Интеграция оптических приемников с Ethernet-приемниками для высокоскоростных каналов передачи данных

Современные телекоммуникации и сети передачи данных сталкиваются с непрекращающимся давлением для обработки постоянно растущих объемов трафика с минимальной задержкой. Конвергенция оптических и электронных технологий стала краеугольным камнем для достижения высокоскоростных каналов передачи данных, требуемых центрами обработки данных, телекоммуникационными операторами и инфраструктурой предприятия. Одним из наиболее значительных аппаратных разработок в этой области является интеграция оптических приемников с приемопередатчиками Ethernet. При непосредственном сопряжении цепи фотоприемника и усиления сигнала с физическим слоем (PHY) кодирования и декодирования, дизайнеры могут устранить межэтапные интерфейсы, снизить энергопотребление и повысить скорость передачи данных выше 100 Гбит/с на полосу. В этой статье исследуются принципы, преимущества, проблемы реализации и будущие направления этой интеграции, обеспечивая технический обзор для инженеров и архитекторов, планирующих сети следующего поколения.

Основы оптических приемопередатчиков и Ethernet-приемников

Чтобы оценить преимущества интеграции, важно понять роли, которые каждый компонент выполняет в волоконно-оптической линии связи. Оптический приемник преобразует входящие световые импульсы в электрический ток, обычно используя фотодиод, такой как PIN-код или лавинный фотодиод (APD). Затем генерируемый фототок усиливается, выравнивается и квантовается в цифровые биты. На электрической стороне приемопередатчик Ethernet (часто называемый PHY) обрабатывает интерфейс управления доступом к среде (MAC), кодирование строк, восстановление часов и сериализацию / десеризацию (SerDes) функции. В слабо связанной конструкции эти два блока являются отдельными чипами или модулями, подключенными через хост-плату с использованием дифференциальных электрических следов.

Оптическая приемная операция

Передний оптический приемник состоит из фотоприемника, усилителя трансимпеданса (TIA) и ограничивающего усилителя (LA) или линейного усилителя с автоматическим контролем усиления (AGC). Фотодиод преобразует фотоны в электроны с квантовой эффективностью, которая зависит от длины волны (общие значения составляют 850 нм для мультимодов и 1310 нм или 1550 нм для однорежимных). TIA преобразует малый фототок (часто десятки микроампер) в сигнал напряжения, обеспечивая при этом первую стадию усиления и формирование полосы пропускания. Расширенные приемники для когерентных систем также включают в себя локальные осцилляторы и смесители, но для систем прямого обнаружения — наиболее распространенных в трансиверах Ethernet — TIA и LA достаточны. Интегрированные модули часто монолитно объединяют фотодиод и TIA на одном чипе с использованием платформ фотодиода индия (InP) или кремниевой фотоники (SiPh).

Ethernet-приемопередатчик (PHY)

Ethernet PHY реализуют подслои физического кодирования (PCS), физического прикрепления среды (PMA) и физического зависимого от среды (PMD), определенные в IEEE 802.3. Для оптических интерфейсов подслой PMD определяет оптоэлектронные параметры преобразования, включая мощность запуска, коэффициент вымирания и чувствительность приемника. Типичный высокоскоростной Ethernet PHY (например, поддерживающий 100GBASE-LR4 или 400GBASE-DR4) включает в себя коробку передач, которая перезапускает и мультиплексирует несколько полос данных, схему часов и восстановления данных (CDR) и SerDes для управления оптическим модулятором (в передатчике) или для приема электрических сигналов от TIA. В интегрированном оптическом приемнике / PHY электрический выход TIA подается непосредственно в CDR без интерфейсов промежуточной линии передачи, что снижает шумоподавление и упрощает компоновку платы.

