关键词：光电互联；光电器件；印制板组件；概述

 

 The Development Overview of Photoelectric Interconnection Technology and Photoelectric Integrated Devices/Components

 

ZHOU Dejian 1  CHENG Lei2WANG Zhiqi2

(1. School of Mechano-Electronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 5410041;2.School of Mechano-Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071.)

Abstract：Along with the rapid improvement of modern electronic products integration and the increasing of service frequency, the requirements of circuit components/devices for performance indicators such as wiring density and signal transmission speed are also increasing. Electrical interconnection technology of electronic circuits based on metal wires transmission progress has been difficult to adapt to the development demand of modern electronic products due to its inherent signal delay and electromagnetic interference problems. Thus, photoelectric interconnection technology emerged and developed rapidly. This paper introduced the basic concept, principle and characteristics of photoelectric interconnection technology, as well as the basic photoelectric interconnection modes. Furthermore, research development of photoelectric integrated devices and the photoelectric interconnection printed circuit board assembly (PCBA) was outlined. This paper also presented the integrated structure of the typical photoelectric integrated device and the interconnection structure forms of photoelectric interconnection PCBA. Finally, the main research content of board level photoelectric interconnection technology was introduced.

 

Key words：photoelectric interconnection；photoelectric devices；PCBA；Overview

与传统基于铜导体的电信号互联比较，光互联能有效地防止和解决寄生电容、延迟时间、信号串扰等问题，抗电磁干扰，传输信号高效、可靠，其优越性十分显著。在电路中引入光路的光电互联技术已经成为电子产品先进制造技术中的重要发展方向，其技术发展步伐快速。

1光电互联技术概述

1.1光电互联的主要技术内容

光电互联技术是实现光电子技术的核心工艺技术，属于电子产品先进制造技术领域的新的发展方向。光电互联技术是以机械工程科学、电子科学、光子科学与信息科学等为基础，以材料、元器件、互联设计与工艺等基本技术为支撑，通过光信号传输、电信号传输和光电信号转换，把光源、互联通道、收发器等组成部分连成一体，彼此间高速交换信息的一种高效的光和电混合互联技术，是电子产品制造及其电气互联技术中一项典型的多学科、综合性工程技术。其主要技术内容包含光电互联设计与工艺、光电印制电路板和光电器件及其封装的设计与工艺技术等（参见图1）[1]。

1.2光电互联的基本原理

光电互联是一个电—光—电转换和传输过程，即将电信号经过发光器件转换为相应的光信号，通过一定方式的耦合，传输给光探测器，再转换为电信号。

光电转换主要是利用物质的光电效应，即物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象称为内光电效应。由于物质的结构和性能以及光和物质的作用条件不同，光电效应分为光电效应、光伏效应、光电发射效应[1]。

光电互联产品的核心是光电转换模块（参见图2），它包含把光子流转换成数字逻辑电平的接收器，以及把数字逻辑电平转换成光信号的转换器，用以驱动调制器和发射器[2]。

图1 光电互联技术相关技术

图2 光电转换模块及其设计内容 

1.3光电互联的主要特点

光互联具有以下特点：①使用光作为传播介质，能够提高信号传递的效率；②多光学信号可以在一条通道里同时传播且互相不干扰；③光互联的方式可以大大减少外部的电磁干扰（EMI）；④在光互联的情况下传输速度和距离都不会影响传送信号；⑤光学信号不受平面限制可以在三维空间里自由传播；⑥传送损耗低，功率小。同时，光互联与电互联传递信号方式又具有相似之处，信号的传输都是通过电磁波的形式，而且所有的逻辑相互作用都是通过电子来实现，光互联在电互联的基础上不需要物理上的新突破，设计较为简化。与电互联比较（参见表1），光互联具有很高的并行传输能力、很高的带宽、没有RC问题、没有时钟畸变问题、抗干扰性能好等特点。

表1 光互联与电互联特性对比 

1.4光电互联的基本方式

以互联结构形式划分，光互联可分为：片内的互联、片间的互联、印制板或光背板间的互联、设备到设备的互联。以互联信道传输方式划分，主要有：自由空间互联、波导互联、光纤互联等。

自由空间光互联是指利用各种折射、反射、透射元件和全息光学元件等改变光在自由空间传输中的方向，用来实现电子组件之间的光学连接。自由空间互联方式适用于芯片级、板级的光互联。其特点：①能充分利用光的空间带宽和并行性；②不产生相互干扰（因为光可在空间中彼此穿越而不相互干扰）；③不受限于物理通道，因而可以灵活地构成各种拓扑结构的互联网络，有很强的可重构性；④可使用简单的光成像方式，功耗小，信号失真度小，结构简单，易于集成。自由空间光电互联方式可根据光源的源节点到目的节点的光传输轨迹，是否有变化（称为“空间可变性”）而进行分类，从而分为空间可变光互联和空间不可变光互联方式。

