ハイブリッド光学系システムについて

クラウドコンピューティング、ストリーミングサービス、モノのインターネット(IoT)によって駆動されるデータトラフィックの指数関数的な成長は、従来の銅ベースの純粋な光学ネットワークを制限に押し上げています。ハイブリッド光電データ伝送システムは、多角的な進化を表し、高帯域幅、低損失の光学繊維の利点を、スイッチング、ルーティング、および確立された電子機器の処理能力を発揮します。光学および電気ドメインを別々に扱う代わりに、これらのボードは、それらの要件を組み込むか、将来のインフラを拡張することができます。

ハイブリッドシステムの中心は、光トランシーバです。電気信号を繊維上伝送用に調整された光に変換し、受信端に電気信号に戻ります。これらのトランシーバは、ASIC(アプリケーション固有の集積回路)を切り替えて、長距離電気トレースによって引き起こされるパフォーマンスネックを排除すると同時に、共同パッケージ化されています。この共同パッケージ化された光学は、電力消費と信号損失を大幅に削減し、800Gbpsを超えるポートと1ポートを超えるデータレートを有効にします。

光学利点

光ファイバは、ほぼ無制限の帯域幅のポテンシャルを提供します。単モードの繊維は、100 Gbps以上の各操作で数百の波長分割多重化(WDM)チャネルを運ぶことができます。 繊維の減衰は、0.2 dB/kmほど低く、10 または数百キロの繰り返しのないリンクを使用できます。 これらの特性は、長ホールのバックボーンネットワークとインターデータセンター接続に理想的です。 しかし、光学は、パケットの切り替えに必要な複雑なロジックを実行することはできません。 、電子バッファ、およびタスクの処理 - 。

電導の役割

特にシリコン系CMOS技術である電気回路は、高密度、低コストのロジックとメモリを提供します。プロトコル処理、エラー補正、ネットワーク制御機能の取り扱いをしています。ハイブリッドシステムでは、光学コンポーネントが「物理輸送」を処理する一方で、電気コンポーネントは「デジタル脳」を管理します。シリコンフォトニクスの最近の進歩により、両方の電子およびフォトニクス要素が同じチップに製造され、ハイブリッドインターフェイスのサイズとコストが削減されます。

現行のアプリケーションと利点

ハイブリッド光電システムは、高性能コンピューティングおよび通信環境に既に導入され、速度、遅延、エネルギー効率の具体的な改善を実現します。

通信事業

大手キャリアは、長距離および地下鉄ネットワークでハイブリッドアプローチを使用します。Coherent光学トランシーバー(高度なCMOSノード上に構築されたデジタル信号プロセッサーを使用して)は、既存の繊維上の波長当たり400Gと800Gを可能にします。コアルータの電気切替布は、トラフィック集計とルーティングを管理し、光学交差接続は再構成可能なエクスプレスレーンを提供します。この組み合わせにより、オペレータは新しい繊維を敷くことなく容量を増加させ、コストを敏感な市場を要因にすることができます。

データセンター

現代のデータセンターでは、ハイブリッドアクティブ光ケーブル(AOC)は、銅ケーブルを5メートル以上交換し、より軽量で優れた気流、100 + Gbpsのスループットを提供します。 より重要なのは、トップクラスのオプションのコパッケージ化光学は、プラグ可能な光学と比較して30〜50%の面板電力を削減します。 インテル、Cisco、およびブロードコムなどの企業は、次世代51.2 Tbpsスイッチ用のコパッケージソリューションに大きく投資しています。 これらの直接、カーボンおよびフットプリントの低減に役立ちます。

医療・科学イメージング

医療用画像では、ハイブリッドシステムにより、病院ネットワーク全体で高分解能MRI、CT、超音波データのリアルタイム伝送を実現します。繊維リンクは、大量の生センサーデータを処理単位に持ち、電気バックプレーンは画像の復元と表示を処理します。粒子加速器や放射線電器などの科学的用途向けに、ハイブリッドネットワークは、ナノ秒レベルのジッタとともに分散センサーとプロセッサを同期させます。

新興アプリケーション

自動車両は、車載ネットワークのハイブリッド光電リンクを採用し始めています。 センサーの融合と信頼性の高い銅の電力供給とレガシーコンポーネントの組み合わせは、配線ハーネスを簡素化します。 同様に、衛星の星座は、電気プロセッサはデータルーティングと圧縮を管理しながら、インターステライトレーザーリンク用のハイブリッドトランシーバーを使用します。 航空宇宙では、銅上の繊維を重くする利点は、特に顕著です。

細部の主利点

元の記事では、高帯域幅、低レイテンシ、スケーラビリティについて言及したが、より深い外観は、ハイブリッドシステムが不可欠であるいくつかの追加の利点を明らかにします。

