DE112012005940T5

DE112012005940T5 - Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE112012005940T5
Application number: DE112012005940.9T
Authority: DE
Inventors: c/o Institute of Microelectronic Guidotti Daniel; c/o Institut of Microelectronics Wang Qidong; c/o Institute of Microelectronics Zhu Guang; c/o Institute of Microelectroni Lin Fujiang
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2014-12-24
Also published as: WO2013123667A1; US9520942B2; US20150215042A1; JP5939657B2; JP2015518292A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem bereit. Das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem kann Folgendes umfassen: eine Taktkomponente und mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle. Die Taktkomponente ist so konfiguriert, dass ein Taktsignal jeweils für Sendeseiten und Empfangsseiten der zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle bereitgestellt wird. Jeder Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle umfasst: eine Senderkomponente, eine Empfängerkomponente und einen Übertragungswellenleiter. Der Übertragungswellenleiter ist zwischen der Senderkomponente und der Empfängerkomponente angeordnet und so konfiguriert, dass ein Kanal für eine Millimeterwellenübertragung bereitgestellt wird. Die Oberseite, die Seitenfläche und/oder die Unterseite des Übertragungswellenleiters ist – mit Ausnahme von aktiven Bauelementen und deren Zubehör – mit einer leitfähigen Metallwand überzogen, um eine elektromagnetische Abschirmung von einem Übertragungswellenleiter in einem benachbarten Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanal zu bilden. Die leitfähige Metallwand kann das Übersprechen zwischen den Kanälen bei der Hochgeschwindigkeitskommunikation minimieren und so die Datenbandbreite sowie den Datendurchsatz des Millimeterwellenkommunikationssystems verbessern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Millimeterwellenkommunikation in der Informationselektronikindustrie und insbesondere ein Millimeterwellenkommunikationssystem zum Übertragen von Daten zwischen zwei Punkten über einen Millimeterwellen-Wellenleiter. Das Millimeterwellenkommunikationssystem kann als Bus zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen einem Prozessor und einem Speicher dienen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher Hardwareteil eines Computers basiert im Allgemeinen auf drei Arten üblicher Technologien: Silizium zum Bilden eines Transistors für logische Operationen, eines Speichers und eines Signalverstärkers; Verbundwerkstoffe zum Trennen diskreter Komponentenintegrationen; und Kupfer zum Übertragen von Daten. Die Entstehung von Mehrkernprozessoren, die gleichzeitige und simultane Ausführung von Anweisungen sowie die Entwicklung von Softwareoptimierung verbessern die Leistung eines Computers, stellen damit zugleich aber auch höhere Ansprüche an die Computerhardware.
Es gibt keine effektivere Alternative für das siliziumbasierte Herstellungsverfahren von Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS-)Transistoren. Auch die Forschung und Entwicklung im Bereich der Verbundwerkstoffe kommt nur langsam voran. Die Datenübertragung wird zu einem Hauptfaktor, der die Computerleistung begrenzt. Für die On-Chip- und On-Board-Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, bei der eine Signalrate nahe bei 10 × 10⁹ Bits/Sekunde liegt, werden inhärente Eigenschaften von Übertragungsleitungen, wie z. B. der Skin-Effekt und der Selbstinduktionseffekt, signifikant. Es ist schwierig, zwischen den übertragenen Bits zu unterscheiden, die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Dekodierung sinkt und die Signalintegrität verschlechtert sich gravierend. Eine Rechteckwelle kann, wenn sie über eine Übertragungsleitung übertragen wird, breiter und schwächer werden. Manchmal dürfte der Dispersionseffekt eines Substrats stärker als der einer Kupferübertragungsleitung sein, was die Systemleistung weiter begrenzt. Diese Faktoren verringern die Übertragungsstrecke von Kupferdraht. Im Allgemeinen können diese Schwierigkeiten mit Vorverzerrung, einem aktiven Amplitudenentzerrer und einer Taktrückgewinnung usw. angegangen werden. Allerdings erhöhen Schaltungsmodule für die Taktrückgewinnung, den aktiven Entzerrer und Vorprozessor die entsprechenden Leistungsaufnahmen. Zudem ist es, um einen höheren Durchsatz zu erhalten, nicht durchführbar, nur einen Durchmesser des Kupferbusses zu vergrößern. Das liegt daran, dass der vergrößerte Durchmesser des Busses und die verringerte Anzahl an Kanälen eine Erhöhung der Leistungsaufnahme sowie eine Erhöhung der Anzahl an Eingangs-/Ausgangsports, die eine Erdung erfordern, bewirken kann.
Ein optischer Bus ist eine potenzielle Alternative für den Kupferbus. In einer Multimodelichtleitfaser oder einem Polymerwellenleiter, die bzw. der keine schlechte Abschwächung oder Verzerrung eines Signals eines Bands aufweist, kann eine Übertragungsstrecke des Signals einige Zentimeter oder sogar einige Meter erreichen. Allerdings verbraucht die Übertragung eines einzelnen Bits in einem optischen Bus mehr Energie. Eine neue Laserquelle kann zwar direkt bis zu 30 × 10⁹ Bits/Sekunde moduliert werden und eine ausreichende Zuverlässigkeit aufweisen, ist jedoch teuer und kann Unsicherheit bringen. Unter anderem gibt es für den optischen Bus kein zuverlässiges und wirtschaftliches Verfahren zur Integration in die Massenproduktion.
