光互連調(diào)研報告.doc

目錄第一章 緒論21.1 光互連簡介21.2 電互連發(fā)展制約21.3 光互連優(yōu)勢2第二章 光互連發(fā)展情況32.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀32.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀4第三章 光互連中的激光器與探測器73.1 VCSEL73.2 InGaAs 光電探測陣列探測器8第四章 耦合方式84.1 光收發(fā)模塊與光互連層之間的耦合84.2 板間(芯片之間)耦合的幾種結(jié)構(gòu)11第五章 光波導制作材料及工藝135.1光波導制作135.2 光波導制作工藝14第六章 EOPCB與傳統(tǒng)PCB的制作工藝166.1 EOPCB的制作工藝166.2 傳統(tǒng)PCB制作（四層板）16參考文獻：19第一章 緒論1.1 光互連簡介光互連是相對于電互連而最近發(fā)展起來的新一代的連接技術(shù)，光互連是指在板間、芯片間、芯片與板之間等等用光的形式互連。電互連傳輸帶寬小、時延大、高速信號之間串擾大、功耗大等缺點，已經(jīng)成為電互連進一步發(fā)展的巨大障礙。光互連作為一種新的互連方式，具有極高的通信帶寬，極小的功耗，能夠很好地解決電互連發(fā)展受限的問題。1.2 電互連發(fā)展制約隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機節(jié)點數(shù)目的急劇增加，對高性能互連網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬、傳輸延時都有較高的要求。電互連網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要受限于以下幾個方面1 張煒.芯片光互連技術(shù)研究.國防科學技術(shù)大學.2011：(1)集成電路發(fā)展的限制隨著互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)的逐步成熟，進一步提高網(wǎng)絡(luò)性能主要依靠集成電路技術(shù)的發(fā)展。近幾十年來，雖然集成電路技術(shù)按摩爾定律高速發(fā)展，但其發(fā)展受到散熱、熱噪聲等因素的限制，已經(jīng)很難再有較大的突破。(2)電信號傳輸限制由于電信號傳輸過程中的衰減、反射、串擾、電源噪聲等因素，工作頻率的提高面臨著挑戰(zhàn);工作頻率的提高，使得數(shù)據(jù)的采樣窗口不斷減小，同時電纜上的衰減增加，影響了有效帶寬的增大，系統(tǒng)的可靠性面臨挑戰(zhàn);工作頻率的提高，商業(yè)軟件工具對下一代產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、布局布線、物理驗證的支持有限，系統(tǒng)的可制造性同樣面臨著挑戰(zhàn)。(3)物理封裝限制互連網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需跨越多個層次，每層中的材料和制造工藝不同，導致物理特性和約束不同，隨著層次的增加，互連代價增大，密度減小，必然限制系統(tǒng)規(guī)模的擴展;隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬、工作頻率相互制約，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能的提高。(4)帶寬限制增加節(jié)點之間的通信帶寬通常有兩種途徑，一是增加并行數(shù)據(jù)傳輸線的寬度，二是提高信號頻率。增加數(shù)據(jù)傳輸線的寬度，需要芯片提供更多的IO引腳，給芯片的封裝工藝帶來很大的困難;提高信號的頻率，傳輸線上將消耗更多的能量，傳輸線之間的串擾也將增加，使得信號的傳輸距離縮短。從某種意義上講，導線便是低通濾波器，其有限帶寬會導致信號的嚴重失真，傳輸帶寬可提高的余地非常小。隨著高性能計算機的不斷發(fā)展，工作頻率的不斷提高，傳統(tǒng)的電互連技術(shù)的缺點顯得更加突出。電互連網(wǎng)絡(luò)帶寬小、時延大、高速電信號之間串擾大、功耗大等缺點，已經(jīng)成為高速電互連進一步發(fā)展的巨大障礙，對新的互連技術(shù)的研究已經(jīng)迫在眉睫。