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最新南邮电子科学与技术专业英语作业

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电子科学与技术专业英语作业
一、将100个教材中的专业英语词汇翻译成中文1.optoelectronic光电子的2.photonic光子的3.chaos混乱的4.manifestation5.legitimate6.generator7.algorithm8.stochastic9.saturation10.sequence11.dotty12.scenario13.encounter14.periodic15.orbit16.attractor17.probe18.demonstration19.algorithm20.dipole
显示合法的发电机运算法则随机的饱和度数列低能的方案遭遇周期的在轨道上运行吸引调查证明运算法则偶极子


21.snapshot急射22.constraint约束23.infrared红外线24.electromagnetic物电磁的25.spectrum光谱26.multipath27.propagation28.severe29.amplitude30.fade31.dispersion32.transceiver33.ambient34.portable35.uninterrupted36.robustness37.photodiode38.quantum39.incandescent40.fluorescent41.modulate42.beam
多径传播严重的振幅衰老离差收发器周围的
手提的不间断的坚固的光电二极管量子白炽的荧光的调制光线


43.formulae公式44.retina视网膜45.cornea眼角膜46.adequate足够的47.hazard危险48.sufficient49.inexpensive50.illumination51.capacitance52.outperform53.synchronization54.redundant55.adjacent56.guard57.bandwidth58.artificial59.denote60.duration61.likelihood62.boundary63.diversity64.orientation
充足便宜照明
电容（性能）比……好同步多余的邻近的保护带宽人工的指代持续可能性分界线多样化方向


65.preamplifier前置放大器66.transparency透明度67.quantization量化68.insensitiveness不灵敏性69.verify核实70.lattice71.fabrication72.saturate73.strain74.nucleate75.molecule76.internal77.onset78.intrinsic79.divergence80.membrane81.oscillation82.metamorphic83.metropolitan84.bias85.emerge86.tandem
晶格制造使饱和拉紧有核的分子国内的攻击固有的分歧隔膜振动变形的大城市的斜纹出现串联


87.satellite卫星88.amorphous模糊的89.hydrogen氢
90.coefficient系数91.gallium镓92.arsenide砷化物93.structural结构上的94.saturate浸透95.symmetry对称96.coordination协调97.nevertheless不过98.danglingbond悬空键99.thermodynamically从热力学角度100.kinetic活跃的
二、阅读教材，将规定的专业英文内容翻译成中文Page2~6
2.混沌检测

给定一个信号x(t、检测算法如下：一个形成m-维数延迟向量X(t=[X(t、
X(t-T……X(t-(m-1t]和时延T，计算相关和C(r，C(r是延迟向量的组数(之间的距离不到r与总组数的比值。延迟T不是任意的,它是自相关时间信号x(t的一部分。其次，相关维数ν定义为C(r与小r的比值的对数边坡。这是我们假设C(r~r并且进行提取ν。
v



对于一个真正的随机过程,由于噪音往往占据所有可用的参数空间,不仅仅限定在一个特定的区域混乱，ν随着m增加并不表现出饱和。对于一个确定性混沌信号ν饱和到一个数值，下一个整数比像源于Eq.1的代表非线性递归的最小整数大。
应当指出,一些特殊的微分方程（时间连续，离散时间发生在递归方程一样,也产生混沌信号。
图2中表现出相关指数与嵌入维对逻辑序列（不管它的随机行为）产生饱和。就逻辑映射来说，我们有单一递归[Eq.1]ν饱和到一个接近1的数值。
图2.从C(r中取的相关指数ν。逻辑序列ν饱和到接近1,而随机噪声无限的线性增长。
在几何学上，把所谓的吸引区展示到信号被仅仅测绘信号x(n+1的值和先前的值x(n所展开是可能的。该结构工作在简单的一维递归，例如逻辑映射(Eq.1。对于较复杂的信号，几何结构要依赖于向量X(t,并且当m大于三维空间很难显现出来。
在图3简单结构尝试为逻辑映射。
图3.通过绘制x(n+1比x(n显示了逻辑映射吸引区的多点结构。
这揭示了有限地区(吸引区映射到被展开的信号（忽略Fig.1描述的明显的随机行为）。
3.混沌的产生
众多的非线性光学场景已经被认为是可以显示出混沌行为的模型,至少有四个情景是可能的。
(1
从流体动力学模型(简单的大气模型视为一种上面被太阳下面被地球加热的流体推断出一个单模激光方程和洛伦兹方程的近似类比来表明混沌行为是可能



的。
(2
混乱可能和一个单一的非线性离散(适时的递归一起产生,不过至少需要三个时间上连续的微分方程。单模B级激光收两个两个微分方程限制。因此，至少需要三个自由度。波导激光器通常用于单一的纵模或横模操作；通过轻微的修改谐振腔配置来实现多横模发射，就可以观测到混沌。在这种情况下由于当腔长度轻微偏离稳定运行时的长度时，发生两个横模的非线性相互作用。
(3
增加了非线性产生了超过孤子传输所能保持限度的孤子。事实上，这是在将一列AUsol形式的脉冲和一个幅度A从一个增长到下一个直到传播结束的孤子脉冲抽运到非线性介质中完成的。
(4
通过介质（例如光纤）和泵浦的辐射或散射可以调整非线性。当泵浦水平超过阈值时，就可以观察到混沌。

第一种情景导致一个普遍化的单一的非线性递归变成一个复杂的非线性递归。考虑到一个循环腔里的非线性介质产生的电场的相互作用会导致下述复杂的递归式：
En=1.0+0.9En1exp(0.4j-6.0j/(1.0+|En1|2
En是n-th通过腔时电场的复包线（如果Δt是腔的往返时间，En是t=nΔt时的电场）。这个递归式或示意图基于以下假设：
(1腔的响应时间远远快于往返时间Δt。
(2介质和电场间的非线性相互作用是一个克尔型非线性相互作用（介质折射率随着电场振幅的平方而变化）
吸引区产生的递归式图4所示的Ikeda吸引。



图4中En的实部和虚部，在Ikeda示意图（2）给出的圆柱腔内电场的复包线揭示了吸引区的多点的复杂性质。
第二个场景已经通过使用一个谐振器的非标准配置，而被应用于波导激光器，以获得多横模操作。从一个设置两种模式稳定共存位置的反射镜出发，腔长的微小变化通过增加横模之间的竞争，来驱动处在混沌状态中的系统。以关联维数的混沌吸引子的决心是关于v=2.6,从激光器的输出强度行为随时间的变化。
光电子学中混沌产生的第三个场景将通过广义非线性薛定谔方程(GNLSE）的使用，来利用我们对孤子的认识，GNLSE含一个可控的非线性：
它的控制函数是一个
的线性函数，
（3）
在一般非线性克尔效应案例(介质折射率随电
的变
场振幅的平方而变化中有应用。这是一个平滑函数,初始时呈线性变化，然后随着化平稳地趋于饱和。
非线性介质由含有一系列
形式脉冲的GNLSE来描述，其中
为孤子脉冲，A为
脉冲振幅，当我们泵浦非线性介质时,电场复包络的递归方程变成:
（t，z=0）=
（t，z=0）+B（t，z=L）（4）
其中L是腔长,n是一条通过腔的途径，B是一个实数，表示影响。。。(t、z=L谐振腔输出的反射损耗。每经过一条穿过谐振腔的路径，便补充一个孤子脉冲。
当泵浦脉冲振幅A增大到超过截止振幅值时，递归方程(4变得混乱无序。
最后一个场景是受激布里渊散射(SBS,它是光纤中一种很重要的散射现象。SBS源于光纤中一种特殊类型的分布式光反馈，且SBS使输入光线的频率发生正向偏移(斯托克斯发射现象。单模光纤可用于生成大于给定泵浦阈值条件的SBS。为了引起混沌，可对泵浦和斯托克斯发射的非线性相互作用进行调谐。光纤中的动态不稳定性很强烈,且光强度(在前向、



反向散射方向经历了脉宽调制深度趋近100%的大规模波动。混沌吸引子很容易显示出延迟曲线，如图3，具有一个可变延迟。这表示，一维产生了x(n+K-x(n的二维曲线，其中k是不为1的变量，如图3。
4.混沌的控制
当混沌遭遇到检测或直接产生时(使用高阶泵浦和其他一些大振幅信号，我们应该作出反应,强制将其转化成一种稳定状态。这对一类中继器尤其有用，该类中继器具有较少的长距离通信，但信噪比可提高，同时需要平稳的信号工作状态。
混沌信号的控制基于以下的观察。混沌起源于很多不稳定的周期性轨道的存在，这些轨道在一种典型吸引子上密集分布。换句话说，混沌产生于一种不可能性，这种不可能性是指系统不可能稳定下来形成一种时间间隔足够长的明确的平稳周期状态(与一个单一的特征周期。相反,系统从给定状态开始，因系统不稳定性而经历了一小段时间间隔后，转变成了另一种状态。相邻周期性状态的高密度使系统更容易从一种状态转变成其他相邻状态。
为了控制系统随时间的变化，将其转化成具有一个特定周期的已知状态，需要探测局部动态，并从关于一些可访问参量的局部动态灵敏度来进行估计。
通过奥特、Grebogi和约克算法的运用，这项计划可实现。作为一个控制方法的示例，我们来看看池田吸引子。递归拓展公式(2如下:

