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1、华中科技大学 硕士学位论文基于光波导互连的EOPCB的研究 姓名：张金星 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：罗风光 2011-01-05 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着信息处理速度的爆炸性增长和光信息技术研究的推进，芯片间光互连将会是最有前景的研究，也是必然的技术趋势。这个方面研究的突破将会是信息处理与通信技术的里程碑，会将现有的电脑计算速度提高 1000 倍以上，在不久的未来，PCB板级芯片间互连将会是光引领的时代。 本论文介绍了一种芯片间光互连的光电混合 PCB 板方案，这种方案利用 45端面光纤棒阵列将 VCSEL 阵列发出的光耦合进入嵌入
2、PCB 板内的矩形聚合物光波导阵列，然后通过 45端面光纤棒阵列耦合进入 PIN 光电探测阵列。本论文仿真和分析矩形光波导的缺陷容限，详细论述光波导的 SU-8 胶模具的制作工艺及其参数，利用台阶测试仪测试模具槽的深度和宽度。采用 PDMS 材料，以 SU-8 胶模具作为模板，利用刮刀法，经过模具分离的过程制作出 70m70m 柔性的矩形光波导，利用截断法测试光波导传输损耗于 632.8nm 处为 0.30dB/cm，通过 CCD 观察波导端面的近场光强分布，测得光波导单通道通过 3.125Gb/s 高速光信号获得很好的眼图，误码率为10-12，非常低。本论文分析了多模光纤和光波导耦合的空间偏
3、移损耗和模式损耗的。本论文最后根据波导光路耦合的现状，提出了一种新型嵌入式 90和 180弯曲光波导阵列结构。关键词：芯片间光互连 矩形聚合物光波导 SU-8 胶模具 刮刀法 弯曲波导阵列 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With explosive growth of the speed of information processing and rapid developmentof optical communications technology the chips optical interconnection on PCB will bemos
4、t promising research and inevitable optical technology trend. Breakthrough of thisresearch will be milestone of information processing and communication technology computer calculation speed will increased more than 1000 times . In the near future PCBboard will find its way into optical interconnect
5、ion era. This thesis introduces a kind of optical interconnections between chips onoptical-electronic hybrid PCB which uses 45 facet fiber bar arrays to couple the lightemitted by VCSEL array into a rectangular array of polymer optical waveguide embeddedwithin the PCB board then by 45 facet fiber ba
6、r array couples the light from thewaveguide into PIN photonic detector array. This thesis gives the simulation and analysisof defect tolerance of rectangular waveguide. the thesis discusses in detail manufacturingprocess of the SUS - 8 polymeric mold and its parameters and measuring the depth andwid
7、th. We adopt PDMS material SUS - 8 polymer mold as a master model by doctorblading technique through the process of separation master mold to produce 70m 70mflexible rectangular waveguide. The thesis measures optical waveguide transmission losswhich is 0.30dB/cm632.8nm. Through observation by the CC
8、D waveguide near fielddistribution is very clear. By measurement of single channel waveguide operating at3.125Gb/s high-speed optical signal the thesis observes good eye diagram and BER is10-12 very low. The thesis gives the analysis of space mismatch coupling loss and modemismatch loss between fibe
