甚短距离光互连系统中光路研究

论文摘要

为满足高速信号转换、多芯片组处理器、高端服务器等系统的需求,板间、芯片间的互连速率需要不断的提高。互连线上速率和带宽密度的不断提升,使得目前铜线互连面临信号传输瓶颈。光互连作为电互连技术的替代,具有高带宽、低损耗、较小的电磁串扰等方面的优势。基于光纤的光互连技术已经被广泛的应用在长距离互连通信中,近几年光互连技术已发展应用到甚短距离的光互联技术,如数据中心的服务器之间的互连通信。但甚短距离光互连技术从实验室到商用化还需要一段时间,诸如低成本封装等技术仍需要进一步研究。针对甚短距离光互连,本论文主要研究了光互连技术中的光路技术,包括波导光路相关技术和光耦合技术。作者利用FD-BPM和一种新的有效折射率算法,研究了基于SOI材料的单模直波导和几种MMI光功分器的优化,提高了波导光路的性能。并对波导光路的制作,测试等方面的内容作相关的研究。为了解决互连中的光耦合问题,本论文利用重叠积分建立了计算模拟光耦合效率的数学模型,分析了直接耦合和透镜耦合两种情况下的耦合效率。并首次建立了非对称双曲透镜耦合效率分析的数学模型,并设计了一种高耦合效率的非对称双曲透镜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 甚短距离光互连技术介绍
• 1.2 甚短距离光互连技术研究与发展现状
• 1.2.1 甚短距离光互连技术研究背景
• 1.2.2 甚短距离光互连技术的研究动态
• 1.3 本文的选题和研究内容
• 第二章 甚短距离光互连系统的关键技术
• 2.1 光互连与电互连的比较
• 2.2 光互连物理层构架系统
• 2.2.1 半导体激光器技术
• 2.2.2 光电接口芯片
• 2.2.3 光探测器
• 2.2.4 光互连中的光路技术
• 2.3 甚短距离光互连协议
• 2.4 本章小结
• 第三章 平面光波导理论及光路算法研究
• 3.1 光波导基本理论
• 3.1.1 电磁场理论
• 3.1.2 光波导理论
• 3.2 平面光波导光路
• 3.2.1 PLCs 技术
• 3.2.2 PLCs 技术工艺流程介绍
• 3.3 SOI 技术
• 3.4 光波导光路设计算法研究
• 3.4.1 有效折射率
• 3.4.2 有限差分-光束传播法（Finite Difference Beam Propagation Method）
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于SOI 材料的光波导光路设计
• 4.1 单模直波导
• 4.1.1 大截面单模直波导理论
• 4.1.2 单模传输条件直波导的分析和修正
• 4.2 多模干涉光分路器
• 4.2.1 自镜像效应（Self-Imaging Effect SIE）
• 4.2.2 改进型1×4 MMI 功分器优化分析
• 4.2.3 数据分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 光互连中光耦合研究
• 5.1 芯片间光耦合技术简介
• 5.2 光耦合理论分析
• 5.2.1 光源与波导之间的直接耦合分析
• 5.2.2 透镜耦合效率分析
• 5.3 一种高耦合效率的非对称双曲透镜光耦合模型研究与设计
• 5.3.1 理想非对称双曲透镜设计
• 5.3.2 透镜耦合效率分析
• 5.4 光调准封装工艺技术
• 5.5 本章小结
• 第六章 光波导刻蚀工艺和测试平台建立
• 6.1 波导光路几何形状的绘制与掩膜版的制作
• 6.2 波导的工艺流程
• 6.2.1 SOI 基片准备
• 6.2.2 淀积金属铝
• 6.2.3 涂布底部抗反射涂层（Back Anti-Reflection Coat,BARC）
• 6.2.4 涂布光刻胶
• 6.2.5 软烘
• 6.2.6 对准和曝光
• 6.2.7 曝光后烘焙
• 6.2.8 显影
• 6.2.9 坚膜
• 6.2.10 刻蚀
• 6.3 误差分析
• 6.3.1 几何参数误差分析
• 6.3.2 波导边缘不整齐的原因及解决方法
• 6.3.3 出现小黑斑的原因及解决办法
• 6.4 波导光路测试平台的建立
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果