PCB 中的嵌入式光学互连用于超高速设计

PCB 中的嵌入式光学互连用于超高速设计

5G将比你想象的更早到来，为PCB设计师、制造商和提供光网络设备的公司创造大量新机会。 5G网络、航空航天等专业应用中巨大的数据传输速率需要在整个电子系统中更多地使用光互连，最终需要转换为电光系统和全光子系统。 PCB 设计师可以采取哪些措施来跟上这一趋势？ 事实上，PCB 设计人员可能很快就会将光学互连集成到他们的标准板中。

为什么选择光互连？

大多数PCB设计者——除了那些从事光收发器的设计者——可能不知道即将到来的硅光子集成电路(PIC)、电子光子集成电路(EPIC)革命以及电信以外的嵌入式光学系统的更大发展。 除电信以外需要大数据传输速率的应用（例如军事和航空航天系统）已使用光纤进行嵌入式计算。

在电信领域，更多的电子基础设施将需要被同等的光学基础设施取代，以实现5G网络所需的越来越快的数据传输速率。 随着电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的频率下也会增加。 尽管从蜂窝塔到用户移动设备的无线传输仍然是无线的，但网络和塔本身需要与光网络接口，以适应通过网络移动的大量数据。

用光学互连替换网络设备 PCB 中的电气基础设施可以缓解许多信号完整性问题。 使用多模光纤，您可以增加单个互连中的通道数量，而无需增加布线密度。 这样可以在不显着扩大电路板尺寸或元件尺寸的情况下扩展数据速率。

如果您认为这一切听起来像《星际迷航》中的一集，请放心，这项技术比您想象的更接近商业化。 AIM Photonics 等组织正在支持光子微处理器的开发。 研究小组和私营公司正在开发电子光子集成电路。 社区中的许多人创建了概念验证板，包括用于连接光学和电子元件的光学互连。

在某些情况下，除了标准电子设备之外更多地使用光信号会占用太多空间，从而将电缆放置在机箱中是不切实际的。 想想用光缆在一个机箱内形成50个或更多光连接所需的空间，而所有这些都不会超过最小弯曲半径……不可能满足形状和性能要求。 这意味着电子制造商需要将光波导直接印刷在 PCB 上。

PCB 的光学互连选项

PCB中光学互连的两个最佳选择是在多层PCB的内层嵌入玻璃纤维。 另一种选择是将聚合物波导沉积在内层或表面层上。 玻璃纤维也可以放置在表面层上，但使用聚合物可以更好地控制几何形状。

这对于连接光学元件变得很重要，因为必须在表面层精确定义几何和耦合光学元件。 无论使用哪种方法，设计过程都不会发生重大变化，因为光学互连不会遇到与互连相同的信号完整性问题。

玻璃光学互连可能是最容易集成到标准多层 PCB 制造工艺中的，因为它们可以嵌入核心层或预浸料层中。 FR4层压板之间的合适材料可用作玻璃波导的包覆层。 玻璃或聚合物没有理由不能同时使用； 光纤的标准玻璃可用于内层，而聚合物最容易沉积在外层。

具有嵌入式玻璃光学互连的电路板。

放置在PCB内层的玻璃或聚合物波导需要传输回表层并耦合光学器件用于EPIC/PIC，或者使用响应时间快的光电探测器（通常是PIN光电二极管）。 特别是在 EPICS 和 PIC 的光学 BGA 中，光学互连需要某种 45 度镜形式的耦合光学器件。 这需要极其精确的微制造。 否则，光学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学元件和波导更多地集成到光电模块和背板的 PCB 中。 这需要可扩展的印刷技术来直接在 PCB 上制造介电波导，以连接各种光学元件、电子 IC、EPIC 和 PIC。 最好直接在 FR4 PCB 上使用聚合物进行光学互连，因为它们可以使用标准光刻技术进行图案化。

随着数据速率变得越来越高，这些光学互连将需要按比例缩小以适应更短的波长，尽管模色散将成为一个连续的缩放问题，并且随着更多的模式被封装到给定的光纤中。 这并不意味着铜会像恐龙一样； 铜仍然是隔离光学互连所必需的，特别是在光纤无线电应用中。 研究界和一些公司已经生产了具有多模波导的概念验证板，其运行速度为 12.5 Gbps 和更高的数据速率。

这些纤维未来可能出现在多层PCB的核心。

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