CN105093418B - 一种基于微纳光纤的新型光互连芯片 - Google Patents

一种基于微纳光纤的新型光互连芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤的新型光互连芯片，该芯片是在基底材料上刻有平行的横向沟槽和平行的纵向沟槽，在横向沟槽内嵌入用于传输的第一微纳光纤，在两条横向沟槽间的纵向沟槽内嵌入用于耦合的第二微纳光纤，第二微纳光纤将上述两条横向沟槽内的两根第一微纳光纤连通，形成波导通道。本发明的光互连芯片性能与硅光波导相似，却具有更低的传输损耗及更高的路由选择灵活度。与普通单模光纤相比，能极大地增加片上光互连密度，结合光波分复用技术，在提高互连密度方面具有巨大潜力。

Description

一种基于微纳光纤的新型光互连芯片
技术领域
本发明提供了一种新型片上光互连结构，尤其涉及一种基于微纳光纤的新型光互连芯片，属于光互连技术领域。
背景技术
集成电路是将大量元件集成在公共基底上以执行特定功能的器件。集成电路的性能关键取决于所采用的互连方式，在计算机及通信系统中，互连消耗的功率要占系统总消耗功率的60％－80％。随着集成电路芯片尺寸的减小，集成元件数量的持续增加，电互连在运行速度、封装密度、功耗、散热、串扰及频率相关损耗等方面均面临发展瓶颈。
光互连能支持超快的运行速度、高互连密度、低功耗、无需散热、可并行连接，与电互连相比极具优越性；使用光波还可避免频率相关损耗及电磁串扰问题；而波分复用技术则更大大提高了光互连的带宽密度。目前已提出或演示的光互连技术有自由空间光互连、平面波导光互连及光纤光互连等。
自由空间光互连能极大增加互连数量及互连密度，在系统与系统，基板与基板之间的互连上具有优势。其局限性在于，需三维光准直，串扰大，对于系统的机械稳定性要求严格，令其不适于在恶劣环境中应用。
平面波导光互连是一种基于硅基光学的芯片内光互连技术，具有巨大的潜力。因波导内的光信号不受相邻波导信号影响，信道的密度可大为增加。同时，平面波导光互连技术仅需二维光准直，相比于自由空间光互连系统更加小巧结实，串扰低。制约平面波导光互连发展的因素在于缺乏可用的芯片内光源，以及传输损耗较大；芯片内光互连系统尚缺乏紧凑的可调装置如反射镜等，这些器件难以制作或成本过高。
光纤光互连是一种更为简单、灵活、传输耗损低的光互连技术方案，它可支持超大信息容量，仅受限于色散。光纤互连方式大大降低了自由空间光互连对机械稳定性的要求，提高了光输入、输出芯片时的耦合效率，克服了平面波导光互连的技术瓶颈。
虽然光纤应用于基板对基板和芯片对芯片的连接早有报道，但在进行芯片内光互连方面仍有许多挑战。普通单模光纤的直径为125微米，这使得芯片内互连密度较低，与电互连相比，优势不大；另外，受传输损耗的限制，光纤的典型弯曲半径停留在厘米量级，这极大地限制了光互连系统小型化的发展。
微纳光纤的出现为这个问题的解决带来了希望。微纳光纤可由普通单模光纤通过熔融拉锥或激光加热等技术制成，它具有低至0.001dB/mm的插入损耗，直径可小至20nm。由于具有极小的尺寸和极强的光束缚能力，微纳光纤可在保持较低传输损耗的同时减小弯曲半径达到微米量级，兼具易于耦合及连接损耗低的特点。这些特点使微纳光纤具有高度的灵活性，方便进行组合布置，使基于微纳光纤的器件和系统易于操控以构成复杂的拓扑结构。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微纳光纤的新型光互连芯片，该芯片采用新型独特的光互连结构设计，性能与硅光波导相似，却具有更低的传输损耗及更高的路由选择灵活度。与普通单模光纤相比，能极大地增加片上光互连密度，结合光波分复用技术，在提高互连密度、降低传输损耗以及加强结构灵活性方面具有巨大潜力。
