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2021-07-23

用于超高速设计的 PCB 中的嵌入式光学互连

5G 将比您想象的更早到来，为 PCB 设计人员、制造商和提供光网络设备的公司创造大量新机会。5G 网络和航空航天等专业应用中的巨大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 设计人员可以做些什么来跟上这一趋势？事实是，PCB 设计人员可能很快就会将光互连集成到他们的标准板中。

为什么选择光互连？

大多数 PCB 设计师——除了那些从事光收发器工作的设计师——可能都没有意识到即将到来的硅光子集成电路 (PIC)、电子光子集成电路 (EPIC) 革命以及电信以外嵌入式光学系统的更大发展。需要大量数据传输速率的电信以外的应用（例如，军事和航空航天系统）已经将光纤用于嵌入式计算。

在电信领域，更多的电子基础设施将需要替换为等效的光学基础设施，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频率下会增加。虽然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。

用光互连替换用于网络设备的 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，可以在不增加布线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电路板尺寸或组件尺寸。

如果您认为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业化。像 AIM Photonics 这样的组织正在支持开发光子微处理器，研究团体和私营公司正在开发电子光子集成电路，社区中的许多人已经创建了概念验证板，其中包括用于连接光学和电子组件的光学互连.

在某些时候，在标准电子设备旁边更多地使用光信号将占用太多空间，以至于将电缆放置在机箱内是不切实际的。想一想在带有光缆的机箱内形成 50 个或更多光连接所需的空间，并且所有这些都不会超过最小弯曲半径……这根本不可能满足外形和性能要求。这意味着电子制造商将需要直接在 PCB 上直接打印光波导。

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波导。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显着变化，因为光互连不会遇到与互连相同的信号完整性问题。

玻璃光学互连可能最容易集成到标准多层 PCB 制造工艺中，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。没有理由不能同时使用玻璃或聚合物；光纤的标准玻璃可用于内层，而聚合物最容易沉积在外层。

带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和用于 EPIC/PIC 的耦合光学器件，或使用响应时间快的光电探测器（通常是 PIN 光电二极管）。特别是在用于 EPICS 和 PIC 的光学 BGA 中，光学互连需要某种类型的 45 度反射镜形式的耦合光学器件。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学元件和波导更多地集成到用于光电模块和背板的 PCB 中。这需要可扩展的印刷技术，以直接在 PCB 上制造介电波导，以连接各种光学元件、电子 IC、EPIC 和 PIC。最好在 FR4 PCB 上直接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。

随着数据速率越来越高，这些光互连将需要缩小以适应更短的波长，尽管模式色散将成为持续缩放的问题，并且随着更多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，特别是在光纤无线电应用中。研究界和一些公司已经生产出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。

这些纤维将来可能会出现在多层 PCB 的核心中

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