Оптимизация оптического дизайна приемника для 100 г и сверх скорости передачи данных

По мере того, как требования к данным продолжают расти, системы оптической связи стремятся к более высоким скоростям передачи данных, включая 100G и более. Проектирование оптических приемников, способных обрабатывать эти скорости, требует тщательного рассмотрения различных факторов для обеспечения производительности, надежности и экономической эффективности. В современных телекоммуникациях и центрах обработки данных оптический приемник является критическим компонентом: он преобразует входящий оптический сигнал в электрическое напряжение, достаточно сильное и чистое для последующих часов и схем восстановления данных (CDR). При 100G на полосу и за ее пределами - часто с использованием четырехуровневой импульсной амплитудной модуляции (PAM4) или когерентной модуляции - конструкция приемника становится многовариантной проблемой оптимизации, балансирующей полосу пропускания, шум, линейность, рассеивание мощности и отпечаток.

В этой статье рассматриваются основные проблемы, стратегии проектирования и новые технологии, которые определяют высокоскоростные оптические приемники для 100G и за его пределами, предоставляя инженерам и системным архитекторам практическое руководство по принятию обоснованных решений в области проектирования.

Проблемы в высокоскоростном оптико-приемнике

При скорости передачи данных 100G и выше оптические приемники сталкиваются с несколькими техническими проблемами, которые усугубляются по мере увеличения скорости символов. В следующих подразделах подробно описаны наиболее важные проблемы.

Ограничения пропускной способности и компромиссы по скорости пропускной способности

Фотодиод и усилитель трансимпеданса (TIA) вместе определяют пропускную способность приемника. Внутренняя емкость PIN-фотодиода (обычно 0,2-0,5 pF для высокоскоростных устройств) и входное импеданс TIA образуют фильтр низкого пропускания. Для сигнала 100Gbaud PAM4 (ширина полосы пропускания 50 ГГц) продукт емкости фотодиода и входного сопротивления TIA должен быть чрезвычайно низким. Инженеры часто используют фотодиоды малого радиуса для снижения емкости, но за счет более низкой отзывчивости и повышенной сложности эффективного соединения света. Общая цель - пропускная способность 3-dB по меньшей мере 0,7 × частота символа для PAM4 (т.е. 70 ГГц для 100Gbaud), что требует тщательной геометрии фотодиода и передовых топологий TIA, таких как регулируемый каскод (RGC) или этапы с индуктором.

Отношение сигнал-шум и чувствительность приемника

Поддержание высокого SNR необходимо для достижения низкой скорости бит-ошибки (BER). В системах PAM4 четыре уровня амплитуды разделены только одной третью от пикового к пиковому качению, что делает их в три раза более уязвимыми к шуму, чем сигнал невозврата к нулю (NRZ) той же пиковой мощности. Доминирующие источники шума в оптическом приемнике включают шум выстрела из фотодиода (пропорциональный среднему фототоку), тепловой шум от резистора обратной связи TIA и шум мерцания на низких частотах. Для когерентных приемников также играют роль шум выстрела локального осциллятора и шум относительной интенсивности лазера (RIN). Дизайнеры должны выбрать TIA с высоким коэффициентом усиления трансимпеданса, чтобы уменьшить воздействие шума последующих стадий, одновременно избегая отката полосы пропускания от большого резистора обратной связи.

Дисперсионные эффекты

Хроматическая дисперсия (CD) и дисперсия в режиме поляризации (PMD) вызывают расширение импульса и интерсимволическую интерференцию (ISI). Для приемников прямого обнаружения CD становится серьезным штрафом при 100Gbaud, даже при коротком волокне. Многие системы теперь полагаются на дисперсионно-компенсационную волокну или электронную дисперсионную компенсацию (EDC) в приемнике. Когерентные приемники по своей сути компенсируют CD и PMD в цифровом домене, но аналоговый фронтенд должен иметь достаточную линейность для обработки широкого динамического диапазона колебаний мощности, вызванных дисперсией.

Jitter и Timing Recovery

Высокоскоростные данные требуют точного восстановления часов. Случайное дрожание от TIA и фотодиода, а также детерминированное дрожание от ограничений полосы пропускания и несоответствий импеданса уменьшают запас времени. При 100Gbaud даже 100 фемтосекунд пикового джиттера могут значительно ухудшить BER. Конструкции приемника часто включают детекторы фазы взрыва или восстановление часов Мюллера-Мюллера, но аналоговый путь должен представлять чистый переход с низким джиттером.

Упаковка и паразиты

При полосе пропускания выше 50 ГГц каждый миллиметр провода связи или линии микрополосы вводит паразитную индуктивность и емкость, которые могут вызывать пики, откат или колебания. Упаковка Flip-chip и интеграция на чипе (фотонные интегральные схемы, PIC) все чаще используются для минимизации паразитов. Переход от волокна к фотодиоду - будь то краевая связь или решетка - также должен быть оптимизирован для низкой потери вставки и минимальных отражений назад.

