光互连调研分析报告

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 73.1VCSEL 73.2InGaAs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 166.1EOPCB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而近来发展起来新一代连接技术，光互连是指在板间、芯片间、芯片与板之间等等用光形式互连。电互连传播带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大等缺陷，已经成为电互连进一步发展巨大障碍。光互连作为一种新互连方式，具备极高通信带宽，极小功耗，可以较好地解决电互连发展受限问题。1.2电互连发展制约 随着计算机技术发展，计算机节点数目急剧增长，对高性能互连网络传播带宽、传播延时均有较高规定。电互连网络发展重要受限于如下几种方面[[1][1]张炜.芯片光互连技术研究.国防科学技术大学. (1)集成电路发展限制 随着互连网络构造与实现技术逐渐成熟，进一步提高网络性能重要依托集成电路技术发展。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、热噪声等因素限制，已经很难再有较大突破。(2)电信号传播限制由于电信号传播过程中衰减、反射、串扰、电源噪声等因素，工作频率提高面临着挑战;工作频率提高，使得数据采样窗口不断减小，同步电缆上衰减增长，影响了有效带宽增大，系统可靠性面临挑战;工作频率提高，商业软件工具对下一代产品设计、验证、布局布线、物理验证支持有限，系统可制造性同样面临着挑战。(3)物理封装限制互连网络实现需跨越各种层次，每层中材料和制造工艺不同，导致物理特性和约束不同，随着层次增长，互连代价增大，密度减小，必然限制系统规模扩展;随着系统规模增长，互连网络带宽、工作频率互相制约，严重影响网络性能提高。(4)带宽限制增长节点之间通信带宽普通有两种途径，一是增长并行数据传播线宽度，二是提高信号频率。增长数据传播线宽度，需要芯片提供更多IO引脚，给芯片封装工艺带来很大困难;提高信号频率，传播线上将消耗更多能量，传播线之间串扰也将增长，使得信号传播距离缩短。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严重失真，传播带宽可提高余地非常小。随着高性能计算机不断发展，工作频率不断提高，老式电互连技术缺陷显得更加突出。电互连网络带宽小、时延大、高速电信号之间串扰大、功耗大等缺陷，已经成为高速电互连进一步发展巨大障碍，对新互连技术研究已经迫在眉睫。1.3光互连优势光互连具备带宽高、功耗小、可并行等长处。近几十年以来，各种光技术成熟，光器件研制成功，极大推动了光互连技术发展。光互连作为一种新互连方式，可以较好地解决上述电互连发展受限问题。光互连可详细理解为用光技术实现两个以上通信单元连接，以实现协同操作。随着信号频率增大，光互连技术相对与电互连技术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核心技术。第二章光互连发展状况2.1国内发呈现状国内外研究现状：国内当前只有华中科技大学和国防科技大学从事过这方面研究。华中科技大学重要工作涉及系统光互联系统整体架构，系统整体仿真，实际实验完毕了波导设计，制作，尚有一某些是研究波导与光源耦合某些。（罗风光）[2]文中[]张瑾.基于EOPCB光互联板光耦合研究.华中科技大学.提出了一种新光耦合构造，并[]张瑾.基于EOPCB光互联板光耦合研究.华中科技大学.国防科技大学设计和制作一种光互联构造，在发射端采用1*12VCSEL阵列，接受端采用1*12PD阵列完毕了两块高速FPGA芯片之间互联，详细EOPCB板如下图。但是这里采用波导是光纤带状线。波导与光源耦合采用是透镜阵列。2.2国外发呈现状 老式印刷电路板上铜线互联在达到GHz传播速度后，由于介质损耗以及趋肤效应损耗等决定了铜互连传播损耗，使得信道噪声随着频率增长呈现指数级别增长。在高频传播时，老式电互连存在诸多问题。光传播则具备低损耗、高带宽、大容量、无串扰、抗电磁干扰等诸多长处，使得光互连成为解决高速信号互连瓶颈一种有效办法[[][]张金星.基于光波导互连EOPCB研究.华中科技大学.EOPCB（光电印刷电路板）重要运用嵌入式光波导来实现芯片间高速光互连，对于EOPCB研究，特别受到了美日德韩等国家注重。下面简介这几种国家研究状况。美国IBM公司在EOPCB研究方面获得了较大成果。年提出了第一种光互连原型；运用级联微环振荡器研发出硅芯片超压缩光缓冲区；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；年提出了“CMOS集成硅纳米光子”概念；年宣布“硅纳米光子”可运用100nm如下工艺，在单颗硅芯片内同步整合各种不同光学部件和电子电路，达到25Gbps；年与DowCorning展示了基于硅材料新型聚合物光波导[[]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..2]。