目录
第章 绪 2
11 光互连简介 2
12 电互连发展制约 2
13 光互连优势 2
第二章 光互连发展情况 3
21 国发展现状 3
22 国外发展现状 4
第三章 光互连中激光器探测器 7
31 VCSEL 7
32 InGaAs 光电探测阵列探测器 8
第四章 耦合方式 8
41 光收发模块光互连层间耦合 8
42 板间(芯片间)耦合种结构 11
第五章 光波导制作材料工艺 13
51光波导制作 13
52 光波导制作工艺 14
第六章 EOPCB传统PCB制作工艺 16
61 EOPCB制作工艺 16
62 传统PCB制作（四层板） 16
参考文献： 19
第章 绪
11 光互连简介
光互连相电互连发展起新代连接技术光互连指板间芯片间芯片板间等等光形式互连电互连传输带宽时延高速信号间串扰功耗等缺点已成电互连进步发展巨障碍光互连作种新互连方式具极高通信带宽极功耗够解决电互连发展受限问题
12 电互连发展制约
着计算机技术发展计算机节点数目急剧增加高性互连网络传输带宽传输延时较高求电互连网络发展受限方面[[1] 张炜芯片光互连技术研究国防科学技术学2011
]：
(1)集成电路发展限制
着互连网络结构实现技术逐步成熟进步提高网络性集成电路技术发展十年然集成电路技术摩尔定律高速发展发展受散热热噪声等素限制已难较突破
(2)电信号传输限制
电信号传输程中衰减反射串扰电源噪声等素工作频率提高面着挑战工作频率提高数采样窗口断减时电缆衰减增加影响效带宽增系统性面挑战工作频率提高商业软件工具代产品设计验证布局布线物理验证支持限系统制造性样面着挑战
(3)物理封装限制
互连网络实现需跨越层次层中材料制造工艺导致物理特性约束着层次增加互连代价增密度减必然限制系统规模扩展着系统规模增加互连网络带宽工作频率相互制约严重影响网络性提高
(4)带宽限制
增加节点间通信带宽通常两种途径增加行数传输线宽度二提高信号频率增加数传输线宽度需芯片提供更IO引脚芯片封装工艺带困难提高信号频率传输线消耗更量传输线间串扰增加信号传输距离缩短某种意义讲导线便低通滤波器限带宽会导致信号严重失真传输带宽提高余非常
着高性计算机断发展工作频率断提高传统电互连技术缺点显更加突出电互连网络带宽时延高速电信号间串扰功耗等缺点已成高速电互连进步发展巨障碍新互连技术研究已迫眉睫
13 光互连优势
光互连具带宽高功耗行等优点十年种光技术成熟光器件研制成功极推动光互连技术发展光互连作种新互连方式够解决述电互连发展受限问题光互连具体理解光技术实现两通信单元连接实现协操作着信号频率增光互连技术相电互连技术优势显越月明显光互连逐渐代电互连已成高性计算机系统部节点间高速互连关键技术
第二章 光互连发展情况
21 国发展现状
国外研究现状：国目前华中科技学国防科技学事方面研究华中科技学工作涉系统光互联系统整体架构系统整体仿真实际实验完成波导设计制作部分研究波导光源耦合部分（罗风光）[2]文中[] 张瑾基EOPCB光互联板光耦合研究华中科技学2008
提出种新光耦合结构理验证种耦合结构损耗较采透镜光耦合进出波导模光纤芯光纤球透镜组成图：
国防科技学设计制作种光互联结构发射端采1*12VCSEL阵列接收端采1*12PD阵列完成两块高速FPGA芯片间互联具体EOPCB板图
里采波导光纤带状线波导光源耦合采透镜阵列
22 国外发展现状
传统印刷电路板铜线互联达GHz传输速度介质损耗趋肤效应损耗等决定铜互连传输损耗信道噪声着频率增加呈现指数级增长高频传输时传统电互连存问题光传输具低损耗高带宽容量串扰抗电磁干扰等诸优点光互连成解决高速信号互连瓶颈效方法[[] 张金星 基光波导互连EOPCB研究 华中科技学 2010
]
EOPCB（光电印刷电路板）利嵌入式光波导实现芯片间高速光互连EOPCB研究特受美日德韩等国家重视面介绍国家研究情况
美国IBM公司EOPCB研究方面取较成果2005 年提出第光互连原型2007年利级联微环振荡器研发出硅芯片超压缩光缓区2008 年铺开许项目开发光连接低功率光收发器光谐振器2010 年提出 CMOS 集成硅纳米光子概念2012 年宣布硅纳米光子利 100 nm 工艺单颗硅芯片时整合种光学部件电子电路达25Gbps2013 年 Dow Corning 展示基硅材料新型聚合物光波导[[] 吕慧琳 美国日互联技术研究鉴 全球科技济瞭 20152
]2010年IBMECTC(Electronic Components and Technology Conference)发表会议文提出光通道1015Gs24路行链路双高速互连模组图1示
图1 IBM公司板级光芯片间光互连模组
光芯片激光器阵列探测器阵列驱动电路整合块芯片里面通SiC（Si carrier）技术实现光芯片光波导耦合通微透镜阵列 45°端面实现光波导采干模热压法制作波导芯层尺寸 35μm×35μm损耗 850nm 处 03dBcm光波导进行光波分复图2显示IBM研究中关EOPCB发展程
IBM解决铜互连瓶颈方案中提出两种方法[[] Roger Dangel Jens Hofrichter Folkert Horst Daniel Jubin Antonio La Porta Norbert Meier Ibrahim Murat Soganci Jonas Weiss and Bert Jan Offrein Polymer waveguides for electrooptical integration in data centers and highperformance computers OE23004736 2015223
]：
1 采基绝缘硅波导硅光子COMS技术
2 光学聚合物波导光印刷电路板技术
针两张方案IBM断进行研究尤高分子聚合物波导方面研究取重成果实现完全光互连需断研究
图2 IBM光互连研究发展程
日日立化成工业株式会社 2008年ECTC发表文中提出研究成果芯片间光互连结构图 3实光互连结构没变化光波导制作工艺采干模热压法波导芯层 50μm×50μm包层厚度分25μm波导损耗 01dBcm波导材料高分子亚克力聚合物（PDMS） 垂直耦合光波导 45°斜面
