Veri talepleri büyümeye devam ettikçe, optik iletişim sistemleri 100G ve ötesinde daha yüksek veri oranlarına doğru itiyor. Bu hızları işlemek için yeterli olan optik alıcılar performans, güvenilirlik ve maliyet-malite sağlamak için çeşitli faktörlerin dikkatli bir şekilde göz önünde bulundurun. Modern telekomünikasyon ve veri merkezi interconnects, optik alıcı kritik bir bileşendir: gelen bir optik sinyale gelecek saat ve veriler için yeterince güçlü ve temiz hale gelir (CDR) devreleri. 100G'de şerit ve ötesinde - dört- naifikasyon modları kullanarak - bir modlama (PAM4) veya eşleme yöntemi ile-siyonel bir anahtarlama, sabit bir sabitleme-dönüşümlü güçleme, sabitleme, sabitleme ve ölçümleme,
Bu makale, temel zorluklar, tasarım stratejileri ve 100G ve ötesinde yüksek hızlı optik alıcılar tanımlayan teknolojiler üzerinde genişliyor, bilgi tasarım seçenekleri yapmak için mühendisler ve sistem mimarları sağlıyor.
Yüksek Hızlı Optik Alıcı Tasarımında Zorluklar
100G ve daha yüksek veri oranlarında, optik alıcılar, sembolün yüzde artışını artıran birkaç teknik zorlukla karşı karşıyadır. Aşağıdaki alt bölümler en kritik konuları detaylandırır.
Band genişliği Sınırları ve Capacitance-Speed Trade-off
Fotodiode ve transimpedance yükseltici (TIA) birlikte alıcının bant genişliğini belirler.Bir 100Gbaud PAM4 (50 sinyal bant genişliği), fotoyode kapasitans ve TIA girişinin ürünü genellikle yüksek hızlı cihazlar için pF gerekir.
Signalto - Noise Oran ve Alıcı Hassasiyet-
Yüksek bir SNR'yi korumak, düşük frekanslarda (NRZ) gürültüyü azaltmak için üç kat daha savunmasız hale getirmektir.Bir optik alıcının içindeki baskın gürültü kaynakları, ortalama fotoğraf makinesinden (öneticisinden) kaçınarak, TIA'nın geri bildirimlerinden üç kat daha hassas bir şekilde gürültü yapmaktan kaçınmalıdır.
Dispersion Effects
Chromatic Dağıtım (CD) ve kutuplaşma-mode dağılımı (PMD) nabzı genişleten ve asibol müdahale (ISI) Dijital alanda doğrudan alıcılar için, CD 100Gbaud'da ciddi bir ceza haline gelir, ancak analog ön uçta birçok sistem şimdi dağıtım-sonuçlu güç dalgalanmalarına güvenmelidir.
Jitter ve Timing Recovery
Yüksek hızlı veriler, TIA ve fotodiode'den gelen doğru saat kurtarma gerektirir, çünkü genellikle bant genişliği sınırlamalarından ve yanlış eşleştirmelerden gelen patlama marjını azaltır. 100Gbaud, 100 femtosaniyeler bile, yüksek derecede BERLEŞÜNCÜye değer. Alıcı tasarımları genellikle patlama-kürücükler veya Mueller-Muller saat kurtarmayı içerir, ancak analog yol temiz, düşük bir geçiş olmalıdır.
Ambalaj ve Parasitics
50 GHz'in üzerindeki bant genişliği, her bir tel tel veya mikrostrip hattı parasitik indükleme ve toplanabilirlik, yuvarlanma veya oscillations. Flip-çiçekli paketleme ve en az geri dönüş için optimize edilir (fotoğraflar) daha fazla parasitics için kullanılır.
Güç tüketimi ve ısı Yönetimi
Yüksek hızlı TIAs, sürücüler ve DSP önemli bir güç tüketmektedir. 100Gbaud PAM4 alıcı kanal başına 1-3 W tüketebilir ve 400G modülü (4×100G) 10 W. Bu ısı, TIA'da genellikle küçük bir form-faktorabilir (QSFP) Tasarımcılar, güçlere karşı gürültü performansı ve gürültü performansına karşı performanslarını dengelemeli, genellikle hassas bir önyargı veya alt-gerişlem işlemi kullanmalıdır.
