Исследование, моделирование и разработка многоканальных интегрально-оптических межсоединений

Романов, Александр Алексеевич

Исследование, моделирование и разработка многоканальных интегрально-оптических межсоединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Романов, Александр Алексеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Краснодар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование, моделирование и разработка многоканальных интегрально-оптических межсоединений»

Автореферат диссертации на тему "Исследование, моделирование и разработка многоканальных интегрально-оптических межсоединений"

На правах рукописи

005537141

ГШ(

Романов Александр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ

Специальность 01.04.05 - онтика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

7 НОЯ 2013

Краснодар 2013

005537141

Работа выполнена на кафедре оптоэлектроники ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Научный Яковенко Николай Андреевич,

руководитель: доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой оптоэлектроники ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Официальные оппоненты:

Богатое Николай Маркович,

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой физики и информационных систем ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Кулиш Ольга Александровна,

кандидат физико-математических наук, доцент, «Военная академия связи имени маршала Советского Союза С. М. Буденного» министерства обороны РФ (филиал г. Краснодар)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Защита состоится: 29 ноября в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /Уї*}/^ Зарецкая Марина Валерьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Общеизвестно, что скорости передачи данных, обеспечиваемые современными электронными межсоединениями, которые являются основой для построения как персональной, так и специальной высокопроизводительной вычислительной и телекоммуникационной техники, приближаются к своему максимальному значению, определяемому физическими особенностями элементов межсоединений. Это обусловлено спектром физических эффектов, связанных с влиянием распределенных параметров линий передачи сигналов и свойствами материалов, из которых они формируются. По этой причине наращивание производительности специальных вычислительных систем (супер-ЭВМ) в последнее время обеспечивается в основном за счет увеличения количества вычислительных модулей, выполняющих операции в параллельном режиме и функционирующих на относительно низких тактовых частотах, имеющих порядок единиц гигагерц.

На основе экспериментальных оптических межсоединений получены скорости передачи данных до 80 Гбит/с на расстояние до 1 м [1] через оптический шлейф и 240 Гбит/с при параллельной передаче по 10 каналам [2] оптической интегральной схемы, в то время как предел скорости передачи данных в пределах электронной печатной платы на расстояние 30-50 см составляет около 20 Гбит/с [3]. При сравнении приведенных данных становятся очевидными преимущества оптических межсоединений, что описано в целом ряде научно-технических разработок.

Развитие современной базы оптических компонентов для передачи и обработки информации обеспечивает возможность интеграции оптических межсоединений в структуры электронных интегральных схем и многослойных печатных плат, что позволит значительно повысить производительность как персональных, так и специальных вычислительных устройств. Также продолжаются исследования, направленные на разработку топологий интегрально-оптических схем многомерных распределителей сигналов и принципов построения оптических соединений для непосредственной передачи оптического сигнала между отдельными устройствами.

Важное место среди современных межсоединений занимают многоканальные и матричные распределители оптического излучения, необходимые для организации вычислительных оптоэлек-тронных устройств и самовосстанавливающихся высокоскоростных каналов оптической связи [4]. Особое внимание уделяется созданию межсоединений на основе многомодовых оптических интегральных схем, поскольку сравнительно большие размеры их элементов делают такие соединения менее чувствительными к относительным смещениям и, как следствие, к механическим и температурным воздействиям.

Сказанное подтверждает актуальность разработки принципов построения интегрально-оптических межсоединений для многомодовых схем, выполняющих функции многоканальных многомерных распределителей оптических сигналов за счет преобразования формы и направления распространения их световых пучков. К таким соединениям относятся матричные распределители излучения, применяемые для создания оптоэлектронных вычислительных устройств, а также устройств многопоточной (параллельной) обработки информации и высокоскоростных каналов оптической связи.

К наиболее перспективным технологиям для формирования оптических интегральных схем относятся технологии ионного обмена. Сотрудниками кафедры оптоэлектроники Кубанского государственного университета с 1980-х гт. ведутся исследования процессов формирования элементов оптических интегральных схем в подложках из оптических стекол. Благодаря этому разработаны и описаны недорогие технологические процессы производства качественных оптических интегральных схем методами термической и электростимулированной миграции ионов в стекло из расплавов, содержащих ионы металлов [5]. Однако принципы формирования элементов ввода-вывода для схем, изготовленных по технологии ионного обмена, недостаточно хорошо изучены.

Цель работы - проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку физико-технологических принципов построения многоканальных распределителей оптического излучения и межсоединений на их основе. Данная цель определила основные задачи работы:

1) провести анализ существующих физико-технологических принципов создания интегрально-оптических межсоединений;

2) разработать принцип построения нового многоканального матричного интегрально-оптического распределителя излучения и его физико-математическую модель для расчета основных параметров;

3) провести экспериментальные исследования, направленные на поиск оптимальных физико-технологических параметров формирования интегрально-оптических схем многоканального матричного делителя излучения;

4) разработать и создать макет многоканального многомерного интегрально-оптического распределителя излучения;

5) разработать принцип построения новой интегрально-оптической схемы межсоединения и ее физико-математическую модель для расчета основных параметров;

6) создать макет интегрально-оптической схемы межсоединения.

Методы исследования базировались на основополагающих законах оптики, вычислительной математики и использовании современных информационных технологий. Для реализации численного моделирования распространения оптического излучения в элементах оптических интегральных схемах методом трассировки луча использовалось программное обеспечение, разработанное автором на языке С# (среда разработки - Microsoft Visual Studio 2010 Express).

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) предложен принцип построения нового интегрально-оптического многоканального делителя излучения (матричного делителя), состоящего из матрицы микролинз, выполняющих

роль вертикальных ответвителей оптического излучения из плоскости оптической интегральной схемы и канальных волноводов, служащих для ввода/вывода излучения в делитель, а также методика расчета его основных оптических параметров;

2) проведен расчет основных оптических характеристик матричного делителя (коэффициентов ответвления мощности оптического излучения выходных каналов делителя, коэффициентов передачи мощности между элементами делителя, распределения мощности излучения в областях его ответвления) при варьировании его оптико-геометрических параметров;

3) установлены оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излучения методом электростимулированной миграции ионов из расплава А§КЮ3 в подложках из оптического стекла марки К8;

4) создан макет схемы интегрально-оптического матричного делителя излучения, проведено экспериментальное исследование коэффициентов ответвления его выходных каналов;

5) предложен принцип построения нового интегрально-оптического межсоединения, состоящего из канальных волноводов, сформированных в плоских поверхностях отдельных стеклянных подложек методом электростимулированной миграции ионов, закругленные окончания которых выполняют функции фокусирующих элементов, повышающих коэффициент передачи соединения и его устойчивость к относительным смещениям его элементов;

6) создан макет интегрально-оптического межсоединения; проведено экспериментальное исследование зависимостей коэффициента передачи мощности в соединении от величины относительных смещений его элементов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения нового многоканального интегрально-оптического матричного делителя излучения и его физико-математическая модель.

2. Оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излу-

чения методом электростимулированной миграции ионов из расплава AgNOз в подложке из оптического стекла марки К8.

