ومع استمرار تزايد الطلب على البيانات، فإن نظم الاتصالات البصرية تدفع إلى ارتفاع معدلات البيانات، بما في ذلك 100 زاي وما بعده، ويستلزم تصميم أجهزة استقبال بصرية قادرة على معالجة هذه السرعة النظر بعناية في مختلف العوامل لضمان الأداء والموثوقية وفعالية التكلفة، وفي الاتصالات الحديثة ووصلات مراكز البيانات، يصبح جهاز الاستلام البصري مكوناً حاسماً: فهو يحول إشارة بصرية إلى تردد كهربائي متأصل إلى 100 درجة عالية من التعافي من البيانات اللاحقة().

وتتوسع هذه المادة في التحديات الأساسية واستراتيجيات التصميم والتكنولوجيات الناشئة التي تحدد أجهزة استقبال بصرية عالية السرعة لـ 100 ألف وما بعد ذلك، وتوفر للمهندسين والمهندسين المعماريين للنظام دليلا عمليا لاتخاذ خيارات تصميم مستنيرة.

التحديات في تصميم أجهزة الاستقبال ذات السرعة العالية

وتواجه معدلات البيانات التي تبلغ 100 زاي وأكبر عدد من أجهزة الاستقبال البصرية عدة تحديات تقنية تضاعف مع ارتفاع معدلات الرموز، وتفصل الأقسام الفرعية التالية المسائل الأكثر أهمية.

القيود المفروضة على الضمادات والتجارة السريعة

ويحدّد جهاز الاستنشاق الضوئي والتعريف معاً نطاق الترددات التي يُستخدم فيها جهاز الاستلام، ويُنظّم ارتفاع معدل الإصابة بالأشعة فوق البنفسجية في أقل المراحل من التكوين (0.2 إلى 0.5) في إطار الرقم القياسي لحجم الترددات العالية، ويُشكل الاختراق في إطار هذا الرقم من مقياس للضوء (50 غيغاهيرتز).

الإشارة إلى نسبة وقابلية الاستلام

كما أن الحفاظ على مستوى عال من الترددات الوطنية أمر أساسي لتحقيق معدل منخفض من الترددات، وفي نظم PAM4، تفصل مستويات التردد الأربعة بثلث الترددات العالية التي ترتفع إلى أعلى، مما يجعلها أكثر عرضة للضوضاء من إشارة غير متناهية إلى الترددات العالية، كما أن مصادر الضوضاء السائدة في جهاز استقبال الصور الضوئية تتضمن ضوضاء متزامنة.

آثار التشت

ويتسبب التشت المزمن والتشتت في الاستقطاب في انتشار النبضات في توسيع نطاق الضغط وتداخل النسيج بين النسيج، ويصبح مؤتمر نزع السلاح، بالنسبة لمتلقي الكشف المباشر، عقوبة شديدة عند 100 غباد، حتى على نطاق الألياف القصير، ويعتمد العديد من النظم الآن على التعويض عن النسيج أو الارتباك الإلكتروني في التقلبات الرقمية المتأصلة في جهاز الاستلام.

جليس وتوقيت

وتحتاج البيانات العالية السرعة إلى استرجاع دقيق للساعة، بل إلى درجة الارتداد من معهد العلوم والتكنولوجيا وجهاز التصوير الضوئي، فضلاً عن جهاز تحديد الهوية من القيود على نطاق الترددات وضد الملامح، مما يقلل هامش التوقيت، وفي 100 ألف من اللحظات المتناهية من الذروة إلى القمم، يمكن أن يتدهور بدرجة كبيرة، كما أن تصميمات الاستلام كثيراً ما تتضمن أجهزة كشف المرحلة الحالية ولكن جهازاً للانتعاش.

التعبئة والإعجاب

وفي إطار الترددات التي تزيد عن ٥٠ غيغاهيرتز، فإن كل ملليمتر من أسلاك السندات أو خط الميكروبات يستحدث خطاً طفولياً وقصاصاً يمكن أن يسبب ذروة أو انطلاق أو تذبذبات، كما أن عبوات النسيج المتدفقة، والاندماج في الهواء المضغوط )الدوائر المتكاملة الصوتية، وأجهزة التفريغ( تستخدم بشكل متزايد للتقليل من الطفيليات.