Geliştirilmiş Performans için Tasarım Stratejileri
Yukarıdaki zorlukların üstesinden gelmek için mühendisler cihazda, devre ve sistem seviyelerinde birkaç beton tasarım tekniğini kullanmaktadır.
Gelişmiş Photodiode Selection
Yüksek hızlı fotodiodes birkaç lezzetde gelir:
- [FONT=0]PIN fotodiodes[[[Dönetici:0)[[Dönetici:0))|Döneticiler [Dönderlik, düşük önyargılı gerilim, mükemmel doğrusallık ve orta sorumsuzluk (0.6-0.9 A /W) 100Gbaud için, aktif alan genellikle 10-20 μm çapında.
- [FONT:0)Avalanche fotodiodes (APDs)[D)[D)[D)[FONT:0))[değiştir | kaynağı değiştir] ve yüksek önyargıya sahipler (-50 V) ve aşırı gürültü faktörü F > 2) APDs, uzun zamandır pasif ve optik ağ (PON) bağlantı bütçesinin eleştirel olduğu yerde, ancak bant genişliği genellikle sınırlı; 30 GHz inşa etmek için.
- [FONT=0)Waveguide fotodiodes (PIN veya UTC))[Uygun bir dalga kılavuzunda, bu cihazlar taşıyıcıdan gelen absorpsiyon uzunluğunu ikiye katlar, çok yüksek bant genişliğine ulaşır (> 100 GHz) iyi bir sorululuk ile. Uni-lingcarrier (UTC) fotodiodes 100G+ uygulamaları için popüler.
Eş zamanlı alıcılar için, yüksek ortak eşdeğerli redüksiyon oranı (CMRR) yerel-socaklayıcı gürültüyü bastırmak önemlidir. Bunlar genellikle çift-dode konfigürasyonunda monte edilir.
Transimpedance Amplifier (TIA) Topolojis
TIA, fotoğraf akımını (tipik olarak 0.1-1 mA zirve) 100-500 mV'nin bir gerilim salışı haline getirmelidir[Dönem:0)[Dönem: 0)
- [FONT:0)Yönülmüş kalibre (RGC) TIA[Dönetici: Low giriş engelleyici, geniş bant ve orta gürültü. Standart birçok ticari parça için.
- [FONT:0)Inductor-peaked TIA) - En yüksek orandan 50'ye kadar genişleyen veya T-Voyönderlik kullanarak bant-delay varyasyonu artırmak için.
- [FONT:0)Distributed amplifik TIA[Dönetici:0)[Dönderlik:0)Distributed amplifik TIA[Dönetici: 1 ) – Son derece geniş bant genişliği elde etmek için bir transkripto yapısında birden çok aşama kazanır (> 100 GHz) ancak daha fazla güç ve alan tüketmektedir.
- [FONT=0) Düşük gerilimli CMOS TIAs[[DÜT:1) – FİLMİ ve aşağıda; tasarımcılar TIAs with > 60 GHz genişlik ve < 20 pA/POSHz giriş-gration with DSP in a single ASIC.
Gürültü optimizasyonu: Büyük bir geri bildirim direnç (R[Döntme:0)f[Dönetici: 1) termal gürültüyü azaltır, ancak girişte bulunan parasitik kapasitance, yaygın bir teknik, bir inverting kazanım aşaması ile bir geri bildirim topoloji kullanmaktır. Gelişmiş tasarımlar aktif geri bildirim veya mevcut-mode mantığı kullanır (CML) buffers to itsito limit bant genişliğine zorlamak için.
Eşitleştirme Teknikleri
Çünkü en iyi tasarlanmış analog ön uç bile, dağıtım veya bant sınırlamalarından ISI için tamamen telafi edemez, elektronik eşitleştirme 100G+ alıcıları için zorunludur.
- [FONT:0) Sürekli zamanlı lineer eşitleştiriciler (CTLE)) - Analog yolda yer alan bir CTLE yüksek frekanslı içeriği artırır (örneğin, zirve) genel kanal yanıtını düzemektir. CTLE katları genellikle sabit veya adapte edilir.
- [DFEs)[0]Decision-feedback eşitleştiriciler (DFEs)[Döneticiler)[Döneticiler)[Döneticiler için) - Daha önce tespit edilen sembolleri kullanarak ISI. For PAM4, 1-5 musluklar ile bir DFE'nin ortak noktası: Geri bildirim, bir sembolün içinde yerleşmek için kullanılır (10 ps for 100Gbaud).
