光互连

简介

       光互连已被用作电脑和行动设备连线的方式之一，也用在电脑的主板及设备上。

       IBM已经建立一个波分复用的光互连通讯协定，若此技术成功，会产生第一个可以百万兆等级运算（每秒可以处理百万兆个指令）的电脑。其中会有波导管将八种不同颜色的光束发射到调变器的七个接口中，因此八个资料可以同时传送。多波长的光速延著芯片传播，再利用光学开关来切换方向。

光导纤维

       光导纤维（英语：Optical fiber），简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全反射原理传输的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤中，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。由于信息在光导纤维的传输损失比电在电线传导的损耗低得多，更因为主要生产原料是硅，蕴藏量极大，较易开采，所以价格很便宜，促使光纤被用作长距离的信息传递媒介。随着光纤的价格进一步降低，光纤也被用于医疗和娱乐的用途。

       光纤主要分为两类，渐变光纤与突变光纤。前者的折射率是渐变的，而后者的折射率是突变的。另外还分为单模光纤及多模光纤。近年来，又有新的光子晶体光纤问世。

       光导纤维是双重构造，核心部分是高折射率玻璃，表层部分是低折射率的玻璃或塑料，光在核心部分传输，并在表层交界处不断进行全反射，沿“之”字形向前传输。这种纤维比头发稍粗，这样细的纤维要有折射率截然不同的双重结构分布，是一个非常惊人的技术。各国科学家经过多年努力，创造了内附着法、MCVD法、VAD法等等，制成了超高纯石英玻璃，特制成的光导纤维传输光的效率有了非常明显的提高。现在较好的光导纤维，其光传输损失每公里只有零点二分贝；也就是说传播一公里后只损4.5%。

分类

       1．从结构来看，光互连可以分为：

       1）芯片内的互连；

       2）芯片之间的互连；

       3）电路板之间的互连；

       4） 通信 设备之间的互连。

　　2．从互连所采用的信道来看，光互连可以分为：

　　1）自由空间光互连技术

　　通过在自由空间中传播的光束进行数据传输，适用于芯片之间或电路板之间这个层次上的连接，可以使互连密度接近光的衍射极限，不存在信道对带宽的限制，易于实现重构互连。该项技术是光互连技术中最具吸引力的。 对于自由空间光互连技术，早期的研究主要集中在如何利用技术构成MIN(Multistage Interconnection Network)、Crossbar和Mesh等互联网络，如何在传统二维平面结构电子插件的三维空间上实现光通信，而目前的研究已经深入到VLSI器件的内部。

　　目前发展最快的多级光互连交换系统是自由空间光互连交换网络。这主要有两个方面的原因：

　　1）自由空间光互连交换网络除了具有一般的光互连所共有的优点外，还具有易于实现三维网络、互连数大、互连密度高、无接触互连等优点；

　　2）由于实现自由空间光互连交换网络系统所需要的开关节点阵列器件和二元微光学器件的发展很快，均已接近实用化。

　　2）波导光互连技术

　　通过沿光波导传播的光束进行数据传输。该技术的研究进展十分迅速，已经进入市场，部分商用计算机已采用了简单的波导光互连技术，如CrayT90已采用集成光波导H树进行时钟信号分布。 波导互连可以提供高密度互连通道，适用于芯片内或芯片之间这个层次上的互连，采用集成光源和探测器，由集成光路来完成连接，这一种互连目前还不很成熟。

　　3）光纤互连

　　最成熟的光波导是光纤，光纤互连技术已有商品出售。光纤互连适用于电路板之间或计算机之间这个层次上的连接，借助于光通讯中的有关先进技术，已进行了好几种互连方案的实验工作。 光纤互连具有频带宽、无电磁干扰、可高密度并行连接、多信号和多扇出、传输速度快、不需接地等优点。光纤的波分光交换技术在MPP系统的互连网络中有自动寻径功能，具有诱人的前景。美国光纤通道协会(FCA：Fiber Channel Association)针对当前光互连技术和光通信技术的发展，制定了一系列的光纤通信标准，对光纤在光纤通信和计算机互连中的使用制定了全面的规范。这些标准的制定，全面推进了光纤光互连技术在计算机中的使用。

光互连面临的问题

　　1）工艺技术方面：和金属互连一样,随着系统规模的扩大和新器件和结构的引人,光互连中封装和散热是很大的问题,特别是基于如和等大的系统,封装和散热问题日益突出,急需解决。另外,对于自由空间光互连,光路的对准问题特别突出。虽然有很多的相关技术如有源和无源对准、自对准等,但都不是很理想。而且,很多的光互连技术是基于混合集成,光电芯片的单片集成困难很大。因此,光互连仍然需要更加适用和灵活的工艺技术来推动其实用化。

