博通：200G VCSEL技術(shù)突破 面向AI集群的下一代NPO Scale UP方案

  ICC訊 近期，博通在第29屆垂直腔面發(fā)射激光器會(huì)議上發(fā)表的論文《200G VCSEL Development and Proposal of Using VCSELs for Near-Package-Optics Scale-Up Application ?》，闡釋博通公司200G VCSEL技術(shù)突破及其面向AI集群的下一代近封裝光互連在Scale-Up的應(yīng)用。

     博通 200G VCSEL 的進(jìn)程，3-dB 頻寬即將推升超越40 GHz，這應(yīng)該是目前業(yè)界推進(jìn)速度最快、技術(shù)也最先進(jìn)的成果之一。同時(shí)也為業(yè)界提供可立即上線、能耗最低（energy/bit 約 1 pJ/bit）的最佳 VCSEL NPO 解決方案，滿足當(dāng)下 scale-up 的急迫需求。

  以下為原文

  摘要： 高性能計(jì)算（HPC）、人工智能（AI）及數(shù)據(jù)中心日益增長的互聯(lián)需求，正驅(qū)動(dòng)新一代多模光器件的發(fā)展。本文重點(diǎn)探討了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）為實(shí)現(xiàn)每通道200 Gbps多模光纖鏈路所需具備的帶寬與噪聲性能，該鏈路采用PAM4調(diào)制格式，速率為106 GBaud。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的VCSEL器件?3 dB帶寬超過35 GHz，相對強(qiáng)度噪聲低于?152 dB/Hz。在50米OM4光纖鏈路上未觀測到不可糾正誤碼，顯示出良好的鏈路穩(wěn)定性。文中同時(shí)給出了VCSEL的器件性能及其磨損壽命評估?；赩CSEL鏈路在可靠性與功耗方面的優(yōu)勢，本文進(jìn)一步提出一種面向人工智能Scale-up網(wǎng)絡(luò)的光互連新方案——VCSEL近封裝光學(xué)（NPO）模塊。與銅互連相比，光互連能夠?qū)崿F(xiàn)更長的傳輸距離，有助于通過網(wǎng)絡(luò)解耦構(gòu)建更大規(guī)模的人工智能集群。所提出的VCSEL NPO方案可實(shí)現(xiàn)約1 pJ/bit的能效，為目前光互連技術(shù)中的最高水平。

  作者： Tzu Hao Chow, Jingyi Wang, Sizhu Jiang, M. V. Ramana Murty, Laura M. Giovane, Chee Parng Chua, Lip Min Chong, Lowell Bacus, Xiaoyong Shan, Salvatore Sabbatino, Zixing Xue 和 I-Hsing Tan*（通訊作者）

  來源/機(jī)構(gòu)： Broadcom Inc.

  文章信息： 本文擴(kuò)展自發(fā)表于 Photonics 2026, 13(1), 90 的學(xué)術(shù)論文，是其會(huì)議版本的擴(kuò)展。| 查看原文

  關(guān)鍵詞： 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）， 850 nm VCSEL， 高速調(diào)制， 可靠性， 近封裝光學(xué)（NPO）， AI集群網(wǎng)絡(luò)， 光互連

