Optical components for waveguide-laminated optical printed-circuit boards (OPCBs) such as transmitter and receiver (Tx and Rx) modules, waveguides for OPCB, and connectors have been studied to reduce the optical losses and to in-crease the stability of the optical interconnection system. The optical link system between field programmable gate array (FPGA) microprocessors was demonstrated applying the studied components.
An one-unit optical waveguide in which each fiber strand does not have cutting-off points until reaching board surface was designed for laminating into printed-circuit boards (PCBs) to fabricate OPCBs. The optical loss occurring in free-space interfaces was fundamentally eliminated by employing the one-unit optical wave-guide. This OPCB structure reduced the insertion loss to a quite low value, 0.42 dB, which is a much lower value, compared to the 4.7 dB loss of the wave-guiding system developed in the previous work of our Photonic Computer Systems (PCS) laboratory. After the thermal stability test for the verification of lamination process at 200℃ for 4 hours, the insertion loss of the one-unit optical waveguide was not changed within the measurement error range. The optical loss variations by misa-lignments to the lateral and longitudinal directions of the one-unit optical wave-guide were investigated, and it is expected to give useful information for optical link system design.
Optical Tx and Rx modules were designed and characterized for the application to the optical link system between FPGA microprocessor ICs based on the one-unit optical waveguide-laminated OPCB systems. The PCB part of the module was fa-bricated with a dimension of 9.5 mm × 10.5 mm × 1 mm to have compact and her-mitic assembling on the OPCB system. Their signal lines were simulated to be well impedance matched. They were designed to have 0.5-mm-high sidewalls to protect the packaged components inside them. The optical link evaluation of the packaged Tx and Rx modules were successfully demonstrated at the data rate of 50 Mbps, which can be applied for the optical link system between FPGA microprocessor ICs based on the waveguide-laminated OPCB systems. Optical Tx and Rx modules for high-speed operation were prepared and successfully transmitted signals at the data rate of 5 Gbps, which accomplishes $31.25 Gbps/cm^2$ of data transmission.
High-efficiency and stable optical Tx module was designed by direct bonding the bottom-emitting VCSEL on the connection block. VCSEL bonded on the con-nector showed increased optical output power of 40 % at the peak current point and electrical power consumption efficiency, which might be attributed to the effective heat dissipation of the bonded VCSEL. Direct bonding technique of the components can be applied to the waveguide-laminated OPCB systems supporting the minimized optical loss and maximized packaging density.
The OPCB system which has laminated one-unit optical waveguide showed im-proved optical properties, stability, and degree of freedom in design the system and packaging of components compared with the OPCB systems developed by our PCS laboratory. The optical insertion loss of the OPCB was not degraded after the lamination process of one-unit optical waveguide. The thickness of the one-unit optical waveguide and OPCB could be decreased by tiling the fiber ends exposed on the board. Hermitic and tight laminating of the one-unit optical waveguide in OPCB makes the system stable against external forces and environments. It im-proves degree of freedom in designing the system and packaging for the optical and electrical components. It is expected to accomplish $125 Gbps/cm^2$ data I/O density using the fabricated OPCB.
Chip-to-chip optical link between FPGA microprocessor ICs was successfully demonstrated based on fabricated OPCB system. The optical transmitter and re-ceiver modules of 9.5 mm 0.5 mm × 1 mm were installed aligning with optical lines on the OPCB using metal guide pins. The optical link test board based on OPCB practically proved that OPCB having laminated one-unit optical waveguide has many advantages such as low optical loss, high stability, and high freedom for design and packaging. Proposed component structures open a direction to develop high performance and mass-productive optical interconnection systems.
광도파로가 적층된 광 PCB와 이에 적용할 목적으로 일체형 광도파로를 포함한 광도파로, 광송수신 모듈, 및 광 커넥터와 같은 광소자들을 제안하였다. 광소자들을 적용한 광 PCB시트템에서 FPGA 마이크로프로세서 칩간 광연결을 구현하였다.
