CPO 시스템의 분리형 광섬유 연결 기술

빠르게 발전하는 고속 데이터 통신 세계에서 Co-Packaged Optics(CPO) 기술은 판도를 바꿀 기술로 주목 받고 있습니다. CPO는 광학 장치와 전자 장치를 단일 패키지로 통합하여 기존 전기 연결 방식의 대역폭 제한을 극복합니다. 성공적인 CPO 시스템의 핵심에는 실용성과 제조 가능성을 결정하는 핵심 구성 요소인 분리형 광섬유 커넥터가 있습니다. AI 기반 통신 네트워크 분야의 선두 주자인 FiberMall은 글로벌 데이터 센터, 클라우드 컴퓨팅, 엔터프라이즈 네트워크, 액세스 네트워크 및 무선 시스템을 위한 비용 효율적인 광통신 제품 및 솔루션을 제공하는 데 특화되어 있습니다. 이 분야에서 고품질의 가치 중심 옵션을 찾고 있다면 FiberMall이 이상적인 파트너입니다. 자세한 내용은 공식 웹사이트를 방문하거나 고객 지원팀에 문의하십시오.

완벽한 CPO 솔루션 이해

효과적인 CPO 시스템의 기반은 전체 신호 경로에 걸쳐 광섬유 연결이 어떻게 통합되는지 이해하는 것에서 시작됩니다. 최신 CPO 아키텍처는 광집적회로(PIC) 수준에서 시스템 수준 상호 연결까지 확장되는 정교한 연결 방식을 요구합니다.

그림 1: 완전한 CPO 구성에는 모듈 커넥터, 호스트 커넥터, MPC36, SN-MT 백플레인 커넥터, 광 백플레인 커넥터가 멀티칩 모듈 시스템에 분산되어 포함됩니다.

종합적인 분석을 통해 분리형 파이버 투 칩 커넥터(D-FAU)가 어떻게 전체 CPO 생태계의 작동을 가능하게 하는 기반 구성 요소 역할을 하는지 확인할 수 있습니다. 이러한 연결은 전면 패널의 고밀도 요구 사항, 미드보드 애플리케이션에 필요한 유연성 및 확장성을 충족해야 하며, 백플레인 수준에서 견고하고 반복 가능한 성능을 유지해야 합니다.

분리성의 중요성

CPO 시스템에서 분리형 연결의 필요성은 경제적, 실용적 고려 사항에서 비롯되며, 이는 실제 제조 시나리오를 검토할 때 더욱 분명해집니다. 주변에 1000개가 넘는 영구적으로 연결된 광섬유가 있는 다중 칩 모듈(MCM)을 처리하는 어려움을 생각해 보십시오. 이러한 구성은 제조, 테스트 또는 유지 보수에 거의 비현실적입니다.

그림 2: 1개 이상의 파이버가 있는 MCM을 처리하는 복잡성을 보여주는 그림으로, 전기적 분리형, 중간 보드 광학적 분리형, 패키지 가장자리 분리형, 칩 가장자리 분리형 구성을 포함한 분리형 연결 옵션을 보여줍니다.

단일 광섬유 고장으로 인해 값비싼 다중 칩 모듈 전체가 손상될 수 있는 경우, 경제적 논리는 설득력이 있습니다. 분리형 연결은 여러 전략적 개입 지점을 제공하여 전체 어셈블리를 손상시키지 않고도 문제를 격리하고 해결할 수 있도록 합니다. 이 기술은 세 가지 주요 광 분리 전략을 제시합니다. 짧은 점퍼를 사용하는 중간 보드 연결, 패키지에 영구적으로 밀봉된 패키지 엣지 수신기, 그리고 광 엔진과 직접 인터페이스하는 최첨단 칩 엣지 분리형 연결 방식입니다.

완화된 허용 오차 요구 사항을 위한 빔 확장 기술

CPO 시스템에서 가장 중요한 기술적 과제 중 하나는 합리적인 제조 공차를 유지하면서 안정적인 광 결합을 달성하는 것입니다. 기존의 직접 광섬유 연결은 매우 정밀한 정렬을 요구하기 때문에 반복적인 연결이 필요한 분리형 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

그림 3: 모드 필드 직경(MFD)이 35~50마이크론인 빔 확장 기술은 성능 곡선과 크로스토크 분석을 포함하여 선형 및 각도 오정렬 허용 오차 간에 최적의 균형을 제공합니다.

빔 확장 기술은 의도적으로 빔 직경을 확대하여 더욱 유연한 정렬 환경을 조성함으로써 이러한 과제를 해결합니다. 모드 필드 직경이 약 35~50마이크론에 도달하면 최적의 조건이 형성되어 선형 오프셋 허용 오차(빔 직경이 커질수록 개선됨)와 각도 오정렬 감도(빔 직경이 커질수록 중요해짐) 간의 최적의 절충안을 제공합니다. 또한, 이러한 접근 방식은 고밀도 애플리케이션에 필요한 127마이크론 피치를 유지하면서 인접 채널 간의 누화를 최소화하는 데에도 도움이 됩니다.

고급 광학 엔진 통합

빔 확장 기술을 실제 광학 엔진에 통합하는 것은 현대 CPO 구현에 필요한 정교함을 보여줍니다. TSMC의 컴팩트 유니버설 포토닉 엔진(COUPE)은 첨단 반도체 공정과 정밀 광학 인터페이스의 결합이 어떻게 가능한지 보여주는 좋은 예입니다.

