博通：200G VCSEL技术突破 面向AI集群的下一代NPO Scale UP方案

  ICC讯 近期，博通在第29届垂直腔面发射激光器会议上发表的论文《200G VCSEL Development and Proposal of Using VCSELs for Near-Package-Optics Scale-Up Application †》，阐释博通公司200G VCSEL技术突破及其面向AI集群的下一代近封装光互连在Scale-Up的应用。

     博通 200G VCSEL 的进程，3-dB 频宽即将推升超越40 GHz，这应该是目前业界推进速度最快、技术也最先进的成果之一。同时也为业界提供可立即上线、能耗最低（energy/bit 约 1 pJ/bit）的最佳 VCSEL NPO 解决方案，满足当下 scale-up 的急迫需求。

  以下为原文

  摘要： 高性能计算（HPC）、人工智能（AI）及数据中心日益增长的互联需求，正驱动新一代多模光器件的发展。本文重点探讨了垂直腔面发射激光器（VCSEL）为实现每通道200 Gbps多模光纤链路所需具备的带宽与噪声性能，该链路采用PAM4调制格式，速率为106 GBaud。实验结果表明，所研制的VCSEL器件‑3 dB带宽超过35 GHz，相对强度噪声低于‑152 dB/Hz。在50米OM4光纤链路上未观测到不可纠正误码，显示出良好的链路稳定性。文中同时给出了VCSEL的器件性能及其磨损寿命评估。基于VCSEL链路在可靠性与功耗方面的优势，本文进一步提出一种面向人工智能Scale-up网络的光互连新方案——VCSEL近封装光学（NPO）模块。与铜互连相比，光互连能够实现更长的传输距离，有助于通过网络解耦构建更大规模的人工智能集群。所提出的VCSEL NPO方案可实现约1 pJ/bit的能效，为目前光互连技术中的最高水平。

  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*（通讯作者）

  来源/机构： Broadcom Inc.

  文章信息： 本文扩展自发表于 Photonics 2026, 13(1), 90 的学术论文，是其会议版本的扩展。| 查看原文

  关键词： 垂直腔面发射激光器（VCSEL）， 850 nm VCSEL， 高速调制， 可靠性， 近封装光学（NPO）， AI集群网络， 光互连

  正文

  1. 引言

  基于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的多模链路，以其低功耗、非制冷条件下的优异带宽性能、卓越的可靠性以及低成本的可扩展制造能力为核心优势，已支撑了多代高性能计算和数据中心的连接需求[1,2,3,4]。二十余年来，VCSEL（图1）的性能推动多模有源光缆（AOC）和光收发模块在短距光通信信道中占据了主导地位。目前，能够在每通道53-56 GBd（标记为100 Gbps PAM4）速率下实现四级脉冲幅度调制（PAM4）的VCSEL已实现量产[5]。而具备100 GBd（标记为200 Gbps PAM4）工作能力的850 nm VCSEL的开发，将催生新一代的企业网、存储网络以及数据中心内部交换机至服务器、交换机至交换机的互连。近期，多家研究机构与商业公司[6,7,8]报道了超过100 Gbps PAM4的令人印象深刻的结果，其中包括采用光刻定义孔径的VCSEL技术[9]。此外，横向耦合腔1060 nm VCSEL设计[10,11]、单模及多孔径VCSEL[12,13,14]以及双向多模链路[15]也已得到验证。我们注意到，在所有这些研究进展中，尽管850 nm VCSEL及其配套的、针对850 nm波长窗口优化的标准多模光纤已被广泛应用，但1060 nm VCSEL也日益受到关注[7,10,11]。这些成果表明，VCSEL技术有望满足每通道200 Gbps数据通信的需求。

图1. VCSEL技术代际演进。

  53–56 GBd的PAM4VCSEL的设计、性能与可靠性已在其他文献中讨论[5]。为支持每通道200 Gbps的传输，850 nm VCSEL的带宽与噪声性能均已取得显著提升。2024年3月，在OFC会议上，我们报告了“迈向每通道200G的VCSEL多模链路”[16]，并演示了200 Gbps传输下未纠错误码率低于1×10⁻⁶的结果。同年9月，在ECOC会议上，进一步实现了未纠错误码率小于1×10⁻⁷的200 Gbps多模链路传输。经过持续改进，在2025年3月的OFC会议上，未纠错误码率达到了约1×10⁻⁸。同次会议上，还在50米OM4链路上进行了超过9小时的流量测试，期间仅出现最多5个可纠错的帧错误（图2），展现了优异的链路稳定性。

