光互连调研报告.doc

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 and 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 Dangel, 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。 优点：微透镜和表面加工工艺(SMT)完全兼容，因此可以大规模低成本的生产，易于投入商业应用。缺点是在表面曲张的实际操作过程中，微透镜的曲率半径难以保证，所以制作难度比较大。 利用这种方法制作的EOPCB的光耦合示意图如下所示5 方法二1 Byung Sup Rho, Saekyoung Kang, Han Seo Cho, et al. PCB-Compatible Optical Interconnction Using 45-Ended Connection Rods and Via-Holed Waveguides. Journal of Lightwave Technology, 2004, 22(9): 21282134： 采用直接对准的方式， 即将光发射机/接收机芯片与波导层的直接对准。这种方法 以德国的“OptiCon”计划，韩国的KAIST为代表。这种方法的主要思想是现在MT连接器上插入一小段光纤，将光纤一端磨制成45度端面，光纤芯层的折射率一般是1.5475，这个45度的端面同空气接触正好形成一个全发射面，从而实现光耦合。 优点：消除了微透镜阵列带来的光损耗。缺点：所需要的耦合精度更大。这种结构的示意图如下： 方法三：ETRI光互联背板系统1 Keun Byoung Yoon, In-Kui Cho. Optical Backplane System Using Waveguide Embedded PCBs and Optical Slot. Journal of Lightwave Technology, 2004, 22(9):250257 它由两部分组成，装有发射和接收装置的处理板和置入光波导的光底板。在处理板里，一锥形聚合物波导被粘在一金属光具座上，光电器件和发射接收集成芯片也集成在金属光具座上，处理板由光学插槽来和光学底板耦合，在处理板和光背板的耦合原理如下图所示。 处理板和光背板耦合：在金属光具座MOB上的光波导祸合到己经安装在光学插头上的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的光波导中的NIMF的一端，贴有45度角的反射镜。原理图如下图所示： 方法四：POSH光互联结构1 Lisa A. Buckman Windover. Parallel-Optical Interconnects 100 Gb/s. JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY,2004,22(9):321327此POSH的传输和接收模块是在耐热玻璃基底上构造了双面聚合物透镜，从而形成为传输和接收模块的透镜阵列。传输透镜阵列接收从VCSEL阵列发射的光线，并将光汇聚在多模光纤带上。而接受模块透镜阵列则是接收从多模光纤带上发出的光，并将其汇聚在光检测器上。传输模块使用衍射/折射透镜，接收模块使用折射/折射透镜（衍射的部件在这里的作用主要是减少反射回VCSEL的光，从而使激光器能够发射稳定的模式场到多模光纤）。其传输模块光系统如下图所示：方法五：Terabus光互连结构1 Laurent Schares, Jeffrey A. Kash, Fuad E. Doany, Clint L. Schow. Terabus: Terabit/Second-Class Card-Level Optical Interconnect Technologies. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.12,NO.5,SEPTEMBER/OCTOBER 2006 把光耦合进光波导的光系统是基于一个微透镜阵列，透镜是通过刻蚀在GaAs/InP基底的背面形成，单个透镜分别与在其对面的VCSEL和PIN器件对准，如下图所示，每个透镜将OE的有源区成像在波导的芯层上。在光波导的任一端构造激光熔融的反射镜，以满足光90度藕合进出光板平面，为得到高的反射，镜子表面涂上了一层金制涂层。4.2 板间(芯片之间)耦合的几种结构方法一： Fully-Integrated Flexible Photonic Platform（全集成式的光电子平台） Lan Li, Yi Zou, Hongtao Lin, Juejun Hu, Xiaochen Sun, Ning-Ning Feng, Sylvain Danto, Kathleen Richardson, Tian Gu, Michael Haney. A Fully-Integrated Flexible Photonic Platform for Chip-to-Chip Optical Interconnects. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.31,NO.24,DECEMBER 15,2013这种结构的基片上包含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）就是上面的蓝色部分称为Active devices，光电子器件通过一种叫做alignment-free die-to-wafer的连接技术直接耦合到基片上的光波导上面，最后在基片的两端有称为flip-chip的倒装芯片连接技术(图中的黄色部分)焊接在Chip上面。优点：传输速度很快每个信道可达到10Gbps的传输速率。缺点：制作工艺比较复杂。方法二：总线技术 Nikolaos Bamiedakis, Aeffendi Hashim, Richard V.Penty and Ian H.White. A 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.32,NO.8,APRIL 15,2014 N.Bamiedakis,A.Hashim, R.V.Penty,and I.H.White.Regenerative polymeric bus architecture for board-level optical interconnects. Electrical Engineering Division, Department of Engineering, University of Cambridge,9 JJ Thomson Avenue,Cambridge, CB3 0FA,UK是光背板技术的一种，大量用于刀片式服务器（blade servers）以及数据存储系统中。板之间的互连通过多模光波导连接，在每个子板之间通过3R单元能够恢复信号从而能够让这种结构能够连接无限多的单元板(cards)。这种光总线结构具有很强的稳定性，即使在输入信号没有对准的情况下还能够具有很低的损耗以及很低的信道传输串扰。在实验中能够以低于10-12的误比特率以10G/s的传输速率进行板间的数据交互。优点：稳健性好，损耗低，速度高能够支持任意数量的单元板非常适合在刀片式服务器中使用。缺点：光波导布线是一个难点。方法三：自由空间光互连 Ke Wang, Ampalavanpillai Nirmalathas, Christina Lim. Experimental demonstration of free-space based 120 Gb/s reconfigurable card-to-card optical interconnects. October 1, 2014 / Vol. 39, No. 19 / OPTICS LETTERS 5717光电子器件（激光器以及PD）集成在每个子板（Card）上，子板之间的连接是通过自由光连接的，为了对准自由空间中的光束需要在子板上集成光束对准反射镜。优点：不使用光波导连接，结构简单。缺点：不同信道之间有很大的串扰，这个是影响传输性能最大的障碍。方法三：通过光插座与插头用光纤连接 Richard Charles Alexander Pitwon, Lars Brusberg, Henning Schroder, Simon Whalley, Kai Wang, Allen Miller, Paul Stevens, Alex Worrall, Alessandro Messina, and Andrew Cole .Pluggable Electro-Optical Circuit Board Interconnect Based on Embedded Graded-Index Planar Glass Waveguides. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 33, NO. 4, FEBRUARY 15, 2015 Keun Byoung Yoon, In-Kui Cho, Seung Ho Ahn, Myung Yong Jeong, Deug Ju Lee, Young Un Heo, Byung Sup Rho, Hyo-Hoon Park,Byoung-Ho (Tiger) Rhee. Optical Backplane for board-to-board Interconnection Based on a Glass Panel Gradient-Index Multimode Waveguide Technology. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.22,NO.9,SEPTEMBER 2004 Ning-Ning Feng,and Xiaochen Sun. Parallel Optical Interconnects Submodule Using Silicon Optical Bench. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.33, NO.4,FEBRUARY 15,201这种光互连方式一般是在板边缘与另一个系统之间通过光纤连接，这种连接技术由于其稳定的机械特性使得光纤在弯曲部分能够很好的耦合。第五章 光波导制作材料及工艺在光互连结构中，用的最多的一种结构就是利用光波导互连，因此研究光互连中的波导材料尤为重要。