Technologie de connexion par fibre détachable dans les systèmes CPO

Dans le monde en constante évolution des communications de données à haut débit, la technologie CPO (Co-Packaged Optics) révolutionne le marché. En intégrant des dispositifs optiques et électroniques dans un seul boîtier, la technologie CPO s'affranchit des limitations de bande passante des interconnexions électriques traditionnelles. Au cœur d'un système CPO performant se trouve un composant essentiel qui détermine sa praticité et sa fabricabilité : le connecteur fibre détachable. Leader des réseaux de communication basés sur l'IA, FiberMall est spécialisé dans la fourniture de produits et solutions de communication optique économiques pour les centres de données mondiaux, le cloud computing, les réseaux d'entreprise, les réseaux d'accès et les systèmes sans fil. Si vous recherchez des options de haute qualité et à prix avantageux dans ce domaine, FiberMall est le partenaire idéal. Visitez notre site web officiel ou contactez notre service client pour plus d'informations.

Comprendre la solution CPO complète

La base de tout système CPO efficace repose sur la compréhension de l'intégration des connexions fibre optique tout au long du trajet du signal. Les architectures CPO modernes nécessitent des schémas de connexion sophistiqués, allant du circuit intégré photonique (PIC) jusqu'aux interconnexions système.

Figure 1 : Un schéma CPO complet comprend des connecteurs de module, des connecteurs hôtes, des connecteurs MPC36, des connecteurs de fond de panier SN-MT et des connecteurs de fond de panier optique répartis sur des systèmes de modules multi-puces.

Une vue d'ensemble révèle comment les connecteurs détachables fibre-puce (D-FAU) constituent les éléments fondamentaux du fonctionnement de l'ensemble de l'écosystème CPO. Ces connexions doivent répondre aux exigences de haute densité des faces avant, à la flexibilité et à l'évolutivité requises pour les applications mid-board, et maintenir des performances robustes et reproductibles au niveau du fond de panier.

L'importance de la détachabilité

La nécessité de connexions détachables dans les systèmes CPO découle de considérations économiques et pratiques, qui deviennent évidentes lors de l'examen de scénarios de fabrication réels. Prenons l'exemple des défis liés à la gestion d'un module multipuce (MCM) comportant plus de 1000 XNUMX fibres fixées en permanence sur son périmètre : une telle configuration est quasiment impossible à réaliser pour la fabrication, les tests ou la maintenance.

Figure 2 : La complexité de la gestion d'un MCM avec plus de 1 XNUMX fibres, présentant les options de connexion détachables, notamment les configurations détachables électriques, détachables optiques au milieu de la carte, détachables au bord du boîtier et détachables au bord de la puce.

Lorsqu'une seule défaillance de fibre peut compromettre l'intégralité d'un module multipuce coûteux, l'argument économique devient convaincant. Les connexions détachables offrent de multiples points d'intervention stratégiques, permettant d'isoler et de résoudre les problèmes sans compromettre l'assemblage complet. Cette technologie identifie trois principales stratégies de détachement optique : les connexions milieu de carte utilisant des cavaliers courts, les récepteurs de bord de boîtier scellés de manière permanente dans le boîtier, et les méthodes de connexion détachables de bord de puce les plus avancées, interfaçant directement avec le moteur optique.

Technologie d'expansion de poutre pour des exigences de tolérance assouplies

L'un des défis techniques les plus importants des systèmes CPO consiste à obtenir un couplage optique fiable tout en maintenant des tolérances de fabrication raisonnables. Les connexions directes traditionnelles par fibre optique nécessitent un alignement extrêmement précis, ce qui les rend peu pratiques pour les applications détachables nécessitant des connexions répétées.

Figure 3 : Technologie d'expansion de faisceau avec diamètre de champ modal (MFD) compris entre 35 et 50 microns, offrant un équilibre optimal entre les tolérances de désalignement linéaire et angulaire, y compris les courbes de performance et l'analyse de la diaphonie.

La technologie d'expansion de faisceau relève ce défi en élargissant intentionnellement le diamètre du faisceau, créant ainsi un environnement d'alignement plus souple. Un point idéal apparaît lorsque le diamètre du champ modal atteint environ 35 à 50 microns, offrant le meilleur compromis entre la tolérance au décalage linéaire (qui s'améliore avec un diamètre de faisceau plus grand) et la sensibilité au désalignement angulaire (qui devient plus critique avec un diamètre de faisceau plus grand). Cette approche permet également de minimiser la diaphonie entre les canaux adjacents tout en maintenant le pas de 127 microns requis pour les applications haute densité.

Intégration avancée du moteur optique

L'intégration de la technologie d'expansion de faisceau dans des moteurs optiques pratiques démontre la sophistication requise pour les implémentations CPO modernes. Le moteur photonique universel compact (COUPE) de TSMC illustre comment des procédés semi-conducteurs avancés peuvent être combinés à des interfaces optiques précises.

