技術(shù)背景

目前主流的CPO有兩種技術(shù)方案和應(yīng)用場(chǎng)景。

基于VCSEL的多模方案，30m及以下距離，主要面向超算及AI集群的短距光互聯(lián)；

基于硅光集成的單模方案，2km及以下距離，主要面向大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光互聯(lián)。

單波100G VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)成熟度比硅光子稍慢，目前N×100G VCSEL array芯片（主要模塊產(chǎn)品800G SR8）價(jià)格仍處在高位水平；

一部分?jǐn)?shù)據(jù)中心終端客戶(hù)希望用硅光向下覆蓋短距VCSEL的應(yīng)用； 同時(shí)VCSEL芯片制造商和交換機(jī)廠商也在繼續(xù)發(fā)力，開(kāi)發(fā)VCSEL的低成本CPO解決方案，以維持vcsel方案在CPO賽道的市場(chǎng)占有率。

本報(bào)告收集匯總了OFC2023上基于VCSEL的CPO進(jìn)展。

在OFC2023上，IBM介紹了基于VCSEL陣列的CPO最新進(jìn)展，

目前大部分CPO產(chǎn)品都是基于硅光的方案，但是VCSEL在超短距傳輸上有著明顯的成本與功耗優(yōu)勢(shì)。目前從事基于VCSEL CPO研發(fā)的機(jī)構(gòu)主要有：

• IBM
• HP
• Fujitsu
• Furukawa

這四家公司。

【玩家1】IBM

IBM與II-VI合作，一起承接了美國(guó)能源部(ARPA-E)的項(xiàng)目，項(xiàng)目的名稱(chēng)是MOTION (全稱(chēng)Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE)。項(xiàng)目分為Phase 1和Phase 2兩個(gè)階段，兩個(gè)階段的指標(biāo)如下圖所示，主要區(qū)別是通道數(shù)、速率和電芯片等。CPO模塊的尺寸保持不變。

VCSEL的波長(zhǎng)為940nm，速率可以達(dá)到56Gbaud, 可以支持112Gbps PAM4的信號(hào)。PD也是類(lèi)似的情況，速率可以達(dá)到56Gbaud。Phase 1中的電芯片采用55nm BiCMOS工藝，Tx和Rx是單獨(dú)的兩顆芯片，16通道。芯片尺寸都是1.64mm*4.64mm。電芯片中沒(méi)有retiming功能，因此可以支持低延遲的應(yīng)用場(chǎng)景。電芯片、VCSEL和PD芯片分別flip-chip到玻璃基板上，如下圖所示

將透鏡等光學(xué)元件封裝在一起之后，整體模塊的尺寸為13mm*13mm，和硬幣的尺寸相當(dāng)，如下圖所示

值得一提的是，考慮到CPO距離switch芯片比較近，VCSEL的性能可能會(huì)有所影響。IBM在系統(tǒng)上放了冗余的VCSEL, 如下圖所示，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提升了1000倍。如果Primary VCSEL發(fā)生故障，可以快速切換到Spare通道。

IBM沒(méi)有展示太多的full-link結(jié)果，只給出了16個(gè)通道的VCSEL眼圖。Tx端的能效比為2.7pJ/bit, 包含VCSEL的功耗在內(nèi)。Rx端沒(méi)有給出實(shí)測(cè)的能效比，理論仿真值為1.5pJ/bit, 整個(gè)系統(tǒng)的能效比4.2pJ/bit。整個(gè)系統(tǒng)的帶寬為800Gbps（16x50Gbps）。此外系統(tǒng)采用的是單波長(zhǎng)VCSEL，Phase 2會(huì)引入多波長(zhǎng)。

【玩家2】HP

惠普也一直致力于基于VCSEL的CPO研發(fā)，找到了2020年4通道CPO的文章。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，

