（光学工程专业论文）一种基于软光刻的光互联耦合结构.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 集成光学是光电子学的一个新兴分支，是一门与光学、电子学、固体物理有关的边 缘科学，是基于薄膜传输光频波段的电磁能而发展起来的一门学科，是在已有的微波、 激光、半导体物理和集成电路的基础上提出的设想。 当今基于大规模集成电路的电子系统在摩尔定律的推动下，信息的处理能力与日俱 增，但随着芯片工作频率的不断增加和线宽的不断缩小，人们也越来越清楚地发现互连 技术已成为系统性能进一步发展的主要障碍，而且互连通信的瓶颈效应随着系统的总体 性能的提升变得愈来愈明显。芯片间的通信速度己远远低十芯片内部的通信速度，而大 量外部引线要求则越来越难以满足。电互连一些限制其向高速系统进一步发展的严重缺 陷，如：带宽限制、时钟歪斜、线问串扰、高功耗以及易受周围空间电磁场干扰。为了 避免上述电互连的缺点，改善互连网络性能，从八十年代人们开始对光学互连进行研究 工作。 光互连由于具有高速、高密度、宽带、无干扰等特点，在宽带高速大容量系统设备 中必将取代电互连。光互连网络被广泛的应用到芯片互连、背板互连，终端互连等领域。 高性能的光互连网络对由计算机群机系统构成的并行计算平台的性能起着重要影响。 本文提出了一种新型的基于软光刻的高聚物光学互连耦合和传输波导一体化的设 计，介绍了其制作、测试和分析。与其他类型的耦合结构相比，本耦合部件结构具有设 计灵活、低损耗、结构简单、与高聚物光学波导完全兼容并集成于一体、易于大批量生 产的特点，其光束对准容忍度扩展为已有设计的四倍，极大地简化了光学互联在电路板 上的应用，具有其他机制的耦合适配部件不可比拟的优越性，更加适合于计算机内部的 高速数据传输，具有广泛的应用前景。 关键词光学互联软光刻p c b 波导耦合时延 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t e do p t i c si san e w b r a n c ho fo p t o e l e c t r o n i c s ，i sc o n n e c t e dw i t ho p t i c se l e c t r o n i c s a n ds o l i dp h y s i c s ，i sa l s oas u b j e c tb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i s mw h i c ht r a n s f e r sa to p t i c a l m e m b r a n e ，a n di sr e l a t e dt om i c r o w a v e ，l a s e r , s e m i c o n d u c t o rp h y s i c sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t a l t h o u g ht h ea b i l i t yo fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fe l e c t r o n i cs y s t e mb a s e dv l s i si nc r e a s i n g s t e a d i l yu n d e rt h ee x p e d i t i n go fm o o r e sl a w , t h em e a n s o fi n t e r c o n n e c t i n gt h e s ed e v i c e sh a s r e m a i n e dr e l a t i v e l ys t a t i o n a r y , r e l y i n go nc o n d u c t i v ee l e c t r i c a ll i n e s t h ep e r f o r m a n c eo f a d v a n c e de l e c t r o n i cs y s t e m si si n c r e a s i n g l yl i m i t e db yc o n s t r a i n t si m p o s e db yi n t e r c o n n e c t s a n dt h i sl i m i t a t i o nw i l li n e v i t a b l yb e c o m em o r es e r i o u sa st h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e s a n dt h ef e a t u r es i z er e d u c e s t h es p e e do f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w oc h i p si sf hl o w e rt h a n t h a ti nc h i p ，a n dt h eg r o w i n gr e q