Data Centers'daki Low-Noise Optik Alıcıların Büyütmesi
Modern veri merkezleri, küresel dijital altyapının arka kemiği oluşturur, bulut bilişiminden ve video akışlarından yapay zekaya ve 5G ağlarına kadar her şeyi destekler.Veri oranları tırmanmaya devam ettikçe, fiber optik bağlantı bağlantıları hem de ara-data-merkezli iletişim için standart haline gelir.Bu bağlantıların kalbindeki optik sinyalleri elektrik alanına dönüştürmekten sorumlu bir cihazdır.
Düşük boyutlu optik alıcılar sadece bileşen seçiminde bir egzersiz değildir; on binlerce transistör işletmesi ve sistem düzeyinde optimizasyon. Aşırı gürültü ile alıcının duyarlılığını sınırlayabilir, mühendislerden daha yüksek verici güç, daha pahalı amplifikasyon aşamalarını kullanmalarını veya daha kısa sürede elde etmelerini gerektirir.
Optik Alıcılarda Temel Gürültü Kaynağı
Etkili düşük alıcıları tasarlamak için mühendisler öncelikle alıcı zincirindeki gürültünün fiziksel kökenlerini anlamalıdır.Her gürültü kaynağı, minimum tespit edilebilir optik güçte temel bir limiti uygular ve farklı gürültü mekanizmaları farklı çalışma koşullarında hakimdir.
Shot Gürültü
Shot gürültüsü foton absorpsiyon ve fotoelectron neslinin ayrı doğasından kaynaklanmaktadır. Temel olarak kuantum sınırlı ve kaldırılamaz, sadece optimal tasarım ile yaklaşılır.The Shot-to-noise rate (SNR) çünkü alınan optik güç artışları ile, atış gürültüsünün gücü de artar. Düşük ışık koşullarında, ancak atış gürültüsü genellikle mevcut verimlilik için en yüksek hassasiyet katını ayarlar.
Dark Current ve Onun Etkisi
Karanlık akım, ışık yokluğunda bir fotodiode aracılığıyla akışların, ek bir atış gürültü bileşenine katkıda bulunur. 25 Gb /s ve ötesinde çalışan yüksek hızlı veri merkezi alıcılar için, yüksek çözünürlükte ve uygun termal yönetimde bulunan karanlık akım genellikle çok düşük (namper veya daha az), ancak yüksek sıcaklıklarda, karanlık akımlar ve düşük hassasiyetle fotodiyotları seçebilir.
Termal Gürültü
Termal gürültü (ayrıca Johnson-Nyquist gürültü) direnç, sıcaklık ve bant genişliğinden kaynaklanır. TIA'nın geri beslemesi özellikle transimped yükseltici (TIA) ve daha sonraki herhangi bir aşamayı azaltır.Bu işlem, ısı geçişi, elektriksel gürültünün ve gürültünün merkezi ile TIA tasarımı ve bant genişliği ile orantılıdır.
Relative Intensity Gürültü Gürültü
Relative gürültü (RIN) lazer kaynağı tarafından yayılan optik güçteki dalgalanmaları açıklar. RIN vericide ortaya çıkarsa, alıcı ısı gürültünün düşük olduğu yüksek oranda alınır.Veri merkezleri için doğrudan modlu lazerler (DML) kullanarak bağlantılar için RIN değerleri genellikle alınan sinyale ulaşır ve RIN'nin RIN'i sınırlandırır.
Avalanche Excess Gürültü
Avalanche fotodiodes (APDs), termal gürültü hakim olduğunda alıcı duyarlılığı artırmak için içsel kazanç sağlar. Ancak, avalanche multiplikasyon işlemi doğal olarak stochastic, aşırı gürültü faktörü F (M) için aşırı gürültü faktörü F (F ~ 5 ila 10) için, aşırı gürültü faktörünün bozulmasına karşı aşırı gürültü faktörü oldukça düşük (F ~ 2 ila 3), ancak 1310 nm ve 1550 nm bandında kullanılan APDS için çok daha yüksek (F ~ 5 ila 10) için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte ve bu nedenle yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanılabilir.
Low-Noise Optik Alıcılar için Core Design Strategies
Gürültü kaynaklarının ayrıntılı bir anlayışla, bir sonraki adım bu bilgiyi beton tasarım seçeneklerine dönüştürmektir. Aşağıdaki stratejiler, veri merkezi uygulamaları için Önkoşul genişliğini korurken alıcı gürültüyü minime sistematik bir yaklaşım oluşturur.
