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 Art. 190 Abs. 1 StGB, mehrfacher sexueller Nötigung im Sinne von Art. 189 Abs. 1 StGB und mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern im Sinne von Art. 187 Ziff. 1 StGB 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 Art. 63 Abs. 1 StGB 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. 