CN118043711A - 微型led并行光学互连 - Google Patents
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Abstract
并行光学互连可用于传输由集成电路产生的信号。并行光学互连可呈多芯光纤及光学连接第一光学收发器阵列及第二光学收发器阵列的一或多个光学耦合组合件的形式。所述多芯光纤可具有多个光纤元件，其中每一光纤元件具有由包层包围的芯，且所述一或多个光学耦合组合件可具有折射及/或反射元件。以此方式，由一个收发器阵列产生的光可通过所述多芯光纤传输且由另一收发器阵列接收。
Description
背景技术
计算及网络性能要求似乎日益提高。推动这些要求的主要应用包含数据中心服务器、高性能计算集群、人工神经网络及网络交换机。
几十年来，由晶体管尺寸缩小结合裸片大小增大推动集成电路(IC)性能及成本的显著改进，其在著名的摩尔定律中总结。数十亿的晶体管计数已允许将以前分散遍及多个集成电路的功能合并到单个片上***(SoC)上。然而，摩尔定律似乎正在达到其极限，因为将特征大小缩小到10nm以下导致边际性能收益下降，以及良率下降及每个晶体管的成本增加。
除这些限制之外，单个集成电路可仅含有这么多功能，且所述功能受限，因为集成电路的工艺无法同时针对不同功能(例如逻辑、DRAM及I/O)进行优化。***性能的改进日益依赖于在多个集成电路之间实施超高带宽互连。
不幸的是，与片上连接相比，当今芯片到芯片连接通常密度低得多且需要大得多的功率(例如归一化为每位能量)。这些IC间连接目前严重限制***性能。具体来说，互连的功率、密度、延时及距离限制与期望相差甚远。
非常期望在多个性能方面提供显著改进的新互连技术。众所周知，即使对于<<1米的相对较短互连，光学互连也可比电互连具有根本优势。不幸的是，用于IC间连接的光学互连的实施方案可面临许多问题。这些问题中包含将光从一个集成电路耦合到另一集成电路。用于衬底或电路板级IC间通信的电互连技术可相对发展良好。对于用于IC间通信的光学互连技术来说，尤其是对于优选地不负面影响现有电互连模式的高吞吐量应用来说，情况可能并非如此。
发明内容
根据本发明的方面的一些实施例包含用于光学耦合集成电路的并行光学互连组合件，其包括：第一光学收发器阵列，其具有多个光学发射器；所述多个光学发射器各自具有连接到微型LED的驱动电路；多芯光纤，其经配置以传输由所述多个光学发射器的每一微型LED射出的光；第一光学耦合组合件，其用于将光耦合到所述多芯光纤的第一端，所述第一光学耦合组合件具有与所述第一光学收发器阵列分开等于第一折射透镜的第一焦距的第一距离的所述第一折射透镜，与所述多芯光纤的第一端分开等于第二折射透镜的第二焦距的第二距离的所述第二折射透镜，其中所述第一及第二折射透镜彼此分开等于所述第一距离及所述第二距离的组合的第三距离；第二光学收发器阵列，其具有多个光学接收器；所述多个光学接收器中的每一者具有连接到接收器电路的光电检测器；及第二光学耦合组合件，其具有经配置以将从所述多芯光纤的第二端传输的光引导到所述多个光学接收器的每一光电检测器的一或多个折射收集器。
在一些实施例中，所述第一光学耦合组合件进一步包括位于所述第一光学收发器阵列与所述第一折射透镜之间的反射元件。
在一些实施例中，所述反射元件是相对于所述多个光学发射器的每一微型LED的法线轴成45度定向的旋转镜。
在一些实施例中，所述多芯光纤包括由接头接合的至少两个段。
在一些实施例中，所述接头包括光学连接器及连接器套管。
在一些实施例中，所述多个光学接收器的每一光电检测器单片集成在集成电路上。
在一些实施例中，所述多个光学接收器的每一光电检测器接合到集成电路。
在一些实施例中，所述多芯光纤包括一束多个光纤元件，每一光纤元件具有由包层包围的芯。
在一些实施例中，所述多芯光纤包括一束多个光纤元件，每一光纤元件具有由同心包层包围的芯。在一些此类实施例中，所述多个光纤元件之间的空间含有填充材料。在一些此类实施例中，所述多个光纤元件之间的空间是空的。
在一些实施例中，所述多个光学发射器的每一微型LED耦合到所述多芯光纤的多个芯。
在一些实施例中，所述多个光学发射器的每一微型LED耦合到所述多芯光纤的单个芯。
附图说明
图1是根据本发明的方面的并行光学互连的组件的框图。
图2A是根据本发明的方面的接收器元件的不同组件的框图。
图2B是根据本发明的方面的发射器元件的不同组件的框图。
图3A展示根据本发明的方面的与集成电路集成的微型LED及光电检测器的实例。
图3B展示根据本发明的方面的与集成电路集成的微型LED及光电检测器的另一实例。
图4展示根据本发明的方面的具有通过接头结合的多个多芯光纤的并行光学互连。
