תכנון קבלנים אופטיים נמוכים עבור יישומי מרכז נתונים

החשיבות הגוברת של מקבלי אופטי נמוך במרכזי נתונים

מרכזי נתונים מודרניים מהווים את עמוד השדרה של תשתיות דיגיטליות גלובליות, תמיכה בכל דבר מ מחשוב ענן וסטרימינג וידאו לבינה מלאכותית ורשתות 5G. בעוד ששיעורי הנתונים ממשיכים להסלים, קישורים אופטיים של סיבים הפכו לסטנדרט לתקשורת בין-נתונים-מרכזית.בלב הקישורים האלה הוא המקלט האופטי, מכשיר האחראי על המרת אותות אופטיים נכנסים חזרה לתחום החשמלי.

תכנון מקלטים אופטיים נמוכים אינו רק תרגיל בבחירת רכיב; הוא דורש הבנה עמוקה של פיזיקה רעש, עיצוב מעגלים עיצוב טרייד-offs, ואופטימיזציה ברמת המערכת. מקלט עם רעש מוגזם יגביל את הרגישות של הקישור, מה שהופך מהנדסים להשתמש בכוח שידור גבוה יותר, שלבים אדפרציה יקרים יותר, או להגיע מוקדם יותר. בהקשר של מרכזי נתונים היפר בקנה מידה שבו עשרות אלפי של חומרים במקביל, יכולים להפעיל אסטרטגיות של שיפור משמעותי של אנרגיה גבוהה יותר, אפילו לינוקס, כלומר, כדי לשפר את יעילות גבוהה יותר.

מקורות רעש מימון במקבלים אופטיים

כדי לעצב מקלטים יעילים בעלי ערך נמוך, מהנדסים חייבים קודם להבין את מקורות הרעש הפיזיים בתוך שרשרת המקלט.כל מקור רעש מטיל גבול בסיסי על הכוח האופטי הבלתי מזוהה, ומנגנוני רעש שונים שולטים בתנאים שונים של הפעלה.שלוש קטגוריות הרעש העיקריות נורו רעש, רעש תרמי ורעש אינטנסיבי יחסית (RIN) ממקור לייזר.

נורה רעש

רעש נורה נובע מהטבע הדיסקרטי של ספיגת פוטושופ ודור פוטוטון.זה מוגבל ביסודו ולא ניתן לחסל, רק התקרב באמצעות עיצוב אופטימלי.השקע הנוכחי של הזרמה הנוכחית של הזרמה הנוכחית הוא פרופורציה לצילום הממוצע, כלומר, כמו מקבל כוח אופטי עולה, כוח הצילום גם עלייה. בתנאים קלים, עם זאת, רעש יורה לעתים קרובות קובע את הרגישות האולטימטיבית עבור photo-deme-inated חשיבות רק עם גודל כהה (R) עם משקל כהה.

ההווה האפל והשפעתו

זרם אפל, זרם הדליפה זורם דרך פוטודיודה בהיעדר אור, תורם מרכיב רעש צילום נוסף.עבור מקלטים מהירים של מרכז נתונים הפועלים ב 25 Gb/s ומעבר, הזרם האפל באיכות ב-InGaAs photodiodes הוא בדרך כלל נמוך מאוד (מדגם או פחות), אבל בטמפרטורות גבוהות, כהה יכול להגדיל ולרדת רגישות.

רעש

הרעש הצחיח (הנקרא גם ג'ונסון-ניקוויסט) מקורו מהתנועה התרמית של נושאי מטען באלמנטים מנוגדים.זה משמעותי במיוחד במגבר ההגדלה (TIA) וכל שלבים של רווח מאוחר יותר.מתח הרעש התרמי הוא פרופורציה לשורש ההתנגדות, הטמפרטורה, ובפס רוחב פס טיפוסי, משוב של TIA הוא לעתים קרובות יותר תרמי, אך דורש מכווץ גבוה יותר של רעש, אך הוא גם מכווץ גבוה יותר, אך מרעישומי מסחר.

