ，Ｖｔｈからずれる場合が多い。

光利得部１８ａ，１８ｂは、それぞれｐ型クラッド層１４とｎ型クラッド層（基板）１１に活性層１２が挟まれたダイオードとなっており、その電流電圧特性は、
Ｉ＝Ｉ０［ｅｘｐ｛（Ｖ−ＩＲｓ）ｅ／ｎｋＴ｝ …（３）
と表せる。ここで、Ｒｓは１６，１４，１２，１１，１７からなるｐｎ接合ダイオードの内部抵抗、Ｉ０は飽和電流、ｎはダイオード定数、ｋはボルツマン定数、ｅは電子電荷、Ｔは絶対温度である。これを電圧について逆算すると以下の（４）式のようになる。

Ｖ１＝｛ｌｎ(Ｉ１／Ｉ０)}ｎｋｔ／ｅ＋Ｉ１Ｒｓ（I1<Ith）…（４）
半導体レーザは、レーザ発振すると活性層電圧（接合電位）がしきい電圧で固定されるため、しきい値以上の電圧は以下の（５）式のようになる。

Ｖ２＝｛ｌｎ(Ｉｔｈ／Ｉ０)}ｎｋｔ／ｅ＋Ｉ２Ｒｓ（I2>Ith）…（５）
この場合、第１項は電流に対して定数となる。ここで、光利得部１８ａ，１８ｂの間の光結合だけを変化してレーザ発振状態と非発振状態を切り替えるとすると、上述したＶ１，Ｖ２でＩ１＝Ｉ２＝Ｉｂと置き換え、Ｖ２とＶ１の差分をΔＶとして以下の（６）式が得られる。

ΔＶ＝｛ｌｎ（Ｉｂ／Ｉｔｈ）｝ｎｋｔ／ｅ …（６）
このΔＶは、図４のＶｏｆｆとＶｏｎの差（Ｖｏｆｆ−Ｖｏｎ）に等しく、半導体レーザ素子で電流注入を一定にしてレーザ発振と非発振を切替えることができたとすると、その素子電圧が変化するということを意味している。また、逆に、素子バイアス電圧を一定に保つと、素子に流れる電流値が変化するということにもなる。

本実施形態のレーザ誘導光配線装置の原理はここにあり、２つの活性層を光結合してレーザ発振器を構成し、一方の活性層に加えた変動で全体のレーザ発振状態を変動させ、その結果、もう一方の活性層に何らかの形で変動が現れるという性質を利用する。即ち、上記２つの活性層を隔離して配置すれば、一方の活性層に加えた変動が隔離した位置のもう一方の活性層に伝わり、何らかの変動として取り出せることになり、結果として信号を伝達する機能を持つことになる。

次に、本実施形態のレーザ誘導光配線装置の動作方法の例を説明する。

本実施形態のレーザ誘導光配線装置の基本的な動作は、光利得部１８ａ，１８ｂを励起してリング光共振器と光利得部１８ａ，１８ｂからなるレーザ発振器をレーザ発振可能（レーザ発振器がレーザ発振している状態、又はレーザ発振する直前のバイアスが印加されている状態）にすると共に、入力信号により光利得部１８ａ，１８ｂの一方の励起レベルを変化させてリング光共振器の光経路利得（損失）を切り替えることによりレーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、レーザ発振状態の変化を光利得部１８ａ，１８ｂの他方で検出して出力信号を得るというものである。

