论文摘要
随着现代科技的发展和社会需要的扩大,电互连的局限性也越来越明显。由于光互连网路可以大大减少信号的延迟和偏移,所以光互连将会在未来的通信系统和多处理器计算机系统中发挥重要的作用。相比于成熟的电互连,光互连主要有以下特点:1.光互连没有电容和电阻的限制,其带宽几乎是无限的。而且光信号的传输效率是电信号的百倍,所以光互连符合超高速和大容量的传输信号的要求;2.由于光波对干扰不敏感,光信号可以并联与重叠,所以使光互连的密度大大增加了;3.由于电磁波频率远低于光波的频率,光互连不会受到电磁波干扰;4.利用光学方法很容易实现可编程和动态互连,但它很难用电路实现。本文在“国家自然科学基金”和“国防科技大学校预研基金”的支持下,主要研究了自由空间光互连的光学实现方法,包括利用传统的4-f光学系统和正弦光栅实现自由空间光互连,以及利用硅基光栅耦合器和硅波导实现基于硅基的片上光互连;还研究了光互连网络中的自由空间光开关。本文通过对自由空间光互连的光学实现及其集成化的理论和实验研究,主要取得了以下研究成果:1、理论上证明了利用4-f光学系统和正弦光栅可以实现自由空间光互连,并在实验室里利用它们实现了左混洗变换和右混洗变换。2、利用偏振光分束器、相位型空间光调制器和反射镜构造了1×2、2×2和2×4的自由空间光开关,并在实验室测试了1×2和2×2光开关的插入损耗和串扰。结果显示,其最低插入损耗为0.54dB和0.70dB,串扰最低为-23.9dB和-24.0dB。3、设计了一种应用于光纤与波导之间耦合的微型多阶梯光栅耦合器和二元光栅耦合器。这两种耦合器以SOI结构为基础,并可与其他SOI器件集成。模拟结果表明微型多阶梯光栅耦合器具有160nm的3dB带宽（1390nm-1550nm）,并且当入射光源波长为1550nm时耦合效率达50%左右,入射波长为1460nm时耦合效率能达到67.5%。对于二元光栅耦合器,当入射波波长分别为1550nm和1563nm时,耦合效率分别为59.2%和76.9%,并且还具有3dB带宽（1546nm- 1579nm）。同时模拟结果也表明该结构具有19nm的刻蚀深度容差和6.5°的入射角度容差。4、利用FDTD软件模拟了硅波导实现4×4和8×8的左混洗变换。结果表明,硅波导实现光互连,具有高的传输效率,低插入损耗和串扰的特点。其中直波导的传输效率可达99.79%。波导存在交叉时,传输效率也比较高,在80%左右,而其串扰很低,最高为1.1%。5、在实验室利用SOI基片制作了波导光栅耦合器和硅波导实现左混洗变换结构,初步实现了基于硅基的片上光互连,且系统最低串扰为-14.8dB。结果表明硅基上实现光互连具有体积小、易集成等优点。
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