Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > EDA/IP
 
 
EDA/IP  

板間光互連的串擾和傳輸距離分析

上網時間: 2003年04月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSEL)  垂直腔體表面發射雷射器  2-D VCSEL  二維VCSEL  Microlens Array 

藉由印制線來實現在PCB板間的連接不能滿足一些大量資訊傳輸要求,基於全息技術的2D自由空間光互連技術是解決該問題的一種方案。本文分析了採用2D垂直腔體表面發射雷射器(VCSEL)和微透鏡(microlens)實現板間互連中,光串擾和互連距離之間的關係。

為支援大數據量通訊,未來的數位系統,如大型平行處理電腦和非同步傳輸模式(ATM)交換機將需要大規模印刷電路板(PCB)間的互連來支援大的吞吐量要求,而目前的電子技術還不能達到這樣的連接密度和頻寬要求。在光背板互連中,透過採用陣列元件可以增強光背板的傳輸性能,實現板間大量的資訊傳輸。

本文分析了採用間距為0.5毫米、0.75毫米和1毫米的二維(2D)光束陣列來描述基底模式光背板的設計和實驗特性。系統採用多工全息(hologram)技術實現了自由空間板間互連,並以焦距步進長度為250微米的2D VCSEL和微透鏡陣列為發射器,提供工作於850nm且間距為0.5毫米至1毫米的2D光束陣列。藉由比較檢測器(detector)平面上包括光徑大小、光束陣列的功率一致性及訊息噪音比(SNR在內的光束特性,即可調整最大互連距離。此外,本文還還指出,在相同的設計概念下利用2D串擾分析可以提高訊息流量。這?獲得的串擾分析結果還可應用於標準的五板自由空間光背板系統。圖1:適用於板到板互連的通用光背板架構。

目前,在短距離應用中,已經提出了基於基底模式全息技術的二維(2D)自由空間光互連,並藉由了實驗展示。在如圖1所示的實現方案中,發射器陣列發射近紅外的短脈衝能量,藉由光波導傳輸至其它板上的接收器陣列。這些脈衝沿波導在相反方向上傳輸,因為這些脈衝可藉由雙重多工全息技術耦合到波導中。近紅外數位訊號可使垂直腔體表面發射雷射器(VCSEL)陣列工作於850nm,並利用透鏡陣列加以校準,這樣,訊號可以利用全息相柵進行衍射,並進入波導板。能量透過幾次全內部反射(total internal reflection),將到達除發射該訊號的電路板以外的其它電路板。

當紅外能量到達目標板後,部份能量將被全息相柵衍射並撞擊在接收器陣列上。由於存在多個訊號和VCSEL輸出發散的原因,相鄰訊號之間不可避免存在串擾,因而限制了互連距離,或將限制可以互連的板的數量。

本文以陣列光束的形式考慮了有關光背板互連距離的重要問題,並基於多匯流排光背板(包括VCSEL、微透鏡陣列和基底模式全息相柵)對實驗結果進行分析。文中介紹了發射器的設計和製造,並以3種不同的陣列間距給出了陣列光束傳播性能的測量報告。基於上述測量,還考慮了對封裝密度和串擾的折衷考慮。

發射器的製作和光訊號傳輸估計

所採用的針柵陣列(PGA)封裝的2D VCSEL陣列共有64個元件,間距為250微米。為了規定在自由空間實現中利用陣列元件達到的可接受的互連距離,在距離VCSEL發射窗1毫米、2厘米、4厘米及6厘米的地方測量發散和遠端場輸出。藉由預估半最大值全波(FWHM)光斑直徑,可以確定發散角為7.5°。基於上述結果,當不存在嚴重相鄰光束交迭時,光束的最大傳播距離將不會超過7.5毫米,即使對於間距為1毫米的光束陣列也是如此。因此,發散的雷射束應在自由空間光路匯流排中進行校準。特定VCSEL窗口半徑為4微米,在間距為250微米、500微米和750微米及1毫米和1.5毫米的光束陣列的最佳透鏡焦距條件下,光束傳播性能的模擬結果顯示,互連距離可以分別達到3、12、25、45和60厘米。本文採用的商用微透鏡陣列具有1毫米焦距,250微米的可調,可以產生500微米、750微米和1毫米的2×2陣列光束。

具有採用PGA封裝的VCSEL和微透鏡陣列的封裝,可以利用Melles Griot六軸校準器(aligner)和紫外(UV)環氧化物來實現。首先,將微透鏡安裝在透明的塑料載體或透鏡支架中,如圖2所示。該封裝可以沿x、y、z軸平移,並可旋轉以進行調整。厚度為0.6毫米的隔離片將黏貼在應用UV環氧化物的PGA VCSEL載體上。每個元件封裝完成後,藉由降低或提高微透鏡支架來到達VCSEL表面,以將微透鏡放置在透鏡焦距附近。此後,將對封裝藉由平移和旋轉進行位置調整,以獲得最佳的校準光束。封裝好的發射器所測量的FWHM發散角為0.6°,光束傳播的發散角從0.75°提升至0.6°,這意味著在大約10厘米的距離內FWHM的光斑直徑小於1毫米。