  • []エネルギー効率:]]光学相互接続は、実用的な距離上の電気リンクと比較して、速度が低下する。 これにより、ドライバーや電気トレースに必要なイコライザを排除することにより、電力を削減する。 これは、グローバル電力消費の1〜2%のデータセンターアカウントとして不可欠です。
  • [信号整合性:[光学繊維は、電磁妨害および交差話に免疫力があります。つまり、ハイブリッドシステムは、工場の床や密なケーブルでサーバーラックなどの騒々しい環境で確実に実行されます。
  • [ 距離の柔軟性:]] 単一のハイブリッドシステムは、適切なトランシーバーと繊維のタイプを選択することにより、両方の短い範囲のラック----ラックリンク(メートル)と長距離のインターシティリンク(キロの採掘)を提供することができます。
  • []Fフューチャー・プロファイディング:[] ハイブリッド・システムが処理ロジック(電気)から伝送媒体(光学)を分離するので、より高いデータ・レートへのアップグレードは、多くの場合、トランスシーバーやフォトニック集積回路を交換するだけを必要としています。

課題と研究の方向性

約束にもかかわらず、ハイブリッド光電システムは、継続的な革新を必要とする技術的なハードルに直面しています。

統合密度

光学部品を電気ASICと共パッケージングすることで、マイクロスケール光ファイバの精密なアライメントをフォトニック波ガイドに要求します。あらゆる不整列は、信号品質を劣化させる損失をカップリングします。研究者は、MEMSアクチュエータと高度なピグアンドプレースロボットを使用して、自己整列技術を開発し、微分精度を実現しています。

熱経営

光学部品、特にレーザーダイオードは温度変動に敏感です。高密度スイッチでは、電気ASICによって発生する熱はレーザーを減衰させ、ビット エラー率を増加させることができます。統合されたマイクロ ‐ 流体チャネルまたは熱電クーラーのようなノベル冷却ソリューションは、安定した動作条件を維持するためにハイブリッドパッケージに統合されています。

コスト削減

現在、総コストの比例したシェアのためのハイブリッドトランシーバーアカウントの光学アセンブリ。 消費者の電子機器やIoTへの採用を促すために、業界は手動ピグテールから自動化、ウェーハスケールフォトニクスパッケージに移動する必要があります。 統合フォトニクス研究所のような組織は、設計サイクルとツーリングコストを削減する標準化プラットフォームを開発しています。

未来の展望

今後10年以上にわたり、ハイブリッド光電システムは、専門インフラから主流コンポーネントへの移行を予定しています。この変化を加速する3つのトレンドは、シリコンフォトニクス、5G/6Gネットワークのロールアウト、および大規模なインタープロセッサ帯域幅を必要とする人工知能のワークロードの上昇の成熟度を加速します。

短期開発(2025～2030)

  • 共パッケージ化光学は51.2 TbpsスイッチASICで標準的になり、100 Gbps光線を使用してポートごとの1.6 Tbpsを有効にします。
  • []に基づく光学IOモジュールのCo-Packaged Optics(CPO) Allianceの仕様は、マルチベンダーの相互運用性を可能にします。
  • 2028年、データセンター事業者は2024年と比較して、光学リンクの電力予算の40%削減を期待できます。
  • 消費者電子機器 — ノートパソコン、ゲーム機 — は、USB-C 光学ケーブルを駆動する、高速周辺接続用の小型のフォームファクタ光ポートを特徴とする。

長期ビジョン(2030年以降)

  • マイクロリング共振器や波長選択スイッチを使用して、あらゆる光学切替布は、マイクロ秒で再構成する「ソフトウェア定義フォトニクス」を作成、電子制御されます。
  • シングルチップの何千ものコンポーネントを備えたフォトニック集積回路は、スマートフォンのデータリンクから、インターステライトレーザー端末に至るまで、あらゆるものをユニバーサルトランシーバーとして機能します。
  • Quantum通信は、ハイブリッドシステムに依存して、一貫性を維持します。電子制御装置は、エンタグルメントを監視し、エラー補正を実行しながら、光学チャンネルは、qubitを運びます。
  • ハイブリッドアーキテクチャの広範な採用により、純粋な電子代替と25〜30%の推定で、世界通信ネットワークのエネルギーフットプリントを削減します。

光と電子ドメインの境界線がぼるにつれて、データの伝送の未来は一変です。 インテリジェントに両方の世界のベストを組み合わせることで、これらのシステムは、技術が単独で達成できる能力と効率性を解除します。 ネットワークアーキテクチャ、ハードウェアエンジニア、ビジネスリーダー、ハイブリッド光電ソリューションの理解と投資については、もはやオプションではありません。次世代の高性能通信インフラの基礎です。

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