u i r e m e n to ft h en u m b e ro ft h ec h i pi op a d si sd i f f i c u l tt o f u l f i l ls i n c et h ec h i pp e r i m e t e rm u s ta c c o m m o d a t ea lo ft h ei 0p a d s t h ee l e c t r o n i c i n t e r c o n n e c t i o nh a saf e wd i s a d v a n t a g e st ol i m i tt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cs y s t e mt o i m p r o v e ，s u c ha sb a n d w i d t hl i m i t a t i o n ，s y s t e mc l o c ks k e w , i n t e r - w i r e ss i g n a lc r o s s t a l k ，h i g h p o w e rc o n s u m p t i o na n ds e n s i t i v i t yt oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l de t c i no r d e rt oo v e r c o m et h e s e d r a w b a c k s ，t h eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nh a sb e i n gi n v e s t i g a t e ds i n c e19 8 0 s t h eo p t i c a li n t e r c o n n e o t i o nw i l lr e p l a c et h ee l e c t r o n i ci n t e r c o n n e c t i o nb e c a u s ei t sh i g hs p e e d ， h i g hd e n s i t y , w i d eb a n d w i d t h , a n du n - i n t e r r u p t o p t i c a lb a c k p l a n et e c h n o l o g yh a sb e e nm o r e a n dm o r ei m p o r t a n ti np a r a l l e lp r o c e s s o rs y s t e m ，l a r g es c a l eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o na n d s w i t c hs y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，a st h ek e yo p t i c a le l e c t r o n i cd e v i c ei nt h ef i e l do fo p t i c a l i n t e m o n n e c t i o na n dt e l e c o m m u n i c a t i o n ，v c s e lo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l eh a sb e e n d e v e l o p e df l e e t l y t h et h e s i sw i l lc o n c e n t r a t eo nr e s e a r c ho f o p t i c a lb a c k p l a n et e c h n o l o g ya n d v c s e i 。t r a n s c e i v e rm o d u l e al o w c o s t ，v e r s a t i l eo p t i c a lc o u p l i n gs t r u c t u r ef e a t u r i n gam o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fa p o l y m e r i cw a v e g u i d e ，b e a md u c t s ，a n de n d r e f l e c t o r sh a sb e e nd e s i g n e d ，p r o t o t y p e d ，a n d d e m o n s t r a t e dt ob ec a p a b l eo fs u s t a i n i n gh i g hm i s a l i g n m e n te r r o r s w h i l s tm a i n t a i n i n g u s a b i l i t yi nc o u p l i n ge f f i c i e n c y t h es