三维自由空间光互连系统光学设计

现代科学技术,特别是通信和计算机技术迫切需要高性能巨型计算机(Supercomputer).随着集成电路技术的发展,依靠提高主频来提高系统性能,难度越来越大,目前比较一致的看法认为巨型机的发展趋势是发展大规模并行处理机(Massive Parallel Machine).特别是在天基一体星间通讯用的小型化星载高速大容量并行处理计算机系统中,传统的电互连由于存在通讯瓶颈、信号延迟、封装尺寸庞大等缺点而无法满足要求.三维自由空间多处理芯片光电子集成光互连交换网络模块在大容量、超小型方面优势明显.基于此,我们采用MESH光互连网络拓扑结构,设计了一种基于MESH网络的三维自由空间光互连集成模块,对系统内部结构进行了光学设计,并提出两种解决方案.根据设计的像差要求,对其中的透镜收发阵列进行了主光线追迹计算,确定了其最终结构,并详细比较了两种方案下的成像质量,结果表明直接由透镜中心斜入射法其出射信号弥散斑为0.4630 μm,能更好地满足三维自由空间MESH光互连网络光电子集成模块的要求.(PD9)     

光互连模块中位相型菲涅耳微透镜列阵的研制与应用

本文分析了位相型菲涅耳透镜的设计原理研制了四位相菲涅耳微镜列阵并应用于全交叉光互连网络模块中。制作的菲涅耳微透镜列阵具有单元尺寸小，占空比为１００％，焦距短，易于对准，光强分布均匀的优点，能够满足光互连网络小型化，集成化，模块化的需要。     

基于梯度折射率透镜的850 nm光互连模块的研究

设计了波长为850 nm的4×4阵列光互连模块,利用ZEMAX软件对使用双柱面透镜和梯度折射率透镜的系统光路进行了模拟计算,通过比较,设计最终采用了对准容差更大的850 nm梯度折射率透镜.利用1×4的梯度折射率透镜阵列将1×4的850 nm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列和2×4的Si探测器阵列连接起来,经对准后组装成了1×4的线列光互连模块,模块的信号电流/串扰电流比大于0.53×105.     

基于VCSEL/MSM-CMOS技术的并行光互连设计

提出了一种基于VCSEL/MSMCMOS技术的并行光互连系统,详细介绍了系统整体设计,着重对光网络通信接口卡中的PCIHIPPI接口模块、HIPPIFIBER接口模块、光总线模块设计进行了阐述。     

发散光输入的PS光互连研究

用２×２ 全息透镜阵列实现输入为发散光的ＰＳ光互连;文中分析了实现原理,提出了直接成像和添加成像透镜的两种ＰＳ光互连实现方案,并给出了各方案的物像距和成像放大率公式。实验的互连效果令人满意,理论值和观测值吻合。     

甚短距离光互连模块技术的发展动态

甚短距离光互连技术作为一种突破铜线互连传输瓶颈有效方法,受到了广泛关注。半导体光学器件技术、高速化集成电路技术和光电模块封装技术作为实现光互连的关键技术发展较为迅速。首先阐述了垂直腔面发射激光器的电路模型,然后针对光信号发送模块介绍了预加重补偿技术以及开环方式稳定光功率输出技术,并对如何提高光信号接收模块带宽性能的电路技术进行了分析。其次结合光互连模块技术标准的发展,以NEC公司的实用化甚短距离并行光互连模块为例,对其光电封装技术进行了说明,最后就甚短距离光互连技术所面临的课题及发展前景进行了总结。     

一种新型的I/O光纤阵列接口制作方法

提出了一种刻矩形槽穿插法研制光纤阵列接口,对设计参数进行了理论分析,并运用此法研制了多种规格光纤阵列接口器件,对其中1×12多模光纤阵列接口器件进行测试,结果表明该方法具有精度高,耦合均匀性好,制作方法简单,重复性好的优点,成功应用于光互连网络模块I/O接口模块。     

自由空间光互连系统的结构和设计分析

光互连技术是光通信网络的基础。文章结合现代微电子系统中所采用的自由空间光互连技术,进行较全面的光互连结构和设计分析     

多核之间光互连技术的研究

随着集成电路技术的发展,单个芯片上核的数目不断增加,多核将成为芯片体系架构的未来发展趋势。核间的互连成为芯片设计中的一个关键技术。传统的片上电互连在带宽、时延、能耗和可靠性等方面都面临挑战,光互连可以很好地解决这些问题。本文对现有片上光互连的集成光电子器件发展进行了综述,在此基础上研究了一个典型的多核光互连系统,对网络结构、节点组成和通信过程等逐一进行了分析。结果表明,光互连是未来多核系统的有效互连方式。     

基于FPGA的光互连网络技术研究与性能分析

研究了基于Xilinx Virtex-5 FPGA的光互连网络技术,通过FPGA板内的高速串行收发器连接SFP光收发模块,实现高速串行数据收发,每通道的传输速率达到3.125Gb/s,提出并实现了基于FPGA的四节点单向环形光互连网络.在ISE设计环境下,设计了基于两块FPGA板的FFT运算应用和基于四块FPGA板的具有随机消息分布特性的网络应用,完成了光互连网络的性能测试分析.     

