ECTC 2026 | Furukawa | 技術文章分析 | VCSEL 也能跑 2 公里：Furukawa 把 1060nm 單模 VCSEL CPO 收進一條標準 MT ferrule
- 1天前
- 讀畢需時 7 分鐘
VCSEL 一直被當成「便宜、省電、但只能跑短距離」的光源——850nm 多模 VCSEL 撐到 100 公尺就被模態色散打死。Furukawa Electric（古河電工）在 ECTC 2026 發表的這顆 8 通道 1060nm 單模 VCSEL CPO 收發器，把這個刻板印象整個翻過來：用市售的 980nm 單模光纖跑 2 公里、單通道 106-Gb/s PAM4、TDECQ 只有 2.53 dB，整顆 8 通道同時操作時 link energy 壓到 4.1 pJ/bit。更關鍵的不是這些數字本身，而是它換掉了上一代的多芯光纖（MCF），改用一條標準 24-lane MT ferrule + 市售單模光纖——這一步，才是把實驗室 demo 推向產業可導入的真正分水嶺。
1. 論文背景：一支老團隊，把 VCSEL CPO 從炫技推向落地
這篇論文由 Furukawa Electric（古河電工） 主導，聯手 FUJIFILM Business Innovation 與 東京科學大學（Institute of Science Tokyo）的 Fumio Koyama 教授，發表於 2026 年 IEEE 第 76 屆電子元件與技術會議（ECTC 2026）。Koyama 是 VCSEL 領域的老將，這個組合本身就說明了方向：不是再做一顆更快的 VCSEL，而是把單模 VCSEL「做進一個產業願意用的封裝裡」。
要看懂這篇的份量，得先知道同一團隊的前一步。他們先前在 ECOC 2025 / OFC 2026 展示過一顆 16 通道、走多芯光纖（MCF） 的 1060nm 單模 VCSEL CPO，link energy 低到 3.95 pJ/bit——這個版本我們在 OFC 2026 - 800G CPO 核心技術突破：1060-nm 單模 VCSEL 實現 2km 傳輸與 4.1 pJ/bit 極致能效 一文有完整拆解。問題是，MCF 不是資料中心現成會買的東西。這篇 ECTC 論文做的事，就是把那套技術從 MCF「降轉」回標準介面，犧牲一點點能效（3.95 → 4.1 pJ/bit），換來整個產業鏈現成可用的光纖與接頭。
這篇真正的創新不在更低的功耗，而在「它終於插得進現有的光纖基礎設施」。
2. 核心問題：VCSEL 的省電優勢，能不能撐過 2 公里？
資料中心的痛點很直接。OIF 在 2024 年的 System Vendor Requirements 文件（front-end interconnect, FEI）把規格釘死：傳輸距離要涵蓋 0 到 500 公尺、部分情境延伸到 2 公里，而 link energy 要 低於 10 pJ/bit。
這道題卡在兩個極端中間。一邊是 VCSEL：驅動電流低、能效天生好，是 AI/ML 叢集短距互連的主力，但 850nm 多模方案受模態色散限制，100-Gb/s PAM4 撐不過 100 公尺。另一邊是 LPO（linear-drive pluggable optics）等單模方案：能跑遠，但 link energy 約 5 pJ/bit、而且 pluggable 的大體積讓它沒辦法高密度貼在交換機 ASIC 旁邊，總頻寬上不去。
Furukawa 的賭注是：用 1060nm 單模（SM）頂部出光 VCSEL，同時拿到 VCSEL 的低功耗與單模的長距離。這篇論文要回答的就是一句話——單模 VCSEL 能不能在 2 公里、106-Gb/s PAM4 下，把眼圖跑乾淨、又守住 FEI 的能效底線？
3. 關鍵圖表逐一解析
這張圖展示了：整顆收發器怎麼塞進 7.7 × 15.9 × 7.95 mm
