Giriş: Data Center Interconnects'teki Optik Alıcıların Eleştirel Rolü

Modern dijital altyapı, her DCI'nin kalbinde, bu bağlantının sonlandırılması için veri kümesine sahiptir ve alıcı, bu bağlantıları coğrafi olarak dağıtılırken, alıcı performansı şekillendiren en etkili iki parametreyi başarıyla tanımlar.()

Bu makale, optik alıcı bant genişliği ve duyarlılığın fizik ve mühendisliğine derin bir dalış sağlar, bu kavramların performans tuzaklarından kaçınmanıza ve yatırıma geri dönmenize yardımcı olacaktır. 400 Gbit / intra-data-merkezli bağlantı veya 1.6 Tbit / uzun vadeli bir bağlantı planlasanız, bu kavramların ustalaştırılması, performans tuzaklarından kaçınmanıza ve yatırıma geri dönmesine yardımcı olacaktır.

Optik Alıcı Band genişliğini anlamak

Frekans Yanıtı ve 3 dB Point

Fotoniklerde, optik bir alıcının genişliği, cihazın düşük frekanslı tepkisine göre frekans aralığı olarak tanımlanır. Genellikle gelen optik güç tarafından belirlenir, PAM-4 veya QAM-16 gibi yüksek frekanslı modlama biçimleri için uygundur.

Bir alıcının genişliği birkaç faktörle sınırlıdır: kısa erişimli DCIs'in bant genişliğine ulaşmak için 100 Gbit /s'i kullanıyor olabilir ve transimpedans yükselteçleri 50 GHz veya daha fazla, genellikle Geon-Si veya InGaAs gibi gelişmiş malzemeler kullanıyor olabilir.

Data Rate ve Signal Integrity üzerindeki etkisi

Band geniş doğrudan bir üst sınırda kullanılabilir bir veri oranı oluşturuyor.The Shannon-Hartley theorem bize kanal kapasitesinin bant genişliğiyle büyüdüğünü, ancak uygulamada, modulation format ve sinyal-to-noise oranı (SNR) aynı zamanda alıcı bant genişliği yetersiz olduğunda, veri pulunun yukarı doğru gittiğini söylüyor: artış ve aşağı yukarı doğrulanmış, doğrulayıcıların eşitsiz hale geliyor.

Yenier DCI standartları, 800GE ve gelişmekte olan 1.6T Ethernet gibi, alıcıları 60 GHz'yi aştı. Ancak, sadece fotodiode'nin bant genişliğini azaltarak diğer parametreleri azaltabilir -özellikle de hassaslık - daha küçük fotodiodlar daha az sayıda fotozorasyon ticaret-offları toplar.

Gürültü Yüksek Band genişleyen Zorluklar

Wider bant genişliği kaçınılmaz olarak daha fazla gürültü sağlar. Alıcı çıkışındaki toplam gürültü, alıcının frekansı aralığı üzerindeki gürültünün ayrılmaz bir parçasıdır: TIA'dan gelen ısı gürültüsü, fotoğraflı ses filtrelemesi tüm bir araya gelir.Inchannel doubles, the bütünleşik gürültü gücü kabaca çiftleri (3 dB artış) eğer gürültüyü azaltmak hassas bir cezayı ayarlar: yüksek bant genişliği alıcıdan yüksek gürültüyü telafi etmek veya daha iyi gürültü filtrelemek için.

Mühendisler bunu dikkatli TIA tasarımıyla savaşıyor, düşük uçları kullanarak, yükselticiden sonra bant genişliği ve dijital sinyal işleme (DSP) ev sahibi tarafta. Ancak temel fizik kalır: 0,0. bant genişliği ve gürültü kullanılabilir).

Alıcı Hassasiyetinin İmzalanması

Bit-Error Oranı ve Asgari Tespiti

Alıcı duyarlılığı, belirtilen BER'ye ulaşmak için fotodiode gerekli minimum optik güç olarak tanımlanır - örneğin veri merkezi bağlantıları için 10-12. genellikle dBm. daha hassas bir alıcı (düşükücü dBm değeri) daha zayıf sinyalleri tespit edebilir, bu da uzun vadeli bir koda sahip olabilir - aynı veri hızında 10 dBm.

Hassasiyet alıcının gürültü özelliklerine bağlıdır, modulation formatı ve fotodetector verimliliğinin bir fonksiyonu olarak ifade edilir: ideal bir fotodiode için, BER, NEP'in sayısını azaltmaktadır. - gerçek sistemlerde, elektronik baskınlardan ısıtılır, bu nedenle hassaslık genellikle alıcının seviyesi olarak ifade edilir.0)

Bağlantı bütçesi bir DCI'deki tüm optik güç kayıplarının muhasebesidir: Fiber intenasyon, bağlayıcı kayıplar, splices ve dağıtım cezaları. alıcı duyarlılığı, bütçeyi kapatmak için daha düşük bir kabloya ihtiyaç duyar. 20 dB'nin kaybı olan bir alıcıya sahip olmak, verici fırlatma +0 dBm'ye karşı hassasiyet gösterirse, o zaman bağlantı sadece dBm'ye ihtiyaç duyar.

