Tecnologia de conexão de fibra destacável em sistemas CPO

No mundo em rápida evolução da comunicação de dados de alta velocidade, a tecnologia Co-Packaged Optics (CPO) se destaca como revolucionária. Ao integrar dispositivos ópticos e eletrônicos em um único pacote, a CPO supera as limitações de largura de banda das interconexões elétricas tradicionais. No cerne de um sistema CPO bem-sucedido está um componente crítico que determina sua praticidade e capacidade de fabricação: o conector de fibra destacável. Como líder em redes de comunicação habilitadas para IA, a FiberMall é especializada em fornecer produtos e soluções de comunicação óptica com boa relação custo-benefício para data centers globais, computação em nuvem, redes corporativas, redes de acesso e sistemas sem fio. Se você está explorando opções de alta qualidade e valor agregado neste setor, a FiberMall é a sua parceira ideal — visite nosso site oficial ou entre em contato com nosso suporte ao cliente para obter mais detalhes.

Compreendendo a solução completa de CPO

A base de qualquer sistema CPO eficaz começa com a compreensão de como as conexões de fibra óptica são integradas ao longo de todo o caminho do sinal. As arquiteturas CPO modernas exigem esquemas de conexão sofisticados, que vão desde o nível do Circuito Integrado Fotônico (PIC) até as interconexões no nível do sistema.

Figura 1: Um esquema CPO completo inclui conectores de módulo, conectores de host, MPC36, conectores de backplane SN-MT e conectores de backplane ópticos distribuídos em sistemas de módulos multichip.

Uma visão abrangente revela como os Conectores Destacáveis ​​de Fibra para Chip (D-FAU) servem como blocos de construção fundamentais, permitindo o funcionamento de todo o ecossistema CPO. Essas conexões devem atender às demandas de alta densidade dos requisitos do painel frontal, à flexibilidade e escalabilidade necessárias para aplicações mid-board e manter um desempenho robusto e repetível no nível do backplane.

A Importância da Destacabilidade

A necessidade de conexões destacáveis ​​em sistemas CPO decorre de considerações econômicas e práticas, que se tornam evidentes ao analisar cenários de fabricação no mundo real. Considere os desafios de manusear um Módulo Multichip (MCM) com mais de 1000 fibras permanentemente conectadas ao redor de seu perímetro — tal configuração é praticamente impraticável para fabricação, testes ou manutenção.

Figura 2: A complexidade de lidar com um MCM com mais de 1K de fibras, mostrando opções de conexão destacáveis, incluindo configurações de conexão elétrica destacável, conexão óptica de placa intermediária, conexão de borda do pacote destacável e conexão de borda do chip destacável.

Quando uma única falha de fibra pode comprometer todo um módulo multichip caro, o argumento econômico se torna convincente. Conexões destacáveis ​​fornecem múltiplos pontos de intervenção estratégicos, permitindo o isolamento e a resolução de problemas sem sacrificar todo o conjunto. Essa tecnologia identifica três estratégias principais de descolamento óptico: conexões intermediárias usando jumpers curtos, receptores de borda do pacote permanentemente selados no pacote e os métodos mais avançados de conexão destacável de borda do chip que interagem diretamente com o mecanismo óptico.

Tecnologia de expansão de feixe para requisitos de tolerância relaxados

Um dos desafios técnicos mais significativos em sistemas CPO envolve alcançar um acoplamento óptico confiável, mantendo tolerâncias de fabricação razoáveis. As conexões diretas de fibra tradicionais exigem alinhamento extremamente preciso, tornando-as impraticáveis ​​para aplicações destacáveis ​​que exigem conexões repetidas.

Figura 3: Tecnologia de expansão de feixe com diâmetro de campo modal (MFD) entre 35-50 mícrons, proporcionando um equilíbrio ideal entre tolerâncias de desalinhamento linear e angular, incluindo curvas de desempenho e análise de diafonia.

A tecnologia de expansão de feixe aborda esse desafio aumentando intencionalmente o diâmetro do feixe, criando um ambiente de alinhamento mais tolerante. Um ponto ideal surge quando o diâmetro do campo modal atinge aproximadamente 35 a 50 mícrons, oferecendo o melhor equilíbrio entre a tolerância ao deslocamento linear (que melhora com diâmetros de feixe maiores) e a sensibilidade ao desalinhamento angular (que se torna mais crítica com diâmetros de feixe maiores). Essa abordagem também ajuda a minimizar a diafonia entre canais adjacentes, mantendo o passo de 127 mícrons necessário para aplicações de alta densidade.

Integração Avançada de Motor Óptico

A integração da tecnologia de expansão de feixe em mecanismos ópticos práticos demonstra a sofisticação necessária para implementações modernas de CPO. O Mecanismo Fotônico Universal Compacto (COUPE) da TSMC exemplifica como processos avançados de semicondutores podem ser combinados com interfaces ópticas precisas.

