מבוא

הצמיחה הבלתי פוסקת של תעבורת נתונים גלובלית הובילה חדשנות מתמשכת בטכנולוגיית תקשורת אופטית.בלב כל קישור סיבים אופטיים, המקלט האופטי מבצע את המשימה הקריטית של המרת אותות פוטוניים מעוותים ומעוותת לתוך נתונים חשמליים שניתן להעלות על הדעת.בעשור האחרון, ארכיטקטורות מקלט התפתחו במקביל מעיצובים פשוטים יחסית מבוססי תמונה ועד מערכות מתוחכמות, משולבות שמממות חומרים מתקדמים, אלקטרוניים-קודמים, המבוססים על ידי מערכת ההפעלה, ומהירות גבוהה יותר מ-ה, ו- 20D2, ו- 24 מעלות, ו-Ds, אשר מאפשרות להורדת רמות עיבוד של מערכת הפעלה זו, ל-G.

מקור: The Role of a Optical Acceptr

הפונקציה הליבה של המקלט האופטית היא זיהוי: המרת שדה אופטי הנכנס לתוך תמונה שניתן להיות מוגדל, מותנה, מקודמת, וקודד.שרשרת המקלט בדרך כלל מורכב מתמונה, מגבר טרנססרמנט (TIA), שעון ו שחזור נתונים (CDR) מעגלים, ויותר, DSP עבור שוויון, תיקון קדימה (FEC), וביצועים מקסימליים של מחזור נתונים , אשר ניתן לנטרולטיבי, באופן ישיר, בתנאי האינטגרציה (R) באופן ישיר, בתנאי הפחתת עוצמת האותות (R) ואפקטים, בתנאי האינטגרציה (RDR) באופן ישיר, בתנאי זיהוי של לחץ על פני טווח, ואפקטים של לחץ על פני טווח (RDR) של לחץ על פני טווח אותות מתקדמים, ואפקטיבי, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, שיפור של רמת הרגישות), ואפקטים של רמת הרגישות), ואפקטים של רמת הרגישות גבוהה יותר ויותר, שיפור של רמת הרגישות), ואפקטים של רמת הרגישות גבוהה יותר ויותר, בתנאי זיהוי נתונים (R) של רמת הרגישות גבוהה יותר ויותר, בתנאי האינטגרציה (R) של מחזור אותות (R) של מחזורי ראייה (R) של מחזורי ראייה (RDR) של מחזור אותות (RDR) של מחזור

התפתחות Photodetector Technologies

עלייתו של צילום מהיר

הפוטואיד PIN נשאר הפוטדקטור הנפוץ ביותר במקלטים מסחריים בשל הפשטות, פעולת מתח נמוכה, לינאריות גבוהה.בבתחילת 2010, מכשירים מסחריים PIN היו מוגבלים במידה רבה ל 10-25 Gbps המבצעת.עד אמצע 2020, התקדמות בצמיחה אפידמית - במיוחד השימוש ב-InGaAssclaa-ib-match to InP-bpssivesives-out-bt אלה כוללים כיום כ-pbtbacks-pints-pintextexts-180 סגסוגת מתקדמת יותר מ-R.

Avalanche Photodiodes for Extended Reach

Avalanche photodiodes (APDs) מציעים רווח פנימי - באופן חד משמעי 10-20 dB - אשר יכול לשפר את הרגישות המקלט על ידי 5-8 dB בהשוואה PINs. זה הופך אותם חיוניים עבור מערכות ארוכות-החלל וצוללות שבו תקציבי קישורים פתוחים יותר.בעשור האחרון, טכנולוגיית APD עברה מהפכה שקטה.

