技术背景
目前主流的CPO有两种技术方案和应用场景。
基于VCSEL的多模方案，30m及以下距离，主要面向超算及AI集群的短距光互联；
基于硅光集成的单模方案，2km及以下距离，主要面向大型数据中心内部光互联。
单波100G VCSEL芯片产业成熟度比硅光子稍慢，目前N×100G VCSEL array芯片（主要模块产品800G SR8）价格仍处在高位水平；
一部分数据中心终端客户希望用硅光向下覆盖短距VCSEL的应用； 同时VCSEL芯片制造商和交换机厂商也在继续发力，开发VCSEL的低成本CPO解决方案，以维持vcsel方案在CPO赛道的市场占有率。
本报告收集汇总了OFC2023上基于VCSEL的CPO进展。
在OFC2023上，IBM介绍了基于VCSEL阵列的CPO最新进展，
目前大部分CPO产品都是基于硅光的方案，但是VCSEL在超短距传输上有着明显的成本与功耗优势。目前从事基于VCSEL CPO研发的机构主要有：
- IBM
- HP
- Fujitsu
- Furukawa
这四家公司。
【玩家1】IBM
IBM与II-VI合作，一起承接了美国能源部(ARPA-E)的项目，项目的名称是MOTION (全称Multi-wavelength Optical Transceiver Integrated ON NODE)。项目分为Phase 1和Phase 2两个阶段，两个阶段的指标如下图所示，主要区别是通道数、速率和电芯片等。CPO模块的尺寸保持不变。
VCSEL的波长为940nm，速率可以达到56Gbaud, 可以支持112Gbps PAM4的信号。PD也是类似的情况，速率可以达到56Gbaud。Phase 1中的电芯片采用55nm BiCMOS工艺，Tx和Rx是单独的两颗芯片，16通道。芯片尺寸都是1.64mm*4.64mm。电芯片中没有retiming功能，因此可以支持低延迟的应用场景。电芯片、VCSEL和PD芯片分别flip-chip到玻璃基板上，如下图所示
将透镜等光学元件封装在一起之后，整体模块的尺寸为13mm*13mm，和硬币的尺寸相当，如下图所示
值得一提的是，考虑到CPO距离switch芯片比较近，VCSEL的性能可能会有所影响。IBM在系统上放了冗余的VCSEL, 如下图所示，整个系统的可靠性提升了1000倍。如果Primary VCSEL发生故障，可以快速切换到Spare通道。
IBM没有展示太多的full-link结果，只给出了16个通道的VCSEL眼图。Tx端的能效比为2.7pJ/bit, 包含VCSEL的功耗在内。Rx端没有给出实测的能效比，理论仿真值为1.5pJ/bit, 整个系统的能效比4.2pJ/bit。整个系统的带宽为800Gbps（16x50Gbps）。此外系统采用的是单波长VCSEL，Phase 2会引入多波长。
【玩家2】HP
惠普也一直致力于基于VCSEL的CPO研发，找到了2020年4通道CPO的文章。系统的结构如下图所示，
系统中含5个波长的VCSEL激光器，波长分别为990/1015/1040/1065/1090nm。5个波长的3dB带宽都大于18GHz, 可以支持56Gbps PAM4的信号，如下图所示。990nm的VCSEL带宽略低。通过采用预矫正(pre-distorted)的电信号，以及增加驱动电流的大小，VCSEL可以支持112Gbps PAM4的信号。
将VCSEL阵列、PD阵列和薄膜滤波片组装在一起，构成四波长的CPO模块。由于PD无法和TIA芯片匹配，HP采用了外置的探测器。CPO模块没有集成电芯片。CPO Tx端的眼图如下图所示，误码率小于1e-6。
【玩家3】 Fujitsu
Fujitsu公司的VCSEL CPO方案如下图所示，系统中使用16通道的VCSEL和PD阵列，为了方便与多芯光纤(MCF)耦合，VCSEL和PD呈圆弧形分布，相邻通道的距离为40um。VCSEL为单模1060nm输出。Driver和TIA芯片放置在Interposer的背面。
CPO模块采用LGA的电接口，pitch为300um。为了实现高速电信号的互联，interposer采用了10层金属，整个interposer的厚度为340um。其截面如下图所示，光芯片和电芯片都是采用flip-chip的方式放置在interposer上。
整体的CPO模块尺寸为7.8*16*8.0mm，也是与硬币尺寸相当，如下图所示。CPO模块的带宽为400Gbps(25Gbps NRZ*16)。Fujitsu没有给整个link的实测结果。
【玩家4】 Furukawa
Furukawa公司的VCSEL CPO方案如下图所示，采用两组4通道的VCSEL与PD阵列。为了减小电信号互联的长度，Driver和TIA芯片分别放置在VCSEL和PD的两侧。光芯片和电芯片都是直接贴到substrate上，光芯片和电芯片之间采用wire-bonding的方式互联。CPO模块采用LGA的电接口形式，LGA的pitch也是300um。光口采用MT头，包含24个通道。
VCSEL的3dB带宽为17GHz, PD的3dB带宽为23GHz, 都可以支持56Gbps PAM4的信号。 Furukawa搭建了4.4m长的链路，BER的测试结果如下图所示，对于28Gbps NRZ信号，Rx端光功率大于-10dBm，BER小于1e-12, 对于56Gbps PAM4信号，Rx端光功率需大于-8dBm, BER小于2.4e-4。
CPO模块的尺寸为15.9*7.7*7.95mm, 总带宽为448Gbps(56x8), 对应的带宽密度为7.32Gbps/mm^2 (双向)。
上述四家公司的结果，简单对比下，如下图所示：
小结：
相比较而言，IBM的VCSEL CPO各方面的性能占优，其电芯片也是自己专门设计研发的。
而另外三家公司的文章中并没有透露太多driver/TIA的信息。
四家公司的VCSEL CPO都还处于研发阶段，full link的性能表征也不是很完善。VCSEL CPO难点主要在封装上，四家公司的封装方案有些共性，光引擎都是采用LGA的方式与PCB板互联，Driver与TIA都是尽量靠近VCSEL与PD。另外由于系统中含有多通道的VCSEL与PD, 其可靠性与维护受到了挑战。后续如何进行带宽的升级，也值得思考。由于VCSEL的传输距离比较短，VCSEL CPO可能主要应用在rack内和rack间的信号互联。