自由空间二元光学元件集成三维光互连网络的理论与实现方法研究

光互连网络在高速高宽带的光信号传输、交换以及光逻辑、光运算、光存储等光学芯片的设计中具有重要的作用。目前国内外常用光纤与波导组建短距离的光信号模块，受限于具体的传输介质和空间布线，其模块结构复杂、集成度低，且易受外界的影响。本项目研究利用大规模集成电路工艺和计算机辅助设计制作的二元光学器件，在自由空间实现光信号的传输与交换，并按照优化的网络拓扑结构，通过级连、叠加与空间光调制器、垂直腔面发射激光器等光电子器件集成，构建能够实现信号光阵列传输、交换和矩阵运算等功能的光网络模块。其特色和创新之处在于理论上解决了通过控制二元光学元件的特征参数，调整其衍射光场分布满足信号光交换与互连需要的问题，提出一种利用二元光学元件在自由空间构建光互连网络的方法。该微光学元件特征尺寸小、衍射效率高、易复制，其构建的网络模块易集成、并行处理、易扩展和重构。该项研究在光通信、光交换、光计算等领域具有广泛的应用前景。

光互连网络在高速高宽带的光信号传输、交换以及光逻辑、光运算、光存储等光学芯片的设计中具有重要的作用。本项目研究利用大规模集成电路工艺和计算机辅助设计制作的二元光学器件，在自由空间实现光信号的传输与交换，并按照优化的网络拓扑结构，通过级连、叠加与空间光调制器、垂直腔面发射激光器等光电子器件集成，构建能够实现信号光阵列传输、交换和矩阵运算等功能的光网络模块。其特色和创新之处在于理论上解决了通过控制二元光学元件的特征参数，调整其衍射光场分布满足信号光交换与互连需要的问题，提出一种利用二元光学元件在自由空间构建光互连网络的方法。.该课题各项研究工作进展顺利，已经顺利完成了：.(1)微光学列阵元件的衍射理论分析，并运用微光学、信息光学、集成光学原理，确定了微光学列阵元件实现光互连系统的设计方案；.(2)微光学列阵元件的光刻掩模套版设计与研究、等离子刻蚀微光学列阵元件制作技术研究、元件深浮雕表面结构参数检测与光学特性检测技术研究、互连系统信号传输串扰(crosstalk)、插入损耗、能量耗散分析和元件性能测试等工作；.(3)对Omega、Banyan和Crossover等光互连网络的拓扑结构、路由算法优化和实现方式等的研究，并最终确定了本项目所采用的光互连网络拓扑结构。.(4)将微光学列阵元件级连并与各种光电子器件集成构建光互连网络，通过具体的路由算法确定互连网络中节点开关的状态，实现网络结构的重构，完成信号光的交换、排序和运算等操作，并对光互连网络集成模块中信号光的串扰、传输速率、带宽、能量损耗以及阻塞特性等进行研究。.我们取得的研究成果包括：(1)台阶型二元位相微光学元件的制作.我们已经解决了能够在自由空间分别实现混洗变换、全交叉变换和榕树网互连的台阶型微光学元件设计参数获取的问题，并掌握了利用微纳米加工技术获取其表面微结构的制作流程和精度控制的关键技术。.(2)光互连网络模块的设计与集成技术.我们已经初步解决在同一块基底材料上将微光学元件与其它半导体材料光电子器件集成，构建具有特定功能的光互连网络的模块设计、元器件定位、信号控制、功能调试等问题。.该课题研究的微光学元件特征尺寸小、衍射效率高、易复制，其构建的网络模块易集成、并行处理、易扩展和重构。该项研究在光通信、光交换、光计算等领域具有广泛的应用前景。