  正文

  1. 引言

  基于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的多模鏈路，以其低功耗、非制冷條件下的優(yōu)異帶寬性能、卓越的可靠性以及低成本的可擴(kuò)展制造能力為核心優(yōu)勢，已支撐了多代高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的連接需求[1,2,3,4]。二十余年來，VCSEL（圖1）的性能推動(dòng)多模有源光纜（AOC）和光收發(fā)模塊在短距光通信信道中占據(jù)了主導(dǎo)地位。目前，能夠在每通道53-56 GBd（標(biāo)記為100 Gbps PAM4）速率下實(shí)現(xiàn)四級脈沖幅度調(diào)制（PAM4）的VCSEL已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[5]。而具備100 GBd（標(biāo)記為200 Gbps PAM4）工作能力的850 nm VCSEL的開發(fā)，將催生新一代的企業(yè)網(wǎng)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)部交換機(jī)至服務(wù)器、交換機(jī)至交換機(jī)的互連。近期，多家研究機(jī)構(gòu)與商業(yè)公司[6,7,8]報(bào)道了超過100 Gbps PAM4的令人印象深刻的結(jié)果，其中包括采用光刻定義孔徑的VCSEL技術(shù)[9]。此外，橫向耦合腔1060 nm VCSEL設(shè)計(jì)[10,11]、單模及多孔徑VCSEL[12,13,14]以及雙向多模鏈路[15]也已得到驗(yàn)證。我們注意到，在所有這些研究進(jìn)展中，盡管850 nm VCSEL及其配套的、針對850 nm波長窗口優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖已被廣泛應(yīng)用，但1060 nm VCSEL也日益受到關(guān)注[7,10,11]。這些成果表明，VCSEL技術(shù)有望滿足每通道200 Gbps數(shù)據(jù)通信的需求。

圖1. VCSEL技術(shù)代際演進(jìn)。

  53–56 GBd的PAM4VCSEL的設(shè)計(jì)、性能與可靠性已在其他文獻(xiàn)中討論[5]。為支持每通道200 Gbps的傳輸，850 nm VCSEL的帶寬與噪聲性能均已取得顯著提升。2024年3月，在OFC會(huì)議上，我們報(bào)告了“邁向每通道200G的VCSEL多模鏈路”[16]，并演示了200 Gbps傳輸下未糾錯(cuò)誤碼率低于1×10??的結(jié)果。同年9月，在ECOC會(huì)議上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了未糾錯(cuò)誤碼率小于1×10??的200 Gbps多模鏈路傳輸。經(jīng)過持續(xù)改進(jìn)，在2025年3月的OFC會(huì)議上，未糾錯(cuò)誤碼率達(dá)到了約1×10??。同次會(huì)議上，還在50米OM4鏈路上進(jìn)行了超過9小時(shí)的流量測試，期間僅出現(xiàn)最多5個(gè)可糾錯(cuò)的幀錯(cuò)誤（圖2），展現(xiàn)了優(yōu)異的鏈路穩(wěn)定性。

圖2. 9小時(shí)流量測試中，碼錯(cuò)誤率與最高溫度的關(guān)系（無非糾錯(cuò)錯(cuò)誤）。

  本文介紹了200 Gbps PAM4 850 nm VCSEL的研發(fā)進(jìn)展。該器件旨在滿足下一代數(shù)據(jù)傳輸需求，其整體設(shè)計(jì)思路并非單純追求極限速度和最低噪聲，而是聚焦于在優(yōu)化性能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高可靠性。我們的設(shè)計(jì)基于一套成熟的外延生長與制造工藝流程，該流程已成功應(yīng)用于100 Gbps VCSEL產(chǎn)品，并經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證，具備卓越的可制造性、可靠性以及寬溫范圍內(nèi)的優(yōu)良性能。

  隨著人工智能縱向擴(kuò)展（Scale-up）網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大連接規(guī)模，連接更多加速器，需要光互連技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更長距離的跨接。功率效率、可靠性、出帶帶寬密度與成本是推動(dòng)光互連廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵考量。為支持人工智能擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種基于VCSEL的近封裝光學(xué)（NPO）概念方案。該方案充分利用VCSEL鏈路良好的現(xiàn)場可靠性及低成本優(yōu)勢，滿足上述關(guān)鍵要求。

  本文結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)闡述器件設(shè)計(jì)與制造工藝；第3節(jié)涵蓋關(guān)鍵參數(shù)（如S21響應(yīng)和RIN）的表征，并展示代表實(shí)際應(yīng)用驅(qū)動(dòng)條件的大信號響應(yīng)及器件可靠性結(jié)果；第4節(jié)討論VCSEL在縱向擴(kuò)展（Scale-up）場景中的應(yīng)用，具體以近封裝光學(xué)模塊形式呈現(xiàn)，并再次強(qiáng)調(diào)其現(xiàn)場可靠性與成本優(yōu)勢；第5節(jié)則深入探討200 Gbps VCSEL的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與性能表現(xiàn)。