חידושים מחדש

רעש אינטנסיביות Relative (RIN) מתאר תנודות בכוח אופטי הנפלט על ידי מקור לייזר.למרות ש-RIN מגיע במדרHz, הוא מפיץ דרך הסיבים ומגיע למקלט כרעש מפוספס.במקבלי דה ישירה, RIN מוסיף ישירות לרעש המתקבל ויכול להגביל את SNR, במיוחד במורכבות גבוהה שבה מקלט תרמי משמש בדרך כלל לתקני לייזר נמוכים (RIN) אבל בדרך כלל באמצעות למערכות לייזרים (RIN) ו-RIN) משתמשים ישירות ל-RIN.

« « « אווה ממזר

photodiodes avalanche (APDs) לספק רווח פנימי שיכול לשפר את הרגישות המקלט כאשר רעש תרמי שולט.עם זאת, תהליך ריבוי הכפלה avalanche הוא סטוצ'יסטיק, המציג רעש עודף מאופיין על ידי גורם רעש עודף F(M) עבור סיליקון APDs, גורם רעש עודף הוא נמוך יחסית (F- 2 עד 3), אבל עבור InGaAs APDs המשמש את ה -13m ו ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אסטרטגיות עיצוב עבור קבלנים אופטיים נמוכים

עם הבנה מעמיקה של מקורות רעש, הצעד הבא הוא לתרגם את הידע הזה לאפשרויות עיצוב קונקרטיות.אסטרטגיות הבאות יוצרות גישה שיטתית לצמצום רעשי המקלט תוך שמירה על רוחב הפס השחזור ליישומים במרכז נתונים.

Photodetector Selection and Optimization

photodetector הוא היסוד הראשון בשרשרת המקלט, ואת המאפיינים שלה יש השפעה גדולה על ביצועי רעש כולל. עבור קישורים מרכזי נתונים הפועלים ב 850 nm (מרבים סיבים), GaAs או סיליקון pindiodes נפוצים.עבור 1310 nm ו 1550 nm יחיד-mode קישורים, inGaAs pindiodes הם העבודה Keyse כדי לשקול יעילות קוונטית (reams) באופן מיידי, קפיכות גבוהה, ירידה נמוכה של תמונות, 000).

בעת בחירת בין pin ו- APD photodiodes, ההחלטה נשענת על תקציב הקישור וקצב הנתונים.עבור קישורים מרכז נתונים קצרי טווח (פחות מ 2 ק"מ), תמונות תמונות תצלומים מועדפות בדרך כלל בשל העלות הנמוכה שלהם, אמינות גבוהה יותר, והיעדר של גילוי עודף.עבור יותר (2 ק"מ עד 40 ק"מ) שבו אובדן סיבים הוא משמעותי יותר, APDs לספק רגישות של 5 ל-8B, אם כי הוא גבוה יותר מאשר מתח נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר נמוך יותר מאשר בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר 40G CGD.

עיצוב אולטרה רעש (Amplifier)

TIA הוא המרכיב האלקטרוני הקריטי ביותר במקלט.התפקיד העיקרי שלו הוא להמיר את photocurrent קטן לתוך אות מתח עם מספיק amplitude עבור הגבלת המגברים או שחזור נתונים (CDR) מעגלים. ביצועי הרעש של TIA נשלט על ידי זרם הרעש המועדף על קלט, אשר חייב להיות מצמצם על פני רוחב הפס של המחט.

• (FLT:0) התנגדה לאופטימיזציה: FLT:1) הגדלת קרינת הגיבוי RF מקטין רעש תרמי אבל מקטין רוחב פס.ה- RF האופטימלי נמצא היכן שתרומת הרעש מאוזנת נגד רוחב הפס הנדרש.
• (FLT:0) Input Transistor Selection: FLT:1 The קלט Transistor (בדרך כלל שלב משותף או משותף של קוד) תורם גם רעש תרמי וגם flicker. Using a transistor עם בסיס נמוך / התנגדות (עבור דו קוטבי) או רעש נמוך (עבור CMOS) הוא חיוני.
• (FLT:0) פסגות אינדוקטיביות: סדרה 1FLT או שיא אינדוקטיבי יכול להאריך את רוחב הפס ללא עונש רעש של צמצום RF.טכניקה זו משמשת באופן נרחב ב-iAs עבור 100G ו- 400G יישומים.
• (FLT:0) דיפרנטיולוגיה: FLT:1 , TIAs שונה מציעים שיפור דחייה נפוצה-מומדה וצמצום הרגישות לרעש אספקת החשמל, על חשבון צריכת חשמל גבוהה יותר ומעט יותר מורכב הפריסה.

