3.2　在高速数字信号传输中实现光化的发展前景

3.2.1　光波承载高速数字信号传输的优点

1. 背景

在传统的电子学领域内，数字信号采用铜线传输的速率取决于其寄生参量的影响，特别是作为数字电路安装平台的印制电路板导线的寄生电阻、电感和电容的影响，它限制了脉冲的前、后沿的过渡时间，从而限制了传输速率和电路的开关速度。在高速数字设备中，电气互连线路更是面临诸如趋肤效应、介质损耗、电磁干扰（EMI）、串扰和波反射等因素的制约。例如，目前CPU的主频已达数吉赫兹，在电信干线上传输数码的速率更是达到几十甚至上千吉比特每秒。与此相对照的计算机总线的传输速率还在数百兆比特每秒，局域网最高不过吉比特每秒。显然，计算机内部总线连接和计算机互连的速率已成为整个计算环境的瓶颈，而且这一现象，随着运算速度的提高，将越来越突出。因此，人们在试图解决这一问题的探索中，提出了以光作为计算机及高速数字化系统内部及它们之间的互连手段的选择，即所谓的光化。

2. 在高速数字信号传输中实现光化的优势

前面已提到，铜线的数据传输速率受到其寄生参量的影响。在低频段，电路板的串接电阻和旁路电容对性能的影响很大，直接决定了上升沿和下降沿的转换时间，从而影响了数据的传输速率；在高频段，连接线串接感抗的影响更是超过了电阻的影响，最终的结果与串接电阻和旁路电容相同，限制了数据的传输速率。所有这些寄生参量在很大程度上依赖于连接线的几何形状。电阻正比于连接线长度，反比于连接线的截面积，因此连接线越长越细，数据传输速率则越低。然而，受现有的安装空间的限制将不允许连接线太粗。虽然在减少转换时间方面可以采用较粗的连接线，但同时也加大了噪音与功耗，而且发热量的增加将难以控制。相对于电互连，在高速信号电路系统中用光互连替换铜线互连，显示了非常明显的优势，具体如下：

• 光传输具有高密度集成、低能耗、宽带宽、高速度、免于串扰和电磁干扰的优势；

• 在一个光学媒介中传输多个波长时，不同的波长可以平行通过，简化了物理设计；

• 与传统制造方法兼容，非常适合于芯片与芯片、板与板之间的信号的传输。

3.2.2　在高速信号传输中光化的实现

1. 光化研究动态

在传统的电子学领域，信号采用铜线传输的速率取决于其寄生参数，特别是在高速装备中，电气互连线路更是面临诸如趋肤效应、介质损耗、电磁干扰（EMI）、串扰和波反射等因素的制约。从而限制了信号的传输速率和电路的开关速度，加大了信号传输中的功率损耗。苏格兰伊洛瓦特大学HOLMS研发计划的研究结果表明，光电技术是唯一可解决处理器速度和内存频宽差异的方案，美国半导体产业协会也已经证明了这一点。

参与HOLMS研发计划的研究单位将经济实用的高速光学电路板导入信息系统，目标是开发光电技术，使它与标准电子设备组装流程兼容。其主要关键技术是：将光学接口加载在商用平行光纤阵列和低成本光波导上，使其可轻易地与传统的印制电路板整合为一体。

2. 实施信号传输光化的优势

在计算机和高速数字电路系统中用光互连替换铜线互连已显示了非常明显的优势。例如，光传输具有高密度集成、低能耗、宽带宽、高速度、免于串扰和电磁干扰等优势，在一个光学媒介中传输多个波长时，不同的波长可以平行通过，与传统制造方法兼容，简化了物理设计，非常适合于芯片与芯片、板与板之间的信号传输。

归纳起来，光化的必要性如图3.4和图3.5所示，具体说明如下：

① 实施光化是抑制通信装备大容量化后电磁干扰的有效对策。

② 实施光化可避免出现当通信容量增大时装备耗电量大幅度增加现象。

耗电量的比率：服务器50%；信息库35%；网络15%。

3. 在高速电子设备产业化中采用光互连的现实性

① 和电信网络类似，信号从光纤干线传输至铜线，传输速率便会立即下降。因此，电信公司要将光纤尽可能连接到距终端用户最近的地方，贴近处理器以获得最大带宽。今后通过提高计算机主频来提升计算机系统性能的方式将走到尽头，光计算机的设计理念最终将冲破传统计算机结构，开创计算技术的新纪元。采用光波互连方案的现实性主要是：

• 光波互连的速率与互连通道无关；

• 光波信号在空间可以独立地传播，彼此间互不干扰；

• 光波信号可以在三维自由空间中传播；

• 光波信号可以通过空间光调制器（SLM）适当改变；

• 光波信号非常容易被转变成电信号。

② 由于在铜线上的数据传输受线路寄生参数的影响，限制了数据传输速率。今后，PC内的铜线互连将被高速光纤互连取代，光子将取代电子，在板与板、芯片与芯片之间传输数据已经是高速微电子装备的发展趋势。来自CPU的电信号通过调制微型激光束，再经过空中或波导传播，到达光探测器后，再恢复为电信号。图3.6给出了光化在产业化中的应用实例。