מאחר שדרישות הנתונים ממשיכות לצמוח, מערכות תקשורת אופטיות דוחפות לעבר שיעורי נתונים גבוהים יותר, כולל 100G ומעבר לכך, עיצוב מקלטים אופטיים המסוגלים לטפל במהירויות אלה דורשות שיקול זהיר של גורמים שונים כדי להבטיח ביצועים, אמינות וחסכוניות. בטלקומוניקציה המודרנית ומרכז הנתונים המקשר, המקלט האופטי הוא מרכיב קריטי: הוא ממיר אות אופטי נכנס לתוך מתח חשמלי חזק מספיק ונקי לשעון לאחר מכן, ושיקום (R) באמצעות לחץ דם קבוע (Ricercentulation) הופך לעתים קרובות מעבר ל-Ricerp-Ricerpation) באמצעות רכיב קריטי, כלומר, כלומר, לחץ דם (Ricoptextextextextexerdation) ו-R.

מאמר זה מתרחב על האתגרים הליבה, אסטרטגיות עיצוב וטכנולוגיות מתפתחות המגדירים מקלט אופטי במהירות גבוהה עבור 100G ומעבר, מתן מהנדסים ואדריכלי מערכת עם מדריך מעשי כדי לבצע בחירות עיצוב מושכלות.

אתגרים בעיצוב מהיר אופטי

בשיעורי נתונים של 100G ומעלה, מקלטים אופטיים מתמודדים עם מספר אתגרים טכניים המורכבים ככל ששיעורי הסמל עולים.התתת הבאה מפרטת את הנושאים הקריטיים ביותר.

מגבלות בנדידות ו- Capacitance-Speed Trade-off

photodiode ו transimpedance amplifier (TIA) יחד לקבוע את רוחב הפס של המקלט. A PIN photodiode או intrinsic capacitance (בדרך כלל 0.2-0.5 pF עבור מכשירים מהירים) ואת ההפיכה של TIA הוא יעיל מאוד ל- 0Bultance של 0.

אותות-to- Noise Ratio ולקבל רגישות

שמירה על גבוה SNR חיונית להשגת שיעור נמוך של מעט אימה (ב) במערכות PAM4, ארבע רמות האמפולות מופרדות רק שליש מהתנדנדה של הפסגה-ל-אפאק, מה שהופך אותם שלוש פעמים פגיעים יותר לרעש מאשר לא-חזרה-לאפס (NRZ) אות של אותו כוח שיא.

תוצאות

פיזור Chromatic (CD) ופיזור של מפולקליזציה (PMD) גורם הדופק להרחיב והתערבות בין-סימלבול (ISI) עבור מקלטים ישירים, CD הופך עונש חמור ב 100Gbaud, אפילו יותר ממגוון סיבים קצרים.מערכות רבות מסתמכות כעת על סיבים מעצימים או פיצויי פיזור אלקטרוני (EDC) במקלט קוהרנטיביים למגוון רחב של חומרים דיגיטליים, אך חייבו לספק את עוצמת ה-דינמיים לפיזור האלקטרומגנטי של סמכותי, אך ורק לפיזור חזיתי של סמכותי של סמכותי.

Jitter Recovery

נתונים מהירים דורשים שחזור שעון מדויק.ג'יטר אקראי מן TIA ו photodiode, כמו גם ג'ייטר דטר סטטר ממגבלות רוחב פס ועיוותים לא מתאימים, להפחית את שולי התזמון. at 100Gbaud, אפילו 100 שניות של שיא עד קצה ג'ייטר יכול לזלזל באופן משמעותי.קבל עיצובים לעתים קרובות לשלב גלאי מפץ או מולר-מלר, התאוששות נמוכה, אבל יש צורך במעבר נקי.

אריזה ו Parasitics

בפס רוחב פס מעל 50 GHz, כל מילימטר של חוט האג"ח או קו microstrip מציג אינדוקטי parasitic inductance ו capaciacitance שיכול לגרום לשיא, רול-off, או oscillations. Flip-chip אריזה ושילוב על שבב (עיגולים משולבים פוטו-שחלבים, PICs) משמשים יותר ויותר למזער parasitics.

ניהול חשמל ו-Thermal Management

TIAs במהירות גבוהה, נהגים ו- DSP צורכים כוח משמעותי. A 100Gbaud PAM4 המקלט יכול לצרוך 1–3 W לערוץ, ומודול 400G (4×100G) יכול לעלות על 10 W.חום זה חייב להיות מתפזר באמצעות המקרה מודול, אשר לעתים קרובות צורה קטנה של טופס קטן-מתאים (QSFP-DD, OSFP Designer).

