光互连调研报告讲解

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1、目录第一章 绪论21.1 光互连简介21.2 电互连发展制约21.3 光互连优势2第二章 光互连发展情况32.1 国内发展现状32.2 国外发展现状4第三章 光互连中的激光器与探测器73.1 VCSEL73.2 InGaAs 光电探测阵列探测器8第四章 耦合方式84.1 光收发模块与光互连层之间的耦合84.2 板间(芯片之间)耦合的几种结构11第五章 光波导制作材料及工艺135.1光波导制作135.2 光波导制作工艺14第六章 EOPCB与传统PCB的制作工艺166.1 EOPCB的制作工艺166.2 传统PCB制作（四层板）16参考文献：19第一章 绪论1.1 光互连简介光互连是相对于电互连

2、而最近发展起来的新一代的连接技术，光互连是指在板间、芯片间、芯片与板之间等等用光的形式互连。电互连传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺点，已经成为电互连进一步发展的巨大障碍。光互连作为一种新的互连方式，具有极高的通信带宽，极小的功耗，能够很好地解决电互连发展受限的问题。1.2 电互连发展制约随着计算机技术的发展，计算机节点数目的急剧增加，对高性能互连网络的传输带宽、传输延时都有较高的要求。电互连网络的发展主要受限于以下几个方面1 张炜.芯片光互连技术研究.国防科学技术大学.2011：(1)集成电路发展的限制随着互连网络结构与实现技术的逐步成熟，进一步提高网络性能主要依靠集成电路技

3、术的发展。近几十年来，虽然集成电路技术按摩尔定律高速发展，但其发展受到散热、热噪声等因素的限制，已经很难再有较大的突破。(2)电信号传输限制由于电信号传输过程中的衰减、反射、串扰、电源噪声等因素，工作频率的提高面临着挑战;工作频率的提高，使得数据的采样窗口不断减小，同时电缆上的衰减增加，影响了有效带宽的增大，系统的可靠性面临挑战;工作频率的提高，商业软件工具对下一代产品的设计、验证、布局布线、物理验证的支持有限，系统的可制造性同样面临着挑战。(3)物理封装限制互连网络的实现需跨越多个层次，每层中的材料和制造工艺不同，导致物理特性和约束不同，随着层次的增加，互连代价增大，密度减小，必然限制系统规

4、模的扩展;随着系统规模的增加，互连网络的带宽、工作频率相互制约，严重影响网络性能的提高。(4)带宽限制增加节点之间的通信带宽通常有两种途径，一是增加并行数据传输线的宽度，二是提高信号频率。增加数据传输线的宽度，需要芯片提供更多的IO引脚，给芯片的封装工艺带来很大的困难;提高信号的频率，传输线上将消耗更多的能量，传输线之间的串扰也将增加，使得信号的传输距离缩短。从某种意义上讲，导线便是低通滤波器，其有限带宽会导致信号的严重失真，传输带宽可提高的余地非常小。随着高性能计算机的不断发展，工作频率的不断提高，传统的电互连技术的缺点显得更加突出。电互连网络带宽小、时延大、高速电信号之间串扰大、功耗大等缺

5、点，已经成为高速电互连进一步发展的巨大障碍，对新的互连技术的研究已经迫在眉睫。1.3 光互连优势光互连具有带宽高、功耗小、可并行等优点。近几十年以来，各种光技术的成熟，光器件的研制成功，极大的推动了光互连技术的发展。光互连作为一种新的互连方式，能够很好地解决上述电互连发展受限的问题。光互连可具体理解为用光技术实现两个以上通信单元的连接，以实现协同操作。随着信号频率的增大，光互连技术相对与电互连技术的优势显得越来月明显。光互连逐渐代替电互连，已经成为高性能计算机系统内部各节点之间高速互连的关键技术。第二章 光互连发展情况2.1 国内发展现状国内外研究现状：国内目前只有华中科技大学和国防科技大学从