=
+
0.9
=
0
（5）是可控的可访问系统参量。实际上表示在n时刻进入谐振腔的光脉冲的振幅。当它等于1时，系统进入混沌状态，且腔内电场随时间的变化取决于吸引子，如图4。
当变化时，系统动态发生变化，且为了特定的价值，系统会进入一个特定的平稳周期性状态或交错的混沌状态。如果保持系统处于特定状态提高了其中一个，那么另一个应该研究对应值（称为a*）附近的局部动态。



探索a*附近的局部动态意味着我们至少要能解答下面两个相关问题：
（1）什么是最大的a*附近控制参量δ的可接受微扰，例如系统处在a*的特定状态条件下？
（2）驱动系统从任意一个状态转变到a*状态需要多长时间？
大量的理论、数值和实验工作(见例如Refs.3和4已经表明,这种努力是可能的。而且你可以对任何挑选出来的状态进行控制，而不用得先掌握递归方程式的知识。控制方法仅仅基于延时坐标x（t），x（t-T）……x（t-[m-1]T）的运用，正确选择坐标中的T。其值取自输出信号x（t）的实时测量值。这使得在飞行中控制信号和任意改善系统性能成为可能。
最近,同样的想法一直延伸到激光的时空混沌(也称为光学湍流。假若这样，混沌同时在时间和空间中发生，并将混沌归因于通过局部偶极子励磁光场的衍射的相互作用。当一些控制参量大于临界值时，激光光场经历了从在时空中的正常模式（行波在时空中具有明确的传输频率）转变成紊乱无序模式的过程，如图5。
如图5，是一组从一个正常模式（左图）到完全紊乱（右图）的渐变过程的快照，该过程是通过将一个控制参量提高至大于临界值来实现的。该组图也有可能开始于紊乱模式（右图状态），再将系统强制转变回如左图的正常模式。
Page10~12
2.红外连接的分类
红外连接有多种构造，根据它们的方向性以及连接是否需要一条视线进行分类，如图1所示。
直接连接利用定向发射机和接收机实现功率效率最大化,但是此种连接必须瞄准才能建立一个连接。非定向连接使用的是广角发射机和接收机,消除了指向的需要,因而使它们变得更加方便。



可视系统依靠的是发射机和接收机之间不受干扰的一个视线通道,而非可视连接设计增强了连接的健壮性,且易于使用,举个例子，即使一个人站在发送机和接收机之间，这种连接也是可操作的。最好的健壮性和简单使用是通过非定向非可视设计实现的,称为扩散系统。在该方案中，由于光电二极管有全方位的宽视场角度(视场，接收端是无方向的。因此在发射机与接收机之间不需要定向的视线,光传输对干扰是不敏感的。
光源的指向性和光电探测器在非定向性光通信系统中是非常重要的参数。宽视场是建立一个健壮的系统所需要的,。视场可以通过使用扩散镜头或使用一排发光二极管与一排探测器的集合进行扩大。
3．光学无线通信信道
对于使用强度调制的光学无线通信系统,理想的信道模型取决于背景光的强度。在背景光低时,接收信号可以看作是泊松过程，泊松比
，其中和分别与接
收信号的瞬时光功率以及背景光功率成正比。当=0时，就像光纤传输系统一样，通道存在量子局限。然而，如前所述，红外接收器通常工作在高水平的背景光环境中，背景光既可以自然产生，也可以人工产生。根据每秒靠近窗口的光子数,的典型值介于和之间。因此二极管散射噪声可以准确建模为加性高斯白噪声(AWGN。多径传播的影响,会使空间相干性失真,其具有基带模型的特征。图2显示一个基带线性系统,瞬时输入光功率为x(t,输出电流为y(t和脉冲响应为h(t[3]。瞬时光电流表示为
瞬时光电流(1
所有背景光源的平均组合功率在光电探测器中产生直流光电流,从而引起一个单功率谱密度的散射噪声:



=2q散射噪声(2为了克服由于上述环境光在基带脉冲编码调制接收机中产生的散射噪声，需要的光学信号功率由公式[3]给出。
=其中Q=
Q[2q[
]最小光功率(3]，
是光电二极管电流密度，单位为A/
，q是电子电荷，R
是光电二极管响应度，单位为A/W，B是比特率，是50%负载脉冲周期信号的形状系数，A是光电二极管的面积，是错误率。
为了提高信噪比：（i）增加A，因为信号随着A成比例增加，有效散射噪声随着
.
增加。由于光电二极管电容也增加，因此信噪比可以在减少接收速度的代价下得到提高；（ii）使用窄带宽红外滤波器取代宽带宽的滤波器。
最主要的三种环境光源是太阳光、白炽灯光和荧光灯光，如图3所示。太阳光代表一种未调制的环境光源，其带宽非常宽，最大光谱功率密度落在0.5微米附近，在光电二极管中产生直流光电流。供电源产生的白炽灯光在100HZ处调制，最大功率谱密度在
m左右，
这种光反应迟缓，很少有高谐波存在。荧光灯光有两种。传统类型由电源频率决定，电子光谱包括数以千万赫兹的谐波。在过去的几年中,推出了新的高效节能荧光灯,这种灯依靠高频电子整流器,开关频率的范围是20-40KHZ。他们的检测电子光谱包含兆赫范围的谐波。因此,在导致散射噪声的同时,荧光光源在接收端也产生了周期性干扰信号。

Page26~28
4.垂直腔面发射激光器
低成本的可发射1.3um波长激光的垂直腔面发射激光器是有市场需求的。现有的基
于InP的法布里-伯罗（FP）和分布反馈式（DFB）器件价格相当昂贵。相比较而言，基于



GaAs的VCSELs被证实具有较高的可靠性，较低的成本和精湛的参数，如低光束发散，高wall-plug效率与发射波长和阈值电流的高温度稳定性。片上测试和整合，有效降低横向尺寸，横向阵列和波束控制的可能性是有利的。同时，发射850-940nm的non-eye-safe波长的基于GaAs的VCSELs，正应用于塑料光纤连接器并运作于低于300m的距离。现有器件的缺陷有利于1.3um的VCSELs代替基于InP的FP、DFB激光器和0.85um的GaASVCSELs。
VCSELs的一个额外的优势是可能垂直整合一种波长调制器件(如啁啾补偿，强度调制器和探测器,这对于波分复用(WDM的先进应用是非常重要的。VCSELs有一个重要的配对腔，这个配对腔加强了选择性探测器允许密集波分复用技术提高(DWDM、使用电子波长可调谐VCSEL的数据传输连接和快速数据传输。波长的电子(electrooptic和膜调整可用于密集波分复用和波分复用(WDM(CWDM。光纤的发展不含水吸收峰（介于1.3~1.55微米范围）,这进一步扩展了密集波分复用的范围和潜在的密集波分复用和CWDM应用的合并,。
图4为1.0微米QD-laser的张弛振荡频率和功率的关系图。
=10.2，图a为8.2
GHz，210和293K时的张弛振荡频率；图b为1.3微米QD-laser在300K时的截止频率。
低成本、长波长的VCSELs及相关垂直腔装置的主要问题是缺乏足够的本地DFB。基于与InP晶格匹配层的分布布拉格反射镜具有小的折射率差异和极低的导热系数。一个周期为50或更大周期的InGaAs-P/InP布拉格镜需要达到激发所需的反射率(R=0.99。GaAs/AlGaAs布拉格反射镜与基于InP的有源区的结合可能解决这个问题,但它代表了一个非常复杂的技术,并且大规模化生产将是昂贵的。其他近期方法(采用顶尖变质AlAs-GaAs的DFB,或者使用基于AlGaAsSb的、InP结构的分布布拉格反射镜不解决可靠性和成本效益问题,并且只可能在发明出基于GaAs的定向技术之前具有竞争力。
图5为发射波长为1.3um基于GaAs的QDVCSEL的CW型L-I-V曲线。在25摄氏度时装



