The Bandwidth Challenge in Modern Data Centers

הצמיחה האקספוננציאלית של שירותי ענן, הזרמת וידאו, בינה מלאכותית ואינטרנט של הדברים (IoT) הציבה מתח חסר תקדים על תשתיות מרכז נתונים.על פי התחזיות האחרונות של סיסקו, תעבורת מרכז הנתונים העולמית צפויה לעלות על 20 זטהוואטייטים בשנה עד 2025, לדרוש חיבורים אופטיים שיכולים לספק רוחב פס גבוה וכבדות נמוכה תוך הפעלת כוח קפדני ותקציבי חלל.

(ב) מרכיבים אופטיים הם מכשירים אופטיים זעירים - נמדדים באופן חד-משמעי במכ"ל או אפילו מיקרומטרים - אשר מניפולטיביים את האור באמצעות ניתוק, השתקפות או דיפרציה (הכוללים:0 מיקרו-ליטר) ושילוב של חומרים אופטיים (FLT-SSD) ו- 2, 2, 000 ליטרים של אור אופטיים (FLT)

יסודות של עיצוב מיקרו-אופטימי עבור Transceivers

למה גודל משנה: אור מחלחל במערכות Dense

ב-Data Center Transceivers, הפונקציה העיקרית של micro-אופטיקה היא יעילה בני זוג אור בין מכשירים אופטיים פעיל (lasers ו גלאי) לבין סיבים אופטיים. as Channel ספירת עלייה - מ- 4 ערוצים במודול 100 Gbps ל-8 או 16 ערוצים ב-800 Gbps ו-1.6 Tbps - הנדל"ן הזמין על פני תת-התתתתתמיים באופן דרמטי, כדי לאפשר מיקרומטר ל-F {\displaystyle 1-F {\displaystyle פחות מ-F} ל-F} ל-F1 מ-Fertextextextextextextextextexer-to-to-to-Fertexer-to-to-to-to-Fertextextextextexertexertexertexertexertexertexer-to-Fertexer-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

יסודות מיקרו-אופטימיים במודולים מודרניים

  • (FLT:0Micro-lens מערך (MLAseur): 1 אלה הם מערך של עדשות קטנות (lens) מעוצב או מוקרן על תת-קרקעית נפוצה. MLAs משמשים כדי להתנגש או להתמקד אור ממספר סיבים או לייזרים בו-זמנית, להפחית באופן דרסטי זמן היישור ועלות.
  • (FLT:0) עדשות ו עדשות ⁇ -index (GRIN) עדשות:FreaLT:1נפוly משמש עבור סיבים-to-laser הפיכה, עדשות אלה מספקות חיבורים אופטיים חזקים, נמוכים בחבילה קומפקטית cylindrical.
  • (FLT:0)Beam פיצולters and Flowors:FreaLT:1 , Micro-prisms וציפוי פילים דקים מאפשרים הפרדה כיווןית של אותות אור, חיוני לשידור דו-צדדי ולקל אותות למטרות ניטור.
  • (FLT:0) ו- micro-mirrors:FLT ( 1 Planar Lightwaveעיגולים) המשלבים מיקרו-mirrors יכולים להפוך אור 90 מעלות, המאפשר לייזרים מקרקעי אנכיים (VCSELs) כדי להתחבר סיבים אשר לרוץ במקביל ללוח המעגל.

ביקורת: The Precision Challenge

הביצועים של כל מערכת מיקרו אופטית תלויה בהיערכות מדויקת.עבור סיבים טיפוסיים חד-פעמיים, אי-השבירה של אפילו 0.5 מיקרומטר יכול לגרום לאובדן אופטי 1DB, המתורגם ישירות להורדת תקציב הקישור ושיעורי שגיאה גבוהה יותר.מיקרו-אופטיים מורכבים לעתים קרובות עם תכונות בנויות, כגון עצירות מכניות, ducial, או self-center-oriented-in-in-in-in-in-in-in-to-up-uptatives.

