用(yòng)于超高速设计的 PCB 中的嵌入式光學(xué)互连

2021-07-23

用(yòng)于超高速设计的 PCB 中的嵌入式光學(xué)互连

5G 将比您想象的更早到来，為(wèi) PCB 设计人员、制造商(shāng)和提供光网络设备的公司创造大量新(xīn)机会。5G 网络和航空航天等专业应用(yòng)中的巨大数据传输速率需要在整个電(diàn)子系统中更多(duō)地使用(yòng)光互连，最终需要转换為(wèi)電(diàn)光系统和全光子系统。PCB 设计人员可(kě)以做些什么来跟上这一趋势？事实是，PCB 设计人员可(kě)能(néng)很(hěn)快就会将光互连集成到他(tā)们的标准板中。

為(wèi)什么选择光互连？

大多(duō)数 PCB 设计师——除了那些从事光收发器工作的设计师——可(kě)能(néng)都没有(yǒu)意识到即将到来的硅光子集成電(diàn)路 (PIC)、電(diàn)子光子集成電(diàn)路 (EPIC) 革命以及電(diàn)信以外嵌入式光學(xué)系统的更大发展。需要大量数据传输速率的電(diàn)信以外的应用(yòng)（例如，军事和航空航天系统）已经将光纤用(yòng)于嵌入式计算。

在電(diàn)信领域，更多(duō)的電(diàn)子基础设施将需要替换為(wèi)等效的光學(xué)基础设施，以实现 5G 网络所需的越来越快的数据传输速率。随着電(diàn)信号以更快的速率切换，串扰和辐射 EMI 等信号完整性问题变得更加严重，并且标准基板上的损耗在更高频率下会增加。虽然从蜂窝塔到用(yòng)户移动设备的无線(xiàn)传输仍然是无線(xiàn)的，但网络和塔设备本身需要与光纤网络接口，以适应通过网络移动的大量数据。

用(yòng)光互连替换用(yòng)于网络设备的 PCB 中的電(diàn)气基础设施可(kě)以缓解许多(duō)信号完整性问题。使用(yòng)多(duō)模光纤，可(kě)以在不增加布線(xiàn)密度的情况下增加单个互连中的通道数量。这允许扩展数据速率而无需显着扩展電(diàn)路板尺寸或组件尺寸。

如果您认為(wèi)这一切听起来像是来自《星际迷航》的一集，请放心，这项技术比您想象的更接近商(shāng)业化。像 AIM Photonics 这样的组织正在支持开发光子微处理(lǐ)器，研究团體(tǐ)和私营公司正在开发電(diàn)子光子集成電(diàn)路，社區(qū)中的许多(duō)人已经创建了概念验证板，其中包括用(yòng)于连接光學(xué)和電(diàn)子组件的光學(xué)互连.

在某些时候，在标准電(diàn)子设备旁边更多(duō)地使用(yòng)光信号将占用(yòng)太多(duō)空间，以至于将電(diàn)缆放置在机箱内是不切实际的。想一想在带有(yǒu)光缆的机箱内形成 50 个或更多(duō)光连接所需的空间，并且所有(yǒu)这些都不会超过最小(xiǎo)弯曲半径……这根本不可(kě)能(néng)满足外形和性能(néng)要求。这意味着電(diàn)子制造商(shāng)将需要直接在 PCB 上直接打印光波导。

PCB 的光學(xué)互连选项

PCB 中光學(xué)互连的两个最佳选择是在多(duō)层 PCB的内层中嵌入玻璃纤维。另一种选择是在内部层或表面层上沉积聚合物(wù)波导。玻璃纤维也可(kě)以放置在表面层上，但使用(yòng)聚合物(wù)可(kě)以更好地控制几何形状。

这对于连接光學(xué)元件变得很(hěn)重要，因為(wèi)必须在表面层精确定义几何和耦合光學(xué)元件。无论使用(yòng)哪种方法，设计过程都不会发生显着变化，因為(wèi)光互连不会遇到与互连相同的信号完整性问题。

玻璃光學(xué)互连可(kě)能(néng)最容易集成到标准多(duō)层 PCB 制造工艺中，因為(wèi)它们可(kě)以嵌入核心层或预浸料层中。FR4 层压板之间的合适材料可(kě)用(yòng)作玻璃波导的包覆层。没有(yǒu)理(lǐ)由不能(néng)同时使用(yòng)玻璃或聚合物(wù)；光纤的标准玻璃可(kě)用(yòng)于内层，而聚合物(wù)最容易沉积在外层。

带有(yǒu)嵌入式玻璃光學(xué)互连的電(diàn)路板。

放置在 PCB 内层的玻璃或聚合物(wù)波导需要传输回表层和用(yòng)于 EPIC/PIC 的耦合光學(xué)器件，或使用(yòng)响应时间快的光電(diàn)探测器（通常是 PIN 光電(diàn)二极管）。特别是在用(yòng)于 EPICS 和 PIC 的光學(xué) BGA 中，光學(xué)互连需要某种类型的 45 度反射镜形式的耦合光學(xué)器件。这需要极其精确的微制造。否则，光互连中的激光二极管和接收器将需要嵌入基板中。

展望未来：制造光互连

剩下的挑战是大规模制造以及将光學(xué)元件和波导更多(duō)地集成到用(yòng)于光電(diàn)模块和背板的 PCB 中。这需要可(kě)扩展的印刷技术，以直接在 PCB 上制造介電(diàn)波导，以连接各种光學(xué)元件、電(diàn)子 IC、EPIC 和 PIC。最好在 FR4 PCB 上直接使用(yòng)聚合物(wù)进行光學(xué)互连，因為(wèi)它们可(kě)以使用(yòng)标准光刻技术进行图案化。

随着数据速率越来越高，这些光互连将需要缩小(xiǎo)以适应更短的波長(cháng)，尽管模式色散将成為(wèi)持续缩放的问题，并且随着更多(duō)模式被打包到给定的光纤中。这并不意味着铜会像恐龙一样；铜仍然是隔离光互连所必需的，特别是在光纤无線(xiàn)電(diàn)应用(yòng)中。研究界和一些公司已经生产出具有(yǒu)多(duō)模波导的概念验证板，其运行速度為(wèi) 12.5 Gbps 和更高的数据速率。

这些纤维将来可(kě)能(néng)会出现在多(duō)层 PCB 的核心中

任何从事光學(xué)元件工作以及希望将具有(yǒu)光學(xué)互连的新(xīn)产品商(shāng)业化的人都可(kě)以从Altium Designer 中的全套 PCB 设计工具中受益。行业标准的布局和仿真工具是光電(diàn)嵌入式计算和高速网络应用(yòng)的理(lǐ)想选择。数据管理(lǐ)和文(wén)档工具可(kě)以帮助您快速准备用(yòng)于制造的新(xīn)设计。