أحدث تقدم CPO القائم على VCSEL

في الوقت الحاضر ، تعتمد معظم منتجات CPO على حلول بصرية من السيليكون ، لكن VCSEL له مزايا واضحة في التكلفة واستهلاك الطاقة في النقل لمسافات قصيرة جدًا.

ستقدم FiberMall أحدث تقدم في CPO القائم على VCSEL من أربع شركات ، IBM و HPE و Fujitsu و Furukawa ، في ما يلي.

IBM

بالتعاون مع II-VI ، تولت شركة IBM مشروع وزارة الطاقة الأمريكية (ARPA-E) ، MOTION (جهاز الإرسال والاستقبال البصري متعدد الأطوال الموجية المتكامل ON NODE). ينقسم المشروع إلى مرحلتين ، المرحلة 1 والمرحلة 2 ، وتظهر مواصفات المرحلتين في الشكل أدناه ، والفرق الرئيسي هو عدد القنوات ، والسعر ، والشريحة الكهربائية ، وما إلى ذلك. وحدة CPO تبقى كما هي.

يبلغ الطول الموجي VCSEL 940 نانومتر ويمكن أن يصل إلى معدل 56 جيجباود ، والذي يمكن أن يدعم 112Gbps إشارات PAM4. الرقاقة الكهربائية في المرحلة 1 هي عملية BiCMOS 55 نانومتر ، و Tx و Rx شريحتان منفصلتان مع 16 قناة. حجم الرقاقة 1.64 مم * 4.64 مم. لا توجد وظيفة إعادة توقيت في الشريحة الكهربائية بحيث يمكنها دعم سيناريوهات التطبيق ذات الكمون المنخفض. الرقاقة الكهربائية ، VCSEL ، و PD عبارة عن رقاقة قلب على الطبقة السفلية الزجاجية كما هو موضح في الشكل أدناه.

بعد تجميع المكونات البصرية مثل العدسات معًا ، يكون الحجم الكلي للوحدة 13 مم * 13 مم ، وهو مشابه لحجم العملة المعدنية ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

نظرًا لقرب CPO من شريحة التبديل ، فقد يتأثر أداء VCSEL. قامت شركة IBM بوضع VCSEL الزائد على النظام ، كما هو موضح في الشكل أدناه ، وزادت موثوقية النظام بأكمله بمقدار 1000 مرة. إذا فشل VCSEL الأساسي ، فيمكنه التبديل بسرعة إلى القناة الاحتياطية.

لم تُظهر IBM العديد من نتائج الارتباط الكامل ، فقط مخطط عين VCSEL المكون من 16 قناة. 2.7pJ / bit للجانب Tx ، بما في ذلك استهلاك الطاقة لـ VCSEL ، و 1.5 pJ / bit للجانب Rx ، مع قيمة محاكاة نظرية تبلغ 4.2pJ / bit. عرض النطاق الترددي للنظام بأكمله هو 800 جيجابت في الثانية (16 × 50 جيجابت في الثانية). بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم النظام طول موجي واحد VCSEL ، وستقدم المرحلة 2 أطوال موجية متعددة.

HPE

تعمل HPE أيضًا على تطوير CPO القائم على VCSEL ، ويتم عرض هيكل نظام CPO المكون من 4 قنوات من HPE في الشكل أدناه.

يحتوي نظام CPO على 5 أطوال موجية من ليزر VCSEL بأطوال موجية 990/1015/1040/1065/1090 نانومتر. عرض النطاق الترددي ثلاثي الأبعاد لجميع الأطوال الموجية الخمسة أكبر من 3 جيجاهرتز ، والذي يمكن أن يدعم إشارة 5 جيجابت في الثانية PAM18 كما هو موضح في الشكل أدناه. 56nm VCSEL له نطاق ترددي أقل قليلاً. باستخدام إشارات كهربائية مشوهة مسبقًا وزيادة حجم تيار القيادة ، يمكن أن تدعم VCSEL إشارات 4 جيجابت في الثانية PAM990.

يتم تجميع مجموعة VCSEL ، وصفيف PD ، ومرشح الفيلم معًا لتشكيل أربعة أطوال موجية وحدة CPO. نظرًا لأن PD لا يمكن أن يتطابق مع شريحة TIA ، فقد استخدمت HP كاشفًا خارجيًا. لا تحتوي وحدة CPO على شريحة كهربائية متكاملة. يظهر مخطط العين للجانب CPO Tx أدناه ، و BER أقل من 1e-6.

