As the advancement of device technology has resulted to increase in signal processing speed, metal-based interconnects on printed circuit boards (PCBs) will experience bandwidth limitations due to signal attenuation and distortion, crosstalk, electromagnetic interference, and power dissipation. Optical interconnections have been widely studied as a solution to the electrical interconnect bottleneck and as the potential technology for meeting the high speed and bandwidth requirements of the next generation computer systems. While the mature silicon CMOS (Si-CMOS) technology is well established for high speed information processing, optical systems excel at information transmission. The future and next generation computer systems are likely to incorporate electronic components communicating along an optical channel that requires optoelectronic devices such as optoelectronic transceivers to convert signals from electrical to optical domain and vice versa.
As clock frequency reaches the gigahertz band with signal transmission rate reaching the gigabit range, signal integrity issues such as crosstalk between parallel signal paths become serious issues in multi-link (multi-conductor) interconnects. However, due to crosstalk effects, such as signal integrity degradation which becomes very severe at very high frequencies in optoelectronic systems, there is the need to develop an effective model for crosstalk evaluation and analysis. In this regard, a crosstalk expression and equivalent circuit model is presented based on RLC line model and interconnect parameters for wire-bonded (planar) and flip-chip bonded (multi-chip) multi-channel optoelectronic modules. The analytical expression and model are investigated for computing crosstalk performance and thermal crosstalk effects of interconnects used in chip packaging and could provide a guide towards the development of optimized multi-channel optoelectronic transmitter modules.
The optimized optoelectronic transmitter modules designed and fabricated for optical interconnects and optical PCB applications should be able to effectively perform the electrical-to-optical (E-O) conversion and transmit the optical signals onto the fiber array/waveguide with low loss and high performance. In this dissertation, two kinds of optoelectronic transmitter structures are designed, fabricated and their performance analyzed. The structures are the planar and multi-chip structures.
The optoelectronic transmitter modules utilize vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) as light source. The transmitter modules incorporate the use of short wavelength VCSELs and long wavelength VCSELs. Short wavelength VCSELs are widely used in both short and long range communication systems. Long wavelength VCSELs have the advantage of supporting large traffic over long distances in communication networks. However, in multi-chip structures, for chip-to-chip optical interconnects, long wavelength VCSELs above 1.1 ??m are appropriate when compared to the widely used short wavelength VCSELs because of their transparency through the silicon substrate. Long wavelength VCSELs have the advantage of eye safety when working with them. Due to the advantages of the long wavelength VCSELs, this work further describes and evaluates the performance of long wavelength VCSELs in optoelectronic transmitter modules for the possibility of implementing them for multi-channel OPCB links.
The design, fabrication and comparative analysis of the four optoelectronic transmitter modules, namely, short wavelength planar transmitter module, long wavelength planar transmitter module, short wavelength multi-chip transmitter module, and long wavelength multi-chip transmitter module, highlights the suitability of long wavelength VCSELs, like the conventional short wavelength VCSELs, as light sources for optical chip-to-chip interconnects. All the four optoelectronic transmitter modules have four channels and showed a bit-error-rate (BER) of less than 10-12 at 2.5 Gbps per channel. The work described herein could be a guide to optoelectronic transmitter module design towards the selection of wavelength and packaging structure for optical interconnects application. The evaluation and performance analysis of these modules will help to solve alignment tolerance issues at the interface between the optoelectronic module and the OPCB in structures with passive or hybrid packaging. Furthermore, the developed crosstalk model gives accurate crosstalk analysis for improved packaging and further miniaturization of optoelectronic components.
For data transmission through the optical link for large scale integration chips such as the microprocessor and the memory, multiplexed input and output signals should be transmitted bidirectionally through one input/output (I/O). To address this issue based on the optimized transmitter modules’ performance, a bidirectional transceiver is proposed. A simultaneous bidirectional transceiver (SBi-TRx) has been designed and fabricated. The SBi-TRx uses a simultaneous bidirectional hybrid (SBi-hybrid) to achieve a full-duplex (FD) data transmission. It is designed in a 0.13 ??m technology and operates up to 20 Gbps in FD mode.
As signal integrity constitutes a very important issue with the increasing demand for high speed optoelectronic links, the crosstalk model, optimized optoelectronic modules, and the simultaneous bidirectional transceiver provide a potential solution to address these issues.