Fotodetector Selection ve Optimizasyon
Fotodetector, alıcı zincirindeki ilk elementtir ve özellikleri genel gürültü performansı üzerinde yüksek etkiye sahiptir. 850 nm (multimode fiber), GaAs veya silikon pin fotodiodes yaygındır. 1310 nm ve 1550 nm tek mod bağlantıları için gerekli optik gücü azaltır,InGaAs pin fotodiodes, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yer alan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte sağlar.
pin ve APD fotodiodes arasında seçim yaparken, karar, fiber kaybının daha önemli olduğu bağlantı bütçesi ve veri oranına bağlıdır. kısa erişim veri merkezi bağlantıları ( 2 km'den az), pin fotodiodes genellikle daha düşük maliyet, yüksek güvenilirlik ve aşırı gürültü eksikliği nedeniyle tercih edilir. Daha uzun süre boyunca, fiber kaybının daha önemli olduğu için, APDs, 5 ila 8 dB'ye karşılaştırıldığında, yüksek önyargılı gerilimin maliyeti ve daha karmaşık bir sıcaklık tazminatı ile önemli ölçüde daha yüksek.
Low-Noise Transimpedance Amplifier Design
TIA, alıcıdaki en kritik elektronik bileşenidir. birincil işlevi, alıcı bant genişliğine göre yeterli amplitüdikasyon ile bir gerilim sinyaline dönüştürülmektir. Anahtar tasarım teknikleri aşağıdaki limitli yükselteçler veya saat-ve-data kurtarma (CDR) devreleri. TIA'nın gürültü performansı, alıcı bant genişliği üzerinde en aza indirmek için geçerli olan girdi-re gürültüsü performansı ile yönetilir.
- [FONT:0)Feedback direnç optimizasyonu: Geri bildirim direnci RF ısı gürültüyü azaltır ancak bant genişliğini azaltır.En iyi RF, gerekli bant genişliğine karşı gürültünün dengelendiği yerde bulunur.
- [[Dönetici:0)Input transistör seçimi:[Dönetici için) giriş transistör (tipik olarak ortak bir şekilde) InP veya SiGe BiCMOS süreçleri yüksek frekanslarda mükemmel bir gürültü performansı sunar.
- [FONT:0) İndüktif zirve:[Dönetici:[Dönetici: 0) Dizi veya shunt indüktif zirve, RF'yi azaltmanın gürültü cezası olmadan genişletebilir. Bu teknik, 100G ve 400G uygulamaları için yüksek hızlı TIAs'de yaygın olarak kullanılmaktadır.
- [FONT:0)Differential topoloji:[Dönetici:[Dönetici:0)Differential topoloji:[Dönetici:[Dönetici: 0) Diferansiyel TIAs teklif ortak mod reddedilmesi ve güç tedarik gürültüyü azaltmak, yüksek enerji tüketimi ve biraz daha karmaşık bir düzen pahasına.
Modern TIA tasarımları genellikle otomatik kazanç kontrolü (AGC) geniş bir giriş foto akımları üzerinde sabit bir çıkış hızı korumak için entegre eder.Bu, TIA'nın düşük güçte gürültü performansını korumak için yüksek oranda elde edilen güçten çıkmasını önler. AGC döngü ek gürültü veya bozulmayı önlemek için dikkatli bir şekilde tasarlanmıştır.
Devre Layout ve Shielding Teknikleri
En iyi bileşen seçimi bile zayıf devre düzeni tarafından zayıflatılabilir. Alıcının ön uçları son derece küçük sinyallerle (mikroamps of photocurrent) çalışır ve elektromanyetik müdahaleye karşı savunmasızdır (EMI) ve haçlı bir düzen yönergeleri içerir:
- [FONT:0) Parasitik kapasitans:[Dönetici:0) Fotoğrafçı, kontraksiyon, bağ ped kapasitesi ve TIA girişi tüm birlikte ve limit bant genişliğini bir araya getirir.
- [FONT:0)Proper zemin ve güç tedariki kesintiye uğratmak: Düşük hacimli bir zemin uçağı ve frekans spektrumu boyunca birden fazla dekouplama kapasiteliler sinyal yolundan güç tedarik gürültülerini engeller.
- [FONT:0)Shielding: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Metal kalkanı, özellikle alıcının dijital ASIC veya anahtarlama güç malzemeleriyle birlikte bulunduğunda ön uçları koruyor.
- [FONT:0)Farklı sinyal routing:) Farklı izlerini uzun zamandır uyumlu ve yakından takip eden çiftlerin ortak mod reddedilmesini sağlar ve dış alanlara kıyasla algılanabilirliğini azaltır.