אסטרטגיות עיצוב עבור ביצועים משופרים

כדי להתגבר על האתגרים לעיל, מהנדסים מעסיקים כמה טכניקות עיצוב קונקרטיות במכשיר, המעגל, ורמות המערכת.

צילום: Advanced Photodiode Selection

תמונות מהירות גבוהה מגיעות במספר טעמים:

  • (FLT:0) פוטודיודות פוטומטרידות (FLT:1) - להציע מתח הטיה נמוך, ליניאריות מעולה, ותגובה מתונה (0.6–0.9 A/W) עבור 100Gbaud, האזור הפעיל הוא בדרך כלל 10-20 מיקרומטר בקוטר.
  • (FLT:0) Avalanche photodiodes (APDsigs)FLT 1 - לספק רווח פנימי (M factor) שיכול לשפר את הרגישות המקלט על ידי 5-10 dB, אבל הם דורשים הטיה גבוהה (25-50 V) ולהציג רעש עודף (גורם רעש אקסט) אך לעתים קרובות לבנות רוחב פס ארוך; 2) APDs הם אטרקטיבי עבור רשתות אופטיות ארוכות טווח (ON) שבו הוא מערכת רוחב פס קריטית, אך לעתים קרובות הוא מוגבל ל-GHz;
  • (FLT:0)Wave guidediodes (PIN או UTC)FLT:1 - שימוש בהפיכה בולטת בהדרכת גל, מכשירים אלה מקלקלים את אורך הקליטה של זמן המעבר המוביל, השגת רוחב פס גבוה מאוד (וגיל; 100 GHz) עם רפידות טובה.

עבור מקלטים קוהרנטיים, photodiodes מאוזנים עם יחס דחייה משותף גבוה (CMRR) הם הכרחיים לדכא רעש אינטנסיבי של אוסטר המקומי.אלה בדרך כלל רכוב תצורה כפולה.

Transimpedance Amplifier (TIA) topologies

ה-TIA חייב להמיר את photocurrent (בדרך כלל 0.1-1 מ"א) לתוך תנופה מתח של 100-500 mVreaFLT:0ppcioFLT:1.

  • (ב) ⁇ (ה- RGC) TIRIAFLT ( 1:1) - ניכוי קלט נמוך, רוחב פס רחב ורעש מתון.
  • (FLT:0) Inductor-peaked TIAuraveFLT:1) - שימוש בתלמידים ספירליים של שבב או T-coils כדי להרחיב רוחב פס עד 50% עלות האזור וריאציות גבוהות יותר של פיגור קבוצות.
  • (FLT:0)Distributed amplifier TIAuraveFLT:1) - השתמש במספר שלבים של רווח במבנה קו שידור כדי להשיג רוחב פס רחב מאוד (וגיל; 100 GHz) אבל צורכת יותר כוח ואזור.
  • (FLT:0)Low-voltage CMOS TIAscioFLT 1 - עם תהליכים פיננסיים-FET (7 nm ולמטה), מעצבים יכולים להבין את TIAs עם > 60 GHz רוחב פס וlt; 20 pA / ⁇ רעש מועדף קלט הרץ, המאפשר אינטגרציה עם DSP יחיד ASIC.

אופטימיזציה Noise: Using a Great משוב התנגדות (RFLT:0irph 1) להפחית רעש תרמי, אבל את הציפוי parasitic capacitance בספקטרום של צומת קלט.טכניקה נפוצה היא להשתמש בטופי משוב חרוטים עם שלב רווח מרתיע.

טכניקות שוויוניות

כי אפילו החזית האנלוגית הטובה ביותר לא יכולה לפצות באופן מלא על ISI מפיזור או מגבלות רוחב פס, שוויון אלקטרוני הוא חובה עבור 100G+ מקלטים.

  • (FLT:0) זמני לינארי שווה פיות (CTLEIRLT) 1:1 - ממוקם בדרך האנלוגיה, CTLE מגביר תוכן גבוה קידוד (כלומר, שיא) כדי לזרז את התגובה הכוללת של ערוץ.
  • (FLT:0) הזנת הנקה שווה (DFEs)FLT:1 - השתמש סמלים שזוהו בעבר כדי לבטל ISI. עבור PAM4, DFE עם 1-5 ברזים הוא נפוץ.האתגר העיקרי הוא תזמון: המשוב חייב להתיישב בתוך תקופת סמל אחת (10 ps עבור 100Gbaud). ספקטרום או לולאולטיבי או לולאוללאולציה משמשים תזמון כדי לענות מגבלות.
  • (FLT:0) ,FLT קדימה שווה (FFEsssherFLT) 1:1 - קואר FIR מסננים שיכולים להיות שותפים מראש עבור pre- ⁇ ופוסט- ⁇ ISI.הם משמשים לעתים קרובות בשילוב עם DFEs.
  • (FLT:0) Maximum-likelihood רצף זיהוי (MLSDIRFLT:1) - Powerful but חישובי יקר; לעתים רחוקות בשימוש במודולים מוגבלים.