　　2）器件和材料方面：光互连中,光发射器、光传输器件、光调制器、光检测器等器件和制造的材料都有待提高和突破。的提出对光路的集成化很重要。但是它存在模式和偏振的稳定性问题,而且阂值电流有待降低。是光互连光源有力的候选者,但它也存在响应速度慢和聚光效率差等问题。此外光检测器件的电容大小对整个光互连中的功耗影响很大,必须降低该电容。光调制器的波长稳定性、开启延迟和工作电压等也需要改善。

　　3）电路设计方面：电路的系统和结构的优化很重要。应尽量减小电光和光电的接口电路串扰、降低功耗和反应时间、提高工艺变化的兼容性,需合理地利用光互连和金属互连,发挥两者的优点。另外,像电子器件一样,光互连器件的模型、模拟软件和综合工具的开发和提出很重要。当然,根据光器件的光子密度速率方程,可建立用于模拟的光器件模型,用语言也可对光电电路进行综合俐。

　　4）成本方面：成本驱动是这一领域技术更新的最大推动力。因此自从光互连一提出,就要求其工艺与现有的工艺相兼容。表面上看是对工艺的要求,实质上是出于成本的考虑。因为硅基的集成电路很普遍,而且工艺比较成熟,所以,让光互连的工艺向其靠拢是所当然的。为了进行高密度的互连,结合当前光互连的发展水平,目前仍然是将一族的光电器件混合集成在基板上,单片光电集成电路的实用还在研究阶段。

光互连芯片

　　光互连芯片是一种利用光学技术进行数据传输和互连的芯片，它在当前的数据中心、高性能计算（HPC）以及人工智能（AI）等领域中扮演着越来越重要的角色。以下是对光互连芯片的详细介绍：

一、光互连芯片的定义与特点

　　光互连芯片通过集成光子元件和电子元件，实现光信号在芯片内部或芯片之间的高速、低延迟传输。相比于传统的电互连方式，光互连芯片具有以下几个显著特点：

　　1、高带宽：光信号的传输带宽远高于电信号，能够满足日益增长的数据传输需求。

　　2、低延迟：光速远快于电子在导线中的传播速度，因此光互连可以显著降低信号传输的延迟。

　　3、低功耗：光互连在传输过程中能量损失较小，有助于降低系统的整体功耗。

　　4、抗干扰性强：光信号不易受到电磁干扰的影响，提高了数据传输的稳定性和可靠性。

二、光互连芯片的应用场景

　　1、数据中心：随着云计算、大数据等技术的快速发展，数据中心内部的数据流量急剧增长。光互连芯片能够提供高带宽、低延迟的数据传输能力，满足数据中心对高效能计算和网络互联的需求。

　　2、高性能计算（HPC）：在超级计算机等高性能计算领域，光互连芯片能够实现计算节点之间的高速数据交换，提升系统的整体计算性能。

　　3、人工智能（AI）：在人工智能领域，尤其是深度学习、自然语言处理等需要大量计算资源的场景中，光互连芯片能够提供快速、可靠的数据传输支持，加速AI模型的训练和推理过程。

三、光互连芯片的技术发展

　　近年来，光互连芯片技术取得了显著进展。以下是一些关键技术的发展趋势：

　　1、集成化：随着制造工艺的进步，光互连芯片正朝着更高集成度的方向发展。通过将光子元件和电子元件集成在同一芯片上，可以实现更紧凑、更高效的光电互连系统。

　　2、硅光子技术：硅光子技术是一种将光子元件与硅基集成电路相结合的技术。它利用硅材料的光学特性，实现光信号的生成、调制、传输和检测等功能。硅光子技术具有成本低、工艺成熟等优势，是光互连芯片发展的重要方向之一。

　　3、混合集成技术：混合集成技术通过将不同材料或工艺制成的光子元件和电子元件集成在一起，实现优势互补。这种技术有助于克服单一材料或工艺的限制，提高光互连芯片的性能和可靠性。

四、光互连芯片的市场前景

　　随着数据中心、高性能计算和人工智能等领域的快速发展，光互连芯片的市场需求将持续增长。预计未来几年内，光互连芯片市场将保持高速增长态势。同时，随着技术的不断进步和成本的降低，光互连芯片有望在更多领域得到广泛应用。

　　综上所述，光互连芯片作为一种新型的高速、低延迟、低功耗数据传输技术，在数据中心、高性能计算和人工智能等领域具有广泛的应用前景和市场潜力。随着技术的不断发展和完善，光互连芯片将成为未来计算互连领域的重要力量。