o rl i t h o g r a p h yf a b r i c a t i o np r o c e s so f t h i s 1 1 浙汀大学硕士学位论文 i n t e r c o n n e c t i o nd e s i g na l l o w sf o rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a ld e s i g n si nt e r m so f m i s a l i g n m e n tt o l e r a n c e ，m a n u f a c t u r ec o s ta n ds p e e d ，a sw e l la s3 - di n t e g r a t i o nc a p a b i l i t y k e yw o r d so p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n ，s o f t - l i t h o g r a p h y ，p c b ，w a v e g u i d e c o u p l i n g t i m ed e l a y i i i 浙江大学硕士学位论义 第一章续论 1 1 光学与光电子技术 光学是物理学的一个分支，经典光学以电磁辐射本身为研究对象，近代光学的研究 内容则主要注重光与物质之间的相互作用及其之间产生的作用效果。光学己渗透到其他 各个科学技术与应用领域，相应地又发展为门蓬勃发展的新兴技术。 光电子学是光学与电子学相结合的产物，光电子学采用的频率不再是一般的电磁波 频率，而是提高到了光频，从而产生了许多电子学所不可能实现的许多新的功能，已成 为信息科学的一个重要方面。 光学与光电子学的研究内容极其广泛并且还在继续不断向其他技术领域发展，作为 光学与光电子学的重要基础部分，以下内容在当今世界高科技领域被列为主要的战略研 究发展方向： 量子光学：量子光学是研究光场的量子性质和光与物质相互作用中的量子现象。 光场的量子性质是光场的基本特征，研究单原子发光的统计性质，了解原子与场相互作 用中发射光子的基本过程，对于认识光与物质相互作用的规律十分重要。量子光学的另 一个研究的内容是光与物质相互作用中光子动量的传递。因此非经典光场研究和光子动 量传递研究是当前着重研究的两个方面。 激光光谱学：研究同激光发射器产生的光谱特性相关的技术应用。这方面当前主 要研究的方向有：超精密激光光谱测量技术；超高灵敏度光谱技术；超高分辨率的激光 光谱；相干拉曼光潜；相干瞬态光学现象；超快激光光潜。 非线性光学：研究相干光与物质相互作用出现的各种非线形光学效应及其产生机 制和应用途径。它在激光技术、信息和图像的处理与存储、光计算、光通信等方面有着 重要的应用。这方面当前主要研究的方向有：光学双稳、 非稳和混沌的研究；光波耦 合与光学相互共扼中新效应和新机制的研究：表面、界面和多量子阱中的非线性光学。 激光化学、激光生物学与激光医学：激光化学是研究激光与分子之间的相互作用， 获取分子的结构以及内部能量交换的动力学性质，其发展方向有：分子的电子结构和分 塑坚查兰堡主兰堡丝兰 子光谱：分子的光离化；电子一分子碰撞：分子反应动力学；激光对表面的研究。 光信息处理：光学由于其并行、高速和可交叉互联等特性，受到人们的极大重视。 光信息处理是研究光传输的高速、可并行性以及可交叉互连等特性在信息处理及计算机 信息处理中的应用。光信息处理的实际应用主要体现为模拟光学计算机技术和数字光学 计算技术两方面。模拟光学计算机具有大信息量和并行快速的特点，而且在处理方法上 接近人的大脑对外部世界认识的自然本质，故在人工视觉和具有学习、联想、推理能力 的新一代人工智能、模糊处理、神经网络计算机中起着重要的作用。特别是在近年来， 光电子技术的应用在模式识别系统研究，以及具有记忆、识别及复原等功能的光学神经 网络系统的研究方面取得重大突破和进展。采用光波作为信息载体的数字光学计算机不 仅是为新一代全光或混合计算机的实现做技术准备，探索各种可能的体系结构、算法、 明确内部结构中所包含的光学处理单元或相关器件的设计指标和设计要求，而且数字光 计算技术本身就可以直接应用于光通信系统。随着计算机运算速度的进一步提高，芯片 集成度提高，使用导线进行芯片与芯片、处理器与处理器、系统与系统的连接，不仅存 在着时钟歪斜等问题，而且从工艺上也是无法解决的。光互连由于其串音小、不受电磁 场干扰以及能在空间互联，另外对提高扇出、降低功耗、解决管脚过多、时钟歪斜、提 高系统灵活性等具有很大的潜力，故在高速计算机的发展和光计算机的研究中，光互连 成为必不可少的重要环节。使用光互连方法解决电互连瓶颈问题具有更大的现实意义。 在光互连的研究工作上，应首先将重点放在电子计算机中芯片与芯片、处理器与处理器、 系统与系统的连接上。 导波光学：研究光在波导中的传输、耦合及与外场相互作用引起的各种物理现象 和以此现象为基础的光波导器件的设计、制造原理。导波光学应重点研究：光波导传输 理论与互连耦合；波导电光、声光、磁光和热光效应；光波导传感技术与器件；半导体 导波器件物理及集成化关键技术：非线性导波光学；光纤非线性基础研究。 光电子器件：研究设计以光电或电光转换为主要形式完成信息或能量转换的功能 性器件。