（物理电子学专业论文）vcsel光收发模块的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 两要、一，光互连由于具有高速、高密度、宽带、无干扰等优点，必将取代电互连。近几年来，光互连背板技术在并行处理系统、大规模光互连光交换系统中发挥着越来越重要的作用。另一方面，v c s e l 光收发模块，作为光互连与光通信领域内的关键光电子器件，技术快速发展。本论文的主要内容即是对光互连背板技术及v c s e l 光收发模、块的研究。y，本文系统的研究了光互连技术的产生、发展及现状，v c s e l 作为一种新型光源的发展历程和现状，概述了v c s e l 光收发模块在星载自由空间超小型高性能光互连并行多处理机系统、1 0 g 以太网及v s r 技术等相关领域中的广泛应用。详细描述了v c s e l 的工作原理、优点、结构、制作工艺。分析直接端面对准耦合的缺点，提出了一种新型的v c s e l 光收发模块结构，采用将光纤端面处理成4 5 0 ，激光直接从光纤侧面入射的耦合方式，具有耦合效率高、结构紧凑、易于扩展、便于封装、成本低等特点。对模块各组成部分分别进行了介绍。理论计算最大耦合效率8 2 ，并确定最大工作距离。对调试过程中可能出现的4 5 。面加工误差、平行度误差、工作距离误差分别进行了理论分析，发现将斜端面改为4 8 2 0 可进一步提高耦合效率至9 9 2 。分析并总结了目前国内外制作光纤列阵器件的方法及它们的优缺点。提出了刻矩形槽穿插法排列一维光纤阵列，具有高精度、易操作、重复性好、便于实现规模生产等特点，其性能优于目前其它方法。阐述了v c s e l 与光纤阵列耦合实验的研究，对影响实验结果的各种原因进行分析，提出了改进意见。关键词：光互连，光学背板，光收发模块，v c s e l ，光纤阵列，光耦合华中科技大学硕士学位论文a b s t r a c tt h eo p t i c a li n t e r c o n n e c 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 ea 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 ds 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 l e l e c t r o n i cd e c i v ei nt h ef i e l do fo p t i c a li n t e r c 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 nd 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 fo p t i c a lb a c k p l a n et e c h n o l o g ya n dv c s e lt r a n s c e i v e rm o d u l e t h et h e s i ss t u d i e st h eg e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fo p t i c a lc o n n e c t i o na n dv c s e l ，an o v e ls 0 1 1 r s e ，s y s t e m a t i c a l l y t h ea p p l i c a t i o no fv c s e lo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ei nf r e es p a c eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o np a r a l l e lp r o c e s s o rs y s t e m ，10 ge t h e r n e ta n dv s r ，i ss u m m a r i z e d w o r k i n gp r i n c i p l e ，m e r i t ，f r a m ea n dt e c h n i c so fv c s e la r ed e s c r i b e di nd e t a i l e r r o ro fd i r e c tc o u p l i n gi sa n a l y z e d ，a n dan o v e lv c s e lt r a n s c e i v e rm o d u l ei sp r e s e n t e d ，d i s p o s i n gt h es u r f a c eo fb e v e l4 5 0 ，l a s e ri n c i d e n t i n ga n dc o u p l i n gt of i b e rp r o f i l e ，w i t hh i g hc o u p l i n ge f f i c i e n c