본 논문에서는 차세대 자동차용 고속 광네트워크 기술인 MOST1000에 적용이 가능한 1 Gbps 급 광트랜시버 모듈의 설계와 제작에 관하여 언급하고 있다. 종래의 자동차용 네트워크 시스템은 10 Mbps ~ 150 Mbps의 데이터 전송속도를 사용하였으나, 최근 인포테인먼트의 발달로 인해 기기 간 통신 속도를 높여 주는 고속 네트워크 기술이 요구되면서 1 Gbps 급의 광네트워크 시스템이 향후에 도입될 것으로 예상되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 고속 광네트워크 시스템의 핵심 부품인 1 Gbps 데이터 전송이 가능한 광트랜시버 모듈을 설계 및 제작하였다. 본 논문에서는 1 Gbps 데이터 전송을 위해 기존 광트랜시버의 광원인 RCLED (resonant cavity light emitting diode)를 VCSEL (vertical cavity surface emitting laser)로 대체하였으며, 제작된 광트랜시버는 $1{\times}2$ 비대칭 형태의 광도파로를 이용하여 하나의 PCF (plastic optical fiber) 광섬유로 결합되도록 제작하였다. 이때, 수신감도는 -22 dBm @ BER$10^{-12}$ 으로 나타났고, 깨끗한 1 Gbps 데이터 전송 아이다이어그램 (eye diagram)을 확인하였다.
본 논문에서는 차세대 자동차용 고속 광네트워크 기술인 MOST1000에 적용이 가능한 1 Gbps 급 광트랜시버 모듈의 설계와 제작에 관하여 언급하고 있다. 종래의 자동차용 네트워크 시스템은 10 Mbps ~ 150 Mbps의 데이터 전송속도를 사용하였으나, 최근 인포테인먼트의 발달로 인해 기기 간 통신 속도를 높여 주는 고속 네트워크 기술이 요구되면서 1 Gbps 급의 광네트워크 시스템이 향후에 도입될 것으로 예상되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 고속 광네트워크 시스템의 핵심 부품인 1 Gbps 데이터 전송이 가능한 광트랜시버 모듈을 설계 및 제작하였다. 본 논문에서는 1 Gbps 데이터 전송을 위해 기존 광트랜시버의 광원인 RCLED (resonant cavity light emitting diode)를 VCSEL (vertical cavity surface emitting laser)로 대체하였으며, 제작된 광트랜시버는 $1{\times}2$ 비대칭 형태의 광도파로를 이용하여 하나의 PCF (plastic optical fiber) 광섬유로 결합되도록 제작하였다. 이때, 수신감도는 -22 dBm @ BER $10^{-12}$ 으로 나타났고, 깨끗한 1 Gbps 데이터 전송 아이다이어그램 (eye diagram)을 확인하였다.
Heretofore, it was enough that most of optical transceiver modules for automotive networks have the performance of data rate from 10 Mbps to 150 Mbps. As the required data rate in automotive infotainment systems has recently been increasing, the development of a new optical transceiver having high s...
Heretofore, it was enough that most of optical transceiver modules for automotive networks have the performance of data rate from 10 Mbps to 150 Mbps. As the required data rate in automotive infotainment systems has recently been increasing, the development of a new optical transceiver having high speed data rate over 1Gbps is now required. Therefore, we suggested a next-generation bi-directional optical transceiver module using vertical cavity surface emitting laser technology and plastic clad fiber technology, for the next-generation automotive optical network, MOST1000. We fabricated the high-speed and compact optical transceiver having 1 Gbps data rate and -22 dBm sensitivity satisfying bit error rate $10^{-12}$.
Heretofore, it was enough that most of optical transceiver modules for automotive networks have the performance of data rate from 10 Mbps to 150 Mbps. As the required data rate in automotive infotainment systems has recently been increasing, the development of a new optical transceiver having high speed data rate over 1Gbps is now required. Therefore, we suggested a next-generation bi-directional optical transceiver module using vertical cavity surface emitting laser technology and plastic clad fiber technology, for the next-generation automotive optical network, MOST1000. We fabricated the high-speed and compact optical transceiver having 1 Gbps data rate and -22 dBm sensitivity satisfying bit error rate $10^{-12}$.
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문제 정의
2 mm 코어 지름의 PCF(polymer clad fiber) 광섬유이다.[8] 따라서, 본 논문에서는 VCSEL과 PCF 광섬유 기반의 광트랜시버 모듈을 설계 및 제작 하였다.