Ein Artikel von Satoshi Fukuda et al. mit dem Titel „A 12.5 + 12.5 Gb/s Full – Duplex Plastic Waveguide Interconnect” (ISSCC 2011) führt ein Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem ein. 1 zeigt ein Konstruktionsschema eines Übertragungswellenleiters in dem existierenden Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem. Wie in 1 dargestellt, verwendet der Übertragungswellenleiter Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstante Er = 2,6. Jeder Kunststoffwellenleiter hat eine Breite von 8 mm und eine Dicke von 1,1 mm. Ein Offset bei einer Signalzuführung beträgt 2 mm. Die meisten durch den Kunststoffwellenleiter übertragenen Millimeterwellen sind in dem Kunststoffwellenleiter eingeschlossen. Darüber hinaus setzt das obige Schema die gewöhnlich konfigurierten Schaltungsmodule als HF-Sender/-Empfänger ein und verwendet einen Injection-Locking-Ansatz statt einer Phasenregelschleife mit hoher Leistungsaufnahme, um einen Synchronisationsträger zu generieren.
Allerdings weist das obige Millimeterwellenkommunikationssystem technische Nachteile auf. Erstens gibt es einen Millimeterwellenverlust an einer Außenfläche des Kunststoffwellenleiters, was zum Austreten eines elektrischen Feldes rund um den Kunststoffwellenleiter führt, welches sich auf etwa eine Wellenlänge erstreckt. Um Kopplungen des ausgetretenen elektrischen Feldes zu reduzieren, muss ausreichend Abstand zwischen den Wellenleitern bestehen, was indirekt die Größe der Wellenleiter erhöht und die Anzahl der Wellenleiter verringert. Zweitens tritt an beiden Enden des Wellenleiters eine Millimeterwellenreflexion auf, was zu einem Absinken der Qualität eines übertragenen Signals führt. Drittens weist der Kunststoffwellenleiter einen niedrigen Brechungsindex auf, was zu einer erhöhten charakteristischen Größe eines Signalkanals, einer erhöhten Größe des Wellenleiters und der verringerten Anzahl der Wellenleiter innerhalb eines begrenzten Bereichs führt. Ferner werden eine Mischeinrichtung und ein spannungsgesteuerter Oszillator zum Generieren eines Millimeterwellenträgers mit Schaltungen gebildet, so dass die Leistungsaufnahme und das Rauschen des gesamten Millimeterwellenkommunikationssystems erhöht werden, wobei insbesondere ein Phasenrauschen einer Demodulationsschaltung erhöht wird, was zu einer erhöhten Bitfehlerhäufigkeit führt und indirekt eine Modulationsgeschwindigkeit des übertragenen Signals beeinträchtigt. Alle vier oben genannten technischen Nachteile können die Datenbandbreite beeinträchtigen, den Gesamtdatendurchsatz verringern, wobei sie sich auch nicht an ein System wie z. B. einen Hochleistungscomputer anpassen lassen.
KURZDARSTELLUNG
(1) Zu lösende technische Probleme
Zur Lösung der obigen Probleme stellt die vorliegende Offenbarung ein Millimeterwellenkommunikationssystem zur Verbesserung der Datenbandbreite und des Datendurchsatzes des Kommunikationssystems bereit.
(2) Technische Lösungen
Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem bereitgestellt. Das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem kann eine Taktkomponente und mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle umfassen. Die Taktkomponente ist so konfiguriert, dass jeweils ein Taktsignal für die Sendeseiten und Empfangsseiten der beiden Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle bereitgestellt wird. Jeder Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle kann umfassen: eine Senderkomponente, einen Übertragungswellenleiter und eine Empfängerkomponente. Die Senderkomponente ist so konfiguriert, dass ein Synchronisationsträgersignal einer Sendeseite unter Verwendung eines zu übertragenden Signals so moduliert wird, dass ein Millimeterwellensignal generiert und das Millimetersignal an den Übertragungswellenleiter gekoppelt wird. Die Empfängerkomponente ist so konfiguriert, dass das Millimetersignal, das das zu übertragende Signal trägt, von dem Übertragungswellenleiter detektiert, das Millimetersignal unter Verwendung eines Synchronisationsträgersignals einer Empfangsseite demoduliert und das zu übertragende Signal erhalten wird. Der Übertragungswellenleiter ist zwischen der Senderkomponente und der Empfängerkomponente angeordnet und so konfiguriert, dass ein Kanal für eine Millimeterwellenübertragung bereitgestellt wird. Eine Oberseite, eine Seitenfläche und/oder eine Unterseite des Übertragungswellenleiters ist – mit Ausnahme von aktiven Bauelementen und deren Zubehör– mit einer leitfähigen Metallwand überzogen, um eine elektromagnetische Abschirmung von einem Übertragungswellenleiter in einem benachbarten Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanal zu bilden.
(3) Technische Wirkungen
Das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Offenbarung arbeitet in einem Millimeterwellenfrequenzband, wobei die modulierte Millimeterwelle über den Übertragungswellenleiter übertragen wird. Das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung weist folgende vorteilhafte Wirkungen auf:

(1) Die Oberfläche des Übertragungswellenleiters ist – mit Ausnahme von aktiven Bauelementen und deren Zubehör – mit einer leitfähigen Metallwand überzogen, was zu einer Abschirmung zwischen den Signalkanälen führt. Dies kann ein Übersprechen zwischen den Kanälen bei der Hochgeschwindigkeitskommunikation minimieren.
(2) Auf beiden Seiten des Übertragungswellenleiters ist eine reflexionsunterdrückende Struktur zur Unterdrückung von Millimeterwellenreflexion ausgebildet, was die Qualität eines zu übertragenden Signals verbessert.