Uzun zamandır DCIs yüzlerce kilometre boyunca, hassaslık genellikle en kritik parametredir. Bu yüzden uzun mesafe bağlantıların ortak algılamaya dayanır, bu da alınan sinyali artırmak için yerel bir osilatör lazer kullanır, doğrudan algılama ile kıyaslanma hassasiyetini artırır. - Birkaç yüz metre uzunluğundaki merkezi bağlantılar, hassaslık, en yüksek veri oranlarına öncelik verir.

Hassasiyet geliştirmek için teknikler

Birkaç mühendislik yaklaşımları alıcıyı olumsuz dBm aralığında daha derine itiyor:

  • [FONT:0)Avalanche fotodiodes (APD): [DDDs:[D) APDs, TIA'ya ulaşmadan önce fotoğraflı (multiplication) sağlar ve 100 Gbit / için göreceli etkisi azaltır.
  • DSP ile ilgili tespit: [DSPT:1] Gelen sinyali güçlü bir yerel osilatör ile karıştırarak, koherent alıcılar, kuantum sınırlı hassasiyete yakın bir şekilde ulaşırlar. Gelişmiş DSP, kormatik dağıtım ve polarizasyon için telafi eder, daha etkili sistem duyarlılığını geliştirir.
  • [FONTD:0) Optical pre-amplification: Düşük dozlu bir fiber yükselteç (EDFA) hemen alıcı duyarlılığı artırmaktan önce, ancak maliyet ve karmaşıklık sağlar.
  • [FONT:0)Device optimizasyonu: [Dönetici:0] Fotodiode karanlık akımını azaltmak, antirefleksiyon kaplamalarını optimize etmek ve fotodiode'yi düşük dozda TIA'yı aynı çipe entegre etmek daha iyi hassasiyetlere katkıda bulunur.

Band geniş ve hassaslık arasındaki Interplay

Fotodiode Design-offs in Photodiode Design

Band genişliği ve duyarlılığı temel olarak fotodetektörlerin fiziği ile bağlantılıdır. Gürültüyü artırmak için tasarımcılar genellikle fotodiode'nin aktif alanını azaltır ve / veya absorpsiyon tabakasının kalınlığını azaltır, ancak daha az fototometreyi azaltırlar (C ⁇ A), bu da RC-sınırlı bant genişliğini arttırır, ancak aynı zamanda daha az fotozorpsiyon azaltır.

Bu ticaret, PIN'ler için ölçüldü:0)-grup genişliği ürün[Dönetici:0) APDs veya [[Dönetici:2|Döneticilik-banlı ürün[Döneticileri için[Dönetici için 3][5 A / W. Belirli bir malzeme sistemi için, sistemle ilgili verileri aynı anda bir araya getiren en yüksek bir ürün olmalıdır.

GürültüFigure Front-Bitişinde Düşünür

Fotodiode'nin TIA aşağı akışı da bant genişliğine zarar verir. Geniş bant genişliği için tasarlanmış bir TIA genellikle RC zamanını sürekli azaltmak için daha düşük geri bildirim direnci kullanır, ancak bu, termal gürültüyü artırır, yüksek derecede verimsiz bir TIA verim verir.

Modern alıcı modülleri kullanım süresi:0) Belirli bir silikon-germanyum (SiGe) BiCMOS işlemi, kanal genişliğini% 0.5-1 dB hassasiyet cezasına uygun hale getirmesine izin veriyor.

UygulamaDriven Optimizasyonu: Kısa-Reach vs. Long-Haul

Uygulamada, en uygun denge DCI uygulamasına bağlıdır:

  • [[Dönetici:0) DCIs (≤10 km): [Dönder: 1.Bölümler düşük ve fiber intenuation en az 400, 800 veya 1.6 Tbit / iletileri desteklemek için önceliklidir.
  • [FONT=0]Long-haul DCIs (≥80 km): ) Fiber kaybı ve dağıtım bir araya gelir, bu nedenle bağlantı bütçeleri sıkıdır. Burada, hassaslık parasaldır. Coherent alıcılar ile -20 dBm duyarlılığı standarttır, ancak onların bant genişliği 60 GHz ile sınırlı olabilir. DSP daha düşük analog bant genişliğine rağmen verileri geri döndürür.
  • [FONT=0)Metro-range DCIs (10-80 km): Dikkatli bir ticaret ve silikon fotonikler tarafından etkinleştirilen birçok yeni (örneğin, 400ZR) orta bant genişliği (yaklaşık 60) ve mükemmel hassasiyetle çalışır (yaklaşık 62-dBm) gelişmiş CMOS ASICs ve silikon fotonikler.