Интеграционные подходы

Интеграция может быть осуществлена на разных уровнях: на одной печатной плате (гибридная интеграция), в одной и той же упаковке (многочиповый модуль или MCM), или на одной и той же матрице (монолитный). Гибридная интеграция с использованием проводных связей или флип-чипа является наиболее зрелым подходом, но совместно упакованная оптика (CPO) набирает тягу на 800 Гбит/с и более. В конструкции CPO оптический двигатель (содержащий фотодиоды, TIA и лазерные драйверы) физически расположен рядом с коммутатором Ethernet ASIC или PHY, минимизируя длину электрического следа между SerDes и оптоэлектроникой. Это резко снижает энергопотребление и проблемы целостности сигнала при высоких скоростях передачи данных.

Основные преимущества интегрированных решений

Переход к интегрированным оптическим приемникам и приемопередатчикам Ethernet обеспечивает измеримые преимущества в производительности и стоимости по нескольким измерениям.

Более высокие скорости передачи данных и пропускная способность

Интеграция сокращает путь между фотоприемником и цифровой схемой, позволяя увеличить пропускную способность и обеспечивая скорость передачи данных на полосу до 112 Гбит/с (PAM4) и вскоре 224 Гбит/с. На этих скоростях даже несколько миллиметров трассы ПХБ вводят деструктивное дрожание и затухание. Устраняя эти следы, интегрированные модули надежно поддерживают 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с совокупные скорости передачи данных, как определено IEEE 802.3df и предстоящими стандартами.

Уменьшение задержки и джиттера

Каждую миллисекунду задержки имеет значение в финансовых торгах, облачных вычислениях и системах управления в реальном времени. Интегрированные оптические приемники избегают буферизации и ресинхронизации, которые происходят, когда электрические сигналы должны проходить через отдельные чипы CDR и SerDes. Прямая связь уменьшает детерминированный дрожание на 30-50% по сравнению с дискретными реализациями, как показано в измерениях IEEE 802.3, совместимых с . Более низкий дрожание напрямую приводит к снижению частоты ошибок битов и позволяет более длинные расстояния связи без ретиминга.

Космическая и энергетическая эффективность

Центры обработки данных ограничены плотностью мощности стойки и физическим воздействием. Интегрированные приемопередатчики устраняют избыточные компоненты, такие как отдельные пакеты TIA, фильтры SAW и внешние тактовые сети. Один модуль QSFP-DD или OSFP, который интегрирует приемник и PHY, может сэкономить до 40% площади платы и 30% мощности на порт. Для крупномасштабного развертывания с тысячами портов это снижение существенно снижает затраты на охлаждение и повышает общую эффективность объекта. Принятие интегрированных модулей является ключевым фактором для 1 Тбит/с на коммутатор стойки, установленных Open Compute Project.

Улучшенная надежность и целостность сигнала

Меньшее количество соединений означает меньше точек отказа. Соляные соединения и разъемы являются одними из наиболее распространенных причин полевых сбоев. Перемещая оптический приемник и приемопередатчик Ethernet в единый пакет, производители могут протестировать всю оптоэлектронную сборку в качестве блока, обеспечивая согласованную производительность по колебаниям температуры и напряжения. Кроме того, короткий электрический путь минимизирует электромагнитные помехи (EMI) и перекрестные помехи, которые становятся серьезными при скоростях передачи сигналов PAM4 выше 50 Гбо. Интегрированные конструкции часто включают в себя выравнивание на кристалле и встроенные функции самотестирования (BIST), которые упрощают квалификацию.

Проблемы и смягчения последствий осуществления

Несмотря на очевидные преимущества, интеграция оптических приемников с приемопередатчиками Ethernet создает несколько технических препятствий, которые необходимо тщательно решать во время проектирования и развертывания.

