光背板

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，以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、PCB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。

光互连与铜互连比较，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优点。单芯光互连已经得到广泛应用，而大容量(千G级)的平行多芯光互连技术在板间、框架间、以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，波导很难实现光线的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，即可对光互连任意编程，此项技术可以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，可以从表面发光，因此容易做成阵列，提高单位晶片上光通道的数目。VCSEL与LED的封装、测试工艺相容，适于低成本的批量制造，所以VCSEL激光器现在是短距离光互连主要使用的激光器形式。

图1中是一个边沿型激光器和VCSEL激光器的对比示意图，下面部分是VCSEL。

在VCSEL激光器中，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，以及将光引导到表面发射的结构组成。基于这种特殊结构，光可以从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与边沿型激光器相比是一大进步。更详细的VCSEL介绍可以查看：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、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，还有MU，有时称为mini-SC，这些连接器的端口密度比它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，已经实现的单封装包含24根光纤,4个光纤连接器的96光纤密度，据悉MOLEX的576根光纤的阵列连接器已经正式向客户推广，而且尽管在插入损耗方面有些损失，但较新的多光纤阵列连接器的性能已经与单光纤连接器的性能不相上下。其最大插入损耗不到0.3dB，标称损耗的范围从0.1到0.2dB。

3．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。可以支持板间信号(背板)和板内的信号传输。

4. 光纤互连系统实例

以AMP公司的LIGHTRAY MPX光纤互连系统为例，它具有以下特点：可以装配满足Bellcore 1435的多模光纤(62.5/125μm或50/125μm)和单模光纤(9μm)12根；连接器可以像电连接器一样插拔方便；在移开单板前，光缆不需拔出；收发器不需放置在板沿，给单板的设计带来很大灵活性；系统可以使用任何形状的收发器接口，如SC、FC、ST和MT-RJ等等；由于板沿使用了通用的光接口，所以系统比较容易升级。此外，柔性光纤板可以支持单模或多模光纤；可以实现对称或非对称设计；可以选择多种保护薄膜基片；可以端接LIGHTRAY MPX或任意工业标准连接器；可在相当宽的温度范围内工作；光纤可以相互层压，但性能不会受影响；插入损耗非常低(<0.3dB)；设计最大尺寸22英寸×22英寸。

MOLEX的光纤互连系统的特点是它提供比较丰富的单板到背板的光背板连接器产品，主要有四个系列，BSC/BLC/BMTP/HBMT。

BSC以及BSCII背板连接器系统集成NTT标准SC连接器和背板适配器。BLC连接器是为使用标准LC光接口(标准SC接口1/2大小)的单板特殊设计的。这两种背板连接器都可端接2、4和8根光纤，支持盲插特点，同时特殊设计的卡箍“浮动”特性方便补偿卡槽(card cages)的不精确性。插入损耗非常低，小于0.25dB。

BMTP和HBMT都是基于带状光纤连接的MT插芯技术。BMTP的特点是可以和MOLEX高速电背板连接器VHDM集成在一起，如图3所示。HBMT则是高密度的背板连接器，最多可以支持96根光纤互联。这两种背板连接器都具有安装的浮动特性，支持盲插特点，支持单模或多模光纤。HBMT连接器还具有颜色标识和光纤90°角弯曲等突出特点。

设计光背板是一项不复杂的工作。主要过程包括选择恰当的器件，提供信号流向信息定制柔性光纤板，装配和测试等等。应该说，选择恰当的器件即完成了整个设计的绝大部分工作。

铜互连解决方案

为了对比说明短距离光互连的特点，现在简述一下铜互连的发展状况。

目前，IC供应商普遍将3.125Gbps的高速收发器IP化，并将高速IO集成到通信集成电路之中。例如，Xilinx采用MINDSPEED的低功耗SERDES硬核，作为新一带FPGA的高速接口方案。安捷??司在单芯片中集成150通道的SERDES，每通道速率可达3.125Gbps，采用0.13um CMOS工艺。

