隨著 AI 算力叢集的規模持續擴張，資料中心內部的短距互連正面臨前所未有的頻寬與功耗瓶頸。傳統基於 850nm 波長的多模 VCSEL 與可插拔光模組，在邁向 200Gbps/lane 甚至更高傳輸速率時，逐漸觸及實體層的物理與散熱極限 。為解決此一困境，產業界將技術演進的目光轉向 1060nm 波段…
隨著 AI 算力叢集的規模持續擴張，資料中心內部的短距互連正面臨前所未有的頻寬與功耗瓶頸。傳統基於 850nm 波長的多模 VCSEL 與可插拔光模組，在邁向 200Gbps/lane 甚至更高傳輸速率時，逐漸觸及實體層的物理與散熱極限 。為解決此一困境，產業界將技術演進的目光轉向 1060nm 波段…¶
- Source: Ted Yu
- Published: 2026-04-22T07:04:36+08:00
- URL: https://ytyuted.substack.com/p/ep41-1060nm-vcsel-cpo EP41. 1060nm VCSEL 技術突破: CPO的明日之星 - Ted Yu
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EP41. 1060nm VCSEL 技術突破: CPO的明日之星¶
Apr 22, 2026
隨著 AI 算力叢集的規模持續擴張，資料中心內部的短距互連正面臨前所未有的頻寬與功耗瓶頸。傳統基於 850nm 波長的多模 VCSEL 與可插拔光模組，在邁向 200Gbps/lane 甚至更高傳輸速率時，逐漸觸及實體層的物理與散熱極限 。為解決此一困境，產業界將技術演進的目光轉向1060nm波段 。1060nm 不僅延續了 VCSEL 高密度、低成本的製造優勢 ，更憑藉卓越的高溫耐受力與覆晶封裝(Flip-Chip) 的高頻電氣特性，成為次世代近封裝光學 (NPO) 與共封裝光學 (CPO) 的理想方案 。本文將從 VCSEL 的基礎結構與材料物理出發，深入探討1060nm波長如何打破既有藩籬，並解析指標廠商在多模與單模市場的最新技術藍圖與佈局。
1. Background¶
1.1. VCSEL Basics¶
伊賀健一（Kenichi Iga）教授於1977年首次提出垂直共振腔面射型雷射（VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）的概念，這項創新徹底改變了光通訊與感測技術的發展軌跡。現代 VCSEL 經過多年製程演進後，這個結構有幾個關鍵的技術特徵：
核心結構解析:¶
上下 DBR 反射鏡 (Top/Bottom DBR):
圖中由多層交替的半導體材料（通常是砷化鎵 GaAs 和砷化鋁鎵 AlGaAs）組成的DBR(分散式布拉格反射鏡)。由於單層主動區縱向較短，需要極高反射率（通常 >99%）的 DBR 來形成共振腔，這使得光束能夠垂直於晶圓表面發射。
主動區 (Active Region/Area):
位於上下 DBR 之間，通常由多重量子井（MQW）組成，是電子與電洞結合產生光子的地方。
氧化物孔徑 (Oxide Apertures):
透過在製程中對特定的高鋁含量層進行選擇性氧化，形成一個漏斗狀的絕緣層。這個結構同時提供了「電流局限（Current Confinement）」與「光場局限（Optical Confinement）」的作用，大幅降低了啟動電流（Threshold current），並提高了高頻調變的速度與發光效率。
橫向多模: 標準 VCSEL 因極短的垂直共振腔而具備單一波長的「縱向單模」特性，但為了維持高輸出功率與低熱阻而採用較寬的發光孔徑，使其同時呈現多重空間光束路徑的「橫向多模」特性
VCSEL 的垂直發光特性帶來了極大的商業與工程優勢：¶
晶圓級測試與製造成本：邊射型雷射必須將晶圓切割成單個晶粒後，才能進行發光測試。而VCSEL可以在整片晶圓尚未切割前就完成光電特性測試，大幅降低了製造成本並提高了良率。
二維陣列化與封裝耦合：垂直發光的特性使其非常容易製作成二維陣列（VCSEL Arrays），並且光束呈現圓形，與多模光纖（MMF）的耦合效率極高，封裝對位難度遠低於邊射型雷射。
主動區材料:¶
隨著光通訊傳輸速率向更高頻寬邁進，傳統以二元合金砷化鎵 (GaAs)為基礎的850nm垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 逐漸面臨物理極限。為了有效降低光纖色散並提升傳輸效能，業界亟需將發光波長延伸至1060nm。工程上的關鍵在於將第三種元素「銦(In)」導入主動區，使其轉變為三元合金砷化銦鎵 (InGaAs)。
850nm 波長的主動區材料:
目標能隙：根據公式(λ = 1240/Eg)，850nm 波長對應的目標能隙約為 1.46 eV。