본 논문에서는 차세대 자동차용 고속 광네트워크 기술인 MOST1000 에 적용이 가능한 1 Gbps급 광트랜시버 모듈을 설계 및 제작하였다. 1 Gbps 데이터 전송을 위해 VCSEL 광원과 PCF 광섬유를 기반으로 광트랜시버 모듈을 제작하였으며, 1×2 비대칭 도파로를 사용하여 하나의 PCF 광섬유를 통해 양방향 데이터 전송이 가능하도록 하였다.
본 장에서는 본 논문에서 제안하고 있는 광트랜시버의 VCSEL/PD 와 듀얼 렌즈 블록, 1×2 비대칭 광도파로의 광결합 효율과 정렬 허용도를 분석하고자 한다.
제안 방법
1 Gbps 급 이상의 데이터 전송속도를 가지는 광트랜시버를 제작하기 위해 고속의 상용 VCSEL과 PD, 송신 및 수신회로 칩을 준비하였으며, FPCB도 수 GHz에 이르는 대역폭이 보장되도록 전송선을 설계 제작하였다. 서브 마운트는 최적화 광학 설계를 통하여 정해진 위치와 높이 정보를 기반으로 정밀하게 설계 제작하였다.
1 Gbps 데이터 전송을 위해 VCSEL 광원과 PCF 광섬유를 기반으로 광트랜시버 모듈을 제작하였으며, 1×2 비대칭 도파로를 사용하여 하나의 PCF 광섬유를 통해 양방향 데이터 전송이 가능하도록 하였다.
본 논문에서 제안하는 광트랜시버의 구조를 자세히 살펴보면 FPCB(flexible printed circuit board) 위에 세라믹 서브 마운트와 송/수신회로가 COF(chip on film) 형태로 집적화 패키징 되어있고, 세라믹 서브 마운트 상부에 있는 정렬 마크를 기준으로 VCSEL 과 PD(photo detector)가 정밀하게 실장되어있는 그림 1과 같은 형태로 소형화에 유리한 이점을 가지게 된다. FPCB 는 수직 및 수평 구조로 유연하게 구조 변경이 가능하도록 하기 위해서 사용하였으며, 세라믹 서브 마운트는 VCSEL과 PD의 정밀 본딩 및 외부 변형에 덜 민감하게 하기 위해서 적용하였다. FPCB 위에 패키징된 VCSEL/PD, 서브 마운트 및 송/수신회로를 외부환경으로부터 보호하면서 광결합 효율을 높이기 위해서 비구면 듀얼 렌즈 블록을 실장하였다.
FPCB 는 수직 및 수평 구조로 유연하게 구조 변경이 가능하도록 하기 위해서 사용하였으며, 세라믹 서브 마운트는 VCSEL과 PD의 정밀 본딩 및 외부 변형에 덜 민감하게 하기 위해서 적용하였다. FPCB 위에 패키징된 VCSEL/PD, 서브 마운트 및 송/수신회로를 외부환경으로부터 보호하면서 광결합 효율을 높이기 위해서 비구면 듀얼 렌즈 블록을 실장하였다. 이 듀얼 렌즈 블록은 1×2 비대칭 듀얼 코어 광도파로[10]를 이용하여 하나의 PCF 광섬유로 결합되며, 이러한 방식은 하나의 광섬유를 이용하여 양방향 데이터 전송이 가능한 특징을 가지고 있어 자동차용 네트워크 시스템에 적용할 경우 광섬유 수 감소에 따른 저가화 및 경량화의 이점을 갖게 된다.
그림 2는 분석을 위한 각 부분의 정렬 모습과 위치, 좌표 방향 등에 대해 나타내고 있다. 각 부분들은 한 몸체 형태로 제작되기 때문에 상대적으로 정렬 마진이 더 작은 양방향 구조에 대해서 분석을 진행하였다.
그림 5는 패키징 순서로 먼저 FPCB 위에 송/수신칩과 함께 서브 마운트를 에폭시 다이본딩하게 된다. 그 후 서브 마운트에 VCSEL과 PD를 정해진 위치에 정밀하게 에폭시 다이본딩한 후, FBCB에 에폭시 다이본딩한 송/수신칩과 함께 금 와이어 본딩을 실시하였다. 그런 다음, VCSEL/PD와 듀얼 렌즈 블록을 능동 정렬 방법으로 정렬하여 에폭시 다이본딩한 후 광트랜시버 모듈을 완성하였다.
본 논문에서 제안하는 광트랜시버의 구조를 자세히 살펴보면 FPCB(flexible printed circuit board) 위에 세라믹 서브 마운트와 송/수신회로가 COF(chip on film) 형태로 집적화 패키징 되어있고, 세라믹 서브 마운트 상부에 있는 정렬 마크를 기준으로 VCSEL 과 PD(photo detector)가 정밀하게 실장되어있는 그림 1과 같은 형태로 소형화에 유리한 이점을 가지게 된다. FPCB 는 수직 및 수평 구조로 유연하게 구조 변경이 가능하도록 하기 위해서 사용하였으며, 세라믹 서브 마운트는 VCSEL과 PD의 정밀 본딩 및 외부 변형에 덜 민감하게 하기 위해서 적용하였다.