Silikon fotonikleri entegrasyonu gibi gelişmiş ambalaj teknikleri, fotodiode ve TIA'nın aynı ölüde veya yakından entegre edilmiş bir hibrit toplantıda üretilmesine izin verir. Bu, interconnect parasitics'i azaltır ve geleneksel tel-bonded yaklaşımlarına kıyasla daha yüksek bant genişliği ve daha düşük gürültüyü sağlar.
Gürültü Azaltılması için Gelişmiş Teknikler
Veri oranları 100 Gb /'nin ötesine geçerken, geleneksel tasarım yaklaşımları yetersiz hale gelir. Araştırmacılar ve endüstri mühendisleri gürültüyü daha da azaltmak ve veri merkezi bağlantılarının erişimini genişletmek için birkaç ileri teknik takip ediyorlar.
Tümleşik Fotonikler ve Co-Design
Silikon fotonikleri yüksek hacimli, düşük maliyetli optik transceivers için lider bir platform olarak ortaya çıktı. Fotoğrafçıları, modülatörler ve hatta TIAs on the same çip, silikon fotonikler çarpıcı şekilde bağlantı parasitics ve yeni gürültü azaltma stratejilerini azalttı. Örneğin, fotoğraf makinesinin yüksek hızlarını en aza indirmek için optimize edilmiş bir çiftliğe sahip olabilir.TIA, yüksek hıza sahipken daha karmaşık bir çiftliğe sahip olabilir.
Adaptif Signal Processing ve Equalization
Yüksek hızlı alıcılarda, kanal dağılımı ve bant sınırlamaları gibi bozulmalar sinyalin düşmesi ve gürültü zeminini etkili bir şekilde artırması gibi. Dijital sinyal işleme (DSP) teknikleri, besleme tabanlı eşitleme (FFE), karar geri bildirim eşitleme (DFE), ve maksimum benzeri tahminler (MLSE), bu bozulmalar ve sinyal bütünlüğü için telafi edebilir.Intra-symbol (ISI), DSP tabanlı eşitlemeler dahil olmak üzere alıcının gürültü zeminlerine daha yakın çalışmalarına izin verir.
Roman Malzemeler ve Gelişmiş Fotodiode Yapıları
Malzeme bilimi, fotodetector performansının sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Almanium-on- ⁇ (Ge-on-Si) fotodiodes, algılama aralığına daha fazla uzatan yüksek çözünürlükte, düşük maliyetli CMOS-ailetörlerin daha yüksek çözünürlükte olduğu gibi, daha yüksek çözünürlükte olan iki boyutlu malzemelerin kullanımı ile daha düşük maliyetlidir.
Data Center Links için Coherent Tespit
Coherent algılama, geleneksel olarak uzun mesafeli olarak kullanılır, alıcı termal gürültüyü etkili bir şekilde bastırır, özellikle 800G ve 1.6T bağlantıları için. Eş zamanlı alıcılarda kullanılan, gelen sinyal, yüksek bir yerel osilatör (LO) ışığıyla karıştırılır ve eşan alıcıların ısıtılması, şarj edilebilir performansına olanak sağlar.Bu, özellikle de 10-16 algılama için kullanılan dengeli bir şekilde optimize edilmiş durumda.
Pratik Uygulamayı Değerlendirme
Üretime yönelik simülasyondan düşük bir tasarım yapmak, son performansı yapabilen veya kırabilecek birkaç pratik noktaya dikkat gerektirir. Aşağıdaki düşünceler veri merkezindeki başarılı dağıtım için kritiktir.
Termal Yönetim ve Güvenilirlik
Gürültü performansı sıcaklıkla azalır. Fotoğrafta karanlık akım her 10°C artışı için yaklaşık iki kat daha fazla ısınır, daha yüksek ısı gürültüsü nedeniyle sıcaklık artışları da artar. Data center transceivers, sisteme güvenilir bir şekilde çalışmalıdır (örneğin, QSFP-D ve OSFP gibi yüksek sıcaklık aralığına kadar).
Ürünler ve üretim Variability
Yarı iletkenlik, fotodiode responsivity gibi anahtar parametrelerde varılabilirlik sağlar, TIA kazanır ve geri bildirim direnci kazanır. Düşük devreli tasarım, ticaretteki önyargılar veya geri bildirimlerle karşı karşıya kalabilir. Tasarımcılar, düşük üretim verimini telafi etmek için Monte Carlo simülasyonları gerçekleştirmek için süreç köşeleri boyunca performansları telafi etmek için performans gösterir.
Test ve Karakterizasyon
Optik bir alıcının gürültü performansını doğrulamak, özel test ekipman gerektirir. Hassasiyet genellikle hedef kitleye ulaşmak için gerekli olan ortalama optik güç olarak ölçülmelidir (ortalama 1E-12). Optik modülasyon analizörleri (OMAs) ve biraz hata oranı test cihazları (BERTs) standarttır. Kapsamlı karakterizasyon için, mühendisler de alıcının giriş-vardaki gürültüyü ölçmek zorundadır.
