High-Performance Packaging for Si Photonic MEMS - Co-Packaged Optics (CPO) Integration

Abstract

The integration of Co-Packaged Optics (CPO) requires optical I/O devices that exhibit both low insertion loss (IL) and broadband operation. Edge couplers are well suited for this purpose, as they provide efficient fiber-to-chip coupling across a wide spectral range. However, conventional edge couplers involve complex fabrication processes and must be placed only at the chip edge, which imposes significant constraints on design flexibility and scalability of integration. To overcome these limitations, this thesis proposes and demonstrates a cantilever-type MEMS edge coupler. The device is CMOS-compatible, based on an inverse-taper structure, and can be fabricated without excessive process complexity. By exploiting metal-stress-inducing displacement, the cantilever enables vertical offset after fabrication. In addition to device-level design, this thesis shows packaging strategies for Si photonic MEMS devices to ensure long-term reliability. Conventional vertical fiber coupling often suffers from handling difficulties and limited durability, making it unsuitable for practical deployment. To address this, a lateral fiber-coupling scheme was implemented, providing robust fiber attachment and stable alignment under environmental stress. This approach allows for consistent device performance during extended operation. By combining a low-loss, broadband MEMS edge coupler with a durable lateral packaging methodology, this work addresses two critical barriers to the practical integration of CPO. The proposed approaches provide a scalable pathway for the deployment of Si photonic MEMS devices in CPO, supporting the advancement of next-generation data communication and high-performance computing systems

Keywords: Co-Packaged Optics (CPO), Si photonic MEMS, Cantilever edge coupler, Inverse-taper structure, Packaging

| 본 논문은 Co-Packaged Optics(CPO) 기술의 구현을 위해 저손실(Insertion Loss, IL)과 광대역 특성을 동시에 만족하는 실리콘 포토닉 MEMS 기반 광 입출력(I/O) 디바이스를 제안한다. 일반적인 엣지 커플러(Edge Coupler)는 넓은 파장 범위에서 효율적인 광섬유-칩 결합이 가능하지만, 복잡한 제작 공정과 칩 가장자리 배치 제약으로 인해 설계 유연성과 집적도 측면에서 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 금속 응력(Metal Stress)에 의한 변위를 활용하는 CMOS 호환형 캔틸레버(Cantilever) 구조의 MEMS 엣지 커플러를 설계하고 제작하였다. 제안된 구조는 인버스 테이퍼(Inverse-Taper) 형상을 기반으로 하여 공정 복잡도를 최소화하면서도, 제작 이후 금속 응력에 의해 발생하는 수직 변위를 조절할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 실리콘 포토닉 MEMS 디바이스의 장기 신뢰성을 확보하기 위한 패키징 전략을 함께 제시하였다. 기존의 수직형 결합 구조는 광섬유 취급 난이도와 내구성 저하로 인해 실용적 응용에 제약이 있었으나, 본 연구에서는 측면 결합(Lateral Fiber Coupling) 방식의 패키징을 도입하여 외부 환경 변화나 기계적 스트레스 하에서도 안정적인 광섬유 부착과 정렬이 가능함을 보였다. 이러한 패키징 접근법은 장시간 구동 조건에서도 안정적인 디바이스 성능을 보장한다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 저손실·광대역 MEMS 엣지 커플러와 내구성 향상형 패키징 방법론은 CPO 시스템 내 실리콘 포토닉 MEMS 기술의 실용화와 대규모 집적 구현을 위한 핵심 기반을 제공하며, 차세대 데이터 통신 및 고성능 컴퓨팅 응용 분야로의 확장 가능성을 제시한다.

핵심어: Co-Packaged Optics(CPO), 실리콘 포토닉 MEMS, 캔틸레버 엣지 커플러, 인버스 테이퍼 구조, 패키징