太赫兹(THz)系统代表了电子学的下一个前沿领域之一。太赫兹的应用预计将包括用于自动驾驶汽车的汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)、5G和6G等下一代电话技术、用于元宇宙的增强和虚拟现实(AR & VR)技术等。太赫兹电子技术的发展将面临许多挑战，而连接器和互连技术将是其中的关键之一。
太赫兹波段通常定义为0.1到3.0太赫兹的频率，位于顶部的光学频率和底部的微波频率之间。本FAQ将回顾微同轴的收敛，波导以及用于太赫兹系统的光纤连接，并研究这些连接器将如何用于不同系统之间、系统内部、甚至集成电路和系统封装设计中的桥接(图1)．
随着频率不断攀升，使用铜互连变得更具挑战性。在铜线上提高数据速率的一种方法是限制互连长度。这不是一个不寻常的策略;通过铜线传输的以太网数据速率大约每四年翻一番。与此同时，以太网在铜线上的最大互连长度正在减半。这是铜互连固有局限性的必然结果，但它提出了一个关于数据速率翻倍的有效性的问题。
铜、波导和光纤
虽然传统的铜互连预计将在最常见的系统频率上保持主导地位，但波导和光纤互连的使用正在增加。波导可以在太赫兹频率下提供铜的替代品，特别是在波段的低端。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，优化的波导也比1米铜背板的损耗降低了90 dB以上。波导的缺点，比如更大、更昂贵的结构，主要阻碍了它们在相对低频率下的使用。
随着频率的增加，波导和铜之间的相对性价比差距缩小。当频率接近阈值时，可以证明使用光互连是合理的，波导可以提供一种更稳健的不对准和成本效益的选择。在太赫兹频谱的上端，波导互连与光学互连相比，可以有几个数量级的偏差容忍度，并且与铜互连相比提供更低的损耗。
铜、波导和光互连之间的界限预计将继续变化，波导将变得更加普遍。其中一个关键是低成本波导制造技术的商业开发，类似于目前用于双轴电缆的技术。当然，没有完美的互连技术可以为数据速率、效率、成本和其他需求的所有组合提供灵丹妙药。
包装和互连
互连是包装的一个重要方面。包装的其他方面包括组成部分的机械平台、不同级别的环境保护、EMI屏蔽、热管理等。对于工作频率低于太赫兹范围的ic，带金属球或用于输入/输出(I/O)引脚的模制塑料封装可提供所需的信号完整性和性能水平。适用于微波的方法不一定适用于太赫兹设备。与微波器件相比，太赫兹封装和互连在信号损耗、尺寸稳定性和制造方面有更多的限制(图2)．太赫兹互联仍在不断出现和发展。基于陶瓷技术的解决方案正在考虑中，但成本也是一个因素，微加工或3-D打印可能提供更轻重量和更具成本效益的替代方案。
哄的性能和局限性
简单的金属线互连，甚至同轴连接，在微波和更低的频率下工作良好，在太赫兹频率下就会出现问题。传输线结构是非色散的，并有控制阻抗在高频是必要的。太赫兹操作也可能需要波导结构。这是一个新的领域，伴随着对PC板厚度、最小信号线间距和连接器中信号接口结构尺寸的关注。
例如，传统的50-Ω同轴连接器即使经过修改，在太赫兹频率下也可能不实用。图3显示了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模式具有最低的截止频率，是圆形波导中的主要模式。即使消除了内外连接器之间的介电，对于300 GHz的截止频率，中心引脚直径预计为0.2 mm。在50-Ω同轴连接器中，如此小的中心引脚在实际安装中不可靠或不耐用(图3)．
另一方面，矩形波导在高度耐用、可靠和可重复的配合系统中提供低损耗。这些波导可能是太赫兹系统的首选连接器几何形状，即使它们相对笨重，通常具有有限的工作带宽。波导可以在太赫兹频率下提供尺寸和稳健性之间的最佳权衡。例如，在科学和军事系统中使用的波导法兰设计已经优化了匹配的重复性和准确性。将这些波导法兰设计概念应用于商业连接器可以实现新一代太赫兹连接器。
用于太赫兹系统的光子连接器
成本可能是集成光子学器件商业化的一个限制因素，特别是高效光接口的成本。一种即插即用连接器已经开发出来，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齐，公差大于±10 μm。采用3D纳米打印技术直接在铸造厂生产的衍射光栅耦合器上制备漏斗接头原型。
漏斗壁通过减小光纤长度来控制漏光，聚合物波导与光纤模式匹配。光通过全内反射镜和光栅耦合器耦合到硅波导上。TIM反射镜与漏斗同时制作。TIR反射镜利用倾斜的小面和聚合物与空气之间的折射率差将光线重定向到光栅耦合器所需的衍射角。漏斗也是一个被动的机械支撑和路由结构，光学对准光纤的边缘耦合与波导。通过将纤维独立于其相对于漏斗中心的确切位置导入漏斗，可以支持较大的对准公差(图4)。
除了固有的光栅耦合器损耗外，该连接器在高约束硅波导和单模光纤波导之间表现出约0.05 dB的额外耦合损耗。由此产生的连接器平台预计将可扩展到各种太赫兹应用。
测试表明，漏斗连接器设计在20到100°C的温度范围内对光纤模场直径(MFD)的变化(±2 μm)具有鲁棒性。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好，通常额定最高温度为70°C。此外，所提出的漏斗连接器的尺寸和位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。
总结
太赫兹波段占用0.1到3.0太赫兹，位于顶部的光学频率和底部的微波频率之间。根据工作频率和系统架构的不同，微同轴、波导和光纤连接可以在微波系统、太赫兹系统和光学系统之间提供链接。新的太赫兹互联技术正在开发中，以支持强大、低成本、可扩展和高性能的光子学系统。
参考文献
宽带太赫兹金属线信号处理器MDPI光子学
太赫兹互联技术的创新， IEEE微波杂志
太赫兹电子封装， IEEE论文集
即插即用光纤到波导连接器，光学快车
太赫兹集成电子和混合电子-光子系统，自然电子
了下:连接器技巧