包括：光源器件；光电子控制器件；光电子探测器件；光电子显示器件以及光 电子集成器件( o e i c ) 等。按其在实际应用中的作用不同又可以分为信号源器件、光调制 器件、光信号传输与解调器件。光源器件主要有相干光源和非相干光源两类。最重要的 器件有半导体激光二极管( l a s e rd i o d e ) ，发光二极管( l e d ) 和激光放大器等，如分布反 馈式动态单模半导体激光器，窄带可调谐激光器以及近几年出现的垂直腔面发射型激光 器( v c s e l ) 等。光电子控制器件有光调制、光偏转、光开关及光双稳态器件等。这些器 2 塑坚查兰堡圭兰堕堕苎 件可以完成对光的强度、相位、频率、偏振方向以及状态等进行主动控制，进而可以将 各种光信号加载到光波上去，完成对信息的传输、存储阻及各种处理。光电子探测器件 有半导体光电二极管、红外探测器和l 司体成象器件。光电子集成器件( o e i c ) 是利用微电 子和光电子的集成工艺手段，把光学器件和电学器件集成于同一封装衬底上形成的具有 某种功能的集成化芯片。这种器件具有多功能、超高速、低噪声、可靠性好等潜在优点， 在光纤通信、光纤传感、光信息处理、光计算等方面将占据非常重要的地位。目前关于 光电子集成技术的研究主要是解决光纤通信系统，光信息处理系统，超高速光电汁算的 光互连系统等的小型化、集成化作为主要目标，把系统的关键部件制作为集成的光电子 器件，提高整体的性能价格比。可以讲o e i c 集中了光电子和微电子技术的精华和难度， 如其中芯片内的布局优化设计及相互之间的互连问题仍然是一项重要内容。 以上研究内容虽然涉及多个方面，但这些技术之间是彼此密切相关和相互影响的。 所有这些研究内容覆盖了完整的光通信系统的组成。可以断言，对这些技术的研究具有 十分重要的现实指导意义。与此研究内容相应，光学与光电子学在近3 0 年的发展中， 受到了全世界科学技术界的高度重视，目前己经成为、个同集成电路技术一样重要的基 础产、【k 。 1 2 光纤通信技术发展概况 人类在认识自然、改造自然的过程中，时刻都在进行信息交流，同时也在不断探索和 发展信息交流的方式和手段。古时候，人们用“烽火”、“狼烟”来实现远距离的信息传 递，随着社会的进步、科学技术的发展、电报电话的发明，人们使用电子技术实现信息的 远距离传输，在相当长的时间内满足了人们对信息交流快速、便捷的需求。但是由丁二电 子通信系统的带宽受限于其载波频率，无法满足人们越来越多的信息资源共享的要求， 随着科技和社会的进步，在大力发展数字信息高速公路的同时，现已开始对光学信息高 速公路进行探讨和研究。它是由光学计算机、光纤通信和光学信息处理作为主要组成部 分。尽管光学计算机离实用还较遥远，但其中光互连技术已逐步发展成熬并在实际中被 应用。而光纤通信已成为当代通信发展的主要技术，另外，光学信息处理也已普遍应用 于军事国防和国民经济中，正在发挥愈来愈大的作用。对它们的研究和发展是每个国家 科学研究的一个重要领域，是衡量国家科技水平高低的重要标志。 塑坚查兰堡主兰竺堡茎 光子技术用于通信，通信容量可望有几个数量级的提高，但是必须要有功率大，光束 稳定，方向性好的光源和低损耗、大容量的传输介质。随着生产工艺的不断改进，光纤的 损耗不断降低，达n o 2 d b k m ，低损耗光纤的控制成功为光通信解决了传输介质的难题。 为光纤通信产业大厦的构建安置了一块极重要的基石，“源”与“路”的研制成功使得 光纤通信技术进入了快速发展的新时期。 从8 0 年代末的p d h 系统n g o 年代中期的s d h 系统，以及近来风起云涌的波分复用( w d m ， w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。从 基础性理论的提出到如今，光通信的技术发展经历了数个里程碑： 1 8 5 4 年，j o h nt y n d a l l 提出了光波导 1 9 6 0 年，在t h e o d o r em a i m a n 的实验室里诞生了第一个激光器 1 9 6 6 年，高馄先生提出用光纤作为传输介质进行通信 1 9 7 2 年，制造了4 d b k m 的光纤比世界上第一根光纤的损耗2 0 d b k m d 、了很多 1 9 9 1 年，有关单模光纤的第一次报告 1 9 9 5 年，密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd e r i s i o nm u l t i p e x i n g 简称d w d m ) ，以 及掺饵光纤放大器e d f a 开始受到通信领域的瞩目 1 9 9 8 年，1 兆兆字节系统产生在一根光纤上实现t i t b s 的信号传输 2 0 0 0 年，l b a n d 系统出现单根光纤传输码率4 0 g b s 的系统尚在实验室阶段 光纤通信出现以前，有线通信网很长时期主要是为电话通信服务，其线路是利用铜 线，包括架空明线、绞铜线电缆和同轴电缆。5 0 年代起，在铜线线路上大量利用新的复 用技术，称为载波电话，包括明线的3 路、1 2 路，对绞铜线电缆的6 0 路和小同轴电缆的 3 0 0 路及中同轴的1 0 8 0 0 路载波电话，当时称“频分复用”( f d m ) 。