Sachverhalt:
A. A.a X._ wird vorgeworfen, er habe A._, geboren am 28. September 1993, in der Zeit vom Sommer 2001 bis Frühjahr 2003 mehrfach und an verschiedenen Orten unter Drohung oder Zuhilfenahme körperlicher Gewalt bzw. psychischen Drucks vergewaltigt, zu beischlafsähnlichen oder anderen sexuellen Handlungen genötigt und an ihr sexuelle Handlungen vollzogen, sie in solche einbezogen oder dazu verleitet. Ferner wird ihm vorgehalten, seine damaligen Schülerinnen, B._, C._ und D._, mehrfach unter Drohung oder Zuhilfenahme körperlicher Gewalt bzw. psychischen Drucks sexuell genötigt und an ihnen sexuelle Handlungen vollzogen, sie in solche einbezogen oder dazu verleitet zu haben.
A.b Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 21. November 2005 zweitinstanzlich wegen mehrfacher Vergewaltigung im Sinne von <ref-law>, mehrfacher sexueller Nötigung im Sinne von <ref-law> und mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern im Sinne von <ref-law> zu sechs Jahren Zuchthaus. Es ordnete eine ambulante Massnahme im Sinne von Art. 43 Ziff. 1 aStGB an, ohne den Vollzug der Freiheitsstrafe aufzuschieben. Gleichzeitig wurde X._ verpflichtet, A._ Schadenersatz in der Höhe von Fr. 660.70 nebst 5 % Zins seit dem 15. Mai 2003 sowie allen vier Geschädigten zusammen total Fr. 45'000.-- Genugtuung zuzüglich Zins ab Urteilsdatum zu bezahlen.
A.c Mit Zirkulationsbeschluss vom 21. Dezember 2006 hiess das Kassationsgericht des Kantons Zürich die kantonale Nichtigkeitsbeschwerde X._s teilweise gut. Im Übrigen wies es die Beschwerde ab, soweit es darauf eintrat.
A.d Das Bundesgericht hiess die eidgenössische Nichtigkeitsbeschwerde von X._ mit Urteil vom 30. März 2007 gut. Es hob das obergerichtliche Urteil wegen Mängeln in der Strafzumessungsbegründung auf und wies die Sache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz zurück. Diese habe die Opferentschädigung entweder im Sinne von Art. 64 Abs. 5 aStGB strafmildernd zu berücksichtigen oder eingehend zu begründen, weshalb trotz dieser Zahlungen an die Opfer im Umfang von Fr. 45'000.-- nicht von aufrichtiger Reue gesprochen werden könne (Urteil 6S.99/2006 vom 30. März 2007 E. 5.2).
B. B.a Am 27. Oktober 2009 sprach das Obergericht des Kantons Zürich X._ erneut derselben Delikte schuldig, bestrafte ihn mit fünf Jahren und drei Monaten Freiheitsstrafe, ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme im Sinne von <ref-law> an und regelte die finanziellen Folgen des Strafurteils im Wesentlichen wie bereits im Urteil vom 21. November 2005.
B.b Das Kassationsgericht des Kantons Zürich strich mit Zirkulationsbeschluss vom 15. April 2011 in teilweiser Gutheissung der kantonalen Nichtigkeitsbeschwerde von X._ verschiedene Erwägungen aus dem obergerichtlichen Urteil. Im Übrigen wies es die Beschwerde ab, soweit es darauf eintrat. Das Kassationsgericht hielt fest, für die Frage, ob die Vorinstanz nach der bundesgerichtlichen Rückweisung auch den Strafaufschub zugunsten einer Massnahme neu prüfen müsse oder nicht, sei ausschliesslich Bundesrecht relevant.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen mit dem Antrag, es seien das Urteil des Obergerichts vom 27. Oktober 2009 und der Zirkulationsbeschluss des Kassationsgerichts vom 15. April 2011 aufzuheben und die Angelegenheit an die Vorinstanzen zur Ergänzung des Verfahrens und zur neuen Entscheidung zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Vorliegend steht die Tragweite der Bindungswirkung des bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheids vom 30. März 2007 zur Diskussion. Der Beschwerdeführer ist der Ansicht, dieser Entscheid lasse Raum namentlich für eine Überprüfung der Frage des Aufschubs des Vollzugs der Strafe zu Gunsten der angeordneten Massnahme.
