基于三维光电混合集成电路的光TSV研究

Based on three-dimensional optoelectronic integrated circuits applications, the project will focus on the research of the structure, principles, performance and the preparation of different materials of optical TSV, and will explore the science questions related to optical routers. The project will achieve some results in aspect of designing methodology, transmission characteristics, preparation methods and new optical routing. In this project, the structural design and basic principle of 3D optical TSV will be investigated, and the simulation models of 3D optical TSV will be established. The basic characteristic of the optical TSV will be discussed, and the pattern characteristics, transmission characteristics and loss characteristics of it will be obtained. Furthermore, the structure parameters and material parameters of the 3D optical TSV will be optimized. The key fabrication technology and multiport coupling characteristics of 3D optical TSV will be discussed, and the coupling analytical models will be built. The optical routers and routing algorithm will be explored. Then, the non-blocking, low-loss optical router structure and the dynamic routing algorithm will be achieved.

本项目面向三维光电混合集成电路应用，重点解决基于多种材料光TSV的基本结构、基本原理、基本性能和实现方法等方面的系列科学问题，并探索光路由器等前沿科学问题，在光TSV波导互连的设计方法学、传输特性、实现方法、新型光路由等方面形成创新性的突破。本项目通过光TSV的基本结构设计和原理研究，进一步建立多种材料光TSV的仿真模型；研究光TSV的基本特性，解决光TSV的模式特性、传输特性和损耗特性等关键科学问题并优化光TSV的结构参数和材料参数；开展光TSV的实现方法研究，并研究三维光电混合集成电路中光TSV的端口耦合特性，获得耦合特性的解析模型；探索适于三维光电混合集成高密度存储器应用的光路由器和路由算法，获得无阻塞、低损耗的光路由器结构以及全动态光路由算法。

光互连与3D封装技术相结合的3D光互连集成电路，不仅能够解决集成度与互连线延时的问题，同时还能满足带宽、功耗和电磁兼容性等多方面的要求，将极大的推动集成电路的发展。本项目围绕三维光电集成，首先开展了光TSV的工作原理、建模与仿真研究，利用Rsoft软件中的BeamPROP模块开展了光TSV损耗特性的研究，研究了结构参数、倾斜侧壁以及粗糙侧壁对光TSV损耗特性的影响。其次，开展了光TSV之间的耦合特性研究，探讨了各个参数对光TSV之间存在的耦合特性的影响。接着，对光TSV的关键加工技术开展了仿真与实验研究，获得了一定的结果。然后，开展了光TSV与光源间的对接耦合特性以及光栅与TSPV的耦合特性研究。最后，项目还基于光TSV开展了适于三维光电混合集成、面向千核的三维光片上网络研究。首先搭建了三维光片上网络仿真模型并进行性能分析；然后借鉴以太网中的指数退避算法，提出了一种基于退避策略的高效建链方案；同时，针对建链和时分复用网络各自的局限性，提出了层内建链层间分时复用的三维分层通信机制；最后，设计了一种基于星型簇结构的低节点度的三维拓扑。通过以上优化设计，以实现提高面向千核的三维光片上网络的网络容量的目标。另外，本项目还围绕三维混合集成开展了Si基半导体激光器以及调制器的设计有仿真工作。本项目的研究为三维光电混合集成电路的研究奠定必要的基础。