פתרונות היברידיים ו-Integrated Photodetector Solutions

מגמה עיקרית של העשור האחרון הייתה המעבר לשילוב מונוליטי והיברידי של photodetectors עם פונקציות אופטיות ואלקטרוניות אחרות.על פלטפורמת הפוטונים סיליקון, Germanium (Ge) PIN photodiodes הפכו להיות סוס עבודה עבור מעבדי CIR2 המשולבים (כולל שבבים משולבים מדי עבור photonics) ארוך-haul, gdiodes השתפרו באופן דרמטי באמצעות ממשק עוברי ו-doping, להשגת אופטימיזציה של תאים מרובים של רוחב פסים משולבים ב-Avcends (R) ב-C2C2CV) ו-R) ב-CV2D2CRMXCDR) בשלב זההחלוחזקים (Ric) ב-R) ב-Ricernx5) ב-Ricernx5) בשלב זההחלוחזקים של שבבים של שבבים של שבבים של שבבים של שבבים של שבבים (R.

שינוי אדריכלי: מזיהוי ישיר ועד קוהרנטי

מקבלי ההחלטות הישירים - Still ⁇

עבור יישומים קצרים ( ⁇ 10 ק"מ) כגון רשתות בין מרכזי נתונים ורשתות גישה, גילוי ישיר נשאר האדריכלות הדומיננטית.ב המקלט ישירות-detect, photocurrent עוקב אחר הכוח המיידי של האות האופטי הנכנס.הפשטות של העיצוב - אין צורך ב-Dextulation מקומי, בקרת קוטביות, או DSP מורכבים - מונעת את האימוץ שלו ב- 400G-DOLed, אך ורק לאחר מכן, ללא הגבלה דיגיטלית, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, כולל פיזור ישיר של מערכת לייזר, עם זאת, כולל של מערכת ההפעלה מוגבלת של מערכת ההפעלה.

קבלנים קוהרנטיים - המנוע של צמיחה ממושכת-הול

הפריסה המסחרית הנרחבת של זיהוי קוהרנטי בשנות ה-2010 הייתה ככל הנראה האבולוציה המשמעותית ביותר באדריכלות המקלט האופטית.קורנסט פתוח לערבב את האות הנכנס עם אוסטרטור מקומי (LO) ב 90 מעלות היברידית, ומשחזר הן ב-Cre-phase (I) והן לרכיבי קו מבוזרים קצרים (Q) על שני קוטביציות אורטוקנליות.

עיבוד אותות דיגיטליים - "Brain" של מקבלי מודרני

מקור: Linear equalization to Nonlinear Compensation

DSP הפך מרכיב חיוני של כל מקלטים במהירות גבוהה. במערכות ישירות של ספקטרום, פשוט משככי עיניים לטווח קצר (FFE) ותגובה של החלטות שווה (DFE) משמשים כדי להפחית את התערבות בין-דלקתיים (ISI) ממגבלות זיהוי רוחב פס ופיזור כרומוזומטי יותר של מערכת ההפעלה CIRECT (מקלטים קבועים), שרשרת DSP היא מורכבת הרבה יותר: כולל פיזור chromaticing (RI) ו-R) מאפקטיביאומטי) מ-R) מ-R) מ-R) מ-RI (מהפכה מהירה יותר של פתרונות אחוריים מתקדמים לאלגוריתם תגובה לאחור של מערכת הפעלה (מסוגלתגובה של מערכת הפעלה מחדש של מערכת הפעלה מחדש של כוחנית (מקלטים מתקדמים יותר) ו-R.

אדריכלות DSP נמוכה והתאמה

בעוד ששיעורי הנתונים דוחפים לעבר 1.6 Tbps ומעבר לכך, צריכת החשמל של DSP הופכת לעצירה משמעותית.חידושים אחרונים כוללים שימוש במגירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs) עם רזולוציה מופחתת (5-6 ביטים) ורעש עיצוב, כמו גם מתקפל או מכווץ מ- ADC ל-DSP לאלגוריתמים שווים שיכולה לשנות מחדש את הביצועים המיידיים של מקלטים עבור מצבי אבטחה קלים (S) ותדירות גבוהה יותר עבור תפקודים מתקדמים (למשל, כמו גם עבור תפקודים).

