（光学工程专业论文）用于光互连的体波导光栅耦合器：分析、制备和应用.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 波导光栅在集成光学发展中扮演着重要的角色，提供了一种将光耦合输入或 输出波导的便捷方式，这种十分具有吸引力的耦合方式可以有效减小光学系统、 波导及电子器件的体积和重量。聚合物体波导光栅与表面浮雕光栅不同，前者通 常位于波导层内。在这个位置，导模特别是零阶导模的振幅最大，导波光与光栅 作用更强烈，因此有望获得更高的耦合效率。同时，体波导光栅还具有制备工艺 简单、波导表面平整等优点。因此，制备可以实际应用的具有较高分辨率的聚合 物体波导光栅受到各国研究者的重视。迄今，聚合物体波导光栅的制备方法基本 上属于物理方法，并没有在材料内部引发本质性的化学变化，因此所制备的器件 的长期稳定性难以保证。利用双光子引发光聚合反应可以在材料内部引起本质性 的化学变化，致使材料折射率发生永久性变化，这种技术为制备体波导光栅带来 了极大的便利。本文研究了体波导光栅耦合器的泄漏特性并提出利用双光子引发 光聚合反应制备体波导光栅的新方法。主要取得以下几个方面的进展： 基于等效传输线理论和微扰理论分析了体波导光栅的导波特性。体波导光栅 做输入输出耦合器时，泄漏参数是一个重要的因子，它决定了进入光栅各衍射级 中能量的大小。本文从理论上推导了泄漏参数同体波导光栅结构参数如光栅常数、 光栅高度以及折射率调制深度之间的函数关系。数值计算的结果有助于设计具有 较高耦合效率的体波导光栅。 利用棱镜耦合法测量了由三元材料体系构成的聚合物平面波导的光传输模式 和传输损耗。通过控制聚合物材料体系溶液的浓度，可以得到高质量的单模、双 模和多模波导。利用光纤扫描的方法测量了聚合物薄膜波导t e 和t m 偏振模式的光 传输损耗，分别只有0 3 8 d b c m 和0 4 1 d b c m 。 首次证实双光子聚合反应能够在三元材料体系构造的固态聚合物薄膜中实 现。根据双光子吸收上转换荧光的特点，给出了飞秒脉冲激光经高数值孔径显微 物镜聚焦后正好位于波导层中的判据。研究了体波导光栅制备过程中加工系统的 性能参数包括平台震动、扫描速度等对体波导光栅质量的影响。 山东大学博士学位论文 利用相衬显微镜研究了制备的体波导光栅，并利用原子力显微镜对体波导光 栅的表面形貌进行了研究。随着入射光功率的增加，体波导光栅表面会出现明显 的表面浮雕结构。经分析，这种结构是由于材料的膨胀而不是烧蚀引起的。 实验测得体波导光栅的折射率调制深度达5 7 1 0 q 。研究了表面无形变的体 波导光栅的输入耦合特性，实现了h o n e 光的输入耦合，最高耦合效率达l l g t 。 针对棱镜耦合测试系统对波导硬度及光洁度要求较高的缺点，提出了利用体波导 光栅测量聚合物波导的厚度和折射率的新方法。 关键词：体波导光栅，等效传输线，光栅耦合器，双光子引发光聚合反应 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t w a v e g u i d eg r a t i n g s t r u c t u r e sh a v e b e e n p l a y i n g a ni m p o r t a n tr o l e i nt h e d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e do p t i c s 1 h e yp r o v i d eam e a n so fc o u p l i n gl i g h ti n t oo ro u to f w a v e g u i d e t h i sa t t r a c t i v ec o u p l i n gm e t h o dr e d u c e st h es i z ea n dw e b , a to fo p t i c a l s y s t e m s ，i n t e g r a t e dw a v e g u i d e sa n de l e c t r o n i cc o m p o n e n t st of o r mp h o t o e l e c t r i c s y s t e m s i nc o n t r a s tt o s u r f a c 2r e l i e fg r a t i n g s ，v o l u m ei n d e xg r a t i n gi s u s u a l l y p o s i t i o n e di n s i d et h eg u i d e dw a v el a y e r i nt h i sp o s i t i o n , t h ea m p l i t u d eo ft h eg u i d e d m o d e , e s p e c i a l l yf u n d a m e n t a lm o d e ，r e a c h e sam a x i m u ma n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n g u i d e dm o d ea n dv o l u m ei n d e xg r a t i n gi se x p e