まず、電極１６ａ，１６ｂにバイアス電流としてそれぞれＩｂ／２を加えておき、系をレーザ発振状態（図４中のレーザ発振）としておく。次に、電極１６ａ，１６ｂの何れかに信号印加するが、例えば信号として−Ｉｂ／２を電極１６ａに印加、即ち信号に合わせて電極１６ａのバイアス電流をオフにするようにすると、信号入力時に系のレーザ発振が停止し、相手方の電極１６ｂは素子電圧がＶｏｎからＶｏｆｆに上昇する。ここで、Ｉｔｈ＝１０ｍＡ、Ｉｂ＝３０ｍＡとすると、光利得部１８ａ，１８ｂはそれぞれしきい電流が５ｍＡでバイアス電流が１５ｍＡの状態に相当し、ダイオード定数（ｎ）が２とすると、Ｖｏｆｆ−Ｖｏｎ（＝ΔＶ）は約５７ｍＶとなる。

上記信号印加は電極１６ｂに対して行うこともでき、その場合、逆に電極１６ａに信号電圧が発生する。即ち、上記バイアス及び信号印加では、信号を印加した電極と反対の電極に約５０ｍＶの信号電圧を発生可能になる。この場合、信号印加した電極側の活性層が、利得オンの状態から利得オフの状態に切り替って光スイッチとして機能している。従って、図１〜図３の実施形態では一方が光スイッチ、一方が光利得部及び信号受信部として機能しており、しかも、それが受動的に交換可能、即ち双方向伝送可能という特徴を持っている。

ここで、一方の活性層の変動がもう一方の活性層の変動として現れる限界を説明する。レーザは光の誘導放出現象を利用しており、励起されたレーザ媒質に光注入されることが基本的な要件の一つになる。このため、本実施形態のように２つの活性層を隔離配置し、その間でレーザ共振器を構成する場合、活性層間の光伝達時間だけ遅れて誘導放出が起こることになり、その遅れ時間分だけレーザ発振動作の立ち上がりに時間を要することになる。従って、本実施形態のレーザ誘導光配線装置は、レーザ発振器を光が一周する時間より速い動作は難しい。

しかしながら、図１の例で見ると、活性層及び光導波路の実効屈折率を３．５とし、レーザ発振器長（リング長）を約１ｍｍとすると光の周回時間は約２３ｐｓとなり、最大応答速度は４０ＧＨｚ程度となる。即ち、１０数ＧＨｚ程度の速度であれば十分応答可能であり、一般的論理データのＮＲＺ（Non Return to Zero）信号であれば２０Ｇｂｐｓ程度の信号が扱えることになり、それほど致命的なものではないことが分かる。

このように本実施形態によれば、基板１１上にリング光共振器を構成するループ状の光導波路コア１３を設けると共に、この光導波路コア１３の一部に第１及び第２の活性層１２を設けることにより、光配線の基本要素が発光素子と光導波路になる。そして、受光専用素子が必須でないという劇的な構成簡略化のほか、系の設計がレーザ動作を考慮するだけのデジタル的な設計、即ちレーザ発振状態を“１”、非発振状態を“０”とするような動作設計で良く、最小受信感度や光結合効率を考慮した光送受信レベル設定など、アナログ的で緻密な光伝送設計が不要になる。また、配線の動作としてレーザ発振器がレーザ発振しているか否かの２つの状態を用いてデジタル的な動作で配線するため、配線動作の動作マージンが高い。

従って、光配線構成要素が根本的に簡潔化されてばらつき要因や故障要因などが減少し、更に系の動作余裕が大幅に向上することで特性不良の出現頻度が大幅に減少する。即ち、光配線の特性再現性や信頼性などを劇的に向上し、ＬＳＩオンチップ光配線の実用性を大幅に高め、情報通信機器などの高度化に大きく貢献することができる。

また、本実施形態では、各々の活性層１２に、レーザ発振器を構成するための光利得部及び発振状態を検出するための信号受信部としての機能を持たせることにより、双方向の信号伝達が可能となる。

（第２の実施形態）
図５に、図１〜図３で示したレーザ誘導光配線装置の周辺回路の例を示す。但し、前述した動作例のように、レーザ誘導光配線装置の動作方法は、本実施形態に限定されるものではなく、本実施形態はあくまで一例である。

