基于光波导的光电互联技术的设计与实现

【摘要】：随着现代通信技术的高速发展,高速通信电子设备的通信速率成指数增长。由于电互联方式固有的物理特性,铜导线在高频情况下的寄生效应严重影响信号质量,传统的电互联方式已经成为限制通信系统快速发展的瓶颈。光互联被认为是下一代能够替代电互联的通信技术,它具有高带宽,大容量且不受电磁干扰的优势。因此,对实现光电信号互相转换的光电互联技术进行研究是通信技术发展的必然趋势。本文通过对基于聚合物光波导的板级光电互联技术的研究,实现基板上4组通道的光电转换通信,并达到10Gbps的通信能力,光路平均衰减小于0.3dB/cm,主要的研究内容及成果如下:1.设计一种高耦合效率的垂直耦合结构,提高光互联层传输效率。针对传统光互联层光束90°转向的垂直耦合结构耦合效率较低的问题,提出一种利用弧面代替一部分平面,使得到达反射面的入射角不会随着光源入射角的增大而减小。最终保证所有到达反射面的入射角大于全反射角,理论上将光耦合效率从65%提高到100%。2.设计光收发模块,实现光电转换功能。为了便于集成,使用6104系列光电芯片作为主要的功能电路。在光发射模块HXT6104配以VCSEL阵列实现数字信号到光信号的转换,在光接收模块利用C8051微控制器对HXR6104接收到的光电流进行监控。3.设计PCB上的高速信号差分线,实现电互联部分10Gbps的数据传输能力。利用Si9000对板层结构进行设计并确定半固化片的材料和厚度,差分线的线宽和线距。在Altium Designer上进行差分线的布局布线并通过HFSS的TDR仿真,仿真结果显示差分阻抗在96.2~101.1Ω。符合10Gbps的通信要求。4.设计聚合物光波导的制备工艺,实现光互联部分光信号通信能力。根据负性光刻工艺选择Epo系列材料作为光波导的芯层和包层,使用SU-8作为光刻胶。结合光刻工艺与旋涂工艺将光波导的制备过程分为下包层、芯层和上包层三部分。通过基底选择、旋涂速度控制和曝光时间几个参数减少光波导侧壁粗糙度。通过插损测试仪测出制备好的光波导平均光衰为0.178dB/cm。5.设计45°反射面结构成型工艺,完成光路90°转向。以研磨抛光工艺为基础,通过增加基底表面附着力和减小光波导固化应力两个方面对工艺进行改进,解决在研磨过程中光波导的崩裂问题。