在，IBM在ECTC(ElectronicComponentsandTechnologyConference)刊登会议论文提出每个光通道10-15G/s共24路并行链路双向高速互连。模组[]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..2图1IBM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驱动电路整合到一块芯片里面，这个重要通过SiC（Sicarrier）技术实现，光芯片与光波导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35μm×35μm，损耗在850nm处为0.3dB/cm。在光波导内可以进行光波分复用。图2显示是IBM在研究中关于EOPCB发展过程。IBM在解决铜互连瓶颈方案中，提出了两种办法[[][]RogerDangel，JensHofrichter，FolkertHorst，DanielJubin，AntonioLaPorta，NorbertMeier，IbrahimMuratSoganci，JonasWeiss，andBertJanOffrein.Polymerwaveguidesforelectro-opticalintegrationindatacentersandhigh-performancecomputers.OE.23.004736..2.23采用基于使用绝缘硅波导硅光子COMS技术使用光学聚合物波导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，特别是在高分子聚合物波导方面研究获得了重大成果。但要实现完全光互连还需要不断研究。图2IBM光互连研究发展过程日本日立化成工业株式会社在ECTC刊登论文中提出她们研究成果，她们芯片间光互连构造如图3，其实在光互连构造上没多大变化，光波导制作工艺也采用干模热压法，但是波导芯层为50μm×50μm，上下包层厚度分别为25μm，波导损耗为0.1dB/cm，波导材料高分子亚克力聚合物（PDMS），垂直耦合光波导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开始，进行光电子融合系统基本技术开发，以在2025年实现“片上数据中心”为目的。9月，PECST发布了可在1cm2硅芯片上集成526个数据传播速度为12.5Gbps光收发器技术。该技术将芯片间布线驶入“光高速公路”。当前，PECST研究还在持续推动中。图4PECST项目详细分工状况韩国板级芯片光互连中，较大不同是在耦合某些采用不是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°弯曲光纤阵列德国芯片间光互连技术重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板连接通过在玻璃上穿孔形式，玻璃具备较好绝缘性和较好透明性，材料成本相对也较低，温度性能较好，光直接通过玻璃入射到光波导45°端面上进行耦合。图6德国板级芯片光互连模具 第三章光互连中激光器与探测器甚短距离光互连中集成电路重要采用短波长850nm垂直腔面激光射器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，VCSEL)阵列传播高速率并行数据。并行高速光电转换器常采用850nm短波长InGaAs光电探测阵列探测器.工作速率已达到每通道10Gb/s.3.1VCSEL中心是有源区，它有体异质结和量子阱两种构造；其侧向构造有增益导引和环形掩埋异质结之分。有源区上下是反射器。图1.垂直腔面激光器氧化物隔离VCSEL器列阵件在阵列器件工艺中，一方面采用化学湿法腐蚀在GaAs表面形

成10×10台面构造露出接近上限制层高Al组分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个周期高反射率Znse．caF上DBR。器件在脉冲(100ns／10ps)和持续(CW)备件下工作。由于氧化工艺可以使单元器件尺寸很小，达到对注入电流限制作用，因而可以获得阈值电流很小阵列器件，并且实验成果表白，阵列效果较好。3.2InGaAs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、探测器驱动、信号检测放大、信号放大整形输出等某些,可应用于持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顾客,免除客户在使用雪崩光电探测器时弱信号解决环节。3.3当前已经推出商用VCSEL和PD阵列韩国optowell公司发布了10G4通道，12通道VCSEL阵列芯片及相应接受端芯片。当前可以订制VCSEL及相应PD。PD阵列为4或者12，每通道可以支持2.5G或者10Gbps速率。VCSEL和PD阵列尺寸小，集成度高。VCSEL采用是线阵，4个阵列长度970um，12阵列长度2970um，体积小。PD也是采用线阵，4个长度1000um左右，12个长度3000um左右。