A practical optical board-to-board interconnection system was proposed with transmitter/receiver processing boards and an optical backplane made of polymer-waveguide-embedded, optical PCB. As connection components between the transmitter/receiver processing boards and backplane board, optical slots were suggested to enable easy and repeatable insertion and extraction of the boards with micrometer precision. The basic concept of the optical board-to-board interconnection system is as follows; 1) Metal optical bench is integrated with optoelectronic devices, driver and receiver circuits, polymer waveguide and access line (printed circuit board) PCB module. 2) Multimode polymer waveguide inside an optical backplane, which is embedded into PCB, 3) Optical slot and plug for high-density (channel pitch : 500 $\microm$) board-to-board interconnection.
The optical and electrical total losses occurred in an optical board-to-board interconnection system were analyzed via a system power budget design. And optical and electrical signal integrity (SI) problems were discussed and solved by ADS momentum simulation in electrical regions and a ray tracing method in optical regions. Through the analysis, differential traces resistant to electrical crosstalks were designed for the transmission lines in transmitter and receiver boards and optical coupling between VCSEL chips and multimode waveguide were completed through the analysis of 1.0 dB misalignment tolerance in the optical loss. In this dissertation, misalignment tolerance satisfying 1.0 dB optical coupling loss are analyzed as $\plusmn$ 8 $\microm$ and $\plusmn$ 7 $\microm$, respectively. The simulation results showed enough alignment margins for the total power budget.
The polymer waveguide technology can be used for transmission of data between transmitter/receiver processing boards and backplane boards. The main components are low-loss tapered polymer waveguides and a novel optical plug and slot for board-to-board interconnections, respectively. The transmitter/receiver processing boards are designed as plug types, to be easily plugged-in and -out at an optical backplane board. As connection components between the transmitter/receiver processing boards and backplane board, optical slots made of a 90$\deg$-bending structure-embedded optical plug was suggested. The optical backplane boards are prepared by employing the lamination processes for conventional electrical PCBs.
A practical optical board-to-board interconnection system was implemented with two processing boards and an optical backplane. A 10 Gb/s data link was successfully demonstrated. The bit error rate (BER) was determined and is 5.6 X $10^{-9}$ (@10Gb/s) and the BER of 8 Gb/s is below $10^{-12}$. We report a 10 Gb/s PRBS NRZ data transmission between transmitter system board and optical backplane embedded multimode polymer waveguide arrays. In the end, we demonstrated 10 Gb/s data transmission between transmitter processing board and optical backplane board. The eye is wide open and shows no relaxation oscillation.
Finally, it is carefully expected that the scheme and the components technology suggested in this dissertation will be helpful and useful to stimulate the commercialization of the optical board-to-board interconnection system based on the OPCB. It is somewhat lacking in the 10 Gb/s/ch perfect demonstration in this dissertation. In this system, a large portion of the loss, about 5 dB, was induced in the coupling of the deflected beam at the 90$\deg$-bending structure on the optical plug to the waveguide of the backplane. Further research is needed to devise optical components connecting the board edges with a high coupling efficiency.
본 논문에서는 전기인쇄회로 기판에서 발생되는 전송속도의 한계, EMI, Crosstalk, 병목현상, 고전력 소모 등의 문제점을 극복하기 위한 새로운 신호전송 체계인 보드간 광접속 시스템을 구현하였다. 논문의 최종 목표는 초고속 광신호를 송수신할 수 있는 입출력 구조, 광송수신 보드 및 광도파로로 구성되는 광백플레인을 구현하는데 있다.
보드간 광접속 시스템 구현을 위해 광회로, 전기회로 설계, 고분자 광도파로 제작, 광도파로 내장형 EOCB 제작, 광송수신 모듈 패키징, 보드 및 백플레인용 광접속 부품 제작 및 전송시험을 수행하였다.
광백플레인 광회로, 전기회로 구조 설계에서는 광도파로 광결합시 허용오차범위가 넓으며, 광결합 효율이 높은 광회로 설계, 방사형 선로구조 및 차동신호선 구조로서 Skew 및 Crosstalk 특성이 향상된 전기회로 설계 등을 수행하여, 신호 무결성 문제를 해결하였다. 고분자 광도파로는 광도파로 광결합시 결합효율을 높이기 위하여 대면적의 테이퍼 구조 광도파로를 설계 및 제작하였다. 광도파로 제조 공정에서 경쟁력을 갖춘 Hot Embossing 공정을 이용하였으며, 정밀 채널 성형을 위해서 실리콘 마스터를 제작하였다. 100 $\mum$ $\times$100 $\mum$ ~ 100 $\mum$ $\times$ 60 $\mum$ 테이퍼 구조 코어를 갖는 4 채널 광도파로를 제작하여 광도파로 손실이 0.1 dB/㎝ (@850 ㎚)인 도파로를 제작할 수 있었다. 또한 PCB 적층시 고온, 고압에 적합한 EOCB 제작 공정기술을 개발하였다. 150 $\dec$C, 160 min., 25 kg/$cm^{2}$인 최적화 적층공정 조건을 확보 하였다.
광 송수신 모듈 패키징에서는 수동정렬 향상을 위한 메탈 벤치 일체형 구조 고안 및 설계/제작, VCSEL/PD 정렬오차를 최소화하여 광결합 효율 향상, 본딩 패드의 설계 및 제작을 통한 길이 600 $\microm$ 이하의 Wire Bonding 패키징을 통한 전 기적 특성 향상을 확보하였다. 또한 금속광학 벤치는 Driver IC 칩의 실장시 방열 문제를 해결하여 신뢰성을 높였다.
보드간 접속 기구를 위해 보드간 결합이 용이한 Plug In/Out 구조의 접속기구로서 광도파로와 MMF 가 내장된 구조로의 광결합을 위한 어댑터형 체결구조를 고안/제작하였으며, 삽입손실 및 광학적 특성이 우수한 특징을 갖는 Optical Slot 을 제작하였다.
송수신 보드 패키징을 통해 -3.0 dBm 의 출력을 갖는 송신 보드를 구현하였으며, 그 광학적 특성은 $jitter_{p-p}$ 가 19 ps Rise Time 이 27 ps이었다. 또한 $jitter_{p-p}$ 가 30 ps Rise Time 이 59 ps인 수신 시스템 보드를 제작 하였다. 보드간 광결합 시스템은 송수신 시스템 보드와 백플레인 보드를 완전히 연결하여 전송실험을 수행하였으며, 전송속도는 10 Gb/s, 채널간 Skew 는 30 ps $jitter_{p-p}$ 는 51 ps Rise/Fall Time 은 각각 36 ps 39 ps BER 은 7 Gb/s 에서 Error Free, 8 Gb/s 에서 1.5 $\times$ $10^{-12}$, 10 Gb/s 에서 5.6 $\times$ $10^{-9}$ 인 전송 특성을 얻었다.