חבילות ומגמות אינטגרציה

המעבר ל-Co-Packaged Optics

כמו מתג ועמודי רוחב פס קו-רגול להגדלת הממשק החשמלי בין מודול המקלט לבין המארח ASIC הפך צוואר בקבוק.הגישה המסורתית משתמשת ב-Retimers וקישורים סידוריים מהירים (למשל, 56 Gbps PAM-4) כדי לגשר על מודול אופטי של CPO עם שבב CPO הכולל (C-packed ®) במטרה לשלב את המקלט האופטי (כולל RM, כולל Dbacter, לעתים קרובות, עם זאת, עם CPO) עם זאת, עם שבבים מסחריים, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם CPO) עם ה-C.

חומרים מתקדמים ושילוב heterogeneous

התפתחות חשובה נוספת היא השימוש באינטגרציה heterogeneous לשלב את התכונות הטובות ביותר של פלטפורמות חומרים שונות.לדוגמה, גלאי phosphide (InP) מציעים כוח התיישבות מעולה ויעילות ב C- ו- L-bands, בעוד סיליקון photonics מצטיינים בעלויות ובדחיסות גבוהה יותר של חנקות זעירות (Fide) עם מגבלות גבוהות יותר של סיליקון-Fbide) עם סיליקון נמוך יותר של סיליקון (כגון סיליקון) סיליקון) סיליקון-Lps) עם סיליקון-Lulensicensives-Lps) עם סיליקון) סיליקון-Lensitolpss-Lensulensitolensives Active Fvmpulensing סיליקון (כגון סיליקון) עם סיליקון) סיליקון סיליקון סיליקון) סיליקון) סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון סגסוגת אחוריתיקים מתקדמים יותר עם סיליקון סיליקון (מקלטים מתקדמים יותר עם סיליקון) עם סיליקון-Lensulensitensitensitensives Actives Actives Active HDLpss Active Retraphress) סיליקון) סיליקון) סיליקון) סיליקון סיליקון סיליקון ניטארי

השפעה על ארכיטקטורות רשת וסטנדרטים

האבולוציה של העשור האחרון אפשרה ישירות את הסקאלה המהירה של תשתיות אינטרנט.

  • (FLT:0400G ו-800G Ethernet:FLT:1 The IEEE 802.3bs/ck ו- OIF 400ZR תקני לא היו אפשריים ללא חתימות גבוהה ו-DSP. Today, 400 Gbps קישורים באורך גלי יחיד (באמצעות 56 Gbaud PAM-4 או 64 Gba QPSK) הם ממוקדים באופן מסחרי במרכזי נתונים ורשתות מטרו.
  • (FLT:0) ,Comherent Pluggables:FIRLT:1 ; CFP2-DCO, QSFP-DD ו- OSFP גורמים יצרו זיהוי קוהרנטי לחוד החנית, המאפשר חיבורים מעל 120 ק"מ ללא מגבר חיצוני במקרים רבים.
  • (FLT:0)Submarine ו Ultra-Long-Haulrov:FLT:1 APD מבוסס מקלט עם מתקדםXXX השיגו יכולות של 20 Tbps לצמד סיבים בכבלי צוללות, עם יעילות ספקטרלית של מעל 8 b /s / הרץ.

השינוי מגילוי ישיר לכפירה, והמיניון המתמשך של מקלטים קוהרנטיים, טשטש את הגבולות המסורתיים בין גישה, מטרו, ומפעילי רשת ארוכים יכולים כעת לפרוס אחד קוהרנטי ב נתבים למרחקים שקודם לכן דרשו מטרפדים נפרדים וקפי קו.

אתגרים והזדמנויות

רעש, קוארמיות וכוח

למרות ההתקדמות, אתגרים משמעותיים נשארים.כפי ששיעורי הנתונים מטפסים לעבר 1.6 Tbps לכל נתיב, רוחב הפס של המקלט חייב לעלות על 130 GHz תוך שמירה על רעש נמוך לינאריות גבוהה.המסחר בין אחריות פוטודיודה ופס רוחב פס ממשיך להיות מחוספס על ידי הפיזיקה ספיגת photon ספיגה.יתר, כוח השוויון הנדרש כדי לפצות על ליקויים אקספונמיטיביים עם קצב מצופה אנרגיה מאיים, כמו מקלט אלקטרוני של מיפוי אלקטרוני של חומרים כגון עיבוד מיקרוסקופי של דומיינים.