Figure 4 : Moteur photonique universel compact de TSMC, doté de méta-lentilles intégrées, de solutions de couplage de surface et de caractéristiques de performance, notamment une efficacité de couplage de 1.2 dB et une bande passante de 25 nm.

Ce système atteint des performances exceptionnelles, avec notamment une perte de couplage d'environ 1.2 dB par moitié en boucle optique et une bande passante opérationnelle de 25 nanomètres. L'approche par méta-lentilles intégrées permet un couplage de surface via des réseaux unidimensionnels, mais nécessite un contrôle de tolérance angulaire extrêmement précis, de plus ou moins 0.1 degré. La compatibilité avec le procédé CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) de TSMC illustre comment la technologie CPO exploite l'infrastructure de packaging avancée existante.

Solutions de connecteurs haute densité

Répondre aux exigences de densité des systèmes CPO modernes exige des conceptions de connecteurs innovantes qui optimisent le nombre de fibres tout en préservant la précision nécessaire à des performances optiques fiables. Le développement de connecteurs pour circuits intégrés photoniques métalliques représente une avancée significative pour atteindre ces objectifs concurrentiels.

Figure 5 : Différentes configurations de connecteurs de circuits intégrés photoniques métalliques (8F, 16F, 20F, 36F) avec un pas de 127 microns et des vues en coupe transversale détaillées montrant des plates-formes optiques métalliques pour un couplage de faisceau étendu avec des puces photoniques en silicium.

Ces connecteurs utilisent une technologie de plateforme optique métallique de précision pour atteindre la stabilité mécanique nécessaire tout en acceptant des nombres de fibres allant de 8 à 36 dans un format compact. Le pas de 127 microns répond aux exigences de dilatation du faisceau, tandis que les structures métalliques de précision à rainures en V garantissent un positionnement répétable des fibres. La conception des cadres thermiquement stables corrige les écarts de coefficient de dilatation thermique qui pourraient affecter l'alignement optique lors de variations de température.

Méthodologie d'alignement de précision

Le succès des connexions CPO détachables repose en définitive sur des stratégies d'alignement sophistiquées qui concilient les exigences de précision, de stabilité mécanique et de commodité de connexion. Comprendre les compromis entre les différentes méthodes de contrainte permet de mieux comprendre les choix de conception optimaux.

Figure 6 : Comparaison des méthodes de couplage sur-contraint, exactement contraint et cinématique, montrant la solution d'alignement de précision de Senko positionnée entre des points de contact multiples et des points de contact minimaux pour des performances optimales.

Cette gamme s'étend des systèmes surcontraints, offrant une rigidité et une précision maximales grâce à des contacts de surface conformes, aux accouplements cinématiques à contraintes exactes, offrant un positionnement et une stabilité thermique uniques grâce à des points de contact minimaux. La solution d'alignement de précision de Senko se situe à mi-chemin, offrant une précision et une rigidité supérieures à celles des systèmes à contraintes exactes, tout en conservant une répétabilité quasi équivalente et en supportant plusieurs cycles détachables. Cette approche nécessite des forces de précharge modérées et offre une dynamique structurelle améliorée grâce à des portées libres plus courtes et des caractéristiques d'amortissement améliorées.

Intégration de la fabrication et optimisation des coûts

La viabilité commerciale de la technologie CPO nécessite des procédés de fabrication garantissant la précision nécessaire tout en maintenant des coûts et des rendements raisonnables. L'intégration de connexions détachables au niveau des plaquettes est une étape clé pour atteindre cet objectif.

Figure 7 : Flux de processus simplifié au niveau de la plaquette pour la mise en œuvre de la FAU détachable de Senko, montrant la progression de la plaquette photonique en silicium jusqu'aux étapes de montage de la méta-lentille, de montage du récepteur, de test, de découpage en dés et d'emballage final.

Cette approche de fabrication permet de tester la plaquette avant le découpage, réduisant ainsi considérablement les coûts de défaillance en identifiant les problèmes avant les coûteuses opérations de packaging. Ce procédé prend en charge les techniques d'alignement passif et actif et s'intègre parfaitement à l'infrastructure de fabrication de semi-conducteurs existante. De multiples refusions et des processus de nettoyage flexibles sont nécessaires tout au long du processus, de la plaquette au module multipuce final. Cependant, la possibilité d'effectuer des tests passifs à chaque étape offre des opportunités cruciales d'optimisation du rendement.

L'intégration de connexions à fibres détachables dans les systèmes CPO représente non seulement une prouesse technique, mais ouvre également un nouveau paradigme pour le calcul optique à large bande passante, où les avantages de l'intégration photonique peuvent être réalisés sans compromettre les exigences pratiques de fabrication, de test et de maintenance sur le terrain qui rendent le déploiement commercial possible.