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东南大学硕士论文准六角密排光纤并行光互连系统特性研究 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名目期：2 一g i ，l 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。除在保密期内的保密沦文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文 的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研磁丝4 ：铷躲拗日期：谢一； 东南大学硕士论文 准六角密排光纤并行光互连系统特性研究 摘要 随着系统对互联带宽需求的增大，电互连已经成为高性能系统的一个瓶颈，系统内的芯 片间以及电路板间采用并行光互连是高性能计算机和高速通信交换系统突破电子瓶颈，提高 性能的一个关键技术。本文对新型的二维准六角密排光纤阵列并行光互连技术进行了深入的 理论和实验研究。另外，对单模光纤啁啾信号的时频分析方法进行了对比研究。 第一章系全文的绪论，对光互连和构成光互连系统的聚合物光纤进行了阐述。首先介绍 了光互连产生的背景，相对于电互连的优点和光互连系统的结构及发展应用。其次介绍了聚 合物光纤损耗特性，色散特性及带宽。最后介绍了目前国内外并行光互连系统方面的研究发 展状况。 第二章对二维准六角密排光纤阵列进行了研究。首先简要介绍了二维光纤阵列并行光互 连发展概况。然后，针对原有二维光纤阵列密排结构的缺点，本文引入了一种新的光纤密排 结构，即准六角密排结构。在考虑光纤尺寸制造公差的情况下，研究了这种新结构中光纤定 位的统计规律，最后实验制作了准六角密排光纤阵列的样品并对光纤定位误差进行了测量。 第三章研究了垂直腔面发射激光器与二维准六角密排光纤阵列的耦合。首先得出了 v c s e l 出射模场与聚合物光纤( p o f ) 导模场的表达式，给出了相应的模场半径的计算公式。 并研究v c s e l 与p o f 之间存在对准偏差情况下的耦合效率。 第四章研究了二维准六角密排光纤阵列与光探铡器阵列的耦合。首先介绍了用以求解耦 合效率的束传播法，并研究了p o f 与光探测器之间存在横向和纵向对准偏差情况下的耦合效 率，并讨论了在光探测器光敏面直径变化情况下的耦合效率。 另外，在第五章对单模光纤啁啾信号的时频分析方法进行了对比研究。针对传统的时域 f o u r i e r 分析法只能进行全域分析的缺点，本文分别引入短时间f o u r i e r 变换( s t f t ) ，小波变 换与w i g n e r - v i l l e 分布( w v d ) ，将分析从时间域扩展到时间一频率域，从而更好的表示了信 号的局部特性。 第六章对全文进行了总结。 关键词：光互连，聚合物光纤( p o f ) ，耦合，二维准六角密排光纤阵列，光探测器 东南大学硕士论文准六角密排光纤并行光互连系统特性研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so f c o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h e l e c t r o n i ci n t e r c o n n e e t sh a v e b e c o m et h eb o t t l e n e c ko fh i 9 1 1p e r f o r m a n c es y s t e m s i n t e r - c h i pa n di n t e r - b o a r dp a r a l l e lo p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o ni sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt h en e a rf u t u r ew h i c hc a l lp o t e n t i a l l yb r e a k t h r o u g h t h eb o t t l e n e c ko fe l e c t r o n i ci n t e r c o n n e c t i o n sa n dg r e a t l yi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fh i 曲s p e e d c o m p u t e r sa n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an o v e lt w o - d i m e n s i o n a ln e a r h e x a g o n a lc l o s e - p a c k e d ( n h c p ) o p t i c a lf i b e ra r r a yp a r a l l e lo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y