基于光波导的板级光电互联技术的研究

摘要

在21世纪信息技术革命的浪潮下，电子信息技术的发展可以说一日千里，电子系统似乎会不断突破高速率、高密度、小型化的极限，但电互连导线的物理特性难以改变，随着传输的速率和频率的升高，电互连中寄生效应愈发严重，即使可以通过优化布局布线，缩短传输路径等方法提升其性能，但不能从根本上解除对高速通信系统发展的限制。作为一种很有潜力的替代电互连的方案，光电互联技术吸引了越来越多的研究人员的关注，将导光层植入基板的光电印制板将是未来PCB发展的必然趋势。 本文对波导植入式板级光电互联中所涉及到的关键组件及技术展开研究，主要完成了以下几个方面的工作： （1）对光波导进行了工艺缺陷模拟分析和FR4板上制备。首先根据光波导的射线和电磁理论，仿真分析了侧壁粗糙度和陡峭度等工艺缺陷对光场分布的影响。然后，在FR4基板上通过显影刻蚀技术制作了多路聚合物光波导，详细介绍了工艺过程及参数。制备完成后，利用3D测量激光显微镜对光波导的顶表面和侧面进行了粗糙度测试，顶表面粗糙度为12nm，侧面粗糙度为58nm，结果在工艺容限范围内，侧壁形貌也较为陡直。最后，进行通光测试，当激光波长为850nm时，光波导的传输损耗为0.24dB/cm，优于工艺较成熟的硅基波导损耗水平。综合实验结果和各项测试数据，表明通过对工艺流程和参数的不断优化，该聚合光波导的制备方案不仅可在PCB上制作任意多路光波导，而且具有较好的重复性与稳定性。 （2）对于光收发组件，针对其SMT混合贴装时需要高精度耦合的要求进行了耦合分析和结构设计。首先利用射线光学理论，分析了激光器垂直出射光线经45°全反射镜耦合进水平光波导并在芯层全内反射传输的光路及其条件。然后，通过数值模拟，分别获取了光耦合效率与全反射镜角度偏差、对位偏差间的关系曲线。结果表明，3dB损耗的对位容差约为30μm，角度容差为2.5~3?，降低了光收发组件贴装时的对准难度。最后，在兼容SMT工艺的基础上，提出了一种光收发组件一体化埋入的新型叠层光电板结构，针对板内埋入有源器件易致局部温升过高的传统难题，通过有限元热分析，优化光波导包、芯层材料热导率得以有效解决。 （3）基于计算机仿真软件对板级通信系统进行了系统级建模和仿真。详细介绍了通信链路的组成及建模的依据。尤其对光传输通道，在分析其传输特性的基础上，参考前文制备光波导的工艺、性能参数进行了单独建模。最终整仿结果表明，该系统在10Gbps的通信速率下，输出信号的眼图质量较好，最小误码率为2×10-8。

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