用载波遏止单边带传 统方式，每路都是模拟电话，频带3 0 0 3 4 0 0 h z ，即各路载波频率相隔4 k h z ，在频谱上依 次排列。到t 7 0 年代，数字通信兴起，利用脉冲编码( p c m ) 技术，每路数字电话传输速 率6 4 k b s ，而且进一步利用“时分复用”( t d m ) 技术，3 0 路数字电话组成基群2 m b s 。同 样在7 0 年代，“光纤之父”高馄先生提出的光纤作为传输媒质的理论被事实验证。从此， 光纤光缆开始代替铜线传输数字电话信号，在通信领域掀起了一场革命。光纤和光器件 崭露头角，就很快在世界各地通信网上推广应用。光纤线路本身的损耗低和潜在容量大 塑翌查兰堡主兰些至苎 等特点确实优于铜线电缆，光纤系统本身的技术越来越完善，而通信网越来越需要向“超 高速率、超大容量、超长距离”发展，因此长途和市内干线无可怀疑地广泛使用光纤代 替电缆。只有在一般用户末端，距离较短的用户线，因光纤及光端机系统目前的成本还 嫌较高，难以替代原来的对绞铜线，也就是说，目前一段时期还不能指望实现光纤连至 每一住家( f t t h ) 。至于通信网本身，长期以来的传统是公用交换电话网( p s t n ) 。但9 0 年 代中期国际互联网( i n t e r n e t ) 异军突起，引起全世界广大计算机用户的兴趣，纷纷争取 上网通信，以致数据信息业务量爆炸性增长，其每年增长率远远大于传统电话业务量的 增长率，以致通信网对数据通信提供的带宽容量每隔6 一1 2 个月翻一番。据国际上可靠 的估浏，进入新世纪后，仅仅几年，全世界通信网承担的数据通信业务量总数超过电话 通信业务量总数。 因此可以断言，未来的国家通信核心网必将是以数据信息为重一t l , ( d a t a c e n t r i c ) 的分组交换网( p a c k e ts w i t c h i n g ) ，它将以互联网规约t p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 为依据， 承担所有信息业务，包括传统p s t n 的电话业务，并保证必要的业务质量( o s ) 。总之， 通信网必然全是运行于数字通信，从数据通信推广至多媒体通信，伴有压缩数字化的音 频和视频信息。移动用户的便携计算机也要经过无线接入固定有线通信网，实现数据通 信和多媒体通信。这样看来，有线通信网提供通信业务的容量必将与年俱增，远远超过 以往的情况。光通信有提供大容量的潜在能力，应付未来通信的庞大容量需求，只能依 靠光通信网和光纤线路。 经过3 0 年的发展，光纤通信已经历了由短波长向长波长、由多模向单模发展的历程， 传输距离实现了向低损耗、长距离的飞跃。目前，通信处于电子通信与光纤通信混合使 用的阶段，信号必须经过中继站的电一光电的转换，并对信号、放大、再生、整形、恢 复等处理。 大容量和长距离通信全靠光纤线路来传输，现在和将来都指望光纤传输线路来挑重 担，有了d w d m 和e d f a ，一根光纤的最大传输容量从l o o b s 跃升至1 t b s ，还可能继续跃 升，而全光传输的距离可以延伸至几百公里和一千公里以上，特别是单模光纤本身和激 光管及无源光器件集成光学，都曾建立了大功，而且这些有源和无源光器件还要继续太 发展。在不需要光放大的短距光纤线路也在积极推广应 = i ，城市网的骨干线路( 即结点 与结点问的线路，或称局间线路) 和接入网的无源光网p o n ( 即结点与用户集中点问线路) 都有显著改进。进入新世纪后，通信线路将普遍是光纤传输线路，数量与质量都是与日 俱增。当然，在未来的通信，无线线路有其独特用途，也要大量发展。总的趋向是光纤 5 塑垩查篓堡圭兰壁笙苎 线路和无线线路共同朝前发展。 然而，应该深刻认识到，光纤传输线路并不代表光通信的一切，光纤传输线路固然 很普遍、很重要，但它们仅提供光信号的点点传输，不能忘记还有同样的重要的一方面， 即光通信嘲本身，简称光网。p t i c a ln e t w o r k 。现在通信界科技工作者正注意研究这个 问题，已经大致确定光网将以波分复用w d m 为基础，深入研究如何组建和设计这样的光 网，这种工作称为o p t i c a ln e t w o r k i n g 。简单地说，光网的结构是类似于现代数字通信 网i p b a s e d 和p a c k e ts w i t c h i n gc o r en e t w o r k 的结构，将有许多结点( n o d e ) ，但现在 各结点将由光纤载荷的w d m 信号连通，每一结点的内部各有若干个插分复接器a d m 和交叉 连接o x c ( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) ，但这些组件在光网是适应波长操作，称为光的o a d m 或波长的w a d m 以及光的o x c 或波长的w x c 。当然，结点内也有w d m 使用的合波器m u x 和分波 器d e m u x 和光纤放大器。还可能设置波长转换器，以便在光交叉连接时按需要改变波长。 这样波长的w a d m 容许在结点内分下或插上若干路波长的光信号，而其它路波长可从分波 器输出直通合波器输入，都不必把光信号转换为电信号或把电信号转换为光信号。