This thesis contains simulation result and experiment result of broken symmetry microlens array designed to increase alignment tolerance in free space optical interconnection. The simulation showed that the broken symmetry lens greatly reduces crosstalk between channels when misalignment exists between optical transmitter and receiver modules.
In the simulation, we assumed an optical interconnection scheme consisting of transmitter board and receiver board. In transmitter board light source of VCSEL array is placed at the distance of focal length from microlens array and in receiver board detector array is placed at the distance of focal length from microlens array. The distance between microlenses is thus 2f, which is a confocal system.
The broken symmetry lens array uses a offset lens, making the beam propagation angle different at each channel. Therefore it can reduce the crosstalk between neighboring channels when misalignment exists between transmitter board and receiver board. As a result, we identified the crosstalk is greatly reduced in the presence of misalignment, compared to the result for a symmetry lens array.
The propagation of light beam in the lens system was calculated using the Gaussian beam propagation model. We considered a lens configuration with a 250$\mum$ pitch and 200$\mum$ diameter.
We fabricated the microlens arrays using reflowing method. The measured focal lengths were in a range of 990$\mum$ ~1030$\mum$. We experimented one channel of broken symmetry, with power efficiency and crosstalk, because of delay of flip-chip bonding.
After measurement, power passing through the first lens is 470$\muw$, and through second lens is 220, when measured input power is 630$\muw$. Power efficiency is calculated as the ratio of power passing through the second lens to input power when using offset lens of 10$\mum$. We obtained 34% of power efficiency through calculation.
In this thesis, we gave demonstrated the broken symmetry lens array increases the alignment tolerance in free space interconnection. This lens design can be applied to the system which require a large alignment tolerance as in board-to-board interconnection, systems.
본 논문에서는 자유공간 광 연결의 문제점인 광 소자 간의 비정렬 시 발생하는 파워 효율의 저하와 누화(crosstalk) 문제들을 개선하기 위해서 비대칭 마이크로 렌즈 어레이 구조를 설계하고,시뮬레이션 그리고 실험을 통한 분석을 행하였다.
제안된 마이크로 렌즈 어레이 구조의 성능을 분석하기 위하여 행한 시뮬레이션에서, 광연결을 크게 송신부, 수신부로 구성하였다. 송신부에는 광원인 VCSEL 어레이와 마이크로 렌즈 어레이가 초점거리만큼의 간격을 가지고 놓여지고, 수신부 역시 마이크로 렌즈 어레이와 검출기 어레이가 초점거리간격으로 놓여진 공촛점(confocal)의 시스템으로 이루어진다. 비대칭 렌즈 어레이 구조는 일반적인 렌즈의 중심이 광 축상에 놓여지는데 반해, 렌즈의 중심을 고의적으로 광 축상에서 벗어나게 위치시켜 채널마다 빔의 진행각도를 다르게 함으로써, 비정렬 발생시에 생길 수 있는 누화를 줄이도록 하는 것이다. 250$\mum$ 간격, 200$\mum$ 직경의 마이크로 렌즈 어레이를 택하여, 가우시안 빔 전파모델을 사용하고, 렌즈의 오프셋의 정도를 변수로 시뮬레이션한 결과, 소자간의 비정렬에 따른 시스템의 파워 효율과 누화 특성이 대칭인 렌즈에 비해 크게 개선되는 결과를 얻었다. 누화 특성이 제로가 될 때까지의 정렬허용도는 170$\mum$로 대칭의 경우인 120$\mum$정도보다 훨씬 큰 정렬 허용도를 얻을 수 있었다.
실험상의 정확성을 위해 제작된 마이크로렌즈 어레이는 대칭구조와 비대칭렌즈 어레이 가 하나의 렌즈 어레이로 이루어지도록 용융법을 이용하여 제작하였으며 측정된 렌즈의 초점거리는 1mm 내외(990$\mum$~1030$\mum$)이었다.
실험을 위해 디자인된 송수신 모듈 팩키지의 제작상의 VCSEL의 flip-chip bonding의 문제로 VCSEL을 이용한 렌즈실험대신 비대칭 렌즈 어레이를 이용한 한 채널만의 비정렬 없을 때의 빔의 파워전달효율만을 측정해 보았다. 첫번째 렌즈에 들어가는 입사 빔의 파워는 측정결과 630$\muw$ 이며 첫번째 렌즈를 통과한 빔의 power는 470$\muw$ 정도로 insertion loss 는 2.9dB 정도의 결과를 얻었고, 좀 더 정확한 정렬이 이루어질 경우 나은 결과를 기대할 수 있을 것이다. 측정결과, 10$\mum$ offset 을 갖는 비대칭 렌즈를 통과한 한 채널에서의 파워전달효율은 첫번째 렌즈를 통과한 파워(630$\muw$)대 두번째 비대칭렌즈를 통과한 파워(220$\muw$)의 비로서 34%의 효율을 얻었다.
실험은 본 논문에서는 비대칭 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 자유공간 광 연결을 시뮬레이션하고 직접 제작한 렌즈를 이용하여 실험을 통해 구현해봄으로써, 자유공간 광 연결에 대한 기반 기술을 갖출 수 있었으며, 향후 광섬유 리본 간의 고효율 광 접속을 위한 ATM 보드간의 연결, 프로세스 칩간 연결 등에 적용할 경우 정렬 허용도를 높일 수 있는 시스템으로 응용가능성이 높다.
