光纖埋入式光電互聯(lián)技術

邱 釗

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

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光纖埋入式光電互聯(lián)技術

邱 釗

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

摘要:隨著電子裝備集成度和工作頻率的迅速提高,以及布線密度和信號頻率的不斷提高,銅導線連接的電氣互聯(lián)不可避免地出現(xiàn)了信號延遲和電磁兼容等問題。為了滿足高頻信號數(shù)據處理和傳輸?shù)囊?鑒于光傳輸具有頻率高、抗電磁干擾等優(yōu)點,采用微細光纖結合傳統(tǒng)基板制造技術,開展了光電基板布設技術、光電基板制作技術和光電信號傳輸檢測技術的研究,重點突破了光纖埋入和光電耦合等關鍵技術,最終解決了基于埋入式光纖的光電基板制造難題。光纖埋入式光電互聯(lián)技術能有效解決高頻信號在傳輸處理過程中的電氣互聯(lián)“瓶頸”,保證新一代信息化裝備的發(fā)展需求。

關鍵詞:埋入光纖技術;光電耦合;抗電磁干擾

0 引 言

隨著電子裝備集成度和工作頻率的迅速提高,傳統(tǒng)電互聯(lián)方式的寄生電容、延遲時間和信號串擾等寄生效應問題變得十分突出;同時,由于布線密度和信號頻率的不斷提高,銅導線連接的電氣互聯(lián)不可避免地出現(xiàn)了信號延遲和電磁兼容等問題,很難滿足傳輸需求,因此亟需一種新的互聯(lián)方式來彌補純電氣互聯(lián)存在的不足[1-3]。鑒于光傳輸具有頻率高、抗電磁干擾等優(yōu)點,在純電氣互聯(lián)的PCB(印制電路板)中引入光互聯(lián),將光與電整合,可以有效解決純電氣互聯(lián)的電子傳輸“瓶頸”問題,光電互聯(lián)技術應運而生。

埋入光纖的光電基板是用光纖來代替金屬信號傳輸線,在PCB內埋入光纖來互聯(lián)高速芯片,解決高速傳輸“瓶頸”[4]。光纖埋入式光電互聯(lián)技術的優(yōu)點在于:在基板上引入光纖配線,具有更高的光傳輸線路布線密度、更高的數(shù)據傳輸速率、更大的信息存儲量和更低的傳輸損耗,同時還實現(xiàn)了光/電轉換元件等的自動化安裝。在軍事需求非常迫切的背景下,在光電基板作為未來互聯(lián)載體發(fā)展方向的客觀事實下,以及在光電基板光纖埋入技術還缺乏相關研究的前提下,開展光電基板埋入光纖相關關鍵技術和光纖埋入式光電互聯(lián)技術的研究刻不容緩[5-7]。

1 光電互聯(lián)整體方案設計

光纖埋入式光電互聯(lián)整體方案包含一個內埋光纖的光電多層基板和包含有光電發(fā)射芯片組、光電接收芯片組的兩個光電芯片載板,采用SMA-SMP 和SMA-SMA射頻同軸連接器以及高速電纜組件實現(xiàn)電氣連接,24端口差分信號輸入,24端口輸出。光電基板原理設計圖如圖1所示。差分信號從輸入端經過SMA-SMP轉接頭進入光電互聯(lián)基板,經過以VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光二極管)陣列為核心的電/光轉換芯片載板將電信號轉換成光信號,光信號通過內埋光纖的基板傳輸?shù)搅硪欢?再經過以PD(激光探測器)陣列為核心的光/電轉換芯片載板將光信號還原成電信號輸出。光纖埋入式光電互聯(lián)基板結構設計圖如圖2所示。