  2. 器件設(shè)計(jì)與制造

  為了理解多模鏈路對帶寬與噪聲指標(biāo)的要求，我們開發(fā)了一套仿真模型，用以模擬工作在200 Gbps鏈路中的VCSEL特性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)VCSEL的?3 dB帶寬超過35 GHz且相對強(qiáng)度噪聲低于?152 dB/Hz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) 106.25 Gbd的清晰眼圖。

  基于仿真所確定的200 Gbps VCSEL最小帶寬與最大噪聲目標(biāo)，我們完成了支持200 Gbps調(diào)制的VCSEL器件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在繼承上一代100 Gbps PAM4 VCSEL架構(gòu)的基礎(chǔ)上，旨在同步實(shí)現(xiàn)帶寬提升、相對強(qiáng)度噪聲降低以及熱阻優(yōu)化，從而最大程度抑制結(jié)溫升。器件采用氧化層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載流子與光子限制，該氧化層通過溝槽刻蝕暴露高鋁含量層后，經(jīng)濕法橫向氧化工藝形成。為降低鍵合焊盤電容，采用了多能量離子注入工藝。整體結(jié)構(gòu)與早期文獻(xiàn)[5]所述方案相似。

  3. 結(jié)果

  對制備的200 Gbps器件進(jìn)行了測試表征。圖3a展示了一款典型VCSEL的光功率輸出特性，圖3b則為其電壓-電流關(guān)系曲線。在9 mA工作電流下，器件光功率超過3 mW，工作電壓約為2.5 V。

圖3. 200 Gbps PAM4 VCSEL的（a）光功率-電流與（b）電壓-電流特性。

  VCSEL的設(shè)計(jì)從以下四個(gè)方面優(yōu)化了其動(dòng)態(tài)性能：（1）提高微分增益，該參數(shù)決定了器件的最大諧振頻率與帶寬；（2）改善p?n結(jié)內(nèi)的載流子輸運(yùn)效率；（3）優(yōu)化法布里-珀羅腔諧振波長與材料增益峰之間的失諧量，從而控制閾值電流隨溫度的變化特性；（4）降低熱阻，以減小工作偏置條件下的結(jié)溫升。

  采用FormFactor/Cascade空氣共面探頭、Agilent E8364B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及帶寬高于35 GHz的外部高速光電二極管，在晶圓上直接探測的方式，對制成的200 Gbps VCSEL進(jìn)行了小信號調(diào)制響應(yīng)測試。S21調(diào)制響應(yīng)曲線如圖4所示，在9 mA偏置電流下，器件的?3 dB帶寬超過35 GHz，且響應(yīng)呈現(xiàn)平坦/阻尼特性。提高直接調(diào)制激光器帶寬的挑戰(zhàn)之一是電寄生效應(yīng)造成的。通過降低這些寄生效應(yīng)，VCSEL的光調(diào)制帶寬有望突破45 GHz [1]。

圖4. 偏置電流為8 mA、9 mA與10 mA時(shí)的S21響應(yīng)曲線。?3 dB帶寬超過35 GHz。

  由于VCSEL的噪聲對鏈路總噪聲貢獻(xiàn)顯著，我們通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地抑制了模式競爭等因素引起的功率波動(dòng)，從而降低了VCSEL的噪聲水平。經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，200 Gbps PAM4 VCSEL在9 mA工作點(diǎn)的相對強(qiáng)度噪聲已降至?152 dB/Hz以下（圖5）。

圖5. 200 Gbps PAM4 VCSEL在9 mA偏置下的相對強(qiáng)度噪聲，RIN低于?152 dB/Hz。

  3.1. 200 Gbps（106 GBaud）PAM4 VCSEL 大信號響應(yīng)