c t e dt ob ev e r ys t r o n g t h e r e f o r e , a h i g h e rc o u p l i n ge f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e d v o l u m eg r a t i n g sh a v em a n ya d v a n t a g e s o v e r 也e i rc o m p e t i t o r s ，s u c ha ss i m p l e rf a b r i c a t i o nm e t h o da n ds m o o t h e rs u r f a c 宅 u n f o r t u n a t e l y , i ts e e m st ob ev e r yd i f f i c u l tt op r o d u c es t a b l eh i g h - r e s o l u t i o nv o l u m e i n d e xg r a t i n g si np o l y m e r i cp l a n a rw a v e g u i d ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n t , m o s t m e t h o d su t i l i z eb a s i c a l l yp h y s i c a lc h a n g eo fm a t e r i a l s ，a n dd on o ti n d u c en a t u r a l c h e m i c a lc h a n g ew i t h i nt h em a t e r i a l s oi ti sv e r yd i f f i c u l tt og u a r a n t t h el o n g - t e r m s t a b i l i t yo ft h eg r a t i n g s t h et w o - p h o t o ni n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o na sat e c h n i q u ef o rt h e d i r e c tf a b r i c a t i o ni n d u c e se s s e n t i a lc h e m i c a lp r o c e s s e sa n dr e s u l t si nap e r m a n e n t c h a n g eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xo fm a t e r i a l s t h i st e c h n i q u ew i l la c h i e v et h ef l e x i b i l i t yo f o n e - s t e pf a b r i c a t i n gg r a t i n g sa n db eh e l p f u lf o rf u r t h e rp r o c e d u r e si ni n t e g r a t e do p t i c s t h ep u r p o s e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r et os t u d yt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fv o l u m e w a v e g u i d eg r a t i n g sa n dt op r o p o s ean o v e lm e t h o df o rf a b r i c a t i n gv o l u m ew a v e g u i d e g r a t i n g su s i n gt w o - p h o t o ni n i t i a t e dp h o t o - p o l y m e r i z a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t a n da c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w i n g b a s i n gu p o ne q u i v a l e n tt r a n s m i s s i o nl i n em e t h o d ，ap e r t u r b a t i o na n a l y s i so nt h e g u i d i n gp r o p e r t i e so fv o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n g si sp r e s e n t e d t h el e a k a g ep a r a m e t e r i si m p o r t a n tf o rv o l u m eg r a t i n g su s e da si n p