המונחים: all-Optical Signal Processing

רשתות תקשורת מודרניות ומרכז נתונים עומדים בפני דרישה בלתי-נרכמת של רוחב פס, המונעת על ידי הזרמת וידאו, מחשוב ענן, האינטרנט של הדברים (IoT), ויישומים מתעוררים כמו בינה מלאכותית ומערכות אוטונומיות. עיבוד אותות אלקטרוניים מסורתיים, הדורשים אופטיים אל-חשמליים (O-E) וההמרה חשמלית-to-אופטית הבאה, על ידי כל רשת ללא-אופטיקה, מציגה רוחב פס, צריכת רוחב פס, ושרירים מתקדמים, אשר מאפשרת את אותות עיבוד אופטיים של תאים אופטיים גבוהים יותר.

היתרון העיקרי של עיבוד אופטי הוא ביכולתו לפעול במהירות האור, עם פיזור תרמי מינימלי וללא מגבלות רוחב פס אלקטרוניות. גישה זו תומכת ישירות בשיעורי שידור של terabit-per-II והיא תואמת לתשתיות סיבים אופטיות קיימות.כפי שמפעילי רשת דוחפים לכיוון 800G, 1.6T ומעבר לכך, כל עיבוד אותות אופטיים מציע דרך לממש את הביצועים האלה ללא ענישה הקשורה לאלקטרוניקה.

התקדמות טכנולוגית חדשה ב-All-Optical Process

התקדמות משמעותית נעשתה בפיתוח מערכות משנה עיבוד קומפקטיות, יעילות ומדורגות לכל אופטיקה.ההתקדמות הזו מונעת על ידי פריצות דרך במעגלים פוטוניים משולבים, חומרים אופטיים חדשים ולא לינאריים, ואדריכלות מכשירים חדשנית.

מעגלים פוטוניים משולבים: מיניאוריטיזציה ו Scalability

מעגלים פוטוניים משולבים (PICs) נמצאים בחזית של עיבוד אופטי לחלוטין.על ידי ייצור מודנטים גל, מודולרים, ממירים באורך גל, ומתגים על שבב יחיד באמצעות טכניקות ייצור למחצה, PICs להפחית באופן דרמטי את גודל, משקל, דרישות כוח בהשוואה ל- icials (אלרגימנטים) סיליקון, באמצעות תשתית ייצור CMOS, התפתחה כמו פלטפורמה מובילה עבור סיליקון חומרים חזקים יותר, עם סיליקון עם עלייה, עם עלייה כה חזקה עם חומרים עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון עם סיליקון .

(ההפגנות האחרונות הראו מודולים של התחדשות אותות אופטיים על שבב יחיד, כולל פונקציות כמו FLT:0)2Rהתחדשות של RegenerationFLT:1 (הההגברה ועיצוב מחדש) ו-FLT:2R RegenerationFLT 3 (ההההההההההההההההסברה, למשל, מחקר 2023 שפורסם ב-LTF:4, סיליקון) אשר הוכיח את כל רשתות גל סגולות (R) עם סיליקון-Flinkicial) אשר ניתן לשחזרוות)

השפעות אופטיות לא ליניאריות: המנוע של עיבוד All-Optical

היכולת לבצע עיבוד אותות בתחום אופטי מסתמכת רבות על השפעות אופטיות לא ליניאריות.אפקטים הנפוצים ביותר כוללים:

  • (FLT:0)ארבעה-וייב ערבוב (FWMori)FLT:1: תהליך לא ליניארי מסדר שלישי שבו שני אורכי גל נוספים אינטראקציה כדי ליצור תדרים חדשים. FWM מאפשר המרת גל, הדבקה בשלב אופטי, וגברה קצבת קצבית, התקדמות אחרונה בפיזור גלים המופעלים על ידי הפיזור, הגבירו את יעילותם של סדרי גודל יעיל, המאפשרים הפעלה נמוכה של כוחות.
  • (FLT:0)Self-Phase Modulation (SPMIRLT) 1:1: מדד השבירה העצמאי תלוי בעוצמתיות גורם לשלב של דופק אופטי להשתנות באופן יחסי לעוצמה שלו.SPM משמש לדחיסה הדופק אופטית וליצירת מקורות supercontinuum, שהם חיוניים לשידור פס אולטרה-רחב.
  • (FLT:0Cross-Phase Modulation (XPM)FLT) 1:1: השלב של אות אחד הוא מודמנט על ידי עוצמת אות אחר co-propagating. XPM מאפשר שערי לוגיקה אופטית, פורמט נתונים, ו demultiplexing של אותות ממושכים.
  • (FLT:0) ,Stimulated Brillouin Scattering (SBS)Feloph:1; בעוד לעתים קרובות מגבלה בסיבים, SBS ניתן לרתום עבור הדגימה צרת פס, יצירת סינון, ו-Fuffers תאורה איטי. לאחרונה הראה זיכרון אופטי מבוסס SBS וקווי טונה המבוססים על טונה בגלי גל של chalgencoide.
  • (FLT:0Ker Non ליניאריity in MicroresonatorsFLT) 1: מיקרו-רסון גבוה-Q (למשל, סיליקון nitride או silica toroids) משפר את קריר אי-לינימיות על ידי אור מארגן חזק והשגת כוחות אי-דיוק גבוה.

התקדמות במדעי החומר הייתה קריטית.לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, פיתחו מפולת ערפל מעוות (MoS2) גל המציגה אי-ליאניות גבוהה של סדר שלישי, המאפשרת המרה יעילה באורך גל עם רק כמה מ"ט של משאבה:0(link) ®FLT:1, בדומה לשיטות גבוהות המיוצרות על ידי סיליקון- NWTertide רק על ידי תהליכים של 0MVScontcontcontcontcontcontcontcontcontcontcontcontconts.

All-Optical Switching and Routing

מעבר אופטי הוא פונקציה בסיסית עבור כל מקלט אופטי או רשת node. מתגים מסורתיים היום להסתמך על שליטה אלקטרונית, יצירת צוואר בקבוק בעת טיפול פרץ, תנועה מהירה במהירות גבוהה. כל מתגים אופטיים, בהתבסס על אפקטים לא ליניאריים או חומרים אלקטרו-אופטיים מהירים יותר, יכול לשנות את הפיקו השניות או מהר יותר.

  • (FLT:0) Ultra-fast OptchangeFIRLT:1) באמצעות מדבקה מאך-Zehnder עם מגבר אופטי למחצה (SOA) בזרוע אחת, תוך השגת זמני מתג מתחת ל-10 ps.
  • (FLT:0Micro-ring resonator מתגי resonator 1FIRLT) שמכוונן באמצעות אפקט הקרר, המאפשר כל-אופטימי של אורכי גל בודדים ללא בקרה אלקטרונית.
  • (FLT:0) מתגי צלב-ברבר משולבים פוטו-פולר 1 עם אלפי נמלים, מונעים על ידי מערך מיקרון ו גבישי נוזלי על סיליקון (LCOS) טכנולוגיות, השגת תצורה תת-מיקרו-מיקרו-שנית.

טכנולוגיות מעבר אלה חיוניות עבור מערכות מקלט הדור הבא, אשר חייבות להתמודד עם גמישות, אורכי גל לטווח גבוה, ודרכים אופטיות בעלות נמוכה.

תכונות עבור מערכות קבלה של הדור הבא

הגדלת עיבוד אותות אופטיים ישירות לתוך מערכות המקלט מניב יתרונות ביצועים עמוקים.ההשפעה המיידית ביותר היא חיסול צוואר הבקבוק האלקטרוני בקצה הקדמי של המקלט.ב המקלט המקובל, האות האופטי הנכנס מזוהה על ידי photodiodes, מומר למרחב החשמלי, ולאחר מכן מעובד על ידי ממירים אנלוגיים במהירות גבוהה לדיגיטליים (ADC) ו עיבוד אותות דיגיטליים (D) ו- 100 רכיבים אלקטרוניים מורכבים יותר ויותר.