Figure 1 的剖面結構是理解全篇的地基。兩組 4 通道 SM VCSEL 與 PD 陣列精密貼裝在有機基板上，分別接到兩組 4 通道 VCSEL driver（VD）與 trans-impedance amplifier（TIA）。底面是一個 0.3mm pitch 的 LGA（land grid array）——這個 pitch 非常窄，是高密度貼裝的前提。VD 與 TIA 都是市售的 53-Gbaud linear-drive 元件，刻意不放 clock-data recovery（CDR）以壓低功耗，本質上就是 LPO 的省電哲學搬進 CPO。VCSEL 陣列 3-dB 頻寬大於 28 GHz，PD 開口直徑 16µm、頻寬大於 26.5 GHz。
這張圖展示了：兩透鏡單模耦合，把對準誤差容忍壓到 ±1.0µm
Figure 2 是這顆收發器最硬核的工程細節。單模耦合最怕對不準，而 VCSEL 與單模光纖的模場直徑（MFD）匹配又特別敏感。Furukawa 用兩片微透鏡陣列精密貼在一個精密加工的 lens spacer 上，量測與計算吻合：TX、RX 的耦合損耗都能壓到 小於 1 dB，考量組裝製程把光軸位移控制在 ±1.0µm 內後，實際 TX/RX 耦合損耗仍可維持 小於 2 dB。值得注意的是，RX 因為 PD 開口（16µm）遠大於單模光纖 MFD，對位容忍度大；TX 才是窄容忍的瓶頸，所以主動對準時優先保 TX。
這張圖展示了：頻寬夠寬，53-Gbaud 操作沒有先天瓶頸
Figure 4 的 E/O 與 E/E 響應證明了元件選對。E/O 響應的 3-dB 頻寬寬達 29 GHz，明顯高於 53-Gbaud 操作所需的 26.5 GHz Nyquist 頻率；loopback 光鏈路的 6-dB 頻寬也有 28 GHz。換句話說，這顆收發器的頻寬不是勉強壓線，而是有餘裕跑 53-Gbaud PAM4。E/O 響應在 25 GHz 附近被刻意拉高，來自 VD 內建的 emphasis 功能——這是 linear-drive 架構靠等化、而非靠 CDR 重建訊號的典型手法。
這張圖展示了：2 公里之後，106G PAM4 的眼還是開的
真正的成績單在 Figure 10 與 Figure 11。單通道 106-Gb/s PAM4（PRBSQ 2^13−1）在 back-to-back、500m、1km、2km 各距離下眼圖都清楚張開；2 公里時最差的 TDECQ 只有 2.53 dB，遠低於 IEEE802.3df 規定的 3.4 dB。BER 量到 1.9 × 10⁻⁶，比 KP4-FEC 門檻 2.4 × 10⁻⁴ 低了兩個數量級以上。8 通道同時操作（其他通道當 aggressor）跑 2km，monitor channel 的 BER 一樣守在 1.9 × 10⁻⁶。更狠的是 53-Gb/s NRZ 連 3 公里 都還開著眼——代表這套鏈路不只達標 2km FEI，還有往上延伸的空間。
這篇論文最創新的兩點，都不是在追極限數字，而是在做「規格收斂」：
第一，光介面標準化。 把上一代的 MCF 換成 標準 24-lane MT ferrule + ribbon 化的市售 980nm 單模光纖。VCSEL/PD 陣列的開口 pitch 設成 250µm，剛好對齊標準 MT ferrule 的光纖配置。這意味著資料中心不需要為它鋪一張新的光纖網路——現成的單模光纖、現成的 MT 接頭就能接。980nm 單模光纖原本是給 980nm 泵浦雷射用的成熟產品，截止波長低於 970nm，在 1060nm 的傳輸損耗約 1.6 dB/km，現貨好買。
第二，linear-drive + 單模 VCSEL 的能效組合。 不放 CDR、用市售 linear-drive VD/TIA，8 通道同時操作總功耗只有 3.5W，換算 link energy 4.1 pJ/bit，穩穩落在 OIF FEI 的 10 pJ/bit 底線之內，而且是把 800G 等級（8 × 106G）的頻寬塞進一顆 7.7 × 15.9 mm 的小封裝裡。這條路線跟 Intel 把 VCSEL CPO 做到 sub-1 pJ/bit 的電路打法可以對照來看，我們在 Intel 用 VCSEL 把 CPO 做到 sub-1 pJ/b 有完整解析——兩者都在證明同一件事：VCSEL 不該被鎖在短距離。
