Введение к работе
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.
Можно заключить, что основной областью применения оптических межсоединений является организация высокоскоростных каналов передачи данных между функциональными узлами высокопроизводительных вычислительных систем.
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 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 [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:
-
провести анализ существующих физико-технологических принципов создания интегрально-оптических межсоединений;
-
разработать принцип построения нового многоканального матричного интегрально-оптического распределителя излучения и его физико-математическую модель для расчета основных параметров;
-
провести экспериментальные исследования, направленные на поиск оптимальных физико-технологических параметров формирования интегрально-оптических схем многоканального матричного делителя излучения;
-
разработать и создать макет многоканального многомерного интегрально-оптического распределителя излучения;
-
разработать принцип построения новой интегрально-оптической схемы межсоединения и ее физико-математическую модель для расчета основных параметров;
-
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;
-
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;
-
установлены оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излучения методом электростимулированной миграции ионов из расплава AgNCb в подложках из оптического стекла марки К8;
-
создан макет схемы интегрально-оптического матричного делителя излучения, проведено экспериментальное исследование коэффициентов ответвления его выходных каналов;
-
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;
-
создан макет интегрально-оптического межсоединения; проведено экспериментальное исследование зависимостей коэффициента передачи мощности в соединении от величины относительных смещений его элементов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Принцип построения нового многоканального интегрально-оптического матричного делителя излучения и его физико-математическая модель.
-
Оптимальные физико-технологические режимы формирования интегрально-оптического матричного делителя излу-
чения методом электростимулированной миграции ионов из расплава AgNCb 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 ПО наименований. Текст проиллюстрирован 93 рисунками и графиками.
