自由空间光互连.docxVIP

自由空间光互连是指光信号从发射器射出后在自由空间中传播，经一些光学元器件如透镜、反射镜等改变光路和控制光束后，最终到达接收器的互连方式自由空间光互连的优点是可以利用三维空间，构成各种拓扑结构的互连网络，并且理论来说不受I/O引脚限制，可以充分发挥光的宽频带和光波独立传播无干扰的特性，使得数据传输速率、互连数和互连密度上都可大大提高。自由空间光互连中微透镜是一个核心技术，通过调节甚至可以动态改变芯片之间的连接结构。不足之处是这种光互连对光开关的性能要求很高。论文1): 120 Gb/s Reconfigurable Optical Interconnect based on Hybrid Free-Space and MMF Propagations这篇文章中为了达到120Gb/s的传输速率联合使用了自由空间光互连以及光纤互连。文章中的自由光互联比较简单只是在发射端以及接收端使用了自由光互连，板级之间的互连还是使用的光纤。系统图如下所示。系统结构是：首先在发射端(Transmitter)包含一个VCSEL阵列以及一个微透镜阵列（Microlens）将光信号传输到多模光纤中，同样在光纤阵列中需要用到微透镜阵列（Steering Mirror）来对准发射端的光信号。在接收端（Receiver）同样是使用对准透镜接收来自光纤中的信号。更进一步的细节图：在发射端1*4激光器阵列以及4块TIA（转移阻抗放大器）芯片集成在一块小尺寸的PCB板上面。在发射端VCSEL和接收端PD上面安装了一组对准为透镜，功能是为了对准VCSEL光束到光纤中以及聚焦接收光束到PD上面。文章2):Experimental demonstration of free-space based 120 Gb/s reconfigurable card-to-card optical interconnects这篇文章和上一篇文章所使用的系统是一样的，都是使用16-CAP（16-carrierless-amplitude-phase）modulation 实现120Gb/s（3*40 Gb/s）的传输速率。但是在板级之间也是使用的是自由空间光互连。这个系统实现了在30CM距离上实现了最差的接收端灵敏度为-9.7 dBm 的传输。系统模块图如下所示：原理：结构和上一个系统差不多在集成电路板上集成了VCSEL，PD以及透镜。基于MEMS（微电子机械系统）制作的发射端透镜阵列用于将发射端信号将光束对准不同的方向（这种透镜结构具有可重构以及灵活性的特点），光信号在自由光空间传输后，接收端调整接收端的透镜阵列接收光信号。在实验中所以用的系统图：性能分析：系统限制因素：发射端产生的高斯光束在自由空间传输过程中会发散然后就会影响到相邻的信道，就是产生信道之间的串扰。解决方法是增大各信道间的距离。在实验中，试用了信道CH1,CH2,以及CH4。得到的BER曲线如下所示：从上图终究可以看到CH4具有最好的BER曲线，最主要的原因就是，CH4信号与其它信道的距离较远受到相邻信道之间的串扰较小。信道之间的串扰同样会影响接收机的灵敏度(receiver sensitivity),影响接收端灵敏度的另一个原因就是自由空间光传输距离。性能曲线图如下所示：上图是水平传输距离为(20 Cm-a,25 Cm-b)，可以很清楚的看到CH4具有最好的接收灵敏度，CH2的最差。并且当传输距离增大时三个信道的接送灵敏度都变差了，主要原因就是传输距离增大带来了更大的光迹(beam footprint)从而会有更大的串扰。文章3)Plastic Microoptical Interconnection Modules for Parallel Free-Space Inter- and Intra-MCM Data Communication以及Demonstration of a Monolithic Multichannel Module for Multi-Gb/s Intra-MCM Optical Interconnects这两篇文章中采用一种称为Optical bridge的结构是将自由空间光互连以及光波导互连的一种结合（这中结构适合在板间的芯片间互连）在这中结构中包含了两部分：称为Baseplate的底座，上面含有两组球状微透镜(spherical microlenses)以及一对对准光孔，第二部分称为Top-mirror就是Optical bridge在发射端(emitters)上方的微透镜阵列的作用是将发射端的光束瞄准到Top-mirror中，同样的在另一边的微透镜则是将光束聚焦到接收端(Receiver)中。在Top-mirror中的倾角是45度这样才能将发射端的光垂直的传输到接收端