1.3 光互連優(yōu)勢光互連具有帶寬高、功耗小、可并行等優(yōu)點。近幾十年以來，各種光技術(shù)的成熟，光器件的研制成功，極大的推動了光互連技術(shù)的發(fā)展。光互連作為一種新的互連方式，能夠很好地解決上述電互連發(fā)展受限的問題。光互連可具體理解為用光技術(shù)實現(xiàn)兩個以上通信單元的連接，以實現(xiàn)協(xié)同操作。隨著信號頻率的增大，光互連技術(shù)相對與電互連技術(shù)的優(yōu)勢顯得越來月明顯。光互連逐漸代替電互連，已經(jīng)成為高性能計算機系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點之間高速互連的關(guān)鍵技術(shù)。第二章 光互連發(fā)展情況2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國內(nèi)目前只有華中科技大學和國防科技大學從事過這方面的研究。華中科技大學的主要工作涉及系統(tǒng)的光互聯(lián)系統(tǒng)整體的架構(gòu)，系統(tǒng)的整體仿真，實際的實驗完成了波導的設(shè)計，制作，還有一部分是研究波導與光源耦合的部分。（羅風光）2文中 張瑾.基于EOPCB的光互聯(lián)板的光耦合研究.華中科技大學.2008提出了一種新的光耦合結(jié)構(gòu)，并在理論上驗證了這種耦合結(jié)構(gòu)的損耗較小。采用透鏡將光耦合進出波導，多模光纖，無芯光纖和球透鏡組成，如下圖：國防科技大學設(shè)計和制作一種光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，在發(fā)射端采用1*12VCSEL陣列，接收端采用1*12PD陣列完成了兩塊高速FPGA芯片之間的互聯(lián)，具體的EOPCB板如下圖。不過這里采用的波導是光纖帶狀線。波導與光源的耦合采用的是透鏡陣列。2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)印刷電路板上的銅線互聯(lián)在達到GHz的傳輸速度后，由于介質(zhì)損耗以及趨膚效應(yīng)損耗等決定了銅互連的傳輸損耗，使得信道噪聲隨著頻率的增加呈現(xiàn)指數(shù)級別的增長。在高頻傳輸時，傳統(tǒng)的電互連存在很多問題。光傳輸則具有低損耗、高帶寬、大容量、無串擾、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點，使得光互連成為解決高速信號互連瓶頸的一個有效方法 張金星. 基于光波導互連的EOPCB的研究. 華中科技大學. 2010。EOPCB（光電印刷電路板）主要利用嵌入式的光波導來實現(xiàn)芯片間的高速光互連，對于EOPCB的研究，特別受到了美日德韓等國家的重視。下面介紹這幾個國家的研究情況。美國的IBM公司在EOPCB的研究方面取得了較大成果。2005 年提出了第一個光互連原型；2007年利用級聯(lián)微環(huán)振蕩器研發(fā)出硅芯片超壓縮光緩沖區(qū)；2008 年鋪開了許多項目，以開發(fā)光連接、低功率光收發(fā)器與光諧振器；2010 年提出了“ CMOS 集成硅納米光子”的概念；2012 年宣布“硅納米光子”可利用 100 nm 以下工藝，在單顆硅芯片內(nèi)同時整合多種不同的光學部件和電子電路，達到25Gbps；2013 年與 Dow Corning 展示了基于硅材料的新型聚合物光波導 呂慧琳. 美國和日本互聯(lián)技術(shù)研究及其借鑒. 全球科技經(jīng)濟瞭望. 2015.2。在2010年，IBM在ECTC(Electronic Components and Technology Conference)發(fā)表的會議論文提出每個光通道10-15G/s共24路并行鏈路的雙向高速互連。模組如圖1所示。圖1 IBM公司板級光芯片間光互連模組光芯片將激光器陣列和探測器陣列以及它們的驅(qū)動電路整合到一塊芯片里面，這個主要通過SiC（Si carrier）技術(shù)實現(xiàn)，光芯片與光波導的耦合通過微透鏡陣列和 45端面實現(xiàn)，光波導采用干模熱壓法制作，波導芯層尺寸為 35m35m，損耗在 850nm 處為 0.3dB/cm。在光波導內(nèi)可以進行光的波分復(fù)用。