כמו מרכזי נתונים היפרקליים וארגוניים ממשיכים את ההתרחבות הבלתי פוסקת שלהם כדי לענות על הדרישות של מחשוב ענן, AI עומסי עבודה, ו- 5G edge שירותים, הלחץ על תשתיות קישורי קשר בין-תחומיים הפך לעמוד השדרה של רשתות אלה, טיפול בנתוני terabit-per-II על פני racks, שורות וקמפוסים בלב כל קישור אופטי הוא מקלט אופטי - אשר מגיע לתקני תאורה קריטיים יותר.

התפקיד של מקבלי אופטי במרכז נתונים

בחיבור מרכזי נתונים טיפוסי, משדר ממיר נתונים חשמליים לאור מתואם, אשר עובר דרך סיבים למקלט. photodetector של המקלט ממיר את הכוח האופטי בחזרה לתוך זרם חשמלי, אשר לאחר מכן הוא מוגבר, מסונן, ומעובד כדי לשחזר את האות הדיגיטלי המקורי (המתג'ר חייב להתרחש עם עיוות מינימלי, רעש יקר, רגישות מספקת כדי לזהות סימנים לאחר אובדן, פיצול, ולהפחית את אחוזי הפחתת ההשפעה של פחות או יותר מ-800 נקודות זכות.

עיצוב ביצועים מרכזיים עבור עיצוב קבלה אופטי

תכנון מקלט אופטי בעל ביצועים גבוהים דורש איזון בין מדדים בין-תלויים.התתת הבאה מפרטת את המהנדסים הפרמטרים הקריטיים ביותר שיש לשקול.

נביחות ודירוג נתונים

רוחב הפס של המקלט חייב להיות רחב מספיק כדי להתאים את התדרים הגבוהים ביותר הקיימים בסימן המנוי.עבור לא-חזרה-ל-אפס (NRZ) או דופק-אמפליטוציה (PAM4) אותות רוחב הפס הנדרש הוא בדרך כלל סביב 0.7 עד 0.8 פעמים קצב הבשור. Insufficient רוחב פס גורם התערבות בין-אפילבול (I), מהדרדרדרדרדרדרמה העין והגדלה של ACMIFerance Active Openerance) יכול לעתים קרובות להפחית את רוחב הפס הפעילה של תאים מתקדמים יותר.

  • (ב) ב-112 ג'ופס: "FalveLT 1:0" נדרש בערך 80 GHz של רוחב פס של מקלט.
  • (FLT:0)PAM4 ב 112 GBaud:FreaLT:1) השתמש בחצי רוחב הפס של אות NRZ שווה ערך, אך דורש ליניאריות גבוהה יותר ו-SNR.
  • (FLT:0) גילוי גלוי: 1FLT מעביר דרישות רוחב פס למיר אנלוגי-לספרי (ADC) ו- DSP, מגבלות אנלוגיות חד-צדדיות.

TIAs מסחרי עכשיו להשיג רוחב פס מעל 70 GHz עבור מקלטים ערוץ יחיד, בעוד מקלט פוטוניקה משולב לדחוף מעל 100 GHz באמצעות CMOS מתקדם או SiGe BiCMOS תהליכים CMOS:0 irFLT:1 [1]

רגישות ו- Noise Figure

רגישות מועדפת מגדירה את הכוח האופטי המינימלי הנדרש כדי להשיג TER (למשל, 10 ⁇ :0-12FLT:1) רגישות גבוהה מאפשרת קישורים לפעול עם כוח שידור נמוך יותר או למרחקים ארוכים יותר ללא מגברים. S.I הוא מוגבל בעיקר על ידי שלושה מקורות רעש: ירית רעש מן photocurrent, רעש תרמי מן TIA, וגבר רעש מן השלבים הבאים (הדמיון) עבור ירידה ישירה של אותות (Ren) באמצעות ירידה ישירה של אותות).

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) קידם מקלטים מבוססי APD: ⁇ 1 יכול להשיג 5-10 dB רגישות טובה יותר מאשר גלאי PIN עקב רווח פנימי.