上述高速SERDES器件，由于采用了预加重、均衡、多电平、甚至自适应均衡等技术，对铜互连物理链路的设计要求并没有比2.5Gbps速率情况有很明显的增加。能够提供5Gbps以上的独立SERDES器件的厂商包括Acclerent、Analgox和Velio等。

Accelerent公司的设计案例显示(如图4)，在使用普通FR4板材和ERNI 2mm Hard Metric连接器的背板上面，其SERDES芯片AN5000可以驱动34英寸长的差分传输线，达到了实用化的要求。如果将板材优化，可以驱动40英寸以上的差分传输线，基本满足所有大多数背板设计需求。华为高速实验室对AN5500的性能测试验证了上述传输距离。

在design2003大会上，多篇文章提到10Gbps以上互连设计的，如“Maximizing 10Gbps Transmission path Length in Copper Backplanes with and without Transceiver Technology"一文中描述了一个由高速高密度连接器和特别设计的标准材料PCB构成的互连系统。在这个互连系统中，10Gbps信号可以在没有预加重和自适应均衡情况下，获得相当的传输距离。另外一篇文章"How to Make Optimal Use of Signal Conditioning in 40-Gbps Copper Interconnects"重点研究了发送端信号的预加重或者去加重，以及接收端有源均衡等技术。因此，从技术和商用角度看，依靠铜互连传输10Gbps以上信号的技术日臻成熟。

高速铜互连解决方案设计下列关键技术：

1． 时钟数据恢复。这是SERDES中基本的技术，接收器件在数据流中提取时钟信息，不需要另外提供时钟通道，前提是在发送端采用的诸如8B/10B变换的编码方式。

2. 预加重技术，在发送端对每次翻转后的第一位数据进行幅度提升，增加与沿信息相关的各次频谱能量，以补偿由于线路损耗而带来的眼图幅度下降。

3. 均衡技术，分为有源和无源两类，无源均衡基本结构就是高通滤波网络，用来减小长距离传输后低频分量过多带来的数据抖动；有源均衡可以提供一定的增益，但不能无限地减小抖动。MAXIM等公司提供了用于包括5G/10Gbps应用的独立均衡器产品。4. 多电平技术，这个技术本身并不是新事物，在快速以太网中已经有了三电平的应用，目前更高速的SERDES也引进了类似的思路，通过多电平编码有效地减少信号带宽，减小了对物理链路设计难度的要求。5Gbps以上SERDES的一个重要方向就是采用多电平技术。但是在如此高的速率之下，多电平技术通常要与自适应均衡、自适应边沿调整、自适应幅度调整等技术结合起来使用，根据链路的特性，动态调整各种参数，实现最好的信号传输质量。

两种技术的对比及预测

通过上面的比较可见，在背板设计领域，从器件信号的密度甚至信号速率上面，铜互连仍旧能满足要求，光互连没有任何优势。甚至在10米左右的3.125G传输中，电缆互连仍旧保持一定优势。应该说：成本是短距离光纤互连的最大的限制。华为高速实验室的实验光背板系统，交换容量达到2.5×12×12＝360Gbps，但是制造和无源器件物料的成本就达到数万人民币。而一个类似的电背板的制造和无源器件的物料成本最多1－2万人民币，差距很大。

虽然短距离光互连在通讯设备背板的应用优势比较不显著，在大容量线速率2.5Gbps以上、传输距离大于20米的机柜间的互连应用上，在目前还是不可替代的，所以光背板现在的应用领域还只能在非常高端的系统中。短距离光互连的优越性将更多表现在：1. 结合并行光模块，对整体电路设计的简化。这部分的成本也许不能用材料成本来衡量。2. 在现在流行的分布式路由器中，相对长距离的光互连应用正在越来越多出现。Marconi的BXR48000 ATM交换路由设备就是应用的典型。3. 大量光信号需要互连的场合，比如OXC和OADM等。

作者：华为公司高速设计实验室

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通过印制线来实现在PCB板间的连接不能满足一些大量信息传输要求，基于全息技术的2D自由空间光互连技术是解决该问题的一种方案。本文分析了采用2D垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)和微透镜(microlens)实现板间互连中，光串扰和互连距离之间的关系。