(3) Materialien mit einem hohen Brechungsindex wie z. B. Silizium, Keramik usw. werden so konfiguriert, dass der Übertragungswellenleiter hergestellt wird. Auf diese Weise wird eine Wellenlänge eines darin übertragenen Signals kürzer, eine charakteristische Größe eines Signalkanals wird kleiner und ein Integrationsgrad wird höher. Somit können Verbindungsanforderungen wie z. B. eine hohe Dichte und hohe Geschwindigkeit erfüllt werden.
(4) Der globale optische Taktgeber stellt ein Taktsignal bereit, das netzwerkkohärent ist, über eine automatische Frequenznachregelung verfügt sowie ein geringes Phasenrauschen aufweist. Deshalb kann für eine digitale Modulation höherer Ordnung wie z. B. 64-Quadraturamplitudenmodulation (QAM) eine niedrige Bitfehlerhäufigkeit erlangt und somit eine extrem hohe Datenübertragungsrate erreicht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung eines Übertragungswellenleiters in dem herkömmlichen Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem;
2 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung eines Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3A zeigt einen ersten Querschnitt eines Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3B zeigt einen zweiten Querschnitt des Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3C zeigt einen Schnitt von einem Ende des Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung eines globalen optischen Taktgebers in einer Taktkomponente in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
5 zeigt eine schematische Darstellung der Integration des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems gemäß 2 auf einer Plattform eines Prozessors und eines Speichers.
Bezugszeichenliste

100: Übertragungswellenleiter;
100a, 100b und 100c: Oberseite, Unterseite und Seitenfläche des Übertragungswellenleiters;
100d: Endfläche des Wellenleiters;
110: reflexionsunterdrückende Struktur;
210: Millimeterwellensender;
220: Signalübertragungsantenne;
221: leitfähiger Teil der Signalübertragungsantenne;
222: isolierender Teil der Signalübertragungsantenne;
310: Millimeterwellenempfänger;
320: Signalempfangsantenne;
321: leitfähiger Teil der Signalempfangsantenne;
322: isolierender Teil der Signalempfangsantenne;
400: Taktsystem
410: globaler optischer Taktgeber
411: optische Eingangsfaser;
412: ein erster Satz Eingangskopplungsprismen;
413: Polarisator;
414: gyrotropischer Kristall;
415: moduliertes Signal;
416: Referenzspannungsquelle;
417: Polarisator mit einer 90-Grad-Polarisation in Bezug auf 403;
418: ein zweiter Satz Ausgangskopplungsprismen;
419: optische Ausgangsfaser;
420: optische Faser;
430: optischer Detektor der Sendeseite;
440: optischer Detektor der Empfangsseite;
510: 3D-Stapelspeicher-Schaltung;
520: elektrische Signalleitung;
530: vertikale leitfähige Struktur;
540: Synchronisationsträgersignal der Sendeseite;
550: Synchronisationsträgersignal der Empfangsseite;
560: Prozessorschaltung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die Aufgaben, die technischen Lösungen und die Vorteile der vorliegenden Offenbarung besser zu verdeutlichen, werden weitere detaillierte Beschreibungen in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren gegeben. Zwar werden hier möglicherweise Beispiele für Parameter, die spezifische Werte enthalten, angeführt, es versteht sich jedoch, dass die Parameter nicht unbedingt exakt mit den entsprechenden Werten übereinstimmen müssen, sondern sich den Werten in einem akzeptablen Fehlerbereich oder innerhalb akzeptabler konstruktiver Beschränkungen nähern können.
In dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ist an einer Oberfläche des Wellenleiters eine leitfähige Wand zur Vermeidung eines Millimeterwellenlecks und zur Reduzierung von Kopplungen eines ausgetretenen elektrischen Feldes ausgebildet. An einer Endfläche des Wellenleiters ist eine Struktur zur Verhinderung von Millimeterwellenreflexion ausgeführt, wodurch die Qualität einer Signalübertragung verbessert wird. Zur Verbesserung der Integration des Übertragungswellenleiters wird ein Wellenleiter aus Silizium verwendet. Des Weiteren kann ein globaler optischer Taktgeber eine Senderkomponente und Empfängerkomponente an jedem Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle mit einem lokalen Taktsignal bereitstellen, welches kohärent ist sowie über eine automatische Frequenz- und Phasennachregelung verfügt. Das vom globalen optischen Taktgeber bereitgestellte lokale Taktsignal weist ein geringes Phasenrauschen für eine Modulation höherer Ordnung und eine geringere Bitfehlerhäufigkeit auf, was zu einer hohen Datenübertragungsrate führt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird ein Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem bereitgestellt. 2 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung für das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 2 dargestellt, kann das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem eine Taktkomponente und mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle (drei Sätze, wie in 2 veranschaulicht, und allgemein zehn bis fünfzig Sätze in konkreten Anwendungen) umfassen. Jeder Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle kann eine Senderkomponente, einen Übertragungswellenleiter und eine Empfängerkomponente umfassen.