  我們對200 Gbps VCSEL的大信號性能進(jìn)行了表征。測試中采用Keysight M8199B任意波形發(fā)生器產(chǎn)生106.25 GBaud的PAM4 PRBS13Q信號圖案，消光比為2.2 dB，并施加了7抽頭發(fā)射端有限脈沖響應(yīng)均衡。通過一個(gè)帶寬為65 GHz的偏置T合并直流偏置與交流調(diào)制信號，并利用射頻探頭將信號耦合至VCSEL的鍵合焊盤。VCSEL發(fā)出的光經(jīng)由顯微光學(xué)裝置導(dǎo)入多模光纖。光纖傳輸后的光波形采用Keysight開發(fā)的200G多模數(shù)字通信分析儀（DCA-M）進(jìn)行表征，該分析儀配備了自適應(yīng)25抽頭前饋均衡器與53.1 GHz SIRC濾波器。圖6展示了采用三種不同光纖測得的清晰開眼圖，表明VCSEL與光纖的組合帶寬足以支持200 Gbps工作。圖6a–c的眼圖分別對應(yīng)不同有效模帶寬光纖：（a）2米OM4光纖，（b）30米標(biāo)準(zhǔn)OM4光纖（EMB為4700 MHz·km），以及（c）50米康寧提供的定制光纖（EMB為7500 MHz·km）。使用EMB為7500 MHz·km的光纖有助于將200G鏈路的傳輸距離延伸至50米。子眼圖的傾斜源于直接調(diào)制激光器的非線性響應(yīng)，而均衡技術(shù)可在高頻段提供足夠的增益以抑制碼間干擾，從而獲得清晰的開口眼圖。截至本文撰寫時(shí)，多模200 Gbps鏈路的傳輸距離規(guī)范尚未由IEEE標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正式確定。

圖6. 200 Gbps PAM4 VCSEL的眼圖。（a）2米OM4光纖末端，（b）30米OM4光纖末端（EMB 4700 MHz·km），（c）50米康寧定制光纖末端（EMB 7500 MHz·km）。

  3.2. 可靠性

  實(shí)現(xiàn)優(yōu)異老化壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素是盡可能降低結(jié)溫。結(jié)溫取決于VCSEL內(nèi)部耗散的電功率及其熱阻。為實(shí)現(xiàn)更高速激光器所需提高的電流密度，也會(huì)導(dǎo)致焦耳熱增加（更高電流和/或更大串聯(lián)電阻），并且對于更小尺寸的器件而言，其熱阻率也更高。為應(yīng)對熱阻的增加，200 Gbps VCSEL的設(shè)計(jì)采用了具有更低熱阻抗的分布式布拉格反射鏡。我們已對200 Gbps PAM4 VCSEL進(jìn)行了初步可靠性測試。器件封裝于TO管座內(nèi)，在100°C環(huán)境溫度、9 mA恒定偏置條件下進(jìn)行加速應(yīng)力試驗(yàn)。定期取出器件，在室溫下測量其光學(xué)與電學(xué)性能。測試與分析遵循標(biāo)準(zhǔn)可靠性模型與方法[17,18]。圖7顯示了VCSEL在60°C、9 mA使用條件下的歸一化輸出功率隨時(shí)間的變化曲線。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過熱電制冷器將VCSEL襯底溫度穩(wěn)定在60°C或更低。觀察到的器件在其壽命期內(nèi)性能逐漸退化的趨勢，與100 Gbps VCSEL的表現(xiàn)相似。為確認(rèn)加速模型并獲得更充分的磨損壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，更廣泛的可靠性測試目前仍在進(jìn)行中。