材料選擇：純 GaAs 的能隙約為 1.42 eV。為了將能隙略微提升至 1.46 eV，通常會沿著圖中的紅色實線，在 GaAs 中加入少量的鋁（Al），形成 AlxGa1-xAs。
工程應用：現代 850nm VCSEL 的主動區通常採用 GaAs 或含鋁量極低的 AlGaAs 作為量子井（Quantum Well），並搭配含鋁量較高的 AlGaAs 作為障壁層（Barrier），以達成良好的載子局限效果。
1060nm 波長的主動區材料與 x 比例調整
目標能隙：1060nm 波長對應的目標能隙約為 1.17 eV。
材料選擇：為了獲得低於 GaAs (1.42 eV) 的能隙，必須在 GaAs 中加入銦（In），形成 InxGa1-xAs。
比例 x 的影響：沿著圖表中的深藍色曲線（InGaAs），這條線連接了 GaAs (1.42 eV) 與 InAs (約 0.35 eV)。當銦的比例 (x) 增加時，材料的能隙 (Eg) 會隨著曲線逐漸下降。能隙的下降直接導致發光波長 (λ) 往長波長（紅外線）方向移動。透過精確控制磊晶製程中的 x 值（通常在 20% 至 30% 之間），即可將發光波長準確調控至 1060nm
晶格常數與應變量子井 (Strained Quantum Well)
晶格不匹配：從圖表的橫軸可以觀察到，隨著銦 (In) 比例的增加，InGaAs 的晶格常數會變大，這會與底層的 GaAs 基板產生晶格不匹配（Lattice Mismatch）。
1.2. 850nml VCSEL based modules¶
在資料中心互連（DCI）與 AI 基礎設施快速擴張的背景下，VCSEL based SR8 憑藉其特定的技術與成本結構，在800G短距離傳輸領域佔據不可取代的地位:
2025 年 800G 模組出貨量與市場定位:¶
在 800G 世代，不同調變技術對應了明確的市場區隔。VCSEL（SR8）出貨量達到 7M（700萬）的數量級，雖然整體出貨預期略低於負責中長距離（2KM）的 EML（8.5M），但顯著高於目前專注於 500M 範圍的矽光子 SiPh MZM（4.5M）。這反映了在資料中心內部，尤其是 AI 叢集的機櫃層級（Racks），存在龐大的短距高頻寬互連需求。
Direct Modulation（直接調變）的物理與成本優勢¶
VCSEL 採用的直接調變（Direct Modulation）機制。相較於 SiPh 利用電漿色散效應的 MZM（馬赫-曾德爾干涉儀），或是 EML 採用的外部吸收調變（EAM），VCSEL 的架構最為簡化：
低功耗與低延遲：雷射驅動器直接改變注入電流來調變光訊號，無需外部調變器，這對於要求極低延遲的 AI 運算節點（如 GPU 對接）具有基礎物理優勢。
極致的成本效益：表格中標示 VCSEL 方案的價格基準為 380，遠低於 SiPh 的 550 與 EML 的 650。在動輒需要佈建數萬條 800G 連線的資料中心網路中，此價差對整體資本支出（CAPEX）有決定性的影響。
AOC(Active Optical Cable) 銷售模式的工程實務考量¶
主動式光纖纜線（AOC），將收發模組與多模光纖（MMF,color code = 水藍色,OM4）直接整合封裝，這是SR8（100M）規格在實務上最常見的型態，原因在於:
降低現場維運難度：800G 模組若採用可插拔光纖，其 MPO 接頭的清潔度對光學損耗極為敏感。AOC 出廠即封閉對接，免除了機房現場的光纖端面清潔與測試工序。
高密度佈線效率：AOC 具備隨插即用的特性，非常適合「機櫃內（Intra-rack）」的伺服器對 Top-of-Rack (ToR) 交換器連線，或是相鄰機櫃間的短距互連。
1.6T (200Gbps/lane) 由 SiPh 與 EML 的技術主導¶
VCSEL (搭配多模光纖 MMF) 面臨物理瓶頸
頻寬極限： 直接調變技術在 200Gbps 的高頻運作下，寄生電容與熱效應會導致嚴重訊號失真。
距離急遽縮減：多模光纖的色散效應在高速下惡化，導致 200Gbps 訊號的有效傳輸距離縮短至失去機櫃互連的實用性
1.3. 850nm VCSEL based NPO¶
Broadcom 在 OCP25 Global Summit，揭示了其在 1.6T/3.2T 世代捍衛 850nm VCSEL 市場主導權的戰略。透過 NPO（近封裝光學）架構，Broadcom 試圖在「銅線（DAC）的低功耗/低成本」與「傳統光學模組的長距離」之間，切出一個專屬於 AI 算力叢集（Scale-Up）的新市場區塊[Ref 1]。
source: Broadcom
VCSEL NPO 達成極低功耗的核心機制¶
Broadcom 能將光學互連功耗壓低至接近銅線（總功耗約5 pJ/bit，光學端約1 pJ/bit），主要仰賴架構上的兩大根本改變：