(ב) במילוי תפקידיו של [[המאה ה-1]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]

הטבות נוספות ברמת המקלט כוללות:

  • (FLT:0) הערכה של כוח העצמה (FLT:1): עיבוד אופטי נמנע מאנרגיה מעל פני או-E-O המרה, הערכות מצביעות על כך שמקבל כל-אופטימי משולב יכול לצרוך 5-10 פעמים פחות כוח בפחות מאשר מקלט דיגיטלי שווה ערך ב-800 Gbps, בהתבסס על פרויקטים נוכחיים של ICT-EALLGRO.
  • (FLT:0)Lower LatentiencyFLT:1: כי האור נוסע בערך 200 מיליון מטרים לשנייה בסיבים, עיבוד אופטי מציג רק עיכובים של ההרחבה (תמונות שניות לננו השניות) עיבוד אלקטרוני, גם עם ADCs המהיר ביותר ו DSP, מוסיף מיקרו-שניות למילימטרים של עצלות, אשר אינו מקובל על מסחר ⁇ גבוה, ניתוח מרחוק, או אוטומציה תעשייתית.
  • (FLT:0) Higher Data ThroughveputFLT:1: טכניקות All-אופטיות יכולות להתמודד עם רב-טרביט מצטבר באמצעות צולב ללא צולב ערוצים,מינוף מספרי גל באורך מלא (WDM) ו-Ctclaization מרוביםx בו-זמנית.לדוגמה, ממיר גל אופטי מבוסס על FWM יכול לעבד בו-זמנית 100+D ערוצים ברחבי C+L.
  • (FLT:0) lexibility ו- ReurabilityFIRLT:1 ; כל החזית של המקלט אופטית מסתיימת ניתן לתכנן עבור פורמטים מודולציה שונים (QPSK, 16QAM, 64QAM) ושיעורי נתונים על ידי התאמת אורכי גל משאבה או מתחים הטיה, מתן פלטפורמה מאובטחת לעתיד לסטנדרטים מתפתחים.

דוגמה בולטת היא התפתחות של מקלט אופטי המשלב זיהוי ישיר עם שלב אופטי חוזר של חוקרים ב-Nokia Bell Labs הפגינו מקלט המשתמש שבב פוטוני כדי להמיר אותות מגודלים בשלב זה לתוך תבניות אינטנסיביות, ובכך מבטל את הצורך של אוסטר המקומי ואלקטרוניקה לזיהוי קוהרנטי. גישה זו מפחיתה באופן דרמטי מורכבות וכוח תוך שמירה על רגישות גבוהה FLT:0 ⁇ (Flink) 1LT:1.

אתגרים והזדמנויות

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מכשולים נותרו לפני עיבוד אותות אופטיים להשיג פריסה מסחרית נרחבת במערכות מקלט.

יעילות חומרית ואי-לינאריות

רוב ההשפעות האופטיות הלא לינאריות דורשות אורך אינטראקציה ארוך (למשל, קילומטרים של סיבים) או כוחות שיא גבוהים. בעוד שמדריכי גל משולבים להגביר את הלא ליניאריות באמצעות מגבלות מתוחות, יעילות נשאר צנוע בהשוואה לטראנסים אלקטרוניים.פיתוח חומרים עם אפקטים מתקדמים יותר שאינם לינאריים, הפסדים קליטה נמוכה יותר, ונקודות נזק אופטיות גבוהות הן עדיפות.

אינטגרציה Density

מעבדים אופטיים מורכבים עשויים לדרוש מאות בלוקים פונקציונליים (ממירים באורך גלי, מתגים, מארגן מחדש, מסננים) על שבב יחיד. פלטפורמות PIC נוכחיות יכולות להכיל כ 10-100 רכיבים, רחוק מתחת לאלפי הטרנזיסטורים על שבב אלקטרוני קטן. Advances in a Large-scale-scale-scale-scale-scale-scale-scale-Dicolgic, כמו המהפכה האלקטרונית VLS, נדרשים.