3. Принцип построения нового интегрально-оптического вертикального межсоединения на основе канальных волноводов с фокусирующими элементами и его физико-математическая модель.

Практическая значимость полученных результатов связана с их научной новизной и состоит в возможности применения разработанных принципов построения межсоединений при создании оптоэлектронных устройств.

Работа выполнена в рамках проводимой в КубГУ НИР «Исследование и моделирование физико-технологических процессов формирования и принципов построения микрооптических элементов и многоканальных структур плазмонной нанофотоники» (регистрационный номер 8.1973.2011) и программы стратегического развития Кубанского государственного университета.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается тем, что моделирование распространения излучения в рассматриваемых в работе элементах многомодовых интегрально-оптических схем выполнялось на основе известного математического аппарата трассировки луча, а результаты моделирования подтверждаются при сопоставлении с полученными экспериментальными данными.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных, всероссийских и региональных конференциях: Международной конференции «Опто-, наноэлек-троника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2011 г.), научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике (г. Москва, 2011 и 2012 г.). Основной материал диссертации опубликован в 6 работах, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора состоит в разработке принципов построения интегрально-оптического матричного делителя излучения и интегрально-оптического межсоединения, создании математических моделей данных схем и их программной реализации, экспериментальном исследовании оптимальных характеристик

технологического процесса формирования интегрально-оптического матричного делителя излучения, изготовлении экземпляров этих схем и экспериментальном исследовании их характеристик. Постановка задачи принадлежит научному руководителю.

Структура и объем работы. Работа изложена на 172 страницах, состоит из введения, 5 глав, включающих 12 параграфов, заключения, списка литературы, содержащего 110 наименований. Текст проиллюстрирован 93 рисунками и графиками.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования и степень ее разработанности, формулируются цели и задачи работы, описываются научная новизна полученных результатов и положения, выносимые на защиту.

В главе 1, параграфе 1.1 рассмотрены основные физические принципы формирования интегрально-оптических схем, входящих в состав оптических межсоединений. На основании проведенного обзора сделан вывод, что одним из наиболее перспективных материалов для создания таких схем является оптическое стекло, а наиболее эффективной технологией - метод электростимулированного ионного обмена.

В параграфе 1.2 автор, проанализировав основные принципы построения интегрально-оптических межсоединений, используемых для организации инфраструктуры передачи сигналов в оптоэлектронных устройствах, приходит к выводу, что одним из наиболее перспективных принципов создания оптоэлектронных устройств является их формирование на основе «оптоэлектронных печатных плат» (англ. electrical-optical circuit boards) - многослойных печатных плат, в структуру которых входят в виде отдельных слоев интегрально-оптические схемы, служащие для передачи оптического сигнала между узлами устройства, смонтированными на внешних сторонах печатной платы.

Для организации межсоединений, обеспечивающих вывод оптических сигналов из слоя интегрально-оптических схем, применяются в основном оптические элементы ввода/вывода, изменяющие направление распространения излучения, во-первых, за счет отражения, во-вторых, за счет дифракции. Формирование интегрально-оптических элементов ввода/вывода обоих типов

требует применения многоступенчатых технологических процессов обработки подложек схем. Кроме того, к недостаткам элементов этих типов относятся ограничения, на их расположение в топологиях интегрально-оптических схем.

Технология ионного обмена позволяет создавать элементы ввода/вывода для оптоэлектронных печатных плат, не имеющие указанных ограничений. Но принципы построения этих элементов недостаточно хорошо исследованы. Данное направление исследований является актуальным.

В параграфе 1.3 рассмотрены особенности основных методик моделирования распространения оптического излучения в элементах интегрально-оптических схем: метод распространяющегося пучка, метод конечных разностей во временной области и метод трассировки лучей.

Наиболее подходящим для анализа распространения оптического излучения в многомодовых интегральных схемах автором признан метод трассировки лучей, обладающий наименьшей вычислительной ресурсоемкостью в сравнении с другими методами и обеспечивающий возможность анализа многомодовых интегральных схем, в которых присутствуют резкие изменения показателя преломления среды на пути распространения оптического излучения, а размеры элементов этих схем значительно превышают длину волны оптического излучения, на которой выполняется анализ схемы.

В главе 2, параграфе 2.1 рассмотрены основные положения и математический аппарат метода трассировки луча для расчета распространения оптического излучения с учетом специфики распространения оптического излучения в элементах интегрально-оптических схем, сформированных в стеклах по технологии электростимулированного ионного обмена.

В параграфе 2.2 описаны принципы построения моделей интегрально-оптических схем, которые послужили основой для рассматриваемых в работе межсоединений, и моделей источников излучения, полученных с помощью программных средств.

В главе 3, параграфе 3.1 приведен принцип построения интегрально-оптического матричного делителя оптического излучения. Основа конструкции данного делителя (рис. 1, а) - массив

интегральных микролинз 1, сформированных в стеклянной подложке 2. Ввод (вывод) излучения в схему осуществляется с помощью канальных волноводов 3, расположенных по периметру подложки 2. Центр кривизны каждой из микролинз массива 1 лежит на пересечении плоскостей симметрии четырех волноводов. Особенность технологического процесса формирования данной схемы состоит в том, что микролинзы матрицы и окончания волноводов имеют одинаковые радиусы кривизны и ступенчатые профили показателя преломления (ПП).

Рис. 1. Схематические изображения: а — интегрально-оптического матричного делителя излучения; б - хода луча в сечении микролинзы и канализирующего элемента над ее плоской поверхностью

Строка (столбец) матрицы микролинз представляет собой волноведущую структуру, аналогичную волноводам сегментного типа. При введении излучения в канальные волноводы строки (столбца) матрицы оно распространяется в линии микролинз, ответвляясь на поверхность подложки у краев входных волноводов и каждой из микролинз (на рис. 1, а направление распространения излучения показано стрелками), и выводится из подложки через волновод на ее противоположной стороне.

Для канализирования излучения, ответвленного микролинзами при использовании данной оптической интегральной схемы в составе оптоэлектронных печатных плат, целесообразно использовать внешние конструктивные элементы. К преимуществам такого решения относятся значительное повышение коэффициентов ответвления мощности излучения выходных каналов матричного делителя и возможность согласования их апертур с апертурами фотоприемных устройств. Наиболее технологичным решением является использование в

качестве канализирующих элементов металлизированных отверстий в слое печатной платы (или металлической пластине), расположенных над плоскими поверхностями микролинз и заполненных иммерсионной средой. Схематическое изображение хода луча в описанном канализирующем элементе показано на рис. 1, б.

В главе 3, параграфе 3.2 описана математическая модель матричного делителя и приведены результаты численного моделирования распространения оптического излучения в его элементах при варьировании их оптико-геометрических параметров, что позволило выявить основные особенности функционирования предложенной схемы.

Поскольку постановка задачи предполагает, что количество микролинз в делителе может быть произвольным, для построения его модели на основе программных средств в его топологии были выделены блоки однотипных элементов, которые последовательно использовались для моделирования распространения излучения на небольших участках матричного делителя. Объединение данных о распространении излучения на этих участках позволило получить информацию о мощности излучения, ответвленного на поверхность подложки каждой из микролинз. С помощью данной модели построен ход лучей в линии микролинз, показанный на рис. 2, а и б.

