מבוא: התפקיד הקריטי של מקבלי אופטי במרכז נתונים

תשתיות דיגיטליות מודרניות מסתמכות על חיבורי מרכז נתונים (DCIs) כדי להעביר כמויות עצומות של תנועה בין מתקנים מבוזרים גיאוגרפיים.קשרים אלה תחת מחשוב ענן ספין, הזרמת וידאו, הכשרה מלאכותית, ואינספור יישומים ארגוניים.בלב כל DCI הוא קישור אופטי, ובסוף קבלת הקישור הזה, המקלט האופטי קובע כיצד נתונים אלה הם התאוששו באופן נאמן ויעיל יותר.

מאמר זה מספק צלילה עמוקה לפיזיקה ולהנדסת רוחב פס אופטי ורגישות, חוקר את החילופים המסחריים ביניהם, ומציע הדרכה מעשית לפריסות DCI. בין אם אתם מתכננים 400 Gbit/s intradata-center קישור או 1.6 Tbit / חיבור ארוך-haul, שליטה במושגים אלה תעזור לכם להימנע ממכשולים וביצועים ולהעלות על ההשקעה.

הבנה של מקבל אופטי Bandwidth

תגובה מהירה ו- 3 dB Point

בפוטניקה, רוחב הפס של מקלט אופטי מוגדר כטווח התדר שעליו המכשיר יכול להמיר אותות אופטיים אותות חשמליים עם אובדן מינימלי.זה בדרך כלל מוגדר על ידי FLT:03 dB רוחב פס FLT:1 - תדירות שבו הפלט של המקלט טיפות חשמל עד מחצית (3D) ביחס לתגובה ה ⁇ הנמוכה שלו.

רוחב הפס של המקלט מוגבל על ידי מספר גורמים: זמן התגובה פוטודקטור אינטרינזי, פרציטיות חשמליות של האריזה, ואת רוחב הפס של מגבר ההגדלה (TIA) לדוגמה, תמונה טיפוסית PIN רגיל בשימוש ב- CIS קצר-reach DC עשוי להיות רוחב פס של 25 GHz, המאפשר 100 Gbit / גל באמצעות PAM-G2 כדי להגיע לעתים קרובות יותר ל- 200 מקלטים מתקדמים, או לדחוף יותר.

השפעה על שיעור נתונים וזיהוי אינטגרity

בנדוויץ' מגדיר ישירות את הגבול העליון על שיעור הנתונים האפשרי.המשפט שאנון-Hartley אומר לנו כי יכולת הערוץ גדלה עם רוחב פס, אך בפועל, פורמט המודולציה והיחס האות-ל-לא-המס (SNR) גם משנה.כאשר רוחב הפס אינו מספיק, הדיאגרמת החשמל הופכת למעוותת ונפילתן של הדופקים של הנתונים הופכת לסיבוב, המוביל ל-FLT:0iinterverse) להפרעות מורכבות יותר (IFinterverse Data) או נמוך יותר (IFinterformation Rate) עם רמות נתונים נמוכות יותר (IFerdizing) ו-Finterverse Data Level) ו-D (IFIS) עם , כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עם רמות ה-Framsteratingdms (IFramsterating Evoltinterverse Data, עם רמות נמוכות יותר, כלומר, כלומר, עם רמות ה-Framsterating פחות מורכבות יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, דיסורד (IFramsterating פחות מורכבות יותר, כלומר

תקני DCI חדשים, כגון 800GE ו-1.6T Ethernet המתפתח, דורשים מקלטים עם רוחב פס מעל 60 GHz.עם זאת, פשוט להגדיל את רוחב הפס של photodiode על ידי צמצום שטח או קיבול יכול למזער פרמטרים אחרים - במיוחד רגישות - במיוחד כי photodiodes קטנות לאסוף פחות photons ו לסבול פחות צומת גבוה יותר של סחר.

אתגרים ב High Bandwidth

רוחב פס Wider באופן בלתי נמנע מאפשר רעש גדול יותר.רעש מוחלט בפלט הוא האינטגראלי של צפיפות ספקטרלית רעש על טווח התדר של המקלט.רעש חציום מהTIA, ירי רעש מהתמונה הנוכחי, ורעש flicker כל מצטבר. as רוחב פס כפול, כוח הרעש המשולב בערך כפול (3DB עלייה) אם צפיפות ספקטרום הרעש שטוחה.

