הקדמה: הקרן לתקשורת אופטית במהירות גבוהה

בטלקומוניקציה המודרנית, המקלט האופטי הוא הממשק הקריטי בין המדיום הסיבים האופטי לבין התחום לעיבוד האלקטרוני.העיצוב שלו מכתיב ישירות את נאמנותם, מהירות ואמינות של שחזור נתונים מפענחי אור המועברים בין הפרמטרים הרבים שהמהנדסים חייבים לייעל, שניים עומדים כאות יסוד: FLT:0bandwidthF:1LT ו-LT:2 לינאריות הם רק אותות מתקדמים לאלקטרומגנטים, עד כדי כך שברשותם, עד כדי כך, עד כדי כך שברשותם, אם הם רק לאלקטרומגנטים, כך שמרכיבים את התכונות של 5 נקודות מבטן, כך שעדיין לא יוכיחו של תמונות מתקדמות;

היחסים בין רוחב פס לינאריות הם לעתים קרובות מסחר עדין. Pushing פרמטר אחד מדי יכול להפיג את השני, המוביל לעלייה של שיעורי שגיאה מעט, טווח דינמי מופחת, או צריכת חשמל מופרזת. מאמר זה חוקר את העקרונות הפיזיים מאחורי שני פרמטרים אלה, בוחן את ההשפעה שלהם על ביצועי המקלט הכולל, ומספק הדרכה מעשית להשגת עיצוב מאוזן העומד בדרישות המחמירות של מערכות תקשורת אופטיות עכשוויות.

המשמעות הפיזית של Bandwidth ב- Optical Acceptrs

בנדווידט, בהקשר של מקלט אופטי, מגדיר את טווח התדרים שעליו המכשיר יכול להמיר וריאציות כוח אופטי אותות חשמליים עם נאמנות מקובלת.זה בדרך כלל נמדד כמו רוחב פס 3 dB חשמלי, תדירות שבו כוח הפלט של המקלט טיפות עד מחצית משווי נמוך של ⁇ . זה קובע ישירות את שיעור הנתונים המקסימלי יכול לטפל: עם רוחב פס של 10 אינץ 'או יותר מ GHz / GHz (R) יכול לדרוש תמיכה לאפסת של יותר של GHz / GHz / GHz / GHz (pZre) בעוד טרה-pZre) או יותר GHz של יותר GHz (pZre) בעוד GHz של יותר GHz של יותר GHz של יותר קיבולת גבוהה יותר GHz של GHz של GHz של יותר GHz של GHz של קיבולת גבוהה יותר קיבולת גבוהה יותר GHz של GHz של GHz של GHz של GHz (p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-ג 'או יותר GHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz קיבולת גבוהה יותר GHz GHz קיבולת

מגבלות בנדידות מ Photodetectors

רכיב אופטימיזציה של רוחב הפס העיקרי במרבית המקלטים האופטיים הוא photodetector, בדרך כלל a Geoalto:0 (PIN photodiodeFLT:1 או FLT:2avalanche photodiode (APD)ciosFLT: 3) אך רוחב הפס הצטלב של עובי תמונה נשלט על ידי שתי השפעות פיזיות עיקריות: זמן לעבור דרך שכבת הדלפקה הקדמית והזמן השבר של המדינה.

שם מקור: Detection Amplifier Bandwidth

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Bandwidth ו-Data Rate: The Relationship

דרישות בנדווידות בקנה מידה ישיר עם שיעור הנתונים, אבל היחסים המדויקים תלויים פורמט Modulation.עבור אות NRZ בסיסית, רוחב הפס הנדרש הוא בערך 0.7 פעמים שיעור הנתונים.עבור PAM-4, קצב הסמל מוזנח עבור אותו קצב ה bitulation, כך רוחב הפס הנדרש הוא בערך 0.35 פעמים שיעור ה bitpLT:0equalization FLT1 יכול להירגע על ידי דרישות רוחב פס דיגיטלי ארוך יותר כמו מגבלות רוחב פס גבוה יותר.

