编者按：本文部分内容最初发表于2006年。作者更新文中一些信息后，再次发表。 目前，高密度互连HDI正越来越多地用于超高速应用，随之出现了光电子学挑战和将光器件集成到印制电路的挑战。预计到2025年光集成电路复合年增长率将接近40%，其中光电路板将保持同步增长。
本文介绍了欧洲、日本及北美组织发表的关于集成光电电路板的相关问题、材料和现有工艺。除了介绍全球光电聚合物领域的主要企业外，本文还将概述全球三大集团的当前项目：
- GuideLinkTM（杜邦公司、惠普公司、OpticalinterLink公司，美国）· TOPCat（NIST公司、3M公司、固特异公司，美国）· Truemode（英国Terahertz公司）· OptoBump（日本NTT公司）· JIEP（日本） - EOCB（乌尔姆大学、Fraunhafer Inst研究所、Daimler-Chrysler公司、西门子公司，欧洲） - Terabus项目（IBM公司、 Avago公司， 美国） - 集成光电互连PCB制造（英国）· PhoxTroT：高性能、低成本、低能耗数据中心及高性能计算系统用光器件：Terabit/s Optical Interconnect Technologies公司（欧洲）
引言本文无法全面概述自2003年以来光电电路板发展的所有成就和详情。电子书《光纤数据通信手册：光网络实用指南》对此进行了很好的总结。参考文献中的第26篇论文——《光背板、电路板和芯片互连》详述了2008年前光电电路板的发展概况，其参考了43篇优秀的文献。
光电印制电路基于HDI微通孔技术，除了极高频率的电信号需求外，还包括集成光波导的要求。越来越严格的成本目标正在加剧与当今更小、更密集、更轻和更快系统相关问题的复杂性。当采用光电产品时，集成波导传输形式是关键。
光器件与电气性能传统电气互连技术的性能受到潜在物理属性的限制，以下是应对高阶电子产品挑战的五大障碍。
- 互联网“数据包”的带宽和不断增长的数据量（图1）；· 需要进行“大规模并行计算核心”通信的未来挑战；· 航空、航天及汽车质量和耗电量的降低；· 由衰减和色散引起的数据速率长度积有限，主要受介电材料高频趋肤效应和频率相关损耗因子tan的影响；· 由于每个互连的数据速率有限，导致元件级和连接器级的大量单个互连（引脚数）增加，芯片I/O达到CPU的速度。
无线设备和高带宽应用日益普及给互联网带来了巨大的负荷。例如，PCIExpress（PCIe®）接口的每通道数据速率已从1.0代的2.5 Gbps增加到当前3.0代的8.0 Gbps，预计到4.0代将增加到16.0 Gbps。图1显示了互联网和IP流量需求趋势。
IBM光传输发展路线图旨在满足这一未来需求。对于“云计算”，IBM的发展路线图（见图2）显示了全球联网、城域网/本地网、机架板模块和芯片的发展进程。
要想实现10.0 Gbps以上的更高速度，光连接似乎是解决方案。IBM超级计算机的光互连线缆从2006年的5000根增长到2011年P775的54万多根。下一代机器Blue Water将拥有超过500万条光纤线缆。在最后两种产品实现中 ，安捷伦和Avago MicroPOD TM光纤连接器实际上已延伸到中央处理器模块，而不是在PCB卡边缘端接光纤（如图18所示）。
电子和光子之间的竞争（铜和波导）现在已延伸至最后100米。从Terabus项目的路线图来看，光线路的数量在增加，光线路的密度也在增加，相应地，成本和功耗也在下降。目前，重点是
电子与光子为什么要关注光子学？因为那是1966年《星际迷航》中USS Enterprise的技术！但除了科幻小说之外，光子还具有优于电子的固有优势。首先，它不会产生磁场，也不会受磁场的影响，这在降噪方面有巨大优势。第二个优点是密度，小而紧凑。第三，单个通道（波导）和连接器可以更紧密地封装在一起，而不会产生噪音或串扰。IBM的光学发展路线图（见图3）列出了这些优势。2006年，IBM超级计算机在卡的边缘使用了一条光缆，在卡的边缘使用了多条光纤，并在整个板上使用了多条光纤连接到处理器处的各个连接器（图3d, MicroPODs）。据报道，2015年在配有光学连接器和插座的卡和背板上部署了集成光波导。据预测，到2020年，将在芯片上、核心和内存之间以及板和背板之间实现光互连。
在可预见的未来，系统将是高速光和较慢电子数据总线电路的混合体，见图4。实际的电路要素可能是光计算、内存、加密、分析以及数据分布，实现科幻作家的预言。
光器件与波导电信号可以在一根导线或一条走线上多路复用，但许多激光频率可以在一根波导上多路复用。这使得信息处理能力提高了1000倍，同时不受磁场和电场（如电子信号）的影响。
未来几年，预计集成光学板和背板将稳步增长。ElectroniCast预测，到2020年，刚性和挠性光电路板的生产总值将达到39.65亿美元。以有效的方式和较低的成本布线长线路光信号的需要引起了对集成光波导和光布线方法的关注。当前的信号布线方法是将光信号转换为电子信号，对其进行查询，再将其切换到下一个目的地，然后再转换回光信号。所有这些都形成了业界所称的“太比特路由器”，需要多达42层的大型复杂多层电路。对于集成光器件，这可能需要由一个或两个独特的PCB组件完成。“板对板”光电系统见图4。