図５において、破線で囲われた光利得部１８ａ，光導波路コア１３，光利得部１８ｂが図１〜図３の実施形態の等価回路に相当し、バイアス抵抗Ｒｄは、図１の実施形態の基板上に集積しても、外部に設けても構わない。ここで、光利得部１８と直列接続したバイアス抵抗Ｒｄに印加するバイアス電圧をＶｄ、それぞれのバイアス電流をＩｄとし、バイアス抵抗Ｒｄと光利得部１８との接続端子の電圧をＶｓ、電圧Ｖｓから流入する電流をＩｓとする。光利得部１８ａ，１８ｂ間のレーザ発振特性として、光利得部１８ａ，１８ｂに同じ電流を流したときの発振しきい値をＩｔｈ，Ｖｔｈとする。即ち、発振しきい値における電流は、光利得部１８ａ，１８ｂ共にそれぞれＩｔｈ／２であるとする。

この回路の動作例として、Ｉｄをしきい電流値より僅かに下、例えば０．９５Ｉｔｈの半分とする（Ｉｄ＝０．４７５Ｉｔｈ）。そして、信号送信側はＩｓとしてＩｔｈよりも十分大きな電流を流入するものとする。こうすると、Ｉｓ＝０（Ｉｓａ＝Ｉｓｂ＝０）のとき、Ｖｓａ，Ｖｓｂは何れもほぼＶｔｈに近い値となっている。この状態で、例えば光利得部１８ａ側に信号としてＩｓａ＝２Ｉｔｈを注入する。そうすると、光利得部１８ｂ側がしきい値より低めにバイアスされているものの、光利得部１８ａ側からの光注入により全体としてレーザ発振可能な状態になる。

レーザ発振が起こると、光利得部１８ｂ側の実効しきい値（発振しきい値光量に達する電流値）が低下し、実質的にしきい値以上にバイアス電流を与えられた状態となり、素子電圧が前記図４で説明した原理で低下する。即ち、Ｉｓａの注入によりＶｓｂが低下し、そのＶｓｂの変動を取り出すことで光利得部１８ａ側から光利得部１８ｂ側への信号伝達が実現する。勿論、Ｉｓｂの注入でＶｓａを低下させることも可能であり、逆方向への信号伝達も可能である。

また、Ｉｂを予めＩｔｈ／２より大きい値、例えばＩｔｈ（全体の電流は２Ｉｔｈ）として系を初めからレーザ発振させておき、Ｉｓａ，Ｉｓｂをレーザ発振停止させるに足りる負電流（例えば−Ｉｔｈ）とすることでも動作可能である。この場合、信号出力位相が上記しきい値未満のバイアスの場合と反対になる。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

第１及び第２の実施形態では、２点間での信号伝送の例を示してきたが、本実施形態では、光導波路コア１３の途中に光利得部を４個設け、多点間での信号伝送を可能にしている。即ち、光導波路コア１３の４箇所にＧａＩｎＡｓＰ活性層１２（図示せず）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１４，ｐ側電極１６を設けることにより、４つの光利得部１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを設けている。

この場合の動作原理や駆動方法は図１〜図５で示した２点間の信号伝送と同様であり、光導波路コア１３を１周した時の光学利得が１以上でレーザ発振となる。但し、この実施形態では、任意のノード（光利得部１８）から任意のノードに独立に信号伝送できるものではなく、１つのノードで信号送信すると、残りの全てのノードにその信号が伝えられるという制限がある。逆に、その特徴を生かし、図７、図８に示すような配線構成が可能である。

図７は、１つのノード（１８ｄ）から信号送信して、その信号をその他のノード（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）で一斉に受信する、所謂放送型光バスを構成している。この放送型バスは、例えばツリー接続型のマルチプロセッサ接続やクロック分配などに用いることができる。

