KR20060080901A - Device of signal delivery using optical flexible pcb - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광신호의 전송선로가 되는 폴리머 광도파로(Optical Waveguide)를 포함하는 연성 광 PCB를 이용한 신호전달 장치에 관한 것이다. 렌즈(Lens)를 이용한 광원/광검출기와 광도파로간의 기존 경성 결합구조에서 정렬오차에 의한 광손실을 최소화하기 위하여 연성 광도파로(Optical Waveguide)를 이용하여 제조공정을 간단히 할 수 있고, 광송수신 모듈을 수동적인 정렬방법으로 조립이 가능하여 경제성 및 양산성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 현재 휴대폰과 노트북 등에 전기적인 연결에 의한 경성기판과 연성 PCB를 사용하고 있는데, 향후로는 고속, 대용량의 정보전송을 요구하는 여러 분야에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있다.The present invention relates to a signal transmission device using a flexible optical PCB including a polymer optical waveguide (Optical Waveguide) that is an optical signal transmission line. In the existing rigid coupling structure between the light source / photodetector and the optical waveguide using the lens, the manufacturing process can be simplified by using the optical waveguide to minimize the optical loss due to the alignment error, and the optical transmission / reception module It can be assembled by a manual alignment method can improve the economics and mass production. In addition, currently using a rigid substrate and a flexible PCB by the electrical connection to the mobile phone and laptop, etc. In the future, the flexible optical PCB of the present invention can be easily applied in various fields that require high-speed, large-capacity information transmission.
광도파로, 광송신모듈, 광수신모듈, 연성 PCB Optical waveguide, optical transmission module, optical reception module, flexible PCB
Description
도 1은 종래 경성 광 PCB를 이용한 신호전달 구조도.1 is a signal transmission structure using a conventional rigid optical PCB.
도 2는 종래 경성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 상세 구조도.2 is a detailed structural diagram of an optical signal transmission using a conventional rigid optical PCB.
도 3은 본 발명에 의한 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치의 단면도.3 is a cross-sectional view of an optical signal transmission apparatus using a flexible optical PCB according to the present invention.
도 4는 상기 도 3의 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치의 광송신모듈 단면 확대도.Figure 4 is an enlarged cross-sectional view of the optical transmission module of the optical signal transmission apparatus using the flexible optical PCB of FIG.
도 5는 상기 도 3의 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치의 광수신모듈 단면 확대도.5 is an enlarged cross-sectional view of an optical receiving module of the optical signal transmission apparatus using the flexible optical PCB of FIG. 3.
도 6은 본 발명에 따른 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치에서 광연결 거리 (t)에 따른 광결합 손실 그래프 예시도.Figure 6 is an illustration of the optical coupling loss graph according to the optical connection distance (t) in the optical signal transmission apparatus using a flexible optical PCB according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치를 종래의 경성 PCB와의 결합한 전체 구성도.7 is an overall configuration of the optical signal transmission device using a flexible optical PCB according to the present invention combined with a conventional rigid PCB.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
1: 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치1: Optical signal transmission device using flexible optical PCB
2: 광도파로층2: optical waveguide layer
3: 구리배선층3: copper wiring layer
4: 유전체층4: dielectric layer
5: 필름 덮개층5: film cover layer
6: 송신부의 45°반사면6: 45 ° reflecting surface of transmitter
7: 수신부의 45°반사면7: 45 ° reflecting surface of receiver
8: 송신부의 전기 커넥터8: electrical connector of transmitter
9: 수신부의 전기 커넥터9: electrical connector on receiver
10: 광원 소자10: light source element
11: 송신칩11: Transmit Chip
12: 솔더범프12: solder bump
16: 송신부의 히트싱크16: Heat sink of transmitter
20: 광검출기 소자20: photodetector element
21: 수신칩21: receiving chip
본 발명은 광 PCB(Printed Circuit Board)를 이용한 광신호 전달 장치에 관 한 것으로, 연성 PCB용 기판에 폴리머 광 도파로 층이 내장된 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical signal transmission device using an optical printed circuit board (PCB), and relates to an optical signal transmission device using a flexible optical PCB having a polymer optical waveguide layer embedded in a flexible PCB substrate.