移除 DSP (DSP-less)：傳統光模組中，DSP 佔據了極大的功耗與延遲。NPO 架構透過線性驅動（Linear-drive），省去了光模組端的 DSP，大幅降低能耗。
極短的電氣走線 (Short Electrical Trace)：將光學引擎以 Socket 形式封裝在極靠近 XPU 的基板上。這消除了傳統可插拔模組在 PCB 板上長距離走線所帶來的訊號衰減，讓 CMOS Driver 能以極低的功率驅動 VCSEL。
source: Broadcom
OFC26展示實測結果:¶
source: Broadcom100G 技術現狀 (成熟與低功耗)：
單通道 100G 的 850nm VCSEL 已具備量產成熟度，其1 pJ/bit(光學端)的極低功耗特性，使其成為近封裝光學 (NPO) 應用中，機架內短距互連的理想方案。
200G 核心效能突破 (實測數據)：
為支援單通道 200G 的 PAM4 訊號傳輸，其實測數據展現了關鍵的硬體指標：
高頻寬與低雜訊：3-dB 頻寬成功突破 40GHz，且相對強度雜訊 (RIN) 低於 -152 dB/Hz。
訊號品質與傳輸距離：TDECQ 小於 3.5dB，確保 PAM4 眼圖清晰，並實測支援高達 50 公尺的鏈路長度。
高可靠度：搭配前向錯誤更正 (FEC) 後，T-count 小於 3，能有效控制誤碼率。
發展藍圖：
BRCM證明了基於 850nm 的多模 VCSEL 架構，具備從 100G 平穩過渡至單通道 200G 的技術可行性，預計未來幾年內將成為高頻寬、低功耗 NPO 應用的關鍵基礎設施
1.4. 1060nm VCSEL¶
Lumentum的簡報[Ref 2]說明了 VCSEL 發光波長演進的四個重要階段，並解釋了為何產業會發展1060nm技術：
source: Lumentum
850nm (1999年)：基於 90 年代的光纖與雷射技術，制定了首個標準，奠定短距光通訊的基礎。
940nm (2017年)：受惠於 3D 感測應用(FaceID)的導入，帶動 VCSEL 進入大規模量產 (HVM) 階段，為產業累積了數十億顆元件的龐大製造經驗
980nm (2021年)：因應車用市場需求導入，這促使 VCSEL 技術必須大幅升級，以滿足車內互連所需的高溫運作與高可靠度標準
1060nm (2025年)：針對次世代「高密度互連」提出。1060nm技術並非憑空出現，而是建立在 3D 感測的量產經驗與車用技術的高可靠度基礎上，進一步針對下一代網路互連所需的「高頻寬、高密度、訊號完整性及可製造性」進行全面優化
總結來說，1060nm是技術經驗不斷堆疊的結果，它吸收了過去在消費性電子 (量產性) 與車用領域 (可靠度) 的發展成果，用以解決目前資料中心面臨的高速互連瓶頸。
傳統 850nm 與次世代 1060nm VCSEL 比較:¶
由於砷化鎵(GaAs)基板對1060nm波長透明，使得VCSEL得以改採底部發光(BSE,Back Side Emitting)與覆晶封裝(Flip Chip)技術，從而突破傳統打線封裝的高頻電氣與散熱瓶頸，並順利實現下一代高密度的二維陣列架構。
source: Lumentum
1060nm 的主要優勢¶
效能與訊號完整性：
發射器頻寬 (Emitter BW)：1060nm 採用應變砷化銦鎵 (Strained InGaAs) 主動層設計，使其本質頻寬提升 1.3 倍，並具有更高的微分增益。
訊號完整性 (Signal Integrity) 與偵測器：轉用覆晶整合技術，徹底消除了傳統打線封裝造成的阻抗與群延遲 (Group delay) 問題，同時提升了偵測器的速度與響應度。
封裝密度與散熱管理：
密度 (Density)：支援高密度2D VCSEL 陣列，大幅提升互連密度。
散熱 (Thermal management)：覆晶設計帶來極佳的散熱效益，使雷射接面溫度與驅動晶片 (ASIC) 溫度皆降低超過 20°C。
可靠度與量產性：
可靠度 (Reliability)：無鋁 (Al-free) 的主動區設計提升了高溫與高功率下的穩定性；覆晶設計與通道備援技術將失效率 (FIT) 降至 1 以下。
製造性 (Manufacturability)：覆晶技術支援大規模回流銲 (Mass reflow) 或熱壓接合 (TCB)，不僅提高組裝精準度，還能直接沿用現有龐大的 VCSEL 生產供應鏈。
兩者表現相當的指標¶
插頭效率 (Wall plug efficiency)：兩者的光電轉換效率大致相當，1060nm 的驅動電壓略低一些。
1060nm 目前面臨的挑戰¶
光纖頻寬 (Fiber BW)：
這是表格中 1060nm 唯一落後於 850nm 的項目。目前的標準多模光纖（MMF，如 OM3、OM4 甚至 OM5）打從基礎設計與製造開始，就是為 850nm（或 OM5 的 850nm-953nm 區間）量身打造的。