u to ro u t p u tc o u p l e r s t h el e a k a g e p a r a m e t e r , w h i c hi n f l u e n c e st h el e a k a g ee n e r g yi n t ot h ed i f f r a c t e do r d e r ss c a t t e r e db y t h eg r a t i n g ，i sa c h i e v e da sf u n c t i o n so ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ev o l u m eg r a t i n g , f o re x a m p l e ，g r a t i n gp e r i o da n dt h i c k n e s so ft h ew a v e g u i d ea n di n d e xm o d u l a t i o n w e i i i 山东大学博士学位论文 p r o v i d ea na n a l y s i si nq l l a l i t yf o rt h ev a r i a t i o no ft h eg r a t i n gp a r a m e t e r s t h er e s u l t e n a b l e so n et op r e d i c tt h ec h a n g e so fa 诵也t h ep a r a m e t t c rv m a f i i nc o u p l i n g p e r f o r m a n c e i ti st h e r e f o r eu s e f u lf o rd e s i g no f v o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n g s b yu s i n gt h ep r i s m - i nc o u p l i n gm e t h o a , t h et r a n s m i s s i o nm o d e sh a v eb e e n o b t a i n e d , a n dt h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nl o s s e so fg i l i 捌m o d e sh a v eb e e nm e a s u r e da t 6 3 2 8 r i mf o rt h ep o l y m e rf i l mw a v e g u i d e s b yc o n t r o l l i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fr e s i n s o l u t i o n , w a v e g u i d e so fd i f f e r e n tg u i d e dm o d e s c a nb ea c h i e v e d t h eo p t i c a ll o s so ft h e f i m d a m e n t a lm o d ei s0 3 8 r i bc m 1f o rt ep o l a r i z a t i o na n d0 4 1 d bc m - 1f o rt m p o l a r i z a t i o n , r e s p e c t i v e l y t h i st h e s i sf i r s tr e p o r t st h ee x i s t e n c eo ft w o - p h o t o ni n i t i a t e dp h o t o p o l y m e r i z a t i o n i ns o l i dp o l y m e rw a v e g u i d ef i l m c r i t e r i o no ft h el a s e rb e a mf o c u s e db yah i g h n u m e r i c a la p e r t u r eo b j e c t i v ej u s tl y i n gi nt h ew a v e g u i d ef i l mi sp r e s e n t e d i n f l u e n c eo f t h es y s t e mp c t f o r m a n c ei n c l u d i n gt h es h a k eo ft h et r a n s l a t o ra n dt h es c a n n i n gs p e e do n t h eq u a l i t yo fv o l u m eg r a t i n g si ss t u d i e d t h ef a b r i c a t e dv o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n g sw e r ei l l u s t r a t e d 谢t l lap h a s e - c o n t r a s