置具有最高(64%的微分效率。
我们介绍了第一个运作于1.3微米的GaAsVCSEL[16,31,32]。微腔被(p和(n环绕层(小于吗?-thick,其次为1?-thick(p和(n砷化镓电流分散/腔内接触间隔层掺杂。
腔内接触的方法被使用。垫层之后为交替式DFB和1/4波长厚的砷化镓层。DBR的层,以及那些光学腔周围的,被选择性地氧化以形成Al(GaO。QD都集中与一个波长厚的光学微腔中,其边缘掺杂为。微腔的边缘由构成（x线性地从0.02增到0.98）。图5显示在不同的热沉温度下，一个QDVCSEL的连续光波功率-电流-电压(L-I-V特性。
阈值电流为1.2mA，这个电流不随温度的升高而变化。QDLED测试结构的电发冷光的测量,表明了激光通过QD的基态转换来产生。最大的微分效率为64%。发射波长在1.3微米附近(1.28--1.306微米，具体与晶圆片上的特定位置有关。晶圆片上阈值电流在~10%左右波动。我们发现了阈值电流被证明对亚微米级的孔径尺寸的依赖很微弱,而导致激光发射产生“蓝移”的光子约束效应变得越来越严重。在35摄氏度下，超过700小时的寿命测试发现器件的性能不发生变化。
5.量子点放大器
基于量子点的放大器在常温段的松弛时间小于50fs，增益恢复时间短如140fs，
但比量子阱放大器的大得多，这说明了量子点放大器作为一个全新的仪器成为可能，在商业领域尤其在大都市的区域网络中显得格外重要。
图6为量子点中和体仪器中的相移变化对比
在图6中我们显示了在InP衬底的体仪器的最大可实现的小信号增益13dB和量子点20mA的增益动态范围的对比。体仪器显示了在1ps量级的纯电子加热恢复时间。而量子点仪器的动态范围是它的7倍。不同偏置电流的比较显示了自由电子的吸收发热现象在量子点仪器明显比体仪器的有显著消减。



Page35~38
3.非晶硅太阳能电池结构
图3.1非晶硅单结太阳能电池的结构原理图
常见的非晶硅太阳能电池设计图如图3.1中所示。它由5层垫在通常是玻璃的衬底上，也可以被垫在Ag和Al，不锈钢或塑料上。首先一个透明导电氧化层厚膜沉淀在玻璃衬底上。第二个薄膜是掺硼的非晶硅用来做一个p型的半导体。在其上在垫上本征非晶硅。第四层是n型硅和掺磷的非晶硅。第五层是金属电极盖子，由Ag或Al或两个的混合物组成。非晶硅太阳能电池的每层结构如下描述。3.1TCO层
TCO层起到了电池电极的作用，还有就是允许最大太阳能辐射传输到p层中。所以一个理想TCO应具有优化的光电性能。理论上，它应具有很强的导电性，低串联电阻，并具有高的透明度，越小得吸收损失越好，因为任何TCO损失的光吸收不会转换为电。它也应尽量减少太阳能辐射反射在玻璃和TCO之间和TCO和p层之间交界层带来的反射损失。一个合适的TCO折射率可以减小在两面的折射损失。TCO应做成一个和p层欧姆接触以减小电极的电阻。
有一些材料已经成功被制成了TCO。一个非常好的选择是铟锑氧化物，但其他诸如掺
氟氧化锑，掺铝或硼的氧化锌，掺氟氧化钛也可以使用。TCO平面可以是光滑的平面也可以是掺杂质的凹凸不平的。通常前者是非结晶的薄膜，而后者是一个微型水晶晶体结构。一个ITO层可以通过在真空中热蒸发进行渗透。实际操作中是射频喷射的。3.2p层
这个层有掺硼的非晶硅组成。对于一个高效的太阳能电池。P层猜想是非吸收的，正是由于这个目的这个层的材质有一个大的能量禁带而且这个层必须薄。这也是为什么p层有



时被称为电池的窗口。为了能展开光能量禁带带宽，我们通常需要将碳和非晶硅合金来形成a-SiC:H。碳增加了禁带带宽，使层更加的透明。
一个经常用到的沉淀非晶硅方法是发光放电法。对沉淀p层来说，硅烷和甲烷和乙硼烷在一个真空室内通过射频放电，并压强在13-133Pa下混合而成。3.3i-层
就光电压性能来说，i层是非晶硅太阳能电池最重要的部分。正是因为这个层使太阳能光子被吸收来产生电荷对从而产生电流。所以这个层应该有着最大可吸收太阳能辐射。通过氢气和硅烷在射频放电中混合后形成此层的沉淀。为了达到最大程度的吸收，这个层通常比其它层要厚。对太阳能电池基于本征层的厚度改变的性能优化我们会在后面进行详细讨论。
3.4n-层
N层是非晶硅太阳电池的底层，它掺杂了磷。这层和P层连接主要用来建立内建电场，N层另一个功能是传输i层未吸收的光子到后面的金属层，从而被反射会i层。为了这目的，N层应该吸收最少的光子，因此不应该太厚。通常，N层由微晶硅组成以保证高迁移率和低光吸收。3.5后金属接触
金属层沉积，当沉积在N层，就作为背极，也作为i层的未吸收的光子的反射镜。通常将Al和Ag作为后金属电极材料。Al比较便宜，但反射率比Ag低。但是，Ag容易氧化，相对来说不稳定。因此常采用Ag/Al合并层而使Ag保证高反射率，Al保证Ag免受氧化。金属电极采用热蒸发或者真空中溅射的方式沉积。
4．非晶硅太阳电池的制作原则
在运输导电氧化物上面的入射光子传输到被吸收的P，i，N层，一个被吸收的光子携



带的能力至少和带隙能量一样时可以激发一个电子从价带跃迁到导带，同时产生一对自由电子对。在N层和P层产生的载流子对电池的光伏现象没有贡献。然而，有光子产生的电荷载体在i层被吸收，在N层和P层建立的内建电场作用下向不同方向运动，在各自的电极处聚集，空穴到达P端，电子到达N端。由此，一个太阳电池，在照明时接上地，即可供电。
N层和P层应该相对重掺杂，从而接近P层价带的费米能级和N层导带的费米能级。这提供了载流子的高浓度，并保证了高的开路电压（Voc）。当P层和N层重掺杂，他们为光生载流子包含了复合中心，这意味着P层和N层的光生载流子重新复合，使得这些层不表现光伏特性。他们主要作为电力负荷，减少在i层被吸收的光子数目。
定义太阳电池光伏特性最重要的参数是转换效率，即电输出功率比光输入功率。由于输出功率与负载相关，最大输出功率点通常用来表征转换效率。这个效率也与照明光的光谱强度有关。然而根据标准实验室参数，在归一化强度100mW/cm下，太阳辐射流在AM1.0-AM1.5之间。空气混乱度m定义为辐射在空气中的路径长度相对于统一海平面下的垂直路径。m1cos(z，z表示顶角（垂线与光线方向所成的角度）
图4.1是典型的在光照条件下非晶硅太阳电池电流-电压关系图像。这图像通过以下几个外部参数来表征：
1）短路电流Isc，是在V=0是的电流。由于电流I是电池表面的电流。为计算电池的效率
用短路电流强度Jsc，表示每单位电流：J的I-V图像落在第四象限。2）开路电压Voc，是在J=0时的电流。
3）最大功率点，在I-V曲线上的最大功率PmaxJmaxVmax，Jm和Vm都各自对应Pmax时
的I和V。

2
I
，用负号是因为太阳电池
areaofthecell


电池的F因素，FF
PmaxPFFJscVocJmVm
,而转换效率max，Pin表示电池表
JscVocPinPinPin
面的光输入功率。
Page65~67
7.VLSI（超大规模集成电路）纳米级光子晶体分离设备
为了实现VLSI光路，我们用光子晶体来设计一些纳米级光器件，例如能量分离设备和波长分离设备。我们采用适用于微米级定向耦合器的时域有限差分（FDTD）法，发现对光子晶体也很适用。我们称两维光子晶体上的定向耦合器为“劈尖的棒状”结构，并且发现对于高密度VLSI纳米光路来说，这种结构比其他结构好很多，比如Y结点型。Y分支能量分离器的性能受输出端口弯曲损耗的影响。我们所用的光子晶体结构是GaAs中空气孔的三角形阵列。时域有限差分法计算结果表明，在相对大带宽时每个输出能达到46—47%的透光率。
Fig.5用时域有限差分法计算（a）传统的Y分支能量分离器和（b）的场剖面。图5显示了光波通过（a）Y结点和（b）中我们研究的“劈尖的棒状”定向耦合器计算出来的场剖面。详细结构和能量分离机制在之前报告中已经描述过。
我们也用两维光子晶体设计了一个类多模干扰结构，并发现它对不同方向的波长分离尤其有效。我们用蚀刻在介电基片上的空气孔的三角形晶格结构，用弯曲在两维光子晶体中的波导设计带通滤波器。我们也可以用微米级波导模式调整的方法来检查微米级和纳米级间的光波导耦合效率。
8.VLSI（超大规模集成电路）纳米级电浆设备
使用电浆波或表面等离子激元通过介电材料和金属带波导的交界面，这也被认为是可能达到微米/纳米级光器件的条件实现VLSI光路。
在我们的研究中，带状波导是由20nm厚、5um宽的金块（由深紫外光刻制成）夹在



