ECOC 2025 技術焦點：東京工業大學展示 2.88 Tbps 16 通道 VCSEL 陣列與多核心光纖共封裝光學

前言

隨著 AI 與雲端資料中心的高速擴張，傳統 銅連接 與 短距離多模光纖 已無法滿足規模化需求。為了縮小 交換 ASIC 帶寬與光模組距離限制之間的鴻溝，共封裝光學（CPO, Co-Packaged Optics）被視為下一代資料中心的關鍵技術。

在 ECOC 2025 上，東京工業大學團隊展示了 全球首個 2.88 Tbps 16 通道 VCSEL 陣列結合多核心光纖的成果，為高密度、低功耗、高速傳輸提供了全新解法。

內容

1. 研究背景與動機

• 現有挑戰：

  • 850 nm VCSEL 在 <100m 應用中成熟，但無法應付 AI 資料中心日益增加的距離與速率需求。

  • 隨著速率升級（800G → 1.6T → 3.2T），傳輸損耗與色散嚴重限制了 850 nm PAM4 的應用範圍。

• 解決方案：

  • 採用 1060 nm VCSEL，在單模光纖中具備更低色散，甚至因「脈衝壓縮 (pulse compression)」效應可提升頻寬。

  • 搭配 多核心光纖 (MCF)，實現高通道密度的並行傳輸。

2. 技術突破：16 通道 1060 nm VCSEL 陣列

• 設計特色：

  • 單模輸出，避免多模失真。

  • 採用 金屬孔徑 (metal-aperture) 設計，利用耦合效應提升調變頻寬。

  • 頂發射結構 (Top-Emitting)：避免翻晶封裝，降低成本並簡化測試。

• 效能數據：

  • 調變頻寬：29 GHz（回傳測試），經過 500m 光纖後提升至 34 GHz。

  • 輸出光功率：單通道 >2.5 mW。

  • SMSR（邊模抑制比）：>30 dB，確保單模輸出。

3. 傳輸實驗成果

• 1.6 Tbps 實驗：

  • 16 × 100 Gbps PAM4，500m 多核心光纖傳輸。

  • Extinction ratio：2.2 dB。

• 2.88 Tbps 突破：

  • 16 × 180 Gbps（108 Gbaud）傳輸，500m 多核心光纖。

  • Extinction ratio：2.0 dB，TDECQ（眼圖質量）= 4.2 dB。

  • 全球首次展示，證明 VCSEL 在 Tbps 級應用的可行性。

4. 與多核心光纖 (MCF) 的結合

• 光纖規格：

  • 16 cores，核心間距 40 µm。

  • 直接耦合至 VCSEL 陣列，無需 collimation。

• 耦合損耗：

  • 典型值 <3 dB。

  • 優化後可降至 1.7 dB。

5. 未來展望

• 速率提升：

  • PAM-4 → 200 Gbps/channel。

  • PAM-6 → 300 Gbps/channel。

  • PAM-8 → 400 Gbps/channel。

• 容量規劃：

  • 單模組可達 6.4 Tbps（16 × 400 Gbps）。

  • 甚至有望擴展至 12.8 Tbps。

• 應用前景：

  • CPO 與 Switch ASIC 整合，降低能耗與距離限制。

  • AI 資料中心內短距離傳輸，取代 850 nm VCSEL 成為新主流。

總結

東京工業大學的研究展示了 VCSEL 技術在 1060 nm、單模光纖、多核心光纖結合下的潛力：

1. 突破速率與距離限制：成功在 500m 傳輸距離實現 2.88 Tbps。

2. 設計創新：金屬孔徑結構 + 頂發射架構，兼具高頻寬與低成本。

3. 應用價值：對 CPO 與 AI 資料中心短距離光連接具有重大意義。

4. 未來發展：有望進一步提升至 12.8 Tbps 級別，為下一代資料中心帶來超高密度、低功耗的解決方案。

這項成果顯示，VCSEL 技術不僅能延續在短距離應用中的優勢，更可能在 CPO 與多核心光纖結合下進軍 Tbps 時代。