图 3 日立化成工业株式会社板级芯片间光互连模组
日2010开始进行光电子融合系统基础技术开发 2025 年实现片数中心目标2012年9月PECST发布1 cm2 硅芯片集成 526 数传输速度 125Gbps 光收发器技术该技术芯片间布线驶入光高速公路目前 PECST 研究持续推进中
图 4 PECST项目具体分工情况
韩国板级芯片光互连中较耦合部分采45°波导端面层90°弯曲光纤阵列图5示
图5 层90°弯曲光纤阵列
德国芯片间光互连技术发射器驱动电路集成玻璃基底光直接通玻璃基底图6示驱动芯片PCB板连接通玻璃穿孔形式玻璃具绝缘性透明性材料成相较低温度性光直接通玻璃入射光波导 45°端面进行耦合
图6 德国板级芯片光互连模具
第三章 光互连中激光器探测器
甚短距离光互连中集成电路采短波长 850nm 垂直腔面激光射器(vertical cavity surface emittinglaser VCSEL)阵列传输高速率行数
行高速光电转换器常采 850 nm 短波长InGaAs 光电探测阵列探测器 工 作 速 率 已 达 通 道 10 Gbs
31 VCSEL
中心源区体异质结量子阱两种结构侧结构增益导引环形掩埋异质结分源区反射器
图1垂直腔面激光器
氧化物隔离VCSEL器列阵件
阵列器件工艺中首先采化学湿法腐蚀GaAs表面形
成10×10台面结构露出接限制层高Al组分A1xGa 层外延片放八涅氮气(N2)环境4250c条件氧化8分钟『沉积5周期高反射率Znse．caFDBR器件脉(100ns／10ps)连续(CW)备件工作
氧化工艺单元器件尺寸达注入电流限制作获阈值电流阵列器件实验结果表明阵列效果
32 InGaAs 光电探测阵列探测器
InGaAs光电探测器模块集成InGaAs 雪崩光电探测器探测器驱动信号检测放信号放整形输出等部分应连续者脉光信号测放整形温度传感等领域输出高稳定电压信号户免客户雪崩光电探测器时弱信号处理环节
33目前已推出商VCSELPD阵列
韩国optowell公司发布10G 4通道12通道VCSEL阵列芯片应接收端芯片
目前订制VCSEL相应PDPD阵列4者12通道支持25G者10Gbps速率VCSELPD阵列尺寸集成度高
VCSEL采线阵4阵列长度970um12阵列长度2970um体积
PD采线阵4长度1000um左右12长度3000um左右
第四章 耦合方式
41 光收发模块光互连层间耦合
方法[1]：
日NTT代表维透镜耦合方式（OptoBump）光波导面凹腔中充满透明波导物质填充波导表面抛光形成微透镜阵列采扩散方法利固体基底表面曲张形成维透镜阵列
优点：微透镜表面加工工艺(SMT)完全兼容规模低成生产易投入商业应缺点表面曲张实际操作程中微透镜曲率半径难保证制作难度较
利种方法制作EOPCB光耦合示意图示[5]
方法二[1][[] Byung Sup Rho Saekyoung Kang Han Seo Cho et al PCBCompatible Optical Interconnction Using 45°Ended Connection Rods and ViaHoled Waveguides Journal of Lightwave Technology 2004 22(9) 2128~2134
]：
采直接准方式 光发射机接收机芯片波导层直接准种方法 德国OptiCon计划韩国KAIST代表种方法思想现MT连接器插入段光纤光纤端磨制成45度端面光纤芯层折射率般1547545度端面空气接触正形成全发射面实现光耦合
优点：消微透镜阵列带光损耗缺点：需耦合精度更
种结构示意图：
方法三：ETRI光互联背板系统[1][[] Keun Byoung Yoon InKui Cho Optical Backplane System Using Waveguide Embedded PCBs and Optical Slot Journal of Lightwave Technology 2004 22(9)250~257
]
两部分组成装发射接收装置处理板置入光波导光底板处理板里锥形聚合物波导粘金属光具座光电器件发射接收集成芯片集成金属光具座处理板光学插槽光学底板耦合处理板光背板耦合原理图示
处理板光背板耦合：金属光具座MOB光波导祸合安装光学插头MMF（625渐变折射率光纤）阵列光学插头耦合光光背板光波导中NIMF＇端贴45度角反射镜原理图图示：
方法四：POSH光互联结构[1][[] Lisa A Buckman Windover ParallelOptical Interconnects >100 Gbs JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY200422(9)321~327
]
POSH传输接收模块耐热玻璃基底构造双面聚合物透镜形成传输接收模块透镜阵列传输透镜阵列接收VCSEL阵列发射光线光汇聚模光纤带接受模块透镜阵列接收模光纤带发出光汇聚光检测器传输模块衍射折射透镜接收模块折射折射透镜（衍射部件里作减少反射回VCSEL光激光器够发射稳定模式场模光纤）传输模块光系统图示：
方法五：Terabus光互连结构[1][[] Laurent Schares Jeffrey A Kash Fuad E Doany Clint L Schow Terabus TerabitSecondClass CardLevel Optical Interconnect Technologies IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICSVOL12NO5SEPTEMBEROCTOBER 2006
]