图2. 9小时流量测试中，码错误率与最高温度的关系（无非纠错错误）。

  本文介绍了200 Gbps PAM4 850 nm VCSEL的研发进展。该器件旨在满足下一代数据传输需求，其整体设计思路并非单纯追求极限速度和最低噪声，而是聚焦于在优化性能基础上实现高可靠性。我们的设计基于一套成熟的外延生长与制造工艺流程，该流程已成功应用于100 Gbps VCSEL产品，并经过量产验证，具备卓越的可制造性、可靠性以及宽温范围内的优良性能。

  随着人工智能纵向扩展（Scale-up）网络不断扩大连接规模，连接更多加速器，需要光互连技术来实现更长距离的跨接。功率效率、可靠性、出带带宽密度与成本是推动光互连广泛应用的关键考量。为支持人工智能扩展网络，本文提出一种基于VCSEL的近封装光学（NPO）概念方案。该方案充分利用VCSEL链路良好的现场可靠性及低成本优势，满足上述关键要求。

  本文结构如下：第2节阐述器件设计与制造工艺；第3节涵盖关键参数（如S21响应和RIN）的表征，并展示代表实际应用驱动条件的大信号响应及器件可靠性结果；第4节讨论VCSEL在纵向扩展（Scale-up）场景中的应用，具体以近封装光学模块形式呈现，并再次强调其现场可靠性与成本优势；第5节则深入探讨200 Gbps VCSEL的关键设计参数与性能表现。

  2. 器件设计与制造

  为了理解多模链路对带宽与噪声指标的要求，我们开发了一套仿真模型，用以模拟工作在200 Gbps链路中的VCSEL特性。仿真结果表明，当VCSEL的‑3 dB带宽超过35 GHz且相对强度噪声低于‑152 dB/Hz时，可以实现 106.25 Gbd的清晰眼图。

  基于仿真所确定的200 Gbps VCSEL最小带宽与最大噪声目标，我们完成了支持200 Gbps调制的VCSEL器件设计。该设计在继承上一代100 Gbps PAM4 VCSEL架构的基础上，旨在同步实现带宽提升、相对强度噪声降低以及热阻优化，从而最大程度抑制结温升。器件采用氧化层结构实现载流子与光子限制，该氧化层通过沟槽刻蚀暴露高铝含量层后，经湿法横向氧化工艺形成。为降低键合焊盘电容，采用了多能量离子注入工艺。整体结构与早期文献[5]所述方案相似。

  3. 结果

  对制备的200 Gbps器件进行了测试表征。图3a展示了一款典型VCSEL的光功率输出特性，图3b则为其电压-电流关系曲线。在9 mA工作电流下，器件光功率超过3 mW，工作电压约为2.5 V。

图3. 200 Gbps PAM4 VCSEL的（a）光功率-电流与（b）电压-电流特性。

  VCSEL的设计从以下四个方面优化了其动态性能：（1）提高微分增益，该参数决定了器件的最大谐振频率与带宽；（2）改善p‑n结内的载流子输运效率；（3）优化法布里-珀罗腔谐振波长与材料增益峰之间的失谐量，从而控制阈值电流随温度的变化特性；（4）降低热阻，以减小工作偏置条件下的结温升。

  采用FormFactor/Cascade空气共面探头、Agilent E8364B矢量网络分析仪以及带宽高于35 GHz的外部高速光电二极管，在晶圆上直接探测的方式，对制成的200 Gbps VCSEL进行了小信号调制响应测试。S21调制响应曲线如图4所示，在9 mA偏置电流下，器件的‑3 dB带宽超过35 GHz，且响应呈现平坦/阻尼特性。提高直接调制激光器带宽的挑战之一是电寄生效应造成的。通过降低这些寄生效应，VCSEL的光调制带宽有望突破45 GHz [1]。