Потребление энергии и тепловое управление

Высокоскоростные TIA, драйверы и DSP потребляют значительную мощность. Приемник PAM4 100Gbaud может потреблять 1-3 Вт на канал, а модуль 400G (4×100G) может превышать 10 Вт. Это тепло должно рассеиваться через корпус модуля, который часто является небольшим форм-фактором, подключаемым (QSFP-DD, OSFP). Дизайнеры должны балансировать пропускную способность и шумопроизводительность против мощности, часто используя адаптивное смещение или субпороговую работу в TIA.

Стратегии проектирования для повышения производительности

Чтобы преодолеть вышеперечисленные проблемы, инженеры используют несколько конкретных методов проектирования на уровне устройств, схем и систем.

Расширенный выбор фотодиодов

Высокоскоростные фотодиоды бывают нескольких вкусов:

• PIN фотодиоды — Предлагают низкое напряжение смещения, отличную линейность и умеренную реактивность (0,6-0,9 A/W). Для 100Gbaud активная область обычно составляет 10-20 мкм в диаметре. Современные ПИН-коды вертикального освещения достигают полосы пропускания 50+ ГГц.
• Основные фотодиоды (APD) — Обеспечить внутренний коэффициент усиления (M-фактор), который может улучшить чувствительность приемника на 5-10 дБ, но они требуют высокого смещения (25–50 В) и вводят избыточный шум (избыточный шумовый коэффициент F>2). APD привлекательны для дальнемагистральных и пассивных оптических сетей (PON), где бюджет канала критически важен, но их пропускная способность часто ограничена <30 ГГц из-за времени нарастания лавины.
• Волновые фотодиоды (PIN или UTC) — Используя подкожное соединение в волноводе, эти устройства отделяют длину поглощения от времени транзита несущей, достигая очень высокой полосы пропускания (> 100 ГГц) с хорошей отзывчивостью. Фотодиоды с односторонним движением (UTC) популярны для приложений 100G+.

Для когерентных приемников сбалансированные фотодиоды с высоким коэффициентом отторжения в общем режиме (CMRR) необходимы для подавления шума интенсивности локального осциллятора. Они обычно представляют собой флип-чип, установленный в конфигурации с двумя диодами.

Транзимпированный усилитель (TIA) топологии

TIA должен преобразовывать фототок (обычно пик 0,1-1 мА) в качание напряжения 100-500 мВ_pp.

• Регулируемый каскод (RGC) TIA — Низкий входной импеданс, широкая полоса пропускания и умеренный шум. Стандартен для многих коммерческих деталей.
• Индуктивно-пиковая TIA — Использование спиральных индукторов на кристалле или катушек T-образного типа для расширения полосы пропускания до 50% за счет изменения площади и более высокой групповой задержки.
• Распределенный усилитель TIA — использует несколько этапов усиления в структуре линии передачи для достижения чрезвычайно широкой полосы пропускания (> 100 ГГц), но потребляет больше мощности и площади.
• низковольтные CMOS TIAs — С процессами fin-FET (7 нм и ниже) дизайнеры могут реализовать TIA с полосой пропускания > 60 ГГц и < 20 pA/√Hz входного шума, что позволяет интегрироваться с DSP в единый ASIC.

Оптимизация шума: использование большого резистора обратной связи (R_]f) снижает тепловой шум, но паразитическая емкость на входном узле ограничивает полосу пропускания. Обычный метод заключается в использовании топологии обратной связи шунта-шунта с инвертирующей стадией усиления. В продвинутых конструкциях используются активные обратные связи или буферы логики текущего режима (CML) для продвижения границы полосы пропускания-шума Парето.

Методы уравнивания

Поскольку даже самый лучший аналоговый интерфейс не может полностью компенсировать ISI от дисперсии или ограничений полосы пропускания, электронное выравнивание является обязательным для приемников 100G +.

• Непрерывно-временные линейные эквалайзеры (CTLE) — Помещенный в аналоговом пути, CTLE повышает высокочастотное содержание (т.е. пиковое) для сглаживания общего отклика канала. Коэффициенты CTLE часто фиксируются или адаптируются в автономном режиме.
• Уравнительные эквалайзеры обратной связи принятия решений (DFE) — Используйте ранее обнаруженные символы для отмены ISI. Для PAM4 распространен DFE с 1-5 касаниями. Основная проблема заключается в сроках: обратная связь должна располагаться в течение одного периода символа (10 ps для 100Gbaud). Для удовлетворения временных ограничений используются спекулятивные или петлевые архитектуры.
• Комплексы питания-передачи (FFE) — линейные фильтры FIR, которые могут предварительно компенсировать прекурсор и посткурсор ISI. Они часто используются в сочетании с DFE.
• Максимально-вероятностное обнаружение последовательности (MLSD) — мощное, но вычислительно дорогое; редко используется в модулях с ограниченным энергопотреблением.

