The architecture of a passively assembled optical platform was suggested for the chip-to-chip optical interconnection system. To demonstrate the optical platform, three components were developed: a fiber-embedded optical printed circuit board (OPCB), 90$\deg$-bent fiber connectors, and optical transmitter/receiver modules. All these components were packaged with precise guide pins and holes so that complete passive alignment was achieved in the OPCB. And, another solution to passively assemble all components on an OPCB was suggested, which was named as 'misalignment absorbing function'. The function is contrasted to the 'self-align function' and means that it intentionally restricts the self-align function of solder balls using guide pins and holes and absorbs the misalignment in the tilted solder balls. In this paper, the new passive assembly technology is illustrated along the assembly process.
Optical losses and optical crosstalk occurred in an optical link were analyzed by a Ray tracing method and a Gaussian optic analysis method. Through the analysis, a misalignment tolerance in the optical loss was obtained and another misalignment tolerance in the optical crosstalk was described. In case of the structure used in this paper, 1-dB misalignment tolerance in the optical loss and misalignment tolerance satisfying $10^{-12}$ bit error rate (BER) in the optical crosstalk are analyzed as $\plusmn$20 $\mum$ and $\plusmn$80 $\mum$, respectively. The simulation results showed enough alignment margins for the fabrication of the architecture by the passive assembly.
As above already mentioned, three optical components were illustrated about the design and the fabrication in detail. The features and the fabrication processes of a 1$\times$12 channels fiber- and connector-embedded OPCB, a 1$\times$12 channels 90$\deg$-bent fiber block, and 1$\times$4$\times$10-Gb/s optical modules were described in comparison with other examples.
To test optical link experiments, a completely assembled 1$\times$4 channels optical platform was fabricated. In the experiment, the causes and measured results of low optical link losses, which are one of the key features of the optical platform, were presented. Concretely, the total optical link losses for with index matching oil and without index matching oil were measured as -5.3 dB and -7.2 dB, respectively. Considering -0.5-dBm optical output power from VCSEL and -11.5-dBm minimum sensitivity in the optical modules, the total optical link losses are sufficiently satisfied values. But, more fortunately, the link losses have room for over 3-dB improvement by using fibers with the 62.5 $\mum$ or 50 $\mum$ core diameter and reducing the surface roughness in each interface of the OPCB and 90$\deg$-bent fiber block.
In another optical link experiment, BER measurements and eye diagrams measurements were performed. The results of these measurements showed BER performances of about 7 Gb/s with electrical crosstalk and about 8 Gb/s without electrical crosstalk, at the reference value of BER=$10^{-12}$. Here, the measurement with electrical crosstalk means that one channel was measured while all channels were asynchronously operating. In the end, eye diagrams measured in 7 Gb/s and 8 Gb/s in the cases of with electrical crosstalk and without electrical crosstalk were shown, respectively.
광PCB 기반의 칩간 광연결 시스템에 적용되는 수동조립이 가능한 광연결 플랫폼을 제안하였다. 본 광연결 플랫폼을 구현하기 위해 핵심 부품 세가지를 개발하였다. 광섬유와 커넥터가 함께 내장된 광PCB, 광모듈, 90도 휘어진 광섬유 블록이 그것이다. 이들 모든 부품은 정밀한 가이드 핀과 홀을 내장하고 있으며, 이로 인해, 광연결 플랫폼을 완전 수동 조립으로 구현이 가능하도록 하였다. 또한, 수동 조립을 가능하게 한 또 하나의 해결책으로 '비정렬 흡수 기능'을 제안하였다. 이는 종래기술에서 솔더의 '자기 정렬 기능'과 대별되는 기능이며, 솔더의 자기 정렬 성질을 가이드 핀과 홀에 의해 강제적으로 억제시키면서 비정렬을 흡수하도록 하였다. 본 논문에서는, 이러한 새로운 수동조립기술이 공정순서에 따라 서술되어 있다.
광학적 링크에서 발생하는 광손실 및 광크로스톡 등을 Ray tracing 법과 Gaussian 광학 분석법으로 분석하였다. 이 분석에서 광손실 측면에서의 비정렬 허용도와 광크로스톡에 의한 비정렬 허용도를 언급하였다. 본 논문에 사용된 구조인 경우, 1dB 광결합 효율 허용도는 $\plusmn$20$\mum$이고, BER=$10^{-12}$를 만족하는 광크로스톡 허용도는 $\plusmn$85$\mum$로 분석되었다. 이것은 수동조립으로 제작이 가능한 충분한 정렬 허용도를 보였다.
위에서 이미 언급한, 세가지 부품의 설계 및 제작에 관해서 보다 자세히 언급되어 있다. 수동조립과 2차원 광연결에 적합한 광섬유와 광커넥터가 함께 내장된 1$\times$12채널 광PCB, 1$\times$12채널의 90도 휘어진 광섬유 블록 및 1$\times$4$\times$10Gb/s 광모듈의 특징과 제작과정이 종래의 기술과 비교되면서 각각 상세히 기술되어 있다.
광링크 실험을 위해서 하나의 완전 조립된 1$\times$4채널 광연결 플랫폼이 제작되었다. 이 실험에서 광연결 플랫폼의 큰 특징 중의 하나인 낮은 광링크 손실의 원인과 측정 결과가 제시 되었다. 구체적으로, 인덱스 매칭 오일이 있을 경우와 매칭 오일이 없을 경우의 전체 광링크 손실은 각각 -5.3dB와 -7.2dB로 측정되었다. 이들 전체 광링크 손실은 광모듈의 -0.5dBm 송신 광출력과 -11.5dBm의 광수신감도를 고려해 볼 때 충분히 만족하는 값들이다. 하지만, 보다 다행스럽게도, 이 광링크 손실은 62.5$\mum$ 혹은 50$\mum$ 코어 지름을 가지는 광섬유를 사용하고 광PCB와 90도 휘어진 광섬유 블록 사이의 인터페이스에서 표면 거칠기를 향상시키면 3dB 이상 좋아질 여지가 있다.
또 다른 광링크 실험으로서 BER 측정 및 eye 다이어그램 측정이 이루어졌다. 이들 측정에서 모든 채널이 동시에 동작되는 상태, 즉, 크로스톡이 있는 상태에서 측정한 결과와 그렇지 않은 결과를 동시에 보여주었다. BER=$10^{-12}$을 기준으로, 크로스톡이 있는 경우 대략 7Gb/s와 크로스톡이 없는 경우 대략 8Gb/s의 성능을 확인하였다. 끝으로, 7Gb/s와 8Gb/s에서 크로스톡이 있는 경우와 없는 경우에 대해서 각각의 eye 다이어그램을 제시하였다.