また、図８は多数ノードの入力を論理ＯＲ処理して出力する、所謂ワイヤードＯＲ回路を構成している。本実施形態のレーザ誘導光配線装置は、レーザ発振しているか否かの２値信号配線（デジタル配線）を実現しているため、多入力のＯＲ出力が容易に得られる特徴を持っている。図８の構成では、ノード１８ａ，１８ｃ，１８ｄが入力ノードであり、何れのノードにも信号入力されない時は出力ノード１８ｂに何の変化も現れないが、ノード１８ａ，１８ｃ，１８ｄの何れかに入力があると、ノード１８ｂから出力が得られる。即ち、多入力ＯＲ回路として動作することが分かる。また、ノード１８ａ，１８ｃ，１８ｄの２つ、或いは３つ以上に入力があると、ノード１８ｂから出力が得られるように構成することもできる。この場合、ＡＮＤ回路として動作することになる。

ここで、ＯＲ回路にするかＡＮＤ回路にするかは、レーザ発振器のしきい値の設定により選択することができる。例えば、全てのノードのバイアスをしきい値に極めて近い値としておき、ノード１８ａ，１８ｂ，１８ｃの何れか１つの入力でレーザ発振するようにすればＯＲ回路を構成できる。さらに、全てのノードのバイアスをＯＲ回路の場合よりも僅かに小さくしておき、ノード１８ａ，１８ｂ，１８ｃの２つ、或いは３つ以上の入力でレーザ発振するようにすればＡＮＤ回路を構成することができる。

図１６（ａ）（ｂ）は、第３の実施形態の変形例に相当するものであり、ループ状光導波路の代わりに共振ミラーを利用した光導波路を用い、この光導波路中に３つ以上の光利得部を配して論理回路を実現した例である。

図１６（ａ）の構成では、直線状の光導波路コア１３の両端にノード１８ａ，１８ｂがそれぞれ設けられ、光導波路コア１３の中央部にノード１８ｃが設けられ、例えばノード１８ａ，１８ｂが入力ノード、ノード１８ｃが出力ノードとなっている。そして、ノード１８ａ，１８ｂの両方に入力があると、ノード１８ｃから出力が得られるようになっている。即ち、ＡＮＤ回路として動作することになる。

図１６（ｂ）の構成では、直線状の光導波路コア１３ａ，１３ｂが直交配置されており、光導波路コア１３ａの両端にノード１８ａ，１８ｂがそれぞれ形成され、光導波路コア１３ｂの両端にノード１８ｃ，１８ｄが形成されている。さらに、光導波路コア１３ａ，１３ｂの交差部にもノード１８ｅが形成されている。このような構成においても、ノード１８ａ〜１８ｅの一つ（例えばノード１８ｅ）を出力ノード、残りを入力ノードとすることにより、全てのノード１８ａ〜１８ｄに入力があるときにノード１８ｅから出力が得られるようにして、ＡＮＤ回路を構成することができる。さらに、レーザ発振器のしきい値の設定により、何れのノード１８ａ〜１８ｄにも信号入力されない時はノード１８ｅに何の変化も現れないが、ノード１８ａ〜１８ｄの何れかに入力があると、ノード１８ｅから出力が得られるようにして、多入力ＯＲ回路を構成することもできる。

なお、共振ミラーを利用した光導波路にするためには、例えば図１７に示すように構成すればよい。図１７は、図１６（ａ）の機能ブロックに対応するレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図である。

図６の構成と異なる点は、光導波路コア１３が直線状となっていることに加え、光導波路コア１３の両端部にドライエッチングによるミラー部４１（４１ａ，４１ｂ）が形成されていることである。これらのミラー４１は、所謂ファブリペロー型共振器を形成しているが、基本的に光を外部出力する必要が無いため垂直端面に高反射コートや金属コート（図示せず）を施してミラー反射率を高めても構わない。

