深度拆解：一文看懂「Micro LED并行光学互连技术」

计算和网络性能需求持续增长，推动这些需求的主要应用包括数据中心服务器、高性能计算丛集、人工神经网络及网络交换机。数十年来，由晶体管尺寸缩小结合芯片尺寸增大推动积体线路(IC)性能及成本的显著改进，在著名的摩尔定律中得到总结。数十亿晶体管计数已允许将以前分散于多个积体线路的功能合并到单个系统单晶片(SoC)上。然而，摩尔定律似乎正在达到极限，因为将特征尺寸缩小到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，单个积体线路仅能包含有限功能，且功能受限，因为积体线路的制程无法同时针对不同功能（例如逻辑、DRAM及I/O）进行优化。系统性能的改进日益依赖于在多个积体线路之间实施超高频宽互连。

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（例如归一化为每位元能量）。这些IC间连接目前严重限制系统性能。具体来说，互连的功率、密度、延迟及距离限制与期望相差甚远。

众所周知，即使对于小于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积体线路耦合到另一积体线路。用于基板或电路板级IC间通讯的电互连技术相对发展良好。对于用于IC间通讯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，情况并非如此。

并行光学互连可用于传输由积体线路产生的信号。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。

图1：并行光学互连系统的主要组件，包括收发器阵列(101a、101b)、光学耦合组合件(103a、103b)及多芯光纤(109)。

如图1所展示，完整系统包括：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micro-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。

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，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范围内的吞吐量。

光学收发器阵列包含精心设计的接收器及发射器元件。如图2A所展示，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及接收器线路205。收集器光学器件可收集光或将光引导到光电检测器，且接收器线路可放大且在一些实施例中以其他方式处理由光电检测器产生的电信号。

图2A：接收器元件的组件框图，包括收集器光学器件(201)、光电检测器(203)及接收器线路(205)。

图2B展示发射器元件组件。光学收发器阵列中的每一发射器107包括驱动线路207、micro-LED 209及光学收集器211，其中micro-LED的输出光功率由驱动线路基于到驱动线路的电输入信号进行调变。光学收集器可将来自micro-LED的光收集或引导到多芯光纤的一或多个光纤。

图2B：发射器元件的组件框图，包括驱动线路(207)、micro-LED(209)及光学收集器(211)。

在一些实施例中，micro-LED由直接带隙半导体材料的p-n结制成。在一些实施例中，micro-LED由GaN制成。在一些实施例中，micro-LED由GaAs制成。在一些实施例中，micro-LED由InP制成。

在一些实施例中，micro-LED与半导体激光器(SL)的区别如下：(1)micro-LED不具有光学谐振器结构；(2)来自micro-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micro-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)micro-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，micro-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micro-LED用10μA到1mA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元能量在0.05pJ/位元到1pJ/位元的范围内。

图3A到B展示与积体线路合并的micro-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积体线路，micro-LED（例如）使用焊料接合或直接金属-金属接合接合到所述积体线路。在一些实施例中，光电检测器经单片集成到积体线路上，如图3A中所展示。

图3A：micro-LED(209)接合到积体线路(301)且光电检测器(203)单片集成的配置。

在一些实施例中，光电检测器也接合到积体线路，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，积体线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/或储存器的各种其他线路系统。

图3B：micro-LED(209)及光电检测器(203)均接合到积体线路(301)的配置。

图4展示并行光学互连收发器组合件400a、b，具有通过接头结合的多个多芯光纤。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4：并行光学互连系统展示多个多芯光纤段(109)通过光学连接器(401)及连接器套筒(403)连接。

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，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：多芯光纤(109)的横截面图，展示主体结构(a)及不同配置的详细视图，包含芯(501)、包层(503)及可选填充材料(505)。

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，而在其他实施例中，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。

图6：多芯光纤侧视图，展示光纤束区域(601)、松散光纤元件(603)及多芯光纤结构(109)。

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25μm到50μm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大于80%。

图7A到B展示多芯光纤的芯的不同配置。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。

图7A：多芯光纤(109)中光纤芯(501、503)的正方形网格配置。

在一些实施例中，芯呈六边形紧密堆积(HCP)配置，使得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7B：多芯光纤(109)中光纤芯(501、503)的六边形紧密堆积配置。

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。

图8A：一对一耦合配置，其中单个光学通道(501、803)对应于单个光纤芯。

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。

图8B：一对多耦合配置，其中单个光学通道(501、803)耦合到多个光纤芯。

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；此被称为多芯塑胶光纤(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micro-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。

图9A：折射光学收集器(901)囊封micro-LED(209)并沿法向轴(905)引导射出光(903)。

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9B：反射光学收集器(907)将射出光从micro-LED(209)引导至法向轴(905)。

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。

图10A：折射光学收集器(901)沿法向轴(905)将入射光(903)引导到光电检测器(203)上。

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10B：反射光学收集器(907)沿法向轴(905)将入射光(909)引导到光电检测器(203)上。

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：完整光学耦合组合件(103)展示反射元件(1101)、透镜(1103a、1103b)、收发器阵列(101)及多芯光纤(109)。

图11展示包括45度反射镜及两个透镜的光学耦合组合件，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，光学耦合系统包括成像系统，所述成像系统以放大率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等于一。在一些实施例中，放大率M大于一或小于一。

光学耦合系统的一些实施例包括单个透镜。光学耦合系统的一些实施例包括两个或更多个透镜。光学耦合系统的一些实施例包括透镜、平面镜及曲面镜的某种组合。此类系统可以一定放大率M将收发器阵列成像到多芯光纤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度。

图12展示光学耦合系统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。

图12：光学间距图展示收发器阵列(101)、透镜(1201a、1201b)、光学耦合组合件(103)及多芯光纤(109)之间的距离d1、d2及d3。

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，可改变光学耦合系统的放大率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系统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，某些市售塑胶多芯光纤具有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（小于10%）改变4f成像系统的M通常需要以相当百分比改变d1、d2及d3。可用机器视觉系统实时测量M且可使用简单算法来改变d1、d2及d3以达到M的目标值。

本文描述的基于micro-LED阵列和多芯光纤的并行光学互连技术，透过结合高效micro-LED光源、精心设计的光学耦合系统及高密度多芯光纤传输介质，在功耗效率、频宽密度、低延迟及传输距离方面提供了实际的技术解决方案。设计参数的灵活性——包括可变放大率、不同光纤芯配置及多种整合方法——允许针对特定应用需求进行优化，同时保持与现有半导体制造制程及系统架构的兼容性。