w a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y i na d d i t i o n ，c o m p a r m i v es t u d yh a sb e e nc o n d u c t e d o nt h et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h u d sf o rc h i r p e ds i g n a l i nt h ef i r s tc h a p t e r t h eh i s t o r yo fo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o ni sb r i e f l yr e v i e w e da tf i r s t t h e a d v a n t a g e so fo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o no v e re l e c t r o n i ci n t e r c o r m e c t i o na r ed i s c u s s e da sw e l l t h e n , c h a r a c t a r i s t i c so fp o ff p o l y m e ro p t i c a lf i b e r ) w h i c hj st h ec o m l n o nu s e dt r a n s m i s s i o nm e d i ao f t h ei n t e r c o n n e c t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，s u c h l o s s ，d i s p e r s i o na n db a n d w i d t h f i n a l l y , t h e r e c e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t so f p a r a l l e lo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n sa r eo v e r v i e w e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , n h c po p t i c a lf i b e ra r r a yp a r a l l e lo p t i c a li n t e r e o n n e e t i o ni ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y f i r s t l y , t w o d i m e n s i o no p t i c a lf i b e ra r r a yp a r a l l e lo p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o ni si n t r o d u c e d an o v e ln h c po p t i c a lf i b e ra r r a yp a r a l l e lo p t i c a li n t e r c o n n e e t i o ni s p r o p o s e di no r d e rt os o l v et h el o wp a c k i n gd e n s i t ya n df a b r i c a t i o nd i f f i c u l t ya s s o c i a t i n gw i t h t r a d i t i o n a lr e c t a n g u l a rf i b e ra r r a y t h es t a t i s t i c a lp o s i t i o n so ff i b e r si nt h en h c pa r r a yw a s a n a l 蜘c a l l y o b t a i n e d c o n s i d e r i n gt h e r a n d o mf a b r i c a t i o ne r r o ri nf i b e ro u t e rd i a m e t e r e x p e r i m e n t a ls a m p l e so f n h c p f i b e ra r r a y sw e r em a d ea n dm e a s u r e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y i nt h et h i r dc h a p t e r ，c o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nv c s e l ( v e a