銅傳輸和光通訊會(huì)并存多久？

  本文來(lái)自深圳連接器協(xié)會(huì) 李亦平

  從電子時(shí)代開(kāi)始，銅導(dǎo)體一直連接器行業(yè)的主流。銅的獨(dú)特品質(zhì)，包括優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，延展性和可用性，使它成為從毫瓦信號(hào)到千瓦功率導(dǎo)電電路的自然選擇。

  銅合金，包括鈹銅和磷青銅，提供了足夠的彈性，并且它們可以使用高速?zèng)_壓成型產(chǎn)品。從金到錫的各種電鍍材料降低了接觸電阻，增加了耐久性，防止了腐蝕。銅電纜可以使用多種技術(shù)可靠地終止，包括焊料、卷曲、剝線和焊接等。嵌入在多層PCB層壓板材料中的銅電路使高密度連接成為可能。這些板上的部件使用高速自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)，用波峰焊進(jìn)行焊接。多年來(lái)設(shè)計(jì)和建立可靠的銅電路，使人們對(duì)該介質(zhì)以及由各種制造商組成的全球供應(yīng)鏈產(chǎn)生信心。

  銅是一種優(yōu)良的材料，但它確實(shí)有其局限性。隨著系統(tǒng)速度的不斷提高，銅導(dǎo)體開(kāi)始表現(xiàn)出不利的特性。除了簡(jiǎn)單的直流電阻外，阻抗變化、前后串?dāng)_、傾斜、抖動(dòng)和符號(hào)間干擾等因素往往會(huì)降低數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量。此外，必須解決EMI和接地回路的問(wèn)題。

  隨著數(shù)據(jù)速率的增加，這些負(fù)面因素中的每一個(gè)都變得更大，有效地限制了信道的物理長(zhǎng)度。在過(guò)去幾年里，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入超過(guò)25Gb/s的應(yīng)用。在考慮各種因素的情況下，保持在數(shù)字信號(hào)傳輸速度已成為一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

  用光子代替電子的光纖連接已討論了很多年。傳輸數(shù)字信息的調(diào)制光束一直是非常遠(yuǎn)距離鏈路的選擇介質(zhì)，而銅通道需要多個(gè)放大點(diǎn)和盡力減少失真。工程師們繼續(xù)在尋找延長(zhǎng)銅壽命的方法。光纖在中短程通道中的可行性多年來(lái)一直是工程師們的目標(biāo)。銅通道傳輸?shù)母倪M(jìn)，包括向差分對(duì)的過(guò)渡，PAM4信令，以及內(nèi)置在SERDES芯片中的先進(jìn)信號(hào)調(diào)理，這些措施使設(shè)計(jì)者繼續(xù)使用可接受長(zhǎng)度的銅通道。

  光纖遭受了幾個(gè)挑戰(zhàn)，包括光通道兩端所需的電光轉(zhuǎn)換過(guò)程所消耗的額外成本和功率。以及困難和昂貴的光纖終止過(guò)程。光纖材質(zhì)也被認(rèn)為比傳統(tǒng)的銅電纜更脆弱。

  隨著高速通道繼續(xù)受到銅的限制，而光纜、連接器和有源元件的成本下降，人們的態(tài)度正在發(fā)生變化。光纖提供了更高帶寬和可達(dá)性的優(yōu)勢(shì)， 波分復(fù)用和相干傳輸?shù)倪M(jìn)步可以進(jìn)一步提高光纖的效率。

  隨著采用擴(kuò)展光束技術(shù)，對(duì)光學(xué)接口配合面上任何污染的極端敏感性已被最小化，該技術(shù)使用集成在連接器中的透鏡來(lái)增加跨接口的光束直徑。這種技術(shù)使塵埃對(duì)透射光的影響小很多。

  光纖現(xiàn)在正被考慮用于數(shù)據(jù)中心中以及相對(duì)較短的應(yīng)用，在某些情況下，光纖甚至可能應(yīng)用于盒子里。

  在高性能應(yīng)用中需盡量減少印刷電路材料的損耗和失真，這刺激了人們將這些通道從電路板中移除。一種解決方案是將高速信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ASIC或SERDES設(shè)備相鄰的屏蔽雙軸電纜。在這些電纜中，信號(hào)衰減和失真大大減少，這些電纜跳過(guò)PCB的表面，往往終止于安裝在設(shè)備面板上的I/O連接器。

  另一種最近的解決方案是共封裝光學(xué)，它將電光轉(zhuǎn)換過(guò)程定位在具有SERDES或開(kāi)關(guān)芯片的公共基板上，并使用光學(xué)將信號(hào)直接帶到I/O面板。結(jié)果是失真小，端口密度高。

  實(shí)現(xiàn)這種集成技術(shù)是硅光子學(xué)，它試圖將光發(fā)射機(jī)或接收器的多個(gè)部件集成到硅片上。目的是用光子信號(hào)代替電脈沖。多年來(lái)，科學(xué)家們?cè)噲D在硅上制造一種實(shí)用的激光，但沒(méi)有成功。最近，他們選擇專注于單獨(dú)的激光源和安裝在公共襯底上的光子芯片。硅光子器件可以集成多個(gè)功能，包括調(diào)制器、SERDES、光放大器、探測(cè)器、濾波器、耦合器和分配器，并在同一芯片上集成電子邏輯、存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)電路。

  這項(xiàng)技術(shù)提供的優(yōu)勢(shì)包括：

  * 高速傳輸。

  * 硅波導(dǎo)可以與導(dǎo)體一起在公共襯底上并存。

  * 使用現(xiàn)有的大容量集成電路制造、工藝和晶片測(cè)試設(shè)備。

  * 能夠在同一微芯片上創(chuàng)建電子和光學(xué)元件。

  * 在同一芯片上實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。

  * 減少電力消耗。

  * 一體化程度的提高增加了系統(tǒng)的密度。

  * 通過(guò)自動(dòng)化降低系統(tǒng)成本。

  共封裝光學(xué)的性能優(yōu)勢(shì)是這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)趨勢(shì)，雖然目前仍然是一個(gè)概念，但包括英特爾在內(nèi)的幾家供應(yīng)商已經(jīng)演示了原型。許多工程師認(rèn)為硅光子技術(shù)是解決帶寬瓶頸和I/O面板密度日益增長(zhǎng)挑戰(zhàn)的長(zhǎng)期解決方案。