光耦合进光波导光系统基微透镜阵列透镜通刻蚀GaAsInP基底背面形成单透镜分面VCSELPIN器件准图示透镜OE源区成波导芯层光波导端构造激光熔融反射镜满足光90度藕合进出光板面高反射镜子表面涂层金制涂层
42 板间(芯片间)耦合种结构
方法： FullyIntegrated Flexible Photonic Platform（全集成式光电子台）[[] Lan Li Yi Zou Hongtao Lin Juejun Hu Xiaochen Sun NingNing Feng Sylvain Danto Kathleen Richardson Tian Gu Michael Haney A FullyIntegrated Flexible Photonic Platform for ChiptoChip Optical Interconnects JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL31NO24DECEMBER 152013
]
种结构基片包含组单模光纤波导阵列光电子器件（激光器光电探测器）面蓝色部分称Active devices光电子器件通种做alignmentfree dietowafer连接技术直接耦合基片光波导面基片两端称flipchip倒装芯片连接技术(图中黄色部分)焊接Chip面
优点：传输速度快信道达10Gbps传输速率
缺点：制作工艺较复杂
方法二：总线技术[[] Nikolaos Bamiedakis Aeffendi Hashim Richard VPenty and Ian HWhite A 40 Gbs Optical Bus for Optical Backplane Interconnections JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL32NO8APRIL 152014
][[] NBamiedakisAHashim RVPentyand IHWhiteRegenerative polymeric bus architecture for boardlevel optical interconnects Electrical Engineering Division Department of Engineering University of Cambridge9 JJ Thomson AvenueCambridge CB3 0FAUK
]
光背板技术种量刀片式服务器（blade servers）数存储系统中板间互连通模光波导连接子板间通3R单元够恢复信号够种结构够连接限单元板(cards)种光总线结构具强稳定性输入信号没准情况够具低损耗低信道传输串扰实验中够低10^12误特率10Gs传输速率进行板间数交互
优点：稳健性损耗低速度高够支持意数量单元板非常适合刀片式服务器中
缺点：光波导布线难点
方法三：空间光互连[[] Ke Wang Ampalavanpillai Nirmalathas Christina Lim Experimental demonstration of freespace based 120 Gbs reconfigurable cardtocard optical interconnects October 1 2014 Vol 39 No 19 OPTICS LETTERS 5717
]
光电子器件（激光器PD）集成子板（Card）子板间连接通光连接准空间中光束需子板集成光束准反射镜
优点：光波导连接结构简单
缺点：信道间串扰影响传输性障碍
方法三：通光插座插头光纤连接[[] Richard Charles Alexander Pitwon Lars Brusberg Henning Schroder Simon Whalley Kai Wang Allen Miller Paul Stevens Alex Worrall Alessandro Messina and Andrew Cole Pluggable ElectroOptical Circuit Board Interconnect Based on Embedded GradedIndex Planar Glass Waveguides JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY VOL 33 NO 4 FEBRUARY 15 2015
][[] Keun Byoung Yoon InKui Cho Seung Ho Ahn Myung Yong Jeong Deug Ju Lee Young Un Heo Byung Sup Rho HyoHoon ParkByoungHo (Tiger) Rhee Optical Backplane for boardtoboard Interconnection Based on a Glass Panel GradientIndex Multimode Waveguide Technology JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL22NO9SEPTEMBER 2004
][[] NingNing Fengand Xiaochen Sun Parallel Optical Interconnects Submodule Using Silicon Optical Bench JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL33 NO4FEBRUARY 15201
]
种光互连方式般板边缘系统间通光纤连接种连接技术稳定机械特性光纤弯曲部分够耦合
第五章 光波导制作材料工艺
光互连结构中种结构利光波导互连研究光互连中波导材料尤重
51光波导制作