また、ノード１８ａ〜１８ｃは次のように形成すればよい。即ち、ミラー４１ａ側にミラー４１ａ，４１ｂ及び光導波路コア１３と共にレーザ発振器を構成する第１の光利得部（ノード１８ａ）を形成し、ミラー４１ｂ側にミラー４１ａ，４１ｂ及び光導波路コア１３と共にレーザ発振器を構成する第２の光利得部（ノード１８ｂ）を形成する。さらに、光導波路コア１３の中央部にミラー４１ａ，４１ｂ及び光導波路コア１３と共にレーザ発振器を構成する第３の光利得部（ノード１８ｃ）を形成すればよい。

（第４の実施形態）
図９は、図７で示した放送型バスを用い、Ｉ／Ｏポートの数だけ放送型バスを空間的に並列配置した実施形態である。図９では、Ｉ／Ｏポート１９が４つ（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ）であり、同じ長さの４本の光導波路コア１３（光導波路リング１３ａ〜１３ｄ）を並列に配置している。また、各Ｉ／Ｏポート１９ａ〜１９ｄには各光導波路リング（ここではａリング〜ｄリングと記す）に対応した光送受ノードがそれぞれ４つ配置されており、各光導波路リングへの入出力端子となっている。各Ｉ／Ｏポート１９ａ〜１９ｄでは１つの光導波路リングを占有してデータの送信を行い、残りの光導波路リングは他のＩ／Ｏポートからのデータを受信するようになっている。

例えば、Ｉ／Ｏポート１９ａの場合、ａリング（１３ａ）を占有してデータ送信を行うように配置されており、ノード１８ａａを送信専用ノードとし、１８ａｂ〜１８ａｄはそれぞれＩ／Ｏポート１９ｂ〜１９ｄ（それぞれリングｂ〜リングｄを占有）からの受信専用ノードとする。

このように構成することで、各Ｉ／Ｏポートは他のＩ／Ｏポートに対して一斉にデータ送信すると同時に、他のＩ／Ｏポートからのデータを全て受信することができる。即ち、図９の構成は、全二重タイプの通信が可能となる所謂フルメッシュバスを実現しており、光配線の高速性を生かして大容量のマルチコアプロセッサを実現することが可能になる。

なお、図９の実施形態では光導波路コア１３を多重に並列配置するため、各光導波路コア１３の交差する部分が生じるが、図に示すように光導波路コア１３の交差部を直交交差とすればよい。これは、直交する光が干渉しない性質を用いたもので、実体として光導波路が交差していても、交差部分が直角に交わるように配置することで光配線路としては独立な配線として機能するものである。

（第５の実施形態）
図１０は、１つの光導波路リングに多数の光利得部を設けるのではなく、光利得部毎に次の光導波路リングを接続するように配置した実施形態である。光導波路リングは中間の光利得部を共有するように配置し、光導波路リングを連結する部分の光利得部は両方の光導波路リングに対して光利得を与えられるようにする。

具体的には、５つの光導波路リング１３（１３ａ〜１３ｅ）が順に接続されており、光導波路リング１３に光利得部２８（２８ａ〜２８ｅ）が設けられている。即ち、両端の光導波路リング１３ａ，１３ｅにはそれぞれ光利得部２８ａと２８ｅが設けられている。光導波路リング１３ａと１３ｂとの接続部には光利得部２８ａｂが設けられ、光導波路リング１３ｂと１３ｃとの接続部には光利得部２８ｂｃが設けられ、光導波路リング１３ｃと１３ｄとの接続部には光利得部２８ｃｄが設けられ、光導波路リング１３ｄと１３ｅとの接続部には光利得部２８ｄｅが設けられている。

この実施形態は、図１１に示すように最初の光利得部２８ａに信号入力されると光導波路リング１３ａがレーザ発振し、それにより光導波路リング１３ｂがレーザ発振するというように、光導波路リング１３ａ〜１３ｅを順番にレーザ発振させて光利得部２８ｅまで信号を伝えていく。このとき、光導波路リング１３を連結する部分の光利得部２８は、それぞれ伝播する信号を出力することが可能であり、信号分配器として利用することも可能である。図１１において、実線の矢印は信号の流れを示し、破線の矢印は光利得部へのバイアス電流を示している。