波导互联是光信号通过光波导传输，光波导二端分别与光信号源和光控制器相连, 通过沿光波导传播的光束进行信号传输，波导紧贴在集成线路表面, 不需要额外的三维空间，一般采用集成光路和探测器来完成连接。波导互联可以提供高密度、高速、高可靠性光互联通道，适用于芯片内、芯片之间和印制板级的光互联。

光纤互联是光信号通过光纤传输，光纤的二端分别与光信号源和光探测器连接, 从而实现信号源与传输目标的光互联。光纤是最成熟的光波导，此互联方式可以采用硅晶片基板作为工作平台，上面使用混合集成方式实现单模光纤互联；或采用板上光纤技术制作多通道模块，用于实现高速并行互联。光纤互联形式适用于板间、设备间连接，以及网络中的长距离连接，光纤互联具有频带宽、无电磁干扰、可高密度并行传输、多信号、传输速率高等优点。 

2光电集成器件

2.1光电集成器件的组成

光电集成器件或光电集成电路（OEIC）是实现光电互联的基础件，其光子学器件一般包括激光器、光探测器、调制器、光波导、滤波器等器件。如果各种光子学、电子学器件都制作在同一衬底上，则称为单片光电集成器件。如果分别制作在不同衬底上，然后再集成在一起，则称为准单片光电集成器件或混合光电集成器件。OEIC按功能分主要有电光发射集成器件和光电接收集成器件。电光发射集成器件是由电光驱动电路、有源光发射器件、导波光路、光隔离器、光调制器和光开关等组成。光电接收器件主要是由光滤波器、光放大器、光探测器以及相应的接收转换处理电路等组成[3]。 

2.2光电集成器件的研究进展

光电子学的发展始于1887年，赫兹发现了光电效应。1973年A.Yariv教授等人提出在同一个半导体衬底上集成光子器件和电子器件。上世纪80年代，伴随着场效应管（FET）、异质结双极晶体管(HBT)与激光器的集成，光电器件开启了由分立器件向集成器件发展的重大转变。1984年Goodman，Joseph W提出片上光互联。在早期阶段，光电集成器件仅有一个光学器件与若干个电学器件组成。光电集成器件集成度不高的原因主要在于没有多样化的器件可用于集成，当时电学器件已基本采用表面型器件，而光学器件都是体型较大的器件，光学器件和电学器件相关参数的配备标准也不完善，结构及其制造工艺参数不协调导致不能统一化设计、集成和组装 [4]。

进入21世纪以后，随着电子材料和相关工艺技术的发展，光子器件的体积也越来越小。2006年美国加州大学和Intel公司共同推出了世界上首例应用CMOS工艺的混合集成硅基激光器。2012年IBM宣布在光信号取代电信号进行信息传输方面取得重大突破，它利用100nm以下工艺，在单片硅芯片内整合了多种不同的光学部件和电子电路，通过在高性能90nm CMOS制造工艺中增加新的处理模块，使得波分复用器、调节器、光电光探测器等多种不同的硅纳米光子学器件，都能与CMOS电子电路整合在一起。由此，可以在传统半导体晶圆厂内利用标准工艺制造单芯片的光学互联收发器[5]。 

（a）100Gbps收发器的整体机构

（b）4×25Gbps光收发器组件实物图

图3  紧凑型4×25Gbps光收发模块

 

近些年，随着器件功能多样化，集成工艺逐渐成熟，简单的器件集成已经不能满足高速通信系统发展需求。器件的集成逐步走向大规模的模块化集成阶段，这些模块包括光电开关、逻辑器、微控制器、设备驱动电路、电源管理模块等[6]。2011年Takashi Takemoto等人报道了一种用于光背板的紧凑型4×25 Gbps光收发模块。模块由4×25 Gbps的DFB-LD阵列、PIN-PD阵列和一个CMOS收发模块组成。图3(a)为100 Gbps收发器的整体机构，图3(b)为4×25 Gbps光收发器组件的实物图[7]。

2014年Benjamin G. Lee等人报道了片上集成交换结构、CMOS逻辑器、设备驱动电路的技术（参见图4）。实现了由2×2马赫-曾德尔（MZ）干涉仪开关与数字CMOS逻辑器、设备驱动器、热光相位调谐器、电光相位调制器组成的4×4和8×8的交换矩阵。开关元件可以提供小于5 ns的快速可重构性，在-15dB带宽下有相对较低的串扰，光谱宽度大于75 nm[8]。