图4. 偏置电流为8 mA、9 mA与10 mA时的S21响应曲线。‑3 dB带宽超过35 GHz。

  由于VCSEL的噪声对链路总噪声贡献显著，我们通过优化设计，最大限度地抑制了模式竞争等因素引起的功率波动，从而降低了VCSEL的噪声水平。经过设计优化，200 Gbps PAM4 VCSEL在9 mA工作点的相对强度噪声已降至‑152 dB/Hz以下（图5）。

图5. 200 Gbps PAM4 VCSEL在9 mA偏置下的相对强度噪声，RIN低于‑152 dB/Hz。

  3.1. 200 Gbps（106 GBaud）PAM4 VCSEL 大信号响应

  我们对200 Gbps VCSEL的大信号性能进行了表征。测试中采用Keysight M8199B任意波形发生器产生106.25 GBaud的PAM4 PRBS13Q信号图案，消光比为2.2 dB，并施加了7抽头发射端有限脉冲响应均衡。通过一个带宽为65 GHz的偏置T合并直流偏置与交流调制信号，并利用射频探头将信号耦合至VCSEL的键合焊盘。VCSEL发出的光经由显微光学装置导入多模光纤。光纤传输后的光波形采用Keysight开发的200G多模数字通信分析仪（DCA-M）进行表征，该分析仪配备了自适应25抽头前馈均衡器与53.1 GHz SIRC滤波器。图6展示了采用三种不同光纤测得的清晰开眼图，表明VCSEL与光纤的组合带宽足以支持200 Gbps工作。图6a–c的眼图分别对应不同有效模带宽光纤：（a）2米OM4光纤，（b）30米标准OM4光纤（EMB为4700 MHz·km），以及（c）50米康宁提供的定制光纤（EMB为7500 MHz·km）。使用EMB为7500 MHz·km的光纤有助于将200G链路的传输距离延伸至50米。子眼图的倾斜源于直接调制激光器的非线性响应，而均衡技术可在高频段提供足够的增益以抑制码间干扰，从而获得清晰的开口眼图。截至本文撰写时，多模200 Gbps链路的传输距离规范尚未由IEEE标准机构正式确定。

图6. 200 Gbps PAM4 VCSEL的眼图。（a）2米OM4光纤末端，（b）30米OM4光纤末端（EMB 4700 MHz·km），（c）50米康宁定制光纤末端（EMB 7500 MHz·km）。

  3.2. 可靠性

  实现优异老化寿命的一个关键因素是尽可能降低结温。结温取决于VCSEL内部耗散的电功率及其热阻。为实现更高速激光器所需提高的电流密度，也会导致焦耳热增加（更高电流和/或更大串联电阻），并且对于更小尺寸的器件而言，其热阻率也更高。为应对热阻的增加，200 Gbps VCSEL的设计采用了具有更低热阻抗的分布式布拉格反射镜。我们已对200 Gbps PAM4 VCSEL进行了初步可靠性测试。器件封装于TO管座内，在100°C环境温度、9 mA恒定偏置条件下进行加速应力试验。定期取出器件，在室温下测量其光学与电学性能。测试与分析遵循标准可靠性模型与方法[17,18]。图7显示了VCSEL在60°C、9 mA使用条件下的归一化输出功率随时间的变化曲线。在实际应用中，可通过热电制冷器将VCSEL衬底温度稳定在60°C或更低。观察到的器件在其寿命期内性能逐渐退化的趋势，与100 Gbps VCSEL的表现相似。为确认加速模型并获得更充分的磨损寿命统计数据，更广泛的可靠性测试目前仍在进行中。

图7. 200 Gbps VCSEL在60°C、9 mA偏置操作条件下的输出功率变化。蓝线代表输出功率下降20%的失效判据。

  4. VCSEL在人工智能纵向扩展（Scale-up）网络中的应用

  自1 Gbps时代起，基于VCSEL的光互连技术已广泛应用于短距前端网络。此类互连通常用于连接服务器与机柜顶部交换机，而交换机则通过多层交换架构进一步与互联网核心相连。随着IEEE 802.3 db标准引入每通道100 Gbps的应用，VCSEL在人工智能横向扩展（Scale-out）网络中得到了广泛部署。在横向扩展网络中，各类加速器通过高速链路（如800 Gbps）相互连接。通过高速链路将大型集群互连，这些人工智能集群可协同工作，构成一台规模庞大的人工智能超级计算机，从而显著提升其训练与推理能力。

