I data center di iperscala e impresa continuano la loro espansione senza sosta per soddisfare le esigenze di cloud computing, carichi di lavoro AI e servizi di bordo 5G, la pressione sull'infrastruttura di interconnessione si è intensificata.

Il ruolo dei ricevitori ottici in Interconnessioni del Data Center

In un tipico centro dati interconnessione, un trasmettitore converte i dati elettrici in luce modulata, che viaggia attraverso la fibra a un ricevitore. Il fotodetector del ricevitore converte la potenza ottica di nuovo in una corrente elettrica, che viene poi amplificata, filtrata e trasformata per recuperare il segnale digitale originale. Questa conversione deve avvenire con una distorsione minima, basso rumore e sensibilità sufficiente per rilevare i segnali deboli dopo la perdita di fibra, la divisione e i di connettori.

Metrics di performance chiave per il design del ricevitore ottico

La progettazione di un ricevitore ottico ad alte prestazioni richiede il bilanciamento di diverse metriche interdipendenti.

Valutazioni sulla larghezza di banda e sulla velocità dei dati

Per l'allineamento non-return-to-zero (NRZ) o la modulazione di impulso-amplitude (PAM4) segnali, la larghezza di banda richiesta è tipicamente intorno 0,7 a 0,8 volte il tasso di baud.

  • NRZ a 112 Gbps:[ Richiede circa 80 GHz di larghezza di banda del ricevitore.
  • PAM4 a 112 GBaud:[] Utilizza la metà della larghezza di banda di un segnale NRZ equivalente ma richiede una maggiore linearità e SNR.
  • Rilevamento coerente:[[]] I requisiti di larghezza di banda degli Shifts per il convertitore analogico-digitale (ADC) e DSP, i vincoli di front-end analogici rilassanti.

I TIA commerciali ora raggiungono regolarmente le larghezza di banda superiori a 70 GHz per i ricevitori a singolo canale, mentre i ricevitori fotonici integrati spingono oltre 100 GHz utilizzando processi CMOS avanzati o SiGe BiCMOS[]][1]][]]]] .

Sensibilità e rumore Figura

La sensibilità del ricevitore definisce la potenza ottica minima necessaria per raggiungere un obiettivo BER (ad esempio, 10-12]). L'elevata sensibilità consente di operare con minore potenza di trasmissione o oltre distanze più lunghe senza amplificatori. La sensibilità è principalmente limitata da tre fonti di rumore: rumore del colpo dalla foto corrente, rumore termico dalla TIA e rumore di degrado dell'amplificazione da fasi successive.

  • Sensibilità fisica per 100 Gbps rilevamento diretto:[ -12 a -15 dBm (a BER 10-12]).
  • Sensibilità del ricevitore corrente a 100 Gbps:[ -20 dBm o meglio con un LO forte.
  • Ricevitori basati su APD avanzati:[ Può ottenere una sensibilità migliore di 5-10 dB rispetto ai rivelatori PIN a causa del guadagno interno.

Efficienza energetica e gestione termica

I centri dati sono ambienti con un'alimentazione limitata, con interconnessioni ottiche che consumano una parte significativa del budget energetico. La dissipazione di potenza del ricevitore proviene principalmente dalla TIA, limitando l'amplificatore e qualsiasi successivo recupero di clock e dati (CDR) o circuiti DSP.

Tecnologie avanzate Guidare l'ottimizzazione del ricevitore

Diversi progressi tecnologici hanno permesso di migliorare il cambiamento delle prestazioni dei ricevitori ottici nel corso degli ultimi dieci anni.

Fotonici e circuiti integrati fotonici

I fotografi di Silicon sfruttano la produzione di CMOS per integrare monoliticamente i fotodetectori, i modulatori e i componenti passivi su un singolo chip. I fotodetectori di Germanium-on-Si offrono una elevata reattività (0.8-1 A/W) a 1310 nm e 1550 nm di lunghezza d'onda, con larghezza di banda superiore a 50 GHz.

Fotodiodi di valanga avanzata (APDs) e Ge-on-Si APDs

I progettisti di RST (GL) offrono un guadagno interno attraverso l'ionizzazione dell'impatto, amplificando la foto corrente prima del TIA. Questo guadagno migliora la sensibilità superando il rumore termico, ma a costo del rumore in eccesso a causa della natura casuale del processo di moltiplicazione.