12um厚硅片聚合物自旋涂层。表面等离子激元模式在1.52~1.58um通信波长内是通过计划控制由端射式耦合方法激励的。单模光纤和金属波导的导向特性可以检测。金属波导的传播损耗大约是19dB/cm，与光纤的耦合损失大约为每个平面1.8dB。
我们设计制造包含嵌在聚合物中的金属带波导的垂直定向耦合器。然后，我们比较垂直和后端定向耦合器的耦合特性。含20nm厚、5um宽的金块的垂直定向耦合器的耦合长度估计有2601m，与计算值相当吻合。器件有着约28dB的高损耗。垂直定向耦合器的两个金属波导的间距为4.2um。硅片有100nm厚。金属波导的上下校准误差在10数量级以下。在输入/输出端包含有着200um的分离臂的垂直定向耦合器总长有9mm。我们用不同交互酌长度的垂直定向耦合器的阵列来测量不同交互酌长度下的耦合效率。交互酌长度范围100~500um，每隔10um取值。1.55um波长时，直接和通过耦合臂的传输通过光子晶体光纤测量。我们发现，金属带间距4.2um、交互酌长度260um时，功率传输损耗有28dB这么多。经测量，总的插入损耗有24dB，垂直定向耦合器结构引入的附加损耗有3dB。
-6
9．光学电路板的组装
为了组装光学印制电路板，包含50x50微壳和250um沥青的1x12聚合物波导阵列要用内置45°的紫外线滤光镜制造。垂直腔面发射激光器和光电二极管的阵列是线或倒装式芯片接合到硅器件的，用来光输入/输出互连。直径大约500um的铟焊接球间隔装置用来连接垂直腔面发射激光器和光电二极管与电学印制电路板。45°镜负责光源到波导以及波导和检测器间的垂直连接。垂直腔面发射激光器出来的光波束被90°反射，然后耦合进光学印制电路板中的波导。光波传过波导，接着又通过45°镜被反射进检测器。从波导的一端到另一端的总长度是70mm，850mm处波导的折射率为1.475。为了描绘耦合损失的特性，我们将光发送机和有45°镜的波导放在一起再测量。设从垂直腔面发射激光器发射出的光功率为2mW，通过波导后的光纤接收光功率减少了4.9dB，总损耗，包括传输损耗和光发送机



与波导间的耦合损耗，有7.9dB。用眼图可以测量出每个通道的传输速度，最高为10Gb/s。
10.概括与总结

我们研究了微米/纳米级光器件的设计、制造和集成，以及光学印制电路板的光波导阵
列和超大规模集成电路的光学应用。光学印制电路板是为了在平面模板或基底上执行传输、转换、布线和分布光信号的功能，用类似于光学印制电路板的方法，这种方法用电信号执行类似的功能。我们设计了微米级波导电路或阵列，用热或紫外仪器来制造它们。我们用聚合物材料制造阵列波导器件。我们用近场扫描光学显微镜来分析微米/纳米级光器件功能和结构。我们也检验波导表面粗糙度对波导传输特性的影响。我们展示在研究波导器件的微型化和集成缩放规则时的计算和仿真结果，用来作为设计VLSI波导电路的指导。对纳米级VLSI光集成电路应用，我们用光子晶体器件和离子器件。我们用允许高度集成的定向耦合器来设计光子晶体功率分配器。我们也用光子晶体设计波长分配器和滤波器。用离子结构我们制造垂直耦合的定向耦合器，并检验VLSI光路的可行性。
P71-75
2．编解码分析与硬件软件划分
我们工程的目标是设计一个适合于QCIF(176*144像素视频直到30HZ的真实时间过程的低功率低复杂性结构的单片H.263/MPEG-4视频编解码系统。能达到的最大比特计为500kBit/s，在这个系统中，ME(运动估计的任务是当DCT(离散余弦变换可以减少每帧间的空间相关性时减少视频帧的时态数据相关性。这整个方案也包括一些与数据相关的任务：比如正反向量子化，运动补偿，可变长度的编解码，比特流的产生，系统的控制和输入/输出。以一些MPEG-4剖析为特色以上下文为基础的功能在设计时没有考虑进去，所以我们将各种大小的可以在帧间，内部，双向编码的帧作为参考。
在一个高层次对整个系统进行C描述，剖面分析表明一个可能的软硬件系统划分要将



功能损耗，弯曲灵活性和线路复杂性作为主要的功能开销。根据成本计算法计算的关于普通目的的RISC(精简指令系统统计计算机和CISC(复杂指令计算机微结构的C编码的剖析数据已经收集出来了。计算出的结果表明其正比于能量损耗而且结果可以用于工作性能和低功率的设计。图表1说明了不同功能分别占得比例。像Refs.[5.13]所希望的那样，最坏的情况就是当系统处于编译码模式时。
综上，从计算机功率方面来说，最要紧的任务是运动估计，因为对于一个专有的VISL安装来说它代表了最好的后备方案。运动估计对于硬件问题的解决也是一个很好的选择，因为它是一个低灵活性的编译码器必须的功能。剩下的编译码任务最合适的解决方案是可编程的引擎的软件安装。当进行正确的算法最优化（比如以著名的Chen[14]算法和定点运算为基础的快速安装）和手工编码提炼之后，软件任务所必须的功率计算可以将低损耗的ARM9微处理器作为技术支持。对于0.18um的CMOS(互补型金属氧化物半导体技术，在功率损耗峰值为0.8mw/MHz的系统中当频率是200MHz时这个微处理器可以提供高达220MIPS(每秒百万指令。功率统计时将ARM9TDMI编码加上相关指令的贡献，超高速数据缓存器，存储器管理单元都考虑进去了。要注意的是在文献[6-10]中提到的一些混合型构造对于DCT和IDCT的专用硬件安装来说其特征是用于克服采用微处理器来编程所引起的功率容量问题或者减少能量损耗。例如：对于QCIF视频图像来说，一种只有几mw功率损耗的DCT/IDCTVLSI协处理器已经被文献16的作者提出。在系统设计的结构中，对于DCT和IDCT任务我们采用软件安装除了上述原因之外，还有以下几点主要原因：（i）挑选出来的处理器引擎在真正的时间限制下可以支持所有的软件任务。（ii）整个系统的功率损耗估计可以低于300mw。（iii）设计的划分可以增加系统的灵活性和复用性。它对于[17-20]新编码算法也同样适用。这些新算法中DCT/IDCT任务被取消或者被Walsh-Hadamardtransform(沃尔什-哈达玛变换，Karhunen-Loevetransform（卡南-洛维变换），Wavelet



（微波）所取代。
概括来说，在图1中，已经标明了编译码的功能组织的探索和剖析结果，一个RISC微处理器和一个专用的加速器可以解决软硬件关于算法的问题。两个代理之间的互联通信（比如软硬件之间）可以在合适的缓冲层次来解决。通过这个方法，一个节能的存储器组成数据重用开发已经得以实现。一个DMA(直接存储器存取可以让处理帧存储器，缓冲区分级体系和I/O接口之间所有的数据转化的处理器的性能达到最优。
值得注意的是我们所总结的系统划分与文献[2,6-8]中所写的是一致的。它以专用硬件过程加强的类RISC引擎为基础，因此，下一章所提到节能技术（分别在3和4节的运动估计快速预算和分级存储器设计）可以应用于任何低比特率低功率的视频编码过程。
3.运动评估器
执行ME一个直接的技术是全搜索块匹配（FS）[2,5,21-23]:一个视频序列的当前帧被分成不重叠的N*N个参考试块，对于它们中的每一个，先前帧的一个区块（候选区块），被一个运动矢量（MV）定位,，在一个合适的搜索区域根据价值函数的绝对差（SAD）的总和竭尽全力搜索到最好的搭配。如果a（i，j）和b（i，j）分别表示参考区块和候选区块的像素，m和n是MV的坐标，SAD将被定义为
SAD（m，n）=
a(i,jb(im,jn，（1）
i0j0
N1N1
其中–pvmpv-1，-phnph-1，通常ph=pv=p=16，N=16。
这个失真被用来计算搜索框内所有4p2个可能位置的候选区块。这个区块符合最小失真（SADmin）被用来预测，它的MV表示为
MV=(m,n|SADmin其中SADmin=min[SAD(m,n](2
(m,n
这种详尽的方法使得在给定压缩因子下获得最佳情况，即在信噪比方面获得峰值，但需要高计算量和数据带宽。