圖7. 200 Gbps VCSEL在60°C、9 mA偏置操作條件下的輸出功率變化。藍(lán)線代表輸出功率下降20%的失效判據(jù)。

  4. VCSEL在人工智能縱向擴(kuò)展（Scale-up）網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

  自1 Gbps時(shí)代起，基于VCSEL的光互連技術(shù)已廣泛應(yīng)用于短距前端網(wǎng)絡(luò)。此類互連通常用于連接服務(wù)器與機(jī)柜頂部交換機(jī)，而交換機(jī)則通過多層交換架構(gòu)進(jìn)一步與互聯(lián)網(wǎng)核心相連。隨著IEEE 802.3 db標(biāo)準(zhǔn)引入每通道100 Gbps的應(yīng)用，VCSEL在人工智能橫向擴(kuò)展（Scale-out）網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛部署。在橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中，各類加速器通過高速鏈路（如800 Gbps）相互連接。通過高速鏈路將大型集群互連，這些人工智能集群可協(xié)同工作，構(gòu)成一臺規(guī)模龐大的人工智能超級計(jì)算機(jī)，從而顯著提升其訓(xùn)練與推理能力。

  為滿足持續(xù)增長的計(jì)算需求，人工智能集群規(guī)模不斷擴(kuò)大。在縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的銅互連，由于單機(jī)柜內(nèi)存在較高的電插入損耗，其連接距離受到嚴(yán)重限制。而光互連技術(shù)通過在光纖傳輸前將主機(jī)ASIC的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，能夠?qū)崿F(xiàn)跨越單個(gè)機(jī)柜的更遠(yuǎn)距離傳輸。

  在人工智能縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中，加速器之間需互連以支持高帶寬存儲(chǔ)器之間的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)高效的并行計(jì)算。然而，這要求跨加速器之間具備極高的帶寬連接能力。以Blackwell GPU架構(gòu)為例，其所需帶寬高達(dá)28.8 Tbps。當(dāng)前支持每SerDes通道100 Gbps的直接連接銅纜，因受限于抖動(dòng)和插入損耗等信號損傷，有效傳輸距離僅為4至5米。下一代每通道200 Gbps的SerDes技術(shù)（在奈奎斯特頻率下具有更高的插入損耗）將進(jìn)一步將DAC的傳輸距離限制在1至2米左右。雖然可通過添加重定時(shí)器將距離延長至7米，但這會(huì)帶來成本與功耗的額外開銷。因此，銅互連將加速器的連接范圍限制在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，或最多跨兩個(gè)機(jī)柜，從而限制了單跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可連接的加速器數(shù)量。相比之下，光互連能夠支持每通道50米乃至更遠(yuǎn)的傳輸距離，同時(shí)保持高數(shù)據(jù)速率[19]。這使得通過網(wǎng)絡(luò)解耦實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡化成為可能。

  圖8展示了縱向擴(kuò)展交換機(jī)與加速器服務(wù)器解耦部署的示例?？v向擴(kuò)展交換機(jī)可集中部署于專用的交換機(jī)機(jī)柜中，從而在功耗與效率方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。同樣，加速器服務(wù)器機(jī)柜也可針對液冷、供電等系統(tǒng)進(jìn)行專門優(yōu)化。借助支持高達(dá)50米傳輸距離的光互連，以及單跳內(nèi)8至10個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的全連接能力，單跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可連接的加速器數(shù)量將僅受限于交換機(jī)的端口密度。

圖8. 光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的解耦部署示意。

  為在縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中有效采用光互連，需重點(diǎn)考慮以下幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)：能效、可靠性、出帶帶寬密度以及成本。當(dāng)前縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中使用的無源銅互連不具備有源功耗。而光互連因包含有源激光器件并需進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，其功耗需嚴(yán)格控制。為在傳輸距離與功耗之間取得合理平衡，光互連應(yīng)具備盡可能高的能效?？煽啃詫v向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)同樣至關(guān)重要，其直接關(guān)系到加速器的利用率[20]。與可頻繁重傳的橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)不同，縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)要求互連具備高度穩(wěn)定性與可靠性，以最大限度減少檢查點(diǎn)恢復(fù)的頻率。隨著加速器帶寬增至50 Tbps及以上，需要在有限的海岸線寬度內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度互連。為支持此類連接，出帶帶寬密度需高于0.6 Tbps/mm。最后，光互連的成本應(yīng)控制在合理水平，并與銅互連具有可比性。下文將提出一種滿足上述要求的VCSEL近封裝光學(xué)（NPO）概念方案。