为支持大数据量通信，未来的数字系统，如大型并行处理计算机和异步传输模式(ATM)交换机将需要大规模印制电路板(PCB)间的互连来支持大的吞吐量要求，而当前的电子技术还不能达到这样的连接密度和带宽要求。在光背板互连中，通过采用阵列器件可以增强光背板的传输性能，实现板间大量的信息传输。

本文分析了采用间距为0.5毫米、0.75毫米和1毫米的二维(2D)光束阵列来描述基底模式光背板的设计和实验特性。系统采用多路复用全息(hologram)技术实现了自由空间板间互连，并以焦距步进长度为250微米的2D VCSEL和微透镜阵列为发射器，提供工作于850nm且间距为0.5毫米至1毫米的2D光束阵列。通过比较检测器(detector)平面上包括光径大小、光束阵列的功率一致性及信噪比(SNR在内的光束特性，即可调整最大互连距离。此外，本文还还指出，在相同的设计概念下利用2D串扰分析可以提高通信流量。这里获得的串扰分析结果还可应用于标准的五板自由空间光背板系统。

目前，在短距离应用中，已经提出了基于基底模式全息技术的二维(2D)自由空间光互连，并通过了实验演示。在如图1所示的实现方案中，发射器阵列发射近红外的短脉冲能量，经过光波导传输至其它板上的接收器阵列。这些脉冲沿波导在相反方向上传输，因为这些脉冲可通过双重多路复用全息技术耦合到波导中。近红外数字信号可使垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)阵列工作于850nm，并利用透镜阵列加以校准，这样，信号可以利用全息相栅进行衍射，并进入波导板。能量经过几次全内反射(total internal reflection)，将到达除发射该信号的电路板以外的其它电路板。

当红外能量到达目标板后，部分能量将被全息相栅衍射并撞击在接收器阵列上。由于存在多个信号和VCSEL输出发散的原因，相邻信号之间不可避免存在串扰，从而限制了互连距离，或将限制可以互连的板的数量。

本文以阵列光束的形式考虑了有关光背板互连距离的重要问题，并基于多总线光背板(包括VCSEL、微透镜阵列和基底模式全息相栅)对实验结果进行分析。文中介绍了发射器的设计和制造，并以3种不同的阵列间距给出了阵列光束传播性能的测量报告。基于上述测量，还考虑了对封装密度和串扰的折衷考虑。

发射器的制作和光信号传输估计

所采用的针栅阵列(PGA)封装的2D VCSEL阵列共有64个元件，间距为250微米。为了规定在自由空间实现中利用阵列器件达到的可接受的互连距离，在距离VCSEL 发射窗1毫米、2厘米、4厘米及6厘米的地方测量发散和远端场输出。通过预估半最大值全波(FWHM)光斑直径，可以确定发散角为7.5°。基于上述结果，当不存在严重相邻光束交迭时，光束的最大传播距离将不会超过7.5毫米，即使对于间距为1毫米的光束阵列也是如此。因此，发散的激光束应在自由空间光路总线中进行校准。给定VCSEL窗口半径为4微米，在间距为250微米、500微米 和750微米及1毫米和1.5毫米的光束阵列的最佳透镜焦距条件下，光束传播性能的仿真结果表明，互连距离可以分别达到3、12、25、45和60 厘米。本文采用的商用微透镜阵列具有1毫米焦距，250微米的可调，可以生成500微米、750微米和1毫米的2×2阵列光束。

具有采用PGA封装的VCSEL和微透镜阵列的封装，可以利用Melles Griot六轴校准器(aligner)和紫外(UV)环氧化物来实现。首先，将微透镜安装在透明的塑料载体或透镜支架中，如图2所示。该封装可以沿x、y、z轴平移，并可旋转以进行调整。厚度为0.6毫米的隔离片将粘贴在应用UV环氧化物的PGA VCSEL载体上。每个元件封装完成后，通过降低或提高微透镜支架来到达VCSEL表面，以将微透镜放置在透镜焦距附近。此后，将对封装通过平移和旋转进行位置调整，以获得最佳的校准光束。封装好的发射器所测量的FWHM发散角为0.6°，光束传播的发散角从0.75°提升至0.6°，这意味着在大约10厘米的距离内FWHM的光斑直径小于1毫米。

