El último progreso de CPO basado en VCSEL

En la actualidad, la mayoría de los productos CPO se basan en soluciones ópticas de silicio, pero VCSEL tiene ventajas obvias en costo y consumo de energía en la transmisión de distancia ultracorta.

FiberMall presentará el último progreso de CPO basado en VCSEL de cuatro empresas, IBM, HPE, Fujitsu y Furukawa, a continuación.

IBM

En cooperación con II-VI, IBM emprendió el proyecto MOTION (Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE) ​​del Departamento de Energía de EE. UU. (ARPA-E). El proyecto se divide en dos fases, Fase 1 y Fase 2, y las especificaciones de las dos fases se muestran en la siguiente figura, la principal diferencia es el número de canales, la tarifa, el chip eléctrico, etc. El tamaño del El módulo CPO sigue siendo el mismo.

La longitud de onda de VCSEL es de 940 nm y puede alcanzar una velocidad de 56 Gbaudios, lo que puede soportar 112Gbps señales PAM4. El chip eléctrico en la Fase 1 es un proceso BiCMOS de 55nm, y Tx y Rx son dos chips separados con 16 canales. El tamaño del chip es de 1.64 mm x 4.64 mm. No hay una función de reprogramación en el chip eléctrico para que pueda admitir escenarios de aplicaciones de baja latencia. El chip eléctrico, el VCSEL y el chip PD son flip-chip al sustrato de vidrio, como se muestra en la siguiente figura.

Después de empaquetar juntos los componentes ópticos, como las lentes, el tamaño total del módulo es de 13 mm x 13 mm, comparable al tamaño de una moneda, como se muestra en la siguiente figura.

Dada la proximidad del CPO al chip del conmutador, el rendimiento de VCSEL puede verse afectado. IBM ha puesto VCSEL redundante en el sistema, como se muestra en la figura a continuación, y la confiabilidad de todo el sistema aumenta 1000 veces. Si el VCSEL primario falla, puede cambiar rápidamente al canal de repuesto.

IBM no mostró muchos resultados de enlace completo, solo el diagrama de ojo VCSEL de 16 canales. 2.7pJ/bit para el lado Tx, incluido el consumo de energía del VCSEL, y 1.5pJ/bit para el lado Rx, con un valor de simulación teórico de 4.2pJ/bit. El ancho de banda de todo el sistema es de 800 Gbps (16x50 Gbps). Además, el sistema utiliza un VCSEL de una sola longitud de onda y la Fase 2 introducirá múltiples longitudes de onda.

HPE

HPE también ha estado trabajando en el desarrollo de CPO basado en VCSEL, y la estructura del sistema CPO de 4 canales de HPE se muestra en la siguiente figura.

El sistema CPO contiene 5 longitudes de onda de láseres VCSEL con longitudes de onda de 990/1015/1040/1065/1090nm. El ancho de banda de 3 dB de las 5 longitudes de onda es superior a 18 GHz, lo que puede admitir una señal PAM56 de 4 Gbps, como se muestra en la siguiente figura. 990nm VCSEL tiene un ancho de banda ligeramente inferior. Mediante el uso de señales eléctricas predistorsionadas y el aumento del tamaño de la corriente de la unidad, el VCSEL puede admitir señales PAM112 de 4 Gbps.

La matriz VCSEL, la matriz PD y el filtro de película se ensamblan para formar un filtro de cuatro longitudes de onda. módulo CPO. Debido a que PD no pudo igualar el chip TIA, HP usó un detector externo. El módulo CPO no tiene chip eléctrico integrado. El diagrama de ojo del lado CPO Tx se muestra a continuación, y el BER es inferior a 1e-6.

Fujitsu

La solución VCSEL CPO de Fujitsu se muestra en la siguiente figura. En el sistema se utilizan 16 canales de arreglos VCSEL y PD, y los VCSEL y PD se distribuyen en forma circular con una distancia de 40 um entre canales adyacentes para facilitar el acoplamiento con la fibra multinúcleo (MCF). Los chips Driver y TIA se colocan en la parte posterior del Interposer.

El módulo CPO adopta la interfaz eléctrica de LGA y el paso es de 300um. Para lograr la interconexión de señales eléctricas de alta velocidad, el intercalador utiliza 10 capas de metal, el grosor de todo el intercalador es de 340 um. La sección transversal se muestra a continuación. Tanto los chips ópticos como los eléctricos se colocan en el intercalador mediante flip chip.

El tamaño total del módulo CPO es 7.8*16*8.0 mm, que también es del mismo tamaño que la moneda, como se muestra en la siguiente figura. El ancho de banda del módulo CPO es de 400 Gbps (25 Gbps NRZ*16). Fujitsu no proporcionó resultados medidos para todo el enlace.

Furukawa

La solución VCSEL CPO de Furukawa se muestra a continuación, utilizando dos arreglos VCSEL y PD de 4 canales. Para reducir la duración de la interconexión eléctrica, los chips Driver y TIA se colocan a ambos lados de VCSEL y PD respectivamente. Tanto los chips ópticos como los eléctricos están unidos directamente al sustrato, y los chips ópticos y los eléctricos están interconectados mediante unión de cables. El módulo CPO adopta la forma de interfaz eléctrica de LGA y el paso de LGA es de 300 um. El puerto óptico usa cabezal MT y contiene 24 canales.

El ancho de banda de 3dB de VCSEL es de 17 GHz y el ancho de banda de 3dB de PD es de 23 GHz, ambos pueden admitir una señal PAM56 de 4 Gbps.

Furukawa construyó un enlace de 4.4 m de largo y los resultados de la prueba BER se muestran a continuación. Para una señal NRZ de 28 Gbps, la potencia óptica en el extremo Rx es superior a -10 dBm y la BER es inferior a 1e-12. Para una señal PAM56 de 4 Gbps, la potencia óptica en el extremo Rx debe ser superior a -8 dBm y la BER es inferior a 2.4e-4.

El tamaño del módulo CPO es de 15.9*7.7*7.95 mm y el ancho de banda total es de 448 Gbps (56 × 8), lo que corresponde a una densidad de ancho de banda de 7.32 Gbps/mm^2 (bidireccional).

En la siguiente figura se muestra una breve comparación de los resultados de las cuatro empresas mencionadas anteriormente.

Por el contrario, el VCSEL CPO de IBM tiene un rendimiento superior en todos los aspectos, y su chip eléctrico está especialmente diseñado y desarrollado por él mismo. Las otras tres compañías no revelaron mucha información sobre el controlador/TIA en sus artículos. El CPO de VCSEL de las cuatro empresas todavía se encuentra en la etapa de I+D, y la caracterización del rendimiento del enlace completo no es muy perfecta. Además, debido a que el sistema contiene múltiples canales de VCSEL y PD, se cuestiona su confiabilidad y mantenimiento. También vale la pena pensar en cómo actualizar el ancho de banda después. Dado que la distancia de transmisión de VCSEL es relativamente corta, VCSEL CPO se puede utilizar principalmente en la interconexión de señales dentro y entre bastidores.