광도파로내의 광파이버가 단절이 없도록 설계된 일체형 광도파로는 우수한 광손실 특성을 나타내었다. 일체형 광도파로는 기존의 광도파 시스템이 가지는 2개의 자유공간을 근본적으로 제거하여 기존 ICU에서 개발된 광도파 시스템의4.7 dB의 삽입 손실을 0.42 dB로 크게 감소시킬 수가 있었다. 이 값은 200 ℃, 4시간의 조건에서 시행된 내열 시험 후와 광도파로를 PCB에 적층하여 광 PCB를 제작한 이후에도 측정오차 범위 내에서 변화되지 않았다. 기계적 비 정렬에 따른 광 손실을 분석하여 제시하였고, 이 결과는 광 연결 시스템 설계에 있어서 광손실에 관한 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
광송수신 모듈을 광도파로가 적층된 광 PCB기반의 FPGA 칩간 광연결에 적용할 목적으로 설계하여 그 성능을 평가하였다. FPGA칩간 광연결에 적용되는 속도인50 Mbps에서 성공적으로 광전송을 수행하였고, 5 Gbps의 고속에서의 광전송에 성공하여 $31.25 Gbps/cm^2$ 의 데이터 전송을 달성하였다. 제작된 광송수신 모듈은 9.5 mm × 10.5 mm × 1.0 mm의 컴팩트한 디맨션을 가지며, 실장되는 광소자들을 보호할 목적으로 가장자리에 0.5 mm높이의 벽을 가지도록 고안되었다. 작고 얇은 두께의 광송수신 모듈은 안정성이 우수하고, 광도파로가 적층된 광 PCB상에 다른 부품들과 높은 호환성을 가지고 실장될 수 있으며, 시스템 설계와 부품의 패키징에 있어서 향상된 자유도를 제공한다.
저면 발광 빅셀을 커넥터에 직접 접착하여 고효율의 광송신 모듈을 소개하였다. 본 광송신모듈은 빅셀과 결합된 커넥터가 빅셀에서 발생하는 열을 효과적으로 방출해줌으로써 광파워와 가해지는 전력 면에서 최고 약40% 향상된 효율을 나타내는 것이 확인 되었다. 빅셀을 광커넥터에 직접 접착하는 기술은 일체형 광도파로가 적층된 광 PCB에도 적용될 수 있으며, 이 경우 광손실이 최소화되고 소자의 실장도는 극대화된 시스템의 구현이 가능할 것으로 판단된다.
일체형 광도파로를 적층하여 설계한 광 PCB는 기존의 광 PCB시스템과 비교하여 광손실 특성, 안정성과 내구성, 그리고 패키징과 시스템 설계에 있어서의 자유도의 증가와 같은 장점을 가지고 있다. 일체형 광도파로의 우수한 광손실 특성은 PCB내에 적층 후에도 저하되지 않았다. 광 PCB내에 일체형 광도파로를 단단하게 적층함으로써 광 PCB가 외력과 외부 환경에 대해서 뛰어난 안정성을 가지고 있는 것이 확인되었다. 또한 일체형 광도파로의 몸체 전체가 광 PCB내에 적층됨으로써 패키징 되는 광송수신 모듈의 크기를 줄일 수 있도록 하였다. 이는 다른 광소자 및 전자소자들을 보다 큰 자유도를 가지고 설계하고 패키징할 수 있도록 한다. 제작된 광 PCB에 맞추어 광송수신 모듈을 제작하면 데이터의 입/출력 밀도를 $125 Gbps/cm^2$ 까지 향상 시킬 수가 있는데, 이는 전기적 연결이 가지고 있는 데이터 전송 속도의 한계 문제에 해답을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 광파이버가 일정각도를 가지도록 기울여서 일체형광 도파로를 제작함으로써, 일체형 광도파로와 이를 적층하는 광 PCB의 두께를 줄일 수 있었다.
일체형 광도파로가 적층된 광 PCB 를 기반으로 FPGA 마이크로프로세서 칩들간 광 연결 테스트를 성공적으로 시연하였다. 본 테스트 보드는 위에서 언급한 일체형 광도파로가 가지는 장점들을 실제적으로 증명해 주는 것으로써, 광연결 시스템이 기존의 전기적 연결 시스템의 형태로 제작되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 시스템의 개발을 통해 대량생산이 가능한 광연결 시스템을 구현해 보였다는데 큰 의의가 있으며, 향 후 차세대 광 USB, CUP-메모리간 광 연결, 그리고 슈퍼 컴퓨터나 서버 컴퓨터 등 고속의 데이터 전송이 요구되는 분야에 적용이 가능함을 보여준다.
