Les derniers progrès du CPO basé sur VCSEL

À l'heure actuelle, la plupart des produits CPO sont basés sur des solutions optiques au silicium, mais VCSEL présente des avantages évidents en termes de coût et de consommation d'énergie dans la transmission à ultra-courte distance.

FiberMall présentera les derniers progrès du CPO basé sur VCSEL de quatre sociétés, IBM, HPE, Fujitsu et Furukawa, dans ce qui suit.

IBM

En coopération avec II-VI, IBM a entrepris le projet du Département américain de l'énergie (ARPA-E), MOTION (Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE). Le projet est divisé en deux phases, Phase 1 et Phase 2, et les spécifications des deux phases sont présentées dans la figure ci-dessous, la principale différence est le nombre de canaux, le débit, la puce électrique, etc. La taille du Le module CPO reste le même.

La longueur d'onde VCSEL est de 940 nm et peut atteindre un débit de 56 Gbaud, ce qui peut prendre en charge 112Gbps Signaux PAM4. La puce électrique de la phase 1 est un processus BiCMOS de 55 nm, et le Tx et le Rx sont deux puces distinctes avec 16 canaux. La taille de la puce est de 1.64 mm * 4.64 mm. Il n'y a pas de fonction de resynchronisation dans la puce électrique afin qu'elle puisse prendre en charge des scénarios d'application à faible latence. La puce électrique, le VCSEL et la puce PD sont flip-chip sur le substrat en verre, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Une fois les composants optiques tels que les lentilles emballés ensemble, la taille globale du module est de 13 mm * 13 mm, comparable à la taille d'une pièce de monnaie, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Étant donné la proximité du CPO avec la puce du commutateur, les performances du VCSEL peuvent être affectées. IBM a mis un VCSEL redondant sur le système, comme illustré dans la figure ci-dessous, et la fiabilité de l'ensemble du système est multipliée par 1000 XNUMX. Si le VCSEL principal tombe en panne, il peut rapidement basculer vers le canal de réserve.

IBM n'a pas montré beaucoup de résultats de liaison complète, seulement le diagramme de l'œil VCSEL à 16 canaux. 2.7 pJ/bit pour le côté Tx, y compris la consommation électrique du VCSEL, et 1.5 pJ/bit pour le côté Rx, avec une valeur de simulation théorique de 4.2 pJ/bit. La bande passante de l'ensemble du système est de 800 Gbps (16x50 Gbps). De plus, le système utilise un VCSEL à longueur d'onde unique, et la phase 2 introduira plusieurs longueurs d'onde.

HPE

HPE a également travaillé sur le développement d'un CPO basé sur VCSEL, et la structure du système CPO à 4 canaux de HPE est illustrée dans la figure ci-dessous.

Le système CPO contient 5 longueurs d'onde de lasers VCSEL avec des longueurs d'onde de 990/1015/1040/1065/1090nm. La bande passante 3 dB des 5 longueurs d'onde est supérieure à 18 GHz, ce qui peut prendre en charge le signal PAM56 4 Gbps, comme indiqué dans la figure ci-dessous. 990nm VCSEL a une bande passante légèrement inférieure. En utilisant des signaux électriques pré-distordus et en augmentant la taille du courant d'entraînement, le VCSEL peut prendre en charge des signaux PAM112 de 4 Gbit/s.

Le réseau VCSEL, le réseau PD et le filtre à film sont assemblés pour former un réseau à quatre longueurs d'onde Module CPO. Parce que PD ne pouvait pas correspondre à la puce TIA, HP a utilisé un détecteur externe. Le module CPO n'a pas de puce électrique intégrée. Le diagramme de l'œil du côté CPO Tx est illustré ci-dessous, et le BER est inférieur à 1e-6.

Fujitsu

La solution VCSEL CPO de Fujitsu est illustrée dans la figure ci-dessous. 16 canaux de VCSEL et de réseaux PD sont utilisés dans le système, et les VCSEL et PD sont répartis sous une forme circulaire avec une distance de 40 um entre les canaux adjacents afin de faciliter le couplage avec la fibre multicœur (MCF). Le pilote et les puces TIA sont placés à l'arrière de l'interposeur.

Le module CPO adopte l'interface électrique de LGA, et le pas est de 300um. Afin de réaliser l'interconnexion des signaux électriques à grande vitesse, l'interposeur utilise 10 couches de métal, l'épaisseur de l'ensemble de l'interposeur est de 340 um. La coupe est illustrée ci-dessous. Les puces optiques et électriques sont placées sur l'interposeur par flip chip.

La taille globale du module CPO est de 7.8 * 16 * 8.0 mm, ce qui correspond également à la même taille que la pièce, comme indiqué dans la figure ci-dessous. La bande passante du module CPO est de 400 Gbit/s (25 Gbit/s NRZ*16). Fujitsu n'a pas donné de résultats mesurés pour l'ensemble du lien.

Furukawa

La solution VCSEL CPO de Furukawa est illustrée ci-dessous, utilisant deux baies VCSEL et PD à 4 canaux. Afin de réduire la longueur de l'interconnexion électrique, les puces Driver et TIA sont placées respectivement des deux côtés de VCSEL et PD. Les puces optiques et les puces électriques sont directement fixées au substrat, et les puces optiques et les puces électriques sont interconnectées par liaison par fil. Le module CPO adopte la forme d'interface électrique du LGA, et le pas du LGA est de 300um. Le port optique utilise la tête MT et contient 24 canaux.

La bande passante 3dB de VCSEL est de 17 GHz et la bande passante 3dB de PD est de 23 GHz, les deux peuvent prendre en charge le signal PAM56 de 4 Gbps.

Furukawa a construit une liaison de 4.4 m de long, et les résultats des tests BER sont présentés ci-dessous. Pour le signal NRZ de 28 Gbps, la puissance optique à l'extrémité Rx est supérieure à -10 dBm et le BER est inférieur à 1e-12. Pour le signal PAM56 à 4 Gbps, la puissance optique à l'extrémité Rx doit être supérieure à -8 dBm et le BER inférieur à 2.4e-4.

La taille du module CPO est de 15.9 * 7.7 * 7.95 mm et la bande passante totale est de 448 Gbps (56 × 8), correspondant à une densité de bande passante de 7.32 Gbps / mm ^ 2 (bidirectionnelle).

Une brève comparaison des résultats des quatre entreprises mentionnées ci-dessus est présentée dans la figure ci-dessous.

En revanche, le CPO VCSEL d'IBM a des performances supérieures dans tous les aspects, et sa puce électrique est spécialement conçue et développée par elle-même. Les trois autres sociétés n'ont pas révélé beaucoup d'informations sur les conducteurs/AIT dans leurs articles. Les CPO VCSEL des quatre sociétés sont encore au stade de la R&D et la caractérisation des performances du lien complet n'est pas très parfaite. De plus, étant donné que le système contient plusieurs canaux de VCSEL et de PD, sa fiabilité et sa maintenance sont mises à l'épreuve. Il convient également de réfléchir à la manière de mettre à niveau la bande passante par la suite. Étant donné que la distance de transmission de VCSEL est relativement courte, VCSEL CPO peut être principalement utilisé dans l'interconnexion de signaux intra-rack et inter-rack.