Последний прогресс CPO на основе VCSEL

В настоящее время большинство продуктов CPO основаны на кремниевых оптических решениях, но VCSEL имеет очевидные преимущества в стоимости и энергопотреблении при передаче на сверхкороткие расстояния.

Ниже FiberMall представит последние достижения CPO на основе VCSEL от четырех компаний: IBM, HPE, Fujitsu и Furukawa.

IBM

В сотрудничестве с II-VI IBM осуществила проект Министерства энергетики США (ARPA-E) MOTION (многоволновой оптический трансивер, интегрированный в узел). Проект разделен на две фазы, Фаза 1 и Фаза 2, и характеристики двух фаз показаны на рисунке ниже, основное различие заключается в количестве каналов, скорости, электрической микросхеме и т. д. Размер Модуль CPO остается прежним.

Длина волны VCSEL составляет 940 нм и может достигать скорости 56 Гбод, что может поддерживать 112Gbps Сигналы PAM4. Электрический чип в Фазе 1 представляет собой 55-нм процесс BiCMOS, а Tx и Rx - это два отдельных чипа с 16 каналами. Размер чипа составляет 1.64 мм * 4.64 мм. В электрическом чипе нет функции восстановления синхронизации, поэтому он может поддерживать сценарии приложений с низкой задержкой. Электрическая микросхема, VCSEL и микросхема PD переворачиваются на стеклянную подложку, как показано на рисунке ниже.

После того, как оптические компоненты, такие как линзы, упакованы вместе, общий размер модуля составляет 13 мм * 13 мм, что сравнимо с размером монеты, как показано на рисунке ниже.

Учитывая близость CPO к микросхеме коммутатора, это может повлиять на производительность VCSEL. IBM поставила в систему избыточный VCSEL, как показано на рисунке ниже, и надежность всей системы увеличилась в 1000 раз. Если основной VCSEL выходит из строя, он может быстро переключиться на запасной канал.

IBM не показала много результатов полной связи, только глазковую диаграмму 16-канального VCSEL. 2.7 пДж/бит для стороны Tx, включая потребляемую мощность VCSEL, и 1.5 пДж/бит для стороны Rx при теоретическом значении моделирования 4.2 пДж/бит. Пропускная способность всей системы составляет 800 Гбит/с (16x50 Гбит/с). Кроме того, в системе используется VCSEL с одной длиной волны, а на этапе 2 будет введено несколько длин волн.

ВПО

Компания HPE также работает над созданием CPO на основе VCSEL, и структура 4-канальной системы CPO HPE показана на рисунке ниже.

Система CPO содержит 5 длин волн лазеров VCSEL с длинами волн 990/1015/1040/1065/1090 нм. Полоса пропускания 3 дБ для всех 5 длин волн превышает 18 ГГц, что может поддерживать сигнал PAM56 со скоростью 4 Гбит/с, как показано на рисунке ниже. 990-нм VCSEL имеет немного меньшую полосу пропускания. Используя предварительно искаженные электрические сигналы и увеличивая величину управляющего тока, VCSEL может поддерживать сигналы PAM112 со скоростью 4 Гбит/с.

Массив VCSEL, массив PD и пленочный фильтр собраны вместе, чтобы сформировать четырехволновой CPO-модуль. Поскольку PD не мог сравниться с чипом TIA, HP использовала внешний детектор. Модуль CPO не имеет встроенной электрической микросхемы. Глазковая диаграмма стороны CPO Tx показана ниже, а BER меньше 1e-6.

Fujitsu

Решение Fujitsu VCSEL CPO показано на рисунке ниже. В системе используются 16 каналов VCSEL и массивов PD, а VCSEL и PD распределены по кругу с расстоянием 40 мкм между соседними каналами для облегчения соединения с многожильным волокном (MCF). Драйвер и микросхемы TIA размещены на задней стороне Interposer.

Модуль CPO использует электрический интерфейс LGA, а шаг составляет 300 мкм. Для соединения высокоскоростных электрических сигналов интерпозер использует 10 слоев металла, толщина всего интерпозера составляет 340 мкм. Разрез показан ниже. Как оптические, так и электрические чипы размещаются на интерпозере с помощью флип-чипа.

Общий размер модуля CPO составляет 7.8*16*8.0 мм, что также соответствует размеру монеты, как показано на рисунке ниже. Пропускная способность модуля CPO составляет 400 Гбит/с (25 Гбит/с NRZ*16). Fujitsu не предоставила результатов измерений для всей ссылки.

Furukawa

Ниже показано решение Furukawa VCSEL CPO с использованием двух 4-канальных массивов VCSEL и PD. Чтобы уменьшить длину электрического соединения, микросхемы драйвера и TIA размещаются с обеих сторон VCSEL и PD соответственно. Как оптические, так и электрические микросхемы непосредственно прикрепляются к подложке, а оптические и электрические микросхемы соединяются между собой проводным соединением. Модуль CPO использует форму электрического интерфейса LGA, а шаг LGA составляет 300 мкм. Оптический порт использует головку MT и содержит 24 канала.

Полоса пропускания 3 дБ VCSEL составляет 17 ГГц, а ширина полосы пропускания 3 дБ PD составляет 23 ГГц, оба могут поддерживать сигнал PAM56 4 Гбит/с.

Фурукава построил линию длиной 4.4 м, и результаты теста BER показаны ниже. Для сигнала NRZ 28 Гбит/с оптическая мощность на стороне Rx больше -10 дБм, а BER меньше 1e-12. Для сигнала PAM56 4 Гбит/с оптическая мощность на приемном конце должна быть больше -8 дБм, а BER меньше 2.4e-4.

Размер модуля CPO составляет 15.9*7.7*7.95 мм, а общая пропускная способность составляет 448 Гбит/с (56×8), что соответствует плотности полосы пропускания 7.32 Гбит/с/мм^2 (двунаправленная).

Краткое сравнение результатов четырех компаний, упомянутых выше, показано на рисунке ниже.

В отличие от этого, IBM VCSEL CPO обладает превосходной производительностью во всех аспектах, а его электрическая микросхема специально спроектирована и разработана самой компанией. Остальные три компании не раскрывали в своих статьях много информации о драйверах/TIA. VCSEL CPO четырех компаний все еще находится на стадии исследований и разработок, и характеристики полной связи не очень идеальны. Кроме того, поскольку система содержит несколько каналов VCSEL и PD, ее надежность и техническое обслуживание являются проблемой. Также стоит подумать о том, как впоследствии увеличить пропускную способность. Поскольку расстояние передачи VCSEL относительно короткое, VCSEL CPO может в основном использоваться для соединения сигналов внутри стойки и между стойками.