5.1光波导制作光波导在EOPCB中起着关键作用，采用合适的聚合物光波导传输信号是系统能够高速、可靠、有效运行的保证。当前研究的光通信波段聚合物光波导材料用的主要是低传输损耗聚合物，如聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生出来的氟化物和氘化物、聚硅氧烷、含氟聚芳醚和 聚芳硫醚、耐高温的氟代聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、环氧树脂、聚硅烷、聚碳酸 酯等，表1显示的是商品化光波导材料的性能参数。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的研究不断深入，光波导的制作工艺也在不断发展与变化。现在主要的制作方法有以下几种 彭亚雄.基于EOPCB的聚合物波导研究.2007：(1) 离子交换技术：在玻璃的结构中，由于其网格修饰与网格的结合是不牢固的，因此，当加热浸在某熔盐中的玻璃，使其内离子具有一定能量时，离子极容易在网格之间发生迁移，与熔盐中的一价离子在玻璃表面处发生交换。伴随离子交换会引起折射率的改变，这是由于两种交换离子的半径不同,使交换处体积发生改变而引起的，如果以熔盐中半径较小的离子替代玻璃中半径较大的离子，交换后玻璃网格在小离子的周围发生溃塌，产生比离子交换前更密集的结构，这样将导致折射率的增加；再是由于离子交换使电子位移极化率发生改变而引起的，如用电子位移极化率较大的Tl+离子替代电子位移极化率较小的Na +离子，则也会使折射率增加；此外，由于交换离子半径不同，必然引起交换处的摩尔体积改变，但因玻璃是网格结构，体积的膨胀(或缩小)是各向异性的,从而造成交换层内部压强的增加(或缩小)，致使折射率发生改变，正是由于上述各因素在离子交换处造成折射率的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的芯层材料，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。利用热模压印法制作的波导，损耗在633nm上为0.5dB/cm，主要是由于金属压印工具的表面高粗糙度所造成的。采用此方法能够进行大规模，低成本的生产，但对材料的热稳定性有较高要求。 (3)平版影印法：平版影印(Photolithography)又称为显影(光)蚀刻，首先是在基板上用旋转涂布的方法涂上一低折射率的下包层，再在其上涂布作为芯层材料的高折射率层，并将其用曝光显影的方式设计出符合需要的波导芯层的尺寸大小，最后再在其上涂布与下包层相同材料的上包层，这样就完成了整个平版影印光波导制程。这种方法与半导体的制程相容性高，而且设备也相当成熟，但是要获得能够符合要求尺寸的芯层是这种方法的关键。根据光致抗蚀剂(photo resist)被曝光部分发生光化学反应种类的不同，可以将光致抗蚀剂大致分为正性光致抗蚀剂和负性光致抗蚀剂两种类型。被曝光部分发生交联反应的抗蚀剂，经过显影后，该曝光部分被保留下来，未曝光部分则被除掉，这种光致抗蚀剂称为负性光致抗蚀剂，而被曝光部分发生分解反应的抗蚀剂，经过显影后，曝光部分被除掉，未曝光部分留下来，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的标准，包括对 光源的灵敏度、对图形的分辨率、涂布的均匀性以及对蚀刻工艺的耐腐蚀性等。(4)光漂白技术：这一方法是利用某些聚合物材料所具有的光敏成份在光照的情况下发生光化学反应，最终在曝光部分和未曝光部分形成折射率差，从而获得所需的光波导。光漂白技术是相对最为简单的一种，但是这种技术经常受材料的特性的限制。(5)刮刀法：刮刀法作为一种新兴的波导制作方法，与其他波导制作方法最大的差异在于其采用刮刀的方式来代替匀胶，更适合大面积的波导制作。 基本制作步骤： 制作芯层光波导铸造模具；采用刮刀法(doctor blade)在模具槽中填充芯层聚合物，加热固化；加工包层衬底载物台，采用FR4材料，这主要是为了能够较好地和PCB板的集成波导衬底层制备采用液态包层聚合物填充到模具中(已有已固化的芯层)，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。上衬底层采用同样的方法制作。在IBM的研究中，采用了类似于刮刀法的方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）显示的是制作波导的模具以及用于涂材料的刮刀涂布机模型图，（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的过程第六章 EOPCB与传统PCB的制作工艺6.1 EOPCB的制作工艺EOPCB主要有光层与电层。光层板有平面线路和波导阵列和各种尺寸和功能的光器件，包括微纳米激光器、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的电子线路 El-Hang Lee,S.G.Lee, B.H.O, S.G.Park1, K.H.Kim. Fabrication of a hybrid electrical-optical printed circuit board (EOPCB) by lamina