- [FONT:0)Feed-en ileri eşitleştiriciler (FFEs)[Döneticiler)[Dönder FIR filtreler, önceden kayıt yaptırmaya ve postacı ISI için önceden kullanılabilir.
- [FONT:0)Maximum-likelihood dizi algılama (MLSD)) - Güçlü ama hesaplamalı pahalı; nadiren güç kısıtlayıcı modüllerde kullanılır.
Eş zamanlı alıcılarda, tüm eşitleştirme, eşin tespitinden sonra dijital alanda gerçekleşir: 2×2 çoklu-input birden fazla- ⁇ (MIMO) hem CD hem de PMD ile eşitleyici, bir taşıyıcı-recovery döngüsü doğrus lazer faz gürültü.
Modulation Format and Tespit Yaklaşım
Doğrudan seçim (intensity modulation / PAM4) ve eşanlı algılama alıcı mimarisine güçlü etkiler.
- [FONT=0)Yönetici PAM4[DÜT:1] – Düşük karmaşıklık ve maliyet. Alıcı, tek bir fotodiode, TIA ve analog-dijital dönüştürücü (ADC) DSP'de eşitleme ile takip edilir. 10-40 km (e.g., 400GBA-LR4).
- [FONT-QPSK, DP-16QAM) - Yerel bir osilatör lazer, 90° optik hibrit ve dört dengeli fotodiod (iki kutupizasyonlar, iki dört dört dört dört dört dört dört dört dörtlülük bir araya gelir) Tüm lineer bozulmalar için dijital geri ödeme ve binlerce kilometreye kadar ulaşabilir.
Gelişen 800G ve 1.6T standartları için, hem PAM4 (daha uzun bir süre için) ve eşer (daha uzun bir süre) standartlaşmış olmalıdır.
Fotonik Entegrasyon ve Ambalaj
Parasitics'i en aza indirmek ve ayak izi azaltmak için, entegre fotonik devreler (PICs) giderek daha fazla istihdam edilmektedir. Silikon fotonik platformları, yüksek hızlı fotodiodların (Ge-on-Si veya Si-Gejunction) tümünü ortadan kaldırmak için, TIAs ve modülerler, ve fotodizorları tek bir ölüme daha fazla azaltır.
Ambalaj teknikleri şunları içerir:
- [FONT=0]Flip-chip Connection[[[DÜT:1) – Photodiode mesa, hem elektrik hem de termal yolları sağlayan bir CMOS TIA çipine geri döndü.
- [FONT:0]3D entegrasyonu[[[DNTT:1) - Mikro-bumps veya via- ⁇ vias (TSVs) kullanarak fotonik ve elektronikler toplamak.
- [FONTcal sub-assembly) – V-grooves ile bağlantılı Fiber serisi, kenar darbesi için lenslerle birlikte.
İyi tasarlanmış bir paket, yansıma katını azaltabilir (S-11) aşağıdaki -15 dB'yi 70 GHz'e kadar, frekans yanıtında dalgalar kaçınır.
Termal Yönetim
Isı dağılımı ısı bataklığı, termal arayüz malzemeleri (TIMs) ve gerekirse, termoelektrik soğutucuları (TECs) lazerler için ısı geçişi yapılır. Alıcı modüllerinde TIA ana ısı kaynağı (1-2 W kanal başına). Gelişmiş modüller, bakır para yapıları durumunda ısıyı duruma yaymak için kullanılır.En yapışkan modüller için işletim sıcaklığı aralığı 0-70.000C (kommerik) veya -40-85°C (endüstriyel önyargılar)
Yüksek Hız Alıcılarının Test ve Geçerliliği
Bir optik alıcının 100G+'daki özelliklerini karşıladığını belirtmek, özel test ekipmanlarını ve dikkatli ölçüm metodolojilerini gerektirir.
- [FONTcal modulation analysisr (OMA))[TAM4 veya eşanlı test kalıpları ve alınan göz diyagramı ele alır. Anahtar metrikler: göz açma (iç göz yüksekliği, dış göz yüksekliği), verici ve göz kapanması (TDECQ).
- [FONT=0)Bit-terör oranı testier (BERT))[CDR çıktısında BER. PAM4 için dört seviyeli bir model jeneratörü ve saat kurtarmasını kullanır.