y , c o m p a c t n e s s ，e x t e n d a b l e ，e a s yt oe n c a p s u l a t i o n ，a n dl o wc o s t a l lo fp o r t sa r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y c o u p l i n ge f f i c i e n c yi s8 2 t h e o r e t i c a l l y , a n dt h el a r g e s td i s t a n c ei sc a l c u l a t e d t h e o r e t i c a le r r o r sf r o m4 5 0i n c l i n e ，p a r a l l e l i s m ，a n dd i s t a n c ei ne x p e r i m e n tp o s s i b l ya r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d a sar e s u l t ，c o u p l i n ge f f i c i e n c yw o u l db e e ne n h a n c e dt o9 9 2 i f4 5 。i sc h a n g e di n t o4 8 。t h e r eh a v eb e e ns e v e r a lr e p o r t sa b o u ta s s e m b l yo ff i b e rb u n d l ea r r a y , b u tt h e i rf i b e rp o s i t i o n i n ge r r o ro ra n g u l a re r r o rw e r en o ts a t i s f a c t o r y an o v e lt e c h n i q u ef o r1 - df i b e rb u n d l ea r r a yi sp r e s e n t e d ，w h i c hf e a t u r e sh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，l o wc o s ta n de a s yt os c a l ep r o d u c t i o n t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e di t sh i g hp e r f o r m a n c e ac o u p l i n ge x p e r i m e n to fv c s e la n df i b e ra r r a yi sd e s c r i b e d ，a l lk i n d so fr e a s o n se f f e c t i n ge x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d ，a n di m p r o v e m e n to p i n i o ni sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，o p t i c a lb a c k p l a n e ，o p t i c a lt r a n s c e i v e r ，v c s e lf i b e ra r r a y ，o p t i c a lc o u p l ei i华中科技大学硕士学位论文1 绪论随着信息时代的到来，对于信息的发布、交换和获取的需求呈几何级数上升，促使人们对交换、带宽、运算速度等提出了更高的要求。一方面，光互连具有的诸多优点，使得其在并行计算机系统、通信领域内发挥着越来越重要的作用。另一方面，提高数据传输速率，降低运行成本的要求也日益迫切。1 1 光互连背板技术随着科学技术的发展，人类对未知世界的认识不断深入，大型的计算能力显得越来越重要a 人们迫切需要一种商性能的超级计算机，其运算速度应达到每秒万亿次、百万亿次甚至于更高，以此来解决诸如气候模拟、流体湍流、污染分析、人类染色体组、海洋环流、量子色动力学、半导体模拟、燃烧系统、视觉与认知等一系列的问题”j 。进入9 0 年代以来，高性能并行多处理机系统一直是计算机领域研究的热点课题。1 9 9 8 年世界十大科技成果之一就是美国科学家研制出运算速度达到每秒3 9 万亿次的巨型计算机系统。在并行计算系统中，有两个因素对系统的计算性能有重要影响。一是微处理器的速度，一是计算节点之间的互连网络性能。未来几年内，微电子技术将推动计算机微处理器中互连密度和长度呈数量级的提高口j 。预计到2 0 1 2 年，蚀刻技术水平达5 0 r i m ，芯片尺寸为1 3 0 0 0 m m 2 ，晶体管数芯片为1 4 0 b ，最大互连长度为2 4 0 0 0 m 芯片，芯片i o 数为7 3 0 0 ，芯片上固定时钟为1 0 0 0 0 m h z 。