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太赫兹连接器有何不同?

2023-03-13 10:23:38 来源:《国际线缆与连接》投稿人 冯文飞编译 作者:《Connectortips》JEFF SHEPARD 点击:9181

太赫兹(THz)系统代表了电子学的下一个前沿领域。太赫兹应用预计将包括用于自动驾驶汽车的汽车高级驾驶员辅助系统(ADAS)、5G 和 6G 等下一代电话、用于元宇宙的增强现实和虚拟现实(AR & VR)技术等。太赫兹电子的发展将面临诸多挑战,而连接器和互连技术将是其中的关键之一。

太赫兹波段通常被定义为0.1-3.0太赫兹的频率,位于顶端的光学频率和底部的微波频率之间。本文将回顾太赫兹系统的微型同轴、波导和光纤连接的融合,并研究这些连接器将如何用于不同系统之间、系统内部,甚至集成电路和系统级封装设计中的桥接(图1)。

连接器技术

图 1:各种太赫兹连接器技术正在为各种应用而使用和开发。

随着频率不断攀升,使用铜互连变得更具挑战性。提高铜缆数据速率的一种方法是限制互连长度。这不是一个罕见的策略,铜线以太网数据速率大约每四年翻一番,同时铜缆以太网的最大互连长度减半。这是铜互连固有局限性的必然结果,但它提出了关于数据速率加倍的有效性的问题。

铜、波导和光纤

虽然传统的铜互连预计将在最常见的系统频率下保持主导地位,但波导和光纤互连的使用正在增加。波导可以在太赫兹频率提供铜的替代品,尤其是在频带的低端。虽然波导比光纤互连有损耗,但它们可以提供比铜更低的衰减。即使在低至75 GHz的频率下,经过优化的波导的损耗也比1米的铜背板低90dB以上。波导的缺点,例如如更大和更昂贵的结构,主要阻碍了它们在相对较低的频率下的使用。

随着频率的增加,波导和铜之间的相对成本性能差距缩小。随着频率接近可以证明使用光学互连的阈值,波导可以提供一种对未对准和成本效益更稳健的选择。在太赫兹频谱的上端,与光学互连相比,波导互连对错位的容忍度要高出几个数量级,并且与铜相比损耗要低得多。

随着波导变得越来越普遍,铜、波导和光互连之间的界限预计将继续发生变化。关键在于是低成本波导制造技术的商业开发,类似于目前用于双轴电缆的技术。当然,没有完美的互连技术可以为数据速率、效率、成本和其他要求的所有组合提供灵丹妙药。

封装和互连

互连是封装的一个重要方面。封装的其他方面包括组成部分的机械平台、不同级别的环境保护、EMI 屏蔽、热管理等。对于工作频率低于太赫兹范围的IC,带有金属球的模塑塑料封装或用于输入/输出 (I/O) 引脚的梁式引线,可提供所需水平的信号完整性和性能。适用于微波的东西不一定适用于太赫兹设备。与微波设备相比,太赫兹封装和互连在信号损耗、尺寸稳定性和制造方面有更多限制(图 2)。

太赫兹互连仍在不断涌现和发展,业界正在考虑基于陶瓷技术的解决方案,但成本也是一个因素,微机械加工或 3D 打印可能会提供重量更轻且更具成本效益的替代方案。

连接器

图 2:最小化信号损失和保持尺寸稳定性是 THz 封装的重要考虑因素。

同轴电缆性能和局限性

简单的金属线互连,甚至是在微波和较低频率下工作良好的同轴电缆连接,在太赫兹频率下都会出现问题。需要非色散且在高频下具有受控阻抗的传输线结构。太赫兹操作也可能需要波导结构。这是一个新领域,期间会伴随着对 PC 板厚度、最小信号线间距和连接器中信号接口结构尺寸的担忧。

例如,即使经过修改,传统的50Ω同轴连接器在太赫兹频率下也可能不实用。图3说明了 50Ω同轴连接器的预期尺寸与 TE11 模式的截止频率有关。TE11模式很重要,因为TE11模式具有最低的截止频率,并且是圆形波导中的主要模式。即使消除了内部和外部连接器之间的电介质,对于 300 GHz 的截止频率,中心引脚直径预计为 0.2 mm。50 Ω同轴连接器中如此小的中心引脚在实际安装中并不可靠或耐用(图 3)。

测试

图 3:在 THz 频率下,50 Ω 同轴连接器的中心引脚太小,无法在商业系统中使用。

另一方面,矩形波导在高度耐用、可靠且可重复的配合系统中提供低损耗。这些波导可能是太赫兹系统的首选连接器几何形状,即使它们相对笨重并且通常具有有限的工作带宽。波导可以在 THz 频率下提供尺寸和鲁棒性之间的最佳折衷。例如,科学和军事系统中使用的波导法兰设计已针对配合的重复性和准确性进行了优化。将这些波导法兰设计概念应用于商业连接器可以实现新一代太赫兹连接器。

用于太赫兹系统的光子连接器

成本可能是集成光子器件商业化的限制因素,尤其是高效光接口的成本。业界已开发出一种即插即用连接器,它使用三维 (3D) 聚合物结构连接光纤和纳米光子波导,同时实现机械和光学对准,公差优于±10 μm。3D 纳米打印用于直接在铸造厂生产的衍射光栅耦合器上制造原型漏斗连接器。

漏斗壁通过最小化光纤长度来控制光泄漏,聚合物波导与光纤模式匹配。使用全内反射 (TIR) 镜和光栅耦合器将光耦合到硅波导。TIM 镜像与漏斗同时制造。TIR 反射镜使用倾斜的刻面和聚合物与空气之间的折射率差,将光以所需的衍射角重新定向到光栅耦合器中。漏斗也是一种无源机械支撑和路由结构,可光学对准光纤以与波导进行边缘耦合。通过独立于光纤相对于漏斗中心的确切位置将光纤路由到漏斗中,支持宽对准公差(图 4)。

连接器

图 4:这种光纤漏斗和 TIM 镜像太赫兹连接器支持宽对准公差

除了固有的光栅耦合器损耗外,连接器在高限制硅波导和单模光纤波导之间表现出大约 0.05 dB 的额外耦合损耗。由此产生的连接器平台有望针对各种太赫兹应用进行扩展。

测试表明,漏斗连接器设计在20和100 ℃的温度范围内对于高达±2μm的光纤模场直径 (MFD) 变化非常稳健。在整个温度范围内,损耗变化在0.6 dB以内。这与商业光子连接器相比非常好,通常最高额定温度为 70℃。此外,所提出的漏斗连接器的尺寸和放置要求与当前的大批量微电子生产工具兼容。平台制造可以在晶圆级完成,不需要洁净室环境。

总结

THz波段占据0.1至3.0 THz,位于顶端的光学频率和底部的微波频率之间。根据工作频率和系统架构,微型同轴电缆、波导和光纤连接可以提供微波系统、太赫兹系统和光学系统之间的链接。正在开发新的太赫兹互连技术以支持稳健、低成本、可扩展和高性能的光子系统。

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