また、図１２に示すようにバイアス電流を一部（光利得部２８ｃｄ）停止することで信号伝播を遮断することが可能であり、配線経路を制御、改変することも可能になる。即ち、図１２の実施形態では、リコンフィギャラブル光配線が実現可能になる。

（第６の実施形態）
図１３は、図１０の実施形態を変形し、各光導波路リング１３が光学的に独立となるよう構成した実施形態である。図１０の実施形態では、光利得部２８を共有する光導波路リング１３間に光結合が発生するため、１つの光導波路リング１３が発振すると次の光導波路リング１３の発振縦モード（発振波長）をロックしようとする。ところが、各光導波路リング１３の光路長に差があると、発振縦モードが異なるためモード競合が起こってしまい、レーザ発振が不安定になったり、ビート発振を重畳してしまったりすることがある。

これを避けるため、図１３では光導波路リング同士が光結合しないよう光導波路の直交交差を用いている。但し、信号伝播は可能にするよう、直交交差部分に光利得部２８を配置し、活性層１２（図示せず）を光励起してキャリア増加させることによる光利得の増加で光導波路リング間のレーザ発振の伝播を可能にしている。このとき、図１４に示すように各光導波路リング１３の光利得が偏らないよう、各光導波路リング１３を個別に見た時の光利得部２８の数を一定にし、その配置も対称になるように配置することが望ましい。

このような構成であれば、第５の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、モード競合を招くこともなく、より安定した動作が可能となる。

（第７の実施形態）
図１５は、本発明の第７の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す断面構成図である。本実施形態は、光導波路として表面プラズモン導波路を用いたものであり、ここではレーザ活性層はＳｉ基板の一部、光導波路としては金属薄膜を用いている。

図１５において、３１はＳｉ基板、３２はＳｉＯ₂カバー、３３はｐウェル、３４はｎウェル、３５（３５ａ，３５ｂ）はｎ電極、３６（３６ａ，３６ｂ）はｐ電極、３７は表面プラズモンガイド（金属薄膜）である。

電極３５，３６は例えばＡｌとし、表面プラズモンガイド３７は、例えばＡｕを厚さ４０ｎｍ、幅２μｍとする。さらに、表面プラズモンガイド３７は、長さ２００μｍのループ状に形成し、リング光共振器を構成するものとする。このとき、Ａｕ薄膜下には絶縁膜としてＳｉＯ₂を例えば２０ｎｍ設けておく。Ｓｉ発光部（レーザ能動部）は、ｐウェル３３とｎウェル３４の間の部分であり、両ウェル３３，３４からキャリア注入することで発光再結合を行わせる。

なお、ｐウェル３３又はｎウェル３４を形成する際、粒径１０ｎｍ前後のＳｉＯ₂粉末を混入したドーパントペーストをスピンコートして熱拡散することで、拡散フロントに数ｎｍ〜数１０ｎｍの拡散フロント凹凸を形成し、そのナノサイズ凹凸によるキャリア閉じ込め効果を利用して発光再結合を促進する。また、Ｓｉ発光部に、希土類ドーパントを注入して希土類発光を行わせたり、数ｎｍのＳｉＯ₂で覆われたナノサイズＳｉ球を配置して微小球Ｓｉ発光を利用しても構わない。

表面プラズモンは、光と各種分極波が結合したポラリトンの一種であり、金属の自由電子偏移分極と結合した金属表面を伝わる光伝播モードで、一般には表面プラズモンポラリトン（Surface Plasmon Polariton、以下、ＳＰＰと記す）と呼ばれる。ＳＰＰの光は金属界面を中心に閉じ込められており、その光電界分布の範囲にＳｉ発光部が位置すれば誘導放出動作が可能になる。