1. Vorliegend steht die Tragweite der Bindungswirkung des bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheids vom 30. März 2007 zur Diskussion. Der Beschwerdeführer ist der Ansicht, dieser Entscheid lasse Raum namentlich für eine Überprüfung der Frage des Aufschubs des Vollzugs der Strafe zu Gunsten der angeordneten Massnahme.
1.1 1.1.1 Die Bindungswirkung bundesgerichtlicher Rückweisungsentscheide ergibt sich nicht aus dem kantonalen Recht, sondern ausschliesslich aus dem Bundesrecht. Früher wurde sie für Zivil- und Strafsachen in Art. 66 Abs. 1 OG bzw. Art. 277ter BStP ausdrücklich statuiert, heute ergibt sie sich (unverändert) aus dem ungeschriebenen Bundesrecht, da diese Bestimmung wegen ihrer Selbstverständlichkeit nicht ins neue Bundesgerichtsgesetz überführt wurde (<ref-ruling> E. 2.1; siehe Urteil 1B_183/2010 vom 14. Juli 2010 E. 2; vgl. auch Botschaft vom 28. Februar 2001 zur Totalrevision der Bundesrechtspflege, BBl 2001 IV 4346 Ziff. 4.1.4.5).
1.1.2 Im Falle eines bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheids hat die mit der Neubeurteilung befasste kantonale Instanz die rechtliche Beurteilung, mit der die Zurückweisung begründet wird, ihrer Entscheidung zugrunde zu legen. Diese Beurteilung bindet auch das Bundesgericht, falls ihm die Sache erneut unterbreitet wird. Aufgrund dieser Bindungswirkung ist es den nochmals mit der Sache befassten Gerichten wie den Parteien verwehrt, der Überprüfung einen anderen als den bisherigen Sachverhalt zu unterstellen oder die Sache unter rechtlichen Gesichtspunkten zu prüfen, die im Rückweisungsentscheid ausdrücklich abgelehnt oder überhaupt nicht in Erwägung gezogen worden sind (<ref-ruling> E. 2 und E. 2.1 S. 335 f. mit Hinweisen; vgl. hierzu auch Urteile 6B_1013/2010 vom 17. Mai 2011 E. 2.1; und 6B_754/2010 vom 4. April 2011 E. 2.2.1).
Die kantonale Instanz hat sich bei der neuen Entscheidung mit andern Worten auf das zu beschränken, was sich aus den Erwägungen des Bundesgerichts als Gegenstand der neuen Beurteilung ergibt. Im Falle einer Kassation des Urteils infolge Gutheissung einer Beschwerde in Strafsachen soll folglich nicht das ganze Verfahren neu in Gang gesetzt werden, sondern nur insoweit, als dies notwendig ist, um den verbindlichen Erwägungen des Bundesgerichts Rechnung zu tragen. In den Grenzen des Verbots der reformatio in peius kann sich dabei die neue Entscheidung auch auf Punkte beziehen, die vor Bundesgericht nicht angefochten waren, sofern dies der Sachzusammenhang erfordert (<ref-ruling> E. 1; <ref-ruling> E. 4; Urteil 6S.270/2003 vom 28. November 2003 E. 3.2.1 und 3.3.1).