光波导EOPCB中起着关键作采合适聚合物光波导传输信号系统够高速效运行保证前研究光通信波段聚合物光波导材料低传输损耗聚合物聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)衍生出氟化物氘化物聚硅氧烷含氟聚芳醚 聚芳硫醚耐高温氟代聚酰亚胺苯环丁烯(BCB)环氧树脂聚硅烷聚碳酸 酯等表1显示商品化光波导材料性参数
表1 商品化聚合物材料性参数
52 光波导制作工艺
着EOPCB研究断深入光波导制作工艺断发展变化现制作方法种[[] 彭亚雄基EOPCB聚合物波导研究2007
]：
(1) 离子交换技术：玻璃结构中网格修饰网格结合牢固加热浸某熔盐中玻璃离子具定量时离子极容易网格间发生迁移熔盐中价离子玻璃表面处发生交换伴离子交换会引起折射率改变两种交换离子半径交换处体积发生改变引起果熔盐中半径较离子代玻璃中半径较离子交换玻璃网格离子周围发生溃塌产生离子交换前更密集结构样导致折射率增加离子交换电子位移极化率发生改变引起电子位移极化率较Tl+离子代电子位移极化率较Na +离子会折射率增加外交换离子半径必然引起交换处摩尔体积改变玻璃网格结构体积膨胀(缩)异性造成交换层部压强增加(缩)致折射率发生改变正述素离子交换处造成折射率变化制成光波导
(2)热模压印法：高温高压环境金属压印工具压入热塑光包覆材料中制作波导芯层通道高温压力沟道里填充较高折射率芯层材料然种低折射率基底片迭加波导取玻璃－基底结合体面覆盖层光包层利热模压印法制作波导损耗633nm05dBcm金属压印工具表面高粗糙度造成采方法够进行规模低成生产材料热稳定性较高求
(3)版影印法：版影印(Photolithography)称显影(光)蚀刻首先基板旋转涂布方法涂低折射率包层涂布作芯层材料高折射率层曝光显影方式设计出符合需波导芯层尺寸涂布包层相材料包层样完成整版影印光波导制程种方法半导体制程相容性高设备相成熟获够符合求尺寸芯层种方法关键根光致抗蚀剂(photo resist)曝光部分发生光化学反应种类光致抗蚀剂致分正性光致抗蚀剂负性光致抗蚀剂两种类型曝光部分发生交联反应抗蚀剂显影该曝光部分保留未曝光部分掉种光致抗蚀剂称负性光致抗蚀剂曝光部分发生分解反应抗蚀剂显影曝光部分掉未曝光部分留种光致抗 蚀剂称正性光致抗蚀剂选光致抗蚀剂衡量光致抗蚀剂优劣标准包括 光源灵敏度图形分辨率涂布均匀性蚀刻工艺耐腐蚀性等
(4)光漂白技术：方法利某聚合物材料具光敏成份光情况发生光化学反应终曝光部分未曝光部分形成折射率差获需光波导光漂白技术相简单种种技术常受材料特性限制
(5)刮刀法：刮刀法作种新兴波导制作方法波导制作方法差异采刮刀方式代匀胶更适合面积波导制作
基制作步骤：
① 制作芯层光波导铸造模具
②采刮刀法(doctor blade)模具槽中填充芯层聚合物加热固化
③加工包层衬底载物台采FR4材料够较PCB板集成
④波导衬底层制备采液态包层聚合物填充模具中(已已固化芯层)然包层聚合物衬底载物台压模具固化衬底层载物台模具中卸
⑤衬底层采样方法制作
IBM研究中采类似刮刀法方法制造聚合物光波导图8示波导制作原理图
图7 刮刀涂布机制作波导原理
图8（a）显示制作波导模具涂材料刮刀涂布机模型图（b）分加液体纤芯聚合物采刮刀涂布机进行均匀材料涂模具中程
第六章 EOPCB传统PCB制作工艺
61 EOPCB制作工艺
EOPCB光层电层光层板面线路波导阵列种尺寸功光器件包括微纳米激光器开关连接器探测器传感器执行器驱动调制器等等电层许功电子线路[[] ElHang LeeSGLee BHO SGPark1 KHKim Fabrication of a hybrid electricaloptical printed circuit board (EOPCB) by lamination of an optical printed circuit board (OPCB) and an electrical printed circuit board (EPCB)2006
]
EOPCB制造分三步骤：
(1)制造聚合物波导光层印刷版板
(2)形成驱动激光器探测器电层线路板
(3)OPCBEPCB合成EOPCB
62 传统PCB制作（四层板）
1 化学清洗
良质量蚀刻图形确保抗蚀层基板表面牢固结合求基板表面氧化层油污灰层指印污物涂布抗蚀层前首先板进行表面清洗铜箔表面达定粗化层度
层板材：开始做四层板先做层（第二三层）玻璃纤维环氧树脂基复合表面铜薄板
2 裁板 压膜
涂光刻胶：层做出需形状首先层板材贴干膜（光刻胶光致抗蚀剂）干膜聚脂薄膜光致抗蚀膜聚乙烯保护膜组成贴膜时先干膜剥聚乙烯保护膜然加热加压条件干膜粘贴铜面
3 曝光显影
曝光：紫外光射光引发剂吸收光分解成游离基游离基引发光聚合单体产生聚合交联反应反应形成溶稀碱溶液高分子结构聚合反应持续段时间保证工艺稳定性曝光立撕聚酯膜停留十五分钟显影前撕聚酯膜
显影：感光膜中未曝光部分活性基团稀碱溶液反应生成溶性物质溶解留已感光交联固化图形部分
4 蚀刻
挠性印制板印制板生产程中化学反应方法部分铜箔形成需回路图形光刻胶方铜保留受蚀刻影响
5 膜蚀孔AOI检查氧化
膜目清蚀刻版面留存抗蚀层面铜箔暴露出板面清洁完全干燥
6 叠片保护膜胶片
进压合机前层板原料准备便叠板作业叠片作定次序覆保护膜板子叠放起置二层钢板间
7 叠板铜箔真空压层
层板材两侧覆盖层铜箔然进行层加压（确定时间温度压力）完成冷室温剩层合起板材
8 CNC钻孔
层精确情况数控钻孔根模式钻孔（精度求高确保孔正确位置）
9 电镀通孔
通孔层间导通（孔壁非导体部分树脂玻纤维束进行金属化）孔中必须填充铜第步孔中镀薄薄层铜该程化学反应铜厚50英寸百万分
10 裁板 压膜
涂光刻胶：次外层涂光刻胶
11 曝光显影
12 线路电镀
二次镀铜增加线路铜厚度通孔铜厚
13 电镀锡
锡作蚀刻阻剂保护覆盖铜导体会碱性蚀铜时受破坏（保护铜线路通孔部）
14 膜
化学方式表面铜暴露出
15 蚀刻
16 预硬化 曝光 显影 阻焊
参考文献：
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第章 绪 2