6、事过这方面的研究。华中科技大学的主要工作涉及系统的光互联系统整体的架构，系统的整体仿真，实际的实验完成了波导的设计，制作，还有一部分是研究波导与光源耦合的部分。（罗风光）2文中 张瑾.基于EOPCB的光互联板的光耦合研究.华中科技大学.2008提出了一种新的光耦合结构，并在理论上验证了这种耦合结构的损耗较小。采用透镜将光耦合进出波导，多模光纤，无芯光纤和球透镜组成，如下图：国防科技大学设计和制作一种光互联结构，在发射端采用1*12VCSEL阵列，接收端采用1*12PD阵列完成了两块高速FPGA芯片之间的互联，具体的EOPCB板如下图。不过这里采用的波导是光纤带状线。波导与光源的耦合采用的是透镜

7、阵列。2.2 国外发展现状传统印刷电路板上的铜线互联在达到GHz的传输速度后，由于介质损耗以及趋肤效应损耗等决定了铜互连的传输损耗，使得信道噪声随着频率的增加呈现指数级别的增长。在高频传输时，传统的电互连存在很多问题。光传输则具有低损耗、高带宽、大容量、无串扰、抗电磁干扰等诸多优点，使得光互连成为解决高速信号互连瓶颈的一个有效方法 张金星. 基于光波导互连的EOPCB的研究. 华中科技大学. 2010。EOPCB（光电印刷电路板）主要利用嵌入式的光波导来实现芯片间的高速光互连，对于EOPCB的研究，特别受到了美日德韩等国家的重视。下面介绍这几个国家的研究情况。美国的IBM公司在EOPCB的研究

8、方面取得了较大成果。2005 年提出了第一个光互连原型；2007年利用级联微环振荡器研发出硅芯片超压缩光缓冲区；2008 年铺开了许多项目，以开发光连接、低功率光收发器与光谐振器；2010 年提出了“ CMOS 集成硅纳米光子”的概念；2012 年宣布“硅纳米光子”可利用 100 nm 以下工艺，在单颗硅芯片内同时整合多种不同的光学部件和电子电路，达到25Gbps；2013 年与 Dow Corning 展示了基于硅材料的新型聚合物光波导 吕慧琳. 美国和日本互联技术研究及其借鉴. 全球科技经济瞭望. 2015.2。在2010年，IBM在ECTC(Electronic Components a

9、nd Technology Conference)发表的会议论文提出每个光通道10-15G/s共24路并行链路的双向高速互连。模组如图1所示。图1 IBM公司板级光芯片间光互连模组光芯片将激光器阵列和探测器阵列以及它们的驱动电路整合到一块芯片里面，这个主要通过SiC（Si carrier）技术实现，光芯片与光波导的耦合通过微透镜阵列和 45端面实现，光波导采用干模热压法制作，波导芯层尺寸为 35m35m，损耗在 850nm 处为 0.3dB/cm。在光波导内可以进行光的波分复用。图2显示的是IBM在研究中关于EOPCB的发展过程。IBM在解决铜互连瓶颈的方案中，提出了两种方法 Roger Da

10、ngel, Jens Hofrichter, Folkert Horst, Daniel Jubin, Antonio La Porta, Norbert Meier, Ibrahim Murat Soganci, Jonas Weiss, and Bert Jan Offrein. Polymer waveguides for electro-optical integration in data centers and high-performance computers. OE.23.004736. 2015.2.23：1. 采用基于使用绝缘硅波导的硅光子COMS技术2. 使用光学聚合物

