SiON/Si 인터포저 기반 2.5D 광 I/O 칩셋으로 4×100G 고속 연결 구현

초록

본 논문은 저손실 SiON/Si 광 인터포저 위에 InP 기반 전기·광 활성 소자를 플립칩 방식으로 집적한 2.5D 코패키징 구조를 제시한다. CWDM AWG를 이용한 파장분할·합성 기능과 편광 무감도 설계가 결합된 패시브 회로가 전자 드라이버·TIA와 함께 동작하여, 단일 광섬유당 400 Gb/s(4×100 Gb/s) 전송을 실현하고 눈에 보이는 eye diagram과 높은 수신 감도를 입증한다.

상세 분석

이 연구는 고대역폭·저전력 AI/ML 시스템의 단거리 인터커넥트 병목을 해소하기 위해, SiON(실리콘 옥시나이트)과 실리콘 기판을 복합한 2.5D 인터포저를 핵심 플랫폼으로 선택한 점이 혁신적이다. SiON은 낮은 굴절률 대비(Δn)와 넓은 투명 파장대, 낮은 비선형성 및 열광학 계수를 제공해, 실리콘 대비 스캐터링 손실과 온도 민감도를 크게 감소시킨다. 이러한 물성은 O‑밴드(≈1310 nm)에서 -0.2 dB/cm 수준의 전파 손실을 구현하게 하며, 파장‑다중화(AWG)와 광섬유 커플러의 삽입 손실을 각각 -2.25 dB, -1.2 dB 수준으로 억제한다.

패시브 회로는 CWDM(코스톤 파장분할 다중화) 스펙을 따르는 AWG MUX/DeMUX를 SiON 단일모드 웨이브가이드에 구현했으며, DeMUX는 다중모드 웨이브가이드를 이용해 평탄한 13 nm 대역폭을 제공하면서 -20 dB 이하의 인접 채널 간 크로스토크를 유지한다. 또한, SiON의 낮은 열광학 계수(≈10⁻⁵ /K)와 작은 굴절률 변동 덕분에 240채널에 대한 평균 파장 드리프트가 1.2 nm, 최대 3 nm에 머무는 높은 공정 내성도 확인되었다.

전기‑광 활성 소자는 InP 기반 전기흡수 변조 레이저(EML)와 포토디텍터(PD)를 플립칩으로 직접 인터포저에 부착하였다. 드라이버와 TIA는 전자 칩렛 형태로 배치돼 EML·PD와의 전기적 거리를 최소화함으로써 고주파 파라시틱 손실과 임피던스 불연속을 억제하고, SiON/SiO₂ 절연층이 제공하는 저유전손실 환경이 신호 무결성을 보장한다. 열 관리 측면에서도 실리콘 기판과 금속 볼트가 직접 접촉해 고열 전도성을 확보, 고속 동작 시 발생하는 열을 효과적으로 방출한다.

시스템 레벨에서는 이러한 2.5D 코패키징이 전기‑광 인터페이스를 1 mm 이하의 짧은 거리로 집적함으로써 전기 신호 전송 손실을 최소화하고, 광 파라미터(삽입 손실, 파장 안정성, 편광 무감도)를 최적화해 전체 전력 예산을 크게 개선한다. 실험 결과 4채널(각 100 Gb/s) 동시 전송이 단일 SMF를 통해 400 Gb/s를 달성했으며, 눈에 보이는 eye diagram과 -15 dBm 수준의 수신 감도는 실용적인 데이터 센터·슈퍼컴퓨터 환경에 적용 가능함을 증명한다.