t o p t i c a lm i c r o s c o p e t h es u r f a c et o p o g r a p h yo f t h eg r a t i n gs a m p l e sw 弱i n v e s t i g a t e db y a l la t o mf o r c em i c r o s c o p e c h a r a c t e r i s t i cm i c r o s t r u c t u r es i m u l t a n e o u s l ya p p e a r so nt h e s u r f a c eo ft h ep o l y m e rf i l m 、析血i n c r e a s e di n c i d e n tp o w 盯d u r i n gt h et w o - p h o t o n i n i t i a t e dp h o t o p o l y m e r i z a t i o n i ti sc o n f i r m e dt h a tt h es t a b l em o r p h o l o g i c a lc h a n g ei s a t t r i b u t e dt om a t e r i a ls w e l l i n g t h ec o r r e s p o n d i n gi n d e xm o d u l a t i o nd e p t ho fv o l u m eg r a t i n gr e a c h e s5 7 x1 旷 t h ei n p u tc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co fv o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n gw i t h o u ts u r f a o e m o r p h o l o g yi si n v e s t i g a t e d w es u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e dt h ei m p l e m e n t a t i o no fi n p u t c o u p l i n gb yt h ev o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n ga t t h ew a v e l e n g t ho f6 3 2 8 n m t h e m c s s u r e dc o u p l i n ge f f i c i e n c yw a sa b o u t11 a l s oas i m p l ea p p r o a c ht om e a s u r et h e r e f r a c t i v ei n d e xa n dt h i c k n e s so ft h ep o l y m e r i cw a v e g u i d ef i l mi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：v o l u m ew a v e g u i d eg r a t i n g , e q u i v a l e n tt r a n s m i s s i o nl i n em e t h o o , g r a t i n g c o u p l e r , t w o - p h o t o ni n i t i a t e dp h o t o p o l y m e r i z a t i o n i v 山东大学博士学位论文 符号说明 波导折射率 衬底折射率 包层折射率 波导下表面全反射角 波导上表面全反射角 反射系数 导波全反射相移 横电模 横磁模 纵向传播常数 导模在波导层中横向传播常数 导模在包层中横向传播常数 导模在衬底中横向传播常数 传播常数 波长 m 阶导模有效折射率 导模特征值模阶数 波导厚度 波导有效厚度 光栅常数 导波传输功率 衰减系数 等效电压 等效电流 v m 啦 m r 矿 谢 b h p q k 名 虬 m 。 培 d p 口 v 。 山东大学博士学位论文 v i 特征阻抗 特征导纳 等效电压源 等效电流源 入射光圆频率 磁导率 介电常数 真空介电常数 光栅长度 耦合效率 自由基浓度 双光子吸收截面 物镜焦平面柬腰 衍射谐波场的级数 输入耦合角度 有效折射率 z y v ； 彩 卢 g 气 l 刁 p 万 吩 n o 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盔狃 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：透彝竺导师签名：么日 期：立! 呈：鲥 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章前言 1 1 1 集成光学的概念、分类及优点 1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的m i l l e r 博士首先提出了集成光学( i n t e g r a t e d o p t i c s i o ) 的概念【i 】。