עיצוב מודרני TIA משלב לעתים קרובות שליטה אוטומטית רווח (AGC) כדי לשמור על פלט קבוע על מגוון רחב של photocurrents קלט.זה מונע את TIA מלתש בעוצמה גבוהה מקבל תוך שמירה על ביצועי רעש בעוצמה נמוכה.הלאה AGC חייב להיות מתוכנן בקפידה כדי למנוע הצגת רעש נוסף או עיוות.

טכניקת ה-Sleout and Shielding

אפילו את בחירת הרכיב הטובה ביותר ניתן לערער על ידי פריסת מעגלים ירודה.הקצה הקדמי של המקלט פועל עם אותות קטנים מאוד (מיקרו-אמפים של photocurrent) והוא פגיע להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וקווי פריסה קריטיים כוללים:

• (FLT:0) צמצום קצבה טקטית: ⁇ FLT 1:1 The photodiode capacitance, צנרת אג"ח, ו- TIA קלט capacitance כולם להוסיף יחד להגביל רוחב פס. Flip-chip או co-packated photodiode-TIA Assemblies להפחית parasitic inductances ו-acitances.
• (FLT:0)Proper Grounding and Power Supply decoupling:FLT) 1 מטוס קרקע בעל השפעה נמוכה ומספר רב של קפקאים מרתיעים על פני ספקטרום התדר מונעים מאספקת חשמל מהפיכה אל נתיב האות.
• (ב) ⁇ :0 (הופנה מהדף 1) מתכת מגנה על פחיות או טבעות קרקעיות על שבב מגן על הקצה הקדמי מרדיו EMI, במיוחד כאשר המקלט הוא משותף עם ASICs דיגיטליים או החלפת ציוד חשמל.
• (ב) [15] אות עקרונית: ⁇ 1 (בהמשך) , שמירה על עקבות שונים לאורך זמן וקשור קרוב מאוד, שומרת על דחייה משותפת ולהפחית רגישות לתחומים חיצוניים.

טכניקות אריזה מתקדמות, כגון אינטגרציה פוטוניקה סיליקון, מאפשרות ל photodiode ו-TIA להיות מוטבע על אותו ימות או באסיפה היברידית משולבת היטב.זה מקטין parasitics interconnect ומאפשר רוחב פס גבוה יותר ורעש נמוך יותר בהשוואה לגישות מסורתיות מחונכות חוט.

טכניקות מתקדמות ל- Noise Reduction

בעוד ששיעורי הנתונים דוחקים מעבר ל-100 Gb/s לכל נתיב, גישות עיצוב קונבנציונליות הופכות לא מספיקות לחוקרים ולמהנדסי התעשייה רודפות מספר טכניקות מתקדמות כדי להפחית את הרעש ולהאריך את טווח הקשרים של מרכז הנתונים.

phonics ו-Co-Design

פוטוניקה של הסיליקון התפתחה כפלטפורמה מובילה עבור קטנטנים גבוהים, מוליכים אופטיים זולים.על ידי שילוב photodiodes, Modulators, ואפילו TIAs באותו שבב, סיליקון מפחית באופן דרמטי את parasitics החיבור בין חיבורים ומאפשר אסטרטגיות הפחתה של רעש הסיליקון (למשל, photodiode יכול להיות מתוכנן כדי להיות מותאם אישית פרופיל מייעל כי מצמצם את הנוכחי בעוד שמירה על מהירות גבוהה של שבב פתוח מרובים).

עיבוד אותות הסתגלות ושוויון

במקבלי מהירות גבוהה, ליקויי ערוצים כגון פיזור ומגבלות רוחב פס מכים את האות ולהגדיל ביעילות את רצפת הרעש. טכניקות עיבוד אותות דיגיטליים (DSP), כולל הזיקה קדימה (FFE), קבלת משוב של נתונים (DFE), ורצף הנאותות המקסימלית של estimation (MLSE), יכולים לפצות על ליקויים אלה ולהחלים את השלמות.