קוהרנטיות: שימור אותות באמצעות ההסכמה האופטית-ל-אלקטית

קוארסיטי מתארת את המידה שבה אות החשמל של המקלט הוא העתק יחסי נאמן של כוח קלט אופטי.ב המקלט ליניארי אידיאלי, הכפלת כוח קלט אופטי בדיוק מכפיל את מתח הפלט או הנוכחי. מקלטים בעולם האמיתי מאידיאל זה בשל אי-לינאריות בפוטו, ה-TIA, ו- amplifier שלבים אלה שאינם מתגשמים כפגיעה, עיוותים, ואפקטים דחיסה, אשר עברו דחיסה מושחתת.

מקורות של חוסר לינאריות ב- Optical Acceptrs

אי לינאריות מתעוררת ממנגנונים פיזיים מרובים.ב photodiodes, ה-FalLT:0 (responsivesentisiveFLT:1 עשוי להשתנות עם מתח הטיה ורמת כוח אופטית, במיוחד ליד אזור השבר ב- APDs הפועלים עם רווח גבוה: אפקטים טעינה חלל על כוחות אופטיים גבוהים יכולים גם למסך את השדה החשמלי הפנימי, להפחית את האחריות הליני ולהכניסת של TIA והגבלת יכולת עמידות נמוכה של מתחים גבוהה של תאים לא-F2, מאפקטים של תאים לא-מפוסקים, או מאפקטים גבוהים של תאים גמישים של דחיסות גבוהה של דחיסות גבוהה של רשתות דחיסות גבוהה של CM.

המונחים: key metrics

(המהנדסים) המניפסט הליניארי באמצעות מספר מדדים סטנדרטיים.FLT:0) עיוותים הרמוניים מוחלטים (THD) FLT:1 מודדים את סכום הכוח של כל הרמוניות ביחס לתדירות הבסיסית כאשר קלט אופטי יחיד הוא יישום (FLT:2Third-order Point) ללא ציון דרך 2 (Tlantulation 3) ו-FLT-4 שניות (FIRD)

השפעה של חוסר לינאריות על פורמטים מתקדמים

(הרשתות האופטיות המודרניות מעסיקות יותר ויותר פורמטים מודוליים יעילים מבחינה ספקטרלית כגון PAM-4, DMT, ו-Coherent QAM. פורמטים אלה רגישים במיוחד לפטור לא ליניאריות, משום שהם נושאים מידע הן ב-Amplitude והן בשלב. non ליניאריות ב- PAM-4 גורמת להפחתה משמעותית של 0-Fsecular-Fsetial של תכונות: 1), צמצום העין האפקטיביות והעלאת השגיאה יעילה ועלייה משמעותית ב-Fsephas:

אסטרטגיות ל Balancing Bandwidth ו- Linearity

אין גישה עיצובית אחת בו זמנית ממקסמת רוחב פס ולינאריות.מהנדסים חייבים לנווט במרחב רב-ממדי הכולל צריכת חשמל, דמות רעש, טווח דינמי, ועלויות ייצור.

Photodetector Selection and Optimization

(הבחירה של photodetector קובעת את הבסיס לביצועי המקלט.PIN photodiodes מציעים לינאריות מצוינת על טווח כוח רחב אך לא לספק רווח פנימי, הדורש רווח לאחר הדגימה גבוהה ופוטנציאל לשילוב ביצועי רעש. APDs לספק רווח רב-אפקטיבי פנימי (בדרך כלל 5 עד 30 dB), אשר מרגיע את דרישות הרעש של TIA הבאים, אך מציג חוסר לינאריות מהרווחה ליניארית (Feric) באמצעות רזולוציה גבוהה של תמונה (Fericial) על ידי LT2-Fericial) ו-perlimates (Ferlimate) עבור LT2: 1-tomclimate) עבור LTericial photo-tomcrelimate) עבור LTerlimates (Ferlimate) עבור LTerlimate photo-to-to-to-to-to-to-tomlimate) עם LTerlimate) עם LTerlimate (ב-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