Совместимость и соответствие стандартам

Конструкторы должны обеспечить соответствие интегрированного модуля соответствующим оптическим и электрическим спецификациям. Слой, зависящий от физической среды (PMD) стандартов IEEE 802.3 800 Гбит/с, определяет точные требования к чувствительности приемника, перегрузке и коэффициенту вымирания. С электрической стороны стандарты CEI (Common Electrical Interface) (например, OIF-CEI-04.0) регулируют параметры SerDes. Интегрированные модули также должны соответствовать форм-факторам MSA, таким как QSFP-DD, OSFP и вскоре QSFP224. Квалификационные тесты поставщика должны проверять, что джиттер преобразования оптический-электрический на интерфейсе хоста остается в пределах строгих масок глаз CEI. Использование предварительно квалифицированных оптических плиток двигателя от установленных поставщиков может снизить риск.

Управление питанием и тепловой дизайн

Концентрация TIA, CDR и SerDes в небольшом объеме создает тепловые точки доступа. TIA обычно потребляет 50-150 мВт на полосу, в то время как SerDes мощностью 112 Гбит/с может потреблять 200-300 мВт на полосу. Без надлежащего управления температурой темный ток фотодиода увеличивается и чувствительность ухудшается. Решения включают использование передовых материалов термоинтерфейса (TIM), микроканальное жидкое охлаждение для модулей CPO и динамическое масштабирование мощности, которое уменьшает усиление TIA при высокой оптической мощности. Дизайнеры должны моделировать тепловой профиль с использованием анализа конечных элементов и обеспечивать температуру корпуса модуля ниже 85 ° C, в соответствии с общими отраслевыми рекомендациями по дерации.

Целостность сигнала на расстоянии

Расстояния оптического волокна обычно ограничены дисперсией и нелинейностью, но интегрированные модули приемника / PHY могут улучшить бюджет оптического канала за счет снижения электрических шумовых вкладов. Однако бюджет оптической мощности по-прежнему требует тщательного расчета. Например, связь 400GBASE-DR4 на 500 м однорежимного волокна требует минимального бюджета потерь примерно 6 дБ. Чувствительность интегрированного приемника (в BER 1E-12) должна соответствовать мощности передатчика минус общая потеря. Современные интегрированные модули достигают чувствительности -8 дБм или лучше для PAM4 на 106,25 Гбо. Для более длительных охватов (10 км и далее) конструкторам может потребоваться включить коррекцию ошибок вперед (FEC) и оптическое усиление, но интегрированный приемопередатчик все еще может обрабатывать требуемое кондиционирование сигнала.

Испытания и сертификация

Для тестирования интегрированных модулей требуется специализированное оборудование, способное генерировать оптические сигналы PAM4 с контролируемым джиттером и шумом, плюс измерение электрической выходной мощности на интерфейсе хоста. Точки тестирования соответствия, определенные IEEE 802.3, указаны на TP2 (оптический выход), TP3 (оптический вход на приемник) и TP4 (электрический выход после PHY). Интегрированные модули делают TP3 и TP4 доступными только через прошивку модуля, что усложняет тестирование производства. Для решения этой задачи многие вендоры встраивают открывающие глаза мониторы и джиттер-метры с использованием на чипе BIST. Соответствие MSA для интерфейса управления модулями (например, CMIS 5.0) также является обязательным для конфигурации программного обеспечения.

Приложения для интеграции вождения

Спрос на более высокую пропускную способность и меньшую мощность наиболее высок в трех основных областях, все из которых быстро внедряют интегрированные оптические приемники / приемопередатчики.

Центры обработки данных и облачные вычисления

Гипермасштабные центры обработки данных (например, Amazon Web Services, Google Cloud, Microsoft Azure) должны масштабировать свои сетевые ткани от 100 ГБЕ до 400 ГБЕ и вскоре 800 ГБЕ. Интегрированные модули имеют решающее значение для переключателей листовой и верхней части стойки, которые объединяют тысячи серверов. Например, интегрированные модули OSFP мощностью 800 Гбит/с с электрическими и оптическими полосами 8 х 112 Гбит/с позволяют одному переключателю поддерживать более 100 Тбит/с совокупной пропускной способности при сохранении мощности ниже 15 Вт на порт. Облачные провайдеры также получают выгоду от меньшего форм-фактора, что позволяет повысить плотность портов в том же пространстве стойки. Проект Open Compute опубликовал спецификации для интегрированных оптических модулей, которые упрощают цепочку поставок и совместимость.

