基于光波導(dǎo)的芯片間光互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、隨著通信和計算機技術(shù)等信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近幾年來高速信息通信網(wǎng)的飛速發(fā)展，要求計算機處理速度向著每秒千億次、萬億次甚至更快的高性能計算機方向發(fā)展。而傳統(tǒng)電互連技術(shù)的性能由于固有的物理原因而受到限制，已越來越不適應(yīng)高速信息處理與傳輸?shù)囊?。因此，光互連技術(shù)的研究越來越受到國內(nèi)外研究者的重視，以高速率的光互連技術(shù)取代目前計算機中所采用的銅導(dǎo)線，以光子而不是電子為媒介，在芯片間之間實現(xiàn)高密度、高速傳輸數(shù)據(jù)。
　　 本文的研究對

2、象為基于波導(dǎo)的芯片間光互連網(wǎng)絡(luò)，首先從Maxwell方程出發(fā)，分析階躍型平板波導(dǎo)中的波動方程以及場分布的解的形式和相關(guān)參量。由于方程的解析解難以確定，引入有限差分光束傳輸法，詳細推導(dǎo)出FDBPM求解光在波導(dǎo)中傳輸?shù)倪^程，并用它在Matlab上來實現(xiàn)光波導(dǎo)器件的設(shè)計和仿真。
　　 其次提出一種新型的PCB上芯片間光互連的基本結(jié)構(gòu)，主要包括：VCSEL激光器、波導(dǎo)耦合器、內(nèi)置光波導(dǎo)和光接收器；光互連層是其實現(xiàn)的關(guān)鍵，充分利用有限差分

3、光束傳輸法來設(shè)計和分析光互連層。對所設(shè)計的矩形多模光波導(dǎo)仿真分析顯示，其傳輸效率將大于99％。接下來，系統(tǒng)研究光波導(dǎo)的制備工藝，通過實驗摸索，總結(jié)出一套刮刀法制作光波導(dǎo)的工藝流程，主要包括模具制作和波導(dǎo)制作兩個部分，它具有步驟簡單，易于控制波導(dǎo)芯層尺寸，適合制作大尺寸波導(dǎo)等突出優(yōu)點。然后，對制作出的波導(dǎo)樣品進行了通光測試和波導(dǎo)損耗測試，結(jié)果表明，其各路波導(dǎo)的平均損耗大概在3dB左右，符合通信要求。
　　 最后針對芯片間互連網(wǎng)絡(luò)特

4、點，分別設(shè)計了三種不同的網(wǎng)絡(luò)模型：基于彎曲波導(dǎo)的全連接光互連網(wǎng)絡(luò)、基于光開關(guān)陣列的全光交換互連網(wǎng)絡(luò)和基于Mesh的光電混合互連網(wǎng)絡(luò)。通過分析各自特點，選用最后一種方案，并在PCB板上成功制作出基于2×2 Mesh的光互連網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)。它采用陣列式VCSEL/PIN垂直腔表面發(fā)射并行光發(fā)射/光接收模塊，通過PCB板中光波導(dǎo)層進行光信號傳輸。對該系統(tǒng)進行全面測試表明：系統(tǒng)成功實現(xiàn)芯片間MESH網(wǎng)絡(luò)的上移、下移、左移、右移光互連功能，光波長8