11 光互连简介 2
12 电互连发展制约 2
13 光互连优势 2
第二章 光互连发展情况 3
21 国发展现状 3
22 国外发展现状 4
第三章 光互连中激光器探测器 7
31 VCSEL 7
32 InGaAs 光电探测阵列探测器 8
第四章 耦合方式 8
41 光收发模块光互连层间耦合 8
42 板间(芯片间)耦合种结构 11
第五章 光波导制作材料工艺 13
51光波导制作 13
52 光波导制作工艺 14
第六章 EOPCB传统PCB制作工艺 16
61 EOPCB制作工艺 16
62 传统PCB制作（四层板） 16
参考文献： 19
第章 绪
11 光互连简介
光互连相电互连发展起新代连接技术光互连指板间芯片间芯片板间等等光形式互连电互连传输带宽时延高速信号间串扰功耗等缺点已成电互连进步发展巨障碍光互连作种新互连方式具极高通信带宽极功耗够解决电互连发展受限问题
12 电互连发展制约
着计算机技术发展计算机节点数目急剧增加高性互连网络传输带宽传输延时较高求电互连网络发展受限方面[[1] 张炜芯片光互连技术研究国防科学技术学2011
]：
(1)集成电路发展限制
着互连网络结构实现技术逐步成熟进步提高网络性集成电路技术发展十年然集成电路技术摩尔定律高速发展发展受散热热噪声等素限制已难较突破
(2)电信号传输限制
电信号传输程中衰减反射串扰电源噪声等素工作频率提高面着挑战工作频率提高数采样窗口断减时电缆衰减增加影响效带宽增系统性面挑战工作频率提高商业软件工具代产品设计验证布局布线物理验证支持限系统制造性样面着挑战
(3)物理封装限制
互连网络实现需跨越层次层中材料制造工艺导致物理特性约束着层次增加互连代价增密度减必然限制系统规模扩展着系统规模增加互连网络带宽工作频率相互制约严重影响网络性提高
(4)带宽限制
增加节点间通信带宽通常两种途径增加行数传输线宽度二提高信号频率增加数传输线宽度需芯片提供更IO引脚芯片封装工艺带困难提高信号频率传输线消耗更量传输线间串扰增加信号传输距离缩短某种意义讲导线便低通滤波器限带宽会导致信号严重失真传输带宽提高余非常
着高性计算机断发展工作频率断提高传统电互连技术缺点显更加突出电互连网络带宽时延高速电信号间串扰功耗等缺点已成高速电互连进步发展巨障碍新互连技术研究已迫眉睫
13 光互连优势
光互连具带宽高功耗行等优点十年种光技术成熟光器件研制成功极推动光互连技术发展光互连作种新互连方式够解决述电互连发展受限问题光互连具体理解光技术实现两通信单元连接实现协操作着信号频率增光互连技术相电互连技术优势显越月明显光互连逐渐代电互连已成高性计算机系统部节点间高速互连关键技术
第二章 光互连发展情况
21 国发展现状
国外研究现状：国目前华中科技学国防科技学事方面研究华中科技学工作涉系统光互联系统整体架构系统整体仿真实际实验完成波导设计制作部分研究波导光源耦合部分（罗风光）[2]文中[] 张瑾基EOPCB光互联板光耦合研究华中科技学2008
提出种新光耦合结构理验证种耦合结构损耗较采透镜光耦合进出波导模光纤芯光纤球透镜组成图：
国防科技学设计制作种光互联结构发射端采1*12VCSEL阵列接收端采1*12PD阵列完成两块高速FPGA芯片间互联具体EOPCB板图
里采波导光纤带状线波导光源耦合采透镜阵列
22 国外发展现状
传统印刷电路板铜线互联达GHz传输速度介质损耗趋肤效应损耗等决定铜互连传输损耗信道噪声着频率增加呈现指数级增长高频传输时传统电互连存问题光传输具低损耗高带宽容量串扰抗电磁干扰等诸优点光互连成解决高速信号互连瓶颈效方法[[] 张金星 基光波导互连EOPCB研究 华中科技学 2010
]
EOPCB（光电印刷电路板）利嵌入式光波导实现芯片间高速光互连EOPCB研究特受美日德韩等国家重视面介绍国家研究情况
美国IBM公司EOPCB研究方面取较成果2005 年提出第光互连原型2007年利级联微环振荡器研发出硅芯片超压缩光缓区2008 年铺开许项目开发光连接低功率光收发器光谐振器2010 年提出 CMOS 集成硅纳米光子概念2012 年宣布硅纳米光子利 100 nm 工艺单颗硅芯片时整合种光学部件电子电路达25Gbps2013 年 Dow Corning 展示基硅材料新型聚合物光波导[[] 吕慧琳 美国日互联技术研究鉴 全球科技济瞭 20152
]2010年IBMECTC(Electronic Components and Technology Conference)发表会议文提出光通道1015Gs24路行链路双高速互连模组图1示
图1 IBM公司板级光芯片间光互连模组
光芯片激光器阵列探测器阵列驱动电路整合块芯片里面通SiC（Si carrier）技术实现光芯片光波导耦合通微透镜阵列 45°端面实现光波导采干模热压法制作波导芯层尺寸 35μm×35μm损耗 850nm 处 03dBcm光波导进行光波分复图2显示IBM研究中关EOPCB发展程
IBM解决铜互连瓶颈方案中提出两种方法[[] Roger Dangel Jens Hofrichter Folkert Horst Daniel Jubin Antonio La Porta Norbert Meier Ibrahim Murat Soganci Jonas Weiss and Bert Jan Offrein Polymer waveguides for electrooptical integration in data centers and highperformance computers OE23004736 2015223
]：
1 采基绝缘硅波导硅光子COMS技术
2 光学聚合物波导光印刷电路板技术
针两张方案IBM断进行研究尤高分子聚合物波导方面研究取重成果实现完全光互连需断研究
图2 IBM光互连研究发展程
日日立化成工业株式会社 2008年ECTC发表文中提出研究成果芯片间光互连结构图 3实光互连结构没变化光波导制作工艺采干模热压法波导芯层 50μm×50μm包层厚度分25μm波导损耗 01dBcm波导材料高分子亚克力聚合物（PDMS） 垂直耦合光波导 45°斜面
