太赫茲連接器有何不同？

來(lái)源：線束世界?作者：線束世界?2024-09-04 09:35

太赫茲（THz）系統(tǒng)代表了電子領(lǐng)域的下一個(gè)前沿領(lǐng)域之一。THz應(yīng)用預(yù)計(jì)將包括用于自動(dòng)駕駛汽車的汽車高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），下一代電話如5G和6G，用于元宇宙的增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR&VR）技術(shù)等等。太赫茲電子器件的發(fā)展將面臨許多挑戰(zhàn)，而連接器和互連技術(shù)將是關(guān)鍵之一。

太赫茲頻段通常定義為 0.1至 3.0THz的頻率，位于高端的光學(xué)頻率和底部的微波頻率之間。本常見問題解答將回顧太赫茲系統(tǒng)的微同軸、波導(dǎo)和光纖連接的融合，并探討如何使用這些連接器在不同系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)，甚至在集成電路和系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)內(nèi)進(jìn)行橋接（圖1）。

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圖1：各種太赫茲連接器技術(shù)正在被用于各種應(yīng)用（圖片：IEEE Microwave Journal）)

隨著頻率不斷攀升，使用銅互連變得更具挑戰(zhàn)性。通過(guò)銅纜提高數(shù)據(jù)速率的一種方法是限制互連長(zhǎng)度。這并不是一種罕見的策略;銅纜以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率大約每四年翻一番。同時(shí)，銅纜以太網(wǎng)的最大互連長(zhǎng)度將減半。這是銅互連固有局限性的必然結(jié)果，但它提出了一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)速率翻倍的有效性的問題。

銅、波導(dǎo)和光纖

雖然傳統(tǒng)的銅互連有望在最常見的系統(tǒng)頻率上保持主導(dǎo)地位，但波導(dǎo)和光纖互連的使用正在增加。波導(dǎo)可以在THz頻率下提供銅的替代品，尤其是在頻段的低端。雖然波導(dǎo)的損耗比光纖互連高，但它們可以提供比銅更低的衰減。即使在低至75GHz的頻率下，優(yōu)化的波導(dǎo)也被證明比1米銅背板的損耗低90dB以上。波導(dǎo)的缺點(diǎn)，如更大、更昂貴的結(jié)構(gòu)，大多排除了它們?cè)谙鄬?duì)較低的頻率下使用。

隨著頻率的增加，波導(dǎo)和銅之間的相對(duì)性價(jià)比差距會(huì)縮小。當(dāng)頻率接近可以使用光互連的閾值時(shí)，波導(dǎo)可以提供一種對(duì)錯(cuò)位更穩(wěn)健且更具成本效益的選擇。在太赫茲光譜的高端，與光互連相比，波導(dǎo)互連對(duì)錯(cuò)位的容忍度要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且與銅相比，損耗要低得多。

銅、波導(dǎo)和光互連之間的界限預(yù)計(jì)將繼續(xù)變化，波導(dǎo)將變得越來(lái)越普遍。一個(gè)關(guān)鍵是低成本波導(dǎo)制造技術(shù)的商業(yè)開發(fā)，類似于目前用于雙軸電纜的技術(shù)。當(dāng)然，沒有完美的互連技術(shù)可以為數(shù)據(jù)速率、效率、成本和其他要求的所有組合提供靈丹妙藥。

封裝和互連

互連是封裝的一個(gè)重要維度。封裝的其他方面包括組成部件的機(jī)械平臺(tái)、不同級(jí)別的環(huán)境保護(hù)、EMI 屏蔽、熱管理等。對(duì)于工作頻率低于太赫茲范圍的 IC，帶有金屬球或用于輸入/輸出（I/O）引腳的光束引線的模制塑料封裝可提供所需的信號(hào)完整性和性能水平。適用于微波的方法不一定適用于太赫茲器件。與微波器件相比，太赫茲封裝和互連在信號(hào)損耗、尺寸穩(wěn)定性和制造方面有更多的限制（圖2）。太赫茲互連仍在興起和發(fā)展?；谔沾杉夹g(shù)的解決方案正在考慮中，但成本也是一個(gè)因素，微加工或3D打印可能會(huì)提供更輕、更具成本效益的替代方案。

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圖2：最大限度地減少信號(hào)損失和保持尺寸穩(wěn)定性是太赫茲封裝的重要考慮因素（圖片：IEEE會(huì)議記錄）)

同軸電纜的性能和限制

簡(jiǎn)單的金屬線互連，甚至是在微波和較低頻率下工作良好的同軸連接，在THz頻率下都會(huì)出現(xiàn)問題。需要非色散且在高頻下具有受控阻抗的傳輸線結(jié)構(gòu)。太赫茲操作也可能需要波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)新領(lǐng)域，伴隨著對(duì)PC板厚度、最小信號(hào)線間距和連接器中信號(hào)接口結(jié)構(gòu)尺寸的擔(dān)憂。

