利用高分子聚合物波導之軟性電路板設計4 通道 × 25-Gbps 光學連接收發模組

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張智皓(Chih-Hao Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

利用高分子聚合物波導之軟性電路板設計4 通道 × 25-Gbps 光學連接收發模組
(Design of 4-Channel × 25-Gbps Optical Transceiver Using Polymer Waveguide on Flexible Printed Circuit Board)

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摘要(中)

本研究中提出以軟性電路板為核心之設計雙向4通道 × 25-Gbps的光學連接收發模組，模組中整合了高分子聚合物波導、45˚微反射面、發射端雷射驅動晶片、接收端轉阻放大器晶片、垂直共振腔型面射型雷射、光偵測器於軟性電路板上。
經由光學模擬，發射端中之面射型雷射出光經過高分子聚合物波導並耦合進入多模光纖，其最佳的耦光效率為73.5 %；接收端中多模光纖出光經過高分子聚合物波導並耦合進入光偵測器，其最佳的耦光效率為51.4 %。設計後之軟板光路，在面射型雷射與光偵測器的對位封裝上，最佳光學效率降至-1 dB 時的位移容忍度為±10 μm以上，滿足覆晶封裝的製程。各通道間的光學串音干擾在發射端與接收端皆小於-40 dB以下。
經由高頻模擬，模組中發射端與接收端中所設計之單端式高頻傳輸線，其S11皆小於-15 dB、S21皆大於-0.4 dB。模組內所設計之差動式扇狀高頻傳輸線，在0 ~ 50 GHz下，四個通道的S11皆小於-10 dB、S21皆大於-2.2 dB。
提出初步設計在印刷電路板上的25-Gbps差動式傳輸線，在0 ~ 40 GHz及1-mm傳輸長度的情況下，其模擬之S11皆小於 - 19 dB、S21皆大於 - 0.11 dB。

摘要(英)

In this thesis, we proposed the design of 4-channel  25-Gbps optical transceiver using polymer waveguide on a flexible printed circuit board (FPC), where the 45˚ micro-reflector, VCSEL, PD, receiver IC and transmitter IC are integrated on the flexible printed circuit board to demonstrate the high-speed optical interconnects.
The simulation result of maximum optical coupling efficiency is around 73.5 % from the VCSEL to 50-μm-core MMF via polymer waveguide. The simulation result of maximum optical coupling efficiency between MMF and PD via a polymer waveguide is around 51.4 %. The 1-dB alignment tolerances for both VCSEL/PD at the input/output port are larger than ±10 μm. The inter-channel optical crosstalk at both Tx and Rx is smaller than -40 dB.
According to the simulation results, S11 and S21 of designed single-ended transmission lines at Tx and Rx is below -15 dB and above -0.4 dB. The S11 and S21 of designed differential-pair transmission lines is below -10 dB and above -2.2 dB at 0 ~ 50-GHz.
The initial-design of 25-Gbps differential-pair transmission lines on printed circuit board is proposed. According to the simulation results, S11 and S21 is below -19 dB and above - 0.11 dB at the condition of 0 ~ 40-GHz and 1-mm transmission length.

關鍵字(中)

★ 光學連接收發模組
★ 高分子聚合物波導
★ 軟性電路板

關鍵字(英)

★ Optical Transceiver
★ Polymer Waveguide
★ Flexible Printed Circuit Board

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 軟性電路板應用在光學連接技術發展現況 4
1-3 以軟性電路板為核心之光連接收發模組 8
第二章光連接收發模組結構與光路設計 9
2-1 光連接收發模組架構 9
2-2 軟性電路板之光波導結構尺寸設計 11
2-2-1 軟性電路板之光路結構 11
2-2-2本光學系統預期之設計目標 13
2-2-3 波導結構尺寸設計 14
2-2-4光波導內的光場變化模擬 18
2-2-5 面射型雷射與光偵測器的位移容忍度模擬 21
2-2-6 高分子聚合物波導之光學串音干擾模擬 25
第三章光連接收發模組之高頻被動電路設計 28
3-1 高頻傳輸線的設計原理與設計目標[8] 29
3-2 單端式共平面波導傳輸線設計與模擬 30
3-2-1 應用於模組內發射端的單端式高頻傳輸線 30
3-2-2 應用於模組內接收端的單端式高頻傳輸線 35
3-3 差動式扇狀高頻傳輸線的設計概念與模擬[8] 38
3-3-1 差動式扇狀高頻傳輸線設計 38
第四章印刷電路板上之差動式高頻傳輸線初步設計 42
4-1 印刷電路板上的差動式傳輸線設計與模擬 42
4-2 印刷電路板上的差動式傳輸線量測結果 45
第五章結論與未來展望 48
5-1 結論 48
5-2 未來展望 49
參考文獻 50

參考文獻

[1] http://www-01.ibm.com/software/tw/data/bigdata/
[2] http://www.bnext.com.tw/article/view/id/25877
[3] CISCO’s research :
http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html
[4] CISCO’s research :
http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/global-cloud-index-gci/Cloud_Index_White_Paper.html#Trend1_Data_Center_Traffic_Destinations
[5] Offrein, B.J., "Optical Interconnects for Computing Applications,” IBM Swisslasernet Workshop, October, 2010
[6] Y. Matsuoka, D. Kawamura, K. Adachi, Y. Lee, S. Hamamura, T. Takai, T. Shibata, H. Masuda, N. Chujo, and T. Sugawara, “20-Gb/s/ch High-Speed Low-Power 1-Tb/s Multilayer Optical Printed Circuit Board With Len-Integrated Optical Devices and CMOS IC,” IEEE Photon. Technol. Lett.,
vol. 23, no. 18, pp. 1352–1354, Sep. 2011.
[7] Takatoshi Yagisawa, Takashi Shiraishi, Tadashi Ikeuchi, and Kazuhiro Tanaka, “FPC-Based Compact 25-Gb/s Optical Transceiver Module for Optical Interconnect Utilizing Novel High-Speed FPC Connector,” Proc. IEEE Electronic Components and Technol. Conf. (ECTC), Las vegas, NV, May 2013, pp. 274-279.
[8] 林書玄，“適用20-Gbps 矽基高頻傳輸線開發及其板對板光學連接模組之應用”，(中央大學光電所碩士論文，台灣，2013)
[9] 管柏㨗，“利用高分子聚合物波導之軟性電路板實現4通道 × 10-Gbps 光學連接收發模組”，(中央大學光電所碩士論文，台灣，2015)

指導教授

伍茂仁、林祐生(Mount-Learn Wu Yo-Shen Lin)

審核日期

2016-7-26

推文