Furukawa的VCSEL CPO方案

一、引言 在日本信息通信技术研究所（NICT）主导的B5G Brighten国家项目框架下，日本古河电气（Furukawa Electric）的Hideyuki Nasu团队针对AI机器学习互连场景，开发了基于基于VCSEL的超紧凑光学收发器及高密度可插拔电接口。该项目始于2021年，于2025年3月结题，核心目标是通过共封装光学（CPO）技术降低数据中心链路功耗。

二、项目背景与研究方向

NICT B5G Brighten项目聚焦两大研究方向： 1. 创新硬件技术

开发超紧凑VCSEL收发器、CPO板及交换机服务器原型，目标是将链路功耗从传统可插拔光模块的20pJ/bit降至7.3pJ/bit（CPO方案）。

2. 高性能边缘云计算平台

研究低延迟交换、资源解耦计算和网络压力测试技术，并在东京科学研究所进行边缘计算验证。

项目由五所大学与五家企业合作，为期三年（第一阶段延长一年），旨在构建低功耗、高密度的下一代通信基础设施。 三、VCSEL收发器的双模式架构设计

◆ 16通道单模光纤收发器（长距离场景）

- 光学设计：采用1060nm底部发射耦合腔单模VCSEL阵列（16通道），匹配19芯多芯光纤（选用其中16芯），利用单模传输特性实现超过2公里的长距离通信。 - 电接口：0.3mm间距焊盘网格阵列（LGA），尺寸7.7mm×15.9mm，目标链路能量＜4pJ/bit。 - 应用场景：数据中心间互连（DCI），需兼顾低功耗与长距离传输。 ◆ 8通道多模光纤收发器（短距离场景） - 光学设计：850nm顶部发射多模VCSEL阵列，搭配MT陶瓷插芯和带状多模光纤，传输距离<100米，适配机架内设备高密度互连。 - 电接口：与单模方案同尺寸LGA，目标链路能量＜4pJ/bit。 - 技术特点：多模光纤支持短距离高速率传输，适合AI服务器内部的GPU-交换机互连。 四、分阶段技术验证与关键成果

1. 第一阶段（2021-2022）：25Gbaud速率验证

◆ 单模场景

成功演示25Gbaud NRZ调制的16通道单模VCSEL收发器，在2公里多芯光纤上实现全通道同时传输，实测链路能量5pJ/bit。

◆ 多模场景

开发28Gbaud NRZ/PAM4调制的8通道多模收发器，验证8通道同步运行，为高速率调制技术奠定基础。 2. 第二阶段：50Gbaud及以上速率研发 ◆ 56Gbaud PAM4多模收发器 - 采用商用VCSEL、光电二极管和TIA驱动器，光学接口兼容QSFP-DD（8通道）。

- 传统基板在28Gbaud时带宽受限（24GHz），通过coreless中介层基板将带宽提升至26.5 GHz以上(＞50GHz)，有效降低阻抗失配，Via间距可以缩小到0.3mm。

- 采用20μm金线绑线，集成12通道微透镜阵列适配MT插芯，电接口通过堆叠防护布局减少16%面积。为防止电串扰，信号路径周围环绕接地路径。

◆ 测试平台优化及测试结果

- 开发25Gbaud测试台，配备引导销定位系统(Spring pins)、mini-SMP电接口和温度控制单元，确保收发器与电接口精准对接。

- 针对50Gbaud场景，由于25 Gbaud接触针的电编程接口频率响应存在凹陷，尝试通过修改材料改进，但效果甚微。最终，采用与PCB相同的材料，缩短差分传输线长度至18.1mm，并使用尺寸更小的micro-SMP连接器。

通过环回光学模块（输入输出焊盘间传输距离极短）测试测试台的频率响应，从发射端（TX）输入信号，从接收端（RX）获取电输出。由于传输线长度加倍，我们以6 dB衰减点对应3 dB带宽。25 Gbaud测试板的带宽为17.2 GHz，50 Gbaud板带宽为27.1 GHz，串扰低于-30 dB，满足要求。

实测光电链路支持32Gb/s NRZ（PCIe 5.0）、64Gb/s PAM4（PCIe 6.0）和106Gb/s PAM4（以太网）信号，误码率（BER）低于KP4-FEC阈值，最低链路能量4.5pJ/bit。8通道106Gb/s PAM4同时工作时，眼图全部张开，最差通道的TDECQ＜3.18dB，误码率达标。

此外还测试了OM4多模光纤的传输性能：背靠背传输时TDECQ为1.76 dB，通过100米OM4光纤后TDECQ为2.9 dB，50米和100米OM4光纤传输后的误码率均低于KP4 FEC阈值。

五、CPO子板与交换机服务器集成验证

◆ CPO板设计

单块集成电接口板可容纳8个光学收发器，尺寸10cm×10cm，支持32个收发器垂直光纤布线，适配ASIC芯片，实现高密度光学互连。

◆ 交换机服务器原型

将CPO板集成至服务器系统，验证其在数据中心交换机中的可行性。实测表明，该方案可显著降低机架内互连的功耗与体积，为AI集群的紧凑化设计提供硬件支撑。 六、结论 古河电工在NICT B5G Brighten项目中，通过超紧凑VCSEL收发器技术创新，在25-56Gbaud速率范围内实现了低至4.5pJ/bit的链路能量，验证了CPO技术在AI机器学习互连中的有效性。