광연결 기술은 거리에 무관하게 시스템간 데이터 전송, 시스템 내 백플랜 간 데이터 전송, 시스템 내 보드 간 연결, 보드 상에서 칩 간 데이터 전송 등에 광범위하게 응용되고 있다.Optical interconnect technologies are widely used for data transfer between systems over distances, data transfer between backplanes in systems, board-to-board connections within systems, and data transfer between chips on board.
그리고 연결 매개체는 다양한 연결 방식이 시도되고 있는데, 그 중에서, 전송 거리가 비교적으로 짧은 거리인 보드간 광연결의 응용을 위해서는 현재의 PCB(Printed circuit board) 기술에 적용할 수 있는 구조로 발전되어야 할 필요가 있다. 현재까지는 주로 광섬유 또는 폴리머 광도파로가 PCB내에 적층된 경성 광 PCB가 주로 연구되어 왔지만, 향후로는 많은 전자제품등 연성 PCB의 응용분야가 점차 넓어짐에 따라 연성 PCB를 통한 고속의 신호전송이 점점 더 요구되고 있는 상황이다.In addition, various connection methods have been tried. Among them, for the application of board-to-board optical connection, which has a relatively short transmission distance, it is necessary to develop a structure applicable to the current PCB (Printed circuit board) technology. There is a need. Up to now, rigid optical PCBs in which optical fibers or polymer optical waveguides are stacked in PCBs have been mainly studied, but in the future, as the application fields of flexible PCBs such as many electronic products become wider, high-speed signal transmission through flexible PCBs becomes more and more. This is a required situation.
도 1 및 도 2는 종래 광섬유 또는 폴리머 광도파로가 PCB내에 적층되어 있는 형태의 광 PCB를 이용한 대표적인 광연결 모듈 구조를 도시한 것으로, 상기 도 1의 광모듈 구조는 PCB 내 끝단면에 45°반사면을 가지는 폴리머 광도파로(Polymer optical waveguide)(100)가 내장되어 있으며, 인쇄회로 기판(Printed circuit board)(102) 위에 광신호를 송신하고 수신하는데 필요한 광소자와 IC 회로 및 마이크로 렌즈가 BGA(Ball Grid Array) 기판에 집적되어 있는 구조이며, 또한 상기 도 2의 광모듈 구조는 폴리머 광도파로(100)가 PCB내에 적층되어 있고 광학적 비아 홀이 뚫려 있으며 그 위에 광소자가 집적되어 있는 광송신 모듈 또는 광수신 모듈(200)이 집적되고, 폴리머 광도파로(100)와 광송신 모듈(200)과의 광학적인 연결 은 광신호의 반사(beam reflection)를 위한 광도파로가 광학적 비아 홀에 삽입되어 이루어지는 구조이다.1 and 2 illustrate a typical optical connection module structure using an optical PCB of a type in which a conventional optical fiber or polymer optical waveguide is stacked in a PCB, and the optical module structure of FIG. A four-sided polymer
그러나 상기 도 1과 같은 종래 광모듈은 두께가 1.2mm∼3.2mm 인 경성 PCB에 적용될 수 있는 구조이며, 일반적으로 사용되는 광원인 VCSEL의 발산각이 15°이기 때문에 효율적인 광접속 효율을 유지하기 위해서는 모듈과 광 PCB상에 마이크로렌즈가 사용되어야 하는 문제점이 있었다.However, the conventional optical module as shown in FIG. 1 has a structure that can be applied to a rigid PCB having a thickness of 1.2 mm to 3.2 mm, and in order to maintain an efficient optical connection efficiency because the divergence angle of the commonly used light source is VCSEL of 15 °. There was a problem that microlenses should be used on the module and the optical PCB.
