VCSEL 기반 CPO의 최신 진행 상황

현재 대부분의 CPO 제품은 실리콘 광학 솔루션을 기반으로 하지만 VCSEL은 초단거리 전송에서 비용 및 전력 소비 측면에서 분명한 이점이 있습니다.

FiberMall은 IBM, HPE, Fujitsu, Furukawa 등 XNUMX개사의 VCSEL 기반 CPO의 최신 진행 상황을 아래와 같이 소개합니다.

IBM

II-VI와 협력하여 IBM은 미국 에너지부(ARPA-E) 프로젝트인 MOTION(Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE) ​​프로젝트를 수행했습니다. 이 프로젝트는 Phase 1과 Phase 2의 두 단계로 나뉘며 두 단계의 사양은 아래 그림과 같으며 주요 차이점은 채널 수, 속도, 전기 칩 등입니다. CPO 모듈은 동일하게 유지됩니다.

VCSEL 파장은 940nm이며 56Gbaud의 속도에 도달할 수 있습니다. 112Gbps PAM4 신호. Phase 1의 전기 칩은 55nm BiCMOS 공정이며 Tx와 Rx는 16채널의 두 개의 개별 칩입니다. 칩 크기는 1.64mm*4.64mm입니다. 지연 시간이 짧은 애플리케이션 시나리오를 지원할 수 있도록 전기 칩에는 리타이밍 기능이 없습니다. 전기 칩, VCSEL 및 PD 칩은 아래 그림과 같이 유리 기판에 플립 칩입니다.

렌즈와 같은 광학 부품을 함께 패키징하면 전체 모듈 크기는 아래 그림과 같이 동전 크기와 비슷한 13mm*13mm입니다.

스위치 칩에 대한 CPO의 근접성을 고려할 때 VCSEL 성능이 영향을 받을 수 있습니다. IBM은 아래 그림과 같이 중복 VCSEL을 시스템에 배치했으며 전체 시스템의 안정성이 1000배 증가했습니다. 기본 VCSEL이 실패하면 예비 채널로 빠르게 전환할 수 있습니다.

IBM은 많은 전체 링크 결과를 표시하지 않고 16채널 VCSEL 아이 다이어그램만 표시했습니다. VCSEL의 전력 소비를 포함하여 Tx 측의 경우 2.7pJ/bit, Rx 측의 경우 1.5pJ/bit, 이론적 시뮬레이션 값은 4.2pJ/bit입니다. 전체 시스템의 대역폭은 800Gbps(16x50Gbps)입니다. 또한 시스템은 단일 파장 VCSEL을 사용하며 2단계에서는 여러 파장을 도입합니다.

HPE

HPE도 VCSEL 기반 CPO 개발에 힘쓰고 있는데 HPE의 4채널 CPO 시스템 구조는 아래 그림과 같다.

CPO 시스템에는 파장이 5/990/1015/1040/1065nm인 VCSEL 레이저의 1090개 파장이 포함되어 있습니다. 3개 파장 모두의 5dB 대역폭은 18GHz보다 크며 아래 그림과 같이 56Gbps PAM4 신호를 지원할 수 있습니다. 990nm VCSEL은 대역폭이 약간 낮습니다. 사전 왜곡된 전기 신호를 사용하고 구동 전류의 크기를 증가시킴으로써 VCSEL은 112Gbps PAM4 신호를 지원할 수 있습니다.

VCSEL 어레이, PD 어레이 및 필름 필터가 함께 조립되어 XNUMX파장을 형성합니다. CPO 모듈. PD는 TIA 칩과 일치하지 않았기 때문에 HP는 외부 감지기를 사용했습니다. CPO 모듈에는 통합 전기 칩이 없습니다. CPO Tx 측의 아이 다이어그램은 아래와 같으며 BER은 1e-6 미만입니다.

후지쯔

Fujitsu의 VCSEL CPO 솔루션은 아래 그림과 같습니다. VCSEL과 PD 어레이의 16개 채널이 시스템에 사용되며 VCSEL과 PD는 Multicore Fiber(MCF)와의 결합을 용이하게 하기 위해 인접한 채널 사이에 40um의 거리를 두고 원형으로 분포됩니다. Driver와 TIA 칩은 Interposer 뒷면에 위치합니다.

CPO 모듈은 LGA의 전기 인터페이스를 채택했으며 피치는 300um입니다. 고속 전기 신호의 상호 연결을 달성하기 위해 인터포저는 10층의 금속을 사용하며 전체 인터포저의 두께는 340um입니다. 단면은 아래와 같습니다. 광학 및 전기 칩 모두 플립 칩에 의해 인터포저에 배치됩니다.

CPO 모듈의 전체 크기는 7.8*16*8.0mm로 아래 그림과 같이 동전과 같은 크기입니다. CPO 모듈의 대역폭은 400Gbps(25Gbps NRZ*16)입니다. Fujitsu는 전체 링크에 대한 측정 결과를 제공하지 않았습니다.

후루카와

Furukawa의 VCSEL CPO 솔루션은 4개의 300채널 VCSEL 및 PD 어레이를 사용하여 아래에 표시됩니다. 전기적 상호 연결 길이를 줄이기 위해 VCSEL과 PD의 양쪽에 각각 Driver와 TIA 칩을 배치했습니다. 광칩과 전기칩은 모두 기판에 직접 부착되며, 광칩과 전기칩은 와이어 본딩을 통해 서로 연결된다. CPO 모듈은 LGA의 전기적 인터페이스 형태를 채택하고 있으며 LGA의 피치는 24um이다. 광 포트는 MT 헤드를 사용하며 XNUMX개의 채널을 포함합니다.

VCSEL의 3dB 대역폭은 17GHz이고 PD의 3dB 대역폭은 23GHz이며 둘 다 56Gbps PAM4 신호를 지원할 수 있습니다.

Furukawa는 4.4m 길이의 링크를 구축했으며 BER 테스트 결과는 아래와 같습니다. 28Gbps NRZ 신호의 경우 Rx 끝의 광 전력은 -10dBm보다 크고 BER은 1e-12 미만입니다. 56Gbps PAM4 신호의 경우 Rx 끝의 광 전력은 -8dBm보다 커야 하며 BER은 2.4e-4 미만이어야 합니다.

CPO 모듈의 크기는 15.9*7.7*7.95mm이고 총 대역폭은 448Gbps(56×8)이며 대역폭 밀도는 7.32Gbps/mm^2(양방향)에 해당합니다.

위에서 언급한 XNUMX개 회사의 결과를 간략하게 비교하면 아래 그림과 같습니다.

이에 반해 IBM의 VCSEL CPO는 모든 면에서 월등한 성능을 갖고 있으며 자체적으로 전기 칩을 특수 설계하고 개발했다. 다른 세 회사는 기사에서 많은 드라이버/TIA 정보를 공개하지 않았습니다. 네 회사의 VCSEL CPO는 아직 R&D 단계에 있으며 전체 링크의 성능 특성화는 그다지 완벽하지 않습니다. 또한 시스템에 VCSEL 및 PD의 여러 채널이 포함되어 있기 때문에 안정성과 유지 관리에 문제가 있습니다. 나중에 대역폭을 업그레이드하는 방법에 대해서도 생각해 볼 가치가 있습니다. VCSEL의 전송 거리가 상대적으로 짧기 때문에 VCSEL CPO는 Intra-rack 및 Inter-rack 신호 상호 연결에 주로 사용될 수 있습니다.