מהנדסים נלחמים זה באמצעות עיצוב TIA זהיר, באמצעות ועידות חזיתיות בעלות נמוכה, מסננים של רוחב פס לאחר המגבר, ו עיבוד אות דיגיטלי (DSP) בצד המארח, אך הפיזיקה הבסיסית נותרה: FLT:0bandwidth ורעש הם בלתי נפרד FLT:1 כל רווח רוחב פס זה לא מתאים על ידי ירידה בדחיסות של רעש ספקטרום יהיה הרגישות של המקלט.

חשיבותו של מקבל רגישות

bit-Error Rate andמינימום Detectable Power

רגישות המקבל מוגדר ככוח האופטי המינימלי הנדרש בתצלום כדי להשיג BER מוגדר - באופן רטי 10-12 עבור קישורים מרכז נתונים.זה בדרך כלל בא לידי ביטוי ב dBm. מקלט רגיש יותר (ערך נמוך יותר) יכול לזהות אותות חלשים, אשר קריטי עבור ארוך-haul או כוח-קבלן קישורים מאומנים. לדוגמה, מקלט בעל ביצועים גבוהים עשוי להשיג רגישות של 10B2 יכול רק טוב יותר, בעוד שיעור הדבקה פשוטה יותר, רק .

הרגישות תלויה במאפיינים הרעשים של המקלט, בתבנית המודולציה, וביעילות הפוטודקטור.גבול היסוד נקבע על ידי רעש ירי: עבור תמונה אידיאלית, ה- BER נקבע על ידי מספר הפוטונים ל bit. במערכות אמיתיות, רעש תרמי ממכשירי האלקטרוניקה שולטים, כך שרגישות באה לידי ביטוי לעתים קרובות כתפקוד של כוח LT:0- Noiseevalent-in-in-intencre-in-upture-in-up-in-up-up-uptcupit-in-in-in-uptcupiter (R) באמצעות פעולתו-Rine-upiteranke-uptupiterderderderderdera-upiterderdera-upitera-upiterder (Rine-upitera-upitupitupiterderderderd) נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר, שימוש ב-upitanke-upitanupitanke-upitanupitera-upiteranupitera-upitanupitanupitera-upit

רגישות ותקציב הקישור

תקציב הקישור הוא חשבונאות של כל אובדן כוח אופטי ב DCI: סיבים אינדוקציה, אובדן המחבר, splices, ופיזור עונשים.רגישות המקלט קובע את הגבול התחתון של התקציב. קישור שיש לו 20 dB של אובדן דורש מקלט עם לפחות -20 dBm רגישות אם משדר +0 dBm. אם הרגישות היא רק -15Bm, אז את הקישור יהיה צורך חזק יותר או יותר כדי להגדיל את העלות.

במשך זמן רב-הול DCIs המשתרע על מאות קילומטרים, הרגישות היא לעתים קרובות הפרמטר הקריטי ביותר.זאת הסיבה שקישורים למרחקים ארוכים מסתמכים על גילוי קוהרנטי, אשר משתמש בלייזר אוודור מקומי כדי להגביר את האות המתקבל, ביעילות מגבירים את הרגישות על ידי 15-20 dB בהשוואה לזיהוי ישיר. in-reach in-data-centerdata של כמה מאות מטרים, הוא פחות דאגה, ולוקח עדיפות גבוהה יותר, ונדרשת תמיכה גבוהה.

טכניקות לשיפור רגישות

מספר גישות הנדסיות לדחוף את הרגישות המקלט עמוק יותר לתוך טווח dBm שלילי:

  • (FLT:0) איורים פוטודיודות (APDsrea): FLT 1:1 APDs לספק רווח פנימי (multiplication) אשר מגביר את photocurrent לפני שהוא מגיע ל-TIA, צמצום ההשפעה היחסית של רעש תרמי. APDs עבור 100 Gbit /s יישומים להשיג רגישות של 3-5DB מעל PIN.
  • (FLT:0) גילוי גלוי עם DSP:FreaLT:1) על ידי ערבוב האות הנכנס עם אוסטרטור מקומי חזק, מקלטים קוהרנטיים להשיג רגישות מוגבלת כמעט שווה.DSP מתקדם לפצות על פיזור chromatic ואפקטיקוטיזציה, שיפור נוסף של הרגישות המערכת היעילה.
  • (FLT:0) ,Optical pre-amplification:cioFLT:1 ; ⁇ ⁇ erbium-doped סיבים מוגדלים (EDFA) מיד לפני שהמקלט משפר את הרגישות, אך מוסיף עלות ומורכבות.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של טיוויד: הפחתה של photodiode זרם כהה, אופטימיזציה של ציפויים נגד סטיות, ושילוב photodiode עם TIA נמוך על אותו שבב כל לתרום רגישות טובה יותר.

