Комплексный обзор CPO (Co-Packaged Optics)

CPO, или Co-Packaged Optics, — термин, часто упоминаемый вместе с LPO. Давайте разберемся в его значении и значении.

Традиционные оптические модули с возможностью горячей замены подключаются к основному чипу системы коммутатора посредством электрических сигналов на относительно большом расстоянии примерно 150–200 мм. Например, в оптических модулях 800G, использующих межсоединения M7 PCB, потеря сигнала для сигналов PAM112 4 Гбит/с (с полосой пропускания ~30 ГГц) составляет примерно 0.25 дБ/мм. Для сравнения, потеря в оптических волокнах для таких сигналов в миллионы раз меньше, что делает ее незначительной. Кроме того, потеря электрического сигнала увеличивается с частотой, тогда как потеря оптического сигнала остается постоянной независимо от частоты. Это постоянство объясняется тем, что оптические сигналы модулируются на оптической несущей волне, которая имеет фиксированную частоту (например, 228 ТГц для сигнала PAM112 4 Гбит/с).

Существуют две основные стратегии уменьшения потерь электрического сигнала:

• Использование проводящих и диэлектрических материалов с низкими потерями.
• Сокращение расстояний между соединениями.

CPO использует второй подход. Он интегрирует оптический модуль CPO с микросхемой ASIC (интегральная схема специального назначения) в коммутаторе, тем самым сокращая расстояния между соединениями и уменьшая потери высокочастотного радиочастотного сигнала.

Стандарты сигналов и отраслевые определения

• VSR: определяется стандартом CEI для электрических сигналов между оптическими модулями передней панели и микросхемами ASIC.
• XSR: определяется стандартом CEI для электрических сигналов между совместно упакованными модулями CPO и микросхемами ASIC.

В стандартах OIF определен модуль CPO 3.2 Тбит/с. На рисунке ниже представлена ​​интеграция коммутатора 51.2 Тбит/с с модулем CPO 3.2 Тбит/с. CPO относится к «совместной упаковке» с микросхемой ASIC для минимизации расстояний электрических сигналов и решения проблем значительных вносимых потерь на высоких частотах.

Стандарт OIF CPO определяет одномодовую связь и компактные конструкции модулей. Это фактически исключает технологию VCSEL, отдавая предпочтение кремниевой фотонике за ее способность размещать плотные макеты.

Модули OSFP, в настоящее время широко используемые в оптических модулях 800 Гбит/с , отличаются от стандарта CPO, который определяет пропускную способность 8x400 Гбит/с (3.2 Тбит/с на модуль). Это требует гораздо большей пропускной способности при ограниченных габаритах, что обуславливает необходимость глубокой интеграции с кремниевой фотоникой из-за сложностей с интеграцией EML или InP.

Эволюция CPO и связанные с ней концепции Представленная около 2018 года концепция CPO вобрала в себя более ранние негорячезаменяемые оптические технологии, такие как OBO, OBA и COBO (2010–2018), которые теперь совместно именуются CPO. Кроме того, на основе близости интеграции с ASIC существуют подкатегории:

NPO (почти корпусная оптика): для относительно удаленной интеграции.

IPO (In-Package Optics): для более тесной интеграции.

CPO остается новаторским подходом к решению проблем потери высокочастотного сигнала и масштабирования оптических возможностей связи в современных системах.

В широком смысле, если все негорячезаменяемые оптические модули классифицируются как CPO (Co-Packaged Optics), то этот термин больше не ограничивается одномодовой связью, как это в настоящее время определяется стандартами. Следовательно, в отрасли появились определенные концепции многомодовых CPO.

В многомодовых оптических модулях CPO используются многомодовые VCSEL (вертикально-резонаторные лазеры с поверхностным излучением) в паре с фотодетекторами (PD). Например, японские производители, такие как Fujitsu и Furukawa, представили многомодовые оптические модули CPO со скоростью 400 Гбит/с, использующие контактные сетки LGA (Land Grid Array) с запрессовкой.

Аналогичным образом американские компании, такие как Finisar (теперь Coherent) и HP, приняли многомодовые решения CPO с пропускной способностью от 1 до 2 Тбит/с, поддерживая массивы VCSEL, такие как конфигурации с 16 или 24 каналами. Эти системы также используют контакты LGA.

Преимущества LGA в многорежимном CPO В отличие от традиционной пайки, соединения LGA основаны на прессовых контактах, что исключает необходимость в пайке оплавлением. Это облегчает сборку и обслуживание CPO, одновременно избегая напряжения материала из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения (CTE) во время высокотемпературной пайки. Кроме того, это предотвращает проблемы, вызванные отверждением клея под воздействием тепла, что в противном случае может повлиять на оптическое выравнивание.