- [FONT:0]Frequency-response ölçüm[Dönetici:0) – Bir vektör ağı analiz cihazı (VNA) optik bir bileşenle (örneğin, 70 inç fotodiode ve bir ışık dalgası bileşeni analizörü) alıcının S21 ve S11'sini ölçmek için.
- [FONT:0] Sayı ve hassasiyet testi[[Dönetici:0)[Dönetici:0)))[Dönetici:0))))) - Bu noktada optik girdi gücü alıcı duyarlılığını tanımlayana kadar (FEC) limitine ulaşır.
Test, başlangıç koşulu için dikkate almalıdır (single-mode fiber, polarizasyon), sıcaklık ve yaşlanma. Birçok test evleri ayrıca gerçek dünya ortamlarını simüle etmek için ek dağıtım ve kutuplaşma rotasyonları ile stres testlerini gerçekleştirmektedir.
Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Trendleri
Araştırma ve geliştirme, optik alıcı performansının sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Birkaç alan, şerit başına 200G'deki bir sonraki nesil sistemler için söz veriyor ve ötesinde.
Silikon Fotonikleri Gelişmiş CMOS ile
Mevcut silikon fotonik platformları zaten modültörler, fotodiodes ve bazı elektronikleri entegre ediyor. Bir sonraki adım tüm alıcı fonksiyonlarının (fotoğraf, TIA, ADC, DSP) tek bir 7-nm veya 5-nm FinFET süreci üzerindedir. Bu, 100G+ uygulama için dramatik bir şekilde parasitik indükleme, daha düşük güç ve daha düşük maliyet Şirketleri azaltacaktır.
Fotodetectors için roman malzemeleri
Grafikte ve geçiş metal dichalcogenides (TMDs) gibi iki boyutlu malzemeler ultra yüksek taşıyıcı hareketliliği ve geniş bantlı absürtücüler göstermiştir, ancak kararlılık ve manufacturability hala düşük kalır (0.01-0.1 A/W). siyah fobiler gibi diğer malzemeler [fosforusu) 2 adet tonable bandgap ve yüksek sorumlus sunar.
Gerçek Zamanlı İşaret İşlemede Makine Öğrenme
Neural ağları ve derin öğrenme, hem lineer olmayan sistemlerde geleneksel eşitleştiriciler, potansiyel olarak daha uzun bir başlangıç gücüne izin verebilir. Örneğin, bu tür DSP mimarlıklarının bir konvoluasyonlu sinir ağı (CNN) tabanlı eşitleme, hem lineer olmayan modüllerde (Kerr etkisi, XPM) daha uzun süregelen sistemlerde ve analog ağ hızlandırıcı sistemlerde kullanım ve geçebilmeleri gerekir.
Gelişmiş Modulation and DSP Schemes
PAM4 ve DP-16QAM'ın ötesinde, gelecekteki standartlar PAM8, 64QAM veya olasılıksal bir takım şekillendirmeye (devap) daha iyi maç kanal özelliklerine ihtiyaç duyar. PAM8 için, alıcı lineerliği gereksinimleri daha da sıkı bir şekilde genişletilebilir ve SNR cezası daha büyük hale gelir.D) için, alıcının 64QAM (örneğin, 64QAM) aynı zamanda daha fazla gürültüyü takip etmesi gerekir.
Gelişmiş Ambalaj ve Co-Packaged Optik
CPO'da alıcı fotodiodes'un (CPO) optik motor (receiver ve verici) çok yakın, yüksek bant genişliği ve daha düşük güç tüketimine izin veren birçok endüstriden yoksundur. CPO'da alıcı fotodiodes doğrudan ASONIC paketine bağlanır ve fiber diziler, örneğin, yüksek bant genişliği ve daha düşük güç tasarrufu sağlar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
100G ve ötesinde optik alıcılar, hedef uygulamaya dayalı olarak çok disiplinli bir meydan okumadır, analog devre tasarımı, paketleme ve dijital sinyal işleme. Anahtar performans eksenleri - bant genişliği, gürültü, lineerlik, güç ve maliyet - ilgili olarak, mühendislere hedef uygulamaya dayalı olarak ticari-yaratıcılar yapmak için meydan okumalar gerekir. Direkt-tament PAM4 alıcıları kısa erişim bağlantılarına hükmeterek, ancak koherent alıcılar uzun süreli veri aktarımında uzun süreli olarak hükmedeceklerdir.