Rügen, die schon gegen das erste kantonale Urteil hätten vorgebracht werden können und deren Geltendmachung den Parteien nach Treu und Glauben auch zumutbar war, können nach der Rechtsprechung gegen das zweite kantonale Urteil nicht mehr vorgebracht werden (Urteil 6P.176/2006 vom 16. Februar 2007 E. 3, nicht publiziert in <ref-ruling> E. 3; <ref-ruling> E. 4a S. 104, siehe namentlich auch Urteile 6B_503/2007 vom 1. Januar 2008 E. 4.3 und 6S.50/2007 vom 18.April 2007 E. 2).
1.2 Mit Urteil vom 21. November 2005 sprach das Obergericht den Beschwerdeführer wegen verschiedener strafbarer Handlungen gegen die sexuelle Integrität (<ref-law>, <ref-law>, <ref-law>) schuldig. Sie fällte eine Freiheitsstrafe von sechs Jahren aus und ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an. Das Kassationsgericht hiess die kantonale Nichtigkeitsbeschwerde des Beschwerdeführers teilweise gut.
Dieser focht das obergerichtliche Urteil beim Bundesgericht lediglich in Bezug auf das Strafmass an und dies - eingeschränkt - unter dem Gesichtspunkt des Nachtatverhaltens, insbesondere der Anwendung des Strafmilderungsgrunds der aufrichtigen Reue im Sinne von Art. 64 Abs. 5 aStGB. Die obergerichtliche Anordnung der vollzugsbegleitenden ambulanten Massnahme im Sinne von <ref-law> nahm er von einer Anfechtung ausdrücklich aus.
Das Bundesgericht kassierte das Urteil des Obergerichts vom 21. November 2005 einzig wegen Mängeln in der Strafzumessungsbegründung. Es wies die Sache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an das Obergericht zurück. Dieses habe die Opferentschädigung entweder im Sinne von Art. 64 Abs. 5 aStGB strafmildernd zu berücksichtigen oder eingehend zu begründen, weshalb trotz dieser Zahlungen an die Opfer im Umfang von Fr. 45'000.-- nicht von aufrichtiger Reue gesprochen werden könne (Urteil 6S.99/2006 vom 30. März 2007 E. 5.2).
Das Bundesgericht kassierte das Urteil des Obergerichts vom 21. November 2005 einzig wegen Mängeln in der Strafzumessungsbegründung. Es wies die Sache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an das Obergericht zurück. Dieses habe die Opferentschädigung entweder im Sinne von Art. 64 Abs. 5 aStGB strafmildernd zu berücksichtigen oder eingehend zu begründen, weshalb trotz dieser Zahlungen an die Opfer im Umfang von Fr. 45'000.-- nicht von aufrichtiger Reue gesprochen werden könne (Urteil 6S.99/2006 vom 30. März 2007 E. 5.2).
1.3 1.3.1 Prozessgegenstand war bzw. ist nach der bundesgerichtlichen Rückweisung somit nur noch die Strafzumessung bzw. deren Begründung, namentlich soweit es um das Nachtatverhalten des Beschwerdeführers geht bzw. insbesondere um die Anwendung des Strafmilderungsgrunds der aufrichtigen Reue gemäss Art. 64 Abs. 5 aStGB bzw. <ref-law>. Davon geht auch das Obergericht aus. Es stellt für die Beurteilung des Verhaltens des Beschwerdeführers nach der Tat insoweit zu Recht auf den Zeitpunkt der neuen Urteilsfällung ab. Ebenso zutreffend zieht es die seither eingetretenen Verfahrensverzögerungen unter Berücksichtigung des Beschleunigungsgebots gemäss <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK in seine Würdigung mit ein (vgl. <ref-ruling>; <ref-ruling>; vgl. NIKLAUS SCHMID, Strafprozessrecht, 4. Aufl., Zürich 2004, S. 427 Fn 496; siehe auch CHRISTIAN FERBER, Die eidgenössische Nichtigkeitsbeschwerde in Strafsachen, Diss. Zürich 1993, S. 176). Das Obergericht hat den Prozessgegenstand insoweit sachlich und zeitlich korrekt abgesteckt (vgl. angefochtenes obergerichtliches Urteil, S. 28).
