光互連

　　光互連（optical interconnection）

分類

　　1．從結(jié)構(gòu)來(lái)看，光互連可以分為：

　　1）芯片內(nèi)的互連；

　　 2）芯片之間的互連；

　　3）電路板之間的互連；

　　4）通信設(shè)備之間的互連。

　　2．從互連所采用的信道來(lái)看，光互連可以分為：

　　1）自由空間光互連技術(shù)

　　通過(guò)在自由空間中傳播的光束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于芯片之間或電路板之間這個(gè)層次上的連接，可以使互連密度接近光的衍射極限，不存在信道對(duì)帶寬的限制，易于實(shí)現(xiàn)重構(gòu)互連。該項(xiàng)技術(shù)是光互連技術(shù)中最具吸引力的。 對(duì)于自由空間光互連技術(shù)，早期的研究主要集中在如何利用技術(shù)構(gòu)成MIN(Multistage Interconnection Network)、Crossbar和Mesh等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如何在傳統(tǒng)二維平面結(jié)構(gòu)電子插件的三維空間上實(shí)現(xiàn)光通信，而目前的研究已經(jīng)深入到VLSI器件的內(nèi)部。

　　目前發(fā)展最快的多級(jí)光互連交換系統(tǒng)是自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)。這主要有兩個(gè)方面的原因：

　　1）自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)除了具有一般的光互連所共有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有易于實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)、互連數(shù)大、互連密度高、無(wú)接觸互連等優(yōu)點(diǎn)；

　　2）由于實(shí)現(xiàn)自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需要的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)陣列器件和二元微光學(xué)器件的發(fā)展很快，均已接近實(shí)用化。

　　2）波導(dǎo)光互連技術(shù)

　　通過(guò)沿光波導(dǎo)傳播的光束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)的研究進(jìn)展十分迅速，已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，部分商用計(jì)算機(jī)已采用了簡(jiǎn)單的波導(dǎo)光互連技術(shù)，如CrayT90已采用集成光波導(dǎo)H樹(shù)進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)分布。 波導(dǎo)互連可以提供高密度互連通道，適用于芯片內(nèi)或芯片之間這個(gè)層次上的互連，采用集成光源和探測(cè)器，由集成光路來(lái)完成連接，這一種互連目前還不很成熟。

　　3）光纖互連

　　最成熟的光波導(dǎo)是光纖，光纖互連技術(shù)已有商品出售。光纖互連適用于電路板之間或計(jì)算機(jī)之間這個(gè)層次上的連接，借助于光通訊中的有關(guān)先進(jìn)技術(shù)，已進(jìn)行了好幾種互連方案的實(shí)驗(yàn)工作。 光纖互連具有頻帶寬、無(wú)電磁干擾、可高密度并行連接、多信號(hào)和多扇出、傳輸速度快、不需接地等優(yōu)點(diǎn)。光纖的波分光交換技術(shù)在MPP系統(tǒng)的互連網(wǎng)絡(luò)中有自動(dòng)尋徑功能，具有誘人的前景。美國(guó)光纖通道協(xié)會(huì)(FCA：Fiber Channel Association)針對(duì)當(dāng)前光互連技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，制定了一系列的光纖通信標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)光纖在光纖通信和計(jì)算機(jī)互連中的使用制定了全面的規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，全面推進(jìn)了光纖光互連技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的使用。

光互連面臨的問(wèn)題

　　1）工藝技術(shù)方面：和金屬互連一樣,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和新器件和結(jié)構(gòu)的引人,光互連中封裝和散熱是很大的問(wèn)題,特別是基于如和等大的系統(tǒng),封裝和散熱問(wèn)題日益突出,急需解決。另外,對(duì)于自由空間光互連,光路的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題特別突出。雖然有很多的相關(guān)技術(shù)如有源和無(wú)源對(duì)準(zhǔn)、自對(duì)準(zhǔn)等,但都不是很理想。而且,很多的光互連技術(shù)是基于混合集成,光電芯片的單片集成困難很大。因此,光互連仍然需要更加適用和靈活的工藝技術(shù)來(lái)推動(dòng)其實(shí)用化。

　　2）器件和材料方面：光互連中,光發(fā)射器、光傳輸器件、光調(diào)制器、光檢測(cè)器等器件和制造的材料都有待提高和突破。的提出對(duì)光路的集成化很重要。但是它存在模式和偏振的穩(wěn)定性問(wèn)題,而且閡值電流有待降低。是光互連光源有力的候選者,但它也存在響應(yīng)速度慢和聚光效率差等問(wèn)題。此外光檢測(cè)器件的電容大小對(duì)整個(gè)光互連中的功耗影響很大,必須降低該電容。光調(diào)制器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性、開(kāi)啟延遲和工作電壓等也需要改善。

　　3）電路設(shè)計(jì)方面：電路的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化很重要。應(yīng)盡量減小電光和光電的接口電路串?dāng)_、降低功耗和反應(yīng)時(shí)間、提高工藝變化的兼容性,需合理地利用光互連和金屬互連,發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。另外,像電子器件一樣,光互連器件的模型、模擬軟件和綜合工具的開(kāi)發(fā)和提出很重要。當(dāng)然,根據(jù)光器件的光子密度速率方程,可建立用于模擬的光器件模型,用語(yǔ)言也可對(duì)光電電路進(jìn)行綜合俐。

　　4）成本方面：成本驅(qū)動(dòng)是這一領(lǐng)域技術(shù)更新的最大推動(dòng)力。因此自從光互連一提出,就要求其工藝與現(xiàn)有的工藝相兼容。表面上看是對(duì)工藝的要求,實(shí)質(zhì)上是出于成本的考慮。因?yàn)楣杌?span id="a5w0500" class='hrefStyle'>集成電路很普遍,而且工藝比較成熟,所以,讓光互連的工藝向其靠攏是所當(dāng)然的。為了進(jìn)行高密度的互連,結(jié)合當(dāng)前光互連的發(fā)展水平,目前仍然是將一族的光電器件混合集成在基板上,單片光電集成電路的實(shí)用還在研究階段。