針對 1060nm 波長的光纖傳輸特性，目前業界仍在與光纖製造商合作，尋求能夠穩定支援 30 公尺至 50 公尺傳輸距離的最佳解決方案。
耐高溫特性¶
source: Lumentum
突破性的高溫耐受力：1060nm VCSEL 在高達 155°C 的極端高溫下仍能穩定發光，展現了極佳的材料物理穩定性。
擺脫冷卻依賴 (勝過傳統 InP)：傳統磷化銦 (InP) 雷射對熱極度敏感，必須依賴耗電的熱電冷卻器 (TEC) 才能運作；而 1060nm VCSEL 則能實現「無冷卻 (Uncooled)」的高效能運轉。
完美契合 CPO 應用：¶
現有痛點 (ELS 方案)：為了避開交換器晶片的高溫，目前多採用外部雷射光源 (ELS, InP based)。但這種長距離傳輸會經過多次連接，造成嚴重的光功率損耗，迫使雷射必須加大功率運作
1060nm 的解法 (近端發光)：由於 1060nm VCSEL 耐高溫且支援覆晶封裝，它可以被直接整合在極度靠近發熱源 (交換器晶片) 的位置，大幅縮短光傳輸路徑，幾乎消除了外部連接造成的耦合損耗
系統效益提升：這種「近端光源」架構大幅降低了光路徑損耗，使得雷射不需要以極高功率硬推訊號。這直接轉換為顯著降低的整體系統功耗，提升了資料中心極度看重的能源效率 (pJ/bit)
2. 1060nm VCSEL based CPO¶
2.1. 技術藍圖¶
OFC26會議上，Coherent介紹1060nm VCSEL技術藍圖，為解決未來的頻寬與功耗瓶頸，光學元件必須持續向運算核心 (xPU) 靠攏，以實現更緊密的物理整合。其三階段進程為[Ref 3]：
source: Coherent, OFC26
NPO (近封裝光學)：光模組移入機箱內，安裝於主機板的插槽上，初步縮短與晶片的距離。
CPO (共封裝光學)：光模組跨過主機板，直接與 xPU 放置在同一個封裝載板上，徹底消除主機板銅線的高頻傳輸損耗。
CIO (共整合光學)：光電轉換元件與 xPU 透過 2.5D/3D 技術，直接整合於同一中介層 (Interposer) 上，達成微米級最短路徑、最低功耗與最高頻寬密度的終極型態
簡報中他們對於基於 VCSEL 的共封裝光學 (CPO) 架構抱持著極高的期待，但也務實地點出了部署上必須克服的工程挑戰:
source: Coherent, OFC26
頻寬密度與能效的巨大躍進¶
Coherent 認為CPO 1060nm VCSEL方案在頻寬密度 (Tbit/s/mm2) 上將帶來爆發性的成長，遠遠將傳統的可插拔光模組 (Pluggable Optics) 甚至近封裝光學 (NPO) 拋在腦後。更重要的是，這種架構能讓光學引擎 (OE) 的能效達到約1 pJ/bit的極低功耗水準，這是應對未來 AI 算力規模擴張的關鍵指標。
打破銅線極限與架構簡化¶
取代銅線的必然性：簡報右下角的曲線圖展示了傳輸距離與資料速率的關係。當通道速率逼近200 Gb/s時，傳統銅線 (Copper) 的有效傳輸距離已經掉到 1 公尺以下，失去實用性；而多模光纖仍能維持足夠的傳距。因此，在 Scale-up 網路中以光代銅是必然趨勢。
消除 DSP 以降低成本與延遲：透過將微型化的光收發器盡可能靠近交換器或運算晶片 (xPU)，可以直接省去傳統光模組中耗電且昂貴的數位訊號處理器 (DSP)。這不僅降低了功耗與成本，也大幅減少了訊號傳輸的延遲
可靠度 (Reliability) 是最大挑戰與解方¶
溫度限制：傳統雷射的運作溫度必須維持在 85°C 以下。但在 CPO 架構中，光學元件必須緊貼發熱量極大的 xPU，這帶來了嚴峻的熱挑戰。1060nm VCSEL可以在高溫下，正常工作。
通道備援 (Sparing) 的威力：如果無法完全解決高溫造成的雷射老化問題，解決方案就是「備援」。左下角的折線圖顯示了 VCSEL 陣列的失效率 (FIT Rate) 與備援比例 (Spares in an Array) 的關係。數據指出，只要在陣列中加入少比例的備援通道 (例如圖中標示的區間)，就能將 FIT 失效率大幅改善 2 倍以上 (FIT Rate improved by 2x)，藉由冗餘設計來確保系統整體的穩定性。
務實的漸進式部署策略¶
因為 CPO 將光學元件直接與核心晶片封裝在一起，一旦光學元件損壞，整個封裝模組可能報廢，這帶來了維修便利性 (Serviceability) 的疑慮。因此，Coherent 提出，業界在邁向終極 CPO 的過程中，第一步可能是先導入 NPO，或者是採用「插槽式 CPO (Socketed CPO)」，以保留未來抽換維修的彈性。
2.2.光子優先（Photonics-First）」的設計理念¶
