ونظراً لأن مراكز البيانات العالية النطاق والمشروعية تواصل توسعها بلا هوادة لتلبية متطلبات الحوسبة السحابية، وعبء العمل في مجال التنفيذ، و5G الطرفية، فقد تكثف الضغط على الهياكل الأساسية المترابطة، وأصبحت الاتصالات البصرية هي العمود الفقري لهذه الشبكات، وهي تُعالج تدفقات البيانات من المدار إلى الثاني عبر المسارات، والأجسام، والمراكز، وتُعدّل عناصر التصاميم الضوئية.

دور المتلقينات البصرية في الربط الشبكي لمركز البيانات

في مترابط مركز البيانات المعتاد، يقوم جهاز إرسال بتحويل البيانات الكهربائية إلى ضوء معادل، ينتقل عبر الألياف إلى جهاز استقبال، ويحول مُرسل الصور الضوئية إلى تيارات كهربائية، ويزيد من سوء استخدام الميزانيات، ويُعالج لاستعادة الإشارة الرقمية الأصلية، ويجب أن يحدث هذا التحويل بأقل قدر من التشويه، وضوضاء ضوئية، وحساسية كافية لكشف الإشارات الضعيفة بعد فقدان الألياف.

مقاييس الأداء الرئيسية للتصميم على الاستلام الضوئي

ويتطلب تصميم جهاز استقبال بصري ذي أداء عال تحقيق التوازن بين عدة مقاييس مترابطة، وتفصل الفروع التالية أكثر المهندسين أهمية في مجال البارامترات.

النظر في معدلات البيانات والبنود

"الضمادات التي تُرسلها "الجهاز التلقيّ" يجب أن تكون واسعة بما فيه الكفاية لتستوعب أعلى ترددات موجودة في الإشارة المُعدّلة

  • NRZ at 112 Gbps:] Requires approximately 80 GHz of receiver bandwidth.
  • PAM4 في 112 GBaud: ] Uses half the bandwidth of an equivalent NRZ signal but demands higher linearity and SNR.
  • Coherent detection:] Shifts bandwidth requirements to the analog-to-digital converter (ADC) and DSP, mitigating analog front-end constraints.

Commercial TIAs now routinely achieve bandwidths exceeding 70 GHz for single-channel receivers, while integrated photonic receivers push beyond 100 GHz using advanced CMOS or SiGe BiCMOS processes.

الحساسية وأرقام الضوضاء

(الإنعدام) و الحساسية في الأشعة، و الحساسية العالية من الإرسالية، و الإشتعال في الأشعة الأمامية، و الإشتعال في الضوضاء، و الإضاءة العالية، و الإضاءة في الأشعة الأمامية، و الإشاعات المتطابقة

  • Typical sensitivity for 100 Gbps direct detection:] -12 to -15 dBm (at BER 10]-12).
  • Coherent receiver sensitivity at 100 Gbps:] -20 dBm or better with a strong LO.
  • Advanced APD-based receivers:] can achieve 5-10 dB better sensitivity than PIN detectors due to internal gain.

كفاءة الطاقة والإدارة الحرارية

مراكز البيانات هي بيئات مُقيدة بالطاقة، مع وجود وصلات بصرية تستهلك جزءاً كبيراً من ميزانية الطاقة، وجهاز الاستلام يُنتج في المقام الأول من وكالة الاستخبارات المالية، ويحد من المضخم، وأي جهاز تعافي حراري بعد ذلك من الساعة والبيانات، أو أجهزة إدارة الطاقة،

التكنولوجيا المتقدمة

وقد مكّنت عدة إنجازات تكنولوجية من إدخال تحسينات على درجة التغيير في أداء أجهزة الاستقبال البصرية على مدى العقد الماضي.

Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits

S[Fcon photonics leverages CMOS manufacturing to monolithically integrate photodetectors, modulators, and passive components on a single fr. Germanium-on-silicon (Ge-on-Si) photodetectivity (0.8-1 A/W) at 1310 nm and 1550 nm wavelengths, with bandwidth

Advanced Avalanche Photodiodes (APDs) and Ge-on-Si APDs

APDs provide internal gain through impact ionization, amplifying the photocurrent before the TIA. This gains sensitivity by overcoming thermal noise, but at the cost of excess noise due to the random nature of the multiplication process. Traditional InGaAs APDs are widely used for 10–40 Gbps links, but their bandwidth and gain are limited!

الكشف عن المتجانسات ونظام المعلومات الإدارية

ويتزايد اعتماد الاتصالات البصرية المتماسكة، بعد أن تُخصص للشبكات الطويلة الأجل، في مراكز البيانات فيما يتعلق بالمسافات التي تتجاوز 10 كيلومترات، وفي إطار تعددية التقسيمات العالية التردد (WDM)، حيث لا يستعمل المتلقين المتسقون ليزراً محلياً، كما أن هناك مجموعة من المحركات الميكانيكية الحساسية تبلغ 90 درجة، وذلك لاستخلاص المعلومات عن الكمائن والمراحل.