1 9 7 2 年，s o m e k h 和y a r i v 提出在同一个半导体衬底上同时集成光学 器件和电子器件的构想【2 】。此后，集成光学在理论和实际应用方面都得到了长足的 发展。国内有学者把光子学看成是一门与电子学平行的学科，并把光子学的发展 与电子学的发展相类比，分为真空光子学、固体光子学和微光子学【”。光泵浦的固 体激光器和气体激光器等属于真空光子学的范畴：半导体激光器属于固体光子学 范畴：集成光学属于微光子范畴。集成光学集光学、电子学、微电子学、光电子 学、通讯、薄膜技术等为一体，是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一。它 主要研究集成在一个平面衬底上的光学器件和混合光学一电子学系统的理论、技术 与应用，是光学发展的必由之路和高级阶段。集成光学的应用领域非常广泛，主 要应用在光通信、光传感器、光学信息处理和光计算机等所需的多功能、稳定、 可靠的光集成体系和混合光电集成体系等领域。 “集成光学 的概念涵盖广泛的内容【4 5 1 。从集成的类型上划分，把激光器、调 制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器和滤 波器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为光子集成( p h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i tp i c ) 。若同时与电子器件集成，则称为混合光电子集成( o p t o - e l e c t r o n i c i n t e g r a t e dc i r c u i to e i c ) ：从集成形式上划分，可分为单片集成和混合集成。所谓 单片集成，是指在半导体或光学晶体衬底上，只经过制作工艺，把所有元件集成 在一起。而混合集成，是指用不同的制作工艺制作一部分元件以后，再装在半导 体或光学晶体衬底上；从研究内容上划分，可将其划分为导波光学和集成光路两 部分。导波光学主要研究光在介质波导中的产生、耦合、传播和损耗等物理现象 和性质，以及与之相应的光波导器件，比如光耦合器、光路分支器、光开关、光 山东大学博士学位论文 放大器及光调制器等。集成光路主要研究如何把各种光波导器件集成在同一衬底 上，形成具有一定功能的微型光学系统，以改进和提高这些微型光学系统的性能。 上世纪六十年代初，激光的发展为光的传输和信息处理提供了稳定的相干光 源，使光束而不是电流或无线电波加载信号进行传输和处理成为可能。但是光学 系统的重要光学元件，诸如棱镜、透镜、反射镜、电光调制器和探测器等均需要 装备在边长达数米的实验台上，而且还必须安置在防震底座上。这些离散光学元 件系统由于体积和重量大、稳定性差和光束的调准困难，已不能适应光电子技术 发展的需要。将光学元件形成在一个晶片衬底上，用衬底内部或表面上形成的光 波导连接起来，采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成 在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统小型化和提高整体性能问题的重 要途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方 便等优点【印】。 不单是比离散光学元器件构成的光学系统具有巨大优越性，作为一种信息处 理与传输系统，与微电子系统相比，集成光学系统也具有其固有的重大优越性嗍。 首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波，光波的频率比电子手段产生的 电磁振荡( 包括微波) 高得多，因而可能加载频带宽度极宽的信号，而且避免了 电路中导线固有的电容和电感导致的频率限制效用。这样，集成光路的光信号的 传输带宽及与此相应的传输信息量，超过电子电路系统的电信号的传输带宽和信 息量若干数量级。其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的 时代，但电子计算机性能的提高受到并行处理能力及线路时间常数尺c - 不能小于l 璐 的限制。光子与电子不同，光子属于玻色子，不带电荷，光束可以平行或相互交 叉通过而不会相互影响，具有先天的巨平行处理能力。一个二维列阵可以包含高 于1 0 6 个平行处理信息的功能元件，一个好透镜能够分辨1 0 7 1 0 8 个点。电子学很难 与光的1 0 6 以上巨平行的能力相竞争；光子在真空中的速度为光速，不受肜时间常 数的限制；光子器件的开关速度可达1 0 叫2 1 0 1 5 s ，与百万个以上单元同时并行操作 相结合，速度就可达到每秒l o 坩1 0 2 1 次。光子和光子器件的这些特点恰好为解决 电子计算机的时钟歪斜和冯诺依曼“瓶颈 等限制提供了可能。最后，空间上 多道阵列、多频( 波分复用) 以致三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储 2 山东大学博士学位论文 和处理的容量可达n 1 0 1 8 k b i t 的“海量信息 。