电互连与光互连特性分析

　　随着科技的进步，电互连在物理性能方面上的局限性已经越来越明显，光互连已经登上了新一代PCB的历史舞台，其涉及到的主要内容有光波导材料、光波导的制作方法、低成本光电元件以及光组装等。而且，以上的技术必须与传统的PCB设计、制造、加工和配合精度相兼容。同样，作为PCB设计的逆向过程的PCB抄板，也需要对各类PCB基板与材料类型有初步的了解。
　　一、光电印制电路板的光互连结构原理
　　光电印制电路板用高速的光连接技术取代目前计算机中所采用的铜导线连接，以光子而不是以电子为媒介，在电路板、芯片甚至芯片的各个部分之间传输数据。同时还可以传送传统的效率低的电信号，其基本工作原理为：
　　大规模的集成芯片产生的电信号经过驱动芯面作用VSCEL激光发射器，激光束直接或通过透镜传输到有45°镜面的聚合物波导反射进入波导中，然后通过另一端波导镜面反射传送到PD接收，再经过接收芯片转换成电信号传输给大集成芯片。这样使得芯片与芯片之间能通过光波导高速通讯，从而整体提高系统性能。
　　该PCB的制作与传统的PCB制作流程兼容，只是把聚合物波导当成PCB其中铜的特性。
　　二、光学PCB的优点
　　前面有提到，铜连线的数据传输率受到其寄生参量电阻、电感和电容的影响。在低频段，电路板的串接电阻和旁路电容对性能的影响很大，直接决定上升沿和下降沿的转换时间，从而影响数据的传输速率;在高频段，连线串接感抗影响超过电阻，最终的结果与串接电阻和旁路电容相同，限制了数据的传输速率。所有这些寄生参量很大程度上依赖于连线的几何形状，电阻正比于连线长度，反比于截面积，因此连线越长越细，则数据传输率越低。现有的空间限制将不允许连线太粗。虽然在降低转换时间方面可以采用较硬的连线，但同时加大了噪音与功耗，而且发热量的增加将难以控制。
　　相对于电互连，光互连有以下几个特性：
　　1.光互连的速度与互连通道无关;
　　2.光学信号在空间可独立传播，彼此之间互不干扰;
　　3.光学信号可以在三维自由空间传播。
　　另外，光互连可以通过空间光调节器(SLM)适当改变，而且光信号非常容易转变成电信号。
　　综上所述，光学PCB和传统PCB的优点对比如下：
　　传统PCB 光电PCB
　　能量消耗高 较少衰减和分散，长传导距离低能消耗
　　互连密度受制于EMI 互连不受EMI影响，无地层或参考平面
　　低针密度(小于50针/in) 大针密度
　　直接调制或GHz载波调制 THz载波调制
　　较小带宽 很大带宽
　　难于控制反射 易于控制过反射
　　三、光电PCB发展的三个时代
　　第一代：在PCB上分散纤维光芯片-芯片互连和板-板互连
　　发展于20世纪90年代初，主要使用分离式光纤及光纤连接器来进行摸组与摸组之间或摸组与元器件之间的互换，为目前大型主机所广泛采用。由于结构简便，因此可提供较低廉的点对点光连接。
　　由于采用单膜(Discrete)光纤在载板内的光互连，这种形式的光互连，是过去已采用的光纤通信技术的一种衍生。因此它比较容易实现将光通信信号由一点传递到另一点的定向传送方式。
　　第二代：挠性基板光连接技术
　　发展于20世纪90年代中期，利用挠性基板进行光纤分布，同样的，该技术可以应用于如前所述的连接器进行点对点的光连接。挠性光波导薄板构成光信号网络，是光波导线路产品的形式和技术的第二发展阶段的最突出特点。有光纤代替了金属丝线。这样对于它的特点，是以挠性材料作为固定的载体，实现挠性光纤的光信号传送。在配线中的特性阻抗高精度的控制方面，它比原有电气配线形式特有了明显的改善。
　　第三代：混杂式光电连接技术
　　根据埋入式材料和结构的特点，大概可以分为以下四种技术：表面型高分子波导、埋入式高分子波导、埋入式光纤技术和埋入式光波导玻璃。与前两种最大的区别是此技术可以提供多回路的光波导，而且可以与有源及无源元件进行连接。第三代的光波导线路方式，是以现有印制电路板与光传送线路形成一体化的光电印制电路板。实现这种复合化的优点在于：在板上能够有比初期阶段引入光纤配线形式具有更高的光传送线路的布线密度。同时还实现了光电转换元件等的自动化安装。在PCB内的光传送通路使用材料方面的开发动向，采用了低传送损失、高耐热性的高聚物作为光波导线路材料。