不过物理极限的存在最终将使得超大规模集成电路v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 的规模和内部时钟频率达到上限。作为并行计算系统另一个关键技术的互连网络，正在经历由电互连向光互连的转变。合理的互连技术，不仅对提高并行计算机性能十分重要，而且在很大程度上决定其成本。随着计算机技术的发展，传统的“线互连”方式己越来越不适应高速信息处理与传输的要求。电子“线互连”方式存在严重的串话、r c 时延、时钟歪斜、瓶颈阻塞和功耗急剧增加等缺点，要进一步提高电子互连网的速度已十分困难【3 b 】。而“光互连”方式充分利用了“光”的优势，用光波作为信息载体，具有极高的时间空间带宽积、高速、高密度、无干扰和传输功耗极低等优点【“。因此，用“光互连”替代“线互连”，发展宽带高速光互连网络系统已成为人们的共识。光互连技术可以用于计算机系统的各个层次。在大粒度上，光互连网络可以用于华中科技大学硕士学位论文背板间互连和计算节点之间的互连。这一层次的互连主要采用并行光纤束。若干个计算节点或者工作站通过光互连网络组成群机系统。这种系统一般采用专用的通信协议，而不采用通用的网络协议( 比如8 0 2 3 ) ，以满足并行处理系统所要求的低延时、实时性的要求。目前国外有一些相关产品面世，比如a t & t 实验室研制的4 e s s 系统、5 e s s 系统和b - i s d n 系统。其中b i s d n 系统采用8 8 交换结构，可达2 5 g b i t s 速率i l “。还有加拿大m e g i l l 大学的多处理系统t e r a b i t 光局域网，s y s t r a n 公司的s c r a m n e t + 系统，澳大利亚的a p l 0 0 0 系统。在国内，天津大学、国防科技大学都进行了相关方顽的研究。1 2 垂直腔表面发射式激光器光发射机是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，光发射组件是其中的主要部件。而光发射光源( 包括发光二极管和半导体激光器) 则是其中的核心。光通信、光互连用光源必须满足如下原则【1 3 】：光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段：o 8 5 m ( 通常称作短波长波段) 、1 3 l 和1 5 5 i _ t m 波段( 通常将1 3 1 岫和1 5 5 1 a m 称为长波长波段) ：光源发射功率要大；调制特性和发光消光( 响应速度) 特性要好；可靠性要高，寿命要长：光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环境变化：能批量生产，价格便宜。发光二极管l e d 是短波长多模光纤最常用的光源，造价较低，但是可支持的传输速率较低，难于应用到高速数据传输的场合。l d 激光器是另一类用于光纤传输系统的光源，可以支持极高的数据传输速率，然而器件复杂，要保持稳定的工作，对电子和温度的控制要求很高，于是应用费用相当高。与上述两种光源相比，垂直腔表面发射式激光器v c s e l ( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) 则是能满足上述原则、具有竞争力的理想光源，它是一种半导体激光，可支持的数据传输速度高达2 g b i t s ；驱动电流小、输出光功率可达l m w ，光谱宽度小于o 5 n m ；更重要的是它对电路的要求较低，大大简化了电路设计，降低了器件造价。v c s e l 的输出光为圆形，发散角很小，非常利于与光纤耦合，因而在光通信、光存储、光互连等领域中有非常好的应用前景【1 5 】。另外，它的腔长很短，为微米量华中科技大学硕士学位论文级，纵模间距大，有利于实现动态单模工作。它还有一个突出的优点，就是出光窗口在外延片的表面，出光方向与外延片垂直，这样不必进行解理就可以进行测试，从而有利于实现低成本、大规模的工业化生产。它还可以很方便地制成二维阵列，实现大规模光电集成。可以说，v c s e l 正是为适应光纤通信需要应运而生的理想光源i m 】。但是，由于当时的工艺条件和研究水平限制，v c s e l 的发展经历了一段缓慢的时期。直到2 0 世纪8 0 年代末，研究人员解决了在电流限制和高反射率的d b r 反射镜的制作等方丽的工艺难题，v c s e l 才真正达到商用阶段，而基于v c s e l 的收发模块也终于开始进入市场。目前v c s e l 的研究得到快速发展并不断取得鼓舞人心的成就。在降低阈值电流、波长可调谐，v c s e l 与发光二极管、c m o s 器件、m e s b f t 的单片集成等方面有很大进展。v c s e l 灵巧象索光互连技术受到高度重视，制成了用于大规模阵列灵巧象素的v c s e l 及基于这些器件的自由空间光互连和新的光电处理器。采用先进的灵巧象素光电子技术能增加对处理模型控制的灵活性，目前已确认了它在信号与图象处理方面的能力。已经具备应用于波分复用光纤通信及计算机内部、计算机之间的高速并行数据光互连的现实性。