Um diagrama comparando a densidade de interconexão elétrica e óptica

Design de luz e PCB: o futuro das interconexões ópticas é brilhante

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Com a lei de Moore cada vez mais questionada, os engenheiros estão procurando tecnologias alternativas para aumentar a largura de banda de dados e o poder de processamento. Uma dessas tecnologias é a tecnologia de interconexão óptica.

Pesquisadores Sumita Mishra, et al. observe que houve uma onda de pesquisas sobre a tecnologia de interconexão óptica, que se concentra essencialmente na integração de sistemas ópticos com sistemas elétricos para criar links de dados de alta velocidade.

Neste artigo, discutiremos o lugar da luz no design de PCBs e avaliaremos um novo ramo de interconexões ópticas que promete maior largura de banda e conexões de sinal de baixo ruído.

Abordando um mito sobre a luz

A Light, que já está substituindo os fios de cobre tradicionais nas telecomunicações, é uma candidata muito tangível à substituição de conexões elétricas por vários fatores, de acordo com um capítulo sobre sistemas de comunicação óptica da Universidade do Colorado Boulder. Isso é especialmente relevante, dadas as altas demandas da rede 5G. Mas antes de explicarmos esses fatores, há um mito que precisa ser esclarecido com relação à luz.

Alguns acreditam que a luz é melhor que a corrente elétrica, porque é mais rápida que a eletricidade e, portanto, pode transportar informações de um lugar para outro mais rapidamente. Isso, em alguns casos, é factualmente incorreto porque a luz viaja mais devagar nos cabos de fibra óptica do que a eletricidade viaja através de fios de cobre.

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Um grande profissional da luz: alta largura de banda

A vantagem de usar luz em conexões de dados é que a luz tem uma largura de banda maior, permitindo que mais bits de dados sejam transportados por segundo – resultado da maior relação sinal-ruído (SNR) que a luz possui quando comparada aos sinais elétricos.

Um diagrama comparando a densidade de interconexão elétrica e óptica

Um diagrama comparando a densidade de interconexão elétrica e óptica. Imagem (modificada) usada cortesia da IBM

Um fator que contribui para o SNR mais alto é que os cabos de fibra óptica são praticamente imunes ao ambiente, enquanto os cabos elétricos clássicos podem captar campos elétricos e magnéticos externos (ou seja, EMI). Outros fatores incluem a capacidade de enviar várias frequências de luz (vermelho, azul e verde) pelo mesmo cabo óptico sem que elas interfiram entre si, aumentando efetivamente a largura de banda geral. A luz também pode percorrer um cabo mais longo que a eletricidade antes de exigir um aumento de sinal, removendo, portanto, fontes de possível injeção de ruído.

Para saber mais sobre a diferença entre RF, óptica e uma terceira opção – RF sobre fibra, consulte o artigo técnico de Marie Christiano sobre o assunto.

Projeto de óptica e PCB

Até agora, os sistemas ópticos foram comercializados principalmente através de cabos de fibra óptica para tecnologias da Internet.

Mas existem várias tecnologias que usaram camadas ópticas em um PCB para transmitir dados ao redor da placa entre componentes. Isso é alcançado através de ranhuras especializadas de 90 ° que podem criar vias ópticas para refletir a luz até a camada componente. Pesquisadores do Instituto Internacional de Tecnologia da Malásia-Japão (MJIIT) propuseram um dispositivo de conversão de caminho de luz de 90 °, que descreve esse conceito abaixo.

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Dispositivo de conversão de caminho da luz proposto a 90 °

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Dispositivo de conversão de caminho de luz proposto a 90 °. Imagem usada cortesia de MJIIT

Porém, embora sejam possíveis conexões inter-ópticas em um único PCB, ele fornecerá apenas aumentos de largura de banda local em uma placa. O que realmente precisamos é a capacidade de conectar PCBs individuais a um backplane óptico, onde grandes sistemas de computadores podem transmitir dados através de centenas de placas. Esse sistema reduziria a complexidade das placas de interconexão sem a necessidade de muitos cabos de fibra óptica. Isso também permite a comunicação óptica direta entre ICs.

Interconexão óptica

Para resolver o problema da interconexão óptica, uma equipe de pesquisadores da Universidade Tokai desenvolveu um sistema de interconexão óptica e uma técnica de fabricação para conectar facilmente dois canais ópticos, minimizando a degradação do sinal.

O sistema conta com a tecnologia desenvolvida por outra equipe de pesquisa capaz de criar plugues ópticos semelhantes aos conectores de pinos elétricos típicos. Esses plugues são incrivelmente pequenos – com apenas 1.000 microns de comprimento e 10 μm de diâmetro – e são cultivados usando uma resina de cura UV e uma máscara de foto.

Embora esses plugues possam transmitir informações ópticas, eles são incrivelmente frágeis, o que pode ser problemático ao tentar conectá-los aos orifícios de recebimento. Esse problema foi solucionado através da fabricação de uma matriz de micro-orifícios que usava orifícios cônicos para aceitar os conectores ópticos. A imagem abaixo mostra os bujões fabricados e os orifícios cônicos resultantes que aceitam os bujões.

Bujões fabricados (à esquerda) e furos cônicos que aceitam os bujões (à direita)

Bujões fabricados (à esquerda) e furos cônicos que aceitam os bujões (à direita). Imagem usada cortesia da Tokai University

Os furos cônicos são facilmente construídos explorando um problema comum na litografia geral: a subcotação. Os processos litográficos geralmente exigem que o trabalho artístico colocado sobre um material seja o mais próximo possível, caso contrário, as bordas serão borradas e a luz UV poderá curar por baixo do trabalho artístico.

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No entanto, nesse caso, os pesquisadores usaram um espaçador; portanto, quando a luz UV brilhou através da máscara, ela produziu orifícios cônicos.

Diagrama de como um espaçador permitiu que a luz UV brilhasse de tal maneira que produzisse orifícios cônicos.

Diagrama de como um espaçador permitiu que a luz UV brilhasse de tal maneira que produzisse orifícios cônicos. Imagem usada cortesia da Tokai University

A conexão resultante entre os plugues e os orifícios cônicos foi uma degradação do sinal de 1,5 dB com um intervalo de 0,03 mm e 4,8 dB com um intervalo de 0,11 mm. O que é crucial nessa configuração é que o espaçamento apertado dos plugues não resultou em interferência entre os canais, o que seria uma grande preocupação se sinais elétricos fossem usados.

Camadas ideais serão o caminho para o futuro projeto de PCB?

Normalmente, a pesquisa de novos componentes e materiais justifica um nível de ceticismo. Como engenheiros, é natural que perguntemos, Essa nova tecnologia realmente terá um efeito significativo? Porém, quando dimensionamos essa nova pesquisa sobre interconexões ópticas, podemos ver uma promessa extra – simplesmente pelo fato de que os componentes ópticos já foram construídos com sucesso.

Como explica Zachariah Peterson, da Altium, as interconexões ópticas incorporadas para projetos de velocidade ultra-alta em PCBs podem até se tornar uma necessidade com o 5G ao virar da esquina. Portanto, não é um grande salto considerar as possibilidades de futuros PCBs, incluindo camadas ópticas fáceis de projetar e que fornecem conexões de sinal de alta largura de banda e baixo ruído.

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