ניהול כוח וכלכלה

מרכזי נתונים הם סביבות מוגבלות כוח, עם חיבורים אופטיים לצרוך חלק משמעותי של תקציב האנרגיה.התמכת הכוח של המקלט מגיעה בעיקר מ-TIA, הגבלת מגבר, וכל שחזור של שעון ונתונים עוקבים אחר כך (CDR) או DSP מעגלי כוח משתמש במודולים של ניהול חשמל של 10-50 מ"מ לערוץ עבור 100 + Gps.

טכנולוגיות מתקדמות נהיגה מקבל אופטימיזציה

מספר פריצות דרך טכנולוגיות אפשרו את השיפורים של שינוי צעד בביצועי מקלט אופטיים בעשור האחרון.

תצלום: Silicon Photonic Integrated Circles

⁇ CMOS ייצור כדי לשלב photodetectors, Modulators, ורכיבים פסיביים על שבב יחיד. Germanium-on-silicon (Ge-on-Si) photodetecators מציעים סיליקון גבוה מגיבה (ב-A/W) ב-1310 nm ו 1550m גל LTs, עם רוחב פס מעל 50GHz שיפור סיליקון כמו מחסנים ו-Fte) עם שיפור תמונות נמוכות יותר.

תצלומים של Avalanche (APDs) ו- Ge-on-Si APDs

(א) PDs לספק רווח פנימי באמצעות ionization השפעה, הגדלה של photocurrent לפני TIA. זה רווח משתפר על ידי רעש תרמי הנכנס, אבל עלות רעש עודף בשל האופי האקראיות של תהליך הכפל המסורתי (InGaAs APDs) בשימוש נרחב עבור 10-40 Gbps קישורים, אבל רוחב הפס שלהם ורווחים מוגבלים.

גילוי דעת ו-DSP

תקשורת אופטית מתקדמת, שנשמרה פעם לרשתות ארוכות-הקול, מאומצת יותר ויותר בחיבורי מרכז הנתונים למרחק של 10 ק"מ ועבור חטיבת גל ספירה באורך גבוה (WDM) משתמשים במקבלי זיהוי מקומי וספקית של עדר של 800 מעלות אופטית כדי ללכוד את המידע המרוקן והשלבי.

גילוי ישיר עם PAM4 ו-Fun

(עד 10 ק"מ) קישורים קצרים יותר (עד 10 ק"מ), זיהוי ישיר עם PAM4 Modulation הפך לבחירה הדומיננטית. PAM4 מעביר שני ביטים לסמל באמצעות ארבע רמות amplitude, הכפלת שיעור הנתונים באורך גל תוך שמירה על קצב הבשור של 4GB ל- 10-12A) עלות לינארית גבוהה יותר מ- 10GBFoncating כמעט ל-R.

אתגרים עיצוב ומסחר

אופטימיזציה של מקלט עבור פריסת העולם האמיתי כוללת מספר אתגרים הקשורים.

השפעות חמורות ואריזות

רכיבים פוטוניים מהירים הם רגישים טמפרטורה.התגובה של ג' photodetectors, רווח של APDs, ואת הזרם האפל משתנה עם טמפרטורה. לדוגמה, APD מקבל ירידה כמו הטמפרטורה עולה, הדורשת הסתגלות מתח הטיה.יתר, הרחבה תרמית של חומרי אריזה יכול להטעות הפיכה אופטיקה, רגישות מחית.

רעש וניהול קרוסקור

ככל שערוץ ספירה עולה כדי לענות על דרישות קיבולת, קרוסטור בין מקלטים סמוכים הופך לדאגה רצינית. צחצוב חשמלי עולה מהפיכה קיבולית ו אינדוקטיבית על לוח המעגל המודפס או בתוך מודול multichip. crosstalk אופטי יכול להתרחש במערכות WDM אם סינון רול-offs אינם חדים מספיק.קבל משתמש אותות שונים, שמירה, זהיר, וחצה כדי לדכא ביצועים מתחת ל-PTD2 הוא לאות קריטי.