第四章耦合方式4.1光收发模块与光互连层之间耦合办法一[1]： 以日本NTT为代表维透镜耦合方式（OptoBump）。光波导上面一种凹腔中布满透明波导物质，填充波导表面抛光后，就在其上形成微透镜阵列。采用扩散办法，运用固体基底表面曲张，形成维透镜阵列。长处：微透镜和表面加工工艺(SMT)完全兼容，因而可以大规模低成本生产，易于投入商业应用。缺陷是在表面曲张实际操作过程中，微透镜曲率半径难以保证，因此制作难度比较大。运用这种办法制作EOPCB光耦合示意图如下所示[5]办法二[1][[][]ByungSupRho，SaekyoungKang，HanSeoCho，etal.PCB-CompatibleOpticalInterconnctionUsing45°-EndedConnectionRodsandVia-HoledWaveguides.JournalofLightwaveTechnology，，22(9)：2128~2134采用直接对准方式，即将光发射机/接受机芯片与波导层直接对准。这种办法以德国“OptiCon”筹划，韩国KAIST为代表。这种办法重要思想是当前MT连接器上插入一小段光纤，将光纤一端磨制成45度端面，光纤芯层折射率普通是1.5475，这个45度端面同空气接触正好形成一种全发射面，从而实现光耦合。长处：消除了微透镜阵列带来光损耗。缺陷：所需要耦合精度更大。这种构造示意图如下：办法三：ETRI光互联背板系统[1][[][]KeunByoungYoon，In-KuiCho.OpticalBackplaneSystemUsingWaveguideEmbeddedPCBsandOpticalSlot.JournalofLightwaveTechnology，，22(9):250~257它由两某些构成，装有发射和接受装置解决板和置入光波导光底板。在解决板里，一锥形聚合物波导被粘在一金属光具座上，光电器件和发射接受集成芯片也集成在金属光具座上，解决板由光学插槽来和光学底板耦合，在解决板和光背板耦合原理如下图所示。解决板和光背板耦合：在金属光具座MOB上光波导祸合到己经安装在光学插头上MMF（62.5渐变折射率光纤）阵列。在光学插头内耦合光到光背板光波导中NIMF'一端，贴有45度角反射镜。原理图如下图所示：办法四：POSH光互联构造[1][[][]LisaA.BuckmanWindover.Parallel-OpticalInterconnects>100Gb/s.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,,22(9):321~327此POSH传播和接受模块是在耐热玻璃基底上构造了双面聚合物透镜，从而形成为传播和接受模块透镜阵列。传播透镜阵列接受从VCSEL阵列发射光线，并将光汇聚在多模光纤带上。而接受模块透镜阵列则是接受从多模光纤带上发出光，并将其汇聚在光检测器上。传播模块使用衍射/折射透镜，接受模块使用折射/折射透镜（衍射部件在这里作用重要是减少反射回VCSEL光，从而使激光器可以发射稳定模式场到多模光纤）。其传播模块光系统如下图所示：办法五：Terabus光互连构造[1][[][]LaurentSchares，JeffreyA.Kash，FuadE.Doany，ClintL.Schow.Terabus：Terabit/Second-ClassCard-LevelOpticalInterconnectTechnologies.IEEEJOURNALOFSELECTEDTOPICSINQUANTUMELECTRONICS,VOL.12,NO.5,SEPTEMBER/OCTOBER把光耦合进光波导光系统是基于一种微透镜阵列，透镜是通过刻蚀在GaAs/InP基底背面形成，单个透镜分别与在其对面VCSEL和PIN器件对准，如下图所示，每个透镜将OE有源区成像在波导芯层上。在光波导任一端构造激光熔融反射镜，以满足光90度藕合进出光板平面，为得到高反射，镜子表面涂上了一层金制涂层。4.2板间(芯片之间)耦合几种构造 办法一：Fully-IntegratedFlexiblePhotonicPlatform（全集成式光电子平台）[[][]LanLi，YiZou，HongtaoLin，JuejunHu，XiaochenSun，Ning-NingFeng，SylvainDanto，KathleenRichardson，TianGu，MichaelHaney.AFully-IntegratedFlexiblePhotonicPlatformforChip-to-ChipOpticalInterconnects.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.31,NO.24,DECEMBER15,这种构造基片上包括了一组单模光纤波导阵列，光电子器件（激光器和光电探测器）就是上面蓝色某些称为Activedevices，光电子器件通过一种叫做alignment-freedie-to-wafer连接技术直接耦合到基片上光波导上面，最后在基片两端有称为flip-chip倒装芯片连接技术(图中黄色某些)焊接在Chip上面。长处：传播速度不久每个信道可达到10Gbps传播速率。缺陷：制作工艺比较复杂。 