Рис. 2. Схематическое изображение хода лучей в продольном сечении строки матричного делителя, включающей 8 микролинз и входной и выходной волноводы: а - показаны только лучи, соответствующие модам, направляемым линией микролинз; б - показаны только лучи, для которых выполняется условие ответвления в микролинзах линии

Типичная зависимость коэффициента ответвления мощности оптического излучения Котв в воздушную среду над подлож-

кой от приращения ПП Дп элементов схемы матричного делителя относительно подложки, построенная для окончания входного волновода с радиусом кривизны окончания, равным 60 мкм, и длиной прямого участка, равной 10 мм, приведена на рис. 3.

Диаграммы направленности излучения, ответвленного окончанием волновода при различных значениях Дп, показаны на рис. 4. Наклон диаграммы обусловлен составляющей излучения, ответвленной на поверхность подложки за счет полного внутреннего отражения на закругленном окончании волновода. Расширение диаграммы направленности при увеличении Дп, обусловлено увеличением части мощности, переносимой излучением, ответвленным на поверхность подложки за счет преломления закругленным окончанием волновода.

Катв, %

Рис. 3. График зависимости коэффициен- Рис. 4 Диаграмма направленно-та ответвления мощности оптического сти излучения, ответвленного излучения КоТВ от Дп закругленным окончанием

входного волновода

На рис. 5 приведены графики распределения мощности Р0ТВ1 излучения по поверхности подложки, ответвленного первой микролинзой линии в объем канализирующего элемента (переходного отверстия), а - заполненного воздухом, б - средой с ПП Шла* равным ПП микролинзы пм- Графики соответствуют случаю, когда оптическое излучение одинаковой мощности вводится в пару входных волноводов, расположенных на смежных сторонах подложки; геометрия задачи схематически показана над графиками (интенсивность излучения нормирована к максимальному значению). Коэффициент ответвления оптической мощности (из каждого канала - строки и столбца) в случае, соответствующем рис. 5, а, составляет 0,3 %; в случае б- 10,8 %.

Пики на рис. 5, а формируются за счет составляющей излучения, ответвляющейся на поверхность подложки при отражении от внутренней полусферической поверхности микролинзы; на рис. 5, б пик над центром микролинзы формируется за счет излучения, преломленного в объем переходного отверстия. Соответственно при изменении диаметра переходного отверстия изменяется площадь на поверхности подложки, через которую происходит передача излучения в переходное отверстие. На основе описанных особенностей матричного делителя можно сделать следующие выводы:

а б

Рис. 5. Графики поверхностей, соответствующих распределению нормированной интенсивности ответвленного излучения по поверхности подложки над микролинзой при введении излучения в пару волноводов для случаев: а - при Пум. = 1,0; б - при Пугд = пм

2', мкм 50

р'га1.%

Ъ, мкм Z,, 50

- за счет изменения диаметра переходного отверстия и показателя преломления иммерсионной среды в нем можно в широких пределах варьировать коэффициенты ответвления отдельных микролинз строки или столбца матричного делителя излучения;

- матричный делитель оптического излучения может быть использован в качестве основы оптоэлектронных вычислительных устройств, поскольку позволяет выполнять суммирование интенсивностей излучения пары некогерентных источников, при этом выбор коэффициентов ответвления микролинзы для строки и столбца матрицы определяет весовые коэффициенты суммирования.

В параграфе 3.3 описаны этапы разработки оптимальной топологии фотошаблона, использованного для создания макета схемы интегрально-оптического матричного делителя излучения по технологии электростимулированной миграции ионов (ЭС-МИ).

На основе обзора литературы в качестве материала подложки было выбрано боросиликатное оптическое стекло марки К8, в качестве соединения, содержащего диффузант, - нитрат серебра AgN03. Рисунок фотошаблона переносится на маскирующий слой на поверхности стеклянной подложки в масштабе 1:1 методом фотолитографии [4]. При проектировании фотошаблона расстояния между центрами волноводов и микролинз были выбраны одинаковыми и равными 250 мкм, что обеспечивает возможность соединения входных каналов матричного делителя со стандартными волоконными шлейфами. При разработке делителя учитывалось, что радиус кривизны микролинз и волноводов должен иметь такое значение, чтобы стыковка с многомодовым оптическим волокном, диаметр модового поля которого приближенно равен 50 мкм, осуществлялась с минимальным уровнем потерь.

Основная задача, описанная в данном параграфе, - расчет размеров элементов рисунка фотошаблона, обеспечивающих формирование микролинз и окончаний входных волноводов делителя, имеющих строго полусферическую форму и заданный радиус кривизны R. Чтобы установить зависимость величины R от диаметров отверстий фотошаблона Xw и расстояний bw между их краями, было проведено моделирование процесса перемещения ионов диффузанта в материале подложки под действием приложенного стимулирующего электростатического поля. При построении модели использовалось двумерное уравнение Лапласа для электростатического поля. На основе аналитического решения [6, 7] данного уравнения, полученного методом конформных отображений, было построено распределение напряженности электростатического поля под поверхностью маскирующего слоя. Набор конечных точек траекторий перемещения ионов серебра в подложку вдоль линий напряженности поля за время его приложения tCT позволяет построить профиль сечения микролинз при заданном времени приложения стимулирующего напряжения.

Для численной оценки формы микролинзы был использован набор точек, принадлежащих опорной полуокружности, форма которой наиболее близка к форме профиля микролинзы при заданном времени проведения ЭСМИ. Радиус опорной полуокружности К011 выбирался равным максимальной глубине проникновения ионов в подложку. Координаты точек опорной полуокружности вычислялись как точки пересечения этой окружности с радиус-векторами, проведенными к конечным точкам траекторий ионов.

й шш

у»

х. мкм

а б

Рис. 6. Графики: а - конечные точки траекторий движения ионов Ag+ в объеме подложки, соответствующие различным значениям времени 1ст(серые линии) и точки опорной правильной полуокружности (черная линия); б - зависимость 11(х\у, Ку) при Ь\у= 250 - х\у

Степень близости опорной окружности и поверхности микролинзы оценивалась по методу наименьших квадратов. При расчетах использовалось приблизительное значение подвижности ионов Ag+ в стекле |аа = 1 (мкм/ч)(мм/В) на основе данных из работы [6]. На рис. 6, а приведены графики, отражающие профиль поперечного сечения поверхности микролинзы, построенные с приращением tcx, равным 80 с, и опорной правильной полуокружности радиусом R0Ti, равным 65 мкм (расчетные параметры: толщина подложки d = 1 мм, Ucx = 12 В, xw = 20 мкм, bw = 230 мкм). На рис. 6, б показана зависимость радиусов микролинз R, имеющих форму профиля, наиболее близкую к полуокружности, от диаметров отверстий в маске xw, разнесенных на расстояния bw, выбранных так, чтобы xw + bw = 250 мкм (при тех же расчетных параметрах).