Güç Supply Thinkations
Güç tedarik raylarında gürültü, alıcının SNR'sini ikiye katlayabilir ve yüksek güç tedarik oranına (PSRR) sahip olduğu yüksek güç miktarına göre çok temiz tedarik gerilimleri gerektirir ve her aşama, birbiriyle bağlantılı darbelerin tüm güç dağıtımını önlemek için kendi özel LDO'yu kullanabilir.Inpass-drop (ESR) ve düşük gerilimlere sahip taşıyıcıları düşük basınç (ESR) ve yüksek çözünürlükte yer alır.
Future Trends and Challenges
Veri merkezi trafiğinin sürekli büyümesi optik alıcı tasarımında inovasyonu kullanmaya devam ediyor. Birkaç trend, bir sonraki düşük alıcıların nesillerini şekillendirecek.
Lanet başına 200 Gb /
Endüstri yol haritası, PAM-4 modulation kullanarak 200 Gb /s'e doğru ilerliyor. Bu hızlarda, alıcı bant genişliği 70 GHz'i aşmalıdır, bu fotodiode ve TIA'da aşırı talepler incelenir, daha da kritik hale gelir, çünkü PAM-4 bu verilerle her biri daha küçük bir gürültü marjını kullanır, PAM-8 veya hatta dolaylı multi-tone (DMT) kullanılarak algılanır ve daha yüksek doğrusallık ve daha düşük gürültü gerektirir.
Co-Packaged Optik ve Chiplets
Anahtarlama şişeleri ve güç tüketiminin yanı sıra, endüstri, uyumlu optiklere (CPO) doğru hareket eder, çünkü fotoğraf ve TIAs dahil olmak üzere optik motor aynı pakete entegre değildir. ancak, elektrik bağlantı uzunluğu, daha düşük güç ve gürültüyü artırmak için CPO daha temiz bir ortam sunar.
Optimizasyon için Makine Öğrenme
Makine öğrenme teknikleri, alıcı tasarımı dahil optik iletişimdeki uygulamaları bulmaya başlıyor. ML algoritmaları, geleneksel doğrusal eşitleştiricilerin ele alınabileceği ve sistemleri dinamik olmayan bir sistem olarak tedavi etmek için gerçek zamanlı olarak ayarlar. ML, performansları temel gürültü sınırlarına daha da yakın bir şekilde zorlayabilir.
Heterojen integral
Düşük doz alıcıların geleceği heterojen entegrasyonda, farklı malzemeler ve cihaz türleri tek bir platformda birleştirilir. Bu, yüksek hızlı fotonikler için SiGe'de yüksek çözünürlükte, hatta III-V lazerler ile silikon fotonik devreleri ile entegre edebilir. Her materyal sistemi en iyi sınıf performansı için seçilir:GaAs for photodete, SiGe yüksek hızlı elektronikler için SiGe ve yoğun pasif fotonikler için silikon.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Veri merkezi uygulamaları için düşük boyutlu alıcılar tasarlamak, fotonikler, analog devre tasarımı, malzemeler bilimi ve sistem mühendisliği gibi sınırları ele alan çok disiplinli bir meydan okumadır. Temel gürültü kaynakları - gürültü, termal gürültü, RIN ve yüksek hacimli aşırı gürültü - hassaslığa karşı zor sınırlar başlatabilir, ancak pratik cihazlarda bu sınırların yaklaşılması. Strategies gibi karmaşık optimizasyon, düşük maliyetli TIA tasarımı, yüksek çözünürlük, yüksek çözünürlük, yüksek çözünürlükte zaten iyi kurulmuştur.
İleriye bakıldığında, entegre fotonikler, tutarlı algılama ve adaptif sinyal işleme sözlüğü daha da iyileştirici, veri merkezlerinin kanal için üst düzey büyüyen taleple tanışmasını sağlar.Bu amacın 200 Gb /s perway, co-packaged optik ve AI-güdümlü optimizasyon, mühendislerin ingenuityunu test edecektir, ancak temel amaç değişmeden kalacaktır: gelen fotonları en düşük olası gürültü ile elektriksel olarak büyümeye dönüştürmek.
Daha fazla okuma için dış bağlantılar:
- [FONT:0]IEEE[DÜT 1: 1)
- [0]SPIE Digital Library [Dönetici:0)
- [FOEC Konferansı] (İngilizce).
- [FONT:0)Optica (eski OSA)).