i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n g 1 a s e r ) a n dp o fn h c pa r r a yi ss t u d i e d t h em o d a lf i e l dd i s t r i b u t i o n so ft h es p a t i a lm o d e so f v c s e la n dg u i d e dm o d e so fp o fa r ed e r i v e da n a l y t i c a l l y t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e n v c s e la n dp o fi st h e nn u m e r i c a l l ys t u d i e di nc a s eo fl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lm i s a l i g m n e n t s i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，c o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e np o fa n dp i ni sr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h e b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) ，w h i c hw a su s e dt os o l v ec o u p l i n ge f f i c i e n c y , i si n t r o d u c e d ， t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t w e e np o fa n dp i ni st h e nn u m e r i c a l l ys t u d i e di nc a s eo fl o n g i t u d i n a l a n dl a t e r a lm i s a l i g n m e n t s i nt h ef i f t hc h a p t e r , m e t h o d so ft i m e - f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so fc h i r ps i g n a la r e c o m p a r a t i v e l ys t u d i e d t r a d i t i o n a lt i m e d o m a i nm e t h o d s , s u c ha sf o u r i e rt r a n s f o r m a r el i m i t e dt o d ow h o l e - d o m a i na n a l y s i s ，w h i l ea st i m e - f r e q u e n c yd o m a i nm e t h o d sh a v ea d v a n t a g e so fl o c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ( s t f t ) ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，w i g n e r - v i l l e d i s t r i b u t i o na r ec o m p a r a t i v e l ys t u d i e d t h el a s tc h a p t e rc o n c l u d e st h ew h o l ed i s s e r t a t i o n k e y w 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 ，p o l y m e ro p t i c a lf i b e r ( p o f ) ，c o u p l i n g ，t w od i m e n s i o n a ln e a r h e x a g o n a lc l o s e d p a c k e do p t i c a lf i b e ra r r a y , p i na r r a y 2 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 第一章绪论 本章对光互连和构成光互连系统的聚合物光纤进行了阐述。首先介绍了光互连产生的背 景，相对于电互连的优点和光互连系统的结构及发展应用。其次介绍了聚合物光纤损耗特性， 色散特性及带宽。最后介绍了目前国内外并行光互连系统方面的研究发展状况。 1 1 光互连的优势与研究发展 随着高性能计算，高速通信及并行处理等技术的飞速发展，各种高性能计算和超高速 交换系统对其内部各元素之间及与外部其他系统之间的通信连接都提出了高密度、高带宽和 低损耗的要求。