ב המקלטים קוהרנטיים, כל השוויון קורה בתחום הדיגיטלי לאחר גילוי קוהרנטי: 2×2 מספר רב של קידוד (MIMO) שווה ערך עם 10-20 טאצי מטפל הן CD והן PMD, בעוד לולאה של מוביל-recovery מתקן רעש שלב לייזר.

תבנית וזיהוי גישה

הבחירה בין מחיקה ישירה (מודולציה חושית / PAM4) וגילוי קוהרנטי משפיע מאוד על ארכיטקטורת המקלט.

  • (FLT:0) מחיקת PAM4FearLT:1) - מורכבות נמוכה יותר ועלויות.ה המקלט מורכב מתצלום יחיד, TIA, ו- אנלוגי-ל-to-דיגיטלי ממיר (ADC) ואחריו השווה ב DSP. זה דומיננטי להגיע עד 10-40 ק"מ (למשל, 400GBASE-LR4).
  • (FLT:0) זיהוי קוהרנטי (DP-QPSK, DP-16QAM)igph:1 - השתמש בלייזר אוסטרטור מקומי, 90 מעלות היברידית אופטית, וארבעה תמונות מאוזנות (שני קוטלים, שני קוואדרטורים) (החזרה הדיגיטלית לפצות על כל ליקויים ליניאריים ויכולה להגיע לאלפים של 100G לכל אורך גל, משמש יותר עבור רשתות לייזר קצרות טווח; כמו כן, הוא דורש גם יותר ממרחק של יותר מ-400 ליטרים).

עבור פיתוח של 800G ו-1.6T סטנדרטים, הן PAM4 (עבור עד 2-10 ק"מ) ו קוהרנטי (עבור יותר להגיע) הם סטנדרטיים.

שילוב Photonic ו-Pooling

כדי למזער את הטפילטיקה ולהפחית את טביעת הרגל, מעגלים פוטוניים משולבים (PICs) מועסקים יותר ויותר. סיליקון phonics פלטפורמות מאפשרות שיתוף פעולה של photodiodes מהירות (Ge-on-Si או Si-Ge heterojunction), TIAs, ומודולטורים על אחד למות.זה מקטין את אורך הקישור photodiode-to-TIA למיקרואקטיבי רק כדי כמה מיקרו-דלקתימדומים, הם למעשה מלוכדים יותר טוב יותר.

טכניקות אריזה כוללות:

  • (ב) ⁇ :0) ,Flip-chip אגורה 1 (צילום: צילום: ⁇ ) הוא צמיד ל-CMOS TIA שבב, עם התנגשויות מכרות המספקות הן נתיבים חשמליים ורפואיים.
  • (FLT:0) אינטגרציה 3D 1 (FLT:1) - שימוש במיקרו-בומפים או באמצעות silicon באמצעות TSVs) לערעור תמונות ואלקטרוניקה.
  • (ב) ⁇ :0) ,Optical sub-assemblyFIRLT:1 ; מערך סיבים המחובר באמצעות V-grooves, עם עדשות עבור הפיכה קצה.

חבילה מעוצבת היטב יכולה להפחית את ההשתקפות coefficient (S11) מתחת −15 dB עד 70 GHz, הימנעות משבטים בתגובה לתדירות.

ניהול ארס

פירוק חום מנוהל באמצעות כיור חום, חומרי ממשק תרמיים (TIMs), ואם יש צורך, תרמילים תרמואלקטריים (TECs) עבור לייזרים.במודולים מקלט, TIA הוא מקור החום העיקרי (1-2 W לערוץ) משתמשים במבנים נחושת משובצים ב- PCB כדי להפיץ חום למקרה.

בדיקה ואימות של מקבלי מהירות גבוהה

בדיקת מקלט אופטי עומד על המפרטים שלה ב 100G+ דורש ציוד מבחן מיוחד ומתודולוגיות מדידה זהירה.