图 3 日立化成工业株式会社板级芯片间光互连模组
日2010开始进行光电子融合系统基础技术开发 2025 年实现片数中心目标2012年9月PECST发布1 cm2 硅芯片集成 526 数传输速度 125Gbps 光收发器技术该技术芯片间布线驶入光高速公路目前 PECST 研究持续推进中
图 4 PECST项目具体分工情况
韩国板级芯片光互连中较耦合部分采45°波导端面层90°弯曲光纤阵列图5示
图5 层90°弯曲光纤阵列
德国芯片间光互连技术发射器驱动电路集成玻璃基底光直接通玻璃基底图6示驱动芯片PCB板连接通玻璃穿孔形式玻璃具绝缘性透明性材料成相较低温度性光直接通玻璃入射光波导 45°端面进行耦合
图6 德国板级芯片光互连模具
第三章 光互连中激光器探测器
甚短距离光互连中集成电路采短波长 850nm 垂直腔面激光射器(vertical cavity surface emittinglaser VCSEL)阵列传输高速率行数
行高速光电转换器常采 850 nm 短波长InGaAs 光电探测阵列探测器 工 作 速 率 已 达 通 道 10 Gbs
31 VCSEL
中心源区体异质结量子阱两种结构侧结构增益导引环形掩埋异质结分源区反射器
图1垂直腔面激光器
氧化物隔离VCSEL器列阵件
阵列器件工艺中首先采化学湿法腐蚀GaAs表面形
成10×10台面结构露出接限制层高Al组分A1xGa 层外延片放八涅氮气(N2)环境4250c条件氧化8分钟『沉积5周期高反射率Znse．caFDBR器件脉(100ns／10ps)连续(CW)备件工作
氧化工艺单元器件尺寸达注入电流限制作获阈值电流阵列器件实验结果表明阵列效果
32 InGaAs 光电探测阵列探测器
InGaAs光电探测器模块集成InGaAs 雪崩光电探测器探测器驱动信号检测放信号放整形输出等部分应连续者脉光信号测放整形温度传感等领域输出高稳定电压信号户免客户雪崩光电探测器时弱信号处理环节
33目前已推出商VCSELPD阵列
韩国optowell公司发布10G 4通道12通道VCSEL阵列芯片应接收端芯片
目前订制VCSEL相应PDPD阵列4者12通道支持25G者10Gbps速率VCSELPD阵列尺寸集成度高
VCSEL采线阵4阵列长度970um12阵列长度2970um体积
PD采线阵4长度1000um左右12长度3000um左右
第四章 耦合方式
41 光收发模块光互连层间耦合
方法[1]：
日NTT代表维透镜耦合方式（OptoBump）光波导面凹腔中充满透明波导物质填充波导表面抛光形成微透镜阵列采扩散方法利固体基底表面曲张形成维透镜阵列
优点：微透镜表面加工工艺(SMT)完全兼容规模低成生产易投入商业应缺点表面曲张实际操作程中微透镜曲率半径难保证制作难度较
利种方法制作EOPCB光耦合示意图示[5]
方法二[1][[] Byung Sup Rho Saekyoung Kang Han Seo Cho et al PCBCompatible Optical Interconnction Using 45°Ended Connection Rods and ViaHoled Waveguides Journal of Lightwave Technology 2004 22(9) 2128~2134
]：
采直接准方式 光发射机接收机芯片波导层直接准种方法 德国OptiCon计划韩国KAIST代表种方法思想现MT连接器插入段光纤光纤端磨制成45度端面光纤芯层折射率般1547545度端面空气接触正形成全发射面实现光耦合
优点：消微透镜阵列带光损耗缺点：需耦合精度更
种结构示意图：
方法三：ETRI光互联背板系统[1][[] Keun Byoung Yoon InKui Cho Optical Backplane System Using Waveguide Embedded PCBs and Optical Slot Journal of Lightwave Technology 2004 22(9)250~257
]
两部分组成装发射接收装置处理板置入光波导光底板处理板里锥形聚合物波导粘金属光具座光电器件发射接收集成芯片集成金属光具座处理板光学插槽光学底板耦合处理板光背板耦合原理图示
处理板光背板耦合：金属光具座MOB光波导祸合安装光学插头MMF（625渐变折射率光纤）阵列光学插头耦合光光背板光波导中NIMF＇端贴45度角反射镜原理图图示：
方法四：POSH光互联结构[1][[] Lisa A Buckman Windover ParallelOptical Interconnects >100 Gbs JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY200422(9)321~327
]
POSH传输接收模块耐热玻璃基底构造双面聚合物透镜形成传输接收模块透镜阵列传输透镜阵列接收VCSEL阵列发射光线光汇聚模光纤带接受模块透镜阵列接收模光纤带发出光汇聚光检测器传输模块衍射折射透镜接收模块折射折射透镜（衍射部件里作减少反射回VCSEL光激光器够发射稳定模式场模光纤）传输模块光系统图示：
方法五：Terabus光互连结构[1][[] Laurent Schares Jeffrey A Kash Fuad E Doany Clint L Schow Terabus TerabitSecondClass CardLevel Optical Interconnect Technologies IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICSVOL12NO5SEPTEMBEROCTOBER 2006
]
