[发明专利]芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板

说明书

技术领域

本发明属于光电子领域、光通信领域。

背景技术

随着人们对高速数据传输要求的不断提高，要求计算机处理速度向着每秒百万亿次、千万亿次的超高性能计算机系统方向发展。宽带、高速、大容量的信息处理和传输对系统内印刷电路板之间、板到背板之间、芯片之间的互连速率、带宽和密度提出了更高的要求。传统的印刷电路板PCB上芯片间金属线的“电互连”方式已遇到了瓶颈。由于其本身固有的严重的串话，RC时延，时钟歪斜，瓶颈阻塞和功耗急剧增加等种种弊端，已经不能够满足通信和计算机系统高速信息处理和传输的要求。然而采用“光互连”方式，这一切可以得到迎刃而解。“光互连”充分利用了“光”的优势，用光波作为信息载体，具有极高的时空带宽积、高速、高密度、无电磁干扰、传输功耗极低等优点。用“光互连”替代“电互连”，发展高速光电混合印刷电路板光互连技术，对于促进高速光互连集成电路信息处理和传输系统的研究，发展宽带、高速、大容量信息通信网和高性能计算机处理和传输系统，具有重要的现实意义和应用价值。光电混合印刷电路板上芯片间光互连技术，在普通印刷电路板PCB中嵌入一层光波导层作为光信号传输通道，PCB上各芯片的信号通过垂直腔表面发射激光器件VCSEL发射信号，PIN光接收器件接收高速信号，并通过PCB光波导层实现芯片间的光互连和信息传输交换。日本NTT公司提出了一种带芯片到芯片光互连层的光电混合印刷电路板的结构，如图1所示，图中多层印刷电路板1、光波导层2、IC芯片3、VCSEL芯片4、PIN芯片5、支座层6、微透镜列阵7、焊块8。该结构采用了两组微透镜列阵来耦合光波导层和光收发器件，在芯片和印刷电路板上分别制作微透镜列阵，对器件制作、对准精度要求高、耦合困难。

发明内容

本发明提供一种芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，目的在于实现芯片间光互连的无透镜直接光耦合、光学元件少、耦合结构简单、光收发模块可拔插。

本发明的一种芯片间光互连直接耦合的光电混合印刷电路板，垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座安放在印刷电路板上，印刷电路板中嵌有水平光波导层，其特征在于：

所述垂直腔表面发射激光器件和PIN光接收器件分别通过垂直嵌入印刷电路板的光耦合接头与所述水平光波导层光耦合；

所述光耦合接头由下定位片、光纤列阵、上盖片组成，下定位片为刻有平行矩形槽的石英玻璃片，光纤列阵嵌入到平行矩形槽中，光纤列阵上压有短于下定位片的石英玻璃上盖片，并用UV紫外胶固化在一起；上盖片、下定位片的一端连同嵌入的光纤列阵一起抛成与光纤列阵垂直的光学平面，与垂直腔表面发射激光器件的发光窗口或PIN光接收器件的光接收窗口直接贴近；下定位片与光纤列阵的另一端一起抛光成45°端面，插入水平光波导层；光纤列阵45°端面对准水平光波导层光波导芯层，水平光波导层光波导芯层端面与光纤列阵表面的距离小于100μm。

所述的光电混合印刷电路板，其特征在于：所述光纤列阵光纤与光纤之间的间距为127μm或者250μm。

本发明采用光耦合接头，垂直腔表面发射激光器件VCSEL发出的光束通过光耦合接头的直角端面直接进入光耦合接头中，在另一45°端面经反射转变90°后入射到印刷电路板的光波导层中，整个光耦合过程未用到微透镜列阵，直接光耦合，光学元件少，耦合结构简单，耦合容易。同时VCSEL激光器和PIN光接收器件采用BGA可拔插管座，插到带光波导层的印刷电路板上，易于器件的连接与更换。可用于宽带、高速、大容量信息通信网络系统和高性能计算机处理和传输系统。

附图说明

图1：现有嵌有光波导层的光电混合印刷电路板结构示意图；

图2：本发明实施例结构示意图；

图3：本发明光耦合接头直接光耦合示意图。

具体实施方式

本发明实施例结构如图2所示。图中标记：多层印刷电路板1，光波导层2，IC芯片3，VCSEL芯片4，PIN芯片5，驱动电路芯片9，跨阻放大电路芯片10，VCSEL接口电路板11，PIN接口电路板12，铜热沉管座13，BGA引线脚管座14，垂直腔表面发射激光器件15，PIN光接收器件16，光耦合接头17。

垂直腔表面发射激光器件15由VCSEL芯片4、驱动电路芯片9、VCSEL接口电路板11粘结在铜热沉管座13上组成，BGA引线脚管座14焊接在VCSEL接口电路板11上。