技術文章分析 | Broadcom 200G VCSEL 深度解析：AI 擴展網路的「省電神兵」NPO

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當我們還在討論 100G 單波傳輸時，業界老大哥 Broadcom 已經把旗幟插在了 200G VCSEL 的高地上。隨著 AI 算力需求爆炸，傳統銅纜（DAC）在 200G 速率下的傳輸距離被壓縮到可憐的 1 到 2 公尺，這簡直是機架設計師的噩夢。本期我們來深度拆解這篇來自 Broadcom 的重磅論文，看看他們如何利用 VCSEL 的低功耗與高可靠性，打造出 AI Scale-Up 網路的救星：Near-Package Optics (NPO)

標題：200G VCSEL Development and Proposal of Using VCSELs for Near-Package-Optics Scale-Up Application
作者：Tzu Hao Chow, Jingyi Wang, Sizhu Jiang, M. V. Ramana Murty, et al.
發表單位：Broadcom Inc.
發表平台：Photonics 2026 (MDPI)

深度圖表分析

這篇論文包含 12 張圖表與 1 個表格，完整構建了從單體元件到系統應用的邏輯鏈條：

Figure 1. VCSEL 技術演進圖

細節：展示了從 1995 年至今，VCSEL 調變速率從 1 Gb/s 到 200 Gb/s 的指數級成長曲線。
重要性：點出 200G 是目前的技術最前線，Broadcom 正利用 PAM4 技術將單通道頻寬推向新高。

Figure 2. 200G FEC 碼字錯誤率（Code Word Error Rate）
- 細節：在 50 公尺 OM4 光纖上進行 9 小時流量測試，結果顯示沒有任何無法修正的錯誤（No uncorrectable errors）。
- 重要性：證明了 200G VCSEL 在長距離傳輸（對於多模光纖而言）中的極高穩定性。
Figure 3. L-I 與 V-I 特性曲線
- 細節：在 9 mA 偏壓下，光功率超過 3 mW，驅動電壓約 2.5 V 。
- 重要性：這是元件的「體檢報告」，顯示該設計能在低電流下維持高效光輸出，有助於降低熱耗散。
Figure 4. S21 頻率響應
- 細節：在 9 mA 電流下，-3 dB 頻寬超過了 35 GHz，響應曲線平坦且具備良好的阻尼係數。
- 重要性：頻寬是 200G 調變的基石，Broadcom 透過降低電感與電容寄生效應，壓榨出極致的高頻性能。
Figure 5. 相對強度雜訊（RIN）
- 細節：實測 RIN 低於 -152 dB/Hz 。
- 重要性：在 PAM4 調變中，訊號對雜訊非常敏感。低 RIN 代表雷射器的「呼吸聲」很小，確保了訊號的純淨度。
Figure 6. 200 Gbps PAM4 眼圖
- 細節：對比了 2m、30m 及 50m 光纖下的眼圖，50m 使用了 custom Corning 的高頻寬光纖。
- 重要性：眼圖清晰可見（Open eyes），顯示調變品質足以支撐 200G 運作，且能跨越 50 公尺的傳輸障礙。
Figure 7. 歸一化輸出功率與使用年限
- 細節：在 60 攝氏度環境下，預測使用 25 年後的功率衰減遠低於 20% 的失效閾值。
- 重要性：消除了市場對高速 VCSEL 壽命短暫的疑慮，展現了 Broadcom 在可靠度上的深厚造詣。
Figure 8. 網路設備去中心化（Disaggregation）示意圖
- 細節：展示了透過光連結將 XPU 伺服器與交換機機架分離。
- 重要性：光纖傳輸距離的提升，讓資料中心能更彈性地配置散熱與供電資源。
Figure 9. 3.2T VCSEL NPO 引擎概念圖
- 細節：在 19mm x 19mm 的小空間內集成了 4 組 8 通道 VCSEL 與 PD 陣列。
- 重要性：這是本文的核心提案，將光收發器從插拔模組移到 ASIC 旁邊，大幅縮短電路路徑。
Figure 10. 100G VCSEL 在高溫下的 S21 響應
- 細節：證明即使在 75 攝氏度高溫下，頻寬仍能維持在 32 GHz 以上。
- 重要性：模擬伺服器內部的嚴酷熱環境，確保系統在高溫負荷下不會「軟腳」。
Figure 11. 18 個 NPO 引擎的佈局設計
- 細節：在 120mm x 60mm 的區域內提供 73.7 Tbps 的總頻寬。
- 重要性：展示了極高的「海灘寬度頻寬密度」（Escape bandwidth density），達到 0.6 Tbps/mm 。
Figure 12. XPU 到 NPO 的插入損耗模型
- 細節：詳細拆解了從晶片凸點到 PCB 走線的訊號損耗。
- 重要性：解釋了為何 NPO 具備優勢——它能將損耗控制在 2-7 dB，遠優於傳統插拔模組的 8-16 dB 。