יתרונות על ידי Bulk Optics

לפני אימוץ נרחב של מיקרו-אופטיקה, transceivers במרכז הנתונים לעתים קרובות הסתמכות על רכיבים אופטיים דיסקרטיים גדולים יותר - כגון עדשות קונבנציונליות ומראות רכובים במסגרות חלל חופשיות. אלה עיצובים אופטיים אלה מוגבל לגודל המודול המינימלי וצעדים הנדרשים להובלת ידניים אשר הגבירו את העלות והגמישות.השינוי למיקרו-אופטיקה הביא הטבות מדידה:

1 חיסכון לחלל

רכיבים מיקרו אופטיים מוטבעים באמצעות תהליכים ברמת ה-Vilfer, בדומה למכשירים למחצה. מערך מיקרו-lens המחליף תריסר עדשות בודדות יכול להתאים לנפח של כמה מ"מ מעוקבים.הפחתה זו בנפח היא קריטית עבור ממשקי חיבור בעלי ערך גבוה.לדוגמה, פורמט הקישור של מערכת ההפעלהFP תומך ב-8 נתיבים של 100 Gbps PAM4 ב-18.6 מ"מ x 17.4 גרם לשילוב אפשרי רק באמצעות מיקרו-microאופטי.

2.הפחתת כוח

מכיוון שמיקרו-אופטיקה מפחיתים את המרחק בין הלייזר לבין הסיבים, ומכיוון שהם מאפשרים איסוף אור יעיל יותר, זרם כונן לייזר הנדרש ניתן לעתים קרובות להוריד.במודול טיפוסי של 400 Gbps DR4, באמצעות מיקרו-lens הפיכה במקום אבלט-קופי יכול להפחית את תקציב הכוח האופטי על ידי 1-2 B, אשר בתורו להפחית את צריכת החשמל על ידי 15-30% כאשר מכפילים על פני מרכז נתונים משמעותי.

שיפור יכולת הירושה

רכיבים מיקרו אופטיים עשויים מזכוכית או מפלסטיקים עתירי זמן גבוהים יש חסכוניים נמוכים של התרחבות תרמית (CTE) וניתן להתחבר עם דבקים התואמים את CTE של תת-התחמורות.זה מבטיח כי היערכות אופטית נשארת יציבה בטווח הטמפרטורה הרחב מנוסים בתוך מרכזי נתונים (בדרך כלל 0 מעלות צלזיוס ל 70 מעלות צלזיוס).

שם הסרטון: Scalability for Coherent and PAM4 Signaling

ככל ששיעורי הנתונים מטפסים, פורמטים של Modulation הופכים רגישים יותר ללקות אותות.מיקרו-אופטיקה ניתן להנדס כדי למזער עיוות גלנט ואובדן החדירה, שמירה על שלמות אותות PAM4 מסדר גבוה ותכניות מודולציה קוהרנטיות. Polarization-management micro-אופטיקה (כגון micro-platizers ולוחות גל) נמצאים גם הם במודולים קוהרנטיים עבור 800G, יישומים נוספים.

שיטות ייצור וחומרים

זכוכית טרום-העתקה ו- Wafer-Level Optics

ייצור גבוה של רכיבים אופטיים מסתמך על FLT:0 (פרופיל זכוכית) (PGM)FLT:1 ו-FLT:2wafer-level ReplicationFLT 3:0) .ב PGM, זכוכית ריקה ודחוסה לצורה של מיקרו-אופטיקה באופן ישיר באמצעות תבנית ממוחשבת מדויקת.

לייזר Micromachining ו-Eching

עבור ג'ממות מסורתיות או מורכבות מאוד, לייזר micromachining עם לייזרים העובריים יכול ליצור מיקרו אופטיקה זכוכית, סיליקון, או חומרים פולימרים. שיטות אלה ישיר-write מציעים חופש עיצוב שאין כמותו, אבל בקצב ייצור איטי יותר. עבור טראנסיבי מרכז נתונים, רכיבים מבוססי לייזר משמשים בדרך כלל עבור אבטיפוס או מודולים מיוחדים שבו לא מצדיק את העלות של דיוק.

חומרים נבחרים: ביצועים ועלויות

  • (FLT:0Glass: FLT:1 מציע ספיגה נמוכה, עמידות טמפרטורה גבוהה, ו- CTE נמוך אידיאלי עבור יישומים חד-פעמיים ב 1310 nm ו 1550 nm שבו יש למזער את אובדן האות.
  • (בדוגמא, PMMA, COC): FLT:1 עלות נמוכה יותר ומשקל קל יותר, אבל עם ספיגה גבוהה וסחף תרמי בשימוש בעיקר עבור משדרים מבוססי Multi-Mode VCS ב 850 nm, נפוץ בקישורים קצרי נתונים.
  • (FLT:0)Silicon: Leverages הקימו טכניקות ייצור למחצה של מיקרו-אופטיקה. ניתן לחדור ישירות לתוך תת-שכבות סיליקון, המאפשר שילוב עם מעגלים משולבים פוטוניים (PICs) בתהליך יחיד.

