光纤埋入式光电互联技术

邱 钊

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)



光纤埋入式光电互联技术

邱 钊

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

摘要:随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高,以及布线密度和信号频率的不断提高,铜导线连接的电气互联不可避免地出现了信号延迟和电磁兼容等问题。为了满足高频信号数据处理和传输的要求,鉴于光传输具有频率高、抗电磁干扰等优点,采用微细光纤结合传统基板制造技术,开展了光电基板布设技术、光电基板制作技术和光电信号传输检测技术的研究,重点突破了光纤埋入和光电耦合等关键技术,最终解决了基于埋入式光纤的光电基板制造难题。光纤埋入式光电互联技术能有效解决高频信号在传输处理过程中的电气互联“瓶颈”,保证新一代信息化装备的发展需求。

关键词:埋入光纤技术;光电耦合;抗电磁干扰

0 引 言

随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高,传统电互联方式的寄生电容、延迟时间和信号串扰等寄生效应问题变得十分突出;同时,由于布线密度和信号频率的不断提高,铜导线连接的电气互联不可避免地出现了信号延迟和电磁兼容等问题,很难满足传输需求,因此亟需一种新的互联方式来弥补纯电气互联存在的不足[1-3]。鉴于光传输具有频率高、抗电磁干扰等优点,在纯电气互联的PCB(印制电路板)中引入光互联,将光与电整合,可以有效解决纯电气互联的电子传输“瓶颈”问题,光电互联技术应运而生。

埋入光纤的光电基板是用光纤来代替金属信号传输线,在PCB内埋入光纤来互联高速芯片,解决高速传输“瓶颈”[4]。光纤埋入式光电互联技术的优点在于:在基板上引入光纤配线,具有更高的光传输线路布线密度、更高的数据传输速率、更大的信息存储量和更低的传输损耗,同时还实现了光/电转换元件等的自动化安装。在军事需求非常迫切的背景下,在光电基板作为未来互联载体发展方向的客观事实下,以及在光电基板光纤埋入技术还缺乏相关研究的前提下,开展光电基板埋入光纤相关关键技术和光纤埋入式光电互联技术的研究刻不容缓[5-7]。

1 光电互联整体方案设计

光纤埋入式光电互联整体方案包含一个内埋光纤的光电多层基板和包含有光电发射芯片组、光电接收芯片组的两个光电芯片载板,采用SMA-SMP 和SMA-SMA射频同轴连接器以及高速电缆组件实现电气连接,24端口差分信号输入,24端口输出。光电基板原理设计图如图1所示。差分信号从输入端经过SMA-SMP转接头进入光电互联基板,经过以VCSEL(垂直腔表面发射激光二极管)阵列为核心的电/光转换芯片载板将电信号转换成光信号,光信号通过内埋光纤的基板传输到另一端,再经过以PD(激光探测器)阵列为核心的光/电转换芯片载板将光信号还原成电信号输出。光纤埋入式光电互联基板结构设计图如图2所示。

图1 光纤埋入式光电互联基板原理设计图

图2 光纤埋入式光电互联基板结构设计图

2 光纤埋入关键技术研究

光纤埋入式光电互联基板的关键技术在于光电多层基板内埋光纤的先进制造技术,内埋光纤的光电多层基板的设计是在FR-4板上刻槽放置光纤。作为导光层,使用半固化片与其他导电层粘接固化。具体步骤如下:刻蚀U型槽,放置涂覆光纤,填充环氧树脂填充胶固化光纤,PCB层压。光电基板制造选用波长为850 nm、直径为125μm的多模光纤作为输入输出光纤。我们选择光学树脂作为光纤位置固定材料,采用紫外光曝光固化光学树脂。

图3所示为在U型槽内埋入1×12光纤的多层PCB截面结构示意图(图中仅显示了对称结构的一半)。内埋光纤的光电多层基板板件为6层板,成品板总厚度为4.03 mm,由3个芯板层压而成。其中第1和第2层走高速信号,我们在加工制造之前针对填充胶的匹配性进行了设计仿真,并根据仿真结果对光纤刻槽深度和间距进行优化,然后完成配板、配置填充胶、刻槽及放置光纤的过程。配板及光纤放置过程如图4所示。

图3 埋入1×12光纤的PCB截面结构示意图

图4 光电多层基板配板及放置光纤示意图

制作光电多层基板时,要经过内层蚀刻、铣槽、棕化、配板放置光纤、层压、铣边、钻孔、电镀、外层碱蚀、阻焊、固化、外形加工和电测试等工艺流程,制作成的光电多层基板初样如图5所示。加工过程中基板层压温度和压力曲线图如图6所示。

