太赫兹连接器有何不同？

来源：线束世界•作者：线束世界•2024-09-04 09:35

太赫兹（THz）系统代表了电子领域的下一个前沿领域之一。THz应用预计将包括用于自动驾驶汽车的汽车高级驾驶员辅助系统（ADAS），下一代电话如5G和6G，用于元宇宙的增强和虚拟现实（AR&VR）技术等等。太赫兹电子器件的发展将面临许多挑战，而连接器和互连技术将是关键之一。

太赫兹频段通常定义为 0.1至 3.0THz的频率，位于高端的光学频率和底部的微波频率之间。本常见问题解答将回顾太赫兹系统的微同轴、波导和光纤连接的融合，并探讨如何使用这些连接器在不同系统之间、系统内，甚至在集成电路和系统级封装设计内进行桥接（图1）。

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图1：各种太赫兹连接器技术正在被用于各种应用（图片：IEEE Microwave Journal）)

随着频率不断攀升，使用铜互连变得更具挑战性。通过铜缆提高数据速率的一种方法是限制互连长度。这并不是一种罕见的策略;铜缆以太网数据速率大约每四年翻一番。同时，铜缆以太网的最大互连长度将减半。这是铜互连固有局限性的必然结果，但它提出了一个关于数据速率翻倍的有效性的问题。

铜、波导和光纤

虽然传统的铜互连有望在最常见的系统频率上保持主导地位，但波导和光纤互连的使用正在增加。波导可以在THz频率下提供铜的替代品，尤其是在频段的低端。虽然波导的损耗比光纤互连高，但它们可以提供比铜更低的衰减。即使在低至75GHz的频率下，优化的波导也被证明比1米铜背板的损耗低90dB以上。波导的缺点，如更大、更昂贵的结构，大多排除了它们在相对较低的频率下使用。

随着频率的增加，波导和铜之间的相对性价比差距会缩小。当频率接近可以使用光互连的阈值时，波导可以提供一种对错位更稳健且更具成本效益的选择。在太赫兹光谱的高端，与光互连相比，波导互连对错位的容忍度要高出几个数量级，并且与铜相比，损耗要低得多。

铜、波导和光互连之间的界限预计将继续变化，波导将变得越来越普遍。一个关键是低成本波导制造技术的商业开发，类似于目前用于双轴电缆的技术。当然，没有完美的互连技术可以为数据速率、效率、成本和其他要求的所有组合提供灵丹妙药。

封装和互连

互连是封装的一个重要维度。封装的其他方面包括组成部件的机械平台、不同级别的环境保护、EMI 屏蔽、热管理等。对于工作频率低于太赫兹范围的 IC，带有金属球或用于输入/输出（I/O）引脚的光束引线的模制塑料封装可提供所需的信号完整性和性能水平。适用于微波的方法不一定适用于太赫兹器件。与微波器件相比，太赫兹封装和互连在信号损耗、尺寸稳定性和制造方面有更多的限制（图2）。太赫兹互连仍在兴起和发展。基于陶瓷技术的解决方案正在考虑中，但成本也是一个因素，微加工或3D打印可能会提供更轻、更具成本效益的替代方案。

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图2：最大限度地减少信号损失和保持尺寸稳定性是太赫兹封装的重要考虑因素（图片：IEEE会议记录）)

同轴电缆的性能和限制

简单的金属线互连，甚至是在微波和较低频率下工作良好的同轴连接，在THz频率下都会出现问题。需要非色散且在高频下具有受控阻抗的传输线结构。太赫兹操作也可能需要波导结构。这是一个新领域，伴随着对PC板厚度、最小信号线间距和连接器中信号接口结构尺寸的担忧。

例如，传统的50Ω同轴连接器即使经过修改，在 THz频率下也可能不实用。图 3 说明了 50-Ω 同轴连接器相对于TE11模式截止频率的预期尺寸。TE11模式很重要，因为TE11模式具有最低的截止频率，并且是圆形波导中的主要模式。即使消除了内部和外部连接器之间的电介质，对于300GHz 截止频率，中心引脚直径预计为0.2 mm。在50Ω 同轴连接器中，如此小的中心引脚在实际安装中并不可靠或耐用（图3）。

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图3：在THz频率下，50Ω同轴连接器的中心引脚太小，在商业系统中不实用（图片：EEE会议记录）)

另一方面，矩形波导在高度耐用、可靠和可重复的配接系统中提供低损耗。这些波导可能是太赫兹系统的首选连接器几何形状，尽管它们相对较大且通常具有有限的工作带宽。波导可以在THz频率下提供尺寸和稳健性之间的最佳权衡。例如，科学和军事系统中使用的波导法兰设计已针对插接的可重复性和准确性进行了优化。将这些波导法兰设计概念应用于商用连接器可以实现新一代太赫兹连接器。

用于太赫兹系统的光子连接器

成本可能是集成光子器件商业化的限制因素，尤其是高效光接口的成本。已经开发了一种即插即用连接器，它使用三维（3D）聚合物结构连接光纤和纳米光子波导，同时实现机械和光学对准，公差优于±10μm。3D纳米打印用于直接在铸造厂生产的衍射光栅耦合器上制造原型漏斗连接器。

漏斗壁通过最小化光纤长度来控制漏光，并且聚合物波导与光纤进行模式匹配。使用全内反射（TIR）镜和光栅耦合器将光耦合到硅波导。TIM 反射镜与漏斗同时制造。TIR反射镜利用聚合物和空气之间的倾斜刻面和折射率差，以所需的衍射角度将光线重定向到光栅耦合器中。漏斗也是一种无源机械支撑和布线结构，可在光学上对准光纤，以便与波导进行边缘耦合。通过将光纤布线到漏斗中，而不受其相对于漏斗中心的确切位置的影响，因此支持较宽的对准公差（图4）。

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图4：该光纤漏斗和TIM镜THz连接器支持宽对准公差（图片：Optics Express）)

除了固有的光栅耦合器损耗外，该连接器在高约束硅波导和单模光纤波导之间还表现出约0.05dB的超额耦合损耗。由此产生的连接器平台有望针对各种太赫兹应用进行扩展。

测试表明，漏斗连接器设计在20°C和100°C的温度范围内，对于高达±2μm的光纤模场直径（MFD）变化非常稳健。在整个温度范围内，损耗变化在0.6dB以内。这与商用光子连接器（通常额定温度最高为70°C）相比非常好。此外，所提出的漏斗连接器的尺寸和放置要求与当前的大批量微电子生产工具兼容。平台制造可以在晶圆级别完成，不需要洁净室环境。

总结

太赫兹频段占据0.1至3.0THz，位于高端的光频率和底部的微波频率之间。根据工作频率和系统架构，微型同轴、波导和光纤连接可以在微波系统、太赫兹系统和光学系统之间提供链路。正在开发新的太赫兹互连技术，以支持稳健、低成本、可扩展和高性能的光子学系统。