  为满足持续增长的计算需求，人工智能集群规模不断扩大。在纵向扩展网络中普遍采用的铜互连，由于单机柜内存在较高的电插入损耗，其连接距离受到严重限制。而光互连技术通过在光纤传输前将主机ASIC的电信号转换为光信号，能够实现跨越单个机柜的更远距离传输。

  在人工智能纵向扩展网络中，加速器之间需互连以支持高带宽存储器之间的大规模数据传输，从而实现高效的并行计算。然而，这要求跨加速器之间具备极高的带宽连接能力。以Blackwell GPU架构为例，其所需带宽高达28.8 Tbps。当前支持每SerDes通道100 Gbps的直接连接铜缆，因受限于抖动和插入损耗等信号损伤，有效传输距离仅为4至5米。下一代每通道200 Gbps的SerDes技术（在奈奎斯特频率下具有更高的插入损耗）将进一步将DAC的传输距离限制在1至2米左右。虽然可通过添加重定时器将距离延长至7米，但这会带来成本与功耗的额外开销。因此，铜互连将加速器的连接范围限制在一个机柜内，或最多跨两个机柜，从而限制了单跳网络内可连接的加速器数量。相比之下，光互连能够支持每通道50米乃至更远的传输距离，同时保持高数据速率[19]。这使得通过网络解耦实现网络架构简化成为可能。

  图8展示了纵向扩展交换机与加速器服务器解耦部署的示例。纵向扩展交换机可集中部署于专用的交换机机柜中，从而在功耗与效率方面实现优化。同样，加速器服务器机柜也可针对液冷、供电等系统进行专门优化。借助支持高达50米传输距离的光互连，以及单跳内8至10个服务器机柜的全连接能力，单跳网络内可连接的加速器数量将仅受限于交换机的端口密度。

图8. 光网络设备的解耦部署示意。

  为在纵向扩展网络中有效采用光互连，需重点考虑以下几项关键参数：能效、可靠性、出带带宽密度以及成本。当前纵向扩展网络中使用的无源铜互连不具备有源功耗。而光互连因包含有源激光器件并需进行电光转换，其功耗需严格控制。为在传输距离与功耗之间取得合理平衡，光互连应具备尽可能高的能效。可靠性对纵向扩展网络同样至关重要，其直接关系到加速器的利用率[20]。与可频繁重传的横向扩展网络不同，纵向扩展网络要求互连具备高度稳定性与可靠性，以最大限度减少检查点恢复的频率。随着加速器带宽增至50 Tbps及以上，需要在有限的海岸线宽度内实现高密度互连。为支持此类连接，出带带宽密度需高于0.6 Tbps/mm。最后，光互连的成本应控制在合理水平，并与铜互连具有可比性。下文将提出一种满足上述要求的VCSEL近封装光学（NPO）概念方案。

  4.1. 近封装光学概念提案

  本文提出一种基于VCSEL的3.2 Tbps NPO引擎模块设计方案（图9）。该集成封装内包含四组1×8 VCSEL阵列及其对应的驱动IC、四组1×8光电二极管阵列及其对应的跨阻放大器（TIA）IC，以及一个微控制器单元。每个通道支持100 Gbps至128 Gbps的数据速率，整体带宽可达3.2 Tbps至4.1 Tbps。为支持如此高的数据速率，光学器件的奈奎斯特频率需大于32 GHz。图10表明，100G VCSEL在75°C的高衬底温度下仍能满足此项要求。

图9. 3.2T VCSEL NPO引擎模块示意图。

图10. 100G VCSEL在75°C衬底温度下的S21响应曲线，其‑3 dB带宽超过32 GHz。

  发射与接收部分可分别封装为独立的引擎模块。VCSEL与光电二极管阵列可通过引线键合方式连接至引擎基板，并借助低成本的塑料阵列透镜，实现光信号与多模光纤的垂直耦合。