기술의 발전은 장비 신호처리 속도의 상승을 가져오게 되었다. 이에 따라 printed circuit boards (PCBs) 내의 금속 연결은 신호 감쇠, 왜곡, crosstalk, 전자기파의 간섭, 그리고 소모전력 등의 문제점에 봉착하게 되었다. 광 연결 기술 및 광통신 기술은 기존의 금속 연결이 가지는 문제점들을 해결하고, 높은 신호처리 속도, 넓은 대역폭을 이용한 차세대 컴퓨터 시스템 개발을 위해 각광받고 있다. 현재 실리콘 CMOS 기술은 높은 신호 처리 속도를 가지고 있고, 광 연결 시스템은 신호 전달에 있어 탁월한 성능을 보이고 있다. 미래의 컴퓨터 기술은 전기적인 요소와 광적인 요소를 접합하는 형태를 띠게 될 것이다. 따라서 전기 신호를 광 신호로, 광 신호를 전기 신호로 변환해줄 수 있는 optoelectronic transceivers와 같은 장치들이 필요로 할 것이다.
클락 주파수, 신호 전달 속도가 기가 단위에 가까워 질수록, multi-link 연결에서의 crosstalk이 문제가 되고 있다. Crosstalk에 의한 높은 주파수 대역에서의 신호 저하 및 왜곡은 crosstalk을 효과적으로 평가하고 분석할 수 있는 모델 개발을 야기시켰다. 이 시점에서 RLC 라인 모델과 다채널 광전자 모듈에서의 wire-bonded, flip-chip bonded에 대한 연결 변수에 기반을 둔 crosstalk의 수식과 등가 회로를 제안하였다. 이 수식과 등가 회로는 crosstalk에 대한 성능과 thermal crosstalk 영향 정도를 계산하여, chip packaging에 사용될 수 있으며, 추후의 다채널 광전자 모듈의 최적화 개발에 도움을 줄 수 있을 것이다.
Electrical-to-optical 변환을 통한 광 신호를 광 섬유 배열 또는 도파로를 통해서 적은 손실로 전송할 수 있는 광 PCB 기술이 적용된, 광 상호 연결을 위한 최적화된 광전자 송신 모듈이 구현 및 제작 되었다. 이 논문에서는 평면 구조와 다중 칩 구조의 광전자 송신 모듈이 구현, 제작, 그리고 측정되었다.
본 광전자 송신 모듈들은 각각 단파장과 장파장의 VCSELs을 광원으로 사용하였다. 단파장의 VCSELs은 단거리와 장거리 통신 시스템에서 널리 사용되고 있다. 장파장의 VCSELs은 장거리 통신에서 많은 양의 데이터를 지원해줄 수 있다는 장점이 있다. 다중 칩 구조에서의 칩간 통신에서 1.1 um 이상의 장파장 VCSELs은 단파장 VCSELs에 비해 Si 기판으로의 손실 면에서 좋은 특성을 가진다. 또한 장파장 VCSELs은 신호의 eye 안정도 측면에서도 단파장에 비해서 좋은 특성을 가진다. 이러한 장파장 VCSELs의 장점을 위해 본 논문에서는 광전자 송신 모듈에서의 다중 칩 광 PCB 연결을 위한 장파장 VCSELs의 가능성을 살펴보고 구현할 것이다.
Short wavelength planar transmitter module, long wavelength planar transmitter module, short wavelength multi-chip transmitter module, 그리고 long wavelength multi-chip transmitter module 이라고 명명한 네 개의 광전자 송신 모듈은 장파장 VCSELs의 칩간 상호연결에서의 안정도를 강조하였다. 위의 4개의 광전자 송신 모듈은 모두 4개의 채널을 가지고 있으며, 채널당 2.5Gbps에서 10-12의 bit-error-rate (BER) 을 가지고 있다. 이 연구는 향후 광전자 송신 모듈을 제작함에 있어 파장의 선택성과 패키징 기술에 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 각 모듈들의 개발과 성능 분석은 광전자 모듈과 광 PCB사이의 수동적 또는 hybrid 패키징에 있어 alignment 문제를 해결하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 더불어 제안된 crosstalk 모델의 정확한 crosstalk 분석은 향후 광전자 부품의 최소화와 패키징을 발전 시킬 수 있을 것이다.
마이크로프로세서와 메모리와 같이 큰 크기의 칩들 간의 광 연결을 통한 신호 전송에서 복합적인 입력신호와 출력신호는 하나의 input/output (I/O) 을 통하여 양방향으로 전송이 되어야 한다. 본 논문에서는 최적화된 송신 모듈의 성능을 전재로 한 simultaneous 양방향 송수신기 (SBi-TRx)가 제안되었다. SBi-TRx는 full-duplex (FD) 데이터 전송을 얻기 위해 simultaneous bidirectional hybrid (SBi-hybrid)을 사용하였으며, 0.13um 공정 기술로 구현되어 FD 모드에서 20 Gbps까지 동작할 수 있다.
광전자 연결에서의 높은 속도의 신호 처리가 요구됨에 따라 신호의 안정도는 매우 중요한 문제가 되었다. 제안된 crosstalk 모델, 최적화된 광전자 모듈들, 그리고 simultaneous 양방향 송수신기는 신호의 안정도 문제를 해결할 수 있는 가능성을 가지고 있다.