Coherent 提出了一個顛覆傳統硬體設計的高速互連架構思維。在探討理想的短距互連（Short-Reach Link）時，他們主張從「追求單通道極限速度」轉向「光子優先（Photonics-First）」的設計理念:
source: Coherent, OFC26
銅線時代的終結與 SerDes 功耗困境¶
傳統思維的極限：過去的系統設計通常將光通訊視為銅線的延伸。為了提升總頻寬，硬體架構師依賴 SerDes 不斷拉高單一通道的傳輸速率（例如從 100G 提升至 200G 甚至 400G）。
功耗代價：在極高頻率下，為了補償嚴重的訊號衰減，必須依賴耗電且運算複雜的 DSP（數位訊號處理器）。右上角的圖表強烈對比了這點：傳統 100G 可插拔 VCSEL 模組的系統總能效高達19 pJ/bit，這在未來的 AI 算力規模中是無法承受的熱負擔。
核心架構轉移：「寬而慢」策略 (Wide-and-Slow, WaS)¶
架構定義：與其拼命拉高單一通道的速度，不如增加平行的通道數量（Wide）並降低單一通道的運行速率（Slow）。簡報圖表中以32G CPO VCSEL作為對比範例。
光子優先思維 (Photonics-First)：系統設計改為「順應光學元件的物理優勢」來制定規格。光學元件（尤其是 VCSEL）最大的優勢就是極易實現高密度與高度平行化(WaS)
物理與工程效益：較低的單通道速率（如 32G）在極短距離內（CPO 架構）訊號非常完整，可以直接由簡單的類比電路驅動，完全免除了 DSP 的需求。這讓能效從19 pJ/bit斷崖式下降至0.8 pJ/bit，同時大幅降低了資料傳輸延遲 (Latency)。
1060nm VCSEL 的終極定位：理想的短距互連¶
高密度支撐「寬」架構：要實現極多通道的平行傳輸，光源必須具備極高的封裝密度。VCSEL 獨有的二維陣列 (2D Array) 垂直發光特性，使其成為單位面積頻寬密度最高、成本最低的選擇。
次微微焦耳級能效 (< 1 pJ/bit)：WaS 架構大幅簡化了電子元件，結合 VCSEL 本身的低驅動電流，實現了整個鏈路總功耗小於 1 pJ/bit 的理想目標。
邁向通用 I/O (Universal I/O)：當光互連的功耗與延遲降到如此低的水準，它就不再僅限於伺服器之間的網路通訊 (Datacom)。簡報最後指出，這種架構有望成為通用的介面標準，未來甚至能用於晶片到晶片 (Die-to-Die)、或是直接與高頻寬記憶體 (HBM) 進行光學連接
功耗 0.8 pJ/bit拆解如下:¶
source: Coherent, OFC26
Host 端極簡化 (0.25 pJ/bit)：採用專為短距晶片互連設計的通用標準 (UCIe)，取代了傳統高頻耗電介面。
CPO 電子元件輕量化 (0.25 pJ/bit)：因為訊號衰減小，免除了運算量極大的強型態錯誤更正 (FEC)，僅需輕量級的 ECC 搭配基礎控制電路即可。
光學引擎發揮本質優勢 (0.3 pJ/bit)：徹底省去耗電的 DSP，加上 VCSEL 本身極低的發光功耗 (僅佔 0.03 pJ/bit)，使得整個光學傳輸與轉換過程的耗能降至最低。
正是因為全面簡化電子運算 (移除 DSP/FEC) 並善用 VCSEL 的低耗能特性，才實現了這套架構低於 1 pJ/bit 的終極目標。
source: Coherent, OFC26
能效表現 (功耗)：VCSEL 表現最佳 (皆小於 1 pJ/bit)，遠優於為了補償光損耗而極度耗電的矽光子 (SiPho) 方案
耐高溫能力：1060nm VCSEL 的高溫耐受力已可媲美μLED(皆大於 120°C)，能完美適應 CPO 緊貼高熱運算晶片的嚴苛環境；相對地，矽光子耐熱度偏低 (約 85°C)，在 CPO 應用中備受限制
綜合傳輸評估：雖然 μLED 耐熱但傳輸速度太慢 (僅約 3 Gb/s)，而矽光子速度快卻太耗電且怕熱。1060nm VCSEL 成功突破了兩者的盲點，在維持高速傳輸 (如 108 Gb/s PAM4) 的同時，仍保有低功耗與高耐熱的物理優勢。
在共封裝光學 (CPO) 的應用中，1060nm VCSEL 是目前唯一能同時兼顧「極低功耗」、「耐高溫」與「高速傳輸」的最佳硬體解方。
2.3.1060nm VCSEL based CPO 架構¶
source: LightXcelerate, OFC26
架構極度簡化 (相較於 SiPh PIC 設計)¶
1060nm VCSEL CPO 的光學路徑與封裝結構遠比矽光子 (SiPh) 光子積體電路 (PIC) 來得簡單直觀[Ref 4]:
垂直出光與直接耦合：VCSEL 是頂部/底部發光元件，光束直接垂直向上發射。圖中顯示光線（紅箭頭）直接穿過光纖面板 (FOP) 進入上方的光纖陣列單元 (FAU)。這種設計允許使用簡單的被動對位 (Passive alignment)，大幅降低了封裝難度與製造成本。
