ECOC2024：基于VCSEL的CPO收发器

今天带来两篇关于1060nm VCSEL的CPO收发器。可以看到，波长从850nm挪到1060nm主要出发点是可以很容易做单模，色散更好，可以传输更远距离，同时兼顾VCSEL的低成本优势。然后采用CPO封装，进一步提高集成度，提升容量和传输性能。

1、正面采用垂直发射直接与单模MCF相连，背面通过电芯片与基板相连，整个架构就显得非常紧凑，MCF可以做到19芯，16个通道。就是目前1060nm的带宽不是很高。

Fujitsu 提出基于1060nm单模VCSEL阵列和单模MCF的超紧凑CPO收发器，25Gb/s*16通道，覆盖数据中心内部2公里光传输，如图所示。

CPO收发器采用16通道1060nm SM VCSEL阵列。虽然当前每个通道的比特率为25 Gb/s，但可以将比特率提高到每通道100 Gb/s。在19芯SM -MCF中使用16芯的空分复用（SDM）提高每根光纤的传输容量。上表面采用了VCSEL阵列和光电PD阵列的倒装芯片FC键合，下表面采用16通道VCSEL驱动阵列和TIA阵列的FC键合。这种双面FC键合结构抑制电气线路中的寄生实现宽带宽。模块背面采用0.3 mm间距LGA作为高密度电接口。其开发一种直接与底VCSEL阵列和底PD阵列对接的MCF。

MCF的MFD为6um，匹配1060nm波长的单模条件。MCF有19芯，40um间距。

1060nm VCSEL输出通过GaAs衬底传输，耦合腔结构通过光子-光子共振效应提高调制带宽。

SM-VCSEL阵列与SM-MCF之间耦合损耗为3.5 dB。图5为背靠背发送器的眼图，通过环回CPO接收机误码率小于8e-6，使用标准前向纠错（FEC）时可以实现无错误操作。其具有2W低功耗，对应能耗5 pJ/bit。

CPO收发器连接到采用高密度电可插拔接口进行测试。差分传输线3db带宽宽为>17.3 GHz。图10为单通道、9通道和16通道的BER浴盆曲线。当误码率为10-12时，由于串扰导致的信道数增加，抖动裕度随之降低，测量到的抖动裕度分别为0.31、0.26和0.25 U.I.。

2、其主要特点是，通过控制氧化孔径和腔内接触金属之间的边界间隙来引入横向耦合腔实现单模，同时带宽达到33GHz，采用16通道阵列，整体能耗0.24 pJ/bit更小。和850nm一样，在不同传输距离的光带宽不一样。

Tokyo Institute of Technology 基于16ch 100Gbps PAM-4单模1060nm VCSEL阵列演示1.6Tbps多芯光纤共封装光学器件。如下图所示。通过控制氧化孔径（OA）和腔内接触金属（CM）之间的边界间隙来引入横向耦合腔。该VCSEL阵列基于标准3英寸晶圆VCSEL代工工艺制造。实现8个InGaAs/GaAs量子阱（QW），激光波长在1060nm，适合于底部发射允许通过倒装芯片键合工艺直接封装。为优化输出功率，将n DBR减少到19对。在p DBR表面蚀刻以增强横向耦，还沉积了10对介电DBR以提高反射率。相邻通道之间的距离小于40µm。16ch阵列的总芯片尺寸小至460µm。

反射会导致非线性IL曲线，可通过匹配油来完全避免。VCSEL阵列的OA为5µm， OA与CM之间的边界间隙为1µm。下图叠加16通道LIV曲线和9mA时的激光光谱。基于InGaAs VCSEL阵列的电压为1.1V，串联电阻为135ohm。阈值电流为1.0 mA，单模输出功率达到5mw以上。

1060nm VCSELs在9 mA下获得创纪录的33 GHz高带宽在9 mA偏置电流下所有16个通道的背对背100 Gbps PAM-4眼图，外消光比为2 dB。目标符号误差率（SER）为5E-3，TDECQ最小为2.1 dB，平均值为3.0 dB。基于16通道VCSEL阵列的1.6 Tbps调制实现7.6 Tbps/mm²的带宽密度和0.24 pJ/bit的能耗。

在75 Gbps的NRZ下，SER保持在1e-18以下，在90 Gbps的NRZ下，SER保持在3e-5以下，130 Gbps PAM4眼图TDECQ为4.0 dB。

采用更长波长和SM操作，实现了2 km以上的SMF扩展传输。其中2km和5km SMF的传递函数如图所示,小信号3dB带宽由于1060 nm的负光纤色散脉冲压缩而得到改善。

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审核编辑 黄宇