就v c s e l 本身而言，进一步的工作朝着开发新的波长、新结构，改进和简化制造工艺，改善横模和偏振控制特性等方面继续努力。基于v c s e l 的收发模块的市场发展非常迅速。据e 1 e c t r o n i c a s t 公司预测，仅就用于全球消费的v c s e l 基光收发机而言，今年v c s e l 将达到1 1 4 3 亿美元，2 0 0 8 年全球v c s e l 收发模块的市场销售额将达到近6 0 亿美元【1 融。v c s e l 及其收发模块的市场，由于应用广泛，前景一片光明。目前，国际上已有的几种比较常见的v c s e l 耦合模块的工作方式。日本i g a 教授等采用带有5 道槽的衬底、基准平面和使光学元件定位的台面构成【1 鲥。耦合部分制作复杂，对机械加工要求较高，使成本增加。k o h s u k ek a t s u r a 等【2 0 j 人设计的v c s e l 耦合模块采用波导与v c s e l 耦合，尾端连接带状光纤的方法，该方法使整个耦合系统复杂，两次耦合增加了制作难度。p 1 i c k e r t 等f 2 l 】采用的是4 5 0 反射方式入射，但是整个模块光纤阵列接口器件采用的是v 型槽定位，由于硅片刻蚀工艺的限制，该方案的定位精度不是最理想的，给耦合模块耦合精度带来一些误差。1 3v c s e l 的广泛应用v c s e l 作为一种新型的光源，它的诸多优点被人们所认识，在越来越多的领域发挥着越来越重要的作用。这里仅就v c s e l 在光互连、光通信领域内的几种应用进行讨论。华中科技大学硕士学位论文1 3 1 星载自由空间超小型高性能光互连并行多处理机系统1 9 9 7 年在美国国防高级研究计划署的资助下，美国g e o r g em a s o n 大学、h o n e y w e l l 公司等数所院校和公司联合开展了“f r e e s p a c ea c c e l e r a t o rf o r野i t c h i n g 工e r a b i tn e t w o r k s ”( f a s t n e t ) 计划的研究工作。该研究的目标是研制一种基于v c s e l 和光电探测器列阵灵巧象元器件的三维自由空间多处理机t e r a b i t 光互连网络模块系统。f a s t n e t 光互连模块由宽带高速高密度i o 窗口的光电子o e v l s i灵巧象元列阵s p a ( s m a r tp i x e la r r a y ) 的多芯片背板和高数据带宽、大容量、超小型t e r a b i t 量级的三维自由空间光互连网络系统集成模块组成，每个s p a 芯片可通过反射镜在空间将光信号折回到多芯片背板衬底基片上的其他s p a 芯片上，从而实现芯片间的双向光互连1 2 1 。图i 1 三维自由空间多处理芯片光电子集成光互连交换网络模块结构一个具有互连6 4 个( 8 x 8 ) 光电子多处理芯片的三维自由空间光电子集成光互连交换网络模块结构如图1 1 所示。多处理芯片集成背板由8 x 8 个光电子灵巧象元多处理芯片组成，其核心交换单元是光电数字处理单元的混合体一大规模集成电路微处理4华中科技大学硕士学位论文器v c s e l m s m c m o s 芯片，它具有三个空间上分开的功能单元：垂直腔表面发射激光器，用于将电信号转换为光信号输出；金属一半导体一金属探测器m s m ( m e t a l s e m i c o n d u c t o r - - m e t a l ) ，接收光信号并将其转换成电信号；逻辑处理单元，处理所接收信号。处理芯片由带i o 光窗口的v c s e l m s m c m o s 混合集成器件组成。每个v c s e l 激光器和m s m 光探测器的数据传输速率可达1 2 5 g b i t s ，每块芯片数据带宽为5 g b i t s ，整个模块总的互连带宽为6 4 x 5 x 4 = 1 2 8 t b i t s ，由于利用了第三维空间通过反射镜将光路折回，使整个光互连模块的体积减少了一半，互连密度增加了一倍，互连网络系统中光学元件减少了一半。该f a s t n e t 光互连模块，结构紧凑，整个模块体积约为1 0 i 0 1 2 c m 3 ，系统总的带宽可达到t b i t s 。可满足星载高速大容量并行处理计算机系统小型化、轻量化的要求。l _ 3 2v c s e l 在1 0 g 以太网中的应用随着带宽需求的增长，1 0 g 以太网将应用于整个网络，包括应用服务器，骨干网和校园网。同时可以应用于城域网和广域网的建设，这样局域网技术就能够与a t m( a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm o d e ) 或其他广域网络技术竞争。