这样 统统由光信号在网内运用，使通信网成为“透明”( t r a n s p a r e n t ) 的光网。另外，光网 宜于优先考虑采用双纤环形结构，使网内某处如出现故障，仍有能力迅速自愈或恢复通 信，不让业务运行中断。 综上所述，未来通信网将是以数据业务为重点的分组交换网，统一使用i p 的路由器 和交换机，形成大容量通信网。随着通信容量的要求越来越大，那就只有从电网过渡至 光网才能满足要求。因此可以断定，将来必是全光通信网( a o na 1 lo p t i c a ln e t w o r k ) 正好光纤传输线路发展波分复用w d m 技术取得相当成功，就自然地把w d m 移植至光网，成 为多波长光网m o n e t 。当然，大量的具体工作等待人们去探索研究和实验，但发展光网 的趋向是完全肯定的。估计2 0 1 0 年有新的全光网在世界上出现。 浙江大学硕士学位论文 1 3 光互连技术发展概况 二十一世纪的多媒体通信时代，宽带数据通信和视频分配服务都寄希望于超大容量 的传输和宽带交换技术的实现。而且已经预料到容量大于1 t b s 的传输技术和流量大于 1 t b s 的互连和交换技术的必要性。为了提供如此大的宽带服务，光互连和光交换技术 是不可避免的。 光学互连最早是j w g o o d m a n - y 1 9 8 4 年为了解决电子线路互连过程中引起的串扰、 速度限制、窄带宽等问题而提出的。以光子作为信息传输载体的光互连具有许多特点和 优越性： 1 传输速度高、大容量、宽带宽：因为光的频率远高于无线电波的频率，所以其信 息传输速度和容量要相对大得多。就可见光而言，其频率比电波频率( 5 g h z ) 大1 0 5 倍， 从理论上讲，单位时间内光传播的信息容量比电波高1 0 5 倍。如果采用偏振光和空间多 重化复用技术，还可以进一步拓宽该频域，即便传递同等信息量，也可减少传输时间和 互连线数目。这种大容量特性已通过低损耗传输媒介和放大器进行的远距离光通信得到 证实。 2 可避免电子互连中分布参数引起的传输延迟、阻抗失配等对传输的限制问题，具 有很好的柔软性，不受电容性负载的影响，因而输入输出有较大的灵活性。 3 由于光具有独立传播性，无辐射，信息传输过程中不产生交叉干扰和感应信号。 信号线间几乎不存在相互干扰，因而利用空间内多点间复杂的连接可以实现高速大容量 信息传输，互连密度可以提高。 4 光互连的扇出数目受到探测器的灵敏度和其接收到的光功率的限制。扇出数太 多，到达探测器上的光功率减少，因探测器的灵敏度是一定的，故会造成误码。光互连 可解决无终端的电互连受到临界长度限制的问题，又可解决有终端线受沿线输出端密度 限制的问题，可在计算机系统内部实现高性能互连。它以光速传递信息，将时钟扭曲减 小到最小程度。 5 光互连因波导介质可以相互穿越，故不受平面或准平面的限制，可以空间布线。 只要交叉角大于1 0 0 左右就不会发生交叉耦合。 6 自由空间光束也可以相互穿越，可以实现三维空间的大规模并行交叉互连，具有 高度的空间传播性能。尤其是利用透镜可使传输信息扩展，也可以使信号集中，实现一 对多或多对一的广播式互连网络。利用光学器件也可以进行信息的控制与交换，光波独 新江凡学敢土学位 仑文 立传播，这样就可采用动态光互连，利用动态光互连器件改变互连结构，可实现三维空 间中二维迭合逻辑列阵器件的整体互连。对n 个元件确定n 个互连关系，实现互连网络拓 扑结构的编程重构，增强互连网络的灵活性和可用性。 7 光具有较强的空间指向性，可实现特定方向( 对应确定的空间频率) 和位置选择性 或意向性的传输。 8 光互连可以将信号直接注入电子逻辑器件，由光电转换完成光电集成。 光互连的这些特性使其非常适合大规模并行处理中的交叉互连，将光互连器件及网 络应用于光通信技术和计算机系统，可以极大程度地提高系统的整体性能。正因为光互 连能够克服许多光速数字系统中的互连瓶颈，将在并行计算机及高速通信系统中得到重 要应舁j | ，所以国内外对光互连技术进行了大量、全面、细致地研究。在自由空间光互连、 光纤光互连和波导光互连三个研究领域，当前较热f j 的是利用空间光调制器实现动态光 互连技术和在光波导中实现自由空间光互连。国内光互连研究中优先发展的技术包括： 全息互连器件，稳定多重全息工艺提高衍射效率，改进计算全息的设计方法，降低象差， 进行光纤与光波导光互连，将光波导互连与全息互连结合，实现自由空间光互连。 另外，与光互连紧密相关的技术是光学信息的通信。在这方面人们关注的焦点是光 纤通信技术。光信号在常规光纤中传输时，色散效应将影响信号的传输质量及传输距离， 色散、损耗是限制光通信系统容量的主要因素。色散补偿在光纤通信，脉冲放大及超短 脉冲的产生方面越来越重要。现已铺设的s i 系统多工作在1 3 0 0 n m 附近，从减少损耗的角 度讲，势必选用1 5 5 0 n m 通信窗口。这将把现有速率升起至u l o g b s 以上，损耗最小，色散 却很大。对于常规通信光纤，在1 5 5 0 n m 附近的最大色散系数为1 7 p s n m k m 。此时色散补 偿就显得十分必要。所以人们提出了多种补偿色散的方案。常用的有色散补偿光纤、啁 啾光栅、预啁啾、频谱中途反转和色散支持传输等。其中光纤b r a g g 光栅色散补偿器具 有全光纤型、损耗低、体积小、重量轻、成本低、灵活方便等优点。