This thesis describes the design and fabrication of free-space optical interconnection modules using vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) arrays, PIN photodetector(PIN-PD) arrays and Tx/Rx Si-CMOS circuits. The modules consist of three major parts - Transmitter module, receiver module and interconnection part.
The transmitter module is composed of a VCSEL array and a laser driving IC. The VCSEL array chip has oxide-confined InGaAs/GaAs structure emitting 960nm wavelength, 250$\mum$ pitch, 8$\mum$ aperture diameter and 8-channel produced by CSEM. The laser driving IC was fabricated by MOSIS using 0.35 $\mum$ Si-CMOS process. The VCSEL array chip and the laser driving IC chip were die-bonded on 24-pin IC package using silver epoxy. After the die-bonding, bonding-pads of those chips were connected by 1 mil diameter gold wire. For measurement, the packaged transmitter module was attached on PCB board with SMA connectors.
The receiver module consists of a InGaAs/InP PIN-PD array and preamplifier Si-CMOS IC. The PIN-PD has 80$\mum$ active window diameter, 8-channel, and the responsivity of 0.5 at 960nm wavelength. The preamplifier IC fabricated by MOSIS. In addition, both PIN-PD array chip and preamplifier IC chip were die-bonded, wire-bonded and then attached on PCB board for function test.
Using the transmitter module and the receiver module, various operational characteristics such as L-I-V curves of VCSEL, dark current of PIN-PD, DC and modulation operation of transmitter/receiver, and interconnection characteristics were measured. As a result, the free-space interconnection module was operated up to 100Mb/s for NRZ signal.
본 논문에서는 수직 공진형 표면방출레이저(VCSEL) 어레이, PIN 광검출기 어레이, 송/수신 회로 등을 이용하여 8채널의 자유공간 광연결 모듈을 제작하였다. 광연결 모듈은 크게 송신부, 수신부, 광연결부 등으로 구성되었다. 송신부는 VCSEL 어레이와 VCSEL을 동작시키기 위하여 Si-CMOS 공정으로 제작한 구동회로 등으로 구성되었으며, 수신부는 PIN-PD어레이와 수신 신호를 증폭하기 위한 전치증폭기 회로 등으로 구성되었다.
VCSEL 구동회로는 VCSEL의 0.7$\muA$ 정도로 낮은 문턱전류 특성을 이용하여 선바이어스(pre-vias) 없이 직접 변조할 수 있도록 설계된 IC를 사용하였다. 수신 전치증폭기 회로는 80$\muA$ 정도의 낮은 수신 전류를 증폭하여 전압 신호로 출력하도록 전달임피던스(transimpedance) 형태로 설계된 칩을 이용하였다. 제작한 광연결 모듈은 250$\mu$m 피치를 가지고 8채널을 광연결하며, 사용파장은 960nm이다.
8채널의 자유공간 광연결 모듈을 제작한 후, 송신부와 수신부 각각의 동작 특성을 살펴보았으며, 송/수신부를 광정렬하여 광연결 모듈로 구성하여 신호 전달 특성을 살펴보았다. 최고 100Mb/s NRZ 신호전달까지 살펴보았다. 100Mb/s 이상의 동작 특성은 살펴보지 못하였으나, 수백 Mb/s 까지 동작 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서 자유공간 광연결 모듈을 자체 설계 제작함으로써, 다채널 병렬 광연결에 대한 기반 기술을 가지게 되었으며, 향후 프로세스 칩간 연결, ATM 백플레인 등의 시스템에 직접 응용함으로써 전기적 연결을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