圖2顯示的是IBM在研究中關(guān)于EOPCB的發(fā)展過程。IBM在解決銅互連瓶頸的方案中，提出了兩種方法 Roger Dangel, Jens Hofrichter, Folkert Horst, Daniel Jubin, Antonio La Porta, Norbert Meier, Ibrahim Murat Soganci, Jonas Weiss, and Bert Jan Offrein. Polymer waveguides for electro-optical integration in data centers and high-performance computers. OE.23.004736. 2015.2.23：1. 采用基于使用絕緣硅波導的硅光子COMS技術(shù)2. 使用光學聚合物波導的光印刷電路板技術(shù) 針對這兩張方案，IBM對它們不斷進行了研究，尤其是在高分子聚合物波導方面的研究取得了重大成果。但要實現(xiàn)完全的光互連還需要不斷研究。圖2 IBM光互連研究發(fā)展過程 日本的日立化成工業(yè)株式會社在 2008年ECTC發(fā)表的論文中提出他們的研究成果，他們的芯片間光互連的結(jié)構(gòu)如圖 3，其實在光互連的結(jié)構(gòu)上沒多大的變化，光波導的制作工藝也采用干模熱壓法，不過波導芯層為 50m50m，上下包層厚度分別為25m，波導損耗為 0.1dB/cm，波導材料高分子亞克力聚合物（PDMS）， 垂直耦合的光波導的 45斜面。圖 3 日立化成工業(yè)株式會社板級芯片間光互連模組日本從2010開始，進行光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)，以在 2025 年實現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標。2012年9月，PECST發(fā)布了可在1 cm2 的硅芯片上集成 526 個數(shù)據(jù)傳輸速度為 12.5Gbps 的光收發(fā)器技術(shù)。該技術(shù)將芯片間布線駛?cè)搿肮獾母咚俟贰?。目前?PECST 的研究還在持續(xù)推進中。圖 4 PECST項目的具體分工情況韓國的板級芯片光互連中，較大的不同是在耦合部分采用的不是45波導端面，而是多層90彎曲光纖陣列，如圖5所示。圖5 多層90彎曲光纖陣列德國的芯片間的光互連技術(shù)主要將發(fā)射器和及其驅(qū)動電路集成到玻璃基底上，光直接通過玻璃基底如圖6所示，驅(qū)動芯片與PCB板的連接通過在玻璃上穿孔形式，玻璃具有很好的絕緣性和很好的透明性，材料成本相對也較低，溫度性能很好，光直接通過玻璃入射到光波導的 45端面上進行耦合。圖6 德國板級芯片光互連模具第三章 光互連中的激光器與探測器甚短距離光互連中集成電路主要采用短波長 850nm 垂直腔面激光射器(vertical cavity surface emittinglaser, VCSEL)陣列傳輸高速率并行數(shù)據(jù)。并行高速光電轉(zhuǎn)換器常采用 850 nm 短波長InGaAs 光電探測陣列探測器. 工 作 速 率 已 達 到 每 通 道 10 Gb/s.3.1 VCSEL中心是有源區(qū)，它有體異質(zhì)結(jié)和量子阱兩種結(jié)構(gòu)；其側(cè)向結(jié)構(gòu)有增益導引和環(huán)形掩埋異質(zhì)結(jié)之分。有源區(qū)上下是反射器。 圖1.垂直腔面激光器 氧化物隔離VCSEL器列陣件在陣列器件的工藝中，首先采用化學濕法腐蝕在GaAs表面形成1010臺面結(jié)構(gòu)露出接近上限制層的高Al組分的A1xGa 層，之后把外延片放八涅氮氣(N2)環(huán)境4250c條件下氧化8分鐘最后沉積5個周期的高反射率的ZnsecaF上DBR。器件在脈沖(100ns10ps)和連續(xù)(CW)備件下工作。由于氧化工藝可以使單元器件的尺寸很小，達到對注入電流的限制作用，因此可以獲得閾值電流很小的陣列器件，并且實驗結(jié)果表明，陣列效果很好。3.2 InGaAs 光電探測陣列探測器InGaAs光電探測器模塊集成了InGaAs雪崩光電探測器、探測器驅(qū)動、信號檢測放大、信號放大整形輸出等部分,可應(yīng)用于連續(xù)或者脈沖光信號測放大整形及溫度傳感等領(lǐng)域。