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第一部分 光互连的基础知识1

第1章 概述3

1.1 光互连网络概念及背景3

1.2 从光的本性讨论实现光互连的物理依据5

1.3 光互连系统的一些技术特性7

1.4 光互连的发展史8

参考文献11

2.2 巨型计算机12

2.2.1 巨型计算机的定义12

2.1 概述12

第2章 计算机系统体系结构概述12

2.2.2 巨型计算机并行处理的粒度13

2.2.3 MPP系统与并行处理器系统的定义13

2.2.4 MPP系统和并行向量系统之间的差别15

2.3 计算机分类学17

2.3.1 Flynn分类法17

2.3.2 Skillicorn分类学19

2.3.4 Frietman-van Nifterick分类学20

2.3.3 Bell的分类学20

2.4 巨型计算机体系结构的分类学21

2.4.1 光互连网络设计过程中的体系结构与物理结构21

2.4.2 并行计算机扩展21

2.5 结论和展望23

参考文献24

3.1.1 大规模并行计算机中的互连网络25

3.1.2 电互连的优势与限制25

3.1 概述25

第3章 光互连网络概述25

3.1.3 光互连的优越性26

3.1.4 光互连技术的实现方式27

3.2 网络拓扑学28

3.2.1 网络拓扑的基本概念28

3.2.2 基本网络拓扑类型28

3.2.3 多级开关网络（multistage networks）32

3.3 并行计算机系统中的光纤互连技术35

3.3.1 光互连网络的多路复用35

3.3.2 多路复用的类型36

3.3.3 光的多路解复用37

3.3.4 加／减多路复用41

3.4 同步光网络41

3.4.1 SONET标准42

3.4.2 环状结构SONET42

3.5 密集波分复用（DWDM）43

3.5.1 光谱传输的窗口44

3.5.2 DWDM的发展45

3.5.3 DWDM的运行46

3.5.4 放大器和DWDM47

参考文献49

第4章 光互连系统52

4.1 概述52

4.1.1 并行处理系统互连网络主要参数53

4.1.2 提高互连网络性能的途径54

4.1.3 光网络的评价特性55

4.2 并行计算机系统中的光纤互连技术59

4.2.1 光电混合互连59

4.2.3 光纤与光源的耦合60

4.2.2 光纤镶嵌机敏层互连背板60

4.3 光电混合光纤互连方式62

4.3.1 并行处理系统中光互连网络的特点62

4.3.2 并行光互连链路63

4.3.3 聚合物光导材料与光互连63

4.3.4 WDM技术与光互连65

4.4 自由空间光互连背板66

4.4.1 自由空间多面镜光互连66

4.4.2 透镜-多面镜连接器66

4.4.3 透镜-多面镜组合光学背板的相关器件67

4.4.4 自由空间多成像互连背板71

4.4.5 动态实验测量76

4.4.6 光学模块的模拟80

4.5 平板波导双向光背板总线82

4.5.1 计算机电子背板总线系统限制82

4.5.2 双向光背板总线体系结构83

4.5.3 多机系统光背板总线实验结果84

4.5.4 光背板总线系统的理论限制86

4.5.5 总线协议适用于光背板总线系统90

4.5.6 双向光背板总线质量的影响因子92

4.6 基于智能像素自由空间光互连93

4.6.1 自由空间互连与智能像素概述93

4.6.2 智能像素三维光互连系统96

4.6.3 VCSEL/Si智能像素阵列98

4.6.4 智能像素阵列光机处理系统100

4.6.5 智能像素阵列的封装101

4.7 空分-波分复用联合的广播和选择（B S）交换系统102

参考文献105

第二部分 光互连网络器件基础111

第5章 器件制备技术概述113

5.1 半导体衬底制备113

5.1.1 直拉法生长硅单晶113

5.1.2 GaAs的生长115

5.2 扩散掺杂和离子注入117

5.2.1 扩散117

5.2.2 离子注入120

5.3 光刻技术125

5.3.1 集成电路设计中的光刻概述125

5.3.2 接触式／接近式光刻机128

5.3.3 投影光刻机130

5.3.4 掩模缺陷检测和分辨率提高133

5.3.5 光刻胶137

5.4 物理淀积薄膜制备142

5.4.1 蒸发142

5.4.2 溅射146

5.4.3 化学气相淀积149

5.5.1 外延生长原理153

