O mais recente progresso do CPO baseado em VCSEL

Atualmente, a maioria dos produtos CPO são baseados em soluções ópticas de silício, mas o VCSEL tem vantagens óbvias em custo e consumo de energia em transmissão de distância ultracurta.

A FiberMall apresentará o mais recente progresso do CPO baseado em VCSEL de quatro empresas, IBM, HPE, Fujitsu e Furukawa, a seguir.

IBM

Em cooperação com o II-VI, a IBM realizou o projeto do Departamento de Energia dos Estados Unidos (ARPA-E), MOTION (Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE). O projeto é dividido em duas fases, Fase 1 e Fase 2, e as especificações das duas fases são mostradas na figura abaixo, a principal diferença é a quantidade de canais, a taxa, o chip elétrico, etc. O módulo CPO permanece o mesmo.

O comprimento de onda VCSEL é 940nm e pode atingir uma taxa de 56Gbaud, que pode suportar 112Gbps sinais PAM4. O chip elétrico na Fase 1 é um processo BiCMOS de 55 nm, e o Tx e o Rx são dois chips separados com 16 canais. O tamanho do chip é de 1.64 mm * 4.64 mm. Não há função de reprogramação no chip elétrico para que ele possa suportar cenários de aplicação de baixa latência. O chip elétrico, o VCSEL e o chip PD são flip-chip no substrato de vidro, conforme mostrado na figura abaixo.

Depois que os componentes ópticos, como as lentes, são embalados juntos, o tamanho total do módulo é de 13 mm * 13 mm, comparável ao tamanho de uma moeda, conforme mostrado na figura abaixo.

Dada a proximidade do CPO ao chip do switch, o desempenho do VCSEL pode ser afetado. A IBM colocou VCSEL redundante no sistema, conforme mostrado na figura abaixo, e a confiabilidade de todo o sistema aumentou 1000 vezes. Se o VCSEL Primário falhar, ele pode mudar rapidamente para o canal Spare.

A IBM não mostrou muitos resultados de link completo, apenas o diagrama de olho VCSEL de 16 canais. 2.7pJ/bit para o lado Tx, incluindo o consumo de energia do VCSEL, e 1.5pJ/bit para o lado Rx, com um valor de simulação teórica de 4.2pJ/bit. A largura de banda de todo o sistema é de 800 Gbps (16x50 Gbps). Além disso, o sistema usa um VCSEL de comprimento de onda único e a Fase 2 introduzirá vários comprimentos de onda.

HPE

A HPE também tem trabalhado no desenvolvimento de CPO baseado em VCSEL, e a estrutura do sistema CPO de 4 canais da HPE é mostrada na figura abaixo.

O sistema CPO contém 5 comprimentos de onda de lasers VCSEL com comprimentos de onda de 990/1015/1040/1065/1090nm. A largura de banda de 3 dB de todos os 5 comprimentos de onda é superior a 18 GHz, que pode suportar o sinal PAM56 de 4 Gbps, conforme mostrado na figura abaixo. 990nm VCSEL tem uma largura de banda ligeiramente inferior. Usando sinais elétricos pré-distorcidos e aumentando o tamanho da corrente do drive, o VCSEL pode suportar sinais PAM112 de 4 Gbps.

A matriz VCSEL, a matriz PD e o filtro de filme são montados juntos para formar um filtro de quatro comprimentos de onda. Módulo CPO. Como o PD não conseguiu corresponder ao chip TIA, a HP usou um detector externo. O módulo CPO não possui chip elétrico integrado. O diagrama de olho do lado CPO Tx é mostrado abaixo, e o BER é menor que 1e-6.

Fujitsu

A solução VCSEL CPO da Fujitsu é mostrada na figura abaixo. No sistema são utilizados 16 canais de VCSELs e PD arrays, sendo que os VCSELs e PDs são distribuídos de forma circular com distância de 40um entre canais adjacentes para facilitar o acoplamento com a fibra multicore (MCF). Os chips Driver e TIA são colocados na parte de trás do Interposer.

O módulo CPO adota a interface elétrica do LGA e o pitch é de 300um. Para conseguir a interconexão de sinais elétricos de alta velocidade, o interposer usa 10 camadas de metal, a espessura de todo o interposer é de 340um. A seção transversal é mostrada abaixo. Ambos os chips ópticos e elétricos são colocados no interposer por flip chip.

O tamanho total do módulo CPO é de 7.8*16*8.0 mm, que também é o mesmo tamanho da moeda, conforme mostrado na figura abaixo. A largura de banda do módulo CPO é de 400 Gbps (25 Gbps NRZ*16). A Fujitsu não forneceu resultados medidos para todo o link.

Furukawa

A solução VCSEL CPO da Furukawa é mostrada abaixo, usando duas matrizes VCSEL e PD de 4 canais. Para reduzir o comprimento da interconexão elétrica, os chips Driver e TIA são colocados em ambos os lados do VCSEL e PD, respectivamente. Tanto os chips ópticos quanto os chips elétricos são conectados diretamente ao substrato, e os chips ópticos e elétricos são interconectados por meio de ligação de fios. O módulo CPO adota a forma de interface elétrica do LGA, e o pitch do LGA é de 300um. A porta óptica usa cabeçote MT e contém 24 canais.

A largura de banda de 3dB do VCSEL é de 17GHz e a largura de banda de 3dB do PD é de 23GHz, ambos podem suportar sinal PAM56 de 4Gbps.

Furukawa construiu um link de 4.4 m de comprimento e os resultados do teste BER são mostrados abaixo. Para sinal NRZ de 28 Gbps, a potência óptica na extremidade Rx é maior que -10dBm e o BER é menor que 1e-12. Para sinal PAM56 de 4 Gbps, a potência óptica na extremidade Rx deve ser maior que -8dBm e o BER menor que 2.4e-4.

O tamanho do módulo CPO é de 15.9*7.7*7.95 mm e a largura de banda total é de 448 Gbps (56 × 8), correspondendo a uma densidade de largura de banda de 7.32 Gbps/mm^2 (bidirecional).

Uma breve comparação dos resultados das quatro empresas citadas acima é apresentada na figura a seguir.

Em contraste, o VCSEL CPO da IBM tem desempenho superior em todos os aspectos, e seu chip elétrico é especialmente projetado e desenvolvido por ela mesma. As outras três empresas não revelaram muitas informações sobre motoristas/TIA em seus artigos. O VCSEL CPO das quatro empresas ainda está no estágio de P&D, e a caracterização do desempenho do link completo não é muito perfeita. Além disso, como o sistema contém vários canais de VCSEL e PD, sua confiabilidade e manutenção são desafiadas. Também vale a pena pensar em como atualizar a largura de banda posteriormente. Como a distância de transmissão do VCSEL é relativamente curta, o VCSEL CPO pode ser usado principalmente na interconexão de sinal intra-rack e inter-rack.