Rilevamento coerenti e DSP

La comunicazione ottica coerenti, una volta riservata alle reti a lungo raggio, è sempre più adottata nei collegamenti del data center per distanze superiori a 10 km e per la divisione ad alta quota multiplexing (WDM). I ricevitori coerenti utilizzano un laser oscillatore locale e un ibrido ottico a 90 gradi per catturare sia l'ampiezza che le informazioni di fase.

Rilevazione diretta con PAM4 e FEC

Per i collegamenti più brevi (fino a 10 km), il rilevamento diretto con la modulazione PAM4 è diventato la scelta dominante. PAM4 trasmette due bit per simbolo utilizzando quattro livelli di ampiezza, raddoppiando la velocità di dati per lunghezza d'onda mantenendo il tasso di baud invariato. Il ricevitore deve mantenere alta linearità su una gamma dinamica più ampia per risolvere i quattro livelli, e il SNR richiesto è di circa 9.5 dB più alto rispetto al NRZ.

Sfide di progettazione e trade-off

Ottimizzare un ricevitore per la distribuzione del mondo reale comporta la navigazione di diverse sfide intercorrelate.

Effetti termici e imballaggio

I componenti fotonici ad alta velocità sono sensibili alla temperatura. La reattività dei fotodetetectori Ge, il guadagno di APD e la corrente scura variano a temperatura. Ad esempio, il guadagno di APD diminuisce quando aumenta la temperatura, richiedendo una regolazione della tensione di bias. Inoltre, l'espansione termica dei materiali di imballaggio può disallineamento ottico di simulazione di accoppiamento, degradando la sensibilità.

Gestione del rumore e del crosstalk

Come il canale conta aumenta per soddisfare le esigenze di capacità, crosstalk tra ricevitori adiacenti diventa una seria preoccupazione. Il crosstalk elettrico deriva da un accoppiamento capitivo e induttivo sul circuito stampato o all'interno del modulo multichip.

Costo e scalabilità

Gli operatori del data center richiedono un costo sempre più basso per bit. Il fotodetector del ricevitore e TIA devono essere fabbricati in volume elevato con un rendimento elevato. I materiali fotonici del silicio offrono un percorso di scalatura perché gli stessi fabs CMOS utilizzati per la logica e la memoria possono produrre chip fotonici. Tuttavia, l'integrazione di epitassi del germanio e l'allineamento sub-nanometro dei accoppiatori di grattura richiede processi specializzati che aggiungono i costi.

Disegni futuri in ottica ricevitore Design

Guardando avanti, diverse direzioni di ricerca emergenti promettono di spingere le prestazioni del ricevitore ottico ancora più ulteriormente.

Amplificatori a rumore ultrabati

Ridurre il rumore di ingresso TIA è uno dei modi più efficaci per migliorare la sensibilità. Il lavoro recente utilizzando le toping induttivo, topologie basate su inverter, e 3 nm FinFET processi ha dimostrato TIAs con rumore inferiore a 1 pA/wideHz√, mantenendo le larghezza di banda superiori a 100 GHz.

Elaborazione e apprendimento dei segnali adattivi

I front-end del ricevitore tradizionale utilizzano la equalizzazione fissa (ad esempio, l'equalizzatore lineare continuo CTLE) e gli equalizzatori di feedback delle decisioni (DFE) si riducono. Le tecniche di apprendimento automatico possono ora adattare i parametri del ricevitore in tempo reale per compensare il degrado del collegamento causato dalla deriva della temperatura, dall'invecchiamento della fibra o dalla contaminazione del connettore.

Materiali di velluto (2D Materiali, Grafene)

Mentre il silicio e il germanio dominano oggi, le piattaforme bidimensionali come il grafo e il dichalcogenides del metallo di transizione (ad esempio, MoS2, WS2) offrono proprietà uniche per la fotodetezione. I fotodetectori del Graphene possono ottenere la risposta ultra-broadband da visibile a metà infrarosso, con velocità intrinseca veloce (tempo di transito del vettore del secondo).

Conclusioni

L'ottimizzazione dei progetti di ricevitore ottico è fondamentale per l'evoluzione dei collegamenti tra i data center. Da larghezza di banda e sensibilità all'efficienza energetica e all'imballaggio, ogni aspetto del ricevitore deve essere attentamente progettato per supportare la crescita incessante del traffico dati.