עלויות ו Scalability

מפעילי מרכז הנתונים דורשים עלות נמוכה יותר באופן מלא.הפוטוקטור של המקלט ו-TIA חייב להיות מיוצר בנפח גבוה עם תשואה גבוהה. סיליקון פוטוניקה מציעה נתיב לסקאלה כי אותם CMOS fabs המשמשים ללוגיקה וזיכרון יכול לייצר שבבים פוטוניים.עם זאת, שילוב של אפייום גרמני ומדורגת תת-מטר של זוג גרפיטים דורש תהליכים מיוחדים שמוסיפים את העלות של ה-1.6G להגדלת החומרים המוליכים למחצה.

עיצוב קבלה אופטי

במבט קדימה, כמה כיוונים מחקריים מתעוררים מבטיחים לדחוף ביצועים אופטיים עוד יותר.

אולטרה-נמוך Amplifiers

הפחתה של רעש רצוי TIA הוא אחד הדרכים היעילות ביותר לשיפור הרגישות.עבודה חדשה באמצעות שיא אינדוקטיבי, תעמולה מבוססת על ופרגן, ו 3 nm FinFET הראה TIAs עם רעש מתחת 1 pA / ⁇ תוך שמירה על רוחב פס מעל 100 GHz. co-design של photodetector ו-TIA כמו מעגל יחיד מניב הפחתה נוספת של רעש על ידי נקודות טיג 'קיגה' ו-פרזה לשימוש ב-pretating על ידי עומסים.

עיבוד אותות הסתגלות ולמידה

(הופנה מהדף נספחים) משתמשים בהתאמת קבועה (למשל, זמני ליניארית חוזרת לשווה ערך CTLE) ותגובה לחיוב שווה ערך (DFE) לנגב משקלים (למשל, טכניקות למידת מכונה יכולות כעת להתאים פרמטרים של מקלט בזמן אמת כדי לפצות על ההידרדרות הקישור הנגרמת על ידי סחף טמפרטורה, סיבים, או חיבור של אלגוריתמים (RLT2) כדי לצפות כישורים אופטיים או רווח של APD2 על ידי סיליקון עמוק על ידי סיליקון: 1.F2 (F) יהיה שיפור אלגוריתמים (DLT2) אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים (R) אלגוריתמים של אלגוריתמים (R) אלגוריתמים (R) אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים (R) אלגוריתמים לא אלגוריתמים (RLT2 (R) אלגוריתמים) אלגוריתמים (RLT2 (R) אלגוריתמים) אלגוריתמים) אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים) אלגוריתמים (RLT2 (R) אלגוריתמים של אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים) אלגוריתמים של אלגוריתמים (R

חומרים חדשים (2D חומרים, Graphene)

בעוד פלטפורמות סיליקון וגרמניה לשלוט היום, חומרים דו-ממדיים כגון גרפן והחלפת dichalcogenides מתכת (למשל, MoS2, WS2) מציעים תכונות ייחודיות עבור photodection. Graphene photodetectors יכול להשיג תגובה אולטרה-broadband מ גלויה ל-A-infraredic מהירות (זמן המעבר המהיר) עם גרף 2 קומות) נמוך יותר עם גרף 2.

מסקנה

אופטימיזציה של עיצובי מקלט אופטיים היא יסודית לאבולוציה של חיבורי מרכז הנתונים.מפס רוחב פס ורגישות ויעילות כוח, כל היבט של המקלט חייב להיות מונדס בקפידה כדי לתמוך בצמיחה חסרת רחמים בתנועה של נתונים.התקדמות בפוטונים סיליקון, Ge-on-Si APDs, לעמוד באלמנטים לזיהוי קוהרנטי יותר, ו-DSP אדפטיטיבי כבר סיפקו שיפורים דרמטיים בחומרים עתידיים, עיצוב, כדי להמשיך את דרישות אבטחה מורכבות יותר ויותר.