General problems with the electrical interconnections for high-speed transmission systems include electromagnetic interference and compatibility (EMI/EMC), low data throughput, crosstalk, and high power consumption. To overcome the bottlenecks of electrical interconnections, new architectures for the optical backplane system that use optical waveguides as a transmission medium, are needed.
To implement an optical backplane system, a pluggable optical board interconnection is proposed in order to minimize both loss and cost. The direct coupling of an optical waveguide between boards can be realized by using a plug-adaptor structure. Due to the reduced use of micro-optics in direct coupling mechanisms, both a low loss and a low packaging cost can be made possible.
For the implementation of an optical backplane system with a pluggable coupling structure, a flexible polymeric optical waveguide that would serve as a transmission medium was fabricated by a hot embossing process. The transmitter/receiver board and the optical backplane board were fabricated by a conventional lamination process. The optical plug-adapter structure for the inter-board optical interconnection was designed for direct coupling. In the proposed optical backplane system that uses a flexible polymeric optical waveguide, the coupling structure for the board-to-board interconnection was designed to be connected with two guide pins and the holes of the optical plug-adaptor. To provide a change in the optical path on the backplane board, the flexible optical waveguide was bent at an angle of 90 degrees without micro-optic elements.
The flexible polymeric optical waveguide was fabricated with a design that enables it to be easily bent within an adapter to permit change of optical path. For the fabrication of the flexible polymeric optical waveguide, a hot embossing technology was used, which offers the advantages of ease of mass production and reproducibility. By using a photo-resist (PR) etching and electroplating process, a nickel master was manufactured as a molding tool for the fabrication of a precise polymeric optical waveguide. A four-channel polymeric optical waveguide, with a cross-sectional core size of $50\mum\times50\mum$ and a thickness of $250\mum$, was fabricated using the nickel master and a hot embossing process. The propagation loss of the optical waveguide was 0.12dB/cm at 850 nm.
To fabricate an optical backplane board with an embedded optical waveguide, lamination conditions were established through general printed circuit board (PCB) process experiments. The applied processing conditions for the lamination of an optical layer for the optical backplane board were a temperature of $100\degC$, holding time of 1500 s, and pressure of $330 N/cm^2$.
The $Jitter_{p-p}$ and rise time of the assembled transmitter board were 27 ps and 39 ps, respectively at 10Gbps data rate. Moreover, the $Jitter_{p-p}$ and the rise time of receiver board were 30 ps and 41ps, respectively. After assembling the optival backplane system with transmitter, receiver, and backplane board, transmission test was carried out. At 10Gbps data rate, the $Jitter_{p-p}$ and rise/fall time of the optical backplane system were 31ps and 42ps/37ps. The BER of dptical backplane system was $1.0\times10^{-9}$ at 10Gbps.
This pluggable optical backplane system will be able to provide a feasible board-to-board optical interconnection technique for future high-bit-rate communication systems.
고속 대용량의 신호전송이 요구되는 통신시스템에서 일반 전기접속 시스템이 가지는 단점, 즉 전송속도의 제약, EMI/EMC, 크로스토크, 높은 전력소모 등에 의한 신호의 병목현상을 극복하기 위한 대안으로 보드간 광접속을 이용한 광백플레인 시스템을 구현하였다. 이러한 광백플레인 시스템을 구현하는데 있어, 본 논문에서는 플러그-어댑터 구조를 이용하여 광도파로간 직접 접속으로 마이크로 광학소자를 사용하지 않는, 저손실 및 저비용의 광백플레인 시스템 구현을 기술하고 있다.
플러그-어댑터 접속구조의 광백플레인 시스템 구현을 위해 플렉서블 고분자 광도파로의 제작, 송수신 모듈 PCB의 설계 및 제작, 광백플레인 보드의 제작, 보드간 광접속용 플러그-어댑터 구조의 설계 및 제작을 하였고, 광백플레인 시스템의 전송특성시험을 수행하였다.
제안하는 플렉서블 고분자 광도파로를 이용한 광백플레인 시스템에서 보드간 접속은 가이드 핀을 이용한 플러그와 어댑터 간의 결합으로 구현되도록 설계 및 제작하였으며, 광경로의 변경을 위해 마이크로 광학소자를 사용하지 않고 플렉서블 광도파로를 벤딩하여 광도파로 간을 직접 결합하는 구조를 가짐으로써 삽입손실을 최소화하고 패키징 비용을 줄일 수 있는 접속구조를 제안하였다.
플렉서블 고분자 광도파로는 어댑터 내에서 광경로 변경을 위해 쉽게 구부러질 수 있도록 광도파로를 설계 및 제작하였다. 플렉서블 고분자 광도파로의 제작은 대량생산과 재현성에서 우수한 Hot Embossing 기술을 적용하였고, 정밀한 광도파로 형상의 성형을 위해 PR 식각과 전기도금을 이용하여 니켈 마스터를 제작하였다. 니켈 마스터와 Hot Embossing 공정을 이용하여, $50 \mum\times 50 \mum$ 단면 크기의 코어를 갖는 4 채널 광도파로를 제작하였고, 광도파로의 도파손실은 0.12 dB/cm ($\circled{a}$850nm)의 특성을 가지는 것으로 측정되었다.
광도파로를 내장하는 PCB를 구현하기 위해, 일반적인 PCB 적층공정 실험을 통해 최적공정조건을 도출하여 광백플레인 보드를 제작하였다. 광백플레인 보드의 광도파로 적층을 위해 온도 $100\degC$, 유지시간 1500초, 압력 $330N/cm^2$ 의 공정조건을 적용하였다.
광백플레인 시스템에서 송신과 수신 기능을 수행하는 모듈 PCB의 구현을 위해, 전기선로는 신호 무결성을 확보할 수 있고, 크로스토크 특성 등이 우수한 방사형 차동신호선 구조로 설계하였다. 광 송수신 모듈의 패키징을 위해서는 금속광학벤치 구조를 적용하여 광전소자 및 구동회로소자에서 발생하는 열을 분산시키는 기능을 가지도록 설계하였고, 광전소자 간의 연결에 있어 전기적 특성저하를 최소화하기 위해 와이어 본딩 길이를 $600\mum$ 이하로 유지하였다. 제작된 송신 보드는 10Gbp에서 $Jitter_{p-p}$ 가 27ps, Rise Time이 39ps이었고, 채널간 Skew는 30ps이었다. 또한 수신 보드는 $Jitter_{p-p}$ 가 30ps, Rise Time이 41ps의 특성을 가지는 것으로 측정되었다. 광백플레인 시스템은 플러그와 어댑터 구조를 이용, 송수신 보드와 광백플레인 보드를 결합하여 전송실험을 수행하였으며, 전송속도 10 Gb/s에서 $Jitter_{p-p}$ 는 31ps, Raise/Fall Time은 각각 42ps,37ps, BER은 10Gb/s에서 $1.0\times10^{-9}$ 인 전송 특성을 얻었다.
