This thesis proposes optical printed-circuit board (OPCB) based optical serial bus (OSB) for high-speed computer interfaces. The proposed OPCB embeds an waveguide component which is formed using silica fiber as a waveguide medium and seamlessly linking the 90°-bent parts to the planar optical layer. The component was designed through considerations of optical loss, mechanical and thermal stability, module packaging, and applicability in PCB system in determination of fiber-core-diameter, bending radius, waveguide-mounting material and packaging structure. The insertion loss for the whole waveguide component was as low as -0.145 dB and not significantly degraded by thermal stress similar to the PCB lamination process. In the packaging of optical transmitter (Tx) and receiver (Rx) modules, we used a ceramic lid on which optical devices and IC chips were integrated and guide holes were formed. The optical Tx/Rx modules assembled on the waveguide plate showed a successful data transmission up to 8 Gb/s. An OSB system was designed and demonstrated using USB bus signals. The OSB system is composed of optical modules, direction circuits for isolating bidirectional signal and level shifters for interface matching between direction circuit and optical modules. The direction circuits showed successful control and isolation between downstream and upstream of bidirectional signals. Moreover, optical link tests between optical modules identified data transmission with the OSB signal, and showed clear eye-diagram in spite of -38.3 dB of attenuation. The results demonstrate that this investigation could be applied for high-speed computer interfaces based on an OPCB.
본 연구에서는 광도파로가 적층된 광 PCB를 위한, 높은 열적 안정도와 저손실의 특성을 갖는 광도파로와 광소자들의 패키징 구조를 제안한다. 상기의 광도파로와 광소자 패키징 구조를 이용한 광 PCB 기반의 광 직렬 버스 시스템 구현을 통해, 고속의 컴퓨터 인터페이스를 위한 광 직렬 버스의 전송 및 응용을 제안하였다.
광 PCB에 적층하기 위한 광도파로는 우수한 광손실 특성 및 열적 안정도를 나타내었다. 우수한 광손실 특성을 갖기 위해서 광신호의 전파상에 발생할 수 있는 산란손실을 없애기 위하여 단절이 없는 12 채널의 실리카 광섬유 어레이와 MT-커넥터, 그리고 90° 굴절 커넥터가 일체형으로 제작되어 삽입손실을 -0.145 dB 수준으로 크게 줄일 수 있었다. 또한 제안된 광도파로는 고온의 PCB 적층환경을 견디고 높은 열적 신뢰도 확보를 위한 내열 테스트에도 뚜렷한 삽입손실의 변화가 발견되지 않았다. 이는 광 PCB 기반의 다채널 고속의 광 연결 시스템 응용에 있어 우수한 가능성을 보여준다.
광 PCB를 위한 VCSEL과 PD, 그리고 이들의 Driver IC 들의 패키징 구조가 제안되었다. 광소자들의 패키징을 위한 모듈 PCB, 그리고 상기의 모듈 PCB와 광 PCB와의 조립을 위한 세라믹 커버가 디자인 되었다. 모듈 PCB는 VCSEL, PD, 그리고 Driver IC들이 실장되어 광 모듈을 구성한다. 제작된 광 모듈 및 패키징 구조를 이용하여 8 Gb/s/ch의 데이터 레이트에서 우수한 신호의 전송 특성을 확인하였다. 이는 고속의 데이터 레이트에서도 제안된 광도파로와 패키징 구조를 이용하여 신호의 전송에 문제가 없음을 보여준다. 세라믹 커버는 모듈 PCB상에 실장된 광소자들을 보호하고, MT 커넥터가 삽입되어 광 모듈과의 수동 광정렬을 가능하게 하며, 패키징된 광 모듈과 광 PCB에 적층된 광도파로와 전력 및 데이터 신호를 연결하여 준다. 이러한 광 PCB 제작을 위한 패키징 구조는, 광 PCB의 패키징에 있어 우수한 자유도와 호환성, 그리고 고속의 신호 전송을 위한 응용 가능성을 보여준다.
제작된 광 PCB와 패키징 구조를 기반으로 한 광 직렬 버스를 구현한 보드를 제작하였다. 광 직렬 버스 시스템은 크게 신호제어부와 신호레벨 변환부, 그리고 광 송수신부로 구성되었다. 신호제어부는 양방향의 신호를 입력받아 송신과 수신의 신호를 분리하여 송수신 하도록 설계되었다. 송신과 수신의 광신호는 서로 다른 파장으로 광섬유를 통하여 전송되도록 설계되어 광 채널수를 절반으로 줄일 수 있었다. 제작된 광 직렬 버스 시스템 보드를 통해 신호의 전송 실험이 수행되었다. 신호제어부를 통해 USB의 D+ 그리고 D-의 차등신호의 송수신 신호가 정상적으로 분리됨을 확인 하였으며, 광모듈간 신호전송이 12 Mb/s의 데이터 레이트에서 LVPECL 레벨에서 정상적으로 동작함을 확인하였다.
본 논문에서 연구된 광 PCB 및 광소자 패키징 구조와 광 직렬 버스 시스템은 차세대 컴퓨터 환경에서 고속의 인터페이스를 위한 광 연결 기술의 적용 가능성을 보여준다.