例如，傳統(tǒng)的50Ω同軸連接器即使經(jīng)過(guò)修改，在 THz頻率下也可能不實(shí)用。圖 3 說(shuō)明了 50-Ω 同軸連接器相對(duì)于TE11模式截止頻率的預(yù)期尺寸。TE11模式很重要，因?yàn)門E11模式具有最低的截止頻率，并且是圓形波導(dǎo)中的主要模式。即使消除了內(nèi)部和外部連接器之間的電介質(zhì)，對(duì)于300GHz 截止頻率，中心引腳直徑預(yù)計(jì)為0.2 mm。在50Ω 同軸連接器中，如此小的中心引腳在實(shí)際安裝中并不可靠或耐用（圖3）。

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圖3：在THz頻率下，50Ω同軸連接器的中心引腳太小，在商業(yè)系統(tǒng)中不實(shí)用（圖片：EEE會(huì)議記錄）)

另一方面，矩形波導(dǎo)在高度耐用、可靠和可重復(fù)的配接系統(tǒng)中提供低損耗。這些波導(dǎo)可能是太赫茲系統(tǒng)的首選連接器幾何形狀，盡管它們相對(duì)較大且通常具有有限的工作帶寬。波導(dǎo)可以在THz頻率下提供尺寸和穩(wěn)健性之間的最佳權(quán)衡。例如，科學(xué)和軍事系統(tǒng)中使用的波導(dǎo)法蘭設(shè)計(jì)已針對(duì)插接的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了優(yōu)化。將這些波導(dǎo)法蘭設(shè)計(jì)概念應(yīng)用于商用連接器可以實(shí)現(xiàn)新一代太赫茲連接器。

用于太赫茲系統(tǒng)的光子連接器

成本可能是集成光子器件商業(yè)化的限制因素，尤其是高效光接口的成本。已經(jīng)開發(fā)了一種即插即用連接器，它使用三維（3D）聚合物結(jié)構(gòu)連接光纖和納米光子波導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，公差優(yōu)于±10μm。3D納米打印用于直接在鑄造廠生產(chǎn)的衍射光柵耦合器上制造原型漏斗連接器。

漏斗壁通過(guò)最小化光纖長(zhǎng)度來(lái)控制漏光，并且聚合物波導(dǎo)與光纖進(jìn)行模式匹配。使用全內(nèi)反射（TIR）鏡和光柵耦合器將光耦合到硅波導(dǎo)。TIM 反射鏡與漏斗同時(shí)制造。TIR反射鏡利用聚合物和空氣之間的傾斜刻面和折射率差，以所需的衍射角度將光線重定向到光柵耦合器中。漏斗也是一種無(wú)源機(jī)械支撐和布線結(jié)構(gòu)，可在光學(xué)上對(duì)準(zhǔn)光纖，以便與波導(dǎo)進(jìn)行邊緣耦合。通過(guò)將光纖布線到漏斗中，而不受其相對(duì)于漏斗中心的確切位置的影響，因此支持較寬的對(duì)準(zhǔn)公差（圖4）。

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圖4：該光纖漏斗和TIM鏡THz連接器支持寬對(duì)準(zhǔn)公差（圖片：Optics Express）)

除了固有的光柵耦合器損耗外，該連接器在高約束硅波導(dǎo)和單模光纖波導(dǎo)之間還表現(xiàn)出約0.05dB的超額耦合損耗。由此產(chǎn)生的連接器平臺(tái)有望針對(duì)各種太赫茲應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。

測(cè)試表明，漏斗連接器設(shè)計(jì)在20°C和100°C的溫度范圍內(nèi)，對(duì)于高達(dá)±2μm的光纖模場(chǎng)直徑（MFD）變化非常穩(wěn)健。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，損耗變化在0.6dB以內(nèi)。這與商用光子連接器（通常額定溫度最高為70°C）相比非常好。此外，所提出的漏斗連接器的尺寸和放置要求與當(dāng)前的大批量微電子生產(chǎn)工具兼容。平臺(tái)制造可以在晶圓級(jí)別完成，不需要潔凈室環(huán)境。

總? 結(jié)

太赫茲頻段占據(jù)0.1至3.0THz，位于高端的光頻率和底部的微波頻率之間。根據(jù)工作頻率和系統(tǒng)架構(gòu)，微型同軸、波導(dǎo)和光纖連接可以在微波系統(tǒng)、太赫茲系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)之間提供鏈路。正在開發(fā)新的太赫茲互連技術(shù)，以支持穩(wěn)健、低成本、可擴(kuò)展和高性能的光子學(xué)系統(tǒng)。