在价值供应链中，设计过程与制造过程同等重要。需要开发的最重要元件和制造技术如下：
- 光波导和将其集成到PCB的技术· 用于实现光发射器和接收器的电光和光电转换器，以及 - 实现光元件到板连接器的稳健耦合概念 - 板到板连接器 - 板到光纤连接器
以下工具、模型、算法和方法是提供光电印制电路板有效设计所必需的：
- 支持时域的仿真模型和算法；· 光互连仿真；· 光互连和整个光电的布线和总设计规则，以及在功能、技术和成本要求方面分析和优化光电印制电路板的方法。
许多技术正在开发，包括多模式波导叠片、通孔光耦合、表面处理和焊接连接器 。
这种集成光电组件需要考虑PCB许多新的因素：
- 光波导材料· 3D制作技术· 新元件· 3D组装技术
光波导材料目前行业考虑用于集成波导的光材料是聚合物。聚合物有许多优点：
- 稳定性高——热稳定性和长期光稳定性。在85℃/85 RH、焊接温度>230℃、分解温度>350℃条件下，测试Bellcore Telecordia（即1209、1221）的合规性；· 成熟产品——在过去100年中获得了大量关于聚合物的数据，包括所有常用的光抗蚀剂；· 实用——具备其他材料所没有的特性（如弯曲半径、调制器和索引优化），以及独特的加工选项（如光刻、反应性离子蚀刻（RIE）、直接激光写入、模压和印刷）聚合物也有许多缺点：· 不稳定——许多材料具有较低的热稳定性（POF低于80℃ ）和会光降解，对分层、水分和化学品敏感；· 未知领域——新材料需要新的工艺、设备和经验；· 一些聚合物POF损耗为20 dB/km，而光学玻璃的损耗小于0.1 dB/km；· 聚合物的封装成本为器件总成本的80%。
候选材料有丙烯酸酯、卤代丙烯酸酯、环丁烯、聚酰亚胺和聚硅氧烷。表1列出了一些最常用的材料。
工业光波导材料7家商业公司的文献中出现了6种材料：
- Wacker公司的聚二甲基硅氧烷（PDMS）· Chamie公司和Dow公司合作开发的 Corning-OE4140· Exxelis Truemode公司的可光刻丙烯酸酯· MicroChem-NanoSU-8-50公司的可光刻环氧树脂· 日立化学公司的可光刻丙烯酸薄膜· OpticalinterLinks公司可在Mylar上光刻的丙烯酸酯单体，命名为GuideLinkTM
其中PDMS和丙烯酸酯2种波导材料似乎占主导地位。制造工艺如图5所示。
光电电路板（Electrical Optical Circuit Boards，EOCB）这项工作是德国电气/光学电路板和OptoSys项目的组成部分，该项目由德国政府教育和研究部（Department of Education and Research ，简称BMBF）根据16SV802/6和01BP801/01拨款支持。（多特蒙德大学、乌尔姆大学和弗赖堡的Fraunhafer Institute for Applied Solid-State-Physics研究所正在分别参与其中的子项目。）
德国的技术发展进程与英国和美国的很相似，都是从大学的实验室发展到工业公司制造样品和基础设施。上一次更新中，西门子C-Lab代表的EOCB现已被商业公司取代。
此工艺使用压花模具（垫片）对波导的箔结构进行热压。光学材料Topas填充变形的芯材。固化后，芯材被层压到EOCB中。
热压工艺是一种可能的制造方法，其基于第一制造脊形波导，然后在第2个步骤中将脊形波导层压在聚合物衬底上。最后，用覆包层填充后就形成了光学层。为了满足已经提到的高温要求，可以使用高Tg材料，如COC或特殊聚碳酸酯。
欧洲项目的一个例子如图7和图8所示。其中展示了西门子C-Lab测试载体，名为OptoSys，由西门子AG公司、Infineon Technologies AG公司、ILFA Feinstleitetechnik Gmbh公司、Daimler Chrysler公司合作制造。
EOCB是由Andus公司、Fraunhofer IZM Berlin公司、ILFA公司、Mikropack公司、OECA公司、Robert Bosch公司、Siemens公司和帕德伯恩大学组成的联盟。它们现在被商业公司取代，如瑞士维林根的Vario Optics AG公司，并由Microtec GmbH laboratories实验室测试/鉴定[Pusch-2006]。Microtec测试并报告了EOCB性能以及失效机制和失效预测。这为标准和鉴定预审行动提供了新信息。
欧盟已启动了一个新的光互连计划。PhoxTroT（用于高性能、低成本和低能耗数据中心、高性能计算系统、太比特/秒光互连技术的光器件）是一个为期两年、耗资1000万欧元的项目，旨在扩展光互连和基础设施的性能。
由于篇幅有限，本文节选刊登，更多内容请点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