办法二：总线技术[[]NikolaosBamiedakis，AeffendiHashim，RichardV.PentyandIanH.White.A40Gb/sOpticalBusforOpticalBackplaneInterconnections.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.32,NO.8,APRIL15,[]NikolaosBamiedakis，AeffendiHashim，RichardV.PentyandIanH.White.A40Gb/sOpticalBusforOpticalBackplaneInterconnections.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.32,NO.8,APRIL15,[]N.Bamiedakis,A.Hashim，R.V.Penty,andI.H.White.Regenerativepolymericbusarchitectureforboard-levelopticalinterconnects.ElectricalEngineeringDivision，DepartmentofEngineering，UniversityofCambridge,9JJThomsonAvenue,Cambridge，CB30FA,UK是光背板技术一种，大量用于刀片式服务器（bladeservers）以及数据存储系统中。板之间互连通过多模光波导连接，在每个子板之间通过3R单元可以恢复信号从而可以让这种构造可以连接无限多单元板(cards)。这种光总线构造具备很强稳定性，虽然在输入信号没有对准状况下还可以具备很低损耗以及很低信道传播串扰。在实验中可以以低于10^-12误比特率以10G/s传播速率进行板间数据交互。长处：稳健性好，损耗低，速度高可以支持任意数量单元板非常适合在刀片式服务器中使用。缺陷：光波导布线是一种难点。办法三：自由空间光互连[[][]KeWang，AmpalavanpillaiNirmalathas，ChristinaLim.Experimentaldemonstrationoffree-spacebased120Gb/sreconfigurablecard-to-cardopticalinterconnects.October1，/Vol.39，No.19/OPTICSLETTERS5717光电子器件（激光器以及PD）集成在每个子板（Card）上，子板之间连接是通过自由光连接，为了对准自由空间中光束需要在子板上集成光束对准反射镜。长处：不使用光波导连接，构造简朴。缺陷：不同信道之间有很大串扰，这个是影响传播性能最大障碍。办法三：通过光插座与插头用光纤连接[[]RichardCharlesAlexanderPitwon，LarsBrusberg，HenningSchroder，SimonWhalley，KaiWang，AllenMiller，PaulStevens，AlexWorrall，AlessandroMessina，andAndrewCole.PluggableElectro-OpticalCircuitBoardInterconnectBasedonEmbeddedGraded-IndexPlanarGlassWaveguides.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY，VOL.33，NO.4，FEBRUARY15，][[[]RichardCharlesAlexanderPitwon，LarsBrusberg，HenningSchroder，SimonWhalley，KaiWang，AllenMiller，PaulStevens，AlexWorrall，AlessandroMessina，andAndrewCole.PluggableElectro-OpticalCircuitBoardInterconnectBasedonEmbeddedGraded-IndexPlanarGlassWaveguides.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY，VOL.33，NO.4，FEBRUARY15，[]KeunByoungYoon，In-KuiCho，SeungHoAhn，MyungYongJeong，DeugJuLee，YoungUnHeo，ByungSupRho，Hyo-HoonPark,Byoung-Ho(Tiger)Rhee.OpticalBackplaneforboard-to-boardInterconnectionBasedonaGlassPanelGradient-IndexMultimodeWaveguideTechnology.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.22,NO.9,SEPTEMBER[]Ning-NingFeng,andXiaochenSun.ParallelOpticalInterconnectsSubmoduleUsingSiliconOpticalBench.