استهلاك الطاقة والإدارة الحرارية

ويستهلك عدد كبير من اتفاقات الاستثمار التقني السريع، والسائقين، ودليل الدعم الميداني قوة كبيرة، ويمكن أن يستهلك جهاز استقبال من طراز PAM4 1-3 W لكل قناة، كما يمكن أن يتجاوز نموذج 400G (4100G) 10 W. ويجب أن تُفرَّق هذه الحرارة من خلال حالة الوحدة، التي كثيرا ما تكون ذات شكل صغير من عوامل التحيز (الضجيج من نوع SFP -DD، وجهاز تحديد النطاق الترددي).

استراتيجيات التصميم لتحسين الأداء

وللتغلب على التحديات المذكورة أعلاه، يستخدم المهندسون عدة تقنيات تصميم محددة على مستوى الأجهزة والدائرة والنظم.

متقدم في اختيار Photodiode

مُتسرعين جداً، تأتي عدة نكهات:

  • PIN photodiodes] – Offer low bias voltage, excellent linearity, and moderate responsivity (0.6 - 0.9 A/W). For 100Gbaud, the active area is typically 10 -20 mim in diameter. Stateof- - — the‐- -
  • Avalanche photodiodes (APDs)] - Provide internal gain (M factor) that can improve receiver sensitivity by 5-10 dB, but they require high bias (25-50 V) and introduce excess noise (excess noise factor F > 2).
  • Waveguide photodiodes (PIN or UTC)] – Using evanescent coupling in a waveguide, these devices decouple the absorption length from the carrier transit time, achieving very high bandwidth+ (gt; 100 GHz) with good responsivity. Unidiotravelling photoGrier (UTC)

وبالنسبة للمستقبلين المتماسكين، فإن الديوهات المتوازنة ذات نسبة عالية من الرفض المشترك هي أساسية لقمع الضوضاء على كثافة الموصلات المحلية، وهي عادة ما تكون مثبتة في شكل ثنائي الأبعاد.

Transimpedance Amplifier (TIA) Topologies

ويجب على هيئة المراجعة المؤقتة أن تحول الصورة (التي تبلغ ذروتها 0.1 إلى 1 ميغاواط) إلى تقلب حراري يتراوح بين 100 و500 ميلف pp .

  • Regulated cascode (RGC) TIA] - انخفاض المدخلات، اتساع نطاق التردد، وضوضاء معتدل، ومعدل قطع تجارية كثيرة.
  • Inductor —Inductor — highlypeaked TIA – Using on — slinkal inductors or T‐coils to extend bandwidth by up to 50% at the cost of area and higher group —delay variation.
  • Distributed amplifier TIA - Uses multiple gain stages in a transmission miles structure to achieve extremely wide bandwidth (gt; 100 GHz) but consumes more power and area.
  • Low —voltage CMOS TIAs] - With fin —FET processes (7 nm and below), designers can realize TIAs with > 60 GHz bandwidth and < 20 pA/Hz — inputreferred noise, enabling co-integration with DSP in a single ASIC.

Noise optimization: Using a large feedback resistanceor (Rf]) reduces thermal noise, but the parasitic capacitance at the input node limits bandwidth. A common technique is to use a shunt‐shunt border feedback topology with an inverting gain stage. Advanced designs use active feedback or currentmode

تقنيات تحقيق المساواة

ولأن أفضل من يُعين منصة للتسجيل في إطار التناظر لا يمكن أن يعوض بالكامل عن المعهد الدولي للكشف عن حالات التشت أو القيود المفروضة على نطاق الترددات، فإن التكافؤ الإلكتروني إلزامي بالنسبة لأجهزة استقبال 100G+.

  • Continuous long linear equalizers (CTLE)] - Placed in the analog path, an CTLE boosts high —frequency content (i.e.,toming) to flatten the overall channel response. CTLE coefficients are often fixed or adapted offline.
  • Decision — feedback equalizers (DFEs)] - Use previously detected symbols to abolish ISI. For PAM4, a DFE with 1-5 taps is common. The main challenge is timing: the feedback must settle within one symbol period (10 ps for 100Gbaud). Speculative or gap-unrolled structures are used to meet timing constraints.
  • Feed —Feed —forward equalizers (FFEs)] - Linear FIR filters that can pre-compensate for pre-cursor and post —cursor ISI.
  • Maximum —likelihood sequence detection (MLSD)] - Powerful but computationally expensive; rarely used in power —constrained modules.