또한 상기 도 2와 같은 광모듈 구조에 있어서는 광신호의 반사를 위한 전달체의 반사면 높이가 광 PCB내에 적층되어 있는 광도파로의 코어(core) 위치와 일치되어야 하는데 일반적인 PCB의 제작 공정상 보드두께 방향으로의 위치 공차는 전체 두께의 10%로 유지되므로 광도파로 코어의 두께 방향으로의 위치 공차는 보드 두께에 따라 120∼320μm가 되어 전달체의 반사면과 광도파로의 코어를 수동정렬(passive alignment)방식으로 일치시키기가 매우 어려운 문제점이 있으며, 또한 연성 PCB의 경우처럼 기판 두께가 수백 μm 이하로 매우 얇은 경우는 전달체를 정밀하게 제작하는 것 자체가 매우 어려운 문제점이 있다.In addition, in the optical module structure as shown in FIG. 2, the height of the reflecting surface of the carrier for reflecting the optical signal must match the core position of the optical waveguide stacked in the optical PCB. The position tolerance in the optical waveguide is maintained at 10% of the total thickness, so the position tolerance in the thickness direction of the optical waveguide core is 120 to 320 μm depending on the thickness of the board, and the passive alignment method of the reflective surface of the carrier and the core of the optical waveguide There is a problem that is very difficult to match, and when the substrate thickness is very thin, such as in the case of a flexible PCB, a few hundred μm or less, there is a problem that it is very difficult to precisely manufacture the carrier.
본 발명의 목적은 종래의 연성 PCB를 구성하는 각종 층에 광신호를 전달할 수 있는 다층의 폴리머 광도파로층을 내재하는 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치를 제공함에 있다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide an optical signal transmission apparatus using a flexible optical PCB having a multilayer polymer optical waveguide layer capable of transmitting optical signals to various layers constituting a conventional flexible PCB.
본 발명은 연성 광 PCB를 이용한 광신호 전달 장치로서, 광신호를 전송할 수 있는 다층의 광도파로층을 내재하는 다층의 연성 재질 광 PCB와, 상기 연성 광 PCB의 최상층에 위치되어 전기신호를 광신호로 변환시켜 상기 다층의 광도파로층으로 전송시키는 광송신모듈과, 상기 광송신모듈로부터 출사된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환시키는 광수신모듈을 포함한다. 상기 광송신모듈은, 전기적 신호를 광신호로 전환시키주는 수직 발광 레이저 및 다이오드를 이용한 광원소자와, 상기 광원소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 광원소자로부터 광신호가 출사되도록 구동시키는 송신칩을 포함하고, 상기 광수신모듈은 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환시켜주는 수직 감광 다이오드를 이용한 광검출소자와 상기 광검출소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며 상기 광검출소자로부터 변환된 전기적 신호를 증폭시키는 수신칩을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an optical signal transmission device using a flexible optical PCB, comprising a multilayer flexible material optical PCB having a multilayer optical waveguide layer capable of transmitting optical signals, and positioned on a top layer of the flexible optical PCB to transmit electrical signals to optical signals. And an optical transmission module for converting the optical signal to the multilayer optical waveguide layer and receiving the optical signal emitted from the optical transmission module and converting the optical signal into an electrical signal. The optical transmission module is a light source device using a vertical light emitting laser and a diode for converting an electrical signal into an optical signal, and is electrically connected to the light source device through flip chip bonding, and drives the optical signal to be emitted from the light source device. And a transmitting chip, wherein the optical receiving module is electrically connected to the photodetector using a vertical photosensitive diode that converts the received optical signal into an electrical signal, and is electrically connected to the photodetector through flip chip bonding and converted from the photodetector. And a receiving chip for amplifying the signal.
