中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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太赫茲連接器有何不同？
太赫茲（THz）系統代表了電子領(lǐng)域的下一個(gè)前沿領(lǐng)域之一。THz應用預計將包括用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的汽車(chē)高級駕駛員輔助系統（ADAS），下一代電話(huà)如5G和6G，用于元宇宙的增強和虛擬現實(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，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(jiàn)問(wèn)題解答將回顧太赫茲系統的微同軸、波導和光纖連接的融合，并探討如何使用這些連接器在不同系統之間、系統內，甚至在集成電路和系統級封裝設計內進(jìn)行橋接.
隨著(zhù)頻率不斷攀升，使用銅互連變得更具挑戰性。通過(guò)銅纜提高數據速率的一種方法是限制互連長(cháng)度。這并不是一種罕見(jiàn)的策略;銅纜以太網(wǎng)數據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(cháng)度將減半。這是銅互連固有局限性的必然結果，但它提出了一個(gè)關(guān)于數據速率翻倍的有效性的問(wèn)題。
銅、波導和光纖
雖然傳統的銅互連有望在最常見(jiàn)的系統頻率上保持主導地位，但波導和光纖互連的使用正在增加。波導可以在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)化的波導也被證明比1米銅背板的損耗低90dB以上。波導的缺點(diǎn)，如更大、更昂貴的結構，大多排除了它們在相對較低的頻率下使用。
隨著(zhù)頻率的增加，波導和銅之間的相對性?xún)r(jià)比差距會(huì )縮小。當頻率接近可以使用光互連的閾值時(shí)，波導可以提供一種對錯位更穩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，波導互連對錯位的容忍度要高出幾個(gè)數量級，并且與銅相比，損耗要低得多。
銅、波導和光互連之間的界限預計將繼續變化，波導將變得越來(lái)越普遍。一個(gè)關(guān)鍵是低成本波導制造技術(shù)的商業(yè)開(kāi)發(fā)，類(lèi)似于目前用于雙軸電纜的技術(shù)。當然，沒(méi)有完美的互連技術(shù)可以為數據速率、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械平臺、不同級別的環(huán)境保護、EMI 屏蔽、熱管理等。對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(xiàn)的模制塑料封裝可提供所需的信號完整性和性能水平。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損耗、尺寸穩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。
同軸電纜的性能和限制
簡(jiǎn)單的金屬線(xiàn)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 )出現問(wèn)題。需要非色散且在高頻下具有受控阻抗的傳輸線(xiàn)結構。太赫茲操作也可能需要波導結構。這是一個(gè)新領(lǐng)域，伴隨著(zhù)對PC板厚度、最小信號線(xiàn)間距和連接器中信號接口結構尺寸的擔憂(yōu)。
例如，傳統的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 同軸連接器相對于TE11模式截止頻率的預期尺寸。TE11模式很重要，因為T(mén)E11模式具有最低的截止頻率，并且是圓形波導中的主要模式。即使消除了內部和外部連接器之間的電介質(zhì)，對于300GHz 截止頻率，中心引腳直徑預計為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。
另一方面，矩形波導在高度耐用、可靠和可重復的配接系統中提供低損耗。這些波導可能是太赫茲系統的首選連接器幾何形狀，盡管它們相對較大且通常具有有限的工作帶寬。波導可以在THz頻率下提供尺寸和穩健性之間的最佳權衡。例如，科學(xué)和軍事系統中使用的波導法蘭設計已針對插接的可重復性和準確性進(jìn)行了優(yōu)化。將這些波導法蘭設計概念應用于商用連接器可以實(shí)現新一代太赫茲連接器。
用于太赫茲系統的光子連接器
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(kāi)發(fā)了一種即插即用連接器，它使用三維（3D）聚合物結構連接光纖和納米光子波導，同時(shí)實(shí)現機械和光學(xué)對準，公差優(yōu)于±10μm。3D納米打印用于直接在鑄造廠(chǎng)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(cháng)度來(lái)控制漏光，并且聚合物波導與光纖進(jìn)行模式匹配。使用全內反射（TIR）鏡和光柵耦合器將光耦合到硅波導。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(xiàn)重定向到光柵耦合器中。漏斗也是一種無(wú)源機械支撐和布線(xiàn)結構，可在光學(xué)上對準光纖，以便與波導進(jìn)行邊緣耦合。通過(guò)將光纖布線(xiàn)到漏斗中，而不受其相對于漏斗中心的確切位置的影響，因此支持較寬的對準公差。
除了固有的光柵耦合器損耗外，該連接器在高約束硅波導和單模光纖波導之間還表現出約0.05dB的超額耦合損耗。由此產(chǎn)生的連接器平臺有望針對各種太赫茲應用進(jìn)行擴展。
測試表明，漏斗連接器設計在20°C和100°C的溫度范圍內，對于高達±2μm的光纖模場(chǎng)直徑 （MFD）變化非常穩健。在整個(gè)溫度范圍內，損耗變化在0.6dB以?xún)?。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前的大批量微電子生產(chǎn)工具兼容。平臺制造可以在晶圓級別完成，不需要潔凈室環(huán)境。
總 結
太赫茲頻段占據0.1至3.0THz，位于高端的光頻率和底部的微波頻率之間。根據工作頻率和系統架構，微型同軸、波導和光纖連接可以在微波系統、太赫茲系統和光學(xué)系統之間提供鏈路。正在開(kāi)發(fā)新的太赫茲互連技術(shù)，以支持穩健、低成本、可擴展和高性能的光子學(xué)系統。
