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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。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/A/0304A_DC_S8F2.GIF[/img] 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。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/A/0304A_DC_S8F3.GIF[/img] 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 清华大学