  采用基于CMOS工艺的VCSEL驱动器与TIA可实现高功率效率。整个系统（含VCSEL）的总功耗效率约为1 pJ/bit，即每个NPO器件的功耗低于4 W。这一能效水平远高于典型的硅光互连方案（通常为5–10 pJ/bit）[21]。硅光方案功耗较高的一个主要原因在于，为向硅调制器注入足够的光功率，其单模分布式反馈激光器需要更高的驱动电流。

  目前，已交付的50G/100G VCSEL通道总数超过一亿，相当于在应用现场积累了超过五万亿设备服务小时，且未出现任何与VCSEL可靠性相关的现场退返。据此估算，VCSEL器件的故障率低于0.1 FIT，这意味着其对整个NPO器件的可靠性风险极低。尽管仍需进一步分析以评估NPO器件层面的整体故障率，但凭借成熟的CMOS工艺与多模器件制造能力，预计其FIT率可与有源铜互连方案相当。

  图11展示了通过部署18个VCSEL NPO引擎来支持高达73.7 Tbps加速器出带带宽的布局示例（仅使用单侧“海岸线”）。这些引擎按3×6阵列排布，每行宽度约120 mm，可实现大于0.6 Tbps/mm的出带带宽密度。光缆可布设至加速器服务器的前面板或背板。此外，可在服务器内部或机柜顶部的光纤配线盒中进行光纤的交叉调度，从而根据具体应用需求实现灵活的光连接配置。

图11. 在约120 mm × 60 mm区域内排布的18个NPO引擎，支持73.7 Tbps的大出带带宽（每通道128 Gbps）。

  在基于PAM4调制的光互连系统中，数字信号处理（DSP）芯片是主要的成本来源之一。由于NPO链路距离短、电插入损耗低，无需借助DSP进行信号损伤补偿。与标准光模块相比，NPO器件在同等速率下采用更小的外形尺寸（19 mm × 19 mm），有助于进一步降低物料成本。此外，一维排布的VCSEL或光电二极管阵列所需的光学透镜设计，其复杂程度远低于多维阵列，从而有利于控制制造成本。在大规模量产条件下，其单位带宽成本预计可与有源铜缆方案相当。

  4.2. NPO设计考量

  NPO链路的设计考量不同于基于IEEE 802.3 db或Infiniband XDR等标准的光链路。在标准链路中，电插入损耗的预算通常取决于主机加速器（XPU）中SerDes的能力，这些SerDes可能支持不同的数据速率，并具备特定数量的前加重或均衡抽头。而NPO方案的优势在于其物理位置上紧邻SerDes，这从根本上限制了最大的插入损耗。以部署18个引擎的配置为例（图12与表1），从SerDes到最远引擎的电通道长度约为65毫米。若采用低损耗材料，在106 Gbps速率下，可实现约7 dB（凸点到凸点）的通道插入损耗。而最近的引擎距离SerDes仅约15毫米，其插入损耗可低至约2 dB。相比之下，IEEE相关标准规定的损耗范围（从BGA到驱动器/TIA IC凸点）通常在8 dB至16 dB之间。NPO方案不仅实现了更低的插入损耗，而且大幅减小了XPU与不同NPO引擎之间损耗的波动范围，从而显著降低了对SerDes性能的要求。

图12. 从XPU到NPO的插入损耗模型。

表1. 在106 Gbps和128 Gbps速率下，从XPU到NPO的电通道损耗分解估算。总通道损耗已用粗体标出。

  5. 讨论

  所制备的200 Gbps PAM4 VCSEL的表征结果展现出优异的性能，验证了为满足高速数据传输需求所采用的关键设计优化措施的有效性。其成功的动态性能直接源于多项设计改进，具体包括：提高微分增益、优化载流子输运、精确控制腔失谐以及降低热阻。小信号调制响应结果证实了器件具备高速能力，其‑3 dB带宽超过35 GHz，且响应曲线平坦、阻尼特性良好，这是系统经过充分优化的典型特征。此外，通过抑制VCSEL噪声，在工作偏置下实现了低于‑152 dB/Hz的相对强度噪声，这对于降低通信链路总噪声至关重要。