光耦合进光波导光系统基微透镜阵列透镜通刻蚀GaAsInP基底背面形成单透镜分面VCSELPIN器件准图示透镜OE源区成波导芯层光波导端构造激光熔融反射镜满足光90度藕合进出光板面高反射镜子表面涂层金制涂层
42 板间(芯片间)耦合种结构
方法： FullyIntegrated Flexible Photonic Platform（全集成式光电子台）[[] Lan Li Yi Zou Hongtao Lin Juejun Hu Xiaochen Sun NingNing Feng Sylvain Danto Kathleen Richardson Tian Gu Michael Haney A FullyIntegrated Flexible Photonic Platform for ChiptoChip Optical Interconnects JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL31NO24DECEMBER 152013
]
种结构基片包含组单模光纤波导阵列光电子器件（激光器光电探测器）面蓝色部分称Active devices光电子器件通种做alignmentfree dietowafer连接技术直接耦合基片光波导面基片两端称flipchip倒装芯片连接技术(图中黄色部分)焊接Chip面
优点：传输速度快信道达10Gbps传输速率
缺点：制作工艺较复杂
方法二：总线技术[[] Nikolaos Bamiedakis Aeffendi Hashim Richard VPenty and Ian HWhite A 40 Gbs Optical Bus for Optical Backplane Interconnections JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL32NO8APRIL 152014
][[] NBamiedakisAHashim RVPentyand IHWhiteRegenerative polymeric bus architecture for boardlevel optical interconnects Electrical Engineering Division Department of Engineering University of Cambridge9 JJ Thomson AvenueCambridge CB3 0FAUK
]
光背板技术种量刀片式服务器（blade servers）数存储系统中板间互连通模光波导连接子板间通3R单元够恢复信号够种结构够连接限单元板(cards)种光总线结构具强稳定性输入信号没准情况够具低损耗低信道传输串扰实验中够低10^12误特率10Gs传输速率进行板间数交互
优点：稳健性损耗低速度高够支持意数量单元板非常适合刀片式服务器中
缺点：光波导布线难点
方法三：空间光互连[[] Ke Wang Ampalavanpillai Nirmalathas Christina Lim Experimental demonstration of freespace based 120 Gbs reconfigurable cardtocard optical interconnects October 1 2014 Vol 39 No 19 OPTICS LETTERS 5717
]
光电子器件（激光器PD）集成子板（Card）子板间连接通光连接准空间中光束需子板集成光束准反射镜
优点：光波导连接结构简单
缺点：信道间串扰影响传输性障碍
方法三：通光插座插头光纤连接[[] Richard Charles Alexander Pitwon Lars Brusberg Henning Schroder Simon Whalley Kai Wang Allen Miller Paul Stevens Alex Worrall Alessandro Messina and Andrew Cole Pluggable ElectroOptical Circuit Board Interconnect Based on Embedded GradedIndex Planar Glass Waveguides JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY VOL 33 NO 4 FEBRUARY 15 2015
][[] Keun Byoung Yoon InKui Cho Seung Ho Ahn Myung Yong Jeong Deug Ju Lee Young Un Heo Byung Sup Rho HyoHoon ParkByoungHo (Tiger) Rhee Optical Backplane for boardtoboard Interconnection Based on a Glass Panel GradientIndex Multimode Waveguide Technology JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL22NO9SEPTEMBER 2004
][[] NingNing Fengand Xiaochen Sun Parallel Optical Interconnects Submodule Using Silicon Optical Bench JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGYVOL33 NO4FEBRUARY 15201
]
种光互连方式般板边缘系统间通光纤连接种连接技术稳定机械特性光纤弯曲部分够耦合
第五章 光波导制作材料工艺
光互连结构中种结构利光波导互连研究光互连中波导材料尤重
51光波导制作
