CPO(Co-Packaged Optics)의 종합적 개요

CPO 또는 Co-Packaged Optics는 LPO와 함께 자주 언급되는 용어입니다. 그 의미와 중요성을 파헤쳐 보겠습니다.

기존의 핫스왑 가능 광 모듈은 약 150~200mm의 비교적 긴 거리에 걸쳐 전기 신호를 통해 스위치 시스템의 메인 칩에 연결됩니다. 예를 들어, M800 PCB 상호 연결을 사용하는 7G 광 모듈에서 112Gbps PAM4 신호(대역폭 약 30GHz)의 신호 손실은 약 0.25dB/mm입니다. 이에 비해 이러한 신호의 광섬유 손실은 수백만 배 더 작아 무시할 수 있습니다. 또한 전기 신호 손실은 주파수에 따라 증가하는 반면 광 신호 손실은 주파수에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 이러한 불변성은 광 신호가 고정 주파수(예: 228Gbps PAM112 신호의 경우 4THz)를 갖는 광 캐리어파로 변조되기 때문입니다.

전기 신호 손실을 줄이기 위한 두 가지 주요 전략이 있습니다.

• 손실이 적은 전도성 및 유전체 재료를 사용합니다.
• 상호 연결 거리 줄이기

CPO는 두 번째 접근 방식을 채택합니다. CPO 광 모듈을 스위치의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 칩과 통합하여 상호 연결 거리를 단축하고 고주파 RF 신호 손실을 줄입니다.

신호 표준 및 산업 정의

• VSR: 전면 패널 광 모듈과 ASIC 칩 간의 전기 신호에 대한 CEI 표준에 의해 정의됩니다.
• XSR: 공동 패키지된 CPO 모듈과 ASIC 칩 간의 전기 신호에 대한 CEI 표준에 의해 정의됩니다.

OIF 표준에서는 3.2Tbps CPO 모듈이 정의되어 있습니다. 아래 그림은 51.2Tbps 스위치와 3.2Tbps CPO 모듈의 통합을 나타냅니다. CPO는 ASIC 칩과 "공동 패키징"하여 전기 신호 거리를 최소화하고 고주파에서 상당한 삽입 손실 문제를 해결하는 것을 말합니다.

OIF CPO 표준은 단일 모드 통신 및 소형 모듈 설계를 지정합니다. 이는 VCSEL 기술을 효과적으로 배제하고, 좁은 레이아웃을 수용할 수 있는 실리콘 포토닉스를 선호합니다.

현재 OSFP 모듈은 다음과 같은 경우에 일반적입니다. 800Gbps 광모듈, 8x400Gbps(모듈당 3.2Tbps)의 용량을 정의하는 CPO 표준과는 다릅니다. 이는 제한된 레이아웃 내에서 훨씬 더 큰 용량을 요구하며, EML 또는 InP 통합의 과제로 인해 실리콘 포토닉스와의 심층 통합이 필요합니다.

CPO의 진화와 관련 개념 2018년경에 도입된 CPO 개념은 OBO, OBA, COBO(2010-2018)와 같은 이전의 핫스왑이 불가능한 광학 기술을 흡수했으며, 현재는 이를 통틀어 CPO라고 합니다. 또한 ASIC과의 통합 근접성에 따라 다음과 같은 하위 범주가 있습니다.

NPO(Near-Packaged Optics): 비교적 먼 거리의 통합을 위해 사용됩니다.

IPO(In-Package Optics): 더욱 긴밀한 통합을 위해.

CPO는 현대 시스템에서 고주파 신호 손실 문제를 해결하고 광통신 용량을 확장하는 데 있어 획기적인 접근 방식으로 남아 있습니다.

광범위하게 말해서, 모든 핫 플러그형이 아닌 광 모듈을 CPO(Co-Packaged Optics)로 분류하면 이 용어는 더 이상 표준에서 정의한 단일 모드 통신에 국한되지 않습니다. 결과적으로 특정 다중 모드 CPO 개념이 업계에 등장했습니다.

멀티모드 CPO 시스템은 광검출기(PD)와 페어링된 멀티모드 VCSEL(수직 공동 표면 방출 레이저)을 활용합니다. 예를 들어, 후지쯔와 후루카와와 같은 일본 제조업체는 400Gbps 멀티모드 LGA(Land Grid Array) 프레스핏 접촉 그리드를 사용하는 CPO 광 모듈입니다.

마찬가지로 Finisar(현 Coherent) 및 HP와 같은 미국 기업은 1-2Tbps 범위의 용량을 가진 멀티모드 CPO 솔루션을 채택하여 16채널 또는 24채널 구성과 같은 VCSEL 어레이를 지원합니다. 이러한 시스템은 또한 LGA 접점을 활용합니다.

멀티모드 CPO에서의 LGA 장점 기존 납땜과 달리 LGA 연결은 프레스핏 접점에 의존하여 리플로우 납땜이 필요 없습니다. 이를 통해 고온 납땜 중 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 재료 응력을 피하면서 CPO 조립 및 유지 관리가 용이해집니다. 또한 열에 의한 접착제 경화로 인해 광학 정렬에 영향을 줄 수 있는 문제를 방지합니다.