1.3.2 Nicht zum Prozessgegenstand gehört die Frage des Aufschubs des Vollzugs der Strafe zu Gunsten der angeordneten ambulanten Massnahme. Das Verfahren war nach der Rückweisung durch das Bundesgericht nicht mehr auf diese Frage auszudehnen. Das Obergericht durfte sich von Bundesrechts wegen nur noch mit den Punkten befassen, die das Bundesgericht kassierte, also nur noch mit der Strafzumessung. Die andern Teile des Urteils vom 21. November 2005 hatten Bestand und waren in das neue Urteil zu übernehmen. Daran ändert entgegen den Ausführungen in der Beschwerde (S. 7, sinngemäss S. 18) nichts, dass mit dem bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheid formell das ganze ursprüngliche Urteil der Vorinstanz aufgehoben wurde (<ref-ruling>; siehe auch <ref-ruling> E. 1; <ref-ruling> E. 7 S. 128). Entscheidend ist insoweit nicht das Dispositiv, sondern die materielle Tragweite des bundesgerichtlichen Urteils. Es ist folglich danach zu fragen, ob damit das ursprüngliche kantonale Urteil insgesamt oder nur teilweise aufgehoben werden sollte (vgl. dazu <ref-ruling> E. 2). Vorliegend ergibt sich aus der Begründung des bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheids unmissverständlich, dass das ursprüngliche Urteil vom 21. November 2005 nur in Bezug auf die Strafzumessung aufgehoben wurde, es sich materiell mithin um eine Teilaufhebung handelte. Im Übrigen gilt das ursprüngliche kantonale Urteil vom 21. November 2005 als bestätigt, zumal die infolge der bundesgerichtlichen Kassation neu ausgefällte Strafe von 5 Jahren und 3 Monaten mit einer verhältnismässig geringfügigen Reduktion des Strafmasses um neun Monate die bereits im ersten Urteil vollumfänglich beurteilte Verweigerung des Strafaufschubs zu Gunsten der Massnahme nicht in Frage zu stellen vermag. Damit kann dieser Punkt, d.h. die Frage, ob die neu ausgefällte Freiheitsstrafe von 5 Jahren und 3 Monaten zu Gunsten der angeordneten ambulanten Massnahme aufzuschieben ist, im neuen Verfahren nicht mehr aufgeworfen und überprüft werden. Wie es sich verhielte, wenn insoweit eine ganz markante Reduktion der Strafe (im Bereich von Jahren) zur Diskussion stände - womit vorliegend angesichts der konkreten Umstände allerdings zum vornherein nicht zu rechnen war - braucht nicht entschieden zu werden. Der Beschwerdeführer hätte die Frage des Strafaufschubs nach Treu und Glauben daher bereits im ersten Verfahren vor Bundesgericht anfechten können und müssen. Er geht fehl in der Annahme, erst im Anschluss an die Überprüfung der Strafzumessung und deren Neubeurteilung dazu in der Lage gewesen zu sein. Daran ändert auch nichts, dass die neuen gutachterlichen Ausführungen vom 30. März 2009 nach der Ausfällung des ersten Urteils entstanden, weshalb sie - wie der Beschwerdeführer geltend macht - in die ersten Beschwerdeverfahren gar nicht hätten eingebracht werden können (vgl. Beschwerde, S. 14 f.). Er verkennt, dass - abgesehen von allenfalls zulässigen Noven - nicht von einem andern als dem bisherigen Sachverhalt auszugehen ist (vgl. <ref-ruling> E. 2). Das kantonale Gericht, an welches zurückgewiesen wird, darf über Tatfragen nur insoweit neu verhandeln, als es aufgrund des bundesgerichtlichen Kassationsentscheids erforderlich ist. Entsprechendes gilt für die Aufnahme neuer Beweismittel, wie beispielsweise den Beizug von Gutachten (vgl. FERBER, a.a.O., 175). Aus dem Umstand, dass das Obergericht nach der bundesgerichtlichen Rückweisung ein Zweitgutachten einholte, kann der Beschwerdeführer entgegen seiner Auffassung (Beschwerde, S. 18, 19 ff.) nichts für sich in Bezug auf die Überprüfbarkeit der Frage des Aufschubs des Vollzugs der Strafe ableiten. Am Prozessgegenstand ändert sich dadurch nichts.