В когерентных приемниках все выравнивание происходит в цифровом домене после когерентного обнаружения: эквалайзер с множественным входом и множественным выходом (MIMO) 2×2 с 10-20 касаниями обрабатывает как CD, так и PMD, в то время как петля восстановления несущей корректирует лазерный фазовый шум.

Формат модуляции и подход обнаружения

Выбор между прямой детекцией (модулирование интенсивности / PAM4) и когерентным обнаружением сильно влияет на архитектуру приемника.

• Прямая обнаруженная PAM4 — меньшая сложность и стоимость. Приемник состоит из одного фотодиода, TIA и аналого-цифрового преобразователя (ADC), за которым следует выравнивание в DSP. Он доминирует для достижения до 10-40 км (например, 400GBASE-LR4). Чувствительный к дисперсии и требует высокой OSNR.
• Когерентное обнаружение (DP-QPSK, DP-16QAM) — использует локальный осцилляторный лазер, оптический гибрид 90 ° и четыре сбалансированных фотодиода (две поляризации, две квадратуры). Цифровой бэкэнд компенсирует все линейные нарушения и может достигать тысяч километров. При 100G на длину волны когерентный используется для сетей дальнего следования и метро; для 400ZR он также используется в интерконнекторе с коротким охватом ЦОД (DCI). Когерентные приемники требуют большей мощности, большего контроля лазерного фазового шума и обычно стоят дороже прямого обнаружения.

Для новых стандартов 800G и 1.6T стандартизируются как PAM4 (до 2-10 км), так и когерентный (для большей досягаемости).

Фотонная интеграция и упаковка

Для минимизации паразитов и уменьшения площади занимаемых мест все чаще используются интегрированные фотонные схемы (PIC). Платформы для фотоники кремния позволяют осуществлять совместную интеграцию высокоскоростных фотодиодов (ге-он-си или гетеропереход Si-Ge), TIA и модуляторов на одном кристалле. Это уменьшает длину межсоединений фотодиод-TIA до нескольких микрометров, практически исключая индуктивность проводов связи. Гетерогенно интегрированные фотодиоды InP или GaAs на кремнии также используются для повышения чувствительности.

Методы упаковки включают:

• Связывание с фиксатором — Photodiode mesa переворачивается на чип CMOS TIA, с припоями, обеспечивающими как электрические, так и тепловые пути.
• 3D интеграция — использование микро-накачек или сквозных кремниевых сквозняков (TSV) для стека фотоники и электроники.
• Оптическое подсоединение — волокнистая решетка, прикрепленная через V-гроувы, с линзами для сцепления ребер.

Хорошо спроектированный пакет может снизить коэффициент отражения (S11) ниже −15 дБ до 70 ГГц, избегая ряби в частотной реакции.

Термический менеджмент

Диссипация тепла осуществляется с помощью теплоотводов, термоинтерфейсных материалов (ТИМ) и, при необходимости, термоэлектрических охладителей (ТЭС) для лазеров. В модулях приемника TIA является основным источником тепла (1-2 Вт на канал). В усовершенствованных модулях используются структуры медных монет, встроенные в ПХБ, для распределения тепла по корпусу. Диапазон рабочих температур для большинства подключаемых модулей составляет 0-70°C (коммерческий) или −40-85°C (промышленный). Конструкция схемы должна включать температурную компенсацию за токи смещения и усиление TIA.

Тестирование и валидация высокоскоростных приемников

Для проверки соответствия оптического приемника спецификациям 100G+ требуется специализированное испытательное оборудование и тщательные методики измерений.

• Оптический анализатор модуляции (OMA) — Генерирует PAM4 или когерентные модели испытаний и захватывает полученную диаграмму глаз. Ключевые показатели: открытие глаз (внутренняя высота глаза, внешняя высота глаза), передатчик и закрытие дисперсионного глаза (TDECQ).
• Бит-тестер скорости ошибки (BERT) — Измеряет BER на выходе CDR. Для PAM4 используется четырехуровневый генератор шаблонов и восстановление часов.
• Измерение частоты-реакции — Использование векторного сетевого анализатора (VNA) с оптическим компонентом (например, фотодиодом 70 ГГц и анализатором компонентов световых волн) для измерения S21 и S11 приемника.
• Шумовое число и проверка чувствительности — Изменяйте мощность оптического ввода до тех пор, пока BER не достигнет предела коррекции ошибок (FEC) (например, 2×10⁻⁴ для KP4-FEC). Оптическая мощность в этой точке определяет чувствительность приемника.