本发明的基于微纳光纤的新型光互连芯片，是在基底材料上刻有一组平行的横向沟槽和一组平行的纵向沟槽，在横向沟槽内嵌入用于传输的第一微纳光纤，在两条横向沟槽间的纵向沟槽内嵌入用于耦合的第二微纳光纤，第二微纳光纤将上述两条横向沟槽内的两根第一微纳光纤连通形成波导通道。
为更有效地将传输光束缚在微纳光纤中，减小光传输的损耗，所述的基底材料采用折射率小于光纤折射率1.44的材料，作为优选，可采用折射率为1.39的氟化镁。
所述的横向沟槽及纵向沟槽的宽度均不大于5微米，深度均不小于1微米；第一微纳光纤与第二微纳光纤的直径均为1微米以下。采用直径小的微纳光纤，可有效降低光传输损耗，有利于提高片上光互联密度。
本发明的有益效果是：本发明的芯片采用独特的片上光互连结构，具有极低的传输损耗及极高的路由选择灵活度，能极大地增加片上光互连密度，结合光波分复用技术，在提高互连密度方面具有巨大潜力。
附图说明
图1是本发明的基于微纳光纤的新型光互连芯片的结构示意图。
图2是一种互连耦合结构的部分路由实验结果。
图3是另一种互连耦合结构的部分路由实验结果。
图4是第三种互连耦合结构的部分路由实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的基于微纳光纤的新型光互连芯片，是在基底材料1上刻有一组平行的横向沟槽2和一组平行的纵向沟槽3，在横向沟槽内嵌入用于传输的第一微纳光纤4，在两条横向沟槽之间的纵向沟槽内嵌入用于耦合的第二微纳光纤5，第二微纳光纤5将两条横向沟槽内的两根第一微纳光纤连通形成波导通道。所述的基底材料1采用折射率小于1.44的材料，如：氟化镁；所述的横向沟槽及纵向沟槽的宽度均不大于5微米，深度均不小于1微米，嵌入沟槽内的第一微纳光纤与第二微纳光纤的直径均为1微米以下。
采用4厘米×4厘米的氟化镁片作为基底材料，在其上用飞秒激光微加工技术制作宽度不大于5微米，深度不小于1微米的横向沟槽及纵向沟槽，在横向沟槽内嵌入第一微纳光纤，作为传输光纤，在两条平行的第一微纳光纤之间的纵向沟槽内嵌入耦合用的第二微纳光纤，用于将上述两条第一微纳光纤连通，通过控制耦合用的第二微纳光纤的缠绕方向可以选择路由，获得多种波导通道，实现片上光互连，如图2-4所示，分别为采用三种不同缠绕方向互连耦合结构的部分路由实验结果，图2为光由一横向沟槽端口1入射，由同沟槽的端口2出射，同时经第二微纳光纤耦合，由另一横向平行沟槽端口4出射；图3为光由一横向沟槽端口1入射，由同沟槽的端口2出射，同时经第二微纳光纤耦合，由另一横向沟槽端口3出射；图3为光由一横向沟槽端口1入射，由同沟槽的端口2出射，经两条第二微纳光纤分别耦合，同时由另一横向沟槽端口3和端口4出射。

Claims (5)

1.一种基于微纳光纤的新型光互连芯片，其特征在于，该芯片是在基底材料(1)上刻有一组平行的横向沟槽(2)和一组平行的纵向沟槽(3)，在横向沟槽(2)内嵌入用于传输的第一微纳光纤(4)，在两条横向沟槽(2)间的纵向沟槽(3)内嵌入用于耦合的第二微纳光纤(5)，第二微纳光纤(5)将上述两条横向沟槽内的两根第一微纳光纤连通形成波导通道。
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的新型光互连芯片，其特征在于，所述的基底材料(1)采用折射率小于1.44的材料。
3.根据权利要求2所述的基于微纳光纤的新型光互连芯片，其特征在于，所述的基底材料(1)为氟化镁。
4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的新型光互连芯片，其特征在于，所述的横向沟槽(2)及纵向沟槽(3)的宽度均不大于5微米，深度均不小于1微米。
5.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的新型光互连芯片，其特征在于，所述的第一微纳光纤(4)与第二微纳光纤(5)的直径均为1微米以下。
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