图4 片上系统的显微图

图5 Intel的光电集成芯片 

2.3光电集成器件的集成结构

对于Si基的光电集成器件而言，要将基于不同衬底材料、不同工艺制作成的器件进行集成，必然存在互联工艺兼容等问题，如何解决这些问题成为光电混合集成的研究重点。大体上可将常见的器件集成结构分成基于Inter-Chip的片内集成结构、基于On-Chip的片间集成结构、基于Flip-Chip的倒装集成结构、基于3D-Chip的立体集成结构四大类。与电子集成器件比较，光电混合集成器件的前二类集成结构能解决多器件集成的工艺兼容性问题，具有其独特性。

基于Inter-Chip的片内集成技术就是尽可能的将工艺兼容的器件都放在一个芯片上制作（参见图5），最具有代表性的是2012年日本的“光电子融合系统基础技术开发”（PECST）研究，该项目成果达到了当时世界最高的集成难度和传输容量密度，可在1 cm2的硅芯片上、集成526个数据传输速度为12.5 Gbps的光收发器，数据传输容量密度相当于6.6 Tbps/cm2。它主要用于LSI间大容量数据传输光转接板（参见图6），光收发器每组所占面积0.19 mm2，除激光阵列外，其余器件全部由CMOS兼容工艺制备。该技术解决了构成光收发器的器件小型化问题、实现了在短距离、高速率传输下的高密度集成[9]。

图6 LSI间大容量数据传输的光转接板

基于On-Chip的片间集成技术是将做好的各芯片单元拼装在一个平台上，以此解决各个器件的工艺不兼容问题。2014年Yu Kurata等人报道了基于硅基PLC的On-Chip集成技术（参见图7），该技术将InP基光探测器放置在硅平台上，利用胶粘剂和干法烛刻技术，成功地将8个高速光探测器（PD）和1个监视器PD，与硅基PLC上旳2个光束90o角小面积低损耗微反射镜进行了集成，实现了32 Gbaud的双极性正交移相信号的解调[8]。

图7 On-Chip集成技术示意图

3印制板级光电互联组件

3.1板级光电互联技术概述

板级光电互联是在电路板上制作光链路，各功能模块之间的连接采用光链路作为传输通道，信号处理由电路承担的一种工艺技术。其原理为先将传输的电信号经过发光器件，转换为相应的光信号，通过电路板内集成的光通道，传输给光探测器，再转换为电信号。发射器、传输通道以及接收通道组成了一个典型的光电互联光传输链路。嵌入光波导或光纤制作有光通道的电路板称为光电印制板（OEPCB）。

板级光电互联根据电路板的基底不同，可分为柔性板的光电互联和刚性板的光电互联。根据光通道传输介质不同可以分为光纤互联和波导互联。板级光纤互联是光信号在板内埋入的光纤中传输（参见图8），光纤的一端接收来自光发射器的光信号，传输给另一端的光探测器, 从而实现信号源与目标的光互联。板级波导互联是光信号在板内制作的波导中传输（参见图9）[4]。

图8 板级光纤互联原理图

图9 板级波导互联原理图 

3.2板级光电互联技术的研究进展

美、德、日、韩等国在过去的几十年中，在板级光电互联技术的研究方面投入了大量的人力、物力和财力，取得了显著的成绩。

美国IBM 公司 2010 年宣布已经在板级光电互联技术上取得了重大突破，其将激光器阵列集成到传统芯片内，在组件内还有光学调制器，光波导，光波分复用器，光开关，以及探测器，光芯片与光波导的耦合通过微透镜阵列和 45°端面实现，光波导采用干模热压法制作，波导芯层尺寸为 35μm×35μm，波导损耗于 850 nm 处为 0.3 dB/cm，该技术可以使超级计算机的速度提高 1000 倍以上（参见图10）[10]。德州大学Chen R T等人研制一种光子晶体芯片，当激光通过芯片时，其复杂的内部结构能够减缓光速，从而改变传输模式，而且这种装置比普通的激光调节器节省10倍的能量。由此还展开了包括薄膜VCSEL、埋入板级的光波导和光连接器等板级芯片之间光互联技术的研究（参见图11） [11]。乔治亚理工学院Fengtao等人分别对光波导的微透镜集成、波导镜面柱子结构、电路板上点对点光互联的混合集成和三维光电互联做了比较系统的研究[12-15]；等等。

图10 IBM公司板级光电互联组件

 