  4.1. 近封裝光學(xué)概念提案

  本文提出一種基于VCSEL的3.2 Tbps NPO引擎模塊設(shè)計(jì)方案（圖9）。該集成封裝內(nèi)包含四組1×8 VCSEL陣列及其對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)IC、四組1×8光電二極管陣列及其對應(yīng)的跨阻放大器（TIA）IC，以及一個(gè)微控制器單元。每個(gè)通道支持100 Gbps至128 Gbps的數(shù)據(jù)速率，整體帶寬可達(dá)3.2 Tbps至4.1 Tbps。為支持如此高的數(shù)據(jù)速率，光學(xué)器件的奈奎斯特頻率需大于32 GHz。圖10表明，100G VCSEL在75°C的高襯底溫度下仍能滿足此項(xiàng)要求。

圖9. 3.2T VCSEL NPO引擎模塊示意圖。

圖10. 100G VCSEL在75°C襯底溫度下的S21響應(yīng)曲線，其?3 dB帶寬超過32 GHz。

  發(fā)射與接收部分可分別封裝為獨(dú)立的引擎模塊。VCSEL與光電二極管陣列可通過引線鍵合方式連接至引擎基板，并借助低成本的塑料陣列透鏡，實(shí)現(xiàn)光信號與多模光纖的垂直耦合。

  采用基于CMOS工藝的VCSEL驅(qū)動(dòng)器與TIA可實(shí)現(xiàn)高功率效率。整個(gè)系統(tǒng)（含VCSEL）的總功耗效率約為1 pJ/bit，即每個(gè)NPO器件的功耗低于4 W。這一能效水平遠(yuǎn)高于典型的硅光互連方案（通常為5–10 pJ/bit）[21]。硅光方案功耗較高的一個(gè)主要原因在于，為向硅調(diào)制器注入足夠的光功率，其單模分布式反饋激光器需要更高的驅(qū)動(dòng)電流。

  目前，已交付的50G/100G VCSEL通道總數(shù)超過一億，相當(dāng)于在應(yīng)用現(xiàn)場積累了超過五萬億設(shè)備服務(wù)小時(shí)，且未出現(xiàn)任何與VCSEL可靠性相關(guān)的現(xiàn)場退返。據(jù)此估算，VCSEL器件的故障率低于0.1 FIT，這意味著其對整個(gè)NPO器件的可靠性風(fēng)險(xiǎn)極低。盡管仍需進(jìn)一步分析以評估NPO器件層面的整體故障率，但憑借成熟的CMOS工藝與多模器件制造能力，預(yù)計(jì)其FIT率可與有源銅互連方案相當(dāng)。

  圖11展示了通過部署18個(gè)VCSEL NPO引擎來支持高達(dá)73.7 Tbps加速器出帶帶寬的布局示例（僅使用單側(cè)“海岸線”）。這些引擎按3×6陣列排布，每行寬度約120 mm，可實(shí)現(xiàn)大于0.6 Tbps/mm的出帶帶寬密度。光纜可布設(shè)至加速器服務(wù)器的前面板或背板。此外，可在服務(wù)器內(nèi)部或機(jī)柜頂部的光纖配線盒中進(jìn)行光纖的交叉調(diào)度，從而根據(jù)具體應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)靈活的光連接配置。

圖11. 在約120 mm × 60 mm區(qū)域內(nèi)排布的18個(gè)NPO引擎，支持73.7 Tbps的大出帶帶寬（每通道128 Gbps）。

  在基于PAM4調(diào)制的光互連系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理（DSP）芯片是主要的成本來源之一。由于NPO鏈路距離短、電插入損耗低，無需借助DSP進(jìn)行信號損傷補(bǔ)償。與標(biāo)準(zhǔn)光模塊相比，NPO器件在同等速率下采用更小的外形尺寸（19 mm × 19 mm），有助于進(jìn)一步降低物料成本。此外，一維排布的VCSEL或光電二極管陣列所需的光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)低于多維陣列，從而有利于控制制造成本。在大規(guī)模量產(chǎn)條件下，其單位帶寬成本預(yù)計(jì)可與有源銅纜方案相當(dāng)。

