Der neueste Fortschritt des VCSEL-basierten CPO

Gegenwärtig basieren die meisten CPO-Produkte auf optischen Siliziumlösungen, aber VCSEL hat offensichtliche Vorteile in Bezug auf Kosten und Stromverbrauch bei der Übertragung über ultrakurze Distanzen.

Im Folgenden stellt FiberMall die neuesten Fortschritte des VCSEL-basierten CPO von vier Unternehmen vor: IBM, HPE, Fujitsu und Furukawa.

IBM

In Zusammenarbeit mit II-VI führte IBM das Projekt MOTION (Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE) ​​des US-Energieministeriums (ARPA-E) durch. Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt, Phase 1 und Phase 2, und die Spezifikationen der beiden Phasen sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Hauptunterschied besteht in der Anzahl der Kanäle, der Rate, dem elektrischen Chip usw. Die Größe des Das CPO-Modul bleibt gleich.

Die VCSEL-Wellenlänge beträgt 940 nm und kann eine Rate von 56 GBaud erreichen, was unterstützt werden kann 112Gbps PAM4-Signale. Der elektrische Chip in Phase 1 ist ein 55-nm-BiCMOS-Prozess, und Tx und Rx sind zwei separate Chips mit 16 Kanälen. Die Chipgröße beträgt 1.64 mm x 4.64 mm. Der elektrische Chip verfügt über keine Retiming-Funktion, sodass er Anwendungsszenarien mit geringer Latenz unterstützen kann. Der elektrische Chip, der VCSEL und der PD-Chip sind per Flip-Chip auf dem Glassubstrat angebracht, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Nachdem die optischen Komponenten wie Linsen zusammengepackt wurden, beträgt die Gesamtmodulgröße 13 mm x 13 mm, vergleichbar mit der Größe einer Münze, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Aufgrund der Nähe des CPO zum Switch-Chip kann die VCSEL-Leistung beeinträchtigt werden. IBM hat das System mit redundantem VCSEL ausgestattet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems wurde um das Tausendfache erhöht. Wenn der primäre VCSEL ausfällt, kann er schnell auf den Ersatzkanal umschalten.

IBM zeigte nicht viele Full-Link-Ergebnisse, sondern nur das 16-Kanal-VCSEL-Augendiagramm. 2.7 pJ/Bit für die Tx-Seite, einschließlich des Stromverbrauchs des VCSEL, und 1.5 pJ/Bit für die Rx-Seite, mit einem theoretischen Simulationswert von 4.2 pJ/Bit. Die Bandbreite des gesamten Systems beträgt 800 Gbit/s (16 x 50 Gbit/s). Darüber hinaus verwendet das System einen VCSEL mit einer einzelnen Wellenlänge, und in Phase 2 werden mehrere Wellenlängen eingeführt.

HPE

HPE hat auch an der Entwicklung von VCSEL-basiertem CPO gearbeitet. Die Struktur des 4-Kanal-CPO-Systems von HPE ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das CPO-System enthält 5 Wellenlängen von VCSEL-Lasern mit Wellenlängen von 990/1015/1040/1065/1090 nm. Die 3-dB-Bandbreite aller 5 Wellenlängen ist größer als 18 GHz, was ein 56-Gbit/s-PAM4-Signal unterstützen kann, wie in der Abbildung unten gezeigt. 990-nm-VCSEL hat eine etwas geringere Bandbreite. Durch die Verwendung vorverzerrter elektrischer Signale und die Erhöhung des Antriebsstroms kann der VCSEL PAM112-Signale mit 4 Gbit/s unterstützen.

VCSEL-Array, PD-Array und Filmfilter werden zu einer Vierwellenlänge zusammengefügt CPO-Modul. Da PD nicht mit dem TIA-Chip mithalten konnte, verwendete HP einen externen Detektor. Das CPO-Modul verfügt über keinen integrierten elektrischen Chip. Das Augendiagramm der CPO-Tx-Seite ist unten dargestellt, und die BER beträgt weniger als 1e-6.