  • (FLT:0) מנתח מודולציה מודולרי (OMA)BuildFLT) 1 - יוצר PAM4 או דפוסים מבחן קוהרנטי ולוכד את התרבמה המתקבלת העין: פתח עיניים (גובה עין, גובה העין החיצוני), משדר ופיזור סגר עיניים (TDQ).
  • (FLT:0) במבחן שיעור הטרור (אלברט)אנדרל 1) - מדדים בפלט CDR.עבור PAM4, משתמשים במחולל דפוסים ושיקום שעון.
  • (FLT:0) מדידה של אחריות-response Measureve1) - שימוש ב-Virtual Network Analysisr (VNA) עם רכיב אופטי (למשל, תמונה של 70 GHz ו מנתח גלי אור) כדי למדוד את S21 ו-S11 של המקלט.
  • (ב) ,0) ,לאין (במבחן) ובדיקת רגישות (FLT:103) - Vary the Optifiedקלט power עד שה- ERP4-FEC) מגבול (למשל, 2×10uaFLT:2–403FLT:3 for KP4-FEC).

בדיקות חייבות לקחת בחשבון את מצב ההשקה (סיבים של Single-mode, קיטוב), טמפרטורה, והזדקנות.בתי ניסויים רבים מבצעים גם בדיקות מתח עם פיזור נוסף וסיבובי קוטליזציה כדי לדמות סביבות אמיתיות בעולם.

טכנולוגיות מתפתחות ומגמות עתידיות

מחקר ופיתוח ממשיכים לדחוף את הגבולות של ביצועי המקלט האופטיים.כמה אזורים מבטיחים לדור הבא של מערכות ב-200G לכל נתיב ומעבר לו.

CMOS מתקדם

[הפלטפורמות הפוטוניות הקיימות כבר משלבות את מודטורים, תמונות ואלקטרוניקה מסוימים.הצעד הבא הוא שילוב מונוליטי של כל פונקציות המקלט (צילום: TIA, ADC, DSP) על תהליך יחיד 7-nm או 5nm FinFET. זה היה להפחית באופן דרמטי את החדירה הטפילית, כוח נמוך יותר, ועלויות נמוכות יותר כמו LT:0GLT2 סיליקון:

חומרים חדשים ל Photodetectors

חומרים דו-ממדיים כגון גרפן והחלפת dichalcogenides מתכת (TMDs) הראו ניידות גבוהה נושאת וקליטת פס רחב. Graphene photodetecators הראו רוחב פס מעל 200 GHz אבטיפוס מעבדה, למרות ש responsivity נשאר נמוך (0.01-0.1 A / 0) חומרים אחרים כמו זרחן שחור (phosphorene) מציעים טונה בשפע ו-Freativesponsepteratives עדיין לראות אתגרים נוספים על ידי צילום 2.

Machine Learning in Real-Time Signal Process

רשתות נילי ולמידה עמוקה יכולים לפורש את השוויון המסורתי בערוצים לא ליניאריים או בזמןיים.לדוגמה, רשת עצבית מהפכתית (CNN) המבוססת על שוויצר יכולה לפצות על ליקויים ליניאריים ולא ליניאריים (אפקט Ker, XPM) במערכות קוהרנטיות, המאפשרות להגיע או יותר כוח שיגור גבוה יותר.

שינוי מתקדם ו-DSP Schemes

מעבר PAM4 ו- DP-16QAM, הסטנדרטים העתידיים עשויים להשתמש ב- PAM8, 64QAM, או קבוצת כוכבים פרובביליסטית בעיצוב (PCS) כדי להתאים טוב יותר לתכונות ערוץ ערוצים.עבור PAM8, דרישות לינאריות למקבלות באופן משמעותי, ועונש SNR הופך אפילו גדול יותר.D (D) במדר יכול להירגע כמה דרישות מקלט, אבל עדיין צריך מקלט ליניארי מאוד עבור CAMD (D) גבוה יותר עבור CAM) עבור רוחב פס CAM) גבוה יותר עבור CAM) גבוה יותר.

Advanced Packaging ו-Co-Packaged Optics

המגמה כלפי אופטיקה משותפת (CPO) מציבה את המנוע האופטי (קבלן ומדרדר) קרוב מאוד למתג ASIC, צמצום אורךי ה- PCB וצריכת החשמל. ב- CPO, photodiodes של המקלט מתחברות ישירות אל תת-החבילה ASIC, וסיבים מחוברים באמצעות מחברים אופטיים.

מסקנה

תכנון מקלטים אופטיים עבור 100G ומעבר הוא אתגר רב תחומי המשתרע על פיסיקה למחצה, עיצוב מעגלים אנלוגי, אריזה ו עיבוד אותות דיגיטליים.הביצועים העיקריים axes - פסים, רעש, לינאריות, כוח ועלות - הם בין-קשרים, מכריחים מהנדסים לעשות עסקאות מבוסס על יישום.