Die Taktkomponente ist zur Bereitstellung eines Synchronisationsträgers für die Senderkomponente und die Empfängerkomponente in jedem Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle vorgesehen. In einer bevorzugten technischen Lösung der vorliegenden Offenbarung kann die Taktkomponente Folgendes umfassen: einen globalen optischen Taktgeber 410, einen Lichtwellenleiter 420, einen optischen Detektor 430 der Sendeseite und einen optischen Detektor 440 der Empfangsseite. Ein vom globalen optischen Taktgeber 410 generiertes optisches Taktsignal wird durch den Lichtwellenleiter 420 zu den optischen Detektoren 430 und 440 übertragen, welche auf der Sendeseite und der Empfangsseite angeordnet sind. In den optischen Detektoren 430 und 440 wird das optische Taktsignal in ein elektrisches Taktsignal umgewandelt und anschließend an einen Millimeterwellensender/-empfänger in jedem Millimeter-Empfangs-/Sendekanal verteilt. Zur besseren Veranschaulichung wird das elektrische Taktsignal durch gestrichelte Linien und das optische Taktsignal durch fette durchgezogene Linien dargestellt. Detaillierte Beschreibungen zu einer spezifischen Struktur des globalen optischen Taktgebers folgen weiter unten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Taktkomponente, welche optische und elektrische Komponenten verbindet, so konfiguriert, dass ein Synchronisationsträger für den Millimeterwellensender und den Millimeterwellenempfänger bereitgestellt wird. Es sollte ersichtlich sein, dass der Synchronisationsträger, wenn eine Bandbreitenforderung nicht hoch ist, in Form nur des elektrischen Taktsignals bereitgestellt werden kann, was die Umsetzung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen würde.
Ein Übertragungswellenleiter 100 ist zwischen einem Satz Millimeterwellensender und einem Satz Millimeterwellenempfänger angeordnet und so konfiguriert, dass ein Kanal für eine Millimeterwellenübertragung bereitgestellt wird. Der zum Übertragen der Millimeterwellen verwendete Übertragungswellenleiter 100 kann entweder aus Silizium oder einem Isolator mit hoher Dielektrizitätskonstante und geringer Permeabilität wie z. B. Al₂O₃, SiO₂, einem organischen Polymer (wie z. B. Lithiumniobat usw.), einem keramischen Material (dessen Hauptbestandteil Al₂O₃ ist, der aber auch eine kleine Menge SiO₂ enthält) usw. hergestellt sein. Vorzugsweise ist der Übertragungswellenleiter aus Silizium hergestellt. Der Millimeterwellen-Übertragungsverlust in Siliziummaterial beträgt etwa 0,1 dB/cm 0,9 dB/cm. Eine so geringe Abschwächungseigenschaft stellt eine optimale Signalübertragungsbedingung in dem Übertragungswellenleiter sicher.
3A zeigt einen ersten Querschnitt eines Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 3B zeigt einen Schnitt von einem Ende des Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 3C zeigt einen zweiten Querschnitt eines Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Querschnitt in 3A und der in 3C sind senkrecht zueinander angeordnet.
Wie in 3A dargestellt, gibt es an beiden Enden des Übertragungswellenleiters eine reflexionsunterdrückende Struktur 110. Die reflexionsunterdrückende Struktur 110 kann eine an den beiden Enden des Übertragungswellenleiters ausgebildete Kegelstruktur sein. Die Kegelstruktur kann die Reflexion von Millimeterwellen unterdrücken. Darüber hinaus kann eine an den beiden Enden des Übertragungswellenleiters angebrachte Schicht aus wellenabsorbierenden Materialien (wie z. B. Gold, Gold, Kupfer, Aluminium usw.) zum Unterdrücken der Millimeterwellenreflexion verwendet werden.
Wie in 3B dargestellt, weist der Übertragungswellenleiter eine Breite, die etwa dem Dreifachen seiner Höhe entspricht, auf. Eine große Anzahl Millimeterwellen-Wellenleiter kann horizontal in einer parallelen Form oder vertikal in einer gestapelten Form, jedoch nicht auf die zur Veranschaulichung dargestellten drei Wellenleiter begrenzt, angeordnet sein. Zudem kann die Form des Millimeterwellen-Wellenleiters halbkreisförmig, halboval, rund oder trapezförmig sein und wird hier nicht detailliert beschrieben.
Wie in 2, 3A, 3B und 3C dargestellt, ist eine Oberseite 100a, eine Seitenfläche 100c und/oder eine Unterseite 100b des Übertragungswellenleiters 100 mit einer Schicht aus einer leitfähigen Metallwand (wie z. B. Gold, Kupfer, Aluminium usw.) überzogen, um eine elektromagnetische Abschirmung zwischen Übertragungswellenleitern zu bilden. Es versteht sich von selbst, dass aktive Bauelemente (zum Beispiel ein Prozessor oder ein Speicher wie in 5 dargestellt oder ein sonstiger aktiver Chip, der eine Signalübertragung erfordert) und deren Zubehör nicht mit der leitfähigen Metallwand überzogen werden können, um eine Beeinträchtigung der von den aktiven Bauelementen generierten Signale zu vermeiden. Im Allgemeinen kann entsprechend den Prozessbedingungen der Montagevorrichtungen ein Intervall eines die leitfähige Wand verwendenden Rechteckwellenleiters auf 10 Mikrometer oder weniger reduziert werden. Darüber hinaus ist es, wenn der Übertragungswellenleiter aus organischen Polymerwerkstoffen hergestellt ist, erforderlich, eine Temperatur zur Bildung der leitfähigen Metallwand entsprechend zu steuern, so dass die leitfähige Metallwand gebildet wird, ohne die Struktur des Übertragungswellenleiters zu zerstören.
Die Senderkomponente ist so konfiguriert, dass ein Synchronisationsträgersignal 540 unter Verwendung des zu übertragenden Signals so moduliert wird, dass ein Millimeterwellensignal generiert und das Millimeterwellensignal an den Übertragungswellenleiter 100 übertragen wird. Der Satz Millimeterwellensender kann einen Millimeterwellensender 210 und eine Signalübertragungsantenne 220 umfassen.