图5 光电多层基板制作初样

图6 光电多层基板的层压温度和压力曲线图

我们对多层基板制作成品进行侧剖,然后采用3D影像测量仪对埋入光纤精度进行了测量,结果表明各项埋入指标均达到了高精度的加工要求,这主要是因为我们采用高精度的开槽设备,大大降低了U型槽的几何尺寸与实际设计要求的误差,然后采用整平设备和高精度贴装设备将光纤放置到U型槽内,大大提高了埋入精度。

3 光纤反射截面的研制

由于光电多层基板内的光传输路径是沿水平方向的,而光电处理芯片组在垂直方向发射/接收光信号,因此我们需要设计制作一个光路反射截面:即45°光纤反射截面,这是完成光路转换的核心器件。我们采用将光纤阵列研磨成45°反射镜实现光信号90°转角的方法实现光路转换,该器件具有体积小、可靠性高、耦合效率高、通道均匀性好、使用方便并能在宽温环境下稳定工作等特点。光纤反射截面的工作原理如图7所示。

图7 光纤反射截面工作原理

45°光纤反射截面的制作实物如图8所示,它体积小巧,适合高速率、高密度的并行光传输领域。其中光纤和V槽采用石英材质,并采用宽温胶水进行粘接,整个器件内没有塑料等不耐老化的材料,因而适用温度范围较宽,工作寿命较长。此外,由于采用了精密光学研磨技术,端面x、y和z轴方向的角度均易保证,因此各通道的均匀性都较好。

图8 光纤反射截面制作实物

4 光电芯片载板的研制

光电芯片载板的功能是贴装光/电转换芯片及其驱动芯片,实现光/电转换功能。光电芯片载板共有两块:一块是基于型号为IPVD的电/光转换芯片组的发射端光电载板,另一块是基于型号为IPTA的光/电转换芯片组的接收端光电载板。IPVD是实现光发射功能的核心芯片,它包含一个控制芯片、一个驱动芯片,另加一个VCSEL,选取12路发射通道;IPTA是实现光接收功能的核心芯片,芯片组成与IPVD类似。通过电路布局布线,加工出来的载板贴装上芯片及器件。

完成贴片后的光电载板必须进行光电耦合才能具有光传输功能。光电耦合是用转折棱镜的内部空槽将IPVD和VCSEL的结构覆盖,将VCSEL的出光口对准转折棱镜的入光口。我们采用VCSEL发射激光,通过将端面磨成45°FA(光纤阵列),对VCSEL的发光光路方向进行90°的改变,在光纤的另外一端检测激光强度,使激光能够在水平方向与光纤进行耦合,从而减小耦合难度。光电耦合主要以耦合功率和传输损耗作为判断耦合是否成功的标准,影响VCSEL与光纤的耦合效率的主要因素包括45°FA加工误差、VCSEL与FA下表面平行度误差和VCSEL与光纤的垂直工作距离误差。光电耦合原理如图9所示。

图9 光电耦合原理图

加工完成的基于IPVD的发射端光电芯片载板和基于IPTA的接收端光电芯片载板实物图如图10所示。

图10 光电芯片载板实物图

5 光纤埋入式光电互联装配技术研究

光纤埋入式光电互联基板由一个内埋光纤的光电多层基板和两个光电芯片载板组成,采用SMASMP转接头和SMA-SMA高速电缆组件实现电气连接,24端口差分信号输入,24端口输出。基板整体装配图及制作实物分别如图11和图12所示。

图11 光纤埋入式光电互联基板整体装配图

图12 光纤埋入式光电互联基板制作实物

6 结束语

完成样件制作后,我们搭建了光电基板测试平台,采用误码仪发送伪随机码,向光电板输入10 Gbit/s高速差分信号,经电/光/电传输链路后,输出端用示波器接收实时信号,并对信号进行眼图、抖动和误码分析,结果表明,输出信号清晰完整,信号速率达到10 Gbit/s,完全满足信号传输要求。

参考文献:

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[4] 周德俭,吴兆华.光电互联技术及其发展[J].桂林电子科技大学学报,2011,31(4):260-265.

[5] 桂厚义.光纤通信在军事领域的应用[J].军事通信技术,2005,(2):66-69.

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[7] 时德钢,刘晔,邹建龙,等.光纤传感的军事应用[J].计算机测量与控制,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

中图分类号:TN253

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0059-04

收稿日期:2015-07-01

作者简介:邱钊(1986-),男,四川大竹人。工程师,硕士研究生,主要研究方向为微系统集成封装技术。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.018