Figura 4: Mecanismo Fotônico Universal Compacto da TSMC, com meta-lentes incorporadas, soluções de acoplamento de superfície e características de desempenho, incluindo eficiência de acoplamento de 1.2 dB e largura de banda de 25 nm.

Este sistema atinge métricas de desempenho excepcionais, incluindo aproximadamente 1.2 dB de perda de acoplamento por metade do loopback óptico, mantendo uma largura de banda operacional de 25 nanômetros. A abordagem de meta-lente incorporada permite o acoplamento de superfície por meio de grades unidimensionais, embora exija um controle de tolerância angular extremamente rigoroso de mais ou menos 0.1 grau. A compatibilidade com o processo CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) da TSMC destaca como a tecnologia CPO potencializa a infraestrutura avançada de encapsulamento existente.

Soluções de Conectores de Alta Densidade

Atender aos requisitos de densidade dos sistemas CPO modernos exige designs de conectores inovadores que maximizem a contagem de fibras, preservando a precisão necessária para um desempenho óptico confiável. O desenvolvimento de conectores de circuitos integrados fotônicos metálicos representa um avanço significativo para atingir esses objetivos concorrentes.

Figura 5: Várias configurações de conectores de circuito integrado fotônico de metal (8F, 16F, 20F, 36F) com passo de 127 mícrons e vistas detalhadas da seção transversal mostrando plataformas ópticas de metal para acoplamento de feixe expandido com chips fotônicos de silício.

Esses conectores utilizam tecnologia de plataforma óptica metálica de precisão para alcançar a estabilidade mecânica necessária, acomodando contagens de fibras de 8 a 36 em um formato compacto. O passo de 127 mícrons atende aos requisitos de expansão do feixe, enquanto as estruturas de precisão com ranhuras em V metálicas garantem o posicionamento repetível das fibras. Projetos de estrutura termicamente estáveis ​​solucionam incompatibilidades no coeficiente de expansão térmica que poderiam afetar o alinhamento óptico durante variações de temperatura.

Metodologia de Alinhamento de Precisão

O sucesso das conexões CPO destacáveis ​​depende, em última análise, de estratégias de alinhamento sofisticadas que equilibrem as demandas conflitantes de precisão, estabilidade mecânica e conveniência da conexão. Compreender as compensações entre os diferentes métodos de restrição fornece insights sobre as escolhas ideais de projeto.

Figura 6: Comparação dos métodos de acoplamento com restrição excessiva, restrição exata e cinemático, mostrando a solução de alinhamento de precisão da Senko posicionada entre pontos de múltiplos contatos e pontos de contato mínimos para desempenho ideal.

Esse espectro abrange desde sistemas com restrições excessivas, que proporcionam máxima rigidez e precisão por meio de contatos de superfície conformes, até acoplamentos cinemáticos com restrições exatas, que oferecem posicionamento e estabilidade térmica exclusivos por meio de pontos de contato mínimos. A solução de alinhamento de precisão da Senko ocupa um meio-termo, proporcionando precisão e rigidez aprimoradas em comparação com sistemas com restrições exatas, mantendo repetibilidade quase equivalente e suportando múltiplos ciclos destacáveis. Essa abordagem requer forças de pré-carga moderadas e oferece dinâmica estrutural aprimorada por meio de vãos sem suporte mais curtos e características de amortecimento aprimoradas.

Integração de Fabricação e Otimização de Custos

O caminho para a viabilidade comercial da tecnologia CPO requer processos de fabricação que alcancem a precisão necessária, mantendo custos e rendimentos razoáveis. A integração de conexões destacáveis ​​em nível de wafer é um passo fundamental para atingir esse objetivo.

Figura 7: Fluxo de processo simplificado no nível de wafer para a implementação de FAU destacável da Senko, mostrando a progressão do wafer fotônico de silício através da montagem da meta-lente, montagem do receptor, teste, corte e estágios de empacotamento final.

Essa abordagem de fabricação permite testes em nível de wafer antes do corte, reduzindo significativamente os custos de falhas ao identificar problemas antes de operações dispendiosas de empacotamento. O processo acomoda técnicas de alinhamento passivas e ativas e integra-se perfeitamente à infraestrutura de fabricação de semicondutores existente. Múltiplos refluxos e processos de limpeza flexíveis são necessários ao longo do caminho, do wafer ao módulo multichip final, mas a capacidade de realizar testes passivos em cada etapa oferece oportunidades cruciais de otimização de rendimento.

A integração de conexões de fibra destacáveis ​​em sistemas CPO não representa apenas uma conquista técnica, mas também abre um novo paradigma para computação óptica de alta largura de banda, onde as vantagens da integração fotônica podem ser obtidas sem comprometer os requisitos práticos de fabricação, testes e manutenção de campo que tornam a implantação comercial viável.