وفي أجهزة استقبال متماسكة، تحدث جميع أوجه التكافؤ في المجال الرقمي بعد اكتشاف متماسك: مكافئ متعدد النواتج من نوع ×2 مع مكافئة من 10 إلى 20 جهازاً من أجهزة الصنابير يتعامل مع كل من CD و PMD، بينما تقوم حلقة الاسترداد من الناقلات بتصحيح الضوضاء في مرحلة الليزر.

نهج النموذج والكشف

ويؤثر الاختيار بين الكشف المباشر (التعديلات الحساسية/المسح التصويري الكيميائي) والكشف المتماسك تأثيراً قوياً على هيكل أجهزة الاستلام.

  • () Direct — AM4] — Low complexity and cost. The receiver consists of a single photodiode, TIA, and analogto —digital converter (ADC) followed by equalization in the DSP. It is predominant for reach up to 10 -40 km (e.g. 400GBASELR4).
  • () الكشف المتزامن (DP ---QPSK, DP16QAM) ] - يستخدم جهازاً محلياً للأشعة السينية، وهجيناً بصرياً، وأربعة أجهزة تصوير متوازنة (تعذيب، وكمية، ونسختين) وتعوض التراجع الرقمي عن جميع الاضطرابات التي تصيب كل خط، ويمكن أن تصل إلى آلاف الكيلوغرامات المميترية.

وفيما يتعلق بالمعايير الناشئة البالغة 800 زاي و1.6 تاء، يجري توحيد كل من معياري الحد الأقصى للكميات 4 (لمسافة تصل إلى 2 إلى 10 كيلومترات) والتماسك (للمدى أطول) ويجب أن يُصمم تصميم جهاز الاستقبال وفقا لذلك.

الإدماج التصويري والتغليف

وللحد من الطفيليات والحد من البصمات، يزداد استخدام الدوائر المتكاملة للصور الضوئية، كما تتيح منابر السيليكون الدمج المشترك بين أجهزة التصوير ذات السرعة العالية (الجهاز الهضمي للأجهزة اللاسلكية، أو جهاز التحكم بالأشعة السينية، أو أجهزة الاستشعار الضوئية، أو أجهزة الاستشعار عن بعد على نظام غذائي واحد، مما يقلل من طول الربط بين أجهزة التصوير الضوئي والجهاز التصويري للتقنية.

وتشمل تقنيات التعبئة ما يلي:

  • Flip —chip bonding] — Photodiode mesa is turnedped into a CMOS TIA fr, with saleser shocks providing both electrical and thermal paths.
  • 3D integration] – Using microbumps or through‐silicon vias (TSVs) to stack photonics and electronics.
  • Optical sub‐assembly — Fiber array attached via V —grooves, with lenses for edge coupling.

ويمكن لمجموعة من التدابير الجيدة التصميم أن تقلل من معامل التأمل (S11) تحت مستوى 15 د.ب إلى 70 جيهرتز، مع تجنب الطوابق في الاستجابة للتواتر.

الإدارة الحرارية

وتدار عملية تفكك الحرارة عن طريق مصارف الحرارة، ومواد الوصل الحراري، وعند الضرورة، أجهزة التبريد الحرارية للليزر، وفي وحدات أجهزة الاستلام، تكون المبادرة التقنية المصدر الرئيسي للحرارة (1-2 W لكل قناة)، وتستخدم الوحدات المتقدمة هياكل الفحمية المتجسدة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور لنشر الحرارة في الحالة(85).

اختبار وإثبات المقبوضات العالية السرعة

ويتطلب التحقق من أن جهاز استقبال بصري يفي بمواصفاته بـ 100 زاي + معدات اختبار متخصصة ومنهجيات قياس دقيقة.

  • Optical modulation analyzer (OMA)] - Generates PAM4 or coherent test patterns and captures the received eye diagram. Key metrics: eye opening (inner eye altitude, outer eye altitude), transmitter and dispersion eye closure (TDECQ).
  • Bit —Bit —error rate tester (BERT)] - Measures BER at the CDR output. For PAM4, uses a four‐level pattern electricity and hours recovery.
  • Frequency —response measurement – Using a vector network analyzer (VNA) with an optical component (e.g., a 70 —GHz photodiode and a lightwave component analyzer) to measure S21 and S11 of the receiver.
  • Noise figure and sensitivity test] – Vary the optical input power until the BER reaches the forward mistake correction (FEC) limit (e.g., 2 x10]−4) for KP4 —FEC). The optical power at this point defines the receiver sensitivity.