  4.2. NPO設(shè)計(jì)考量

  NPO鏈路的設(shè)計(jì)考量不同于基于IEEE 802.3 db或Infiniband XDR等標(biāo)準(zhǔn)的光鏈路。在標(biāo)準(zhǔn)鏈路中，電插入損耗的預(yù)算通常取決于主機(jī)加速器（XPU）中SerDes的能力，這些SerDes可能支持不同的數(shù)據(jù)速率，并具備特定數(shù)量的前加重或均衡抽頭。而NPO方案的優(yōu)勢在于其物理位置上緊鄰SerDes，這從根本上限制了最大的插入損耗。以部署18個(gè)引擎的配置為例（圖12與表1），從SerDes到最遠(yuǎn)引擎的電通道長度約為65毫米。若采用低損耗材料，在106 Gbps速率下，可實(shí)現(xiàn)約7 dB（凸點(diǎn)到凸點(diǎn)）的通道插入損耗。而最近的引擎距離SerDes僅約15毫米，其插入損耗可低至約2 dB。相比之下，IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的損耗范圍（從BGA到驅(qū)動(dòng)器/TIA IC凸點(diǎn)）通常在8 dB至16 dB之間。NPO方案不僅實(shí)現(xiàn)了更低的插入損耗，而且大幅減小了XPU與不同NPO引擎之間損耗的波動(dòng)范圍，從而顯著降低了對SerDes性能的要求。

圖12. 從XPU到NPO的插入損耗模型。

表1. 在106 Gbps和128 Gbps速率下，從XPU到NPO的電通道損耗分解估算。總通道損耗已用粗體標(biāo)出。

  5. 討論

  所制備的200 Gbps PAM4 VCSEL的表征結(jié)果展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，驗(yàn)證了為滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求所采用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)優(yōu)化措施的有效性。其成功的動(dòng)態(tài)性能直接源于多項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，具體包括：提高微分增益、優(yōu)化載流子輸運(yùn)、精確控制腔失諧以及降低熱阻。小信號調(diào)制響應(yīng)結(jié)果證實(shí)了器件具備高速能力，其?3 dB帶寬超過35 GHz，且響應(yīng)曲線平坦、阻尼特性良好，這是系統(tǒng)經(jīng)過充分優(yōu)化的典型特征。此外，通過抑制VCSEL噪聲，在工作偏置下實(shí)現(xiàn)了低于?152 dB/Hz的相對強(qiáng)度噪聲，這對于降低通信鏈路總噪聲至關(guān)重要。

  在大信號工作模式下，該VCSEL成功呈現(xiàn)出清晰的開眼圖。這一性能在不同長度與類型的光纖鏈路中均得以保持，特別是在采用康寧定制光纖（EMB 7500 MHz·km）時(shí)，傳輸距離可延伸至50米。初步可靠性測試顯示出與上一代100 Gbps VCSEL相似的性能漸變退化趨勢，表明其設(shè)計(jì)具有穩(wěn)健性。通過采用熱阻抗更低的分布式布拉格反射鏡來最小化結(jié)溫，是實(shí)現(xiàn)更長工作壽命的關(guān)鍵因素。目前正在進(jìn)行更全面的可靠性測試，以完整確認(rèn)加速模型并提供詳盡的工作壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這些結(jié)果共同表明，優(yōu)化后的200 Gbps PAM4 VCSEL是下一代大容量光互連系統(tǒng)中極具前景的核心器件。

  本文提出的基于VCSEL的近封裝光學(xué)（NPO）方案，是支撐下一代人工智能縱向擴(kuò)展（Scale-up）網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵推動(dòng)因素，它能有效應(yīng)對傳統(tǒng)銅互連所面臨的限制。所提出的3.2 Tbps VCSEL基NPO引擎支持顯著更長的傳輸距離（可達(dá)50米以上），促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)解耦并實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的全互聯(lián)，最終使得單跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能夠連接更多加速器。