实验己证明用1 2 0 r a n 的c h i r p 光栅能对工作在1 5 4 0 n m 附近、使用2 7 0 k m 长的常规光纤、 0 g b s 的光纤通信系统 产生的色散进行色散补偿。 祈江大学硕士学位论文 第二章光互连与电互连性能比较 2 1 互连的分类 1 9 8 5 年，w dh i l l i s 在他所著的书中指出：随着电子技术的不断发展，器件越来 越小，成本越来越低，人们开始注意到他们的大部分投资竟然耗费在导线上一系统的 空问为导线所占据，而他们的时间却在等待信号从导线的这一端传给到另一端中流逝。 确实如此，在当前基于微电子集成电路的计算系统中，系统的性能在很大的程度上取决 于不同器件或不同组件之问的通信连接的性能，大至覆盖全球的通信网络，小至单个封 装的芯片内部。互连技术已经作为一门独立的学科，引起了世界各国研究学者的注意。 互连是指提供电子系统内各逻辑功能部件之间的电气连接。互连可以发生在多个层 次，如门器件级、芯片级、板级等。一般地，有关互连的方式可以认为具有吼下三种形 式： 完全电互连：采用金属线在同一半导体村底上将不同功能的芯片( i t s ) 或芯片组进 行相连。 光一电混合互连：在芯片内部采用电互连，而芯片之间采用光互连， 完全光互连：对系统中的所有i t s 全部采用光互连器件直接进行连接。 光互连技术，即采用包含光发射器、光互连通道，光接收器构成的光学互连信道取 代传统的金属线互连。光学互连按传输介质划分为两大类：自由空间光互连和导波光互 连。导波光学互连又分为光纤连接和波导连接两种。 自由空间光互连是指利用各种折射、反射、透射元件和全息光学元件等改变光在自 由空间传输中的方向，用来实现电子组件之间或逻辑元件之间的光学连接。 导波光互连技术是 用光波导或光纤来实现器件之间的光学连接。即将光源发出的 光信号通过光纤或光波导传送到多个探险测器中，这种互连结构紧凑、稳定性能比较好。 光信号通过光纤或光波导传送到多个探险测器中，这种互连结构紧凑、稳定性能比较好。 浙江大学硕士学位论文 2 2 电互连发展瓶颈 在计算机发展的几十年中，不论是c p u 内部，还是处理单元之间，甚至是计算机之间， 电互连始终占据着主导地位，人们也积累了有关电互连的大量的知识和经验。电互连是 通过电子在导体或半导体中的传导作用来实现信号传递的，电子信息处理系统的硬件基 本单位是电互连构成的逻辑门。电子的特征参量表现为电压或电流，一般用电平的高低 来代表二进制的“l ”和0 。依赖于当今的大规模集成电路技术，可在一块很小的芯 片上集成高复杂度的包括近万个或更多的逻辑门系统。然而，由于电子在传导过程中永 远存在着r l c 分布参数，从而使电互连在许多应用领域，特别是那些需要高密度、商带 宽和低能耗的领域，存在着难以克服的缺陷。这些缺陷主要是： 带宽限制：每一段电信号的传输电介质都存在着分布的r lc 参数。从等效的观点 来看，这段传输导线被认为是一个低通滤波器，其有限的带宽会导致高频信号的严重失 真，从而限制了实际有效通信带宽。 时钟歪斜：逻辑时钟信号无失真的传输是数据正确处理的基础，由于电导线的有限 带宽可引起输入信号前沿的畸变，以及在传输过程中，由于各路的传输时间不同。使系统 的不同部分在不同时刻接收到同步信号。这个问题在高速信息处理系统的板级时钟分布 传输时尤其严重，时钟漂移超过某一个限度导致系统就不能正常工作。 线间串扰：一段电导线以高频传输信号时，由于其辐射能量正比于其传输频率的四 次方，所以，在高传输率的情况下，一段电导线就变成了邻近导线的“发射天线”或“接 收天线”，他们相互串扰使噪声功率增大，系统信噪比急剧下降，从而导致系统不能正常 工作。 功耗高：功耗是集成电路芯片的一个重要参数。信号传输过程的能量耗散主要由两 部分构成：一部分是电传输介质上的能量耗散，这个能量不是一个常量，它随器件问距离 长短而变。另一部分是互连线两端口上阻抗的能量耗散。当电互连线路在l o n m 左右时， 耗散能量可达5 0 0 p j 。在高频信号情况下，电互连路由上所耗能量会急剧增加，其辐射能 量正比于频率的四次方。当用电集成电路来实现互连时，芯片内数e l 众多的互连线将占 据芯片大部分面积，芯片复杂度高，功耗已成为一大难题。 i o 数量受限：集成电路芯片i o 数量受限是指i o 端1 2 数目受限。这里有三个方 面的原因：第一是功耗，驱动每个i 0 端口工作在一定的速率，必定耗费比较大的功率， l n 塑垩奎主堡圭堂垡堡苎 因此i 0 端口数目不能多，i o 端口的速率也不能太高( 根本原因是带宽) 。第二是引线的 互连模式，大多数集成电路芯片的互连引线是在环绕芯片周长的二维平面上，因此它的 互连引脚数目受限。第三是集成电路芯片互连的物理实现工艺的限制。 2 3 光互连与光交换的优点 光互连以光作为传递信息的载体，能弥补电互连的以上缺陷，有望彻底解决高性能 计算机和超高速交换系统中普遍存在的通信瓶颈问题，实现通信系统的大容量、高速率、 低能耗的数据交换。光互连的主要优势如下： 对系统的功耗和散热要求低：对于高密度的v l s i 芯片，系统的能耗和散热能力是非 常重要的指标。在互连距离超出一定界限或者系统速率达到一定的程度时，光互连网络 的能耗比电互连的能耗相应要小。 