도 3은 본 발명에 따른 연성 광 PCB의 전체적인 구조(1)를 도시한 것으로, 상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 연성 광 PCB의 층 구성은 광신호의 전송선로가 되는 폴리머 광도파로층(2), 전기 신호의 전송선로가 되는 구리배선층(3), 유전체층(4) 및 필름 덮개층(5) 등으로 이루어진다.Figure 3 shows the overall structure (1) of the flexible optical PCB according to the present invention, referring to Figure 3, the layer configuration of the flexible optical PCB of the present invention is a polymer optical waveguide layer that is a transmission line of the optical signal ( 2) a
상기 폴리머 광도파로층(2)에는 광신호를 직각으로 전달시켜주는 기능을 하는 45°반사면(6)이 송신부 및 수신부에 있고, 일반적인 방법인 상기 도 2에서 보여지는 바와 같이 코어(core)와 크래드(clad)층으로 이루어진다. 또한 폴리머 광도파로층(2)은 리소그라피 공정, hot embossing 또는 rolling등의 통상적인 방법으로 제 작될 수 있고, 45°반사면(6,7)은 diamond blade에 의한 grooving 방법 등으로 정밀한 위치에 형성되고, 반사효율 높이기 위한 목적으로 반사면에 금 또는 알루미늄과 같은 금속을 코팅한다.The polymer
연성 광 PCB의 최상층에는 전기신호를 광신호로 변화시켜주는 기능을 하는 광송신모듈(100)과 광신호를 전기신호로 변환시켜주는 기능을 하는 광수신모듈(200)이 집적되어 있다. 광송신모듈(100)에서 출사된 광신호는 고분자의 굴절율의 차이에 의하여 유전체층(4)을 통과하여 폴리머 광도파로층(2)에 형성되어 있는 45°반사면(6)에서 반사되어 폴리머 광도파로(2)를 따라 도파하다가 반대편의 광수신모듈(200) 밑에 있는 45°반사면(7)에서 반사되어 광수신모듈(200)로 입사된다. 광송신 모듈(200)을 구동시키기 위한 전기적 신호는 연성 광 PCB 끝에 있는 전기적 커넥터(8)에 의해서 입력되고, 광수신 모듈(200)에서 출력되는 전기적 신호는 그 반대편에 있는 전기적 커넥터(9)를 통해서 출력된다. 전기적 커넥터(8,9)는 연성 PCB에 통상적으로 사용되는 solder fusing, pressure contact, clamp-type connector 등으로 이루어진다.At the top layer of the flexible optical PCB, an
도 4의 광송신모듈(100)에는 능동소자로서 전기적 신호를 광신호로 전환시켜주는 VCSEL(10) (vertical-cavity surface-emitting laser)만이 집적되거나, 또는 VCSEL(10)에서 광신호가 출사하도록 구동시켜주는 기능을 하는 송신칩(11)이 같이 집적된다. 연성 광 PCB와의 전기적인 연결을 위해 송신칩(11)과는 솔더(12)를 이용하여 접합된다.In the
도 5의 광수신모듈(200)에서도 마찬가지로 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환시 켜주는 포토다이오드(photodiode)(20)만이 능동소자로서 있거나, 전기적 신호를 증폭시켜주는 수신칩(21)이 같이 집적된다. 또한, 송신 또는 수신 광모듈(100, 200)에서 발생하는 열을 제거해주기 위한 목적으로 금속 등으로 만들어진 히트싱크(16, 26)가 광송신모듈(100)과 광수신모듈(200)에 직접 부착되거나, 또는 연성 광 PCB의 반대면에 고정된다.Similarly, in the
도 6은 상기 도 3에서와 같은 연성 광 PCB 구조에서 광송신모듈(100) 또는 광수신모듈(200)에서의 광소자의 광출력부 또는 광입력부와 폴리머 광도파로(2)의 코어의 중심간의 거리인 "광결합거리(t)" 에 따른 광접속 손실을 도시한 그래프이다. 본 발명의 실시 예에서는 멀티모드 광연결 시스템에서 통상적으로 사용되는 기법인 ray tracing을 광접속 손실 측정을 위한 실험 방법으로 사용하였다.FIG. 6 shows the distance between the optical output unit or optical input unit of the optical element in the
상기 도 6에 의하면, 폴리머 광도파로(2)에서 광신호가 도파되는 코어(core)의 폭과 높이에 따라 광연결 거리(t)에 따른 광접속 손실의 의존성은 상당히 다름을 알 수 있다. 통상적으로 사용되는 연성 PCB의 두께인 10~100μm와 폴리머 광도파로(2)의 크래드 및 코어의 두께, 솔더범프(12)의 높이를 모두 고려하면 광연결거리(t)는 50-400μm가 되며, 이 범위에서 광도파로(2)의 폭과 높이가 모두 50μm인 경우가 실험을 행한 코어의 크기 중에서 가장 손실이 작았으며, 그 범위는 -0.5∼-2.3dB로 매우 작았다. 여기에 폴리머 광도파로의 도파손실 (0.1∼0.3dB/cm)과 통상적인 수신칩의 수신감도 -16dBm 및 VCSEL(10)의 평균파워를 0dBm으로 고려해보면, 연성 광 PCB를 통해 광신호를 전송할 수 있는 거리(D)는 최대40∼150cm가 되어 칩간 광연결 뿐만 아니라 보드간 광연결에도 적용할 수 있게 된다.According to FIG. 6, it can be seen that the dependence of the optical connection loss on the optical connection distance t varies considerably depending on the width and height of the core in which the optical signal is guided in the polymer
