面向板级光互连的聚合物光波导及器件

论文摘要

随着数据中心及高性能计算机的发展,其内部数据速率及吞吐量呈爆炸式增长,短距互连对互连带宽及互连密度的需求不断增长,传统电互连技术面临着前所未有的挑战。相比之下,光互连技术在传输带宽、互连密度、能耗以及抗电磁干扰等方面都具有显著优势。光互连技术正从长距离通信向板间及芯片间的板级光互连发展。在板级光互连传输媒质的选择中,聚合物光波导由于具有成本低、互连密度高、特别是制备工艺与传统印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）工艺兼容、能与普通PCB层压集成形成光电复合线路板（Optical Printed Circuit Board,OPCB）等优势,受到学术界及产业界的高度重视。基于多模聚合物光波导与850 nm波长光收发器的板级光互连技术已日臻成熟,成为目前板级光互连系统的主要解决方案。另一方面,片上光互连是实现下一代超高速、低功耗芯片的有效解决方案,工作在长波长的硅基光电集成被视为最有前途的片上光互连技术。在此背景下,工作在1310 nm及1550 nm波长的单模聚合物光波导被认为是实现芯片间高密度、高速光互连的关键传输媒质。此外,除了聚合物光波导本身,要实现具有特定功能及拓扑结构的板级光互连系统,聚合物波导器件也必不可少。其中,面向高密度互连的需求,能够三维（Three-dimensional,3D）集成的3D波导器件亟待发展。本文面向高速率、高密度板级光互连应用,对聚合物光波导及器件技术展开了如下工作:1.高性能、大带宽多模聚合物光波导设计与制备850 nm波长低损耗多模聚合物光波导与低成本、高密度集成光收发器结合成为目前板级光互连系统的主要解决方案。但是,多模色散限制了多模波导的传输带宽及传输距离。此外,面向互连长度长达1 m的板级光互连系统的产业化应用,多模聚合物光波导的综合性能有待于进一步研究。我们旨在通过选择材料体系,优化工艺,提高多模聚合物光波导的整体性能,以满足板级光互连系统的实用性需求。基于多模聚合物光波导,我们的相关研究工作如下:1)米级聚合物光波导设计、制备与性能评估通过选择合适的材料体系,优化工艺流程,成功实现了具有超低损耗（0.046 dB/cm）、超低串扰（小于-56 dB）的高性能米级多模聚合物光波导,并且实现了速率高达56 Gb/s的PAM4信号传输。通过老化测试及回流焊工艺测试,聚合物光波导表现出了良好的环境稳定性。实验结果表明所制备的多模聚合物光波导是实现高速率及高密度米级光互连系统的一种低成本、可靠的方案。2)基于3D直写的新型聚合物光波导设计与制备采用3D直写工艺成功制备了圆形聚合物光波导,实现了与多模光纤之间的超低耦合损耗。所制备的光波导展现出了超低损耗（小于0.044 dB/cm）及超低串扰（小于-58dB）的优良特性。通过优化工艺流程,首次成功制备了750 mm长多模圆形聚合物光波导,并完成了25 Gb/s NRZ信号无误码传输;首次在圆形聚合物光波导上实现了4×25Gb/s短波复用传输,验证了3D直写工艺制备的多模聚合物光波导在大带宽、高密度板级光互连系统中具有广阔的应用前景。2.1550 nm波长单模聚合物光波导设计与制备基于硅基光电子的片上光互连技术投入应用后,长波长的单模聚合物光波导将成为实现高速率、高密度单模板级光互连系统的关键媒质。其不仅要实现模块间及板间信号传输,还要实现硅基光波导与单模光纤之间的高效耦合。单模聚合物光波导尺寸只有多模波导的五分之一,对工艺要求更严苛。此外,波导的侧壁粗糙度对单模波导的影响更加明显。对此,我们首次采用商用聚合物材料,通过对折射率的精确调控,利用3D直写工艺成功制备了单模渐变折射率圆形聚合物光波导。由于不受侧壁粗糙度的影响,对于间距为50μm的单模聚合物光波导而言,相比于光刻工艺,采用3D直写工艺制备的光波导的串扰下降了20 dB。同时,圆形波导芯实现了波导与单模光纤低至0.78 dB的耦合损耗。我们完成了25 Gb/s NRZ信号的无误码传输,实现了1550 nm波长高密度、低串扰、高速率单模光互连。3.关键无源器件设计与制备基于聚合物光波导的板级光互连系统的优势之一体现在可以由集成化的波导器件实现分光、路由等功能。为了实现具有复杂功能的板级光互连系统,我们对聚合物光波导器件展开了如下几方面的研究:1)分束器/合束器的设计与制备采用光刻工艺成功制备了1×32 Y型波导分束器/合束器,实现了光信号的组播与多个信号的组合。所制备分束器的32个输出端口分光均匀,最大不均匀度为1.39 dB。同时,面向板级光互连系统高密度3D集成的需求,通过优化3D直写工艺流程,首次制备了性能优良的1×4 3D分束器/合束器,实现了多层聚合物光波导之间的分束与合束。所制备的3D分束器的插入损耗低至1.1 dB,四个端口的最大不均匀度为1.24 dB。当作为合束器时,四个端口的平均插入损耗低至1.73 dB。2)3D定向耦合器的设计与制备在单模板级光互连系统中,为了满足高密度3D集成的需求,我们首次采用3D直写工艺成功实现了3D定向耦合器的制备。通过优化结构设计,减小了液体流动的影响,实现了1550 nm波长58:23:19的分光比。3)模式复用/解复用器的设计与制备在板级光互连系统中,为了在不增加传输通道数量的情况下增加系统的传输容量,我们将模分复用（Mode division multiplexing,MDM）技术引入板级光互连系统中。采用基于波导拉锥定向耦合的设计,增加了工艺误差容限,并首次利用3D直写工实现了器件的制备。所制备的模式复用/解复用器在1550 nm波长附近100 nm带宽范围内实现了LP01模到LP11模大于0.93的模式转换效率,模式消光比大于23 dB。本文通过对高性能多模及单模聚合物光波导和关键器件的设计与制备,验证了聚合物波导及器件在大带宽、高密度板级光互连系统中的广阔应用前景。另一方面,我们采用3D直写工艺实现了多种聚合物光波导及3D器件的制备,表明了3D直写工艺在高速,尤其是3D高密度集成板级光互连应用中的巨大潜力。