輸出高穩(wěn)定電壓信號給用戶,免去客戶在使用雪崩光電探測器時的弱信號處理環(huán)節(jié)。3.3目前已經(jīng)推出的商用VCSEL和PD陣列韓國optowell公司發(fā)布了10G 4通道，12通道的VCSEL陣列芯片及對應(yīng)的接收端芯片。目前可以訂制VCSEL及相應(yīng)的PD。PD陣列為4或者12，每通道可以支持2.5G或者10Gbps的速率。VCSEL和PD陣列的尺寸小，集成度高。VCSEL采用的是線陣，4個的陣列長度970um，12的陣列長度2970um，體積小。PD也是采用線陣，4個的長度1000um左右，12個的長度3000um左右。第四章 耦合方式4.1 光收發(fā)模塊與光互連層之間的耦合方法一1：以日本的NTT為代表的維透鏡耦合的方式（OptoBump）。光波導上面的一個凹腔中充滿透明波導物質(zhì)，填充波導表面拋光后，就在其上形成微透鏡陣列。采用擴散方法，利用固體基底表面曲張，形成維透鏡陣列。 優(yōu)點：微透鏡和表面加工工藝(SMT)完全兼容，因此可以大規(guī)模低成本的生產(chǎn)，易于投入商業(yè)應(yīng)用。缺點是在表面曲張的實際操作過程中，微透鏡的曲率半徑難以保證，所以制作難度比較大。 利用這種方法制作的EOPCB的光耦合示意圖如下所示5 方法二1 Byung Sup Rho, Saekyoung Kang, Han Seo Cho, et al. PCB-Compatible Optical Interconnction Using 45-Ended Connection Rods and Via-Holed Waveguides. Journal of Lightwave Technology, 2004, 22(9): 21282134： 采用直接對準的方式， 即將光發(fā)射機/接收機芯片與波導層的直接對準。這種方法 以德國的“OptiCon”計劃，韓國的KAIST為代表。這種方法的主要思想是現(xiàn)在MT連接器上插入一小段光纖，將光纖一端磨制成45度端面，光纖芯層的折射率一般是1.5475，這個45度的端面同空氣接觸正好形成一個全發(fā)射面，從而實現(xiàn)光耦合。 優(yōu)點：消除了微透鏡陣列帶來的光損耗。缺點：所需要的耦合精度更大。這種結(jié)構(gòu)的示意圖如下： 方法三：ETRI光互聯(lián)背板系統(tǒng)1 Keun Byoung Yoon, In-Kui Cho. Optical Backplane System Using Waveguide Embedded PCBs and Optical Slot. Journal of Lightwave Technology, 2004, 22(9):250257 它由兩部分組成，裝有發(fā)射和接收裝置的處理板和置入光波導的光底板。在處理板里，一錐形聚合物波導被粘在一金屬光具座上，光電器件和發(fā)射接收集成芯片也集成在金屬光具座上，處理板由光學插槽來和光學底板耦合，在處理板和光背板的耦合原理如下圖所示。 處理板和光背板耦合：在金屬光具座MOB上的光波導禍合到己經(jīng)安裝在光學插頭上的MMF（62.5漸變折射率光纖）陣列。在光學插頭內(nèi)耦合光到光背板的光波導中的NIMF的一端，貼有45度角的反射鏡。原理圖如下圖所示： 方法四：POSH光互聯(lián)結(jié)構(gòu)1 Lisa A. Buckman Windover. Parallel-Optical Interconnects 100 Gb/s. JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY,2004,22(9):321327此POSH的傳輸和接收模塊是在耐熱玻璃基底上構(gòu)造了雙面聚合物透鏡，從而形成為傳輸和接收模塊的透鏡陣列。傳輸透鏡陣列接收從VCSEL陣列發(fā)射的光線，并將光匯聚在多模光纖帶上。而接受模塊透鏡陣列則是接收從多模光纖帶上發(fā)出的光，并將其匯聚在光檢測器上。傳輸模塊使用衍射/折射透鏡，接收模塊使用折射/折射透鏡（衍射的部件在這里的作用主要是減少反射回VCSEL的光，從而使激光器能夠發(fā)射穩(wěn)定的模式場到多模光纖）。其傳輸模塊光系統(tǒng)如下圖所示：方法五：Terabus光互連結(jié)構(gòu)1 Laurent Schares, Jeffrey A. Kash, Fuad E. Doany, Clint L. Schow. Terabus: Terabit/Second-Class Card-Level Optical Interconnect Technologies. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.12,NO.5,SEPTEMBER/OCTOBER 2006 把光耦合進光波導的光系統(tǒng)是基于一個微透鏡陣列，透鏡是通過刻蝕在GaAs/InP基底的背面形成，單個透鏡分別與在其對面的VCSEL和PIN器件對準，如下圖所示，每個透鏡將OE的有源區(qū)成像在波導的芯層上。在光波導的任一端構(gòu)造激光熔融的反射鏡，以滿足光90度藕合進出光板平面，為得到高的反射，鏡子表面涂上了一層金制涂層。4.2 板間(芯片之間)耦合的幾種結(jié)構(gòu)方法一： Fully-Integrated Flexible Photonic Platform（全集成式的光電子平臺） Lan Li, Yi Zou, Hongtao Lin, Juejun Hu, Xiaochen Sun, Ning-Ning Feng, Sylvain Danto, Kathleen Richardson, Tian Gu, Michael Haney. A Fully-Integrated Flexible Photonic Platform for Chip-to-Chip Optical Interconnects. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.31,NO.24,DECEMBER 15,2013這種結(jié)構(gòu)的基片上包含了一組單模光纖波導陣列，光電子器件（激光器和光電探測器）就是上面的藍色部分稱為Active devices，光電子器件通過一種叫做alignment-free die-to-wafer的連接技術(shù)直接耦合到基片上的光波導上面，最后在基片的兩端有稱為flip-chip的倒裝芯片連接技術(shù)(圖中的黃色部分)焊接在Chip上面。優(yōu)點：傳輸速度很快每個信道可達到10Gbps的傳輸速率。缺點：制作工藝比較復(fù)雜。方法二：總線技術(shù) Nikolaos Bamiedakis, Aeffendi Hashim, Richard V.Penty and Ian H.White. A 40 Gb/s Optical Bus for Optical Backplane Interconnections. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.32,NO.8,APRIL 15,2014 N.Bamiedakis,A.Hashim, R.V.Penty,and I.H.White.Regenerative polymeric bus architecture for board-level optical interconnects. Electrical Engineering Division, Department of Engineering, University of Cambridge,9 JJ Thomson Avenue,Cambridge, CB3 0FA,UK是光背板技術(shù)的一種，大量用于刀片式服務(wù)器（blade servers）以及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中。板之間的互連通過多模光波導連接，在每個子板之間通過3R單元能夠恢復(fù)信號從而能夠讓這種結(jié)構(gòu)能夠連接無限多的單元板(cards)。這種光總線結(jié)構(gòu)具有很強的穩(wěn)定性，即使在輸入信號沒有對準的情況下還能夠具有很低的損耗以及很低的信道傳輸串擾。在實驗中能夠以低于10-12的誤比特率以10G/s的傳輸速率進行板間的數(shù)據(jù)交互。優(yōu)點：穩(wěn)健性好，損耗低，速度高能夠支持任意數(shù)量的單元板非常適合在刀片式服務(wù)器中使用。缺點：光波導布線是一個難點。