如果用集成光路来实现光信号的逻 辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机 。光 子计算机比电子计算机有着并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传输、 宽带以及信息容量极大的优点。 1 1 2 聚合物平面光波导 介质光波导是集成光学中连接各个分立元件的关键元件，是一种能够将光波 限制在其内部或者表面附近，引导光波沿特定方向传播的介质几何结构，它包括 了具有圆形截面的圆波导( 光纤) 以及平面波导等具有平面对称性的光波导【9 】。光 信号的传输主要基于光纤光波导，而光通信单元器件( 包括有源和无源器件) 及集 成光学器件则主要基于平板光波导和沟道光波导。随着光网络中宽带通信的进一 步发展，数据通信和计算将更加依赖基于光波导器件的光器件，例如光分波合波 器、光开关调制器、可调滤波器、波长转换器、光放大器等【协1 2 】。光波导器件与 常规的分立光学元件相比，它们之间的根本差别在于波导中传播光波的模式是分 立的。 长期以来，人们孜孜不倦地探索各种光电子材料制作光集成和光电集成器件， 平面波导也不例外。波导材料体系繁多，如铁电体材料、半导体材料、玻璃和有机 高分子材料等。l i n b 0 3 作为一种重要的波导材料，具有成本低、工艺相对简单的 优势。但是其制作工艺与半导体工艺的兼容性较差，在半导体光子器件占绝对优 势的今天，这无疑是个很大的缺点。硅作为制作平面、通道光波导重要的基底材 料之一而被广泛使用，其主要原因是它具有良好的热传导性和化学稳定性以及机 械强度高等特点。除此之外，硅表面被抛光或经过氧化后，采用淀积方法在其表 面生长薄膜是比较理想的，同时它作为制作光探测器的材料，也易于实现同微电 子线路单片集成。二氧化硅薄膜也是一种性能优良、广泛应用的介质薄膜。它具 有介电性能稳定、耐潮湿、介质损耗和温度系数小等优点，在半导体集成电路、 薄膜混合集成电路，以及一些薄膜化元器件中得到广泛应用。然而，硅基半导体 材料的处理很复杂和昂贵。 聚合物基集成光学器件是近几年才发展起来的、有希望的集成光学器州1 3 , 1 4 】。 山东大学博士学位论文 有机聚合物光波导材料具有较大的非线性光学系数、较高的电光系数、较低的介 电常数、响应时间短、热损耗小等特点。聚合物平面波导对集成光学来说有几个 特别感兴趣的优点，这些优点是：( 1 ) 制作高质量的聚合物波导材料相对容易，同 时波导材料的折射率也易于调整：( 2 ) 可以淀积在任何衬底材料上，并呈现出低的 传输损耗，有利于与其它的光电子器件集成；( 3 ) 在有机聚合物材料中可有效地使 用电子折射来获得幅度和相位调制；( 4 ) 可以通过调节聚合物材料的组分满足不同 器件的要求；( 5 ) 器件制作工艺简单，并与传统的半导体工艺相容，有利于大规模 生产，降低成本。诸如波导等各种集成光学器件都可用掩模的方法制作，以替代 其它材料基光波导器件需要昂贵的光刻和微细加工技术的高成本制作工艺；( 6 ) 材 料种类多，可选择损耗低且偏振无关的材料来制作器件。 近年来，用于制作光子器件的聚合物材料已达到相当成熟的阶段，其水平甚 至比他们的无机对应物还好【1 5 】。例如，电光聚合物具有的电光活性比l i n b 0 3 还高， 已演示超过l1 0 g i - l z 带宽的聚合物调制器。聚合物材料除具有较大的电光系数外， 还有一个诱人的特性：通过在聚合物分子一端添加施主基团，而在另一端添加受 主基团可以改变分子中的不对称电子贡献，获得最佳的电光效应、光折射和电特 性。大多数有机聚合物还显露出它们的多功能性，例如电致发光性和光折变性 【1 6 1 7 1 。利用电致发光特性有可能制作出发光器件，利用光折变特性有可能实现实 时光处理和全息存储等应用。在产业化方面，有机聚合物光电子器件和集成光学 器件还是一种可批量生产的器件，其低的成本和简单的制作工艺为大规模应用提 供诱人的前景。但是，聚合物及其器件也有它的致命弱点，即热稳定性差。现今 技术已缓解这个问题，使用氟化聚合物，已获得较好的效果，氟化塑料光纤已经 开始步入商业应用。 集成光学器件使用的聚合物必须满足三个最基本要求：( 1 ) 与常规制作工艺相 容的热稳定性：( 2 ) 能精确控制信道光波导的折射率：( 3 ) 对光纤通信来说，要求在 1 3 p m 和1 5 5 1 x m 的近红外波长上有低的光传输损耗。人们正从事研究的有机聚合物 光波导很多，能满足上述要求的聚合物材料有聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 、环 氧树脂、聚苯乙烯、聚有机硅氧烯和聚酰亚胺等。在光学领域，p m m a 是最常用 的有机材料，可用于制作各种光学零件，具有如下性能特点：优异的光学性能，可 4 山东大学博士学位论文 透过大部分紫外和部分红外光；常温下具有较高的机械强度和韧性，较好的热绝 缘体；耐稀酸、碱、油脂等化学药品。 1 1 3 光学与电子连接器n 圳 过去几十年中，电子学能在计算机和通信领域取得迅猛发展，得益于半导体 材料、集成电路工艺和集成电路设计这三大技术所创造的良好平台。导线作为集 成电路芯片及电路板内信息传输的媒介，随着集成电路速度和集成度的提高，日 益不能满足电路对传输速率的要求。因为电路中信号传播和开关速度是有限的， 随着带宽急剧增长的需求，电路表现出了其自身的局限性。 