그림 4: TSMC의 컴팩트 유니버설 광자 엔진은 내장형 메타 렌즈, 표면 결합 솔루션, 1.2dB 결합 효율, 25nm 대역폭 등의 성능 특성을 갖추고 있습니다.

이 시스템은 광 루프백에서 절반당 약 1.2dB의 결합 손실을 포함하여 탁월한 성능 지표를 달성하고 25나노미터의 작동 대역폭을 유지합니다. 내장형 메타 렌즈 방식은 0.1차원 격자를 통한 표면 결합을 가능하게 하지만, ±XNUMX도의 매우 엄격한 각도 허용 오차 제어가 필요합니다. TSMC의 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) 공정과의 호환성은 CPO 기술이 기존의 첨단 패키징 인프라를 어떻게 활용하는지 보여줍니다.

고밀도 커넥터 솔루션

최신 CPO 시스템의 밀도 요건을 충족하려면 안정적인 광 성능에 필요한 정밀도를 유지하면서도 광섬유 수를 극대화하는 혁신적인 커넥터 설계가 필요합니다. 금속 광자 집적 회로 커넥터의 개발은 이러한 상충되는 목표를 달성하는 데 있어 중요한 진전을 나타냅니다.

그림 5: 8마이크론 피치의 다양한 금속 광자 집적 회로 커넥터 구성(16F, 20F, 36F, 127F)과 실리콘 광자 칩과 확장 빔 결합을 위한 금속 광학 플랫폼을 보여주는 자세한 단면도.

이 커넥터는 정밀 금속 광학 플랫폼 기술을 활용하여 필요한 기계적 안정성을 확보하는 동시에 8개에서 36개까지의 광섬유를 소형 폼팩터에 수용합니다. 127미크론 피치는 빔 확장 요건을 충족하며, 정밀 금속 V-그루브 구조는 반복 가능한 광섬유 위치 조정을 보장합니다. 열적으로 안정적인 프레임 설계는 온도 변화 시 광학 정렬에 영향을 미칠 수 있는 열팽창 계수 불일치 문제를 해결합니다.

정밀 정렬 방법론

분리형 CPO 연결의 성공은 궁극적으로 정밀성, 기계적 안정성, 그리고 연결 편의성이라는 상충되는 요구 사항들을 균형 있게 충족하는 정교한 정렬 전략에 달려 있습니다. 다양한 제약 조건 방법 간의 상충 관계를 이해하면 최적의 설계 선택에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

그림 6: 과도하게 제약된 결합 방식, 정확하게 제약된 결합 방식, 운동학적 결합 방식을 비교하여 최적의 성능을 위해 다중 접촉점과 최소 접촉점 사이에 배치된 Senko의 정밀 정렬 솔루션을 보여줍니다.

이 스펙트럼은 등각 표면 접촉을 통해 최대 강성과 정밀도를 제공하는 과구속 시스템부터, 최소 접촉점을 통해 고유한 위치 결정 및 열 안정성을 제공하는 정밀 구속 운동학적 커플링까지 다양합니다. Senko의 정밀 정렬 솔루션은 정밀 구속 시스템 대비 향상된 정밀도와 강성을 제공하는 동시에 거의 동일한 반복성을 유지하고 여러 번의 분리 가능한 사이클을 지원하는 중간 지점에 위치합니다. 이 접근 방식은 적당한 예압력을 필요로 하며, 더 짧은 비지지 스팬과 향상된 감쇠 특성을 통해 향상된 구조 동역학을 제공합니다.

제조 통합 및 비용 최적화

CPO 기술의 상업적 실현을 위해서는 합리적인 비용과 수율을 유지하면서 필요한 정밀도를 달성하는 제조 공정이 필수적입니다. 분리형 연결부의 웨이퍼 레벨 집적은 이러한 목표를 실현하는 데 중요한 단계입니다.

그림 7: Senko의 분리형 FAU 구현을 위한 단순화된 웨이퍼 수준 공정 흐름으로, 실리콘 광자 웨이퍼에서 메타 렌즈 장착, 수신기 장착, 테스트, 다이싱 및 최종 패키징 단계까지의 진행 과정을 보여줍니다.

이러한 제조 방식은 다이싱 전에 웨이퍼 레벨 테스트를 가능하게 하여, 고비용 패키징 작업 전에 문제를 식별함으로써 실패 비용을 크게 절감합니다. 이 공정은 수동 및 능동 정렬 기술을 모두 지원하며 기존 반도체 제조 인프라와 완벽하게 통합됩니다. 웨이퍼에서 최종 멀티칩 모듈에 이르기까지 여러 단계의 리플로우와 유연한 세척 공정이 필요하지만, 각 단계에서 수동 테스트를 수행할 수 있는 능력은 중요한 수율 최적화 기회를 제공합니다.

분리형 광섬유 연결을 CPO 시스템에 통합하는 것은 기술적 성과를 나타낼 뿐만 아니라, 상업적 배포를 가능하게 하는 제조, 테스트 및 현장 유지 관리에 대한 실질적인 요구 사항을 손상시키지 않고 광자 통합의 이점을 실현할 수 있는 고대역폭 광 컴퓨팅에 대한 새로운 패러다임을 열어줍니다.