为了减少FS的复杂性，几种不同的块匹配算法已经被提出，在具有技术发展水平的单片机的视频编码方案上被施行。它们都以候选区块数量的减少或者以用于研究候选区块的像素数量的减少为基础，如三步搜索（TSS）、四步搜索、分层搜索、交叉搜索、2D树搜素，像素二阶段抽样，减小的像素分辨率，统一向中间聚集的P搜索（DCPUS）和快搜索（FAST）[5,21-26]。为了继续减少功率消耗这些算法可以与一个合适的时钟门控电路策略相结合。当有一部分SAD超过现有的SAD过程被结束，因为它再也不可能被选为最小的失真值。不幸的是，采用这些ME算法虽然使得计算复杂度降低但会导致比特率的升高，一旦有持续的比特率传输，编码图像的质量将会下降。
为了克服FS的复杂性并考虑到低比特率的应用需保持同样的编码效率，我们提出一个快速的预测性的时空算法。它利用运动场的过去态去预测现在的状态。实际上,在一个典型的视频序列，特别是在一个低比特率的编码中，运动场是通常从帧到帧缓慢地变化（时间相关），属于一个场景内同一个物体的区块表现出同样的运动（空间相关）。利用这种相关性，根据使SAD价值函数取最小值（预测阶段），一个给定的区块的MV可以从四个初始的候选的MV中被预测出来，分别为空间相邻的两个和时间相邻的两个。继续减小剩余的评估差错，细化阶段紧接着初始预测阶段在中心点为预测阶段冠军所指示的位置的网格上，以下简称V0，由交叉方向的四个点和对角线的四个点组成。为达到半像素分辨率，交叉方向的点离中心有1/2像素距离，而对角线方向的点为1或3个像素距离。网格角落点大小的选择根据以下原则：如果SAD（V0）比特有的阈值大，这表明V0可能是一个差的预测器，所以必须扩大搜索的区域。由于这种情况特别容易在场景切换和运动发生突然变化时发生，网格放大使得真实的运动场能快速地恢复。图2给出了提出的算法的一个例子。我们也考虑到价值函数的计算用一个空矢量，其总的复杂性为每个16*16图像处理仅仅只有13SAD



评估代替用典型值p=16和半像素分辨率的1032SAD评估。值得提醒的是采用空矢量的SAD可以通过减小合适的阈值以提高编码效率（静态优先选择，参考Ref.[22]）。
初始预测器的特殊系列，阈值和细微格点的形状已经被选为最好的交易计算机节省（保存）和运转损耗。驱动思想是当产生一个合理的视频质量尽可能大的减小MV的数值。在第5部分会有详细的介绍，一份详尽的测试计划在FPGA基础上编码解码仿真器已经被证实使提议的ME算法的强度实现。FS技术得到相同高的视频压缩质量胜过其他快速算法像Refs.[7,8,10]中采用的TSS技术，Refs.[26]中的FAST器件，和Refs.[23]中提议的DCUPS。纵观在文献[27,28,36]中提议的和我们的途径很相似的其他预测算法，基本的不同在运动场的精度。这些算法比我们在PSNR中运用的算法或计算复杂度上显示了优越性，但是它们的精确相位是在反复应用恰当控制极实现一些停止规则基础上的。做相当计算负载既不是恒定的也不是优先的因此最坏的情况必须在设计VLSI电路阶段考虑以减少HW完成的效率。相反，我们的精细相位算法特性建立在单步应用灵活控制极的基础上，这样，可以达到合适的计算工作负载，减缓HW完成时空预测途径。
VHDL（超高速集成电路HW描述语言）描述ME单元已经用逻辑综合在0.18mm，六个金属门限上实现标准单元CMOS技术。核复杂度达到27Kgates逻辑加150bytes单端口MVRAM。减少的算法复度，恰当的平行运用和建筑等级的流水线，使需要的时钟比率大大减小。建议的ME协同处理器需要687周期，每周期16*16参考MB支持实际时间过程30HZQCIF视频，时钟频率接近2MHZ。时钟比率减小，降低电路速度要求，节省能量。这可以通过减小供应电压或用标准器件库中低速率低漏值的版本。例如，采用0.18mmCMOS技术提供两种不同版本，一个高速器件（DHS）抵消低电路的传输延迟，低漏值抵消低漏值功率损耗,用两种从DLL库到DHS减小大约20%不同阈值电压可以获得。门限激发典型H.263/MPEG-4视频系列需要平均动态消耗功率2mW,1.6V。漏值功率当达



到2.5mW而不是DHS的750mW时用DLL库器件漏值功率可以忽略。
电路复杂性功率消耗和编码效率与最先进的ME技术比很有有趣。例如，呈现在Refs.[22]中低复杂度的FS脉动阵列需要29kgates加9kbits双端口RAM和大约42mW30MHZQCIF。像在Refs.[25]中阐释的那样采用合适的像素断行方案，FS算法的功率损耗可以减小到大约30mW几个百分点的PSNR减小。无论如何功率指数比我们的宏单元远大2mW.相反，一些现今的单步艺术采用的方法达到了和我们预期的相同的功率损耗但是以减小编码质量为代价在TSS算法基础上（参见第5部分）。此外，他们的低功率特性促进了全定制电路的发展像集成电压规模和可变阈值电压系统减小这些方法对其他硅技术的可移植性。
P82-83
2.3新的前沿
在微电子领域的进步产生了更高的电脑功率，并使得存储能力更加高但是消耗却更小。长远的规划预示着到2010年以后，微电子领域将会被互补COMS技术所统治，在过去的一年，互补COMS技术已经代替了双极型器件稳定的投入使用。这种潮流被期望于延续就像COMS和双极COMS技术渗透到中间系统。双极性ECL将会继续统治高性能的超级计算机系统，尽管GaAs已统治在此领域得到了一些应用。
GaAs的应用会受到限制，然而，利用合适的软件来操作系统，GaAs半导体的优势将会因为软件包和连接延时而丧失。即使软件的问题被解决，高昂的价格很可能会限制GaAs用于高性能的系统。显而易见，这对材料和软件工程师是一个挑战来减少延迟使GaAs在技术上和经济上都变得可行。另外，这将是每一个可靠性工程师的责任来解决无数热量关联的问题，包括基于GaAs芯片的热量管理。
堆叠3D芯片的出现对未来微电子系统的整合将会产生重大影响。一定量的手艺制造此



技术已经出现。堆叠3D芯片表现出了很大的优势：当ICs用来设计个3D芯片产品时，超高密度是这种芯片高速高效的一种原因。堆叠3D芯片已经对微电子系统和整合此芯片产品产生了深远的影响。随着下一代的堆叠3D芯片的到来，10到1000层的超薄厚度，数千层交互连接的低压电路整个系统将会包含在一个立方中。电力的减少将会是许多应用产品的关键。独立的硬件和软件的同时发展也是所必须的。
2.4纳米级微电子
越小的设备，使我们越接近进入量子力学世界。那是一个和宏观世界的物理规律完全不同的地方。一个可行的IC技术的试探，建立在量子力学的规则之上，将应用于弹道晶体管和单级设备的应用。
在过去的一些年，它已经建立固态系统可以在这样一个可观距离自由电子碰撞前的水晶杂质方式制造这种方法使制造新的弹道晶体管成为可能，弹道晶体管比传统晶体管工作更快，产热更低。如果这种方法正确，新的设备将会完全取代传统的ICs。
对于单原子设备，这些将由半导体量子点（也就是所说的纳米晶体或者说是纳米因簇）在一个氮原子的各种数据不是由小电流传输的，二十通过氮原子传输的，这些氮原子从一个量子点跳到下一个量子点。电子的波动学（量子动力学的规律）将于分析单电子的运动。法国物理学家最近已经用发明的系统XXX到消想干现象，这个系统可以很简单的同时存在与两个量子态中。人们认为这种现象使得量子世界到宏观时间的转型或为可能，人们同时发现量子点，和散装半导体类似，当与质子或电流向激励时，会辐射性光，因此，半导体量子XXX在未来光电设备中会展现出潜在用途。
回到1985年，日本科学家（Yokoyama）宣布证明了一种热电子晶体管（RHET）。在1993年，他们发明了一种大量发散的热电子晶体管。这种发明使我们能通过一个单极晶体管来制造SRAM单元和多输入逻辑门，尽管物理潜在的量子阱晶体管还未被完全了解，量子隧道