图11 插在PCB中的光层示意图

Lars Brusberg 等人报道的德国板级光电互联组件研究例如图12所示，它将发射器和及其驱动电路集成到玻璃基底上，光直接通过玻璃基底传输，驱动芯片与 PCB 板的连接则通过在玻璃上穿孔形式实现，玻璃具有很好的绝缘性和透光性，材料成本相对也较低，温度性能很好，光源可直接通过玻璃入射到光波导的 45°光镜端面上进行耦合[16]。西门子公司Griese等人对PCB上的光波导互联的光学机理、嵌入板级电路中的波导光转向装置和板与板之间的光纤互联技术进行了研究[17-19]。弗朗霍夫研究所与西门子公司的Krabe等人共同对光电线路板制作、波导的生成方法，以及单模波导嵌入电路板方法进行了研究[20-22]。卡尔斯鲁厄公司研究中心Schneider等人对埋入板级的光纤工艺和光纤与光电器件的对准技术进行了研究[23]。德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的多部门合作项目SPEED（Silicon Photonics Enabling Exascale Data Networks）始于2015年11月，将开发两款下一代400 Gbit/s的板载光收发器，分别应用于数据中心内的四波长直接检测和数据中心互连的单波长可调相关设备[9]。

图12 德国板级光电互联组件

日、韩进行板级光电互联技术研究也较早，例如，上世纪20年代初Koshoubu等人就提出了光倒装焊芯片的转移微凸点技术[24]；Ishii等人研究了SMT兼容的光芯片封装焊点技术[25]；Takahara提出了一种光电多芯片组件光电接口的封装结构[26]；京瓷公司的Matsubara等人提出了一种基于有机电路板的三维光互联技术[27]；东海大学的Ishizawa等人提出了一种应用新的光电互联器件的板级光互联方法[28]；日立化成工业株式会社提出一种板级光电互联组件结构（参见图13）[29]；等等。韩国电子电信研究院Keun等人对使用光插槽技术的光背板技术进行了深入的研究[30]；In-Kui等人提出了一种使用光引线方法的光连接，降低了电磁串扰，并成功应用到芯片与芯片之间的光互联[31]。韩国情报通信大学Cho等人利用挖槽技术将光纤埋入电路板[32]，Byung等人提出了一种PCB兼容的45°尾端连接棒和通孔波导光互联方法[33]；Han等人提出了一种新的光电路板的制造方法实现了一种紧凑的光学互联[34]；等等。

图13 日立板级光电互联组件

国内开展板级光电互联技术研究的单位主要集中在高校和相关研究所，目前见有报道的有国防科学技术大学窦文华等人对光开关的仿真技术、高性能计算机光互连技术的架构、聚合物波导的仿真技术进行的研究[35]；华中科技大学的罗风光教授等人对光互连技术从网络架构，到器件和板级光学系统仿真，波导制作和工艺进行的研究[36]；桂林电子科技大学和中国西南电子技术研究所合作对光纤埋入的板级光电互联技术进行的研究；等等。最近，国内相关研究所还展开了埋入光波导的板级光电互联技术，以及在挠性基板中埋入光纤的光电互联技术研究。 

3.3板级光电互联技术的主要研究内容

板级光电互联技术研究进展虽然很快，但仍然有很多技术难点尚待解决，主要体现在光通道及其光电耦合模块结构组成方法、光传输精度和损耗问题、组装工艺兼容性和运行可靠性问题等方面。

利用嵌入电路基板的光波导和光纤作为光通道传输信号，是板级光电互联结构的基本组成形式。光波导和光纤的材料性能、嵌入基板方式，以及光电转换结构形式，以及光通道二端与光电耦合模块的连接结构组成方式可以有多种，正确地选择所应用的材料和合理设计连接结构，是板级光电互联技术研究中的基础内容。

相对于电传输，光传输质量对传输介质的材料性能、结构形式、制造质量更为敏感，尤其是类似于光纤弯曲半径、光源与光探测器对准精度等带来的光损耗问题，对光传输质量的影响特别明显。以光传输过程低损耗为目标，在优化光通道应用材料选择、光对准方式及其连接结构设计、组装制造方式及其工艺设计的基础上，追求高精度组装制造工艺质量和优良的工艺集成综合效果，是板级光电互联技术研究中的重要内容。

板级光电互联还会涉及光电器件/组件设计制造问题，它应该尽量与Si（硅）和GaAs（砷化镓）器件制作工艺兼容，与VLSI电路封装工艺以及现有其它电子器件/组件的封装、组装工艺技术兼容。而且，由于光互联的敏感性强于电互联，对其必须具有更高的工艺可靠性要求和运行可靠性方面（例如：板内光传输介质对温度冲击和随机振动等应用环境的适应性）的设计要求。这也是板级光电互联技术研究中不可忽视的研究内容。