Поскольку минимальный размер отверстия в маске Х\у ограничен доступными технологическими возможностями изготовления железоокисного шаблона и процесса фотолитографии, с помощью которого рисунок шаблона переносится на маскирующий слой подложки, он составлял около 15 мкм. На основе этого ограничения и требования совместимости с многомодовым оптическим волокном диаметр Х\у был принят равным 20 мкм, что обеспечивает формирование микролинз, имеющих радиус кривизны И, приблизительно равный 65 мкм.

В главе 4 рассмотрены результаты экспериментального исследования макета интегрально-оптической схемы матричного делителя излучения.

В параграфе 4.1 проведено теоретическое и экспериментальное уточнение технологических параметров формирования схем матричных делителей методом ЭСМИ и описан процесс их изготовления.

Для формирования схем использовался расплав смеси AgNOз и №Ж)3, взятых в молярном соотношении 1:10. В качестве подложек использовались пластины из стекла К8 размером 40x50 мм и толщиной 1 и 2 мм. Маскирующий слой на поверхностях подложек формировался методом термовакуумного напыления алюминия и имел толщину «1,2 мкм. Топология схемы формировалась в маскирующем слое в процессе фотолитографии с последующим проявлением фоторезиста и травлением маскирующего слоя слабым водным раствором КОН (концентрация 0,5%).

Чтобы установить оптимальное время формирования схемы матричного делителя, необходимо вычислить значение параметра подвижности ца ионов А§+ в стекле при данном технологическом режиме. Значение величины ца было определено на основании экспериментально измеренной предельной глубины Бщах проникновения ионов диффузанта в подложку за время ^ приложения поля, по расчетной зависимости Отах, построенной при варьировании ца в качестве аргумента.

С целью получения экспериментального значения предельной глубины проникновения ионов диффузанта на основе описанного фотошаблона, в подложках из стекла К8 толщиной

с! = 1 мм был изготовлен набор пробных схем матричного делителя.

1>гп::. МКМ

/ у

1ст, ма

ТО

- () I ММ

• д=2 ми

»в и

1.2

■ 59 эдт*о

ЛА

•

2,1 г,«

10 и 14 1« 18 ИВ 22

а б

Рис. 7. Графики: а - расчетной зависимости Ошах(ца) при 1:ст = 20 мин; б -графики зависимости тока в цепи источника стимулирующего напряжения за время формирования элементов схемы делителя

Время 1:ст приложения стимулирующего напряжения исх = 12 В при изготовлении пробных схем делителя было выбрано равным 20 мин на основе оценочного значения ца так, чтобы поверхность микролинзы приобрела форму, близкую к полусферической. Значение Ощах для полученных микролинз пробных схем составил 59 мкм. Как видно из рис. 7, а, данное значение соответствует ца~1,6(мкм/ч)(мм/В).

Для подложек с толщиной с1 = 2 мм стимулирующее напряжение ист было рассчитано таким образом, чтобы время проведения стимулированного ионного обмена было равным времени для подложек с ё = 1 мм (необходимое условие для уменьшения влияния термической составляющей диффузионного процесса на форму профиля распределения ПП элементов схемы) и составило ист= 34,0 В. Типичные зависимости тока 1ст, протекающего в цепи источника стимулирующего напряжения, от времени 1:ст для подложек различной толщины при указанных параметрах приведены на рис. 7, б. Оптимальные времена 1СТ приложения стимулирующего напряжения для с1 = 1 мм и (1 = 2 мм составили 22 и 23 мин соответственно. На рис. 8 приведены фотографии фрагментов схем изготовленных матричных делителей.

250 мкм 250 мкм

С1

„ 330 мкм ч——---

65 мкм

Рис. 8. Фотографии изготовленных схем матричных делителей: а - общий вид схемы; б - фотография увеличенного фрагмента схемы, отмеченного белым прямоугольником; в - фотография поперечного сечения микролинзы линии

В параграфе 4.2 описаны результаты исследования основных оптических характеристик изготовленных схем матричных делителей излучения.

Для сопоставления расчетных и экспериментальных значений коэффициентов ответвления оптической мощности выходных каналов матричного делителя необходимо выполнить его моделирование с учетом An элементов изготовленных схем. Оценочное значение An для полученных схем было рассчитано путем определения фокусного расстояния микролинз L, измеренного при освещении их коллимированным излучением лазерного источника с длиной волны 850 мкм (ПП стекла К8 составляет 1,50984). Измеренное значение L составило приблизительно 0,24 мм, что соответствует значению An, приближенно равному 0,11.

Для наблюдения ответвления оптического излучения у краев микролинз при введении в волновод излучения лазера с рабочей длиной волны 850 нм использовалась ПЗС-камера, зафиксированная на окуляре микроскопа. При одновременном введении излучения в пару волноводов, расположенных на смежных сторонах подложки, наблюдается ответвление излучения около краев микролинзы, расположенной на пересечении осей этих волноводов (рис. 9, а). На рис. 9, б приведен график распределения интенсивности излучения, зафиксированного ПЗС-камерой над поверхностью микролинзы, нормированной к максимальному значению.

Рис. 9. Выходные каналы матричного делителя: а - фотография микролинзы 1 и точек ответвления излучения у ее краев 2; б - график распределения нормированной интенсивности излучения по поверхности подложки над микролинзой, соответствующий а; в - фотография точек ответвления 2 оптического излучения у краев микролинз строки матричного делителя (длина волны X = 850 нм)

При сравнении рис. 9, б и рис. 5, а видно, что распределение интенсивности, полученное расчетным путем, соответствует экспериментальному. На рис. 9, в приведена фотография поверхности делителя, на которой видны точки ответвления излучения 2 у краев микролинз при введении излучения во входной волновод строки матрицы.

Схематическое изображение экспериментального стенда, использованного для исследования коэффициентов ответвления выходных каналов матричного делителя, показано на рис. 10. Стеклянная подложка исследуемой схемы матричного делителя 1 с помощью клеевого соединения фиксируется на армирующем основании 2. Над поверхностью подложки размещается волоконный зонд 3, представляющий собой патч-корд многомодового оптического волокна с диаметром модового поля, приблизительно равным 50 мкм. Один конец патч-корда жестко закреплен на подвижной части линейного транслятора 4, обеспечивающего перемещение зонда в плоскости ЧЪ. Второй конец патч-корда подключен к измерителю оптической мощности 5. Армирующее ос-

нование 2 с исследуемой схемой 1 размещается на многоосевом трансляторе 6, предназначенном для выравнивания подложки относительно зонда.

Был использован следующий алгоритм измерений: торец волокна-зонда 3 вводился в механический контакт с поверхностью подложки 1 и перемещался с помощью транслятора 4 в точку у края первой микролинзы 7. Значение мощности фиксировалось с помощью измерителя 5 и зонд перемещался к следующей

зованного для исследования коэффициентов ответвления выходных каналов матричного делителя

Перед проведением измерений с помощью многоосевого транслятора 6 выполнялась юстировка исследуемой схемы 1 с целью совмещения плоскости ЧЪ, в которой перемещается зонд 3, и плоскости симметрии строки матричного делителя.