1 Gbps 급 이상의 데이터 전송속도를 가지는 광트랜시버를 제작하기 위해 고속의 상용 VCSEL과 PD, 송신 및 수신회로 칩을 준비하였으며, FPCB도 수 GHz에 이르는 대역폭이 보장되도록 전송선을 설계 제작하였다. 서브 마운트는 최적화 광학 설계를 통하여 정해진 위치와 높이 정보를 기반으로 정밀하게 설계 제작하였다. 듀얼 렌즈 블록은 비구면 글라스 렌즈로 송신부와 수신부가 각각 다른 초점거리를 가지는 형태로, 하나의 금속 블록에 동시에 형성되도록 하였다.
시뮬레이션은 X축과 Y축의 경우 1 μm 씩 이동해 가며 수평 거리에 따른 1 dB 정렬 허용오차 범위를 알아보았고, Z축의 경우 VCSEL과 듀얼 렌즈, 듀얼 렌즈와 1×2 비대칭 도파로의 광결합 효율 최대 피크 값의 거리인 D1, D2를 기준으로 하여 각각 10 μm, 30 μm씩 이동해 가며 수직 거리에 따른 1 dB 정렬 허용오차 범위를 알아보았다.
이러한 문제점들을 개선시키기 위해 본 논문에서 제안하는 광트랜시버의 구조는 폴리머 사출 렌즈 대신 글래스 렌즈를 사용하여 열팽창에 둔감하게 하고, 각각의 소자와 본딩 와이어에 직접적인 충격 및 진동이 가해지지 않도록 충전제가 없는 구조를 제안하게 되었다.
데이터처리
따라서, 송신부의 정렬 마진이 수신부의 정렬 마진 보다 작게 나타나게 된다. 이에 따라 송신부의 분석을 진행하였으며, 분석을 위해 상용 프로그램인 LightTools 를 이용하였다.
성능/효과
시뮬레이션 분석 결과, VCSEL과 듀얼 렌즈의 1 dB 수평정렬 허용오차 범위는 -3 μm ~ +3 μm, 1 dB 수직 정렬 허용오차 범위는 -20 μm ~ +20 μm로 나타났다.
이 결과에 따르면 수평 정렬 허용오차 범위가 작기 때문에 광트랜시버와 듀얼 렌즈 블록, 1×2 비대칭 도파로 결합시 능동 정렬 방식을 사용해야 한다는 결론을 얻었다.
이 결과에 따르면 수평 정렬 허용오차 범위의 정렬 마진이 작기 때문에 광트랜시버와 듀얼 렌즈 블록, 1×2 비대칭도파로 정렬시 능동 정렬 방식을 사용해야 한다는 결론을 얻었다.
정렬 허용도 시뮬레이션 결과 VCSEL과 듀얼 렌즈의 1 dB 수평 정렬 허용오차 범위는 -3 μm ~ +3 μm, 1 dB 수직 정렬 허용오차범위는 -20 μm ~ +20 μm로 나타났고, 듀얼 렌즈와 1×2 비대칭 도파로의 1 dB 수평 정렬 허용오차 범위는 -6 μm ~ +6 μm, 1 dB 수직 정렬 허용오차 범위는 -90 μm ~ +90 μm로 나타났다.
이 결과에 따르면 수평 정렬 허용오차 범위의 정렬 마진이 작기 때문에 광트랜시버와 듀얼 렌즈 블록, 1×2 비대칭도파로 정렬시 능동 정렬 방식을 사용해야 한다는 결론을 얻었다. 제작한 광트랜시버 모듈의 1 Gbps 데이터 전송 특성을 측정한 결과 깨끗한 아이다이어그램을 확인 하였고, 수신감도는 -22 dBm @ BER 10-12으로 측정되었다.
후속연구
한편, 현재 차량용 MOST 네트워크의 구조로 송신부와 수신부가 분리되는 구조의 Ring형 네트워크를 사용하고 있으나, 향후 차세대 MOST 네트워크 이상에서는 Ring형 네트워크뿐만 아니라 다양한 방식의 복합적인 네트워크로 진화될 가능성이 있다. 이러한 경우 송신부와 수신부가 결합되고, 하나의 광섬유로 양방향 전송이 가능한 광트랜시버가 필요할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
media oriented system transport 네트워크 기술은 어떻게 발전해왔는가?