免除複雜的光學走線與外部光源：傳統 SiPh PIC 需要依賴外部雷射光源 (ELS)，並透過複雜的邊緣耦合器 (Edge Coupler) 或光柵耦合器 (Grating Coupler) 將光導入晶片，再經過光波導與微型環形調變器 (MRM) 等元件進行外部調變。VCSEL 採用的是直接調變 (Direct Modulation)，雷射本身就建構在電氣介面 (EIC) 之上不用 PIC，徹底省去了這些造成高光損的被動光學結構。
2D VCSEL 陣列與多核心光纖 (MCF) 的高密度應用¶
source: LightXcelerate, OFC26
突破一維限制的 2D 陣列：由於邊射型雷射必須將光從晶粒邊緣射出，通常只能排成一維的線性陣列 (1D Linear Array)。而 VCSEL 的垂直發光特性，使其能夠依據需求客製化佈局為二維陣列 (如圖 a 所示的同心圓排列)。
搭配 19 芯多核心光纖 (19-core MCF)：圖 b 展示了截面包含 19 個纖芯的多核心光纖。透過將 VCSEL 的 2D 陣列精準對齊 MCF 的 19 個纖芯，能在單一根光纖的物理空間內，平行傳輸 19 個獨立通道的光訊號。這種空間階層多工 (Spatial Division Multiplexing, SDM)技術，將面板的頻寬密度 (Bandwidth Density) 推進到了極致，完美契合前面提到的「寬而慢 (Wide-and-Slow)」平行架構。
介面與 PHY 規格的全新挑戰與制定需求¶
Electrical PHY (電氣實體層) 規格：
光學引擎 (EIC) 被移到了距離 XPU 極近的位置 。傳統長距離、高功耗的 SerDes 規格已不適用。業界需要針對這種超短距連接制定如UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 或專屬的超低功耗XSR(Extra Short Reach) PHY 規格，以實現免 DSP 的低延遲傳輸。
Optical & Mechanical (光學與機構) 介面標準：
1060nm 光學標準：目前 IEEE 的多模光纖標準 (如 SR4/SR8) 多建立在 850nm 波長上。1060nm 搭配 MCF 的光學參數、鏈路預算 (Link budget) 與色散容忍度都需要全新的 IEEE 802.3 任務小組來定義。
插槽與對位標準：圖中獨特的 FAU 垂直插槽 (Socket) 與被動對位銷設計，需要 OIF (Optical Internetworking Forum) 等組織建立統一的機構件標準，確保未來不同供應商的 CPO 模組與光纖跳線能夠互通 (Interoperability) 且具備可維護性。
3. 1060nm SM VCSEL¶
古河電工(Furukawa Electric)很早就看準1060nm波段的潛力，將其視為填補傳統 850nm (傳輸頻寬與距離受限) 以及 1310nm (InP 材料成本與功耗較高) 之間空白的關鍵技術，長期投入基礎材料與封裝結構的研發。
在 OFC 2026 發表的技術資料，展示了 1060nm VCSEL 領域的另一個關鍵進展：成功實現單模 (Single-Mode, SM) 運作[Ref 5]。
source: Furukawa, OFC26
金屬孔徑 (Metal-Aperture) 的單模限制機制¶
在傳統 VCSEL 設計中，若要達成單模發光，通常必須大幅縮小氧化層的孔徑 (Oxidation layer aperture)。然而，過小的氧化孔徑會導致元件的串聯電阻急遽上升、熱阻增加，進而嚴重影響高溫環境下的可靠度與輸出光功率。
Furukawa 採用的「金屬孔徑(Metal-Aperture)」設計（通常整合於頂部的 p-type electrode），本質上是一個空間濾波器 (Spatial Filter)。透過在出光表面精準設計金屬開口的大小，能夠刻意對高階模態 (Higher-order modes) 造成較高的光學散射損耗。由於基本模態 (Fundamental mode) 的能量集中在中心，受金屬邊緣的影響最小，因此元件能在維持較大氧化孔徑（確保低電阻與高熱穩定性）的物理條件下，單獨讓基本模態順利激發。
光譜純度與高頻響應實證¶
圖二 (光譜圖)：完美印證了金屬孔徑的濾波效果。在 1060nm 波長處呈現極度銳利的單一峰值，幾乎觀察不到高階模態的干擾。其旁模抑制比 (SMSR, Side-Mode Suppression Ratio) 表現極佳，確認了這是一顆純粹的單模 VCSEL。
圖三 (電光響應)：在 25°C、7mA 的偏壓條件下，該元件的頻率響應曲線保持平坦，其 -3dB 頻寬 (Bandwidth) 可達 20 GHz 以上。這項高頻特性是支撐單通道 50G 或100GPAM4 高速訊號調變的必要硬體條件。
