Title: Bandwidth Enhancement in Multimode Polymer Waveguides Using Waveguide Layout for Optical Printed Circuit Boards
ArXiv ID: 1611.02723
발행일: 2017-02-03
저자: Jian Chen, Nikos Bamiedakis, Peter Vasilev, Richard V. Penty, Ian H. White
📝 초록 (Abstract)
단거리 광 연결 기술은 데이터 센터와 슈퍼컴퓨터 환경에서 주목받고 있으며, 이는 전기 연결의 내재적 한계로 인해 성능 병목 현상을 일으키는 데 반해, 광 기술이 높은 대역폭과 낮은 간섭을 제공하여 해결책으로 제시되고 있다. 다모드 폴리머 웨이브가이드는 실록산 폴리머 소재를 활용하여 표준 PCB에 통합 가능하며, 저비용 시스템 조립이 가능한 큰 코어 차원을 갖추고 있어 보드 수준 광 연결의 훌륭한 후보로 주목받고 있다. 그러나 다모드 특성으로 인해 대역폭 성능과 높은 데이터 속도를 지원할 수 있는 능력에 대한 질문이 제기된다.
본 논문에서는 굴절률 공학 및 발사 조건을 활용하여 100 Gbps 이상의 데이터 전송을 가능하게 하는 다모드 폴리머 나선형 웨이브가이드의 대역폭 연구를 발표한다. 특히, 패시브 웨이브가이드 구성 요소인 굽힘과 교차점을 활용하여 모드 필터링 특성을 통해 대역폭을 향상시키는 새로운 접근 방식을 제안하며, 이를 통해 BLP(대역폭-길이 제품) > 40 GHz×m를 달성하고, 매우 높은 보드 데이터 속도(>40 Gbps)를 지원하면서 저손실 성능을 유지할 수 있음을 입증한다.
💡 논문 핵심 해설 (Deep Analysis)
본 논문은 단거리 광 연결 기술의 대역폭 향상을 위해 다모드 폴리머 웨이브가이드의 레이아웃과 패시브 구성 요소를 활용하는 방법을 제안한다. 이 연구는 데이터 센터와 슈퍼컴퓨터 환경에서 전기 연결의 한계를 극복하고, 광 기술을 통해 높은 대역폭과 낮은 간섭을 제공함으로써 성능 향상을 목표로 한다.
1. 다모드 폴리머 웨이브가이드의 중요성
다모드 폴리머 웨이브가이드는 실록산 폴리머 소재를 활용하여 표준 PCB에 통합 가능하며, 큰 코어 차원을 통해 저비용 시스템 조립이 가능하다. 이러한 특징으로 인해 보드 수준 광 연결의 훌륭한 후보로 주목받고 있다.
2. 대역폭 성능과 데이터 속도
다모드 웨이브가이드는 높은 대역폭 성능을 제공할 수 있지만, 다모드 특성으로 인해 고순도 모드의 억제와 관련된 문제를 안고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 굴절률 공학 및 발사 조건을 활용하여 100 Gbps 이상의 데이터 전송이 가능하도록 하는 연구가 진행되었다.
3. 새로운 접근 방식: 웨이브가이드 레이아웃과 모드 필터링
본 논문에서는 패시브 웨이브가이드 구성 요소인 굽힘과 교차점을 활용하여 모드 필터링 특성을 통해 대역폭을 향상시키는 새로운 접근 방식을 제안한다. 이러한 방법은 굴절률 프로필 선택과 지능적인 레이아웃 설계를 통해 BLP(대역폭-길이 제품) > 40 GHz×m를 달성하고, 매우 높은 보드 데이터 속도(>40 Gbps)를 지원하면서 저손실 성능을 유지할 수 있음을 입증한다.
4. 실험 및 측정 방법
실험에서는 femtosecond 에르비움 도핑 섬유 레이저와 자가 상관 계측기를 사용하여 광 펄스의 감지 및 분석을 수행했다. 또한, 다모드 VCSEL 소스를 활용한 측정을 통해 부품의 손실 성능과 대역폭 성능을 평가하였다.
5. 결과 및 해석
실험 결과, 웨이브가이드 굽힘과 교차점은 고순도 모드의 억제를 통해 직선 웨이브가이드와 비교하여 최대 1.5배까지 대역폭을 향상시킬 수 있음을 보여주었다. 특히, 곡선 반경이 작아질수록 고차 모드의 억제 효과가 증가하고, 이는 BLP > 60 GHz/m를 달성할 수 있는 가능성을 제시한다.
결론
본 논문은 다모드 폴리머 웨이브가이드의 레이아웃과 패시브 구성 요소를 활용하여 대역폭을 향상시키는 새로운 접근 방식을 제안하고, 이를 통해 고성능 보드 수준 광 연결에 필요한 충분한 대역폭을 확보하면서 저손실 성능을 유지할 수 있음을 입증한다. 이러한 결과는 광학 백플레인 설계에서 지능적인 레이아웃의 중요성을 강조하며, 향후 연구와 개발에 있어 중요한 방향성을 제시한다.
