“蚊子法”避免了光电路中的导线交叉
看看任何数字手表、手机或笔记本电脑的内部,你很可能会发现一块PCB——一种坚硬的绿色树脂片,上面有细小的部件,这些部件通过铜轨道微妙地连接在一起。
在铜线上运行的电力很长一段时间是在计算和电信网络中传输信息的首选方法,但它有其局限性。带宽是有限的,电线中的电阻导致能量损失,并且一根电线中的电流可以在附近导线中引起电流。
光纤是一种现代化数据传输的方法,利用这项技术的产品稳步地进入市场,也进入公共意识。一个特别突出的例子是使用用于家庭和办公室互联网的光纤电缆;一种解决铜基以太网电缆的带宽限制。
光纤可以在避免数据丢失或电磁干扰的应用中找到应用程序,但他们的Forte是他们的高带宽,如电信和计算机网络行业。随着云存储推出,需求对于大批量数据传输越来越多。
这种微型分配器配有一个注射器,可以插入液体单体中,研究人员称这种技术为“蚊子法”。
对于最高性能的计算机,存在强烈的激励,使光学和电信号的边界尽可能接近计算机,甚至将光学电路放置在计算机内。通过光学数据链接连接的光学组件预计是下一代高性能计算机的关键组成部分。
在计算机内创建光电路意味着重新思考PCB的制造方式,但可以具有巨大的收益:一旦识别了制造技术,光电路应该易于集成在PCB内,允许高密度布线和更快的数据传输一台电脑。
创建包含光电路而不是传统电路的计算机的主要挑战之一是将光学元件连接在一起。在电子元件中,数据通常通过几根并行导线组成的“总线”传输,一个芯片上的每个输出引脚对应另一个芯片上的输入引脚。如果两个芯片有不匹配的引脚布局,这没有问题——pcb是由多层组成的,所以轨道可以彼此桥接。
然而,光学电路的等效方法——称为“信道变换”——要实现起来有点困难。多氯联苯被用于空间效率至关重要的地方,所以通过一束光纤连接两个光学组件不是一个选择。
最近在这一领域的研究已经证明了方头光轨道的使用,这种光轨道可以并入多氯联苯。然而,大多数这些“波导”被设计成二维打印,这对于信道变换来说是一个巨大的问题。当信道变换发生时,磁芯——电线的光学等效物——轨道必须相交。这导致大量的通道串扰,光在核心之间泄漏。
日本横滨庆应义塾大学的Takaaki Ishigure教授和Omar Faruk Rasel博士最近发表了几篇论文,详细介绍了一种制造光波导的新技术。他们的技术巧妙地解决了这些问题,允许在没有核心相交的情况下发生信道变换,这意味着串扰和信号损耗保持在令人难以置信的低水平,同时保护波导不因弯曲而断裂或失去信号质量。
这种技术涉及使用商用部件,包括一个桌面机器人和一个微型分配器系统。将液体单体浇铸在无尘基板(如硅、玻璃或塑料)上的模具中。这种微型分配器配有一个注射器,可以插入液体单体中,研究人员称这种技术为“蚊子法”。该注射器将第二种液体单体挤压成第一种,其形状为所需的布线模式。
在磁芯交叉的位置,桌面机器人改变点胶针的高度,使磁芯不相交。一旦所有的芯都被分配,包层和芯单体都可以用紫外光固化,形成固体聚合物波导。
这种方法的早期原型揭示了一些重要的东西:当针穿过未固定的包层单体而不提供高度间隙时,当它穿过现有的芯体时,它扰乱了它们的形状。这些磁芯形状的意外改变会降低信号质量。为了避免这种情况,针必须通过足够高的先前放置芯。
串扰和信号损耗保持令人难以置信的低,同时保护波导中断或失去信号质量由于弯曲。
然而,更大的高度偏差需要更严重的方向变化,这可能不利于新波导传输光信号的能力。保持电线之间的高度差尽可能低,对于保持这些结构的紧凑形式也很重要。
因此,最佳的高差之间的核心是一个折衷,保持良好的间隙波导,同时最大限度地减少光学损失由于弯曲。Ishigure教授和Rasel博士需要研究3D波导结构中的几个变量,在波导的两端使用一个激光二极管和一个功率计来找到最优的高度差。
通过比较包含不同弯曲角度、不同弯曲半径和高度差的不同波导结构与完全直线波导,研究人员能够识别出弯曲半径为20 mm、高度差为0.240 mm的各种波导结构。
这种小的高度差——不到四分之一毫米——还有其他优点。波导治愈它收缩,这导致翘曲。这种效应在较厚的波导结构中更加明显,并且可以通过保持较低的波导厚度来避免。
其中最重要的因素是光损耗,通过确保最佳的芯半径来控制光损耗。这可以通过调整针扫描速度、点胶压力和蚊子点胶针直径的方法来控制。
Mosquito方法的一个方便特性是,它允许核心半径有更大的容忍度。传统的波导和光纤电缆通常会在核心和包层材料之间的折射率发生突然的变化,从而发生完全的内部反射。这种类型的核心被称为“步进指数”(SI)核心。
由于两种液体单体共存,且在紫外光固化前可以相互扩散一点,因此波导芯与包层材料之间的折射率变化是渐进的。这种类型的磁芯被称为梯度指数(GI)磁芯,它仍然限制光线,使磁芯以正弦的方式发挥波导的作用。然而,光束逐渐改变方向,呈正弦波形状,而不是发生在核心边界的尖锐反射。这不仅允许更大的波导半径的容忍度,它也减少了s形弯曲的光损耗,这是必要的通道变换光波导结构。使用Mosquito方法创建的单模聚合物波导的核心半径约为5.4微米。
这些器件具有低损耗和通道串扰,这意味着它们可以替代使用多光纤来连接PCB内部和PCB之间的光学元件。
个人反应
使用蚊子方法创建的光学数据链接显然是高性能计算的有价值的制造技术。