Согласно первичному определению коэффициента ответвления, для его расчета должны быть измерены мощность на входе волноводного канала и на каждом выходном канале делителя. Так как целью исследования являлось изучение ответвляющих свойств предложенной микролинзовой структуры, было решено не учитывать поглощение входных волноводов делителя и измерить коэффициенты ответвления его выходных каналов К'ь нормированных на величину оптической мощности в первом выходном канале Р0ТВ1-

Измерение мощности ответвления выполнялось для первых 10 микролинз (что соответствует диапазону точного перемещения волоконного зонда с помощью линейного транслятора стенда) строк и столбцов 3 схем матричных делителей.

На рис. 11 приведены: характерная гистограмма нормированных коэффициентов ответвления К'і, микролинз линии матричного делителя, рассчитанных на основе экспериментальных данных, и гистограмма расчетных значений К';. Планки погрешности на гистограмме имеют диапазон ±5 %. При сопоставлении гистограмм видно, что расчетные и экспериментальные данные соответствуют друг другу с точностью, приблизительно равной 5%.

кч,%

□ Экспериментальная схема матричного делителя

Модель матричного делителя

23456719 10 Рис. 11. Гистограмма расчетных значений К'; (темно-серая) и характерная гистограмма значений К'^ изготовленных схем матричных делителей

(светло-серая)

Разброс значений К';, рассчитанных на основе экспериментальных данных, при измерениях для различных схем не превышал 8%. Данная погрешность обусловлена, во-первых, небольшими различиями условий возбуждения излучения входных волноводов матричных делителей, связанных с неточностями позиционирования оптических волокон относительно торцов волноводов при стыковке, во-вторых, неточностями позиционирования волоконного зонда относительно областей ответвления оптического излучения на поверхность подложки.

В главе 5 описан принцип построения нового интегрально-оптического вертикального межсоединения, результаты моделирования распространения излучения в соединении и экспериментального исследования основных оптических характеристик макета данного соединения.

В параграфе 5.1 рассматриваются принципы построения нового интегрально-оптического вертикального межсоединения.

На рис. 12 приведены схематические изображения сечений элементов межсоединения: а - продольное, б - поперечное.

Соединение содержит две подложки 1, 2, имеющие равные ПП и,. В каждой из подложек сформированы многомодовые канальные волноводы, условно обозначенные как входной 3 и выходной 4, имеющие радиусы 11вх и 11вых соответственно.

Рис. 12. Схематическое изображение интегрально-оптического межсоединения: а - продольное сечение; б - поперечное сечение

Радиус закругленного окончания 5 волновода 3 равен Н.„х. Показатели преломления волноводов 3, 4 равны п2. Длина Ь перекрытия волноводов 3 и 4 отсчитывается от центров кривизны их окончаний. Приращение показателей преломления волноводов Дп = п2-п1. Воздушный зазор 6, присутствующий между подложками, заполняется иммерсионной жидкостью, равномерно распределяющейся между поверхностями подложек за счет капиллярного эффекта при их соединении и имеющей показатель преломления, равный показателю преломления п2 волноводов, толщина слоя иммерсионной жидкости при моделировании соединения принимается малой.

С помощью программной реализации модели соединения методом трассировки построен ход лучей в соединении (рис. 13). Закругленное окончание входного волновода, выполняющее функцию фокусирующего элемента, изменяет диаграмму направленности его излучения в подложке, за счет чего происходит передача в выходной волновод лучей, распространяющихся вдоль плоскости симметрии волновода под небольшими углами к ней (рис. 13, а).

I I

1 а I 1

\ 1 | ............ б 7

С У'г"

В I

Рис. 13. Ход лучей в продольном сечении разъемного соединения: а- переданных в выходной волновод за счет преломления окончанием входного волновода; б - переданных в выходной волновод через их перекрывающиеся поверхности; в - излучаемых в подложку после отражении на закругленном окончании входного волновода

Излучение также передается через перекрывающиеся поверхности волноводов (рис. 13, б). Часть энергии излучения входного волновода не захватывается выходным, поскольку испытывает отражение на поверхности закругленного окончания входного волновода (рис. 13, в). На основе численного расчета распространения излучения в модели межсоединения построены зависимости коэффициента передачи мощности оптического излучения Кпер через межсоединение от его оптико-геометрических параметров.

На рис. 14, а приведены графики зависимости коэффициента передачи Кпер от Ь при Ь<Ь„ и фиксированном Лп = 0,1 (типичные значения для волноводов, сформированных методом электростимулированного ионного обмена) и Кпер от величины смещения волноводов Б в направлении, поперечном их плоскостям симметрии. Как видно из рис. 14, а, зависимости Кпер(Ь) имеют максимум при всех соотношениях КВЫХЛ1ВХ, после достижения которого значение Кпер изменяется незначительно. Обозначим Ь„ длину перекрытия волноводов, которой соответствует максимум зависимости Кпер(Ь). Коэффициент передачи мощности Через Соединение ДОСТИГаеТ 90 % При СООТНОШеНИИ Явых/К-вх = 4 и Ь ~ 2,24 мм.

80 90 100 ПО 120

а б

Рис. 14. Графики зависимости коэффициента передачи Кпер мощности оптического излучения в межсоединении: а - от длины перекрытия волноводов Ь при Дп = 0,1 и Ь<ЬН для различных соотношений Квы>!/11вх; б - от величины поперечного смещения Б плоскостей симметрии входного и выходного волноводов

Значения длин перекрытия Г выбраны с учётом максимального коэффициента передачи для каждого из использованных соотношений Квых/К.вх, значения Ь = Ьн.

Из рис. 14, б видно, что при Квых > 2КВХ и поперечном смещении Б < Квх наблюдается рост коэффициента передачи. Это объясняется тем, что для части излучения, отраженного окончанием входного волновода в вертикальном направлении (см. рис. 13, в), начинают выполняться условия отражения на поверхности выходного волновода, что приводит к формированию направляемых им лучей, которые распространяются вдоль периметра сечения выходного волновода.

На основе моделирования распространения излучения в межсоединении при варьировании параметров Ь и Б построена диаграмма, отражающая его устойчивость к продольным и поперечным смещениям. Данная диаграмма изображена на рис. 15; зависимость коэффициента передачи от продольного Г и поперечного Б смещений Кпер(Ь, 8) построена для параметров, соответствующих случаю, обеспечивающему максимальную эффективность соединения: Дп = 0,1, ЯВых/К-вх = 4, Квх = 25 мкм для диапазонов значений Ь = 0,25...2,25 мм и 8 =-125...+ 125 мкм, что соответствует перемещению в поперечном направлении на 250 мкм.

Рис. 15. График поверхности, соответствующей значениям коэффициента Кпср мощности оптического излучения в соединении при варьировании продольного Ь и поперечного 8 смещений его элементов

Как видно из рис. 15, предложенное межсоединение обладает высокой устойчивостью к продольным и поперечным сдвигам и сохраняет высокую эффективность передачи оптического излучения между входным и выходным волноводами в широком диапазоне относительных смещений. Таким образом, на основе данного межсоединения целесообразно создавать разъемные соединения для передачи оптического сигнала между основной и дочерними многослойными печатными платами со встроенными интегрально-оптическими схемами.