光波导EOPCB中起着关键作采合适聚合物光波导传输信号系统够高速效运行保证前研究光通信波段聚合物光波导材料低传输损耗聚合物聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)衍生出氟化物氘化物聚硅氧烷含氟聚芳醚 聚芳硫醚耐高温氟代聚酰亚胺苯环丁烯(BCB)环氧树脂聚硅烷聚碳酸 酯等表1显示商品化光波导材料性参数
表1 商品化聚合物材料性参数
52 光波导制作工艺
着EOPCB研究断深入光波导制作工艺断发展变化现制作方法种[[] 彭亚雄基EOPCB聚合物波导研究2007
]：
(1) 离子交换技术：玻璃结构中网格修饰网格结合牢固加热浸某熔盐中玻璃离子具定量时离子极容易网格间发生迁移熔盐中价离子玻璃表面处发生交换伴离子交换会引起折射率改变两种交换离子半径交换处体积发生改变引起果熔盐中半径较离子代玻璃中半径较离子交换玻璃网格离子周围发生溃塌产生离子交换前更密集结构样导致折射率增加离子交换电子位移极化率发生改变引起电子位移极化率较Tl+离子代电子位移极化率较Na +离子会折射率增加外交换离子半径必然引起交换处摩尔体积改变玻璃网格结构体积膨胀(缩)异性造成交换层部压强增加(缩)致折射率发生改变正述素离子交换处造成折射率变化制成光波导
(2)热模压印法：高温高压环境金属压印工具压入热塑光包覆材料中制作波导芯层通道高温压力沟道里填充较高折射率芯层材料然种低折射率基底片迭加波导取玻璃－基底结合体面覆盖层光包层利热模压印法制作波导损耗633nm05dBcm金属压印工具表面高粗糙度造成采方法够进行规模低成生产材料热稳定性较高求
(3)版影印法：版影印(Photolithography)称显影(光)蚀刻首先基板旋转涂布方法涂低折射率包层涂布作芯层材料高折射率层曝光显影方式设计出符合需波导芯层尺寸涂布包层相材料包层样完成整版影印光波导制程种方法半导体制程相容性高设备相成熟获够符合求尺寸芯层种方法关键根光致抗蚀剂(photo resist)曝光部分发生光化学反应种类光致抗蚀剂致分正性光致抗蚀剂负性光致抗蚀剂两种类型曝光部分发生交联反应抗蚀剂显影该曝光部分保留未曝光部分掉种光致抗蚀剂称负性光致抗蚀剂曝光部分发生分解反应抗蚀剂显影曝光部分掉未曝光部分留种光致抗 蚀剂称正性光致抗蚀剂选光致抗蚀剂衡量光致抗蚀剂优劣标准包括 光源灵敏度图形分辨率涂布均匀性蚀刻工艺耐腐蚀性等
(4)光漂白技术：方法利某聚合物材料具光敏成份光情况发生光化学反应终曝光部分未曝光部分形成折射率差获需光波导光漂白技术相简单种种技术常受材料特性限制
(5)刮刀法：刮刀法作种新兴波导制作方法波导制作方法差异采刮刀方式代匀胶更适合面积波导制作
基制作步骤：
① 制作芯层光波导铸造模具
②采刮刀法(doctor blade)模具槽中填充芯层聚合物加热固化
③加工包层衬底载物台采FR4材料够较PCB板集成
④波导衬底层制备采液态包层聚合物填充模具中(已已固化芯层)然包层聚合物衬底载物台压模具固化衬底层载物台模具中卸
⑤衬底层采样方法制作
IBM研究中采类似刮刀法方法制造聚合物光波导图8示波导制作原理图
图7 刮刀涂布机制作波导原理
图8（a）显示制作波导模具涂材料刮刀涂布机模型图（b）分加液体纤芯聚合物采刮刀涂布机进行均匀材料涂模具中程
第六章 EOPCB传统PCB制作工艺
61 EOPCB制作工艺
EOPCB光层电层光层板面线路波导阵列种尺寸功光器件包括微纳米激光器开关连接器探测器传感器执行器驱动调制器等等电层许功电子线路[[] ElHang LeeSGLee BHO SGPark1 KHKim Fabrication of a hybrid electricaloptical printed circuit board (EOPCB) by lamination of an optical printed circuit board (OPCB) and an electrical printed circuit board (EPCB)2006
]
EOPCB制造分三步骤：
(1)制造聚合物波导光层印刷版板
(2)形成驱动激光器探测器电层线路板
(3)OPCBEPCB合成EOPCB
62 传统PCB制作（四层板）
1 化学清洗
良质量蚀刻图形确保抗蚀层基板表面牢固结合求基板表面氧化层油污灰层指印污物涂布抗蚀层前首先板进行表面清洗铜箔表面达定粗化层度
层板材：开始做四层板先做层（第二三层）玻璃纤维环氧树脂基复合表面铜薄板
2 裁板 压膜
涂光刻胶：层做出需形状首先层板材贴干膜（光刻胶光致抗蚀剂）干膜聚脂薄膜光致抗蚀膜聚乙烯保护膜组成贴膜时先干膜剥聚乙烯保护膜然加热加压条件干膜粘贴铜面
3 曝光显影
曝光：紫外光射光引发剂吸收光分解成游离基游离基引发光聚合单体产生聚合交联反应反应形成溶稀碱溶液高分子结构聚合反应持续段时间保证工艺稳定性曝光立撕聚酯膜停留十五分钟显影前撕聚酯膜
显影：感光膜中未曝光部分活性基团稀碱溶液反应生成溶性物质溶解留已感光交联固化图形部分
4 蚀刻
挠性印制板印制板生产程中化学反应方法部分铜箔形成需回路图形光刻胶方铜保留受蚀刻影响
5 膜蚀孔AOI检查氧化
膜目清蚀刻版面留存抗蚀层面铜箔暴露出板面清洁完全干燥
6 叠片保护膜胶片
进压合机前层板原料准备便叠板作业叠片作定次序覆保护膜板子叠放起置二层钢板间
7 叠板铜箔真空压层
层板材两侧覆盖层铜箔然进行层加压（确定时间温度压力）完成冷室温剩层合起板材
8 CNC钻孔
层精确情况数控钻孔根模式钻孔（精度求高确保孔正确位置）
9 电镀通孔
通孔层间导通（孔壁非导体部分树脂玻纤维束进行金属化）孔中必须填充铜第步孔中镀薄薄层铜该程化学反应铜厚50英寸百万分
10 裁板 压膜
涂光刻胶：次外层涂光刻胶
11 曝光显影
12 线路电镀
二次镀铜增加线路铜厚度通孔铜厚
13 电镀锡
锡作蚀刻阻剂保护覆盖铜导体会碱性蚀铜时受破坏（保护铜线路通孔部）
14 膜
化学方式表面铜暴露出
15 蚀刻
16 预硬化 曝光 显影 阻焊
参考文献：
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