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摘要

Abstract

主要符号对照表

第一章绪论

1.1 光互连技术的研究背景

1.1.1 光互连技术的优势

1.1.2 光互连技术的发展趋势

1.2 板级光互连系统的关键技术

1.2.1 有源器件

1.2.2 耦合方式

1.2.3 传输媒质

1.2.4 无源器件

1.3 聚合物光波导的制备

1.3.1 聚合物材料

1.3.2 聚合物光波导制备工艺

1.4 板级光互连的实现方式及研究现状

1.4.1 多模解决方案

1.4.2 单模解决方案

1.5 本论文结构安排及主要内容

第二章波导模式分析与仿真计算

2.1 平板光波导

2.1.1 平板光波导的亥姆霍兹方程

2.1.2 TE模和TM模的色散方程

2.2 矩形光波导

2.2.1 马卡梯里近似解法

2.2.2 有效折射率法

2.3 光波导模式仿真计算方法

2.3.1 有限元法

2.3.2 光束传播法

2.4 波导间耦合

2.4.1 耦合模理论

2.4.2 定向耦合器

2.5 本章小结

第三章高性能、大带宽多模聚合物光波导设计与制备

3.1 多模聚合物光波导的模式分析及带宽计算

3.1.1 模场分布

3.1.2 模式分析

3.1.3 带宽计算

3.2 矩形波导芯多模聚合物光波导制备与性能分析

3.2.1 多模聚合物光波导的光刻工艺参数

3.2.2 FR-4 衬底上多模光波导的光学性能及带宽分析

3.2.3 柔性光波导的制备与性能分析

3.2.4 米级聚合物光波导性能的综合评价

3.3 圆形波导芯多模聚合物光波导的制备与测试分析

3.3.1 3D直写工艺参数

3.3.2 光学性能评估

3.3.3 高速传输性能评估

3.3.4 双层聚合物光波导

3.4 多模聚合物光波导集成

3.4.1 封装MT接头的柔性光波导

3.4.2 FR-4 衬底上聚合物光波导的压板集成

3.5 本章小结

第四章 1550 nm波长单模聚合物光波导设计与制备

4.1 单模聚合物光波导设计

4.1.1 矩形单模聚合物光波导的设计

4.1.2 圆形单模聚合物光波导的设计

4.2 矩形单模聚合物光波导的制备与性能分析

4.2.1 单模光波导光刻工艺参数

4.2.2 光学性能分析

4.3 圆形单模聚合物光波导的制备与测试分析

4.3.1 圆形单模聚合物光波导的制备

4.3.2 光学性能评估

4.3.3 高速传输性能评估

4.4 本章小结

第五章聚合物波导器件的设计与制备

5.1 Y型分束器/合束器

5.1.1 平面Y型分束器/合束器设计与制备

5.1.2 3D Y型分束器/合束器设计与制备

5.2 定向耦合器

5.2.1 2D定向耦合器设计与制备

5.2.2 3D定向耦合器设计与制备

5.3 模式复用/解复用器

5.3.1 基于少模波导拉锥的模式复用/解复用器设计与制备

5.3.2 基于双波导拉锥的模式复用/解复用器设计与制备

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐晓

导师: 何祖源,马麟

关键词: 光互连,聚合物光波导,定向耦合器,模式复用与解复用器,光刻工艺,直写工艺

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN25

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000346

总页数: 181

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