Различия между CPO на основе кремниевой фотоники и многомодовым VCSEL CPO Узко определенные решения CPO на основе кремниевой фотоники существенно отличаются от более широких систем CPO на основе многомодового VCSEL:

Потребляемая мощность: Одномодовые кремниевые фотонные системы CPO потребляют больше энергии, чем многомодовые системы на основе VCSEL.

Надежность: кремниевые фотонные системы демонстрируют более высокую надежность, поскольку кремний (элементарный полупроводник) представляет меньший риск отказа по сравнению с составными полупроводниками, используемыми в системах VCSEL, которые более подвержены проблемам с надежностью.

Одномодовый CPO и проблемы интеграции Возвращаясь к одномодовому CPO, как определено OIF, использование кремниевых фотонных интегрированных чипов усложняет процессы упаковки по сравнению с традиционными оптическими модулями с возможностью горячей замены. Например, пространство крайне ограничено с чипами ASIC размером ~30 мм и шириной CPO ~20 мм. Каждый CPO включает 32 дифференциальные пары Tx, 32 дифференциальные пары Rx и линии управляющих сигналов, что требует сверхплотных схем для электрических сигналов.

Традиционное проволочное соединение не может удовлетворить эти требования к плотности, что побуждает большинство производителей внедрять передовые технологии, такие как TCB (термокомпрессионное соединение) или корпусирование на уровне пластины, например, подход Intel, или, как минимум, методы перевернутого кристалла.

Упаковка на уровне пластин особенно интенсивно исследуется для коммерциализации в 2024-2025 годах. Она использует полупроводниковые процессы для достижения более тонких линий, меньших переходных отверстий и более плотных межсоединений. После достижения высокоплотных соединений пластины разрезаются на кристаллы и собираются в CPO.

Передовые технологии сквозных переходных отверстий для межсоединений высокой плотности Сборка на уровне пластины может использовать различные технологии переходных отверстий в зависимости от требований к межсоединениям:

TSV (Through-Silicon Vias): Поддержка полосы пропускания до ~30 ГГц (~112 Гбит/с сигналов PAM4), но со значительной паразитной емкостью из-за полупроводниковых свойств кремния. Это может привести к резонансам.

TGV (сквозные стеклянные отверстия): обеспечивает лучшую пропускную способность, но является хрупким из-за жесткости стекла.

TMV (сквозные формованные переходные отверстия): представляет собой формованную структуру с использованием радиочастотных диэлектрических материалов для заполнения зазоров переходных отверстий, что обеспечивает большую пропускную способность и решает такие проблемы, как тепловое расширение.

Проблемы оптической упаковки в CPO Помимо плотности электрических соединений, оптическая упаковка CPO также более требовательна, чем традиционные оптические модули. Например, CPO 3.2 Тбит/с включает 32x112 Гбит/с канала для Tx и Rx, требуя 64 оптических волокна в установке без WDM. WDM (например, 4-волновой WDM) сокращает это количество до 16 волокон.

Выравнивание оптического волокна создает две проблемы:

Диаметр поля моды оптического волокна больше, чем поле моды волновода кремниевой фотоники, что требует использования преобразователей поля моды (например, преобразователей размера пятна или SSC).

Различные конструкции, такие как перевернутые конусные структуры, формы трезубца или ромбовидные конфигурации, направлены на расширение оптического поля, оптимизируя при этом производственные затраты и стабильность.

Подходы к интеграции лазеров

Наконец, выбор лазера имеет решающее значение в системах CPO на основе кремниевой фотоники.

Опции включают:

Интегрированные лазеры: более высокая интеграция, но более высокая частота отказов (например, Intel).

Лазеры с перевернутыми кристаллами: средняя степень интеграции и надежности (например, Marvell).

Внешние лазерные источники (ELSFP): независимые лазерные модули, обеспечивающие непрерывное излучение для CPO, что обеспечивает более высокую надежность за счет увеличения оптических потерь.

CPO также требует управления напряжением в оптических волокнах, поскольку эти стеклянные материалы подвержены напряжению при изгибе или сжатии. Решения включают оптимизированную конструкцию волокна и процессы сборки, такие как низкотемпературные методы склеивания или передовые методы пайки (например, лазерная сварка, сварка стекла).

Эта комплексная структура освещает как инновации, так и технические препятствия, определяющие эволюцию систем CPO.