圖1 光纖埋入式光電互聯(lián)基板原理設計圖

圖2 光纖埋入式光電互聯(lián)基板結構設計圖

2 光纖埋入關鍵技術研究

光纖埋入式光電互聯(lián)基板的關鍵技術在于光電多層基板內埋光纖的先進制造技術,內埋光纖的光電多層基板的設計是在FR-4板上刻槽放置光纖。作為導光層,使用半固化片與其他導電層粘接固化。具體步驟如下:刻蝕U型槽,放置涂覆光纖,填充環(huán)氧樹脂填充膠固化光纖,PCB層壓。光電基板制造選用波長為850 nm、直徑為125μm的多模光纖作為輸入輸出光纖。我們選擇光學樹脂作為光纖位置固定材料,采用紫外光曝光固化光學樹脂。

圖3所示為在U型槽內埋入1×12光纖的多層PCB截面結構示意圖(圖中僅顯示了對稱結構的一半)。內埋光纖的光電多層基板板件為6層板,成品板總厚度為4.03 mm,由3個芯板層壓而成。其中第1和第2層走高速信號,我們在加工制造之前針對填充膠的匹配性進行了設計仿真,并根據仿真結果對光纖刻槽深度和間距進行優(yōu)化,然后完成配板、配置填充膠、刻槽及放置光纖的過程。配板及光纖放置過程如圖4所示。

圖3 埋入1×12光纖的PCB截面結構示意圖

圖4 光電多層基板配板及放置光纖示意圖

制作光電多層基板時,要經過內層蝕刻、銑槽、棕化、配板放置光纖、層壓、銑邊、鉆孔、電鍍、外層堿蝕、阻焊、固化、外形加工和電測試等工藝流程,制作成的光電多層基板初樣如圖5所示。加工過程中基板層壓溫度和壓力曲線圖如圖6所示。

圖5 光電多層基板制作初樣

圖6 光電多層基板的層壓溫度和壓力曲線圖

我們對多層基板制作成品進行側剖,然后采用3D影像測量儀對埋入光纖精度進行了測量,結果表明各項埋入指標均達到了高精度的加工要求,這主要是因為我們采用高精度的開槽設備,大大降低了U型槽的幾何尺寸與實際設計要求的誤差,然后采用整平設備和高精度貼裝設備將光纖放置到U型槽內,大大提高了埋入精度。

3 光纖反射截面的研制

由于光電多層基板內的光傳輸路徑是沿水平方向的,而光電處理芯片組在垂直方向發(fā)射/接收光信號,因此我們需要設計制作一個光路反射截面:即45°光纖反射截面,這是完成光路轉換的核心器件。我們采用將光纖陣列研磨成45°反射鏡實現(xiàn)光信號90°轉角的方法實現(xiàn)光路轉換,該器件具有體積小、可靠性高、耦合效率高、通道均勻性好、使用方便并能在寬溫環(huán)境下穩(wěn)定工作等特點。光纖反射截面的工作原理如圖7所示。

圖7 光纖反射截面工作原理

45°光纖反射截面的制作實物如圖8所示,它體積小巧,適合高速率、高密度的并行光傳輸領域。其中光纖和V槽采用石英材質,并采用寬溫膠水進行粘接,整個器件內沒有塑料等不耐老化的材料,因而適用溫度范圍較寬,工作壽命較長。此外,由于采用了精密光學研磨技術,端面x、y和z軸方向的角度均易保證,因此各通道的均勻性都較好。

圖8 光纖反射截面制作實物

4 光電芯片載板的研制

光電芯片載板的功能是貼裝光/電轉換芯片及其驅動芯片,實現(xiàn)光/電轉換功能。光電芯片載板共有兩塊:一塊是基于型號為IPVD的電/光轉換芯片組的發(fā)射端光電載板,另一塊是基于型號為IPTA的光/電轉換芯片組的接收端光電載板。IPVD是實現(xiàn)光發(fā)射功能的核心芯片,它包含一個控制芯片、一個驅動芯片,另加一個VCSEL,選取12路發(fā)射通道;IPTA是實現(xiàn)光接收功能的核心芯片,芯片組成與IPVD類似。通過電路布局布線,加工出來的載板貼裝上芯片及器件。