表1 1 光纤类型和传输距离光纤类型波长激光器类型速率( g b i t s )距离6 2 5 阳m 舻8 5 0v c s e l1 2 52 5 m8 5 0d f b4 3 1 2 5 删l o o m8 5 0v c s e l1 0 i 2 5 并行传输3 0 0 m1 3 0 0d f b1 2 55 0 m1 3 0 0d f b4 3 1 2 5 w d 雌3 0 0 m5 0 m 删f8 5 0v c s e l1 2 56 5 m1 3 0 0卜p1 2 56 5 me n h a n c e d 删f8 5 0v c s e l1 2 5 3 0 0 m1 3 0 0l w v c s e l1 2 52 k ms m f1 3 0 0f - p1 2 52 k m1 3 0 0d f b1 2 5l o k ml w v c s e l1 3 0 0c o o l e d d f b1 2 54 0 k m1 5 0 0c o o l e d d f b1 2 54 0 k m物理层传输i o g 的高速数据，只能采用光纤作为其传输介质。根据1 0 g 以太网的应用场合不同，已经定义了不同的光纤接口( 光纤的波长和传输距离) 。最大的传输距离从3 0 0 m 一直到4 0 k m ，并采用了多种光纤介质，以全双工方式运行。表1 1 列出华中科技大学硕士学位论文了可能的几种传输方案i 2 3 1 。表1 1 中可见：第一，6 2 5 m 的多模光纤m m f ( m u l t i m o d ef i b e r ) ，采用8 5 0 n m v c s e l 作为光源，采用串行传输速率1 2 5 g 时最大传输距离仅有2 5 m ：当采用并行传输v s r ( v e r y s h o r t - r e a c h ) 技术i 0 1 2 5 g 时，最大传输距离可达3 0 0 m 。第二，采用5 0 p e n 的多模光纤，还是8 5 0 n m v c s e l ，1 2 5 g 的传输速率时，最大传输距离也只能达到6 5 m 。第三，当采用改进了的m m f ( 也是5 0 9 i n ) 时，还是8 5 0 n m v c s e l ，1 2 5 g 的线路率时，最大传输距离可以超过3 0 0 m 。目前i o g 物理层实现的方式主要分为串行和并行两种，如下图所示。图1 21 0 g 以太网串行方案图1 3l o g 以太网并行方案1 | 3 3 v c s e l 在v s r 中的应用光互联网论坛( o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nf o r u m ) 的物理和链路层工作组开发了用于数据通信和电信设备的甚短距离v s r 方案。它包含4 项不同的提议，其中三项基于v c s e l ，另一项基于边缘发射激光器。这4 种竞争方案是【2 4 五6 】：( 1 ) 使用单模光纤的l o g b i t s 串行物理链路以及1 3 1 0 n m 常温f a b r y p e r o t 边缘发射激光器：( 2 ) 使用新型多模光纤的l o g b i t s 串行连接和8 5 0 h m 串行v c s e l ；( 3 ) 使用8 纤多模带状的4 2 5 g b i t s 并行通道和8 5 0 h m 的v c s e l 阵列：( 4 ) 每方向使用1 2 纤多模带状光缆的1 2 1 2 5 g b i t s 并行通道和8 5 0 h mv c s e l阵列。采用方案4 的l o g b s0 c - 1 9 2 甚短距离v s r 并行光传输模块和实验系统的总体结构图如图1 4 所示。由o c 一1 9 2l o g b sv s r 成帧器发送的1 6 6 2 2 m b s 低电压差分电信号l v d s ( 1 0 wv o l t a g ed i f f e r e n ts i g n a l ) 经1 6 ：1 2 a s i c 转换器转变为1 2 路并行6菱华中科技大学硕士学位论文的1 2 4 4 g b s 的l v d s 电信号传送给1 1 2 v c s e l 列阵驱动电路芯片，驱动1 2 4 4 g b s的1 1 2 v c s e l 光发射列阵，实现e o 转换。8 5 0 n m 多模v c s e l 并行光收发列阵，l 1 21 2 4 4 g b s 的v c s e l 列阵并行传输，可提供大于l o g b p s 的带宽。由于v c s e l 列阵价格低廉，可大大降低系统的成本。图1 41 0 g b s0 c 一1 9 2 甚短距离v s r 并行光传输实验系统结构图1 4 高精度、高密度一维光纤束i o 接口器件由于光互连网络中的光电子集成器件如c m o s s e e d 、v c s e l m s m c m o s 光电子收发列阵器件采用v l s i 技术制成，密度高，尺寸微小，因而对输入、输出光纤列阵接口提出了更高的要求。光纤列阵的实用化研究已越来越受到重视。光纤列阵的几种研究方法：1 ) 激光钻孔注胶法【2 7 2 9 】：在3 m m 的不锈钢板上用激光打孔，光纤穿入孔中再用胶来固化。位移误差2 m ，角向差0 1 度。2 ) 光通道密排法口9 d l ：采用精密加工的玻璃盒作为光纤列阵的定位槽，采用光学监控系统，调整光纤位置和角度，可研制高精度的光纤列阵。制作复杂，需要高精度的光学器件，难于大规模生产。