Umfassender Überblick über CPO (Co-Packaged Optics)

CPO oder Co-Packaged Optics ist ein Begriff, der oft im Zusammenhang mit LPO genannt wird. Lassen Sie uns tiefer in seine Bedeutung und Wichtigkeit eintauchen.

Herkömmliche Hot-Swap-Optikmodule werden über elektrische Signale über eine relativ lange Distanz von etwa 150–200 mm mit dem Hauptchip des Switch-Systems verbunden. Beispielsweise beträgt in 800G-Optikmodulen mit M7-Leiterplattenverbindungen der Signalverlust für 112-Gbit/s-PAM4-Signale (mit einer Bandbreite von ca. 30 GHz) etwa 0.25 dB/mm. Im Vergleich dazu ist der Verlust in Glasfasern für solche Signale millionenfach geringer und damit vernachlässigbar. Darüber hinaus steigt der elektrische Signalverlust mit der Frequenz, während der optische Signalverlust unabhängig von der Frequenz konstant bleibt. Diese Konstanz ist darauf zurückzuführen, dass optische Signale auf eine optische Trägerwelle moduliert werden, die eine feste Frequenz hat (z. B. 228 THz für ein 112-Gbit/s-PAM4-Signal).

Zur Reduzierung des elektrischen Signalverlusts gibt es zwei Hauptstrategien:

• Verwendung verlustarmer leitfähiger und dielektrischer Materialien.
• Reduzierung der Verbindungsentfernungen.

CPO verfolgt den zweiten Ansatz. Dabei wird das optische CPO-Modul mit dem ASIC-Chip (Application-Specific Integrated Circuit) im Switch integriert, wodurch die Verbindungsdistanzen verkürzt und der Verlust hochfrequenter HF-Signale reduziert werden.

Signalstandards und Branchendefinitionen

• VSR: Definiert durch den CEI-Standard für elektrische Signale zwischen optischen Frontpanel-Modulen und ASIC-Chips.
• XSR: Definiert durch den CEI-Standard für elektrische Signale zwischen gemeinsam verpackten CPO-Modulen und ASIC-Chips.

In OIF-Standards ist das 3.2-Tbit/s-CPO-Modul definiert. Das folgende Bild zeigt die Integration eines 51.2-Tbit/s-Switches mit einem 3.2-Tbit/s-CPO-Modul. CPO steht für das „Co-Packaging“ mit dem ASIC-Chip, um elektrische Signalentfernungen zu minimieren und erhebliche Einfügungsverlustprobleme bei hohen Frequenzen zu lösen.

Der OIF CPO-Standard spezifiziert Singlemode-Kommunikation und kompakte Moduldesigns. Dies schließt die VCSEL-Technologie effektiv aus und bevorzugt die Siliziumphotonik, da sie enge Layouts ermöglicht.

OSFP-Module, derzeit üblich für Optische Module mit 800 Gbit/s, unterscheiden sich vom CPO-Standard, der eine Kapazität von 8 x 400 Gbit/s (3.2 Tbit/s pro Modul) definiert. Dies erfordert eine weitaus höhere Kapazität innerhalb begrenzter Layouts, was aufgrund der Herausforderungen bei der EML- oder InP-Integration eine tiefe Integration mit Siliziumphotonik erforderlich macht.

Entwicklung von CPO und verwandte Konzepte Das etwa 2018 eingeführte CPO-Konzept hat frühere nicht Hot-Swap-fähige optische Technologien wie OBO, OBA und COBO (2010–2018) übernommen, die nun gemeinsam als CPO bezeichnet werden. Darüber hinaus gibt es basierend auf der Nähe der Integration mit dem ASIC Unterkategorien:

NPO (Near-Packaged Optics): Für relativ weit entfernte Integrationen.

IPO (In-Package Optics): Für engere Integrationen.

CPO bleibt ein bahnbrechender Ansatz zur Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit Hochfrequenzsignalverlusten und zur Skalierung optischer Kommunikationskapazitäten in modernen Systemen.

Wenn alle nicht Hot-Plug-fähigen optischen Module als CPO (Co-Packaged Optics) kategorisiert werden, ist der Begriff im Großen und Ganzen nicht mehr auf die derzeit durch Standards definierte Singlemode-Kommunikation beschränkt. Infolgedessen sind in der Branche bestimmte Multimode-CPO-Konzepte entstanden.

Multimode-CPO-Systeme verwenden Multimode-VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) gepaart mit Photodetektoren (PDs). So haben beispielsweise japanische Hersteller wie Fujitsu und Furukawa 400 Gbit/s Multimodus CPO-Optikmodule mit LGA-Presskontaktgittern (Land Grid Array).

Ebenso haben amerikanische Unternehmen wie Finisar (jetzt Coherent) und HP Multimode-CPO-Lösungen mit Kapazitäten von 1-2 Tbit/s eingeführt, die VCSEL-Arrays wie 16-Kanal- oder 24-Kanal-Konfigurationen unterstützen. Diese Systeme nutzen ebenfalls LGA-Kontakte.

LGA-Vorteile bei Multimode-CPO Im Gegensatz zum herkömmlichen Löten basieren LGA-Verbindungen auf Presspassungskontakten, wodurch Reflow-Löten überflüssig wird. Dies erleichtert die CPO-Montage und -Wartung und vermeidet Materialspannungen aufgrund nicht übereinstimmender Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) beim Hochtemperaturlöten. Darüber hinaus werden Probleme durch das Aushärten des Klebers unter Hitze vermieden, die andernfalls die optische Ausrichtung beeinträchtigen könnten.