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.33，NO.4,FEBRUARY15,201这种光互连方式普通是在板边沿与另一种系统之间通过光纤连接，这种连接技术由于其稳定机械特性使得光纤在弯曲某些可以较好耦合。第五章光波导制作材料及工艺在光互连构造中，用最多一种构造就是运用光波导互连，因而研究光互连中波导材料尤为重要。5.1光波导制作光波导在EOPCB中起着核心作用，采用适当聚合物光波导传播信号是系统可以高速、可靠、有效运营保证。当前研究光通信波段聚合物光波导材料用重要是低传播损耗聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生出来氟化物和氘化物、聚硅氧烷、含氟聚芳醚和聚芳硫醚、耐高温氟代聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、聚硅烷、聚碳酸酯等，表1显示是商品化光波导材料性能参数。表1商品化聚合物材料性能参数5.2光波导制作工艺随着人们对EOPCB研究不断进一步，光波导制作工艺也在不断发展与变化。当前重要制作办法有如下几种[[][]彭亚雄.基于EOPCB聚合物波导研究.(1)离子互换技术：在玻璃构造中，由于其网格修饰与网格结合是不牢固，因而，当加热浸在某熔盐中玻璃，使其内离子具备一定能量时，离子极容易在网格之间发生迁移，与熔盐中一价离子在玻璃表面处发生互换。随着离子互换会引起折射率变化，这是由于两种互换离子半径不同,使互换处体积发生变化而引起，如果以熔盐中半径较小离子代替玻璃中半径较大离子，互换后玻璃网格在小离子周边发生溃塌，产生比离子互换前更密集构造，这样将导致折射率增长；再是由于离子互换使电子位移极化率发生变化而引起，如用电子位移极化率较大Tl+离子代替电子位移极化率较小Na+离子，则也会使折射率增长；此外，由于互换离子半径不同，必然引起互换处摩尔体积变化，但因玻璃是网格构造，体积膨胀(或缩小)是各向异性,从而导致互换层内部压强增长(或缩小)，致使折射率发生变化，正是由于上述各因素在离子互换处导致折射率变化而制成了光波导。(2)热模压印法：在高温高压环境下，用金属压印工具压入热塑光包覆材料中，制作波导芯层通道，在高温和压力下在这些沟道里填充较高折射率芯层材料，然后将一种低折射率基底片迭加在波导上，最后取下玻璃－基底结合体，并在上面覆盖一层光包层。运用热模压印法制作波导，损耗在633nm上为0.5dB/cm，重要是由于金属压印工具表面高粗糙度所导致。采用此办法可以进行大规模，低成本生产，但对材料热稳定性有较高规定。(3)平版影印法：平版影印(Photolithography)又称为显影(光)蚀刻，一方面是在基板上用旋转涂布办法涂上一低折射率下包层，再在其上涂布作为芯层材料高折射率层，并将其用曝光显影方式设计出符合需要波导芯层尺寸大小，最后再在其上涂布与下包层相似材料上包层，这样就完毕了整个平版影印光波导制程。这种办法与半导体制程相容性高，并且设备也相称成熟，但是要获得可以符合规定尺寸芯层是这种办法核心。依照光致抗蚀剂(photoresist)被曝光某些发生光化学反映种类不同，可以将光致抗蚀剂大体分为正性光致抗蚀剂和负性光致抗蚀剂两种类型。被曝光某些发生交联反映抗蚀剂，通过显影后，该曝光某些被保存下来，未曝光某些则被除掉，这种光致抗蚀剂称为负性光致抗蚀剂，而被曝光某些发生分解反映抗蚀剂，通过显影后，曝光某些被除掉，未曝光某些留下来，这种光致抗蚀剂称为正性光致抗蚀剂。选用光致抗蚀剂与衡量光致抗蚀剂优劣原则，涉及对光源敏捷度、对图形辨别率、涂布均匀性以及对蚀刻工艺耐腐蚀性等。(4)光漂白技术：这一办法是运用某些聚合物材料所具备光敏成分在光照状况下发生光化学反映，最后在曝光某些和未曝光某些形成折射率差，从而获得所需光波导。光漂白技术是相对最为简朴一种，但是这种技术经常受材料特性限制。(5)刮刀法：刮刀法作为一种新兴波导制作办法，与其她波导制作办法最大差别在于其采用刮刀方式来代替匀胶，更适合大面积波导制作。基本制作环节：制作芯层光波导锻造模具；②采用刮刀法(doctorblade)在模具槽中填充芯层聚合物，加热固化；③加工包层衬底载物台，采用FR4材料，这重要是为了可以较好地和PCB板集成④波导衬底层制备采用液态包层聚合物填充到模具中(已有已固化芯层)，然后包层聚合物衬底载物台压在模具上固化好后，衬底层和载物台从模具中卸下。⑤上衬底层采用同样办法制作。在IBM研究中，采用了类似于刮刀法办法来制造聚合物光波导。如图8所示为波导制作原理图。图7刮刀涂布机制作波导原理图8（a）显示是制作波导模具以及用于涂材料刮刀涂布机模型图，（b）分别是加液体纤芯聚合物并采用刮刀涂布机进行均匀地将材料涂在模具中过程第六章EOPCB与老式PCB制作工艺6.1EOPCB制作工艺EOPCB重要有光层与电层。光层板有平面线路和波导阵列和各种尺寸和功能光器件，涉及微纳米激光器、开关、连接器、探测器、传感器、执行器、驱动调制器等等。电层有许多不同功能电子线路[[][]El-HangLee,S.G.Lee，B.H.O，S.G.Park1，K.H.Kim.Fabricationofa