單模 1060nm VCSEL 的系統級意義¶
從多模 (MM) 轉向單模 (SM)，對於先進封裝光學互連具有重大價值：
消除模態色散：單模輸出徹底解決了多模光纖傳輸時最大的物理限制——模態色散 (Modal Dispersion)。這使得光訊號即使在極高的傳輸速率下，眼圖 (Eye Diagram) 也能保持清晰張開，降低對 DSP 的依賴。
高密度光學耦合：單模光束的發散角較小且光斑集中。在針對共封裝光學 (CPO) 設計高密度的 2D VCSEL 陣列並與多核心光纖 (MCF) 進行耦合時，單模特性有助於進一步縮小光纖纖芯間距，並減少通道間的串擾 (Crosstalk)。
古河電工 (Furukawa) 針對其 1060nm 單模 (SM) VCSEL 所建構的 8 通道 CPO 收發器模組架構，以及在高速傳輸下的實際眼圖測試結果。
source: Furukawa, OFC26
收發器模組架構與 Linear Drive 設計¶
單模光纖 (SMF) 耦合：模組採用頂部發光 (Top-emitting) 的 1060nm SM VCSEL 陣列，透過微透鏡陣列 (Microlens array) 直接將光訊號耦合進入單模光纖 (SMF cable)
線性驅動 (Linear Drive) 架構：圖中標示了「Linear drive VD/TIA」。這意味著該模組採用了無 DSP (DSP-free) 的線性直驅設計。此架構呼應了先前探討的低功耗光互連趨勢，透過移除耗電的數位訊號處理器，進一步降低整體 CPO 模組的功耗與延遲
source: Furukawa, OFC26
實測傳輸結果解析¶
圖 6 展示了完整的測試平台，包含訊號產生器 (PPG) 與示波器 (DCA)，並比較了背對背 (Back-to-back) 與經過2 公里單模光纖傳輸後的訊號品質：
53.125 Gb/s NRZ 測試 (圖 7)：在 53 Gbps 的 NRZ 訊號下，無論是背對背 (a) 或是經過 2 公里光纖傳輸後 (b)，眼圖皆呈現極為清晰且寬廣的開口。訊號在長距離傳輸後並未出現明顯的劣化或抖動 (Jitter)
106.25 Gb/s PAM4 測試 (圖 8)：當傳輸速率提升至 106 Gbps，並採用 PAM4 調變技術時，背對背測試 (a) 展現了三個清晰的眼圖開口。更重要的是，在經過 2 公里光纖傳輸後 (b)，這三個眼圖開口依然保持足夠的張開度與清晰度，證明了其優異的訊號完整性。
系統級指標意義¶
突破傳統 VCSEL 的距離限制：傳統 850nm 多模 (MM) VCSEL 受限於模態色散，在 100G 速率下的有效傳輸距離通常低於 100 公尺。此測試證明了 1060nm 單模 VCSEL 搭配單模光纖，能成功將高頻寬訊號的傳輸距離拉長至2 公里，這使其應用範圍從單一機架內 (Intra-rack) 擴展至整個資料中心級別 (Inter-rack 或 Campus-level)
無 DSP 架構的實用性驗證：測試結果顯示，即使在完全不使用 DSP 進行訊號補償的線性驅動 (Linear Drive) 條件下，1060nm SM VCSEL 依然能穩定傳輸 100G PAM4 訊號達 2 公里。這直接驗證了極低功耗高速光互連架構在工程上的可行性。
4. 結論¶
1060nm VCSEL 正引領短距光通訊進入「光子優先 (Photonics-First)」的新紀元 。透過「寬而慢 (Wide-and-Slow)」的平行架構設計 ，結合線性驅動 (Linear Drive) 徹底移除耗電的數位訊號處理器 (DSP) ，1060nm VCSEL 成功實現了<1 pJ/bit的極致能效與高頻寬密度 。
這股技術轉移趨勢也強烈反映在資本市場與供應鏈的戰略佈局上。NVIDIA 近期分別向 Lumentum 與 Coherent 挹注高達 20 億美元的投資。基於 1060nm VCSEL 的 CPO 解決方案，確立其在 Scale-Up AI 網路中的核心地位。
同時，古河電工 (Furukawa) 憑藉在 1060nm 領域的長期深耕，另闢蹊徑切入單模 (SM) VCSEL 市場 。其獨特的金屬孔徑 (Metal-Aperture) 設計不僅解決了多模態色散的物理限制 ，更讓無 DSP 架構的 100G PAM4 訊號傳輸距離一舉突破至 2 公里 ，為資料中心跨機櫃互連提供了極具潛力的高效能選項。未來，1060nm VCSEL 的多模 CPO 與單模長距技術雙軌並進，預期將成為支撐下一代龐大 AI 算力基礎設施的關鍵光學骨幹。
補充說明: 為何選1060nm?¶
建立於 940nm 大量製造 (HVM) 基礎上的經濟效益¶
1060nm VCSEL 在商業化量產上的最大優勢，在於其能夠無縫銜接消費性電子產業所建立的龐大基礎設施:
共享晶圓廠設施與製程：1060nm 與 940nm 皆採用InGaAs（銦鎵砷）作為發光主動區，並生長於 GaAs（砷化鎵）基板上。這意味著 1060nm 可直接沿用全球 6 吋 GaAs 晶圓廠為智慧型手機 3D 感測 (如 Face ID) 所建置的成熟機台、自動化檢測與製程控制標準
降低良率風險：940nm 的成功已充分驗證了在 GaAs 基板上生長 InGaAs 量子井的穩定性，大幅降低了 1060nm 進入商業量產的技術與財務風險
高速傳輸突破 940nm的物理限制¶
儘管 940nm 具備成本優勢，但面對資料中心單通道 50 Gbps 甚至 100 Gbps (PAM4) 的嚴苛要求，1060nm 提供了關鍵的光學物理升級
色散 (Chromatic Dispersion) 極小化：1060nm 波長更接近標準石英光纖的零色散區。在高速訊號傳輸時，能有效維持訊號完整性 (Signal Integrity)，減少脈衝展寬效應，從而降低接收端進行電氣等化補償 (Equalization) 的功耗與延遲。
提升眼睛安全 (Eye Safety) 功率上限：1060nm 更深入紅外線波段，對視網膜的潛在傷害較低。在嚴格的 Class 1 雷射安全規範下，1060nm 允許更高的發射功率，為整個光學鏈路提供更多的損耗餘裕 (Link Budget)，有利於支援更複雜的 CPO 封裝與高密度連接器。
最佳化背向發射 (BSE) 的基板穿透率：高密度覆晶封裝需要光線從元件底部穿透基板發射。1060nm 的光子能量完全低於 GaAs 基板的能隙，使得基板對其呈現極高的透明度，避免了光能在穿透時被轉換為廢熱，進一步提升了光學引擎的整體能源效率。
止步於 1060nm 的材料科學壁壘與散熱考量¶
波長若進一步推升至傳統電信標準 (如 1310nm)，將面臨 GaAs 材料系統的物理崩潰，並陷入磷化銦 (InP) 系統的工程困境。
晶格應力極限 (Strain Limit)：為了拉長波長，必須增加 InGaAs 量子井中的銦含量。1060nm 已是較大體積的銦原子在 GaAs 基板上所能承受的應力極限。若強行推至 1110nm以上，晶體內部將產生嚴重的失配差排 (Misfit Dislocations)，導致元件壽命與發光效率驟降。
避免 InP 系統的製造與散熱劣勢：若為追求更長波長而轉換至 InP 基板，將面臨三大挑戰：
反射鏡生長困難：InP 系統可用材料的折射率對比極低，需要生長極多層數的分散式布拉格反射鏡 (DBR)，導致磊晶過程耗時且昂貴
散熱瓶頸：厚重的 InP DBR 結構熱導率極差。在緊貼高熱 ASIC (如 GPU 或 Switch) 的 CPO 環境中，會導致熱量囤積，引發嚴重的效能衰退
插座效率 (WPE) 降低：由於散熱不佳與結構複雜，長波長 InP VCSEL 無法達到 1060nm GaAs VCSEL 的高能源轉換效率，違背了 CPO 降低每位元能耗的核心目標
結論¶
1060nm VCSEL 是業界在「追求極致光學傳輸效能」與「維持高良率/低成本製造生態」之間所找到的最佳解。它最大化了訊號完整性與封裝彈性，同時堅守在散熱良好且極具商業競爭力的 GaAs 材料系統邊界內，成為下一代 AI 硬體基礎設施中極具潛力的互連技術選項
[Reference]¶
Broadcom, “ Optics for AI Networks- Scaling for Large Clusters“, OCP25, GS
Lumentum, “Proposal for 200Gbps 30m and 50m MM Reach objectives using 1060nm“
Coherent, “Chasing the Limit: On the Path to Photonic Scale-up with Ultra-low-Energy/bit“, OFC26 Workshop
LightXcelerate, “Multicore Fiber Coupled Backside-Emitting VCSEL/PD Arrays for High-Bandwidth Optical Interconnects in Data Center“, OFC26, Th1G.4
Furukawa, “A 53-Gbaud NRZ/PAM4 × 8-Channel 1060-nm Single-Mode VCSEL-Based Ultra-Compact and High-Energy-Efficient CPO Transceiver for Full-Reach Datacenter Links“, OFC26, W1B.4
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