导线的比特率要受到它的寄生电阻、电容和自感系数的限制。低频时，电路 板的串联电阻和并联电容决定着电压的转换( 升高或降低) 时间，影响着电路板 的数据传输速率。高频时，导线的串联电感作为一个阻碍因子要比它自身的电阻 变得更为重要。所有这些寄生因素严重地依赖于导线的几何形状，特别是它的长 度。单根导线的比特率正比于导线的横截面而反比于其长度的平方。随着芯片集 成度的提高，必然会使电信号的传输速率受到限制。在微处理器核心处，数据流 以极高的速率传输。但在微处理器的外部，无论是芯片与芯片之间还是芯片与电 路板之间，电子的传输速率却相对缓慢。处理器间的相互通信已成为提高计算系 统整体性能的关键。因此，计算系统急需一种新的互连技术来克服电互连所面i 临 的难题，光互连技术便应运而生。 上世纪7 0 年代末，低损耗光纤在远距离通信上取得的可喜进展，促使人们考虑 利用光波作为信息的载体研究互连问题【2 1 1 ，特别是当光计算的提出和兴起之后， 更加速了人们对光互连的研究。1 9 7 9 年，c a t h y 等人首次提出一种用于计算机内部 的自由空间光互连并行数据总线【2 2 1 。自此以后几年中用于并行计算系统内部通信 的光互连结构的研究十分活跃，研究成果不断被报道【2 3 。2 5 】。同时，随着大规模集 成电路技术的发展，人们逐步认识到对大规模集成电路性能的限制主要在互连的 并行性和带宽等问题上。1 9 8 3 年，h u s a i n 等人首次提出自由空间的光互连方法【2 6 】， 从而产生了大规模集成中光互连的概念。与此同时，各国都在大力开展用光学方 法解决各层次上的互连问题的研究【2 7 1 。对光计算系统结构研究的发展，不断地推动 了光互连技术的发展。1 9 8 9 年的一份研究报告表明，光互连可以提供阻抗转换， 山东大学博士学位论文 从而使人们看到了光学方法在通信方面的潜在优势幽】。到9 0 年代，人们在光互连的 具体应用上展开了更系统的研究。研究结果表明，光互连在数字光计算系统的各个 层次上都是非常有意义的。在单元之问、模块之间、印刷电路板之间、芯片之间 及芯片内光互连都可以得到应用陬3 0 l 。 爿光互连”( o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ) 把以超大规模集成电路为代表的先进电子 技术与光通信技术相结合以消除电子系统中信息传输中遇到的诸如传输时延、线 路之间的串音、连线与安装上的空间限制以及消耗功率大等瓶颈效应( c o p p 贯 b o t t l e n e c k s ) 。光互连技术旨在突破上述极限以提供一种高速度、大容量和柔性的 信息传输。现代高数字速率的通信无疑要采用光纤通信系统，当前光纤通信主要应 用于陆地长途干线、海底光缆和市话中继通信。通信系统中，当信号从全光网络 进入低带宽城域网并最终通过铜导线传送进入千家万户的时候，信号传播的速度 就会逐渐减慢。显然，如果能够把。光学高速公路”修建得离微处理器越近，那 么系统的瓶颈效应发生的几率就越小。这一目标的实现，很大程度上取决于光学 连接器件性能的进展。 在未来的计算系统中，光学不仅为此提供新的器件技术，同样也将开拓新的 算法和系统结构，最终目的是要通过巨量的平行处理和分布处理实现与人类意识 活动相仿的柔性信息处理功能。只要光学技术能够满足日益强大的微处理器的需 求，那么以光的形式取代以电流的形式传输信息的这一天迟早会到来。科学家们 已经研制出可将距离接近3 0 0 米的计算机系统直接连接起来的光学装置，以提高计 算机内部元件数据传输速率为目标的光学装置也正在研究开发之中。下一步，还 将研究出能够提高微处理器之间或大规模平行计算所需要的芯片堆栈数据传输装 置。开发这类装置所需要的基本材料已经具备，如廉价的激光发生器、灵敏度很 高的探测器和数据传输技术。因此，有研究者指出，在未来几年之内，计算机中 许多的铜导线会被高速的光学连接器( 蚴- s p e e do p t i c a li n t e r c o n n e c t s ) 所取代， 光子而不是电子在线路板或芯片之间甚至在芯片内部传输信号。只要解决好了光 学传输装置运行稳定性和生产成本降低到可接受程度这两大问题，用它们取代铜 导线的日子就为期不远了。 1 1 4 光学连接器的类型n 1 6 山东大学博士学位论文 目前，光互连方案从信道来分主要有：光纤互连f f i b e ro p t i c a l i n t e r o o n n e c t s ) 3 2 。3 3 j 、自由空间互连( f r e e - s p a c eo p b c a li n t e r c 0 衄e 删【琊5 1 和波导互连 f f h mf i l mg u i d e d - w a v e 州c mi n t e r c o n n e c t s ) “3 s = 种。 光纤互连适用于电路板之间或计算机之间这个层次上的连接，可阻利用光纤 通信的成功经验，比较容易实现p 9 , 4 0 ；。与电互连相比，其优点是长度宽带积高、 扇出量大、系统功耗低等，采用分立的光源和探测器。市场上已经出现基于光纤 的互连器商品。但是尚未在计算机内出现。在2 0 0 0 年的下半年，a 鲫舶t t e c h n o l o g i e s 公司开始出售可以连接相距3 0 0 米的计算机的光学连接器。