VCSELベースのCPOの最新の進歩

2023 年 5 月 5 日

キャサリン

光通信エンジニア

現在、ほとんどの CPO 製品はシリコン光ソリューションに基づいていますが、VCSEL は超短距離伝送におけるコストと消費電力の点で明らかな利点を持っています。

FiberMall では、IBM、HPE、富士通、古河電工の XNUMX 社による VCSEL ベースの CPO の最新の進捗状況を以下に紹介します。

IBM

II-VI と協力して、IBM は米国エネルギー省 (ARPA-E) プロジェクトである MOTION (Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE) を実施しました。プロジェクトはフェーズ 1 とフェーズ 2 の XNUMX つのフェーズに分かれており、XNUMX つのフェーズの仕様は次の図に示されています。主な違いは、チャネル数、レート、電気チップなどです。 CPO モジュールは変わりません。

VCSEL 波長は 940nm で、速度は 56Gbaud に達し、サポートできます。 112Gbps PAM4信号。フェーズ 1 の電気チップは 55nm BiCMOS プロセスで、Tx と Rx は 16 チャネルを備えた 1.64 つの別個のチップです。チップサイズは4.64mm×XNUMXmmです。電子チップにはリタイミング機能がないため、低遅延のアプリケーションシナリオをサポートできます。以下の図に示すように、電気チップ、VCSEL、および PD チップがガラス基板にフリップチップされます。

レンズなどの光学部品をパッケージ化すると、モジュール全体のサイズは 13mm*13mm となり、下図に示すようにコインサイズに相当します。

CPO がスイッチチップに近いことを考慮すると、VCSEL のパフォーマンスが影響を受ける可能性があります。 IBM は、以下の図に示すようにシステムに冗長 VCSEL を搭載し、システム全体の信頼性が 1000 倍向上しました。プライマリ VCSEL に障害が発生した場合、すぐにスペアチャネルに切り替えることができます。

IBM はフルリンクの結果をあまり示しておらず、16 チャネル VCSEL アイダイアグラムのみを示しました。 VCSEL の消費電力を含む Tx 側は 2.7pJ/bit、Rx 側は 1.5pJ/bit、理論上のシミュレーション値は 4.2pJ/bit です。システム全体の帯域幅は800Gbps（16×50Gbps）です。さらに、このシステムは単一波長 VCSEL を使用しており、フェーズ 2 では複数の波長が導入されます。

HPE

HPE は VCSEL ベースの CPO の開発にも取り組んでおり、HPE の 4 チャネル CPO システムの構造は次の図に示されています。

CPO システムには、波長 5/990/1015/1040/1065nm の 1090 つの波長の VCSEL レーザーが含まれています。以下の図に示すように、3 つの波長すべての 5dB 帯域幅は 18GHz より大きく、56Gbps PAM4 信号をサポートできます。 990nm VCSEL の帯域幅はわずかに低くなります。プリディストーションされた電気信号を使用し、駆動電流のサイズを増やすことにより、VCSEL は 112Gbps PAM4 信号をサポートできます。

VCSEL アレイ、PD アレイ、フィルムフィルターを組み合わせて XNUMX 波長を形成 CPOモジュール。 PD は TIA チップと一致しないため、HP は外部検出器を使用しました。 CPO モジュールには電気チップが組み込まれていません。 CPO の Tx 側のアイダイアグラムを以下に示します。BER は 1e-6 未満です。

富士通

富士通の VCSEL CPO ソリューションを次の図に示します。システムでは 16 チャンネルの VCSEL と PD アレイが使用されており、マルチコアファイバー (MCF) との結合を容易にするために、VCSEL と PD は隣接するチャンネル間の距離が 40um の円形に配置されています。ドライバーと TIA チップはインターポーザーの裏側に配置されています。

CPOモジュールはLGAの電気インターフェースを採用しており、ピッチは300umです。高速電気信号の相互接続を実現するために、インターポーザーには10層の金属が使用されており、インターポーザー全体の厚さは340umです。断面図を以下に示します。光学チップと電気チップの両方がフリップチップによってインターポーザ上に配置されます。

下図に示すように、CPO モジュールの全体サイズは 7.8*16*8.0mm で、これもコインと同じサイズです。 CPOモジュールの帯域幅は400Gbps(25Gbps NRZ*16)です。富士通はリンク全体の測定結果を提供しなかった。

古川

古河電工の VCSEL CPO ソリューションは以下に示されており、4 つの 300 チャネル VCSEL および PD アレイを使用しています。電気的配線の長さを短縮するために、ドライバチップとTIAチップはそれぞれVCSELとPDの両側に配置されています。光学チップと電気チップは両方とも基板に直接取り付けられており、光学チップと電気チップはワイヤボンディングによって相互接続されている。 CPOモジュールはLGAの電気インターフェース形式を採用しており、LGAのピッチは24umです。光ポートはMTヘッドを採用し、XNUMXチャンネルを搭載しています。

VCSEL の 3dB 帯域幅は 17GHz、PD の 3dB 帯域幅は 23GHz で、どちらも 56Gbps PAM4 信号をサポートできます。

古川氏は長さ 4.4m のリンクを構築し、BER テストの結果を以下に示します。 28Gbps NRZ 信号の場合、Rx 端の光パワーは -10dBm より大きく、BER は 1e-12 未満です。 56Gbps PAM4 信号の場合、Rx 端の光パワーは -8dBm より大きく、BER は 2.4e-4 未満である必要があります。

CPO モジュールのサイズは 15.9*7.7*7.95mm、総帯域幅は 448Gbps (56×8) で、帯域幅密度 7.32Gbps/mm^2 (双方向) に相当します。

上記 XNUMX 社の結果を簡単に比較すると、次の図のようになります。

対照的に、IBM の VCSEL CPO はあらゆる面で優れたパフォーマンスを備えており、その電気チップは独自に特別に設計および開発されています。他の XNUMX 社は、記事内でドライバー/TIA 情報をあまり明らかにしませんでした。 XNUMX 社の VCSEL CPO はまだ研究開発段階にあり、フルリンクのパフォーマンス特性評価はあまり完璧ではありません。さらに、システムには VCSEL と PD の複数のチャネルが含まれているため、その信頼性とメンテナンスが課題になります。その後、帯域幅をアップグレードする方法についても検討する価値があります。 VCSEL の伝送距離は比較的短いため、VCSEL CPO は主にラック内およびラック間の信号相互接続に使用されます。