  重要的是，NPO方案在關(guān)鍵指標(biāo)上均能滿足人工智能縱向擴(kuò)展環(huán)境的嚴(yán)格要求：能效、可靠性、出帶帶寬密度和成本。結(jié)合CMOS激光驅(qū)動(dòng)器與跨阻放大器，可實(shí)現(xiàn)約1 pJ/bit的高能效。依托成熟的制造工藝，VCSEL組件本身具有極低的失效率（小于0.1 FIT），這意味著其對整個(gè)NPO設(shè)備的可靠性風(fēng)險(xiǎn)極低。所提出的3×6陣列排布的18個(gè)引擎可支持高達(dá)73.7 Tbps的巨大出帶帶寬，密度達(dá)到0.6 Tbps/mm，這對于在有限海岸線寬度內(nèi)實(shí)現(xiàn)高帶寬加速器互連至關(guān)重要。由于內(nèi)部電氣鏈路短、損耗低，無需復(fù)雜的數(shù)字信號處理芯片，加之采用小尺寸外形，使得NPO在批量應(yīng)用時(shí)，其單位帶寬成本有望與有源銅纜媲美。

  此外，NPO在物理位置上緊鄰SerDes，這將106 Gbps下的最大電氣插入損耗限制在2 dB至7 dB的狹窄范圍內(nèi)，與基于標(biāo)準(zhǔn)的光模塊8 dB至16 dB的損耗相比具有顯著優(yōu)勢。這種更低且更穩(wěn)定的插入損耗大大降低了對加速器SerDes性能的要求，從而簡化了整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

  未來的工作應(yīng)側(cè)重于在NPO器件層面進(jìn)一步評估其整體失效率，以完全驗(yàn)證可靠性模型，并確立NPO作為應(yīng)對人工智能縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬持續(xù)增長需求的、穩(wěn)健且可擴(kuò)展的銅纜替代方案。

  6. 結(jié)論

  本文探討了垂直腔面發(fā)射激光器在支持每通道200 Gbps多模光纖鏈路時(shí)所需的帶寬與噪聲性能，該鏈路采用PAM4調(diào)制，傳輸速率為106 GBaud。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制器件的?3 dB帶寬超過35 GHz，相對強(qiáng)度噪聲低于?152 dB/Hz。在50米OM4光纖鏈路上未觀察到不可糾正誤碼，展現(xiàn)了良好的鏈路穩(wěn)定性。文中同時(shí)給出了VCSEL的器件性能及其工作壽命評估。這一新的VCSEL設(shè)計(jì)將為下一代每通道212.5 Gbps商用產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

  基于VCSEL鏈路良好的器件可靠性與低功耗優(yōu)勢，本文進(jìn)一步提出了一種面向人工智能縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新型VCSEL近封裝光學(xué)（NPO）概念。與銅互連相比，光互連能夠?qū)崿F(xiàn)更長的傳輸距離，有助于通過網(wǎng)絡(luò)解耦構(gòu)建更大規(guī)模的人工智能集群。所提出的VCSEL NPO方案具備約1 pJ/bit的能效，旨在滿足人工智能縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)在能效、出帶帶寬密度、可靠性和成本等方面的綜合要求。

  作者貢獻(xiàn)

  研究構(gòu)思：T.H.C., J.W., M.V.R.M., L.M.G., S.S., Z.X., I.-H.T.；研究方法：J.W., S.J., C.P.C., L.M.C., L.B., X.S.；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：S.J., C.P.C., X.S.；數(shù)據(jù)分析：J.W., S.S.；研究調(diào)研：T.H.C., Z.X.；初稿撰寫：T.H.C., J.W.；文稿修訂與編輯：T.H.C., J.W., L.M.G., I.-H.T.；研究指導(dǎo)：L.M.G., I.-H.T.；項(xiàng)目管理：L.M.G.。所有作者均已審閱并同意文稿的最終版本。

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