Die Empfängerkomponente ist so konfiguriert, dass ein ein Signal tragendes Millimeterwellensignal von dem Übertragungswellenleiter 100 detektiert und das Millimeterwellensignal unter Verwendung eines Synchronisationsträgersignals 550 der Empfangsseite so demoduliert wird, dass das zu übertragende Signal erhalten wird. Der Satz Millimeterwellenempfänger kann eine Signalempfangsantenne 310 und einen Millimeterwellenempfänger 320 umfassen.
Im Allgemeinen können die Signalübertragungsantenne 220 und die Signalempfangsantenne 310 in den Übertragungswellenleiter sowie der Millimeterwellensender 210 und der Millimeterwellenempfänger 310 an dem oder in den Übertragungswellenleiter auf verschiedene Weisen integriert werden, wie z. B. durch ein Flip-Chip-Bonding, bei dem die Senderkomponente/Empfängerkomponente durch einen Reflow-Prozess so an die obere Fläche des Übertragungswellenleiters geschweißt wird, dass ein elektrischer Kontakt gebildet wird. Darüber hinaus ist dem Fachmann im Bereich Millimeterwellen-Silizium-HF gut bekannt, dass der Millimeterwellensender 210 und der Millimeterwellenempfänger 310 mittels eines CMOS-Prozesses in den Übertragungswellenleiter integriert werden können. So führt zum Beispiel ein Artikel von Kenichi Okada et al. mit dem Titel „A 60 GHZ 16 QAM/8 PSK/QPSKNPSK, Direct – Conversion Transceiver for IEEE 802.15.3 c” (ISSCC, Seite 160, März 2011) eine Wirkungsweise eines Silizium-CMOS in einem Amplituden- und Phasenmodulationssystem ein, das bei einer Frequenz von 60 GHz arbeitet. Der Einfachheit halber werden die Beschreibungen anhand eines Beispiels gegeben, bei dem die Senderkomponente 210 und die Empfängerkomponente mittels des CMOS-Prozesses in den Übertragungswellenleiter integriert werden.
Wie in 3A und 3B dargestellt, werden der Millimeterwellensender 210 und die Signalübertragungsantenne 220 sowie die Signalempfangsantenne 320 und der Millimeterwellenempfänger 310 direkt an dem Wellenleiter integriert. Die Signalübertragungsantenne 220 kann Folgendes umfassen: einen leitfähigen Teil 221, welcher in den Übertragungswellenleiter integriert und so konfiguriert ist, dass das Millimeterwellensignal an den Übertragungswellenleiter 100 übertragen wird; und einen isolierenden Teil 222, welcher an einem Umfang des leitfähigen Teils 221 der Signalübertragungsantenne angeordnet und so konfiguriert ist, dass eine elektrische Isolation zwischen dem leitfähigen Teil 221 der Signalübertragungsantenne und dem Übertragungswellenleiter 100 implementiert wird. Auf ähnliche Weise kann die Signalempfangsantenne 320 Folgendes umfassen: einen leitfähigen Teil 321, welcher in den Übertragungswellenleiter integriert und so konfiguriert ist, dass das Millimeterwellensignal von dem Übertragungswellenleiter 100 detektiert wird; und einen isolierenden Teil 322, welcher an einem Umfang des leitfähigen Teils 321 der Signalempfangsantenne angeordnet und so konfiguriert ist, dass eine elektrische Isolation zwischen dem leitfähigen Teil 321 der Signalempfangsantenne und dem Übertragungswellenleiter 100 implementiert wird.
Die Übertragung und Detektion von Millimeterwellen in dem Übertragungswellenleiter kann auf verschiedene Weisen umgesetzt werden, welche dem Fachmann bekannt sind. Auf dem Gebiet der Signalkopplung sind Ansätze mit einer Koaxialsondenantenne, Monopolantennenstruktur und Dipolantennenstruktur gut bekannt. Die Koaxialsondenantenne kann ein Millimeterwellensignal direkt durch einen ohmschen Kontakt in einen Übertragungswellenleiter einspeisen, zum Beispiel Übertragung der Millimeterwelle in einen Mikrostreifen. Ein kürzlich veröffentlichter Artikel von John Papapolymerou et al. mit dem Titel „Design and Characterization of a W – Band Micromachined Cavity Filter o a will be Integrated the Transition From CPW bean Lines” (IEEE Transactions and Microwave and Microwave Theory and Techniques, Band 55, Nr. 12, Seite 2902, Dez. 2007) ist ein typisches Beispiel für die Übertragung und Detektion von Millimeterwellen unter Verwendung einer Koaxialsonde. Die Monopolantennenstruktur oder Dipolantennenstruktur wird zum Einspeisen einer elektromagnetischen Welle in einen Übertragungswellenleiter verwendet. Anschließend wird die Übertragung der elektromagnetischen Welle auf einen Größenbereich des Wellenleiters begrenzt. Ein Artikel von Satoshi Fukuda et al. (IEEE International Solid – State Circuits Conference, Seite 150, März 2011) führt eine Antennenstruktur ein, die in einen aus Polystyrolwerkstoffen hergestellten Millimeterwellen-Wellenleiter eingebettet ist.