方法三：自由空間光互連 Ke Wang, Ampalavanpillai Nirmalathas, Christina Lim. Experimental demonstration of free-space based 120 Gb/s reconfigurable card-to-card optical interconnects. October 1, 2014 / Vol. 39, No. 19 / OPTICS LETTERS 5717光電子器件（激光器以及PD）集成在每個子板（Card）上，子板之間的連接是通過自由光連接的，為了對準自由空間中的光束需要在子板上集成光束對準反射鏡。優(yōu)點：不使用光波導連接，結(jié)構(gòu)簡單。缺點：不同信道之間有很大的串擾，這個是影響傳輸性能最大的障礙。方法三：通過光插座與插頭用光纖連接 Richard Charles Alexander Pitwon, Lars Brusberg, Henning Schroder, Simon Whalley, Kai Wang, Allen Miller, Paul Stevens, Alex Worrall, Alessandro Messina, and Andrew Cole .Pluggable Electro-Optical Circuit Board Interconnect Based on Embedded Graded-Index Planar Glass Waveguides. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 33, NO. 4, FEBRUARY 15, 2015 Keun Byoung Yoon, In-Kui Cho, Seung Ho Ahn, Myung Yong Jeong, Deug Ju Lee, Young Un Heo, Byung Sup Rho, Hyo-Hoon Park,Byoung-Ho (Tiger) Rhee. Optical Backplane for board-to-board Interconnection Based on a Glass Panel Gradient-Index Multimode Waveguide Technology. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.22,NO.9,SEPTEMBER 2004 Ning-Ning Feng,and Xiaochen Sun. Parallel Optical Interconnects Submodule Using Silicon Optical Bench. JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.33, NO.4,FEBRUARY 15,201這種光互連方式一般是在板邊緣與另一個系統(tǒng)之間通過光纖連接，這種連接技術(shù)由于其穩(wěn)定的機械特性使得光纖在彎曲部分能夠很好的耦合。第五章 光波導制作材料及工藝在光互連結(jié)構(gòu)中，用的最多的一種結(jié)構(gòu)就是利用光波導互連，因此研究光互連中的波導材料尤為重要。5.1光波導制作光波導在EOPCB中起著關(guān)鍵作用，采用合適的聚合物光波導傳輸信號是系統(tǒng)能夠高速、可靠、有效運行的保證。當前研究的光通信波段聚合物光波導材料用的主要是低傳輸損耗聚合物，如聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生出來的氟化物和氘化物、聚硅氧烷、含氟聚芳醚和 聚芳硫醚、耐高溫的氟代聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯(BCB)、環(huán)氧樹脂、聚硅烷、聚碳酸 酯等，表1顯示的是商品化光波導材料的性能參數(shù)。表1 商品化聚合物材料性能參數(shù)5.2 光波導制作工藝隨著人們對EOPCB的研究不斷深入，光波導的制作工藝也在不斷發(fā)展與變化?，F(xiàn)在主要的制作方法有以下幾種 彭亞雄.基于EOPCB的聚合物波導研究.2007：(1) 離子交換技術(shù)：在玻璃的結(jié)構(gòu)中，由于其網(wǎng)格修飾與網(wǎng)格的結(jié)合是不牢固的，因此，當加熱浸在某熔鹽中的玻璃，使其內(nèi)離子具有一定能量時，離子極容易在網(wǎng)格之間發(fā)生遷移，與熔鹽中的一價離子在玻璃表面處發(fā)生交換。