도 7은 상기 도3의 연성 광PCB의 기본구조를 응용한 예이다. 경성 PCB(300)와 본 발명의 연성 광 PCB(1)의 혼성 결합을 통해서 층층이 놓여진 보드간의 연결을 상기 도 7에서 보여주고 있다. 이것은 본 발명의 특징이자 연성 광 PCB의 특징이기도한 유연성에 근거한 것으로, 많은 다양한 전자 제품 등에서 요구되고 있는 고속, 대용량의 정보 전송을 위한 수단으로 본 발명의 연성 광 PCB가 활용될 것으로 예상된다.7 is an example of applying the basic structure of the flexible optical PCB of FIG. 7 shows a connection between the
상기한 바와 같이 본 발명에서는 연성 광 PCB의 구조에 의해 통상의 전기적인 연성 PCB로는 전송하기 어려운 고속의 신호를 전송할 수 있으며, 광결합 거리가 짧아서 마이크로 렌즈를 사용할 필요가 없고, 광송신 및 수신 모듈을 수동적인 정렬 방법으로 조립이 가능하여 경제성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 현재 핸드폰과 노트북 등과 같은 전자 제품 등에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있다.As described above, in the present invention, the structure of the flexible optical PCB can transmit a high-speed signal that is difficult to transmit with a conventional electrical flexible PCB, and because the optical coupling distance is short, there is no need to use a micro lens, and the optical transmission and reception module Can be assembled by a manual alignment method to improve the economics. In addition, the flexible optical PCB of the present invention can be easily applied to electronic products such as mobile phones and laptops.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 연성 광 PCB의 구조에 의해 고속의 신호를 전송할 수 있으며, 광결합 거리가 짧아서 마이크로 렌즈를 사용할 필요가 없고, 광송신 및 수신 모듈을 수동적인 정렬방법으로 조립이 가능하여 제조비용을 감소시킬 수 있어 경제성을 향상 시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 향후 고속, 대용량의 데이터 전송이 요구되는 핸드폰과 노트북 등과 같은 다양한 전자 제품 및 여러 응용분야에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있는 이점이 있다.As described above, in the present invention, a high speed signal can be transmitted by the structure of the flexible optical PCB, and the optical coupling distance is short, there is no need to use a micro lens, and the optical transmission and reception module is assembled by a manual alignment method. It is possible to reduce the manufacturing cost is possible to improve the economics there is an advantage. In addition, in the future, there is an advantage that the flexible optical PCB of the present invention can be easily applied to various electronic products such as mobile phones and notebooks requiring high speed and large data transfer and various applications.
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---|---|---|---|---|
KR100864962B1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-10-23 | 주식회사 두산 | Flexible optical interconnection module for flat panel display and manufacturing method thereof |
KR100985764B1 (en) * | 2008-11-03 | 2010-10-06 | (주)인터플렉스 | Method for manufacturing FPCB with flexible optical waveguide |
CN115097577A (en) * | 2022-04-27 | 2022-09-23 | 中航光电科技股份有限公司 | Photoelectric conversion printed board structure based on polymer optical waveguide |
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G15R | Request for early opening | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
E601 | Decision to refuse application |