In der Taktkomponente wird das Synchronisationsträgersignal vorzugsweise durch Kombinieren der optischen Weise und der elektrischen Weise bereitgestellt. Ein Mangel einer hohen Bitfehlerhäufigkeit kann mittels des globalen optischen Taktgebers angegangen werden. Der globale optische Taktgeber kann den Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanal mit einem lokalen elektrischen Taktsignal mit starker Kohärenz und geringem Phasenrauschen versorgen. Es gibt viele Möglichkeiten, den globalen optischen Taktgeber zu erreichen. 4 zeigt eine schematische strukturelle Ansicht eines globalen optischen Taktgebers in einer Taktkomponente in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 4 dargestellt, kann der globale optische Taktgeber Folgendes beinhalten: einen Eingangslichtwellenleiter 411, der so konfiguriert ist, dass kontinuierliche optische Signale eingehen; einen ersten Satz Kopplungsprismen 412, der so konfiguriert ist, dass ein über den Eingangslichtwellenleiter 411 eingehendes optisches Signal auf einen Polarisator 413 projiziert wird; den Polarisator 413, der so konfiguriert ist, dass optische Signale in anderen Polarisationsrichtungen als einer voreingestellten Polarisationsrichtung so herausgefiltert werden, dass die kontinuierlichen optischen Signale in kontinuierliche polarisierte optische Signale umgewandelt werden; einen gyrotropischen Kristall 414, der hinter dem Polarisator 413 entlang eines Strahlengangs angeordnet und so konfiguriert ist, dass unter einem Steuersignal einer gyrotropischen Steuereinheit 415 die kontinuierlichen polarisierten optischen Signale in polarisierte Puls-Signale umgewandelt werden und die Polarisationsrichtung der polarisierten optischen Signale um 90 Grad umgelenkt wird; die gyrotropische Steuereinheit 415, die so konfiguriert ist, dass ein Steuersignal für den gyrotropischen Kristall bereitgestellt wird; eine Referenzspannungsquelle 416, die so konfiguriert ist, dass eine für den Betrieb des gyrotropischen Kristalls erforderliche Stromversorgung bereitgestellt wird; einen Polarisator 417, der hinter dem gyrotropischen Kristall 414 entlang des Strahlengangs angeordnet und so konfiguriert ist, dass er nur ein polarisiertes Licht mit 90 Grad in Bezug auf eine Polarisationsrichtung des Polarisators 413 passieren lässt; einen zweiten Satz Kopplungsprismen 418, der so konfiguriert ist, dass von dem Polarisator 417 ausgegebene optische Signale in einen Ausgangslichtwellenleiter 419 projiziert werden; und den Lichtwellenleiter 419, der so konfiguriert ist, dass das optische Synchronisationstaktsignal als die optischen Signale ausgegeben wird.
Darüber hinaus kann ein optisches Taktsignal durch Anwendung folgender Ansätze generiert werden: (1) Verwendung eines optischen Signals und eines externen Mach-Zehnder-Interferometers; (2) direktes Modulieren eines positiven Vorstroms eines Halbleiterlasers; und (3) Modulieren einer Lichtübertragungsphase in dem gyrotropischen Kristall unter Verwendung eines Polarisators usw. Die Prinzipien und spezifischen Strukturen von derartigen globalen optischen Taktgebern sind dem Fachmann gut bekannt und werden nicht im Einzelnen beschrieben. Die bekannten Komponenten werden als der Lichtwellenleiter 420, der optische Detektor 430 der Sendeseite und der optische Detektor 440 der Empfangsseite angewendet, wobei es dafür keine detaillierte Beschreibung gibt.
Die Netzwerkkohärenz und die automatische Frequenznachregelung, die die Anzahl der Komponenten in der Schaltung verringert sowie die Leistungsaufnahme und das Phasenrauschen reduziert, werden mit dem globalen optischen Taktgeber erreicht. In einigen Anwendungen entspricht die Leistungsaufnahme des Systems der des Kupferbusses oder ist sogar noch niedriger. Das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem kann in Daten-„Speicherung” und -„Abruf” zwischen einem Hauptspeicher und einem Prozessor angewendet werden. Ein Hauptmerkmal eines Millimeterwellenbusses besteht darin, dass er die weit verbreiteten optischen Taktgeber verwendet, um die HF-Schaltanordnung zu vereinfachen. Zudem kann dies eine Modulation hoher Ordnung mit einem Taktsignal mit geringem Phasenrauschen bereitstellen, so dass eine Übertragungsrate eines Symbols 10 × 10⁹ Symbole pro Sekunde übersteigt, wenn die Bitfehlerhäufigkeit niedriger als 10^–12/s ist, wobei jedes Symbol Informationen von 4 oder 6 Bits tragen kann. Es kann ein Kodier-/Dekodierschema wie z. B. die Phasenumtastung (Phase Shift Keying, PSK) und Quadraturamplitudenmodulation (QAM) konfiguriert werden, um eine Kodierung von mehreren Bits pro Symbol durchzuführen. Die Symbolmodulation hoher Ordnung und die niedrige Bitfehlerhäufigkeit bedeuten ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (S/R) und das geringe Phasenrauschen.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Integration des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems gemäß 2 auf einer Plattform eines Prozessors und eines Speichers. Wie in 5 dargestellt, wird der Übertragungswellenleiter 100 für die Millimeterwellenübertragung bereitgestellt und ist eine Verbindungsleitung zur Neuverteilung so konfiguriert, dass ein Prozessor 560 und ein 3D-Stapelspeicher 510 verbunden werden. Die 3D-Stapelspeicher-Schaltung 510 ist an den Millimeterwellensender 210 angeschlossen. Der Millimeterwellensender 210 und der Millimeterwellenempfänger 310 führen eine Datenübertragung durch den Übertragungswellenleiter 100 aus. Der Millimeterwellenempfänger 310 ist an den Prozessor 560 angeschlossen. Zusätzlich zeigt 5 eine vertikale leitfähige Struktur 530, welche Daten durch eine Siliziumplattform überträgt. Elektrische Signalleitungen 520 stellen elektrische Anschlüsse von dem Speicher 510 zu dem Millimeterwellensender 210 oder von dem Millimeterwellenempfänger 310 zu dem Prozessor 560 dar.