系统的扇入、扇出能力增加：扇入、扇出能力表示系统所最大能够接收、驱动外部 所连处理单元的能力。接收、驱动外部所连处理单元的数量越大，扇入、扇出能力越强。 对于电互连网络这种直接受电信号的能量和所连的接收器件的反射特性限制，而对于光 互连则不存在这种问题。 无电磁干扰现象：对于采用电路线传输的场合，互连线因电磁现象会象发射天线一 样对内部其他电路产生影响，由此造成信号的传输噪声。对于光互连的系统不同光路之 间的信号不会产生相互千扰，因此采用光互连的系统能够提供比较好的信号环境。 系统互连密度得以提高：由于电磁干扰现象，采用电互连的系统内当金属连线之间 相互距离缩小到一定程度时，会造成相互之间干扰加剧以至无法工作的情况。干扰的程 度取决于系统的工作频率。因此对于电互连系统，系统的工作频率越高，郎带宽越高， 则互连密度越低。由于无电磁交扰现象，光互连系统具有设计灵活、互连密度高的特性。 光互连系统其总互连数和互连密度取决于光学系统的数值孔径和分辨率。 极高的空间和时间带宽积：光除了空分复用、时分复用、码分复用外，还有独特的 波分复用v d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 方式。在不增加太多硬件投资的情 形下，波分复用可使系统容量以波长数目n 的倍数增加。 光学互连的优点可以比较好地弥补电互连的不足，具体体现为：互连延迟与器件延 迟相比可忽略；不受电容( 电感) 负载的影响：抗电磁干扰；无需平面或准平面互连；扇 出能力强；很宽的带宽；可进行平行连接；连接介质不易击穿；连接方式灵活；传输损 1 1 塑坚奎兰堡主兰些堡苎 耗低：驱动功率低；降低时钟歪斜；延长互连长度；互连能量降低。但光互连在解决了 电互连的部分问题的同时，同样也存在其他一些不利因素。光互连存在的问题主要有： 光源可靠性，由于l d 局部功率密度较高，材料存在较大应力，而且电流引起加热 效应和质量转移。尤其在使用激光器阵列的场合一f ，目前更倾向于使用可靠性更高的光 调制器。 由于硅本身无法直接制作有效的光源，一般为硅上生长g a a s 或在硅匕混合集成光 源等，这就存在光源与硅上电子器件之间的集成问题。 由于信号抖动的来源可能为激光噪声，不相等的功率分配，随机被导损耗，寄生 光耦合进入波导。如使用多模波导，光传输会激励起高阶模等，因此要考虑接收端的噪 声问题。 光器件难于机械加工且同电器件相比具有安装调校困难等闯题。 可见，光互连存在的问题同电互连有所不同，电互连存在的问题主要表现为系统的 性能约束，而光互连则主要表现为系统的工艺约束，光学互连理论上可以根本性地解决 电互连造成的传输延迟和系统功耗等瓶颈问题，但在目前工艺及加工条件下同时也存在 其它不利因素，如光互连需要更大区域，带宽仍主要受板上的电子线路所限制等。目前 光电耦合存在相当大的损耗，对电一光和光一电耦合工艺要求很高，光学连接元件材料与 电路材料之间的兼容性问题等。因此比较实际的做法不是直接地采用光学互连代替全部 的电互连，面是借助光学互连的特点，提出结构上的改变，把那些艰制系统性能提高的 电互连用光互连代替。 2 4 光电系统的思路设计 光电子集成设计指导思想是：根据系统总体性能要求。结合电、光互连各自的优缺 点，正确区分电互连和光互连技术的应用区域，以尽量小的代价得到最大的系统性能体 现。 如前所述。虽然采用电互连的多芯片组件技术可在一定程度上解决组装密度、信号 延迟及功率损耗等方面问题对系统整体性能的影响，但面对日益增多、日趋密集的细小 引线，且不说焊接组装将极为困难，单就引线容量负载有限制、连线间的电磁串扰等问 题，电互连就很难支持系统所要求的速率和密度，也难以充分发挥部件本来的性能。光 互连具有高带宽、无串扰、三维灵活布线、可进行长距离高速度并列数据传输等特点， 1 2 浙江大学硕士学位论文 必然将代替电互连。但是，光互连所涉及到的精密微光学器件加工技术和精确微机械制 造技术束缚了光互连技术的应用。因此，实际中完全采用电互连的方式或完全采用光互 连的方式都会造成使其应用范围受到限制的问题。 对给定的光电系统功能，只有正确地区分出系统中采用的电互连区域和光互连区 域，比较适当地综合电互连和光互连的性能优缺点，才能在高速、高性能的计算机和通 信交换系统中最大限度地发挥系统的总体性能。也就是说，采用光互连的高性能系统设 计只有在明确地知道电互连和光互连在性能、价格等因素影响下各自的性能体现，方能 比较恰当地把握系统的结构。因此对电互连和光互连的性能分析、比较的目的是为指 导实际系统结构划分，确定电互连和光互连的划分方法及划分界限。但实际上这种光电 系统结构的划分，按不同的系统性能要求可以有许多种不同的考虑角度，对应地有许多 种不同的分割算法。近年来的研究结果显示，对采用自由空间光互连模式的光电系统， 正确地区分出电互连和光互连的区域界限，可以明显地降低系统间的互连延迟和互连数 目。这种系统结构特征表现为在电互连区域内大量的门阵列之间通过金属线互连，每个 电互连区域内具有若干个具有自由空间光互连能力的器件完成不同区域之间的光互连。 为了发挥光互连的优势，可采用两种或多种技术手段相结合。光互连可分为五个层 次进行，门器件之间的互连，互连长度小于1 r a m ；芯片之间的互连，互连长度小于l c m , 线路板内的互连，互连长度5 1 5 c m ：线路板