図１５の実施形態は、電極３５，３６間がダイオードとなっており、この間に順方向電流を通電することで発光する。また電極３５ａ，３６ａ間と電極３５ｂ，３６ｂ間にそれぞれ通電することで両方の活性層が発光し、表面プラズモンガイド３７からなるループ状光導波路を共振器とするレーザ発振が可能になる。そして、電極３５ａ，３６ａ側の光利得部と電極３５ｂ，３６ｂ側の光利得部との間の信号伝達は、前述した実施形態群と同様に行うことができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば上述した本発明実施形態はいくつかの具体例を示しているが、これはあくまで構成例であり、本発明の主旨に従い個々の要素に他の手段（材料、寸法など）を用いても構わないものである。例えば、実施形態では、レーザ発振器を構成する光利得部自体で出力信号を検出するようにしたが、光導波路に近接して光導波路からの漏れ光を検出する光検出器を設け、この検出器で出力信号を検出するようにしても良い。さらに、光導波路は図１に示したようなスラブ型光導波路だけでなく、表面プラズモン導波路等を用いることもできる。これらの導波構造は、適用する場所や周辺条件などに応じて使い分ければよい。また、実施形態に示された材料、形状、配置などはあくまで一例であり、また、各実施形態を組み合わせて実施することも可能である。

その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。

第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す断面図。第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第１の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置における発振特性を示す図。第２の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の周辺回路例を示す等価回路図。第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第３の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第４の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第５の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第５の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第５の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第６の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。第６の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。第７の実施形態に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を一部切欠して示す斜視図。第３の実施形態の変形例に係わるレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す機能ブロック図。図１６の機能ブロックに対応するレーザ誘導光配線装置の概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１１…ｎ型クラッド
１２…活性層
１３…光導波路
１４…Ｐ型クラッド
１５…半絶縁クラッド
１６…ｐ電極
１７…ｎ電極
１８，２８…光利得部（ノード）
１９…Ｉ／Ｏポート
３１…Ｓｉ基板
３２…ＳｉＯ₂カバー
３３…ｐウェル
３４…ｎウェル
３５…ｎ電極
３６…ｐ電極
３７…表面プラズモンガイド（金属薄膜）

Claims

基板上にループ状光導波路からなるリング光共振器を設け、前記ループ状光導波路の途中に少なくとも１つの光利得部と１つの光スイッチを互いに離間して設け、前記光利得部を励起して前記リング光共振器と前記光利得部からなるレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記光スイッチを動作させて前記リング光共振器の光経路損失を切り替えることにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を発振と非発振とに切り替え、該レーザ発振状態の変化を前記光利得部の電圧又は電流の変化で検出して出力信号を得ることを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
基板上にループ状光導波路からなるリング光共振器を設け、前記ループ状光導波路の途中に少なくとも２つの光利得部を互いに離間して設け、前記各光利得部を励起して前記リング光共振器と前記光利得部からなるレーザ発振器をレーザ発振可能にすると共に、入力信号により前記各光利得部の少なくとも１つを利得変化させて前記リング光共振器の光経路利得を切り替えることにより前記レーザ発振器のレーザ発振状態を発振と非発振とに切り替え、該レーザ発振状態の変化を前記各光利得部のうちの前記利得変化させたもの以外での電圧又は電流の変化で検出して出力信号を得ることを特徴とするレーザ誘導光配線装置。
前記各光利得部は、信号送信時は自らの利得を入力信号に応じて変化させて前記レーザ発振器のレーザ発振状態を変化させ、信号受信時は自らの励起を一定化してレーザ発振状態の変化に応じた励起キャリア消費の変化を出力信号として検出するものであり、前記各光利得部が送信部と受信部を兼ねて双方向伝送又は多点信号伝送を可能にすることを特徴とする請求項２記載のレーザ誘導光配線装置。