Fujitsu

Die VCSEL CPO-Lösung von Fujitsu ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Im System werden 16 Kanäle von VCSELs und PD-Arrays verwendet, und die VCSELs und PDs sind kreisförmig mit einem Abstand von 40 µm zwischen benachbarten Kanälen verteilt, um die Kopplung mit der Multicore-Faser (MCF) zu erleichtern. Die Treiber- und TIA-Chips sind auf der Rückseite des Interposers platziert.

Das CPO-Modul übernimmt die elektrische Schnittstelle von LGA und der Abstand beträgt 300 µm. Um die Verbindung elektrischer Hochgeschwindigkeitssignale zu erreichen, verwendet der Interposer 10 Metallschichten, die Dicke des gesamten Interposers beträgt 340 µm. Der Querschnitt ist unten dargestellt. Sowohl optische als auch elektrische Chips werden per Flip-Chip auf dem Interposer platziert.

Die Gesamtgröße des CPO-Moduls beträgt 7.8 x 16 x 8.0 mm, was auch der Größe der Münze entspricht, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Bandbreite des CPO-Moduls beträgt 400 Gbit/s (25 Gbit/s NRZ*16). Für den gesamten Link nannte Fujitsu keine Messergebnisse.

Furukawa

Die VCSEL-CPO-Lösung von Furukawa ist unten dargestellt und verwendet zwei 4-Kanal-VCSEL- und PD-Arrays. Um die Länge der elektrischen Verbindung zu reduzieren, werden Treiber- und TIA-Chips auf beiden Seiten von VCSEL bzw. PD platziert. Sowohl die optischen Chips als auch die elektrischen Chips werden direkt auf dem Substrat befestigt, und die optischen Chips und die elektrischen Chips werden durch Drahtbonden miteinander verbunden. Das CPO-Modul übernimmt die elektrische Schnittstellenform des LGA und der Pitch des LGA beträgt 300 µm. Der optische Port verwendet einen MT-Kopf und enthält 24 Kanäle.

Die 3-dB-Bandbreite von VCSEL beträgt 17 GHz und die 3-dB-Bandbreite von PD beträgt 23 GHz. Beide können ein 56-Gbit/s-PAM4-Signal unterstützen.

Furukawa baute eine 4.4 m lange Verbindung. Die BER-Testergebnisse sind unten aufgeführt. Für ein 28-Gbit/s-NRZ-Signal ist die optische Leistung am Rx-Ende größer als -10 dBm und die BER beträgt weniger als 1e-12. Für ein 56-Gbit/s-PAM4-Signal sollte die optische Leistung am Rx-Ende größer als -8 dBm und die BER kleiner als 2.4e-4 sein.

Die Größe des CPO-Moduls beträgt 15.9 x 7.7 x 7.95 mm und die Gesamtbandbreite beträgt 448 Gbit/s (56 x 8), was einer Bandbreitendichte von 7.32 Gbit/s/mm^2 (bidirektional) entspricht.

Ein kurzer Vergleich der Ergebnisse der vier oben genannten Unternehmen ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Im Gegensatz dazu weist der VCSEL CPO von IBM in jeder Hinsicht eine überlegene Leistung auf, und sein elektrischer Chip wurde speziell von ihm selbst entworfen und entwickelt. Die anderen drei Unternehmen gaben in ihren Artikeln nicht viele Fahrer-/TIA-Informationen preis. Die VCSEL-CPOs der vier Unternehmen befinden sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, und die Leistungscharakterisierung von Full Link ist nicht sehr perfekt. Da das System außerdem mehrere VCSEL- und PD-Kanäle enthält, sind seine Zuverlässigkeit und Wartung problematisch. Es lohnt sich auch darüber nachzudenken, wie man die Bandbreite nachträglich aufrüsten kann. Da die Übertragungsentfernung von VCSEL relativ kurz ist, kann VCSEL CPO hauptsächlich für die Signalverbindung innerhalb und zwischen Racks verwendet werden.