  在大信号工作模式下，该VCSEL成功呈现出清晰的开眼图。这一性能在不同长度与类型的光纤链路中均得以保持，特别是在采用康宁定制光纤（EMB 7500 MHz·km）时，传输距离可延伸至50米。初步可靠性测试显示出与上一代100 Gbps VCSEL相似的性能渐变退化趋势，表明其设计具有稳健性。通过采用热阻抗更低的分布式布拉格反射镜来最小化结温，是实现更长工作寿命的关键因素。目前正在进行更全面的可靠性测试，以完整确认加速模型并提供详尽的工作寿命统计数据。这些结果共同表明，优化后的200 Gbps PAM4 VCSEL是下一代大容量光互连系统中极具前景的核心器件。

  本文提出的基于VCSEL的近封装光学（NPO）方案，是支撑下一代人工智能纵向扩展（Scale-up）网络的关键推动因素，它能有效应对传统铜互连所面临的限制。所提出的3.2 Tbps VCSEL基NPO引擎支持显著更长的传输距离（可达50米以上），促进网络解耦并实现跨多个服务器机柜的全互联，最终使得单跳网络内能够连接更多加速器。

  重要的是，NPO方案在关键指标上均能满足人工智能纵向扩展环境的严格要求：能效、可靠性、出带带宽密度和成本。结合CMOS激光驱动器与跨阻放大器，可实现约1 pJ/bit的高能效。依托成熟的制造工艺，VCSEL组件本身具有极低的失效率（小于0.1 FIT），这意味着其对整个NPO设备的可靠性风险极低。所提出的3×6阵列排布的18个引擎可支持高达73.7 Tbps的巨大出带带宽，密度达到0.6 Tbps/mm，这对于在有限海岸线宽度内实现高带宽加速器互连至关重要。由于内部电气链路短、损耗低，无需复杂的数字信号处理芯片，加之采用小尺寸外形，使得NPO在批量应用时，其单位带宽成本有望与有源铜缆媲美。

  此外，NPO在物理位置上紧邻SerDes，这将106 Gbps下的最大电气插入损耗限制在2 dB至7 dB的狭窄范围内，与基于标准的光模块8 dB至16 dB的损耗相比具有显著优势。这种更低且更稳定的插入损耗大大降低了对加速器SerDes性能的要求，从而简化了整体系统设计。

  未来的工作应侧重于在NPO器件层面进一步评估其整体失效率，以完全验证可靠性模型，并确立NPO作为应对人工智能纵向扩展网络带宽持续增长需求的、稳健且可扩展的铜缆替代方案。

  6. 结论

  本文探讨了垂直腔面发射激光器在支持每通道200 Gbps多模光纤链路时所需的带宽与噪声性能，该链路采用PAM4调制，传输速率为106 GBaud。实验结果表明，所研制器件的‑3 dB带宽超过35 GHz，相对强度噪声低于‑152 dB/Hz。在50米OM4光纤链路上未观察到不可纠正误码，展现了良好的链路稳定性。文中同时给出了VCSEL的器件性能及其工作寿命评估。这一新的VCSEL设计将为下一代每通道212.5 Gbps商用产品的开发奠定基础。

  基于VCSEL链路良好的器件可靠性与低功耗优势，本文进一步提出了一种面向人工智能纵向扩展网络应用的新型VCSEL近封装光学（NPO）概念。与铜互连相比，光互连能够实现更长的传输距离，有助于通过网络解耦构建更大规模的人工智能集群。所提出的VCSEL NPO方案具备约1 pJ/bit的能效，旨在满足人工智能纵向扩展网络在能效、出带带宽密度、可靠性和成本等方面的综合要求。

  作者贡献

  研究构思：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.；实验验证：S.J., C.P.C., X.S.；数据分析：J.W., S.S.；研究调研：T.H.C., Z.X.；初稿撰写：T.H.C., J.W.；文稿修订与编辑：T.H.C., J.W., L.M.G., I.-H.T.；研究指导：L.M.G., I.-H.T.；项目管理：L.M.G.。所有作者均已审阅并同意文稿的最终版本。

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  原文链接：https://www.mdpi.com/2304-6732/13/1/90

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