Rechnergestützter Entwurf und Simulation von optischen Verbindungen in Leiterplatten CAD für optische Leiterplatten

In Analogie zur elektrischen Verbindungstechnik ist ein industrieller Einsatz optischer Verbindungstechniken auf Leiterplattenebene ohne den rechnergestützten Entwurf und die Simulation optischer Lagen zukünftig kaum denkbar. Ausgehend von der rechnergestützten Layout-Erstellung optischer Lagen und einer automatisierten Entwurfsprüfung über die optische Einzelsimulation und Bewertung kritischer optischer Verbindungen bis hin zur CAM-Daten-Erstellung für die Fertigung optischer Lagen wird ein durchgehender Entwurfsprozess benötigt, der durch eine Reihe von Entwurfs- und Simulationswerkzeugen flankiert werden muss.

Rechnergestützter Entwurf und Simulation von optischen Verbindungen in Leiterplatten

In Analogie zur elektrischen Verbindungstechnik ist ein industrieller Einsatz optischer Verbindungstechniken auf Leiterplattenebene ohne den rechnergestützten Entwurf und die Simulation optischer Lagen zukünftig kaum denkbar. Ausgehend von der rechnergestützten Layout-Erstellung optischer Lagen und einer automatisierten Entwurfsprüfung über die optische Einzelsimulation und Bewertung kritischer optischer Verbindungen bis hin zur CAM-Daten-Erstellung für die Fertigung optischer Lagen wird ein durchgehender Entwurfsprozess benötigt, der durch eine Reihe von Entwurfs- und Simulationswerkzeugen flankiert werden muss.

Von Dr. Thomas Bierhoff und Dr. Jürgen Schrage

Die Entwicklung optischer Aufbau- und Verbindungstechniken für Leiterplatten und Baugruppen gilt als vielversprechender Ansatz, um die Leistungsfähigkeit zukünftiger informationsverarbeitender Systeme signifikant zu steigern. Diese Zukunftstechnologie wird inzwischen weltweit von führenden Unternehmen und Instituten im Bereich der Forschung und Entwicklung verfolgt [1 bis 5]. Grundlegendes Konzept ist dabei die Verwendung von zusätzlichen, in die konventionelle elektrische Leiterplatte integrierten optischen Kanalwellenleitern für die Realisierung optischer Verbindungen z.B. in Computer-Backplanes bis hin zu optischen Chip-to-Chip-Verbindungen [2, 3]. Auf diese Weise entsteht eine völlig neuartige, hybride elektrischoptische Verbindungstechnik, welche entsprechend dem rasant ansteigenden Bedarf an Bandbreite und Bandbreitendichte in zukünftigen Generationen informationsverarbeitender Systeme skaliert werden kann [6].

Generell gilt heute für die Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien in verschiedensten Anwendungsbereichen, dass ohne die Verfügbarkeit leistungsfähiger mathematischer Simulationsverfahren eine effiziente und wettbewerbsfähige Produktentwicklung (Fehlerminimierung, Designoptimierung, Entwicklungszeit- und -kostenreduktion) kaum mehr möglich ist. Ein Vorgehen nur nach der Methode Versuch und Irrtum ist teuer und langwierig. Beim Entwurf elektrischer Verbindungen für Leiterplatten ist der massive Einsatz von Elektronik-CAD-Software z.B. von Cadence, Mentor oder Zuken heute Stand der Technik. Für den Entwurf optischer Verbindungssysteme für Leiterplatten werden entsprechend geeignete Optik-CAD-Programme erforderlich.

Im C-LAB, dem Innovation Center des Siemens-Bereichs IT Solutions and Services und der Universität Paderborn arbeiten Forscher an der Entwicklung von entsprechenden Simulations- und Design-Tools für den rechnerunterstützten Entwurf optischer Verbindungen in Leiterplatten und Baugruppen [6 bis 9]. Diese Arbeiten unterstützen nicht nur die Weiterentwicklung der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik für Leiterplatten. Vielmehr ist die rechtzeitige Verfügbarkeit derartiger Entwurfswerkzeuge und des entsprechenden Technologie- Know-hows eine wesentliche Vorraussetzung für die wettbewerbsfähige Anwendung der neuen optischen Verbindungstechnik in zukünftigen Produktentwicklungen.

Technologie optischer Verbindungen für Leiterplatten

Für die Realisierung optischer Wellenleiter innerhalb einer Leiterplatte wird überwiegend über die Verwendung von in die Leiterplatte integrierten, optischen Kanalwellenleitern aus Polymermaterial berichtet [1, 2, 4]. Die lichtführenden Wellenleiter-Kernstrukturen werden hierzu z.B. mit Hilfe photolithographischer Verfahren innerhalb einer planaren Schicht strukturiert. Weitere Strukturierungsverfahren sind Laserdirektschreibverfahren oder Prägeverfahren. Die resultierende optische Lage wird anschließend mittels Lamination in die Leiterplatte integriert. Bild 1 zeigt den Querschnitt durch eine in FR4 einlaminierte optische Lage.

Neben den Herstellungstechnologien für strukturierte optische Lagen und deren Integration in elektrisch-optische Leiterplatten sind durchgängige CAD-Programme für den Entwurf und die Simulation der optischen Verbindungssysteme erforderlich. Aufgrund der zu erwartenden Komplexität optischer Verbindungstopologien innerhalb einer optischen Lage – beginnend bei einfachen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bis hin zu komplexen Mehrpunkt- Topologien – sowie einer Vielzahl der das Übertragungsverhalten beeinflussenden Parameter werden hierfür neue, speziell auf die Entwurfsaufgabe ausgerichtete, rechnergestützte Entwurfs- und Simulationswerkzeuge benötigt. Dabei kommt vor allem der Simulationstechnik eine besondere Bedeutung zu, da bisher keine praktikablen Lösungen für die effiziente Berechnung des Übertragungsverhaltens der hier betrachteten sog. hochmultimodalen planar integrierten optischen Verbindungssysteme bekannt sind.