1.3.3 Das Obergericht sah sich von Bundesrechts wegen an den bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheid gebunden. Es beurteilte dessen Tragweite zutreffend. Entsprechend sah es zu Recht von einer erneuten Überprüfung der Frage des Strafaufschubs ab (angefochtenes Urteil, S. 20). Im Themenbereich des Strafaufschubs stehen dem Beschwerdeführer keine materiellen oder prozessualen Rechte mehr zu. Seine Vorbringen vor Bundesgericht richten sich indessen - abgesehen von den zulässigen Einwendungen gegen die Strafzumessung - im Ergebnis ausschliesslich gegen diesen Themenbereich. Dafür besteht kein Raum. Nicht einzutreten ist daher auf die Rüge, das Obergericht verstosse gegen Treu und Glauben gemäss <ref-law>, weil es in Widerspruch zum eigenen Verhalten (Einholen eines Zweitgutachtens) seine Kognition in Bezug auf das Thema des Strafaufschubs verneint habe. Aus den gleichen Gründen ist auf die geltend gemachten Verletzungen des rechtlichen Gehörs (<ref-law>, Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK, Art. 14 Ziff. 3 lit. e IPBPR) unter Einschluss der Rüge der Verkennung des Beweisantragsrechts (Beschwerde, S. 25 - 31) sowie der verfehlten antizipierten Beweiswürdigung (Beschwerde, S. 31 - 34) nicht einzugehen. Ebenso wenig ist der Beschwerdeführer schliesslich zu hören, soweit er dem Kassationsgericht vorwirft, dieses sei auf die gerügte Verletzung des Beweisantragsrechts im Sinne eines Verstosses gegen das rechtliche Gehör (<ref-law>; <ref-law>) zu Unrecht nicht eingetreten (Beschwerde, S. 16 f., 35 - 38; Urteil des Kassationsgerichts vom 15. April 2011, S. 7 E. 5). In der kassationsgerichtlichen Beurteilung, wonach der Beschwerdeführer auch damit letztlich das Thema des Strafaufschubs anvisiere, liegt offensichtlich keine Willkür. Dass dieser den Gutachtern nicht nur Ergänzungsfragen zum Strafaufschub unterbreiten wollte, sondern auch solche zur Diagnose, zur Traumatisierung, zur deliktorientierten Behandlung und zum Therapiesetting, führt entgegen seiner Meinung zu keinem andern Ergebnis (vgl. Beschwerde, S. 39). Auf die Beschwerde ist insoweit nicht einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer beanstandet die Strafzumessung. Er macht eine Verletzung von Art. 47 i.V.m. <ref-law> geltend. Aus den vorinstanzlichen Erwägungen ergebe sich nicht, wie sich die zwei neu zu berücksichtigenden Faktoren (<ref-law>, Verletzung des Beschleunigungsgebots) je für sich auf die Strafzumessung ausgewirkt hätten und wie die übrigen Strafzumessungsgründe gewichtet worden seien. Die Strafzumessung sei nicht überprüfbar (Beschwerde, S. 34 - 35).