Für einen geschlossenen Prozessorchip mit einer Länge einer Seite in der Größenordnung von Zentimetern, kann ein Millimeterwellenkanal eine Breite von 4 cm aufweisen und können nebeneinander angeordnete Übertragungswellenleiter bis zu 100 Sätze, vorzugsweise 100, 80, 75, 45, 30, 50, 60, 10, 5 oder 2 Sätze erreichen. Tabelle 1 ist eine Tabelle von Abmessungen des Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem, welches erreicht wurde. Tabelle 1: Verschiedene Abmessungen eines Übertragungswellenleiters in dem Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem

Seriennummer des Wellenleiters	Seitenlänge des Prozessors	Wellenleiterintervall	Breite des Wellenleiters	Höhe des Wellenleiters	Anzahl der Wellenleiter
1	4 cm	0,1 mm	0,1 mm	0,05 mm	> 50
2	4 cm	0,1 mm	0,8 mm	0,2 mm	> 40
3	4 cm	0,1 mm	1 mm	0,2 mm	> 30
4	4 cm	0,1 mm	2 mm	0,4 mm	> 15

Der Durchsatz des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems hängt von der Anzahl der Kanäle in dem Bus und vom Durchsatz der einzelnen Kanäle ab. Für das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem der vorliegenden Offenbarung kann eine Bandbreite eines einzelnen Kanals über 40 Gb/s betragen, was etwa das 2,5-Fache der Bandbreite des bisher besten Kupferbusses ist. Für einen einzelnen Chip kann der Datendurchsatz bis zu Dutzende Tb/s erreichen.
Die vorliegende Offenbarung kann als Datenübertragungsbus zwischen einem Prozessor und einem Speicher fungieren. Eine Struktur des Busses ist aus einem Wellenleiterarray gebildet. Eine digital kodierte Millimeterwelle wird durch den Wellenleiterarray übertragen. Darüber hinaus können einige Systeme in einem Hochleistungssystem durch die Einführung der Lösung eines „komplett aus Silizium bestehenden Datenbusses” diese Art von Busschnittstelle beim Konzipieren erhalten, so dass ein kleines standardisiertes Rechenmodul auf das Hochleistungssystem zugreifen kann. Dann kann ein solches Rechenmodul universal werden.
Die vorstehenden spezifischen Ausführungsformen geben detaillierte Erläuterungen zu den Aufgaben, technischen Lösungen und vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass die obigen Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung zur Verfügung gestellt werden, statt die vorliegende Erfindung zu begrenzen. An den Lösungen der vorliegenden Erfindung können beliebige Modifizierungen oder äquivalente Alternativen oder Verbesserungen durchgeführt werden, ohne vom Geist und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzurücken.

Claims

Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem, umfassend eine Taktkomponente und mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle, wobei die Taktkomponente so konfiguriert ist, dass ein Synchronisationsträgersignal jeweils für Sendeseiten und Empfangsseiten der mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle bereitgestellt wird; und jeder Satz Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanäle Folgendes umfasst: eine Senderkomponente, einen Übertragungswellenleiter und eine Empfängerkomponente, wobei: die Senderkomponente so konfiguriert ist, dass ein Synchronisationsträgersignal einer Sendeseite unter Verwendung eines zu übertragenden Signals so moduliert wird, dass ein Millimeterwellensignal generiert, und dass das Millimetersignal an den Übertragungswellenleiter gekoppelt wird; die Empfängerkomponente so konfiguriert ist, dass das zu übertragende Signal tragende Millimetersignal von dem Übertragungswellenleiter detektiert, das Millimetersignal unter Verwendung eines Synchronisationsträgersignals einer Empfangsseite demoduliert und das zu übertragende Signal erhalten wird; der Übertragungswellenleiter zwischen der Senderkomponente und der Empfängerkomponente angeordnet und so konfiguriert ist, dass ein Kanal für eine Millimeterwellenübertragung bereitgestellt wird; wobei eine Oberseite, eine Seitenfläche und/oder eine Unterseite des Übertragungswellenleiters – mit Ausnahme von aktiven Bauelementen und deren Zubehör – mit einer leitfähigen Metallwand überzogen ist, um eine elektromagnetische Abschirmung von einem Übertragungswellenleiter in einem benachbarten Millimeterwellen-Empfangs-/Sendekanal zu bilden.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Metallwand aus Gold, Kupfer oder Aluminium hergestellt ist.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei eine oder beide Endflächen des Übertragungswellenleiters eine reflexionsunterdrückende Struktur zum Unterdrücken der Millimeterwellenreflexion innerhalb des Übertragungswellenleiters umfassen.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 3, wobei die Reflexionsunterdrückungsstruktur: eine wellenabsorbierende Schicht; oder eine Kegelstruktur ist, die ein Ende aufweist, das zu einem fernen Ende des Übertragungswellenleiters gerichtet ist.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Metallwand aus Si, AL₂O₃ oder SiO₂ hergestellt ist.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 5, wobei der Übertragungswellenleiter ein Rechteckwellenleiter ist, der eine Breite zwischen 0,1 mm und 2 mm aufweist, was dem Zwei- bis Fünffachen seiner Höhe entspricht.