如何在电路板上传输光而不是电

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  现在,在数据中心间和超级电脑间,高速传输是势在必行的,仅使用电子信号来传输数据已经变得太慢。在各种数据中心的高端服务器和路由器上10Gbit/s 的传输速度已经很常见。由于光纤在外系统中已经取代了铜线缆,那么传输时间的长短就取决于将这些速度优势植入到电路板和芯片数据连接器了的快慢了。
  寻找这种材料的研究已经持续了很多年了,这种材料必须能满足电路板间和芯片间光纤连接器上的各种要求。日前,由Dow Corning公司和IBM公司研发的一种新型的光纤有机硅材料有望能满足上述的多数要求,这是一种灵活、稳定且易于加工的板状聚合物波导材料。这两家公司在这个月初位于旧金山举行2013年美国西部广电展的一次展览上首次展示了这种材料。
  Dow Corning电子公司业务建立者高速《设计新闻》的工作人员,“当你继续通过在每一个已知领域中增加更多的晶体管来衡量硅,始终频率并不会因此增大,”“当我们试着增加向下传输铜线缆的数据率的时候,需要的电功率和成本就会以指数方式增加。芯片间和芯片到电路板间的连接线正变成限制传输速率的主要问题。
  琼斯告诉我们,问题的关键在于正在出现的在越来越短的连接上的传输上,光纤比铜线缆更有效。尽管在电路板上光纤连接已经在有限制的采用,但是光纤并不像晶体管一样是可以扩展的,因此为了增加芯片间连接需要的光纤,需要的空间必须足够大。光纤必须以波导的方式被集成到电路板上。
  目前为止,波导材料已经研发包括了玻璃、硅和其他多种聚合物。这些材料必须具有正确的性能特点,包括像低损耗和机械灵活性这样的机械性能和光特性,而且同时还要持久耐用、足够稳定且能够承受高操作温度和湿度。为了使这种材料具有成本效益,该材料还必须能够与标准的电路板处理仪器兼容,以及要有短的处理时间。在过去十年中,Dow Corning在聚合物波导方面的研究上一直处于领先地位。
  琼斯说,“聚合物的优势在于它的加工性能,事实上你可以在现有的工厂中使用它,”“我们正在尽力使得这一有机硅材料变成一种直接替代原件,使得它可以被很多工业处理程序所采用。”有机硅可以比玻璃更快的处理,并且不需要一个受控制的常压舱。其他用于研发光纤波导材料的有机硅有的需要更长的固化时间,有的难于处理。这一Dow/IBM材料已经成功通过沉积和光刻图形两种处理方法,并且可以在45分钟内建立波导。
  由于空间通常是有限的,聚合物的另一个优点,尤其是有机硅,就是它的灵活性。和其他具有灵活性的电子器件一样,柔性波导管材料让各种连接线扭成所需要的形状。它也使得在不必削的情况下进行切割和钻孔。
  这种Dow/IBM有机硅材料的损耗低至0.03 dB/cm,这就使得连接可以长于1m。这也就意味着一个这种材料的连接不仅能在同一个电路板上连接芯片,还可以连接在一个底板的不同子卡上的两个芯片。在暴露在标准的85C操作温度和85%的湿度环境测试以及260C时无铅焊料回流测试中,该材料保持稳定的时间超过2,000小时。
  琼斯说,尽管工程师们现在正在为超级电脑和高速网络仪器设计电路板,但同样的问题最终将不可以避免的下移到电路板上。聚合物光纤波导也许会是第一个放置在坚硬的电路板外的材料。但是一旦在领域中被接受为一种可依靠的技术的话,最终的结果将是在坚硬的电路板内集成所有的这些。
  琼斯说,“由于光纤波导非常高的连接密度和可以制造面内交叉的能力,这对于铜线缆是不可能的,你能够用一层光纤取代几层铜线缆,并同时提高系统的性能和增加电路板的价值,”“如果你能用一层光纤层取代一个16层电路板的6层,电路板上铜的成本就会降低4到5倍。”
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