11、波导的光印刷电路板技术 针对这两张方案，IBM对它们不断进行了研究，尤其是在高分子聚合物波导方面的研究取得了重大成果。但要实现完全的光互连还需要不断研究。图2 IBM光互连研究发展过程 日本的日立化成工业株式会社在 2008年ECTC发表的论文中提出他们的研究成果，他们的芯片间光互连的结构如图 3，其实在光互连的结构上没多大的变化，光波导的制作工艺也采用干模热压法，不过波导芯层为 50m50m，上下包层厚度分别为25m，波导损耗为 0.1dB/cm，波导材料高分子亚克力聚合物（PDMS）， 垂直耦合的光波导的 45斜面。图 3 日立化成工业株式会社板级芯片间光互连模组日本从2010开始，进行光

12、电子融合系统基础技术开发，以在 2025 年实现“片上数据中心”为目标。2012年9月，PECST发布了可在1 cm2 的硅芯片上集成 526 个数据传输速度为 12.5Gbps 的光收发器技术。该技术将芯片间布线驶入“光的高速公路”。目前， PECST 的研究还在持续推进中。图 4 PECST项目的具体分工情况韩国的板级芯片光互连中，较大的不同是在耦合部分采用的不是45波导端面，而是多层90弯曲光纤阵列，如图5所示。图5 多层90弯曲光纤阵列德国的芯片间的光互连技术主要将发射器和及其驱动电路集成到玻璃基底上，光直接通过玻璃基底如图6所示，驱动芯片与PCB板的连接通过在玻璃上穿孔形式，玻璃具有

13、很好的绝缘性和很好的透明性，材料成本相对也较低，温度性能很好，光直接通过玻璃入射到光波导的 45端面上进行耦合。图6 德国板级芯片光互连模具第三章 光互连中的激光器与探测器甚短距离光互连中集成电路主要采用短波长 850nm 垂直腔面激光射器(vertical cavity surface emittinglaser, VCSEL)阵列传输高速率并行数据。并行高速光电转换器常采用 850 nm 短波长InGaAs 光电探测阵列探测器. 工 作 速 率 已 达 到 每 通 道 10 Gb/s.3.1 VCSEL中心是有源区，它有体异质结和量子阱两种结构；其侧向结构有增益导引和环形掩埋异质结之分。有

14、源区上下是反射器。 图1.垂直腔面激光器 氧化物隔离VCSEL器列阵件在阵列器件的工艺中，首先采用化学湿法腐蚀在GaAs表面形成1010台面结构露出接近上限制层的高Al组分的A1xGa 层，之后把外延片放八涅氮气(N2)环境4250c条件下氧化8分钟最后沉积5个周期的高反射率的ZnsecaF上DBR。器件在脉冲(100ns10ps)和连续(CW)备件下工作。由于氧化工艺可以使单元器件的尺寸很小，达到对注入电流的限制作用，因此可以获得阈值电流很小的阵列器件，并且实验结果表明，阵列效果很好。3.2 InGaAs 光电探测阵列探测器InGaAs光电探测器模块集成了InGaAs雪崩光电探测器、探测器驱

15、动、信号检测放大、信号放大整形输出等部分,可应用于连续或者脉冲光信号测放大整形及温度传感等领域。输出高稳定电压信号给用户,免去客户在使用雪崩光电探测器时的弱信号处理环节。3.3目前已经推出的商用VCSEL和PD阵列韩国optowell公司发布了10G 4通道，12通道的VCSEL阵列芯片及对应的接收端芯片。目前可以订制VCSEL及相应的PD。PD阵列为4或者12，每通道可以支持2.5G或者10Gbps的速率。VCSEL和PD阵列的尺寸小，集成度高。VCSEL采用的是线阵，4个的阵列长度970um，12的阵列长度2970um，体积小。PD也是采用线阵，4个的长度1000um左右，12个的长度3000um左右。第四章 耦合方式4.1 光收发模块与光互连层之间的耦合方法一1：以日本的NTT为代表的维透镜耦合的方式（OptoBump）。光波导上面的一个凹腔中充满透明波导物质，填充波导表面抛光后，就在其上形成微透镜阵列。采用扩散方法，利用固体基底表面曲张，形成维透镜阵列。