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei die Taktkomponente Folgendes umfasst: einen globalen optischen Taktgeber, der so konfiguriert ist, dass ein optisches Synchronisationstaktsignal generiert und das optische Synchronisationstaktsignal über eine optische Faser jeweils an die Sendeseiten und die Empfangsseiten des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems übertragen wird; einen optischen Detektor der Sendeseite, der an den Sendeseiten des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems angeordnet und so konfiguriert ist, dass ein Synchronisationsträgersignal in Form eines elektrischen Signals unter Verwendung des optischen Synchronisationstaktsignals generiert und das Synchronisationsträgersignal an die Senderkomponente der mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle übertragen wird; und einen optischen Detektor der Empfangsseite, der an den Empfangsseiten des Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystems angeordnet und so konfiguriert ist, dass ein Synchronisationsträgersignal in Form eines elektrischen Signals unter Verwendung des optischen Synchronisationstaktsignals generiert und das Synchronisationsträgersignal an die Empfängerkomponente der mindestens zwei Sätze Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle übertragen wird.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 7, wobei der globale optische Taktgeber Folgendes umfasst: eine optische Eingangsfaser, die so konfiguriert ist, dass kontinuierliche optische Signale eingehen; einen ersten Satz Kopplungsprismen, der im Strahlengang hinter der optischen Eingangsfaser angeordnet und so konfiguriert ist, dass ein über die optische Eingangsfaser eingehendes optisches Signal auf einen Polarisator projiziert wird; den Polarisator, der hinter dem ersten Satz Kopplungsprismen in einem Strahlengang angeordnet und so konfiguriert ist, dass optische Signale mit anderen Polarisationsrichtungen als einer voreingestellten Polarisationsrichtung so herausgefiltert werden, dass die kontinuierlichen optischen Signale in kontinuierliche polarisierte optische Signale umgewandelt werden; einen gyrotropischen Kristall, der hinter dem Polarisator entlang des Strahlengangs angeordnet und so konfiguriert ist, dass die kontinuierlichen polarisierten optischen Signale in gepulste polarisierte optische Signale umgewandelt werden und eine Polarisationsrichtung der polarisierten optischen Signale um 90 Grad umgelenkt wird; einen Polarisator, der hinter dem gyrotropischen Kristall in dem Strahlengang angeordnet und so konfiguriert ist, dass anderes Licht als das polarisierte Licht des Polarisators, welches eine Polarisationsrichtung von 90 Grad aufweist, herausgefiltert wird; einen zweiten Satz Kopplungsprismen, der so konfiguriert ist, dass von dem Polarisator ausgegebene optische Signale auf eine optische Ausgangsfaser projiziert werden; und die optische Faser, die so konfiguriert ist, dass die optischen Signale als das optische Synchronisationstaktsignal ausgegeben werden.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Senderkomponente einen Millimeterwellensender und eine Signalübertragungsantenne umfasst, wobei der Millimeterwellensender so konfiguriert ist, dass das Synchronisationsträgersignal der Sendeseite unter Verwendung des zu übertragenden Signals so moduliert wird, dass ein Millimeterwellensignal generiert wird; wobei die Signalübertragungsantenne an den Millimeterwellensender angeschlossen und so konfiguriert ist, dass das Millimeterwellensignal an den Übertragungswellenleiter gekoppelt wird; und die Empfängerkomponente eine Signalempfangsantenne und einen Millimeterwellenempfänger umfasst, wobei die Signalempfangsantenne so konfiguriert ist, dass das ein Signal tragende Millimetersignal von dem Übertragungswellenleiter detektiert wird; wobei der Millimeterwellenempfänger so konfiguriert ist, dass das Millimeterwellensignal unter Verwendung des Synchronisationsträgersignals der Empfangsseite so demoduliert wird, dass das zu übertragende Signal erhalten wird.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 9, wobei die Signalübertragungsantenne und die Signalempfangsantenne in den Übertragungswellenleiter integriert sind; und die Senderkomponente und die Empfängerkomponente mit einem Flip-Chip-Bonding-Prozess an dem Übertragungswellenleiter integriert oder mit einem CMOS-Prozess in den Übertragungswellenleiter integriert sind.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei die Signalübertragungsantenne Folgendes umfasst: einen ersten leitfähigen Teil, der so konfiguriert ist, dass das Millimeterwellensignal in den Übertragungswellenleiter gekoppelt wird; und einen ersten isolierenden Teil, der an einem Umfang des ersten leitfähigen Teils angeordnet und so konfiguriert ist, dass eine elektrische Isolation zwischen dem ersten leitfähigen Teil und dem Übertragungswellenleiter implementiert wird; und die Signalempfangsantenne Folgendes umfasst: einen zweiten leitfähigen Teil, der so konfiguriert ist, dass das ein Signal tragende Millimeterwellensignal von dem Übertragungswellenleiter detektiert wird; und einen zweiten isolierenden Teil, der am Umfang des zweiten leitfähigen Teils angeordnet und so konfiguriert ist, dass eine elektrische Isolation zwischen dem zweiten leitfähigen Teil und dem Übertragungswellenleiter implementiert wird.
Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Millimeterwellen-Wellenleiter-Kommunikationssystem 2–100 Millimeterwellen-Empfangs-/Übertragungskanäle für eine Datenübertragung zwischen einem Prozessor und einem Speicher umfasst.