在传统的电互连网络中。由于任何连接导线都存在着一定的r c 延时，随着 器件工作频率的提高，r c 延时可能超过了晶体管开关时间，造成了互连带宽受限于连接导 线，会产生时钟扭歪( c l o c ks k e w ) 等现象。另外，由于v l s i 尺寸的缩小，会使连接导线 拥挤。没有足够的空间来捧列，彼此之间的耦合、干扰增大总之，伴随着集成电路技术中 的器件尺寸减小，芯片尺寸增大，频率的提高以及数据流量的剧增，电互连在带宽，互连密 度、时钟扭歪、能耗、抗干扰性等方面均受到限制，即所谓“电子瓶颈”为解决这个问题， 从2 0 世纪7 0 年代起，光互连开始逐步得到研究与应用【l j 1 1 1 光互连的优势 光互连是以光子作为信息载体来实现计算单元之问的信息交换。由于光互连的速度高、 光波独立传播无干扰、互连数目大，互连密度高、功耗低、能避免“电子瓶颈”、以及可实 现波长通道等优点，其在计算机系统、信息处理技术等方面的应用是不可或缺少的 2 1 - 4 1 ，主 要表现在数据交换、消除。电子瓶颈”和拓扑结构等方面。同时。光互连技术在通信带宽、 等程传输、抗电磁干扰及低能耗等方面与电互连相比也有巨大的优势p 1 - 6 1 。 光互连的分类从结构来看，可分为：芯片内的互连、芯片之间的互连、电路板之间的 互连、计算机之间的互连；从互连所采用的信道来看，可分为：光纤互连、波导互连、自由 空间互连等。各种结构有各自的信息处理功能。 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数表现为电压或电流，一般用电平 的高低来代表二进制的“1 ”和“0 ”。依赖于当今的大规模集成电路技术，可在一块很小的 5 东南大学硕士论文 准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 芯片上集成复杂度高、包含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、高带宽和 低损耗的领域，存在着难以克服的缺陷这些缺陷主要是： 带宽受限：每一段传导电信号的传输电介质都存在着分布的r l 弋参数，从等 效电路的观点来看，这段传输线相当于一个低通滤波器当含高频的信号通过时将发生信号 严重失真，从而限制了实际有效通信带宽。 时钟歪斜：在一个数字电子系统中，信号都以。0 ”或“i ”的数字形式流动 若没有一个公共的时钟就不能使整个系统建立基准。然而系统时钟从时钟源到各个相互协作 的功能模块之间很难做到等距传输。即使路径做到相等，阻抗也不一定相等。这个问题在高 速信息处理系统的时钟分布传输时尤其严重，时钟漂移超过某一限度时，系统就不能正常工 作 串话严重：传输介质在传输信号时，与邻近的电传输介质存在着电磁效应现 象。也就是说，它既是邻近电传输介质的。发射天线”，也是邻近电传输介质的“接收天线” 它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 间距长短而变。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1 0 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。当用电集成电路芯片来实现互连时，芯片内数量众多的互连线将占据 芯片大部分面积，芯片复杂度极高，功耗已成为一大难题。 i 0 能力受限：集成电路芯片i 0 能力受限是指i 0 端口数目受限。这里有三 个方面的原因：第一是功耗。驱动每个i 0 端d t 作在一定的速率，必定耗费比较大的功率， 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。 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 和超高速交换系统中普遍存在的通信瓶颈问题，实现通信系统中的大容量、高速率、低损耗 的数据交换。光互连的主要优势如下 超高时空带宽积：目前，一个单波长光通道的数据传输速率已达到 6 东南大学硕士论文 准六角密挥光纤并行光互连系统特性研究 1 0 1 2 b s ( t e r a b i t s ) 数量级，实用速率在l o g b s 。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砌d ( 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 极低时延：几百公里长光纤通道的延迟时间一般在m s 数量级，自由空间光的 延迟则更小 通道等程：光传播不存在电传导中的电阻问题，只要等程，即可解决时钟歪 斜问题。实际上，许多光互连系统都处在透镜的物平面和像平面的对应列阵之间，光学成像 系统保证了这种等程性。 无干扰：光的传播遵循独立传播原理，上亿束光束在传播过程中无论怎样相 交也不会相互干扰 低能耗：用光互连直接互连芯片表面能减少芯片上的耗散功率。光传递信息的 机理是量子阻抗交换，这种变换的光功耗极低，而且不随信号传输速率的增加而增加。 i o 能力强：光i o 端口不仅速率高，而且可以制成很多端口。