PCB 中的嵌入式光學(xué)互連用于超高速設(shè)計(jì)

5G將比你想象的更早到來，為PCB設(shè)計(jì)師、制造商和提供光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的公司創(chuàng)造大量新機(jī)會。 5G網(wǎng)絡(luò)、航空航天等專業(yè)應(yīng)用中巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率需要在整個(gè)電子系統(tǒng)中更多地使用光互連，最終需要轉(zhuǎn)換為電光系統(tǒng)和全光子系統(tǒng)。 PCB 設(shè)計(jì)師可以采取哪些措施來跟上這一趨勢？ 事實(shí)上，PCB 設(shè)計(jì)人員可能很快就會將光學(xué)互連集成到他們的標(biāo)準(zhǔn)板中。

為什么選擇光互連？

大多數(shù)PCB設(shè)計(jì)者——除了那些從事光收發(fā)器的設(shè)計(jì)者——可能不知道即將到來的硅光子集成電路(PIC)、電子光子集成電路(EPIC)革命以及電信以外的嵌入式光學(xué)系統(tǒng)的更大發(fā)展。 除電信以外需要大數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用（例如軍事和航空航天系統(tǒng)）已使用光纖進(jìn)行嵌入式計(jì)算。

在電信領(lǐng)域，更多的電子基礎(chǔ)設(shè)施將需要被同等的光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施取代，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)所需的越來越快的數(shù)據(jù)傳輸速率。 隨著電信號以更快的速率切換，串?dāng)_和輻射 EMI 等信號完整性問題變得更加嚴(yán)重，并且標(biāo)準(zhǔn)基板上的損耗在更高的頻率下也會增加。 盡管從蜂窩塔到用戶移動設(shè)備的無線傳輸仍然是無線的，但網(wǎng)絡(luò)和塔本身需要與光網(wǎng)絡(luò)接口，以適應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)移動的大量數(shù)據(jù)。

用光學(xué)互連替換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 PCB 中的電氣基礎(chǔ)設(shè)施可以緩解許多信號完整性問題。 使用多模光纖，您可以增加單個(gè)互連中的通道數(shù)量，而無需增加布線密度。 這樣可以在不顯著擴(kuò)大電路板尺寸或元件尺寸的情況下擴(kuò)展數(shù)據(jù)速率。

如果您認(rèn)為這一切聽起來像《星際迷航》中的一集，請放心，這項(xiàng)技術(shù)比您想象的更接近商業(yè)化。 AIM Photonics 等組織正在支持光子微處理器的開發(fā)。 研究小組和私營公司正在開發(fā)電子光子集成電路。 社區(qū)中的許多人創(chuàng)建了概念驗(yàn)證板，包括用于連接光學(xué)和電子元件的光學(xué)互連。

在某些情況下，除了標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備之外更多地使用光信號會占用太多空間，從而將電纜放置在機(jī)箱中是不切實(shí)際的。 想想用光纜在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)形成50個(gè)或更多光連接所需的空間，而所有這些都不會超過最小彎曲半徑……不可能滿足形狀和性能要求。 這意味著電子制造商需要將光波導(dǎo)直接印刷在 PCB 上。

PCB 的光學(xué)互連選項(xiàng)

PCB中光學(xué)互連的兩個(gè)最佳選擇是在多層PCB的內(nèi)層嵌入玻璃纖維。 另一種選擇是將聚合物波導(dǎo)沉積在內(nèi)層或表面層上。 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?yàn)楸仨氃诒砻鎸泳_定義幾何和耦合光學(xué)元件。 無論使用哪種方法，設(shè)計(jì)過程都不會發(fā)生重大變化，因?yàn)楣鈱W(xué)互連不會遇到與互連相同的信號完整性問題。

玻璃光學(xué)互連可能是最容易集成到標(biāo)準(zhǔn)多層 PCB 制造工藝中的，因?yàn)樗鼈兛梢郧度牒诵膶踊蝾A(yù)浸料層中。 FR4層壓板之間的合適材料可用作玻璃波導(dǎo)的包覆層。 玻璃或聚合物沒有理由不能同時(shí)使用； 光纖的標(biāo)準(zhǔn)玻璃可用于內(nèi)層，而聚合物最容易沉積在外層。

具有嵌入式玻璃光學(xué)互連的電路板。

放置在PCB內(nèi)層的玻璃或聚合物波導(dǎo)需要傳輸回表層并耦合光學(xué)器件用于EPIC/PIC，或者使用響應(yīng)時(shí)間快的光電探測器（通常是PIN光電二極管）。 特別是在 EPICS 和 PIC 的光學(xué) BGA 中，光學(xué)互連需要某種 45 度鏡形式的耦合光學(xué)器件。 這需要極其精確的微制造。 否則，光學(xué)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(zhàn)是大規(guī)模制造以及將光學(xué)元件和波導(dǎo)更多地集成到光電模塊和背板的 PCB 中。 這需要可擴(kuò)展的印刷技術(shù)來直接在 PCB 上制造介電波導(dǎo)，以連接各種光學(xué)元件、電子 IC、EPIC 和 PIC。 最好直接在 FR4 PCB 上使用聚合物進(jìn)行光學(xué)互連，因?yàn)樗鼈兛梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)進(jìn)行圖案化。

隨著數(shù)據(jù)速率變得越來越高，這些光學(xué)互連將需要按比例縮小以適應(yīng)更短的波長，盡管模色散將成為一個(gè)連續(xù)的縮放問題，并且隨著更多的模式被封裝到給定的光纖中。 這并不意味著銅會像恐龍一樣； 銅仍然是隔離光學(xué)互連所必需的，特別是在光纖無線電應(yīng)用中。 研究界和一些公司已經(jīng)生產(chǎn)了具有多模波導(dǎo)的概念驗(yàn)證板，其運(yùn)行速度為 12.5 Gbps 和更高的數(shù)據(jù)速率。

這些纖維未來可能出現(xiàn)在多層PCB的核心。

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