В параграфе 5.2 описаны результаты экспериментального исследования коэффициента передачи мощности оптического излучения макета предложенного вертикального соединения.

Структурная схема стенда для измерения коэффициента передачи соединения приведена на рис. 16. Оптическое излучение лазерного источника 1 через перестраиваемый аттенюатор 2 вводится в волокно, пристыкованное к торцу подложки 3, содержащей входной канальный волновод. Подложка 4 закреплена на подвижном держателе с помощью склеенной с ней стеклянной пластинки 5. Излучение, переданное в выходной волновод, попадает на фоточувствительную область фотодиода б, работающего в фотогальваническом режиме, фототок регистрируется микроамперметром 7. Процесс совмещения входного и выходного волноводов контролировался визуально, непосредственно через поверхность стеклянной пластинки 5 с помощью микроскопа 8; полу-

чаемое изображение регистрировалось с помощью ПЗС-камеры. Перестраиваемый аттенюатор 2 необходим, чтобы исключить работу фотоприемного устройства в режиме насыщения.

___8

Рис. 16. Структурная схема измерительного стенда для исследования зависимостей коэффициента передачи Кпер от оптико-геометрических характеристик интегрально-оптического межсоединения

Для регистрации мощности излучения, переданного через соединение, был использован фотодиод TEMD7000X01 (Vishay Semiconductors). Параметры использованных волноводов: соотношение радиусов кривизны R окончаний 1:1, R = 56mkm, An ~ 0,05, длина прямых участков волноводов - 10 мм.

Для определения коэффициента передачи предварительно был измерен ток фотодиода Iref при его непосредственном освещении с торца входного волокна. Далее с помощью микрометрических винтов трансляторов выполнялось взаимное перемещение волноводов на заданные дискретные расстояния в продольном и поперечном направлениях относительно их плоскостей симметрии. После каждого перемещения измерялся ток фотодиода Is, расположенного напротив торца выходного волновода (см. рис. 16). Коэффициент передачи Кпер рассчитывался как процентное соотношение 1Де£

На рис. 17, а показаны график экспериментальной зависимости (сплошная линия) коэффициента передачи Кпер мощности излучения в соединении при относительном продольном смещении L в диапазоне 0...850 мкм и соответствующий параметрам соединения график расчетной зависимости (пунктирная линия).

Кпер, «i>

✓ s» -

»*> w> -г »r, «rj »r; <£> i

О 5 1.0 15 20 25 30 35 40 45 5

а б

Рис. 17. Графики экспериментальных (сплошные линии) и расчетных (пунктирные линии) зависимостей Кпср: а - от величины продольного смещения L; б - от величины поперечного смещения S

На рис. 17, б показаны графики экспериментальной (сплошная линия) и расчетной (пунктирная линия) зависимостей коэффициента передачи Кпер мощности излучения в соединении при относительном поперечном смещении S входного и выходного волноводов в диапазоне 0...70 мкм (в одном направлении, относительно плоскостей симметрии волноводов, при фиксированном продольном смещении L = 850 мкм).

Как видно из рис. 17, а и б, экспериментальные значения отличаются от расчетных на 6%. Расхождение расчетных и экспериментальных данных обусловлено, во-первых, собственным поглощением материалов входного и выходного волноводов, во-вторых, неточным соответствием ПП иммерсионной жидкости (анисового масла) ПП волноводов на использованной длине волны и их собственным поглощением.

Ненулевое значение фототока при малых расстояниях перекрытия волноводов объясняется наличием излучения, распространяющегося в объеме совмещенных подложек.

Как показано на рис. 17, б, при смещении волноводов на 60 мкм, что соизмеримо с их поперечными размерами, коэффициент передачи соединения изменяется приблизительно на 12%. Данный факт является важным, так как из него следует, что данная схема интегрально-оптического соединения не требует применения дорогостоящих прецизионных механических узлов для своего изготовления. Таким образом, факт низкой чувствительности коэффициента передачи мощности излучения в соединении

к смещениям его элементов, предсказанный теоретически на основе физико-математической модели соединения, подтверждается экспериментально.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационного исследования.

1. Предложен принцип построения нового интегрально-оптического многомерного многоканального делителя излучения, состоящего из матрицы микролинз, выполняющих роль вертикальных ответвителей оптического излучения из плоскости оптической интегральной схемы и канальных волноводов, служащих для ввода/вывода излучения в матричный делитель, и построена его физико-математическая модель. Предложенный делитель может выполнять функции оптического суммирующего элемента с учетом весовых коэффициентов для двух оптических сигналов, определяемых коэффициентами ответвления оптической мощности его выходных каналов (для строки и столбца соответственно).

2. Предложен метод повышения коэффициентов ответвления оптической мощности выходных каналов матричного делителя основанный на использовании внешних канализирующих элементов (цилиндрических световодов, заполненных иммерсионной средой). За счет применения таких элементов коэффициенты ответвления мощности выходных каналов делителя повышаются до 28% (окончание волновода) и 16% (микролинзы) от мощности, введенной в канал делителя (строку или столбец матрицы).

3. Найдены следующие оптимальные параметры технологического процесса электростимулированной миграции ионов, обеспечивающие формирование интегрально-оптических схем матричных делителей излучения с заданными параметрами (радиусы кривизны Я поверхностей микролинз и окончаний входных канальных волноводов, равных 65 мкм) в подложках из оптического стекла марки К8: для стеклянных подложек толщиной (1 = 1 мм, при стимулирующем напряжении ист = 12,0 В время приложения поля ^ = 22 мин; для подложек с (1 = 2 мм при исх = 34,0 В 1:сх = 23 мин.

4. Предложен принцип построения нового интегрально-оптического вертикального межсоединения, состоящего из ка-

нальных волноводов, сформированных в плоских поверхностях отдельных стеклянных подложек методом электростимулирован-ной миграции ионов, закругленные окончания которых выполняют функции фокусирующих элементов. Расчетное значение коэффициента передачи мощности излучения через соединение составляет около 90% при соотношении радиусов Я входного и выходного волноводов 1:4 (радиус кривизны окончания входного волновода - 25 мкм). При поперечном смещении волноводов на 100 мкм коэффициент передачи уменьшается не более чем на 10%.

5. Создан макет предложенного интегрально-оптического разъемного соединения (соотношение радиусов II волноводов 1:1 при К = 56 мкм). С помощью макета получены экспериментальные зависимости коэффициента передачи оптической мощности соединения от величин поперечного и продольного смещений, подтверждающие его высокую устойчивость к таким смещениям: при поперечном смещении волноводов на 60 мкм коэффициент передачи оптической мощности в соединении изменяется приблизительно на 12%.

Результаты работы, опубликованы в следующих изданиях:

1. Пат. 100638 Рос. Федерация, МПК в 02 В 6/122. Интегрально-оптический матричный делитель излучения / Н. А. Яковенко, А. В. Никитин, М. М. Векшин, А. А. Романов. Заявитель и патентообладатель Кубанский государственный университет. — №2010135561-28; заявл. 24.08.2010; опубл. 20.12.2010, бюл. № 35.— 5 е., ил.