晶体管的发展允许日本物理学家创造一种满足精确控制量子阱结构装配需求的技术，这项技术已经成功地被用来提高异质结晶体管和量子阱激光二极管，RHET（热电子晶体管）仍不能被用于实际应用，RHET应该冷却到77K是一个原因，而且它的功能不足以代替传统的半导体设备，为了使RHET在低温电子元件中长久地使用，集成充足的HEMT逻辑环路或发展新的建筑电路是必要的。在这个方向上，其他重要领域的研究有基于RHET技术的温室量子功能双极型晶体管和量子盒的发展，这些研究方向对光学器件的发展也很有用，比如说，量子点激光和新光子存储器件。
2.5异质结构
半导体异质结构的出现已经给小说微电子提供了很多机会，异质结构在微型光电子市场迟早会得到应用是众望所归的异质器件被当做异质双极型晶体管，异质场效应晶体管，共振穿随二极管在一个更少的程度上作为某一种光电器件，考虑到参数劣化就是频率，跨导各种频率的噪声，入口电流，电压延迟，阈值电流和量子效应。至于逻辑，趋向于纳米器件和ICs目标纳米电子，异质结构层允许垂直纳米级从而为设计和优化给出了额外的自由度，它就向薄，低氧化热预算叛变自由缓冲层等等一样被视为一个对解决一定的技术新问题有吸引力的新挑战。硅/硅锗化合物在电子和光学领域正在蓬勃发展。
当今在异质结构的物理学的发展主要集中在以下方向：异质结构材料和系统的物理现象；现存的遗留下来的物理学问题的将通过异质结构来解决，小说物理理念和实验将来将通过异质结构来实现，在异质结构中被完成的小说物理理念将被用来满足新的要求。大体推动或评估现存的异质结构理念的物理限制。
P86-91
3.5光纤通信



在最简单的光纤通信链路的基本在一个光波发射的光信号转换成电信号。在目的地，光波接收机提供了一个进行进一步的处理或作其他用途的数字数据流。“1”和“零”的数字数据进行编码，信息传输光源开启或关闭，以代表“一”或“零”（“是”或“否”），分别，即P-N结的半导体器件的功能相似。
光波传输效率（能力）是衡量产品的比特率和光信号可以传播的距离，需要再生之前（放大）。今天的服务系统，可以在34亿比特每秒超过几公里的距离的单纤维的速度传输信息。的光波传输能力已增加一倍，十多年来每年。它预计继续增加一倍，未来二十年，每年。盈亏平衡距离，在使用光纤铜线成为经济有利已增加幅度每隔几年的顺序。
在比特率最高可达每秒1.7千兆运行的光波系统部署在大都市区，以及大城市之间，连接中环的办事处和各大交换节点。下位系统（低于90兆比特每秒）的用户环路载波连接中环办事处在商业和住宅区的远程终端操作。现在市售的单模光纤，传输损耗低（低于0.2分贝/公里）。
光纤到最终用户-家庭和业务将完全实现全光纤通信网络的最后步骤之一。这一步是刺激希望向最终用户提供视频服务，并通过引进新的数字形成宽带综合服务数字网（ISDN）。一旦这个系统（更详细的描述在第4.4节）收益的势头，住宅光纤网络的增长预计将非常迅速。光纤网络在未来15年左右的时间，可能增长到100万接入线路。
国际电信服务的一个显著的影响已给大容量，高可靠的光纤海底电缆。在世界各地，数字通信服务的需求不断增长和超过25万公里的海底光缆已铺设。被视为一个新兴市场的机会访问全球公路和光纤海底电缆系统超级高速公路。海底光缆作为传输介质的光缆系统的建设，增强了全球电信的质量和品种服务的同时，日益激烈的竞争，降低E.Suhir/微电子期刊31（2000）839-851843价格也许，最显著的是，刺激整体大约15年前，经济增长不同的地理地区。第一个海底光纤电缆系统安装了跨大西洋服务。在太平洋和亚洲，许多光纤



海底电缆系统，现在正在建设中。先进，大容量的电缆系统，TPC-5电缆网络，采用5Gbps的光纤放大器技术，奠定了1995/1996年。
贝尔实验室最近证明，作为一个新的边境光纤通信，传输技术对光纤线路的数据，在一率兆位每秒。在这样的速度，这是比快400倍以上目前的技术，可以每日报纸的文字在一个单纯的第二传输。新技术采用了多工技术的结合，在这两极化略有不同波长的光束同时承载数据，在相同的玻璃纤维。虽然该技术的基本物理学一直实践证明，存在一些重大障碍。首先是光信号弱-复用，梁必须
分成，也就是说，100个不同的信号。这些信号需要在中间点再放大，例如，每50英里。但是那场比赛只能打了这么久。经过几个这样的放大过程中，性噪比变得不可接受的小信号不能接收错误。因此，除非进一步进步，兆位每秒系统不会适合长途跋涉，那就是，跨洋传输。此外，多工技术需要进一步完善。纤维本身不问题，因为他们本身就具有非常大的带宽。问题是让所有的位和关闭的纤维
当您尝试传送信息每兆兆位第二。如果可以算出技术扭结，兆位每秒的光纤系统，可以加快的时代网络计算的，琐碎的传输和接待大型应用程序和大量的数据。
对于将来的远程光纤通信，需要发展一些具有低的光损耗（最好低于0.20dB/km）的新材料。至于这些材料的机械性能，它们应该充分具备高的长期静态疲劳强度和对氢，水的好的防护。光纤中二氧化硅材料的长期可靠性可以通过用非定形碳的膜或金属化来提高，这可以密封光纤，从而增加了材料的长期可靠性。然而，很多其他的机械性能问题与材料的设计，制造以及一些“密封”光纤有关。例如：如果必要的话，考虑到金属涂层纤维中的热感应应力并使其最小；对于金属涂层纤维，设计准则将受到轴向及角度边缘错位的影响，部分金属化纤维的设计将考虑到在金属化区边缘的应力集中，等等。
3.6激光器



光纤通信的发展不仅由于低损耗光材料的发展，甚至在相当大的程度上，是由于被用作光纤通信系统光源的激光的发明。最新高性能半导体激光器将电信号转化成光脉冲，现在这能产生连续的小于1ns的清晰光脉冲。改进后的激光器能发出“稳态”波长，这将会开辟相干光传输的诞生，即能在同一根光纤中不同波长（“颜色”）上同时传输不同的数据（WDM技术）。
垂直腔面发射激光器（VCSELs）将保证装置光互连的有效性。近年来，这项技术已经取得了快速的发展。VCSEL加速排列链接模块，高性能的VCSELs，例如：低门限或高插接效率的VCSELs，已经由美国联盟研发出来（OETC和POLO）。
激光器也被用于各种信息技术，包括信息的产生，传输，存储，再生以及显示。在全世界范围内，信息技术在所有的半导体激光器市场中大约占到90%，对于非二极管激光器也同样是非常重要的部分。当前的开发能引起光纤在信息技术应用上的进一步拓展。例如：自由串音半导体光放大器，3D固体显示器和增强的电光集成设备。这些设备将持续在下个世界信息技术方面有着重要的地位。
高功率激光二极管当前被用作泵浦光源并用于材料传输。达到5W的较高功率和改良的光束整型技术将为高亮度二极管激光器设备在通信，工业和医学领域提供了可能。
KrF准分子激光源将被引进，来引导边制造设备使集成电路光刻在0.25-0.30微米特征尺寸上。在未来十年，对于先进的集成电路光刻，最大可能的发展道路涉及准分子激光源和投影光学系统将不断扩展到大约0.13微米特征尺寸。这样的技术将被用于制造4G存储器芯片，微处理器和其他十亿以上晶体管在一个芯片上的集成电路系统。尽管如此，对于在0.25微米以下区域的孤立模式安排，光学光刻存在分辨率方面的难题，即使采用KrF准分子激光器光刻技术。希望在不久的将来，电子束光刻将对光学光刻起到补充作用。这种混合与匹配策略将为电子束光刻的大产量生产打开大门。