Тестирование должно учитывать состояние запуска (однорежимное волокно, поляризация), температуру и старение. Многие испытательные дома также проводят стресс-тестирование с добавлением дисперсии и вращения поляризации для моделирования реальных сред.

Новые технологии и будущие тенденции

Исследования и разработки продолжают расширять границы производительности оптических приемников. Несколько областей обещают следующее поколение систем на 200 Г на полосу и за ее пределами.

Кремниевая фотоника с продвинутыми CMOS

Существующие платформы кремниевой фотоники уже интегрируют модуляторы, фотодиоды и некоторую электронику. Следующим шагом является монолитная интеграция всех функций приемника (фотодиод, TIA, ADC, DSP) в один 7-нм или 5-нм процесс FinFET. Это резко снизит паразитную индуктивность, меньшую мощность и более низкую стоимость. Такие компании, как Lightwave и IEEE Spectrum сообщили о прогрессе в монолитной кремниевой фотонике для приложений 100G+.

Новые материалы для фотодетекторов

Двумерные материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD), продемонстрировали сверхвысокую мобильность несущих и широкополосное поглощение. Графеновые фотодетекторы показали полосы пропускания выше 200 ГГц в лабораторных прототипах, хотя чувствительность остается низкой (0,01-0,1 A / W). Другие материалы, такие как черный фосфор (фосфорен), предлагают настраиваемый разрыв полосы и высокую реактивность, но стабильность и технологичность по-прежнему являются проблемами. Для дальнейшего чтения см. Природная фотоника на фотодетекторах 2D-материала.

Машинное обучение в обработке сигналов в реальном времени

Нейронные сети и глубокое обучение могут превзойти традиционные эквалайзеры в высоконелинейных или изменяющихся во времени каналах. Например, эквалайзер на основе сверточной нейронной сети (CNN) может компенсировать как линейные, так и нелинейные нарушения (эффект Керра, XPM) в когерентных системах, потенциально позволяя более длительный охват или более высокую мощность запуска. Однако энергопотребление и задержка таких архитектур DSP должны быть уменьшены, прежде чем они могут быть развернуты в подключаемых модулях. Исследовательские группы изучают аппаратно-эффективные реализации с использованием систолических массивов и ускорителей аналоговых нейронных сетей. См. IEEE Journal of Lightwave Technology для последних публикаций.

Расширенная модуляция и DSP схемы

Помимо PAM4 и DP-16QAM, будущие стандарты могут использовать PAM8, 64QAM или вероятностную форму созвездий (PCS) для лучшего соответствия свойствам канала. Для PAM8 требования к линейности приемника значительно ужесточаются, а штраф SNR становится еще больше. Цифровое пре-искажение (DPD) на передатчике может ослабить некоторые требования к приемнику, но приемнику все еще требуется очень линейный фронтальный интерфейс. Когерентные системы, вероятно, будут принимать более быстрые скорости символов (140 + Gbaud) и QAM более высокого порядка (например, 64QAM) для 1,6 Т на длину волны. Конструкция приемника должна следовать той же траектории оптимизации полосы пропускания и шума.

Расширенная упаковка и Co-Packaged Optics

Тенденция к совместно упакованной оптике (CPO) ставит оптический двигатель (приемник и передатчик) очень близко к переключателю ASIC, уменьшая длину следов PCB и энергопотребление. В CPO фотодиоды приемника непосредственно связаны с подложкой пакета ASIC, а волоконные массивы присоединены через оптические разъемы. Это устраняет многие из упаковочных паразитов, обеспечивая более высокую пропускную способность и меньшую мощность. Несколько отраслевых консорциумов разрабатывают стандарты для CPO; см. CO-EXON для недавнего примера.

Заключение

Проектирование оптических приемников для 100G и за его пределами является многодисциплинарной задачей, которая охватывает физику полупроводников, конструирование аналоговых схем, упаковку и обработку цифровых сигналов. Ключевые оси производительности - пропускная способность, шум, линейность, мощность и стоимость - взаимосвязаны, заставляя инженеров делать компромиссы на основе целевого приложения. Приемники PAM4 прямого обнаружения доминируют в короткоходовых звеньях, в то время как когерентные приемники царят в дальних и DCI. По мере того, как новые технологии, такие как монолитная кремниевая фотоника, 2D-материальные фотоприемники и ИИ-управляемые выравнивания зрелые, будущие оптические приемники будут достигать еще более высоких скоростей передачи данных на полосу - 200G и 400G - сохраняя экономическую эффективность, необходимую для постоянно растущего спроса на пропускную способность в телекоммуникациях и центрах обработки данных.