2. Пат. 118766 Рос. Федерация, МПК в 02 В 6/122. Интегрально-оптическое разъемное соединение / Н. А. Яковенко, А. В. Никитин, А. А. Романов, С. Н. Соколов. Заявитель и патентообладатель Кубанский государственный университет. — №2012117648-28; заявл. 27.04.2012; опубл. 27.07.2012.— 7 е., ил.

3. Яковенко, Н. А., Романов, А. А. Применение интегрально-оптического матричного микролинзового делителя излучения для измерения мощности оптических сигналов / Н. А. Яковенко, А. А. Романов // Экологический вестник научных центров ЧЭС. — 2012, — 3. — С. 85-90.

4. Матричный микролинзовый делитель излучения для опто-электронных печатных плат / Н. А. Яковенко, M. М. Векшин, В. А. Никитин, А. А. Романов // Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике: сб. науч. тр.. — М.: б.и., 2011. —С. 61-62.

5. Романов, А. А., Векшин, M. М., Яковенко, Н. А. Оптическое волноводное межсоединение для оптоэлектронных печатных плат / А. А. Романов, M. М. Векшин, Н. А. Яковенко // Фотоника и информационная оптика. — М.: б.и., 2012. — С. 50-51.

6. Применение интегральных делителей оптического излучения для создания оптоэлектронных логических элементов / А. А. Романов, M. М. Векшин, В. А. Никитин, Н. А. Яковенко // Опто-, наноэлектро-ника, нанотехнологии и микросистемы: тр. Междунар. конф. — Ульяновск: б.и., 2011. — С. 246-247.

Работы 1-3 опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК

РФ.

Список цитированной литературы

l.Ishigure T., Takeyoshi Y. Polymer waveguide with 4-channel graded-index circular cores for parallel optical interconnects // Optics Express. — 2007. — Vol. 15, № 9.

2. Schroeder H., Ardnt-Staufenbiel N., Beier A., Ebling F. 240 Gbit/s parallel optical transmission using double layer waveguides in thin glass sheets // 2nd Int. Symp. on Photonic Packaging, ŒEE-LEOS. — Munich, 2008.

3. Miller D., Ozaktas H. Limit to the bit-rate capacity of electrical interconnects from the aspect ratio of the system architecture // J. of paralleland distributed computing. — 1997. — №41.

4. Смартлинки - умные соединения / В. Никитин, Э. Семенов, А. Ломанов, А. Гусаров // Фотоника. — 2009. — № 1.

5. Никитин В. А., Яковенко Н.А. Электростимулированная миграция ионов в интегральной оптике. — Краснодар : КубГУ, 2013.

6. Messerschmidt В., Possner U., Houde-Walter S. Fabrication tolerances and metrology requirements for ion-exchanged micro-optic lenses: What's good enough? // Applied optics. — 1997. — Vol. 36, №31.

7. Oven R. Tapered Waveguides Produced by Ion Exchange in Glass With a Nonuniform Electric Field // Journal of lightwave technology. — 2006.—P. 4337-4344.

Романов Александр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 25.10.13. Формат 60><841/1б. Печать цифровая. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 1601,12

Издательско-полиграфический центр Кубанского государственного университета 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Романов, Александр Алексеевич, Краснодар

ФГБОУ ВПО

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

На правах рукописи

4 5260 5

Романов Александр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ

МЕЖСОЕДИНЕНИЙ

специальность 01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Краснодар 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 .ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНО ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ И МЕЖСОЕДИНЕНИЙ...............................................11

1.1 .Физические принципы формирования интегрально-оптических схем,

используемых в качестве основы оптических межсоединений.......................11

1.2.Принципы построения оптических

межсоединений интегральных схем....................................................................19

1.3.0сновные методы моделирования распространения излучения в

многомодовых интегрально-оптических схемах...............................................38

Выводы к главе 1...................................................................................................43

2.МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЛНОВОДНЫХ И ФОКУСИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТАХ МНОГОМОДОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ......................................................................................................46

2.1 .Основные положения метода трассировки луча..........................................46

2.2.Разработка программных средств для моделирования распространения оптического излучения в волноводных и фокусирующих элементах многомодовой интегральной оптики, сформированных по технологии электростимулированного ионного

обмена.....................................................................................................................54

Выводы к главе 2...................................................................................................69

3.РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОМЕРНОГО ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО МЕЖСОЕДИНЕНИЯ.............................................................70

3.1.Разработка принципов построения нового интегрально-оптического многоканального делителя излучения на основе матричной микролинзовой структуры...............................................................................................................70

3.2.Физико-математическая модель многомерного интегрально-оптического матричного делителя излучения и расчет его основных параметров..............81

3.3.Разработка оптимальной топологии интегрально-оптического делителя

излучения.............................................................................................................115

Выводы к главе 3................................................................................................127

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛБНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ДЕЛИТЕЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МИКРОЛИНЗОВОЙ СТРУКТУРЫ..................................................................129

4.1 .Расчет и исследование оптимальных физико-технологических параметров формирования интегрально-оптического делителя излучения методом электростимулированной миграции ионов в

стекле....................................................................................................................129

4.2.Экспериментальное исследование основных оптических характеристик

интегрально-оптического матричного делителя излучения...........................136

Выводы к главе 4.................................................................................................144

5.РАЗРАБОТКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО МЕЖСОЕДИНЕНИЯ МНОГОМОДОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ....................145

5.1.Разработка принципов построения вертикального межсоединения планарных оптических схем на основе

многомодовых канальных волноводов.............................................................145

5.2.Экспериментальное исследование вертикального интегрально-

оптического межсоединения..............................................................................156

Выводы к главе 5.................................................................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................165

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Общеизвестно, что скорости передачи данных, обеспечиваемые современными электронными межсоединениями, которые являются основой для построения как настольной, так и специальной высокопроизводительной вычислительной и телекоммуникационной техники, приближаются к своему максимальному значению, определяемому физическими особенностями конструктивных элементов межсоединений. Это обусловлено спектром физических эффектов, связанных с влиянием распределенных параметров линий передачи сигналов и свойствами материалов, из которых они формируются. По этой причине наращивание производительности специальных вычислительных систем (супер-ЭВМ) в последнее время обеспечивается в основном за счет увеличения количества вычислительных модулей, выполняющих операции в параллельном режиме и функционирующих на относительно низких тактовых частотах, имеющих порядок единиц гигагерц.

В [1-3] приводятся прогнозы, на основании которых можно заключить, что физическим пределом скорости передачи данных в пределах электронной печатной платы на расстояние 30-50 см являются 20 Гбит/с. В то же время на основе экспериментальных оптических межсоединений получены скорости передачи данных до 80 Гбит/с на расстояние до 1 м [4] через оптический шлейф и 240 Гбит/с при параллельной передаче по 10 каналам [5] оптической интегральной схемы. При сравнении приведенных выше данных становятся очевидными преимущества оптических межсоединений, что описано в целом ряде современных научно-конструкторских разработок.