伴隨離子交換會引起折射率的改變，這是由于兩種交換離子的半徑不同,使交換處體積發(fā)生改變而引起的，如果以熔鹽中半徑較小的離子替代玻璃中半徑較大的離子，交換后玻璃網(wǎng)格在小離子的周圍發(fā)生潰塌，產(chǎn)生比離子交換前更密集的結(jié)構(gòu)，這樣將導致折射率的增加；再是由于離子交換使電子位移極化率發(fā)生改變而引起的，如用電子位移極化率較大的Tl+離子替代電子位移極化率較小的Na +離子，則也會使折射率增加；此外，由于交換離子半徑不同，必然引起交換處的摩爾體積改變，但因玻璃是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，體積的膨脹(或縮小)是各向異性的,從而造成交換層內(nèi)部壓強的增加(或縮小)，致使折射率發(fā)生改變，正是由于上述各因素在離子交換處造成折射率的變化而制成了光波導。(2)熱模壓印法：在高溫高壓環(huán)境下，用金屬壓印工具壓入熱塑光包覆材料中，制作波導芯層通道，在高溫和壓力下在這些溝道里填充較高折射率的芯層材料，然后將一種低折射率基底片迭加在波導上，最后取下玻璃基底結(jié)合體，并在上面覆蓋一層光包層。利用熱模壓印法制作的波導，損耗在633nm上為0.5dB/cm，主要是由于金屬壓印工具的表面高粗糙度所造成的。采用此方法能夠進行大規(guī)模，低成本的生產(chǎn)，但對材料的熱穩(wěn)定性有較高要求。 (3)平版影印法：平版影印(Photolithography)又稱為顯影(光)蝕刻，首先是在基板上用旋轉(zhuǎn)涂布的方法涂上一低折射率的下包層，再在其上涂布作為芯層材料的高折射率層，并將其用曝光顯影的方式設(shè)計出符合需要的波導芯層的尺寸大小，最后再在其上涂布與下包層相同材料的上包層，這樣就完成了整個平版影印光波導制程。這種方法與半導體的制程相容性高，而且設(shè)備也相當成熟，但是要獲得能夠符合要求尺寸的芯層是這種方法的關(guān)鍵。根據(jù)光致抗蝕劑(photo resist)被曝光部分發(fā)生光化學反應(yīng)種類的不同，可以將光致抗蝕劑大致分為正性光致抗蝕劑和負性光致抗蝕劑兩種類型。被曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的抗蝕劑，經(jīng)過顯影后，該曝光部分被保留下來，未曝光部分則被除掉，這種光致抗蝕劑稱為負性光致抗蝕劑，而被曝光部分發(fā)生分解反應(yīng)的抗蝕劑，經(jīng)過顯影后，曝光部分被除掉，未曝光部分留下來，這種光致抗 蝕劑稱為正性光致抗蝕劑。選用光致抗蝕劑與衡量光致抗蝕劑優(yōu)劣的標準，包括對 光源的靈敏度、對圖形的分辨率、涂布的均勻性以及對蝕刻工藝的耐腐蝕性等。(4)光漂白技術(shù)：這一方法是利用某些聚合物材料所具有的光敏成份在光照的情況下發(fā)生光化學反應(yīng)，最終在曝光部分和未曝光部分形成折射率差，從而獲得所需的光波導。光漂白技術(shù)是相對最為簡單的一種，但是這種技術(shù)經(jīng)常受材料的特性的限制。(5)刮刀法：刮刀法作為一種新興的波導制作方法，與其他波導制作方法最大的差異在于其采用刮刀的方式來代替勻膠，更適合大面積的波導制作。 基本制作步驟： 制作芯層光波導鑄造模具；采用刮刀法(doctor blade)在模具槽中填充芯層聚合物，加熱固化；加工包層襯底載物臺，采用FR4材料，這主要是為了能夠較好地和PCB板的集成波導襯底層制備采用液態(tài)包層聚合物填充到模具中(已有已固化的芯層)，然后包層聚合物襯底載物臺壓在模具上固化好后，襯底層和載物臺從模具中卸下。上襯底層采用同樣的方法制作。在IBM的研究中，采用了類似于刮刀法的方法來制造聚合物光波導。如圖8所示為波導制作原理圖。圖7 刮刀涂布機制作波導原理圖8（a）顯示的是制作波導的模具以及用于涂材料的刮刀涂布機模型圖，（b）分別是加液體纖芯聚合物并采用刮刀涂布機進行均勻地將材料涂在模具中的過程第六章 EOPCB與傳統(tǒng)PCB的制作工藝6.1 EOPCB的制作工藝EOPCB主要有光層與電層。光層板有平面線路和波導陣列和各種尺寸和功能的光器件，包括微納米激光器、開關(guān)、連接器、探測器、傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動調(diào)制器等等。電層有許多不同功能的電子線路 El-Hang Lee,S.G.Lee, B.H.O, S.G.Park1, K.H.Kim. Fabrication of a hybrid electrical-optical printed circuit board (EOPCB) by lamina