본 논문은 단거리 광 연결 기술의 대역폭 향상을 위한 새로운 접근 방식을 제안하고, 이를 통해 고성능 보드 수준 광 연결의 가능성을 입증함으로써 데이터 센터와 슈퍼컴퓨터 환경에서 전기 연결의 한계를 극복하는 데 중요한 기여를 한다.
📄 논문 본문 발췌 (Excerpt)
## 단기 광 연결 기술의 대역폭 향상: 패시브 웨이브가이드 구성 활용
단거리 광 연결 기술은 데이터 센터 및 슈퍼컴퓨터 환경에서 데이터 통신 링크에 대한 주목할만한 관심사를 불러일으켰습니다.[1] 지속적으로 증가하는 연결 대역폭 수요로 인해 기존의 동선 기반 전기 연결은 그 내재적 단점으로 인해 성능 병목 현상을 일으킵니다. 광 기술은 전기 대안보다 높은 대역폭, 낮은 간섭 및 향상된 전력 효율성[2]을 제공하므로 이 문제에 대한 유망한 해결책이 됩니다. 다모드 폴리머 웨이브가이드는 보드 수준 광 연결에 적합한 훌륭한 후보로 간주되며, 이를 통해 전자-광(EO) 인쇄 회로 기판(PCB)의 형성 가능합니다. 특히 실록산 폴리머 소재는 표준 PCB에 이러한 웨이브가이드를 직접 통합할 수 있도록 좋은 열적 및 기계적 특성을 제공합니다.[3] 또한 일반적으로 30~70μm의 큰 코어 차원을 사용하여 정렬 허용 오차가 완화되어 저비용 시스템 조립이 가능합니다.[4]
그러나 이러한 웨이브가이드의 다모드 특성은 중요한 질문을 제기하게 합니다. 즉, 그들의 대역폭 성능과 매우 높은 보드 데이터 속도(>40 Gbps)를 지원할 수 있는 능력입니다. 최근 우리는 다양한 발사 조건 하에서 시간 영역 측정을 통해 1m 길이의 폴리머 다모드 나선형 웨이브가이드에 대한 대역폭 연구를 발표했습니다.[5] 또한, 굴절률 공학 및 발사 조건 조절을 통해 단일 웨이브가이드 채널을 통해 100 Gbps 이상의 매우 높은 데이터 속도를 전송할 수 있음을 입증했습니다.[6] 이 논문에서는 이러한 웨이브가이드의 대역폭 향상을 달성하기 위한 새로운 접근 방식을 제시합니다. 이는 웨이브가이드 레이아웃과 패시브 웨이브가이드 구성 요소(웨이브가이드 굽힘 및 교차점)의 모드 필터링 특성을 활용하는 것입니다. 모드 필터링은 다모드 섬유 시스템[7] 및 모드 선택적 링 공명기[8]와 커플러[9]에서 몇 모드 시스템을 위해 사용되어 데이터 용량을 증가시킵니다. 본 연구에서는 단순한 패시브 웨이브가이드 구성 요소인 굽힘과 교차점을 사용하여 보드 수준 광 연결에 유사한 접근 방식을 제안하며, 이는 광 백플레인의 설계에 유용한 도구가 될 것입니다.
웨이브가이드 굽힘 및 교차점에 대한 분산 연구 결과, 이러한 웨이브가이드 구성 요소에서 고순도 모드를 억제하면 직선 웨이브가이드와 비교하여 대역폭이 최대 1.5배까지 향상될 수 있음을 보여줍니다. 또한 지능적인 웨이브가이드 레이아웃과 적절한 굴절률 프로필 선택을 통해 BLP(대역폭-길이 제품) > 40 GHz×m를 달성할 수 있으며, 이는 매우 높은 보드 데이터 속도(>40 Gbps)를 지원하면서도 저손실 성능을 유지하고 발사 조건 조절 없이 구현할 수 있음을 의미합니다. 이러한 결과는 이 기술이 고성능 보드 수준 광 연결에 적합함을 강조합니다.
분산 측정은 femtosecond 에르비움 도핑 섬유 레이저(TOPTICA FFS)를 사용하여 1574 nm(~787 nm 제2해상도 생성용 프리즘 사용)에서 수행되었습니다. 출력 빛은 10× 현미경 렌즈(NA=0.25)를 통해 절단된 50/125 μm MMF 패치코드에 결합되었으며, 다른 끝은 번역 스테이지에 장착되어 웨이브가이드에 직접 부트 커플링이 가능하도록 절단되었습니다. 50/125 μm MMF의 근장 이미지 및 원거리 강도 분포는 Fig. 3(c) 및 (d)에 나타냅니다. 측정 시 사용된 발사 조건은 제한적이거나 과충전이 아닌, 실제 시스템에서 발생할 수 있는 비교적 현실적인 조건을 반영합니다. 웨이브가이드를 통과한 후 출력 빛은 16× 현미경 렌즈를 통해 수집되었습니다.