DCI Deployment için Pratik Bakışlar

Bir SistemLevel View: Uzak, Data Rate ve Power Budget

DCI'yi planlarken, ilk adım, fiziksel katman bütçesine dayanan gerekli alıcı özelliklerini hesaplamaktır. 400 Gbit /s'te PAM-4 kullanarak, tahmin edilen kayıp 5 dB (fiber artı konektörler) Tipik 400G-FR4 optik modüle ihtiyaç duyulabilir -5.5 dBm (OMA, dış) +2 dBm'in gücü ile bağlantı marjı yeterli değildir.

800 Gbit /s (örneğin 800G-LR kullanarak), kayıp 25 dB'yi aşabilir (yaklaşık 60 GHz) bir yerel osilatör ve gelişmiş DSP ile birlikte.Bu alıcının genişliği hala 800G DP-16QAM için kullanılan 106 Gbaud sembolünü desteklemelidir.

Not: PIN, APD veya Coherent?

Alıcı teknolojisinin seçimi, bant genişliğine bağlı ticarete doğrudan bir sonuçtur:

  • [FONT:0]PIN fotodiodes[[[DÜT:1] kısa erişimde çok yüksek bant genişliği için en iyisidir, düşük maliyetli uygulamalar. Basit DC önyargı sunar, fazla gürültü ve 12 dB ile bağlantı bütçeleri için yeterli hassasiyet sunar.
  • [FONT:0)APDs[DDD) 3-5 dB'nin PIN'ler üzerinde duyarlılığın iyileştirilmesi, onları koherent algılamanın çok pahalı olduğu metro bağlantıları için ideal hale getirmek. APD bant genişliği bugün, 40 GHz cihazı ile 100G ve 200G ER/FR uygulamaları yaygındır.
  • [FONT=0]Koherent alıcılar [[Döneticiler], APDs'ten daha iyi (>15 dB) daha iyi, ancak fotodiode'den daha iyi örnekleme oranı gerektirir.

Fiber çift başına 1,6 Tbit /s'e doğru itmek ve ötesinde, alıcı bant genişliği 100 GHz. Silikon fotonik modüller ve Ge fotodiodes, 80+ GHz'yi düşük gürültüyü sürdürürken elde etmek için alıcı ön uçları gerektirecektir.

Başka bir eğilim, alıcı bant genişliği gereksinimini alt üst düzeye çıkarır, daha düşük bant genişliği alıcılara geçiş yapar. ancak, DSP'ye karmaşıklık ve dijital karmaşıklığı arasındaki ticarete geçiş devam edecektir.

Sonuç: Dengeli Tasarım ile Performans

Optik alıcı bant genişliği ve duyarlılığı bağımsız parametreler değildir; aynı para biriminin iki tarafıdır. Geniş bant genişliği alıcı, gürültüyü sınırlamak için dikkatli bir şekilde mühendisi olmalıdır, yüksek hızda karşı karşıya kalan alıcılar için genellikle en üst düzey hızlara rağmen, doğru denge mesafeye bağlıdır, veri oranı, maliyet kısıtlamaları ve teknoloji olgunluğu.

Network tasarımcıları, her üründe somut olan ticaret-dönüşümlerini anlamak için optik modül satıcılarla yakından çalışmalıdır. 3 dB bant genişliği, hedef BER ve gürültü rakamlarında hassasiyet, DCI hızları 1.6 Tbit /s'e doğru yürüyüş yaparken, ve sonunda 3.2 Tbit /s, bant genişliği ve duyarlılığın Interplay'i sadece daha kritik hale getirecek.Bu temelleri ustalıkla, mühendisler sadece hızlı ve güvenilir olmayan bağlantılar kurabilirler, aynı zamanda maliyetle ve gelecekteki hızlara da mal olur.

Daha fazla okuma için, [[0) alıcı bant genişliğine teknik olarak derin bir şekilde atla ([Dönetici:0) Sale için Fiber Optikten (Çalışan), [[Üye Olmayan Fotoğraf Dergisi)[Döneticileri Üst Derece Alacak Tasarımda (DOI:10.11094567) ve [[Döneticileri)

Anahtarlama bant genişliği ve duyarlılığı dikkatlice dengelemek için, bir sonraki DCIs nesli bankayı bozmadan bant genişliği talebiyle buluşacaktır.