基于光波导的芯片间光互连网络的设计与实现

摘要

随着通信和计算机技术等信息科学技术的发展，特别是近几年来高速信息通信网的飞速发展，要求计算机处理速度向着每秒千亿次、万亿次甚至更快的高性能计算机方向发展。而传统电互连技术的性能由于固有的物理原因而受到限制，已越来越不适应高速信息处理与传输的要求。因此，光互连技术的研究越来越受到国内外研究者的重视，以高速率的光互连技术取代目前计算机中所采用的铜导线，以光子而不是电子为媒介，在芯片间之间实现高密度、高速传输数据。
　　 本文的研究对象为基于波导的芯片间光互连网络，首先从Maxwell方程出发，分析阶跃型平板波导中的波动方程以及场分布的解的形式和相关参量。由于方程的解析解难以确定，引入有限差分光束传输法，详细推导出FDBPM求解光在波导中传输的过程，并用它在Matlab上来实现光波导器件的设计和仿真。
　　 其次提出一种新型的PCB上芯片间光互连的基本结构，主要包括：VCSEL激光器、波导耦合器、内置光波导和光接收器；光互连层是其实现的关键，充分利用有限差分光束传输法来设计和分析光互连层。对所设计的矩形多模光波导仿真分析显示，其传输效率将大于99％。接下来，系统研究光波导的制备工艺，通过实验摸索，总结出一套刮刀法制作光波导的工艺流程，主要包括模具制作和波导制作两个部分，它具有步骤简单，易于控制波导芯层尺寸，适合制作大尺寸波导等突出优点。然后，对制作出的波导样品进行了通光测试和波导损耗测试，结果表明，其各路波导的平均损耗大概在3dB左右，符合通信要求。
　　 最后针对芯片间互连网络特点，分别设计了三种不同的网络模型：基于弯曲波导的全连接光互连网络、基于光开关阵列的全光交换互连网络和基于Mesh的光电混合互连网络。通过分析各自特点，选用最后一种方案，并在PCB板上成功制作出基于2×2 Mesh的光互连网络演示系统。它采用阵列式VCSEL/PIN垂直腔表面发射并行光发射/光接收模块，通过PCB板中光波导层进行光信号传输。对该系统进行全面测试表明：系统成功实现芯片间MESH网络的上移、下移、左移、右移光互连功能，光波长850nm，单通道速率3.125Gbit/s，误码率低于10-16，完全满足通信要求。
　　 总之，成功实现了一种基于光波导的芯片间光互连网络，它将光互连层引入到常规电路板中，克服了电路板上芯片间电互连的高速瓶颈，具有创新性，对发展宽带、高速、大容量信息通讯网和高性能计算机并行处理和传输系统，具有重要的现实意义和应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 概论

2 有限差分光束传输法

3 光互连层的设计与分析

4 光互连层的制作和测试

5 芯片间的光互连网络

6 光互连网络的测试与功能验证

7 总结与展望

致 谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表论文目录