ويجب أن يُحسب الاختبار لحالة الإطلاق (ال الألياف المتحركة، الاستقطاب)، ودرجة الحرارة، والشيخوخة، كما أن العديد من دور الاختبار تؤدي اختبار الإجهاد مع زيادة الارتباك وتناوب الاستقطاب لتحفيز البيئات الواقعية في العالم.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ولا تزال البحوث والتطوير تدفع حدود أداء أجهزة الاستقبال البصرية، وهناك عدة مجالات تعد بالجيل القادم من النظم بـ 200 جي لكل مجال وما بعده.

Silicon Photonics with Advanced CMOS

(ب) تشمل بالفعل منابر التصوير السيليكونية القائمة الموصلات والصور الضوئية وبعض الإلكترونيات، والخطوة التالية هي الإدماج الأحادي لجميع وظائف أجهزة الاستلام (الصوت، ووكالة الاستخبارات الأمريكية، وشركة التعمير والتنمية، وشركة DSP) في عملية واحدة من 7 أميال أو 5 أميال من طراز FinFET، مما يقلل بشكل كبير من المصيد الطفيلي، وتقلل الطاقة، وانخفاض التكلفة.

مواد إعلامية لأجهزة التصوير الفوتوودي

2 - وقد أظهرت مواد ثنائية الأبعاد مثل الدهكجين والتحول إلى ثنائيات متعددة الفلزات (الأجهزة الآلية) تنقل الناقلات فوق العالي واستيعاب النطاق العريض.() وقد أظهرت أجهزة التصوير الفموية في غرافين وجود عدد من الرواسب فوق 200 غيغاهيرتز في نماذج مختبرية، رغم أن القدرة على الاستجابة لا تزال منخفضة (0.01 إلى 0.1 ألف/واو).

التعلم في مجال تجهيز الإشارات في الوقت الحقيقي

يمكن للشبكات العصبية والتعلم العميق أن يتجاوزا المساومات التقليدية في قنوات غير خطية أو موقوتة للغاية، فعلى سبيل المثال، يمكن لمجموعات المكافئات القائمة على أساس التطوّر أن تعوض عن كل من العاهات الخطية وغير المباشرة (أثر الفرز، XPM) في نظم متماسكة، مما يتيح الوصول إلى شبكة أو قوة إطلاق أعلى، غير أن استهلاك الطاقة الكهربائية ودرجة تساهل هذه البنى من نظم برمجيات نظام كهرباء البيانات الرقمية يجب تخفيضها.

مخططات التعديل المتقدم ونظام إدارة الدعم الميداني

وفيما عدا حركة التحرير الفلسطينية الرابعة وإدارة شؤون الإعلام - 16QAM، يمكن أن تستخدم المعايير المقبلة PAM8, 64QAM أو تشكيل هيكلي محتمل (PCS) لتحسين مطابقة خصائص القنوات، أما بالنسبة للمطالبات المتعلقة بخطوط الاستلام التي تشدّد بدرجة كبيرة، فإن عقوبة إعادة التأهيل ستزداد اتساعاً.

الأجهزة المتقدمة والمركبات ذات القدرات المتطورة

ويضع الاتجاه نحو السمعيات المكبلة بالصورة المتحركة (المستقبل والمرسل) قريبة جداً من التحول إلى نظام المعلومات الإدارية الآلي، مما يقلل من طول آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور واستهلاك الطاقة، وفي CPO، يتم ربط أجهزة الاستديوهات الضوئية بالاستعانة مباشرة بمجموعات المواد الكيميائية (ASIC) وتُلحق صفائف الألياف عن طريق أجهزة الاتصال البصرية، مما يزيل الكثير من أجهزة التغليف، مما يتيح صناعة أوسع نطاقاً.

خاتمة

أما أجهزة الاستلام البصرية للمجموعة 100 زاي وما بعدها فهي تحد متعدد التخصصات يشمل الفيزياء شبه الموصلية، وتصميم الدوائر اللاذعة، والتغليف، وتجهيز الإشارات الرقمية، وتحصل المحاور الرئيسية للأداء على الترددات، والضوضاء، والتكرار، والطاقة، والكلفة - التي هي ذات صلة، وتجبر المهندسين على إجراء معاملات متبادلة تستند إلى التطبيق الأمثل للصور.