PCB 中的嵌入式光學互連用于超高速設計

5G將比你想象的更早到來，為PCB設計師、制造商和提供光網絡設備的公司創造大量新機會。 5G網絡、航空航天等專業應用中巨大的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 設計師可以采取哪些措施來跟上這一趨勢？ 事實上，PCB 設計人員可能很快就會將光學互連集成到他們的標準板中。

為什么選擇光互連？

大多數PCB設計者——除了那些從事光收發器的設計者——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系統的更大發展。 除電信以外需要大數據傳輸速率的應用（例如軍事和航空航天系統）已使用光纖進行嵌入式計算。

在電信領域，更多的電子基礎設施將需要被同等的光學基礎設施取代，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的頻率下也會增加。 盡管從蜂窩塔到用戶移動設備的無線傳輸仍然是無線的，但網絡和塔本身需要與光網絡接口，以適應通過網絡移動的大量數據。

用光學互連替換網絡設備 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，您可以增加單個互連中的通道數量，而無需增加布線密度。 這樣可以在不顯著擴大電路板尺寸或元件尺寸的情況下擴展數據速率。

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

在某些情況下，除了標準電子設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箱中是不切實際的。 想想用光纜在一個機箱內形成50個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直接印刷在 PCB 上。

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的內層嵌入玻璃纖維。 另一種選擇是將聚合物波導沉積在內層或表面層上。 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重大變化，因為光學互連不會遇到與互連相同的信號完整性問題。

玻璃光學互連可能是最容易集成到標準多層 PCB 制造工藝中的，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。 玻璃或聚合物沒有理由不能同時使用； 光纖的標準玻璃可用于內層，而聚合物最容易沉積在外層。

具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并耦合光學器件用于EPIC/PIC，或者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 EPICS 和 PIC 的光學 BGA 中，光學互連需要某種 45 度鏡形式的耦合光學器件。 這需要極其精確的微制造。 否則，光學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光電模塊和背板的 PCB 中。 這需要可擴展的印刷技術來直接在 PCB 上制造介電波導，以連接各種光學元件、電子 IC、EPIC 和 PIC。 最好直接在 FR4 PCB 上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。

隨著數據速率變得越來越高，這些光學互連將需要按比例縮小以適應更短的波長，盡管模色散將成為一個連續的縮放問題，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了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。

這些纖維未來可能出現在多層PCB的核心。

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