2.1 Der Beschwerdeführer hat die hier zu beurteilenden Straftaten vor Inkrafttreten des neuen Allgemeinen Teils des Strafgesetzbuches am 1. Januar 2007 begangen. Das angefochtene Urteil ist nach diesem Zeitpunkt ergangen. Gemäss <ref-law> gelangt bei dieser Konstellation das neue Recht zur Anwendung, sofern es für den Täter milder ist (<ref-law>). Das Obergericht wendet das neue Recht an, weil "auch eine ambulante Massnahme anzuordnen ist und in Bezug auf Massnahmen und deren Vollzug zwingend neues Recht angewendet werden muss" (angefochtenes Urteil, S. 28). Diese Begründung geht fehl, da die Anordnung der ambulanten Massnahme abschliessend mit Urteil vom 21. November 2005 erfolgte und heute nicht mehr zur Diskussion steht. Ob das neue im Vergleich zum alten Gesetz milder ist, beurteilt sich auf Grund eines konkreten Vergleichs der Strafen. Der Richter hat zu prüfen, nach welchem der beiden Rechte der Täter besser wegkommt (<ref-ruling> E. 6.2.1 S. 87 f. mit Hinweisen). Freiheitsentziehende Strafen des früheren Rechts (Gefängnis oder Zuchthaus) und des neuen Rechts (Freiheitsstrafe) sind gleichwertig, soweit sie unbedingt ausgesprochen werden (BGE, a.a.O., E. 7.2.1 S. 89 f. mit Hinweisen). Spricht die Vorinstanz eine Freiheitsstrafe von 5 Jahren und drei Monaten und somit eine unbedingte Strafe aus, ist das neue Recht nicht milder. In diesem Fall ist das alte Recht anwendbar (<ref-law>). Die Vorinstanz hätte deshalb richtigerweise altes Recht anwenden müssen. Die Anwendung des neuen, unveränderten Rechts hat indessen für den Beschwerdeführer keine nachteiligen Konsequenzen und führt nicht zur Aufhebung des angefochtenen Urteils.
2.2 Nach Art. 63 aStGB bzw. <ref-law> misst der Richter die Strafe nach dem Verschulden und weiteren Umständen des Täters zu. Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung wiederholt dargelegt (<ref-ruling> E. 5.4 S. 59 mit Hinweis). Darauf kann verwiesen werden. Die Strafzumessungskriterien sind unter dem neuen Allgemeinen Teil des Strafgesetzbuches grundsätzlich dieselben geblieben, weshalb die bisherige Rechtsprechung zur Strafzumessung anwendbar bleibt (a.a.O.). Ist ein Urteil zu begründen, so hält das Gericht in der Begründung die für die Zumessung der Strafe erheblichen Umstände und deren Gewichtung fest (<ref-law>). Der Sachrichter muss in den Strafzumessungserwägungen seine Überlegungen in den Grundzügen wiedergeben, so dass die Strafzumessung nachvollziehbar ist. Die Begründung muss die Höhe der ausgesprochenen Strafe rechtfertigen (<ref-ruling> E. 2.3.1 mit Hinweisen; Urteil 6B_412/ 2010 vom 19. August 2010 E. 1.3).