3.7聚合光波导
日本科学家（Koike等等）最近已经提出一种大核心，高带宽，低损耗的渐变折射率聚合光纤（POF）。聚合物光导纤维的损耗已经低于大约40dB/km,这就允许高于1000m的传输，聚合物光纤有大的内径（直径0.2—1.0mm），可用不贵的聚合物连接器，连接器还能用模型注入制作，因而限制了引入模型噪声。另一方面，聚醛氧代丙乙烯不定性聚合物基底的发展断开了高速聚合物光纤网络的通道。然而，终端的稳定和长期的可靠性是两个主要的问题对于发展这个网络。由于折射，在光纤中纵断面形成主要是因为掺杂物分子的分布，所以即使在高温时，为了保证折射率，掺杂分子的迁移也要被禁止。光纤的长期稳定性取决于掺杂分子的应用，已经知道在高温时通过选择适合的掺杂物的确可以控制折射率在一个主要的范围内。
日本科学家已经支持一种光电混合单元（OC-MCM），其功能基于用含氟高分子光波导。这个模型可以在一个光电混合基底上制造（OE-基底），包含光二极管到波导耦合和光纤到波导耦合，OE-基底由被制造在铜高分子混合电子的基底之上的氟高分子波导组成。光波导到光二极管耦合用一个内部完全反射镜调整衍生光得到，光二极管的自身校准依靠微型焊接泵浦。TIR镜的损耗低于1.5dB。
3.8．光放大器
尽管光纤被广泛应用是因为她们有低的传输损耗，再放大用于补偿传输损耗和插入损耗也是必须的，如果按照“常规”放大（电），光信号再生成需要80~120km/次，在这种放大情况下，用光探测器装换损耗的光信号为电信号，接着高速电路再生成和放大电信号，然后再转换为光信号，最后出口处的激光器传播这个再生成的光信号。
在1987发明的掺饵光纤(EDOA是光学最大的成就在过去的20年，这种放大器的发现是光通信史上的里程碑，它用光控制光，放大光信号时无需把它转换为电信号和一系列因



此而生的光电之间的转换。再现在占支配地位的EDOA中，980nm激光源（泵浦）放大掺饵光纤中1550nm的信号。EDFA现在用于（1）中继器中在远距离传输情况下重塑光信号（例如一些水下装置）（2）增加转移的能量（3）在传输系统中增加延迟（4）在网络系统中补偿插入损耗（5）增加接受机的灵敏度。只要一种EDOA就可以传载和重塑不同波长的光，这对于传输容量有限的波分复用技术中非常重要。EDOA总体说来比起电放大器更高效而且允许长距离无失真传输信息。
3.9.光连接
出现光连接技术提供了新的性能和打包挑战给系统的设计者，这些新出现的技术包括平行光学，高带宽的塑料光纤和新的可以涵括不断增长的一系列的波长的VCSELs，平行光仪器提供最低损耗的底板空间。塑料光纤（POF）已经被证明有高于1GHzkm的带宽且在850~1300nm的损耗很低。VCSEL将很快能在至少650~1300nm间应用。计算和远程通讯的系统设计者们从来没有在设计连接和不同包裹的通道中有这么多选择。打包的目标包括可以给小系统用，给分布系统去解决终端问题，获得好的光纤管理能力，有时得到最大的带宽和用最小的空间印制电路板。包装的目标也许包括能力做非常小型系统，能力分布系统解决热量问题，达到好纤维管理，得到多数带宽断断续续，并且最少占领最少空间和打乱底板定期区域的印制线路板，能插入有光电互联的电路板，不用与连接器的手工干预和能力灵活地处理热扩散在系统和在电路板。
使用光学互联在处理器，电路板，芯片之间，并且门器件(设备可能大幅度增加互联速度。光学互联对高性能数字系统的发展将是重要的。大带宽光纤比常规电互联提供更高的速度和更大的传输距离。因为它们是对干扰免疫，光学互联能也提供高平行性。高度平行板对电路板和芯片之间互联使用第2个列阵设备，并且自由空间光学联结是特别适合的在图象遇到的大量数据的情况下(显示。



激光用于实验性光学互联在芯片和从一张电路板到另一张电路板之间。电路板互相间隔了一英寸，例如，光可能流经激光在一个电路板上的自由空间到别的探测器来采集电路板之间的信息。在未来高速的大容量数字系统，进入的光信号和来自联合光学功能设备的光学信号应该允许逻辑处理无限传输。将这些以自由空间平行互联为原理的设备结合可以为处理非常庞大的数据提供强有力的作用。这预计将促成光学计算机和光子的交换系统的发展。
光学互联设备的发展通过处理和加工技术，联合光电子学的设计和制造，光电子包装技术几个方面来进行。
3.10.非线性光学
一个主要目标的研究是非线性光子材料生产的全光开关和信号处理的设备,操作的速度快得多,就可以达到与电子产品类似。然而，获得支持，高速光子的设备必须满足几个严格的要求，一些是低线性以及非线性损失还有就是低操作力量。近来，硅是在高速信号处理顺利地使用的唯一“非线性”材料在实际功率水平。然而，光纤设备在一些重要的网络应用中有严重的缺点。目前,最有前途的、令人激动的是最近有源半导体器件可使光子信号处理功能进行非常有效地在低输入功率和速度不超过10ps是进行,即远远超过载体再结合的时间。
3.11.计算光子
有人认为光子是关键，这将导致快如闪电的光计算机，用光，而不要使用电子来执行计算。在光学数据链接的最新进展，指出对光子学更广泛的应用在未来的预计用于存储和处理信息的的两个光子计算机的方式。计算机输入信号很可能是从光纤，从而有益高性能计算机的发展。由于计算机到计算机联网和计算机外设的成就感到鼓舞，计算机科学家们开始探讨如何利用计算机本身内的光电子。在计算机体系结构的新概念，光学和光电子学的优势，在



垂直的维度提供的计算机电路的互连路径。这需要一些特定设备，如光调制器，表面发射激光二极管，探测器和光束控制全息图的二维数组。
虽然新的设备操作范围在可见光波长较长的波长，光计算的主要工作集中在非常近红外范围（0.8-0.9微米）。这是由于：（1）砷化镓激光二极管技术的可用性;（2）硅探测器（比波长较长的探测器便宜，可以更容易地集成硅电子）的可用性；（3）实现一个较小的衍射极限的光斑大小比波长较长的设备是可能的。
该技术的可用性，生产和集成计算机组件可以在不久的将来成为现实光子计算机。
3.12全息存储器
自十九世纪六十年代以来，全息存储器存储成了数字数据存储的一项前景广阔的技术。全息图像固有的3D特性使得高密度的存储成为可能。许多“页”的数据被超压缩在相同容量的存储物质中。此外，在某些情况下，随机存取时，全息技术还具有提高传输速率的潜能。高传输速率之所以成为可能是因为数据的存储和覆盖是并行操作的（通常情况下
1,000,000bit一次）。另一方面，一些存储结构允许数据的非物理存取，这提供了此微秒级的随机存取次数。
IBM最近投资了一个3200万的全息数据存储项目，这个项目要求数据以几“页”比特的形式全息存储在如水晶这样的光介质中。早期的实验结果预示，在同样的成本下，全息技术可以存储磁盘存储容量12倍的数据。并且，激光在读写数据时的应用，保证了全息存储能以10倍于磁盘存储的速率输入/输出数据。
贝尔实验室近期在确立全息数据存储的商业可能性方面取得了重大进展，其核心是使用一种光聚合物媒质作为新的存储介质。在贝尔实验室的设计中，数据在被刻录时，被错误更正及频道编码加密，接着用SLM（空间光调制器）器件将数据以二进制形式传送到光系统中。SLM器件由大约100万个像素组成，每个像素由通光或阻光分别表示一个二进制位1



或0。这束被调制的光束接着被相干干涉进入一个可以使用LED的存储器中。参考光束和被调制光束的干涉模式以索引微扰的形式存储在整个介质中。为了达到高密度，通过改变参考光束的一些参数可以使同样的容量容纳不止一幅全息图像。这种将全息图像超压缩在相同容量中的技术叫做复用。传统的复用技术是改变参考光束的入射角度以使每个全息图像都能以独特的角度存储。两幅全息图像的分隔依赖于其在容器中，在角度正确的情况下，能够重新构建相位的固有属性。由于全息图像间所需的间隔随着厚度的减少而减小，因此越薄的材料能存储更多的全息图像（高密度）。要读取存储的数据比特信息时，用一束与刻录时性质相同的参考光束照射媒质并将存储的参考微扰衍射下来，以重新构建存储的调制光束。接着由一个多元素探测器并行地探测这些比特信息。由于这100万比特信息被并行地存储、探测，因此传输速率可以高达1Gbit/s。而被覆盖的“页面”接着使用频道和错误更正码来重新构建原始数据。在光聚合物介质中，存储密度可以达到50bit/um2。现在可用的材料可以制成125GB用户容量的硬盘，超过30MB/s的读入速率，随机存取，以及低成本可擦写媒质。
3.13激光束焊接
脉冲激光焊接作为一种高度可靠的物质连接技术，在光量子包装行业被广泛认可。相较于焊锡，或者粘合剂连接，激光束微焊接（LBM）代表了一种新的可选连接技术。LBM主要的优势在于高温强度，制造时间减少，生活垃圾物质分离简化。主要的缺点在于难以控制LBM敏感的生产过程。
脉冲激光焊接常被应用于易受温度影响的极小区域，以及焊接区域需要精确定位的情况。这些要求在某些方面是非常必要的，比如要保证激光器和光纤的高度耦合。这种技术在激光包装行业得到了广泛应用。在这种包装中，包装组成物质的次微米量级的位移都可能造成巨大的耦合损耗。特别地，如果激光位移了0.5微米，就产生了1dB的损耗；即使是0.1