这是因为 一方面光的时问带宽高，可实现大规模的面阵互连，另一方面光的空间带宽高，传播时相互 间无串扰，又不受外部电磁波的辐射干扰，故可实现高密度、大规模的互连。 1 1 2 光互连的基本结构 图i i 1 为光互连的结构示意图。为了使误码率降低，一般将输入电信号编码或者用复 用器( m u x ) 提高速率，输入到激光驱动器。在光信号的速率低时( 一 讽 ；德 域 捌 i 蝴 啦 一 线 救 黯 蝌i 绷 灾一” 躺壤i 熬自 器 趣+ 透撬隧鲫透镜拜朔 图1 1 - 1 光互连的基本结构 下面重点介绍一下光互连的关键器件 光源：在光互连中，光源主要用于携带数据的光信号的产生。目前，光互连的研究主要采 用垂直腔面发光激光器( v c s n ) 阵列，该阵列用作光互连光源有很多优点：互连密度高、 功耗小、工作频率高和易与c i i o s 电路大规模集成等，还可对单个光源的发光角度和波长 等进行调制，对三维v l s i 芯片内的自由空间光互连具有重大的意义 传输媒质：短距离光互连常用的传输媒质是聚合物光纤本文研究的梯度折射率聚合物 光纤，具有许多优点同时，光纤阵列光互连是目前唯一进入实用的并行光互连技术 光探测器：用于将光信号转换成电信号，便于电子逻辑器件对数据进行处理 1 1 3 光互连的发展与应用 在一些发达国家。正在进行着以 删为基础的实现全部多媒体通信的计划。届时，将用 a t i l 交换机来替换目前的帧中继服务、信元中继式服务，进而将包括电话网在内的所有信息 都用a 1 1 i 进行交换。在信息吞吐量高达1 0 0 6 b s 的a t i l 交换机中，在架构之间、在单元之间必 须用光互连进行连接。如果信息吞吐量达到几百吉比特每秒到1 0 t b s 的超大容量a t i ! 交换机， 则需要使用吞吐量比光纤大的以o p t i - f l e x 或光纤为代表的光底板或自由空间光互连 s 1 光互连在计算机领域的市场更大。微处理器仍是高性能计算机的核心技术。目前单个芯 片的处理能力还会进一步提高。s o n y 公司的p s 3 单芯片n 2 0 0 5 年将达到i t f l o p s 的处理能力。 但由于1 眸之内摩尔定律继续有效，芯片集成度和频率每1 8 月翻番，导致芯片的功耗问题日 益显著。最高端的微处理器功耗可达几十甚至上百瓦，使得系统散热成为不可忽视的问题。 8 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 芯片之间的互连也因为信号频率的提高成为一个突出的问题。使用铜线连接的脉冲信号传输 受寄生电阻、电容、电感的影响，而且频率越高这种影响越大尽管当前主流c p u 主 频已经达到2 g i - l z ，但板级的并行总线互连仍限制在8 0 0 m h z 以内因此，光互连有可能成 为最终的互连解决方案。而基于表面发射激光的v c s e l 技术已经成功的将半导体技术和激 光技术结合起来。主机之间的光互连已经广泛应用，主板之间光互连也发展成熟，基于光波 导的板内互连技术也在实验之中。 光互连应用到高性能计算机的主要问题是成本，这是因为v c s e l 技术还只能用于g a a s 等半导体工艺，不能和c m o s 直接结合一旦这方面技术取得突破，光互连必将进入计算 机系统的内部 9 1 - f l 。 随着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 ) 等并行处理技术的发展，对系统中互连方式也 提出了新的要求，并行光互连正在取代传统的电互连。并行光互连是指多光源、多传输通道、 多接收器的一种光互连方式，通常可以一次传送8 b i t ，1 6 b i t 、3 2 b i t 甚至更高的位数，因此在 同样的传输率下，可以传输更多的信息量当然，这种高速度是以传输通道复杂为代价的 随着对带宽的需求越来越大，人们不断的提高互连通道密度，并行光互连从一维，逐渐 发展到二维。本文第二章将介绍目前进入实用的二维光纤阵列并行光互连，并给出了关于一 种新型二维光纤阵列一二维准六角密排光纤阵的详细讨论 1 2 聚合物光纤的特性 p o f 结构主要包括纤芯、包层和涂覆层三部分。纤芯和包层对光纤的导光性能起到决定 性作用，它们都由高分子光学透明材料构成，包层材料的折射率略小于纤芯，涂覆层的作用 是增强光纤的机械强度及保护光纤不受外界水汽侵蚀。在涂覆层外，往往还有用聚乙烯、聚 脂等有机物作成的保护套，起到保护与坚固的作用。 根据折射率剖面的形状，p o f 分为阶跃型( 简称s i - p o f ) 和渐变型( 简称g i p o f ) 两种。 阶跃型塑料光纤包括折射率为, i 的纤芯和折射率为他的包层区域( 啊 疗2 ) 通常，纤芯材 料使用p 砌i a ，包层材料使用氟化聚合物。现在，用直接拉丝的方法就可以生产低损耗的阶跃 型塑料光纤【“。渐变型塑料光纤的折射率剖面呈梯度型分布，其分布函数可用下面的方程描 述： 行2 ( r ) = , 1 2 【l 一2 a ( r a ) 。】 ( 1 2 1 ) 9 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 鹰篓动 盘盘 fr 圈i 2 - 1s i - p o f 与g i - p o f 的剖面与折射率分布 由于光纤的传输带宽、传输距离受光纤的色散特性、传输损耗的影响非常大，本节将介 绍p o f 的色散、传输损耗等特性，接着总结其作为传输媒质的一些优点与缺点。 