24小時聯系電話:18217114652、13661815404
中文
技術專題
用于超高速設計的 PCB 中的嵌入式光學互連
用于超高速設計的 PCB 中的嵌入式光學互連
5G 將比您想象的更早到來，為 PCB 設計人員、制造商和提供光網絡設備的公司創造大量新機會。5G 網絡和航空航天等專業應用中的巨大數據傳輸速率需要在整個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跟上這一趨勢？事實是，PCB 設計人員可能很快就會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器工作的設計師——可能都沒有意識到即將到來的硅光子集成電路 (PIC)、電子光子集成電路 (EPIC) 革命以及電信以外嵌入式光學系統的更大發展。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）已經將光纖用于嵌入式計算。
在電信領域，更多的電子基礎設施將需要替換為等效的光學基礎設施，以實現 5G 網絡所需的越來越快的數據傳輸速率。隨著電信號以更快的速率切換，串擾和輻射 EMI 等信號完整性問題變得更加嚴重，并且標準基板上的損耗在更高頻率下會增加。雖然從蜂窩塔到用戶移動設備的無線傳輸仍然是無線的，但網絡和塔設備本身需要與光纖網絡接口，以適應通過網絡移動的大量數據。
用光互連替換用于網絡設備的 PCB 中的電氣基礎設施可以緩解許多信號完整性問題。使用多模光纖，可以在不增加布線密度的情況下增加單個互連中的通道數量。這允許擴展數據速率而無需顯著擴展電路板尺寸或組件尺寸。
如果您認為這一切聽起來像是來自《星際迷航》的一集，請放心，這項技術比您想象的更接近商業化。像 AIM Photonics 這樣的組織正在支持開發光子微處理器，研究團體和私營公司正在開發電子光子集成電路，社區中的許多人已經創建了概念驗證板，其中包括用于連接光學和電子組件的光學互連.
在某些時候，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際的。想一想在帶有光纜的機箱內形成 50 個或更多光連接所需的空間，并且所有這些都不會超過最小彎曲半徑……這根本不可能滿足外形和性能要求。這意味著電子制造商將需要直接在 PCB 上直接打印光波導。
PCB 的光學互連選項
PCB 中光學互連的兩個最佳選擇是在多層 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元件。無論使用哪種方法，設計過程都不會發生顯著變化，因為光互連不會遇到與互連相同的信號完整性問題。
玻璃光學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。沒有理由不能同時使用玻璃或聚合物；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 的耦合光學器件，或使用響應時間快的光電探測器（通常是 PIN 光電二極管）。特別是在用于 EPICS 和 PIC 的光學 BGA 中，光學互連需要某種類型的 45 度反射鏡形式的耦合光學器件。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：制造光互連
剩下的挑戰是大規模制造以及將光學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，以直接在 PCB 上制造介電波導，以連接各種光學元件、電子 IC、EPIC 和 PIC。最好在 FR4 PCB 上直接使用聚合物進行光學互連，因為它們可以使用標準光刻技術進行圖案化。
隨著數據速率越來越高，這些光互連將需要縮小以適應更短的波長，盡管模式色散將成為持續縮放的問題，并且隨著更多模式被打包到給定的光纖中。這并不意味著銅會像恐龍一樣；銅仍然是隔離光互連所必需的，特別是在光纖無線電應用中。研究界和一些公司已經生產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。
這些纖維將來可能會出現在多層 PCB 的核心中
任何從事光學元件工作以及希望將具有光學互連的新產品商業化的人都可以從Altium Designer 中的全套 PCB 設計工具中受益。行業標準的布局和仿真工具是光電嵌入式計算和高速網絡應用的理想選擇。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。