微米的位移也能引起1%的损耗。
P97-99
第8章波分复用相分移相键控信号
典型的光纤低损耗窗口在1.48至1.62um间大约有140nm的带宽，转化为大约17THz的频宽，或者是在900MHz左右的全球移动通信系统单元电话初始双向70MHz带宽的240000倍。这么宽的带宽能够被分成不同的频道跟踪，正如之前显示的表1.5，每个承载独立的的数据频道。许多频道能在光钎中多路复用，掺饵光纤放大器能够一起放大所有的波分复用频道。典型的掺饵光纤放大器在C和L波段也有很宽的带宽。开关键控或者相分移相键控信号，频道的数目和频道间隔只受可利用的光纤技术所限制。
附加的，在表1.5简单的点对点连接中，可重构光分插复用器或者波长路由器能够在动态WDM（波分复用）网格中使用。可重构光分插复用器和波长路由器都用WDM作为一个悠闲的技术来简化光纤网的管理和配置。
当许多WDM频道在相同的光线中共存时，由于光线的非线性，它们会相互影响。非线性相位噪声由其他频道相位调制光信号的降低而产生。相比之前章节考虑的单一频道系统，本章我们考虑的是多频道WDM系统。
本章首先讨论为了构建一个光纤网，WDM的一些重要组成成分。同步检波串扰可能由于一个WDM分接器抑制串扰的不充足而上升。之后，将学习DPSk信号由于交叉相位调制而产生的非线性相位噪声。依靠光线的色散和它的管理，XPM导致的非线性相位噪声可能比自相位调制还大。
1.以WDM为基础的光纤网
表1.5中的点对点WDM连接是利用一个光纤中巨大带宽的最简单方法。光纤的带宽被细分为许多频道，每个频道单独的传送自己的信号。在表1.5的光纤连接中，所有的频道



开始于同样的光源，传送到相同的目的地，在此之中没有信号的塞入/取出。
表8.1显示利用ROADM在WDM技术基础上的一个光纤环。相同的ROADM也可能位于表1.5的光纤连接中。表8.1a承担一个简易的单向环。在表8.1a中，光纤放大器通常位于每个节点的前后，也可能在连接节点的光线的中间。不像表8.1a所示，光纤放大器要求并含蓄的假定为了损耗补偿。
表8.1b，8.1c各自显示了两种流行的ROADM的体系结构。表8.1b是解多路复用，开关的，多路复用的ROADM。所有的WDM频道都被解复用为他们各自利用一个WDM解复用的端口。利用一个开关网络，每个独立的频道在节点不再取出，塞会处理后的光纤，或者直接传送通过节点。在表8.1b的架构中，每个WDM频道是独立处理的。在表8.1b中存在一些变化，例如，某一个WDM频道一直是通过节点，或者频道组一起被取出/塞入/传送到节点，形成频道的带宽。正如所有的WDM频道在ROADM的进程中，表8.1b的架构通常十分昂贵并且有很高的光纤间的损失。
表8.1c是传送和选择的架构。WDM信号被分离出两个路径。取出的信道被选择使用可调的光纤，塞入环的光纤使用另一个可调的发送机。一个可调的波长拦截器在塞入和取出节点中使用，为了阻断取出的频道。实际上，波长拦截器和可调光纤可以一起建成，正如一个单一的光纤组成。通常情况下，表8.1c的传输和选择的结构都有低的开销和损耗。图8.1.(c的体系架构可以传播波分复用通道同时到许多节点。尽管如此，图8.1.(b的体系架构可以同时处理所有通道，但是图8.1.(c的体系架构有可能规模的增加和通道数目的增加不能达到一致。
8.1.(a一个由可重构光分插复用器组成的波分多路复用环。两个可重构光分插复用器基于(b波分解复用/光路开关/多分复用(c和广播以及选择器。
图8.1.(b和(c的可重构光分插复用器可以使用在图8.1.(a环状网络结构、图1.5长光



纤连接中。图8.1.(b和(c的可重构光分插复用器都仅有一根输入光纤和一根输出光纤。对于图8.2.(a的网眼网络来说，需要使用一个有多个输入光纤和多个输出光纤的波长路由器（图8.2.(b）。一个具有双向通道保护功能的波分复用环可能也需要使用两个可重构光分插复用器或者两个波长路由器。理想地，图8.2.(b的波长路由器能够从输入端口之一选择出一个波长通道并且转换到输出端口之一，无论有没有波长变换。
波分复用和解波分复用通常基于相同的技术。对于多通道而言，波分复用和解复用大部分以阵列波导光栅为基础。在很长的历史进程中，绝缘的多分子层薄膜滤波器经常被应用于波分复用系统中，大部分用于少通道的波分复用系统。
图8.2.(a网眼网络的波分复用(b在每个节点中需要用到的波长路由器
掺饵光纤放大器的增益随波长的变化而变化。在波分复用应用中，掺饵光纤放大器的设计必须对于波分复用的所有通道增益平坦。拉曼放大器也有增益随波长间隔（在通道和拉曼泵浦之间）而变化的特性。在波分复用应用中，多个泵浦源用于对所有波分复用通道提供平等的拉曼增益。额外的光学滤波器可以用于平坦化掺饵光纤放大器或者拉曼放大器的增益。
大型光学开关，大部分是基于微机电系统。布拉格光纤光栅也是另一个选择。在光纤中，信号可以在两个方向上传播。而且，双向光分插复用器也可以建议使用。
P109-110
2.二维与三维超大规模体积电路
为了更好地理解现有亚微米技术的工艺水平对二维超大规模体积电路的限制，我们需要考虑尺寸效应对电路特性的影响。微型MOS器件工艺已经并且将继续成为一种提高电路性能的普遍方法，其中一种最明显的微型化影响就是电路延迟的来源。在大型工艺中，工艺线路引起的延迟是可以忽略的，基于门的延迟在整个电路性能中更为显著。
随着工艺尺寸的缩小，门电路反应更快，同时互联延迟会由于寄生元素而增加，因此，



线路延迟成为电路性能中显著的因素。在图二中，我们绘制了2u、1u、0.5u、0.35u工艺尺寸的内在门时延，并且与线路延迟作为线路长度的函数作比较。
可见，当我们把超大的限度放到亚微米级别时，我们会更接近微米化体制的限度。不同的方法正在被应用，更进一步地提高了集成电路的特性。三维超大规模体积电路允许我们堆叠晶体管在彼此之上，用一种绝缘材料隔离开来，堆叠层之间的电连接由沿着Z轴的三维通道提供。
三维超大规模体积电路比二维超大规模体积电路显著的优点有很多：首先是如果一种设计适当的分割，那么内部连接长度可以被极大缩小，利用第三维，通常情况下，被设计在横跨两个功能模块之间连接的总线可以安排在Z轴方向，相当于另外一种设计水准，通过减少互连线路长度，由于线路时延下降整体时延将改善。第二、将设计分割成两层或更多层，可以有效减少总体芯片布线连接，芯片区域的缩小可以增加装配过程中的成本率，这也允许我们实现更大型更复杂的设计而破除二维设计带来的限制。
第三类这种工艺的优势在于它连接两种不同工艺在同一单个芯片上的能力。在我们目前的设计中，我们应用硅晶片和SOI并且把这些集成在一块单独的芯片上，我们可以预想，结合多样的供应商设计成为一块单个多层次的芯片，通过定义固定位置进行互连，每层都能用不同的装配过程并转换制成一块单个芯片。
迄今为止，我们已经在一个测试芯片上制成了一个31阶的环形振荡器，并且已经具有工作器件。这已经允许我们在为现在更加复杂的器件设计要建立一个标准元器件库时制定起决定作用的衡量手段。我们正快要实现一个32位的DLX显微处理器命名为YIFAN，这正是用三维工艺来实现的。在下一章节中，我们这里将讨论在三维VLSI中考虑到的问题，并描述改进我们设计的流程。



本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a81c2a7a876a561252d380eb6294dd88d0d23d9e.html

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