טכניקות עיצוב משופרות

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

פוסט-גברה ושוויון

(ה) לאחר ה-TIA, האות עובר דרך שלבים של רווח אחד או יותר אשר מעלה את המתח לרמות המתאימות לשעון ולשיקום נתונים.שלבים אלה יכולים להציג אי-לינאריות משמעותית אם לא תוכנן בקפידה.FLT:0Cherry-Hooper ל-Firefonysive Front Index of apLT5 Reduction and Accessity) עם גמישות גבוהה של מערכת העיכול (FLT2Fendation) ו-Fimendation) באופן יעיל גם כן, לעומת זאת, לעומת זאת, ניתן להגדלת רוחב פס רוחב פס רוחב פס רוחב פס רוחב פסים דיגיטליים (FIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRDIRECT) באופן יעיל) באופן יעיל) אך ניתן גם כן, אך ניתן גם כן, אך ניתן להגדלת יעילותו של חומר זההיתר דיוק, אך ניתן להגדלת כמות ההסתברות גבוהה (FLT2 (FLT2 (FLT2 (FLT2 (FLT2) באופן יעיל) באופן יעיל) באופן יעיל) באופן יעיל להגדלת כמות מוגבלת:

שיקולים ב-Bandwidth-Linearity Trade-Off

(ה) פרמטר שלישי במשולש עיצוב המקלט, בשילוב הדוק עם רוחב פס לינאריות כאחד. המקלט עם רוחב פס מופרז ישלב יותר רעש מן photodiode, מגבר והתערבות חיצונית, צמצום יחס אות-לכאורה (SNR) רוחב פס מופרז, מקלט עם לינאריות גרועה יניב מוצרים עיוותים שאינם ניתנים לעצימה מרעש רוחב פס דיגיטלי: 1Fise: 1Fise כולל של כל שלב 1Fise:

נורה רעש והרעש

מנגנוני הרעש הבסיסיים במקלטים אופטיים כוללים:0shot noisephpLT ( 1:1) מ photodetector ו-FLT:2thermal noiseFLT:3 מהתומכים ו transistors ב TIA. Shot רעש עולה לינארי עם ה- DC הנוכחי, בעוד רעש תרמי הוא עצמאי מגובה אות.

אינטימיות מחדש (RIN) ו- Interference

מעבר לצלילים בסיסיים ורעש תרמי, המקלט חייב להתמודד עם רעש אינטנסיביות של 0relative (RINBA) 1 ממקור לייזר ו-FLT:2modal רעשFLT:3 בקישורים רב-מוליד סיבים (RIN) הוא בעייתי במיוחד בערוצי לייזרים מודולים מתקדמים, שבו תהליך המודולציה מוסיף רעש עודף.

עיצוב מעשי זרימה עבור מקבלי אופטי

פיתוח מקלט אופטי מותאם דורש מתודולוגיה שיטתית הרואה רוחב פס, ליניאריות, רעש וכוח מההתחלה. השלבים הבאים מתווה זרם עיצוב טיפוסי עבור מקלט ביצועים גבוהים מיקוד 400 Gb / או 800 Gb /s יישומים.

שלב 1: קביעת דרישות המערכת

תהליך העיצוב מתחיל עם מפרט ברור של שיעור נתוני היעד, פורמט מודולציה, תקציב קישור ורעש.לדוגמה, 400 Gb / s PAM-4 פועל מעל 500 מ"מ של סיבים חד-פעמיים עשוי לדרוש רוחב פס של 26 GHz, יותר מ -10 dBm רגישות, ופחות מ-5% EVM. דרישות אלה ברמת המערכת לנהוג את בחירת phototector: UTC או PIN גבוה יותר מ , כלומר, כלומר, מתחת ל- 50 נקודות רוחב פס של CV3 / GHz / GHz, פחות מ- CV3 / GHz, פחות מ-pHQV3 / ⁇ / ⁇ / ⁇ / ⁇ נמוך מ ⁇ / ⁇ / ⁇ ⁇ / ⁇ נמוך מ ⁇ נמוך מ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ / ⁇ / ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ / פחות מ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שלב 2: סימולציה ואופטימיזציה

(הופנה מהדף PDK מודלים וסימולטורים אלקטרומגנטיים, מעצבי הרטפטפטים באמצעות גאומטריה פוטודיודה, טופולוגיה TIA, ושלבים מגברים:0Load-pullסימולציות משוב 1 בדגימות תמונה, מסייע אופטימיזציה של גודל הסימולציות הנוכחי של TIA עבור רוחב פס ורעש.