חומרים חדשים ומבנה פוטודיודה מתקדם

חומרים מדע ממשיך לדחוף את הגבולות של ביצועי פוטודקטור. Germanium-on-silicon (Ge-on-Si) photodiodes התבגרו להציע תגובה גבוהה עד 1550 nm, המאפשרים חומרים מהירים בעלות נמוכה CMOS-איתאמת גבוהה יותר מאשר חומרים מגנטיים חזקים (Gears-D) נוטים להיות כהה יותר מאשר InGaAs, אשר מגביר את הרעש שפותחו על ידי החוקרים (Gem) ל-Sicensance) כדי להרחיב חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים אלה, כגון סגסוגת מתכתיתיים (Dine) עם חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר בגלגניבהמות) עם חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר בגלטים מתקדמים יותר מאשר ב-Dine) עם חומרים מתקדמים יותר מאשר בגלגניבהמותג') עם חומרים מתקדמים יותר מאשר

גילוי משותף לקישורים של מרכז נתונים

זיהוי קוהרנטי, המשמש באופן מסורתי בטלקומוניקציה ארוכת טווח, הוא עכשיו מותאם לחיבורים מרכז נתונים, במיוחד עבור 800G ו-1.6T קישורים. ב המקלט קוהרנטי, האות הנכנס מעורב עם אור חזק אוקטטור מקומי חזק (LO), מתן רווח כי ביעילות מדכא את רעש המקלט (Bercretexa-surt) מאפשר ביצועים מוגבלים, שיפור הרגישות המאוזנת של photoddddds) אשר משמש גם את רמות מתקדמות יותר של 15Kertents (מקלט) באופן יעיל יותר, בעוד שתבטלות).

שיקולים מעשיים

תרגום של עיצוב נמוך-רעש מסימולציה לייצור דורש תשומת לב לכמה היבטים מעשיים שיכולים לעשות או לשבור את הביצועים הסופיים.השיקולים הבאים הם קריטיים עבור פריסה מוצלחת בסביבות מרכז נתונים.

ניהול וגמישות

ביצועים רעשים עם טמפרטורה. זרם אפל ב photodiodes בערך כפול עבור כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס, הגדלת רעש צילום. רעש TIA עולה גם עם טמפרטורה בשל רעש תרמי גבוה יותר. . Data Center Transceivers חייב לפעול באופן אמין על פני טווח טמפרטורה רחב (לעתים קרובות 0 ° C עד 70 מעלות C או רחב יותר) הקטנת העיצוב עבור תנאים חמים גרועים נדרש כדי להבטיח אם קירור פעיל (TEC) הוא גם כן, הוא נמוך יותר, כמו הממשק C.

ייצור ויציבות

ייצור Semiconductor מציג גמישות בפרמטרים מרכזיים כגון responsponsivity, TIA רווח, והתנגדות משוב. עיצוב נמוך- noise כי הוא אגרסיבי מדי במסחר שלה offs עלול לגרום תשואה ייצור ירודה. מעצבים צריכים לבצע סימולציות מונטה קרלו על פני פינות תהליך כדי להבטיח כי המקלט עומד רעש ופס רוחב פס עבור הרוב המכריע של חלקי התוכנית משולבת (כגון שיפור מטעה) באמצעות גירוי דיגיטלי או אופטימיזציה של חומרים דיגיטליים.

בדיקות ואפיון

אימות ביצועי הרעש של מקלט אופטי דורש ציוד מבחן מיוחד.הרגישות נמדדת בדרך כלל ככוח האופטי הממוצע הנדרש להשגת שיעור שגיאה קטנה (בעיקר 1E-12) מנתחים מודולציה אופטית (OMAs) ובדיקות קצב שגיאות קטנות (Bras) הן כלי סטנדרטיים למניעת זיהוי יסודי, מהנדסים חייבים גם למדוד את הרעש הנוכחי של המקלט, רוחב פס, ועיכוב ביצועים אוטומטיים ביותר, באמצעות מדידה מהירה של זיהוי חומרים, או ירידה אוטומטית, על ידי בדיקות מהירות זיהוי.

דרישות אספקה

רעש על מסילות אספקת החשמל יכול להיות יחד לתוך TIA ו degrad של המקלט SNR. high-speed המקלט דורש מתחים אספקה נקייה מאוד.ל-dropout רגולטורים (LDOs) עם יחס אספקת חשמל גבוה (PSRR) הם בדרך כלל מועסקים, וכל שלב של המקלט עשוי להשתמש LDO ייעודי שלה כדי למנוע הפיכה הדדית.