3 ) “v 型槽”定位法1 2 7 】：在硅单晶片上，利用硅晶片的各向异性腐蚀特性，刻蚀出“v 型槽”，排放一维光纤列阵。4 ) 刻矩形槽穿插法：这是本室提出的一种新型一维光纤列阵结构和制造方法，具有易于操作、制作效率高、成品率高、便于规模生产等优点。1 5 本课题研究的意义和目的本课题研制的光互连背板，适应光互连的发展需要，具有实用意义。v c s e l 光收发模块以其诸多优点，越来越引起众多科研机构和生产厂家的关注。无论在光互连还华中科技大学硕士学位论文是光通信领域，都需要大量的v c s e l 光收发模块，这是现阶段的一个发展趋势。本文适应这一趋势，提出了一种新型的v c s e l 光收发模块，采用4 5 。反射直接耦合，矩形槽定位光纤阵列的方式，具有精度高、耦合效率高、整体结构好、体积小、便于封装、适合大规模生产等特点，填补了目前国内空白。本文工作得到国家“8 6 3 ”课题“用于并行处理群机系统带宽为5 一l o g b s 光互连网络交换系统”的资助，项目编号：2 0 0 l a a ll 】0 3 0 。华中科技大学硕士学位论文2 光互连背板技术为了提高计算机的运算速度，并行处理是提高计算机系统性能的一种有效途径，从其体系结构来说，并行多处理系统一直是计算机领域研究的热点。在并行计算机系统中有两个因素对系统的计算性能有着重要影响，一是微处理器的速度，二是计算机节点之间的互连网络性能。由于光互连的优势，在互连网络中使用光互连背板技术已引起越来越多的关注。2 1 光互连与光交换技术尽管目前在计算机和通信领域中电子线互连和电交换占有绝对的统治地位，但由于电子信息传递过程中永远存在着r l c 分布参数，这就决定了电子技术在某些应用场合有难以克服的缺陷：带宽受限：每一段导线相当于一个低通滤波器，高频信号通过时将发生信号的严重失真。时钟歪斜：数字电子系统要求逻辑时钟信息无失真地准确传输，电互连线的有限带宽引起了从各不同的电子线路输入到一个逻辑门的信号前沿畸变，导致输出误码。严重串话：一段电信号传输介质在高频传送时，成为临近电传输介质的“发送天线”，而其本身则成为邻近电传输介质的“接收天线”。严重串话使系统信噪比急剧下降。高功耗：传输电介质充电过程中所耗能量和互连线两端口阻抗上所耗能量，构成集成电路芯片能量耗散的两个主要因素，且随着信号频率增加，功耗将急剧上升。光波作为信息载体，具有极高的时空带宽积、高度并行性和无干扰性等特点，使得凭借于光波，高性能计算机系统中普遍存在的瓶颈效应能够得以解决，通信系统中大容量、高速率数据交换得以实现 3 2 - 3 4 】。光互连和光交换与电互连和电交换相比，具有以下优点3 q ：能传输极大容量、高速率的信息：光纤传输带宽大约5 0 t b s ，比峰值电子数据速率高四个数量级：自由空间具有无色散的特性，其时空带宽积可认为是无穷大。光互连通道路径的等程性：光学系统物像面之间的等程性保证了物像平面上互连对应点之间的等程互连，避免了电子信息系统中的时钟歪斜问题。无干扰：光波的传播遵从独立传播原理，光束在传播过程即使相交也会各自独立无干扰地传递信息。9华中科技大学硕士学位论文低功耗：芯片表面用光波直接互连，芯片上的耗散功率将大大减少。i o 功能强：光i o 口速率可达数g b s ，且光互连是无接触互连，可以实现大规模数目互连点的面阵互连，因此互连密度高，i o 口功能强。由于以上优点，各国政府和科研机构争相进行光互连与光交换的研究，目前已出现各种实验系统，如：光学背板系统【3 6 ”j 、光学总线系统、光互连交换网络系统已用实验证明了光互连的优越性。随着网络构成技术、器件技术、大规模制造工艺的逐步成熟，光互连与光交换将逐步走向商品化。2 2 光互连交换网络系统光互连交换网络是由二元微光学元件和高速光开关元件组成的网络系统。光互连交换网络系统是对n 个输入端口到n 个输出端口提供信息传送通道。它由光互连链路和开关节点组成，按照一定的互连拓扑结构将输入端口的光信号传送到指定的输出端口去。根据不同的需要可以采用不同类型的互连网络。光互连链路即为提供给光信号传输的物理连接路径。而开关节点则是选择光信号连接路径的控制单元。从光互连网络的阻塞率来分，可将有光互连网络系统分为三类：1 完全无阻塞网络：无路径冲突，即不存在两路光信号同时征用同一个互连链路的情况。可同时实现任意输入端口到任意输出端口的互连通信。如c r o s s b a r 互连网络。2 f 氐阻塞网络：存在低阻塞率的路径冲突。如o m e g a 互连网络。3 可重构无阻塞网络：通过开关节点对路由重新设置，实现无阻塞互连通信。如双o m e g a 互连网络，由两个o m e g a 互连网络组成，后一个o m e g a 互连网络互连级前后倒置，省掉中间的一个重复级次。从光互连网络的级数来分，有单级互连网络和多级互连网络两类。下面就单级c r o s s b a r 互连网络进行具体的余绍。1 2 3 4 o u t p u t图2 1c r o s s b a r 互连网络结构示意图i o华中科技大学硕士学位论文c r o s s b a r 互连网络，这是一种纵横交叉结构的互连网络，每个纵横交叉点都有一个开关节点，可独立控制任一输入端口到任一输出端口的互连通信。