用于超高速設計的 PCB 中的嵌入式光學(xué)互連

2021-07-23

用于超高速設計的 PCB 中的嵌入式光學(xué)互連

5G 將比您想象的更早到來(lái)，為 PCB 設計人員、制造商和提供光網(wǎng)絡(luò )設備的公司創(chuàng )造大量新機會(huì )。5G 網(wǎng)絡(luò )和航空航天等專(zhuān)業(yè)應用中的巨大數據傳輸速率需要在整個(gè)電子系統中更多地使用光互連，最終需要轉換為電光系統和全光子系統。PCB 設計人員可以做些什么來(lái)跟上這一趨勢？事實(shí)是，PCB 設計人員可能很快就會(huì )將光互連集成到他們的標準板中。

為什么選擇光互連？

大多數 PCB 設計師——除了那些從事光收發(fā)器工作的設計師——可能都沒(méi)有意識到即將到來(lái)的硅光子集成電路 (PIC)、電子光子集成電路 (EPIC) 革命以及電信以外嵌入式光學(xué)系統的更大發(fā)展。需要大量數據傳輸速率的電信以外的應用（例如，軍事和航空航天系統）已經(jīng)將光纖用于嵌入式計算。

在電信領(lǐng)域，更多的電子基礎設施將需要替換為等效的光學(xué)基礎設施，以實(shí)現 5G 網(wǎng)絡(luò )所需的越來(lái)越快的數據傳輸速率。隨著(zhù)電信號以更快的速率切換，串擾和輻射 EMI 等信號完整性問(wèn)題變得更加嚴重，并且標準基板上的損耗在更高頻率下會(huì )增加。雖然從蜂窩塔到用戶(hù)移動(dòng)設備的無(wú)線(xiàn)傳輸仍然是無(wú)線(xiàn)的，但網(wǎng)絡(luò )和塔設備本身需要與光纖網(wǎng)絡(luò )接口，以適應通過(guò)網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)的大量數據。

用光互連替換用于網(wǎng)絡(luò )設備的 PCB 中的電氣基礎設施可以緩解許多信號完整性問(wèn)題。使用多模光纖，可以在不增加布線(xiàn)密度的情況下增加單個(gè)互連中的通道數量。這允許擴展數據速率而無(wú)需顯著(zhù)擴展電路板尺寸或組件尺寸。

如果您認為這一切聽(tīng)起來(lái)像是來(lái)自《星際迷航》的一集，請放心，這項技術(shù)比您想象的更接近商業(yè)化。像 AIM Photonics 這樣的組織正在支持開(kāi)發(fā)光子微處理器，研究團體和私營(yíng)公司正在開(kāi)發(fā)電子光子集成電路，社區中的許多人已經(jīng)創(chuàng )建了概念驗證板，其中包括用于連接光學(xué)和電子組件的光學(xué)互連.

在某些時(shí)候，在標準電子設備旁邊更多地使用光信號將占用太多空間，以至于將電纜放置在機箱內是不切實(shí)際的。想一想在帶有光纜的機箱內形成 50 個(gè)或更多光連接所需的空間，并且所有這些都不會(huì )超過(guò)最小彎曲半徑……這根本不可能滿(mǎn)足外形和性能要求。這意味著(zhù)電子制造商將需要直接在 PCB 上直接打印光波導。

PCB 的光學(xué)互連選項

PCB 中光學(xué)互連的兩個(gè)最佳選擇是在多層 PCB的內層中嵌入玻璃纖維。另一種選擇是在內部層或表面層上沉積聚合物波導。玻璃纖維也可以放置在表面層上，但使用聚合物可以更好地控制幾何形狀。

這對于連接光學(xué)元件變得很重要，因為必須在表面層精確定義幾何和耦合光學(xué)元件。無(wú)論使用哪種方法，設計過(guò)程都不會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化，因為光互連不會(huì )遇到與互連相同的信號完整性問(wèn)題。

玻璃光學(xué)互連可能最容易集成到標準多層 PCB 制造工藝中，因為它們可以嵌入核心層或預浸料層中。FR4 層壓板之間的合適材料可用作玻璃波導的包覆層。沒(méi)有理由不能同時(shí)使用玻璃或聚合物；光纖的標準玻璃可用于內層，而聚合物最容易沉積在外層。

帶有嵌入式玻璃光學(xué)互連的電路板。

放置在 PCB 內層的玻璃或聚合物波導需要傳輸回表層和用于 EPIC/PIC 的耦合光學(xué)器件，或使用響應時(shí)間快的光電探測器（通常是 PIN 光電二極管）。特別是在用于 EPICS 和 PIC 的光學(xué) BGA 中，光學(xué)互連需要某種類(lèi)型的 45 度反射鏡形式的耦合光學(xué)器件。這需要極其精確的微制造。否則，光互連中的激光二極管和接收器將需要嵌入基板中。

展望未來(lái)：制造光互連

剩下的挑戰是大規模制造以及將光學(xué)元件和波導更多地集成到用于光電模塊和背板的 PCB 中。這需要可擴展的印刷技術(shù)，以直接在 PCB 上制造介電波導，以連接各種光學(xué)元件、電子 IC、EPIC 和 PIC。最好在 FR4 PCB 上直接使用聚合物進(jìn)行光學(xué)互連，因為它們可以使用標準光刻技術(shù)進(jìn)行圖案化。

隨著(zhù)數據速率越來(lái)越高，這些光互連將需要縮小以適應更短的波長(cháng)，盡管模式色散將成為持續縮放的問(wèn)題，并且隨著(zhù)更多模式被打包到給定的光纖中。這并不意味著(zhù)銅會(huì )像恐龍一樣；銅仍然是隔離光互連所必需的，特別是在光纖無(wú)線(xiàn)電應用中。研究界和一些公司已經(jīng)生產(chǎn)出具有多模波導的概念驗證板，其運行速度為 12.5 Gbps 和更高的數據速率。

這些纖維將來(lái)可能會(huì )出現在多層 PCB 的核心中

任何從事光學(xué)元件工作以及希望將具有光學(xué)互連的新產(chǎn)品商業(yè)化的人都可以從Altium Designer 中的全套 PCB 設計工具中受益。行業(yè)標準的布局和仿真工具是光電嵌入式計算和高速網(wǎng)絡(luò )應用的理想選擇。數據管理和文檔工具可以幫助您快速準備用于制造的新設計。