南加利福尼亚大学“先 进互连和网络技术”项目负责u 鲥发明了一种包含四个发射罂和接收器并通过四 根光纤输出的模块，能以1 0 g b s 的速度传送数据。一个1 2 通道的模块可以单向传输 速率高达4 0 g b s 的数据。p i i m 捌公司正在开发的装置全部采用光纤作为导线。电 信号通过电路板传至澈光驱动芯片，后者将信号处理并发送出去。连接激光驱动 芯片的模块可产生一组1 2 束激光，激光束通过光纤传播到另一块电路板的相同装 置，在那里光探测器传送光信号到接收芯片进行再处理并转换回电信号。p r i n w 面o n 公司技术发展部的副总裁b u m s 预言，未来计算机内的光学f o 设备所包含的处理电 路和激光器或者接收器可以被集中到一个单独的模块里，其底部带有电插头，侧 面是光纤光学插座。最终，会出现包含有聚合物波导而不是铜导线的类似印刷电 路板的印刷光学板。这样，信号处理电路就可以紧挨着需要数据的器件，而信号 通过电路板以光的形式传播。 图1 1 自由空间光互连示意图【嘲 山东大学博士学位论文 自由空间光互连适用于芯片之间或电路板之间这个层次上的连接，可以使互 联密度接近光的衍射极限，不存在信道对带宽的限制，易于实现重构互联。美国 圣迭戈加利福尼亚大学专家开发出一种实验装置，高2 e m ，成功实现t c m o $ 芯片 堆栈的光互连。每块芯片堆栈上覆盖一块由2 5 6 枚撤光器和光电二极管组成的光学 芯片。激光发射后，垂直向上，在传输至另一块芯片堆栈时，同样是以垂直方式。 在两块芯片之间，檄光经过衍射栅、透镜和调整反射镜进行导向。该装置的2 5 6 枚 激光器的数据传输率均为1 g b s ，如图1 1 所示。 波导互连可以提供高密度互连通道，适用于芯片内或芯片之间这个层次上的 互连采用集成光源和探测器，由集成光路来连接。藏姆勒克莱斯勒研究中心开 发一种基于波导的光学背扳( b a c k p l a n e ) 来连接计算机或者发送通信系统中计算 机间的信号。大部分的光学互连设计中，激光是通过面发射激光器( v c s e l ) 产 生。光通过透镜将直径扩展到几个毫米进入波导。在波导的出口，被一反射镜改 变传播方向，通过透镜聚焦到探铡器。原型机的数据传输率达1 g b s 。目前该研究 所正在开发数据带宽达1 0 g b s 的装置，如图1 2 所示。戴姆勒克莱斯勒声称聚合物波 导比光纤更容易集成到系统中。 u 一_ 二二 棚暖圈，一 。- i ，一- _ o o t t a w 由 一 * _ n _ 口n = 矗。1 山东大学博士学位论文 1 1 5 导波光学耦合器的类型 在光通信及集成光学中，导波光学耦合器是关键器件之一。波导的各种光束 耦合器可分为两大类：横向耦合器，光束聚焦在波导敞开的横断面上，亦称端面 耦合器；纵向耦合器，光束倾斜入射到波导上。包括反射耦合器、棱镜耦合器和 光栅耦合器。在集成光学中，大部分器件都是通过模式之间若干次的耦合来处理 和传输光波。 端面耦合器 图1 3 端面耦合示意图 端面耦合是指光波从波导的端面直接输入，如图1 3 所示。利用端面耦合法激 励导波模式时，汇聚的激光在波导的前表面会产生菲涅耳反射，引起一部分能量 的损耗。光波导尺寸一般都在微米量级，需要数值孔径合适的显微物镜来汇聚激 光束，减少入射光束的宽度使它尽可能与表面波的场一致。否则，只要入射光束 的振幅分布与表面波场的形状有点不匹配，也会引起一部分能量的损耗。为了能 把光束能量有效耦合进波导，需要精确的光学调整架进行调整。由于这些限制条 件，端面耦合只在分析光波经过波导后的电场分布以及波导的传输损耗和插入损 耗等传播特性的场合下使用。 反射耦合器 s u b s t r a t e 图1 4 反射耦合示意图 9 山东大学博士学位论文 在反射耦合器中，光波通过波导中的反射面被耦合输入到光波导或从光波导 中耦合输出。例如，可在聚合物波导中加工制作4 5 。的反射面，并蒸镀上一层金 以增加光波的反射率，实现反射耦合输入输出f 4 l 书】，如图1 4 所示。为获得较高 的耦合效率，制备高质量的反射面成为关键，对制作工艺和技术提出很高的要求。 这种方法仅限于多模波导的耦合，且对角度的依赖性很大州。 棱镜耦合器 棱镜耦合器的结构如图1 5 所示。棱镜被压于平板波导上，在棱镜底部和波导 表面之间有一层很窄的空气隙。入射到棱镜底的激光束发生全反射，在棱镜和波 导间的空气隙里形成衰减的倏逝场，把棱镜中及底面附近的场分布称为棱镜模。 调整入射角度，当棱镜内全反射光的传播常数与波导导模的传播常数相等时，棱 镜模与导模耦合，把能量转移到波导中的导模，即输入耦合：当棱镜中没有输入光 束时，导模与棱镜模之间耦合，把能量引出波导，即输出耦合。 棱镜耦合对村底厚度( 太厚很难找到耦合点) 及波导表面洁净度等要求较高， 同时棱镜较大的体积和耦合时需要稳定的机械压力，使得这种方法不利于光通信 及集成光学器件的微型化，会给集成带来不便。棱镜耦合多在平面波导的模式分 析以及波导的传输损耗和折射率测量等场合下使用。 义 p r i 锄 w a v e g u i d e 、 s u b s t r m e 图1 5 棱镜耦合示意图 光栅耦合器 衍射光栅也可以实现光波导的输入输出耦合 4 s l ，通常称之为波导光栅耦合 器。波导光栅是指在波导光路中，波导的包覆层、波导层或衬底等介质的光学参 量或波导的尺寸分布呈现规律性周期变化的光路系统。在