图5展示根据本发明的方面的多芯光纤的横截面图以及替代分解图。
图6展示根据本发明的方面的多芯光纤的光纤元件。
图7A到B展示根据本发明的方面的多芯光纤的不同封装布置。
图8A到B展示根据本发明的方面的光学分配通道与多芯光纤的芯的关系。
图9A到B展示根据本发明的方面的如由光学收集器元件引导的由微型LED射出的光的实例。
图10A到B展示根据本发明的方面的如由光学收集器元件引导的由光电检测器接收的光的实例。
图11展示根据本发明的方面的光学耦合组合件，其具有光学耦合收发器阵列及多芯光纤的反射镜及透镜。
图12展示根据本发明的方面的光学耦合组合件的光学间距的实例。
具体实施方式
图1展示并行光学互连100的不同组件。在一些实施例中，并行光学互连包括：第一光学收发器阵列101a，其中收发器阵列包括多个光学发射器107及光学接收器105，其中每一光学发射器包括微型发光二极管(微型LED)；光学耦合组合件103a，其在第一光学收发器阵列与多芯光纤109的第一端之间耦合光；多芯光纤；第二光学收发器阵列101b，其与第一光学收发器阵列相同或类似；及第二光学耦合组合件103b，其与第一光学耦合组合件相同或类似，其在第二光学收发器阵列与多芯光纤的第二端之间耦合光(图1)。并行光学互连包括多个“通道”111，其中每一通道包括一个收发器阵列中的一个发射器，其输出光经由耦合光学器件及多芯光纤中继到另一收发器阵列中的接收器。在一些实施例中，并行光学互连包括32到1024个通道。在一些实施例中，每一并行光学互连通道具有在1Gbps到10Gbps的范围内的吞吐量。
图2A展示接收器元件的不同组件的框图。在一些实施例中，光学收发器阵列中的每一接收器105包括收集器光学器件201、光电检测器203及接收器电路205。收集器光学器件可收集光或将光引导到光电检测器，且接收器电路可放大且在一些实施例中以其它方式处理由光电检测器产生的电信号。图2B展示发射器元件的不同组件的框图。在一些实施例中，光学收发器阵列中的每一发射器107包括驱动电路207、微型LED 209及光学收集器211，其中微型LED的输出光功率由驱动电路基于到驱动电路的电输入信号进行调制。光学收集器可将来自微型LED的光收集或引导到多芯光纤的一或多个光纤。在一些实施例中，微型LED由直接带隙半导体材料的p-n结制成。在一些实施例中，微型LED由GaN制成。在一些实施例中，微型LED由GaAs制成。在一些实施例中，微型LED由InP制成。
在一些实施例中，微型LED与半导体激光器(SL)的区别如下：(1)微型LED不具有光学谐振器结构；(2)来自微型LED的光学输出几乎完全是自发发射，而来自SL的输出主要是受激发射；(3)来自微型LED的光学输出在时间及空间上不相干，而来自SL的输出具有显著时间及空间相干性；(4)微型LED经设计以被驱动低到零最小电流，而SL经设计以被驱动低到最小阈值电流，所述最小阈值电流通常至少为1mA。
在一些实施例中，微型LED与标准LED的区别在于(1)具有小于10μm×10μm的射出区域；(2)经常在顶部及底部表面上具有阴极及阳极触点，而标准LED通常在单个表面上具有正极及负极触点两者；(3)通常用于显示及互连应用的大型阵列中。
在一些实施例中，并行光学互连中使用的每一微型LED用10uA到1mA的范围内的电流驱动。在一些实施例中，由并行光学互连的每一通道消耗的每位能量在0.05pj/位到1pJ/位的范围内。
图3A到B展示与集成电路合并的微型LED 209及光电检测器203的不同实例。在一些实施例中，用于并行光学互连的收发器阵列包括集成电路，微型LED(例如)使用焊料接合或直接金属-金属接合接合到所述集成电路。在一些实施例中，光电检测器经单片集成到集成电路上，如图3A中所展示。在一些实施例中，光电检测器也接合到集成电路，例如使用焊料接合、直接接合或环氧树脂接合，如图3B中所展示。在一些实施例中，集成电路可包括一或多个收发器阵列，且还可包括用于输入/输出(IO)、计算、切换及/或存储器的各种其它电路***。
图4展示并行光学互连收发器组合件400a、b，其具有通过接头结合的多个多芯光纤109。在并行光学互连的一些实施例中，模块400a、b之间的每一光纤连接可包括多个多芯光纤段，例如，一些段通过接头结合，其中两个多芯光纤段之间的每一接头包括端接两个光纤端中的每一者的光学连接器401及准确对准两个光纤端的连接器套筒403。
图5展示多芯光纤109的横截面图。多芯光纤包括多个芯，每一芯的长度由包层包围，其中芯的折射率高于包层的折射率。在一些实施例中，芯的相对位置保持在两个光纤端上，其被称为“相干”多芯光纤。在一些实施例中，每一芯的横截面近似为圆形。在一些实施例中，每一芯的横截面近似为正方形。在一些实施例中，每一芯的横截面近似为六边形。