5.5 外延生长153

5.5.2 外延生长设备157

5.6 器件隔离163

5.6.1 PN结隔离和氧化物隔离163

5.6.2 硅的局部氧化隔离技术165

5.6.3 沟槽隔离166

5.6.4 绝缘体上硅隔离技术168

5.6.5 半绝缘衬底169

5.7 器件接触和金属化170

5.7.1 肖特基接触与欧姆接触170

5.7.2 合金接触与多层金属化171

参考文献174

第6章 光源及探测器178

6.1 光电子器件概述178

6.1.1 激光器178

6.1.2 光电探测器及阵列光电导探测器180

6.1.3 无源光电子器件182

6.1.4 光纤器件183

6.1.5 二元光学元件185

6.2.1 铁电氧化物基材料186

6.2 光电子材料186

6.2.2 玻璃基材料187

6.2.3 硅基材料187

6.2.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物188

6.2.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物188

6.2.6 有机聚合物材料188

6.2.7 磁光材料189

6.2.8 LiF材料190

6.3.1 发光二极管的结构和基本工作原理192

6.3 发光二极管192

6.3.2 高速发光二极管198

6.3.3 超辐射发光二极管（SLD）201

6.4 半导体激光二极管和激光器组件204

6.4.1 半导体激光二极管的应用和分类204

6.4.2 法布里-珀罗型激光二极管205

6.4.3 分布反馈激光二极管和分布布拉格反射器激光二极管209

6.4.4 量子阱激光器212

6.4.5 垂直腔面发射激光器（VCSEL）218

6.4.6 激光器组件219

6.4.7 衡量激光二极管和激光器组件的常用参数220

6.5 光电探测器和光接收组件233

6.5.1 PN结光电二极管233

6.5.2 肖特基光电二极管236

6.5.3 集成光学型光电探测器238

6.5.4 光接收组件240

6.5.5 光电探测器和光接收组件常用参数242

参考文献246

7.1 集成光学器件概述248

第7章 光互连网络中的光集成器件248

7.2.1 铁电晶体集成光学器件249

7.2 集成光学调制器249

7.2.2 波导Mach-Zehnder干涉仪型电光调制器250

7.2.3 对集成光学调制器的性能要求251

7.2.4 其他集成光学调制器252

7.3 Ⅲ-Ⅴ族半导体集成光学器件253

7.3.1 GaAs基集成光学器件253

7.3.2 InP基集成光学器件260

7.4.1 硅光波导267

7.4 硅基集成光学器件267

7.4.2 SiO2光波导269

7.4.3 硅光波导集成光学器件270

7.4.4 SiO2基波导集成光学器件274

7.5 聚合物基集成光学器件282

7.5.1 聚合物光波导283

7.5.2 聚合物光功率分配器286

7.5.3 聚合物波导偏振分束器和偏振器288

7.5.4 聚合物基波分复用器／解复用器292

7.5.5 聚合物波导光束偏转器297

7.6 SiO2基PLC平台上的混合集成技术300

7.6.1 多芯片光混合集成技术300

7.6.2 光电多芯片组件集成技术302

7.6.3 PLC光收发两用机组件306

7.6.4 PLC平台多信道LD组件307

7.6.5 PLC波导隔离器307

7.6.6 PLC高速混合集成光接收机阵列组件309

参考文献310

第三部分 光互连技术315

第8章 光链路技术317

8.1 计算机光互连技术概况317

8.1.1 计算机高速互连协议318

8.1.2 计算机专用互连系统319

8.2 计算机时分复用光纤互连技术326

8.2.1 时分复用高速光互连链路327

8.2.2 时分复用高速光互连环网332

8.2.3 光互连环网的扩展336

8.3 计算机波分复用光互连网络337

8.3.1 计算机双波长环网339

8.3.2 粗波分复用光互连网络341

8.4 计算机空间红外无线互连技术343

8.4.1 计算机间红外数据链路343

8.4.2 计算机红外无线网络351

参考文献356

9.1 概述360

9.1.1 网络中开关的作用360

第9章 光开关在光互连技术中的应用360

9.1.2 开关在网络中的作用364

9.1.3 各种开关方式366