1 2 1 聚合物光纤的损耗 损耗是p o f 的其重要的参量，也是其相对于石英光纤的一个重要弱点。它很多程度上制 约了f o f 在中、长距离通信中的应用p o f 的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、辐射损耗( 图 i - 3 ) 其中，吸收损耗和散射损耗构成了内部损耗，是损耗的主要决定因素。辐射损耗是光 纤的外部损耗 吸收损耗包括由近红外和紫外吸收光谱的带尾吸收和c - h 键红外振动的高次谐波的吸 收而引起的本征吸收，以及由直径小于波长长度的微观粒子杂质引起的非本征吸收。本征吸 收是p o f 损耗的重要因素【1 2 】【l ”。 散射损耗来源于光纡的折射率的起伏而导致的本征散射。光纤制作过程中不可避免的会 产生分子结构的不规则分布，引起折射率的不规则变化，造成了光在不同方向的反射，即散 射。散射中心通常比工作波长要小。更准确的讲，散射因为聊场激发了这些像偶极子这样 工作的不规则性。这些偶极子吸收外部场的能量，并以相同的频率和任意的方向辐射新的 e l l 波。这就是著名的瑞利散射模型。瑞利散射损耗与波长四次方成反比。图1 2 - 2 给出了 i o 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 g i - p o f 的损耗组成。 辐射损耗的产生是由于光纤受到外力的作用，产生一定曲率半径的弯曲，使能量泄漏到 包层，从而导致损耗。辐射损耗分为两种情况一种是宏弯损耗，是由光纤轴线的弯曲产生 的；另一种是微弯损耗，是光纤成缆时光纤轴线的随机性弯曲。微弯引起的附加损耗很小， 已经不是多模光纤中的基本问题 广本征吸收紫外、红外吸收 f 厂一吸收损耗l l 瓣楸厂燃鲷鼾 il i l 一0 h j 喂离子 |厂制作缺陷 一r 躺耗l 揪射篇射 ll 啦曼散射 i广徽弯损耗 l 一辐射损耗一光纤受力弯曲l l 宏弯损耗 圈1 2 _ 2g i - p o f 的损耗 表卜1 给出了实验室环境下咖a 嗍a 仇、p s 三种芯料的光损耗的极限值1 1 4 】。 表卜l 几种典型i o f 损耗的撮限值( 单位，d b l u d 材料及光透过窗口 p m m ap m m a d 8p s 波长( r a n ) 5 2 05 7 06 5 06 8 07 8 08 5 05 8 06 2 56 7 0 本征吸收损耗 17 8 8 o93 61 52 62 6 瑞利散射损耗 2 82 0 1 2 1 0647 85 84 3 结构不完整损耗 2 8t 04 5 理论损耗极限 2 92 7l o o1 01 54 09 38 46 9 实验室制品损耗 5 75 51 2 82 02 55 01 3 81 2 91 1 4 图1 2 - 3 为苯甲基苯甲酸盐掺杂p m i i a 渐变型塑料光纤的损耗光谱，在6 5 0 r i m 的损耗为 东南大学硕士论文 准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 1 5 8 d b i m ，在短波长区域的损耗比阶跃型塑料光纤稍高，这是因为无论采用掺杂剂还是采 用其他单体与删a 共聚所形成的p o f ，都很难达到与纯p m m a 同样低的损耗 嗍 塑料光纤在可见光和近红外区域损耗主要是c - h 谐波吸收( v i b e r a t i o no v e r t o n e s ) 造成的在6 5 0 n = 波长，c - h 谐波吸收约为9 0 d s k m 为了降低p m m a 塑料光纤的损耗，可采用 氘原子或卤素原子取代p m m a 中的氢原子，使基体材料吸收光谱的特征峰向长波长方向移动， 从而使近红外和红外区域的损耗降悯 搦琵d b k - ) o 5 6 0 07 0 0 8 0 0 波长糟) 圈1 2 _ 3 荤甲基苯甲酸盐掺杂p - h 渐变型塑料光纤的损耗光谱 全氘化( p e r d e u t e r a t e d ) 渐变型塑料光纤的损耗光谱如图1 2 - 4 所示( 为便于比较，图 中同时绘出p 吼a 渐变型塑料光纤的损耗光谱和全氟化渐变型塑料光纤的损耗光谱的理论极 限) ，在6 8 8 n m 波长的损耗为5 6 d b k m ，在7 8 0 h m 波长的损耗为9 4 d b lk m ，但问题是氘通常难 以获得。c - f 谐波吸收在可见光区域基本不存在，即使延伸到1 5 0 0 h m 波长的范围内其强度也小 于l d b k m 。全氟化( p f ：p e r f l u o r i n a t e d ) 渐变型塑料光纤的实测值和理论极限如图1 2 - 5 所 示。从可见光到近红外区域，全氟化渐变型塑料光纤的损耗小于l o o d b k m ，在1 3 0 0 h m 波长的 损耗为4 5 d b k m 。值得注意的是，全氟化渐变型塑料光纤损耗的理论极限在1 3 0 0 r n 波长的损耗 为0 2 5 d b i m ，在1 5 0 0 m 为0 1 d b l 。