האסיפה האוטומטית והמבצע Active Alignment

אפילו עם מיקרו-אופטיקה באיכות גבוהה, האסיפה נותרה צעד קריטי.קווים מודרניים לייצור טרנזיסטור משתמשים (FLT:0six-axis תחנות היישור הרובוטיות של הרובוטיקה ⁇ FLT:1 כי חוש הכוח האופטי באמצעות המערכת והתאמה של עמדות הרכיב כדי למקסם את דרך ה-FLT: לאחר התאמה, רכיב המיקרו-אופטי קבוע עם epoxy או לייזר של מערכת לייזר.

יישומים נוכחיים ומקרי חירום

100G ו-400G Transceivers

המעבר מ -100 Gbps ל 400 Gbps היה בסיס מוכח עבור מיקרו אופטיקה. ב 400G DR4 (8x50G PAM4), המנוע האופטי מעסיק ארבעה לייזרים וארבעה פוטודיודות, כל אחד הדורש הפיכה מדויקת לארבעה סיבים נפרדים. מיקרו-lens ממוקמים לעתים קרובות על גבי ה- VCSEL או EML (electro-absptionsorulated לייזר) ממזגים לתוך פילטרים מרובים של 2D.

800G ו-1.6T: אינטגרציה נוספת

עם הגעת 800 Gbps Ethernet ו-1.6 קישורים Tbps, ספירת הנתיב עלתה ל-8 או 16 נתיבים. Transceive Form גורמים נשארים קומפקטיים (QSFP-DD ו- OSFP עבור 800G, דו"ח עתידי של OSFP-XD עבור 1.6T), כלומר מיקרו-אופטימיים חייבים גם לרכז את רמות האור ה- CPOD ישירות על ידי שילוב של מעבדי של CPO:0lens עם מבנים משולבים עם מבנים משולבים עם סגסוגת לאחור, כגון: V-CREFLT, כמו גם כן, כמו גם עבור סיבים אופטיים ל-CFCRCRECRECRECRECFPOD, כמו גם ל-CFSTS, כמו גם ל-C-C-C-C-CFSTS, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כדי להפחית את המורכבות של 2, כדי להפחית את ה-CFPOD עבור סיבוכים של 2, כלומר, כלומר, כדי להפחית את ה-CFPO-CFPOD עבור סיבוכים של 2, כדי להפחית את ה-CFLT (ב-CFPO-CDC-C-CDC-CPT-CRECRECFLT (ב-

מרכז המידע אינטר-קישור וקישורים ארוכים-הול

מיקרו אופטיקה אינה מוגבלת קישורים מרכז נתונים פנימיים.עבור transceivers coherent בשימוש ביישומים של מרכז נתונים (DCI) (כגון 400G ZR ו-800G ZR+), מיקרו אופטיקה להקל ניהול קוטב ו-OSNR ניטור. מיקרו-אלקטרוניקה-אלקטרוניקה (MEMS) מראות, שהם סוג של מכשיר מיקרו-אופטי, יכול לשמש גם עבור מעבר אופטי בתוך רשתות נתונים של ROAD.

שיקולים של אלמוות ו Reliability

(העברים במרכז הנתונים חייבים לפעול באופן אמין במשך שנים תחת שימוש מתמשך, לעתים קרובות בטמפרטורות גבוהות.רכיבים מיקרו אופטיים יכולים להיות רגישים לשינויים בטמפרטורה עקב התרחבות שונה ושינויים באינדקס השביר.מעצבים מכים זאת באמצעות שימוש ב-FLT:0athermal עדשות עיצובים ניטראטים FLT:1 המשלבים שני חומרים עם עקומות זמניות, או על ידי עלייה של האופטיקה על ידי ספקים על ידי אותם ספקים על ידי דיור (Ric) או חומרים מאלומיניום (Ricertradide).