图5还展示多芯光纤109的不同实例的特写图。在一些实施例中，多芯光纤包括一“束”多个光纤元件，其中每一光纤元件包括芯501。在一些实施例中，每一芯由同心包层503包围，如第一分解横截面b所展示，所述横截面b还展示紧密堆积的芯。在一些实施例中，芯不是紧密堆积的，例如如在第二分解横截面c中所展示。在一些实施例中，光纤元件之间的空间可含有一些填充材料505，而在其它实施例中，光纤元件之间的空间是空的。图6展示多芯光纤的光纤元件603。在一些实施例中，光纤元件仅在光纤的端(也称为光纤束区域601)处彼此附接，且是端之间的未附接“松散”光纤元件。
在一些实施例中，如图5C中所展示，多芯光纤包括由包层包围的多个芯，包层填充芯之间的所有空间。在一些实施例中，芯的直径在25um到50um的范围内。在一些实施例中，芯直径与芯的中心到中心间距的比率＞80％。
图7A到B展示多芯光纤的芯的不同布置。在多芯光纤的一些实施例中，芯定位于规则几何网格上。在一些实施例中，此网格是正方形的，如图7A中所展示。在一些实施例中，芯呈六边形紧密堆积(HCP)配置，使得其位于等边三角形网格上，如图7B中所展示。在一些实施例中，多芯光纤的芯不在规则网格上。
图8A到B展示光学分配通道803及多芯光纤的芯可具有的不同关系。在并行光学互连的一些实施例中，每一发射器耦合到多芯光纤中的单个芯且来自单个芯的光耦合到每一接收器，如图8A中所展示。在并行光学互连的一些实施例中，每一发射器耦合到多芯光纤中的多个芯且来自多个芯的光耦合到每一接收器，如图8B中所展示。
在一些实施例中，芯及包层两者由玻璃，例如SiO2或添加掺杂剂的SiO2制成。在一些实施例中，芯由玻璃制成且包层由聚合物制成。
在一些实施例中，芯及包层两者由聚合物制成；此被称为多芯塑料光纤(MCPOF)。在MCPOF的一些实施例中，芯由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯制成且包层由含氟聚合物制成。
在一些实施例中，多芯光纤对接耦合到收发器阵列。
图9A到B展示由微型LED通过不同类型的光学收集器元件传输的光的实例。在一些实施例中，对于作为发射器的部分的每一射出器存在一个光学收集器元件，其中光学收集器元件将来自射出器的射出光收集到较小角锥中，例如用于耦合到光纤中。在一些实施例中，每一光学收集器元件包括折射元件901，且折射元件可囊封射出器元件209，如图9A中所展示。折射元件可具有近似球形表面，或可具有非球形表面。折射元件具有形状及/或光学性质，使得来自射出器的折射光903被收集到较小角锥中。将光收集到较小锥体中可显著改进到具有有限数值孔径(NA)的光纤芯中的光学耦合效率。
在一些实施例中，每一光学收集器元件包括反射器907，例如，使以相对于射出器的法向轴905的一定角度射出的光被反射成更接近法向轴的角度的近似抛物面反射器，如图9B中所展示。
图10A到B展示由光电检测器通过不同类型的光学收集器元件接收光的实例。在一些实施例中，对于作为接收器的部分的每一检测器203存在一个光学收集器元件，其中光学收集器元件将入射于其上的光收集成较小光斑。通常，光学收集器元件收集来自光纤的光，且将收集的光引导到检测器上。在一些实施例中，每一光学收集器元件包括折射元件901，如图10A中所展示。在一些实施例中，每一光学收集器元件包括反射器907，例如使入射于其上的光被收集到检测器上的近似抛物面反射器，如图10B中所展示。
图11展示光学耦合组合件103，其具有将收发器阵列101连接到多芯光纤109的反射镜及透镜。在一些实施例中，光学耦合组合件夹置于收发器阵列与多芯光纤之间。在一些实施例中，光学组合件包括一或多个折射元件，例如透镜1103a、b及/或一或多个反射元件1101。图11展示包括45°反射镜及两个透镜的光学耦合组合件，其将光学收发器阵列成像到多芯光纤的面上。
在一些实施例中，光学耦合***包括成像***，所述成像***以放大率M将收发器阵列的射出器及检测器元件成像到多芯光纤的面上。在一些实施例中，放大率M＝1。在一些实施例中，放大率M大于1或小于一。
光学耦合***的一些实施例包括单个透镜。光学耦合***的一些实施例包括两个或更多个透镜。光学耦合***的一些实施例包括透镜、平面镜及曲面镜的某种组合。此类***可以一定放大率M将收发器阵列成像到多芯光纤的端面上且可转动角度，例如图11中所展示，其中光束由反射镜转动90°。
图12展示光学耦合***103，其包括分别具有焦距fa及fb的两个透镜1201a、b。具有焦距fa的透镜与收发器阵列分开距离d1，且具有焦距fb的透镜与多芯光纤端面分开距离d3。两个透镜分开距离d2。在“4f”成像配置中，d1＝fa，d2＝fa+fb，且d3＝fb。4f配置具有放大率M＝fb/fa。