系統(tǒng)中含5個(gè)波長(zhǎng)的VCSEL激光器，波長(zhǎng)分別為990/1015/1040/1065/1090nm。5個(gè)波長(zhǎng)的3dB帶寬都大于18GHz, 可以支持56Gbps PAM4的信號(hào)，如下圖所示。990nm的VCSEL帶寬略低。通過(guò)采用預(yù)矯正(pre-distorted)的電信號(hào)，以及增加驅(qū)動(dòng)電流的大小，VCSEL可以支持112Gbps PAM4的信號(hào)。

將VCSEL陣列、PD陣列和薄膜濾波片組裝在一起，構(gòu)成四波長(zhǎng)的CPO模塊。由于PD無(wú)法和TIA芯片匹配，HP采用了外置的探測(cè)器。CPO模塊沒(méi)有集成電芯片。CPO Tx端的眼圖如下圖所示，誤碼率小于1e-6。

【玩家3】 Fujitsu

Fujitsu公司的VCSEL CPO方案如下圖所示，系統(tǒng)中使用16通道的VCSEL和PD陣列，為了方便與多芯光纖(MCF)耦合，VCSEL和PD呈圓弧形分布，相鄰?fù)ǖ赖木嚯x為40um。VCSEL為單模1060nm輸出。Driver和TIA芯片放置在Interposer的背面。

CPO模塊采用LGA的電接口，pitch為300um。為了實(shí)現(xiàn)高速電信號(hào)的互聯(lián)，interposer采用了10層金屬，整個(gè)interposer的厚度為340um。其截面如下圖所示，光芯片和電芯片都是采用flip-chip的方式放置在interposer上。

整體的CPO模塊尺寸為7.8*16*8.0mm，也是與硬幣尺寸相當(dāng)，如下圖所示。CPO模塊的帶寬為400Gbps(25Gbps NRZ*16)。Fujitsu沒(méi)有給整個(gè)link的實(shí)測(cè)結(jié)果。

【玩家4】 Furukawa

Furukawa公司的VCSEL CPO方案如下圖所示，采用兩組4通道的VCSEL與PD陣列。為了減小電信號(hào)互聯(lián)的長(zhǎng)度，Driver和TIA芯片分別放置在VCSEL和PD的兩側(cè)。光芯片和電芯片都是直接貼到substrate上，光芯片和電芯片之間采用wire-bonding的方式互聯(lián)。CPO模塊采用LGA的電接口形式，LGA的pitch也是300um。光口采用MT頭，包含24個(gè)通道。

VCSEL的3dB帶寬為17GHz, PD的3dB帶寬為23GHz, 都可以支持56Gbps PAM4的信號(hào)。 Furukawa搭建了4.4m長(zhǎng)的鏈路，BER的測(cè)試結(jié)果如下圖所示，對(duì)于28Gbps NRZ信號(hào)，Rx端光功率大于-10dBm，BER小于1e-12, 對(duì)于56Gbps PAM4信號(hào)，Rx端光功率需大于-8dBm, BER小于2.4e-4。

CPO模塊的尺寸為15.9*7.7*7.95mm, 總帶寬為448Gbps(56x8), 對(duì)應(yīng)的帶寬密度為7.32Gbps/mm^2 (雙向)。

上述四家公司的結(jié)果，簡(jiǎn)單對(duì)比下，如下圖所示：

小結(jié)：

相比較而言，IBM的VCSEL CPO各方面的性能占優(yōu)，其電芯片也是自己專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)研發(fā)的。

而另外三家公司的文章中并沒(méi)有透露太多driver/TIA的信息。

四家公司的VCSEL CPO都還處于研發(fā)階段，full link的性能表征也不是很完善。VCSEL CPO難點(diǎn)主要在封裝上，四家公司的封裝方案有些共性，光引擎都是采用LGA的方式與PCB板互聯(lián)，Driver與TIA都是盡量靠近VCSEL與PD。另外由于系統(tǒng)中含有多通道的VCSEL與PD, 其可靠性與維護(hù)受到了挑戰(zhàn)。后續(xù)如何進(jìn)行帶寬的升級(jí)，也值得思考。由于VCSEL的傳輸距離比較短，VCSEL CPO可能主要應(yīng)用在rack內(nèi)和rack間的信號(hào)互聯(lián)。