c r o s s b a r 互连网络结构示意图如图2 1 所示。c r o s s b a r 互连网络的特点 3 8 3 9 】：1 完全无阻塞网络：2 整个互连网络系统仅有一级互连网络：3 开关节点多，开销大，对输入、输出通道数为n x n 互连网络，节点数为n 2 ；4 可任意拓展通道数，有利于升级互连网络。光互连交换网络历经了高密度自由空间光互连系统到光互连波导系统集成板的艰难发展历程。光互连交换网络和i c 芯片之间的高速、低功耗电光转换开关芯片，经历了第一代自由光效应s e e d 芯片和第二代竖直腔面发射激光阵列v c s e l 芯片的艰难研究历程。目前，至2 0 0 0 年，所有的关键技术都已突破并很快实用化。并行处理计算机系统的光互连网络，正向着宽带、高速方向发展，且带宽可达5 g b s 、1 0 g b s 、2 0 g b s 从物理机制上，v c s e l 芯片每一个象元的调制频率可达1 0 g b s 。目前，市场上成熟产品中单个8 5 0 n t ov c s e l 象元的调制频率已达2 5 g b s 。v c s e l 芯片很容易制作成一维阵列，且较容易耦合到光纤阵列组件中形成并行光学通道，1 0 条并行光学数据通道，采用1 0 2 5 g b s 8 5 0 n m 的v c s e l 列阵，其数据带宽已达到2 5 g b s 。因此，光学互连网络系统技术的突破，为并行计算机系统向高速发展提供了坚实的基础。2 3 光互连背板技术光学c r o s s b a r 结构的光互连背板自由空间光互连交换网络可以充分利用光的特性进行高性能互连，互连优点如下：可以充分利用光的高带宽优点，进行高带宽的互连，彻底消除采用电子技术的星型结构互连网这一瓶颈，实现无阻塞互连；可以充分利用光的高扇入高扇出的优点，进行较大扇出系数互连：高扇出系数的互连在并行计算机系统中有重要意义，如在层次式的大规模并行处理m p p( m a s s i v e l yp a r a l l e lp r o c e s s i n g ) 计算机系统中，构造一定规模的m p p 计算机，当互连扇出大时，层数小，这样层间访问效率较高；可以充分利用光互连干扰小，可靠性高的优点，进行高可靠性的互连：可以在星型结构的自由空间光互连交换网络模块内灵活设计，按不同的需要设计不同性能( 如带宽) 的互连模块，互连拓扑不变，从而保证计算机系统结构不变，华中科技大学硕士学位论文即模块结构具有定的透明性；应用灵活：光学c r o s s b a r 结构的自由空间光互连交换网络既可以用于m p p 计算机中的处理器一存储器p m ( p r o c e s s o r - - - m e m o r y ) 互连，又可以用于m p p 计算机中的处理器一处理器( p p ) 互连，还可用作a t m 的交换开关，具有较大的灵活性：规模可扩展，光学c r o s s b a r 结构的自由空间光互连交换网络可以方便的构成不同规模的互连网，以满足不同的互连要求：利用这种互连结构可以构成层次式的m p p计算机，这种互连结构能较好的满足m p p 可扩展的互连需要；灵活的节点配置：光学c r o s s b a r 结构的自由空间光互连交换网络所互连的节点可以是不同类型的节点，节点的差异可以由网络加以屏蔽；哆畏用虚拟共享机制可以方便用户对采用光学c r o s s b a r 结构的自由空间光互连交换网络的计算机系统的使用，使系统具有良好的用户界面。2 4 在m p p 计算机群机系统中使用的光互连背板2 4 1m p p 计算机群机系统结构带宽为5 1 0 g b s 的可扩展的星型拓扑结构光互连交换网络系统的m p p 计算机群机系统，具有良好的可伸缩性，层次清晰。其系统结构如图2 2 所示。该结构分为上下两层，第一层由l 到8 个光互连板构成的8 8c r o s s b a r 光互连网络组成，每一个光互连板各互连8 台计算机构成一个机族，在机族内的8 台计算机可通过8 8c r o s s b a r 光互连板实现无阻塞交换互连。机族向上与第二层8 8c r o s s b a r 互连网络光互连板相连，第二层8 8c r o s s b a r 互连网络光互连板可同时互连1 到8 个机族，构成互连8 到6 4 台计算机的可扩展的并行处理计算机群。图2 2 可互连6 4 台计算机的星型结构光互连交换肝p 计算机群机系统图2 3 为一个8 8 c r o s s b a r 光互连网络组成的计算机族的示意图。机族中每台计华中科技大学硕士学位论文算机装有一个8x8 高性能计算机协议并行节点接口卡n i c ( n o d ei n t e r f a c ec a r d ) ，用以控制1 6 3 2 个v c s e l 激光器光发射列阵和1 6 3 2 个p i n 光接收a y j j 阵，将本地计算机的电信号经激光驱动电路转换为光信号，并扇出到1 6 3 2 个v c s e l 激光器上。1 6 3 2 个v c s e l 激光器中每2 4 个为一组，共8 组，经第一层8 8c r o s s b a r 光互连板与其它7 台计算机分别相连，余下一组与第二层机族光互连板相连。