在一些实施例中，可改变光学耦合***的放大率M，例如通过改变图12中的d1、d2及d3。可变放大率在组装并行光学互连***的各个部分的过程期间可用，且可用于调整组件差异。例如，如果多芯光纤的直径及/或收发器阵列的宽度显著不同于其标称设计值，那么可调整从收发器阵列到多芯光纤的成像的放大率以考虑此变化，使得每一收发器阵列元件有效地耦合到预期多芯光纤芯。
例如，某些市售塑料多芯光纤具有1.0mm+/-0.06mm的外径公差。通常可制造具有小得多的公差，例如1.0mm+/-0.005mm的收发器阵列。标称放大率规格可为M＝1，对应于标称多芯光纤及收发器阵列直径两者为1.0mm的事实。
最坏情况是最小直径收发器阵列成像到最大直径光纤，且最大直径收发器阵列成像到最小直径光纤。如果放大率可在Mmin＝(0.94/1.005)＝0.935到Mmax＝(1.06/0.995)＝1.065的范围内调整，那么可适应这些直径变化。以这些适度量(＜10％)改变4f成像***的M通常需要以相当百分比改变d1、d2及d3。可用机器视觉***实时测量M且可使用简单算法来改变d1、d2及d3以达到M的目标值。
尽管已关于各种实施例讨论本发明，但应认识到本发明包括由本公开支持的新颖且非显而易见的权利要求。
Claims (13)
1.一种用于光学耦合集成电路的并行光学互连组合件，其包括：
第一光学收发器阵列，其具有多个光学发射器；
所述多个光学发射器各自具有连接到微型LED的驱动电路；
多芯光纤，其经配置以传输由所述多个光学发射器的每一微型LED射出的光；
第一光学耦合组合件，其用于将光耦合到所述多芯光纤的第一端，所述第一光学耦合组合件具有与所述第一光学收发器阵列分开等于第一折射透镜的第一焦距的第一距离的所述第一折射透镜，与所述多芯光纤的第一端分开等于第二折射透镜的第二焦距的第二距离的所述第二折射透镜，其中所述第一及第二折射透镜彼此分开等于所述第一距离及所述第二距离的组合的第三距离；
第二光学收发器阵列，其具有多个光学接收器；
所述多个光学接收器中的每一者具有连接到接收器电路的光电检测器；及
第二光学耦合组合件，其具有经配置以将从所述多芯光纤的第二端传输的光引导到所述多个光学接收器的每一光电检测器的一或多个折射收集器。
2.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述第一光学耦合组合件进一步包括位于所述第一光学收发器阵列与所述第一折射透镜之间的反射元件。
3.根据权利要求2所述的并行光学互连组合件，其中所述反射元件是相对于所述多个光学发射器的每一微型LED的法线轴成45度定向的旋转镜。
4.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多芯光纤包括由接头接合的至少两个段。
5.根据权利要求4所述的并行光学互连组合件，其中所述接头包括光学连接器及连接器套管。
6.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光学接收器的每一光检测器单片集成在集成电路上。
7.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光学接收器的每一光检测器接合到集成电路。
8.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多芯光纤包括一束多个光纤元件，每一光纤元件具有由包层包围的芯。
9.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多芯光纤包括一束多个光纤元件，每一光纤元件具有由同心包层包围的芯。
10.根据权利要求9所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光纤元件之间的空间含有填充材料。
11.根据权利要求9所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光纤元件之间的空间是空的。
12.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光学发射器的每一微型LED耦合到所述多芯光纤的多个芯。
13.根据权利要求1所述的并行光学互连组合件，其中所述多个光学发射器的每一微型LED耦合到所述多芯光纤的单个芯。
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