Кремниевая фотоника использует CMOS-совместимое изготовление для интеграции оптических компонентов, таких как фотодиоды, модуляторы и волноводы на том же кристалле, что и электронные схемы. Недавние достижения продемонстрировали монолитные приемники с фотодиодами Ge-on-Si и SiGe BiCMOS TIA, работающими на скорости 224 Гбит/с. Это снижает стоимость сборки и позволяет более тесную интеграцию с Ethernet PHYs. В то время как кремниевая фотоника в настоящее время достигает пределов производительности при очень высоких требованиях к линейности (например, для когерентного PDM-QPSK), она широко используется для модулей прямого обнаружения PAM4 до 800 Гбит/с. Основные литейные заводы (] GlobalFoundries , Tower Semiconductor) предлагают специализированные платформы кремниевой фотоники, позволяющие использовать пользовательские интегрированные модули.

Сопакетная оптика

Сопакованная оптика (CPO) представляет собой следующий этап интеграции, где оптический двигатель размещается в том же пакете, что и Ethernet-коммутатор ASIC или большой PHY. Это полностью устраняет необходимость в подключаемых модулях, резко сокращая энергопотребление для межсетевых соединений с коротким охватом в центрах обработки данных. Оптический форум по работе с Интернетом (OIF) запустил инициативу Co-Packaging Framework для определения электрических интерфейсов на 3,2 Тбит/с и более. CPO требует высокоэффективной лазерной связи и управления температурой, но ранние прототипы показывают перспективу с общей мощностью ниже 5 пДж/бит для оптической линии связи. Как только CPO созреет, различие между оптическим приемником и приемопередатчиком Ethernet будет эффективно исчезать.

Более 800G и более высокие показатели

Отраслевые дорожные карты указывают на 1,6 Тбит/с и 3,2 Тбит/с Ethernet в течение этого десятилетия. Эти скорости потребуют интегрированных оптических приемников с пропускной способностью, превышающей 100 ГГц, и SerDes, работающий на частоте 224 Гбит/с или 448 Гбит/с. Могут быть изучены расширенные форматы модуляции, такие как 100 Gbaud PAM4 и даже PAM8, что предъявляет еще более жесткие требования к линейности приемника и отношению сигнал-шум. Интегрированные модули, вероятно, будут включать цифровые сигнальные процессоры (DSP) на одном и том же кристалле для обработки выравнивания и коррекции ошибок вперед, размывая линию между PHY и оптическим приемником. Исследования в тонкопленочных модуляторах ниобата лития и ультраэффективных фотоприемниках обещают еще больше снизить мощность на бит.

Заключение

Интеграция оптических приемников с приемопередатчиками Ethernet является критическим шагом на пути к удовлетворению ненасытного спроса на более высокие скорости передачи данных, меньшую задержку и снижение мощности в современных сетях. Слив фотоприемник, усиление, восстановление часов и SerDes в один модуль или пакет, дизайнеры могут достичь целостности и плотности сигнала, которые невозможны с дискретными компонентами. В то время как проблемы в управлении тепловыми потоками, совместимости и тестировании остаются, преимущества в производительности и следе стимулируют быстрое внедрение в центрах обработки данных, телекоммуникационных магистралях и корпоративных сетях. По мере созревания кремниевой фотоники и совместной упакованной оптики граница между оптическими и электрическими доменами будет продолжать исчезать, позволяя следующее поколение высокоскоростных каналов передачи данных, которые лежат в основе облачных вычислений, 5G и за его пределами.