בדיקות אמינות של מודולים מיקרו אופטיים כוללות רכיבה על טמפרטורה (-40 מעלות צלזיוס ל +85 ° C), הלם מכני, רטט וחשיפה חום לח.התקדמות בטכנולוגיה דבקה, כגון epoxies ושיטות להחתימה אמפטית, שיפרו את חיי התקשורת של סטיות מיקרו אופטיות כדי לעלות על 20 שנים, עמידה בדרישות של Telcordia-G468.

מגמות עתידיות: ננופוטניקה ושילוב Wafer-Scale

הדרך לפוטונים של סיליקון עם מיקרו-אופטיקה

פלטפורמות פוטוניקה הסיליקון (SiPh) משלבות הן רכיבים פעילים (מתונים, photodetectors) ורכיבים פסיביים (Ghosts, פיצולters) על תת-קרקעית סיליקון.מיקרו-אופטיקה משמשים גשר בין גל הגלים על שבבים על שבבים ו-Sip photails הסיבים ישירות. Emerging סיבים בעלי רגישות גבוהה, עם אגסים קטנים כמו 127 מיקרומטר או אפילו מיקרומטר, אשר דורשים מיקרו-קדים משולבים לתוך סקופים אלה.

מטא-אופטיקה ו- Diffractive Elements

(FLT:0) Meta-אופטיקהFLT:1 - משטחים של ultra-thin מעוצבים עם nanostructures אור subwave - מייצג את הגבול הבא ב miniaturization. A metasurface עדשות יכול לבצע את הפונקציה של עדשות מיקרו-אופטיות מסורתיות עובי של כמה מאות ננומטרים.

עיצוב AI-Assisted וייצור

המורכבות של מערכות מיקרו אופטיות מודרניות - במיוחד כאשר אורכי גל מרובים ו מצבי קוטב מעורבים - יוצר עיצוב ידני לא מעשי.מכונות למידה אלגוריתמים עכשיו לעזור בקידוד הצורה והסידור של micro-lens ואלמנטים diffractive. בייצור, מערכות חזון המונעות AI בודקות כל רכיב מיקרו-אופטי ברזולוציה תת-pixel, הבטחת מגמת פגום זה יזרז כמו כרכים עבור גירסאות 1.6GT.

מסקנה

רכיבים מיקרו אופטיים הפכו לטכנולוגיה בסיסית עבור transceivers אופטיים קומפקטיים במרכזי נתונים, המאפשרים צפיפות, יעילות וביצועים הדרושים כדי לשמור על קצב עם דרישות תנועה מתפוצצת.מערכים מיקרו-lens המיישרים ערוצים מרובים עם דיוק תת-מיקרו-מיקרו-מיקרו-מיקרו-אנליזה חיוני כדי לפתח פתרונות מתקדמים, התומכים במודולציה קוהרנטית, אלמנטים אופטיים זעירים אלה הפכו עיצוב טרנסצמי כמו טכניקות מתקדמות וחדשניות, כמו חומרים חדשים, כגון פונקציות מיקרו-טק, כמו גם עבור מרכזי, כמו מרכזי, כמו מרכזי, מרכזי, מרכזי, מרכזי, מרכזי, מרכזי, אשר תומכים, כמו גם עבור פונקציות מיקרו-T-קוגניים, אשר תומכים, כמו פונקציות מיקרו-טקים, אשר תומכים, אשר תומכים, רק עבור פונקציות מיקרו-טקהספקטקטינים, אשר תומכים, כמו גם עבור פונקציות מיקרו-אופטימיים, אשר תומכים, פונקציות של פונקציות של פונקציות מיקרו-טקהספקטפטיים, רק עבור פונקציות מיקרו-טקה, אשר תומכים, אשר תומכים ב-אופטימיים, אשר תומכים, אשר תומכים, אשר תומכים ב-T-קוטרנטים, אשר תומכים ב-קוטרנטים, אשר תומכים ב-אופטיביים-אופטימיים

(ב) לקריאה נוספת על עקרונות עיצוב מיקרו אופטיים, לשקול את קבוצת הפרסום של Ethernet:0Optica Publishing GroupFevolveveFLT:1 משאבים.dustry Roadmaps from the FLT:2IEEE 802.3 Working GroupFLT 3, מתאר את הגורם והמטרות המבצעות המניעות חדשנות מיקרו-אופטית.