多总线光互连器件的整体性能取决于发射器的数据调制速率、功率预算效率、光径带宽，以及接收器和环境噪声等其它因素。在光路总线实现中，微透镜阵列可用于校准来自VCSEL的光束，并将光束聚焦至检测器阵列。必须指出，发散阵列光束不仅导致一定的功率损耗，而且还将产生使误码率(BER) 降低的光串扰。

通过采用不同总线传播距离和发射器可选阵列间距，可以测量串扰的情况。需要指出的是，测量装置包括VCSEL、微透镜、全息阵列和基底。来自VCSEL的光束可利用微透镜阵列校准，并通过全息相栅耦合到基底(采用两种光干涉方法记录在DuPont光敏聚合物薄膜上)。然后，在基底(BK7材料，厚度为0.5厘米)中进行全内反射，并通过另外一个全息相栅输出，最后由CCD相机检测。正如在光束传输仿真中可以预料的一样，间距为500微米和750微米的2×2光束经过7厘米和11厘米的传播后将完全交迭，得到一个近似于高斯函数的光斑。对于1毫米间距的光束，则可被检测的传输距离可以达到11厘米。

通过研究VCSEL输出光的圆对称外形，检测器位置的光半径可利用3D图像进行测量。如果有一个有效半径为R、间距为d的2×2光电检测器，则可以估计出信噪比(SNR) 。根据测量和由透镜计算公式计算的半径所得到的SNR曲线，与先前的理论和实验研究进行仿真。研究结果表明，在任何情况下，SNR对传播距离的敏感度远高于检测器的有效面积，即equi-SNR线将随互连距离的增加而急剧下降。互连距离也可通过增加阵列间距增大，但这将导致封装密度下降。对于1毫米的阵列间距，互连距离可大于12厘米，以保证SNR为7.2。

可根据SNR的估计结果对BER进行计算。SNR必须大于7.2以满足数据通信应用中BER≤10-12的要求，当SNR为6.1时，BER=10-9。图3显示了根据测量的光半径计算得到的BER结果，这些结果与采用焦距为1毫米的透镜的光束传播仿真完全吻合。理论结果与实验的一致结果表明，对于1毫米的阵列间距，如果采用焦距为5毫米的透镜，互连距离还能更长一些。由SNR和BER简单估计得到的结果表明，如果选择最佳的透镜参数，那么BER=10-12支持的互连距离将超过45厘米。因此，透镜阵列的正确选择和使用将是自由空间应用中更长距离互连所需解决的核心问题。

本文小结

本文介绍了采用2D阵列器件实现的基于微信道(microchannel)的光总线系统，包括无源和有源光器件。由于在自由空间中板间互连的激光源具有发散特性，采用VCSEL和微透镜阵列实现500微米、750微米和1毫米总线间距的发射器的设计限制了最大的互连距离。因此，为了增加互连的背板数量，采用折射微透镜阵列制造的发射器允许光束传播发散角达到0.6°，透镜焦距为1毫米。本文还采用微透镜封装的VCSEL来研究由发散和未校准导致的光串扰，研究结果表明，在500微米和750微米光总线间距条件下，在传输7厘米和11厘米后，2×2阵列光束将完全交迭。另一方面，1毫米光总线间距的2D总线实现对于11厘米的互连距离仍然具有一定的串扰裕度。对BER和互连距离的进一步精确分析表明，在BER为10-12时，采用2D总线间距分别为500微米、750微米和1毫米，可以实现6厘米、9厘米和14厘米光互连距离。

在相同的设计和制造工艺下，采用焦距为4至5毫米的透镜可实现更长的互连距离。采用1毫米和1.5毫米的阵列间距可能实现45厘米和60厘米的互连距离。由于采用较大阵列间距将降低封装密度，因此在未来的自由空间板间互连的多总线光背板设计中，封装密度和最佳互连距离将是需要考虑的主要问题。

作者: Xuliang Han

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清华大学