太赫兹 (THz) 系统是电子领域的下一个前沿领域之一。THz 应用预计将包括自动驾驶汽车的汽车高级驾驶辅助系统 (ADAS)、5G 和 6G 等下一代电话、用于元宇宙的增强现实和虚拟现实 (AR & VR) 技术等。THz 电子产品的开发将面临许多挑战，而连接器和互连技术将是关键之一。
THz 波段通常定义为 0.1 至 3.0 THz 的频率，位于顶端光学频率和底端微波频率之间。本常见问题解答将回顾 THz 系统的微同轴、波导和光纤连接的融合，并研究如何使用这些连接器来连接不同的系统、系统内，甚至集成电路和系统级封装设计（图 1）。
图 1：各种 THz 连接器技术正在用于各种应用并得到开发。（图片：IEEE 微波杂志）
随着频率不断上升，使用铜线互连变得越来越困难。提高铜线数据速率的一种方法是限制互连长度。这不是一个不常见的策略；铜线以太网数据速率大约每四年翻一番。与此同时，铜线以太网的最大互连长度正在减半。这是铜线互连固有限制的必然结果，但它引发了一个关于数据速率翻倍的有效性的问题。
铜、波导和光纤
虽然传统铜互连预计在最常见的系统频率中仍占主导地位，但波导和光纤互连的使用正在增加。波导可以在 THz 频率下替代铜，尤其是在频段的低端。虽然波导比光纤互连损耗更大，但它们可以提供比铜更低的衰减。即使在低至 75 GHz 的频率下，优化的波导的损耗也比 1 米铜背板低 90 dB 以上。波导的缺点（例如结构更大、成本更高）大多阻碍了它们在相对较低的频率下使用。
随着频率的增加，波导和铜之间的相对性价比差距缩小。当频率接近可以使用光学互连的阈值时，波导可以提供一种对错位更稳健且更具成本效益的选择。在 THz 频谱的上端，与光学互连相比，波导互连对错位的容忍度可以高出几个数量级，并且与铜相比，损耗要低得多。
随着波导变得越来越普遍，铜、波导和光互连之间的界限预计将继续发生变化。关键之一是开发与目前用于双轴电缆的低成本波导制造技术类似的商业技术。当然，没有完美的互连技术可以为所有数据速率、效率、成本和其他要求的组合提供灵丹妙药。
封装和互连
互连是封装的一个重要方面。封装的其他方面包括组成部分的机械平台、不同程度的环境保护、EMI 屏蔽、热管理等等。对于工作频率低于 THz 范围的 IC，带有金属球或梁式引线（用于输入/输出 (I/O) 引脚）的模压塑料封装可提供所需的信号完整性和性能。适用于微波的技术不一定适用于 THz 设备。与微波设备相比，THz 封装和互连在信号损耗、尺寸稳定性和制造方面有更多限制（图 2）。THz 互连仍在不断涌现和发展。人们正在考虑基于陶瓷技术的解决方案，但成本也是一个因素，而微加工或 3D 打印可以提供更轻、更具成本效益的替代方案。
图 2：最小化信号损失和保持尺寸稳定性是 THz 封装的重要考虑因素。（图片：IEEE 会议纪要）
同轴电缆性能和局限性
简单的金属线互连，甚至在微波和较低频率下工作良好的同轴电缆连接，在 THz 频率下都会出现问题。需要非色散且在高频下具有受控阻抗的传输线结构。THz 操作也可能需要波导结构。这是一个新领域，伴随着对 PC 板厚度、最小信号线间距以及连接器中信号接口结构尺寸的担忧。
例如，即使经过修改，传统的 50 Ω 同轴连接器在 THz 频率下也可能不实用。图 3 说明了 50 Ω 同轴连接器相对于 TE11 模式截止频率的预期尺寸。TE11 模式很重要，因为 TE11 模式具有最低截止频率，并且是圆形波导中的主导模式。即使消除内、外连接器之间的电介质，对于 300 GHz 截止频率，中心针直径预计也为 0.2 mm。50 Ω 同轴连接器中如此小的中心针在实际安装中不会可靠或耐用（图 3）。
图 3：在 THz 频率下，50 Ω 同轴连接器的中心针太小，不适用于商用系统。（图片：EEE 会议纪要）
另一方面，矩形波导在高度耐用、可靠且可重复的配接系统中具有低损耗。这些波导可能是 THz 系统的首选连接器几何形状，即使它们相对较大并且通常具有有限的工作带宽。波导可以在 THz 频率下提供尺寸和稳健性之间的最佳平衡。例如，科学和军事系统中使用的波导法兰设计已针对配接的可重复性和准确性进行了优化。将这些波导法兰设计概念应用于商用连接器可以实现新一代 THz 连接器。
用于 THz 系统的光子连接器
成本可能是集成光子器件商业化的一个限制因素，尤其是高效光学接口的成本。已经开发出一种即插即用连接器，它使用三维 (3D) 聚合物结构连接光纤和纳米光子波导，同时实现机械和光学对准，公差优于 ±10 μm。使用 3D 纳米打印直接在铸造厂生产的衍射光栅耦合器上制造原型漏斗连接器。
漏斗壁通过最小化光纤长度来控制光泄漏，聚合物波导与光纤模式匹配。使用全内反射 (TIR) 镜和光栅耦合器将光耦合到硅波导。TIM 镜与漏斗同时制造。TIR 镜利用倾斜面和聚合物与空气之间的折射率差异，以所需的衍射角将光重新定向到光栅耦合器中。漏斗还是一种被动机械支撑和布线结构，可光学对准光纤，以便与波导进行边缘耦合。通过将光纤布线到漏斗中，无论其相对于漏斗中心的确切位置如何，都可以支持宽对准公差（图 4）。
图 4：该光纤漏斗和 TIM 镜 THz 连接器支持宽对准公差。（图片：Optics Express）
除了固有的光栅耦合器损耗外，连接器在高限制硅波导和单模光纤波导之间还表现出约 0.05 dB 的过量耦合损耗。由此产生的连接器平台有望扩展到各种 THz 应用。
测试表明，漏斗连接器设计在 20 至 100 °C 的温度范围内，光纤模场直径 (MFD) 变化高达 ±2 μm，具有很强的稳定性。在整个温度范围内，损耗变化在 0.6 dB 以内。这与商用光子连接器相比非常出色，后者通常最高额定温度为 70 °C。此外，所提出的漏斗连接器的尺寸和放置要求与当前的大批量微电子生产工具兼容。平台制造可以在晶圆级完成，不需要洁净室环境。
文章转载自微信公众号：汽车研究院auto