광파 안내체 성능 분석
(NA = 0.32)는 자가 상관 계측기를 통해 전송된 광 펄스를 감지하기 위해 결합됩니다. 수신 신호 펄스의 폭은 일반적인 펄스 형태 (예: sech² 또는 로렌츠)를 이용한 곡선 적합을 통해 자가 상관 추적에서 추출됩니다. 파이드 응답은 백투백 및 파이드 링크의 푸리에 변환을 취한 후 두 값을 차감하여 추출됩니다. 그 결과, 파이드 부품의 -3dB 대역폭을 결정할 수 있습니다. 유사한 설정은 부품의 손실 성능 측정을 위해 사용됩니다. 850nm에서 다모드 VCSEL 소스를 사용하여 측정 수행됩니다. 쌍의 현미경 렌즈는 빛을 짧은 50/125um MMF 패치코드에 결합하기 위해 사용됩니다. 입력 섬유의 절단 끝은 파이드 입구 면과 맞닿게 부트 커플링되며, 파이드 출력에서는 16배 현미경 렌즈가 사용하여 출력 빛을 모아서 광 전력 미터 헤드 (HP 81525A)에 집중시킵니다. 각 측정에서 입력 섬유의 위치는 정밀 번역 스테이지를 통해 조정되어 테스트 중인 파이드 부품을 통해 최대 전송 전력을 확보합니다.
두 개의 직선 파이드 샘플 (각각 9.1cm와 7.4cm 길이)에 대해 유사한 손실 및 분산 측정이 수행되었습니다. 두 샘플 모두 유사한 굴절률 프로파일과 차원을 가지고 있어 대역폭과 손실 성능의 직접 비교가 가능합니다.
그림 4(a)는 50/125um MMF 발사 조건에서 두 파이드 샘플의 곡선 반경에 따른 추정 BLP (밴드넓이 증대치)를 보여줍니다. 각 직선 파이드에 대한 유사한 발사 조건 하에서 얻은 BLP 값도 그래프에 표시되었습니다: WG A ~39 GHz/m, WG B ~40 GHz/m. 예상대로, 곡선 반경이 작아질수록 고차 모드의 억제가 증가하여 파이드 대역폭이 증가합니다. 그림 4(b)의 삽입 손실 측정 결과도 이러한 관찰을 뒷받침합니다. 두 직선 파이드의 길이 (점 A에서 B까지, 그림 1 참조)는 각각 ~1.2dB와 ~1.1dB로 추정되며, 유사한 발사 조건 (50/125um MMF) 하에서 그래프에 직선으로 표시되었습니다. 결과적으로, 5mm 곡선 반경에서는 1.55배의 BLP 향상 (BLP > 60 GHz/m)이 달성될 수 있으며, 이는 ~1.9dB의 손실 페널티를 동반합니다. 약간 더 큰 곡선의 경우, 예를 들어 11mm 곡선 반경은 50 GHz/m 이상의 BLP를 제공하며, 추가 손실은 ~0.7dB입니다.
비슷한 연구가 파이드 교차 지점에도 수행되었습니다. 그림 4(c)는 50/125um MMF 발사 조건에 따른 교차 지점의 수에 따른 추정 BLP를 보여줍니다. 교차 지점의 수가 증가함에 따라 대역폭이 증가하지만, 10개 이상에서는 포화 상태에 도달합니다. 이러한 행동은 고차 모드가 주로 초기 몇 개의 교차 지점에서 억제되는 것으로 인해 [11] 보고된 비선형적인 손실 성능 향상과 일치하며, 여기에서도 관찰됩니다 (그림 4(d) 참조). 결과적으로, 상대적으로 적은 수의 교차 지점 (~10)으로 1.25배의 대역폭 향상이 가능하며, 이는 각 샘플 WG A와 WG B에 대해 추가 손실 ~2dB 및 ~1.6dB를 동반합니다. 직선 파이드와 비교하여 관찰된 대역폭과 손실 성능 차이는 주목할 만합니다.
분산 측정은 다양한 굴절률 프로파일을 가진 다모드 파이드 곡선과 교차 지점에 대해 수행되었습니다. 결과는 이러한 다모드 파이드의 대역폭 성능을 ~1.5배 향상시킬 수 있는 곡선 구조와 파이드 교차 지점의 활용 가능성을 보여줍니다. 40Gb/s 이상의 온보드 데이터 전송을 지원할 수 있는 충분한 대역폭을 확보하면서도 저손실 전송 특성을 유지할 수 있습니다. 이러한 결과는 광학 백플레인 설계에 있어 지능적인 레이아웃의 중요성을 강조합니다.
이 다중 모드 폴리머 광섬유 기술에 기반하여, 보드 레벨 광 연결(board-level optical interconnects)에서의 잠재력을 강조합니다.