המשחק בין Bandwidth ו Sרגישות

Inherent Trade-offs in Photodiode Design

רגישות ורגישות קשורות ביסודה על ידי הפיזיקה של photodetectors. כדי להגדיל רוחב פס, מעצבים בדרך כלל להפחית את האזור הפעיל של photodiode ו / או עובי של שכבת הקליטה. אזור קטן יותר מוריד את קיבול (C ⁇ A), אשר מעלה את רוחב הפס המוגבל של ה-RC, אבל הוא גם אוסף פחות פוטונים עבור צפיפות כוח אופטית נתונה, צמצום רפידות מחדש של שכבת קליטה, אך שוב ירידה רוחב פס קוונטית, אך מקטין יותר, אך מקטין יותר, מקטין יותר, אך מקטין יותר, מקטין, מקטין, מצמצם את רוחב פס.

זה מסחר-off הוא קוונטי על ידי FLT:0gain-bandwidth המוצר של צומת 1 עבור APDs או FLT:2responsive-bandwidth המוצרFLT 3 עבור PINs. עבור מערכת חומר נתון, יש מוצר מקסימום אמין.

שיקולים חד-מיניים ב- Front-End

TIA מטה הזרם של photodiode משפיע גם על מאזן הרגישות של רוחב הפס. A TIA המיועד רוחב פס רחב בדרך כלל משתמש התנגדות משוב נמוך יותר כדי להפחית את זמן ה-RC קבוע, אבל זה מגביר רעש תרמי הנוכחי, רגישות משפילה. versely, נטייה גבוהה מסרפסת TIA מניב רעש נמוך יותר אבל תגובה איטית יותר. מהנדסים לעתים קרובות לבחור עיצוב מאוזן שבו רוחב הפס TIA הוא מתאים לתמונות, אשר מבטיח את שרשרת המקלט של אבטחה כללית או תמיכה.

מודולי מקלט מודרניים משתמשים ב-FLT:0 לינארי TIAsFLT:1 עם רווח משתנה ושוויון, המאפשר למערכת להסתגל לתנאי קישור שונים.עם זאת, ה-Flor-off נשאר: תהליך סיליקון מסוים (SiGe) BiCMOS מציע מוצר סופי-banddth רעש. Pushing את רוחב הפס בדרך כלל על ידי 20% incurs a 0.5-1B רגישות.

אופטימיזציה של יישומים: קצר-היד לעומת לונג-הול

בפועל, האיזון האופטימלי תלוי ביישום DCI:

  • (FLT:0) קיצור של DCIs ( ⁇ 10 ק"מ): אובדן קישורים 1:1 הם נמוך, וסיבים אטמומנט הוא מינימלי.העדיפות גבוהה רוחב פס לתמיכה 400, 800, או 1.6 Tbit /s שידור. S. S. רגישות קישורים ניתן להקריב; PIN עם -8 רגישות dBm ב 100 Gbit / הוא מקובל כי משדר יכול לשגר +4Bm.
  • (FLT:0) ארוך-haul DCIs ( ⁇ 80 ק"מ): אובדן סיביים ופיזור מצטבר, כך שתקציבי קישור הדוקים.כאן, הרגישות היא קבילה עם רגישות -20 dBm הם סטנדרטיים, למרות רוחב הפס שלהם עשוי להיות מוגבל ל 60 GHz.DSP מחלים את הנתונים למרות רוחב הפס האנלוגי התחתון.
  • (FLT:0)Metro-range DCIs (10–80 ק"מ): 1 A זהיר מסחר-off נדרש. הרבה יותר חדש קוהרנטיות קוהרנטיות (למשל, 400ZR) לפעול עם רוחב פס מתון (כ 60 GHz) ורגישות מעולה (בהמשך ל -22 dBm), אשר מופעלת על ידי CM ASICs ו- סיליקון.

שיקולים מעשיים עבור DCI Deployment

בניית מערכת-Level View: Distance, Data Rate ו- Power Budget

כאשר מתכננים DCI, הצעד הראשון הוא לחשב את המפרט הנדרש על בסיס תקציב שכבתי הפיזי.עבור קישור של 10 ק"מ ב 400 Gbit / S באמצעות PAM-4, ההפסד המשוער עשוי להיות 5 dB (מבר פלוס מחברים) מודול טיפוסי 400G-FR4 אופטי מפרט כי מקלט של -5.5 dBm (MA, חיצוני). עם העברת כוח של +2Bm, הם הכרחיים מספיק.