其它计算机的光信号则通过第一层8x8c r o s s b a r 光互连板经2 4 条光纤线传送到本地计算机的p i n 光接收器上，经跨阻放大电路传送到光互连高性能计算机协议并行接口卡n i c ，并输入到本地计算机。每两台计算机之间的互连通信通过4 8 条并行光纤连线互连，其中2 4 条作为光发射通道，另2 4 条作为光接收通道。每个v c s e l 光发射器的速率为2 5 g b s ，2 4 个v c s e l 光发射器的并行速率为5 1 0 g b s 。因此，单个计算机的传输速率可达5 一l o g b s 。图2 38 x 8c r o s s b a r 光互连网络组成的计算机族的不慈图2 4 28x8c r o s s b a r 光互连板每个计算机族内的8 台计算机采用8 x8c r o s s b a r 光互连板实现无阻塞交换互连。该互连板采用光波导板光纤互连方式，如图2 4 所示。由每台计算机传送的信号经高性能计算机协议并行接口卡n i c n i c 处理后，分别通过1 6 3 2 只v c s e l 激光器和1 63 2 只p i n 光探测器发射和接收光信号，并通过1 6 x 2 3 2 2 并行光纤数据传送线传送到8 x8c r o s s b a r 光互连板，1 6 x 2 3 2 2 并行光纤数据传送线与c r o s s b a r 光互连板间采用1 6 2 3 2 x 2y o 接口器件耦合输入输出，并以每2 4 根并行光纤数据传送线为组，传送到其它计算机中，实现计算机间无阻塞交换互连。华中科技大学硕士学位论文吼“托。m t 。o ，黧2 晰y o r 。一口“垤。图2 48 x 8 c r o s s b a r 光互连板示意图例如，由计算机p c i 发出的信号通过1 6 3 2 只v c s e l 激光器发射扇出，并耦合到1 6 xl 一3 2 l 荠行光纤数据传送线中，传输到8 8c r o s s b a r 光互连板的p c i输入端口，耦合到光互连板中。这1 6 3 2 条数据线每2 4 条为一组分别发到c r o s s b a r光互连板的p c 2 、p c 3 、p c 8 输出端口，另一组发送到上层机族光互连板上。而c r o s s b a r 光互连板的p c i 输出端口则接收来自光互连板中其它计算机输入端口传送来的信号，每台计算机传送到p c i 输出端口的信号也是分别由2 o 条并行光纤线传送，另外上层机族互连板也有2 4 条并行光纤线传送信号到p c i 输出端口，共构成1 6 1 3 2 x1 并行光纤数据接收线。故每台计算机可同时接收其它8 台计算机和上层机族光互连板的光信号。同样，其它计算机也是通过1 6 3 2 条并行光纤数据发射线和1 6 3 2 条并行光纤数据接收线，实现机族内的无阻塞交换互连。每台计算机都有2 4 条并行光纤数据发射线和2 4 条并行光纤数据接收线连到上层机族光互连板的收发端口c l u s t e r1 上，在上层机族光互连板上，可扩展互连8 个机族，每个机族互连8 台计算机，故通过上层机族光互连板，可实现8 到6 4 台计算机群机间的光交换互连。如图2 5 所示。华中科技大学硕士学位论文f 慧。i n t c l e r c u s t 。n n e re c t c r o s 蛐s b a r d图2 5 8 8c r o s s b a r 上层机族光互连板示意图2 5 光互连背板的制作目前光互连背板的制作仍然采用手工排制的方法，已成功研制( 8 2 ) ( 8 2 )c r o s s b a r 光互连背板如图2 6 所示。每族i o 通道为1 2 8 带状光纤，采用图2 5所示拓扑结构，两端输入输出端口分别制成光纤阵列输入输出接口器件，连接光信号收发端口。圈2 6( 8 2 ) ( 8 2 ) c r o s s b a r 光互连背板实物整个光纤互连网络排列顺序是先从接收端第一族开始，再依次排列第二族，直至全部排放完毕。采用分层结构，从发射端各族光纤带中挑出第2 n 1 根和第2 n 根光纤，根据光互连网络拓扑结构，依照各族的顺序号在接收端紧密排列组成第n 族输出光纤族，形成第n 层。一族为一层，各层顺序排放，这样可以保证光信号通道的畅通和准确无误，不易搞混通道号。排放完毕后，使用合适胶固定成形，加盖透明塑料华中科技大学硕士学位论文板进行保护。在进步扩大光互连背板的制作和生产规模时，考虑将现有的手工排制方法改造成计算机精确控制，c a d 自动排制的实现方法。可将互连拓扑结构输入计算机控制系统，由计算机控制系统计算出排放路线和顺序，并驱动绘图仪按既定程序逐次排放并上胶固定。这一自动化制作方法可极大的提高光互连背板的制作效率和产量，适应当前光互连背板的发展趋势。2 6 本章小结本章就光互连和电互连的优缺点进行了比较，讨论了光互连交换网络系统的概念、特点和分类。介绍了光互连背板技术的特点，研究了在m p p 系统中的应用和具体的( 8 2 ) ( 8 2 ) c r o s s b a r 光互连背板的手工制作，提出了自动化布板的方案制作方法。1 6华中科技大学硕士学位论文3v c s e l 光收发模块总