2.3 Die ausgefällte Strafe von 5 Jahren und 3 Monaten - bei einem denkbaren Strafrahmen von bis zu 15 Jahren Freiheitsstrafe - sowie die konkrete Strafzumessungsbegründung geben zu keinen Beanstandungen Anlass. Dem angefochtenen Urteil ist zu entnehmen, dass der Beschwerdeführer A._ über einen längeren Zeitraum mehrmals sexuell massiv missbrauchte. Er habe mehrfach mit seinem Penis an ihrer Scheide gerieben, dagegen Stossbewegungen gemacht, ihre Scham geküsst, die Scheide geleckt und sei auch in das 8-/9-jährige Mädchen eingedrungen, wobei er mehrfach auf sie ejakuliert habe. Er habe dem Mädchen grosse körperliche Schmerzen und massive psychische Leiden mit Langzeitwirkung zugefügt. Die sexuellen Übergriffe auf die anderen Opfer seien, ohne diese bagatellisieren zu wollen, vergleichsweise geringfügiger ausgefallen (Ausgreifen der Brüste und der Scham, Lecken am Ohr etc.). Er habe die Kinder zu seiner Triebbefriedigung missbraucht und die bestehenden Vertrauensverhältnisse skrupellos zur Befriedigung seiner Bedürfnisse ausgenützt, wobei er erhebliche kriminelle Energie aufgewendet habe. Aufgrund des zu Recht als sehr schwer eingestuften objektiven und subjektiven Tatverschuldens hält das Obergericht unter Berücksichtigung der leichtgradig verminderten Zurechnungsfähigkeit des Beschwerdeführers eine Freiheitsstrafe im Bereich von acht Jahren für angemessen (Einsatzstrafe von 5 Jahren für die Vergewaltigungen, wobei die Vorinstanz klar stellt, dass diese Strafe ohne Verminderung der leichtgradig eingeschränkten Zurechnungsfähigkeit deutlich höher hätte ausfallen müssen; Asperation der Einsatzstrafe um drei Jahre aufgrund der weiteren Delikte). Diese Beurteilung ist nicht zu beanstanden. Der Beschwerdeführer erhebt dagegen denn auch keine Einwände. Die Strafmassreduktion, welche das Obergericht dem Beschwerdeführer (ohne die bereits berücksichtigte Einschränkung der Zurechnungsfähigkeit) zubilligt, beträgt in ihrer Gesamtheit 2 Jahre und 9 Monate. Das Obergericht begründet im angefochtenen Urteil plausibel, wie es die einzelnen Strafzumessungsfaktoren würdigt und in welchem Umfang ("leicht", "nicht stark") es sie strafmindernd oder -mildernd in Rechnung stellt, wobei es die neu hinzugetretenen Strafmilderungs- bzw. Strafminderungsgründe (aufrichtige Reue im Sinne von Art. 64 Abs. 5 aStGB bzw. 48 lit. d StGB; Beschleunigungsgebot) mit einer Herabsetzung des Strafmasses von 9 Monaten (Reduktion der sechsjährigen Strafe auf 5 Jahre und 3 Monate) berücksichtigt. Das Obergericht legt damit die für die Zumessung der Strafe erheblichen Umstände und deren Gewichtung ausreichend dar. Den Anforderungen an die richterliche Begründungspflicht ist damit Genüge getan. Der Beschwerdeführer übersieht, dass im Urteil nicht in absoluten Zahlen angegeben werden muss, wie bzw. in welchem Masse einzelne Strafzumessungskriterien bewertet werden (<ref-ruling> E. 2c S. 104 f. mit Hinweisen). Diese Grundsätze gelten entsprechend für die Gewichtung der im Gesetz genannten Strafschärfungs- und Strafmilderungsgründe (Urteil 6B_401/2007 vom 8. November 2007 E. 4.2, nicht publ. in <ref-ruling>). Die obergerichtlichen Erwägungen zur Strafzumessung bzw. zur Strafmassreduktion sind transparent und nachvollziehbar, und die daraus gezogenen Schlüsse leuchten ein. Eine ermessensverletzende Gewichtung der relevanten Strafzumessungsfaktoren respektive eine Verletzung von Art. 63 aStGB bzw. <ref-law> ist nicht ersichtlich. Die ausgefällte Freiheitsstrafe von 5 Jahren und 3 Monaten ist auch bei einer Gesamtbetrachtung nicht zu beanstanden. Sie bewegt sich innerhalb des weiten sachrichterlichen Ermessens. Zusammenfassend hält die Strafzumessung damit vor Bundesrecht stand.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Ausgangsgemäss hat der Beschwerdeführer die Gerichtskosten zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, und dem Kassationsgericht des Kantons Zürich schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 12. Juli 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Mathys Arquint Hill