Five-port silicon optical router based on Mach-Zehnder optical switches for photonic networks-on-chip

With the continuous development of integrated circuits, the performance of the processor has been improved steadily. To integrate more cores in one processor is an effective way to improve the performance of the processor, while it is impossible to further improve the property of the processor by only increasing the clock frequency. For a processor with integrated multiple cores, its performance is determined not only by the number of cores, but also by communication efficiency between them. With more processor cores integrated on a chip, larger bandwidths are required to establish the communication among them. The traditional electrical interconnect has gradually become a bottleneck for improving the performance of multiple-core processors due to its limited bandwidth, high power consumption, and long latency. The optical interconnect is considered as a potential way to solve this issue. The optical router is the key device for realizing the optical interconnect. Its basic function is to achieve the data routing and switching between the local node and the multi-node. In this paper we present a five-port optical router for Mesh photonics network-on-chip. A five-port optical router composed of eight thermally tuned silicon Mach-Zehnder optical switches is demonstrated. The experimental spectral responses indicate that the optical signal-to-noise ratios of the optical router are over 13 dB in the wavelength range of 1525-1565 nm for all of its 20 optical links. Each optical link can manipulate 50 wavelength channels with the channel spacing of 100 GHz and the data rate of 32 Gbps for each wavelength channel in the same wavelength range. The lowest energy efficiency of the optical router is 43.4 fJ/bit.     

机载成象光谱仪的光学设计

描述了模块式机载成象光谱仪的光学系统及其主光路、分光组件和会聚单元的设计,分析了基本光学参数之间的制约关系,讨论了衍射光栅、扩展光谱覆盖及光谱定标辅助光路等实际问题.     

基于光传输的精密标准延时模块设计

该文在分析了基于光传输的延时系统原理的基础上,介绍了精密标准延时模块的组成。对模块的发射、传输、接收和放大等组成部分进行了理论分析和实际设计,重点讲述了光纤链路及逻辑控制的设计和实现。介绍了该模块时延特性测试系统的组成和搭建,并通过矢量网络分析仪对设计完成的光延时模块实物进行标准延时测试,分析对比测试结果,得出测量误差,并分析误差原因。该模块的实现为某系统的自校准提供了标准延时参考,同时可作为便捷有效的溯源手段。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

自由空间光互连洗牌型神经网络模型

首先介绍一种洗牌型自由空间光互连多层全互连神经网络模型。该模型的高神经元／权重比可以极大地压缩神经网络的互连权矩阵IWM（interconnectweightmatrix）。对于具有N2个神经元的单层二维全互连神经网络的IWM为N2×N2,而洗牌型全互连神经网络的IWM仅为4N2log2N。另外,洗牌型全互连神经网络整齐、简单的结构方便了网络的综合,特别是网络隐单元的综合,并且十分适合于神经网络的光学实现。然后描述了采用数字光技术实现光互连的洗牌型神经网络的系统模型、关键芯片结构以及关键技术。本文提出的模型和方法使实现与人脑神经网络规模（104量级）相当的实用化自适应光电子全互连神经网络成为可能。     

片内光通信技术综述

在纳米工艺水平下,传统的铜线互连已经很难满足集成电路芯片在延迟、带宽、功耗等方面的要求,片内通信问题已经成为集成电路设计的瓶径.文中根据片内光器件集成技术的最新进展,介绍了采用片内光互连代替电互连的最新技术及其性能方面的优势.文中重点总结了片内光互连的三种典型应用.首先,介绍了片内光时钟分布网络;其次,从应用的角度分析了光电总线结构相对于单纯电总线在性能上的提升;最后,介绍了一种新的片上光网络,它集成了片内电的包交换控制网络和宽带电路交换光网络.仿真和实验结果表明,光互连能够为高集成度纳米级芯片提供高带宽、低延迟,小功耗的片内通信服务.     

非制冷焦平面热像仪用双视场红外光学系统

介绍了一种用于非制冷凝视焦平面探测器的长波红外双视场光学系统设计实例,该系统工作波段为8 m～12m,变倍比为3倍,采用轴向移动变焦方式.变倍透镜组可实现变倍、调焦及温度补偿功能,简化了系统机电设计,具备体积小、重量轻、功耗低等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.     

Design limitations of highly parallel free-space opticalinterconnects based on arrays of vertical cavity surface-emitting laserdiodes, microlenses, and photodetectors

We utilize a novel diffraction formalism to study the crosstalk effect in a highly parallel free-space optical interconnect based on two-dimensional arrays of surface-emitting laser diodes, microlenses, and photodetectors. The diffraction induced crosstalk between adjacent laser diodes in each detector to the system limitations is investigated. Optimum design rules and formulas are given for the first time, to include the relation of channel packaging density and interconnect length to the design parameters of the optical interconnect components. The design formulas developed here yield an optimum detector size and indicate a tradeoff between channel packaging density and interconnect length. The feasibility of such a free-space interconnect with a channel packaging density of 3460 channels/cm² and 2.0 cm interconnection length is determined using typical parameters of detector radius from ~5 to ~45 μm, lens radius of 85 μm, and laser diode radius of ~5 pm operating at wavelength 0.67 pm for signal-to-noise ratio above 17 dB. Some experiments were conducted to measure the diffraction induced crosstalk and optical link efficiency     

四片式非制冷长波红外热像仪双视场光学系统

介绍了一种用于非制冷凝视焦平面探测器的长波红外双视场光学系统设计实例,该系统工作波段为8～12 μm,变倍比为2.5倍,采用轴向移动变焦方式.引入一个衍射光学元件,减少了光学零件的数量,减轻了系统质量,具有成像质量高、体积小、重量轻等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.