كشف مباشر عن حركة PAM4 و FEC

"للمستويات القصيرة" "حتى 10 كيلومترات" "الكشف المباشر عن "بي إم 4" أصبح الخيار الغالب "بي إم 4" يُرسل جزءين للرمز "بإس إي تي"

تحديات التصميم والمفاضلات

ويشتمل تحقيق أفضل استفادة من جهاز استقبال للنشر في العالم الحقيقي على تذليل عدة تحديات مترابطة.

الآثار الحرارية والتغليف

وتختلف المكونات الضوئية العالية السرعة بدرجات الحرارة، كما أن سرعة محركات التصوير، وكسب البيوتادايين السداسيين، والحاضر المظلمة كلها تتفاوت بدرجات حرارة، مثل ارتفاع درجة الحرارة، مما يتطلب تعديلاً في التقلبات، كما أن التوسع الحراري لمواد التغليف يمكن أن يؤدي إلى سوء فهم الحساسية، وإلى حساسية الارتداد التدريجي لتقنيات التغليف، مثل 2.5D مع التنبؤ بالارتباطلات.

إدارة الاتصالات السلكية واللاسلكية

ومع تزايد عدد القنوات لتلبية طلبات القدرة، فإن الاتصال بين أجهزة الاستقبال المتاخمة يصبح شاغلا خطيرا، وينشأ التقاطع الكهربائي عن الانقلابات الأسرية والمدخلة على لوحة الدوائر المطبوعة أو في إطار وحدة التعقب المتعددة الأقطاب، ويمكن أن تحدث الاتصالات البصرية في نظم الرصد العالمي إذا لم تكن المصفوفات حادة بما فيه الكفاية، ويستخدم مصممو أجهزة الاستلام إشارات مختلفة، وصور الحراسة، وأجهزة الاستغناء عن الأشعة تحت الحمراء.

التكلفة والقابلية للتسويق

ويطالب مشغلو مراكز البيانات بتكلفتها المنخفضة باستمرار، ويحتاج جهاز الاستلام وجهاز التصاميم إلى إنتاج كبير، ويعرض التصوير الضوئي للجهاز على مسار للتوسع لأن نفس المزيجات المستخدمة للمنطق والذاكرة يمكن أن تنتج رقائق للتصوير، غير أن دمج الموصلات الوبائية للألمانية ودرجة الشبه المتناهيجة للأزواج الذين يستهلكون 800 عملية متخصصة.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الاستلام الضوئي

وفي المستقبل، تعد عدة اتجاهات بحثية ناشئة بدفع أداء أجهزة الاستقبال البصرية إلى أبعد من ذلك.

أجهزة التضخيم

ويعد خفض الضوضاء المُشار إليها بمدخلات المبادرة التقنية أحد أكثر الطرق فعالية لتحسين الحساسية، وقد أثبت العمل الأخير باستخدام الذروة الاسترشادية، والأعباء القائمة على اللافقار، و 3 عمليات في إطار نظام المعلومات المالية الوطنية وجود مؤشرات تقييمية ذات ضوضاء تقل عن 1 درجة مئوية/هرتز، مع الاحتفاظ بسلاسل النطاق الترددي فوق 100 درجة مئوية.

تجهيز الإشارات والتعلم في مجال الآلات

(أ) استخدام المواصفات التقليدية للتلقينات المتساوية الثابتة (مثلاً، خط التعادل المستمر في استخدام الـ (CTLE) وأجهزة الاسترجاع المكافئة في اتخاذ القرارات (DFE) (DFconr) (القدرات التعليمية) يمكن أن تكيف الآن مع معايير استقبال في الوقت الحقيقي للتعويض عن تدهور الرابط الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة أو ارتفاع الألياف أو تلوث الموصول.

مواد كشافة (المواد من نوع (DM، غرافين

وفي حين أن السائل المغنطيسي والألماني يهيمن اليوم على مواد ذات صبغة ثنائية مثل الدهون والهيكلات المعدنية التي تمر بمرحلة انتقالية (مثلاً، موز-2) توفر خصائص فريدة للكشف عن الإصابة بالصدمات الضوئية، ويمكن أن تحقق أجهزة التصوير الضوئي في غلافين من ملاحظات مرئية إلى متوسطة الأشعة تحت الحمراء، مع سرعة سرعة التلقينات في الوسط (زون الثاني).

خاتمة

إن التصاميم الضوئية المثلى للمستقبل هي أساسية لتطور العلاقات بين مراكز البيانات، ومن نطاق الترددات وحساسية كفاءة الطاقة والتغليف، يجب أن يتم تصميم كل جانب من جوانب جهاز الاستقبال بعناية لدعم النمو المستمر في حركة البيانات، وتحصل على أحدث ما يلزم من أدوات تصميمية مصممة حسب النطاقات، وتحصل على أحدث ما يمكن من خلال تركيبها من أدوات تصميمية، وتعتمد على تقنيات مصممة ذاتية، وتعتمد على أساسها.