短距离光互连和高速铜互连应用现状分析

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1、华为高速实验室承担大量高速互连的研发任务和设计任务，及多个厂商的新产品的试用和认证工作，本文请两位在光互连背板和5Gbps高速电背板的研发领域经验丰富的专家，介绍了短距离光互连和铜互连的发展趋势，通过对比说明了两种互连的应用前景。随着数据通信业务和Internet的飞速发展，带宽需求呈爆炸性增长，在太比特路由器这些的电信设备结构中，我们不难发现，互连是限制系统性能的重要瓶颈。板间、框间信号的主要载体是铜互连和光互连。对于铜互连，我们通常采取两种方法增加传输带宽，一种是增加传输路径的数目，也就是增加铜互连线的数量，带来的问题是ASIC的管脚越来越多、PC

2、B层数增加、系统成本也随之上升。另一种办法则是提高线速，使用更高速的IO，采用差分技术等等，带来的挑战是信号完整性问题突出，整个物理链路的设计难度增加。光互连和铜互连比较，前者具有带宽高、损耗小、基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等的好处。单芯光互连已得到广泛应用，而大容量(千G级)的平行多芯光互连技术在板间、框架间、及短途机柜间互连中逐渐显示了一定的应用前景。我们将这种传输距离在300米之内的大容量光互连解决方案称为“短距离光互连”。本文重点讨论用于板间传输的光互连形式，也就是俗称的光背板技术。目前业界光背板中光纤互连的形式有三种。1.光纤电路技术，其特

3、点是将光纤电路布线后封装到柔性板材中，是目前最成熟的光背板互连技术，Tyco、Molex、HRS等公司都能提供相应的生产能力，这种技术是我们下面主要讨论的内容。2.聚合物光波导互连技术，属于光背板的第二代产品。波导的最大问题是由于光波长和波导尺寸接近，波导非常难实现光线的90°弯曲，整个器件尺寸难以缩小，迄今发展比较缓慢。最近兴起的光子晶体技术应该是个解决问题的方向。主要应用于纯光系统如OXC等，目前Dupont具有称为Polyguide的聚合物光波导制作技术。3.自由空间光互连技术，对灵巧像素阵列、单一透镜或透镜阵列，结合DOIE器件，即可对光互连任

4、意编程，此项技术能应用在高速并行计算机或交换机和路由器上，但目前还不成熟，尚处于实验阶段。光背板互连方案光背板互连方案主要包括光模块、光连接器和柔性光纤板等主要部分。下面简要介绍每个部分的特点和产品型号。1．光模块垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的光学腔体取向和半导体晶圆垂直，能从表面发光，因此容易做成阵列，提高单位晶片上光通道的数目。VCSEL和LED的封装、测试工艺相容，适于低成本的批量制造，所以VCSEL激光器目前是短距离光互连主要使用的激光器形式。图1中是个边沿型激光器和VCSEL激光器的对比示意图，下面部分是VCSEL。在VCSEL激光器中

5、，分布布拉格反射器形成了腔体反射镜装置，而腔体本身由解理层(反射镜)和量子阱有源区，及将光引导到表面发射的结构组成。基于这种特别结构，光能从VESEL的底部或顶部输出，显然由于腔体的长度非常短，输出的激光谱将会非常窄，此外，VESEL的平面性允许设计对称的横截面，所以能产生圆形的输出光波，显然VCSEL和边沿型激光器相比是一大进步。更周详的VCSEL介绍能查看：http://www.2cm.com.tw/docs/serial/2/c00203.htm。目前30Gbps并行光模块器件的生产商有Zarlink、Infineon、Agilent、MOLEX

6、、E2O和Picolight几家。2．光连接器光连接器发展的趋势是连接器/卡箍尺寸的小型化。在工业标准连接器中，所使用的全尺寸(2.5mm)卡箍技术，例如SC、ST和FC连接器将被小外形因子的1.25mm的单光纤卡箍和多光纤mini-MT阵列卡箍所取代。小形状因子连接器的范例除了LC和MT-RJ之外，更有MU，有时称为mini-SC，这些连接器的端口密度比他们所取代的产品大约都要高2到4倍。这些连接器普遍使用多槽位和阵列式的封装形式，已实现的单封装包含24根光纤43．柔性光纤板(OXF)：柔性光纤板就是将多根光纤粘和，形成一组光纤，每根光纤两端接有光连

7、接器的柔性塑料薄片。如图2所示。柔性光纤板有两个特点：能够完成多根光纤复杂的交叉连接，实现对称或随机的布线方式。当传统的光缆组装技术无法实现需求时，柔性光纤板就是成为一个安装方便，美观灵活的光纤配线器。能支持板间信号(背板)和板内的信号传输。4.光纤互连系统实例以AMP公司的LIGHTRAYMPX光纤互连系统为例，他具有以下特点：能装配满足Bellcore1435的多模光纤(62.5/125μm或50/125μm)和单模光纤(9μm)12根；连接器能像电连接器相同插拔方便；在移开单板前，光缆不需拔出；收发器不需放置在板沿，给单板的设计带来非常大灵活性；

8、系统能使用所有形状的收发器接口，如SC、FC、ST和MT-RJ等等；由于板沿使用了通用的光接口