Diseño de luz y PCB: el futuro de las interconexiones ópticas es brillante

Con la ley de Moore cada vez más cuestionada, los ingenieros están buscando tecnologías alternativas para aumentar el ancho de banda de datos y la potencia de procesamiento. Una de esas tecnologías es la tecnología de interconexión óptica.
Los investigadores Sumita Mishra, et al. Observe que ha habido una ola de investigación sobre la tecnología de interconexión óptica, que se centra esencialmente en la integración de sistemas ópticos con sistemas eléctricos para crear enlaces de datos de alta velocidad.
En este artículo, discutiremos el lugar de la luz en el diseño de PCB y evaluaremos una nueva rama de interconexiones ópticas que promete un mayor ancho de banda y conexiones de señal de bajo ruido.

Abordar un mito sobre la luz

Light, que ya está reemplazando los cables de cobre tradicionales en las telecomunicaciones, es un candidato muy tangible para reemplazar las conexiones eléctricas por varios factores, según un capítulo sobre sistemas de comunicación óptica de la Universidad de Colorado Boulder. Esto es especialmente relevante dadas las altas demandas de las redes 5G. Pero antes de explicar estos factores, hay un mito que debe aclararse con respecto a la luz.
Algunos creen que la luz es mejor que la corriente eléctrica porque la luz es más rápida que la electricidad y, por lo tanto, puede transportar información de un lugar a otro más rápido. Esto, en algunos casos, es incorrecto porque la luz viaja más lentamente en los cables de fibra óptica que la electricidad a través de los cables de cobre.

Un gran profesional de la luz: alto ancho de banda

La ventaja de usar la luz en las conexiones de datos es que la luz tiene un mayor ancho de banda, lo que permite transportar más bits de datos por segundo, como resultado de la mayor relación señal / ruido (SNR) que la luz tiene en comparación con las señales eléctricas.

Un diagrama que compara la densidad de interconexión eléctrica y óptica. Imagen (modificada) utilizada por cortesía de IBM

Un factor que contribuye a la mayor SNR es que los cables de fibra óptica en sí mismos son prácticamente inmunes a su entorno, mientras que los cables eléctricos clásicos pueden captar campos eléctricos y magnéticos externos (es decir, EMI). Otros factores incluyen la capacidad de enviar múltiples frecuencias de luz (rojo, azul y verde) por el mismo cable óptico sin que interfieran entre sí, aumentando efectivamente el ancho de banda general. La luz también puede viajar más abajo en un cable que la electricidad antes de requerir un aumento de señal, eliminando así las fuentes de inyección de ruido potencial.
Para obtener más información sobre la diferencia entre RF, óptica y una tercera opción: RF sobre fibra, consulte el artículo técnico de Marie Christiano sobre el tema.

Óptica y diseño de PCB

Hasta ahora, los sistemas ópticos se han comercializado principalmente a través de cables de fibra óptica para tecnologías de Internet.
Pero hay múltiples tecnologías que han utilizado capas ópticas en una PCB para transmitir datos alrededor de la placa entre los componentes. Esto se logra a través de ranuras especializadas de 90 ° que pueden crear vías ópticas para reflejar la luz hasta la capa de componentes. Investigadores del Instituto Internacional de Tecnología de Malasia-Japón (MJIIT) propusieron un dispositivo de conversión de trayectoria de luz de 90 °, que describe este concepto a continuación.

Dispositivo de conversión de trayectoria de luz de 90 ° propuesto. Imagen utilizada por cortesía de MJIIT

Pero si bien las conexiones interópticas en una sola PCB son posibles, solo proporcionará aumentos de ancho de banda local en una placa. Lo que realmente necesitamos es la capacidad de conectar PCB individuales a un plano posterior óptico donde grandes sistemas informáticos pueden transmitir datos a través de cientos de placas. Tal sistema reduciría la complejidad de las placas de interconexión sin la necesidad de muchos cables de fibra óptica. Esto también permite la comunicación óptica directa entre los circuitos integrados.

Interconexión óptica

Para resolver el problema de la interconexión óptica, un equipo de investigadores de la Universidad de Tokai ha desarrollado un sistema de interconexión óptica, así como una técnica de fabricación para conectar fácilmente dos canales ópticos y minimizar la degradación de la señal.
El sistema se basa en la tecnología desarrollada por otro equipo de investigación que pudo crear enchufes ópticos similares a los típicos cabezales de clavijas eléctricas. Estos tapones son increíblemente pequeños, solo unos pocos 1,000 micras de longitud y 10 μm de diámetro, y se cultivan usando una resina de fotocurado UV y una fotomáscara.
Si bien estos enchufes pueden transmitir información óptica, son increíblemente frágiles, lo que puede ser problemático al intentar conectarlos en los orificios de recepción. Este problema se solucionó fabricando una matriz de microagujeros que usaba agujeros cónicos para aceptar los enchufes de los cables ópticos. La siguiente imagen muestra los tapones fabricados y los orificios cónicos resultantes que aceptan los tapones.

Tapones fabricados (izquierda) y agujeros cónicos que aceptan los tapones (derecha). Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Tokai.

Los agujeros cónicos se construyen fácilmente mediante la explotación de un problema común con la litografía general: la socavación. Los procesos litográficos a menudo requieren que la obra de arte colocada sobre un material esté lo más cerca posible, de lo contrario, los bordes están borrosos y la luz UV puede curar debajo de la obra de arte.
Sin embargo, en este caso, los investigadores usaron un espaciador, por lo que cuando la luz ultravioleta brillaba a través de la máscara, producía agujeros cónicos.

Diagrama de cómo un espaciador permitió que la luz UV brillara de tal manera que produjera agujeros cónicos. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Tokai.

La conexión resultante entre los tapones y los agujeros cónicos fue una degradación de la señal de 1.5 dB con un espacio de 0.03 mm y 4.8 dB con un espacio de 0.11 mm. Lo que es crucial en esta configuración es que el espacio apretado de los enchufes no resultó en una conversación cruzada entre los canales, lo que de otro modo sería una gran preocupación si se usaran señales eléctricas.

¿Las capas óptimas harán el corte para el futuro diseño de PCB?

Normalmente, la investigación sobre nuevos componentes y materiales garantiza un nivel de escepticismo. Como ingenieros, es natural que preguntemos, ¿tendrá esta nueva tecnología un efecto significativo? Pero cuando evaluamos esta nueva investigación sobre interconexiones ópticas, podríamos ver alguna promesa adicional, simplemente en virtud del hecho de que los componentes ópticos ya se han construido con éxito.
Como explica Zachariah Peterson de Altium, las interconexiones ópticas integradas para diseños de ultra alta velocidad en PCB pueden incluso convertirse en una necesidad con 5G a la vuelta de la esquina. No es un gran salto, entonces, considerar las posibilidades de futuros PCB, incluidas las capas ópticas que son fáciles de diseñar y proporcionan conexiones de señal de alto ancho de banda y bajo ruido.