하지만, 빠르게 발전하는 내비게이션 시스템이나 디지털 TV 수신, 차량 내 이동전화 연결 등의 멀티미디어 컴포넌트 시스템 적용에 한계를 나타내며, 고속 네트워크 기술로 MOST(media oriented system transport)가 도입 되었다.[4] MOST는 초기 25 Mbps 의 전송속도를 사용하는 MOST25 에서 50 Mbps 의 전송속도를 사용하는 MOST50 을 거쳐 현재 150 Mbps 의 전송속도를 사용하는 MOST150 으로 발전하였고,[5] 향후 1 Gbps 의 전송속도를 사용하는 MOST1000[6]이 채택될 예정으로 보고되고 있다. 따라서, MOST1000에 사용할 수 있는 1 Gbps 급 광트랜시버 모듈의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
종래의 자동차용 네트워크 기술인 CAN은 어떤 시스템에 적용되는가?
최근 자동차용 네트워크 시스템은 인포테인먼트의 발달로 인해 기기 간 통신 속도를 높여 주는 고속 네트워크 기술이 요구되고 있다. 종래의 자동차용 네트워크 기술인 CAN (controlled area network),[1] LIN(local interconnect network),[2]FlexRay[3] 는 차량 내 ABS(anti-lock braking system), ACU(airbag control unit), ESC(electronics stability control), TCU(transmission control unit) 등의 주요 장치를 제어하기 위한 ECU(electric control unit) 시스템에 적용되고 있으며, 10 Mbps~20 Mbps의 데이터 전송속도를 사용하고 있다. 하지만, 빠르게 발전하는 내비게이션 시스템이나 디지털 TV 수신, 차량 내 이동전화 연결 등의 멀티미디어 컴포넌트 시스템 적용에 한계를 나타내며, 고속 네트워크 기술로 MOST(media oriented system transport)가 도입 되었다.
CAN의 데이터 전송속도는?
최근 자동차용 네트워크 시스템은 인포테인먼트의 발달로 인해 기기 간 통신 속도를 높여 주는 고속 네트워크 기술이 요구되고 있다. 종래의 자동차용 네트워크 기술인 CAN (controlled area network),[1] LIN(local interconnect network),[2]FlexRay[3] 는 차량 내 ABS(anti-lock braking system), ACU(airbag control unit), ESC(electronics stability control), TCU(transmission control unit) 등의 주요 장치를 제어하기 위한 ECU(electric control unit) 시스템에 적용되고 있으며, 10 Mbps~20 Mbps의 데이터 전송속도를 사용하고 있다. 하지만, 빠르게 발전하는 내비게이션 시스템이나 디지털 TV 수신, 차량 내 이동전화 연결 등의 멀티미디어 컴포넌트 시스템 적용에 한계를 나타내며, 고속 네트워크 기술로 MOST(media oriented system transport)가 도입 되었다.
참고문헌 (10)
M. Rahmani, J. Hillebrand, W. Hintermaier, E. Steinbach, and R. Bogenberger, "A novel network acrhitecture for in-vehicle audio and video communication," Proc. IEEE Broadband Convergence Networks Workshop, Munich, Germany, 1-12 (2007).
J. W. Specks and A. Rajnak, "LIN - protocol, development tools, and software interfaces for local interconnect networks in vehicles," 9th International Conference on Electronic Systems for Vehicles, Baden-Baden, Germany, 1-24 (2000).
FlexRay Consortium, "FlexRay, requirements specification," Version 2.1 (2005).
MOST Cooperation, "Automotive application recommendation for optical MOST interfaces," Version 1.0, URL: www.mostcooperation.com (2003).
A. Grzemba, "MOST - the automotive multimedia network - from MOST25 to MOST150," Franzis Verlag, Poing, ISBN 978-3-645-65061-8 (2011).
C. Pardo, "Application of advanced communication techniques within KDPOF physical layer, to achieve a robust and low-cost MOST100," 12th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), Munich, Germany, 1-4 (2010).
O. Ziemann, J. Krauser, P. E. Zamzov, and W. Daum, Optical Short Range Transmission Systems, 2nd ed. (POF Handbook, Springer, 2008), ISBN: 978-3-540-76628-5.
J. Angstenberger and V. Tiederle, "Reliability assessment of VCSEL-devices for 5Gbit/s data transmission in automotive environments," MOST Forum (2013).
MOST Cooperation, "Automotive communication at the speed of light," URL: www.mostcooperation.com (2012).
T. H. Lee, S. H. Oh, P. J. Kim, Y. G. Han, C. S. Kim, and M. Y. Jeong, "An imprinted bi-directional waveguide platform for large-core optical transceiver," Opt. Lett. 36, 2324-2326 (2011).
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