فوجيتسو

يظهر حل VCSEL CPO الخاص بشركة Fujitsu في الشكل أدناه. يتم استخدام 16 قناة من مصفوفات VCSEL و PD في النظام ، ويتم توزيع VCSELs و PDs في شكل دائري بمسافة 40um بين القنوات المجاورة من أجل تسهيل الاقتران بالألياف متعددة النواة (MCF). يتم وضع شرائح السائق و TIA على الجانب الخلفي من Interposer.

تتبنى وحدة CPO الواجهة الكهربائية لـ LGA ، والخطوة 300um. من أجل تحقيق الترابط بين الإشارات الكهربائية عالية السرعة ، يستخدم الوسيط 10 طبقات من المعدن ، سماكة المتداخل بالكامل 340 ميكرومتر. المقطع العرضي مبين أدناه. يتم وضع كل من الرقائق الضوئية والكهربائية على الوسيط بواسطة شريحة الوجه.

الحجم الإجمالي لوحدة CPO هو 7.8 * 16 * 8.0mm ، وهو أيضًا نفس حجم العملة المعدنية ، كما هو موضح في الشكل أدناه. عرض النطاق الترددي لوحدة CPO هو 400 جيجابت في الثانية (25 جيجابت في الثانية NRZ * 16). لم تقدم شركة Fujitsu نتائج محسوبة للرابط بأكمله.

فوروكاوا

يتم عرض حل VCSEL CPO الخاص بشركة Furukawa أدناه ، باستخدام صفيفين من 4 قنوات VCSEL و PD. من أجل تقليل طول التوصيل البيني الكهربائي ، يتم وضع شرائح المشغل و TIA على جانبي VCSEL و PD على التوالي. كل من الرقائق الضوئية والرقائق الكهربائية متصلة مباشرة بالركيزة ، والرقائق الضوئية والرقائق الكهربائية مترابطة من خلال ربط الأسلاك. تتبنى وحدة CPO شكل الواجهة الكهربائية لـ LGA ، ودرجة ميل LGA هي 300 ميكرومتر. يستخدم المنفذ البصري رأس MT ويحتوي على 24 قناة.

عرض النطاق الترددي ثلاثي الأبعاد لـ VCSEL هو 3 جيجاهرتز ، وعرض النطاق الترددي ثلاثي الأبعاد لـ PD هو 17 جيجاهرتز ، وكلاهما يمكن أن يدعم إشارة 3 جيجابت في الثانية PAM23.

قامت فوروكاوا ببناء رابط بطول 4.4 متر ، وتظهر نتائج اختبار BER أدناه. بالنسبة لإشارة NRZ بسرعة 28 جيجابت في الثانية ، تكون الطاقة الضوئية في نهاية Rx أكبر من -10 ديسيبل ، ومعدل الخطأ في البتات أقل من 1e-12. بالنسبة لإشارة PAM56 بسرعة 4 جيجابت في الثانية ، يجب أن تكون الطاقة الضوئية عند نهاية Rx أكبر من -8 ديسيبل ، ومعدل الخطأ في البتات أقل من 2.4e-4.

يبلغ حجم وحدة CPO 15.9 * 7.7 * 7.95 ملم ويبلغ إجمالي عرض النطاق الترددي 448 جيجابت في الثانية (56 × 8) ، وهو ما يقابل كثافة عرض النطاق الترددي 7.32 جيجابت في الثانية / مم 2 (ثنائي الاتجاه).

يتم عرض مقارنة موجزة لنتائج الشركات الأربع المذكورة أعلاه في الشكل أدناه.

في المقابل ، يتمتع VCSEL CPO الخاص بشركة IBM بأداء فائق في جميع الجوانب ، وتم تصميم الشريحة الكهربائية الخاصة به وتطويرها بشكل خاص. لم تكشف الشركات الثلاث الأخرى عن الكثير من معلومات السائق / TIA في مقالاتها. لا يزال VCSEL CPO للشركات الأربع في مرحلة البحث والتطوير ، وتوصيف أداء الارتباط الكامل ليس مثاليًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن النظام يحتوي على قنوات متعددة من VCSEL و PD ، فإن موثوقيته وصيانته تواجه تحديًا. يجدر أيضًا التفكير في كيفية ترقية النطاق الترددي بعد ذلك. نظرًا لأن مسافة إرسال VCSEL قصيرة نسبيًا ، يمكن استخدام VCSEL CPO بشكل أساسي في التوصيل البيني للإشارة داخل الحامل والتوصيل البيني.