9、r and rectangular waveguide. Finally Based on the presentcoupling research of waveguide this thesis proposes a new embedded 90and 180bentoptical waveguide array structure.Keywords：Chips Optical Interconnection Rectangular Polymeric Waveguide SU-8 Mold Doctor-balding Technique Bent Waveguide Array II
10、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复
11、制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论1.1 选题背景 时代进入 21 世纪，人类对于信息传输速率和存储容量的需求到达了空前的高度，尽管这种强烈的欲望是由电子技术引爆的，然而现在单一的电子技术也难以承担这样的重担，光不可避免的登上了通讯领域的舞台。光有很多的独特性的魅力速度和并行性，这些特性使得光成为解决高速信号通信和计算的最有前途的手段和方式。 传统印刷电路板上的铜线互联很难达到 GHz
12、 的传输速度，介质损耗以及趋肤效应损耗等这些频率相关损耗决定了铜互连的传输损耗，它们会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，诸如串扰、衰减、波形失真以及传输距离的限制等 对于 10G 信号，同轴电缆虽然可以支持 20m 的传输距离，但是其冗余的体积并不适合高密度互连应用。相比，FR4（环氧玻璃布层压板）底板只能传送约 0.5 米的距离，所以对于高速率传输，FR4 底板的应用业已达到极限，而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1-3，表 1-1列举了各种传输介质的传输本领
13、。 表 1-1 六种传输媒介的特性比较4 传输介质 频率范围 最小误码率 中继器距离/km 铜对绞线 1MHz 10-5 2 同轴电缆 1Gz 10-9-10-7 2.5 微波 100GHz 10-9 50 卫星 100GHz 10-9 3600 塑料光纤 400GHz 10-13 lt1 玻璃光纤 75THz 10-13-10-11 6400 光互连研究包括机柜与机柜之间的互连，PCB（printed circuit board）板与 PCB板之间的互连，PCB 板内部功能模块之间的连接以及功能模块内部的连接。这些连接采用光链路作为高速通道，而信号的处理由电路承担，当然这只是 VSR（ver
14、y 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文short-reach，超短距离）光互连的初步阶段，实现合适的光通道连接。从上面可以看到四个重要关键部分，光发射模块，光接收模块，光通道手段的选择以及一直困扰光通信的耦合技术。对于光发射模块这里的核心是垂直腔表面光发射激光器 VCSEL（vertical cavity surface light emitting laser）或者 LEDlight emitting dioxide和及其驱动 IC，光接收模块核心是 PIN 探测器和跨阻式放大电路，光通道一般指单根单模光纤，多模光纤带，传统矩形聚合物波导，甚至还有光子晶体波导。耦合技术一般有
15、机械对准耦合耦合，标记对准耦合和焊料凸缘对准耦合，当然还涉及到处理光通道弯曲的 45镜面耦合器件和直接 90弯曲器件。根据实际的情况，认为机柜之间的互联 PCB 之间的互连采用光纤带比较好，而在 PCB 板内现在看来植入波导互连比较有前途。到目前为止，光纤带比较成熟，而其可以作为分立元件使用，而矩形波导的制作工艺一直有待于进一步的发展，虽然现阶段成品率较低，不能形成规模生产，但是国内外研究现状已经表明光波导具有很锐利的弯曲损耗特性，而且还容易单波导通道实现波分复用，光波导是芯片间光互连的必然选择5-8。 本文注重电光混合 PCB 板内光通道和光电收发模块的探讨和研究。在普通的印制电路板中，将光
16、波导作为一个夹层嵌入以连结高速芯片，这就构成了电光印制电路板（EOPCB Electro-Optical Printed Circuit Board） 。芯片的电信号调制激光器产生光信号，波导作为光信号传输的通道传输光信号，再经过光电转换成电信号，实现光互联高速通信。随着电子信息产品技术的发展需要以及光电器件技术的发展，光传送开始步入到计算机、数码家电、信息电子产品之中。电光线路安装及电光印制电路板的问世，其主要推动力主要来源于两方面：电子产品的大容量、高速化及光电子器件在集成化方面获得的新进展。特别是在推进光通信的关键技术方面，适宜低成本、陈列化的表面发光激光器件（VCSEL 垂直空腔表面发射激光器）的问世，也给实现电光印制电路板奠定了更完善的技术基础，加快了 EOPCB 开发工作的进展9-10。1.2 EOPCB 的结构特性以及国内外的研究现状 EOPCB 主要是利用嵌入式的光波导进行芯片间的高速光互连，EOPCB 板的结构如图 1-1，芯片间的高速信号采用光脉冲的形式，单通道传输速率至少 10G/s，极大地 2 华 中 科 技 大 学