עלויות ושרשרת אספקה

המורכבות של מקלטים קוהרנטיים מודרניים - החלים מספר רב של שבבי פוטוניים ואלקטרוניים, איסוף מדויק ובדיקות מתוחכמות - מעלה את העלות לנמל גבוה יחסית עבור יישומים קצרי-הטווח. קונסוליות התעשייה כגון פרויקט Open Compute Project (OCP) ואת הקונסורציונל עבור On-Board Optics (COBO) הם מניעים עבור מודולים פשוטים שיכולים להיות פרו-פרופ'ים ברמת השימוש הסיליקון נמוכה יותר.

כיוונים עתידיים (מעבר ל-2025)

בעשור הבא צפויים לראות כמה שינויים משתנים:

  • (FLT:0) אינטגרציה Photonicib: FLT:1 מקבלים המבצעים את כל אופטי (DSP-free) שווה והתחדשות עשויים לחסל צווארי בקבוק אלקטרוניים איטיים.מחקר בלולאות אופטיות לא ליניאריות ו דגימה בין-פרומטרי מראה הבטחה להתחדשות מהירה אולטרה-גבוהה.
  • (FLT:0)Quantum-Enhanced מקבלs:03FLT 1 שימוש באור דחוס, גילוי הומודין עם מגברים קוונטיים מוגבל, או גלאי מספר פוטונים יכולים לדחוף רגישות מעבר למגבלת הקוונטים הסטנדרטית.
  • (FLT:0) Machine-Learning-Optimized מקבלs:FLT:1 ככל שמורכבות DSP גדלה, מאיצים ברשת עצבית המותאמים במיוחד עבור שוויון ערוץ אופטי עשויים להחליף אלגוריתמים מסורתיים כגון "מקבלים לומדים" יכולים להתאים לריאציות ייצור והזדקנות, שיפור תשואה וביצועים.
  • (FLT:0) Heterogeneous Wave בנדs:Builds:cioFLT:1 כדי להרחיב את יכולת הסיבים ללא הנחת כבל חדש, מקלטים שיכולים לפעול מעבר S-, C- ו- L-bands (או מעבר) עם ביצועים אחידים יהיה הכרחי.

לסיכום, האבולוציה של ארכיטקטורות מקלט אופטיות במהלך העשור האחרון מאופיינת על ידי שינוי מדיסקרטי, חזיתית ישירות מול קצה למודולים משולבים מאוד, קוהרנטי, DSP מונעים על ידי שימוש בשיעורים מעל 100 Gbaud. Advances ב חומרי צילום, פלטפורמות אינטגרציה, עיבוד אותות יעיל כוח אפשר עלייה של 40 פעמים לכל שיעורי גלימה תוך כדי מהירויות נמוכות יותר של תאים חשמליים כיום.

(ב) ויקרא י"ד:

  • K. Kikuchi, "Fundamentals of Coherent Optical Fiber Communications", (בשיתוף:0) של טכנולוגיית גלי אור (FLT:1), Vol.34, no. 1, pp. 157–179, 2016 ,2IEEE XploreFLT 3:3FLT 3:3
  • ר' נאגראן ואלי, "InP Photonic Integrated Circles" (בשיתוף פעולה עם אלקטרוניקה) , "InP Photonic Integrated Circles", "FLT:0IEEE Journal of selected of selected in Quantum ElectronicstureFLT:1, Vol.16, no.5, pp. 1113-1125, 2010.
  • "OIF 400ZR יישום הסכם", פורום שירותי אינטרנט אופטי, 2020.
  • [ד] פנג ואל: "קו-פאקנד אופטיקה: הדרך ל-51.2 Tbps Switches", FLT:0Optical Fiber Communication Conference (OFC) 202303030303G.1.