실리콘 포토닉스 CPO와 멀티모드 VCSEL CPO의 차이점 실리콘 포토닉스를 기반으로 하는 좁게 정의된 CPO 솔루션은 더 광범위한 멀티모드 VCSEL 기반 CPO 시스템과 크게 다릅니다.

전력 소비: 단일 모드 실리콘 광자 CPO 시스템은 다중 모드 VCSEL 기반 시스템보다 더 많은 전력을 소비합니다.

신뢰성: 실리콘 광자 시스템은 VCSEL 시스템에 사용되는 화합물 반도체와 비교했을 때 실리콘(원소 반도체)이 고장 위험이 낮기 때문에 더 높은 신뢰성을 보입니다. 화합물 반도체는 신뢰성 문제가 발생할 가능성이 더 높습니다.

단일 모드 CPO 및 통합 과제 OIF에서 정의한 단일 모드 CPO로 돌아가면 실리콘 광자 통합 칩을 사용하면 기존의 핫 플러그형 광 모듈에 비해 패키징 프로세스가 복잡해집니다. 예를 들어, ASIC 칩은 ~30mm이고 CPO 너비는 ~20mm이므로 공간이 매우 제한적입니다. 각 CPO에는 32개의 Tx 차동 쌍, 32개의 Rx 차동 쌍 및 제어 신호 라인이 포함되어 있어 전기 신호에 대한 초고밀도 레이아웃이 필요합니다.

기존의 와이어 본딩은 이러한 밀도 요구 사항을 충족할 수 없으므로 대부분의 제조업체는 TCB(열압축 본딩)나 인텔의 접근 방식과 같은 웨이퍼 레벨 패키징, 또는 최소한 플립칩 방식과 같은 첨단 기술을 채택하게 되었습니다.

웨이퍼 레벨 패키징은 특히 2024-2025년 상용화를 위해 집중적으로 연구되고 있습니다. 반도체 공정을 활용하여 더 미세한 라인, 더 작은 비아, 더 밀도 있는 상호 연결을 달성합니다. 고밀도 연결을 달성한 후 웨이퍼는 다이로 다이싱되고 CPO로 조립됩니다.

고밀도 상호 연결을 위한 고급 Through-Via 기술 웨이퍼 수준 조립은 상호 연결 요구 사항에 따라 다양한 via 기술을 활용할 수 있습니다.

TSV(Through-Silicon Vias): 최대 ~30GHz 대역폭(~112Gbps PAM4 신호)을 지원하지만 실리콘의 반도체 특성으로 인해 상당한 기생 커패시턴스가 있습니다. 이는 공진으로 이어질 수 있습니다.

TGV(Through-Glass Vias): 더 나은 대역폭을 제공하지만 유리의 단단함으로 인해 취약합니다.

TMV(Through-Molded Vias): RF 유전체 재료를 사용하여 비아 갭을 채우는 성형 구조를 특징으로 하며, 열 팽창과 같은 문제를 해결하는 동시에 더 큰 대역폭을 지원합니다.

CPO의 광 패키징 과제 전기적 상호 연결 밀도 외에도 CPO 광 패키징은 기존 광 모듈보다 더 까다롭습니다. 예를 들어, 3.2Tbps CPO에는 Tx와 Rx 모두에 32x112Gbps 채널이 포함되어 있어 비 WDM 설정에서 64개의 광섬유가 필요합니다. WDM(예: 4파장 WDM)은 이를 16개의 광섬유로 줄입니다.

광섬유 정렬에는 두 가지 과제가 있습니다.

광섬유 모드 필드 직경은 실리콘 광자공학의 광도파관 모드 필드보다 크기 때문에 모드 필드 변환기(예: 스팟 크기 변환기 또는 SSC)가 필요합니다.

역테이퍼 구조, 삼지창 모양, 다이아몬드와 같은 구성 등 다양한 디자인은 생산 비용과 일관성을 최적화하는 동시에 광학 영역을 확장하는 것을 목표로 합니다.

레이저 통합 접근 방식

마지막으로, 실리콘 광자공학 기반 CPO 시스템에서는 레이저 선택이 중요합니다.

옵션은 다음과 같습니다 :

통합 레이저: 통합성은 높지만 고장률이 높습니다(예: 인텔).

플립칩 레이저: 중간 수준의 통합성과 신뢰성(예: Marvell).

외부 레이저 소스(ELSFP): CPO에 CW 조명을 제공하는 독립적인 레이저 모듈로, 광 손실이 증가하는 대신 안정성이 더 높습니다.

CPO는 또한 광섬유의 응력을 관리해야 합니다. 이러한 유리 소재는 굽힘이나 압축 시 응력을 받기 쉽기 때문입니다. 솔루션에는 저온 접착 기술이나 고급 납땜 방법(예: 레이저 용접, 유리 용접)과 같은 최적화된 광섬유 설계 및 조립 프로세스가 포함됩니다.

이 포괄적인 프레임워크는 CPO 시스템의 발전을 형성하는 혁신과 기술적 장애물을 모두 강조합니다.