9.1.4 ATM交换369

9.1.5 光学对开关技术的作用370

9.2 光开关的原理371

9.2.1 光开关是实现光交换的核心器件371

9.2.2 光交叉连接372

9.2.3 光分插复用器374

9.3.1 光开关的性能及参数382

9.3 光开关的结构382

9.3.2 光开关的分类及其原理383

9.3.3 其他类型光开关389

9.4 光交换原理和光开关矩阵392

9.5 自由空间光开关393

9.5.1 自由空间光学393

9.5.2 SEED开关397

9.5.3 EARS开关399

9.5.4 智能像素400

9.5.5 多级光束位移器型光开关401

9.5.6 相干光光开关402

9.6 热光型光开关402

9.6.1 热光型光开关原理402

9.6.2 2×2热-光开关和复用器／解复用器403

9.6.3 N×N热-光矩阵光开关405

9.6.4 热-光数字开关406

9.7 聚合物波导调制器和开关409

9.7.1 聚合物波导调制器409

9.7.2 聚合物数字开关411

9.7.3 聚合物热光开关412

参考文献414

第10章 全息术用于交换技术418

10.1 全息术的基本原理418

10.1.1 全息术的基本概念418

10.1.2 体全息图及布拉格选择性419

10.2 全息光互连原理及方法420

10.3 全息复用技术423

10.3.2 随机位相编码复用424

10.3.1 空间复用技术424

10.3.3 位移复用428

10.3.4 角度复用433

10.4 全息互连元件的制作436

10.4.1 全息透镜阵列437

1O.4.2 交叉光互连全息元件437

10.4.3 光互连主板439

10.4.4 多级衍射全息光栅440

10.5 可擦除全息记录与全息图的固化442

10.5.1 光折变全息存储机理443

10.5.2 可擦除全息记录445

10.5.3 全息图的热固定447

10.5.4 全息图的光固定449

10.6 计算全息图452

10.6.1 相息图454

10.6.2 Dammann光栅和位相光栅455

10.6.3 位相计算全息光栅456

10.7 全息图用于光互连网络中的交换457

10.7.1 全混洗网络457

10.7.2 蝶型互连460

10.7.3 印刷电路板之间的全息光互连462

10.7.4 多级扇出／扇入互连网络464

10.8 多级电控全息交叉互连467

参考文献469

第11章 实时空间光调制器用于光交换475

11.1 概述475

11.1.1 实时空间光调制器475

11.1.2 光学空间光调制器互连网络模型477

11.2.1 液晶材料480

11.2 液晶光阀实时空间光调整器用于光交换480

11.2.2 液晶光阀器件483

11.2.3 阴极射线管耦合液晶光阀486

11.2.4 液晶光阀实时空间调制器互连方案487

11.3 声光调制器光互连方案490

11.3.1 声光器件的原理和结构490

11.3.2 声光调制器493

11.3.3 声光光子开关光互连495

11.4 数字微镜器件光学交叉开关497

11.5.1 光折变晶体概述498

11.5 折变晶体光互连498

11.5.2 光折变晶体互连方案500

参考文献502

第12章 光纤旋转连接器505

12.1 概述505

12.2 光纤旋转连接器的种类及工作原理509

12.2.1 光纤旋转连接器的种类509

12.2.2 光纤旋转连接器的工作原理509

12.2.3 光纤连接器的装配误差511

12.3 透镜扩束旋转连接器513

12.3.1 透镜扩束旋转连接器原理513

12.3.2 自聚焦透镜旋转连接器516

12.4 有源光纤旋转连接器520

12.4.1 单通道有源光纤旋转连接器521

12.4.2 多通道有源光纤旋转连接器523

12.5 无源光纤旋转连接器523

12.5.1 无源光纤旋转连接器的发展523

12.5.2 无源光纤旋转连接器的类型524

12.5.3 单通道无源光纤旋转连接器525

12.5.4 多通道无源光纤旋转连接器526

12.5.5 菲涅耳透镜的多通道光纤旋转连接器527

12.6 多波长光纤旋转连接器528

12.6.1 无源多路空间光旋转连接器528

12.6.2 红外旋转连接器530

12.6.3 红外旋转连接器的角度偏差、离轴偏差和轴向偏差532

参考文献534

编后语537