多匯流排光互連元件的整體性能取決於發射器的數據調變速率、功率預算效率、光徑頻寬,以及接收器和環境噪音等其它因素。在光路匯流排實現中,微透鏡陣列適用於校準來自VCSEL的光束,並將光束聚焦至檢測器陣列。必須指出,發散陣列光束不僅導致一定的功率損耗,而且還將產生使誤碼率(BER)降低的光串擾。圖2:發射器封裝結構示意圖。

藉由採用不同匯流排傳播距離和發射器可選陣列間距,可以測量串擾的情況。需要指出的是,測量裝置包括VCSEL、微透鏡、全息陣列和基底。來自VCSEL的光束可利用微透鏡陣列校準,並藉由全息相柵耦合到基底(採用兩種光干涉方法記錄在DuPont光敏聚合物薄膜上)。然後,在基底(BK7材料,厚度為0.5厘米)中進行全內反射,並藉由另外一個全息相柵輸出,最後由CCD相機檢測。正如在光束傳輸模擬中可以預料的一樣,間距為500微米和750微米的2×2光束藉由7厘米和11厘米的傳播後將完全交迭,得到一個近似於高斯函數的光斑。對於1毫米間距的光束,則可被檢測的傳輸距離可以達到11厘米。

藉由研究VCSEL輸出光的圓對稱外形,檢測器位置的光半徑可利用3D圖像進行測量。如果有一個有效半徑為R、間距為d的2×2光電檢測器,則可以估計出訊息噪音比(SNR)。根據測量和由透鏡運算公式運算的半徑所得到的SNR曲線,與先前的理論和實驗研究進行模擬。研究結果顯示,在任何情況下,SNR對傳播距離的感應度遠高於檢測器的有效面積,即equi-SNR線將隨互連距離的增加而急劇下降。互連距離也可藉由增加陣列間距增大,但這將導致封裝密度下降。對於1毫米的陣列間距,互連距離可大於12厘米,以保證SNR為7.2。圖3: BER與發送距離關係圖。

可根據SNR的估計結果對BER進行運算。SNR必須大於7.2以滿足數據通訊應用中BER≦10-12的要求,當SNR為6.1時,BER=10-9。圖3顯示了根據測量的光半徑運算得到的BER結果,這些結果與採用焦距為1毫米的透鏡的光束傳播模擬完全吻合。理論結果與實驗的一致結果顯示,對於1毫米的陣列間距,如果採用焦距為5毫米的透鏡,互連距離還能更長一些。由SNR和BER簡單估計得到的結果顯示,如果選擇最佳的透鏡參數,那麼BER=10-12支援的互連距離將超過45厘米。因此,透鏡陣列的正確選擇和使用將是自由空間應用中更長距離互連所需解決的核心問題。

本文小結:

本文介紹了採用2D陣列元件實現的基於微訊息通道(microchannel)的光匯流排系統,包括被動和主動光元件。由於在自由空間中板間互連的雷射源具有發散特性,採用VCSEL和微透鏡陣列實現500微米、750微米和1毫米匯流排間距的發射器的設計限制了最大的互連距離。因此,為了增加互連的背板數量,採用折射微透鏡陣列製造的發射器允許光束傳播發散角達到0.6°,透鏡焦距為1毫米。本文還採用微透鏡封裝的VCSEL來研究由發散和未校準導致的光串擾,研究結果顯示,在500微米和750微米光匯流排間距條件下,在傳輸7厘米和11厘米後,2×2陣列光束將完全交迭。另一方面,1毫米光匯流排間距的2D匯流排實現對於11厘米的互連距離仍然具有一定的串擾裕度。對BER和互連距離的進一步精確分析顯示,在BER為10-12時,採用2D匯流排間距分別為500微米、750微米和1毫米,可以實現6厘米、9厘米和14厘米光互連距離。

在相同的設計和製造製程下,採用焦距為4至5毫米的透鏡可實現更長的互連距離。採用1毫米和1.5毫米的陣列間距可能實現45厘米和60厘米的互連距離。由於採用較大陣列間距將降低封裝密度,因此在未來的自由空間板間互連的多匯流排光背板設計中,封裝密度和最佳互連距離將是需要考慮的主要問題。

作者:Xuliang Han


清華大學





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 板間光互連的串擾和傳輸距離分析
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首