שלב 3: עזיבה ופלט פרדוקסטי

הפריסה הפיזית של השבב המקלט משפיעה באופן משמעותי הן רוחב הפס והן לינאריות.0. [parasitic capacitancesFLT:1 מחיבורי מתכת והן דרך להוסיף להפחתה של עדר, צמצום רוחב הפס בין-הטווח:2Parasitic inductancesFLT 3 ברשת אספקת החשמל יכול לגרום לזירה וחוסר יציבות, הפחתת רוחב הפס המינימלי של ה-FSD-FSD חייב להיות מגן ישיר עם רוחב-FSD-FSD-Fic של מעגל:

שלב 4: אופי ובדיקה

לאחר ייצור, המקלט חייב להיות מאופיין ביסודיות רוחב פס, לינאריות, רעש, רגישות.ל.:0 (Optical ואנליזה רשת ניתוח רשת וקטורליוניטי) 1 מודד את התגובה התדירות של קלט אופטי לתפוקה חשמלית.FLT:2 טון בדיקות שבבים ספציפיים FLT 3 על רמת הכוח התפעולית המיועדת מאשר IP2 ו- IP3.

מגמות מתפתחות וטכנולוגיות

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר ממשיך לדחוף את הגבולות של עיצוב המקלט האופטי.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות להרחיב את המעטפה העל-לב-לינארית הבלתי-אפשרית מעבר לגבולות הנוכחיים.

אינטגרציה של סיליקון

פלטפורמות פוטוניקה הסיליקון מאפשרות שילוב מונוליטי של photodiodes, מודולרים ונהג CMOS מגבר על שבב יחיד.אינטגרציה זו מפחיתה באופן דרמטי את הציפוי parasitic capacitance ו inductance בין photodiode ו-TIA, מה שמרחיב את הפוטנציאל של רוחב הפס ליותר מ 50 GHz.

phos ו- Analog קישורים

(בהקשרים פוטוניים אנלוגיים עבור מכ"ם, תקשורת לווינית ואנטנה remoting, לינאריות המקלט היא רבת ערך.(FLT:0External Modulation with ליניאריized Mach-Zehnder ModulatorsFLT:1 בשילוב עם יישומים מודולים מאוזנים:2 ניטאריים של סיליקון-LLT 3 יכולים להשיג ערכי SFDR לינאריים מעל 120 dBHz (2/3).

גילוי קוהרנטי ורכיבי Digital Coherent Processing

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסקנה: אמנות המסחר-Off

בנדווידט ולינאריות אינם מפרטים עצמאיים; הם מאפיינים ספקולטיביים המגדירים את המעטפה הביצועית של מקלט אופטי. Achieving שיעור נתונים גבוה דורש רוחב פס מספיק כדי ללכוד את המעבר המהיר של האות האופטי, תוך שמירה על נאמנות האות דורש ליניאריות המשמרת את מבנה המודולציה.המאזן האופטימלי תלוי ביישום: מקלט עבור קישור קצר-reach PAM-4 עשוי לפני רוחב פס ליניארי עשוי להסתמך על מנת לספק גישה גבוהה.

עיצוב מקלט מוצלח מתבסס על הבנה עמוקה של הפיזיקה הפוטודקטור, מעגל מגבר להתנצלות, ניתוח רעש, ו- ברמה של מערכת מסחר-offs. Advances in משולב photonics, עיצוב מעגלים אנלוגי, עיבוד אותות דיגיטליים ממשיך לדחוף את הגבולות הניתנים על ידי השגה, המאפשרים את רשתות אופטיות מהירים יותר ואמינה יותר אשר תחת חיים מודרניים.