מערכת Robust אינטגרציה ו-Pooling

כל מודולים אופטיים חייבים לשרוד את המתח התרמי, מכני וסביבתי של טלקום וסביבת מרכז נתונים.חבילהaging המספקת סיבים נמוכים-to-chip הפיכה, ייצוב תרמי (למשל, תנורי חום או פלאטרים), ואת החותם ההרמיטי מוסיף עלות ומורכבות.

עלויות ניכוי

כיום, רכיבים אופטיים רבים (למשל, chalcogenide nanowire גל מונחי, מעת לעת ליתיום ניבליט מודולטורים) מיוצרים באמצעות תהליכים מיוחדים, קטנים קטניים. להתחרות עם חלופות אלקטרוניות, עלות רכיב פונקציונלי חייב לרדת על ידי פקודות של גודל.זה ידרוש שרשראות אספקה חומריות, שירותי חיפוש וכלי אוטומציה עבור תמונות מותאמים להופעתם של מעגלים משולבים (אך הם חומרים מורכבים) אבל הם זקוקים לסיליקון חיובי (מסוגים) אבל הם חומרים ממריצים (מסוגים) אבל הם זקוקים ל-מסוגים (מסוגים).

סטנדרט והתאמה

עבור כל מקלטים אופטיים להיות פרוסים ברשתות מרובות-דור, התעשייה חייבת להסכים על ממשקים סטנדרטיים עבור אורך גל, כוח, פורמט מודולציה. ארגונים כגון פורום שירותי אינטרנט אופטי (OIF) ואיגוד התקשורת הבינלאומי (ITU) החלו להגדיר דרישות עבור מודולים קוהרנטים קושחיים, אבל כל מרכיבי העיבוד האופטיים עדיין אינם מכוסים מאמץ מתואם יהיה חיוני כדי למנוע פיצול.

אפשרויות Ahead

מסלול עיבוד אותות אופטיים הוא ברור: המשך התקדמות בחומרים, אינטגרציה ועיצוב המערכת יגברו בהדרגה על האתגרים הללו.

  • (FLT:0) Machine Learning-Driven OptimizationFIRLT:1 אלגוריתמים AI יכולים לייעל את נקודות התפעול של מכשירים אופטיים, תוך שימת ייצור שינויים סביבתיים.
  • (FLT:0) תמונות של Neuraluralture NetworksFLT:1: אי-קלימיות אופטיות מתאימות באופן טבעי ליישום רשתות עצביות אנלוגיות.הפגנות מוקדמות הראו שבבים נוירו-מורפיים אופטיים המבצעים זיהוי דפוס במהירויות המתקרבות ל-10 GHz, עם הוראות יעילות אנרגיה של גודל טוב יותר מאשר GPUs אלקטרוניים.
  • (FLT:0)Quantum Optical ProcessingFLT:1: טכניקות אופטיות הן גם יסוד לתקשורת קוונטית ומחשוב. Advances in low-loss non-Lind Wave Guides ו-one-Photon Waven Waves יעמדו בבסיס התפלגות מפתח קוונטית עתידית (QKD) ומערכות החזרי הקוונטים.
  • (FLT:0)Space and Defense ApplicationssFLT:1: קישורים אופטיים חופשיים-מרחביים, בשימוש בתקשורת לווינית וכלי רכב אוויריים בלתי מאוישים, תועלת מתהליכים אופטיים משום שהוא מבטל את הצורך באלקטרוניקה כבדה, כוח-hungry.קלו אור PICs יכול לספק beaming, אדפטיים אדפטיים אדפטיים, ומסמן את ההגדלה לחלוטין בתחום האופטי.

ככל שהמחקר מאיץ, עיבוד אותות אופטיים מופעל על מנת להפוך לאבן הפינה של מערכות תקשורת אופטיות הדור הבא, המאפשרות שידור מהיר ויעיל יותר של נתונים יעילים יותר, ואמין יותר ברחבי העולם.המעבר מטיפוסי מעבדה ועד מערכות מתודות שדה ידרוש השקעה מתמשכת, שיתוף פעולה בין-תחומי, ונכונות להחליף פרדיגמות אלקטרוניות מבוססות היטב עם אלה אופטיים בסיסיים.