与石英光纤的损耗极限相掣1 6 1 东南大学硕士论文准六角密排光纤并行光互连系统特性研究 被长( 孺) 圈1 2 - 4全氘化渐变型塑料光纤的损耗光谱 1 2 2 聚合物光纤的色散 绝大多数光纤传输系统是数字传输系统。在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤折射率分 布、光源的光谱宽度及波长、光纤材料的色散特性、光纤中模式分布等决定的“延迟畸变”， 使该脉冲波形在接收端展宽，这一效应被称为“光纤色散”，决定了作为通信线路的光纤的 最高信息传输速率【1 7 h ”色散表征了传输光脉冲的失真程度，限制了通过光纤信号的频谱 宽度，色散的大小直接关系到光纤的带宽。 p o f 优良的带宽特性，是和其较低的色散密切相关的。色散主要分为模内色散与模问色 散。还有一种主要发生在单模光纤中的偏振色散，兹不详述 模内色散又称色度色散，与光源的光谱宽度a a 成正比例简单来说，它是由单个模中 的成分的行为所发生的效果引起的，由材料色散和波导色散组成。波导色散在单模光纤中起 主要作用，在多模光纤中可以忽略，因此材料色散是多模光纤中模内色散的主要原因口”。 全氟化( e f ：p e r f l u o r i n a t e d ) p o f 的材料色散比其他的p o f 及多模石英光纤都要低旧 图1 2 - 5 表示几种不同的光纤的材料色散随着波长的变化情况。 表示p f 聚合物光纤，b 表示掺杂了1 5 p f 的p f 聚合物光纤，c 表示多模纯石英光纤，d 表示掺杂1 3 5 g e 0 2 的石 英光纤，e 表示聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) p o f 。可以看到，在非常大的波长范围内，a 具有 1 3 东南大学硕士论文 准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 最低的材料色散。 w a v e l e n s l ht 岬 圈1 2 5 不同光纤材料色散随着波长的变化 目前在很多领域采用波长为0 8 5 微米的g a a sv c s e l 光源，多模石英光纤在这个波长处 不但材料色散大，而且其制作方法导致其模间色散也比较大，所以总色散比较大。而p fp o f 色散则相对较小。在0 8 5 微米，多模石英光纤的最大带宽大约为8 0 0 t z k m p fp o f 的最大 带宽大约为1 8 g h z k m i “。同时，p fp o f 的材料色散对波长的依赖程度比较低，从0 4 5 微 米到1 3 微米变化很小刎，对光源的要求不高。尽管纯多模石英光纤的材料色散在1 3 微 米附近为0 0 0 2 7 2n s r m k m ，小于p p p o f 的材料色散( 0 0 0 9 n s n ll m ) ，但是掺杂了g b 啦 后，其材料色散提高到0 o l l 7 8 n s r mk m ，极大的限制了其带宽；而在p f 中掺杂其他材料 对材料色散的影响却很小 模间色散又称模式色散，它是光纤中存在多个模式引起的。渐变折射率光纤的折射率分 布导致了其模间色散比阶跃折射率光纤要小很多。其中，g i p o f 的折射率分布多由界面凝胶 共聚法( i g p ) 处理，聚合反应率可以控制。模间色散比较小；多模石英光纤多采用典型的化 学气相沉积( m c v d ) 方法，模间色散很难消除，因此带宽比预计的要低圆 由上可见，p o f 具有比较小的模内色散与模间色散，因此总的来说具有良好的色散特性。 1 2 3 聚合物光纤的带宽 光纤波导最重要的特点是其带宽，带宽确定了其信息传输能力，多模石英光纤和聚合物 光纤在带宽上的主要限制因素是模间色散。光纤中模式不同，传播速度不同，其色散随长度 呈线性增加。但是理论和试验表明，在聚合物光纤中模与模之间并不互相独立，而是密切相 关的，从而使其带宽出乎意料的提高。最近对聚合物光纤的实验研究表明，由于随机折射率 1 4 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 微扰和模问耦合使带宽明显展宽。当输入信号脉冲的能量包沿波导传播时，其在不同的时间 与不同的模耦合，会使模间色散对带宽的限制作用降低。光纤传播方向上的随机微扰就会发 生上述情况，微扰引起不同模式问的耦合并且造成能量包随机向前一个和后一个模转移，就 像汽车换车道一样。存在模式耦合的情况下，模式不再独立，而承载于模中的能量包也以一 种平均的群速度基本上同时到达波导的输出端结果输出脉冲展宽减小而导致带宽增加。由 于有了模式耦合，脉冲展宽与光纤长度的平方根成正比，不再满足线性关系。在阶跃聚合物 光纤中，模式耦合带来的带宽增加远比梯度折射率光纤要多。 增加光纤的带宽有两种方法，一是减小光纡芯的n a ，二是改变光纤芯的折射率分布。 当梯度折射率光纤具有接近于抛物型的最佳折射率分布时，光纤的模间色散最小，可以获得 最佳带宽性能梯度聚合物光纤的制作工艺发展很快，提出的方法很多，如稀释剂膨胀法、 热扩散共聚法，光敏共聚法和随机共聚法( 即界面凝胶法) 其中界面凝胶聚合技术是实用 性最强的梯度聚合物光纤制作方法。