מגמות ואתגרים עתידיים

הצמיחה הבלתי פוסקת של תעבורת מרכז הנתונים ממשיכה להניע חדשנות בעיצוב מקלט אופטי.כמה מגמות יעצבו את הדור הבא של מקלטים נמוכים.

מעל 200 Gb /s לכל Lane

מפת הדרכים של התעשייה נעה לכיוון 200 Gb /s לכל נתיב באמצעות PAM-4 Modulation.במהירויות אלה, רוחב הפס של המקלט חייב לעלות על 70 GHz, אשר מציב דרישות קיצוניות הן photodiode והן TIA. Noise הופך אפילו קריטי יותר כי PAM-4 משתמש ארבע רמות amplitude, כל אחד עם שולי רעש קטן יותר בהשוואה NRZ.

Co-Packaged Optics & Chiplets

כדי להתגבר על צוואר הבקבוק של רוחב הפס וצריכת החשמל של מודולים ניתן לצריף, התעשייה נעה לכיוון אופטיקה משותפת (CPO) באדריכלות CPO, המנוע האופטי (כולל photodiodes ו- TIAs) משולב באותה החבילה כמו מתג ASIC. זה מפחית באופן דרמטי את אורך החיבור החשמלי, צמצום כוח ושיפור שלמות האות.

למידה ממוחשבת עבור אופטימיזציה

טכניקות למידת מכונות מתחילות למצוא יישומים בתקשורת אופטית, כולל עיצוב מקלט אלגוריתמים ML יכולים לייעל את התקני ה- הסתברות שווה, מתחים הטיה, ולקבל הגדרות בזמן אמת כדי להסתגל לשינויים בתנאי קישור.על ידי טיפול במקבל כמערכת דינמית, ML יכול לדחוף את הביצועים קרוב יותר למגבלות הרעש הבסיסיות.בנוסף, רשתות עצביות מאוישות יכולות לשמש לא לינאריות שוות כדי לפצות על עיוותים מסורתיים, כך שתרופות ליניאריות מסורתיות לא יכולות ביעילות, ביעילות, ביעילות, ביעילות, ביעילות, ביעילות, עם מגבלות משמעותיות.

אינטגרציה heterogeneous

העתיד של מקלטים נמוכים נמצא באינטגרציה heterogeneous, שבו חומרים שונים וסוגי מכשירים משולבים על פלטפורמה אחת.זה יכול לשלב תמונות InGaAs עם SiGe BCMOS TIAs, או אפילו III-V לייזרים עם מעגלים פוטוניים סיליקון.כל מערכת חומר שנבחרה לביצוע ההשקעה הטובה ביותר שלה: בGaAs for phototedection, SiGe במהירות גבוהה עבור אלקטרוניקה גבוהה, אך עדיין טיפול פסיכולוגי, נשאר יתרונות משמעותיים עבור ביצועים לא יציבים.

מסקנה

תכנון מקלטים אופטיים נמוכים עבור יישומי מרכז נתונים הוא אתגר רב תחומי שמושך על פוטוניקה, עיצוב מעגלים אנלוגי, חומרים מדע, והנדסת מערכת. מקורות רעש היסוד - שירה, רעש תרמי, RIN, ורעש עודף avalanche - פתח מגבלות קשות על הרגישות, אבל הנדסה זהירה יכולה לגשת לגבולות אלה במכשירים מעשיים.אסטרטגיות כגון אופטימיזציה phototector, נמוך עיצוב, עיצוב TCA, עיצוב מתקדם כבר אריזות מתקדמות.

במבט קדימה, פוטוניקה משולבת, גילוי קוהרנטי, עיבוד אותות אדפטי מבטיח שיפורים נוספים, המאפשר מרכזי נתונים לעמוד בדרישה הגוברת האקספוננציאלית של רוחב פס.המעבר ל-200 Gb/s לכל נתיב, אופטיקה משותפת, ואופטימיזציה המונעת על ידי AI תבחן את חוסר ההתאמה של מהנדסים, אבל המטרה הבסיסית נותרה ללא שינוי: להמיר תמונות נכנסות לתוך פיסות חשמל עם הנמוך ביותר האפשרי כדי להמשיך את מרכז נתונים של שנים קדימה.

קישורים חיצוניים לקריאה נוספת:

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇
• שם הספר בלועזית :0SPIE Digital LibraryFLT
• (ב) ◄ [43]
• (בלטינית:0)Optica (לשעבר OSA)