Unterschiede zwischen Silicon Photonics CPO und Multi-Mode VCSEL CPO Eng definierte CPO-Lösungen auf Basis von Silicon Photonics unterscheiden sich erheblich von umfassenderen CPO-Systemen auf Basis von Multi-Mode VCSEL:

Stromverbrauch: Singlemode-Silizium-Photonik-CPO-Systeme verbrauchen mehr Strom als Multimode-VCSEL-basierte Systeme.

Zuverlässigkeit: Silizium-Photoniksysteme weisen eine höhere Zuverlässigkeit auf, da Silizium (ein elementarer Halbleiter) ein geringeres Ausfallrisiko aufweist als Verbindungshalbleiter in VCSEL-Systemen, bei denen Zuverlässigkeitsprobleme stärker auftreten.

Single-Mode-CPO und Integrationsherausforderungen Zurück zum Single-Mode-CPO gemäß der Definition von OIF: Die Verwendung von integrierten Silizium-Photonik-Chips erschwert die Verpackungsprozesse im Vergleich zu herkömmlichen Hot-Plug-fähigen optischen Modulen. Beispielsweise ist der Platz bei ASIC-Chips mit einer Größe von ca. 30 mm und einer CPO-Breite von ca. 20 mm extrem begrenzt. Jeder CPO umfasst 32 Tx-Differenzpaare, 32 Rx-Differenzpaare und Steuersignalleitungen, was Layouts mit ultrahoher Dichte für elektrische Signale erforderlich macht.

Konventionelles Drahtbonden kann diese Dichteanforderungen nicht erfüllen, was die meisten Hersteller dazu veranlasst, fortschrittliche Technologien wie TCB (Thermo-Compression Bonding) oder Wafer-Level-Packaging, wie etwa den Ansatz von Intel, oder zumindest Flip-Chip-Methoden einzusetzen.

Besonders intensiv wird an Wafer-Level-Packaging geforscht, um es 2024-2025 kommerziell anbieten zu können. Dabei werden Halbleiterprozesse genutzt, um feinere Linien, kleinere Vias und dichtere Verbindungen zu erreichen. Nachdem hochdichte Verbindungen erreicht wurden, werden die Wafer in Chips zerteilt und zu CPOs zusammengesetzt.

Fortschrittliche Through-Via-Technologien für hochdichte Verbindungen Bei der Wafer-Level-Montage können je nach Verbindungsanforderungen unterschiedliche Via-Technologien zum Einsatz kommen:

TSV (Through-Silicon Vias): Unterstützt Bandbreiten bis zu ~30 GHz (~112 Gbps PAM4-Signale), jedoch mit erheblicher parasitärer Kapazität aufgrund der Halbleitereigenschaften von Silizium. Dies kann zu Resonanzen führen.

TGV (Through-Glass Vias): Bietet eine bessere Bandbreite, ist aber aufgrund der Steifigkeit des Glases zerbrechlich.

TMV (Through-Molded Vias): Verfügt über eine geformte Struktur unter Verwendung von HF-Dielektrika zum Füllen von Via-Lücken, unterstützt größere Bandbreiten und bewältigt gleichzeitig Herausforderungen wie Wärmeausdehnung.

Herausforderungen bei der optischen Verpackung in CPO Abgesehen von der elektrischen Verbindungsdichte ist die optische Verpackung von CPO auch anspruchsvoller als bei herkömmlichen optischen Modulen. Beispielsweise umfasst ein 3.2-Tbit/s-CPO 32 x 112-Gbit/s-Kanäle für Tx und Rx und erfordert 64 Glasfasern in einem Nicht-WDM-Setup. WDM (z. B. 4-Wellenlängen-WDM) reduziert dies auf 16 Glasfasern.

Die Ausrichtung von Glasfasern stellt zwei Herausforderungen dar:

Der Durchmesser des Modenfelds optischer Fasern ist größer als das Modenfeld des Wellenleiters der Siliziumphotonik, sodass Modenfeldkonverter (z. B. Spot-Size-Konverter oder SSCs) erforderlich sind.

Verschiedene Designs, wie etwa umgekehrte Kegelstrukturen, Dreizackformen oder diamantähnliche Konfigurationen, zielen darauf ab, das optische Feld zu erweitern und gleichzeitig die Produktionskosten und -konsistenz zu optimieren.

Ansätze zur Laserintegration

Schließlich ist die Laserauswahl bei auf Siliziumphotonik basierenden CPO-Systemen von entscheidender Bedeutung.

Zu den Optionen gehören:

Integrierte Laser: Höhere Integration, aber höhere Ausfallraten (z. B. Intel).

Flip-Chip-Laser: Mäßige Integration und Zuverlässigkeit (z. B. Marvell).

Externe Laserquellen (ELSFP): Unabhängige Lasermodule, die CW-Licht für CPOs bereitstellen und eine höhere Zuverlässigkeit auf Kosten eines erhöhten optischen Verlusts bieten.

CPO erfordert auch die Kontrolle der Spannung in optischen Fasern, da diese Glasmaterialien bei Biegung oder Kompression spannungsempfindlich sind. Lösungen umfassen optimiertes Faserdesign und Montageprozesse, wie z. B. Niedertemperaturklebetechniken oder fortschrittliche Lötverfahren (z. B. Laserschweißen, Glasschweißen).

Dieser umfassende Rahmen hebt sowohl die Innovationen als auch die technischen Hürden hervor, die die Entwicklung von CPO-Systemen prägen.