实验研究表明，用脉冲响应法测量得到1 0 0 m 长的嗍a 梯度聚合物光纤和全氟化梯度聚合物光纤在不同的折射率分布幂指数下的带宽值，其p h l t 梯度聚合物光纤因材料色散较大，在最优折射率剖面时，6 5 0 n m 波长处的带宽为3 6 h z 1 0 0 m ， 而全氟化梯度聚合物光纤在6 5 0 r i m 波长的带宽大约是p 6 1 a 梯度聚合物光纤的3 倍。材料在 近红外区域的色散较小，全氟化梯度聚合物光纤( g = 2 0 9 ) 在1 3 0 0 r i m 波长处的带宽可以达到 1 0 0 g h z 1 0 0 m 梯度聚合物光纤的实际带宽比用砌方法计算得出的理论带宽要大，其原因 是光纤中存在差分模式耦合 1 3 并行光互连 随着集成电路处理能力的提以及带宽指数式增长，传统的基于金属导线传输信号的电 互连技术已经不能满足带宽、时延、串扰和功耗等方面的要求，是目前限制系统性能提高的 主要环节。例如，在高性能计算机与通信系统中，仅仅3 0 的能量消耗在程序处理上，7 0 0 4 的能量消耗在互连上随着时钟频率 i g ，电互连的能量消耗与串扰将导致所谓的“互连瓶 颈”因此。多光源、多传输通道、多接收器、以很小代价传输大量数据的并行光互连具有 很大的吸引力。并行光互连具有带宽高、通道时延相等、串扰小、功耗低的本质优点，系统 内的芯片间以及电路板问采用并行光互连作为突破电互连的通信瓶颈、提高系统性能的一项 关键技术已经得到广泛的认同。并行光互连在并行计算互连系统结构设计中也得到了广泛的 应用。 东南大学硕士论文准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 上世纪9 0 年代中期以来。系统内并行光互连成为了一个热点研究课题美国国防高级 研究计划局( d a i l p a ) 、欧盟e s p r i t 计划中的o i i c ( o p t i c a l l yi n t e r c o n n e c t e di c s ) 项 目资助了多家大学和公司开展光互连的研究，日本则在n e c ，n t t 等大公司和东京大学开展 的了光互连的研究。而我国并行光互连的研究非常少，对此国家自然科学基金委在2 0 0 2 年 予以特别指出、并积极鼓励该领域的研究 并行光互连的种类依据光的传播介质划分可以分为以下几类： 1 自由空间光互连 利用全息透镜或微透镜将二维平行光束进行准直和聚焦，使并行通道的光信号在空 气中平行传输进行互连。1 9 8 2 年，a h u s a i n 首次提出自由空间光互连的概念嗍， 其优点主要有： 以空气作为传输媒质，速度接近光速，带宽极高，时延极小 通道严格等程，通道问信号偏斜极小 通道密集可以实现几千个通道的并行光互连其通道密集程度是其他并行光互 连方式所无法比拟的根据国际半导体协会1 9 9 9 制定的发展目标，芯片问的互连带宽将达 到5 t b i t s 。因此，从长远来看，自由空间光互连巨大的信息吞吐能力使之成为非常有吸引 力的并行光互连方式嘲 自由空间并行光互连无需导线、光纤等传输媒质，重量小网 同时，自由空闻光互连的应用也存在着许多限制因素： 对光源阵列出射光束的方向、发散角的一致性和长期稳定性要求非常高； 保持器件间的精密对准非常困难，系统对振动和热膨胀异常敏感，这使得系统 的安装和维护成本很高 光学器件表面的积尘将对系统的长期使用产生严重的影响。 设计灵活性有一定的限制 因此，自由空间光互连是一种性能和成本都很高的互连方法，适用于系统性能极高的超 级计算机和通信交换系统的内部互连以及芯片内部、v l s i 芯片之间及人工神经网络等的大 规模并行连接，对大规模并行光互连和数字光计算具有很大的吸引力鲫 2 集成波导光互连 通过集成于印刷电路板内的光波导实现芯片间的互连，其优点在于受外界环境的影响 较小、可靠性很高。缺点如下： 波导层的制作以及波导与光收发器阵列的精密对准都要求对目前已经非常成 熟的印刷电路板工艺进行改进，研制难度较大、成本较高。 由于波导层在一个平面内，只能构成一维平行波导阵列，其并行通道数远少于 二维并行互连方法，因而难以满足电路板间互连的需要卅。与自由空问并行光互连相比， 1 6 东南大学硕士论文 准六角密捧光纤并行光互连系统特性研究 集成波导并行光互连的集成度与配置灵活度都有一定的不足 因此，集成波导光互连仅适用于高端系统芯片内的互连 3 光纤传像束光互连 通过将光纤传像柬与二维光收发单元阵列直接对接实现并行互连，每个光源的出射光 耦合入传像束中多个与之相接的光纤该方法的优点是易于连接和对准，但传像束与光源的 耦合损耗高达2 4 d b ，并且传像束的传输损耗远远高于石英光纤与聚合物光纤。另外，其分 光和耦合必需使用精密对准的分立光学器件，这将严重降低光源“像”的分辨率，从而造成 串扰和损耗 因此光纤传像束光互连仅适用于芯片间和电路板问的短距离并行互连，不适于机箱间 的较长距离光互连 4 光纤阵列光互连 光纤阵列并行光互连是一种带宽高、成本低、可靠性高、发展前景看好的并行光互连 方法，能够广泛地用于芯片间、电路板闻和系统间的光互连光纤阵列并行光互连早在8 0 年代就被a t & t 的贝尔实验室用于全光交换系统，光纤阵列光互连也是目前唯一进入实用的 并行光互连技术1 3 0 ) 。所用光纤主要包括石英光纤与聚合物光纤石英光纤的损耗与温度稳 定性都要比聚合物光纤好，只是其最