完成貼片后的光電載板必須進行光電耦合才能具有光傳輸功能。光電耦合是用轉折棱鏡的內部空槽將IPVD和VCSEL的結構覆蓋,將VCSEL的出光口對準轉折棱鏡的入光口。我們采用VCSEL發(fā)射激光,通過將端面磨成45°FA(光纖陣列),對VCSEL的發(fā)光光路方向進行90°的改變,在光纖的另外一端檢測激光強度,使激光能夠在水平方向與光纖進行耦合,從而減小耦合難度。光電耦合主要以耦合功率和傳輸損耗作為判斷耦合是否成功的標準,影響VCSEL與光纖的耦合效率的主要因素包括45°FA加工誤差、VCSEL與FA下表面平行度誤差和VCSEL與光纖的垂直工作距離誤差。光電耦合原理如圖9所示。

圖9 光電耦合原理圖

加工完成的基于IPVD的發(fā)射端光電芯片載板和基于IPTA的接收端光電芯片載板實物圖如圖10所示。

圖10 光電芯片載板實物圖

5 光纖埋入式光電互聯(lián)裝配技術研究

光纖埋入式光電互聯(lián)基板由一個內埋光纖的光電多層基板和兩個光電芯片載板組成,采用SMASMP轉接頭和SMA-SMA高速電纜組件實現(xiàn)電氣連接,24端口差分信號輸入,24端口輸出。基板整體裝配圖及制作實物分別如圖11和圖12所示。

圖11 光纖埋入式光電互聯(lián)基板整體裝配圖

圖12 光纖埋入式光電互聯(lián)基板制作實物

6 結束語

完成樣件制作后,我們搭建了光電基板測試平臺,采用誤碼儀發(fā)送偽隨機碼,向光電板輸入10 Gbit/s高速差分信號,經電/光/電傳輸鏈路后,輸出端用示波器接收實時信號,并對信號進行眼圖、抖動和誤碼分析,結果表明,輸出信號清晰完整,信號速率達到10 Gbit/s,完全滿足信號傳輸要求。

參考文獻:

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[3] Holmstrom S,Yalcinkaya A D,Isikman S.FR-4 as a new MOEMS platform[C]//2007 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics.Hualian,Taiwan:IEEE,2007:25-26.

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[5] 桂厚義.光纖通信在軍事領域的應用[J].軍事通信技術,2005,(2):66-69.

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[7] 時德鋼,劉曄,鄒建龍,等.光纖傳感的軍事應用[J].計算機測量與控制,2002,10(9):561-564.

Fiber-Embedded Optoelectronic Interconnection Technology

QIU Zhao
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract::With the rapid increase of the integration degree and working frequency of electronic devices as well as their wiring density and signal frequency,signal delay and poor electromagnetism compatibility will inevitably occur in copper wire-connected electric interconnections.In order to satisfy the requirement for the processing and transmission of high frequency signals and data and in view of the advantages of high optical transmission frequency and resistance to electromagnetic interference,we conducted researches on the photoelectric substrate layout and fabrication technologies and the optoelectronic signal transmission and detection technology by using the microfiber with the traditional substrate fabrication technology,broke through such key technologies as fiber embedding and photoelectric coupling and finally solved the problem of fiber-embedded photoelectric substrate fabrication.The fiber-embedded optoelectronic interconnection technology can effectively break the bottleneck in the interconnection of high frequency signals in the course of transmission and processing,ensuring the development of new generation informationized equipment.

Key words:fiber-embedded technology;photoelectric coupling;anti-electromagnetism interference

中圖分類號:TN253

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0059-04

收稿日期:2015-07-01

作者簡介:邱釗(1986-),男,四川大竹人。工程師,碩士研究生,主要研究方向為微系統(tǒng)集成封裝技術。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.018