устройств. Также продолжаются исследования, направленные на разработку топологий интегрально-оптических схем многомерных распределителей сигналов и принципов построения оптических соединений для непосредственной передачи оптического сигнала между отдельными устройствами.

Важное место среди современных межсоединений занимают многоканальные и матричные распределители оптического излучения, являющиеся основой для организации вычислительных оптоэлектронных устройств и самовосстанавливающихся высокоскоростных каналов оптической связи[6-8]. Существуют отечественные разработки оптоэлектронных вычислительных устройств, базовыми конструкциями которых являются многоканальные активные и пассивные распределители оптических сигналов [9-13].

Можно заключить, что основной областью применения оптических межсоединений является организация высокоскоростных каналов передачи данных между функциональными узлами высокопроизводительных вычислительных систем. В период с 1990 по 2012 годы опубликовано значительное количество исследовательских работ, где в качестве основы для создания таких систем рассматриваются многослойные печатные платы, одним (или несколькими) из слоев которых являются оптические интегральные схемы. Такие схемы содержат топологию канальных волноводов, связывающих отдельные узлы электронной схемы, смонтированной на внешних сторонах платы [2].

При разработке «встраиваемых» оптических интегральных схем возникают задачи создания межсоединений, позволяющих передавать оптический сигнал между основной и дочерними платами, а также между слоями отдельно взятой печатной платы. Эти задачи решаются, в основном, за счет применения микроразмерных отражающих и дифракционных элементов интегральных схем, сформированных при помощи механической, химической, лазерной или иной обработке материалов подложек. Особое

внимание уделяется созданию межсоединений на основе многомодовых оптических интегральных схем, поскольку сравнительно большие размеры их элементов делают соединения на их основе менее чувствительными к относительным смещениям и, как следствие, к механическим и температурным воздействиям.

Актуальной является задача разработки принципов построения интегрально-оптических межсоединений для многомодовых схем, выполняющих функции многоканальных многомерных распределителей оптических сигналов за счет преобразования формы и направления распространения их световых пучков. К таким соединениям относятся матричные распределители излучения, применяемые для создания оптоэлектронных вычислительных устройств, а также устройств многопоточной (параллельной) обработки информации и высокоскоростных каналов оптической связи.

К наиболее перспективным технологиям для формирования оптических интегральных схем относятся технологии ионного обмена. Сотрудниками кафедры оптоэлектроники Кубанского государственного университета с 1980-х гг. ведутся исследования процессов формирования элементов оптических интегральных схем в подложках из оптических стекол. Благодаря этому разработаны и описаны недорогие технологические процессы производства качественных оптических интегральных схем методами термической и электростимулированной миграции ионов в стекло из расплавов, содержащих ионы металлов [14]. Однако принципы формирования элементов ввода-вывода для схем, изготовленных по технологии ионного обмена, недостаточно хорошо исследованы.

Цельработы- проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку физико-технологических принципов построения многоканальных распределителей оптического излучения и межсоединений на их основе. Данная цель определила основные задачи работы:

1. провести анализ существующих физико-технологических принципов создания интегрально-оптических межсоединений;

2. разработать принцип построения нового многоканального матричного интегрально-оптического распределителя излучения и его физико-математическую модель для расчета основных параметров;

3. провести экспериментальные исследования, направленные на поиск оптимальных физико-технологических параметров формирования интегрально-оптических схем многоканального матричного делителя излучения;

4. разработать и создать макет многоканального многомерного интегрально-оптического распределителя излучения;

5. разработать принцип построения новой интегрально-оптической схемы межсоединения и ее физико-математическую модель для расчета основных параметров;

6. создать макет интегрально-оптической схемы межсоединения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. предложен принцип построения нового интегрально-оптического многоканального делителя излучения (матричного делителя), состоящего из матрицы микролинз, выполняющих роль вертикальных ответвителей оптического излучения из плоскости

оптической интегральной схемы и канальных волноводов, служащих для ввода/вывода излучения в делитель, а также методика расчета его основных оптических параметров;

2. проведен расчет основных оптических характеристик матричного делителя (коэффициентов ответвления мощности оптического излучения выходных каналов делителя, коэффициентов передачи мощности между элементами делителя, распределения мощности излучения в областях его ответвления) при варьировании его оптико-геометрических параметров;

3. установлены оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излучения методом электростимулированной миграции ионов из расплава А§ТМОЗ в подложках из оптического стекла марки К8;

4. создан макет схемы интегрально-оптического матричного делителя излучения, проведено экспериментальное исследование коэффициентов ответвления его выходных каналов;

5. предложен принцип построения нового интегрально-оптического межсоединения, состоящего из канальных волноводов, сформированных в плоских поверхностях отдельных стеклянных подложек методом электростимулированной миграции ионов, закругленные окончания которых выполняют функции фокусирующих элементов, повышающих коэффициент передачи соединения и его устойчивость к относительным смещениям его элементов;

6. создан макет интегрально-оптического межсоединения; проведено экспериментальное исследование зависимостей коэффициента передачи мощности в соединении от величины относительных смещений его элементов.

Положения, выносимые на защиту:

2. Оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излучения методом электростимулированной миграции ионов из расплава А§Ж)3 в подложке из оптического стекла марки К8.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных, всероссийских и региональных конференциях: Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2011 г.), научно-технической конференции-семинаре по фотонике и информационной оптике (г. Москва, 2011 и 2012 г.). Основной материал диссертации опубликован в 6 работах, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНО ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ И МЕЖСОЕДИНЕНИЙ

1.1 Физические принципы формирования интегрально-оптических схем, используемых в качестве основы оптических межсоединений

Переход к оптическим методам передачи информации является необходимым этапом развития современной элементной базы вычислительной техники [1-3].Рассмотрим основные физические принципы формирования элементов интегральной оптики, на основе которых могут быть созданы оптические межсоединения, пригодные для интеграции в состав оптоэлектронных устройств.

Используемые физические принципы и методы создания интегрально-оптических схем (ИОС) зависят от типа материалов из которых формируется подложка и элементы схемы. Современная база материалов для формирования интегрально-оптических схем включает следующие основные категории [15-20]:

- Монокристаллические диэлектрики и полупроводники - большинство материалов, входящих в данную группу, обладают нелинейными оптическими и электро-оптическими свойствами, что позволяет применять их для создания элементной базы фотонных устройств. К наиболее распространенным материалам данной группы относится монокристаллический кремний (81), в основном применяемый в качестве подложек интегрально-оптических схем, фосфид индия (1пР), ниобат лития (1л1ЧЬОз), арсенид галлия (ваАБ) и соединения на их основе.Данные материалы являются основой для создания интегральных активных элементов фотоники [19, 21, 22].

- Стекла - к данной категории относится ряд материалов, имеющих аморфную структуру. Материалы данной группы применяются, в основном, в качестве подложек для интегрально-оптических схем: в этой области

используются как оптические стекла, так и стекла специального химического состава. В ряде публикаций описываются стекла, обладающие электрооптическими[23] и лазерными [24] свойствами[14].

- Полимеры — материалы этой группы применяются преимущественно в твердом агрегатном состоянии (пластмассы) для формирования как элем