以玻璃中介層架構設計用於4通道 x 25-Gbps光連接模組之發射端光學次系統組裝

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張鈞豪(Chun-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

以玻璃中介層架構設計用於4通道 x 25-Gbps光連接模組之發射端光學次系統組裝
(Design of Transmitter Optical Sub-Assembly for 4-channel × 25-Gbps Optical Interconnect Module using Glass Interposer Structure)

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摘要(中)

本研究提出以玻璃為中介層實現4通道 × 25 Gbit/s光連接收發模組，此模組被設定在高端伺服器內，應用於晶片與晶片或板對板之間的資料傳輸。本論文主要的研究方向為光連接之發射端光學次系統組裝模組，整合高分子聚合物波導、面射型雷射、微透鏡及射頻傳輸電路至玻璃中介層。
在玻璃中介層上製作微透鏡結構，用於聚集面射型雷射至高分子聚合物波導間的雷射光。在單模光纖代替面射型雷射之量測系統中，其結果最大耦光效率為49%；單端共面波導傳輸線，用於連接雷射驅動晶片及雷射，量測結果插入損耗為0.32 dB、反射損耗為30 dB；差動共面波導傳輸線，用於連接驅動雷射驅動晶片及印刷電路板，模擬結果插入損耗為1.52 dB、反射損耗為10 dB。
高分子聚合物波導及單端共面波導傳輸線的特性已從量測中證明符合系統需求，並且此組發射端光學次系統組裝模組將被應用在100 Gbps之光連接模組。差動共面波導傳輸線需考慮印刷電路板模組的設計及雷射驅動晶片的能力，再作進一步的調整以完成整個光連接發射端模組。

摘要(英)

In this thesis, we proposed a 4-channel × 25-Gbps optical interconnect using glass interposer, which is designed for chip-to-chip connecting. The modules assemble VCSELs, glass interposer, micro-lens and polymer waveguides to realize a transmitter optical sub-assembly for high speed optical interconnect.
The 1  4 micro-lens array on glass interposer is utilized to collect laser between VCSELs and polymer waveguides; the polymer waveguides combined with 45 degree reflector is used to connect the VCSELs and MMFs. The connections of VCSELs to VCSEL Drivers and VCSEL Drivers to PCBs are linked by RF transmission lines.
The optical coupling efficiency of 49% from SMF to MMF via glass interposer and polymer waveguides is measured. The single-ended transmission lines used to link VCSELs to VCSEL Drivers have insertion loss of 0.32 dB and return loss of 30 dB; the differential transmission lines used to link VCSEL Drivers to PCBs have insertion loss of 1.52 dB and return loss of 10 dB.
The optical and electrical characteristics of TOSA modules reach the demands of coupling efficiency, tolerance deviation and high frequency characteristic. It demonstrates that this TOSA module could be applied to a 100-Gbps optical interconnect.

關鍵字(中)

★ 光連接模組
★ 玻璃中介層
★ 高分子聚合物波導

關鍵字(英)

★ Optical Interconnect
★ Glass Interposer
★ Polymer Waveguide

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 光連接技術的發展近況 5
1-3 以玻璃為中介層設計的光連接收發模組 8
第二章光連接發射端模組之光學及電路設計 9
2-1 光連接發射端模組架構 9
2-2 發射端光學次系統組裝模組之光學設計與模擬 11
2-3 發射端光學次系統組裝模組之封裝容忍度 14
2.3.1 面射型雷射的封裝容忍度 15
2.3.2 多模光纖封裝容忍度 16
2.3.3 玻璃中介層與光波導間的封裝容忍度 17
2-4 高頻電路設計原理及定義 18
2-5 單端共面波導傳輸線設計及模擬 19
2.5.1 十微米厚度之單端共面波導傳輸線設計及模擬 20
2.5.2 一微米厚度之單端共面波導傳輸線設計及模擬 22
2-6 差動共面波導傳輸線設計及模擬 24
2.6.1 有長直傳輸線段的共平面波導傳輸線之製程及量測 25
2.6.2 具扇出結構的共平面波導傳輸線之設計及模擬 30
第三章光連接發射端模組之製程及量測 33
3-1 光連接發射端模組之製程步驟 33
3-2 發射端之光學系統模組的製程及量測結果 35
3.2.1 微透鏡之製程結果 35
3.2.2 微透鏡製程結果及發射端光學次系統組裝模組之量測結果 36
3.2.3 高頻特性之量測架設 39
3.2.4 共面波導傳輸線之製程及量測結果 40
第四章結論及未來展望 43
未來展望 44
參考文獻 45

參考文獻

[1] Gilad Shainer. (2014). “100 Gbps Headed For The Data Center”
Online posting. 17. Nov. 2014.
[2] On-board Optical Interconnection. Bruce Booth., et al. Apr. 2013. MIT Microphotonics Center.

[3] PSMC ENABLING TECHNOLOGIES. "Component/Subsystem Technologies Connectors, Cable Assemblies & Organic PCBs" MIT Conference, 2015.

[4] Wang, Zhehui, et al. "Improve chip pin performance using optical interconnects." IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems 24.4 (2016): 1574-1587.
[5] De Dobbelaere, P., et al. "Silicon photonics transceivers for high speed optical interconnect." Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), 2015. IEEE, 2015.
[6] Nieweglowski, Krzysztof, Lukas Lorenz, and Karlheinz Bock. "Multichannel optical link based on polymer multimode waveguides for board-level interchip communication." 2015 European Microelectronics Packaging Conference (EMPC). IEEE, 2015.
[7] Yagisawa, Takatoshi, et al. "FPC-based compact 25-Gb/s optical transceiver module for optical interconnect utilizing novel high-speed FPC connector." 2013 IEEE 63rd Electronic Components and Technology Conference. IEEE, 2013.

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