עבור קישור 120 ק"מ תומך 800 Gbit /s (למשל, באמצעות 800G-LR), אובדן יכול לעלות על 25 dB. כאן, מקלט משותף עם -24 dBm רגישות הוא חובה. רוחב הפס של המקלט הזה חייב עדיין לתמוך את קצב סמל 106 Gbaud המשמש עבור 800G DP-16QAM. שתי הדרישות מניעות את השימוש של photothlydddddd גבוה (60) עם עלות מתקדמות עם DSPos).

בחירה: PIN, APD או קוהרנטי?

בחירת טכנולוגיית המקלט היא תוצאה ישירה של סחר בחוסר רגישות רוחב פס:

  • (FLT:0) תמונותדיודות FLT:1 הם הטובים ביותר עבור רוחב פס גבוה מאוד ( ⁇ 50 GHz) ביישומים קצרים, בעלות נמוכה.הם מציעים הטיה פשוטה DC, לא רעש עודף, ורגישות מספקת לקשר תקציבים עד 12 dB.
  • (FLT:0)APDsigFLT:1) לספק שיפור הרגישות 3-5DB על פני PINs, מה שהופך אותם אידיאלי עבור קישורים מטרו שבו זיהוי קוהרנטי הוא יקר מדי. APD רוחב פס הם בדרך כלל 25-35 GHz היום, עם 40 GHz מכשירים להיות זמין.
  • (FLT:0) מקלטים מקומיים, מציע את הרגישות הטובה ביותר (>15 dB טוב יותר מאשר APDs) אבל דורש ממקבלי oscillators מקומיים, ASICs ברמה גבוהה, ו DSP מורכב הם שולטים עבור שיעורי נתונים מעל 400 Gbit /s מעל 40 ק"מ רוחב הפס שלהם מוגבל לעתים קרובות על ידי המרה אנלוגי-ל-ל-ל-ד (ADC) ולא על פני 4.

מגמות עתידיות: גבוה יותר מעלות ושינויים מתקדמים

דחיפה לעבר 1.6 Tbit /s לצמד סיבים ומעבר לכך היא נסיעה רוחב פס של מקלט ל-100 GHz.סיליקון photonics Modulators ו Ge photodiodes נדחקים ל > 70 GHz עם אחריות טובה.בינתיים, חומרים חדשים כמו גרפן ו קוונטי-dot photodetectors מבטיחים אפילו רוחב פס רחב יותר ללא קנסות חמורות.

מגמה נוספת היא השימוש של (FLT:0) sub-carrier sub-carrier מרובותxing (DSCM)BuildFLT:1, אשר מרחיב נתונים על מספר רב של תת-קררים צרים יותר.זה מרגיע את דרישת רוחב הפס של המקלט ל- sub-carrier, המאפשר שימוש בחוסר רגישות גבוהה יותר, מקלטים נמוכים יותר.

מסקנה: אופטימיזציה של ביצועים באמצעות עיצוב איזון

רוחב פס ורגישות אופטיים אינם פרמטרים עצמאיים; הם שני צדדים של אותו מטבע. מקלט רחב פסים רחב חייב להיות מונדס בקפידה כדי להגביל רעש, בעוד מקלט רגיש מאוד לעתים קרובות להקריב מהירות למעלה.עבור חיבורים מרכז נתונים, האיזון הנכון תלוי במרחק, שיעור נתונים, מגבלות עלות, וגביות טכנולוגיות. קישורים קצרים יכולים לסחור רגישות למהירויות עם PIN וקישורים ישירים; דורשות ארוכות טווח של מערכות רוחב פס רחבות שלהם למרות מגבלות רוחב פס.

מעצבי רשת צריכים לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם ספקים מודול אופטי כדי להבין את ה- Trading-offs המגולמים בכל מוצר.מפרט מפתח כדי להעריך כוללים 3 dB רוחב פס, רגישות ב- ERB היעד, ו- DCI מזרזת את הצעדה לעבר 1.6 Tbit/s, ובסופו של דבר 3.2 Tbit/s, את יחסי רוחב הפס ורגישות רק יגדלו יותר קריטיים על ידי יסודות אלה, מהנדסים יכולים לבנות קשרים בין-מה לא יעילה ולא רק יעילה ומאובטחת.

לקריאה נוספת, ראה את הצלילה העמוקה של FLT:0 (בקיצור:0) על נייר רוחב פס של המקלט: 1 מ-Fire Optics for Sale, the FLT:2IEEE Photonics JournalofFLT 3 על נייר "מסחר-Offs in high-Speed Acceptr app" (DOI:10.1109/JOT.20.12.12) ו-FLT5Clinkerisco טכנולוגיות בין-R5 ל-D.

על ידי איזון קפדני רוחב פס ורגישות, הדור הבא של DCIs יפגוש את הביקוש המפוצץ לפס רוחב פס מבלי לשבור את הבנק.