5. 產業連結：距量產有多遠，誰會受益？
先說現實：這還是一篇 demo 等級的論文，用的是測試站、PPG/DCA 量測，不是量產良率數據。但它的工程選擇全部指向「可製造」——市售 driver/TIA、市售光纖、標準 ferrule、主動對準可控制在 ±1.0µm，這些都是產線語言而非實驗室語言。
往供應鏈看，受益的環節很清楚。VCSEL 磊晶與晶粒端，1060nm 單模 VCSEL 的需求會直接拉動相關代工與磊晶廠（穩懋、Lumentum 等都在 1060nm VCSEL 佈局，Lumentum 的 1060nm VCSEL 互連方案可參考我們先前的 OFC 報導）；光收發器組裝端，Furukawa 與 FUJIFILM 把微透鏡耦合與精密貼裝的 know-how 變成門檻。這條 VCSEL 路線與 DFB/EML、矽光子（SiPh）外接雷射並不是你死我活，而是按距離與功耗分層——VCSEL 吃 scale-out 的中短距，EML/SiPh 守更長距與更高單波速率。這個分層邏輯，放回 CPO 整體演進的脈絡會更清楚，建議搭配 光通訊封裝大轉場（二）：CPO 三段式進化 一起讀。
要潑的冷水也得說：單模 VCSEL 的 TX 對準容忍只有 ±1.0µm，量產時的對準良率與一致性會是成本與否的決勝點；2 公里靠的是 980nm 光纖在 1060nm 的低色散窗口，這條鏈路的波長/光纖搭配偏「客製巧合」，能不能無痛接進資料中心既有的 1310/1550nm 生態，仍是開放問題。
6. 總結
把這篇論文放回技術史的座標：它不是「VCSEL 跑得更遠」的單點突破，而是把單模 VCSEL CPO 從「需要 MCF 這種特規光纖」拉回「插得進標準 MT ferrule + 市售 SMF」的那一步。對 STT 讀者來說，真正該記住的訊號是——當 VCSEL 同時拿下 2 公里距離與 4.1 pJ/bit 能效、又願意遷就現有光纖基礎設施，CPO 的 scale-out 戰場就多了一個成本結構完全不同的玩家。 EML 與矽光子陣營該開始把單模 VCSEL 當成正式對手，而不是只能跑機櫃內的配角。下一個要盯的，是這套對準製程能不能做出量產良率——那才會決定它停在論文，還是進到產線。
參考資料
W. Yoshida, Y. Iwane, K. Nagashima, K. Takeda, S. Yoneyama, H. Nasu, F. Koyama, "A 106-Gb/s × 8-Channel 1060-nm Single-Mode VCSEL-Based Ultra-Compact CPO Transceiver enabling 2-km Parallel-Optical Links," 2026 IEEE 76th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), DOI: 10.1109/ECTC51846.2026.00020. 作者單位：Furukawa Electric Co., Ltd.／FUJIFILM Business Innovation Corp.／Institute of Science Tokyo。
W. Yoshida et al., "An Ultra-Compact 50-Gbaud × 16-Channel CPO Transceiver employing a 1060-nm Single-Mode VCSEL array and Multicore Fibres," ECOC 2025, Tu.01.（前一代 16 通道 MCF 版本）
Optical Internetworking Forum, "System Vendor Requirements Document for Energy Efficient Interfaces," OIF-EEI-Requirements-RD-01.0, Mar. 2024.
IEEE 802.3df 標準（TDECQ 3.4 dB 規格依據）。
留言